KR20170087122A - 마찰전기 발전기 및 그 제조방법 - Google Patents

마찰전기 발전기 및 그 제조방법 Download PDF

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김병준
류정호
이주열
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Abstract

본 발명은 마찰전기 발전기 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전기는 상호 대향 배치된 제1 전극 및 제2 전극; 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 개재되고, 유전체를 포함하는 제1 마찰층; 상기 제1 마찰층으로부터 이격되어 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 개재되고, 비표면적을 확장하는 마찰전기소재를 포함하는 제2 마찰층을 포함한다.

Description

마찰전기 발전기 및 그 제조방법{TRIBOELECTRIC GENERATOR AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 마찰전기 발전기 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 본 발명은 비표면적을 확장하고 정전용량을 증가시키는 마찰전기소재를 이용한 마찰전기 발전기 및 그 제조방법에 관한 것이다.
정전기는 두 개의 서로 다른 물체가 접촉하였을 때 각각의 물질에서 전하들이 편극되어 전하가 상대를 향하여 병행하는 전기 이중층을 형성하여 발생한다.
그 후, 두 물체가 분리되면 전기 이중층의 전하 분리가 일어나 두 개의 물체에는 각각 극성이 다른 전하가 발생하며, 대부분의 물질에서 정전기가 발생한다.
대부분의 물질에서 정전기의 효과를 볼 수 있기 때문에 정전기를 이용한 에너지 하베스팅은 물질적인 제한과 기존의 압전 소자에서의 출력보다 더 높은 값을 예상할 수 있다.
최근, 마찰전기 발전기가 정전기와 연계된 마찰전기 효과를 바탕으로 에너지를 하베스팅하는 수단으로 대두되고 있다. 에너지 전환은 마찰전기성의 극성에 있어서 차이가 있는 두 물질 사이의 접촉에 의해 달성된다.
그러나 기존의 마찰전기 발전기는 발전 소재로 주로 플라스틱 필름을 사용하였으며, 발전소재의 표면적을 늘리는데 한계가 있고 정전요량이 작아서 이를 극복하기 위한 새로운 소재의 발굴이 필요한 상황이다.
한국공개특허공보 제10-2005-0094712호(2005.09.28)
본 발명은 비표면적이 확장되는 젤 전해질 미세파이버를 발전층으로 사용하여 정전용량이 증가된 마찰전기 발전기를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명은 전기 방사 방법으로 젤 전해질 미세파이버를 제조하여 대면적과 두께 조절이 용이한 마찰전기 발전기의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상호 대향 배치된 제1 전극 및 제2 전극; 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 개재되고, 유전체를 포함하는 제1 마찰층; 상기 제1 마찰층으로부터 이격되어 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 개재되고, 비표면적을 확장하는 마찰전기소재를 포함하는 제2 마찰층을 포함하는 마찰전기 발전기를 제공한다.
또한, 상기 마찰전기소재는 젤 전해질 미세파이버일 수 있다.
또한, 상기 젤 전해질 미세파이버의 이온 농도를 이용하여 발전 출력을 조절할 수 있다.
또한, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 각각은 금속 박막 또는 전도성 기판으로 구성될 수 있다.
또한, 상기 제1 마찰층과 상기 제2 마찰층을 이격시키는 스페이서를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, (a) 제1 전극 상에 유전체로 제1 마찰층을 형성하는 단계; (b) 제2 전극 상에 젤 전해질 미세파이버로 제2 마찰층을 형성하는 단계; 및 (c) 상기 제1 마찰층 및 상기 제2 마찰층을 사이에 두고 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극을 상호 대향 배치하는 단계를 포함하는 마찰전기 발전기의 제조방법을 포함할 수 있다.
또한, 상기 (b) 단계에서는 전기 방사 방법으로 상기 젤 전해질 미세파이버를 형성할 수 있다.
또한, 상기 (b) 단계에서는 상기 젤 전해질 미세파이버의 이온 농도를 조절하여 상기 제2 마찰층을 형성할 수 있다.
또한, 상기 (c) 단계에서는 상기 제1 마찰층과 상기 제2 마찰층을 이격시키는 스페이서를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명은 마찰전기소재로 젤 전해질 미세파이버를 사용함으로써 비표면적을 극대화할 수 있고, 정전용량을 증가시켜 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 젤 전해질 미세파이버의 이온 농도를 조절하여 출력을 조절할 수 있다.
또한, 본 발명은 전기 방사 방법으로 젤 전해질 미세파이버를 형성하여 대면적을 쉽게 커버할 수 있고, 두께를 쉽게 조절할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전기의 구성을 예시적으로 나타내는 단면도이다.
도 2 내지 도 4는 도 1에 도시된 마찰전기 발전기의 발전 원리를 나타내는 도면들이다.
도 5 내지 도 8은 전기 방사된 젤 전해질 미세파이버의 주사전자현미경 이미지를 나타낸 것이다.
도 9 및 도 10은 젤 전해질의 이온 농도 변화에 따른 마찰전기 발전기의 발전 특성 변화를 나타내는 그래프들이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전기의 제조방법을 나타내는 순서도이다.
