KR102393182B1 - 전하 저장을 위한 다층 박막 구조체 제조 방법, 전하 저장을 위한 다층 박막 구조체 및 이를 적용한 마찰 대전 발전기 소자 - Google Patents

전하 저장을 위한 다층 박막 구조체 제조 방법, 전하 저장을 위한 다층 박막 구조체 및 이를 적용한 마찰 대전 발전기 소자 Download PDF

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KR102393182B1
KR102393182B1 KR1020210046596A KR20210046596A KR102393182B1 KR 102393182 B1 KR102393182 B1 KR 102393182B1 KR 1020210046596 A KR1020210046596 A KR 1020210046596A KR 20210046596 A KR20210046596 A KR 20210046596A KR 102393182 B1 KR102393182 B1 KR 102393182B1
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이민백
박상혁
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인하대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른, 전하 저장을 위한 다층 박막 구조체 제조 방법은, 제1기판의 일면에 강유전체층을 형성하여 제1구조체를 형성하는 단계, 제2기판의 일면에 전극층과 고분자 유전체층을 순차적으로 형성하여 제2구조체를 형성하는 단계, 상기 강유전체층에 코로나 방전 처리(Corona discharge treatment)하여 전하를 주입하는 단계, 및 상기 강유전체층과 상기 고분자 유전체층을 접촉하도록 배치하여, 상기 제1구조체와 상기 제2구조체를 열, 압력을 가하여 접착시키는 단계를 포함할 수 있다.

Description

전하 저장을 위한 다층 박막 구조체 제조 방법, 전하 저장을 위한 다층 박막 구조체 및 이를 적용한 마찰 대전 발전기 소자{Method of manufacturing a multilayer thin film structure for electric charge storage, a multilayer thin film structure for electric charge storage, and a triboelectric generator device applying a multilayer thin film structure}
본 발명의 실시예들은, 전하 저장을 위한 다층 박막 구조체 제조 방법, 전하 저장을 위한 다층 박막 구조체, 및 이를 적용한 마찰 대전 발전기 소자에 관한 것이다.
최근 환경 오염 문제와 가용할 수 있는 에너지 고갈 및 한계로 인해, 일상 생활에서 에너지를 수확하는 에너지 하베스팅(Energy Harvesting) 기술이 대두되고 있다.
이 중 역학적 에너지를 전기적 에너지로 전환하는 마찰 대전 발전기가 각광 받고 있다. 마찰 대전을 이용한 에너지 수집기술은 표면 전하와 전극의 전자기 유도 현상을 이용한다. 이 수집기술의 효율을 높이기 위해서는 소자의 구조를 변경하여 전자기 유도 현상을 극대화하거나, 장치 내 표면 전하를 극대화하는 연구가 활발히 진행되고 있다.
소자 내 표면 전하를 증폭시키기 위해서 소자 내 전하 저장층의 구조나 기판 조성을 변경하는 등의 여러가지 기술들이 제안되어 왔다. 이러한 기술들은 저장된 전하들이 시간의 경과에 따라 외부로 빠져나가는 문제점이 있다. 이와 같이 전하들의 이탈로 인하여 소자 내 표면 전하 밀도가 감소하게 되고, 결과적으로 이를 이용하는 장치의 에너지 수집 소장의 효율이 저하된다.
한국등록특허 제10-1768860호(2017.08.10. 등록일)
본 발명의 실시예들은, 강유전체 입자, 고분자 유전체 입자를 기판 내에 다층 박막으로 제조하여 코로나 방전 처리로 주입된 전하(전자 및 이온)를 장시간 저장하여 전하 수집의 효율성을 높이기 위한 것이다.
본 발명의 실시예들은, 코로나 방전 처리하여 강유전체층에 전하를 주입한 후, 전하를 안정적으로 유지하도록 강유전체층에 고분자 유전체층을 접촉시켜, 고성능 마찰 대전 발전기 소자를 제작하기 위한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전하 저장을 위한 다층 박막 구조체 제조 방법은, 제1기판의 일면에 강유전체층을 형성하여 제1구조체를 형성하는 단계, 제2기판의 일면에 전극층과 고분자 유전체층을 순차적으로 형성하여 제2구조체를 형성하는 단계, 상기 강유전체층에 코로나 방전 처리(Corona discharge treatment)하여 전하를 주입하는 단계, 및 상기 강유전체층과 상기 고분자 유전체층을 접촉하도록 배치하여, 상기 제1구조체와 상기 제2구조체를 열, 압력을 가하여 접착시키는 단계를 포함할 수 있다.
