CN106067739B

CN106067739B - 摩擦电产生器

Info

Publication number: CN106067739B
Application number: CN201610244475.4A
Authority: CN
Inventors: 申铉振; 卞卿溵; 薛珉洙; 朴晟准
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2015-04-21
Filing date: 2016-04-19
Publication date: 2020-01-17
Anticipated expiration: 2036-04-19
Also published as: EP3086460A2; CN106067739A; EP3086460A3; US20160315561A1; US10199958B2; EP3086460B1

Abstract

一种摩擦电产生器包括：彼此面对的第一电极和第二电极；以及第一能量产生层，提供在第一电极上并且通过与其它材料接触而产生电能，第一能量产生层包括具有二维(2D)形状的晶体结构的2D材料。

Description

摩擦电产生器

技术领域

示例实施方式涉及摩擦电产生器，更具体而言涉及利用一维纳米材料或二维材料的摩擦电产生器。

背景技术

能量采集装置是可以通过将由风、振动或人相对于周围环境的移动产生的机械能转换为电能的新的生态环境友好的能量产生装置。

发明内容

示例实施方式涉及利用一维纳米材料或二维材料的摩擦电产生器。

额外的示例实施方式将在以下的描述中被部分地阐述，且部分将自该描述明显或者可以通过示例实施方式的实践而习知。

根据示例实施方式，一种摩擦电产生器包括提供为彼此面对的第一和第二电极以及提供在第一电极上并且通过与其它材料接触而产生电能的第一能量产生层，该第一能量产生层包括具有二维(2D)形状的晶体结构的2D材料。

二维材料可以包括六方氮化硼(h-BN)和过渡金属硫属化物(TMD)中的至少一种。TMD可以包括Mo、W、Nb、V、Ta、Ti、Zr、Hf、Tc、Re、Cu、Ga、In、Sn、Ge和Pb的其中之一以及S、Se和Te的其中之一。

2D材料可以具有单层或多层结构。2D材料可以具有大约0.3nm至大约1000nm的厚度。

2D材料可以被掺杂或未被掺杂。摩擦电产生器还可以包括提供在第一电极和第二电极之间的间隔物。

第一能量产生层可以通过与第二电极接触而产生电能。

摩擦电产生器还可以包括第一基板和第二基板的至少一个，其中第一电极和第一能量产生层位于第一基板上，第二电极位于第二基板上。第一能量产生层可以通过与第二电极或第二基板接触而产生电能。

第一和第二基板的至少一个可以是可拉伸的。第一和第二基板的至少一个可以包括聚二甲硅氧烷(PDMS)、聚酰亚胺(PI)、聚四氟乙烯、聚氨酯和尼龙的至少一种。第一和第二基板的至少一个可以具有大约200％或更低的伸长百分率。

第一和第二基板的至少一个可以具有波状形状的表面。第一电极和第一能量产生层可以具有与第一基板的表面相应的形状，第二电极可以具有与第二基板的表面相应的形状。

第一和第二电极的至少一个可以包括碳纳米管(CNT)、石墨烯、Ag纳米线、金属和金属网的至少一种。

摩擦电产生器还可以包括第二能量产生层，该第二能量产生层提供在第二电极上并且通过与第一能量产生层接触而产生电能。摩擦电产生器还可以包括第一基板和第二基板的至少一个，其中第一电极和第一能量产生层提供在第一基板上，第二电极和第二能量产生层提供在第二基板上。第一和第二基板的至少一个可以是可拉伸的。

根据另一示例实施方式，一种摩擦电产生器包括：第一和第二电极，提供为彼此面对并且具有拉伸性；以及第一能量产生层，提供在第一电极上并且通过与另一材料或多种其它材料接触而产生电能。

第一能量产生层可以包括具有纳米尺寸的一维(1D)形状的1D纳米材料和具有二维(2D)形状的晶体结构的2D材料中的至少一种。1D纳米材料可以包括碳纳米管(CNT)，2D材料包括石墨烯、h-BN和TMD的至少一种。

第一能量产生层可以通过与第二电极接触而产生电能。

摩擦电产生器还可以包括第一基板和第二基板的至少一个，第一基板是可拉伸的，并且第一电极和第一能量产生层提供在第一基板上，第二基板是可拉伸的并且第二电极提供在第二基板上。

第一能量产生层可以通过与第二电极或第二基板接触而产生电能。

第一和第二基板的所述至少一个可以具有波状图案形状的表面。

第一电极和第一能量产生层可以具有与第一基板的表面相应的形状，第二电极具有与第二基板的表面相应的形状。

摩擦电产生器还可以包括第二能量产生层，该第二能量产生层提供在第二电极上并且通过与第一能量产生层接触而产生电能。

摩擦电产生器还可包括第一基板和第二基板的至少一个，第一基板是可拉伸的，并且第一电极和第一能量产生层提供在第一基板上，第二基板是可拉伸的，并且第二电极和第二能量产生层提供在第二基板上。

根据另一示例实施方式，一种摩擦电产生器包括一个层叠在另一个的顶上的多个能量产生单元，其中每个能量产生单元或者一个或多个能量产生单元包括：提供为彼此面对的第一和第二电极；以及第一能量产生层，提供在第一电极上并且通过与其它材料接触而产生电能，第一能量产生层包括具有2D形状的晶体结构的2D材料。

2D材料可以包括石墨烯、h-BN和TMD中的至少一种。

能量产生单元可以彼此串联连接。

根据另一示例实施方式，一种摩擦电产生器包括一个层叠在另一个顶上的多个能量产生单元，其中每个能量产生单元或者一个或多个能量产生单元包括：第一和第二电极，提供为彼此面对并且具有拉伸性；以及第一能量产生层，提供在第一电极上并且通过与其它材料接触而产生电能。

