KR20190072086A - Triboelectric genarator including spring - Google Patents

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KR20190072086A
KR20190072086A KR1020170173151A KR20170173151A KR20190072086A KR 20190072086 A KR20190072086 A KR 20190072086A KR 1020170173151 A KR1020170173151 A KR 1020170173151A KR 20170173151 A KR20170173151 A KR 20170173151A KR 20190072086 A KR20190072086 A KR 20190072086A
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triboelectricity
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홍진표
고원배
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한양대학교 산학협력단
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02NELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N1/00Electrostatic generators or motors using a solid moving electrostatic charge carrier
    • H02N1/04Friction generators

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  • Electrostatic Charge, Transfer And Separation In Electrography (AREA)

Abstract

Disclosed is a triboelectric power generation element with increased energy efficiency generated per unit area. According to an embodiment of the present invention, the triboelectric power generation element comprises: one-dimensional fiber; and a spring on which a first triboelectrification layer is formed. The one-dimensional fiber is wound on the surface of the spring on which the first triboelectrification layer is formed. Triboelectricity is generated in compression and restoration processes of the spring by a difference in electro negativity between the first triboelectrification layer and the one-dimensional fiber.

Description

스프링을 포함하는 마찰전기 발전 소자{TRIBOELECTRIC GENARATOR INCLUDING SPRING}[0001] TRIBOELECTRIC GENARATOR INCLUDING SPRING [0002]

본 발명은 스프링을 포함하는 마찰전기 발전 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 탄성체의 진동으로 인해 반복되는 기계적 압력을 이용하여 에너지 수확을 용이하게 할 수 있고, 단위 면적 당 생성되는 에너지의 효율을 극대화 시킬 수 있는 스프링을 포함하는 마찰전기 발전 소자에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a triboelectricity generating device including a spring, and more particularly, to a triboelectricity generating device including a spring, which is capable of facilitating energy harvesting using repeated mechanical pressure due to vibration of an elastic body, And more particularly to a triboelectric generating element including a spring capable of being maximized.

생활 주변이나 산업현장에서 볼 수 있는 대부분의 물품이나 장치는 전기를 동력원으로 하고 있고, 사회의 고도화에 따라 그 수요가 증가되고 있다. 따라서, 화석에너지를 이용한 화력발전, 핵융합 및 핵분열을 이용한 원자력발전 등 다양한 발전시설에 대한 시설투자가 지속적으로 증가되고 있고, 최근에는 에너지자원의 고갈로 인Most of the goods and devices that can be seen in the living environment or the industrial field use electricity as the power source, and the demand is increasing as the society is advanced. Therefore, facility investment for various power generation facilities such as thermal power generation using fossil energy, nuclear fusion using nuclear fusion and nuclear fission is continuously increasing, and recently,

해 태양광발전, 풍력발전, 조력발전, 등 다양한 대체 발전시설에 투자와 개발이 활발하게 진행되고 있다.Investment and development of various alternative power generation facilities such as photovoltaic power generation, wind power generation, and tidal power generation are being actively carried out.

그러나, 배터리는 한정된 사용시간으로 인해 전원이 방전되면 다시 충전해서 사용하여야 하고, 이동 중에 있거나 야외에서는 충전할 수 없으므로 방전시에는 해당 제품을 사용할 수 없게 된다. 이러한 문제점을 해결하기 위한 방안으로 최근에는 다양한 자가 발전장치가 개발되어 비상시에 필요한 전원을 사용할 수 있도록 하고 있고, 특히, 최근에는 에너지 하베스트(energy harvest)라는 개념으로 일상 생활에서 버려지는 에너지를 회수하는 시스템에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.However, the battery must be recharged when the power source is discharged due to limited use time, and can not be used when the battery is in motion or outdoors. In order to solve these problems, a variety of self-generating devices have been developed to enable the use of the necessary power in an emergency. In recent years, energy harvest has been used to recover energy that has been abandoned in everyday life Research on the system is actively proceeding.

에너지 하베스트 기술의 한 종류로서, 최근 나노 와이어의 압전 효과를 이용한 기술이 개발되고 있는데, 이는 인간의 발걸음과 같이 반복적으로 전달되는 압력을 전기 에너지로 변환하는 기술로서, 나노 와이어가 압력에 의해 변형되는 과정에서 발생되는 전기를 수집하는 방식으로 구성된다.As a kind of energy harvest technology, recently, a technology using a piezoelectric effect of a nanowire has been developed, which is a technique of converting pressure repeatedly transmitted into electrical energy, such as a human step, in which nanowires are deformed by pressure And collecting electricity generated in the process.

그러나, 압전효과를 이용하여 에너지를 수확하는 시스템은 그 출력량이 수 Volts, 수십 nA 정도이다. 이에 비해 상대적으로 비슷한 에너지 수확 원리를 갖는 마찰전기효과를 이용할 경우 압전효과에 비해 102 ~ 103 배 이상의 전압, 전류를 수확 가능하며, 수 mW 이상의 전력을 생성할 수 있다. 따라서, 압전 효과를 이용한 기술 이외에 일상 생활에서는 마찰에 의해 발생하는 전기가 매우 많이 발생하고 있다. 따라서, 최근에는 인간 주변의 움직임으로부터 소량의 전기를 수확하는 방법으로 2개의 다른 물체가 마찰될 때 발생하는 전자를 포획하는 기술이 연구되고 있다.However, a system that harvests energy using the piezoelectric effect has a yield of several volts, tens of nA. On the other hand, when using the triboelectric effect having a relatively similar energy harvesting principle, it is possible to harvest a voltage and current of 10 2 to 10 3 times higher than the piezoelectric effect, and generate power of several mW or more. Therefore, in addition to the technology using the piezoelectric effect, electricity generated by friction is very much generated in daily life. Therefore, in recent years, techniques for capturing electrons generated when two different objects are rubbed by a method of harvesting a small amount of electricity from movement around a human are being studied.

그러나, 아직까지 마찰 전기를 회수하여 전기 에너지로 변환하는 기술은 매우 초보적인 수준이거나 그 효율이 매우 낮아 널리 사용되지 못하고 있는 실정이다. 특히, 마찰 전기 발생 효율이 높은 물질로서 폴리디메틸실록산(PDMS: polydimethylsiloxane) 물질을 이용한 마찰 전기 발전 소자에 대한 개발이 이루어지고 있는데, 폴리디메틸실록산의 표면에 미세 나노 패턴을 형성하는 등 그 제조 방법이 반도체 공정이 요구될 뿐만 아니라 고가의 제조 장비가 요구되는 등 제조 공정이 복잡하고 어렵다는 문제가 있었다.However, the technology of recovering triboelectricity and converting it into electrical energy is not very widely used because it is very basic or has very low efficiency. Particularly, a triboelectric generating device using a polydimethylsiloxane (PDMS) material has been developed as a material having high triboelectric generation efficiency, and a manufacturing method thereof such as forming a fine nano pattern on the surface of a polydimethylsiloxane There is a problem that a semiconductor process is required and a manufacturing process is complicated and difficult such as an expensive manufacturing equipment is required.

대한민국 공개특허 제10-2015-0142810호, "섬유 기반 마찰 전기 나노 발전 소자 및 이를 이용한 발전 유닛"Korean Patent Publication No. 10-2015-0142810, "Fiber-based triboelectric nano generator element and power unit using the same"

Yahya Atwa 외 2, Silver nanowire coated threads for electrically conductive textiles, 2015Yahya Atwa et al., Silver nanowire coated threads for electrically conductive textiles, 2015

본 발명의 실시예들의 목적은 1차원 섬유 및 스프링을 사용하여 단위 면적 당 생성되는 에너지 효율이 향상된 마찰전기 발전 소자를 제조하기 위한 것이다.It is an object of embodiments of the present invention to manufacture a triboelectricity-generating device with improved energy efficiency per unit area using one-dimensional fibers and springs.

본 발명의 실시예들의 목적은 탄성력을 갖는 스프링을 사용하여 탄성체의 진동으로 인한 반복되는 기계적 압력 또는 다양한 형태의 에너지원으로부터 효과적으로 전력을 생산할 수 있는 마찰전기 발전 소자를 제조하기 위한 것이다.It is an object of the embodiments of the present invention to manufacture a triboelectric generating element which can effectively generate electric power from repeated mechanical pressures or various types of energy sources due to vibration of an elastic body using a spring having an elastic force.

본 발명의 실시예들의 목적은 스프링 표면에 1차원 섬유를 권취시키는 단순한 공정을 이용하여 간단하게 마찰전기 발전 소자를 제조하기 위한 것이다.It is an object of embodiments of the present invention to simply manufacture a triboelectric generating element using a simple process of winding one-dimensional fibers on a spring surface.

본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자는 1차원 섬유; 및 표면에 제1 마찰 대전층이 형성된 스프링;을 포함하고, 상기 제1 마찰 대전층이 형성된 스프링의 표면에 상기 1차원 섬유가 권취되고, 상기 제1 마찰 대전층 및 상기 1차원 섬유의 전기음성도 차이에 의해 상기 스프링의 압축 및 복원 과정에서 마찰 전기를 생성한다.A triboelectric generator according to an embodiment of the present invention includes a one-dimensional fiber; And a spring having a surface on which a first triboelectrification layer is formed, wherein the one-dimensional fiber is wound on a surface of a spring on which the first triboelectrification layer is formed, and the first triboelectrification layer and the one- Thereby generating triboelectricity during compression and decompression of the spring.

상기 마찰전기 발전 소자는, 상기 제1 마찰 대전층과 상기 제1 마찰 대전층의 표면에 배치된 상기 1차원 섬유 간에 생성되는 제1 마찰 전기 및 상기 제1 마찰 대전층과 상기 제1 마찰 대전층에 이격되어 배치된 상기 1차원 섬유 간에 생성되는 제2 마찰 전기를 생성할 수 있다.Wherein the triboelectric generating element includes a first triboelectricity generated between the first triboelectric charge layer and the one-dimensional fibers disposed on a surface of the first triboelectric charge layer, and a second triboelectric charge generated between the first triboelectric charge layer and the first triboelectric charge layer The second triboelectricity generated between the one-dimensional fibers disposed spaced apart from one another.

상기 스프링 또는 상기 1차원 섬유의 상부에는 식각 공정 또는 용액 공정에 의해 형성되는 나노 패턴을 포함할 수 있다.The upper portion of the spring or the one-dimensional fiber may include a nanopattern formed by an etching process or a solution process.

상기 나노 패턴의 형상은 나노와이어(nanowire), 나노 도트(nano dots), 나노 플레이크(nanoflake), 나노 프레임(nanoframe), 나노벽(nanowall), 나노 튜브(nanotube), 나노 로드(nanoroad), 나노 뿔(nanohorn) 및 나노 스피어(nano sphere) 중 적어도 하나인 것을 포함할 수 있다.The shape of the nanopattern may be selected from the group consisting of nanowires, nanodots, nanoflake, nanoframes, nanowalls, nanotubes, nanorods, nano- A nanohorn, and a nano-sphere.

상기 나노 패턴의 표면에는 나노 입자가 더 형성될 수 있다.Nanoparticles may be further formed on the surface of the nanopattern.

