(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部の物理力により相互間の間隔が変化する下部電極基板及び上部電極基板と、
前記電極基板間の間隔変化に従って前記電極基板のうち少なくとも１つとの接触角及び接触面積が変化するイオン性液体または水と、
前記電極基板のうち少なくとも１つに形成されて、前記変化により電気エネルギーを発生させるエネルギー転換層と、
前記エネルギー転換層上に、前記イオン性液体または水の形状が前記外部の物理力が除去されれば元の形に復元できるように積層された疎水性物質層と、
前記下部電極基板と前記上部電極基板との間を支持し、装置の内部と外部を互いに隔離させ、前記外部の物理力が除去されれば元の形に戻ってくる復元力を有する隔壁と、
を有することを特徴とする液体の接触角及び接触面積の変化を用いたエネルギー転換装置。
【請求項２】
前記隔壁により隔離された前記下部電極基板と前記上部電極基板との間に配置された非導電性ガスを更に含むことを特徴とする請求項１に記載の液体の接触角及び接触面積の変化を用いたエネルギー転換装置。
【請求項３】
前記エネルギー転換層は、無機物層及び有機物層が積層されて構成されたことを特徴とする請求項１又は２のいずれか一項に記載の液体の接触角及び接触面積の変化を用いたエネルギー転換装置。
【請求項４】
前記下部電極基板または前記上部電極基板は、前記外部の物理力が除去されれば元の形に復元されることを特徴とする請求項１に記載の液体の接触角及び接触面積の変化を用いたエネルギー転換装置。
【請求項５】
前記隔壁は長方形、三角形、逆三角形、円形、楕円形または円柱形のうち少なくともいずれか１つの形状を有し、
前記エネルギー転換装置はアレイ形態に繋がれるように、前記隔壁により三角形、四角形、五角形、六角形、円形、格子形またはハニカム形の形態であることを特徴とする請求項１に記載の液体の接触角及び接触面積の変化を用いたエネルギー転換装置。
【請求項６】
前記上部電極基板と前記下部電極基板との間の間隔は、前記イオン性液体または水の直径の大きさによって決定されることを特徴とする請求項３に記載の液体の接触角及び接触面積の変化を用いたエネルギー転換装置。
【請求項７】
前記有機物層は、ポリメタクリル酸メチル(PolyMethylMethAcrylate、PMMA)、ポリエチレン(Polyethylene、PE)、ポリスチレン(Polystyrene、PS)、ポリビニルピロリドン(Polyvinylpyrrolidone、PVP)、ポリ(４−ビニルフェノール)(poly(4-vinylpenol)、PVP)またはポリエーテルスルフォン(polyethersulfone、PES)、ポリ(４−メトキシフェニルアクリレート)(Poly(4-methoxyphenylacrylate)；PMPA)、ポリ(フェニルアクリレート)(Poly(phenylacrylate)；PPA)、ポリ(２,２,２−トリフルオロエチルメタクリレート)(Poly(2,2,2-trifluoroethyl methacrylate)；PTFMA)、シアノエチルプルラン(Cyanoethylpullulan；CYEPL)、ポリ塩化ビニル(polyvinyl chloride；PVC)、ポリ(パラバン酸)樹脂(Poly(parabanic acid)resin；PPA)、ポリ(t−ブチルスチレン)(Poly(t-butylstyrene)；PTBS)、ポリチエニレンビニレン(Polythienylenevinylene；PTV)、ポリ酢酸ビニル(Polyvinylacetate；PVA)、ポリ(ビニルアルコール)(Poly(vinyl alcohol)；PVA)、ポリ(Ｒメチルスチレン)(Poly(Rmethylstyrene)；PAMS)、ポリ(ビニルアルコール)−コ−ポリ(酢酸ビニル)−コ−ポリ(イタコン酸)(Poly(vinyl alcohol)-co-poly(vinyl acetate)-co-poly(itaconic acid)；PVAIA)、ポリオレフィン(Polyolefin)、ポリアクリレート(Polyacrylate)、パリレン−Ｃ(Parylene-C)、ポリイミド(Polyimide)、オクタデシルトリクロロシラン(Octadecyltrichlorosilane；OTS)、ポリ(トリアリールアミン)(Poly(triarylamine)；PTTA)、ポリ−３−ヘキシルチオフェン(Poly-3-hexylthiophene；P3HT)、架橋結合されたポリ−４−ビニルフェノール(cross-linked Poly-4-vinylphenol；cross-linked PVP)、ポリ(ペルフルオロアルケニルビニルエーテル)(Poly(perfluoroalkenylvinyl ether))、ナイロン−６(Nyloｎ-6)、ｎ−オクタデシルホスホン酸(n-Octadecylphosphonic acid；ODPA)のうち少なくともいずれか１つの物質を含み、
前記無機物層は、酸化ケイ素(SiO2)、酸化アルミニウム(Al2O3)、五酸化タンタル(Tantalum Pentoxide、Ta2O5)、酸化亜鉛(Zinc oxide、ZnO)、酸化イットリウム(Yttrium oxide、Y2O3)、酸化セリウム(Cerium oxide、CeO2)、二酸化チタン(Titanium dioxide、TiO2)、チタン酸バリウム(Barium titanate、BaTiO3)、チタン酸ジルコン酸バリウム(Barium zirconate titanate、BZT)、二酸化ジルコニウム(Zirconium dioxide、ZrO2)、酸化ランタン(Lanthanum oxide、La2O3)、ハフニウムシリケート(Hafnon、HfSiO4)、ランタンアルミネート(Lanthanum Aluminate、LaAlO3)、窒化ケイ素(Silicon nitride、Si3N4)、ペロブスカイト(Perovskite)物質としては、チタン酸ストロンチウム(Strontium titanate、SrTiO3)、チタン酸バリウムストロンチウム(barium strontium titanate、BST)、チタン酸ジルコン酸鉛(Lead zirconate titanate、PZT)、チタン酸カルシウム銅(Calcium copper titanate、CCTO)、または酸化ハフニウム(HfO2)のうち少なくともいずれか１つの物質を含むことを特徴とする請求項３に記載の液体の接触角及び接触面積の変化を用いたエネルギー転換装置。
【請求項８】
前記疎水性物質層は、シラン(silane)系物質、フルオロポリマー(fluoropolymer)物質、トリクロロシラン(Trichlorosilane)、トリメトキシシラン(Trimethoxysilane)、ペンタフルオロフェニルプロピルトリクロロシラン(Pentafluorophenylpropyltrichlorosilane)、(ベンジルオキシ)アルキルトリメトキシシラン((benzyloxy)alkyltrimethoxysilane；BSM-22)、(ベンジルオキシ)アルキルトリクロロシラン((benzyloxy)alkyltrichlorosilane；BTS)、ヘキサメチルジシラザン(hexamethyldisilazane；HMDS)、オクタデシルトリクロロシラン(octadecyltrichlorosilane；OTS)、オクタデシルトリメトキシシラン(octadecyltrimethoxysilane；OTMS)、ジビニルテトラメチルジシロキサン−ビス(ベンゾシクロブテン) (divinyltetramethyldisiloxane-bis(benzocyclobutene)；BCB)のうち少なくともいずれか１つの物質を含むことを特徴とする請求項３に記載の液体の接触角及び接触面積の変化を用いたエネルギー転換装置。
【請求項９】
前記下部電極基板または前記上部電極基板は電極を含み、 
