KR20160066938A - 마찰대전 발전소자 - Google Patents

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KR20160066938A
KR20160066938A KR1020140172379A KR20140172379A KR20160066938A KR 20160066938 A KR20160066938 A KR 20160066938A KR 1020140172379 A KR1020140172379 A KR 1020140172379A KR 20140172379 A KR20140172379 A KR 20140172379A KR 20160066938 A KR20160066938 A KR 20160066938A
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Abstract

본 개시는 마찰대전부재(triboelectric charging member)의 재료 자체가 증가된 표면 전하 밀도(surface charge density) 특성을 보이도록 함으로써, 마찰대전 발전소자의 출력을 향상시킨다. 그에 따라, 본 개시에서는, 마찰대전 발전소자의 크기를 증가시키거나 마찰대전 발전소자에 소요되는 재료의 양을 증가시키지 않고도, 향상된 출력을 보일 수 있는 마찰대전 발전소자를 제공한다. 본 개시의 제1 측면에 따라 제공되는 마찰대전 발전소자의 일 구현예는, 제1 전극; 상기 제1 전극 상에 형성된 제1 대전층; 및 상기 제1 대전층 상에 배치된 제2 전극;을 포함하고, 상기 제1 대전층 및 상기 제2 전극은, 상기 제1 대전층과 상기 제2 전극 사이의 계면이 마찰 계면을 형성하도록 배열되며, 상기 제1 대전층은, 강유전성 폴리머 매트릭스 및 상기 강유전성 폴리머 매트릭스에 분산된 강유전성 무기입자를 포함한다.

Description

마찰대전 발전소자 {Triboelectric generating device}
본 개시는 진동(기계적에너지)에 의한 에너지하베스팅 소자에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 개시는 마찰에 의해서 전력을 발생시키는 마찰대전 발전소자에 관한 것이다.
마찰대전(triboelectric) 발전 기술은, 외부로부터의 압력 또는 진동에 의해, 서로 다른 유전체 사이의 계면에서의 마찰 또는 유전체와 금속 사이의 계면에서의 마찰이 발생하도록 하고, 이러한 마찰에 의해 유도된 전위차로부터 전기를 발생시키는 발전 기술이다. 마찰대전 발전 기술은 압전 발전 기술 대비 약 10 배 내지 약 100배의 출력을 제공할 수 있는 것으로 알려져 있다. 그러나, 마찰대전 발전소자의 출력밀도의 향상이 여전히 요구되고 있다. 마찰대전 발전소자의 출력은, 전반적으로, 마찰 대전 재료의 특성(일함수, 이온화 경향, 화학적 포텐셜 등) 및 마찰 대전 부재의 조성 및 표면 구조에 의하여 결정된다. 그에 따라, 종래의 마찰대전 발전소자는, 마찰에 의한 정전기에 따른 유도 전기를 생산함에 있어서, 기존의 마찰 대전 재료가 갖는 대전특성에 따른 제한에 의하여, 출력에 한계를 보이고 있다. 출력의 한계를 극복하기 위한 많은 연구가 진행되고 있으나, 대부분의 연구는 대전부재의 구조 및 표면적을 변화시키는 기법에 기초하고 있으며, 정전기의 생성량을 증가시키기 위하여 더 많은 곳에서 마찰이 일어나도록 하는 것을 주된 목적으로 하고 있다. 그러나, 이러한 기법들은 마찰대전 발전소자의 크기를 증가시키고, 또한, 마찰대전 발전소자에 소요되는 재료의 양을 증가시킨다.
본 개시는 마찰대전부재(triboelectric charging member)의 재료 자체가 증가된 표면 전하 밀도(surface charge density) 특성을 보이도록 함으로써, 마찰대전 발전소자의 출력을 향상시킨다. 그에 따라, 본 개시에서는, 마찰대전 발전소자의 크기를 증가시키거나 마찰대전 발전소자에 소요되는 재료의 양을 증가시키지 않고도, 향상된 출력을 보일 수 있는 마찰대전 발전소자를 제공한다.
본 개시의 제1 측면에 따라 제공되는 마찰대전 발전소자의 일 구현예는,
제1 전극;
상기 제1 전극 상에 형성된 제1 대전층; 및
상기 제1 대전층 상에 배치된 제2 전극;을 포함하고,
상기 제1 대전층 및 상기 제2 전극은, 상기 제1 대전층과 상기 제2 전극 사이의 계면이 마찰 계면을 형성하도록 배열되며,
상기 제1 대전층은, 강유전성 폴리머 매트릭스 및 상기 강유전성 폴리머 매트릭스에 분산된 강유전성 무기입자를 포함한다.