도 12는 젤 전해질 미세파이버를 형성하는 전기 방사 공정을 나타내는 도면이다.
이하에서는, 본 발명의 바람직한 실시예에 기초하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 그러나, 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 일 예에 불과한 것으로 이에 의해 본 발명의 권리범위가 축소되거나 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전기의 구성을 예시적으로 나타내는 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전기는 제1 전극(10), 제2 전극(20), 제1 마찰층(30), 제2 마찰층(40) 및 스페이서(50)를 포함할 수 있다.
제1 전극(10) 및 제2 전극(20)은 상호 대향 배치될 수 있다. 또한, 제1 전극(10) 및 제2 전극(20) 각각은 금속 박막, 예컨대, 알루미늄(Al), 구리(Cu, 금(Au), 은(Ag) 중 선택된 하나 또는 합금으로 형성된 필름(film)이나 포일(foil)로 형성될 수 있다. 이때, 제1 전극(10) 및 제2 전극(20) 각각은 절연 기판 상에 배치될 수 있다.
또는, 제1 전극(10) 및 제2 전극(20) 각각은 플렉서블 및 전도성 기판으로 구성될 수 있다. 예를 들면, 제1 전극(10) 및 제2 전극(20) 각각은 금속 기판 및 전도성 고분자 기판일 수 있다.
제1 마찰층(30)은 외력에 의해 이종(異種)인 제2 마찰층(40)과 마찰하여 마찰전기를 유도할할 수 있다. 여기서, 제1 마찰층(30)은 제1 전극(10) 및 제2 전극(20) 사이에 개재되고, 유전체로 형성될 수 있다. 예를 들면, 제1 마찰층(30)은 제1 전극(10) 상에 배치될 수 있다. 또한, 제1 마찰층(30)은 PDMS, PTFE, FEP, PVC, 폴리이미드(polyimide) 중 선택된 하나 또는 그 합성물로 형성될 수 있다. 예를 들면, 제1 마차츨(30)은 캡톤(kapton)으로 형성될 수 있다.
제2 마찰층(40)은 제1 마찰층(30)과 마찰하고 마찰전기 효과에 따라 마찰전기를 유도할 수 있다. 여기서, 제2 마찰층(40)은 제1 마찰층(30)으로부터 이격되어 제1 전극(10) 및 제2 전극(20) 사이에 개재될 수 있다. 또한, 제2 마찰층(40)은 비표면적을 확장하는 마찰전기소재를 포함할 수 있다.
여기서, 마찰전기소재는 젤 전해질 미세파이버(ion gel finefiber)일 수 있다. 젤 전해질 미세파이버는 전해질을 포함하고 젤(gel) 상의 미세 크기의 파이버 형상으로 이루어진 것을 의미할 수 있다. 이러한 젤 전해질 미세파이버는 비표면적을 극대화할 수 있고, 정전용량을 증가시켜 마찰전기 발전기의 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 있어서, 미세파이버는 직경이 수십 마이크로미터 이하인 파이버를 의미할 수 있다. 만약, 미세파이버가 수백 마이크로미터의 직경으로 형성될 경우, 전기 방사 방법을 이용한 제조상의 문제점이나, 미세파이버의 비표면적 저하를 유발할 수 있다.
또한, 젤 전해질 미세파이버는 전기 방사 방법으로 형성되어 대면적(예컨대, 약 16㎝ㅧ 약16㎝)을 커버할 수 있고, 두께(예컨대, 약 10㎛ ~ 약 1000㎛)를 쉽게 조절할 수 있다.
또한, 젤 전해질 미세파이버는 이온 농도에 따라 마찰전기 발전기의 발전 출력을 조정할 수 있다.
이하에서는 도 2 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전기의 발전 원리를 설명한다.
도 2 내지 도 4는 도 1에 도시된 마찰전기 발전기의 발전 원리를 나타내는 도면들이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전기는 도 2와 같이 기본 상태에서 제1 전극(10)과 제2 전극(20) 사이에 전위차가 없기 때문에 제1 마찰층(30)과 제2 마찰층(40) 각각의 표면에 전하가 없는 상태를 유지할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전기는 도 3과 같이 외력에 의해 제1 마찰층(30)과 제2 마찰층(40)이 접촉한 상태에서 마찰전기 효과에 의해 제1 마찰층(30)과 제2 마찰층(40) 각각의 표면으로 전하가 이동할 수 있다.
마찰전기 시리즈에 따라, 제1 마찰층(30)은 강한 마찰 음극성을 갖게 되고, 음전하 및 양전하 각각이 제1 마찰층(30) 및 제2 마찰층(40)의 표면에 유도될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전기는 도 4와 같이 제1 마찰층(30)과 제2 마찰층(40)이 이격될 때 쌍극자 모멘트가 더 강해지고, 제1 전극(10)과 제2 전극(20) 사이에 강한 전위차가 발생될 수 있다. 이에, 전자들이 음전위에서 양전위로 흘러 마찰전기 발전기가 발전할 수 있다.
이하에서는 도 5 내지 도 10을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전기의 젤 전해질 농도에 따른 출력 변화를 설명한다.
도 5 내지 도 8은 전기 방사된 젤 전해질 미세파이버의 주사전자현미경 이미지를 나타낸 것이다.
도 5 내지 도 8에서는 젤 전해질의 농도 변화(약 0wt%, 약 2wt%, 약 5wt%, 약 10wt%)에 따른 젤 전해질 미세파이버의 주사전자현미경 이미지를 보여준다.
여기서, 젤 전해질의 농도는 전해질 용액과 고분자 물질의 혼합물에서 전해질 용액의 중량비율을 의미할 수 있다.