이때, 상기 제1기판 및 상기 제2기판은 라미네이트 필름(Laminate Film)으로 형성될 수 있다.
이때, 상기 강유전체층은 BaTiO3 나노 입자를 포함할 수 있다.
이때, 상기 고분자 유전체층은 PTFE 마이크로 입자를 포함할 수 있다.
이때, 상기 제1구조체를 형성하는 단계는, 상기 제1기판의 일면에 강유전체 입자를 용액에 분산된 상태로 분사하여 강유전체층을 형성할 수 있다.
이때, 상기 제2구조체를 형성하는 단계는, 상기 제2기판의 일면에 금속 입자를 용액에 분산된 상태로 분사하여 전극층을 형성하고, 상기 전극층의 일면에 고분자 유전체 입자를 용액에 분산된 상태로 분사하여 고분자 유전체층을 형성할 수 있다.
이때, 상기 코로나 방전 처리하여 전하를 주입하는 단계는, 금속 탐침과 금속 전극판 사이에 상기 제1구조체를 위치시키고 직류 고전압을 인가하여 저온 플라즈마 영역을 형성하고, 상기 저온 플라즈마 영역으로부터 발생된 전하를 상기 강유전체층에 주입할 수 있다.
이때, 상기 직류 고전압의 범위는 2000V 이상이고, 상기 금속 탐침과 상기 금속 전극판 사이의 이격거리는 0.1mm 이상일 수 있다.
이때, 상기 제1구조체와 상기 제2구조체를 열, 압력을 가하여 접착하는 단계는, 90 ~ 120 ℃ 온도, 1MPa 이상의 압력 하에서 수행할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른, 전하 저장을 위한 다층 박막 구조체는 제1기판의 일면에 순차적으로 적층된 강유전체층, 고분자 유전체층, 전극층, 제2기판을 포함하고, 상기 강유전체층에는 코로나 방전 처리(Corona discharge treatment)하여 전하를 주입할 수 있다.
이때, 상기 코로나 방전 처리는, 상기 강유전체층에 2000V 이상의 직류 고전압을 인가하여 형성된 저온 플라즈마 영역으로부터 발생된 전하를 주입할 수 있다.
이때, 상기 제1기판에 순차적으로 적층된 상기 강유전체층, 상기 유전체층, 상기 전극층 및 상기 제2기판에 열, 압력을 가하여 접착할 수 있다.
이때, 상기 가해지는 열, 압력은 90 ~ 120 ℃ 온도, 1MPa 이상의 압력일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전하 저장을 위한 다층 박막 구조체를 적용한 마찰 대전 발전기 소자를 제조할 수 있다.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 설명으로부터 명확해질 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 강유전체 입자, 고분자 유전체 입자를 기판 내에 다층 박막으로 제조하여 코로나 처리로 주입된 전하(전자 및 이온)를 장시간 저장하여 전하 수집의 효율성을 높일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 코로나 처리를 수행한 강유전체층은 폴링(Poling) 상태를 형성하여 과주입된 전하를 강하게 붙잡고, 강유전체층과 접촉된 다양한 표면 준위(surface state)를 가진 고분자 유전체층에서 주입된 전하를 장시간 동안 붙잡도록 유지하여, 박막 내의 전하를 안정적으로 유지할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 코로나 방전 처리한 강유전체층에 순간적으로 흡착된 전하가 높은 전위차를 발생시켜 순간적으로 공기 중이나 다른 물질로 방전되는 것을 감소시킬 수 있어, 고성능 마찰 대전 발전기 소자를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전하 저장을 위한 다층 박막 구조체의 구조를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 2는 BaTiO3 나노 입자와 PTFE 마이크로 입자를 원자탐침현미경으로 촬영한 사진이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전하 저장을 위한 다층 박막 구조체 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 스프레이 코팅 기법을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 코로나 방전 처리하여 전하를 주입하는 단계를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 열, 압력을 가하는 단계를 나타낸 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전하 저장을 위한 다층 박막 구조체를 적용한 마찰 대전 발전기 소자를 나타낸 단면도이다.
