KR101727242B1 - 접촉대전 나노발전기 - Google Patents

접촉대전 나노발전기 Download PDF

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KR101727242B1
KR101727242B1 KR1020150140970A KR20150140970A KR101727242B1 KR 101727242 B1 KR101727242 B1 KR 101727242B1 KR 1020150140970 A KR1020150140970 A KR 1020150140970A KR 20150140970 A KR20150140970 A KR 20150140970A KR 101727242 B1 KR101727242 B1 KR 101727242B1
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김동성
최동휘
유동현
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포항공과대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 접촉대전 나노발전기는, 서로 반대 방향을 향하는 제1 면과 제2 면을 가지며, 나노구조체가 상기 제1 면에 형성되고, 상기 제1 면에 물체가 접촉되어 제1 전하가 상기 제1 면으로 대전되는 제1 절연층, 서로 반대 방향을 향하는 제3 면과 제4 면을 가지며, 상기 제3 면이 상기 제1 절연층의 제2 면에 부착되고, 대전된 상기 제1 전하로 인해 제2 전하가 유도되는 전도층 및 상기 전도층 제4 면에 부착되어 상기 전도층을 보호하는 제2 절연층을 포함할 수 있다.

Description

접촉대전 나노발전기{TRIBOELECTRIC NANO-GENERATOR}
본 발명은 접촉대전 나노발전기에 관한 것으로, 마찰에 의해 대전되는 전하를 전기에너지로 이용할 수 있는 접촉대전 나노발전기에 관한 것이다.
일반적인 에너지 수확 기술은 주변에서 흔히 접할 수 있는 기계적 에너지를 전기적 에너지로 전환하여 외부 전원의 연결 없이 에너지를 생산해내는 기술을 의미한다.
최근에는 마찰에 따른 표면대전과 이에 수반되는 유도전하를 이용하여 전기에너지를 생산하는 접촉대전 나노발전기(triboelectric nanogenerator, TENG) 시스템이 새롭게 제안되었다.
접촉대전 나노발전기는 다른 시스템과 비교했을 때 높은 효율과 유용성 및 뛰어난 접근성을 가지고 있다. 이러한 이유로 2012년에 처음으로 소개된 이후 지속 가능한 에너지원을 개발하려는 시대적 요구에 맞춘 시스템으로 주목 받고 있다.
최근 모바일 전자기기, 생체 역학적 에너지 수확 장치와 같은 다양한 분야에 접촉대전 나노발전기의 적용이 시도되고 있다.
특히, 투명하고 유연한 접촉대전 나노발전기는 차세대 웨어러블 기기를 구현하는 기술적인 부분과 밀접하게 연결되어있으며, 이러한 기능성 특징들을 갖는 접촉대전 나노발전기를 개발하기 위한 노력이 집중되고 있다.
상기의 기술적 배경을 바탕으로 안출된 것으로, 본 발명은 투명하고 유연하며, 마찰을 통해 보다 많은 전하를 대전하여 큰 전기에너지 생성이 가능한 접촉대전 나노발전기를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 접촉대전 나노발전기는, 서로 반대 방향을 향하는 제1 면과 제2 면을 가지며, 나노구조체가 상기 제1 면에 형성되고, 상기 제1 면에 물체가 접촉되어 제1 전하가 상기 제1 면으로 대전되는 제1 절연층, 서로 반대 방향을 향하는 제3 면과 제4 면을 가지며, 상기 제3 면이 상기 제1 절연층의 제2 면에 부착되고, 대전된 상기 제1 전하로 인해 제2 전하가 유도되는 전도층 및 상기 전도층 제4 면에 부착되어 상기 전도층을 보호하는 제2 절연층을 포함할 수 있다.
또한, 상기 전도층은, 내측에 복수개로 형성되어 서로 이격된 전도부로 이루어지고, 상기 전도부 사이에 상기 제1 절연층 및 상기 제2 절연층이 부착될 수 있다.
또한, 상기 나노구조체는, 상기 제1 절연층 표면에 나노 크기의 나노공극이 형성된 나노주형이 열압착되어 형성될 수 있다.
또한, 상기 제1 절연층 및 제2 절연층은 열가소성 고분자 필름으로 이루어 질 수 있다.
또한, 상기 열가소성 고분자 필름은 FEP(fluorinated ethylene propylene), PVDF(polyvinylidene fluoride), PFA(perfluoroalkoxy), ETEF(ethylene tetrafluoroethylene) 또는 CTFE(chlorotribluoroethylene) 중 어느 하나로 형성될 수 있다.
또한, 상기 전도층은 ITO(indium tin oxide), IZO(indium zinc oxide), 알루미늄, 구리, 은, 금 또는 철 중 어느 하나로 형성될 수 있다.
또한, 상기 물체는 고체 또는 액체일 수 있다.
또한, 상기 제1 절연층 및 상기 제2 절연층 사이에 상기 전도층을 개재하여 열압착될 수 있다.
