KR101544326B1 - 강유전 또는 압전 물질층 상의 2차원 구조의 물질을 이용하여 투명성 및 기계적 특성이 향상된 정전기 에너지 발전 소자 - Google Patents

강유전 또는 압전 물질층 상의 2차원 구조의 물질을 이용하여 투명성 및 기계적 특성이 향상된 정전기 에너지 발전 소자 Download PDF

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    • H02N1/04—Friction generators

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  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

본 발명은 강유전 또는 압전 물질층 상에 2차원 구조 물질을 전사하고 강유전 또는 압전 물질의 폴링에 의해 2차원 구조 물질의 특성을 제어하여 2차원 구조 물질과 마찰 대전체와의 마찰에 의한 전력을 발생시키며, 2차원 구조 물질을이용함으로써 투명성 및 기계적 특성이 향상된 정전기 에너지 발전 소자에 관한 것이다.
본 발명에 의하면 강유전 또는 압전 물질층 상에 2차원 구조 물질을 전사하고 강유전 또는 압전 물질의 폴링에 의해 2차원 구조 물질의 특성을 제어하여 2차원 구조 물질과 마찰 대전체와의 마찰에 의한 전력을 발생시키며, 2차원 구조 물질을 이용함으로써 투명성 및 기계적 특성이 향상된 정전기 에너지 발전 소자를 얻을 수 있다.

Description

강유전 또는 압전 물질층 상의 2차원 구조의 물질을 이용하여 투명성 및 기계적 특성이 향상된 정전기 에너지 발전 소자 {ELECTROSTATIC ENERGY HARVESTER COUPLED WITH IMPROVED TRANSPARENCY AND MECHANICAL PROPERTY USING TWO DIMENSIOINAL MATERIAL ON FERROELECTRIC OR PIEZOELECTRIC MATERIAL}
본 발명은 강유전 또는 압전 물질층 상에 2차원 구조 물질을 전사하고 강유전 또는 압전 물질의 폴링에 의해 2차원 구조 물질의 특성을 제어하여 2차원 구조 물질과 마찰 대전체와의 마찰에 의한 전력을 발생시키며, 2차원 구조 물질을 이용함으로써 투명성 및 기계적 특성이 향상된 정전기 에너지 발전 소자에 관한 것이다.
마찰에 의해 발생하는 정전기 현상을 이용하여 에너지를 수확하는 “정전기 에너지 발전 소자”는 두 물질이 접촉했을 때와 떨어졌을 때 발생하는 정전기에 의한 대전(帶電) 차이로 에너지가 발생한다.
기존의 태양전지, 풍력, 연료전지 등과 같은 친환경 에너지와 달리 주변에 존재하는 미세진동이나 인간의 움직임으로부터 발생된 소모성의 기계적 에너지를 전기에너지로 무한히 추출할 수 있는 새로운 개념의 친환경 에너지 발전 소자라 할 수 있다. 이러한 정전기 특성을 이용한 에너지 변환 방식은 변환 효율이 크고 소형 및 경량화가 가능하며 나노기술과의 융합을 통하여 획기적인 기술 도약을 이끌 새로운 기술로 파급효과가 큰 기술로 평가받고 있는 실정이다.
기존 정전기 에너지 발전 소자는 일반적으로 트리보일렉트릴 시리즈(triboelectric series)에 따른 재료 선택에 따라 소자의 출력이 정해졌다. 때문에 소자 출력 향상을 위해 재료의 선택보다는 소자의 구조적 또는 재료의 표면 형상학적 제어 연구가 대부분이었다.
이를 극복하기 위해 대한민국 등록특허 제 10-1398708호는 재료의 강유전 특성에 의해 발생하는 전기적 포텐셜을 이용하여 마찰에 의해 발생하는 정전 특성을 제어하고, 마찰에 의한 재료의 대전(帶電) 차이를 증폭시켜 정전기 에너지 발전 소자의 출력을 일정하게 유지하여 출력을 대폭 향상시킬 수 있는 발명을 제시하였다. 위 특허는 본 발명의 연구진에 의한 특허로서, 재료의 선택에 의해 출력을 향상시켰다. 다만, 해당 특허에서는 강유전 물질이 마찰 대전체와 직접 접촉하게 되는데, 강유전 물질이 마찰 대전체와 계속하여 접촉이 이루어지는 경우 마찰열에 의해 강유전 물질이 손상되는 문제점이 있었다.
