KR20180017333A - 형상 기억 고분자를 이용한 텍스타일 기반의 마찰전기 에너지 발전 소자 - Google Patents

형상 기억 고분자를 이용한 텍스타일 기반의 마찰전기 에너지 발전 소자 Download PDF

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KR20180017333A
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Abstract

본 발명은 형상 기억 고분자를 이용한 텍스타일 기반의 마찰전기 에너지 발전 소자에 관한 것이다.
본 발명의 제 1 실시예에 따른 형상 기억 고분자를 이용한 텍스타일 기반의 마찰전기 에너지 발전 소자는, 제 1 텍스타일; 및 제 2 텍스타일을 포함하고, 상기 제 1 텍스타일 및 상기 제 2 텍스타일 중 어느 하나 이상은 외부에 형상 기억 고분자가 코팅된 전도성 실(yarn)로 직조되었으며, 상기 제 1 텍스타일 및 상기 제 2 텍스타일이 서로 접촉에 의한 마찰이 가능하도록 이격 배치되고, 상기 제 1 텍스타일 및 상기 제 2 텍스타일의 마찰에 의한 마찰 전기 발생이 가능하며, 상기 텍스타일들 중 외부에 형상 기억 고분자가 코팅된 전도성 실로 직조된 텍스타일에 상기 형상 기억 고분자의 유리 온도 이상의 열을 가해줌으로써 상기 텍스타일이 자가 회복 가능하다.

Description

형상 기억 고분자를 이용한 텍스타일 기반의 마찰전기 에너지 발전 소자 {TRIBOELECTRIC ENERGY GENERATOR BASED ON TEXTILE USING SHAPE MEMORY POLYMER}
본 발명은 형상 기억 고분자를 이용한 텍스타일 기반의 마찰전기 에너지 발전 소자에 관한 것이다.
텍스타일 기반의 마찰전기 에너지 발전소자는 마찰운동을 하는 중에 텍스타일 자체가 늘어남으로써 접촉 후 분리가 쉽지 않아 에너지 발전소자 출력이 저하되는 큰 문제점을 갖고 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 텍스타일 기반의 마찰전기 에너지 발전 소자의 문제점을 설명하기 위한 개념도이다.
도 1에서 보는 것처럼, 텍스타일 기반의 마찰전기 에너지 발전 소자는 텍스타일로 이루어진 마찰 물질들이 상대 마찰 물질과 마찰 운동에 의해 접촉을 하게 되면서 마찰전기를 발생하게 된다. 텍스타일들이 서로 접촉하였다가 분리되었다가를 반복하는 과정에서 마찰 전기의 발생이 지속적으로 이루어질 수 있게 된다.
이러한 과정이 지속되기 위해서는 결국 텍스타일의 접촉/분리가 쉽게 이루어져야 하지만, 실제로는 텍스타일의 경우에는 지속적인 이용에 의해 늘어나는 문제점이 있고, 이러한 텍스타일의 늘어남에 의해 접촉 후 분리가 쉽지 않아 마찰전기 에너지 발전소자의 출력이 저하되는 문제점을 갖고 있다.
본 발명은 마찰운동을 하는 중에 텍스타일 자체가 늘어남으로써 텍스타일 기반의 마찰전기 에너지 발전소자 출력이 저하되는 현상을 형상기억 고분자를 이용하여 해결하고자 한다.
본 발명의 제 1 실시예에 따른 형상 기억 고분자를 이용한 텍스타일 기반의 마찰전기 에너지 발전 소자는, 제 1 텍스타일; 및 제 2 텍스타일을 포함하고, 상기 제 1 텍스타일 및 상기 제 2 텍스타일 중 어느 하나 이상은 외부에 형상 기억 고분자가 코팅된 전도성 실(yarn)로 직조되었으며, 상기 제 1 텍스타일 및 상기 제 2 텍스타일이 서로 접촉에 의한 마찰이 가능하도록 이격 배치되고, 상기 제 1 텍스타일 및 상기 제 2 텍스타일의 마찰에 의한 마찰 전기 발생이 가능하며, 상기 텍스타일들 중 외부에 형상 기억 고분자가 코팅된 전도성 실로 직조된 텍스타일에 상기 형상 기억 고분자의 유리 온도 이상의 열을 가해줌으로써 상기 텍스타일이 자가 회복 가능하다.
상기 제 1 텍스타일과 상기 제 2 텍스타일은 서로 위아래로 배치되며 사이에 스페이서가 배치되어 이격되어 있다.
상기 형상 기억 고분자들의 표면에 미세 패턴을 형성하여 상기 텍스타일의 표면적을 증대시켜 마찰에 의한 출력을 향상시킨다.
