KR102036756B1 - Apparatus capable of energy generating and sensing and method of manufacturing the same - Google Patents

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KR102036756B1
KR102036756B1 KR1020180056502A KR20180056502A KR102036756B1 KR 102036756 B1 KR102036756 B1 KR 102036756B1 KR 1020180056502 A KR1020180056502 A KR 1020180056502A KR 20180056502 A KR20180056502 A KR 20180056502A KR 102036756 B1 KR102036756 B1 KR 102036756B1
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carbon
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박영빈
정창윤
이성환
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울산과학기술원
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    • H02N1/04—Friction generators
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    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/20—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress
    • G01L1/22—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges

Abstract

The present invention provides an apparatus for generating and sensing energy. The apparatus comprises: a carbon sheet having a sheet shape, formed of a carbon material and having elasticity in the extension direction thereof; a surface layer having a microstructure and formed on one surface of the carbon sheet; a plurality of protrusion portions protruding on the surface layer of the microstructure; a first friction portion spaced apart from the protrusion portions, wherein a part facing the protrusion portions has a triboelectric series value different from that of the protrusion portions; an electrode portion electrically connected to the first friction portion; and a control portion measuring a change in the resistance of the carbon sheet and calculating strain or the applied external force when an external force is applied to the carbon sheet such that the carbon sheet is deformed in the extension direction of the carbon sheet. When the protrusion portions and the first friction portion make contact with and are separated from each other, repeatedly, by the external force, triboelectricity occurs and flows through the carbon sheet, the surface layer of the microstructure, the protrusion portions, the first friction portion, and the electrode portion, and the apparatus collects the triboelectricity. Thus, the surface layer of the microstructure can be formed on the carbon sheet to increase the surface area such that more protrusion portions are formed on the carbon sheet, thereby increasing the amount of triboelectricity generated by friction between the protrusion portions and the first friction portion.

Description

에너지 생성 및 센싱 장치와 이를 제조하는 방법{Apparatus capable of energy generating and sensing and method of manufacturing the same}Apparatus capable of energy generating and sensing and method of manufacturing the same

본 발명은 에너지 생성 및 센싱 장치와 이를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 마찰대전에 의해 에너지를 생성하고, 탄소 시트에 가해진 외력에 의한 저항변화를 측정하여 센싱을 하는 에너지 생성 및 센싱 장치와 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an energy generating and sensing device and a method of manufacturing the same, and more particularly, to generate energy by frictional charging, and to measure and measure a change in resistance due to an external force applied to a carbon sheet. And to a method of manufacturing the same.

종래 변형 센서(strain sensor)는 센서에 가해지는 인장, 굽힘 또는 뒤틀림 등의 물리적 변화를 감지하는 센서를 말하며, 이러한 물리적 변화를 감지하는 특성을 이용하는 다양한 산업적 응용이 가능하다. 종래의 변형 센서로는 금속 박막을 이용한 센서가 있으며, 이는 금속에 가해지는 물리적 변화에 의해 발생하는 저항변화를 측정하여 변형을 감지할 수 있는 센서이다. 금속 박막을 이용한 변형 센서는 특성상 대면적 구현이 어렵고 낮은 민감도 때문에 인간 움직임 탐지기로 활용하기 어려운 불편이 따른다.Conventional strain sensors (strain sensor) refers to a sensor for detecting a physical change, such as tension, bending or distortion applied to the sensor, it is possible for a variety of industrial applications using the characteristic of detecting the physical change. A conventional strain sensor is a sensor using a metal thin film, which is a sensor that can detect the deformation by measuring the resistance change caused by the physical change applied to the metal. Deformation sensor using a metal thin film is difficult to implement as a human motion detector because of its large surface area and low sensitivity.

또한 기존의 센서들은 센싱을 위한 에너지원을 외부에서 별도로 공급해야 하는 문제점이 있다.In addition, conventional sensors have a problem in that the energy source for sensing must be supplied separately from the outside.

대한민국등록특허 제10-1500840호Republic of Korea Patent No. 10-1500840

본 발명은 마찰대전에 의해 에너지를 생성하고, 탄소 시트에 가해진 외력에 의한 저항변화를 측정하여 센싱을 하는 에너지 생성 및 센싱 장치와 이를 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.It is an object of the present invention to provide an energy generation and sensing device for generating energy by frictional charging and sensing by measuring a change in resistance caused by external force applied to a carbon sheet, and a method of manufacturing the same.