第一能量产生层可以包括具有纳米尺寸的1D形状的1D纳米材料和具有2D形状的晶体结构的2D材料中的至少一种。1D纳米材料可以包括CNT，2D材料包括石墨烯、h-BN和TMD的至少一种。

附图说明

从结合附图的以下描述，这些和/或其它示例实施方式将变得明显且更易于理解，在图中：

图1是根据示例实施方式的摩擦电产生器的截面图；

图2A至2E示出图1中示出的摩擦电产生器的通过按压或弯曲产生电能的操作；

图3A至3D示出图1中示出的摩擦电产生器的通过滑动产生电能的操作；

图4是根据另一示例实施方式的摩擦电产生器的截面图；

图5是根据另一示例实施方式的摩擦电产生器的截面图；

图6是根据另一示例实施方式的摩擦电产生器的截面图；

图7是根据另一示例实施方式的摩擦电产生器的截面图；

图8是根据另一示例实施方式的摩擦电产生器的截面图；

图9是根据另一示例实施方式的摩擦电产生器的截面图；

图10示出根据另一示例实施方式的摩擦电产生器；

图11示出在根据示例实施方式的摩擦电产生器中根据由二维材料形成或包括二维材料的能量产生层的厚度的输出电压；

图12示出在根据示例实施方式的摩擦电产生器中根据由二维材料形成或包括二维材料的能量产生层的厚度的输出电流密度；

图13示出在根据示例实施方式的摩擦电产生器中根据测量电路的电阻的输出电压和输出电流密度；

图14示出在根据示例实施方式的摩擦电产生器中根据测量电路的电阻的输出功率密度；

图15示出MoS₂材料的充电特性；

图16示出WS₂材料的充电特性；

图17A和17B示出通过利用聚二甲基硅氧烷(PDMS)基板的拉伸性制造包括具有波状图案的石墨烯的摩擦电产生器的方法；以及

图18A至18C示出在通过图17A和17B的示例方法制造的摩擦电产生器中根据PDMS的伸长百分率的输出电压。

具体实施方式

现在将详细参考在附图中示出的示例实施方式，其中相同的参考标记始终表示相同的元件。为了说明的方便和清晰，在图中示出的每层的厚度或尺寸可以被夸大。此外，在以下的描述中，当一层被描述为存在于另一层上时，该层可以直接存在于所述另一层上，或者第三层可以插置在其间。因为在下面的示例实施方式中形成每层的材料是示例，所以可以对其使用其它材料。在此使用时，术语“和/或”包括一个或多个相关列举项目的任意和所有组合。在一列元件之前的表述诸如“至少一个”修饰整列元件而不修饰该列中的个别元件。

将理解，当元件被称为“在”另一元件上、“连接”或“联接”到另一元件时，它能直接在另一元件上、直接连接或联接到另一元件，或者可以存在居间元件。相反，当元件被称为“直接在”另一元件“上”、“直接连接”、“直接联接”到另一元件时，则不存在居间元件。此外，将理解，当一层被称为“在”另一层“下面”时，它可以直接在所述另一层下面，或者也可以存在一个或多个居间层。此外，还将理解，当一层被称为“在”两个层“之间”时，它可以是在这两个层之间的唯一层，或者也可以存在一个或多个居间层。

将理解，虽然术语“第一”、“第二”等可以在此使用以描述不同的元件、组件、区域、层和/或部分，但是这些元件、组件、区域、层和/或部分不应受这些术语限制。这些术语仅用于区分一个元件、组件、区域、层或部分与另一元件、组件、区域、层或部分。因而，以下讨论的第一元件、组件、区域、层或部分可以被称为第二元件、组件、区域、层或部分，而不脱离示例实施方式的教导。

在图中，为了图示清晰，可以夸大层和区域的尺寸。相同的参考标记始终指代相同的元件。相同的参考标记在整个说明书中表示相同的组件。

为了便于描述，可以在此使用空间关系术语，诸如“在……下面”、“以下”、“下”、“在……上”、“上”等来描述一个元件或特征与其它元件或特征如图中所示的关系。将理解，除了图中所描绘的取向之外，空间关系术语旨在还包含装置在使用或操作中的其它不同取向。例如，如果在图中的装置被翻转，则被描述为“在”其它元件或特征“以下”或“下面”的元件可以取向为“在”所述其它元件或特征“上”。因而，示例术语“以下”可以包含上和下两种取向。装置可以被另外地取向(旋转90度或其它取向)，并且在此使用的空间关系描述语被相应地解释。

在此使用的术语仅用于描述特定实施方式，而不意欲限制示例实施方式。在此使用时，单数形式“一”、“该”也旨在包括复数形式，除非上下文清晰地另外表示。还将理解，当在本说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”说明所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但是不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或其组的存在或添加。

在此参考截面图描述示例实施方式，其中截面图是示例实施方式的理想化实施方式(和中间结构)的示意性图示。因此，由于例如制造技术和/或公差引起的图示形状的偏离是可以预期的。因而，示例实施方式不应被理解为限于此处示出的区域的具体形状，而是将包括例如由制造引起的形状的偏离。例如，被示为矩形的注入区在其边缘典型地将具有圆化或弯曲的特征和/或注入浓度梯度，而不是从注入区到非注入区的二元变化。同样地，通过注入形成的掩埋区可能导致在掩埋区与通过其发生注入的表面之间的区域中的一些注入。因而，在图中示出的区域本质上是示意性的，它们的形状不旨在示出装置的区域的实际形状，并且不旨在限制示例实施方式的范围。

