KR102553838B1 - 마찰전기 발전기 - Google Patents

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KR102553838B1
KR102553838B1 KR1020150138615A KR20150138615A KR102553838B1 KR 102553838 B1 KR102553838 B1 KR 102553838B1 KR 1020150138615 A KR1020150138615 A KR 1020150138615A KR 20150138615 A KR20150138615 A KR 20150138615A KR 102553838 B1 KR102553838 B1 KR 102553838B1
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삼성전자주식회사
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N1/00—Electrostatic generators or motors using a solid moving electrostatic charge carrier
    • H02N1/04—Friction generators

Abstract

1차원 나노물질 또는 2차원 물질을 이용한 마찰전기 발전기가 개시된다. 개시된 마철전기 발전기에서는 제1 및 제2 전극이 서로 대향되게 마련되어 있으며, 제1 전극에는 다른 물질과의 접촉에 의해 전기에너지를 발생시키는 에너지 발생층이 마련되어 있다. 여기서, 에너지 발생층은 2차원 형상의 결정구조를 가지는 2차원 물질(2D material)을 포함할 수 있다.

Description

마찰전기 발전기{Triboelectric generator}
마찰전기 발전기에 관한 것으로, 상세하게는 1차원 나노물질 또는 2차원 물질을 이용한 마찰전기 발전기에 관한 것이다.
에너지를 하베스팅(harvesting)하는 소자들은 주변 환경에 존재하는 바람이나 진동, 또는 인간의 움직임으로부터 발생되는 기계적 에너지 등을 전기 에너지로 변환하여 추출할 수 있는 새로운 친환경 에너지 발전소자라 할 수 있다.
1차원 나노물질 또는 2차원 물질을 이용한 마찰전기 발전기를 제공하는 것이다.
일 측면에 있어서,
서로 대향되게 마련되는 제1 및 제2 전극; 및
상기 제1 전극에 마련되어 다른 물질과의 접촉에 의해 전기에너지를 발생시키는 것으로, 2차원 형상의 결정구조를 가지는 2차원 물질(2D material)을 포함하는 제1 에너지 발생층;을 포함하는 마찰전기 발전기가 제공된다.
상기 2차원 물질은 h-BN(hexagonal-Boron Nitride) 및 TMD(Transition Metal Dichalcogenide) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 TMD는 Mo, W, Nb, V, Ta, Ti, Zr, Hf, Tc, Re, Cu, Ga, In, Sn, Ge 및 Pb 으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나의 금속 원소와 S, Se 및 Te으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나의 칼코겐 원소를 포함할 수 있다.
상기 2차원 물질은 단층 또는 복층 구조를 가질 수 있다. 그리고, 기 2차원 물질은 대략 0.3nm ~ 1000nm의 두께를 가질 수 있다. 이러한 상기 2차원 물질은 도핑되어 있거나(doped) 또는 도핑되어 있지 않을(undoped) 수 있다. 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에는 스페이서(spacer)가 더 마련될 수 있다.
상기 제1 에너지 발생층은 상기 제2 전극과의 접촉에 의해 전기에너지를 발생시킬 수 있다. 상기 마찰전기 발전기는 상기 제1 전극 및 상기 제1 에너지 발생층이 마련되는 제1 기판과, 상기 제2 전극이 마련되는 제2 기판 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다. 여기서, 상기 제1 에너지 발생층은 상기 제2 전극 또는 상기 제2 기판과의 접촉에 의해 전기에너지를 발생시킬 수 있다.
상기 제1 및 제2 기판 중 적어도 하나 신축성이 있을 수 있다. 상기 제1 및 제2 기판 중 적어도 하나는 예를 들면, PDMS(polydimethylsiloxane), PI(polyimide), Teflon, Urethane 및 Nylon 으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 제1 및 제2 기판 중 적어도 하나는 대략 200% 이하의 신장률(elongation percentage)을 가질 수 있다.
상기 제1 및 제2 기판 중 적어도 하나는 물결 모양(wavy)의 표면을 가질 수 있다. 여기서, 상기 제1 전극 및 상기 제1 에너지 발생층은 상기 제1 기판의 표면에 대응되는 형태를 가지고, 상기 제2 전극은 상기 제2 기판의 표면에 대응되는 형태를 가질 수 있다. 상기 제1 및 제2 전극 중 적어도 하나는 탄소나노튜브(CNT), 그래핀(graphene), Ag 나노와이어, 금속 및 금속 메쉬(metal mesh)로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 마찰전기 발전기는 상기 제2 전극에 마련되어 상기 제1 에너지 발생층과의 접촉에 의해 전기에너지를 발생시키는 제2 에너지 발생층을 더 포함할 수 있다. 상기 마찰전기 발전기는 상기 제1 전극 및 상기 제1 에너지 발생층이 마련되는 제1 기판과, 상기 제2 전극 및 상기 제2 에너지 발생층이 마련되는 제2 기판 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다. 상기 제1 및 제2 기판 중 적어도 하나 신축성이 있을 수 있다.
다른 측면에 있어서,
서로 대향되게 마련되며, 신축성을 가지는 제1 및 제2 전극; 및
상기 제1 전극에 마련되어 다른 물질과의 접촉에 의해 전기에너지를 발생시키는 제1 에너지 발생층;을 포함하는 마찰전기 발전기가 제공된다.
상기 제1 에너지 발생층은 나노 사이즈를 갖는 1차원 형상의 1차원 나노물질(1D nanomaterial) 및 2차원 형상의 결정구조를 가지는 2차원 물질(2D material) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 여기서 상기 1차원 나노물질은 탄소나노튜브를 포함하고, 상기 2차원 물질은 그래핀, h-BN 및 TMD 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 제1 에너지 발생층은 상기 제2 전극과의 접촉에 의해 전기에너지를 발생시킬 수 있다. 상기 마찰전기 발전기는 상기 제1 전극 및 상기 제1 에너지 발생층이 마련되는 신축성이 있는 제1 기판과, 상기 제2 전극이 마련되는 신축성이 있는 제2 기판 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다. 여기서, 여기서, 상기 제1 에너지 발생층은 상기 제2 전극 또는 상기 제2 기판과의 접촉에 의해 전기에너지를 발생시킬 수 있다. 상기 제1 및 제2 기판 중 적어도 하나는 물결 모양(wavy)의 표면을 가질 수 있다. 상기 제1 전극 및 상기 제1 에너지 발생층은 상기 제1 기판의 표면에 대응되는 형태를 가지고, 상기 제2 전극은 상기 제2 기판의 표면에 대응되는 형태를 가질 수 있다.
상기 마찰전기 발전기는 상기 제2 전극에 마련되어 상기 제1 에너지 발생층과의 접촉에 의해 전기에너지를 발생시키는 제2 에너지 발생층을 더 포함할 수 있다. 상기 마찰전기 발전기는 상기 제1 전극 및 상기 제1 에너지 발생층이 마련되는 신축성이 있는 제1 기판과, 상기 제2 전극 및 상기 제2 에너지 발생층이 마련되는 신축성이 있는 제2 기판 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
다른 측면에 있어서,
적층된 복수개의 에너지 발생유닛을 포함하고,
상기 에너지 발생유닛들 각각은,
서로 대향되게 마련되는 제1 및 제2 전극; 및
상기 제1 전극에 마련되어 다른 물질과의 접촉에 의해 전기에너지를 발생시키는 것으로, 2차원 형상의 결정구조를 가지는 2차원 물질(2D material)을 포함하는 제1 에너지 발생층;을 포함하는 마찰전기 발전기가 제공된다.
