KR102213229B1 - 마찰전기 발전 소자 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
기존 압전소자와는 달리 마찰 운동을 발생시키기 위한 물리적 공간이 요구되지 않으며, 저렴하고 양산이 용이한 마찰소재 복합체의 접합 마찰부에 의해 표면적이 극대화되어, 발전소자의 내구성이 개선되고 전기의 효율적인 생산이 가능한, 마찰전기 발전 소자 및 그 제조방법이 개시된다. 상기 마찰전기 발전 소자는, 중심부에 위치하며 서로 다른 둘 이상의 고분자로 이루어진 접합(junction) 구조의 마찰부를 포함하는 마찰전기 발생층(300); 상기 마찰전기 발생층(300)의 어느 일면에 대향되어 위치하는 제1 전극(100); 및 상기 마찰전기 발생층(300)의 다른 일면에 대향되어 위치하는 제2 전극(200);을 포함한다.
Description
본 발명은 마찰전기 발전 소자에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 기존 압전소자와는 달리 마찰 운동을 발생시키기 위한 물리적 공간이 요구되지 않으며, 저렴하고 양산이 용이한 마찰소재 복합체의 접합 마찰부에 의해 표면적이 극대화되어, 발전소자의 내구성이 개선되고 전기의 효율적인 생산이 가능한, 마찰전기 발전 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
통상적인 압전소자(Piezoelectric device)에 있어서, 유연성이 뛰어난 PVDF 등의 유기 계열 압전소재는 환경적 유해성 및 높은 소재 원가로 인하여 경쟁력 있는 제품의 제작에 어려움이 있다. 또한, 유연성이 좋지 못한 무기 계열의 압전소재는, 지속되는 외부 압력에 의해 소재가 파열되는 등 내구성에 문제가 발생하는 문제가 있다. 마찰전기 소자(triboelectric device)의 경우, 마찰소재 간의 마찰 운동을 발생시키기 위한 물리적인 공간이 필요할 뿐만 아니라, 소자의 구조가 복잡하고 양산에도 어려움이 있으며, 마찰에 의한 소재 마모의 정도가 커서 내구성에 대한 신뢰도가 낮은 문제가 발생한다. 또한, 기존 마찰전기 소재는 전극과 마찰소재 간의 접합에 대한 어려움, 그리고 마찰소재들을 소자에 적용하는 공정방법의 상이함으로 인해 양산이 어렵다는 단점을 가지고 있다. 따라서, 이와 같은 단점들이 보완된 마찰전기 발전 소자의 개발이 요구되고 있는 실정이다.
여기서, 지금까지 진행되었던 통상적인 마찰전기 소자의 발전 연혁에 대하여 설명하면, 2012년에 이종의 마찰전기 소재를 2겹으로 배열(bilayer)한 후 외부에 전극을 대어, 마찰전기 소재 간 수직 및 수평 움직임을 통해 전기 생산이 가능하다는 것을 확인하였고, 2013년에는 이종의 마찰전기 소재를 교차로 회전시키는 방식으로도 전기 생산이 가능함을 나타내었으며, 개별 마찰전기 소자들을 다층(병렬 구조)으로 구성하여 발전 효율을 개선하기도 하였다. 2014년에는 3차원 구조의 마찰전기 소자를 통해 발생 전류의 양을 크게 개선하였고, 자전거 바퀴 형상을 가지는 원반 전극과 마찰전기 소재들을 가운데 중심 축을 두고 회전 시킴으로써 효율적인 마찰전기 생산이 가능하다는 것을 확인하였으며, 박막의 마찰전기 소재에 마이크론 단위로 grating을 하고 전극과 겹친 후 수평이동을 함으로써 효율적인 전기 생산이 가능함을 보여주었고, grating된 마찰전기 소재와 전극에 용수철을 달아 소재와 전극 간의 수평이동 및 용수철을 통한 에너지 보존을 통하여 높은 효율의(~85%) 물리 에너지를 전기 에너지로 전환 가능함을 확인하였다.
2015년에는 마찰소재 사이에 강철 봉을 베어링의 용도로 삽입함으로써 적은 에너지를 가해도 마찰소재가 부드럽게 움직일 수 있게 구조를 개선하였고, 그럼에도 마찰전기 생산 효율이 크게 떨어지지 않음을 보여주었다. 또한, 하이브리드 방식으로써 전자기발전기(AC)와 마찰전기소자(AC)를 직렬 또는 병렬로 연결함으로써 전압이나 전류의 양을 더 안정적으로 공급할 수 있음을 발견하였으며, 추가로 태양전지(DC)와 마찰전기 소자(AC)도 연결함으로써 빛과 운동 에너지로부터 동시에 전력을 생산할 수 있음을 확인하였다. 이후, 마찰전기 소재 간의 마이크로 또는 나노 단위의 패터닝을 통해 전력생산 효율을 개선하는 연구들이 진행되고 있으며, 소재를 변경하거나, 운동 에너지를 받아들이는 형태(수직, 수평, 회전, 구부러짐 등)를 바꿔가면서 효율을 보다 개선시켰다. 가장 최근의 주목할만한 연구결과로는, 마찰전기 소자의 한쪽 면은 기판에 고정하고, 다른 한 면은 바람에 흔들리게 둠으로써 풍력 발전기로써 활용 가능성을 보여주었다.
상기 소개된 모든 마찰전기 소자와는 다르게, 본 발명에서 설명하고자 하는 마찰전기 소자는, 물리적으로 마찰전기 소재 간에 불필요한 구조를 배제하고, 나노 단위 또는 최대 마이크론 단위의 마찰전기 소재 domain 간의 접촉이, 필름의 구부러짐에 의해 떨어지고 붙는 현상을 이용하여 전력을 생산하는 것이다. 이는, 기존 연구들의 소재 표면 형상을 조절한다는 면에서 발전된 모습이며, 여러 방식의 운동 에너지를 활용하는 방안을 연구하는 것을 계승함으로써 정통성도 확보하였다.
따라서, 본 발명의 목적은, 기존 압전소자와는 달리 마찰 운동을 발생시키기 위한 물리적 공간이 요구되지 않으며, 저렴하고 양산이 용이한 마찰소재 복합체의 접합 마찰부에 의해 표면적이 극대화되어, 발전소자의 내구성이 개선되고 전기의 효율적인 생산이 가능한, 마찰전기 발전 소자 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 중심부에 위치하며 서로 다른 둘 이상의 고분자로 이루어진 접합(junction) 구조의 마찰부를 포함하는 마찰전기 발생층(300); 상기 마찰전기 발생층(300)의 어느 일면에 대향되어 위치하는 제1 전극(100); 및 상기 마찰전기 발생층(300)의 다른 일면에 대향되어 위치하는 제2 전극(200);을 포함하는 마찰전기 발전 소자를 제공한다.
