KR101557070B1 - 마찰전기 에너지 수확 소자 및 이의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 마찰전기 에너지 수확 소자 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 본 발명의 실시 예에 따른 마찰전기 에너지 수확 소자는, 제1 전자친화도를 갖는 제1 표면을 구비한 제1 마찰층; 및 제1 표면과 대향하고 제2 전자친화도를 갖는 제2 표면을 구비한 제2 마찰층을 포함하며, 제1 마찰층 및 제2 마찰층 중의 적어도 하나는, 신축성 소재로 이루어지는 동시에, 신축 가능한 구조로 제공된다.

Description

마찰전기 에너지 수확 소자 및 이의 제조 방법{TRIBOELECTRIC ENERGY HARVESTING DEVICE AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 마찰전기 에너지 수확 소자(triboelectric energy harvesting device) 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.

마찰전기 에너지 수확 소자(triboelectric energy harvesting device)는 마찰 접촉에 의한 정전 유도 현상을 이용하여 역학적 에너지를 유용한 전기에너지로 변환하는 소자이다. 마찰전기는 서로 다른 전자친화도(전하 분리 극성)을 갖는 2개의 다른 물질이 마찰을 통해 접촉할 때 일어난다. 기존의 마찰전기 에너지 수확 소자는 수직으로 작용하는 마찰력 하에서 동작하는 경우가 대부분이며, 주로 실리콘, 유리와 같이 딱딱한 표면이나, PET, 캡톤 필름과 같은 유연 표면상에 구현된다. 이와 같은 기존의 마찰전기 에너지 수확 소자는 늘어나는 변형에 대하여 낮은 전력 효율을 나타내며, 소자에 가해지는 진동의 주파수가 다양하게 변화되고 변형이 가해지는 방향과 강도가 일정하지 않은 환경에서 실효성을 거두기 어려운 문제점을 갖는다. 더욱이, 기존의 마찰전기 에너지 수확 소자는 착용성이 떨어져, 착용형 전자 장치를 충전하기에 적합하지 않다.

본 발명은 신축성을 극대화하여 다양한 형태의 외력, 특히 인장력으로부터 높은 전력 효율을 얻을 수 있는 마찰전기 에너지 수확 소자 및 이의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 착용형 전자 장치(wearable electronics)를 충전하기에 적합한 마찰전기 에너지 수확 소자 및 이의 제조 방법을 제공하는 것에 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 다양한 방향과 주파수의 외력에 대해 높은 전력 효율을 나타내는 마찰전기 에너지 수확 소자 및 이의 제조 방법을 제공하는 것에 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급된 과제로 제한되지 않는다. 언급되지 않은 다른 기술적 과제들은 이하의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 측면에 따른 마찰전기 에너지 수확 소자는, 제1 전자친화도를 갖는 제1 표면을 구비한 제1 마찰층; 및 상기 제1 표면과 대향하고 제2 전자친화도를 갖는 제2 표면을 구비한 제2 마찰층을 포함하며, 상기 제1 마찰층 및 상기 제2 마찰층 중의 적어도 하나는, 신축성 소재로 이루어지는 동시에, 신축 가능한 구조로 제공된다.

본 발명의 일 실시 예에서, 상기 제1 마찰층 및 상기 제2 마찰층 중의 적어도 하나는, 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane), 폴리우레탄(polyurethane) 및 나이론(nylon) 중의 적어도 하나를 포함하는 신축성 소재만으로 이루어진다.

본 발명의 일 실시 예에서, 상기 신축 가능한 구조는, 중공성 구조 및 0.01 ~ 200 ㎛ 두께의 박막 구조 중의 적어도 하나를 포함한다.

본 발명의 일 실시 예에서, 상기 중공성 구조는, 메쉬(mesh) 구조 및 직물 구조 중의 적어도 하나를 포함한다.

본 발명의 일 실시 예에서, 상기 마찰전기 에너지 수확 소자는, 상기 제1 마찰층 및 상기 제2 마찰층 모두 신축성 소재만으로 이루어지는 동시에, 신축 가능한 구조로 제공된다.

본 발명의 일 실시 예에서, 상기 마찰전기 에너지 수확 소자는, 상기 제1 마찰층에 적층되거나 상기 제1 마찰층의 내부에 형성되는 제1 전극층; 및 상기 제2 마찰층에 적층되거나 상기 제1 마찰층의 내부에 형성되는 제2 전극층을 더 포함한다.

본 발명의 일 실시 예에서, 상기 제1 마찰층 및 상기 제2 마찰층 중의 적어도 하나는, 전극층으로서의 기능을 갖도록 도전성을 갖는 소재로 이루어진다.

본 발명의 일 실시 예에서, 상기 마찰전기 에너지 수확 소자는, 내부에 제1 전극층을 구비한 적어도 하나의 제1 마찰층과 내부에 제2 전극층을 구비한 적어도 하나의 제2 마찰층이 교대로 적층된 구조를 갖는다.

본 발명의 일 실시 예에서, 상기 제1 마찰층 및 상기 제2 마찰층 중의 적어도 하나는, 10 ~ 1000 % 의 신축성을 갖는다.

본 발명의 일 실시 예에서, 상기 제1 표면 및 상기 제2 표면 중의 적어도 하나에 요철 형상을 갖는 패턴 구조가 형성된다.

본 발명의 일 실시 예에서, 상기 패턴 구조는, 1 nm ~ 1000 nm 간격을 갖도록 형성된다.

본 발명의 일 실시 예에서, 상기 패턴 구조는, 상기 제1 표면 및 상기 제2 표면 중의 적어도 하나로부터 돌출되는 다수의 돌출부를 포함하며, 적어도 하나의 돌출부는, 피라미드, 기둥 및 반구 형상 중의 적어도 하나를 포함한다.

본 발명의 일 실시 예에서, 상기 제1 마찰층 및 상기 제2 마찰층 중의 적어도 하나는, 상기 제1 표면으로부터 상기 제2 표면이 이격되도록 상기 제1 표면 및 상기 제2 표면 중의 적어도 하나에 형성되는 스페이서를 포함한다.

본 발명의 일 실시 예에서, 상기 스페이서는 신축성을 가지며, 상기 스페이서의 말단은 상기 제2 표면상에 접촉되고, 상기 제1 마찰층과 상기 제2 마찰층 사이에 공간부가 형성된다.

본 발명의 일 실시 예에서, 상기 스페이서는, 상기 제1 표면상에 격자 구조로 형성되고, 상기 격자 구조는, 1 ㎛ ~ 1000 ㎛ 간격을 갖도록 형성된다.

본 발명의 일 실시 예에서, 상기 스페이서는, 상기 제1 표면상의 적어도 둘 이상의 영역에서 서로 다른 간격을 갖도록 형성된다.

본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 제1 전자친화도를 갖는 제1 표면을 구비한 제1 마찰층을 제조하는 단계; 제2 전자친화도를 갖는 제2 표면을 구비한 제2 마찰층을 제조하는 단계; 및 상기 제1 표면과 상기 제2 표면이 대향하도록 상기 제1 마찰층과 상기 제2 마찰층을 배치하는 단계를 포함하며, 상기 제1 마찰층 및 상기 제2 마찰층 중의 적어도 하나를 신축성 소재를 갖는 동시에 신축 가능한 구조를 갖도록 제조하는 마찰전기 에너지 수확 소자의 제조 방법이 제공된다.

본 발명의 일 실시 예에서, 상기 제1 마찰층을 제조하는 단계는, 상기 제1 표면상에 요철 형상을 갖는 제1 패턴 구조가 형성되도록, 상기 제1 패턴 구조의 역패턴 구조를 갖는 몰드를 제조하는 단계; 상기 제1 표면상에 스페이서가 형성되도록, 상기 몰드상에 상기 스페이서의 역상을 갖는 홈을 형성하는 단계; 상기 몰드상에 상기 제1 마찰층의 형성을 위한 물질을 도포하고, 경화하는 단계; 및 상기 몰드로부터 상기 제1 마찰층을 분리하는 단계를 포함한다.