본 개시는 마찰 대전부재 재료의 표면 전하 밀도를 제어함으로써, 마찰대전 발전소자의 출력 값을 향상시킬 수 있으며, 그에 따라, 본 개시의 마찰대전 발전소자의 구현예들은 동일한 두께 및 면적에서 향상된 출력을 달성할 수 있다. 즉, 상기 제1 대전층은, 강유전성 폴리머 매트릭스 및 상기 강유전성 폴리머 매트릭스에 분산된 강유전성 무기입자를 함유한다. 강유전성 폴리머 매트릭스는 외부 압력에 의한 계면 분극 특성을 보인다. 상기 강유전성 폴리머 매트릭스에 분산된 강유전성 무기입자는 계면 마찰 및 변형에 의해 발생되는 스트레인(strain)에 의한 국소 분극 효과(local polarization effect)를 발생시키며, 그에 따라, 추가적인 전위차 증가를 가져오며, 그에 따라, 마찰대전 발전소자의 전체적인 출력을 향상시키게 된다. 본 개시의 마찰대전 발전소자의 구현예들은 유연성 필름(Flexible film) 형태로 제작될 수 있으며, 진동하는 구조체, 스트랩, 버클 등에 내장(embedding)되어, 진동 또는 인체동작에 의한 마찰을 이용하여, 전기를 발생시킬 수 있다.
도 1은 본 개시의 제1 측면에 따라 제공되는 마찰대전 발전소자의 일 구현예를 도식적으로 보여주는 단면도이다.
도 2는, 가장 낮은 무기입자 함량을 갖는 서브-대전층이 마찰계면을 형성하도록 배치되어 있는 구현예를 도식적으로 보여주는 단면도이다.
도 3은, 제2 대전층을 더 포함하는 구현예를 도식적으로 보여주는 단면도이다.
도 4는 실시예 1에서 얻은 제1 대전층의 표면의 주사전자현미경 사진이다.
도 5는, 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 4에 대한 전위차 측정결과를 나타내는 그래프이다.
이하에서는, 도 1을 참조하여, 본 개시의 제1 측면에 따라 제공되는 마찰대전 발전소자의 일 구현예를 더욱 상세하게 설명한다. 도 1은 본 개시의 제1 측면에 따라 제공되는 마찰대전 발전소자의 일 구현예를 도식적으로 보여주는 단면도이다.
도 1의 구현예는, 제1 전극(100); 제1 전극(100) 상에 형성된 제1 대전층(200); 및 제1 대전층(200) 상에 배치된 제2 전극(300);을 포함한다. 제1 대전층(200) 및 제2 전극(300)은, 제1 대전층(200)과 제2 전극(300) 사이의 계면이 마찰 계면(400)을 형성하도록 배열된다. 제1 대전층(200)은 강유전성 폴리머 매트릭스(210) 및 강유전성 폴리머 매트릭스(210)에 분산된 강유전성 무기입자(220)를 포함한다.
제1 전극(100)은 임의의 전기전도성 재료를 포함할 수 있다. 제1 전극(100)은, 예를 들면, 알루미늄(Al), 구리(Cu), 마그네슘(Mg), 텅스텐(W), 철(Fe), 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 탄탈륨(Ta), 티타늄(Ti), 팔라듐(Pd), 루테늄(Ru), 이들의 합금, 탄소나노튜브, 그래핀, ITO(indium tin oxide), 탄탈륨 나이트라이드(TaN), 티타늄 나이트라이드(TiN), 및 전도성 폴리머(구체적인 예를 들면, PCBM([6,6]- phenyl-C85 butyric acid methyl ester)계 폴리머) 중에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.
제1 대전층(200)은 제1 전극(100) 상에 형성된다. 또한, 제1 대전층(200)은 강유전성 폴리머 매트릭스(210); 및 강유전성 폴리머 매트릭스(210)에 분산된 강유전성 무기입자(220);를 포함한다.
강유전성(ferroelectricity)이라 함은, 자발분극(양전하와 음전하의 중심이 분리되어 결정체의 한쪽은 양, 다른쪽은 음으로 대전되는 현상)을 나타내는 부도체나 유전체의 특성을 의미한다. 강유전성 물질은 구조단위가 조그만 전기쌍극자로 구성될 수 있다. 여기에서 전기쌍극자란 단위양전하와 단위음전하의 중심이 미세한 거리로 떨어져 있는 상태를 말한다. 결정에서 이러한 전기쌍극자는 "영역(domain)"이라 부르는 곳에서 스스로 균일하게 배열된다.
