KR102131270B1 - 양극산화 공정을 통한 저장층을 포함하는 접촉대전 나노발전기 및 그 제조 방법 - Google Patents

양극산화 공정을 통한 저장층을 포함하는 접촉대전 나노발전기 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 접촉대전 나노발전기는 전극층; 상기 전극층 상부에 접촉하도록 배치된 저장층; 상기 저장층 상부에 접촉하도록 배치된 접촉층; 및 상기 접촉층 상부에서 상기 접촉층과 서로 마주하도록 배치되되 서로 이격되고 외력에 의하여 상기 접촉층에 접촉하도록 형성되는 상대층을 포함하고, 상기 저장층은 상기 전극층의 전기화학반응으로 형성되는 것을 특징으로 한다.

Description

양극산화 공정을 통한 저장층을 포함하는 접촉대전 나노발전기 및 그 제조 방법{TRIBOELECTRIC NANOGENERATOR INCLUDING STORAGE LAYER VIA ANODIC OXIDATION PROCESS AND FABRICATING METHOD THEREOF}
본 발명은 두 물질의 접촉 및 분리에 의해 생성되는 정전기 등에 수반되는 유도 전하를 이용하여 에너지를 수확하는 접촉대전 발전기에 관한 것이다.
두 개의 서로 다른 물질이 접촉 후 분리되며 자발적으로 생성되는 마찰전기 혹은 정전기와 이에 수반되는 유도전하를 이용하여 전기에너지를 생산하는 접촉대전 나노발전기술이 새로운 에너지 수확기술로써 제안되고 있다.
접촉대전 나노발전기는 두 표면 사이의 마찰 및 이에 수반되는 대전현상에 의하여 구동된다. 특히, 접촉대전 나노발전기의 에너지 생산량을 극대화시키기 위한 방법이 다양하게 연구되고 있다. 접촉대전 나노발전기의 에너지 생산량을 증대시키기 위해서 접촉대전 나노발전기의 표면에 마이크로 혹은 나노 구조를 도입하는 연구가 다양하게 이루어지고 있다. 또한, 나노발전기의 전극의 모양 변형을 통하여 마찰에 의한 전하의 발생 빈도수를 증가시키는 방법이 있다.
나아가, 나노발전기의 표면에 플라즈마 처리를 이용한 전자 주입 방식으로 전하량을 늘리는 방법, 나노발전기를 구성하는 재료의 전기적 특성을 고려하여 외부 전기장을 인가하여 재료 내부의 쌍극자 모멘트 배열을 형성하여 나노발전기의 표면에 전하량을 늘리는 방법이 연구되고 있다.
덧붙여, 나노발전기의 접촉층과 전극 사이에 저장층을 도입하게 되면 표면 안쪽으로 분포하는 전하들이 전극으로 유실되지 않고 저장층에 머물게 되어 접촉대전 에너지 발생량이 증대될 수도 있다. 하지만, 저장층과 접촉층 및 전극 사이의 접합에 따라 저장층의 효용성이 떨어질 수도 있다. 이에, 저장층을 도입할 때 접촉층 및 전극간의 결합을 개선할 방안을 고려해 볼 여지가 있다.
본 발명의 일 목적은, 나노발전기의 저장층과 접촉층 및 전극 사이의 결합을 잘 형성하여 전하의 유실없이 접촉대전 유도를 일으키도록 형성되어 에너지 발생량이 증대되고, 저장층과 접촉층의 결합력이 향상된 접촉대전 나노발전기 및 나노발전기를 제조하는 방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 나노발전기의 접촉층 표면에 나노구조를 형성하고 접촉층 내부에 쌍극자 모멘트가 정렬된 접촉층을 포함하여 에너지 발생량이 증대된 접촉대전 나노발전기 및 나노발전기를 제조하는 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명에 따른 접촉대전 나노발전기는 전극층; 상기 전극층 상부에 접촉하도록 배치된 저장층; 상기 저장층 상부에 접촉하도록 배치된 접촉층; 및 상기 접촉층 상부에서 상기 접촉층과 서로 마주하도록 배치되되 서로 이격되고 외력에 의하여 상기 접촉층에 접촉하도록 형성되는 상대층을 포함하고, 상기 저장층은 상기 전극층의 전기화학반응으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
실시예에 있어서, 상기 전극층 및 상대층은 도전성을 가지고, 상기 상대층의 표면은 다수 개의 미세 돌기를 구비하는 것을 특징으로 한다.