상기 제1 마찰 대전층은 폴리머층, 도전층, 산화물층 또는 이들의 조합일 수 있다.The first triboelectric charge layer may be a polymer layer, a conductive layer, an oxide layer, or a combination thereof.

상기 폴리머층은 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET; polyethyleneterephthalate), 폴리에스테르(PE; polyester), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE; polytetrafluoroethylene), 폴리디메틸실록산(PDMS; polydimethylsiloxane), 캡톤(Kapton), 폴리이미드(PI; Polyimide), 나일론(nylon), 폴리비닐알코올(PVA; polyvinylalcohol), 폴리이소부틸렌(polyisobutylene), 폴리우레탄 탄성 스펀지, 폴리비닐 부티랄(polyvinyl butyral), 폴리클로로프렌(polychloroprene), 천연고무, 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리디페놀카보네이트(polydiphenolcarbonate), 염화폴리에테르(polyetherchloride), 폴리염화비닐리덴(polyvinylidene chloride), 폴리스티렌(polystylene), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리프로필렌(PP; polypropylene) 및 폴리염화비닐(PVC; polyvinyl chloride) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.The polymer layer may be formed of a material selected from the group consisting of polyethylene terephthalate (PET), polyester (PE), polytetrafluoroethylene (PTFE), polydimethylsiloxane (PDMS), Kapton, Polyimide, polyimide, nylon, polyvinylalcohol (PVA), polyisobutylene, polyurethane elastic sponge, polyvinyl butyral, polychloroprene, natural rubber, poly But are not limited to, polyacrylonitrile, polydiphenolcarbonate, polyetherchloride, polyvinylidene chloride, polystylene, polyethylene, polypropylene (PP), and poly And may include at least one of polyvinyl chloride (PVC).

상기 도전층은 알루미늄(Al), 스테인리스 스틸(SUS), 니켈(Ni), 구리(Cu), 은(Ag), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 금(Au) 및 탄소(C) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.The conductive layer may be formed of one selected from the group consisting of aluminum (Al), stainless steel (SUS), nickel (Ni), copper (Cu), silver (Ag), chromium (Cr), titanium (Ti) And may include at least one.

상기 산화물층은 아연 산화물(ZnO), 티타늄 산화물(TiO2), 알루미늄 산화물(Al2O3) 및 실리콘 산화물(SiO2) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.The oxide layer may include at least one of zinc oxide (ZnO), titanium oxide (TiO 2 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), and silicon oxide (SiO 2 ).

상기 스프링은 탄소강(carbon steel), 저합금강(low-alloy steel) 및 스프링강(spring steel) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.The spring may comprise at least one of carbon steel, low-alloy steel and spring steel.

본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자는 스프링; 및 표면에 제2 마찰 대전층이 형성된 1차원 섬유를 포함하고, 상기 스프링의 표면에 상기 제2 마찰 대전층이 형성된 1차원 섬유가 권취되고, 상기 스프링 및 상기 제2 마찰 대전층의 전기음성도 차이에 의해 상기 스프링의 압축 및 복원 과정에서 마찰 전기를 생성한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a triboelectric generator including: a spring; And one-dimensional fibers having a surface on which a second triboelectrification layer is formed, wherein one-dimensional fibers having the second triboelectric charging layer formed thereon are wound on a surface of the spring, and the electronegativity of the spring and the second triboelectrification layer The difference creates triboelectricity during compression and recovery of the spring.

상기 마찰전기 발전 소자는, 상기 스프링과 상기 스프링의 표면에 배치된 상기 제2 마찰 대전층 간에 생성되는 제1 마찰 전기 및 상기 스프링과 상기 스프링에 이격되어 배치된 상기 제2 마찰 대전층 간에 생성되는 제2 마찰 전기를 생성할 수 있다.Wherein the triboelectric generating element comprises a first triboelectricity generated between the spring and the second tribocharge layer disposed on the surface of the spring and a second triboelectricity generated between the spring and the second triboelectric charge layer disposed spaced apart from the spring A second triboelectricity can be generated.

상기 제2 마찰 대전층은 폴리머층, 도전층, 산화물층 또는 이들의 조합일 수 있다.The second triboelectric charging layer may be a polymer layer, a conductive layer, an oxide layer or a combination thereof.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자는 표면에 제1 마찰 대전층이 형성된 스프링; 및 표면에 제2 마찰 대전층이 형성된 1차원 섬유를 포함하고, 상기 제1 마찰 대전층이 형성된 스프링의 표면에 상기 제2 마찰 대전층이 형성된 1차원 섬유가 권취되고, 상기 제1 마찰 대전층 및 상기 제2 마찰 대전층은 전기음성도 차이에 의해 상기 스프링의 압축 및 복원 과정에서 마찰 전기를 생성한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a triboelectricity generating device including: a spring having a first triboelectrification layer formed on a surface thereof; And one-dimensional fibers having a surface on which a second triboelectrification layer is formed, wherein one-dimensional fibers having the second triboelectrification layer formed on the surface of the spring on which the first triboelectrification layer is formed are wound, And the second triboelectrification layer generates triboelectricity during the compression and decompression of the spring by the difference in electronegativity.

상기 마찰전기 발전 소자는, 상기 제1 마찰 대전층과 상기 제1 마찰 대전층의 표면에 배치된 상기 제2 마찰 대전층 간에 생성되는 제1 마찰 전기 및 상기 제1 마찰 대전층과 상기 제1 마찰 대전층에 이격되어 배치된 상기 제2 마찰 대전층 간에 생성되는 제2 마찰 전기를 생성할 수 있다.Wherein the triboelectric generating element includes a first triboelectricity generated between the first tribocharge layer and the second triboelectric charge layer disposed on the surface of the first triboelectric charge layer and a second triboelectric charge generated between the first triboelectric charge layer and the first triboelectric charge layer And a second triboelectricity generated between the second tribocharge layers disposed apart from the charge layer.

본 발명의 실시예에 따르면 1차원 섬유 및 스프링을 사용하여 단위 면적 당 생성되는 에너지 효율이 향상된 마찰전기 발전 소자를 제조할 수 있다.According to the embodiment of the present invention, it is possible to manufacture a triboelectricity generating element with improved energy efficiency per unit area using one-dimensional fibers and springs.

본 발명의 실시예에 따르면 탄성력을 갖는 스프링을 사용하여 탄성체의 진동으로 인한 반복되는 기계적 압력 또는 다양한 형태의 에너지원으로부터 효과적으로 전력을 생산할 수 있는 마찰전기 발전 소자를 제조할 수 있다.According to the embodiment of the present invention, it is possible to manufacture a triboelectricity generating device capable of effectively producing electric power from repeated mechanical pressures or various types of energy sources due to vibration of an elastic body by using a spring having elasticity.

본 발명의 실시예에 따르면 스프링 표면에 1차원 섬유를 권취시키는 단순한 공정을 이용하여 간단하게 마찰전기 발전 소자를 제조할 수 있다.According to the embodiment of the present invention, a triboelectric generating element can be simply manufactured by using a simple process of winding one-dimensional fibers on the surface of a spring.

도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자를 도시한 단면도이다.
도 1b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자를 도시한 단면도이다.
도 1c는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자를 도시한 단면도이다.
도 2a는 제1 마찰 대전층으로 폴리머층, 도전층 및 산화물층을 모두 포함하는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자를 도시한 단면도이다.
도 2b는 제2 마찰 대전층으로 폴리머층, 도전층 및 산화물층을 모두 포함하는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자를 도시한 단면도이다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자의 횡단면을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자를 포함하는 마찰 발전 장치를 도시한 입체도이다.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자의 제조 방법을 도시한 입체도이다.
도 6a 내지 도 6d는 표면에 나노패턴이 형성된 1차원 섬유를 도시한 전자주사현미경(SEM) 이미지를 도시한 것이다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 실시예들에 따른 마찰전기 발전 소자를 도시한 실제이미지이다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 실시예들에 따른 마찰전기 발전 소자의 효용성을 확인하기 위한 푸싱 테스터(pushing tester)를 도시한 것이다.
도 9a는 본 발명의 실시예들에 따른 마찰전기 발전 소자의 압축 및 복원 과정의 출력 전압(output voltage)을 도시한 그래프이고, 도 9b는 본 발명의 실시예들에 따른 마찰전기 발전 소자의 압축 및 복원 과정의 출력 전압(output current)을 도시한 그래프이다.
FIG. 1A is a cross-sectional view illustrating a triboelectric generator according to an embodiment of the present invention. FIG.
1B is a cross-sectional view illustrating a triboelectricity generating device according to another embodiment of the present invention.
1C is a cross-sectional view illustrating a triboelectric generating element according to another embodiment of the present invention.
2A is a cross-sectional view illustrating a triboelectric generating element according to an embodiment of the present invention including a polymer layer, a conductive layer, and an oxide layer as a first triboelectrification layer.
FIG. 2B is a cross-sectional view illustrating a triboelectric generator according to another embodiment of the present invention, which includes both a polymer layer, a conductive layer, and an oxide layer as a second tribocharge layer.
FIGS. 3A through 3C are cross-sectional views of a triboelectric generator according to an embodiment of the present invention.
4 is a perspective view showing a friction generator including a triboelectric generator according to an embodiment of the present invention.
5A to 5D are three-dimensional views illustrating a method of manufacturing a triboelectric generating element according to an embodiment of the present invention.
6A to 6D show electron scanning microscope (SEM) images showing one-dimensional fibers having nanopatterns formed on their surfaces.
7A and 7B are actual images showing a triboelectric generating element according to embodiments of the present invention.
Figures 8a and 8b illustrate a pushing tester for verifying the utility of a triboelectricity device in accordance with embodiments of the present invention.
FIG. 9A is a graph showing an output voltage of the compression and recovery process of the triboelectricity generation device according to the embodiments of the present invention, and FIG. 9B is a graph showing the output voltage of the triboelectricity generation device according to the present invention, And the output current of the restoration process.

이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings and accompanying drawings, but the present invention is not limited to or limited by the embodiments.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.The terminology used herein is for the purpose of illustrating embodiments and is not intended to be limiting of the present invention. In the present specification, the singular form includes plural forms unless otherwise specified in the specification. It is noted that the terms "comprises" and / or "comprising" used in the specification are intended to be inclusive in a manner similar to the components, steps, operations, and / Or additions.

본 명세서에서 사용되는 "실시예", "예", "측면", "예시" 등은 기술된 임의의 양상(aspect) 또는 설계가 다른 양상 또는 설계들보다 양호하다거나, 이점이 있는 것으로 해석되어야 하는 것은 아니다.As used herein, the terms "embodiment," "example," "side," "example," and the like should be construed as advantageous or advantageous over any other aspect or design It does not.

또한, '또는' 이라는 용어는 배타적 논리합 'exclusive or'이기보다는 포함적인 논리합 'inclusive or'를 의미한다. 즉, 달리 언급되지 않는 한 또는 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 'x가 a 또는 b를 이용한다'라는 표현은 포함적인 자연 순열들(natural inclusive permutations) 중 어느 하나를 의미한다.Also, the term 'or' implies an inclusive or 'inclusive' rather than an exclusive or 'exclusive'. That is, unless expressly stated otherwise or clear from the context, the expression 'x uses a or b' means any of the natural inclusive permutations.