前記電極はＩＴＯ、ＩＧＯ、クロム、アルミニウム、ＩＺＯ(Indium Zinc Oxide)、ＩＧＺＯ(Indium Gallium Zinc Oxide)、ＺｎＯ、ＺｎＯ２またはＴｉＯ２のうち少なくともいずれか１つを含む無機電極であるか、アルミニウム、鉄または銅のうち少なくともいずれか１つを含む金属電極であるか、ポリエチレンジオキシチオフェン(PEDOT、polyethylenedioxythiophene)、カーボンナノチューブ(CNT、Carbon nano tube)、グラフェン(graphene)、ポリアセチレン(polyacetylene)、ポリチオフェン(Polythiophene、PT)、ポリピロール(Polypyrrole)、ポリパラフェニレン(polyparaphenylene、PPV)、ポリアニリン(Polyaniline)、ポリ窒化硫黄(poly sulfur nitride)またはポリパラフェニレンビニレン(polyparaphenylenevinylene)のうち少なくともいずれか１つを含む有機電極であることを特徴とする請求項３に記載の液体の接触角及び接触面積の変化を用いたエネルギー転換装置。
【請求項１０】
前記下部電極基板または前記上部電極基板のうち少なくともいずれか１つは金属基板、ガラス基板または高分子素材の基板であり、
前記高分子素材の基板は、ポリエチレンテレフタレート(Polyethylene Terephthalate、PET)、ポリアリレート(polyarylate、PAR)、ポリメタクリル酸メチル(PolyMethylMethAcrylate、PMMA)、ポリエチレンナフタレート(PolyethyleneNaphthalate、PEN)、ポリエーテルスルフォン(Polyethersulfone、PES)、ポリイミド(Polyimide、PI)、ポリカーボネート(Polycarbonate、PC)または繊維強化プラスチック(fiber reinforced plastics、FRP)のうち少なくともいずれか１つを含むプラスチック基板またはフィルムであることを特徴とする請求項３に記載の液体の接触角及び接触面積の変化を用いたエネルギー転換装置。
【請求項１１】
前記イオン性液体は、ＮａＣｌ、ＬｉＣｌ、ＮａＮｏ３、Ｎａ２ＳｉＯ３、ＡｌＣｌ３−ＮａＣｌ、ＬｉＣｌ−ＫＣｌ、ＫＣＬ、Ｎａ、ＮａＯＨ、Ｈ２ＳＯ４、ＣＨ３ＣＯＯＨ、ＨＦ、ＣｕＳＯ４、エチレングリコール、プロピレングリコールまたはＡｇＣｌのうち少なくともいずれか１つを含むことを特徴とする請求項３に記載の液体の接触角及び接触面積の変化を用いたエネルギー転換装置。
【請求項１２】
前記非導電性ガスは空気、酸素、窒素、アルゴン、ヘリウム、ネオン、クリプトン、キセノンまたはラドンのうち少なくともいずれか１つからなることを特徴とする請求項２に記載の液体の接触角及び接触面積の変化を用いたエネルギー転換装置。
【請求項１３】
外部の物理力により相互間の間隔が変化する下部電極基板及び上部電極基板と、
前記電極基板間の間隔変化に従って前記電極基板のうち少なくとも１つとの接触角及び接触面積が変化する導電性液体と、 
前記下部電極基板または前記上部電極基板に形成されて、前記変化により電気エネルギーを発生させるエネルギー転換層と、
前記エネルギー転換層上に、前記導電性液体の形状が前記外部の物理力が除去されれば元の形に復元できるように積層された親水性物質層と、
前記下部電極基板と前記上部電極基板との間を支持し、装置の内部と外部を互いに隔離させ、 前記外部の物理力が除去されれば元の形に戻ってくる復元力を有する隔壁と、
を有することを特徴とする液体の接触角及び接触面積の変化を用いたエネルギー転換装置。
【請求項１４】
前記隔壁により隔離された前記下部電極基板と前記上部電極基板との間に配置された非導電性ガスを更に含むことを特徴とする請求項１３に記載の液体の接触角及び接触面積の変化を用いたエネルギー転換装置。
【請求項１５】
前記エネルギー転換層は、無機物層及び有機物層が積層されて構成されたことを特徴とする請求項１３又は１４のいずれか一項に記載の液体の接触角及び接触面積の変化を用いたエネルギー転換装置。
【請求項１６】
前記下部電極基板または前記上部電極基板は、前記外部の物理力が除去されれば元の形に復元されることを特徴とする請求項１３に記載の液体の接触角及び接触面積の変化を用いたエネルギー転換装置。
【請求項１７】
前記隔壁は長方形、三角形、逆三角形、円形、楕円形または円柱形のうち少なくともいずれか１つの形状を有し、 
前記エネルギー転換装置はアレイ形態に繋がれるように、前記隔壁により三角形、四角形、五角形、六角形、円形、格子形またはハニカム形の形態であることを特徴とする請求項１３に記載の液体の接触角及び接触面積の変化を用いたエネルギー転換装置。
【請求項１８】
前記上部電極基板と前記下部電極基板との間の間隔は、前記導電性液体の直径の大きさによって決定されることを特徴とする請求項１５に記載の液体の接触角及び接触面積の変化を用いたエネルギー転換装置。
【請求項１９】
前記有機物層は、ポリメタクリル酸メチル(PolyMethylMethAcrylate、PMMA)、ポリエチレン(Polyethylene、PE)、ポリスチレン(Polystyrene、PS)、ポリビニルピロリドン(Polyvinylpyrrolidone、PVP)、ポリ(４−ビニルフェノール)(poly(4-vinylpenol)、PVP)またはポリエーテルスルフォン(polyethersulfone、PES)、ポリ(４−メトキシフェニルアクリレート)(Poly(4-methoxyphenylacrylate)；PMPA)、ポリ(フェニルアクリレート)(Poly(phenylacrylate)；PPA)、ポリ(２,２,２−トリフルオロエチルメタクリレート)(Poly(2,2,2-trifluoroethyl methacrylate)；PTFMA)、シアノエチルプルラン(Cyanoethylpullulan；CYEPL)、ポリ塩化ビニル(polyvinyl chloride；PVC)、ポリ(パラバン酸)樹脂(Poly(parabanic acid)resin；PPA)、ポリ(t−ブチルスチレン)(Poly(t-butylstyrene)；PTBS)、ポリチエニレンビニレン(Polythienylenevinylene；PTV)、ポリ酢酸ビニル(Polyvinylacetate；PVA)、ポリ(ビニルアルコール)(Poly(vinyl alcohol)；PVA)、ポリ(Ｒメチルスチレン)(Poly(Rmethylstyrene)；PAMS)、ポリ(ビニルアルコール)−コ−ポリ(酢酸ビニル)−コ−ポリ(イタコン酸)(Poly(vinyl alcohol)-co-poly(vinyl acetate)-co-poly(itaconic acid)；PVAIA)、ポリオレフィン(Polyolefin)、ポリアクリレート(Polyacrylate)、パリレン−Ｃ(Parylene-C)、ポリイミド(Polyimide)、オクタデシルトリクロロシラン(Octadecyltrichlorosilane；OTS)、ポリ(トリアリールアミン)(Poly(triarylamine)；PTTA)、ポリ−３−ヘキシルチオフェン(Poly-3-hexylthiophene；P3HT)、架橋結合されたポリ−４−ビニルフェノール(cross-linked Poly-4-vinylphenol；cross-linked PVP)、ポリ(ペルフルオロアルケニルビニルエーテル)(Poly(perfluoroalkenylvinyl ether))、ナイロン−６(Nyloｎ-6)、ｎ−オクタデシルホスホン酸(n-Octadecylphosphonic acid；ODPA)のうち少なくともいずれか１つの物質を含み、 
前記無機物層は、酸化ケイ素(SiO2)、酸化アルミニウム(Al2O3)、五酸化タンタル(Tantalum Pentoxide、Ta2O5)、酸化亜鉛(Zinc oxide、ZnO)、酸化イットリウム(Yttrium oxide、Y2O3)、酸化セリウム(Cerium oxide、CeO2)、二酸化チタン(Titanium dioxide、TiO2)、チタン酸バリウム(Barium titanate、BaTiO3)、チタン酸ジルコン酸バリウム(Barium zirconate titanate、BZT)、二酸化ジルコニウム(Zirconium dioxide、ZrO2)、酸化ランタン(Lanthanum oxide、La2O3)、ハフニウムシリケート(Hafnon、HfSiO4)、ランタンアルミネート(Lanthanum Aluminate、LaAlO3)、窒化ケイ素(Silicon nitride、Si3N4)、ペロブスカイト(Perovskite)物質としては、チタン酸ストロンチウム(Strontium titanate、SrTiO3)、チタン酸バリウムストロンチウム(barium strontium titanate、BST)、チタン酸ジルコン酸鉛(Lead zirconate titanate、PZT)、チタン酸カルシウム銅(Calcium copper titanate、CCTO)、または酸化ハフニウム(HfO2)のうち少なくともいずれか１つの物質を含むことを特徴とする請求項１５に記載の液体の接触角及び接触面積の変化を用いたエネルギー転換装置。
