KR101694003B1 - 하이브리드 형태의 전해질을 이용한 마찰전기 에너지 발전 소자 - Google Patents

하이브리드 형태의 전해질을 이용한 마찰전기 에너지 발전 소자 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하이브리드 형태의 전해질을 이용한 마찰 전기 에너지 발전 소자에 관한 것으로서, 구체적으로 전해질과 압전 혹은 강유전 혹은 높은 유전상수를 갖는 물질 또는 자성 물질과의 복합 구조를 이용한 에너지 발전 소자에 관한 것이다.
본 발명의 마찰 전기 에너지 발전 소자의 경우 기존의 전해질을 이용한 에너지 발전소자에 비해 전류의 측면에서 출력의 향상을 가능하게 하였으며, 특히 새로운 물질들(압전, 강유전, 높은 유전상수, 자성 물질)과의 혼합 구조를 통해 출력의 향상을 가능하게 하였으며, 그 혼합비율에 따라 발생되는 에너지의 크기 또한 제어 가능하다.

Description

하이브리드 형태의 전해질을 이용한 마찰전기 에너지 발전 소자{TRIBOELECTRIC ENERGY GENERATOR USING HYBRID TYPE ELECTROLYTE}
본 발명은 하이브리드 형태의 전해질을 이용한 마찰 전기 에너지 발전 소자에 관한 것으로서, 구체적으로 전해질과 압전 혹은 강유전 혹은 높은 유전상수를 갖는 물질 또는 자성 물질과의 복합 구조를 이용한 에너지 발전 소자에 관한 것이다.
마찰에 의한 마찰전기 에너지 발전 소자는 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 마찰전기 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. 마찰에 의해 발생하는 정전기 현상을 이용하여 에너지를 수확하는 마찰전기 에너지 발전 소자는 두 물질이 접촉했을 때와 떨어졌을 때 발생하는 정전기에 의한 대전(帶電) 차이로 에너지가 발생한다.
최근 마찰전기 에너지 발전 소자에 대한 관심이 증가하고 있지만, 발생하는 마찰전기의 특성은 마찰전기 시리즈 상에서 선택된 마찰물질에 의하여 특정되는 한계가 있다. 즉 선택된 마찰물질을 다른 마찰물질로 변경하지 않는 한 마찰물질에 대전될 수 있는 전하의 양에 한계가 있기 때문에 발생할 수 있는 마찰전기 에너지의 크기를 증가시키기 어렵다는 문제점이 있다.
본 출원인이 기존에 출원한 특허출원 제 10-2015-0029584호(2015.03.03 출원일)의 경우 전해질을 이용한 마찰전기 에너지 발전 소자를 청구하고 있으며, 이러한 전해질을 이용한 마찰전기 에너지 발전 소자의 경우 마찰전기 대전 위치의 조절을 통해 전압의 측면에서 에너지 발전 소자의 특성 조절이 가능하였으나, 전류의 측면에서는 움직이는 전자의 개수 및 이의 발생하는 근원의 한계가 존재하였다.
본 발명의 발명자는 종래 기술에서 언급한 전해질을 이용한 마찰 전기 에너지 발전 소자의 문제점을 개선하기 위하여 전해질에 새로운 물질을 부가하여 이용함으로써 더 큰 에너지를 발생할 수 있고, 발생되는 에너지의 크기를 제어할 수 있는 마찰전기 에너지 발전 소자를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 형태의 전해질을 이용한 마찰전기 에너지 발전 소자는, 하부 전극; 상기 하부 전극 상의 하이브리드 물질층; 및 상기 하이브리드 물질층 위에 위치하며 상기 하이브리드 물질층과 접촉 및 비접촉 상태를 반복할 수 있는 마찰 대전체층을 포함하고, 상기 하이브리드 물질층은, 폴리머 물질; 전해질; 및 압전 물질, 강유전 물질, 높은 유전 상수를 갖는 물질 및 자성 물질 중 어느 하나 이상을 포함하며, 상기 마찰 대전체층이 상기 하이브리드 물질층과 접촉 상태에 있다가 비접촉 상태로 된 경우 마찰 전기가 발생된다.
