KR101538082B1 - 압전 및 마찰전기를 이용한 스펀지 구조의 소형 발전기 및 그 제조방법 - Google Patents

압전 및 마찰전기를 이용한 스펀지 구조의 소형 발전기 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 나노 크기의 고분자 구형 폴리스티렌(Polystyrene), PMMA(polymethyl methacrylate), Silica 등의 입자들과 PDMS(Polydimethylsiloxane) 등의 폴리머를 사용하여 스펀지 구조를 제작하고 상기 구조를 가지고 외부의 자극이나 응력에 의해 전류와 전압을 발생시키는 정전기를 이용하는 소형 발전기 및 그 제조방법을 제공하는 것을 그 목적으로 하고 있다.
이러한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 의한 압전 또는 마찰 전기를 이용하도록 구성된 스펀지 구조의 소형 발전기는, 제1 전극; 상기 제1 전극 상에 형성된 스펀지(sponge) 구조의 폴리머; 상기 스펀지 구조의 폴리머의 상부로부터 제2 전극을 일정 거리만큼 이격시키도록 구성된 절연성 스페이서; 및 상기 스펀지 구조의 폴리머의 상부로부터 일정 거리만큼 이격되어 형성된 제2 전극을 포함하여 이루어진다.

Description

압전 및 마찰전기를 이용한 스펀지 구조의 소형 발전기 및 그 제조방법 {Piezoelectric and Triboelectric Sponge-structured Generators and Their Fabrications for Energy Harvesting}
본 발명은 소형 발전기 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 특히 압전 및 마찰전기를 이용한 복수의 기공들을 포함하는 스펀지 구조의 소형 발전기 및 그 제조방법에 관한 것이다.
에너지 하베스팅 기술은 크게 태양광, 온도 변화 등을 에너지원으로 이용해서 전기를 생산하는 기술이다. 이들 기술은 공통적으로 에너지원이 불규칙하며 주변환경에 의해 에너지 효율이 크게 달라진다는 문제점이 있다. 예를 들어, 빛을 이용해 에너지를 하베스팅하는 방식의 문제점은 에너지 하베스팅 장치가 반드시 빛에 노출되어야 한다는 것이다. 건물 내부에 있을 경우에는 효율이 낮아지는 문제점을 가지고 있다. 열전(Thermoelectric) 재료를 이용해 에너지를 하베스팅하는 방식의 문제점은 에너지 하베스팅 장치의 안과 밖의 온도차가 커야만 효과를 볼 수 있다는 것이다. 그러나 실제로 그 온도차가 크지 않기 때문에 효율적으로 활용되지 못하고 있다.
이에 반해 정전기는 압전과 같이 인간의 움직임, 자동차의 엔진 등 주변의 모든 기계적인 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있다는 장점을 가지고 있으며, 특히, 최근 연구결과에 의하면 압전과 더불어 두 물질의 접촉에 의해 발생되는 마찰 전기를 이용하는 정전기 발전 소자는 고효율의 출력을 보여주고 있다. 그리고 압전을 이용한 에너지 수집과 더불어 고출력의 에너지를 수확할 수 있는 방식은 정전기를 이용하는 것이다.
일반적으로 정전기는 두 개의 서로 다른 물체가 접촉하였을 때 각각의 물질에서 전하들이 편극 되어 전하가 상대를 향하여 병행하는 전기 이중층을 형성하게 된다. 그 후 물체가 분리하게 되면 전지 이중 층의 전하 분리가 일어나 두 개의 물체에는 각각 극성이 다른 전하가 발생하며, 대부분의 물질에서 정전기의 효과를 볼 수 있기 때문에 정전기를 이용한 에너지 하베스팅은 물질적인 제한과 기존의 압전 소자에서의 출력보다 더 높은 값을 예상할 수 있다.
