KR101580409B1 - 투명하고, 유연한 에너지 수확 소자 및 이의 제조방법 - Google Patents

투명하고, 유연한 에너지 수확 소자 및 이의 제조방법 Download PDF

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KR101580409B1
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김은경
김영훈
박태훈
임한휘
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Abstract

본 발명은 전도성 고분자를 전극으로 포함하여 투명하고, 유연한 에너지 수확 소자 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 에너지 수확 소자는, 유기 전극용 조성물을 이용하여 전극을 형성함으로써 전극을 구성하는 유기 전극용 조성물 고유의 우수한 내부식성 및 마찰 접촉층과의 접착성으로 인해 소자의 내구성이 향상되고, 가벼울 뿐만 아니라, 소자의 광투과도가 뛰어나고, 구부리거나 접어도 소자의 전하 이동이 원활하게 이루어지므로, 웨어러블 전자제품의 발전소자로서 유용하게 사용될 수 있다.

Description

투명하고, 유연한 에너지 수확 소자 및 이의 제조방법{Transparent and flexible organic energy harvesting devices and preparation method thereof}
본 발명은 유기 소재를 전극으로 포함하여 투명하고, 내구성이 우수하며, 유연한 에너지 수확 소자 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
최근 화석 에너지의 고갈, 환경오염, 늘어나는 에너지 수요량 등의 문제가 대두됨에 따라 기존 에너지 발전 시스템에서 벗어난 대체 에너지 개발이 요구되고 있다.
이에 따라, 대체 에너지 개발 기술로서 우리 주변에 존재하는 버려지는 에너지를 유용한 전기 에너지로 변환하는 에너지 수확(energy harvesting)에 대한 관심이 높아지고 있으며, 그 중에서도 접촉을 통하여 정전기를 유도하는 원리로 동력학적 에너지를 전기 에너지로 전환하는 소자에 대한 연구가 다각도로 이루어지고 있다.
1831년에 전자기유도 현상이 발견된 이후, 마찰에 의해 형성되는 정전기를 이용하여 전기를 생산하는 기술에 적용하고자 하는 노력이 이어지고 있으며, 그 결과 2012년 미국 조지아 공대 연구팀은 최초로 마찰 발전기를 개발하였다. 그러나, 상기 마찰 발전기는 출력 전류 및 송출 파워가 낮아 실질적으로 상용화가 어려운 문제가 있었다(특허문헌 1).
이에, 최근 마찰전기 발전기의 마찰면에 3차원 마이크로-나노 패터닝, 나노와이어 구조체 형성, 나노 입자 형성 등을 도입하여 마찰전기 발전기의 단락전류 밀도 및 전력효율을 향상시킨 기술이 발표되었다(특허문헌 2, 비특허문헌 1 및 2).
그러나, 상기 기술은 스마트폰, 태블릿 PC 등을 구동할 수 있을 정도로 단락전류 밀도 및 전력효율이 향상되었으나, 소자의 구부리거나(banding) 접었을 경우(folding) 단락전류 밀도가 현저히 감소하므로 웨어러블 전자제품(wearable electronics)에 적용하는 것은 어려운 문제가 있다.
따라서, 광투과도 및 내구성이 우수하고, 가벼우며, 구부리거나 접어도 소자의 전하 이동이 원활하게 이루어져 웨어러블 전자제품에 적용이 가능한 에너지 수확 소자를 개발이 절실히 요구되고 있다.
국제공개특허 제2013/151590호; 미국공개특허 제2014-0084748호.
Zhong Lin Wang, et. al., Nano Lett., 2013, 13, 847; Zhong Lin Wang, et. al., ACS Nano, 2013, 7, 5, 4554.
본 발명의 목적은 광투과도가 우수하고, 구부리거나 접어도 소자의 전하 이동이 원활하게 이루어지는 에너지 수확 소자를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 상기 에너지 수확 소자의 제조방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여,
본 발명은 일실시예에서,
폴딩(folding)에 따른 단락전류 밀도(Jsc) 평가 시,
폴딩(folding) 후 단락전류 밀도(Jsc)가 하기 수학식 1을 만족하는 에너지 수확 소자를 제공한다:
[수학식 1]
Jsc폴딩 후 ≥ Jsc폴딩 전 X 0.2
이때, 단락전류 밀도(Jsc)의 단위는 mA/m2이다.
또한, 본 발명은 일실시예에서,
유기 전극용 조성물을 포함하는 전극에 접합된 제1 및 제2 마찰 접촉층을, 대전체로 대전시키는 단계를 포함하는 에너지 수확 소자의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 에너지 수확 소자는, 유기 전극용 조성물을 이용하여 전극을 형성함으로써 전극을 구성하는 유기 전극용 조성물 고유의 우수한 내부식성 및 마찰 접촉층과의 접착성으로 인해 소자의 내구성이 향상되고, 가벼울 뿐만 아니라, 소자의 광투과도가 뛰어나고, 구부리거나 접어도 소자의 전하 이동이 원활하게 이루어지므로, 웨어러블 전자제품의 발전소자로서 유용하게 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 에너지 수확 소자의 구조를 도시한 단면도이다;
도 2는 본 발명에 따른 에너지 수확 소자의 구조를 도시한 단면도이다. 이때, 상기 에너지 수확 소자는 제1 전극이 전극과 제1 마찰 접촉층의 역할을 모두 수행하는 구조를 갖는다;
도 3은 본 발명에 따른 일실시예에서 제조된 에너지 수확 소자를 촬영한 이미지이다;
도 4는 본 발명에 따른 일실시예에서 풍력 에너지로부터 마찰전기를 생산하는 에너지 수확 소자의 구조를 도시한 단면도이다;
도 5는 본 발명에 따른 에너지 수확 소자의 밴딩(bending) 및 폴딩(folding)에 따른 단락전류 밀도의 변화를 나타낸 그래프이다: 여기서, A는 실시예 1에서 제조된 소자의 단락전류 밀도를, B는 비교예 1에서 제조된 소자의 단락전류 밀도를 나타낸 것이고, (ⅰ)는 밴딩(bending) 및 폴딩(folding)이 수행되지 않은 소자의 측정값, (ⅱ)는 밴딩(bending) 후의 측정값, 및 (ⅲ)은 폴딩(folding) 후의 측정값을 의미한다;
도 6은 본 발명에 따른 에너지 수확 소자에 포함된 전극의 측정된 광투과도를 도시한 그래프이다: 여기서, PET는 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate), PI는 폴리이미드(polyimide), PEDOT-PP는 폴리(3,4-에틸렌다이옥시티오펜):폴리(에틸렌 글리콜-프로필렌 글리콜 블록 공중합체)(poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(ethylene glycol)-block-poly(propylene glycol))를 의미한다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서, "포함한다" 또는 "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.
또한, 본 발명에서 첨부된 도면은 설명의 편의를 위하여 확대 또는 축소하여 도시된 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명에 대하여 도면을 참고하여 상세하게 설명하고, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
본 명세서에서, "웨어러블 전자제품(wearable electronics)"이란, 시계, 안경, 악세서리, 옷 등에 스마트폰, 컴퓨터의 기능을 부여하여 전자제품의 휴대성과 편의성을 극대화한 제품을 의미한다.
또한, 본 명세서에서, "알킬(alkyl)"이란, 직쇄(linear) 또는 분지(branched) 형태의 포화 탄화수소로부터 유도된 작용기를 의미한다.
이때, 상기 "알킬"로는 예를 들면, 메틸기(methyl group), 에틸기(ethyl group), n-프로필기(n-propyl group), 이소프로필기(iso-propyl group), n-부틸기(n-butyl group), sec-부틸기(sec-butyl group), t-부틸기(tert-butyl group), n-펜틸기(n-pentyl group), 노닐기(nonyl group), 도데실기(docecyl group) 등을 들 수 있다.
본 발명은 광투과도 및 구부리거나 접어도 소자의 전하 이동이 원활하게 이루어지는 에너지 수확 소자 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
최근 화석 에너지의 고갈, 환경오염, 늘어나는 에너지 수요량 등의 문제가 대두됨에 따라 기존 에너지 발전 시스템에서 벗어난 대체 에너지 개발이 요구되고 있다. 그 중에서도 접촉을 통하여 정전기를 유도하는 원리로 동력학적 에너지를 전기 에너지로 전환하는 소자에 대한 연구가 다각도로 이루어져 왔으나, 현재까지 개발된 기술들은 스마트폰, 태블릿 PC 등을 구동할 수 있을 정도로 단락전류 밀도 및 전력효율이 우수하나, 소자의 구부리거나(banding) 접었을 경우(folding) 단락전류 밀도가 현저히 감소하므로 웨어러블 전자제품(wearable electronics)에 적용하는 것은 어려운 문제가 있다.
이러한 문제점들을 극복하기 위해서, 본 발명은 유기 전극용 조성물을 함유하는 전극이 도입된 에너지 수확 소자 및 이의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 에너지 수확 소자는, 유기 전극용 조성물을 이용하여 전극을 형성함으로써 전극을 구성하는 유기 전극용 조성물 고유의 우수한 내부식성 및 마찰 접촉층과의 접착성으로 인해 소자의 내구성이 향상되고, 가벼울 뿐만 아니라, 소자의 광투과도가 뛰어나고, 구부리거나 접어도 소자의 전하 이동이 원활하게 이루어지므로, 웨어러블 전자제품의 발전소자로서 유용하게 사용될 수 있다.