【請求項２０】
前記親水性物質層は、ポリアクリル酸(Poly(acrylic acid)、PAA)、アクリルアミド(Acrylamides)、無水マレイン酸共重合体(Maleic Anhydride Copolymers)、メタクリレート(Methacrylate)、エタクリレート(Ethacrylate)、アミン機能性ポリマー(Amine-Functional Polymers)、ポリスチレンスルホン酸 (Polystyrenesulfonate、PSS)、ビニル酸(Vinyl Acids)、ビニルアルコール(Vinyl Alcohols)、または−ＮＨ、−ＣＯ−、アミノ基−ＮＨ２、水酸基−ＯＨまたはカルボキシル基−ＣＯＯＨの機能基のうち少なくともいずれか１つを含む物質からなることを特徴とする請求項１５に記載の液体の接触角及び接触面積の変化を用いたエネルギー転換装置。
【請求項２１】
前記下部電極基板または前記上部電極基板は電極を含み、 
前記電極はＩＴＯ、ＩＧＯ、クロム、アルミニウム、ＩＺＯ(Indium Zinc Oxide)、ＩＧＺＯ(Indium Gallium Zinc Oxide)、ＺｎＯ、ＺｎＯ２またはＴｉＯ２のうち少なくともいずれか１つを含む無機電極であるか、アルミニウム、鉄または銅のうち少なくともいずれか１つを含む金属電極であるか、ポリエチレンジオキシチオフェン(PEDOT、polyethylenedioxythiophene)、カーボンナノチューブ(CNT、Carbon nano tube)、グラフェン(graphene)、ポリアセチレン(polyacetylene)、ポリチオフェン(Polythiophene、PT)、ポリピロール(Polypyrrole)、ポリパラフェニレン(polyparaphenylene、PPV)、ポリアニリン(Polyaniline)、ポリ窒化硫黄(poly sulfur nitride)またはポリパラフェニレンビニレン(polyparaphenylenevinylene)のうち少なくともいずれか１つを含む有機電極であることを特徴とする請求項１５に記載の液体の接触角及び接触面積の変化を用いたエネルギー転換装置。
【請求項２２】
前記下部電極基板または前記上部電極基板のうち少なくともいずれか１つは金属基板、ガラス基板または高分子素材の基板であり、
前記高分子素材の基板は、ポリエチレンテレフタレート(Polyethylene Terephthalate、PET)、ポリアリレート(polyarylate、PAR)、ポリメタクリル酸メチル(PolyMethylMethAcrylate、PMMA)、ポリエチレンナフタレート(PolyethyleneNaphthalate、PEN)、ポリエーテルスルフォン(Polyethersulfone、PES)、ポリイミド(Polyimide、PI)、ポリカーボネート(Polycarbonate、PC)または繊維強化プラスチック(fiber reinforced plastics、FRP)のうち少なくともいずれか１つを含むプラスチック基板またはフィルムであることを特徴とする請求項１５に記載の液体の接触角及び接触面積の変化を用いたエネルギー転換装置。
【請求項２３】
前記導電性液体は、比抵抗の範囲が１uΩｃｍ乃至１０００uΩｃｍであることを特徴とする請求項１５に記載の液体の接触角及び接触面積の変化を用いたエネルギー転換装置。
【請求項２４】
前記非導電性ガスは空気、窒素、アルゴン、ヘリウム、ネオン、クリプトン、キセノンまたはラドンのうち少なくともいずれか１つを含むことを特徴とする請求項１４に記載の液体の接触角及び接触面積の変化を用いたエネルギー転換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体を用いたエネルギー転換方法及び装置に関し、より詳しくは、電気湿潤(electrowetting)現象の反対現象を応用して機械的エネルギーを電気エネルギーに転換させる方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の流体を用いて機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換する技術は、誘電物質と接している液体金属の接触面積を経時的に変化させて誘電物質の下に位置する電極に電気容量(capacitance)を発生させる原理を利用する。
【０００３】
従来の流体を用いたエネルギー転換方法及び装置は、米国登録特許第７,８９８,０９６号で開示している。
【０００４】
図１は、従来の流体を用いたエネルギー転換装置の概念図である。図１を参照すると、従来の流体を用いたエネルギー転換装置は、細長い形状のチャンネルの壁に一定パターンで電極を形成し、電極の上部には誘電物質層を形成させる。そして、チャンネルの内部には小さな水玉状の導電性液体と非導電性液体を注入し、 このような水玉状の導電性液体に外部電源から電圧を印加して導電性液体を分極させる。
【０００５】
このような状態で、チャンネルと繋がっている所定の部分(未図示)に物理的な圧力を掛けると、分極された水玉状の導電性液体はチャンネルに沿って移動することになり、この過程で一定パターンで形成されている多数の電極は、移動する多数の導電性液滴と接触する面積が経時的に変化し続け、その結果、電気容量が変化して電気エネルギーが生成される。
【０００６】
しかし、従来の流体を用いたエネルギー転換方法及び装置は、実用化までに様々な問題点を持っている。
【０００７】
まず、狭くて細いチャネル内で滴状の液体金属が移動した後、外部の力がなくなればまた元の位置に復帰する、可逆可能な(reversible)動きが難しいため、別の潤滑層(lubricating layer)が必要であるという限界点があり、チャンネルの詰まり現象が容易に発生して動作が不可能な場合が発生する。
【０００８】
そして、従来の流体を用いたエネルギー転換方法及び装置は、狭くて細いチャンネル構造を採用しているため、対向する２つの電極がチャンネルの壁に一定形状にパターンされなければならず、このような構造によって装置の構成が複雑になり、電気エネルギーを生産するモジュールの大きさが大きくなるので、大量生産や原価低減にも限界が多かった。
【０００９】
また他の問題としては、水銀またはガリンスタン(galinstan)のような液体金属を使用しているため人体及び環境に有害であり、このような導電性液体を分極させるためには外部から別途の電源印加が必要であるという限界点がある。
【００１０】
そして、従来の流体を用いたエネルギー転換方法及び装置は、チャンネル構造で可逆可能な(reversible)限り動きを継続的に具現しなければならない点と、混ざらない異なる２種類の液体を使用しなければならないため、制御の困難がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の目的は、電極に接触する液体の接触角及び接触面積を物理的な力により変化させて、機械的エネルギーを電気エネルギーに転換する流体を用いたエネルギー転換方法及び装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の目的を達成するために、外部の物理力により相互間の間隔が変化する下部電極基板及び上部電極基板；前記電極基板間の間隔変化に従って前記電極基板のうち少なくとも１つとの接触角及び接触面積が変化するイオン性液体または水；及び、前記電極基板のうち少なくとも１つに形成されて、前記接触角及び接触面積の変化に従って電気エネルギーを発生させるエネルギー転換層；を含んで構成された液体の接触角及び接触面積の変化を用いたエネルギー転換装置が提供される。
【００１３】
好ましくは、前記下部電極基板と前記上部電極基板との間を支持し、装置内部と外部を互いに隔離させる隔壁；を更に含むことを特徴とする。
