KR102283577B1 - Porous structure, methods of fabricating thereof and triboelectric generator using the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다공성 구조체, 이의 제조 방법 및 이를 이용하는 마찰전기 나노제너레이터에 관한 것으로, 기공을 갖는 다공성 구조체는 적어도 하나 이상의 제 1 관능기를 갖는 제 1 고분자 블록 화합물들; 제 1 공중합체 화합물을 형성하도록 상기 제 1 고분자 블록 화합물들 중 일부의 제 1 고분자 블록 화합물의 상기 제 1 관능기에 결합되는 제 2 관능기를 갖는 제 2 고분자 블록 화합물들; 및 제 2 공중합체 화합물을 형성하도록 상기 제 1 고분자 블록 화합물들 중 다른 일부의 제 1 고분자 블록 화합물의 상기 제 1 관능기에 결합되는 제 3 고분자 블록 화합물들을 포함하며, 상기 제 1 고분자 블록 화합물은 상기 다공성 구조체의 골격을 구성하며, 상기 기공은 상기 제 1 관능기와 상기 제 2 관능기간 제 1 화학 결합과 상기 제 1 관능기와 상기 제 3 고분자 블록 화합물 간 제 2 화학 결합 사이의 경쟁에 의해 형성되고, 상기 제 2 고분자 블록 화합물과 상기 제 3 고분자 블록 화합물이 상기 기공의 표면을 구성할 수 있다. 상기 제 1 상호 작용은 루이스 산/염기 상호 작용을 포함할 수 있고, 상기 제 2 상호 작용은 수소 결합을 포함할 수 있고, 상기 기공은 에칭 공정 없이 형성된 것으로, 상기 기공의 평균 직경은 약 10 nm 내지 200 nm 범위일 수 있다. The present invention relates to a porous structure, a method for manufacturing the same, and a triboelectric nanogenerator using the same, wherein the porous structure having pores comprises: first polymer block compounds having at least one first functional group; second polymer block compounds having a second functional group bonded to the first functional group of the first polymer block compound of some of the first polymer block compounds to form a first copolymer compound; and third polymer block compounds bonded to the first functional group of the first polymer block compound of another part of the first polymer block compounds to form a second copolymer compound, wherein the first polymer block compound is constituting the skeleton of the porous structure, wherein the pores are formed by competition between a first chemical bond between the first functional group and the second functional group and a second chemical bond between the first functional group and the third polymer block compound, The second polymer block compound and the third polymer block compound may constitute the surface of the pores. The first interaction may include a Lewis acid/base interaction, the second interaction may include hydrogen bonding, wherein the pores are formed without an etching process, and the average diameter of the pores is about 10 nm to 200 nm.

Description

다공성 구조체, 이의 제조 방법 및 이를 이용하는 마찰전기 제너레이터{Porous structure, methods of fabricating thereof and triboelectric generator using the same} Porous structure, manufacturing method thereof, and triboelectric generator using the same

본 발명은 신소재 기술에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 나노다공성 박막, 이의 제조 방법 및 이를 이용하는 마찰전기 제너레이터에 관한 것이다. The present invention relates to a new material technology, and more particularly, to a nanoporous thin film, a method for manufacturing the same, and a triboelectric generator using the same.

최근 화석 에너지의 고갈, 환경오염 및 늘어나는 에너지 수요량과 같은 에너지 관련 문제가 대두됨에 따라, 기존 에너지 발전 시스템에서 벗어난 대체 에너지 개발이 요구되고 있다. 이에 따라, 대체 에너지 기술로서 우리 주변에 존재하는 버려지는 에너지를 유용한 전기 에너지로 변환하는 에너지 하베스팅 기술에 대한 관심이 높아지고 있다. 상기 에너지 하베스팅 기술 중 마찰을 통하여 정전기를 유도하는 원리에 기반하여, 동력학적 에너지를 전기 에너지로 전환하는 소자에 대한 연구가 다각도로 이루어지고 있다. Recently, as energy-related problems such as depletion of fossil energy, environmental pollution, and increasing energy demand have emerged, there is a need to develop alternative energy that departs from the existing energy generation system. Accordingly, interest in energy harvesting technology that converts wasted energy existing around us into useful electrical energy as an alternative energy technology is increasing. Based on the principle of inducing static electricity through friction among the energy harvesting technologies, research on a device for converting kinetic energy into electrical energy is being conducted from various angles.

에너지 하베스터로서의 마찰전기 나노발전기(Triboelectric Nanogenerator: TENG)는 상대적인 마찰 분극을 가진 두 물질 사이에서 접촉 분리나 스침을 통해 소개된 마찰 대전과 정전기 사이의 결합 효과를 이용하여 기계적인 에너지를 전기로 전환시키는 장치로서, 다른 기존의 광전자 장치에 쉽게 적용할 수 있는 간단한 장치 아키텍처로 구성될 수 있다. A triboelectric nanogenerator (TENG) as an energy harvester is a technology that converts mechanical energy into electricity by using the coupling effect between triboelectric charge and static electricity introduced through contact separation or grazing between two materials with relative tribopolarization. As a device, it can be configured with a simple device architecture that can be easily applied to other existing optoelectronic devices.

상기 TENG와 관련하여, 최근 표면 전하 친화도에 따라 적절한 접촉 쌍(contact pair)을 선택할 수 있는 광범위한 재료에 대하여 연구가 진행되고 있다. 이는 특히 소규모 전기 발전기, 자가 전원 센서, 생체 적합성 장치, 소형 논리 장치 및 커패시터 및 배터리가 있는 하이브리드 전원 공급 장치를 포함하는 인간 대화형 전자 장치에 적합한 웨어러블 및 패치 가능 장치 분야에 이용될 수 있다. 구체적으로. 적절한 물질 선택 이외에도, 주어진 접촉 쌍을 갖는 상기 TENG의 성능을 더욱 향상시키기 위해서 물리적 및 화학적 표면 변형에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 예를 들면, 자기 조립 단층(self-assembled monolayer: SMA)의 처리 및 플라즈마 및 표면 금속 장식(decoration)와 같은 화학적 개질 경로가 효과적이며, 접촉 영역을 직접 증가시킬 수 있는 일반적인 물리적 방법은 주로 접촉 표면을 나노 구조화하는 것이다. 나노임프린팅, 전사 프린팅 및 자지 조립된 템플릿을 포함하는 다양한 하향식(top-down) 및 상향식(bottom-up) 패턴닝 원리를 기반으로 다양한 정렬 또는 랜덤 토폴로지 나노 구조가 적용되고 있다. In relation to the TENG, research on a wide range of materials capable of selecting an appropriate contact pair according to surface charge affinity has been recently conducted. It may find particular use in the field of wearables and patchable devices suitable for human interactive electronics including small-scale electrical generators, self-powered sensors, biocompatible devices, miniature logic devices and hybrid power supplies with capacitors and batteries. Specifically. In addition to appropriate material selection, studies on physical and chemical surface modification have been actively conducted to further improve the performance of the TENG with a given contact pair. For example, chemical modification pathways such as self-assembled monolayer (SMA) treatment and plasma and surface metal decoration are effective, and general physical methods that can directly increase the contact area are mainly the contact surface. to nanostructure it. Various aligned or random topological nanostructures have been applied based on various top-down and bottom-up patterning principles, including nanoimprinting, transfer printing, and self-assembled templates.

그러나, 대부분의 나노 구조를 형성하기 위한 종래의 공정들은 반응성 이온 및 플라즈마 공정을 이용하기 때문에, 제조 공정이 복잡하고, 제조 비용이 증가할 수 있다. 또한, 종래에는 에칭 후 공정을 통해서 나노 기공을 형성하므로, 이는 TENG의 재료 선택 범위를 제한할 수 있다.However, since most conventional processes for forming nanostructures use reactive ion and plasma processes, the manufacturing process is complicated and manufacturing cost may increase. In addition, since nanopores are conventionally formed through a post-etching process, this may limit the material selection range of TENG.

따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 기공 형성 공정을 단순화하여 제조 공정이 간단하며, 제조 비용을 절감하고, 에칭 후 공정이 필요 없는 나노다공성 박막을 제공하는 것이다. Accordingly, the technical problem to be solved by the present invention is to provide a nanoporous thin film that has a simple manufacturing process by simplifying the pore forming process, reduces manufacturing cost, and does not require a post-etching process.

또한, 본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는 전술한 이점을 갖는 나노다공성 박막의 제조 방법을 제공하는 것이다. In addition, another technical problem to be solved by the present invention is to provide a method for manufacturing a nanoporous thin film having the above-described advantages.

또한, 본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는 전술한 이점을 갖는 나노다공성 박막을 이용하는 마찰전기 나노제너레이터를 제공하는 것이다. In addition, another technical problem to be solved by the present invention is to provide a triboelectric nanogenerator using the nanoporous thin film having the above-described advantages.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 기공을 갖는 다공성 구조체로서, 적어도 하나 이상의 제 1 관능기를 갖는 제 1 고분자 블록 화합물들; 제 1 공중합체 화합물을 형성하도록 상기 제 1 고분자 블록 화합물들 중 일부의 제 1 고분자 블록 화합물의 상기 제 1 관능기에 결합되는 제 2 관능기를 갖는 제 2 고분자 블록 화합물들; 및 제 2 공중합체 화합물을 형성하도록 상기 제 1 고분자 블록 화합물들 중 다른 일부의 제 1 고분자 블록 화합물의 상기 제 1 관능기에 결합되는 제 3 고분자 블록 화합물들을 포함하며, 상기 제 1 고분자 블록 화합물은 상기 다공성 구조체의 골격을 구성하며, 상기 기공은 상기 제 1 관능기와 상기 제 2 관능기간 제 1 화학 결합과 상기 제 1 관능기와 상기 제 3 고분자 블록 화합물 간 제 2 화학 결합 사이의 경쟁에 의해 형성되고, 상기 제 2 고분자 블록 화합물과 상기 제 3 고분자 블록 화합물이 상기 기공의 표면을 구성하는 다공성 구조체가 제공될 수 있다. 상기 제 1 화합 결합은 루이스 산/염기 상호 작용을 포함하고, 상기 제 2 화합 결합은 수소 결합을 포함할 수 있다. 상기 기공의 평균 직경은 10 nm 내지 200 nm 범위를 가지며, 상기 제 2 고분자 블록 화합물과 상기 제 3 고분자의 비율에 따라 조절되며, 상기 제 2 고분자 블록 화합물과 상기 제 3 고분자의 비율은 0.01 내지 0.3 범위를 가질 수 있다. 상기 제 1 관능기는 술폰산기(sulfonic acid group), 술폰화기(sulfonate group), 인산기(phosphate group), 황산기(sulfate group) 및 하이드록실기(hydroxyl group)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상이고, 상기 제 2 관능기는 아민기(amine group)를 포함할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, there is provided a porous structure having pores, comprising: first polymer block compounds having at least one first functional group; second polymer block compounds having a second functional group bonded to the first functional group of the first polymer block compound of some of the first polymer block compounds to form a first copolymer compound; and third polymer block compounds bonded to the first functional group of the first polymer block compound of another part of the first polymer block compounds to form a second copolymer compound, wherein the first polymer block compound is constituting the skeleton of the porous structure, wherein the pores are formed by competition between a first chemical bond between the first functional group and the second functional group and a second chemical bond between the first functional group and the third polymer block compound, A porous structure in which the second polymer block compound and the third polymer block compound constitute the surface of the pores may be provided. The first compounding bond may comprise a Lewis acid/base interaction, and the second compounding bond may comprise a hydrogen bond. The average diameter of the pores has a range of 10 nm to 200 nm, and is adjusted according to the ratio of the second polymer block compound to the third polymer, and the ratio of the second polymer block compound to the third polymer is 0.01 to 0.3 can have a range. The first functional group is at least one selected from the group consisting of a sulfonic acid group, a sulfonate group, a phosphate group, a sulfate group and a hydroxyl group, The second functional group may include an amine group.

