KR20180029629A - Triboelectric device using ferroelectric material - Google Patents

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KR20180029629A KR1020160117958A KR20160117958A KR20180029629A KR 20180029629 A KR20180029629 A KR 20180029629A KR 1020160117958 A KR1020160117958 A KR 1020160117958A KR 20160117958 A KR20160117958 A KR 20160117958A KR 20180029629 A KR20180029629 A KR 20180029629A
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정종훈
김현수
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인하대학교 산학협력단
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02NELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N1/00Electrostatic generators or motors using a solid moving electrostatic charge carrier
    • H02N1/04Friction generators

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  • Electrostatic Charge, Transfer And Separation In Electrography (AREA)

Abstract

The present invention relates to a triboelectric device using a ferroelectric material. According to the present invention, the triboelectric device using a ferroelectric comprises: a lower electrode layer; a ferroelectric layer located on an upper part of the lower electrode layer, and made of a ferroelectric material; a triboelectric charge layer located on an upper part of the ferroelectric layer; and an upper electrode layer separated from an upper part of the triboelectric charge layer. Triboelectricity is generated as the triboelectric charge layer and the upper electrode layer are separated from each other after being contacted by an external force. According to the present invention, the triboelectric device significantly reduces a degree of wear of the triboelectric device by using the ferroelectric material, thereby increasing generation efficiency as well as durability of the device.

Description

강유전체를 이용한 마찰 전기 디바이스{Triboelectric device using ferroelectric material}[0001] Triboelectric device using ferroelectric material [0002]

본 발명은 강유전체를 이용한 마찰 전기 디바이스에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 마찰 전기 디바이스의 내구성 및 효율성을 높일 수 있는 강유전체를 이용한 마찰 전기 디바이스에 관한 것이다.Field of the Invention [0002] The present invention relates to a triboelectric device using a ferroelectric substance, and more particularly, to a triboelectric device using a ferroelectric material capable of enhancing the durability and efficiency of the triboelectric device.

석탄/석유와 같은 화석 연료의 급속한 감소, 지구 온난화와 같은 환경 문제로 인하여, 신재생 에너지에 대한 연구가 매우 활발히 진행 중이다. 그 중에서 마찰 발전은 서로 다른 두 물질이 접촉한 후 분리되었을 때 발생하는 정전기에 의한 대전(帶電) 차이로 발생하는 에너지를 이용한다. Research on renewable energy is actively underway due to environmental problems such as rapid decrease of fossil fuels such as coal / oil and global warming. Among them, friction energy utilizes the energy generated by the difference of electric charge caused by static electricity generated when two different materials come into contact with each other.

마찰 발전은 기존의 태양전지, 풍력, 연료전지 등과 같은 친환경 에너지와 달리 주변에 존재하는 미세진동이나 인간의 움직임으로부터 발생된 소모성의 기계적 에너지를 전기에너지로 무한히 추출할 수 있기 때문에, 새로운 개념의 친환경 에너지 발전방법이라 할 수 있다. Unlike conventional solar energy, wind energy, fuel cell, etc., frictional power generation can extract infinite mechanical energy of consuming generated from human vibrations or human vibrations, Energy generation method.

마찰 전기 발전소자는 마찰이 일어날 때 전자를 내주는 성질이 큰 물질과 전자를 받아들이는 성질이 큰 물질을 마찰시켜 전자를 이동시킨 후 정전기 유도를 통해 전기를 생산한다. 종래에는 전기적 성질 차이가 큰 물질을 이용해 발전 소자를 만들고 효율을 높이는 연구가 주로 진행됐다. The triboelectric power plant produces electrons by inducing electrostatic induction by moving electrons by rubbing a substance having a large property of emitting electrons and a substance having a large property of accepting electrons when friction occurs. In the past, researches have been conducted mainly on making power generation devices using materials having a large difference in electrical properties and increasing efficiency.

이러한 정전기 특성을 이용한 에너지 변환 방식은 변환 효율이 크고 소형 및 경량화가 가능하며 나노기술과의 융합을 통해 획기적인 기술 도약을 이끌 만한 파급효과가 높은 기술로 평가받고 있다. 예컨대 최근 모바일 기기가 널리 사용되고 신체에 착용하는 웨어러블 기기가 속속 등장하면서 이들 기기의 전기 공급 또는 충전을 위한 발전 장치로 많은 관심이 집중되고 있다. The energy conversion method using the electrostatic characteristic is considered to be a highly effective technology that can lead to a breakthrough of technology through convergence with nanotechnology which can be made compact and lightweight with high conversion efficiency. For example, in recent years, mobile devices have been widely used and wearable devices worn on the body have been rapidly emerging, and a great deal of attention has been focused on them as power generation devices for supplying or charging these devices.

