KR102603454B1 - 신체 부착형 마찰전기 발전소자 및 이의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시 형태에 따른 신체 부착형 마찰전기 발전소자는, 상부 대전층 및 상부 대전층에 접착되는 하부 대전층으로 구성된 음의 대전체와, 상부 대전층과 하부 대전층 사이에 구비되는 전극층을 포함하며, 전극층에 접하는 상부 대전층의 일면 및 하부 대전층의 일면에는 스페이서의 기능을 수행하는 음각 패턴이 형성될 수 있다.
Description
본 출원은, 신체 부착형 마찰전기 발전소자 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
최근 전자피부 및 유연 변형 센서와 같은 웨어러블 센서를 사용하여 외부의 압력이나 생체 신호를 감지할 수 있는 기술 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 다년간 신체 촉각 감지 기능을 모방한 용량성, 압전 기반의 다양한 고감도의 유연 압력 센서가 개발되었으나, 이러한 센서들의 동작을 위해서는 외부 전원 공급원이 필요하다. 외부 전원 공급원으로서 2차 전지와 같은 전기화학 배터리는 수명이 제한되어 있고, 교체 및 재충전이 필요하며 폐기로 인한 환경오염의 문제가 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해 친환경 에너지 하베스팅 기술을 결합할 필요가 있다. 특히, 마찰전기 에너지 하베스팅 기술은 광범위한 재료의 선택, 간단한 기계적 구조, 높은 유연성의 특성으로 주목받고 있다. 마찰전기 발전소자는 접촉 전위와 정전유도에 의해 전기에너지를 생성하는 원리이며, 최근에는 에너지 수확 및 압력 감지가 가능한 신축성 및 신체 부착형 마찰전기 발전소자가 개발되고 있다.
이러한 마찰전기 발전소자의 전기적 출력 성능을 향상시키기 위해, 대전체의 접촉면은 저렴하고 간단한 주조방식을 통해 미세 패터닝이 가능하다. 예를 들어, 실크와 사포는 탄성중합체를 주조하기 위한 틀(mold)로 사용될 수 있다. 그러나 이러한 틀은 탄성중합체 용액을 흡수하여 벗겨내기 어렵거나 표면가루와 함께 경화되는 단점이 있다.
또한, 최근 하이드로 겔 기반 전극을 사용한 투명하고 신축성 있는 마찰전기 발전소자가 개발되고 있다. 그러나 전도성 하이드로 겔은 전해질 수용액이므로 시간이 지나면 탈수되고, 기계적 탄성과 이온 전도성을 저하시킨다. 또한 대부분의 마찰전기 발전소자는 외부 부하의 연결을 위해 소자의 전극에 추가 금속 와이어를 연결해야 한다. 이러한 경우 각 전극의 상이한 전기전도도로 인하여 소자의 출력에 영향을 미칠 수 있다.
따라서, 신체 부착형 마찰전기 발전소자는 유연성과 신축성, 대전체의 효율적인 미세 패터닝 방법, 추가적인 전극 연결이 필요 없는 내구성 있는 전극이 필요하다.
본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 별도의 스페이서가 필요없으며, 신체에 부착하여 안정적인 에너지를 수확할 수 있으며, 동맥박과 같은 미세한 압력을 감지할 수 있는 신체 부착형 마찰전기 발전소자 및 이의 제조 방법을 제공한다.
또한, 본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 소자의 변형 및 신축이 가능할 뿐 아니라, 얇고 유연하여 신체의 굴곡진 부위에 부착이 용이하며, 안정적인 전기적 출력이 가능한 신체 부착형 마찰전기 발전소자 및 이의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 상부 대전층 및 상기 상부 대전층에 접착되는 하부 대전층으로 구성된 음의 대전체; 및 상기 상부 대전층과 상기 하부 대전층 사이에 구비되는 전극층;을 포함하며, 상기 전극층에 접하는 상기 상부 대전층의 일면 및 상기 하부 대전층의 일면에는 스페이서의 기능을 수행하는 음각 패턴이 형성된, 신체 부착형 마찰전기 발전소자를 제공한다.