또한, 본 발명은, a) 유전 성질이 상이한 둘 이상의 고분자를 각각 용매에 용해 및 분산시키거나, 용해 및 분산시킨 후 혼합하거나, 용융시켜 혼합하는 단계; b) 소재가 상이한 제1 전극 및 제2 전극 각각의 표면 일부를 마스킹 처리하는 단계; c) 상기 마스킹 처리된 제1 및 제2 전극 중 어느 하나의 전극에 있어서, 마스킹 처리되지 않은 노출 면에 상기 a) 단계에서 혼합되었거나 혼합되지 않은 고분자 용액을 공급한 후 건조 또는 경화시켜, 전극 상에 마찰전기 발생층을 형성하는 단계; 및 d) 상기 마찰전기 발생층의 상부에, 상기 마찰전기 발생층이 형성되지 않은 나머지 전극을 적층시킨 후 압착하는 단계;를 포함하는 마찰전기 발전 소자의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 마찰전기 발전 소자 및 그 제조방법은, 기존 압전소자와는 달리 마찰 운동을 발생시키기 위한 물리적 공간이 요구되지 않으며, 저렴하고 양산이 용이한 마찰소재 복합체의 접합 마찰부에 의해 표면적이 극대화되어, 발전소자의 내구성이 개선되고 전기의 효율적인 생산이 가능하다는 장점을 가지고 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자의 측단면 모식도이다.
도 2는 본 발명에 따라 마스킹 처리된 전극의 모식도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자의 측단면 모식도이다.
도 4 및 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자의 측단면 모식도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 마찰전기 발전 소자에 가해지는 충격에 따른 전압 및 전류를 측정한 그래프이다.
도 7 내지 9는 본 발명의 비교예에 따라 마찰전기 발전 소자에 가해지는 충격에 따른 전압 및 전류를 측정한 그래프이다.
도 10 내지 12는 본 발명의 다른 실시예에 따라 마찰전기 발전 소자에 가해지는 충격에 따른 전압 및 전류를 측정한 그래프이다.
도 2는 본 발명에 따라 마스킹 처리된 전극의 모식도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자의 측단면 모식도이다.
도 4 및 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자의 측단면 모식도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 마찰전기 발전 소자에 가해지는 충격에 따른 전압 및 전류를 측정한 그래프이다.
도 7 내지 9는 본 발명의 비교예에 따라 마찰전기 발전 소자에 가해지는 충격에 따른 전압 및 전류를 측정한 그래프이다.
도 10 내지 12는 본 발명의 다른 실시예에 따라 마찰전기 발전 소자에 가해지는 충격에 따른 전압 및 전류를 측정한 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자의 측단면 모식도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 마찰전기 발전 소자는, 중심부에 위치하며 서로 다른 둘 이상의 고분자로 이루어진 접합(junction) 구조의 마찰부를 포함하는 마찰전기 발생층(300), 상기 마찰전기 발생층(300)의 어느 일면에 대향되어 위치하는 제1 전극(100) 및 상기 마찰전기 발생층(300)의 다른 일면에 대향되어 위치하는 제2 전극(200)을 포함한다.
본 발명에 따른 마찰전기 발전 소자는, 외부로부터 가해지는 모든 물리적 운동 에너지를 전기 에너지로 전환 가능한 소자로서, 풍력 발전, 조력 발전 및 파력 발전 등에 활용 가능하며, 각 발전 방식을 구현하기 위하여, 다수의 소자가 반복 배치되는 모듈 및 그 모듈 다수가 반복 배치되는 발전기로 구성될 수 있다. 뿐만 아니라, 본 발명에 따른 마찰전기 발전 소자는, 물리적인 움직임을 감지하거나 촉감(texture), 경도(hardness) 또는 가해지는 힘(force)을 감지하는 것도 가능하여 센서(sensor)로도 활용 가능하다.
상기 마찰전기 발생층(300)은 전기를 발생시키는 마찰부를 포함하는 필름 형태의 마찰소재 복합체(triboelectric composite material)로서, 상기 마찰부는 나노미터(㎚) 내지 마이크로미터(㎛) 단위의 랜덤(random)한 접합부(junction)들로 이루어져 있으며, 상기 접합부는 서로 다른 2종 이상의 소재가 불균일하게 맞닿아 있는 벌크 이종 접합(bulk-heterojunction)의 구조를 가지거나, 다중 접합(multi-junction)의 구조를 가질 수 있고, 예를 들어, 벌크 이종 접합 유기 태양전지(bulk-heterojunction organic photovoltaics, 웹사이트 참조)의 활성층(Active Layer)과 유사한 구조를 가질 수 있다. 한편, 상기 다중 접합의 구조는 기본적으로 상기 벌크 이종 접합의 구조와 유사하나, 보다 규칙적인 형상으로 둘 이상의 물질이 서로 맞닿아 있는 구조일 수 있다(웹사이트 참조). 따라서, 극성을 띠는 각 마찰전기 소재들의 이동 거리가 극히 짧음에도 불구하고, 표면적이 극대화되어 소재 내구성에 대한 신뢰 개선과 효율적인 전기의 생산이 가능해진다.
한편, 상기 마찰전기 발생층(300)의 두께는, 1 ㎚ 내지 10,000 ㎛, 바람직하게는 100 ㎚ 내지 5,000 ㎛, 더욱 바람직하게는 1 내지 1,000 ㎛로서, 상기 마찰전기 발생층(300)의 두께가 10,000 ㎛를 초과할 경우에는, 접합부에서 발생한 전하의 분리로 인해 형성되는 전기장이 집전극까지 영향을 미치지 못하여, 전압 및 전류가 생성되지 못하는 문제가 발생할 우려가 있고, 1 ㎚ 미만일 경우에는 집전극간의 거리가 너무 가까워 터널링(tunneling) 현상으로 인한 소자 쇼트(short) 현상이 발생할 수 있다.
