KR102581468B1 - 전극 구조체, 이를 포함하는 마찰대전 발전기 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

전극 구조체, 이를 포함한 마찰대전 발전기 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 본 전극 구조체는 외부 힘에 의해 변형 가능한 플렉스블층 및 플렉서블층에 적어도 일부 영역이 함침된 전극을 포함할 수 있다.

Description

전극 구조체, 이를 포함하는 마찰대전 발전기 및 그 제조 방법{Electrode structure, Triboelectric generator including the same and Method for manufacturing the same}

본 개시는 플렉서블한 전극 구조체, 이를 포함하는 마찰대전 발전기 및 플렉서블한 전극 구조체의 제조 방법에 관한 것이다.

최근에는 에너지를 하베스팅(harvesting)하는 기술이 각광을 받고 있다. 에너지 하베스팅 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.

마찰대전 발전기는 두 대전체의 마찰 시 나타나는 전하 이동 현상을 이용하여 전기 에너지를 발생시키는 에너지 하베스팅 소자이다. 마찰대전 발전기는 에너지 변환 효율이 높아서 외부의 작은 힘에 의해서도 높은 출력을 얻을 수 있다. 또한, 마찰대전 발전기는 열이나 태양을 이용한 에너지 하베스팅 소자들에 비해서 시간적, 공간적 제약이 없으며, 물질의 변형에 의해 전기에너지를 발생시키는 압전 소재를 이용한 에너지 하베스팅 소자에 비해 지속적으로 전기에너지를 발생시킬 수 있다.

상기와 같은 마찰대전 발전기를 웨어러블 장치의 전원 공급 장치로 적용하고자 하는 시도가 있다.

본 개시는 플렉서블하면서 기계적 강인성(mechanical robustness)을 갖는 전극 구조체를 제공한다.

본 개시는 플렉서블하면서 기계적으로 단단한 전극 구조체를 포함하는 마찰대전 발전기를 제공한다.

본 개시는 상기한 전극 구조체를 제조하는 방법을 제공한다.

일 유형에 따르는 전극 구조체는, 외부 힘에 의해 변형 가능한 플렉스블층; 및 전도성 구조체들 중 이웃하는 전도성 구조체가 상호 연결된 네트워크를 포함하며, 적어도 일부 영역이 상기 플렉서블층에 함침된(embedded) 전극;을 포함한다.

그리고, 상기 전도성 구조체들 중 적어도 하나는 길이가 폭보다 큰 와이어, 로드 및 파이버 중 적어도 하나의 형상일 수 있다.

상기 전도성 구조체들 중 적어도 하나는 금속 및 그래핀 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

한편, 일 유형에 따르는 전극 구조체는, 서로 접촉 및 분리될 수 있으며, 상기 접촉에 의해 서로 반대 극성의 전하가 대전되는 제1 및 제2 대전층; 제1 대전층상에 배치된 제1 전극; 및 상기 제1 전극과 이격 배치되면서, 적어도 일부 영역이 상기 제2 대전층에 함침된(embedded) 제2 전극;을 포함한다.

그리고, 상기 제2 전극의 적어도 일부 영역은, 상기 제2 대전층의 표면으로부터 상기 제2 대전층의 내부로 함침될 수 있다.

또한, 상기 제2 전극의 나머지 영역은, 상기 제2 대전층의 표면으로부터 외부로 노출될 수 있다.

그리고, 상기 제2 대전층의 표면 면적에 대한 상기 제2 전극의 표면 면적의 비인 면적 계수는 10% 내지 80%일 수 있다.

또한, 상기 마찰전기 발전기에서 생성된 전기 에너지는 상기 면적 계수에 의존할 수 있다.

그리고, 상기 제2 전극을 포함하는 제2 대전층의 RMS 거칠지는 2nm 이하일 수 있다.

또한, 상기 제2 전극은, 상기 제2 대전층의 표면 중 상기 제1 대전층과 접하는 표면에 함침될 수 있다.

그리고, 상기 제2 전극은, 상기 제2 대전층의 표면 중 상기 제1 대전층과 접하는 표면과 대면하는 표면에 함침될 수 있다.

또한, 상기 제2 전극은, 전도성 구조체들 중 이웃하는 전도성 구조체가 상호 연결된 네트워크를 포함할 수 있다.

그리고, 상기 전도성 구조체들 중 적어도 하나는 길이가 폭보다 긴 와이어, 로드, 파이버 중 적어도 하나의 형상일 수 있다.

또한, 상기 전도성 구조체들 중 적어도 하나는, 금속 및 그래핀 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

그리고, 상기 제1 대전층 및 상기 제2 대전층 중 어느 하나는 음전하로 대전되는 층이고, 나머지 하나는 양전하로 대전되는 층일 수 있다.

