KR20170083125A - 소자 및 발전 장치 - Google Patents

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KR20170083125A
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주니치로 나토리
도모아키 수가와라
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Abstract

제1 전극, 중간층, 및 제2 전극을 포함하고, 제1 전극, 중간층, 및 제2 전극은 이 순서로 적층되어 있고, 중간층은 가요성을 갖고, 압력이 중간층의 표면에 직교하는 방향으로 중간층에 인가될 때 중간층의 제1 전극측에서의 변형량은 중간층의 제2 전극측에서의 변형량과는 상이한 소자가 개시된다.

Description

소자 및 발전 장치{ELEMENT AND ELECTRIC POWER GENERATOR}
본 발명은 소자 및 발전 장치에 관한 것이다.
통상적으로, 도로, 교량, 및 건축물과 같은 구조체의 진동, 자동차 및 철도 차량과 같은 차량의 진동, 및 인간 운동으로부터의 진동으로부터 에너지를 효과적으로 이용하려는 시도가 이루어져 왔다. 진동으로부터 에너지를 효과적으로 이용하기 위한 방법의 예는 진동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 방법을 포함한다. 이들의 예는 압전 소자를 이용하는 방법 및 정전 유도를 이용하는 방법을 포함한다.
압전 소자를 이용하는 방법은 주로 세라믹계 압전 소자를 사용하고, 진동이 압전 소자에 왜곡을 인가할 때 압전 소자의 표면 상에 전하가 유도되는 현상을 이용한다.
정전 유도를 이용하는 방법은 일반적으로 반영구적으로 전하를 갖는 일렉트렛(electret) 유전체를 사용한다(예를 들어, PTL 1 내지 3 참조). 방법에 사용되는 일렉트렛 유전체는 유전체가 대전되게 하여 이에 의해 반영구적으로 정전기장을 발생하는 재료이다. 전하는 예를 들어, 일렉트렛 유전체와 일렉트렛 유전체로부터 이격하여 배열된 전극 사이의 상대 위치를 진동을 통해 변화시킴으로써 전극 상에 정전식으로 유도된다. 따라서, 전력이 발생된다.
PTL 1: 일본 특허 출원 공개(JP-A) 제2009-253050호 PTL 2: JP-A 제2012-164727호 PTL 3: JP-A 제2012-164917호
압전 소자를 이용하는 방법은 주로 세라믹계 압전 소자를 사용하여, 가요성을 갖지 않고 깨지기 쉬운 문제점을 유도한다.
정전 유도를 이용하는 방법은 일렉트렛 유도체가 제조될 때 유전체를 대전하는 것을 요구한다. 유전체를 대전하기 위한 방법의 예는 코로나 방전 및 플라즈마 처리를 포함한다. 이러한 방법들은 많은 전력이 요구되는 문제점을 갖는다. 또한, 불충분한 가요성 및 일반적으로 구비된 기계적 가변 용량형 기구에 기인하여 가요성 소자가 실현되는 것이 어려운 다른 문제점이 또한 존재한다.
본 발명은 상기 기존의 문제점을 해결하고 이하의 목적을 성취하는 것을 목표로 한다. 즉, 본 발명의 목적은 가요성 및 내구성을 갖고 대전 처리의 요구가 없는 소자를 제공하는 것이다.
상기 문제점을 해결하기 위한 수단은 이하와 같다.
제1 전극, 중간층, 및 제2 전극을 포함하고, 제1 전극, 중간층, 및 제2 전극은 이 순서로 적층되어 있고, 중간층은 가요성을 갖고, 압력이 중간층의 표면에 직교하는 방향으로 중간층에 인가될 때 중간층의 제1 전극측에서의 변형량은 중간층의 제2 전극측에서의 변형량과는 상이한 소자.
본 발명에 따르면, 상기 기존의 문제점이 해결될 수 있고, 가요성 및 내구성을 갖고 대전 처리의 요구가 없는 소자가 제공될 수 있다.
도 1a는 표면 개질 처리 및 불활성화 처리에 의한 중간층(실리콘 고무)의 XPS 측정 결과이다.
도 1b는 도 1a에서 측정된 바와 같은 중간층 내의 Si 2p 결합 에너지의 두께 방향에서의 변화를 표현하고 있는 그래프이다.
도 2a는 어떠한 처리도 없는 중간층(실리콘 고무)의 XPS 측정 결과이다.
도 2b는 도 2a에서 측정된 바와 같은 중간층 내의 Si 2p 결합 에너지의 두께 방향에서의 변화를 표현하고 있는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 예시적인 실시예의 개략 단면도이다.
(소자)
본 발명의 소자는 이 순서로 적층되어 있는 제1 전극, 중간층, 및 제2 전극을 포함하고, 필요하다면 다른 부재를 더 포함한다.
<제1 전극 및 제2 전극>
제1 전극 및 제2 전극의 재료, 형상, 크기, 및 구조는 특히 한정되는 것은 아니고, 의도된 목적에 따라 적절하게 선택될 수도 있다.
제1 전극의 재료, 형상, 크기, 및 구조는 제2 전극의 것들과 동일하거나 상이할 수도 있지만, 바람직하게는 동일할 수도 있다.
제1 전극 및 제2 전극의 재료의 예는 금속, 탄소계 도전성 재료, 및 도전성 고무 조성물을 포함한다.
금속의 예는 금, 은, 구리, 알루미늄, 스테인리스, 탄탈, 및 니켈을 포함한다.
탄소계 도전성 재료의 예는 탄소 나노튜브를 포함한다.
도전성 고무 조성물의 예는 도전성 충전제 및 고무를 함유하는 조성물을 포함한다.
도전성 충전제의 예는 탄소 재료[예를 들어, 케첸 블랙(Ketjen black), 아세틸렌 블랙(acetylene black), 흑연(graphite), 탄소 파이버(carbon fiber: CF), 탄소 나노파이버(carbon nanofiber: CNF), 탄소 나노튜브(carbon nanotube: CNT)], 금속 충전제(예를 들어, 금, 은, 백금, 구리, 및 알루미늄), 도전성 폴리머 재료(예를 들어, 폴리티오펜, 폴리아세틸렌, 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리파라페닐렌, 또는 폴리파라페닐렌비닐렌의 유도체, 또는 음이온 또는 양이온과 같은 도펀트가 첨가되는 유도체), 및 이온성 액체를 포함한다.
고무의 예는 실리콘 고무, 변성 실리콘 고무, 아크릴 고무, 클로로프렌 고무, 폴리설파이드 고무, 우레탄 고무, 이소부틸 고무, 플루오로실리콘 고무, 에틸렌 고무, 및 천연 고무(라텍스)를 포함한다.
제1 전극 및 제2 전극의 형상의 예는 박막을 포함한다.
제1 전극 및 제2 전극의 구조의 예는 전술된 섬유상 탄소 재료가 서로의 위에 적층되어 있는 부직포를 포함한다.
<중간층>
중간층은 가요성을 갖는다.
중간층은 이하의 조건 (1) 및 (2) 중 적어도 하나에 부합한다.
조건 (1): 압력이 중간층의 표면에 직교하는 방향으로 중간층에 인가될 때 중간층의 제1 전극측에서의 변형량은 중간층의 제2 전극측에서의 변형량과는 상이하다.
조건 (2): 중간층의 제1 전극측에서 10 ㎛의 압입 깊이에서의 유니버설 경도(universal hardness)(H1)는 중간층의 제2 전극측에서 10 ㎛의 압입 깊이에서의 유니버설 경도(H2)와는 상이하다.
중간층은 전술된 바와 같이 양측에서의 변형량 또는 경도의 차이에 기인하여 많은 전력 출력을 성취할 수 있다.
변형량은 본 명세서에 사용될 때, 압자(intenter)가 이하의 조건 하에서 중간층 내로 가압될 때 최대 압입 깊이를 칭한다.
<측정 조건>
측정 장치: 마이크로 경도계 WIN-HUD(Fischer에 의해 제조됨)
압자: 대향면들 사이에 136°의 각도를 갖는 사각추 다이아몬드 압자
초기 하중: 0.02 mN
최대 하중: 1 mN
초기 하중으로부터 최대 하중까지 하중을 증가하기 위한 시간: 10초
유니버설 경도는 이하와 같이 결정된다.
