KR101630052B1 - 플렉시블 마찰 전기 발전기 및 이를 포함하는 웨어러블 에너지 장치 - Google Patents

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Abstract

플렉시블 마찰 전기 발전기와 이를 포함하는 웨어러블 에너지 장치가 제공된다. 본 발명의 실시예들에 따른 플렉시블 마찰 전기 발전기는, 제1 직물 및 상기 제1 직물 상에 교대로 배치되는 제1 소재 패턴과 제2 소재 패턴을 포함하는 제1 마찰 전기 발전기 및 제2 직물 및 상기 제2 직물 상에 교대로 배치되는 제3 소재 패턴과 제4 소재 패턴을 포함하는 제2 마찰 전기 발전기를 포함한다. 상기 제1 소재 패턴, 상기 제2 소재 패턴, 상기 제3 소재 패턴, 및 상기 제4 소재 패턴은 표면 거칠기가 서로 다를 수 있다. 상기 웨어러블 에너지 장치는, 상업용 직물 상에 배치되는 상기 플렉시블 마찰 전기 발전기 및 상기 상업용 직물 상에 배치되고 상기 플렉시블 마찰 전기 발전기에 전기적으로 연결되는 수퍼커패시터를 포함한다.

Description

플렉시블 마찰 전기 발전기 및 이를 포함하는 웨어러블 에너지 장치{FLEXIBLE TRIBOELECTRIC GENERATOR AND WEARABLE ENERGY DEVICE COMPRISING THE SAME}
본 발명은 플렉시블 마찰 전기 발전기 및 이를 포함하는 웨어러블 에너지 장치에 관한 것이다.
웨어러블 전자 장치는 모바일 장치의 급속한 보급뿐만 아니라 플렉시블하고 신축적인 전자 장치와 함께 큰 주목을 받고 있다. 상기 플렉시블 전자 장치는 예를 들어, 무기 반도체에 기반을 둔 표피 전자 장치, 유기 전자 장치, 피부에 접합되는 유기 전자 장치, 인간 피부를 모방할 수 있는 고도로 민감한 압력 및 압박 센서들, 전자 피부용 액티브-매트릭스 기계 센서 및 운동 장애의 진단과 치료를 위한 다기능 전자 패치에 적용될 수 있는 등 인간 신체로부터 생리적 및 전기 생리적 정보를 수집하는데 큰 관심을 받고 있다.
그러나, 대부분의 플렉시블 전자 장치는 긴 와이어를 통한 외부 전원과의 연결에 의존하기 때문에 모바일 장치로의 적용에 한계가 있다. 따라서, 웨어러블 장치에 포함되는 집적화된 전기 발생 및 저장 장치의 개발이 요구된다.
마찰 전기 발전기(triboelectric generator, TEG)는 웨어러블 장치에 사용될 수 있는 에너지 장치이다. 마찰 전기 발전기는 컨택/릴리스(contact/release) 및 슬라이딩(sliding) 동작 등의 기계적 마찰을 전기 에너지로 변환할 수 있다. 컨택/릴리스형 마찰은 수직 동작 중에 가장 많이 이루어진다. 컨택 상태에서 전자는 서로 다른 두 물질의 계면에서 이동된다. 릴리스 상태로 변하는 과정에서 두 계면에서 형성된 에어 갭은 전기 포텐셜의 균형을 유지하고, 정전기 유도에 의해 외부 와이어를 통해 전류를 발생한다. 한편, 상기 마찰은 수평 동작 중에 더 흔하게 발생한다. 최근 수평 마찰을 이용하려는 노력은 빈 에어갭을 형성하기 위해 폴리머 어레이를 패터닝하는 것에 의해 물결 구조를 형성하는데 집중되어 있다. 그러나, 상기 구조(에어갭)를 유지하기 위해서는 단단한 물질을 사용하는 것이 필요하고, 이는 플렉시블 장치에 적용될 수 없다. 웨어러블 전자 장치에 에너지원으로 수평 마찰을 이용하기 위해서는 플렉시블하면서도 에어갭에 의존하지 않는 새로운 형태의 마찰 전기 발생기가 필요하다. 또, 독립적으로 작동하기 위해서는 마찰 전기 발생기에 의해 발생한 전기를 웨어러블 시스템 내에 저장될 수 있어야 한다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 플렉시블 마찰 전기 발전기를 제공한다.