또한, 힘이 인가되지 않은 상태에서 상기 제1 대전층과 상기 제2 대전층이 이격 배치되도록 상기 제1 대전층과 상기 제2 대전층을 지지하는 지지 부재;를 더 포함할 수 있다.

그리고, 상기 지지 부재는 탄성 물질을 포함할 수 있다.

한편, 일 실시예에 따른 전극 구조체를 제조하는 방법은, 마더 기판상에 전도성 구조체들을 포함한 용액을 코팅하는 단계;플렉서블 물질을 상기 용액이 코팅된 상기 마더 기판의 표면상에 래미네이션하는 단계; 압력을 가하여 상기 전도성 구조체가 상기 플렉서블 물질 내로 함침시키는 단계; 및 열 및 광 중 적어도 하나를 이용하여 상기 플렉서블 물질을 경화시키는 단계;를 포함한다.

그리고, 상기 전도성 구조체의 적어도 일부 영역은 상기 탄성층 내로 함침되고, 상기 전도성 구조체의 나머지 영역은 상기 탄성층으로부터 외부로 노출될 수 있다.

또한, 상기 코팅하는 단계는, 메이어 로드를 이용하여 상기 용액을 코팅할 수 있다.

적어도 하나의 실시예에 의하면, 전극 구조체는 플렉서블층에 함침되어 있기 때문에 플렉서블하면서도 기계적 강인성을 향상시킬 수 있다.

도 1a은 일 실시예에 따른 전자 장치에 적용될 수 있는 전극 구조체의 단면도이다.
도 1b는 도 1a의 전극 구조체의 평면도이다.
도 2a 내지 도 2e는 일 실시예에 따른 전극 구조체를 제조하는 방법을 설명하는 참조도면이다.
도 3a은 일 실시예에 따른 전도성 네트워크의 면적 계수에 따른 광 투과율을 측정한 결과이다.
도 3b는 플렉서블층에 함침된 전도성 네트워크의 면적 계수에 따른 RMS 거칠기(root-mean-square roughness)를 측정한 결과이다.
도 4a는 SU8층상에 Ag 네트워크를 코팅한 전극 구조체와 Ag 네트워크를 SU8층에 함침한 전극 구조체의 인장 변형의 횟수에 따른 시트 저항을 측정한 결과이다.
도 4b는 PDMS 층상에 Ag 네트워크를 코팅한 전극 구조체와 Ag 네트워크를 PDMS 층에 함침한 전극 구조체의 스트레칭 변형(stretching strain)의 횟수에 따른 시트 저항을 측정한 결과이다.
도 4c는 PDMS 층상에 Ag 네트워크를 코팅한 전극 구조체와 Ag 네트워크를 PDMS 층에 함침한 전극 구조체의 탈착(detachment)의 횟수에 따른 시트 저항을 측정한 결과이다.
도 5는 예시적 실시예에 따른 마찰대전 발전기의 개략적인 단면도이다.
도 6a 내지 도 6d는 마찰대전 발전기의 작동 메커니즘을 설명하기 위한 참조도면들이다.
도 7은 일 실시예에 따른 제2 전극의 면적 계수에 따른 마찰대전 발전기에서 출력되는 전압을 측정한 결과이다.
도 8은 다른 실시예에 따른 마찰대전 발전기를 도시한 도면이다.
도 9는 도 8에 도시된 제2 전극의 면적 계수에 따른 마찰대전 발전기)에서 출력되는 전압을 측정한 결과이다.
도 10은 또 다른 실시예에 따른 마찰대전 발전기를 도시한 도면이다.
도 11은 또 다른 실시예에 따른 마찰대전 발전기를 도시한 도면이다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명을 한정하지 아니하고 오로지 예시를 위한 실시예에 의해 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 하기 실시예는 본 발명을 구체화하기 위한 것일 뿐 본 발명의 권리 범위를 제한하거나 한정하는 것이 아님은 물론이다. 본 발명의 상세한 설명 및 실시예로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가가 용이하게 유추할 수 있는 것은 본 발명의 권리범위에 속하는 것으로 해석된다.

도 1a은 일 실시예에 따른 전자 장치에 적용될 수 있는 전극 구조체(100)의 단면도이고, 도 1b는 도 1a의 전극 구조체(100)의 평면도이다.

전극 구조체(100)는 플렉서블(flexible)하면서 신축성(stretchable)이 있을 수도 있다. 도 1a 및 도 1b를 참조하면, 전극 구조체(100)는 힘에 의해 변형 가능한 플렉서블층(110) 및 상기한 플렉서블층(110)에 함침된 전극(120)을 포함할 수 있다. 이러한 전극 구조체(100)는 전자 장치, 특히, 플렉서블한 전자 장치의 전극으로 이용될 수 있다. 예를 들어, 플렉서블층(110)이 전하를 대전하는 물질로 구성되는 경우, 마찰대전 발전기의 일 구성요소가 될 수도 있다.