본 발명의 일 실시 예에서, 상기 제1 마찰층을 제조하는 단계 및 상기 제2 마찰층을 제조하는 단계 중의 적어도 하나는, 포토리소그래피(photolithography), 임프린팅(imprinting), 잉크젯 프린팅(inkjet printing), 드로잉(drawing), 일렉트로스피닝(electrospinning), 및 일렉트로스프레이(electrospray) 중의 적어도 하나의 방식을 이용하여 상기 제1 마찰층 및 상기 제2 마찰층 중의 적어도 하나를 제조한다.

본 발명의 일 실시 예에서, 상기 마찰전기 에너지 수확 소자의 제조 방법은, 상기 제1 마찰층 및 상기 제2 마찰층 상에, 혹은 상기 제1 마찰층 및 상기 제2 마찰층의 내부에 전극층을 형성하는 단계를 더 포함한다.

본 발명의 실시 예에 의하면, 신축성을 극대화하여 다양한 형태의 외력, 특히 인장력으로부터 높은 전력 효율을 얻을 수 있는 마찰전기 에너지 수확 소자 및 이의 제조 방법이 제공된다.

또한, 본 발명의 실시 예에 의하면, 착용형 전자 장치(wearable electronics)를 충전하는데 적합한 마찰전기 에너지 수확 소자 및 이의 제조 방법이 제공된다.

본 발명의 효과는 상술한 효과들로 제한되지 않는다. 언급되지 않은 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 마찰전기 에너지 수확 소자의 사용 상태를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 마찰전기 에너지 수확 소자의 단면도로서, 도 1에 도시된 'A'부를 확대하여 보여주는 도면이다.
도 2b는 도 2a에 도시된 'B'부를 확대하여 보여주는 단면도이다.
도 2c는 도 2a에 도시된 'C'부를 확대하여 보여주는 단면도이다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 실시 예에 따른 마찰전기 에너지 수확 소자를 제조하기 위한 몰드를 제조하는 과정을 보여주는 도면이다.
도 4a 내지 도 4c는 도 3a 내지 도 3d에 도시된 과정을 통해 제조된 몰드상에 스페이서의 역상을 갖는 홈을 형성하는 과정을 보여주는 도면이다.
도 5는 도 4에 도시된 'D'부를 확대하여 보여주는 단면도이다.
도 6a 내지 도 6c는 몰드를 이용하여 제1 마찰층을 형성하는 과정을 보여주는 도면이다.
도 7a는 도 4a 내지 도 6c의 과정을 통해 제조된 제1 마찰층(110)을 보여주는 사시도이다.
도 7b는 도 7a에 도시된 'E'부를 확대하여 보여주는 사시도이다.
도 8은 본 발명의 다른 일 실시 예에 따른 마찰전기 에너지 수확 소자의 평면도이다.
도 9a는 본 발명의 또 다른 일 실시 예에 따른 마찰전기 에너지 수확 소자의 단면도이다.
도 9b는 도 9a의 'F'부를 확대하여 보여주는 단면도이다.
도 9c는 도 9a의 'G'부를 확대하여 보여주는 단면도이다.
도 10a는 본 발명의 또 다른 일 실시 예에 따른 마찰전기 에너지 수확 소자의 단면도이다.
도 10b는 도 10a의 'H'부를 확대하여 보여주는 단면도이다.
도 10c는 도 10a의 'I'부를 확대하여 보여주는 단면도이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 일 실시 예에 따른 마찰전기 에너지 수확 소자의 단면도이다.
도 12는 본 발명의 또 다른 일 실시 예에 따른 마찰전기 에너지 수확 소자의 단면도이다.
도 13a는 본 발명의 또 다른 일 실시 예에 따른 마찰전기 에너지 수확 소자의 사시도이다.
도 13b는 도 13a에 도시된 'J'부를 확대하여 보여주는 단면도이다.
도 13c는 도 13a에 도시된 'K'부를 확대하여 보여주는 단면도이다.
도 14a는 본 발명의 또 다른 일 실시 예에 따른 마찰전기 에너지 수확 소자의 사시도이다.
도 14b는 본 발명의 또 다른 일 실시 예에 따른 마찰전기 에너지 수확 소자를 구성하는 제1 마찰층과 제1 전극층을 보여주는 사시도이다.
도 15a는 본 발명의 또 다른 일 실시 예에 따른 마찰전기 에너지 수확 소자의 사시도이다.
도 15b는 도 15a에 도시된 'L'부를 확대하여 보여주는 단면도이다.
도 15c는 도 15a에 도시된 'M'부를 확대하여 보여주는 단면도이다.
도 16a는 본 발명의 또 다른 일 실시 예에 따른 마찰전기 에너지 수확 소자의 평면도이다.
도 16b는 본 발명의 또 다른 일 실시 예에 따른 마찰전기 에너지 수확 소자를 이루는 마찰층과 전극층의 부분 사시도이다.
도 17a는 본 발명의 또 다른 일 실시 예에 따른 마찰전기 에너지 수확 소자의 사시도이다.
도 17b는 도 17a에 도시된 'N'부를 확대하여 보여주는 단면도이다.
도 17c는 도 17a에 도시된 'O'부를 확대하여 보여주는 단면도이다.
도 18은 본 발명의 또 다른 일 실시 예에 따른 마찰전기 에너지 수확 소자를 구성하는 제1 마찰층과 제1 전극층을 보여주는 사시도이다.

본 발명의 다른 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술하는 실시 예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되지 않으며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 만일 정의되지 않더라도, 여기서 사용되는 모든 용어들(기술 혹은 과학 용어들을 포함)은 이 발명이 속한 종래 기술에서 보편적 기술에 의해 일반적으로 수용되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 공지된 구성에 대한 일반적인 설명은 본 발명의 요지를 흐리지 않기 위해 생략될 수 있다. 본 발명의 도면에서 동일하거나 상응하는 구성에 대하여는 가급적 동일한 도면부호가 사용된다. 본 발명에서 구성 A가 구성 'B 상'에 형성된다는 것은 다른 물질이 개재되지 않은 채로 B의 상면에 직접 접촉되도록 A가 형성되는 것은 물론, A와 B 사이에 하나 또는 복수의 다른 물질이 개재된 채로 형성되는 것을 포함하는 의미일 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 마찰전기 에너지 수확 소자는 제1 마찰층과 제2 마찰층을 포함한다. 제1 마찰층은 제1 전자친화도를 갖는 제1 표면을 구비하며, 제2 마찰층은 제1 표면과 대향하고 제2 전자친화도를 갖는 제2 표면을 구비한다. 제1 마찰층 및 제2 마찰층 중의 적어도 하나는, 신축성 소재로 이루어지는 동시에, 신축 가능한 구조로 제공된다. 본 발명의 실시 예에 의하면, 극대화된 신축성을 갖는 마찰전기 에너지 수확 소자를 이용하여, 높은 효율로 전력을 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 마찰전기 에너지 수확 소자의 사용 상태를 개략적으로 보여주는 도면이다. 도 1의 실시 예에서, 마찰전기 에너지 수확 소자(100)는 사용자의 활동에 따라 발생하는 마찰전기 에너지를 수확하여, 전기공급선(100a)을 통해 사용자가 착용한 전자 장치(20)로 전력을 공급한다. 전기공급선(100a)의 말단은 충전 잭의 형태로 제공되어, 전력 공급을 위해 전자 장치(20)의 충전 단자에 연결되고, 전력 공급 후 충전 단자로부터 분리될 수 있다. 마찰전기 에너지 수확 소자(100)는 예를 들어, 사용자의 의류 내면이나 외면, 혹은 사용자의 피부 등에 부착되어 사용될 수 있다. 전자 장치(20)는 예시적으로, 시계형 전자 단말이나 안경형 전자 단말, 스마트폰 등과 같은 휴대 가능한 착용형 단말(wearable device)과 같은 전자 단말, 혹은 배터리 등의 전자 부품일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 도 1의 실시 예에 의하면, 사용자의 일상 생활을 통해 발생하는 마찰전기 에너지를 이용하여 전자 장치(20)를 실시간 충전할 수 있으므로, 전자 장치(20)의 배터리 충전 및 교환 주기가 단축된다. 이에 따라, 사용자는 배터리 충전이나 교환 없이도 전자 장치(20)를 장시간 사용할 수 있는 편의성을 제공받는다.