예를 들면, 젤 전해질의 농도를 약 2 wt%로 만드는 것은 솔벤트(아세톤) 약 1g에 약 0.012g의 전해질 용액과 약 0.6g의 고분자 물질을 혼합하여 형성할 수 있다. 여기서, 솔벤트는 젤 전해질 미세파이버를 제조하는 과정에서 증발하기 때문에 젤 전해질의 농도 변화에 영향을 주지 않으므로 솔벤트의 중량비율을 고려하지 않는다. 이때, 솔벤트와 고분자 물질은 양을 고정시키고, 전해질 용액의 중량비율을 조정하여 젤 전해질의 농도를 변화시킬 수 있다.
또는, 젤 전해질의 농도를 약 5 wt%로 만드는 것은 솔벤트(아세톤) 약 1g에 약 0.031g의 전해질 용액과 약 0.6g의 고분자 물질을 혼합하여 형성할 수 있다.
또는, 젤 전해질의 농도를 약 10 wt%로 만드는 것은 솔벤트(아세톤) 약 1g에 약 0.066g의 전해질 용액과 약 0.6g의 고분자 물질을 혼합하여 형성할 수 있다.
여기서, 전해질 용액은 EMIM-TFSI[1-ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide], BMIM-TFSI[1-butyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide], FAP 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 고분자 물질은 폴리플루오린화비닐리덴(PVDF), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리염화비닐(PVP), 폴리스타일렌(PS) 공중합체 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
도 9 및 도 10은 젤 전해질의 이온 농도 변화에 따른 마찰전기 발전기의 발전 특성 변화를 나타내는 그래프들이다. 도 9에서 가로축은 시간, 세로축은 전압으로 설정될 수 있다. 또한, 도 10에서 가로축은 시간, 세로축은 전류밀도로 설정될 수 있다.
여기서는, 약 50N의 압력을 약 5Hz의 주기로 인가한 상태에서 마찰전기 발전기의 출력을 측정할 수 있다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 젤 전해질 미세파이버가 적용된 마찰전기 발전기는 젤 전해질의 이온 농도에 따라 출력을 조절할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전기는 마찰전기소재로 젤 전해질 미세파이버를 사용함으로써 비표면적을 극대화할 수 있고, 정전용량을 증가시켜 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전기는 젤 전해질 미세파이버의 이온 농도를 조절하여 출력을 조절할 수 있다.
이하에서는 도 11 및 도 12를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전기의 제조방법을 설명한다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전기의 제조방법을 나타내는 순서도이다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전기의 제조방법은 제1 전극 상에 유전체로 제1 마찰층을 형성하는 단계(S100), 제2 전극 상에 젤 전해질 미세파이버로 제2 마찰층을 형성하는 단계(S200), 및 제1 마찰층 및 제2 마찰층을 사이에 두고 제1 전극 및 제2 전극을 상호 대향 배치하는 단계(S300)를 포함할 수 있다.
단계 S100에서는 제1 전극 상에 유전체를 스핀 코팅하여 제1 마찰층을 형성할 수 있다. 여기서, 유전체는 PDMS, PTFE, FEP, PVC, 폴리이미드(polyimide), 캡톤(kapton) 중 선택된 하나 또는 그 합성물을 포함할 수 있다.
단계 S200에서는 도 12를 참조하여 제2 전극 상에 젤 전해질 미세파이버로 제2 마찰층을 형성할 수 있다. 여기서, 젤 전해질 미세파이버는 전기 방사 방법으로 형성할 수 있다.
우선, 시린지 펌프(syringe pump)(110), 접지된 콜렉터(collector)(120), 고전압 파워 서플라이(power supply)(130)를 준비한다.
다음, 전해질 용액을 시린지 펌프(110)에 채운 상태에서 시린지 펌프(110)의 노즐에 높은 DC 전압을 인가하여 전해질 용액을 대전시키고, 시린지 펌프(110)의 노즐을 콜렉터(120)를 향해 배치한다. 여기서, 전해질 용액의 이온 농도는 발전 출력을 조절하기 위해 다양하게 변경될 수 있다.
다음, 콜렉터(120) 상에 금속(예컨대, 알루미늄) 포일(foil)을 배치하고, 시린지 펌프(110)를 가압하여 시린지 펌프(110)의 노즐로 전해질 용액을 분출시킨다. 이를 통해, 젤 전해질 미세파이버로 이루어진 제2 마찰층을 형성할 수 있다.
여기서, 콜렉션 시간을 조절하여 젤 전해질 미세파이버의 커버 면적과 두께를 조절할 수 있다. 예를 들면, 약 16㎝ㅧ16㎝의 커버 면적과 약 50㎛의 두께로 젤 전해질 미세파이버를 만들 경우, 콜렉션 시간을 약 40분으로 설정할 수 있다.
단계 S300에서는 제1 마찰층과 제2 마찰층을 사이에 두고 제1 전극과 제2 전극을 상호 대향 배치할 수 있다.
이때, 단계 S300에서는 제1 마찰층과 제2 마찰층을 미리 설정된 간격으로 이격시키는 스페이서를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
여기서, 스페이서는 고분자 물질로 형성할 수 있다. 또한, 스페이서는 제1 마찰층과 제2 마찰층을 이격시키기 위해 약 1mm의 두께로 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전기의 제조방법은 전기 방사 방법으로 젤 전해질 미세파이버를 형성하여 대면적을 쉽게 커버할 수 있고, 두께를 쉽게 조절할 수 있다.
이상에서 본 발명에 대한 기술 사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.
10: 제1 전극
20: 제2 전극
30: 제1 마찰층
35: 젤 전해질 미세파이버
40: 제2 마찰층
50: 스페이서
110: 시린지 펌프
120: 콜렉터
130: 파워 서플라이