본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 상기 음의 대전체는 탄성 중합체를 포함하며, 상기 탄성 중합체는 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS) 또는 실리콘 고무를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 상기 전극층은 금속 복합 자수사를 포함하며, 상기 금속 복합 자수사는 금, 은, 구리, 스테인레스 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 상기 전극층은 소정의 패턴을 형성하며,상기 소정의 패턴은, 지그재그 패턴 또는 주름 패턴을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 상기 신체 부착형 마찰전기 발전소자는, 양의 대전체로 작용하는 신체와의 접촉에 의해 마찰전기를 발생시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 일면에 스페이서의 기능을 수행하는 음각 패턴이 형성된 상부 대전층 및 하부 대전층을 각각 제조하는 제1 단계; 상기 음각 패턴이 형성된 하부 대전층 위에 전극층을 소정의 패턴을 형성하도록 안착시키는 제2 단계; 및 상기 상부 대전층의 음각 패턴이 형성된 면이 상기 전극층을 향하도록 상기 상부 대전층을 상기 하부 대전층에 접착시키는 제3 단계;를 포함하는, 신체 부착형 마찰전기 발전소자의 제조 방법이 제공된다.
본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 상기 제1 단계는, 유리 기판의 일면에 주조틀 - 상기 주조틀의 노출면에는 양각 패턴이 형성됨 - 을 부착시키는 단계; 상기 주조틀의 노출면에 탄성 중합체 용액을 도포하는 단계; 도포된 상기 탄성 중합체 용액을 탄성 중합체로 경화시키는 단계; 및 경화된 탄성 중합체를 상기 주조틀로부터 제거함으로써 일면에 상기 양각 패턴에 대응되는 음각 패턴이 형성된 상기 상부 대전층 또는 상기 하부 대전층을 제조하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 상기 주조틀은 테프론 테이프를 포함할 수 있으며, 상기 소정의 패턴은, 지그재그 패턴 또는 주름 패턴을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 상부 대전층과 하부 대전층, 상부 대전층과 하부 대전층 사이에 구비되는 전극층을 구비하되, 전극층에 접하는 상부 대전층의 일면 및 하부 대전층의 일면에는 스페이서의 기능을 수행하도록 음각 패턴을 형성함으로써, 별도의 스페이서가 필요없으며, 신체에 부착하여 안정적인 에너지를 수확할 수 있으며, 동맥박과 같은 미세한 압력을 감지할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 대전체로 탄성 중합체를 사용하고, 전극층은 금속 복합 자수사를 이용하여 소정의 패턴으로 형성함으로써, 소자의 변형 및 신축이 가능할 뿐 아니라, 얇고 유연하여 신체의 굴곡진 부위에 부착이 용이하며, 안정적인 전기적 출력이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 신체 부착형 마찰전기 발전소자의 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 전극층의 패턴의 예시이다.
도 3은 본 발명의 일 형태에 따른 신체 부착형 마찰전기 발전소자의 발전 원리를 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 형태에 따라 신체 부착형 마찰전기 발전소자에 외력을 가했을 때 발생되는 전기적 출력을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 신체 부착형 마찰전기 발전소자의 전자 제품의 구동 예 등을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 형태에 따른 신체 부착형 마찰전기 발전소자의 제조 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 7은 도 6에 도시된 단계 S601을 구체화한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 전극층의 패턴의 예시이다.
도 3은 본 발명의 일 형태에 따른 신체 부착형 마찰전기 발전소자의 발전 원리를 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 형태에 따라 신체 부착형 마찰전기 발전소자에 외력을 가했을 때 발생되는 전기적 출력을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 신체 부착형 마찰전기 발전소자의 전자 제품의 구동 예 등을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 형태에 따른 신체 부착형 마찰전기 발전소자의 제조 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 7은 도 6에 도시된 단계 S601을 구체화한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나 본 발명의 실시형태는 여러 가지의 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로만 한정되는 것은 아니다. 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 신체 부착형 마찰전기 발전소자의 분해 사시도이며, 도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 전극층의 패턴의 예시이다.
도 1에 도시된 같이, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 신체 부착형 마찰전기 발전소자(100)는, 상부 대전층(111) 및 상부 대전층(111)에 접착되는 하부 대전층(112)으로 구성된 음의 대전체(110)와, 상부 대전층(111)과 하부 대전층(112) 사이에 구비되는 전극층(120)을 포함할 수 있다.
