特開 2023-67885 摩擦帯電型発電機

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023067885

(43)【公開日】2023-05-16

(54)【発明の名称】摩擦帯電型発電機

(51)【国際特許分類】

   H02N 1/04 20060101AFI20230509BHJP

   H02N 1/08 20060101ALI20230509BHJP

【ＦＩ】

H02N1/04

H02N1/08

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023024594

(22)【出願日】2023-02-20

(62)【分割の表示】P 2021178965の分割

【原出願日】2021-11-01

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用申請有り 令和３年２月１６日に刊行物「令和３年度福井大学大学院工学研究科産業創成工学専攻修士論文要旨」にて公開 令和３年２月１６日に集会「令和３年度福井大学大学院工学研究科産業創成工学専攻修士論文公聴会」にて公開 令和２年１１月２日に刊行物「令和２年度一般社団法人繊維学会秋季研究発表会要旨」にて公開 令和２年１１月６日に集会「令和２年度一般社団法人繊維学会秋季研究発表会」にて公開 令和３年９月１６日に刊行物「Ｎａｎｏ Ｅｎｅｒｇｙ Ｖｏｌｕｍｅ ９０，Ｐａｒｔ Ａ，Ｄｅｃｅｍｂｅｒ ２０２１，１０６５１５」にて公開

(71)【出願人】

【識別番号】504145320

【氏名又は名称】国立大学法人福井大学

(74)【代理人】

【識別番号】110002745

【氏名又は名称】弁理士法人河崎特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】坂元 博昭

(72)【発明者】

【氏名】末 信一朗

(72)【発明者】

【氏名】ワン ハイタオ

(72)【発明者】

【氏名】高村 映一郎

(72)【発明者】

【氏名】志磨 将大

(57)【要約】

【課題】電気エネルギーを高効率で出力し得る摩擦帯電型発電機を提供する。
【解決手段】第１および第２発電要素と、第１電極と、第２電極とを具備し、第１および第２発電要素は、それらの間の相対運動が摩擦帯電と静電誘導によって電位差を発生させるように配置されており、第１発電要素が、第１電子親和力を有する第１摩擦帯電材料を含み、第２発電要素が、第２電子親和力を有する第２摩擦帯電材料を含み、第１摩擦帯電材料が、第１非導電ナノファイバを含み、第２摩擦帯電材料が、第２非導電ナノファイバを含み、第１電極が、第１導電ナノファイバを含み、第２電極が、第２導電ナノファイバを含む、摩擦帯電型発電機。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１発電要素と、
第２発電要素と、
前記第１発電要素に接続された第１電極と、
前記第２発電要素に接続された第２電極と、
を具備し、
前記第１発電要素および前記第２発電要素は、前記第１発電要素と前記第２発電要素との間の相対運動が摩擦帯電と静電誘導によって前記第１発電要素と前記第２発電要素との間に電位差を発生させるように配置されており、
前記第１発電要素が、第１電子親和力を有する第１摩擦帯電材料を含み、
前記第２発電要素が、第２電子親和力を有する第２摩擦帯電材料を含み、
第１摩擦帯電材料が、第１非導電ナノファイバを含み、
第２摩擦帯電材料が、第２非導電ナノファイバを含み、
第１電極が、第１導電ナノファイバを含み、
第２電極が、第２導電ナノファイバを含む、摩擦帯電型発電機。

【請求項2】

前記第１導電ナノファイバと前記第１非導電ナノファイバとを連絡する第１複合層、および、前記第２導電ナノファイバと前記第２非導電ナノファイバとを連絡する第２複合層、の少なくとも一方を有し、
前記第１複合層は、前記第１発電要素と前記第１電極との間の第１界面領域に形成され、
前記第２複合層は、前記第２発電要素と前記第２電極との間の第２界面領域に形成されている、請求項１に記載の摩擦帯電型発電機。

【請求項3】

前記第１複合層において、前記第１導電ナノファイバと前記第１非導電ナノファイバとが絡み合い、または、
前記第２複合層において、前記第２導電ナノファイバと前記第２非導電ナノファイバとが絡み合っている、請求項２に記載の摩擦帯電型発電機。

【請求項4】

前記第１非導電ナノファイバの平均繊維径よりも、前記第１導電ナノファイバの平均繊維径が小さく、または、
前記第２非導電ナノファイバの平均繊維径よりも、前記第２導電ナノファイバの平均繊維径が小さい、請求項１～３のいずれか１項に記載の摩擦帯電型発電機。

【請求項5】

前記第１複合層および前記第２複合層の少なくとも一方が、電荷貯蔵材料を含み、
前記電荷貯蔵材料が、前記第１非導電ナノファイバおよび前記第２非導電ナノファイバとは異なる第３非導電ナノファイバを含み、
前記第１導電ナノファイバまたは前記第２導電ナノファイバと、前記第３非導電ナノファイバとが絡み合い、かつ
前記第３非導電ナノファイバと、前記第１非導電ナノファイバまたは前記第２非導電ナノファイバとが絡み合っている、請求項３に記載の摩擦帯電型発電機。

【請求項6】

前記第１非導電ナノファイバまたは前記第２非導電ナノファイバの平均繊維径よりも、前記第３非導電ナノファイバの平均繊維径が小さい、請求項５に記載の摩擦帯電型発電機。

【請求項7】

前記電荷貯蔵材料が、芳香環を有するポリマー材料である、請求項５または６に記載の摩擦帯電型発電機。

【請求項8】

前記第１摩擦帯電材料および前記第２摩擦帯電材料の少なくとも一方が、ポリマー材料である、請求項１～７のいずれか１項に記載の摩擦帯電型発電機。

【請求項9】

前記第１摩擦帯電材料が、摩擦ポジティブ材料であり、前記第２摩擦帯電材料が、摩擦ネガティブ型材料である、請求項１～８のいずれか１項に記載の摩擦帯電型発電機。

【請求項10】

前記摩擦ポジティブ材料が、ポリアミドを含み、前記摩擦ネガティブ型材料が、フッ素ポリマーを含む、請求項９に記載の摩擦帯電型発電機。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、摩擦帯電型発電機に関する。

【背景技術】

【0002】

摩擦帯電型発電機は、摩擦帯電と静電誘導の原理に基づいて機械的エネルギーを電気エネルギーに変換する装置であり、ＴＥＮＧ（triboelectric nanogenerator）とも称され
る。ＴＥＮＧは、人間の動作、風力、音波など、様々なタイプの機械的エネルギーを効果的に捕らえ、それを電気エネルギーに変換する。

【0003】

特許文献１は、「繊維径が３００ｎｍ以下の圧電ポリマーの連続する微細繊維からなる膜であって、前記微細繊維がその繊維軸方向を揃えて形成された膜部分とそれらの周囲に配置された前記微細繊維がその繊維軸に方向性がない膜部分を一体化して形成させた一枚の膜であり、前記微細繊維がその繊維軸方向を揃えて形成された膜部分が細長い形状であることを特徴とする圧電ポリマー膜」を提案している。前記圧電ポリマー膜の両端部に電極を備えて感圧センサ又はアクチュエータとすることができ、更には、インターフェースデバイスを製造できる。

