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JP7740701B2 - Charging Film and Triboelectric Generator - Google Patents
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JP7740701B2 - Charging Film and Triboelectric Generator - Google Patents

Charging Film and Triboelectric Generator

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JP7740701B2 JP2021207253A JP2021207253A JP7740701B2 JP 7740701 B2 JP7740701 B2 JP 7740701B2 JP 2021207253 A JP2021207253 A JP 2021207253A JP 2021207253 A JP2021207253 A JP 2021207253A JP 7740701 B2 JP7740701 B2 JP 7740701B2
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Description

本発明は、帯電フィルムおよび摩擦発電機に関する。 The present invention relates to an electrically charged film and a friction generator.

近年、摩擦発電機の研究開発が進められている。摩擦発電機とは、2つの帯電体の摩擦によって発生する帯電電荷の間の電位差を利用して、外部負荷に電流を流す発電機である。摩擦発電機の出力は、帯電電荷量および電位差により決定される。 In recent years, research and development into friction generators has been progressing. A friction generator is a generator that uses the potential difference between the charges generated by friction between two charged bodies to pass current through an external load. The output of a friction generator is determined by the amount of charge and the potential difference.

このうち、電位差を増加させる方法として、特許文献1は、マトリクスおよび粒子を有する誘電体層において、粒子の比誘電率をマトリクスの比誘電率より高くした摩擦発電機を開示している。摩擦電荷を増加させる方法として、非特許文献1は、摩擦帯電層にアルミナ粒子を含有させることを提案している。同様に、非特許文献2は、帯電層であるポリフッ化ビニリデンにイオン液体を10重量%程度混合することを提案している。 As a method for increasing the potential difference, Patent Document 1 discloses a friction generator in which the relative dielectric constant of the particles in a dielectric layer having a matrix and particles is higher than the relative dielectric constant of the matrix. As a method for increasing the frictional charge, Non-Patent Document 1 proposes incorporating alumina particles into the triboelectric layer. Similarly, Non-Patent Document 2 proposes mixing approximately 10% by weight of an ionic liquid into the polyvinylidene fluoride, which is the charging layer.

特開2019-193495号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2019-193495

Sequential Infiltration Synthesis of Doped Polymer Films with Tunable Electrical Properties for Efficient Triboelectric Nanogenerator Development, Advanced Materials, 2015, 27(33), pp 4938-4944Sequential Infiltration Synthesis of Doped Polymer Films with Tunable Electrical Properties for Efficient Triboelectric Nanogenerator Development, Advanced Materials, 2015, 27(33), pp 4938-4944 Enhancing the output performance of fluid-based triboelectric nanogenerator by using poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene)/ionic liquid nanoporous membrane, Int J Energy Res. 2021;45:8960-8970Enhancing the output performance of fluid-based triboelectric nanogenerator by using poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene)/ionic liquid nanoporous membrane, Int J Energy Res. 2021;45:8960-8970

しかしながら、上述のような従来技術は、帯電部材の機械特性に改善の余地が残されていた。すなわち、帯電フィルムに添加物を加えると、その添加量が増えるにしたがって帯電フィルムが硬くなったり柔らかくなったりする。特許文献1は比誘電率の高い粒子、非特許文献1はアルミナ粒子、非特許文献2はイオン液体を比較的多く含ませた帯電フィルムを開示している。これらの帯電フィルムは、添加物の存在により機械特性がフィルム基体樹脂から変化していると考えられ、この点に改善の余地が残されていた。 However, the above-mentioned conventional technologies leave room for improvement in the mechanical properties of the charging member. That is, when additives are added to a charging film, the charging film becomes harder or softer as the amount added increases. Patent Document 1 discloses a charging film containing particles with a high dielectric constant, Non-Patent Document 1 discloses alumina particles, and Non-Patent Document 2 discloses a charging film containing a relatively large amount of ionic liquid. It is believed that the mechanical properties of these charging films change from those of the film base resin due to the presence of additives, and this leaves room for improvement in this regard.

また、帯電体の構成は検討が尽くされておらず、出力を向上させた摩擦発電機を開発する余地が残されていた。 In addition, the structure of the charged body had not been fully explored, leaving room for the development of a friction generator with improved output.

本発明の一態様は、機械特性がフィルム基体樹脂と大きく変わらない帯電フィルムおよびそれを用いた摩擦発電機を提供することを目的とする。本発明の他の態様は、摩擦発電機の出力の向上に寄与する帯電フィルムを提供することを目的とする。 One aspect of the present invention aims to provide a charged film whose mechanical properties are not significantly different from those of the film base resin, and a friction generator using the same. Another aspect of the present invention aims to provide a charged film that contributes to improving the output of a friction generator.

本発明の一態様に係る帯電フィルムは、
フィルム基体樹脂およびイオン液体を含んでいる帯電フィルムであって、
上記イオン液体は、上記フィルム基体樹脂の重量を基準として、0ppm超、50ppm以下含まれている。
The charging film according to one aspect of the present invention comprises:
1. An electrocharged film comprising a film base resin and an ionic liquid,
The ionic liquid is contained in an amount of more than 0 ppm and 50 ppm or less based on the weight of the film base resin.

本発明の一態様によれば、機械特性がフィルム基体樹脂と大きく変わらない帯電フィルムおよびそれを用いた摩擦発電機が提供される。本発明の他の態様によれば、摩擦発電機の出力の向上に寄与する帯電フィルムが提供される。 One aspect of the present invention provides a charged film whose mechanical properties are not significantly different from those of the film base resin, and a friction generator using the same. Another aspect of the present invention provides a charged film that contributes to improving the output of a friction generator.

本発明の一態様に係る摩擦発電機の構成の概略を表す模式図である。1 is a schematic diagram illustrating an outline of the configuration of a friction generator according to one aspect of the present invention. 本発明の一態様に係る摩擦発電機の推定作用機構を表す模式図である。1 is a schematic diagram illustrating an estimated mechanism of action of a friction generator according to an embodiment of the present invention. 実施例で作製した摩擦発電機の構成の概略を表す模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram illustrating an outline of the configuration of a friction generator produced in an example. 実施例1で作製した摩擦発電機の発電波形である。イオン液体濃度は0ppmである。1 shows the waveform of power generation from the friction generator fabricated in Example 1. The ionic liquid concentration is 0 ppm. 実施例1で作製した摩擦発電機の発電波形である。イオン液体濃度は3ppmである。1 shows the waveform of power generation from the friction generator fabricated in Example 1. The ionic liquid concentration is 3 ppm. 実施例1で作製した摩擦発電機の発電波形である。イオン液体濃度は27ppmである。1 shows the waveform of power generation from the friction generator fabricated in Example 1. The ionic liquid concentration is 27 ppm. 実施例1で作製した摩擦発電機の発電波形である。イオン液体濃度は134ppmである。1 shows the waveform of power generation from the friction generator fabricated in Example 1. The ionic liquid concentration is 134 ppm. 実施例1で作製した摩擦発電機において、イオン液体の添加量を横軸に、発電波形における正電圧最大値(黒丸)および負電圧最大値(白丸)を縦軸にとったグラフである。1 is a graph showing the amount of ionic liquid added on the horizontal axis and the maximum positive voltage (black circles) and maximum negative voltage (white circles) in the power generation waveform on the vertical axis for the friction generator produced in Example 1. 実施例1で作製した摩擦発電機において、負荷抵抗により消費される電力を表すグラフである。1 is a graph showing the power consumed by a load resistance in the friction generator produced in Example 1. 帯電フィルムに含まれるイオン液体の濃度と、帯電フィルムの比誘電率との関係を表すグラフである。1 is a graph showing the relationship between the concentration of an ionic liquid contained in a charged film and the relative permittivity of the charged film. 実施例2で作製した摩擦発電機において、帯電フィルムの膜厚を横軸に、発電波形における正電圧最大値(黒丸)および負電圧最大値(白丸)を縦軸にとったグラフである。1 is a graph showing the film thickness of the charged film on the horizontal axis and the maximum positive voltage (black circles) and maximum negative voltage (white circles) in the power generation waveform on the vertical axis for the friction generator produced in Example 2. 実施例3で作製した摩擦発電機において、イオン液体の添加量を横軸に、発電波形における正電圧最大値(黒丸)および負電圧最大値(白丸)を縦軸にとったグラフである。実施例1とは、イオン液体の種類が異なっている。1 is a graph showing the amount of ionic liquid added on the horizontal axis and the maximum positive voltage (black circles) and maximum negative voltage (white circles) in the power generation waveform on the vertical axis for the friction generator produced in Example 3. The type of ionic liquid used is different from that in Example 1. 実施例3で作製した摩擦発電機において、負荷抵抗により消費される電力を表すグラフである。実施例1とは、イオン液体の種類が異なっている。10 is a graph showing the power consumed by a load resistance in the friction generator fabricated in Example 3. The type of ionic liquid used is different from that in Example 1. 実施例4で作製した摩擦発電機において、イオン液体の添加量を横軸に、発電波形における正電圧最大値(黒丸)および負電圧最大値(白丸)を縦軸にとったグラフである。1 is a graph showing the amount of ionic liquid added on the horizontal axis and the maximum positive voltage (black circles) and maximum negative voltage (white circles) in the power generation waveform on the vertical axis for the friction generator produced in Example 4.

