ТРИБОЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ГЕНЕРИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
TRIBOELECTRIC GENERATING DEVICE AND METHOD OF ITS MANUFACTURING

[1] Настоящая заявка испрашивает приоритет на основании корейской заявки на патент № 10-2017-0156387, поданной 22 ноября 2017 г., содержание которой полностью включено сюда посредством ссылки.
[2] Настоящее изобретение относится к трибоэлектрическому энергогенерирующему устройству, а более конкретно, к трибоэлектрическому энергогенерирующему устройству и способу его изготовления, которые не требуют физического пространства для совершения фрикционных движений, в отличие от традиционных индуцированных давлением электрогенерирующих устройств, максимизируют площадь поверхности благодаря фрикционному участку с переходом из фрикционного композиционного материала, который является недорогим и простым в массовом производстве, тем самым улучшается долговечность генерирующего устройства и эффективно вырабатывается электричество.
Предпосылки изобретения
[3] В случае обычных индуцированных давлением электрогенерирующих устройств органические пьезоэлектрические материалы, такие как ПВДФ, обладающие прекрасной гибкостью, вызывают трудности при производстве конкурентоспособного продукта ввиду опасностей для окружающей среды и высокой стоимости материалов. Кроме того, неорганические пьезоэлектрические материалы, обладающие плохой гибкостью, имеют проблемы с долговечностью, состоящие в том, что материал разрушается под действием непрерывного внешнего давления. В случае трибоэлектрического устройства не только требуется физическое пространство, чтобы совершать фрикционное движение между фрикционными материалами, но и структура устройства сложна и трудна в производстве в больших масштабах, а поскольку степень истирания из-за трения материала велика, возникает проблема низкой надежности и долговечности. Кроме того, существующие трибоэлектрические материалы обладают тем недостатком, что их трудно производить в больших масштабах ввиду трудности соединения электрода и фрикционного материала и различия в технологическом способе нанесения фрикционных материалов на устройство. Следовательно, необходимо разработать трибоэлектрическое генерирующее устройство, в котором такие недостатки скомпенсированы.
[4] При этом, при описании истории разработок традиционных трибоэлектрических устройств, которые проводились до настоящего времени, в 2012 г. было подтверждено, что различные типы трибоэлектрических материалов являются двухслойными, при этом электроды обращены наружу, тем самым вырабатывается электроэнергия посредством вертикального и горизонтального перемещения между трибоэлектрическими материалами. В 2013 г. оказалось возможным вырабатывать электроэнергию даже за счет пересечения различных типов трибоэлектрических материалов, и отдельные трибоэлектрические устройства формировались в многослойной пленке (параллельной структуре) для повышения кпд выработки электроэнергии. В 2014 г. трибоэлектрическое устройство с трехмерной структурой значительно повысило величину вырабатываемого тока, и было подтверждено, что трибоэлектричество может эффективно вырабатываться путем вращения дискового электрода и трибоэлектрического материала, имеющего форму велосипедного колеса, вокруг центральной оси; было продемонстрировано, что возможно эффективно вырабатывать электроэнергию путем формирования решетки из тонкопленочного трибоэлектрического материала с ячейками микронного размера и наложения электрода, а затем перемещения по горизонтали, и было подтверждено, что пружина прикреплялась к решетчатому трибоэлектрическому материалу и электроду, чтобы стало возможным горизонтальное перемещение между материалом и электродом и высокоэффективное (до 85%) преобразование физической энергии в электрическую энергию посредством сохранения энергии с помощью пружины.
[5] В 2015 было продемонстрировано, что структура улучшена настолько, что фрикционные материалы могли плавно перемещаться даже при приложении незначительной энергии путем введения стального стержня между фрикционными материалами для использования подшипника, и, тем не менее, кпд трибоэлектрической выработки электроэнергии значительно не понизилось. Кроме того, было обнаружено, что гибридная система может подавать напряжение или ток более стабильно благодаря соединению электромагнитного генератора (переменного тока) и трибоэлектрического элемента (переменного тока) последовательно или параллельно. Кроме того, было подтверждено, что электроэнергия может вырабатываться одновременно из световой и кинетической энергии благодаря соединению солнечного элемента (постоянного тока) и трибоэлектрического устройства (переменного тока). С тех пор проводятся исследования по улучшению кпд выработки электроэнергии посредством формирования микро- или наноструктуры между трибоэлектрическими материалами, при этом эффективность была дополнительно повышена путем изменения материала или формы (вертикальная, горизонтальная, вращательная, криволинейная и т.д.) приема кинетической энергии. Последний заметный результат исследований показал возможность применения в качестве ветрового генератора при прикреплении одной стороны трибоэлектрического устройства к подложке и оставлении другой стороны колебаться на ветру.
Раскрытие изобретения
Техническая проблема
[6] В отличие от всех трибоэлектрических устройств, представленных выше, в трибоэлектрическом устройстве, описываемом в настоящем изобретении, электроэнергия генерируется за счет удаления ненужной структуры между трибоэлектрическими материалами и использования явления, при котором контакт между доменами трибоэлектрического материала в наноячейках или максимум микронных ячейках создается и прекращается путем изгиба пленки. Это проработано с учетом управления формой поверхности материала в существующих исследованиях, и при этом также обеспечивается преемственность благодаря наследованию результатов научно-исследовательских работ по использованию различных видов кинетической энергии.