상기 마찰전기 발전기는 상기 제2 전극에 마련되어 상기 제1 에너지 발생층과의 접촉에 의해 전기에너지를 발생시키는 제2 에너지 발생층을 더 포함할 수 있다. 상기 에너지 발생유닛들은 서로 직결로 연결될 수 있다.
다른 측면에 있어서,
적층된 복수개의 에너지 발생유닛을 포함하고,
상기 에너지 발생유닛들 각각은,
서로 대향되게 마련되며, 신축성을 가지는 제1 및 제2 전극; 및
상기 제1 전극에 마련되어 다른 물질과의 접촉에 의해 전기에너지를 발생시키는 제1 에너지 발생층;을 포함하는 마찰전기 발전기가 제공된다.
상기 마찰전기 발전기는 상기 제2 전극에 마련되어 상기 제1 에너지 발생층과의 접촉에 의해 전기에너지를 발생시키는 제2 에너지 발생층을 더 포함할 수 있다.
예시적인 실시예에 따르면, 마찰전기 발전기가 대전 특성이 다른 물질과의 마찰에 의해 전기에너지를 발생시킬 수 있는 에너지 발생층을 포함하고, 이러한 에너지 발생층은 1차원 나노물질 및 2차원 물질 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한, 기판으로 유연하고 신축성이 있는 기판을 사용하는 경우 이 기판에 마련되는 전극 및 에너지 발생층도 기판에 대응하는 유연성 및 신축성을 가질 수 있다. 따라서, 유연하고 신축성을 가지는 기판을 이용하여 제작된 마찰전기 발전기는 바람, 소리 또는 인체의 움직임 등과 같은 외부 환경에 대응하여 보다 효과적으로 전기에너지를 발생시킬 수 있다. 또한, 복수의 마찰전기 발전기를 수직으로 적층하여 서로 직렬로 연결함으로써 출력되는 전기에너지의 양을 증대시킬 수 있다. 이러한 마찰전기 발전기는 예를 들어 포터블 전자기기, 의류, 가방, 모자, 장갑, 깃발 등에 사용되거나 또는 신체 일부에 부착되어 사용됨으로써 전기에너지를 발생시킬 수 있다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 마찰전기 발전기의 단면도이다.
도 2a 내지 도 2e는 도 1에 도시된 마찰전기 발전기가 가압(pressing)(또는 굽힘(bending))에 의해 전기에너지를 발생시키는 모습을 도시한 것이다.
도 3a 내지 도 3d는 도 1에 도시된 마찰전기 발전기가 슬라이딩(sliding)에 의해 전기에너지를 발생시키는 과정을 도시한 것이다.
도 4는 다른 예시적인 실시예에 따른 마찰전기 발전기의 단면도이다.
도 5는 다른 예시적인 실시예에 따른 마찰전기 발전기의 단면도이다.
도 6은 다른 예시적인 실시예에 따른 마찰전기 발전기의 단면도이다.
도 7은 다른 예시적인 실시예에 따른 마찰전기 발전기의 단면도이다.
도 8은 다른 예시적인 실시예에 따른 마찰전기 발전기의 단면도이다.
도 9는 다른 예시적인 실시예에 따른 마찰전기 발전기의 단면도이다.
도 10은 다른 예시적인 실시예에 따른 마찰전기 발전기를 도시한 것이다.
도 11은 예시적인 실시예에 따른 마찰전기 발전기에서, 2차원 물질로 이루어진 에너지 발생층의 두께에 따른 출력 전압들(output voltages)을 도시한 것이다.
도 12는 예시적인 실시예에 따른 마찰전기 발전기에서, 2차원 물질로 이루어진 에너지 발생층의 두께에 따른 출력 전류밀도들(output current densities)를 도시한 것이다.
도 13은 예시적인 실시예에 따른 마찰전기 발전기에서, 측정 회로의 저항에 따른 출력 전압 및 출력 전류밀도를 도시한 것이다.
도 14는 예시적인 실시예에 따른 마찰전기 발전기에서, 측정 회로의 저항에 따른 출력 파워밀도(output power density)를 도시한 것이다.
도 15는 MoS2 물질의 대전 특성을 도시한 것이다.
도 16은 WS2 물질의 대전 특성을 도시한 것이다.
도 17a 및 도 17b는 PDMS 기판의 신축성을 이용하여 물결 모양의 그래핀을 포함하는 마찰전기 발전기를 제조하는 방법을 도시한 것이다.
도 18a 내지 도 18c는 도 17a 및 도 17b에 의해 제작된 마찰전기 발전기에서, PDMS의 신장률에 따른 출력 전압들을 도시한 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다. 또한, 소정의 물질층이 기판이나 다른 층 에 존재한다고 설명될 때, 그 물질층은 기판이나 다른 층에 직접 접하면서 존재할 수도 있고, 그 사이에 다른 제3의 층이 존재할 수도 있다. 그리고, 아래의 실시예에서 각 층을 이루는 물질은 예시적인 것이므로, 이외에 다른 물질이 사용될 수도 있다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 마찰전기 발전기의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 마찰전기 발전기는 서로 대향하여 이격되게 마련되는 제1및 제2 전극(111,121)과, 제1 전극(111)에 마련되는 에너지 발생층(130)을 포함한다. 여기서, 에너지 발생층(130)은 제2 전극(121)과 마주보는 제1 전극(111)의 상면에 마련되어 있다.
제1 및 제2 전극(111,121)은 도전성 물질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 제1 및 제2 전극(111,121)은 단단한(rigid) 특성을 가질 수 있다. 한편 대체적으로(alternatively), 제1 및 제2 전극(111,121) 중 하나 또는 둘 다 유연하고(flexible), 신축성이 있는(stretchable) 특성을 가질 수도 있다. 이 경우, 유연하고 신축성이 있는 전극은 예를 들면, 탄소나노튜브(CNT), 그래핀(graphene), Ag 나노와이어, 금속 및 금속 메쉬(metal mesh)로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 또는 둘 이상의 조합들을 포함할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 유연하고 신축성이 있는 전극은 도전성 섬유들이 직조되어(woven) 형성된 직물(fabric)의 형태를 가질 수도 있다. 이와 같이, 유연하고 신축성이 있는 전극은 예를 들면 대략 200% 이하의 신장률(elongation percentage)를 가질 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
제1 전극(111)의 상면에는 에너지 발생층(130)이 마련되어 있으며, 이러한 에너지 발생층(130)은 제2 전극(121)과의 접촉에 의해 전기에너지를 발생시킬 수 있다. 여기서, 에너지 발생층(130)은 제2 전극(121)과 다른 대전 특성을 가지는 물질을 포함할 수 있다. 에너지 발생층(130)은 2차원 물질(two dimensional material, 2D material)을 포함할 수 있다. 여기서, 2차원 물질이라 함은 2차원(two dimensional) 형상의 결정 구조를 가지는 물질을 의미한다. 2차원 물질은 예를 들면 h-BN(hexagonal-Boron Nitride) 및/또는 TMD(Transition Metal Dichalcogenide)를 포함할 수 있다.