<측정 조건>
측정 장치: 마이크로 경도계 WIN-HUD(Fischer에 의해 제조됨)
압자: 대향면들 사이에 136°의 각도를 갖는 사각추 다이아몬드 압자
압입 깊이: 10 ㎛
초기 하중: 0.02 mN
최대 하중: 100 mN
초기 하중으로부터 최대 하중까지 하중을 증가하기 위한 시간: 50초
유니버설 경도(H1) 대 유니버설 경도(H2)의 비(H1/H2)는 바람직하게는 1.01 이상, 더 바람직하게는 1.07 이상, 특히 바람직하게는 1.13 이상이다. 비(H1/H2)의 상한은 특히 한정되는 것은 아니고, 예를 들어 사용 중에 요구되는 가요성의 정도 및 사용 중에 인가된 하중에 따라 적절하게 선택될 수도 있지만, 바람직하게는 1.70 이하이다. 본 명세서에 사용될 때, H1은 비교적 경성 표면의 유니버설 경도를 나타내고, H2는 비교적 연성 표면의 유니버설 경도를 나타낸다.
중간층의 재료는 특히 한정되는 것은 아니고, 의도된 목적에 따라 적절하게 선택될 수도 있다. 이들의 예는 고무를 포함한다. 고무의 예는 실리콘 고무, 플루오로실리콘 고무, 아크릴 고무, 클로로프렌 고무, 천연 고무(라텍스), 우레탄 고무, 플루오로고무, 및 에틸렌프로필렌 고무를 포함한다. 이들 중에서, 실리콘 고무가 바람직하다.
중간층은 그에 다양한 기능 특성을 부여하기 위한 충전제를 함유할 수도 있다. 충전제의 예는 산화티타늄, 티탄산바륨, 티탄산지르콘산연, 산화아연, 실리카, 탄산칼슘, 탄소 재료[예를 들어, 카본 블랙, 탄소 나노튜브, 탄소 파이버, 풀러렌 구조 함유 화합물, 및 그래펜], 산화철, PTFE, 미카, 점토 광물, 합성 하이드로탈사이트, 및 금속을 포함한다. 압전 충전제 또는 분극 폴리머(베이스 재료 또는 충전제)가 사용되는 경우에, 분극 처리가 바람직하게 수행된다.
풀러렌 구조 함유 화합물의 예는 풀러렌, 및 풀러렌 유도체를 포함한다.
풀러렌의 예는 풀러렌 C60, 풀러렌 C70, 풀러렌 C76, 풀러렌 C78, 풀러렌 C80, 풀러렌 C82, 풀러렌 C84, 풀러렌 C90, 풀러렌 C96, 풀러렌 C240, 풀러렌 C540, 혼합 풀러렌, 및 풀러렌 나노튜브를 포함한다.
풀러렌 유도체는 치환기가 풀러렌에 첨가되는 화합물을 의미한다. 치환기의 예는 알킬기, 아릴기, 및 복소환기를 포함한다.
중간층의 평균 두께는 특히 한정되는 것은 아니고, 의도된 목적에 따라 적절하게 선택될 수도 있다. 그러나, 평균 두께는 변형 추종성의 관점으로부터 바람직하게는 1 ㎛ 내지 10 mm, 더 바람직하게는 50 ㎛ 내지 200 ㎛이다. 평균 두께가 바람직한 범위 내에 있을 때, 성막 특성이 보장될 수 있고 변형이 저지되지 않아, 양호한 발전을 유도한다.
중간층은 바람직하게는 절연 특성을 갖는다. 절연 특성은 바람직하게는 108 Ωcm 이상, 더 바람직하게는 1010 Ωcm 이상의 체적 저항률을 갖는 것을 의미한다.
중간층은 다층 구조체를 갖는다.
<<표면 개질 처리 및 불활성화 처리>>
중간층의 일측에서의 변형량 또는 경도를 중간층의 다른 측의 것과 상이하게 하기 위한 방법의 예는 표면 개질 처리 및 불활성화 처리를 포함한다. 처리들은 단독으로 또는 조합하여 수행될 수도 있다.
- 표면 개질 처리 -
표면 개질 처리의 예는 플라즈마 처리, 코로나 방전 처리, 전자빔 조사 처리, UV 조사 처리, 오존 처리, 및 방사선(X선, α선, β선, γ선, 중성자선) 조사 처리를 포함한다. 이들 중에서, 플라즈마 처리, 코로나 방전 처리, 및 전자빔 조사 처리가 처리 속도의 관점으로부터 바람직하다. 그러나, 표면 개질 처리는, 특정 레벨의 조사 에너지를 갖고 표면의 재료를 수정할 수 있는 한, 이들에 한정되지 않는다.
-- 플라즈마 처리 --
플라즈마 처리의 경우에, 병렬판형 디바이스, 용량 결합형 디바이스, 및 유도 결합형 디바이스와 같은 플라즈마 발생 디바이스 뿐만 아니라 대기압 플라즈마 디바이스가 사용될 수도 있다. 플라즈마 처리는 바람직하게는 내구성의 관점으로부터 저압 플라즈마 처리이다.
플라즈마 처리를 위한 반응 압력은 특히 한정되는 것은 아니고, 의도된 목적에 따라 적절하게 선택될 수도 있지만, 바람직하게는 0.05 Pa 내지 100 Pa, 더 바람직하게는 1 Pa 내지 20 Pa이다.
플라즈마 처리를 위한 반응 분위기는 특히 한정되는 것은 아니고, 의도된 목적에 따라 적절하게 선택될 수도 있다. 불활성 가스, 희가스, 또는 산소와 같은 가스가 효과적으로 사용된다. 아르곤이 지속성 효과의 관점으로부터 바람직하다. 산소 분압은 바람직하게는 5,000 ppm 이하이다. 반응 분위기 내의 산소 분압이 5,000 이하일 때, 오존 발생이 억제될 수 있어 이에 의해 오존 제거 디바이스의 사용을 감소시킨다. 플라즈마 처리를 위한 조사된 전기 에너지는 출력과 조사 시간의 적(product)으로서 정의된다. 조사된 전기 에너지는 바람직하게는 5 Wh 내지 200 Wh, 더 바람직하게는 10 Wh 내지 50 Wh이다. 조사된 전기 에너지가 바람직한 범위 내에 있을 때, 발전 기능이 중간층에 부여될 수 있고, 내구성이 과잉의 조사에 의해 저하되지 않는다.
-- 코로나 방전 처리 --
코로나 방전 처리를 위한 인가된 에너지(적산 에너지)는 바람직하게는 6 J/cm2 내지 300 J/cm2, 더 바람직하게는 12 J/cm2 내지 60 J/cm2이다. 인가된 에너지가 바람직한 범위 내에 있을 때, 발전 기능이 중간층에 부여될 수 있고, 내구성이 과잉의 조사에 의해 저하되지 않는다.
-- 전자빔 조사 처리 --
전자빔 조사 처리를 위한 조사 선량은 바람직하게는 1 kGy 이상, 더 바람직하게는 300 kGy 내지 10 MGy이다. 조사 선량이 바람직한 범위 내에 있을 때, 발전 기능이 중간층에 부여될 수 있고, 내구성이 과잉의 조사에 의해 저하되지 않는다.
전자빔 조사 처리를 위한 반응 분위기는 특히 한정되는 것은 아니고, 의도된 목적에 따라 적절하게 선택될 수도 있다. 그러나, 산소 분압은 바람직하게는 아르곤, 네온, 헬륨, 및 질소와 같은 불활성 가스를 충전함으로써 5,000 ppm 이하이다. 반응 분위기 내의 산소 분압이 5,000 ppm 이하일 때, 오존 발생이 억제될 수 있어 이에 의해 오존 제거 디바이스의 사용을 감소시킨다.
-- UV 조사 처리 --
UV 조사 처리를 위한 자외선은 바람직하게는 200 nm 내지 365 nm, 더 바람직하게는 240 nm 내지 320 nm의 파장을 갖는다.
UV 조사 처리를 위한 적산 광량(integrated light intensity)은 5 J/cm2 내지 500 J/cm2, 더 바람직하게는 50 J/cm2 내지 400 J/cm2이다. 적산 광량이 바람직한 범위 내에 있을 때, 발전 기능이 중간층에 부여될 수 있고, 내구성이 과잉의 조사에 의해 저하되지 않는다.