【0004】

特許文献２は、「帯電可能な非圧電ポリマからなる繊維が３次元的に堆積されてなるポリマ繊維体を備え、前記ポリマ繊維体は、一つの仮想平面で区分されたときの一方側に正の電荷が負の電荷よりも多く偏在し他方側に負の電荷が正の電荷よりも多く偏在している、発電素子」を提案している。発電素子は「第１導電部材と、前記第１導電部材に対向して配置された第２導電部材と、前記第１導電部材と前記第２導電部材との間の距離が変更可能な状態で前記第１導電部材と前記第２導電部材とを保持する保持部材と、を更に備え、前記ポリマ繊維体は、前記第１導電部材と前記第２導電部材との間に介在し、前記第１導電部材は、前記仮想平面の一面が臨む領域に配置され、前記第２導電部材は、前記仮想平面の他面が臨む領域に配置され、前記保持部材は、前記第１導電部材と前記第２導電部材との少なくとも一方が前記ポリマ繊維体から離間した第１状態と、前記第１導電部材と前記第２導電部材とが前記ポリマ繊維体に接触した第２状態と」をとりうる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１８－１３３３６８号公報

【特許文献2】特開２０２０－１７０８１３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

ＴＥＮＧは軽量で材料選択の幅が広く、多様な構造設計が可能である。しかし、取得された電気エネルギーを高効率で出力する観点からは改善の余地が大きい。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の一側面は、第１発電要素と、第２発電要素と、前記第１発電要素に接続された第１電極と、前記第２発電要素に接続された第２電極と、を具備し、前記第１発電要素および前記第２発電要素は、前記第１発電要素と前記第２発電要素との間の相対運動が摩擦帯電と静電誘導によって前記第１発電要素と前記第２発電要素との間に電位差を発生させるように配置されており、前記第１発電要素が、第１電子親和力を有する第１摩擦帯電材料を含み、前記第２発電要素が、第２電子親和力を有する第２摩擦帯電材料を含み、第１摩擦帯電材料が、第１非導電ナノファイバを含み、第２摩擦帯電材料が、第２非導電ナノ
ファイバを含み、第１電極が、第１導電ナノファイバを含み、第２電極が、第２導電ナノファイバを含む、摩擦帯電型発電機に関する。

【発明の効果】

【0008】

摩擦帯電と静電誘導による取得された電気エネルギーを高効率で出力し得る摩擦帯電型発電機が実現される。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本実施形態に係る摩擦帯電型発電機の発電メカニズムの説明図である。

【図2】本実施形態に係る摩擦帯電型発電機の一例の断面模式図である。

【図3】図２の摩擦帯電型発電機の要部の拡大模式図である。

【図4】別の実施形態に係る摩擦帯電型発電機の一例の断面模式図である。

【図5】図４の摩擦帯電型発電機の拡大模式図である。

【図6】ナイロン不織布（ａ）、ＰＶＤＦ不織布（ｂ）、銀ナノファイバ（ｃ）およびＰＶＤＦ不織布に積層された銀ナノファイバ（ｄ）のＳＥＭ像である。

【図7】電界紡糸装置の一例の構成を示す概念図である。

【図8】電力測定用のリニアモーター（ａ）、オシロスコープ（ｂ）およびプラットフォーム（ｃ）のイメージ図である。

【図9】一実施例のＴＥＮＧの出力特性を示す図である。

【図10】別の実施例のＴＥＮＧの出力特性を示す図である。

【図11】実施例と比較例のＴＥＮＧの出力特性を対比して示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本開示の実施形態について例を挙げて説明するが、本開示は以下で説明する例に限定されない。以下の説明では、具体的な数値、材料等を例示する場合があるが、本開示の効果が得られる限り、他の数値、材料等を適用してもよい。なお、本開示に特徴的な部分以外の構成要素には、公知の摩擦帯電型発電機もしくはＴＥＮＧの構成要素を適用してもよい。この明細書において、「数値Ａ～数値Ｂの範囲」という場合、当該範囲には数値Ａおよび数値Ｂが含まれる。

【0011】

本開示に係る摩擦帯電型発電機（ＴＥＮＧ）は、摩擦帯電と静電誘導の原理に基づいて機械的エネルギーを電気エネルギーへ変換する装置を広く包含する概念である。摩擦帯電型発電機は、第１発電要素と、第２発電要素と、第１電極と、第２電極と、を具備する。第１発電要素と第１電極とは互いに直接または間接的に物理的に接続され、一体化されている。第２発電要素と第２電極とは互いに直接または間接的に物理的に接続され、一体化されている。一方、第１発電要素と第２発電要素の位置関係は相対的に変化する。第１発電要素および第２発電要素は、両者間の相対運動が摩擦帯電と静電誘導によって両者間に電位差を発生させるように配置されている。

【0012】

第１発電要素と第２発電要素との摩擦帯電により、第１発電要素および第２発電要素の一方が正の表面電荷を帯び、他方が負の表面電荷を帯びる。表面電荷によって第１電極と第２電極に静電誘導が誘引される。

【0013】

第１発電要素および第２発電要素の両者間の相対運動は、両者に摩擦帯電を生じさせ、かつ、第１電極および第２電極に静電誘導による電位差を生じさせる運動であればよい。両者の相対的な移動の方向は限定されない。典型的には、第１発電要素と第２発電要素とが相互に離間した状態から接近し、接触し、その後、離間する動作が繰り返される。第１発電要素と第２発電要素との接触により摩擦帯電が生じる。

【0014】

ここでは、第１発電要素と一体化された第１電極と、第２発電要素と一体化された第２
電極とが、外部回路で接続された場合を考える。第１発電要素と第２発電要素とがそれぞれ反対電荷を持って接触した状態から離間させると、外部回路を介して電流が流れ、第１電極と第２電極との間に電位差が生じる。相対運動が停止して平衡状態に達すると、電流は停止する。このとき、第１電極は第１発電要素とは反対の電荷を有し、第２電極は第２発電要素とは反対の電荷を有する。

【0015】

次に、第１発電要素と第２発電要素とが相対運動により接近すると、第１発電要素と第２発電要素の摩擦電荷は互いの反対電荷によって徐々に遮蔽される。そのため、電極間の電位差は徐々に減少し、外部回路を介して、先とは逆方向の電流が流れる。第１発電要素と第２発電要素とが接触すると、摩擦電荷は概ね完全に遮蔽され、平衡状態になる。以上の原理で、外力による第１発電要素と第２発電要素の往復運動から電気エネルギーが取得される。

【0016】

第１発電要素が第１電子親和力を有する第１摩擦帯電材料を含む場合、第２発電要素は、第１電子親和力とは異なる第２電子親和力を有する第２摩擦帯電材料を含んでもよい。このような電子親和力の相違により、第１発電要素および第２発電要素にそれぞれ反対の摩擦電荷が生じやすくなる。

