KR102446126B1

KR102446126B1 - 빗면 구조를 가진 고전력 슬라이딩 모드 마찰전기 발전기 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR102446126B1
Application number: KR1020210124913A
Authority: KR
Inventors: 김태환; 추동철
Original assignee: 한양대학교 산학협력단
Priority date: 2019-10-17
Filing date: 2021-09-17
Publication date: 2022-09-22
Also published as: US11336207B2; US20210119554A1; KR20210118789A; KR20210045661A

Abstract

본 발명의 실시예에 따른 고전력 슬라이딩 모드 마찰전기 발전기는 기판, 기판 상에 형성되는 양전극, 상기 양전극의 상부에 구비되며, 상기 기판으로부터 소정의 각도로 기울어진 양대전체, 상기 양대전체와 대향되게 위치하며, 상기 양대전체와 같은 각도로 기울어진 음대전체, 상기 음대전체의 상부에 구비되며, 상기 음대전체를 지지하는 음전극 및 상기 양대전체 및 상기 음대전체 사이에 형성되고, 탄성체로 형성되며, 상기 양대전체 및 음대전체의 간격을 유지하는 적어도 하나의 스페이서를 제공한다.

Description

빗면 구조를 가진 고전력 슬라이딩 모드 마찰전기 발전기 및 그 제조 방법{HIGH-POWER SLIDING MODE TRIBOELECTRIC NANOGENERATORS WITH AN INCLINED PLANE STRUCTURE AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 빗면 구조를 가진 고전력 슬라이딩 모드 마찰전기 발전기 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 양대전체와 음대전체의 마찰면을 소정의 각도를 갖도록 기울여서 마찰전기를 발생시키는 고전력 슬라이딩 모드 마찰전기 발전기에 대한 기술적 사상을 개시한다.

역학적 에너지를 전기적 에너지로 바꾸는 마찰 전기형 나노발전기(triboelectric nanogenerator; TENG)는 높은 에너지 전환 효율, 낮은 제조 단가, 간단하면서 구부릴 수 있는 구조, 그리고 다양한 물질로 제작 가능하다는 점에서 활발한 연구와 발전이 이루어지고 있다. TENG의 성능은 마찰을 통한 전하 생성량과 양과 음의 전하를 분리하는 과정의 효율에 큰 영향을 받는다.

일반적으로 TENG의 성능을 개선하기 위한 두 가지 방법이 적용되고 있다. 첫 번째는, 확연히 다른 극성을 포함하는 적절한 마찰 물질을 사용하여 마찰 과정에서 생성되는 전하량을 증가시키는 방법이 있고, 두 번째 방법은 마찰층을 마이크로 또는 나노 구조를 포함하는 표면으로 만들거나 나노 스케일로 표면 개질(surface modification)하는 것이다.

특히, 첫 번째 방법에서는 이종의 두 면이 슬라이딩하며 마찰을 일으켜 정전기 전위차를 발생시키고 이에 따라 유도 전류가 발전하는 슬라이딩 모드 마찰전기 발전기 또한 제안 되었다.

그러나, 종래의 상하 운동으로부터 에너지 수집을 위한 CS 모드(contact separation mode)로 동작하는 마찰발전기는 양극 대전체의 접촉시에만 전하를 발전하는 원리로 전력효율이 낮은 문제점이 있다.

반면에, 슬라이딩 모드로 동작하는 마찰전기 발전기는 두 대전체가 이동하는 동안 지속적으로 전하가 발생되어 전력효율이 증가할 수 있는 구조를 가지고 있다. 이에 따라, 슬라이딩 모드로 동작하는 마찰전기 발전기에 대한 연구가 진행되고 있다.

한국공개특허 제10-2015-0134363호, "슬라이드 마찰식 나노발전기 및 발전 방법" 한국등록특허 제10-1821585호, "슬라이드 마찰식 발전기, 발전 방법 및 백터 변위 센서" 한국등록특허 제10-1685182호, "접촉 대전 발전기 및 그 제조 방법"

본 발명은 외력이 가해지는 왕복운동에서 전력을 수집하는 구조에서 종래기술의 CS(contact separation) 모드(mode)의 마찰전기 발전기에 비해 발전 효율이 향상된 고전력 슬라이딩 모드 마찰전기 발전기 및 그 제조 방법을 제공하고자 한다.

본 발명은 왕복운동의 종점에서만 전하를 생산하는 CS 모드에 비해 빗면에 의해 왕복운동을 하는 동안 지속적으로 전하를 생산하는 고전력 슬라이딩 모드 마찰전기 발전기 및 그 제조 방법을 제공하고자 한다.

본 발명은 신발 또는 통행이 많은 장소의 바닥에 설치하여 전력을 수집할 수 있는 고전력 슬라이딩 모드 마찰전기 발전기 및 그 제조 방법을 제공하고자 한다.

일실시예에 따른 고전력 슬라이딩 모드 마찰전기 발전기는 기판, 기판 상에 형성되며 마찰로 발생된 양전하를 부하로 전달하는 양전극, 상기 양전극의 상부에 구비되며, 상기 기판으로부터 소정의 각도로 기울어지고, 상기 기판의 평면방향으로 가변하며, 상기 마찰로 발생된 상기 양전하를 상기 양전극으로 전달하는 양대전체, 상기 양대전체와 대향되게 위치하며, 상기 양대전체와 같은 각도로 기울어지고, 외력의 의해 상기 양대전체와 상기 마찰을 일으킬 경우 상기 외력의 방향과 상기 기울어진 마찰 방향의 차이를 통해 상기 양대전체와의 접촉을 유지시켜 마찰이 일어나는 동안 지속적으로 음전하가 발생하는 음대전체, 상기 음대전체의 상부에 구비되며, 상기 음대전체를 지지하고, 상기 음대전체에서 상기 마찰로 상기 발생된 음전하를 부하로 전달하는 음전극 및 상기 양대전체 및 상기 음대전체 사이에 형성되고, 탄성체로 형성되며, 상기 양대전체 및 음대전체의 간격을 유지하는 적어도 하나의 스페이서를 포함한다.

일실시예에 따른 양대전체 및 상기 음대전체의 위치가 상기 스페이서를 통해 초기 위치로 복원되며, 상기 복원된 양대전체 및 음대전체의 위치에너지 및 상기 스페이서의 탄성에너지를 전기에너지로 변환할 수 있다.

일실시예에 따른 상기 양대전체와 상기 양전극 사이에 구비되며, 상기 양전하의 손실을 방지하기 위한 제1기능층을 더 포함할 수 있다.

일실시예에 따른 음대전체와 상기 음전극 사이에 구비되며, 상기 음전하의 손실을 방지하기 위한 제2기능층을 더 포함할 수 있다.

일실시예에 따른 양대전체는 glass, mica, nylon, wool, fur, lead, silk, aluminum, paper, cotton, steel, wood, amber, epoxy, nickel, copper, silver, gold, sulfur 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.

일실시예에 따른 음대전체는 silicon rubber, teflon, polydimethylsiloxane, polyvinyl chloride, polyethylene teraphtalate, polypropylene, polyethylene, polyurethane, cellophane tape, polystyrene, saran, polyvinyl alcohol, polymethylmethacrylate 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.

일실시예에 따른 음대전체는 graphene, graphene oxide, MoS2, MoSe2, WS2, WSe2 중 적어도 어느 하나를 포함하며, 상기 음대전체의 음전하를 트랩(trap)할 수 있다.

일실시예에 따른 각도는 30도에서 70도의 범위를 포함할 수 있다.

일실시예에 따른 스페이서는 탄성부재를 포함할 수 있다.