일 실시예에서, 상기 제 1 고분자 블록 화합물은 폴리스티렌, 신디오택틱폴리스티렌, 설퍼나이트 폴리스티렌, 및 설퍼나이트 실세스퀴옥산 중 어느 하나 이상을 포함하고, 상기 제 2 고분자 블록 화합물은 폴리에틸렌옥사이드(poly(ethylene oxide))를 포함하며, 상기 제 3 고분자 블록 화합물은 폴리-2-비닐-피리딘(P2VP), 피리미딘, 2-메틸 피리미딘, 4-메틸 피리미딘, 5-메틸 피리미딘, 4,6-디메틸 피리미딘, 4.6-디메톡시 피리미딘, 2-에틸 피리미딘, 4-에틸 피리미딘, 5-에틸 피리미딘, 4,6-디에틸 피리미딘, 2-메톡시 피리미딘, 4-메톡시 피리미딘, 5-메톡시 피리미딘, 2-에톡시 피리미딘, 4-에톡시 피리미딘, 5-에톡시 피리미딘 폴리아믹산, 및 폴리올레핀케톤 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. In one embodiment, the first polymer block compound includes any one or more of polystyrene, syndiotactic polystyrene, sulfurnite polystyrene, and sulfurnite silsesquioxane, and the second polymer block compound is polyethylene oxide (poly( ethylene oxide)), and the third polymer block compound is poly-2-vinyl-pyridine (P2VP), pyrimidine, 2-methyl pyrimidine, 4-methyl pyrimidine, 5-methyl pyrimidine, 4,6 -dimethyl pyrimidine, 4.6-dimethoxy pyrimidine, 2-ethyl pyrimidine, 4-ethyl pyrimidine, 5-ethyl pyrimidine, 4,6-diethyl pyrimidine, 2-methoxy pyrimidine, 4-methoxy It may include any one or more of pyrimidine, 5-methoxy pyrimidine, 2-ethoxy pyrimidine, 4-ethoxy pyrimidine, 5-ethoxy pyrimidine polyamic acid, and polyolefin ketone.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 피처리체를 준비하는 단계; 제 1 고분자 블록 화합물, 제 2 고분자 블록 화합물 및 제 3 고분자 블록 화합물을 포함하는 3원 고분자 블렌드를 준비하는 단계; 및 상기 피처리체 상에 상기 3원 고분자 블렌드를 코팅하여 다공성 구조체의 기공을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 제 1 고분자 블록 화합물은 상기 다공성 구조체의 골격을 구성하며, 상기 기공은 상기 제 1 관능기와 상기 제 2 관능기간 제 1 화학 결합과 상기 제 1 관능기와 상기 제 3 고분자 블록 화합물 간 제 2 화학 결합 사이의 경쟁에 의해 형성되고, 상기 제 2 고분자 블록 화합물과 상기 제 3 고분자 블록 화합물이 상기 기공의 표면을 구성하며, 상기 코팅은 회전 코팅(Spin coating), 담금 코팅(dip coating), 스프레이 코팅(spray coating), 막대 코팅(bar coating),페인팅 코팅(painting coating) 중 어느 하나를 포함하는 다공성 구조체의 제조 방법이 제공될 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the method comprising: preparing an object to be processed; preparing a ternary polymer blend including a first polymer block compound, a second polymer block compound, and a third polymer block compound; and coating the ternary polymer blend on the object to form pores of the porous structure, wherein the first polymer block compound constitutes a skeleton of the porous structure, and the pores are formed with the first functional group The second functional group is formed by competition between a first chemical bond and a second chemical bond between the first functional group and the third polymer block compound, wherein the second polymer block compound and the third polymer block compound form the pores constituting the surface of the porous coating, including any one of spin coating, dip coating, spray coating, bar coating, and painting coating A method of making a structure may be provided.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 청구항 제1항에 개시된 다공성 구조체를 포함하는 마찰전기 제너레이터가 제공될 수 있다. According to another embodiment of the present invention, a triboelectric generator including the porous structure disclosed in claim 1 may be provided.

본 발명의 실시예에 따르면, 제 1 관능기를 포함하는 제 1 고분자 블록 화합물, 상기 제 1 관능기와 다른 제 2 관능기를 포함하는 제 2 고분자 블록 화합물 및 제 3 고분자 블록 화합물을 포함하는 나노다공성 박막에서 기공이 상기 제 1 관능기와 상기 제 2 관능기간 제 1 화학 결합과 상기 제 1 관능기와 상기 제 3 고분자 블록 화합물간 제 2 화학 결합사이의 경쟁에 의해 형성됨으로써, 기공 형성 공정을 단순화하여 제조 공정이 간단하며, 제조 비용을 절감할 수 있는 나노다공성 박막이 제공될 수 있다. 또한, 후 처리 공정에 의한 기판의 손상을 방지할 수 있으며, 기판의 재료 및 코팅 방법에 제한받지 않고 다양한 기판에 다양한 코팅 공정의 적용이 가능하다. According to an embodiment of the present invention, in a nanoporous thin film comprising a first polymer block compound comprising a first functional group, a second polymer block compound comprising a second functional group different from the first functional group, and a third polymer block compound The pores are formed by competition between a first chemical bond between the first functional group and the second functional group and a second chemical bond between the first functional group and the third polymer block compound, thereby simplifying the pore forming process and reducing the manufacturing process. A nanoporous thin film that is simple and can reduce manufacturing cost can be provided. In addition, it is possible to prevent damage to the substrate due to the post-treatment process, it is possible to apply various coating processes to various substrates without being limited by the material and coating method of the substrate.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 전술한 이점을 나노다공성 박막의 제조 방법이 제공될 수 있다.In addition, according to another embodiment of the present invention, a method for manufacturing a nanoporous thin film having the above-described advantages may be provided.

또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 전술한 이점을 갖는 나노다공성 박막을 이용하는 마찰전기 나노제너레이터가 제공될 수 있다.In addition, according to another embodiment of the present invention, a triboelectric nanogenerator using the nanoporous thin film having the above-described advantages may be provided.

도 1a과 도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 나노다공성 박막의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 1c는 본 발명의 실시예에 따른 나노다공성 박막의 기공을 형성하는 화합 결합을 설명하기 위한 도면이다.
도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 나노다공성 박막의 단면을 보여주는 주사형 전자 현미경(field emission scanning electron microscope: FE-SEM) 이미지이다.
도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 나노다공성 박막의 표면을 보여주는 태핑 모드 원자력 현미경(tapping mode atomic force microscopy: TM-AFM) 이미지이다.
도 2c는 도 2b의 이미지의 수심 곡선(depth profile)이다.
도 2d는 나노다공성 박막의 기공을 조절하는 고분자 블록 화합물의 중량 비율에 따른 기공 크기 및 도메인 크기를 나타내는 그래프이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노다공성 박막의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이고, 도 3b는 도 3a의 제조 방법에 따른 나노다공성 박막의 FE-SEM 이미지이고, 도 3b는 도 3a의 제조 방법에 따른 나노다공성 박막의 개방 전압(open-circuit voltage) 값을 나타내는 도면이다.
도 4a는 본 발명의 실시 예에 따른 나노다공성 박막을 이용하는 마찰전기 나노제너레이터의 사시도이고, 도 4b는 마찰전기 나노제너레이터를 이용하는 응용하는 예를 보여주는 도면이다.
도 5a는 나노다공성 박막의 기공을 조절하는 고분자 블록 화합물의 중량 비율에 따른 마찰전기 나노제너레이터의 개방 전압을 보여주는 도면이다.
도 5b는 나노다공성 박막의 기공을 조절하는 고분자 블록 화합물의 중량 비율에 따른 마찰전기 나노제너레이터의 단락 전류를 보여주는 도면이다.
도 5c는 나노다공성 박막의 기공을 조절하는 고분자 블록 화합물의 중량 비율에 따른 마찰전기 나노제너레이터의 출력 전력을 보여주는 도면이다.
도 5d는 나노다공성 박막을 이용하는 마찰전기 나노제너레이터에 의해 40개의 조명이 켜진 상태를 보여주는 도면이다.
도 5e는 접촉 횟수에 따른 나노다공성 박막을 이용하는 마찰전기 나노제너레이터의 개방 전압과 단락 전류를 보여주는 도면이다.
도 5f는 접촉 전의 나노다공성 박막과 50,000회 이상의 접촉 후의 나노다공성 박막의 FE-SEM 이미지이다.
도 6a는 본 발명의 실시예에 따른 나노다공성 박막의 표면 퍼텐셜(surface potential)를 보여주는 캘빈 프로브 포스 현미경(Kelvin Probe Force Microscopy: KPFM) 이미지이지고, 도 6b는 명의 실시예에 따른 나노다공성 박막의 기공을 조절하는 고분자 블록 화합물의 변화에 따른 평균 접촉 포텐셜 차를 나타내는 그래프이다.
도 7은 다양한 기판 상에 배치된 나노다공성 박막을 포함하는 마찰전기 나노제너레이터의 개방 전압의 향상 비율을 나타내는 도면이다.
도 8은 평평한 폴리디메틸실록산(Polydimethyl siloxane: PDMS), 주름진(buckled) PDMS, 나노다공성 박막이 코팅된 주름진 PDMS의 개방 전압을 비교하는 도면이다.
도 9a는 손가락에 부착된 나노다공성 박막을 도시하는 도면이고, 도 9b는 나노다공성 박막이 코팅되지 않은 FET 테이프와 손가락 피부 사이의 개방 전압과 나노다공성 박막이 코팅된 FET 테이프와 손가락 피부 사이의 개방 전압을 비교하는 도면이다.
도 10a는 넓은 면적을 갖는 나노다공성 박막을 도시하는 도면이고, 도 10b는 나노다공성 박막의 면적 변화에 따른 개방 전압을 나타내는 도면이다.
도 11a는 그래핀이 코팅된 섬유 상에 코팅된 나노다공성 박막을 보여주는 도면이고, 도 11b는 나노다공성 박막이 코팅되지 않은 섬유 및 나노다공성 박막이 코팅된 섬유 사이의 개방 전압을 비교하는 도면이다.
도 12a는 나뭇잎 상에 코팅된 나노다공성 박막을 보여주는 도면이고, 도 12b는 나노다공성 박막이 코팅되지 않은 나뭇잎과 나노다공성 박막이 코팅된 섬유 사이의 개방 전압을 비교하는 도면이다.
도 13a는 전도성 직물 상에 코팅된 나노다공성 박막을 보여주는 도면이고, 도 13b는 나노다공성 박막이 코팅되지 전도성 직물과 나노다공성 박막이 코팅된 전도성 직물 사이의 개방 전압을 비교하는 도면이다.
1A and 1B are views for explaining the structure of a nanoporous thin film according to an embodiment of the present invention.
1C is a view for explaining a compound bond forming pores of a nanoporous thin film according to an embodiment of the present invention.
2A is a field emission scanning electron microscope (FE-SEM) image showing a cross-section of a nanoporous thin film according to an embodiment of the present invention.
2B is a tapping mode atomic force microscopy (TM-AFM) image showing the surface of a nanoporous thin film according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2c is a depth profile of the image of FIG. 2b.
2D is a graph showing the pore size and domain size according to the weight ratio of the polymer block compound controlling the pores of the nanoporous thin film.
3a is a view for explaining a method of manufacturing a nanoporous thin film according to an embodiment of the present invention, FIG. 3b is an FE-SEM image of the nanoporous thin film according to the manufacturing method of FIG. It is a diagram showing the open-circuit voltage value of the nanoporous thin film according to the manufacturing method.
4A is a perspective view of a triboelectric nanogenerator using a nanoporous thin film according to an embodiment of the present invention, and FIG. 4B is a diagram showing an application example using the triboelectric nanogenerator.
5A is a view showing the open circuit voltage of the triboelectric nanogenerator according to the weight ratio of the polymer block compound that controls the pores of the nanoporous thin film.
5B is a diagram showing the short-circuit current of the triboelectric nanogenerator according to the weight ratio of the polymer block compound that controls the pores of the nanoporous thin film.
5C is a view showing the output power of the triboelectric nanogenerator according to the weight ratio of the polymer block compound that controls the pores of the nanoporous thin film.
5D is a view showing a state in which 40 lights are turned on by a triboelectric nanogenerator using a nanoporous thin film.
5E is a diagram showing the open circuit voltage and short circuit current of a triboelectric nanogenerator using a nanoporous thin film according to the number of contacts.
Fig. 5f is a FE-SEM image of the nanoporous thin film before contact and the nanoporous thin film after more than 50,000 contacts.
Figure 6a is a Kelvin Probe Force Microscopy (KPFM) image showing the surface potential (surface potential) of the nanoporous thin film according to an embodiment of the present invention, Figure 6b is the pores of the nanoporous thin film according to the embodiment of the present invention It is a graph showing the average contact potential difference according to the change of the polymer block compound controlling the
7 is a view showing an improvement rate of an open circuit voltage of a triboelectric nanogenerator including a nanoporous thin film disposed on various substrates.
8 is a diagram comparing the open circuit voltages of flat polydimethyl siloxane (PDMS), buckled PDMS, and corrugated PDMS coated with a nanoporous thin film.
9A is a diagram showing a nanoporous thin film attached to a finger, and FIG. 9B is an open circuit voltage between an FET tape uncoated with a nanoporous thin film and a finger skin and an opening between a FET tape coated with a nanoporous thin film and a finger skin It is a diagram comparing voltages.
10A is a diagram illustrating a nanoporous thin film having a large area, and FIG. 10B is a diagram illustrating an open circuit voltage according to a change in area of the nanoporous thin film.
11A is a view showing a nanoporous thin film coated on a graphene-coated fiber, and FIG. 11B is a diagram comparing the open circuit voltage between a fiber uncoated with the nanoporous thin film and a fiber coated with the nanoporous thin film.
Fig. 12a is a view showing a nanoporous thin film coated on a leaf, and Fig. 12b is a view comparing the open circuit voltage between a leaf uncoated with the nanoporous thin film and a fiber coated with the nanoporous thin film.
13A is a view showing a nanoporous thin film coated on a conductive fabric, and FIG. 13B is a diagram comparing the open circuit voltage between a conductive fabric uncoated with the nanoporous thin film and a conductive fabric coated with the nanoporous thin film.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.Examples of the present invention are provided to more completely explain the present invention to those of ordinary skill in the art, and the following examples may be modified in various other forms, and the scope of the present invention is as follows It is not limited to an Example. Rather, these examples are provided so that this disclosure will be more thorough and complete, and will fully convey the spirit of the invention to those skilled in the art.