강유전성 폴리머 매트릭스(210)는, 예를 들면, 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리이미드(Polyimide), P(VDF-TrFE)(poly(vinylidenefluoride-co-trifluoroethylene)), P(VDF-TrFECFE) (poly(vinylidenefluoride-trifluoroethylene-chlorofluoroethylene)), 및 P(VDF-HFP)(poly(vinylidenefluoride-hexafluoropropylene)) 중에서 선택되는 1종 이상의 폴리머를 포함할 수 있다.
강유전성 무기입자(220)는 강유전성 폴리머 매트릭스(210) 내에 분산된다. 강유전성 무기입자(220)는, 예를 들면, PZT(Lead Zirconate Titantate), 티탄산바륨(BaTiO3), 산화아연(ZnO), 질화갈륨(GaN), 질화알루미늄(AlN), PbTiO3, 트리글리신 술페이트(triglycine sulfate: (NH2CH2COOH)3·H2SO4), 리튬 탄탈레이트(Lithium tantalate: LiTaO3), 및 리튬 니오베이트(Lithium niobate: LiNbO3) 중에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
강유전성 무기입자(220)의 평균입자크기는, 예를 들면, 약 80 nm 내지 약 800 nm일 수 있다. 강유전성 무기입자(220)의 평균입자크기가 너무 작으면 외부 변형(strain)에 의한 분극 발생이 미미하거나 작을 수 있다. 강유전성 무기입자(220)의 평균입자크기가 너무 크면 무기입자(220)가 불균일하게 분포될 수 있으며, 그에 따라, 균일한 분극 분포를 얻는 것을 기대하기 어려울 수 있다.
제1 대전층(200) 중의 강유전성 무기입자(220)의 양은, 전형적인 예를 들면, 강유전성 폴리머 매트릭스 100 중량부를 기준으로 하여, 약 1 중량부 내지 약 40 중량부일 수 있다. 강유전성 무기입자의 양이 너무 작으면, 전위차 향상 효과가 미미할 수 있거나, 국부적인 분포를 보일 수 있다. 강유전성 무기입자의 양이 너무 크면 오히려 전위차 향상 효과가 저하될 수 있거나, 폴리머 매트릭스와 무기입자를 포함하는 복합체(composite)가 불안정하게 형성되어, 제1 대전층(200) 자체의 결속력(binding force)이 저하될 수 있다.
강유전성 폴리머 매트릭스(210)는 외부 압력에 의한 계면 분극 특성을 보인다. 강유전성 폴리머 매트릭스(210)에 분산된 강유전성 무기입자(220)는 계면 마찰 및 변형에 의해 발생되는 스트레인(strain)에 의한 국소 분극 효과(local polarization effect)를 발생시키며, 그에 따라, 추가적인 전위차 증가를 가져올 수 있다.
예를 들면, 제1 대전층(200)을 제1 전극(100) 상에 형성하는 방법은, 강유전성 폴리머; 강유전성 무기입자; 및 용매를 함유하는 제1 대전층 형성용 분산액을 제1 전극(100) 상에 도포하는 단계; 및 상기 도포된 제1 대전층 형성용 분산액으로부터 용매를 제거하는 단계;를 포함할 수 있다. 용매로서는 강유전성 폴리머를 용해할 수 있고 강유전성 무기입자를 분산시킬 수 있는 임의의 용매가 사용될 수 있다. 용매는, 예를 들면, 디메틸포름아미드(DMF), 아세톤, 및 N-메틸피롤리돈(NMP) 중에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다. 예를 들면, 용매의 사용량은, 강유전성 폴리머와 강유전성 무기입자의 합계 100 중량부를 기준으로 하여, 약 50 중량부 내지 약 95 중량부일 수 있다. 상기 도포된 제1 대전층 형성용 분산액으로부터 용매를 제거하는 단계는, 예를 들면, 휘발 또는 증발에 의하여 수행될 수 있다. 이러한 과정을 통하여 형성된 제1 대전층(200)은 제1 전극(100) 상에 부착될 수 있다.
제2 전극(300)은 제1 대전층(200) 상에 배치된다. 제2 전극(300)은, 제2 전극(300)과 제1 대전층(200)의 마찰을 통하여 제1 대전층(200)을 마찰대전시킬 수 있는 임의의 재료를 포함할 수 있다. 제2 전극(300)은, 예를 들면, 알루미늄(Al), 구리(Cu), 마그네슘(Mg), 텅스텐(W), 철(Fe), 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 탄탈륨(Ta), 티타늄(Ti), 팔라듐(Pd), 루테늄(Ru), 이들의 합금, 탄소나노튜브, 그래핀, ITO(indium tin oxide), 탄탈륨 나이트라이드(TaN), 티타늄 나이트라이드(TiN), 및 전도성 폴리머(구체적인 예를 들면, PCBM([6,6]- phenyl-C85 butyric acid methyl ester)계 폴리머) 중에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.