Claims (9)

  1. 상호 대향 배치된 제1 전극 및 제2 전극;
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 개재되고, 유전체를 포함하는 제1 마찰층;
    상기 제1 마찰층으로부터 이격되어 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 개재되고, 비표면적을 확장하는 마찰전기소재를 포함하는 제2 마찰층;
    을 포함하는 마찰전기 발전기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 마찰전기소재는 젤 전해질 미세파이버인 것을 특징으로 하는 마찰전기 발전기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 젤 전해질 미세파이버의 이온 농도를 이용하여 발전 출력을 조절하 것을 특징으로 하는 마찰전기 발전기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 각각은 금속 박막 또는 전도성 기판으로 구성된 것을 특징으로 하는 마찰전기 발전기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 마찰층과 상기 제2 마찰층을 이격시키는 스페이서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰전기 발전기.
  6. (a) 제1 전극 상에 유전체로 제1 마찰층을 형성하는 단계;
    (b) 제2 전극 상에 젤 전해질 미세파이버로 제2 마찰층을 형성하는 단계; 및
    (c) 상기 제1 마찰층 및 상기 제2 마찰층을 사이에 두고 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극을 상호 대향 배치하는 단계;
    를 포함하는 마찰전기 발전기의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서는 전기 방사 방법으로 상기 젤 전해질 미세파이버를 형성하는 것을 특징으로 하는 마찰전기 발전기의 제조방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서는 상기 젤 전해질 미세파이버의 이온 농도를 조절하여 상기 제2 마찰층을 형성하는 것을 특징으로 하는 마찰전기 발전기의 제조방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 (c) 단계에서는 상기 제1 마찰층과 상기 제2 마찰층을 이격시키는 스페이서를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰전기 발전기의 제조방법.
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