상기 마찰전기 발생층(또는, 마찰부)은 유전 성질이 서로 다른 둘 이상의 고분자, 바람직하게는 서로 다른 2종의 고분자로 이루어지는 것으로서, 상기 고분자는 제조 단가가 저렴하며 양산이 용이한 소재, 즉, 예를 들어, 폴리아미드(Polyamide), 폴리비닐알코올(Polyvinyl alcohol(PVA)), 폴리메틸메타크릴레이트(Polymethylmethacrylate(PMMA)), 폴리에스테르(Polyester), 폴리우레탄(Polyurethane), 폴리비닐부티랄(Polyvinyl butyral(PVB)), 폴리아크릴로니트릴(Polyacrylonitrile), 천연고무(natural rubber), 폴리스티렌(Polystyrene(PS)), 폴리염화비닐리덴(Polyvinylidene chloride), 폴리에틸렌(Polyethylene(PE)), 폴리프로필렌(Polypropylene(PP)), 폴리이미드(Polyimide), 폴리염화비닐(Polyvinylchloride(PVC)) 및 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane(PDMS))이 될 수 있으며, PVC와 PMMA의 혼용, PVC와 PVA의 혼용, PVC와 PVB의 혼용, PP와 PMMA의 혼용 및 PE와 PMMA의 혼용이 바람직하다. 상기 고분자가 2종 혼합 사용될 경우(즉, 상기 마찰전기 발생층이 서로 다른 두 고분자를 포함할 경우)의 그 포함되는(혼합되는) 비율은 0.1 : 99.9 내지 99.9 : 0.1의 중량비로서, 상기 두 고분자 중 어느 하나가 미량으로 포함되더라도 본 발명에 따른 효과가 발생하며, 바람직하게는 20 : 80 내지 80 : 20의 중량비, 더욱 바람직하게는 40 : 60 내지 60 : 40의 중량비일 수 있다. 그밖에, 상기 각 고분자는 10,000 내지 5,000,000의 중량평균분자량(Mw)을 가지는 것이 바람직하다.
상기와 같이 마찰부를 유전 성질이 상이한 고분자들로 구성하게 되면, 유전 성질이 다른 고분자 간 백본(backbone) 및 관능기의 결합이 깨져 라디칼을 형성하게 되고, 이는 두 물질 간의 전하 이동이 전자 또는 라디칼로 인해 형성된 물질 이동(material transfer)으로 인해 생길 수 있음을 의미한다. 추가로, 고분자 내부의 이온 단분자가 이미 존재하거나 마찰로 인해 형성될 시, 이들 또한 이종의 고분자 간에 이동하게 되어 전하 이동의 원인이 될 수 있다. 이러한 이유로 인해, 두 물질간에 전하가 분리됨으로써 마찰전기가 발생된다.
한편, 상기 고분자 소재의 양산성을 보다 높이기 위하여, Acetone, Tetrahydrofuran(THF), Toluene, Dichloromethane, Chloroform, Toluene, Hexane, Cyclohexane, dimethyl sulfoxide, NMP 및 물 등의 범용 용매를 이용할 수 있다. 즉, 이와 같은 용매에 상기 서로 다른 고분자를 용해(dissolve)한 후 혼합하거나, 상기 고분자를 용융하여 혼합하거나, 상기 서로 다른 고분자를 각각 수계 및 비수계 용매에 분산(water-borne 또는 solvent-borne dispersion)시킨 후 혼합하는 방식(즉, 에멀젼 중합)을 통해, 복합 필름 또는 복합 입자 등의 복합체(composite material)를 형성할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 마찰전기 발전 소자는, 이와 같이 양산이 용이한 마찰전기 발생층(또는 마찰소재 복합체, 300)을 전도성의 양 전극(제1 전극(100), 제2 전극(200)) 사이에 위치(또는, 삽입)시킨 후, 방수/방습의 역할을 하는 코팅층(400)과 지지의 역할을 하는 코팅층(500)을 코팅시키는 간단한 구조를 가짐으로써, 기존의 마찰전기 소자에 비하여 매우 단순한 구조를 가지되, 기 상용화된 압전소자와는 유사한 구조를 가지기 때문에, 양산성 및 신뢰성이 높다.
다음으로, 상기 제1 전극(100) 및 제2 전극(200)은 대전 현상에 의해 전기를 통하게 하는 전도성 물질로 이루어진 것으로서, 이를 만족하는 전도성 물질이라면 특별한 제한 없이 적용될 수 있다. 이와 같은 전도성 물질로는 구리, 알루미늄, 금, 은, carbon felt, carbon paper 및 탄소나노튜브(CNT)가 첨가된 복합체 등을 예시할 수 있으며, 상기 전극은 통상적인 필름 형태 이외에 다공성의 폼(foam) 형태 등 그 형태에 있어서는 특별한 제한이 없다.
다만, 상기 제1 전극(100)과 제2 전극(200)은 서로 다른 소재로 각각 구성될 수도 있다. 또한, 상기 제1 전극(100) 및 제2 전극(200)의 두께는 20 nm 내지 5 mm, 바람직하게는 50 nm 내지 1 mm, 더욱 바람직하게는 100 nm 내지 100 um로서, 상기 제1 전극(100) 및 제2 전극(200)의 두께가 5 mm를 초과할 경우에는, 소자의 바람에 대응하는 유연성이 저하될 우려가 있고, 20 nm 미만일 경우에는 저항 증가로 인하여 소자의 성능이 저하될 수 있다.
한편, 상기 제1 전극(100) 및 제2 전극(200)은, 전선을 결합(접지)시키기 위하여, 각 전극 어느 한 쪽 끝단을 마찰전기 발생층(300) 대비 돌출되게 구성할 수 있다(도 2 참조). 또한, 본 발명에서 있어서, 상기 제1 전극(100) 및 제2 전극(200)은, 양 전극 간 쇼트(short) 현상을 방지하고, 또한, 마찰전기 발생층(300)의 면적을 소자마다 동일하게 유지하기 위하여, 상기 마찰전기 발생층(300)과 대면되는 부분을 제외한 나머지 외부 노출 면이, 접착 성분이 도포된 테이프나 PP 또는 PE 등의 절연체 물질에 의해 마스킹(Masking) 처리될 수 있다. 도 2는 본 발명에 따라 마스킹 처리된 전극의 모식도로서, 상기 전극의 마스킹 처리는, 도 2의 A에 도시된 바와 같이, 양쪽 면(도 2-A의 a 및 b)을 대상으로 할 수도 있고, 도 2의 B에 도시된 바와 같이, 어느 한 쪽 면만을 대상으로 할 수도 있는 등, 목적으로 하는 전극의 성능 등에 따라 달라질 수 있다. 그밖에, 이상에서 설명되지 않은 전극의 기본적인 역할 등에 대한 내용은, 통상의 마찰전기 소자에 사용되는 전극의 내용을 준용할 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자의 측단면 모식도이다. 한편, 상기 마찰전기 발전 소자는, 필요에 따라, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 제1 및 제2 전극(100, 200) 각각의 외주면에 위치하여 방수, 방습 및 산소 차단 등의 역할을 하는 한 쌍 이상의 제1 코팅층(400)을 더 포함할 수 있고, 추가적으로, 상기 제1 코팅층(400) 각각의 외주면에 위치하여 지지 등의 역할을 하는 한 쌍 이상의 제2 코팅층(500)을 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 제1 코팅층(400)은, 본 발명에 따른 마찰전기 발전 소자의 방수성, 방습성, 산소 차단성, 내후성 및 내구성 등을 향상시키고, 소자 내부를 외부로부터 차단하기 위한 층으로서, 그 소재로는 에폭시(Epoxy), 폴리에스터(Polyester), 폴리우레탄(Polyurethane), 파라핀 왁스(paraffin wax)와 폴리올레핀(polyolefin)의 혼합물, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET, Polyethylene terephthalate), 폴리프로필렌(PP, Polypropylene), 폴리에틸렌(PE, Polyethylene), 폴리스티렌(PS, Polystyrene), 폴리염화비닐(PVC, Polyvinyl chloride), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN, Polyethylene naphthalate), 폴리아미드(PA, Polyamide), 폴리비닐알코올(PVAL, Polyvinyl alcohol), 에틸렌비닐알코올(EVOH, ethylene vinyl alcohol), 폴리염화비닐리덴(PVDC, Polyvinylidene chloride) 및 이들의 혼합물 등을 예시할 수 있으며, 방수성, 방습성, 산소 차단성, 내후성 및 내구성 중 어느 하나 이상의 성질을 가지는 소재라면 특별한 제한 없이 사용될 수 있다.