도 2a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 마찰전기 에너지 수확 소자의 단면도로서, 도 1에 도시된 'A'부를 확대하여 보여주는 도면이다. 도 1 및 도 2a를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 마찰전기 에너지 수확 소자(100)는 제1 마찰층(110), 제2 마찰층(120), 제1 전극층(130), 및 제2 전극층(140)을 포함한다. 제1 마찰층(110)과 제2 마찰층(120)은 상호 간의 접촉에 의해 발생하는 정전기에 의하여 결합된 상태를 유지할 수 있다. 제1 전극층(130)과 제2 전극층(140)은 전기공급선(100a)과 연결될 수 있다.

제1 마찰층(110)은 제1 전자친화도를 갖는 제1 표면(110a)을 구비한다. 제1 마찰층(110)은 신축성을 가지며 제1 전자친화도를 갖는 제1 물질(신축성 소재)로 이루어질 수 있다. 제1 마찰층(110)은 신축성 소재만으로 이루어질 수 있다. 제1 마찰층(110)과 제2 마찰층(120)은 대향하도록 형성될 수 있다. 제2 마찰층(120)은 제1 표면(110a)과 대향하고 제2 전자친화도를 갖는 제2 표면(120a)을 구비한다. 제2 마찰층(120)은 신축성을 가지며 제2 전자친화도를 갖는 제2 물질(신축성 소재)로 이루어질 수 있다. 제2 마찰층(120) 역시 제1 마찰층(110)과 마찬가지로 신축성 소재만으로 이루어질 수 있다.

일 예로, 제1 마찰층(110)과 제2 마찰층(120)은 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane), 폴리우레탄(polyurethane), 혹은 나이론(nylon) 등의 물질을 포함하는 신축성 소재로 형성될 수 있다. 제1 마찰층(110)과 제2 마찰층(120)은 서로 다른 전자친화도(electron affinity)를 갖는 서로 다른 물질로 이루어질 수 있다. 즉, 제1 마찰층(110)과 제2 마찰층(120)은 신축성을 띄는 동시에, 마찰전기표 (triboelectric series) 상에서 양전하와 음전하로 대전되기 쉬운 서로 다른 두 물질로 이루어질 수 있다.

제1 마찰층(110)과 제2 마찰층(120)은 신축 가능한 구조를 갖는다. 도 2a의 실시 예에서, 신축 가능한 구조의 일 예로, 제1 마찰층(110)과 제2 마찰층(120)은 얇은 두께의 박막 구조로 제공된다. 제1 마찰층(110)과 제2 마찰층(120)이 0.01 ~ 200 ㎛ 범위의 얇은 두께로 형성되면, 제1 마찰층(110)과 제2 마찰층(120)의 신축성이 10 ~ 1000 % 수준으로 향상된다. 본 명세서에서 신축성은 늘어나기 전의 최초 길이에 대한 늘어난 후의 변형 길이의 비율로 정의된다. 제1 마찰층(110)과 제2 마찰층(120)의 신축성과 복원력에 의하여 마찰전기 에너지 수확 효율이 향상된다. 도 13a, 도 15a 등의 도면을 참조하여 후술하는 바와 같이, 제1 마찰층(110)과 제2 마찰층(120)은 박막 구조 외에, 다른 신축 가능한 구조, 예를 들어 메쉬(mesh) 구조 혹은 직물 구조와 같은 중공성 구조로 제공될 수도 있다.

제1 마찰층(110)은 제2 마찰층(120)의 제2 표면(120a)과 대향하는 제1 표면(110a)상에 형성되는 스페이서(111)를 포함한다. 스페이서(111)는 제1 마찰층(110)의 제1 표면(110a)으로부터 제2 마찰층(120)의 제2 표면(120a)을 이격시키는 기능을 수행한다. 스페이서(111)는 신축성을 갖는 물질로 이루어져 제1 마찰층(110)과 제2 마찰층(120) 사이에 복원력을 일으킬 수 있다. 스페이서(111)는 제1 마찰층(110)의 제1 표면(110a)과 동일한 물질로 이루어질 수 있다. 스페이서(111)의 말단은 제2 표면(120a)상에 접촉된다. 스페이서(111)에 의하여, 제1 마찰층(110)과 제2 마찰층(120) 사이에 공간부(113)가 형성된다.

본 발명의 일 실시 예에서, 스페이서(111)는 제1 표면(110a)상에 격자 구조로 형성될 수 있다. 이러한 실시 예에서, 스페이서(111)의 격자 구조는 1 ㎛ ~ 1000 ㎛ 간격을 갖도록 형성될 수 있다. 스페이서(111)의 높이는 0.1 ㎛ ~ 100 ㎛ 를 가질 수 있다. 스페이서(111)의 간격과 높이는 마찰전기 에너지 수확 소자(100)가 사용되는 환경에서 주로 발생하는 외력의 크기와 진동의 주기, 외력이나 진동에 의한 변형의 크기 등에 따라 최적화되도록 변동될 수 있다. 스페이서(111)는 격자 구조뿐만 아니라, 다수의 도트(dot) 배열 구조나 그 밖의 다양한 구조를 가질 수도 있다. 도 2a의 실시 예에 도시되지 않았으나, 제2 마찰층(120)의 제2 표면(120a)에 다수의 스페이서 부재가 형성될 수도 있다. 제2 마찰층의 스페이서 부재는 제1 마찰층의 스페이서와 유사한 기능을 수행할 수 있다.

도 2a의 실시 예에서, 전극층(130,140)은 제1 마찰층(110) 및 제2 마찰층(120)의 대향하지 않는 두 표면상에 적층 형성된다. 즉, 제1 전극층(130)은 제1 마찰층(110)의 제1 표면(110a)과 반대되는 표면상에 형성되고, 제2 전극층(140)은 제2 마찰층(120)의 제2 표면(120a)과 반대되는 표면상에 형성될 수 있다. 제1 전극층(130)과 제2 전극층(140)은 도전성 물질로 이루어질 수 있다. 전극층(130,140)은 예를 들어, 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al), 구리(Cu) 등의 금속, 전도성 폴리머 또는 도전성을 갖는 그래핀(graphene), 탄소나노튜브(Carbon Nano-Tube) 등의 비금속 물질이나, 도전성 금속 혹은 비금속 물질의 나노입자, 나노와이어 등으로 이루어질 수 있다.

전극층(130,140)은 얇은 막 구조뿐만 아니라, 마이크로 메쉬(micro-mesh) 패턴이나 직물 구조 등의 다양한 형태로 적용될 수도 있다. 전극층(130,140)은 마찰층의 상부나 하부에 적층되는 외에, 마찰층의 내부에 형성될 수도 있다. 예를 들어, 전극층(130,140)은 마찰층(110,120) 내에 마찰층(110,120)과 나란한 방향으로 중간층을 이루도록 형성되거나, 직물 구조의 외측을 형성하는 마찰층(110,120)과 동축을 이루도록 내측에 형성될 수도 있다.

제1 마찰층(110)의 제1 표면(110a)과 제2 마찰층(120)의 제2 표면(120a) 간에 마찰 접촉이 이루어질 때, 컨택 차지(contact charge)와 정전 유도(electrostatic induction)에 의해 제1 전극층(130)과 제2 전극층(140) 간에 전압이 형성되고, 이에 따라 전력공급선(100a)에 흐르는 전류에 의하여 전자 장치(20)의 배터리가 충전될 수 있다. 이때, 제1 마찰층(110)과 제2 마찰층(120)은 층 방향과 평행한 성분의 외력에 의하여 쉽게 늘어나고 수축하기 때문에, 마찰전기의 수확 효율이 극대화된다.

