KR101695932B1 - 접촉 대전 발전기 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따르면, 접촉 대전 발전기에 있어서, 다공성 구조체를 이용하여 금속층과의 접촉면을 증가시킴과 동시에 스펀지와 같은 유연한 폴리머를 이용함으로써 고내습, 고내구성 및 초소수성 특징으로 인한 습한 환경과 강한 물리력에도 높은 내구성을 가질 수 있으며, 이와 동시에 다공성 구조체의 표면적을 증가시킴으로써 발전 효율을 높일 수 있다.

Description

접촉 대전 발전기 및 그 제조 방법{TRIBOELECTRIC GENERATOR AND METHOD FOR MANUFACTURING THE GENERATOR}

본 발명은 접촉 대전 발전기에 관한 것으로, 특히 다공성 구조체를 이용하여 금속층과의 접촉면을 증가시킴과 동시에 스펀지와 같은 유연한 폴리머를 이용함으로써 고내습, 고내구성 및 초소수성 특징으로 인한 습한 환경과 강한 물리력에도 높은 내구성을 가질 수 있도록 하는 접촉 대전 발전기 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 접촉 대전 방식의 발전은 두 가지 물질의 접촉 시 발생하는 정전기적 전하발생에 기반을 두어 시작되었다. 두 물질의 접촉 시 한쪽은 양으로 다른 쪽은 음으로 유도되는 정전기적 전하에 의해 각각에 물질에 연결된 전극 사이에 전위차이가 생기고 이러한 전위차가 전극 간 전자의 흐름을 만들어 전류가 흐르게 되며 접촉과 분리를 반복할 때 이와 같은 전기적 유도 현상에 의해 반복적인 전기적 신호를 얻을 수 있다.

위와 같이 기본적인 접촉, 분리를 이용하는 접촉 대전 발전기의 경우 충분한 출력을 얻기 위하여 대전열에서 먼 두 물질을 사용하며 일반적으로 한쪽은 전극이 연결된 폴리머와 다른 한쪽은 접촉면과 전극 두 가지 역할을 수행하는 금속 물질을 이용하는 것이 일반적이다. 이 경우 금속 물질은 접촉, 분리 시 양으로 대전되고 폴리머 물질은 음으로 대전되어 양 극간 전위차가 발생한다.

한편, 위와 같은 접촉 대전 발전기는 정전기적 전하의 유도 현상을 응용하므로 접촉 시 유효 접촉 면적이 큰 것이 출력에 유리하고, 동시에 물리적 접촉 현상에 기반을 둠으로써 장기간 발전할 시 표면의 물리적 손상으로 인한 내구도에 심각한 영향을 받을 수 있으므로, 물리적으로 고내구성을 가지는 접촉 물질이 필요하다. 또한, 접촉 대전 현상은 주변의 상대 습도에 크게 감소하는 경향을 보이므로, 고습 환경에서 접촉 대전 발전기를 장기간 사용하기 위해서는 고내습의 물질이 필요하다.

대한민국 공개특허번호 10-2011-0132758호(공개일자 2011년 12월 09일)

따라서, 본 발명에서는 물리적 접촉으로 인한 내구성 및 상대 습도에 영향을 받지 않는 초소수성 특성을 구비하도록, 다공성 구조체를 폴리머로 형성함으로써 금속층과의 접촉면적을 높임과 동시에 물리적인 접촉으로 내구성이 낮아지는 현상을 방지할 수 있도록 하는 접촉 대전 발전기 및 그 제조 방법을 제공하고자 한다.

상술한 본 발명은 접촉 대전 발전기의 제조 방법으로서, 제 1 기판을 형성하는 단계와 제 1 기판과 대향되도록 제 2 기판을 형성하는 단계와 제 1 기판과 상기 제 2 기판 사이에 다공성 구조체를 형성하는 단계와 제 1 기판과 상기 제 2 기판을 연결하는 전극을 배선하는 단계를 포함한다.

또한, 다공성 구조체는, PDMS(polydimethylsiloxane)를 포함한다.