이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
본 발명은 일실시예에서,
폴딩(folding)에 따른 단락전류 밀도(Jsc) 평가 시,
폴딩(folding) 후 단락전류 밀도(Jsc)가 하기 수학식 1을 만족하는 에너지 수확 소자를 제공한다:
[수학식 1]
Jsc폴딩 후 ≥ Jsc폴딩 전 X 0.2
이때, 단락전류 밀도(Jsc)의 단위는 mA/m2이다.
본 발명에 따른 에너지 수확 소자는 전기 전도성을 갖는 유기 화합물들로 구성되는 유기 전극용 조성물을 이용하여 제1 및 제2 전극을 형성함으로써 유기 전극용 조성물 고유의 우수한 내부식성 및 마찰 접촉층과의 뛰어난 접착력으로 인해 소자의 내구성이 향상되고 가벼울 뿐만 아니라, 소자의 광투과도가 개선되고, 구부리거나 접어도 소자 내에서의 전하 이동이 원활하다는 이점이 있다.
일실시예에서, 본 발명에 따른 에너지 수확 소자의 폴딩(folding)에 따른 단락전류 밀도(Jsc)를 측정하였다. 그 결과, 도 5에 나타낸 바와 같이, 폴딩(folding) 후의 단락전류 밀도는 상기 에너지 수확 소자를 폴딩(folding)하기 이전에 측정된 초기 단락전류 밀도의 약 88%인 것으로 확인되었다. 이는 상기 에너지 수확 소자가 폴딩(folding)에 의해 단락전류 밀도가 약 12% 감소되었음을 의미한다(실험예 3 참조).
이러한 결과로부터, 본 발명에 따른 에너지 수확 소자는 폴딩(folding) 전후 단락전류 밀도 편차가 20% 이하인 조건을 만족하는 것을 알 수 있으며, 이로부터 상기 소자는 소자 내에서의 전하 이동함에 있어 폴딩(folding)의 영향을 받지 않으며, 폴딩(folding) 이후에도 전력을 생산할 수 있음을 알 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 상기 에너지 수확 소자는,
600 nm 파장에서의 광투과도(transmittance, T)가 50% 이상일 수 있다.
일실시예에서, 본 발명에 따른 에너지 수확 소자의 각 구성요소에 대한 광투과도를 측정하였다. 그 결과, 도 6에 나타낸 바와 같이, 상기 에너지 수확 소자에 포함된 각 구성요소들은 600 nm에서 약 50% 이상의 우수한 광투과도를 나타내었다. 이는 상기 에너지 수확 소자가 마찰 접촉층 및 스페이서 뿐만 아니라, 전극 또한 유기물로 구성되는 유기 전극용 조성물을 함유함으로써, 소자 자체의 광투과도가 우수함을 의미한다.
한편, 본 발명에 따른 상기 에너지 수확 소자는
제1 전극;
제1 전극에 대향되는 제2 전극;
제1 전극의 일면에 형성되는 제1 마찰 접촉층;
제2 전극의 일면에 형성되는 제2 마찰 접촉층; 및
제1 접촉층과 제2 접촉층 사이에 위치하는 스페이서를 포함하고,
상기 제1 또는 제2 전극은 유기 전극용 조성물을 포함할 수 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 에너지 수확 소자(100 및 200)의 대략적인 구조를 도시한 구조도이다.
도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 상기 에너지 수확 소자(100 및 200)는 전극에 마찰 접촉층이 접합된 구조를 가질 수 있다. 보다 구체적으로는, 도 1과 같이 제1 전극(101) 및 제2 전극(106)에 제1 마찰 접촉층(102) 및 제2 마찰층(105)이 각각 접합되거나 또는 도 2와 같이 제1 전극(201)은 제1 전극(201) 및 제1 마찰 접촉층의 역할을 동시에 수행하고, 제2 전극(206)과 제2 마찰 접촉층(205)이 접합된 구조를 가질 수 있다. 이렇게 각 전극에 접합된 제1 마찰 접촉층(102 및 202)과 제2 마찰 접촉층(105 및 205)은 서로 대향되도록 배치되고, 사이에 스페이서(103 및 203)가 도입되어 제1 마찰 접촉층(102 및 202)과 제2 마찰 접촉층(104 및 204)이 완전히 접하지 않고 빈 공간(104 및 204)을 형성하도록 하는 구조를 가질 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 에너지 수확 소자(100 및 200)의 각 구성요소를 도 1 및 도 2를 참조하여 보다 상세히 설명한다.
먼저, 본 발명에 따른 에너지 수확 소자(100 및 200)에 있어서, 상기 제1 및 제2 전극(101 및 201, 106 및 206)은 생성된 마찰전기, 즉 전자를 산화 환원반응에 의해 이동시키는 역할을 한다. 보다 구체적으로, 제1 및 제2 마찰 접촉층(102, 105 및 205)이 접촉하면 제1 및 제2 마찰 접촉층(102, 105 및 205)을 이루는 소재의 대전열 위치에 따라 마찰 접촉층에 정전기가 유도되는데, 상기 전극은 이렇게 유도된 정전기에 의해 분극되어 접합된 마찰 접촉층과 반대되는 전하를 나타내게 된다. 여기서, 상기 제1 및 제2 전극(101 및 201, 106 및 206)은 유도된 전하에 따라 양극 또는 음극으로 나뉘며, 이들 간의 산화 환원반응으로 인해 전자가 이동하게 된다.
본 발명에 따른 상기 제1 및 제2 전극(101 및 201, 106 및 206)은 산화 환원반응에 의한 전자이동이 용이한 물질이라면 특별히 제한되는 것은 아니다. 구체적으로, 상기 제1 또는 제2 전극은 전기 전도도가 우수한 유기 전극용 조성물을 이용하여 형성할 수 있으며, 경우에 따라서는 제1 및 제2 전극을 모두, 유기 전극용 조성물로 형성할 수 있다.
이때, 상기 제1 및 제2 전극의 전기 전도도는 0.001 내지 100,000 S/cm일 수 있다. 보다 더 구체적으로는 0.001 내지 8000 S/cm; 0.001 내지 7500 S/cm; 0.001 내지 6000 S/cm; 0.001 내지 5000 S/cm; 0.01 내지 4500 S/cm; 0.1 내지 4000 S/cm; 0.1 내지 3000 S/cm; 1 내지 2000 S/cm; 1 내지 1500 S/cm; 1 내지 10,000 S/cm; 1000 내지 10,000 S/cm; 10,000 내지 50,000 S/cm; 20,000 내지 100,000 S/cm; 또는 2.5 내지 1300 S/cm일 수 있다.
또한, 상기 유기 전극용 조성물은 전기 전도성이 우수한 전도성 고분자; 또는 5개 이상의 방향족 고리를 포함하는 유기 단분자 화합물을 포함할 수 있다.
상기 유기 전극용 조성물은 전도성 고분자; 또는 5개 이상의 방향족 고리가 접합하거나, 또는 연결되어 콘쥬게이션(conjugation)을 이루는 유기 단분자 화합물을 포함함으로써, 이를 이용하여 제조되는 전극은 전기 전도성이 우수하고, 유연성 및 투광성이 뛰어난 이점이 있다.
상기 전도성 고분자로는 예를 들면, 중량 평균 분자량이 500 내지 1,000,000,000 g/mol인 고분자를 사용할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 전도성 고분자의 중량 평균 분자량은 500 내지 500,000,000 g/mol; 750 내지 250,000,000 g/mol; 1000 내지 10,000,000 g/mol; 1500 내지 15,000,000 g/mol; 1500 내지 200,000,000 g/mol; 또는 5000 내지 1,000,000 g/mol일 수 있다.
또한, 본 발명에 적용 가능한 상기 전도성 고분자의 종류로는 예를 들면, 폴리(3-헥실티오펜)(poly(3-hexylthiophene), P3HT), 폴리(3,4-에틸렌다이옥시티오펜)(poly(3,4-ethylenedioxythiophene), PEDOT), 폴리(3,4-프로필렌다이옥시티오펜)(poly(3,4-propylenedioxythiophene)), 폴리(3,4-에틸렌다이옥시티오펜):폴리(에틸렌 글리콜-프로필렌 글리콜 블록 공중합체)(poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(ethylene glycol)-block-poly(propylene glycol), PEDOT:PP), 폴리(3,4-에틸렌다이옥시티오펜):폴리(스티렌 설포네이트)(poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrene sulfonate), PEDOT:PSS), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리티오펜(polythiophene) 및 폴리셀레노펜(polyselenophene)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있다.
구체적으로, 상기 전도성 고분자는 하기 화학식 1 내지 4로 나타내는 화합물 중 어느 하나 이상일 수 있다:
[화학식 1]
Figure 112014084473814-pat00001
[화학식 2]
Figure 112014084473814-pat00002
[화학식 3]
Figure 112014084473814-pat00003
[화학식 4]
Figure 112014084473814-pat00004
상기 화학식 1 내지 4에서,
X 및 Y는 서로 독립적으로 N-R3, S, Se 또는 Te이고,
R1 내지 R8은 서로 독립적으로 수소; 할로겐으로 치환되거나 비치환된 C1 내지 C10의 알킬기; 할로겐으로 치환되거나 비치환된 C5 내지 C10의 사이클로알킬기; C1 내지 C10의 알콕시기; 아미노기; 티올기; 또는 N, O, S 및 Se로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 헤테로원자를 포함하는 5 내지 10 원자의 헤테로사이클로알킬기이며,
n은 10 내지 2,000,000이다.