본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은 시트 형상을 가지며, 탄소물질로 형성되고, 상기 시트가 연장되는 방향으로 신축성을 가지는 탄소 시트, 상기 탄소 시트의 일 면 상에 형성되는 마이크로 구조의 표면층, 상기 마이크로 구조의 표면층 상에 돌출되도록 형성되는 복수 개의 돌출부들, 상기 돌출부로부터 이격되어 배치되되, 상기 돌출부를 대향하는 부분이 상기 돌출부와 상이한 마찰전기 시리즈(triboelectric series) 값을 가지는 제1마찰부, 상기 제1마찰부와 전기적으로 연결되는 전극부 및 상기 탄소 시트에 외력이 가해져서 상기 탄소 시트가 연장되는 방향으로 변형되면, 상기 탄소 시트의 저항변화를 측정하여 스트레인 또는 상기 가해진 외력을 계산하는 제어부를 포함하고, 외력에 의해서 상기 돌출부와 상기 제1마찰부의 접촉과 분리가 반복되면 마찰전기가 발생되어서 상기 탄소 시트, 상기 마이크로 구조의 표면층, 상기 돌출부, 상기 제1마찰부 및 상기 전극부를 통하여 흐르면, 상기 마찰전기를 수집하는 에너지 생성 및 센싱 장치를 제공한다.According to an aspect of the present invention, the present invention has a sheet shape, formed of a carbon material, a carbon sheet having a stretch in the direction in which the sheet extends, a surface layer of a micro structure formed on one surface of the carbon sheet, A plurality of protrusions formed to protrude on the surface layer of the microstructure, a first friction part disposed to be spaced apart from the protrusions, and a portion facing the protrusions having a triboelectric series value different from the protrusions; Control unit for calculating the strain or the applied external force by measuring the resistance change of the carbon sheet when the external force is applied to the electrode portion and the carbon sheet electrically connected to the first friction portion and the carbon sheet is deformed in the extending direction. To include, if the contact and separation of the protrusion and the first friction portion by the external force is repeated When triboelectricity is generated and flows through the carbon sheet, the surface layer of the microstructure, the protruding portion, the first friction portion, and the electrode portion, the triboelectric energy generation and sensing device is provided.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 본 발명은 시트 형상을 가지며, 탄소물질을 포함하고, 상기 시트가 연장되는 방향으로 신축성을 가지는 탄소 시트의 일 면 상에 마이크로 구조의 표면층을 형성하고, 상기 마이크로 구조의 표면층 상에 돌출되도록 복수 개의 돌출부들을 형성하여 제1부재를 준비하는 단계 및 상기 돌출부로부터 이격되어 배치되되, 상기 돌출부를 대향하는 부분이 상기 돌출부와 상이한 마찰전기 시리즈(triboelectric series) 값을 가지는 제1마찰부를 전극부와 전기적으로 연결하여 제2부재를 준비하는 단계를 포함하고, 상기 탄소 시트에 외력이 가해져서 상기 탄소 시트가 연장되는 방향으로 변형되면, 상기 탄소 시트의 저항변화를 측정하여 스트레인 또는 상기 가해진 외력을 계산하며, 외력에 의해서 상기 돌출부와 상기 제1마찰부의 접촉과 분리가 반복되면 마찰전기가 발생되어서 상기 제1부재 및 상기 제2부재를 통하여 흐르면, 상기 마찰전기를 수집하는 에너지 생성 및 센싱 장치를 제조하는 방법을 제공한다.According to another aspect of the invention, the present invention has a sheet shape, including a carbon material, forming a surface layer of a micro structure on one surface of the carbon sheet having a stretch in the direction in which the sheet extends, the micro structure Preparing a first member by forming a plurality of protrusions so as to protrude on the surface layer of the first and second spaced apart from the protrusions, the portions facing the protrusions having a triboelectric series value different from the protrusions. And preparing a second member by electrically connecting the friction part with the electrode part, and when the carbon sheet is deformed in the direction in which the carbon sheet is extended by applying an external force to the carbon sheet, measuring the resistance change of the carbon sheet to strain Or calculating the applied external force and contacting the protrusion with the first friction part by an external force. When the separation is repeated be triboelectric occurs, flows through the first member and the second member, there is provided a method for producing the energy generation and sensing device for collecting the triboelectric.

본 발명에 따른 에너지 생성 및 센싱 장치와 이를 제조하는 방법은 다음과 같은 효과가 있다.The energy generation and sensing device and the method of manufacturing the same according to the present invention has the following effects.

첫째, 탄소 시트 상에 마이크로 구조의 표면층을 형성하여 표면적이 증가함으로써, 더 많은 돌출부를 탄소 시트 상에 형성하여 돌출부와 제1마찰부의 마찰에 의한 마찰전기 생성량을 증가시킬 수 있는 장점이 있다.First, the surface area of the microstructure is formed on the carbon sheet to increase the surface area, thereby forming more protrusions on the carbon sheet, thereby increasing the amount of triboelectricity generated by friction of the protrusions and the first friction portion.

둘째, 마찰부를 이용한 마찰에너지 생성 뿐만아니라 외력에 의해서 저항이 변화하는 탄소 시트를 이용하여 센싱도 할 수 있는 장점이 있다.Second, there is an advantage that can be sensed using the carbon sheet that the resistance is changed by the external force as well as the friction energy generation using the friction part.

셋째, 탄소 시트가 도전성으로 전극 역할을 할 수 있는바, 돌출부에 전기적으로 연결되는 별도의 전극을 필요로 하지 않아서, 장치의 제작이 용이하고 구조가 간단한 장점이 있다.Third, the carbon sheet can act as an electrode conductively, does not require a separate electrode electrically connected to the protrusion, there is an advantage that the device is easy to manufacture and the structure is simple.

넷째, 돌출부와 제1마찰부의 마찰로 발생한 마찰전기를 탄소 시트를 이용한 센싱의 자가 동력원으로 이용 가능하다.Fourth, the triboelectricity generated by the friction between the protrusion and the first friction portion can be used as a self-power source of sensing using the carbon sheet.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 생성 및 센싱 장치가 도시된 사시도이다.
도 2는 도 1에 따른 에너지 생성 및 센싱 장치의 Ⅱ-Ⅱ선을 취한 단면도이다.
도 3은 도 1에 따른 에너지 생성 및 센싱 장치에서 돌출부가 형성된 마이크로 구조의 표면층을 확대하여 도시한 확대도이다.
도 4는 도 2에 따른 에너지 생성 및 센싱 장치의 에너지 생성을 위한 작동 모습을 나타낸 모식도이다.
도 5는 도 2에 따른 에너지 생성 및 센싱 장치의 센싱을 위한 작동모습을 나타낸 모식도이다.
도 6은 도 4에 따른 에너지 생성 및 센싱 장치의 시간 변화에 따른 전압변화를 나타내는 실험 자료이다.1 is a perspective view showing an energy generation and sensing device according to an embodiment of the present invention.
2 is a cross-sectional view taken along line II-II of the energy generation and sensing device according to FIG.
3 is an enlarged view illustrating an enlarged surface layer of a microstructure in which protrusions are formed in the energy generation and sensing device according to FIG. 1.
FIG. 4 is a schematic diagram showing an operation state for generating energy of the energy generating and sensing device according to FIG. 2.
FIG. 5 is a schematic diagram illustrating an operation of the energy generating and sensing device according to FIG. 2.
FIG. 6 is experimental data illustrating a voltage change according to a time change of the energy generation and sensing device according to FIG. 4.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 생성 및 센싱 장치(100)는 탄소 시트(110), 마이크로 구조의 표면층(111), 돌출부들(112), 제1마찰부(120), 전극부(130), 에너지 수집부(140) 및 스트레인 제어부(150)를 포함한다.1 and 2, the energy generation and sensing device 100 according to an embodiment of the present invention may include a carbon sheet 110, a surface layer 111 of a micro structure, protrusions 112, and a first friction part. 120, an electrode unit 130, an energy collection unit 140, and a strain control unit 150.