UV 조사 처리를 위한 반응 분위기는 특히 한정되는 것은 아니고, 의도된 목적에 따라 적절하게 선택될 수도 있다. 그러나, 산소 분압은 바람직하게는 아르곤, 네온, 헬륨, 및 질소와 같은 불활성 가스를 충전함으로써 5,000 ppm 이하이다. 반응 분위기 내의 산소 분압이 5,000 ppm 이하일 때, 오존 발생이 억제될 수 있어 이에 의해 오존 제거 디바이스의 사용을 감소시킨다.
통상적으로, 플라즈마 처리, 코로나 방전 처리, UV 조사 처리, 또는 전자빔 조사 처리에 의해 유도된 여기 또는 산화를 통해 활성기를 형성함으로써 층간 접착력을 향상시키기 위한 기술이 제안되어 왔다. 그러나, 이 기술은 층 사이의 제한된 적용을 갖고, 최상부 표면에 적용될 때, 이형성(releasability)이 다소 저하되기 때문에, 바람직하지 않은 것으로 발견되었다. 부가적으로, 이 기술에서, 반응 활성기(수산기)가 산소 풍부 상태 하에서 반응을 거쳐 효과적으로 도입된다. 따라서, 상기 기술은 본질적으로는 본 발명의 표면 개질 처리와는 상이하다.
본 발명의 표면 개질 처리는 산소 부족 및 감압된 반응 환경(예를 들어, 플라즈마 처리) 하에서의 처리여서, 표면 상의 재가교 결합 및 결합이 용이해지게 된다. 따라서, 예를 들어, 내구성 및 이형성은 "높은 결합 에너지를 갖는 Si-O 결합의 수의 증가" 및 "가교 결합 밀도의 증가를 통한 치밀화" 각각에 기인하여 향상되는 것으로 고려된다. 몇몇 활성기가 본 발명에서 또한 형성되지만, 활성기는 후술되는 커플링제 또는 공기 건조 처리에 의해 불활성화된다는 것을 주목하라.
- 불활성화 처리 -
중간층의 표면은 다양한 재료를 사용하여 불활성화 처리를 적절하게 받게 될 수도 있다.
불활성화 처리는 특히 한정되는 것은 아니고, 중간층의 표면을 불활성화하는 한, 의도된 목적에 따라 적절하게 선택될 수도 있다. 이들의 예는 불활성화제가 중간층의 표면 상에 부여되는 처리를 포함한다. 불활성화라는 것은 플라즈마 처리, 코로나 방전 처리, UV 조사 처리, 또는 전자빔 조사 처리에 의해 유도된 여기 또는 산화를 통해 활성기(예를 들어, -OH)와 불활성화제를 반응시킴으로써 감소되어 이에 의해 중간층의 표면을 임의의 화학 반응에 민감하게 한다.
불활성화제의 예는 비정질 수지 및 커플링제를 포함한다.
비정질 수지의 예는 그 주쇄(backbone)로 퍼플루오로알킬 폴리에테르를 갖는 수지를 포함한다.
커플링제의 예는 금속 알콕사이드 또는 금속 알콕사이드 함유 용액을 포함한다. 금속 알콕사이드의 예는 이하의 일반식 (1)에 의해 표현된 화합물, 약 2 내지 약 10의 중합도를 갖는 그 부분 가수분해된 중축합물, 또는 이들의 혼합물을 포함한다.
R1 (4-n)Si(OR2)n … 일반식 (1)
여기서 R1 및 R2는 각각 독립적으로 C1-C10 직쇄상 또는 분기상 알킬기, 알킬 폴리에스터쇄, 또는 아릴기를 나타내고, n은 2 내지 4의 정수를 나타낸다.
일반식 (1)에 의해 표현된 화합물의 특정 예는 디메틸 디메톡시 실란, 디에틸 디에톡시 실란, 디에틸 디메톡시 실란, 디에틸 디에톡시 실란, 디페닐 디메톡시 실란, 디페닐 디에톡시 실란, 메틸 트리메톡시 실란, 메틸 트리에톡시 실란, 테트라메톡시 실란, 테트라에톡시 실란, 및 테트라프로폭시 실란을 포함한다. 내구성의 관점으로부터, 테트라에톡시 실란이 특히 바람직하다.
일반식 (1)에서, R1은 플루오로알킬기, 또는 플루오로알킬아크릴레이트 또는 퍼플루오로알킬키가 산소 원자를 거쳐 또한 결합되는 에테르 퍼플루오로폴리에테르일 수도 있다. 가요성 및 내구성의 관점으로부터, 퍼플루오로폴리에테르기가 특히 바람직하다.
금속 알콕사이드의 다른 예는 비닐 실란[예를 들어, 비닐 트리스(β-메톡시에톡시) 실란, 비닐 트리에톡시 실란, 및 비닐 트리메톡시 실란], 아크릴 실란[예를 들어, γ-메타크릴옥시프로필 트리메톡시 실란], 에폭시 실란[예를 들어, β-(3,4-에폭시사이클로헥실)에틸 트리메톡시실란, γ-글리시드옥시프로필 트리메톡시실란, 및 γ-글리시드옥시프로필메틸 디에톡시실란], 및 아미노 실란[예를 들어, N-β(아미노에틸)γ-아미노프로필 트리메톡시실란, N-β(아미노에틸)γ-아미노프로필메틸 디메톡시실란, γ-아미노프로필 트리에톡시실란, 및 N-페닐-γ-아미노프로필 트리메톡시실란]을 포함한다.
Si 원자에 추가하여, Ti, Sn, Al, 또는 Zr이 금속 알콕사이드 내의 금속 원자로서 단독으로 또는 조합하여 사용될 수도 있다.
예를 들어, 불활성화 처리는 중간층 전구체의 표면 개질 처리에 의한 후에, 코팅 또는 침지를 거쳐 불활성화제로 중간층 전구체(예를 들어, 전술된 고무)의 표면을 함침함으로써 수행될 수도 있다.
실리콘 고무가 중간층 전구체로서 사용되는 경우에, 표면 개질 처리 후에, 불활성화 처리는 공기 중에 방치에 의해 수행되어 이에 의해 공기 건조를 허용하였다.
중간층의 두께 방향에서의 산소 농도 프로파일은 바람직하게는 국부적 최대값을 갖는다.
중간층의 두께 방향에서의 탄소 농도 프로파일은 바람직하게는 국부적 최소값을 갖는다.
더 바람직하게는, 중간층에서, 산소 농도 프로파일이 국부적 최대값을 취하는 위치는 탄소 농도 프로파일이 국부적 최소값을 취하는 위치와 동일하다.
산소 농도 프로파일 및 탄소 농도 프로파일은 X선 광전자 분광법(X-ray photoelectron spectroscopy: XPS)에 의해 결정될 수 있다. 측정은 이하와 같이 수행될 수도 있다.
<측정 방법>
측정 장치: ULVAC-PHI QUANTERA SXM(ULVAC-PHI, Inc.에 의해 제조됨)
측정 광원: Al(모노)
측정 출력: 100 ㎛ φ, 25.1 W
측정 영역: 500㎛×300㎛
패스 에너지: 55 eV(좁은 스캔)
에너지 스텝: 0.1 eV(좁은 스캔)
상대 감도 팩터: PHI의 상대 감도 팩터를 사용
스퍼터링 소스: C60 클러스터 이온
이온건 출력: 10 kV, 10 nA
래스터 콘트롤(Raster Control): (X = 0.5, Y = 2.0) mm
스퍼터링 속도: 0.9 nm/min(SiO2의 견지에서)
XPS에서, 측정 대상물 내의 원자 농도비 또는 원자 결합 상태는 광전자 효과에 의해 방출된 전자를 포획함으로써 결정될 수 있다.
실리콘 고무는 실록산 결합을 갖고 그 주 원소로서 Si, O, 및 C를 함유한다. 따라서, 실리콘 고무가 중간층의 재료로서 사용되는 경우에, 넓은 스캔 스펙트럼이 XPS에 의해 측정될 수 있어 이에 의해 원소의 상대 피크 강도비에 기초하여 표면층으로부터 내부까지 깊이 방향에서 각각의 원소(Si, O, 및 C)의 원자 농도비(원자 %)를 결정한다. 그 예가 도 1a에 도시되어 있다. 도 1a는 실리콘 고무를 함유하고 표면 개질 처리(플라즈마 처리) 및 불활성화 처리로 처리된 중간층의 샘플을 표현하고 있다. 도 1a에서, 횡축은 표면으로부터 내부까지의 방향에서 분석 깊이를 표현하고 있고, 종축은 원자 농도비를 표현하고 있다.