또한, 상기 열압착은 나노 임프린팅 장치로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 접촉대전 나노발전기 제조방법은, 나노 임프린팅 장치에 나노 크기의 공극이 형성된 나노주형을 배치하는 단계, 상기 나노주형 하부에 제1 절연층, 전도층 및 제2 절연층을 순서대로 적층하는 단계 및 상기 나노주형 및 상기 제2 절연층을 상기 나노 임프린팅 장치로 열압착하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 절연층 및 상기 제2 절연층은 열가소성 고분자 필름으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 열가소성 고분자 필름은 FEP(fluorinated ethylene propylene), PVDF(polyvinylidene fluoride), PFA(perfluoroalkoxy), ETEF(ethylene tetrafluoroethylene) 또는 CTFE(chlorotribluoroethylene) 중 어느 하나로 형성될 수 있다.
또한, 상기 전도층은 ITO(indium tin oxide), IZO(indium zinc oxide), 알루미늄, 구리, 은, 금 또는 철 중 어느 하나로 형성될 수 있다.
또한, 상기 나노주형의 상기 나노공극은 알루미늄판의 양극산화 공정으로 제작될 수 있다.
또한, 상기 제1 절연체의 표면은, 상기 나노주형이 열압착되어 나노구조체가 형성되고, 상기 나노구조체는, 나노 기둥 패턴으로 규칙적으로 배열될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉대전 나노발전기는, 마찰 표면에 보다 많은 전하가 대전되어 보다 큰 전기에너지를 생성할 수 있다.
또한, 열가소성 고분자 필름으로 절연층 및 전도층을 형성하여 투명하고 유연한 접촉대전 나노발전기를 제작할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉대전 나노발전기의 투시 사시도이다.
도 2는 도 1의 접촉대전 나노발전기의 측면을 촬영한 이미지이다.
도 3은 도 1에 적용되는 제1 절연체의 표면을 촬영한 이미지이다.
도 4는 도 3에 나타낸 제1 절연체의 표면을 확대한 이미지이다.
도 5는 도 1에 도시한 접촉대전 나노발전기의 제작 순서도이다.
도 6은 도 1에 도시한 접촉대전 나노발전기의 제작 과정을 나타낸 순서도이다.
도 7은 도 1에 적용되는 제1 절연층의 재질에 따른 에너지의 생성량의 차이를 나타낸 그래프이다.
도 8은 도 1의 접촉대전 나노발전기의 빛 투과도에 대해 나타낸 그래프이다.
도 9는 도 1의 접촉대전 나노발전기의 굽힘반경에 따른 전기저항 변화도에 대해 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉대전 나노발전기의 작동을 나타낸 순서도이다.
도 11은 도 10에 도시한 접촉대전 나노발전기를 시간에 따른 단락 전류 밀도를 측정한 그래프이다.
도 12는 도 10에 도시한 접촉대전 나노발전기를 시간에 따른 개로 전압을 측정한 그래프이다.
도 13은 도 1에 나타낸 접촉대전 나노발전기에 적용되는 다른 실시예의 전도층을 나타낸 분리 사시도이다.
도 14는 도 13에 나타낸 전도층을 적용시 접촉대전 나노발전기의 사용예를 나타낸 사시도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉대전 나노발전기의 투시 사시도이다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 접촉대전 나노발전기(100)는 제1 절연층(10)과 제2 절연층(30) 사이에 개재된 전도층(20)을 포함할 수 있다.
접촉대전 나노발전기(100)란, 상대적인 마찰 분극을 가진 두 물질 사이에서 접촉 분리나 스침을 통해 마찰 대전과 정전기 등의 결합 효과를 이용하여 전기를 발생시키는 소자를 의미한다. 접촉대전 나노발전기(100)에서 생성되는 전기를 이용하여 LED 전구를 밝히는 등 실생활에 유용하게 이용할 수 있다.
제1 절연층(10)은 서로 반대 방향을 향하는 제1 면과 제2 면을 가질 수 있다. 이하, 제1 면은 제1 절연층(10)의 표면을 의미하고 물체와 대전되는 면을 의미한다. 또한, 제2 면은 제1 절연층(10)의 하면을 의미하고, 전도층(20)과 부착되는 면을 의미하는 것을 예로 들어 설명한다.
제1 절연층(10)의 표면에는 거칠기가 형성될 수 있다. 표면의 거칠기는 플라즈마 건식 식각법 또는 전자빔 증착법을 이용하여 제1 절연층(10) 표면에 나노 크기의 나노구조체(15)를 형성할 수 있다.
다만, 플라즈마 건식 식각법 또는 전자빔 증착법의 경우 매우 고가이며, 생산성이 높지 않아, 본 발명은 후술될 나노주형(40, 도 6 참조)을 통해서 나노 크기의 나노공극이 형성된 나노주형(40, 도 6 참조)을 제1 절연층(10)의 표면에 전사(轉寫)시켜 형성한다.
제1 절연층(10)의 두께는 전도층(20) 두께보다 작게 형성될 수 있다. 제1 절연층(10)의 두께는 재질에 따라 달라 질 수 있으나, 전도층(20) 두께의 약 1/10정도로 형성하는 것이 바람직하다.