일실시예에 따른 고전력 슬라이딩 모드 마찰전기 발전기의 제조 방법은 기판을 형성하는 단계, 기판 상에 형성되며 마찰로 발생된 양전하를 부하로 전달하는 양전극을 형성하는 단계, 상기 양전극의 상부에 구비되며, 상기 기판으로부터 소정의 각도로 기울어지고, 상기 기판의 평면방향으로 가변하며, 상기 마찰로 발생된 상기 양전하를 상기 양전극으로 전달하는 양대전체을 형성하는 단계, 상기 양대전체와 대향되게 위치하며, 상기 양대전체와 같은 각도로 기울어지고, 외력의 의해 상기 양대전체와 상기 마찰을 일으킬 경우 상기 외력의 방향과 상기 기울어진 마찰 방향의 차이를 통해 상기 양대전체와의 접촉을 유지시켜 마찰이 일어나는 동안 지속적으로 음전하가 발생하는 음대전체을 형성하는 단계, 상기 음대전체의 상부에 구비되며, 상기 음대전체를 지지하고, 상기 음대전체에서 상기 마찰로 상기 발생된 음전하를 부하로 전달하는 음전극을 형성하는 단계 및 상기 양대전체 및 상기 음대전체 사이에 형성되고, 탄성체로 형성되며, 상기 양대전체 및 음대전체의 간격을 유지하는 적어도 하나의 스페이서을 형성하는 단계를 포함한다.

일실시예에 따른 양대전체 및 음대전체의 위치가 상기 스페이서를 통해 초기 위치로 복원되며, 상기 복원된 양대전체 및 음대전체의 위치에너지 및 상기 스페이서의 탄성에너지를 전기에너지로 변환할 수 있다.

일실시예에 따른 고전력 슬라이딩 모드 마찰전기 발전기의 동작 방법은 하부에 양전극이 연결되어 기판 상에서 소정의 각도로 기울어진 양대전체와 상부에 음전극을 연결된 음대전체의 거리를 유지하는 단계, 상기 기판에 수직하는 방향으로 상기 양대전체와 상기 음대전체가 가까워지도록 외력을 인가하는 단계, 상기 인가된 외력에 따라 상기 양대전체와 상기 음대전체가 접촉을 유지하며 슬라이딩하는 단계, 상기 슬라이딩 과정에서 발생하는 마찰력이 상기 양대전체와 상기 음대전체에서 지속적으로 각각 양전하 및 음전하로 발생하는 단계 및 상기 변환된 양전하 및 음전하를 외부회로로 전달하여 충전하는 단계를 포함한다.

일실시예에 따른 양대전체는 glass, mica, nylon, wool, fur, lead, silk, aluminum, paper, cotton, steel, wood, amber, epoxy, nickel, copper, silver, gold, sulfur 중 적어도 어느 하나를 포함하며, 음대전체는 silicon rubber, teflon, polydimethylsiloxane, polyvinyl chloride, polyethylene teraphtalate, polypropylene, polyethylene, polyurethane, cellophane tape, polystyrene, saran, polyvinyl alcohol, polymethylmethacrylate 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.

일실시예에 따른 고전력 슬라이딩 모드 마찰전기 발전기는 기판, 기판 상에 소정의 각도로 기울어져 나선형태로 형성되며, 마찰로 발생된 양전하를 부하로 전달하는 양전극, 상기 양전극의 상부에 구비되며, 외력에 의해 압착되는 경우 나선방향으로 회전하며, 마찰로 발생된 상기 양전하를 상기 양전극으로 전달하는 양대전체; 상기 양대전체와 대향되게 위치하며, 상기 양대전체와 같은 각도의 나선형태로 형성되며, 외력에 의해 상기 양대전체와 마찰을 일으키며 나선운동을 하고, 상기 나선운동을 하는 동안 상기 양대전체와의 접촉이 유지되며 음전하를 발생하는 음대전체, 상기 음대전체의 상부에 구비되며, 상기 음대전체를 지지하고, 상기 음대전체에서 상기 마찰로 발생된 음전하를 부하로 전달하는 음전극 및 상기 양대전체 및 상기 음대전체 사이에 형성되고, 탄성체로 형성되며, 상기 양대전체 및 음대전체의 간격을 유지하는 적어도 하나의 스페이서를 포함한다.

일실시예에 따른 양대전체 및 상기 음대전체의 위치가 상기 스페이서를 통해 초기 위치로 복원되며, 상기 복원된 양대전체 및 음대전체의 위치에너지와 상기 스페이서의 탄성에너지를 전기에너지로 변환할 수 있다.

일실시예에 따른 상기 양대전체와 상기 양전극 사이에 구비되며, 상기 양전하의 손실을 방지하기 위한 제1기능층 및 상기 음대전체와 상기 음전극 사이에 구비되며, 상기 음전하의 손실을 방지하기 위한 제2기능층을 더 포함할 수 있다.

일실시예에 따른 상기 양대전체 및 상기 음대전체는 마찰면에 나노구조를 포함하고, 상기 포함된 나노구조는 마찰면적을 증가시킬 수 있다.

일실시예에 따른 상기 나노구조는 인공적으로 형성되거나 자가조립방법에 의해 형성될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 외력이 가해지는 왕복운동에서 전력을 수집하는 구조에서 종래기술의 CS(contact separation) 모드(mode)의 마찰전기 발전기에 비해 발전 효율이 향상된 고전력 슬라이딩 모드 마찰전기 발전기 및 그 제조 방법을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 왕복운동의 종점에서만 전하를 생산하는 CS 모드에 비해 빗면에 의해 왕복운동을 하는 동안 지속적으로 전하를 생산하는 고전력 슬라이딩 모드 마찰전기 발전기 및 그 제조 방법을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 신발 또는 통행이 많은 장소의 바닥에 설치하여 전력을 수집할 수 있는 고전력 슬라이딩 모드 마찰전기 발전기 및 그 제조 방법을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고전력 슬라이딩 모드 마찰전기 발전기의 전체적인 동작을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 고전력 슬라이딩 모드 마찰전기 발전기의 이미지를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 고전력 슬라이딩 모드 마찰전기 발전기의 출력전압 그래프를 도시한 것이다.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 일실시예에 따른 고전력 슬라이딩 모드 마찰전기 발전기의 다중 빗면 구조를 도시한 것이다.
도 5은 본 발명의 실시예에 따른 고전력 슬라이딩 모드 마찰전기 발전기의 전체적인 동작을 도시한 것이다.

본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되지 않는다.

본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 변경들을 가할 수 있고 여러 가지 형태들을 가질 수 있으므로 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시형태들에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.

제1 또는 제2 등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만, 예를 들어 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 표현들, 예를 들어 "~사이에"와 "바로~사이에" 또는 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함으로 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 특허출원의 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고전력 슬라이딩 모드 마찰전기 발전기(100)의 전체적인 동작을 도시한 것이다.

본 발명의 실시예에 따른 고전력 슬라이딩 모드 마찰전기 발전기는 기판(101), 기판(101) 상에 형성되는 양전극(102), 양전극(102)의 상부에 구비되며, 기판(101)으로부터 소정의 각도(120)로 기울어진 양대전체(103), 양대전체(103)와 대향되게 위치하며, 양대전체(103)와 같은 각도(120)로 기울어진 음대전체(105), 음대전체(105)의 상부에 구비되며, 상기 음대전체(105)를 지지하는 음전극(106) 및 양대전체(103) 및 음대전체(105) 사이에 형성되고, 탄성체로 형성되며, 양대전체(103) 및 음대전체(105)의 간격을 유지하는 적어도 하나의 스페이서를 포함한다.

또한, 기판(101)은 양전극(102)과 양대전체(103)를 지지하고, 양전극(102)과 양대전체(103)를 기판(101)으로부터 소정의 각도(120)로 기울어져 형성될 수 있다.

기판(101)은 스페이서와 연결되어 양대전체(103)와 음대전체(105)의 사이를 일정한 간격으로 유지할 수 있다.

기판(101)은 평평한 면으로 형성되거나, 평평한 면을 포함하되, 평평한 면의 형상에 한정되지 않을 수 있다.

기판(101)은 금속 기판 또는 고분자 기판이 사용될 수 있고, 예를 들어, 기판(101)은 실리콘 웨이퍼 또는 글라스와 같은 단단한 재질을 포함할 수 있지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 제1기판(101)은 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에스테르(PE), 폴리에스테르설폰(PES), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN) 또는 캡톤(Kapton)과 같은 유연한 재질을 포함할 수도 있다.