또한, 본 명세서 및 청구항들에서 사용되는 단수 표현("a" 또는 "an")은, 달리 언급하지 않는 한 또는 단수 형태에 관한 것이라고 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 일반적으로 "하나 이상"을 의미하는 것으로 해석되어야 한다.Also, the phrase "a" or "an ", as used in the specification and claims, unless the context clearly dictates otherwise, or to the singular form, .

아래 설명에서 사용되는 용어는, 연관되는 기술 분야에서 일반적이고 보편적인 것으로 선택되었으나, 기술의 발달 및/또는 변화, 관례, 기술자의 선호 등에 따라 다른 용어가 있을 수 있다. 따라서, 아래 설명에서 사용되는 용어는 기술적 사상을 한정하는 것으로 이해되어서는 안 되며, 실시예들을 설명하기 위한 예시적 용어로 이해되어야 한다.The terms used in the following description are chosen to be generic and universal in the art to which they are related, but other terms may exist depending on the development and / or change in technology, customs, preferences of the technician, and the like. Accordingly, the terminology used in the following description should not be construed as limiting the technical thought, but should be understood in the exemplary language used to describe the embodiments.

또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 설명 부분에서 상세한 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 아래 설명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가지는 의미와 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 이해되어야 한다.Also, in certain cases, there may be a term chosen arbitrarily by the applicant, in which case the detailed description of the meaning will be given in the corresponding description section. Therefore, the term used in the following description should be understood based on the meaning of the term, not the name of a simple term, and the contents throughout the specification.

한편, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성 요소들은 용어들에 의하여 한정되지 않는다. 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.On the other hand, the terms first, second, etc. may be used to describe various elements, but the elements are not limited by terms. Terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.

또한, 막, 층, 영역, 구성 요청 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 할 때, 다른 부분의 바로 위에 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 막, 층, 영역, 구성 요소 등이 개재되어 있는 경우도 포함한다.It will also be understood that when an element such as a film, layer, region, configuration request, etc. is referred to as being "on" or "on" another element, And the like are included.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms (including technical and scientific terms) used herein may be used in a sense commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Also, commonly used predefined terms are not ideally or excessively interpreted unless explicitly defined otherwise.

한편, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고, 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.In the following description of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear. The terminology used herein is a term used for appropriately expressing an embodiment of the present invention, which may vary depending on the user, the intent of the operator, or the practice of the field to which the present invention belongs. Therefore, the definitions of these terms should be based on the contents throughout this specification.

이하에서는, 도 1a를 참조하면 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자에 설명하기로 한다.Hereinafter, a triboelectric generator according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 1A.

도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자를 도시한 단면도이다.FIG. 1A is a cross-sectional view illustrating a triboelectric generator according to an embodiment of the present invention. FIG.

본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자는 1차원 섬유(120) 및 표면에 제1 마찰 대전층(111)이 형성된 스프링(110)을 포함하고, 제1 마찰 대전층(111)이 형성된 스프링(110)의 표면에 1차원 섬유(120)가 권취된다.The triboelectric generating element according to an embodiment of the present invention includes a spring 110 having a one-dimensional fiber 120 and a first triboelectrifying layer 111 formed on a surface thereof, and a first triboelectric charging layer 111 is formed The one-dimensional fiber 120 is wound on the surface of the spring 110.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자는 제1 마찰 대전층(111) 및 1차원 섬유(120)의 전기음성도 차이에 의해 스프링의 압축 및 복원 과정에서 마찰 전기를 생성한다.In addition, the triboelectric generating element according to an embodiment of the present invention generates triboelectricity in the compression and decompression process of the spring by the difference in electronegativity of the first triboelectric charge layer 111 and the one-dimensional fiber 120.

제1 마찰 대전층(111) 및 1차원 섬유(120)는 전기음성도가 상이한 물질로 형성될 수 있고, 마찰 전기 시리즈(Triboelectric Series) 상에서 제1 마찰 대전층(111)을 구성하는 물질의 위치는 1차원 섬유(120)를 구성하는 물질의 위치 보다 더 음의 값에 가까이 위치하거나, 더 양의 값에 가까이 위치할 수 있다.The first triboelectrification layer 111 and the one-dimensional fiber 120 may be formed of a material having a different electronegativity and the position of the material constituting the first triboelectric layer 111 on the triboelectric series Dimensional fiber 120 may be located closer to a negative value or closer to a positive value than the position of the material that constitutes the one-dimensional fiber 120. [

따라서, 제1 마찰 대전층(111) 및 1차원 섬유(120)는 스프링(110)이 압축 및 복원될 때, 제1 마찰 대전층(111) 및 1차원 섬유(120) 중 어느 하나는 양전하(+)로 대전되고, 나머지 하나는 음전하(-)로 대전될 수 있고, 제1 마찰 대전층(111) 및 1차원 섬유(120)을 이루는 물질의 마찰 전기 시리즈 위치에 따라 유도되는 전하의 성질 및 양이 달라질 수 있다.Therefore, when the spring 110 is compressed and restored, the first triboelectrification layer 111 and the one-dimensional fiber 120 are arranged such that any one of the first triboelectric charge layer 111 and the one- +), And the other one can be charged to negative charge (-), and the nature of the charge induced according to the position of the triboelectric series of the material constituting the first triboelectric charge layer 111 and the one-dimensional fiber 120 and The amount can vary.

또한, 1차원 섬유(120) 또는 제1 마찰 대전층(111)은 대전되는 전하양이 크고, 유전률이 높을수록 마찰전기 생산률이 높으므로, 1차원 섬유(120) 또는 제1 마찰 대전층(111)의 표면에 나노 구조를 형성하거나 마찰 전기 시리즈에서 멀리 떨어져 있는 물질을 적용하여 형성될 수 있다.Since the one-dimensional fiber 120 or the first triboelectric charging layer 111 has a large electrification charge and a higher dielectric constant, the higher the triboelectricity is, the higher the triboelectricity of the one-dimensional fiber 120 or the first triboelectric charging layer 111), or by applying materials away from the triboelectric series.

또한, 1차원 섬유(120) 또는 제1 마찰 대전층(111)을 마찰 전기 시리즈에서 멀리 떨어져 있는 물질을 사용하면, 개방 전압을 향상시킬 수 있다.Further, when the one-dimensional fiber 120 or the first triboelectrifying layer 111 is made of a material far away from the triboelectric series, the open-circuit voltage can be improved.

바림직하게, 스프링(110) 표면에 형성된 제1 마찰 대전층(111)으로 (polydimethylsiloxane, PDMS)를 사용하고, 1차원 섬유(120)를 사용하면, 제1 마찰 대전층(111)은 상대적으로 음전하를 띄어 전자를 얻는 능력이 비교적 강해지고, 스프링(110)은 상대적으로 양전하를 띄어 전자를 얻는 능력이 비교적으로 약해지게 된다.Using the one-dimensional fiber 120, the first triboelectrification layer 111 can be made of a material having a relatively high elastic modulus such that the first triboelectric layer 111 formed on the surface of the spring 110 is polydimethylsiloxane (PDMS) The ability to obtain electrons with a negative charge is relatively strong, and the spring 110 is relatively positively charged, so that the ability to obtain electrons becomes relatively weak.

따라서, 1차원 섬유(120) 및 제1 마찰 대전층(111)은 마찰 전기 시리즈에서 나열 순서에 차이가 있으므로, 양자가 전자를 얻는 능력에서 차이가 나타나게 되어, 1차원 섬유(120) 및 제1 마찰 대전층(111)이 스프링(110)의 압축 및 복원 과정에 의해 마찰되면 1차원 섬유(120) 및 제1 마찰 대전층(111)의 표면 전하의 평형이 파괴되어 전자는 등전위로부터 전극으로 이동하게 되어 마찰 전기를 생성할 수 있다.Therefore, since the one-dimensional fiber 120 and the first triboelectrification layer 111 differ in the order of enumeration in the triboelectric series, a difference appears in their ability to obtain electrons, so that the one-dimensional fiber 120 and the first When the triboelectric charge layer 111 is rubbed by the compression and recovery process of the spring 110, the equilibrium of the surface charges of the one-dimensional fiber 120 and the first triboelectric charge layer 111 is destroyed so that electrons move from the equipotential to the electrode So that triboelectricity can be generated.

본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자는 제1 마찰 대전층(111)과 제1 마찰 대전층(111)의 표면에 배치된 1차원 섬유(120) 간에 생성되는 제1 마찰 전기(E1) 및 제1 마찰 대전층(111)과 제1 마찰 대전층(111)에 이격되어 배치된 1차원 섬유(120) 간에 생성되는 제2 마찰 전기(E2)를 생성할 수 있다.The triboelectric element according to one embodiment of the present invention includes a first triboelectric element E1 generated between the first triboelectric element layer 111 and the one dimensional fiber 120 disposed on the surface of the first triboelectric element layer 111 And the second triboelectric element E2 generated between the first triboelectrification layer 111 and the one-dimensional fiber 120 disposed apart from the first triboelectric element layer 111 can be generated.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자는 제1 마찰 대전층(111)이 형성된 스프링(110)에 1차원 섬유(120)을 권취하여 사용함으로써, 제1 마찰 전기(E1) 및 제2 마찰 전기(E2)를 생성하여 마찰전기 발전 소자의 출력 성능을 향상시킬 수 있다.Accordingly, the triboelectric generating element according to an embodiment of the present invention can be manufactured by winding the one-dimensional fiber 120 on the spring 110 formed with the first triboelectric charging layer 111, The second frictional electricity E2 can be generated to improve the output performance of the triboelectric generating element.

본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자는 스프링(110) 또는 1차원 섬유(120)의 상에 식각 공정(top-down 방식) 또는 용액 공정(bottom-up 방식)을 이용하여 2차원 형태의 박막, 0차원 (Nanodots) 또는 1차원 (Nanowire) 등의 나노 패턴을 형성하여 구조의 다양성을 향상시킬 수 있다.The triboelectric generating device according to an embodiment of the present invention may be fabricated in a two-dimensional shape using a top-down process or a bottom-up process on a spring 110 or a one- A nanodots such as a nanodots or a nanodire may be formed to improve the diversity of the structure.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자는 표면에 다차원 구조가 형성되어, 표면적을 극대화시킬 수 있고, 표면적이 극대화됨에 따라 수확되는 에너지 양을 극대화시킬 수 있다.Accordingly, the triboelectric element according to an embodiment of the present invention has a multi-dimensional structure on its surface, thereby maximizing the surface area and maximizing the amount of energy harvested as the surface area is maximized.

식각 공정으로는 RIE (reactive ion etching) 또는 이온 밀링(Ion milling)이 사용될 수 있으나, 이에 제한되지 않고, 표면 적을 증가시킬 수 있는 식각 기술이라면 모두 사용 가능하다.As the etching process, reactive ion etching (RIE) or ion milling may be used, but not limited thereto, any etching technique capable of increasing the surface area can be used.