도 8은 일반적인 마찰 대전 발전기의 작동 원리를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1에 따라 코로나 방전 처리 유무에 따른 마찰 대전 발전기의 전압, 전류를 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명의 실시예 1 및 비교예 2에 따라 강유전체층과 고분자 유전체층 유무에 따른 마찰 대전 발전기의 출력 전압을 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
이하의 실시예에서, 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용되었다.
이하의 실시예에서, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
이하의 실시예에서, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.
이하의 실시예에서, 막, 영역, 구성 요소 등의 부분이 다른 부분 위에 또는 상에 있다고 할 때, 다른 부분의 바로 위에 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 막, 영역, 구성 요소 등이 개재되어 있는 경우도 포함한다.
도면에서는 설명의 편의를 위하여 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 예컨대, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
어떤 실시예가 달리 구현 가능한 경우에 특정한 공정 순서는 설명되는 순서와 다르게 수행될 수도 있다. 예를 들어, 연속하여 설명되는 두 공정이 실질적으로 동시에 수행될 수도 있고, 설명되는 순서와 반대의 순서로 진행될 수 있다.
이하의 실시예에서, 막, 영역, 구성 요소 등이 연결되었다고 할 때, 막, 영역, 구성 요소들이 직접적으로 연결된 경우뿐만 아니라 막, 영역, 구성요소들 중간에 다른 막, 영역, 구성 요소들이 개재되어 간접적으로 연결된 경우도 포함한다. 예컨대, 본 명세서에서 막, 영역, 구성 요소 등이 전기적으로 연결되었다고 할 때, 막, 영역, 구성 요소 등이 직접 전기적으로 연결된 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 막, 영역, 구성 요소 등이 개재되어 간접적으로 전기적 연결된 경우도 포함한다.
본 명세서에서, '마찰 대전 발전기'란 두 물체가 접촉 또는 마찰시 발생하는 대전 현상을 이용하여 역학적 에너지를 전기에너지로 변환할 수 있는 장치를 의미한다.
본 명세서에서, '유전체(dielectric material)'는 전기장 내에서 극성을 띠는 절연체이다. '강유전체(ferroelectrics)'는 자연 상태에서 자발 분극을 가지는 물질로서, 외부 전기장에 의하여 분극의 방향이 바뀔 수 있는 물질이다.
본 명세서에서, '코로나 방전 처리(Corona discharge treatment)'는 시료에 전하를 띤 입자를 강제로 주입하는 기술이다. '코로나 방전 처리'는 시료를 금속 탐침과 금속 전극판 사이에 두고 강한 전압을 걸어주어 공기 또는 가스 중의 산소, 질소 등을 이온화시켜, 이온화된 이온이나 전자를 시료에 흡착시키는 기술이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전하 저장을 위한 다층 박막 구조체의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전하 저장을 위한 다층 박막 구조체의 구조를 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전하 저장을 위한 다층 박막 구조체(100)는 제1기판(110), 강유전체층(120), 고분자 유전체층(130), 전극층(140), 및 제2기판(150)을 포함할 수 있다.
제1기판(110) 및 제2기판(150)은 라미네이트 필름(Laminate Film)으로 형성될 수 있다. 이때 라미네이트 필름은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET, Polyehylene Terephthalate), 폴리에틸렌(PE, Polyethylene), 및 에틸렌 초산비닐 (EVA, Ethylene Vinyl Acetate)이 혼합된 다층 구조로 형성될 수 있다.
이때, 제1기판(110) 및 제2기판(150)의 두께는 대략 90 μm 정도로 형성될 수 있다.
강유전체층(120)은 강유전체 입자를 포함할 수 있으며, 바람직하게는 강유전체층(120)은 100 nm 미만의 BaTiO3 나노 입자를 포함할 수 있다. 강유전체층(120)은 상기 입자로 한정되지는 않는다.
이때 강유전체층(120)은 제1기판(110)의 일면에 형성될 수 있으며, 두께가 0.05 ~ 1 μm 범위에서 형성될 수 있다. 한편, 강유전체층(120)은 코로나 방전 처리를 통하여 발생된 이온이나 전자를 흡착시킬 수 있다. 코로나 방전 처리에 대해서는 후술한다.
고분자 유전체층(130)은 고분자 유전체 입자를 포함할 수 있다. 바람직하게는 고분자 유전체층(130)은 500nm 미만의 PTFE (Polytetrafluoroethylene, 폴리테트라플루오로에틸렌) 마이크로 입자를 포함할 수 있다. 고분자 유전체층(130)은 상기 입자로 한정되지는 않는다.
