ナノ発電機
Z・L・ワンは2008年にファイバー型のデバイスを発表した。2本のマイクロファイバーの表面から多数の圧電体ナノワイヤを放射状に成長させ、ファイバーを縒り合せることで発電デバイスとする。片方のマイクロファイバーのナノワイヤ表面には金がコーティングされており、VINGでいうカウンター電極としてもう1本のファイバーとの間にショットキー接合を作る。可動マイクロファイバーが引っぱられると、固定マイクロファイバーのナノ構造体が変形して電圧を生成する。この動作原理は部分的な接触を持つVINGと同じものであるため、発生するのは直流の電気信号である。
TENGの動作原理は、互いに逆の摩擦電荷を帯びた二枚の膜が接触と分離を繰り返すことで、電位差が周期的に変化するというものである。はじめに、電気的に中性な有機層が2層(カプトン(ポリイミド)およびPMMA)があるとする(右図 I)。機械的な動揺によってデバイスが曲げや圧迫を受けると、有機層どうしが接触して電荷の移動が起こり、片側の表面が正電荷を、もう片側が負電荷を帯びる(図 II)。これは単純な摩擦帯電効果である。変形が解放されると、二つの表面は自然に離れていき、対向する正負の電荷が空間に電場を作る。これにより上下の電極間に電位差が生じる。電位差を遮蔽するため、一方の電極からもう一方へ電子が外部負荷を通って流れていく(図 III)。この電流は電極間の電位が等しくなるまで継続する(図 IV)。その後、有機層が再び互いに圧迫されて間隔が狭まると、正負の電荷対によって誘起される電位差が減少するため、電子が外部負荷を逆向きに流れて逆方向の電流パルスが発生する(図 V)。機械的変形が周期的に繰り返されれば、交流電流信号が継続的に生成する。
ここで互いに接触する摩擦帯電材料の一つは絶縁体でなければならない。さもなければ摩擦電気は表面に止まらず逃げて行ってしまう。
既知の物質は金属から高分子、シルク、木材までほぼ例外なく摩擦帯電効果を示す。これらの物質がすべて材料候補になるため、TENGの設計の自由度は大きい。ただし、物質が電子を授受する能力は一様ではない。ジョン=カール・ウィルケは1757年に初めて摩擦帯電系列を発表した。帯電系列の下方に位置する物質ほど、上方の物質と触れたときに負の電荷を受け取る傾向がある。帯電列上で離れた位置にある物質を触れ合わせるほど移動する電荷量は増える。また表面のモルフォロジーも性能に影響する。物理的な手法によってマイクロ/ナノサイズのピラミッド型や立方体型、半球型のパターンを作ると、接触面積が拡大されるため摩擦帯電特性の強化につながる可能性がある。しかし、表面に凹凸構造を設けると摩擦力が増大してエネルギー変換効率に負の影響を与えるおそれもある。そのため設計の最適化が必要である。
圧電型ナノ発電機は周期運動からエネルギーが発生する幅広い環境での応用が期待されている。たとえば、大は風や海洋波から、小は心臓の鼓動や呼吸における筋運動までが挙げられる。さらに実現が見込まれている応用としては以下のようなものがある。