KR20170125611A - Triboelectric nanogenerator and the manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 마찰전기 자가발전소자(Triboelectric nanogenerator, TENG) 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 절연층, 전극 및 대전층을 포함하여 대전층 및 접촉 물질 간 마찰에 의해 계면에서 전기음성도 차이로부터 발생하는 마찰전하 이동에 따른 전위차를 이용하여 전기 에너지를 발생시키는 마찰전기 자가발전소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a triboelectric nanogenerator (TENG) and a manufacturing method thereof, and more particularly to a triboelectric nanogenerator (TENG) The present invention relates to a triboelectric self-generating device for generating electric energy by using a potential difference caused by a friction charge transfer resulting from a difference, and a manufacturing method thereof.
최근 빠르게 발전하는 전자 산업의 동향은 초소형 전자기기를 넘어 건강, 치료, 환경, 인프라 그리고 보안 등을 목적으로 하는 인체 부착/삽입형 및 웨어러블(wearable) 전자기기와 같은 인간 친화적인 인터페이스로 향하고 있다.Recent trends in the electronics industry are moving beyond microelectronic devices to human friendly interfaces such as human attachment / insertion and wearable electronics for health, care, environment, infrastructure and security.
이러한 동향은 전자기기 시스템의 초 소형화와 함께 전기적 특성뿐만 아니라 유연성과 신축성 같은 기계적 특성 또한 극대화 되어야 한다. 이러한 발전 하에 대부분 전자기기의 구성요소는 이미 성공적으로 요구를 충족 시켰다.These trends should maximize the mechanical properties such as flexibility and elasticity as well as electrical characteristics, along with miniaturization of electronic equipment systems. Under these developments, most electronic components have already met successfully.
다만, 배터리의 경우, 표면적과 용량 간의 밀접한 관계 때문에 다른 구성요소들의 소형화와 발맞추어 많은 발전을 이루지 못했고, 아직까지 요구되는 성능과 용량을 충족하지 못하고 있다.However, due to the close relationship between the surface area and the capacity, the battery has not achieved much development in keeping with the miniaturization of other components, and fails to meet the required performance and capacity.
즉, 보편적인 배터리 시스템은 이러한 동향에 적합하지 못하며, 웨어러블/임베디드 전자기기를 위한 새로운 전력공급 시스템에 대한 연구가 요구되고 있다.That is, universal battery systems are not suitable for this trend, and new power supply systems for wearable / embedded electronic devices are required to be studied.
우리 주변에서 사람과 관련되어 쓰여지지 않고 가장 많이 버려지는 에너지는 걷기, 달리기 심지어 말하거나 숨쉬는 것과 같은 신체 활동으로부터 발생되는 기계적 에너지이다. 이러한 기계적 에너지는 이롭게 사용되지 못하고 일상생활에서 자연스럽게 사라진다.The energy most abandoned without being associated with people around us is the mechanical energy generated by physical activity such as walking, running, even speaking or breathing. These mechanical energies are not beneficially used and disappear naturally in everyday life.
지난 십여년 간 사용되지 않은 채로 사라지는 기계적 에너지를 전기에너지로 변환하기 위한 나노 제네레이터에 대한 많은 연구가 진행되어 왔으며, 나노 제네레이터는 구동원리에 의해 두 가지로 구분할 수 있다.Many researches have been conducted on nano-generators for converting mechanical energy to electrical energy, which have disappeared in the last decade. Nano-generators can be divided into two types according to the driving principle.
첫 번째는 압전 전기 효과에 의한 압전 나노발전소자(Piezoelectric nanogenerator, PENG)이며, 두 번째는 마찰전기를 이용한 마찰전기 나노발전소자(Triboelectric nanogenerator, TENG)이다.The first is a piezoelectric nano generator (PENG) by piezoelectric effect, and the second is a triboelectric nanogenerator (TENG) using triboelectricity.
PENG는 외부 기계적 에너지에 의해 산화아연(ZnO) 및 압전성 세라믹(PZT) 물질 격자의 변형을 야기함으로써, 물질 양단에 분 극이 발생하며, 이 압전 분극의 영향으로 전위차가 발생하여 외부 부하에 순간적으로 전기 에너지를 공급할 수 있다. 그러나, PENG에서 출력되는 전위차는 5V 미만으로 낮은 전기 에너지를 발생시키기 때문에 실제 전자소자를 구동시키기에는 많은 제약이 따른다.PENG causes deformation of zinc oxide (ZnO) and piezoelectric ceramics (PZT) material lattice by external mechanical energy, so that polarization occurs at both ends of the material. Potential difference is generated by this piezoelectric polarization, Electric energy can be supplied. However, since the potential difference output from PENG generates electric energy lower than 5V, there are many restrictions to drive actual electronic devices.
반면, TENG는 최근 몇 년간 활발한 연구가 이루어지는 연구 주제 중 하나로 웨어러블 전자기기를 위한 자가발전 전력 공급장치로써 제시되고 있다.On the other hand, TENG has been proposed as a self-generated power supply device for wearable electronic devices as one of the research subjects that have been actively studied in recent years.
TENG는 서로 다른 대전 물질이 외부 기계적 에너지에 의해 접촉되고, 그 순간 마찰전기 에너지를 발생시킨다. TENG의 출력 에너지를 높이기 위해 표면 패터닝 및 구조적 변화를 통해 많은 연구가 진행되었고 100V 이상의 전압을 발생시키는 것이 가능해졌다.TENG causes different charged materials to come into contact with external mechanical energy, and at the moment generates triboelectric energy. In order to increase the output energy of the TENG, much research has been done through surface patterning and structural changes, and it has become possible to generate voltages over 100V.
하지만, 이러한 접근은 TENG 소자의 두께 증가를 시킬 뿐만 아니라 벌크(bulk) 형태로의 구현을 야기시키고, 이로 인해 TENG 소자는 높은 강도(stiffness)를 갖는다. 그러므로, 벌크 형태의 TENG 소자를 피부 위에 부착시켜 구동한다면 소자의 높은 강도 때문에 사람의 움직임, 외부의 압력, 그리고 피부와 소자간의 접촉은 사람의 피부를 자극하고 변형시켜 불편함을 야기시킨다.However, this approach not only increases the thickness of the TENG element but also leads to implementation in a bulk form, which causes the TENG element to have high stiffness. Therefore, when a bulk-type TENG device is driven on the skin, the movement of the human body due to the high strength of the device, the external pressure, and the contact between the skin and the device stimulate and deform the skin of the person and cause inconvenience.
이러한 이유로 종래의 벌크 형태의 TENG 소자는 인체 부착형 및 인체 삽입형 전자소자를 위한 새로운 에너지 시스템으로써 동작하는 것에 많은 제약이 존재하였다.For this reason, conventional bulk-type TENG devices have many limitations in that they operate as a new energy system for human-body-type and human-body-type electronic devices.
본 발명은 낮은 영률과 낮은 질량을 갖는 물질을 이용해 초박막 형태로 제작하여 피부의 굴곡에 맞게 변형될 수 있는 인체접합형 마찰전기 자가발전소자 및 그 제조 방법을 제공하고자 한다.An object of the present invention is to provide a human joint type frictional electromotive force generator and a method of manufacturing the same, which can be manufactured in an ultra-thin shape using a material having a low Young's modulus and a low mass and can be deformed according to the bending of the skin.
또한, 본 발명은 연속적인 두 가지 플라즈마 처리를 통해 불소계열의 고분자 물질에 비해 상대적으로 낮은 전기음성도를 가지는 음성 대전물질의 전기적 특성을 향상시킬 수 있는 마찰전기 자가발전소자 및 그 제조 방법을 제공하고자 한다.Also, the present invention provides a triboelectrically-powered device capable of improving electrical characteristics of a negative charge material having a relatively low electronegativity relative to a fluorine-based polymer material through two successive plasma treatments, and a method for manufacturing the same I want to.
또한, 본 발명은 하나의 전극으로 유도된 전하의 축적과 방전으로 외부 부하에 전기 에너지를 공급할 수 있는 마찰전기 자가발전소자 및 그 제조 방법을 제공하고자 한다. It is another object of the present invention to provide a triboelectric self-generating device capable of supplying electric energy to an external load by accumulation and discharge of charges induced in one electrode and a method of manufacturing the same.
또한, 본 발명은 피부와 마찰이 가장 많이 일어나는 물질인 옷감과의 접촉으로 외부에 연결된 전자기기를 동작시킴으로써 전력 공급 장치로 응용 가능한 마찰전기 자가발전소자 및 그 제조 방법을 제공하고자 한다.It is another object of the present invention to provide a triboelectric power generator and a method of manufacturing the same, which can be applied to a power supply device by operating an electronic device connected to the outside by contact with a cloth, which is the material most likely to cause friction with skin.
또한, 본 발명은 접촉 면적에 의해 출력 전압이 변화하는 특성을 이용하여 피부에 부착되어 인터페이스(interface)를 구현할 수 있는 마찰전기 자가발전소자 및 그 제조 방법을 제공하고자 한다.The present invention also provides a frictional electromagnetically-powered device and a method of manufacturing the same, wherein the interface can be implemented by attaching to the skin using the characteristic that the output voltage changes depending on the contact area.
본 발명의 실시예에 따른 마찰전기 자가발전소자는 기판으로부터 전달되는 전기적 신호를 차단하는 절연층, 상기 절연층 상에 그래핀층으로 형성된 전극 및 상기 그래핀층 상에 복수의 플라즈마(plasma) 처리를 통한 개선된 전자 친화도(electron affinity) 및 표면 특성을 가지고 유연성(flexible)을 나타내는 음성 대전물질로 형성된 대전층(electrification layer)을 포함하고, 상기 대전층 및 접촉 물질 간 마찰에 의해 계면에서 전기음성도 차이로부터 발생하는 마찰전하 이동(triboelectric charge transfer)에 따른 전위차를 이용하여 전기 에너지를 발생시킨다. The triboelectric power plant according to an embodiment of the present invention includes an insulating layer for shielding an electrical signal transmitted from a substrate, an electrode formed of a graphene layer on the insulating layer, and an improvement layer on the graphene layer through a plurality of plasma treatments And an electrification layer formed of a negative charge material exhibiting flexibility with surface electron affinity and surface characteristics, wherein an electropositive difference at the interface by friction between the charge layer and the contact material And generates electric energy by using a potential difference due to triboelectric charge transfer generated from the electrode.
상기 복수의 플라즈마 처리는 산소(O2) 가스를 이용하여 상기 음성 대전물질의 표면을 처리하는 물리적 방법 및 육플루오린화황(SF6) 가스를 이용하여 상기 물리적 처리된 음성 대전물질의 표면을 처리하는 화학적 방법을 포함할 수 있다.The plurality of the plasma treatment is an oxygen (O 2) using a gas, using a physical method and six fluorine sulfur (SF6) gas to treat the surface of the negative charged substances to treat the surface of a negatively chargeable material the physical treatment Chemical methods.