도면에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 또한, 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.In the drawings, like reference numerals refer to like elements. Also, as used herein, the term “and/or” includes any one and all combinations of one or more of those listed items.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것이 아니다. 또한, 본 명세서에서 단수로 기재되어 있다 하더라도, 문맥상 단수를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"이란 용어는 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.The terminology used herein is used to describe the embodiments, and is not intended to limit the scope of the present invention. Also, although the singular is used herein, the plural form may be included unless the context clearly indicates the singular. Also, as used herein, the terms "comprise" and/or "comprising" specify the presence of the recited shapes, numbers, steps, actions, members, elements, and/or groups thereof. It does not exclude the presence or addition of other shapes, numbers, movements, members, elements and/or groups.

본 명세서에서 기판 또는 다른 층 "상에(on)" 형성된 층에 대한 언급은 상기 기판 또는 다른 층의 바로 위에 형성된 층을 지칭하거나, 상기 기판 또는 다른 층 상에 형성된 중간 층 또는 중간 층들 상에 형성된 층을 지칭할 수도 있다. 또한, 당해 기술 분야에서 숙련된 자들에게 있어서, 다른 형상에 "인접하여(adjacent)" 배치된 구조 또는 형상은 상기 인접하는 형상에 중첩되거나 하부에 배치되는 부분을 가질 수도 있다.Reference herein to a layer formed “on” a substrate or other layer refers to a layer formed directly on the substrate or other layer, or an intermediate layer or intermediate layers formed on the substrate or other layer. It may also refer to a layer. Also, for those skilled in the art, a structure or shape disposed "adjacent" to another shape may have a portion disposed above or below the adjacent shape.

본 명세서에서, "아래로(below)", "위로(above)", "상부의(upper)", "하부의(lower)", "수평의(horizontal)" 또는 "수직의(vertical)"와 같은 상대적 용어들은, 도면들 상에 도시된 바와 같이, 일 구성 부재, 층 또는 영역들이 다른 구성 부재, 층 또는 영역과 갖는 관계를 기술하기 위하여 사용될 수 있다. 이들 용어들은 도면들에 표시된 방향뿐만 아니라 소자의 다른 방향들도 포괄하는 것임을 이해하여야 한다.As used herein, “below”, “above”, “upper”, “lower”, “horizontal” or “vertical” Relative terms such as , may be used to describe the relationship that one constituent member, layer or region has with another constituent member, layer or region, as shown in the drawings. It should be understood that these terms encompass not only the orientation indicated in the drawings, but also other orientations of the device.

이하에서, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들(및 중간 구조들)을 개략적으로 도시하는 단면도들을 참조하여 설명될 것이다. 이들 도면들에 있어서, 예를 들면, 부재들의 크기와 형상은 설명의 편의와 명확성을 위하여 과장될 수 있으며, 실제 구현 시, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 된다. 또한, 도면의 부재들의 참조 부호는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부재를 지칭한다. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to cross-sectional views schematically illustrating ideal embodiments (and intermediate structures) of the present invention. In these drawings, for example, the size and shape of the members may be exaggerated for convenience and clarity of description, and in actual implementation, variations of the illustrated shape may be expected. Accordingly, embodiments of the present invention should not be construed as limited to the specific shapes of the regions shown herein. Also, reference numerals for members in the drawings refer to the same members throughout the drawings.

도 1a과 도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 나노다공성 박막의 구조를 설명하기 위한 도면이고, 도 1c는 본 발명의 실시예에 따른 나노다공성 박막의 기공을 형성하는 화합 결합을 설명하기 위한 도면이다.1A and 1B are views for explaining the structure of a nanoporous thin film according to an embodiment of the present invention, and FIG. 1C is a view for explaining a compound bond forming pores of a nanoporous thin film according to an embodiment of the present invention am.

도 1a과 도 1b를 참조하면, 나노다공성 박막(NPF)은 기공(OP)을 갖는 다공성 구조체를 포함하며, 상기 다공성 구조체는 적어도 하나 이상의 제 1 관능기(FG1)를 갖는 제 1 고분자 블록 화합물들(PB1); 제 1 공중합체 화합물을 형성하도록 상기 제 1 고분자 블록 화합물들 중 일부의 제 1 고분자 블록 화합물(PB1)의 상기 제 1 관능기에 결합되는 제 2 관능기(FG2)를 갖는 제 2 고분자 블록 화합물(PB2)들; 및 제 2 공중합체 화합물을 형성하도록 제 1 고분자 블록 화합물들(PB1) 중 다른 일부의 제 1 고분자 블록 화합물(PB1)의 제 1 관능기(FG1)에 결합되는 제 3 고분자 블록 화합물들(FG3)을 포함하며, 제 1 고분자 블록 화합물(PG1)은 상기 다공성 구조체의 골격을 구성하며, 기공(OP)은 제 1 관능기(FG1)와 제 2 관능기(FG2)간 제 1 화학 결합(CB1)과 제 1 관능기(FG2)와 제 3 고분자 블록 화합물(PB3)간 제 2 화학 결합(CB2) 사이의 경쟁에 의해 형성되고, 제 2 고분자 블록 화합물(PB2)과 제 3 고분자 블록 화합물(PB3)이 기공(OP)의 표면을 구성될 수 있다.1A and 1B, the nanoporous thin film (NPF) includes a porous structure having pores (OP), and the porous structure includes at least one first polymer block compound having at least one first functional group (FG1) ( PB1); A second polymer block compound (PB2) having a second functional group (FG2) bonded to the first functional group of the first polymer block compound (PB1) of some of the first polymer block compounds to form a first copolymer compound field; and third polymer block compounds (FG3) bonded to the first functional group (FG1) of the first polymer block compound (PB1) of another part of the first polymer block compounds (PB1) to form a second copolymer compound The first polymer block compound (PG1) constitutes the skeleton of the porous structure, and the pores (OP) have a first chemical bond (CB1) between the first functional group (FG1) and the second functional group (FG2) and the first Formed by competition between a second chemical bond (CB2) between the functional group (FG2) and the third polymer block compound (PB3), the second polymer block compound (PB2) and the third polymer block compound (PB3) form pores (OP ) of the surface can be constructed.

일 실시예에서, 나노다공성 박막(NPF)은 피처리체 기판(SB) 상에 형성될 수 있으며, 제 1 관능기(FG1)를 포함하는 제 1 고분자 블록 화합물(PB1), 제 1 관능기(FG1)와 다른 제 2 관능기(FG2)를 포함하는 제 2 고분자 블록 화합물(PB2) 및 제 3 고분자 블록 화합물(PB3)을 포함할 수 있다. 제 1 고분자 블록 화합물(PB1)은 나노다공성 박막의 골격을 구성하며, 제 2 고분자 블록 화합물(PB2)과 제 3 고분자 블록 화합물(PB3)은 기공(OP)의 표면에 위치할 수 있다. 기공(OP)은 개기공을 포함할 수 있으며, 상기 개기공의 평균 직경은 10 nm 내지 200 nm 범위를 가질 수 있다. 기공(OP)의 평균 직경 크기는 제 2 고분자 블록 화합물과 제 3 고분자의 부피 비율에 따라 조절될 수 있다. 제 2 고분자 블록 화합물과 제 3 고분자의 상대 부피 비율에 의해 조절 가능한 개기공의 최대 평균 직경은 200 nm 이상을 넘지 않으며, 개기공의 평균 직경을 10 nm 이하로 조절하기 위해서는 제 2 고분자 블록 화합물과 제 3 고분자 블록 화합물 중 어느 하나의 부피 비율이 매우 크면 다른 하나의 부피 비율은 매우 작아져야(0에 수렴)하기 때문에 후술한 기공의 생성 원리에 의해 자발적으로 형성되기 어려울 수 있다. 제 2 고분자 블록 화합물(PB2)과 제 3 고분자 블록 화합물(PB3)의 비율은 0.01 내지 0.3 범위를 가질 수 있다. 제 2 고분자 블록 화합물(PB2)과 제 3 고분자 블록 화합물(PB3)의 비율이 0.01 이하인 경우, 즉, 제 2 고분자 블록 화합물(PB2)의 농도가 상대적으로 제 3 고분자 블록 화합물(PB3)의 농노보다 낮은 경우, 마이셀 구조 형성의 우세하여 이를 통한 표면 거칠기의 차이 및 표면 포텐셜의 차이가 낮아져 후술할 마찰전기 나노제너레이터에 활용하는데 제한될 수 있다. 제 2 고분자 블록 화합물(PB2)과 제 3 고분자 블록 화합물(PB3)의 비율이 0.3 이상인 경우, 즉, 제 2 고분자 블록 화합물(PB2)의 농도가 상대적으로 제 3 고분자 블록 화합물(PB3)의 농노보다 높은 경우, 실린더 구조체의 형성이 우세하여 이로 인해 전체 구조의 기공 크기가 작아지게 되어 상대적으로 표면 포텐셜이 큰 제 3 고분자 블록 화합물(PB3)가 작아져서 FOTS-SAM 처리된 기판과의 마찰 시 마찰 전기의 값이 작아질 수 있다. In one embodiment, the nanoporous thin film (NPF) may be formed on the target substrate SB, the first polymer block compound (PB1) including the first functional group (FG1), the first functional group (FG1) and The second polymer block compound (PB2) and the third polymer block compound (PB3) including another second functional group (FG2) may be included. The first polymer block compound (PB1) may constitute a skeleton of the nanoporous thin film, and the second polymer block compound (PB2) and the third polymer block compound (PB3) may be located on the surface of the pores (OP). The pores OP may include open pores, and the average diameter of the open pores may range from 10 nm to 200 nm. The average diameter size of the pores (OP) may be adjusted according to the volume ratio of the second polymer block compound and the third polymer. The maximum average diameter of the open pores, which can be adjusted by the relative volume ratio of the second polymer block compound and the third polymer, does not exceed 200 nm, and in order to control the average diameter of the open pores to 10 nm or less, the second polymer block compound and the If the volume ratio of any one of the third polymer block compounds is very large, the volume ratio of the other must be very small (converge to 0), so it may be difficult to spontaneously form due to the pore formation principle described later. The ratio of the second polymer block compound (PB2) to the third polymer block compound (PB3) may be in the range of 0.01 to 0.3. When the ratio of the second polymer block compound (PB2) to the third polymer block compound (PB3) is 0.01 or less, that is, the concentration of the second polymer block compound (PB2) is relatively higher than that of the third polymer block compound (PB3). When it is low, the difference in surface roughness and the difference in surface potential are lowered due to the predominance of the formation of the micelle structure, so that it may be limited to use in a triboelectric nanogenerator to be described later. When the ratio of the second polymer block compound (PB2) to the third polymer block compound (PB3) is 0.3 or more, that is, the concentration of the second polymer block compound (PB2) is relatively higher than that of the third polymer block compound (PB3). When it is high, the formation of the cylinder structure is dominant, which leads to a decrease in the pore size of the entire structure, so that the third polymer block compound (PB3) having a relatively large surface potential becomes small and triboelectric when rubbing with the FOTS-SAM-treated substrate may be smaller.

일 실시상기 제 1 고분자 블록 화합물(PB1)은 폴리스티렌, 신디오택틱폴리스티렌, 설퍼나이트 폴리스티렌, 및 설퍼나이트 실세스퀴옥산 중 어느 하나 이상을 포함하고, 상기 제 2 고분자 블록 화합물(PB2)은 폴리에틸렌옥사이드(poly(ethylene oxide))를 포함할 수 있다. 제 3 고분자 블록 화합물(PB3)는 폴리-2-비닐-피리딘(P2VP), 피리미딘, 2-메틸 피리미딘, 4-메틸 피리미딘, 5-메틸 피리미딘, 4,6-디메틸 피리미딘, 4.6-디메톡시 피리미딘, 2-에틸 피리미딘, 4-에틸 피리미딘, 5-에틸 피리미딘, 4,6-디에틸 피리미딘, 2-메톡시 피리미딘, 4-메톡시 피리미딘, 5-메톡시 피리미딘, 2-에톡시 피리미딘, 4-에톡시 피리미딘, 5-에톡시 피리미딘 폴리아믹산, 및 폴리올레핀케톤 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. In one embodiment, the first polymer block compound (PB1) includes any one or more of polystyrene, syndiotactic polystyrene, sulfurite polystyrene, and sulfurite silsesquioxane, and the second polymer block compound (PB2) is polyethylene oxide (poly(ethylene oxide)). The third polymer block compound (PB3) is poly-2-vinyl-pyridine (P2VP), pyrimidine, 2-methyl pyrimidine, 4-methyl pyrimidine, 5-methyl pyrimidine, 4,6-dimethyl pyrimidine, 4.6 -dimethoxy pyrimidine, 2-ethyl pyrimidine, 4-ethyl pyrimidine, 5-ethyl pyrimidine, 4,6-diethyl pyrimidine, 2-methoxy pyrimidine, 4-methoxy pyrimidine, 5-meth It may include any one or more of oxypyrimidine, 2-ethoxy pyrimidine, 4-ethoxy pyrimidine, 5-ethoxy pyrimidine polyamic acid, and polyolefin ketone.