본 발명의 제 2 실시예에 따른 형상 기억 고분자를 이용한 텍스타일 기반의 마찰전기 에너지 발전 소자는, 제 1 텍스타일; 및 제 2 텍스타일을 포함하고, 상기 제 1 텍스타일 및 상기 제 2 텍스타일 중 어느 하나 이상은 내부에 금속이 코어 형태로 배치되고 그 외부에 쉘 형태로 고분자가 배치된 실의 외부에 형상 기억 고분자가 코팅된 실을 이용하여 직조되었으며, 상기 제 1 텍스타일 및 상기 제 2 텍스타일이 서로 접촉에 의한 마찰이 가능하도록 이격 배치되고, 상기 제 1 텍스타일 및 상기 제 2 텍스타일의 마찰에 의한 마찰 전기 발생이 가능하며, 상기 텍스타일들 중 외부에 형상 기억 고분자가 코팅된 전도성 실로 직조된 텍스타일에 상기 형상 기억 고분자의 유리 온도 이상의 열을 가해줌으로써 상기 텍스타일이 자가 회복 가능하다.
상기 제 1 텍스타일과 상기 제 2 텍스타일은 서로 위아래로 배치되며 사이에 스페이서가 배치되어 이격되어 있다.
상기 형상 기억 고분자들의 표면에 미세 패턴을 형성하여 상기 텍스타일들의 표면적을 증대시켜 마찰에 의한 출력을 향상시킨다.
본 발명의 제 3 실시예에 따른 형상 기억 고분자를 이용한 텍스타일 기반의 마찰전기 에너지 발전 소자는, 제 1 텍스타일; 및 제 2 텍스타일을 포함하고, 상기 제 1 텍스타일 및 상기 제 2 텍스타일 중 어느 하나는 외부에 제 1 형상 기억 고분자가 코팅된 전도성 실(yarn)로 직조되었고, 나머지 하나는 내부에 금속이 코어 형태로 배치되고 그 외부에 쉘 형태로 고분자가 배치된 실의 외부에 제 2 형상 기억 고분자가 코팅된 실을 이용하여 직조되었으며, 상기 제 1 형상 기억 고분자 및 상기 제 2 형상 기억 고분자의 재질은 상이하며, 상기 제 1 텍스타일 및 상기 제 2 텍스타일이 서로 접촉에 의한 마찰이 가능하도록 이격 배치되고, 상기 제 1 텍스타일 및 상기 제 2 텍스타일의 마찰에 의한 마찰 전기 발생이 가능하며, 상기 텍스타일들에 상기 형상 기억 고분자의 유리 온도 이상의 열을 가해줌으로써 상기 텍스타일들이 자가 회복 가능하다.
상기 제 1 텍스타일과 상기 제 2 텍스타일은 서로 위아래로 배치되며 사이에 스페이서가 배치되어 이격되어 있다.
상기 형상 기억 고분자들의 표면에 미세 패턴을 형성하여 상기 텍스타일들의 표면적을 증대시켜 마찰에 의한 출력을 향상시킨다.
본 발명의 제 4 실시예에 따른 형상 기억 고분자를 이용한 텍스타일 기반의 마찰전기 에너지 발전 소자는, 실(yarn)로 직조된 제 1 텍스타일; 및 실로 직조된 제 2 텍스타일을 포함하고, 상기 제 1 텍스타일 및 상기 제 2 텍스타일 중 어느 하나 이상에는 형상 기억 고분자가 코팅되어 있으며, 상기 제 1 텍스타일 및 상기 제 2 텍스타일이 서로 접촉에 의한 마찰이 가능하도록 이격 배치되고, 상기 제 1 텍스타일 및 상기 제 2 텍스타일의 마찰에 의한 마찰 전기 발생이 가능하며, 상기 텍스타일들 중 외부에 형상 기억 고분자가 코팅된 전도성 실로 직조된 텍스타일에 상기 형상 기억 고분자의 유리 온도 이상의 열을 가해줌으로써 상기 텍스타일이 자가 회복 가능하다.
상기 실은 내부에 금속이 코어 형태로 배치되고 그 외부에 쉘 형태로 고분자가 배치된 실 또는 전도성 실이 이용된다.
상기 제 1 텍스타일과 상기 제 2 텍스타일은 서로 위아래로 배치되며 사이에 스페이서가 배치되어 이격되어 있다.
상기 형상 기억 고분자들의 표면에 미세 패턴을 형성하여 상기 텍스타일들의 표면적을 증대시켜 마찰에 의한 출력을 향상시킨다.
본 발명의 실시예에 따른 형상 기억 고분자를 이용한 텍스타일 기반의 마찰전기 에너지 발전 소자는, 의복 또는 웨어러블 디바이스에 이용 가능하다.
본 발명에 따르면, 형상기억 고분자를 적용시킨 텍스타일에 열을 가해줌으로써 늘어난 텍스타일이 본래의 상태로 자가 회복을 일으키게 된다. 따라서 기존의 늘어짐에 따른 텍스타일 기반의 마찰전기 에너지 발전소자의 출력이 저하되는 현상을 해결할 수 있게 된다.