플렉서블층(110)은 플렉서블한 물질을 포함하는 것으로 광가교성 물질, 열가교성 물질 또는 플렉서블한 고분자 물질 등을 포함할 수 있다. 예를 들어, 플렉서블층(110)은 polytetrafluoroethylene(Teflon), polydimethylsiloxane(PDMS), fluorinated ethylene propylene(FEP), poly(methyl methacrylate)(PMMA), polyvinylidene fluoride(PVDF), polycarbonate(PC), polyvinyl chloride(PVC), polyimide(Kapton), polypropylene(PP), polyethylene(PE) 및 polystyrene(PS), polyformaldehyde, ethylcellulose, polyamide, melamine formol, perfluoroalkoxy alkane(PFA), wool, silk, mica, nylon 등의 유전 물질 또는 절연 물질, SU-8 등과 같은 포토레지스트 등일 수도 있다.

전극(120)은 적어도 일부 영역이 플렉서블층(110)에 함침(embedded)될 수 있다. 예를 들어, 전극(120)의 적어도 일부 영역은 플렉서블층(110)의 표면으로부터 플렉서블층(110)의 내부로 함침되어 있을 수 있다. 전극(120)의 적어도 일부 영역이 플렉서블층(110)에 함침되어 있기 때문에 전극 구조체(100)가 플렉서블, 신축되는 과정에서 전극(120)이 소실되는 것을 방지할 수 있다.

일 실시예에 따른 전극(120)은 복수 개의 전도성 구조체(122)들을 포함할 수 있다. 그리고, 복수 개의 전도성 구조체(122)들은 이웃하는 전도성 구조체(122)가 상호 연결된 네트워크 구조일 수 있다. 이하 네트워크 구조를 형성하는 전도성 구조체를 전도성 네트워크라고도 한다. 전극(120)이 전도성 네트워크 구조이기 때문에 보다 용이하게 플렉서블하면서 신장(stretchable)될 수 있다. 또한, 전도성 네트워크는 필름 형태의 전극(120)보다 광 투과성을 높을 수 있다.

전도성 구조체(122)들 중 적어도 하나는 길이가 폭보다 긴 와이어, 파이버, 로드 중 적어도 하나의 형상일 수 있다. 또한, 전도성 구조체(122)는 전기전도성이 우수한 물질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 전도성 구조체(122)는 그래핀(graphene), ITO(Indium Tin Oxide), 금속 및 전도성 폴리머로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다. 여기서, 금속은 예를 들면, Ag, Al, Cu, Au, Ni, Cr 및 Pt으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있지만 이에 한정되지는 않는다.

앞서 기술한 네트워크 구조인 전극(120)이 플렉서블층(110)에 함침된 전극 구조체(100)는 플렉서블 정도가 크며, 전극(120)의 소실을 방지할 수 있기 때문에 플렉서블한 전자 기기에 활용될 수 있다.

도 2a 내지 도 2e는 일 실시예에 따른 전극 구조체(100)를 제조하는 방법을 설명하는 참조도면이다. 먼저 도 2a에 도시된 바와 같이, 소수성 막(220)이 형성된 제1 마더 기판(210)을 준비할 수 있다. 기판은 임의의 물질일 수 있다. 예를 들어, 기판은 유리 기판일 수 있다. 소수성 막(220)은 소액성 특성을 갖는 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 소수성 막(220)은 octadecyltrichlorosilane (OTS) 또는 n-octadecyltrichlorosilane 등의 자기정렬 모노머 (self assembly monolayer: SAM) 또는 불소를 포함하는 표면에너지가 낮은 유기물질 등을 포함할 수 있다.

도 2b에 도시된 바와 같이, 전도성 구조체(122)를 포함한 용액을 제1 마더 기판(210)상에 코팅할 수 있다. 상기한 코팅 기법은 메이어 로드(Meyer rod)(300)를 이용한 코팅 기법일 수도 있다. 메이어 로드(300)를 이용한 코팅 기법은 증착되는 전도성 구조체(122)의 면적 계수(areal factor)를 조절할 수 있는 장점이 있다. 메이어 로드(300)내 금속 코일간의 공간은 전도성 구조체(122)의 면적 계수(areal factor)를 결정할 수 있다. 메이어 로드(300)내 금속 코일간의 공간이 클수록 증착되는 전도성 구조체(122)의 면적 계수는 작아질 수 있다(확인부탁드립니다.) 코팅된 전도성 구조체(122)들 중 이웃하는 전도성 구조체(122)들은 상호 연결되는 네트워크를 형성하게 된다.