2차원 물질은 단층 구조 또는 복층 구조를 가질 수 있다. 예를 들면, 2차원 물질의 층수는 대략 1 ~ 300 정도가 될 수 있지만, 이에 한정되지는 않는다. 여기서, 2차원 물질을 이루는 각 층은 원자 레벨(atomic level)의 두께를 가질 수 있다. 2차원 물질의 두께는 예를 들면, 대략 0.3nm ~ 1000nm 정도가 될 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 복층 구조를 가지는 2차원 물질의 층들은 반데르 발스힘(van der Waals force)에 의해 서로 결합되어 있을 수 있다.
h-BN은 그래핀과 유사한 2차원 형상의 결정 구조를 가지는 절연체이다. 이러한 h-BN은 열적 안정성 및 기계적 강도가 우수하고, 높은 열전도도와 낮은 절연 상수를 가지고 있다. TMD는 2차원 형상의 결정 구조를 가지는 반도체이다. 예를 들면, TMD는 Mo, W, Nb, V, Ta, Ti, Zr, Hf, Tc, Re 중 하나의 전이금속과 S, Se, Te 중 하나의 칼코겐(chalcogen) 원소를 포함할 수 있다. 여기서, TMD는, 예컨대, MX2 로 표현될 수 있으며, 여기서, M은 전이금속이고, X는 칼코겐 원소이다. 상기 M은 Mo, W, Nb, V, Ta, Ti, Zr, Hf, Tc, Re 등이 될 수 있고, 상기 X는 S, Se, Te 등이 될 수 있다. 이 경우, TDM는 예를 들면, MoS2, MoSe2, MoTe2, WS2, WSe2, WTe2, ZrS2, ZrSe2, HfS2, HfSe2, NbSe2, ReSe2 등을 포함할 수 있다. 대체적으로(alternatively), TMD는 MX2 로 표현되지 않을 수도 있다. 이 경우 예를 들면, TMD는 전이금속인 Cu와 칼코겐 원소인 S의 화합물인 CuS을 포함할 수도 있다. 한편, TMD는 비전이금속(non-transition metal)을 포함하는 칼코게나이드 물질일 수도 있다. 비전이금속은, 예컨대, Ga, In, Sn, Ge, Pb 등을 포함할 수 있다. 이 경우, TMD는 Ga, In, Sn, Ge, Pb 등의 비전이금속과 S, Se, Te와 같은 칼코겐 원소의 화합물을 포함할 수 있다. 예를 들면, TMD는 SnSe2, GaS, GaSe, GaTe, GeSe, In2Se3, InSnS2 등을 포함할 수 있다.
이상을 정리하면, TMD는 Mo, W, Nb, V, Ta, Ti, Zr, Hf, Tc, Re, Cu, Ga, In, Sn, Ge, Pb 중 하나의 금속 원소와 S, Se, Te 중 하나의 칼코겐 원소를 포함할 수 있다. 그러나, 이상에서 언급된 물질들은 단지 예시적인 것이고, 그 밖에 다른 물질들이 TMD 물질로 사용될 수도 있다.
한편, 제1 및 제2 전극(111,121) 모두 유연하고 신축성이 있는 전극들인 경우에 에너지 발생층(130)은 1차원 나노물질(one dimensional nano-material, 1D nano-material) 및/또는 2차원 물질(2D material)을 포함할 수 있다. 여기서, 1차원 나노물질은 나노 사이즈를 가지는 1차원 형상의 물질을 의미한다. 이러한 1차원 나노물질에는 예를 들면, 탄소나노튜브(CNT)가 포함될 수 있다. 그리고, 여기서 2차원 물질에는 예를 들면, 그래핀, h-BN 및/또는 TMD가 포함될 수 있다. 그래핀은 탄소 원자들이 육각형의 2차원 형태로 결합된 전도체이다.
에너지 발생층(130) 표면의 대전 특성을 조절하기 위하여 에너지 발생층(130)을 구성하는 2차원 물질 또는 1차원 나노물질은 p형 도펀트(p-type dopant) 또는 n형 도펀트(n-type dopant)로 도핑될 수 있다. 여기서, p형 도펀트 및 n형 도펀트로는 예컨대, 그래핀이나 탄소나노튜브(CNT, carbon nanotube) 등에 사용되는 p형 도펀트 및 n형 도펀트가 사용될 수 있다. 상기 p형 도펀트나 n형 도펀트는 이온주입(ion implantation)이나 화학적 도핑(chemical doping) 방식으로 도핑될 수 있다.
p형 도펀트의 소스(source)는 예를 들면, NO2BF4, NOBF4, NO2SbF6 등의 이온성 액체(ionic liquid), HCl, H2PO4, CH3COOH, H2SO4, HNO3 등의 산류 화합물(acidic compound), 디클로로디시아노퀴논(dichlorodicyanoquinone)(DDQ), 옥손(oxone), 디미리스토일포스파티딜이노시톨 (dimyristoylphosphatidylinositol) (DMPI), 트리플루오로메탄술폰이미드(trifluoromethanesulfoneimide) 등의 유기 화합물(organic compound) 등을 포함할 수 있다. 또는, p형 도펀트의 소스로 HPtCl4, AuCl3, HAuCl4, AgOTf(silver trifluoromethanesulfonate), AgNO3, H2PdCl6, Pd(OAc)2, Cu(CN)2 등을 포함할 수도 있다.
n형 도펀트의 소스는 예를 들면, 치환 또는 비치환된 니코틴아미드의 환원물(a reduction product of a substituted or unsubstituted nicotinamide); 치환 또는 비치환된 니코틴아미드와 화학적으로 결합된 화합물의 환원물(a reduction product of a compound which is chemically bound to a substituted or unsubstituted nicotinamide); 및 두 개 이상의 피리디늄 유도체를 포함하고 하나 이상의 피리디늄 유도체의 질소가 환원된 화합물(a compound comprising at least two pyridinium moieties in which a nitrogen atom of at least one of the pyridinium moieties is reduced)을 포함할 수 있다. 예컨대, n형 도펀트의 소스는 NMNH(nicotinamide mononucleotide-H), NADH(nicotinamide adenine dinucleotide-H), NADPH(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate-H)를 포함하거나, 비올로겐(viologen)을 포함할 수 있다. 또는, 상기 n형 도펀트의 소스는 PEI(polyethylenimine) 등의 폴리머를 포함할 수 있다. 또는, n형 도펀트는 K, Li 등의 알칼리 금속을 포함할 수 있다. 한편, 이상에서 언급된 p형 도펀트와 n형 도펀트 물질은 예시적인 것으로, 이외에도 다른 다양한 물질이 도펀트로 사용될 수 있다.
이와 같이, 2차원 물질 및/또는 1차원 나노물질을 포함하는 에너지 발생층(130)을 유연하고 신축성이 있는 제1 전극(111)에 형성하게 되면, 에너지 발생층(130)도 제1 전극(111)에 대응하는 유연성 및 신축성을 가질 수 있다. 이와 같은 구조의 마찰전기 발전기에서, 가압(pressing), 굽힙(bending) 또는 슬라이딩(sliding)을 통해 에너지 발생층(130)과 제2 전극(121) 사이에 접촉 및 분리 과정을 반복하게 되면 제1 및 제2 전극(111,121)을 통해 전기에너지를 얻을 수 있게 된다.
도 2a 내지 도 2e는 도 1에 도시된 마찰전기 발전기가 가압(pressing)(또는 굽힘(bending))에 의해 전기에너지를 발생시키는 모습을 도시한 것이다.
도 2a를 참조하면, 제1 전극(111)의 상면에는 에너지 발생층(130)이 마련되어 있으며, 에너지 발생층(130)과 제2 전극(121)이 일정한 간격으로 이격되어 있다. 여기서, 제1 및 제2 전극(111,121)은 발생되는 전기에너지를 측정하기 위한 측정 회로(170)로 연결되어 있다. 도 2b를 참조하면, 외부로부터 제2 전극(121)에 가해지는 압력은 제1 전극(111)에 마련된 에너지 발생층(130)과 제2 전극(121)을 서로 접촉시킨다. 이 과정에서, 서로 접촉하는 에너지 발생층(130)의 상면과 제2 전극(121)의 하면은 각각 마찰 대전에 의해 소정의 극성을 가지는 전하들로 대전된다.