도 1은 종래 기술에 따른 텍스타일 기반의 마찰전기 에너지 발전 소자의 문제점을 설명하기 위한 개념도이다.
도 2는 형상 기억 고분자를 이용한 텍스타일 기반의 마찰전기 에너지 발전 소자를 설명하기 위한 개념도이다.
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 형상 기억 고분자를 이용한 텍스타일 기반의 마찰전기 에너지 발전 소자에 이용되는 외부에 형상 기억 고분자가 코팅된 전도성 실의 모습을 도시한다.
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 형상 기억 고분자를 이용한 텍스타일 기반의 마찰전기 에너지 발전 소자에 이용되는 외부에 형상 기억 고분자가 코팅된 실의 모습을 도시한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 텍스타일을 이루는 실의 다양한 니팅방법을 보여주는 예를 도시한다.
도 6a-6b는 본 발명의 실시예에 따라 형상 기억 고분자들의 표면에 미세 패턴이 형성된 모습을 도시한다.
도 7은 본 발명의 일 실시에에 따라 스핀 코팅을 이용하여 텍스타일에 형상 기억 고분자 용액을 코팅하는 방법에 대한 개략도 및 샘플 사진을 도시한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 제작된 형상 기억 고분자를 이용한 텍스타일에 열을 인가하였을때의 모습을 도시한다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 제작된 형상 기억 고분자를 이용한 텍스타일 기반의 마찰전기 에너지 발전 소자에 열을 인가하였을때의 모습을 도시한다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 제작된 형상 기억 고분자를 이용한 텍스타일 기반의 마찰전기 에너지 발전 소자의 출력값을 도시한다.
다양한 실시예들이 이제 도면을 참조하여 설명되며, 전체 도면에서 걸쳐 유사한 도면번호는 유사한 엘리먼트를 나타내기 위해서 사용된다. 설명을 위해 본 명세서에서, 다양한 설명들이 본 발명의 이해를 제공하기 위해서 제시된다. 그러나 이러한 실시예들은 이러한 특정 설명 없이도 실행될 수 있음이 명백하다. 다른 예들에서, 공지된 구조 및 장치들은 실시예들의 설명을 용이하게 하기 위해서 블록 다이아그램 형태로 제시된다.
하기 설명은 본 발명의 실시예에 대한 기본적인 이해를 제공하기 위해서 하나 이상의 실시예들의 간략화된 설명을 제공한다. 본 섹션은 모든 가능한 실시예들에 대한 포괄적인 개요는 아니며, 모든 엘리먼트들 중 핵심 엘리먼트를 식별하거나, 모든 실시예의 범위를 커버하고자 할 의도도 아니다. 그 유일한 목적은 후에 제시되는 상세한 설명에 대한 도입부로서 간략화된 형태로 하나 이상의 실시예들의 개념을 제공하기 위함이다.
본 발명은 종래 기술에서 언급한 텍스타일 기반의 마찰전기 에너지 발전소자가 마찰운동을 하는 중에 텍스타일 자체가 늘어남으로써 접촉 후 분리가 쉽지 않아 에너지 발전소자 출력이 저하되는 큰 문제점을 해결하기 위한 내용으로서, 이러한 문제점을 해결하기 위해 열을 가해주면 원래의 상태로 자가 회복이 가능한 형상기억 고분자를 텍스타일에 적용시켰다.
열을 이용하여 원래의 상태로 자가 회복이 가능한 형상기억 고분자 물질은 다양한 온도 범위의 유리온도를 갖는다. 따라서 형상기억 고분자 물질을 텍스타일에 적용시킨 후 형상기억 고분자 물질의 유리온도와 일치 또는 그 초과의 온도의 열을 외부에서 가해주게 되면, 늘어났던 텍스타일 자체가 원래의 상태로 자가 회복이 이루어져 다시 에너지 발전소자 출력이 회복될 수 있게 된다.
만약 신체 운동 시 몸에서 발생하는 마찰열 및 체온에 가까운 유리온도를 가진 형상기억 고분자를 이용하여 텍스타일 기반의 마찰전기 에너지 발전 소자를 제작한다면, 우리가 움직일 때 발생하는 마찰열 및 체온만으로도 늘어난 텍스타일의 자가 회복이 이루어져 텍스타일 기반의 마찰전기 에너지 발전소자의 변형되는 문제점을 해결 할 수 있다. 이러한 방법은 외부에서 따로 온도를 가해주지 않아도 된다는 큰 장점을 가지게 된다.
도 2는 형상 기억 고분자를 이용한 텍스타일 기반의 마찰전기 에너지 발전 소자를 설명하기 위한 개념도이다.
도 2에서 보는 것처럼, 형상 기억 고분자를 이용한 텍스타일의 경우에는 늘어짐(쳐짐)이 발생되더라도 열을 가해줌으로써 텍스타일이 원래의 상태로 자가회복이 가능하게 된다. 이에 의해 마찰전기 에너지 발전 소자의 출력이 감소되는 현상을 막을 수 있게 된다.