제1 대전층(200) 및 제2 전극(300)은, 제1 대전층(200)과 제2 전극(300) 사이의 계면이 마찰 계면(400)을 형성하도록 배열된다. 여기서, 마찰 계면(400)을 형성한다 함은, 제1 대전층(200)과 제2 전극(300)이 서로에 대하여 부착되거나 고정되어 있지 않은 상태에서 서로 접촉할 수 있는 것을 의미한다. 제1 대전층(200)과 제2 전극(300)이 서로 접촉함으로써, 제2 전극(300)은 제1 대전층(200)을 마찰대전시킨다. 그에 따라, 제1 대전층(200)과 제2 전극(300)에는 서로 반대되는 극성을 갖는 전하들이 축적된다. 그에 따라, 제1 전극(100)과 제2 전극(300) 사이에 전위차가 형성된다. 강유전성 폴리머 매트릭스(210)에 분산된 강유전성 무기입자(220)는 계면 마찰 및 변형에 의해 발생되는 스트레인(strain)에 의한 국소 분극 효과(local polarization effect)를 발생시킬 수 있다. 그에 따라, 강유전성 폴리머 매트릭스(210)에 분산된 강유전성 무기입자(220)는, 제1 대전층(200)이 강유전성 폴리머 매트릭스(210) 만을 포함하는 경우와 대비하여, 제1 전극(100)과 제2 전극(300) 사이에 형성되는 전위차의 현저한 증가를 가져올 수 있다. 한편, 제1 전극(100)과 제2 전극(300) 사이에 원하는 크기의 전위차가 형성되었을 때, 제1 전극(100)과 제2 전극(300)에 외부 부하를 연결함으로써, 마찰대전을 통하여 발생된 전기에너지를 인출할 수 있다. 그 다음, 제1 전극(100)과 제2 전극(300)으로부터 외부 부하를 차단함으로써, 제1 전극(100)과 제2 전극(300) 사이에 다시, 마찰대전에 의한 전위차가 축적될 수 있다. 이러한 과정을 반복함으로써, 교류 발전이 가능하게 된다. 또한, 다른 구현예에 있어서, 제1 대전층(200) 및 제2 전극(300)은 서로에 대한 접촉 및 비접촉을 번갈아서 반복할 수 있도록 배열된다. 또한, 또 다른 구현예에 있어서, 접촉하는 양 표면이 마찰될 때, 상기 양 표면에 서로 다른 극성의 전하가 대전되어, 전위차가 발생될 수 있다. 또한, 또 다른 구현예에 있어서, 접촉하는 양 표면의 거리 변화에 의해, 마찰 계면에서 서로 접촉하는 양 표면에 존재하는 전하들 사이의 상호작용이 변하게 되고, 상기 상호작용의 변화에 의하여, 외부 회로를 통해 전하의 흐름이 발생 될 수 있다. 지속적인 전하의 흐름을 만들기 위해, 마찰 계면에서의 양 표면 사이의 거리를 계속 변화(즉, 확대 및 축소를 번갈아서 일으킴)시키면, 그에 따라 전류의 방향이 바뀌면서 교류발전이 가능하게 된다.
제1 대전층(200)의 두께는, 예를 들면, 약 0.1 ㎛ 내지 약 300 ㎛일 수 있다. 바람직하게는, 제1 대전층(200)의 두께는 약 1 ㎛ 내지 약 150 ㎛일 수 있다. 더욱 바람직하게는, 제1 대전층(200)의 두께는 약 10 ㎛ 내지 약 100 ㎛일 수 있다. 제1 대전층(200)의 두께가 너무 얇으면 변형(strain)을 충분히 흡수하기 어렵고, 뿐만 아니라, 나노입자의 분산이 용이하지 않을 수 있다. 제1 대전층(200)의 두께가 너무 두꺼우면 마찰대전 효과가 감소할 수 있다.
본 개시의 제1 측면에 따라 제공되는 마찰대전 발전소자의 다른 구현예에 있어서, 제1 대전층(200) 중의 강유전성 무기입자(220)의 양은, 강유전성 폴리머 매트릭스 100 중량부를 기준으로 하여, 약 1 중량부 내지 약 40 중량부일 수 있다. 더욱 바람직하게는, 제1 대전층(200) 중의 강유전성 무기입자(220)의 양은, 강유전성 폴리머 매트릭스 100 중량부를 기준으로 하여, 약 1 중량부 내지 약 20 중량부일 수 있다. 더더욱 바람직하게는, 제1 대전층(200) 중의 강유전성 무기입자(220)의 양은, 강유전성 폴리머 매트릭스 100 중량부를 기준으로 하여, 약 3 중량부 내지 약 18 중량부일 수 있다. 본 개시에서 밝혀진 바에 따르면, 제1 대전층(200) 중의 강유전성 무기입자(220) 양이 상기 기술된 범위에 있는 경우, 제1 전극(100)과 제2 전극(300) 사이에 형성되는 전위차가 임계적으로 급격하게 증가되는 현상을 보인다.