그리고, 전극층(120)에 접하는 상부 대전층(111)의 일면 및 하부 대전층(112)의 일면에는 스페이서의 기능을 수행하는 음각 패턴이 형성될 수 있다.
구체적으로, 상부 대전층(111) 및 하부 대전층(112)으로 구성된 음의 대전체(110)는 탄성 중합체를 포함할 수 있다.
이러한 탄성 중합체는, 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS) 또는 실리콘 고무를 포함할 수 있다.
한편, 상술한 전극층(120)은 금속 복합 자수사를 포함할 수 있다.
이러한 금속 복합 자수사는, 금, 은, 구리, 스테인레스 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 전극층(120)은 상부 대전층(111) 및 하부 대전층(112) 사이에 구비되어 소정의 패턴을 형성할 수 있다. 여기서, 소정의 패턴은 도 1에 도시된 바와 같은 지그재그 패턴일 수 있다.
본 발명의 다른 실시 형태에 의하면, 소정의 패턴은 도 2의 (a)에 도시된 바와 같은 주름 패턴일 수도 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시 형태에 의하면, 소정의 패턴은 도 2의 (b)에 도시된 바와 같은 사각형 패턴이거나 또는 도 2의 (c)에 도시된 바와 같은 나선형 패턴일 수 있다.
상술한 소정의 패턴들의 예시는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것이며, 당업자의 필요에 따라 다양한 변형 실시예가 가능함에 유의하여야 한다.
상술한 신체 부착형 마찰전기 발전소자(100)는 양의 대전체로 작용하는 신체와의 접촉에 의해 마찰전기를 발생시킬 수 있다.
이하, 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시 형태에 따른 신체 부착형 마찰전기 발전소자(100)의 동작 원리를 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 신체 부착형 마찰전기 발전소자의 동작 원리를 설명하는 도면이다.
우선, 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, 피부(HS)가 음의 대전체(110)와 접촉하면 두 물질 사이에서 마찰대전이 발생하고 각 표면에서 반대 극성을 가진 동일한 양의 전하가 생성된다.
이후 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, 피부(HS)와 음의 대전체(110)가 분리되면 두 물질 사이에 전위차가 생성되고, 생성된 전위차에 의해 외부 회로(R)를 통해 전류가 흐를 수 있다.
이후 도 3의 (c)에 도시된 바와 같이, 피부(HS)와 음의 대전체(110)가 최대로 분리되면 정전기 평형이 형성된다.
마지막으로, 도 3의 (d)에 도시된 바와 같이, 피부(HS)가 음의 대전체(110)로 다시 접근하면 전체 프로세스가 역전되고 반대 방향으로 전류가 생성된다.
도 4는 본 발명의 일 실시 형태에 따라 신체 부착형 마찰전기 발전소자에 외력을 가했을 때 발생되는 전기적 출력을 도시한 도면이다.
도 4의 (a) 및 (c)는 약 1kgf으로 마찰전기 발전소자(100)를 피부(HS)에 주기적으로 접촉 및 분리시킬 때 발생되는 전압 및 전류를 나타낸 그래프이다.
한편, 도 4의 (c) 및 (d)는 마찰전기 발전소자(100)의 안정성 및 내구성을 조사하기 위해 4,500 사이클 동안의 접촉 및 분리 과정으로 생성된 출력 전압 및 전류를 나타낸 그래프이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 신체 부착형 마찰전기 발전소자는 긴 사이클 동안 안정적으로 전기를 출력함을 알 수 있다.
그리고, 도 5는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 신체 부착형 마찰전기 발전소자의 전자 제품의 구동 예 등을 도시한 도면이다.
도 5의 (a)는 왼손에 마찰전기 발전소자(100)를 부착한 상태에서 오른 손으로 두드려(tapping) 전자시계(1)를 작동시킬 수 있음을 도시한 것이다.
그리고, 도 5의 (b)는 마찰전기 발전소자(100)가 부착된 손목의 굽힘에 따른 출력 전압을 도시한 것이다. 이 경우 도 5의 (a)와 마찬가지로 마찰전기 발전소자를 오른 손으로 두드릴 경우 더 높은 마찰전기를 발생시킬 수 있다.