제1 절연층(10)은 열가소성 불소계 고분지인 FEP(fluorinated ethylene propylene), PVDF(polyvinylidene fluoride), PFA(perfluoroalkoxy), ETEF(ethylene tetrafluoroethylene), CTFE(chlorotribluoroethylene), ECTFE (ethylene chlorotrifluoroethylene), PCTFE (polychlorotrifluoroethylene), PTFE (polytetrafluoroethylene)을 이용하여 필름 형태로 제작하는 것이 바람직하다.
상술한 열가소성 불소계 고분자들은 일반적인 열가소성 고분자인 PET(polyethylene terephthalate )와는 다르게 불소계 분자들을 포함하고 있으며 에너지 생산량에 있어서 이점이 있다. 이 점에 대해서는 도 7을 참고하여 후술한다.
제2 절연층(30)은 상술한 열가소성 불소계 고분자 중 어느 하나로 형성될 수 있다. 제2 절연층(30)은 제1 절연층(10)과 다른 재질로 형성될 수 있다. 제2 절연층(30)은 제1 절연층(10)과 전도층(20)의 부착력을 향상시키고 전도층(20)을 외부로부터 보호할 수 있다.
제2 절연층(30)은 제1 절연층(10)과 두께가 상이할 수도 있다. 제2 절연층(30)이 제1 절연층(10)과 다른 재질로 형성될 경우, 열저항이 달라 열압착시 녹는 정도에 차이가 있으므로, 재질에 따라 제2 절연층(30)은 제1 절연층(10)보다 두껍게 형성될 수도 있다. 다만, 제2 절연층(30)이 제1 절연층(10)과 재질이 동일할 경우, 두께도 동일하게 형성될 수 있다.
전도층(20)은 서로 반대 방향을 향하는 제3 면과 제4 면을 가질 수 있다. 전도층(20)의 제3 면은 제1 절연층(10)과 부착되는 면인 전도층(20)의 상면을 의미하고, 전도층(20)의 제4 면은 제2 절연층(30)과 부착되는 면인 전도층(20)의 하면을 의미하는 것을 예로 들어 이하 설명한다.
전도층(20)은 높은 전기 전도도와 광학적 투명한 특성을 동시에 지닌 ITO(indium tin oxide)로 형성될 수 있다. 또한 IZO(indium zinc oxide), 알루미늄, 구리, 은, 금, 철과 같은 도전성 재료로 형성될 수 있다.
제1 절연층(10)과 전도층(20) 사이에 전도층(20)의 제3 면에는 전하가 유도될 수 있다. 전도층(20)은 유연하여 굽힘 특성을 가질 수 있다. 따라서, 제1 절연층(10) 및 제2 절연층(30) 사이에 개재된 전도층(20)으로 이루어지는 접촉대전 나노발전기(100)는 빛을 투과할 수 있으며, 유연하기 때문에 만곡진 면에 부착될 수도 있다.
전도층(20)의 두께는 제1 절연층(10) 및 제2 절연층(30) 보다 두껍게 형성될 수 있다. 전도층(20)의 두께는 재질에 따라 달라질 수 있으나, 제1 절연층(10)보다 약 10배 이내의 두께로 형성하는 것이 바람직하다.
전도층(20)은 제1 절연층(10) 및 제2 절연층(30)보다 면적이 작게 형성될 수있다. 즉, 전도층(20)은 제1 절연층(10) 및 제2 절연층(30)보다 크기가 작게 형성되어 제1 절연층(10) 및 제2 절연층(30) 내부에 부착될 수 있다. 즉, 전도층(20)은 제1 절연층(10)과 제2 절연층(30)이 형성하는 내부에 위치하게 될 수 있다. 따라서, 전도층(20)은 제1 절연층(10) 및 제2 절연층(30)으로 외부 충격 또는 손상으로부터 보호될 수 있다. 이는 후술될 실험예를 통해서 자세히 설명한다.
제1 절연층(10)과 전도층(20) 및 전도층(20)과 제2 절연층(30)은 틈새없이 부착될 수 있다. 보다 자세하게, 제1 절연층(10)과 제2 절연층(30) 사이에 전도층(20)을 개재하여 나노 임프린팅 공정을 통해 열압착하여 부착시킬 수 있다.
도 2는 도 1의 접촉대전 나노발전기의 측면을 촬영한 이미지이다.
도 2를 참고하면, 제1 절연층(10) 및 제2 절연층(30) 사이에 전도층(20)이 개재되어 있다. 이때, 제1 절연층(10) 및 제2 절연층(30)은 동일한 재질인 FEP 필름이다. 전도층(20)의 경우에는 ITO 필름이다. 즉, 접촉대전 나노발전기(100, 도 1 참조)는 제1 절연층(10), 전도층(20) 및 제2 절연층(30)이 순서대로 적층되는 구조이다.
전술한 제1 절연층(10)과 제2 절연층(30) 및 전도층(20)이 틈새 없이 부착되는 것을 확인할 수 있다. 제1 절연층(10) 및 전도층(20) 사이에 공극이 발생될 경우, 접촉대전 나노발전기(100)의 전기에너지 생성이 불안전하거나 생성효율이 저하될 수 있다. 제1 절연층(10) 제2 면에 부착되는 전도층(20) 제 3면에는, 제1 절연층(10) 제 1면(이하 '표면')에 대전된 제1 전하(미도시)와 극성이 다른 제2 전하(미도시)가 유도될 수 있다.
