KR102467561B1 - Triboelectric nanogenerator and the manufacturing method thereof - Google Patents

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KR102467561B1 KR1020180002451A KR20180002451A KR102467561B1 KR 102467561 B1 KR102467561 B1 KR 102467561B1 KR 1020180002451 A KR1020180002451 A KR 1020180002451A KR 20180002451 A KR20180002451 A KR 20180002451A KR 102467561 B1 KR102467561 B1 KR 102467561B1
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김태환
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박재현
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한양대학교 산학협력단
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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02N1/04Friction generators

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Abstract

본 발명은 마찰 전기 나노발전기 및 마찰 전기 나노발전기의 제조 방법을 개시한다. 본 발명의 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기는 제1 기판 상에 형성되는 하부 전극; 상기 하부 전극 상에 형성되는 음의 마찰층; 제2 기판 상에 형성되고, 상부 전극으로 사용되는 양의 마찰층; 및 상기 제1 기판 및 제2 기판 사이에 형성되고, 상기 제1 기판 및 제2 기판 사이의 간격을 유지하는 적어도 하나의 스페이서를 포함하고, 상기 음의 마찰층은 고분자 물질 및 나노 물질을 포함하며, 상기 나노 물질은 상기 음의 마찰층과 양의 마찰층 간의 마찰에 의해 상기 음의 마찰층에서 생성된 전자와 음의 마찰층 표면에서 흡수되는 양이온 간의 재결합을 개선하는 것을 특징으로 한다.The present invention discloses triboelectric nanogenerators and methods of making triboelectric nanogenerators. A triboelectric nanogenerator according to an embodiment of the present invention includes a lower electrode formed on a first substrate; a negative friction layer formed on the lower electrode; a positive friction layer formed on the second substrate and used as an upper electrode; and at least one spacer formed between the first substrate and the second substrate and maintaining a distance between the first and second substrates, wherein the negative friction layer includes a polymer material and a nano material; , The nanomaterial is characterized in that recombination between electrons generated in the negative friction layer and positive ions absorbed by the surface of the negative friction layer due to friction between the negative friction layer and the positive friction layer is improved.

Description

마찰 전기 나노발전기 및 이의 제조 방법{TRIBOELECTRIC NANOGENERATOR AND THE MANUFACTURING METHOD THEREOF}Triboelectric nanogenerator and its manufacturing method

본 발명은 마찰 전기 나노발전기 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 마찰로 생성된 전자가 자발적으로 소실되는 것을 방지할 수 있는 고효율의 마찰 전기 나노발전기 및 이의 제조 방법 에 관한 것이다.The present invention relates to a triboelectric nanogenerator and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a highly efficient triboelectric nanogenerator capable of preventing spontaneous loss of electrons generated by friction and a method for manufacturing the same.

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.Triboelectric nanogenerator (TENG), which converts mechanical energy into electrical energy, has been actively researched and developed for its high energy conversion efficiency, low manufacturing cost, simple and bendable structure, and its ability to be manufactured with various materials. are losing The performance of TENG is greatly influenced by the amount of charge generated through friction and the efficiency of the process of separating positive and negative charges.

일반적으로 TENG의 성능을 개선하기 위한 두 가지 방법이 적용되고 있다. 첫 번째는, 확연히 다른 극성을 갖는 적절한 마찰 물질을 사용하여 마찰 과정에서 생성되는 전하량을 증가시키는 방법이 있고, 두 번째 방법은 마찰층을 마이크로 또는 나노 구조를 갖는 표면으로 만들거나 나노 스케일로 표면 개질(surface modification)하는 것이다.In general, two methods are applied to improve the performance of TENGs. First, there is a method of increasing the amount of electric charge generated in the friction process by using an appropriate friction material having a significantly different polarity, and the second method is to make the friction layer a surface with a micro or nano structure or to modify the surface on a nano scale. (surface modification).

특히, 두 번째 방법에서는 효과적으로 생성된 양전하와 음전하를 분리하는 것이 중요하기 때문에, 소자 구조를 결정하는데 지대한 영향을 미치게 된다. 따라서 선형 격자(linear grating) 구조, 롤링(rolling) 구조 및 평면 구조 등의 새로운 구조를 통해 TENG의 성능을 향상시켰다.In particular, in the second method, since it is important to effectively separate generated positive and negative charges, it has a great influence on determining the device structure. Therefore, the performance of the TENG has been improved through new structures such as a linear grating structure, a rolling structure, and a planar structure.

더 나아가, TENG의 성능을 개선하기 위해 이온화된 공기를 주입하여 표면 전하 밀도를 높이는 방법이 적용되고 있다.Furthermore, a method of increasing the surface charge density by injecting ionized air has been applied to improve the performance of TENG.

이와 같이, TENG의 성능을 개선하기 위한 여러 가지 개선책이 제시되어 왔지만, TENG은 여전히 대면적화 등의 미래의 유망한 기술이 되기 위하여 성숙하고 탄탄한 기술을 통합하고 커팅 에지 구조(cutting edge design)를 개발하는 등의 노력이 필요하다.As such, although various improvements have been proposed to improve the performance of TENG, TENG is still a promising technology in the future, such as large-area integration, integration of mature and solid technologies, and development of cutting edge structures (cutting edge design). effort is required.

또한, TENG 내부에는 수직 방향의 전기장이 음의 마찰층과 양의 마찰층 사이에 존재하고, 음의 마찰층에서 전자가 이동하는 두 가지 메커니즘이 있는데, 전기장에 의한 표동 과정과 농도차이에 의한 확산 과정이다.In addition, inside the TENG, a vertical electric field exists between the negative friction layer and the positive friction layer, and there are two mechanisms by which electrons move in the negative friction layer: the drifting process by the electric field and the diffusion by the concentration difference. It is a process.

두 방법 모두 마찰로 발생된 전자를 잃는 결과를 초래하는데, 이는 전극에서 나온 양이온과 재결합을 하기 때문이다. 추가적으로, 마찰로 생성된 표면 부분의 전자는 양전하와 흡착하거나 대기 중의 입자들, 흡수된 양의 전하량과 결합하며 소멸한다.Both methods result in the loss of electrons generated by friction because they recombine with positive ions from the electrodes. In addition, electrons on the surface part generated by friction adsorb positive charges or are annihilated by combining with particles in the air and the amount of absorbed positive charge.

따라서, 마찰로 생성된 전자의 양이 감소하여 TENG의 성능이 저하되는 문제가 발생한다.Therefore, the amount of electrons generated by friction decreases, resulting in deterioration of the performance of the TENG.

대한민국 등록특허 제10-1788733호, "마찰 발전 소자 및 그 제조 방법"Korean Patent Registration No. 10-1788733, "Friction Power Generation Element and Manufacturing Method Thereof" 대한민국 등록특허 제10-1714122호, "마찰전기 발전소자용 복합체, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 마찰전기 발전소자"Korean Patent Registration No. 10-1714122, "Composite for triboelectric generator element, manufacturing method thereof, and triboelectric generator element comprising the same"

본 발명의 실시예들의 목적은 음의 마찰층에 나노 물질을 포함하여 음의 마찰층과 양의 마찰층 간의 마찰에 의해 음의 마찰층에서 생성된 전자와 음의 마찰층 표면에서 흡수되는 양이온 간의 재결합을 방지하여 생성된 전자가 자발적으로 소실되는 것을 방지할 수 있는 마찰 전기 나노발전기를 제조하기 위한 것이다.An object of the embodiments of the present invention is to include nanomaterials in the negative friction layer so that electrons generated in the negative friction layer and positive ions absorbed on the surface of the negative friction layer by friction between the negative friction layer and the positive friction layer are connected. It is to manufacture a triboelectric nanogenerator capable of preventing spontaneous loss of electrons generated by preventing recombination.

본 발명의 실시예들의 목적은 음의 마찰층에 나노 물질을 포함하여 음의 마찰층과 양의 마찰층 간의 마찰에 의해 음의 마찰층에서 생성된 전자를 트랩시켜 생성된 전자가 자발적으로 소실되는 것을 방지하여 전력 효율이 향상되어 고효율의 마찰 전기 나노발전기를 제조하기 위한 것이다.An object of the embodiments of the present invention is to trap electrons generated in the negative friction layer by friction between the negative friction layer and the positive friction layer by including nanomaterials in the negative friction layer, and the generated electrons are spontaneously lost. It is to prevent this and improve power efficiency to manufacture a high-efficiency triboelectric nanogenerator.

본 발명의 실시예들의 목적은 음의 마찰층에 단일층 결정의 나노 물질을 포함하여 음의 마찰층과 양의 마찰층 간의 마찰에 의해 음의 마찰층에서 생성된 전자가 부착되는 영역의 비표면적 (Specific Surface Area)을 향상시켜 음의 마찰층과 양의 마찰층 간의 마찰에 의해 음의 마찰층에서 트랩되는 전자의 수가 극대화된 고효율의 마찰 전기 나노발전기를 제조하기 위한 것이다.An object of the embodiments of the present invention is to include a single-layer crystal nanomaterial in the negative friction layer, so that the specific surface area of the region to which electrons generated in the negative friction layer are attached by friction between the negative friction layer and the positive friction layer (Specific Surface Area) is improved to manufacture a high-efficiency triboelectric nanogenerator in which the number of electrons trapped in the negative friction layer is maximized by friction between the negative friction layer and the positive friction layer.

본 발명의 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기는 제1 기판 상에 형성되는 하부 전극; 상기 하부 전극 상에 형성되는 음의 마찰층; 제2 기판 상에 형성되고, 상부 전극으로 사용되는 양의 마찰층; 및 상기 제1 기판 및 제2 기판 사이에 형성되고, 상기 제1 기판 및 제2 기판 사이의 간격을 유지하는 적어도 하나의 스페이서를 포함하고, 상기 음의 마찰층은 고분자 물질 및 나노 물질을 포함하며, 상기 나노 물질은 상기 음의 마찰층과 양의 마찰층 간의 마찰에 의해 상기 음의 마찰층에서 생성된 전자와 음의 마찰층 표면에서 흡수되는 양이온 간의 재결합을 개선한다.A triboelectric nanogenerator according to an embodiment of the present invention includes a lower electrode formed on a first substrate; a negative friction layer formed on the lower electrode; a positive friction layer formed on the second substrate and used as an upper electrode; and at least one spacer formed between the first substrate and the second substrate and maintaining a distance between the first and second substrates, wherein the negative friction layer includes a polymer material and a nano material; , The nanomaterial improves recombination between electrons generated in the negative friction layer and positive ions absorbed by the surface of the negative friction layer due to friction between the negative friction layer and the positive friction layer.

상기 생성된 전자는 상기 나노 물질에 트랩(trap)될 수 있다.The generated electrons may be trapped in the nanomaterial.

상기 트랩되는 전자의 수는 상기 음의 마찰층의 두께 및 상기 나노 물질의 농도에 의해 제어될 수 있다.The number of trapped electrons can be controlled by the thickness of the negative friction layer and the concentration of the nanomaterial.

상기 음의 마찰층은 상기 고분자 물질을 포함하는 고분자 박막의 표면에 분산될 수 있다.The negative friction layer may be dispersed on the surface of the polymer thin film including the polymer material.

상기 음의 마찰층은 상기 고분자 물질을 포함하는 제1 층, 상기 고분자 물질 및 나노 물질을 포함하는 제2 층 및 상기 고분자 물질을 포함하는 제3층을 포함 할 수 있다.The negative friction layer may include a first layer including the polymer material, a second layer including the polymer material and nanomaterial, and a third layer including the polymer material.

상기 나노 물질은 나노입자, 단일층 결정, 다층 결정, 양자점, 코어-쉘 양자점, 나노와이어, 나노리플, 나노튜브, 나노로드, 나노시트, 나노섬유, 에어로젤 및 나노폼 중 적어도 어느 하나를 포함 할 수 있다.The nanomaterial may include at least one of nanoparticles, single-layer crystals, multilayer crystals, quantum dots, core-shell quantum dots, nanowires, nanoripples, nanotubes, nanorods, nanosheets, nanofibers, aerogels, and nanoforms. can

상기 나노 입자는 Au, Al, In, Ga, Ag, AuCl3, 환원된 그래핀 산화물(reduced graphene oxide), 그래핀, 단일벽 탄소나노튜브(single-wall CNT), 이중벽 탄소나노튜브(double-wall CNT) 및 NixFe1 -x 중 적어도 어느 하나를 포함 할 수 있다.The nanoparticles are Au, Al, In, Ga, Ag, AuCl 3 , reduced graphene oxide, graphene, single-wall CNT, double-wall carbon nanotube wall CNT) and at least one of Ni x Fe 1 - x .

상기 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.The single-layer crystal and the multi-layer crystal are molybdenum disulfide (MoS 2 ), molybdenum diselenide (MoSe 2 ), boron nitride (BN), graphene (grapheme), molybdenum telluride (MoTe), mica (Mica), and itelurium. It may include at least one of molybdenum (MoTe 2 ) and black phosphorus (black phosphorus).

상기 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.The quantum dots are Si, Ge, GaAs, InP, InAs, AlAs, InSb, AlGa x As 1 -x , InGaxAs1-x, CdSe, CdTe, ZnSe, ZnTe, CdTe x Se 1 -x , HgTe, HgCd x Te 1 - x , ZnO, GaN, Al x Ga 1 - x N, SnO 2 , CuO, Cu2O, C 6 0, Cu 2 ZnSnS 4 , CuInS 2 , SrTiO 3 , BaTiO 3 , (Ga 1 - x Mn x )N, ( In 1 - x Mn x ) N, CsPbCl 3 , CdTe/ZnTe, may include at least one of.

상기 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.The core-shell quantum dots are CdSe / CdTe, CdSe / CdS, InP / GaAs, CuInS / ZnTe, CuInS / CdS, CdSe / ZnS, Cd 1 - x ZnxTe / ZnTe, GaAs / Si, ZnSe / GaAs, CuInS / ZnS, At least one of Si/Si x Ge 1-x , Au/SiO 2 , InAs/GaAs, InP/GaAs/InAs, and CdSe/CdS/ZnS may be included.

상기 나노와이어는 CeO2, CdTe, ZnTe, SiO2, Al2O3, ZnO, GaN, TiO2, SnO2, CuO, CuO2 및 CH3NH3PbI3 중 적어도 어느 하나를 포함 할 수 있다.The nanowire may include at least one of CeO 2 , CdTe, ZnTe, SiO 2 , Al 2 O 3 , ZnO, GaN, TiO 2 , SnO 2 , CuO, CuO 2 , and CH 3 NH 3 PbI 3 .

상기 나노로드는 CeO2, CdTe, ZnTe, ZnO, GaN, TiO2, SnO2, CuxO 및 CuO2 중 적어도 어느 하나를 포함 할 수 있다.The nanorod may include at least one of CeO 2 , CdTe, ZnTe, ZnO, GaN, TiO 2 , SnO 2 , CuxO, and CuO 2 .

상기 나노리플은 CeO2, CdTe, ZnTe, ZnO, GaN, TiO2, SnO2, CuxO 및 CuO2 중 적어도 어느 하나를 포함 할 수 있다.The nanoripple may include at least one of CeO 2 , CdTe, ZnTe, ZnO, GaN, TiO 2 , SnO 2 , CuxO, and CuO 2 .

상기 나노튜브는 CeO2, CdTe, ZnTe, ZnO, GaN, TiO2, SnO2, CuxO 및 CuO2 중 적어도 어느 하나를 포함 할 수 있다.The nanotube may include at least one of CeO 2 , CdTe, ZnTe, ZnO, GaN, TiO 2 , SnO 2 , CuxO, and CuO 2 .

상기 고분자 물질은 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리디메틸실록산, 폴리염화비닐, 폴리이미드, 폴리프로필렌 및 플리스티렌 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.The polymer material may include at least one of polytetrafluoroethylene, polydimethylsiloxane, polyvinyl chloride, polyimide, polypropylene, and polystyrene.

본 발명의 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 제조 방법은 제1 기판 상에 하부 전극을 형성하는 단계; 상기 하부 전극 상에 형성되는 음의 마찰층을 형성하는 단계; 제2 기판 상에 상부 전극으로 사용되는 양의 마찰층을 형성하는 단계; 및 상기 제1 기판 및 제2 기판 사이에 형성되고, 상기 제1 기판 및 제2 기판 사이의 간격을 유지하는 적어도 하나의 스페이서를 형성하는 단계를 포함하고, 상기 음의 마찰층은 고분자 물질 및 나노 물질을 포함하며, 상기 나노 물질은 상기 음의 마찰층과 양의 마찰층 간의 마찰에 의해 상기 음의 마찰층에서 생성된 전자와 음의 마찰층 표면에서 흡수되는 양이온 간의 재결합을 개선한다.A method for manufacturing a triboelectric nanogenerator according to an embodiment of the present invention includes forming a lower electrode on a first substrate; forming a negative friction layer formed on the lower electrode; forming a positive friction layer used as an upper electrode on a second substrate; and forming at least one spacer formed between the first substrate and the second substrate and maintaining a distance between the first and second substrates, wherein the negative friction layer comprises a polymer material and nano The nanomaterial improves recombination between electrons generated in the negative friction layer and positive ions absorbed by the surface of the negative friction layer due to friction between the negative friction layer and the positive friction layer.

상기 음의 마찰층을 형성하는 단계는, 상기 하부 전극 상에 상기 고분자 물질을 포함하는 제1 층을 형성하는 단계; 상기 제1 층 상에 상기 고분자 물질 및 나노 물질을 포함하는 제2 층을 형성하는 단계; 상기 제2층 상에 상기 고분자 물질을 포함하는 제3 층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.Forming the negative friction layer may include forming a first layer including the polymer material on the lower electrode; forming a second layer including the polymer material and the nano material on the first layer; A step of forming a third layer including the polymer material on the second layer may be included.