상기 복수의 플라즈마 처리는 상기 물리적 방법으로부터 상기 음성 대전물질의 표면을 식각하여 나노 구조체를 형성함으로써, 상기 음성 대전물질의 표면적을 증가시킬 수 있다.The plurality of plasma treatments may increase the surface area of the negative charge material by etching the surface of the negative charge material from the physical method to form a nanostructure.
상기 복수의 플라즈마 처리는 상기 화학적 방법으로부터 상기 나노 구조체가 형성된 음성 대전물질의 표면에 붙어있는 원자를 플루오린(fluorine) 원자로 치환하여 상기 접촉에 의한 물질과의 전기음성도 차이를 극대화할 수 있다.The plurality of plasma treatments can maximize a difference in electronegativity with a substance due to the contact by substituting fluorine atoms for atoms attached to the surface of the negative charge material formed with the nanostructure from the chemical method.
상기 복수의 플라즈마 처리는 RIE(Reactive-Ion Etching) 공정을 통한 순차적인 상기 물리적 방법 및 상기 화학적 방법으로 상기 음성 대전물질의 표면을 기능화(functionalization)시킬 수 있다.The plurality of plasma treatments may functionalize the surface of the negative charge material by the sequential physical method and the chemical method through a reactive ion etching (RIE) process.
상기 대전층은 1MPa 내지 2MPa의 영률(young’s modulus) 특성을 가지는 물질인 상기 음성 대전물질로 형성되며 초박막 형태로 제작될 수 있다.The charge layer is formed of the negative charge material having a Young's modulus of 1 MPa to 2 MPa and can be manufactured in an ultra-thin film form.
본 발명의 실시예에 따른 마찰전기 자가발전소자를 이용한 휴먼 인터페이스 장치는 접촉 물질 간 마찰에 의해 계면에서 전기음성도 차이로부터 발생하는 마찰전하 이동(triboelectric charge transfer)에 따른 전위차를 이용하여 전기 에너지를 발생시키는 마찰전기 자가발전소자, 상기 마찰전기 자가발전소자에 접촉된 상기 접촉 물질에 의해 출력되는 전압에 기반하여 서로 다른 레벨에 따른 신호를 해석하는 신호 해석부 및 상기 해석된 신호로부터 사용자로의 정보 제공을 위한 휴먼 인터페이스(Human Interface) 정보를 출력하는 휴먼 인터페이스 정보 출력부를 포함한다.The human interface device using the friction electric power generator according to the embodiment of the present invention generates electric energy using a potential difference due to triboelectric charge transfer generated from the difference in electronegativity at the interface due to the friction between the contact materials A signal analyzer for analyzing a signal according to a different level based on a voltage output by the contact material contacted to the rubbing electromotive force generating element, and a controller for providing information to the user from the interpreted signal And a human interface information output unit for outputting human interface information for the user.
상기 마찰전기 자가발전소자는 기판으로부터 전달되는 전기적 신호를 차단하는 절연층, 상기 절연층 상에 그래핀층으로 형성된 전극 및 상기 그래핀층 상에 복수의 플라즈마(plasma) 처리를 통한 개선된 전자 친화도(electron affinity) 및 표면 특성을 가지고 유연성(flexible)을 나타내는 음성 대전물질로 형성된 대전층(electrification layer)을 포함할 수 있다. The triboelectric power plant includes an insulating layer for blocking an electrical signal transmitted from the substrate, an electrode formed of a graphene layer on the insulating layer, and an electrode formed on the graphene layer by an improved electron affinity and an electrification layer formed of a negative charge material exhibiting affinity and flexibility with surface characteristics.
본 발명의 실시예에 따른 마찰전기 자가발전소자의 제조 방법은 기판으로부터 전달되는 전기적 신호를 차단하는 절연층을 형성하는 단계, 상기 절연층 에 그래핀층으로 구성된 전극을 형성하는 단계 및 상기 그래핀층 상에 복수의 플라즈마(plasma) 처리를 통한 개선된 친화도(electron afficity) 및 표면 특성을 가지고 유연성(flexible)을 나타내는 음성 대전물질로 구성된 대전층(electrification layer)을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 대전층 및 접촉 물질 간 마찰에 의해 계면에서 전기음성도 차이로부터 발생하는 마찰전하 이동(triboelectric charge transfer)에 따른 전위차를 이용하여 전기 에너지를 발생시킨다.A method of manufacturing a triboelectric power plant according to an exemplary embodiment of the present invention includes the steps of forming an insulating layer that blocks electrical signals transmitted from a substrate, forming an electrode composed of a graphene layer on the insulating layer, Forming an electrification layer composed of a negative charge material that exhibits improved affinity with electron affinity and surface properties through a plurality of plasma treatments, And a potential difference due to a triboelectric charge transfer resulting from the difference in electronegativity at the interface due to the friction between the contact materials.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 마찰전기 자가발전소자의 제조 방법은 용액과의 접촉을 통하여 상기 기판으로부터 상기 절연층, 상기 전극 및 상기 대전층을 포함하는 마찰전기 자가발전소자를 분리하는 단계를 더 포함할 수 있다.Further, a method of manufacturing a triboelectric power plant according to an embodiment of the present invention further includes separating a power source from a rubbing electric power source including the insulating layer, the electrode, and the charging layer from the substrate through contact with a solution can do.
상기 대전층을 형성하는 단계는 산소(O2) 가스를 이용하여 상기 음성 대전물질의 표면을 처리하는 물리적 방법 및 육플루오린화황(SF6) 가스를 이용하여 상기 물리적 처리된 음성 대전물질의 표면을 처리하는 화학적 방법을 포함하는 상기 복수의 플라즈마 처리를 이용할 수 있다.Forming the charging layer is a surface of the oxygen (O 2) The by using a gas using a physical method and six fluorine sulfur (SF6) gas to treat the surface of the negatively chargeable material the physical treatment negatively chargeable material And a plurality of plasma treatments including a chemical method of treating the plasma.
상기 복수의 플라즈마 처리는 상기 물리적 방법으로부터 상기 음성 대전물질의 표면을 식각하여 나노 구조체를 형성함으로써, 상기 음성 대전물질의 표면적을 증가시킬 수 있다.The plurality of plasma treatments may increase the surface area of the negative charge material by etching the surface of the negative charge material from the physical method to form a nanostructure.
상기 복수의 플라즈마 처리는 상기 화학적 방법으로부터 상기 나노 구조체가 형성된 음성 대전물질의 표면에 붙어있는 원자를 플루오린(fluorine) 원자로 치환하여 상기 접촉에 의한 물질과의 전기음성도 차이를 극대화할 수 있다.The plurality of plasma treatments can maximize a difference in electronegativity with a substance due to the contact by substituting fluorine atoms for atoms attached to the surface of the negative charge material formed with the nanostructure from the chemical method.
본 발명의 실시예에 따르면, 낮은 영률과 낮은 질량을 갖는 물질을 이용해 초박막 형태로 제작하여 피부의 굴곡에 맞게 변형될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, an ultrathin film can be fabricated using a material having a low Young's modulus and a low mass to be deformed according to the bending of the skin.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 연속적인 두 가지 플라즈마 처리를 통해 불소계열의 고분자 물질에 비해 상대적으로 낮은 전기음성도를 가지는 음성 대전물질의 전기적 특성을 향상시킬 수 있다.Also, according to the embodiment of the present invention, the electrical characteristics of the negative charge material having a relatively low electronegativity relative to the fluorine-based polymer material can be improved through two successive plasma treatments.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 하나의 전극으로 유도된 전하의 축적과 방전으로 외부 부하에 전기 에너지를 공급할 수 있다. Also, according to the embodiment of the present invention, electric energy can be supplied to an external load by accumulation and discharge of electric charge induced in one electrode.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 피부와 마찰이 가장 많이 일어나는 물질인 옷감과의 접촉으로 외부에 연결된 전자기기를 동작시킴으로써 전력 공급장치로써 응용이 가능할 수 있다.In addition, according to the embodiment of the present invention, it is possible to apply the present invention as a power supply device by operating an electronic device connected to the outside by contact with a cloth, which is the material most likely to cause friction with the skin.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 접촉 면적에 의해 출력 전압이 변화하는 특성을 이용하여 피부에 부착되어 인터페이스(interface)를 구현할 수 있다.In addition, according to the embodiment of the present invention, an interface can be implemented by attaching to the skin using the characteristic that the output voltage varies depending on the contact area.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 마찰전기 자가발전소자의 구조의 개략도를 도시한 것이다.
도 2a 내지 도 2g는 본 발명의 실시예에 따른 마찰전기 자가발전소자의 제작 공정의 과정을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 마찰전기 자가발전소자의 음성 대전물질 두께에 따른 접착 에너지(Adhesion Energy)의 실험 결과를 도시한 것이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 실시예에 따른 복수의 플라즈마 처리에 대한 마찰전기 자가발전소자의 러프니스 및 전기적 특성의 실험 결과를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 네 종류 소자의 음성 대전물질 표면의 성분을 분석한 결과를 도시한 것이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 실시예에 따른 네 종류 소자에 대한 단락 전류 및 오픈 전압의 실험 결과를 도시한 것이다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 실시예에 따른 마찰전기 자가발전소자의 저항에 따른 전기 특성 평가 및 전력의 실험 결과를 도시한 것이다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 실시예에 따른 마찰전기 자가발전소자의 지속적인 측정에 따른 전기적 특성 변화의 실험 결과를 도시한 것이다.
도 9a 내지 도 9c는 네 가지 옷감 표면의 표면 분석 및 네 가지 옷감을 사용한 마찰전기 자가발전소자의 전기적 특성에 대한 실험 결과를 도시한 것이다.
도 10a 및 도 10b는 본 발명의 실시예에 따른 마찰전기 자가발전소자와 접촉 물질 간의 접촉력 및 오픈 전압에 대한 실험 결과를 도시한 것이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 마찰전기 자가발전소자를 이용한 휴먼 인터페이스 장치의 구성을 설명하기 위해 도시한 블록도이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 마찰전기 자가발전소자를 이용한 휴먼 인터페이스 장치에 접촉되는 손가락 개수에 대응하는 오픈 전압에 대한 실험 결과를 도시한 것이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 마찰전기 자가발전소자를 이용한 휴먼 인터페이스 장치의 입력 신호에 의한 모스 코드 변환 및 문자 결과를 도시한 것이다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 마찰전기 자가발전소자의 제조 방법을 도시한 흐름도이다. FIG. 1 is a schematic view of a structure of a triboelectric power plant according to an embodiment of the present invention.
FIGS. 2A to 2G illustrate a process of manufacturing a triboelectric power plant according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 shows experimental results of adhesion energy according to the thickness of the negative charge material of the triboelectric power plant according to an embodiment of the present invention.
Figures 4a and 4b illustrate experimental results of the roughness and electrical properties of a frictional electromotive power plant for a plurality of plasma treatments in accordance with an embodiment of the present invention.
FIG. 5 shows the results of analysis of the components of the surface of the negative charge material of the four kinds of devices according to the embodiment of the present invention.
6A and 6B show experimental results of short-circuit current and open-circuit voltage for four kinds of devices according to an embodiment of the present invention.
FIGS. 7A and 7B illustrate experimental results of electrical characteristics and power according to the resistance of a triboelectric power plant according to an embodiment of the present invention.