【００１４】
好ましくは、前記隔壁により隔離された前記下部電極基板と前記上部電極基板との間に配置された非導電性ガス；を更に含むことを特徴とする。
【００１５】
好ましくは、前記エネルギー転換層は無機物層及び有機物層が積層されて構成され、前記エネルギー転換層或いはイオン性液体と接触する電極基板上に、前記イオン性液体または水の形状が外部の物理力が除去されれば元の形に復元できるように疎水性物質層が積層されることを特徴とする。
【００１６】
好ましくは、前記下部電極基板、前記上部電極基板、または前記隔壁のうち少なくとも１つは、外部の物理力が除去されれば元の形に復元されることを特徴とする。
【００１７】
好ましくは、前記隔壁は、長方形、三角形、逆三角形、円形、楕円形または円柱形のうち少なくともいずれか１つの形状を有し、前記エネルギー転換装置はアレイ形態に繋がれるように、前記隔壁により三角形、四角形、五角形、六角形、円形、格子形またはハニカム形の形態であることを特徴とする。
【００１８】
好ましくは、前記上部電極基板と前記下部電極基板との間の間隔は、前記イオン性液体または水の直径の大きさによって決定されることを特徴とする。
【００１９】
好ましくは、前記有機物層は、ポリメタクリル酸メチル(PolyMethylMethAcrylate、PMMA)、ポリエチレン(Polyethylene、PE)、ポリスチレン(Polystyrene、PS)、ポリビニルピロリドン(Polyvinylpyrrolidone、PVP)、ポリ(４−ビニルフェノール)(poly(4-vinylpenol)、PVP)またはポリエーテルスルフォン(polyethersulfone、PES)、ポリ(４−メトキシフェニルアクリレート)(Poly(4-methoxyphenylacrylate)；PMPA)、ポリ(フェニルアクリレート)(Poly(phenylacrylate)；PPA)、ポリ(２,２,２−トリフルオロエチルメタクリレート)(Poly(2,2,2-trifluoroethyl methacrylate)；PTFMA)、シアノエチルプルラン(Cyanoethylpullulan；CYEPL)、ポリ塩化ビニル(polyvinyl chloride；PVC)、ポリ(パラバン酸)樹脂(Poly(parabanic acid)resin；PPA)、ポリ(t−ブチルスチレン)(Poly(t-butylstyrene)；PTBS)、ポリチエニレンビニレン(Polythienylenevinylene；PTV)、ポリ酢酸ビニル(Polyvinylacetate；PVA)、ポリ(ビニルアルコール)(Poly(vinyl alcohol)；PVA)、ポリ(Ｒメチルスチレン)(Poly(Rmethylstyrene)；PAMS)、ポリ(ビニルアルコール)−コ−ポリ(酢酸ビニル)−コ−ポリ(イタコン酸)(Poly(vinyl alcohol)-co-poly(vinyl acetate)-co-poly(itaconic acid)；PVAIA)、ポリオレフィン(Polyolefin)、ポリアクリレート(Polyacrylate)、パリレン−Ｃ(Parylene-C)、ポリイミド(Polyimide)、オクタデシルトリクロロシラン(Octadecyltrichlorosilane；OTS)、ポリ(トリアリールアミン)(Poly(triarylamine)；PTTA)、ポリ−３−ヘキシルチオフェン(Poly-3-hexylthiophene；P3HT)、架橋結合されたポリ−４−ビニルフェノール(cross-linked Poly-4-vinylphenol；cross-linked PVP)、ポリ(ペルフルオロアルケニルビニルエーテル)(Poly(perfluoroalkenylvinyl ether))、ナイロン−６(Nyloｎ-6)、ｎ−オクタデシルホスホン酸(n-Octadecylphosphonic acid；ODPA)のうち少なくともいずれか１つの物質を含み、 前記無機物層は、酸化ケイ素(SiO2)、酸化アルミニウム(Al2O3)、五酸化タンタル(Tantalum Pentoxide、Ta2O5)、酸化亜鉛(Zinc oxide、ZnO)、酸化イットリウム(Yttrium oxide、Y2O3)、酸化セリウム(Cerium oxide、CeO2)、二酸化チタン(Titanium dioxide、TiO2)、チタン酸バリウム(Barium titanate、BaTiO3)、チタン酸ジルコン酸バリウム(Barium zirconate titanate、BZT)、二酸化ジルコニウム(Zirconium dioxide、ZrO2)、酸化ランタン(Lanthanum oxide、La2O3)、ハフニウムシリケート(Hafnon、HfSiO4)、ランタンアルミネート(Lanthanum Aluminate、LaAlO3)、窒化ケイ素(Silicon nitride、Si3N4)、ペロブスカイト(Perovskite)物質としては、チタン酸ストロンチウム(Strontium titanate、SrTiO3)、チタン酸バリウムストロンチウム(barium strontium titanate、BST)、チタン酸ジルコン酸鉛(Lead zirconate titanate、PZT)、チタン酸カルシウム銅(Calcium copper titanate、CCTO)、または酸化ハフニウム(HfO2)のうち少なくともいずれか１つの物質を含むことを特徴とする。
【００２０】
好ましくは、前記疎水性物質層は、シラン(silane)系物質、フルオロポリマー(fluoropolymer)物質、トリクロロシラン(Trichlorosilane)、トリメトキシシラン(Trimethoxysilane)、ペンタフルオロフェニルプロピルトリクロロシラン(Pentafluorophenylpropyltrichlorosilane)、(ベンジルオキシ)アルキルトリメトキシシラン((benzyloxy)alkyltrimethoxysilane；BSM-22)、(ベンジルオキシ)アルキルトリクロロシラン((benzyloxy)alkyltrichlorosilane；BTS)、ヘキサメチルジシラザン(hexamethyldisilazane；HMDS)、オクタデシルトリクロロシラン(octadecyltrichlorosilane；OTS)、オクタデシルトリメトキシシラン(octadecyltrimethoxysilane；OTMS)、ジビニルテトラメチルジシロキサン−ビス(ベンゾシクロブテン)(divinyltetramethyldisiloxane-bis(benzocyclobutene)；BCB)のうち少なくともいずれか１つの物質を含むことを特徴とする。
【００２１】
好ましくは、前記下部電極基板または前記上部電極基板は電極を含み、前記電極はＩＴＯ、ＩＧＯ、クロム、アルミニウム、ＩＺＯ(Indium Zinc Oxide)、ＩＧＺＯ(Indium Gallium Zinc Oxide)、ＺｎＯ、ＺｎＯ２またはＴｉＯ２のうち少なくともいずれか１つを含む無機電極であるか、アルミニウム、鉄または銅のうち少なくともいずれか１つを含む金属電極であるか、ポリエチレンジオキシチオフェン(PEDOT、polyethylenedioxythiophene)、カーボンナノチューブ(CNT、Carbon nano tube)、グラフェン(graphene)、ポリアセチレン(polyacetylene)、ポリチオフェン(Polythiophene、PT)、ポリピロール(Polypyrrole)、ポリパラフェニレン(polyparaphenylene、PPV)、ポリアニリン(Polyaniline)、ポリ窒化硫黄(poly sulfur nitride)またはポリパラフェニレンビニレン(polyparaphenylenevinylene)のうち少なくともいずれか１つを含む有機電極であることを特徴とする。
【００２２】