본 발명은 상기 플렉시블 마찰 전기 발전기를 포함하는 웨어러블 에너지 장치를 제공한다.
본 발명의 다른 목적들은 다음의 상세한 설명과 첨부한 도면으로부터 명확해 질 것이다.
본 발명의 실시예들에 따른 플렉시블 마찰 전기 발전기는, 제1 직물 및 상기 제1 직물 상에 교대로 배치되는 제1 소재 패턴과 제2 소재 패턴을 포함하는 제1 마찰 전기 발전기 및 제2 직물 및 상기 제2 직물 상에 교대로 배치되는 제3 소재 패턴과 제4 소재 패턴을 포함하는 제2 마찰 전기 발전기를 포함한다. 상기 제1 소재 패턴, 상기 제2 소재 패턴, 상기 제3 소재 패턴, 및 상기 제4 소재 패턴은 표면 거칠기가 서로 다를 수 있다.
상기 제1 직물 및 상기 제2 직물은 전도성 탄소 직물일 수 있다.
상기 제1 소재 패턴은 폴리우레탄을 포함할 수 있고, 상기 제2 소재 패턴은 폴리이미드를 포함할 수 있고, 상기 제3 소재 패턴은 폴리디메틸실록산을 포함할 수 있으며, 상기 제4 소재 패턴은 알루미늄을 포함할 수 있다.
상기 제1 소재 패턴과 상기 제2 소재 패턴이 같은 두께를 가질 수 있고, 상기 제3 소재 패턴과 상기 제4 소재 패턴이 같은 두께를 가질 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 웨어러블 에너지 장치는, 상업용 직물 상에 배치되는 상기 플렉시블 마찰 전기 발전기 및 상기 상업용 직물 상에 배치되고 상기 플렉시블 마찰 전기 발전기에 전기적으로 연결되는 수퍼커패시터를 포함한다.
상기 제1 마찰 전기 발전기와 상기 제2 마찰 전기 발전기는 각각 복수개 포함될 수 있고, 상기 제1 마찰 전기 발전기와 상기 제2 마찰 전기 발전기는 병렬로 연결될 수 있다.
상기 상업용 직물은 의류를 포함할 수 있고, 상기 제1 마찰 전기 발전기는 상기 의류의 팔 부분에 배치될 수 있고, 상기 제2 마찰 전기 발전기는 상기 의류의 몸체 부분에 배치될 수 있다. 상기 제1 마찰 전기 발전기와 상기 제2 마찰 전기 발전기는 서로 마찰되는 것에 의해 전기를 발생할 수 있다. 상기 수퍼커패시터는 상기 의류의 가슴 부분에 배치되어 상기 전기를 저장할 수 있다.
상기 플렉시블 마찰 전기 발전기와 상기 플렉시블 수퍼커패시터는 상기 상업용 직물에 바느질되어 결합될 수 있고, 상기 상업용 직물에 바느질되어 결합되는 전도성 실에 의해 서로 연결될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 웨어러블 에너지 장치는 플렉시블 마찰 전기 발전기와 플렉시블 수퍼커패시터를 포함한다. 상기 웨어러블 에너지 장치는 인간 활동을 통하여 발생한 에너지를 수확하고 저장할 수 있다. 상기 웨어러블 에너지 장치는 상기 활동을 모니터할 뿐만 아니라 외부 센서나 장치에 전원을 공급하는데 사용될 수 있다.
상기 플렉시블 마찰 전기 발전기는 네가지 다른 소재로 형성되어 에어갭을 필요로하지 않으므로 유연성과 신축성을 가질 수 있다. 이에 의해 상기 플렉시블 마찰 전기 발전기는 의류 등의 상업용 직물에 부착될 수 있고, 자주 구부러지는 것에 대한 내구성을 가질 수 있다. 상기 플렉시블 마찰 전기 발전기는 수평 및 수직 마찰에 의해 전기를 발생할 수 있다.
상기 플렉시블 수퍼커패시터는 탄소 직물 상에 형성된 수직 탄소나노튜브(CNT)/RuO2 나노입자 전극을 이용하는 것에 의해 그 성능이 향상될 수 있다. 또한 4000회 충전-방전 사이클 후에도 안정적인 우수한 내구성을 가질 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 웨어러블 에너지 장치의 구조 및 작동 원리를 개략적으로 나타낸다.
