CN111480289A - 摩擦发电装置及其制造方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种摩擦发电装置及其制造方法，与传统的压力感应发电装置不同，其不需要物理空间来产生摩擦运动，通过廉价且易于批量生产的摩擦材料复合物的结摩擦部使表面积最大化，从而提高了发电装置的耐久性，并且有效地发电。所述摩擦发电装置包括摩擦发电层(300)、第一电极(100)和第二电极(200)，所述摩擦发电层(300)包括具有位于中心部分并且由两种以上不同的聚合物制成的结结构的摩擦部，第一电极(100)位于与所述摩擦发电层(300)的一个表面相对的位置，第二电极(200)位于与所述摩擦发电层(300)的另一表面相对的位置。

Description

摩擦发电装置及其制造方法

技术领域

本申请要求基于2017年11月22日提交的韩国专利申请10-2017-0156387号的优先权权益，其全部内容通过引用合并于此。

本发明涉及一种摩擦发电装置，更具体而言，涉及一种摩擦发电装置及其制造方法，与传统的压力感应发电装置不同，其不需要物理空间来产生摩擦运动，通过廉价且易于批量生产的摩擦材料复合物的结摩擦部使表面积最大化，从而提高发电装置的耐久性，并有效地发电。

背景技术

在一般的压力感应发电装置的情况下，由于环境危害和高材料成本，具有优异柔性的诸如PVDF等有机压电材料难以生产具有竞争力的产品。另外，柔性较差的无机压电材料具有材料因连续的外部压力而破裂的耐久性问题。在摩擦电装置的情况下，不仅需要物理空间来在摩擦材料之间产生摩擦运动，而且装置的结构复杂并且难以大规模生产，并且由于材料的摩擦所致的磨损程度较大，因此出现耐久性可靠性较低的问题。另外，现有的摩擦电材料的缺点在于，由于难以接合电极和摩擦材料以及将摩擦材料应用于装置的工艺方法的差异，难以大规模生产。因此，需要开发一种弥补这些缺点的摩擦发电装置。

这里，当提及目前为止已经进行的传统摩擦电装置的发展历史时，在2012年，确认了将不同类型的摩擦电材料双层化，然后电极面向外部，从而通过摩擦电材料之间的垂直和水平移动来产生电力。在2013年，甚至可以通过使不同类型的摩擦电材料交叉来产生电力，并且各个摩擦电装置形成为多层(平行结构)以提高发电效率。在2014年，具有三维结构的摩擦电装置极大地改善了产生的电流量，并且证实了通过使圆盘电极和具有自行车车轮形状的摩擦电材料围绕中心轴旋转可以有效地产生摩擦电，其显示通过以微米单位将薄膜摩擦电材料栅格化并且与电极重叠，然后水平移动，可以有效地产生电力，并且确认了弹簧连接到栅格化的摩擦电材料和电极，以使得可以在材料和电极之间水平移动，并且通过弹簧经能量守恒高效率(高达85％)地将物理能量转换成电能。

在2015年，证实通过在摩擦材料之间插入钢棒以使用轴承，结构得到了改善，即使施加很少的能量，摩擦材料也能够平滑地移动，但摩擦发电效率没有显著降低。此外，发现通过串联或并联连接电磁发电机(AC)和摩擦电元件(AC)，混合系统可以更稳定地提供电压或电流量。另外，已经证实，通过连接太阳能电池(DC)和摩擦电装置(AC)，可以同时从光和动能产生电力。此后，正在进行研究以通过在摩擦电材料之间微米或纳米单位图案化来提高发电效率，并且通过改变接收动能的材料或形状(垂直、水平、旋转、弯曲等)来进一步提高效率。最新的显著研究结果表明，通过将摩擦电装置的一侧固定到基底并使另一侧在风中摇动，可以用作风力发电机。

发明内容

技术问题

与以上介绍的所有摩擦电装置不同，在本发明中描述的摩擦电装置中，通过去除摩擦电材料之间的物理上不必要的结构并且利用纳米单位或最大微米单位的摩擦电材料域之间的接触通过膜的弯曲来附着和分离的现象而产生电力。这是在控制现有研究的材料表面形状方面发展起来的，并且还通过继承关于利用各种类型的动能的研究而确保了合理性。

因此，本发明的目的是提供一种摩擦发电装置及其制造方法，与传统的压力感应发电装置不同，其不需要物理空间来产生摩擦运动，并且通过廉价且易于批量生产的摩擦材料复合物的结摩擦部使表面积最大化，从而提高发电装置的耐久性并有效地发电。