[7] Следовательно, задачей настоящего изобретения является создание трибоэлектрического генерирующего устройства и способа его изготовления, которые не требуют физического пространства для совершения фрикционных движений, в отличие от традиционных индуцированных давлением электрогенерирующих устройств, и максимизируют площадь поверхности благодаря фрикционному участку с переходом из фрикционного композиционного материала, который является недорогим и простым в массовом производстве, тем самым улучшается долговечность генерирующего устройства и эффективно вырабатывается электроэнергия.
Техническое решение
[8] Для решения этой задачи настоящее изобретение предлагает трибоэлектрическое энергогенерирующее устройство, которое содержит слой 300 трибоэлектрического генерирования, содержащий фрикционный участок, имеющий структуру с переходом, которая расположена на центральном участке и выполнена из двух или более различных полимеров, первый электрод 100, который расположен прилегающим к одной поверхности слоя 300 трибоэлектрического генерирования, и второй электрод 200, который расположен прилегающим к другой поверхности слоя 300 трибоэлектрического генерирования.
[9] Кроме того, настоящее изобретение предлагает способ изготовления трибоэлектрического энергогенерирующего устройства, который включает в себя этапы a) растворения и диспергирования, либо растворения и диспергирования, а затем смешивания, либо плавления и смешивания двух или более полимеров, имеющих разные диэлектрические свойства, в растворителе соответственно; b) маскирования части поверхности каждого из первого электрода и второго электрода с различными материалами; c) формирования слоя трибоэлектрического генерирования на электроде путем подачи раствора полимеров, который смешан или не смешан на этапе a), на немаскированную открытую поверхность в одном из маскированных первого и второго электродов; и d) наслаивания и затем прессования другого электрода, на котором слой трибоэлектрического генерирования не сформирован, на слое трибоэлектрического генерирования.
Полезные эффекты
[10] Трибоэлектрическое энергогенерирующее устройство и способ его изготовления в соответствии с настоящим изобретением не требуют физического пространства для совершения фрикционных движений, в отличие от традиционных индуцированных давлением электрогенерирующих устройств, и максимизируют площадь поверхности благодаря фрикционному участку с переходом из фрикционного композиционного материала, который является недорогим и простым в массовом производстве, тем самым улучшается долговечность генерирующего устройства и эффективно вырабатывается электроэнергия.
Описание чертежей
[11] Фиг. 1 представляет собой схематический вид сбоку в разрезе трибоэлектрического энергогенерирующего устройства в соответствии с одним примером настоящего изобретения.
[12] Фиг. 2 представляет собой схематический вид электрода, маскированного в соответствии с настоящим изобретением.
[13] Фиг. 3 представляет собой схематический вид сбоку в разрезе трибоэлектрического энергогенерирующего устройства в соответствии с еще одним примером настоящего изобретения.
[14] Фиг. 4 и 5 представляют собой схематические виды сбоку в разрезе трибоэлектрического энергогенерирующего устройства в соответствии с еще одним примером настоящего изобретения.
[15] Фиг. 6 представляет собой график измерения напряжения и тока в соответствии с воздействием, приложенным к трибоэлектрическому энергогенерирующему устройству в соответствии с одним примером настоящего изобретения.
[16] Фиг. 7-9 представляют собой графики измерения напряжения и тока в соответствии с воздействием, приложенным к трибоэлектрическому энергогенерирующему устройству в соответствии со сравнительными примерами настоящего изобретения.
[17] Фиг. 10-12 представляют собой графики измерения напряжения и тока в соответствии с воздействием, приложенным к трибоэлектрическому энергогенерирующему устройству в соответствии с другими примерами настоящего изобретения.
Наилучшие варианты осуществления
[18] Далее настоящее изобретение подробно описывается со ссылкой на прилагаемые чертежи.
[19] Фиг. 1 представляет собой схематический вид сбоку в разрезе трибоэлектрического энергогенерирующего устройства в соответствии с одним примерным вариантом осуществления настоящего изобретения. Как иллюстрируется на фиг. 1, трибоэлектрическое энергогенерирующее устройство в соответствии с настоящим изобретением включает в себя слой 300 трибоэлектрического генерирования, содержащий фрикционный участок, имеющий структуру с переходом, которая расположена на центральном участке и выполнена из двух или более различных полимеров, первый электрод 100, который расположен прилегающим к одной поверхности слоя 300 трибоэлектрического генерирования, и второй электрод 200, который расположен прилегающим к другой поверхности слоя 300 трибоэлектрического генерирования.
[20] Трибоэлектрическое энергогенерирующее устройство в соответствии с настоящим изобретением является устройством, способным преобразовывать всю подаваемую извне физическую кинетическую энергию в электрическую энергию, может применяться для ветрогенерации, генерации с использованием энергии приливов, генерации с использованием энергии волн и т.п., и может быть выполнено в виде модуля, в котором множество таких устройств расположены повторяющимся образом, и генератора, в котором множество таких модулей расположены повторяющимся образом, с целью реализации каждым способа выработки электроэнергии. Кроме того, трибоэлектрическое энергогенерирующее устройство в соответствии с настоящим изобретением может обнаруживать физическое движение, текстуру, жесткость или приложенное усилие и тем самым может использоваться даже в качестве датчика.
[21] Слой 300 трибоэлектрического генерирования представляет собой трибоэлектрический композиционный материал (triboelectric composite material) в виде пленки, содержащей фрикционный участок для выработки электричества, причем этот фрикционный участок образован из случайных (random) участков перехода (junction) в ячейках размером от нанометров (нм) до микрометра (мкм). Участок перехода может иметь структуру объемного гетероперехода (bulk-heterojunction), в которой два или более различных материала приводятся в контакт неравномерно, либо может иметь многопереходную (multi-junction) структуру, например, структуру, аналогичную активному слою (active layer) органических фотоэлектрических приборов с объемным гетеропереходом (bulk-heterojunction organic photovoltaics) (см. интернет-сайт). Между тем, многопереходная структура в основном аналогична структуре с объемным гетеропереходом, но может быть структурой, в которой два или более материала соприкасаются друг с другом в более регулярной форме (см. интернет-сайт). Таким образом, несмотря на чрезвычайно короткие расстояния перемещения каждого поляризованного трибоэлектрического материала, площадь поверхности максимизирована, тем самым повышаются надежность и долговечность материала и эффективно вырабатывается электричество.