好ましくは、前記下部電極基板または前記上部電極基板のうち少なくともいずれか１つは、金属基板、ガラス基板または高分子素材の基板であり、前記高分子素材の基板はポリエチレンテレフタレート(Polyethylene Terephthalate、PET)、ポリアリレート(polyarylate、PAR)、ポリメタクリル酸メチル(PolyMethylMethAcrylate、PMMA)、ポリエチレンナフタレート(PolyethyleneNaphthalate、PEN)、ポリエーテルスルフォン(Polyethersulfone、PES)、ポリイミド(Polyimide、PI)、ポリカーボネート(Polycarbonate、PC)または繊維強化プラスチック(fiber reinforced plastics、FRP)のうち少なくともいずれか１つを含むプラスチック基板またはフィルムであることを特徴とする。
【００２３】
好ましくは、前記イオン性液体はＮａＣｌ、ＬｉＣｌ、ＮａＮｏ３、Ｎａ２ＳｉＯ３、ＡｌＣｌ３−ＮａＣｌ、ＬｉＣｌ−ＫＣｌ、Ｈ２Ｏ、ＫＣＬ、Ｎａ、ＮａＯＨ、Ｈ２ＳＯ４、ＣＨ３ＣＯＯＨ、ＨＦ、ＣｕＳＯ４、エチレングリコール、プロピレングリコールまたはＡｇＣｌのうち少なくともいずれか１つを含むことを特徴とする。
【００２４】
好ましくは、前記非導電性ガスは空気、酸素、窒素、アルゴン、ヘリウム、ネオン、クリプトン、キセノンまたはラドンのうち少なくともいずれか１つからなることを特徴とする。
【００２５】
また、外部の物理力により相互間の間隔が変化する下部電極基板及び上部電極基板；前記電極基板間の間隔変化に従って前記電極基板のうち少なくとも１つとの接触角及び接触面積が変化する導電性液体；及び前記下部電極基板及び前記上部電極基板に形成されて、前記変化に従って電気エネルギーを発生させるエネルギー転換層；を含んで構成された液体の接触角及び接触面積の変化を用いたエネルギー転換装置が提供される。
【００２６】
好ましくは、前記下部電極基板と前記上部電極基板との間を支持し、装置内部と外部を互いに隔離させる隔壁；を更に含むことを特徴とする。
【００２７】
好ましくは、前記隔壁により隔離された前記下部電極基板と前記上部電極基板との間に配置された非導電性ガス；を更に含むことを特徴とする。
【００２８】
好ましくは、前記エネルギー転換層は無機物層及び有機物層が積層されて構成され、前記エネルギー転換層上に、前記導電性液体の形状が外部の物理力が除去されれば元の形に復元できるように親水性物質層が積層されたことを特徴とする。
【００２９】
好ましくは、前記下部電極基板、前記上部電極基板、または前記隔壁のうち少なくとも１つは外部の物理力が除去されれば元の形に復元されることを特徴とする。
【００３０】
好ましくは、前記隔壁は長方形、三角形、逆三角形、円形、楕円形または円柱形のうち少なくともいずれかの形状を有し、前記エネルギー転換装置はアレイ形態に繋がれるように、前記隔壁により三角形、四角形、五角形、六角形、円形、格子形またはハニカム形の形態であることを特徴とする。
【００３１】
好ましくは、前記上部電極基板と前記下部電極基板との間の間隔は前記導電性液体の直径の大きさによって決定されることを特徴とする。
【００３２】
好ましくは、前記有機物層は、ポリメタクリル酸メチル(PolyMethylMethAcrylate、PMMA)、ポリエチレン(Polyethylene、PE)、ポリスチレン(Polystyrene、PS)、ポリビニルピロリドン(Polyvinylpyrrolidone、PVP)、ポリ(４−ビニルフェノール)(poly(4-vinylpenol)、PVP)またはポリエーテルスルフォン(polyethersulfone、PES)、ポリ(４−メトキシフェニルアクリレート)(Poly(4-methoxyphenylacrylate)；PMPA)、ポリ(フェニルアクリレート)(Poly(phenylacrylate)；PPA)、ポリ(２,２,２−トリフルオロエチルメタクリレート)(Poly(2,2,2-trifluoroethyl methacrylate)；PTFMA)、シアノエチルプルラン(Cyanoethylpullulan；CYEPL)、ポリ塩化ビニル(polyvinyl chloride；PVC)、ポリ(パラバン酸)樹脂(Poly(parabanic acid)resin；PPA)、ポリ(t−ブチルスチレン)(Poly(t-butylstyrene)；PTBS)、ポリチエニレンビニレン(Polythienylenevinylene；PTV)、ポリ酢酸ビニル(Polyvinylacetate；PVA)、ポリ(ビニルアルコール)(Poly(vinyl alcohol)；PVA)、ポリ(Ｒメチルスチレン)(Poly(Rmethylstyrene)；PAMS)、ポリ(ビニルアルコール)−コ−ポリ(酢酸ビニル)−コ−ポリ(イタコン酸)(Poly(vinyl alcohol)-co-poly(vinyl acetate)-co-poly(itaconic acid)；PVAIA)、ポリオレフィン(Polyolefin)、ポリアクリレート(Polyacrylate)、パリレン−Ｃ(Parylene-C)、ポリイミド(Polyimide)、オクタデシルトリクロロシラン(Octadecyltrichlorosilane；OTS)、ポリ(トリアリールアミン)(Poly(triarylamine)；PTTA)、ポリ−３−ヘキシルチオフェン(Poly-3-hexylthiophene；P3HT)、架橋結合されたポリ−４−ビニルフェノール(cross-linked Poly-4-vinylphenol；cross-linked PVP)、ポリ(ペルフルオロアルケニルビニルエーテル)(Poly(perfluoroalkenylvinyl ether))、ナイロン−６(Nyloｎ-6)、ｎ−オクタデシルホスホン酸(n-Octadecylphosphonic acid；ODPA)のうち少なくともいずれか１つの物質を含み、前記無機物層は、酸化ケイ素(SiO2)、酸化アルミニウム(Al2O3)、五酸化タンタル(Tantalum Pentoxide、Ta2O5)、酸化亜鉛(Zinc oxide、ZnO)、酸化イットリウム(Yttrium oxide、Y2O3)、酸化セリウム(Cerium oxide、CeO2)、二酸化チタン(Titanium dioxide、TiO2)、チタン酸バリウム(Barium titanate、BaTiO3)、チタン酸ジルコン酸バリウム(Barium zirconate titanate、BZT)、二酸化ジルコニウム(Zirconium dioxide、ZrO2)、酸化ランタン(Lanthanum oxide、La2O3)、ハフニウムシリケート(Hafnon、HfSiO4)、ランタンアルミネート(Lanthanum Aluminate、LaAlO3)、窒化ケイ素(Silicon nitride、Si3N4)、ペロブスカイト(Perovskite)物質としては、チタン酸ストロンチウム(Strontium titanate、SrTiO3)、チタン酸バリウムストロンチウム(barium strontium titanate、BST)、チタン酸ジルコン酸鉛(Lead zirconate titanate、PZT)、チタン酸カルシウム銅(Calcium copper titanate、CCTO)、または酸化ハフニウム(HfO2)のうち少なくともいずれか１つの物質を含むことを特徴とする。
【００３３】
好ましくは、前記親水性物質層は、ポリアクリル酸(Poly(acrylic acid)、PAA)、アクリルアミド (Acrylamides)、無水マレイン酸共重合体(Maleic Anhydride Copolymers)、メタクリレート(Methacrylate)、エタクリレート(Ethacrylate)、アミン機能性ポリマー(Amine-Functional Polymers)、リスチレンスルホン酸 (Polystyrenesulfonate、PSS)、ビニル酸(Vinyl Acids)、ビニルアルコール(Vinyl Alcohols)、または−ＮＨ、−ＣＯ−、アミノ基−ＮＨ２、水酸基−ＯＨまたはカルボキシル基−ＣＯＯＨの機能基のうち少なくともいずれか１つを含む物質からなることを特徴とする。
【００３４】