技术方案

为了实现该目的，本发明提供一种摩擦发电装置，其包括：摩擦发电层300，该摩擦发电层300包括具有结结构的摩擦部，该结结构位于中央部分并且由两种以上不同的聚合物制成；第一电极100，第一电极100位于与摩擦发电层300的一个表面相对的位置，以及第二电极200，第二电极200位于与摩擦发电层300的另一表面相对的位置。

此外，本发明提供了一种摩擦发电装置的制造方法，其包括以下步骤：a)分别在溶剂中溶解并分散，或溶解并分散然后混合，或熔融并混合两种以上具有不同介电性质的聚合物；b)掩盖具有不同材料的第一电极和第二电极各自的表面的一部分；c)通过将在步骤a)中混合或未混合的聚合物溶液供应到经掩盖的第一电极和第二电极中的一个的未掩盖的露出表面上来在电极上形成摩擦发电层；和d)将其上未形成摩擦发电层的另一电极层积然后压制在摩擦发电层上。

有利效果

与传统的压力感应发电装置不同，本发明的摩擦发电装置及其制造方法不需要物理空间来产生摩擦运动，并且通过廉价且易于批量生产的摩擦材料复合物的结摩擦部使表面积最大化，从而提高了发电装置的耐久性，并且有效地发电。

附图说明

图1是根据本发明的一个实例的摩擦发电装置的侧视截面示意图。

图2是根据本发明的掩盖的电极的示意图。

图3是根据本发明的另一实例的摩擦发电装置的侧视截面示意图。

图4和5是根据本发明的又一实例的摩擦发电装置的侧视截面示意图。

图6是根据施加到根据本发明的一个实例的摩擦发电装置的冲击测量电压和电流的曲线图。

图7至9是根据施加到根据本发明的比较例的摩擦发电装置的冲击测量电压和电流的曲线图。

图10至12是根据施加到根据本发明的其他示例的摩擦发电装置的冲击测量电压和电流的曲线图。

具体实施方式

以下，将参照附图详细描述本发明。

图1是根据本发明的示例性实施方式的摩擦发电装置的侧视截面示意图。如图1中所示，本发明的摩擦发电装置包括：摩擦发电层300、第一电极100和第二电极200，该摩擦发电层300包括具有结结构的摩擦部，该结结构位于中央部分并且由两种以上不同的聚合物制成，第一电极100位于与摩擦发电层300的一个表面相对的位置，第二电极200位于与摩擦发电层300的另一表面相对的位置。

本发明的摩擦发电装置是能够将从外部施加的所有物理动能转换成电能的装置，能够用于风力发电、潮汐发电、波浪发电等，并且可以配置为其中重复布置多个装置的模组和其中重复布置多个模组的发电机，以实现各种发电方法。另外，本发明的摩擦发电装置可以检测物理运动、纹理、硬度或施加的力，因此甚至可以用作传感器。

摩擦发电层300是包括用于发电的摩擦部的膜形式的摩擦电复合材料，并且摩擦部由纳米(nm)至微米(μm)单位的无规结部分形成。结部分可以具有两种以上不同材料不均匀接触的体异质结结构，或者可以具有多结结构，例如，类似于体异质结有机光伏器件的有源层的结构(参见网站)。同时，多结结构基本上类似于体异质结结构，但是可以是两种以上材料以更规则的形状彼此接触的结构(参见网站)。因此，尽管每种极化的摩擦电材料的行进距离极短，但是表面积被最大化，从而改善了材料耐久性的可靠性并有效地发电。

同时，摩擦发电层300的厚度为1nm至10,000μm，优选100nm至5,000μm，更优选1至1,000μm。当摩擦发电层300的厚度超过10,000μm时，通过分离在结部分产生的电荷而形成的电场不会影响集电极，这可能导致不能产生电压和电流的问题。当摩擦发电层300的厚度小于1nm时，集电极之间的距离太近，因此由于隧穿现象而可能在装置中出现短路现象。