도 2c를 참조하면, 에너지 발생층(130)과 접촉하고 있던 제2 전극(121)이 에너지 발생층(130)으로부터 이격되는 과정에서 전기에너지가 발생하게 되며, 이렇게 발생된 전기에너지는 제1 및 제2 전극(111,121)을 통해 얻을 수 있다. 그리고, 도 2d에 도시된 바와 같이, 에너지 발생층(130)과 제2 전극(121)이 소정 간격만큼 이격된 상태에서, 도 2e에 도시된 바와 같이 제2 전극(121)에 다시 가해지는 압력은 제2 전극(121)을 에너지 발생층 쪽으로 이동시킨다. 이와 같이, 제2 전극(121)이 에너지 발생층(130)에 가까워지는 과정에서 전기에너지가 발생하게 되며, 이렇게 발생된 전기에너지는 제1 및 제2 전극(111,121)을 통해 얻을 수 있다. 도 2c 및 도 2e에 개시된 것처럼 제2 전극(121)과 에너지 발생층(130)이 멀어지고 가까워지는 과정에 발생되는 전류는 서로 반대 방향으로 흐를 수 있다.
도 3a 내지 도 3d는 도 1에 도시된 마찰전기 발전기가 슬라이딩(sliding)에 의해 전기에너지를 발생시키는 과정을 도시한 것이다.
도 3a를 참조하면, 에너지 발생층(130)과 제2 전극(121)을 서로 접촉시키면, 접촉하는 에너지 발생층(130)의 상면과 제2 전극(121)의 하면은 각각 마찰 대전에 의해 소정 극성의 전하들로 대전된다. 도 3b를 참조하면, 에너지 발생층(130)과 제2 전극(121)이 접촉된 상태에서 제2 전극(121)을 에너지 발생층(130)과 멀어지는 방향(제2 전극(121)과 에너지 발생층(130)의 접촉면이 감소하는 방향)으로 슬라이딩시킨다. 이와 같이, 제2 전극(121)이 에너지 발생층(130)으로부터 멀어지는 슬라이딩 과정에서 전기에너지가 발생하게 되며, 이렇게 발생된 전기에너지는 제1 및 제2 전극(111,121)을 통해 얻을 수 있다
도 3c에 도시된 바와 같이, 제2 전극(121)이 에너지 발생층(130)으로부터 멀어진 상태에서, 도 3d에 도시된 바와 같이 제2 전극(121)을 에너지 발생층(130)에 가까워지는 방향(제2 전극(121)과 에너지 발생층(130)의 접촉면이 증가하는 방향)으로 슬라이딩 시킨다. 이와 같이, 제2 전극(121)이 에너지 발생층(130)에 가까워지는 슬라이딩 과정에서 전기에너지가 발생하게 되며, 이렇게 발생된 전기에너지는 제1 및 제2 전극(111,121)을 통해 얻을 수 있다. 이와 같이, 멀어지고 가까워지는 슬라이딩 과정에서 발생하는 전류는 서로 반대 방향으로 흐를 수 있다.(도 3b, 도 3d)
도 4는 다른 예시적인 실시예에 따른 마찰전기 발전기의 단면도이다.
도 4에 도시된 마찰전기 발전기에서는 에너지 발생층(130)과 제2 전극(121) 사이에 하나 또는 복수의 스페이서(spacer, 150)가 마련되어 있다. 이러한 스페이서(150)는 외부의 기계적인 에너지가 마찰전기 발전기에 가해지지 않은 상태에서 에너지 발생층(130)과 제2 전극(121) 사이를 일정한 간격으로 유지시켜주는 역할을 할 수 있다.
도 5는 다른 예시적인 실시예에 따른 마찰전기 발전기의 단면도이다.
도 5를 참조하면, 마찰전기 발전기는 서로 이격되게 마련되는 제1 및 제2 기판(110,120)과, 제1 및 제2 기판(110,120)에 마련되는 제1 및 제2 전극(111,121)과, 제1 전극(111)에 마련되는 에너지 발생층(130)을 포함한다.
제1 및 제2 기판(110,120)은 예를 들면, 유리 기판 또는 실리콘 기판 등과 같은 단단한 재질의 기판이 될 수 있다. 대체적으로(alternatively), 제1 및 제2 기판(110,120) 중 하나 또는 둘 다 유연하고 신축성이 있는 기판이 될 수 있다. 이러한 유연하고 신축성이 있는 기판은 예를 들면 PDMS(polydimethylsiloxane), PI(polyimide), Teflon, Urethane 및 Nylon 으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 또는 둘 이상의 조합을 포함할 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 유연하고 신축성이 있는 기판은 섬유들이 직조되어 형성된 직물의 형태를 가질 수도 있다. 이러한 유연하고 신축성이 있는 기판은 대략 200% 이하의 신장률을 가질 수 있지만, 이에 한정되지는 않는다.
제1 기판(110)의 상면에는 제1 전극(111)이 마련되어 있으며, 제2 기판(120)의 하면에는 제2 전극(121)이 마련되어 있다. 여기서, 제1 및 제2 전극(111,121) 중 하나 또는 둘 다 는 제1 및 제2 기판(110,120)에 대응하여 유연하고 신축성이 있는 전극이 될 수 있다.
그리고, 제1 전극(111)의 상면에는 제2 전극(121)과의 마찰에 의해 전기에너지를 발생시키는 에너지 발생층(130)이 마련되어 있다. 에너지 발생층(130)은 제2 전극(121)과 접촉하여 전기에너지를 발생시키는 것으로, 예를 들면 h-BN 및/또는 TMD를 포함하는 2차원 물질(2D material)을 포함할 수 있다. 한편, 제1 및 제2 전극(111,121)이 모두 유연하고 신축성이 있는 전극인 경우에 에너지 발생층(130)은 1차원 나노물질 및/또는 2차원 물질을 포함할 수 있다. 여기서, 1차원 나노물질은 탄소나노튜브(CNT)를 포함할 수 있으며, 2차원 물질은 그래핀, h-BN 및/또는 TMD를 포함할 수 있다. 한편, 이상에서는 제1 및 제2 기판(110,120)이 모두 마련되는 경우가 설명되었으나, 이에 한정되지 않고 제1 및 제2 기판(110,120) 중 어느 하나의 기판만이 마련될 수도 있다.
도 6은 다른 예시적인 실시예에 따른 마찰전기 발전기의 단면도이다.
도 6을 참조하면, 마찰전기 발전기는 서로 이격되게 마련되는 제1 및 제2 기판(110',120)과, 제1 및 제2 기판(110',120)에 마련되는 제1 및 제2 전극(111',121)과, 제1 전극(111')에 마련되는 에너지 발생층(130')을 포함한다.
본 실시예에서는, 제1 기판(110')은 유연하고 신축성이 있는 기판이 될 수 있다. 이러한 제1 기판(110')은 예를 들면 대략 200% 이하의 신장률을 가질 수 있지만, 이에 한정되지는 않는다. 그리고, 제1 기판(110')의 상면은 물결 모양(wavy)의 형태를 가지고 있다. 여기서, 제1 기판(110')의 상면에 제1 전극(111') 및 에너지 발생층(130')이 순차적으로 마련되어 있으며, 제1 전극(111') 및 에너지 발생층(130')도 제1 기판(110')의 상면에 대응되는 물결 모양의 형태를 가질 수 있다. 이러한 제1 전극(111') 및 에너지 발생층(130')은 제1 기판(110')과 마찬가지로 유연성 및 신축성을 가질 수 있다. 이 경우, 제1 전극(111')은 예를 들면, 탄소나노튜브(CNT), 그래핀(graphene), Ag 나노와이어, 금속 및 금속 메쉬(metal mesh)로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 또는 둘 이상의 조합을 포함할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 여기서, 에너지 발생층(130')은 제2 전극(121)과의 마찰에 의해 전기에너지를 발생시키는 것으로, 예를 들면, h-BN 및/또는 TMD를 포함하는 2차원 물질(2D material)을 포함할 수 있다.