好ましくは、前記下部電極基板または前記上部電極基板は電極を含み、前記電極はＩＴＯ、ＩＧＯ、クロム、アルミニウム、ＩＺＯ(Indium Zinc Oxide)、ＩＧＺＯ(Indium Gallium Zinc Oxide)、ＺｎＯ、ＺｎＯ２またはＴｉＯ２のうち少なくともいずれか１つを含む無機電極であるか、アルミニウム、鉄または銅のうち少なくともいずれか１つを含む金属電極であるか、ポリエチレンジオキシチオフェン(PEDOT、polyethylenedioxythiophene)、カーボンナノチューブ(CNT、Carbon nano tube)、グラフェン(graphene)、ポリアセチレン(polyacetylene)、ポリチオフェン(Polythiophene、PT)、ポリピロール(Polypyrrole)、ポリパラフェニレン(polyparaphenylene、PPV)、ポリアニリン(Polyaniline)、 ポリ窒化硫黄(poly sulfur nitride)、またはポリパラフェニレンビニレン(polyparaphenylenevinylene)のうち少なくともいずれか１つを含む有機電極であることを特徴とする。
【００３５】
好ましくは、前記下部電極基板または前記上部電極基板のうち少なくともいずれか１つは金属基板、ガラス基板または高分子素材の基板であり、前記高分子素材の基板は、ポリエチレンテレフタレート(Polyethylene Terephthalate、PET)、ポリアリレート(polyarylate、PAR)、ポリメタクリル酸メチル(PolyMethylMethAcrylate、PMMA)、ポリエチレンナフタレート(PolyethyleneNaphthalate、PEN)、ポリエーテルスルフォン(Polyethersulfone、PES)、ポリイミド(Polyimide、PI)、ポリカーボネート(Polycarbonate、PC)または繊維強化プラスチック(fiber reinforced plastics、FRP)のうち少なくともいずれか１つを含むプラスチック基板またはフィルムであることを特徴とする。
【００３６】
好ましくは、前記導電性液体としては水銀、リチウム、ガリウム、カリウム、ＮａＫ、ビスマス、スズ、ナトリウム、ナトリウムカリウム合金などを使用することができ、比抵抗の範囲が１uΩ／ｃｍ乃至１０００uΩ／ｃｍであり、誘電率(dielectric constant、K)が５以下であることを特徴とする。
【００３７】
好ましくは、前記非導電性ガスは空気、窒素、アルゴン、ヘリウム、ネオン、クリプトン、キセノンまたはラドンのうち少なくともいずれか１つを含むことを特徴とする。
【００３８】
その他実施例の具体的な事項は詳細な説明及び図面に含まれている。
【発明の効果】
【００３９】
本発明は、外部の物理力を用いて一対の電極間の間隔を変化させ、それによる液体の接触角及び接触面積の変化を電気エネルギー生成に活用して、チャンネルの詰まり現象や潤滑層、或いはチャンネル上に複雑にパターニングされた電極を必要としないようにすることで、装置の単純化、製造原価の低減と共に、故障が少ないエネルギー転換装置を具現するという効果がある。
【００４０】
また、本発明は、別途の外部電源の印加がなくても効率的な電気エネルギー転換が可能であるという効果がある。
【００４１】
そして、本発明は、イオン性液体または水を使用することにより、人体及び環境に有害であるという問題点を解決する効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】従来の流体を用いたエネルギー転換装置のブロック図である。
【図２】本発明の液体の接触角及び接触面積を用いたエネルギー転換装置の構造図である。
【図３】本発明の一実施例に係る液体の接触角及び接触面積を用いたエネルギー転換装置の動作原理を説明した概念図である。
【図４】本発明のまた他の一実施例に係る液体の接触角及び接触面積を用いたエネルギー転換装置の動作原理を説明した概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
本発明の利点及び特徴、そしてそれらを達成する方法は、添付の図面と共に詳細に後述されている実施例を参照すれば明確になる。しかし、本発明は、以下で開示される実施例に限定されるものではなく、互いに異なる多様な形態で具現することができ、ただ本実施例は本発明の開示を完全にし、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者に発明の範囲を完全に知らせるために提供されるものであって、本発明は請求項の範疇により定義されるだけである。一方、本明細書で使用された用語は、実施例を説明するためのものであって、本発明を制限しようとするものではない。
【００４４】
図２は、本発明の一実施例に係る流体を用いたエネルギー転換装置のブロック図である。図２を参照すると、本発明の一実施例に係る流体を用いたエネルギー転換装置は、対向する下部電極基板２２０と上部電極基板２１０とを含み、前記電極基板には電極が配置され、一対の電極基板間にはイオン性液体または水２６０が位置する。
【００４５】
好ましくは、下部電極基板２２０と上部電極基板２１０との間の空間は非導電性ガス２７０で満たされる。
【００４６】
このような本発明の一実施例に係る液体の接触角及び接触面積の変化を用いたエネルギー転換装置は、外部から物理力が作用されれば上部電極基板と下部電極基板との間の距離、即ち間隔が変化して、それによって作用する力によりイオン性液体及び水は、上部電極基板２１０または下部電極基板２２０と接触する面積及び接触角が変化することになる。イオン性液体または水２６０の接触面積が変化されると、電極の電気容量が変化するようになって電気的エネルギーが発生する。
【００４７】
図３は本発明の一実施例に係る流体を用いたエネルギー転換装置が電気エネルギーを発生させる過程を示す図面である。図３に示すように、初期の本発明の一実施例に係る流体を用いたエネルギー転換装置は、外部発生電気エネルギーは０である。以後、上部電極基板２１０に対して外部の物理的な力が作用して、イオン性液体または水２６０と上部電極基板２１０または下部電極基板２２０との接触面積が変化することにより、一定極性を有する電気エネルギーが発生する(Ｖ１、Ｖ２)。このとき、外部の物理力が除去されるか、減少されると、上部電極基板と下部電極基板との間の間隔が広がりながらイオン性液体または水は元の形通り復元され、それにより、さらにイオン性液体または水と電極基板との間の接触面積が変化して、外部の物理的力が作用する場合とは反対の極性を持つまた他の電気エネルギーが発生するようになる(Ｖ３)。
【００４８】
また、図２を参照すると、本発明の好ましい一実施例によれば、本発明の一実施例に係る流体を用いたエネルギー転換装置は、下部電極基板２２０と上部電極基板２１０との間を支持する隔壁２８０をさらに含む。
【００４９】
隔壁２８０は、図３に示すように外部の物理的な力により形態の変化が生じ、外部の物理力が除去されれば元の形に戻ってくる復元力、或いは柔軟性を有する。
【００５０】
本発明の好ましい一実施例によれば、下部電極基板２２０または上部電極基板２１０も復元力、或いは柔軟性を有するように構成することができる。
【００５１】
好ましくは、隔壁２８０は堅い(rigid)形態であるが、下部電極基板２２０または上部電極基板２１０との接触が柔軟であり、隔壁２８０が自由に押し出される形態であることが可能であり、隔壁２８０と下部電極基板２２０は堅いものであるが、上部電極基板２１０は柔軟である形態であることが可能であり、あるいは、いずれもが柔軟である形態であることも可能である。外部の物理的な力により上部電極基板２１０とイオン性液体または水２６０と当接する接触面積の変化を発生させ得る形態であれば構成可能である。
【００５２】
本発明の好ましい他の実施例によれば、隔壁２８０の高さ、或いは上部電極基板と下部電極基板との間の間隔は、イオン性液体または水２６０の直径の大きさによって決定され、好ましくはイオン性液体または水２６０の直径に比べて２倍以下になるようにする。また、エネルギー転換動作時には上部電極基板２１０と下部電極基板２２０との間の間隔は、イオン性液体または水２６０の直径より小さくなければならない。
【００５３】
また、本発明の好ましいまた他の実施例によれば、隔壁２８０は長方形、三角形、逆三角形、円形、楕円形または円柱形のうち少なくともいずれか１つの形状を有する。
【００５４】
したがって、本発明の一実施例に係るエネルギー転換装置は、隔壁２８０によりアレイ形態に繋がれる。即ち、前記エネルギー転換装置は、隔壁２８０により三角形、四角形、五角形、六角形、円形、格子形またはハニカム形の形態を有する。
【００５５】