보다 구체적으로, 상기 화학식 1 내지 4로 나타내는 전도성 고분자에 있어서,
X는 N-R3, S, Se 또는 Te이고,
R1 내지 R8은 서로 독립적으로 수소, 메틸기, 에틸기, 프로필기 또는 부틸기이며,
n은 10 내지 1,000,000일 수 있다.
나아가, 본 발명에 적용 가능한 상기 5개 이상의 방향족 고리를 포함하는 유기 단분자 화합물로는 예를 들면, 루브렌(rubrene), 펜타센(pentacene), 벤조파이렌(benzopyrene), 코라눌렌(corannulene), 벤조페릴렌(benzoperylene), 코로넨(coronene) 및 오발렌(ovalene)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 방향족 탄화수소 화합물일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 상기 유기 전극용 조성물은, 은(Ag) 또는 탄소(C)를 함유하는 나노 구조체를 더 포함할 수 있다.
상기 유기 전극용 조성물은, 은(Ag) 또는 탄소(C)를 함유하는 나노 구조체를 더 포함함으로써 전기 전도성을 향상시킬 뿐만 아니라 색상 및 안전성을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
나아가, 본 발명에 따른 제1 및 제2 전극(101 및 201, 106 및 206)은 10 nm 내지 1 cm의 두께를 가질 수 있다.
구체적으로, 상기 제1 및 제2 전극(101, 106)은 10 nm 내지 1 μm; 1 μm 내지 100 μm; 50 μm 내지 500 μm; 100 μm 내지 1 cm; 500 μm 내지 1 cm; 1 nm 내지 500 nm; 또는 100 nm 내지 200 μm의 두께를 가질 수 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 에너지 수확 소자(100 및 200)에 있어서, 제1 및 제2 마찰 접촉층(102, 105 및 205)은 실질적으로 소자의 구성요소 중 마찰전기 생성을 위하여 정전기를 유도하는 역할을 수행한다.
상기 제1 및 제2 마찰 접촉층(102, 105 및 205)은 서로 접촉하여 제1 및 제2 마찰 접촉층(102, 105 및 205) 중 어느 하나는 양전하(+)로, 나머지 하나는 음전하(-)로 대전될 수 있으며, 제1 및 제2 마찰 접촉층(102, 105 및 205)을 이루는 소재의 대전열 위치에 따라 유도되는 전하의 성질 및 양이 달라질 수 있다.
이때, 본 발명에 따른 상기 마찰 접촉층은 대전되는 전하량이 크고, 유전률이 높을수록 마찰전기 생산률이 높으므로, 이를 위하여 마찰 접촉층의 표면에 나노 구조를 형성하거나 대전열에서 멀리 떨어져 있는 2종 이상의 소재를 적용하여 제1 및 제2 마찰 접촉층(102, 105 및 205)을 형성할 수 있다. 여기서, 상기 제1 및 제2 마찰 접촉층(102, 105 및 205)은 표면에 나노 구조를 형성하는 경우, 마찰면적이 증가하여 단락전류 밀도가 향상될 수 있으며, 대전열에서 멀리 떨어져 있는 2종의 소재를 사용하는 경우, 개방 전압이 향상될 수 있다.
본 발명에 적용 가능한 상기 제1 및 제2 마찰 접촉층(102, 105 및 205)으로는, 예를 들면, 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate, PMMA), 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate, PET), 폴리(3-헥실티오펜)(poly(3-hexylthiophene), P3HT), 폴리(3,4-에틸렌다이옥시티오펜)(poly(3,4-ethylenedioxythiophene), PEDOT), 에틸셀룰로즈(ethylcellulose), 폴리아마이드(polyamide), 실크(silk), 스폰지(sponge), 폴리스티렌(polystyrene), 폴리(3,4-에틸렌다이옥시티오펜)(poly(3,4-ethylenedioxythiophene)), 이산화규소(SiO2), 이산화티타늄(TiO2), 알루미나(Al2O3), 니켈 옥사이드(NiO) 및 실리카로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 본 발명에 따른 상기 제1 및 제2 마찰 접촉층(102, 105 및 205) 중 어느 한 층은, 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al) 및 구리(Cu)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속을 더 포함할 수 있으며, 상기 어느 한 층은 양전하로 대전되는 마찰 접촉층일 수 있다.
나아가, 본 발명에 따른 상기 제1 및 제2 마찰 접촉층(102, 105 및 205)은, 표면에 반구형, 4각 이상의 다각 뿔형 또는 4각 이상의 다각 기둥형 나노 구조를 가질 수 있다.
상기 제1 및 제2 마찰 접촉층(102, 105)은 반구형, 4각 이상의 다각 뿔형 또는 4각 이상의 다각 기둥형 나노 구조를 표면에 구현함으로써, 마찰되는 표면적을 극대화할 수 있으며, 이에 따라 단락전류 밀도 및 전기 생산 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 상기 제1 및 제2 마찰 접촉층(102, 105 및 205)은 1 μm 내지 1 cm의 두께를 가질 수 있다.
구체적으로, 상기 제1 및 제2 마찰 접촉층(102, 105 및 205)은 1 μm 내지 100 μm; 1 μm 내지 500 μm; 10 μm 내지 200 cm; 250 μm 내지 750 μm; 100 μm 내지 1 cm; 200 μm 내지 1 cm; 또는 500 μm 내지 1 cm 의 두께를 가질 수 있다.
나아가, 본 발명에 따른 상기 제1 및 제2 마찰 접촉층(102, 105 및 205)은, 스페이서(103 및 203)에 의해 1 μm 내지 10 cm의 간격으로 떨어져 위치할 수 있다. 상기 스페이서(103 및 203)의 간격을 상기 범위로 조절함으로써 전하의 분리가 유도되지 않거나, 디바이스의 크기가 커져 운동에너지를 전기에너지로 변환하는 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 에너지 수확 소자(100 및 200)에 있어서, 상기 스페이서(103 및 203)는, 제1 및 제2 마찰 접촉층(102, 105 및 205) 사이에 위치하여 이들이 완전히 접합하지 않고 빈 공간(104 및 204)을 형성할 수 있도록 하는 역할을 수행한다.
상기 스페이스(103 및 203)는 제1 및 제2 마찰 접촉층(102, 105 및 205) 사이, 구체적으로, 제1 및 제2 마찰 접촉층(102, 105 및 205)의 가장자리에 위치하고, 빈 공간(104 및 204)은 제1 및 제2 마찰 접촉층(102, 105 및 205)의 중앙을 중심으로 형성되어, 외력이 소자에 작용할 경우, 제1 및 제2 마찰 접촉층(102, 105 및 205)이 접촉하여 정전기가 유도되도록 한다.
이때, 본 발명에 따른 스페이서(103 및 203)로는, 절연체로서 제1 및 제2 마찰 접촉층(102, 105 및 205)의 전하량에 영향을 미치지 않는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니나, 구체적으로, 폴리이미드(PI)를 함유하는 접착제, 접착테이프 등의 접착소재; 스프링 등을 사용할 수 있다.
아울러, 본 발명에 따른 상기 스페이서(103 및 203)의 두께는 제1 및 제2 마찰 접촉층(102, 105 및 205)의 간격을 1 μm 내지 10 cm로 유지시키는 범위 내에서 제한되지 않고 적용될 수 있다.
본 발명에 따른 에너지 수확 소자(100 및 200)의 형태는 제한되지 않고, 소자가 사용되는 제품의 제조 공정, 제품 형태 등을 고려하여 적절하게 변형할 수 있다.
본 발명에 따른 에너지 수확 소자는 제1 및 제2 마찰 접촉면(102, 105 및 205)을 접촉시키는 에너지원으로서 풍력, 수력, 진동 운동 등을 이용할 수 있으므로, 종래 이들 에너지원을 이용하는 발전시설을 활용할 경우, 발전시설의 구조에 맞춰 직육면체형, 아치형 등의 형태로 사용될 수 있다.
또한, 본 발명은 일실시예에서,
유기 전극용 조성물을 포함하는 전극에 접합된 제1 및 제2 마찰 접촉층을, 대전체로 대전시키는 단계를 포함하는 에너지 수확 소자의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 상기 제조방법은 제1 마찰 접촉층과 제2 마찰 접촉층을 대전체로 대전시키는 단계를 포함함으로써 마찰 접촉층이 가질 수 있는 최대량의 전하를 유도할 수 있으므로, 전기생산 효율을 극대화할 수 있다. 이때, 상기 각 마찰 접촉층에 유도되는 전하량은 대전체로 대전시키지 않고 제1 및 제2 마찰 접촉층을 접촉시켰을 경우의 전하량과 대비하여 약 10 내지 1000배 높을 수 있다.
본 발명에 따른 에너지 수확 소자의 제조방법에 있어서, 상기 제1 및 제2 마찰 접촉층은 유기 전극용 조성물을 이용하여 제1 및 제2 마찰 접촉층의 일면에 제1 및 제2 전극을 형성할 수 있다.
이때, 상기 제1 및 제2 전극은 산화 환원반응에 의한 전자이동이 용이한 물질이라면 특별히 제한되는 것은 아니나, 구체적으로 전기 전도성이 우수한 유기 전극용 조성물을 사용하여 형성될 수 있다.