이때 고분자 유전체층(130)은 강유전체층(120)의 일면에 형성될 수 있으며, 두께가 0.05 ~ 1μm 범위에서 형성될 수 있다.
도 2는 BaTiO3 나노 입자와 PTFE 마이크로 입자를 원자탐침현미경으로 촬영한 사진이다. 도 2의(a)는 BaTiO3 나노 입자이고, 도 2의(b)는 PTFE 마이크로 입자를 나타낸 것이다.
전극층(140)은 전도성을 가진 층이며, 금속 또는 금속 나노 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 전극층(140)은 은 나노 입자로 형성될 수 있다.
전극층(140)은 고분자 유전체층(130)의 일면에 형성될 수 있다. 이때 전극층(140)의 두께는 0.02 ~ 0.2μm의 범위에서 형성될 수 있다.
제1기판(110)의 일면에 강유전체층(120), 고분자 유전체층(130), 전극층(140), 제2기판(150)이 순차적으로 적층될 수 있다. 이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 전하 저장을 위한 다층 박막 구조체에 대해서는 본 발명의 일 실시예에 따른 전하 저장을 위한 다층 박막 구조체 제조 방법에서 구체적으로 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전하 저장을 위한 다층 박막 구조체 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
이하, 도 3 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 전하 저장을 위한 다층 박막 구조체 제조 방법을 설명한다.
S100 단계는, 제1기판(110)의 일면에 강유전체층(120)을 형성하여 제1구조체(100-1)를 형성하는 단계이다.
이때, 제1구조체(100-1)를 형성하는 단계는, 제1기판(110)의 일면에 강유전체 입자를 용액에 분산된 상태로 분사하여 강유전체층(120)을 형성할 수 있다. 여기서, 스프레이 코팅 기법을 이용할 수 있다. 스프레이 코팅 기법은, 용액에 분산되어 있는 입자들을 스프레이 건에 담아, 원하는 시료 표면에 질소 기체를 기반으로 분사하고 건조시켜 수행할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 스프레이 코팅 기법을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, BaTiO3 나노 입자를 스프레이 코팅 기법으로 제1기판(110) 표면 온도 90℃ 조건에서, 대략 1μm 정도 두께까지 분사할 수 있다. 이때 형성되는 강유전체층(120)은 두께가 0.05 ~ 1μm 범위 내에서 형성될 수 있다.
S200 단계는, 제2기판(150)의 일면에 전극층(140)과 고분자 유전체층(130)을 순차적으로 형성하여 제2구조체(100-2)를 형성하는 단계이다.
이때 제2구조체(100-2)를 형성하는 단계는, 제2기판(150)의 일면에 금속 입자를 용액에 분산된 상태로 분사하여 전극층(140)을 형성할 수 있다. 상기 전극층(140)의 일면에 고분자 유전체 입자를 용액에 분산된 상태로 분사하여 고분자 유전체층(130)을 형성할 수 있다.
예를 들어, 도 4와 같이, 반경 20nm, 길이 수십μm 정도의 은 나노선을 용액에 분산된 상태에서 스프레이를 이용하여 제2기판(150)의 일면에 분사시킬 수 있다. 이와 같이 은 나노 금속으로 된 전극층(140)을 형성하고, 전극층(140)의 일면에 PTFE 마이크로 입자를 대략 1μm 정도 두께까지 스프레이로 분사하여, 고분자 유전체층(130)을 형성할 수 있다. 이때, 제2구조체(100-2)를 형성하는 단계는 제2기판(150)의 표면 온도 90℃ 조건 하에서 수행될 수 있다.
이때 전극층(140)의 두께는 0.02 ~ 0.2μm의 범위에서 형성될 수 있고, 여기서 형성되는 고분자 유전체층(130)은 두께가 0.05 ~ 1μm 범위에서 형성될 수 있다.
한편, S100 단계 및 S200 단계는 순차적으로 수행하거나, 동시에 수행할 수 있으며, 그 순서를 상호 변경하여도 무관하다.
