KR20170002424A

KR20170002424A - 액체의 역학 에너지를 수집하는 마찰식 나노발전기 및 발전 방법

Info

Publication number: KR20170002424A
Application number: KR1020167031119A
Authority: KR
Inventors: 정린 왕; 구앙 주; 유안지에 수
Original assignee: 베이징 인스티튜트 오브 나노에너지 앤드 나노시스템즈
Priority date: 2014-04-09
Filing date: 2015-04-09
Publication date: 2017-01-06
Also published as: CN104980060B; EP3131195A4; WO2015154693A1; CN104980060A; KR101893217B1; EP3131195B1; EP3131195A1; JP6193501B2; JP2016529868A

Abstract

액체의 역학 에너지를 수집하는 마찰식 나노발전기 및 그 발전 방법을 제공한다. 상기 마찰식 나노발전기는, 기판 상에 제조된 발전부재 및 발전부재를 덮는 마찰층을 포함하며, 발전부재는 두 개의 전극층(21, 22)이 액체의 파동 방향에 따라 이격되어 설치되며 그들이 전기적으로 서로 연결되어 구성된다. 액체는 파동 또는 유동 시에, 마찰층과 마찰을 발생하여, 액체와 접촉하는 마찰층의 표면이 전하를 띠도록 하며; 액체의 파동 또는 유동에 따라, 두 개의 전극층에 대응되는 마찰층의 표면의 전하는 액체 중의 이온에 의하여 순차로 차폐되며, 두 개의 전극층 사이에 유도 전하의 흐름이 발생하도록 한다. 발전부재 중의 두 개의 전극층은 액체의 파동에 따라 운동할 필요가 없어, 발전기의 사용 수명을 확보할 수 있다. 또한, 가볍고, 부피가 작고, 구조가 간단하고, 제조 비용이 저렴하며, 양산성의 실현이 쉽고 장착이 쉬운 이점들을 가진다.

Description

액체의 역학 에너지를 수집하는 마찰식 나노발전기 및 발전 방법 {TRIBOELECTRIC NANOGENERATOR HARVESTING LIQUID MECHANICAL ENERGY AND ELECTRICITY GENERATION METHOD}

본 발명은 마찰식 나노발전기에 관한 것으로, 구체적으로, 액체의 파동 또는 유동(流動) 에너지를 전기 에너지로 전환하는 마찰식 나노발전기 및 발전 방법에 관한 것이다.

환경 속에는, 액체의 파동 또는 유동 에너지가 보편적으로 존재하는데, 현재 이러한 액체의 파동 또는 유동 에너지를 이용하여 발전하는 주요 수단으로는, 액체 중에 연질 압전재료, 특히는 탄소나노튜브 및 다층 그래핀(Multilayer graphene)과 같은 저차원 탄소나노구조를 설치하는 수단이 있는데, 이는 대상(帶狀)의 압전재료가 극성 액체의 유동 작용 하에 파동을 일으켜 전위를 생성하는 것이다. 기존의 설계에 있어서, 기계적 피로로 인하여, 이러한 장어식의 왕복 운동은 디바이스가 장기간 동작하기 어렵게 할 뿐만 아니라 특히 전극의 수명에 영향을 준다. 이는 재료의 성능 및 수중의 이온 농도를 한정하여 개선할 수 있다. 하지만, 이러한 디바이스는 압전재료와 접촉할 수 있는 워터웨이브 에너지 만을 이용하는 것으로, 수중에 존재할 수 있는 기타 에너지, 예를 들면 유동, 파동 등을 이용할 수 없다.

본 발명에서 해결하고자 하는 기술적 과제는, 새로운 마찰식 나노발전기를 설계하는 것으로, 상기 마찰식 나노발전기는 파동 액체 또는 유동 액체에 응용되며, 액체의 파동 또는 유동으로 인한 역학 에너지를 수집하여 전기 에너지로 전환할 수 있으며, 발전기의 구조가 액체의 파동 또는 유동에 의해 파괴되지 않는다.

상술한 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에서는 파동 또는 유동하는 액체의 역학 에너지를 수집하여 전기 에너지로 전환시킬 수 있는 마찰식 나노발전기를 제공한다. 이 발전기의 발전부재는, 이격되어 설치된 제1 전극층과 제2 전극층, 및 발전부재를 덮는 마찰층을 포함하며, 액체가 파동 또는 유동 시 마찰층과 서로 마찰하여 마찰층의 표면이 마찰 전하를 띠게 하며, 액체가 파동 또는 유동함에 따라, 두 개의 전극층에 대응되는 마찰층의 표면의 전하는 액체 중의 이온에 의하여 순차로 차폐되는데, 이는, 마찰층의 표면이 띠는 전하가 상기 제1 전극층 및 제2 전극층의 전자에 대한 정전기 작용이 상이하도록 하며, 두 개의 전극층 사이에 유도 전하가 유동하도록 한다. 이러한 구조를 가지는 발전기는, 동작시 디바이스의 구조가 변화하지 않아도 되므로, 디바이스가 장기간 안정적으로 동작할 수 있도록 한다. 두 개의 전극층은 마찰층에 덮여 있어, 발전부재가 사용 환경 중의 액체와 접촉하지 않도록 함으로써, 발전기가 여러 가지 액체환경에서 널리 사용될 수 있도록 한다.

상술한 사상을 토대로, 본 발명에서는 우선 액체의 역학 에너지를 수집하는 마찰식 나노발전기를 제공하는데,

절연 기판;

제1 전극층과 제2 전극층으로 이루어진 발전부재; 및

상기 발전부재의 제1 전극층 및 제2 전극층이 상기 액체와 격리되도록, 상기 발전부재를 덮는 마찰층; 을 포함하며,

상기 제1 전극층과 제2 전극층은 상기 기판 상에 이격되어 설치되며 서로 전기적으로 연결되고,

상기 액체는 파동 또는 유동 시, 상기 마찰층과 마찰을 발생하여, 액체와 접촉하는 마찰층의 표면이 전하를 띠도록 하며; 상기 액체가 파동 또는 유동함에 따라, 두 개의 전극층에 대응되는 마찰층의 표면의 전하는 액체 중의 이온에 의하여 순차로 차폐되어, 마찰층의 표면이 띠는 전하가 상기 제1 전극층 및 제2 전극층의 전자에 대한 정전기 작용이 상이하도록 하여, 상기 제1 전극층과 제2 전극층 사이에 유도 전하가 유동하도록 한다.

선택 가능하게, 상기 마찰층과 상기 액체가 접촉하는 표면에는 미세 구조층이 설치되며, 상기 미세 구조층은, 나노 와이어, 나노 튜브, 나노 입자, 나노 로드, 나노 꽃, 나노 홈, 마이크로미터 홈, 나노 뿔, 마이크로미터 뿔, 나노 스피어, 마이크로미터 스피어 구조 또는 상술한 구조로 형성된 어레이이다.

선택 가능하게, 상기 액체가 극성 액체일 경우, 상기 마찰층의 표면의 미세 구조층은 소수성 구조이고; 또는, 상기 액체가 비극성 액체일 경우, 상기 마찰층의 표면의 미세 구조층은 친수성 구조이다.

선택 가능하게, 상기 제1 전극층 및 제2 전극층은 모두 막대기 형상이며, 상기 기판 상에서 길이 방향에 따라 평행되게 배열된다.

선택 가능하게, 상기 제1 전극층 및/또는 제2 전극층의 종횡비는 1:1 내지 1000:1이다.

선택 가능하게, 상기 제1 전극층과 제2 전극층 사이의 간격의 폭은 10nm~5cm이다.

선택 가능하게, 상기 마찰층은 박막이고, 두께는 10nm~2cm이며; 상기 미세 구조층의 두께는 2nm~200μm이다.

선택 가능하게, 상기 마찰층의, 액체와 접촉할 수 있는 표면은 화학수식이 발생할 수 있는데, 여기서,

상기 마찰층과 액체의 재료 극성을 비교하여, 마찰층의 극성이 비교적 “+”를 띤다면, 마찰층 재료의 표면에 전자를 더욱 쉽게 잃는 작용기를 도입하고; 마찰층의 극성이 비교적 “-”를 띤다면, 마찰층 재료의 표면에 전자를 더욱 쉽게 얻는 작용기를 도입하거나; 또는,

상기 마찰층과 액체의 재료 극성을 비교하여, 마찰층의 극성이 “+” 라면, 마찰층의 재료 표면에 양전하를 도입하고; 마찰층의 극성이 “-” 라면, 변화층의 재료 표면에 음전하를 도입한다.