부가적으로, 실리콘 고무의 경우에, Si에 결합된 원소의 유형 및 결합 상태는 Si 2p-궤도로부터 방출된 전자의 에너지를 측정함으로써 결정될 수 있다. 따라서, 피크는 Si의 결합 상태를 표현하는 Si 2p-궤도 내의 좁은 스캔 스펙트럼으로부터 분해되어 이에 의해 화학적 결합 상태를 결정하였다. 그 결과가 도 1b에 도시되어 있다. 도 1b의 측정 대상물은 도 1a의 측정에 사용된 샘플이다. 도 1b에서, 횡축은 결합 에너지를 표현하고 있고, 종축은 강도비를 표현하고 있다. 측정 스펙트럼이 깊이(상향) 방향에서 표현되어 있다.
일반적으로, 피크 시프트량은 결합 상태에 의존하는 것이 알려져 있다. 본 발명에 관한 실리콘 고무의 경우에, Si 2p-궤도 내의 고에너지를 향한 피크 시프트는 Si에 결합된 산소 원자의 수가 증가되는 것 것을 나타낸다.
상기에 따르면, 실리콘 고무가 표면 개질 처리 및 불활성화 처리를 받게 될 때, 산소 농도는 표면층으로부터 내부로 증가되고, 국부적 최대값을 갖고, 탄소 농도는 감소되고, 국부적 최소값을 갖는다. 산소 및 탄소 농도가 깊이 방향에서 더 분석될 때, 산소 농도는 감소되고 탄소 농도는 증가된다. 결국, 농도들은 미처리된 실리콘 고무의 것에 동등하게 된다.
도 1a의 점(α)에서 검출된 산소 농도의 국부적 최대값은 고에너지(도 1b의 α)를 향한 Si 2p 결합 에너지의 시프트에 대응하는 데, 이는 산소 농도 결과의 증가가 Si에 결합된 산소 원자의 수로부터 발생하는 것을 증명한다.
도 2a 및 도 2b는 동일한 방식으로 분석된 바와 같은 미처리된 실리콘 고무의 결과를 도시하고 있다는 것을 주목하라.
도 2a에서, 도 1a의 경우에서와는 달리, 산소 농도의 국부적 최대값 또는 탄소 농도의 국부적 최소값은 관찰되지 않는다. 부가적으로, 도 2b에서, Si 2p 결합 에너지는 고에너지를 향해 시프트되는 것으로 관찰되지 않는다. 따라서, Si에 결합된 산소의 수는 불변인 것이 검증되었다.
전술된 바와 같이, 중간층은 중간층의 표면 상에 불활성화제(예를 들어, 커플링제)를 도포하거나 또는 중간층을 불활성화제 내로 침지함으로써 불활성화제로 함침되어 이에 의해 불활성화제가 중간층 내로 침투하게 한다. 커플링제가 일반식 (1)에 의해 표현된 화합물인 경우에, 폴리오가노실록산은 폴리오가노실록산 내에 함유된 산소 원자의 농도가 깊이 방향에서 국부적 최대값을 갖도록 하는 중간층 내의 농도 분포를 갖는다. 그 결과, 중간층은 3 내지 4개의 산소 원자에 결합된 실리콘 원자를 함유하는 폴리오가노실록산을 함유한다.
불활성화 처리의 방법은 침지법에 한정되는 것은 아니라는 것을 주목하라. 예를 들어, 폴리오가노실록산 내에 함유된 산소 원자가 중간층의 깊이 방향(두께 방향)에서 국부적 최대값이 존재하도록 분포될 수 있는 한, 플라즈마 CVD, PVD, 스퍼터링, 진공 퇴적, 또는 연소 화학 기상 퇴적과 같은 방법이 사용될 수도 있다.
중간층은 정지 상태에서 초기 표면 전위를 가질 필요가 없다.
정지 상태에서 초기 표면 전위는 이하의 측정 조건 하에서 측정될 수 있다는 것을 주목하라. 본 명세서에 사용될 때, 초기 표면 전위가 없다는 것은 이하의 측정 조건 하에서 측정된 바와 같은 ±10V 이하를 의미한다.
<측정 조건>
전처리: 30℃의 온도 및 40%의 상대 습도 하에서 24 시간(h) 방치 및 이어서 60초의 방전(Keyence에 의해 제조된 SJ-F300을 사용)
장치: TRECK MODEL 344
측정 프로브: 6000B-7C
측정 거리: 2 mm
측정 스팟 직경: 10 mm의 직경(Φ)
상기의 관점에서, 본 발명의 소자는 발전의 원리의 견지에서 JP-A 제2009-253050호, 제2014-027756호, 및 제54-14696호와는 상이한 것으로 고려된다.
본 발명의 소자에 있어서, 마찰 대전에 유사한 메커니즘에서의 대전 및 내부 전하 유지에 기인하는 표면 전위차의 발생이 중간층의 양측에서의 경도의 차이에 기초하는 변형량의 차이 때문에 불균일한 정전 용량을 야기하는 것이 가정된다는 것을 주목하라. 따라서, 전하가 전달되어 이에 의해 전력을 발생한다. 그러나, 정확한 메커니즘은 미지이다.
소자는 바람직하게는 중간층과 제1 전극 및/또는 제2 전극 사이에 공간을 갖는 데, 이는 전력 출력을 증가시킬 수 있다. 공간을 제공하기 위한 방법은 특히 한정되는 것은 아니고, 의도된 목적에 따라 적절하게 선택될 수도 있다. 그 예는 스페이서가 중간층과 제1 전극 및/또는 제2 전극 사이에 배열되는 방법을 포함한다.
본 발명의 일 예시적인 소자가 개략적으로 예시된다. 도 3은 본 발명의 소자의 개략 단면도이다. 도 3에 도시되어 있는 소자는 제1 전극(1), 제2 전극(2), 및 제1 전극(1)과 제2 전극(2) 사이에 배열된 중간층(3)을 포함한다.
(발전 장치)
본 발명의 발전 장치는 본 발명의 소자를 포함하고, 필요하다면 다른 부재를 더 포함한다.
<다른 부재>
다른 부재의 예는 전기 회로를 포함한다.
<<전기 회로>>
전기 회로는 특히 한정되는 것은 아니고, 소자 내에서 발생된 전력을 취출하기 위한 회로이기만 하면, 의도된 목적에 따라 적절하게 선택될 수도 있다.
소자를 사용하는 발전 장치는 초음파 센서, 압력 센서, 촉각 센서, 스트레인 센서, 가속도 센서, 충격 센서, 진동 센서, 감압 센서, 전기장 센서, 및 음압 센서, 특히 고전압의 필요가 없는 것에 기인하여 웨어러블 센서와 같은 다양한 센서에 적합하다. 부가적으로, 발전 장치는 또한 헤드폰, 스피커, 마이크로폰, 하이드로폰, 디스플레이, 팬, 펌프, 가변 초점 미러, 초음파 트랜스듀서, 압전 변환기, 차음 재료(sound insulation material), 방음 재료(soundproofing material), 액추에이터, 및 키보드를 위한 우수한 가공성을 갖는 압전 필름으로서 적합하다. 또한, 발전 장치는 또한 오디오 장비, 데이터 처리 디바이스, 측정 디바이스, 의료 디바이스뿐만 아니라 차량, 건축물, 또는 스포츠 용품(예를 들어, 스키 장비 및 라켓) 및 다른 분야에 사용되는 댐핑 재료(댐퍼)에 이용될 수 있다.
부가적으로, 발전 장치는 또한 이하의 용례를 위해 적합하다.
· 자연 에너지(예를 들어, 파력, 수력, 및 풍력)를 이용하는 발전
· 신발, 옷, 바닥, 또는 액세서리에 매립된 발전 장치를 이용하는 인간 보행으로부터의 발전
· 발전 장치가 그 타이어에 매립되어 있는 자동차의 주행으로부터의 진동을 사용하는 발전.