한편, 제1 및 제2 기판(110',120) 모두가 유연하고 신축성이 있는 기판이 될 수도 있다. 이 경우, 제1 전극(111') 및 에너지 발생층(130')은 제1 기판(110')에 대응하여 유연성 및 신축성을 가질 수 있으며, 제2 전극(121)은 제2 기판(120)에 대응하여 유연성 및 신축성을 가질 수 있다. 이 경우, 에너지 발생층(130')은 1차원 나노물질(1D nano-material) 및/또는 2차원 물질(2D material)을 포함할 수 있다. 여기서, 1차원 나노물질은 예를 들면, 탄소나노튜브(CNT)를 포함할 수 있으며, 2차원 물질은 예를 들면, 그래핀, h-BN 및/또는 TMD를 포함할 수 있다.
제1 기판(110')에 물결 모양의 제1 전극(111') 및 에너지 발생층(130')을 형성하는 방법은 다음과 같다. 먼저, 신축성이 있는 제1 기판(110')을 준비한 다음, 이를 늘린다. 다음으로, 늘려진 상태의 제1 기판(110')의 상면에 제1 전극(111') 및 에너지 발생층(130')을 순차적으로 형성한다. 이어서, 늘려진 제1 기판(110')을 원 상태로 축소시켜 복원시키게 되면 제1 기판(110')의 상면은 수축에 의해 물결 모양의 형태를 가질 수 있게 되며, 이에 따라 제1 전극(111') 및 에너지 발생층(130')도 수축에 의해 물결 모양의 형태를 가질 수 있다.
이상과 같이, 에너지 발생층(130')을 물결 모양의 형태로 형성하게 되면, 제2 전극(121)과 에너지 발생층(130') 사이의 접촉 면적이 증가함으로써 단위면적당 발생되는 전기에너지의 양을 증대시킬 수 있다. 한편, 이상에서는 제1 전극(111') 및 에너지 발생층(130')이 물결 모양의 형태를 가지는 경우가 설명되었으나, 이에 한정되지 않고 제2 전극(121)이 물결 모양을 가지거나, 또는 제1 전극(111'), 에너지 발생층(130') 및 제2 전극(121) 모두가 물결 모양의 형태를 가질 수도 있다.
도 7은 다른 예시적인 실시예에 따른 마찰전기 발전기의 단면도이다.
도 7을 참조하면, 마찰전기 발전기는 서로 이격되게 마련되는 제1 및 제2 기판(110,120)과, 제1 및 제2 기판(110,120)에 마련되는 제1 및 제2 전극(111,121)과, 제1 전극(111)에 마련되는 에너지 발생층(130)을 포함한다. 여기서, 제1 전극(111)은 제1 기판(110)의 상면에 마련되어 있으며, 제2 전극(121)은 제2 기판(120)의 상면에 마련되어 있다. 그리고, 에너지 발생층(130)은 제1 전극(111)의 상면에 마련되어 있다.
제1 및 제2 기판(110,120)은 예를 들면, 단단한 재질의 기판을 포함할 수 있다. 한편, 제1 및 제2 기판(110,120) 중 하나 또는 둘 다 유연하고 신축성이 있는 기판일 수 있다. 이러한 유연하고 신축성이 있는 기판은 PDMS, PI, Teflon, Urethane 및 Nylon 으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 또는 둘 이상의 조합을 포함할 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 유연하고 신축성이 있는 기판의 표면은 물결 모양의 형태를 가질 수 있으며, 이 경우 제1 기판(110)에 형성되는 제1 전극(111) 및 에너지 발생층(130)은 제1 기판의 표면에 대응되는 형태를 가질 수 있으며, 제2 기판(120)에 형성되는 제2 전극(121)은 제2 기판(120)의 표면에 대응되는 형태를 가질 수 있다.
에너지 발생층(130)은 제2 기판(120)과의 마찰에 의해 전기에너지를 발생시키게 된다. 이러한 에너지 발생층(130)은 예를 들면, h-BN 및/또는 TMD을 포함하는 2차원 물질(2D material)을 포함할 수 있다.
한편, 제1 및 제2 기판(110,120) 모두가 유연하고 신축성이 있는 기판인 경우에는 제1 및 제2 전극(111.121)도 유연성 및 신축성을 가질 수 있다. 이 경우, 에너지 발생층(130은 1차원 나노물질(1D nano-material) 및/또는 2차원 물질(2D material)을 포함할 수 있다. 여기서, 1차원 나노물질은 예를 들면, 탄소나노튜브(CNT)를 포함할 수 있으며, 2차원 물질은 예를 들면, 그래핀, h-BN 및/또는 TMD를 포함할 수 있다.
도 8은 다른 예시적인 실시예에 따른 마찰전기 발전기의 단면도이다.
도 8을 참조하면, 마찰전기 발전기는 서로 이격되게 마련되는 제1 및 제2 전극(211,221)과, 제1 및 제2 전극(211,221)에 마련되는 제1 및 제2 에너지 발생층(231,232)을 포함한다. 제1 및 제2 전극(211,221) 중 하나 또는 둘 다 유연하고 신축성이 있는 전극이 될 수 있다. 이러한 제1 및 제2 전극(211,221)은 예를 들면, 탄소나노튜브(CNT), 그래핀, Ag 나노와이어, 금속 및 금속 메쉬로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 또는 둘 이상의 조합을 포함할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
제1 전극(211)의 상면에는 제1 에너지 발생층(231)이 마련되어 있으며, 제2 전극(221)의 하면에는 제2 에너지 발생층(232)이 마련되어 있다. 제1 에너지 발생층(231)은 제2 에너지 발생층(232)과의 접촉에 의해 전기에너지를 발생시키는 것으로, 2차원 형상의 결정 구조를 가지는 2차원 물질(2D material)을 포함할 수 있다. 이러한 2차원 물질에는 예를 들면, h-BN(hexagonal-Boron Nitride) 및 TMD(Transition Metal Dichalcogenide) 중 하나 또는 둘 다를 포함될 수 있다. 여기서, TMD는 Mo, W, Nb, V, Ta, Ti, Zr, Hf, Tc, Re, Cu, Ga, In, Sn, Ge 및 Pb 으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나의 금속 원소와 S, Se 및 Te으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나의 칼코겐 원소를 포함할 수 있다.
2차원 물질은 단층 구조 또는 복층 구조를 가질 수 있다. 예를 들면, 2차원 물질의 층수는 대략 1 ~ 300 정도가 될 수 있으며, 2차원 물질의 두께는 대략 0.3nm ~ 1000nm 정도가 될 수 있다. 이에 한정되는 것은 아니다. 한편, 이러한 2차원 물질은 p형 도펀트 또는 n형 도펀트로 도핑될 수도 있다. 제1 에너지 발생층(231)이 유연하고 신축성이 있는 제1 전극(211)에 마련되는 경우에는 제1 에너지 발생층(231)도 제1 전극(211)에 대응하는 유연성 및 신축성을 가질 수 있다.
한편, 제1 및 제2 전극(211.221) 모두 유연성 및 신축성을 가지는 경우, 제1 에너지 발생층(231)은 1차원 나노물질(1D nano-material) 및/또는 2차원 물질(2D material)을 포함할 수 있다. 여기서, 1차원 나노물질은 예를 들면, 탄소나노튜브(CNT)를 포함할 수 있으며, 2차원 물질은 예를 들면, 그래핀, h-BN 및/또는 TMD를 포함할 수 있다.