상기 마찰 대전체층 상의 상부 전극을 추가로 포함할 수 있다.
상기 폴리머 물질은 폴리비닐알코올(polyvinyl achol, PVA), 폴리산화에틸렌(polyethylene oxide, PEO), 폴리페닐렌옥사이드(polyphenylene oxide, PPO), 폴리에스터(polyester), 폴리아민(polyamine) 및 폴리설파이드(polysulfide)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상이고, 상기 전해질은 염화나트륨(NaCl), 수산화나트륨(NaOH), 탄산수소나트륨(NaHCO3), 질화은(AgNO3), 염화칼륨(KCl), 탄산칼륨(K2CO3), 탄산나트륨(Na2CO3), 수산화칼륨(KOH), 염화칼슘(CaCl2), 염화바륨(BaCl2), 브롬화칼륨(KBR), 탄산수소칼슘(CaHCO3), 요오드화칼륨(KI), 인산(H3PO4), 황산(H2SO4), 수산화마그네슘(Mg(OH)2), 및 수산화칼슘(Ca(OH)2)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함한다.
상기 압전 물질, 강유전 물질, 높은 유전 상수를 갖는 물질 및 자성 물질 중 어느 하나 이상이 입자 형태로 상기 전해질 및 폴리머 물질에 분산되어 있을 수 있으며, 또는 단일층 형태로 상기 전해질 및 폴리머 물질층에 배치되어 있을 수 있다. 상기 단일층은 화학 기상 증착(CVD) 또는 물리 기상 증착(PVD) 방식으로 증착되며, 이러한 단일층은 복수개가 배치될 수도 있다. 상기 단일층의 두께 및 개수를 제어함에 의해 발생되는 마찰 전기 에너지의 출력이 제어될 수 있다.
한편, 상기 하부 전극 및 상기 마찰 대전체 또는 상기 상부 전극에 각각 연결된 인출부를 추가로 포함하고, 상기 인출부에는 에너지 저장부가 연결되어 있을 수 있다.
본 발명의 추가적인 실시예에 따른 하이브리드 형태의 전해질을 이용한 마찰전기 에너지 발전 소자는, 하부 전극; 상기 하부 전극 상의 제 1 하이브리드 물질층; 상기 제 1 하이브리드 물질층 위에 위치하며 상기 제 1 하이브리드 물질층과 접촉 및 비접촉 상태를 반복할 수 있는 제 2 하이브리드 물질층; 및 상기 제 2 하이브리드 물질층 상의 상부 전극을 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 하이브리드 물질층은, 폴리머 물질; 전해질; 및 압전 물질, 강유전 물질, 높은 유전 상수를 갖는 물질 및 자성 물질 중 어느 하나 이상을 포함하며, 상기 제 2 하이브리드 물질층이 상기 제 1 하이브리드 물질층과 접촉 상태에 있다가 비접촉 상태로 된 경우 마찰 전기가 발생된다.
상기 압전 물질, 강유전 물질, 높은 유전 상수를 갖는 물질 및 자성 물질 중 어느 하나 이상이 입자 형태로 상기 전해질 및 폴리머 물질에 분산되어 있을 수 있으며, 또는 단일층 형태로 상기 전해질 및 폴리머 물질층에 배치되어 있을 수 있다. 상기 단일층은 화학 기상 증착(CVD) 또는 물리 기상 증착(PVD) 방식으로 증착되며, 이러한 단일층은 복수개가 배치될 수도 있다. 상기 단일층의 두께 및 개수를 제어함에 의해 발생되는 마찰 전기 에너지의 출력이 제어될 수 있다.
한편, 상기 하부 전극 및 상기 마찰 대전체 또는 상기 상부 전극에 각각 연결된 인출부를 추가로 포함하고, 상기 인출부에는 에너지 저장부가 연결되어 있을 수 있다.