선택 가능하게, 상기 마찰층의 재료는, 폴리테트라플루오로에틸렌, FEP(Fluorinated ethylene propylene, 테트라플루오로에틸렌과 헥사플루오르프로필렌의 공중합체), 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리이미드, 폴리디페닐프로판카보네이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 아닐린포름알데히드 수지, 폴리포름알데히드, 에틸셀룰로오스, 폴리아미드, 멜라민포름알데히드, 폴리에틸렌글리콜석시네이트（polyethylene glycol succinate）, 셀룰로오스, 셀룰로오스아세테이트, 폴리에틸렌글리콜아디페이트, 폴리프탈산디아릴(polydiallylphthalate), 재생섬유 스펀지, 폴리우레탄일래스터머, 스티렌프로펜공중합체, 스티렌아크릴로나이트릴 공중합체, 스티렌부타디엔공중합체, 폴리아미드나이론11, 폴리아미드나이론66, 양모 및 그 직물, 잠사 및 직물, 종이, 인조섬유, 면 및 그 직물, 목재, 경질고무, 폴리메타크릴레이트, 폴리비닐알코올, 폴리에스테르, 폴리이소부틸렌, 폴리우레탄일래스터머, 폴리우레탄 플렉시블 스펀지, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리비닐 부티랄(polyvinyl butyral), 페놀 수지, 클로로프렌고무, 부타디엔프로펜공중합체, 천연고무, 폴리아크릴로니트릴, 폴리(염화 비닐리덴 co-아크릴로니트릴)(poly(vinyldene chloride-co-acrylonitrile), 폴리에틸렌비스페놀카보네이트, 폴리스티렌, 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate), 폴리카보네이트, 액정고분자폴리머, 폴리클로로프렌, 폴리아크릴로니트릴, 아세테이트, 폴리디페놀카보네이트, 염화폴리에테르(polyetherchloride), 폴리클로로트리플루오르에틸렌, 폴리염화비닐리덴, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리염화비닐 및 패럴린(Parylene) 중의 하나 또는 복수이며, 상기 패럴린은 패럴린(Parylene)C, 패럴린(Parylene)N, 패럴린(Parylene)D, 패럴린(Parylene)HT 또는 패럴린(Parylene)AF4을 포함한다.

선택 가능하게, 상기 발전부재에서 제1 전극층과 제2 전극층의 형상 및 사이즈는 모두 동일하다.

선택 가능하게, 상기 기판, 발전부재 및/또는 마찰층은 경질재료 또는 연질재료로 형성된다.

선택 가능하게, 상기 액체는 물, 탈이온수, 해수, NaCl 수용액, 개미산, 메탄올, 에탄올, n-프로판올, 이소프로필 알코올, n-부틸알코올, 아세트산, 디메틸술폭시드, 디메틸포름아미드, 아세토니트릴, 아세톤, 헥산, 벤젠, 톨루엔, 디에틸에테르, 클로로포름, 아세트산에틸, 부틸렌옥사이드 또는 디클로로메탄이다.

선택 가능하게, 상기 발전부재의 제1 전극층과 제2 전극층은 맞물림 구조를 가지며, 각각의 상기 맞물림 구조의 전극은, 복수개의 막대기 형상의 서브 전극이 평행되게 배열되며 또한 일단이 서로 연결되어 형성된 것이며; 맞물림 형상의 제1 전극층과 제2 전극층 사이에는 간격이 있으며 교차된 형상을 이룬다.

선택 가능하게, 상기 막대기 형상의 서브 전극의 종횡비는 1:1 내지 1000:1이다.

선택 가능하게, 상기 발전기는 복수개의 상기 발전부재를 포함하며, 여기서, 복수개의 상기 발전부재는 상기 액체의 파동 또는 유동 방향에 따라 순차로 배열되며, 인접하는 두개의 발전부재는 하나의 전극층을 공용한다.

선택 가능하게, 상기 발전부재와 동일한 량의 정류부재를 더 포함하며, 각각의 상기 발전부재의 두개의 전극층은 하나의 정류부재에 연결된다.

선택 가능하게, 모든 상기 정류부재의 출력단은 병렬 연결되어 발전기의 출력단을 형성한다.

선택 가능하게, 상기 정류부재는 브리지 정류기이다.

또한, 본 발명에서는 액체의 역학 에너지를 수집하는 발전 방법을 제공하는데, 상기 방법은 상술한 발전기를 이용하며,

상기 액체는 파동 또는 유동하여 발전기의 마찰층과 서로 마찰하여 마찰층의 표면이 전하를 띠도록 하며, 액체의 파동 또는 유동에 따라, 상기 발전부재의 두 개의 전극층에 대응되는 마찰층의 표면의 전하는 액체 중의 이온에 의하여 순차로 차폐되며, 상기 마찰층의 표면이 띠는 전하가 상기 제1 전극층 및 제2 전극층의 전자에 대한 정전기 작용은 상이하며, 제1 전극층과 제2 전극층 사이에서는 외부 회로를 통하여 전하의 유동을 형성한다.

본 발명에서 제공하는 액체의 파동 또는 유동 등 형식의 역학 에너지를 수집하는 마찰식 나노발전기의 가장 선명한 이점은, 발전부재의 두 개의 전극층이 액체의 파동에 따라 운동할 필요가 없어, 발전기의 사용 수명을 확보할 수 있다는 것이다. 마찰층을 통하여 발전부재와 액체 환경을 격리시킴으로써, 발전기가 임의의 액체 환경에 응용될 수 있도록 하는바, 예를 들면 호수, 하천 또는 해안에 편리하게 응용되어 워터 웨이브의 역학 에너지를 수집할 수 있을 뿐만 아니라, 빗방울의 역학 에너지 수집에도 사용될 수 있다.

액체와 접촉하는 마찰층의 표면 구조를 조절함으로써, 그 표면이 소수성 구조를 가지도록 함과 동시에, 액체와 마찰층의 접촉 면적을 증가시켜, 발전기의 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.

발전부재 중의 두 개의 전극층의 구조는 패턴화 설계를 통해, 발전기가 액체의 미약한 파동에 응용될 수 있도록 할 뿐만 아니라, 액적을 이용하여 발전하는 상황에도 응용될 수 있도록 한다.

본 발명에서 제공하는 발전기는, 가볍고, 부피가 작고, 구조가 간단하고, 제조 비용이 저렴하며, 양산성의 실현이 쉽고 쉽게 장착할 수 있는 등등의 이점을 가지며, 호수, 하천 또는 해안에 대면적으로 설치하여, 물 등의 파동 또는 유동에 의한 역학 에너지를 수집할 수 있도록 한다.

도면을 통하여, 본 발명의 상술한 목적 및 기타 목적, 특징 및 이점들은 더욱 명확해 질 것이다. 도면에 있어서, 동일한 부호는 동일한 부분을 나타낸다. 실제 사이즈에 의하여 등비례로 확대 또는 축소한 것이 아니라, 본 발명의 주제를 표시하는데 그 목적이 있다. 또한, 본 발명에서는 특정값을 포함하는 파라미터의 예를 제공할 수 있으나, 파라미터는 대응되는 값과 정확히 일치할 필요가 없으며, 허용 가능한 오차 범위 또는 설계 상의 제약 범위 내에서 대응되는 값과 근사할 수 있다. 또한, 실시예에서 사용되는 용어, 예를 들면, “상”, “하”, “전”, “후”, “좌”, “우” 등은 다만 도면의 방향 만을 참고한 것이다. 따라서 본 명세서에서 사용되는 방향을 나타내는 용어들은 설명을 위한 것이지 본 발명을 한정하기 위한 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 액체의 역학 에너지를 수집하는 마찰식 나노발전기의 실시예 1의 구조도이다.
도 2 중의 a-c는 액체와 발전기의 마찰층이 서로 접촉하여 마찰하고 분리된 후, 마찰층의 표면 전하의 변화를 나타내는 도면이다.
도 3 중의 a-f는 본 발명의 액체의 역학 에너지를 수집하는 마찰식 나노발전기의 동작 과정을 나타내는 도면이다.
도 4 중의 (a) 및 (b)는 발전기가 구체적으로 동작할 때의 단락 전류 및 유도 전하량의 그래프이다.
도 5는 본 발명의 발전기의 실시예 2의 구조도이다.
도 6은 본 발명의 발전기의 실시예 3의 구조도이다.
도 7은 실시예 3 중의 발전기가 구체적으로 동작할 때의 단락 전류 그래프이다.

이하, 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예들의 기술방안을 명확하고 완정하게 설명한다. 물론, 여기에서 설명하는 실시예는 본 발명의 일부 실시예 일 뿐 전반적인 실시예는 아니다. 통상의 기술자가 본 발명의 실시예를 토대로 쉽게 얻을 수 있는 모든 기타 실시예도 본 발명의 보호범위에 포함된다.

