KR101544325B1 - 형상기억폴리머를 이용한 자가 회복 에너지 발전 소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 형상기억폴리머를 이용한 자가 회복 에너지 발전 소자는 제1 전극, 제1 전극 상에 형상기억 고분자로 형성되고, 표면에 미세 돌출 패턴이 형성된 형상기억 마찰층, 형상기억 마찰층과 이격되어 배치된 제2 전극 및 제2 전극 상에 형성되어 형상기억 마찰층과 마주하는 대향 마찰층을 포함한다.
Description
본 발명은 형상기억폴리머를 이용한 자가 회복 에너지 발전 소자에 관한 것으로서, 마찰에 의한 정전기를 전기 에너지로 변환하여 전력을 생산하는 형상기억폴리머를 이용한 자가 회복 에너지 발전 소자에 관한 것이다.
일반적으로, 정전기를 전기 에너지로 변환하여 전력을 생산하는 에너지 발전 소자는 마찰에 의해 정전기를 형성하기 위해서 마찰 부재를 포함한다. 마찰 부재를 접촉시키거나, 슬라이딩시키는 등의 방법으로 마찰을 유발함으로서 서로 다른 극으로 대전된 전하에 의해서 전압이 형성되며 전류가 생성된다.
마찰 표면적을 증가시킬수록 에너지 발전 소자가 생산할 수 있는 전력이 증가하므로, 마찰 부재의 표면에는 나노 크기 또는 마이크로 크기의 다수의 유닛들로 구성된 미세 패턴을 형성한다. 그러나 상기와 같은 미세 패턴이 형성된 마찰 부재가 지속적으로 마찰됨에 따라 미세 패턴이 무너져서 에너지 발전 소자의 효율이 저하되는 문제가 있다.
에너지 발전 소자에서, 마찰 부재는 폴리머와 같은 유기 재료로 형성된 고분자 시트를 이용하는데, 고분자 시트에는 미세 패턴을 용이하게 만들 수 있는 반면, 광, 수분 등에 의해 화학적으로 또는 마찰에 의해 기계적으로 열화(degradation) 현상이 더 쉽고 크게 일어난다. 특히, 미세 패턴이 없는 경우에 비해, 고분자 시트에 미세 패턴이 형성된 경우에는 기계적인 열화 현상이 더 크게 일어남에 따라 미세 패턴이 더욱 쉽게 무너지는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 기계적으로 열화되는 것을 방지하여 반영구적으로 이용 가능한 형상기억폴리머를 이용한 자가 회복 에너지 발전 소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적을 해결하기 위한 형상기억폴리머를 이용한 자가 회복 에너지 발전 소자는 제1 전극, 상기 제1 전극 상에 형상기억 고분자로 형성되고, 표면에 미세 돌출 패턴이 형성된 형상기억 마찰층, 상기 형상기억 마찰층과 이격되어 배치된 제2 전극 및 상기 제2 전극 상에 형성되어 상기 형상기억 마찰층과 마주하는 대향 마찰층을 포함한다.
일 실시예에서, 상기 미세 돌출 패턴의 형상이 변형되는 경우, 상기 형상기억 마찰층을 가열 및 냉각시켜 상기 미세 돌출 패턴의 형상을 초기의 형상으로 복원시킬 수 있다.
일 실시예에서, 상기 형상기억 고분자는 폴리알킬렌계 화합물, 폴리우레탄계 화합물, 에폭시계 화합물 또는 폴리노보넨계 화합물을 포함할 수 있다. 이때, 상기 형상기억 마찰층은 알루미나, 실리카, 실리콘카바이드, 질화알루미늄, 질화붕소, 탄소나노튜브, 산화철, 흑연 및 탄소나노섬유로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 충전제(piller)를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 형상기억 고분자는 블록 공중합체를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 블록 공중합체는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET)-폴리에틸렌옥사이드(polyethyleneoxide, PEO) 블록 공중합체, 폴리스티렌(polystyrene, PS)-폴리(1,4-부타디엔)(poly(1,4-butadiene)) 블록 공중합체 및/또는 폴리(2-메틸-2-옥사졸린)(poly(2-methyl-2-oxazoline))과 폴리테트라하이드로퓨란(polytetrahydrofuran)으로부터 제조된 ABA 3블록 공중합체를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 미세 돌출 패턴은 피라미드형, 원통형, 육면체형 또는 반구형일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 자가 회복 에너지 발전 소자는 상기 형상기억 마찰층과 상기 대향 마찰층을 이격시키는 스페이서 부재를 더 포함할 수 있다.