제2 에너지 발생층(232)은 제1 에너지 발생층(231)과 다른 대전 특성을 가지는 다양한 물질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 제2 에너지 발생층(232)은 PDMS, PI, Teflon, Urethane 또는 Nylon 등을 포함할 수 있다. 또한, 제2 에너지 발생층(232)은 탄소나노튜브, 그래핀 또는 전술한 2차원 물질 등을 포함할 수 있다. 이 경우, 제1 에너지 발생층(231)은 도핑되지 않을 수 있으며, 제2 에너지 발생층(232)이 p형 도펀트 또는 n형 도펀트로 도핑되어 있을 수 있다. 또한, 제1 에너지 발생층(231)과 제2 에너지 발생층(232)은 다른 도펀트로 도핑되거나 또는 다른 도핑 농도로 도핑될 수 있다. 제2 에너지 발생층(232)이 유연하고 신축성이 있는 제2 전극(221)에 마련되는 경우에는 제2 에너지 발생층(232)도 제2 전극(221)에 대응하는 유연성 및 신축성을 가질 수 있다.
도 9는 다른 예시적인 실시예에 따른 마찰전기 발전기의 단면도이다.
도 9를 참조하면, 마찰전기 발전기는 서로 이격되게 마련되는 제1 및 제2 기판(210,220)과, 제1 및 제2 기판(210,220)에 마련되는 제1 및 제2 전극(211,221)과, 제1 및 제2 전극(211,221)에 마련되는 제1 및 제2 에너지 발생층(231,232)을 포함한다.
제1 및 제2 기판(210,220)은 예를 들면, 유리 기판 또는 실리콘 기판 등과 같은 단단한 재질의 기판이 될 수 있다. 한편 대체적으로(alternatively), 제1 및 제2 기판(210,220) 중 하나 또는 둘 다 유연하고 신축성이 있는 기판이 될 수 있다. 이러한 유연하고 신축성이 있는 기판은 예를 들면 PDMS, PI, Teflon, Urethane 및 Nylon 으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 또는 둘 이상의 조합을 포함할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 이러한 기판은 대략 200% 이하의 신장률을 가질 수 있지만, 이에 한정되지는 않는다.
제1 기판(210)의 상면에는 제1 전극(211)이 마련되어 있으며, 제2 기판(220)의 하면에는 제2 전극(221)이 마련되어 있다. 여기서, 제1 및 제2 기판(210,220)에 대응하여 제1 및 제2 전극(211,221) 중 하나 또는 둘 다 유연하고 신축성을 가질 수 있다. 그리고, 제1 전극(211)의 상면에는 제1 에너지 발생층(231)이 마련되어 있으며, 제2 전극(221)의 하면에는 제2 에너지 발생층(232)이 마련되어 있다.
제1 에너지 발생층(231)은 예를 들면 h-BN 및/또는 TMD를 포함하는 2차원 물질을 포함할 수 있다. 한편, 제1 및 제2 전극(211,221) 모두 유연하고 신축성을 가지는 경우에는 제1 에너지 발생층(231)은 1차원 나노물질(1D nano-material) 및/또는 2차원 물질(2D material)을 포함할 수 있다. 여기서, 1차원 나노물질은 예를 들면, 탄소나노튜브(CNT)를 포함할 수 있으며, 2차원 물질은 예를 들면, 그래핀, h-BN 및/또는 TMD를 포함할 수 있다. 그리고, 제2 에너지 발생층(232)은 제1 에너지 발생층(231)과 다른 대전 특성을 가지는 다양한 물질을 포함할 수 있다.
제1 전극(211)과 제1 에너지 발생층(231)이 유연하고 신축성이 있는 제1 기판(210)에 마련되는 경우에는 제1 전극(211)과 제1 에너지 발생층(231)도 제1 기판(210)에 대응하는 유연성 및 신축성을 가질 수 있다. 그리고, 제2 전극(221)과 제2 에너지 발생층(232)이 유연하고 신축성이 있는 제2 기판(220)에 마련되는 경우에는 제2 전극(221)과 제2 에너지 발생층(232)도 제2 기판(220)에 대응하는 유연성 및 신축성을 가질 수 있다. 그리고, 유연하고 신축성이 있는 제1 및 제2 기판(210,220) 중 하나 또는 둘 다 물결 모양의 표면을 가질 수 있으며, 이 경우 제1 전극(211) 및 에너지 발생층(231)은 제1 기판(210)의 표면에 대응되는 형태를 가질 수 있으며, 제2 전극(221) 및 제2 에너지 발생층(232)은 제2 기판(220)의 표면에 대응되는 형태를 가질 수 있다. 한편, 이상에서는 제1 및 제2 기판(210,220)이 모두 마련되는 경우가 설명되었으나, 제1 및 제2 기판(210,220) 중 어느 하나의 기판만이 마련될 수도 있다.
이상의 예시적인 실시예들에서는 하나의 에너지 발생유닛을 포함하는 마찰전기 발전기들이 언급되었다. 그러나, 복수의 에너지 발생유닛이 수직으로 적층된 구조의 마찰전기 발전기도 구현가능하다. 도 10은 다른 예시적인 실시예에 따른 마찰전기 발전기를 개략적으로 도시한 것이다.
도 10을 참조하면, 마찰전기 발전기는 수직으로 적층된 복수의 에너지 발생유닛(601,602,603)을 포함한다. 여기서, 에너지 발생유닛들(601,602,603) 각각은 전술한 실시예들에서 언급한 다양한 유형의 마찰전기 발전기가 될 수 있다. 여기서, 마찰전기 발전기의 출력 에너지를 증대시키기 위해 에너지 발생유닛들(601,602,603)이 서로 직렬로 연결될 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 에너지 발생유닛들(601,602,603)이 서로 병렬로 연결되는 것도 가능하다. 도 16에는 마찰전기 발전기가 수직으로 적층된 3개의 에너지 발생유닛(601,602,603)을 포함하는 경우가 예시적으로 도시되어 있으나, 이에 한정되지 않고 본 실시예에 따른 마찰전기 발전기는 수직으로 적층된 다양한 개수의 에너지 발생유닛들을 포함할 수 있다.
도 11은 예시적인 실시예에 따른 마찰전기 발전기에서, 2차원 물질로 이루어진 에너지 발생층의 두께에 따른 출력 전압들(output voltages)을 도시한 것이다. 그리고, 도 12는 예시적인 실시예에 따른 마찰전기 발전기에서, 2차원 물질로 이루어진 에너지 발생층의 두께에 따른 출력 전류밀도들(output current densities)를 도시한 것이다.
도 11 및 도 12에서 에너지 발생층으로는 MoS2 필름을 사용하였으며, MoS2 필름과 접촉하는 물질로는 PDMS를 사용하였다. MoS2 필름은 다음과 같이 제작되었다. 먼저, 리튬화(lithiation)를 통해 벌크(bulk) MoS2 물질을 박리(exfoliation)시킨다. 다음으로, 박리된 MoS2 물질을 이용하여 MoS2 잉크를 제작한 다음, 이 MoS2 잉크를 Cu 전극에 도포함으로써 MoS2 필름을 제작한다. 여기서, Cu 전극에 도포되는 MoS2 잉크의 양이 많을수록 MoS2 필름의 두께는 증가하게 된다.