이때, 제1 절연층(10)과 전도층(20) 사이에 공극이 발생될 경우, 공극은 전도층 표면에 제2 전하가 유도되는데 방해물로 작용할 수 있다.
따라서, 전도층(20) 표면에 유도되는 제2 전하의 양이 작아질 수 있으며, 이는 접촉대전 나노발전기(100)의 효율 저하로 이루어질 수 있다.
제2 절연층(30)과 전도층(20)사이에는 공극이 다소 발생되어도 접촉대전 나노발전기(100)의 효율저하에는 큰 영향은 없다. 다만, 제2 절연층(30)은 전도층(20)을 외부로부터 보호하여 전도층(20)이 손상 되는 것을 방지하므로, 내구성 향상을 위해 공극 없이 부착하는 것이 바람직하다.
도 3은 도 1에 적용되는 제1 절연체의 표면을 촬영한 이미지이고, 도 4는 도 3에 나타낸 제1 절연체의 표면을 확대한 이미지이다.
도 3 및 도 4를 참고하면, 제1 절연층(10, 도 1 참조)의 표면에 형성되는 나노구조체(15)를 원자간력 현미경(atomic force microscopy, AFM)으로 촬영한 이미지를 나타내었다. 나노구조체(15)는 복수개의 나노구조(15a)가 모여서 형성된다. 나노구조(15a)는 필라, 포어 또는 메시 형태로 형성될 수 있다. 즉, 나노구조체(15)는 패턴을 이루는 나노구조(15a)가 모여 형성될 수 있다.
나노구조체(15)는 나노주형(40, 도 6 참조)을 제1 절연층(10)의 표면에 전사시켜 형성될 수 있다.
나노주형(40)은 알루미늄 판으로 형성될 수 있다. 또한, 나노주형(40)의 압착면(45)은 양극 산화 공정을 통해 나노 크기의 나노공극을 형성할 수 있다. 이때 형성되는 나노 크기의 나노공극은 제1 절연층(10)의 표면에 열압착으로 전사되어 제1 절연층(10)의 표면에 나노구조체(15)를 형성한다. 나노 크기의 나노공극은 대략 직경 200㎚로 형성될 수 있다. 또한, 복수개의 나노공극은 중심간의 거리가 약 500㎚로 형성되고, 나노공극 깊이는 약 160㎚로 형성될 수 있다. 이와 같은 나노주형(40)의 압착면(45)에 형성된 나노 크기의 나노공극의 제작은 후술될 실험예에서 자세히 설명한다.
나노주형(40)에 의해 형성되는 제1 절연층(10) 표면의 복수개의 나노구조(15a)는 필러 형태로 이루어지고 규칙적으로 배열될 수 있다. 즉, 이와 같은 나노주형(40)을 열압착을 통해 제1 절연층(10)의 표면에 전사시켜 나노구조체(15)를 형성하기 때문에, 제1 절연층(10) 표면의 복수개의 나노구조(15a)는 규칙적으로 형성될 수 있다. 또한, 나노주형(40)의 압착면(45)은 다양하게 형성될 수 있어, 동일한 패턴의 나노구조체(15)가 표면에 형성된 다수의 제1 절연층(10)을 제작할 수 있다.
도 5는 도 1에 도시한 접촉대전 나노발전기의 제작 순서도이다.
도 5를 참고하면, 먼저 나노 임프린팅 장치(50, 도 6 참조)에 나노 크기의 공극이 형성된 압착면(45, 도 6 참조)을 갖는 나노주형(40, 도 6참조)을 배치한다(S10). 나노 임프린팅 공정은 나노 스케일의 초정밀 프레스 가공기술을 의미하는 것으로, 금형 등에 나노구조체와 같은 미세구조를 성형할 수 있다. 즉, 나노 임프린팅 공정은 미세구조의 주형을 폴리머 수지에 몰딩하여 주형의 미세구조를 폴리머 수지에 전사하는 것으로, 미세구조가 형성된 주형을 반복하여 사용하여 복잡한 나노구조의 부품을 고속 대량으로 생산할 수 있다.
따라서, 전술한 플라즈마 식각법 또는 전자빔 증착법 등과 비교할 때, 생산성이 매우 크고, 제품의 제작 비용에서도 이점이 크다.
다음으로, 나노주형(40) 하부에 제1 절연층(10, 도 6 참조), 전도층(20, 도 6 참조) 및 제2 절연층(30, 도 6 참조)을 순서대로 적층한다(S20). 나노 임프린팅 공정에 의해 열압착 되어 접촉대전 나노발전기(100, 도 1 참조)가 제작되므로, 제1 절연층(10) 및 제2 절연층(30) 사이에 전도층(20)을 개재하여 나노 임프린팅 장치(50) 내부에 배치한다.