상기에서 설명한 형상기억폴리머를 이용한 자가 회복 에너지 발전 소자에 따르면, 자가 회복 에너지 발전 소자의 마찰부재로서 형상기억 고분자로 형성된 형상기억 마찰층을 이용함으로써 소정 시간 동안 사용 후, 미세 돌출 패턴이 무너지더라도 열을 가해 온도를 올려주면 최초의 형상으로 스스로 복원될 수 있다. 따라서 자기 회복 에너지 발전 소자의 효율도 최초 상태로 복원될 수 있다. 이와 같이, 자가 회복 에너지 발전 소자의 효율 저하를 최소화시키면서 반영구적으로 이용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 형상기억폴리머를 이용한 자가 회복 에너지 발전 소자를 설명하기 위한 사시도이다.
도 2는 형상기억 마찰층의 최초, 변형 및 복원 상태를 촬영한 사진이다.
도 3은 가열에 의한 에너지 발전 소자의 효율 증가 효과를 설명하기 위한 그래프이다.
도 2는 형상기억 마찰층의 최초, 변형 및 복원 상태를 촬영한 사진이다.
도 3은 가열에 의한 에너지 발전 소자의 효율 증가 효과를 설명하기 위한 그래프이다.
이하, 본 발명은 본 발명의 실시예들을 보여주는 첨부 도면들을 참조하여 더욱 상세하게 설명된다. 그러나, 본 발명은 하기에서 설명되는 실시예들에 한정된 바와 같이 구성되어야만 하는 것은 아니며 이와 다른 여러 가지 형태로 구체화될 수 있을 것이다. 하기의 실시예들은 본 발명이 온전히 완성될 수 있도록 하기 위하여 제공된다기보다는 본 발명의 기술 분야에서 숙련된 당업자들에게 본 발명의 범위를 충분히 전달하기 위하여 제공된다.
하나의 요소가 다른 하나의 요소 또는 층 상에 배치되는 또는 연결되는 것으로서 설명되는 경우 상기 요소는 상기 다른 하나의 요소 상에 직접적으로 배치되거나 연결될 수도 있으며, 다른 요소들 또는 층들이 이들 사이에 개재될 수도 있다. 이와 다르게, 하나의 요소가 다른 하나의 요소 상에 직접적으로 배치되거나 연결되는 것으로서 설명되는 경우, 그들 사이에는 또 다른 요소가 있을 수 없다. 다양한 요소들, 조성들, 영역들, 층들 및/또는 부분들과 같은 다양한 항목들을 설명하기 위하여 제1, 제2, 제3 등의 용어들이 사용될 수 있으나, 상기 항목들은 이들 용어들에 의하여 한정되지는 않을 것이다.
하기에서 사용된 전문 용어는 단지 특정 실시예들을 설명하기 위한 목적으로 사용되는 것이며, 본 발명을 한정하기 위한 것은 아니다. 또한, 달리 한정되지 않는 이상, 기술 및 과학 용어들을 포함하는 모든 용어들은 본 발명의 기술 분야에서 통상적인 지식을 갖는 당업자에게 이해될 수 있는 동일한 의미를 갖는다. 통상적인 사전들에서 한정되는 것들과 같은 상기 용어들은 관련 기술과 본 발명의 설명의 문맥에서 그들의 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석될 것이며, 명확히 한정되지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 외형적인 직감으로 해석되지는 않을 것이다.
본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들의 개략적인 도해들인 단면 도해들을 참조하여 설명된다. 이에 따라, 상기 도해들의 형상들로부터의 변화들, 예를 들면, 제조 방법들 및/또는 허용 오차들의 변화들은 예상될 수 있는 것들이다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도해로서 설명된 영역들의 특정 형상들에 한정된 바대로 설명되어지는 것은 아니라 형상들에서의 편차들을 포함하는 것이며, 도면들에 설명된 영역들은 전적으로 개략적인 것이며 이들의 형상들은 영역의 정확한 형상을 설명하기 위한 것이 아니며 또한 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것도 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 형상기억폴리머를 이용한 자가 회복 에너지 발전 소자를 설명하기 위한 사시도이다.