또한, 발전 장치가 가요성 기판 상에 형성되어 있는 경우에, 이는 평면형 발전체 또는 전압을 역으로 인가함으로써 충전되는 2차 배터리, 및 신규한 액추에이터(인공 근육)에 적용되는 것으로 기대될 수 있다.
예
본 발명의 예가 이제 후술될 것이지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다. 달리 명시적으로 언급되지 않으면, "부"는 "질량부"를 표현한다. 달리 명시적으로 언급되지 않으면, "%"는 "질량 %"를 표현한다.
(예 1)
<소자의 제조>
<<제1 전극 및 제2 전극>>
12 ㎛의 평균 두께를 갖는 알루미늄 시트(Mitsubishi Aluminum Company, Ltd.에 의해 제조됨)가 제1 전극 및 제2 전극으로서 사용되었다.
<<중간층의 제조>>
- 중간층 전구체 -
베이스 재료로서 기능하는 실리콘 고무 100부(TSE3033: Momentive Performance Materials Inc.에 의해 제조됨)가 첨가제로서 기능하는 티탄산바륨 40부(93-5640: Wako Pure Chemical Industries, Ltd.에 의해 제조됨)와 혼합되었다. 얻어진 혼합물은 150±20 ㎛의 평균 두께 및 50 mm×70 mm의 치수를 갖도록 블레이드 코팅에 의해 PET(폴리에틸렌 테레프탈레이트) 필름 상에 도포되었고, 이에 의해 중간층 전구체를 얻었다.
- 표면 개질 처리 -
중간층 전구체는 30분 동안 약 120℃에서 소성되었고, 이어서 이하의 조건 하에서 플라즈마 처리를 받게 되었다.
<플라즈마 처리 조건>
장치: PR-500(Yamato Scientific Co., Ltd.에 의해 제조됨)
출력: 100 W
처리 시간: 4분
반응 분위기: 아르곤 99.999%
반응 압력: 10 Pa
- 불활성화 처리 -
부가적으로, 표면 개질 처리 후에, 퍼플루오로헥산 내의 불화탄소 화합물 OPTOOL DSX(DAIKIN INDUSTRIES, LTD에 의해 제조됨)의 0.1% 용액이 10 mm의 후퇴 속도에서 침지(Dip)법에 의해 중간층 전구체의 표면 개질된 표면 상에 도포되었다. 그 후에, 결과물은 90%의 상대 습도 및 60℃의 온도의 환경 하에서 30분 이상 유지되었고, 이어서 10분 동안 50℃에서 건조되었다. 따라서, 불활성화 처리가 수행되었다.
다음에, PET 필름이 박리되었다.
따라서, 중간층이 얻어졌다.
중간층은 제1 전극과 제2 전극 사이에 개재되어 이에 의해 소자를 얻었다. 도전포 테이프(E05R1020: SEIWA ELECTRIC MFG. CO., LTD에 의해 제조됨)의 5 mm 폭 스트립이 중간층에 대면하는 제1 전극의 표면의 에지에 부착되어, 이에 의해 제1 전극과 중간층 사이에 간극(공기)이 존재하도록 오목부 및 볼록부를 갖는 제1 전극의 표면을 제공하였다는 것을 주목하라. 간극은 도전포 테이프의 것(약 0.12 mm)에 대응하는 두께를 가졌지만, 수직 부하에 따라 변동될 수 있다.
<평가>
<<경도>>
중간층의 양측에서의 유니버설 경도는 이하의 조건 하에서 측정되었다. 결과는 표 1-1-2에 제공되어 있다.
<측정 조건>
측정 장치: 마이크로 경도계 WIN-HUD(Fischer에 의해 제조됨)
압자: 대향면들 사이에 136°의 각도를 갖는 사각추 다이아몬드 압자
압입 깊이: 10 ㎛
초기 하중: 0.02 mN
최대 하중: 100 mN
초기 하중으로부터 최대 하중까지 하중을 증가하기 위한 시간: 50초
<<변형량>>
중간층의 양측에서의 변형량은 이하의 측정 조건 하에서 측정되었다. 결과는 표 1-1-2에 제공되어 있다.
<측정 조건>
측정 장치: 마이크로 경도계 WIN-HUD(Fischer에 의해 제조됨)
압자: 대향면들 사이에 136°의 각도를 갖는 사각추 다이아몬드 압자
초기 하중: 0.02 mN
최대 하중: 1 mN
초기 하중으로부터 최대 하중까지 하중을 증가하기 위한 시간: 10초
<<정지 상태에서 초기 표면 전위의 측정>>
정지 상태에서 초기 표면 전위는 이하의 조건 하에서 측정되었다. 결과는 표 1-1-2에 제공되어 있다.
<측정 조건>
전처리: 30℃의 온도 및 40%의 상대 습도 하에서 24 시간 방치 및 이어서 60초의 방전(Keyence에 의해 제조된 SJ-F300을 사용)
장치: TRECK MODEL 344
측정 프로브: 6000B-7C
측정 거리: 2 mm
측정 스팟 직경: 10 mm의 직경(Φ)
<<XPS 측정>>
중간층은 X선 광전자 분광법(XPS)을 받게 되어 이에 의해 중간층의 두께 방향에서의 산소 농도 프로파일 및 탄소 농도 프로파일을 결정하였다. 측정은 이하의 조건 하에서 수행되었다. 결과는 표 1-1-3에 제공되어 있다.
<측정 방법>
측정 장치: ULVAC-PHI QUANTERA SXM(ULVAC-PHI, Inc.에 의해 제조됨)
측정 광원: Al(모노)
측정 출력: 100 ㎛ φ, 25.1 W
측정 영역: 500㎛×300㎛
패스 에너지: 55 eV(좁은 스캔)
에너지 스텝: 0.1 eV(좁은 스캔)
상대 감도 팩터: PHI의 상대 감도 팩터를 사용
스퍼터링 소스: C60 클러스터 이온
이온건 출력: 10 kV, 10 nA
래스터 콘트롤(Raster Control): (X = 0.5, Y = 2.0) mm
스퍼터링 속도: 0.9 nm/min(SiO2의 견지에서)
<<전력 출력>>
얻어진 소자 내의 제1 전극 및 제2 전극이 전기 와이어에 접속되었다. 다음에, 그 전체는 셀로판 테이프(No. 405, 폭: 50 mm, Nichiban Co., Ltd.에 의해 제조됨)로 밀봉되어 이에 의해 평가 샘플을 얻었다.
아이언 볼(iron ball)(중량: 200 g)이 10 cm의 높이로부터 평가 샘플 상에 낙하되었다. 그 때, 전극 사이에 발생된 피크 전압은 오실로스코프로 측정되었다. 측정은 5회 수행되어, 이에 의해 측정값으로서 결정되었던 평균값을 계산하였다. 측정값이 비교예 1의 후술된 측정값의 몇 배인지가 결정되었다. 얻어진 값은 이하의 평가 기준에 따라 평가되었다. 결과는 표 1-1-3에 제공되어 있다.
<평가 기준>
A: 측정값은 비교예 1의 것보다 10배 이상이다.
B: 측정값은 비교예 1의 것보다 5배 이상 10배 미만이다.
C: 측정값은 비교예 1의 것보다 5배 미만이다.
(예 2)
<소자의 제조>
소자는 표면 개질 처리를 위해 사용된 반응 분위기가 질소로 변경되었던 것을 제외하고는, 예 1에서와 동일한 방식으로 제조되었다.
<평가>
얻어진 소자는 예 1에서와 동일한 방식으로 평가되었다. 결과는 표 1-1-2 내지 1-1-3에 제공되어 있다.
(예 3)
<소자의 제조>
소자는 표면 개질 처리를 위해 사용된 반응 분위기가 산소로 변경되었던 것을 제외하고는, 예 1에서와 동일한 방식으로 제조되었다.
<평가>
얻어진 소자는 예 1에서와 동일한 방식으로 평가되었다. 결과는 표 1-1-2 내지 1-1-3에 제공되어 있다.
(예 4)
<소자의 제조>
소자는 표면 개질 처리가 이하의 조건 하에서 코로나 방전 처리로 변경되었던 것을 제외하고는, 예 1에서와 동일한 방식으로 제조되었다.
<코로나 방전 처리>
인가 전압: 100 V
적산 에너지: 30 J/cm2
반응 분위기: 공기
<평가>
얻어진 소자는 예 1에서와 동일한 방식으로 평가되었다. 결과는 표 1-1-2 내지 1-1-3에 제공되어 있다.