상기 탄소 시트(110)는 탄소섬유로 형성된다. 상기 탄소 시트(110)는 탄소물질을 포함하고 직조된 구조의 시트 형상을 갖는다. 상기 탄소 시트(110)는 탄소섬유로 형성되어서 도전성을 갖고, 상기 시트가 연장되는 방향으로 신축성을 갖는다. 또한 상기 탄소 시트(110)는 탄소물질을 함침시키는 수지를 포함하는 탄소 복합체로 형성될 수도 있다. 하지만 본 발명은 이에 한정되지 않고 도전성 및 신축성을 갖는 다른 탄소 시트 또는 탄소 복합체로 변경이 가능하다.The carbon sheet 110 is formed of carbon fiber. The carbon sheet 110 includes a carbon material and has a sheet shape of a woven structure. The carbon sheet 110 is formed of carbon fibers to have conductivity, and has elasticity in a direction in which the sheet extends. In addition, the carbon sheet 110 may be formed of a carbon composite including a resin impregnating a carbon material. However, the present invention is not limited thereto, and may be changed to another carbon sheet or carbon composite having conductivity and elasticity.

상기 탄소 시트(110)가 외력에 의해 신축되는 경우 저항 변화를 측정 가능하다. 상기 탄소 시트(110)의 신축은 상기 탄소 시트(110)의 길이 및 폭 방향 모두에서 가능하다. 그러므로 외력에 의해 상기 탄소 시트(110)가 변형되어 저항이 변화되면 상기 저항 변화를 측정하여 스트레인 또는 외력을 계산할 수 있다. 상기 외력은 주로 장력에 의한 것이다. 하지만, 본 발명은 장력이 아닌 다른 힘에 의한 스트레인 또는 외력의 계산이 가능할 수 있다. 즉 상기 탄소 시트(110)는 다양한 힘에 대한 스트레인 센서의 기능을 할 수 있다.When the carbon sheet 110 is stretched by an external force, a resistance change may be measured. Stretching of the carbon sheet 110 is possible in both the length and the width direction of the carbon sheet 110. Therefore, when the carbon sheet 110 is deformed by the external force and the resistance is changed, the strain or the external force may be calculated by measuring the resistance change. The external force is mainly due to tension. However, the present invention may be able to calculate the strain or external force by a force other than tension. That is, the carbon sheet 110 may function as a strain sensor for various forces.

또한 상기 탄소 시트(110)는 도전성이므로 상기 돌출부(112)와 상기 제1마찰부(120)의 마찰에 의해 발생되는 에너지를 수집하는 경우 전극 역할을 한다. 따라서 상기 돌출부(112)에는 별도의 전극을 부착할 필요가 없다. 하지만 별도의 전극을 부착하여 에너지 수집 시에 이용하는 것도 물론 가능하다. 즉 상기 에너지 생성 및 센싱 장치(100)는 마찰에너지 수집 시에 상기 돌출부(112)와 전기적으로 연결되는 전극을 반드시 필요로 하는 것은 아니기 때문에 제작이 용이하고 구조가 간단한 장점이 있다.In addition, since the carbon sheet 110 is conductive, the carbon sheet 110 serves as an electrode when collecting energy generated by friction between the protrusion 112 and the first friction part 120. Therefore, it is not necessary to attach a separate electrode to the protrusion 112. However, it is also possible to attach a separate electrode to use when collecting energy. That is, since the energy generation and sensing device 100 does not necessarily require an electrode electrically connected to the protrusion 112 when collecting friction energy, it is easy to manufacture and has a simple structure.

상기 마이크로 구조의 표면층(111)은 상기 탄소 시트(110)를 덮도록 형성된다. 즉 상기 마이크로 구조의 표면층(111)은 상기 탄소 시트(110)가 상기 제1마찰부(120)와 접촉이 가능한 표면에 형성된다. 하지만, 상기 마이크로 구조의 표면층(111)은 상기 탄소 시트(110)의 전체 표면에 형성될 수도 있다.The surface layer 111 of the microstructure is formed to cover the carbon sheet 110. That is, the surface layer 111 of the microstructure is formed on the surface where the carbon sheet 110 is in contact with the first friction portion 120. However, the surface layer 111 of the microstructure may be formed on the entire surface of the carbon sheet 110.

상기 마이크로 구조의 표면층(111)은 폴리디메틸실록산(PDMS, Polydimethylsiloxane)으로 형성된다. 하지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고 마이크로 구조의 표면층을 형성할 수 있는 다른 소재로 변경이 가능하다. 이하에서 상기 에너지 생성 및 센싱 장치(100)의 제조 방법을 자세히 설명하겠지만, 상기 탄소 시트(110)를 상기 폴리디메틸실록산에 딥핑(dipping)한 후 스핀코팅 함으로써 상기 탄소 시트(110)의 일 면 상에 상기 마이크로 구조의 표면층(111)을 형성한다. 하지만 본 발명은 이에 한정되지 않고 다른 방법으로 상기 마이크로 구조의 표면층(111)을 형성할 수도 있다.The surface layer 111 of the microstructure is formed of polydimethylsiloxane (PDMS). However, the present invention is not limited thereto, and may be changed to other materials capable of forming the surface layer of the microstructure. Hereinafter, a method of manufacturing the energy generation and sensing device 100 will be described in detail. However, the carbon sheet 110 is dip-dipping into the polydimethylsiloxane and then spin-coated on one surface of the carbon sheet 110. The surface layer 111 of the microstructure is formed on the substrate. However, the present invention is not limited thereto, and may form the surface layer 111 of the microstructure in another manner.