摩擦发电层(或摩擦部)由具有不同介电性质的两种以上不同聚合物制成，优选由两种不同聚合物制成。聚合物可以是制造便宜且易于量产的材料，即，例如聚酰胺、聚乙烯醇(PVA)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚酯、聚氨酯、聚乙烯醇缩丁醛(PVB)、聚丙烯腈、天然橡胶、聚苯乙烯(PS)、聚偏二氯乙烯、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚酰亚胺、聚氯乙烯(PVC)和聚二甲基硅氧烷(PDMS),优选PVC和PMMA的混合物、PVC和PVA的混合物、PVC和PVB的混合物、PP和PMMA的混合物以及PE和PMMA的混合物。当聚合物以两种的混合物使用时(即，当摩擦发电层包括两种不同的聚合物时)，聚合物的混合(包含)比为0.1:99.9至99.9:0.1的重量比。尽管包含少量的两种聚合物中的一种，但发生本发明的效果，并且聚合物的混合比可以优选为20:80至80:20的重量比，更优选为40:60至60:40的重量比。另外，聚合物各自的重均分子量(Mw)优选为10,000～5,000,000。

这样，当摩擦部由具有不同介电性质的聚合物构成时，具有不同介电性质的聚合物之间的主链与官能团之间的结合被破坏以形成自由基，这意味着两种材料之间的电荷转移可能由于由电子或自由基形成的物质转移而发生。此外，当离子单分子已经存在于聚合物中或由于摩擦而形成时，离子单分子也可在非均相聚合物之间迁移，这可引起电荷转移。由于这个原因，两种材料之间的电荷被分离以产生摩擦电。

同时，为了进一步提高聚合物材料的批量生产率，可以使用通用溶剂，例如丙酮、四氢呋喃(THF)、甲苯、二氯甲烷、氯仿、甲苯、己烷、环己烷、二甲基亚砜、NMP和水等。即，可以通过在这样的溶剂中溶解然后混合不同的聚合物，在溶剂中熔融并混合聚合物，或者在水性溶剂和非水性溶剂中进行水型或溶剂型溶解然后混合不同的聚合物(即乳液聚合)，来形成复合材料，例如复合膜或复合颗粒。

因此，本发明的摩擦发电装置具有简单的结构，其中容易大量生产的摩擦发电层(或摩擦电材料复合物)300位于(插入)两个电极(第一电极100和第二电极200)之间，然后涂覆用于防水/防潮的涂层400和用于支撑的涂层500。因此，由于摩擦发电装置与现有的摩擦发电装置(其具有与现有的市售的压力感应发电装置类似的结构)相比具有非常简单的结构，所以批量生产性和可靠性高。

接下来，第一电极100和第二电极200由通过充电现象使电流流动的导电材料制成，并且可以应用满足这一点的任何导电材料而没有特别限制。这种导电材料的实例可以包括铜、铝、金、银、碳毡、碳纸和添加有碳纳米管(CNT)的复合材料等，并且除了通常的膜形式之外，电极在其形式方面没有特别限制，例如多孔泡沫。

然而，第一电极100和第二电极200可以分别由不同的材料形成。此外，第一电极100和第二电极200的厚度为20nm至5mm，优选50nm至1mm，更优选100nm至100μm。当第一电极100和第二电极200的厚度超过5mm时，相对于装置卷绕的柔性可能降低，并且当第一电极100和第二电极200的厚度小于20nm时，装置的性能可能由于电阻的增加而劣化。

同时，第一电极100和第二电极200可以被配置为使得各个电极的一端从摩擦发电层300突出，从而连接(接地)线(参见图2)。另外，在本发明中，第一电极100和第二电极200防止两个电极之间的短路现象。此外，为了相同地保持每个装置的摩擦发电层300的面积，除了与摩擦发电层300相对的部分之外的其他剩余的外部露出表面可以由涂覆有粘合剂成分的胶带或绝缘材料(例如PP或PE)掩盖。图2是根据本发明掩盖的电极的示意图，其中，电极的掩盖处理可以如图2A所示在两侧进行(图2A中的a和b)，也可以如图2B所示仅在一侧进行，并且可以根据目标电极的性能等而变化。另外，上面未描述的电极的基本成分的含量可以与在传统摩擦电装置中使用的电极的含量一致。

图3是根据本发明的另一实例的摩擦发电装置的侧视截面示意图。另一方面，如图3所示，摩擦发电装置必要时可进一步包括至少一对第一涂层400，所述至少一对第一涂层400位于第一电极100和第二电极200各自的外周面上以防止水、湿气和氧气等。另外，摩擦发电装置还可以包括至少一对第二涂层500，所述至少一对第二涂层500位于要承载的第一涂层400各自的外周面上。

