KR20160035662A - 코팅 대전층을 포함하는 접촉 대전 발전기 및 그 생성 방법 - Google Patents

코팅 대전층을 포함하는 접촉 대전 발전기 및 그 생성 방법 Download PDF

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Abstract

코팅 대전층을 포함하는 접촉 대전 발전기(triboelectric energy harvester)의 생성 방법은 전극 위에 마이크로-나노 형상의 표면을 갖는 대전 물질을 생성하는 단계; 및 상기 대전 물질의 표면 위에 상기 마이크로-나노 형상을 유지하도록 코팅 대전층을 형성하는 단계를 포함한다.

Description

코팅 대전층을 포함하는 접촉 대전 발전기 및 그 생성 방법{TRIBOELECTRIC ENERGY HARVESTER INCLUDING COATING ELECTRIFICATION LAYER AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 코팅 대전층을 포함하는 접촉 대전 발전기(triboelectric energy harvester) 및 그 생성 방법에 대한 기술로서, 보다 구체적으로, 대전 물질의 마이크로-나노 형상의 표면 위에 형성되는 코팅 대전층을 포함하는 접촉 대전 발전기 및 그 생성 방법에 관한 기술이다.
접촉 대전 발전기는 서로 다른 두 대전 물질들을 포함함으로써, 서로 다른 두 대전 물질들이 물리적으로 서로 접촉할 때 각각의 표면 위에서 전기적인 양극 또는 음극으로 대전되는 표면 전하(정전기)를 이용하여 유도 전류를 발생시킬 수 있다. 따라서, 접촉 대전 발전기는 주위 환경에서 사용되지 못하고 버려지는 에너지를 사용처가 높은 전기 에너지로 변환하는 기술인 에너지 하베스팅(energy harvesting)에서 사용된다.
특히, 최근에는 높은 출력전압을 얻기 위한 접촉 면적의 증가를 위해, 마이크로-나노 형상을 갖는 접촉 계면에 대한 연구가 진행되고 있다. 그러나, 접촉 대전 발전기에서 대전 물질은 소프트 리쏘그래피(soft-lithography) 또는 바텀-업(bottom-up) 공정을 통하여 마이크로-나노 형상의 표면을 갖도록 형성되기 때문에, 이와 같은 공정이 가능한 물질로 제한되는 단점이 있다.
이에, 본 명세서에서는 마이크로-나노 형상을 유지하도록 대전 물질의 표면 위에 코팅 대전층을 형성함으로써, 접촉 계면의 표면적을 향상시키면서, 접촉 계면의 접촉 대전 특성을 개선하는 기술을 제안한다.
본 발명의 실시예들은 마이크로-나노 형상의 표면을 갖는 대전 물질 위에 마이크로-나노 형상을 유지하도록 코팅 대전층을 형성함으로써, 접촉 계면의 표면적을 향상시키면서, 접촉 계면의 접촉 대전 특성을 개선한 접촉 대전 발전기 및 그 생성 방법을 제공한다.
특히, 본 발명의 실시예들은 대전 물질을 구성하는 물질보다 접촉 대전 전하 밀도(triboelectric charge density)가 높은 물질로 코팅 대전층을 형성함으로써, 접촉 계면의 접촉 대전 특성을 개선한 접촉 대전 발전기 및 그 생성 방법을 제공한다.
본 발명의 일실시예에 따른 코팅 대전층을 포함하는 접촉 대전 발전기(triboelectric energy harvester)의 생성 방법은 전극 위에 마이크로-나노 형상의 표면을 갖는 대전 물질을 생성하는 단계; 및 상기 대전 물질의 표면 위에 상기 마이크로-나노 형상을 유지하도록 코팅 대전층을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 코팅 대전층을 형성하는 단계는 상기 대전 물질의 표면 위에 초기 화학적 진공 증착법(Initiated Chemical Vapour Deposition; ICVD) 또는 자기 조립 박막법(Self Assembly Monolayer; SAM) 중 적어도 어느 하나를 이용하여 상기 코팅 대전층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 코팅 대전층을 형성하는 단계는 상기 대전 물질을 구성하는 물질보다 접촉 대전 전하 밀도(triboelectric charge density)가 높은 물질로 상기 코팅 대전층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 코팅 대전층을 형성하는 단계는 상기 마이크로-나노 형상을 유지하도록 단차피복비(step coverage)가 우수한 폴리머, 유기 물질 또는 유전체 물질 중 적어도 어느 하나로 상기 코팅 대전층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 코팅 대전층을 형성하는 단계는 상기 대전 물질의 표면 위에 복수 개의 층들을 갖도록 상기 코팅 대전층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 코팅 대전층을 포함하는 접촉 대전 발전기(triboelectric energy harvester)는 전극; 상기 전극 위에 생성되어, 마이크로-나노 형상의 표면을 갖는 대전 물질; 및 상기 대전 물질의 표면 위에 상기 마이크로-나노 형상을 유지하도록 형성되는 코팅 대전층을 포함한다.