최근에는, 마찰전기 나노발전기가 정전기와 연계된 마찰전기 효과에 기초하여 주위의 기계학적 에너지를 하베스팅 하는 강력한 수단이 될 수 있음이 입증되어 왔다. 에너지 전환은 마찰전기성의 극성에 있어서 차이가 있는 두 물질 사이의 접촉에 의해 달성된다. 그러한 물질들에서 야기되는 스트레인은 없다. 이는 작은 스케일의 기계적 힘으로 고출력 발전기가 가능하도록 해 주며, 통상적인 압전물질의 적용을 제한하는 피로 파손이 없다. 디바이스 레벨에서의 에너지 전환 효율은 14.9%보다 높은 것으로 보고되었다. 이러한 마찰전기 발전기를 제조하는 것은 비율-효율적일 뿐만 아니라 용이하다. 일반적으로, 구조화된 필름들은, 평면 필름들에 비해 접촉 영역에서의 증가로 인해 높은 출력 파워를 생산한다. 하지만, 이러한 마찰전기 발전기의 대부분은 정교한 설계를 요구한다. 나노입자와 나노와이어-기반 발전기는 또한 큰 인가력 하에서 품질저하되거나 변형될 가능성이 높다. 나아가, 습기는 바람직하지 않은데 이는 "스웨트 레이어(sweat layers)" 기능을 갖는 반정전기 물질을 만들 뿐만 아니라 모든 물질에 대한 마찰전기 대전(charging)에서의 감소를 유도하기 때문이다.
따라서, 본 발명은 나노 크기의 고분자 구형 폴리스티렌(Polystyrene), PMMA(polymethyl methacrylate), Silica 등의 입자들과 PDMS(Polydimethylsiloxane) 등의 폴리머를 사용하여 기존과는 다른 새로운 구조인 스펀지 구조를 제작하고 상기 구조를 가지고 외부의 자극이나 응력에 의해 전류와 전압을 발생시키는 소형 발전기 및 그 제조방법을 제공하는 것을 그 목적으로 하고 있다.
이러한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 의한 압전 또는 마찰 전기를 이용하도록 구성된 스펀지 구조의 소형 발전기는, 제1 전극; 상기 제1 전극 상에 형성된 스펀지(sponge) 구조의 폴리머; 상기 스펀지 구조의 폴리머의 상부로부터 제2 전극을 일정 거리만큼 이격시키도록 구성된 절연성 스페이서; 및 상기 스펀지 구조의 폴리머의 상부로부터 일정 거리만큼 이격되어 형성된 제2 전극을 포함하여 이루어진다.
상기 스펀지 구조를 가지는 폴리머는 그 내부에 복수의 기공을 포함하고, 상기 기공의 크기에 따라 외부에서 작용하는 자극이나 하중에 의해 발생하는 전류 또는 전압의 차이가 발생하는 것을 특징으로 한다.
상기 복수의 기공 내부에 나노 입자가 위치되며, 상기 나노 입자의 기공 내 움직임에 의하여 발생하는 마찰 전기 에너지를 회수하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 스펀지 구조를 가지는 폴리머는 유기 폴리머 및 무기 폴리머로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 물질인 것을 특징으로 하며, PVDF 또는 PDMS 물질인 것이 바람직하다.
한편, 앞서 언급한 기술적 과제를 달성하기 위한 또 다른 본 발명에 의한 압전 또는 마찰 전기를 이용하도록 구성된 스펀지 구조의 소형 발전기 제조방법은, (a) 기판을 준비하는 단계; (b) 상기 기판 상에 구형 입자들과 폴리머를 포함하는 구조를 형성시키는 단계; (c) 상기 구형 입자들과 폴리머를 포함하는 구조를 상기 기판으로부터 분리시키는 단계; (d) 상기 구형 입자들과 폴리머를 포함하는 구조에서 상기 구형 입자들을 제거하여 스펀지 구조의 폴리머를 형성시키는 단계; (e) 상기 스펀지 구조의 폴리머 상에 제1 전극을 형성시키는 단계; 및 (f) 상기 제1 전극이 형성된 스펀지 구조의 폴리머로부터 일정 거리 이격된 위치에 하부 전극을 형성시키는 단계를 포함하여 이루어진다.