除非另外地定义，在此使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与示例实施方式所属领域中的普通技术人员通常理解的相同含义。还将理解，术语(诸如在通用字典中所定义的那些)应被理解为具有与其在相关领域的背景中的含义一致的含义，将不被理解为理想化或过度正式的意义，除非在此清楚地如此定义。

当结合数值在本说明书中使用术语“大约”或“基本上”时，相关的数值旨在包括所述数值周围±10％的公差。此外，当参考本说明书中的百分数时，那些百分数旨在基于重量，即，重量百分数。表述“直到”包括零至表述的上限以及在其间的所有值的量。当说明范围时，该范围包括在其间的所有值，诸如0.1％的增量。此外，当与几何形状关联地使用词语“通常”和“基本上”时，意图是，不需要几何形状的精确性，而是该形状的自由度(latitude)在本公开的范围内。虽然示例实施方式的管状元件可以是圆筒形的，但是其它管状截面形式是被考虑的，诸如正方形、矩形、椭圆形、三角形等。

图1是根据示例实施方式的摩擦电产生器的截面图。

参考图1，根据至少一个示例实施方式的摩擦电产生器可以包括彼此分离且面对的第一和第二电极111和121以及提供在第一电极111上的能量产生层130。能量产生层130提供在第一电极111的面对第二电极121的上表面上。

第一和第二电极111和121可以包括导电材料。例如，第一和第二电极111和121可具有刚性特性。备选地，第一和第二电极111和121中的一个或两个可以是柔性的且可拉伸的。在该情形下，柔性且可拉伸的电极可以包括例如碳纳米管(CNT)、石墨烯、Ag纳米线、金属和金属网中的一个或者两个或多个的组合，但是示例实施方式不限于此。此外，柔性且可拉伸的电极可以包括以导电纤维织成的织物。因而，柔性且可拉伸的电极可具有例如大约200％或更低的伸长百分率。然而，示例实施方式不限于此。

能量产生层130提供在第一电极111的上表面上并且可以通过与第二电极121接触而产生电能。能量产生层130可以包括具有与第二电极121不同的充电特性的材料。能量产生层130可以包括二维(2D)材料。2D材料可以是具有2D形状的晶体结构的材料。2D材料可以包括例如六方氮化硼(h-BN)和/或过渡金属硫属化物(TMD)。

2D材料可具有单层结构或多层结构。例如，2D材料的层数目可以是大约1～300，但是示例实施方式不限于此。形成2D材料的每个层可具有原子级的厚度。2D材料的厚度可以是例如大约0.3nm～大约1000nm，但是示例实施方式不限于此。具有多层结构的2D材料的层可以通过范德华力结合。

在示例实施方式中，h-BN是具有2D形状的晶体结构的绝缘材料。h-BN可以表现出热稳定性、优良的机械强度、高导热性和低介电常数。TMD是具有2D形状的晶体结构的半导体。例如，TMD可以包括诸如Mo、W、Nb、V、Ta、Ti、Zr、Hf、Tc和Re的过渡金属之一以及诸如S、Se和Te的硫属元素之一。TMD可以由例如MX₂表示，其中M表示过渡金属并且X表示硫属元素。M可以是Mo、W、Nb、V、Ta、Ti、Zr、Hf、Tc或Re，X可以是S、Se或Te。在该情形下，TMD可以包括例如MoS₂、MoSe₂、MoTe₂、WS₂、WSe₂、WTe₂、ZrS₂、ZrSe₂、HfS₂、HfSe₂、NbSe₂或ReSe₂。备选地，TMD可以不由MX₂表示。在该情形下，例如，TMD可以包括CuS，该CuS是作为过渡金属的Cu和作为硫属元素的S的化合物。备选地，TMD可以是包括非过渡金属的硫族化物材料。非过渡金属可以包括例如Ga、In、Sn、Ge或Pb。在该情形下，TMD可以包括非过渡金属诸如Ga、In、Sn、Ge或Pb和硫属元素诸如S、Se或Te的化合物。例如，TMD可以包括SnSe₂、GaS、GaSe、GaTe、GeSe、In₂Se₃或InSnS₂。

总之，TMD可以包括Mo、W、Nb、V、Ta、Ti、Zr、Hf、Tc、Re、Cu、Ga、In、Sn、Ge和Pb中的一种金属元素以及S、Se和Te中的一种硫属元素。然而，上述材料仅仅是示例并且其它材料可以被用作TMD材料。

当第一和第二电极111和121全都是柔性且可拉伸的电极时，能量产生层130可以包括一维(1D)纳米材料和/或2D材料。1D纳米材料表示具有纳米尺寸的1D形状的材料。1D纳米材料可以包括例如CNT。2D材料可以包括例如石墨烯、h-BN和/或TMD。石墨烯是在碳原子以六方2D形状结合时获得的导电材料。

为了控制能量产生层130的表面的充电特性，形成能量产生层130的2D材料或1D纳米材料可以用p型掺杂剂或n型掺杂剂掺杂。p型掺杂剂和n型掺杂剂可以是例如用于石墨烯或CNT的p型掺杂剂和n型掺杂剂。p型掺杂剂或n型掺杂剂可以以离子注入或化学掺杂方法被掺杂。

p型掺杂剂的源可以包括例如离子液体诸如NO₂BF₄、NOBF₄或NO₂SbF₆，酸性化合物诸如HCl、H₂PO₄、CH₃COOH、H₂SO₄或HNO₃，以及有机化合物诸如二氯二氰苯醌(DDQ)、过硫酸氢钾制剂、二肉豆蔻酰磷脂酰肌醇(DMPI)或三氟甲烷磺酰亚胺。p型掺杂剂的源可以包括HPtCl₄、HAuCl₄、三氟甲烷磺酸银(AgOTf)、AgNO₃、H₂PdCl₆、Pd(OAc)₂、或Cu(CN)₂。

n型掺杂剂的源可以包括例如取代的或未被取代的烟酰胺的还原产物、与取代的或未被取代的烟酰胺化学结合的化合物的还原产物、以及包括至少两个吡啶基团的化合物，其中吡啶基团中的至少一个的氮原子减小。例如，n型掺杂剂的源可以包括烟酰胺单核苷酸-H(NMNH)、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸-H(NADH)、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸-H(NADPH)或紫精。此外，n型掺杂剂的源可以包括聚合物，诸如聚乙烯亚胺(PEI)。此外，n型掺杂剂可以包括碱金属，诸如K或Li。备选地，上述p型掺杂剂材料和n型掺杂剂材料是示例，并且可以使用其它各种材料作为掺杂剂。