다음으로, 나노주형(40) 및 제2 절연층(30)을 나노 임프린팅 장치(50)로 가압한다(S30). 나노주형(40)과 제2 절연층(30)의 외부에서 내부로 열압착된다. 이때, 제1 절연층(10)과 제2 절연층(30)은 열에 의해 녹으면서 전도층(20)과 부착되고, 제1 절연층(10)은 나노주형(40)의 압착면(45)의 나노공극에 의해 나노구조체(15)가 형성될 수 있다. 제1 절연층(10)은 열가소성 불소계 고분자로 이루어질 수 있으므로, 열이 제거된 뒤에도 표면에 형성된 나노구조체(15)는 변형되지 않는다. 따라서, 제1 절연층(10)은 나노주형(40)의 압착면(45)과 동일한 나노구조체(15)가 형성된 표면을 갖을 수 있다.
다만, 제1 절연층(10) 및 제2 절연층(30)에 너무 높은 온도가 가해질 경우, 재질의 특성이 변할 수 있는 위험이 있다. 따라서, 온도에 대한 제어가 필요하다. 또한, 압착시, 제2 절연층(30)과 나노주형(40)을 너무 큰 압력으로 가압할 경우, 제1 절연층(10) 등이 손상될 위험이 있다. 따라서, 가압되는 압력에 대한 제어가 필요한다. 이에 대해서는 후술될 실험예에서 설명한다.
나노 임프린팅 공정을 통해 부착된 제1 절연층(10)과 전도층(20) 및 제2 절연층(30)은 공극 없이 부착될 수 있다. 제2 절연층(30)은 나노 임프린팅 공정이 진행될 때, 열에 의해 녹으면서 전도층(20) 하부에 부착되고, 동시에 전도층(20) 상부의 제1 절연층(10)과 부착된다. 즉, 전도층(20)을 사방으로 감싸면서 제1 절연층(10)과 제2 절연층(30)은 부착된다.
도 6은 도 1에 도시한 접촉대전 나노발전기의 제작 과정을 나타낸 순서도이다.
도 6을 참고하면, 나노 임프린팅 장치(50) 사이에 나노주형(40), 제1 절연층(10), 전도층(20) 및 제2 절연층(30)이 순서대로 적층된 모습이 도시된다. 제1 절연층(10)과 마주보는 면인 나노주형(40)의 압착면(45)에는 나노 크기의 나노공극이 형성되어 있으며, 제1 절연층(10)은 제2 절연층(30)과 동일하게 나노구조체(15)가 형성되지 않은 표면으로 이루어진다.
나노 임프린팅 장치(50)는 나노주형(40) 및 제2 절연층(30)의 외부에서 열압착하여 접촉대전 나노발전기(100, 도 1 참조)를 제작할 수 있다.
이때, 제1 절연층(10) 및 제2 절연층(30)은 열에 의해 연화되고, 전도층(20)의 상부 및 하부에는 연화된 제1 절연층(10) 및 제2 절연층(30)이 녹아서 서로 부착되며, 제1 절연층(10)의 표면에는 나노주형(40)에 의해 나노구조체(15, 도 1 참조)가 형성된다.
열압착 이후, 열을 제거한 뒤 압력을 유지한 채 나노 임프린팅 장치(50)를 공기에 의해 냉각시킨다. 이때, 냉각시간은 열압착시간 보다 크거나 동일할 수 있다. 냉각과정을 거치면서, 나노주형(40)은 제1 절연층(10) 표면에서 자연스럽게 탈락한다.
도 7은 도 1에 적용되는 제1 절연층의 재질에 따른 에너지의 생성량의 차이를 나타낸 그래프이고, 도 8은 도 1의 접촉대전 나노발전기의 빛 투과도에 대해 나타낸 그래프이고, 도 9는 도 1의 접촉대전 나노발전기의 굽힘반경에 따른 전기저항 변화도에 대해 나타낸 그래프이다.
전술한 바와 같이 접촉대전 나노발전기(100, 도 1 참조)를 아래의 실험예를 따라 제작하고, 도 7 내지 도 9를 참고하여 제작된 접촉대전 나노발전기(100)의 특성에 대해 설명한다.
[실험예]
접촉대전 나노발전기(100)를 제작하기 위해서 두께 25㎚의 FEP 필름(Dupont)과 200㎚의 ITO 필름(SHINJIN Future Film)을 사용하였고, 고체-액체 접촉대전 실험을 위해서는 증류수(SAMCHUN Chemical)을 사용하였다.
또한 나노공극의 압착면(45, 도 6 참조) 가진 나노주형(40)은 순도 99.999%의 알루미늄판 (Goodfellow)을 이용하여 제작되었다.
나노주형(40)은 나노 크기의 나노공극(직경 200nm, 중심간 거리 500nm, 깊이 160nm)이 정렬되어 있는 구조의 압착면(45)를 포함할 수 있다. 나노주형(40) 제작은 알루미늄판의 양극 산화 공정을 거쳐 이루어졌다. 보다 상세하게, 양극 산화 공정은­5℃, 195V의 환경에서 0.1M 인산 수용액을 이용하여 이루어졌다.