본 개시의 제1 측면에 따라 제공되는 마찰대전 발전소자의 또 다른 구현예에 있어서, 제1 대전층 중의 강유전성 무기입자의 함량이 제1 대전층의 두께 방향으로 변화하는 구배를 보일 수 있다. 바람직하게는, 강유전성 폴리머 매트릭스 중의 강유전성 무기입자의 함량이, 마찰 계면으로부터 멀어질수록, 소에서 밀한 상태로 순차적으로 증가하는 분포를 보일 수 있다. 강유전성 무기입자의 분포가 소에서 밀한 상태로 순차적으로 증가할 경우, 마찰 계면의 양 표면의 전하는 강유전성 폴리머의 마찰대전에 의해 유도되고, 한편, 강유전성 무기입자는 마찰대전에 의한 전위차 발생 보다는 강유전 분극에 의한 전위차 발생 효과를 제공함으로써, 강유전성 폴리머의 마찰대전에 의하여 발생되는 전위차를 추가적으로 증가시킬 수 있다. 강유전성 무기입자의 분포가 소에서 밀한 상태로 순차적으로 증가 할 경우, 또한, 강유전성 무기입자에 의한 분극들이 순차적으로 배열됨으로써, 강유전 분극에 의한 전위차 발생 효과가 증폭될 수 있다.
예를 들면, 제1 대전층은 무기입자 함량을 서로 달리하는 적어도 두 개의 서브-대전층의 적층체일 수 있다.
예를 들면, 가장 낮은 무기입자 함량을 갖는 서브-대전층이 상기 마찰계면을 형성하도록 배치될 수 있다(즉, 가장 낮은 무기입자 함량을 갖는 서브-대전층이 제2 전극과 대면하도록 배치될 수 있다). 이 경우, 제1 대전층의 마찰계면에서의 무기입자 함량이, 제1 대전층의 다른 부분에서의 무기입자 함량보다 낮아지게 된다. 그에 따라, 국부적인 분극 분포의 차이를 일으킴으로써, 마찰 계면의 양 표면 사이의 유효 전위차를 추가적으로 증가시키는 효과를 얻을 수 있다.
도 2는, 가장 낮은 무기입자 함량을 갖는 서브-대전층이 상기 마찰계면을 형성하도록 배치되어 있는 구현예를 도식적으로 보여주는 단면도이다. 도 2의 구현예에 있어서, 제1 대전층(200)은 무기입자 함량이 상대적으로 낮은 제1 서브-대전층(250); 및 무기입자 함량이 상대적으로 높은 제2 서브-대전층(260);을 포함한다. 이때, 제1 서브-대전층(250)이 제2 전극(300)과 대면하고 있다. 그에 따라, 제1 대전층(200)의 마찰계면(400)에서의 무기입자 함량이, 제1 대전층(200)의 다른 부분(즉, 제2 서브-대전층(260))에서의 무기입자 함량보다 낮아지게 된다.
제1 대전층 중의 강유전성 무기입자의 함량이 제1 대전층의 두께 방향으로 변화하는 구배를 갖는다는 것은, 제1 대전층의 양 표면(즉, 마찰계면(400); 및 제1 전극(100)과의 접촉면)에서의 전자현미경 사진으로부터 확인될 수 있다. 예를 들어, 마찰계면(400)의 전자현미경 사진에 나타나는 무기입자의 개수가, 제1 전극(100)과의 접촉면의 전자현미경 사진에 나타나는 무기입자의 개수보다 작으면, 제1 대전층 중의 강유전성 무기입자의 함량이 제1 대전층의 두께 방향으로 변화하는 구배를 갖는다는 것을 확인할 수 있다. 제1 전극(100)과의 접촉면의 전자현미경 사진은, 제1 전극(100)으로부터 제1 대전층(200)을 떼어낸 후, 찍을 수 있다.