도 2는 전기 마찰 발생기의 구조 및 메카니즘을 개략적으로 나타낸다.
도 3은 마찰 전기 발전기의 연속 마찰 또는 분리 마찰에 의해 발생하는 짧은 회로 전류를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 수퍼커패시터의 구조 및 전기화학 특성을 개략적으로 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 웨어러블 에너지 장치의 전기 신호의 작동 및 측정을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 실시예들을 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 본 발명의 목적, 특징, 장점은 이하의 실시예들을 통해 쉽게 이해될 것이다. 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고, 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 따라서, 이하의 실시예들에 의하여 본 발명이 제한되어서는 안 된다.
도면들에서 요소의 크기, 또는 요소들 사이의 상대적인 크기는 본 발명에 대한 더욱 명확한 이해를 위해서 다소 과장되게 도시될 수 있다. 또, 도면들에 도시된 요소의 형상이 제조 공정상의 변이 등에 의해서 다소 변경될 수 있을 것이다. 따라서, 본 명세서에서 개시된 실시예들은 특별한 언급이 없는 한 도면에 도시된 형상으로 한정되어서는 안 되며, 어느 정도의 변형을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 사용된 용어인 상업용 직물은 인간이 착용할 수 있는 의류 등을 포함하는 직물을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 웨어러블 에너지 장치의 구조 및 작동 원리를 개략적으로 나타낸다. 상기 웨어러블 에너지 장치는 전도성 탄소 직물 상에 제조되고, 상기 전도성 탄소 직물은 상기 웨어러블 에너지 장치가 의류의 특정 위치에 직조될 수 있게 하고 전도성 실에 의해 연결될 수 있게 한다.
도 1a에 나타난 바와 같이, 마찰 전기 발전기(TEG)는 마찰을 최대화하는 겨드랑이 영역에 배치될 수 있고, 수퍼커패시터(SC)는 마찰 손상으로부터 안전하고 마찰 전기 발전기(TEG)에 인접한 영역인 가슴 영역에 배치될 수 있다. 보행 중에 이루어지는 스윙 동작에 의해 전기가 발생하고 저장될 수 있다.
도 1b에 집적화된 에너지 장치의 회로 다이아그램이 도시된다. 복수개의 마찰 전기 발전기(TEG)가 충분한 전기를 발생시켜 수퍼커패시터(SC)를 충전하도록 병렬로 연결된다. 마찰 전기 발전기(TEG)와 수퍼커패시터(SC) 사이에 배치되는 정류기(Rectifier)는 발생한 교류 전류(AC)를 직류 전류(DC)로 변환하여 수퍼커패시터(SC)를 충전한다.
도 1c 내지 도 1e를 참조하면, 마찰 전기 발전기(TEG)의 설계는, 팔과 몸체 사이에 발생한 수평 및 수직 마찰을 모두 이용할 수 있도록 네개의 상보적인 소재(complementary material)의 제어된 배열에 따라 이루어질 수 있다. 팔의 안쪽에는 폴리우레탄(PU, 제곱 평균 거칠기(Rq)=158nm) 및 폴리이미드(PI, Rq=23.5nm)가 탄소 직물 상에 교대로 패터닝되어 제1 마찰 전기 발전기(TEG I)을 형성한다. 반대쪽 면에 폴리디메틸실록산(PDMS, Rq=49.4nm) 및 알루미늄(Al, Rq=200nm)이 탄소 직물 상에 교대로 패터닝되어 제2 마찰 전기 발전기(TEG II)를 형성한다. 각각의 소재는 자기 자신의 상대적인 마찰 전기 극성을 갖고, 알루미늄(Al)은 전자를 폴리머 표면으로 이동시키는 전도성 소재로서 회로에 연결된다. 발생한 전기는 집적화된 직물 기반 수퍼커패시터(SC)에 저장된다. 수퍼커패시터(SC)는 탄소 직물, 탄소나노튜브(CNT)/RuO2 전극, 폴리비닐 알코올(PVA)/H3PO4 젤 전해질, 탄소나노튜브(CNT)/RuO2 전극, 및 탄소 직물이 차례로 적층된 구조를 가질 수 있다.
도 2는 전기 마찰 발생기의 구조 및 메카니즘을 개략적으로 나타낸다.