도 1을 참조하면, 형상기억폴리머를 이용한 자가 회복 에너지 발전 소자(500)는 서로 마주하는 2개의 전극들(110, 210), 형상기억 마찰층(310), 대향 마찰층(320) 및 스페이서 부재(310)을 포함한다. 상기 자가 회복 에너지 발전 소자(500)는 상기 전극들(110, 120) 각각을 지지하는 지지체들(120, 220)을 더 포함할 수 있다.
제1 전극(110)이 제1 지지체(120) 상에 배치되고, 제2 전극(210)이 제2 지지체(220) 상에 배치된다. 제1 지지체(120)과 제2 지지체(220)은 스페이서 부재(310)에 의해서 서로 이격되며, 형상기억 마찰층(200)은 제1 전극(110) 상에 배치된다.
제1 및 제2 지지체들(120, 220)은 필름, 시트, 기판 등이 사용될 수 있다. 제1 및 제2 지지체들(120, 220)은 사람, 기계, 바람, 소리의 진동 등에 의해 유발되는 외력에 의해서 휘거나 신축되는 재료로 형성된 필름, 시트 또는 기판 등일 수 있다. 제1 및 제2 지지체들(120, 220) 각각은 제1 및 제2 전극들(110, 210)을 지지하는 동시에, 외부 환경으로부터 이들을 보호할 수 있다. 제1 및 제2 지지체들(120, 220)은 유연성 및/또는 신축성을 가질 수 있고, 이의 재료는 특별히 제한되지 않는다. 일례로, 제1 및 제2 지지체들(120, 220)은 플라스틱, 종이, 유리, 사파이어 등으로 형성될 수 있다. 또는, 제1 및 제2 지지체들(120, 220)은 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET), 폴리에스테르 술폰(polyether sulfone, PES) 등으로 형성될 수 있다.
제1 및 제2 전극들(110, 210)은 전기적으로 연결된다. 예를 들어, 제1 전극(110)과 제2 전극(210)은 배선을 통해서 서로 전기적으로 연결될 수 있다. 제1 및 제2 전극들(110, 210) 각각은 전도성을 갖는 물질로 형성될 수 있다. 제1 및 제2 전극들(110, 210)을 형성하는 물질의 예로서는, 금(Au), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 팔라듐-금 합금(Pd-Au alloy), 니켈 (Ni), 니켈-금 합금 (Ni-Au alloy), 루테늄(Ru), 은(Ag), 구리(Cu), 아연(Zn), 티타늄(Ti), 티타늄-금 합금(Ti-Au alloy), 알루미늄(Al), 인듐주석 산화물(indium tin oxide, ITO), 불소-도핑된 주석산화물(fluorine-doped tin oxide, FTO), 갈륨아연산화물(gallium zinc oxide, GZO), 탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT), 그래핀(graphene) 등을 들 수 있다.
형상기억 마찰층(310)은 제1 전극(110) 상에 배치된다. 형상기억 마찰층(310)은 대향 마찰층(320)과 마찰되는 마찰부재로서, 외력이 가해지지 않은 상태에서는 대향 마찰층(320)과 이격되어 배치된다. 대향 마찰층(320)은 제2 전극(210) 상에 배치되고, 형상기억 마찰층(310)과 대향하여 배치된다. 대향 마찰층(320)은 형상기억 마찰층(310)과 마찰하여 형상기억 마찰층(310)이 대전되는 전하와 반대 전하로 대전되는 재질로 형성되고, 상기 재질에는 제한이 없다.
형상기억 마찰층(310)은 표면에서 외부를 향해 돌출된, 즉, 제2 전극(210)을 향해 돌출된 미세 돌출 패턴(310)을 포함한다. 미세 돌출 패턴(310)은 도 1에 도시된 것과 같은 피라미드형일 수 있다. 미세 돌출 패턴(310)은, 미세 돌출 패턴(310)과 대응하는 음각 패턴을 갖는 금형을 이용하여 임프린팅 방식으로 성형함으로써 형성될 수 있다. 이외에도, 미세 돌출 패턴(310)은 원통형, 육면체형 또는 반구형 등으로 형성될 수 있고, 이의 형상은 특별히 제한되지 않는다. 미세 돌출 패턴(310)에 의해서, 대향 마찰층(320)과 형상기억 마찰층(310)이 마찰하는 경우, 유효 마찰 면적이 넓어진다.