また、好ましくは、隔壁２８０の形状は長方形、三角形、逆三角形、円形、楕円形、円柱形であることができ、エネルギー転換装置の単位セル(上板と下板と隔壁と液体とガス)の形状は三角形、四角形、五角形、六角形、円形、格子形、ハニカム形であることができる。
【００５６】
本発明の好ましい他の実施例によれば、本発明の一実施例に係るエネルギー転換装置は、下部電極基板２２０及び／または上部電極基板２１０上に無機物層２３０と有機物層２４０を積層して形成されたエネルギー転換層を含む。エネルギー転換層の形成にはパターニングや蒸着、またはスピンコーティングのような方法が用いられる。
【００５７】
無機物層２３０と有機物層２４０は、下部電極基板２２０または上部電極基板２１０上に積層される際に順序は関係ないが、隣接して積層しなければならない。
【００５８】
好ましくは、無機物層２３０と有機物層２４０は下部電極基板２２０または上部電極基板２１０上に積層される際に繰り返して重畳することができる。即ち、エネルギー転換層は無機物層２３０と有機物層２４０の積層形態を繰り返し行って形成することができる。
【００５９】
本発明の好ましい一実施例によれば、無機物層２３０と有機物層２４０とからなるエネルギー転換層上に、前記イオン性液体または液体２６０の形状が外部の物理力が除去されれば元の形に復元できるように疎水性物質層２５０がさらに積層される。
【００６０】
好ましくは、疎水性物質層２５０はエネルギー転換層が形成されていない上部電極基板２１０または下部電極基板２２０上に積層されることができる。
【００６１】
本発明の好ましい一実施例によれば、有機物層２４０は、ポリメタクリル酸メチル(PolyMethylMethAcrylate、PMMA)、ポリエチレン(Polyethylene、PE)、ポリスチレン(Polystyrene、PS)、ポリビニルピロリドン(Polyvinylpyrrolidone、PVP)、ポリ(４−ビニルフェノール)(poly(4-vinylpenol)、PVP)またはポリエーテルスルフォン(polyethersulfone、PES)、ポリ(４−メトキシフェニルアクリレート)(Poly(4-methoxyphenylacrylate)；PMPA)、ポリ(フェニルアクリレート)(Poly(phenylacrylate)；PPA)、ポリ(２,２,２−トリフルオロエチルメタクリレート)(Poly(2,2,2-trifluoroethyl methacrylate)；PTFMA)、シアノエチルプルラン(Cyanoethylpullulan；CYEPL)、ポリ塩化ビニル(polyvinyl chloride；PVC)、ポリ(パラバン酸)樹脂(Poly(parabanic acid)resin；PPA)、ポリ(t−ブチルスチレン)(Poly(t-butylstyrene)；PTBS)、ポリチエニレンビニレン(Polythienylenevinylene；PTV)、ポリ酢酸ビニル(Polyvinylacetate；PVA)、ポリ(ビニルアルコール)(Poly(vinyl alcohol)；PVA)、ポリ(Ｒメチルスチレン)(Poly(Rmethylstyrene)；PAMS)、ポリ(ビニルアルコール)−コ−ポリ(酢酸ビニル)−コ−ポリ(イタコン酸)(Poly(vinyl alcohol)-co-poly(vinyl acetate)-co-poly(itaconic acid)；PVAIA)、ポリオレフィン(Polyolefin)、ポリアクリレート(Polyacrylate)、パリレン−Ｃ(Parylene-C)、ポリイミド(Polyimide)、オクタデシルトリクロロシラン(Octadecyltrichlorosilane；OTS)、ポリ(トリアリールアミン)(Poly(triarylamine)；PTTA)、ポリ−３−ヘキシルチオフェン(Poly-3-hexylthiophene；P3HT)、架橋結合されたポリ−４−ビニルフェノール(cross-linked Poly-4-vinylphenol；cross-linked PVP)、ポリ(ペルフルオロアルケニルビニルエーテル)(Poly(perfluoroalkenylvinyl ether))、ナイロン−６(Nyloｎ-6)、ｎ−オクタデシルホスホン酸(n-Octadecylphosphonic acid；ODPA)のうち少なくともいずれか１つの物質、またはこれら物質の混合物からなり、無機物層は、酸化ケイ素(SiO2)、酸化アルミニウム(Al2O3)、五酸化タンタル(Tantalum Pentoxide、Ta2O5)、酸化亜鉛(Zinc oxide、ZnO)、酸化イットリウム(Yttrium oxide、Y2O3)、酸化セリウム(Cerium oxide、CeO2)、二酸化チタン(Titanium dioxide、TiO2)、チタン酸バリウム(Barium titanate、BaTiO3)、チタン酸ジルコン酸バリウム(Barium zirconate titanate、BZT)、二酸化ジルコニウム(Zirconium dioxide、ZrO2)、酸化ランタン(Lanthanum oxide、La2O3)、ハフニウムシリケート(Hafnon、HfSiO4)、ランタンアルミネート(Lanthanum Aluminate、LaAlO3)、窒化ケイ素(Silicon nitride、Si3N4)、ペロブスカイト(Perovskite)物質としては、チタン酸ストロンチウム(Strontium titanate、SrTiO3)、チタン酸バリウムストロンチウム(barium strontium titanate、BST)、チタン酸ジルコン酸鉛(Lead zirconate titanate、PZT)、チタン酸カルシウム銅(Calcium copper titanate、CCTO)、または酸化ハフニウム(HfO2)のうち少なくともいずれか１つの物質からなる。
【００６２】
好ましくは、有機物層２４０は誘電率(dielectric constant、K)が４以下の物質を使用することができ、無機物層２３０は誘電率(dielectric constant、K)が５以上の物質を使用することができる。
【００６３】
本発明の好ましいまた他の実施例によれば、本発明の一実施例に係る流体を用いたエネルギー転換装置は、下部電極基板２２０または上部電極基板２１０は無機物層２３０と有機物層２４０とからなるエネルギー転換層上に、前記イオン性液体または水２６０の形状が外部の物理力が除去されれば元の形に復元できるように疎水性物質層２５０が積層される。疎水性物質層２５０は、シラン(silane)系物質、フルオロポリマー(fluoropolymer)物質、トリクロロシラン(Trichlorosilane)、トリメトキシシラン(Trimethoxysilane)、ペンタフルオロフェニルプロピルトリクロロシラン(Pentafluorophenylpropyltrichlorosilane)、(ベンジルオキシ)アルキルトリメトキシシラン((benzyloxy)alkyltrimethoxysilane；BSM-22)、(ベンジルオキシ)アルキルトリクロロシラン((benzyloxy)alkyltrichlorosilane；BTS)、ヘキサメチルジシラザン(hexamethyldisilazane；HMDS)、オクタデシルトリクロロシラン(octadecyltrichlorosilane；OTS)、オクタデシルトリメトキシシラン(octadecyltrimethoxysilane；OTMS)、ジビニルテトラメチルジシロキサン−ビス(ベンゾシクロブテン)(divinyltetramethyldisiloxane-bis(benzocyclobutene)；BCB)のうち少なくともいずれか１つの物質またはこれら物質の混合物からなる。
【００６４】
本発明の好ましい一実施例によれば、下部電極基板２２０または上部電極基板２１０に使用される電極は、ＩＴＯ、ＩＧＯ、クロム、アルミニウム、ＩＺＯ(Indium Zinc Oxide)、ＩＧＺＯ(Indium Gallium Zinc Oxide)、ＺｎＯ、ＺｎＯ２またはＴｉＯ２のうち少なくともいずれか１つを含む無機電極であるか、アルミニウム、鉄または銅のうち少なくともいずれか１つを含む金属電極であるか、ポリエチレンジオキシチオフェン(PEDOT、polyethylenedioxythiophene)、カーボンナノチューブ(CNT、Carbon nano tube)、グラフェン(graphene)、ポリアセチレン(polyacetylene)、ポリチオフェン(Polythiophene、PT)、ポリピロール(Polypyrrole)、ポリパラフェニレン(polyparaphenylene、PPV)、ポリアニリン(Polyaniline)、ポリ窒化硫黄(poly sulfur nitride)またはポリパラフェニレンビニレン(polyparaphenylenevinylene)のうち少なくともいずれか１つを含む有機電極である。