以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。ただし、本発明は下記の実施形態に限定されるものではなく、記述した範囲内で種々の変更が可能である。異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組合せた実施形態も、本発明の技術的範囲に含まれる。 Embodiments of the present invention are described in detail below. However, the present invention is not limited to the following embodiments, and various modifications are possible within the scope described. Embodiments that appropriately combine the technical means disclosed in different embodiments are also included within the technical scope of the present invention.

本明細書において、数値範囲を表す「A~B」は、「A以上、B以下」を意味する。 In this specification, the numerical range "A to B" means "greater than or equal to A and less than or equal to B."

〔1.帯電フィルム〕
本発明の一態様に係る帯電フィルムは、フィルム基体樹脂およびイオン液体を含んでいる。この帯電フィルムにおけるイオン液体の濃度は、フィルム基体樹脂の重量を基準として、0ppm超、50ppm以下である。
[1. Charging film]
An electrocharged film according to one aspect of the present invention includes a film base resin and an ionic liquid, wherein the concentration of the ionic liquid in the electrocharged film is greater than 0 ppm and not more than 50 ppm, based on the weight of the film base resin.

[1.1.フィルム基体樹脂]
フィルム基体樹脂は、帯電フィルムのマトリクスを構成する樹脂である。フィルム基体樹脂の素材は特に限定されず、本技術分野で用いられる樹脂が採用できる。フィルム基体樹脂は、1種類の樹脂のみから構成されていてもよいし、2種類以上の樹脂から構成されていてもよい。
[1.1. Film base resin]
The film base resin is a resin that constitutes the matrix of the electrostatic charging film. The material of the film base resin is not particularly limited, and any resin used in this technical field can be used. The film base resin may be composed of only one type of resin, or may be composed of two or more types of resins.

一実施形態において、フィルム基体樹脂は、ポリアミド(ナイロンなど);ポリイミド;ポリオレフィン(ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイソブチレンなど);ポリエステル(ポリエチレンテレフタレートなど);ポリカーボネート(ポリジフェニルカーボネートなど);ポリウレタン;ビニル系樹脂(ポリスチレン、ポリアクリロニトリル、ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラールなど);アクリル系樹脂(ポリメチルメタクリレートなど);塩素系樹脂(ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、塩化ポリエーテル、ポリクロロプレンなど);フッ素系樹脂(ポリテトラフルオロエチレン、四フッ化エチレン-六フッ化プロピレン共重合体、ポリフッ化ビニリデン、フッ化ビニリデン単位を有する共重合体など);シリコーン樹脂(ポリジメチルシロキサンなど);天然ゴムからなる群より選択される1種類以上である。 In one embodiment, the film base resin is one or more selected from the group consisting of polyamides (such as nylon); polyimides; polyolefins (such as polyethylene, polypropylene, and polyisobutylene); polyesters (such as polyethylene terephthalate); polycarbonates (such as polydiphenyl carbonate); polyurethanes; vinyl resins (such as polystyrene, polyacrylonitrile, polyvinyl alcohol, and polyvinyl butyral); acrylic resins (such as polymethyl methacrylate); chlorine-based resins (such as polyvinyl chloride, polyvinylidene chloride, chlorinated polyethers, and polychloroprene); fluorine-based resins (such as polytetrafluoroethylene, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymers, polyvinylidene fluoride, and copolymers having vinylidene fluoride units); silicone resins (such as polydimethylsiloxane); and natural rubber.

本明細書において、上述したフィルム基体樹脂は、コポリマーであってもよい。例えば、「ポリアミド」とは、主鎖を構成する繰り返し単位のうち50重量%以上(好ましくは70重量%以上、より好ましくは90重量%以上)がポリアミドである樹脂でありうる。「ポリアミド」の主鎖を構成する繰り返し単位のうち、50重量%以下(好ましくは30重量%以下、より好ましくは10重量%以下)は、ポリアミド以外の構造であってよい。例示されている他の樹脂も、同様に、コポリマーであってもよい。 In this specification, the film base resins mentioned above may be copolymers. For example, "polyamide" may be a resin in which 50% by weight or more (preferably 70% by weight or more, more preferably 90% by weight or more) of the repeating units constituting the main chain are polyamide. Of the repeating units constituting the main chain of "polyamide," 50% by weight or less (preferably 30% by weight or less, more preferably 10% by weight or less) may have a structure other than polyamide. The other resins exemplified above may also be copolymers.

一実施形態において、フィルム基体樹脂は、フッ化ビニリデン-三フッ化エチレン共重合体およびポリジメチルシロキサンからなる群より選択される1種類以上である。 In one embodiment, the film base resin is one or more selected from the group consisting of vinylidene fluoride-trifluoroethylene copolymer and polydimethylsiloxane.

[1.2.イオン液体]
イオン液体とは、アニオンおよびカチオンを含んでおり、100℃において(好ましくは20℃において)液体である物質である。帯電フィルムに含まれているイオン液体の種類は、特に限定されない。帯電フィルムに含まれているイオン液体は、1種類だけであってもよいし、2種類以上であってもよい。
[1.2. Ionic Liquids]
An ionic liquid is a substance that contains anions and cations and is liquid at 100°C (preferably at 20°C). The type of ionic liquid contained in the charged film is not particularly limited. The charged film may contain only one type of ionic liquid, or two or more types of ionic liquid.

イオン液体を構成するカチオンの例としては、イミダゾリウム系カチオン、ピロリジニウム系カチオン、ピリジニウム系カチオン、ピペリジニウム系カチオン、アンモニウム系カチオン、ホスホニウム系カチオン、スルホニウム系カチオンが挙げられる。それぞれのカチオンの構造は、下記に示す通りである。 Examples of cations that make up ionic liquids include imidazolium-based cations, pyrrolidinium-based cations, pyridinium-based cations, piperidinium-based cations, ammonium-based cations, phosphonium-based cations, and sulfonium-based cations. The structures of each cation are shown below.