일 실시예에서, 제 1 관능기(FG1)는 술폰산기(sulfonic acid group), 술폰화기(sulfonate group), 인산기(phosphate group), 황산기(sulfate group) 및 하이드록실기(hydroxyl group)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상이고 제 2 관능기(FG2)는 1 차 아민기(amine group)를 포함할 수 있다. 제 3 관능기(FG3)는 제 3 고분자 블록 화합물(PB3)의 피리딘 유닛의 2 차 아민기를 포함할 수 있다. In one embodiment, the first functional group (FG1) is selected from the group consisting of a sulfonic acid group, a sulfonate group, a phosphate group, a sulfate group, and a hydroxyl group. It is one or more selected and the second functional group (FG2) may include a primary amine group. The third functional group (FG3) may include a secondary amine group of the pyridine unit of the third polymer block compound (PB3).

제 1 관능기(FG1)와 제 2 관능기(FG2) 사이는 제 1 화학 결합(CB1)에 의해 결합될 수 있고, 제 1 관능기(FG1)와 제 3 고분자 블록 화합물(PB3) 사이의 결합은 제 2 화학 결합에 의해 형성될 수 있다. 제 1 화합 결합(CB1)은 루이스 산/염기 상호 작용을 포함하고, 제 2 화합 결합(CB2)은 수소 결합을 포함할 수 있다. The first functional group (FG1) and the second functional group (FG2) may be bonded by a first chemical bond (CB1), and the bond between the first functional group (FG1) and the third polymer block compound (PB3) is a second It can be formed by chemical bonding. The first compounding bond (CB1) may include a Lewis acid/base interaction, and the second compounding bond (CB2) may include a hydrogen bonding.

본 발명의 일 실시예에서, 제 1 고분자 블록 화합물(PB1)는 술폰화기(sulfonate group)을 포함하는 고분자일 수 있고,제 2 고분자 블록 화합물(PB2)는 아민기(amine group)를 포함하는 고분자일 수 있으며, 제 3 고분자 블록 화합물(PB3)는 벤젠 고리 중 탄소가 수소 결합에 용이한 질소 원자로 치환된 피리딘(pyridine)을 갖는 고분자일 수 있다. 바람직하게, 제 1 고분자 블록 화합물(PB1)은 설퍼나이트 폴리스티렌(Sulfonated Polystyrene: SPS)일 수 있고, 제 2 고분자 블록 화합물(PB2)는 APEO(amine-terminated poly(ethylene oxide)일 수 있으며, 제 3 고분자 블록 화합물(PB3)은 폴리-2-비닐피리딘(Poly(2-vinylpyridine): P2VP)일 수 있다.In an embodiment of the present invention, the first polymer block compound (PB1) may be a polymer containing a sulfonate group, and the second polymer block compound (PB2) is a polymer containing an amine group. may be, and the third polymer block compound (PB3) may be a polymer having pyridine in which carbon in the benzene ring is substituted with a nitrogen atom that is easy to bond with hydrogen. Preferably, the first polymer block compound (PB1) may be sulfonated polystyrene (SPS), and the second polymer block compound (PB2) may be amine-terminated poly(ethylene oxide) (APEO), and the third The polymer block compound (PB3) may be poly-2-vinylpyridine (Poly(2-vinylpyridine): P2VP).

기공 형성 공정을 단순화하여 또는 에칭 같은 후 처리 공정 없이도 빠른 원-스텝(one-step) 공정으로, 나노다공성 박막(NPF) 내에 자기 조립된 나노다공성의 원리에 대하여 설명하기로 한다. The principle of self-assembled nanoporosity in a nanoporous thin film (NPF) will be described by simplifying the pore formation process or as a fast one-step process without post-processing such as etching.

본 발명은 제 1 고분자 블록 화합물(PB1), 제 2 고분자 블록 화합물(PB2) 및 제 3 고분자 블록 화합물(PB3)의 초분자 조립체(supramolecular assembly)를 포함하는 3 원 고분자 용액 블렌드를 기반으로 한다. 3 원 고분자 블렌드에서 제 2 고분자 블록 화합물(PB2)는 제 1 고분자 블록 화합물(PB1)과 제 2 고분자 블록 화합물(PB2)간 상호 작용과 제 1 고분자 블록 화합물(PB1)과 제 3 고분자 블록 화합물(PB3)간 상호 작용 사이의 경쟁을 통한 기공 발생 에이전트로서 작용하여, 자발적 나노 기공의 형성을 효과적으로 활성화시킬 수 있다. 따라서, 3 원 고분자 용액을 사용하는 원-스텝 공정은 추가 에칭 공정없이 소정 직경의 자기 조립된 정렬된 나노다공성을 갖는 얇은 대면적 박막을 생성할 수 있다. The present invention is based on a ternary polymer solution blend comprising a supramolecular assembly of a first polymer block compound (PB1), a second polymer block compound (PB2) and a third polymer block compound (PB3). In the ternary polymer blend, the second polymer block compound (PB2) is the interaction between the first polymer block compound (PB1) and the second polymer block compound (PB2), and the first polymer block compound (PB1) and the third polymer block compound (PB2) Acting as a pore-generating agent through competition between PB3) interactions, it can effectively activate spontaneous nanopore formation. Therefore, a one-step process using a ternary polymer solution can produce a thin large-area thin film with self-assembled ordered nanoporosity of a given diameter without an additional etching process.

구체적으로, 제 1 고분자 블록 화합물(PB1)(예: SPS) 및 제 3 고분자 블록 화합물(PY3)(예: P2VP)은 수소 결합시 자기조립(self-assembly)되어 코어-쉘(또는 코로나(corona)) 구조의 구형 마이셀을 형성할 수 있다. 상기 코어-쉘 구조는 구형 마이셀의 내부에 형성되는 코어층 및 코어층의 외부를 둘러싸는 쉘층을 포함할 수 있다. 상기 구형 마이셀에서 제 1 고분자 블록 화합물(PB1)는 형성되는 구형 마이셀의 백본을 구성할 수 있고, 제 3 고분자 블록 화합물(PB3)는 제 1 고분자 블록 화합물(PB1)과 수소 결합된 측쇄를 구성할 수 있다. 반면, 제 1 고분자 블록 화합물(PB1)(예: SPS) 및 제 2 고분자 블록 화합물(PY2)(예: APEO)은 루이스 산/염기 상호 작용 시 자기조립(self-assembly)되어 실린더형 나노 구조체를 형성할 수 있다. 일 실시예에서 SPS:P2VP 조립체의 IMDS(inter material dividing surface)이 SPS:APEO 조립체의 IMDS 보다 클 수 있다.Specifically, the first polymer block compound (PB1) (eg, SPS) and the third polymer block compound (PY3) (eg, P2VP) are self-assembled upon hydrogen bonding to form a core-shell (or corona) ))) to form spherical micelles. The core-shell structure may include a core layer formed inside the spherical micelles and a shell layer surrounding the outside of the core layer. In the spherical micelles, the first polymer block compound (PB1) may constitute the backbone of the formed spherical micelles, and the third polymer block compound (PB3) may constitute a hydrogen-bonded side chain with the first polymer block compound (PB1). can On the other hand, the first polymer block compound (PB1) (eg SPS) and the second polymer block compound (PY2) (eg APEO) are self-assembled during Lewis acid/base interaction to form a cylindrical nanostructure can be formed In an embodiment, an inter material dividing surface (IMDS) of the SPS:P2VP assembly may be larger than the IMDS of the SPS:APEO assembly.

이러한 제 1 고분자 블록 화합물(PB1)(예: SPS) 및 제 3 고분자 블록 화합물(PY3)(예: P2VP)은 수소 결합시 자기조립(self-assembly)되어 코어-쉘(또는 코로나(corona)) 구조의 구형 마이셀을 형성하는 특징과 제 1 고분자 블록 화합물(PB1)(예: SPS) 및 제 2 고분자 블록 화합물(PY2)(예: APEO)은 루이스 산/염기 상호 작용 시 자기조립(self-assembly)되어 실린더형 나노 구조체를 형성하는 특징에 의해서, 제 1 고분자 블록 화합물(PB1), 제 2 고분자 블록 화합물(PB2) 및 제 3 고분자 블록 화합물(PB3)의 초분자 조립체(supramolecular assembly)를 포함하는 3 원 고분자 용액 블렌드를 피처리체 기판에 코팅하게 되면, 구형 마이셀 형성과 실린더형 나노 구조체의 형성이 상호 작용하게 자발적으로 박막 표면 내에 개기공이 형성될 수 있다. The first polymer block compound (PB1) (eg, SPS) and the third polymer block compound (PY3) (eg, P2VP) are self-assembled upon hydrogen bonding to form a core-shell (or corona) The characteristics of forming spherical micelles of the structure and the first polymer block compound (PB1) (eg SPS) and the second polymer block compound (PY2) (eg APEO) self-assembly upon Lewis acid/base interaction ) to form a cylindrical nanostructure, comprising a supramolecular assembly of the first polymer block compound (PB1), the second polymer block compound (PB2) and the third polymer block compound (PB3) When the raw polymer solution blend is coated on the target substrate, open pores can be spontaneously formed in the surface of the thin film so that the formation of spherical micelles and the formation of cylindrical nanostructures interact.

즉, 제 1 고분자 블록 화합물(PB1)(예: SPS) 및 제 3 고분자 블록 화합물(PY3)(예: P2VP)에 의해 자기 조립된 구형 마이셀의 곡률이 제 1 고분자 블록 화합물(PB1)(예: SPS) 및 제 2 고분자 블록 화합물(PY2)(예: APEO)은 루이스 산/염기 상호 작용 시 자기조립(self-assembly)되어 실린더형 나노 구조체를 형성하려는 특징에 의해 감소됨으로써, 개방된 기공이 형성되는 될 수 있다. That is, the curvature of the spherical micelles self-assembled by the first polymer block compound (PB1) (eg SPS) and the third polymer block compound (PY3) (eg P2VP) is the first polymer block compound (PB1) (eg: SPS) and the second polymer block compound (PY2) (eg, APEO) are self-assembled during Lewis acid/base interaction to form a cylindrical nanostructure, thereby reducing open pores can become

도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 나노다공성 박막의 단면을 보여주는 주사형 전자 현미경(field emission scanning electron microscope: FE-SEM) 이미지이다. 나노다공성 박막은 SPS:P2VP:APEO(0.7:0.15:0.15)의 3원 고분자 블렌드를 통해 제조되었다.2A is a field emission scanning electron microscope (FE-SEM) image showing a cross-section of a nanoporous thin film according to an embodiment of the present invention. Nanoporous thin films were prepared through a ternary polymer blend of SPS:P2VP:APEO (0.7:0.15:0.15).

도 2a를 참조하면, 나노다공성 박막은 3 원 고분자 블렌드의 APEO에 의해 나노 기공이 형성되는 것을 알 수 있다. 얇은 SPS:P2VP 2원 박막에서는 밀집된 마이 셀이 나타나지만, 3 원 고분자 블렌드에 의해 형성된 나노다공성 박막은 직경이 약 33 nm인 나노 기공이 나타난다. Referring to FIG. 2a , it can be seen that the nanoporous thin film has nanopores formed by APEO of the ternary polymer blend. In the thin SPS:P2VP binary thin film, dense micelles appear, but in the nanoporous thin film formed by the ternary polymer blend, nanopores with a diameter of about 33 nm appear.

도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 나노다공성 박막의 표면을 보여주는 태핑 모드 원자력 현미경(tapping mode atomic force microscopy: TM-AFM) 이미지이고, 도 2c는 도 2b의 이미지의 수심 곡선(depth profile)이고, 도 2d는 나노다공성 박막의 기공을 조절하는 고분자 블록 화합물의 중량 비율에 따른 기공 크기 및 도메인 크기를 나타내는 그래프이다. 나노다공성 박막의 나노 기공을 조사하기 위해, 3원 고분자 블렌드에서 APEO 및 P2VP의 상대 량의 함수로서 두께가 약 70 nm 인 얇은 스핀 코팅된 필름을 제조하였다. 3 원 고분자 블렌드에서 SPS는 0.7의 고정 부피 분율을 갖고, APEO 및 P2VP의 상대 분율은 3 원 고분자 블렌드의 화학양론을 보장하기 위해 변화되었다. 나노 다공성 구조는 또한 투과 전자 현미경(TEM)을 통해 확인되며, 깊이 프로파일(depth profile) 분석은 TM-AFM 결과를 기반으로 한다.ㅁFigure 2b is a tapping mode atomic force microscopy (TM-AFM) image showing the surface of the nanoporous thin film according to an embodiment of the present invention, Figure 2c is a depth curve (depth profile) of the image of Figure 2b, , FIG. 2D is a graph showing the pore size and domain size according to the weight ratio of the polymer block compound controlling the pores of the nanoporous thin film. To investigate the nanopores of nanoporous thin films, thin spin-coated films with a thickness of about 70 nm as a function of the relative amounts of APEO and P2VP in a ternary polymer blend were prepared. In the ternary polymer blend, SPS had a fixed volume fraction of 0.7, and the relative fractions of APEO and P2VP were varied to ensure the stoichiometry of the ternary polymer blend. Nanoporous structures were also confirmed by transmission electron microscopy (TEM), and depth profile analysis was based on TM-AFM results.