상기 제1 및 제2 전극은 산화 환원반응에 의한 전자이동이 용이한 물질이라면 특별히 제한되는 것은 아니다. 구체적으로, 상기 제1 또는 제2 전극은 전기 전도도가 우수한 유기 전극용 조성물을 이용하여 형성할 수 있으며, 경우에 따라서는 제1 및 제2 전극을 모두, 유기 전극용 조성물로 형성할 수 있다.
여기서, 상기 제1 및 제2 전극의 전기 전도도는 0.001 내지 100,000 S/cm일 수 있다. 보다 더 구체적으로는 0.001 내지 8000 S/cm; 0.001 내지 7500 S/cm; 0.001 내지 6000 S/cm; 0.001 내지 5000 S/cm; 0.01 내지 4500 S/cm; 0.1 내지 4000 S/cm; 0.1 내지 3000 S/cm; 1 내지 2000 S/cm; 1 내지 1500 S/cm; 1 내지 10,000 S/cm; 1000 내지 10,000 S/cm; 10,000 내지 50,000 S/cm; 20,000 내지 100,000 S/cm; 또는 2.5 내지 1300 S/cm일 수 있다.
또한, 상기 유기 전극용 조성물은 전기 전도성이 우수한 전도성 고분자; 또는 5개 이상의 방향족 고리를 포함하는 유기 단분자 화합물을 포함할 수 있다.
상기 유기 전극용 조성물은 전도성 고분자; 또는 5개 이상의 방향족 고리가 접합하거나, 또는 연결되어 콘쥬게이션(conjugation)을 이루는 유기 단분자 화합물을 포함함으로써, 이를 이용하여 제조되는 전극은 전기 전도성이 우수하고, 유연성 및 투광성이 뛰어난 이점이 있다.
상기 전도성 고분자로는 예를 들면, 중량 평균 분자량이 500 내지 1,000,000,000 g/mol인 고분자를 사용할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 전도성 고분자의 중량 평균 분자량은 500 내지 500,000,000 g/mol; 750 내지 250,000,000 g/mol; 1000 내지 10,000,000 g/mol; 1500 내지 15,000,000 g/mol; 1500 내지 200,000,000 g/mol; 또는 5000 내지 1,000,000 g/mol일 수 있다.
상기 전도성 고분자의 중량 평균 분자량을 상기 범위로 조절함으로써, 전극 내에 전하 이동을 원활하게 할 수 있을 뿐만 아니라, 전도성 고분자의 분자 내 꼬임을 방지하여 분자 내 꼬임으로 인한 전하 이동이 저해되는 것을 예방할 수 있다.
또한, 본 발명에 적용 가능한 상기 전도성 고분자의 종류로는 예를 들면, 폴리(3-헥실티오펜)(poly(3-hexylthiophene), P3HT), 폴리(3,4-에틸렌다이옥시티오펜)(poly(3,4-ethylenedioxythiophene), PEDOT), 폴리(3,4-프로필렌다이옥시티오펜)(poly(3,4-propylenedioxythiophene)), 폴리(3,4-에틸렌다이옥시티오펜):폴리(에틸렌 글리콜-프로필렌 글리콜 블록 공중합체)(poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(ethylene glycol)-block-poly(propylene glycol), PEDOT:PP), 폴리(3,4-에틸렌다이옥시티오펜):폴리(스티렌 설포네이트)(poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrene sulfonate), PEDOT:PSS), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리티오펜(polythiophene) 및 폴리셀레노펜(polyselenophene)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있다.
나아가, 본 발명에 적용 가능한 상기 5개 이상의 방향족 고리를 포함하는 유기 단분자 화합물로는 예를 들면, 루브렌(rubrene), 펜타센(pentacene), 벤조파이렌(benzopyrene), 코라눌렌(corannulene), 벤조페릴렌(benzoperylene), 코로넨(coronene) 및 오발렌(ovalene)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 방향족 탄화수소 화합물일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 상기 유기 전극용 조성물은, 은(Ag) 또는 탄소(C)를 함유하는 나노 구조체를 더 포함할 수 있다.
상기 유기 전극용 조성물은, 은(Ag) 또는 탄소(C)를 함유하는 나노 구조체를 더 포함함으로써 전기 전도성을 향상시킬 뿐만 아니라 색상 및 안전성을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
본 발명에 따른 제1 및 제2 전극의 형성은 당업계에서 필름을 제조하기 위하여 통상적으로 사용되는 방법에 의해 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 구체적으로, 진공증착, 정전 도장, 산화 중합, 용사, 용액 공정 등과 같은 방법에 의해 수행될 수 있으며, 보다 구체적으로는 바-코팅, 스프레이 코팅, 잉크젯 프린팅, 스핀 코팅 등의 용액 공정 또는 진공 증착에 의해 수행될 수 있다.
상기 전극 형성방법에 있어서, 용액공정은 유기 전극용 조성물을 유기 용매에 용해시켜 수행되는 방법으로서, 상기 유기 용매로는, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올, 펜탄올 등의 알코올; 테트라하이드로퓨란, 1,4-다이옥산, 클로로포름, 메틸렌클로라이드, 아세톤, 메틸케톤, 테트라 클로로에탄, 톨루엔 등의 유기 용매를 사용할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 제1 및 제2 마찰 접촉층은, 마찰 접촉층의 전극이 형성되지 않은 면을 대전체로 대전시켜 서로 다른 전하를 갖는 대전면을 형성하는 단계이다.
구체적으로, 제1 및 제2 마찰 접촉면에 있어서, 전극이 형성된 면의 타면을 양전하 또는 음전하로 대전시키는 대전체를 접촉시켜 각각 양전하 또는 음전하로 대전된 대전면을 형성하는 단계이다.
이때, 대전면을 형성하기 위하여 마찰 접촉층에 접촉되는 대전체는 마찰 접촉층에 유도되는 전하량을 극대화하기 위하여, 마찰 접촉층을 구성하는 물질과 대비하여 대전열에서 멀리 떨어져 있는 소재를 대전체로서 사용할 수 있다.
상기 음전하로 대전시키는 대전체로는, 예를 들면 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate, PMMA), 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate, PET), 폴리아마이드(polyamide), 나일론(nylon), 에틸셀룰로오스(ethylcellulose), 실크(silk), 이산화규소(SiO2), 은(Ag), 알루미늄(Al), 종이(cellulose) 등을 사용할 수 있다.
또한, 상기 양전하로 대전시키는 대전체로는, 예를 들면, 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE); 플루오린화된 폴리에틸렌(polyethylene) 또는 폴리프로필렌(polypropylene); 폴리비닐클로라이드(polyvinylchloride, PVC); 폴리다이메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS); 폴리이미드(polyimide, PI) 등을 사용할 수 있다.
상술된 대전체 이외에도, 대전열에 있어서 제1 및 제2 마찰 접촉층과 대비하여 상대적으로 양전하를 띠는 물질이라면 음전하로 대전시키는 대전체로, 음전하를 띠는 물질이라면 양전하로 대전시키는 대전체로 사용될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 에너지 수확 소자는,
대전체로 대전시키는 단계 이후에,
대전된 제1 및 제2 마찰 접촉층을 서로 마주보도록 스페이서로 접합하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 스페이서는 제1 및 제2 마찰 접촉층의 가장자리에 위치하여 에너지 수확 소자에 외력이 작용할 경우, 제1 및 제2 마찰 접촉층이 접촉할 수 있도록 접합할 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예 및 실험예에 의해 보다 상세히 설명한다.
단, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예 및 실험예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1.
4 g의 황산톨루엔 철(iron p-toluenesulfonate)을 6 g의 부탄올에 첨가하여 용해시켰다. 용해된 용액을 0.45 μm 크기의 필터로 여과한 다음, 여과된 용액에 피리딘 138.5 μL와 중량평균 분자량이 2800 g/mol의 폴리에틸렌글리콜-폴리프로필렌글리폴-폴리에틸렌글리콜의 삼원 공중합체 2 g을 첨가하고, 혼합하여 산화용액을 제조하였다. 상기 산화용액에 전도성 고분자 형성을 위한 단량체로서 3,4-에틸렌디옥시티오펜(331 μL)을 첨가하고 균일하게 혼합하였다.
혼합된 용액을 2.5 cm X 2 cm X 220 cm의 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 기판에 1500 rpm으로 스핀코팅하여 박막을 형성하고, 기판에 형성된 박막을 70℃로 가열된 핫-플레이트로 옮겨 중합을 수행하였다. 중합반응을 1시간 동안 수행한 다음, 박막이 노란색에서 검푸른색으로 바뀌는 것이 확인되면, 상온으로 냉각하였다. 냉각된 박막을 증류수에 담궈 세척하고, 질소 건을 이용하여 남은 용액을 불어낸 후, 다시 70℃에서 20분 동안 가열하였다. 이와 같은 냉각 후 세척 및 가열공정을 동일한 방법으로 2회 반복 수행하여, 유기 전극용 박막을 제조하였다. 또한, 이와 동일한 방법으로 2.5 cm X 2 cm X 220 cm의 폴리이미드(PI) 기판에도 유기 전극용 박막을 제조하였다.
상기 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 기판에서 유기 전극용 박막이 형성되지 않은 나머지 일면을 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)으로 대전시켰다. 동일한 방법으로 폴리이미드(PI) 기판의 나머지 일면도 알루미늄 호일을 이용하여 대전시켰다.