그리고, 도 2c에 도시된 바와 같이, 코팅된 용액을 사이에 두고 제1 마더 기판(210)상에 플렉서블한 물질(260)을 래미네이션(lamination)할 수 있다. 예를 들어, UV-경화성 SU8 또는 polydimethylsiloxane (PDMS)의 열경화성 전구체(thermocurable precursor)을 제2 마더 기판(250), 예를 들어, polyethylene terephthalate (PET) 기판상에 스핀 코팅한 후, 코팅된 플렉서블한 물질(260)을 전도성 구조체(122)를 포함한 용액이 코팅된 제1 마더 기판(210)에 래미네이션할 수 있다. 액체 상태의 플렉서블한 물질(260)은 전도성 네트워크의 작은 틈들(interstices) 사이로 쉽게

투과(penetrate)할 수 있다.

그리고 나서, 도 2d에 도시된 바와 같이, 플렉서블한 물질(260)에 광 조사 또는 열 처리에 의한 가교(crosslinking)는 플렉서블한 물질(260) 및 전도성 네트워크가 인터락(interlocked)될 수 있다. 즉, 플렉서블한 물질(260)이 경화되면서 플렉서블한 물질(260)은 플렉서블층(260a)이 될 수 있다. 마지막으로, 도 2e에 도시된 바와, 전극 구조체(100)를 제1 마더 기판(210)으로부터 분리할 수 있다. 제1 마더 기판(210)은 소수성 막(220)으로 처리되어 있기 때문에 전극 구조체(100)와 마더 기판간의 접착력이 약하여 전극 구조체(100)가 안정적으로 박리될 수 있다. 또한, 전도성 네트워크가 플렉서블층(260a)에 함침되어 기계적으로 경고하기 때문에 제1 마더 기판(210)으로부터 전극 구조체(100)의 박리가 용이하다. 마지막으로 제2 마더 기판(250)을 플렉서블층(260a)으로부터 분리할 수 있다.

앞서 기술한 전도성 네트워크가 함침된 전극 구조체(100)는 전도성 네트워크의 면적 계수에 따라 광 투과율이 조절될 수 있다. 여기서, 면적 계수는 플렉서블층(110)의 표면 면적에 대한 전도성 네트워크가 노출된 표면 면적의 비를 의미할 수 있다.

도 3a는 일 실시예에 따른 전도성 네트워크의 면적 계수에 따른 광 투과율을 측정한 결과이다. 전도성 네트워크의 전도성 구조체는 Ag 나노 와이어이다(이하 Ag 네트워크라고도 한다). 플렉서블층은 SU8로 형성되어 있다. 도 3a에 도시된 바와 같이, 전도성 네트워크의 면적 계수가 작아질수록 시트 저항이 커짐을 확인할 수 있다. 또한, 전도성 네트워크의 면적 계수가 작아질수록 광 투과율이 높아짐을 확인할 수 있다. 그리하여, 전도성 네트워크의 면적 계수를 제어함으로써 시트 저항 및 광 투과율을 조절할 수 있다. 일 실시예에 따른 전극 구조체는 투명 전자 기기의 전극으로도 이용될 수 있다.

한편, 전도성 네트워크는 플렉서블층에 함침되어 있기 때문에 전도성 네트워크의 면적 계수의 변화에 따라 표면 거칠기는 크게 변하지 않을 수 있다. 도 3b는 플렉서블층에 함침된 전도성 네트워크의 면적 계수에 따른 RMS 거칠기(root-mean-square roughness)를 측정한 결과이다. 도 3b에 도시된 바와 같이, 전도성 네트워크의 면적 계수가 커진다 하더라도 RMS 값이 2nm를 초과하지 않음을 알 수 있다. 이러한 표면 상태(surface morphology) 또는 거칠기는 마찰대전 발전기의 성능에 영향을 미친다. 전술한 전도성 네트워크가 함침된 전극(120) 구조는 마찰대전 발전기의 일 구성요소 이용될 수 있다.

또한, 전술한 전도성 네트워크가 함침된 전극 구조체는 전도성 네트워크가 코팅된 전극 구조체보다 기계적 유연성(mechanical flexibility) 뿐만 아니라 기계적 강인성(mechanical robustness)이 클 수 있다.

다음은 함침된 전도성 네트워크와 코팅된 전도성 네트워크의 시트 저항의 변화도를 측정한 결과이다. 도 4a는 SU8층상에 Ag 네트워크를 코팅한 전극 구조체와 Ag 네트워크를 SU8층에 함침한 전극 구조체의 인장 변형의 횟수에 따른 시트 저항의 변화도를 측정한 측정한 결과이다. 여기서 인장 변형율은 3%였다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 인장 변형 횟수가 증가한다 하더라도 함침된 Ag 네트워크는 코팅된 Ag 네트워크보다 일정한 시트 저항의 변화도를 유지하였음을 확인할 수 있다.