본 발명의 제 1 실시예에 따른 형상 기억 고분자를 이용한 텍스타일 기반의 마찰전기 에너지 발전 소자는, 제 1 텍스타일; 및 제 2 텍스타일을 포함한다.
제 1 텍스타일 및 상기 제 2 텍스타일 중 어느 하나 이상은 외부에 형상 기억 고분자가 코팅된 전도성 실(yarn)로 직조되어 있다.
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 형상 기억 고분자를 이용한 텍스타일 기반의 마찰전기 에너지 발전 소자에 이용되는 외부에 형상 기억 고분자가 코팅된 전도성 실의 모습을 도시한다.
도 3에서 보는 것처럼, 전도성 실의 외부에 형상 기억 고분자 용액을 코팅시켜 외부에 형상 기억 고분자가 코팅된 전도성 실이 준비된다. 이 경우 외부의 형상 기억 고분자는 직접 마찰에 관여하는 마찰 물질에 해당하고, 내부의 전도성 실은 전극 역할을 할 수 있다.
본 발명의 제 1 실시예는 제 1 텍스타일과 제 2 텍스타일이 서로 접촉하여 마찰전기를 발생하는 경우이다. 따라서 마찰전기의 발생을 위해서는 제 1 텍스타일의 마찰 물질과 제 2 텍스타일의 마찰 물질은 상이해야 한다. 만일 제 1 텍스타일 및 제 2 텍스타일이 모두 형상 기억 고분자가 코팅된 실로 직조된 경우 서로 마찰하는 형상기억 고분자 물질이 서로 상이해야 한다. 이 경우 발생되는 마찰 전기의 출력이 크도록 마찰전기 대전열(triboelectric series) 상에서 대전 특성 차이가 큰 것이 이용되는 것이 바람직하다.
텍스타일들은 실로 직조되는 것이며, 실을 다양한 니팅 방법을 통해 텍스타일을 제조할 경우 니팅 방법에 따라 다양한 패턴을 제작할 수 있으므로, 텍스타일의 표면적을 증가시켜 에너지 발전소자의 출력을 향상시킬 수 있다. 도 5는 실의 다양한 니팅방법을 보여주는 예를 도시한다. 텍스타일은 실의 니팅 방법(plain, double, rib 등)에 따라 표면적이 달라지므로 표면적이 넓은 니팅방법을 선택할수록 에너지 발전 소자의 출력이 향상된다.
제 1 텍스타일과 제 2 텍스타일은 도 2에서 보는 것처럼 서로 위아래로 배치될 수 있고, 그 사이에는 스페이서가 배치될 수 있다. 제 1 텍스타일 및 제 2 텍스타일 중 어느 것이 위로 배치되는지는 무관하다. 서로 위아래로 배치된 상태에서 운동에 의해 서로 마찰이 발생될 수 있고 이에 의해 마찰 전기 에너지가 발생될 수 있다. 이러한 텍스타일들을 이용한 마찰 전기 에너지 발전 소자는 의복, 웨어러블 디바이스에 이용 가능하므로 인체의 움직임 등에 의해 지속적인 마찰 전기 에너지의 발생이 가능하게 된다.
또한, 마찰전기 에너지의 출력을 높이기 위해서, 형상 기억 고분자들의 표면에 미세 패턴을 형성할 수도 있다. 도 6은 형상 기억 고분자들의 표면에 미세 패턴이 형성된 모습을 도시한다. 이처럼 형상 기억 고분자들의 표면에 미세 패턴을 형성함으로써 텍스타일들의 표면적을 증대시킬 수 있고, 이에 의해 마찰에 의한 마찰전기 에너지의 출력을 높일 수 있게 되는 것이다.
본 발명의 명세서에서 미세 패턴은 도 6a-6b에서 나타난 것처럼 실 표면에 나노 로드를 성장시켜 미세 패턴을 형성시키거나 또는 플라즈마 에칭을 통해 미세 패턴을 형성시킬 수 있다.
본 발명의 제 2 실시예에 따른 형상 기억 고분자를 이용한 텍스타일 기반의 마찰전기 에너지 발전 소자는, 제 1 텍스타일; 및 제 2 텍스타일을 포함하고, 상기 제 1 텍스타일 및 상기 제 2 텍스타일 중 어느 하나 이상은 내부에 금속이 코어 형태로 배치되고 그 외부에 쉘 형태로 고분자가 배치된 실의 외부에 형상 기억 고분자가 코팅된 실을 이용하여 직조되어 있다.
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 형상 기억 고분자를 이용한 텍스타일 기반의 마찰전기 에너지 발전 소자에 이용되는 외부에 형상 기억 고분자가 코팅된 실의 모습을 도시한다.