대전된 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 기판 및 폴리이미드(PI) 기판을 폴리이미드 테이프(상품명: 캡톤(kapton), 제조사: 듀폰(dupont))를 이용하여 간격이 0.5 mm가 되도록 접합하였다. 그 후, 은이 함유된 에폭시 접착제로 전선을 연결하여 아치형의 에너지 수확 소자를 제조하였으며, 제조된 에너지 수확 소자를 촬영하여 도 3에 나타내었다.
실시예 2.
4 g의 염화철을 6 g의 에탄올에 첨가하여 용해시켰다. 용해된 용액을 0.45 μm 크기의 필터로 여과한 다음, 여과된 용액에 피리딘 138.5 μL와 중량평균 분자량이 5800 g/mol의 폴리에틸렌글리콜-폴리프로필렌글리폴-폴리에틸렌글리콜의 삼원 공중합체 2 g을 첨가하고, 혼합하여 산화용액을 제조하였다. 상기 산화용액에 전도성 고분자 형성을 위한 단량체로서 3,4-에틸렌디옥시티오펜(331 μL)을 첨가하고 균일하게 혼합하였다.
혼합된 용액을 2.5 cm X 2 cm X 700 cm의 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 기판에 1500 rpm으로 스핀코팅하여 박막을 형성하고, 기판에 형성된 박막을 70℃로 가열된 핫-플레이트로 옮겨 중합을 수행하였다. 중합반응을 1시간 동안 수행한 다음, 박막이 노란색에서 검푸른색으로 바뀌는 것이 확인되면, 상온으로 냉각하였다. 냉각된 박막을 증류수에 담궈 세척하고, 질소 건을 이용하여 남은 용액을 불어낸 후, 다시 70℃에서 20분 동안 가열하였다. 이와 같은 냉각 후 세척 및 가열공정을 동일한 방법으로 2회 반복수행하여, 유기 전극용 박막을 제조하였다. 또한, 이와 동일한 방법으로 2.5 cm X 2 cm X 300 cm의 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 기판에도 유기 전극용 박막을 제조하였다.
상기 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 기판에서 유기 전극용 박막이 형성되지 않은 나머지 일면을 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)으로 대전시켰다. 동일한 방법으로 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 기판의 나머지 일면도 알루미늄 호일을 이용하여 대전시켰다.
대전된 폴리메틸메타크릴레이트(MMA) 기판 및 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 기판을 스프링을 이용하여 간격이 1.0 mm가 되도록 접합하였다. 그 후, 은이 함유된 에폭시 접착제로 전선을 연결하여 직사각형의 에너지 수확 소자를 제조하였다.
실시예 3.
10-4 torr에서 2.5 cm X 2 cm X 220 cm의 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 기판 및 2.5 cm X 2 cm X 125 cm의 폴리이미드(PI) 기판에 유기 단분자 화합물인 펜타센(pentacene)을 진공증착하여 전기 유기 전극용 박막을 형성하였다.
상기 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)에서 유기 전극용 박막이 형성되지 않은 나머지 일면을 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)으로 대전시켰다. 동일한 방법으로 폴리이미드(PI) 기판의 나머지 일면도 알루미늄 호일을 이용하여 대전시켰다.
대전된 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 기판 및 폴리이미드(PI) 기판을 폴리이미드 테이프를 이용하여 간격이 0.5 mm가 되도록 접합하였다. 그 후, 은이 함유된 에폭시 접착제로 전선을 연결하여 아치형의 에너지 수확 소자를 제조하였다.
실시예 4.
4 g의 염화철을 6 g의 에탄올에 첨가하여 용해시켰다. 용해된 용액을 0.45 μm 크기의 필터로 여과한 다음, 여과된 용액에 피리딘 138.5 μL와 중량평균 분자량이 5800 g/mol의 폴리에틸렌글리콜-폴리프로필렌글리폴-폴리에틸렌글리콜의 삼원 공중합체 2g을 첨가하고, 혼합하여 산화용액을 제조하였다. 상기 산화용액에 전도성 고분자 형성을 위한 단량체로서 3,4-에틸렌디옥시티오펜(331 μL)을 첨가하고 균일하게 혼합하였다.
혼합된 용액을 7 cm X 6 cm X 220 μm의 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 기판에 1500 rpm으로 스핀코팅하여 박막을 형성하고, 기판에 형성된 박막을 70℃로 가열된 핫-플레이트로 옮겨 중합을 수행하였다. 중합반응을 1시간 동안 수행한 다음, 박막이 노란색에서 검푸른색으로 바뀌는 것이 확인되면, 상온으로 냉각하였다. 냉각된 박막을 증류수에 담궈 세척하고, 질소 건을 이용하여 남은 용액을 불어낸 후, 다시 70℃에서 20분 동안 가열하였다. 이와 같은 냉각 후 세척 및 가열공정을 동일한 방법으로 2회 반복수행하여, 유기 전극용 박막을 제조하였다. 또한, 이와 동일한 방법으로 7 cm X 6 cm X 120 μm의 폴리이미드(PI) 기판에도 유기 전극용 박막을 제조하였다.
상기 폴리에틸렌 테레프탈레레이트(PET) 기판에서 유기 전극용 박막이 형성되지 않은 나머지 일면을 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)으로 대전시켰다. 동일한 방법으로 폴리이미드(PI) 기판의 나머지 일면도 알루미늄 호일을 이용하여 대전시켰다.
대전된 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 기판 및 폴리이미드(PI) 기판(상품명:캡톤(kapton), 제조사: 듀폰(dupont))을 폴리이미드 테이프를 이용하여 간격이 0.5 mm가 되도록 접합하였다. 그 후, 은이 함유된 에폭시 접착제로 전선을 연결하여 아치형의 에너지 수확 소자를 제조하였다.
실시예 5.
4 g의 황산톨루엔 철(iron p-toluenesulfonate), 6 g의 부탄올에 첨가하여 용해시켰다. 용해된 용액을 0.45 μm 크기의 필터로 여과한 다음, 여과된 용액에 피리딘 138.5 μL와 중량평균 분자량이 2800 g/mol의 폴리에틸렌글리콜-폴리프로필렌글리폴-폴리에틸렌글리콜의 삼원 공중합체 2g을 첨가하고, 혼합하여 산화용액을 제조하였다. 상기 산화용액에 전도성 고분자 형성을 위한 단량체로서 3,4-에틸렌디옥시티오펜(331 μL)을 첨가하고 균일하게 혼합하였다.
혼합된 용액을 7 cm X 6 cm X 220 μm의 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 기판에 1500 rpm으로 스핀코팅하여 박막을 형성하고, 기판에 형성된 박막을 70℃로 가열된 핫-플레이트로 옮겨 중합을 수행하였다. 중합반응을 1시간 동안 수행한 다음, 박막이 노란색에서 검푸른색으로 바뀌는 것이 확인되면, 상온으로 냉각하였다. 냉각된 박막을 증류수에 담궈 세척하고, 질소 건을 이용하여 남은 용액을 불어낸 후, 다시 70℃에서 20분 동안 가열하였다. 이와 같은 냉각 후 세척 및 가열공정을 동일한 방법으로 2회 반복 수행하여, 유기 전극용 박막을 제조하였다. 또한, 이와 동일한 방법으로 7 cm X 6 cm X 120 μm의 폴리이미드(PI) 기판에도 유기 전극용 박막을 제조하였다.
상기 폴리에틸렌 테레프탈레레이트(PET) 기판에서 유기 전극용 박막이 형성되지 않은 나머지 일면을 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)으로 대전시켰다. 동일한 방법으로 폴리이미드(PI) 기판의 나머지 일면도 알루미늄 호일을 이용하여 대전시켰다.
대전된 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 기판 및 폴리이미드(PI) 기판(상품명:캡톤(kapton), 제조사: 듀폰(dupont))을 폴리이미드 테이프를 이용하여 간격이 0.5 mm가 되도록 접합하였다. 그 후, 은이 함유된 에폭시 접착제로 전선을 연결하여 아치형의 에너지 수확 소자를 제조하였다.
실시예 6.
4 g의 황산톨루엔 철(iron p-toluenesulfonate), 6 g의 부탄올에 첨가하여 용해시켰다. 용해된 용액을 0.45 μm 크기의 필터로 여과한 다음, 여과된 용액에 중량평균 분자량이 2800 g/mol의 폴리에틸렌글리콜-폴리프로필렌글리폴-폴리에틸렌글리콜의 삼원 공중합체 1g을 첨가하고, 혼합하여 산화용액을 제조하였다. 상기 산화용액에 전도성 고분자 형성을 위한 단량체로서 3,4-에틸렌디옥시티오펜(331 μL)을 첨가하고 균일하게 혼합하였다.
혼합된 용액을 7 cm X 6 cm X 220 μm의 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 기판에 1500 rpm으로 스핀코팅하여 박막을 형성하고, 기판에 형성된 박막을 90℃로 가열된 핫-플레이트로 옮겨 중합을 수행하였다. 중합반응을 30분 동안 수행한 다음, 박막이 노란색에서 검푸른색으로 바뀌는 것이 확인되면, 상온으로 냉각하였다. 냉각된 박막을 증류수에 담궈 세척하고, 질소 건을 이용하여 남은 용액을 불어낸 후, 다시 70℃에서 20분 동안 가열하였다. 이와 같은 냉각 후 세척 및 가열공정을 동일한 방법으로 2회 반복 수행하여, 유기 전극용 박막을 제조하였다. 또한, 이와 동일한 방법으로 7 cm X 6 cm X 120 μm의 폴리이미드(PI) 기판에도 유기 전극용 박막을 제조하였다.