또한, 상기 제2 코팅층(500)은 마찰전기 발전 소자의 지지 기능을 기본으로 가지고 있고, 상기 제1 코팅층(400)의 기능까지 가질 수 있는 것으로서, 보다 정확하게는 소자에 탄성을 부여하는 층이다. 상기 제2 코팅층(500)의 소재로는 폴리이미드(Polyimide), 폴리에테르에테르키톤(Polyether ether ketone), 이들의 혼합물 및 이들 중 어느 하나 이상과 상기 제1 코팅층(400)을 구성하는 화합물의 혼합물 등을 예시할 수 있으며, 유연하고 질긴 등 마찰전기 발전 소자가 지지 기능을 가질 수 있도록 하는 소재라면 특별한 제한 없이 사용될 수 있다.
상기 제1 코팅층(400)의 두께는 100 nm 내지 10 mm, 바람직하게는 1 um 내지 1 mm, 더욱 바람직하게는 10 내지 100 um로서, 상기 제1 코팅층(400)의 두께가 상기 범위를 벗어날 경우에는, 소자의 유연성이 저하되거나 방수/방습 등의 기능을 충분히 수행하지 못하는 문제가 발생할 수 있다. 한편, 상기 제1 코팅층(400)의 양 끝단은, 집전극을 포함하는 소자 전체를 물, 습기 및 산소로부터 보호하기 위하여, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 제1 및 제2 전극(100, 200)의 양 끝단 대비 돌출되도록 구성할 수 있다.
또한, 상기 제2 코팅층(500)의 두께는 1 um 내지 10 mm, 바람직하게는 5 um 내지 5 mm, 더욱 바람직하게는 10 um 내지 1 mm로서, 상기 제2 코팅층(500)의 두께가 상기 범위를 벗어날 경우에는, 소자의 유연성이 저하되거나 소자 지지의 기능을 충분히 수행하지 못하는 문제가 발생할 수 있다. 한편, 도 3에는 상기 제1 코팅층(400)과 제2 코팅층(500)의 길이를 동일하게 표현하였으나, 이는 일 예에 불과한 것으로서, 상기 제2 코팅층(500)의 어느 한 쪽 끝단 또는 양 쪽 끝단이 상기 제1 코팅층(400) 대비 돌출되도록 구성할 수도 있다. 이와 같은 돌출 구성을 하게 되면, 코팅층이 외부 지지층에 의해 한번 더 완전히 코팅되어(감싸져), 외부로부터의 차단 효과가 향상될 수 있다.
도 4 및 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자의 측단면 모식도이다. 한편, 본 발명에 따른 마찰전기 발전 소자는, 필요에 따라, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 마찰전기 발생층(300)과 제1 전극(100)의 사이, 그리고, 상기 마찰전기 발생층(300)과 제2 전극(200)의 사이 각각에, 폴리아미드(Polyamide), 폴리비닐알코올(Polyvinyl alcohol(PVA)), 폴리메틸메타크릴레이트(Polymethylmethacrylate(PMMA)), 폴리에스테르(Polyester), 폴리우레탄(Polyurethane), 폴리비닐부티랄(Polyvinyl butyral(PVB)), 폴리아크릴로니트릴(Polyacrylonitrile), 천연고무(natural rubber), 폴리스티렌(Polystyrene(PS)), 폴리염화비닐리덴(Polyvinylidene chloride), 폴리에틸렌(Polyethylene(PE)), 폴리프로필렌(Polypropylene(PP)), 폴리이미드(Polyimide), 폴리염화비닐(Polyvinylchloride(PVC)) 및 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane(PDMS))으로 이루어진 군으로부터 선택되는 소재를 포함하는 제1 계면층(600) 및 제2 계면층(700)을 더 포함할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 마찰전기 발전 소자는, 소자의 성능 향상을 위하여, 필요에 따라, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 제1 계면층(600) 및 제2 계면층(700)을 복수층으로 구성하여, 마찰전기 발생층(300)과 교차 적층시킬 수도 있으며, 그 순서는 도 5에 제한되지 않고, 소자 성능을 고려하여 다양한 조합으로 이루어질 수 있다.
상기 제1 계면층(600) 및 제2 계면층(700)은, 상기 마찰전기 발생층(300)과의 상호작용 및 마찰전기 발생층(300)에서 전하가 역방향으로 흐르는 것을 방지하여 마찰전기의 발전 정도를 보다 향상시키기 위한 것으로서, 상기 제1 계면층(600)과 제2 계면층(700)은 마찰전기(Triboelectric) 극성이 서로 다르며, 예를 들어, 상기 제1 계면층(600)이 PMMA일 경우, 상기 제2 계면층(700)은 PVC일 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 계면층(600)과 제2 계면층(700) 중 어느 하나가 PMMA, Polyamide, Polyvinyl Alcohol, Polybutyral 및 Polystyrene으로 이루어진 군으로부터 선택되면, 나머지 하나의 계면층은 PVC, PDMS, Polypropylene, Polyethylene 및 Polyvinylidine Chloride로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
그밖에, 상기 제1 계면층(600) 및 제2 계면층(700)의 두께는 1 nm 내지 1 mm, 바람직하게는 50 nm 내지 500 um, 더욱 바람직하게는 100 nm 내지 100 um로서, 상기 제1 계면층(600) 및 제2 계면층(700)의 두께가 상기 범위를 벗어날 경우에는, 소자의 유연성이 저하되거나, 소자의 발전 성능이 저하되거나, 마찰전기 발생층(300)에서 역방향으로 움직이는 전하들을 차단하는 역할을 제대로 수행하지 못하는 문제가 발생할 수 있다.
한편, 지금까지 설명한 마찰전기 발생층(300), 제1 전극(100), 제2 전극(200), 제1 코팅층(400), 제2 코팅층(500), 제1 계면층(600) 및 제2 계면층(700)의 너비(가로 × 세로, 위에서 내려다 본 모습 기준)는 특별한 제한이 없으며, 목적으로 하는 마찰전기 발전 소자의 크기 및 특성 등에 따라 가변될 수 있다.