도 2b는 도 2a에 도시된 'B'부를 확대하여 보여주는 단면도이고, 도 2c는 도 2a에 도시된 'C'부를 확대하여 보여주는 단면도이다. 도 2a 내지 도 2c를 참조하면, 제1 마찰층(110)의 제1 표면(110a)에 요철 형상을 갖는 제1 패턴 구조(112)가 형성되고, 제2 마찰층(120)의 제2 표면(120a)에 요철 형상을 갖는 제2 패턴 구조(122)가 형성된다. 패턴 구조(112,122)는 마찰층(110,120)의 대향하는 표면(110a,120a)으로부터 돌출되는 다수의 돌출부를 포함할 수 있다. 패턴 구조(112,122)는 나노 간격, 예를 들어, 1 nm ~ 1000 nm 간격을 갖도록 형성될 수 있다. 즉, 패턴 구조(112,122)를 이루는 돌출부들 간의 간격은 1 nm ~ 1000 nm 일 수 있다. 패턴 구조(112,122)를 이루는 돌출부는 예를 들어, 피라미드, 기둥, 반구 등의 형상으로 제공될 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 마찰전기 에너지 수확 소자(100)는 전체적으로 신축성을 갖도록 이루어진다. 마찰전기 에너지 수확 소자(100)의 유연성(신축성)은 10% ~ 1000% 일 수 있다. 이는 마찰전기 에너지 수확 소자(100)가 원래 길이의 1.1 배 ~ 11 배로 늘어난 후 원형대로 수축될 수 있음을 의미한다. 이에 따라, 본 발명의 실시 예에 따른 마찰전기 에너지 수확 소자(100)는 곡면으로 휘어지거나 자주 늘어나거나, 접히거나 구부러지는 등의 변형이 이루어지는 다양한 환경에 용이하게 적용될 수 있으며, 인체의 피부나 의류 등에 부착되어 착용형 전자 장치(wearable electronics)를 충전하는데 용이하게 적용될 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에서, 마찰전기 에너지 수확 소자(100)는 마찰층(110,120)의 두께와 스페이스(111)의 높이 등에 따라 수백 마이크로미터 이하의 얇은 두께를 갖도록 형성될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시 예에 따른 마찰전기 에너지 수확 소자를 의류나 인체 표면에 부착하더라도, 두께 증가로 인한 불편함은 거의 없으며, 마찰층으로 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane)을 이용하면, 패치 형식으로 부착하기 용이하여 적용성이 뛰어나다.

본 발명의 실시 예에 따른 마찰전기 에너지 수확 소자(100)에 마찰력이 작용하면, 얇은 마찰층(110,120)에 압축되거나, 늘어나거나, 휘어지는 등의 변형이 발생한다. 마찰층(110,120) 간의 전기 음성도(electro negativity) 차이로 인하여, 마찰전기 효과에 의해 마찰층(110,120) 간의 계면에서 전기 신호가 생성된다. 마찰전기 에너지 수확 소자(100)의 전기 출력은 마찰층(110,120) 간의 간격과, 미세 규모의 스페이서(111)에 의한 복원력에 의해 향상된다.

예를 들어, 외력이나 진동 발생시 마찰층(110,120) 간의 이격 거리가 좁혀지면서, 상층부의 아랫면, 즉 제2 표면(120a)과 하층부의 윗면, 즉 제1 표면(110a)이 접촉하게 된다. 외력이 제거될 때, 마찰층(110,120)과 스페이서(111)의 탄성에 의해 복원력이 형성되어, 상층부와 하층부 사이의 거리는 최초 이격 거리를 유지하며 복원되며, 마찰층(110,120)이 늘어났다가 수축하면서 발생하는 인장력에 의하여 발전이 이루어진다. 즉, 마찰층(110,120)의 접촉되는 양 표면은 전자 친화도가 상이한 물질로 이루어지기 때문에, 마찰층(110,120)이 접촉 후 이격되었을 때 서로 다른 극성을 띄며 대전되고, 대전되는 전하량만큼 상,하층부 사이의 전기적 포텐셜이 형성되어, 전극층(130,140) 간에 전류가 흐르게 된다.

이때, 스페이서(111)에 의하여 마찰층(110,120) 간의 접촉과 비접촉 상태가 반복적으로 일어나게 되어, 전기에너지 출력 효율이 향상된다. 또한, 마찰층(110,120) 간의 접촉시, 패턴 구조(112,122)에 의해 제1 표면(110a)과 제2 표면(120a) 간의 접촉 면적이 극대화되어 발전 효율이 대폭 향상된다. 본 발명의 실시 예에 따른 마찰전기 에너지 수확 소자(100)는 전방향성(omnidirectional) 특성을 가지며, 수직으로 가해지는 외력뿐만 아니라, 상하좌우의 어느 방향으로 가해지는 힘에 의해서도 에너지를 수확하도록 동작하며, 매우 작은 외력에 대해서도 높은 효율로 전력을 발생한다.

도 3a 내지 도 6c는 본 발명의 일 실시 예에 따른 마찰전기 에너지 수확 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 실시 예에 따른 마찰전기 에너지 수확 소자를 제조하기 위한 몰드를 제조하는 과정을 보여주는 도면이다. 먼저, 도 3a 내지 도 3b에 도시된 바와 같이, 실리콘 기판과 같은 기판(10) 상에 사진식각 공정(photo-lithography)을 통해 포토레지스트(photo-resist)(11)를 패터닝한 후, 기판(10) 상에 SiN, SiO₂ 등의 물질을 증착하여 증착층(12)을 형성한다. 도 3c 내지 도 3d를 참조하면, KOH 용액 등을 이용한 비등방성 습식 식각(anisotrophic wet-etching) 공정을 통해, 기판(10) 상에 제1 패턴 구조(112)의 역상에 해당하는 역패턴 구조(13)를 형성한 후, 증착층(12)을 제거하여 상면에 제1 패턴 구조(112)의 역패턴 구조를 갖는 몰드를 제조한다.

도 4a 내지 도 4c는 도 3a 내지 도 3d에 도시된 과정을 통해 제조된 몰드상에 스페이서의 역상을 갖는 홈을 형성하는 과정을 보여주는 도면이고, 도 5는 도 4에 도시된 'D'부를 확대하여 보여주는 단면도이다. 도 4a 내지 도 5를 참조하면, 역패턴 구조(130)가 형성된 기판(10)상에 포토레지스트(14)를 패터닝하고, 유도결합 플라즈마 반응 이온 식각(inductively coupled plasma - reactive ion etching) 등의 방식으로 에칭하여 스페이서(111)의 역상을 갖는 홈(15)을 형성한 후, 포토레지스트(14)를 제거한다.

도 6a 내지 도 6c는 몰드를 이용하여 제1 마찰층을 형성하는 과정을 보여주는 도면이다. 도 6a를 참조하면, 몰드를 이루는 기판(10)상에 제1 마찰층(110)의 형성을 위한 물질을 스핀 코팅(spin coating) 등의 방법으로 도포한 후, 자외선(ultraviolet) 혹은 열경화(thermal curing) 등의 방식으로 경화한다. 도 6b를 참조하면, 제1 마찰층(110) 상에 제1 전극층(130)을 증착 형성한다. 도 6c를 참조하면, 몰드로부터 제1 마찰층(110)과 제1 전극층(130)을 분리한다.