도 2의 구현예에 있어서, 예를 들면, 제1 대전층(200)은, 강유전성 폴리머, 상대적으로 높은 함량의 강유전성 무기입자, 및 용매를 함유하는 제2 서브-대전층(260) 형성용 분산액을 제1 전극(100) 상에 도포하는 단계; 상기 도포된 제2 서브-대전층(260) 형성용 분산액으로부터 용매를 제거하여 제2 서브-대전층(260)을 형성하는 단계; 강유전성 폴리머, 상대적으로 낮은 함량의 강유전성 무기입자, 및 용매를 함유하는 제1 서브-대전층(250) 형성용 분산액을 제2 서브-대전층(260) 상에 도포하는 단계; 및, 상기 도포된 제1 서브-대전층(250) 형성용 분산액으로부터 용매를 제거하여 제1 서브-대전층(250)을 형성하는 단계;에 의하여 형성될 수 있다.
가장 낮은 무기입자 함량을 갖는 서브-대전층 중의 강유전성 무기입자의 함량은, 예를 들면, 해당 서브-대전층의 강유전성 폴리머 매트릭스 100 중량부를 기준으로 하여, 0 중량부에서 약 40 중량부로 순차적으로 증가할 수 있다. 또는, 가장 낮은 무기입자 함량을 갖는 서브-대전층 중의 강유전성 무기입자의 함량은, 예를 들면, 해당 서브-대전층의 강유전성 폴리머 매트릭스 100 중량부를 기준으로 하여, 0 중량부 내지 약 18 중량부일 수 있다.
가장 낮은 무기입자 함량을 갖는 서브-대전층 이외의 다른 서브-대전층 중의 강유전성 무기입자의 함량은, 예를 들면, 해당 서브-대전층의 강유전성 폴리머 매트릭스 100 중량부를 기준으로 하여, 약 1 중량부 내지 약 40 중량부일 수 있다.
가장 낮은 무기입자 함량을 갖는 서브-대전층의 두께는, 예를 들면, 약 0.1 ㎛ 내지 약 300 ㎛일 수 있다.
가장 낮은 무기입자 함량을 갖는 서브-대전층 이외의 다른 서브-대전층(들)의 총 두께는, 예를 들면, 약 0.01 ㎛ 이상일 수 있다.
본 개시의 제1 측면에 따라 제공되는 마찰대전 발전소자의 또 다른 구현예에 있어서, 상기 마찰대전 발전소자는 상기 제2 전극 상에 형성된 제2 대전층을 더 포함하고, 상기 제2 대전층은 제2 강유전성 폴리머 매트릭스를 포함하며, 상기 제1 대전층 및 상기 제2 대전층은, 상기 제1 대전층과 상기 제2 대전층 사이의 계면이 마찰 계면을 형성하도록 배열된다.
도 3은, 제2 대전층을 더 포함하는 구현예를 도식적으로 보여주는 단면도이다. 제2 전극(300) 상에 제2 대전층(500)이 추가적으로 형성되어 있다. 제2 대전층(500)은 제2 강유전성 폴리머 매트릭스(510)를 포함한다. 제1 대전층(200) 및 제2 대전층(500)은, 제1 대전층(200)과 제2 대전층(500) 사이의 계면이 마찰 계면(400)을 형성하도록 배열되어 있다.
제2 대전층(500)이 추가를 통하여, 제1 대전층(200)과 상대적으로 전위차가 큰 유전재료를 제2 대전층(500)에 선택적으로 배치하는 것이 가능하게 된다. 또한, 제1 대전층(200) 뿐만 아니라 추가된 제2 대전층(500)의 표면처리 및 적층을 통하여, 마찰 계면의 비표면적을 추가적으로 증가시킬 수 있으므로, 추가적인 전하량 상승 효과를 얻을 수 있다.
다른 구현예에 있어서, 제2 대전층(500)은 제2 강유전성 폴리머 매트릭스(510)에 분산된 강유전성 무기입자(520)를 더 포함할 수 있다.
또 다른 구현예에 있어서, 제2 대전층(500) 중의 강유전성 무기입자의 함량이 제2 대전층의 두께 방향으로 변화하는 구배를 보일 수 있다. 예를 들면, 제2 대전층은 무기입자 함량을 서로 달리하는 적어도 두 개의 서브-대전층의 적층체일 수 있다. 예를 들면, 가장 낮은 무기입자 함량을 갖는 서브-대전층이 상기 마찰계면을 형성하도록 배치될 수 있다(즉, 가장 낮은 무기입자 함량을 갖는 서브-대전층이 제1 대전층(200)과 대면하도록 배치될 수 있다). 이 경우, 제2 대전층의 마찰계면에서의 무기입자 함량이, 제2 대전층의 다른 부분에서의 무기입자 함량보다 낮아지게 된다.