다음으로, 도 1 및 3을 참조하여, 본 발명에 따른 마찰전기 발전 소자의 제조방법에 대하여 설명한다. 상기 마찰전기 발전 소자의 제조방법은, a) 유전 성질이 상이한 둘 이상의 고분자를 각각 용매에 용해 및 분산시키거나, 용해 및 분산시킨 후 혼합하거나, 용융시켜 혼합하는 단계, b) 소재가 상이한 제1 전극 및 제2 전극 각각의 표면 일부를 마스킹 처리하는 단계, c) 상기 마스킹 처리된 제1 및 제2 전극 중 어느 하나의 전극(도면상 제2 전극, 200)에 있어서, 마스킹 처리되지 않은 노출 면에 상기 a) 단계에서 혼합되었거나 혼합되지 않은 고분자 용액을 공급한 후 건조 또는 경화시켜, 전극 상에 마찰전기 발생층(또는 고분자 복합 필름, 300)을 형성하는 단계 및 d) 상기 마찰전기 발생층(300)의 상부에, 상기 마찰전기 발생층(300)이 형성되지 않은 나머지 전극(도면상 제1 전극, 100)을 적층시킨 후 압착하는 단계를 포함한다.
한편, 상기 c) 단계 및 d) 단계 중 어느 하나 이상의 단계가 수행된 이후에는, 상기 마찰전기 발생층(300)을 어닐링시키는 공정이 수행될 수 있고, 상기 마찰전기 발전 소자의 제조방법은, 필요에 따라, e) 상기 제1 전극(100) 및 제2 전극(200)의 각 외주면에 제1 코팅층(400)을 형성하는 단계 및 f) 상기 제1 코팅층(400)의 각 외주면에 제2 코팅층(500)을 형성하는 단계를 더 포함한다.
본 발명에 따라, 마찰전기 발전 소자를 제조하기 위해서는, 먼저, 유전 성질이 상이한 둘 이상의 고분자를 각각 용매에 용해 및 분산시키거나, 용해 및 분산시킨 후 혼합하거나, 유전 성질이 상이한 둘 이상의 고분자를 용융시켜 혼합하여야 한다(에멀젼 중합의 경우, water-borne 용액 및 solvent-borne 용액을 혼합, a 단계). 상기 고분자(소재)는 마찰전기 발전 소자 내에서 전기를 발생시키는 마찰부를 구성하는 것으로서, 이에 대한 구체적인 설명은 상기 마찰전기 발전 소자에서 기술한 고분자에 관한 내용을 준용한다. 한편, 고분자를 각각 용매에 용해 및 분산시킨 후 혼합하지 않는 경우에는, 전극 상에 각 고분자 용액을 순차 공급함으로써 적층형의 마찰전기 발전 소자가 제조될 수 있다.
상기 고분자를 용매에 용해/분산시키는 것은, 상기 고분자의 양산성을 보다향상시키기 위한 본 발명 고유의 공정으로서, 사용 가능한 용매로는 선형 및 환형의 지방족(alkane)계 화합물, 방향족(aromatic)계 화합물, 키톤계(ketone) 화합물, 선형 및 환형의 에테르(ether)계 화합물, 아민(amine)계 화합물, 황화물(sulfide)계 화합물 및 할로겐(halogen)계 화합물 등의 유기 용제를 예로 들 수 있고, 보다 구체적으로는, Hexane, Cyclohexane, Toluene, Acetone, Diethyl ether, Tetrahydrofuran(THF), N-Methyl-2-pyrrolidone, Dimethyl sulfoxide, Dichloromethane 및 Chloroform 등의 범용 용매를 예시할 수 있다.
상기 고분자를 용매에 용해시키는 농도는 0.1 내지 10,000 g/kg, 바람직하게는 1 내지 5,000 g/kg, 더욱 바람직하게는 10 내지 1,000 g/kg으로서, 상기 고분자를 용매에 용해시키는 농도가 상기 범위를 벗어날 경우에는, 상기 고분자를 용매에 용해시킴으로써 얻을 수 있는 효과가 미미하거나 혼합 공정이 어려울 수 있다. 또한, 상기 고분자를 용매에 용해시키는 온도는 0 내지 70 ℃, 바람직하게는 10 내지 50 ℃, 더욱 바람직하게는 25 내지 40 ℃로서, 상기 고분자를 용매에 용해시키는 온도가 상기 범위를 벗어날 경우, 용해가 되지 않거나 분해가 되거나 또는 폭발의 위험성이 증가하는 문제가 발생할 우려가 있다.
이때, 각 고분자 용액의 혼합비는 0.1 : 99.9 내지 99.9 : 0.1의 중량비, 바람직하게는 20 : 80 내지 80 : 20의 중량비, 더욱 바람직하게는 40 : 60 내지 60 : 40의 중량비일 수 있다. 한편, 서로 다른 고분자 용액을 혼합하는 a) 단계의 수행 시에는, 각 고분자 소재의 유연성 및 충격 강도를 보강하기 위하여, 필요에 따라, 가소제 및 충격 보강재 등의 첨가제를 추가로 첨가할 수 있다.
다음으로, 소재가 상이한 전극(제1 전극 및 제2 전극)을 준비한 후, 각 표면의 일부를 마스킹 처리한다(b 단계). 상기 제1 전극 및 제2 전극은 마찰전기의 발전이 가능하도록 서로 다른 소재로 구성되어야 한다. 이와 같은, 제1 및 제2 전극의 표면 일부를 테이프로 마스킹 처리하는 이유는, 양 전극 간 쇼트(short) 현상을 방지하고, 또한, 마찰전기 발생층의 면적을 소자마다 동일하게 유지하기 위함으로써, 상기 고분자 혼합액을 도포(또는, 공급)하고자 하지 않는 부분을 마스킹 적용 부위로 한다. 그밖에, 전극 및 마스킹에 대한 구체적인 설명은, 상기 마찰전기 발전 소자에서 기술한 전극 및 마스킹의 내용을 준용한다.