[22] Между тем, слой 300 трибоэлектрического генерирования имеет толщину от 1 нм до 10000 мкм, предпочтительно от 100 нм до 5000 мкм, а более предпочтительно от 1 до 1000 мкм. Когда толщина слоя 300 трибоэлектрического генерирования превышает 10000 мкм, электрическое поле, образуемое при разделении зарядов, генерируемых участком перехода, не влияет на коллекторный электрод, что может создавать ту проблему, что напряжение и ток не могут генерироваться. Когда толщина слоя 300 трибоэлектрического генерирования меньше 1 нм, расстояние между коллекторными электродами слишком мало, а значит, в устройствах может возникать явление короткого замыкания из-за туннельного эффекта.
[23] Слой трибоэлектрического генерирования (или фрикционный участок) выполнен из двух или более различных полимеров, имеющих разные диэлектрические свойства, предпочтительно двух различных полимеров. Полимеры могут представлять собой материалы, которые являются недорогими в изготовлении и простыми в массовом производстве, то есть, например, полиамид, поливиниловый спирт (ПВС), полиметилметакрилат (ПММА), сложный полиэфир, полиуретан, поливинилбутираль (ПВБ), полиакрилонитрил, натуральный каучук, полистирол (ПС), поливинилиденхлорид, полиэтилен (ПЭ), полипропилен (ПП), полиимид, поливинилхлорид (ПВХ) и полидиметилсилоксан (ПДМС), а предпочтительно, смесь ПВХ и ПММА, смесь ПВХ и ПВС, смесь ПВХ и ПВБ, смесь ПП и ПММА и смесь ПЭ и ПММА. Когда эти полимеры используются в двух видах смеси (т.е. когда слой трибоэлектрического генерирования содержит два различных полимера), отношение смешения (введения) полимеров является массовым отношением, составляющим от 0,1:99,9 до 99,9:0,1. Несмотря на введение одного из двух полимеров в небольшом количестве, возникает эффект в соответствии с настоящим изобретением, и отношение смешения полимеров может предпочтительно быть массовым отношением от 20:80 до 80:20, более предпочтительно массовым отношением от 40:60 до 60:40. Кроме того, каждый из полимеров предпочтительно имеет средневесовую молекулярную массу (Mw) от 10000 до 5000000.
[24] По сути, когда фрикционный участок состоит из полимеров, имеющих разные диэлектрические свойства, связь между основной цепью между полимерами с разными диэлектрическими свойствами и функциональной группой разрушается с образованием радикалов, что означает, что может происходить перенос заряда между двумя материалами из-за переноса материала, осуществляемого электронами или радикалами. Кроме того, когда ионные мономолекулы уже присутствуют в полимере или образуются из-за трения, ионные мономолекулы могут также мигрировать между гетерогенными полимерами, что может вызывать перенос заряда. По этой причине заряды между двумя материалами разделяются с вырабатыванием электричества.
[25] Между тем, чтобы еще больше увеличить массовую производительность по полимерным материалам, могут использоваться универсальные растворители, такие как ацетон, тетрагидрофуран (ТГФ), толуол, дихлорметан, хлороформ, толуол, гексан, циклогексан, диметилсульфоксид, NMP, вода и т.п. То есть, композиционный материал, в частности композиционная пленка или частицы композита, может быть образованы путем растворения, а затем смешивания различных полимеров в таком растворителе, плавления и смешивания полимеров в растворителе, водорастворимого или органорастворимого диспергирования, а затем смешивания различных полимеров в водных и неводных растворителях (то есть эмульсионной полимеризации).
[26] Соответственно, трибоэлектрическое энергогенерирующее устройство в соответствии с настоящим изобретением имеет простую конструкцию, в которой слой трибоэлектрического генерирования (или трибоэлектрический композиционный материал) 300, который прост в массовом производстве, размещен (вставлен) между обоими электродами (первым электродом 100 и вторым электродом 200), а затем нанесен слой 400 покрытия для водонепроницаемости/влагонепроницаемости и слой 500 покрытия для поддержки. Таким образом, поскольку трибоэлектрическое генерирующее устройство имеет очень простую конструкцию по сравнению с существующими трибоэлектрическими устройствами, которые имеют конструкцию, аналогичную существующим и имеющимся на рынке индуцированным давлением электрогенерирующим устройствам, массовая производительность и надежность высоки.
[27] Далее, первый электрод 100 и второй электрод 200 выполнены из проводящих материалов, которые обеспечивают протекание электрического тока благодаря эффекту зарядки, и любой удовлетворяющий этому проводящий материал может применяться без конкретных ограничений. Примеры таких проводящих материалов могут включать медь, алюминий, золото, серебро, углеродный войлок, углеродную бумагу, композит с добавлением углеродных нанотрубок (УНТ) и т.п., при этом электрод конкретно не ограничен по своей форме, такой как пористая пена (поропласт) помимо формы обычной пленки.