용액 공정으로는 성장 방법이 사용될 수 있고, 성장 방법은 물리/화학적 증착(deposition) 또는 용액 공정(solution coating; dip coating 등) 방법을 이용하여, 스프링(110) 또는 1차원 섬유(120) 표면에 시드층(seeding layer)을 형성한 다음, 시드층에 수열합성 방법(hydrothermal process)을 통하여 에너지를 수확하는 나노 패턴을 합성할 수 있다.A growth method may be used for the solution process and a growth method may be applied to the surface of the spring 110 or the one-dimensional fiber 120 using a physical / chemical deposition or solution coating (dip coating, etc.) After forming a seeding layer, nanopatterns can be synthesized by harvesting energy through a hydrothermal process on the seed layer.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자는 나노 패턴 형성 시, 스프링(110) 또는 1차원 섬유(120)의 결정도(crystallinity) 및 접착도(adhesion)를 개선하여 물리적 특성을 향상시키기 위해 열처리 공정을 더 진행할 수 있다.In addition, the triboelectricity device according to one embodiment of the present invention improves the crystallinity and adhesion of the spring 110 or the one-dimensional fiber 120 to improve the physical characteristics The heat treatment process can be further performed.

나노 패턴의 형상은 나노와이어(nanowire), 나노 도트(nano dots), 나노 플레이크(nanoflake), 나노 프레임(nanoframe), 나노벽(nanowall), 나노 튜브(nanotube), 나노 로드(nanoroad), 나노 뿔(nanohorn) 및 나노 스피어(nano sphere) 중 적어도 하나인 것을 포함할 수 있다.The shape of the nanopattern may be selected from the group consisting of nanowires, nano dots, nanoflake, nanoframes, nanowalls, nanotubes, nanorods, a nanohorn, and a nano-sphere.

본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자는 스프링(110) 또는 1차원 섬유(120)의 표면에 나노 패턴을 형성함으로써, 마찰전기 발전 소자의 마찰면적이 증가되어 단락전류 밀도가 향상될 수 있다.The triboelectric generating element according to an embodiment of the present invention forms a nanopattern on the surface of the spring 110 or the one-dimensional fiber 120 to increase the friction area of the triboelectric generating element, have.

나노 패턴의 표면에는 나노 입자가 더 형성될 수 있고, 나노 패턴의 표면에 형성되는 나노 입자에 의해 표면적을 더욱 증가시킬 수 있다.Nanoparticles can be further formed on the surface of the nanopattern, and the surface area can be further increased by the nanoparticles formed on the surface of the nanopattern.

나노 입자는 TiO2 및 ZnO 중에서 선택된 어느 하나를 포함할 수 있고, 나노 입자는 드롭 캐스팅 방법으로 형성될 수 있다.The nanoparticles may include any one selected from TiO 2 and ZnO, and the nanoparticles may be formed by a drop casting method.

제1 마찰 대전층(111)은 폴리머층, 도전층, 산화물층 또는 이들의 조합일 수 있다.The first triboelectric charge layer 111 may be a polymer layer, a conductive layer, an oxide layer, or a combination thereof.

제1 마찰 대전층(111)으로 폴리머층, 도전층 및 산화물층을 모두 사용하는 기술에 대해서는 도 2a에서 설명하기로 한다.A technique of using both the polymer layer, the conductive layer, and the oxide layer as the first triboelectric charging layer 111 will be described with reference to FIG. 2A.

폴리머층은 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET; polyethyleneterephthalate), 폴리에스테르(PE; polyester), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE; polytetrafluoroethylene), 폴리디메틸실록산(PDMS; polydimethylsiloxane), 캡톤(Kapton), 폴리이미드(PI; Polyimide), 나일론(nylon), 폴리비닐알코올(PVA; polyvinylalcohol), 폴리이소부틸렌(polyisobutylene), 폴리우레탄 탄성 스펀지, 폴리비닐 부티랄(polyvinyl butyral), 폴리클로로프렌(polychloroprene), 천연고무, 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리디페놀카보네이트(polydiphenolcarbonate), 염화폴리에테르(polyetherchloride), 폴리염화비닐리덴(polyvinylidene chloride), 폴리스티렌(polystylene), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리프로필렌(PP; polypropylene) 및 폴리염화비닐(PVC; polyvinyl chloride) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.The polymer layer may be formed of a material selected from the group consisting of polyethyleneterephthalate (PET), polyester (PE), polytetrafluoroethylene (PTFE), polydimethylsiloxane (PDMS), Kapton, polyimide (PI) Polyimide, polyimide, nylon, polyvinylalcohol (PVA), polyisobutylene, polyurethane elastic sponge, polyvinyl butyral, polychloroprene, natural rubber, Polyacrylonitrile, polydiphenolcarbonate, polyetherchloride, polyvinylidene chloride, polystylene, polyethylene, polypropylene (PP), and polychlorinated And may include at least one of polyvinyl chloride (PVC).

바람직하게, 제1 마찰 대전층(111)은 폴리디메틸실록산(PDMS; polydimethylsiloxane)가 사용될 수 있고, 폴리디메틸실록산(PDMS; polydimethylsiloxane)은 음전하를 띄는 물질로 사용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.Preferably, the first triboelectric layer 111 may be polydimethylsiloxane (PDMS), and polydimethylsiloxane (PDMS) may be used as a material having a negative charge, but the present invention is not limited thereto.

도전층은 알루미늄(Al), 스테인리스 스틸(SUS), 니켈(Ni), 구리(Cu), 은(Ag), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 금(Au) 및 탄소(C) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.The conductive layer may be at least one of aluminum (Al), stainless steel (SUS), nickel (Ni), copper (Cu), silver (Ag), chromium (Cr), titanium (Ti) One can be included.

바람직하게, 도전층으로는 알루미늄이 사용될 수 있고, 알루미늄은 양전하를 띄는 물질로 사용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.Preferably, aluminum may be used as the conductive layer, and aluminum may be used as a material having a positive charge, but is not limited thereto.

산화물층은 아연 산화물(ZnO), 티타늄 산화물(TiO2), 알루미늄 산화물(Al2O3) 및 실리콘 산화물(SiO2) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.The oxide layer may include at least one of zinc oxide (ZnO), titanium oxide (TiO 2 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), and silicon oxide (SiO 2 ).

바람직하게, 산화물층으로는 아연 산화물 이 사용될 수 있고, 아연 산화물은 양전하를 띄는 물질로 사용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.Preferably, a zinc oxide may be used as the oxide layer, and the zinc oxide may be used as a material having a positive charge, but is not limited thereto.

스프링(110)은 탄소강(carbon steel), 저합금강(low-alloy steel) 및 스프링강(spring steel) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.The spring 110 may include at least one of carbon steel, low-alloy steel, and spring steel.

1차원 섬유(120)는 면섬유, 모섬유, 석면 또는 면화와 같은 천연 섬유, 레이온 또는 아세테이트와 같은 재생섬유, 나일론, 폴리에스테르, 아크릴 또는 폴리프로필렌과 같은 합성섬유, 금속섬유 또는 유리섬유와 같은 무기 섬유 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The one-dimensional fiber 120 may be any of a variety of materials including, but not limited to, natural fibers such as cotton fibers, fibrils, asbestos or cotton, regenerated fibers such as rayon or acetate, synthetic fibers such as nylon, polyester, acrylic or polypropylene, But the present invention is not limited thereto.

또한, 1차원 섬유(120)는 장섬유(staple), 단섬유(filament) 또는 복수의 장섬유나 단섬유를 서로 꼬거나 병렬 배치하여 얻어질 수 있는 섬유를 포함할 수 있다.Further, the one-dimensional fiber 120 may include fibers that can be obtained by twisting or arranging a plurality of long fibers or short fibers in a staple, a filament or a plurality of long fibers.

또한, 1차원 섬유(120)는 표면에는 금속 와이어(Metal wire) 또는 전도성 물질이 도포될 수 있다. The surface of the one-dimensional fiber 120 may be coated with a metal wire or a conductive material.

종래에 사용되는 압전 소자의 소재는 강유전체 물질 중 고분자 물질의 PVDF, 1차원 나노구조물 또는 2차원 박막 형태의 아연 산화물이 대표적이며 압전소재로 사용될 수 있는 소재는 매우 한정적이다. 그러나, 본원 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자는 2개의 대전 물질이 사용되는데 대전 물질로, 고분자 물질, 전도성 물질 또는 산화물과 같은 다양한 물질을 사용하여 물질의 다양성을 향상시킬 수 있다.As a material of a piezoelectric element used in the past, a PVDF, a one-dimensional nano structure of a polymer material, or a zinc oxide in the form of a two-dimensional thin film are typical examples of ferroelectric materials, and a material that can be used as a piezoelectric material is very limited. However, the triboelectric device according to an embodiment of the present invention uses two charge materials. As the charge material, various materials such as a polymer material, a conductive material, and an oxide can be used to improve the variety of materials.

또한, 종래에 사용되는 스프링 형태의 압전 소자는 구조체와 압전 소재가 일체화 되어야 하기 때문에 에너지를 수확하는 과정 및 방식 또한 제한적이다. 그러나, 본원 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자는 스프링(110) 표면에 유연한(flexible) 1차원 섬유(120)를 권취하여 형성할 수 있어, 다양한 구조의 스프링(110) 소재 및 구조와 접목이 가능하여 활용도를 향상시킬 수 있다.In addition, conventionally used spring type piezoelectric devices have a limited process and a method of harvesting energy because the structure and the piezoelectric material must be integrated. However, the triboelectric generation device according to one embodiment of the present invention can be formed by winding a flexible one-dimensional fiber 120 on the surface of the spring 110, It is possible to improve the utilization.

본원 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자는 다양한 크기 및 형상의 스프링(110)을 사용함으로써, 접목되는 응용 범위가 증가하게 되어 스마트 전자 기기의 주/보조 전력원으로 사용될 수 있고, 스마트 전자 기기의 출력 효율을 증가시켜 사용 시간을 증가시킬 수 있다.The triboelectric device according to an embodiment of the present invention can be used as a main / auxiliary power source of a smart electronic device by using a spring 110 having various sizes and shapes, The output efficiency of the device can be increased and the use time can be increased.

본원 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자는 딥 코팅(dip coating) 및 수열합성(hydrothermal process)과 같은 용액 공정만으로 제작이 가능하여 제조 공정 및 제조 비용을 간소화할 수 있다.The triboelectric generating device according to an embodiment of the present invention can be manufactured by only a solution process such as dip coating and hydrothermal process, thereby simplifying the manufacturing process and manufacturing cost.

본원 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자는 스프링(110) 표면에 1차원 섬유를 권취함으로써, 압전 효과로 인해 생성되는 전기 에너지의 수 십, 수백 배에 해당하는 마찰 전기 효과를 사용하여 단위 면적 당 / 단위 압력 당 발생되는 발전 에너지양을 극대화시킬 수 있다.The triboelectric generating element according to an embodiment of the present invention can be manufactured by winding a one-dimensional fiber on a surface of a spring 110, thereby obtaining a triboelectric effect by using a triboelectric effect equivalent to tens or hundreds of times of electric energy generated by a piezoelectric effect. It is possible to maximize the amount of generated energy per unit area / unit pressure.