본 발명의 실시예들에 따르면 음의 마찰층에 나노 물질을 포함하여 음의 마찰층과 양의 마찰층 간의 마찰에 의해 음의 마찰층에서 생성된 전자와 음의 마찰층 표면에서 흡수되는 양이온 간의 재결합을 방지하여 생성된 전자가 자발적으로 소실되는 것을 방지할 수 있는 마찰 전기 나노발전기를 제조할 수 있다.According to embodiments of the present invention, by including nanomaterials in the negative friction layer, friction between the negative friction layer and the positive friction layer causes electrons generated in the negative friction layer and positive ions absorbed on the surface of the negative friction layer to be separated. By preventing recombination, it is possible to manufacture a triboelectric nanogenerator capable of preventing spontaneous loss of generated electrons.

본 발명의 실시예들에 따르면 음의 마찰층에 나노 물질을 포함하여 음의 마찰층과 양의 마찰층 간의 마찰에 의해 음의 마찰층에서 생성된 전자를 트랩시켜 생성된 전자가 자발적으로 소실되는 것을 방지하여 전력 효율이 향상되어 고효율의 마찰 전기 나노발전기를 제조할 수 있다.According to embodiments of the present invention, nanomaterials are included in the negative friction layer to trap electrons generated in the negative friction layer by friction between the negative friction layer and the positive friction layer, and the generated electrons are spontaneously lost. By preventing this, the power efficiency is improved, and a high-efficiency triboelectric nanogenerator can be manufactured.

본 발명의 실시예들에 따르면 음의 마찰층에 단일층 결정의 나노 물질을 포함하여 음의 마찰층과 양의 마찰층 간의 마찰에 의해 음의 마찰층에서 생성된 전자가 부착되는 영역의 비표면적 (Specific Surface Area)을 향상시켜 음의 마찰층과 양의 마찰층 간의 마찰에 의해 음의 마찰층에서 트랩되는 전자의 수가 극대화된 고효율의 마찰 전기 나노발전기를 제조할 수 있다.According to embodiments of the present invention, the negative friction layer includes nanomaterials of single-layer crystals, and the specific surface area of the region to which electrons generated in the negative friction layer are attached by friction between the negative friction layer and the positive friction layer It is possible to manufacture a highly efficient triboelectric nanogenerator in which the number of electrons trapped in the negative friction layer is maximized by friction between the negative friction layer and the positive friction layer by improving the specific surface area.

도 1을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 마찰 전기 나노발전기를 도시한 단면도이다.
도 2a 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 입체도를 도시한 도면이다.
도 2b 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 음의 마찰층의 제2 층을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 광학 이미지(Optical image)를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기에 포함되는 음의 마찰층의 단면의 주사전자현미경(SEM) 측정 이미지를 도시한 것이다.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 개방-회로 전압(Open-circuit voltage)을 도시한 그래프이다.
도 6a 내지 도 도 6f는 전자 트랩 매커니즘을 도시한 그래프 및 에너지 밴드를 도시한 것이다.
도 7a는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기에 포함되는 제2 층(PI:rGO)의 두께에 따른 개방 회로 전압을 도시한 그래프이다.
도 7b는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기에 포함되는 제2 층(PI:rGO)의 rGO의 농도에 따른 개방 회로 전압을 도시한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 외부 로딩 저항(external loading resistance)에 따른 출력 전압 및 전류 밀도를 도시한 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 외부 로딩 저항에 따른 출력 전력 밀도(output power density)를 도시한 그래프이다.
도 10은 PI:rGO로 최적화된 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 개방 회로 전압을 도시한 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 충전 과정(Charging processes)의 전기적 특성을 도시한 그래프이다.
도 12a 및 도 12b는 도 11에서 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기를 이용한 충전 과정의 전기적 특성을 확대한 그래프이다.
도 13a 내지 도 13d는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기에 의해 구동되는 적색 LED 및 녹색 LED를 도시한 이미지이다.
도 14a 내지 도 14f는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 슬라이딩 과정에서의 전기적 특성을 도시한 그래프이다.
도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 입체도를 도시한 도면이다.
도 16a는 이황화 몰리브덴(MOS2)의 단일층 제조 과정을 도시한 도면이다.
도 16b는 이황화 몰리브덴 단일층의 주사전자현미경 측정 이미지를 도시한 것이다.
도 16c는 실리콘 기판 상에 형성된 이황화 몰리브덴 단일층의 횡단면의 원자 힘 현미경(Atomic Force Microscope, AFM) 측정 이미지를 도시한 것이다.
도 16d는 이황화 몰리브덴 단일층의 횡단면의 투과 전자 현미경(transmission electron microscopy, TEM) 측정 이미지를 도시한 것이다.
도 16e는 이황화 몰리브덴 단일층의 고배율의 투과 전자 현미경(transmission electron microscopy, TEM) 측정 이미지를 도시한 것이다.
도 17는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기에 포함되는 음의 마찰층의 제2 층(PI:MoS2)의 횡단면의 주사전자현미경 측정 이미지를 도시한 것이다.
도 18a는 PI:MoS2를 포함하지 않는 마찰 전기 나노발전기의 개방 회로 전압을 도시한 그래프이고, 도 18b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 개방 회로 전압을 도시한 그래프이다.
도 18c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 마찰-이격 주기 동안 생성된 전하의 양 및 단락 전류 밀도(Short-circuit current density)를 도시한 이미지이다.
도 18d는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 충전 과정의 전기적 특성을 도시한 그래프이다.
도 18e는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 피크 출력 전압(output peak voltage)에 대한 피크 출력 전류(output peak current)를 도시한 그래프이다.
도 18f는 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기를 이용하여 동작되는 LCD 및 녹색 LED를 도시한 이미지이다.
도 19a는 PI:MoS2를 포함하는 플로팅 게이트 MIS를 도시한 입체도이다.
도 19b는 PI:MoS2를 포함하는 플로팅 게이트 MIS의 캐패시턴스를 도시한 그래프이다.
도 19c는 -3V 내지 3V의 듀얼 전압 스윕에서의 PI:MoS2를 포함하는 플로팅 게이트 MIS의 전압-캐패시터스 곡선을 도시한 그래프이다.
도 19d 내지 도 19g는 PI:MoS2를 포함하는 플로팅 게이트 MIS의 에너지 밴드를 도시한 도면이다.
도 20a은 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 작동 매커니즘을 도시한 단면도이다.
도 20b는 PI:MoS2를 포함하지 않는 마찰 전기 나노발전기의 충전 전 및 후의 개방 회로 출력 전압을 도시한 그래프이고, 도 20c는 본 발명의 실시예들에 따른 마찰 전기 나노발전기의 충전 전 및 후의 개방 회로 출력 전압을 도시한 그래프이다.
도 20d는 PI:MoS2를 포함하지 않는 마찰 전기 나노발전기 및 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 단락 전류를 도시한 그래프이다.
Referring to FIG. 1 , it is a cross-sectional view showing a triboelectric nanogenerator according to embodiments of the present invention.
2a is a diagram showing a three-dimensional view of a triboelectric nanogenerator according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2b shows a second layer of the negative friction layer of a triboelectric nanogenerator according to an embodiment of the present invention.
3 shows an optical image of a triboelectric nanogenerator according to an embodiment of the present invention.
4 shows a scanning electron microscope (SEM) measurement image of a cross section of a negative friction layer included in a triboelectric nanogenerator according to an embodiment of the present invention.
5A to 5D are graphs showing open-circuit voltages of triboelectric nanogenerators according to an embodiment of the present invention.
6A to 6F show graphs and energy bands illustrating electron trap mechanisms.
7A is a graph showing an open circuit voltage according to a thickness of a second layer (PI:rGO) included in a triboelectric nanogenerator according to an embodiment of the present invention.
FIG. 7B is a graph showing the open circuit voltage according to the rGO concentration of the second layer (PI:rGO) included in the triboelectric nanogenerator according to an embodiment of the present invention.
8 is a graph showing output voltage and current density according to external loading resistance of a triboelectric nanogenerator according to an embodiment of the present invention.
9 is a graph showing the output power density according to the external loading resistance of the triboelectric nanogenerator according to an embodiment of the present invention.
10 is a graph showing the open circuit voltage of a triboelectric nanogenerator according to an embodiment of the present invention optimized with PI:rGO.
11 is a graph showing electrical characteristics of a charging process of a triboelectric nanogenerator according to an embodiment of the present invention.
12A and 12B are enlarged graphs of electrical characteristics of a charging process using a triboelectric nanogenerator according to an embodiment of the present invention shown in FIG. 11 .
13A to 13D are images showing a red LED and a green LED driven by a triboelectric nanogenerator according to an embodiment of the present invention.
14a to 14f are graphs illustrating electrical characteristics during a sliding process of a triboelectric nanogenerator according to an embodiment of the present invention.
15 is a three-dimensional view of a triboelectric nanogenerator according to another embodiment of the present invention.
Figure 16a is a view showing a single layer manufacturing process of molybdenum disulfide (MOS 2 ).
16B shows a scanning electron microscope measurement image of a monolayer of molybdenum disulfide.
16C shows an atomic force microscope (AFM) measurement image of a cross-section of a molybdenum disulfide monolayer formed on a silicon substrate.
16D shows a transmission electron microscopy (TEM) measurement image of a cross-section of a molybdenum disulfide monolayer.
16E shows a high-magnification transmission electron microscopy (TEM) measurement image of a monolayer of molybdenum disulfide.
FIG. 17 shows a scanning electron microscope measurement image of a cross section of a second layer (PI:MoS2) of a negative friction layer included in a triboelectric nanogenerator according to another embodiment of the present invention.
18A is a graph showing the open-circuit voltage of a triboelectric nanogenerator that does not contain PI:MoS2, and FIG. 18B is a graph showing the open-circuit voltage of a triboelectric nanogenerator according to another embodiment of the present invention.
FIG. 18C is an image showing the amount of charge and short-circuit current density generated during the friction-separation period of a triboelectric nanogenerator according to another embodiment of the present invention.
18D is a graph showing electrical characteristics of a charging process of a triboelectric nanogenerator according to another embodiment of the present invention.
18E is a graph showing output peak current versus output peak voltage of a triboelectric nanogenerator according to another embodiment of the present invention.
18F is an image showing an LCD and a green LED operated using a triboelectric nanogenerator according to another embodiment of the invention.
19A is a three-dimensional view illustrating a floating gate MIS including PI:MoS 2 .
19B is a graph showing the capacitance of a floating gate MIS including PI:MoS 2 .
19C is a graph showing a voltage-capacitance curve of a floating gate MIS including PI:MoS2 at a dual voltage sweep from -3V to 3V.
19D to 19G are diagrams illustrating energy bands of a floating gate MIS including PI:MoS 2 .
20A is a cross-sectional view showing an operating mechanism of a triboelectric nanogenerator according to another embodiment of the present invention.
FIG. 20B is a graph showing the open circuit output voltage before and after charging of a triboelectric nanogenerator that does not contain PI:MoS 2 , and FIG. It is a graph showing the open circuit output voltage.
FIG. 20D is a graph showing the short-circuit current of a triboelectric nanogenerator without PI:MoS 2 and a triboelectric nanogenerator according to another embodiment of the present invention.

이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings and the contents described in the accompanying drawings, but the present invention is not limited or limited by the embodiments.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.Terminology used herein is for describing the embodiments and is not intended to limit the present invention. In this specification, singular forms also include plural forms unless specifically stated otherwise in a phrase. As used herein, "comprises" and/or "comprising" means that a stated component, step, operation, and/or element is present in the presence of one or more other components, steps, operations, and/or elements. or do not rule out additions.

본 명세서에서 사용되는 "실시예", "예", "측면", "예시" 등은 기술된 임의의 양상(aspect) 또는 설계가 다른 양상 또는 설계들보다 양호하다거나, 이점이 있는 것으로 해석되어야 하는 것은 아니다.As used herein, “embodiments,” “examples,” “aspects,” “examples,” and the like should not be construed as indicating that any aspect or design described is preferred or advantageous over other aspects or designs. It is not.

또한, '또는' 이라는 용어는 배타적 논리합 'exclusive or'이기보다는 포함적인 논리합 'inclusive or'를 의미한다. 즉, 달리 언급되지 않는 한 또는 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 'x가 a 또는 b를 이용한다'라는 표현은 포함적인 자연 순열들(natural inclusive permutations) 중 어느 하나를 의미한다.Also, the term 'or' means 'inclusive or' rather than 'exclusive or'. That is, unless otherwise stated or clear from the context, the expression 'x employs a or b' means any one of the natural inclusive permutations.

또한, 본 명세서 및 청구항들에서 사용되는 단수 표현("a" 또는 "an")은, 달리 언급하지 않는 한 또는 단수 형태에 관한 것이라고 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 일반적으로 "하나 이상"을 의미하는 것으로 해석되어야 한다.Also, the singular expressions “a” or “an” used in this specification and claims generally mean “one or more,” unless indicated otherwise or clear from context to refer to the singular form. should be interpreted as

아래 설명에서 사용되는 용어는, 연관되는 기술 분야에서 일반적이고 보편적인 것으로 선택되었으나, 기술의 발달 및/또는 변화, 관례, 기술자의 선호 등에 따라 다른 용어가 있을 수 있다. 따라서, 아래 설명에서 사용되는 용어는 기술적 사상을 한정하는 것으로 이해되어서는 안 되며, 실시예들을 설명하기 위한 예시적 용어로 이해되어야 한다.The terms used in the description below have been selected as general and universal in the related technical field, but there may be other terms depending on the development and / or change of technology, convention, preference of technicians, etc. Therefore, terms used in the following description should not be understood as limiting technical ideas, but should be understood as exemplary terms for describing the embodiments.

또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 설명 부분에서 상세한 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 아래 설명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가지는 의미와 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 이해되어야 한다.In addition, in certain cases, there are also terms arbitrarily selected by the applicant, and in this case, their meanings will be described in detail in the corresponding description section. Therefore, terms used in the following description should be understood based on the meaning of the term and the contents throughout the specification, not simply the name of the term.

한편, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성 요소들은 용어들에 의하여 한정되지 않는다. 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.Meanwhile, terms such as first and second may be used to describe various components, but the components are not limited by the terms. Terms are used only to distinguish one component from another.

또한, 막, 층, 영역, 구성 요청 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 할 때, 다른 부분의 바로 위에 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 막, 층, 영역, 구성 요소 등이 개재되어 있는 경우도 포함한다.In addition, when a part of a film, layer, region, composition request, etc. is said to be "on" or "on" another part, not only when it is directly above the other part, but also when another act, layer, region, component in the middle thereof The case where the etc. are interposed is also included.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms (including technical and scientific terms) used in this specification may be used in a meaning commonly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. In addition, terms defined in commonly used dictionaries are not interpreted ideally or excessively unless explicitly specifically defined.

한편, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고, 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.Meanwhile, in describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known function or configuration may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description will be omitted. In addition, the terminology used in this specification is a term used to appropriately express the embodiment of the present invention, which may vary according to the intention of a user or operator or customs in the field to which the present invention belongs. Therefore, definitions of these terms will have to be made based on the content throughout this specification.

이하에서는, 도 1을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 마찰 전기 나노발전기에 대해 설명하기로 한다.Hereinafter, a triboelectric nanogenerator according to embodiments of the present invention will be described with reference to FIG. 1 .

도 1을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 마찰 전기 나노발전기를 도시한 단면도이다.Referring to FIG. 1 , it is a cross-sectional view showing a triboelectric nanogenerator according to embodiments of the present invention.

본 발명의 실시예들에 따른 마찰 전기 나노발전기는 제1 기판(111) 상에 형성되는 하부 전극(120), 하부 전극(120) 상에 형성되는 음의 마찰층(130), 제2 기판(112) 상에 형성되고, 상부 전극으로 사용되는 양의 마찰층(140) 및 제1 기판(111) 및 제2 기판(1112) 사이에 형성되고, 제1 기판(111) 및 제2 기판(112) 사이의 간격을 유지하는 적어도 하나의 스페이서를 포함한다.The triboelectric nanogenerator according to embodiments of the present invention includes a lower electrode 120 formed on a first substrate 111, a negative friction layer 130 formed on the lower electrode 120, and a second substrate ( 112) and formed between the positive friction layer 140 used as an upper electrode and the first substrate 111 and the second substrate 1112, the first substrate 111 and the second substrate 112 ) includes at least one spacer maintaining a gap between

또한, 음의 마찰층(130)은 고분자 물질 및 나노 물질을 포함하고, 나노 물질은 음의 마찰층과 양의 마찰층 간의 마찰에 의해 음의 마찰층에서 생성된 전자와 음의 마찰층(130) 표면에서 흡수되는 양이온 간의 재결합을 방지한다.In addition, the negative friction layer 130 includes a polymer material and a nanomaterial, and the nanomaterial includes electrons and negative friction layer 130 generated in the negative friction layer by friction between the negative friction layer and the positive friction layer. ) to prevent recombination between adsorbed cations on the surface.

또한, 음의 마찰층(130)과 양의 마찰층(140) 간의 마찰에 의해 음의 마찰층(130)에서 생성된 전자는 나노 물질에 트랩(trap)될 수 있다.In addition, electrons generated in the negative friction layer 130 due to friction between the negative friction layer 130 and the positive friction layer 140 may be trapped in the nanomaterial.