FIGS. 8A and 8B illustrate experimental results of changes in electrical characteristics according to the continuous measurement of a triboelectric power plant according to an embodiment of the present invention. FIG.
Figures 9a-9c illustrate the surface analysis of four fabric surfaces and the experimental results on the electrical characteristics of the triboelectric power plant using four fabrics.
FIGS. 10A and 10B show experimental results on the contact force and the open voltage between the triboelectroelectric power generating device and the contact material according to the embodiment of the present invention. FIG.
FIG. 11 is a block diagram illustrating a configuration of a human interface device using a friction electric power generator according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG.
FIG. 12 shows experimental results of an open voltage corresponding to the number of fingers in contact with a human interface apparatus using a friction electromagnet according to an embodiment of the present invention.
FIG. 13 illustrates Morse code conversion and character results by an input signal of a human interface device using a friction electromotive power plant according to an embodiment of the present invention.
14 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a triboelectric power plant according to an embodiment of the present invention.
이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings and accompanying drawings, but the present invention is not limited to or limited by the embodiments.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.The terminology used herein is for the purpose of illustrating embodiments and is not intended to be limiting of the present invention. In the present specification, the singular form includes plural forms unless otherwise specified in the specification. It is noted that the terms "comprises" and / or "comprising" used in the specification are intended to be inclusive in a manner similar to the components, steps, operations, and / Or additions.
본 명세서에서 사용되는 “실시예”, “예”, “측면”, “예시” 등은 기술된 임의의 양상(aspect) 또는 설계가 다른 양상 또는 설계들보다 양호하다거나, 이점이 있는 것으로 해석되어야 하는 것은 아니다.As used herein, the terms "embodiment," "example," "side," "example," and the like should be construed as advantageous or advantageous over any other aspect or design It does not.
또한, '또는' 이라는 용어는 배타적 논리합 'exclusive or' 이기보다는 포함적인 논리합 'inclusive or' 를 의미한다. 즉, 달리 언급되지 않는 한 또는 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 'x가 a 또는 b를 이용한다' 라는 표현은 포함적인 자연 순열들(natural inclusive permutations) 중 어느 하나를 의미한다. Also, the term 'or' implies an inclusive or 'inclusive' rather than an exclusive or 'exclusive'. That is, unless expressly stated otherwise or clear from the context, the expression 'x uses a or b' means any of the natural inclusive permutations.
또한, 본 명세서 및 청구항들에서 사용되는 단수 표현("a" 또는 "an")은, 달리 언급하지 않는 한 또는 단수 형태에 관한 것이라고 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 일반적으로 "하나 이상"을 의미하는 것으로 해석되어야 한다.Also, the phrase "a" or "an ", as used in the specification and claims, unless the context clearly dictates otherwise, or to the singular form, .
또한, 본 명세서 및 청구항들에서 사용되는 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.Furthermore, the terms first, second, etc. used in the specification and claims may be used to describe various elements, but the elements should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms (including technical and scientific terms) used herein may be used in a sense commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Also, commonly used predefined terms are not ideally or excessively interpreted unless explicitly defined otherwise.
한편, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고, 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.In the following description of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear. The terminology used herein is a term used for appropriately expressing an embodiment of the present invention, which may vary depending on the user, the intent of the operator, or the practice of the field to which the present invention belongs. Therefore, the definitions of these terms should be based on the contents throughout this specification.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 마찰전기 자가발전소자의 구조의 개략도를 도시한 것이다.FIG. 1 is a schematic view of a structure of a triboelectric power plant according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 마찰전기 자가발전소자(100)는 기판으로부터 전달되는 전기적 신호를 차단하는 절연층을 포함하고, 절연층 상에 형성된 그래핀층으로 형성된 전극을 포함하며, 그래핀층 상에 형성된 복수의 플라즈마 처리를 통한 영률 값을 가지는 음성 대전물질을 포함하여 접촉에 의한 물질간 마찰에 의해 계면에서 전기음성도 차이로부터 발생하는 마찰전하 이동에 따른 전위차를 이용하여 전기 에너지를 발생시킨다.Referring to FIG. 1, a
이를 위해, 본 발명의 실시예에 따른 마찰전기 자가발전소자(100)는 절연층(110), 전극(120) 및 대전층(130)을 포함한다.For this purpose, a triboelectrically
절연층(110)은 기판(미도시)으로부터 전달되는 전기적 신호를 차단한다.The insulating
예를 들면, 절연층(110)은 초박막 고분자(SU-8) 필름으로 구성될 수 있으며, 마찰전기 자가발전소자(100)가 기판에 영향없이 독립된 소자로 동작할 수 있게끔 형성될 수 있다. For example, the insulating
전극(120)은 절연층(110) 상에 그래핀층으로 형성된다.The
실시예에 따라서, 상기 그래핀층은 원자 두께인 2Å의 두께일 수 있으며, 약 0.3nm의 얇은 두께를 지니는 그래핀으로 일반 금속과 비슷한 전기 전도도 특성을 나타낼 수 있다. 또한, 상기 그래핀층은 뛰어난 신축성을 갖고 있어 투명 전극 인듐주석산화물(ITO)과 다르게 굴곡진 기판 상에서도 전기적인 단락 없이 전극으로써 동작이 가능할 수 있다. According to an embodiment, the graphene layer may be 2 Å thick, which is an atomic thickness, and may exhibit electrical conductivity similar to that of a common metal with a thin thickness of about 0.3 nm. In addition, the graphene layer has excellent stretchability, so that it can be operated as an electrode without electrical short circuit even on a bent substrate different from transparent electrode indium tin oxide (ITO).
대전층(electrification layer, 130)은 그래핀층 상에 복수의 플라즈마(plasma) 처리를 통한 개선된 친화도(electron affinity) 및 표면 특성을 가지고 유연성(flexible)을 나타내는 음성 대전물질로 형성된다.An
상기 표면 특성은 음성 대전물질의 표면적 향상 및 표면 거칠기 향상의 특성을 일컫을 수 있다. The surface characteristics may refer to the characteristics of improving the surface area and improving the surface roughness of the negative charge material.
예를 들어, 대전층(130)은 음성 대물질로 사용되는 PDMS(polydimethylsiloxane, 폴리디메틸실록산)으로 구성될 수 있으며, 실시예에 따라서는 약 1.7MPa의 낮은 영률 값을 가지므로 뛰어난 유연성을 나타낼 수 있다. 다만, 상기 음성 대전물질은 전술한 물질에 한정되는 것은 아니며, 영률이 1MPa 내지 2MPa의 물질이거나 두께가 얇은 물질이면 적용가능하다.For example, the
또한, 대전층(130)은 복수의 플라즈마 처리를 통한 음성 대전물질로 형성되며, 상기 복수의 플라즈마 처리는 물리적 방법 및 화학적 방법으로 수행될 수 있다.Also, the
보다 상세하게는, 대전층(130)은 산소(O2) 가스를 이용하여 음성 대전물질의 표면을 처리하는 물리적 방법 및 육플루오린화황(SF6) 가스를 이용하여 물리적 처리된 음성 대전물질의 표면을 처리하는 화학적 방법을 포함하는 복수의 플라즈마 처리로부터 형성될 수 있다. 다만, 플라즈마 처리에 사용되는 산소 가스 및 육플루오린화황 가스는 이에 한정되는 것은 아니며, 음성 대전물질의 친화도 및 표면 특성(표면 거칠기)을 향상시킬 수 있는 가스면 적용가능하다.More specifically, the
복수의 플라즈마 처리는 물리적 방법으로부터 음성 대전물질의 표면을 식각하여 나노 구조체를 형성함으로써, 음성 대전물질의 표면적을 증가시킬 수 있다.The plurality of plasma treatments can increase the surface area of the negative charge material by etching the surface of the negative charge material from the physical method to form the nanostructure.
또한, 복수의 플라즈마 처리는 화학적 방법으로부터 나노 구조체가 형성된 음성 대전물질의 표면에 붙어있는 원자를 플루오린(fluorine) 원자로 치환하여 접촉에 의한 물질과의 전기음성도 차이를 극대화시킬 수 있다.In addition, a plurality of plasma treatments can maximize a difference in electronegativity with a substance due to contact by substituting fluorine atoms for atoms attached to the surface of a negative charge material formed with a nanostructure from a chemical method.
또한, 복수의 플라즈마 처리는 RIE(Reactive-Ion Etching) 공정을 통한 순차적인 물리적 방법 및 화학적 방법으로 음성 대전물질의 기능화(functionalization)시킬 수 있다.In addition, a plurality of plasma treatments can be functionalized with a negative charge material by a sequential physical method and a chemical method through an RIE (Reactive-Ion Etching) process.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 마찰전기 자가발전소자(100)는 물리적 방법 및 화학적 방법을 포함하는 복수의 플라즈마 처리를 통해 음성 대전물질의 표면적을 증가시키고, 기능화하여 마찰전기 효과를 증가시켜 전기 음성도 차이를 극대화시킴으로써, 출력 에너지를 향상시킬 수 있다. That is, the
또한, 본 발명의 실시예에 따른 마찰전기 자가발전소자(100)는 단일 전극에 따른 음성 대전물질로 형성된 대전층을 이용하여, 대전층 및 접촉 물질 간 마찰에 의해 계면에서 전기음성도 차이로부터 발생하는 마찰전하 이동(triboelectric charge transfer)에 따른 전위차를 이용하여 전기 에너지를 발생시킬 수 있다.Further, the triboelectricity
여기서, 상기 접촉에 의한 물질은 옷감(직물), 피부, 웨어러블 기기 및 신체에 부착된 물질 중 적어도 어느 하나일 수 있으므로, 이에 한정되는 것은 아니며, 신체에 부착되어 마찰전기 자가발전소자와 마찰을 발생시킬 수 있는 어느 물질이든 가능할 수 있다. The contact material may be at least one of a fabric, a skin, a wearable device, and a material attached to the wearer's body. Therefore, the present invention is not limited thereto. Any material that can be made is possible.
이하에서는, 도 2a 내지 도 2g를 참조하여 마찰전기 자가발전소자(100)의 제작 공정에 대해 상세히 설명하고자 한다.Hereinafter, the manufacturing process of the tribo-
도 2a 내지 도 2g는 본 발명의 실시예에 따른 마찰전기 자가발전소자의 제작 공정의 과정을 도시한 것이다.FIGS. 2A to 2G illustrate a process of manufacturing a triboelectric power plant according to an embodiment of the present invention.