또한 이에 대한 대안적 제조방법으로서, (a) 고체상의 구형 입자들과 액체상의 폴리머를 혼합하는 단계; (b) 상기 구형 입자들과 폴리머를 포함하는 구조에서 상기 구형 입자들을 제거하여 스펀지 구조의 폴리머를 형성시키는 단계; (c) 상기 스펀지 구조의 폴리머 상에 제1 전극을 형성시키는 단계; 및 (d) 상기 제1 전극이 형성된 스펀지 구조의 폴리머로부터 일정 거리 이격된 위치에 하부 전극을 형성시키는 단계를 포함하여 이루어진다.
그리고, 이에 대한 또 다른 대안적 제조방법으로서, (a) 고체상의 구형 입자들과 액체상의 폴리머를 혼합하는 단계; (b) 상기 구형 입자들과 폴리머를 포함하는 구조에 대한 가열 및 냉각 열처리를 통해 수축된 상기 구형 입자들이 폴리머에 형성된 기공 내부에 존재하도록 복수의 기공을 포함하는 스펀지 구조의 폴리머를 형성하는 단계; (c) 상기 스펀지 구조의 폴리머 상에 제1 전극을 형성하는 단계; 및 (d) 상기 제1 전극이 형성된 스펀지 구조의 폴리머로부터 일정 거리 이격된 위치에 하부 전극을 형성하는 단계를 포함하여 이루어진다.
상기 구형 입자들은 폴리스티렌 물질로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 상기 기판 상에 구형의 폴리스티렌 입자들을 형성시키는 단계를 더 포함한다.
상기 기판 상에 폴리스티렌 입자들을 형성시키는 단계는, 상기 폴리스티렌 입자들을 액체와 혼합하는 단계; 및 상기 혼합체 중 액체를 상온에서 건조시켜 상기 폴리스티렌 입자들만을 상기 기판 상에 남기는 단계를 포함한다.
상기 기판 상에 구형 입자들과 폴리머를 포함하는 구조를 형성시키는 단계는, 유기 폴리머 또는 무기 폴리머로 이루어진 폴리머 용액으로 스핀 코팅을 통해 균일한 층을 적층하는 단계; 진공상태를 유지하여 상기 폴리스티렌 입자들 사이에 폴리머 용액이 침투할 수 있게 하는 단계; 및 상기 기판 상의 액체상태의 폴리머를 고체상태의 폴리스티렌 입자들과 폴리머를 가지는 구조로 형성시키기 위해 열처리하는 단계를 포함한다.
상기 구형 입자들을 제거하여 스펀지 구조의 폴리머를 형성시키는 단계는, 아세톤(acetone)이나 톨루엔(toluene) 용액을 이용하여 상기 구형의 폴리스티렌 입자들을 제거하는 단계를 포함한다.
이러한 본 발명에 의한 스펀지 구조의 소형 발전기 및 그 제조방법으로 인해, 기존 대비 높은 전압/전류 출력이 가능할 뿐만 아니라 습도 등의 외부 환경에도 견실한 소형발전기 및 이의 소형화가 가능하고, 에너지 수집에 따른 비용발생을 현저하게 절감시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1a는 본 발명에 따른 스펀지(sponge) 구조의 소형 발전기의 사시도이고, 도 1b는 본 발명에 따른 스펀지 구조의 소형 발전기의 단면도이며,
도 2a는 압전 전기를 이용하기 위하여 PVDF와 같은 압전 전기 물질을 사용한 스펀지 구조의 소형 발전기를 나타내며, 도 2b 및 2c는 마찰 전기를 이용하기 위하여 PDMS와 같은 마찰 전기 물질을 사용한 스펀지 구조의 소형 발전기를 나타내며,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 스펀지 구조의 소형 발전기 제조방법 중 "인버스 오팔 방법"에 따른 공정도를 나타내고,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 스펀지 구조의 소형 발전기 제조방법 중 "혼합 및 제거 방법"에 따른 공정도를 나타내며, 또한,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 스펀지 구조의 소형 발전기 제조방법 중 "열팽창 방법"에 따른 공정도를 나타낸다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
스펀지 구조를 갖는 발전기 구조체
도 1a는 본 발명에 따른 스펀지(sponge) 구조의 소형 발전기의 사시도이고, 도 1b는 본 발명에 따른 스펀지 구조의 소형 발전기의 단면도이다.