따라서, 본 발명의 실시예들에 따른 마찰 전기 나노발전기는 음의 마찰층(130)과 양의 마찰층(140) 간의 마찰에 의해 음의 마찰층(130)에서 생성된 전자가 나노 물질에 트랩됨으로써, 생성된 전자가 음의 마찰층(130) 표면에서 흡수되는 양이온과 재결합되는 것을 방지하고, 대기 중의 입자들 또는 흡수된 전하들과 결합하여 전자가 자발적으로 소실되는 것을 방지하여 마찰 전기 나노발전기의 전력 효율을 향상시킬 수 있다.Therefore, in the triboelectric nanogenerator according to embodiments of the present invention, electrons generated in the negative friction layer 130 due to friction between the negative friction layer 130 and the positive friction layer 140 are trapped in nanomaterials. As a result, generated electrons are prevented from recombination with cations absorbed on the surface of the negative friction layer 130, and electrons are prevented from being spontaneously lost by combining with particles in the air or absorbed charges, thereby forming a triboelectric nanogenerator. of power efficiency can be improved.

본 발명의 실시예들에 따른 마찰 전기 나노발전기는 제1 기판(111) 상에 형성되는 하부 전극(120)을 포함한다.A triboelectric nanogenerator according to embodiments of the present invention includes a lower electrode 120 formed on a first substrate 111 .

제1 기판(111)은 제2 기판(112)과 서로 일정한 간격으로 이격되게 형성될 수 있고, 제1 기판(111)은 하부 기판이며, 제1 기판(111)의 물질은 특별히 제한되지 않고, 일반적으로 사용되는 기판 물질이 사용될 수 있다.The first substrate 111 may be formed to be spaced apart from the second substrate 112 at regular intervals, the first substrate 111 is a lower substrate, and the material of the first substrate 111 is not particularly limited, A commonly used substrate material may be used.

바람직하게는, 제1 기판(111)은 금속 기판 또는 고분자 기판이 사용될 수 있고, 예를 들어, 제1 기판(111)은 실리콘 웨이퍼 또는 글라스와 같은 단단한 재질을 포함할 수 있지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 제1 기판(111)은 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에스테르(PE), 폴리에스테르설폰(PES), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN) 또는 캡톤(Kapton)과 같은 유연한 재질을 포함할 수도 있다.Preferably, the first substrate 111 may be a metal substrate or a polymer substrate, for example, the first substrate 111 may include a hard material such as a silicon wafer or glass, but is not necessarily limited thereto However, the first substrate 111 may include a flexible material such as polyethylene terephthalate (PET), polyester (PE), polyester sulfone (PES), polyethylene naphthalate (PEN), or Kapton. .

실시예에 따라, 제1 기판(111)은 하부 전극(120)으로 사용될 수 있다.Depending on the embodiment, the first substrate 111 may be used as the lower electrode 120 .

하부 전극(120)은 제1 기판(111)의 상면에는 형성될 수 있고, 하부 전극(120)은 전기 전도성이 우수한 물질을 포함할 수 있다.The lower electrode 120 may be formed on the upper surface of the first substrate 111 , and the lower electrode 120 may include a material having excellent electrical conductivity.

예를 들면, 하부 전극(120)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.For example, the lower electrode 120 may include at least one of graphene, carbon nanotube (CNT), indium tin oxide (ITO), a metal, and a conductive polymer, and the metal is, for example, For example, it may include at least one of Ag, Al, Cu, Au, Ni, Cr, and Pt, but is not limited thereto.

또한, 하부 전극(120)은 단층 구조 또는 복수의 층 구조로 형성될 수 있다.Also, the lower electrode 120 may have a single-layer structure or a multi-layer structure.

본 발명의 실시예들에 따른 마찰 전기 나노발전기는 하부 전극(120) 상에 형성되는 음의 마찰층(130)을 포함한다.A triboelectric nanogenerator according to embodiments of the present invention includes a negative friction layer 130 formed on the lower electrode 120 .

음의 마찰층(130)은 외력에 의해 이종(異種)인 양의 마찰층(140)과 마찰하여 마찰 전기를 유도할 수 있다. 여기서, 음의 마찰층(130)은 하부 전극(120) 및 상부 전극(140) 사이에 개재되고, 고분자 물질 및 나노 물질을 포함할 수 있다.The negative friction layer 130 may rub against the positive friction layer 140 of a different kind by an external force to induce triboelectricity. Here, the negative friction layer 130 is interposed between the lower electrode 120 and the upper electrode 140 and may include a polymer material or a nano material.

나노 물질은 음의 마찰층(130)과 양의 마찰층(140) 간의 마찰에 의해 음의 마찰층(130)에서 생성된 전자와 음의 마찰층 표면에서 흡수되는 양이온 간의 재결합을 방지할 수 있다.The nanomaterial can prevent recombination between electrons generated in the negative friction layer 130 by friction between the negative friction layer 130 and the positive friction layer 140 and positive ions absorbed on the surface of the negative friction layer. .

또한, 음의 마찰층(130)과 양의 마찰층(140) 간의 마찰에 의해 음의 마찰층(130)에서 생성된 전자는 나노 물질에 트랩(trap)될 수 있다.In addition, electrons generated in the negative friction layer 130 due to friction between the negative friction layer 130 and the positive friction layer 140 may be trapped in the nanomaterial.

따라서, 본 발명의 실시예들에 따른 마찰 전기 나노발전기는 음의 마찰층(130)과 양의 마찰층(140) 간의 마찰에 의해 음의 마찰층(130)에서 생성된 전자가 나노 물질에 트랩됨으로써, 생성된 전자가 음의 마찰층(130) 표면에서 흡수되는 양이온과 재결합되는 것을 방지하고, 대기 중의 입자들 또는 흡수된 전하들과 결합하여 전자가 자발적으로 소실되는 것을 방지하여 마찰 전기 나노발전기의 전력 효율을 향상시킬 수 있다.Therefore, in the triboelectric nanogenerator according to embodiments of the present invention, electrons generated in the negative friction layer 130 due to friction between the negative friction layer 130 and the positive friction layer 140 are trapped in nanomaterials. As a result, generated electrons are prevented from recombination with cations absorbed on the surface of the negative friction layer 130, and electrons are prevented from being spontaneously lost by combining with particles in the air or absorbed charges, thereby forming a triboelectric nanogenerator. of power efficiency can be improved.

음의 마찰층(130)은 고분자 물질을 포함하는 제1 층(121), 고분자 물질 및 나노 물질을 포함하는 제2 층(122) 및 고분자 물질을 포함하는 제3층(123)을 포함하는 샌드위치 구조로 형성될 수 있다.The negative friction layer 130 is a sandwich including a first layer 121 including a polymer material, a second layer 122 including a polymer material and a nanomaterial, and a third layer 123 including a polymer material. structure can be formed.

따라서, 본 발명의 실시예들에 따른 마찰 전기 나노발전기는 샌드위치 구조를 갖는 음의 마찰층(130)을 포함함으로써, 음의 마찰층의 제2 층(122)에 포함되는 나노 물질이 고분자 물질과 전극 사이의 접촉 면적을 감소시켜 전자의 밀도를 감소시키는 문제를 방지함으로써, 마찰 전기 나노발전기의 성능을 보다 향상시킬 수 있다.Therefore, the triboelectric nanogenerator according to embodiments of the present invention includes the negative friction layer 130 having a sandwich structure, so that the nanomaterial included in the second layer 122 of the negative friction layer is mixed with the polymer material. The performance of the triboelectric nanogenerator can be further improved by reducing the contact area between the electrodes to avoid the problem of reducing the electron density.

또한, 실시예에 따라, 음의 마찰층(130)은 고분자 물질을 포함하는 제1 층(121), 나노 물질을 포함하는 제2 층(122) 및 고분자 물질을 포함하는 제3층(123)을 포함할 수 있다.Also, according to an embodiment, the negative friction layer 130 includes a first layer 121 including a polymer material, a second layer 122 including a nano material, and a third layer 123 including a polymer material. can include

또한, 음의 마찰층(130)은 고분자 물질을 포함하는 고분자 박막의 표면에 분산될 수 있다. 따라서, 나노 물질은 고분자 박막에 흩뿌려진 형태를 가질 수 있다.In addition, the negative friction layer 130 may be dispersed on the surface of a polymer thin film containing a polymer material. Thus, nanomaterials may have a form scattered on the polymer thin film.

또한, 음의 마찰층(130)에 트랩되는 전자의 수는 음의 마찰층(130)의 두께 및 나노 물질의 농도에 의해 제어될 수 있다.In addition, the number of electrons trapped in the negative friction layer 130 can be controlled by the thickness of the negative friction layer 130 and the concentration of the nanomaterial.

보다 구체적으로, 음의 마찰층(130)의 두께가 증가될수록 더 많은 전자를 트랩할 수 있어 음의 마찰층(130)에 트랩되는 전자의 수가 증가될 수 있다.More specifically, as the thickness of the negative friction layer 130 increases, more electrons can be trapped, so the number of electrons trapped in the negative friction layer 130 can increase.

또한, 음의 마찰층(130)의 나노 물질의 농도가 증가될수록 더 많은 전자를 트랩할 수 있어 음의 마찰층(130)에 트랩되는 전자의 수가 증가될 수 있다.In addition, as the concentration of the nanomaterial in the negative friction layer 130 increases, more electrons can be trapped, so the number of electrons trapped in the negative friction layer 130 can increase.

또한, 음의 마찰층(130)에 포함되는 나노 물질은 강력한 전자 트랩성과 넓은 표면적에 의해 상부 전극(140)에서 하부 전극(120)으로 전자가 이동하는 과정에서도 전자를 트랩하여 본 발명의 실시예들에 따른 마찰 전기 나노발전기의 효율을 향상시킬 수 있다.In addition, the nanomaterial included in the negative friction layer 130 traps electrons even in the process of moving electrons from the upper electrode 140 to the lower electrode 120 due to strong electron trapping properties and a large surface area. It is possible to improve the efficiency of triboelectric nanogenerators according to them.

고분자 물질은 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리디메틸실록산, 폴리염화비닐, 폴리이미드, 폴리프로필렌 및 플리스티렌 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있고, 바람직하게는 고분자 물질은 캡톤(kapton)이 사용될 수 있다.The polymer material may include at least one of polytetrafluoroethylene, polydimethylsiloxane, polyvinyl chloride, polyimide, polypropylene, and polystyrene, and preferably, Kapton may be used as the polymer material.

나노 물질은 나노입자, 단일층 결정, 다층 결정, 양자점, 코어-쉘 양자점, 나노와이어, 나노리플, 나노튜브, 나노로드, 나노시트, 나노섬유, 에어로젤 및 나노폼 중 적어도 어느 하나를 포함 할 수 있다.The nanomaterial may include at least one of nanoparticles, single-layer crystals, multi-layer crystals, quantum dots, core-shell quantum dots, nanowires, nanoripples, nanotubes, nanorods, nanosheets, nanofibers, aerogels, and nanofoams. have.

나노 입자는 Au, Al, In, Ga, Ag, AuCl3, 환원된 그래핀 산화물(reduced graphene oxide, rGO), 그래핀, 단일벽 탄소나노튜브(single-wall CNT), 이중벽 탄소나노튜브(double-wall CNT) 및 NixFe1-x 중 적어도 어느 하나를 포함 할 수 있다.Nanoparticles are Au, Al, In, Ga, Ag, AuCl 3 , reduced graphene oxide (rGO), graphene, single-wall CNT, double-wall carbon nanotube -wall CNT) and at least one of Ni x Fe 1-x .

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.Single-layer and multi-layer crystals are composed of molybdenum disulfide (MoS 2 ), molybdenum diselenide (MoSe 2 ), boron nitride (BN), graphene (grapheme), molybdenum telluride (MoTe), mica (Mica), and iteluride. At least one of molybdenum (MoTe 2 ) and black phosphorus may be included.

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.Quantum dots are Si, Ge, GaAs, InP, InAs, AlAs, InSb, AlGa x As 1 -x , InGaxAs1-x, CdSe, CdTe, ZnSe, ZnTe, CdTe x Se 1 -x , HgTe, HgCd x Te 1 -x , ZnO, GaN, Al x Ga 1 - x N, SnO 2 , CuO, Cu2O, C 6 0, Cu 2 ZnSnS 4 , CuInS 2 , SrTiO 3 , BaTiO 3 , (Ga 1 - x Mn x )N, (In 1 - x Mn x ) N, CsPbCl 3 , CdTe/ZnTe, may include at least one of.

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.Core-shell quantum dots are CdSe/CdTe, CdSe/CdS, InP/GaAs, CuInS4/ZnTe, CuInS2/CdS, CdSe/ZnS, Cd 1 - x ZnTe/ZnTe, GaAs/Si, ZnSe/GaAs, CuInS2/ZnS, Si / Si x Ge 1-x , Au/SiO 2 , InAs/GaAs, InP/GaAs/InAs, and CdSe/CdS/ZnS may include at least one.

나노와이어는 CeO2, CdTe, ZnTe, SiO2, Al2O3, ZnO, GaN, TiO2, SnO2, CuO, CuO2 및 CH3NH3PbI3 중 적어도 어느 하나를 포함 할 수 있다.The nanowire may include at least one of CeO 2 , CdTe, ZnTe, SiO 2 , Al 2 O 3 , ZnO, GaN, TiO 2 , SnO 2 , CuO, CuO 2 , and CH 3 NH 3 PbI 3 .

나노로드는 CeO2, CdTe, ZnTe, ZnO, GaN, TiO2, SnO2, CuxO 및 CuO2 중 적어도 어느 하나를 포함 할 수 있다.The nanorod may include at least one of CeO 2 , CdTe, ZnTe, ZnO, GaN, TiO 2 , SnO 2 , CuxO, and CuO 2 .

나노리플은 CeO2, CdTe, ZnTe, ZnO, GaN, TiO2, SnO2, CuxO 및 CuO2 중 적어도 어느 하나를 포함 할 수 있다.The nanoripple may include at least one of CeO 2 , CdTe, ZnTe, ZnO, GaN, TiO 2 , SnO 2 , CuxO, and CuO 2 .

나노튜브는 CeO2, CdTe, ZnTe, ZnO, GaN, TiO2, SnO2, CuxO 및 CuO2 중 적어도 어느 하나를 포함 할 수 있다.The nanotube may include at least one of CeO 2 , CdTe, ZnTe, ZnO, GaN, TiO 2 , SnO 2 , CuxO, and CuO 2 .

바람직하게는 나노 물질은 환원된 그래핀 산화물 또는 이황화 몰리브덴이 사용될 수 있다. Preferably, reduced graphene oxide or molybdenum disulfide may be used as the nanomaterial.

본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기에서 나노 물질로 환원된 그래핀 산화물 또는 이황화 몰리브덴이 사용되는 기술에 대해서는 도 2a 내지 도 20d를 참조하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.A technique in which graphene oxide or molybdenum disulfide reduced as a nanomaterial is used in a triboelectric nanogenerator according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 2A to 20D.

따라서, 본 발명의 실시예들에 따른 마찰 전기 나노발전기의 음의 마찰층(130)에 포함되는 나노 물질은 음의 마찰층(130)과 양의 마찰층(140) 간의 마찰에 의해 음의 마찰층(130)에서 생성된 전자가 음의 마찰층(130) 표면에서 흡수되는 양이온과 재결합되는 것을 방지하여 마찰 전기 나노발전기의 전력 밀도 및 출력 전압을 향상시킬 수 있다.Therefore, the nanomaterial included in the negative friction layer 130 of the triboelectric nanogenerator according to embodiments of the present invention generates negative friction by friction between the negative friction layer 130 and the positive friction layer 140. Electrons generated in the layer 130 are prevented from recombination with positive ions absorbed on the surface of the negative friction layer 130, thereby improving the power density and output voltage of the triboelectric nanogenerator.

본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기는 제2 기판 상에 형성되고, 상부 전극으로 사용되는 양의 마찰층(140)을 포함한다.A triboelectric nanogenerator according to an embodiment of the present invention includes a positive friction layer 140 formed on a second substrate and used as an upper electrode.

제2 기판(112)은 제1 기판(111)과 서로 일정한 간격으로 이격되게 형성될 수 있고, 제2 기판(112)은 상부 기판이며, 제2 기판(112)의 물질은 특별히 제한되지 않고, 일반적으로 사용되는 기판 물질이 사용될 수 있다.The second substrate 112 may be formed to be spaced apart from the first substrate 111 at regular intervals, the second substrate 112 is an upper substrate, and the material of the second substrate 112 is not particularly limited, A commonly used substrate material may be used.

바람직하게는 제2 기판(112)은 금속 기판 또는 고분자 기판이 사용될 수 있고, 예를 들어, 제2 기판(112)은 실리콘 웨이퍼 또는 글라스와 같은 단단한 재질을 포함할 수 있지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 제2 기판은 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에스테르(PE), 폴리에스테르설폰(PES), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN) 또는 캡톤(Kapton)과 같은 유연한 재질을 포함할 수도 있다.Preferably, the second substrate 112 may be a metal substrate or a polymer substrate, and for example, the second substrate 112 may include a silicon wafer or a hard material such as glass, but is not necessarily limited thereto Alternatively, the second substrate may include a flexible material such as polyethylene terephthalate (PET), polyester (PE), polyester sulfone (PES), polyethylene naphthalate (PEN), or Kapton.

실시예에 따라, 제2 기판(112)은 양의 마찰층(상부 전극, 140)으로 사용될 수 있다.Depending on the embodiment, the second substrate 112 may be used as a positive friction layer (upper electrode) 140 .

양의 마찰층(상부 전극, 140)은 제1 기판(112)의 상면에는 형성될 수 있고, 상부 전극(140)은 전기 전도성이 우수한 물질을 포함할 수 있다.A positive friction layer (upper electrode) 140 may be formed on the upper surface of the first substrate 112 , and the upper electrode 140 may include a material having excellent electrical conductivity.