【0017】

本実施形態の主要な特徴の一つは、第１摩擦帯電材料、第２摩擦帯電材料、第１電極および第２電極が、それぞれ、少なくとも部分的にナノファイバの形態を有する点である。すなわち、第１摩擦帯電材料は、第１非導電ナノファイバを含む。第２摩擦帯電材料は、第２非導電ナノファイバを含む。第１電極は、第１導電ナノファイバを含む。第２電極は、第２導電ナノファイバを含む。

【0018】

ナノファイバとは、ナノスケールの繊維径を有する繊維の総称である。ナノスケールの繊維径は、例えば、９００ｎｍ以下であり、５００ｎｍ以下であってもよい。繊維径の下限は、特に限定されないが、製造上の制約を考慮すると、例えば、１ｎｍ以上であり、３ｎｍ以上もしくは１０ｎｍ以上であってもよい。なお、ナノファイバの繊維径とは、平均繊維径を意味する。ここでは、ナノファイバを走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で撮影し、任意の５０本のナノファイバの繊維径を測定し、５０個の測定値の平均値を繊維径とする。

【0019】

第１および第２導電ナノファイバは、導電性（電子伝導性）を有するナノファイバであり、例えば、導電性材料を紡糸することにより得ることができる。具体的には、導電性材料の原料を含む液体をノズルから吐出させることにより導電性を有するナノファイバを得ることができる。導電性材料としては、金属、炭素、導電性高分子などが挙げられる。中でも静電誘導が起こりやすい点で、金属および炭素が望ましく、特に金属が望ましい。すなわち、導電性を有するナノファイバは、金属ナノファイバでもよく、カーボンナノファイバでもよい。金属としては、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｆｅなどが挙げられる。中でも、Ａｇなどの貴金属で構成された金属ナノファイバを用いる場合、ウェアラブルデバイスへの応用に適した高い抗菌性をＴＥＮＧに付与することができる。

【0020】

第１および第２非導電ナノファイバは、非導電性のナノファイバであり、それぞれ第１摩擦帯電材料および第２摩擦帯電材料を紡糸することにより得ることができる。

【0021】

第１摩擦帯電材料および第２摩擦帯電材料の少なくとも一方は、ポリマー材料であってもよい。ポリマー材料としては、フッ素ポリマー、セルロース、ポリオレフィン、アクリル系ポリマー、ポリアミド、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリアクリロ二トリルなどが挙げられるが、特に限定されない。ポリマー材料は、後述の電荷貯蔵材料として例示する芳香環を有するポリマー材料であってもよい。第１摩擦帯電材料および第２摩擦帯電材料は、同じポリマー材料であってもよく、異なるポリマー材料であってもよい。例えば、
衣料中の繊維同士を利用して発電する場合は、同一のポリマー材料の利用が想定される。

【0022】

典型的には、第１摩擦帯電材料が、摩擦ポジティブ材料であるとき、第２摩擦帯電材料は、摩擦ネガティブ材料であってもよい。このとき、第２摩擦帯電材料の第２電子親和力は、第１摩擦帯電材料の第１電子親和力よりも大きい。摩擦ポジティブ材料は、例えば、電子供与性の原子または官能基を有する。摩擦ネガティブ材料は、例えば、電子吸引性の原子または官能基を有する。

【0023】

電子供与性の原子としては、窒素原子、酸素原子などが挙げられる。電子供与性の官能基としては、水酸基、アルキル基、アミド基、ウレタン基などが挙げられる。電子吸引性の原子としては、フッ素原子のようなハロゲン原子が挙げられる。電子吸引性の官能基としては、スルホン基、ニトリル基などが挙げられる。

【0024】

摩擦ポジティブ材料は、例えば、窒素原子を含むポリアミドを含む。摩擦ネガティブ型材料は、例えば、フッ素原子を含むフッ素ポリマーを含む。

【0025】

ポリアミドとしては、例えば、ｎ-ナイロン（ｎは整数）と称されるラクタムの重縮合
反応物、ｎ、ｍ－ナイロン（ｎ、ｍは整数）と称されるアルキレンジアミンとジカルボン酸酸との共縮重合反応、全芳香族ポリアミド（アラミド）などが挙げられる。アラミドはパラ系でも、メタ系でもよい。ラクタムとしては、ε-カプロラクタム、ウンデカンラク
タム、ラウリルラクタムなどが挙げられるが、特に限定されない。アルキレンジアミンとしては、ヘキサメチレンジアミン、ノナンジアミン、メチルペンタジアミンなどが挙げられる。ジカルボン酸としては、アジピン酸、セバシン酸、テレフタル酸、イソフタル酸などが挙げられる。

【0026】

フッ素ポリマーとしては、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、パーフルオロアルキルビニルエーテル、テトラフルオロエチレン－ヘキサフルオロプロピレンコポリマー、フッ化ビニリデン－ヘキサフルオロプロピレンコポリマー、テトラフルオロエチレン－フッ化ビニリデンコポリマーなどが挙げられるが、特に限定されない。

【0027】

第１発電要素および第２発電要素が、それぞれ非導電性のナノファイバを含むことにより、両者の摩擦帯電する面積が大きくなる。また、第１電極および第２電極が、それぞれ導電性を有するナノファイバを含むことにより、第１電極および第２電極の静電誘導がスムーズに進行する。その結果、摩擦帯電を生じる機会が増加する一方、静電誘導は促進される。そのため、電気エネルギーを高効率で出力し得るＴＥＮＧが得られる。

【0028】

また、第１発電要素、第２発電要素、第１電極および第２電極のそれぞれがナノファイバを含むことにより、より軽量なＴＥＮＧが実現される。その結果、ＴＥＮＧの単位質量あたりの発電効率が高められる。

【0029】

さらに、ＴＥＮＧの用途として特に注目されるのは人体に着用可能（ウェアラブル）なデバイスへの応用である。その場合、ＴＥＮＧには高い通気性と柔軟性が求められる。第１発電要素および第２発電要素のみならず、第１電極および第２電極がナノファイバを含むことで、ウェアラブルデバイスへの応用に適した高い通気性と柔軟性が確保される。そして、ナノファイバをＡｇなどの抗菌性を有する金属で構成する場合、高い抗菌性をＴＥＮＧに付与することができる。

【0030】

第１発電要素、第２発電要素、第１電極および第２電極は、例えば、それぞれを構成するナノファイバ同士が絡み合った不織布で構成してもよい。ただし、各構成要素は、織布でもよく、編み物でもよく、その他の形態でもよい。

【0031】

第１および第２電極（もしくは導電性を有するナノファイバで構成された不織布、織布、編み物など）の平均厚さは、例えば、１μｍ～１０００μｍであればよいが、特に限定されない。また、第１および第２発電要素（もしくは非導電性のナノファイバで構成された不織布、織布、編み物など）の平均厚さは、例えば、１μｍ～１０００μｍであればよいが、特に限定されない。

【0032】

第１発電要素と第１電極との間の第１界面領域に、第１導電ナノファイバと第１非導電ナノファイバとを連絡する第１複合層が形成されていてもよい。同様に、第２発電要素と第２電極との間の第２界面領域に、第２導電ナノファイバと第２非導電ナノファイバとを連絡する第２複合層が形成されていてもよい。