도 4에서 보는 것처럼, 코어-쉘 구조를 이루는 전도성 실(코어)-고분자 실(쉘)로 이루어진 실의 외부에 형상 기억 고분자 용액을 코팅시켜 외부에 형상 기억 고분자가 코팅된 실이 준비된다. 이 경우 외부의 형상 기억 고분자는 직접 마찰에 관여하는 마찰 물질에 해당하고, 내부의 전도성 실은 전극 역할을 할 수 있다.
본 발명의 제 2 실시예는 제 1 텍스타일과 제 2 텍스타일이 서로 접촉하여 마찰전기를 발생하는 경우이다. 따라서 마찰전기의 발생을 위해서는 제 1 텍스타일의 마찰 물질과 제 2 텍스타일의 마찰 물질은 상이해야 한다. 만일 제 1 텍스타일 및 제 2 텍스타일이 모두 형상 기억 고분자가 코팅된 실로 직조된 경우 서로 마찰하는 형상기억 고분자 물질이 서로 상이해야 한다. 이 경우 발생되는 마찰 전기의 출력이 크도록 마찰전기 대전열(triboelectric series) 상에서 대전 특성 차이가 큰 것이 이용되는 것이 바람직하다.
텍스타일들은 실로 직조되는 것이며, 실을 다양한 니팅 방법을 통해 텍스타일을 제조할 경우 니팅 방법에 따라 다양한 패턴을 제작할 수 있으므로, 텍스타일의 표면적을 증가시켜 에너지 발전소자의 출력을 향상시킬 수 있다. 도 5는 실의 다양한 니팅방법을 보여주는 예를 도시한다. 텍스타일은 실의 니팅 방법(plain, double, rib 등)에 따라 표면적이 달라지므로 표면적이 넓은 니팅방법을 선택할수록 에너지 발전 소자의 출력이 향상된다.
제 1 텍스타일과 제 2 텍스타일은 도 2에서 보는 것처럼 서로 위아래로 배치될 수 있고, 그 사이에는 스페이서가 배치될 수 있다. 제 1 텍스타일 및 제 2 텍스타일 중 어느 것이 위로 배치되는지는 무관하다. 서로 위아래로 배치된 상태에서 운동에 의해 서로 마찰이 발생될 수 있고 이에 의해 마찰 전기 에너지가 발생될 수 있다. 이러한 텍스타일들을 이용한 마찰 전기 에너지 발전 소자는 의복, 웨어러블 디바이스에 이용 가능하므로 인체의 움직임 등에 의해 지속적인 마찰 전기 에너지의 발생이 가능하게 된다.
또한, 마찰전기 에너지의 출력을 높이기 위해서, 형상 기억 고분자들의 표면에 미세 패턴을 형성할 수도 있다. 도 6은 형상 기억 고분자들의 표면에 미세 패턴이 형성된 모습을 도시한다. 이처럼 형상 기억 고분자들의 표면에 미세 패턴을 형성함으로써 텍스타일들의 표면적을 증대시킬 수 있고, 이에 의해 마찰에 의한 마찰전기 에너지의 출력을 높일 수 있게 되는 것이다.
본 발명의 제 3 실시예에 따른 형상 기억 고분자를 이용한 텍스타일 기반의 마찰전기 에너지 발전 소자는, 제 1 텍스타일; 및 제 2 텍스타일을 포함하고, 상기 제 1 텍스타일 및 상기 제 2 텍스타일 중 어느 하나는 외부에 제 1 형상 기억 고분자가 코팅된 전도성 실(yarn)로 직조되었고, 나머지 하나는 내부에 금속이 코어 형태로 배치되고 그 외부에 쉘 형태로 고분자가 배치된 실의 외부에 제 2 형상 기억 고분자가 코팅된 실을 이용하여 직조되어 있다.
제 3 실시예는 제 1 실시예의 방식으로 직조한 텍스타일과 제 2 실시예의 방식으로 직조한 텍스타일 간의 마찰에 의한 에너지 발생에 대한 실시예에 해당한다. 실을 준비하고 직조하여 텍스타일을 만드는 내용에 대해서는 위에서 이미 설명하였으므로 반복 설명은 생략하도록 하겠다.
본 발명의 제 3 실시예는 제 1 텍스타일과 제 2 텍스타일이 서로 접촉하여 마찰전기를 발생하는 경우이고, 따라서 마찰전기의 발생을 위해 제 1 형상 기억 고분자 및 상기 제 2 형상 기억 고분자의 재질은 상이해야 한다. 이 경우 발생되는 마찰 전기의 출력이 크도록 마찰전기 대전열(triboelectric series) 상에서 대전 특성 차이가 큰 것이 이용되는 것이 바람직하다.