예를 들면, 양의 마찰층(상부 전극, 140)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.For example, the positive friction layer (upper electrode, 140) may include at least one of graphene, carbon nanotube (CNT), indium tin oxide (ITO), metal, and conductive polymer. And, the metal may include, for example, at least one of Ag, Al, Cu, Au, Ni, Cr, and Pt, but is not limited thereto.

또한, 양의 마찰층(상부 전극, 140)은 단층 구조 또는 복수의 층 구조일 수 있다.Also, the positive friction layer (upper electrode, 140) may have a single-layer structure or a multi-layer structure.

본 발명의 실시예들에 따른 마찰 전기 나노발전기는 제1 기판(1111) 및 제2 기판(112) 사이에 형성되고, 제1 기판 및 제2 기판 사이의 간격을 유지하는 적어도 하나의 스페이서를 포함한다.The triboelectric nanogenerator according to embodiments of the present invention includes at least one spacer formed between the first substrate 1111 and the second substrate 112 and maintaining a distance between the first substrate and the second substrate. do.

스페이서는 스프링 또는 고분자 물질로 형성될 수 있고, 스페이서는 음의 마찰층(130)과 양의 마찰층(140)을 이격시키기 위해 적정 두께로 형성될 수 있다.The spacer may be formed of a spring or a polymer material, and may be formed with an appropriate thickness to space the negative friction layer 130 and the positive friction layer 140 apart.

바람직하게는, 스페이서는 스프링이 사용될 수 있고, 제1 기판(111) 및 제2 기판(112) 사이의 가장자리 부분에 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.Preferably, a spring may be used as the spacer, and at least one spacer may be included at an edge portion between the first substrate 111 and the second substrate 112 .

본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기는 기본 상태에서는 하부 전극(120)과 상부 전극(140) 사이에 전위차가 없기 때문에 음의 마찰층(130)과 양의 마찰층(140) 각각의 표면에 전하가 없는 상태를 유지할 수 있다.In the triboelectric nanogenerator according to an embodiment of the present invention, since there is no potential difference between the lower electrode 120 and the upper electrode 140 in the basic state, the negative friction layer 130 and the positive friction layer 140 respectively It is possible to maintain a state in which there is no charge on the surface.

그러나, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기에 외력이 가해져 음의 마찰층(130)과 양의 마찰층(140)이 마찰될 때, 마찰되어 마찰전기 효과에 의해 음의 마찰층(130)과 양의 마찰층(140) 각각의 표면으로 전하가 이동될 수 있다.However, when an external force is applied to the triboelectric nanogenerator according to an embodiment of the present invention and the negative friction layer 130 and the positive friction layer 140 rub against each other, the negative friction layer ( 130) and the positive friction layer 140, charges may be transferred to each surface.

마찰전기 시리즈에 따라, 음의 마찰층(130)은 강한 마찰 음극성을 갖게 되고, 음전하 및 양전하 각각이 음의 마찰층(130)과 양의 마찰층(140)의 표면에 유도될 수 있다.According to the triboelectric series, the negative friction layer 130 has a strong frictional polarity, and negative and positive charges can be induced on the surfaces of the negative friction layer 130 and the positive friction layer 140, respectively.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기는 음의 마찰층(130)과 양의 마찰층(140)이 다시 이격되면, 쌍극자 모멘트가 더 강해지고, 하부 전극(120)과 상부 전극(140) 사이에 강한 전위차가 발생될 수 있다. 따라서, 전자들이 음전위에서 양전위로 흘러 마찰전기 발전기가 발전하게 된다.In addition, in the triboelectric nanogenerator according to an embodiment of the present invention, when the negative friction layer 130 and the positive friction layer 140 are separated again, the dipole moment becomes stronger, and the lower electrode 120 and the upper electrode A strong potential difference may be generated between (140). Thus, electrons flow from a negative potential to a positive potential, resulting in a triboelectric generator.

본 발명의 실시예들에 따른 마찰 전기 나노발전기는 발전기, 자가 발전형 전자 기기 또는 웨어러블 기기에 사용될 수 있다.Triboelectric nanogenerators according to embodiments of the present invention may be used in generators, self-powered electronic devices, or wearable devices.

본 발명의 실시예들에 따른 마찰 전기 나노발전기의 제조 방법은 제1 기판 상에 하부 전극을 형성하는 단계, 하부 전극 상에 형성되는 음의 마찰층을 형성하는 단계, 제2 기판 상에 상부 전극으로 사용되는 양의 마찰층을 형성하는 단계 및 제1 기판 및 제2 기판 사이에 형성되고, 제1 기판 및 제2 기판 사이의 간격을 유지하는 적어도 하나의 스페이서를 형성하는 단계를 포함한다.A method for manufacturing a triboelectric nanogenerator according to embodiments of the present invention includes forming a lower electrode on a first substrate, forming a negative friction layer on the lower electrode, and forming an upper electrode on a second substrate. and forming at least one spacer formed between the first substrate and the second substrate and maintaining a distance between the first substrate and the second substrate.

본 발명의 실시예들에 따른 마찰 전기 나노발전기의 제조 방법은 도 1에서 도시된 본 발명의 실시예들에 따른 마찰 전기 나노발전기와 동일한 구성을 포함하므로, 동일한 구성 요소에 대해서는 생략하기로 한다.Since the method of manufacturing a triboelectric nanogenerator according to embodiments of the present invention includes the same components as the triboelectric nanogenerator according to embodiments of the present disclosure shown in FIG. 1 , the same components will be omitted.

본 발명의 실시예들에 따른 마찰 전기 나노발전기의 제조 방법은 제1 기판 상에 하부 전을 형성한다.In the method for manufacturing a triboelectric nanogenerator according to embodiments of the present invention, a lower electrode is formed on a first substrate.

하부 전극은 제1 기판 상에 형성되고, 하부 전극은 열 증착법(thermal deposition), 진공 증착법 (vacuum deposition), 화학 기상 증착법(chemical vapor deposition), 물리 기상 증착법(physical vapor deposition), 원자층 증착법(atomic layer deposition), 유기금속 화학 증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition), 플라즈마 화학 증착법(Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition), 분자선 성장법(Molecular Beam Epitaxy), 수소화물 기상 성장법(Hydride Vapor Phase Epitaxy), 스퍼터링(Sputtering), 스핀 코팅(spin coating), 딥 코팅(dip coating) 및 존 캐스팅(zone casting) 중 적어도 어느 하나를 이용하여 형성될 수 있다.The lower electrode is formed on the first substrate, and the lower electrode is formed by thermal deposition, vacuum deposition, chemical vapor deposition, physical vapor deposition, atomic layer deposition ( atomic layer deposition), Metal Organic Chemical Vapor Deposition, Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition, Molecular Beam Epitaxy, Hydride Vapor Phase Epitaxy, It may be formed using at least one of sputtering, spin coating, dip coating, and zone casting.

본 발명의 실시예들에 따른 마찰 전기 나노발전기의 제조 방법은 하부 전극 상에 음의 마찰층을 형성한다.A method for manufacturing a triboelectric nanogenerator according to embodiments of the present invention forms a negative friction layer on a lower electrode.

또한, 실시예에 따라서는, 음의 마찰층을 별도로 형성하고, 하부 전극에 부착할 수 있다.Also, depending on embodiments, a negative friction layer may be separately formed and attached to the lower electrode.

음의 마찰층은 고분자 물질 및 나노 물질을 포함하고, 나노 물질은 음의 마찰층과 양의 마찰층 간의 마찰에 의해 상기 음의 마찰층에서 생성된 전자와 음의 마찰층 표면에서 흡수되는 양이온 간의 재결합을 방지한다.The negative friction layer includes a polymer material and a nano material, and the nano material is used between electrons generated in the negative friction layer and positive ions absorbed by the surface of the negative friction layer due to friction between the negative friction layer and the positive friction layer. prevent recombination.

음의 마찰층을 형성하는 단계는, 하부 전극 상에 고분자 물질을 포함하는 제1 층을 형성하는 단계, 제1 층 상에 고분자 물질 및 나노 물질을 포함하는 제2 층을 형성하는 단계 및 제2층 상에 고분자 물질을 포함하는 제3 층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.Forming the negative friction layer may include forming a first layer including a polymer material on the lower electrode, forming a second layer including a polymer material and a nano material on the first layer, and A step of forming a third layer including a polymeric material on the layer may be included.

특히, 고분자 물질 및 나노 물질을 포함하는 제2 층을 형성하는 단계는 고분자 물질에 고르게 분산된 나노 물질을 형성하기 위해, 고분자 전구체 및 용매를 포함하는 고분자 물질 용액 내에 나노 물질을 첨가하여, 제2 층 용액을 제조한 다음, 제1 층 상에 코팅될 수 있다.In particular, the step of forming a second layer including a polymer material and a nanomaterial is performed by adding a nanomaterial to a polymer material solution containing a polymer precursor and a solvent to form a nanomaterial uniformly dispersed in the polymer material, A layer solution may be prepared and then coated onto the first layer.

또한, 음의 마찰층으로 단일층 결정이 사용되는 경우, 박리 과정을 진행하여, 다층 결정을 단일층 결정으로 박리하여 단일층 결정을 제조한 다음, 고분자 전구체 및 용매를 포함하는 고분자 물질 용액 내에 첨가하여 제2 층 용액을 제조한 다음, 제1 층 상에 코팅될 수 있다. In addition, when a single-layer crystal is used as the negative friction layer, an exfoliation process is performed to exfoliate the multi-layer crystal into a single-layer crystal to prepare a single-layer crystal, and then the polymer precursor and the solvent are added into a polymer material solution. to prepare a second layer solution, which can then be coated on the first layer.

음의 마찰층은 딥 코팅(dip coating), 드랍 캐스팅(drop-casting), 스핀 코팅(spin-coating), 바코팅(bar coating), 스프레이 코팅(spray coating), 스핀 코팅(spin coating), 브러쉬 코팅(brush coating), 딥 코팅(dip coating) 및 그라비아 코팅(gravure coating) 중 적어도 어느 하나의 방법으로 형성될 수 있다.The negative friction layer can be applied by dip coating, drop-casting, spin-coating, bar coating, spray coating, spin coating, brush It may be formed by at least one method of brush coating, dip coating, and gravure coating.

본 발명의 실시예들에 따른 마찰 전기 나노발전기의 제조 방법은 제2 기판 상에 상부 전극으로 사용되는 양의 마찰층을 형성한다.In the method for manufacturing a triboelectric nanogenerator according to embodiments of the present invention, a positive friction layer used as an upper electrode is formed on a second substrate.

양의 마찰층은 딥 열 증착법(thermal deposition), 진공 증착법 (vacuum deposition), 화학 기상 증착법(chemical vapor deposition), 물리 기상 증착법(physical vapor deposition), 원자층 증착법(atomic layer deposition), 유기금속 화학 증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition), 플라즈마 화학 증착법(Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition), 분자선 성장법(Molecular Beam Epitaxy), 수소화물 기상 성장법(Hydride Vapor Phase Epitaxy), 스퍼터링(Sputtering), 스핀 코팅(spin coating), 딥 코팅(dip coating) 및 존 캐스팅(zone casting) 중 적어도 어느 하나를 이용하여 형성될 수 있다.The positive friction layer can be formed by deep thermal deposition, vacuum deposition, chemical vapor deposition, physical vapor deposition, atomic layer deposition, or organometallic chemical vapor deposition. Metal Organic Chemical Vapor Deposition, Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition, Molecular Beam Epitaxy, Hydride Vapor Phase Epitaxy, Sputtering, Spin Coating ( spin coating), dip coating, and zone casting.

본 발명의 실시예들에 따른 마찰 전기 나노발전기의 제조 방법은 제1 기판 및 제2 기판 사이의 간격을 유지하는 적어도 하나의 스페이서를 형성한다.In the method of manufacturing a triboelectric nanogenerator according to embodiments of the present invention, at least one spacer maintaining a distance between a first substrate and a second substrate is formed.

스페이서는 스프링이 사용될 수 있고, 스프링은 탄성력을 가지는 스프링 와이어(spring wire)가 사용될 수 있고, 스프링은 탄소강(carbon steel), 저합금강(low-alloy steel) 및 스프링강(spring steel) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.A spring may be used as the spacer, a spring wire having elasticity may be used as the spring, and the spring may be at least one of carbon steel, low-alloy steel, and spring steel. can include

이하에서는, 도 2a 내지 도 14e를 참조하여 나노 물질로 환원된 그래핀 산화물을 사용하는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기에 대해 설명하기로 한다.Hereinafter, a triboelectric nanogenerator using reduced graphene oxide as a nanomaterial according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 2A to 14E.

도 2a 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 입체도를 도시한 도면이다.2a is a diagram showing a three-dimensional view of a triboelectric nanogenerator according to an embodiment of the present invention.

도 2a는 도 1에서와 동일한 구성을 포함하고 있으므로, 동일한 구성요소에 대해서는 생략하기로 한다.Since FIG. 2A includes the same components as those in FIG. 1 , the same components will be omitted.

본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기는 제1 기판 상에 형성되는 하부 전극(210), 하부 전극(210) 상에 형성되는 음의 마찰층(220), 제2 기판 상에 형성되고, 상부 전극으로 사용되는 양의 마찰층(230) 및 제1 기판 및 제2 기판 사이에 형성되고, 제1 기판 및 제2 기판 사이의 간격을 유지하는 적어도 하나의 스페이서를 포함한다.A triboelectric nanogenerator according to an embodiment of the present invention includes a lower electrode 210 formed on a first substrate, a negative friction layer 220 formed on the lower electrode 210, and a second substrate. , a positive friction layer 230 used as an upper electrode, and at least one spacer formed between the first substrate and the second substrate and maintaining a distance between the first substrate and the second substrate.

바람직하게는, 하부 전극(210) 및 상부 전극(230)으로는 알루미늄(Al)이 사용될 수 있고, 음의 마찰층(220)에 포함되는 고분자 물질로는 폴리이미드(PI)가 사용될 수 있으며, 나노 물질로는 환원된 그래핀 산화물(rGO)이 사용될 수 있다.Preferably, aluminum (Al) may be used as the lower electrode 210 and the upper electrode 230, and polyimide (PI) may be used as a polymer material included in the negative friction layer 220, As the nanomaterial, reduced graphene oxide (rGO) may be used.

특히, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 음의 마찰층(220)으로 폴리이미드를 포함하는 제1 층(221), 폴리이미드 및 환원된 그래핀 산화물을 포함하는 제2 층(223) 및 폴리이미드를 포함하는 제3 층(223)이 순차적으로 적층된 샌드위치 구조일 수 있다.In particular, as the negative friction layer 220 of the triboelectric nanogenerator according to an embodiment of the present invention, the first layer 221 including polyimide and the second layer including polyimide and reduced graphene oxide ( 223) and the third layer 223 including polyimide may be sequentially stacked.

또한, 음의 마찰층(220)은 폴리이미드 내에 환원된 그래핀 산화물이 균일하게 분산될 수 있도록, 폴리아크릴아마이드(PAA)를 포함하는 용액 내에 기능화된 그래핀 산화물(GO) 시트를 결합시켜 제조될 수 있다.In addition, the negative friction layer 220 is prepared by combining functionalized graphene oxide (GO) sheets in a solution containing polyacrylamide (PAA) so that reduced graphene oxide can be uniformly dispersed in polyimide. It can be.

따라서, 제2 층(223)은 폴리아크릴아마이드에 기능화된 그래핀 산화물을 포함하는 제2 층 용액을 스핀 코팅 및 후속 이미드화를 진행하여 손쉽게 제조될 수 있다.Therefore, the second layer 223 can be easily prepared by spin-coating a second layer solution containing graphene oxide functionalized with polyacrylamide and subsequent imidation.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기는 제2 층에 환원된 그래핀 산화물 시트를 포함하더라고 폴리이미드의 화학 구조에는 전혀 영향을 미치지 않는다.In addition, the triboelectric nanogenerator according to an embodiment of the present invention does not affect the chemical structure of polyimide at all even if the second layer includes the reduced graphene oxide sheet.

제2 층(223)에 대해서는 도 2b에서 보다 상세히 설명하기로 한다.The second layer 223 will be described in detail with reference to FIG. 2B.

도 2b 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 음의 마찰층의 제2 층을 도시한 도면이다.FIG. 2b shows a second layer of the negative friction layer of a triboelectric nanogenerator according to an embodiment of the present invention.

도 2b를 참조하면, 음의 마찰층의 제2 층은 폴리이미드 및 환원된 그래핀 산화물을 포함하고, 보다 바람직하게는, 폴리이미드 매트릭스(PI matrix) 내에 환원된 그래핀 산화물(rGO) 시트가 균일하게 분산될 수 있다.Referring to FIG. 2B, the second layer of the negative friction layer includes polyimide and reduced graphene oxide, and more preferably, a reduced graphene oxide (rGO) sheet in a polyimide matrix (PI matrix) can be evenly distributed.

또한, 음의 마찰층의 제2 층에 포함되는 환원된 그래핀 산화물(rGO) 시트는 전자를 트랩할 수 있다.Also, the reduced graphene oxide (rGO) sheet included in the second layer of the negative friction layer can trap electrons.