式中、R~Rは独立に、C1~30の炭化水素基であり、好ましくはC1~C20の炭化水素基であり、より好ましくはC1~C10の炭化水素基である。炭化水素基の例としては、アルキル基、シクロアルキル基、アルケニル基、シクロアルケニル基、アルキニル基、シクロアルキニル基、アリール基、アルキルアリール基が挙げられる。 In the formula, R 1 to R 4 are independently a C1 to C30 hydrocarbon group, preferably a C1 to C20 hydrocarbon group, and more preferably a C1 to C10 hydrocarbon group. Examples of the hydrocarbon group include an alkyl group, a cycloalkyl group, an alkenyl group, a cycloalkenyl group, an alkynyl group, a cycloalkynyl group, an aryl group, and an alkylaryl group.

一実施形態において、イオン液体は、イミダゾリウム系カチオンを含んでいる。一実施形態において、イオン液体は、1-ヘキシル-3-メチルイミダゾリウムカチオンおよび1-ベンジル-3-メチルイミダゾリウムカチオンから選択される1種類以上を含んでいる。 In one embodiment, the ionic liquid contains an imidazolium-based cation. In one embodiment, the ionic liquid contains one or more cations selected from the group consisting of 1-hexyl-3-methylimidazolium cation and 1-benzyl-3-methylimidazolium cation.

イオン液体を構成するアニオンの例としては、Br、Cl、I、B(C 、BF4-、[B(CN)(TCBとも)、CFCOO、CFSO 、HSO 、CHSO 、CHSO 、CHCHOSO 、CH(OCHCHOSO 、CCHSO 、C(CN) 、SCN、(NC)、(FSO(FSIとも)、(CFSO(TFSIとも)、(CSO)2N、PF 、[P(C(FAPとも)、FeCl 、AlCl が挙げられる。 Examples of anions that constitute ionic liquids include Br - , Cl - , I - , B(C 2 O 4 ) 2 - , BF 4 - , [B(CN) 4 ] - (also known as TCB), CF 3 COO - , CF 3 SO 3 - , HSO 4 - , CH 3 SO 4 - , CH 3 SO 3 - , CH 3 CH 2 OSO 3 - , CH 3 (OCH 2 CH 2 ) 2 OSO 3 - , C 6 H 4 CH 3 SO 3 - , C(CN) 3 - , SCN - , (NC) 2 N - , (FSO 2 ) 2 N - (also known as FSI), (CF 3 SO 2 ) 2 N - (also known as TFSI), (C 2 F 5 SO 2 ) 2N - , PF 6 - , [P(C 2 F 5 ) 3 F 3 ] - (also known as FAP), FeCl 4 - , and AlCl 4 - .

一実施形態において、イオン液体は、TFSIを含んでいる。 In one embodiment, the ionic liquid includes TFSI.

イオン液体の具体例としては、1-ヘキシル-3-メチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド、1-ベンジル-3-メチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミドが挙げられる。一実施形態において、イオン液体は、1-ヘキシル-3-メチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドおよび1-ベンジル-3-メチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミドからなる群より選択される1種類以上である。 Specific examples of ionic liquids include 1-hexyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide and 1-benzyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide. In one embodiment, the ionic liquid is one or more selected from the group consisting of 1-hexyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide and 1-benzyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide.

また、市販のイオン液体を使用してもよい。市販のイオン液体の例としては、イオン液体変性オリゴマーX-40-2450(信越化学株式会社、シリコーン系)が挙げられる。 Alternatively, commercially available ionic liquids may be used. An example of a commercially available ionic liquid is ionic liquid-modified oligomer X-40-2450 (Shin-Etsu Chemical Co., Ltd., silicone-based).

イオン液体は、フィルム基体樹脂との相溶性が高いものを選択することが好ましい。そのためには、イオン液体は、フィルム基体樹脂と類似した構造を有していることが好ましい。このようなイオン液体を選択すれば、フィルム基体樹脂からのブリードアウトを低減できる。 It is preferable to select an ionic liquid that is highly compatible with the film base resin. To achieve this, it is preferable that the ionic liquid has a structure similar to that of the film base resin. Selecting such an ionic liquid can reduce bleeding from the film base resin.

帯電フィルムに含まれているイオン液体の濃度の下限は、フィルム基体樹脂の重量を基準として、0ppm超であり、0.5ppm以上が好ましく、1ppm以上がより好ましく、2ppm以上がさらに好ましい。帯電フィルムに含まれているイオン液体の濃度の上限は、フィルム基体樹脂の重量を基準として、50ppm以下であり、40ppm以下が好ましく、30ppm以下がより好ましく、20ppm以下がさらに好ましい。 The lower limit of the concentration of the ionic liquid contained in the charged film is greater than 0 ppm, preferably 0.5 ppm or more, more preferably 1 ppm or more, and even more preferably 2 ppm or more, based on the weight of the film base resin. The upper limit of the concentration of the ionic liquid contained in the charged film is 50 ppm or less, preferably 40 ppm or less, more preferably 30 ppm or less, and even more preferably 20 ppm or less, based on the weight of the film base resin.

イオン液体の濃度を上記の範囲とすることにより、帯電フィルムを用いた摩擦発電機の発電特性を向上できる。例えば、帯電フィルムの帯電電荷量を増加できる。あるいは、摩擦発電機の出力電力を向上できる。 By setting the concentration of the ionic liquid within the above range, the power generation characteristics of a friction generator using a charged film can be improved. For example, the amount of charge on the charged film can be increased. Alternatively, the output power of the friction generator can be improved.

また、イオン液体の濃度を上記の範囲とすることは、帯電フィルムの機械特性をフィルム基体樹脂と同等に保つことにも寄与する。従来技術において、帯電フィルムに添加物(イオン液体、フィラー粒子など)を添加するとすれば、数重量%~十数重量%オーダーが一般的であった(例えば、非特許文献2を参照)。しかし、このように多量の添加物を添加すると、フィルム基体樹脂の本来の物性が大きく変化する傾向にある。そのため、帯電フィルムの硬さや耐熱性が低下する傾向にあった。これに対して本発明では、イオン液体の添加量が遥かに少ない。そのため、上述のような短所を克服できるのだと考えられる。これに関連して、イオン液体は耐熱性の高い物質であり、フィルム基体樹脂の溶融温度においても分解しにくい。この点においても、イオン液体は、帯電フィルムの添加物として優れている。 Furthermore, keeping the ionic liquid concentration within the above range also contributes to maintaining the mechanical properties of the charged film at the same level as the film base resin. In conventional technology, if an additive (such as an ionic liquid or filler particles) was added to a charged film, it was typically in the order of several to several tens of weight percent (see, for example, Non-Patent Document 2). However, adding such a large amount of additive tends to significantly change the inherent physical properties of the film base resin. As a result, the hardness and heat resistance of the charged film tend to decrease. In contrast, in the present invention, the amount of ionic liquid added is much smaller. This is thought to be why the above-mentioned shortcomings can be overcome. In relation to this, ionic liquids are highly heat-resistant substances and are not easily decomposed even at the melting temperature of the film base resin. In this respect, too, ionic liquids are excellent additives for charged films.

すなわち、発明者は、帯電フィルムに添加する添加物、その割合、構成などを種々検討した結果、フィルム基体樹脂の重量を基準とするイオン液体の添加量をごく微量に制御することにより、フィルム基体樹脂が本来有する機械特性を大きく変化させることなく、摩擦発電機の出力特性を大幅に向上できることを見出した。 In other words, after examining various additives to be added to the charging film, their ratios, and compositions, the inventors discovered that by controlling the amount of ionic liquid added to the film base resin to a very small amount based on the weight of the film base resin, it is possible to significantly improve the output characteristics of the friction generator without significantly changing the inherent mechanical properties of the film base resin.