실시예에 따라, 기판(101)은 양대전체(103)로 사용될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 양전극(102)은 기판(101)의 상부에 형성될 수 있고, 전기 전도성이 우수한 물질을 포함할 수 있다.

양전극(102)은 그래핀(graphene), 탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT), ITO(Indium Tin Oxide), 금속 및 전도성 폴리머 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있고, 금속은 예를 들면, Ag, Al, Cu, Au, Ni, Cr 및 Pt 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있지만, 이에 제한되지는 않는다.

또한, 양전극(102)은 단층 구조 또는 복수의 층 구조로 형성될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 고전력 슬라이딩 모드 마찰전기 발전기(100)는 양전극(102)의 상부에 구비되며, 기판(101)으로부터 소정의 각도(120)로 기울어진 양대전체(103)를 포함할 수 있다.

양대전체(103)는 glass, mica, nylon, wool, fur, lead, silk, aluminum, paper, cotton, steel, wood, amber, epoxy, nickel, copper, silver, gold 및 sulfur 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있지만 이에 제한되지는 않는다.

양대전체(103)는 외력에 의해 양대전체(103)와 마찰하여 마찰 전기를 발생할 수 있다. 여기서, 양대전체(103)는 양전극(102) 및 음전극(106) 사이에 구비되고, 고분자 물질 및 나노 물질을 포함할 수 있다.

양대전체(103)에 발생되는 양전하의 수는 양대전체(103)의 두께 및 면적에 의해 제어 될 수 있으며, 또한, 양대전체(103)는 기판(101)과의 기울어진 각도의 조절을 통해 발생되는 양전하의 수를 제어할 수 있다.

여기서, 각도(120)는 30도에서 70도의 범위를 포함할 수 있고, 바람직하게는 45도에서 55도의 범위에서 가장 효율적인 에너지 수집 효율을 가질 수 있다.

보다 구체적으로, 양대전체(103)의 두께가 증가될수록 더 많은 양전하를 발생 및 트랩할 수 있으며, 양대전체(103)에 마찰에 의해 발생되는 양전하의 수를 증가될 수 있다.

또한, 양대전체(103)는 양전극(102) 및 양대전체(103) 사이에 구비되며, 양전하의 손실을 방지하기 위한 제1기능층을 더 포함할 수 있다.

제1기능층(104)은 양대전체(103)와 음대전체(105) 간의 마찰에 의해 양대전체에서 생성된 양전하가 양대전체의 내부 및 표면에서 손실되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 제1기능층(104)은 양대전체(103)와 음대전체(105) 간의 마찰에 의해 양대전체(103)에서 생성된 양전하가 양대전체(103)와 연결된 양전극(102)으로 이동하는 효율을 증가시킬 수 있다.

제1기능층(104)은 강력한 양전하 트랩성과 넓은 표면적에 의해 양대전체(103)가 마찰에 의해 양전하를 발생하는 과정에서 양전하를 양대전체(103)에서 외부로 누설되어 손실되는 것을 방지할 수 있으며, 누설되는 양전하를 감소시킴으로써 마찰전기 발전기의 효율을 향상시킬 수 있다.

제1기능층(104)은 고분자 물질 또는 나노 물질 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.

고분자 물질은 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리디메틸실록산, 폴리염화비닐, 폴리이미드, 폴리프로필렌 및 플리스티렌 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.

나노 물질은 나노입자, 단일층 결정, 다층 결정, 양자점, 코어-쉘 양자점, 나노와이어, 나노리플, 나노튜브, 나노로드, 나노시트, 나노섬유, 에어로젤 및 나노폼 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.

단일층 결정 및 다층 결정은 이황화 몰리브덴(MoS2), 몰리브덴 디셀레나이드(MoSe2), 질화붕소(BN), 그래핀(grapheme), 텔루르화 몰리브덴(MoTe), 운모(Mica), 이텔루르화 몰리브덴(MoTe2) 및 흑린(black phosphorus) 중 적어도 어느 하나를 포함 할 수 있다.

양자점은 Si, Ge, GaAs, InP, InAs, AlAs, InSb, AlGaxAs1-x, InGaxAs1-x, CdSe, CdTe, ZnSe, ZnTe, CdTexSe1-x, HgTe, HgCdxTe1-x, ZnO, GaN, AlxGa1-xN, SnO2, CuO, Cu2O, C60, Cu2ZnSnS4, CuInS2, SrTiO3, BaTiO3, (Ga1-xMnx)N, (In1-xMnx)N, CsPbCl3, CdTe/ZnTe, 중 적어도 어느 하나를 포함 할 수 있다.

코어-쉘 양자점은 CdSe/CdTe, CdSe/CdS, InP/GaAs, CuInS4/ZnTe, CuInS2/CdS, CdSe/ZnS, Cd1-xZnxTe/ZnTe, GaAs/Si, ZnSe/GaAs, CuInS2/ZnS, Si/SixGe1-x, Au/SiO2, InAs/GaAs, InP/GaAs/InAs 및 CdSe/CdS/ZnS 중 적어도 어느 하나를 포함 할 수 있다.

나노와이어는 CeO2, CdTe, ZnTe, SiO2, Al2O3, ZnO, GaN, TiO2, SnO2, CuO, CuO2 및 CH3NH3PbI3 중 적어도 어느 하나를 포함 할 수 있다.

나노로드는 CeO2, CdTe, ZnTe, ZnO, GaN, TiO2, SnO2, CuxO 및 CuO2 중 적어도 어느 하나를 포함 할 수 있다.

나노리플은 CeO2, CdTe, ZnTe, ZnO, GaN, TiO2, SnO2, CuxO 및 CuO2 중 적어도 어느 하나를 포함 할 수 있다.

나노튜브는 CeO2, CdTe, ZnTe, ZnO, GaN, TiO2, SnO2, CuxO 및 CuO2 중 적어도 어느 하나를 포함 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 고전력 슬라이딩 모드 마찰전기 발전기(100)는 양대전체(103)와 대향되게 위치하며, 양대전체(103)와 같은 각도로 기울어진 음대전체(105)를 포함할 수 있다.

음대전체(105)는 silicon rubber, teflon, polydimethylsiloxane, polyvinyl chloride, polyethylene teraphtalate, polypropylene, polyethylene, polyurethane, cellophane tape, polystyrene, saran, polyvinyl alcohol, polymethylmethacrylate 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있지만 이에 제한되지는 않는다.

또한, 음대전체(105)는 graphene, graphene oxide, MoS2, MoSe2, WS2, WSe2 중 적어도 어느 하나를 포함하며, 상기 음대전체(105)의 음전하를 트랩(trap)할 수 있다.

음대전체(105)는 외력에 의해 양대전체와 마찰하여 마찰 전기를 발생할 수 있다. 여기서, 음대전체(105)는 양전극 및 음전극 사이에 구비되고, 고분자 물질 및 나노 물질을 포함할 수 있다.

음대전체(105)에 발생되는 음전하의 수는 음대전체의 두께 및 면적에 의해 제어 될 수 있으며, 또한, 음대전체(105)는 기판(101)과의 기울어진 각도의 조절을 통해 발생되는 음전하의 수를 제어할 수 있다.

보다 구체적으로, 음대전체(105)의 두께가 증가될수록 더 많은 음전하를 발생 및 트랩할 수 있으며, 양대전체(103)에 마찰에 의해 발생되는 음전하의 수를 증가될 수 있다.

또한, 음대전체(105)는 음전극(106) 및 양대전체(103) 사이에 구비되며, 음전하의 손실을 방지하기 위한 제2기능층(107)을 더 포함할 수 있다.

제2기능층(107)은 양대전체(103)과 음대전체(105) 간의 마찰에 의해 음대전체에서 생성된 음전하가 음대전체의 내부 및 표면에서 손실되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 제2기능층(107)은 양대전체(103)과 음대전체(105) 간의 마찰에 의해 음대전체(105)에서 생성된 음전하가 양대전체(103)와 연결된 음전극으로 이동하는 효율을 증가시킬 수 있다.