상기 코팅 대전층은 상기 대전 물질의 표면 위에 초기 화학적 진공 증착법(Initiated Chemical Vapour Deposition; ICVD) 또는 자기 조립 박막법(Self Assembly Monolayer; SAM) 중 적어도 어느 하나를 이용하여 형성될 수 있다.
상기 코팅 대전층은 상기 대전 물질을 구성하는 물질보다 접촉 대전 전하 밀도(triboelectric charge density)가 높은 물질로 형성될 수 있다.
상기 코팅 대전층은 상기 마이크로-나노 형상을 유지하도록 단차피복비(step coverage)가 우수한 폴리머, 유기 물질 또는 유전체 물질 중 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다.
상기 코팅 대전층은 상기 대전 물질의 표면 위에 복수 개의 층들을 갖도록 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예들은 마이크로-나노 형상의 표면을 갖는 대전 물질 위에 마이크로-나노 형상을 유지하도록 코팅 대전층을 형성함으로써, 접촉 계면의 표면적을 향상시키면서, 접촉 계면의 접촉 대전 특성을 개선한 접촉 대전 발전기 및 그 생성 방법을 제공할 수 있다.
특히, 본 발명의 실시예들은 대전 물질을 구성하는 물질보다 접촉 대전 전하 밀도(triboelectric charge density)가 높은 물질로 코팅 대전층을 형성함으로써, 접촉 계면의 접촉 대전 특성을 개선한 접촉 대전 발전기 및 그 생성 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 코팅 대전층을 포함하는 접촉 대전 발전기를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 코팅 대전층을 포함하는 접촉 대전 발전기를 생성하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 코팅 대전층이 형성되는 과정을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 코팅 대전층이 형성된 표면을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로-나노 형상을 생성하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 일실시예에 따른 마이크로-나노 형상을 생성하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 접촉 대전 발전기를 생성하는 방법을 나타낸 플로우 차트이다.
이하, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 또한, 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 코팅 대전층을 포함하는 접촉 대전 발전기를 나타낸 도면이다.
도 1의 (a)를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 접촉 대전 발전기는 하부 전극(110), 상부 전극(120), 하부 전극(110) 위에 생성되는 하부 대전 물질(130) 및 상부 전극(120) 위에 생성되는 상부 대전 물질(140)을 포함한다. 여기서, 하부 대전 물질(130)은 소프트 리쏘그래피(soft-lithography) 또는 바텀-업(bottom-up) 공정 중 적어도 어느 하나를 이용하여 마이크로-나노 형상의 표면을 갖도록 폴리머, 유지 물질 또는 유전체 물질 중 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다. 예를 들어, 하부 대전 물질(130)의 표면 위에는 자연 복제 구조를 갖는 마이크로-나노 형상이 형성될 수 있다. 이에 대한 상세한 설명은 도 5를 참조하여 기재하기로 한다.
여기서, 접촉 대전 발전기는 하부 대전 물질(130)의 표면 위에 마이크로-나노 형상을 유지하도록 형성되는 코팅 대전층(131)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 코팅 대전층(131)은 단차피복비(step coverage)가 우수한 폴리머, 유기 물질 또는 유전체 물질 중 적어도 어느 하나로 하부 대전 물질(130)의 표면 위에 원자 레벨에서(예컨대, 기체 상태로) 균일하게 증착되어 형성됨으로써, 하부 대전 물질(130)의 표면이 갖는 마이크로-나노 형상을 그대로 유지할 수 있다. 더 구체적인 예를 들면, 코팅 대전층(131)은 하부 대전 물질(130)의 표면 위에 초기 화학적 진공 증착법(Initiated Chemical Vapour Deposition; ICVD) 또는 자기 조립 박막법(Self Assembly Monolayer; SAM) 중 적어도 어느 하나를 이용하여 형성될 수 있다. 이에 대한 상세한 설명은 도 3을 참조하여 기재하기로 한다.