(예 5)
<소자의 제조>
소자는 표면 개질 처리가 이하의 조건 하에서 UV 조사 처리로 변경되었던 것을 제외하고는, 예 1에서와 동일한 방식으로 제조되었다.
<UV 조사 처리>
UV 조사 램프: VL-215.C(Vilber Lourmat에 의해 제조됨)
파장: 254 nm
적산 광량: 300 J/cm2
반응 분위기: 질소(산소 분압: 5,000 ppm 이하)
<평가>
얻어진 소자는 예 1에서와 동일한 방식으로 평가되었다. 결과는 표 1-1-2 내지 1-1-3에 제공되어 있다.
(예 6)
<소자의 제조>
소자는 표면 개질 처리가 이하의 조건 하에서 전자빔 조사 처리로 변경되었던 것을 제외하고는, 예 1에서와 동일한 방식으로 제조되었다.
<전자빔 조사 처리 조건>
장치: 라인형 저에너지 전자빔 조사원(Hamamatsu Photonics K.K.에 의해 제조됨)
조사 선량: 1 MGy
반응 분위기: 질소(산소 분압: 5,000 ppm 이하)
<평가>
얻어진 소자는 예 1에서와 동일한 방식으로 평가되었다. 결과는 표 1-1-2 내지 1-1-3에 제공되어 있다.
(예 7)
<소자의 제조>
소자는, 불활성화 처리에 있어서, OPTOOL DSX 용액이 테트라에톡시실란(TEOS, 테트라에틸오소실리케이트, Wako Pure Chemical Industries, Ltd.에 의해 제조됨)으로 변경되었던 것을 제외하고는, 예 1에서와 동일한 방식으로 제조되었다.
<평가>
얻어진 소자는 예 1에서와 동일한 방식으로 평가되었다. 결과는 표 1-1-2 내지 1-1-3에 제공되어 있다.
(예 8)
<소자의 제조>
소자는, 불활성화 처리에 있어서, OPTOOL DSX 용액이 에탄올 내의 티타늄 이소프로폭사이드(TTIP, Kojundo Chemical Laboratory Co., Ltd.에 의해 제조됨)의 50% 용액으로 변경되었던 것을 제외하고는, 예 1에서와 동일한 방식으로 제조되었다.
<평가>
얻어진 소자는 예 1에서와 동일한 방식으로 평가되었다. 결과는 표 1-1-2 내지 1-1-3에 제공되어 있다.
(예 9)
<소자의 제조>
소자는, 불활성화 처리에 있어서, OPTOOL DSX 용액이 에탄올 내의 디메틸디메톡시실란 KBM-22(Shin-Etsu Silicones에 의해 제조됨)의 50% 용액으로 변경되었던 것을 제외하고는, 예 1에서와 동일한 방식으로 제조되었다.
<평가>
얻어진 소자는 예 1에서와 동일한 방식으로 평가되었다. 결과는 표 1-1-2 내지 1-1-3에 제공되어 있다.
(예 10)
<소자의 제조>
소자는 불활성화 처리 대신에, 공기 건조가 30℃의 온도 및 70%의 상대 습도의 환경 하에서 5시간 동안 수행되었던 것을 제외하고는, 예 1에서와 동일한 방식으로 제조되었다.
<평가>
얻어진 소자는 예 1에서와 동일한 방식으로 평가되었다. 결과는 표 1-1-2 내지 1-1-3에 제공되어 있다.
(예 11)
<소자의 제조>
소자는 불활성화 처리 대신에, 공기 건조가 30℃의 온도 및 70%의 상대 습도의 환경 하에서 5시간 동안 수행되었던 것을 제외하고는, 예 6에서와 동일한 방식으로 제조되었다.
<평가>
얻어진 소자는 예 1에서와 동일한 방식으로 평가되었다. 결과는 표 1-1-2 내지 1-1-3에 제공되어 있다.
(예 12)
<소자의 제조>
소자는 어떠한 공간도 제공되지 않았던 것을 제외하고는, 예 1에서와 동일한 방식으로 제조되었다.
<평가>
얻어진 소자는 예 1에서와 동일한 방식으로 평가되었다. 결과는 표 1-1-2 내지 1-1-3에 제공되어 있다.
(예 13)
<소자의 제조>
소자는, 중간층의 제조에 있어서, 베이스 재료 100부와 혼합될 첨가제의 양이 20부로 변경된 것을 제외하고는, 예 1에서와 동일한 방식으로 제조되었다.
<평가>
얻어진 소자는 예 1에서와 동일한 방식으로 평가되었다. 결과는 표 1-1-2 내지 1-1-3에 제공되어 있다.
(예 14)
<소자의 제조>
소자는, 중간층의 제조에 있어서, 베이스 재료 100부와 혼합될 첨가제의 양이 80부로 변경된 것을 제외하고는, 예 1에서와 동일한 방식으로 제조되었다.
<평가>
얻어진 소자는 예 1에서와 동일한 방식으로 평가되었다. 결과는 표 1-1-2 내지 1-1-3에 제공되어 있다.
(예 15)
<소자의 제조>
소자는, 중간층의 제조에 있어서, 어떠한 첨가제도 베이스 재료와 혼합되지 않은 것을 제외하고는, 예 1에서와 동일한 방식으로 제조되었다.
<평가>
얻어진 소자는 예 1에서와 동일한 방식으로 평가되었다. 결과는 표 1-1-2 내지 1-1-3에 제공되어 있다.
(예 16)
<소자의 제조>
소자는 불활성화 처리 대신에, 공기 건조가 30℃의 온도 및 70%의 상대 습도의 환경 하에서 5시간 동안 수행되었던 것을 제외하고는, 예 15에서와 동일한 방식으로 제조되었다.
<평가>
얻어진 소자는 예 1에서와 동일한 방식으로 평가되었다. 결과는 표 1-1-2 내지 1-1-3에 제공되어 있다.
(예 17)
<소자의 제조>
소자는 표면 개질 처리가 이하의 조건 하에서 전자빔 조사 처리로 변경되었던 것을 제외하고는, 예 16에서와 동일한 방식으로 제조되었다.
<전자빔 조사 처리 조건>
장치: 라인형 저에너지 전자빔 조사원(Hamamatsu Photonics K.K.에 의해 제조됨)
조사 선량: 1 MGy
반응 분위기: 질소(산소 분압: 5,000 ppm 이하)
<평가>
얻어진 소자는 예 1에서와 동일한 방식으로 평가되었다. 결과는 표 1-1-2 내지 1-1-3에 제공되어 있다.
(예 18)
<소자의 제조>
베이스 재료로서 기능하는 실리콘 고무 100부(TSE3033: Momentive Performance Materials Inc.에 의해 제조됨)가 첨가제로서 기능하는 티탄산바륨 40부와 혼합되었다. 얻어진 혼합물은 150±20 ㎛의 평균 두께 및 50 mm×70 mm의 치수를 갖도록 블레이드 코팅에 의해 20 ㎛ 이하의 평균 두께를 갖는 탄소 파이버(XN-100-05M, Nippon Graphite Fiber Corporation에 의해 제조됨)를 그 위에 갖도록 형성되어 있던 PET 필름 상에 도포되었고, 이에 의해 중간층 전구체를 얻었다. 다음에, 탄소 파이버(XN-100-05M, Nippon Graphite Fiber Corporation에 의해 제조됨)가 20 ㎛ 이하의 평균 두께를 갖도록 중간층 전구체의 표면 상에 도포되었다. 다음에, 결과물은 30분 동안 120℃에서 가열되었다. 다음에, 중간층 전구체의 일 측면은 이하의 조건 하에서 전자빔 조사 처리를 받게 되었다. 따라서, 소자가 얻어졌다.
<전자빔 조사 처리 조건>
장치: 라인형 저에너지 전자빔 조사원(Hamamatsu Photonics K.K.에 의해 제조됨)
조사 선량: 1 MGy
반응 분위기: 질소(산소 분압: 5,000 ppm 이하)
<평가>
얻어진 소자는 예 1에서와 동일한 방식으로 평가되었다. 결과는 표 1-1-2 내지 1-1-3에 제공되어 있다.