그리고, 도 5의 (c)는 마찰전기 발전소자(100)를 손목의 동맥박 감지를 위해 사용하는 것을 도시한 것이며, 감지된 동맥박에 의해 전압이 출력되고 있음을 알 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 상부 대전층과 하부 대전층, 상부 대전층과 하부 대전층 사이에 구비되는 전극층을 구비하되, 전극층에 접하는 상부 대전층의 일면 및 하부 대전층의 일면에는 스페이서의 기능을 수행하도록 음각 패턴을 형성함으로써, 별도의 스페이서가 필요없으며, 신체에 부착하여 안정적인 에너지를 수확할 수 있으며, 동맥박과 같은 미세한 압력을 감지할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 대전체로 탄성 중합체를 사용하고, 전극층은 금속 복합 자수사를 이용하여 소정의 패턴으로 형성함으로써, 소자의 변형 및 신축이 가능할 뿐 아니라, 얇고 유연하여 신체의 굴곡진 부위에 부착이 용이하며, 안정적인 전기적 출력이 가능하다.
도 6은 본 발명의 일 형태에 따른 신체 부착형 마찰전기 발전소자의 제조 방법을 설명하는 흐름도이며, 도 7은 도 6에 도시된 단계 S601을 구체화한 도면이다.
도 1 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 형태에 따른 신체 부착형 마찰전기 발전소자의 제조 방법(S600)은 일면에 스페이서의 기능을 수행하는 음각 패턴이 형성된 상부 대전층(111) 및 하부 대전층(112)을 각각 제조하는 단계에 의해 개시될 수 있다(S601).
이하에서는, 도 7을 참조하여 상술한 상부 대전층(111) 및 하부 대전층(112)을 각각 제조하는 단계(S601)를 더욱 상세하게 설명한다.
도 7의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이, 우선, 유리 기판(702)의 일면에 주조틀(701)을 부착시킬 수 있다. 상술한 주조틀(701)의 노출면에는 양각 패턴(701a)이 형성될 수 있다. 이러한 주조틀은 테프론 테이프를 포함할 수 있다.
상술한 테프론은 비점착성(nonstick)의 특성을 가지기 때문에 경화된 탄성중합체를 쉽게 벗겨 낼 수 있다.
다음, 도 7의 (c)에 도시된 바와 같이, 주조틀(701)의 노출면에 탄성 중합체 용액(703)을 도포할 수 있다.
이후, 탄성 중합체 용액(703)이 경화되면, 도 7의 (d)에 도시된 바와 같이, 경화된 탄성 중합체(110)를 주조틀(701)로부터 제거함으로써 일면에 양각 패턴(701a)에 대응되는 음각 패턴(110a)이 형성된 상부 대전층(111) 또는 하부 대전층(112)이 제조될 수 있다.
다시 도 6을 참조하면, 음각 패턴이 형성된 하부 대전층(112) 위에 전극층(120)을 소정의 패턴을 형성하도록 안착시킬 수 있다.
마지막으로, 상부 대전층(111)의 음각 패턴이 형성된 면이 전극층(120)을 향하도록 상부 대전층(111)을 하부 대전층(112)에 접착시킴으로써, 마찰전기 발전소자를 제조할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 상부 대전층과 하부 대전층, 상부 대전층과 하부 대전층 사이에 구비되는 전극층을 구비하되, 전극층에 접하는 상부 대전층의 일면 및 하부 대전층의 일면에는 스페이서의 기능을 수행하도록 음각 패턴을 형성함으로써, 별도의 스페이서가 필요없으며, 신체에 부착하여 안정적인 에너지를 수확할 수 있으며, 동맥박과 같은 미세한 압력을 감지할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 대전체로 탄성 중합체를 사용하고, 전극층은 금속 복합 자수사를 이용하여 소정의 패턴으로 형성함으로써, 소자의 변형 및 신축이 가능할 뿐 아니라, 얇고 유연하여 신체의 굴곡진 부위에 부착이 용이하며, 안정적인 전기적 출력이 가능하다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되지 아니한다. 첨부된 청구범위에 의해 권리범위를 한정하고자 하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
1: 전자시계
100: 마찰전기 발전소자
110: 음의 대전체
110a: 음각 패턴
111: 상부 대전층
112: 하부 대전층
120: 전극층
701: 주조틀(테프론 테이프)
701a: 양각 패턴
702: 유리 기판
703: 탄성 중합체 용액
HS: 신체의 피부
100: 마찰전기 발전소자
110: 음의 대전체
110a: 음각 패턴
111: 상부 대전층
112: 하부 대전층
120: 전극층
701: 주조틀(테프론 테이프)
701a: 양각 패턴
702: 유리 기판
703: 탄성 중합체 용액
HS: 신체의 피부
Claims (12)
- 상부 대전층 및 상기 상부 대전층에 접착되는 하부 대전층으로 구성된 음의 대전체; 및
상기 상부 대전층과 상기 하부 대전층 사이에 구비되는 전극층;을 포함하며,
상기 전극층에 접하는 상기 상부 대전층의 일면 및 상기 하부 대전층의 일면에는 스페이서의 기능을 수행하는 복수의 음각 패턴이 형성된, 신체 부착형 마찰전기 발전소자.