도 2a 내지 도 2d를 참조하면, 각 소재의 상대적인 위치에 의해 유도 전류의 극성이 결정된다. 예를 들어, 알루미늄(Al)이 폴리우레탄(PU)과 폴리이미드(PI)에 정렬될 때 포지티브 및 네커티브 피크가 나타난다. 알루미늄(Al) 전도층은 전자를 전극으로 이동시키기때문에 전하 저장소로서 역할을 수행한다. 전류는 제1 마찰 전기 발전기(TEG I) 및 제2 마찰 전기 발전기(TEG II)를 각각 그라운드 및 신호 라인에 연결하는 것에 의해 모니터링된다. 도 2b에 나타난 바와 같이, 알루미늄(Al)이 폴리우레탄(PU) 쪽으로 드래그(drag)되면 전자를 공급함으로써 양전하로 충전된 폴리우레탄(PU) 표면이 중성화된다. 이는 도 2c에서 상부 피크로 나타난다. 알루미늄(Al)이 폴리이미드(PI) 쪽으로 드래그되면 음전하로 충전된 폴리이미드(PI) 층으로부터 전자가 인출된다. 이는 도 2c에서 하부 피크로 나타난다. 양전하로 충전된 폴리우레탄(PU)과 음전하로 충전된 폴리이미드(PI)의 표면들이 폴리디메틸실록산(PDMS)과 마찰 컨택을 통해 형성되고, 마찰 전기 시리즈(triboelectric series)때문에 폴리디메틸실록산(PDMS)과 폴리우레탄(PU)은 전자와 홀로 각각 채워진다. 전자로 채워진 폴리디메틸실록산(PDMS)이 폴리이미드(PI)쪽으로 슬라이드되면 폴리디메틸실록산(PDMS)에서 폴리이미드(PI)로 전자가 이동하여 폴리디메틸실록산과 폴리이미드는 전자를 공유한다. 도 2d에 나타난 바와 같이, 이동된 전하량은 흐름 방향과 상관없이 거의 같다.
도2e는 마찰 전기 발전기가 컨택/릴리스 모드에서의 수직 마찰을 전기 에너지로 변환하는 원리의 개략적인 다이아그램을 나타낸다.
도 2f 및 도 2g를 참조하면, 마찰 전기 발전기(TEG)의 성능을 확인하기 위해 5mm의 마찰 거리를 이용하여, 보통의 보행 속도에서 사람 팔의 스윙 속도(swing speed)와 유사한 3cm/s의 러빙 속도(rubbing speed)에서 Isc(short-circuit current)와 Voc(open-circuit voltage)를 측정하였다. Isc는 마찰 전기 발전기(TEG)의 제조에 사용되는 소재의 반복되는 라인(길이:1.5cm, 폭:0.5cm, 넓이:0.75㎠)의 수에 비례하는 관계(6 라인:23nA, 12 라인:43nA, 18 라인:55nA)를 나타낸다. 또, Voc는 6V까지 증가하여도 측정 시스템의 입력 임피던스때문에 면적이 12 라인 이상 증가함에 따라 정체하는 것으로 나타난다.
도 2h 및 도 2i를 참조하면, 컨택/릴리스 마찰 하에서 같은 표면적을 갖는 마찰 전기 발전기들은 130nA의 전류와 15V의 전압 출력을 발생한다.
도 2j 내지 도 2m을 참조하면, 교류(AC) 출력은 정류 다이오드를 통해 직류(DC)로 변환된다. 도 2j는 러빙 동안 축적된 전류를 나타내고, 도 2k는 컨택/릴리스 동안 축적된 전류를 나타낸다. 러빙에 의해 유도된 Isc의 피크 값(도 2l 참조)은 컨택/릴리스 마찰에 의한 피크 값(도 2m 참조)처럼 규칙적이지 않지만, 각 피크의 적분 면적이 유사하기 때문에 축적된 전류는 러빙 마찰과 컨택/릴리스 마찰에서 모두 선형 증가를 나타낸다.