제2기능층(107)은 강력한 음전하 트랩성과 넓은 표면적에 의해 음대전체(105)가 마찰에 의해 음전하를 발생하는 과정에서 음전하를 음대전체(105)에서 외부로 누설되어 손실되는 것을 방지할 수 있으며, 누설되는 음전하를 감소시킴으로써 마찰전기 발전기(100)의 효율을 향상시킬 수 있다.

제2기능층(107)은 고분자 물질 또는 나노 물질 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따른 고전력 슬라이딩 모드 마찰전기 발전기(100)는 양대전체(103) 및 음대전체(105) 사이에 형성되고, 탄성체로 형성되며, 양대전체(103) 및 음대전체(105)의 간격을 유지하는 적어도 하나의 스페이서를 포함할 수 있다.

스페이서는 스프링 또는 고분자 물질로 형성될 수 있고, 스페이서는 음대전체과 양대전체를 이격시키기 위해 적정 길이로 형성될 수 있다.

일례로, 바람직하게는, 스페이서는 스프링이 사용될 수 있고, 양대전체(103) 및 음대전체(105) 사이의 가장자리 부분에 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.

접촉 및 마찰을 통해 마찰전기 발전하는 현상은 서로 다른 두 표면이 접촉 할 때, 접촉 대전 현상에 의해 한 쪽 표면에는 양전하가, 다른 표면에는 음전하가 유도된다.

그리고, 이 두 표면이 분리 될 때 앞서 유도된 전하에 의해 전위차가 생성되고 평형상태에 도달하기 위해 두 표면에 연결된 전극 사이에 전자의 흐름이 유도된다.

또한, 평형 상태에 도달한 후 두 표면이 다시 가까워지면 이전과 반대의 전위차가 형성되고 반대 방향의 전자 흐름이 유도되며, 이러한 작동 원리에 기반하여 두 표면의 반복적인 접촉 분리는 반복적인 전압, 전류를 생성한다.

여기서, 전자는 음전하를 의미할 수 있으며, 정공은 양전하를 의미할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 고전력 슬라이딩 모드 마찰전기 발전기는 기본 상태에서는 양전극(102)과 음전극(106) 사이에 전위차가 없기 때문에 음대전체(105)와 양대전체(103)의 각각의 표면에 전하가 없는 상태를 유지할 수 있다.

그러나, 본 발명의 일 실시예에 따른 고전력 슬라이딩 모드 마찰전기 발전기(100)에 외력이 가해져 음대전체(105)와 양대전체(103)가 마찰될 때, 마찰되어 마찰전기 효과에 의해 음대전체(105)와 양대전체(103) 각각의 표면으로 전하가 이동될 수 있다.

마찰전기 생성 과정에 따라, 음대전체는 강한 마찰 음극성을 갖게 되고, 음전하 및 양전하 각각이 음대전체와 양대전체의 표면에 유도될 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 고전력 슬라이딩 모드 마찰전기 발전기(100)는 음대전체(105)와 양대전체(103)가 다시 이격되면, 쌍극자 모멘트가 더 강해지고, 양전극(102)과 음전극 사이(106)에 강한 전위차가 발생될 수 있다. 따라서, 음전하들이 음전위에서 양전위로 흘러 마찰전기 발전기(100)가 발전하게 된다.

또한, 양대전체(103)와 음대전체(105)의 마찰로 인해 각각 음전하와 양전하가 생성되고, 음대전체(105)에 생성된 음전하가 음대전체(105)에 연결된 음전극(106)으로 이동하며, 양대전체(103)에 생성된 양전하가 양대전체(103)에 연결된 양전극(102)으로 이동할 수 있다.

그리고, 외력에 의해 마찰이 발생된 양대전체(103) 및 음대전체(105)의 위치가 스페이서를 통해 원래(초기) 위치로 복원되며, 이는 복원된 양대전체(103) 및 음대전체(105)의 위치에너지 및 스페이서의 탄성에너지를 전기에너지로 변환하기 위함이다.

본 발명의 실시예들에 따른 슬라이딩 모드 마찰전기 발전기(100), 자가 발전형 전자 기기 또는 웨어러블 기기에 사용될 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따른 고전력 슬라이딩 모드 마찰전기 발전기(100)는 양대전체(103) 및 음대전체(105) 중 적어도 어느 하나의 일측에 형성되고, 탄성체로 형성되며, 양대전체(103) 및 음대전체(105)의 마찰면적을 유지하는 적어도 하나의 수평스페이서를 더 포함할 수 있다.

수평스페이서는 스프링 또는 고분자 물질로 형성될 수 있고, 수평스페이서는 음대전체(105)과 양대전체(103)의 마찰면적을 유지시키기 위해 적정 길이로 형성될 수 있다.

일례로, 바람직하게는, 스페이서는 스프링이 사용될 수 있고, 양대전체(103) 및 음대전체(105) 중 적어도 어느 하나의 일측에 형성되며, 가장자리 부분에 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.

또한, 수평스페이서는 양대전체(103)와 음대전체(105)의 마찰전기를 발생시킨 후 양대전체(103)와 음대전체(105)의 접촉면적이 최대로 증가될 경우, 다시 마찰전기를 발생시키기 위해서 양대전체(103)와 음대전체(105)의 접촉면적을 최소 접촉면적으로 복원시킬수 있으며, 일정하게 접촉면적을 유지할 수 있다.

또한, 수평스페이서는 기판(101)을 기준으로 수평으로 양대전체(103) 및 음대전체(105) 중 적어도 어느 하나의 위치를 가변할 수 있다.

수평스페이서는 마찰이 일어나 마찰전기가 발생하고, 마찰전기가 발생된 후에 다시 마찰을 일으키기 위해서, 수평스페이서의 복원력을 통해 기판(101)을 기준으로 양대전체(103) 및 음대전체(105) 중 적어도 어느 하나의 수평방향의 초기 위치로 복원시킬수 있다.

따라서, 스페이서는 양대전체(103) 및 음대전체(105)를 기판(101)을 기준으로 수직방향의 초기 위치로 복원시킬 수 있고, 수평스페이서는 양대전체(103) 및 음대전체(105)의 수평방향의 초기 위치로 복원시킬 수 있다.

따라서, 본 발명의 일실시예에 따른 고전력 슬라이딩 모드 마찰전기 발전기(100)는 양대전체(103) 및 음대전체(105)의 위치가 스페이서 및 수평스페이서를 통해 원래(초기) 위치로 복원되며, 복원된 양대전체(103) 및 음대전체(105)의 위치에너지 및 스페이서의 탄성에너지를 전기에너지로 변환할 수 있다.

일실시예에 따른 고전력 슬라이딩 모드 마찰전기 발전기의 제조 방법은 기판를 형성할 수 있다. 또한, 양전극은 기판 상에 형성되며, 마찰로 발생된 양전하를 부하로 전달할 수 있다.

그리고, 양전극의 상부에 구비되는 양대전체를 형성할 수 있다. 특히, 양대전체는 기판으로부터 소정의 각도로 기울어지고, 기판의 평면방향으로 가변할 수 있다. 양대전체는 마찰로 발생된 양전하를 양전극으로 전달할 수 있다.

또한, 양대전체와 대향되게 위치하는 음대전체를 형성할 수 있다. 특히, 음대전체는 양대전체와 같은 각도로 기울어지고, 외력의 의해 양대전체와 마찰을 일으킬 경우 외력의 방향과 기울어진 마찰 방향의 차이를 통해 양대전체와의 접촉을 유지시켜 마찰이 일어나는 동안 지속적으로 음전하를 발생할 수 있다.

음대전체의 상부에는 음전극이 구비될 수 있다. 음전극은 음대전체를 지지하고, 음대전체에서 마찰로 발생된 음전하를 부하로 전달하는 기능을 수행할 수 있다.