- 제1항에 있어서,
상기 음의 대전체는,
탄성 중합체를 포함하는, 신체 부착형 마찰전기 발전소자.
- 제2항에 있어서,
상기 탄성 중합체는,
폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS) 또는 실리콘 고무를 포함하는, 신체 부착형 마찰전기 발전소자.
- 제1항에 있어서,
상기 전극층은,
금속 복합 자수사를 포함하는, 신체 부착형 마찰전기 발전소자.
- 제4항에 있어서,
상기 금속 복합 자수사는,
금, 은, 구리, 스테인레스 중 적어도 하나를 포함하는, 신체 부착형 마찰전기 발전소자.
- 제4항에 있어서,
상기 전극층은,
소정의 패턴을 형성하는, 신체 부착형 마찰전기 발전소자.
- 제6항에 있어서,
상기 소정의 패턴은,
지그재그 패턴 또는 주름 패턴을 포함하는, 신체 부착형 마찰전기 발전소자.
- 제2항에 있어서,
상기 신체 부착형 마찰전기 발전소자는,
양의 대전체로 작용하는 신체와의 접촉에 의해 마찰전기를 발생시키는, 신체 부착형 마찰전기 발전소자.
- 일면에 스페이서의 기능을 수행하는 복수의 음각 패턴이 형성된 상부 대전층 및 하부 대전층을 각각 제조하는 제1 단계;
상기 복수의 음각 패턴이 형성된 하부 대전층 위에 전극층을 소정의 패턴을 형성하도록 안착시키는 제2 단계; 및
상기 상부 대전층의 상기 복수의 음각 패턴이 형성된 면이 상기 전극층을 향하도록 상기 상부 대전층을 상기 하부 대전층에 접착시키는 제3 단계;
를 포함하는, 신체 부착형 마찰전기 발전소자의 제조 방법.
- 제9항에 있어서,
상기 제1 단계는,
유리 기판의 일면에 주조틀 - 상기 주조틀의 노출면에는 양각 패턴이 형성됨 - 을 부착시키는 단계;
상기 주조틀의 노출면에 탄성 중합체 용액을 도포하는 단계;
도포된 상기 탄성 중합체 용액을 탄성 중합체로 경화시키는 단계; 및
경화된 탄성 중합체를 상기 주조틀로부터 제거함으로써 일면에 상기 양각 패턴에 대응되는 음각 패턴이 형성된 상기 상부 대전층 또는 상기 하부 대전층을 제조하는 단계;
를 포함하는, 신체 부착형 마찰전기 발전소자의 제조 방법.
- 제10항에 있어서,
상기 주조틀은,
테프론 테이프를 포함하는, 신체 부착형 마찰전기 발전소자의 제조 방법.
- 제9항에 있어서,
상기 소정의 패턴은,
지그재그 패턴 또는 주름 패턴을 포함하는, 신체 부착형 마찰전기 발전소자의 제조 방법.
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| MXene electrochemical microsupercapacitor integrated with triboelectric nanogenerator as a wearable self-charging power unit, Qiu Jiang 외6, Nano Energy 45 (2018.01.03. 공개)* |
| Pulse sensor based on single-electrode triboelectric nanogeneratorXiaoning Cui 외7, Sensors and Actuators A 280 (2018.08.01. 공개)* |
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