因而，当包括2D材料和/或1D纳米材料的能量产生层130形成在是柔性且可拉伸的第一电极111上时，能量产生层130可具有与第一电极111的柔性和拉伸性相应、类似或相同的柔性和拉伸性。

在如上配置的示例摩擦电产生器中，因为借助按压、弯曲或滑动的接触和分离工艺在能量产生层130与第二电极121之间重复，所以电能可以通过第一和第二电极111和121获得。

图2A至2E示出图1中示出的摩擦电产生器的通过按压或弯曲产生电能的操作。

参考图2A，能量产生层130提供在第一电极111的上表面上，并且能量产生层130和第二电极121彼此分离期望的(或备选的，预定的)距离。第一和第二电极111和121连接到用于测量所产生的电能的测量电路170。参考图2B，施加到第二电极121的外部压力使提供在第一电极111上的能量产生层130和第二电极121彼此接触。在该过程中，彼此接触的能量产生层130的上表面和第二电极121的下表面通过摩擦带电被充以具有期望的(或者备选的，预定的)极性的电荷。

参考图2C，电能通过一过程产生，在该过程期间，与能量产生层130接触的第二电极121从能量产生层130分离。所产生的电能可以通过第一和第二电极111和121获得。当能量产生层130和第二电极121如图2D所示地彼此分离期望的(或者备选的，预定的)距离时，施加到第二电极121的另外的压力使第二电极121移动，如图2E所示。因而，在第二电极121靠近能量产生层130的过程期间产生电能。所产生的电能可以通过第一和第二电极111和121获得。如图2C和2E所示，在其中第二电极121和能量产生层130彼此靠近或彼此间隔开的过程期间产生的电流可以在相反方向上流动。

图3A至3D示出图1中示出的摩擦电产生器的通过滑动产生电能的操作。

参考图3A，当能量产生层130和第二电极121彼此接触时，彼此接触的能量产生层130的上表面和第二电极121的下表面通过摩擦带电被充以具有期望的(或者备选的，预定的)极性的电荷。参考图3B，其中能量产生层130和第二电极121彼此接触，第二电极121在离开能量产生层130的方向(也就是，其中第二电极121和能量产生层130之间的接触面面积减小的方向)上滑动。因而，在其中第二电极121远离能量产生层130移动的滑动过程期间，电能产生并且所产生的电能可以通过第一和第二电极111和121获得。

如图3C所示，当第二电极121离开能量产生层130时，如图3D所示，第二电极121朝向能量产生层130滑动回来，也就是，在其中第二电极121和能量产生层130之间的接触面面积增加的方向上滑动。因而，在其中第二电极121靠近能量产生层130移动的滑动过程期间，电能产生，并且所产生的电能可以通过第一和第二电极111和121获得。因而，在滑动过程期间产生的电流可以在相反方向上流动(图3B和3D)。

图4是根据另一示例实施方式的摩擦电产生器的截面图。

在图4的摩擦电产生器中，一个或多个间隔物150可以提供在能量产生层130和第二电极121之间。一个或多个间隔物150可以在其中没有外部机械能被施加到摩擦电产生器的状态下保持能量产生层130和第二电极121之间的期望的(或者备选的，预定的)间隔。

图5是根据另一示例实施方式的摩擦电产生器的截面图。

参考图5，根据示例实施方式的摩擦电产生器可以包括彼此分离的第一和第二基板110和120、分别提供在第一和第二基板110和120上的第一和第二电极111和121、以及提供在第一电极111上的能量产生层130。

第一和第二基板110和120可以由刚性材料例如玻璃基板或硅基板形成，或包括刚性材料例如玻璃基板或硅基板。备选地，第一和第二基板110和120中的一个或两个可以是柔性且可拉伸的基板。柔性且可拉伸的基板可以包括例如聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚酰亚胺(PI)、聚四氟乙烯、聚氨酯和尼龙中的其中一种或者其中两种或更多的组合。然而，示例实施方式不限于此。此外，柔性且可拉伸的基板可以包括以纤维织成的织物。柔性且可拉伸的基板可具有大约200％或更低的伸长百分率，但是示例实施方式不限于此。

第一电极111提供在第一基板110的上表面上，第二电极121提供在第二基板120的下表面上。第一和第二电极111和121的一个或两个可以是与第一和第二基板110和120相应的柔性且可拉伸的电极。

通过与第二电极121的摩擦来产生电能的能量产生层130提供在第一电极111的上表面上。能量产生层130通过与第二电极121接触而产生电能。能量产生层130可以包括例如包含h-BN和/或TMD的2D材料。当第一和第二电极111和121全都是柔性且可拉伸的电极时，能量产生层130可以包括1D纳米材料和/或2D材料。1D纳米材料可以包括CNT并且2D材料可以包括石墨烯、h-BN和/或TMD。虽然在以上描述中第一和第二基板110和120二者均被提供，但是示例实施方式不限于此，并且第一和第二基板110和120中的任一个可以被提供。