형상기억 마찰층(310)은, 초기 형상을 기억하고 그 형상이 외력에 의해서 변형된 경우에 열을 가하여 다시 초기 형상으로 복원되는 특성, 즉, 형상기억 특성을 갖는다. 즉, 미세 돌출 패턴(310)이 외력에 의해서 무너져 변형되는 경우, 여기에 열을 제공하고 냉각시키면 미세 돌출 패턴(310)이 다시 초기 형상으로 복원된다. 미세 돌출 패턴(310)의 최초 성형 형태가 "초기 형상"이고, 상기 자가 회복 에너지 발전 소자(500)의 계속적인 사용에 의해 미세 돌출 패턴(310)의 초기 형상과 다르게 변경된 경우를 "변형"이라고 정의하며, 형상기억 마찰층(310)을 형성하는 상기 형상기억 특성을 갖는 고분자를 "형상기억 고분자"로 지칭하기로 한다. 미세 돌출 패턴(310)이 변형되더라도, 가열 및 냉각만으로 미세 돌출 패턴(310)을 초기 형상을 갖도록 복원시킬 수 있으므로 상기 자가 회복 에너지 발전 소자(500)의 특성 저하 없이 반영구적으로 사용할 수 있다.
형상기억 마찰층(310)은 유발온도(triggered temperature) 이상으로 가열한다. 이때, 상기 유발온도는 형상기억 마찰층(310)을 구성하는 형상기억 고분자의 유리전이온도(Tg)이거나 용융점(Tm)일 수 있다. 상기 형상기억 고분자를 유발온도 이상으로 가열하면, 상기 형상기억 고분자를 구성하는 사슬이 정렬되는데 이 상태에서 급격히 냉각시킴으로써 형상기억 마찰층(310)의 형태를 초기 상태로 복원시킬 수 있다. 상기 유발온도는 상기 형상기억 고분자에 따라 달라지고, 본 발명에서 상기 형상기억 고분자의 종류는 특별히 한정되지 않는다.
일례로, 상기 형상기억 고분자는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등을 포함하는 폴리알킬렌계 화합물, 폴리우레탄계 화합물, 에폭시계 화합물, 폴리노보넨계 화합물 등의 폴리머를 포함할 수 있다. 이때, 상기 형상기억 고분자는 상기 폴리머와 혼합된 충전제(filler)를 더 포함할 수 있다. 형상기억 마찰층(310)에서 상기 폴리머가 매트릭스를 정의하고, 상기 충전제가 상기 매트릭스 내부에 배치된 구조를 가질 수 있다. 상기 충전제의 예로서는, 알루미나, 실리카, 실리콘카바이드, 질화알루미늄, 질화붕소, 탄소나노튜브, 산화철, 흑연, 탄소나노섬유 등을 들 수 있다.
다른 예로, 상기 형상기억 고분자는 블록 공중합체를 포함할 수 있다. 상기 블록 공중합체의 구체적인 예로서는, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET)-폴리에틸렌옥사이드(polyethyleneoxide, PEO) 블록 공중합체, 폴리스티렌(polystyrene, PS)-폴리(1,4-부타디엔)(poly(1,4-butadiene)) 블록 공중합체 및 폴리(2-메틸-2-옥사졸린)(poly(2-methyl-2-oxazoline))과 폴리테트라하이드로퓨란(polytetrahydrofuran)으로부터 제조된 ABA 3블록 공중합체 등을 들 수 있다.
한편, 형상기억 마찰층(310)은, 미세 돌출 패턴(310)과 대응하는 음각 패턴을 갖는 금형을 이용하여 임프린팅 방식으로 성형한 후 제1 전극(110) 상에 전사시킴으로써 형성할 수 있다. 이와 달리, 형상기억 마찰층(310)은, 제1 전극(110) 상에 형상기억 고분자 코팅층을 형성한 후 상기 금형으로 임프린팅하여 직접 형성할 수도 있다. 형상기억 마찰층(310)의 제조 방법은 이에 제한되지 않는다.