대한민국 등록특허공보 제 10-1398708호
본 발명은 종래 기술에서 언급한 강유전 물질이 직접 마찰 대전체와 접촉함으로써 야기되는 마찰 열에 의한 손상을 막기 위해 강유전 또는 압전 물질층 위에 2차원 구조의 물질을 이용하여 이에 의해 기계적 특성을 향상시키고, 또한 2차원 구조의 물질을 이용함으로써 투명성도 향상시킴을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 강유전 또는 압전 물질층 상의 2차원 구조의 물질을 이용하여 투명성 및 기계적 특성이 향상된 정전기 에너지 발전 소자는, 하부 전극; 상기 하부 전극 상에 배치된 제 1 물질층; 상기 제 1 물질층 상에 배치된 제 2 물질층; 상기 제 2 물질층과 접촉 및 비접촉 상태를 반복할 수 있도록 상기 제 2 물질층 위쪽에 위치하며 상기 제 1 물질층의 대전 특성과 반대의 대전 특성을 갖는 재질로 형성된 마찰 대전체; 및 상기 마찰 대전체 상의 상부 전극을 포함하고, 상기 제 1 물질층은 폴링(poling)된 강유전 또는 압전 물질층이며, 상기 제 2 물질층은 2차원 구조의 물질이고, 상기 마찰 대전체가 상기 제 2 물질층과 접촉 상태에 있다가 비접촉 상태로 된 경우 마찰 전기가 발생된다.
상기 제 1 물질층은 폴링 및 열처리된 강유전 또는 압전 물질층이며, 상기 마찰 대전체는 투명한 폴리머 물질인 것이 바람직하고, 상기 하부 전극 및 상기 하부 전극은 투명 전극인 것이 바람직하다.
상기 강유전 또는 압전 물질층은 상기 마찰 대전체와의 대전 특성에 따라 포지티브 폴링 또는 네거티브 폴링이 된다.
한편, 상기 하부 전극 및 상기 상부 전극에 각각 연결된 인출부를 추가로 포함하고, 상기 인출부에는 에너지 저장부가 연결되어 있으며, 상기 인출부와 상기 에너지 저장부 사이에는 정류 다이오드가 연결되어 있다.
본 발명에 의하면 강유전 또는 압전 물질층 상에 2차원 구조 물질을 전사하고 강유전 또는 압전 물질의 폴링에 의해 2차원 구조 물질의 특성을 제어하여 2차원 구조 물질과 마찰 대전체와의 마찰에 의한 전력을 발생시키며, 2차원 구조 물질을 이용함으로써 투명성 및 기계적 특성이 향상된 정전기 에너지 발전 소자를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 정전기 에너지 발전 소자의 측단면도 모습이다.
도 2a-2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 강유전 특성이 커플링된 정전기 에너지 발전 소자에 각각 네거티브 폴링과 포지티브 폴링이 인가된 모습을 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 정전기 에너지 발전 소자의 실험 모식도를 도시한다.
도 4a-4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 정전기 에너지 발전 소자의 출력 그래프를 도시한다.
다양한 실시예들이 이제 도면을 참조하여 설명되며, 전체 도면에서 걸쳐 유사한 도면번호는 유사한 엘리먼트를 나타내기 위해서 사용된다. 설명을 위해 본 명세서에서, 다양한 설명들이 본 발명의 이해를 제공하기 위해서 제시된다. 그러나 이러한 실시예들은 이러한 특정 설명 없이도 실행될 수 있음이 명백하다. 다른 예들에서, 공지된 구조 및 장치들은 실시예들의 설명을 용이하게 하기 위해서 블록 다이아그램 형태로 제시된다.
