KR101476742B1 - 나노발전기의 제조방법 - Google Patents

나노발전기의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유연기판과 고분자 화합물 간의 마찰에 의해 발생하는 정전기력을 전기적 에너지로 변환하는 나노발전기의 구조에서, 유연기판과 고분자 화합물 간의 대응면적을 증가시킴에 따라 발전효율을 향상시킬 수 있는 나노발전기의 제조방법 및 그에 의해 제조된 나노발전기에 관한 것이다.
이를 위한 본 발명의 나노발전기의 제조방법은, 일측면에 전극이 구비된 한 쌍의 유연기판을 준비하는 단계; 상기 한 쌍의 유연기판 중 적어도 어느 하나의 유연기판의 타측면에 플라즈마 처리, 열 처리, 자외선 조사 처리 중 어느 하나의 처리를 통해 요철부를 형성하는 단계; 상기 한 쌍의 유연기판 중 적어도 어느 하나의 유연기판의 타측면에 고분자 화합물층을 형성하는 단계; 및상기 한 쌍의 유연기판의 타측면 사이에 상기 고분자 화합물층이 개재되도록 상기 한 쌍의 유연기판 및 상기 고분자 화합물층을 합착하는 단계;를 포함하여 구성된다.

Description

나노발전기의 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING NANO GENERATOR}
본 발명은 나노발전기의 제조방법 및 그에 의해 제조된 나노발전기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 유연기판과 고분자 화합물 간의 마찰에 의해 발생하는 정전기력을 전기적 에너지로 변환하는 나노발전기의 구조에서, 유연기판과 고분자 화합물 간의 대응면적을 증가시킴에 따라 발전효율을 향상시킬 수 있는 나노발전기의 제조방법 및 그에 의해 제조된 나노발전기에 관한 것이다.
나노발전기(Nano Generator)는 사용자 발전(UCP:User Created Power) 기술을 이용한 나노 크기의 초소형 발전기로서, 얇고 잘 휘어지는 폴리머 기판에 산화아연 소재의 나노 와이어를 붙인 구조로 이뤄진다.
상술한 바와 같은 나노발전기는 압전현상을 이용하여 발전을 하게 되며, 구체적으로, 나노발전기를 부착한 생물체가 움직일 때마다 와이어가 이리저리 구부러지면서 발전이 이뤄진다.
한편, 최근 연구되고 있는 정전기력을 이용한 나노발전기는, 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 전극(10a), 상기 제1 전극(10a) 상에 형성된 제1 유연기판(20a), 상기 제1 유연기판(20a) 상에 형성된 고분자 화합물층(30), 상기 고분자 화합물층(30) 상에 형성된 제2 유연기판(20b), 상기 제2 유연기판(20b) 상에 형성된 제2 전극(10b)을 포함하여 구성된다.
상술한 바와 같은 정전기력을 이용한 나노발전기는, 일측면에 제1 전극(10a)이 형성된 제1 유연기판(20a)의 타측면에 고분자 화합물층(30)을 형성한 후, 일측면에 제2 전극(10b)이 형성된 제2 유연기판(20b)이 상기 고분자 화합물층(30)과 마주하도록 합착함에 따라 제조될 수 있다.
상술한 바와 같은 구조의 나노발전기는, 구부러짐 등의 외력이 작용할 경우에, 상기 제1 유연기판(20a)과 상기 고분자 화합물층(30)의 계면, 상기 제2 유연기판(20b)과 상기 고분자 화합물층(30)의 계면에서 정전기가 발생하게 되며, 이때 발생하는 정전기가 제1 전극(10a)과 제2 전극(10b)을 통해 외부의 축전지 등에 전달되어 발전이 이뤄지게 된다.
그러나, 상술한 바와 같은 나노발전기는 고분자 화합물과 접촉된 제1 유연기판(20a), 제2 유연기판(20b)의 접촉면이 평면구조이기 때문에, 정전기가 발생될 수 있는 면적이 작아 발전량이 적다는 문제점이 있었다.