[1.3.帯電フィルムの形状および製造方法]
帯電フィルムは、フィルム基体樹脂およびイオン液体を材料として、従来公知の方法により製造できる。例を挙げると、以下の通りである。
・方法1:フィルム基体樹脂およびイオン液体を、溶媒または分散媒と混合してスラリーを形成させる。得られたスラリーを塗布して、フィルム状に成形する。その後、溶媒または分散媒を除去する。
・方法2:加熱して溶融したフィルム基体樹脂と、イオン液体とを混合する。得られた混合物をフィルム上に成形する。
・方法3:多孔質のフィルムを、低濃度のイオン液体溶液に浸漬する。
・方法4:イオン液体を加熱して蒸発させる。蒸発したイオン液体を、多孔質フィルムに吸着させる。
[1.3. Shape and manufacturing method of charging film]
The charged film can be produced using a film base resin and an ionic liquid as materials by a conventionally known method, for example, as follows.
Method 1: A film base resin and an ionic liquid are mixed with a solvent or dispersion medium to form a slurry. The resulting slurry is applied to form a film. The solvent or dispersion medium is then removed.
Method 2: A film base resin is heated and melted, and mixed with an ionic liquid. The resulting mixture is then cast into a film.
Method 3: The porous film is immersed in a low concentration ionic liquid solution.
Method 4: The ionic liquid is heated to evaporate it, and the evaporated ionic liquid is adsorbed onto a porous film.

本発明者らが見出したところによると、イオン液体の添加量を一定とすると、帯電フィルムの膜厚がある点を超えたときに、摩擦発電機の発電特性が向上し始める(実施例2を参照)。発電特性の向上が始まる膜厚は、イオン液体の添加量が多いと薄くなり、添加量が少ないと厚くなると考えられる。帯電フィルムの膜厚は、30μm以上が好ましく、35μm以上がより好ましく、40μm以上がさらに好ましい。 The inventors have found that, when the amount of ionic liquid added is constant, the power generation characteristics of the friction generator begin to improve when the thickness of the charged film exceeds a certain point (see Example 2). The film thickness at which the power generation characteristics begin to improve is thought to be thinner when the amount of ionic liquid added is large, and thicker when the amount added is small. The film thickness of the charged film is preferably 30 μm or more, more preferably 35 μm or more, and even more preferably 40 μm or more.

帯電フィルムの膜厚の上限は、例えば、100μm以下または200μm以下でありうる。膜厚の上限が上記の範囲であれば、摩擦により生じた電荷の移動時間が長くなりすぎないので、出力の安定に時間がかかり過ぎる事態を防止できる。また、摩擦面から電極までの距離が大きくなりすぎないので、充分な誘導電荷が得られる。 The upper limit of the film thickness of the charged film can be, for example, 100 μm or less or 200 μm or less. If the upper limit of the film thickness is within this range, the time it takes for the charge generated by friction to move will not be too long, preventing the output from taking too long to stabilize. In addition, the distance from the friction surface to the electrode will not be too large, so sufficient induced charge will be obtained.

〔2.摩擦発電機〕
本発明の一態様は、〔1〕節で説明した帯電フィルムを備えている摩擦発電機である。以下、図1を参照しながら摩擦発電機の構造の概略を説明する。
2. Friction Generator
One aspect of the present invention is a friction generator equipped with the charging film described in Section [1]. The structure of the friction generator will be outlined below with reference to FIG.

摩擦発電機10は、第1フィルム1および第2フィルム2を備えている。第1フィルム1および第2フィルム2は、それぞれ電極3に接続されている。2つある電極3の間は、外部付加Rを介して電気的に接続されている。2つある電極3の間の電位差により、外部付加Rに電流が流れ、電気エネルギーが発生する。 The friction generator 10 comprises a first film 1 and a second film 2. The first film 1 and the second film 2 are each connected to an electrode 3. The two electrodes 3 are electrically connected via an external load R. The potential difference between the two electrodes 3 causes a current to flow through the external load R, generating electrical energy.

[2.1.第1フィルムおよび第2フィルム]
第1フィルム1は、〔1〕節で説明した帯電フィルムである。したがって、第1フィルム1は、フィルム基体樹脂およびイオン液体を含んでおり、イオン液体の含有量は、フィルム基体樹脂の重量を基準として0ppm超50ppm以下である。
[2.1. First Film and Second Film]
The first film 1 is the charged film described in Section [1]. Therefore, the first film 1 contains a film base resin and an ionic liquid, and the content of the ionic liquid is more than 0 ppm and not more than 50 ppm based on the weight of the film base resin.

第2フィルム2は、フィルム基体樹脂を含んでいる。第2フィルム2は、〔1〕節で説明した帯電フィルムであってもよいし、そうでなくともよい。第2フィルム2は、イオン液体を含んでいないフィルムであってもよいし、イオン液体を含んでいるフィルムであってもよい。第2フィルム2がイオン液体を含んでいる場合、イオン液体の含有量は、フィルム基体樹脂の重量を基準として0ppm超50ppm以下であってもよいし、50ppm超であってもよい。好ましくは、第2フィルム2は、〔1〕節で説明した帯電フィルムである。 The second film 2 contains a film base resin. The second film 2 may or may not be the charged film described in Section [1]. The second film 2 may be a film that does not contain an ionic liquid, or may be a film that contains an ionic liquid. If the second film 2 contains an ionic liquid, the content of the ionic liquid may be more than 0 ppm and not more than 50 ppm, or may be more than 50 ppm, based on the weight of the film base resin. Preferably, the second film 2 is the charged film described in Section [1].

第2フィルム2に含まれているフィルム基体樹脂、および第2フィルム2に含まれうるイオン液体については、〔1〕節で説明した通りであるため、再度の記載を省略する。第2フィルム2がイオン液体を含んでいる場合、第2フィルム2に含まれているイオン液体の種類は、第1フィルム1に含まれているイオン液体の種類と同じであってもよいし、異なっていてもよい。 The film base resin contained in the second film 2 and the ionic liquid that may be contained in the second film 2 are as explained in Section [1], so a repeated description will be omitted. If the second film 2 contains an ionic liquid, the type of ionic liquid contained in the second film 2 may be the same as or different from the type of ionic liquid contained in the first film 1.

摩擦発電機10においては、第1フィルム1と第2フィルム2とが接触および離反を繰り返すことにより、電荷が蓄積される。そのため、第1フィルム1のフィルム基体樹脂と、第2フィルム2のフィルム基体樹脂とは、互いに異なっている。そのため、第1フィルム1のフィルム基体樹脂と、第2フィルム2のフィルム基体樹脂とは、帯電列において離れている物質の組合せとすることが好ましい。帯電列において、正または負に帯電しやすい物質の例としては、以下が挙げられる。
・正に帯電しやすい物質:ポリアミド、レーヨン、ウール、セルロースナノファイバー
・負に帯電しやすい物質:ポリ四フッ化エチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリイミド、四フッ化エチレン-六フッ化プロピレン共重合体
In the friction generator 10, electric charge accumulates as the first film 1 and the second film 2 repeatedly come into contact with and separate from each other. For this reason, the film base resin of the first film 1 and the film base resin of the second film 2 are different from each other. Therefore, it is preferable that the film base resin of the first film 1 and the film base resin of the second film 2 are a combination of materials that are separated in the triboelectric series. Examples of materials that are likely to be charged positively or negatively in the triboelectric series include the following:
・Substances that easily become positively charged: polyamide, rayon, wool, cellulose nanofiber ・Substances that easily become negatively charged: polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyimide, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer

一実施形態において、第2フィルム2は、〔1〕節で説明した帯電フィルムである。一実施形態において、第2フィルム2のフィルム基体樹脂は、ポリアミドである。ポリアミドは帯電列において最も正に帯電しやすい物質の一つであるため、摩擦発電機の発電特性を向上させる目的に適していると考えられる。一実施形態において、第1フィルム1のフィルム基体樹脂はフッ化ビニリデン-三フッ化エチレン共重合体であり、第2フィルム2のフィルム基体樹脂はポリアミドである。一実施形態において、第1フィルム1のフィルム基体樹脂はポリジメチルシロキサンであり、第2フィルム2のフィルム基体樹脂はポリアミドである。 In one embodiment, the second film 2 is the charged film described in Section [1]. In one embodiment, the film base resin of the second film 2 is polyamide. Polyamide is one of the substances that is most likely to be positively charged in the triboelectric series, and is therefore considered suitable for the purpose of improving the power generation characteristics of a friction generator. In one embodiment, the film base resin of the first film 1 is vinylidene fluoride-trifluoroethylene copolymer, and the film base resin of the second film 2 is polyamide. In one embodiment, the film base resin of the first film 1 is polydimethylsiloxane, and the film base resin of the second film 2 is polyamide.