具体而言，第一涂层400是用于改善本发明的摩擦发电装置的防水、防潮、阻氧、耐候性、耐久性等并将装置内部与外部隔开的层。其材料的实例可以包括环氧树脂、聚酯、聚氨酯、石蜡和聚烯烃的混合物、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚苯乙烯(PS)、聚氯乙烯(PVC)、聚萘二甲酸乙酯(PEN)、聚酰胺(PA)、聚乙烯醇(PVAL)、乙烯-乙烯醇共聚物(EVOH)、聚偏二氯乙烯(PVDC)和它们的混合物，并且可以使用而无特别限制，只要该材料具有防水、防潮、阻氧、耐候性和耐久性中的至少一种性质即可。

另外，第二涂层500基本上具有支撑摩擦发电装置的功能，并且还可以具有第一涂层400的功能，更准确地说，第二涂层500是用于向装置施加弹性的层。第二涂层500的材料的实例可以包括聚酰亚胺、聚醚醚酮、它们的混合物、以及它们中的至少一种与构成第一涂层400的化合物的混合物，并且可以使用任何材料而没有特别限制，只要该材料使得摩擦发电装置能够具有诸如柔性和耐久性等支撑功能即可。

第一涂层400的厚度为100nm～10mm，优选为1μm～1mm，更优选为10～100μm。当第一涂层400的厚度在上述范围之外时，可能存在装置的柔性降低或者没有充分发挥诸如防水/防潮等功能的问题。同时，第一涂层400的两端可配置为如图3所示从第一电极100和第二电极200的两端突出，以保护包括集电极在内的整个装置免受水、湿气和氧的影响。

另外，第二涂层500的厚度为1μm～10mm，优选为5μm～5mm，更优选为10μm～1mm。当第二涂层500的厚度在上述范围之外时，可能存在装置的柔性降低或者不能充分发挥支撑装置的功能的问题。同时，在图3中，第一涂层400和第二涂层500的长度相同，但这仅是示例，第二涂层500的任何一端或两端也可以配置为从第一涂层400突出。通过这种突出的构造，涂层被外部支撑层再次完全涂覆(包裹)，从而提高了对外部的阻挡效果。

图4和5是根据本发明又一示例性实施方式的摩擦发电装置的侧视截面示意图。同时，必要时，本发明的摩擦发电装置如图4所示可进一步包括分别在摩擦发电层300与第一电极100之间和在摩擦发电层300与第二电极200之间的第一界面层600和第二界面层700，第一界面层600和第二界面层700包括选自由聚酰胺、聚乙烯醇(PVA)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚酯、聚氨酯、聚乙烯醇缩丁醛(PVB)、聚丙烯腈、天然橡胶、聚苯乙烯(PS)、聚偏二氯乙烯、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚酰亚胺、聚氯乙烯(PVC)和聚二甲基硅氧烷(PDMS)组成的组中的材料。此外，本发明的摩擦发电装置包括第一界面层600和第二界面层700，第一界面层600和第二界面层700由多个层形成，所述多个层在必要时可以如图5所示与摩擦发电层300交叉层积以改善装置的性能，并且其顺序不限于图5，并且可以考虑装置性能而以各种组合形成。

第一界面层600和第二界面层700用于通过防止电荷从摩擦发电层300反向流动来进一步改善与摩擦发电层300的相互作用和发电程度。第一界面层600和第二界面层700具有不同的摩擦电极性，例如，当第一界面层600是PMMA时，第二界面层700可以是PVC。具体而言，当第一界面层600和第二界面层700中的任一个选自由PMMA、聚酰胺、聚乙烯醇、聚丁醛和聚苯乙烯组成的组时，另一界面层可以选自由PVC、PDMS、聚丙烯、聚乙烯和聚偏二氯乙烯组成的组。

此外，第一界面层600和第二界面层700的厚度为1nm至1mm，优选50nm至500μm，更优选100nm至100μm。当第一界面层600和第二界面层700的厚度在上述范围之外时，可能存在装置的柔性降低、装置的发电性能降低或者无法适当地发挥阻挡从摩擦发电层300反向移动的电荷的功能的问题。

同时，到目前为止描述的摩擦发电层300、第一电极100、第二电极200、第一涂层400、第二涂层500、第一界面层600和第二界面层700的宽度(基于从顶部观察的外观的宽度x长度)没有特别限制，并且可以根据目标摩擦发电装置的尺寸和特性而变化。