실시예에 있어서, 상기 접촉층은 열가소성 수지로 형성되는 것을 특징으로 한다.
실시예에 있어서, 상기 접촉층은 강유전체로 형성되고 전기장 인가로 내부의 쌍극자 모멘트가 정렬 가능한 재질로 형성되는 것을 특징으로 한다.
실시예에 있어서, 상기 접촉층 내부의 쌍극자 모멘트 정렬은, 상기 전극층, 상기 저장층 및 상기 접촉층이 순차적으로 배치된 제1접합체를 형성하고, 상기 제1접합체의 상기 접촉층 상에 표면에서부터 공극이 형성된 나노몰드가 접합된 제2접합체를 형성하고, 상기 나노몰드와 상기 전극층 사이에 소정범위의 전압을 가하는 것으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
실시예에 있어서, 상기 접촉층의 표면은 상호 이격 거리를 갖도록 돌출 형성되는 다수 개의 나노돌기를 구비하는 것을 특징으로 한다.
실시예에 있어서, 상기 저장층은 절연체로 형성되는 것을 특징으로 한다.
실시예에 있어서, 상기 저장층은 양극산화(anodic oxidation)가 가능한 재질로 형성되고, 제1기판의 표면을 양극산화하여 형성되는 것을 특징으로 한다.
실시예에 있어서, 상기 저장층의 일단에서 타단으로 지름이 20 내지 100 nm 범위의 나노홀이 형성된 것을 특징으로 한다.
실시예에 있어서, 상기 저장층의 두께는 5 내지 100 μm 범위인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 접촉대전 나노발전기의 제조 방법에 관한 것으로, 제1기판을 준비하는 단계; 상기 제1기판에 양극산화(anodic oxidation) 공정을 수행하여 전극층 및 저장층을 형성하는 단계; 상기 저장층 상에 접촉층을 형성하는 단계; 및 상기 저장층과 상기 접촉층에 열, 압력 및 전기장을 가하여 상기 접촉층 내부의 쌍극자 모멘트 정렬시키는 단계를 포함한다.
실시예에 있어서, 상기 제1기판은 알루미늄(Al)으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
실시예에 있어서, 상기 저장층을 형성하는 단계는 양극산화 공정으로 산화알루미늄(Al2O3) 층을 형성하고, 상기 저장층의 일단에서 타단으로 지름이 20 내지 100 nm 범위의 나노홀이 형성되는 것을 특징으로 한다.
실시예에 있어서, 상기 접촉층을 형성하는 단계는 상기 저장층의 상부 표면에 열가소성 수지를 포함하는 혼합물을 도포하고, 어닐링(annealing) 공정을 수행하는 것을 특징으로 한다.
실시예에 있어서, 나노몰드를 형성하는 단계를 포함하고, 상기 나노몰드를 형성하는 단계는, 제2기판을 준비하는 단계; 및 상기 제2기판에 양극산화 공정을 수행하여 전사층을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 제2기판은 알루미늄으로 형성되고, 상기 전사층은 산화알루미늄(Al2O3)으로 형성되고, 상기 전사층은 상기 전사층의 일단에서 타단으로 지름이 20 내지 100 nm 범위인 나노홀을 형성되는 것을 특징으로 한다.