도 3을 참조하면, (a)의 좌측 사진은 상기 탄소 시트(110)를 상기 폴리디메틸실록산에 딥핑(dipping)만 한 상태의 표면 모습을 나타낸다. (a)의 우측 사진은 (a)의 좌측 사진의 일부분을 확대한 것이다. 그리고 (b)의 좌측 사진은 상기 딥핑 후에 상기 폴리디메틸실록산을 상기 탄소 시트(110)에 스핀 코팅(spin coating)까지 한 상태의 표면 모습을 나타낸다. (b)의 좌측 사진에 따르면 상기 탄소 시트(110)는 씨실(110a)과 날실(110b)이 직조된 구조로 형성된다. 상기 씨실(110a)은 가로로 형성된 것을 의미하고, 상기 날실은 세로로 형성된 것을 의미한다. (b)의 우측 사진은 (b)의 좌측 사진의 일부를 확대한 것이다. 상기 씨실(110a)에는 주름진 구조(Wavy structure)로 탄소 토우(tow)들이 상기 씨실(110a)의 폭방향을 따라 퍼지도록 배열되어 복수 개로 형성되어 있다. 상기 탄소 토우들은 상기 날실(110b)에도 폭방향을 따라 복수 개로 형성되어 있다. (b)의 좌측 사진에서 하얀색으로 나타나는 부분은 상기 씨실(110a)의 토우들에 상기 돌출부들(112)이 형성되어 있는 부분이다. (b)에 따르면 상기 씨실(110a) 및 상기 날실(110b)의 토우 상에 형성된 마이크로 구조의 표면층 상에는 상기 돌출부들(111)이 빽빽하게 형성되어 있다. 따라서 상기 탄소 시트(110)는 상기 토우들과 상기 마이크로 구조의 표면층 및 상기 돌출부들로 인해 표면적이 증가하는 효과가 있다.Referring to FIG. 3, the left photograph of (a) shows the surface of the carbon sheet 110 in the state of only dipping the carbon sheet 110 into the polydimethylsiloxane. The right photograph of (a) is an enlarged part of the left photograph of (a). And the left picture of (b) shows the surface of the polydimethylsiloxane to the spin coating (spin coating) to the carbon sheet 110 after the dipping. According to the left photograph of (b), the carbon sheet 110 is formed in a structure in which the weft yarns 110a and the warp yarns 110b are woven. The weft (110a) means that the formed horizontally, the warp means that formed vertically. The right photograph of (b) is an enlarged part of the left photograph of (b). The weft yarn 110a is formed in a plurality of carbon tows arranged in a corrugated structure so as to spread along the width direction of the weft yarn 110a. A plurality of carbon tows are formed in the warp yarn 110b along the width direction. The portion shown in white in the left picture of (b) is a portion in which the protrusions 112 are formed in the tows of the weft 110a. According to (b), the protrusions 111 are densely formed on the surface layer of the micro structure formed on the tow of the weft 110a and the warp 110b. Therefore, the carbon sheet 110 has an effect of increasing the surface area due to the tows, the surface layer of the microstructure and the protrusions.

(a)와 (b)를 비교하면, (b)의 사진에 나타난 상기 탄소 시트(110)의 표면 모습은, (a)의 사진에 나타난 표면 모습보다 상기 탄소 시트(110)를 구성하는 각각의 상기 씨실(110a) 및 상기 날실(110b) 상에 규칙적으로 배열되고 굴곡지며 주름진 구조(wavy structure)가, 상기 씨실(110a) 및 상기 날실(110b)의 폭방향을 따라 복수 개로 더 많이 형성되어 있다. 상기 주름진 구조는 상기 씨실(110a) 및 상기 날실(110b)이 연장되는 방향으로 형성된다. 따라서 (b)의 표면은 (a)의 표면과 비교해서 표면적이 더 넓다. 이는 이하에서 설명할 상기 돌출부들(112)을 상기 탄소 시트(110)의 표면에 형성할 때, 상기 폴리디메틸실록산을 딥핑(dipping)만 한 상태에서 형성하는 것보다, 스핀 코팅(spin coating)까지 한 후 형성할 때 더 조밀하게 상기 돌출부(112)를 형성할 수 있다는 것을 의미한다. 상기 돌출부(112)가 조밀하게 더 많이 형성될수록 상기 돌출부(112)와 상기 제1마찰부(120)의 마찰에 의한 마찰전기 생성량은 증가하게 된다.Comparing (a) and (b), the surface appearance of the carbon sheet 110 shown in the photograph of (b) is greater than the surface appearance of the photograph of (a). A plurality of regularly arranged, bent and wrinkled structures are formed on the weft yarn 110a and the warp yarn 110b along the width direction of the weft yarn 110a and the warp yarn 110b. . The corrugated structure is formed in a direction in which the weft yarn 110a and the warp yarn 110b extend. Thus, the surface of (b) has a larger surface area compared to the surface of (a). This is because when forming the protrusions 112 to be described later on the surface of the carbon sheet 110, rather than forming the polydimethylsiloxane in the state of only dipping (dip), until the spin coating (spin coating) This means that the protrusions 112 can be formed more densely when forming them later. As the protrusion 112 is denserly formed, the amount of friction electricity generated by the friction between the protrusion 112 and the first friction part 120 increases.

또한 상기 마이크로 구조의 표면층(111)은 신축성이어서 외력이 작용할 때 변형이 쉽게 된다. 따라서 상기 마이크로 구조의 표면층(111)을 포함하는 상기 장치(100)는 플렉서블한 장치에 이용하기 편리하다.In addition, the surface layer 111 of the microstructure is elastic and easily deformed when an external force is applied. Thus, the device 100 including the microstructured surface layer 111 is convenient for use in a flexible device.