[2.2.電極]
電極3は、電気伝導性が高い材料から構成されている。このような材料の例としては、金属(アルミニウム、銅、銀、金、白金、鉄、ニッケル、クロム、モリブデン、インジウムなど)および金属合金;半導体(ドープしたシリコンなど);金属酸化物(酸化インジウムスズ(ITO)など);導電性高分子(PEDOT-PSSなど)が挙げられる。
[2.2. electrode]
The electrode 3 is made of a material with high electrical conductivity. Examples of such materials include metals (aluminum, copper, silver, gold, platinum, iron, nickel, chromium, molybdenum, indium, etc.) and metal alloys, semiconductors (doped silicon, etc.), metal oxides (indium tin oxide (ITO), etc.), and conductive polymers (PEDOT-PSS, etc.).

[2.3.推定作用機構]
以下、本発明の一態様の推定作用機構について、図2を参照しながら説明する。ただし、この説明は、本発明の一態様の理解の一助とすることを目的としている。そのため、この説明は、特許請求の範囲に記載された発明の範囲を限定的に解釈する根拠とはならない。
[2.3. Estimated mechanism of action]
The presumed mechanism of action of one embodiment of the present invention will be explained below with reference to Figure 2. However, this explanation is intended to aid in understanding one embodiment of the present invention, and therefore, this explanation does not serve as a basis for restrictively interpreting the scope of the invention described in the claims.

第1フィルム1にイオン液体を添加しない場合(図2a)、摩擦帯電により発生した電荷は、第1フィルム1の表面近傍のみに留まる。第1フィルム1に蓄積された電荷によって、電極3には誘導電荷が生じる。誘導電荷が電流として外部付加Rに流れることにより、電気エネルギーが取り出される。 When no ionic liquid is added to the first film 1 (Figure 2a), the charge generated by frictional charging remains only near the surface of the first film 1. The charge accumulated on the first film 1 generates an induced charge on the electrode 3. The induced charge flows as a current to the external load R, extracting electrical energy.

一方、第1フィルム1にごく少量のイオン液体5を添加すると(図2b)、第1フィルム1の内部にも、電荷を捕捉するサイトが形成される(第1フィルム1は非導電体である樹脂製であるので、イオン液体5を添加しないとこのようなサイトは形成されない)。その結果、摩擦帯電により発生した電荷は、第1フィルム1の表面近傍のみならず、内部にも分布するようになる。つまり、第1フィルム1全体としての帯電電荷量が増加する。さらに、第1フィルムの内部にも帯電電荷が存在するため、電荷と電極までの距離が短くなり、誘導電荷の発生量も多くなる。 On the other hand, when a very small amount of ionic liquid 5 is added to first film 1 (Figure 2b), charge-trapping sites are also formed inside first film 1 (because first film 1 is made of resin, which is a non-conductive material, such sites are not formed unless ionic liquid 5 is added). As a result, the charge generated by friction is distributed not only near the surface of first film 1, but also inside. In other words, the amount of charge stored in first film 1 as a whole increases. Furthermore, because charge exists inside the first film, the distance between the charge and the electrode becomes shorter, and the amount of induced charge generated increases.

なお、第1フィルム1に添加するイオン液体5の量が多過ぎると、第1フィルム1の導電性が向上し、摩擦帯電で発生した電荷が第1フィルム1の内部を通過して電極に移動してしまうと考えられる。その結果、摩擦発電機10の発電効率は低下する。 However, if too much ionic liquid 5 is added to the first film 1, the conductivity of the first film 1 increases, and the charge generated by frictional charging passes through the inside of the first film 1 and moves to the electrode. As a result, the power generation efficiency of the frictional generator 10 decreases.

また、イオン液体の添加量を一定とすると、第1フィルム1の膜厚がある点を超えたときに摩擦発電機の発電特性が向上し始める現象については、以下のように説明できる。すなわち、イオン液体の添加量を一定であるとき、第1フィルム1の導電性は、膜厚が厚いほど低く、薄いほど高くなる。上述した通り、導電性が高くなりすぎると摩擦発電機10の発電効率が低下するので、第1フィルム1の膜厚はある程度厚い方が好ましい。 Furthermore, the phenomenon in which the power generation characteristics of the friction generator begin to improve when the thickness of the first film 1 exceeds a certain point, assuming a constant amount of ionic liquid added, can be explained as follows. That is, when the amount of ionic liquid added is constant, the conductivity of the first film 1 decreases as the film thickness increases, and increases as the film thickness decreases. As mentioned above, if the conductivity becomes too high, the power generation efficiency of the friction generator 10 decreases, so it is preferable for the film thickness of the first film 1 to be somewhat thick.

〔3.摩擦発電機以外の帯電フィルムの用途〕
本発明の一態様に係る帯電フィルムの用途は、摩擦発電機に限定されない。例えば、エアコンに備えられている空気清浄装置には、帯電フィルムが用いられることがある。本発明の一態様に係る帯電フィルムは、フィルム基体樹脂と同等の機械特性を有しており、また帯電特性も高いので、このような用途にも好適に用いられる。
[3. Uses of the charged film other than friction generators]
The use of the charged film according to one embodiment of the present invention is not limited to friction generators. For example, charged films are sometimes used in air purifiers installed in air conditioners. The charged film according to one embodiment of the present invention has mechanical properties equivalent to those of the film base resin and also has high charging properties, making it suitable for such applications.