또한, 양대전체 및 상기 음대전체 사이에 형성되고, 탄성체로 형성되며, 상기 양대전체 및 음대전체의 간격을 유지하는 적어도 하나의 스페이서를 형성할 수 있다.

일실시예에 따른 고전력 슬라이딩 모드 마찰전기 발전기의 동작 방법은 기판에 수직하는 방향으로 상기 양대전체와 상기 음대전체의 접촉 면적이 변하도록 외력을 인가하고, 상기 인가된 외력을 통해 상기 외력 방향과 소정의 각도로 기울어진 마찰 방향의 차이로 인해 상기 양대전체와 상기 음대전체 사이에 접촉이 유지되며 접촉면적이 증가하는 방향으로 슬라이딩할 수 있다.

그리고, 슬라이딩 과정에서 마찰력이 발생하는 동안 지속적으로 마찰력이 양전하 및 음전하로 변환되며, 상기 변환된 양전하 및 음전하를 외부회로로 전달하여 충전할 수 있다.

일실시예에 따른 고전력 슬라이딩 모드 마찰전기 발전기의 동작 방법은 하부에 양전극이 연결되어 기판 상에서 소정의 각도로 기울어진 양대전체와 상부에 음전극을 연결된 음대전체의 거리를 유지할 수 있으며, 기판에 수직하는 방향으로 상기 양대전체와 상기 음대전체가 가까워지도록 외력을 인가할 수 있다.

그리고, 인가된 외력에 따라 양대전체와 음대전체가 접촉을 유지하며 슬라이딩할 수 있으며, 슬라이딩 과정에서 발생하는 마찰력이 상기 양대전체와 상기 음대전체에서 지속적으로 각각 양전하 및 음전하로 발생할 수 있다.

또한, 변환된 양전하 및 음전하를 외부회로로 전달하여 충전할 수 있다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 고전력 슬라이딩 모드 마찰전기 발전기(200)의 이미지를 도시한 것이다.

구체적으로, 도 2는 단일 빗면을 포함하는 고전력 슬라이딩 모드 마찰전기 발전기(200)의 이미지이며, 마찰전기 발전기에 대한 슬라이딩 모드 중에 프리 스탠딩 모드(FT-mode, free standing mode) 구조의 고전력 슬라이딩 모드 마찰전기 발전기(200)를 나타내고 있다.

여기서, 일실시예에 따른 고전력 슬라이딩 모드 마찰전기 발전기의 프리 스탠딩 모드 구조는 양전극과 음전극이 양대전체 및 음대전체 중 어느 하나에 모두 구비되는 형태를 의미한다.

일례로, 도 2를 참조하면, 상부 대전체는 음대전체의 물질 중 teflon으로 형성하였고, 하부 대전체는 양대전체의 물질 중 copper로 형성하였다.

또한, 도 2를 참조하면, 하부 대전체에 양전극 및 음전극을 모두 구비하고 있는 구조를 포함할 수 있으며, 상부 대전체에는 전극이 없는 구조를 포함할 수 있다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 고전력 슬라이딩 모드 마찰전기 발전기의 출력전압 그래프를 도시한 것이다.

구체적으로, 도 3은 고전력 슬라이딩 모드 마찰전기 발전기의 FT 모드 구조에 대한 출력전압의 그래프를 도시한 것이다.

또한, FT 모드 구조에서 양대전체와 음대전체의 마찰이 일어나는 마찰면의 각도가 기판으로부터 90도일 때의 평면구조(FT-mode TENG, reference) 및 FT 모드 구조에서 양대전체와 음대전체의 마찰이 일어나는 마찰면의 각도가 기판으로부터 90도 미만일 때의 빗면구조(FT-mode TENG with a tilted face)의 출력전압 그래프를 도시한 것이다.

종래의 CS 모드로 동작하는 마찰전기 발전기는 상하부 대전체의 접촉시에만 전하를 생성하는 원리로 인하여, 대전체가 이동하는 동안에는 출력전압이 발생하지 않아서 전력효율이 낮은 문제가 있다.

그러나. 일실시예에 따른 슬라이딩 모드 마찰전기 발전기는 두 대전체가 이동하는 동안 지속적으로 전하가 발생되어 지속적인 전압를 발생할 수 있고, 이에 따라 전력효율이 증가하는 장점을 가지고 있다.

또한, 빗면 구조의 슬라이딩 모드 마찰전기 발전기는 평면구조의 슬라이딩 모드 마찰전기 발전기보다 발생전압도 상승하고, 대전체가 이동하는 동안 지속적인 전압발생을 나타내고 있다.

이는 빗면 구조의 슬라이딩 모드 마찰전기 발전기는 빗면구조로 인하여, 외력의 힘(F = mg)에 cos

를 곱한 만큼의 힘이 두 대전체의 밀착시키는 방향으로 힘이 작용하고, 작용되는 힘에 의해 대전체가 이동하는 동안 두 대전체 사이에 이격이 발생하지 않는다는 장점이 있다.

상술한 장점으로 인하여 빗면 구조의 슬라이딩 모드 마찰전기 발전기는 평면구조의 슬라이딩 모드 마찰전기 발전기에 비해 대전체가 이동하는 동안 지속적인 전압발생이 나타나고 있으며, 지속적인 전압발생으로 인하여 마찰전기의 전력효율이 증가하는 장점도 있다.

따라서, 접촉 대전 현상을 이용한 마찰전기 발전기는 두 대전체가 접촉할 때에만 마찰전기 발생하므로, 빗면 구조의 슬라이딩 모드 마찰전기 발전기는 종래의 CS 모드의 마찰전기 발전기에 비해 대전체가 이동하는 동안에도 출력전압을 발생한다는 점에서 유리한 효과가 있다.

도 3을 참조하면, FT 모드 구조의 평면구조 및 빗면구조 모두 마찰을 일으키는 동안 지속적으로 전압이 발생되는 특성을 나타내고 있다.그러나, 도 3을 참조하면, FT 모드 구조의 빗면구조의 출력전압이 FT 모드 구조의 평면구조의 출력전압보다 향상된 출력전압을 나타내고 있다.

또한, 빗면구조의 출력 전압이 외력(F = mg)에 cos

를 곱한 만큼의 힘으로 두 대전체를 접촉을 유지시키며, 외력(F = mg)에 sin

를 곱한 만큼의 힘으로 빗면을 따라 운동하여 마찰을 일으키는 장점이 있다.또한, 상술한 장점으로 대전체가 이동하는 동안에 접촉을 유지하는 동시에 대전체가 일정한 힘으로 마찰을 일으킬 수 있는 동력을 얻을 수 있다.

도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 일실시예에 따른 고전력 슬라이딩 모드 마찰전기 발전기의 다중 빗면 구조(410, 420)를 도시한 것이다.

구체적으로, 도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일실시예에 따른 고전력 슬라이딩 모드 마찰전기 발전기의 다중 빗면 구조를 포함하는 마찰전기 발전기(410, 420)의 개략도를 도시한 것이다.도 4a 및 도 4b를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 고전력 슬라이딩 모드 마찰전기 발전기(410, 420)는 상판, 중간판, 하판을 포함한다.

상판, 중간판 및 하판의 마찰면(430)은 발전 효율 증진을 위해 평평한 면이거나 수mm 크기의 굴곡 형태를 가질 수 있다.

도 4c를 참조하면, 마찰면(430)의 굴곡 형태는 상판, 중간판 및 하판의 마찰면(430)에 동일한 형태를 가져야 하며, 도 4c와 같은 물결형태를 가질 수 있으며 직각형태 및 삼각형태와 같은 다양한 형태의 표면구조를 가질 수 있다.

일례로, 상판, 중간판 및 하판의 마찰면(430)은 빗살무늬, 체크무늬, 줄무늬, 돌출무늬 및 물결무늬 중 적어도 하나일 수 있으며, 이에 전술한 무늬에 한정되지 않고 다양한 무늬가 마찰면(430)에 적용되어 형성될 수 있다.