<실시예>
실시예 1 --- 무기입자 함량 10 중량부 ( 폴리머 매트릭스 100 중량부 기준)
먼저, 0.8 g의 P(VDF-TrFE)(프랑스, PIEZOTECH, P(VDF-TrFE) copolymer powder 70/30%mol, 1.8kg/m3), 0.08 g의 티탄산바륨(BaTiO3)(미국, Sigma Aldrich, Barium titanate(IV), <3μm) 및 DMF(dimethylformamide)(미국, Sigma Aldrich, N,N-Dimethylformamide)(용매 사용량: 무기입자 및 폴리머 매트릭스의 총 중량 100 중량부를 기준으로 60 중량부)를 혼합하여, 제1 대전층 형성용 분산액을 제조하였다.
그 다음, 제1 전극(200 ㎛ 두께의 PEN(Polyethylene Naphthalate) 기재 위에 형성된 200 ㎛ 두께의 ITO 박막) 위에, 제1 대전층 형성용 분산액을 스핀코팅한 후, 80 ℃에서 10분 동안 건조하여, 10 ㎛ 두께의 제1 대전층을 형성하였다. 이렇게 형성된 제1 대전층의 표면의 주사전자현미경 사진을 도 4에 나타내었다. 도 4에 있어서, 흰색 반점들이 티탄산바륨(BaTiO3) 입자들이다.
그 다음, 제2 전극(100㎛ 두께의 알루미늄 포일)을 제1 대전층 위에 배치함으로써, 실시예 1의 마찰대전 발전소자를 제조하였다.
그 다음, 제2 전극 위에 PTFE 시트를 덮은 상태에서, 제2 전극을 횡으로 진동시켰다. 진폭은 30 mm이었고, 진동수는 2 회/sec이었다. 10 분 동안의 진동 후, 제1 전극과 제2 전극 사이의 전위차를 측정하였다.
실시예 2 --- 무기입자 함량 5 중량부 ( 폴리머 매트릭스 100 중량부 기준)
0.04 g의 티탄산바륨(BaTiO3)을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 실시예 2의 마찰대전 발전소자를 제조하였다. 그 다음, 실시예 1과 동일한 방법으로, 제1 전극과 제2 전극 사이의 전위차를 측정하였다.
실시예 3 --- 무기입자 함량 20 중량부 ( 폴리머 매트릭스 100 중량부 기준)
0.16 g의 티탄산바륨(BaTiO3)을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 실시예 3의 마찰대전 발전소자를 제조하였다. 그 다음, 실시예 1과 동일한 방법으로, 제1 전극과 제2 전극 사이의 전위차를 측정하였다.
실시예 4 --- 무기입자 함량 40 중량부 ( 폴리머 매트릭스 100 중량부 기준)
0.32 g의 티탄산바륨(BaTiO3)을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 비교예 1의 마찰대전 발전소자를 제조하였다. 그 다음, 실시예 1과 동일한 방법으로, 제1 전극과 제2 전극 사이의 전위차를 측정하였다.
실시예 5 --- 무기입자 함량 60 중량부 ( 폴리머 매트릭스 100 중량부 기준)
0.48 g의 티탄산바륨(BaTiO3)을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 비교예 1의 마찰대전 발전소자를 제조하였다. 그 다음, 실시예 1과 동일한 방법으로, 제1 전극과 제2 전극 사이의 전위차를 측정하였다.
실시예 6 --- 무기입자 함량 80 중량부 ( 폴리머 매트릭스 100 중량부 기준)
0.64 g의 티탄산바륨(BaTiO3)을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 비교예 1의 마찰대전 발전소자를 제조하였다. 그 다음, 실시예 1과 동일한 방법으로, 제1 전극과 제2 전극 사이의 전위차를 측정하였다.
비교예 1 --- 무기입자 함량 0 중량부 ( 폴리머 매트릭스 100 중량부 기준)
0 g의 티탄산바륨(BaTiO3)을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 비교예 1의 마찰대전 발전소자를 제조하였다. 그 다음, 실시예 1과 동일한 방법으로, 제1 전극과 제2 전극 사이의 전위차를 측정하였다.
실시예 1 내지 6 및 비교예 1에 대한 전위차 측정결과를 도 5에 나타내었다.