[28] Однако первый электрод 100 и второй электрод 200 могут быть выполнены из различных материалов соответственно. Кроме того, первый электрод 100 и второй электрод 200 имеют толщину от 20 нм до 5 мм, предпочтительно от 50 нм до 1 мм, а более предпочтительно от 100 нм до 100 мкм. Когда толщина первого электрода 100 и второго электрода 200 превышает 5 мм, гибкость, соответствующая изгибу устройства, может быть пониженной, а когда его толщина меньше 20 нм, характеристики устройства могут ухудшиться из-за увеличения сопротивления.
[29] Между тем, первый электрод 100 и второй электрод 200 могут быть выполнены таким образом, что один конец каждого электрода выступает из слоя 300 трибоэлектрического генерирования с целью соединения (заземления) провода (см. фиг. 2). Кроме того, в настоящем изобретении первый электрод 100 и второй электрод 200 предотвращают явление короткого замыкания между обоими электродами. Кроме того, чтобы сохранять одинаковой площадь слоя 300 трибоэлектрического генерирования для каждого устройства, остальная внешняя открытая поверхность, за исключением части, прилегающей к слою 300 трибоэлектрического генерирования, может быть замаскирована лентой, покрытой клеящим компонентом или изолирующим материалом, таким как ПП или ПЭ. Фиг. 2 представляет собой схематический вид электрода, маскированного в соответствии с настоящим изобретением, причем обработка маскированием электрода может выполняться с обеих сторон (a и b на фиг. 2-A), как иллюстрируется на фиг. 2A, но также может выполняться только с одной стороны, как иллюстрируется на фиг. 2B, и может варьироваться в зависимости от характеристик и т.п. целевого электрода. Кроме того, состав основных функций электрода, не описанных выше, может соответствовать составу для электрода, используемого в традиционном трибоэлектрическом устройстве.
[30] Фиг. 3 представляет собой схематический вид сбоку в разрезе трибоэлектрического энергогенерирующего устройства в соответствии с еще одним примером настоящего изобретения. С другой стороны, трибоэлектрическое энергогенерирующее устройство, проиллюстрированное на фиг. 3, может дополнительно содержать по меньшей мере пару первых слоев 400 покрытия, которые расположены на внешней периферийной поверхности каждого из первого и второго электродов 100, 200 для защиты от воды, влаги и кислорода, и т.п., при необходимости. Кроме того, трибоэлектрическое генерирующее устройство может дополнительно содержать по меньшей мере пару вторых слоев 500 покрытия, которые расположены на внешней периферийной поверхности каждого из первых слоев 400 покрытия для поддержки.
[31] В частности, первый слой 400 покрытия является слоем для улучшения водостойкости, влагостойкости, блокирования кислорода, стойкости к атмосферному воздействию, долговечности и т.п. у трибоэлектрического энергогенерирующего устройства в соответствии с настоящим изобретением и блокирования внутренности устройства от внешней среды. Примеры его материала могут включать эпоксидную смолу, сложный полиэфир, полиуретан, смесь парафинового воска и полиолефина, полиэтилентерефталат (ПЭТФ), полипропилен (ПП), полиэтилен (ПЭ), полистирол (ПС), поливинилхлорид (ПВХ), полиэтиленнафталат (ПЭН), полиамид (ПА), поливиниловый спирт (ПВС), этилен-виниловый спирт (EVOH), поливинилиденхлорид (ПВДХ) и их смеси, и они могут использоваться без конкретных ограничений при условии, что материал имеет по меньшей мере одно свойство из водостойкости, влагостойкости, блокирования кислорода, стойкости к атмосферному воздействию и долговечности.
[32] Кроме того, второй слой 500 покрытия в основном имеет функцию поддержки трибоэлектрического генерирующего устройства и может также иметь функцию первого слоя 400 покрытия, а точнее, является слоем для придания упругости устройству. Пример материала второго слоя 500 покрытия может включать полиимид, полиэфирэфиркетон, их смеси и смеси по меньшей мере одного из них и соединений, составляющих первый слой 400 покрытия, при этом могут использоваться любые материалы без конкретных ограничений при условии, что материал позволяет трибоэлектрическому энергогенерирующему устройству выполнять поддерживающую (несущую) функцию, в частности, гибкость и долговечность.
[33] Толщина первого слоя 400 покрытия составляет от 100 нм до 10 мм, предпочтительно от 1 мкм до 1 мм, а более предпочтительно от 10 до 100 мкм. Когда толщина первого слоя 400 покрытия находится за пределами вышеуказанного диапазона, может существовать та проблема, что гибкость устройства понижена или такая функция, как водостойкость/влагостойкость, не выполняется в достаточной мере. Между тем, оба конца первого слоя 400 покрытия могут быть выполнены выступающими из обоих концов первого и второго электродов 100, 200, как иллюстрируется на фиг. 3, с целью защиты всего устройства, содержащего коллекторный электрод, от воды, влаги и кислорода.
[34] Кроме того, толщина второго слоя 500 покрытия составляет от 1 мкм до 10 мм, предпочтительно от 5 мкм до 5 мм, а более предпочтительно от 10 мкм до 1 мм. Когда толщина второго слоя 500 покрытия находится за пределами вышеуказанного диапазона, может существовать та проблема, что гибкость устройства понижена или функция поддержки устройства не выполняется в достаточной мере. Между тем, на фиг. 3 длины первого слоя 400 покрытия и второго слоя 500 покрытия одинаковы, но это всего лишь пример, и любой конец или оба конца второго слоя 500 покрытия могут также быть выполнены выступающими из первого слоя 400 покрытия. При использовании такой выступающей конфигурации слой покрытия полностью покрыт (обернут) еще раз наружным несущим слоем, благодаря чему улучшается эффект блокирования от внешней среды.