도 2a를 참조하면, 기판(210)은 마찰전기 자가발전소자(270)의 희생층으로 사용될 수 있으며, 실시예에 따라서, 기판(210)은 PET(polyethyleneterephthalate, 폴리에틸렌테레프탈레이트)로 구성될 수 있고, 약 1μm 이하의 두께로 형성될 수 있다. 2A, the
도 2b를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 마찰전기 자가발전소자(270)의 절연층(220)은 희생층으로 사용되는 기판(210) 상에 형성될 수 있다. Referring to FIG. 2B, the insulating
절연층(220)은 마찰전기 자가발전소자(270) 구조에서 가장 아래에 위치하며, 전극(그래핀층, 230)과 기판(210) 사이에 위치되므로, 핀홀(pinhole) 없이 균일하게 코팅되어야 한다. 이에 따라서, 절연층(220)은 RIE(Reactive-Ion Etching) 공정으로 산소 플라즈마 처리하여 표면 에너지(surface energy)가 향상된 기판(210) 상에 형성되어 기판(210)과의 높은 응집력(adhesion force)을 나타낼 수 있다. The insulating
또한, 절연층(220)은 약 126nm 두께의 초박막 고분자(SU-8) 필름(SU-8 2000)으로 형성될 수 있으며, 기판(210) 상에 희석제(thinner)와 10wt%의 조성비를 갖는 상기 초박막 고분자 필름을 4200 RPM 및 30 sec 조건으로 스핀코팅(spin-coating) 공정하여 형성될 수 있다. The insulating
도 2c를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 마찰전기 자가발전소자(270)의 그래핀층(230)은 절연층(220) 상에 형성될 수 있다. Referring to FIG. 2C, the
실시예에 따라서, 그래핀층(230)은 기판 상에 화학기상성장법(Chemical Vapor Deposition, CVD)을 이용하여 고온(1000℃)의 메탄(CH4) 분위기에서 단층 그래핀(1-Layer Graphene)으로 성장될 수 있다. 또한, 성장된 단층 그래핀은 습식 전사(Wet transfer) 방법으로 초박막 고분자 필름이 코팅된 절연층(220) 상에 전사되어 그래핀층(230)으로 형성될 수 있으며, 그래핀층(230)은 마찰전기 가발전소자(270)의 전극으로 사용될 수 있다.According to an embodiment, the
도 2d를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 마찰전기 자가발전소자(270)의 음성 대전물질(240)은 전사된 그래핀층(230) 상에 코팅될 수 있다.Referring to FIG. 2D, the
예를 들면, 음성 대전물질(240)은 PDMS(polydimethylsiloxane, 폴리디메틸실록산)로 구성될 수 있다.For example, the
실시예에 따라서, 음성 대전물질(240)은 PDMS 탄성중합체(PDMS elastomer) 및 가교제(cross-linker)를 약 10:1 조성비로 혼합한 물질에 노멀 헥산(n-hexane) 용액을 10wt% 조성비로 희석시켜 형성될 수 있다. 희석된 PDMS(diluted PDMS)인 음성 대전물질(240)은 약 600 RPM 및 약 120sec 조건으로 그래핀층(230) 상에서 스핀코팅 공정을 통해 약 70℃의 오븐에서 6시간을 경과 후, 형성될 수 있다. According to the embodiment, the
도 2e를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 마찰전기 자가발전소자(270)는 나노 구조체(251)가 형성된 음성 대전물질(250)을 포함할 수 있으며, 나노 구조체(251)가 형성된 음성 대전물질(250)은 음성 대전물질(240)에 산소 플라즈마 처리를 수행하여 형성될 수 있다. Referring to FIG. 2E, the triboelectric generator 270 according to an exemplary embodiment of the present invention may include a
보다 상세하게는, 나노 구조체(251)가 포함된 음성 대전물질(250)은 음성 대전물질(240)에 산소(O2) 플라즈마 처리를 수행하여 음성 대전물질(240)의 표면을 식각함으로써 형성될 수 있다.More specifically, the
나노 구조체(251)가 포함된 음성 대전물질(250)은 나노 구조체(251)를 포함하여 단위 면적당 유효 표면적이 증가될 수 있고, 보다 높은 마찰과 전하 발생을 야기할 수 있다.The
도 2f를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 마찰전기 자가발전소자(270)의 기능화된 음성 대전물질(260)은 나노 구조체(251)가 포함된 음성 대전물질(250)에 육플루오린화황 가스를 이용한 플라즈마 처리를 수행하여 형성될 수 있다.2f, the functionalized
보다 상세하게는, 기능화된 음성 대전물질(260)은 나노 구조체(251)가 포함된 음성 대전물질(250)에 육플루오린화황(SF6) 가스의 플라즈마 처리를 수행하여 음성 대전물질(250) 표면에 붙어있는 원자를 플루오린(fluorine) 원자(261)로 치환함으로써 형성될 수 있다.More specifically, the functionalized
또한, 기능화된 음성 대전물질(260)은 치환된 플루오린 원자(260)를 포함함으로써, 표면의 전기 음성도를 극대화할 수 있다.In addition, the functionalized
도 2g를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 마찰전기 자가발전소자(270)는 용액과의 접촉을 통해 기판(210)을 식각하여 형성될 수 있다. Referring to FIG. 2G, the rf magnetron 270 according to the embodiment of the present invention may be formed by etching the
보다 상세하게는, 과산화항산암모늄 에천트(Ammonium Persulfate etchant) 용액에 의해 기판(210)이 식각되어 절연층(220), 전극(그래핀층, 230) 및 대전층(음성 대전물질, 260)을 포함하는 마찰전기 자가발전소자(270)가 형성될 수 있으며, 습식 전사방법(wet transfer)을 이용하여 피부(또는 부착하고자 하는 부위)에 전사될 수 있다. More specifically, the
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 마찰전기 자가발전소자의 음성 대전물질 두께에 따른 접착 에너지(Adhesion Energy)에 대한 실험 결과를 도시한 것이다.FIG. 3 is a graph showing an experiment result of adhesion energy according to thickness of a negative charge material of a triboelectric power plant according to an embodiment of the present invention.
보다 상세하게는, 도 3은 손바닥 지문에서 얻어진 정보와 음성 대전물질(PDMS) 및 절연층 두께에 의해 산출된 접착 에너지(
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 마찰전기 자가발전소자의 소자 두께에 대한 접착 에너지를 산출하는 과정을 설명하기로 한다.Hereinafter, the process of calculating the adhesive energy with respect to the device thickness of the triboelectric power plant according to the embodiment of the present invention will be described.
본 발명의 실시예에 따른 마찰전기 자가발전소자에서 그래핀층은 무시될 만큼 충분히 얇기 때문에 절연층(SU-8) 및 음성 대전물질(PDMS)만을 고려하여 접착 에너지를 산출할 수 있다.Since the graphene layer is thin enough to be neglected in the triboelectric power generating device according to the embodiment of the present invention, the adhesive energy can be calculated in consideration of only the insulating layer (SU-8) and negative charge material (PDMS).
본 발명의 실시예에 따른 마찰전기 자가발전소자가 굴곡진 기판에 전사되는 경우, 마찰전기 자가발전소자는 그 기판의 형태에 따라 벤딩(bending)될 수 있다. 이러한 벤딩에 의해 마찰전기 자가발전소자 일부분은 인장 변형(tensile strain)을 받고 다른 일부분은 압축 변형(compressive strain)을 받는다(여기서, 상기 굴곡진 기판은 손바닥 지문일 수 있다.).When a triboelectricity according to an embodiment of the present invention is transferred to a self-bent substrate, the triboelectric power plant may be bendable according to the shape of the substrate. With this bending, a portion of the triboelectrically generating element is subjected to tensile strain and the other portion is subjected to a compressive strain (where the curved substrate may be a palm fingerprint).
이때, 마찰전기 자가발전소자 내부에는 두 변형(strain)의 중첩에 의해 변형을 받지 않은 지점인 중성 역학층(neutral mechanical plane, NMP)이 존재하며, 중성 역학층은 하기의 [수식 1]로부터 산출될 수 있다.In this case, there is a neutral mechanical plane (NMP), which is a point which is not deformed due to the superposition of two strains in the inside of the electric generator, and the neutral mechanical layer is calculated from the following equation .
[수식 1][Equation 1]
(여기서, Z0는 절연층(SU-8) 및 음성 대전물질(PDMS)로 구성된 마찰전기 자가발전소자의 중성 역학층을 의미하고, tSU -8 및 tPDMS는 절연층 및 음성 대전물질의 두께를 의미하며, ESU -8 및 EPDMS는 절연층 및 음성 대전물질의 영률(Young’s modulus)을 의미한다.)T SU- 8 and t PDMS mean the thickness of the insulating layer and the negative charge material, respectively, where Z 0 denotes the neutral dynamics layer of the rubbing electoric power generator composed of the insulating layer (SU-8) and negative charge material (PDMS) And E SU- 8 and E PDMS mean the Young's modulus of the insulating layer and the negative charge material.
또한, 굴곡진 기판 위에서 마찰전기 자가발전소자의 벤딩 강도(bending stiffness)는 하기의 [수식 2]로부터 산출된다.Further, the bending stiffness of the triboelectric power plant on the curved substrate is calculated from the following equation (2).
[수식 2][Equation 2]
(여기서, b는 소자의 폭을 의미한다.)(Where b is the width of the device).
또한, 마찰전기 자가발전소자의 접착 에너지는 하기의 [수식 3]을 통해 산출된다.Further, the adhesive energy of the triboelectric power plant is calculated through the following equation (3).
[수식 3][Equation 3]
(여기서, R은 지문(접촉 물질)의 곡률을 의미한다.)(Where R is the curvature of the fingerprint (contact material)).
또한, 
[수식 4][Equation 4]
(여기서, d는 기판의 실린더 모델의 반지름을 의미하고, 
다시 도 3을 참조하면, 습식 상태(Wet state)에서 마찰전기 자가발전소자와 피부 사이에 접착 에너지는 10mJ/m2를 나타내는 것을 확인할 수 있다. 이에 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 마찰전기 자가발전소자는 습식 전사(wet transfer) 방식으로 피부 상에 전사되는 경우, 등각 접촉(conformal contact)을 형성하기 위해선 접착 에너지는 10mJ/m2보다 작아야 한다.Referring again to FIG. 3, it can be seen that the adhesive energy between the triboelectric element and the skin in the wet state is 10 mJ / m 2 . Accordingly, when the triboelectric power plant according to an embodiment of the present invention is transferred onto the skin in a wet transfer fashion, the adhesive energy must be less than 10 mJ / m 2 to form a conformal contact .
그러므로, 본 발명의 실시예에 따른 마찰전기 자가발전소자의 등각 접촉 형성을 위한 음성 대전물질의 임계 두께는 약 10
즉, 음성 대전물질(PDMS)의 두께가 10
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 실시예에 따른 복수의 플라즈마 처리에 따른 마찰전기 자가발전소자의 러프니스 및 전기적 특성에 대한 실험 결과를 도시한 것이다.4A and 4B illustrate experimental results on the roughness and electrical characteristics of a triboelectric power plant according to an embodiment of the present invention.
보다 상세하게는, 도 4a는 본 발명의 실시예에 따른 산소를 이용하여 플라즈마 처리된 마찰전기 자가발전소자의 시간에 따른 러프니스(roughness, Ra)의 결과를 도시한 것이고, 도 4b는 본 발명의 실시예에 따른 육플루오린화황 가스를 이용하여 플라즈마 처리된 마찰전기 자가발전소자의 기능화(functionalization)의 결과를 도시한 것이다.More specifically, FIG. 4A shows the results of the roughness (R a) over time of a plasma-treated triboelectric power plant using oxygen according to an embodiment of the present invention, and FIG. And shows the result of functionalization of a triboelectric power plant subjected to plasma treatment using hexafluoro-sulfur gas according to an embodiment.