이러한 문제점을 해소하기 위하여, 도 2에 도시된 바와 같이, ITO/PET/PDMS/PET/ITO의 적층구조로 나노발전기를 구성하되, 상기 PDMS에 나노 임프린트 공정을 통하여 요철을 형성하여 발전량을 늘리고자 한 기술이 미국 조지아 공대의 Zhong Lin Wang에 의해 보고된 바 있다.
그러나, 상기 PDMS에 나노 임프린트 공정을 통하여 요철을 형성하기 위해서는 요철 모양의 마스터 Si 몰드를 별도로 제작해야 하는 번거로움 뿐만 아니라 공정 단가와 제작시간이 과다하게 소요되는 문제점이 있었으며, 특히, 마스터 몰드에 의해서는 대면적의 나노발전기를 제조하기가 사실상 불가능한 문제점이 있었다.
또한, 상술한 바와 같이 마스터 Si 몰드를 사용할 경우에는, 일측면에만 요철을 형성할 수밖에 없는 한계가 있었다.
[비특허문헌]
Nano letters : a journal dedicated to nanoscience and nanotechnology / v.12 no.6, 2012년, pp.3109-3114(Transparent Triboelectric Nanogenerators and Self-Powered Pressure Sensors Based on Micropatterned Plastic Films)
상기 종래 기술에 따른 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 유연기판과 고분자 화합물 간의 마찰에 의해 발생하는 정전기력을 전기적 에너지로 변환하는 나노발전기의 구조에서, 유연기판과 고분자 화합물 간의 대응면적을 증가시킴에 따라 발전효율을 향상시킬 수 있는 나노발전기의 제조방법 및 그에 의해 제조된 나노발전기를 제공함에 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 나노발전기의 제조방법은, 일측면에 전극이 구비된 한 쌍의 유연기판을 준비하는 단계; 상기 한 쌍의 유연기판 중 적어도 어느 하나의 유연기판의 타측면에 플라즈마 처리, 열 처리, 자외선 조사 처리 중 어느 하나의 처리를 통해 요철부를 형성하는 단계; 상기 한 쌍의 유연기판 중 적어도 어느 하나의 유연기판의 타측면에 고분자 화합물층을 형성하는 단계; 및 상기 한 쌍의 유연기판의 타측면 사이에 상기 고분자 화합물층이 개재되도록 상기 한 쌍의 유연기판 및 상기 고분자 화합물층을 합착하는 단계;를 포함하여 구성된다.
바람직하게, 상기 요철부는, 10㎛×10㎛ 범위 면적에서 Ra=1㎚ ~ 100㎛의 거칠기를 갖도록 형성될 수 있다.
바람직하게, 상기 요철부는, 상기 한 쌍의 유연기판의 타측면에 각각 형성될 수 있다.
바람직하게, 상기 고분자 화합물층은, 상기 한 쌍의 유연기판의 타측면에 각각 형성될 수 있다.
바람직하게, 상기 플라즈마 처리는, O2, N2 , He, Ar, SiH4, NF3, CF4, N2O, Cl, BCl4, NH3으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종 이상의 가스로 처리할 수 있다.
바람직하게, 상기 열 처리는, 50℃ 내지 400℃에서 처리할 수 있다.
바람직하게, 상기 자외선 조사 처리는, 100㎚ 내지 400㎚의 파장을 갖는 자외선으로 처리할 수 있다.
바람직하게, 상기 한 쌍의 유연기판 및 상기 고분자 화합물층의 합착 시 열과 압력 중 적어도 어느 하나를 가할 수 있다.
바람직하게, 상기 한 쌍의 유연기판 및 상기 고분자 화합물층의 합착 시 가해지는 열의 온도는 5℃ 내지 400℃일 수 있다.
바람직하게, 상기 한 쌍의 유연기판 및 상기 고분자 화합물층의 합착 시 가해지는 압력의 크기는 0.01bar 내지 10bar일 수 있다.