실시예에 있어서, 상기 쌍극자 모멘트 정렬시키는 단계는 상기 전극층, 상기 저장층 및 상기 접촉층이 순차적으로 배치된 제1접합체를 형성하고, 상기 제1접합체의 상기 접촉층 상에 상기 나노몰드가 접합된 제2접합체를 형성하고, 상기 나노몰드와 상기 전극층 사이에 소정범위의 열, 압력 및 전압을 가하는 것으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
실시예에 있어서, 상기 쌍극자 모멘트 정렬시키는 단계에서 상기 접촉층의 표면에 상호 이격 거리를 갖도록 돌출 형성되는 다수 개의 나노돌기가 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 접촉대전 나노발전기 및 나노발전기의 제조방법은 전극층 상부에 전극층의 전기화학반응으로 형성된 절연성을 가지는 저장층을 구비하고, 저장층은 양극산화(anodic oxidation)가 가능한 재질로 형성된다. 저장층은 접촉층과 상대층의 접촉계면으로부터 저장층 측으로 특정 깊이까지 대전된 전하들 또한 접촉대전 유도를 일으킬 수 있다. 이에, 저장층에 저장된 전하의 수확이 가능하게 되어 결국 접촉대전 에너지 발생 효율이 증대되는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 강유전체로 형성된 나노발전기의 접촉층은 전기장(전압)의 인가로 쌍극자 모멘트의 정렬되어 에너지 발생량이 증대되고, 접촉층의 표면에 상호 이격 거리를 갖도록 돌출 형성되는 다수 개의 나노돌기를 구비하여 에너지 발전 효율이 향상될 수 있다.
도 1은 접촉대전 나노발전기의 제조 방법에 있어서, 전극층 및 저장층을 형성하는 단계를 도시한 개념도이다.
도 2는 접촉대전 나노발전기의 제조 방법에 있어서, 저장층 상에 접촉층을 형성하는 단계를 도시한 개념도이다.
도 3은 접촉대전 나노발전기의 제조 방법에 있어서, 나노몰드를 형성하는 단계를 도시한 개념도이다.
도 4는 접촉대전 나노발전기의 제조 방법에 있어서, 접촉층 내부의 쌍극자 모멘트 정렬시키는 단계를 도시한 개념도이다.
도 5는 접촉대전 나노발전기 및 그 작동 원리를 보인 개념도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 당해 분야에 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명한다. 하기에서 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지의 기능 또는 공지의 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 접촉대전 나노발전기의 제조 방법에 있어서, 전극층(100) 및 저장층(200)을 형성하는 단계를 도시한 개념도이다.
도 1을 참조하면, 제1기판(100')을 준비하고 양극산화(anodic oxidation) 공정을 수행하여 전극층(100) 및 저장층(200)을 형성할 수 있다. 상세하게, 제1기판(100')을 전해질인 25℃의 0.3M 농도의 옥살산(C2H2O4) 수용액에서 담지시킨 후 55 V의 전압을 50분 동안 가하여 양극산화 공정을 수행한다. 이때, 제1기판(100')은 금속으로 형성될 수 있고, 바람직하게는 알루미늄(Al)으로 형성될 수 있다. 제1기판(100')에 전압을 가해줄때, 제1기판(100')은 양극(anode)으로 하여 전자를 잃으며 산화되어 절연체인 산화알루미늄(Al2O3) 층이 형성될 수 있다.
양극산화 공정이 수행된 후, 남아 있는 알루미늄 층은 전극층(100)을 이루고, 산화에 의하여 형성된 상기 산화알루미늄 층은 저장층(200)을 형성한다. 이때, 저장층(200)은 전극층(100) 상에 전기화학 반응을 통하여 형성되므로 저장층(200)과 전극층(100)을 구분하는 경계층 없이 생성될 수 있다. 즉, 저장층(200)은 전극층(100)과 일체화되어 두층 사이에는 쉽게 박리되지 않는 강한 결합이 형성될 수 있다.
상기 저장층(200)은 규칙적으로 배열된 나노홀을 가진다. 상세하게, 저장층(200)의 일단에서 타단으로 지름이 20 내지 100 nm 범위의 나노홀이 형성될 수 있다. 이때, 저장층(200)의 일단은 저장층(200)의 표면이고, 저장층(200)의 타단은 전극층(100)과 마주하는 부분일 수 있다.