도 4b는 PDMS 층상에 Ag 네트워크를 코팅한 전극 구조체와 Ag 네트워크를 PDMS 층에 함침한 전극 구조체의 스트레칭 변형(stretching strain)의 횟수에 따른 시트 저항의 변화도를 측정한 결과이다. 여기서 스트레칭 변형(stretching strain)은 15%였다. 도 4b에 도시된 바와 같이, 스트레칭 변형 횟수가 증가한다 하더라도 함침된 Ag 네트워크는 코팅된 Ag 네트워크보다 일정한 시트 저항의 변화도를 유지하였음을 확인할 수 있다.

도 4c는 PDMS 층상에 Ag 네트워크를 코팅한 전극 구조체와 Ag 네트워크를 PDMS 층에 함침한 전극 구조체의 탈착(detachment)의 횟수에 따른 시트 저항의 변화도를 측정한 결과이다. 여기서 탈착은 3M 스카치 테이프(3M Scotch tape)를 전도성 네트워크가 노출된 표면으로부터 탈부착시켰다. 도 4c에 도시된 바와 같이, 탈착 횟수가 증가한다 하더라도 함침된 Ag 네트워크는 코팅된 Ag 네트워크보다 일정한 시트 저항의 변화도를 유지하였음을 확인할 수 있다.

앞서 기술한 전도성 네트워크가 함침된 전극 구조체는 표면 거칠기가 특정 값 이하이면서도 기계적 유연성 및 기계적 강인성(mechanical robustness)이 크기 때문에 플렉서블한 다양한 전자 기기에 적용될 수 있다. 예를 들어, 앞서 기술한 전극 구조체는 마찰대전 발전기의 일 구성요소로 이용될 수 있다.

도 5는 예시적 실시예에 따른 마찰대전 발전기의 개략적인 단면도이다. 도 5를 참조하면, 일 실시예에 따른 마찰대전 발전기는, 서로 접촉 및 분리될 수 있으며, 접촉에 의해 서로 반대 극성의 전하가 대전되는 제1 및 제2 대전층(510, 520), 제1 대전층(510)상에 배치된 제1 전극(530) 및 제1 전극(530)과 이격 배치되면서, 적어도 일부 영역이 제2 대전층(520)에 함침된(embedded) 제2 전극(540)을 포함할 수 있다.

제1 및 제2 대전층(510, 520)은 외부 힘의 유무에 따라 서로 접촉 및 분리될 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 대전층(510, 520) 중 적어도 하나에 힘이 가해지면 제1 및 제2 대전층(510, 520)은 서로 접촉될 수 있고, 가해진 힘이 릴리스(release)되면 제1 및 제2 대전층(510, 520)은 분리될 수 있다. 제1 및 제2 대전층(510, 520)이 접촉될 때 제1 및 제2 대전층(510, 520)은 서로 반대 극성의 전하로 대전될 수 있다. 예를 들어, 제1 대전층(510)은 음전하로 대전될 수 있고, 제2 대전층(520)은 양전하로 대전될 수 있다. 제1 및 제2 대전층(510, 520)은 도 1에 도시된 플렉서블층(110)과 대응할 수 있다. 단지 제1 및 제2 대전층(510, 520)은 플렉서블하면서도 접촉에 의해 음전하 또는 양전하로 대전될 수 있는 물질로 형성될 수 있다.

제1 대전층(510)은 제2 대전층(520)과의 접촉에 의해 음전하로 대전되는 것으로, 제2 대전층(520)에 비해 상대적으로 전기전도도가 높은 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 대전층(510, 520)은, polytetrafluoroethylene(Teflon), polydimethylsiloxane(PDMS), fluorinated ethylene propylene(FEP), poly(methyl methacrylate)(PMMA), polyvinylidene fluoride(PVDF), polycarbonate(PC), polyvinyl chloride(PVC), polyimide(Kapton), polypropylene(PP), polyethylene(PE) 및 polystyrene(PS), polyformaldehyde, ethylcellulose, polyamide, melamine formol, perfluoroalkoxy alkane(PFA), wool, silk, mica, nylon 등의 유전 물질 또는 절연 물질, SU-8 등과 같은 포토레지스트 등일 수도 있다.

제1 대전층(510)과 제2 대전층(520)은 전기 전도도의 특성에 따라 양전하 대전층 및 음전하 대전층으로 결정될 수 있다. 예를 들어, 제1 대전층(510)이 perfluoroalkoxy alkane(PFA)이고 제2 대전층(520)이 polydimethylsiloxane(PDMS)로 형성되면, 제1 대전층(510)은 음전하 대전층이 되고, 제2 대전층(520)은 양전하 대전층이 될 수 있다. 제1 대전층(510)이 nylon 이고 제2 대전층(520)이 polydimethylsiloxane(PDMS)로 형성되면 제1 대전층(510)은 양전하 대전층이 되고, 제2 대전층(520)은 음전하 대전층이 될 수 있다. 제1 및 제2 대전층(510, 520)의 물질은 예시적인 것으로 이외에도 다양한 물질의 조합으로 제1 및 제2 대전층(510, 520)를 구성할 수 있다.