바람직하게, 상기 유연기판은, 폴리에틸렌 테레프타레이트(PET, polyethylene terephthalate), 폴리다이메틸실록세인(PDMS, polydimethylsiloxane), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA, polymethyl methacrylate), 폴리우레탄(PUA, polyurethane), 폴리이미드(polyimide), SU-8 폴리머로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종을 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 전극은, ITO(indium tin oxide), IZO(indium zinc oxide), GZO(Ga-doped ZnO), 금 나노 와이어(Au nanowire), 은 나노 와이어(Ag nanowire), 은 페이스트(Ag paste), DMD(Dielectric/Metal/Dielectric), 그래핀(graphene), 탄소나노튜브(carbon nanotube), 전도성 폴리머로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종을 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 전극은, Fe, Ag, Au, Cu, Cr, W, Al, Mo, Zn, Ni, Pt, Pd, Co, In, Mn, Si, Ta, Ti, Sn, Pb, V, Ru, Ir, Zr, Rh 및 Mg로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종을 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 고분자 화합물층은, 폴리이미드(polyimide) 또는 폴리이미드를 포함하는 공중합체, 폴리아크릴산(polyacrylic acid) 또는 폴리아크릴산을 포함하는 공중합체, 폴리스티렌(polystyrene) 또는 폴리스티렌을 포함하는 공중합체, 폴리설파이트(polysulfite) 또는 폴리설파이트를 포함하는 공중합체, 폴리아믹산(polyamic acid) 또는 폴리아믹산을 포함하는 공중합체, 폴리아민(polyamine) 또는 폴리아민을 포함하는 공중합체, 폴리비닐 알콜(polyvinyl alcohol), 폴리 알릴아민(polyallylamine) 및 폴리아크릴산(polyacrylic acid), 폴리다이메틸실록세인(PDMS, polydimethylsiloxane), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA, polymethyl methacrylate), Su-8 폴리머, 폴리우레탄(PUA, polyurethane), Ormoclear로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종을 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 고분자 화합물층은, 바 코팅(bar coating)법, 스프레이 코팅(spray coating)법, 프린팅법, 닥터 블레이드 코팅(doctor blade coating)법, 슬롯다이코팅(slot die coating)법, 스핀코팅(spin coating)법, 드랍코팅(drop coating)법, 열 증착법, 전자선 증착법, 스퍼터링(sputtering)법 중 어느 하나의 방법으로 형성될 수 있다.
상술한 바와 같은 나노발전기의 제조방법에 의해 제조된 나노발전기가 개시된다.
상술한 바와 같은 본 발명은, 유연기판과 고분자 화합물 간의 마찰에 의해 발생하는 정전기력을 전기적 에너지로 변환하는 나노발전기의 구조에서, 유연기판과 고분자 화합물 간의 대응면적을 증가시킴에 따라 발전효율을 향상시킬 수 있다는 이점이 있다.
또한, 별도의 리소 그래피나 나노 임프린트 공정 없이 상기 유연기판의 표면에 플라즈마 처리, 열 처리, 자외선 조사 처리를 통해 유연기판과 고분자 화합물 간의 대응면적을 증가시키기 때문에 간단한 공정으로 발전효율이 높은 나노발전기를 제조할 수 있으므로 제조단가를 낮출 수 있다는 이점이 있다.
또한, 상기 유연기판의 표면에 플라즈마 처리, 열 처리, 자외선 조사 처리를 통해 유연기판과 고분자 화합물 간의 대응면적을 증가시키기 때문에 대면적화가 가능하고 공정시간이 크게 단축되는 이점이 있다.
또한, 대면적 처리가 가능한 플라즈마 처리, 열 처리, 자외선 조사 처리 등의 처리를 통해 요철부를 형성하기 때문에 대면적의 나노발전기를 구현할 수 있다는 이점이 있다.
도 1은 종래의 나노발전기의 단면구조를 도시한 단면도이다.
도 2는 종래의 다른 나노발전기의 제조과정을 도시한 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 나노발전기의 단면구조를 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 나노발전기를 제조하는 과정을 도시한 순서도이다.
도 5는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 나노발전기의 단면구조를 도시한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 일실시예에 따른 나노발전기를 제조하는 과정을 도시한 순서도이다.
도 7은 본 발명의 다른 일실시예에 따른 나노발전기의 단면구조를 도시한 단면도이다.