또한, 본 발명에 관하여, 도면을 참조하면서 상세하게 설명하나, 본 발명의 실시예들을 상세하게 설명할 시 상기 도면들은 설명의 편의를 위한 예시일 뿐, 본 발명의 보호범위를 한정하는 것은 아니다.

실시예 1:

도 1은 본 발명의 마찰식 나노발전기의 일 전형적인 구조로, 절연 기판(10), 발전부재 및 마찰층(30)을 포함한다. 여기서, 발전부재는, 제1 전극층(21)과 제2 전극층(22)으로 구성되는데, 제1 전극층(21)과 제2 전극층(22)은 기판(10) 상에 이격되어 설치되며 서로 전기적으로 연결된다. 마찰층(30)은, 발전기를 동작하게 하는 액체 환경에서 상기 발전부재의 제1 전극층(21)과 제2 전극층(22)이 격리되도록 상기 발전부재를 덮는다. 액체는, 파동하여 마찰층(30)과 마찰을 발생하며, 마찰층(30)의 표면이 전하를 띠도록 한다. 상기 액체가 파동함에 따라, 두 개의 전극층에 대응되는 마찰층(30) 표면의 전하는 액체 중의 이온에 의해 순차로 차폐되어, 마찰층(30)의 표면이 띠는 전하의, 제1 전극층(21)과 제2 전극층(22)의 전자에 대한 정전기 작용이 상이하도록 한다. 이로써, 제1 전극층(21)과 제2 전극층(22) 사이에 유도 전하가 유동하도록 한다. 제1 전극층(21)과 제2 전극층(22) 사이에 검출장치 또는 부하(40)(도 2의 a-c에 도시)를 연결하면, 검출장치 또는 부하(40)에 전류가 흐를 수 있다.

마찰층(30)을 구성하는 재료는 절연재료일 수 있으며, 유기절연체재료인 것이 바람직하다. 마찰층(30)의 재료는, 폴리테트라플루오로에틸렌, FEP(Fluorinated ethylene propylene, 테트라플루오로에틸렌과 헥사플루오르프로필렌의 공중합체), 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리이미드, 폴리디페닐프로판카보네이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 아닐린포름알데히드 수지, 폴리포름알데히드, 에틸셀룰로오스, 폴리아미드, 멜라민포름알데히드, 폴리에틸렌글리콜석시네이트（polyethylene glycol succinate）, 셀룰로오스, 셀룰로오스아세테이트, 폴리에틸렌글리콜아디페이트, 폴리프탈산디아릴(polydiallylphthalate), 재생섬유 스펀지, 폴리우레탄일래스터머, 스티렌프로펜공중합체, 스티렌아크릴로나이트릴 공중합체, 스티렌부타디엔공중합체, 폴리아미드나이론11, 폴리아미드나이론66, 양모 및 그 직물, 잠사 및 직물, 종이, 인조섬유, 면 및 그 직물, 목재, 경질고무, 폴리메타크릴레이트, 폴리비닐알코올, 폴리에스테르, 폴리이소부틸렌, 폴리우레탄일래스터머, 폴리우레탄 플렉시블 스펀지, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리비닐 부티랄(polyvinyl butyral), 페놀 수지, 클로로프렌고무, 부타디엔프로펜공중합체, 천연고무, 폴리아크릴로니트릴, 폴리(염화 비닐리덴 co-아크릴로니트릴)(poly(vinyldene chloride-co-acrylonitrile), 폴리에틸렌비스페놀카보네이트, 폴리스티렌, 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate), 폴리카보네이트, 액정고분자폴리머, 폴리클로로프렌, 폴리아크릴로니트릴, 아세테이트, 폴리디페놀카보네이트, 염화폴리에테르(polyetherchloride), 폴리클로로트리플루오르에틸렌, 폴리염화비닐리덴, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리염화비닐 및 패럴린(Parylene) 중에서 선택될 수 있으며, 상기 패럴린은, 패럴린(Parylene)C, 패럴린(Parylene)N, 패럴린(Parylene)D, 패럴린(Parylene)HT 또는 패럴린(Parylene)AF4을 포함한다.

액체가 파동 또는 유동하여 마찰층(30)의 외표면과 접촉할 시, 전자를 얻고 잃는 능력이 상이하므로, 양자의 표면에는 동등한 량의 부호가 서로 다른 표면전하가 생성된다. 액체가 물이고, 마찰층(30)의 재료가 FEP 박막인 경우를 예로 하면, 도 2 중 a-c에 도시된 바와 같이, 초기 상태에서 마찰층 FEP의 표면은 전하를 띠지 않는다(도 2 중 a 도면 참조). 물이 파동시, 물(50)은 마찰층 FEP과 마찰을 발생하며, 마찰 대전 작용으로 인하여, 마찰층 FEP과 접촉하는 물(50)이 양전하를 띠도록 하고, 마찰층 FEP의 표면이 동등한 량의 음전하를 띠도록 한다(도 2 중 b 도면 참조). 물이 파동함에 따라 마찰층 FEP를 떠나면, 마찰층 상의 음전하는 여전히 남아있는다(도 2 중 c 도면 참조). 물이 다시 파동하여 마찰층 FEP와 접촉할 시, 도 2 중 b 도면과 도 2 중 c 도면의 상황이 반복된다.

본 실시예의 발전기의 동작 원리는 도 3 중 a-f에 도시된 바와 같다. 발전부재의 제1 전극층(21)과 제2 전극층(22) 사이에는 간격이 존재하며 부하(50)를 통하여 전기적으로 연결되고, 마찰층(30)의 재료는 FEP 박막이고, 제1 전극층(21)과 제2 전극층(22)은 동(Cu) 박막이며, 액체 환경은 물이다. 발전부재의 두 개의 전극층은 물의 파동 방향에서 상,하로 분포되며(도 3 중 a-f의 두 개의 전극층이 상,하로 분포되는 것과 대응), 발전기는 워터 웨이브가 마찰층(30) 재료의 표면에서 상,하로 파동하는 것을 통하여 발전하며, 그 발전 과정은 아래와 같은 두 개 과정으로 나뉠 수 있다. 제1 과정에서, 수면(水面)이 상승하여 제1 전극층(21)과 제2 전극층(22)은 순차로 잠기게 된다. 제2 과정에서, 수면이 하강하여 제2 전극층(22)과 제1 전극층(21)은 순차로 수면 위로 노출되게 된다. 제1 과정에서, 물은 마찰층(30)과 접촉하여 마찰층의 표면이 양전하를 띠도록 하며, 수면이 상승하면 제1 전극층(21)이 일부 잠기게 된다. 정전 유도(electrostatic induction) 작용으로 인하여, 제2 전극층(22)의 전자는 제1 전극층(21)에 흡인되어 제1 전극층(21)의 음전하의 밀도가 증가되도록 하며, 부하(50)에는 전류가 흐르게 된다(도 3 중 a 도면 참조). 수면이 두 개 전극층 사이에 있는 간격 위치까지 도달하면, 제1 전극층(21)의 음전하 량은 최대에 달하며, 이때 부하(50)에는 전하가 유동하지 않는다(도 3 중 b 도면 참조). 수면이 계속하여 상승하여 제2 전극층(22)의 일부가 잠기게 되면, 워터 웨이브 표면의 양전하의 배척 작용으로 인하여, 제1 전극층(21)의 전자는 제2 전극층(22)에 흡인되어 제2 전극층(22)의 양전하의 밀도가 저하되는데, 이때 부하(50)에는 전류가 흐르게 된다(도 3 중 c 도면 참조). 수면이 제2 전극층(22)을 완전히 침몰시키면, 제2 전극층(22)의 양전하는 전자에 의하여 완전히 중화되어 상,하 전극층이 모두 전하를 띠지 않도록 한다 (미도시, 도 2 중 b 도면을 참조할 수 있다). 제2 과정에서, 수면이 최고점에서 하강하여, 제2 전극층(22)이 점차적으로 수면 위로 노출되면, 그 음전하는 다시 제1 전극층(21)에 흡인됨으로써 하부 전극층의 음전하의 밀도를 증가시켜, 부하(50)에는 전류가 흐르게 된다(도 3 중 d 도면 참조). 수면이 두 전극층 사이의 간격까지 도달하면, 제1 전극층(21) 상의 음전하의 밀도는 최대에 달하며, 부하(50)에는 전류가 흐르지 않는다(도 3 중 e 도면 참조). 수면이 지속적으로 하강하여, 제1 전극층(21)이 수면 위로 노출하기 시작하면, 이때 정전 유도 작용으로 인하여 음전하를 배척하여 음전하가 제2 전극층(22)으로 되돌아가도록 하여, 부하(50)에는 전류가 흐르게 된다(3 중 f 도면 참조). 수면이 제1 전극층(21)보다 낮아 제1 전극층(21)을 완전히 노출시키면, 상부 전극층의 양전하는 전자에 의하여 완전히 중화되어, 두 전극층은 모두 전하를 띠지 않는다. 수면이 상,하로 기복을 이루어, 제1 전극층(21)과 제2 전극층(22)을 지속적으로 침몰시키거나 노출시키므로, 외부 회로의 부하(50)에는 교류 전류가 흐르게 된다.