또한, 저장층(200)의 두께는 5 내지 100 μm 범위로 형성될 수 있다. 저장층(200)의 두께가 5 μm 미만일 경우 저장층(200)에 의한 에너지 발생량의 증대가 미미하다. 한편, 저장층(200)의 두께가 100 μm를 초과할 경우 전극층(100)과 후술될 접촉층(300)간의 거리가 멀어지므로 정전기 유도량이 감소하므로 본 발명의 접촉대전 나노발전기에서 에너지를 생산할 때 에너지 발생효율이 감소한다는 문제점이 있다.
도 2는 접촉대전 나노발전기의 제조 방법에 있어서, 저장층(200) 상에 접촉층(300)을 형성하는 단계를 도시한 개념도이다.
도 2를 참조하면, 저장층(200) 상에 스핀코팅 공정으로 접촉층(300)을 형성할 수 있다. 이에, 전극층(100), 저장층(200) 및 접촉층(300)이 순차적으로 배치된 제1접합체(1')를 형성할 수 있다.
접촉층(300)을 형성하기 위해서 열가소성을 가지는 고분자 물질을 포함하는 액체 상태의 혼합물로 저장층(200) 상에 도포하고, 저장층(200) 및 전극층(100)의 적층체를 회전시켜 일정한 두께의 고분자 물질층을 형성할 수 있다.
상기 고분자 물질층은 어닐링(annealing) 공정이 수행되어 용매가 증발하거나 고분자의 가교(cross-linking)가 수행되어 접촉층(300)을 형성할 수 있다. 접촉층(300)의 재질은 마찰대전 시 전자를 쉽게 얻는 성질을 갖는 불소계 고분자 물질로 이루어질 수 있다. 또한, 접촉층(300)은 강유전체로 형성되어, 접촉대전이 용이하게 발생하는 소재로 형성된다. 바람직하게 접촉층(300)은 폴리(비닐리덴 플루오라이드-트리플루오로 에틸렌)(Poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene), P(VDF-TrFE))을 포함하는 소재로 형성될 수 있다.
또한, 전술된 스핀코팅 공정으로 상기 혼합물이 저장층(200)의 나노홀에 소정 침투하여 접촉층(300)과 저장층(200)의 접촉면적이 증가할 수 있다. 이에, 접촉층(300)과 저장층(200)의 결합력이 상승할 수 있으며 접촉층(300)에서 유도되는 전하가 쉽게 저장층(200)으로 이동할 수 있다.
도 3은 접촉대전 나노발전기의 제조 방법에 있어서, 나노몰드(1000)를 형성하는 단계를 도시한 개념도이다.
도 3을 참조하면, 나노몰드(1000)를 형성하는 단계는 (a)의 제2기판(1100')을 준비하는 단계와 (b) 내지 (e)의 전사층(1200)을 형성하는 단계를 포함한다. 상세하게 전사층(1200)을 형성하는 단계는 (b)제1양극산화 단계, (c)연마단계, (d)제2양극산화 단계 및 (e)와이드닝 단계로 순차적으로 수행될 수 있다.
우선 (a)의 제2기판(1100')을 준비하는 단계에서 제2기판(1100')은 금속으로 형성될 수 있고, 바람직하게는 알루미늄(Al)으로 형성될 수 있다. 제2기판(1100')에 전압을 가해줄때, 제2기판(1100')은 양극(anode)으로 하여 전자를 잃으며 산화되어 절연체인 산화알루미늄(Al2O3) 층이 형성될 수 있다.
(b)의 제1양극산화 단계에서는 제2기판(1100')을 전해질인 O℃의 0.1M 농도의 인산(H3PO4) 수용액에서 담지시킨 후 195 V의 전압을 16시간 동안 가하여 양극산화 공정을 수행한다. 이에, 제1산화층(1200")이 형성될 수 있다. 제1산화층(1200")은 산화알루미늄(Al2O3)으로 형성될 수 있으며, 비교적 불규칙한 나노홀이 형성된다. 불규칙한 나노홀을 가지는 제1산화층(1200")으로는 전사하였을때 규칙적인 패턴을 형성하기 어렵다.