이 때, 코팅 대전층(131)은 하부 대전 물질(130)을 구성하는 물질보다 접촉 대전 전하 밀도(triboelectric charge density)가 높은 물질로 형성될 수 있다(예컨대, 코팅 대전층(131)은 하부 대전 물질(130)을 구성하는 폴리머, 유기 물질 또는 유전체 물질 중 적어도 어느 하나보다 접촉 대전 전하 밀도가 높은 폴리머, 유기 물질 또는 유전체 물질 중 적어도 어느 하나로 형성될 수 있음). 여기서, 코팅 대전층(131)을 형성하는 물질의 접촉 대전 전하 밀도가 하부 대전 물질(130)을 구성하는 물질의 접촉 대전 전하 밀도보다 높다는 것은 코팅 대전층(131)을 형성하는 물질이 하부 대전 물질(130)을 구성하는 물질보다 전하를 잃거나 흡수하는 성질이 더 뛰어나다는 것을 의미할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일실시예에 따른 접촉 대전 발전기는 마이크로-나노 형상을 유지하며, 접촉 대전 전하 밀도가 높은 코팅 대전층(131)을 포함함으로써, 접촉 계면의 표면적을 향상시키면서, 접촉 계면의 접촉 대전 특성을 개선할 수 있다.
또한, 코팅 대전층(131)은 복수 개의 층들을 갖도록 형성될 수도 있다. 이러한 경우, 코팅 대전층(130)의 복수 개의 층들은 각기 서로 다른 물질로 형성되거나, 서로 다른 성질을 갖도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 코팅 대전층(131)이 두 개의 층들을 갖도록 형성되는 경우, 하부 대전 물질(130)의 표면 위에 형성되는 제1 층은 마이크로-나노 형상에 잘 증착되고, 단차피복비가 우수한 성질을 갖는 폴리머 물질로 형성될 수 있고, 제 1층의 위에 형성되는 제2 층은 우수한 접촉 대전 특성을 갖는 폴리머 물질로 형성될 수 있다.
(a) 경우의 접촉 대전 발전기에서, 코팅 대전층(131)은 하부 대전 물질(130)에만 형성되는 것으로 도시하였으나, 이에 제한되거나 한정되지 않고, 상부 대전 물질(140)에 형성될 수도 있다. 이러한 경우, 접촉 대전 발전기는 하부 전극(110), 상부 전극(120), 하부 전극(110) 위에 생성되는 하부 대전 물질(130), 상부 전극(120) 위에 생성되는 상부 대전 물질(140) 및 상부 대전 물질(140) 위에 형성되는 코팅 대전층을 포함할 수 있다(또한, 코팅 대전층(131)은 상부 대전 물질(140) 및 하부 대전 물질(130) 모두에도 형성될 수 도 있음).
도 1의 (b)를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 접촉 대전 발전기는 하부 전극(110), 상부 전극(120) 및 하부 전극(110) 위에 생성되는 하부 대전 물질(130)을 포함한다. 여기서, 하부 대전 물질(130)은 (a) 경우와 마찬가지로, 소프트 리쏘그래피 또는 바텀-업 공정 중 적어도 어느 하나를 이용하여 마이크로-나노 형상의 표면을 갖도록 폴리머, 유지 물질 또는 유전체 물질 중 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다.
여기서, 접촉 대전 발전기는 단차피복비가 우수한 폴리머, 유기 물질 또는 유전체 물질 중 적어도 어느 하나로 하부 대전 물질(130)의 표면 위에 마이크로-나노 형상을 유지하도록 형성되는 코팅 대전층(131)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 코팅 대전층(131)은 하부 대전 물질(130)의 표면 위에 원자 레벨에서(예컨대, 기체 상태로) 균일하게 증착되어 형성됨으로써, 하부 대전 물질(130)의 표면이 갖는 마이크로-나노 형상을 그대로 유지할 수 있다. 더 구체적인 예를 들면, 코팅 대전층(131)은 하부 대전 물질(130)의 표면 위에 초기 화학적 진공 증착법 또는 자기 조립 박막법 중 적어도 어느 하나를 이용하여 형성될 수 있다.