스페이서 부재(310)은 형상기억 마찰층(310)과 대향 마찰층(320) 사이에 배치된다. 스페이서 부재(310)에 의해서, 제1 지지체(120)와 제2 지지체(220)가 서로 이격되어 배치될 수 있고, 외력이 가해지지 않은 상태에서 형상기억 마찰층(310)과 대향 마찰층(320)을 이격된 상태로 유지시킨다. 스페이서 부재(310)은 절연 물질로 형성되어, 형상기억 마찰층(310)과 대향 마찰층(320)이 이격된 상태에서는 전자가 이동하지 못한다.
스페이서 부재(310)은 상기 자가 회복 에너지 발전 소자(500)의 가장자리 영역에서 형상기억 마찰층(310)과 대향 마찰층(320) 사이에 배치된다. 도 1에 도시한 바와 같이, 스페이서 부재(310)은 서로 마주하는 한 쌍으로 구성되어, 상기 자가 회복 에너지 발전 소자(500)의 일측과 타측에 각각 배치될 수 있다. 이때, 스페이서 부재(310)은 상기 일측의 길이와 실질적으로 동일한 막대형일 수 있다. 이와 달리, 도면으로 도시하지는 않았으나, 스페이서 부재(310)은 적어도 4개의, 원기둥이나 육면체 등의 주상형(pillar shape) 구조체들로 구성되어 상기 자가 회복 에너지 발전 소자(500)의 가장자리 영역에 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 주상형 구조체들 4개가 상기 자가 회복 에너지 발전 소자(500)의 4개의 모서리에 각각 배치될 수 있다.
형상기억 마찰층(310)이 대향 마찰층(320)과 마찰할 때에 대향 마찰층(320)에 전자를 제공하고 양전하로 대전되는 형상기억 고분자인 경우, 외력에 의해 대향 마찰층(320)과 형상기억 마찰층(310)이 접촉함에 따라 형상기억 마찰층(310)의 전자가 대향 마찰층(320) 및 제2 전극(210)으로 이동한다. 이어서, 대향 마찰층(320)과 형상기억 마찰층(310)이 이격되면, 형상기억 마찰층(310)은 양전하로 대전된 상태로 유지되고, 형상기억 마찰층(310)부터 대향 마찰층(320) 및 제2 전극(210)으로 이동한 전자는 배선을 통해서 제1 전극(110)으로 이동함에 따라 전기 에너지를 생산한다. 다시, 양전하로 대전된 형상기억 마찰층(310)과 대향 마찰층(320)이 접촉하는 경우, 제1 전극(110)의 전자들이 제2 전극(210)으로 이동하여 전기 에너지를 생산한다. 이와 같은 과정을 반복함으로써 상기 자가 회복 에너지 발전 소자(500)가 마찰에 의한 정전기를 이용하여 전기 에너지를 생산할 수 있다.
반대로, 형상기억 마찰층(310)이 대향 마찰층(320)과 마찰할 때에 대향 마찰층(320)으로부터 전자를 제공받아 음전하로 대전되는 형상기억 고분자인 경우, 외력에 의해 대향 마찰층(320)과 형상기억 마찰층(310)이 접촉함에 따라 대향 마찰층(320)의 전자가 형상기억 마찰층(310)로 이동한다. 이어서, 대향 마찰층(320)과 형상기억 마찰층(310)이 이격되면, 형상기억 마찰층(310)은 음전하로 대전된 상태로 유지되고, 형상기억 마찰층(310)은 부족한 전자를 보상받기 위해서 제1 전극(110)의 전자들이 배선을 통해서 제2 전극(210)으로 이동하면서 전기 에너지가 생산된다. 다시, 음전하로 대전된 형상기억 마찰층(310)과 대향 마찰층(320)이 접촉하는 경우, 반발력에 의해서 대향 마찰층(320)의 전자들이 제1 전극(110)으로 이동하게 되어 전기 에너지를 생산한다. 이와 같은 과정을 반복함에 따라 상기 자가 회복 에너지 발전 소자(500)가 마찰에 의한 정전기를 이용하여 전기 에너지를 생산할 수 있다.