제조예manufacturing example

PAA:GO 용액 준비Preparation of PAA:GO solution

천연의 흑연을 수정된 Hummers법을 이용함으로써 정제하여 그래핀 산화물(GO) 시트를 준비하였다. 다이메틸폼아마이드(DMF)에 폴리아믹산(PAA)을 용해시켜 만든 PAA 전구체 용액은 287.5 mg의 p-페닐렌디아민(PDA), 781.25 mg의 비페닐디안무수물(BPDA)를 DMF 용액에 용해시켜서 수득하였다. Graphene oxide (GO) sheets were prepared by purifying native graphite by using a modified Hummers method. A PAA precursor solution made by dissolving polyamic acid (PAA) in dimethylformamide (DMF) was obtained by dissolving 287.5 mg of p-phenylenediamine (PDA) and 781.25 mg of biphenyldianhydride (BPDA) in a DMF solution. did

PAA 전구체 용액에 GO 시트를 첨가하고 1시간 동안 초음파처리(ultrasonication)하여 PAA:GO 혼합물을 수득하고, PAA 전구체 용액에 GO 시트가 균일하게 분산된 PAA와 PAA:GO 용액을 준비하였다. A PAA:GO mixture was obtained by adding the GO sheet to the PAA precursor solution and ultrasonicating for 1 hour, and preparing a PAA and PAA:GO solution in which the GO sheet was uniformly dispersed in the PAA precursor solution.

TENG 소자 제조TENG device manufacturing

TENG의 음의 마찰층을 제작하기 위하여 열 증착법을 이용하여 유리 기판 상에 Al막을 증착하여 하부 전극을 형성하였다. 이후, PAA 전구체 용액을 코팅하여 PI(Kapton)막의 음의 마찰층의 제1 층을 형성하고, PI(Kapton)막 상에 스핀 코팅 방법으로 PAA:GO 막을 코팅하며, 135℃에서 30분간 열처리하여 용매를 증발시켜 음의 마찰층의 제2 층을 형성하고, 음의 마찰층의 제2 층 상에 PAA 전구체 용액을 코팅하여 PI(Kapton)막의 음의 마찰층의 제3 층을 형성하였다.To fabricate the negative friction layer of TENG, an Al film was deposited on a glass substrate using a thermal evaporation method to form a lower electrode. Thereafter, a PAA precursor solution was coated to form a first layer of a negative friction layer of a PI (Kapton) film, and a PAA:GO film was coated on the PI (Kapton) film by a spin coating method, and heat treatment was performed at 135 ° C. for 30 minutes. The solvent was evaporated to form a second layer of negative friction layer, and a PAA precursor solution was coated on the second layer of negative friction layer to form a third layer of negative friction layer of PI (Kapton) film.

이후, 400℃ 에서 2시간 동안 열처리하여 PI(Kapton)/Pi:rGO/PI가 순차적으로 적층된 음의 마찰층을 형성하고, 하부 전극 상에 부착하였다. 마지막으로, 양의 마찰층으로 알루미늄(Al) 호일이 부착된 유리 기판을 준비하고, 양의 마찰층을 TENG의 공간층으로 사용된 10 mm 두께의 스프링으로 지탱하여 음의 마찰층에 부착하였다.Thereafter, heat treatment was performed at 400° C. for 2 hours to form a negative friction layer in which PI (Kapton)/Pi:rGO/PI were sequentially stacked and attached to the lower electrode. Finally, an aluminum (Al) foil-attached glass substrate was prepared as a positive friction layer, and the positive friction layer was supported by a 10 mm thick spring used as a TENG space layer and attached to the negative friction layer.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 광학 이미지(Optical image)를 도시한 것이다.3 shows an optical image of a triboelectric nanogenerator according to an embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기는 1.5 cm×2.5 cm의 활성 크기로 형성된 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 3 , it can be seen that the triboelectric nanogenerator according to an embodiment of the present invention has an active size of 1.5 cm×2.5 cm.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기에 포함되는 음의 마찰층의 단면의 주사전자현미경(SEM) 측정 이미지를 도시한 것이다.4 shows a scanning electron microscope (SEM) measurement image of a cross section of a negative friction layer included in a triboelectric nanogenerator according to an embodiment of the present invention.

도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 음의 마찰층이 폴리이미드(PI), 폴리이미드 및 환원된 그래핀 산화물(PI:rGO) 및 폴리이미드(PI)이 순차적으로 잘 적층되어 있는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 4 , the negative friction layer of the triboelectric nanogenerator according to an embodiment of the present invention is composed of polyimide (PI), polyimide and reduced graphene oxide (PI:rGO), and polyimide (PI). It can be seen that they are sequentially stacked well.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 음의 마찰층의 제2 층(PI:rGO)은 폴리이미드(PI) 내에 환원된 그래핀 산화물(rGO)이 균일하게 분산된 것을 알 수 있다.In addition, it can be seen that the reduced graphene oxide (rGO) is uniformly dispersed in the polyimide (PI) in the second layer (PI:rGO) of the negative friction layer of the triboelectric nanogenerator according to an embodiment of the present invention. can

도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 개방-회로 전압(Open-circuit voltage)을 도시한 그래프이다.5A to 5D are graphs showing open-circuit voltages of triboelectric nanogenerators according to an embodiment of the present invention.

도 5a는 음의 마찰층으로 제1 층만 포함하는 마찰 전기 나노발전기에서의 개방-회로 전압이고, 도 5b는 음의 마찰층으로 제1 층(Kapton) 및 제2 층으로 고분자 물질(PI)만 포함하는 마찰 전기 나노발전기에서의 개방-회로 전압이며, 도 5c는 음의 마찰층으로 제1 층(Kapton) 및 제2 층(PI:rGO)을 포함하는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기에서의 개방-회로 전압이고, 도 5d는 음의 마찰층으로 제1 층(Kapton) 내지 제3 층(PI)을 포함하는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기에서의 개방-회로 전압이다.FIG. 5A is an open-circuit voltage in a triboelectric nanogenerator including only the first layer as a negative friction layer, and FIG. 5B is only the first layer (Kapton) and the polymer material (PI) as the second layer. Figure 5c is a triboelectric according to an embodiment of the present invention including a first layer (Kapton) and a second layer (PI: rGO) as negative friction layers. Open-circuit voltage in the nanogenerator, Figure 5d is an open-circuit voltage in the triboelectric nanogenerator according to an embodiment of the present invention including the first layer (Kapton) to the third layer (PI) as the negative friction layer. is the circuit voltage.

또한, 도 5a 내지 도 5b는 순차적으로, 활성화 과정(Activation process), 0.2Hz의 동작 주파수(operation frequencies), 1 Hz의 동작 주파수 및 7 Hz의 동작 주파수에서의 개방-회로 전압을 도시하였다.In addition, FIGS. 5A and 5B sequentially show the open-circuit voltage at an activation process, an operating frequency of 0.2 Hz, an operating frequency of 1 Hz, and an operating frequency of 7 Hz.

도 5a 내지 도 5d는 음의 마찰층으로 제1 층 내지 제3 층을 포함하는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기는 안정된 접압 출력(voltage output)을 얻기 위해 40 회의 마찰-이격 주기를 필요로 하는 것으로 보아, 음의 마찰층에 고분자 물질만 포함하는 마찰 전기 나노발전기보다 안정된 접압 출력을 갖기 위한 마찰-이격 주기가 감소되는 것을 알 수 있다.5A to 5D show that the triboelectric nanogenerator according to an embodiment of the present invention including first to third layers as negative friction layers undergoes 40 friction-separation cycles to obtain a stable voltage output. , it can be seen that the friction-separation period to have a stable contact pressure output is reduced compared to the triboelectric nanogenerator containing only a polymer material in the negative friction layer.

또한, 7Hz의 동작 주파수에서 음의 마찰층으로 제1 층 내지 제3 층을 포함하는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기는 음의 마찰층에 고분자 물질만 포함하는 마찰 전기 나노발전기보다 약 3배 이상 높은 90V의 출력 전압을 나타내는 것을 알 수 있다.In addition, the triboelectric nanogenerator according to an embodiment of the present invention including the first to third layers as negative friction layers at an operating frequency of 7 Hz has a lower friction than the triboelectric nanogenerator including only polymer materials in the negative friction layer. It can be seen that it represents an output voltage of 90V, which is about three times higher.

또한, 음의 마찰층에 고분자 물질만 포함하는 마찰 전기 나노발전기는 동작 주파수가 증가함에 따라 출력 전압이 증가하나, 음의 마찰층으로 제1 층 내지 제3 층을 포함하는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기는 출력 전압이 동작 주파수에 의존되지 않고, 높은 출력 전압을 나타내는 것으로 보아, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기가 안정적인 동작 특성을 나타내는 것을 알 수 있다.In addition, the output voltage of the triboelectric nanogenerator including only polymer materials in the negative friction layer increases as the operating frequency increases, but the negative friction layer includes the first to third layers according to an embodiment of the present invention. The triboelectric nanogenerator according to has an output voltage that does not depend on the operating frequency and exhibits a high output voltage, indicating that the triboelectric nanogenerator according to an embodiment of the present invention exhibits stable operating characteristics.

도 6a 내지 도 도 6f는 전자 트랩 매커니즘을 도시한 그래프 및 에너지 밴드를 도시한 것이다. 6A to 6F show graphs and energy bands illustrating electron trap mechanisms.

도 6a는 폴리이미드(이하에서 PI로 표기)와 폴리이미드:환원된 그래핀 산화물(이하에서 PI:rGO로 표기) 나노 복합체 각각의 여기(excitation) 스펙트럼(왼쪽) 및 방출(emission) 스펙트럼(오른쪽)을 도시한 그래프이다.FIG. 6a is an excitation spectrum (left) and an emission spectrum (right) of a polyimide (hereinafter referred to as PI) and a polyimide:reduced graphene oxide (hereinafter referred to as PI:rGO) nanocomposite. ) is a graph showing.

도 6a를 참조하면, PI:rGO 나노 복합체는 361nm 부근의 파장에서 형광 여기가 발생하는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 6a, it can be seen that fluorescence excitation occurs at a wavelength of around 361 nm in the PI:rGO nanocomposite.

따라서, PI:rGO 나노 복합체의 형광 여기가 PI보다 증가되는 것으로 보아, rGO(보다 바람직하게 rGO 시트)가 전하 전달 과정(charge transfer process)을 촉진시킬 수 있고, 이를 통해, rGO가 전하를 트랩할 수 있는 것을 알 수 있다.Therefore, as the fluorescence excitation of the PI:rGO nanocomposite is higher than that of PI, rGO (more preferably rGO sheet) can promote the charge transfer process, through which rGO can trap charges. know what can be

도 6b는 PI와 PI:rGO 나노 복합체 각각의 흡수 스펙트럼(absorption spectra)을 도시한 그래프이다.6B is a graph showing absorption spectra of PI and PI:rGO nanocomposites, respectively.

도 6b를 참조하면, PI:rGO 나노 복합체의 가시광 영역에서의 흡수 피크는 rGO에 의해 544nm에서 572nm로 이동되는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 6B, it can be seen that the absorption peak in the visible light region of the PI:rGO nanocomposite is shifted from 544 nm to 572 nm by rGO.

도 6c는 PI:rGO 나노 복합체를 포함하는 플로팅 게이트 MIS(floating-gate metal-insulator-semiconductor)의 캐패시턴스를 도시한 그래프이다.6C is a graph showing capacitance of a floating-gate metal-insulator-semiconductor (MIS) including a PI:rGO nanocomposite.

도 6c는 플로팅 게이트 MIS의 전하 저장층으로 PI:rGO 나노 복합체를 도입하여 PI:rGO 나노 복합체의 전자 전달 및 트래핑 효과를 확인하였고, 전압-캐패시터스(C-V) 곡선은 5MHz에서 측정되었다.6c shows the electron transfer and trapping effect of the PI:rGO nanocomposite by introducing the PI:rGO nanocomposite as the charge storage layer of the floating gate MIS, and the voltage-capacitance (C-V) curve was measured at 5 MHz.

도 6c를 참조하면, 전압-캐패시터스 히스테레시스 윈도우(C-V hysteresis windows)에서 음의 최대 바이어스가 증가하는 것으로 보아 PI에 분산된 rGO가 전자를 트랩하여 전하의 포획이 증가하는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 6C , as the maximum negative bias increases in the voltage-capacitance hysteresis window (C-V hysteresis windows), it can be seen that the rGO dispersed in the PI traps electrons to increase the charge capture.

도 6d는 다양한 인가 전압에 따른 플로팅 게이트 MIS의 플랫-밴드 전압 쉬프트(flat-band voltage shifts, ΔVfb)를 도시한 그래프이다.6D is a graph showing flat-band voltage shifts (ΔVfb) of the floating gate MIS according to various applied voltages.

도 6d를 참조하면, 음의 바이어스에서 포획된 전자의 평균 밀도는 음의 인가 전압이 -1V에서 -8V으로 증가될 때 3.8×10-3 C/m2 에서 2.8×10-2 C/m2까지 증가되는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 6D , the average density of electrons trapped at negative bias is 3.8×10 -3 C/m 2 to 2.8×10 -2 C/m 2 when the negative applied voltage is increased from -1V to -8V. It can be seen that increases up to

도 6e는 제로 바이어스(zero bias)에서의 플로팅 게이트 MIS의 에너지 밴드 다이어그램을 도시한 것이고, 도 6f는 음의 바이어스(negative bias) 에서의 플로팅 게이트 MIS의 에너지 밴드 다이어그램을 도시한 것이다.6E shows an energy band diagram of the floating gate MIS at zero bias, and FIG. 6F shows an energy band diagram of the floating gate MIS at a negative bias.

도 6e를 참조하면, 상부 전극에 인가되는 전압이 0V일 때, 전하가 PI:rGO 전하 저장층에 트랩되지 않는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 6E , it can be seen that when the voltage applied to the upper electrode is 0V, charges are not trapped in the PI:rGO charge storage layer.

그러나, 도 6f를 참조하면, 상부 전극에 음의 전압이 인가될 때, 전자는 상부 전극의 페르미 레벨에서 가장 낮은 비점유 분자 궤도(LUMO) 레벨로 주입된 다음, PI:rGO 전하 저장층의 rCO에 트랩되는 것을 알 수 있다.However, referring to FIG. 6F, when a negative voltage is applied to the upper electrode, electrons are injected from the Fermi level of the upper electrode to the lowest unoccupied molecular orbital (LUMO) level, and then rCO of the PI:rGO charge storage layer. It can be seen that it is trapped in .

PI:rGO 전하 저장층에 전자가 트랩되면 PI/p-Si 계면에서 정공이 축적되어 캐패시턴스 값이 증가하고, 이는 마찰 전기 나노발전기의 작동 원리와 유사하다.When electrons are trapped in the PI:rGO charge storage layer, holes are accumulated at the PI/p-Si interface, increasing the capacitance value, which is similar to the operating principle of triboelectric nanogenerators.

도 7a는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기에 포함되는 제2 층(PI:rGO)의 두께에 따른 개방 회로 전압을 도시한 그래프이다.7A is a graph showing an open circuit voltage according to a thickness of a second layer (PI:rGO) included in a triboelectric nanogenerator according to an embodiment of the present invention.

도 7a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기에 포함되는 제2 층(PI:rGO)의 두께가 증가할수록 개방 회로 전압이 증가하고, 특히, 제2 층(PI:rGO)의 두께가 6.5㎛로 증가될 때 개방 회로 전압이 150V로 증가되는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 7A , as the thickness of the second layer (PI:rGO) included in the triboelectric nanogenerator according to an embodiment of the present invention increases, the open circuit voltage increases, and in particular, the second layer (PI:rGO) increases. It can be seen that the open circuit voltage increases to 150V when the thickness of ) is increased to 6.5 μm.

도 7b는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기에 포함되는 제2 층(PI:rGO)의 rGO의 농도에 따른 개방 회로 전압을 도시한 그래프이다.FIG. 7B is a graph showing the open circuit voltage according to the rGO concentration of the second layer (PI:rGO) included in the triboelectric nanogenerator according to an embodiment of the present invention.

도 7b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기에 포함되는 제2 층(PI:rGO)의 rGO의 농도가 증가할수록 개방 회로 전압이 증가하고, 특히, 제2 층(PI:rGO)에서의 rGO의 농도가 약 20.0wt%일 때, 최대 개방 회로 출력 전압은 190V로 증가하여 rGO를 포함하지 않는 마찰 전기 나노발전기보다 약 7배정도 증가되는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 7B , as the rGO concentration of the second layer (PI: rGO) included in the triboelectric nanogenerator according to an embodiment of the present invention increases, the open circuit voltage increases, and in particular, the second layer (PI: rGO) increases. When the concentration of rGO in :rGO) is about 20.0 wt%, the maximum open-circuit output voltage increases to 190 V, which is about 7 times higher than that of the triboelectric nanogenerator without rGO.

그러나, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기는 제2 층(PI:rGO)에서의 rGO의 농도가 약 28.9wt%로 증가하는 경우에는, 고농도의 rGO에 의해 rGO 끼리에 서로 연결되어 제2 층(PI:rGO)의 하부에서 내부 전기장을 가리는 효과를 나타내게 되어 개방 회로 전압이 50V로 감소되는 것을 알 수 있다.However, in the triboelectric nanogenerator according to an embodiment of the present invention, when the concentration of rGO in the second layer (PI:rGO) increases to about 28.9 wt%, the rGO is connected to each other by the high concentration of rGO. It can be seen that the lower part of the second layer (PI:rGO) has an effect of shielding the internal electric field, and thus the open circuit voltage is reduced to 50V.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 외부 부하 저항(external loading resistance)에 따른 출력 전압 및 전류 밀도를 도시한 그래프이다.8 is a graph showing output voltage and current density according to external loading resistance of a triboelectric nanogenerator according to an embodiment of the present invention.