상기 폴리에틸렌 테레프탈레레이트(PET) 기판에서 유기 전극용 박막이 형성되지 않은 나머지 일면을 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)으로 대전시켰다. 동일한 방법으로 폴리이미드(PI) 기판의 나머지 일면도 알루미늄 호일을 이용하여 대전시켰다.
대전된 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 기판 및 폴리이미드(PI) 기판(상품명:캡톤(kapton), 제조사: 듀폰(dupont))을 폴리이미드 테이프를 이용하여 간격이 0.5 mm가 되도록 접합하였다. 그 후, 은이 함유된 에폭시 접착제로 전선을 연결하여 아치형의 에너지 수확 소자를 제조하였다.
비교예 1.
실시예 3에서 펜타센(pentacene)을 사용하는 대신에 금(Au)을 사용하여 박막을 형성하는 것을 제외하고는 상기 실시예 3과 동일한 방법으로 수행하여 에너지 수확 소자를 제조하였다.
비교예 2.
10-4 torr에서 2.5 cm X 2 cm X 700 μm 의 폴리메틸메타크릴(PMM) 기판 및 2.5 cm X 2 cm X 200 μm의 폴리비닐클로라이드(PVC) 기판에 구리(Cu)를 진공증착하여 박막을 형성하였다.
폴리메틸메타크릴(PMM) 기판에서 박막이 형성되지 않은 나머지 일면을, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)으로 대전시키고, 동일한 방법으로 폴리비닐클로라이드(PVC) 기판의 나머지 일면도 알루미늄 호일을 이용하여 대전시켰다.
대전된 폴리메틸메타크릴(PMM) 기판 및 폴리비닐클로라이드(PVC) 기판을 폴리이미드 테이프를 이용하여 간격이 0.5 mm가 되도록 접합하였다. 그 후, 은이 함유된 에폭시 접착제로 전선을 연결하여 아치형의 에너지 수확 소자를 제조하였다.
비교예 3.
10-4 torr에서 2.5 cm X 2 cm X 220 μm의 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 기판 및 2.5 cm X 2 cm X 125 μm의 폴리이미드(PI) 기판에 알루미늄(Al)을 진공증착하여 박막을 형성하였다.
폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 기판에서 박막이 형성되지 않은 나머지 일면을 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)으로 대전시키고, 동일한 방법으로 폴리이미드(PI) 기판의 나머지 일면도 알루미늄 호일을 이용하여 대전시켰다.
대전된 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 기판 및 폴리이미드(PI) 기판을 스프링을 이용하여 간격이 1.0 mm가 되도록 접합하였다. 그 후, 은이 함유된 에폭시 접착제로 전선을 연결하여 아치형의 에너지 수확 소자를 제조하였다.
비교예 4.
10-4 torr에서 7 cm X 6 cm X 220 μm의 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 기판 및 7 cm X 6 cm X 125 μm의 폴리이미드(PI) 기판에 금(Au)을 진공증착하여 박막을 형성하였다.
상기 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 기판에서 박막이 형성되지 않은 나머지 일면을 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)으로 대전시키고, 동일한 방법으로 폴리이미드(PI) 기판의 나머지 일면도 알루미늄 호일을 이용하여 대전시켰다.
대전된 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 기판 및 폴리이미드(PI) 기판을 스프링을 이용하여 간격이 1.0 mm가 되도록 접합하였다. 그 후, 은이 함유된 에폭시 접착제로 전선을 연결하여 아치형의 에너지 수확 소자를 제조하였다.
비교예 5.
10-4 torr에서 7 cm X 6 cm X 700 μm의 폴리메틸메타크릴(PMM) 기판 및 7 cm X 6 cm X 200 μm의 폴리비닐클로라이드(PVC) 기판에 알루미늄(Al)을 진공증착하여 박막을 형성하였다.
폴리메틸메타크릴(PMM) 기판에서 박막이 형성되지 않은 나머지 일면을 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)으로 대전시키고, 동일한 방법으로 폴리비닐클로라이드(PVC) 기판의 나머지 일면도 알루미늄 호일을 이용하여 대전시켰다.
대전된 폴리메틸메타크릴(PMM) 기판 및 폴리비닐클로라이드(PVC) 기판을 폴리이미드 테이프를 이용하여 간격이 0.5 mm가 되도록 접합하였다. 그 후, 은이 함유된 에폭시 접착제로 전선을 연결하여 아치형의 에너지 수확 소자를 제조하였다.
실험예 1. 유기 전극용 조성물을 포함하는 전극의 전기 전도성 평가
유기 전극용 조성물을 이용하여 제조되는 본 발명에 따른 에너지 수확 소자의 전극에 대한 전기 전도성을 평가하기 위하여 하기와 같은 실험을 수행하였다.
상기 실시예 1 내지 6, 및 비교예 1 내지 5에서 제조된 소자에 사용된 전극에 대하여, CHI 기기(CHI instrument)를 이용한 전류-전압 곡선(I-V curve) 및 알파-스텝(α-step)을 측정하였으며, 측정된 결과로부터 전극의 전기 전도도를 도출하였다. 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
전기 전도도 (S/cm)
실시예 1 1240
실시예 2 1000
실시예 3 5
실시예 4 200
실시예 5 1300
실시예 6 0.001
비교예 1 450000
비교예 2 550000
비교예 3 370000
비교예 4 460000
비교예 5 550000
표 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 에너지 수확 소자에 포함된 전극은 우수한 전기 전도성을 갖는 것을 알 수 있다.
구체적으로, 상기 실시예 1, 2, 4 내지 6에서 제조된 에너지 수확 소자에 포함된 폴리(3,4-에틸렌다이옥시티오펜):폴리(에틸렌 글리콜-프로필렌 글리콜 블록 공중합체)(poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(ethylene glycol)-block-poly(propylene glycol), PEDOT:PP)은 전기 전도도가 각각 1240, 1000, 200, 1300 및 0.001 S/cm인 것으로 확인되었다. 또한, 실시예 3에서 제조된 에너지 수확 소자에 포함된 펜타센(pentacene)은 전기 전도도가 5 S/cm인 것으로 확인되었다.
한편, 비교예 1 내지 5에서 제조된 에너지 수확 소자에 포함된 전극들은 금(Au), 구리(Cu) 및 알루미늄(Al)을 함유하여 370000 S/cm 이상의 높은 전기 전도도를 나타내었다.
이로부터, 본 발명에 따른 에너지 수확 소자의 전극은 0.001 내지 100,000 S/cm의 전기 전도도를 갖는 것을 알 수 있다. 특히, 실시예 1, 2 및 5에서 제조된 에너지 수확 소자와 같이, 전도성 고분자로 전극을 형성한 경우에도 1000 S/cm 이상의 우수한 전기 전도도를 나타내므로, 플렉시블 디스플레이와 같은 전자 기기에 사용 가능한 것을 알 수 있다.
실험예 2. 에너지 수확 소자의 전기 효율 평가
본 발명에 따른 에너지 수확 소자의 전기 효율을 평가하기 위하여 하기와 같은 실험을 수행하였다.
상기 실시예 1 내지 6, 및 비교예 1 내지 5에서 제조된 에너지 수확 소자에 대한 초기 대전전압을 정전기 센서(DONG IL TECHNOLOGY LTD, ARS-H002ZA)를 이용하여 측정하였다. 또한, 각 소자의 단락전류 밀도, 개방 전압 및 이동 전하량을 (측정에 사용된 기기)을 이용하여 측정하였다. 이때, 측정된 에너지 수확 소자의 면적은 5 cm2였으며, 상기 단락전류 밀도는 피코암미터(picoammeter, Keithley, Model: 6485) 및 오실로스코프(Osciloscope, Tektronix, Model: DP02024)를 이용하여 측정하고, 개방전압은 일렉트로미터(Electrometer, Keithley, Model: 6514)를 이용하여 측정하였다. 측정된 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
대전전압 (kV) 단락전류 밀도
(mA/m2)		 개방전압
(V)		 이동 전하량
(nC)		 전력밀도
(W/m2)
실시예 1 (+) 극: 3.4 49 60 22 1.29
(-) 극: -2.1
실시예 2 (+) 극: 3.7 50 54 20 1.18
(-) 극: -4.7
실시예 3 (+) 극: 3.4 22 27 16 0.81
(-) 극: -2.1
실시예 4 (+) 극: 3.4 50 814 240 13.9
(-) 극: -2.4
실시예 5 (+) 극: 3.5 51 720 238 12.9
(-) 극: -2.6
실시예 6 (+) 극: 3.5 8 610 58 2.9
(-) 극: -2.6
비교예 1 (+) 극: 3.3 45 62 21 1.10
(-) 극: -2.2
비교예 2 (+) 극: 3.8 49 60 20 1.22
(-) 극: -4.7
비교예 3 (+) 극: 3.7 51 55 23 1.25
(-) 극: -2.7
비교예 4 (+) 극: 3.5 50 734 232 12.7
(-) 극: -2.9
비교예 5 (+) 극: 3.1 51 700 238 12.5
(-) 극: -2.9
본 발명에 따른 에너지 수확 소자는 유기 전극용 조성물로 형성된 전극을 포함하여도 전기 생산 효율이 우수한 것을 알 수 있다.