상기에서 설명한 것과 같은 과정을 반복하면서 상기 자가 회복 에너지 발전 소자(500)를 사용하게 되는데, 형상기억 마찰층(310)과 대향 마찰층(320)의 계속적인 마찰에 의해서 형상기억 마찰층(310)이 기계적으로 열화된다. 즉, 상기 자가 회복 에너지 발전 소자(500)의 장시간 사용으로 인해 미세 돌출 패턴(310)이 무너져 그 형상이 변형된다. 미세 돌출 패턴(310)의 형상이 변형되는 경우, 마찰 면적이 감소하여 상기 자가 회복 에너지 발전 소자(500)의 성능이 저하된다. 이때, 본 발명에 따른 형상기억폴리머를 이용한 자가 회복 에너지 발전 소자(500)는 마찰부재로서 형성기억 고분자로 형성된 형상기억 마찰층(310)을 포함하고 있기 때문에, 에너지 발전 소자(500)를 가열하고 냉각시킴으로써 미세 돌출 패턴(310)의 초기 형상으로 복원시킬 수 있다. 이에 따라, 상기 자가 회복 에너지 발전 소자(500)는 초기 성능을 발휘할 수 있고, 상기 자가 회복 에너지 발전 소자(500)의 성능이 저하될 때마다 가열 및 냉각만을 수행하여 상기 자가 회복 에너지 발전 소자(500)의 성능을 다시 상승시킬 수 있으므로 특성/성능 저하 없이 반영구적으로 사용할 수 있다.
도 2는 형상기억 마찰층의 최초, 변형 및 복원 상태를 촬영한 사진이다.
도 2에서, (a)는 초기 형상이 피라미드형을 갖는 미세 돌출 패턴들이 형성된 형상기억 마찰층의 평면 사진이고, (b)는 외력에 의해서 미세 돌출 패턴들 각각이 변형된 상태의 평면 사진이며, (c)는 (b)의 상태에서 가열 및 냉각시킨 후의 형상기억 마찰층의 평면 사진이다. 도 2의 (a)의 형상기억 마찰층은 음각의 피라미드 패턴이 형성된 실리콘 금형에, 형상기억 폴리머를 이용하여 임프린팅하여 제조한 후, 약 70℃의 오븐에서 약 1 시간동안 열처리하여 피라미드 형상을 기억하도록 프로그래밍하여 제조된 것이다. 이때 이용한 형상기억폴리머는 MP-5510 (상품명, SMP technologies, 일본)이다.
도 2의 (a), (b) 및 (c)를 참조하면, (a)의 피라미드형의 미세 돌출 패턴들의 초기 형상이 (b)와 같이 변형되더라도, 가열 및 냉각만으로도 (c)에서와 같이 초기 형상과 실질적으로 동일한 형상으로 복원되는 것을 알 수 있다.
에너지 발전 소자의 제조 및 특성 평가
도 2에서 제작한 형상기억 마찰층을 이용하여 도 1에 도시된 구조와 실질적으로 동일한 구조의 본 발명의 실시예 1에 따른 에너지 발전 소자를 제조하였다.
제조된 에너지 발전 소자에 외력을 가하여 마찰을 유발하고, 마찰을 통해서 발생하는 출력 전압과 전류를 측정하였고, 동시에 SEM을 통해 미세 돌출 패턴의 모폴리지를 모니터링하였다. 전력과 전압이 급격히 감소하면서 SEM을 통해 모폴리지의 변형이 확인되었을 때, 에너지 발전 소자를 가열 및 냉각시킨 후 다시 마찰을 유발하여 출력 전압을 측정하였다. 그 결과를 도 3에 나타낸다.
도 3은 가열에 의한 에너지 발전 소자의 효율 증가 효과를 설명하기 위한 그래프이다.
도 3에서, (a)는 시간 경과에 따른 출력 전압의 변화를 나타낸 그래프이고, (b)는 시간 경과에 따른 전류의 변화를 나타낸 그래프이며, (c)는 성능이 저하된 에너지 발전 소자를 가열/냉각한 경우의 출력 전압의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 3의 (a) 및 (b)를 참조하면, 0초 내지 20초로 시간이 경과하는 동안 점차 출력 전압 및 전류가 감소하다가, 약 20초 이후에는 급격하게 감소하는 것을 알 수 있다.