(예 19)
<소자의 제조>
소자는 불활성화 처리가 수행되지 않았고 이하의 제1 전극 및 제2 전극이 사용되었던 것을 제외하고는, 예 1에서와 동일한 방식으로 제조되었다.
<<제1 전극 및 제2 전극>>
5%의 CNT(탄소 나노튜브, VGCF-H, Showa Denko K.K.에 의해 제조됨)가 실리콘 고무(DY35-2083, Toray Industries, Inc.에 의해 제조됨) 내에 혼입되었던 50 ㎛의 평균 두께를 갖는 시트가 제1 전극 및 제2 전극으로서 사용되었다.
<평가>
얻어진 소자는 예 1에서와 동일한 방식으로 평가되었다. 결과는 표 1-1-2 내지 1-1-3에 제공되어 있다.
(예 20)
<소자의 제조>
소자는 불활성화 처리가 수행되지 않았고 이하의 제1 전극 및 제2 전극이 사용되었던 것을 제외하고는, 예 1에서와 동일한 방식으로 제조되었다.
<<제1 전극 및 제2 전극>>
10%의 CNT(탄소 나노튜브, VGCF-H, Showa Denko K.K.에 의해 제조됨)가 실리콘 고무(DY35-2083, Toray Industries, Inc.에 의해 제조됨) 내에 혼입되었던 50 ㎛의 평균 두께를 갖는 시트가 제1 전극 및 제2 전극으로서 사용되었다.
<평가>
얻어진 소자는 예 1에서와 동일한 방식으로 평가되었다. 결과는 표 1-1-2 내지 1-1-3에 제공되어 있다.
(예 21 내지 27)
<소자의 제조>
소자는, 중간층의 제조에 있어서, 첨가제가 이하의 첨가제 중 임의의 하나로 변경되었던 것을 제외하고는, 예 1에서와 동일한 방식으로 제조되었다.
<첨가제>
예 21: 산화티탄(CR-90, ISHIHARA SANGYO KAISHA, LTD.에 의해 제조됨)
예 22: 실리카(R972, NIPPON AEROSIL CO., LTD.에 의해 제조됨)
예 23: 멜라민(EPOSTAR S12, NIPPON SHOKUBAI CO., LTD.에 의해 제조됨)
예 24: 합성 하이드로칼사이트(DHT-4A, Kyowa Chemical Industry Co., Ltd.에 의해 제조됨)
예 25: 적색 산화철(100ED, TODA KOGYO CORP.에 의해 제조됨)
예 26: PTFE(KTL-8N, KITAMURA LIMITED에 의해 제조됨)
예 27: 풀러렌(NANOM PURPLE ST, Frontier Carbon Corporation에 의해 제조됨)
<평가>
얻어진 소자는 예 1에서와 동일한 방식으로 평가되었다. 결과는 표 1-1-2 내지 1-1-3에 제공되어 있다.
(예 28 내지 30)
<소자의 제조>
소자는, 중간층의 제조에 있어서, 베이스 재료가 이하의 베이스 재료 중 임의의 하나로 변경되었던 것을 제외하고는, 예 1에서와 동일한 방식으로 제조되었다.
<베이스 재료>
예 28: 플루오로실리콘 고무(X36-420U, Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.에 의해 제조됨)
예 29: 우레탄 고무(ADAPT 60L, NISSIN RESIN Co., Ltd.에 의해 제조됨)
예 30: 아크릴 고무(NIPOL AR51, ZEON CORPORATION에 의해 제조됨)
<평가>
얻어진 소자는 예 1에서와 동일한 방식으로 평가되었다. 결과는 표 1-1-2 내지 1-1-3에 제공되어 있다.
(예 31)
<소자>
예 1에서 제조된 소자가 사용되었다.
<평가>
예 1에서 제조된 소자의 2개의 대향하는 전극은 상이한 특성을 갖도록 함수 발생기(FG-274; TEXIO TECHNOLOGY CORPORATION에 의해 제조됨)의 전극에 접속되었고, 이어서 그에 전압을 인가하였다. 소리의 가청성은 그로부터 1 m 이격한 위치에서 결정되었다. 소리가 모든 주파수에서 가청성이었으면, 합격 등급으로서 결정되었다. 결과는 표 1-3에 제공되어 있다.
<인가 조건>
· CMOS 출력±5 V
· 사각파(듀티비 50%)
· 주파수: 400 Hz, 2 kHz, 12 kHz
(비교예 1)
<소자의 제조>
소자는 표면 개질 처리도 불활성화 처리도 수행되지 않았던 것을 제외하고는, 예 1에서와 동일한 방식으로 제조되었다.
<평가>
얻어진 소자는 예 1에서와 동일한 방식으로 평가되었다. 결과는 표 1-2-2 내지 1-2-3에 제공되어 있다.
(비교예 2)
<소자의 제조>
소자는 표면 개질 처리가 수행되지 않았던 것을 제외하고는, 예 9에서와 동일한 방식으로 제조되었다.
<평가>
얻어진 소자는 예 1에서와 동일한 방식으로 평가되었다. 결과는 표 1-2-2 내지 1-2-3에 제공되어 있다.
(비교예 3 내지 15)
<소자의 제조>
소자는, 중간층의 제조에 있어서, 베이스 재료 및 첨가제가 표 1-2-1에 제시된 베이스 재료 및 첨가제로 변경되었던 것을 제외하고는, 비교예 1에서와 동일한 방식으로 제조되었다.
<평가>
얻어진 소자는 예 1에서와 동일한 방식으로 평가되었다. 결과는 표 1-2-2 내지 1-2-3에 제공되어 있다.
(비교예 16)
<소자의 제조>
소자는 압전 필름 시트(3-1004346-0: 100 ㎛, Tokyo Sensor Co., Ltd.에 의해 제조됨)가 중간층으로서 사용되었던 것을 제외하고는, 비교예 1에서와 동일한 방식으로 제조되었다.
<평가>
얻어진 소자는 예 1에서와 동일한 방식으로 평가되었다. 결과는 표 1-2-2 내지 1-2-3에 제공되어 있다.
(비교예 17)
<소자의 제조>
CYTOP(CTL-809A; ASAHI GLASS CO., LTD.에 의해 제조됨)이 하부 금속 전극 상에 스핀코딩되고, 이어서 30분 동안 실온에서 방치되고, 오븐 내에서 1시간 동안 50℃에서 전경화(precure)를 그리고 1시간 동안 300℃에서 후경화(postcure)를 받게 되어 이에 의해 약 10 ㎛의 코팅 두께를 갖는 샘플을 얻었다.
그 후에, 얻어진 샘플은 코로나 방전을 받게 되어 이에 의해 이하의 조건 하에서 대전되게 되었다.
코로나 방전 디바이스는 서로 대향하도록 배열된 코로나 바늘 및 전극, 및 코로나 바늘과 전극 사이에 배열된 그리드를 구비하였다. 코로나 방전이 고전압 DC 전원(HAR-20R5; Matsusada Precision Inc.에 의해 제조됨)에 의해 수행되는 것이 가능하였다. 그리드를 위한 전원이 그리드에 전압을 인가하는 것이 가능하였다.
소자는, 이하의 조건 하에서 핫플레이트 상에서 가열하면서 디바이스를 사용하여 박막을 대전함으로써(박막을 일렉트렛으로 변환함) 제조된 중간층이 사용되었던 것을 제외하고는, 비교예 1과 동일한 방식으로 제조되었다.
<대전 조건>
코로나 바늘 전압: -10 kV
그리드 전압: -1 kV
플레이트 온도: 100℃
<평가>
얻어진 소자는 예 1에서와 동일한 방식으로 평가되었다. 결과는 표 1-2-2 내지 1-2-3에 제공되어 있다.
(비교예 18)
<소자의 제조>
소자는 표면 개질 처리도 불활성화 처리도 수행되지 않았던 것을 제외하고는, 예 1에서와 동일한 방식으로 제조되었다.
<평가>
얻어진 소자는 예 31에서와 동일한 방식으로 평가되었다. 결과는 표 1-3에 제공되어 있다.