이 때, 코팅 대전층(131)은 하부 대전 물질(130)을 구성하는 물질보다 접촉 대전 전하 밀도가 높은 물질로 형성될 수 있다(예컨대, 코팅 대전층(131)은 하부 대전 물질(130)을 구성하는 폴리머, 유기 물질 또는 유전체 물질 중 적어도 어느 하나보다 접촉 대전 전하 밀도가 높은 폴리머, 유기 물질 또는 유전체 물질 중 적어도 어느 하나로 형성될 수 있음). 여기서, 코팅 대전층(131)을 형성하는 물질의 접촉 대전 전하 밀도가 하부 대전 물질(130)을 구성하는 물질의 접촉 대전 전하 밀도보다 높다는 것은 코팅 대전층(131)을 형성하는 물질이 하부 대전 물질(130)을 구성하는 물질보다 전하를 잃거나 흡수하는 성질이 더 뛰어나다는 것을 의미할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일실시예에 따른 접촉 대전 발전기는 마이크로-나노 형상을 유지하며, 접촉 대전 전하 밀도가 높은 코팅 대전층(131)을 포함함으로써, 접촉 계면의 표면적을 향상시키면서, 접촉 계면의 접촉 대전 특성을 개선할 수 있다.
또한, 코팅 대전층(131)은 복수 개의 층들을 갖도록 형성될 수도 있다. 이러한 경우, 코팅 대전층(130)의 복수 개의 층들은 각기 서로 다른 물질로 형성되거나, 서로 다른 성질을 갖도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 코팅 대전층(131)이 두 개의 층들을 갖도록 형성되는 경우, 하부 대전 물질(130)의 표면 위에 형성되는 제1 층은 마이크로-나노 형상에 잘 증착되고, 단차피복비가 우수한 성질을 갖는 폴리머 물질로 형성될 수 있고, 제 1층의 위에 형성되는 제2 층은 우수한 접촉 대전 특성을 갖는 폴리머 물질로 형성될 수 있다.
(b) 경우의 접촉 대전 발전기에서, 하부 대전 물질(130) 및 코팅 대전층(131)은 하부 전극(110)에만 형성되는 것으로 도시하였으나, 이에 제한되거나 한정되지 않고, 상부 전극(120)에 형성될 수도 있다. 이러한 경우, 접촉 대전 발전기는 하부 전극(110), 상부 전극(120), 상부 전극(120) 위에 생성되는 상부 대전 물질(140) 및 상부 대전 물질(140) 위에 형성되는 코팅 대전층을 포함할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 접촉 대전 발전기는 전극(110, 120), 전극(110, 120) 위에 생성되어 마이크로-나노 형상의 표면을 갖는 대전 물질(130) 및 대전 물질(130)의 표면 위에 마이크로-나노 형상을 유지하도록 형성되는 코팅 대전층(131)을 포함하는 구조를 가질 수 있다. 따라서, 본 발명의 일실시예에 따른 접촉 대전 발전기는 전극(110, 120) 위에 대전 물질(130)을 생성하고, 대전 물질(130)의 표면 위에 마이크로-나노 형상을 유지하도록 코팅 대전층(131)을 형성하는 과정에 따라 생성될 수 있다. 이에 대한 상세한 설명은 도 2를 참조하여 기재하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 코팅 대전층을 포함하는 접촉 대전 발전기를 생성하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 접촉 대전 발전기를 생성하는 시스템은 대전 경향 중 양극대전 경향이 높은 금속 소재(예컨대, Al, Ni, Cu, Au, Ag 또는 Fe 중 적어도 하나)로 전극(210)을 형성할 수 있다. 도면에는 도시하지 않았지만, 전극(210)은 실리콘, 폴리머 또는 금속 중 적어도 어느 하나로 구성되는 기판 위에 형성될 수 있다.
그 다음, 접촉 대전 발전기를 생성하는 시스템은 전극(210) 위에 마이크로-나노 형상의 표면을 갖는 대전 물질(220)을 생성한다. 이 때, 접촉 대전 발전기를 생성하는 시스템은 소프트 리쏘그래피 또는 바텀-업 공정 중 적어도 어느 하나를 이용하여 폴리머, 유기 물질 또는 유전체 물질 중 적어도 어느 하나로 마이크로-나노 형상의 표면을 갖는 대전 물질(220)을 생성할 수 있다. 여기서, 마이크로-나노 형상은 마이크로-나노 크기의 기둥, 피라미드, 실린더 또는 가자 조립의 구조체와 같은 형태를 의미할 수 있다. 또한, 마이크로-나노 형상은 마이크로-나노 크기의 자연적인 구조(연 잎, 장미 꽃잎 또는 매미 날개 등의 구조)를 이용하여 형성될 수도 있다.