여기서 설명해야 할 것은, “수면이 상승하여 제1 전극층 또는 제2 전극층의 일부를 침몰시키거나 전부를 침몰시킨다”는 것은, 수면이 직접 제1 전극층 또는 제2 전극층과 접촉하여 이들을 침몰시킨다는 것이 아니라, 액체의 파동 방향에서, 제1 전극층 또는 제2 전극층에 대응되는 마찰층(다시 말하면, 제1 전극층 또는 제2 전극층을 덮는 마찰층)이 잠기어, 전극층의 일부 또는 전부가 수면 아래로 내려가는 것을 말한다. 본 실시예의 모든 도면에 있어서, 액체 예를 들면 물이 파동하는 방향은 상하 방향이다. 하지만, 본 발명의 모든 실시예에서 제공되는 발전기 모두는 액체의 파동 방향이 기타 방향인 액체 환경 중에 사용될 수 있는바, 예를 들면 파도의 밀물 썰물과 같은 대체적인 수평방향의 파동에 사용될 수도 있다.

발전기의 동작에 있어서, 액체는 파동할 때 마찰층(30)과 왕복적인 슬라이드 마찰을 발생하여, 액체의 표면과 마찰층(30)의 표면이 상반되는 전하를 띠도록 한다. 액체가 파동함에 따라 순차로 제1 전극층(21)과 제2 전극층(22)을 침몰시키는데, 두 개의 전극층에 대응되는 마찰층(30) 표면의 전하는 액체 중의 이온에 의하여 순차로 차폐되어, 마찰층(30)의 표면이 띠는 전하의, 제1 전극층(21)과 제2 전극층(22) 중의 전자에 대한 정전기 작용이 상이하도록 하여, 외부 회로에 전류가 생성되도록 한다(3 중 a, c, d 및 e 도면 참조).

마찰층(30)은 본 발명의 마찰식 나노발전기에 마찰 표면을 제공하는데, 그 재료를 선택함에 있어서 주로 발전기가 사용되는 액체 환경과의 마찰 대전 특성을 고려한다. 본 실시예에 있어서, 마찰층(30)의 외표면의 재료는, 상술한 유기물 절연체 재료를 선택할 수 있는 외에, 반도체 재료를 선택할 수도 있다. 자주 사용되는 반도체는, 규소(Si), 게르마늄(Ge); 갈륨비소, 갈륨인 등과 같은 제Ⅲ족 및 제V족 화합물; 황화카드뮴, 황화아연 등과 같은 제Ⅱ족 및 제Ⅵ족 화합물; 및 갈륨-알루미늄-비소, 갈륨-비소-인 등과 같은 Ⅲ-V족 화합물과 Ⅱ-Ⅵ족 화합물로 이루어진 고용체를 포함한다. 상술한 결정질 반도체 이외에도, 비정질 유리 반도체, 유기 반도체 등이 있다. 비도전성 산화물, 반도체 산화물 및 복잡한 산화물도 마찰 대전 특성을 가져, 액체와 마찰하는 과정에서 표면전하를 형성할 수 있으므로, 본 발명의 마찰층으로 사용할 수 있다. 예를 들면, 망간(Mn), 크롬(Cr), 철(Fe), 동(Cu)의 산화물, 산화규소, 산화망간, 산화크롬, 산화철, 산화동, 산화아연, BiO₂ 및 Y₂O₃ 등이 있다. 지면의 제한으로 사용 가능한 모든 재료를 예시할 수 없으므로, 여기서는 참고로 몇 가지 구체적인 물질 만을 예시한다. 물론, 이러한 구체적인 재료들은, 본 발명의 보호범위를 한정할 수 있는 요소가 아니다. 통상의 기술자들은, 발명의 시사 하에 이러한 재료가 가지는 마찰 대전 특성을 토대로 기타 유사한 재료들을 용이하게 선택할 수 있을 것이다.

실험을 통하여, 마찰층(30)과 파동 액체가 서로 접촉하는 표면의 재료 사이의 마찰 대전 특성의 차이가 클수록, 발전기가 출력하는 전기신호가 강하다는 것을 발견하였다. 따라서, 실제 수요에 따라, 적합한 재료를 선택하여 마찰층의 외표면을 형성함으로써, 더욱 뛰어난 출력 효과를 얻을 수 있다. 대전열에서 “-” 극성을 가지는 재료는, 바람직하게, 폴리스티렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리디페닐프로판카보네이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리이미드, 폴리염화비닐, 폴리디메틸실록산, 폴리클로로트리플루오르에틸렌, 폴리테트라플루오로에틸렌, 및 패럴린(Parylene)이며, 상기 패럴린은, 패럴린(Parylene)C, 패럴린(Parylene)N, 패럴린(Parylene)D, 패럴린(Parylene)HT 또는 패럴린(Parylene)AF4을 포함한다. 대전열에서 “+” 극성을 가지는 재료는, 바람직하게, 아닐린포름알데히드 수지, 폴리포름알데히드, 에틸셀룰로오스, 폴리아미드나이론11, 폴리아미드나이론66, 양모 및 그 직물, 잠사 및 직물, 종이, 폴리에틸렌글리콜석시네이트（polyethylene glycol succinate）, 셀룰로오스, 셀룰로오스아세테이트, 폴리에틸렌글리콜아디페이트, 폴리프탈산디아릴(polydiallylphthalate), 재생섬유 스펀지, 면 및 그 직물, 폴리우레탄일래스터머, 스티렌아크릴로나이트릴 공중합체, 스티렌부타디엔공중합체, 목재, 경질고무, 아세테이트, 인조섬유, 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate), 폴리비닐알코올 및 폴리에스테르이다. 마찰층의 재료는 한 가지 종류에 한정되는 것이 아니며, 상술한 재료 중의 하나 또는 복수의 조합일 수 있다.

마찰층(30)의 표면에 대하여 물리적 변형을 실시하여, 표면에 마이크로미터 레벨 또는 서브 마이크로미터 레벨의 미세 구조층이 분포되도록 하여, 마찰층(30)과 파동 액체 사이의 접촉 면적을 증가시켜 액체가 가지는 접촉전하의 량을 증가시킬 수도 있다. 또한, 나노재료의 장식 또는 도포층을 통하여 상기 목적을 실현할 수도 있다. 미세 구조층은, 바람직하게, 나노 와이어, 나노 튜브, 나노 입자, 나노 로드, 나노 꽃, 나노 홈, 마이크로미터 홈, 나노 뿔, 마이크로미터 뿔, 나노 스피어, 마이크로미터 스피어 구조 또는 상술한 구조로 형성된 어레이이며, 특히는 나노 와이어, 나노 튜브 또는 나노 로드로 이루어진 나노어레이이다. 미세 구조층 어레이 중 각 유닛의 사이즈는 나노미터 내지 마이크로미터 레벨이며, 구체적인 마이크로-나노 구조층 중의 유닛의 사이즈, 형상은 본 발명의 범위를 한정해서는 안된다. 마찰층(30)의 외표면의 미세 구조층은 포토리소그래피, 화학에칭, 플라즈마 에칭 등 방법을 통하여 마찰층의 표면에 형성될 수도 있고, 마찰층의 재료를 제조할 때 직접 형성될 수도 있다.

마찰층(30) 표면의 미세 구조층의 작용은, 마찰층의 외표면과 액체 사이의 접촉 면적을 더욱 증가시키는 외에, 마찰층(30)의 소수성을 조절하고, 매번 마찰층이 액체와 접촉한 후 분리될 때의 정도를 제어하는 작용도 할 수 있다. 따라서, 마찰층의 외표면의 미세 구조층은 바람직하게, 초소수성 나노 구조로, 예를 들면, 산화아연, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리디메틸실록산 등 나노 와이어 어레이 구조로이며, 특히는 연잎 표면 또는 곤충의 다리 등 초소수성 나노 구조층이다.