图6是根据另一示例实施方式的摩擦电产生器的截面图。

参考图6，根据示例实施方式的摩擦电产生器可以包括彼此分离的第一和第二基板110'和120、分别提供在第一和第二基板110'和120上的第一和第二电极111'和121、以及提供在第一电极111'上的能量产生层130'。

在示例实施方式中，第一基板110'可以是柔性且可拉伸的基板。第一基板110'可具有例如大约200％或更低的伸长百分率，但是示例实施方式不限于此。第一基板110'的上表面可具有波状图案的形状。第一电极111'和能量产生层130'顺序地提供在第一基板110'的上表面上。因此，第一电极111'和能量产生层130'可具有基本上与第一基板110'的上表面相应的波状图案。第一电极111'和能量产生层130'可具有像第一基板110'一样的柔性和拉伸性。在该情形下，第一电极111'可以包括例如CNT、石墨烯、Ag纳米线、金属和金属网中的其中一种或者其中两种或更多的组合，但是示例实施方式不限于此。能量产生层130'通过与第二电极121摩擦而产生电能。能量产生层130'可以包括例如包含h-BN和/或TMD的2D材料。

第一和第二基板110'和120二者可以是柔性且可拉伸的基板。在该情形下，第一电极111'和能量产生层130'可具有与第一基板110'的柔性和拉伸性相应、类似或相同的柔性和拉伸性。第二电极121可具有与第二基板120的柔性和拉伸性相应、类似或相同的柔性和拉伸性。在该情形下，能量产生层130'可以包括1D纳米材料和/或2D材料。1D纳米材料可以包括例如CNT，2D材料可以包括例如石墨烯、h-BN和/或TMD。

在第一基板110'上形成具有波状图案的形状的第一电极111'和能量产生层130'的方法在被描述如下。首先，准备并拉伸具有拉伸性的第一基板110'。接着，第一电极111'和能量产生层130'顺序地形成在处于拉伸状态的第一基板110'的上表面上。接着，当被拉伸的第一基板110'收缩至初始状态时，第一基板110'的上表面可由于收缩而具有波状图案的形状。因此，第一电极111'和能量产生层130'可由于收缩而具有波状图案的形状。

如上所述，当能量产生层130'形成为波状图案的形状时，第二电极121和能量产生层130'之间的接触面积增加，因此每单位面积产生的电能的量可以增大。备选地，虽然在以上描述中，第一电极111'和能量产生层130'具有波状图案的形状，但是示例实施方式不限于此并且第二电极121可具有波状图案的形状，或者所有的第一电极111'、能量产生层130'和第二电极121可以具有波状图案的形状。

图7是根据另一示例实施方式的摩擦电产生器的截面图。

参考图7，根据示例实施方式的摩擦电产生器可以包括彼此分离的第一和第二基板110和120、分别提供在第一和第二基板110和120上的第一和第二电极111和121、提供在第一电极111上的能量产生层130。第一电极111提供在第一基板110的上表面上，第二电极121提供在第二基板120的上表面上。能量产生层130提供在第一电极111的上表面上。

第一和第二基板110和120可以包括例如由刚性材料形成的基板或包含刚性材料的基板。备选地，第一和第二基板110和120的其中之一或者两个可以是柔性且可拉伸的基板。柔性且可拉伸的基板可以包括PDMS、PI、聚四氟乙烯、聚氨酯和尼龙中的其中一种或者其中两种或更多的组合。然而，示例实施方式不限于此。柔性且可拉伸的基板的表面可具有波状图案的形状。在该情形下，形成在第一基板110上的第一电极111和能量产生层130可具有基本上相应于第一基板110的表面的形状。形成在第二基板120上的第二电极121可具有基本上相应于第二基板120的表面的形状。

能量产生层130通过与第二基板120摩擦而产生电能。能量产生层130可以包括例如包含h-BN和/或TMD的2D材料。

当第一和第二基板110和120是柔性且可拉伸的基板时，第一和第二电极111和121也可以具有柔性和拉伸性。在该情形下，能量产生层130可以包括1D纳米材料和/或2D材料。1D纳米材料可以包括例如CNT，2D材料可以包括例如石墨烯、h-BN和/或TMD。

图8是根据另一示例实施方式的摩擦电产生器的截面图。

参考图8，根据示例实施方式的摩擦电产生器可以包括彼此分离的第一和第二电极211和221、分别提供在第一和第二电极211和221上的第一和第二能量产生层231和232。第一和第二电极211和221的其中之一或二者可以是柔性且可拉伸的电极。第一和第二电极211和221可以包括例如CNT、石墨烯、Ag纳米线、金属和金属网中的其中一种或者其中两种或更多的组合，但是示例实施方式不限于此。

第一能量产生层231提供在第一电极211的上表面上，第二能量产生层232提供在第二电极221的下表面上。第一能量产生层231通过与第二能量产生层232接触而产生电能，并且可以包括具有2D形状的晶体结构的2D材料。2D材料可以包括例如h-BN和TMD的其中之一或二者。TMD可以包括Mo、W、Nb、V、Ta、Ti、Zr、Hf、Tc、Re、Cu、Ga、In、Sn、Ge和Pb中的一种金属元素以及S、Se和Te中的一种硫属元素。

2D材料可具有单层结构或多层结构。例如，2D材料的层数目可以是大约1～300并且2D材料的厚度可以是大约0.3nm～大约1000nm。然而，示例实施方式不限于此。同时，2D材料可以用p型掺杂剂或n型掺杂剂掺杂。当第一能量产生层231提供在柔性且可拉伸的第一电极211上时，第一能量产生层231可具有与第一电极211相应的柔性和拉伸性。