예를 들어, 접촉 대전 발전기를 생성하는 시스템은 마이크로-나노 형상이 음각된 복제 몰드에 폴리머, 유기 물질 또는 유전체 물질 중 적어도 어느 하나를 액상 형태로 코팅하고, 온도 공정 또는 빛 공정 중 적어도 어느 하나를 통하여 복제 몰드에 코팅된 폴리머, 유기 물질 또는 유전체 물질 중 적어도 어느 하나를 고형화한 후, 고형화된 폴리머, 유기 물질 또는 유전체 물질 중 적어도 어느 하나를 분리하여 전극(210) 위에 부착함으로써, 대전 물질(220)을 생성할 수 있다.
그 후, 접촉 대전 발전기를 생성하는 시스템은 대전 물질(220)의 표면 위에 마이크로-나노 형상을 유지하도록 코팅 대전층(230)을 형성한다. 이 때, 접촉 대전 발전기를 생성하는 시스템은 단차피복비가 우수한 폴리머, 유기 물질 또는 유전체 물질 중 적어도 어느 하나로 코팅 대전층(230)을 균일하게 형성함으로써, 대전 물질(220)의 표면 위에 마이크로-나노 형상을 유지할 수 있다.
구체적으로, 접촉 대전 발전기를 생성하는 시스템은 대전 물질(220)의 표면 위에, 대전 물질(220)을 구성하는 폴리머, 유기 물질 또는 유전체 물질 중 적어도 어느 하나보다 접촉 대전 전하 밀도가 높은 폴리머, 유기 물질 또는 유전체 물질 중 적어도 어느 하나를 원자 레벨에서 증착하여 코팅 대전층(230)을 형성함으로써, 대전 물질(220)의 표면이 갖는 마이크로-나노 형상을 그대로 유지할 수 있다.
예를 들어, 접촉 대전 발전기를 생성하는 시스템은 대전 물질(220)의 표면 위에 초기 화학적 진공 증착법 또는 자기 조립 박막법 중 적어도 어느 하나를 이용하여 코팅 대전층(230)을 형성할 수 있다. 더 구체적인 예를 들면, 대전 물질(220)의 표면 위에 형성된 코팅 대전층(230)과 맞닿는 반대편 전극이 전하를 잃는 성질이 강한 양극대전 경향이 높은 금속 소재로 구성되는 경우, 접촉 대전 발전기를 생성하는 시스템은 초기 화학적 진공 증착법 또는 자기 조립 박막법 중 적어도 어느 하나를 이용하여, 전하를 흡수하는 성질이 강한 음극대전 경향이 높은 폴리머, 유기 물질 또는 유전체 물질 중 적어도 어느 하나(예컨대, electron acceptor)로 코팅 대전층(230)을 대전 물질(220)의 표면 위에 마이크로-나노 형상을 유지하도록 형성할 수 있다. 여기서, 코팅 대전층(230)을 형성하는 폴리머, 유기 물질 또는 유전체 물질 중 적어도 어느 하나는 대전 물질(220)을 형성하는 폴리머, 유기 물질 또는 유전체 물질 중 적어도 어느 하나보다 음극대전 경향이 더 높을 수 있다.
반면에, 대전 물질(220)의 표면 위에 형성된 코팅 대전층(230)이 반대편 전극과 직접적으로 맞닿지 않고, 도 1의 (a) 경우와 같이, 반대편 전극에 형성된 대전 물질에 맞닿는 경우, 접촉 대전 발전기를 생성하는 시스템은 초기 화학적 진공 증착법 또는 자기 조립 박막법 중 적어도 어느 하나를 이용하여, 전하를 잃는 성질이 강한 양극대전 경향이 높은 폴리머, 유기 물질 또는 유전체 물질 중 적어도 어느 하나(예컨대, electron donor)로 코팅 대전층(230)을 대전 물질(220)의 표면 위에 마이크로-나노 형상을 유지하도록 형성할 수도 있다.
따라서, 이와 같이 코팅 대전층(230)은 대전 물질(220)의 표면 위에 마이크로-나노 형상을 유지하면서, 대전 물질(220)보다 접촉 대전 전하 밀도가 높은 성질을 갖도록 형성되기 때문에, 접촉 계면의 표면적이 향상되면서, 접촉 계면의 접촉 대전 특성이 개선될 수 있다.