또한, 발전기 사용 환경의 액체의 극성에 따라, 마찰층(30)의 외표면의 친수성 또는 소수성 구조를 선택하여, 파동하는 액체가 마찰층의 외표면과 접촉한 후의 분리 정도를 개선하여, 발전기의 정상적인 동작을 확보할 수 있다. 바람직하게, 상기 액체가 극성 액체일 경우, 마찰층(30)의 표면의 미세 구조층은 소수성 구조이고; 또는, 상기 액체가 비극성 액체일 경우, 마찰층(30)의 표면의 미세 구조층은 친수성 구조이다. 극성 액체는 물, 개미산, 메탄올, 에탄올, n-프로판올, 이소프로필 알코올, n-부틸알코올, 아세트산, 디메틸술폭시드, 디메틸포름아미드, 아세토니트릴 또는 아세톤 등일 수 있고; 비극성 액체는 헥산, 벤젠, 톨루엔, 디에틸에테르, 클로로포름, 아세트산에틸, 부틸렌옥사이드 또는 디클로로메탄일 수 있다.

마찰층(30)의 액체와 접촉할 수 있는 표면에 대해 화학수식을 행하여 접촉 순간의 전하의 이동량을 더욱 향상시킬 수도 있다. 이로써, 접촉전하의 밀도와 발전기의 출력 전력을 향상시킬 수 있다. 화학수식은 아래와 같은 두 가지 방법으로 나뉜다.

일 방법으로는, 서로 접촉하는 마찰층(30)과 액체의 재료의 극성을 비교하여, 마찰층의 극성이 비교적 “+”를 띤다면, 마찰층의 재료 표면에 전자를 쉽게 잃는 작용기를 도입하고(다시 말하면, 강한 전자공여기); 마찰층의 극성이 비교적 “-”를 띤다면, 마찰층의 재료 표면에 전자를 쉽게 얻는 작용기를 도입(강한 전자흡인기)함으로써, 접촉할 때의 전하의 이동량을 더욱 향상시켜, 마찰 전하의 밀도 및 발전기의 출력 전력을 향상시킬 수 있다. 강한 전자공여기는, 아미노기, 하이드록실기, 알콕실기(alkoxyl group) 등을 포함한다. 강한 전자흡인기는, 아실기, 카복실기, 니트로기, 술폰기 등을 포함한다. 작용기의 도입은 플라즈마 표면 수식 등 일반적인 방법을 사용할 수 있다. 예를 들면, 산소와 질소의 혼합가스를, 소정의 전력하에서 플라즈마를 형성시킴으로써, 아미노기를 마찰층을 구성하는 재료의 표면으로 도입할 수도 있다.

다른 일 방법으로는, 서로 접촉하는 마찰층(30)과 액체의 재료의 극성을 비교하여, 마찰층의 극성이 “+”라면, 마찰층의 재료 표면에 양전하를 도입하고; 마찰층의 극성이 “-”라면, 변화층의 재료 표면에 음전하를 도입하는 방법이다. 구체적으로 화학결합을 통하여 실현할 수 있다. 예를 들면, PDMS 마찰층의 표면에 졸-겔(sol-gel)법을 이용하여 TEOS(tetraethyl orthosilicate)를 수식하여 음전하를 가지도록 할 수 있다. 통상의 기술자들은, 마찰층을 구성하는 재료의 전자를 잃고 얻는 성질 및 표면 화학결합의 종류에 의하여, 적합한 수식 재료를 선택하여 결합시킴으로써, 본 발명의 목적을 달성할 수 있다. 따라서, 이러한 변형도 본 발명의 보호범위 내에 속한다.

또한, 본 발명의 발전기의 출력 성능은 액체의 도전성과 관련되는데, 비교적 낮은 이온 농도는 액체가 마찰층과 접촉할 때 표면 마찰 전하를 형성하는데 유리하다. 구체적으로 응용함에 있어서, 마찰층 재료의 상이함에 따라 액체의 전하량을 조절함으로써, 액체가 마찰층과 접촉할 때 생성되는 표면 접촉전하의 량을 향상시킬 수도 있다. 이로써, 발전기의 출력 성능을 향상시킬 수 있다. 예를 들면, 수중에 NaCl을 첨가하여 포화 수용액을 형성할 수 있는데, 기타 조건이 변하지 않는 하에, 생성되는 유도 전하의 량은 자연수의 경우보다 40%가 감소된다.

본 발명의 발전기가 응용될 수 있는 액체 환경은, 물, NaCl 수용액 외에도, 탈이온수, 해수, 빗물, 및 상술한 극성 또는 비극성 액체 환경 중에서 응용될 수도 있다.

본 발명에 있어서, 본 발명의 마찰층(30) 및/또는 마찰층의 외표면이 포함하는 미세 구조층은 반드시 경질 재료에 한정되는 것은 아니며, 연질 재료를 선택할 수도 있다. 이는, 재료의 경도가 마찰층(30)과 액체 사이의 접촉 효과에 영향 주지 않기 때문이다. 통상의 기술자들은 실제 상황에 따라 선택할 수 있다.

마찰층(30)의 두께는 본 발명의 발전기의 성능에 큰 영향을 주는데, 제조 단계에서 마찰층의 강도와 소수성 효과 및 발전 효율 등 요소들을 종합적으로 고려하여야 한다. 본 발명에 있어서 바람직하게 마찰층은 박층이고, 두께는 10nm~2cm이고, 더 바람직하게는 100nm~1cm이며, 더욱 바람직하게는 1μm~1mm이다. 이러한 두께는 본 발명의 모든 기술 방안에 전부 적용된다. 마찰층(30)의 두께는 얇을수록 바람직하나, 종래 기술의 국한성으로 인하여, 1μm~100μm인 것이 가장 바람직하다. 미세 구조층의 두께는 2nm~200μm 사이에 있는 것이 바람직하다.

마찰층의 두께에 대하여서는 특별한 요구가 없으나, 발전기의 출력 성능을 향상시키기 위하여서는, 마찰층의 두께의 범위가 나노미터 내지 마이크로미터 레벨 사이에 있는 것이 바람직하다.

본 실시예의 발전부재는 두 개의 전극층으로 구성되며, 금속, 유기물 도체 및 전기를 전도하는 비금속 재료 등과 같은 자주 사용되는 도체 재료들은 모두 도전부재를 제조하는데 사용될 수 있다. 여기서 금속은 금, 은, 백금, 알루미늄, 니켈, 동, 티타늄, 크롬 또는 셀렌, 및 상술한 금속으로 형성된 합금으로부터 선택될 수 있다. 전기를 전도하는 비금속 재료는 ITO(Indium tin oxide), 도핑반도체 또는 도전고분자 재료로부터 선택될 수 있다.

발전부재의 두 전극층의 사이즈 및 형상은 동일할 수도 있고 상이할 수도 있다. 실험을 통하여, 전극층의 폭을 감소하면, 발전기의 출력 성능을 향상시킬 수 있다는 것을 발견하였다. 바람직하게, 제1 전극층 또는 제2 전극층은, 막대기 형상이며, 길이 방향을 따라 평행되게 배열되고, 종횡비는 1:1 내지 1000:1이다.

발전부재에서, 제1 전극층(21) 및 제2 전극층(22)은 이격되어 설치된다. 다시 말하면, 양자 사이에는 일정한 간격이 있어야 하는데, 이 간격의 존재는, 전자가 부하 또는 검출장치 등 외부회로(40)를 통하여 두 전극층 사이에서 이동하는 관건적인 요소이다. 이론 연구 및 대비 실험을 참조하면, 전극층 사이의 간격이 작을수록, 출력 전류의 밀도 및 전력 밀도를 향상시키는데 더욱 유리하다. 따라서, 전극층 사이의 간격이 비교적 작은 것이 바람직하다. 하지만, 방전하는 요소들을 고려하면, 이 간격은 또한 너무 작아서도 안된다. 본 발명에서 이 간격은 10nm~5cm인 것이 바람직하며, 0.1μm~1cm인 것이 더욱 바람직하다. 서로 이격된 전극층은, 선택적 코팅 기술을 통하여 기판(10) 상에 형성될 수도 있고, 도전(導電)하는 박층 또는 박편을 직접 절단하여 형성될 수도 있다. 두 전극층의 두께는 발전기의 성능에 영양을 주지 않는바, 박막, 박편 또는 블록 형상의 구조일 수 있으며, 발전기의 사용 범위 및 발전기의 크기에 따라, 적당하게 선택할 수 있다.

제1 전극층(21) 및 제2 전극층(22)의 상대적인 위치는, 액체의 파동 방향에서 전, 후(또는 상, 하)로 이격되어 설치되기만 하면 되는 것으로, 기타 특별한 한정이 없으며, 양자는 동일한 평면 상에 위치할 수도 있고, 상이한 평면 상에 위치할 수도 있으며, 서로 평행될 수도 있고, 일정한 각도를 이룰 수도 있다. 제1 전극층(21) 및 제2 전극층(22)은, 양자 사이의 등가 전기용량을 감소하고 발전기의 출력 전압을 향상시키도록, 동일한 평면 상에 위치하는 것이 바람직하다.