이에, (c)의 연마단계가 수행된다. 상기 연마단계는 크롬산(H2CrO4) 및 인산(H3PO4)을 포함하는 수용액에서 (b)의 제1산화층(1200")을 5시간 이상 담지시켜 산화알루미늄을 제거할 수 있다. 이에, 제1산화층(1200")이 제거된 상기 제2기판은 반구형상으로 일정하게 오목하게 형성된 표면 모폴로지를 가질 수 있다. 이에, 후속되는 (d)의 제2양극산화 단계를 수행하였을때, 일정하게 나노홀이 형성될 수 있다.
(d)의 제2양극산화 단계는 전술된 (b)의 제1양극산화 단계와 동일한 조건에서 30분간 전압을 가하여 제2산화층(1200')을 형성할 수 있다. 한편,제2산화층(1200')의 하부에는 전기화학반응이 일어나지 않은 제2기판(1100)이 형성된다.
제2산화층(1200')은 전술된 제1산화층(1200")과 비교하여 규칙적인 나노홀이 형성될 수 있다. 하지만, 제2산화층(1200')의 표면에 형성된 나노홀은 수나노의 지름을 가지므로 전사하여 전사물의 표면에서 굴곡을 형성하기에 어려움이 따른다. 이에, 후속되는 (e)의 와이드닝 단계를 수행하여 전사층(1200)을 형성할 수 있다.
(e)의 와이드닝 단계는 제2산화층(1200')을 3O℃의 0.1M 농도의 인산(H3PO4) 수용액에서 30분간 담지하는 것이다. 이에, 전사층(1200)을 포함하는 나노몰드(1000)가 형성될 수 있다. 한편, 전사층(1200)에는 전사층(1200)의 일단에서 타단으로 지름이 20 내지 100 nm 범위인 나노홀이 형성된다. 전사층(1200)의 일단은 전사층(1200)의 표면이고, 전사층(1200)의 타단은 상기 제1양극산화 및 제2양극산화가 수행되고 남아 있는 제2기판(1100)과 마주하는 부분일 수 있다.
도 4는 접촉대전 나노발전기의 제조 방법에 있어서, 접촉층(300) 내부의 쌍극자 모멘트 정렬시키는 단계를 도시한 개념도이다.
도 4를 참조하면, 접촉층(300) 내부의 쌍극자 모멘트 정렬시키는 단계를 수행하여 나노돌기(400) 및 접촉층(300) 내부의 쌍극자 모멘트 정렬된 접촉대전 나노발전기의 발전부(1)가 형성될 수 있다.
상세하게, 제1접합체(1')의 접촉층(300) 상에 나노몰드(1000)를 접합시켜 제2접합체(1")를 형성시킨다. 이어서, 나노몰드(1000)와 전극층(100) 사이에 소정범위의 열, 압력 및 전압을 가한다. 이때, 열과 압력에 의하여 나노몰드(1000)의 전사층(1200) 표면의 패턴이 접촉층(300)에 임프린팅될 수 있다. 즉, 접촉층(300) 표면에는 일정한 간격의 나노돌기(400)가 형성될 수 있으며, 접촉층(300)의 표면적이 크게 증가되는 구조를 갖게 된다. 따라서, 접촉층(300)의 표면에 대전되는 전하량이 증대될 수 있어, 에너지 발생량이 증대될 수 있는 효과에 이를 수 있다.
한편, 나노몰드(1000)와 전극층(100) 사이에 가해지는 소정범위의 전압으로 접촉층(300) 내부의 쌍극자 모멘트 정렬시킬 수 있다. 접촉층(300)은 강유전체로 형성되어, 전기장(전압)의 인가로 쌍극자 모멘트의 정렬이 가능할 수 있다. 접촉층(300) 내부의 쌍극자 모멘트 배열로 나노발전기의 표면에서 형성되는 전하량이 증가하여 접촉대전 시 에너지 발전 효율이 향상된다.