도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기는 외부 부하 저항이 증가함에 따라 출력 전압이 감소되는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 8 , it can be seen that the output voltage of the triboelectric nanogenerator according to an embodiment of the present invention decreases as the external load resistance increases.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기는 PI:rGO를 포함하지 않는 마찰 전기 나노발전기보다 출력 특성이 향상되고, 전류 밀도가 개선되는 것을 알 수 있다.In addition, it can be seen that the triboelectric nanogenerator according to an embodiment of the present invention has improved output characteristics and improved current density than the triboelectric nanogenerator that does not contain PI:rGO.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 외부 부하 저항에 따른 출력 전력 밀도(output power density)를 도시한 그래프이다.9 is a graph showing output power density according to external load resistance of a triboelectric nanogenerator according to an embodiment of the present invention.

도 9을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 출력 전력 밀도는 약 5㏁의 저항에서 6.3W/m2의 최대값에 도달하는 것으로 보아, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기는 PI:rGO를 포함하지 않는 마찰 전기 나노발전기보다 출력 전력 밀도가 300배 증가하는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 9 , it is seen that the output power density of the triboelectric nanogenerator according to an embodiment of the present invention reaches a maximum value of 6.3 W/m 2 at a resistance of about 5 MΩ. It can be seen that the triboelectric nanogenerator according to this method has a 300-fold increase in output power density compared to the triboelectric nanogenerator without PI:rGO.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기는 PI:rGO를 포함하지 않는 마찰 전기 나노발전기보다 출력 특성이 향상되는 것을 알 수 있다.Therefore, it can be seen that the output characteristics of the triboelectric nanogenerator according to an embodiment of the present invention are improved compared to the triboelectric nanogenerator that does not contain PI:rGO.

도 10은 PI:rGO로 최적화된 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 개방 회로 전압을 도시한 그래프이다.10 is a graph showing the open circuit voltage of a triboelectric nanogenerator according to an embodiment of the present invention optimized with PI:rGO.

PI:rGO로 최적화된 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기를 사용하여 에너지 저장 장치를 충전하는 경우, 로드에 연결하기 전에 AC 신호를 정류한다.When an energy storage device is charged using a triboelectric nanogenerator according to an embodiment of the present invention optimized with PI:rGO, the AC signal is rectified before connecting to a load.

도 10에서와 같이, PI:rGO로 최적화된 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 출력 전압은 브릿지형 정류 회로(rectifier bridge circuit)에 의해 정류될 수 있다.As shown in FIG. 10, the output voltage of the triboelectric nanogenerator according to an embodiment of the present invention optimized with PI:rGO can be rectified by a rectifier bridge circuit.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 충전 과정(Charging processes)의 전기적 특성을 도시한 그래프이다.11 is a graph showing electrical characteristics of a charging process of a triboelectric nanogenerator according to an embodiment of the present invention.

도 11에서와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기를 이용하여 캐패시터를 충전하였고, 0.22㎌ 캐패시터는 7Hz의 동작 주파수에서 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기를 사용하여 충전되었다.As shown in FIG. 11, a capacitor was charged using a triboelectric nanogenerator according to an embodiment of the present invention, and a 0.22 μF capacitor was charged using a triboelectric nanogenerator according to an embodiment of the present invention at an operating frequency of 7 Hz. has been charged

도 12a 및 도 12b는 도 11에서 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기를 이용한 충전 과정의 전기적 특성을 확대한 그래프이다.12A and 12B are enlarged graphs of electrical characteristics of a charging process using a triboelectric nanogenerator according to an embodiment of the present invention shown in FIG. 11 .

도 12a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기는 PI:rGO를 포함하지 않는 마찰 전기 나노발전기보다 단시간에 충전되는 것으로 보아, 충전 성능이 향상되는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 12A, the triboelectric nanogenerator according to an embodiment of the present invention is charged in a shorter time than the triboelectric nanogenerator that does not contain PI:rGO, indicating that the charging performance is improved.

특히, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기는 단 7초만에 캐패시터를 6V까지 충전하였다. In particular, the triboelectric nanogenerator according to an embodiment of the present invention charged the capacitor to 6V in just 7 seconds.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기는 신호가 정류이기 때문에 마찰(press) 및 이격(release) 동작에서 모두 캐패시터를 충전할 수 있다. In addition, the triboelectric nanogenerator according to an embodiment of the present invention can charge the capacitor in both press and release operations because the signal is rectified.

본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 마찰 동작 동안 충전된 캐패시터의 전압을 0.32V까지 증가하고 이는 이격 동작과 거의 동일하였다. 그러나, PI:rGO를 포함하지 않는 마찰 전기 나노발전기는 약 0.1V의 전압만이 증가되었다.During the friction operation of the triboelectric nanogenerator according to an embodiment of the present invention, the voltage of the charged capacitor increased to 0.32 V, which was almost the same as the separation operation. However, the triboelectric nanogenerator without PI:rGO only increased the voltage by about 0.1 V.

도 12b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기는 마찰-이격 주기 동안의 총 축적량은 약 0.16μC를 갖고, PI:rGO를 포함하지 않는 마찰 전기 나노발전기는 마찰-이격 주기 동안의 총 축적량이 약 0.05 μC를 갖는 것으로 보아, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 충전 특성이 월등히 향상되는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 12B, the triboelectric nanogenerator according to an embodiment of the present invention has a total accumulation amount of about 0.16 μC during the triboelectric nanogenerator, and the triboelectric nanogenerator that does not contain PI:rGO has a triboelectric nanogenerator that does not contain PI:rGO during the triboelectric separation period. It can be seen that the charging characteristics of the triboelectric nanogenerator according to an embodiment of the present invention are remarkably improved, considering that the total accumulation amount during the period is about 0.05 μC.

도 13a 내지 도 13d는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기에 의해 구동되는 적색 LED 및 녹색 LED를 도시한 이미지이다.13A to 13D are images showing a red LED and a green LED driven by a triboelectric nanogenerator according to an embodiment of the present invention.

도 13a 내지 도 13d를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기를 이용하여 100개의 적색 LED 및 100개의 녹색 LED를 순간적으로 켜고 끌 수 있는 것을 알 수 있다.Referring to FIGS. 13A to 13D , it can be seen that 100 red LEDs and 100 green LEDs can be instantaneously turned on and off using the triboelectric nanogenerator according to an embodiment of the present invention.

도 14a 내지 도 14f는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 슬라이딩 과정에서의 전기적 특성을 도시한 그래프이다.14a to 14f are graphs illustrating electrical characteristics during a sliding process of a triboelectric nanogenerator according to an embodiment of the present invention.

도 14a는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 수평 방향의 슬라이딩 과정을 도시한 입체도이다.14A is a three-dimensional view illustrating a horizontal sliding process of a triboelectric nanogenerator according to an embodiment of the present invention.

도 14a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기는 음의 마찰층과 양의 마찰층이 슬라이딩되는 경우에도 동작될 수 있어, 수직 마찰에서의 한계를 극복하여 마찰 전기 나노발전기의 효율을 극대화시킬 수 있다.Referring to FIG. 14A, the triboelectric nanogenerator according to an embodiment of the present invention can be operated even when the negative friction layer and the positive friction layer slide, overcoming the limitation in vertical friction to obtain a triboelectric nanogenerator. efficiency can be maximized.

도 14b는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 슬라이딩 과정에서의 개방 회로 전압을 도시한 그래프이고, 도 14c는 PI:rGO를 포함하지 않는 마찰 전기 나노발전기의 슬라이딩 과정에서의 개방 회로 전압을 도시한 그래프이다.FIG. 14B is a graph showing the open circuit voltage during sliding of a triboelectric nanogenerator according to an embodiment of the present invention, and FIG. 14C is an open circuit during sliding of a triboelectric nanogenerator not containing PI:rGO. It is a graph showing voltage.

도 14b 및 도 14c를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 슬라이딩 과정에서의 개방 회로 전압은 PI:rGO를 포함하지 않는 마찰 전기 나노발전기보다 약 3배 정도 증가하는 것을 알 수 있다.Referring to FIGS. 14b and 14c, it can be seen that the open-circuit voltage during the sliding process of the triboelectric nanogenerator according to an embodiment of the present invention increases by about 3 times compared to that of the triboelectric nanogenerator without PI:rGO. can

도 14d는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 슬라이딩 과정에서의 전력 밀도를 도시한 그래프이다.14D is a graph showing power density in a sliding process of a triboelectric nanogenerator according to an embodiment of the present invention.

도 14d를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 슬라이딩 과정에서의 전력 밀도는 약 10㏁의 저항에서 0.3W/M2의 최대 값에 도달하는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 14D , it can be seen that the power density in the sliding process of the triboelectric nanogenerator according to an embodiment of the present invention reaches a maximum value of 0.3 W/M 2 at a resistance of about 10 MΩ.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 슬라이딩 과정에서의 최대 전력 밀도는 PI:rGO를 포함하지 않는 마찰 전기 나노발전기보다 약 9배 정도 증가하는 것을 알 수 있다.Therefore, it can be seen that the maximum power density in the sliding process of the triboelectric nanogenerator according to an embodiment of the present invention increases by about 9 times compared to that of the triboelectric nanogenerator without PI:rGO.

도 14e는 슬라이딩을 이용한 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 충전 과정을 도시한 그래프이다.14E is a graph showing a charging process of a triboelectric nanogenerator according to an embodiment of the present invention using sliding.

도 14e를 참조하면, 8Hz의 동작 주파수에서의 슬라이딩을 이용한 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기는 단 5초만에 캐패시터를 4.5V로 충전하였다.Referring to FIG. 14E, the triboelectric nanogenerator according to an embodiment of the present invention using sliding at an operating frequency of 8 Hz charged the capacitor to 4.5 V in just 5 seconds.

도 14f는 슬라이딩을 이용한 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 누적 전하를 도시한 그래프이다.14F is a graph showing accumulated charge of a triboelectric nanogenerator according to an embodiment of the present invention using sliding.

도 14f를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기는 마찰-이격 주기 동안 총 축적량은 약 0.1μC를 갖는 것으로 보아, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기가 PI:rGO를 포함하지 않는 마찰 전기 나노발전기보다 효율이 향상되는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 14f , the triboelectric nanogenerator according to an embodiment of the present invention has PI: It can be seen that the efficiency is improved compared to the triboelectric nanogenerator without rGO.

이하에서는, 도 15 내지 도 20d를 참조하여 나노 물질로 이황화 몰리브덴을 사용하는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기에 대해 설명하기로 한다.Hereinafter, a triboelectric nanogenerator using molybdenum disulfide as a nanomaterial according to another embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 15 to 20D.

도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 입체도를 도시한 도면이다.15 is a three-dimensional view of a triboelectric nanogenerator according to another embodiment of the present invention.

도 15는 도 1 및 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기와 동일한 구성을 포함하고 있으므로, 동일한 구성요소에 대해서는 생략하기로 한다.Since FIG. 15 includes the same components as those of FIG. 1 and the triboelectric nanogenerator according to an embodiment of the present invention, the same components will be omitted.

본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기는 제1 기판(311) 상에 형성되는 하부 전극(320), 하부 전극(320) 상에 형성되는 음의 마찰층(330), 제2 기판(312) 상에 형성되고, 상부 전극으로 사용되는 양의 마찰층(340) 및 제1 기판(311) 및 제2 기판(312) 사이에 형성되고, 제1 기판(311) 및 제2 기판(312) 사이의 간격을 유지하는 적어도 하나의 스페이서를 포함한다.A triboelectric nanogenerator according to another embodiment of the present invention includes a lower electrode 320 formed on a first substrate 311, a negative friction layer 330 formed on the lower electrode 320, and a second substrate ( 312) and formed between the positive friction layer 340 used as an upper electrode and the first substrate 311 and the second substrate 312, the first substrate 311 and the second substrate 312 ) includes at least one spacer maintaining a gap between

바람직하게는, 하부 전극(320) 및 상부 전극(340)으로 는 알루미늄(Al)이 사용될 수 있고, 음의 마찰층(220)에 포함되는 고분자 물질로는 폴리이미드(PI)가 사용될 수 있으며, 나노 물질로는 이황화 몰리브덴(MoS2)이 사용될 수 있다. 더욱 바람직하게는, 이황화 몰리브덴은 단일층 결정일 수 있다.Preferably, aluminum (Al) may be used as the lower electrode 320 and the upper electrode 340, and polyimide (PI) may be used as a polymer material included in the negative friction layer 220, As the nanomaterial, molybdenum disulfide (MoS 2 ) may be used. More preferably, the molybdenum disulfide may be a monolayer crystal.

나노 물질로 사용되는 이황화 몰리브덴 단일층 결정은 전자가 부착되는 특정지역 비 표면적(Specific Surface Area)이 다른 물질에 비하여 매우 크기 때문에 전자 트랩 효율을 보다 향상시켜, 마찰 전기 나노발전기의 성능을 보다 향상시킬 수 있다.Molybdenum disulfide monolayer crystal used as a nanomaterial has a very large specific surface area to which electrons are attached, so it can further improve the electron trap efficiency and further improve the performance of triboelectric nanogenerators. can

특히, 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 음의 마찰층(330)으로 폴리이미드를 포함하는 제1 층(331), 폴리이미드 및 이황화 몰리브덴을 포함하는 제2 층(332) 및 폴리이미드를 포함하는 제3 층(333)이 순차적으로 적층된 샌드위치 구조일 수 있다.In particular, as the negative friction layer 330 of the triboelectric nanogenerator according to another embodiment of the present invention, the first layer 331 including polyimide, the second layer 332 including polyimide and molybdenum disulfide, and A sandwich structure in which the third layer 333 including polyimide is sequentially stacked may be formed.

또한, 음의 마찰층(340)은 폴리이미드(PI) 내에 이황화 몰리브덴(MoS2)이 균일하게 분산될 수 있도록, 폴리아크릴아마이드(PAA)를 포함하는 용액 내에 기능화된 이황화 몰리브덴(MoS2) 단일층을 결합시켜 제조될 수 있다.In addition, the negative friction layer 340 is a single layer of molybdenum disulfide (MoS 2 ) functionalized in a solution containing polyacrylamide (PAA) so that molybdenum disulfide (MoS 2 ) can be uniformly dispersed in polyimide (PI). It can be made by combining layers.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기는 음의 마찰층(340) 내에 이황화 몰리브덴(MoS2)을 포함하더라고 폴리이미드의 화학 구조에는 영향을 미치지 않는다.In addition, the triboelectric nanogenerator according to another embodiment of the present invention does not affect the chemical structure of polyimide even if molybdenum disulfide (MoS 2 ) is included in the negative friction layer 340 .

음의 마찰층의 제2 층(332)은 폴리이미드 및 이황화 몰리브덴을 포함하고, 보다 바람직하게는 폴리이미드 매트릭스(PI matrix) 내에 이황화 몰리브덴 단일층(monolayer MoS2)이 균일하게 분산될 수 있다.The second layer 332 of the negative friction layer includes polyimide and molybdenum disulfide, and more preferably, a monolayer MoS 2 of molybdenum disulfide may be uniformly dispersed in a polyimide matrix (PI matrix).

또한, 음의 마찰층의 제2 층(332)에 포함되는 이황화 몰리브덴은 전극으로부터 전자를 트랩할 수 있다.Also, molybdenum disulfide included in the second layer 332 of the negative friction layer can trap electrons from the electrode.

제조예manufacturing example

MoSMoS 22 단일층 제조 monolayer manufacturing

MoS2 조각들을 도 16a에서와 같은 박리 방법을 이용하여 MoS2 단일층을 수득하였다.A MoS 2 monolayer was obtained by exfoliating the pieces of MoS 2 using the same method as in FIG. 16a.

MoSMoS 22 단일층 및 PAA 부유물 용액 제조 Monolayer and PAA suspension solution preparation

다이메틸폼아마이드(DMF)에 폴리아믹산(PAA)을 용해시켜 만든 PAA 전구체 용액은 287.5 mg의 p-페닐렌디아민(PDA), 781.25 mg의 비페닐디안무수물(BPDA)를 DMF 용액에 용해시켜서 수득하였다. A PAA precursor solution made by dissolving polyamic acid (PAA) in dimethylformamide (DMF) was obtained by dissolving 287.5 mg of p-phenylenediamine (PDA) and 781.25 mg of biphenyldianhydride (BPDA) in a DMF solution. did

MoS2 가루 10mg을 PAA 전구체 용액 20ml에 첨가하여 9시간 동안 초음파처리를 하여 MoS2 단일층 PAA 부유물을 준비하였다. 생성된 MoS2 단일층 PAA 부유물을 7일 동안 가만히 놔두어 잔여 입자들을 제거한 다음, 표면의 상층액을 30분 동안 4000rpm의 원심분리를 하여 모아, MoS2 단일층이 PAA 전구체 용액에 균일하게 분산된 MoS2 단일층 PAA 부유물 용액을 제조하였다.10 mg of MoS 2 powder was added to 20 ml of a PAA precursor solution and sonicated for 9 hours to prepare a MoS 2 single layer PAA suspension. The resulting MoS 2 monolayer PAA suspension was left alone for 7 days to remove residual particles, and then the supernatant on the surface was collected by centrifugation at 4000 rpm for 30 minutes, and the MoS 2 monolayer was uniformly dispersed in the PAA precursor solution. A MoS 2 monolayer PAA suspension solution was prepared.