S300 단계는, 강유전체층(120)에 코로나 방전 처리(Corona discharge treatment)하여 전하를 주입하는 단계이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 코로나 방전 처리하여 전하를 주입하는 단계를 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 금속 탐침(10)과 금속 전극판(20) 사이에 제1구조체(110)를 위치시켜 강한 직류(DC) 고전압을 인가할 수 있다. 금속 탐침(10) 방향으로 강유전체층(120)이 위치되도록 제1구조체(110)를 금속 전극판(20)의 일면에 위치시키고, 강한 직류 고전압을 인가하여 저온 플라즈마 영역을 형성할 수 있다. 이때, 저온 플라즈마 영역으로부터 발생된 전하를 강유전체층(120)에 주입할 수 있다.
코로나 방전은, 습도 10 % 내지 40 % 하에서 효율적으로 수행될 수 있다.
또한, 코로나 방전은, 2000 V 이상의 전압 하에서 수행될 수 있다. 이때 코로나 방전이 시작되는 전압은 2000 V 내지 2500 V 범위 내일 수 있다.
상기 코로나 방전은, 저온 플라즈마 영역이 형성되도록 금속 탐침(10)과 금속 전극판(20) 사이의 이격 거리가 최소 0.1 mm 이상에서 수행될 수 있다.
S400 단계는, 강유전체층(120)과 유전체 고분자층(130)을 접촉하도록 배치하여, 제1구조체(100-1)와 제2구조체(100-2)를 열, 압력을 가하여 접착시키는 단계이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 열, 압력을 가하는 단계를 나타낸 단면도이다.
도 6을 참조하면, 제1구조체(100-1)의 강유전체층(120)과 제2구조체(100-2)의 유전체 고분자층(130)이 접촉하도록 배치할 수 있다. 이와 같이 배치된 상태에서, 제1구조체(100-1)와 제2구조체(100-2)를 열, 압력을 가하여 접착시킬 수 있다. 이때, 제1구조체(100-1)와 제2구조체(100-2)를 접착하는 단계는 90 ~ 120 ℃ 온도, 1MPa 이상의 압력 하에서 수행될 수 있다.
도 7은 본 발명이 일 실시예에 따른 전하 저장을 위한 다층 박막 구조체를 적용한 마찰 대전 발전기 소자를 나타낸 단면도이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 전하 저장을 위한 다층 박막 구조체(100)를 적용한 마찰 대전 발전기 소자(1000)는 다층 박막 구조체(100)와 상대 전극층(200)을 포함할 수 있다. 전극층(140)과 상대 전극층(200)의 상대적인 위치에 따라 전위치가 발생하게 되고, 전극층(140)과 상대 전극층(200)에 있는 전자들은 발생된 전위차를 상쇄하게 하기 위해 이동하게 된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 대전 발전기 소자(1000)의 적용에 대해서는 구체적으로 후술하겠다.
도 8은 일반적인 마찰 대전 발전기의 작동 원리를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 8을 참조하면 일반적인 마찰 대전 발전기(1100)는 제2전극층(230) 및 절연층(220)과 제1전극층(210)을 포함할 수 있다. 일반적인 마찰 대전 발전기(1100)에서 접촉 및 마찰 시에 제1전극층(210)과 제2전극층(230)의 상대적 거리가 변화하게 되고, 이에 따라 전위차가 발생되어 전하의 이동에 따른 전류 흐름을 형성하게 된다. 이에 따라 절연층(220) 표면에 음전하가 있을 때 제1전극층(210)과 제2전극층(230)의 상대적 거리에 따른 전하의 흐름을 확인할 수 있다.
이하, 실시예, 비교예 및 실험예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나, 이하의 실시예, 비교예, 및 실험예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 이에 의하여 본 발명의 범위가 제한되는 것은 아니다.
실시예 1
제1기판(110)과 제2기판(150)은 라미네이트 필름(Laminate film)을 사용하였다.
제1기판(110)의 일면에 강유전체 입자인 크기 80 nm 정도인 BaTiO3 나노 입자를 스프레이로 분사하여 강유전체층(120)을 형성하여, 제1구조체(100-1)를 형성한다.
제2기판(150)의 일면에 반경 25 nm, 길이 25 nm인 은 나노선을 에탄올 용매에 0.5 wt % 혼합하여 분산 상태의 용액을 스프레이 분사하여 전극층(140)을 형성하고, 고분자 유전체 입자로서 입자 크기 500 nm 정도인 PTFE (Polytetrafluoroethylene, 폴리테트라플루오로에틸렌) 마이크로 입자를 분산 상태로 스프레이로 분사하여 고분자 유전체층(130)을 형성하여, 제2구조체(100-2)를 형성한다.