전기신호의 출력 밀도를 향상시킴과 동시에, 전극층 사이의 방전을 방지하기 위하여, 두 전극층 사이의 간격에 충진매질이 충진될 수도 있다. 상기 충진매질은 절연재료인 마찰층과 동일한 재료일 수 있으며 상이한 재료일 수도 있다. 충진매질은 두 전극층 사이의 간격에만 충진될 수도 있고, 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이 두 전극층의 주위에도 충진될 수 있는데, 이는 전극층의 지지 구조 또는 보호 구조로 사용될 수 있다. 상기 충진매질은 절연 기판을 구성하는 재료와 동일한 재료일 수도 있다.

발전기의 기판, 발전부재 및 마찰층은 경질 재료일 수도 있고, 연질재료일 수도 있다. 재료의 경도는 발전 성능에 큰 영향을 가져오지 않으나, 본 발명의 발전기의 응용범위를 넓힐 수 있다. 기판 재료는 반도체 디바이스에서 자주 사용되는 기판 재료를 선택할 수 있는데, 절연재료가 바람직하고, 아크릴 플라스틱 등과 같은 유기물 절연체 재료가 더욱 바람직하다.

또한, 발전기는 전체적으로 판넬 구조일 수도 있고, 원통형 등 구조일 수도 있다. 예를 들면, 원기둥 형상의 발전기를 부표에 부착시킬 수 있고, 발전부재의 제1 전극층 및 제2 전극층은 모두 환형일 수 있으며, 부표 상에서 상,하로 배열되어 부표의 상,하 부동(浮動)에 따라 액체 중에서 상,하 부동하여 액체 파동의 역학 에너지를 전기 에너지로 전환시킬 수 있다. 또한, 발전기의 기판은 부표 상의 절연 부분에 의해 대체되어, 발전부재를 부표 상에 직접 설치할 수도 있다.

아래, 일 구체적인 발전기를 파동하는 수중에 설치하여 발전하도록 하여 발전기의 출력 성능을 설명한다. 두께가 75μm인 FEP 박막 상에, 마스크 방법을 이용하여, 사이즈가 길이 6cm, 폭 3cm인 평행되게 배열된 Cu 박막을 두 개 증착하여 제1 전극층 및 제2 전극층으로 한다. 두 개의 Cu 박막 전극층 사이의 간격은 1mm이고, Cu 박막의 두께는 200nm이다. 도선을 이용하여 두 개의 전극층을 인출한 후, FEP 박막의, 전극층이 형성된 일면을 PET(Polyethylene Terephthalate) 기판 상에 접합시킨다. 두 전극층의 인출 도선에 검출장치를 연결하고, 직선형 모터를 통하여 발전기의 두 전극층이 순차로 수중에 침몰 및 수면과 분리되도록 제어한다(도 3의 두 개 과정을 참조). 발전기의 이동 속도는 0.5m/s이다. 도 4(a) 및 도 4(b)에는 두 전극층 사이의 단락 전류량 및 유도 전하량이 도시되어 있는데, 이 결과는, 단락 전류의 최대값이 3μA이고 유도 전하량이 75nC임을 나타낸다.

실시예 2：

본 실시예에 있어서, 발전부재의 두 전극층은 패턴화된 전극층이다. 도 5는 본 실시예의 발전기의 다른 전형적인 구조를 나타낸 것으로, 도전부재 중의 제1 전극층(210) 및 제2 전극층(220)은 모두 맞물림 구조를 가지며, 각각의 상기 맞물림 구조의 전극은, 복수개의 막대기 형상의 서브 전극이 평행되게 배열된 것으로 일단이 서로 연결되어 형성된 것이다. 두 개의 맞물림 형상의 전극 사이에는 간격(230)이 존재하며, 교차된 형상을 이룬다. 도 5에 도시된 바와 같이, 화살표가 나타내는 액체의 파동 방향에서, 두 전극의 막대기 형상의 서브 전극은 교호적으로 배열된다. 마찰층은 상기 발전부재를 덮어, 상기 발전부재의 제1 전극층(210)과 제2 전극층(220)을, 발전기가 동작하도록 하는 액체 환경에서 격리시킨다. 액체의 파동 방향에서, 제1 전극층(210)의 일 서브 전극과 제2 전극층(220)의 일 서브 전극은 서로 인접하며, 그 사이에 간격(230)을 두고 서로 격리되어, 실시예 1과 동일한 구조의 일 서브 발전부재(A1)를 구성한다. 이러한 구조의 발전기는 액체의 파동 범위가 비교적 큰 상황에 사용될 수 있는데, 이는, 발전부재가, 실시예 1과 동일한 구조의 서브 발전부재를 복수개 포함하는 것과 동등하다. 복수의 서브 발전부재 사이는 병렬 연결되고, 인접하는 서브 발전부재는 동일한 막대기 형상의 서브 전극을 공용한다. 예를 들면, 인접하는 서브 발전부재(A1, 및 A2)는 제1 전극층(210)의 일 막대기 형상의 서브 전극을 공용한다.

맞물림 구조의 제1 전극층 또는 제2 전극층에서, 바람직하게, 막대기 형상의 서브 전극의 종횡비는 1:1 내지 1000:1이다. 제1 전극층(210) 및 제2 전극층(220) 사이의 간격(230)의 폭은 바람직하게 10nm~5cm이고, 더욱 바람직하게는 0.1μm~1cm이다.

본 실시예에 있어서, 기판 및 마찰층을 구성하는 재료, 구조 등은 모두 실시예 1과 동일할 수 있으며, 제1 전극층 및 제2 전극층을 구성하는 재료도 실시예 1 중의 재료를 사용할 수 있으므로, 여기서는 중복적인 설명을 생략하기로 한다.

실시예 3:

실시예 1, 2 중의 발전기는 파도의 파동 등 환경에 적용되는데, 액체가 파동할 때 발전기와 접촉하는 면적의 변화가 한정적이어서 빗물 등과 같은 유동 액체의 역학 에너지를 흡수하는 효율이 제한을 받는다. 흐르는 물 또는 빗방울과 같은 액체 환경에 적용하기 위하여, 본 실시예에서 제공하는 발전기는 복수의, 실시예 1 중의 상술한 발전부재 및 동일한 량의 정류부재를 포함하며, 복수의 발전부재의 전극층은 액체의 유동 또는 파동 방향과 평행되게 배열되고, 인접하는 두 발전부재는 전극층을 공용하며, 일 발전부재가 전기신호를 출력하면 그에 대응되는 일 정류부재는 이 전기신호를 정류한다. 모든 정류부재의 출력단은 병렬 연결되어 발전기의 출력단을 구성한다. 발전기가 발전부재를 다섯 개 포함하는 경우를 예로 본 실시예의 구조를 설명한다. 도 6을 참조하면, 절연 기판 (미도시) 상에 여섯 개의, 평행되게 배열된 막대기형 전극층(201, 202, 203, 204, 205 및 206)을 설치한다. 첫 번째 발전부재의 전극층(201 및 202)은 각각 정류부재(A1)의 입력단에 연결되고, 두 번 째 발전부재의 전극층(202 및 203)은 각각 정류부재(A2)의 입력단에 연결되고, 세 번째 발전부재의 전극층(203 및 204)은 각각 정류부재(A3)의 입력단에 연결되고, 네 번째 발전부재의 전극층(204 및 205)은 각각 정류부재(A4)의 입력단에 연결되고, 다섯 번째 발전부재의 전극층(205 및 206)은 각각 정류부재(A5)의 입력단에 연결된다. 다섯 개의 정류부재(A1, A2, A3, A4 및 A5)의 출력단은 병렬 연결되어 발전기의 출력단을 형성한다. 이 출력단에 부하(401)를 연결할 수 있다. 다섯 개의 발전부재의 여섯 개의 전극층 상에 마찰층을 덮어(미도시), 발전부재를 동작할 때의 액체 환경에서 격리시킨다. 연속적인 물살이 발전기의 마찰층 위를 흐르는 경우를 예로 하면, 액체가 전극층(201, 202, 203, 204, 205 및 206) 상에 덮인 마찰층을 순차로 경과할 때, 마찰층과 마찰이 발생하여 액체 및 마찰층의 표면이 전하를 띠도록 한다. 액체가 이동함에 따라 각 발전부재의 두 전극층을 차례로 경과하게 되는데, 액체 중의 이온은, 각 전극층에 대응되는 마찰층 표면의 전하를 순차로 차폐하여, 마찰층 표면이 띠는 전하가 두 전극층의 전자에 대한 정전기 작용이 상이하도록 하여, 발전부재의 두 전극층 사이에 유도 전하가 유동하도록 한다. 액체가 발전부재에 근접 및 발전부재로부터 멀어질 때 생성되는 전류의 방향은 상반된다. 각 발전부재에 정류부재를 하나씩 연결하여, 발전부재로부터 생성되는 교류 전기신호를 직류 전기신호로 전환시킨다. 유동하는 액체 또는 액적은 발전기의 마찰층을 슬라이드 하는데, 이는 발전기중의 복수개의 발전부재가 동시 또는 서로 다른 시각에 전기신호를 생성하도록 할 수 있다. 본 실시예의 발전기는 복수개의 발전부재의 출력 신호 각각을 정류부재를 통하여 직류 신호로 정류한 후 이들을 병렬 연결하여 발전기의 출력신호로 한다. 이로써 액체가 유동 또는 액적이 슬라이드하는 역학 에너지를 수집하여 이를 전기 에너지로 전환할 수 있으며, 하천, 해안 등과 같은 액체가 유동 또는 파동하는 지역에서 대면적으로 응용할 수도 있고, 빗물 등과 같은 액적 환경에도 응용될 수도 있다.