接下来，将参照图1和图3描述本发明的摩擦发电装置的制造方法。摩擦发电装置的制造方法包括以下步骤：a)在溶剂中分别溶解并分散，或溶解并分散然后混合，或熔融并混合两种以上具有不同介电性质的聚合物；b)掩盖具有不同材料的第一电极和第二电极各自的表面的一部分；c)将在步骤a中混合或未混合的聚合物溶液供给到经掩盖的第一电极和第二电极中的任一个(图中的第二电极200)的未掩盖的露出表面上，然后干燥或固化聚合物溶液以在电极上形成摩擦发电层(或聚合物复合膜)300；和d)将其上未形成摩擦发电层300的另一电极(图中的第一电极100)层积然后压制在摩擦发电层300的顶部上。

同时，在执行步骤c)和d)中的至少一个之后，可以执行使摩擦发电层300退火的过程，并且摩擦发电装置的制造方法在必要时还包括以下步骤：e)在第一电极100和第二电极200各自的外周面上形成第一涂层400，和f)在第一涂层400各自的外周面上形成第二涂层500。

根据本发明，为了制造摩擦发电装置，首先，需要分别在溶剂中溶解并分散，溶解、分散然后混合，或熔融并混合两种以上具有不同介电性质的聚合物(在乳液聚合的情况下，混合水性溶液和溶剂型溶液，步骤a)。聚合物(材料)构成用于在摩擦发电装置中发电的摩擦部，并且其详细描述与在摩擦发电装置中描述的聚合物的含量一致。另一方面，当聚合物在溶解并分散于各溶剂中之后不混合时，可以通过在电极上顺序供应各聚合物溶液来制造层积型摩擦发电装置。

在溶剂中溶解/分散聚合物是本发明用于进一步提高聚合物的批量生产率的独特工艺。可以使用的溶剂的实例可以包括有机溶剂，例如直链和环状烷烃类化合物、芳族类化合物、酮类化合物、直链和环状醚类化合物、胺类化合物、硫化物类化合物和卤素类化合物。更具体地，一般溶剂的实例可包括己烷、环己烷、甲苯、丙酮、乙醚、四氢呋喃(THF)、N-甲基-2-吡咯烷酮、二甲基亚砜、二氯甲烷和氯仿。

聚合物溶解在溶剂中的浓度为0.1至10,000g/kg，优选1至5,000g/kg，更优选10至1,000g/kg。当聚合物溶解在溶剂中的浓度在上述范围之外时，通过将聚合物溶解在溶剂中获得的效果可能不显著，或者混合过程可能困难。此外，聚合物溶解在溶剂中的温度为0℃至70℃，优选10℃至50℃，更优选25℃至40℃。当聚合物溶解在溶剂中的温度超出上述范围时，可能存在聚合物不溶或分解的问题，或增加爆炸的风险。

此时，各聚合物溶液的混合比可以为0.1:99.9～99.9:0.1的重量比，优选为20:80～80:20的重量比，更优选为40:60～60:40的重量比。同时，当进行混合不同聚合物溶液的步骤a)时，为了增强每种聚合物材料的柔性和冲击强度，必要时可以另外加入如增塑剂和冲击改性剂等添加剂。

接下来，在制备具有不同材料的电极(第一电极和第二电极)之后，掩盖各个表面的一部分(步骤b)。第一电极和第二电极应当由不同的材料制成，以使得能够产生摩擦电。用胶带掩盖第一电极和第二电极的表面的一部分的原因是为了防止两个电极之间的短路现象，并且对于每个装置保持摩擦发电层的面积相同，从而不施加(或供应)聚合物混合溶液的部分被定义为掩模施加部分。另外，电极和掩模的详细描述与摩擦发电装置中描述的电极和掩模的内容相同。

在掩盖各个电极的表面之后，通过在第一电极和第二电极中的任一个(图中的第二电极200)的未掩盖的露出表面上供应在步骤a中混合或未混合的聚合物溶液，然后干燥或固化该聚合物溶液以在电极上形成摩擦发电层(或聚合物复合膜300)(步骤c)。作为在电极上供应聚合物混合溶液的方法，有滴铸法、丝网印刷法、旋涂法、轮转凹版印刷法、喷涂法、喷墨印刷法等。另外，摩擦发电层300的厚度为1nm～10000μm，优选100nm～5000μm，更优选1～1000μm。当摩擦发电层300的厚度超过10,000μm时，通过分离在结部分产生的电荷而产生的电场不影响集电极，这可能导致不能产生电压和电流的问题。当其厚度小于1nm时，集电极之间的距离太近，这可能由于隧穿现象而在装置中引起短路现象。