텍스타일들은 실로 직조되는 것이며, 실을 다양한 니팅 방법을 통해 텍스타일을 제조할 경우 니팅 방법에 따라 다양한 패턴을 제작할 수 있으므로, 텍스타일의 표면적을 증가시켜 에너지 발전소자의 출력을 향상시킬 수 있다. 도 5는 실의 다양한 니팅방법을 보여주는 예를 도시한다. 텍스타일은 실의 니팅 방법(plain, double, rib 등)에 따라 표면적이 달라지므로 표면적이 넓은 니팅방법을 선택할수록 에너지 발전 소자의 출력이 향상된다.
제 1 텍스타일과 제 2 텍스타일은 도 2에서 보는 것처럼 서로 위아래로 배치될 수 있고, 그 사이에는 스페이서가 배치될 수 있다. 제 1 텍스타일 및 제 2 텍스타일 중 어느 것이 위로 배치되는지는 무관하다. 서로 위아래로 배치된 상태에서 운동에 의해 서로 마찰이 발생될 수 있고 이에 의해 마찰 전기 에너지가 발생될 수 있다. 이러한 텍스타일들을 이용한 마찰 전기 에너지 발전 소자는 의복, 웨어러블 디바이스에 이용 가능하므로 인체의 움직임 등에 의해 지속적인 마찰 전기 에너지의 발생이 가능하게 된다.
또한, 마찰전기 에너지의 출력을 높이기 위해서, 형상 기억 고분자들의 표면에 미세 패턴을 형성할 수도 있다. 도 6은 형상 기억 고분자들의 표면에 미세 패턴이 형성된 모습을 도시한다. 이처럼 형상 기억 고분자들의 표면에 미세 패턴을 형성함으로써 텍스타일들의 표면적을 증대시킬 수 있고, 이에 의해 마찰에 의한 마찰전기 에너지의 출력을 높일 수 있게 되는 것이다.
도 3 및 4에서는 실 자체에 형상 기억 고분자를 코팅하는 방식으로 설명하였으나, 형상기억 고분자를 텍스타일에 적용시키는 방법으로는 텍스타일 자체에 형상기억 고분자 용액을 코팅하는 방법도 이용할 수 있다. 스핀코터 혹은 딥코터 등을 이용하여 형상기억 고분자 용액을 고분자 텍스타일, 전도성 텍스타일 등 다양한 텍스타일에 코팅함으로써, 열을 가해주었을 때 원래의 상태로 돌아오는 형상기억고분자를 적용한 텍스타일을 제작할 수 있다. 도 7은 본 발명의 일 실시에에 따라 스핀 코팅을 이용하여 텍스타일에 형상 기억 고분자 용액을 코팅하는 방법에 대한 개략도 및 샘플 사진을 도시한다. 이때 아래 표 1에서 볼 수 있듯이, 전도성 텍스타일에 형상기억 고분자를 코팅하는 경우, 형상기억 고분자 용액에 전도성 텍스타일로 스며들어가게 됨으로써 형상기억 고분자 용액이 코팅된 전도성 텍스타일은 전도성을 유지할 수 있게 되는 장점을 가진다.
전도성 텍스타일 형상기억 고분자 용액이 코팅된 전도성 텍스타일
저항 1.6Ω 3.2Ω
위의 표 1은 일반 전도성 텍스타일 샘플과 전도성 텍스타일에 형상기억 고분자 용액을 코팅한 후의 샘플의 저항을 측정한 결과이다. 두 샘플 모두 저항이 측정되었고, 그 결과 두 샘플 모두 전도성이 있다는 것을 확인할 수 있었다. 즉, 형상기억 고분자 용액을 코팅한 후에도 전도성 텍스타일이 전도성을 유지하고, 기존의 전기적 특성을 잃지 않는다는 것을 나타낸다.
이처럼 텍스타일 자체에 형상기억 고분자 용액을 코팅하는 방법을 이용해 제작된 형상 기억 고분자를 이용한 텍스타일 기반의 마찰전기 에너지 발전 소자는 본 발명의 제 4 실시예에 해당하며, 이러한 형상 기억 고분자를 이용한 텍스타일 기반의 마찰전기 에너지 발전 소자는, 실(yarn)로 직조된 제 1 텍스타일; 및 실로 직조된 제 2 텍스타일을 포함하고, 상기 제 1 텍스타일 및 상기 제 2 텍스타일 중 어느 하나 이상에는 형상 기억 고분자가 코팅되어 있다. 실을 준비하고 직조하여 텍스타일을 만드는 내용에 대해서는 위에서 이미 설명하였으므로 반복 설명은 생략하도록 하겠다. 그 이외에 위의 실시예들에서 설명한 부분과 반복되는 내용도 모두 생략하도록 하겠다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 제작된 형상 기억 고분자를 이용한 텍스타일에 열을 인가하였을때의 모습을 도시한다. 도 8은 텍스타일에 형상기억 고분자를 코팅한 후 인위적으로 늘어짐 현상을 연출한 뒤(텍스타일 가운데 부분에 위로 늘어난 형태) 히터를 이용하여 텍스타일에 열을 가해주었을 때 텍스타일이 본래의 평평한 상태로 돌아오는 것을 나타낸다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 제작된 형상 기억 고분자를 이용한 텍스타일 기반의 마찰전기 에너지 발전 소자에 열을 인가하였을때의 모습을 도시한다. 도 9에서도 도 8과 마찬가지로 히터를 이용해 텍스타일에 열을 인가함에 따라 텍스타일이 본래의 평평한 상태로 돌아옴을 확인할 수 있었다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 제작된 형상 기억 고분자를 이용한 텍스타일 기반의 마찰전기 에너지 발전 소자의 출력값을 도시한다. 도 10은 나일론 텍스타일의 경우의 마찰 전기 에너지 출력값과, 형상 기억 고분자가 코팅된 나일론 텍스타일의 경우의 마찰 전기 에너지 출력값을 비교한 것이다.