도 3은 마찰 전기 발전기의 연속 마찰 또는 분리 마찰에 의해 발생하는 짧은 회로 전류를 설명하기 위한 도면이다. 도 3에서 첫번째 행의 도면들은 연속 마찰인 경우를 나타내고 두번째 행의 도면들은 분리 마찰인 경우를 나타낸다. 또, 도 3a는 알루미늄 층의 두께가 0.4mm인 경우를 나타내고, 도 3b는 알루미늄 층의 두께가 0.1mm인 경우를 나타내며, 도 3c는 알루미늄 층의 두께가 0.2mm인 경우를 나타낸다. 다른 모든 폴리머(폴리디메틸실록산, 폴리우레탄, 및 폴리이미드) 층들의 두께는 0.2mm로 일정하다. 위에 배치되고 폴리우레탄 층과 폴리이미드 층을 포함하는 마찰 전기 발전기는 제1 마찰 전기 발전기이고, 아래에 배치되고 폴리디메틸실록산 층과 알루미늄 층을 포함하는 마찰 전기 발전기는 제2 마찰 전기 발전기이다.
도 3a를 참조하면, 러빙 동안 알루미늄만이 제1 마찰 전기 발전기의 폴리머들과 컨택하고, 알루미늄은 마찰 전기 효과에 의해 폴리이미드와 폴리우레탄 각각에 대하여 전자를 이동시키거나 인출한다. 탄소 직물에서 폴리디메틸실록산에 의해 덮힌 영역은 알루미늄의 전화(electrification)와 함께 정전기 유도에 의해 전자를 앞뒤로 이동시킨다. 알루미늄 내 자유 전자에 의해 포지티브 및 네거티브 피크에서 모두 특이한 전류 출력이 자주 나타난다. 알루미늄은 제1 마찰 전기 발전기의 폴리머 내에 마찰 전기 전하를 유도하고 전자를 주거나 받을 수 있다.
도 3b를 참조하면, 폴리디메틸실록산만이 제1 마찰 전기 발전기의 폴리머들과 컨택하고, 전류 출력의 극성은 인버스된다. 이는 정전기 유도와 동적 전화의 두 종류의 전류 유도의 합에 의해 설명될 수 있다. 정전기 유도는 러빙 동안 폴리디메틸실록산의 컨택/릴리스 거동에 의해 유도된다. 음전하로 충전된 폴리디메틸실록산이 폴리우레탄으로부터 폴리이미드로 드래그되면, 공기에 노출된 폴리우레탄은 네거티브 환경을 잃고(릴리스), 폴리이미드는 네커티브 환경을 얻는다(컨택). 같은 폴리디메틸실록산에 의해 유도되는 컨택/릴리스때문에 유도 전류의 양은 같고 유도 전류의 방향은 서로 반대로 총 제로 출력 전류를 형성한다. 동적 전화는 폴리디메틸실록산과 제1 마찰 전기 발전기의 폴리머들 사이의 마찰에 의해 유도된다. 폴리우레탄에 의해 전화된 폴리디메틸실록산은 전자가 하부 직물로 흐르게 하고, 폴리이미드에 의해 전화된 폴리디메틸실록산은 전자가 상부 직물로 흐르게 한다.
도 3c를 참조하면, 폴리디메틸실록산과 알루미늄이 모두 제1 마찰 전기 발전기의 폴리머들과 컨택하면 전류 피크는 방향과 상관없이 동일한 흐름을 나타낸다.
도 4는 수퍼커패시터의 구조 및 전기화학 특성을 개략적으로 나타낸다.
도 4a 내지 도 4d는 수퍼커패시터를 형성하기 위한 제조 공정과 공정 단계별 SEM(scanning electron microscopy) 이미지를 나타낸다. 도 4a 내지 도 4d를 참조하면, 단일벽 탄소나노튜브(CNT)가 전자 빔 증발 철 촉매(electron-beam-evaporated iron catalyst) 층을 이용한 화학 기상 증착을 통하여 탄소 섬유들의 직물에 합성된다. 탄소나노튜브(CNT)의 수직 성장은 전기 이중층(electrical double layer)을 위한 표면적을 최대화하는 30~40㎛ 높이의 탄소나노튜브 숲(CNT forest)을 형성한다. 이어서 전기화학 증착을 수행하여 탄소나노튜브(CNT) 상에 RuO2 나노입자들이 형성된다.
도 4e를 참조하면, 5 및 100mV/s 간 스캔 속도들에서 획득된 CV 곡선들은 전형적인 수퍼커패시터의 유사 직사각형 형상을 나타낸다. 도 4f를 참조하면, 정전류 충전-방전(Galvanostatic charge-discharge) 곡선들로부터 10, 5, 2, 및 1mA/㎠의 전류 밀도에서 면적 커패시턴스는 각각 74.6, 80.0, 85.2, 및 87.9mF/㎠로 나타난다.