하기 설명은 본 발명의 실시예에 대한 기본적인 이해를 제공하기 위해서 하나 이상의 실시예들의 간략화된 설명을 제공한다. 본 섹션은 모든 가능한 실시예들에 대한 포괄적인 개요는 아니며, 모든 엘리먼트들 중 핵심 엘리먼트를 식별하거나, 모든 실시예의 범위를 커버하고자 할 의도도 아니다. 그 유일한 목적은 후에 제시되는 상세한 설명에 대한 도입부로서 간략화된 형태로 하나 이상의 실시예들의 개념을 제공하기 위함이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 정전기 에너지 발전 소자의 측단면도 모습이다.
도 1에서 보는 것처럼, 본 발명의 일 실시예에 따른 투명성 및 기계적 특성이 향상된 정전기 에너지 발전 소자(100)는 하부 전극(11); 하부 전극 상에 배치된 제 1 물질층(20); 제 1 물질층 상에 배치된 제 2 물질층(40); 제 2 물질층 위에 배치된 마찰 대전체(30); 및 마찰 대전체(30) 상에 배치된 상부 전극(12)을 포함한다.
제 1 물질층(20)은 폴링(poling)된 강유전 또는 압전 물질층이다. 이러한 강유전 또는 압전 물질은 폴링(poling) 작업을 통해 극성이 정렬될 수 있으므로, 폴링 작업을 수행하게 된다. 강유전 또는 압전 물질은 포지티브 폴링(positive poling) 및 네거티브 폴링(negative poling)이 모두 가능하며, 이는 도 2a 및 2b에서 확인할 수 있다.
이 경우 어떠한 극성의 폴링을 하는지는 마찰 대전체의 대전 특성(강유전 또는 압전 물질과의 관계에서 상대적으로 (+) 또는 (-)로 대전 가능한지에 따른 특성)에 따라 결정된다.
이러한 강유전 또는 압전 물질의 대표적인 물질은 PVDF, PZT, PTO, BTO, BFO, KNbO3, NaNbO3, GeTe, ZnO, ZnSnO3, GaN 등이 있다.
제 2 물질층(40)은 2차원 구조의 물질로서, 대표적인 물질은 그래핀, BN, MoS2, MoSe2, MoTe2, WS2, WSe2, WTe2 등이 있다. 2차원 구조의 물질은 그래핀과 같이 2차원적인 구조를 갖는, 즉 면 형상의 구조를 갖는 물질을 의미한다.
2차원 구조 물질(40)은 제 1 물질인 강유전 또는 압전 물질 위에 전사되어 배치되며, 강유전 또는 압전 물질의 폴링에 따른 다이폴(dipole)에 의해 특성이 변경된다. 즉, 2차원 구조 물질은 원자층의 얇은 박막이기 때문에 강유전 또는 압전 물질의 다이폴에 의해 전자를 잃거나 빼앗아 오는 양이 바뀌게 되면서 그 특성이 변경될 수 있다.
2차원 구조 물질은 이미 알려져 있는 다양한 방식(예를 들어 CVD 등)에 의해 성장될 수 있으며, 또한 전사 공정을 거쳐 강유전 또는 압전 물질 위에 전사될 수 있다. 이러한 전사 방식에 대해서도 특별한 제한은 없다.
한편, 이러한 2차원 구조 물질은 기계적 특성이 뛰어나고 투명성이 높은 물질이기 때문에 이러한 물질을 본 발명과 같은 에너지 하베스팅 장치에 이용할 경우 기계적 특성 및 투명성에서의 향상을 기대할 수 있다. 구체적인 내용은 아래에서 추가적으로 설명하도록 하겠다.
마찰 대전체(30)는 2차원 구조 물질과 접촉 및 비접촉 상태를 반복할 수 있으며, 강유전 또는 압전 물질층인 제 1 물질층(20)의 대전 특성과 반대의 대전 특성을 갖는 재질로 이루어진다. 마찰 대전체는 투명한 폴리머 물질로 이루어지며, 투명한 폴리머 물질이란 투명도가 확보될 수 있는, 즉 광투과성을 갖는 폴리머 물질을 의미한다. 대표적인 예로는 테프론, 나일론, PMMA 등이 있다.