산소 플라즈마 처리는 산소(O2) 가스를 플로우 비율(flow rate) 40 sccm으로 100W의 파워(power)에서 각각 30, 60, 120, 180 및 300초 동안 진행하였고, 육플루오린화황 가스 플라즈마 처리는 육플루오린화황(SF6) 가스를 플로우 비율 40 sccm으로 100W의 파워에서 각각 0, 1, 2, 5, 7 및 10초 동안 진행하였다.Oxygen plasma treatment was carried out for 30, 60, 120, 180 and 300 seconds at a power of 100 W at an oxygen (O 2 ) gas flow rate of 40 sccm, and a hexofluorine gas plasma treatment (SF6) gas was conducted at a flow rate of 40 sccm at a power of 100 W for 0, 1, 2, 5, 7, and 10 seconds, respectively.
도 4a를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 마찰전기 자가발전소자의 러프니스는 약 60초 이하의 산소 플라즈마 처리에서 선형으로 증가하다가, 약 120초 이후부터 포화되는 것을 알 수 있다. 이러한 현상의 원인으로는 음성 대전물질(PDMS) 표면에 고 에너지 이온이 충돌하기 때문에 랜덤하게 나노 구조체가 생성되고, 더 이상 러프니스가 증가하지 않은 것은 음성 대전물질 표면 전체가 식각되면서 러프니스가 시간에 따른 변화를 보이지 않으므로 나타나는 현상일 수 있다. Referring to FIG. 4A, it can be seen that the roughness of the triboelectric power plant according to the embodiment of the present invention linearly increases in the oxygen plasma treatment of about 60 seconds or less, and saturates after about 120 seconds. The reason for this phenomenon is that the high energy ions collide with the surface of the negative charge material (PDMS), so that the nanostructure is randomly generated and the roughness does not increase any more. This is because the entire surface of the negative charge material is etched, As shown in FIG.
또한, 도 4b를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 마찰전기 자가발전소자의 전압은 약 5초까지 선형으로 증가한 이후 일정하게 유지되는 것을 알 수 있다. 이러한 현상은 육플루오린화황 가스 플라즈마 처리로 인해 약 5초 이내에 음성 대전물질 표면의 분자 결합이 플루오린 원자로 치환되기 때문이다.Also, referring to FIG. 4B, it can be seen that the voltage of the triboelectric power plant according to the embodiment of the present invention is maintained constant after linearly increasing to about 5 seconds. This phenomenon is due to the substitution of fluorine atoms for the molecular bonding of the negatively charged surface within about 5 seconds due to the hexafluorophosphorous gas plasma treatment.
즉, 도 4a 및 도 4b로부터 본 발명의 실시예에 따른 마찰전기 자가발전소자는 음성 대전물질(PDMS) 표면에 나노 구조체를 형성하기 위해서 100초 이상의 시간이 소요되지만 표면의 기능화는 5초 이내에 가능한 것을 알 수 있다. 또한, 복수의 플라즈마 처리는 음성 대전물질에 순차적으로 적용될 수 있고, 복수의 플라즈마 처리로 인해 음성 대전물질의 접촉 표면적이 증가하며, 전자 친화력이 향상되어 마찰 성능이 증가할 수 있다.4A and 4B, a triboelectric power plant according to an embodiment of the present invention requires a time of 100 seconds or more to form a nanostructure on the surface of a negative charge material (PDMS), but the functionalization of the surface is possible within 5 seconds Able to know. In addition, a plurality of plasma treatments can be sequentially applied to the negative charge material, and a plurality of plasma treatments can increase the contact surface area of the negative charge material, and the electron affinity can be improved to increase the friction performance.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 네 종류 소자에 대응하는 음성 대전물질 표면의 성분을 분석한 실험 결과를 도시한 것이다.FIG. 5 is a graph showing the results of an analysis of the components of the surface of the negative charge material corresponding to the four kinds of elements according to the embodiment of the present invention.
보다 상세하게는, 도 5는 표면 처리되지 않은 소자(Ⅰ), 산소 플라즈마 처리된 소자(Ⅱ), 육플루오린화황 가스 플라즈마 처리된 소자(Ⅲ), 및 산소 플라즈마 및 육플루오린화황 가스 플라즈마가 순차적으로 처리된 소자(Ⅳ) 각각에 대응하는 음성 대전물질(PDMS) 표면의 성분을 분석한 결과를 도시한 것이다.More specifically, FIG. 5 shows a device (II) without surface treatment, a device with oxygen plasma treatment (II), a device with hexafluoropropane gas plasma treated (III), and an oxygen plasma and a hexafluoropropane gas plasma (PDMS) surface corresponding to each of the sequentially processed devices (IV).
도 5를 참조하면, 육플루오린화항 가스 플라즈마 처리된 소자(Ⅲ 및 Ⅳ)에서 F(플루오린) 1s peak이 존재하는 것을 확인할 수 있으며, 육플루오린화황 가스 플라즈마 처리를 하지 않은 소자(Ⅰ 및 Ⅱ)에는 F 1s peak이 존재하지 않는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 5, it can be seen that the F (fluorine) 1s peak exists in the devices (III and IV) subjected to the hexafluorination gas plasma treatment, and the devices (I and II) without the hexafluorophosphorus gas plasma treatment Ⅱ) does not have an F 1s peak.
즉, 이러한 결과는 육플루오린화황 가스 플라즈마 처리를 진행함으로써, 음성 대전물질 표면 상에 플루오린 원자가 증착된 것임을 알 수 있으며, 산소 플라즈마 처리 및 육플루오린화황 가스 플라즈마 처리를 순차적으로 진행한 소자인 Ⅳ의 경우, 나노 구조체를 형성함과 동시에 플루오린 원자에 의해 표면이 기능화된 것을 확인할 수 있다. That is, this result shows that the fluorine atoms are deposited on the surface of the negatively charged substance by proceeding with the hexafluoropropane gas plasma treatment, and the oxygen plasma treatment and the hexafluorine gas plasma treatment are sequentially performed In the case of IV, it can be confirmed that the surface is functionalized by the fluorine atom while forming the nanostructure.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 실시예에 따른 네 종류 소자에 대한 단락 전류 및 오픈 전압의 실험 결과를 도시한 것이다.6A and 6B show experimental results of short-circuit current and open-circuit voltage for four kinds of devices according to an embodiment of the present invention.
보다 상세하게는, 도 6a는 본 발명의 실시예에 따른 표면 처리되지 않은 소자(Ⅰ), 산소 플라즈마 처리된 소자(Ⅱ), 육플루오린화황 가스 플라즈마 처리된 소자(Ⅲ), 및 산소 플라즈마 및 육플루오린화황 가스 플라즈마가 순차적으로 처리된 소자(Ⅳ) 각각의 단락 전류(short circuit current) 결과를 도시한 것이고, 도 6b는 본 발명의 실시예에 따른 네 종류 소자(Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ 및 Ⅳ) 각각의 오픈 전압(open circuit voltage) 결과를 도시한 것이다.More specifically, FIG. 6A is a schematic diagram of an embodiment of a non-surface treated device I, an oxygen plasma treated device II, a hexofluorinated gas plasma treated plasma (III) 6B shows the result of short circuit current of each of the four kinds of devices I, II, III, and IV according to the embodiment of the present invention. IV) shows the result of each open circuit voltage.
도 6a 및 도 6b를 참조하면, 산소 플라즈마 및 육플루오린화황 가스 플라즈마가 순차적으로 처리된 소자(Ⅳ)의 최대 단락 전류 및 오픈 전압은 약 7.1
또한, 산소 플라즈마 처리된 소자(Ⅱ)는 약 2.5
즉, 본 발명의 실시예에 따른 복수의 플라즈마 처리된 마찰전기 자가발전소자는 플루오린 원자가 음성 대전물질 표면에 증착되어 전기음성도 차이가 증가되고, 이로부터 음성 대전물질 표면의 시각을 통한 나노 구조 패턴이 형성되어 접촉 면적이 증가될 수 있다. 또한, 나노 구조 패턴을 가진 표면에서는 마찰 전기가 상승하여 출력 에너지가 극적으로 증가될 수 있다. That is, a plurality of plasma-treated triboelectric power plants according to an embodiment of the present invention may be formed by depositing a fluorine atom on the surface of a negative charge material to increase a difference in electronegativity, So that the contact area can be increased. Further, on the surface having a nanostructured pattern, the triboelectricity rises and the output energy can be dramatically increased.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 실시예에 따른 마찰전기 자가발전소자의 저항에 따른 전기 특성 평가 및 전력에 대한 실험 결과를 도시한 것이다.FIGS. 7A and 7B illustrate experimental results of electrical characteristics and power according to the resistance of a triboelectric power plant according to an embodiment of the present invention.
보다 상세하게는, 도 7a는 본 발명의 실시예에 따른 마찰전기 자가발전소자의 100Ω에서 1GΩ까지 범위에서의 외부 저항에 대한 단락 전류 및 오픈 전압의 실험 결과를 도시한 것이고, 도 7b는 본 발명의 실시예에 따른 마찰전기 자가발전소자의 측정된 단락 전류 및 오픈 전압으로부터 외부 저항에 전달되는 전력의 실험 결과를 도시한 것이다.More specifically, FIG. 7A shows experimental results of a short-circuit current and an open-circuit voltage for an external resistance in a range of 100? To 1 G? Of a rubbing electromagnet according to an embodiment of the present invention, and FIG. FIG. 4 shows experimental results of the measured short-circuit current and the electric power transmitted to the external resistor from the open-circuit voltage of the triboelectric power plant according to the embodiment.
도 7a를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 마찰전기 자가발전소자는 내부 저항이 상대적으로 크기 때문에 외부 저항이 증가하면서 전류(I)는 옴 손실(ohmic loss)에 의해 감소하며, 반면 전압은 증가하는 경향을 보이는 것을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 7A, since the internal resistance of the triboelectric power plant according to the embodiment of the present invention is relatively large, the current I is decreased by the ohmic loss while the external resistance is increased, And the results are shown in Fig.
또한, 도 7b를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 마찰전기 자가발전소자는 약 20MΩ의 외부저항에서 130
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 실시예에 따른 마찰전기 자가발전소자의 지속적인 측정에 따른 전기적 특성 변화에 대한 실험 결과를 도시한 것이다.FIGS. 8A and 8B illustrate experimental results of changes in electrical characteristics according to the continuous measurement of a triboelectric power plant according to an embodiment of the present invention. FIG.
보다 상세하게는, 도 8a는 본 발명의 실시예에 따른 마찰전기 자가발전소자의 지속적인 측정에 따른 단락 전류의 실험 결과를 도시한 것이고, 도 8b는 본 발명의 실시예에 따른 마찰전기 자가발전소자의 지속적인 측정에 따른 오픈 전압의 실험 결과를 도시한 것이다.More particularly, FIG. 8A is a graph showing experimental results of a short-circuit current according to continuous measurement of a triboelectric power plant according to an embodiment of the present invention, and FIG. 8B is a graph showing an experiment result of a continuous triboelectric power plant according to an embodiment of the present invention And the results of the experiment of the open voltage according to the measurement are shown.