본 발명의 실시 예에 따른 마찰전기 에너지 수확 소자는 연속 생산 공정에 의하여 제조될 수 있다. 예를 들어, 몰드를 역상으로 유연성 소재 위에 구성하여 롤투롤(Roll-to-Roll) 장비의 롤 표면에 감거나, 롤을 몰드로 구성하여 롤 공정을 통해 연속 생산을 할 수 있다. 즉, 마찰층을 액상으로 도포하고, 몰드를 구비한 롤로 찍어내면서 자외선이나 열 경화시킨 다음, 몰드에서 떼어내는 방식으로 마찰전기 에너지 수확 소자를 연속적으로 제조할 수 있다. 이와 유사한 방식으로 스크린 프린팅(screen printing), 오프셋 프린팅(off-set printing) 등 다양한 방식으로 본 발명의 실시 예에 따른 마찰전기 에너지 수확 소자를 대량 생산할 수 있다.

도 7a는 도 4a 내지 도 6c의 과정을 통해 제조된 제1 마찰층(110)을 보여주는 사시도이고, 도 7b는 도 7a에 도시된 'E'부를 확대하여 보여주는 사시도이다. 도 7a 내지 도 7b에 도시된 바와 같이, 실리콘 몰드에 역상으로 찍어내는 방식에 의하여, 제1 표면(110a)상에 스페이서(111)와 제1 패턴 구조(112)를 갖는 제1 마찰층(110)이 형성된다. 한편, 제2 마찰층(120)과 제2 전극층(140)은 스페이서(111)를 형성하기 위한 홈(15)을 형성하기 위한 도 4a 내지 도 4c의 과정을 제외하고, 제1 마찰층(110)과 제1 전극층(130)을 형성하는 과정과 유사한 방식으로 형성될 수 있다. 제1 마찰층(110)과 제2 마찰층(120)을 제1 표면(110a)과 제2 표면(120a)이 대향하도록 배치하여, 본 발명의 실시 예에 따른 마찰전기 에너지 수확 소자가 제조될 수 있다.

도 8은 본 발명의 다른 일 실시 예에 따른 마찰전기 에너지 수확 소자의 평면도이다. 도 8을 참조하면, 스페이서(111)는 제1 마찰층(110)의 제1 표면(110a) 상의 적어도 둘 이상의 영역에서 서로 다른 간격을 갖도록 형성될 수 있다. 즉, 제1 표면(110a)의 제1 영역(1101a) 상에 형성되는 제1 스페이서(111a)는 상대적으로 넓은 제1 간격(G1)을 갖도록 형성되고, 제1 표면(110a)의 제2 영역(1101b) 상에 형성되는 제2 스페이서(111b)는 상대적으로 좁은 제2 간격(G2)을 갖도록 형성될 수 있다.

제1 스페이서(111a)는 상대적으로 낮은 주파수 대역의 진동에 대해 높은 에너지 변환 효율을 가지며, 제2 스페이서(111b)는 상대적으로 높은 주파수 대역의 진동에 대해 높은 에너지 변환 효율을 가지므로, 다양한 주파수 대역의 진동에 대해 높은 에너지 변환 효율을 얻을 수 있다. 본 발명의 실시 예에 따른 마찰전기 에너지 수확 소자는 다양한 주파수 대역에서 반응성을 나타내므로, 운동의 방향과 주기가 불규칙적인 환경에서 높은 에너지 수확 효율을 나타낼 수 있다.

도 9a는 본 발명의 또 다른 일 실시 예에 따른 마찰전기 에너지 수확 소자의 단면도이고, 도 9b는 도 9a의 'F'부를 확대하여 보여주는 단면도이고, 도 9c는 도 9a의 'G'부를 확대하여 보여주는 단면도이다. 도 9a 내지 도 9c를 참조하면, 마찰전기 에너지 수확 소자(100)는 제1 마찰층(110), 제1 전극층(130), 제2 마찰층(150), 및 신축성 부재(160)를 포함한다. 제1 마찰층(110)은 제2 마찰층(150)과 대향하는 표면에 스페이서(111)와 제1 패턴 구조(112)를 구비한다. 제2 마찰층(150)은 제1 마찰층(110)과 대향하는 표면에 제2 패턴 구조(152)를 구비한다. 신축성 부재(160)는 마찰전기 에너지 수확 소자(100)의 상층부의 신축성을 높이도록 제2 마찰층(150) 상에 형성된다.

도 9a 내지 도 9c의 실시 예에서, 제2 마찰층(150)은 신축성을 갖는 동시에 도전성을 갖는 물질로 이루어지며, 별도의 제2 전극층을 갖지 않는 점에서 이전에 설명된 실시 예와 차이점을 갖는다. 즉, 제2 마찰층(150) 자체가 상부층의 전극층으로서의 기능을 수행하며, 제1 전극층(130)과 제2 마찰층(150) 간에 형성되는 전압과 전류에 의하여 전력을 공급할 수 있다. 제2 마찰층(150)은 예를 들어, 알루미늄, 구리, 은, 금, 그래핀, CNT, 금 나노입자, 은 나노와이어 등의 물질일 수 있다. 한편, 도시되지 않았으나, 제1 마찰층(110)이 도전성 물질로 이루어지고, 제1 전극층(130)이 생략되는 것도 가능하다.

도 10a는 본 발명의 또 다른 일 실시 예에 따른 마찰전기 에너지 수확 소자의 단면도이고, 도 10b는 도 10a의 'H'부를 확대하여 보여주는 단면도이고, 도 10c는 도 10a의 'I'부를 확대하여 보여주는 단면도이다. 도 10a 내지 도 10c의 실시 예를 참조하면, 마찰전기 에너지 수확 소자(100)는 복수의 에너지 수확층(L1,L2,L3,L4)을 포함한다. 복수의 에너지 수확층(L1,L2,L3,L4) 각각은 하부층에 해당하는 제1 마찰층(110)과 상부층에 해당하는 제2 마찰층(170)을 포함한다.

제1 마찰층(110)은 제2 마찰층(170)과 대향하는 표면에 스페이서(111)와 제1 패턴 구조(112)를 갖는다. 제2 마찰층(170)은 제1 마찰층(110)과 대향하는 표면에 제2 패턴 구조(172)를 갖는다. 제2 마찰층(170)은 도전성을 갖는 물질로 이루어져 있어, 각 에너지 수확층(L1,L2,L3,L4)에서 상부층에 해당하는 전극층은 생략되어 있다. 도 10a 내지 도 10c의 실시 예에 의하면, 다수의 에너지 수확층(L1,L2,L3,L4)의 적층 구조에 의하여 전력 효율이 배가된다. 도 10a에서, 미설명부호 '180'은 최상층의 에너지 수확층(L4)의 상층부에 신축성을 부여하는 신축성 부재이다.

도 11은 본 발명의 또 다른 일 실시 예에 따른 마찰전기 에너지 수확 소자의 단면도이다. 도 11의 실시 예는 제1 전극층(130)과 제2 전극층(140)이 각각 제1 마찰층(110)과 제2 마찰층(120) 내부의 중간층으로 형성되는 점에서, 도 2a의 실시 예와 차이가 있다. 도 11의 실시 예에 의하면, 마찰층(110,120)의 접힘, 꼬임 등으로 인한 전극층(130,140) 간의 접촉이 방지되고, 전극층(130,140) 간에 형성된 마찰전기가 누출되지 않도록 차단되어, 마찰전기에 의한 전력 공급 효율이 향상된다.

도 12는 본 발명의 또 다른 일 실시 예에 따른 마찰전기 에너지 수확 소자의 단면도이다. 도 12의 실시 예에 따른 마찰전기 에너지 수확 소자는 내부에 전극층(170)을 구비한 다수의 제1 마찰층(110)과 내부에 전극층(170)을 구비한 다수의 제2 마찰층(120)이 교대로 적층된 구조로 제공된다. 도 12의 실시 예에 의하면, 다수의 에너지 수확층(L1,L2,L3,L4)의 적층 구조에 의하여 전력 효율이 배가된다. 또한, 본 발명의 실시 예에 의하면, 하나의 전극층이 하부 에너지 수확층의 상부 전극과 상부 에너지 수확층의 하부 전극으로 동시에 작용하므로, 최소한의 전극층을 이용하여 높은 효율로 에너지를 수확할 수 있으며, 전극층을 형성하는 제조 공정이 간소화된다.