상기 마이크로 구조의 표면층(111) 상에는 돌출되도록 구조화된 돌출부들(112)이 형성된다. 동일한 넓이를 가지는 평면상에서 표면적이 가장 좁은 경우는 평면상에 어떠한 굴곡도 없는 경우이다. 따라서 상기 돌출부들(112)은 상기 마이크로 구조의 표면층(111)의 표면에 돌출되어 굴곡을 형성하므로 상기 돌출부들(112)이 상기 마이크로 구조의 표면층(111)에 평평하게 형성될 때보다 상기 제1마찰부(120)와 접촉하는 표면적을 넓히는 역할을 한다. 상기 돌출부들(112)은 복수 개로 형성된다. 즉, 상기 돌출부(112) 및 상기 제1마찰부(120)의 마찰에 의한 마찰 에너지 생성 시 상기 돌출부(112)는 상기 제1마찰부(112)와 마찰하는 표면적 증가를 통해서 마찰 에너지 생성량을 증가시킨다.The protrusions 112 structured to protrude are formed on the surface layer 111 of the microstructure. The narrowest surface area on a plane with the same width is the case where there is no curvature on the plane. Therefore, since the protrusions 112 protrude to the surface of the surface layer 111 of the microstructure to form bends, the first protrusions 112 are formed flat on the surface layer 111 of the microstructure. It serves to widen the surface area in contact with the friction portion 120. The protrusions 112 are formed in plural. That is, when friction energy is generated by the friction between the protrusion 112 and the first friction part 120, the protrusion 112 increases the amount of friction energy generated by increasing the surface area in friction with the first friction part 112. Let's do it.

상기 돌출부들(112)은 나노로드들(nano rods)의 구조를 가진다. 따라서 상기 탄소 시트(110)의 일면 상에는 상기 마이크로 구조의 표면층(111) 및 나노로드들이 형성되어서 상기 제1마찰부(120)와 마찰 시에 마찰면적이 넓게 형성되도록 하는 것이다. 상기 나노로드들은 상기 마이크로 구조의 표면층(111)에서 성장되어 형성된다. 상기 나노로드들은 산화아연(ZnO)으로 형성된다. 하지만 본 발명은 이에 한정되지 않고 다른 소재의 나노로드들로 변경이 가능하다.The protrusions 112 have a structure of nano rods. Therefore, the surface layer 111 and the nanorods of the micro structure are formed on one surface of the carbon sheet 110 so that the friction area is wide when friction with the first friction part 120 is formed. The nanorods are formed by growing in the surface layer 111 of the microstructure. The nanorods are formed of zinc oxide (ZnO). However, the present invention is not limited thereto and may be changed to nanorods of other materials.

상기 제1마찰부(120)는 상기 돌출부(112)로부터 이격되어 배치된다. 상기 제1마찰부(120)는 신축성을 갖는다. 상기 제1마찰부(120)에 외력이 가해져서 상기 돌출부(112)와 접촉과 분리를 반복하기 위해서는 상기 제2마찰부(120)는 신축성이 있는 소재일 것을 요한다. 상기 제1마찰부(120)는 상기 돌출부(112)를 대향하는 부분이 상기 돌출부(112)와 상이한 마찰전기 시리즈 값을 갖는다. 하지만 상기 제1마찰부(120) 전체가 상기 돌출부(112)와 다른 마찰전기 시리즈 값을 가지도록 형성될 수도 있다.The first friction part 120 is spaced apart from the protrusion 112. The first friction part 120 has elasticity. In order to repeat contact and separation with the protrusion 112 by applying an external force to the first friction part 120, the second friction part 120 needs to be a flexible material. The first friction part 120 has a triboelectric series value different from that of the protrusion 112 in a portion facing the protrusion 112. However, the first friction part 120 may be formed to have a triboelectric series value different from that of the protrusion part 112.

상기 제1마찰부(120)는 폴리디메틸실록산(PDMS, Polydimethylsiloxane)으로 형성된다. 하지만 본 발명은 이에 한정되지 않고 상기 제1마찰부(120)는 상기 돌출부(112)와 다른 마찰전기 시리즈 값을 갖는 소재이면 변경이 가능하다.The first friction part 120 is formed of polydimethylsiloxane (PDMS). However, the present invention is not limited thereto, and the first friction part 120 may be changed as long as the material has a triboelectric series value different from that of the protrusion part 112.

상기 전극부(130)는 상기 제1마찰부(120)와 전기적으로 연결된다. 상기 전극부는 상기 제1마찰부(120)가 상기 돌출부(112)와 대향하는 부분의 반대면에 형성된다. 하지만 본 발명은 이에 한정되지 않고 상기 제1마찰부(120)의 다양한 부분에 상기 전극부(130)가 형성될 수 있다. 상기 전극부(130)는 ITO(indium tinoxide)로 형성된다. 하지만 본 발명은 이에 한정되지 않고 다른 종류의 전극으로 변경이 가능하다. 상기 전극부(130)는 투명한 특성을 가지는 바, 본 발명은 투광성이 요구되는 대상물에 적용될 수 있다.The electrode unit 130 is electrically connected to the first friction unit 120. The electrode part is formed on an opposite surface of the portion in which the first friction part 120 faces the protrusion part 112. However, the present invention is not limited thereto, and the electrode 130 may be formed at various portions of the first friction part 120. The electrode unit 130 is formed of indium tinoxide (ITO). However, the present invention is not limited thereto and may be changed to other kinds of electrodes. The electrode unit 130 has a transparent property, the present invention can be applied to the object that requires light transmittance.

상기 전극부(130)는 상기 제1마찰부(120)의 표면적과 동일한 표면적을 갖도록 형성된다. 이는 상기 에너지 생성 및 센싱 장치(100)를 이용한 에너지 생성 시에 발생되는 에너지를 효율적으로 수집하기 위함이다. 하지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고 다른 형태나 크기의 전극으로 변경이 가능하다.The electrode part 130 is formed to have the same surface area as that of the first friction part 120. This is to efficiently collect the energy generated during the energy generation using the energy generation and sensing device 100. However, the present invention is not limited thereto and may be changed to an electrode having a different shape or size.