도 8a를 참조하면, 표면 처리되지 않은 소자(Ⅰ) 및 산소 플라즈마 처리된 소자(Ⅱ)의 경우, 15일 동안 지속되는 측정에서 음성 대전물질(PDMS) 표면의 러프니스(roughness)는 항상 일정하기 때문에 표면적 또한 변하지 않는 것을 확인할 수 있다. 즉, 측정된 단락 전류 및 오픈 전압 모두 초기 측정값과 거의 일치하게 유지되는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 8A, in the case of the non-surface-treated device I and the oxygen plasma-treated device II, the roughness of the negative charge material (PDMS) surface is always constant Therefore, the surface area is not changed. That is, it can be confirmed that both the measured short-circuit current and the open-circuit voltage are maintained substantially in agreement with the initial measured value.
반면, 육플루오린화황 가스 플라즈마 처리된 소자(Ⅲ) 및 산소 플라즈마 및 육플루오린화황 가스 플라즈마가 순차적으로 처리된 소자(Ⅳ)의 경우, 5일까지 진행된 단락 전류 및 오픈 전압 측정에서 초기 값 보다 약 23% 감소하는 경향을 보였으며, 이후 일정한 값을 계속 유지하는 것을 확인할 수 있다.On the other hand, in the case of the element (III) treated with hexafluorophosphoric acid gas plasma and the element (IV) in which the oxygen plasma and the hexafluorophosphorous gas plasma are sequentially treated, the measurement of the short- And 23%, respectively. Thereafter, it can be confirmed that a constant value is maintained.
즉, 육플루오린화황 가스 플라즈마 처리된 소자(Ⅲ) 및 산소 플라즈마 및 육플루오린화황 가스 플라즈마가 순차적으로 처리된 소자(Ⅳ)는 육플루오린화항 가스 플라즈마 처리를 진행한 것이다. 이러한, 플루오린 원자로 기능화 되어있는 소자의 표면은 반복적인 측정으로 인해 수분이나 나트륨(Na) 이온 같은 오염 물질의 흡착으로 플루오린 원자와의 결합이 끊기고 기능화가 감소되어 초기 측정된 전류 및 전압보다 약 25% 감소를 야기할 수 있다. 그러나, 일정 시간이 지난 이후 안정화되어 전류 및 전압 값이 일정하게 유지되는 거동을 나타내는 것을 확인할 수 있다.That is, the element (III) subjected to the hexafluorophosphorus gas plasma treatment and the element (IV) having the oxygen plasma and the hexofluorophosphorus gas plasma sequentially treated were subjected to hexafluorination gas plasma treatment. The surface of the device, which is functionalized with a fluorine atom, is repetitively measured, and due to adsorption of contaminants such as moisture or sodium (Na) ions, the bond with the fluorine atom is broken and the functionalization is reduced, Can result in a 25% reduction. However, it can be seen that the current and voltage values are stabilized after a certain period of time has elapsed.
그러므로, 도 8a 및 도 8b를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 마찰전기 자가발전소자는 지속적인 측정에 따른 전류 및 전압 값이 안정화되어 일정하게 유지되므로, 지속성이 유지되는 것을 확인할 수 있다. Therefore, referring to FIG. 8A and FIG. 8B, it can be seen that the sustain current is maintained because the current and voltage values of the triboelectric power plant according to the embodiment of the present invention are stabilized and maintained constant.
도 9a 내지 도 9c는 네 가지 옷감의 표면 분석 및 네 가지 옷감과 마찰전기 자가발전소자 간의 전기적 특성에 대한 실험 결과를 도시한 것이다.Figures 9a-9c illustrate experimental results on the electrical characteristics between the surface of four fabrics and the four fabric and triboelectrically powered devices.
보다 상세하게는, 도 9a는 네 가지 옷감 표면의 러프니스(roughness)를 분석한 결과를 도시한 것이고, 도 9b는 네 가지 옷감과 마찰전기 자가발전소자 간의 단락 전류에 대한 실험 결과를 도시한 것이며, 도 9c는 네 가지 옷감과 마찰전기 자가발전소자 간의 오픈 전압에 대한 실험 결과를 도시한 것이다.More specifically, Figure 9a shows the results of analyzing the roughness of the four fabric surfaces, Figure 9b shows the experimental results of the short-circuit current between the four fabrics and the rub- ber electrical generator , And FIG. 9C shows the experimental results on the open voltage between the four fabrics and the rubbers.
본 발명의 실시예에 따른 마찰전기 자가발전소자를 응용하기 위해서는 옷과의 마찰이 필수적이고, 다양한 옷과의 접촉을 통해 에너지를 공급할 수 있으므로, 대표적인 네 가지 옷감의 표면을 분석하고 마찰전기 자가발전소자와 네 가지 옷감으로부터 발생되는 전기적 특성을 확인하려 한다.In order to apply the triboelectric power plant according to the embodiment of the present invention, friction with the clothes is essential and energy can be supplied through contact with various clothes. Therefore, the surfaces of four representative fabrics are analyzed, And the electrical characteristics resulting from the four fabrics.
상기 네 가지 옷감은 나일론(Nylon, i), 실크(silk, ii), 코튼(cotton, iii) 및 라텍스(Latex, iv)이며, 파지티브 타입(positive type)의 대전물질일 수 있다.The four fabrics may be nylon, i, silk, ii, cotton, iii, and latex, iv, and may be positive types of charged materials.
네 가지 옷감 종류에 따라 직물 공정이 서로 다르기 때문에 옷감의 표면이 서로 다르다. 그러므로, 각 옷감의 러프니스를 확인하기 위해 알파-스텝(Alpha-Step) 표면 분석 측정 방법으로 러프니스를 측정하였다.The fabric surfaces are different because the fabric processes are different according to the four types of cloth. Therefore, the roughness was measured by an Alpha-Step surface analysis measurement method to confirm the roughness of each fabric.
도 9a를 참조하면, 실크(ii)는 약 15
도 9b 및 도 9c를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 마찰전기 자가발전소자와 네 가지 옷감들에서 발생하는 단락 전류 및 오픈 전압을 측정한 결과, 각 소자들의 전기적 특성은 라텍스>코튼>실크>나일론의 순서를 따르는 것을 확인할 수 있다.9b and 9c, the short-circuit current and the open-circuit voltage generated by the frictional electromotive force generator and the four fabrics according to the embodiment of the present invention were measured. The electrical characteristics of each element were as follows: latex> cotton> silk > Nylon sequence.
여기서, 라텍스(iv)는 약 4.62
도 10a 및 도 10b는 본 발명의 실시예에 따른 마찰전기 자가발전소자와 접촉 물질 간의 접촉력 및 오픈 전압에 대한 실험 결과를 도시한 것이다.FIGS. 10A and 10B show experimental results on the contact force and the open voltage between the triboelectroelectric power generating device and the contact material according to the embodiment of the present invention. FIG.
보다 상세하게는, 도 10a는 유리 기판 또는 피부 상에 형성된 본 발명의 실시예에 따른 마찰전기 자가발전소자 간의 전압 결과를 도시한 것이고, 도 10b는 20kPa 내지 100kPa에서의 다양한 접촉력(contact force)에 따른 오픈 전압 결과를 도시한 것이다.More specifically, FIG. 10A shows the voltage results between the frictional electroluminescent devices according to embodiments of the present invention formed on a glass substrate or skin, and FIG. 10B shows the results of various contact forces at 20 kPa to 100 kPa ≪ / RTI >
도 10a를 참조하면, 유리 기판 상(On Glass substrate)에 형성된 마찰전기 자가발전소자는 최대 46V의 전압 값을 나타내고, 피부 상(On skin)에 형성된 마찰전기 자가발전소자는 최대 35V의 전압을 나타내는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 10A, it can be seen that a frictional electromotive power generator formed on a glass substrate exhibits a maximum voltage value of 46 V, and a friction electrifier formed on the skin shows a maximum voltage of 35 V. .
또한, 도 10b를 참조하면, 접촉력은 20kPa 내지 약 67kPa 까지 직선 영역(Linear region)을 나타내고, 약 67kPa 부터 100 kPa 이상 까지 포화 영역(Saturation region)을 나타내는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 10B, the contact force indicates a linear region ranging from 20 kPa to about 67 kPa, and a saturation region ranging from about 67 kPa to 100 kPa or more can be confirmed.
즉, 도 10a 및 도 10b를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 마찰전기 자가발전소자는 유리 기판 상에서 최대 46V의 전압 값에 대응하는 약 80kPa의 접촉력을 나타내나, 피부 상에서는 피부의 부드러운 특성(영률 약 130kPa)으로 인해 최대 35V 전압 값에 대응하는 약 60kPa의 접촉력을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 그러므로, 실험 결과에 따르면 오픈 전압 값은 유리 기판에서 보다 피부 상에서 약 24% 정도 감소하는 것을 확인할 수 있다. 10A and 10B, the triboelectric power plant according to the embodiment of the present invention exhibits a contact force of about 80 kPa corresponding to a voltage value of 46 V on a glass substrate, Approximately 130 kPa), it is confirmed that the contact force of about 60 kPa corresponding to the maximum voltage value of 35 V is exhibited. Therefore, according to the experimental results, it can be confirmed that the open voltage value is reduced by about 24% on the skin than on the glass substrate.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 마찰전기 자가발전소자를 이용한 휴먼 인터페이스 장치의 구성을 설명하기 위해 도시한 블록도이다.FIG. 11 is a block diagram illustrating a configuration of a human interface device using a friction electric power generator according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG.