도 2b와 도 2d를 참조하면, SPS:P2VP(0.7:0.3)의 이원 고분자 블렌드가 각각 SPS 및 P2VP의 코어 및 코로나를 갖는 직경이 약 50 nm 인 마이셀로 구성된 초분자 나노 구조를 형성하는 것을 알 수 있다. 그러나, 소량의 APEO를 첨가하면 미세 다공성 필름이 나노 다공성 필름으로 변형될 수 있다. 3원 고분자 블렌드에서 APEO의 상대적 분율이 50 %(즉, SPS:P2VP:APEO (0.7 : 0.15 : 0.15))가 됨에 따라 나노 기공이 명확하게 나타난다. 3 원 고분자 블렌드에서 APEO의 양이 증가함에 따라 나노 기공이 더 작아지지만 더 밀집되게 형성된다. 2b and 2d, it can be seen that the binary polymer blend of SPS:P2VP (0.7:0.3) forms a supramolecular nanostructure composed of micelles with a diameter of about 50 nm with the core and corona of SPS and P2VP, respectively. there is. However, adding a small amount of APEO can transform the microporous film into a nanoporous film. As the relative fraction of APEO in the ternary polymer blend was 50% (ie, SPS:P2VP:APEO (0.7: 0.15: 0.15)), nanopores were clearly visible. As the amount of APEO increases in the ternary polymer blend, the nanopores become smaller but more densely formed.

도 2c 및 도 2d를 참조하면, 깊이 프로파일 분석은 마이셀 어셈블리에서 발생하는 표면 볼록한 프로파일이 3 차 블렌드에서 APEO로 오목한 표면으로 변환되었음을 알 수 있다. SPS:P2VP:APEO(0.7:0.15:0.15)의 블렌드는 대략 15 nm의 최대 기공 깊이를 갖는 나노 다공성 구조를 생성한다. Referring to FIGS. 2c and 2d , the depth profile analysis reveals that the surface convex profile generated in the micelle assembly was converted into a concave surface with APEO in the tertiary blend. The blend of SPS:P2VP:APEO (0.7:0.15:0.15) produces a nanoporous structure with a maximum pore depth of approximately 15 nm.

도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노다공성 박막의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이고, 도 3b는 도 3a의 제조 방법에 따른 나노다공성 박막의 FE-SEM 이미지이고, 도 3b는 도 3a의 제조 방법에 따른 나노다공성 박막의 개방 전압(open-circuit voltage) 값을 나타내는 도면이다.3a is a view for explaining a method of manufacturing a nanoporous thin film according to an embodiment of the present invention, FIG. 3b is an FE-SEM image of the nanoporous thin film according to the manufacturing method of FIG. 3a, and FIG. 3b is a diagram of FIG. 3a It is a diagram showing the open-circuit voltage value of the nanoporous thin film according to the manufacturing method.

나노다공성 박막의 제조 방법은 피처리체를 준비하는 단계, 제 1 화합물 블록, 제 2 화합물 블록 및 제 3 화합물 블록을 포함하는 3원 고분자 블렌드를 준비하는 단계; 및 상기 피처리체 상에 상기 3원 고분자 블렌드를 코팅하여 나노다공성 박막의 개기공을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. A method for manufacturing a nanoporous thin film includes the steps of preparing an object to be treated, preparing a ternary polymer blend including a first compound block, a second compound block, and a third compound block; and coating the ternary polymer blend on the object to form open pores of the nanoporous thin film.

상기 3 원 고분자 블렌드를 준비하는 단계는 제 1 고분자 블록 화합물(PB1), 제 2 화합물(PB2) 및 제 3 고분자 블록 화합물(PB3)을 분산 용매와 함께 혼합하여 제 1 고분자 블록 화합물(PB1) 및 제 3 고분자 블록 화합물(PB3)가 결합과 동시에 자기조립되는 구형 마이셀과 제 1 고분자 블록 화합물(PB1) 및 제 2 고분자 블록 화합물(PB2)가 결합과 동시에 자기조립되는 실린더형 나노 구조체를 포함하는 혼합 용액을 생성할 수 있다. 제 1 고분자 블록 화합물(PB1) 및 제 3 고분자 블록 화합물(PB3) 중 적어도 하나는 수소 결합이 가능한 관능기(functional group: FG)를 포함하는 고분자일 수 있다. 제 1 고분자 블록 화합물(PB1) 및 제 2 고분자 블록 화합물(PB2) 중 적어도 하나는 루이스 산/염기 결합이 가능한 관능기(functional group: FG)를 포함하는 고분자일 수 있다In the step of preparing the ternary polymer blend, the first polymer block compound (PB1), the second compound (PB2) and the third polymer block compound (PB3) are mixed with a dispersion solvent to form a first polymer block compound (PB1) and A mixture comprising a spherical micelle in which the third polymer block compound (PB3) is self-assembled at the same time as binding, and a cylindrical nanostructure in which the first polymer block compound (PB1) and the second polymer block compound (PB2) are self-assembled at the same time as binding solution can be formed. At least one of the first polymer block compound (PB1) and the third polymer block compound (PB3) may be a polymer including a functional group (FG) capable of hydrogen bonding. At least one of the first polymer block compound (PB1) and the second polymer block compound (PB2) may be a polymer including a functional group (FG) capable of Lewis acid/base bonding.

일 실시예에서, 상기 분산 용매는 지방족 또는 방향족 탄화수소(예를 들어, 헵탄, 톨루엔), 할로겐화 지방족 또는 방향족 탄화수소(예를 들어, 디클로로메탄, 브로모벤젠), 에테르(예를 들어, 디에틸 에테르), 물, 에탄올 및 메탄올 중 어느 하나 또는 이들의 혼합물일 수 있으며, 극성을 띄는 용매이면 본 발명은 이에 한정되지 아니한다. 바람직하게는, 상기 분산 용매는 벤젠 또는 메탄올일 수 있다. 상기 분산 용매 하에 혼합된 제 1 고분자 블록 화합물(PB1) 및 제 3 고분자 블록 화합물(PB3)는 제 1 화합물(PB1) 및 제 3 고분자 블록 화합물(PB3)에 포함된 상기 관능기(FG)에 의하여 수소 결합할 수 있다. 상기 분산 용매 하에 혼합된 제 1 화합물(PB1) 및 제 2 고분자 블록 화합물(PB2)은 제 1 고분자 블록 화합물(PB1) 및 제 2 고분자 블록 화합물(PB2)에 포함된 관능기(FG)에 의하여 루이스 산/염기 결합할 수 있다.In one embodiment, the dispersion solvent is an aliphatic or aromatic hydrocarbon (eg, heptane, toluene), a halogenated aliphatic or aromatic hydrocarbon (eg, dichloromethane, bromobenzene), an ether (eg, diethyl ether) ), water, ethanol, and methanol, or a mixture thereof, and the present invention is not limited thereto as long as it is a polar solvent. Preferably, the dispersion solvent may be benzene or methanol. The first polymer block compound (PB1) and the third polymer block compound (PB3) mixed in the dispersion solvent are hydrogen by the functional group (FG) included in the first compound (PB1) and the third polymer block compound (PB3). can be combined The first compound (PB1) and the second polymer block compound (PB2) mixed in the dispersing solvent form a Lewis acid by a functional group (FG) included in the first polymer block compound (PB1) and the second polymer block compound (PB2). /can be base-bonded

제 3 고분자 블록 화합물(PB1)는 제 1 고분자 블록 화합물(PB2)에 비하여 상기 분산 용매에서 용해도가 작은 고분자일 수 있다. 제 3 고분자 블록 화합물(PB3)와 제 1 고분자 블록 화합물(PB1)가 상기 분산 용매 하에서 수소 결합하는 경우, 상기 분산 용매와 친화도가 큰 제 1 고분자 블록 화합물(PB1)는 쉘층에 포함될 수 있고, 상대적으로 상기 분산 용매와 친화도가 작은 제 3 고분자 블록 화합물(PB3)는 코어층에 포함될 수 있다.The third polymer block compound (PB1) may be a polymer having a lower solubility in the dispersion solvent than the first polymer block compound (PB2). When the third polymer block compound (PB3) and the first polymer block compound (PB1) are hydrogen-bonded in the dispersion solvent, the first polymer block compound (PB1) having high affinity with the dispersion solvent may be included in the shell layer, The third polymer block compound (PB3) having a relatively low affinity with the dispersion solvent may be included in the core layer.

이때, 기공 특히 개기공의 크기는 제 2 고분자 블록 화합물(PB1)과 제 3 고분자 블록 화합물(PB3)의 부피 비율에 의해 조절될 수 있다. In this case, the size of the pores, particularly the open pores, may be controlled by the volume ratio of the second polymer block compound (PB1) and the third polymer block compound (PB3).

일 실시예에서, 상기 코팅 단계는 회전 코팅(Spin coating), 담금 코팅(dip coating), 스프레이 코팅(spray coating), 막대 코팅(bar coating) 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 그러나 본 발명은 이들에 제한되지 않는다. 예컨대, 상기 코팅 단계는 프린팅, 진공여과, 함침 코팅, 도포 코팅을 포함할 수 있다. In an embodiment, the coating step may include any one of spin coating, dip coating, spray coating, and bar coating. However, the present invention is not limited thereto. For example, the coating step may include printing, vacuum filtration, impregnation coating, and application coating.

도 3a를 참조하면, 또한 3 원 고분자 블렌드가 스핀, 바, 스프레이 및 딥 코팅과 같은 대부분의 습식 코팅 공정과 호환되어 빠른 습식 처리 가능한 나노다공성 박막을 생성하는 것이 가능하다.Referring to Figure 3a, it is also possible that the ternary polymer blend is compatible with most wet coating processes such as spin, bar, spray and dip coating to produce fast wet processable nanoporous thin films.

도 3b와 도 3c를 참조하며, 4 개의 다른 코팅 공정에 의해 형성된 나노다공성 박막의 모든 대표적인 형태는 넓은 영역에 걸쳐 특징적인 나노 기공이 나타난다. 나노다공성 박막도 TENG에 성공적으로 채택될 수 있으며, TENG의 개방 회로 전압은 나노 구조로 인해 크게 개선될 수 있다. 딥 코팅에 의해 형성된 TENG의 개방 회로 전압이 다소 작은 향상의 이유는 다른 코팅 방법에 의해 형성된 것보다 나노다공성 박막이 훨씬 더 얇기 때문이다.Referring to FIGS. 3B and 3C, all representative shapes of nanoporous thin films formed by four different coating processes exhibit characteristic nanopores over a large area. Nanoporous thin films can also be successfully adopted for TENG, and the open circuit voltage of TENG can be greatly improved due to the nanostructure. The reason for the rather small improvement in the open circuit voltage of TENG formed by dip coating is that the nanoporous thin film is much thinner than that formed by other coating methods.

본 발명의 또 다른 실시예에서, 전술한 나노다공성 박막(NPF)을 이용하는 마찰전기 나노제너레이터가 제공될 수 있다. 상기 마찰전기 나노제너레이터 내에서 나노다공성 박막(NPF)은 마찰을 발생시키기 위한 마찰 물질층으로 사용될 수 있다. 상기 마찰전기 나노제너레이터는 상기 마찰 물질층을 접촉하는 동작 방법에 따라 구분되는 수직 마찰 모드(vertical contact-separation mode), 슬라이딩 마찰 모드(lateral sliding mode), 싱글 전극 모드(single-electrode mode) 및 프리스탠딩 마찰 모드(freestanding triboelectric-layer mode) 중 어느 하나의 모드로 동작하는 마찰전기 나노제너레이터로 구분될 수 있다. In another embodiment of the present invention, a triboelectric nanogenerator using the aforementioned nanoporous thin film (NPF) may be provided. In the triboelectric nanogenerator, a nanoporous thin film (NPF) may be used as a friction material layer to generate friction. The triboelectric nanogenerator has a vertical contact-separation mode, a lateral sliding mode, a single-electrode mode, and a free It can be classified as a triboelectric nanogenerator operating in any one of the freestanding triboelectric-layer mode.

도 4a는 본 발명의 실시 예에 따른 나노다공성 박막을 이용하는 마찰전기 나노제너레이터의 사시도이고, 도 4b는 마찰전기 나노제너레이터를 이용하는 응용하는 예를 보여주는 도면이다. 4A is a perspective view of a triboelectric nanogenerator using a nanoporous thin film according to an embodiment of the present invention, and FIG. 4B is a diagram showing an application example using the triboelectric nanogenerator.

