JP6059370B2 - スライド摩擦式ナノ発電機および発電方法 - Google Patents
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-
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- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H02N1/00—Electrostatic generators or motors using a solid moving electrostatic charge carrier
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- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
- Micromachines (AREA)
Description
第1の摩擦層と、
前記第1の摩擦層の下方に接触するように配置される第1の導電素子と、
第2の摩擦層と、
前記第2の摩擦層の上方に接触するように配置される第2の導電素子と、を備え、
前記第1の摩擦層の上面は、前記第2の摩擦層の下面に対向するように配置され、
前記第1の摩擦層の上面と前記第2の摩擦層の下面は、外力が作用するとき、相対的なスライドを発生するとともに、摩擦する面積が変化し、前記第1の導電素子と前記第2の導電素子によって電気信号を外部回路に出力する。
(1)前記第1の摩擦層及び前記第2の摩擦層を準備するステップと、
(2)前記第1の摩擦層の下方及び前記第2の摩擦層の上方に接触するように配置される前記第1の導電素子及び第2の導電素子をそれぞれ形成するステップと、
(3)前記第1の摩擦層の上面と前記第2の摩擦層の下面とを接触させるステップと、
(4)前記第1の導電素子及び前記第2の導電素子と外部回路とを、電気的に接続するステップと、
(5)外力を加えることで、前記第1の摩擦層と第2の摩擦層との間に相対的なスライドを発生させて、接触面に接する相対的なスライド摩擦を発生させ、スライド過程において、相対的なスライドの距離を制御することで、前記第1の摩擦層と前記第2の摩擦層とを接触面の方向に沿って位置ずれさせて、スライド摩擦する面積を変化させるステップと、
(6)前記第1の導電素子及び前記第2の導電素子によって、電気信号を外部回路に出力するステップと、を含む。
1、原理及び適用で、新たな突破である。本発明の発電機は、2つの摩擦層間にある隙間を必要せず、2つの摩擦層を完全に接触させたり離間させたりする装置に比べて、その発電原理が異なるため、新しい設計構想を提供することができる。そして、隙間なしの設計は、弾性距離を保持するための部品の実装を省略することができるため、パッケージ技術にも便利を持たせ、より広い分野に適用することができる。
2、エネルギーを効率的に利用する。本発明の発電機は、大規模で高強度のエネルギーを入力する必要がなく、第1の摩擦層と第2の摩擦層間の相対的なスライドを駆動可能な力学的エネルギーを入力すればよい。そのため、自然や人間の日常生活によって発生された多様な強度を有する力学的エネルギーを収集して電気的エネルギーに変換することで、エネルギーの効率的な利用を実現することができる。
3、構造が簡単で、携帯が便利になり、互換性が高い。本発明の発電機は、磁石やコイル、回転子などの部品を必要しないため、構造が簡単で、体積が小さくて、製作が便利で、コストも低い。そのため、第1の摩擦層と第2の摩擦層とを相対的にスライドさせる各種の機器に実装することができる。そして、特定の動作環境を必要しないため、互換性が高い。
4、用途が広い。発電機における第1の摩擦層の上面と第2の摩擦層の下面に対して物理的変化又は化学的変性を行うことで、ナノ構造のパターンの導入又はナノ材料の塗布などを実現している。そのため、摩擦式ナノ発電機が接線方向の外力の作用で2つの摩擦層を接触させて相対的にスライドさせる時に発生する接触電荷密度を更に向上させ、発電機の出力能力を向上させることができる。このため、本発明の発電機は、小型の電力源になるとともに、高出力の発電に適用されることができる。
(1)まず、上記したルールに基づいて材料を選択して、サイズ及び形状の適宜な第1の摩擦層10及び第2の摩擦層20を形成する。
(2)第1の摩擦層10の下方及び第2の摩擦層20の上方に、それらと接触するように配置される第1の導電素子11及び第2の導電素子21を形成し、固定配置することが好ましい。例えば、堆積の方法によって、第1の導電素子11及び第2の導電素子21を、第1の摩擦層10の下面及び第2の摩擦層20の上面に直接に固定する。