〔4.まとめ〕
本発明には、以下の態様が含まれている。
<1>
フィルム基体樹脂およびイオン液体を含んでいる帯電フィルムであって、
上記イオン液体は、上記フィルム基体樹脂の重量を基準として、0ppm超、50ppm以下含まれている、帯電フィルム。
<2>
上記イオン液体は、イミダゾリウム系カチオンを1種類以上含んでいる、<1>に記載の帯電フィルム。
<3>
上記イオン液体は、1-ヘキシル-3-メチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドおよび1-ベンジル-3-メチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミドからなる群より選択される1種類以上である、<2>に記載の帯電フィルム。
<4>
上記帯電フィルムの厚さは30μm以上である、<1>~<3>のいずれかに記載の帯電フィルム。
<5>
上記フィルム基体樹脂は、ポリアミド、ポリイミド、ポリオレフィン、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリウレタン、ビニル系樹脂、アクリル系樹脂、塩素系樹脂、フッ素系樹脂、シリコーン樹脂、天然ゴムからなる群より選択される1種類以上である、<1>~<4>のいずれかに記載の帯電フィルム。
<6>
上記フィルム基体樹脂は、フッ化ビニリデン-三フッ化エチレン共重合体およびポリジメチルシロキサンからなる群より選択される1種類以上である、<5>に記載の帯電フィルム。
<7>
第1フィルムおよび第2フィルムを備えている摩擦発電機であって、
上記第1フィルムは、<1>~<6>のいずれかに記載の帯電フィルムであり、
上記第2フィルムは、フィルム基体樹脂を含んでおり、
上記第1フィルムと上記第2フィルムとは、フィルム基体樹脂が互いに異なっており、
上記第1フィルムおよび上記第2フィルムは、互いに対向して配置されている、
摩擦発電機。
<8>
上記第2フィルムは、<1>~<6>のいずれかに記載の帯電フィルムである、<7>に記載の摩擦発電機。
<9>
上記第2フィルムのフィルム基体樹脂はポリアミドである、<7>または<8>に記載の摩擦発電機。
4. Summary
The present invention includes the following aspects.
<1>
1. An electrocharged film comprising a film base resin and an ionic liquid,
The ionic liquid is contained in an amount of more than 0 ppm and 50 ppm or less based on the weight of the film base resin.
<2>
The charged film according to <1>, wherein the ionic liquid contains one or more imidazolium cations.
<3>
The electro-charged film according to <2>, wherein the ionic liquid is at least one selected from the group consisting of 1-hexyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide and 1-benzyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide.
<4>
The charging film according to any one of <1> to <3>, wherein the charging film has a thickness of 30 μm or more.
<5>
The electrostatic charging film according to any one of <1> to <4>, wherein the film base resin is one or more selected from the group consisting of polyamide, polyimide, polyolefin, polyester, polycarbonate, polyurethane, vinyl resin, acrylic resin, chlorine-based resin, fluorine-based resin, silicone resin, and natural rubber.
<6>
The electrostatic charging film according to <5>, wherein the film base resin is at least one selected from the group consisting of vinylidene fluoride-trifluoroethylene copolymer and polydimethylsiloxane.
<7>
1. A friction generator comprising a first film and a second film,
The first film is the charging film according to any one of <1> to <6>,
the second film includes a film base resin,
the first film and the second film have different film base resins,
The first film and the second film are disposed opposite to each other.
Friction generator.
<8>
The friction generator according to <7>, wherein the second film is the charging film according to any one of <1> to <6>.
<9>
The friction generator according to <7> or <8>, wherein the film base resin of the second film is polyamide.

本発明は、上述した各実施形態には限定されず、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。異なる実施形態に開示されている技術的手段を組合せて得られる実施形態も、本発明の技術的範囲の内にある。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications are possible within the scope of the claims. Embodiments obtained by combining the technical means disclosed in different embodiments also fall within the technical scope of the present invention.

以下に、本発明の一実施形態を実施例により具体的に説明する。ただし、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。 Below, one embodiment of the present invention will be explained in detail using examples. However, the present invention is not limited to these examples.

〔摩擦発電機の構成〕
図3を参照しながら、実施例で使用した摩擦発電機の構成を説明する。摩擦発電機10は、第1フィルム1、第2フィルム2、および電極3を備えている。第1フィルム1としては、本発明の一実施形態に係る帯電フィルムを用いた。第1フィルム1の詳細な構成は、各実施例の項目にて説明する。第2フィルム2としては、ポリアミドフィルム(厚さ:15μm)を用いた。電極3としては、導電性不織布を用いた。
[Configuration of friction generator]
The structure of the friction generator used in the examples will be described with reference to Figure 3. The friction generator 10 includes a first film 1, a second film 2, and an electrode 3. The first film 1 was a charged film according to one embodiment of the present invention. The detailed structure of the first film 1 will be described in the section for each example. The second film 2 was a polyamide film (thickness: 15 µm). The electrode 3 was a conductive nonwoven fabric.

より具体的には、シリコーンゴムA(厚さ:1mm)に電極3を貼付し、電極3に第1フィルム1または第2フィルム2を貼付して、摩擦発電機10を構成した。シリコーンゴムAの表面には、高さ:0.5mm、直径:1.5mmの円柱状の凹凸が形成されていた。2つある電極3の間は、50MΩの負荷抵抗を介して接続した。 More specifically, the friction generator 10 was constructed by attaching an electrode 3 to silicone rubber A (thickness: 1 mm), and then attaching a first film 1 or a second film 2 to the electrode 3. The surface of the silicone rubber A had cylindrical projections and recesses with a height of 0.5 mm and a diameter of 1.5 mm. The two electrodes 3 were connected via a 50 MΩ load resistor.

〔実施例1〕
フッ化ビニリデン-三フッ化エチレン共重合体(PVDF-TFE)をフィルム基体樹脂とし、1-ヘキシル-3-メチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(構造は下記を参照)をイオン液体とする帯電フィルムを作製し、第1フィルム1として使用した。帯電フィルムに添加するイオン液体の濃度を変化させ、摩擦発電機10の性能を評価した。
Example 1
An electrically charged film was fabricated using vinylidene fluoride-trifluoroethylene copolymer (PVDF-TFE) as the film base resin and 1-hexyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (see below for structure) as the ionic liquid, and used as the first film 1. The concentration of the ionic liquid added to the electrically charged film was changed, and the performance of the friction generator 10 was evaluated.

[帯電フィルムの作製]
以下の工程により、帯電フィルムを作製した。
1. ジメチルアセトアミドにPVDF-TFE(FC20、Piezotech)を加えた。PVDF-TFEの濃度は、100ppmであった。
2. 超音波洗浄器を用いて、PVDF-TFE完全に分散させた。このときの温度は40℃であった。
3. 得られた分散液にイオン液体を加え、すり鉢で混合してスラリーを調製した。このとき、イオン液体の濃度は、PVDF-TFEの重量に対して0ppm、2ppm、3ppm、14ppm、27ppm、64ppmまたは134ppmとした。
4. ガラス板にアルミ箔を貼付し、その上にスラリーをブレードコーティングした。このときのフィルムの膜厚は、40μmであった。
5. フィルムをアルミ箔ごと真空デシケータ内で30分保管し、その後さらに24時間以上自然乾燥させた。
6. 乾燥させたフィルムをアルミ箔から剥離させ、帯電フィルムを得た。帯電フィルムの厚みをマイクロメータで測定したところ、約40μmであった。
[Preparation of Charged Film]
A charged film was produced by the following steps.
1. PVDF-TFE (FC20, Piezotech) was added to dimethylacetamide. The concentration of PVDF-TFE was 100 ppm.
2. The PVDF-TFE was completely dispersed using an ultrasonic cleaner at a temperature of 40°C.
3. An ionic liquid was added to the resulting dispersion and mixed in a mortar to prepare a slurry. The concentration of the ionic liquid relative to the weight of PVDF-TFE was 0 ppm, 2 ppm, 3 ppm, 14 ppm, 27 ppm, 64 ppm, or 134 ppm.
4. Aluminum foil was attached to a glass plate, and the slurry was blade coated onto the aluminum foil to form a film having a thickness of 40 μm.
5. The film was stored together with the aluminum foil in a vacuum desiccator for 30 minutes, and then allowed to air dry for at least 24 hours.
6. The dried film was peeled off from the aluminum foil to obtain a charged film. The thickness of the charged film was measured with a micrometer and found to be about 40 μm.

[摩擦発電機の性能評価]
作製した帯電フィルムを第1フィルム1として用い、摩擦発電機10を組立てた。シリコーンゴムAに対して、2Hzの周期で荷重の負荷および除荷を繰返した。その間における負荷抵抗両端の間の電圧をオシロスコープで観察し、摩擦発電機10の発電波形を得た。
[Performance evaluation of friction generator]
The produced charged film was used as the first film 1 to assemble a friction generator 10. A load was repeatedly applied and removed from the silicone rubber A at a cycle of 2 Hz. The voltage across the load resistor during this process was observed with an oscilloscope, and the power generation waveform of the friction generator 10 was obtained.