当第一和第二电极211和221二者均具有柔性和拉伸性时，第一能量产生层231可以包括1D纳米材料和/或2D材料。1D纳米材料可以包括例如CNT，2D材料可以包括例如石墨烯、h-BN和/或TMD。

第二能量产生层232可以包括与第一能量产生层231不同的具有充电特性的各种材料。例如，第二能量产生层232可以包括PDMS、PI、聚四氟乙烯、聚氨酯或尼龙。此外，第二能量产生层232可以包括CNT、石墨烯或上述2D材料。在该情形下，第一能量产生层231可以不被掺杂并且第二能量产生层232可以用p型掺杂剂或n型掺杂剂掺杂。此外，第一能量产生层231和第二能量产生层232可以用其它掺杂剂掺杂或以不同掺杂浓度掺杂。当第二能量产生层232提供在柔性且可拉伸的第二电极221上时，第二能量产生层232可具有与第二电极221的柔性和拉伸性相应、类似或相同的柔性和拉伸性。

图9是根据另一示例实施方式的摩擦电产生器的截面图。

参考图9，根据示例实施方式的摩擦电产生器可以包括彼此分离的第一和第二基板210和220、分别提供在第一和第二基板210和220上的第一和第二电极211和221、以及分别提供在第一和第二电极211和221上的第一和第二能量产生层231和232。

第一和第二基板210和220可以是例如由刚性材料诸如玻璃基板或硅基板形成的基板，或包括刚性材料诸如玻璃基板或硅基板。备选地，第一和第二基板210和220的其中之一或二者可以是柔性且可拉伸的基板。柔性且可拉伸的基板可以包括例如PDMS、PI、聚四氟乙烯、聚氨酯和尼龙的其中一种或者其中两种或更多的组合，但是示例实施方式不限于此。虽然基板可具有大约200％或更低的伸长百分率，但是示例实施方式不限于此。

第一电极211提供在第一基板210的上表面上，第二电极221提供在第二基板220的下表面上。第一和第二电极211和221的其中之一或二者可以具有与第一和第二基板210和220的柔性和拉伸性相应、类似或相同的柔性和拉伸性。第一能量产生层231提供在第一电极211的上表面上，第二能量产生层232提供在第二基板220的下表面上。

第一能量产生层231可以包括例如包含h-BN和/或TMD的2D材料。当第一和第二电极211和221二者均具有柔性和拉伸性时，第一能量产生层231可以包括1D纳米材料和/或2D材料。1D纳米材料可以包括例如CNT，2D材料可以包括例如石墨烯、h-BN和/或TMD。第二能量产生层232可以包括具有可以与第一能量产生层231的充电特性不同的充电特性的各种材料。

当第一电极211和第一能量产生层231提供在柔性且可拉伸的第一基板210上时，第一电极211和第一能量产生层231可具有与第一基板210的柔性和拉伸性相应、类似或相同的柔性和拉伸性。当第二电极221和第二能量产生层232提供在柔性且可拉伸的第二基板220上时，第二电极221和第二能量产生层232也可以具有与第二基板220的柔性和拉伸性相应、类似或相同的柔性和拉伸性。柔性且可拉伸的第一和第二基板210和220的其中一个或二者可具有波状图案的表面。在该情形下，第一电极211和第一能量产生层231可具有与第一基板210的表面相应的形状。第二电极221和第二能量产生层232可具有与第二基板220的表面相应的形状。备选地，虽然在以上描述中提供了第一和第二基板210和220二者，但是可以仅提供第一和第二基板210和220的其中之一。

在上述示例实施方式中，论述了包括一个能量产生单元的摩擦电产生器。然而，可以实现具有其中多个能量产生单元垂直地层叠的结构的摩擦电产生器。图10示意性地示出根据另一示例实施方式的摩擦电产生器。

参考图10，根据示例实施方式的摩擦电产生器可以包括垂直层叠的多个能量产生单元601、602和603。能量产生单元601、602和603可以是在以上示例实施方式中描述的各种类型的摩擦电产生器。能量产生单元601、602和603可以彼此串联连接以增大摩擦电产生器的输出能量。然而，示例实施方式不限于此，能量产生单元601、602和603可以彼此并联连接。虽然图16示出了包括垂直层叠的三个(3)能量产生单元601、602和603的摩擦电产生器，但是示例实施方式不限于此，并且根据示例实施方式的摩擦电产生器可以包括垂直层叠的各种数目的能量产生单元。

图11示出在根据示例实施方式的摩擦电产生器中根据由2D材料形成或包括2D材料的能量产生层的厚度的输出电压。图12示出在根据示例实施方式的摩擦电产生器中根据由2D材料形成的能量产生层的厚度的输出电流密度。

在图11和12中，MoS₂膜用作能量产生层，PDMS用作接触MoS₂膜的材料。MoS₂膜被如下制造。首先，块体MoS₂材料通过锂化被剥落。接着，通过利用剥落的MoS₂材料制造MoS₂墨，MoS₂墨被涂覆在Cu电极上，由此形成MoS₂膜。随着涂覆在Cu电极上的MoS₂墨的量增加，MoS₂膜的厚度也增加。

在图11和12中，“(a)0ml”表示其中没有MoS₂墨涂覆在Cu电极上的情形，在Cu电极和PDMS彼此接触时产生的输出电压和输出电流密度被示出。在图11和12中，“(b)2ml”、“(c)5ml”、“(d)10ml”和“(e)20ml”表示其中Cu电极被涂覆有2ml、5ml、10ml和20ml的量的MoS₂墨的情形，并且在MoS₂膜和PDMS彼此接触时产生的输出电压和输出电流密度被示出。参考图11和12，当MoS₂膜的厚度是(b)时，输出电压表现为最高。结果，可以看出，输出电压随着MoS₂膜的厚度减小而增加。

