ナノジェネレータ

ナノジェネレータは、機械的エネルギーまたは熱的エネルギーを電気に変換する小型デバイスで、小型のワイヤレス自律デバイス用のエネルギーを収集するために使用されます。ナノジェネレータは、太陽光、風力、温度差、運動エネルギーなどの周囲のエネルギー源を使用します。ナノジェネレータは、機械の動作による温度勾配、電磁エネルギー、さらには動作による振動など、 環境内の周囲の背景エネルギーを使用できます。

環境からのエネルギー採取は非常に長い歴史があり、水車、風車、そして後には水力発電所などの初期の装置にまで遡ります。最近では、より小規模なシステムへの関心が高まっています。1980年代にはインプラント可能な圧電装置に関する研究がいくつかありましたが、^{[1] [2] 1990年代には}圧電効果、^{[3] [4]} 静電気力、^[5] 熱電効果^[6]および電磁誘導^{[7] [8]}に基づく装置など、より多くの装置が開発されました。2006年のレビューについては、Beebyらを参照。^[9]非常に早い段階で、靴を履いて歩くなどのエネルギー源を利用できること、^[10]重要な医療用途があること、^[4]生体内MEMS装置に使用できること^[11]、またはウェアラブルコンピューティングの電源として使用できることが認識されていました。^[12]最近の多くのシステムがこの研究に基づいて構築されており、例えば摩擦電気発電機^[13] 、双安定システム^[14] 、焦電材料^{[15] 、圧電システム[16]}に関する継続的な研究、および無線電子機器^{[18]やその他の分野への応用を含むより一般的な概要[17]}で説明されているものなどがあります。

ナノジェネレータには3つの種類があります。圧電型、摩擦型（どちらも機械エネルギーを電気に変換します）と焦電型ナノジェネレータ（熱エネルギーを電気に変換します）です。^[19]

圧電ナノジェネレータは、ナノ構造の圧電材料の作用により外部の運動エネルギーを電気エネルギーに変換できるエネルギー収集装置である。一般的には、薄膜バルク音響共振器のようなナノスケールの圧電材料を利用した運動エネルギー収集装置を指すために使用される。^{[20] [21]}

ナノジェネレータの動作原理は、ナノワイヤの軸に垂直に作用する力と、ナノワイヤの軸に平行に作用する力の 2 つの異なるケースで説明されます。^[22]圧電構造が移動する先端の外力を受けると、構造全体に変形が発生します。圧電効果により、ナノ構造内に電界が生成されます。正のひずみを持つ伸張部分は正の電位を示し、負のひずみを持つ圧縮部分は負の電位を示します。これは、結晶構造における陽イオンと陰イオンの相対的な変位によるものです。その結果、ナノワイヤの先端の表面には電位分布が生じますが、ナノワイヤの底部は接地されているため中和されます。ナノワイヤで生成される最大電圧は、次の式を使用して計算できます。^[23]

${\displaystyle V_{\text{max}}=\pm {\frac {3}{4(\kappa _{0}+\kappa )}}[e_{\text{33}}-2(1+\nu )e_{\text{15}}-2\nu e_{\text{31}}]{\frac {a^{3}}{l^{3}}}\nu _{\text{max}}}$、

ここで、κ ₀は真空中の誘電率、κは誘電率、e ₃₃、e15、 e 31_は圧電係数、νはポアソン比、aはナノワイヤの半径、lはナノワイヤの長さ、ν _{max は}ナノワイヤ先端の最大たわみです。

ショットキー接触は、対向電極とナノワイヤの先端との間に形成されなければなりません。なぜなら、オーム接触は、先端で生成される電界を中和するからです。電子親和力が4.5 eV の ZnO ナノワイヤ、Pt ( φ = 6.1 eV ) は、ショットキー接触の構築に時々使用される金属です。ショットキー接触を構築することにより、n 型半導体ナノ構造の場合、対向電極が負電位の領域と接触しているときは、電子が先端の表面から対向電極に渡されますが、正電位の領域と接触しているときは、電流は生成されません( p 型半導体構造では、正孔が移動可能であるため、逆の現象が見られます)。