[35] Фиг. 4 и 5 представляют собой схематические виды сбоку в разрезе трибоэлектрического энергогенерирующего устройства в соответствии с еще одним примерным вариантом осуществления настоящего изобретения. Между тем, трибоэлектрическое энергогенерирующее устройство в соответствии с настоящим изобретением, при необходимости, как иллюстрируется на фиг. 4, может дополнительно включать в себя первый граничный слой 600 и второй граничный слой 700, содержащие материал, выбранный из группы, состоящей из полиамида, поливинилового спирта (ПВС), полиметилметакрилата (ПММА), сложного полиэфира, полиуретана, поливинилбутираля (ПВБ), полиакрилонитрила, натурального каучука, полистирола (ПС), поливинилиденхлорида, полиэтилена (ПЭ), полипропилена (ПП), полиимида, поливинилхлорида (ПВХ) и полидиметилсилоксана (ПДМС) между слоем 300 трибоэлектрического генерирования и первым электродом 100 и между слоем 300 трибоэлектрического генерирования и вторым электродом 200 соответственно. Кроме того, трибоэлектрическое энергогенерирующее устройство в соответствии с настоящим изобретением содержит первый граничный слой 600 и второй граничный слой 700, образованные из множества слоев, которые могут быть наслоены перекрестно со слоем 300 трибоэлектрического генерирования (т.е. образуя ламинат или слоистый пластик с продольно-поперечной ориентацией слоев), в случае необходимости для улучшения характеристик устройства, как иллюстрируется на фиг. 5, и при этом их порядок не ограничен фиг. 5, и они могут быть образованы в различных комбинациях с учетом характеристик устройства.
[36] Первый граничный слой 600 и второй граничный слой 700 предназначены для дополнительного улучшения взаимодействия со слоем 300 трибоэлектрического генерирования и уровня генерирования электричества за счет предотвращения протекания зарядов обратно из слоя 300 трибоэлектрического генерирования. Первый граничный слой 600 и второй граничный слой 700 имеют разные трибоэлектрические полярности, и, например, когда первым граничным слоем 600 является ПММА, вторым граничным слоем 700 может быть ПВХ. В частности, когда любой из первого граничного слоя 600 и второго граничного слоя 700 выбран из группы, состоящей из ПММА, полиамида, поливинилового спирта, полибутираля и полистирола, другой граничный слой может быть выбран из группы, состоящей из ПВХ, ПДМС, полипропилена, полиэтилена и поливинилиденхлорида.
[37] Кроме того, толщина первого граничного слоя 600 и второго граничного слоя 700 составляет от 1 нм до 1 мм, предпочтительно от 50 нм до 500 мкм, а более предпочтительно от 100 нм до 100 мкм. Когда толщины первого граничного слоя 600 и второго граничного слоя 700 находятся за пределами вышеуказанного диапазона, может существовать та проблема, что гибкость устройства понижена, характеристики генерирования устройства понижены или функция блокирования зарядов, которые перемещаются обратно из слоя 300 трибоэлектрического генерирования, не выполняется надлежащим образом.
[38] Между тем, величины по ширине (ширина × длина, исходя из вида, наблюдаемого сверху) слоя 300 трибоэлектрического генерирования, первого электрода 100, второго электрода 200, первого слоя 400 покрытия, второго слоя 500 покрытия, первого граничного слоя 600 и второго граничного слоя 700, описанных выше, конкретно не ограничены и могут варьироваться в зависимости от размера и характеристик целевого трибоэлектрического энергогенерирующего устройства.
[39] Далее описывается способ изготовления трибоэлектрического энергогенерирующего устройства в соответствии с настоящим изобретением со ссылкой на фиг. 1 и 3. Способ изготовления трибоэлектрического энергогенерирующего устройства включает в себя этапы a) растворения и диспергирования, либо растворения и диспергирования, а затем смешивания, либо плавления и смешивания двух или более полимеров, имеющих разные диэлектрические свойства, в растворителе соответственно; b) маскирование части поверхности каждого из первого электрода и второго электрода с различными материалами; c) подачи раствора полимеров, который смешан или не смешан на этапе a), на немаскированную открытую поверхность любого из маскированных первого и второго электродов (второго электрода 200 на чертеже), а затем сушки или отверждения раствора полимеров для формирования слоя трибоэлектрического генерирования (или полимерной композиционной пленки) 300 на электроде; и d) наслаивания и затем прессования другого электрода (первого электрода 100 на чертеже), на котором слой 300 трибоэлектрического генерирования не сформирован, поверх слоя 300 трибоэлектрического генерирования.
[40] Между тем, после того, как выполнен по меньшей мере один из этапов c) и d), может выполняться процесс отжига слоя 300 трибоэлектрического генерирования, а способ изготовления трибоэлектрического энергогенерирующего устройства дополнительно включает этапы e) формирования первого слоя 400 покрытия на внешней периферийной поверхности каждого из первого электрода 100 и второго электрода 200 и f) формирования второго слоя 500 покрытия на внешней периферийной поверхности каждого из первых слоев 400 покрытия, при необходимости.
[41] В соответствии с настоящим изобретением, чтобы изготовить трибоэлектрическое энергогенерирующее устройство, во-первых, необходимо растворить и диспергировать, растворить, диспергировать и затем смешать, или расплавить и смешать два или более полимера, имеющих разные диэлектрические свойства, в растворителе соответственно (в случае эмульсионной полимеризации – смешивание раствора на водной основе и органорастворимого раствора, этап a). Полимер (материал) составляет фрикционный участок для генерирования электричества в трибоэлектрическом энергогенерирующем устройстве, и его подробное описание соответствует информации по полимерам, описанной в отношении трибоэлектрического энергогенерирующего устройства. С другой стороны, когда полимер не смешан после растворения и диспергирования в каждом растворителе, трибоэлектрическое энергогенерирующее устройство ламинированного типа может быть изготовлено путем последовательной подачи каждого раствора полимера на электрод.