图13示出在根据示例实施方式的摩擦电产生器中根据测量电路的电阻的输出电压和输出电流密度。图14示出在根据示例实施方式的摩擦电产生器中，根据测量电路的电阻的输出功率密度。在图13中，在图11和12的“(b)2ml”的情形下，也就是，Cu电极被涂覆有2ml的MoS₂墨的情形下，在所制造的MoS₂膜和PDMS彼此接触时产生的输出电压和输出电流密度根据连接到摩擦电产生器的测量电路的电阻被示出。图14示出通过利用图13的结果的根据连接到摩擦电产生器的测量电路的电阻的输出功率密度。参考图13和14，可以看出，最大功率密度是大约107.9mW/m²。

图15示出MoS₂材料的充电特性。在图15中，MoS₂材料被用作能量产生层，并且在MoS₂材料接触其它材料时产生输出电压。详细地，在图15中，“(a)聚四氟乙烯(PTFE)”、“(b)聚二甲基硅氧烷(PDMS)”、“(c)聚酰亚胺(PI)”、“(d)聚碳酸酯(PC)”和“(e)聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)”示出了在MoS₂材料分别接触PTFE、PDMS、PI、PC和PET时产生的输出电压。在图15中，“P”表示其中MoS₂材料被压以靠近其它材料的情形，“R”表示其中被压的MoS₂材料被释放从而与其它材料分离的情形。参考图15，可以看出，MoS₂材料具有摩擦起电特性并且MoS₂材料的充电特性在PDMS的充电特性和PTFE的充电特性之间。

图16示出WS₂材料的充电特性。在图16中，MoS₂材料用作能量产生层，并且在WS₂材料接触其它材料时产生的输出电压被示出。详细地，在图16中，“(a)PTFE”、“(b)PDMS”、“(c)PI”、“(d)PC”和“(e)PET”示出了在WS₂材料接触PTFE、PDMS、PI、PC和PET时产生的输出电压。在图16中，“P”表示其中WS₂材料被压以靠近其它材料的情形，“R”表示其中被压的WS₂材料被释放从而与其它材料分离的情形。参考图16，可以看出,WS₂材料具有摩擦起电特性，并且WS₂材料的充电特性位于比PTFE的充电特性更负的位置。

图17A和17B示出根据至少一个示例实施方式的通过利用PDMS基板的拉伸性制造包括具有波状图案的形状的石墨烯的摩擦电产生器的方法。

首先，参考图17A，在使PDMS基板伸展之后，石墨烯形成在伸展的PDMS基板的上表面上。在其上沉积Cu电极的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)基板提供在PDMS基板的上部分上。接着，参考图17B，当被伸展的PDMS基板收缩至初始状态时，PDMS基板的上表面可由于收缩而具有波状图案的形状。因此，形成在PDMS基板的上表面上的石墨烯可具有波状图案的形状。

图18A至18C示出在图17A和17B中制造的摩擦电产生器中，根据PDMS的伸长百分率的在石墨烯和PMMA基板彼此接触时产生的输出电压。详细地，图18A示出了其中PDMS基板的伸长百分率是0％的情形，换言之，PDMS基板没有伸展，从而石墨烯没有形成为波状图案。图18B示出了其中PDMS基板伸展10％并且然后恢复从而形成具有波状图案的形状的石墨烯的情形。图18C示出了其中PDMS基板伸展20％然后恢复从而形成具有波状图案的形状的石墨烯的情形。

当石墨烯具有波状图案的形状时，如在图18B和18C中示出的，与图18A的石墨烯相比，每单位面积产生的摩擦电增加。

如上所述，根据示例实施方式的摩擦电产生器包括可以通过与具有不同充电特性的其它材料摩擦来产生电能的能量产生层，并且该能量产生层可以包括1D纳米材料和/或2D材料。此外，当柔性且可拉伸的基板被用作基板时，提供在基板上的电极以及能量产生层可具有与基板的柔性和拉伸性相应、类似或相同的柔性和拉伸性。因此，通过利用具有柔性和拉伸性的基板制造的摩擦电产生器可以由于外部环境因素诸如风、声音或人的移动而有效地产生电能。此外，电能输出的量可以通过例如垂直层叠多个摩擦电产生器并且串联连接该摩擦电产生器而增加。摩擦电产生器可以产生能够被用于例如便携式电子装置、衣服、袋子、帽子、手套或旗帜的电能，或者可以通过贴在人的身体部分上而产生电能。

应该理解，此处描述的示例性实施方式仅应该以说明性含义被理解，而不是用于限制。在每个示例实施方式内的特征的描述应该典型地被认为是可用于其它示例实施方式中的其它类似的或相同的特征。

虽然已经参考附图描述了一个或多个示例实施方式，但是本领域的普通技术人员将理解，可以在其中进行形式和细节的各种改变而不脱离由权利要求限定的精神和范围。

本申请要求享有2015年4月21日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2015-0056003以及2015年10月1日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2015-0138615的优先权权益，其公开通过引用整体合并于此。

Claims

1.一种摩擦电产生器，包括：

彼此面对的第一电极和第二电极；以及

第一能量产生层，在所述第一电极上并且配置为通过与至少一种其它材料接触而产生电能，所述第一能量产生层包括具有二维形状的晶体结构的二维材料。

2.根据权利要求1所述的摩擦电产生器，其中所述二维材料包括六方氮化硼和过渡金属硫属化物中的至少一种。

3.根据权利要求2所述的摩擦电产生器，其中所述过渡金属硫属化物包括Mo、W、Nb、V、Ta、Ti、Zr、Hf、Tc、Re、Cu、Ga、In、Sn、Ge和Pb的其中之一以及S、Se和Te的其中之一。