마찰 대전체(30)는 2차원 구조 물질(40)과 접촉 상태 및 비접촉 상태를 계속 반복하게 되며, 이에 의해 마찰 전기가 발생되어 전력이 발생되게 된다.
도 2a-2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 정전기 에너지 발전 소자에 각각 네거티브 폴링과 포지티브 폴링이 인가된 모습을 도시한다.
도 2a 및 2b에서는 제 1 물질층(20)으로는 강유전 또는 압전 물질의 일 예인 PVDF-TrFE가 이용되었고, 제 2 물질층(40)으로는 그래핀이 이용되었으며, 마찰 대전체(30)로는 테프론(Teflon)이 이용되었다.
제 1 물질층인 PVDF-TrFE에 네거티브 폴링을 인가한 경우 도 2a와 같은 모습으로 내부적으로 마찰 대전체를 향해 V+ 로 폴링되며, 포지티브로 폴링을 인가한 경우 도 2b와 같은 모습으로 내부적으로 마찰 대전체를 향해 V-로 폴링된다.
이 경우 PVDF-TrFE는 테프론과의 관계에서 (-) 대전 특성을 갖고, 테프론은 (+) 대전 특성을 갖는다. 따라서 테프론은 상대적으로 PVDF-TrFE와의 관계에서 전자를 내어 놓게 되며 따라서 PVDF-TrFE에 네거티브 폴링을 인가할 경우 마찰 전기에 의한 전압 및 전류 출력치가 훨씬 크게 발생될 수 있다. 즉, 강유전 또는 압전 물질층은 마찰 대전체와의 대전 특성에 따라 포지티브 폴링 또는 네거티브 폴링이 선택적으로 이루어져 출력치를 크게 만들 수 있다. 도 4c에서 볼 수 있는 것처럼, 맨 우측의 네거티브 폴링이 인가된 경우에 전압 피크가 가장 크게 나타남을 확인할 수 있다. 도 4a-4c에 대해서는 뒤의 실험예에서 다시 설명하도록 하겠다.
하부 전극(11) 및 상부 전극(12)은 투명성이 확보 가능한 어떠한 전극 물질도 가능하며 대표적으로는 ITO 등이 있다.
본 발명에서는 폴링된 강유전 또는 압전 물질 상의 2차원 구조 물질이 마찰 대전체와 접촉 및 비접촉 상태를 반복하면서 이에 의해 마찰 전기가 발생되게 된다. 따라서, 종래기술에서 언급한 것과 같이 마찰 대전체와 직접 접촉하게 되는물질이 강유전 물질이 아니므로, 강유전 물질이 마찰 대전체와 계속하여 접촉이 이루어지는 경우 마찰열에 의해 강유전 물질이 손상되는 문제점을 해결하였다. 이는 2차원 구조 물질의 기계적 특성이 매우 뛰어나기 때문이다. 또한, 2차원 구조 물질을 이용함으로써 투명성 또한 확보가 가능하게 되었다.
한편, 제 1 물질층인 강유전 또는 압전 물질층은 폴링 및 열처리가 모두 이루어진 물질이 이용될 수 있다.
강유전 또는 압전 물질의 한 예인, PVDF-TrFE는 열처리를 하기전에는 알파 상(alpha phase)을 주로 가지고 있으며 이때는 다이폴이 약하다. 하지만 140℃로 열처리를 해준후에는 베타 상(beta phase) 상태가 많아지게 되면서 다이폴이 강해지게 된다. 하지만 열처리만 해준 상태에서는 아직까지는 다이폴이 정렬이 안된 상태라 그 위에 올려지는 2차원 구조 물질에 랜덤하게 영향을 주게 되므로 출력치가 크지는 않다. 따라서 열처리 후 폴링 과정(poling process)을 통해 강유전 물질의 다이폴 방향을 설정 하게 된다면, 일정한 방향으로 2차원 구조 물질에 영향을 주게 된다. 이는 도 4a, 4b, 4c에서 보는 것처럼, 4b에서 열처리를 하더라도 아직까지는 다이폴의 정렬이 없어서 출력 피크는 낮으며 4c에서 처럼 폴링 과정을 거친 이후 출력 피크가 커짐을 확인할 수 있다.