접촉대전 나노발전기(100) 제작은 FEP 필름으로 제작된 제1 절연층(10) 및 제2 절연층(30) 사이에 ITO 필름으로 제작된 전도층(20)을 개재하고, 제1 절연층 (10)상부에 나노주형(40)을 위치시켜 나노주형(40) 아래로 순서대로 적층한다. 적층 구조에 열과 압력을 동시에 가하는 나노 임프린팅 공정을 거쳐 제작한다.
나노 임프린팅 공정이 진행되기 위해서는 열가소성 불소고분자인 FEP 필름을 일정 온도 이상으로 가열하여 충분한 점성을 갖도록 만들어야 한다. FEP 필름은 200℃ 이상의 온도에서 나노 구조의 전사가 가능한 것으로 알려져 있다. 따라서, 본 실험예는 210℃의 온도와 6.9MPa의 압력을 3분동안 가하였다.
접촉대전 나노발전기(100) 제작 공정의 마무리 단계에서는 압력을 유지한 상태에서 30℃까지 냉각시킨다. 이 과정에서 자연스럽게 적층 구조는 결속되면서 나노주형(40)은 분리될 수 있다.
제1 절연층(10) 표면에 전사된 나노구조체(15, 도 1 참조)는 100 nm 이하의 복수개의 나노 구조(15a, 도 4 참조)로 패턴을 이룰 수 있다. 또한, 나노주형(40)의 압착면(45)에 나노공극을 다양하게 변화시켜 나노 크기의 구조 또는 마이크로 크기의 구조뿐 아니라 나노 크기의 구조와 마이크로 크기의 구조가 결합된 형태의 접촉대전 나노발전기(100)를 제작할 수 있다.
접촉대전 나노발전기(100) 특성은 높은 투명성과 유연성 그리고 표면 거칠기의 증가로 인한 높은 소수성일 수 있다.
접촉대전 나노발전기(100)의 투명성을 정량적으로 평가하기 위하여, 분광 광도계를 활용하여 투명도를 측정하였다.
그 결과, 접촉대전 나노발전기(100)는 580 ~ 1600nm 파장 영역에서 투과율 88%를 나타내었다. 이는 제1 절연층(10) 표면의 나노구조체(15)가 접촉대전 나노발전기(100)의 투명도에 큰 영향을 주지 않는 것을 의미한다.
접촉대전 나노발전기(100)의 유연성을 평가하기 위해서 굽힘 반경에 따른 전기 저항의 변화를 비교하였다. 이를 위한 실험 구성은 다음과 같다.
접촉대전 나노발전기(100)의 시편에 물리적 굽힘을 가하는 것은 시편의 양 쪽을 고정시킨 상태에서 한 쪽 끝을 다른 쪽 끝을 향해 움직여 굽힘 정도를 서서히 증가시키는 방식으로 진행하였다.
굽힘력이 가해지는 순간마다 시편에 연결된 전기계를 통하여 저항 값의 변화를 확인하였다. 접촉대전 나노발전기(100)의 ITO 필름으로 이루어진 전도층(20)의 굽힘 반경이 6 mm에 도달했을 때 저항이 급격히 증가하였다. 이는 ITO 필름의 취성 때문에 6 mm 이하의 굽힘 반경으로 굽힌 정도를 증가시키면, ITO 필름에 금이 가면서 전기적 전도성이 소실됨을 의미한다.
반면, 접촉대전 나노발전기(100)는 굽힘 반경이 3.5 mm일 때 저항이 급격하게 증가하는데 이는 전도층(20)인 ITO 필름보다 접촉대전 나노발전기(100)의 유연성이 더 우수함을 의미한다.
이 외에 굽힘 반경이 감소함에 따라 전기 저항이 증가하는 정도도 접촉대전 나노발전기(100)가 전도층(20)인 ITO 필름에 비해 더딘 것을 확인할 수 있었다. 보다 자세하게, 접촉대전 나노발전기(100)는 ITO 필름으로 이루어진 전도층(20) 외부를 감싸고 있는 FEP 필름으로 이루어진 제1 절연층(10) 및 제2 절연층(30)이 전도층(20) 자체의 취성을 극복해주기 때문에 전체적인 유연성이 증가하였다.
접촉대전 나노발전기(100)의 소수성 변화는 나노 구조를 포함한 접촉대전 나노발전기(100)의 표면 상에 액적의 접촉각을 측정하여 판단하였다.
나노 구조(15a, 도 4 참조)가 형성되기 전에 측정한 FEP 필름으로 이루어진 제1 절연층(10) 표면의 접촉각은 105°에서 123°로 증가하였으며, 이는 소수성이 증가함을 의미한다.
접촉대전 나노발전기(100) 제1 절연층(10)의 소수성은 고체-액체의 접촉으로 발생하는 전기적 출력을 증가시키는 데 중요한 역할을 하므로, 접촉대전 나노발전기(100)의 소수성 증가는 고체-액체 접촉대전으로 발생하는 전기적 출력을 향상시킬 수 있다.
전술한 바와 같이 열가소성 불소계 고분자와는 열가소성 고분자와는 다른 특징을 갖고 있다. 열가소성 불소계 고분자는 일정 온도 이상에서 연화되며, 쉽게 변형이 가능하기 때문에, 모양을 누르면 그 모양대로 찍혀서 패터닝이 가능한 성질을 갖고 있으며, 특히 전기 에너지 생성량에서 차이가 있다.