도 4g 및 도 4h를 참조하면, 사용된 젤 전해질은 물 기반이기때문에 포텐셜 윈도우는 H2 발생에 의해 야기되는 손상을 방지하기 위해 0.8V로 제한된다. 직렬연결에서의 포텐셜 윈도우와 병렬 연결에서의 총 커패시턴스는 복수개의 수퍼커패시터를 연결하는 것에 의해 용이하게 조절될 수 있다. 직렬 또는 병렬로 연결된 두개의 수퍼커패시터는 각각 단일 수퍼커패시터에 비해 포텐셜 한계 또는 커패시턴스가 두배가 된다.
도 4i 내지 도 4l을 참조하면, 수퍼커패시터의 성능은 135°까지 구부러져도 변하지 않고 유지될 수 있고, 이는 각 구성요소의 높은 유연성에 기인한다. 또, 4000회의 충전-방전 사이클 수행 후에도 면적 커패시턴스에 거의 차이가 나타나지 않는다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 웨어러블 에너지 장치의 전기 신호의 작동 및 측정을 설명하기 위한 도면이다.
도 5a를 참조하면, 직물 기반 마찰 전기 발전기(TEG)(5cm×9cm, 18 라인) 및 수퍼커패시터(SC)는 셔츠와 같은 의류에 쉽게 바느질되어 붙여질 수 있고 전도설 탄소 실에 의해 연결될 수 있다.
도 5b 및 도 5c를 참조하면, 달리기나 보행과 같은 규칙적이고 일상적인 활동을 통한 에너지 수확이 다양한 속도에서 마찰 전기 발전기(TEG)를 러빙함으로써 축적된다. 1.5Hz 속도에서 평균 출력 전압 및 정류 전류는 각각 33V와 0.25㎂로 측정된다. 이렇게 발생하여 수퍼커패시터에 저장되는 전류는 LED를 밝힐만큼 강력하다.
도 5d를 참조하면, 러빙 주기는 0.67~4Hz의 범위 내에서 비례하는 관계를 나타내고, 전하 축적의 기울기를 결정한다. 이는 상기 웨어러블 에너지 장치가 웨어러블 자기 전원 인간 활동 모니터(self-powered human activity monitor)로 기능하게 한다.
도 5e는 일반적인 조깅 과정인 스트레칭, 보행, 달리기, 스프린팅 및 쿨다운 보행으로부터 기록된 정류 출력 전류(흑색, 좌측 세로축)와 전하 축적(적색, 우측 세로축)을 나타낸다. 전하 축적의 기울기가 모니터링되면, 상기 웨어러블 에너지 장치를 착용한 실험 대상자의 활동이 추적될 수 있다. 스트레칭, 보행, 달리기, 스프린팅, 및 쿨다운과 관련된 기울기는 각각 0.48, 8.4, 22, 53, 및 9.6nC/s이다.
도 5f는 1, 10, 및 100nF의 커패시턴스를 갖는 세개의 다른 커패시터의 전압 대 시간 그래프를 나타낸다. 빠른 충전/방전 커패시터(1nF)는 인간 활동 모니터링에 더 나은 감도를 제공하는 반면, 높은 커패시턴스의 커패시터(100nF)는 장기간 모니터링에 적합하다.
도 5g 및 도 5h를 참조하면, 마찰 전기 발전기에 의해 충전된 수퍼커패시터는 다른 센서들에 전원을 공급할 수 있다. 예를 들어, 마찰 전기 발전기에 의해 충전된 수퍼커패시터는 압력 센서에 필요한 전류를 제공할 수 있다. 상기 압력 센서는 탄소 직물 사이에 샌드위치된 다공성 감압 러버(porous pressure-sensitive rubber, PPSR)로 구성될 수 있다.
도 5i 및 도 5j를 참조하면, 다공성 감압 러버(PPSR)의 저항은 적용된 압력에 대하여 선형으로 변한다.