도 13a는 본 발명의 또 다른 일 실시 예에 따른 마찰전기 에너지 수확 소자의 사시도이고, 도 13b는 도 13a에 도시된 'J'부를 확대하여 보여주는 단면도이고, 도 13c는 도 13a에 도시된 'K'부를 확대하여 보여주는 단면도이다. 도 13a 내지 도 13c를 참조하면, 마찰전기 에너지 수확 소자(200)는 제1 마찰층(210), 제2 마찰층(220), 제1 전극층(230), 및 제2 전극층(240)을 포함한다. 제1 마찰층(210)은 제2 마찰층(220)과 대향하는 표면에 제1 패턴 구조(212)를 구비하며, 제2 마찰층(220)은 제1 마찰층(210)과 대향하는 표면에 제2 패턴 구조(222)를 구비한다. 패턴 구조(212,222)는 앞서 설명된 실시 예에서 설명된 패턴 구조와 유사한 형태로 제공될 수 있으며, 중복되는 설명을 생략한다.

제1 마찰층(210)과 제2 마찰층(220)은 서로 이격되도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 제1 마찰층(210)은 사용자가 착용한 의류의 내측면에 부착되고, 제2 마찰층(220)은 사용자의 피부에 부착될 수 있다. 제1 마찰층(210), 제2 마찰층(220), 제1 전극층(230), 및 제2 전극층(240)은 신축 가능한 구조로 제공될 수 있다. 제1 마찰층(210), 제2 마찰층(220)은 신축성 소재만으로 이루어질 수 있다. 도 13a 내지 도 13c의 실시 예에서, 제1 마찰층(210), 제2 마찰층(220), 제1 전극층(230), 및 제2 전극층(240)은 신축 가능한 구조로서, 수직으로 상하면을 관통하여 형성되는 다수의 중공부(211a,221a)와 격자 구조(211,221)를 구비한 메쉬(mesh) 구조를 갖는다. 이러한 실시 예에 따른 마찰전기 에너지 수확 소자(200)는 중공부(211a,221a)에 의해 더욱 높은 신축성을 갖는 구조로 이루어지며, 이에 따라 높은 전력 효율을 나타낸다.

도 13a 내지 도 13c의 실시 예에 따른 마찰전기 에너지 수확 소자는 예를 들어, 마찰층을 포토리소그래피(photolithography) 방식을 통해 메쉬 구조 형태로 마이크로 패터닝(micro patterning)하여 선별적으로 증착 또는 식각하거나 임프린팅(imprinting) 방식으로 찍어낸 후, 전극층의 형성을 위한 물질을 적층하는 방법, 초음파 분무(ultrasonic jetting) 방식을 이용하여 마찰층의 형성을 위한 물질을 메쉬 형태로 프린팅한 후 경화시키는 잉크젯 프린팅(inkjet printing) 방법 등에 의하여 제조될 수 있다. 전극층은 방향성 있는 증착법을 이용하여 마찰층의 한쪽 면에 도전성 물질을 형성하여 적층될 수 있다.

도 13a 내지 도 13c에 도시된 바와 다르게, 전극층을 마찰층의 내부에 형성하려는 경우, 마찰층 상에 전극층을 증착한 후, 그 상부에 다시 마찰층을 이루는 물질, 예를 들어, 폴리머(레진) 등을 코팅하여, 마찰층의 내부에 전극층을 형성할 수 있다. 전극층을 마찰층(210,220)의 내부에 형성하면, 메쉬 구조를 갖는 마찰층(210,220)의 접힘, 꼬임 등으로 인한 전극층(230,240) 간의 접촉을 방지할 수 있으며, 전극층(230,240) 간에 형성된 마찰전기가 누출되지 않도록 차단하여, 마찰전기에 의한 전력 공급 효율을 향상시킬 수 있다. 도시되지 않았으나, 마찰층(210,220) 중의 적어도 하나를 신축성을 갖는 동시에 도전성을 갖는 물질로 형성하여, 별도의 전극층 없이 마찰전기 에너지 수확 소자를 구현할 수도 있다. 이때, 마찰층(210,220)은 전극층으로서의 기능을 동시에 수행하게 된다.

도 14a는 본 발명의 또 다른 일 실시 예에 따른 마찰전기 에너지 수확 소자의 사시도이다. 도 14a를 참조하면, 마찰전기 에너지 수확 소자(200)는 하층부에 해당하는 제1 마찰층(210) 및 제1 전극층(230)과, 상층부에 해당하는 제2 마찰층(220) 및 제2 전극층(240)이 서로 배열 구조가 어긋난 형태로 적층되는 구조로 이루어질 수 있다. 도 14a의 실시 예에 의하면, 다양한 방향으로 작용하는 외력이나 진동에 대해 상층부나 하층부가 변형되어 전력을 변환하므로, 높은 전력 효율을 얻을 수 있다. 도 14a의 실시 예에 의하면, 다양한 방향으로 작용하는 외력이나 진동에 대해 상층부나 하층부가 변형되어 전력을 변환하므로, 높은 전력 효율을 얻을 수 있다.

도 14b는 본 발명의 또 다른 일 실시 예에 따른 마찰전기 에너지 수확 소자를 구성하는 제1 마찰층과 제1 전극층을 보여주는 사시도이다. 도 14b를 참조하면, 마찰전기 에너지 수확 소자(200)는 제1 마찰층(210)의 제2 마찰층(220)과 대향하는 표면에 다수의 스페이서(213)를 구비한 점에서, 도 14a의 실시 예와 차이가 있다. 스페이서(213)는 대향하는 두 마찰층의 간격을 유지하여 에너지 수확 효율을 향상시키는 효과를 제공한다. 또한, 스페이서(213)는 두 마찰층을 부분적으로 이격시킴으로써 두 마찰층이 붙었다가 떼어질 때 메쉬 구조가 찢어지는 현상을 막아 내구성을 증대시키는 효과도 갖는다. 도 14b의 실시 예에서, 스페이서(213)는 제1 마찰층(210)의 격자 배열 구조의 교차점 상에 형성되어 있으나, 스페이서(213)의 형성 위치와 개수 등은 마찰전기 에너지 수확 소자의 적용 환경 등에 따라 다양하게 변화될 수 있다. 도시되지 않았으나, 제2 마찰층의 표면에 스페이서를 형성하는 것도 가능하다.

도 15a는 본 발명의 또 다른 일 실시 예에 따른 마찰전기 에너지 수확 소자의 사시도이고, 도 15b는 도 15a에 도시된 'L'부를 확대하여 보여주는 단면도이고, 도 15c는 도 15a에 도시된 'M'부를 확대하여 보여주는 단면도이다. 도 15a 내지 도 15c를 참조하면, 마찰전기 에너지 수확 소자(300)는 제1 마찰층(310), 제2 마찰층(320), 제1 전극층(330), 및 제2 전극층(340)을 포함한다. 제1 마찰층(310)과 제2 마찰층(320)은 서로 이격되도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 제1 마찰층(310)은 사용자가 착용한 의류의 내측면에 부착되고, 제2 마찰층(320)은 사용자의 피부에 부착될 수 있다.

제1 마찰층(210), 제2 마찰층(220)은 신축성 소재만으로 이루어질 수 있다. 도 15a 내지 도 15c의 실시 예에서, 제1 마찰층(310), 제2 마찰층(320), 제1 전극층(330), 및 제2 전극층(340)은 신축 가능한 구조, 즉 직물 구조로 제공된다. 도 15a 내지 도 15c의 실시 예에 따른 마찰전기 에너지 수확 소자(300)는 직물 구조의 마찰층(310,320)에 의하여 높은 신축성을 갖기 때문에, 높은 전력 효율을 나타낸다.