同时，摩擦发电装置的制造方法在必要时还包括将步骤c)中使用的聚合物混合溶液再供给到步骤c)中形成的聚合物复合膜(摩擦发电层)的表面上一次或多次，优选1至100次，更优选5至20次，然后干燥该溶液的步骤。由于这是用于调节聚合物复合膜的厚度的过程，因此随着步骤a)中聚合物浓度的降低，可以增加再供给次数。因此，当聚合物的浓度较高时，可以不进行这种聚合物混合溶液的再供给过程。

另外，在本说明书中描述了首先制备聚合物溶液和混合溶液，然后掩盖电极的表面，但是这仅仅是为了便于描述，可以改变其顺序或者同时进行。

当如上所述在电极上形成摩擦发电层时，将未形成摩擦发电层300的另一电极(图中的第一电极100)层积，然后压制在经退火的摩擦发电层300上。压制可以在40℃至250℃的温度和1gF至100kgF的压力下通过诸如辊压法和热压法等一般压制方法进行。

另一方面，在执行步骤c)和d)中的至少一个之后，执行对摩擦发电层300进行退火的过程。退火过程是下述过程：在预定温度下制造摩擦发电层300，在相应温度下保持预定时间，然后冷却到室温，并且用于通过控制摩擦发电层300中的聚合物的聚集程度根据整个结区域的控制来优化发电效率。可以考虑目标发电装置的物理性质来任意改变退火过程的温度、所需时间和次数，但是退火过程可以在30℃至250℃、优选50℃至150℃的温度下进行1至24次，优选1至10次，持续1至3600秒，优选10至180秒。

同时，当进行退火过程时，如图4所示，可以分别在摩擦发电层300与第一电极100之间以及摩擦发电层300与第二电极200之间(另选地，在摩擦发电层300的两侧)形成界面层(图4中的第一界面层600和第二界面层700)。这是摩擦发电层300的聚合物在退火过程期间因加热而上下泄漏的现象，由密度差异引起。可以诱导第一界面层600和第二界面层700由具有彼此相反的摩擦电极性的聚合物形成。

同时，除了通过退火过程形成的方法之外，可以在电极上形成摩擦发电层(或聚合物复合膜)300之前的时间有意地形成界面层。因此，如图5所示，第一界面层600和第二界面层700可以由多个层形成，从而与摩擦发电层300交叉层积，并且其顺序不限于图5。可以考虑装置性能而以各种组合形成。这里，当摩擦电装置被配置为如图5所示时,可以进一步提高装置的性能。

同时，在步骤e)中形成第一涂层400之后或者甚至在步骤f)中形成第二涂层500之后，必要时，可以进一步进行退火过程。另外，第一涂层400和第二涂层500的材料、厚度等的描述与在摩擦发电装置中描述的内容一致。

以下，将参照具体实施例更详细地描述本发明。以下实施例是对本发明的说明，本发明不限于以下实施例。

[实施例1]摩擦发电装置的制备

首先，在室温下以0.1g/mL的浓度将PMMA溶解在四氢呋喃(THF)中，并且在室温下以0.1g/mL的相同浓度将PVC也溶解在THF中，然后以1:1的重量比混合PMMA溶液和PVC溶液以制备聚合物混合溶液。

接着，将尺寸为4.3cm×9cm×10μm的铝电极接合在涂有丙烯酸类粘合剂的PET涂布纸的表面上并用丙酮清洗电极表面之后，以图2所示的形式，制备两个电极膜，其中，除了4.3cm×8cm的区域(露出电极)之外的剩余部分用Scotch胶带掩盖。

随后，在一个露出(未掩盖)的电极膜的表面上，将PMMA-PVC聚合物混合溶液进行棒涂并干燥以形成摩擦发电层，然后在摩擦发电层的上侧(表面)上另外棒涂PMMA-PVC聚合物混合溶液5次并干燥。

此后，在涂覆有PMMA-PVC聚合物混合溶液的电极表面上层积一个经掩盖的电极膜，然后通过使用层积机(韩国Kolami-320S，Kolami)在70℃至90℃下对摩擦发电层退火约5秒，并在约1kgF的压力下压制以制备摩擦发电装置。