[42] Растворение/диспергирование полимера в растворителе является уникальным процессом настоящего изобретения для дальнейшего улучшения массовой производительности по полимеру. Примеры растворителя, который может использоваться, могут включать органические растворители, такие как линейные и циклические соединения на основе алканов, соединения на основе ароматических углеводородов, соединения на основе кетонов, линейные и циклические соединения на основе простых эфиров, соединения на основе аминов, соединения на основе сульфидов и соединения на основе галогенов. Более конкретно, примеры универсальных растворителей могут включать гексан, циклогексан, толуол, ацетон, простой диэтиловый эфир, тетрагидрофуран (ТГФ), N-метил-2-пирролидон (NMP), диметилсульфоксид, дихлорметан и хлороформ.
[43] Концентрация, c которой полимер растворяется в растворителе, составляет от 0,1 до 10000 г/кг, предпочтительно от 1 до 5000 г/кг, а более предпочтительно от 10 до 1000 г/кг. Когда концентрация, c которой полимер растворяется в растворителе, находится за пределами вышеуказанного диапазона, эффект, получаемый растворением полимера в растворителе, может быть незначительным, либо процесс смешивания может быть затруднен. Кроме того, температура, при которой полимер растворяется в растворителе, составляет от 0°C до 70°C, предпочтительно от 10°C до 50°C, а более предпочтительно от 25°C до 40°C. Когда температура, при которой полимер растворяется в растворителе, находится за пределами вышеуказанного диапазона, может существовать та проблема, что полимер нерастворим или разлагается, либо увеличивается риск взрыва.
[44] В то же время, отношение смешения каждого раствора полимера может представлять собой массовое отношение от 0,1:99,9 до 99,9:0,1, предпочтительно - массовое отношение от 20:80 до 80:20, а более предпочтительно - массовое отношение от 40:60 до 60:40. Между тем, при выполнении этапа a) смешивания растворов различных полимеров с целью усиления гибкости и ударопрочности каждого полимерного материала, при необходимости могут дополнительно вводиться добавки, такие как пластификаторы и модификаторы ударопрочности.
[45] Далее, после приготовления электродов (первого электрода и второго электрода) с различными материалами, часть каждой поверхности маскируют (этап b). Первый электрод и второй электрод должны быть выполнены из различных материалов, чтобы позволить вырабатывать трибоэлектричество. Причина маскирования части поверхности первого и второй электродов лентой состоит в предотвращении явления короткого замыкания между обоими электродами и сохранении площади слоя трибоэлектрического генерирования одинаковой для каждого устройства, поэтому часть, на которую смешанный раствор полимеров не должен наноситься (или подаваться), определяется как участок нанесения маски. Кроме того, подробное описание электродов и маскирования соответствует информации по электродам и маскированию, описанной в отношении трибоэлектрического энергогенерирующего устройства.
[46] После того, как поверхность каждого электрода маскирована, подавая раствор полимеров, который смешан или не смешан на этапе a), на немаскированную открытую поверхность на любом из первого и второго электродов (второго электрода 200 на чертеже), а затем высушивая или отверждая раствор полимеров, формируют слой трибоэлектрического генерирования (или полимерную композиционную пленку 300) на электроде (этап c). В качестве способа подачи смешанного раствора полимеров на электрод имеются капельное нанесение, трафаретная печать, ротационное отложение (нанесение методом центрифугирования), ротогравюрная печать (ротационная глубокая печать), нанесение распылением (разбрызгиванием), струйная печать и т.п. Кроме того, слой 300 трибоэлектрического генерирования имеет толщину от 1 нм до 10000 мкм, предпочтительно от 100 нм до 5000 мкм, а более предпочтительно от 1 до 1000 мкм. Когда толщина слоя 300 трибоэлектрического генерирования превышает 10000 мкм, электрическое поле, создаваемое при разделении зарядов, генерируемых на участке с переходом, не влияет на коллекторный электрод, что может вызывать ту проблему, что не могут вырабатываться напряжение и ток. Когда его толщина составляет менее 1 нм, расстояние между коллекторными электродами слишком мало, что может вызывать явление короткого замыкания в устройствах ввиду эффекта туннелирования.
[47] Между тем, способ изготовления трибоэлектрического энергогенерирующего устройства дополнительно включает в себя этап повторной подачи смешанного раствора полимеров, используемого на этапе c), один или более раз, предпочтительно от 1 до 100 раз, а более предпочтительно от 5 до 20 раз, на поверхность полимерной композиционной пленки (слоя трибоэлектрического генерирования), сформированной на этапе c), а затем сушки раствора, при необходимости. Поскольку это – процесс регулирования толщины полимерной композиционной пленки, так как концентрация полимера на этапе a) понижается, число раз повторной подачи может быть увеличено. Следовательно, когда концентрация полимера высока, процесс повторной подачи такого смешанного раствора полимеров может не выполняться.
[48] Кроме того, в описании настоящего изобретения указано, что сначала приготавливают раствор полимера и смешанный раствор, а затем маскируют поверхность электрода, но это сделано только для удобства описания, и их порядок может быть изменен или они могу происходить одновременно.