또한, 다공성 구조체를 형성하는 단계는 복수의 설탕을 이용하여 구조체를 형성하는 단계와 형성된 구조체에 PDMS를 흡착하고 경화시키는 단계와 PDMS가 흡착된 상기 구조체에 포함된 설탕을 녹여서 상기 PDMS로 구성된 상기 다공성 구조체를 형성하는 단계를 포함한다.

또한, 다공성 구조체를 형성하는 단계는, 다공성 구조체에 물리적 표면 개질 또는 화학적 표면 개질을 적용하는 단계를 포함한다.

또한, 본 발명은 접촉 대전 발전기로서, 제 1 기판과 제 1 기판의 상부에 형성되는 다공성 구조체와 제 1 기판과 대향되도록 형성되고, 상기 다공성 구조체가 상기 제 1 기판과의 사이에 위치되는 제 2 기판과 제 1 기판과 상기 제 2 기판을 연결하도록 배선되는 전극을 포함한다.

또한, 기 다공성 구조체는 복수의 단위 다공성 구조체가 결합되어 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 전극은, Au, Cu, Al, Cr, Ni 중 적어도 하나의 금속을 포함하여 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 다공성 구조체는, PDMS(polydimethylsiloxane)를 포함한 폴리머(Polymer)로 표면 개질되는 것이 바람직하다.

또한, 다공성 구조체는, 복수의 설탕을 이용하여 구조체를 형성하는 단계와 형성된 구조체에 PDMS를 흡착 및 경화시키는 단계와 PDMS가 흡착된 상기 구조체에 포함된 설탕을 녹이는 단계를 수행함으로써 형성되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 접촉 대전 발전기에 있어서, 다공성의 스펀지 형상의 구조체를 접촉면으로 사용함으로써 고내습 및 고내구성을 가지면서 초소수성 특성을 구비하고 있고, 스펀지 특유의 유연성에서 기인되는 높은 내구도를 가지는 다공성의 스펀지 형상 구조체를 금속층과 접촉시킴으로써 습한 환경과 물리력에도 높은 내구성을 가지고, 발전 효율을 높일 수 있는 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 대전 발전기의 사시도,
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 대전 발전기의 다공성 구조체 제조 공정도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 동작 원리를 상세히 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 대전 발전기의 사시도를 도시한 것이다.

위 도 1을 참조하면, 본 발명의 접촉 대전 발전기(1)는, 제 1 기판(100), 제 2 기판(200), 다공성 구조체(300) 및 전극(400) 등을 포함할 수 있다. 또한, 다공성 구조체(300)는 복수의 단위 다공성 구조체(310)가 결합하여 형성된 것일 수 있고, 다공성 구조체(300)는, 복수의 단위 다공성 구조체(310)에 PDMS(polydimethylsiloxane)를 포함한 폴리머로 표면이 개질될 수 있다. 그리고, 다공성 구조체(300)는, 다공성 스펀지 소재로 형성될 수 있고, 물리적 내구성과 초소수성 특성을 가지기 위하여 물리적 또는 화학적으로 표면이 개질될 수 있으며, 미세한 나노미터에서 마이크로 또는 밀리미터 크기의 다공질을 가진 구조로 형성될 수 있다.

이때, 이러한 제 1 기판(100)과 제 2 기판(200)은 Kapton 필름 등의 플렉서블(flexible)한 연성 물질을 사용하여 제작할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

이러한 두 기판(100, 200)은 접촉 대전 발생을 위하여 제 1 기판(100)과 제 2 기판(200)이 서로 대향되도록 배치될 수 있으며, 외부 에너지에 의해 일정 거리 이내로 근접하게 되는 경우, 제 1 기판(100)과 제 2 기판(200) 사이의 다공성 구조체(300)와 제 1 기판(100) 및 제 2 기판(200)과의 마찰에 의해 접촉 대전이 발생될 수 있다. 이때, 본 발명에서는 위 도 1에서 도시된 바와 같이 제 1 기판(100), 제 2 기판(200) 및 전극(400)은 높은 전도도를 가지며, 접촉 대전시 많은 전하를 유도할 수 있도록 대전 서열상에서 폴리머와 많이 떨어진 금속을 사용하는 것이 바람직하다. 그리고, 전극(400)은 접촉 대전으로 발생한 정전기적 전하가 인가하는 전기장에 의해 두 기판(100, 200) 간의 전자가 이동할 수 있도록 함이 바람직하다.