스프레이 분사 방식은, 90 ℃ 온도에서 대략 0.3 m/s의 속력으로 16회 가량 분사하였다.
금속 전극판(20)은 두께 0.1mm의 알루미늄 호일 전극으로 형성하여, 금속 전극판(20) 상에 BaTiO3 나노 입자로 형성한 강유전체층(120)이 위로 향하도록 위치시킨다. 이후, 제1기판(110)의 표면 온도 90℃ 부근에서 반경 1μm의 4개의 텅스텐으로 형성된 금속 탐침(10)으로, 30분 동안 전압 10 kV 로 코로나 방전 처리를 수행한다. 코로나 방전이 지속된 채, 온도를 60℃까지 30분 동안 낮춘다. 이때, 금속 탐침(10)과 금속 전극판(20)과의 이격 거리는 2 mm 로 유지하였다.
코로나 방전 처리가 된 강유전체층(120)과 고분자 유전체층(130)을 접촉시켜, 라미네이터를 이용하여 90~120 ℃의 온도로 라미네이팅하였다.
마찰 대전 발전기 소자(1000)에서 사용된 상대 전극층(200)으로 PTFE 기판 위에 200 nm 두께의 알루미늄을 써멀 이베퍼레이터(Thermal evaporator)를 이용하여 증착시켜 사용한다.
이후, 2.5 cm x 2.5 cm의 마찰 면적으로 상대 전극층(200)과 다층 박막 구조체(100)를 서로 마찰시켜, 마찰 대전 발전을 실시하였다.
비교예 1
실시예 1에서, 코로나 방전 처리를 수행하지 않고, 동일한 공정을 수행하였다.
비교예 2
실시예 1에서, 강유전체층(120)과 고분자 유전체층(130)을 형성하지 않고 동일한 공정을 수행하였다.
실험예 1: 코로나 방전 처리 유무의 비교
도 9 및 도 10은 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1에 따라 코로나 방전 처리 유무에 따른 마찰 대전 발전기의 전압, 전류를 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실시예 1에 따른 코로나 방전 처리를 한 경우의 마찰 대전 발전기의 (a)전압, (b)전류를 나타낸 그래프이다. 도 10은 본 발명의 비교예 1에 따라 코로나 방전 처리를 하지 않은 경우의 마찰 대전 발전기의 (a)전압, (b)전류를 나타낸 그래프이다.
도 9 및 도 10를 참조하면, 코로나 방전 처리를 한 경우가 코로나 방전 처리를 하지 않은 경우와 비교하여, 마찰 대전 발전기를 구동할 때 발생되는 전압, 전류값이 큰 것을 확인할 수 있다.
실험예 2: 강유전체층과 고분자 유전체층의 유무에 따른 비교
도 11은 본 발명의 실시예 1 및 비교예 2에 따라 강유전체층과 고분자 유전체층 유무에 따른 마찰 대전 발전기의 출력 전압을 나타낸 그래프이다.
도 11의 (a)는, 본 발명의 실시예 1에 따라 강유전체층과 고분자 유전체층을 포함한 경우의 마찰 대전 발전기의 출력 전압을 나타낸 그래프이다.
도 11 (a)를 참조하면, 강유전체층(120)과 고분자 유전체층(130)을 포함한 경우 마찰 대전 발전기의 성능이 장시간 유지됨을 확인할 수 있다. 이에 따라, 강유전체층(120)과 고분자 유전체층(130)이 코로나 방전 처리되어 다층 박막 구조체(100)에 주입된 전하를 장시간 유지하고 있는 것을 확인할 수 있다.
도 11의 (b)는, 본 발명의 비교예 2에 따라 강유전체층과 고분자 유전체층을 포함하지 않은 경우의 마찰 대전 발전기의 출력 전압을 나타낸 그래프이다.
도 11의 (b)를 참조하면, 강유전체층(120)과 고분자 유전체층(130)을 포함하지 않은 경우 마찰 대전 발전기의 성능이 시간에 따라서 급격히 감소됨을 확인할 수 있다. 이와 같이 마찰 대전 발전기의 출력 전압이 감소된다는 것은, 코로나 방전 처리를 통하여 다층 박막 구조체(100)에 주입된 전하들이 일정 시간 유지되지 못하고, 공기중으로 방전됨을 나타낸다.