상기 각 전극의 표면을 마스킹 처리한 후에는, 상기 제1 및 제2 전극 중 어느 하나의 전극(도면상 제2 전극, 200)상에(정확하게는, 전극의 마스킹 처리되지 않은 노출 면에), 상기 a) 단계에서 혼합되었거나 혼합되지 않은 고분자 용액을 공급(도포)한 후 건조 또는 경화시켜, 하나의 전극 상에 마찰전기 발생층(또는 고분자 복합 필름, 300)을 형성시킨다(c 단계). 상기 고분자 혼합액을 전극상에 공급하는 방식에는 드롭 캐스팅(drop casting), 스크린 프린팅(screen printing), 스핀 코팅(spin coating), 로토그라비어 프린팅(rotogravure printing), 스프레이 코팅(spray coating) 및 잉크젯 프린팅(ink-jet printing) 등이 있다. 그밖에, 상기 마찰전기 발생층(300)의 두께는, 1 ㎚ 내지 10,000 ㎛, 바람직하게는 100 ㎚ 내지 5,000 ㎛, 더욱 바람직하게는 1 내지 1,000 ㎛로서, 상기 마찰전기 발생층(300)의 두께가 10,000 ㎛를 초과할 경우에는, 접합부에서 발생한 전하의 분리로 인해 형성되는 전기장이 집전극까지 영향을 미치지 못하여, 전압 및 전류가 생성되지 못하는 문제가 발생할 우려가 있고, 1 ㎚ 미만일 경우에는 집전극간의 거리가 너무 가까워 터널링(tunneling) 현상으로 인한 소자 쇼트(short) 현상이 발생할 수 있다.
한편, 상기 마찰전기 발전 소자의 제조방법은, 필요에 따라, 상기 c) 단계에서 형성된 고분자 복합 필름(마찰전기 발생층)의 표면 상에, 상기 c) 단계에서 사용된 고분자 혼합액을 1 회 이상, 바람직하게는 1 내지 100 회, 더욱 바람직하게는 5 내지 20 회 재공급한 후 건조시키는 단계를 더 포함한다. 이는, 상기 고분자 복합 필름의 두께를 조절하기 위한 과정으로서, 상기 a) 단계의 고분자 농도가 낮을수록 재공급 횟수는 많아질 수 있으며, 따라서, 고분자 농도가 높을 경우에는, 이와 같은 고분자 혼합액의 재공급 과정이 수행되지 않을 수 있다.
그밖에, 본 명세서에 있어서, 고분자 용액 및 혼합액을 먼저 제조하고, 이후 전극의 표면을 마스킹 처리하는 것으로 기재하고 있으나, 이는 어디까지나 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 그 순서가 바뀌거나 동시에 진행될 수 있다.
상기와 같이 전극 상에 마찰전기 발생층이 형성되면, 어닐링된 마찰전기 발생층(300)의 상부에, 상기 마찰전기 발생층(300)이 형성되지 않은 나머지 전극(도면상 제1 전극, 100)을 적층시킨 후 압착한다(d 단계). 상기 압착은 롤 프레스 방식 및 핫 프레스 방식 등 통상적인 압착 방식에 의해, 40 내지 250 ℃의 온도 및 1 gF 내지 100 kgF의 압력 하에서 수행될 수 있다.
한편, 상기 c) 단계 및 d) 단계 중 어느 하나 이상의 단계가 수행된 이후에는, 상기 마찰전기 발생층(300)을 어닐링시키는 공정이 수행된다. 상기 어닐링 공정은 마찰전기 발생층(300)을 일정 온도로 만든 후, 해당 온도에서 일정 시간 동안 유지시키고, 이어서 실온으로 냉각시키는 과정으로서, 상기 마찰전기 발생층(300) 내부의 고분자들의 결집도 조절을 통한 총 접합면적 조절에 따라 발전 효율을 최적화 하는 용도로 사용된다. 이와 같은 어닐링 공정의 온도, 소요 시간 및 횟수는, 목적으로 하는 발전 소자의 물성 등을 고려하여 임의 변경 가능하나, 30 내지 250 ℃, 바람직하게는 50 내지 150 ℃의 온도 하에서, 1 내지 3,600 초, 바람직하게는 10 내지 180 초 동안 1 내지 24 회, 바람직하게는 1 내지 10 회 수행될 수 있다.
한편, 상기 어닐링 공정이 수행되는 경우, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 마찰전기 발생층(300)과 제1 전극(100)의 사이, 그리고, 상기 마찰전기 발생층(300)과 제2 전극(200)의 사이 각각에(또는, 마찰전기 발생층(300)의 양면에), 계면층(도 4에 있어서, 제1 계면층(600) 및 제2 계면층(700))이 형성될 수 있다. 이는, 어닐링 공정 시 가열에 의해 마찰전기 발생층(300)의 고분자가 상하부로 새어 나오는 현상으로서 밀도 차이에 의한 것이며, 상기 제1 계면층(600) 및 제2 계면층(700)은 마찰전기(Triboelectric) 극성이 상호 반대인 고분자로 형성되도록 유도 가능하다.
한편, 상기 계면층은, 어닐링 공정에 의해 형성되는 방법 이외에, 전극 상에 마찰전기 발생층(또는 고분자 복합 필름, 300)을 형성시키기 전 등의 시점에 의도적으로 형성될 수 있다. 따라서, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 제1 계면층(600) 및 제2 계면층(700)을 복수층으로 구성하여, 마찰전기 발생층(300)과 교차 적층시킬 수도 있으며, 그 순서는 도 5에 제한되지 않고, 소자 성능을 고려하여 다양한 조합으로 이루어질 수 있다. 여기서, 마찰전기 소자가 도 5와 같은 구성으로 이루어지면, 소자의 성능이 보다 향상될 수 있다.
한편, 상기 e) 단계의 제1 코팅층(400)을 형성한 후, 또는 상기 f) 단계의 제2 코팅층(500)을 형성한 후에도, 필요에 따라, 어닐링 공정이 추가로 수행될 수 있으며, 그밖에, 상기 제1 코팅층(400) 및 제2 코팅층(500)의 소재 및 두께 등에 관한 설명은, 상기 마찰전기 발전 소자에서 기술한 내용을 준용한다.
이하, 구체적인 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1] 마찰전기 발전 소자의 제조
먼저, PMMA를 Tetrahydrofuran(THF)에 0.1 g/mL의 농도로 상온에서 용해시키고, PVC 또한 THF에 0.1 g/mL의 농도로 동일하게 상온에서 용해시킨 후, PMMA 용액과 PVC 용액을 1 : 1의 중량비로 혼합하여 고분자 혼합액을 제조하였다.
다음으로, 아크릴 접착제가 도포된 PET 코팅 용지 표면상에 4.3 cm × 9 cm × 10 μm의 크기를 가지는 알루미늄 전극을 접착하고 전극의 표면을 아세톤으로 세척한 후, 도 2에 도시된 바와 같은 형태로 4.3 cm × 8 cm의 면적(Exposed Electrode)을 제외한 나머지 부분을 스카치 테이프로 마스킹 처리한 전극 필름을 2장 준비하였다.
이어서, 노출된(마스킹 처리되지 않은) 전극 필름 1장의 표면에, PMMA-PVC 고분자 혼합액을 바 코팅(bar coating)하고 건조시켜 마찰전기 발생층을 형성한 후, 마찰전기 발생층의 상부면(표면)에 상기 PMMA-PVC 고분자 혼합액을 추가로 5회 바 코팅 및 건조시켰다.