도 8은 본 발명의 다른 일실시예에 따른 나노발전기를 제조하는 과정을 도시한 순서도이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 나노발전기를 구성하는 PET 재질의 유연기판에 플라즈마 처리를 통해 요철을 형성한 것을 나타내는 SEM사진이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 나노발전기를 구성하는 PMMA 재질의 유연기판에 플라즈마 처리를 통해 요철을 형성한 것을 나타내는 SEM사진이다.
본 발명은 그 기술적 사상 또는 주요한 특징으로부터 벗어남이 없이 다른 여러가지 형태로 실시될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 모든 점에서 단순한 예시에 지나지 않으며 한정적으로 해석되어서는 안된다.
제1, 제2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다.
상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1구성요소는 제2구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2구성요소도 제1구성요소로 명명될 수 있다.
및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "구비하다", "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 발명의 일실시예에 따른 나노발전기는, 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 전극(100a), 상기 제1 전극(100a) 상에 형성된 제1 유연기판(200a), 상기 제1 유연기판(200a) 상에 형성된 고분자 화합물층(300), 상기 고분자 화합물층(300) 상에 형성된 제2 유연기판(200b), 상기 제2 유연기판(200b) 상에 형성된 제2 전극(300b)을 포함하여 구성되되, 상기 고분자 화합물층(300)과 마주하는 제1 유연기판(200a)의 대응면에는 요철부(A)가 형성된다.
한편, 본 발명의 다른 일실시예에 따른 나노발전기는, 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 전극(100a), 상기 제1 전극(100a) 상에 형성된 제1 유연기판(200a), 상기 제1 유연기판(200a) 상에 형성된 고분자 화합물층(300), 상기 고분자 화합물층(300) 상에 형성된 제2 유연기판(200b), 상기 제2 유연기판(200b) 상에 형성된 제2 전극(300b)을 포함하여 구성되되, 상기 고분자 화합물층(300)과 마주하는 제2 유연기판(200b)의 대응면에는 요철부(A)가 형성된다.
한편, 본 발명의 또다른 일실시예에 따른 나노발전기는, 도 7에 도시된 바와 같이, 제1 전극(100a), 상기 제1 전극(100a) 상에 형성된 제1 유연기판(200a), 상기 제1 유연기판(200a) 상에 형성된 고분자 화합물층(300), 상기 고분자 화합물층(300) 상에 형성된 제2 유연기판(200b), 상기 제2 유연기판(200b) 상에 형성된 제2 전극(300b)을 포함하여 구성되되, 상기 고분자 화합물층(300)과 마주하는 제1 유연기판(200a) 및 제2 유연기판(200b)의 대응면에 각각 요철부(A)가 형성된다.
먼저, 도 3 및 도 4를 참조하여, 본 발명의 일실시예에 따른 나노발전기의 제조방법에 대하여 설명하도록 한다.
본 발명의 일실시예에 따른 나노발전기의 제조방법은, 일측면에 제1 전극(100a)이 구비된 제1 유연기판(200a) 및 일측면에 제2 전극(100b)이 구비된 제2 유연기판(200b)을 각각 준비하는 준비단계; 상기 제1 유연기판(200a)의 타측면에 플라즈마 처리, 열 처리, 자외선 조사 처리 중 어느 하나의 처리를 통해 요철부(A)를 형성하는 요철부(A) 형성단계; 상기 제1 유연기판(200a)의 타측면에 고분자 화합물층(300)을 형성하는 고분자 화합물 형성단계; 및 상기 제1 유연기판(200a)의 타측면과 제2 유연기판(200b)의 타측면 사이에 상기 고분자 화합물층(300)이 개재되도록 상기 제1 유연기판(200a), 상기 고분자 화합물층(300), 상기 제2 유연기판(200b)이 적층된 상태로 합착하는 합착단계;를 포함하여 구성된다.
상기 준비단계에서, 상기 제 1 및 제2 유연기판(200a, 200b)은, 폴리에틸렌 테레프타레이트(PET, polyethylene terephthalate), 폴리다이메틸실록세인(PDMS, polydimethylsiloxane), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA, polymethyl methacrylate), 폴리우레탄(PUA, polyurethane), 폴리이미드(polyimide), SU-8 폴리머로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종을 포함하도록 이뤄질 수 있다.