한편, 도 7 내지 도 11을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 전하 저장을 위한 다층 박막 구조체(100)를 적용한 마찰 대전 발전기 소자(1000)를 이용하여 마찰 대전 발전을 하는 원리에 대하여 설명한다.
도 7을 참조하면, 마찰 대전 발전기 소자(1000)는 전하 저장을 위한 다층 박막 구조체(100)와 상대 전극층(200)을 포함할 수 있다. 전하 저장을 위한 다층 박막 구조체(100)는 제1기판(110), 강유전체층(120), 고분자 유전체층(130), 전극층(140), 제2기판(150)을 포함할 수 있다.
마찰 대전 발전기 소자(1000)를 적용한 마찰 대전 발전기는 상대 전극층(200)과 제1기판(110)의 접촉 및 마찰시 정전기 대전을 이용하여 전류 흐름을 형성하여 에너지를 생성하도록 할 수 있다. 이때, 상대 전극층(200)은 도전성을 가지는 전극으로 형성될 수 있다.
예를 들어, 상대 전극층(200)이 양전하로 대전되고, 제1기판(110), 강유전체층(120), 고분자 유전체층(130)이 음전하로 대전될 수 있다.
이와 같이 정전기가 대전된 상태에서 상대 전극층(200)과 제1기판(110)의 간격이 벌어지게 되면, 전극층(140)에 양전하가 유도되어 정전기적 평형이 이루어지게 된다. 여기서, 전극층(140)에 양전하가 유도되는 과정에서, 전류가 발생한다. 이러한 전하의 흐름은 전극층(140)에 유도되는 양전하의 양과 제1기판(110), 강유전체층(120), 고분자 유전체층(130)의 음전하의 양이 평형을 이룰 때까지 계속될 수 있다.
여기서, 마찰 대전 발전기는 표면 전하가 많아짐에 따라서 출력이 증가하게 된다. 마찰 대전 발전기의 효율을 증가시키기 위해서, 소자 내의 표면 전하를 증폭할 필요가 있다.
따라서, 강유전체층(120)에 코로나 방전 처리를 수행하여, 전하를 띤 입자를 강제로 주입할 수 있다. 강유전체층(120)에 강한 고전압을 걸어, 공기 중의 산소, 질소 등을 이온화시켜, 전기장으로 이온화된 이온이나 전자는 강유전체층(120) 내부에 흡착된다. 강유전체층(120)은 높은 유전율(high permittivity)을 가진 강유전체 입자를 가지고 있어, 강유전체 입자가 전기장으로 인해 폴링(Poling) 상태를 형성하면서, 과주입된 전하를 유지할 수 있게 된다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 코로나 방전 처리를 하는 경우에 강한 고전압을 인가하게 되므로 강유전체층(120)에 전하가 과주입된 상태로 유지되고 있어, 마찰 대전 발전기 소자(1000)를 적용한 마찰 대전 발전기의 출력 전압 및 전류의 크기가 크다는 것을 확인할 수 있다.
한편, 강유전체층(120)에 코로나 방전 처리로 전하를 주입하여, 강유전체 입자에 흡착된 전자와 이온들이 다양한 표면 준위(surface state)를 가진 고분자 유전체층(130)의 고분자 유전체 입자와 접촉함으로써, 과주입된 전하를 보다 장시간 동안 마찰 대전 발전기 소자(1000) 내에 유지하도록 붙잡아둘 수 있다.
도 11을 참조하면 강유전체층(120)을 통하여 주입된 전하를 고분자 유전체층(130)에서 장시간 붙잡아 유지할 수 있어, 이들을 포함하는 마찰 대전 발전기의 출력 전압 및 전류의 크기가 도 11(a)와 같이 장시간 동안 유지되는 것을 확인할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 전하 저장을 위한 다층 박막 구조체(100)는 강유전체층(120)에 코로나 방전 처리를 통하여 전하를 주입하고, 강유전체층(120)에 접촉된 고분자 유전체층(130)이 주입된 전하를 장시간 유지하도록 함으로써, 이를 적용한 마찰 대전 발전기의 출력 전압, 전류의 크기를 효율적으로 상승시킬 수 있다.
발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다.