【0033】

第１および第２電極、ならびに第１および第２発電要素の平均厚さは、例えば、以下の方法で測定することができる。まず、第１または第２発電要素と第１または第２電極との積層体を積層方向に沿って切断し、断面像を走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で撮影する。ただし、断面像において、第１または第２発電要素と第１または第２電極との界面の長さは１０００μｍ以上とする。断面像は５視野以上で撮影することが望ましい。次に、断面像を上記界面方向に沿って１０等分するように界面方向に垂直な方向（つまり、複合層の厚さ方向）の９本の線分を引く。

【0034】

次に、断面像の１０個の領域において、第１または第２発電要素の最も内側（反対極性の発電要素側）に第１または第２非導電ナノファイバが存在する点Ｔ１と、第１または第２電極側に第１または第２非導電ナノファイバが最も深く侵入している点Ｕ１と、を検出する。次に、点Ｔ１と点Ｕ１との上記線分と平行な方向における距離ｄｔ１を求める。第１または第２複合層がない場合、１０個の距離ｄｔ１の平均値ｄｔ１ａが、第１または第２発電要素の平均厚さと見なされる。第１または第２複合層がある場合は、平均値ｄｔ１ａと第１または第２複合層の平均厚さとの差が、第１または第２発電要素の平均厚さと見なされる。複数の視野で断面像を測定する場合は、各視野で求められた第１または第２発電要素の平均厚さの平均値を第１または第２発電要素の平均厚さと見なす。

【0035】

同様に、断面像の１０個の領域において、第１または第２電極の最も外側に第１または第２導電ナノファイバが存在する点Ｔ２と、第１または第２発電要素側に第１または第２導電ナノファイバが最も深く侵入している点Ｕ２と、を検出する。次に、点Ｔ２と点Ｕ２との上記線分と平行な方向における距離ｄｔ２を求める。第１または第２複合層がない場合、１０個の距離ｄｔ２の平均値ｄｔ２ａが、第１または第２電極の平均厚さと見なされる。第１または第２複合層がある場合は、平均値ｄｔ２ａと第１または第２複合層の平均厚さとの差が、第１または第２電極の平均厚さと見なされる。複数の視野で断面像を測定する場合は、各視野で求められた第１または第２電極の平均厚さの平均値を第１または第２電極の平均厚さと見なす。

【0036】

次に、複合層の形態に応じて実施形態を分けて説明する。
以下、ナノファイバの平均繊維径とは、ナノファイバを走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で撮影し、任意の５０本のナノファイバの繊維径を測定し、平均した値とする。

【0037】

（第１実施形態）
第１複合層は、例えば、第１非導電ナノファイバと第１導電ナノファイバとの絡み合いにより形成されていてもよい。同様に、第２複合層は、第２非導電ナノファイバと第２導電ナノファイバとの絡み合いにより形成されていてもよい。各複合層において、それぞれナノレベルの繊維径を有する導電性のナノファイバと非導電のナノファイバとが隣り合って絡み合うことにより、導電性のナノファイバと非導電性のナノファイバとの接点が顕著
に増加し、静電誘導がスムーズに誘引されるようになる。

【0038】

第１導電ナノファイバと第１非導電ナノファイバとの絡み合い、および、第２導電ナノファイバと第２非導電ナノファイバとの絡み合いの程度は、できるだけ大きいことが望ましい。例えば、第１または第２非導電ナノファイバのネットワークの隙間に第１または第２導電ナノファイバを深く侵入させることが望ましい。もしくは、第１または第２導電ナノファイバのネットワークの隙間に第１または第２非導電ナノファイバを深く侵入させることが望ましい。

【0039】

なお、第１または第２非導電ナノファイバは、通常、相対的に第１または第２導電ナノファイバよりも剛直である。よって、第１または第２非導電ナノファイバのネットワークの隙間に、第１または第２導電ナノファイバを侵入させることが有効である。

【0040】

第１または第２非導電ナノファイバのネットワークの隙間に第１または第２導電ナノファイバを深く侵入させるには、第１または第２非導電ナノファイバの平均繊維径よりも、第１または第２導電ナノファイバの平均繊維径を小さくすることが望ましい。逆に、第１または第２導電ナノファイバのネットワークの隙間に第１または第２非導電ナノファイバを深く侵入させるには、第１または第２導電ナノファイバの平均繊維径よりも、第１または第２非導電ナノファイバの平均繊維径を小さくすることが望ましい。

【0041】

ここで、第１および第２非導電ナノファイバの平均繊維径をＤｎｃ、第１および第２導電ナノファイバの平均繊維径をＤｃとする。

【0042】

各複合層において、Ｄｎｃ＝Ｄｃでもよい。ただし、太い繊維と細い繊維との絡まり合いが形成される場合、ナノファイバ同士の接点がより増加しやすく、静電誘導が更にスムーズに誘引されると考えられる。よって、Ｄｎｃ＞Ｄｃのとき、Ｄｎｃ／Ｄｃ比は、例えば３以上が望ましく、３～２０の範囲内でもよい。同様に、Ｄｎｃ＜Ｄｃのとき、Ｄｃ／Ｄｎｃ比は、例えば３以上が望ましく、３～２０の範囲内でもよい。

【0043】

第１または第２複合層の平均厚さは、第１電極、第２電極、第１発電要素および第２発電要素のそれぞれの平均厚さよりも小さく、それぞれの平均厚さの半分以下であってもよい。第１または第２複合層は、第１または第２電極と、第１または第２発電要素との界面付近を構成するのに十分な厚さであればよい。第１または第２複合層の厚さは、例えば、１μｍ～５００μｍであってもよい。

【0044】

第１または第２複合層の平均厚さは、第１または第２発電要素の一方の表面から第１または第２導電ナノファイバが侵入する深さ、もしくは、第１または第２電極の一方の表面から第１または第２非導電ナノファイバが侵入する深さと、言い換えることもできる。

【0045】

第１または第２複合層の平均厚さは、例えば、以下の方法で測定することができる。まず、第１または第２発電要素と第１または第２電極との積層体を積層方向に沿って切断し、断面像を走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で撮影する。ただし、断面像において、第１または第２発電要素と第１または第２電極との界面の長さは１０００μｍ以上とする。断面像は５視野以上で撮影することが望ましい。次に、断面像を上記界面方向に沿って１０等分するように界面方向に垂直な方向（つまり、複合層の厚さ方向）の９本の線分を引く。次に、断面像の１０個の領域において、第１または第２発電要素側に第１または第２導電ナノファイバが最も深く侵入している点Ｐと、第１または第２電極側に第１または第２非導電ナノファイバが最も深く侵入している点Ｑと、を検出する。次に、点Ｐと点Ｑとの上記線分と平行な方向における距離ｄ１を求める。１０個の距離ｄ１の平均値ｄ１ａが、第１または第２複合層の平均厚さと見なされる。複数の視野で断面像を測定する場合は、各視野
で求められたｄ１ａの平均値を第１または第２複合層の平均厚さと見なす。