제1 마찰층(310)은 제2 마찰층(320)과 대향하는 표면에 제1 패턴 구조(312)를 구비하며, 제2 마찰층(320)은 제1 마찰층(310)과 대향하는 표면에 제2 패턴 구조(322)를 구비한다. 패턴 구조(312,322)는 앞서 설명된 실시 예에서 설명된 패턴 구조와 유사한 형태로 제공될 수 있으며, 중복되는 설명을 생략한다. 도 15a 내지 도 15c의 실시 예에서, 전극층(330,340)은 마찰층(310,320)의 대향하지 않는 두 표면상에 형성되어 있으나, 마찰층(310,320) 중의 적어도 하나가 도전성 물질로 이루어져 전극층의 기능을 겸하거나, 전극층이 마찰층의 내부에 형성될 수도 있다.

도 15a 내지 도 15c의 실시 예에 따른 마찰전기 에너지 수확 소자(300)는 예를 들어, 마찰층(310,320)을 미리 섬유 구조로 형성한 후, 방향성 있는 증착법으로 마찰층(310,320)의 한쪽 면에 도전성의 전극층 물질을 형성하여 제조될 수 있다. 마찰층(310,320)은 예를 들어, 신축성을 갖는 물질을 마이크로니들(microneedle)을 통해 섬유(fiber) 형태로 뽑아내는 드로잉(drawing) 방법이나, 일렉트로스피닝(electrospinning) 혹은 일렉트로스프레이(electrospray) 등의 방법을 통해 제조할 수 있다.

도 15a 내지 도 15c에 도시된 바와 다르게, 전극층을 마찰층의 내부에 형성하려는 경우, 마찰층(310,320)의 한쪽 면에 도전성의 전극층 물질을 증착 형성한 후 마찰층을 이루는 물질, 예를 들어 폴리머(레진) 등을 코팅하여 전극층을 마찰층의 내부에 형성할 수 있다. 전극층을 마찰층(310,320)의 내부에 형성하면, 직물 구조를 갖는 마찰층(310,320)의 접힘, 꼬임 등으로 인한 전극층(330,340) 간의 접촉을 방지할 수 있으며, 전극층(330,340) 간에 형성된 마찰전기가 누출되지 않도록 차단하여, 마찰전기에 의한 전력 공급 효율을 향상시킬 수 있다.

도 16a는 본 발명의 또 다른 일 실시 예에 따른 마찰전기 에너지 수확 소자의 평면도이다. 도 16a에 도시된 마찰전기 에너지 수확 소자는 제1 마찰층(310)의 직물 구조의 배열 방향과 수직한 방향으로 제1 전극층(350)이 직물 구조로 형성된 구조를 갖는 점에서, 도 15a의 실시 예와 차이를 갖는다. 도시되지 않았으나, 제2 마찰층(320)의 직물 구조의 배열 방향과 수직한 방향으로 제2 전극층이 직물 구조로 형성되는 것도 가능하다. 일 예로, 마찰층(310)과 전극층(350)은 각각 신축성을 갖는 물질과 도전성을 갖는 물질을 마이크로니들(microneedle)을 통해 섬유(fiber) 형태로 뽑아내는 드로잉(drawing) 방법에 의하여 형성할 수 있다.

도 16b는 본 발명의 또 다른 일 실시 예에 따른 마찰전기 에너지 수확 소자를 이루는 마찰층과 전극층의 부분 사시도이다. 도 16b를 참조하면, 전극층(380)은 직물 구조의 외측에 형성된 마찰층(310)과 동축을 이루어 직물 구조의 내측에 형성될 수 있다. 도 16b의 실시 예에 의하면, 직물 구조를 갖는 마찰층(310)의 접힘, 꼬임 등으로 인한 전극층(380)이 다른 전극층 등에 접촉하는 것을 방지할 수 있으며, 전극층(380)에 형성된 마찰전기가 누출되지 않도록 차단하여, 마찰전기에 의한 전력 공급 효율을 향상시킬 수 있다. 도 16b의 실시 예에 따른 마찰전기 에너지 수확 소자는 내부에 전극층의 형성을 위한 물질이 형성되도록 하고 외부에 마찰층의 형성을 위한 물질이 형성되도록 섬유를 제작하는 일렉트로스피닝(electrospinning) 혹은 일렉트로스프레이(electrospray) 등의 방법에 의하여 제조할 수 있다.

도 17a는 본 발명의 또 다른 일 실시 예에 따른 마찰전기 에너지 수확 소자의 사시도이고, 도 17b는 도 17a에 도시된 'N'부를 확대하여 보여주는 단면도이고, 도 17c는 도 17a에 도시된 'O'부를 확대하여 보여주는 단면도이다. 도 17a 내지 도 17c를 참조하면, 마찰전기 에너지 수확 소자(300)는 제1 마찰층(310), 제2 마찰층(360), 제1 전극층(330), 및 제2 전극층(370)을 포함한다. 제1 마찰층(310)은 제2 마찰층(320)과 대향하는 표면에 제1 패턴 구조(312)를 구비하며, 제2 마찰층(360)은 제1 마찰층(310)과 대향하는 표면에 제2 패턴 구조(362)를 구비한다.

제1 마찰층(310), 제2 마찰층(360), 제1 전극층(330), 및 제2 전극층(370)은 직물 구조를 갖는다. 전극층(330,370)은 마찰층(310,360)의 대향하지 않는 두 표면상에 형성된다. 도 17a 내지 도 17c의 실시 예는 상층부에 해당하는 제2 마찰층(360)과 제2 전극층(370)의 직물 구조 배열 방향이 하층부에 해당하는 제1 마찰층(310)과 제2 전극층(330)의 직물 구조 배열 방향과 나란하지 않고 수직을 이루는 점에서, 도 15a의 실시 예와 차이가 있다.

도 18은 본 발명의 또 다른 일 실시 예에 따른 마찰전기 에너지 수확 소자를 구성하는 제1 마찰층과 제1 전극층을 보여주는 사시도이다. 도 18을 참조하면, 마찰전기 에너지 수확 소자는 제1 마찰층(310)의 제2 마찰층과 대향하는 표면에 다수의 스페이서(311)를 구비한 점에서, 도 17a의 실시 예와 차이가 있다. 스페이서(311)는 대향하는 두 마찰층의 간격을 유지하여 에너지 수확 효율을 향상시키는 효과를 제공한다. 또한, 스페이서(311)는 두 마찰층을 부분적으로 이격시킴으로써 두 마찰층이 붙었다가 떼어질 때 얇은 섬유(fiber)가 찢어지는 현상을 막아 내구성을 증대시키는 효과도 갖는다. 도 18의 실시 예에서, 스페이서(311)는 제1 마찰층(310)의 일정 간격을 이루어 이격 형성될 수 있다. 스페이서(213)의 형성 위치와 개수, 간격, 형상 등은 마찰전기 에너지 수확 소자의 적용 환경 등에 따라 다양하게 변화될 수 있다. 도시되지 않았으나, 제2 마찰층의 표면에 스페이서를 형성하는 것도 가능하다.

이상의 실시 예들은 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제시된 것으로, 본 발명의 범위를 제한하지 않으며, 이로부터 다양한 변형 가능한 실시 예들도 본 발명의 범위에 속하는 것임을 이해하여야 한다. 본 발명의 기술적 보호범위는 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이며, 본 발명의 기술적 보호범위는 특허청구범위의 문언적 기재 그 자체로 한정되는 것이 아니라 실질적으로는 기술적 가치가 균등한 범주의 발명에 대하여까지 미치는 것임을 이해하여야 한다.