도 1b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자를 도시한 단면도이다.1B is a cross-sectional view illustrating a triboelectricity generating device according to another embodiment of the present invention.

도 1b는 마찰 대전층(제2 마찰 대전층; 121)이 형성되는 위치가 상이한 점으로 점을 제외하면, 도 1a와 동일한 구성요소를 포함하고 있기에, 동일한 구성요소에 대해서는 생략하기로 한다.1B, the same elements as those in FIG. 1A are included, except for the point that the position of the triboelectrification layer (the second triboelectric charging layer) 121 is different.

본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자는 스프링(110) 및 표면에 제2 마찰 대전층이 형성된 1차원 섬유(120)를 포함하고, 스프링(110)의 표면에 제2 마찰 대전층(121)이 형성된 1차원 섬유(120)가 권취되고, 스프링(110) 및 제2 마찰 대전층(121)의 전기음성도 차이에 의해 스프링(110)의 압축 및 복원 과정에서 마찰 전기를 생성한다.The triboelectric generator according to another embodiment of the present invention includes a spring 110 and a one-dimensional fiber 120 having a second triboelectrification layer formed on its surface, and a second triboelectric charge layer The one-dimensional fiber 120 formed with the first and second triboelectric charging layers 121 and 121 is wound up and triboelectricity is generated in the process of compression and recovery of the spring 110 by the difference in electronegativity of the spring 110 and the second triboelectric charge layer 121.

스프링(110) 및 제2 마찰 대전층(121)은 전기음성도가 상이한 물질로 형성될 수 있고, 마찰 전기 시리즈(Triboelectric Series) 상에서 제2 마찰 대전층(121)을 구성하는 물질의 위치는 스프링(110)을 구성하는 물질의 위치 보다 더 음의 값에 가까이 위치하거나, 더 양의 값에 가까이 위치할 수 있다.The position of the material constituting the second triboelectrification layer 121 on the triboelectric series may be determined by the spring 110 and the second triboelectric charge layer 121, May be located closer to a negative value or closer to a more positive value than the location of the material constituting the cell 110.

따라서, 스프링(110) 및 제2 마찰 대전층(121)은 스프링(110)이 압축 및 복원될 때, 스프링(110) 및 제2 마찰 대전층(121) 중 어느 하나는 양전하(+)로 대전되고, 나머지 하나는 음전하(-)로 대전될 수 있고, 스프링(110) 및 제2 마찰 대전층(121)을 이루는 물질의 마찰 전기 시리즈 위치에 따라 유도되는 전하의 성질 및 양이 달라질 수 있다.Therefore, when the spring 110 is compressed and restored, either of the spring 110 and the second triboelectric charging layer 121 is electrically charged with positive electric charge (+), And the other one can be charged with a negative charge (-), and the nature and amount of the charge induced according to the position of the triboelectric series of the material constituting the spring 110 and the second triboelectric charge layer 121 can be changed.

또한, 스프링(110) 및 제2 마찰 대전층(121)을 마찰 전기 시리즈에서 멀리 떨어져 있는 물질을 사용하면, 개방 전압을 향상시킬 수 있다.In addition, by using the material that is far away from the triboelectric series as the spring 110 and the second triboelectric charge layer 121, the open-circuit voltage can be improved.

바림직하게, 1차원 섬유(120) 표면에 형성된 제2 마찰 대전층(121)으로 (polydimethylsiloxane, PDMS)를 사용하고, 스프링(110)를 사용하면, 제2 마찰 대전층(121)은 상대적으로 음전하를 띄어 전자를 얻는 능력이 비교적 강해지고, 스프링(110)은 상대적으로 양전하를 띄어 전자를 얻는 능력이 비교적으로 약해지게 된다.The second triboelectrification layer 121 is relatively in contact with the surface of the one-dimensional fiber 120 by using polydimethylsiloxane (PDMS) as the second triboelectric layer 121 formed on the surface of the one- The ability to obtain electrons with a negative charge is relatively strong, and the spring 110 is relatively positively charged, so that the ability to obtain electrons becomes relatively weak.

따라서, 스프링(110) 및 제2 마찰 대전층(121)은 마찰 전기 시리즈에서 나열 순서에 차이가 있으므로, 양자가 전자를 얻는 능력에서 차이가 나타나게 되어, 스프링(110) 및 제2 마찰 대전층(121)이 스프링(110)의 압축 및 복원 과정에 의해 마찰되면 스프링(110) 및 제2 마찰 대전층(121)의 표면 전하의 평형이 파괴되어 전자는 등전위로부터 전극으로 이동하게 되어 마찰 전기를 생성할 수 있다.Therefore, since the spring 110 and the second triboelectrification layer 121 differ in the order of arrangement in the triboelectric series, a difference appears in their ability to obtain electrons, so that the spring 110 and the second triboelectric charging layer 121 are rubbed by the compressing and restoring process of the spring 110, the equilibrium of the surface charges of the spring 110 and the second tribo charging layer 121 is broken so that the electrons move from the equipotential to the electrode, can do.

본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자는, 스프링(110)과 스프링(110)의 표면에 배치된 제2 마찰 대전층(121) 간에 생성되는 제1 마찰 전기(E1) 및 스프링(110)과 스프링(110)에 이격되어 배치된 제2 마찰 대전층(121) 간에 생성되는 제2 마찰 전기(E2)를 생성할 수 있다.A triboelectric generator according to another embodiment of the present invention includes a first triboelectric generator E1 generated between a spring 110 and a second triboelectric charge layer 121 disposed on the surface of a spring 110, And a second frictional electrification layer 121 disposed spaced apart from the spring 110. The second frictional electrification layer 121 may be formed of a second frictional electrification layer 121,

따라서, 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자는 스프링(110)에 제2 마찰 대전층(121)이 형성된 1차원 섬유(120)를 권취하여 사용함으로써, 제1 마찰 전기(E1) 및 제2 마찰 전기(E2)를 생성하여 마찰전기 발전 소자의 출력 성능을 향상시킬 수 있다.Accordingly, the triboelectric generating element according to another embodiment of the present invention can be manufactured by winding the one-dimensional fiber 120 formed with the second triboelectric charging layer 121 on the spring 110, The second frictional electricity E2 can be generated to improve the output performance of the triboelectric generating element.

제2 마찰 대전층(121)은 폴리머층, 도전층, 산화물층 또는 이들의 조합일 수 있다.The second triboelectric charge layer 121 may be a polymer layer, a conductive layer, an oxide layer, or a combination thereof.

제2 마찰 대전층(121)으로 폴리머층, 도전층 및 산화물층을 모두 사용하는 기술에 대해서는 도 2a에서 설명하기로 한다.A technique of using both the polymer layer, the conductive layer, and the oxide layer as the second triboelectric charging layer 121 will be described with reference to FIG. 2A.

도 1c는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자를 도시한 단면도이다.1C is a cross-sectional view illustrating a triboelectric generating element according to another embodiment of the present invention.

도 1c는 마찰 대전층들(제1 및 제2 마찰 대전층; 111, 121)이 형성되는 위치가 상이한 점으로 점을 제외하면, 도 1a 및 도 1b와 동일한 구성요소를 포함하고 있기에, 동일한 구성요소에 대해서는 생략하기로 한다.1C includes the same components as those in Figs. 1A and 1B except that the positions where the triboelectrification layers (the first and second triboelectrification layers 111 and 121) are formed are different, Elements are omitted.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자는 표면에 제1 마찰 대전층(111)이 형성된 스프링(110) 및 표면에 제2 마찰 대전층이 형성된 1차원 섬유(120)를 포함하고, 제1 마찰 대전층(111)이 형성된 스프링(110)의 표면에 제2 마찰 대전층(121)이 형성된 1차원 섬유(120)가 권취되고, 제1 마찰 대전층(111) 및 제2 마찰 대전층(121)은 전기음성도 차이에 의해 스프링(110)의 압축 및 복원 과정에서 마찰 전기를 생성한다.The triboelectric generation device according to another embodiment of the present invention includes a spring 110 having a first triboelectrification layer 111 formed on a surface thereof and a one-dimensional fiber 120 having a second triboelectric charge layer formed on a surface thereof, The one-dimensional fiber 120 on which the second triboelectric charging layer 121 is formed is wound on the surface of the spring 110 on which the first triboelectric charging layer 111 is formed and the first triboelectric charging layer 111 and the second triboelectric charging The layer 121 generates triboelectricity in the compression and decompression of the spring 110 by the electronegativity difference.

제1 마찰 대전층(111) 및 제2 마찰 대전층(121)은 전기음성도가 상이한 물질로 형성될 수 있고, 마찰 전기 시리즈(Triboelectric Series) 상에서 제1 마찰 대전층(111)을 구성하는 물질의 위치는 제2 마찰 대전층(121)을 구성하는 물질의 위치 보다 더 음의 값에 가까이 위치하거나, 더 양의 값에 가까이 위치할 수 있다.The first triboelectric charging layer 111 and the second triboelectrifying layer 121 may be formed of a material having a different electronegativity from that of the material constituting the first triboelectric charging layer 111 on the triboelectric series, May be located closer to a negative value than the position of the material constituting the second tribo charging layer 121, or may be located closer to a more positive value.

따라서, 제1 마찰 대전층(111) 및 제2 마찰 대전층(121)은 스프링(110)이 압축 및 복원될 때, 제1 마찰 대전층(111) 및 제2 마찰 대전층(121) 중 어느 하나는 양전하(+)로 대전되고, 나머지 하나는 음전하(-)로 대전될 수 있고, 스프링(110) 및 제2 마찰 대전층(121)을 이루는 물질의 마찰 전기 시리즈 위치에 따라 유도되는 전하의 성질 및 양이 달라질 수 있다.The first triboelectric charging layer 111 and the second triboelectrifying layer 121 are arranged so that when the spring 110 is compressed and restored, either the first triboelectrifying layer 111 or the second triboelectrifying layer 121 One of which is positively charged and the other of which is negatively charged and which is induced in accordance with the position of the triboelectric series of the material constituting the spring 110 and the second tribocharge layer 121 The nature and amount thereof may vary.

또한, 제1 마찰 대전층(111) 및 제2 마찰 대전층(121)을 마찰 전기 시리즈에서 멀리 떨어져 있는 물질을 사용하면, 개방 전압을 향상시킬 수 있다.Further, by using the material that is far away from the triboelectric series as the first triboelectric charging layer 111 and the second triboelectric charging layer 121, the open voltage can be improved.

바림직하게, 스프링(110) 표면에 형성된 제1 마찰 대전층(111)으로 (polydimethylsiloxane, PDMS)를 사용하고, 1차원 섬유(120) 표면에 형성된 제2 마찰 대전층(121)으로 아연 산화물 또는 알루미늄을 사용하면, 제1 마찰 대전층(111)은 상대적으로 음전하를 띄어 전자를 얻는 능력이 비교적 강해지고, 제2 마찰 대전층(121)은 상대적으로 양전하를 띄어 전자를 얻는 능력이 비교적으로 약해지게 된다.The second triboelectrification layer 121 formed on the surface of the one-dimensional fiber 120 may be formed of a zinc oxide or a tin oxide (TiO2) or the like, using a polydimethylsiloxane (PDMS) When aluminum is used, the first triboelectrification layer 111 is relatively negatively charged to have a relatively strong ability to obtain electrons, and the second triboelectric charge layer 121 is relatively positively charged, so that the ability to obtain electrons is relatively weak .