이때, 다공성 구조체(300)는 제 1 기판(100) 및 제 2 기판(200)과의 접촉 대전 현상에 의해 많은 음전하가 유도되어야 하므로, 대전열에서 하위에 위치한 물질을 사용함이 바람직하고, 제 1 기판(100) 및 제 2 기판(200)은 접촉 대전시 양의 전하를 잘 유도할 수 있도록 대전열의 상위에 위치한 물질을 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 다공성 구조체(300)의 형성을 위한 물질로는 초소수성 특성을 가지도록 상대적으로 소수성 특징을 가지는 PDMS 등의 폴리머를 사용하는 것이 바람직하다. 전극(400)의 형성을 위한 금속물질로는 예를 들어, 금(Au), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 크롬(Cr) 또는 니켈(Ni) 등이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

이하에서는, 위와 같은 접촉 대전 발전기의 다공성 구조체의 제작 과정을 자세히 설명하기로 한다.

먼저, Kapton 필름 등의 플렉서블한 연성 물질 등을 사용하여 제 1 기판(100)을 형성한 후, 제 1 기판(100)의 상부에 제 2 기판(200)과 전극(400)을 배치한다.

이어, 위와 같이 제 1 기판(100) 및 제 2 기판(200)을 형성한 후, 일면에 제 1 기판(100) 및 제 2 기판(200)과의 접촉 대전 발생을 위한 다공성 구조체(300)를 형성시키는데, 제 2 기판(200)은 제 1 기판(100)과 대향되도록 배치시킬 수 있고, 다공성 구조체(300)는 제 1 기판(100)과 제 2 기판(200) 사이에 형성될 수 있고, 다공성 구조체(300)는 바람직하게는 PDMS를 포함한 폴리머로 표면 개질이 되는 것이 바람직하다.

이에 따라, 표면 개질된 다공성 구조체(300)의 형성을 통하여 다공성 구조체(300)와 접촉되는 제 1 기판(100) 및 제 2 기판(200)의 표면적을 효과적으로 넓힐 수 있어서 접촉 대전을 통해 생성되는 전력을 크게 향상시킬 수 있게 된다. 그리고, 표면개질된 다공성 구조체(300)의 형성을 통하여 물리적 내구성 및 내습성을 가짐으로써 강한 물리력이나 다습한 환경에서도 장시간 안정적인 발전을 할 수 있다.

도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 대전 발전기의 다공성 구조체(300) 제조 공정도를 도시한 것이다. 이하, 도 2a 내지 도 2c를 참조하여 본 발명의 접촉 대전 발전기(1)의 다공성 구조체(300) 제조 공정에 대해 상세히 설명하기로 한다.

먼저, 도 2a에서 보여지는 바와 같이 화학적 또는 물리적 표면 개질을 이용하여 내구성 및 내습성을 향상시키는 본 발명의 접촉 대전 발전기(1)를 만들기 위해 복수의 단위 다공성 구조체(310)를 준비한다. 여기서, 복수의 단위 다공성 구조체(310)는 예를 들어 설탕을 사용하여 다공질의 구조를 미리 형성할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

이어, 도 2b에서 보여지는 바와 같이, 복수의 단위 다공성 구조체(310)에 표면 개질물(320)을 흡입시킨다. 여기서, 표면 개질은 물리적 표면 개질 또는 화학적 표면 개질을 적용할 수 있는데, 물리적 표면 개질은 소프트 리소그래피(Soft Lithography)를 이용한 방법 또는 플라즈마를 이용하여 다공성 구조체(300)의 표면에 나노 구조체를 형성시키는 방법을 이용할 수 있다. 그리고, 화학적 표면 개질은, 자가조립방법으로 형성된 단층막(Self-Assembled Monolayer)를 이용하는 방법, 블록 공중합체(Block Copolymer)를 이용하는 방법 또는 화학적 기상증착법(Chemical Vapor Depostion)을 이용하는 방법일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