이러한 마찰면(430)의 굴곡은 마찰전기가 발생하는 마찰면(430)의 접촉면적을 증가시켜서 발전 전력을 향상시킬 수 있다.

도 4d를 참조하면, 상판, 중간판 및 하판의 마찰면(430)에 형성된 나노구조로써, 마찰면적을 더욱더 증가시켜서 발전 전력을 향상시킬 수 있다.

마찰면(430)의 나노구조가 인공적으로 형성되거나 자가조립방법에 의해 형성될 수 있다.

도 4a를 참조하면, 상판에 외력이 가해지는 경우, 상판은 외력과 같은 방향으로 가변되며, 중간판은 외력과 수직방향으로 가변되는 동시에 외력과 같은 방향으로 가변되는 것으로 나타나고 있다.

도 4b를 참조하면, 상판은 외력의 반대방향으로 스페이서의 복원력이 전달되어 상판의 초기 위치로 복원되며, 중간판은 외력의 반대방향으로 스페이서의 복원력이 전달되는 동시에 외력의 수직반대방향으로 수평스페이서의 복원력이 전달되어 중간판의 초기 위치로 복원되는 것을 나타내고 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 도 4a 및 도 4b의 다중 빗면 구조는 복수의 빗면을 포함하는 상판, 상판과 동일한 복수의 빗면을 포함하는 하판 및 상판 및 하판과 대응되는 복수의 빗면을 포함하는 중간판을 포함할 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 도 4a 및 도 4b의 다중 빗면 구조는 복수의 빗면에서 마찰이 발생하고, 이로부터 전하가 발생하여 전력을 수집할 수 있다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 도 4a 및 도 4b의 다중 빗면 구조는 빗면 수의 조절을 통해 발전효율을 증가시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 도 4a 및 도 4b의 다중 빗면 구조는 빗면 각도의 조절를 통해 발전효율을 증가시킬 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 도 4a 및 도 4b의 다중 빗면 구조는 복수의 기판을 3층 이상의 적층을 통해 발전효율을 증가시킬 수 있다.

도 5은 본 발명의 일실시예에 따른 고전력 슬라이딩 모드 마찰전기 발전기(500)의 전체적인 동작을 도시한 것이다.

본 발명의 일실시예에 따른 고전력 슬라이딩 모드 마찰전기 발전기(500)는 기판(501), 기판(501) 상에 소정의 각도로 기울어져 나선형태로 형성되는 양전극(502), 양전극(502)의 상부에 구비되며, 외력에 의해 압착되는 경우 나선방향으로 회전하며, 마찰로 발생된 양전하를 양전극(502)으로 전달하는 양대전체(503), 양대전체(503)와 대향되게 위치하는 음대전체(505), 음대전체의 상부에 구비되는 음전극(506) 및 양대전체(503) 및 음대전체(505) 사이에 형성되는 적어도 하나의 스페이서(509)를 포함한다.

또한, 음전극(506)은 상부 기판(508)과 소정의 각도를 이루며 연결되어 있을 수 있다.

기판(501)은 도 1에서 상술하였으므로 생략하기로 한다.

양전극(502)은 단층 구조 또는 복수의 층 구조로 형성될 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 고전력 슬라이딩 모드 마찰전기 발전기(500)의 양전극(502)은 기판(501) 상에 소정의 각도로 기울어져 나선형태로 형성되며, 마찰로 발생된 양전하를 부하로 전달할 수 있다.

양대전체(503)는 양전극(502)의 상부에 구비되며, 외력에 의해 압착되는 경우 나선방향으로 회전하며, 마찰로 발생된 양전하를 양전극(502)으로 전달할 수 있다.

양대전체(503)는 glass, mica, nylon, wool, fur, lead, silk, aluminum, paper, cotton, steel, wood, amber, epoxy, nickel, copper, silver, gold 및 sulfur 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있지만 이에 제한되지는 않는다.

양대전체(503)는 외력에 의해 양대전체와 마찰하여 마찰 전기를 발생할 수 있다. 여기서, 양대전체(503)는 양전극(502) 및 음전극(506) 사이에 구비되고, 고분자 물질 및 나노 물질을 포함할 수 있다.

고분자 물질 및 나노 물질은 자가정렬이나 인위적으로 표면에 거칠도를 조절할 수 있으며, 도 4d와 같이 규칙적 또는 불규칙적 패턴으로 형성될 수 있다.

양대전체(503)에 발생되는 양전하의 수는 양대전체(503)의 두께 및 면적에 의해 제어 될 수 있으며, 또한, 양대전체(503)는 기판과의 기울어진 각도의 조절을 통해 발생되는 양전하의 수를 제어할 수 있다.

여기서, 각도는 30도에서 70도의 범위를 포함할 수 있고, 바람직하게는 45도에서 55도의 범위에서 가장 효율적인 에너지 수집 효율을 가질 수 있다.

보다 구체적으로, 양대전체(503)의 두께가 증가될수록 더 많은 양전하를 발생 및 트랩할 수 있으며, 양대전체(503)에 마찰에 의해 발생되는 양전하의 수를 증가될 수 있다.

또한, 양대전체(503)는 양전극(502) 및 양대전체(503) 사이에 구비되며, 양전하의 손실을 방지하기 위한 제1기능층(504)을 더 포함할 수 있다.

제1기능층(504)은 양대전체(503)와 음대전체(505) 간의 마찰에 의해 양대전체(503)에서 생성된 양전하가 양대전체(503)의 내부 및 표면에서 손실되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 제1기능층(504)은 양대전체(503)와 음대전체(505) 간의 마찰에 의해 양대전체(503)에서 생성된 양전하가 양대전체(503)와 연결된 양전극으로 이동하는 효율을 증가시킬 수 있다.

제1기능층(504)은 강력한 양전하 트랩성과 넓은 표면적에 의해 양대전체(503)가 마찰에 의해 양전하를 발생하는 과정에서 양전하를 양대전체(503)에서 외부로 누설되어 손실되는 것을 방지할 수 있으며, 누설되는 양전하를 감소시킴으로써 마찰전기 발전기(500)의 효율을 향상시킬 수 있다.

제1기능층(504)은 고분자 물질 또는 나노 물질 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.

고분자 물질 또는 나노 물질의 종류는 도 1에서 전술하였으므로 생략하기로 한다.

음대전체(505)는 양대전체(503)와 대향되게 위치하며, 양대전체(503)와 같은 각도의 나선형태로 형성되며, 외력에 의해 양대전체(503)와 마찰을 일으키며 나선운동을 할 수 있다.

음대전체(505)는 나선운동을 하는 동안 양대전체(503)와의 접촉이 유지되며 지속적으로 음전하를 발생할 수 있다.

양대전체(503) 및 음대전체(505)의 위치가 스페이서(509)를 통해 초기 위치로 복원되며, 복원된 양대전체(503) 및 음대전체(505)의 위치에너지와 스페이서(509)의 탄성에너지를 전기에너지로 변환할 수 있다.

음대전체(505)는 silicon rubber, teflon, polydimethylsiloxane, polyvinyl chloride, polyethylene teraphtalate, polypropylene, polyethylene, polyurethane, cellophane tape, polystyrene, saran, polyvinyl alcohol, polymethylmethacrylate 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있지만 이에 제한되지는 않는다.

또한, 음대전체(505)는 graphene, graphene oxide, MoS2, MoSe2, WS2, WSe2 중 적어도 어느 하나를 포함하며, 상기 음대전체(505)의 음전하를 트랩(trap)할 수 있다.

음대전체(505)는 외력에 의해 양대전체(503)와 마찰하여 마찰 전기를 발생할 수 있다. 여기서, 음대전체(505)는 양전극(502) 및 음전극(506) 사이에 구비되고, 고분자 물질 및 나노 물질을 포함할 수 있다.

음대전체(505)에 발생되는 음전하의 수는 음대전체(505)의 두께 및 면적에 의해 제어 될 수 있으며, 또한, 음대전체(505)는 기판과의 기울어진 각도의 조절을 통해 발생되는 음전하의 수를 제어할 수 있다.