본 발명의 일 측면들은 첨부된 도면에 도시된 실시 예들을 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
100: 전하 저장을 위한 다층 박막 구조체
100-1:제1구조체
100-2:제2구조체
110: 제1기판
120: 강유전체층
130: 고분자 유전체층
140: 전극층
150: 제2기판
200: 상대 전극층
1000: 마찰 대전 발전기 소자

Claims (14)

  1. 제1기판의 일면에 강유전체층을 형성하여 제1구조체를 형성하는 단계;
    제2기판의 일면에 전극층과 고분자 유전체층을 순차적으로 형성하여 제2구조체를 형성하는 단계;
    상기 강유전체층에 코로나 방전 처리(Corona discharge treatment)하여 전하를 주입하는 단계; 및
    상기 강유전체층과 상기 고분자 유전체층을 접촉하도록 배치하여, 상기 제1구조체와 상기 제2구조체를 열, 압력을 가하여 접착시키는 단계;를 포함하되,
    상기 제1기판 및 상기 제2기판은 라미네이트 필름(Laminate Film)으로 형성되고, 상기 강유전체층은 BaTiO3 나노입자로 형성되며, 상기 고분자 유전체층은 PTFE 마이크로 입자로 형성되고,
    상기 제1구조체를 형성하는 단계는, 상기 제1기판의 일면에 강유전체 입자를 용액에 분산된 상태로 분사하여 강유전체층을 형성하고,
    상기 제2구조체를 형성하는 단계는, 상기 제2기판의 일면에 금속 입자를 용액에 분산된 상태로 분사하여 전극층을 형성하고, 상기 전극층의 일면에 고분자 유전체 입자를 용액에 분산된 상태로 분사하여 고분자 유전체층을 형성하며,
    상기 코로나 방전 처리하여 전하를 주입하는 단계는, 금속 탐침과 금속 전극판 사이에 상기 제1구조체를 위치시키고 직류 고전압을 인가하여 저온 플라즈마 영역을 형성하고, 상기 저온 플라즈마 영역으로부터 발생된 전하를 상기 강유전체층에 주입하는, 전하 저장을 위한 다층 박막 구조체 제조 방법.
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  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 직류 고전압의 범위는 2000V 이상이고, 상기 금속 탐침과 상기 금속 전극판 사이의 이격거리는 0.1mm 이상인, 전하 저장을 위한 다층 박막 구조체 제조 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1구조체와 상기 제2구조체를 열, 압력을 가하여 접착하는 단계는,
    90 ~ 120 ℃ 온도, 1MPa 이상의 압력 하에서 수행하는, 전하 저장을 위한 다층 박막 구조체 제조 방법.
  10. 제1기판의 일면에 순차적으로 적층된 강유전체층, 고분자 유전체층, 전극층, 제2기판을 포함하되,
    상기 제1기판 및 상기 제2기판은 라미네이트 필름(Laminate Film)으로 형성되고, 상기 강유전체층은 BaTiO3 나노입자로 형성되고, 상기 고분자 유전체층은 PTFE 마이크로 입자로 형성되고,
    상기 제1기판의 일면에 강유전체 입자를 용액에 분산된 상태로 분사하여 강유전체층을 형성한 제1구조체를 형성하고, 상기 제2기판의 일면에 금속 입자를 용액에 분산된 상태로 분사하여 전극층을 형성하고, 상기 전극층의 일면에 고분자 유전체 입자를 용액에 분산된 상태로 분사하여 고분자 유전체층을 형성한 제2구조체를 형성하여, 상기 제1구조체에 코로나 방전 처리한 후, 코로나 방전 처리한 상기 제1구조체와 제2구조체를 열, 압력을 가하여 접착시키고,
    상기 코로나 방전 처리는, 금속 탐침과 금속 전극판 사이에 상기 제1구조체를 위치시키고 직류 고전압을 인가하여 저온 플라즈마 영역을 형성하고, 상기 저온 플라즈마 영역으로부터 발생된 전하를 상기 강유전체층에 주입하여 코로나 방전 처리하는, 전하 저장을 위한 다층 박막 구조체.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 코로나 방전 처리는,
    상기 강유전체층에 2000V 이상의 직류 고전압을 인가하여 형성된 저온 플라즈마 영역으로부터 발생된 전하를 주입하는, 전하 저장을 위한 다층 박막 구조체.
  12. 삭제
  13. 제10항에 있어서,
    상기 가해지는 열, 압력은 90 ~ 120 ℃ 온도, 1MPa 이상의 압력인, 전하 저장을 위한 다층 박막 구조체.
  14. 제10항에 따른 전하 저장을 위한 다층 박막 구조체를 적용한 마찰 대전 발전기 소자.
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