TENG 소자 제조TENG device manufacturing

TENG의 음의 마찰층을 제작하기 위하여 열 증착법을 이용하여 유리 기판 상에 Al막을 증착하여 하부 전극을 형성하였다. 이후, PAA 전구체 용액을 코팅하여 PI(Kapton)막의 음의 마찰층의 제1 층을 형성하고, PI(Kapton)막 상에 스핀 코팅 방법으로 PAA;MoS2 막을 코팅하며, 135℃에서 30분간 열처리하여 용매를 증발시켜 음의 마찰층의 제2 층을 형성하고, 음의 마찰층의 제2 층 상에 PAA 전구체 용액을 코팅하여 PI(Kapton)막의 음의 마찰층의 제3 층을 형성하였다.To fabricate the negative friction layer of TENG, an Al film was deposited on a glass substrate using a thermal evaporation method to form a lower electrode. Thereafter, a PAA precursor solution was coated to form a first layer of a negative friction layer of a PI (Kapton) film, and a PAA;MoS 2 film was coated on the PI (Kapton) film by a spin coating method, and heat treatment was performed at 135 ° C. for 30 minutes. The solvent was evaporated to form a second layer of negative friction layer, and a PAA precursor solution was coated on the second layer of negative friction layer to form a third layer of negative friction layer of PI (Kapton) film.

이후, 400℃ 에서 2시간 동안 열처리하여 PI(Kapton)/Pi:rGO/PI가 순차적으로 적층된 음의 마찰층을 형성하고, 하부 전극 상에 부착하였다. 마지막으로 양의 마찰층으로 알루미늄(Al) 호일이 부착된 유리 기판을 준비하고, 양의 마찰층을 TENG의 공간층으로 사용된 10 mm 두께의 스프링으로 지탱하여 음의 마찰층에 부착하였다.Thereafter, heat treatment was performed at 400° C. for 2 hours to form a negative friction layer in which PI (Kapton)/Pi:rGO/PI were sequentially stacked and attached to the lower electrode. Finally, an aluminum (Al) foil-attached glass substrate was prepared as a positive friction layer, and the positive friction layer was attached to the negative friction layer by supporting it with a 10 mm thick spring used as a TENG space layer.

도 16a는 이황화 몰리브덴(MoS2)의 단일층 제조 과정을 도시한 도면이다.Figure 16a is a view showing a single layer manufacturing process of molybdenum disulfide (MoS 2 ).

도 16a를 참조하면, 이황화 몰리브덴(MoS2)의 단일층은 초음파로 유기 용매에 포함되는 벌크 이황화 몰리브덴 분말을 액상 박리하여 제조되었다.Referring to FIG. 16A, a single layer of molybdenum disulfide (MoS 2 ) was prepared by liquid phase exfoliation of bulk molybdenum disulfide powder contained in an organic solvent by ultrasonic waves.

또한, 폴리이미드의 전구체인 폴리아믹산(PAA)을 포함하는 폴리아믹산(PAA) 전구체 용액을 사용하였다.In addition, a polyamic acid (PAA) precursor solution containing polyamic acid (PAA), which is a precursor of polyimide, was used.

폴리아믹산(PAA) 전구체 용액에 이황화 몰리브덴(MoS2) 단일층을 첨가하여 제조된 용액을 스핀 코팅 및 이미드화하여 폴리이미드:이황화 몰리브덴(PI:MoS2) 층을 제조하였다.A polyimide:molybdenum disulfide (PI:MoS 2 ) layer was prepared by spin-coating and imidizing the solution prepared by adding a single layer of molybdenum disulfide (MoS 2 ) to a polyamic acid (PAA) precursor solution.

도 16b는 이황화 몰리브덴 단일층의 주사전자현미경 측정 이미지를 도시한 것이다.16B shows a scanning electron microscope measurement image of a monolayer of molybdenum disulfide.

도 16b는 몰리브덴 단일층이 이황화 몰리브덴 분말로부터 잘 분리된 것을 알 수 있다.16b shows that the molybdenum monolayer is well separated from the molybdenum disulfide powder.

도 16c는 실리콘 기판 상에 형성된 이황화 몰리브덴 단일층의 횡단면의 원자 힘 현미경(Atomic Force Microscope, AFM) 측정 이미지를 도시한 것이다.16C shows an atomic force microscope (AFM) measurement image of a cross-section of a molybdenum disulfide monolayer formed on a silicon substrate.

도 16c를 참조하면, 길이가 수백 나노 미터인 이황화 몰리브덴 나노 시트의 두께는 약 1nm를 갖는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 16C , it can be seen that the molybdenum disulfide nanosheet having a length of several hundred nanometers has a thickness of about 1 nm.

도 16d는 이황화 몰리브덴 단일층의 횡단면의 투과 전자 현미경(transmission electron microscopy, TEM) 측정 이미지를 도시한 것이다.16D shows a transmission electron microscopy (TEM) measurement image of a cross-section of a molybdenum disulfide monolayer.

도 16d를 참조하면, SAED(selected area electron diffraction) 패턴이 육각형 대칭을 갖는 것으로 보아, 이황화 몰리브덴 단일층이 단일 결정 도메인(single crystal domain)인 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 16D , it can be seen that the molybdenum disulfide single layer is a single crystal domain, as the selected area electron diffraction (SAED) pattern has hexagonal symmetry.

도 16e는 이황화 몰리브덴 단일층의 고배율의 투과 전자 현미경(transmission electron microscopy, TEM) 측정 이미지를 도시한 것이다.16E shows a high-magnification transmission electron microscopy (TEM) measurement image of a monolayer of molybdenum disulfide.

도 16e를 참조하면, 이황화 몰리브덴 단일층이 벌집 구조를 갖는 것으로 보아, 이황화 몰리브덴의 박리 시트가 단일층인 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 16E, since the molybdenum disulfide single layer has a honeycomb structure, it can be seen that the release sheet of molybdenum disulfide is a single layer.

도 17는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기에 포함되는 음의 마찰층의 제2 층의 횡단면의 주사전자현미경 측정 이미지를 도시한 것이다.17 shows a scanning electron microscope measurement image of a cross section of a second layer of a negative friction layer included in a triboelectric nanogenerator according to another embodiment of the present invention.

도 17를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기는 음의 마찰층의 제2 층(이하에서, PI: MoS2로 표기)이 균일하게 형성되는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 17 , it can be seen that in the triboelectric nanogenerator according to another embodiment of the present invention, the second layer of the negative friction layer (hereinafter referred to as PI: MoS 2 ) is uniformly formed.

도 18a는 PI:MoS2를 포함하지 않는 마찰 전기 나노발전기의 개방 회로 전압을 도시한 그래프이고, 도 18b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 개방 회로 전압을 도시한 그래프이다.18A is a graph showing the open-circuit voltage of a triboelectric nanogenerator that does not contain PI:MoS 2 , and FIG. 18B is a graph showing the open-circuit voltage of a triboelectric nanogenerator according to another embodiment of the present invention.

도 18a 및 도 18b를 참조하면, PI:MoS2를 포함하지 않는 마찰 전기 나노발전기의 개방 회로 전압은 약 30V이나, 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 개방 회로 전압은 400V로, 개방 회로 전압이 월등히 향상되는 것을 알 수 있다.18a and 18b, the open circuit voltage of the triboelectric nanogenerator not containing PI:MoS 2 is about 30V, but the open circuit voltage of the triboelectric nanogenerator according to another embodiment of the present invention is 400V, It can be seen that the open circuit voltage is greatly improved.

도 18c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 마찰-이격 주기 동안 생성된 전하의 양 및 단락 전류 밀도(Short-circuit current density)를 도시한 이미지이다.FIG. 18C is an image showing the amount of charge and short-circuit current density generated during the friction-separation period of a triboelectric nanogenerator according to another embodiment of the present invention.

도 18c를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 단략 전류 밀도는 PI:MoS2를 포함하지 않는 마찰 전기 나노발전기보다 개선되는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 18C , it can be seen that the short-circuit current density of the triboelectric nanogenerator according to another embodiment of the present invention is improved compared to that of the triboelectric nanogenerator without PI:MoS 2 .

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 마찰-이격 주기 동안 생성된 전하량은 PI:MoS2를 포함하지 않는 마찰 전기 나노발전기의 마찰-이격 사이클 동안 생성된 전하량인 0.05μC 보다 향상된 0.2μC를 나타낸다.In addition, the amount of charge generated during the friction-separation cycle of the triboelectric nanogenerator according to another embodiment of the present invention is improved by 0.05 μC, which is the amount of charge generated during the friction-separation cycle of the triboelectric nanogenerator not containing PI:MoS 2 . represents 0.2 μC.

도 18d는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 충전 과정의 전기적 특성을 도시한 그래프이다.18D is a graph showing electrical characteristics of a charging process of a triboelectric nanogenerator according to another embodiment of the present invention.

도 18d는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기를 이용하여 캐패시터를 충전하였고, 0.22㎌ 캐패시터는 7Hz의 동작 주파수에서 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기를 사용하여 충전되었다.18d shows that a capacitor was charged using a triboelectric nanogenerator according to another embodiment of the present invention, and a 0.22 μF capacitor was charged using a triboelectric nanogenerator according to another embodiment of the present invention at an operating frequency of 7 Hz.

도 18d를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기는 PI:MoS2를 포함하지 않는 마찰 전기 나노발전기보다 단시간에 충전되는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 18D , it can be seen that the triboelectric nanogenerator according to another embodiment of the present invention is charged in a shorter time than the triboelectric nanogenerator that does not contain PI:MoS 2 .

특히, 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기는 단 15초만에 캐패시터를 10V까지 충전하였다.In particular, the triboelectric nanogenerator according to another embodiment of the present invention charged the capacitor up to 10V in just 15 seconds.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기는 신호가 정류이기 때문에 마찰(press) 및 이격(release) 동작에서 모두 캐패시터를 충전할 수 있다. In addition, the triboelectric nanogenerator according to another embodiment of the present invention can charge the capacitor in both press and release operations because the signal is rectified.

본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 마찰 동작 동안 충전된 캐패시터의 전압을 0.5V까지 증가하고 이는 이격 동작과 거의 동일하였다. 그러나, PI:MoS2를 포함하지 않는 마찰 전기 나노발전기는 약 0.1V의 전압만이 증가되었다.During the friction operation of the triboelectric nanogenerator according to another embodiment of the present invention, the voltage of the charged capacitor increased to 0.5 V, which was almost the same as the separation operation. However, the triboelectric nanogenerator without PI:MoS 2 increased the voltage by only about 0.1V.

도 18e는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 피크 출력 전압(output peak voltage)에 대한 피크 출력 전류(output peak current)를 도시한 그래프이다.18E is a graph showing output peak current versus output peak voltage of a triboelectric nanogenerator according to another embodiment of the present invention.

도 18e를 참조하면, 전류-전압 곡선에 의해 정의된 직사각형 영역이 최대 피크 전력 밀도를 결정하고, 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기는 약 5㏁의 저항에서 25.7W/M2의 최대 피크 전력 밀도에 도달하고, 이는 PI:rGO를 포함하지 않는 마찰 전기 나노발전기보다 120배 더 증가된 값이다.Referring to FIG. 18E, the rectangular area defined by the current-voltage curve determines the maximum peak power density, and the triboelectric nanogenerator according to another embodiment of the present invention has a resistance of about 5 MΩ of 25.7 W/M 2 . The maximum peak power density is reached, which is a 120-fold increase over triboelectric nanogenerators without PI:rGO.

도 18f는 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기를 이용하여 동작되는 LCD 및 녹색 LED를 도시한 이미지이다.18F is an image showing an LCD and a green LED operated using a triboelectric nanogenerator according to another embodiment of the invention.

도 18f를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기는 LCD 및 녹색 LED에 직접 전원으로 사용될 수 있는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 18F , it can be seen that the triboelectric nanogenerator according to another embodiment of the present invention can be used as a direct power source for LCDs and green LEDs.

도 19a는 PI:MoS2를 포함하는 플로팅 게이트 MIS를 도시한 입체도이다.19A is a three-dimensional view illustrating a floating gate MIS including PI:MoS 2 .

도 19a를 참조하면, 플로팅 게이트 MIS는 Al/p-Si/PI/MoS2:PI/PI/Al의 구조를 가지고, 전하 저장층으로 PI:MoS2를 도입하여 PI:MoS2의 전자 전달 및 트래핑 효과를 확인하였고, 전압-캐패시터스(C-V) 곡선은 5MHz에서 전기적 특성이 측정되었다.Referring to FIG. 19A, the floating gate MIS has a structure of Al/p-Si/PI/MoS 2 :PI/PI/Al, and PI:MoS 2 is introduced as a charge storage layer to transfer electrons of PI:MoS 2 and The trapping effect was confirmed, and the electrical characteristics of the voltage-capacitance (CV) curve were measured at 5 MHz.

또한, C-V 측정은 -3V 내지 3V의 듀얼 전압 스윕을 적용하여 수행되었다.In addition, C-V measurements were performed by applying a dual voltage sweep from −3 V to 3 V.

도 19b는 PI:MoS2를 포함하는 플로팅 게이트 MIS의 캐패시턴스를 도시한 그래프이다.19B is a graph showing the capacitance of a floating gate MIS including PI:MoS 2 .

도 19b를 참조하면, 시계방향의 히스테레시스가 확인되는 것으로 보아, PI:MoS2가 전하 트래핑 영역으로 사용되는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 19B , clockwise hysteresis is confirmed, indicating that PI:MoS 2 is used as the charge trapping region.

또한, PI:MoS2를 포함하는 플로팅 게이트 MIS의 캐패시턴스 경향은 PI:rGO를 포함하는 플로팅 게이트 MIS의 캐패시턴스 경향과 유사한 것을 알 수 있다.In addition, it can be seen that the capacitance tendency of the floating gate MIS including PI:MoS 2 is similar to that of the floating gate MIS including PI:rGO.

도 19c는 -3V 내지 3V의 듀얼 전압 스윕에서의 PI:MoS2를 포함하는 플로팅 게이트 MIS의 전압-캐패시터스 곡선을 도시한 그래프이다.FIG. 19C is a graph showing a voltage-capacitance curve of a floating gate MIS including PI:MoS 2 at a dual voltage sweep from -3V to 3V.

도 19c를 참조하면, PI:MoS2에 트랩되는 전자의 수는 전압 스윕 횟수가 증가할수록 증가되는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 19C , it can be seen that the number of electrons trapped in PI:MoS 2 increases as the number of voltage sweeps increases.

도 19d 내지 도 19g는 PI:MoS2를 포함하는 플로팅 게이트 MIS의 에너지 밴드를 도시한 도면이다.19D to 19G are diagrams illustrating energy bands of a floating gate MIS including PI:MoS 2 .

도 19d를 참조하면, 네거티브 전압이 상부 전극에 인가될 때 PI:MoS2를 포함하는 플로팅 게이트 MIS는 플랫 밴드 상태를 유지하여 PI:MoS2 전하 저장층 내에 전자가 트랩되지 않는다.Referring to FIG. 19D , when a negative voltage is applied to the upper electrode, the floating gate MIS including PI:MoS 2 maintains a flat band state so that electrons are not trapped in the PI:MoS 2 charge storage layer.

도 19e를 참조하면, 도 19d보다 더 큰 네거티브 전압이 상부 전극에 인가되면 전자는 전극에서 가장 낮은 LUMO로 이동하고 PI:MoS2 전하 저장층 내에 전자가 트랩된다.Referring to FIG. 19E, when a higher negative voltage than that of FIG. 19D is applied to the upper electrode, electrons move to the lowest LUMO at the electrode and are trapped in the PI:MoS 2 charge storage layer.

PI:MoS2 전하 저장층은 전자를 트랩하면 PI/p-Si 계면에서 정공이 축적되어 캐패시턴스 값이 증가하고, 이는 마찰 전기 나노발전기의 작동 원리와 유사하다.When the PI:MoS 2 charge storage layer traps electrons, holes are accumulated at the PI/p-Si interface to increase the capacitance value, which is similar to the operating principle of a triboelectric nanogenerator.

도 19f를 참조하면, 포지티브 전압이 상부 전극에 인가되면, 전도대 바닥의 에너지 상태의 전자는 상부 전극으로 방출되고, 밴드 갭 내의 전자는 계면에 트랩된다.Referring to FIG. 19F, when a positive voltage is applied to the upper electrode, electrons in a conduction band bottom energy state are emitted to the upper electrode, and electrons within the band gap are trapped at the interface.

따라서, 도 19g를 참조하면, 플랫 밴드 조건(flat-band condition)에서는 더 작은 네거티브 전압을 필요로하게 되는 것을 알 수 있다.Accordingly, referring to FIG. 19G , it can be seen that a smaller negative voltage is required in the flat-band condition.

도 19d 내지 도 19g를 참조하면, 전압 스윕 수가 증가하면 PI:MoS2 전하 저장층에서 트랩되는 전자의 수가 증가하여 전압-캐패시터스 곡선도 이동하게 되는 것을 알 수 있다.Referring to FIGS. 19D to 19G , it can be seen that as the number of voltage sweeps increases, the number of electrons trapped in the PI:MoS 2 charge storage layer increases and the voltage-capacitance curve also shifts.

도 20a은 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 작동 매커니즘을 도시한 단면도이다.20A is a cross-sectional view showing an operating mechanism of a triboelectric nanogenerator according to another embodiment of the present invention.

도 20a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기는 활성 영역은 1.5 cm × 2.5 cm이다.20a shows that the triboelectric nanogenerator according to another embodiment of the present invention has an active area of 1.5 cm × 2.5 cm.

도 20a를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기는 초기에는 음의 마찰층 표면의 전자 일부가 PI:MoS2를 포함하는 음의 마찰층의 제2 층으로 전달된다.Referring to FIG. 20A , in a triboelectric nanogenerator according to another embodiment of the present invention, some of the electrons on the surface of the negative friction layer are initially transferred to the second layer of the negative friction layer including PI:MoS 2 .