도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 스펀지 구조의 소형 발전기(100)는 하부 기판, 하부 기판 상에 형성된 하부전극(제2 전극; 10), 상부 기판, 상부 기판 상에 형성된 상부 전극(제1 전극; 20), 상부 전극에 형성된 스펀지 구조의 고분자 폴리머(30)를 포함한다.
본 발명에 따른 스펀지 구조의 소형 발전기의 폴리스티렌 입자들을 형성하게 되는 기판(도 3 참조)은 실리콘 옥사이드(SiO2) 기판, 유리 기판, 폴리에스테르(PET), 폴리에스테르설폰(PES) 등과 같은 유연한 기판일 수도 있으며, 반드시 이에 한정되지 않는다.
상부 기판에 형성되는 상부 전극(20)은 스펀지 구조상에 구비될 수 있으며, Al, Ni, Cr, Pt, Au, ITO 또는 탄소 계열 전극 (그래핀, 탄소 나노 튜브, 저온처리, 무정형, 및 흑연 재료 등) 중 적어도 하나를 포함하는 하나의 층 또는 복수의 층으로 이루어질 수 있다.
스펀지 구조의 폴리머(30)는 상기 상부 전극(20) 상에 형성되어, 외부 자극이나 하중에 의해 압전(piezoelectrics) 또는 마찰전기(triboelectrics)와 같은 전류 및 전압을 발생시킨다.
또한, 상기 스펀지 구조의 폴리머(30)는 복수의 중공/기공(pore)을 포함하는 구조로 이루어지고, 스펀지 구조를 갖기 위한 이러한 기공은 후술되는 바와 같이 폴리스티렌 입자의 크기에 의해 그 크기가 결정되며, 대체로 0.1um 내지 10um 크기의 구형으로 이루어진다. 출력 전압과 전류는 이러한 기공 크기의 감소와 함께 증가한다.
여기서, 상기 스펀지 구조의 폴리머(30)는 유기 폴리머(organic polymer: PMMA, PET, PEEK, PS, PE, COC) 또는 무기 폴리머(inorganic polymer: PDMS, ORMOCER) 등으로 이루어진 재질의 그룹으로부터 선택될 수 있는데, 이용하고자 하는 전기 타입들, 즉 압전 전기를 이용하고자 할 경우에는 가령 PVDF와 같은 물질이 선택될 수 있으며, 마찰 전기를 이용하고 할 경우에는 가령 PDMS와 같은 물질이 선택될 수 있다. 아래 표 1은 마찰 전기 물질을 예시적으로 나타내며 필요에 따라 취사선택 사용될 수 있다.
[표 1]
Figure 112014007720904-pat00001

동일한 기계적 스트레스 하에서, 이러한 스펀지 구조는 평면 필름보다 더 얇은 구조를 갖게 되어 상대적인 캐퍼시턴스가 증가하게 된다. 나아가 다양한 범위의 습한 환경 하에서도 매우 높고 안정된 출력 성능을 발휘하게 된다.
이러한 스펀지 구조의 폴리머에는 나노압입(nanoindentation)이 추가적으로 수행될 수 있으며, 이 경우에는 약 30% 이상만큼의 탄성률(elastic moduli)이 감소함을 보이므로, 스펀지 구조가 더 가요성 있게 되고 동시에 외부 기계적 힘이 인가될 경우 마이크로/나노 구조 접촉영역이 증가하게 된다.
또한, 나노압입에 대한 추가/대안적으로 스펀지 구조 폴리머에 대해서 테프론(Teflon) 코팅이 수행될 수도 있다.