본 발명의 마찰 전기 에너지 발전 소자의 경우 기존의 전해질을 이용한 에너지 발전소자에 비해 전류의 측면에서 출력의 향상을 가능하게 하였으며, 특히 새로운 물질들(압전, 강유전, 높은 유전상수, 자성 물질)과의 혼합 구조를 통해 출력의 향상을 가능하게 하였으며, 그 혼합비율에 따라 발생되는 에너지의 크기 또한 제어 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 형태의 전해질을 이용한 마찰전기 에너지 발전 소자의 모식도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 하이브리드 형태의 전해질을 이용한 마찰전기 에너지 발전 소자의 모식도를 도시한다.
도 3은 본 발명의 다른 추가적인 실시예에 따른 하이브리드 형태의 전해질을 이용한 마찰전기 에너지 발전 소자의 모식도를 도시한다.
도 4는 본 발명의 다른 추가적인 실시예에 따른 하이브리드 형태의 전해질을 이용한 마찰전기 에너지 발전 소자의 모식도를 도시한다.
도 5는 본 발명의 다른 추가적인 실시예에 따른 하이브리드 형태의 전해질을 이용한 마찰전기 에너지 발전 소자의 모식도를 도시한다.
도 6은 본 발명의 다른 추가적인 실시예에 따른 하이브리드 형태의 전해질을 이용한 마찰전기 에너지 발전 소자의 모식도를 도시한다.
도 7a 및 7b는 구체적인 실시예에 따라 각각 종래 기술에 따른 마찰전기 에너지 발전 소자의 모식도 및 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 형태의 전해질을 이용한 마찰전기 에너지 발전 소자의 모식도를 도시한다.
도 8a 및 도 8b는 도 7a 및 도 7b의 각각의 마찰 전기 에너지 발전 소자의 전압 및 전류 측정 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.
본 발명은 하이브리드 형태의 전해질을 이용한 마찰 전기 에너지 발전 소자에 관한 것으로서, 구체적으로 전해질과 압전 혹은 강유전 혹은 높은 유전상수를 갖는 물질 또는 자성 물질과의 복합 구조를 이용한 에너지 발전 소자에 관한 것이다.
본 발명은 종래 기술에서 언급한 전해질을 이용한 마찰 전기 에너지 발전 소자의 문제점을 개선하기 위하여 전해질에 새로운 물질을 부가하여 이용함으로써 더 큰 에너지를 발생할 수 있고, 발생되는 에너지의 크기를 제어할 수 있는 마찰전기 에너지 발전 소자를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 형태의 전해질을 이용한 마찰전기 에너지 발전 소자는 도 1 내지 도 6에서 예시적으로 도시되어 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 형태의 전해질을 이용한 마찰전기 에너지 발전 소자는, 하부 전극; 하부 전극 상의 하이브리드 물질층; 및 하이브리드 물질층 위에 위치하며 하이브리드 물질층과 접촉 및 비접촉 상태를 반복할 수 있는 마찰대전체층을 포함한다.
본 발명에서 전극층으로 이용되는 물질은 통상적인 전극으로 이용 가능한 물질이면 어떠한 것이든 가능하며, 이에 대한 특별한 제한 사항은 없다.
하이브리드 물질층은, 폴리머 물질, 전해질 및 압전 물질, 강유전 물질, 높은 유전 상수를 갖는 물질 및 자성 물질 중 어느 하나 이상을 포함한다.
하이브리드 물질층은 마찰전기 에너지 발생이 가능한 부분으로서 마찰에 의한 에너지 이외에 추가적인 에너지 발생에 의한 커플링 현상을 통해 마찰에 의한 더 큰 에너지 발생이 가능한 부분으로 제작된다. 이러한 추가적인 에너지 발생 부분이 압전 물질, 강유전 물질, 높은 유전 상수를 갖는 물질 및 자성 물질 중 어느 하나 이상에 의해 이루어지는 것이다.
