ナノ発電機
TENGが機械的にトリガされると電気的な出力が発生し、その大きさは機械的な変形の強さと経時特性を示す。これはTENGを自己給電型圧力センサとして使う場合の基本原理である。TENGはどのタイプでも外力に対する感度と応答の速さが良好で、鋭い信号ピークを与える。さらに1枚の羽根 (20 mg、接触圧力〜0.4 Pa)がぶつかった衝撃さえ検出が可能であるほか、センサ信号を詳細に調べることで加圧のプロセスの全体を読み取ることもできる。この種のセンサが現実世界に存在する微小な圧力の測定に応用できることは数々の研究で示されている。
TENGによってマトリックスアレイを構成すれば、物体表面に大面積の自己給電型圧力マッピングセンサを形成することが可能になる。局所的な圧力に対するTENGアレイの応答を多チャンネル測定系で測定する。この技術は人工皮膚やヒューマンインターフェースへの応用が見込まれる。
TENGからの出力信号には開放電圧と短絡電流の2種類ある。開放電圧はTENGが機械的なトリガを受けて最終的に到達した状態のみによって決まる。すなわち、開放電圧は変形量の指標であり、TENGから得られる情報のうち静的な部分にあたる。
そのため、滑り運動が継続して電荷が分離し続けている限り電流は流れ続け、上部プレートと下部プレートの重なり合いが完全になくなって帯電面が完全に分離したところで電流は止む(図の右下)。電流はプレートが滑る速さによって決定されることになる。その後、上部プレートの動きが反転すると、分離していた摩擦電荷が再び接触を起こすが、高分子層の絶縁性により電荷が消失することはない。帯電面どうしが再び重なっていくにつれ、過剰となった電極上の自由電荷は電気的中性を回復するため外部負荷を逆に流れていく(図の左下)。これにより、摺動の後半サイクルでは下部電極から上部電極に向けて電流が流れる。2枚のプレートが再び重なり合い、帯電面が完全に接すると、電極の誘起電荷が消えてデバイスは最初の状態に戻る(図の左上)。サイクルを通じて外向き滑りと内向き滑りのプロセスは対称であり、したがって対称的な交流電流ピークが発生すると考えられる。
帯電面の滑りによる電荷分離機構は一軸平行移動だけでなく回転運動でも可能である。いずれの場合でも、滑り面に格子線(平行移動の場合)や扇形の分割(回転円板の場合)を設けることでエネルギーハーベスティングの効率は非常に高くなる。このような構造では、パターン周期に等しい距離だけの変位で正負の帯電面を完全に分離することが可能となり、電極に誘起される電荷の輸送効率が劇的に向上する。
摩擦帯電型ナノ発電機(triboelectric nanogenerator、TENG)とは、摩擦帯電効果と静電誘導の組み合わせによって外界の力学的エネルギーを電気エネルギーに変換するエネルギーハーベスティングデバイスである。この方式は圧電型よりも後発で、2012年にジョージア工科大学のZ・L・ワンによって初めて発表された。発電ユニットの内部回路では、摩擦帯電に関して逆の極性を持つ2枚の薄膜が触れ合って電荷を授受し、電位差が作り出される。その電位差を打ち消すため、それぞれの薄膜の裏に張られた電極の間で外部回路を通して電子の流れが生じる。TENGには有機材料が最も適しているため有機ナノ発電機と呼ばれることもある。力学的エネルギーのハーベスティングデバイスで有機物質が用いられたのはこの方式が初めてであった。
2012年1月にTENGが初めて報告されて以来、その出力電力密度は12か月のうちに5ケタの向上を見た。面積電力密度は313 W/m、体積電力密度は490 kW/mに至り、変換効率は60%から72%を達成した。それまでにない出力性能に加え、TENGは製造加工のコストが低く、ロバスト性と信頼性が高く、環境適合性に優れるなど、数々の利点を持っていた。TENGが利用できるエネルギー源は身体運動、歩行、振動、タイヤの回転、風力、水の流れなど幅広く、至る所に存在しながら利用されていないあらゆる力学的エネルギーからハーベスティングを行うことが可能になる。
TENGの基本的な動作モードには垂直接触-分離モード、面内滑りモード、単一電極モードの3種がある。これらはそれぞれ異なった特性を持ち、用途も異なる。
圧電型ナノ発電機には圧電体ナノ構造の様式によってVING、LINGの2種類があり、そのほかナノ複合材料を利用したもの(NEG)も注目されている。