제1 전극(20)을 가지는 스펀지 구조를 가지는 폴리머(30)는 일정 거리를 유지하며 형성된 제2 전극(10)을 포함한다. 이러한 일정 거리의 유지는 절연 폴리머(insulation polymer) 재질의 스페이서(spacer; 40)에 의해 가능하게 된다. 상기 스페이서(40)는 양면에 접착층을 갖는 상태에서 상기 스펀지 구조체 상에 적층된다. 또 다른 전극인 제2 전극이 하부 전극 및 PDMS와는 반대의 마찰전기 극성을 갖는 마찰전기 재료로 사용된다. 마찬가지로, 상기 하부 전극은 Al, Ni, Cr, Pt, Au, ITO 또는 탄소 계열 전극 (그래핀, 탄소 나노 튜브, 저온처리, 무정형, 및 흑연 재료 등) 중 적어도 하나를 포함하는 하나의 층 또는 복수의 층으로 이루어질 수 있다. 한편, 스펀지 구조를 가지는 폴리머와 하부 전극과의 일정 거리는 정전기를 이용한 스펀지 구조의 소형 발전기에 압력 및 외부 자극이 적용될 때, 생성되는 출력에 큰 영향을 미친다.
이러한 기본적인 구조를 이용하여 다음과 같은 3가지의 소형 발전기 구조에 대한 실시예를 제안한다.
도 2a에 도시된 소형 발전기는 압전 전기를 이용하기 위하여 PVDF와 같은 압전 전기 물질을 사용한 스펀지 구조의 소형 발전기를 나타내며, 도 2b 및 2c에 도시된 소형 발전기는 마찰 전기를 이용하기 위하여 PDMS와 같은 마찰 전기 물질을 사용한 스펀지 구조의 소형 발전기를 나타낸다.
특히, 도 2c에 도시된 스펀지 구조체는 스펀지 구조의 폴리머 내부에 형성된 복수의 기공 내부에 금속(Au, Cu, Ag, Al, Ni, Pt 등) 및 무기물(BaTiO3, ZnO, TiO2, Pb(ZrTi)O3, ZnSnO3, (KNa)NbO3, Bi(NaK)TiO3 등)의 나노 입자들(nanoparticles)이 위치되고 이러한 입자들의 움직임에 의해 발생되는 마찰 전기 에너지를 회수하도록 구성된다.
스펀지 구조를 갖는 발전기 구조체 제조방법
이하에서, 도 3 내지 도 5를 참조하여, 상술한 구성을 포함하는 본 발명에 따른 스펀지 구조의 소형 발전기 제조방법에 대하여 설명한다. 기본적으로 이러한 발전기 중 스펀지 구조는 크게 다음 3가지 방법, 즉 ⅰ) 인버스 오팔(inverse opal), ⅱ) 혼합과 제거(mixing and removing) 및 ⅲ) 열 팽창법(thermal expansion)의 실시예들에 따라 제조될 수 있으며, 스펀지 구조를 제작하는 방법에는, 구형입자 템플릿을 이용하는 기술, 열처리 시에 열팽창을 이용하는 기술, 다공성 알루미나 마스크 (porous alumina mask)를 이용한 AAO (anodic aluminum oxide) 기술 및 용매 증발을 이용한 용액증발법 (solution evaporation method) 등이 포함된다.
도 3은 본 발명에 따른 정전기를 이용한 스펀지 구조의 소형 발전기 제조방법 중 "인버스 오팔 방법"에 따른 공정도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 먼저 기판을 준비하는 단계를 수행한다. 상술한 바와 같이, 상기 기판은 실리콘 옥사이드(SiO2) 기판, 유리 기판, 폴리에스테르(PET), 폴리에스테르설폰(PES) 등과 같은 유연한 기판 등이 해당된다.
상기 기판 상에 액체와 혼합되어있는 0.1um 내지 10um 크기의 폴리스티렌 입자들을 배열시키는 단계를 수행한다. 이때, 폴리스티렌 입자들(가령, 2.6 wt%, Polyscience, Warrington, USA)은 액체와 혼합되어 있기 때문에, 대기 중에 건조시키는 과정을 통해 이 액체들을 제거하고 폴리스티렌 입자들을 배열시킬 수 있다.
그 후, 액체가 제거되고 폴리스티렌 입자들이 배열된 기판 상에 액체 상태의 폴리머를 채워 넣는 단계를 수행한다. 이때, 상기 폴리머는 유기 폴리머(organic polymer : PMMA, PET, PEEK, PS, PE, COC) 또는 무기 폴리머(inorganic polymer : PDMS, ORMOCER) 등으로 이루어질 수 있으며, 스핀 코팅 등의 방법을 통해 균일한 층을 적층할 수 있고, 진공상태를 유지하여 폴리스티렌 입자들 사이에 폴리머 용액이 침투될 수 있도록 할 수 있다.