Claims (17)

  1. 제1 전극;
    상기 제1 전극 상에 형성된 제1 대전층; 및
    상기 제1 대전층 상에 배치된 제2 전극;을 포함하는 마찰대전 발전소자로서,
    상기 제1 대전층 및 상기 제2 전극은, 상기 제1 대전층과 상기 제2 전극 사이의 계면이 마찰 계면을 형성하도록 배열되며,
    상기 제1 대전층은, 강유전성 폴리머 매트릭스 및 상기 강유전성 폴리머 매트릭스에 분산된 강유전성 무기입자를 포함하는,
    마찰대전 발전소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 전극은, 알루미늄(Al), 구리(Cu), 마그네슘(Mg), 텅스텐(W), 철(Fe), 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 탄탈륨(Ta), 티타늄(Ti), 팔라듐(Pd), 루테늄(Ru), 이들의 합금, 탄소나노튜브, 그래핀, ITO(indium tin oxide), 탄탈륨 나이트라이드(TaN), 티타늄 나이트라이드(TiN), 및 전도성 폴리머 중에서 선택되는 1종 이상인,
    마찰대전 발전소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 강유전성 폴리머 매트릭스는, 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리이미드(Polyimide), P(VDF-TrFE), P(VDF-TrFECFE), 및 P(VDF-HFP) 중에서 선택되는 1종 이상의 폴리머를 포함하는,
    마찰대전 발전소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 강유전성 무기입자는, PZT(Lead Zirconate Titantate), 티탄산바륨(BaTiO3), 산화아연(ZnO), 질화갈륨(GaN), 질화알루미늄(AlN), PbTiO3, 트리글리신 술페이트(triglycine sulfate: (NH2CH2COOH)3·H2SO4), 리튬 탄탈레이트(Lithium tantalate: LiTaO3), 및 리튬 니오베이트(Lithium niobate: LiNbO3) 중에서 선택되는 1종 이상을 포함하는,
    마찰대전 발전소자.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 강유전성 무기입자의 평균입자크기는 80 nm 내지 800 nm인,
    마찰대전 발전소자.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 대전층 중의 상기 강유전성 무기입자의 양은, 상기 강유전성 폴리머 매트릭스 100 중량부를 기준으로 하여, 1 중량부 내지 40 중량부인,
    마찰대전 발전소자.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 전극은 알루미늄(Al), 구리(Cu), 마그네슘(Mg), 텅스텐(W), 철(Fe), 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 탄탈륨(Ta), 티타늄(Ti), 팔라듐(Pd), 루테늄(Ru), 이들의 합금, 탄소나노튜브, 그래핀, ITO(indium tin oxide), 탄탈륨 나이트라이드(TaN), 티타늄 나이트라이드(TiN), 및 전도성 폴리머 중에서 선택되는 1종 이상인,
    마찰대전 발전소자.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 대전층의 두께는 0.01 ㎛ 내지 300 ㎛인,
    마찰대전 발전소자.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 대전층 중의 상기 강유전성 무기입자의 양은, 상기 강유전성 폴리머 매트릭스 100 중량부를 기준으로 하여, 3 중량부 내지 18 중량부인,
    마찰대전 발전소자.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 대전층 중의 강유전성 무기입자의 함량이 제1 대전층의 두께 방향으로 변화하는 구배를 보이는,
    마찰대전 발전소자.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제1 대전층 중의 강유전성 무기입자의 함량이, 상기 마찰 계면으로부터 멀어질수록, 소에서 밀한 상태로 순차적으로 증가하는 분포를 보이는,
    마찰대전 발전소자.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 제1 대전층은 무기입자 함량을 서로 달리하는 적어도 두 개의 서브-대전층의 적층체이고, 이때, 가장 낮은 무기입자 함량을 갖는 서브-대전층이 상기 마찰계면을 형성하도록 배치되어 있는,
    마찰대전 발전소자.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 가장 낮은 무기입자 함량을 갖는 서브-대전층 중의 강유전성 무기입자의 함량은, 해당 서브-대전층 중의 강유전성 폴리머 매트릭스 100 중량부를 기준으로 하여, 0 중량부에서 40 중량부로 순차적으로 증가하는,
    마찰대전 발전소자.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 가장 낮은 무기입자 함량을 갖는 서브-대전층의 두께는 0.01 ㎛ 내지 300 ㎛인,
    마찰대전 발전소자.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 마찰대전 발전소자는 상기 제2 전극 상에 형성된 제2 대전층을 더 포함하고, 상기 제2 대전층은 제2 강유전성 폴리머 매트릭스를 포함하며, 상기 제1 대전층 및 상기 제2 대전층은, 상기 제1 대전층과 상기 제2 대전층 사이의 계면이 마찰 계면을 형성하도록 배열되어 있는,
    마찰대전 발전소자.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 제2 대전층은 상기 제2 강유전성 폴리머 매트릭스에 분산된 강유전성 무기입자를 더 포함하는,
    마찰대전 발전소자.
  17. 제 15 항에 있어서, 상기 제2 대전층은 무기입자 함량을 서로 달리하는 적어도 두 개의 서브-대전층의 적층체이고, 이때, 가장 낮은 무기입자 함량을 갖는 서브-대전층이 상기 마찰계면을 형성하도록 배치되어 있는,
    마찰대전 발전소자.
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