(3)第2の摩擦層20の下面と第1の摩擦層10の上面を接触するように配置して、両者間でスライド摩擦を形成するようにする。このステップは、本発明の発電方法が実現する前提であり、接触/離間式のナノ発電機の発電方式と区別されるポイントである。接触/離間式の発電機は、動作過程において、2つのフィルム層間に距離の変化可能な隙間が存在しなければならず、両者は接触−離間という動作を繰り返せばこそ電気信号を発生することができる。これに対し、本発明の発電方法は、第2の摩擦層20と第1の摩擦層10の間に隙間を形成する必要がなく、電気信号の発生中に、第2の摩擦層20と第1の摩擦層10は常に接触されている。初期状態で、第1の摩擦層10の上面と第2の摩擦層20の下面を、形状及びサイズが同じようにして完全に接触させることで、摩擦する面積を最大にすることが好ましい。そして、後段の発電過程において、外力を作用するだけで、摩擦する面積を変化させ、電気信号を発生して外部に出力することができる。
(4)第1の導電素子11及び第2の導電素子21を外部回路に電気的に接続する。このステップは、発電機から発生された電気的エネルギーを外部に出力する必要な条件である。電気的な接続を実現する方法は、いろいろあるが、例えば、普通の導線による接続でもよいし、薄層による接続でもよい。具体的には、必要に応じて選択すればよい。
(5)発電機に外力を加え、第1の摩擦層10と第2の摩擦層20の間に相対的なスライドを形成させ、接触面に接する相対的なスライド摩擦を発生すると共に、スライドしている途中に、第1の摩擦層10と第2の摩擦層20を接触面の方向に沿って位置ずれさせてスライド摩擦する面積が変化するように、相対的なスライドの距離を制御する。このステップは、本発明の発電方法で最も重要なステップである。第1の摩擦層10と第2の摩擦層20の間に、相対的なスライド摩擦があるとともに、摩擦する面積が変化するように確保しなければならない。これにより、電気信号を外部回路へ出力することができる。好ましくは、第2の摩擦層20の下面及び第1の摩擦層10の上面が接触面の方向に沿って制限なしに自由にスライドするようにする。これにより、外力に対する応答感度を向上する。本発明の発電方法は、方向が周期的に反転又は大きさが周期的に変化する持続的外力を採用することが好ましい。これにより、持続に、交流パルス電気信号を外部回路に出力することができる。
第1の導電素子は、厚さ100nmである銅フィルム層を使用し、第1の摩擦層は、厚さ25μmであるテフロン(登録商標)(ポリテトラフルオロエチレン)フィルムを使用し、第2の摩擦層は、厚さ100nmであるアルミニウムフィルム層を使用し、第2の導電素子は、酸化インジウム・スズITOフィルムを使用するが、これらのフィルム層のマクロサイズは、5cm×7cmである。銅フィルム層とITOフィルム層は、導線によって電流計に接続され、テフロンフィルムとアルミニウムフィルムは、完全に重なって接触するように配置されている。絶縁手袋をはめた指で銅フィルム層を押したり引いたりする動作を繰り返すことで、テフロンフィルム層とアルミニウムフィルム層の間に周期的な相対スライドを発生させる。すると、短絡電流の電流計への出力がある場合、発電機が正常に動作することを示す。図5に示すように、本発電機によって、80個のLEDランプを点灯することができる。
厚みが50μmで、3cm×8cmサイズのPDMS(polydimethylsiloxane)を第1の摩擦層10とし、同じマクロサイズのケイ素シートを第2の摩擦層とする。ケイ素シートにフォトレジストを回転塗布し、リソグラフィーによって、フォトレジスト上に、辺がミクロン又はサブミクロレベルの長さである正方形ウィンドーアレイを形成する。リソグラフィーされたケイ素シートに対して、熱い水酸化カリウムによる化学エッチングを行い、ウィンドーにピラミッド形の凹構造のアレイを形成する。ケイ素シートとPDMSが、外力の作用で接触して相対的に滑るとき、PDMSは、比較的に良好な弾性を有するため、ケイ素表面の凹構造に進入してそれを充填する。これにより、ケイ素シートとの摩擦接触面積が増大し、よりよい電気的出力効果を取得することができる。
本実施例は、実施例1を元に、ポリテトラフルオロエチレンフィルムを変化しただけで、他の構成は実施例1と同様であるため、詳細な説明を省略する。ポリテトラフルオロエチレンフィルムの表面に、インダクタンス結合プラズマエッチング方法によって、ナノワイヤのアレイを形成する。まず、ポリテトラフルオロエチレンの表面に、スパッタリング装置によって約10nm厚さの金を堆積した後、ポリテトラフルオロエチレンフィルムをインダクタンス結合プラズマエッチング装置に入れて、金が堆積された面をエッチングし、流量をそれぞれ10sccm、15sccm及び30sccmに、単位の圧力強さを15mTorrに、動作温度を55°Cに制御したO2、Ar及びCF4のガスを導入して、400Wのパワーでプラズマを発生し、100Wのパワーでプラズマを加速する。このように、約5分間のエッチングを行った結果、絶縁フィルム層にほぼ垂直し長さが約1.5μmである高分子ポリテトラフルオロエチレンのナノ棒のアレイを取得する。