상기 기판 상의 액체상태의 폴리머는 약 90℃에서의 열처리를 통해 유연한 고체상태의 폴리스티렌 입자들과 폴리머를 가지고 있는 구조로 제조될 수 있다.
상기 기판 상의 폴리스티렌 입자들과 폴리머를 가지고 있는 구조에 대해 기계적인 힘을 작용하여 상기 구조물을 상기 기판에서 분리하는 단계를 수행한다.
상기 기판 상에서 분리된 폴리스티렌 입자들과 폴리머를 가진 구조는 아세톤(Acetone)이나 톨루엔(toluene) 용액 등을 이용하여 입자 제거 단계를 거치게 된다. 여기서, 아세톤이나 톨루엔 용액을 이용하여 폴리스티렌 입자들을 제거하는 단계는 그 입자의 완벽한 제거를 위하여 가령 대략 8시간에서 24시간에 걸쳐 수행되고 이 단계를 통하여 스펀지 구조를 가지는 폴리머가 제작될 수 있다.
그 후, 스펀지 구조를 가지는 폴리머 상에 상부 전극을 부착하는 단계를 수행하게 된다. 이때, 상기 상부 전극은 스펀지 구조상에 구비될 수 있으며, Al, Ni, Cr, Pt, Au, ITO 또는 탄소 계열 전극 (그래핀, 탄소 나노 튜브, 저온처리, 무정형, 및 흑연 재료 등) 중 적어도 하나를 포함하는 하나의 층 또는 복수의 층으로 이루어질 수 있다. 가령, 스펀지 구조의 폴리머의 일측 상에 캡톤(Kapton) 필름이 부착된 후, 캡톤 필름의 반대측 상에 Al 전극이 부착되는데, 이는 상부 전극(제1 전극)의 기능을 수행한다.
마지막으로, 상기 상부 전극을 가지는 스펀지 구조를 가지는 폴리머는 일정 거리를 유지하여 하부 전극을 부착하는 단계를 거치게 된다. 이러한 일정 거리의 유지는 절연 폴리머(insulation polymer) 재질의 스페이서(spacer)에 의해 가능하게 된다. 상기 스페이서는 양면에 접착층을 갖는 상태에서 상기 스펀지 구조체 상에 적층된다. 또 다른 전극인 제2 전극이 하부 전극 및 PDMS와는 반대의 마찰전기 극성을 갖는 마찰전기 재료로 사용된다. 마찬가지로, 상기 하부 전극은 Al, Ni, Cr, Pt, Au, ITO 또는 탄소 계열 전극 (그래핀, 탄소 나노 튜브, 저온처리, 무정형, 및 흑연 재료 등) 중 적어도 하나를 포함하는 하나의 층 또는 복수의 층으로 이루어질 수 있다. 한편, 스펀지 구조를 가지는 폴리머와 하부 전극과의 일정 거리는 정전기를 이용한 스펀지 구조의 소형 발전기에 압력 및 외부 자극이 적용될 때, 생성되는 출력에 큰 영향을 미친다.
도 4는 본 발명에 따른 스펀지 구조의 소형 발전기 제조방법 중 "혼합 및 제거 방법"에 따른 공정도를 나타낸다.
이러한 혼합 및 제거 방법은 앞서 설명한 인버스 오팔 공정에 있어서, 스펀지 구조물을 제조하는 방법에 대응 및 대체되는 방법으로서, 도 4에 도시된 바와 같이, 가령 PDMS 용액과 구형의 폴리스티렌 비즈를 함께 혼합한 후 이러한 혼합물 중 폴리스티렌 비즈만을 제거함에 의하여 스펀지 구조를 갖는 폴리머가 생성될 수 있다.