보다 구체적으로, 먼저 본 발명에 따른 실시예 1 내지 6에서 제조된 에너지 수확 소자는 전극을 형성하는 성분에 상관없이 접촉층을 구성하는 물질과 대전시키는 물질에 따라 동일 대전전압을 갖는 것으로 확인되었다. 또한, 유기 전극용 조성물로 전극을 형성한 에너지 수확 소자들은 단락전류 밀도, 개방전압 및 이동 전하량이 우수한 것으로 확인되었다. 특히, PEDOT-PP와 같은 전도성 고분자로 전극을 형성한 실시예 1, 2, 4 및 5에서 제조된 에너지 수확 소자의 경우, 단락전류 밀도는 약 25 mA/m2 이상, 개방전압은 약 55 V 이상, 및 이동 전하량은 약 20 nC 이상으로 전기적 효율이 우수한 것으로 확인되었다. 또한, 실시예 1, 2 및 5와 동일하게, PEDOT-PP로 전극을 형성한 실시예 6에서 제조된 에너지 수확 소자는 단락 전류밀도는 8 mA/m2로 다소 낮으나, 개방전압 및 이동 전하량은 각각 610 V 및 58 nC로 우수한 값을 갖는 것으로 확인되었다.
한편, 금속 전극을 포함하는 비교예 1 내지 5의 에너지 수확 소자는 단락전류 밀도는 약 25 mA/m2 이상, 개방전압은 약 55 V 이상, 및 이동 전하량은 약 20 nC 이상으로 본 발명에 따른 에너지 수확 소자와 동등한 전기적 효율을 나타내는 것으로 확인되었다.
이러한 결과로부터, 본 발명에 따른 에너지 수확 소자는 전기적 효율 측면에서, 유기 전극용 조성물로 구성되는 전극을 포함하여도 전극을 금속으로 형성한 종래의 에너지 수확 소자와 동등한 효율을 갖는 것을 알 수 있다.
실험예 3. 밴딩 및 폴딩에 따른 소자의 마찰전기 생산 여부 평가
에너지 수확 소자를 웨어러블 전자제품에 적용하기 위해서는 소자를 밴딩(bending)한 이후, 뿐만 아니라 폴딩(folding)한 이후에도 마찰전기를 생산할 수 있어야 한다. 이에, 밴딩(bending) 및 폴딩(folding)에 따른 본 발명의 따른 에너지 수확 소자의 마찰전기 생산 여부를 평가하기 위하여 하기와 같은 실험을 수행하였다.
제1 및 제2 마찰 접촉층의 구성이 동일한 상기 실시예 1 및 비교예 1의 에너지 수확 소자에 대하여, 소자의 밴딩(bending) 및 폴딩(folding)에 따른 단락전류 밀도를 측정하였다. 이때, 측정된 소자의 면적은 5 cm2였으며, 상기 단락전류 밀도는 피코암미터(picoammeter, Keithley, Model: 6485) 및 오실로스코프(Osciloscope, Tektronix, Model: DP02024)를 이용하여 측정하였다. 측정된 결과는 도 5에 나타내었다.
도 5에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 에너지 수확 소자는 밴딩(bending) 뿐만 아니라, 폴딩(folding) 이후에도 마찰전기를 효과적으로 생산하는 것을 알 수 있다.
구체적으로 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 에너지 수확 소자의 밴딩(bending) 이후 단락전류 밀도는 초기 측정값의 약 98%, 폴딩(folding) 이후 단락전류 밀도는 초기 측정값의 약 88%인 것으로 확인되었다. 이는 상기 소자의 단락전류 밀도가 밴딩(bending)에 의해 약 2% 감소하고, 폴딩(folding)에 의해 약 12% 감소하는 것을 의미한다.
반면, 금(Au)으로 전극을 형성한 비교예 1의 에너지 수확 소자는 밴딩(bending) 이후 단락전류 밀도는 초기 측정값의 약 96%, 폴딩(folding) 이후 단락전류 밀도는 초기 측정값의 약 23%인 것으로 확인되었다. 이는 비교예 1에서 제조된 소자의 단락전류 밀도가 밴딩(bending) 에 의해 약 4% 감소하고, 폴딩(folding)에 의해 약 77% 감소하는 것을 의미한다.
이러한 결과로부터, 본 발명에 따른 에너지 수확 소자는 유기 전극용 조성물을 함유하는 전극을 포함함으로써, 밴딩(bending) 뿐만 아니라 폴딩(folding)한 이후에도 소자 내에 흐르는 전하의 이동에 변화가 작아, 마찰전기를 꾸준히 생산해 낼 수 있음을 알 수 있다.
실험예 4. 에너지 수확 소자의 마찰전기 발전 확인 1
에너지원으로서 수력을 이용한 경우, 본 발명에 따른 에너지 수확 소자의 마찰전기 생산 여부를 확인하기 위하여 하기와 같은 실험을 수행하였다.
에너지 수확 소자를 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 제작하되, 마찰 접촉층을 쉽게 움직일 수 있기 위하여 제1 마찰 접촉층으로 폴리이미드(PI) 기판을 사용하는 대신 50 μm의 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 기판을 사용하고, 제2 마찰 접촉층으로 사용되는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)의 두께를 100 μm로 제어하였다. 또한, 소자의 크기는 면적이 4 cm2가 되도록 제조하였으며, 스페이서로서 폴리이미드 접착제를 사용하였으며, 마찰전기 발전기의 형태는 아치형으로 설정하였다. 제조된 에너지 수확 소자에 10 μl의 물을 30 cm의 높이에서 낙하시켰으며, 물의 낙하로 인하여 에너지 수확 소자에서 생산되는 마찰전기의 단락전류 밀도, 개방전압 및 전력밀도를 측정하였다.
그 결과, 본 발명에 따른 에너지 수확 소자는 상기 조건 하에서 마찰전기를 우수한 효율로 생산하는 것으로 확인되었다.
구체적으로, 상기에서 제조된 에너지 수확 소자에 10 μl의 물을 30 cm의 높이에서 낙하시키는 경우, 단락전류 밀도 8 mA/m2, 개방전압 10.2 V 및 전력밀도 0.0 8 W/m2의 마찰전기를 생산하는 것으로 나타났다.
이러한 결과로부터 본 발명에 따른 에너지 수확 소자는 수력과 같은 동력학적 에너지로부터 마찰전기를 생산할 수 있음을 알 수 있다.
실험예 5. 에너지 수확 소자의 마찰전기 발전 확인 2
에너지원으로서 풍력을 이용한 경우, 본 발명에 따른 에너지 수확 소자의 마찰전기 생산 여부를 확인하기 위하여 하기와 같은 실험을 수행하였다.
에너지 수확 소자를 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 제작하되, 마찰 접촉층을 쉽게 움직일 수 있기 위하여 제1 마찰 접촉층으로 사용된 폴리이미드(PI) 기판의 두께를 20 μm로 제어하고, 제2 마찰 접촉층으로 사용되는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)의 두께를 100 μm로 제어하였다. 또한, 소자의 크기는 면적이 12 cm2가 되도록 제조하였으며, 스페이서는 제1 및 제2 마찰 접촉층의 한 쪽 측면에만 부착하였다.
제조된 에너지 수확 소자를 도 4에 나타낸 바와 같이 일면이 열린 플라스틱 상자에 도입하였다. 이때, 플라스틱 상자의 열린 면으로 에너지 수확 소자의 스페이서가 있는 측면이 배치되도록 도입하여 고정하였다. 그 후, 플라스틱 상자의 열린 면으로 10 m/s의 바람을 주입하여 주입된 바람의 풍력으로 에너지 수확 소자에서 생산되는 마찰전기의 단락전류 밀도, 개방전압 및 전력밀도를 측정하였다.
그 결과, 본 발명에 따른 에너지 수확 소자는 상기 조건 하에서 마찰전기를 우수한 효율로 생산하는 것으로 확인되었다.
구체적으로, 상기에서 제조된 에너지 수확 소자는 10 m/s의 속도로 주입되는 바람을 주입하는 경우, 단락전류 밀도 10 mA/m2, 개방전압 20 V 및 전력밀도 0.11 W/m2의 마찰전기를 생산하는 것으로 나타났다.
이러한 결과로부터 본 발명에 따른 에너지 수확 소자는 풍력과 같은 동력학적 에너지로부터 마찰전기를 생산할 수 있음을 알 수 있다.
실험예 6. 에너지 수확 소자의 투명성 평가
본 발명에 따른 에너지 수확 소자의 투명성을 평가하기 위하여 하기와 같은 실험을 수행하였다.
상기 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 에너지 수확 소자를 대상으로 실험을 수행하였다. 상기 실시예 1의 에너지 수확 소자는 폴리(3,4-에틸렌다이옥시티오펜):폴리(에틸렌 글리콜-프로필렌 글리콜 블록 공중합체)(poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(ethylene glycol)-block-poly(propylene glycol), PEDOT:PP)로 제1 및 제2 전극을, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)로 제1 마찰 접촉층을, 폴리이미드(PI)로 제2 마찰 접촉층 및 스페이서를 구성하고 있다. 이에, 상기 구성요소들의 각 광투과도를 측정하였으며, 비교예 1에서 제조된 에너지 수확 소자의 경우, 상기 구성요소 중 제1 및 제2 전극만을 금(Au)으로 형성한 것이므로, 금(Au)의 광투과도만을 추가적으로 측정하였다. 측정된 결과는 도 6에 나타내었다.
도 6에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 에너지 수확 소자는 우수한 광투과도를 갖는 것을 알 수 있다.