한편, 상기 제 1 및 제2 전극(100a, 100b)은, ITO(indium tin oxide), IZO(indium zinc oxide), GZO(Ga-doped ZnO), 금 나노 와이어(Au nanowire), 은 나노 와이어(Ag nanowire), 은 페이스트(Ag paste), DMD(Dielectric/Metal/Dielectric), 그래핀(graphene), 탄소나노튜브(carbon nanotube), 전도성 폴리머로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종을 포함하도록 이뤄질 수 있다.
또한, 상기 제 1 및 제2 전극(100a, 100b)은, Fe, Ag, Au, Cu, Cr, W, Al, Mo, Zn, Ni, Pt, Pd, Co, In, Mn, Si, Ta, Ti, Sn, Pb, V, Ru, Ir, Zr, Rh 및 Mg로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종을 포함하도록 이뤄질 수도 있다.
상기 요철부(A) 형성단계에서, 상기 제1 유연기판(200a)의 타측면에 플라즈마 처리를 통해 요철부(A)를 형성하는 경우에, O2, N2 , He, Ar, SiH4, NF3, CF4, N2O, Cl, BCl4, NH3으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종 이상의 플라즈마 처리 가스로 사용할 수 있다.
구체적으로, 상기 제1 유연기판(200a)의 타측면에 플라즈마 처리를 하는 과정을 통해 요철부(A)를 형성할 수 있으며, 상기 요철부(A)가 형성되는 원리는 다음과 같다.
상기 제1 유연기판(200a)과 같은 고분자 폴리머 기판은 일반적으로 그 조직이 비정질 영역(amorphous region)과 결정질 영역(crystalline region)이 혼재되어 있는 구조를 갖으며, 이들 영역은 동일한 플라즈마 식각 조건하에서도 서로 다른 식각율을 갖는다.
즉, 상술한 비정질 영역은 결정질 영역보다 높은 수준의 경질 구조를 이루고, 이러한 경질의 차이는 플라즈마 식각에 따른 식각율 차이를 유발한다.
부연하자면 비정질(amorphous)은 고체 물질을 구성하는 원자, 분자, 라디칼 따위가 결정과 같은 규칙적인 배열을 이루지 못하고 무질서하게 분포되어 있는 상태를 가리키고, 이러한 상태는 고분자 물질 중에 주로 나타나며, 이들 영역의 크기는 대체로 수㎚ ~ 수십㎚ 범위에 있다.
이러한 점에 착안하여, 상기 제1 유연기판(200a)의 비정질 [0032] 영역(amorphous region)과 결정질 영역(crystalline region)의 식각율 차이를 이용하여 제1 유연기판(200a)에 요철부(A)를 형성하며, 플라즈마 식각 시간과 플라즈마 압력 중 적어도 하나를 조절하여 요철부(A)의 형상을 다양하게 조절할 수 있다.
한편, 플라즈마 처리 시간은 대략 1시간 정도가 바람직하다.
도 9는 PET 재질의 유연기판에 플라즈마 처리를 통해 요철을 형성한 것을 나타내는 SEM사진이이고, 도 10은 PMMA 재질의 유연기판에 플라즈마 처리를 통해 요철을 형성한 것을 나타내는 SEM사진이다.
한편, 상기 요철부(A) 형성단계에서, 상기 제1 유연기판(200a)의 타측면에 열 처리를 통해 요철부(A)를 형성하는 경우에, 상기 열 처리 온도는 50℃ 내지 400℃인 것이 바람직하다.
이는, 열 처리 온도가 50℃ 미만인 경우에는 요철부(A)의 형성이 원활하게 이뤄지지 못한 문제점이 발생하고, 열 처리 온도가 400℃ 초과인 경우에는 기판 자체에 열에 의한 데미지가 발생하는 문제점이 발생하기 때문이다.
한편, 상기 제1 유연기판(200a)의 타측면에 열 처리를 하는 과정을 통해 비정질 영역(amorphous region)과 결정질 영역(crystalline region)의 처리율 차이로 요철부(A)를 형성할 수 있다.