상기 전극부(130)의 일 단은 상기 에너지 수집부(140)와 전기적으로 연결된다. 따라서 상기 에너지 생성 및 센싱 장치(100)를 이용해서 발생한 마찰 에너지가 상기 전극부(130)와 상기 에너지 수집부(140) 사이를 이동할 수 있다.One end of the electrode unit 130 is electrically connected to the energy collection unit 140. Therefore, friction energy generated by using the energy generation and sensing device 100 may move between the electrode 130 and the energy collector 140.

도 4를 참조하면, 상기 에너지 수집부(140)의 일 단은 상기 전극부(130)와 연결되고, 타 단은 상기 탄소 시트(110)와 연결된다. 외력에 의해서 상기 돌출부(112)와 상기 제1마찰부(120)의 접촉과 분리가 반복되면, 상기 돌출부(112)와 상기 제1마찰부(120)의 마찰전기 시리즈 값의 차이로 인해 대전 현상이 발생한다. 따라서 상기 대전 현상에 의한 전기적 흐름이 상기 탄소 시트(110), 상기 마이크로 구조의 표면층(111), 상기 돌출부(112), 상기 제1마찰부(120) 및 상기 전극부(130)를 통해 발생한다. 상기 에너지 수집부(140)는 이렇게 발생한 마찰 에너지를 수집하는 역할을 한다.Referring to FIG. 4, one end of the energy collection unit 140 is connected to the electrode unit 130, and the other end is connected to the carbon sheet 110. When contact and separation of the protrusion 112 and the first friction part 120 are repeated by an external force, a charging phenomenon may occur due to a difference in triboelectric series values between the protrusion 112 and the first friction part 120. This happens. Therefore, electrical flow due to the charging phenomenon is generated through the carbon sheet 110, the surface layer 111 of the microstructure, the protrusion 112, the first friction part 120, and the electrode part 130. . The energy collection unit 140 collects the friction energy generated in this way.

상기 에너지 생성 및 센싱 장치(100)는 상기 마찰전기 수집부(140)에 수집된 마찰에너지를 상기 탄소 시트(110)를 이용한 센싱의 동력원으로 이용할 수 있다. 즉 상기 돌출부(112)와 상기 제1마찰부(120)의 마찰에 의해 발생한 마찰 에너지를 마찰전기 수집부(140)에 수집하여 상기 제어부(150)를 구동하기 위한 에너지로 사용할 수 있다. 따라서 별도의 동력원을 구비하지 않고도 자가 동력을 이용한 센싱이 가능한 장점이 있다. 하지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고 별도의 동력원을 구비하여 상기 탄소 시트(110)를 이용한 센싱을 할 수도 있다.The energy generation and sensing device 100 may use the friction energy collected by the triboelectric collection unit 140 as a power source for sensing using the carbon sheet 110. That is, the friction energy generated by the friction between the protrusion 112 and the first friction unit 120 may be collected in the triboelectric collection unit 140 and used as energy for driving the controller 150. Therefore, there is an advantage that it is possible to sense using a self-power without having a separate power source. However, the present invention is not limited thereto, and may include a separate power source for sensing using the carbon sheet 110.

도 5를 참조하면, 상기 제어부(150)의 양 단은 각각 상기 탄소 시트(110)의 양 단과 연결된다. 상기 탄소 시트(110)에 외력이 가해져서 상기 탄소 시트(110)가 연장되는 방향으로 변형되면, 상기 탄소 시트(110)는 길이 및 두께의 변화로 인하여 저항이 변화한다. 이때 상기 저항의 변화를 측정함으로써 스트레인 또는 가해진 외력의 크기를 계산할 수 있다. 만일 외력이 가해져서 상기 탄소 시트(110)가 잡아 당겨지면, 상기 탄소 시트(110)의 길이는 증가하는 반면, 두께는 감소한다. 이 경우, 상기 탄소 시트(110)의 저항은 증가한다. 이러한 관계로부터, 상기 저항을 측정하면, 상기 탄소 시트(110)에 가해지는 외력이나, 상기 탄소 시트(110)의 스트레인을 도출할 수 있다.5, both ends of the controller 150 are connected to both ends of the carbon sheet 110, respectively. When an external force is applied to the carbon sheet 110 and the carbon sheet 110 is deformed in a direction in which the carbon sheet 110 extends, the carbon sheet 110 changes in resistance due to a change in length and thickness. At this time, by measuring the change in the resistance it is possible to calculate the magnitude of the strain or applied external force. If an external force is applied and the carbon sheet 110 is pulled out, the length of the carbon sheet 110 increases while the thickness decreases. In this case, the resistance of the carbon sheet 110 is increased. From this relationship, if the resistance is measured, the external force applied to the carbon sheet 110 or the strain of the carbon sheet 110 can be derived.

도 6을 참조하면, 도 6의 (a)는 외력이 가해진 시간의 변화에 따른 전압의 변화를 나타내는 실험 자료이고, (b)는 (a)의 일부를 확대한 실험 자료이다. 즉 도 3의 상기 돌출부(112)와 상기 제1마찰부(120)가 외력에 의해 분리 상태에서 접촉상태로, 접촉상태에서 분리 상태로 변화한다. 이때 상기 돌출부(112)와 상기 제1마찰부(120)의 마찰전기 시리즈 값의 차이 때문에 대전 현상이 생기고 전압의 차이가 발생한다. 즉 도 5는 상기 돌출부(112)와 상기 제2마찰부(120)의 접촉과 분리에 따른 마찰전기 에너지의 발생량을 도시한다. 이에 따르면 발생되는 마찰전기의 크기는 최대치가 20볼트 정도이다. 따라서 발생된 상기 마찰전기 에너지는 상기 탄소 시트(110)를 이용한 센싱을 위한 자가 동력원으로 사용될 수 있다.Referring to FIG. 6, FIG. 6 (a) is experimental data showing a change in voltage according to a change in time when an external force is applied, and (b) is experimental data in which a part of (a) is enlarged. That is, the protrusion 112 and the first friction part 120 of FIG. 3 are changed from a separated state to a contact state and a contact state to a separated state by an external force. At this time, due to the difference between the triboelectric series values of the protrusion 112 and the first friction unit 120, a charging phenomenon occurs and a difference in voltage occurs. That is, FIG. 5 illustrates the amount of triboelectric energy generated by contact and separation of the protrusion 112 and the second friction unit 120. According to this, the maximum amount of triboelectricity generated is about 20 volts. Therefore, the triboelectric energy generated may be used as a self-power source for sensing using the carbon sheet 110.