접촉층(300)에 가해지는 상기 소정범위의 열은 130 내지 145℃ 범위의 온도로 가해질 수 있다. 가해지는 온도가 130℃ 미만일 경우 나노몰드(1000)의 전사층(1200) 표면의 패턴이 충분히 전사되지 않아 나노돌기(400) 형성이 어렵다. 한편, 가해지는 온도가 145℃를 초과할 경우 접촉층(300)의 일부가 액체로 상변화하여 전사가 원활이 이루어질 수 없다.
또한, 접촉층(300)에 가해지는 상기 소정범위의 압력은 5 내지 6 Mpa 범위일 수 있다. 가해지는 압력이 5 Mpa 이상일 경우 나노몰드(1000)의 전사층(1200) 표면의 패턴이 충분히 전사될 수 잇다. 한편, 가해지는 압력이 6 Mpa을 초과할 경우에는 전압을 가할 때 전기장이 접촉층(300)을 관통하여 합선이 일어나는 문제점이 발생한다.
나아가, 접촉층(300)에 가해지는 상기 소정범위의 전압은 150 내지 300 V 범위일 수 있다. 가해지는 전압이 150 V 미만일 경우, 접촉층(300) 내부의 쌍극자 모멘트 정렬이 효과적으로 이루어지지 않는다. 한편, 가해지는 전압이 300 V을 초과할 경우에는 접촉층(300)이 변성되는 문제점이 발생한다.
도 5는 접촉대전 나노발전기(10) 및 그 작동 원리를 보인 개념도이다.
도 5를 참조하면, 접촉대전 나노발전기(10)는 접촉대전 나노발전기의 발전부(1) 및 상대층(2)을 포함할 수 있다. 전술된 것과 같이 나노발전기의 발전부(1)는 전극층(100), 저장층(200) 및 접촉층(300)을 포함한다. 한편 상대층(2)은 도전성을 가지는 도전체로 형성될 수 있다. 나아가, 상대층(2)의 표면은 다수 개의 미세 돌기(21)를 구비하여 나노발전기의 발전부(1)와 접촉 및 마찰 시 정전기 대전이 극대화 될 수 있다. 상대층(2)의 표면은 다수 개의 미세 돌기(21)는 마이크로 크기 또는 나노 크기의 돌기일 수 있다.
한편, 도 1을 참조하여, 접촉대전 나노발전기에서 전류가 발생되는 원리에 대하여 설명한다. 접촉대전 나노발전기(10)는 나노발전기의 발전부(1)와 상대층(2)과의 접촉 및 마찰 시 정전기 대전을 이용하여 전류 흐름을 형성하는 방식으로 에너지를 생성하도록 이루어진다.
접촉대전 나노발전기의 동작은 상대층(2)과 접촉층(300)이 서로 접촉되어 정전기가 상호 대전되는 것으로부터 시작될 수 있다. 도 1의 예와 같이, 접촉층(300)은 음전하로 대전되고, 상대층(2)은 양전하로 대전될 수 있다.
정전기가 대전된 상태에서 상대층(2)과 접촉층(300)이 멀어지게 되면, 정전기적 평형이 이루어지도록 전기 전도성 재질의 전극층(100)에 양전하가 유도된다. 전극층(100)에 양전하가 유도되는 과정에서 전류가 형성되며, 이러한 전하의 흐름은 전극층(100)에 유도되는 양전하의 양이, 접촉층(300)에 유도되었던 음전하의 양과 서로 같아져 평형에 도달할 때까지 계속될 수 있다.
이후, 다시 상대층(2)이 접촉층(300)에 근접하여 접촉하게 되면, 접촉층(300)의 음전하와 상대층(2)의 양전하는 서로 상쇄되어 정전기적으로 평형을 이루게 된다. 이에 따라, 전극층(100)에 유도되었던 양전하가 이탈되면서, 앞서와는 반대 방향으로 전류가 형성될 수 있다.