[实施例2]层积式摩擦发电装置的制备

以与实施例1相同的方式制备摩擦发电装置，不同之处在于，在不混合PVC和PMMA溶液的情况下，将PVC层和PMMA层顺序涂覆一次并层积。

[实施例3]层积式摩擦发电装置的制备

以与实施例2相同的方式制备摩擦发电装置，不同之处在于，将PVC层和PMMA层交替涂布3次并层积。

[实施例4]层积式摩擦发电装置的制备

以与实施例2相同的方式制备摩擦发电装置，不同之处在于，将PVC层和PMMA层交替涂布5次并层积。

[比较例1]摩擦发电装置的制备

以与实施例1相同的方式制备摩擦发电装置，不同之处在于，通过不使用聚合物混合溶液而排除了滴铸、干燥和退火过程。

[比较例2]摩擦发电装置的制备

以与实施例1相同的方式制备摩擦发电装置，不同之处在于，通过排除PVC溶液而使用PMMA聚合物溶液代替PMMA-PVC聚合物混合溶液(即，摩擦发电层仅由PMMA聚合物构成)。

[比较例3]摩擦发电装置的制备

以与实施例1相同的方式制备摩擦发电装置，不同之处在于，通过排除PMMA溶液而使用PVC聚合物溶液代替PMMA-PVC聚合物混合溶液(即，摩擦发电层仅由PVC聚合物构成)。

[实施例1和比较例1～3]摩擦发电量的评价

在用导线将万用表(UT61E，UNI-T Co.,Ltd.，中国)与实施例1和比较例1至3中制备的摩擦发电装置的两个电极连接之后，测量电压随施加到装置的冲击的变化。即，在10秒的第一次暂停之后，将装置每秒三次(3Hz)上下弯曲20秒，随后，在10至20秒的暂停之后，将除了第一次暂停之外的其余过程再重复2次。

图6是根据施加到根据本发明的实施例的摩擦发电装置的冲击测量电压和电流的图。图7至9是根据施加到根据本发明的比较例的摩擦发电装置的冲击测量电压和电流的图。在这里，图6对应于实施例1，图7～9分别对应于比较例1～3。首先，在实施例1中制备的摩擦发电装置的情况下(使用聚合物复合膜)，如图6所示，可以确认，取决于施加到装置上的冲击/变化，立即产生电力。

另一方面，在比较例1中制备的装置的情况下(不使用聚合物复合膜)，如图7所示，可以看出，根本没有产生摩擦电。在比较例2中制备的装置的情况下(仅使用PMMA聚合物)，如图8所示，可以确认产生了电力，但是明显小于实施例1。在比较例3中制备的装置的情况下(仅使用PVC聚合物)，如图9所示，可以确认仅产生了非常少量的电力。

[实施例2至4]摩擦发电量的评价

在用导线将万用表(UT61E，UNI-T Co.,Ltd.，中国)与实施例2至4中制备的层积型摩擦发电装置的两个电极连接之后，测量电压随施加到装置的冲击的变化。即，在10秒的第一次暂停之后，将装置每秒三次上下弯曲20秒，随后，在10至20秒的暂停之后，将除了第一次暂停之外的其余过程再重复2次。

图10至12是根据施加到根据本发明的其他实施例的摩擦发电装置的冲击测量电压和电流的图，图10至12分别对应于实施例2至4。在实施例2～4中制备的层积型摩擦发电装置中，与实施例1中的非层积型摩擦发电装置一样，可以确认，取决于施加到该装置的冲击/变化立即产生电力(参见图10至12)。另外，可以确认，随着层积的层数量的增加，所产生的电的电压和总电流量增加。

Claims (20)

1.一种摩擦发电装置，其包括：

摩擦发电层(300)，所述摩擦发电层(300)包括摩擦部，所述摩擦部具有位于中心部分并由两种以上不同的聚合物制成的结结构；

第一电极(100)，第一电极(100)位于与所述摩擦发电层(300)的一个表面相对的位置；和

第二电极(200)，第二电极(200)位于与所述摩擦发电层(300)的另一表面相对的位置。

2.如权利要求1所述的摩擦发电装置，其中，所述聚合物选自由聚酰胺、聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酯、聚氨酯、聚乙烯醇缩丁醛、聚丙烯腈、天然橡胶、聚苯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚酰亚胺、聚氯乙烯和聚二甲基硅氧烷组成的组。