이하에서는 도 1을 참조하여 상기 에너지 생성 및 센싱 장치(100)의 제조 방법을 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing the energy generation and sensing device 100 will be described with reference to FIG. 1.

먼저 상기 탄소 시트(110)를 준비한다. 상기 탄소 시트(110)는 시트 형상이고 탄소 물질을 포함한다. 또한 상기 탄소 시트(110)는 상기 탄소 시트(11)가 연장되는 방향으로 신축성을 가진다.First, the carbon sheet 110 is prepared. The carbon sheet 110 is sheet-shaped and includes a carbon material. In addition, the carbon sheet 110 has elasticity in a direction in which the carbon sheet 11 extends.

그리고 상기 탄소 시트(110)의 일 면 상에 마이크로 구조의 표면층(111)을 형성한다. 상기 마이크로 구조의 표면층(111)은 상기 탄소 시트(110)를 폴리디메틸실록산에 딥핑(dipping)하는 단계, 상기 폴리디메틸실록산에 딥핑한 상기 탄소 시트(110)를 건조시키는 단계 및 상기 건조된 탄소 시트를 상기 폴리디메틸실록산으로 스핀 코팅(spin coating) 하는 단계를 포함하여 형성된다. 이때, 상기 건조시키는 단계의 시간은 50분 내지 70분으로 한다. 또한 상기 스핀 코팅하는 시간은 25초 내지 35초로 한다.In addition, the surface layer 111 having a micro structure is formed on one surface of the carbon sheet 110. The surface layer 111 of the microstructure is a step of dipping the carbon sheet 110 in polydimethylsiloxane, drying the carbon sheet 110 dipped in the polydimethylsiloxane and the dried carbon sheet It is formed by spin coating (spin coating) with the polydimethylsiloxane. At this time, the time of the drying step is 50 minutes to 70 minutes. In addition, the spin coating time is 25 seconds to 35 seconds.

다음으로 상기 마이크로 구조의 표면층(111) 상에 돌출되도록 복수 개의 상기 돌출부들(112)을 형성한다. 상기 돌출부들(112)은 산화아연(ZnO)을 상기 마이크로 구조의 표면층(111)에 성장시킴으로써 형성된다.Next, a plurality of the protrusions 112 are formed to protrude on the surface layer 111 of the microstructure. The protrusions 112 are formed by growing zinc oxide (ZnO) on the surface layer 111 of the microstructure.

상기 탄소 시트(110) 상에 상기 마이크로 구조의 표면층(111)을 형성하고 상기 마이크로 구조의 표면층(111) 상에 상기 돌출부들(112)을 형성함으로써 제1부재를 준비한다. 상기 제1부재의 제조는 상기 설명한 순서대로 진행되나, 동시에 진행될 수도 있다.The first member is prepared by forming the surface layer 111 of the microstructure on the carbon sheet 110 and the protrusions 112 on the surface layer 111 of the microstructure. The manufacturing of the first member proceeds in the order described above, but may proceed simultaneously.

다음으로 상기 돌출부(112)와 상이한 마찰전기 시리즈 값을 갖는 상기 제1마찰부(120)를 상기 전극부(130)와 연결하여 제2부재를 준비한다. 상기 제2부재 또한 상기 제1마찰부(120)와 상기 전극부(130)를 순차적으로 제조할 수도 있고, 동시에 제조할 수도 있다.Next, the first friction part 120 having a triboelectric series value different from the protrusion part 112 is connected to the electrode part 130 to prepare a second member. The second member may also sequentially manufacture the first friction part 120 and the electrode part 130, or may simultaneously manufacture the second member.

끝으로 상기 제어부(150)를 상기 탄소 시트(110)에 전기적으로 연결하고, 상기 에너지 수집부(140)를 상기 제1부재와 상기 제2부재에 각각 연결함으로써 상기 에너지 생성 및 센싱 장치(100)의 제조를 완료한다. 다만, 제1부재, 상기 제2부재, 상기 에너지 수집부(140) 및 상기 제어부(150) 각각의 제조 순서나 연결 순서는 변경될 수 있다.Finally, the controller 150 is electrically connected to the carbon sheet 110 and the energy collection unit 140 is connected to the first and second members, respectively. Complete the manufacture of However, the manufacturing order or connection order of each of the first member, the second member, the energy collection unit 140, and the control unit 150 may be changed.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허 청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.Although the present invention has been described with reference to the embodiments shown in the drawings, this is merely exemplary, and it will be understood by those skilled in the art that various modifications and equivalent other embodiments are possible. Therefore, the true technical protection scope of the present invention will be defined by the technical spirit of the appended claims.