도 4a를 참조하면, 마찰전기 나노제너레이터(TENG)는 제 1 전극(electrode)에 형성된 전술한 나노다공성 박막(STENF)와 제 2 전극(electrode)에 형성되며 나노다공성 박막(STENF)과 대향하는 마찰 박막(FOTS-SAM)을 포함할 수 있다. 마찰 박막(FOTS-SAM)은 고분자층과 상기 고분자 층에 형성되는 자기조립단분자막(self-assembled monolayers: SAMs)를 포함할 수 있다. 더하여, 제 2 전극(electrode)과 마찰 박막(FOTS-SAM) 사이에 PDMS 층이 더 포함될 수 있다. Referring to FIG. 4A , the triboelectric nanogenerator (TENG) is formed on the above-described nanoporous thin film (STENF) formed on a first electrode and a second electrode (electrode) and faces friction with the nanoporous thin film (STENF) It may include a thin film (FOTS-SAM). The friction thin film (FOTS-SAM) may include a polymer layer and self-assembled monolayers (SAMs) formed on the polymer layer. In addition, a PDMS layer may be further included between the second electrode and the friction thin film (FOTS-SAM).

상기 고분자층은 폴리머, 비금속 물질로 이루어질 수 있다. 예컨대, polydimethylsiloxane(PDMS), Polyethylene terephthalate, 폴리이미드와 같이 산소를 포함하는 폴리머, 실리콘 옥사이드, 알루미늄 옥사이드같은 비금속 물질로 이루어질 수 있다. The polymer layer may be made of a polymer or a non-metal material. For example, it may be formed of a polymer containing oxygen such as polydimethylsiloxane (PDMS), polyethylene terephthalate, polyimide, or a non-metallic material such as silicon oxide or aluminum oxide.

자기조립단분자막(SAMs)은 고체표면에 자발적으로 형성되는 유기단분자막으로서, 제 1 나노다공성 박막(PL1)의 표면에 결합하는 헤드 그룹과, 표면에 위치하는 작용기(terminal group)(또는 관능기)와, 상기 헤드 그룹과 상기 작용기를 연결하는 탄화수소 사슬(Hydrocarbon chain)을 포함할 수 있다. 상기 작용기의 다양한 선택을 통하여 여러가지 다른 성질의 자기조립단분자막을 형성할 수 있으며, 상기 작용기에 따라서 생성되는 마찰전기 에너지의 크기가 달라질 수 있다. 또한, 자기조립단분자막(SAMs)은 알칸산의 자기조립 단분자막, 유기황의 자기조립 단분자막 및 유기규소의 자기조립 단분자막 중 어느 하나일 수 있다. Self-assembled monolayers (SAMs) are organic monomolecular films that are spontaneously formed on a solid surface, and include a head group binding to the surface of the first nanoporous thin film (PL1), and a terminal group (or functional group) positioned on the surface; It may include a hydrocarbon chain connecting the head group and the functional group. Through various selection of the functional groups, self-assembled monolayers having various different properties may be formed, and the magnitude of triboelectric energy generated may vary according to the functional groups. In addition, the self-assembled monolayer (SAMs) may be any one of a self-assembled monolayer of alkanoic acid, a self-assembled monolayer of organic sulfur, and a self-assembled monolayer of organic silicon.

자기조립단분자막(SAMs)은 제 1 나노다공성 박막(PL1)의 산소와 결합하는 실란기 또는 실라놀기(Si(OCH3) 3, Si(OC2H5)3)인 헤드그룹과, 작용기(예: CH3, CF3, COOH, NH2)와, 이들을 연결하는 탄소체인인 탄화수소 및/또는 탄화불소를 포함할 수 있다. 예컨대, 자기조립단분자막(SAMs)은 실란기를 포함하는 탄화수소-실란일 수 있다. 예컨대, 자기조립단분자막(SAMs)은 (3_Aminopropyl)triethoxysilane (APTES), n-Propyltriethoxysilane (PTES), (3,3,3-Trifluoropropyl)trimethoxysilane (FAS3), (3-Mercaptopropyl)trimethoxysilane (MTS) 중 어느 하나를 포함할 수 있다. Self-assembled monolayers (SAMs) have a head group that is a silane group or silanol group (Si(OCH3) 3, Si(OC2H5)3) that binds to oxygen of the first nanoporous thin film PL1, and a functional group (eg, CH3, CF3). , COOH, NH2), and hydrocarbons and/or fluorocarbons that are carbon chains connecting them. For example, the self-assembled monolayer (SAMs) may be a hydrocarbon-silane containing a silane group. For example, self-assembled monolayers (SAMs) are one of (3_Aminopropyl)triethoxysilane (APTES), n-Propyltriethoxysilane (PTES), (3,3,3-Trifluoropropyl)trimethoxysilane (FAS3), (3-Mercaptopropyl)trimethoxysilane (MTS) may include.

수직한 방향으로 외부 하중이 적용될 때, 이격되어 있던 서로 다른 두 물질(예: 나노다공성 박막(STENF)과 마찰 박막(FOTS-SAM))은 마찰하게 되며 각각의 표면에 양?음전하를 생성시킬 수 있다. 외부 하중이 제거되면, 전하를 띄는 각각의 표면이 다시 이격되어 하베스터 내부에 전위차를 생성할 수 있다. 이때, 소자 내부의 전하 평형을 유지하기 위해 외부 회로(또는 전기적 부하(load))를 통해 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 전자들이 이동하여 출력 전류를 생성할 수 있다. 상기 메커니즘을 기반으로 반복적인 외부 하중을 적용하여 지속적인 출력 생산이 가능할 수 있다. When an external load is applied in the vertical direction, two different materials that are spaced apart (eg, nanoporous membrane (STENF) and friction membrane (FOTS-SAM)) are rubbed and can generate positive and negative charges on their respective surfaces. there is. When the external load is removed, each of the charged surfaces can be spaced apart again, creating a potential difference inside the harvester. In this case, electrons may move between the first electrode and the second electrode through an external circuit (or an electrical load) in order to maintain a charge balance inside the device to generate an output current. Continuous output production may be possible by applying repetitive external loads based on the above mechanism.

도 4b를 참조하면, 마찰전기 나노제너레이터(TENG)는 유연성을 가져서 손목 같은 피부 상에 형성될 수 있다. 그리고 다른 손을 이용하여 외부 하중을 마찰전기 나노제너레이터(TENG)에 가하여 출력 전류를 생성할 수 있다. Referring to FIG. 4B , the triboelectric nanogenerator (TENG) has flexibility and may be formed on skin such as a wrist. And with the other hand, an external load can be applied to a triboelectric nanogenerator (TENG) to generate an output current.

전술한 본 발명의 마찰전기 나노제너레이터는 충전 가능한 전지(rechargeable battery), 전기 이중층 커패시터(electric double layer capacitor: EDLC), 메탈옥사이드 슈도(pseudo) 커패시터 또는 슈퍼커패시터와 같은 다른 전력 저장 장치와 용이하게 결합되어, 하이브리드 전력 공급 장치가 제공될 수 있다. 또한, 마찰전기 나노 제너레이터는 광 전자 부품과 직접 통합되어, 센서, 발광 소자, 트랜지스터 및 비 휘발성 메모리와 같은 다양한 자가 발전 장치(self-powered device)를 제공할 수 있다. 본 발명에서 접촉(또는 마찰)시 기계적 안정성과 최대 출력 성능을 이끌어 낼 수 있는 적절한 마찰 물질의 쌍이 제공될 수 있다. 더욱이, 정전 유도는 화학적(chemically) 및/또는 위상적으로(topologically) 변형된 표면을 제공함으로써, 마찰전기 나노제너레이터는 향상될 수 있다. 예를 들어, 미세 패턴화된 피라미드 배열 및 나노 다공성/나노 와이어 박막과의 접촉 면적의 증가는 기공이 없는 박막과의 접촉 면적보다 출력 성능을 효율적으로 향상시킬 수 있다. The triboelectric nanogenerator of the present invention described above is easily combined with other power storage devices such as rechargeable batteries, electric double layer capacitors (EDLCs), metal oxide pseudo capacitors or supercapacitors. Thus, a hybrid power supply can be provided. In addition, triboelectric nanogenerators can be directly integrated with optoelectronic components to provide a variety of self-powered devices such as sensors, light emitting devices, transistors, and non-volatile memories. In the present invention, a suitable pair of friction materials can be provided that can lead to maximum power performance and mechanical stability upon contact (or friction). Moreover, the electrostatic induction can be improved by providing a chemically and/or topologically modified surface, thereby triboelectric nanogenerators. For example, an increase in the contact area with a micro-patterned pyramidal arrangement and a nanoporous/nanowire thin film can improve the output performance more efficiently than a contact area with a thin film without pores.

도 5a는 나노다공성 박막의 기공을 조절하는 고분자 블록 화합물의 중량 비율에 따른 마찰전기 나노제너레이터의 개방 전압을 보여주는 도면이다.5A is a view showing the open circuit voltage of the triboelectric nanogenerator according to the weight ratio of the polymer block compound that controls the pores of the nanoporous thin film.

도 5a를 참조하면. 마찰전기 나노제너레이터의 개방 전압은 나노다공성 박막의 기공을 조절하는 고분자 블록 화합물(예: APEO)의 상대 비율이 0.15까지 증가하다가 이후 감소하는 경향이 나타난다. 이는 전술한 도 2d에 결과처럼 나노다공성 박막의 기공을 조절하는 고분자 블록 화합물에 의해 조절된 기공 크기 및 도메인 크기가 마찰전기 나노제너레이터의 개방 전압과 관련이 있기 때문이다. 구체적으로, 상기 마찰전기 나노제너레이터의 성능은 마찰 접촉 표면적에 의해 크게 영향을 받기 때문에 상기 마찰전기 나노제너레이터의 개방 회로 전압의 거동은 특히 기공 크기에 영향을 받는 접촉 면적의 증가에 달려 있다고 추측된다. Referring to Figure 5a. The open-circuit voltage of the triboelectric nanogenerator tends to decrease after the relative ratio of the polymer block compound (eg APEO) that controls the pores of the nanoporous thin film increases to 0.15. This is because the pore size and domain size controlled by the polymer block compound controlling the pores of the nanoporous thin film are related to the open circuit voltage of the triboelectric nanogenerator, as shown in FIG. 2D above. Specifically, since the performance of the triboelectric nanogenerator is greatly affected by the friction contact surface area, it is speculated that the behavior of the open circuit voltage of the triboelectric nanogenerator depends on the increase of the contact area, which is particularly affected by the pore size.

도 5b는 나노다공성 박막의 기공을 조절하는 고분자 블록 화합물의 중량 비율에 따른 마찰전기 나노제너레이터의 단락 전류를 보여주는 도면이다. 5B is a diagram showing the short-circuit current of the triboelectric nanogenerator according to the weight ratio of the polymer block compound that controls the pores of the nanoporous thin film.

도 5b를 참조하면, 마찰전기 나노제너레이터의 단락 전류 값은 도 5a의 개방 회로 전압의 동작과 유사한 동작을 보여준다. 구체적으로, 마찰전기 나노제너레이터의 단락 전류는 나노다공성 박막의 기공을 조절하는 고분자 블록 화합물(예: APEO)의 상대 비율이 0.15까지 증가하다가 이후 감소하는 경향이 나타난다. Referring to FIG. 5B , the short-circuit current value of the triboelectric nanogenerator shows an operation similar to that of the open circuit voltage of FIG. 5A . Specifically, the short-circuit current of the triboelectric nanogenerator shows a tendency to decrease after the relative ratio of the polymer block compound (eg, APEO) that controls the pores of the nanoporous thin film increases to 0.15.

도 5c는 나노다공성 박막의 기공을 조절하는 고분자 블록 화합물의 중량 비율에 따른 마찰전기 나노제너레이터의 출력 전력을 보여주는 도면이다. 마찰전기 나노제너레이터의 출력 전력을 얻기 위해 1kΩ ~ 50MΩ의 외부 부하 저항에 따라 전압과 전류를 측정한 후 각 전압과 전류의 곱으로 전력 계산하였다.5C is a view showing the output power of the triboelectric nanogenerator according to the weight ratio of the polymer block compound that controls the pores of the nanoporous thin film. To obtain the output power of the triboelectric nanogenerator, the voltage and current were measured according to the external load resistance of 1kΩ to 50MΩ, and then the power was calculated as the product of each voltage and current.

도 5c를 참조하면, 마찰전기 나노제너레이터의 출력 전류는 도 5a 및 도 5b의 개방 전압과 단락 전류의 동작과 유사한 동작을 보여준다. 구체적으로, 마찰전기 나노제너레이터의 출력 전류는 나노다공성 박막의 기공을 조절하는 고분자 블록 화합물(예: APEO)의 상대 비율이 0.15까지 증가하다가 이후 감소하는 경향이 나타난다. Referring to FIG. 5C , the output current of the triboelectric nanogenerator shows an operation similar to that of the open circuit voltage and the short circuit current of FIGS. 5A and 5B . Specifically, the output current of the triboelectric nanogenerator shows a tendency to decrease after the relative ratio of the polymer block compound (eg, APEO) that controls the pores of the nanoporous thin film increases up to 0.15.