3.如权利要求1所述的摩擦发电装置，其中，所述两种不同的聚合物以0.1:99.9至99.9:0.1的重量比包含在所述摩擦发电层中。

4.如权利要求1所述的摩擦发电装置，其中，第一电极和第二电极选自由铜、铝、金、银、碳毡、碳纸和添加有碳纳米管(CNT)的复合物组成的组。

5.如权利要求1所述的摩擦发电装置，其中，在第一电极和第二电极中，除了与所述摩擦发电层相对的部分之外剩余的外部露出表面被涂覆有粘合剂成分的胶带或绝缘材料掩盖。

6.如权利要求1所述的摩擦发电装置，其还包括：

至少一对第一涂层(400)，第一涂层(400)位于第一电极(100)和第二电极(200)各自的外周面上；和

至少一对第二涂层(500)，第二涂层(500)位于第一涂层(400)各自的外周面上。

7.如权利要求6所述的摩擦发电装置，其中，第一涂层选自由环氧树脂、聚酯、聚氨酯、石蜡与聚烯烃的混合物、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚酰胺、聚乙烯醇、乙烯-乙烯醇共聚物、聚偏二氯乙烯及其混合物组成的组。

8.如权利要求6所述的摩擦发电装置，其中，第二涂层(500)选自由聚酰亚胺、聚醚醚酮、其混合物以及其中至少一种与构成第一涂层(400)的化合物的混合物组成的组。

9.如权利要求1所述的摩擦发电装置，其中，所述摩擦发电层的厚度为1nm～10000μm。

10.如权利要求1所述的摩擦发电装置，其中，第一电极和第二电极的厚度为20nm～5mm。

11.如权利要求6所述的摩擦发电装置，其中，第一涂层的厚度为100nm～10mm，第二涂层的厚度为1μm～10mm。

12.如权利要求1所述的摩擦发电装置，其还包括：

分别位于所述摩擦发电层与第一电极之间和所述摩擦发电层与第二电极之间的第一界面层(600)和第二界面层(700)，第一界面层(600)和第二界面层(700)包含选自由聚酰胺、聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酯、聚氨酯、聚乙烯醇缩丁醛、聚丙烯腈、天然橡胶、聚苯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚酰亚胺、聚氯乙烯和聚二甲基硅氧烷组成的组中的材料，

其中，第一界面层和第二界面层具有不同的摩擦电极性。

13.一种摩擦发电装置的制造方法，其包括：

a)分别在溶剂中溶解并分散，或溶解并分散然后混合，或熔融并混合两种以上具有不同介电性质的聚合物；

b)掩盖具有不同材料的第一电极和第二电极各自的表面的一部分；

c)通过将在步骤a中混合或未混合的聚合物溶液供应到经掩盖的第一电极和第二电极之一的未掩盖的露出表面上，然后干燥或固化该溶液，在电极上形成摩擦发电层；

d)将未形成有所述摩擦发电层的另一电极层积然后压制在所述摩擦发电层上。

14.如权利要求13所述的摩擦发电装置的制造方法，其中，在执行步骤c)和d)中的至少一个之后，执行对所述摩擦发电层进行退火的过程。

15.如权利要求13所述的摩擦发电装置的制造方法，其中，所述溶剂选自由直链和环状烷烃类化合物、芳族类化合物、酮类化合物、直链和环状醚类化合物、胺化合物、硫化物类化合物和卤素类化合物组成的组。

16.如权利要求13所述的摩擦发电装置的制造方法，其中，各聚合物溶液的混合比为0.1:99.9～99.9:0.1的重量比。

17.如权利要求13所述的摩擦发电装置的制造方法，其还包括：

e)在第一电极和第二电极各自的外周面上形成第一涂层；和

f)在第一涂层各自的外周面上形成第二涂层。

18.如权利要求17所述的摩擦发电装置的制造方法，其中，第一涂层选自由环氧树脂、聚酯、聚氨酯、石蜡与聚烯烃的混合物、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚酰胺、聚乙烯醇、乙烯-乙烯醇共聚物、聚偏二氯乙烯及其混合物组成的组，第二涂层选自由聚酰亚胺、聚醚醚酮、其混合物以及其中至少一种与构成第一涂层的化合物的混合物组成的组。

19.如权利要求13所述的摩擦发电装置的制造方法，其还包括：

将步骤c)中使用的聚合物混合溶液再供给到步骤c)中形成的所述摩擦发电层的表面上一次或多次，然后干燥该溶液。

20.如权利要求13所述的摩擦发电装置的制造方法，其中，通过将所述聚合物溶解并分散在各溶剂中，然后在不混合的情况下将各聚合物溶液依次供应到所述电极上，制备层积型摩擦发电装置。

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