도 11 및 도 12에서 (a)0 ml는 Cu 전극에 MoS2 잉크가 도포되지 않은 경우로서 Cu 전극과 PDMS가 접촉함으로써 발생되는 출력 전압 및 전류밀도를 도시한 것이다. 그리고, 도 11 및 도 12에서 (b)2ml, (c)5ml, (d)10ml 및 (e)20ml는 Cu 전극에 MoS2 잉크가 각각 2ml, 5ml, 10ml 및 20ml 도포되어 형성된 MoS2 필름들과 PDMS가 접촉함으로써 발생되는 출력 전압들 및 출력 전류밀도들을 도시한 것이다. 도 11 및 도 12를 참조하면, MoS2 필름의 두께가 (b)인 경우가 출력 전압이 가장 높은 것으로 나타났다. 이 결과로부터, MoS2 필름의 두께가 얇을수록 출력 전압이 커지는 것을 알 수 있다.
도 13은 예시적인 실시예에 따른 마찰전기 발전기에서, 측정 회로의 저항에 따른 출력 전압 및 출력 전류밀도를 도시한 것이다. 그리고, 도 14는 예시적인 실시예에 따른 마찰전기 발전기에서, 측정 회로의 저항에 따른 출력 파워 밀도(output power density)를 도시한 것이다. 도 13에서는 도 11 및 도 12에서 (b)2ml의 경우, 즉 Cu 전극에 MoS2 잉크가 2ml 도포되어 형성된 MoS2 필름과 PDMS가 접촉함으로써 발생되는 출력 전압과 출력 전류밀도를 마찰전기 발전기와 연결된 측정회로의 저항에 따라 도시한 것이고, 도 14는 도 13에 도시된 결과를 이용하여 출력 파워밀도를 마찰전기 발전기와 연결된 측정회로의 저항에 따라 도시한 것이다. 도 13 및 도 14를 참조하면, 최대 파워 밀도(Maximum power density)는 대략 10.79㎼/cm2정도가 되는 것을 알 수 있다.
도 15는 MoS2 물질의 대전 특성을 도시한 것이다. 도 15에는 에너지 발생층으로 MoS2 물질을 사용하고, 이 MoS2 물질이 다른 물질들과 접촉하였을 때 나타내는 출력 전압들이 도시되어 있다. 구체적으로, 도 15에서 (a)PTFE(Poly Tetra Fluoro Ethylene), (b)PDMS(Poly DiMethyl Siloxane), (c)PI(Poly Imide), (d)PC(Poly Carbonate) 및 (e)PET(Poly Ethylene Terephtalate)는 MoS2 물질이 각각 PTFE, PDMS, PI, PC 및 PET와 접촉하였을 때 발생되는 출력 전압들을 도시한 것이다. 도 15에서 "P"는 MoS2 물질을 가압(pressing)하여 MoS2 물질이 다른 물질에 가까워지는 경우를 의미하며, "R"은 가압된 MoS2 물질이 릴리즈(releasing)되어 MoS2 물질이 다른 물질로부터 멀어지는 경우를 의미한다. 도 15를 참조하면, MoS2 물질은 마찰전기 특성을 가지고 있음을 알 수 있으며, 이러한 MoS2 물질의 대전 특성은 PDMS 대전 특성과 PTFE 대전 특성 사이에 위치하는 것을 알 수 있다.
도 16은 WS2 물질의 대전 특성을 도시한 것이다. 도 16에는 에너지 발생층으로 WS2 물질을 사용하고, 이 WS2 물질이 다른 물질들과 접촉하였을 때 나타내는 출력 전압들이 도시되어 있다. 구체적으로, 도 16에서 (a)PTFE, (b)PDMS, (c)PI, (d)PC 및 (e)PET는 WS2 물질이 각각 PTFE, PDMS, PI, PC 및 PET와 접촉하였을 때 발생되는 출력 전압들을 도시한 것이다. 도 16에서 "P"는 WS2 물질을 가압(pressing)하여 WS2 물질이 다른 물질에 가까워지는 경우를 의미하며, "R"은 가압된 WS2 물질이 릴리즈(releasing)되어 WS2 물질이 다른 물질로부터 멀어지는 경우를 의미한다. 도 16을 참조하면, WS2 물질은 마찰전기 특성을 가지고 있음을 알 수 있으며, 이러한 WS2 물질의 대전 특성은 PTFE 대전 특성 보다 더 negative한 위치에 있음을 알 수 있다.
도 17a 및 도 17b는 PDMS 기판의 신축성을 이용하여 물결 모양의 그래핀을 포함하는 마찰전기 발전기를 제조하는 방법을 도시한 것이다.
먼저, 도 17a를 참조하면, PDMS 기판을 늘인 다음, 늘려진 PDMS 기판의 상면에 그래핀을 형성한다. PDMS 기판의 상부에는 Cu 전극이 증착된 PMMA(Poly Methyl Meth Acrylate) 기판을 마련한다. 다음으로, 도 17b를 참조하면, 늘려진 PDMS 기판을 원 상태로 수축시켜 복원 시키게 되면, PDMS 기판의 상면은 수축에 의해 물결 모양의 형태를 가질 수 있다. 이에 따라 PDMS 기판의 상면에 형성된 그래핀도 물결 모양의 형태를 가질 수 있다.
도 18a 내지 도 18c는 도 17a 및 도 17b에서 PDMS의 신장률에 따라 제작된 마찰전기 발전기들에서, 그래핀과 PMMA 기판이 접촉하여 발생되는 출력 전압들을 도시한 것이다. 구체적으로, 도 18a는 PDMS 기판의 신장률이 0% 즉, PDMS 기판을 늘리지 않아 그래핀이 물결 모양으로 형성되지 않은 경우를 나타낸다. 도 18b는 PDMS 기판을 10% 정도 늘렸다가 복원시킴으로써 물결 모양의 그래핀이 형성된 경우를 나타낸다. 도 18c는 PDMS 기판을 20% 정도 늘렸다가 복원시킴으로써 물결 모양의 그래핀이 형성된 경우를 나타낸다.
도 18b 및 도 18c에 도시된 바와 같이 그래핀이 물결 모양의 형태를 가지게 되면 도 18a에 도시된 그래핀에 비해 단위 면적당 발생되는 마찰전기가 증가함을 알 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 예시적인 실시예들에 따른 마찰전기 발전기는 대전 특성이 다른 물질과의 마찰에 의해 전기에너지를 발생시킬 수 있는 에너지 발생층을 포함하고, 이러한 에너지 발생층은 1차원 나노물질 및/또는 2차원 물질을 포함할 수 있다. 또한, 기판으로 유연하고 신축성이 있는 기판을 사용하는 경우 이 기판에 마련되는 전극 및 에너지 발생층도 기판에 대응하는 유연성 및 신축성을 가질 수 있다. 따라서, 유연하고 신축성을 가지는 기판을 이용하여 제작된 마찰전기 발전기는 바람, 소리 또는 인체의 움직임 등과 같은 외부 환경에 대응하여 보다 효과적으로 전기에너지를 발생시킬 수 있다. 또한, 복수의 마찰전기 발전기를 수직으로 적층하여 서로 직렬로 연결함으로써 출력되는 전기에너지의 양을 증대시킬 수 있다. 이러한 마찰전기 발전기는 예를 들어 포터블 전자기기, 의류, 가방, 모자, 장갑, 깃발 등에 사용되거나 또는 신체 일부에 부착되어 사용됨으로써 전기에너지를 발생시킬 수 있다.