이러한 하이브리드 물질층은 전해질을 포함하며, 전해질의 경우 액체 상태 이므로 이를 형상화 하기 위해 폴리머 물질을 더 포함할 수 있고, 폴리머 물질을 더 포함하는 경우 전해질 용액을 경화시켜 하나의 층 형상을 구성시킬 수 있다. 전해질 용액을 경화시키는 방법은 전해질 용액을 상온에 방치한 후 서서히 용매를 증발시커거나 전해질 용액을 가열하여 용매를 증발시키는 방식을 통하여 이루어질 수 있다.
이용 가능한 전해질 물질은, 염화나트륨(NaCl), 수산화나트륨(NaOH), 탄산수소나트륨(NaHCO3), 질화은(AgNO3), 염화칼륨(KCl), 탄산칼륨(K2CO3), 탄산나트륨(Na2CO3), 수산화칼륨(KOH), 염화칼슘(CaCl2), 염화바륨(BaCl2), 브롬화칼륨(KBR), 탄산수소칼슘(CaHCO3), 요오드화칼륨(KI), 인산(H3PO4), 황산(H2SO4), 수산화마그네슘(Mg(OH)2), 및 수산화칼슘(Ca(OH)2)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함한다.
또한, 이용 가능한 폴리머 물질은 폴리비닐알코올(polyvinyl achol, PVA), 폴리산화에틸렌(polyethylene oxide, PEO), 폴리페닐렌옥사이드(polyphenylene oxide, PPO), 폴리에스터(polyester), 폴리아민(polyamine) 및 폴리설파이드(polysulfide)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함한다.
전해질 및 폴리머 물질과 혼합되어 하이브리드 물질을 형성하는 추가적인 물질은, 압전 물질, 강유전 물질, 높은 유전 상수를 갖는 물질 및 자성 물질 중 어느 하나 이상을 포함한다.
압전 물질의 경우 외부 힘에 의해 발생하는 압전 전류와의 커플링 현상을 통해 마찰전기의 높은 전압 및 압전의 높은 전류의 에너지 발생 소자로 이용이 가능하며, 강유전 물질의 경우 강유전 물질의 표면에 형성되는 전하들과 전해질의 표면에 형상되는 차지들의 상호작용을 통해 향상된 에너지 발전 소자로 이용이 가능하며, 높은 유전 상수를 갖는 물질과의 혼합 구조의 경우 전해질 표면에서 마찰에 의해 형성되는 표면 전하들에 의해 전극에서 유도되는 전하들의 양이 증가함에 따라 더욱 증가한 에너지를 발전할 수 있다. 또한, 자성 물질의 경우 자기 유도에 의한 출력 전류의 향상을 통해 높은 전압 및 전류의 에너지 발전 소자로 이용이 가능하다.
이용 가능한 압전, 강유전 또는 높은 유전 상수를 갖는 물질로는, NaNO2, PbTiO3, GaPO4, BaTiO3, Pb[ZrxTi1-x]O3 0≤x≤1, KNbO3, LiNbO3, LiTaO3, Na2WO3, ZnO와 같이 원자구조가 페로브스카이트(Perovskite) 구조, 혹은 우르자이트(Wurtzite) 구조를 갖는 물질 중 1개 이상 등이 이용될 수 있다. 이용 가능한 자성 물질로는 Magnetite(Fe3O4), Ulvospinel(Fe2TiO2), Hematite(αFe2O3), Ilmenite(FeTiO2), Maghemite(γFe2O3), Jacobsite(MnFe2O4), Trevorite(NiFe2O4), Magnesioferrite(MgFe2O4), Pyrrhotite(Fe7S8), Greigite(Fe3S4), Troilite(FeS), Goethite(αFeOOH), Lepidocrocite(γFeOOH), Feroxyhyte(δFeOOH), Iron(Fe), Nickel(Ni), Cobalt(Co), Awaruite(Ni3Fe), Wairauite(CoFe), Neodymium-Iron-Boron Magnet(NdFeB) 중 어느 하나 이상을 포함한다.