20: 전자 장치
100: 마찰전기 에너지 수확 소자
110: 제1 마찰층
111: 스페이서
112: 제1 패턴 구조
120: 제2 마찰층
122: 제2 패턴 구조
130: 제1 전극층
140: 제2 전극층

Claims (20)

1. 제1 전자친화도를 갖는 제1 표면을 구비한 제1 마찰층; 및
   상기 제1 표면과 대향하고 제2 전자친화도를 갖는 제2 표면을 구비한 제2 마찰층을 포함하며,
   상기 제1 마찰층 및 상기 제2 마찰층 중의 적어도 하나는, 신축성 소재로 이루어지는 동시에, 신축 가능한 구조로 제공되고,
   상기 제1 마찰층은 상기 제1 표면으로부터 상기 제2 표면이 이격되도록 형성되는 스페이서를 포함하며,
   상기 스페이서는 상기 제1 표면 상에 격자 구조로 형성되는 마찰전기 에너지 수확 소자.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 제1 마찰층 및 상기 제2 마찰층 중의 적어도 하나는, 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane), 폴리우레탄(polyurethane) 및 나이론(nylon) 중의 적어도 하나를 포함하는 신축성 소재만으로 이루어진 마찰전기 에너지 수확 소자.
3. 제1 항에 있어서,
   상기 신축 가능한 구조는, 중공성 구조 및 0.01 ~ 200 ㎛ 두께의 박막 구조중의 적어도 하나를 포함하는 마찰전기 에너지 수확 소자.
4. 제3 항에 있어서,
   상기 중공성 구조는, 메쉬(mesh) 구조 및 직물 구조 중의 적어도 하나를 포함하는 마찰전기 에너지 수확 소자.
5. 제1 항에 있어서,
   상기 제1 마찰층 및 상기 제2 마찰층 모두 신축성 소재만으로 이루어지는 동시에, 신축 가능한 구조로 제공되는 마찰전기 에너지 수확 소자.
6. 제1 항에 있어서,
   상기 제1 마찰층에 적층되거나 상기 제1 마찰층의 내부에 형성되는 제1 전극층; 및
   상기 제2 마찰층에 적층되거나 상기 제1 마찰층의 내부에 형성되는 제2 전극층을 더 포함하는 마찰전기 에너지 수확 소자.
7. 제1 항에 있어서,
   상기 제1 마찰층 및 상기 제2 마찰층 중의 적어도 하나는, 전극층으로서의 기능을 갖도록 도전성을 갖는 소재로 이루어진 마찰전기 에너지 수확 소자.
8. 제1 항에 있어서,
   내부에 제1 전극층을 구비한 적어도 하나의 제1 마찰층과 내부에 제2 전극층을 구비한 적어도 하나의 제2 마찰층이 교대로 적층된 마찰전기 에너지 수확 소자.
9. 제1 항에 있어서,
   상기 제1 마찰층 및 상기 제2 마찰층 중의 적어도 하나는, 10 ~ 1000 % 의 신축성을 갖는 마찰전기 에너지 수확 소자.
10. 제1 항 내지 제9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 표면 및 상기 제2 표면 중의 적어도 하나에 요철 형상을 갖는 패턴 구조가 형성되는 마찰전기 에너지 수확 소자.
11. 제10 항에 있어서,
    상기 패턴 구조는, 1 nm ~ 1000 nm 간격을 갖도록 형성되는 마찰전기 에너지 수확 소자.
12. 제10 항에 있어서,
    상기 패턴 구조는, 상기 제1 표면 및 상기 제2 표면 중의 적어도 하나로부터 돌출되는 다수의 돌출부를 포함하며,
    적어도 하나의 돌출부는, 피라미드, 기둥 및 반구 형상 중의 적어도 하나를 포함하는 마찰전기 에너지 수확 소자.
13. 삭제
14. 제1 항에 있어서,
    상기 스페이서는 신축성을 가지며, 상기 스페이서의 말단은 상기 제2 표면상에 접촉되고, 상기 제1 마찰층과 상기 제2 마찰층 사이에 공간부가 형성되는 마찰전기 에너지 수확 소자.
15. 제1 항에 있어서,
    상기 격자 구조는, 1 ㎛ ~ 1000 ㎛ 간격을 갖도록 형성되는 마찰전기 에너지 수확 소자.
16. 제1 전자친화도를 갖는 제1 표면을 구비한 제1 마찰층; 및
    상기 제1 표면과 대향하고 제2 전자친화도를 갖는 제2 표면을 구비한 제2 마찰층을 포함하며,
    상기 제1 마찰층 및 상기 제2 마찰층 중의 적어도 하나는, 신축성 소재로 이루어지는 동시에, 신축 가능한 구조로 제공되고,
    상기 제1 마찰층 및 상기 제2 마찰층 중의 적어도 하나는, 상기 제1 표면으로부터 상기 제2 표면이 이격되도록 상기 제1 표면 및 상기 제2 표면 중의 적어도 하나에 형성되는 스페이서를 포함하며,
    상기 스페이서는, 상기 제1 표면상의 적어도 둘 이상의 영역에서 서로 다른 간격을 갖도록 형성되는 마찰전기 에너지 수확 소자.
17. 제1 전자친화도를 갖는 제1 표면을 구비한 제1 마찰층을 제조하는 단계;
    제2 전자친화도를 갖는 제2 표면을 구비한 제2 마찰층을 제조하는 단계; 및
    상기 제1 표면과 상기 제2 표면이 대향하도록 상기 제1 마찰층과 상기 제2 마찰층을 배치하는 단계를 포함하며,
    상기 제1 마찰층 및 상기 제2 마찰층 중의 적어도 하나를 신축성 소재를 갖는 동시에 신축 가능한 구조를 갖도록 제조하며,
    상기 제1 마찰층은 상기 제1 표면으로부터 상기 제2 표면이 이격되도록 형성되는 스페이서를 포함하며,
    상기 스페이서는 상기 제1 표면 상에 격자 구조로 형성되는 마찰전기 에너지 수확 소자의 제조 방법.
18. 제1 전자친화도를 갖는 제1 표면을 구비한 제1 마찰층을 제조하는 단계;
    제2 전자친화도를 갖는 제2 표면을 구비한 제2 마찰층을 제조하는 단계; 및
    상기 제1 표면과 상기 제2 표면이 대향하도록 상기 제1 마찰층과 상기 제2 마찰층을 배치하는 단계를 포함하며,
    상기 제1 마찰층 및 상기 제2 마찰층 중의 적어도 하나를 신축성 소재를 갖는 동시에 신축 가능한 구조를 갖도록 제조하며,
    상기 제1 마찰층을 제조하는 단계는,
    상기 제1 표면상에 요철 형상을 갖는 제1 패턴 구조가 형성되도록, 상기 제1 패턴 구조의 역패턴 구조를 갖는 몰드를 제조하는 단계;
    상기 제1 표면상에 스페이서가 형성되도록, 상기 몰드상에 상기 스페이서의 역상을 갖는 홈을 형성하는 단계;
    상기 몰드상에 상기 제1 마찰층의 형성을 위한 물질을 도포하고, 경화하는 단계; 및
    상기 몰드로부터 상기 제1 마찰층을 분리하는 단계를 포함하는 마찰전기 에너지 수확 소자의 제조 방법.
19. 제17 항에 있어서,
    상기 제1 마찰층을 제조하는 단계 및 상기 제2 마찰층을 제조하는 단계 중의 적어도 하나는, 포토리소그래피(photolithography), 임프린팅(imprinting), 잉크젯 프린팅(inkjet printing), 드로잉(drawing), 일렉트로스피닝(electrospinning), 및 일렉트로스프레이(electrospray) 중의 적어도 하나의 방식을 이용하여 상기 제1 마찰층 및 상기 제2 마찰층 중의 적어도 하나를 제조하는 마찰전기 에너지 수확 소자의 제조 방법.
20. 제17 항에 있어서,
    상기 제1 마찰층 및 상기 제2 마찰층 상에, 혹은 상기 제1 마찰층 및 상기 제2 마찰층의 내부에 전극층을 형성하는 단계를 더 포함하는 마찰전기 에너지 수확 소자의 제조 방법.

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