도 5는 이러한 스펀지 구조의 소형 발전기 제조방법 중 "열팽창 방법"에 따른 공정도를 나타낸다. 주의할 점은, 동 도면에 도시된 방법은 도 2c에 도시된 스펀지 구조체를 형성하기 위한 것으로서, 스펀지 구조의 폴리머 내부의 복수 기공 내부에 나노입자들이 위치된다는 점에서 앞서 설명된 방법들과는 차이가 있으며, 이러한 내부 나노입자들의 움직임에 의해 발생되는 마찰 전기 에너지를 회수하기 위한 구조이다.
즉, 도 5에 도시된 바와 같이, 먼저 압전 물질 또는 마찰전기 물질과 비드 상의 구형 물질을 혼합한 후, 이들을 함께 가열한 후 바로 냉각시키게 되면 두 물질 사이의 열 팽창 계수의 차이로 인해 기공 내에 비드 상의 나노입자가 위치될 수 있게 된다.
이와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100 스펀지 구조의 소형 발전기
10 하부전극(제2 전극) 20 상부전극(제1 전극)
30 스펀지 구조의 폴리머 40 스페이서

Claims (15)

  1. 압전 또는 마찰 전기를 이용하도록 구성된 스펀지 구조의 소형 발전기에 있어서,
    제1 전극;
    상기 제1 전극 상에 형성된 스펀지(sponge) 구조의 폴리머;
    상기 스펀지 구조의 폴리머의 상부로부터 제2 전극을 일정 거리만큼 이격시키도록 구성된 절연성 스페이서;
    상기 스펀지 구조의 폴리머의 상부로부터 일정 거리만큼 이격되어 형성된 제2 전극을 포함하여 이루어지는 스펀지 구조의 소형 발전기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극 및 제2 전극은 Al, Ni, Cr, Pt, Au, ITO, 및 '그래핀, 탄소 나노 튜브, 저온처리, 무정형 및 흑연 재료 중 적어도 하나를 포함하는 탄소 계열 전극' 중 적어도 하나를 포함하는 하나의 층 또는 복수의 층으로 구성된 스펀지 구조의 소형 발전기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 스펀지 구조를 가지는 폴리머는 그 내부에 복수의 기공을 포함하고, 상기 기공의 크기에 따라 외부에서 작용하는 자극이나 하중에 의해 발생하는 전류 또는 전압의 차이가 발생하는 것을 특징으로 하는 스펀지 구조의 소형 발전기.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 기공 내부에 금속 및 무기물의 나노 입자가 위치되며, 상기 나노 입자의 기공 내 움직임에 의하여 발생하는 마찰 전기 에너지를 회수하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 스펀지 구조의 소형 발전기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 스펀지 구조를 가지는 폴리머는 유기 폴리머(organic polymer) 또는 무기 폴리머(inorganic polymer) 물질이며, 상기 유기 폴리머는 PMMA, PET, PEEK, PS, PE, COC 중 적어도 어느 하나를 포함하며, 상기 무기 폴리머는 PDMS, ORMOCER 중 적어도 어느 하나를 포함하는 스펀지 구조의 소형 발전기.
  6. 압전 또는 마찰 전기를 이용하도록 구성된 스펀지 구조의 소형 발전기 제조방법에 있어서,
    (a) 기판을 준비하는 단계;
    (b) 상기 기판 상에 구형 입자들과 폴리머를 포함하는 구조를 형성시키는 단계;
    (c) 상기 구형 입자들과 폴리머를 포함하는 구조를 상기 기판으로부터 분리시키는 단계;
    (d) 상기 구형 입자들과 폴리머를 포함하는 구조에서 상기 구형 입자들을 제거하여 스펀지 구조의 폴리머를 형성시키는 단계;
    (e) 상기 스펀지 구조상에 스페이서를 적층시키는 단계;
    (f) 상기 스펀지 구조의 폴리머 상에 제1 전극을 형성시키는 단계; 및
    (g) 상기 제1 전극이 형성된 스펀지 구조의 폴리머로부터 일정 거리 이격된 위치에 하부 전극을 형성시키는 단계;를 포함하되,
    상기 구형 입자들은 폴리스티렌 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 스펀지 구조의 소형 발전기 제조 방법.