정리하면, 제 1 물질층인 강유전 또는 압전 물질층은 폴링 및 열처리가 모두 된 것이 이용될 수도 있으며, 이 경우 열처리를 통해 다이폴을 강하게 만들 수 있는 추가적인 효과를 얻을 수 있다.
한편, 에너지 발전 소자로 이용되기 위해 도 1에서 보는 것처럼 하부 전극(11) 및 상부 전극(12)에 각각 연결된 인출부(42)를 추가로 포함할 수 있다. 인출부에는 축전지와 같은 에너지 저장부(60)가 연결되어 있다. 인출부와 에너지 저장부 사이에는 정류 다이오드(51, 52)가 연결될 수 있다. 인출선에는 부하가 연결될 수도 있으며, 이에 의해 직접 전구에 불을 밝힐 수도 있다. 한편, 다이오드는 정류 다이오드로서 어느 한쪽 방향으로만 전류가 흐르도록 하는 역할을 하며, 이에 의해 전류가 반대로 흘러 축전지 등(60)이 방전되는 것을 방지한다.
이하에서는 구체적인 실시예를 통해 본 발명의 내용을 추가적으로 설명하도록 하겠다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 정전기 에너지 발전 소자의 실험 모식도를 도시하고, 도 4a-4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 정전기 에너지 발전 소자의 출력 그래프를 도시한다.
도 3은 2차원 구조 물질 중 하나인 그래핀을 강유전 물질인 PVDF-TrFE위에 전사하여 실험한 예로서, 실험적으로 2차원 구조 물질의 트리보일렉트릭 특성이 변경되는 것을 증명하기 위한 실험으로써 구조는 일 예에 불과할 뿐 이에 제한되는 것은 아니다.
도 3에서 보는 것처럼 하부 전극으로 ITO를 이용하였고, 강유전 또는 압전 물질로 PVDF-TrFE를 이용하였으며, 2차원 구조 물질은 그래핀이 이용되었고 마찰 대전체는 테프론이 이용되었다. 한편, 스프링 구조를 통해 프레스 가능한 구조를 만들었으며 프레스를 가하여 그래핀과 테프론과의 접촉 및 비접촉 상태를 가능하게 하였다. 이러한 접촉 및 비접촉 상태를 가능하게 하는 구조는 일 예시에 불과하며, 벤딩(bending), 슬라이딩(sliding), 푸싱(pushing) 등 다양한 방식에 의해 접촉 및 비접촉 상태가 가능할 것이다.
도 3의 실험 결과는 도 4a-4c에서 도시되며, 도 4a의 경우에는 아무런 처리도 하지 아니한 상태에서의 출력 피크이고, 도 4b의 경우에는 PVDF-TrFE를 140℃에서 열처리한 경우의 출력 피크이며, 도 4c의 경우에는 열처리 및 네거티브 폴링을 한 경우의 출력 피크이다. 이미 위에서 설명한 것처럼 열처리에 의해 강유전 또는 압전 물질의 경우 다이폴이 강해질 수 있다. 그러나 열처리만으로는 다이폴의 정렬이 없으므로 그 효과가 나타나지 아니하며 폴링 프로세스에 의해 폴링이 이루어진 경우에 출력 피크가 증가하게 된다.
이 경우 폴링은 마찰 대전체와 강유전 또는 압전 물질의 대전 특성에 따라 결정되며, 마찰 대전체로서 테프론이 이용되는 경우에는 강유전 또는 압전 물질을 네거티브 폴링시킬 경우 출력치가 가장 높다. 왜냐하면 PVDF-TrFE는 테프론과의 관계에서 (-) 대전 특성을 갖고, 테프론은 (+) 대전 특성을 갖기 때문이다. 도 4c에서 확인할 수 있는 것처럼 네거티브 폴링 프로세스를 한 이후 출력 피크가 크게 증가함을 확인할 수 있었다.