본 실시예에 있어서, 각 발전부재의 전극층에 정류부재를 연결하고 정류부재의 출력단을 병렬 연결하는 것은 바람직한 실시예이다. 다른 실시예에 있어서, 정류부재를 포함하지 않고, 복수개의 발전부재만이 순차로 배열될 수도 있다. 이러한 발전기에서, 각 발전부재는 단독으로 동작할 수 있다. 또한, 각 발전부재에 정류부재를 하나 연결하고, 각 발전부재의 출력신호를 직류 신호로 정류하여, 병렬 연결하여 출력하는 것이 아니라 단독으로 출력할 수도 있다.

바람직하게, 각 발전부재의 전극층의 폭의 범위는 10um~10cm이고, 두 개의 전극층 사이의 간격의 폭은 바람직하게 10nm~5cm이며, 더욱 바람직하게는 0.1μm~1cm이다.

아래, 일 구체적인 발전기를 예로 본 발명의 발전기가 유동하는 액체의 에너지를 수집하여 발전할 수 있다는 점을 설명한다.

유기유리를 기판으로 사용한다. 물리 증착법(PVD)을 이용하여 유기유리 기판상에 평행되게 등간격으로 배열된 여섯 개의 막대기 형상의 Cu 박막층을 증착하여 다섯 개의 발전부재의 전극층으로 한다. 각 전극층은, 길이가 20cm, 폭이 6mm, 두께가 200nm이며, 인접하는 전극층 사이의 간격은 1mm이다. 전자를 쉽게 얻는 고분자폴리머 재료인 FEP를 채용하여 마찰층을 제조한다. 그리고 두께가 75μm인 마찰층 재료 FEP를 여섯 개의 평행되는 Cu 박막층 상에 밀착시키고, 여섯 개의 Cu 박막층을 각각 도선을 통하여 인출한 후 에폭시(epoxy)를 마찰층 재료의 엣지 부분에 도포하여, 마찰층 재료와 기판이 여섯 개의 전극층을 밀봉하도록 한다. 이로써 전극층을 액체 환경으로부터 격리시켜 발전기 디바이스의 수밀성을 향상시킬 수 있다. 또한, 플라즈마 에칭 방법을 이용하여 액체와 접촉하는 FEP 박막의 표면 상에, 표면에 수직되는 나노 와이어 어레이를 형성하여 마찰층 FEP 표면의 소수성(hydrophobicity)을 향상시킬 수 있다. 도 5를 참조하면, 인접하는 두 전극층(하나의 발전부재)으로부터 인출된 도선은 일 브리지 정류기에 연결되고, 다섯 개의 브리지 정류기의 출력단은 병렬되어 전류계에 연결되어 있다. 물살은 발전기의 마찰층과 30° 각을 이루는 방향을 따라 발전기를 흘러 지나는데, 마찰층과 물살이 서로 마찰하여 마찰층 표면이 전하를 띠도록 하며, 물살 중의 이온은 두 전극층에 대응되는 마찰층 표면의 전하를 순차로 차폐하여 마찰층의 표면이 띠는 전하가 두 전극층의 전자에 대한 정전기 작용이 상이하도록 한다. 도 7은, 물살이 첫 번째 전극층에 근접하면서부터 전극층을 완전히 떠나는 과정에서의 발전기의 단락 전류를 측정하는 것을 나타낸다. 이로부터 알 수 있는바, 발전기는, 발전기 및 물의 1차 작용에 각각 대응되는 두 개의 발전 과정을 가지며, 발전기가 출력하는 단락 전류는 약 8μA이다.

본 발명의 각 실시예에서 제공하는 발전기는 구조가 간단하여, 호수, 해안 등 지역에 대면적으로 설치되어, 물이 파동 또는 유동할 때의 역학 에너지를 수집하는데 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에서 제공하는 발전기는 수조 중의 물과 같은 소면적의 수역에도 사용될 수 있는바, 수조의 흔들림을 이용하여 물이 파동을 일으키도록 하거나, 발전기가 이동하도록 하여 발전기에 대한 물의 상대적인 파동을 형성하여 물이 파동할 때의 역학 에너지를 전기 에너지로 전환시킬 수 있다.

실시예 4：

본 발명에서는 액체 중에서 응용되는 발전 방법을 제공하는데, 상술한 어느 한 발전기를 이용하며, 도 1과 결합하여 상술한 발전 방법을 설명한다. 액체가 파동 또는 유동하여 발전기의 마찰층(30)과 마찰을 하면 액체는 전하를 띠게 되며, 액체의 파동 또는 유동에 따라, 발전부재의 두 전극층에 대응되는 마찰층의 표면의 전하는 액체 중의 이온에 의하여 순차로 차폐되어, 상기 마찰층들의 표면이 띠는 전하가 상기 제1 전극층 및 제2 전극층의 전자에 대한 정전기 작용은 상이하게 되는바, 제1 전극층(21)과 제2 전극층(22) 사이 외부 회로를 통하여 전하의 유동을 형성할 수 있다.

본 발명에서 제공하는 방법은 파동하는 액체 중에 사용될 수도 있고, 호수, 하천 등 환경에 사용될 수도 있어, 액체의 상이한 형식의 역학 에너지를 전기 에너지로 간편하게 전환하여 이용할 수 있다.

상술한 설명들은 본 발명의 비교적 바람직한 실시예 일 뿐, 본 발명을 한정하려는 것은 아니다. 통상의 기술자들은, 본 발명의 주지를 이탈하지 않는 범위 내에서, 상기 개시된 방법 및 기술내용을 토대로 본 발명에 대하여 여러 가지 변경 및 개선을 진행할 수 있고, 동등하게 변화시킨 균등 실시예로 변경할 수도 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 주지를 이탈하지 않는 한, 본 발명의 사상에 기초한 상기 실시예에 대한 간단한 수정, 균등한 변경 및 개선은 모두 본 발명의 기술방안이 보호하고자 하는 범위 내에 속한다.