도 5k를 참조하면, 전류에서의 변화를 측정하는 것에 의해 상기 적용된 압력을 결정하는 것이 가능하다. 이는 상기 센서 상에 20, 50, 100, 및 200g 중량의 물체를 각각 배치하는 것에 의해 확인될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 웨어러블 에너지 장치는 인간 활동을 통하여 발생한 에너지를 수확하고 저장할 수 있다. 상기 웨어러블 에너지 장치는 상기 활동을 모니터할 뿐만 아니라 외부 센서나 장치에 전원을 공급하는데 사용될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 마찰 전기 발전기는 네가지 다른 소재로 형성되어 에어갭을 필요로하지 않는 독특한 구조를 갖는다. 상기 마찰 전기 발전기는 수평 및 수직 마찰에 의해 전기를 발생할 수 있고, 달리기의 전형적인 조건인 1.5Hz에서 0.18㎼/㎠의 평균 출력 전력 밀도를 가질 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 수퍼커패시터는 탄소 직물 상에 형성된 수직 탄소나노튜브(CNT)/RuO2 나노입자 전극을 이용하는 것에 의해 그 성능이 향상될 수 있고, 1mA/㎠의 방전 전류에서 85.2mF/㎠의 커패시턴스를 가질 수 있다. 또한 4000회 충전-방전 사이클 후에도 안정적인 우수한 내구성을 가지고 있어 상기 마찰 전기 마찰기를 통한 웨어러블 전력 발생에 적합하다.
탄소 직물 상에 플렉시블 마찰 전기 발전기의 제조
탄소 직물 상에 5mm 폭의 폴리이미드(PI) 테이프를 5mm 간격으로 이격되도록 배치한다. 상기 탄소 직물 위에 폴리우레탄 아크릴레이트(PUA)를 붓고, 그 위에 PET 필름을 배치한 후 눌러서 균일한 두께의 폴리우레탄 아크릴레이트(PUA) 필름을 형성한다. 상기 폴리우레탄 아크릴레이트(PUA)를 자외선 램프 아래에서 12시간 동안 배치하여 굳게한 후 상기 폴리이미드(PI) 테이프를 제거한다. 상기 탄소 직물의 노출된 영역에 표면이 평탄해질 때까지 폴리이미드(PI) 테이프를 적층한다. 이에 의해, 제1 마찰 전기 발전기가 형성된다.
탄소 직물 상에 5mm 폭의 알루미늄(Al) 테이프를 5mm 간격으로 이격되도록 배치한다. 상기 알루미늄(Al) 테이프를 폴리이미드(PI) 테이프로 덮고, 폴리디메틸실록산(PDMS)(프리폴리머와 경화제의 10:1 혼합물)을 상기 탄소 직물 상에 붓는다. 상기 폴리디메틸실록산(PDMS) 상에 폴리이미드로 덮힌 PET 필름을 배치하고 3kg 스테인레스-스틸 플레이트로 누른 후 균일한 두께의 폴리디메틸실록산(PDMS) 필름을 형성한다. 상기 폴리디메틸실록산을 90℃의 대류 오븐에서 12시간 이상 동안 경화한 후 상기 폴리이미드(PI) 테이프를 제거한다. 상기 알루미늄(Al) 테이프 상에 표면이 평탄해질 때까지 알루미늄(Al) 테이프를 적층한다. 이에 의해, 제2 마찰 전기 발전기가 형성된다.
상기 제1 마찰 전기 발전기와 상기 제2 마찰 전기 발전기는 직물 결합제에 의해 상업용 직물에 부착된 후 전도성 실로 바느질되어 병렬 연결된 마찰 전기 발전기가 형성된다.
탄소 직물 상에 수퍼커패시터의 제조
열 증발기를 이용하여 탄소 직물 상에 10nm 두께의 알루미늄 층을 증착하고, 그 위에 전자빔 증발기를 이용하여 3.5nm 두께의 철 층을 증착하여 촉매를 형성한다. 석영 플레이트 상에 촉매가 코팅된 탄소 직물을 배치한 후 1in 직경의 CVD 석영 실린더 내에 로딩하여 대기압에서 탄소나노튜브를 형성한다. 99.999% 순수 아르곤의 100sccm 흐름과 물을 포함하는 아르곤의 50sccm 흐름 하에 온도를 730℃로 증가시킨다. 상기 온도에 도달하면 75sccm의 에틸렌과 100sccm 수소를 각각 전구체 및 캐리어 가스로서 10분 동안 반응기로 도입한다.