도 11을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 마찰전기 자가발전소자를 이용한 휴먼 인터페이스 장치(200)는 전기음성도 차이로부터 발생하는 마찰전하 이동에 따른 전위차를 이용하여 전기 에너지를 발생시키는 마찰전기 자가발전소자에 접촉된 접촉 물질에 대응하여 출력되는 전압에 기반하여 신호를 해석하고, 해석된 신호로부터 사용자로의 정보 제공을 위한 휴먼 인터페이스 정보를 출력한다. Referring to FIG. 11, a
이를 위해, 본 발명의 실시예에 따른 마찰전기 자가발전소자를 이용한 휴먼 인터페이스 장치(200)는 마찰전기 자가발전소자(210), 신호 해석부(220) 및 휴먼 인터페이스 정보 출력부(230)를 포함한다.To this end, the
마찰전기 자가발전소자(210)는 접촉 물질 간 마찰에 의해 계면에서 전기음성도 차이로부터 발생하는 마찰전하 이동(triboelectric charge transfer)에 따른 전위차를 이용하여 전기 에너지를 발생시킨다.The triboelectric self-generating
또한, 마찰전기 자가발전소자(210)는 기판으로부터 전달되는 전기적 신호를 차단하는 절연층, 절연층 상에 그래핀층으로 형성된 전극, 및 그래핀층 상에 복수의 플라즈마(plasma) 처리를 통한 개선된 전자 친화도(electron affinity) 및 표면 특성을 가지고 유연성(flexible)을 나타내는 음성 대전물질로 형성된 대전층을 포함할 수 있다. 보다 상세한 마찰전기 자가발전소자(210)에 대한 설명은 앞서 전술한 바와 동일하므로 생략하기로 한다.In addition, the triboelectric
신호 해석부(220)는 마찰전기 자가발전소자(210)에 접촉된 접촉 물질에 의해 출력되는 전압에 기반하여 서로 다른 레벨에 따른 신호를 해석한다.The
예를 들면, 신호 해석부(220)는 마찰전기 자가발전소자(210)에 접촉되는 접촉 물질과, 마찰전기 자가발전소자(210)의 크기 및 접촉 면적에 따른 시간 및 세기 중 적어도 어느 하나에 대응하는 전기음성도 차이로부터 서로 다른 레벨을 출력하는 전압 값에 기반하여 신호를 해석할 수 있다. For example, the
실시예에 따라서, 신호 해석부(220)는 마찰전기 자가발전소자(210)에 접촉되는 접촉 물질의 서로 다른 시간 및 세기(접촉면적)에 대응하여 출력되는 서로 다른 레벨에 따른 전압 값으로부터, 모스 코드와 같은 신호를 해석할 수 있다. According to the embodiment, the
휴먼 인터페이스 정보 출력부(230)는 해석된 신호로부터 사용자로의 정보 제공을 위한 휴먼 인터페이스(Human Interface) 정보를 출력한다.The human interface
휴먼 인터페이스 정보 출력부(230)는 신호 해석부(220)로부터 해석된 신호에 기반하여 부호, 문자, 기호 및 표지 중 적어도 어느 하나를 포함하는 휴먼 머신 인터페이스(Human-Maching Interface)를 제공할 수 있다. The human interface
실시예에 따라서, 휴먼 인터페이스 정보 출력부(230)는 신호 해석부(220)로부터 해석된 신호로부터 기 설정된 부호, 문자(한글, 영어 및 숫자), 기호 및 표지 중 적어도 어느 하나를 포함하는 사용자로의 정보 제공을 수행할 수 있으며, 키보드 및 마우스 중 적어도 어느 하나를 포함하는 사용자 입력 장치의 다양한 형태의 인터페이스로도 응용 가능하다. The human interface
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 마찰전기 자가발전소자를 이용한 휴먼 인터페이스 장치에 접촉되는 손가락 개수에 대응하는 오픈 전압에 대한 실험 결과를 도시한 것이다.FIG. 12 shows experimental results of an open voltage corresponding to the number of fingers in contact with a human interface apparatus using a friction electromagnet according to an embodiment of the present invention.
보다 상세하게는, 도 12는 손목 위에 전사된 본 발명의 실시예에 따른 마찰전기 자가발전소자를 이용한 휴먼 인터페이스 장치와 손가락의 접촉에 따른 손가락 개수로부터 출력되는 전압을 측정한 결과를 도시한 것이다.More specifically, FIG. 12 shows a result of measuring a voltage output from a human interface device using a friction-electric power generator according to an embodiment of the present invention transferred onto the wrist and the number of fingers according to finger contact.
도 12를 참조하면, 손가락 한 개를 접촉했을 때 발생되는 최대 전압 값은 4.3V를 나타내고, 손가락 두 개를 접촉했을 때 발생되는 최대 전압 값은 9.3V를 나타내며, 손가락 세 개를 접촉했을 때 발생되는 최대 전압 값은 13.7V를 나타낸다.Referring to FIG. 12, the maximum voltage value generated when one finger touches is 4.3 V, and the maximum voltage value generated when two fingers are contacted is 9.3 V. When three fingers are contacted, The maximum voltage value is 13.7V.
측정된 전압 결과 값에 의하면, 손가락 개수에 따라 출력되는 전압 값은 선형적으로 증가하는 것을 확인할 수 있으며, 이러한 현상은 손가락의 개수가 증가함에 따라 손가락과 마찰전기 자가발전소자의 접촉 면적이 선형적으로 증가하기 때문인 것을 알 수 있다.According to the measured voltage result, the voltage value output linearly increases according to the number of fingers. This phenomenon is caused by the fact that as the number of fingers increases, the contact area between the finger and the friction electric motor becomes linear As shown in Fig.
즉, 손가락 개수에 따라 발생하는 전압은 서로 다른 전압 레벨을 출력하는 것을 확인할 수 있다. 그러므로, 이러한 본 발명의 실시예에 따른 마찰전기 자가발전소자의 특성을 이용하여 피부에 부착하여 다양한 인터페이스(interface)를 구현할 수 있다.That is, it can be confirmed that the voltages generated according to the number of fingers output different voltage levels. Therefore, various interfaces can be implemented by attaching to the skin using the characteristics of the triboelectric power plant according to the embodiment of the present invention.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 마찰전기 자가발전소자를 이용한 휴먼 인터페이스 장치의 입력 신호에 의한 모스 코드 변환 및 문자 결과를 도시한 것이다.FIG. 13 illustrates Morse code conversion and character results by an input signal of a human interface device using a friction electromotive power plant according to an embodiment of the present invention.
보다 상세하게는, 도 13은 본 발명의 실시예에 따른 마찰전기 자가발전소자를 자가 발전 센서로써 동작을 구현하기 위해 모스 코드(morse code)를 모방한 통신 시스템을 구축하여 실험한 것으로서, 이는 랩 뷰 코딩 시스템(Lab view coding system)을 사용해서 출력되는 전압을 입력으로 받아 모스 코드로 변환한 결과를 도시한 것이다. More specifically, FIG. 13 shows an experiment in which a communication system imitating a morse code is implemented in order to realize an operation of a frictional electromotive power plant according to an embodiment of the present invention, And a voltage output using a coding system (Lab view coding system) is input and converted into a Morse code.
도 13을 참조하면, 손가락 하나로 출력되는 전압을 모스 코드 ‘●’의 기호로 변환하고, 손가락 두 개로 출력되는 전압을 ‘―’의 기호로 변환하여 두 기호의 조합으로 한글, 영어 및 숫자로 표현할 수 있다.Referring to FIG. 13, a voltage outputted by one finger is converted into a symbol of "●", and a voltage outputted by two fingers is converted into a symbol of "-". .
이에 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 마찰전기 자가발전소자를 이용한 휴먼 인터페이스 장치는 접촉되는 손가락의 개수 및 시간(time)에 기반하여 출력되는 전압을 기호에 따른 문자로 표현할 수 있으며, 이는 다양한 접근 방법으로 또 다른 자가 발전 센서로 구현할 수 있다.Accordingly, the human interface apparatus using the friction electromagnet power plant according to the embodiment of the present invention can express the output voltage based on the number and the time of the fingers to be contacted, Can be realized by another self-generated sensor.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 마찰전기 자가발전소자의 제조 방법을 도시한 흐름도이다. 14 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a triboelectric power plant according to an embodiment of the present invention.
도 14를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 마찰전기 자가발전소자의 제조 방법은 단계 1410에서, 기판으로부터 전달되는 전기적 신호를 차단하는 절연층을 형성한다.Referring to FIG. 14, in
상기 절연층은 초박막 고분자(SU-8) 필름으로 구성될 수 있으며, 마찰전기 자가발전소자가 기판에 영향없이 독립된 소자로 동작할 수 있게끔 형성될 수 있다.The insulating layer may be formed of an ultra-thin polymer (SU-8) film and may be formed so that the power generator can operate as an independent device without affecting the substrate.
단계 1420에서, 절연층 상에 그래핀층으로 구성된 전극을 형성한다.In
그래핀층은 원자 두께인 2Å의 두께일 수 있으며, 약 0.3nm의 얇은 두께를 지니는 그래핀으로 일반 금속과 비슷한 전기 전도도 특성을 나타낼 수 있다. 또한, 그래핀층은 뛰어난 신축성을 갖고 있어 투명 전극 인듐주석산화물(ITO)과 다르게 굴곡진 기판 상에서도 전기적인 단락 없이 전극으로써 동작이 가능할 수 있다. The graphene layer can have a thickness of 2 Å, which is an atomic thickness, and is a graphene with a thickness of about 0.3 nm, which can exhibit electrical conductivity similar to that of a common metal. In addition, the graphene layer has excellent stretchability and can be operated as an electrode without electric shorting on a curved substrate, unlike transparent electrode indium tin oxide (ITO).
단계 1430에서, 그래핀층 상에 복수의 플라즈마(plasma) 처리를 통한 개선된 친화도(electron effinity) 및 표면 특성을 가지고 유연성(flexible)을 나타내는 음성 대전물질로 구성된 대전층(electrification layer)을 형성한다.In
여기서, 대전층은 1MPa 내지 2MPa의 영률(young’s modulus) 특성을 가지는 물질인 음성 대전물질로 형성되며 초박막 형태로 제작될 수 있다.Here, the charge layer is formed of a negative charge material having a Young's modulus characteristic of 1 MPa to 2 MPa and can be manufactured in an ultra-thin film form.
실시예에 따라서, 음성 대전물질은 PDMS(polydimethylsiloxane, 폴리디메틸실록산)으로 구성될 수 있고, 대전층은 약 1.7MPa의 낮은 영률 특성을 가지며 뛰어난 유연성을 나타낼 수 있다. According to the embodiment, the negative charge material may be composed of PDMS (polydimethylsiloxane, polydimethylsiloxane), and the charge layer may have low Young's modulus characteristic of about 1.7 MPa and exhibit excellent flexibility.
또한, 대전층은 복수의 플라즈마 처리를 통한 음성 대전물질로 형성되며, 복수의 플라즈마 처리는 물리적 방법 및 화학적 방법으로 수행될 수 있다.Further, the charged layer is formed of a negative charge material through a plurality of plasma treatments, and a plurality of plasma treatments can be performed by a physical method and a chemical method.
보다 상세하게는, 대전층은 산소(O2) 가스를 이용하여 음성 대전물질의 표면을 처리하는 물리적 방법 및 육플루오린화황(SF6) 가스를 이용하여 물리적 처리된 음성 대전물질의 표면을 처리하는 화학적 방법을 포함하는 복수의 플라즈마 처리로부터 형성될 수 있다. 다만, 플라즈마 처리에 사용되는 산소 가스 및 육플루오린화황 가스의 종류는 이에 한정되는 것은 아니며, 실시예에 따라서 상이한 가스를 적용할 수 있다. More specifically, the charging layer is formed by a physical method of treating the surface of the negative charge material using oxygen (O 2 ) gas and a physical method of treating the surface of the physically treated negative charge material using sulfur hexafluoride (SF 6) May be formed from a plurality of plasma treatments including chemical methods. However, the types of oxygen gas and hexafluorophosphorus gas used in the plasma treatment are not limited to these, and different gases can be applied according to the embodiment.
복수의 플라즈마 처리는 물리적 방법으로부터 음성 대전물질의 표면을 식각하여 나노 구조체를 형성함으로써, 음성 대전물질의 표면적을 증가시킬 수 있다.The plurality of plasma treatments can increase the surface area of the negative charge material by etching the surface of the negative charge material from the physical method to form the nanostructure.