[49] Когда слой трибоэлектрического генерирования сформирован на электроде, как описано выше, наслаивают другой электрод (первый электрод 100 на чертеже), в котором слой 300 трибоэлектрического генерирования не сформирован, а затем напрессовывают его на отожженный слой 300 трибоэлектрического генерирования. Прессование может выполняться при температуре от 40°C до 250°C и давлении от 1 гс до 100 кгс универсальным способом прессования, в частности, способом вальцового пресса и способом горячего пресса.
[50] С другой стороны, после того как выполнен по меньшей мере один из этапов c) и d), выполняют процесс отжига слоя 300 трибоэлектрического генерирования. Процесс отжига представляет собой процесс, в котором слой 300 трибоэлектрического генерирования доводят до заданной температуры, выдерживают при соответствующей температуре в течение заданного времени, а затем охлаждают до комнатной температуры, и используется для оптимизации кпд выработки электроэнергии в соответствии с управлением суммарной площадью перехода путем управления степенью агрегации полимеров в слое 300 трибоэлектрического генерирования. Температура, требуемое время и число раз выполнения процесса отжига могут быть произвольно изменены с учетом физических свойств целевого энергогенерирующего устройства, но процесс отжига может выполняться от 1 до 24 раз, предпочтительно от 1 до 10 раз, при температуре от 30°C до 250°C, предпочтительно от 50°C до 150°C, в течение от 1 до 3600 секунд, предпочтительно от 10 до 180 секунд.
[51] Между тем, когда выполняют процесс отжига, как иллюстрируется на фиг. 4, граничные слои (первый граничный слой 600 и второй граничный слой 700 на фиг. 4) могут формироваться между слоем 300 трибоэлектрического генерирования и первым электродом 100 и между слоем 300 трибоэлектрического генерирования и вторым электродом 200 соответственно (альтернативно – по обе стороны от слоя 300 трибоэлектрического генерирования). Это явление, при котором полимер слоя 300 трибоэлектрического генерирования просачивается вверх и вниз из-за нагрева во время процесса отжига, и оно вызвано различием в плотности. Может обеспечиваться формирование первого граничного слоя 600 и второго граничного слоя 700 полимерами, имеющими противоположные друг другу трибоэлектрические полярности.
[52] Между тем, в дополнение к способу, формируемому за счет процесса отжига, граничный слой может быть специально (намеренно) сформирован в какой-то момент времени до формирования слоя трибоэлектрического генерирования (или полимерной композиционной пленки) 300 на электроде. Соответственно, как иллюстрируется на фиг. 5, первый граничный слой 600 и второй граничный слой 700 могут быть образованы из множества слоев, имеющих перекрестную ориентацию со слоем 300 трибоэлектрического генерирования, при этом их порядок не ограничен фиг. 5, а может формироваться в различных комбинациях с учетом характеристик устройства. При этом, когда трибоэлектрическое устройство выполнено так, как иллюстрируется на фиг. 5, характеристики устройства могут быть дополнительно улучшены.
[53] Между тем, после формирования первого слоя 400 покрытия на этапе e) или же после формирования второго слоя 500 покрытия на этапе f), процесс отжига может при необходимости выполняться дополнительно. Кроме того, описание материала, толщины и т.п. первого слоя 400 покрытия и второго слоя 500 покрытия соответствуют информации, описанной в отношении трибоэлектрического энергогенерирующего устройства.
Примеры практического осуществления изобретения
[54]
[55] Далее настоящее изобретение описывается подробнее со ссылкой на конкретные примеры. Приведенные ниже примеры служат иллюстрацией настоящего изобретения, и настоящее изобретение не ограничено приводимыми ниже примерами.
Приготовление трибоэлектрического энергогенерирующего устройства
[56] [Пример 1]
[57] Сначала растворили ПММА в тетрагидрофуране (ТГФ) при комнатной температуре в концентрации 0,1 г/мл, а также растворили ПВХ в ТГФ при комнатной температуре в той же концентрации 0,1 г/мл, а затем раствор ПММА и раствор ПВХ смешали при массовом отношении 1:1, приготовив смешанный раствор полимеров.
[58] Далее, после прикрепления алюминиевого электрода, имеющего размеры 4,3 см × 9 см × 10 мкм, на поверхности покрытой ПЭТФ бумаги с нанесенным акриловым клеем и промывки поверхности электрода ацетоном, приготовили две электродные пленки в форме, иллюстрируемой на фиг. 2, в которых остальная часть, за исключением зоны (открытого электрода) размерами 4,3 см × 8 см, маскировали скотчем.
[59] Потом на поверхность одной открытой (немаскированной) электродной пленки нанесли смешанный раствор полимеров ПММА-ПВХ с удалением излишков с помощью планки и высушили его с образованием слоя трибоэлектрического генерирования, а затем смешанный раствор полимеров ПММА-ПВХ дополнительно нанесли еще 5 раз с удалением излишков с помощью планки на верхней стороне (поверхности) слоя трибоэлектрического генерирования и высушили.
[60] После этого одну маскированную электродную пленку наслоили на поверхность электрода, покрытую смешанным раствором полимеров ПММА-ПВХ, а затем слой трибоэлектрического генерирования отжигали при температуре от 70°C до 90°C в течение примерно 5 секунд с использованием ламинатора (Kolami-320S, компания Kolami в Корее) и припрессовывали при давлении примерно 1 кгс, приготовив трибоэлектрическое энергогенерирующее устройство.
Приготовление трибоэлектрического энергогенерирующего устройства ламинированного типа
[61] [Пример 2]
[62] Трибоэлектрическое энергогенерирующее устройство приготовили таким же образом, как и в Примере 1, за исключением того, что слои ПВХ и ПММА последовательно наносили один раз и ламинировали без смешивания растворов ПВХ и ПММА.