전기 에너지 생성량을 측정한 결과, 열가소성 불소계 고분자 FEP를 제1 절연층(10)로 사용했을 때는 열가소성 고분자 PET를 제1 절연층(10)로 사용했을 때 보다, 약 7배 정도 높은 에너지 효율을 나타내었다. 즉, 마찰 대전으로 전기 에너지를 생성할 때, FEP재질은 PET재질에서 예측하지 못한 현저히 향상된 효과를 나타내고 있다. 이러한 효과는 FEP 재질 뿐 아니라 전술한 열가소성 불소계 고분자 재질 중 어느 하나를 사용하여도 PET보다 높은 에너지 생성량을 나타낼 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉대전 나노발전기의 작동을 나타낸 순서도이다.
도 10을 참고하면, 접촉대전 나노발전기(100, 도 1 참조)의 전류 흐름의 예가 도시된다.
접촉대전 나노발전기(100)의 고체-고체 접촉을 이용한 경우에 대전 물체(60)를 라텍스를 사용하였다. 대전열의 상대적 위치에서 확인할 수 있듯이 라텍스의 접촉 이후에 접촉대전 나노발전기(100) 제1 절연층(10) 표면에는 음전하가, 라텍스 표면에는 양전하가 생성 된다.
이 때, 접촉한 라텍스 표면을 제1 절연층(10)으로부터 멀리 이격시키면, 제1 절연층(10)에 생성된 음전하와 대응하여 접촉대전 나노발전기(100) 내부 전도층(20)에 양전하가 유도된다.
이 과정에서 전류가 발생하며, 전도층에 유도된 양전하와 제1 절연층(10)에 대전된 음전하의 양이 서로 같아져, 전하 평형에 도달하기 전까지 전류가 흐르게 된다.
이후 양전하로 대전된 라텍스를 접촉대전 나노발전기(100)의 제1 절연층(10) 표면에 재접촉시키면, 제1 절연층(10)에 생성된 음전하가 라텍스 표면의 양전하와 전하 평형을 이루기 때문에 전극층의 양전하가 빠져나가면서 역방향의 전류가 발생한다.
고체-액체 접촉을 이용한 접촉대전 나노발전기(100)도 이와 유사한 방식으로 구동될 수 있다.
도 11은 도 10에 도시한 접촉대전 나노발전기를 시간에 따른 단락 전류 밀도를 측정한 그래프이고, 도 12는 도 10에 도시한 접촉대전 나노발전기를 시간에 따른 개로 전압을 측정한 그래프이다.
도 11 내지 도 12를 참고하면, 50 mN의 접촉력을 유지한 상태에서 접촉대전 나노발전기(100, 도 1 참조)와 나노구조체(15, 도 1 참조)가 형성되지 않은 접촉대전 나노발전기(100)의 전류 및 전압등을 측정하여 비교하였다.
접촉대전 나노발전기(100)에서 생성된 전기에너지를 각각 측정한 결과, 제1 절연층(10) 표면에 나노구조체(15)가 형성된 접촉대전 나노발전기(100)에서 생성된 단락 전류와 개로 전압은 제1 절연층(10) 표면에 나노구조체(15)가 형성되지 않은 접촉대전 나노발전기에 비해 각각 800%와 200%만큼 향상되었다. 또한, 전력은 1,140%나 향상되었다.
고체-액체의 접촉을 이용한 전기에너지 측정은 접촉대전 나노발전기(100) 제1 절연층(10) 표면상에 물방울을 접촉시킨 후 분리시키는 방식을 이용하였으며 접촉대전 나노발전기(100)를 약 70° 기울인 상태에서 30 μL의 증류수 액적을 5 cm의 높이에서 떨어뜨리며 생성되는 전기에너지를 측정하였다.
제1 절연층(10) 표면에 나노구조체(15)가 형성된 접촉대전 나노발전기(100)에서 생성된 단락 전류와 개로 전압은 나노구조체(15)가 형성되지 않은 접촉대전 나노발전기에서 생성된 단락 전류와 개로 전압과 비교하였을 때 각각 250%, 200% 향상되었으며 전력은 280% 향상되었다.
위 실험들의 결과로 비추어볼 때, 본 연구에서 나노 임프린팅 공정을 통해 전사된 접촉대전 나노발전기(100) 제1 절연층(10) 표면의 나노구조체(15)가 고체-고체의 접촉 및 고체-액체의 접촉을 통한 구동모드에서 모두 전기에너지의 출력을 향상되었다.
도 13은 도 1에 나타낸 접촉대전 나노발전기에 적용되는 다른 실시예의 전도층을 나타낸 분리 사시도이고, 도 14는 도 13에 나타낸 전도층을 적용시 접촉대전 나노발전기의 사용예를 나타낸 사시도이다.
도 13 내지 14를 참고하면, 형상이 변형된 전도층(22)이 적용된 접촉대전 나노발전기(100)가 개시된다.