제1 및 제2 대전층(510, 520) 중 적어도 하나는 그 표면의 대전 특성을 조절하기 위해 p형 도펀트 또는 n형 도펀트로 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.

제1 전극(530)은 제1 대전층(510)상에 배치될 수 있다. 예를 들어, 제1 전극(530)은 제1 대전층(510)의 상면상에 배치될 수 있다. 제1 전극(530)은 전기전도성이 우수한 물질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 제1 전극(530)은 그래핀(graphene), ITO(Indium Tin Oxide), 금속 및 전도성 폴리머로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다. 여기서, 금속은 예를 들면, Ag, Al, Cu, Au, Ni, Cr 및 Pt으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있지만 이에 한정되지는 않는다. 이러한 제1 전극(530)은 단층 구조 또는 복수의 층 구조를 가질 수 있다.

제2 전극(540)은 제1 대전층(510)과 제2 대전층(520) 사이에 배치되어 있고, 제2 전극(540)의 적어도 일부 영역은 제2 대전층(520)에 함침되어 있을 수 있다. 제2 전극(540)은 도 1에 도시된 전극(120)과 대응할 수 있다. 예를 들어, 제2 전극(540)의 적어도 일부 영역은 제2 대전층(520)의 표면으로부터 제2 대전층(520)의 내부로 함침되어 있을 수 있다. 여기서 제2 대전층(520)의 표면은 제2 대전층(520)의 상면에 함침될 수 있으며, 제2 대전층(520)의 상면은 제1 대전층(510)의 하면과 접촉 또는 분리될 수 있다.

또한, 제2 전극(540)의 나머지 영역은 제2 대전층(520)의 표면으로부터 외부로 노출될 수 있다. 상기한 제2 전극(540)의 표면 거칠기(roughness)가 일정 값 이하일 수 있다. 예를 들어, 제2 전극(540)의 RMS 값은 2nm이하일 수 있으며, 제2 대전층(520)에 대한 제2 전극(540)의 면적 계수는 10% 내지 80%일 수 있다.

또한, 제2 전극(540)의 일부 영역은 제2 대전층(520)에 함침되어 있기 때문에 제2 대전층(520)이 제1 대전층(510)과 마찰을 일으킨다 하더라도 제2 전극(540)의 소실을 막을 수 있어 기계적 강도가 크다.

일 실시예에 따른 제2 전극(540)은 복수 개의 전도성 구조체(544)들을 포함할 수 있다. 그리고, 복수 개의 전도성 구조체(544)들은 이웃하는 전도성 구조체(544)가 상호 연결된 네트워크(이하 '전도성 네트워크'라고 한다)일 수 있다. 제2 전극(540)이 전도성 네트워크 구조이기 때문에 유연성 및 신축성이 있다.

전도성 구조체(544)는 폭 보다 길이가 긴 로드, 와이어, 파이버 등의 형상일 수 있다. 예를 들어, 전도성 구조체(544)의 폭은 나노크기이고, 길이는 마이크로크기일 수 있다. 또한, 전도성 구조체(122)는 전기전도성이 우수한 물질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 전도성 구조체(122)는 그래핀(graphene), 탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT), ITO(Indium Tin Oxide), 금속 및 전도성 폴리머로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다. 여기서, 금속은 예를 들면, Ag, Al, Cu, Au, Ni, Cr 및 Pt으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있지만 이에 한정되지는 않는다.

이하에서는 마찰대전 발전기의 작동 메커니즘을 설명한다. 마찰대전 발전기는 마찰대전(triboelectrification)과 정전기 유도(electrostatic induction)간의 커플링에 기초하여 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환시킬 수 있다.

도 6a 내지 도 6d는 마찰대전 발전기(500)의 작동 메커니즘을 설명하기 위한 참조도면들이다.

도 6a는 마찰대전 발전기(500)의 초기 상태를 도시한 도면이다. 마찰대전 발전기(500)에 외부 힘이 가해지지 않은 초기 상태에서, 제1 대전층(510)과 제2 대전층(520)은 이격되게 배치되어 있다. 참조번호 550은 제1 전극(530)과 제2 전극(540) 사이의 전하 흐름을 검출하기 위한 부하이다.

한편, 제1 대전층(510) 및 제2 대전층(520) 중 적어도 하나에 힘이 가해지면, 도 6b에 도시된 바와 같이, 제1 대전층(510)과 제2 대전층(520)이 접촉하게 된다. 제1 대전층(510)과 제2 대전층(520)은 서로 반대 전하로 대전되는 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 대전층(510, 520)는 각각 음전하 대전층 및 양전하 대전층일 수 있다. 그리하여, 제1 및 제2 대전층(510, 520)가 서로 접촉하게 되면 제1 대전층(510)(131)의 접촉면은 음전하로 대전되며, 제2 대전층(520)(132)의 접촉면은 양전하로 대전될 수 있다.