형상기억 고분자를 이용한 텍스타일과 마찰되는 상대 마찰전기 대전 물질로서는 다양한 물질이 이용될 수 있다. 특히 의류 및 웨어러블 디바이스에 적용시키기 위해서는 전도성 텍스타일, 고분자 텍스타일 등을 상대 마찰전기 대전물질로 사용할 수 있다. 형상기억 고분자를 이용한 텍스타일 기반의 마찰전기 에너지 발전소자는 pushing mode, sliding mode, single electrode mode 등 여러 가지 마찰전기 에너지 발전소자의 구동 방법에서 이용될 수 있다.
본 발명에 따른 형상 기억 고분자를 이용한 텍스타일 기반의 마찰전기 에너지 발전 소자는 기존의 텍스타일 기반의 마찰전기 에너지 발전소자의 한계점을 극복함으로써, 본 발명에 따른 형상기억 고분자를 이용한 텍스타일 기반의 마찰전기 에너지 발전소자는 스마트 의복이나 웨어러블 디바이스에 적용되었을 때 늘어남으로 인해 출력이 감소하지 않고, 지속적으로 일정한 전력을 공급할 수 있다. 따라서 시간과 장소에 상관없이 정보를 처리할 수 있는 인간 친화적인 미래 정보화 기기, 즉 사용자 발전(UCP : User Created Power) 시스템, 유저인터페이스(UI), 헬스케어용 무선인테네트워크(wireless body area network, WBAN)에 활용될 수 있다.
제시된 실시예들에 대한 설명은 임의의 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 이용하거나 또는 실시할 수 있도록 제공된다. 이러한 실시예들에 대한 다양한 변형들은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이며, 여기에 정의된 일반적인 원리들은 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 그리하여, 본 발명은 여기에 제시된 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 여기에 제시된 원리들 및 신규한 특징들과 일관되는 최광의의 범위에서 해석되어야 할 것이다.

Claims (15)

  1. 제 1 텍스타일; 및
    제 2 텍스타일을 포함하고,
    상기 제 1 텍스타일 및 상기 제 2 텍스타일 중 어느 하나 이상은 외부에 형상 기억 고분자가 코팅된 전도성 실(yarn)로 직조되었으며,
    상기 제 1 텍스타일 및 상기 제 2 텍스타일이 서로 접촉에 의한 마찰이 가능하도록 이격 배치되고,
    상기 제 1 텍스타일 및 상기 제 2 텍스타일의 마찰에 의한 마찰 전기 발생이 가능하며,
    상기 텍스타일들 중 외부에 형상 기억 고분자가 코팅된 전도성 실로 직조된 텍스타일에 상기 형상 기억 고분자의 유리 온도 이상의 열을 가해줌으로써 상기 텍스타일이 자가 회복 가능한,
    형상 기억 고분자를 이용한 텍스타일 기반의 마찰전기 에너지 발전 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 텍스타일과 상기 제 2 텍스타일은 서로 위아래로 배치되며 사이에 스페이서가 배치되어 이격되어 있는,
    형상 기억 고분자를 이용한 텍스타일 기반의 마찰전기 에너지 발전 소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 형상 기억 고분자들의 표면에 미세 패턴을 형성하여 상기 텍스타일의 표면적을 증대시켜 마찰에 의한 출력을 향상시키는,
    형상 기억 고분자를 이용한 텍스타일 기반의 마찰전기 에너지 발전 소자.