【0046】

（第２実施形態）
第１または第２複合層は、電荷貯蔵材料を含んでもよい。電荷貯蔵材料は、例えば、電荷を引き寄せて安定化させる所定の化学構造を有する。所定の化学構造は、π共役系電子軌道を有する構造が典型的であるが、これに限定されない。電荷貯蔵材料は、第１または第２発電要素もしくは第１または第２非導電ナノファイバよりも長期間にわたって電荷をトラップできる化学構造を有してもよい。

【0047】

一般に摩擦帯電で発生する電荷の多くは、空気中の反対電荷で中和されたり、第１または第２電極に逃げたりする傾向があり、第１または第２発電要素に表面電荷が蓄積されにくい傾向がある。静電誘導で生じる電流の大きさは、表面電荷の蓄積量に依存する。第１または第２複合層が電荷貯蔵材料を含むことで、摩擦帯電で生成された電荷は複合層にしっかりと結合し、ウォーターポンプのように機能する。そのため、第１電極と第２電極との間に誘導される電位差が増加し、強い静電誘導が刺激され、より高い出力を生成できるようになる。

【0048】

電荷貯蔵材料は、芳香環を有するポリマー材料であってもよい。芳香環は、安定なπ共役系電子軌道を有する。よって、摩擦帯電で生じる電荷を高度に安定化させ、より長期間にわたって電荷をトラップできる。芳香環は、単環でもよく、縮合環でもよい。芳香環は、ベンゼン環でもよく、複素環（ヘテロ環）でもよい。

【0049】

芳香環を有するポリマー材料としては、例えば、ポリスチレン、アラミドなどであってもよい。ポリマー材料は、π共役系高分子であってもよい。π共役系高分子としては、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェンなどが挙げられるが、特に限定されない。

【0050】

電荷貯蔵材料は、少なくとも部分的にナノファイバの形態を有してもよい。すなわち、電荷貯蔵材料は、第１または第２非導電ナノファイバとは異なる第３非導電ナノファイバを含んでもよい。この場合、各複合層において、第１または第２導電ナノファイバと第３非導電ナノファイバとが絡み合い、かつ第３非導電ナノファイバと第１または第２非導電ナノファイバとが絡み合っていることが望ましい。中でも、第１または第２電極と電荷貯蔵材料との複合化が重要であり、第１または第２導電ナノファイバと第３非導電ナノファイバとが十分に絡み合っていることが望ましい。

【0051】

各複合層は、少なくとも第１または第２導電ナノファイバと第３非導電ナノファイバとが絡み合う第１複合領域を有し、第３非導電ナノファイバと第１または第２非導電ナノファイバとが絡み合う第２複合領域を有してもよく、更に、第３非導電ナノファイバのみで構成される中間領域を有してもよい。中でも第１複合領域が重要であり、第１複合領域により、導電性のナノファイバと非導電性のナノファイバとの間の接点が顕著に増加し、静電誘導がスムーズに誘引されるようになる。

【0052】

第１または第２導電ナノファイバと第３非導電ナノファイバとの絡み合いの程度は、できるだけ大きいことが望ましい。例えば、第１または第２導電ナノファイバのネットワークの隙間に、第３非導電ナノファイバを深く侵入させることが望ましい。同様に、第３非導電ナノファイバのネットワークの隙間に、第１または第２導電ナノファイバを深く侵入させてもよい。

【0053】

第１または第２導電ナノファイバのネットワークの隙間に第３非導電ナノファイバを深く侵入させるには、第１または第２導電ナノファイバの平均繊維径よりも、第３非導電ナノファイバの平均繊維径を小さくすることが望ましい。逆に、第３非導電ナノファイバの
ネットワークの隙間に第１または第２導電ナノファイバを深く侵入させるには、第３非導電ナノファイバの平均繊維径よりも、第１または第２導電ナノファイバの平均繊維径を小さくすることが望ましい。

【0054】

ここで、第３非導電ナノファイバの平均繊維径をＤｎｃ３とする。

【0055】

各複合層において、Ｄｃ＝Ｄｎｃ３でもよいが、太い繊維と細い繊維との絡まり合いが形成される場合、ナノファイバ同士の接点がより増加しやすく、静電誘導が更にスムーズに誘引されると考えられる。よって、Ｄｃ＞Ｄｎｃ３のとき、Ｄｃ／Ｄｎｃ３比は、例えば、３以上が望ましく、３～２０の範囲内でもよい。同様に、Ｄｃ＜Ｄｎｃ３のとき、Ｄｎｃ３／Ｄｃ比は、例えば、３以上が望ましく、３～２０の範囲内でもよい。

【0056】

第１または第２非導電ナノファイバのネットワークの隙間に第３非導電ナノファイバを深く侵入させるには、第１または第２非導電ナノファイバの平均繊維径よりも、第３非導電ナノファイバの平均繊維径を小さくすることが望ましい。逆に、第３非導電ナノファイバのネットワークの隙間に第１または第２非導電ナノファイバを深く侵入させるには、第３非導電ナノファイバの平均繊維径よりも、第１または第２非導電ナノファイバの平均繊維径を小さくすることが望ましい。

【0057】

Ｄｎｃ＞Ｄｎｃ３のとき、Ｄｎｃ／Ｄｎｃ３比は、例えば、３以上が望ましく、３～２０の範囲内でもよい。同様に、Ｄｎｃ＜Ｄｎｃ３のとき、Ｄｎｃ３／Ｄｎｃ比は、例えば、３以上が望ましく、３～２０の範囲内でもよい。

【0058】

第１または第２複合層のうち、第１または第２導電ナノファイバと第３非導電ナノファイバとが絡み合う第１複合領域の平均厚さは、第１電極、第２電極、第１発電要素および第２発電要素のそれぞれの厚さよりも、小さく、それぞれの平均厚さの半分以下であってもよい。第１または第２複合層の厚さは、例えば、１μｍ～５００μｍであってもよい。

【0059】

第１または第２複合層のうち、第１複合領域の平均厚さは、例えば、以下の方法で測定することができる。まず、第１または第２発電要素と第１または第２電極との積層体を積層方向に沿って切断し、断面像を走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で撮影する。積層体には、第１または第２複合層が含まれている。断面像において、第１または第２発電要素と第１または第２電極との間に介在する第１または第２複合層（発電要素と電極との界面領域）の長さは１０００μｍ以上とする。断面像は５視野以上で撮影することが望ましい。次に、断面像を上記界面に沿って１０等分するように界面方向に垂直な方向（つまり、複合層の厚さ方向）の９本の線分を引く。次に、断面像の１０個の領域において、第１または第２電極側に第３非導電ナノファイバが最も深く侵入している点Ｒと、電荷貯蔵材料側（すなわち第１または第２発電要素側）に第１または第２導電ナノファイバが最も深く侵入している点Ｓと、を検出する。次に、点Ｒと点Ｓとの上記線分と平行な方向における距離ｄ２を求める。１０個の距離ｄ２の平均値ｄ２ａが、第１複合領域の平均厚さと見なされる。複数の視野で断面像を測定する場合は、各視野で求められたｄ２ａの平均値を第１複合領域の平均厚さと見なす。