  7. 압전 또는 마찰 전기를 이용하도록 구성된 스펀지 구조의 소형 발전기 제조방법에 있어서,
    (a) 고체상의 구형 입자들과 액체상의 폴리머를 혼합하는 단계;
    (b) 상기 구형 입자들과 폴리머를 포함하는 구조에서 상기 구형 입자들을 제거하여 스펀지 구조의 폴리머를 형성시키는 단계;
    (c) 상기 스펀지 구조상에 스페이서를 적층시키는 단계;
    (d) 상기 스펀지 구조의 폴리머 상에 제1 전극을 형성시키는 단계; 및
    (e) 상기 제1 전극이 형성된 스펀지 구조의 폴리머로부터 일정 거리 이격된 위치에 하부 전극을 형성시키는 단계;를 포함하되,
    상기 구형 입자들은 폴리스티렌 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 스펀지 구조의 소형 발전기 제조 방법.
  8. 압전 또는 마찰 전기를 이용하도록 구성된 스펀지 구조의 소형 발전기 제조방법에 있어서,
    (a) 고체상의 구형 입자들과 액체상의 폴리머를 혼합하는 단계;
    (b) 상기 구형 입자들과 폴리머를 포함하는 구조에 대한 가열 및 냉각 열처리를 통해 수축된 상기 구형 입자들이 폴리머에 형성된 기공 내부에 존재하도록 복수의 기공을 포함하는 스펀지 구조의 폴리머를 형성하는 단계;
    (c) 상기 스펀지 구조상에 스페이서를 적층시키는 단계;
    (d) 상기 스펀지 구조의 폴리머 상에 제1 전극을 형성하는 단계; 및
    (e) 상기 제1 전극이 형성된 스펀지 구조의 폴리머로부터 일정 거리 이격된 위치에 하부 전극을 형성하는 단계;를 포함하되,
    상기 구형 입자들은 폴리스티렌 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 스펀지 구조의 소형 발전기 제조 방법.
  9. 삭제
  10. 제8항에 있어서,
    상기 (a) 단계와 (b) 단계 사이에, 기판 상에 구형의 입자들을 형성시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스펀지 구조의 소형 발전기 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 기판 상에 구형 입자들을 형성시키는 단계는,
    상기 구형 입자들을 액체와 혼합하는 단계; 및
    상기 구형 입자들과 액체의 혼합체 중 액체를 상온에서 건조시켜 상기 구형 입자들만을 상기 기판 상에 남기는 단계
    를 포함하는 스펀지 구조의 소형 발전기 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 기판 상에 구형 입자들과 폴리머를 포함하는 구조를 형성시키는 단계는,
    유기 폴리머 또는 무기 폴리머로 이루어진 폴리머 용액으로 스핀 코팅을 통해 균일한 층을 적층하는 단계;
    진공상태를 유지하여 폴리스티렌 입자들 사이에 폴리머 용액이 침투할 수 있게 하는 단계; 및
    상기 기판 상의 액체상태의 폴리머를 고체상태의 구형 입자들과 폴리머를 가지는 구조로 형성시키기 위해 열처리하는 단계;
    를 포함하는 스펀지 구조의 소형 발전기 제조 방법.
  13. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 구형 입자들을 제거하여 스펀지 구조의 폴리머를 형성시키는 단계는, 아세톤(acetone)이나 톨루엔(toluene) 용액을 이용하여 구형의 폴리스티렌 및 구형 입자들을 선택적으로 제거하는 단계를 포함하는 스펀지 구조의 소형 발전기 제조 방법.
  14. 제6항에 있어서,
    상기 스펀지 구조의 폴리머를 형성하는 방법은, 구형입자 템플릿을 이용하는 기술, 열처리 시에 열팽창을 이용하는 기술, 다공성 알루미나 마스크(porous alumina mask)를 이용한 AAO(anodic aluminum oxide) 기술 및 용매 증발을 이용한 용액증발법 (solution evaporation method) 중 어느 하나를 포함하는 스펀지 구조의 소형 발전기 제조 방법.
  15. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스펀지 구조의 폴리머는 테프론 및 소수성 물질 코팅 처리된 것을 특징으로 하는 스펀지 구조의 소형 발전기 제조 방법.
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