폴리머 물질, 전해질 및 압전 물질, 강유전 물질, 높은 유전 상수를 갖는 물질 및 자성 물질 중 어느 하나 이상을 포함하는 하이브리드 물질층은, 도 1 내지 3에서 도시된 것처럼 입자 형태(파티클 형태)로 분산되어 있을 수도 있으며, 도 4 내지 6에서 처럼 단일층 형상으로 배치되어 있을 수도 있다.
하이브리드 물질층이 입자 형태로 분산되어 있는 경우, 입자 형태로 전해질 및 폴리머 물질에 분산되어 혼합 구조를 이루고 있다. 이는 하이브리드 물질층의 제조 과정에서 압전 물질, 강유전 물질, 높은 유전 상수를 갖는 물질 및 자성 물질 중 어느 하나 이상의 물질을 전해질 및 폴리머 물질에 함께 분산시켜 제작된다.
하이브리드 물질층이 단일층 형태로 배치되어 있는 경우, 도 4 내지 6에서 볼 수 있는 것처럼, 단일층 형태로 전해질 및 폴리머 물질로 이루어진 층 사이에 단일층으로 배치된다. 이러한 단일층은 화학 기상 증착(CVD) 또는 물리 기상 증착(PVD) 방식으로 증착되는 것이 바람직하며, 이에 의해 단일층의 두께를 조절이 가능하게 되며, 그 형상도 구체화하여 조절이 가능할 수 있다. 한편, 이러한 단일층은 얻고자 하는 출력 및 조건에 따라 복수개 배치될 수 있다.
입자 형태로 분산된 것에 비해 단일층 형태로 배치된 경우, 이러한 단일층의 두께 및 개수를 제어함에 의해 발생되는 마찰 전기 에너지의 출력이 제어될 수 있다는 장점을 갖는다.
마찰 대전체는 하이브리드 물질층과 접촉 및 비접촉 상태가 가능하도록 배치되고, 이러한 접촉 및 비접촉 상태를 가능하게 하는 구조는 푸싱(pushing), 슬라이딩(sliding), 회전(rotating) 등과 같이 다양한 구조가 존재할 수 있다. 마찰 대전체는 하이브리드 물질층과 트리보일렉트릴 시리즈 상에서 대전 특성 차이가 큰 물질로 선택되는 것이 바람직하다.
이러한 마찰 대전체층이 하이브리드 물질층과 접촉 상태에 있다가 비접촉 상태로 된 경우 마찰 전기가 발생되는 것이다.
한편, 하부 전극, 그리고 상기 마찰 대전체 또는 상기 상부 전극에 각각 연결된 인출부를 추가로 포함할 수 있다. 그리고 인출부와 에너지 저장부 사이에는 정류 다이오드가 배치될 수 있다.
도 1의 실시예에서는 상부 전극이 직접 마찰 대전체의 역할도 하는 실시예이며, 도 2의 실시예에서는 마찰 대전체 상부에 별도의 상부 전극을 포함하는 실시예이다.
마지막으로 도 3의 실시예는 마찰 대전체층 역시 하이브리드 물질층으로 이루어지고 그 위에 상부 전극이 배치된 형태의 실시예이다. 본 실시예는 이하에서 추가적으로 설명하도록 하겠다.
도 3에서 도시된 것과 같이 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 하이브리드 형태의 전해질을 이용한 마찰전기 에너지 발전 소자는, 하부 전극; 하부 전극 상의 제 1 하이브리드 물질층; 제 1 하이브리드 물질층 위에 위치하며 제 1 하이브리드 물질층과 접촉 및 비접촉 상태를 반복할 수 있는 제 2 하이브리드 물질층; 및 제 2 하이브리드 물질층 상의 상부 전극을 포함한다.