그리고 나서 제1 및 제2 대전층(510, 520) 중 적어도 하나에 가해진 힘이 릴리즈(release)되면, 도 6c에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 대전층(510, 520)은 원래의 위치로 복원되어 이격되게 된다. 제1 대전층(510)은 음전하로 대전되어 있고, 제2 대전층(520)은 양전하로 대전되어 있기 때문에 제1 및 제2 대전층(510, 520)의 전하 평형을 이루기 위해 제1 및 제2 대전층(510, 520)에 정전 유도 현상이 발생함으로써 제1 전극(530)내 전자가 제2 전극(540)으로 이동하게 된다. 그리하여, 부하(550)에 전류(I)가 흐르게 된다.

한편, 도 6d에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 대전층(510, 520) 중 적어도 하나에 힘이 가해지면, 제1 대전층(510)과 제2 대전층(520)이 접촉되면 정전 유도 현상에 의해 제2 전극(540)내 전자가 제1 전극(530)으로 이동함으로써 부하(550)에 전류(I)가 흐를 수 있다. 이후 힘이 반복적으로 가해지게 되면 마찰대전 발전기(500)는 전술한 동작, 도 6c 및 도 6d의 동작을 반복적으로 수행하게 된다.

마찰대전 발전기(500)에서 생성된 전기적 에너지는 제1 및 제2 대전층(510, 520)의 물질에 따라 달라질 수 있다. 뿐만 아니라, 제2 전극(540)의 면적 계수에 따라서도 달라질 수 있다.

도 7은 일 실시예에 따른 제2 전극(540)의 면적 계수에 따른 마찰대전 발전기에서 출력되는 전압을 측정한 결과이다. 제1 전극(530)으로 Al를 이용하고, 제1 대전층(510)으로 PFA를 이용하였으며, 제2 대전층(520)으로 PDMS 및 제2 전극(540)으로 Ag 네트워크를 이용하였다. 제2 전극(540)의 시트 저항은 각각 5 Ω/sq, 11 Ω/sq, 75 Ω/sq, 406 Ω/sq 이 되도록 Ag 네트워크를 제2 대전층(520)에 함침시켰다. 도 7에 도시된 바와 같이, 제2 전극(540)의 시트 저항에 따라 출력되는 전압이 다름을 확인할 수 있다. 즉, 함침되는 제2 전극(540)의 면적 계수를 제어함으로 함으로써 마찰대전 발전기에서 생성되는 전기적 에너지를 조절할 수 있음을 확인할 수 있다.

도 8은 다른 실시예에 따른 마찰대전 발전기(500a)를 도시한 도면이다. 도 8과 도 5를 비교하면, 제2 전극(540a)은 제2 대전층(520)의 하면에 배치될 수 있다. 즉, 제1 전극(530)과 제2 전극(540a) 사이에 제1 및 제2 대전층(510, 520)이 배치될 수 있다. 상기와 같이 제2 전극(540a)이 제2 대전층(520)의 하면에 배치되면, 접촉대전 발생기(500a)에서 발생되는 전기적 에너지는 제2 전극(540a)의 면적 계수에 영향을 덜 받을 수 있다.

도 9는 도 8에 도시된 제2 전극(540a)의 면적 계수에 따른 마찰대전 발전기(500b)에서 출력되는 전압을 측정한 결과이다. 제1 전극(530)으로 Al를 이용하고, 제1 대전층(510)으로 PFA를 이용하였으며, 제2 대전층(520)으로 SU-8 및 제2 전극(540)으로 Ag 네트워크를 이용하였다. 제2 전극(540a)의 시트 저항이 각각 5 Ω/sq, 11 Ω/sq, 75 Ω/sq, 406 Ω/sq 이 되도록 Ag 네트워크를 제2 대전층(520)에 함침시켰다. 도 9에 도시된 바와 같이, 제2 전극(540a)의 시트 저항이 변경된다 하더라도 출력되는 전압이 저의 동일함을 확인할 수 있다.

도 10은 또 다른 실시예에 따른 마찰대전 발전기(500c)를 도시한 도면이다. 도 10과 도 5를 비교하면, 제1 전극(530a)도 전도성 네트워크 구조일 수 있다. 제1 전극(530a)의 적어도 일부 영역은 제1 대전층(510)에 함침될 수 있다. 예를 들어, 제1 전극(530a)의 적어도 일부 영역은 플렉서블층(110)의 표면으로부터 제1 대전층(510)의 내부로 함침되어 있을 수 있다.

도 11은 또 다른 실시예에 따른 마찰대전 발전기(500d)를 도시한 도면이다. 도 11과 도 5를 비교하면, 도 11의 마찰대전 발전기(500d)는 제1 및 제2 대전층(510, 520)을 지지하는 지지 부재(610)를 포함할 수 있다. 지지 부재(610)는 제1 전극(530)과 접하면서 제1 대전층(510)을 지지하는 제1 기판(612), 제2 대전층(520)과 접하면서 제2 대전층(520)을 지지하는 제2 기판(614), 제1 기판(612)과 제2 기판(614)을 연결하는 탄성 부재(616)를 포함할 수 있다.