2 番目のケースでは、垂直に成長したナノワイヤが、その下部のオーミック接点と上部のショットキー接点の間に積層されているモデルが検討されます。ナノワイヤの先端に向かって力が加えられると、ナノワイヤに一軸圧縮力が発生します。圧電効果により、ナノワイヤの先端は負の圧電電位を持ち、先端のフェルミ準位が増加します。その後、電子は外部回路を通って先端から下部に流れるため、先端に正の電位が生成されます。ショットキー接点は、電子がインターフェースを輸送されるのを阻止し、先端の電位を維持します。力が除去されると、圧電効果は減少し、電子は先端の正の電位を中和するために上部に戻ります。2 番目のケースでは、交流出力信号が生成されます。^[24]

圧電ナノ構造の構成に応じて、ナノジェネレータは VING、LING、NEG の 3 つのタイプに分類できます。

VING は、ベース電極、垂直に成長した圧電ナノ構造、および対電極の 3 層のスタックで構成される 3 次元構成です。圧電ナノ構造は通常、ベース電極上に成長し、その後、その先端と完全にまたは部分的に機械的に接触して対電極と統合されます。

最初のVINGは2007年に開発されました^[25]。このVINGには、AFMチップの配列に似た周期的な表面格子を持つ対向電極が可動電極として使われました。対向電極は圧電ナノワイヤの先端と完全に接触していないため、外部振動によって引き起こされる面内または面外の動きによって圧電ナノ構造の変形が誘発され、個々のナノワイヤ内に電位分布が生成されます。対向電極は金属でコーティングされており、ナノワイヤの先端とショットキー接触を形成します。Zhong Lin Wangのグループは、ZnOナノロッドで構成された対向電極を生成しました。成均館大学（SKKU）のSang-Woo KimのグループとSamsung Advanced Institute of Technology （SAIT）のJae-Young Choiのグループは、陽極酸化アルミニウムと電気メッキ技術を組み合わせて、ボウル型の透明な対向電極を発表しました^{[26] 。彼らはまた、ネットワーク化された単層カーボンナノチューブ（} SWNT）を使用して、別のタイプの対向電極も開発しました。 ^[27]

LING は、ベース電極、横方向に成長した圧電ナノ構造、およびショットキー接触用の金属電極の 3 つの部分で構成される 2 次元構成です。ほとんどの場合、基板フィルムの厚さは圧電ナノ構造の直径よりも厚くなります。LING は、シングル ワイヤ ジェネレータ (SWG) の拡張です。

NEG は、金属板電極、垂直に成長した圧電ナノ構造、および圧電ナノ構造の間を埋めるポリマーマトリックスの 3 つの主要部分からなる 3 次元構成です。NEG は、Momeni らによって導入されました。^[28]圧電ナノワイヤが 2 本のマイクロファイバーの放射方向に垂直に成長し、それらが絡み合ってナノジェネレータを形成する、布のような幾何学的構成が提案されています。^[29]マイクロファイバーの 1 本は金属でコーティングされてショットキー接触を形成し、VING の対電極として機能します。

ナノジェネレータ用に研究されている様々な圧電材料の中で、研究の多くはZnO、CdS ^[30]、GaN ^[31]などのウルツ鉱構造を持つ材料に焦点を当てています。ジョージア工科大学のZhong Lin Wangはp型ZnOナノワイヤを発表しました。^[32] n型半導体ナノ構造とは異なり、p型の可動粒子は正孔であるため、ショットキー挙動はn型の場合とは逆になり、電気信号はナノ構造の正孔が蓄積された部分から生成されます。

ペロブスカイト構造の材料はウルツ鉱構造の材料に比べてより効果的な圧電特性を持つことが知られているという考えから、イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校のミンフェン・ユーはチタン酸バリウム ナノワイヤも研究した。^{[33]出力信号は同様の}ZnOナノワイヤの16倍以上であることが判明した。カリフォルニア大学バークレー校のリウェイ・リンは、 PVDFもナノジェネレータの形成に応用できることを示唆した。 ^[34]