위에서 설명한 것처럼, 본 발명에 의하면 강유전 또는 압전 물질층 상에 2차원 구조 물질을 전사하고 강유전 또는 압전 물질의 폴링에 의해 2차원 구조 물질의 특성을 제어하여 2차원 구조 물질과 마찰 대전체와의 마찰에 의한 전력을 발생시키며, 2차원 구조 물질을 이용함으로써 투명성 및 기계적 특성이 향상된 정전기 에너지 발전 소자를 얻을 수 있다.
제시된 실시예들에 대한 설명은 임의의 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 이용하거나 또는 실시할 수 있도록 제공된다. 이러한 실시예들에 대한 다양한 변형들은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이며, 여기에 정의된 일반적인 원리들은 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 그리하여, 본 발명은 여기에 제시된 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 여기에 제시된 원리들 및 신규한 특징들과 일관되는 최광의의 범위에서 해석되어야 할 것이다.

Claims (7)

  1. 하부 전극;
    상기 하부 전극 상에 배치된 제 1 물질층;
    상기 제 1 물질층 상에 배치된 제 2 물질층;
    상기 제 2 물질층과 접촉 및 비접촉 상태를 반복할 수 있도록 상기 제 2 물질층 위쪽에 위치하며 상기 제 1 물질층의 대전 특성과 반대의 대전 특성을 갖는 재질로 형성된 마찰 대전체; 및
    상기 마찰 대전체 상의 상부 전극을 포함하고,
    상기 제 1 물질층은 폴링(poling)된 강유전 또는 압전 물질층이며, 상기 제 2 물질층은 2차원 구조의 물질이고,
    상기 마찰 대전체가 상기 제 2 물질층과 접촉 상태에 있다가 비접촉 상태로 된 경우 마찰 전기가 발생되는,
    강유전 또는 압전 물질층 상의 2차원 구조의 물질을 이용하여 투명성 및 기계적 특성이 향상된 정전기 에너지 발전 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 물질층은 폴링 및 열처리된 강유전 또는 압전 물질층인,
    강유전 또는 압전 물질층 상의 2차원 구조의 물질을 이용하여 투명성 및 기계적 특성이 향상된 정전기 에너지 발전 소자.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 마찰 대전체는 투명한 폴리머 물질인,
    강유전 또는 압전 물질층 상의 2차원 구조의 물질을 이용하여 투명성 및 기계적 특성이 향상된 정전기 에너지 발전 소자.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 하부 전극 및 상기 하부 전극은 투명 전극인,
    강유전 또는 압전 물질층 상의 2차원 구조의 물질을 이용하여 투명성 및 기계적 특성이 향상된 정전기 에너지 발전 소자.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 강유전 또는 압전 물질층은 상기 마찰 대전체와의 대전 특성에 따라 포지티브 폴링 또는 네거티브 폴링이 된 것을 특징으로 하는,
    강유전 또는 압전 물질층 상의 2차원 구조의 물질을 이용하여 투명성 및 기계적 특성이 향상된 정전기 에너지 발전 소자.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 하부 전극 및 상기 상부 전극에 각각 연결된 인출부를 추가로 포함하고,
    상기 인출부에는 에너지 저장부가 연결되어 있는,
    강유전 또는 압전 물질층 상의 2차원 구조의 물질을 이용하여 투명성 및 기계적 특성이 향상된 정전기 에너지 발전 소자.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 인출부와 상기 에너지 저장부 사이에는 정류 다이오드가 연결되어 있는,
    강유전 또는 압전 물질층 상의 2차원 구조의 물질을 이용하여 투명성 및 기계적 특성이 향상된 정전기 에너지 발전 소자.
KR1020140138879A 2014-10-15 2014-10-15 강유전 또는 압전 물질층 상의 2차원 구조의 물질을 이용하여 투명성 및 기계적 특성이 향상된 정전기 에너지 발전 소자 KR101544326B1 (ko)

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