Claims (12)
- 第1の摩擦層と、
前記第1の摩擦層の下方に接触するように配置される第1の導電素子と、
第2の摩擦層と、
前記第2の摩擦層の上方に接触するように配置される第2の導電素子と、を備え、
前記第1の摩擦層の上面は、前記第2の摩擦層の下面に対向するように配置され、
前記第1の摩擦層の上面と前記第2の摩擦層の下面は、外力が作用するとき、相対的のスライドを発生するとともに、摩擦する面積が変化し、前記第1の導電素子と前記第2の導電素子によって電気信号を外部回路に出力することを特徴とするスライド摩擦式ナノ発電機。 - 前記第1の摩擦層の上面の材料と前記第2の摩擦層の下面の材料は、帯電列において差異があることを特徴とする請求項1に記載のスライド摩擦式ナノ発電機。
- 前記第1の摩擦層の上面と前記第2の摩擦層の下面は、接触するように配置されることを特徴とする請求項1又は2に記載のスライド摩擦式ナノ発電機。
- 外力が作用しない場合、前記第1の摩擦層の上面と前記第2の摩擦層の下面は離間されており、外力が作用する場合、前記第1の摩擦層の上面と前記第2の摩擦層の下面は接触して、接触面に接する相対的なスライド摩擦を発生することを特徴とする請求項1又は2に記載のスライド摩擦式ナノ発電機。
- 前記第1の摩擦層の上面及び/又は第2の摩擦層の下面は、絶縁材料又は半導体材料からなることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載のスライド摩擦式ナノ発電機。
- 前記絶縁材料は、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリジフェニルプロパンカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、ポリイミド、ポリ塩化ビニル、ポリジメチルシロキサン、ポリクロロトリフルオロエチレン、ポリテトラフルオロエチレン及びパリレンから選択され、前記半導体材料は、ヒ化ガリウム、リン化ガリウム、硫化クロム、硫化亜鉛、ガリウム−アルミニウム−ヒ素及びガリウム−ヒ素−リンから選択されることを特徴とする請求項5に記載のスライド摩擦式ナノ発電機。
- 前記摩擦層は、非導電酸化物、半導体酸化物又は複雑な酸化物であり、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化マンガン、酸化クロム、酸化鉄、酸化チタン、酸化銅、酸化亜鉛、BiO2及びY2O3を含むことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載のスライド摩擦式ナノ発電機。
- 前記第1の摩擦層の上面及び/又は前記第2の摩擦層の下面には、ミクロン又はサブミクロンレベルの微小構造が配列されることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載のスライド摩擦式ナノ発電機。
- 前記第1の摩擦層の上面及び/又は前記第2の摩擦層の下面は、化学的変性によって、極性が正である材料の表面に、電子が奪われやすい官能基又は正の電荷を導入、及び/又は、極性が負である材料の表面に、電子を取り込みやすい官能基又は負の電荷を導入することを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項に記載のスライド摩擦式ナノ発電機。
- 前記第1の摩擦層、前記第2の摩擦層、前記第1の導電素子及び/又は前記第2の導電素子は、薄膜であることを特徴とする請求項1乃至9のいずれか1項に記載のスライド摩擦式ナノ発電機。
- 前記第1の摩擦層、前記第2の摩擦層、前記第1の導電層及び/又は前記第2の導電層は、軟質であることを特徴とする請求項1乃至10のいずれか1項に記載のスライド摩擦式ナノ発電機。
- 請求項1乃至11のいずれか1項の発電機の発電方法であって、
(1)第1の摩擦層及び第2の摩擦層を準備するステップと、
(2)前記第1の摩擦層の下方及び前記第2の摩擦層の上方に接触するように配置される第1の導電素子及び第2の導電素子をそれぞれ形成するステップと、
(3)前記第1の摩擦層の上面と前記第2の摩擦層の下面とを接触させるステップと、
(4)前記第1の導電素子及び前記第2の導電素子と外部回路とを、電気的に接続するステップと、
(5)外力を加えることで、前記第1の摩擦層と第2の摩擦層との間に相対的なスライドを発生させて、接触面に接する相対的なスライド摩擦を発生させ、スライド過程において、相対的なスライドの距離を制御することで、前記第1の摩擦層と前記第2の摩擦層とを接触面の方向に沿って位置ずれさせて、スライド摩擦する面積を変化させるステップと、
(6)前記第1の導電素子及び前記第2の導電素子によって、電気信号を外部回路に出力するステップと、を含む発電方法。
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