Приготовление трибоэлектрического энергогенерирующего устройства ламинированного типа
[63] [Пример 3]
[64] Трибоэлектрическое энергогенерирующее устройство приготовили таким же образом, как и в Примере 2, за исключением того, что слои ПВХ и ПММА наносили поочередно 3 раза и ламинировали.
Приготовление трибоэлектрического энергогенерирующего устройства ламинированного типа
[65] [Пример 4]
[66] Трибоэлектрическое энергогенерирующее устройство приготовили таким же образом, как и в Примере 2, за исключением того, что слои ПВХ и ПММА наносили поочередно 5 раз и ламинировали.
Приготовление трибоэлектрического энергогенерирующего устройства
[67] [Сравнительный Пример 1]
[68] Трибоэлектрическое энергогенерирующее устройство приготовили таким же образом, как и в Примере 1, за исключением того, что были исключены процессы капельного нанесения, сушки и отжига из-за неиспользования смешанного раствора полимеров.
Приготовление трибоэлектрического энергогенерирующего устройства
[69] [Сравнительный Пример 2]
[70] Трибоэлектрическое энергогенерирующее устройство приготовили таким же образом, как и в Примере 1, за исключением того, что вместо смешанного раствора полимеров ПММА-ПВХ использовали раствор полимера ПММА, исключив раствор ПВХ (то есть слой трибоэлектрического генерирования был выполнен только из полимера ПММА).
Приготовление трибоэлектрического энергогенерирующего устройства
[71] [Сравнительный Пример 3]
[72] Трибоэлектрическое энергогенерирующее устройство приготовили таким же образом, как и в Примере 1, за исключением того, что вместо смешанного раствора полимеров ПММА-ПВХ использовали раствор полимера ПВХ, исключив раствор ПММА (то есть слой трибоэлектрического генерирования был выполнен только из полимера ПВХ).
Оценка величин трибоэлектрического генерирования
[73] [Пример 1 и Сравнительные примеры 1-3]
[74] После того, как мультиметр (UT61E, UNI-T Co., Ltd., Китай) был соединен с обоими электродами трибоэлектрических энергогенерирующих устройств, приготовленных в Примере 1 и Сравнительных примерах 1-3, с помощью проводов, измеряли изменения напряжения в зависимости от воздействия, приложенного к устройствам. То есть, устройство изгибали вверх и вниз три раза в секунду (3 Гц) в течение 20 секунд после первой паузы в 10 секунд, а затем, после паузы от 10 до 20 секунд, оставшийся процесс, за исключением первой паузы, дополнительно повторяли еще 2 раза.
[75] Фиг. 6 представляет собой график измерения напряжения и тока в соответствии с воздействием, приложенным к трибоэлектрическому энергогенерирующему устройству в соответствии с одним примером настоящего изобретения, а фиг. 7-9 – графики измерения напряжения и тока в соответствии с воздействием, приложенным к трибоэлектрическому энергогенерирующему устройству в соответствии со сравнительными примерами настоящего изобретения. При этом фиг. 6 соответствует Примеру 1, а фиг. 7-9 – Сравнительным примерам 1-3 соответственно. Во-первых, в случае трибоэлектрического энергогенерирующего устройства, приготовленного в Примере 1 (с использованием полимерной композиционной пленки), как иллюстрируется на фиг. 6, удалось подтвердить, что электричество моментально генерировалось в зависимости от воздействия/изменения, приложенного к устройству.
[76] С другой стороны, в случае устройства, приготовленного в Сравнительном примере 1 (без использования полимерной композиционной пленки), как иллюстрируется на фиг. 7, видно, что трибоэлектричество не генерировалось совсем. В случае устройства, приготовленного в Сравнительном примере 2 (с использованием только полимера ПММА), как иллюстрируется на фиг. 8, удалось подтвердить, что электричество генерировалось, но оно значительно меньше, чем в Примере 1. В случае устройства, приготовленного в Сравнительном примере 3 (с использованием только полимера ПВХ), как иллюстрируется на фиг. 9, удалось подтвердить, что генерировалось электричество лишь очень незначительной величины.
Оценка величин трибоэлектрического генерирования
[77] [Примеры 2-4]
[78] После того, как мультиметр (UT61E, UNI-T Co., Ltd., Китай) был соединен с обоими электродами трибоэлектрических энергогенерирующих устройств ламинированного типа, приготовленных в Примерах 2-4, с помощью проводов, измеряли изменения напряжения в зависимости от приложенного к устройствам воздействия. То есть, устройство изгибали вверх и вниз три раза в секунду в течение 20 секунд после первой паузы в 10 секунд, а затем, после паузы от 10 до 20 секунд, оставшийся процесс, за исключением первой паузы, дополнительно повторяли еще 2 раза.
[79] Фиг. 10-12 представляют собой графики измерения напряжения и тока в соответствии с воздействием, приложенным к трибоэлектрическому энергогенерирующему устройству в соответствии с другими примерами настоящего изобретения, при этом фиг. 10-12 соответствуют Примерам 2-4 соответственно. В трибоэлектрических энергогенерирующих устройствах ламинированного типа, приготовленных в Примерах 2-4, как и в Примере 1 для трибоэлектрического энергогенерирующего устройства, которое не является устройством ламинированного типа, удалось подтвердить, что электричество мгновенно генерируется в зависимости от воздействия/изменения, приложенного к устройству (см. фиг. 10-12). Кроме того, удалось подтвердить, что по мере того, как возрастает число ламинированных слоев, возрастает величина напряжения и полного тока вырабатываемого электричества.