[結果]
代表例として、イオン液体の濃度が0ppm、3ppm、27ppmおよび134ppmであったときの発電波形を、図4~7に示す。これらの図から分かるように、イオン濃度に応じて出力電圧は大きく変化した。
[result]
As representative examples, the power generation waveforms when the ionic liquid concentration was 0 ppm, 3 ppm, 27 ppm, and 134 ppm are shown in Figures 4 to 7. As can be seen from these figures, the output voltage changed significantly depending on the ion concentration.

図8に、イオン液体の添加量を横軸に、発電波形における正電圧最大値(黒丸)および負電圧最大値(白丸)を縦軸にとったグラフを示す。また、図9に、負荷抵抗により消費される電力を示す。これらの図から分かるように、出力電圧および出力電力は、イオン液体の添加に伴い増加を始め、イオン液体濃度が3~5ppmのときに最大値を示し、その後はイオン液体濃度の上昇に伴って減少した。イオン液体濃度が3ppmのときの出力電力は、イオン液体濃度が0ppmの時の出力電力の約4倍に達した。 Figure 8 shows a graph with the amount of ionic liquid added on the horizontal axis and the maximum positive voltage (black circle) and maximum negative voltage (white circle) in the power generation waveform on the vertical axis. Figure 9 also shows the power consumed by the load resistance. As can be seen from these figures, the output voltage and output power began to increase as ionic liquid was added, reaching a maximum when the ionic liquid concentration was 3 to 5 ppm, and then decreasing as the ionic liquid concentration increased. The output power when the ionic liquid concentration was 3 ppm was approximately four times the output power when the ionic liquid concentration was 0 ppm.

実施例1の結果から、イオン液体濃度が0ppm超50ppm以下(好ましくは、2ppm以上20ppm以下)の範囲ならば、摩擦発電機10の発電特性が向上することが示唆される。 The results of Example 1 suggest that the power generation characteristics of the friction generator 10 are improved if the ionic liquid concentration is in the range of more than 0 ppm and less than 50 ppm (preferably, greater than or equal to 2 ppm and less than or equal to 20 ppm).

〔参考例〕
実施例1で作製した帯電フィルムの帯電特性の向上が、比誘電率の変化に起因するものでないことを確認した。具体的には、電極接触法によりLCRメータを用いて電極間のキャパシタンスを測定し、その結果から比誘電率を推定した。イオン液体の濃度は、0ppm、5ppm、10ppm、15ppm、20ppm、30ppm、40ppmまたは50ppmとした。
[Reference example]
It was confirmed that the improvement in the charging characteristics of the charging film produced in Example 1 was not due to a change in the dielectric constant. Specifically, the capacitance between the electrodes was measured using an LCR meter by the electrode contact method, and the dielectric constant was estimated from the results. The concentration of the ionic liquid was set to 0 ppm, 5 ppm, 10 ppm, 15 ppm, 20 ppm, 30 ppm, 40 ppm, or 50 ppm.

[結果]
結果を図10に示す。図10から分かるように、イオン液体濃度を変化させても、比誘電率は約10~約15の範囲に収まり、ほとんど変化がなかった。このことから、帯電フィルムにイオン液体を少量添加しても、比誘電率の変化はないか、極めて小さいと考えられる。
[result]
The results are shown in Figure 10. As can be seen from Figure 10, even when the ionic liquid concentration was changed, the relative dielectric constant remained in the range of approximately 10 to approximately 15, with almost no change. From this, it can be assumed that even if a small amount of ionic liquid is added to the charged film, there is no change in the relative dielectric constant, or that this change is extremely small.

なお、PVDF-TFEの比誘電率は、カタログ値では11であるのに対し、イオン液体濃度が0ppmのときの実際の測定値は11よりも若干大きかった。これは、電極間に存在する空気膜の影響による誤差だと考えられる。 The catalog value for the dielectric constant of PVDF-TFE is 11, but the actual measured value when the ionic liquid concentration was 0 ppm was slightly greater than 11. This is thought to be an error caused by the influence of the air film between the electrodes.

〔実施例2〕
帯電フィルムの膜厚を変化させ、摩擦発電機10の性能を評価した。具体的には、実施例1と同様の工程により、膜厚が10μm、25μmまたは40μmの帯電フィルムを作製した。イオン液体の濃度は、3ppmとした。作製した帯電フィルムを第1フィルム1として用い、実施例1と同様に摩擦発電機10の発電波形を得た。
Example 2
The performance of the friction generator 10 was evaluated by varying the film thickness of the charged film. Specifically, charged films with film thicknesses of 10 μm, 25 μm, or 40 μm were fabricated using the same process as in Example 1. The concentration of the ionic liquid was 3 ppm. The fabricated charged film was used as the first film 1, and the power generation waveform of the friction generator 10 was obtained in the same manner as in Example 1.

[結果]
図11に、帯電フィルムの膜厚を横軸に、発電波形における正電圧最大値(黒丸)および負電圧最大値(白丸)を縦軸にとったグラフを示す。図11から分かるように、膜厚が40μmのときには、出力電圧が向上していた。
[result]
Figure 11 shows a graph with the film thickness of the charged film on the horizontal axis and the maximum positive voltage (black circles) and maximum negative voltage (white circles) in the generated waveform on the vertical axis. As can be seen from Figure 11, when the film thickness was 40 μm, the output voltage improved.

実施例2の結果から、イオン液体の添加量を一定としたとき、帯電フィルムの膜厚を一定以上(例えば、30μm以上)に厚くすると、摩擦発電機10の発電特性を向上できることが示唆される。 The results of Example 2 suggest that, when the amount of ionic liquid added is constant, increasing the thickness of the charged film to a certain level (e.g., 30 μm or more) can improve the power generation characteristics of the friction generator 10.

〔実施例3〕
イオン液体を1-ベンジル-3-メチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド(構造はは下記を参照)に変更して、実施例1と同様に摩擦発電機10を組立てた。帯電フィルムに添加するイオン液体の濃度を変化させ、摩擦発電機10の性能を評価した。イオン液体の濃度は、0ppm、6ppm、15ppm、39ppm、78ppm、163ppmまたは530ppmとした。
Example 3
The ionic liquid was changed to 1-benzyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide (see below for structure), and a friction generator 10 was assembled in the same manner as in Example 1. The concentration of the ionic liquid added to the charged film was changed, and the performance of the friction generator 10 was evaluated. The ionic liquid concentrations were 0 ppm, 6 ppm, 15 ppm, 39 ppm, 78 ppm, 163 ppm, and 530 ppm.

[結果]
図12に、イオン液体の添加量を横軸に、発電波形における正電圧最大値(黒丸)および負電圧最大値(白丸)を縦軸にとったグラフを示す。また、図13に、負荷抵抗により消費される電力を示す。これらの図から分かるように、正電圧はイオン液体の添加に伴う変化が小さいものの、負電圧はイオン液体の添加に伴い増加した。出力電力は、イオン液体濃度が約5ppmのときに最大値を示し、その後はイオン液体濃度の上昇に伴って減少した。
[result]
Figure 12 shows a graph with the amount of ionic liquid added on the horizontal axis and the maximum positive voltage (black circles) and maximum negative voltage (white circles) in the power generation waveform on the vertical axis. Figure 13 shows the power consumed by the load resistor. As can be seen from these figures, the positive voltage changed little with the addition of ionic liquid, but the negative voltage increased with the addition of ionic liquid. The output power reached a maximum when the ionic liquid concentration was approximately 5 ppm and then decreased with increasing ionic liquid concentration.

実施例3の結果から、異なるイオン液体(とりわけ、イミダゾリウム系カチオンを含んでいるイオン液体)を添加した場合にも、摩擦発電機10の発電特性が向上することが示唆される。 The results of Example 3 suggest that the power generation characteristics of the friction generator 10 are improved even when a different ionic liquid (especially an ionic liquid containing an imidazolium-based cation) is added.