한편, 상기 요철부(A) 형성단계에서, 상기 제1 유연기판(200a)의 타측면에 자외선 조사 처리를 통해 요철부(A)를 형성하는 경우에, 조사되는 자외선의 파장은 흔히 사용되는 자외선 처리기의 파장 범위인 100㎚ 내지 400㎚의 파장을 갖는 것이 바람직하며, 처리시간은 대략 1시간 미만이 바람직하다.
상술한 바와 같이, 상기 제1 유연기판(200a)의 타측면에 플라즈마 처리, 열 처리, 자외선 조사 처리 중 어느 하나의 처리를 통해 요철부(A)를 형성할 수 있으며, 이때, 형성되는 요철부(A)의 거칠기는 10㎛×10㎛ 범위 면적에서 Ra=1㎚ ~ 100㎛의 거칠기를 갖도록 형성되는 것이 바람직하다.
이는, 10㎛×10㎛ 범위 면적에서 Ra=1㎚ ~ 100㎛의 거칠기를 벗어나는 경우에는 발전효율의 증가가 미미하다는 단점이 있기 때문이다.
상기 고분자 화합물 형성단계에서, 상기 고분자 화합물층(300)은, 폴리이미드(polyimide) 또는 폴리이미드를 포함하는 공중합체, 폴리아크릴산(polyacrylic acid) 또는 폴리아크릴산을 포함하는 공중합체, 폴리스티렌(polystyrene) 또는 폴리스티렌을 포함하는 공중합체, 폴리설파이트(polysulfite) 또는 폴리설파이트를 포함하는 공중합체, 폴리아믹산(polyamic acid) 또는 폴리아믹산을 포함하는 공중합체, 폴리아민(polyamine) 또는 폴리아민을 포함하는 공중합체, 폴리비닐 알콜(polyvinyl alcohol), 폴리 알릴아민(polyallylamine) 및 폴리아크릴산(polyacrylic acid), 폴리다이메틸실록세인(PDMS, polydimethylsiloxane), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA, polymethyl methacrylate), Su-8 폴리머, 폴리우레탄(PUA, polyurethane), Ormoclear(상품명)로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종을 포함하도록 이뤄질 수 있다.
한편, 상기 제1 유연기판(200a)의 타측면에 고분자 화합물층(300)을 형성하는 방법으로는, 바 코팅(bar coating)법, 스프레이 코팅(spray coating)법, 프린팅법, 닥터 블레이드 코팅(doctor blade coating)법, 슬롯다이코팅(slot die coating)법, 스핀코팅(spin coating)법, 드랍코팅(drop coating)법, 열 증착법, 전자선 증착법, 스퍼터링(sputtering)법 중 어느 하나의 방법으로 형성할 수 있다.
한편, 상기 고분자 화합물 형성단계에서, 상기 고분자 화합물은, 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이, 상기 제1 유연기판(200a) 상에만 형성되거나, 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이, 상기 제1 유연기판(200a)과 상기 제2 유연기판(200b) 상에 함께 형성될 수 있다.
상기 합착단계에서, 상기 제1 유연기판(200a), 상기 고분자 화합물층(300), 상기 제2 유연기판(200b)이 적층된 상태로 합착하는 중에 열과 압력 중 적어도 어느 하나를 가하여 합착의 효율을 높일 수 있다.
구체적으로, 상기 제1 유연기판(200a), 상기 고분자 화합물층(300), 상기 제2 유연기판(200b)의 합착 시 가해지는 열의 온도는 5℃ 내지 400℃인 것이 바람직하며, 이는, 열의 온도가 5℃ 미만인 경우에는 합착이 원활하게 이뤄지지 않는 문제점이 있고, 열의 온도가 400℃ 초과인 경우에는 기판 자체가 열에 의한 데미지로 손상될 수 있는 문제점이 있기 때문이다.
한편, 상기 제1 유연기판(200a), 상기 고분자 화합물층(300), 상기 제2 유연기판(200b)의 합착 시 가해지는 압력의 크기는 0.01bar 내지 10bar인 것이 바람직하며, 이는, 압력의 크기가 0.01bar 미만인 경우에는 합착효율의 증가가 미미한 문제점이 있고, 압력의 크기가 10bar 초과인 경우에는 기판에 데미지가 발생할 문제점이 있기 때문이다.