[표 1-1-1]
Figure pct00001
[표 1-1-2]
Figure pct00002
[표 1-1-3]
Figure pct00003
[표 1-2-1]
Figure pct00004
[표 1-2-2]
Figure pct00005
[표 1-2-3]
Figure pct00006
비교예 5: 산화티탄(CR-90, ISHIHARA SANGYO KAISHA, LTD.에 의해 제조됨)
비교예 6: 실리카(R972, NIPPON AEROSIL CO., LTD.에 의해 제조됨)
비교예 7: 멜라민(EPOSTAR S12, NIPPON SHOKUBAI CO., LTD.에 의해 제조됨)
비교예 8: 합성 하이드로탈사이트(DHT-4A, Kyowa Chemical Industry Co., Ltd.에 의해 제조됨)
비교예 9: 적색 산화철(100ED, TODA KOGYO CORP.에 의해 제조됨)
비교예 10: PTFE(KTL-8N, KITAMURA LIMITED에 의해 제조됨)
비교예 11: 풀러렌(NANOM PURPLE ST, Frontier Carbon Corporation에 의해 제조됨)
비교예 13: 플루오로실리콘 고무(X36-420U, Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.에 의해 제조됨)
비교예 14: 우레탄 고무(ADAPT 60L, NISSIN RESIN Co., Ltd.에 의해 제조됨)
비교예 15: 아크릴 고무(NIPOL AR51, ZEON CORPORATION에 의해 제조됨)
[표 1-3]
Figure pct00007
이하의 내용이 상기 결과로부터 드러났다.
예 1 내지 9 및 비교예 1 및 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 표면 개질 처리 및 불활성화 처리를 수행함으로써, 즉 3 내지 4개의 산소 원자에 결합된 실리콘 원자를 함유하는 폴리오가노실록산을 함유하는 중간층을 제공함으로써 중간층의 경도 및 따라서 변형량이 변화되었고 이에 의해 발전 효과를 향상하였다.
또한, 예 10, 11 및 16 내지 20으로부터 알 수 있는 바와 같이, 불활성화 처리가 수행되지 않았던 경우에도, 3 내지 4개의 산소 원자에 결합된 실리콘 원자를 함유하는 폴리오가노실록산을 함유하는 중간층이 형성되는 한, 발전 효과는 예 1에서와 동일한 방식으로 향상되었지만, 발전 효과는 예 1에 비해 열등하였다.
또한, 예 15 내지 17로부터 알 수 있는 바와 같이, 중간층이 어떠한 첨가제도 함유하지 않는 경우에도, 3 내지 4개의 산소 원자에 결합된 실리콘 원자를 함유하는 폴리오가노실록산을 함유하는 중간층이 형성되는 한, 발전 효과는 예 1에서와 동일한 방식으로 향상되었지만, 발전 효과는 예 1에 비해 열등하였다.
또한, 예 13, 14 및 21 내지 30과 비교예 3 내지 15로부터 알 수 있는 바와 같이, 베이스 재료 및 첨가제의 유형 및 이들의 양이 변화하였던 경우에도, 3 내지 4개의 산소 원자에 결합된 실리콘 원자를 함유하는 폴리오가노실록산을 함유하는 중간층이 표면 개질 처리 및 불활성화 처리를 통해 형성되는 한, 발전 효과는 예 1에서와 동일한 방식으로 향상되었지만, 발전 효과는 예 1에 비해 열등하였다.
또한, 예 1 및 12로부터 알 수 있는 바와 같이, 발전 효과는 폴리오가노실록산 함유층과 그에 대향하는 전극 사이에 공간을 제공함으로써 향상되었다.
또한, 비교예 18과 비교할 때, 예 31은 전압이 그에 인가되었을 때 주파수에 독립적으로 동작되었다. 따라서, "역압전 효과"는 표면 개질 처리 및 불활성화 처리를 통해 3 내지 4개의 산소 원자에 결합된 실리콘 원자를 함유하는 폴리오가노실록산을 함유하는 중간층을 형성함으로써 발생된다는 것을 알 수 있다.
본 발명의 양태는 예를 들어, 이하와 같다.
<1> 제1 전극;
중간층; 및
제2 전극을 포함하고,
제1 전극, 중간층, 및 제2 전극은 이 순서로 적층되어 있고,
중간층은 가요성을 갖고,
압력이 중간층의 표면에 직교하는 방향으로 중간층에 인가될 때 중간층의 제1 전극측에서의 변형량은 중간층의 제2 전극측에서의 변형량과는 상이한 소자.
<2> 제1 전극;
중간층; 및
제2 전극을 포함하고,
제1 전극, 중간층, 및 제2 전극은 이 순서로 적층되어 있고,
중간층은 가요성을 갖고,
중간층의 제1 전극측에서 10 ㎛의 압입 깊이에서의 유니버설 경도(H1)는 중간층의 제2 전극측에서 10 ㎛의 압입 깊이에서의 유니버설 경도(H2)와는 상이한 소자.
<3> <2>에 있어서, 유니버설 경도(H1) 대 유니버설 경도(H2)의 비(H1/H2)는 1.01 이상인 소자.
<4> <1> 내지 <3> 중 어느 하나에 있어서, 중간층은 3 내지 4개의 산소 원자에 결합된 실리콘 원자를 포함하는 폴리오가노실록산을 포함하는 소자.
<5> <4>에 있어서, 중간층의 두께 방향에서의 산소 농도 프로파일은 국부적 최대값을 갖는 소자.
<6> <4> 또는 <5>에 있어서, 중간층의 두께 방향에서의 탄소 농도 프로파일은 국부적 최소값을 갖는 소자.
<7> <6>에 있어서, 중간층에서, 산소 농도 프로파일이 국부적 최대값을 취하는 위치는 탄소 농도 프로파일이 국부적 최소값을 취하는 위치와 동일한 소자.
<8> <1> 내지 <7> 중 어느 하나에 있어서, 중간층은 정지 상태에서 어떠한 표면 전위도 갖지 않는 소자.
<9> <1> 내지 <8> 중 어느 하나에 있어서, 중간층과 제1 전극 및 제2 전극 중 적어도 하나 사이에 공간이 존재하는 소자.
<10> <1> 내지 <9> 중 어느 하나에 따른 요소를 포함하는 발전 장치.
1: 제1 전극
2: 제2 전극
3: 중간층

Claims (10)

  1. 소자에 있어서,
    제1 전극;
    중간층; 및
    제2 전극
    을 포함하고,
    상기 제1 전극, 상기 중간층, 및 상기 제2 전극은 이 순서로 적층되어 있고,
    상기 중간층은 가요성을 갖고,
    상기 중간층의 상기 제1 전극측에서의 경도는 상기 중간층의 상기 제2 전극측에서의 경도와는 상이하며,
    압력이 상기 중간층의 표면에 직교하는 방향으로 상기 중간층에 인가될 때 상기 중간층의 상기 제1 전극측에서의 변형량은 상기 중간층의 상기 제2 전극측에서의 변형량과는 상이한 것인 소자.
  2. 소자에 있어서,
    제1 전극;
    중간층; 및
    제2 전극
    을 포함하고,
    상기 제1 전극, 상기 중간층, 및 상기 제2 전극은 이 순서로 적층되어 있고,
    상기 중간층은 가요성을 가지며,
    상기 중간층의 상기 제1 전극측에서 10 ㎛의 압입(indentation) 깊이에서의 유니버설 경도(H1)는 상기 중간층의 상기 제2 전극측에서 10 ㎛의 압입 깊이에서의 유니버설 경도(H2)와는 상이한 것인 소자.
  3. 제2항에 있어서, 상기 유니버설 경도(H1) 대 상기 유니버설 경도(H2)의 비(H1/H2)는 1.01 이상인 것인 소자.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중간층은 3 내지 4개의 산소 원자에 결합된 실리콘 원자를 포함하는 폴리오가노실록산을 포함하는 것인 소자.
  5. 제4항에 있어서, 상기 중간층의 두께 방향에서의 산소 농도 프로파일은 국부적 최대값을 갖는 것인 소자.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 중간층의 두께 방향에서의 탄소 농도 프로파일은 국부적 최소값을 갖는 것인 소자.
  7. 제6항에 있어서, 상기 중간층에서, 상기 산소 농도 프로파일이 상기 국부적 최대값을 취하는 위치는 상기 탄소 농도 프로파일이 상기 국부적 최소값을 취하는 위치와 동일한 것인 소자.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중간층은 정지 상태에서 어떠한 표면 전위도 갖지 않는 것인 소자.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중간층과, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 적어도 하나 사이에 공간이 존재하는 것인 소자.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 상기 소자를 포함하는 발전 장치.
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