본 실시예의 경우 마찰 대전체층이 하이브리드 물질층으로 이루어진 점을 제외하고는 이미 위에서 설명한 실시예의 내용과 모두 동일한 내용이므로 반복 설명은 생략하도록 하겠다.
간단히 정리하면, 제 1 및 제 2 하이브리드층 모두 폴리머 물질; 전해질; 및 압전 물질, 강유전 물질, 높은 유전 상수를 갖는 물질 및 자성 물질 중 어느 하나 이상을 포함한다.
압전 물질, 강유전 물질, 높은 유전 상수를 갖는 물질 및 자성 물질 중 어느 하나 이상은 입자 형태로 분산되어 있을 수도 있으며(도 3의 모습), CVD 또는 PVD 방법을 이용하여 단일층 형태로 상기 전해질 및 폴리머 물질층에 배치(도 6의 모습)될 수도 있다. 단일층 형태의 배치의 경우, 역시 원하는 출력 및 조건에 따라 복수개로 배치될 수 있으며, 단일층의 두께 및 개수를 제어함에 의해 발생되는 마찰 전기 에너지의 출력이 제어될 수 있다.
도 3 및 도 6의 실시예에서는, 제 2 하이브리드 물질층이 제 1 하이브리드 물질층과 접촉 상태에 있다가 비접촉 상태로 된 경우 마찰 전기가 발생되며, 이 경우 제 1 하이브리드 물질층과 제 2 하이브리드 물질층은 서로 상이한 물질층이어야 하며 트리보일렉트릭 시리즈 상에서 대전 특성 차이가 클수록 출력이 크게 나타난다.
한편, 하부 전극 및 상부 전극에 각각 연결된 인출부를 추가로 포함할 수 있고, 인출부에는 에너지 저장부가 연결되어 있을 수 있다. 그리고 인출부와 에너지 저장부 사이에는 정류 다이오드가 배치될 수 있다.
정리하면, 본 발명의 실시예에서는 기존의 전해질을 이용한 에너지 발전소자에 비해 전류의 측면에서 출력의 향상을 가능하게 하였으며, 특히 새로운 물질들(압전, 강유전, 높은 유전상수, 자성 물질)과의 혼합 구조를 통해 출력의 향상을 가능하게 하였다.
이하에서는 구체적인 실시예와 함께 본 발명의 내용을 추가적으로 설명하도록 하겠다.
도 7a 및 7b는 구체적인 실시예에 따라 각각 종래 기술에 따른 마찰전기 에너지 발전 소자의 모식도 및 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 형태의 전해질을 이용한 마찰전기 에너지 발전 소자의 모식도를 도시한다.
도 8a 및 도 8b는 도 7a 및 도 7b의 각각의 마찰 전기 에너지 발전 소자의 전압 및 전류 측정 그래프를 도시한다.
도 7a의 경우는 종래 기술에 따른 전해질을 이용한 마찰전기 에너지 발전 소자로서 전해질 CaCl2 및 고분자 PVA 폴리머로 전해질층을 제작하였고, 하부 전극으로는 Au를 이용하였으며, 상부 전극은 Al을 이용하였고, 상부 전극 아래의 마찰 대전체층으로는 PTFE를 이용하였다.
도 7b의 경우는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 형태의 전해질을 이용한 마찰전기 에너지 발전 소자로서, 전해질 CaCl2, 고분자 PVA 폴리머, 및 BaTiO3(BTO) 물질로 하이브리드 물질층을 제작하였고, 하부 전극으로는 Au를 이용하였으며, 상부 전극은 Al을 이용하였고, 상부 전극 아래의 마찰 대전체층으로는 PTFE를 이용하였다. BTO는 강유전 물질임과 동시에 압전 특성을 갖는 물질로서, 높은 유전 상수값을 갖는 대표적인 물질이다.
도 7a 및 7b의 소자를 이용하여 마찰 발생 후 에너지 발전의 커플링 효과(압전 또는 강유전 물질인 BTO에 의한 커플링 효과)를 살펴보았으며, 그 결과는 각각 도 8a 및 8b에서 도시된다.