앞선 실시예와 달리 본 실시예의 전도층(22)은 내측에 복수개의 전도부가 형성될 수 있다. 즉, 복수개의 전도부는 서로 이격된 공간을 두어 형성될 수 있다. 복수개 전도부 사이의 내측 이격 공간은 균등하게 형성될 수 있다. 전도층(22)의 전도부는 대칭으로 형성될 수 있다. 즉, 도 13 및 14에 도시한 바와 같이 일측이 개방될 수 있고, 도면에 생략되었으나, 대칭으로 형성되어 내측에 복수개의 이격된 공간이 형성될 수도 있다.
이 경우, 물체(60)는 제1 절연층(10)의 표면을 앞뒤로 유동하여도 복수개의 전도부 사이의 이격된 공간에 의해 전하의 대전이 보다 원활하게 이루어질 수 있다. 특히, 물체(60)가 유체일 경우, 전도층(22) 내측에 형성된 공간으로 인해 극성이 다른 전하가 보다 원활하고 신속하게 대전될 수 있다. 이에 따라, 전류의 흐름이 원활해지고, 보다 큰 전기에너지를 생성할 수 있다.
본 발명을 앞서 기재한 바에 따라 바람직한 실시예를 통해 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 다음에 기재하는 특허청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한, 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에 종사하는 자들은 쉽게 이해할 것이다.
100: 접촉대전 나노발전기
10: 제1 절연층 15: 나노구조체
15a: 나노 구조 20, 22: 전도층
25: 전극탭 30: 제2 절연층
40: 나노주형 45: 압착면
50: 나노 임프린팅 장치 60: 물체

Claims (15)

  1. 서로 반대 방향을 향하는 제1 면과 제2 면을 가지며, 나노구조체가 상기 제1 면에 형성되고, 상기 제1 면에 물체가 접촉되어 제1 전하가 상기 제1 면으로 대전되는 제1 절연층;
    서로 반대 방향을 향하는 제3 면과 제4 면을 가지며, 상기 제3 면이 상기 제1 절연층의 제2 면에 부착되고, 대전된 상기 제1 전하로 인해 제2 전하가 유도되는 전도층; 및
    상기 전도층 제4 면에 부착되어 상기 전도층을 보호하는 제2 절연층을 포함하는 접촉대전 나노발전기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전도층은,
    내측에 복수개로 형성되어 서로 이격된 전도부로 이루어지고, 상기 전도부 사이에 상기 제1 절연층 및 상기 제2 절연층이 부착되는 접촉대전 나노발전기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 나노구조체는,
    상기 제1 면에 나노 크기의 나노공극이 형성된 나노주형이 열압착되어 형성되는 접촉대전 나노발전기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 절연층 및 제2 절연층은 열가소성 고분자 필름으로 이루어진 접촉대전 나노발전기.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 열가소성 고분자 필름은 FEP(fluorinated ethylene propylene), PVDF(polyvinylidene fluoride), PFA(perfluoroalkoxy), ETEF(ethylene tetrafluoroethylene) 또는 CTFE(chlorotribluoroethylene) 중 어느 하나로 형성되는 접촉대전 나노발전기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 전도층은 ITO(indium tin oxide), IZO(indium zinc oxide), 알루미늄, 구리, 은, 금 또는 철 중 어느 하나로 형성되는 접촉대전 나노발전기.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 물체는 고체 또는 액체인 접촉대전 나노발전기.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 절연층 및 상기 제2 절연층 사이에 상기 전도층을 개재하여 열압착되는 접촉대전 나노발전기.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 열압착은 나노 임프린팅 장치로 이루어지는 접촉대전 나노발전기.
  10. 나노 임프린팅 장치에 나노 크기의 공극이 형성된 나노주형을 배치하는 단계;
    상기 나노주형 하부에 제1 절연층, 전도층 및 제2 절연층을 순서대로 적층하는 단계; 및
    상기 나노주형 및 상기 제2 절연층을 상기 나노 임프린팅 장치로 열압착하는 단계를 포함하는 접촉대전 나노발전기 제조방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제1 절연층 및 상기 제2 절연층은 열가소성 고분자 필름으로 형성되는 접촉대전 나노발전기 제조방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 열가소성 고분자 필름은 FEP(fluorinated ethylene propylene), PVDF(polyvinylidene fluoride), PFA(perfluoroalkoxy), ETEF(ethylene tetrafluoroethylene) 또는 CTFE(chlorotribluoroethylene) 중 어느 하나로 형성되는 접촉대전 나노발전기 제조방법.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 전도층은 ITO(indium tin oxide), IZO(indium zinc oxide), 알루미늄, 구리, 은, 금 또는 철 중 어느 하나로 형성되는 접촉대전 나노발전기 제조방법.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 나노주형의 상기 나노공극은 알루미늄판의 양극산화 공정으로 제작되는 접촉대전 나노발전기 제조방법.
  15. 제 10 항에 있어서,
    상기 제1 절연층의 표면은,
    상기 나노주형이 열압착되어 나노구조체가 형성되고,
    상기 나노구조체는,
    나노 기둥 패턴으로 규칙적으로 배열되는 접촉대전 나노발전기 제조방법.
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