따라서, 제1 마찰 대전층(111) 및 제2 마찰 대전층(121)은 마찰 전기 시리즈에서 나열 순서에 차이가 있으므로, 양자가 전자를 얻는 능력에서 차이가 나타나게 되어, 제1 마찰 대전층(111) 및 제2 마찰 대전층(121)이 스프링(110)의 압축 및 복원 과정에 의해 마찰되면 제1 마찰 대전층(111) 및 제2 마찰 대전층(121)의 표면 전하의 평형이 파괴되어 전자는 등전위로부터 전극으로 이동하게 되어 마찰 전기를 생성할 수 있다.Therefore, since the first triboelectric charging layer 111 and the second triboelectrifying layer 121 differ in the order of enumeration in the triboelectric series, a difference appears in the ability of the first triboelectrifying layer 111 and the second triboelectrifying layer 121 to obtain electrons, And the second frictional charging layer 121 are rubbed by the compression and recovery process of the spring 110, the equilibrium of the surface charges of the first and second frictional charging layers 111 and 121 is destroyed, Can move from the equipotential to the electrode and generate triboelectricity.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자는, 제1 마찰 대전층(111)과 제1 마찰 대전층(111)의 표면에 배치된 제2 마찰 대전층(121) 간에 생성되는 제1 마찰 전기(E1) 및 제1 마찰 대전층(111)과 제1 마찰 대전층(111)에 이격되어 배치된 제2 마찰 대전층(121) 간에 생성되는 제2 마찰 전기(E2)를 생성할 수 있다.The triboelectric generator according to another embodiment of the present invention includes a first triboelectric charging layer 111 and a first triboelectric charging layer 121 disposed on the surface of the first triboelectric charging layer 111, It is possible to generate a second triboelectricity E2 that is generated between the triboelectricity E1 and the first triboelectric charge layer 111 and the second triboelectric charge layer 121 disposed spaced apart from the first triboelectric charge layer 111 have.

따라서, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자는 제1 마찰 대전층(111)이 형성된 스프링(110)에 제2 마찰 대전층(121)이 형성된 1차원 섬유(120)를 권취하여 사용함으로써, 제1 마찰 전기(E1) 및 제2 마찰 전기(E2)를 생성하여 마찰전기 발전 소자의 출력 성능을 향상시킬 수 있다.Accordingly, in the triboelectric generator according to another embodiment of the present invention, the one-dimensional fiber 120 having the second triboelectric charging layer 121 formed thereon is wound on the spring 110 having the first triboelectric charging layer 111 formed thereon The first triboelectric element E1 and the second triboelectric element E2 can be generated to improve the output performance of the triboelectric element.

도 2a는 제1 마찰 대전층으로 폴리머층, 도전층 및 산화물층을 모두 포함하는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자를 도시한 단면도이다.2A is a cross-sectional view illustrating a triboelectric generating element according to an embodiment of the present invention including a polymer layer, a conductive layer, and an oxide layer as a first triboelectrification layer.

도 2a는 제1 마찰 대전층으로 폴리머층, 도전층 및 산화물층을 모두 포함하는 것을 제외하면 도 1a와 동일하므로, 동일한 구성요소에 대한 설명은 생략하기로 한다.FIG. 2A is identical to FIG. 1A except that the first triboelectric charging layer includes both a polymer layer, a conductive layer, and an oxide layer, and thus description of the same components will be omitted.

제1 마찰 대전층으로 폴리머층, 도전층 및 산화물층을 모두 포함하는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자는 스프링(110) 표면에 폴리머층, 도전층 및 산화물층을 포함하는 제1 마찰 대전층(111)을 포함할 수 있고, 스프링(110) 표면에는 나노 패턴(112)이 형성될 수 있다.A triboelectricity device according to one embodiment of the present invention that includes both a polymer layer, a conductive layer, and an oxide layer as a first triboelectrification layer includes a first layer comprising a polymer layer, a conductive layer, and an oxide layer on a surface of a spring 110 And a nano pattern 112 may be formed on the surface of the spring 110. [

또한, 제1 마찰 대전층으로 폴리머층, 도전층 및 산화물층을 모두 포함하는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자는 폴리머층, 도전층 및 산화물층을 포함하는 제1 마찰 대전층(111)이 형성된 스프링(110)에 1차원 섬유가 권취된다.Further, the triboelectric generator according to an embodiment of the present invention, which includes both the polymer layer, the conductive layer, and the oxide layer as the first triboelectric charge layer, includes a first triboelectrification layer (not shown) including a polymer layer, The one-dimensional fibers are wound around the spring 110 having the teeth 111 formed thereon.

도 2b는 제2 마찰 대전층으로 폴리머층, 도전층 및 산화물층을 모두 포함하는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자를 도시한 단면도이다.FIG. 2B is a cross-sectional view illustrating a triboelectric generator according to another embodiment of the present invention, which includes both a polymer layer, a conductive layer, and an oxide layer as a second tribocharge layer.

도 2b는 제2 마찰 대전층으로 폴리머층, 도전층 및 산화물층을 모두 포함하는 것을 제외하면 도 1b와 동일하므로, 동일한 구성요소에 대한 설명은 생략하기로 한다.FIG. 2B is the same as FIG. 1B except that the second triboelectric charging layer includes both the polymer layer, the conductive layer, and the oxide layer, and thus description of the same components will be omitted.

제2 마찰 대전층으로 폴리머층, 도전층 및 산화물층을 모두 포함하는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자는 1차원 섬유(120) 표면에 폴리머층, 도전층 및 산화물층을 포함하는 제2 마찰 대전층(121)을 포함할 수 있고, 1차원 섬유(120) 표면에는 나노 패턴(122)이 형성될 수 있다.A triboelectricity device according to another embodiment of the present invention that includes both a polymer layer, a conductive layer, and an oxide layer as a second tribocharge layer includes a polymer layer, a conductive layer, and an oxide layer on the surface of the one- And a nano pattern 122 may be formed on the surface of the one-dimensional fiber 120. The nano patterns 122 may be formed on the surface of the one-

또한, 제2 마찰 대전층으로 폴리머층, 도전층 및 산화물층을 모두 포함하는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자는 스프링에 폴리머층, 도전층 및 산화물층을 포함하는 제2 마찰 대전층(121)이 형성된 1차원 섬유(120)가 권취된다.Further, the triboelectric generating element according to another embodiment of the present invention, which includes both the polymer layer, the conductive layer and the oxide layer as the second triboelectric charge layer, includes a second triboelectric charge including a polymer layer, a conductive layer, The one-dimensional fiber 120 on which the layer 121 is formed is wound.

도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자의 횡단면을 도시한 도면이다.FIGS. 3A through 3C are cross-sectional views of a triboelectric generator according to an embodiment of the present invention.

도 3a 내지 도 3c에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자의 구조는 도 1a와 동일하므로, 동일한 구성요소에 대한 설명은 생략하기로 한다.The structure of the triboelectricity generating device according to one embodiment of the present invention shown in FIGS. 3A to 3C is the same as that of FIG. 1A, so that the description of the same components will be omitted.

도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자의 스프링(110)이 압축된 상태를 도시한 이미지이고, 도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자의 스프링(110)이 복원된 상태를 도시한 이미지이다.FIG. 3B is an image showing a state where the spring 110 of the triboelectric generating element according to the embodiment of the present invention is compressed, FIG. 3C is a view showing the spring 110 of the triboelectric generating element according to the embodiment of the present invention, Is an image showing the restored state.

본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자의 스프링(110)이 압축이 압축 되면, 스프링 표면에 형성된 제1 마찰 대전층(111) 및 1차원 섬유(120)은 서로 접촉되게 되고, 반면, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자의 스프링(110)이 복원 되면, 서로 접촉되었던 제1 마찰 대전층(111) 및 1차원 섬유(120)는 분리된다.When the spring 110 of the triboelectric generator according to the embodiment of the present invention compresses the compression, the first triboelectrification layer 111 and the one-dimensional fiber 120 formed on the spring surface are brought into contact with each other, When the spring 110 of the triboelectric generator according to an embodiment of the present invention is restored, the first triboelectric layer 111 and the one-dimensional fiber 120 which are in contact with each other are separated.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자는 스프링(110)의 압축 및 복원 과정에 의해 제1 마찰 대전층(111) 및 1차원 섬유(120)의 표면 전하의 평형이 파괴되어 전자는 등전위로부터 전극으로 이동하게 되어 마찰 전기를 생성할 수 있다.Therefore, in the triboelectric generating element according to the embodiment of the present invention, the equilibrium of the surface charges of the first triboelectrification layer 111 and the one-dimensional fiber 120 is broken by the compression and decompression process of the spring 110, Can move from the equipotential to the electrode and generate triboelectricity.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자를 포함하는 마찰 발전 장치를 도시한 입체도이다.4 is a perspective view showing a friction generator including a triboelectric generator according to an embodiment of the present invention.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자를 포함하는 마찰 발전 장치에 대해 설명하고 있으나, 이에 제한되지 않고, 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자 또는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자를 포함할 수 있다.FIG. 4 illustrates a friction generator including a triboelectric generator according to an embodiment of the present invention. However, the present invention is not limited to this, and a triboelectric generator according to another embodiment of the present invention, And may include a triboelectric generator according to an embodiment.

마찰 발전 장치는 제1 전극(200) 및 제2 전극(500) 사이에 형성된 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자를 포함한다.The frictional power generation apparatus includes a triboelectric generating element formed between the first electrode 200 and the second electrode 500 according to an embodiment of the present invention.

제1 전극(200) 및 제2 전극(500)은 생성된 마찰 전기, 즉 전자를 산화 환원반응에 의해 이동시키는 역할을 한다.The first electrode 200 and the second electrode 500 serve to move the generated triboelectricity, that is, electrons, by a redox reaction.

제1 전극(200) 및 제2 전극(500)은 유도된 전하에 따라 양극 또는 음극으로 나뉘며, 이들 간의 산화 환원반응으로 인해 전자가 이동하게 된다.The first electrode 200 and the second electrode 500 are divided into an anode or a cathode according to the induced charges, and electrons move due to the redox reaction between them.

제1 전극(200) 및 제2 전극(500)은 산화 환원반응에 의한 전자이동이 용이한 물질이라면 특별히 제한되지 않고, 유기 전극용 조성물은 전기 전도성이 우수한 전도성 고분자, 5개 이상의 방향족 고리를 포함하는 유기 단분자 화합물, 금속 및 금속 산화물 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.The first electrode 200 and the second electrode 500 are not particularly limited as far as they are substances that can easily transfer electrons by oxidation-reduction reaction. The composition for an organic electrode includes a conductive polymer having excellent electrical conductivity and at least five aromatic rings Organic monomolecular compounds, metals, and metal oxides.