제1 및 제2 기판(612, 614)이 서로 일정한 간격으로 이격되게 배치될 수 있다 예를 들어, 제1 기판(612)은 상부 기판이 될 수 있으며, 제2 기판(614)은 하부 기판이 될 수 있다. 이러한 제1 및 제2 기판(612, 614)은 평탄한 구조를 가질 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 이러한 제1 및 제2 기판(612, 614)은 예를 들어, 실리콘 웨이퍼 또는 유리 등과 같은 단단한 재질을 포함할 수 있다. 하지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 이외에도 제1 및 제2 기판(612, 614)은 다양한 물질을 포함할 수 있다.

탄성 부재(616)는 제1 대전층(510)과 제2 대전층(520)이 이격 배치될 수 있도록 제1 기판(612)과 제2 기판(614) 사이에 배치될 수 있다. 탄성 부재(616)는 스프링을 포함할 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 이외에도 탄성 부재(616)는 다른 다양한 탄성 물질을 포함할 수 있다. 이에 따라, 제1 기판(612)을 누르게 되면 제1 기판(612)이 아래로 이동하면서 제1 대전층(510)과 제2 대전층(520)이 접하게 된다. 그리고, 가해진 힘이 릴리스(release)되면 탄성 부재(616)의 복원력에 의해 제1 기판(612)이 위로 이동하면서 제1 대전층(510)과 제2 대전층(520)이 이격되게 된다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형상으로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

100: 전극 구조체 110: 플렉서블층
112: 전도성 구조체 120: 전극
500: 마찰대전 발저기 510: 제1 대전층
520: 제2 대전층 530: 제1 전극
540: 제2 전극 542: 전도성 구조체

Claims (20)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 마찰대전 발전기에 있어서,
   서로 접촉 및 분리될 수 있으며, 상기 접촉에 의해 서로 반대 극성의 전하가 대전되는 제1 및 제2 대전층;
   제1 대전층상에 배치된 제1 전극; 및
   상기 제1 전극과 이격 배치되면서, 적어도 일부 영역이 상기 제2 대전층에 함침된(embedded) 제2 전극;을 포함하고,
   상기 제2 전극은 상기 제2 대전층의 표면 중 상기 제1 대전층과 접하는 표면에 함침되어 있으며, 상기 마찰대전 발전기에서 생성된 전기적 에너지는 상기 제2 대전층의 표면 면적에 대한 상기 제2 전극의 표면 면적의 비인 면적 계수에 의존하는 마찰대전 발전기.
5. 제 4항에 있어서,
   상기 제2 전극의 적어도 일부 영역은,
   상기 제2 대전층의 표면으로부터 상기 제2 대전층의 내부로 함침된 마찰대전 발전기.
6. 제 5항에 있어서,
   상기 제2 전극의 나머지 영역은,
   상기 제2 대전층의 표면으로부터 외부로 노출된 마찰대전 발전기.
7. 제 4항에 있어서,
   상기 면적 계수는 10% 내지 80%인 마찰대전 발전기.
8. 삭제
9. 제 4항에 있어서,
   상기 제2 전극이 함침된 제2 대전층 표면의 RMS 거칠기(root-mean-square roughness)는 2nm 이하인 마찰대전 발전기.
10. 삭제
11. 삭제
12. 제 4항에 있어서,
    상기 제2 전극은,
    전도성 구조체들 중 이웃하는 전도성 구조체가 상호 연결된 네트워크를 포함하는 마찰대전 발전기.
13. 제 12항에 있어서,
    상기 전도성 구조체 중 적어도 하나는
    길이가 폭보다 긴 와이어, 로드, 파이버 중 적어도 하나의 형상인 마찰대전 발전기.
14. 제 12항에 있어서,
    상기 전도성 구조체들 중 적어도 하나는
    금속 및 그래핀 중 적어도 하나를 포함하는 마찰대전 발전기.
15. 제 4항에 있어서,
    상기 제1 대전층 및 상기 제2 대전층 중 어느 하나는 음전하로 대전되는 층이고, 나머지 하나는 양전하로 대전되는 층인 마찰대전 발전기.
16. 제 4항에 있어서,
    힘이 인가되지 않은 상태에서 상기 제1 대전층과 상기 제2 대전층이 이격 배치되도록 상기 제1 대전층과 상기 제2 대전층을 지지하는 지지 부재;를 더 포함하는 마찰대전 발전기.
17. 제 16항에 있어서,
    상기 지지 부재는 탄성 물질을 포함하는 마찰대전 발전기.
18. 삭제
19. 삭제
20. 삭제

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