【0060】

以下、図面を参照しながら本実施形態に係るＴＥＮＧについて更に説明する。ただし、以下の実施形態は本発明を限定するものではなく、発明の範囲内で種々の改変が可能である。以下の図面では、同一の参照符号は同一部分または相当部分を示している。

【0061】

図１は、本実施形態に係るＴＥＮＧの発電メカニズムを示す説明図である。ＴＥＮＧ１００は、それぞれがシート状の第１発電要素１１０と、第２発電要素１２０と、第１電極１１１と、第２電極１２１とを具備する。第１電極１１１と第２電極１２１は抵抗Ｒを有
する外部回路１０１を介して電気的に接続されている。ここでは、第１発電要素１１０は摩擦ポジティブ材料、第２発電要素１２０は摩擦ネガティブ材料を含む。

【0062】

第１発電要素１１０と第１電極１１１とは互いに接触した状態で一体化され、第２発電要素１２０と第２電極１２１とは互いに接触した状態で一体化されている。第１発電要素１１０と第２発電要素１２０は、それぞれの第１位置で相互に離間した状態（図１（ｃ））から次第に接近し、それぞれの第２位置で接触し（図１（ａ））、その後、離間して第１位置に移動する動作を繰り返す。

【0063】

図１（ａ）は、第１発電要素１１０と第２発電要素１２０とが、それぞれの第２位置で接触している状態である。両者が圧縮圧力を受けることで、接触界面に摩擦帯電が生じる。すなわち、第１発電要素１１０は、正の表面電荷を、第２発電要素１２０は、負の表面電荷を持つ。この状態では、正の表面電荷と負の表面電荷とが相互に概ね完全に遮蔽し合って、静的な平衡状態にある。このとき、外部回路１０１に電流は流れない。

【0064】

図１（ｂ）は、第１発電要素１１０と第２発電要素１２０とが、離間し、第１位置まで移動する途中の状態である。第１発電要素１１０と第２発電要素１２０との距離が離れるほどに表面電荷の遮蔽効果が弱まり、第１電極に負の電荷が、第２電極に正の電荷が誘導され（つまり、外部回路１０１に電流Ｉが流れ）、電極間の電位差が次第に大きくなる。

【0065】

図１（ｃ）は、第１発電要素１１０と第２発電要素１２０とが、それぞれの第１位置で停止している状態である。この状態は静的な平衡状態であり、外部回路１０１に電流は流れない。

【0066】

図１（ｄ）は、第１発電要素１１０と第２発電要素１２０とが、接近し、第２位置まで移動する途中の状態である。第１発電要素１１０と第２発電要素１２０との距離が近づくほどに、表面電荷の遮蔽効果が強くなり、第１電極の負の電荷と第２電極の正の電荷が減少し（つまり、外部回路１０１に先とは逆方向の電流Ｉが流れ）、電極間の電位差が次第に小さくなる。

【0067】

図２は、本実施形態に係るＴＥＮＧ１００の一例の断面模式図である。第１発電要素１１０に含まれる第１摩擦帯電材料は、摩擦ポジティブ材料である。ここで、摩擦ポジティブ材料は、ナノファイバ（第１非導電ナノファイバ１１０ｎｃＦ）の形態を有する。第１発電要素１１０は、例えば、第１非導電ナノファイバ１１０ｎｃＦで構成された不織布である。一方、第２発電要素１２０に含まれる第２摩擦帯電材料は、摩擦ネガティブ材料である。摩擦ネガティブ材料は、ナノファイバ（第２非導電ナノファイバ１２０ｎｃＦ）の形態を有する。第２発電要素１２０は、例えば、第２非導電ナノファイバ１２０ｎｃＦで構成された不織布である。

【0068】

第１電極１１１は、ナノファイバ（第１導電ナノファイバ１１１ｃＦ）の形態を有する。第１電極１１１は、例えば、第１導電ナノファイバ１１１ｃＦで構成された不織布である。同様に、第２電極１２１は、ナノファイバ（第２導電ナノファイバ１２１ｃＦ）の形態を有する。第２電極１２１は、例えば、第２導電ナノファイバ１２１ｃＦで構成された不織布である。

【0069】

図３は、図２のＴＥＮＧ１００の要部である第１複合層１３０の拡大模式図である。図２、３では、第１複合層１３０を含む領域が破線で囲まれている。第１複合層１３０は、破線で囲まれた第１非導電ナノファイバ１１０ｎｃＦと第１導電ナノファイバ１１１ｃＦとの絡み合いが形成されている領域である。図３は、既述の断面像の１０個の領域のうちの１つに相当する。図３中に、第１発電要素１１０側に第１導電ナノファイバ１１１ｃＦ
が最も深く侵入している点Ｐと、第１電極１１１側に第１非導電ナノファイバ１１０ｎｃＦが最も深く侵入している点Ｑとの距離ｄ１を示す。

【0070】

図４は、別の実施形態に係るＴＥＮＧ１００Ａの一例の断面模式図である。この実施形態は、第１複合層の構成が異なる点以外、図２の実施形態と概ね同様の構造を有する。第１複合層１３０Ａは、電荷貯蔵材料を含み、電荷貯蔵材料は、ナノファイバの形態を有する。すなわち、電荷貯蔵材料は、第１または第２非導電ナノファイバとは異なる第３非導電ナノファイバ１３０ｎｃＦを含む。

【0071】

図５は、図４のＴＥＮＧ１００Ａの要部である第１複合層１３０Ａの拡大模式図である。図４、５では、第１複合層１３０Ａを含む領域が破線で囲まれている。また、第１複合領域１３０Ｂが一点鎖線で囲まれている。第１複合層１３０Ａにおいて、第１導電ナノファイバ１１１ｃＦと第３非導電ナノファイバ１３０ｎｃＦとが絡み合い、かつ第３非導電ナノファイバ１３０ｎｃＦと第１非導電ナノファイバ１１０ｎｃＦとが絡み合っている。第１複合領域１３０Ｂにおいて、第１導電ナノファイバ１１１ｃＦと第３非導電ナノファイバ１３０ｎｃＦとが絡み合っている。図５は、既述の断面像の１０個の領域のうちの１つに相当する。図５中に、第１電極１１１側に第３非導電ナノファイバ１３０ｎｃＦが最も深く侵入している点Ｒと、電荷貯蔵材料側に第１導電ナノファイバ１１１ｃＦが最も深く侵入している点Ｓとの距離ｄ２を示す。

【0072】

次に、本実施形態に係るＴＥＮＧの製造方法の一例について説明する。

【0073】

（第１または第２発電要素）
ここでは一例として、電界紡糸法（エレクトロスピニング法）により、第１または第２発電要素として、第１または第２非導電ナノファイバを含む不織布を製造する方法について説明する。第１および第２非導電ナノファイバは、それぞれ第１摩擦帯電材料および第２摩擦帯電材料を紡糸することにより得ることができる。

【0074】

電界紡糸法による非導電ナノファイバの製造方法は、例えば、摩擦帯電材料を含む溶液を調製する工程、ナノファイバ形成空間に静電気を有する溶液を吐出して電界によりナノファイバを生成させる工程と、生成したナノファイバを堆積させて不織布を形成する工程とを有する。