본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 음의 마찰층으로 양의 마찰층이 점차적으로 이동될 때는 하부 전극의 양전하가 점차적으로 상부 전극으로 이동된다.When the positive friction layer gradually moves to the negative friction layer of the triboelectric nanogenerator according to another embodiment of the present invention, the positive charge of the lower electrode gradually moves to the upper electrode.

본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 음의 마찰층에 양의 마찰층이 마찰되면, 전자-수득 능력(electron-gaining ability)이 동일하기 때문에 하부의 전자가 일부 상부로 이동하게 된다.When the positive friction layer rubs against the negative friction layer of the triboelectric nanogenerator according to another embodiment of the present invention, electrons in the lower part move to the upper part because the electron-gaining ability is the same. .

그러나, 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 하부 부분은 MoS2에 의해 전자를 트랩하여 더 많은 수의 전자를 포함한다.However, the lower part of the triboelectric nanogenerator according to another embodiment of the present invention traps electrons by MoS 2 and contains a larger number of electrons.

본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 양의 마찰층이 다시 이격되면, 상부 전극의 양전하는 이격 과정 동안 하부 전극으로 점진적으로 전달된다.When the positive friction layer of the triboelectric nanogenerator according to another embodiment of the present invention is spaced apart again, the positive charge of the upper electrode is gradually transferred to the lower electrode during the separation process.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 하부 부분에 존재하는 전자는 양의 마찰층 및 음의 마찰층으로 이동되게 된다.In addition, electrons present in the lower part of the triboelectric nanogenerator according to another embodiment of the present invention are moved to the positive friction layer and the negative friction layer.

따라서, 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기는 PI:MoS2를 포함하는 음의 마찰층에 의해 전자를 트랩하여 마찰 전기 나노발전기의 개방 회로 전압이 증가된다.Therefore, in the triboelectric nanogenerator according to another embodiment of the present invention, the open circuit voltage of the triboelectric nanogenerator is increased by trapping electrons by the negative friction layer including PI:MoS 2 .

도 20b는 PI:MoS2를 포함하지 않는 마찰 전기 나노발전기의 충전 전 및 후의 개방 회로 출력 전압을 도시한 그래프이고, 도 20c는 본 발명의 실시예들에 따른 마찰 전기 나노발전기의 충전 전 및 후의 개방 회로 출력 전압을 도시한 그래프이다.FIG. 20B is a graph showing the open circuit output voltage before and after charging of a triboelectric nanogenerator that does not contain PI:MoS 2 , and FIG. It is a graph showing the open circuit output voltage.

도 20b 및 도 20c를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기는 약 120V의 개방 회로 전압을 나타내고, 이는 PI:MoS2를 포함하지 않는 마찰 전기 나노발전기보다 월등이 증가된 값이다.Referring to FIGS. 20B and 20C, a triboelectric nanogenerator according to another embodiment of the present invention exhibits an open circuit voltage of about 120V, which is a significantly higher value than that of a triboelectric nanogenerator that does not contain PI:MoS 2 . to be.

도 20d는 PI:MoS2를 포함하지 않는 마찰 전기 나노발전기 및 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 단락 전류를 도시한 그래프이다.FIG. 20D is a graph showing the short-circuit current of a triboelectric nanogenerator without PI:MoS 2 and a triboelectric nanogenerator according to another embodiment of the present invention.

도 20d는 5Hz의 주파수에서 시간의 함수로서 단락 전류를 측정하였다.Figure 20d measures the short-circuit current as a function of time at a frequency of 5 Hz.

도 20d를 참조하면, PI:MoS2를 포함하지 않는 마찰 전기 나노발전기(상부 그래프)의 출력 전류는 시간이 지날수록 전자가 소실되어 감소하는 반면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기(하부 그래프)의 출력 전류는 MoS2이 전자가 소실되는 것을 방지하여 마찰 전기 나노발전 가 높은 안정성을 나타내는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 20D, the output current of the triboelectric nanogenerator (upper graph) not containing PI:MoS 2 decreases as electrons are lost over time, whereas the triboelectric nanogenerator according to another embodiment of the present invention The output current in (lower graph) shows that MoS 2 prevents electrons from being lost, indicating high stability of triboelectric nanogeneration.

한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시 예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.On the other hand, the embodiments of the present invention disclosed in this specification and drawings are only presented as specific examples to aid understanding, and are not intended to limit the scope of the present invention. In addition to the embodiments disclosed herein, it is obvious to those skilled in the art that other modified examples based on the technical idea of the present invention can be implemented.

111, 311: 제1 기판 112, 312: 제2 기판
120, 210, 320: 하부 전극 130, 220, 330: 음의 마찰층
131, 221, 331: 제1 층 132, 222, 332: 제2 층
133, 223, 333: 제3 층 140, 230, 340: 양의 마찰층, 상부 전극
111, 311: first substrate 112, 312: second substrate
120, 210, 320: lower electrode 130, 220, 330: negative friction layer
131, 221, 331: first layer 132, 222, 332: second layer
133, 223, 333 third layer 140, 230, 340 positive friction layer, upper electrode

Claims (17)

제1 기판 상에 형성되는 하부 전극;
상기 하부 전극 상에 형성되는 음의 마찰층;
제2 기판 상에 형성되고, 상부 전극으로 사용되는 양의 마찰층; 및
상기 제1 기판 및 제2 기판 사이에 형성되고, 상기 제1 기판 및 제2 기판 사이의 간격을 유지하는 적어도 하나의 스페이서
를 포함하고,
상기 음의 마찰층은 폴리이미드를 포함하는 제1 층, 상기 폴리이미드 및 나노 물질을 포함하는 제2 층 및 상기 폴리이미드를 포함하는 제3층을 포함하며,
상기 나노 물질은 상기 음의 마찰층과 양의 마찰층 간의 마찰에 의해 상기 음의 마찰층에서 생성된 전자와 음의 마찰층 표면에서 흡수되는 양이온 간의 재결합을 방지하는 것을 특징으로 하는 마찰 전기 나노발전기.
a lower electrode formed on the first substrate;
a negative friction layer formed on the lower electrode;
a positive friction layer formed on the second substrate and used as an upper electrode; and
at least one spacer formed between the first substrate and the second substrate and maintaining a distance between the first substrate and the second substrate;
including,
the negative friction layer includes a first layer comprising polyimide, a second layer comprising the polyimide and a nanomaterial, and a third layer comprising the polyimide;
The nanomaterial prevents recombination between electrons generated in the negative friction layer and positive ions absorbed on the surface of the negative friction layer by friction between the negative friction layer and the positive friction layer. .
제1항에 있어서,
상기 생성된 전자는 상기 나노 물질에 트랩(trap)되는 것을 특징으로 하는 마찰 전기 나노발전기.
According to claim 1,
The triboelectric nanogenerator, characterized in that the generated electrons are trapped in the nanomaterial.
제2항에 있어서,
상기 트랩되는 전자의 수는 상기 음의 마찰층의 두께 및 상기 나노 물질의 농도에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 마찰 전기 나노발전기.
According to claim 2,
The triboelectric nanogenerator, characterized in that the number of electrons trapped is controlled by the thickness of the negative friction layer and the concentration of the nanomaterial.
제1항에 있어서,
상기 음의 마찰층은 상기 폴리이미드를 포함하는 고분자 박막의 표면에 분산되는 것을 특징으로 하는 마찰 전기 나노발전기.
According to claim 1,
The triboelectric nanogenerator, characterized in that the negative friction layer is dispersed on the surface of the polymer thin film containing the polyimide.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 나노 물질은 나노입자, 단일층 결정, 다층 결정, 양자점, 코어-쉘 양자점, 나노와이어, 나노리플, 나노튜브, 나노로드, 나노시트, 나노섬유, 에어로젤 및 나노폼 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰 전기 나노발전기.
According to claim 1,
The nanomaterial includes at least one of nanoparticles, single-layer crystals, multi-layer crystals, quantum dots, core-shell quantum dots, nanowires, nanoripples, nanotubes, nanorods, nanosheets, nanofibers, aerogels, and nanofoams. A triboelectric nanogenerator, characterized in that.
제6항에 있어서,
상기 나노 입자는 Au, Al, In, Ga, Ag, AuCl3, 환원된 그래핀 산화물(reduced graphene oxide), 그래핀, 단일벽 탄소나노튜브(single-wall CNT), 이중벽 탄소나노튜브(double-wall CNT) 및 NixFe1 -x 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰 전기 나노발전기.
According to claim 6,
The nanoparticles are Au, Al, In, Ga, Ag, AuCl 3 , reduced graphene oxide, graphene, single-wall CNT, double-wall carbon nanotube wall CNT) and Ni x Fe 1 - x triboelectric nanogenerator comprising at least one of.
제6항에 있어서,
상기 단일층 결정 및 다층 결정은 이황화 몰리브덴(MoS2), 몰리브덴 디셀레나이드(MoSe2), 질화붕소(BN), 그래핀(graphene), 텔루르화 몰리브덴(MoTe), 운모(Mica), 이텔루르화 몰리브덴(MoTe2) 및 흑린(black phosphorus) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰 전기 나노발전기.
According to claim 6,
The single-layer crystal and the multi-layer crystal are molybdenum disulfide (MoS 2 ), molybdenum diselenide (MoSe 2 ), boron nitride (BN), graphene, molybdenum telluride (MoTe), mica (Mica), and itelurium. A triboelectric nanogenerator comprising at least one of molybdenum (MoTe 2 ) and black phosphorus.
제6항에 있어서,
상기 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 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰 전기 나노발전기.
According to claim 6,
The quantum dots are Si, Ge, GaAs, InP, InAs, AlAs, InSb, AlGa x As 1 -x , InGaxAs1-x, CdSe, CdTe, ZnSe, ZnTe, CdTe x Se 1 -x , HgTe, HgCd x Te 1 - x , ZnO, GaN, Al x Ga 1 - x N, SnO 2 , CuO, Cu2O, C 6 0, Cu 2 ZnSnS 4 , CuInS 2 , SrTiO 3 , BaTiO 3 , (Ga 1 - x Mn x )N, ( A triboelectric nanogenerator comprising at least one of In 1 - x Mn x )N, CsPbCl 3 , and CdTe/ZnTe.
제6항에 있어서,
상기 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 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰 전기 나노발전기.
According to claim 6,
The core-shell quantum dots are CdSe / CdTe, CdSe / CdS, InP / GaAs, CuInS / ZnTe, CuInS / CdS, CdSe / ZnS, Cd 1 - x ZnxTe / ZnTe, GaAs / Si, ZnSe / GaAs, CuInS / ZnS, A triboelectric nanogenerator comprising at least one of Si/Si x Ge 1-x , Au/SiO 2 , InAs/GaAs, InP/GaAs/InAs, and CdSe/CdS/ZnS.
제6항에 있어서,
상기 나노와이어는 CeO2, CdTe, ZnTe, SiO2, Al2O3, ZnO, GaN, TiO2, SnO2, CuO, CuO2 및 CH3NH3PbI3 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰 전기 나노발전기.
According to claim 6,
The nanowires include at least one of CeO 2 , CdTe, ZnTe, SiO 2 , Al 2 O 3 , ZnO, GaN, TiO 2 , SnO 2 , CuO, CuO 2 and CH 3 NH 3 PbI 3 triboelectric nanogenerators.
제6항에 있어서,
상기 나노로드는 CeO2, CdTe, ZnTe, ZnO, GaN, TiO2, SnO2, CuxO 및 CuO2 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰 전기 나노발전기.
According to claim 6,
The triboelectric nanogenerator, characterized in that the nanorod includes at least one of CeO 2 , CdTe, ZnTe, ZnO, GaN, TiO 2 , SnO 2 , CuxO and CuO 2 .
제6항에 있어서,
상기 나노리플은 CeO2, CdTe, ZnTe, ZnO, GaN, TiO2, SnO2, CuxO 및 CuO2 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰 전기 나노발전기.
According to claim 6,
The nanoripples include at least one of CeO 2 , CdTe, ZnTe, ZnO, GaN, TiO 2 , SnO 2 , CuxO and CuO 2 Triboelectric nanogenerator.
제6항에 있어서,
상기 나노튜브는 CeO2, CdTe, ZnTe, ZnO, GaN, TiO2, SnO2, CuxO 및 CuO2 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰 전기 나노발전기.
According to claim 6,
The nanotube triboelectric nanogenerator, characterized in that it contains at least one of CeO 2 , CdTe, ZnTe, ZnO, GaN, TiO 2 , SnO 2 , CuxO and CuO 2 .
삭제delete 제1 기판 상에 하부 전극을 형성하는 단계;
상기 하부 전극 상에 형성되는 음의 마찰층을 형성하는 단계;
제2 기판 상에 상부 전극으로 사용되는 양의 마찰층을 형성하는 단계; 및
상기 제1 기판 및 제2 기판 사이에 형성되고, 상기 제1 기판 및 제2 기판 사이의 간격을 유지하는 적어도 하나의 스페이서를 형성하는 단계
를 포함하고,
상기 음의 마찰층은 폴리이미드 및 나노 물질을 포함하며,
상기 나노 물질은 상기 음의 마찰층과 양의 마찰층 간의 마찰에 의해 상기 음의 마찰층에서 생성된 전자와 음의 마찰층 표면에서 흡수되는 양이온 간의 재결합을 방지하고,
상기 하부 전극 상에 상기 폴리이미드를 포함하는 제1 층을 형성하는 단계;
상기 제1 층 상에 상기 폴리이미드 및 나노 물질을 포함하는 제2 층을 형성하는 단계;
상기 제2층 상에 상기 폴리이미드을 포함하는 제3 층을 형성하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰 전기 나노발전기의 제조 방법.
forming a lower electrode on the first substrate;
forming a negative friction layer formed on the lower electrode;
forming a positive friction layer used as an upper electrode on a second substrate; and
Forming at least one spacer formed between the first substrate and the second substrate and maintaining a distance between the first substrate and the second substrate.
including,
The negative friction layer includes polyimide and nanomaterials,
The nanomaterial prevents recombination between electrons generated in the negative friction layer and positive ions absorbed by the surface of the negative friction layer due to friction between the negative friction layer and the positive friction layer,
forming a first layer including the polyimide on the lower electrode;
forming a second layer including the polyimide and nanomaterials on the first layer;
Forming a third layer comprising the polyimide on the second layer
A method for producing a triboelectric nanogenerator comprising a.
삭제delete
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102358465B1 (en) 2018-12-28 2022-02-04 한양대학교 산학협력단 Nanogenerator sensor based on textile and method for preparing the nanogenerator sensor
KR102358471B1 (en) 2018-12-28 2022-02-04 한양대학교 산학협력단 Method for preparing nanogenerator using floating process and eco-friendly nanogenerator prepared by the method
CN110793570B (en) * 2019-10-12 2021-11-30 北京纳米能源与系统研究所 Sensor and speed and amplitude detection method
CN111471192B (en) * 2019-10-15 2021-07-16 中山大学 Preparation method and application of bismuth tungstate-graphene-conductive hydrogel
CN111013503B (en) * 2019-12-16 2021-10-22 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 Liquid metal aerogel, preparation method and application thereof
CN111394152B (en) * 2020-03-26 2021-11-23 西安建筑科技大学 Composite lubricant containing nano graphene oxide/black phosphorus nanosheets and preparation method thereof
KR102509563B1 (en) 2020-05-12 2023-03-13 한양대학교 산학협력단 Triboelectric generator including rotaring belt type electrified-body
CN111969883B (en) * 2020-08-24 2021-09-03 合肥工业大学 Application of black phosphorus carbon nanotube composite material as non-contact electrostatic response driver
KR102468350B1 (en) * 2020-11-20 2022-11-18 한국과학기술연구원 A ciliated graphene composite, the method for manufacturing the same, and a triboelectric nanogenerator comprising the same
CN112615558A (en) * 2020-12-08 2021-04-06 西安柯莱特信息科技有限公司 Ocean liquid-solid contact electrification power generation unit
KR102577660B1 (en) 2021-02-22 2023-09-12 경희대학교 산학협력단 Smart-home-applicable triboelectric nanogenerator capable of harvesting, sensing and storing mechanical energy in a smart home and power management apparatus and motion detecting apparatus using the same
KR102508861B1 (en) * 2021-05-24 2023-03-10 한국생산기술연구원 Device for removing fine particle in water using frictional power generation and method for manufacturing the same
WO2023033533A1 (en) * 2021-08-31 2023-03-09 한양대학교 산학협력단 Self-power generation type decompression light-emitting device and method for manufacturing same
CN114465519B (en) * 2022-01-27 2024-05-28 清华大学 Friction power generation performance improving device

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100956402B1 (en) * 2008-02-15 2010-05-06 한양대학교 산학협력단 Method for fabricating a gallium nitride pattern and method for fabricating flash memory device and flash memory device using thereof
KR101332959B1 (en) * 2011-08-26 2013-11-25 한양대학교 산학협력단 Non-volatile organic memory device and method for fabricating the same
KR102248144B1 (en) * 2014-10-24 2021-05-04 광주과학기술원 Non-volatile organic memory device using polymer electret and nano floating gate, and manufacturing method thereof
KR101714122B1 (en) 2014-11-24 2017-03-10 서울과학기술대학교 산학협력단 Complex for triboelectric generator, preparation method thereof and triboelectric generator comprising the complex
KR101788733B1 (en) 2015-07-28 2017-11-15 충남대학교산학협력단 Triboelectric generator and the manufacturing method thereof

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Dynamic Behavior of the Triboelectric Charges and Structural Optimization of the Friction Layer for a Triboelectric Nanogenerator, Nuanyang Cui 외7, ACS NANO (2016.04.29. 공개)*

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