탈이온수 내 5mM 루테늄(III) 클로라이드 하이드레이트, 0.1M KCl, 및 0.01M HCl을 이용하여 RuO2 전기 도금 용액을 준비한다. 상기 전기 도금 용액의 pH가 2.0에 도달할 때까지 3M NaOH 용액을 천천히 첨가한다. 도금에 앞서 상기 탄소나노튜브는 반응성 이온 식각기(reactive ion etcher)를 이용한 O2 플라즈마에 의해 친수성화된다. 상기 도금 용액을 수조에서 50℃로 가열하고, Pt 카운터 전극과 NaCl 내 Ag/AgCl 레퍼런스 전극을 갖는 정전압기(potentiostat)를 이용하여 0.05mV/s의 스캔 속도로 -0.2V 및 1.0V 사이의 사이클릭 볼타메트리(cyclic voltammetry)를 적용한다.
9g의 H3PO4를 포함하는 60mL의 탈이온수에 6g의 폴리비닐 알코올(PVA)(MW:146000~186000g/mol)을 첨가하여 수퍼커패시터용 전해질을 준비한다. 상기 혼합물을 미네랄 오일조에서 계속 저으면서 104℃로 가열하여 투명한 용액을 획득한다. 상기 용액을 페트리 접시에 붓고 실온에서 건조시켜서 젤 전해질 필름을 형성한다.
탄소나노튜브(CNT)/RuO2 전극이 형성된 탄소 직물 사이에 폴리비닐 알코올(PVA)/H3PO4 젤 전해질을 배치하여 수퍼커패시터가 형성된다.
이제까지 본 발명에 대한 구체적인 실시예들을 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관심에서 고려 되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (8)

  1. 제1 직물 및 상기 제1 직물 상에 교대로 배치되는 제1 소재 패턴과 제2 소재 패턴을 포함하는 제1 마찰 전기 발전기; 및
    제2 직물 및 상기 제2 직물 상에 교대로 배치되는 제3 소재 패턴과 제4 소재 패턴을 포함하는 제2 마찰 전기 발전기를 포함하고,
    상기 제1 소재 패턴, 상기 제2 소재 패턴, 상기 제3 소재 패턴, 및 상기 제4 소재 패턴은 표면 거칠기가 서로 다른 것을 특징으로 하는 플렉시블 마찰 전기 발전기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 직물 및 상기 제2 직물은 전도성 탄소 직물인 것을 특징으로 하는 플렉시블 마찰 전기 발전기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 소재 패턴은 폴리우레탄을 포함하고,
    상기 제2 소재 패턴은 폴리이미드를 포함하고,
    상기 제3 소재 패턴은 폴리디메틸실록산을 포함하며,
    상기 제4 소재 패턴은 알루미늄을 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉시블 마찰 전기 발전기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 소재 패턴과 상기 제2 소재 패턴이 같은 두께를 갖고,
    상기 제3 소재 패턴과 상기 제4 소재 패턴이 같은 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 플렉시블 마찰 전기 발전기.
  5. 상업용 직물 상에 배치되는 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항의 플렉시블 마찰 전기 발전기; 및
    상기 상업용 직물 상에 배치되고 상기 플렉시블 마찰 전기 발전기에 전기적으로 연결되는 수퍼커패시터를 포함하는 웨어러블 에너지 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제1 마찰 전기 발전기와 상기 제2 마찰 전기 발전기는 각각 복수개 포함되고,
    상기 제1 마찰 전기 발전기와 상기 제2 마찰 전기 발전기는 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 웨어러블 에너지 장치.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 상업용 직물은 의류를 포함하고,
    상기 제1 마찰 전기 발전기는 상기 의류의 팔 부분에 배치되고,
    상기 제2 마찰 전기 발전기는 상기 의류의 몸체 부분에 배치되어,
    상기 제1 마찰 전기 발전기와 상기 제2 마찰 전기 발전기는 서로 마찰되는 것에 의해 전기를 발생하고,
    상기 수퍼커패시터는 상기 의류의 가슴 부분에 배치되어 상기 전기를 저장하는 것을 특징으로 하는 웨어러블 에너지 장치.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 플렉시블 마찰 전기 발전기와 상기 수퍼커패시터는 상기 상업용 직물에 바느질되어 결합되고, 상기 상업용 직물에 바느질되어 결합되는 전도성 실에 의해 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 웨어러블 에너지 장치.

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