이후, 마스킹 처리된 전극 필름 1장을 PMMA-PVC 고분자 혼합액으로 코팅된 전극 표면에 겹친 후 라미네이터(Kolami-320S, 코라미, 대한민국)를 이용하여 마찰전기 발생층을 70 내지 90 ℃에서 약 5초 간 어닐링시키며 약 1 kgF의 압력으로 압착하여, 마찰전기 발전 소자를 제조하였다.
[실시예 2] 적층형 마찰전기 발전 소자의 제조
PVC와 PMMA 용액을 혼합하지 않고 PVC와 PMMA층을 1회 순차 코팅하여 적층한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여, 마찰전기 발전 소자를 제조하였다.
[실시예 3] 적층형 마찰전기 발전 소자의 제조
PVC와 PMMA층을 번갈아 교차로 3회씩 코팅하여 적층한 것을 제외하고는, 상기 실시예 2와 동일하게 수행하여, 마찰전기 발전 소자를 제조하였다.
[실시예 4] 적층형 마찰전기 발전 소자의 제조
PVC와 PMMA층을 번갈아 교차로 5회씩 코팅하여 적층한 것을 제외하고는, 상기 실시예 2와 동일하게 수행하여, 마찰전기 발전 소자를 제조하였다.
[비교예 1] 마찰전기 발전 소자의 제조
고분자 혼합액을 사용하지 않아, 드롭 캐스팅, 건조 및 어닐링 공정이 배제된 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여, 마찰전기 발전 소자를 제조하였다.
[비교예 2] 마찰전기 발전 소자의 제조
PVC 용액을 제외하여, PMMA-PVC 고분자 혼합액 대신 PMMA 고분자 용액을 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여, 마찰전기 발전 소자를 제조하였다(즉, 마찰전기 발생층은 PMMA 고분자로만 구성).
[비교예 3] 마찰전기 발전 소자의 제조
PMMA 용액을 제외하여, PMMA-PVC 고분자 혼합액 대신 PVC 고분자 용액을 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여, 마찰전기 발전 소자를 제조하였다(즉, 마찰전기 발생층은 PVC 고분자로만 구성).
[실시예 1, 비교예 1~3] 마찰전기 발생량 평가
상기 실시예 1 및 비교예 1 내지 3에서 제조된 마찰전기 발전 소자의 양 전극과 멀티미터(multimeter, UT61E, UNI-T사, 중국)를 전선으로 연결한 후, 소자에 가해지는 충격에 따른 전압 변화를 측정하였다. 즉, 최초 10초의 휴지기(休止期) 이후에 20초 동안 초당 3 번씩(3 Hz) 소자를 상하로 구부러뜨렸고, 이어서, 10 내지 20초의 휴지기를 가졌으며, 이후, 최초 휴지기를 제외한 나머지 과정을 2회 추가로 반복하였다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 마찰전기 발전 소자에 가해지는 충격에 따른 전압 및 전류를 측정한 그래프이고, 도 7 내지 9는 본 발명의 비교예에 따라 마찰전기 발전 소자에 가해지는 충격에 따른 전압 및 전류를 측정한 그래프로서, 도 6은 상기 실시예 1에 해당하고, 도 7 내지 9는 각각 상기 비교예 1 내지 3에 해당한다. 먼저, 상기 실시예 1에서 제조된 (고분자 복합 필름을 사용한) 마찰전기 발전 소자의 경우, 도 6에 도시된 바와 같이, 소자에 가해지는 충격/변화에 따라 전기가 즉각적으로 발생하는 것을 확인할 수 있었다.
반면, 비교예 1에서 제조된 (고분자 복합 필름을 사용하지 않은) 소자의 경우에는, 도 7에 도시된 바와 같이, 마찰전기가 전혀 발생하지 않았고, 비교예 2에서 제조된 (PMMA 고분자만을 사용한) 소자의 경우, 도 8에 도시된 바와 같이, 전기는 발생하였지만 실시예 1 대비 크게 적은 것을 알 수 있으며, 비교예 3에서 제조된 (PVC 고분자만을 사용한) 소자의 경우에는, 도 9에 도시된 바와 같이, 극소량의 전기만 발생하는 것을 확인할 수 있었다.
[실시예 2~4] 마찰전기 발생량 평가
상기 실시예 2 내지 4에서 제조된 적층형 마찰전기 발전 소자의 양 전극과 멀티미터(multimeter, UT61E, UNI-T사, 중국)를 전선으로 연결한 후, 소자에 가해지는 충격에 따른 전압 변화를 측정하였다. 즉, 최초 10초의 휴지기(休止期) 이후에 20초 동안 초당 3 번씩 소자를 상하로 구부러뜨렸고, 이어서, 10 내지 20초의 휴지기를 가졌으며, 이후, 최초 휴지기를 제외한 나머지 과정을 2회 추가로 반복하였다.
도 10 내지 12는 본 발명의 다른 실시예에 따라 마찰전기 발전 소자에 가해지는 충격에 따른 전압 및 전류를 측정한 그래프로서, 도 10 내지 12는 각각 상기 실시예 2 내지 4에 해당한다. 상기 실시예 2 내지 4에서 제조된 적층형 마찰전기 발전 소자는, 적층형이 아닌 마찰전기 발전 소자에 관한 실시예 1과 마찬가지로 소자에 가해지는 충격/변화에 따라 전기가 즉각적으로 발생하는 것을 확인할 수 있었다(도 10 내지 12 참조). 또한, 적층 수가 증가할수록, 발생하는 전기의 전압 및 전체적인 전류량이 증가하는 것도 확인할 수 있었다.
Claims (20)
- 중심부에 위치하며 서로 다른 둘 이상의 고분자로 이루어진 접합(junction) 구조의 마찰부를 포함하는 마찰전기 발생층(300);
상기 마찰전기 발생층(300)의 어느 일면에 대향되어 위치하는 제1 전극(100); 및
상기 마찰전기 발생층(300)의 다른 일면에 대향되어 위치하는 제2 전극(200);을 포함하며,
상기 마찰부는 나노미터 내지 마이크로미터 단위의 접합부들로 이루어져 있고,
상기 접합부는 서로 다른 둘 이상의 고분자가 불균일하게 맞닿아 있는 벌크 이종 접합(bulk-heterojunction)의 구조를 가지거나 다중 접합(multijunction)의 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 마찰전기 발전 소자. - 청구항 1에 있어서, 상기 고분자는 폴리아미드, 폴리비닐알코올, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리에스테르, 폴리우레탄, 폴리비닐부티랄, 폴리아크릴로니트릴, 천연고무, 폴리스티렌, 폴리염화비닐리덴, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리이미드, 폴리염화비닐 및 폴리디메틸실록산으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 마찰전기 발전 소자.