금속으로는 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 구리(Cu), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 셀렌(Se) 또는 그의 합금 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. Examples of the metal include gold (Au), silver (Ag), platinum (Pt), aluminum (Al), nickel (Ni), copper (Cu), titanium (Ti), chromium (Cr), selenium Or the like.

금속 산화물로는 ITO(indium tin oxide)이 사용될 수 있다.ITO (indium tin oxide) may be used as the metal oxide.

전도성 고분자의 종류로는 폴리(3-헥실티오펜)(poly(3-hexylthiophene), P3HT), 폴리(3,4-에틸렌다이옥시티오펜)(poly(3,4-ethylenedioxythiophene), PEDOT), 폴리(3,4-프로필렌다이옥시티오펜)(poly(3,4-propylenedioxythiophene)), 폴리(3,4-에틸렌다이옥시티오펜):폴리(에틸렌 글리콜-프로필렌 글리콜 블록 공중합체)(poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(ethylene glycol)-block-poly(propylene glycol), PEDOT:PP), 폴리(3,4-에틸렌다이옥시티오펜):폴리(스티렌 설포네이트)(poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrene sulfonate), PEDOT:PSS), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리티오펜(polythiophene) 및 폴리셀레노펜(polyselenophene) 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.Examples of the conductive polymer include poly (3-hexylthiophene), P3HT, poly (3,4-ethylenedioxythiophene), PEDOT, poly Poly (3,4-propylenedioxythiophene), poly (3,4-ethylenedioxythiophene): poly (ethylene glycol-propylene glycol block copolymer) (poly (3,4 (3-ethylenedioxythiophene): poly (ethylene glycol) -block-poly (propylene glycol), PEDOT: and may include at least one of poly (styrene sulfonate), PEDOT: PSS, polypyrrole, polyaniline, polythiophene, and polyselenophene.

또한, 제1 전극(200) 및 제2 전극(500)의 상면 및/또는 마찰층의 하면의 전부 또는 일부에는 나노, 미크론(micron), 또는 서브미크론(sub-micron) 레벨의 미세 구조가 분포될 수 있고, 미세 구조는 나노 와이어, 나노 튜브, 나노 입자, 나노 로드(nano-rods), 나노 꽃, 나노 홈, 미크론 홈, 나노 뿔, 미크론 뿔, 나노 스피어 및 미크론 스피어의 구조 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있고, 나노 구조는 어레이이거나, 나노 재료의 장식 또는 도포층일 수 있다.In addition, nano, micron, or sub-micron level microstructures are distributed on all or a part of the upper surface of the first electrode 200 and the second electrode 500 and / or the lower surface of the friction layer. And the microstructure can be at least one of a structure of nanowires, nanotubes, nanoparticles, nano-rods, nanoflowers, nano grooves, micron grooves, nano horns, micron horns, nanospheres and micron spheres , And the nanostructure may be an array or a decorative or coated layer of a nanomaterial.

따라서, 마찰 발전 장치는 본 발명의 실시예들에 따른 마찰전기 발전 소자의 마찰 전기 시리즈 위치에 따라 정전기가 유도되고, 유도된 정전기는 제1 전극(200) 및 제2 전극(500)에 의해 분극되어 전하를 나타냄으로써, 마찰 전기를 생성할 수 있다.Accordingly, the frictional electricity generating device is configured such that static electricity is induced according to the position of the triboelectric series of the triboelectric generator according to the embodiments of the present invention, and the induced static electricity is polarized by the first electrode 200 and the second electrode 500 So that triboelectricity can be generated.

도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자의 제조 방법을 도시한 입체도이다.5A to 5D are three-dimensional views illustrating a method of manufacturing a triboelectric generating element according to an embodiment of the present invention.

도 5a는 스프링을 도시한 입체도이다.5A is a three-dimensional view showing a spring.

스프링(110)은 탄성력을 가지는 스프링 와이어(spring wire)가 사용될 수 있고, 스프링(110)은 탄소강(carbon steel), 저합금강(low-alloy steel) 및 스프링강(spring steel) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.The spring 110 may be a spring wire having an elastic force and the spring 110 may include at least one of carbon steel, low-alloy steel, and spring steel. can do.

도 5b는 스프링 표면에 제1 마찰 대전층이 코팅된 입체도이다.5B is a stereoscopic view in which the first triboelectrification layer is coated on the spring surface.

스프링 와이어(110) 표면에 제1 마찰 대전층(111)을 코팅한다.The first triboelectrifying layer 111 is coated on the surface of the spring wire 110.

제1 마찰 대전층(111)은 딥 코팅(dip coating), 드랍 캐스팅(drop-casting), 스핀 코팅(spin-coating), 바코팅(bar coating), 스프레이 코팅(spray coating), 스핀 코팅(spin coating), 브러쉬 코팅(brush coating), 딥 코팅(dip coating) 및 그라비아 코팅(gravure coating) 중 적어도 어느 하나의 방법으로 형성될 수 있다.The first triboelectric charge layer 111 may be formed by a method such as dip coating, drop-casting, spin-coating, bar coating, spray coating, spin coating, a coating method, a brush coating method, a dip coating method, and a gravure coating method.

바람직하게, 제1 마찰 대전층(111)은 딥 코팅으로 형성될 수 있고, 딥 코팅은 제1 마찰 대전층(111)을 형성하기 위한 용액 내에 스프링 와이어(110)를 일정 시간 담궜다가 건조시킴으로써, 스프링 와이어(110) 표면에 제1 마찰 대전층(111)을 코팅하는 방법이다.Preferably, the first triboelectrifying layer 111 may be formed by dip coating, and the dip coating may be performed by dipping the spring wire 110 in the solution for forming the first triboelectrification layer 111 for a predetermined time, And the first triboelectrifying layer 111 is coated on the surface of the wire 110.

제1 마찰 대전층(111)은 폴리머층, 도전층, 산화물층 또는 이들의 조합일 수 있다.The first triboelectric charge layer 111 may be a polymer layer, a conductive layer, an oxide layer, or a combination thereof.

도 5c는 제1 마찰 대전층이 코팅된 스프링에 1차 섬유(1D Yarn)을 권취한 입체도이다.5C is a three-dimensional diagram in which a primary fiber (1D yarn) is wound around a spring coated with the first triboelectrification layer.

제1 마찰 대전층이 코팅된 스프링 와이어 표면에 나선형으로 1차 섬유(120)를 권취한다.The primary fibers 120 are spirally wound on the surface of the spring wire coated with the first triboelectrification layer.

1차원 섬유(120)는 면섬유, 모섬유, 석면 또는 면화와 같은 천연 섬유, 레이온 또는 아세테이트와 같은 재생섬유, 나일론, 폴리에스테르, 아크릴 또는 폴리프로필렌과 같은 합성섬유, 금속섬유 또는 유리섬유와 같은 무기 섬유 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The one-dimensional fiber 120 may be any of a variety of materials including, but not limited to, natural fibers such as cotton fibers, fibrils, asbestos or cotton, regenerated fibers such as rayon or acetate, synthetic fibers such as nylon, polyester, acrylic or polypropylene, But the present invention is not limited thereto.

또한, 1차원 섬유(120)는 장섬유 (staple), 단섬유 (filament) 또는 복수의 장섬유나 단섬유를 서로 꼬거나 병렬 배치하여 얻어질 수 있는 섬유를 포함할 수 있다.Further, the one-dimensional fiber 120 may include fibers that can be obtained by twisting or arranging a plurality of long fibers or short fibers in a staple, a filament or a plurality of long fibers.

또한, 1차원 섬유(120)는 표면에는 금속 와이어(Metal wire) 또는 전도성 물질이 도포될 수 있다.The surface of the one-dimensional fiber 120 may be coated with a metal wire or a conductive material.

도 5d는 1차 섬유(1D Yarn)가 권취된 코일형 스프링을 도시한 입체도이다.5D is a three-dimensional view showing a coil spring in which the primary fibers 1D Yarn are wound.

봉상의 회전축에 1차 섬유(1D Yarn)가 권취된 스프링 와이어를 공급하여 권취한 다음, 봉상의 회전축에서 1차 섬유(1D Yarn)가 권취된 스프링 와이어를 분리함으로써, 1차 섬유(1D Yarn)가 권취된 코일형 스프링을 제조할 수 있다.The spring wire wound with the primary fibers (1D Yarn) is wound around the rotary shaft of the rod-shaped shaft, and the spring wire wound with the primary fibers (1D Yarn) is separated from the rotary shaft of the rod- The coil-like spring can be manufactured.

코일형 스프링의 외경은 봉상의 회전축의 직경에 따라 결정되고, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자의 활용 용도에 따라 다양하게 조절될 수 있다.The outer diameter of the coil-shaped spring is determined according to the diameter of the rotating shaft of the rod-shaped member, and can be variously adjusted according to the application of the triboelectric generator according to an embodiment of the present invention.

도 6a 내지 도 6d는 표면에 나노패턴이 형성된 1차원 섬유를 도시한 전자주사현미경(SEM) 이미지를 도시한 것이다.6A to 6D show electron scanning microscope (SEM) images showing one-dimensional fibers having nanopatterns formed on their surfaces.

도 6a 내지 도 6d를 참조하면, 1차원 섬유의 표면에 수열합성 방법으로 2차원의 나노와이어(nanowire) 및 나노벽(nanowall)이 고르게 잘 성장된 것을 알 수 있다.Referring to FIGS. 6A to 6D, two-dimensional nanowires and nanowalls are uniformly grown on the surface of the one-dimensional fiber by the hydrothermal synthesis method.

도 7a 및 도 7b는 본 발명의 실시예들에 따른 마찰전기 발전 소자를 도시한 실제이미지이다.7A and 7B are actual images showing a triboelectric generating element according to embodiments of the present invention.

도 7a 및 도 7b를 참조하면, 본 발명의 실시예들에 따른 마찰전기 발전 소자는 스프링 표면에 1차원 섬유가 권취되어 있는 것을 알 수 있다.Referring to FIGS. 7A and 7B, it can be seen that the one-dimensional fiber is wound on the surface of the spring of the triboelectric generator according to the embodiments of the present invention.

도 8a 및 도 8b는 본 발명의 실시예들에 따른 마찰전기 발전 소자의 효용성을 확인하기 위한 푸싱 테스터(pushing tester)를 도시한 것이다.Figures 8a and 8b illustrate a pushing tester for verifying the utility of a triboelectricity device in accordance with embodiments of the present invention.

도 8a 및 도 8b는 푸싱 테스터(pushing tester)에 의해 본 발명의 실시예들에 따른 마찰전기 발전 소자가 압출 및 복원 되는 것을 알 수 있다.8A and 8B show that the triboelectric generating element according to the embodiments of the present invention is extruded and restored by a pushing tester.

도 9a는 본 발명의 실시예들에 따른 마찰전기 발전 소자의 압축 및 복원 과정의 출력 전압(output voltage)을 도시한 그래프이고, 도 9b는 본 발명의 실시예들에 따른 마찰전기 발전 소자의 압축 및 복원 과정의 출력 전압(output current)을 도시한 그래프이다.FIG. 9A is a graph showing an output voltage of the compression and recovery process of the triboelectricity generation device according to the embodiments of the present invention, and FIG. 9B is a graph showing the output voltage of the triboelectricity generation device according to the present invention, And the output current of the restoration process.