이에, 접촉대전 나노발전기(10)에서 발생되는 전하의 흐름이 형성되어 수집되는 전극 역할을 수행하는 전극층(100)은 전기 전도성 재질로 이루어질 수 있고, 그 설계에 따라 다양한 패턴으로 형성될 수 있다. 또한, 전극층(100)에는 도선이 연결되어 전하의 흐름이 이어지도록 연결될 수 있다.
즉, 접촉대전 나노발전기(10)는 상대층(2)과 접촉층(300)의 상대적인 변위에 의해 전극층(100)에 전류가 형성되도록 이루어진다. 상기 상대적인 변위는 일상생활 및 다양한 산업 환경에서 발생되는 상대운동을 활용하여 얻을 수 있고, 이러한 측면에서, 접촉대전 나노발전기는 에너지를 수확(harvesting)하는 기술로 유용하게 활용될 수 있다.
나아가, 접촉층(300)과 상대층(2)이 접촉 및 대전되어 생성된 전하는 접촉계면 상에만 분포하는 것이 아니라 어느 정도 침투력을 가진다. 따라서, 접촉층(300)과 상대층(2)의 접촉계면으로부터 특정 깊이까지 대전된 전하가 분포한다. 이때 접촉층(300) 하부에 도체가 배치되면 대전된 전하 중 일부가 유실되어 총 접촉대전 유도량이 줄어들 수 있다. 이에 대한 보완책으로써 접촉층(300)과 전극층(100) 사이에 저장층(200)을 도입할 수 있다.
저장층(200)의 도입으로 접촉계면으로부터 특정 깊이까지 대전된 전하들이 저장층(200)에 머물게 되면서 전극층(100)으로 전하들이 유실되는 것을 방지할 수 있다. 전하들이 저장층(200)에서 유실되는 것을 방지하기 위해서 저장층(200)은 절연물질로 유전율이 높은 소재로 형성될 수 있다. 이에, 바람직하게 저장층(200)은 산화알루미늄으로 형성될 수 있다.
저장층(200)의 도입으로 접촉층(300)과 상대층(2)의 접촉계면으로부터 특정 깊이까지 대전된 전하들 또한 접촉대전 유도를 일으킬 수 있다. 이에, 저장층(200)에 저장된 전하의 수확이 가능하게 되어 결국 접촉대전 에너지 발생 효율이 증대되는 효과에 이를 수 있다.
발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다.
또한, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.
1: 발전부
1': 제1접합체 1": 제2접합체
2: 상대층 21: 미세돌기
10: 접촉대전 나노발전기
100: 전극층 100': 제1기판
200: 저장층
300: 접촉층
400: 나노돌기
1000: 나노몰드
1100, 1100': 제2기판
1200: 전사층
1200": 제1산화층 1200':제2산화층

Claims (17)

  1. 전극층;
    상기 전극층 상부에 접촉하도록 배치된 저장층;
    상기 저장층 상부에 접촉하도록 배치된 접촉층; 및
    상기 접촉층 상부에서 상기 접촉층과 서로 마주하도록 배치되되 서로 이격되고 외력에 의하여 상기 접촉층에 접촉하도록 형성되는 상대층을 포함하고,
    상기 저장층은 상기 전극층의 전기화학반응으로 형성되며, 절연체로 형성되고,
    상기 저장층의 일단에서 타단으로 나노홀이 형성되며,
    상기 나노홀은 지름이 20 내지 100nm범위의 나노홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 접촉대전 나노발전기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전극층 및 상대층은 도전성을 가지고,
    상기 상대층의 표면은 다수 개의 미세 돌기를 구비하는 것을 특징으로 하는 접촉대전 나노발전기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 접촉층은 열가소성 수지로 형성되는 것을 특징으로 하는 접촉대전 나노발전기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 접촉층은 강유전체로 형성되고 전기장 인가로 내부의 쌍극자 모멘트가 정렬 가능한 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 접촉대전 나노발전기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 접촉층 내부의 쌍극자 모멘트 정렬은,
    상기 전극층, 상기 저장층 및 상기 접촉층이 순차적으로 배치된 제1접합체를 형성하고,
    상기 제1접합체의 상기 접촉층 상에 표면에서부터 공극이 형성된 나노몰드가 접합된 제2접합체를 형성하고,
    상기 나노몰드와 상기 전극층 사이에 소정범위의 전압을 가하는 것으로 형성되는 것을 특징으로 하는 접촉대전 나노발전기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 접촉층의 표면은 상호 이격 거리를 갖도록 돌출 형성되는 다수 개의 나노돌기를 구비하는 것을 특징으로 하는 접촉대전 나노발전기.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 저장층은,
    제1기판을 포함하고,
    상기 제1기판은 양극산화(anodic oxidation)가 가능한 재질로 형성되며,
    상기 제1기판의 표면을 양극산화하여 상기 전극층 및 상기 저장층을 형성하는 것을 특징으로 하는 접촉대전 나노발전기.