구체적으로, 상기 실시예 1에서 제조된 에너지 수확 소자는 600 nm에서 모두 50% 이상의 광투과도를 갖는 것으로 확인되었다. 특히, 제1 및 제2 전극을 형성하는 PEDOT-PP는 600 nm에서 약 50% 이상의 광투과도를 갖는 것으로 확인되었다. 반면, 비교예 1의 에너지 수확 소자의 전극을 형성하고 있는 금(Au)은 500 nm에서 약 7%의 광투과도를 나타낼 뿐, 대부분의 파장에서 광이 투과되지 않는 것으로 확인되었다.
이러한 결과로부터, 본 발명에 따른 에너지 수확 소자는 유기물로 구성되는 유기 전극용 조성물을 이용하여 제1 및 제2 전극을 형성함으로써 전극의 광투과도가 우수하고, 이에 따라 소자 자체의 광투과도가 현저히 향상되는 것을 알 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 에너지 수확 소자는 유기 전극용 조성물을 이용하여 전극을 형성함으로써 소자의 광투과도가 뛰어나고, 구부리거나 접어도 소자의 전하 이동이 원활하게 이루어지므로, 웨어러블 전자제품의 발전소자로서 유용하게 사용될 수 있다.
100 내지 300: 에너지 수확 소자
101 및 201: 제1 전극
102 및 202: 제1 마찰 접촉층
103 및 203: 스페이서
104 및 204: 빈 공간
105 및 205: 제2 마찰 접촉층
106 및 206: 제2 전극
107: 플라스틱 상자와 에너지 수확 소자를 고정시키는 접착제
108: 에너지 수확 소자가 설치되는, 일면이 열린 플라스틱 상자
301: 상부 전극;
302: 상부 마찰 접촉층;
303: 스페이서
304: 하부 전극;
305: 하부 마찰 접촉층;
306: 은을 함유하는 에폭시 접착제

Claims (23)

  1. 제1 전극;
    제1 전극에 대향되는 제2 전극;
    제1 전극의 일면에 형성되는 제1 마찰 접촉층;
    제2 전극의 일면에 형성되는 제2 마찰 접촉층; 및
    제1 마찰 접촉층과 제2 마찰 접촉층 사이에 위치하여 제1 및 제2 마찰 접촉층 사이에 빈 공간을 형성하는 스페이서를 포함하고,
    상기 제1 및 제2 전극은, 전도성 고분자; 또는 5개 이상의 방향족 고리를 포함하는 유기 단분자 화합물을 포함하는 유기 전극용 조성물을 포함하며,
    600 nm 파장에서의 광투과도(transmittance, T)가 50% 이상이고,
    폴딩(folding)에 따른 단락전류 밀도(Jsc) 평가 시,
    폴딩(folding) 후 단락전류 밀도(Jsc)가 하기 수학식 1을 만족하는 에너지 수확 소자:
    [수학식 1]
    Jsc폴딩 후 ≥ Jsc폴딩 전 X 0.2
    이때, 단락전류 밀도(Jsc)의 단위는 mA/m2이다.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    제1 및 제2 전극의 전기 전도도는 0.001 내지 100,000 S/cm인 에너지 수확 소자.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    전도성 고분자의 중량 평균 분자량은, 500 내지 1,000,000,000 g/mol인 에너지 수확 소자.
  7. 제1항에 있어서,
    전도성 고분자는, 폴리(3-헥실티오펜)(poly(3-hexylthiophene), P3HT), 폴리(3,4-에틸렌다이옥시티오펜)(poly(3,4-ethylenedioxythiophene), PEDOT), 폴리(3,4-프로필렌다이옥시티오펜)(poly(3,4-propylenedioxythiophene)), 폴리(3,4-에틸렌다이옥시티오펜):폴리(에틸렌 글리콜-프로필렌 글리콜 블록 공중합체)(poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(ethylene glycol)-block-poly(propylene glycol), PEDOT:PP), 폴리(3,4-에틸렌다이옥시티오펜):폴리(스티렌 설포네이트)(poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrene sulfonate), PEDOT:PSS), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리티오펜(polythiophene) 및 폴리셀레노펜(polyselenophene)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 에너지 수확 소자.
  8. 제1항에 있어서,
    전도성 고분자는, 하기 화학식 1 내지 4로 나타내는 화합물 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 에너지 수확 소자:
    [화학식 1]
    Figure 112015066983046-pat00005

    [화학식 2]
    Figure 112015066983046-pat00006

    [화학식 3]
    Figure 112015066983046-pat00007

    [화학식 4]
    Figure 112015066983046-pat00008

    상기 화학식 1 내지 4에서,
    X 및 Y는 서로 독립적으로 N-R3, S, Se 또는 Te이고,
    R1 내지 R8은 서로 독립적으로 수소; 할로겐으로 치환되거나 비치환된 C1 내지 C10의 알킬기; 할로겐으로 치환되거나 비치환된 C5 내지 C10의 사이클로알킬기; C1 내지 C10의 알콕시기; 아미노기; 티올기; 또는 N, O, S 및 Se로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 헤테로원자를 포함하는 5 내지 10 원자의 헤테로사이클로알킬기이며,
    n은 10 내지 2,000,000이다.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 X는 N-R3, S, Se 또는 Te이고,
    R1 내지 R8은 서로 독립적으로 수소, 메틸기, 에틸기, 프로필기 또는 부틸기이며,
    n은 10 내지 1,000,000인 에너지 수확 소자.
  10. 제1항에 있어서,
    5개 이상의 방향족 고리를 포함하는 유기 단분자 화합물은, 루브렌(rubrene), 펜타센(pentacene), 벤조파이렌(benzopyrene), 코라눌렌(corannulene), 벤조페릴렌(benzoperylene), 코로넨(coronene) 및 오발렌(ovalene)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 방향족 탄화수소 화합물인 에너지 수확 소자.
  11. 제1항에 있어서,
    유기 전극용 조성물은, 은(Ag) 또는 탄소(C)를 함유하는 나노 구조체를 더 포함하는 에너지 수확 소자.
  12. 제1항에 있어서,
    제1 및 제2 전극의 두께는, 10 nm 내지 1 cm인 것을 특징으로 하는 에너지 수확 소자.
  13. 제1항에 있어서,
    제1 및 제2 마찰 접촉층은, 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate, PMMA), 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate, PET), 폴리(3-헥실티오펜)(poly(3-hexylthiophene), P3HT), 폴리(3,4-에틸렌다이옥시티오펜)(poly(3,4-ethylenedioxythiophene), PEDOT), 에틸셀룰로즈(ethylcellulose), 폴리아마이드(polyamide), 실크(silk), 스폰지(sponge), 폴리스티렌(polystyrene), 폴리(3,4-에틸렌다이옥시티오펜)(poly(3,4-ethylenedioxythiophene)), 이산화규소(SiO2), 이산화티타늄(TiO2), 알루미나(Al2O3), 니켈 옥사이드(NiO) 및 실리카로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 에너지 수확 소자.
  14. 제1항에 있어서,
    제1 및 제2 마찰 접촉층 중 어느 한 층은, 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al) 및 구리(Cu)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속을 더 포함하는 에너지 수확 소자.
  15. 제1항에 있어서,
    제1 및 제2 마찰 접촉층은, 표면에 반구형, 4각 이상의 다각 뿔형 또는 4각 이상의 다각 기둥형 나노 구조를 갖는 에너지 수확 소자.
  16. 제1항에 있어서,
    제1 및 제2 마찰 접촉층의 두께는, 1 μm 내지 1 cm인 것을 특징으로 하는 에너지 수확 소자.
  17. 제1항에 있어서,
    제1 및 제2 마찰 접촉층은, 스페이서에 의해 1 μm 내지 10 cm의 간격으로 떨어져 위치하는 에너지 수확 소자.
  18. 제1항에 있어서,
    스페이서는, 폴리이미드를 함유하는 접착소재; 또는 스프링을 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 수확 소자.
  19. 유기 전극용 조성물을 포함하는 전극에 접합된 제1 및 제2 마찰 접촉층을, 대전체로 대전시키는 단계를 포함하는 제1항에 따른 에너지 수확 소자의 제조방법.
  20. 제19항에 있어서,
    제1 및 제2 마찰 접촉층은, 서로 다른 전하로 대전되는 에너지 수확 소자의 제조방법.
  21. 제20항에 있어서,
    음전하로 대전시키는 대전체가 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate, PMMA), 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate, PET), 폴리아마이드(polyamide), 나일론(nylon), 에틸셀룰로오스(ethylcellulose), 실크(silk), 이산화규소(SiO2), 은(Ag), 알루미늄(Al) 또는 종이(cellulose)인 것을 특징으로 하는 에너지 수확 소자의 제조방법.
  22. 제20항에 있어서,
    양전하로 대전시키는 대전체가 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE); 플루오린화된 폴리에틸렌(polyethylene) 또는 폴리프로필렌(polypropylene); 폴리비닐클로라이드(polyvinylchloride, PVC); 폴리다이메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS); 또는 폴리이미드(polyimide, PI)인 것을 특징으로 하는 에너지 수확 소자의 제조방법.
  23. 제19항에 있어서,
    대전체로 대전시키는 단계 이후에,
    대전된 제1 및 제2 마찰 접촉층을 서로 마주보도록 스페이서로 접합하는 단계를 더 포함하는 에너지 수확 소자의 제조방법.



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