도 2b를 보면, 복수의 단위 다공성 구조체(310) 안에 PDMS를 흡입시킨 후 경화시킬 수 있다. 예를 들어, 경화제와 10:1로 섞인 PDMS를 거푸집에 해당하는 설탕 구조체에 흡입시켜 경화시키면 설탕의 구조에 따라 다공성 스펀지 형상의 PDMS가 형성될 수 있다. 여기서, 다공성 구조체(300)는 차원 프린팅, 입체 노광법(Stereo Lithography) 또는 바텀 업(Botton-up) 기반의 자가 조립법(Self-Assembly)으로 형성될 수 있다.

이어, 도 2c에서 보여지는 바와 같이, 스펀지 형상의 다공성 구조체(300) 사이에 남아있는 설탕 구조체를 물로 녹여 설탕을 제거한 후, 각설탕의 역상에 해당하는 스펀지 형상의 다공성 구조체(300)가 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 대전 발전기(1)는, 다공성 구조체(300)를 먼저 형성한 후, 다공성 구조체(300)와 접촉하는 제 1 기판(100) 및 제 2 기판(200)을 형성하며, 제 1 기판(100)과 제 2 기판(200)을 연결하는 전극(400)을 배선할 수도 있고, 제 1 기판(100)을 제 2 기판(200) 및 전극(400)을 형성시킨 후 제1 기판(100)과 제 2 기판(200) 사이에 다공성 구조체(300)를 삽입할 수도 있으며, 제 1 기판(100)을 형성시킨 후, 다공성 구조체(300)를 삽입하고 제 2 기판(200)을 제 1 기판(100)과 대향되도록 배치시킨 후 전극(400)을 배선할 수도 있는데, 이에 한정되는 것은 아니다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 접촉 대전 발전기에 있어서, 기존의 표면 개질 보다 매우 간단한 공정을 통하여 폴리머의 유효 접촉 면적을 넓힘으로써 고출력의 접촉 대전 발전기를 얻을 수 있고, 고내습 및 고내구성의 특징을 가지는 스펀지 형상의 폴리머를 사용함으로써 강한 물리력이 존재하거나 습도가 높은 환경에서도 장시간 안정된 발전을 할 수 있으므로 발전 효율까지 높일 수 있다.

한편 상술한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 여러 가지 변형이 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 실시될 수 있다. 따라서 발명의 범위는 설명된 실시 예에 의하여 정할 것이 아니고 특허청구범위에 의해 정하여져야 한다.

100: 제 1 기판 200: 제 2 기판
300: 다공성 구조체 310: 단위 다공성 구조체
320: 표면 개질물

Claims (9)

1. 제 1 기판을 형성하는 단계;
   상기 제 1 기판과 대향되도록 제 2 기판을 형성하는 단계;
   상기 제 1 기판과 상기 제 2 기판 사이에 다공성 구조체를 형성하는 단계; 및
   상기 제 1 기판과 상기 제 2 기판을 연결하는 전극을 배선하는 단계
   를 포함하며,
   상기 다공성 구조체를 형성하는 단계는,
   복수의 설탕을 이용하여 구조체를 형성하는 단계;
   상기 형성된 구조체에 표면 개질물을 흡입시키는 단계; 및
   상기 구조체에 포함된 설탕을 녹여서 상기 다공성 구조체를 형성하는 단계를 포함하는 접촉 대전 발전기 제조 방법.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 다공성 구조체는, PDMS(polydimethylsiloxane)를 포함하는 폴리머(Polymer)로 표면 개질되는 접촉 대전 발전기 제조 방법.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 다공성 구조체를 형성하는 단계는
   상기 형성된 구조체에 PDMS를 흡착하고 경화시키는 단계
   를 더 포함하는 접촉 대전 발전기 제조 방법.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 다공성 구조체를 형성하는 단계는,
   상기 다공성 구조체에 물리적 표면 개질 또는 화학적 표면 개질을 적용하는 단계
   를 더 포함하는 것인, 접촉 대전 발전기 제조 방법.
   
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