도 8a 및 8b에서 보는 것처럼, BTO 물질의 커플링에 의해 BTO 물질이 없는 경우보다 전압 및 전류의 크기가 훨씬 크게 나타남을 확인하였으며, 이에 의해 전체적으로 출력이 증가된 에너지 발전 소자가 구현되었음을 확인하였다.
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 (16)

  1. 하부 전극;
    상기 하부 전극 상의 하이브리드 물질층; 및
    상기 하이브리드 물질층 위에 위치하며 상기 하이브리드 물질층과 접촉 및 비접촉 상태를 반복할 수 있는 마찰 대전체층을 포함하고,
    상기 하이브리드 물질층은,
    폴리머 물질;
    전해질; 및
    압전 물질, 강유전 물질, 높은 유전 상수를 갖는 물질 및 자성 물질 중 어느 하나 이상을 포함하며,
    상기 마찰 대전체층이 상기 하이브리드 물질층과 접촉 상태에 있다가 비접촉 상태로 된 경우 마찰 전기가 발생되는,
    하이브리드 형태의 전해질을 이용한 마찰전기 에너지 발전 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 마찰 대전체층 상의 상부 전극을 추가로 포함하는,
    하이브리드 형태의 전해질을 이용한 마찰전기 에너지 발전 소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 폴리머 물질은 폴리비닐알코올(polyvinyl achol, PVA), 폴리산화에틸렌(polyethylene oxide, PEO), 폴리페닐렌옥사이드(polyphenylene oxide, PPO), 폴리에스터(polyester), 폴리아민(polyamine) 및 폴리설파이드(polysulfide)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상이고,
    상기 전해질은 염화나트륨(NaCl), 수산화나트륨(NaOH), 탄산수소나트륨(NaHCO3), 질화은(AgNO3), 염화칼륨(KCl), 탄산칼륨(K2CO3), 탄산나트륨(Na2CO3), 수산화칼륨(KOH), 염화칼슘(CaCl2), 염화바륨(BaCl2), 브롬화칼륨(KBR), 탄산수소칼슘(CaHCO3), 요오드화칼륨(KI), 인산(H3PO4), 황산(H2SO4), 수산화마그네슘(Mg(OH)2), 및 수산화칼슘(Ca(OH)2)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는,
    하이브리드 형태의 전해질을 이용한 마찰전기 에너지 발전 소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 압전 물질, 강유전 물질, 높은 유전 상수를 갖는 물질 및 자성 물질 중 어느 하나 이상이 입자 형태로 상기 전해질 및 폴리머 물질에 분산되어 있는,
    하이브리드 형태의 전해질을 이용한 마찰전기 에너지 발전 소자.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 압전 물질, 강유전 물질, 높은 유전 상수를 갖는 물질 및 자성 물질 중 어느 하나 이상이 단일층 형태로 상기 전해질 및 폴리머 물질층에 배치되어 있는,
    하이브리드 형태의 전해질을 이용한 마찰전기 에너지 발전 소자.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 단일층은 화학 기상 증착(CVD) 또는 물리 기상 증착(PVD) 방식으로 증착되는,
    하이브리드 형태의 전해질을 이용한 마찰전기 에너지 발전 소자.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 단일층이 복수개 배치되어 있는,
    하이브리드 형태의 전해질을 이용한 마찰전기 에너지 발전 소자.
  8. 제 5 항 또는 제 7 항에 있어서,
    상기 단일층의 두께 및 개수를 제어함에 의해 발생되는 마찰 전기 에너지의 출력이 제어되는,
    하이브리드 형태의 전해질을 이용한 마찰전기 에너지 발전 소자.
  9. 제 2 항에 있어서,
    상기 하부 전극 및 상기 마찰 대전체 또는 상기 상부 전극에 각각 연결된 인출부를 추가로 포함하고,
    상기 인출부에는 에너지 저장부가 연결되어 있는,
    하이브리드 형태의 전해질을 이용한 마찰전기 에너지 발전 소자.