Claims

절연 기판;
제1 전극층과 제2 전극층으로 이루어진 발전부재; 및
상기 발전부재의 제1 전극층 및 제2 전극층이 액체와 격리되도록, 상기 발전부재를 덮는 마찰층; 을 포함하며,
상기 제1 전극층과 제2 전극층은 상기 기판 상에 이격되어 설치되며 서로 전기적으로 연결되고;
상기 액체는 파동 또는 유동 시에 상기 마찰층과 마찰을 발생하여, 액체에 접촉되는 마찰층의 표면이 전하를 띠도록 하며; 상기 액체의 파동 또는 유동에 따라, 제1 및 제2 전극층에 대응되는 마찰층 표면의 전하는 액체 중의 이온에 의하여 순차로 차폐되어, 마찰층 표면이 띠는 전하가 상기 제1 전극층 및 제2 전극층의 전자에 대한 정전기 작용이 상이하도록 하여, 상기 제1 전극층과 제2 전극층 사이에 유도 전하가 유동하도록 하는
것을 특징으로 하는 액체의 역학 에너지를 수집하는 마찰식 나노발전기.
제1항에 있어서,
상기 마찰층과 상기 액체가 접촉하는 표면에는 미세 구조층이 설치되며,
상기 미세 구조층은, 나노 와이어, 나노 튜브, 나노 입자, 나노 로드, 나노 꽃, 나노 홈, 마이크로미터 홈, 나노 뿔, 마이크로미터 뿔, 나노 스피어, 마이크로미터 스피어 구조 또는 상술한 구조로 형성된 어레이 인
것을 특징으로 하는 액체의 역학 에너지를 수집하는 마찰식 나노발전기.
제2항에 있어서,
상기 액체가 극성 액체라면, 상기 마찰층 표면의 미세 구조층은 소수성 구조이고; 또는, 상기 액체가 비극성 액체라면, 상기 마찰층 표면의 미세 구조층은 친수성 구조인
것을 특징으로 하는 액체의 역학 에너지를 수집하는 마찰식 나노발전기.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 전극층 및 제2 전극층은 모두 막대기 형상이며, 상기 기판 상에서 길이 방향에 따라 평행되게 배열되는
것을 특징으로 하는 액체의 역학 에너지를 수집하는 마찰식 나노발전기.
제4항에 있어서,
상기 제1 전극층 및/또는 제2 전극층의 종횡비는 1:1 내지 1000:1인
것을 특징으로 하는 액체의 역학 에너지를 수집하는 마찰식 나노발전기.
제4항 또는 제5항에 있어서,
상기 제1 전극층과 제2 전극층 사이의 간격의 폭은 10nm~5cm인
것을 특징으로 하는 액체의 역학 에너지를 수집하는 마찰식 나노발전기.
제2항에 있어서,
상기 마찰층은 박막이고, 그 두께는 10nm~2cm이며;
상기 미세 구조층의 두께는 2nm~200μm인
것을 특징으로 하는 액체의 역학 에너지를 수집하는 마찰식 나노발전기.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 마찰층의, 액체와 접촉할 수 있는 표면은 화학수식을 통해 이루어지는데, 여기서,
상기 마찰층과 액체 재료의 극성을 비교하여, 마찰층의 극성이 비교적 “+”를 띤다면, 마찰층의 재료 표면에 전자를 쉽게 잃는 작용기를 도입하고; 마찰층의 극성이 비교적 “-”를 띤다면, 마찰층의 재료 표면에 전자를 쉽게 얻는 작용기를 도입하거나;
또는,
상기 마찰층과 액체 재료의 극성을 비교하여, 마찰층의 극성이 “+”라면, 마찰층의 재료 표면에 양전하를 도입하고; 마찰층의 극성이 “-”라면, 변화층의 재료 표면에 음전하를 도입하는
것을 특징으로 하는 액체의 역학 에너지를 수집하는 마찰식 나노발전기.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 마찰층의 재료는, 폴리테트라플루오로에틸렌, FEP(Fluorinated ethylene propylene, 테트라플루오로에틸렌과 헥사플루오르프로필렌의 공중합체), 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리이미드, 폴리디페닐프로판카보네이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 아닐린포름알데히드 수지, 폴리포름알데히드, 에틸셀룰로오스, 폴리아미드, 멜라민포름알데히드, 폴리에틸렌글리콜석시네이트（polyethylene glycol succinate）, 셀룰로오스, 셀룰로오스아세테이트, 폴리에틸렌글리콜아디페이트, 폴리프탈산디아릴(polydiallylphthalate), 재생섬유 스펀지, 폴리우레탄일래스터머, 스티렌프로펜공중합체, 스티렌아크릴로나이트릴 공중합체, 스티렌부타디엔공중합체, 폴리아미드나이론11, 폴리아미드나이론66, 양모 및 그 직물, 잠사 및 직물, 종이, 인조섬유, 면 및 그 직물, 목재, 경질고무, 폴리메타크릴레이트, 폴리비닐알코올, 폴리에스테르, 폴리이소부틸렌, 폴리우레탄일래스터머, 폴리우레탄 플렉시블 스펀지, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리비닐 부티랄(polyvinyl butyral), 페놀 수지, 클로로프렌고무, 부타디엔프로펜공중합체, 천연고무, 폴리아크릴로니트릴, 폴리(염화 비닐 리덴 co-아크릴로니트릴)(poly(vinyldene chloride-co-acrylonitrile), 폴리에틸렌비스페놀카보네이트, 폴리스티렌, 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate), 폴리카보네이트, 액정고분자폴리머, 폴리클로로프렌, 폴리아크릴로니트릴, 아세테이트, 폴리디페놀카보네이트, 염화폴리에테르(polyetherchloride), 폴리클로로트리플루오르에틸렌, 폴리염화비닐리덴, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리염화비닐 및 패럴린(Parylene), 중의 하나 또는 복수이며,
상기 패럴린은, 패럴린(Parylene)C, 패럴린(Parylene)N, 패럴린(Parylene)D, 패럴린(Parylene)HT 또는 패럴린(Parylene)AF4을 포함하는
것을 특징으로 하는 액체의 역학 에너지를 수집하는 마찰식 나노발전기.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 발전부재에서 제1 전극층과 제2 전극층의 형상 및 사이즈는 모두 동일한
것을 특징으로 하는 액체의 역학 에너지를 수집하는 마찰식 나노발전기
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 기판, 발전부재 및/또는 마찰층은 경질재료 또는 연질재료인
것을 특징으로 하는 액체의 역학 에너지를 수집하는 마찰식 나노발전기.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 액체는 물, 탈이온수, 해수, NaCl 수용액, 개미산, 메탄올, 에탄올, n-프로판올, 이소프로필 알코올, n-부틸알코올, 아세트산, 디메틸술폭시드, 디메틸포름아미드, 아세토니트릴, 아세톤, 헥산, 벤젠, 톨루엔, 디에틸에테르, 클로로포름, 아세트산에틸, 부틸렌옥사이드또는 디클로로메탄 인
것을 특징으로 하는 액체의 역학 에너지를 수집하는 마찰식 나노발전기.
제1항 내지 제3항, 제7항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 발전부재의 제1 전극층과 제2 전극층은 맞물림 구조를 가지며, 각각의 상기 맞물림 구조의 전극은, 복수개의 막대기 형상의 서브 전극이 평행되게 배열된 것으로 일단이 서로 연결되어 형성된 것이며; 맞물림 형상의 제1 전극층과 제2 전극층 사이에는 간격이 있으며 교차된 형상을 이루는
것을 특징으로 하는 액체의 역학 에너지를 수집하는 마찰식 나노발전기.
제13항에 있어서,
상기 막대기 형상의 서브 전극의 종횡비는 1:1 내지 1000:1인
것을 특징으로 하는 액체의 역학 에너지를 수집하는 마찰식 나노발전기.
제13항 또는 제14항에 있어서,
상기 제1 전극층과 제2 전극층 사이의 간격의 폭은 10nm~5cm인
것을 특징으로 하는 액체의 역학 에너지를 수집하는 마찰식 나노발전기.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 발전기는 복수개의 상기 발전부재를 포함하며, 여기서,
복수개의 상기 발전부재는 상기 액체의 파동 또는 유동 방향에 따라 순차로 배열되며, 인접하는 두개의 발전부재는 하나의 전극층을 공용하는
것을 특징으로 하는 액체의 역학 에너지를 수집하는 마찰식 나노발전기.
제16항에 있어서,
상기 발전부재와 동일한 량의 정류부재를 더 포함하며,
각각의 상기 발전부재의 두 개의 전극층은 하나의 정류부재에 연결되는
것을 특징으로 하는 액체의 역학 에너지를 수집하는 마찰식 나노발전기.
제17항에 있어서,
모든 상기 정류부재의 출력단은 병렬 연결되어 발전기의 출력단을 형성하는
것을 특징으로 하는 액체의 역학 에너지를 수집하는 마찰식 나노발전기.
제17항 또는 제18항에 있어서,
상기 정류부재는 브리지 정류기 인
것을 특징으로 하는 액체의 역학 에너지를 수집하는 마찰식 나노발전기.
제1항 내지 제19항 중 어느 한 항의 액체의 역학 에너지를 수집하는 마찰식 나노발전기를 이용하는 액체의 역학 에너지를 수집하는 발전 방법에 있어서,
상기 액체는 파동 또는 유동하여 발전기의 마찰층과 서로 마찰하여 마찰층의 표면이 전하를 띠도록 하며, 액체의 파동 또는 유동에 따라, 상기 발전부재의 제1 및 제2 전극층에 대응되는 마찰층의 표면의 전하는 액체 중의 이온에 의하여 순차로 차폐되며, 상기 마찰층의 표면이 띠는 전하가 상기 제1 전극층 및 제2 전극층의 전자에 대한 정전기 작용이 상이하여, 제1 전극층과 제2 전극층 사이는 외부 회로를 통하여 전하의 유동을 형성하는
것을 특징으로 하는 액체의 역학 에너지를 수집하는 발전 방법.