도 9a 및 도 9b는 본 발명의 실시예들에 따른 마찰전기 발전 소자의 압축 및 복원 과정에 따라 출력 전압 및 출력 전류가 변하는 것으로 보아, 본 발명의 실시예들에 따른 마찰전기 발전 소자가 효과적으로 에너지를 생성하는 것을 알 수 있다.9A and 9B show that the output voltage and the output current vary according to the compression and decompression process of the triboelectric generating element according to the embodiments of the present invention. As a result, the triboelectric generating element according to the embodiments of the present invention effectively ≪ / RTI >

한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시 예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.It should be noted that the embodiments of the present invention disclosed in the present specification and drawings are only illustrative of specific examples for the purpose of understanding and are not intended to limit the scope of the present invention. It will be apparent to those skilled in the art that other modifications based on the technical idea of the present invention are possible in addition to the embodiments disclosed herein.

E1: 제1 마찰 전기 E2: 제2 마찰 전기
110: 스프링 111: 제1 마찰 대전층
120: 1차원 섬유 121: 제2 마찰 대전층
100: 마찰전기 발전 소자 200: 제1 전극
500: 제2 전극
E1: 1st triboelectricity E2: 2nd triboelectricity
110: spring 111: first tribocharge layer
120: one-dimensional fiber 121: second frictional charging layer
100: triboelectric element 200: first electrode
500: Second electrode

Claims (15)

1차원 섬유; 및
표면에 제1 마찰 대전층이 형성된 스프링;
을 포함하고,
상기 제1 마찰 대전층이 형성된 스프링의 표면에 상기 1차원 섬유가 권취되고, 상기 제1 마찰 대전층 및 상기 1차원 섬유의 전기음성도 차이에 의해 상기 스프링의 압축 및 복원 과정에서 마찰 전기를 생성하는 것을 특징으로 하는 마찰전기 발전 소자.
One dimensional fiber; And
A spring having a first triboelectric charging layer formed on its surface;
/ RTI >
Wherein the one-dimensional fiber is wound on the surface of the spring on which the first triboelectrification layer is formed, and triboelectricity is generated in the compression and restoration of the spring by the difference in electronegativity of the first triboelectrification layer and the one- Wherein the triboelectric element is a triboelectric element.
제1항에 있어서,
상기 마찰전기 발전 소자는,
상기 제1 마찰 대전층과 상기 제1 마찰 대전층의 표면에 배치된 상기 1차원 섬유 간에 생성되는 제1 마찰 전기 및 상기 제1 마찰 대전층과 상기 제1 마찰 대전층에 이격되어 배치된 상기 1차원 섬유 간에 생성되는 제2 마찰 전기를 생성하는 것을 특징으로 하는 마찰전기 발전 소자.
The method according to claim 1,
The triboelectric generating element includes:
A first triboelectric charge generated between the first triboelectric charge layer and the one-dimensional fiber disposed on a surface of the first triboelectric charge layer, and a second triboelectric charge generated between the first triboelectric charge layer and the first triboelectric charge layer, Dimensionally spaced apart from each other to produce a second triboelectricity generated between the two-dimensional fibers.
제1항에 있어서,
상기 스프링 또는 상기 1차원 섬유의 상부에는 식각 공정 또는 용액 공정에 의해 형성되는 나노 패턴을 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰전기 발전 소자.
The method according to claim 1,
Wherein the nanopattern is formed by an etching process or a solution process on the spring or the one-dimensional fiber.
제3항에 있어서,
상기 나노 패턴의 형상은 나노와이어(nanowire), 나노 도트(nano dots), 나노 플레이크(nanoflake), 나노 프레임(nanoframe), 나노벽(nanowall), 나노 튜브(nanotube), 나노 로드(nanoroad), 나노 뿔(nanohorn) 및 나노 스피어(nano sphere) 중 적어도 하나인 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰전기 발전 소자.
The method of claim 3,
The shape of the nanopattern may be selected from the group consisting of nanowires, nanodots, nanoflake, nanoframes, nanowalls, nanotubes, nanorods, nano- And at least one of a nanohorn and a nano-sphere.
제3항에 있어서,
상기 나노 패턴의 표면에는 나노 입자가 더 형성되는 것을 특징으로 하는 마찰전기 발전 소자.
The method of claim 3,
Wherein nanoparticles are further formed on the surface of the nanopattern.
제1항에 있어서,
상기 제1 마찰 대전층은 폴리머층, 도전층, 산화물층 또는 이들의 조합인 것을 특징으로 하는 마찰전기 발전 소자.

The method according to claim 1,
Wherein the first triboelectric charge layer is a polymer layer, a conductive layer, an oxide layer, or a combination thereof.

제6항에 있어서,
상기 폴리머층은 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET; polyethyleneterephthalate), 폴리에스테르(PE; polyester), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE; polytetrafluoroethylene), 폴리디메틸실록산(PDMS; polydimethylsiloxane), 캡톤(Kapton), 폴리이미드(PI; Polyimide), 나일론(nylon), 폴리비닐알코올(PVA; polyvinylalcohol), 폴리이소부틸렌(polyisobutylene), 폴리우레탄 탄성 스펀지, 폴리비닐 부티랄(polyvinyl butyral), 폴리클로로프렌(polychloroprene), 천연고무, 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리디페놀카보네이트(polydiphenolcarbonate), 염화폴리에테르(polyetherchloride), 폴리염화비닐리덴(polyvinylidene chloride), 폴리스티렌(polystylene), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리프로필렌(PP; polypropylene) 및 폴리염화비닐(PVC; polyvinyl chloride) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰전기 발전 소자.
The method according to claim 6,
The polymer layer may be formed of a material selected from the group consisting of polyethylene terephthalate (PET), polyester (PE), polytetrafluoroethylene (PTFE), polydimethylsiloxane (PDMS), Kapton, Polyimide, polyimide, nylon, polyvinylalcohol (PVA), polyisobutylene, polyurethane elastic sponge, polyvinyl butyral, polychloroprene, natural rubber, poly But are not limited to, polyacrylonitrile, polydiphenolcarbonate, polyetherchloride, polyvinylidene chloride, polystylene, polyethylene, polypropylene (PP), and poly And at least one of polyvinyl chloride (PVC).
제6항에 있어서,
상기 도전층은 알루미늄(Al), 스테인리스 스틸(SUS), 니켈(Ni), 구리(Cu), 은(Ag), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 금(Au) 및 탄소(C) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰전기 발전 소자.
The method according to claim 6,
The conductive layer may be formed of one selected from the group consisting of aluminum (Al), stainless steel (SUS), nickel (Ni), copper (Cu), silver (Ag), chromium (Cr), titanium (Ti) Wherein the at least one triboelectric element comprises at least one triboelectric element.
제6항에 있어서,
상기 산화물층은 아연 산화물(ZnO), 티타늄 산화물(TiO2), 알루미늄 산화물(Al2O3) 및 실리콘 산화물(SiO2) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰전기 발전 소자.
The method according to claim 6,
Wherein the oxide layer comprises at least one of zinc oxide (ZnO), titanium oxide (TiO 2 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), and silicon oxide (SiO 2 ).
제1항에 있어서,
상기 스프링은 탄소강(carbon steel), 저합금강(low-alloy steel) 및 스프링강(spring steel) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰전기 발전 소자.
The method according to claim 1,
Wherein the spring comprises at least one of carbon steel, low-alloy steel, and spring steel.
스프링; 및
표면에 제2 마찰 대전층이 형성된 1차원 섬유
를 포함하고,
상기 스프링의 표면에 상기 제2 마찰 대전층이 형성된 1차원 섬유가 권취되고, 상기 스프링 및 상기 제2 마찰 대전층의 전기음성도 차이에 의해 상기 스프링의 압축 및 복원 과정에서 마찰 전기를 생성하는 것을 특징으로 하는 마찰전기 발전 소자.
spring; And
One-dimensional fiber having a second triboelectric charging layer formed on its surface
Lt; / RTI >
Dimensional fiber having the second triboelectrification layer formed on the surface of the spring is wound up and triboelectricity is generated in the process of compression and restoration of the spring by the difference in electronegativity of the spring and the second triboelectric charge layer Characterized in that the triboelectric generating element
제11항에 있어서,
상기 마찰전기 발전 소자는,
상기 스프링과 상기 스프링의 표면에 배치된 상기 제2 마찰 대전층 간에 생성되는 제1 마찰 전기 및 상기 스프링과 상기 스프링에 이격되어 배치된 상기 제2 마찰 대전층 간에 생성되는 제2 마찰 전기를 생성하는 것을 특징으로 하는 마찰전기 발전 소자.
12. The method of claim 11,
The triboelectric generating element includes:
A first triboelectricity generated between the spring and the second tribocharge layer disposed on the surface of the spring and a second triboelectricity generated between the spring and the second triboelectric charge layer disposed spaced apart from the spring Wherein the triboelectric element is a triboelectric element.
제11항에 있어서,
상기 제2 마찰 대전층은 폴리머층, 도전층, 산화물층 또는 이들의 조합인 것을 특징으로 하는 마찰전기 발전 소자.
12. The method of claim 11,
Wherein the second triboelectric charging layer is a polymer layer, a conductive layer, an oxide layer, or a combination thereof.
표면에 제1 마찰 대전층이 형성된 스프링; 및
표면에 제2 마찰 대전층이 형성된 1차원 섬유
를 포함하고,
상기 제1 마찰 대전층이 형성된 스프링의 표면에 상기 제2 마찰 대전층이 형성된 1차원 섬유가 권취되고, 상기 제1 마찰 대전층 및 상기 제2 마찰 대전층은 전기음성도 차이에 의해 상기 스프링의 압축 및 복원 과정에서 마찰 전기를 생성하는 것을 특징으로 하는 마찰전기 발전 소자.
A spring having a first triboelectric charging layer formed on its surface; And
One-dimensional fiber having a second triboelectric charging layer formed on its surface
Lt; / RTI >
Dimensional fibers having the second triboelectrification layer formed thereon are wound on the surface of the spring on which the first triboelectrification layer is formed, and the first triboelectrification layer and the second triboelectric charge layer are wound on the surface of the spring And generates triboelectricity in the compression and restoration process.
제14항에 있어서,
상기 마찰전기 발전 소자는,
상기 제1 마찰 대전층과 상기 제1 마찰 대전층의 표면에 배치된 상기 제2 마찰 대전층 간에 생성되는 제1 마찰 전기 및 상기 제1 마찰 대전층과 상기 제1 마찰 대전층에 이격되어 배치된 상기 제2 마찰 대전층 간에 생성되는 제2 마찰 전기를 생성하는 것을 특징으로 하는 마찰전기 발전 소자.
15. The method of claim 14,
The triboelectric generating element includes:
A first triboelectric charge generated between the first triboelectrification layer and the second tribocharge layer disposed on the surface of the first triboelectric charge layer and a second triboelectric charge generated between the first triboelectric charge layer and the first triboelectric charge layer And generates a second triboelectricity generated between the second tribocharge layers.
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