【0075】

溶液の調製方法は、特に制限されず、例えば、摩擦帯電材料を溶媒に溶解させて調製すればよい。溶媒は、摩擦帯電材料を溶解でき、揮発により除去可能な溶媒であれば、特に制限されない。このような溶媒としては、非プロトン性の極性有機溶媒が挙げられる。具体的には、Ｎ，Ｎ－ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）、Ｎ，Ｎ－ジメチルアセトアミド（ＤＭＡｃ）、Ｎ－メチル－２－ピロリドン（ＮＭＰ）などのアミド（鎖状または環状アミドなど）、ジメチルスルホキシドなどのスルホキシド、アセトンなどが挙げられる。これらの溶媒は一種を単独で用いてもよく、二種以上を組み合わせて用いてもよい。

【0076】

溶液に含まれる摩擦帯電材料の濃度は、適宜設定すればよい。溶液は、必要に応じて、電界紡糸法で使用される公知の添加剤を含んでもよい。

【0077】

次に、ナノファイバ形成空間で溶液からナノファイバを生成させる。電界紡糸法では、静電延伸現象によりナノファイバを生成させる。具体的には、電界を有する空間（ナノファイバ形成空間）に帯電させた溶液を吐出すると、空間を飛行中に溶液中の溶媒が徐々に揮散し、溶液の液滴の体積が減少していく。その結果、空間を飛行中の液滴の電荷密度が徐々に上昇し、電荷の反発力が液滴の表面張力よりも勝ったときに、液滴が爆発的に線状に延伸される。静電延伸現象によれば、ナノファイバを効率よく製造することができる。

【0078】

ナノファイバ形成空間で生成したナノファイバを所定の基材表面に堆積させると、不織布が得られる。形成された不織布は、基材表面から容易に剥離することができる。

【0079】

電界紡糸法により非導電ナノファイバを製造する装置は、例えば、摩擦帯電材料を含む溶液を吐出するためのノズルと、溶液を帯電させる帯電手段と、ナノファイバを堆積させるコレクタ部とを具備する。帯電手段は、例えば、ノズルに高電圧を印加する電圧印加装置を有する。帯電手段は、コレクタ部よりもノズルから遠くにコレクタ部と平行に設置される対電極を有してもよい。コレクタ部もしくは対電極は接地すればよい。これにより、ノズルと対電極との間に電位差が生じる。すなわち、ノズルとコレクタ部もしくは対電極との間にナノファイバ形成空間が形成される。

【0080】

（電荷貯蔵材料）
電荷貯蔵材料は、電界紡糸法（エレクトロスピニング法）により、例えば、発電要素として形成された第１または第２非導電ナノファイバを含む不織布の一方の表面に、第３非導電ナノファイバを紡糸して堆積させることにより形成される。コレクタ部に、第１または第２非導電ナノファイバを含む不織布を配置し、ナノファイバ形成空間で第３非導電性ナノファイバを生成させることで、第１または第２発電要素の一方の表面に、第３非導電性ナノファイバを含む電荷貯蔵材料を堆積させることができる。

【0081】

（第１または第２電極）
第１または第２電極は、例えば、ポリオール法により、第１または第２導電性ナノファイバを含む不織布として製造することができる。ポリオール法とは、液相で金属ナノファイバを合成する方法の一例であり、界面活性剤、高分子などの保護剤の存在下、水または溶媒中で金属イオンをポリオール（多価アルコール）で還元してナノファイバを成長させる方法である。ポリオール法によれば、金属塩溶液の濃度、温度条件を制御することにより、様々な繊維径と繊維長を有する金属ナノファイバを合成することができる。保護剤としては、例えば、ポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）が用いられる。金属塩としては、例えば、硝酸銀が用いられる。ポリオールとしては、例えば、エチレングリコールが用いられる。例えば、硝酸銀溶液中での銀イオンの還元反応は、ＰＶＰのような保護剤により方向が一方向に制御されながら進行し、銀ナノファイバが生成する。溶液中に誘導剤として塩化ナトリウムを添加すると、銀ナノファイバの成長が促進される。導電性ナノファイバ（金属ナノファイバ）を摩擦帯電材料もしくは電荷貯蔵材料に積層もしくは堆積させた後、所定の外力を付与することで導電性ナノファイバと非導電性ナノファイバとの絡み合いが形成される。例えば、導電性ナノファイバを摩擦帯電材料もしくは電荷貯蔵材料に対して加圧したり、導電性ナノファイバを摩擦帯電材料（もしくは電荷貯蔵材料）を介して摩擦帯電材料（もしくは電荷貯蔵材料）側から吸引したりすることで、導電性ナノファイバと非導電性ナノファイバとの絡み合いの形成を促進することができる。

【0082】

［実施例］
以下、本発明を実施例および比較例に基づいて具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

【0083】

≪実施例１≫
（１）第１および第２発電要素
第１摩擦帯電材料として摩擦ポジティブ材料であるポリアミド（ナイロン－６，６）を準備し、ナイロン－６，６をヘキサフルオロイソプロパノール（ＨＦＩＰ）に溶解させて、ナイロン－６，６の含有率が７．５質量％のナイロン溶液を調製した。ナイロン溶液を所定の電界紡糸装置を用いて電界紡糸し、平均繊維径４００ｎｍの第１非導電ナノファイバ（ナイロンナノファイバ）をコレクタ部に堆積させて、第１発電要素としてナイロン不
織布（厚さ５０μｍ）を形成した。ナイロン（Ｎｙｌｏｎ）不織布のＳＥＭ像を図６（ａ）に示す。

【0084】

第２摩擦帯電材料として摩擦ネガティブ材料であるポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）を準備し、ＰＶＤＦをＤＭＦとアセトンの体積比７：３の混合溶媒に溶解させて、ＰＶＤＦの含有率が２０質量％のＰＶＤＦ溶液を調製した。ＰＶＤＦ溶液を所定の電界紡糸装置を用いて電界紡糸し、平均繊維径３００ｎｍの第２非導電ナノファイバ（ＰＶＤＦナノファイバ）をコレクタ部に堆積させて、第２発電要素としてＰＶＤＦ不織布（厚さ５０μｍ）を形成した。ＰＶＤＦ不織布のＳＥＭ像を図６（ｂ）に示す。

【0085】

図７に示される構成を有する電界紡糸装置を用いて電界紡糸を行った。電界紡糸装置２００は、摩擦帯電材料を含む溶液を吐出するためのシリンジ（ノズル）２１０と、シリンジ２１０に溶液を送るシリンジポンプ２２０と、シリンジ２１０を帯電させる電圧印加装置（帯電手段）２３０と、ナノファイバを堆積させる回転体２４０（コレクタ部）とを具備する。回転体２４０は接地されている。シリンジ２１０と回転体２４０との間のナノファイバ形成空間にナノファイバが生成し、回転する回転体２４０にシート状の不織布として巻き取られる。