4.根据权利要求2所述的摩擦电产生器，其中所述二维材料具有单层或多层结构。

5.根据权利要求2所述的摩擦电产生器，其中所述二维材料具有0.3nm至1000nm的厚度。

6.根据权利要求1所述的摩擦电产生器，其中所述二维材料被掺杂或未被掺杂。

7.根据权利要求1所述的摩擦电产生器，还包括在所述第一电极和所述第二电极之间的间隔物。

8.根据权利要求1所述的摩擦电产生器，其中所述第一能量产生层通过与所述第二电极接触而产生电能。

9.根据权利要求1所述的摩擦电产生器，还包括第一基板和第二基板的至少一个，其中所述第一电极和所述第一能量产生层位于所述第一基板上，所述第二电极位于所述第二基板上。

10.根据权利要求9所述的摩擦电产生器，其中所述第一能量产生层配置为通过与所述第二电极或所述第二基板接触而产生电能。

11.根据权利要求9所述的摩擦电产生器，其中所述第一基板和所述第二基板的至少一个是可拉伸的。

12.根据权利要求11所述的摩擦电产生器，其中所述第一基板和所述第二基板的所述至少一个包括聚二甲硅氧烷、聚酰亚胺、聚四氟乙烯、聚氨酯和尼龙的至少一种。

13.根据权利要求11所述的摩擦电产生器，其中所述第一基板和所述第二基板的所述至少一个具有200％或更低的伸长百分率。

14.根据权利要求11所述的摩擦电产生器，其中所述第一基板和所述第二基板的所述至少一个具有波状形状的表面。

15.根据权利要求14所述的摩擦电产生器，其中所述第一电极和所述第一能量产生层具有与所述第一基板的表面相应的形状，所述第二电极具有与所述第二基板的表面相应的形状。

16.根据权利要求11所述的摩擦电产生器，其中所述第一电极和所述第二电极的至少一个包括碳纳米管、石墨烯、Ag纳米线、金属和金属网中的至少一种。

17.根据权利要求1所述的摩擦电产生器，还包括第二能量产生层，在所述第二电极上并且配置为通过与所述第一能量产生层接触而产生电能。

18.根据权利要求17所述的摩擦电产生器，还包括第一基板和第二基板的至少一个，其中所述第一电极和所述第一能量产生层位于所述第一基板上，所述第二电极和所述第二能量产生层位于所述第二基板上。

19.根据权利要求18所述的摩擦电产生器，其中所述第一基板和所述第二基板的所述至少一个是可拉伸的。

20.一种摩擦电产生器，包括：

第一电极和第二电极，彼此面对并且具有拉伸性；以及

第一能量产生层，在所述第一电极上并且配置为通过与至少一种其它材料接触而产生电能，

其中所述第一能量产生层包括具有纳米尺寸的一维形状的一维材料和具有二维形状的晶体结构的二维材料中的至少一种。

21.根据权利要求20所述的摩擦电产生器，其中所述一维纳米材料的至少一种包括碳纳米管并且所述二维材料包括石墨烯、六方氮化硼和过渡金属硫属化物的至少一种。

22.根据权利要求20所述的摩擦电产生器，其中所述第一能量产生层通过与所述第二电极接触而产生电能。

23.根据权利要求20所述的摩擦电产生器，还包括第一基板和第二基板的至少一个，所述第一基板是可拉伸的并且所述第一电极和所述第一能量产生层位于所述第一基板上，所述第二基板是可拉伸的并且所述第二电极位于所述第二基板上。

24.根据权利要求23所述的摩擦电产生器，其中所述第一能量产生层配置为通过与所述第二电极或所述第二基板接触而产生电能。

25.根据权利要求23所述的摩擦电产生器，其中所述第一基板和所述第二基板的所述至少一个具有波状形状的表面。

26.根据权利要求25所述的摩擦电产生器，其中所述第一电极和所述第一能量产生层的至少一个具有与所述第一基板的表面相应的形状，所述第二电极具有与所述第二基板的表面相应的形状。

27.根据权利要求20所述的摩擦电产生器，还包括第二能量产生层，在所述第二电极上并且配置为通过与所述第一能量产生层接触而产生电能。

28.根据权利要求27所述的摩擦电产生器，还包括第一基板和第二基板的至少一个，所述第一基板是可拉伸的并且所述第一电极和所述第一能量产生层位于所述第一基板上，所述第二基板是可拉伸的并且所述第二电极和所述第二能量产生层位于所述第二基板上。

29.一种摩擦电产生器，包括：

层叠的多个能量产生单元，

其中所述能量产生单元的至少一个包括：

彼此面对的第一电极和第二电极；以及

30.根据权利要求29所述的摩擦电产生器，其中所述二维材料包括石墨烯、六方氮化硼和过渡金属硫属化物中的至少一种。

31.根据权利要求29所述的摩擦电产生器，还包括第二能量产生层，在所述第二电极上并且配置为通过与所述第一能量产生层接触而产生电能。

32.根据权利要求29所述的摩擦电产生器，其中所述能量产生单元彼此串联连接。

33.一种摩擦电产生器，包括：

层叠的多个能量产生单元，

其中所述能量产生单元的至少一个包括：

第一电极和第二电极，彼此面对并且具有拉伸性；以及

其中所述第一能量产生层包括具有纳米尺寸的一维形状的一维纳米材料和具有二维形状的晶体结构的二维材料中的至少一种。

34.根据权利要求33所述的摩擦电产生器，其中所述一维纳米材料的至少一种包括碳纳米管，所述二维材料包括石墨烯、六方氮化硼和过渡金属硫属化物的至少一种。

35.根据权利要求33所述的摩擦电产生器，还包括第二能量产生层，在所述第二电极上并且配置为通过与所述第一能量产生层接触而产生电能。