110,110',210,310.. 제1 기판
111,111',211,311.. 제1 전극
120,220,320.. 제2 기판
121,221,321.. 제2 전극
130,130',330,330'.. 에너지 발생층
150.. 스페이서
170.. 측정회로
231,331.. 제1 에너지 발생층
232,332.. 제2 에너지 발생층
601,602,603.. 에너지 발생유닛

Claims (37)

  1. 서로 대향되게 마련되는 제1 및 제2 전극; 및
    상기 제1 전극에 상기 제1 전극과 별도로 마련되어 다른 물질과의 접촉에 의해 전기에너지를 발생시키는 것으로, 2차원 형상의 결정구조를 가지는 2차원 물질(2D material)을 포함하는 제1 에너지 발생층;을 포함하고,
    상기 2차원 물질은 TMD(Transition Metal Dichalcogenide)를 포함하는 마찰전기 발전기.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 TMD는 Mo, W, Nb, V, Ta, Ti, Zr, Hf, Tc, Re, Cu, Ga, In, Sn, Ge 및 Pb 으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나의 금속 원소와 S, Se 및 Te으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나의 칼코겐 원소를 포함하는 마찰전기 발전기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 2차원 물질은 단층 또는 복층 구조를 가지는 마찰전기 발전기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 2차원 물질은 0.3nm ~ 1000nm의 두께를 가지는 마찰전기 발전기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 2차원 물질은 도핑되어 있거나(doped) 또는 도핑되어 있지 않은(undoped) 마찰전기 발전기.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 마련된 스페이서(spacer)를 더 포함하는 마찰전기 발전기.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 에너지 발생층은 상기 제2 전극과의 접촉에 의해 전기에너지를 발생시키는 마찰전기 발전기.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 전극 및 상기 제1 에너지 발생층이 마련되는 제1 기판과, 상기 제2 전극이 마련되는 제2 기판 중 적어도 하나를 더 포함하는 마찰전기 발전기.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제1 에너지 발생층은 상기 제2 전극 또는 상기 제2 기판과의 접촉에 의해 전기에너지를 발생시키는 마찰전기 발전기.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 기판 중 적어도 하나는 신축성이 있는(stretchable) 마찰전기 발전기.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 기판 중 적어도 하나는 PDMS(polydimethylsiloxane), PI(polyimide), Teflon, Urethane 및 Nylon 으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 마찰전기 발전기.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 기판 중 적어도 하나는 200% 이하의 신장률(elongation percentage)을 가지는 마찰전기 발전기.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 기판 중 적어도 하나는 물결 모양(wavy)의 표면을 가지는 마찰전기 발전기.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 제1 전극 및 상기 제1 에너지 발생층은 상기 제1 기판의 표면에 대응되는 형태를 가지고, 상기 제2 전극은 상기 제2 기판의 표면에 대응되는 형태를 가지는 마찰전기 발전기.
  16. 제 11 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전극 중 적어도 하나는 탄소나노튜브(CNT), 그래핀(graphene), Ag 나노와이어, 금속 및 금속 메쉬(metal mesh)로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 마찰전기 발전기.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 전극에 마련되어 상기 제1 에너지 발생층과의 접촉에 의해 전기에너지를 발생시키는 제2 에너지 발생층을 더 포함하는 마찰전기 발전기.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 제1 전극 및 상기 제1 에너지 발생층이 마련되는 제1 기판과, 상기제2 전극 및 상기 제2 에너지 발생층이 마련되는 제2 기판 중 적어도 하나를 더 포함하는 마찰전기 발전기.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 기판 중 적어도 하나는 신축성이 있는 마찰전기 발전기.
  20. 서로 대향되게 마련되며, 신축성을 가지는 제1 및 제2 전극; 및
    상기 제1 전극에 상기 제1 전극에 별도로 마련되어 다른 물질과의 접촉에 의해 전기에너지를 발생시키는 제1 에너지 발생층;을 포함하고,
    상기 제1 에너지 발생층은 나노 사이즈를 갖는 1차원 형상의 1차원 나노물질(1D nanomaterial) 및 2차원 형상의 결정구조를 가지는 2차원 물질(2D material) 중 적어도 하나를 포함하며,
    상기 1차원 나노물질은 탄소나노튜브를 포함하고, 상기 2차원 물질은 TMD를 포함하는 마찰전기 발전기.
  21. 삭제
  22. 삭제
  23. 제 20 항에 있어서,
    상기 제1 에너지 발생층은 상기 제2 전극과의 접촉에 의해 전기에너지를 발생시키는 마찰전기 발전기.
  24. 제 20 항에 있어서,
    상기 제1 전극 및 상기 제1 에너지 발생층이 마련되는 신축성이 있는 제1 기판과, 상기 제2 전극이 마련되는 신축성이 있는 제2 기판 중 적어도 하나를 더 포함하는 마찰전기 발전기.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 제1 에너지 발생층은 상기 제2 전극 또는 상기 제2 기판과의 접촉에 의해 전기에너지를 발생시키는 마찰전기 발전기.
  26. 제 24 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 기판 중 적어도 하나는 물결 모양(wavy)의 표면을 가지는 마찰전기 발전기.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 제1 전극 및 상기 제1 에너지 발생층은 상기 제1 기판의 표면에 대응되는 형태를 가지고, 상기 제2 전극은 상기 제2 기판의 표면에 대응되는 형태를 가지는 마찰전기 발전기.
  28. 제 20 항에 있어서,
    상기 제2 전극에 마련되어 상기 제1 에너지 발생층과의 접촉에 의해 전기에너지를 발생시키는 제2 에너지 발생층을 더 포함하는 마찰전기 발전기
  29. 제 28 항에 있어서,
    상기 제1 전극 및 상기 제1 에너지 발생층이 마련되는 신축성이 있는 제1 기판과, 상기 제2 전극 및 상기 제2 에너지 발생층이 마련되는 신축성이 있는 제2 기판 중 적어도 하나를 더 포함하는 마찰전기 발전기.
  30. 적층된 복수개의 에너지 발생유닛을 포함하고,
    상기 에너지 발생유닛들 각각은,
    서로 대향되게 마련되는 제1 및 제2 전극; 및
    상기 제1 전극에 상기 제1 전극과 별도로 마련되어 다른 물질과의 접촉에 의해 전기에너지를 발생시키는 것으로, 2차원 형상의 결정구조를 가지는 2차원 물질(2D material)을 포함하는 제1 에너지 발생층;을 포함하고,
    상기 2차원 물질은 TMD를 포함하는 마찰전기 발전기.
  31. 삭제
  32. 제 30 항에 있어서,
    상기 제2 전극에 마련되어 상기 제1 에너지 발생층과의 접촉에 의해 전기에너지를 발생시키는 제2 에너지 발생층을 더 포함하는 마찰전기 발전기.
  33. 제 30 항에 있어서,
    상기 에너지 발생유닛들은 서로 직결로 연결되는 마찰전기 발전기.
  34. 적층된 복수개의 에너지 발생유닛을 포함하고,
    상기 에너지 발생유닛들 각각은,
    서로 대향되게 마련되며, 신축성을 가지는 제1 및 제2 전극; 및
    상기 제1 전극에 상기 제1 전극과 별도로 마련되어 다른 물질과의 접촉에 의해 전기에너지를 발생시키는 제1 에너지 발생층;을 포함하고,
    상기 제1 에너지 발생층은 나노 사이즈를 갖는 1차원 형상의 1차원 나노물질(1D nanomaterial) 및 2차원 형상의 결정구조를 가지는 2차원 물질(2D material) 중 적어도 하나를 포함하며,
    상기 1차원 나노물질은 탄소나노튜브를 포함하고, 상기 2차원 물질은 TMD를 포함하는 마찰전기 발전기.
  35. 삭제
  36. 삭제
  37. 제 34 항에 있어서,
    상기 제2 전극에 마련되어 상기 제1 에너지 발생층과의 접촉에 의해 전기에너지를 발생시키는 제2 에너지 발생층을 더 포함하는 마찰전기 발전기.
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