이 때, 접촉 대전 발전기를 생성하는 시스템은 코팅 대전층(230)을 복수 개의 층들을 갖도록 형성할 수 있다. 이러한 경우, 접촉 대전 발전기를 생성하는 시스템은 복수 개의 층들을 각각 서로 다른 물질로 형성하거나, 서로 다른 성질을 갖도록 형성할 수 있다. 예를 들어, 접촉 대전 발전기를 생성하는 시스템은 초기 화학적 진공 증착법을 이용하여, 대전 물질(220)의 표면 위에 잘 증착되고, 마이크로-나노 형상을 잘 유지하도록 단차피복비가 우수한 성질을 갖는 폴리머 물질로 제1 층을 형성할 수 있고, 제1 층 위에 우수한 접촉 대전 특성을 갖는 폴리머 물질로 제2 층을 형성할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 코팅 대전층이 형성되는 과정을 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 코팅 대전층은 초기 화학적 진공 증착법을 이용하여 마이크로-나노 형상을 갖는 대전 물질의 표면 위에 형성될 수 있다.
구체적으로, 챔버 안에 코팅 대전층의 전구체(precursor)(예컨대, 단차피복비가 우수한 성질을 갖고, 접촉 대전 전하 밀도가 높은 폴리머, 유기 물질 또는 유전체 물질 중 적어도 어느 하나)(310)가 모노머(monomer) 상태로 주입된다. 이 때, 챔버 내부는 히터가 배치되어 미리 설정된 온도(예컨대, 150도~200도)가 유지될 수 있다.
그 후, 주입된 모노머 상태의 전구체 분자 중 하나가 라디컬(radical)하게 형성되고, 다른 모노머 상태의 전구체의 작용기를 반응시켜 결합을 가능하게 함으로써, 결합 가능한 작용기를 가진 모노머 상태의 전구체가 대전 물질의 표면에서 서로 연결되어 폴리머 상태(320)로 변환될 수 있다. 여기서, 대전 물질의 마이크로-나노 형상을 갖는 표면(330)은 미리 설정된 온도(예컨대, 10도~40도)로 냉각되어 유지될 수 있다.
이와 같은 공정이 대전 물질의 표면에서 반복적으로 수행됨으로써, 대전 물질의 표면에 마이크로-나노 형상이 유지되도록 복수 개의 층들을 갖는 코팅 대전층이 균일하게 형성될 수 있다.
이 때, 상술한 코팅 대전층이 형성되는 과정은 원자 레벨에서 수행될 수 있지만, 이에 제한되거나 한정되지 않고, 대전 물질의 표면 위에 마이크로-나노 형상이 유지되도록 코팅 대전층이 형성될 수 있는 조건 아래에서 적응적으로 수행될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 코팅 대전층이 형성된 표면을 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 코팅 대전층이 형성되기 이전의 대전 물질의 표면(410)은 삼각선 배열(triangular array) 구조의 마이크로-나노 형상을 갖는다.
위에서 상술한, 코팅 대전층이 형성되는 과정을 거친 후, 코팅 대전층이 형성된 표면(420)을 살펴보면, 대전 물질의 표면(410)과 같은 감각선 배열 구조의 마이크로-나노 형상이 그대로 유지됨을 알 수 있다. 또한, 코팅 대전층은 대전 물질보다 접촉 대전 전하 밀도가 높은 물질로 형성되기 때문에, 본 발명의 일실시예에 따른 코팅 대전층은 접촉 계면의 표면적을 향상시키면서, 접촉 계면의 접촉 대전 특성을 개선할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로-나노 형상을 생성하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 접촉 대전 발전기를 생성하는 시스템은 소프트 리쏘그래피 공정을 이용하여 마이크로-나노 형상의 표면을 갖도록 대전 물질을 생성할 수 있다.
구체적으로, 접촉 대전 발전기를 생성하는 시스템은 마이크로-나노 형상이 음각된 복제 몰드(510)에 폴리머, 유기 물질 또는 유전체 물질 중 적어도 어느 하나(520)를 액상 형태로 코팅하고, 온도 공정 또는 빛 공정 중 적어도 어느 하나를 통하여 복제 몰드(510)에 코팅된 폴리머, 유기 물질 또는 유전체 물질 중 적어도 어느 하나를 고형화한 후, 고형화된 폴리머, 유기 물질 또는 유전체 물질 중 적어도 어느 하나(530)를 분리함으로써, 마이크로-나노 형상의 표면을 갖는 대전 물질을 형성할 수 있다. 여기서, 접촉 대전 발전기를 생성하는 시스템은 마이크로-나노 형상으로서, 연 잎, 장미 꽃잎 또는 매미 날개 등의 자연 복제 구조를 이용할 수 있다.