  4. 제 1 텍스타일; 및
    제 2 텍스타일을 포함하고,
    상기 제 1 텍스타일 및 상기 제 2 텍스타일 중 어느 하나 이상은 내부에 금속이 코어 형태로 배치되고 그 외부에 쉘 형태로 고분자가 배치된 실의 외부에 형상 기억 고분자가 코팅된 실을 이용하여 직조되었으며,
    상기 제 1 텍스타일 및 상기 제 2 텍스타일이 서로 접촉에 의한 마찰이 가능하도록 이격 배치되고,
    상기 제 1 텍스타일 및 상기 제 2 텍스타일의 마찰에 의한 마찰 전기 발생이 가능하며,
    상기 텍스타일들 중 외부에 형상 기억 고분자가 코팅된 전도성 실로 직조된 텍스타일에 상기 형상 기억 고분자의 유리 온도 이상의 열을 가해줌으로써 상기 텍스타일이 자가 회복 가능한,
    형상 기억 고분자를 이용한 텍스타일 기반의 마찰전기 에너지 발전 소자.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 텍스타일과 상기 제 2 텍스타일은 서로 위아래로 배치되며 사이에 스페이서가 배치되어 이격되어 있는,
    형상 기억 고분자를 이용한 텍스타일 기반의 마찰전기 에너지 발전 소자.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 형상 기억 고분자들의 표면에 미세 패턴을 형성하여 상기 텍스타일들의 표면적을 증대시켜 마찰에 의한 출력을 향상시키는,
    형상 기억 고분자를 이용한 텍스타일 기반의 마찰전기 에너지 발전 소자.
  7. 제 1 텍스타일; 및
    제 2 텍스타일을 포함하고,
    상기 제 1 텍스타일 및 상기 제 2 텍스타일 중 어느 하나는 외부에 제 1 형상 기억 고분자가 코팅된 전도성 실(yarn)로 직조되었고, 나머지 하나는 내부에 금속이 코어 형태로 배치되고 그 외부에 쉘 형태로 고분자가 배치된 실의 외부에 제 2 형상 기억 고분자가 코팅된 실을 이용하여 직조되었으며,
    상기 제 1 형상 기억 고분자 및 상기 제 2 형상 기억 고분자의 재질은 상이하며,
    상기 제 1 텍스타일 및 상기 제 2 텍스타일이 서로 접촉에 의한 마찰이 가능하도록 이격 배치되고,
    상기 제 1 텍스타일 및 상기 제 2 텍스타일의 마찰에 의한 마찰 전기 발생이 가능하며,
    상기 텍스타일들에 상기 형상 기억 고분자의 유리 온도 이상의 열을 가해줌으로써 상기 텍스타일들이 자가 회복 가능한,
    형상 기억 고분자를 이용한 텍스타일 기반의 마찰전기 에너지 발전 소자.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 텍스타일과 상기 제 2 텍스타일은 서로 위아래로 배치되며 사이에 스페이서가 배치되어 이격되어 있는,
    형상 기억 고분자를 이용한 텍스타일 기반의 마찰전기 에너지 발전 소자.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 형상 기억 고분자들의 표면에 미세 패턴을 형성하여 상기 텍스타일들의 표면적을 증대시켜 마찰에 의한 출력을 향상시키는,
    형상 기억 고분자를 이용한 텍스타일 기반의 마찰전기 에너지 발전 소자.
  10. 실(yarn)로 직조된 제 1 텍스타일; 및
    실로 직조된 제 2 텍스타일을 포함하고,
    상기 제 1 텍스타일 및 상기 제 2 텍스타일 중 어느 하나 이상에는 형상 기억 고분자가 코팅되어 있으며,
    상기 제 1 텍스타일 및 상기 제 2 텍스타일이 서로 접촉에 의한 마찰이 가능하도록 이격 배치되고,
    상기 제 1 텍스타일 및 상기 제 2 텍스타일의 마찰에 의한 마찰 전기 발생이 가능하며,
    상기 텍스타일들 중 외부에 형상 기억 고분자가 코팅된 전도성 실로 직조된 텍스타일에 상기 형상 기억 고분자의 유리 온도 이상의 열을 가해줌으로써 상기 텍스타일이 자가 회복 가능한,
    형상 기억 고분자를 이용한 텍스타일 기반의 마찰전기 에너지 발전 소자.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 실은 내부에 금속이 코어 형태로 배치되고 그 외부에 쉘 형태로 고분자가 배치된 실 또는 전도성 실이 이용되는,
    형상 기억 고분자를 이용한 텍스타일 기반의 마찰전기 에너지 발전 소자.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 텍스타일과 상기 제 2 텍스타일은 서로 위아래로 배치되며 사이에 스페이서가 배치되어 이격되어 있는,
    형상 기억 고분자를 이용한 텍스타일 기반의 마찰전기 에너지 발전 소자.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 형상 기억 고분자들의 표면에 미세 패턴을 형성하여 상기 텍스타일들의 표면적을 증대시켜 마찰에 의한 출력을 향상시키는,
    형상 기억 고분자를 이용한 텍스타일 기반의 마찰전기 에너지 발전 소자.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 따른 형상 기억 고분자를 이용한 텍스타일 기반의 마찰전기 에너지 발전 소자가 적용된, 의복.
  15. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 따른 형상 기억 고분자를 이용한 텍스타일 기반의 마찰전기 에너지 발전 소자가 적용된, 웨어러블 디바이스.
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