100: 에너지 생성 및 센싱 장치 110: 탄소 시트
110a: 씨실 110b: 날실
111: 마이크로 구조의 표면층 112: 돌출부
120: 제1마찰부 130: 전극부
140: 에너지 수집부 150: 제어부100: energy generation and sensing device 110: carbon sheet
110a: weft 110b: warp
111: surface layer of microstructure 112: protrusion
120: first friction portion 130: electrode portion
140: energy collector 150: control unit

Claims (13)

시트 형상을 가지며, 탄소물질을 포함하고, 상기 시트가 연장되는 방향으로 신축성을 가지는 탄소 시트의 일 면 상에 마이크로 구조의 표면층을 형성하고, 상기 마이크로 구조의 표면층 상에 돌출되도록 복수 개의 돌출부들을 형성하여 제1부재를 준비하는 단계; 및
상기 돌출부로부터 이격되어 배치되되, 상기 돌출부를 대향하는 부분이 상기 돌출부와 상이한 마찰전기 시리즈(triboelectric series) 값을 가지는 제1마찰부를 전극부와 전기적으로 연결하여 제2부재를 준비하는 단계를 포함하고,
상기 탄소 시트는,
탄소 섬유로 형성되고,
상기 탄소 섬유의 토우(tow)들로 형성된 씨실들과 상기 탄소 섬유의 토우들로 형성된 날실들이 직조된 구조를 가지며,
상기 각 씨실은 복수 개의 토우들로 형성되고, 상기 각 씨실의 토우들은 상기 각 씨실의 폭 방향을 따라 퍼지도록 배열되어 있으며, 상기 각 날실은 복수 개의 토우들로 형성되고, 상기 각 날실의 토우들은 상기 각 날실의 폭 방향을 따라 퍼지도록 배열되어 있으며,
상기 마이크로 구조의 표면층은,
상기 탄소 시트를 표면층 형성용 용액에 딥핑하는 단계;
상기 표면층 형성용 용액에 딥핑한 상기 탄소 시트를 건조시켜서 상기 씨실 및 날실의 폭방향을 따라 주름진 구조를 형성하는 단계; 및
상기 주름진 구조를 더 형성하여 표면적을 더 넓히기 위해서, 상기 건조된 탄소 시트를 상기 표면층 형성용 용액으로 스핀 코팅(spin coating) 하는 단계를 포함하여 형성되고,
상기 돌출부들은,
상기 스핀 코팅에 의해 표면적이 더 넓어진 상기 마이크로 구조의 표면층 상에 형성되는 산화 아연(ZnO) 나노로드들(nano rods)을 포함하고,
상기 산화 아연 나노로드들은 상기 마이크로 구조의 표면층이 상기 탄소 시트 상에 형성된 후에 형성되며,
상기 탄소 시트에 외력이 가해져서 상기 탄소 시트가 연장되는 방향으로 변형되면, 상기 탄소 시트의 저항변화를 측정하여 스트레인 또는 상기 가해진 외력을 계산하며,
외력에 의해서 상기 돌출부와 상기 제1마찰부의 접촉과 분리가 반복되면 마찰전기가 발생되어서 상기 제1부재 및 상기 제2부재를 통하여 흐르면, 상기 마찰전기를 수집하는 에너지 생성 및 센싱 장치를 제조하는 방법.A surface layer of a micro structure is formed on one surface of the carbon sheet having a sheet shape, including a carbon material and having elasticity in a direction in which the sheet extends, and forming a plurality of protrusions to protrude on the surface layer of the micro structure. Preparing a first member; And
Preparing a second member by electrically connecting a first friction part having a triboelectric series value different from the protruding portion to be spaced apart from the protruding portion, the triboelectric series having a portion opposite to the protruding portion; ,
The carbon sheet,
Formed of carbon fiber,
Wefts formed from tows of carbon fiber and warps formed from tows of carbon fiber have a woven structure,
The weft yarns are formed of a plurality of tows, the tows of each of the wefts are arranged to spread along the width direction of each of the wefts, each warp yarn is formed of a plurality of tows, the tows of each warp yarns It is arranged to spread along the width direction of each warp,
The surface layer of the micro structure,
Dipping the carbon sheet into a solution for forming a surface layer;
Drying the carbon sheet dipped in the surface layer forming solution to form a corrugated structure along the width direction of the weft and warp yarns; And
Spin coating the dried carbon sheet with the solution for forming the surface layer to further form the corrugated structure to further increase the surface area,
The protrusions,
Zinc oxide (ZnO) nanorods formed on the surface layer of the microstructure having a larger surface area by the spin coating,
The zinc oxide nanorods are formed after the surface layer of the microstructure is formed on the carbon sheet,
When an external force is applied to the carbon sheet so that the carbon sheet is deformed in a direction in which the carbon sheet extends, the resistance change of the carbon sheet is measured to calculate strain or the applied external force,
Method of manufacturing an energy generating and sensing device for collecting the triboelectricity when the triboelectricity is generated and flows through the first member and the second member when repeated contact and separation of the protrusion and the first friction portion by an external force. . 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 청구항 1에 있어서,
상기 탄소 시트는,
상기 탄소물질을 함침시키는 수지를 더 포함하는 에너지 생성 및 센싱 장치를 제조하는 방법.The method according to claim 1,
The carbon sheet,
The method of manufacturing an energy generating and sensing device further comprising a resin impregnating the carbon material. 청구항 1에 있어서,
상기 마찰전기를 저장하는 마찰전기 수집부를 더 포함하고,
상기 제어부는 상기 마찰전기 수집부에서 저장되는 전기에너지를 이용하여 작동되는 에너지 생성 및 센싱 장치를 제조하는 방법.The method according to claim 1,
Further comprising a triboelectric collection unit for storing the triboelectricity,
The control unit is a method of manufacturing an energy generation and sensing device that is operated using the electrical energy stored in the triboelectric collector. 청구항 1에 있어서,
상기 표면층 형성용 용액은, 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane)을 포함하는 에너지 생성 및 센싱 장치를 제조하는 방법.The method according to claim 1,
The surface layer forming solution, a method for producing an energy generation and sensing device comprising polydimethylsiloxane (polydimethylsiloxane). 삭제delete 삭제delete 청구항 1에 있어서,
상기 제1마찰부는 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane)으로 형성되는 에너지 생성 및 센싱 장치를 제조하는 방법.The method according to claim 1,
The first friction unit is a method of manufacturing an energy generation and sensing device formed of polydimethylsiloxane (polydimethylsiloxane). 삭제delete 삭제delete
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