이 때, 복제 몰드(510)에 폴리머, 유기 물질 또는 유전체 물질 중 적어도 어느 하나(520)가 액상 형태로 코팅되는 표면에는 고형화된 폴리머, 유기 물질 또는 유전체 물질 중 적어도 어느 하나(530)가 분리되는 공정이 용이하게 수행되도록 액상 형태의 물질과 접합이 되지 않거나, 약화시키는 처리 공정이 수행될 수 있다.
또한, 접촉 대전 발전기를 생성하는 시스템은 마이크로-나노 형상의 표면에 코팅 대전층이 균일하게 형성될 수 있도록 플라즈마 처리 또는 액상 화학 물질 처리와 같은 표면 처리를 함으로써, 코팅 대전층이 균일하게 형성될 수 있는 마이크로-나노 형상의 표면을 갖는 대전 물질(540)을 생성할 수 있다. 이러한, 표면 처리 공정은 표면 처리 없이도 코팅 대전층이 균일하게 형성되는 마이크로-나노 형상의 표면인 경우, 생략될 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 일실시예에 따른 마이크로-나노 형상을 생성하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 다른 일실시예에 따른 접촉 대전 발전기를 생성하는 시스템은 바텀-업 공정을 이용하여 마이크로-나노 형상의 표면을 갖도록 대전 물질을 생성할 수 있다.
구체적으로, 접촉 대전 발전기를 생성하는 시스템은 마이크로-나노 형상의 표면을 형성할 대전 물질(610)(예컨대, 마이크로-나노 형상의 표면을 갖는 시드(seed) 물질이 생성될 대전 물질 대신에, 전극이 이용될 수 있음)의 위에 시드 물질(620)을 형성한 후, 형성된 시드 물질을 성장시킴으로써, 마이크로-나노 형상의 표면을 갖는 대전 물질(630)을 형성할 수 있다.
이 때, 시드 물질(620)로는 성장 공정이 수행될 수 있도록, 성장 특성이 우수한 폴리머, 유기 물질 또는 유전체 물질 중 적어도 어느 하나가 이용될 수 있다. 또한, 접촉 대전 발전기를 생성하는 시스템은 마이크로-나노 형상에 대한 구조의 밀도를 결정한 후, 스퍼터링 (sputtering) 과 같은 증착법을 이용하여 시드 물질(620)을 형성할 수 있다.
여기서, 접촉 대전 발전기를 생성하는 시스템은 접촉 계면의 표면적을 최대화하는 마이크로-나노 형상의 크기 및 길이에 따라 시드 물질(620)의 성장 시간을 조절할 수 있다.
또한, 접촉 대전 발전기를 생성하는 시스템은 마이크로-나노 형상의 표면에 코팅 대전층이 균일하게 형성될 수 있도록 플라즈마 처리 또는 액상 화학 물질 처리와 같은 표면 처리를 함으로써, 코팅 대전층이 균일하게 형성될 수 있는 마이크로-나노 형상의 표면을 갖는 대전 물질(640)을 생성할 수 있다. 이러한, 표면 처리 공정은 표면 처리 없이도 코팅 대전층이 균일하게 형성되는 마이크로-나노 형상의 표면인 경우, 생략될 수 있다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 접촉 대전 발전기를 생성하는 방법을 나타낸 플로우 차트이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 접촉 대전 발전기를 생성하는 시스템은 전극 위에 마이크로-나노 형상의 표면을 갖는 대전 물질을 생성한다(710).
이 때, 접촉 대전 발전기를 생성하는 시스템은 전극 위에 소프트 리쏘그래피(soft-lithography) 또는 바텀-업(bottom-up) 공정 중 적어도 어느 하나를 이용하여 마이크로-나노 형상의 표면을 갖도록 대전 물질을 생성할 수 있다.
그 후, 접촉 대전 발전기를 생성하는 시스템은 대전 물질의 표면 위에 마이크로-나노 형상을 유지하도록 코팅 대전층을 형성한다(720). 예를 들어, 접촉 대전 발전기를 생성하는 시스템은 마이크로-나노 형상을 유지하도록 단차피복비가 우수한 폴리머, 유기 물질 또는 유전체 물질 중 적어도 어느 하나로 코팅 대전층을 형성할 수 있다.