〔実施例4〕
ポリジメチルシロキサンをフィルム基体樹脂とし、シリコーン系のイオン液体を添加した帯電フィルムを作製し、第1フィルム1として使用した。帯電フィルムに添加するイオン液体の濃度を変化させ、摩擦発電機10の性能を評価した。
Example 4
An electrically charged film was prepared using polydimethylsiloxane as the film base resin and adding a silicone-based ionic liquid, and used as the first film 1. The concentration of the ionic liquid added to the electrically charged film was changed, and the performance of the friction generator 10 was evaluated.

[帯電フィルムの作製]
以下の工程により、帯電フィルムを作製した。
1. シリコーンゴムKE-12(信越化学工業株式会社)に、硬化剤を加えた。
2. イオン液体としてイオン液体変性オリゴマーX-40-2450(信越化学工業株式会社、シリコーン系)をさらに加え、混合および真空脱泡した。イオン液体の濃度は、シリコーンゴムの重量に対して、0ppm、4ppm、13ppmまたは42ppmとした。
3. 得られた溶液を、導電性不織布表面にコーターを用いて塗布した。このときの膜厚は、40μmであった。
4. 得られた積層体を用いて、実施例1と同様に摩擦発電機を作製し、性能を評価した。
[Preparation of Charged Film]
A charged film was produced by the following steps.
1. A curing agent was added to silicone rubber KE-12 (Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.).
2. Ionic liquid-modified oligomer X-40-2450 (Shin-Etsu Chemical Co., Ltd., silicone-based) was further added as an ionic liquid, followed by mixing and vacuum degassing. The concentration of the ionic liquid was 0 ppm, 4 ppm, 13 ppm, or 42 ppm relative to the weight of the silicone rubber.
3. The obtained solution was applied to the surface of the conductive nonwoven fabric using a coater. The film thickness at this time was 40 μm.
4. Using the obtained laminate, a friction generator was fabricated in the same manner as in Example 1, and its performance was evaluated.

[結果]
図14に、イオン液体の添加量を横軸に、発電波形における正電圧最大値(黒丸)および負電圧最大値(白丸)を縦軸にとったグラフを示す。図14から分かるように、イオン液体の添加量が13ppmのときに、イオン液体を添加しない場合の約2倍の出力電圧が得られた。この結果から、異なるフィルム基体樹脂を用いた場合にも、摩擦発電機10の発電特性を向上できることが示唆される。
[result]
Figure 14 shows a graph with the amount of ionic liquid added on the horizontal axis and the maximum positive voltage (black circles) and maximum negative voltage (white circles) in the power generation waveform on the vertical axis. As can be seen from Figure 14, when the amount of ionic liquid added was 13 ppm, the output voltage was approximately twice as high as when no ionic liquid was added. This result suggests that the power generation characteristics of the friction generator 10 can be improved even when a different film base resin is used.

〔実施例の結果まとめ〕
以上のように、イオン液体の添加量を、フィルム基体樹脂の重量を基準として0ppm超、50ppm以下とすることにより、機械特性がフィルム基体樹脂と大きく変わらない帯電フィルムが得られた。また、この帯電フィルムを用いた摩擦発電機は、出力が向上していた。すなわち、特定の材料を特定の数値範囲で含有することにより(ごく微量のイオン液体を用いることにより)、特別な技術的特徴が得られる。
[Summary of results of Examples]
As described above, by adding an ionic liquid in an amount greater than 0 ppm and less than 50 ppm based on the weight of the film base resin, a charged film was obtained whose mechanical properties were not significantly different from those of the film base resin. Furthermore, a friction generator using this charged film exhibited improved output. In other words, by including specific materials in specific numerical ranges (using very small amounts of ionic liquid), special technical features were obtained.

本発明は、摩擦発電機などに利用できる。 This invention can be used in friction generators, etc.

1 :第1フィルム
2 :第2フィルム
3 :電極
5 :イオン液体
10 :摩擦発電機

1: First film 2: Second film 3: Electrode 5: Ionic liquid 10: Friction generator

Claims (9)

フィルム基体樹脂およびイオン液体を含んでいる摩擦発電機用帯電フィルムであって、
上記イオン液体は、上記フィルム基体樹脂の重量を基準として、0ppm超、50ppm以下含まれている、摩擦発電機用帯電フィルム。
A charging film for a friction generator , comprising a film base resin and an ionic liquid,
The ionic liquid is contained in an amount of more than 0 ppm and not more than 50 ppm based on the weight of the film base resin.
上記イオン液体は、イミダゾリウム系カチオンを1種類以上含んでいる、請求項1に記載の摩擦発電機用帯電フィルム。 The charged film for a friction generator according to claim 1 , wherein the ionic liquid contains one or more imidazolium cations. 上記イオン液体は、1-ヘキシル-3-メチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドおよび1-ベンジル-3-メチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミドからなる群より選択される1種類以上である、請求項2に記載の摩擦発電機用帯電フィルム。 The charging film for a friction generator according to claim 2, wherein the ionic liquid is at least one selected from the group consisting of 1-hexyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide and 1-benzyl-3- methylimidazolium bis (trifluoromethylsulfonyl)imide. 上記摩擦発電機用帯電フィルムの厚さは30μm以上である、請求項1~3のいずれか1項に記載の摩擦発電機用帯電フィルム。 4. The charging film for a friction generator according to claim 1, wherein the thickness of the charging film for a friction generator is 30 μm or more. 上記フィルム基体樹脂は、ポリアミド、ポリイミド、ポリオレフィン、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリウレタン、ビニル系樹脂、アクリル系樹脂、塩素系樹脂、フッ素系樹脂、シリコーン樹脂、天然ゴムからなる群より選択される1種類以上である、請求項1~4のいずれか1項に記載の摩擦発電機用帯電フィルム。 5. The electrostatically charged film for a friction generator according to claim 1, wherein the film base resin is one or more selected from the group consisting of polyamide, polyimide, polyolefin, polyester, polycarbonate, polyurethane, vinyl resin, acrylic resin, chlorine-based resin , fluorine-based resin , silicone resin, and natural rubber. 上記フィルム基体樹脂は、フッ化ビニリデン-三フッ化エチレン共重合体およびポリジメチルシロキサンからなる群より選択される1種類以上である、請求項5に記載の摩擦発電機用帯電フィルム。 6. The charging film for a friction generator according to claim 5, wherein the film base resin is at least one selected from the group consisting of vinylidene fluoride-trifluoroethylene copolymer and polydimethylsiloxane. 第1フィルムおよび第2フィルムを備えている摩擦発電機であって、
上記第1フィルムは、請求項1~6のいずれか1項に記載の摩擦発電機用帯電フィルムであり、
上記第2フィルムは、フィルム基体樹脂を含んでおり、
上記第1フィルムと上記第2フィルムとは、フィルム基体樹脂が互いに異なっており、
上記第1フィルムおよび上記第2フィルムは、互いに対向して配置されている、
摩擦発電機。
1. A friction generator comprising a first film and a second film,
The first film is the charging film for a frictional generator according to any one of claims 1 to 6,
the second film includes a film base resin,
the first film and the second film have different film base resins,
The first film and the second film are disposed opposite to each other.
Friction generator.
上記第2フィルムは、請求項1~6のいずれか1項に記載の摩擦発電機用帯電フィルムである、請求項7に記載の摩擦発電機。 The friction generator according to claim 7, wherein the second film is the charging film for a friction generator according to any one of claims 1 to 6. 上記第2フィルムのフィルム基体樹脂はポリアミドである、請求項7または8に記載の摩擦発電機。 The friction generator described in claim 7 or 8, wherein the film base resin of the second film is polyamide.
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