또한, 복수의 플라즈마 처리는 화학적 방법으로부터 나노 구조체가 형성된 음성 대전물질의 표면에 붙어있는 원자를 플루오린(fluorine) 원자로 치환하여 접촉에 의한 물질과의 전기음성도 차이를 극대화시킬 수 있다.In addition, a plurality of plasma treatments can maximize a difference in electronegativity with a substance due to contact by substituting fluorine atoms for atoms attached to the surface of a negative charge material formed with a nanostructure from a chemical method.
또한, 복수의 플라즈마 처리는 RIE(Reactive-Ion Etching) 공정을 통한 순차적인 물리적 방법 및 화학적 방법으로 음성 대전물질의 기능화(functionalization)시킬 수 있다.In addition, a plurality of plasma treatments can be functionalized with a negative charge material by a sequential physical method and a chemical method through an RIE (Reactive-Ion Etching) process.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 마찰전기 자가발전소자의 제조 방법은 용액과의 접촉을 통하여 기판으로부터 절연층, 전극 및 대전층을 포함하는 마찰전기 자가발전소자를 분리하는 단계 1440를 더 포함할 수 있다. In addition, a method of manufacturing a triboelectric power plant according to an embodiment of the present invention may further include a
단계 1440은 과산화항산암모늄 에천트(Ammonium Persulfate etchant) 용액을 이용하여 기판과 절연층, 전극 및 대전층을 포함하는 마찰전기 자가발전소자를 분리시키는 단계일 수 있으며, 분리된 마찰전기 자가발전소자는 습식 전사방법(wet transfer)으로부터 피부에 전사될 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.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. For example, it is to be understood that the techniques described may be performed in a different order than the described methods, and / or that components of the described systems, structures, devices, circuits, Lt; / RTI > or equivalents, even if it is replaced or replaced.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents to the claims are also within the scope of the following claims.
100, 270: 마찰전기 자가발전소자
110: 절연층
120: 전극
130: 대전층
210: 기판
220: 절연층
230: 그래핀층
240: 음성 대전물질
250: 나노 구조체가 포함된 음성 대전물질
251: 나노 구조체
260: 기능화된 음성 대전물질
261: 플루오린 원자100, 270: Friction Electric Self-
110: insulating layer
120: Electrode
130: Daejeon
210: substrate
220: insulating layer
230: graphene layer
240: negative charge material
250: negative charge material containing nanostructure
251: Nano structure
260: Functionalized negative charge material
261: Fluorine atom
Claims (13)
상기 절연층 상에 그래핀층으로 형성된 전극; 및
상기 그래핀층 상에 복수의 플라즈마(plasma) 처리를 통한 개선된 전자 친화도(electron affinity) 및 표면 특성을 가지고 유연성(flexible)을 나타내는 음성 대전물질로 형성된 대전층(electrification layer)
을 포함하고,
상기 대전층 및 접촉 물질 간 마찰에 의해 계면에서 전기음성도 차이로부터 발생하는 마찰전하 이동(triboelectric charge transfer)에 따른 전위차를 이용하여 전기 에너지를 발생시키는 마찰전기 자가발전소자.An insulating layer for shielding an electrical signal transmitted from the substrate;
An electrode formed of a graphene layer on the insulating layer; And
An electrification layer formed on the graphene layer by a plurality of plasma treatments and formed of a negative charge material exhibiting improved electron affinity and surface characteristics and flexibility;
/ RTI >
Wherein the electrical energy is generated by using a potential difference due to a triboelectric charge transfer resulting from the difference in electronegativity at the interface due to the friction between the charge layer and the contact material.
상기 복수의 플라즈마 처리는
산소(O2) 가스를 이용하여 상기 음성 대전물질의 표면을 처리하는 물리적 방법 및 육플루오린화황(SF6) 가스를 이용하여 상기 물리적 처리된 음성 대전물질의 표면을 처리하는 화학적 방법을 포함하는 마찰전기 자가발전소자. The method according to claim 1,
The plurality of plasma processes
Oxygen (O 2) friction by using a gas using a physical method and six fluorine sulfur (SF6) gas to treat the surface of the negatively chargeable material comprises a chemical method to treat the surface of the physically-treated negative charging material Electric self-generating element.
상기 복수의 플라즈마 처리는
상기 물리적 방법으로부터 상기 음성 대전물질의 표면을 식각하여 나노 구조체를 형성함으로써, 상기 음성 대전물질의 표면적을 증가시키는 마찰전기 자가발전소자.3. The method of claim 2,
The plurality of plasma processes
Wherein a surface of the negative charge material is etched from the physical method to form a nanostructure, thereby increasing the surface area of the negative charge material.
상기 복수의 플라즈마 처리는
상기 화학적 방법으로부터 상기 나노 구조체가 형성된 음성 대전물질의 표면에 붙어있는 원자를 플루오린(fluorine) 원자로 치환하여 상기 접촉에 의한 물질과의 전기음성도 차이를 극대화하는 마찰전기 자가발전소자.The method of claim 3,
The plurality of plasma processes
Wherein the nanostructure formed with the nanostructure is substituted with a fluorine atom on the surface of the negative charge material, thereby maximizing a difference in electronegativity with the substance due to the contact.
상기 복수의 플라즈마 처리는
RIE(Reactive-Ion Etching) 공정을 통한 순차적인 상기 물리적 방법 및 상기 화학적 방법으로 상기 음성 대전물질의 표면을 기능화(functionalization)시키는 마찰전기 자가발전소자.5. The method of claim 4,
The plurality of plasma processes
Wherein the surface of the negative charge material is functionalized by a sequential physical method and a chemical method by RIE (Reactive-Ion Etching) process.
상기 대전층은
1MPa 내지 2MPa의 영률(young’s modulus) 특성을 가지는 물질인 상기 음성 대전물질로 형성되며 초박막 형태로 제작되는 마찰전기 자가발전소자.The method according to claim 1,
The charge layer
Wherein the negative electrification material is a material having Young's modulus of 1 MPa to 2 MPa and is manufactured in an ultra-thin film form.
상기 마찰전기 자가발전소자에 접촉된 상기 접촉 물질에 의해 출력되는 전압에 기반하여 서로 다른 레벨에 따른 신호를 해석하는 신호 해석부; 및
상기 해석된 신호로부터 사용자로의 정보 제공을 위한 휴먼 인터페이스(Human Interface) 정보를 출력하는 휴먼 인터페이스 정보 출력부
를 포함하는 마찰전기 자가발전소자를 이용한 휴먼 인터페이스 장치.A triboelectric self-generating device for generating electric energy using a potential difference due to a triboelectric charge transfer resulting from a difference in electronegativity at an interface due to friction between contact materials;
A signal analyzer for analyzing a signal according to a different level based on a voltage output by the contact material that is in contact with the triton generator; And
A human interface information output unit for outputting human interface information for providing information from the interpreted signal to a user,
A human interface device using a friction electric power plant.
상기 마찰전기 자가발전소자는
기판으로부터 전달되는 전기적 신호를 차단하는 절연층;
상기 절연층 상에 그래핀층으로 형성된 전극; 및
상기 그래핀층 상에 복수의 플라즈마(plasma) 처리를 통한 개선된 전자 친화도(electron affinity) 및 표면 특성을 가지고 유연성(flexible)을 나타내는 음성 대전물질로 형성된 대전층(electrification layer)
을 포함하는 마찰전기 자가발전소자를 이용한 휴먼 인터페이스 장치.8. The method of claim 7,
The triboelectric power plant
An insulating layer for shielding an electrical signal transmitted from the substrate;
An electrode formed of a graphene layer on the insulating layer; And
An electrification layer formed on the graphene layer by a plurality of plasma treatments and formed of a negative charge material exhibiting improved electron affinity and surface characteristics and flexibility;
A human interface device using a friction power generator.
상기 절연층 상에 그래핀층으로 구성된 전극을 형성하는 단계; 및
상기 그래핀층 상에 복수의 플라즈마(plasma) 처리를 통한 개선된 친화도(electron affinity) 및 표면 특성을 가지고 유연성(flexible)을 나타내는 음성 대전물질로 구성된 대전층(electrification layer)을 형성하는 단계
를 포함하고,
상기 대전층 및 접촉 물질 간 마찰에 의해 계면에서 전기음성도 차이로부터 발생하는 마찰전하 이동(triboelectric charge transfer)에 따른 전위차를 이용하여 전기 에너지를 발생시키는 마찰전기 자가발전소자의 제조 방법.Forming an insulating layer that blocks electrical signals transmitted from the substrate;
Forming an electrode composed of a graphene layer on the insulating layer; And
Forming an electrification layer on the graphene layer composed of a negative charge material exhibiting improved affinity and surface characteristics and flexibility through a plurality of plasma treatments;
Lt; / RTI >
Wherein the electrical energy is generated using a potential difference due to a triboelectric charge transfer resulting from a difference in electronegativity at the interface due to friction between the charge layer and the contact material.
용액과의 접촉을 통하여 상기 기판으로부터 상기 절연층, 상기 전극 및 상기 대전층을 포함하는 마찰전기 자가발전소자를 분리하는 단계
를 더 포함하는 마찰전기 자가발전소자의 제조 방법.10. The method of claim 9,
Separating the power generator from the substrate through contact with a solution, the triboelectric element including the insulating layer, the electrode and the charging layer
Further comprising the steps of:
상기 대전층을 형성하는 단계는
산소(O2) 가스를 이용하여 상기 음성 대전물질의 표면을 처리하는 물리적 방법 및 육플루오린화황(SF6) 가스를 이용하여 상기 물리적 처리된 음성 대전물질의 표면을 처리하는 화학적 방법을 포함하는 상기 복수의 플라즈마 처리를 이용하는 마찰전기 자가발전소자의 제조 방법.10. The method of claim 9,
The step of forming the charging layer
A physical method of treating the surface of the negative charge material using oxygen (O2) gas and a chemical method of treating the surface of the physically treated negative charge material using sulfur hexafluoride (SF6) gas. Wherein the plasma treatment is performed using a plasma process.
상기 복수의 플라즈마 처리는
상기 물리적 방법으로부터 상기 음성 대전물질의 표면을 식각하여 나노 구조체를 형성함으로써, 상기 음성 대전물질의 표면적을 증가시키는 마찰전기 자가발전소자의 제조 방법.12. The method of claim 11,
The plurality of plasma processes
Wherein the surface of the negative charge material is etched from the physical method to form a nanostructure, thereby increasing the surface area of the negative charge material.
상기 복수의 플라즈마 처리는
상기 화학적 방법으로부터 상기 나노 구조체가 형성된 음성 대전물질의 표면에 붙어있는 원자를 플루오린(fluorine) 원자로 치환하여 상기 접촉에 의한 물질과의 전기음성도 차이를 극대화하는 마찰전기 자가발전소자의 제조 방법.
13. The method of claim 12,
The plurality of plasma processes
Wherein the nanostructured negative charge is formed on the surface of the nanostructure by replacing atoms attached to the surface of the nanostructure with a fluorine atom, thereby maximizing a difference in electronegativity with a substance due to the contact.
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