이 상태의 에너지 발전 소자에 다시 마찰을 유발할 때, 이미 성능이 저하된 상태이므로 0초부터 20초 구간에서는 낮은 성능을 나타냄을 알 수 있으나, 20초 내지 45초 구간에서 에너지 발전 소자에 대한 가열 및 냉각 공정이 수행된 후 45초 이후에는 0초부터 20초 구간에 비해서 향상된 성능을 나타내는 것을 알 수 있다.
상기에서 설명한 바에 따르면, 에너지 발전 소자의 마찰부재로서 형상기억 고분자로 형성된 형상기억 마찰층을 이용함으로써 소정 시간 동안 사용 후, 미세 돌출 패턴이 무너지더라도 열을 가해 온도를 올려주면 최초의 형상으로 스스로 복원될 수 있다. 따라서 자가 회복 에너지 발전 소자의 효율도 최초 상태로 복원될 수 있다. 이와 같이, 자가 회복 에너지 발전 소자의 효율 저하를 최소화시키면서 반영구적으로 이용할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
500: 자가 회복 에너지 발전 소자 110, 210: 제1, 제2 전극
120, 220: 제1, 제2 지지체 310: 형상기억 마찰층
400: 스페이서 부재 320: 대향 마찰층
120, 220: 제1, 제2 지지체 310: 형상기억 마찰층
400: 스페이서 부재 320: 대향 마찰층
Claims (8)
- 제1 전극;
상기 제1 전극 상에 형상기억 고분자로 형성되고, 표면에 미세 돌출 패턴이 형성된 형상기억 마찰층;
상기 형상기억 마찰층과 이격되어 배치된 제2 전극; 및
상기 제2 전극 상에 형성되어 상기 형상기억 마찰층과 마주하는 대향 마찰층을 포함하는 형상기억폴리머를 이용한 자가 회복 에너지 발전 소자.
- 제1항에 있어서,
상기 미세 돌출 패턴의 형상이 변형되는 경우,
자가 회복 에너지 발전 소자를 상기 형상기억 고분자의 유발온도로 가열시키고 상기 유발온도 이하의 온도로 냉각시킴으로써 상기 형상기억 마찰층이 가열 및 냉각되어 상기 형상기억 마찰층의 미세 돌출 패턴의 형상이 초기의 형상으로 복원되는 것을 특징으로 하는 형상기억폴리머를 이용한 자가 회복 에너지 발전 소자.
- 제1항에 있어서,
상기 형상기억 고분자는
폴리알킬렌계 화합물, 폴리우레탄계 화합물, 에폭시계 화합물 또는 폴리노보넨계 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 형상기억폴리머를 이용한 자가 회복 에너지 발전 소자.
- 제3항에 있어서,
상기 형상기억 마찰층은
알루미나, 실리카, 실리콘카바이드, 질화알루미늄, 질화붕소, 탄소나노튜브, 산화철, 흑연 및 탄소나노섬유로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 충전제(piller)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 형상기억폴리머를 이용한 자가 회복 에너지 발전 소자.
- 제1항에 있어서,
상기 형상기억 고분자는 블록 공중합체를 포함하는 것을 특징으로 하는 형상기억폴리머를 이용한 자가 회복 에너지 발전 소자.
- 제5항에 있어서,
상기 블록 공중합체는
폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET)-폴리에틸렌옥사이드(polyethyleneoxide, PEO) 블록 공중합체, 폴리스티렌(polystyrene, PS)-폴리(1,4-부타디엔)(poly(1,4-butadiene)) 블록 공중합체 및 폴리(2-메틸-2-옥사졸린)(poly(2-methyl-2-oxazoline))과 폴리테트라하이드로퓨란(polytetrahydrofuran)으로부터 제조된 ABA 3블록 공중합체로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 형상기억폴리머를 이용한 자가 회복 에너지 발전 소자.
- 제1항에 있어서,
상기 미세 돌출 패턴은
피라미드형, 원통형, 육면체형 또는 반구형인 것을 특징으로 하는 형상기억폴리머를 이용한 자가 회복 에너지 발전 소자.
- 제1항에 있어서,
상기 형상기억 마찰층과 상기 대향 마찰층을 이격시키는 스페이서 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 형상기억폴리머를 이용한 자가 회복 에너지 발전 소자.
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