이 때, 접촉 대전 발전기를 생성하는 시스템은 대전 물질의 표면 위에 초기 화학적 진공 증착법(Initiated Chemical Vapour Deposition; ICVD) 또는 자기 조립 박막법(Self Assembly Monolayer; SAM) 중 적어도 어느 하나를 이용하여 코팅 대전층을 형성할 수 있다. 예를 들어, 접촉 대전 발전기를 생성하는 시스템은 대전 물질의 표면 위에 원자 레벨에서 코팅 대전층을 증착할 수 있다.
여기서, 접촉 대전 발전기를 생성하는 시스템은 대전 물질을 구성하는 물질보다 접촉 대전 전하 밀도(triboelectric charge density)가 높은 물질로 코팅 대전층을 형성할 수 있다. 예를 들어, 접촉 대전 발전기를 생성하는 시스템은 대전 물질을 구성하는 폴리머, 유기 물질 또는 유전체 물질 중 적어도 어느 하나보다 접촉 대전 전하 밀도가 높은 폴리머, 유기 물질 또는 유전체 물질 중 적어도 어느 하나로 코팅 대전층을 형성할 수 있다.
또한, 접촉 대전 발전기를 생성하는 시스템은 대전 물질의 표면 위에 복수 개의 층들을 갖도록 코팅 대전층을 형성할 수 있다. 예를 들어, 접촉 대전 발전기를 생성하는 시스템은 복수 개의 층들을 각각 서로 다른 물질로 형성하거나, 서로 다른 성질을 갖도록 형성할 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (10)

  1. 코팅 대전층을 포함하는 접촉 대전 발전기(triboelectric energy harvester)의 생성 방법에 있어서,
    전극 위에 마이크로-나노 형상의 표면을 갖는 대전 물질을 생성하는 단계; 및
    상기 대전 물질의 표면 위에 상기 마이크로-나노 형상을 유지하도록 코팅 대전층을 형성하는 단계
    를 포함하는 접촉 대전 발전기의 생성 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 코팅 대전층을 형성하는 단계는
    상기 대전 물질의 표면 위에 초기 화학적 진공 증착법(Initiated Chemical Vapour Deposition; ICVD) 또는 자기 조립 박막법(Self Assembly Monolayer; SAM) 중 적어도 어느 하나를 이용하여 상기 코팅 대전층을 형성하는 단계
    를 포함하는 접촉 대전 발전기의 생성 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 코팅 대전층을 형성하는 단계는
    상기 대전 물질을 구성하는 물질보다 접촉 대전 전하 밀도(triboelectric charge density)가 높은 물질로 상기 코팅 대전층을 형성하는 단계
    를 포함하는 접촉 대전 발전기의 생성 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 코팅 대전층을 형성하는 단계는
    상기 마이크로-나노 형상을 유지하도록 단차피복비(step coverage)가 우수한 폴리머, 유기 물질 또는 유전체 물질 중 적어도 어느 하나로 상기 코팅 대전층을 형성하는 단계
    를 포함하는 접촉 대전 발전기의 생성 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 코팅 대전층을 형성하는 단계는
    상기 대전 물질의 표면 위에 복수 개의 층들을 갖도록 상기 코팅 대전층을 형성하는 단계
    를 포함하는 접촉 대전 발전기의 생성 방법.
  6. 코팅 대전층을 포함하는 접촉 대전 발전기(triboelectric energy harvester)에 있어서,
    전극;
    상기 전극 위에 생성되어, 마이크로-나노 형상의 표면을 갖는 대전 물질; 및
    상기 대전 물질의 표면 위에 상기 마이크로-나노 형상을 유지하도록 형성되는 코팅 대전층
    을 포함하는 접촉 대전 발전기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 코팅 대전층은
    상기 대전 물질의 표면 위에 초기 화학적 진공 증착법(Initiated Chemical Vapour Deposition; ICVD) 또는 자기 조립 박막법(Self Assembly Monolayer; SAM) 중 적어도 어느 하나를 이용하여 형성되는 접촉 대전 발전기.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 코팅 대전층은
    상기 대전 물질을 구성하는 물질보다 접촉 대전 전하 밀도(triboelectric charge density)가 높은 물질로 형성되는 접촉 대전 발전기.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 코팅 대전층은
    상기 마이크로-나노 형상을 유지하도록 단차피복비(step coverage)가 우수한 폴리머, 유기 물질 또는 유전체 물질 중 적어도 어느 하나로 형성되는 접촉 대전 발전기.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 코팅 대전층은
    상기 대전 물질의 표면 위에 복수 개의 층들을 갖도록 형성되는 접촉 대전 발전기.
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