- 청구항 1에 있어서, 상기 마찰전기 발생층에는 서로 다른 두 고분자가 0.1 : 99.9 내지 99.9 : 0.1의 중량비로 포함되는 것을 특징으로 하는, 마찰전기 발전 소자.
- 청구항 1에 있어서, 상기 제1 및 제2 전극은 구리, 알루미늄, 금, 은, carbon felt, carbon paper 및 탄소나노튜브(CNT)가 첨가된 복합체로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 마찰전기 발전 소자.
- 청구항 1에 있어서, 상기 제1 및 제2 전극은, 상기 마찰전기 발생층과 대면되는 부분을 제외한 나머지 외부 노출 면이, 접착 성분이 도포된 테이프 또는 절연체 물질에 의해 마스킹(Masking) 처리되는 것을 특징으로 하는, 마찰전기 발전 소자.
- 청구항 1에 있어서, 상기 마찰전기 발전 소자는,
상기 제1 및 제2 전극(100, 200) 각각의 외주면에 위치하는 한 쌍 이상의 제1 코팅층(400); 및
상기 제1 코팅층(400) 각각의 외주면에 위치하는 한 쌍 이상의 제2 코팅층(500);을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 마찰전기 발전 소자. - 청구항 6에 있어서, 상기 제1 코팅층은 에폭시, 폴리에스터, 폴리우레탄, 파라핀 왁스와 폴리올레핀의 혼합물, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리스티렌, 폴리염화비닐, 폴리에틸렌 나프탈레이트, 폴리아미드, 폴리비닐알코올, 에틸렌비닐알코올, 폴리염화비닐리덴 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 마찰전기 발전 소자.
- 청구항 6에 있어서, 상기 제2 코팅층(500)은 폴리이미드, 폴리에테르에테르키톤, 이들의 혼합물 및 이들 중 어느 하나 이상과 상기 제1 코팅층(400)을 구성하는 화합물의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 마찰전기 발전 소자.
- 청구항 1에 있어서, 상기 마찰전기 발생층의 두께는 1 ㎚ 내지 10,000 ㎛인 것을 특징으로 하는, 마찰전기 발전 소자.
- 청구항 1에 있어서, 상기 제1 및 제2 전극의 두께는 20 nm 내지 5 mm인 것을 특징으로 하는, 마찰전기 발전 소자.
- 청구항 6에 있어서, 상기 제1 코팅층의 두께는 100 nm 내지 10 mm이고, 상기 제2 코팅층의 두께는 1 um 내지 10 mm인 것을 특징으로 하는, 마찰전기 발전 소자.
- 청구항 1에 있어서, 상기 마찰전기 발전 소자는,
상기 마찰전기 발생층과 제1 전극의 사이 및 마찰전기 발생층과 제2 전극의 사이 각각에, 폴리아미드, 폴리비닐알코올, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리에스테르, 폴리우레탄, 폴리비닐부티랄, 폴리아크릴로니트릴, 천연고무, 폴리스티렌, 폴리염화비닐리덴, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리이미드, 폴리염화비닐 및 폴리디메틸실록산으로 이루어진 군으로부터 선택되는 소재를 포함하는 제1 계면층(600); 및 제2 계면층(700);을 더 포함하며,
상기 제1 계면층 및 제2 계면층은 마찰전기(Triboelectric) 극성이 서로 다른 것을 특징으로 하는, 마찰전기 발전 소자. - a) 유전 성질이 상이한 둘 이상의 고분자를 각각 용매에 용해 및 분산시키거나, 용해 및 분산시킨 후 혼합하거나, 용융시켜 혼합하는 단계;
b) 소재가 상이한 제1 전극 및 제2 전극 각각의 표면 일부를 마스킹 처리하는 단계;
c) 상기 마스킹 처리된 제1 및 제2 전극 중 어느 하나의 전극에 있어서, 마스킹 처리되지 않은 노출 면에 상기 a) 단계에서 혼합되었거나 혼합되지 않은 고분자 용액을 공급한 후 건조 또는 경화시켜, 전극 상에 마찰전기 발생층을 형성하는 단계; 및
d) 상기 마찰전기 발생층의 상부에, 상기 마찰전기 발생층이 형성되지 않은 나머지 전극을 적층시킨 후 압착하는 단계;를 포함하며,
상기 c) 단계 및 d) 단계 중 어느 하나 이상의 단계가 수행된 이후에는, 상기 마찰전기 발생층을 어닐링시키는 공정이 수행되는 것을 특징으로 하는 마찰전기 발전 소자의 제조방법. - 삭제
- 청구항 13에 있어서, 상기 용매는 선형 및 환형의 지방족(alkane)계 화합물, 방향족(aromatic)계 화합물, 키톤계(ketone) 화합물, 선형 및 환형의 에테르(ether)계 화합물, 아민(amine)계 화합물, 황화물(sulfide)계 화합물 및 할로겐(halogen)계 화합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 마찰전기 발전 소자의 제조방법.
- 청구항 13에 있어서, 상기 각 고분자 용액의 혼합비는 중량비로 0.1 : 99.9 내지 99.9 : 0.1인 것을 특징으로 하는, 마찰전기 발전 소자의 제조방법.
- 청구항 13에 있어서, 상기 마찰전기 발전 소자의 제조방법은,
e) 상기 제1 전극 및 제2 전극의 각 외주면에 제1 코팅층을 형성하는 단계; 및
f) 상기 제1 코팅층의 각 외주면에 제2 코팅층을 형성하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 마찰전기 발전 소자의 제조방법. - 청구항 17에 있어서, 상기 제1 코팅층은 에폭시, 폴리에스터, 폴리우레탄, 파라핀 왁스와 폴리올레핀의 혼합물, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리스티렌, 폴리염화비닐, 폴리에틸렌 나프탈레이트, 폴리아미드, 폴리비닐알코올, 에틸렌비닐알코올, 폴리염화비닐리덴 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되고, 상기 제2 코팅층은 폴리이미드, 폴리에테르에테르키톤, 이들의 혼합물 및 이들 중 어느 하나 이상과 상기 제1 코팅층을 구성하는 화합물의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 마찰전기 발전 소자의 제조방법.
- 청구항 13에 있어서, 상기 마찰전기 발전 소자의 제조방법은,
상기 c) 단계에서 형성된 마찰전기 발생층의 표면 상에, 상기 c) 단계에서 사용된 고분자 혼합액을 1 회 이상 재공급한 후 건조시키는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 마찰전기 발전 소자의 제조방법. - 청구항 13에 있어서, 상기 고분자를 각각 용매에 용해 및 분산시킨 후 혼합하지 않고, 전극 상에 각 고분자 용액을 순차 공급하여, 적층형의 마찰전기 발전 소자가 제조되는 것을 특징으로 하는, 마찰전기 발전 소자의 제조방법.
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