【００６５】
また、本発明の好ましい一実施例によれば、下部電極基板２２０または上部電極基板２１０は、金属基板、ガラス基板または高分子素材の基板である。ここで高分子素材の基板は、ポリエチレンテレフタレート(Polyethylene Terephthalate、PET)、ポリアリレート(polyarylate、PAR)、ポリメタクリル酸メチル(PolyMethylMethAcrylate、PMMA)、ポリエチレンナフタレート(PolyethyleneNaphthalate、PEN)、ポリエーテルスルフォン(Polyethersulfone、PES)、ポリイミド(Polyimide、PI)、ポリカーボネート(Polycarbonate、PC)または繊維強化プラスチック(fiber reinforced plastics、FRP)のうち少なくともいずれか１つを含むプラスチック基板またはフィルムである。
【００６６】
本発明の好ましい一実施例によれば、水を利用するか、イオン性液体２６０はＮａＣｌ、ＬｉＣｌ、ＮａＮｏ３、Ｎａ２ＳｉＯ３、ＡｌＣｌ３−ＮａＣｌ、ＬｉＣｌ−ＫＣｌ、Ｈ２Ｏ、ＫＣＬ、Ｎａ、ＮａＯＨ、Ｈ２ＳＯ４、ＣＨ３ＣＯＯＨ、ＨＦ、ＣｕＳＯ４、エチレングリコール、プロピレングリコールまたはＡｇＣｌのうち少なくともいずれか１つを含む。
【００６７】
本発明の好ましい一実施例によれば、非導電性ガス２７０は空気、酸素、窒素、アルゴン、ヘリウム、ネオン、クリプトン、キセノンまたはラドンのうち少なくともいずれか１つを含むようにする。
【００６８】
本発明の他の実施例に係る流体を用いたエネルギー転換装置は、上述した流体を用いたエネルギー転換装置が複数で連結された配列形態を有するが、下部電極基板２２０または上部電極基板２１０に含まれた電極が、各エネルギー転換装置ごとに配置されるか、２つ以上のエネルギー転換装置が共通して使用される。
【００６９】
図４は、本発明のまた他の液体接触角及び接触面積の変化を用いたエネルギー転換装置を示した概念図である。図４を参照すると、本発明のまた他の実施例に係る流体を用いたエネルギー転換装置は、対向する下部電極基板４２０と上部電極基板４１０とを含み、両電極基板には電極が配置され、両電極基板間には導電性液体４６０が位置することになる。下部電極基板４２０と上部電極基板４１０との間は非導電性ガス４７０で満たされる。また、導電性液体４６０と下部電極基板４２０、または上部電極基板４１０のうち少なくともいずれか１つとの接触角及び接触面積の変化により電気エネルギーを発生させるエネルギー転換層が、下部電極基板４２０または上部電極基板４１０上に形成される。
【００７０】
好ましくは、上部電極基板４１０または下部電極基板４２０は電極を含み、これら電極は導電性液体４６０と絶縁されている。
【００７１】
このような本発明の一実施例に係る液体の接触角及び接触面積の変化を用いたエネルギー転換装置は、外部から物理力が作用されれば上部電極基板４１０と下部電極基板４２０との間の距離、即ち間隔が変化して、それによって作用する力により導電性液体４６０は上部電極基板４１０または下部電極基板４２０と接触する面積及び接触角が変化される。導電性液体４６０の接触面積が変化されると、電極の電気容量が変化されて電気的エネルギーが発生する。
【００７２】
本発明の好ましい一実施例によれば、導電性液体４６０としては、水銀、リチウム、ガリウム、カリウム、ＮａＫ、ビスマス、スズ、ナトリウム、ナトリウムカリウム合金などを使用することができ、比抵抗の範囲が１uΩ／ｃｍ〜１０００uΩ／ｃｍであり、誘電率(dielectric constant、K)が５以下であることが好ましい。
【００７３】
本発明の好ましい一実施例によれば、エネルギー転換層は上部電極基板４１０と下部電極基板４２０の両方に形成することができるが、無機物層４３０及び有機物層４４０が積層された形で構成することができ、積層方法としてはパターニング、蒸着などが用いられる。
【００７４】
また、本発明の好ましい他の実施例によれば、無機物層４３０及び有機物層４４０が積層されて形成されたエネルギー転換層上に、前記導電性液体４６０の形状が外部の物理力が除去されれば元の形に復元できるように親水性物質層４５０がさらに積層される。
【００７５】
好ましくは、親水性物質層４５０はエネルギー転換層が形成されていない上部電極基板４１０または下部電極基板４２０上に積層することができる。
【００７６】
本発明の好ましい一実施例によれば、親水性物質層４５０は、ポリアクリル酸(Poly(acrylic acid)、PAA)、アクリルアミド (Acrylamides)、無水マレイン酸共重合体(Maleic Anhydride Copolymers)、メタクリレート(Methacrylate)、エタクリレート(Ethacrylate)、アミン機能性ポリマー(Amine-Functional Polymers)、ポリスチレンスルホン酸 (Polystyrenesulfonate、PSS)、ビニル酸(Vinyl Acids)、ビニルアルコール(Vinyl Alcohols)、または−ＮＨ、−ＣＯ−、アミノ基−ＮＨ２、水酸基−ＯＨ、またはカルボキシル基−ＣＯＯＨのうち少なくともいずれか１つの機能基を含む物質からなる。
【００７７】
この他に、導電性液体を用いた本発明において、上部電極基板４１０または下部電極基板４２０を構成する電極や基板の素材、無機物層４３０、有機物層４４０、非導電性ガス４７０及び隔壁４８０の特徴と構造などに関わる技術的事項は、前記イオン性液体を使用した実施例、或いは図２と図３で説明された内容によって構成されることができるため、詳しい内容は略する。
【００７８】
本発明は、前述のように異種液体を２種類以上使用する従来のものに比べてチャンネル内の詰まり現象、混和現象を阻むことができ、潤滑層(lubricating layer)も必要でなくなる。
【００７９】
また、従来の技術は電極絶縁膜の構造を１層の自己組織化単分子層(self assembly molecular monolayer)と１層の誘電層(dielectric layer)またはそれ以上の絶縁層(non conductive layer)またはこれらの多様な組合を制限しているが、本発明は最適のエネルギー転換効率のための構造を提案する。すなわち、イオン性液体を用いる場合は、上部電極基板または下部電極基板のうち少なくともいずれか一方の基板に(積層順序によって)電極／無機物層／有機物層／疎水性物質層または電極／有機物層／無機物層／疎水性物質層の構成を有するようにし、導電性液体を用いる場合は、上部電極基板及び下部電極基板の両方に(積層順序によって)電極／無機物層／有機物層／親水性物質層または電極／有機物層／無機物層／親水性物質層の構成を有するようにする。
【００８０】
そして、従来技術は導電性液体を利用するに当たって、分極のための外部電源の印加を必要としたが、本発明はエネルギー転換層がイオン性液体を分極する役目をして外部電源の印加が不要である。
【００８１】
以上では本発明の好ましい実施例及び応用例について示し、説明したが、本発明は上述した特定の実施例及び応用例に限定されず、請求範囲で請求する本発明の要旨を逸脱せずに当該発明の属する技術分野における通常の知識を有する者によって多様な変形実施が可能であることは勿論であり、このような変形実施は本発明の技術的思想や展望から個別的に理解されてはならない。
【符号の説明】
【００８２】
２１０：上部電極基板
２２０：下部電極基板 
２３０：無機物層
２４０：有機物層 
２５０：疎水性物質層
２６０：イオン性液体または水 
２７０：非導電性ガス
２８０：隔壁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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