다음으로, 도 5 및 도 6를 참조하여, 본 발명의 다른 일실시예에 따른 나노발전기의 제조방법에 대하여 설명하도록 한다.
본 발명의 다른 일실시예에 따른 나노발전기의 제조방법은, 일측면에 제1 전극(100a)이 구비된 제1 유연기판(200a) 및 일측면에 제2 전극(100b)이 구비된 제2 유연기판(200b)을 각각 준비하는 준비단계; 상기 제2 유연기판(200b)의 타측면에 플라즈마 처리, 열 처리, 자외선 조사 처리 중 어느 하나의 처리를 통해 요철부(A)를 형성하는 요철부(A) 형성단계; 상기 제1 유연기판(200a)의 타측면에 고분자 화합물층(300)을 형성하는 고분자 화합물 형성단계; 및 상기 제1 유연기판(200a)의 타측면과 제2 유연기판(200b)의 타측면 사이에 상기 고분자 화합물층(300)이 개재되도록 상기 제1 유연기판(200a), 상기 고분자 화합물층(300), 상기 제2 유연기판(200b)이 적층된 상태로 합착하는 합착단계;를 포함하여 구성된다.
본 실시예의 제조방법은, 도 3 및 도 4에 도시된 실시예의 제조방법과 비교할 때 요철부(A)가 제2 유연기판(200b)에 형성된다는 점을 제외하고는 동일 내지 유사하므로 구체적인 설명은 생략하도록 한다.
다음으로, 도 7 및 도 8을 참조하여, 본 발명의 또다른 일실시예에 따른 나노발전기의 제조방법에 대하여 설명하도록 한다.
본 발명의 다른 일실시예에 따른 나노발전기의 제조방법은, 일측면에 제1 전극(100a)이 구비된 제1 유연기판(200a) 및 일측면에 제2 전극(100b)이 구비된 제2 유연기판(200b)을 각각 준비하는 준비단계; 상기 제1 유연기판(200a) 및 제2 유연기판(200b)의 타측면에 플라즈마 처리, 열 처리, 자외선 조사 처리 중 어느 하나의 처리를 통해 요철부(A)를 각각 형성하는 요철부(A) 형성단계; 상기 제1 유연기판(200a)의 타측면에 고분자 화합물층(300)을 형성하는 고분자 화합물 형성단계; 및 상기 제1 유연기판(200a)의 타측면과 제2 유연기판(200b)의 타측면 사이에 상기 고분자 화합물층(300)이 개재되도록 상기 제1 유연기판(200a), 상기 고분자 화합물층(300), 상기 제2 유연기판(200b)이 적층된 상태로 합착하는 합착단계;를 포함하여 구성된다.
본 실시예의 제조방법은, 도 3 및 도 4에 도시된 실시예의 제조방법과 비교할 때 요철부(A)가 제1 유연기판(200a) 및 제2 유연기판(200b)에 각각 형성된다는 점을 제외하고는 동일 내지 유사하므로 구체적인 설명은 생략하도록 한다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 중심으로 기술되었지만 당업자라면 이러한 기재로부터 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 많은 다양하고 자명한 변형이 가능하다는 것은 명백하다. 따라서 본 발명의 범주는 이러한 많은 변형예들을 포함하도록 기술된 특허청구범위에 의해서 해석돼야 한다.