【0086】

電界紡糸のパラメータを表１に示す。

【0087】

【表1】

【0088】

（２）第１および第２電極
第１および第２導電ナノファイバとして、ポリオール法により生成させた銀ナノファイバ（平均繊維径５０ｎｍ、平均長さ１００μｍ）を用いた。銀ナノファイバ（ＡｇＮＷｓ）の一例のＳＥＭ像を図６（ｃ）に示す。銀ナノファイバの分散液をナイロン不織布およびＰＶＤＦ不織布の一方の表面にそれぞれ吸引濾過により堆積させて、不織布の状態の第１電極および第２電極を形成した。具体的には、吸収フィルタファネルの表面上にナイロン不織布およびＰＶＤＦ不織布を配置し、その後、銀ナノファイバの分散液を吸収フィルタファネルに注入して吸引し、その後、エタノールで洗浄した。吸引時間は１０分間とした。得られたナイロン不織布またはＰＶＤＦ不織布と銀ナノファイバとの積層体は６０℃で乾燥させた。第１および第２電極の厚さは、それぞれ５μｍであった。ＰＶＤＦ不織布に積層された銀ナノファイバ（特に図の右側）を図６（ｄ）に示す。

【0089】

吸引濾過のプロセスにより、ナイロンナノファイバおよびＰＶＤＦナノナノファイバ（ナイロン不織布およびＰＶＤＦ不織布）のネットワークの隙間に銀ナノファイバが深く侵入し、ナイロンナノファイバと銀ナノファイバとが絡み合った第１複合層とＰＶＤＦナノファイバと銀ナノファイバとが絡み合った第２複合層が形成された。

【0090】

第１複合層では、ナイロンナノファイバの平均繊維径をＤｎｃと銀ナノファイバの平均繊維径Ｄｃとの比：Ｄｎｃ／Ｄｃ＝８であり、既述の方法で求められる第１複合層の厚さは１μｍであった。

【0091】

第２複合層では、ＰＶＤＦナノファイバの平均繊維径をＤｎｃと銀ナノファイバの平均
繊維径Ｄｃとの比：Ｄｎｃ／Ｄｃ＝６であり、既述の方法で求められる第２複合層の厚さは１μｍであった。

【0092】

（３）ＴＥＮＧの組み立て
ナイロン不織布と銀ナノファイバとの積層体、および、ＰＶＤＦ不織布と銀ナノファイバとの積層体を用いてＴＥＮＧＡ１を組み立てた。そして、ＴＥＮＧＡ１を、図８（ａ）に示すようなリニアモーターで駆動し、その出力を図８（ｂ）に示すようなオシロスコープを介して測定した。ＴＥＮＧＡ１は、図８（ｃ）に示すような電力測定用のプラットフォームに配置した。リニアモーターの駆動周波数と駆動力をそれぞれ１～５Ｈｚ、１２Ｎに制御した。ＴＥＮＧＡ１の出力特性を図９示す。図９において、ＶｏｃはＴＥＮＧＡ１の出力電圧である。周波数１～５Ｈｚのいずれにおいても高い出力電圧が得られている。

【0093】

≪実施例２≫
電荷貯蔵材料としてポリスチレン（ＰＳ）を準備し、ＤＭＦに溶解させて、ＰＳの含有率が１５質量％のＰＳ溶液を調製した。ＰＳ溶液を所定の電界紡糸装置を用いて電界紡糸し、平均繊維径５００ｎｍの第３非導電ナノファイバ（ＰＳファイバ）を第２発電要素（ＰＶＤＦ不織布）に堆積させた。

【0094】

電界紡糸のプロセスにより、ＰＶＤＦナノナノファイバ（ＰＶＤＦ不織布）のネットワークの隙間にＰＳナノファイバが侵入し、ＰＶＤＦナノファイバとＰＳナノファイバとが絡み合った第２複合領域が形成された。

【0095】

得られたＰＶＤＦ不織布とＰＳナノファイバとの積層体に銀ナノファイバを吸引濾過で堆積させたこと以外、実施例１と同様にＴＥＮＧＡ２を組み立て、駆動周波数と駆動力をそれぞれ２Ｈｚ、１０Ｎに制御し、その出力を評価した。ＴＥＮＧＡ２の出力特性を図１０に示す。図１０（ａ）はＰＳナノファイバのない実施例１のＴＥＮＧＡ１の出力特性であり、図１０（ｂ）はＰＳナノファイバを含む実施例２のＴＥＮＧＡ２の出力特性である。ＴＥＮＧＡ２では飛躍的（概ね３倍以上）に出力が向上している。

【0096】

ＴＥＮＧＡ２において、ＰＶＤＦナノファイバの平均繊維径をＤｎｃとＰＳナノファイバの平均繊維径Ｄｎｃとの比：Ｄｎｃ３／Ｄｎｃ＝１．６、ＰＳナノファイバの平均繊維径Ｄｎｃ３と銀ナノファイバの平均繊維径Ｄｃとの比：Ｄｎｃ３／Ｄｃ＝１０であった。既述の方法で求められる第１複合領域の厚さは１μｍであった。なお、第２複合層の全体の厚さは８０μｍであった。

【0097】

≪比較例１≫
第１および第２電極に銀ナノファイバを用いず（すなわち第１および第２複合層を形成せず）、厚さ３００μｍの銀シートをナイロン不織布およびＰＶＤＦ不織布の一方の表面に圧接したこと以外、実施例１と同様にＴＥＮＧＢ１を組み立て、評価した。ＴＥＮＧＢ１の出力特性をＴＥＮＧＡ１の出力特性と対比して図１１に示す。ここでは、ＴＥＮＧの単位質量あたりの出力電圧を対比する。図１１（ａ）は実施例１のＴＥＮＧＡ１の出力特性であり、図１１（ｂ）は比較例１のＴＥＮＧＢ１の出力特性である。電極を導電ナノファイバで形成したＴＥＮＧＡ１では、銀シートを用いたＴＥＮＧＢ１に比べ、単位質量あたりの出力電圧が飛躍的に向上している。

【産業上の利用可能性】

【0098】

本発明に係る摩擦帯電型発電機（ＴＥＮＧ）は、様々な機械的エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機として利用できるが、特に全体がナノファイバで形成されている場合、通気性に優れたウェアラブルデバイスとしての応用に適している。

【符号の説明】

【0099】

１００、１００Ａ：摩擦帯電型発電機（ＴＥＮＧ）
１０１：外部回路
１１０：第１発電要素
１１０ｎｃＦ：第１非導電ナノファイバ
１１１：第１電極
１１１ｃＦ：第１導電ナノファイバ
１２０：第２発電要素
１２０ｎｃＦ：第２非導電ナノファイバ
１２１：第２電極
１２１ｃＦ：第２導電ナノファイバ
１３０、１３０Ａ：第１複合層
１３０Ｂ：第１複合領域
１３０ｎｃＦ：第３非導電ナノファイバ
Ｒ：抵抗
２００：電界紡糸装置
２１０：シリンジ（ノズル）
２２０：シリンジポンプ
２３０：電圧印加装置（帯電手段）
２４０：回転体（コレクタ部）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】