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서,
    상기 저장층의 두께는 5 내지 100 μm 범위인 것을 특징으로 하는 접촉대전 나노발전기.
  11. 접촉대전 나노발전기의 제조 방법에 있어서,
    제1기판을 준비하는 단계;
    상기 제1기판에 양극산화(anodic oxidation) 공정을 수행하여 전극층 및 저장층을 형성하는 단계;
    상기 저장층 상에 접촉층을 형성하는 단계; 및
    상기 저장층과 상기 접촉층에 열, 압력 및 전기장을 가하여 상기 접촉층 내부의 쌍극자 모멘트 정렬시키는 단계;를 포함하고,
    상기 저장층은 절연체로 형성되며,
    상기 저장층의 일단에서 타단으로 지름이 20 내지 100nm 범위의 나노홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 접촉대전 나노발전기의 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1기판은 알루미늄(Al)으로 형성되는 것을 특징으로 하는 접촉대전 나노발전기의 제조 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 저장층을 형성하는 단계는 양극산화 공정으로 산화알루미늄(Al2O3) 층이 형성되는 것을 특징으로 하는 접촉대전 나노발전기의 제조 방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 접촉층을 형성하는 단계는 상기 저장층의 상부 표면에 열가소성 수지를 포함하는 혼합물을 도포하고,
    어닐링(annealing) 공정을 수행하는 것을 특징으로 하는 접촉대전 나노발전기의 제조 방법.
  15. 제11항에 있어서,
    나노몰드를 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 나노몰드를 형성하는 단계는,
    제2기판을 준비하는 단계; 및
    상기 제2기판에 양극산화 공정을 수행하여 전사층을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 제2기판은 알루미늄으로 형성되고, 상기 전사층은 산화알루미늄(Al2O3)으로 형성되고,
    상기 전사층은 상기 전사층의 일단에서 타단으로 지름이 20 내지 100 nm 범위인 나노홀을 형성되는 것을 특징으로 하는 접촉대전 나노발전기의 제조 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 쌍극자 모멘트 정렬시키는 단계는
    상기 전극층, 상기 저장층 및 상기 접촉층이 순차적으로 배치된 제1접합체를 형성하고,
    상기 제1접합체의 상기 접촉층 상에 상기 나노몰드가 접합된 제2접합체를 형성하고,
    상기 나노몰드와 상기 전극층 사이에 소정범위의 열, 압력 및 전압을 가하는 것으로 형성되는 것을 특징으로 하는 접촉대전 나노발전기의 제조 방법.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 쌍극자 모멘트 정렬시키는 단계에서 상기 접촉층의 표면에 상호 이격 거리를 갖도록 돌출 형성되는 다수 개의 나노돌기가 형성되는 것을 특징으로 하는 접촉대전 나노발전기의 제조 방법.

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