2010 年時点で報告されている資料の比較を次の表に示します。

2010年、Zhong Lin Wangグループは、VINGと統合された自己発電型のpHまたはUVセンサーを開発しました。このセンサーの出力電圧は20～ 40mVです。Zhong Lin Wangのグループはまた、ハムスターを走らせるための装置に取り付けられた柔軟なSWGから最大100mVの交流電圧 を生成しました。^[39] 

圧電 ナノ構造の一部は、透明有機基板など、さまざまな種類の基板上に形成できます。SKKU（Sang-Woo Kimのグループ）とSAIT（Jae-Young Choiのグループ）の研究グループは、透明で柔軟なナノジェネレータを開発しました。彼らの研究では、インジウムスズ酸化物（ITO）電極をグラフェン層に置き換えました。^[40]

摩擦電気ナノジェネレータは、摩擦電気効果を利用して機械的エネルギーを電気に変換するエネルギー収集装置です。 2012年にジョージア工科大学のZhong Lin Wangのグループによって初めて実証されました。^{[41] [42]}

2012年1月にTENGが初めて報告されて以来、TENGの出力密度は313  W/m ²に向上し、体積密度は490 kW/m ³に達し、変換効率は約60% ^[43] –72% ^[44]であることが実証されています。クレムソン大学のラマクリシュナ・ポディラのグループは、外部増幅装置やブースターを必要とせずにエネルギー貯蔵装置（バッテリーやコンデンサなど）を充電できる、初の完全ワイヤレス摩擦電気ナノジェネレータも実証しました。 [ ^{45 ]}

摩擦電気ナノジェネレータには、垂直接触分離モード、面内スライディングモード、単一電極モードの 3 つの基本的な動作モードがあり、それぞれ異なる特性を持ち、さまざまな用途に適しています。

2 枚のシートの内側表面の反対の摩擦電荷の分離と再接触を繰り返すことによって生じる電位差の周期的な変化。デバイスを曲げたり押したりするために機械的な振動を加えると、内側表面が密着し、表面の片側が正電荷になり、もう片側が負電荷になります。

変形が解除されると、反対の電荷を持つ 2 つの表面が自動的に分離し、これらの反対の摩擦電荷によって電界が生成され、上部電極と下部電極の間に電位差が生じます。電子は外部負荷を介して一方の電極からもう一方の電極に流れます。このプロセスで生成された電気は、2 つの電極の電位が同じになるまで継続します。その後、2 つのシートが再び互いに押し付けられると、摩擦電荷によって誘発された電位差がゼロに減少し始め、転送された電荷が外部負荷を介して逆流し、反対方向に 別の電流パルスが発生します。

この周期的な機械的変形が続くと、交流信号が継続的に生成されます。^{[47] [48]}接触して摩擦電荷を生成する材料のペアに関しては、摩擦電荷が伝導されずにシートの内側表面に残るように、少なくともそのうち の1つは絶縁体である必要があります。

摩擦には、通常の接触と横方向の滑りの 2 つの基本的なプロセスがあります。1 つの TENG は、2 つの表面間の横方向の面内滑りに基づいて設計されています。^[49]滑りによる摩擦帯電により、2 つの表面間の接触面積が周期的に変化することで電荷中心が横方向に分離し、外部負荷の電子の流れを駆動する電圧が生成されます。面内電荷分離のメカニズムは、2 つのプレート間の一方向滑り^[50]または回転モードのいずれでも機能します。^[51]

単一電極ベースの摩擦電気ナノジェネレータは、指先駆動の摩擦電気ナノジェネレータなどのいくつかの用途のためのより実用的な設計として導入されています。^{[52] [53]}摩擦電気系列によると、PDMSは皮膚よりも摩擦電気的に負であるため、電子は皮膚からPDMSに注入されます。PDMSと皮膚の間の分離距離を増やすことで、PDMS上の負の摩擦電気電荷がITO電極上の誘導された正電荷から完全に遮蔽されると、出力信号は観察されません。