100a:제1 전극
100b:제2 전극
200a:제1 유연기판
200b:제2 유연기판
300:고분자 화합물층
A:요철부

Claims (16)

  1. 일측면에 전극이 구비된 한 쌍의 유연기판을 준비하는 단계;
    상기 한 쌍의 유연기판 중 적어도 어느 하나의 유연기판의 타측면에 플라즈마 처리, 열 처리, 자외선 조사 처리 중 어느 하나의 처리를 통해 요철부를 형성하는 단계;
    상기 한 쌍의 유연기판 중 적어도 어느 하나의 유연기판의 타측면에 고분자 화합물층을 형성하는 단계; 및
    상기 한 쌍의 유연기판의 타측면 사이에 상기 고분자 화합물층이 개재되도록 상기 한 쌍의 유연기판 및 상기 고분자 화합물층을 합착하는 단계;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 나노발전기의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 요철부는,
    10㎛×10㎛ 범위 면적에서 Ra=1㎚ ~ 100㎛의 거칠기를 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 나노발전기의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 요철부는,
    상기 한 쌍의 유연기판의 타측면에 각각 형성되는 것을 특징으로 하는 나노발전기의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 고분자 화합물층은,
    상기 한 쌍의 유연기판의 타측면에 각각 형성되는 것을 특징으로 하는 나노발전기의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈마 처리는,
    O2, N2 , He, Ar, SiH4, NF3, CF4, N2O, Cl, BCl4, NH3으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종 이상의 가스로 처리하는 것을 특징으로 하는 나노발전기의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 열 처리는,
    50℃ 내지 400℃에서 처리하는 것을 특징으로 하는 나노발전기의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 자외선 조사 처리는,
    100㎚ 내지 400㎚의 파장을 갖는 자외선으로 처리하는 것을 특징으로 하는 나노발전기의 제조방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 한 쌍의 유연기판 및 상기 고분자 화합물층의 합착 시 열과 압력 중 적어도 어느 하나를 가하는 것을 특징으로 하는 나노발전기의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 한 쌍의 유연기판 및 상기 고분자 화합물층의 합착 시 가해지는 열의 온도는 5℃ 내지 400℃인 것을 특징으로 하는 나노발전기의 제조방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 한 쌍의 유연기판 및 상기 고분자 화합물층의 합착 시 가해지는 압력의 크기는 0.01bar 내지 10bar인 것을 특징으로 하는 나노발전기의 제조방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 유연기판은,
    폴리에틸렌 테레프타레이트(PET, polyethylene terephthalate), 폴리다이메틸실록세인(PDMS, polydimethylsiloxane), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA, polymethyl methacrylate), 폴리우레탄(PUA, polyurethane), 폴리이미드(polyimide), SU-8 폴리머로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노발전기의 제조방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 전극은,
    ITO(indium tin oxide), IZO(indium zinc oxide), GZO(Ga-doped ZnO), 금 나노 와이어(Au nanowire), 은 나노 와이어(Ag nanowire), 은 페이스트(Ag paste), DMD(Dielectric/Metal/Dielectric), 그래핀(graphene), 탄소나노튜브(carbon nanotube), 전도성 폴리머로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노발전기의 제조방법.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 전극은,
    Fe, Ag, Au, Cu, Cr, W, Al, Mo, Zn, Ni, Pt, Pd, Co, In, Mn, Si, Ta, Ti, Sn, Pb, V, Ru, Ir, Zr, Rh 및 Mg로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노발전기의 제조방법.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 고분자 화합물층은,
    폴리이미드(polyimide) 또는 폴리이미드를 포함하는 공중합체, 폴리아크릴산(polyacrylic acid) 또는 폴리아크릴산을 포함하는 공중합체, 폴리스티렌(polystyrene) 또는 폴리스티렌을 포함하는 공중합체, 폴리설파이트(polysulfite) 또는 폴리설파이트를 포함하는 공중합체, 폴리아믹산(polyamic acid) 또는 폴리아믹산을 포함하는 공중합체, 폴리아민(polyamine) 또는 폴리아민을 포함하는 공중합체, 폴리비닐 알콜(polyvinyl alcohol), 폴리 알릴아민(polyallylamine) 및 폴리아크릴산(polyacrylic acid), 폴리다이메틸실록세인(PDMS, polydimethylsiloxane), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA, polymethyl methacrylate), Su-8 폴리머, 폴리우레탄(PUA, polyurethane), Ormoclear로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노발전기의 제조방법.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 고분자 화합물층은,
    바 코팅(bar coating)법, 스프레이 코팅(spray coating)법, 프린팅법, 닥터 블레이드 코팅(doctor blade coating)법, 슬롯다이코팅(slot die coating)법, 스핀코팅(spin coating)법, 드랍코팅(drop coating)법, 열 증착법, 전자선 증착법, 스퍼터링(sputtering)법 중 어느 하나의 방법으로 형성되는 것을 특징으로 하는 나노발전기의 제조방법.
  16. 삭제
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