달성된 최대 출력 전력 값은 12MΩ의 외부 부하 저항에서 SPS:P2VP:APEO (0.7:0.15:0.15)인 경우 대략 231μW이고, SPS:APEO(0.7:0.0:0.3)인 경우 대략 56.9μW, SPS:P2VP(0.7:0.3:0.0)인 경우 대략 121μW으로서, SPS:P2VP:APEO (0.7:0.15:0.15)가 SPS:APEO(0.7:0.0:0.3)과 SPS:P2VP(0.7:0.3:0.0)보다 각각 3.5 배와 2 배 더 높았다. The maximum output power value achieved is approximately 231 μW for SPS:P2VP:APEO (0.7:0.15:0.15) and 56.9 μW for SPS:APEO (0.7:0.0:0.3), SPS:P2VP with an external load resistance of 12 MΩ. (0.7:0.3:0.0) is approximately 121 μW, and SPS:P2VP:APEO (0.7:0.15:0.15) is 3.5 more than SPS:APEO (0.7:0.0:0.3) and SPS:P2VP (0.7:0.3:0.0), respectively. twice as high as twice as high.

도 5d는 나노다공성 박막을 이용하는 마찰전기 나노제너레이터에 의해 40개의 조명이 켜진 상태를 보여주는 도면이다.5D is a view showing a state in which 40 lights are turned on by a triboelectric nanogenerator using a nanoporous thin film.

도 5d를 참조하면, SPS:P2VP:APEO(0.7:0.15:0.15)를 사용하는 마찰전기 나노제너레이터의 최대 출력 전력은 회로에 연결된 40 개의 기존 적색 발광 다이오드 (LED)를 동시에 켤 수 있다. Referring to Figure 5d, the maximum output power of a triboelectric nanogenerator using SPS:P2VP:APEO (0.7:0.15:0.15) can simultaneously turn on 40 conventional red light emitting diodes (LEDs) connected to the circuit.

도 5e는 접촉 횟수에 따른 나노다공성 박막을 이용하는 마찰전기 나노제너레이터의 개방 전압과 단락 전류를 보여주는 도면이고, 도 5f는 접촉 전의 나노다공성 박막과 50,000회 이상의 접촉 후의 나노다공성 박막의 FE-SEM 이미지이다. 5e is a diagram showing the open circuit voltage and short circuit current of a triboelectric nanogenerator using a nanoporous thin film according to the number of contacts, and FIG. 5f is an FE-SEM image of the nanoporous thin film before contact and after 50,000 or more contacts. .

도 5e 및 도 5f를 참조하면, 마찰전기 나노제너레이터는 개방형 전압과 단락 전류 모두에서 반복적인 50,000 회 이상 마찰 접촉에도 크게 열화되지 않고 매우 안정적임을 확인할 수 있다. 또한, 상기 마찰전기 나노제너레이터의 나노 다공성 구조가 반복적인 50,000 회 이상에서도 잘 유지되는 것을 알 수 있다. Referring to FIGS. 5E and 5F , it can be confirmed that the triboelectric nanogenerator is very stable without significant deterioration even after repeated frictional contact for more than 50,000 times in both open voltage and short circuit current. In addition, it can be seen that the nanoporous structure of the triboelectric nanogenerator is well maintained even after repeated 50,000 cycles or more.

도 6a는 본 발명의 실시예에 따른 나노다공성 박막의 표면 퍼텐셜(surface potential)를 보여주는 캘빈 프로브 포스 현미경(Kelvin Probe Force Microscopy: KPFM) 이미지이지고, 도 6b는 명의 실시예에 따른 나노다공성 박막의 기공을 조절하는 고분자 블록 화합물의 변화에 따른 평균 접촉 포텐셜 차(contact potential difference: CPD)를 나타내는 그래프이다. 태핑 모드에서 KPFM을 통해 나노 구조 형태에 따른 나노다공성 박막의 표면 전하 특성에 대한 조사가 이루어졌다. 마찰전기 나노제너레이터(FOTS-SAM, homopolymer, SPS/P2VP/APEO)의 두 표면 사이의 전기적 접촉, 그들의 페르미 레벨은 전자 터널링을 통한 전자 흐름에 의해 정렬되고, 시스템은 평형 상태에 도달한다. 페르미 에너지 레벨의 관점에서 두 층 사이의 큰 차이는 높은 정전기 전하 흐름을 생성한다. KPFM을 통해 측정된 CPD는 CPD = (Фsample-Фtip)/e의 수학식을 사용하여 샘플과 전도성 AFM 팁의 일 함수(Ф)와 차이를 평가할 수 있다. 여기서 Фsample은 샘플 재료의 일 함수이고, Фtip은 전도성 AFM 팁의 일 함수이고 e는 전자 전하이다. 전자의 페르미 에너지는 EF = Evac-Фsample을 사용하여 도출되는데, 여기서 EF는 전자의 페르미 에너지이고 Evac는 진공 레벨의 에너지이다. 전자 친화력이 높은 FOTS에서 예상되는 바와 같이 CPD의 음전위 값은 약 -23.5mV이다.Figure 6a is a Kelvin Probe Force Microscopy (KPFM) image showing the surface potential (surface potential) of the nanoporous thin film according to an embodiment of the present invention, Figure 6b is the pores of the nanoporous thin film according to the embodiment of the present invention It is a graph showing the average contact potential difference (CPD) according to the change of the polymer block compound that controls the. The surface charge characteristics of the nanoporous thin film according to the nanostructure shape were investigated through KPFM in the tapping mode. Electrical contact between two surfaces of triboelectric nanogenerators (FOTS-SAM, homopolymer, SPS/P2VP/APEO), their Fermi levels are aligned by electron flow through electron tunneling, and the system reaches equilibrium. The large difference between the two layers in terms of Fermi energy levels creates a high electrostatic charge flow. CPD measured through KPFM can be evaluated using the equation CPD = (Фsample-Фtip)/e to evaluate the work function (Ф) and difference between the sample and the conductive AFM tip. where Фsample is the work function of the sample material, Фtip is the work function of the conducting AFM tip, and e is the electronic charge. The Fermi energy of an electron is derived using EF = Evac-Фsample, where EF is the Fermi energy of the electron and Evac is the energy of the vacuum level. As expected from FOTS with high electron affinity, the negative potential value of CPD is about -23.5 mV.

도 6a 및 도 6b를 참조하면, 약 520mV의 SPS:P2VP:APEO(0.7:0.15:0.15)의 나노다공성 박막에서 가장 큰 양의 CPD 값이 관찰된다. 그리고, 약 543mV의 FOTS-SAM 층과 함께 가장 큰 표면 전위차를 생성하였다. 6A and 6B , the largest positive CPD value is observed in the nanoporous thin film of SPS:P2VP:APEO (0.7:0.15:0.15) of about 520 mV. And, the largest surface potential difference was generated with the FOTS-SAM layer of about 543 mV.

도 7은 다양한 기판 상에 배치된 나노다공성 박막을 포함하는 마찰전기 나노제너레이터의 개방 전압의 향상 비율을 나타내는 도면이다. 7 is a view showing an improvement rate of an open circuit voltage of a triboelectric nanogenerator including a nanoporous thin film disposed on various substrates.

도 7를 참조하면, 나노다공성 박막(STENF)은 산화물, 금속 및 중합체를 포함한 다양한 기판 상에 실험하였다, 나노다공성 박막(STENF)이 있거나 없는 마찰전기 나노제너레이터의 출력 전압의 향상 비율은 ITO(Indium-Tin-Oxide)에서 약 100 %까지 실질적으로 증가하였다. Referring to FIG. 7 , the nanoporous thin film (STENF) was tested on various substrates including oxides, metals and polymers. The improvement rate of the output voltage of the triboelectric nanogenerator with and without the nanoporous thin film (STENF) was determined by ITO (Indium -Tin-Oxide) increased substantially to about 100%.

다양한 종류의 습식 코팅 방법과 나노다공성 박막의 호환성을 보다 명확하게 설명하기 위해 도 8 내지 도 13b과 같이 다양한 습식 공정에 형성된 나노다공성 박막을 마찰전기 나노제너레이터에 적용하였다. In order to more clearly explain the compatibility of various types of wet coating methods and the nanoporous thin film, the nanoporous thin film formed in various wet processes as shown in FIGS. 8 to 13B was applied to a triboelectric nanogenerator.

도 8은 평평한 폴리디메틸실록산(Polydimethyl siloxane: PDMS), 주름진(buckled) PDMS, 나노다공성 박막이 코팅된 주름진 PDMS의 개방 전압을 비교하는 도면이다. 나노다공성 박막은 SPS: P2VP:APEO(0.7:0.15:0.15)의 3 원 고분자 블렌드를 주름진 PDMS 상에 스핀 코팅함으로써 제작되었다. 8 is a diagram comparing the open circuit voltages of flat polydimethyl siloxane (PDMS), buckled PDMS, and corrugated PDMS coated with a nanoporous thin film. Nanoporous thin films were fabricated by spin coating a ternary polymer blend of SPS: P2VP:APEO (0.7:0.15:0.15) onto corrugated PDMS.

도 8를 참조하면, 주름진 PDMS에서 형성된 나노다공성 박막을 이용하는 마찰전기 나노제너레이터의 개방 전압은 평평한 PDMS의 것보다 최대 2 배 더 크게 향상되었음을 관찰했다.Referring to Figure 8, it was observed that the open-circuit voltage of the triboelectric nanogenerator using the nanoporous thin film formed in the corrugated PDMS was improved up to 2 times greater than that of the flat PDMS.

도 9a는 손가락에 부착된 나노다공성 박막을 도시하는 도면이고, 도 9b는 나노다공성 박막이 코팅되지 않은 FET 테이프와 손가락 피부 사이의 개방 전압과 나노다공성 박막이 코팅된 FET 테이프와 손가락 피부 사이의 개방 전압을 비교하는 도면이다. 9A is a diagram showing a nanoporous thin film attached to a finger, and FIG. 9B is an open circuit voltage between an FET tape uncoated with a nanoporous thin film and a finger skin and an opening between a FET tape coated with a nanoporous thin film and a finger skin. It is a diagram comparing voltages.

도 9a와 도 9b를 참조하면, 얇은 나노다공성 박막이 스핀 코팅에 의해 아크릴 테이프(PET) 상에서 형성한 후, 사람의 손가락에 붙여서 마찰전기 나노제너레이터를 형성하여 마찰전기 나노제너레이터의 개방 전압을 측정하였다. 그 결과를 참조하면, 나노다공성 박막이 없는 것보다 약 3 배 높은 마찰전기 나노제너레이터의 우수한 마찰 전기 성능을 나타낸다. 9A and 9B, after a thin nanoporous thin film was formed on an acrylic tape (PET) by spin coating, it was attached to a human finger to form a triboelectric nanogenerator, and the open circuit voltage of the triboelectric nanogenerator was measured. . Referring to the results, the triboelectric nanogenerator exhibits excellent triboelectric performance, which is about 3 times higher than that without the nanoporous thin film.

도 10a는 넓은 면적을 갖는 나노다공성 박막을 도시하는 도면이고, 도 10b는 나노다공성 박막의 면적 변화에 따른 개방 전압을 나타내는 도면이다.10A is a diagram illustrating a nanoporous thin film having a large area, and FIG. 10B is a diagram illustrating an open circuit voltage according to a change in area of the nanoporous thin film.

도 10a와 도 10b를 참조하면, A4 크기 PET 기판 상에 나노다공성 박막이 코팅되었다. PET에 대한 나노다공성 박막의 투과율 값은 순수한 PET의 투과율 값과 유사하다. 표면 면적을 크게 하기 위해서 대면적의 나노다공성 박막을 마찰전기 나노제너레이터에 적용하면 마찰전기 나노제너레이터의 개방 전압이 증가하는 것을 알 수 있다. Referring to FIGS. 10A and 10B , a nanoporous thin film was coated on an A4 size PET substrate. The transmittance values of the nanoporous thin film for PET are similar to those of pure PET. It can be seen that the open circuit voltage of the triboelectric nanogenerator increases when a large-area nanoporous thin film is applied to the triboelectric nanogenerator to increase the surface area.

도 11a는 그래핀이 코팅된 섬유 상에 코팅된 나노다공성 박막을 보여주는 도면이고, 도 11b는 나노다공성 박막이 코팅되지 않은 섬유 및 나노다공성 박막이 코팅된 섬유 사이의 개방 전압을 비교하는 도면이다. 11A is a view showing a nanoporous thin film coated on a graphene-coated fiber, and FIG. 11B is a diagram comparing the open circuit voltage between a fiber uncoated with the nanoporous thin film and a fiber coated with the nanoporous thin film.

도 11a와 도 11b를 참조하면, 웨어러블 전자 제품에 대한 적용하기 위해서 나노다공성 박막이 딥 코팅으로 전도성 섬유 상에 형성된다. 상기 전도성 섬유는 그래핀을 포함한다. 나노다공성 박막이 코팅된 섬유가 사람의 피부와 접촉하면 마찰 전기 전압이 생성되며, 순수 섬유의 개방 전압은 대략 평균 0.01 V이며 나노다공성 박막이 코팅된 섬유의 개방 전압은 0.07 V로 향상된다. 11A and 11B , for application to wearable electronic products, a nanoporous thin film is formed on the conductive fiber by dip coating. The conductive fiber includes graphene. When the nanoporous membrane-coated fiber comes into contact with human skin, a triboelectric voltage is generated, the open-circuit voltage of pure fibers is approximately 0.01 V on average, and the open-circuit voltage of the nanoporous membrane-coated fiber is improved to 0.07 V.