TENGは、摩擦帯電（内部回路）と静電誘導プロセス（外部回路）を介して機械的振動を電気信号に変換する物理的プロセスです。振動エネルギーの収集は、モバイル電子機器の電源として使用できます。TENGは、接触分離モードに基づいて周囲の振動エネルギーを収集できることが実証されています。^[54] 3次元摩擦電気ナノジェネレータ（3D-TENG）は、垂直接触分離モードと面内スライディングモードの結合のハイブリッドモードに基づいて設計されています。

2013年、Zhonglin Wangのグループは、風力エネルギーを収穫するための回転式摩擦電気ナノ発電機を報告しました。^[55]その後、波力エネルギーを収集するための3Dスパイラル構造の摩擦電気ナノ発電機、^[56]水や過酷な環境に適用される完全に密閉された摩擦電気ナノ発電機、^[57]水力発電用の多層ディスクナノ発電機など、周囲のエネルギーを収穫するためのさまざまなタイプの摩擦電気ナノ発電機が提案されました。^[58]しかし、ナノ発電機の動作モデルの制限により、摩擦電気ナノ発電機の層間に発生する摩擦により、エネルギー変換効率とデバイスの耐久性が低下します。研究者は、液体と固体の接触帯電効果を利用して電気を生成する、全天候型の液滴ベースの摩擦電気ナノ発電機を設計しました。^[59]

自己発電型モーションセンサー

「自己発電型センサー」という用語は、検出可能な動きを測定するためのすべての電子機器に電力を供給するシステムを指す場合があります。たとえば、スマートベルトプーリーシステムに統合された自己発電型摩擦電気エンコーダーは、収集したエネルギーをコンデンサに蓄積し、マイクロコントローラーとLCDを含む回路に完全に電力を供給することで、摩擦を使用可能な電気エネルギーに変換します。^[60]

焦電ナノ発電機は、ナノ構造の焦電材料を使用して外部の熱エネルギーを電気エネルギーに変換するエネルギー収集装置です。焦電効果は、温度変動の結果として特定の異方性固体に生じる自発分極に関するものです。^[61]最初の焦電ナノ発電機は、2012年にジョージア工科大学のZhong Lin Wangによって導入されました。 ^[62]

焦電ナノ発電機の動作原理は、一次焦電効果と二次焦電効果によって説明できます。

一次焦電効果は、ひずみのない場合に生成される電荷​​を表します。一次焦電効果は、PZT、BTO、およびその他の強誘電体材料の焦電応答を支配します。^[63]このメカニズムは、平衡軸の周りの電気双極子の熱誘導ランダムな揺れに基づいており、その大きさは温度の上昇とともに大きくなります。^[64]室温での熱変動により、電気双極子はそれぞれの整列軸から 1 度以内でランダムに振動します。

温度が一定であれば、電気双極子の自発分極は一定です。ナノジェネレータ内の温度が室温から高温に変化すると、電気双極子はそれぞれの整列軸の周りでより広い角度で振動します。その結果、電極に誘導される電荷​​の量が減少し、電子の流れが生じます。ナノジェネレータが冷却されると、熱活動が低下するため、電気双極子はより狭い角度で振動します。

2 番目のケースでは、得られた焦電応答は、熱膨張によって誘発される歪みによって生成される電荷​​を表す二次焦電効果によって説明されます。二次焦電効果は、ZnO、CdS、およびその他のウルツ鉱型材料の焦電応答を支配します。熱変形により、材料全体に圧電電位差が発生し、外部回路に電子が流れるようになります。

2012年にZhong Lin Wangは、温度変化を検出するための自己発電型温度センサーとして焦電ナノジェネレータを使用しました。センサーの応答時間とリセット時間はそれぞれ約0.9秒と3秒です。^[65]

• バッテリー（電気）
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• ジョージア工科大学のZLワン教授のナノ研究グループ
• 延世大学キム・サンウ教授グループ
• イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校ナノスケール力学物理学研究所
• カリフォルニア大学バークレー校のLINLAB
• サムスン先端技術研究所