  10. 하부 전극;
    상기 하부 전극 상의 제 1 하이브리드 물질층;
    상기 제 1 하이브리드 물질층 위에 위치하며 상기 제 1 하이브리드 물질층과 접촉 및 비접촉 상태를 반복할 수 있는 제 2 하이브리드 물질층; 및
    상기 제 2 하이브리드 물질층 상의 상부 전극을 포함하고,
    상기 제 1 및 제 2 하이브리드 물질층은,
    폴리머 물질;
    전해질; 및
    압전 물질, 강유전 물질, 높은 유전 상수를 갖는 물질 및 자성 물질 중 어느 하나 이상을 포함하며,
    상기 제 2 하이브리드 물질층이 상기 제 1 하이브리드 물질층과 접촉 상태에 있다가 비접촉 상태로 된 경우 마찰 전기가 발생되는,
    하이브리드 형태의 전해질을 이용한 마찰전기 에너지 발전 소자.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 압전 물질, 강유전 물질, 높은 유전 상수를 갖는 물질 및 자성 물질 중 어느 하나 이상이 입자 형태로 상기 전해질 및 폴리머 물질에 분산되어 있는,
    하이브리드 형태의 전해질을 이용한 마찰전기 에너지 발전 소자.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 압전 물질, 강유전 물질, 높은 유전 상수를 갖는 물질 및 자성 물질 중 어느 하나 이상이 단일층 형태로 상기 전해질 및 폴리머 물질층에 배치되어 있는,
    하이브리드 형태의 전해질을 이용한 마찰전기 에너지 발전 소자.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 단일층은 화학 기상 증착(CVD) 또는 물리 기상 증착(PVD) 방식으로 증착되는,
    하이브리드 형태의 전해질을 이용한 마찰전기 에너지 발전 소자.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 단일층이 복수개 배치되어 있는,
    하이브리드 형태의 전해질을 이용한 마찰전기 에너지 발전 소자.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 단일층의 두께 및 개수를 제어함에 의해 발생되는 마찰 전기 에너지의 출력이 제어되는,
    하이브리드 형태의 전해질을 이용한 마찰전기 에너지 발전 소자.
  16. 제 10 항에 있어서,
    상기 하부 전극 및 상기 상부 전극에 각각 연결된 인출부를 추가로 포함하고,
    상기 인출부에는 에너지 저장부가 연결되어 있는,
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20190138132A (ko) 2018-06-04 2019-12-12 충남대학교산학협력단 마찰발전소자 제조방법
US11545914B2 (en) 2017-11-22 2023-01-03 Charles Kiseok SONG Triboelectric generating device and manufacturing method thereof

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112187102B (zh) * 2020-11-15 2021-10-01 浙江师范大学 一种旋转激励的摆动式压电-摩擦发电机
KR102518224B1 (ko) * 2020-12-30 2023-04-05 한양대학교 산학협력단 할라이드 페로브스카이트 압전복합체 기반 고효율 압전소자 제조 방법

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101398708B1 (ko) 2014-01-09 2014-05-27 성균관대학교산학협력단 강유전 특성이 커플링된 정전기 에너지 발전 소자
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Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102293796B1 (ko) * 2014-12-03 2021-08-25 삼성전자주식회사 마찰대전 발전소자

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140300248A1 (en) 2012-09-21 2014-10-09 Georgia Tech Research Corporation Single Electrode Triboelectric Generator
KR101398708B1 (ko) 2014-01-09 2014-05-27 성균관대학교산학협력단 강유전 특성이 커플링된 정전기 에너지 발전 소자

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Zhong Lin Wang ect,"Water-solid surface contact Electrification and its Use for Harvesting Liquid Wave Energy",ACS NANO(2013)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11545914B2 (en) 2017-11-22 2023-01-03 Charles Kiseok SONG Triboelectric generating device and manufacturing method thereof
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