보다 구체적으로, 음대전체(505)의 두께가 증가될수록 더 많은 음전하를 발생 및 트랩할 수 있으며, 양대전체(503)에 마찰에 의해 발생되는 음전하의 수를 증가될 수 있다.

또한, 음대전체(505)는 음전극(506) 및 양대전체(503) 사이에 구비되며, 음전하의 손실을 방지하기 위한 제2기능층(507)을 더 포함할 수 있다.

제2기능층은 양대전체(503)과 음대전체(505) 간의 마찰에 의해 음대전체(505)에서 생성된 음전하가 음대전체(505)의 내부 및 표면에서 손실되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 제2기능층(507)은 양대전체(503)과 음대전체(505) 간의 마찰에 의해 음대전체(505)에서 생성된 음전하가 양대전체(503)와 연결된 음전극으로 이동하는 효율을 증가시킬 수 있다.

제2기능층(507)은 강력한 음전하 트랩성과 넓은 표면적에 의해 음대전체(505)가 마찰에 의해 음전하를 발생하는 과정에서 음전하를 음대전체(505)에서 외부로 누설되어 손실되는 것을 방지할 수 있으며, 누설되는 음전하를 감소시킴으로써 마찰전기 발전기의 효율을 향상시킬 수 있다.

제2기능층은 고분자 물질 또는 나노 물질 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따른 고전력 슬라이딩 모드 마찰전기 발전기(500)는 양대전체(503) 및 음대전체(505) 사이에 형성되고, 탄성체로 형성되며, 양대전체 및 음대전체의 간격을 유지하는 적어도 하나의 스페이서(509)를 포함할 수 있다.

스페이서(509)는 스프링 또는 탄성체로 형성될 수 있고, 스페이서(509)는 음대전체(505)과 양대전체(503)를 이격시키기 위해 적정 길이로 형성될 수 있다.

일례로, 바람직하게는, 스페이서(509)는 스프링이 사용될 수 있고, 나선형의 양대전체(503) 및 나선형의 음대전체(505) 사이의 가장자리 부분에 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.

일례로, 스페이서(509)는 스프링이 사용될 수 있고, 나선형의 양대전체(503) 및 음대전체(505)의 중심 부분에 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 고전력 슬라이딩 모드 마찰전기 발전기(500)는 기본 상태에서는 양전극과 음전극 사이에 전위차가 없기 때문에 음대전체(505)와 양대전체(503)의 각각의 표면에 전하가 없는 상태를 유지할 수 있다.

그러나, 본 발명의 일실시예에 따른 고전력 슬라이딩 모드 마찰전기 발전기(500)에 외력이 가해져 음대전체(505)와 양대전체(503)가 마찰될 때, 마찰되어 마찰전기 효과에 의해 음대전체(505)와 양대전체(503) 각각의 표면으로 전하가 이동될 수 있다.

마찰전기 생성 과정에 따라, 음대전체(505)는 강한 마찰 음극성을 갖게 되고, 음전하 및 양전하 각각이 음대전체(505)와 양대전체(503)의 표면에 유도될 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 고전력 슬라이딩 모드 마찰전기 발전기(500)는 음대전체(505)와 양대전체(503)가 다시 이격되면, 쌍극자 모멘트가 더 강해지고, 양전극과 음전극 사이에 강한 전위차가 발생될 수 있다. 따라서, 음전하들이 음전위에서 양전위로 흘러 마찰전기 발전기(500)가 발전하게 된다.

또한, 양대전체(503)와 음대전체(505)의 마찰로 인해 각각 음전하와 양전하가 생성되고, 음대전체(505)에 생성된 음전하가 음대전체(505)에 연결된 음전극으로 이동하며, 양대전체(503)에 생성된 양전하가 양대전체(503)에 연결된 양전극으로 이동할 수 있다.

그리고, 외력에 의해 마찰이 발생된 양대전체(503) 및 음대전체(505)의 위치가 스페이서(509)를 통해 원래(초기) 위치로 복원되며, 이는 복원된 양대전체(503) 및 음대전체(505)의 위치에너지 및 스페이서(509)의 탄성에너지를 전기에너지로 변환하기 위함이다.

본 발명의 실시예들에 따른 슬라이딩 모드 마찰전기 발전기(500), 자가 발전형 전자 기기 또는 웨어러블 기기에 사용될 수 있다.

일례로, 양대전체(503) 및 음대전체(505)의 마찰면은 발전 효율 증진을 위해 평평한 면이거나 수mm 크기의 굴곡 형태를 가질 수 있다.

양대전체(503)의 마찰면의 굴곡 형태는 음대전체의 마찰면에 동일한 형태를 가져야 하며, 마찰면의 물결형태를 가질 수 있으며 직각형태 및 삼각형태와 같은 다양한 형태의 표면구조를 가질 수 있다.

이러한 마찰면의 굴곡은 마찰전기가 발생하는 마찰면의 접촉면적을 증가시켜서 발전 전력을 향상시킬 수 있다.

또한, 나선형 마찰면의 회전형 발전기(500)는 직선형 발전기에 비해 마찰이 일어나는 이동거리를 증가시킬 수 있으며, 마찰발전에 의한 전력생산시간도 증가시킬 수 있다.

또한, 양대전체 및 음대전체의 마찰면에 형성된 나노구조가 포함되고, 나노구조를 포함하는 마찰면적을 더욱더 증가시켜서 발전 전력을 향상시킬 수 있다.

마찰면의 나노구조는 인공적으로 형성되거나 자가조립방법에 의해 형성될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 외력이 가해지는 왕복운동에서 전력을 수집하는 구조에서 종래기술의 CS(contact separation) 모드(mode)의 마찰전기 발전기에 비해 발전 효율이 향상된 고전력 슬라이딩 모드 마찰전기 발전기를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 왕복운동의 종점에서만 전하를 생산하는 CS 모드에 비해 빗면에 의해 왕복운동을 하는 동안 지속적으로 전하를 생산하는 고전력 슬라이딩 모드 마찰전기 발전기를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 신발 또는 통행이 많은 장소의 바닥에 설치하여 전력을 수집할 수 있는 고전력 슬라이딩 모드 마찰전기 발전기를 제공할 수 있다.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims

하부 기판 및 상부 기판;
상기 하부 기판의 일측에 물리적으로 고정 형성되며 마찰로 발생된 양전하를 부하로 전달하고, 소정의 각도로 기울어져 나선형태로 형성되는 양전극;
상기 양전극의 상부에 구비되며, 상기 기판으로부터 소정의 각도로 기울어지고, 외력에 의해 압착되는 경우 나선방향으로 회전하며, 상기 마찰로 발생된 상기 양전하를 상기 양전극으로 전달하는 양대전체;
상기 상부 기판의 일측에 물리적으로 고정되며, 상기 양대전체와 대향되게 위치하며, 상기 양대전체와 같은 각도로 기울어져 나선형태로 형성되고, 외력에 의해 상기 양대전체와 상기 마찰을 일으킬 경우 상기 외력의 방향과 상기 기울어진 마찰 방향의 차이를 통해 상기 양대전체와의 접촉을 유지시켜 상기 나선방향으로 회전하며, 마찰이 일어나는 동안 지속적으로 음전하가 발생하는 음대전체;
상기 음대전체의 상부에 구비되며, 상기 음대전체를 지지하고, 상기 소정의 각도로 기울어져 나선형태로 형성되며, 상기 음대전체에서 상기 마찰로 상기 발생된 음전하를 부하로 전달하는 음전극;
상기 하부 기판과 상기 상부 기판의 간격이 상기 외력에 의해서 가까워지거나, 탄성체에 의해서 멀어지게 조절되도록 상기 하부 기판과 상기 상부 기판의 중심에서 형성되되, 상기 하부 기판과 상기 상부 기판의 간격이 가까워지는 경우에는 상기 하부 기판에 물리적으로 고정된 상기 양대전체와 상기 상부 기판에 물리적으로 고정된 상기 음대전체가 서로 나선방향으로 회전하면서 마찰이 일어나고,
상기 하부 기판과 상기 상부 기판의 간격이 멀어지는 경우에는 나선방향의 반대로 회전하면서 마찰이 일어나도록 하는 스페이서;
상기 양대전체와 상기 양전극 사이에 구비되며, 상기 양전하의 손실을 방지하기 위한 제1기능층; 및
상기 음대전체와 상기 음전극 사이에 구비되며, 상기 음전하의 손실을 방지하기 위한 제2기능층
을 포함하고,
상기 제1기능층 및 상기 제2기능층 중에서 적어도 하나는,
폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리디메틸실록산, 폴리염화비닐, 폴리이미드, 폴리프로필렌 또는 플리스티렌 중에서 적어도 하나를 포함하는 고분자 물질, 또는 나노입자, 단일층 결정, 다층 결정, 양자점, 코어-쉘 양자점, 나노와이어, 나노리플, 나노튜브, 나노로드, 나노시트, 나노섬유, 에어로젤 및 나노폼 중 적어도 하나를 포함하는 나노 물질을 포함하고,
상기 양대전체 또는 상기 음대전체의 위치가 상기 스페이서를 통해 초기 위치로 복원되되, 상기 스페이서가 상기 양대전체 또는 상기 음대전체에 발생한 상기 외력의 반대방향, 또는 상기 외력의 수직반대방향으로 복원력을 전달함에 따라, 상기 양대전체 또는 상기 음대전체의 위치가 복원되며, 상기 복원된 양대전체 또는 상기 음대전체의 위치에너지 및 상기 스페이서의 탄성에너지를 전기에너지로 변환하기 위한 고전력 슬라이딩 모드 마찰전기 발전기.
제1항에 있어서,
상기 양대전체는,
glass, mica, nylon, wool, fur, lead, silk, aluminum, paper, cotton, steel, wood, amber, epoxy, nickel, copper, silver, gold, sulfur 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 고전력 슬라이딩모드 마찰전기 발전기.
제1항에 있어서,
상기 음대전체는,
silicon rubber, teflon, polydimethylsiloxane, polyvinyl chloride, polyethylene teraphtalate, polypropylene, polyethylene, polyurethane, cellophane tape, polystyrene, saran, polyvinyl alcohol, polymethylmethacrylate 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 고전력 슬라이딩모드 마찰전기 발전기.
제3항에 있어서,
상기 음대전체는,
graphene, graphene oxide, MoS₂, MoSe₂, WS₂, WSe₂ 중 적어도 어느 하나를 포함하며, 상기 음대전체의 음전하를 트랩(trap)하기 위한 것을 특징으로 하는 고전력 슬라이딩모드 마찰전기 발전기.
제1항에 있어서,
상기 각도는,
30도에서 70도의 범위를 포함하는 것을 특징으로 하는 고전력 슬라이딩모드 마찰전기 발전기.
제1항에 있어서,
상기 스페이서는,
탄성부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 고전력 슬라이딩 모드 마찰전기 발전기
하부 기판 및 상부 기판을 형성하는 단계;
상기 하부 기판의 일측에 물리적으로 고정 형성되며 마찰로 발생된 양전하를 부하로 전달하고, 소정의 각도로 기울어져 나선형태로 형성되는 양전극을 형성하는 단계;
상기 양전극의 상부에 구비되며, 상기 기판으로부터 소정의 각도로 기울어지고, 외력에 의해 압착되는 경우 나선방향으로 회전하며, 상기 마찰로 발생된 상기 양전하를 상기 양전극으로 전달하는 양대전체을 형성하는 단계;
상기 상부 기판의 일측에 물리적으로 고정되며, 상기 양대전체와 대향되게 위치하며, 상기 양대전체와 같은 각도로 기울어져 나선형태로 형성되고, 외력의 의해 상기 양대전체와 상기 마찰을 일으킬 경우 상기 외력의 방향과 상기 기울어진 마찰 방향의 차이를 통해 상기 양대전체와의 접촉을 유지시켜 상기 나선방향으로 회전하며, 마찰이 일어나는 동안 지속적으로 음전하가 발생하는 음대전체을 형성하는 단계;
상기 음대전체의 상부에 구비되며, 상기 음대전체를 지지하고, 상기 소정의 각도로 기울어져 나선형태로 형성되며, 상기 음대전체에서 상기 마찰로 상기 발생된 음전하를 부하로 전달하는 음전극을 형성하는 단계;
상기 하부 기판과 상기 상부 기판의 간격이 상기 외력에 의해서 가까워지거나, 탄성체에 의해서 멀어지게 조절되도록 상기 하부 기판과 상기 상부 기판의 중심에서 형성되되, 상기 하부 기판과 상기 상부 기판의 간격이 가까워지는 경우에는 상기 하부 기판에 물리적으로 고정된 상기 양대전체와 상기 상부 기판에 물리적으로 고정된 상기 음대전체가 서로 나선방향으로 회전하면서 마찰이 일어나고,
상기 하부 기판과 상기 상부 기판의 간격이 멀어지는 경우에는 나선방향의 반대로 회전하면서 마찰이 일어나도록 하는 스페이서를 형성하는 단계;
상기 양대전체와 상기 양전극 사이에 구비되며, 상기 양전하의 손실을 방지하기 위한 제1기능층을 형성하는 단계; 및
상기 음대전체와 상기 음전극 사이에 구비되며, 상기 음전하의 손실을 방지하기 위한 제2기능층을 형성하는 단계
를 포함하고,
상기 제1기능층 및 상기 제2기능층 중에서 적어도 하나는,
폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리디메틸실록산, 폴리염화비닐, 폴리이미드, 폴리프로필렌 또는 플리스티렌 중에서 적어도 하나를 포함하는 고분자 물질, 또는 나노입자, 단일층 결정, 다층 결정, 양자점, 코어-쉘 양자점, 나노와이어, 나노리플, 나노튜브, 나노로드, 나노시트, 나노섬유, 에어로젤 및 나노폼 중 적어도 하나를 포함하는 나노 물질을 포함하고,
상기 양대전체 또는 상기 음대전체의 위치가 상기 스페이서를 통해 초기 위치로 복원되되, 상기 스페이서가 상기 양대전체 또는 상기 음대전체에 발생한 상기 외력의 반대방향, 또는 상기 외력의 수직반대방향으로 복원력을 전달함에 따라, 상기 양대전체 또는 상기 음대전체의 위치가 복원되며, 상기 복원된 양대전체 또는 상기 음대전체의 위치에너지 및 상기 스페이서의 탄성에너지를 전기에너지로 변환하기 위한 고전력 슬라이딩 모드 마찰전기 발전기의 제조 방법.
제7항에 있어서,
상기 양대전체는,
glass, mica, nylon, wool, fur, lead, silk, aluminum, paper, cotton, steel, wood, amber, epoxy, nickel, copper, silver, gold, sulfur 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 고전력 슬라이딩모드 마찰전기 발전기의 제조 방법.
제7항에 있어서,
상기 음대전체는,
silicon rubber, teflon, polydimethylsiloxane, polyvinyl chloride, polyethylene teraphtalate, polypropylene, polyethylene, polyurethane, cellophane tape, polystyrene, saran, polyvinyl alcohol, polymethylmethacrylate 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 고전력 슬라이딩모드 마찰전기 발전기의 제조 방법.
제7항에 있어서,
상기 음대전체는,
graphene, graphene oxide, MoS₂, MoSe₂, WS₂, WSe₂ 중 적어도 어느 하나를 포함하며, 상기 음대전체의 음전하를 트랩(trap)하기 위한 것을 특징으로 하는 고전력 슬라이딩모드 마찰전기 발전기의 제조방법.
제7항에 있어서,
상기 각도는,
30도에서 70도의 범위를 포함하는 것을 특징으로 하는 고전력 슬라이딩모드 마찰전기 발전기의 제조 방법.
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