도 12a는 나뭇잎 상에 코팅된 나노다공성 박막을 보여주는 도면이고, 도 12b는 나노다공성 박막이 코팅되지 않은 나뭇잎과 나노다공성 박막이 코팅된 섬유 사이의 개방 전압을 비교하는 도면이다. Fig. 12a is a view showing a nanoporous thin film coated on a leaf, and Fig. 12b is a view comparing the open circuit voltage between a leaf uncoated with the nanoporous thin film and a fiber coated with the nanoporous thin film.

도 12a와 도 12b를 참조하면, 나노다공성 박막이 스프레이 코팅에 의해 나뭇잎 상에 형성될 수 있다. 나노다공성 박막 코팅된 나뭇잎이 Cu 플레이트와 접촉할 때, 나노다공성 박막이 없는 경우보다 최대 전압에서 대략 5 배 더 크게 개선된 개방 전압이 생성된다.12A and 12B , a nanoporous thin film may be formed on leaves by spray coating. When the nanoporous thin-film-coated leaf is in contact with the Cu plate, an improved open-circuit voltage is produced which is approximately 5 times greater at maximum voltage than without the nanoporous thin-film.

도 13a는 전도성 직물 상에 코팅된 나노다공성 박막을 보여주는 도면이고, 도 13b는 나노다공성 박막이 코팅되지 전도성 직물과 나노다공성 박막이 코팅된 전도성 직물 사이의 개방 전압을 비교하는 도면이다. 13A is a view showing a nanoporous thin film coated on a conductive fabric, and FIG. 13B is a diagram comparing the open circuit voltage between a conductive fabric uncoated with the nanoporous thin film and a conductive fabric coated with the nanoporous thin film.

도 13a와 도 13b를 참조하면, 나노다공성 박막이 스프레이 코팅에 의해 직물상에 형성될 수 있다. 직물에 코팅된 나노다공성 박막이 피부와 접촉할 때, 나노다공성 박막이 없는 경우보다 개선된 개방 전압이 생성된다.13A and 13B , a nanoporous thin film may be formed on the fabric by spray coating. When the nanoporous membrane coated on the fabric comes into contact with the skin, an improved open circuit voltage is produced compared to the case without the nanoporous membrane.

전술한 바와 같이, 초분자 조립을 포함하는 간단한 3 원 폴리머 용액 블렌드를 기반으로 하는 원-스텝 빠른 습식 처리 공정을 사용하여 고성능 마찰전기 나노제너레이터(TENG)에 적합한 나노다공성 박막을 구현할 수 있다. 직경이 약 40 nm 인 자기 조립된 질서있는 나노 기공은 추가적인 에칭 공정없이 얇은 대면적 박막 상에 형성될 수 있다. 이는 초분자 APEO-SPS 상호 작용과 P2VP-SPS 상호 작용의 경쟁에 의해 형성될 수 있다. 또한, SPS와 P2VP의 이원 혼합에 APEO를 추가하여 자발적 나노 기공의 형성이 효율적으로 활성화되어 나노다공성 박막을 이용한 TENG를 구현하여 개방 전압과 전력 밀도를 그보다 약 1.5 배 및 2 배 높은 값으로 향상시킬 수 있다. 평면 상에 3 원 중합체 블렌드는 스핀 코팅, 막대 코팅, 스프레이 코팅 및 딥-코팅과 같은 다양한 습식 코팅 공정에 적합하여 고성능 나노다공성 박막을 생성될 수 있다. 또한, 상기 나노다공성 박막은 금속, 중합체 및 산화물과 같은 수많은 평평한 표면뿐만 아니라 주름진 표면 및 거친 표면, 직물 섬유, 천연 잎 및 넓은 면적의 직물을 포함하는 토폴로지 표면 상에 빠르게 생성될 수 있다. 간단한 3 원 폴리머 솔루션 블렌드를 기반으로 하는 비용 효율적이고 쉽게 액세스 할 수 있는 나노 구조화 방법은 향후 착용 가능하고 패치 가능한 나노 패턴 장치에 광범위하게 적용 가능하고 확장 가능하다. As described above, nanoporous thin films suitable for high-performance triboelectric nanogenerators (TENGs) can be realized using a one-step fast wet processing process based on a simple ternary polymer solution blend with supramolecular assembly. Self-assembled ordered nanopores with a diameter of about 40 nm can be formed on a thin, large-area thin film without an additional etching process. It can be formed by competition of supramolecular APEO-SPS interactions and P2VP-SPS interactions. In addition, by adding APEO to the binary mixture of SPS and P2VP, the formation of spontaneous nanopores was efficiently activated, so that TENG using a nanoporous thin film was realized, and the open-circuit voltage and power density were improved to about 1.5 and 2 times higher values. can The on-plane ternary polymer blend can be suitable for a variety of wet coating processes such as spin coating, rod coating, spray coating and dip-coating to produce high-performance nanoporous thin films. In addition, the nanoporous thin films can be rapidly produced on numerous flat surfaces such as metals, polymers and oxides, as well as topological surfaces including corrugated and rough surfaces, textile fibers, natural leaves and large-area textiles. A cost-effective and easily accessible nanostructuring method based on a simple ternary polymer solution blend is widely applicable and scalable for future wearable and patchable nanopatterning devices.

상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 구체적인 실시예의 예시로서 해석되어야 하며, 다양한 변형이 가능할 수 있다. 때문에 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다. Although many matters have been specifically described in the above description, they should be construed as examples of specific embodiments rather than limiting the scope of the invention, and various modifications may be made. Therefore, the scope of the present invention should not be determined by the described embodiments, but should be determined by the technical idea described in the claims.

SB: 피처리체
NPF: 나노다공성 박막
CB1: 제 1 화학 결합
CB1: 제 2 화학 결합
PB1, PB2, PB3: 제 1 고분자 블록 화합물, 제 2 고분자 블록 화합물, 제 3 고분자 블록 화합물
FG1, FG2, FG3: 제 1 관능기, 제 2 관능기, 제 3 관능기
OP: 기공
SB: object to be processed
NPF: Nanoporous Thin Film
CB1: first chemical bond
CB1: second chemical bond
PB1, PB2, PB3: first polymer block compound, second polymer block compound, third polymer block compound
FG1, FG2, FG3: first functional group, second functional group, third functional group
OP: Qigong

Claims (5)

기공을 갖는 다공성 구조체로서,
적어도 하나 이상의 술폰산기(sulfonic acid group)를 갖는 설퍼나이트 폴리스티렌(Sulfonated Polystyrene: SPS)를 포함하는 제 1 고분자 블록 화합물들;
제 1 공중합체 화합물을 형성하도록 상기 제 1 고분자 블록 화합물들 중 일부의 제 1 고분자 블록 화합물의 상기 술폰산기에 결합되는 아민기(amine group)를 갖는 폴리에틸렌옥사이드(poly(ethylene oxide))를 포함하는 제 2 고분자 블록 화합물들; 및
제 2 공중합체 화합물을 형성하도록 상기 제 1 고분자 블록 화합물들 중 다른 일부의 제 1 고분자 블록 화합물의 상기 술폰산기에 결합되는 폴리-2-비닐-피리딘(P2VP)를 포함하는 제 3 고분자 블록 화합물들을 포함하며,
상기 제 1 고분자 블록 화합물은 상기 다공성 구조체의 골격을 구성하며,
상기 기공은 상기 술폰산기와 상기 아민기간 제 1 상호 작용과 상기 술폰산기와 상기 제 3 고분자 블록 화합물 간 제 2 상호 작용 사이의 경쟁에 의해 형성되고, 상기 제 2 고분자 블록 화합물과 상기 제 3 고분자 블록 화합물이 상기 기공의 표면을 구성하고,
상기 제 1 상호 작용은 루이스 산/염기 상호 작용을 포함하고,
상기 제 2 상호 작용은 수소 결합을 포함하고,
상기 기공은 에칭 공정 없이 형성된 것으로, 상기 기공의 평균 직경은 10 nm 내지 200 nm 범위인 다공성 구조체.
A porous structure having pores, comprising:
First polymer block compounds comprising at least one sulfonic acid group (Sulfonated Polystyrene: SPS) having a sulfonic acid group;
A formulation comprising polyethylene oxide (poly(ethylene oxide)) having an amine group bonded to the sulfonic acid group of the first polymer block compound of some of the first polymer block compounds to form a first copolymer compound 2 polymer block compounds; and
Third polymer block compounds including poly-2-vinyl-pyridine (P2VP) bonded to the sulfonic acid group of the first polymer block compound of another part of the first polymer block compounds to form a second copolymer compound and
The first polymer block compound constitutes the skeleton of the porous structure,
The pores are formed by competition between the first interaction between the sulfonic acid group and the amine group and the second interaction between the sulfonic acid group and the third polymer block compound, and the second polymer block compound and the third polymer block compound constituting the surface of the pores,
wherein the first interaction comprises a Lewis acid/base interaction;
wherein the second interaction comprises hydrogen bonding;
The pores are formed without an etching process, and the average diameter of the pores is in the range of 10 nm to 200 nm.
제 1 항에 있어서,
상기 기공의 평균 직경은 상기 제 2 고분자 블록 화합물과 상기 제 3 고분자 블록 화합물의 부피 비율에 따라 조절되고,
상기 제 2 고분자 블록 화합물과 상기 제 3 고분자 블록 화합물의 부피 비율은 0.01 내지 0.3 범위를 갖는 다공성 구조체.
The method of claim 1,
The average diameter of the pores is adjusted according to the volume ratio of the second polymer block compound and the third polymer block compound,
A porous structure having a volume ratio of the second polymer block compound and the third polymer block compound is in the range of 0.01 to 0.3.
삭제delete 삭제delete 술폰산기(sulfonic acid group)를 갖는 설퍼나이트 폴리스티렌(Sulfonated Polystyrene: SPS)를 포함하는 제 1 고분자 블록 화합물, 제 1 공중합체 화합물을 형성하도록 상기 제 1 고분자 블록 화합물들 중 일부의 제 1 고분자 블록 화합물의 상기 술폰산기에 결합되는 아민기(amine group)를 갖는 폴리에틸렌옥사이드(poly(ethylene oxide))를 포함하는 제 2 고분자 블록 화합물 및 제 2 공중합체 화합물을 형성하도록 상기 제 1 고분자 블록 화합물들 중 다른 일부의 제 1 고분자 블록 화합물의 상기 술폰산기에 결합되는 폴리-2-비닐-피리딘(P2VP)를 포함하는 제 3 고분자 블록 화합물을 포함하는 3원 고분자 블렌드를 준비하는 단계; 및
피처리체 상에 상기 3원 고분자 블렌드를 코팅하여 다공성 구조체의 기공을 형성하는 단계를 포함하며,
상기 제 1 고분자 블록 화합물은 상기 다공성 구조체의 골격을 구성하며,
상기 기공은 상기 술폰산기와 상기 아민기간 제 1 상호 작용과 상기 술폰산기와 상기 제 3 고분자 블록 화합물 간 제 2 상 호작용 사이의 경쟁에 의해 형성되고, 상기 제 2 고분자 블록 화합물과 상기 제 3 고분자 블록 화합물이 상기 기공의 표면을 구성하며,
상기 코팅은 회전 코팅(Spin coating), 담금 코팅(dip coating), 스프레이 코팅(spray coating), 막대 코팅(bar coating),페인팅 코팅(painting coating) 중 어느 하나를 포함하고,
상기 제 1 상호 작용은 루이스 산/염기 상호 작용을 포함하고,
상기 제 2 상호 작용은 수소 결합을 포함하고,
상기 기공은 에칭 공정 없이 형성된 것으로, 상기 기공의 평균 직경은 10 nm 내지 200 nm 범위인 다공성 구조체의 제조 방법.
A first polymer block compound comprising sulfonated polystyrene (SPS) having a sulfonic acid group, a first polymer block compound of some of the first polymer block compounds to form a first copolymer compound Another part of the first polymer block compound to form a second polymer block compound and a second copolymer compound containing polyethylene oxide (poly (ethylene oxide)) having an amine group bonded to the sulfonic acid group of preparing a ternary polymer blend comprising a third polymer block compound including poly-2-vinyl-pyridine (P2VP) bonded to the sulfonic acid group of the first polymer block compound; and
forming pores of a porous structure by coating the ternary polymer blend on an object to be treated;
The first polymer block compound constitutes the skeleton of the porous structure,
The pores are formed by competition between the first interaction between the sulfonic acid group and the amine group and the second interaction between the sulfonic acid group and the third polymer block compound, and the second polymer block compound and the third polymer block compound constituting the surface of the pores,
The coating includes any one of spin coating, dip coating, spray coating, bar coating, and painting coating,
wherein the first interaction comprises a Lewis acid/base interaction;
wherein the second interaction comprises hydrogen bonding;
The pores are formed without an etching process, and the average diameter of the pores is in the range of 10 nm to 200 nm.
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