마찰 전기 디바이스는 기본적으로 서로 다른 두 물체의 접촉에 의해 전기가 발생되기 때문에, 장기간 사용 시 두 물체가 심하게 마모되는 현상이 발생하여 내구성 문제가 다양하게 제기되어 왔다. 이를 해결하기 위한 시도로서 형상 기억 폴리머를 이용하여 마모된 폴리머에 열을 가하여 재생하는 방법, 원자 층 증착법을 이용하여 표면은 물론 폴리머 내부까지 모두 개질하는 방법 등이 보고된 바 있다.Since triboelectric devices basically generate electricity by contact of two different objects, there is a phenomenon that two objects are severely worn out for a long period of use, resulting in various durability problems. As an attempt to solve this problem, there has been reported a method of applying heat to a worn polymer by using a shape memory polymer, and a method of modifying both the surface and the inside of a polymer by using an atomic layer deposition method.

하지만 이와 같이 마모된 디바이스를 별도의 가열이나 증착 등의 후속 공정을 이용하여 개질하는 방식은 시간 및 비용이 많이 필요하기 때문에, 디바이스 자체의 마모 정도를 근본적으로 줄일 수 있는 기술이 요구된다.However, since the method of modifying a worn device by using a subsequent process such as heating or vapor deposition requires a great deal of time and cost, there is a need for a technique capable of fundamentally reducing the degree of wear of the device itself.

본 발명의 배경이 되는 기술은 한국등록특허 제0949146호(2010.03.25 공고)에 개시되어 있다.The technology to be a background of the present invention is disclosed in Korean Patent No. 0949146 (published on Mar. 25, 2010).

본 발명은, 마찰 대전층 하부에 강유전체를 삽입하여 마찰 전기 디바이스의 내구성 및 발전 효율을 높일 수 있는 강유전체를 이용한 마찰 전기 디바이스를 제공하는데 목적이 있다.An object of the present invention is to provide a triboelectric device using a ferroelectric material capable of enhancing the durability and power generation efficiency of a triboelectric device by inserting a ferroelectric below the triboelectric charge layer.

본 발명은, 하부 전극층과, 상기 하부 전극층의 상부에 배치되며 강유전체 재질로 형성되는 강유전층과, 상기 강유전층의 상부에 배치되는 마찰 대전층, 및 상기 마찰 대전층의 상부에 이격 배치되는 상부 전극층을 포함하며, 상기 마찰 대전층과 상기 상부 전극층이 외력에 의해 접촉된 후 이격됨에 따라 마찰 전기가 발생되는 강유전체를 이용한 마찰 전기 디바이스를 제공한다.The present invention relates to a ferroelectric capacitor comprising a lower electrode layer, a ferroelectric layer disposed on the upper electrode layer and formed of a ferroelectric material, a triboelectrification layer disposed on the ferroelectric layer, The present invention provides a triboelectric device using a ferroelectric material in which triboelectricity is generated as the triboelectrification layer and the upper electrode layer are separated from each other after being contacted by an external force.

여기서, 상기 접촉에 따라 상기 상부 전극층의 전하가 상기 마찰 대전층으로 이동하여 상기 마찰 대전층은 (-)로, 상기 상부 전극층은 (+)로 대전되며, 상기 강유전층은, 양전하 및 음전하가 각각 상부 및 하부 위치에 분극된 구조를 가질 수 있다.Here, the charge of the upper electrode layer moves to the triboelectrification layer according to the contact, the triboelectric charge layer is negatively charged, and the upper electrode layer is positively charged, and the ferroelectric layer has a positive charge and a negative charge, respectively And may have a structure that is polarized at the upper and lower positions.

또한, 상기 마찰 대전층은 PDMS, PTFE, PMMA, PI 중 적어도 하나의 재질을 포함하여 형성되고, 상기 강유전층은 PVDF 또는 P(VDF-TrFE) 재질을 포함하여 형성될 수 있다.Also, the triboelectric charging layer may include at least one of PDMS, PTFE, PMMA, and PI, and the ferroelectric layer may include PVDF or P (VDF-TrFE).

또한, 상기 마찰 대전층은 10 내지 18 ㎛의 두께를 가질 수 있다.Further, the triboelectrification layer may have a thickness of 10 to 18 占 퐉.

더욱 바람직하게는, 상기 마찰 대전층은 13 ㎛의 두께를 가질 수 있다.More preferably, the triboelectrification layer may have a thickness of 13 mu m.

본 발명에 따른 강유전체를 이용한 마찰 전기 디바이스에 따르면, 강유전체 물질을 이용하여 마찰 전기 디바이스의 마모 정도를 획기적으로 줄여 디바이스의 내구성은 물론 발전 효율을 증대시킬 수 있는 이점이 있다.According to the triboelectric device using ferroelectric according to the present invention, the degree of wear of the triboelectric device can be drastically reduced by using the ferroelectric material, thereby enhancing the durability of the device as well as the power generation efficiency.

또한, 본 발명은 전극층과의 접촉에 의해 마찰 대전층에 유도된 음전하가 강유전체의 양전하에 의해 사라지지 않고 고정될 수 있고 접촉이 떨어진 경우에도 마찰 대전층의 음전하를 상당량 유지시킬 수 있으므로 접촉 횟수를 획기적으로 줄일 수 있는 동시에 디바이스의 내구성을 증대시킬 수 있다.Further, according to the present invention, since the negative charge induced in the triboelectrification layer due to contact with the electrode layer can be fixed without being lost by the positive charge of the ferroelectric, and the negative charge of the triboelectric charge layer can be maintained considerably even when the contact is dropped, And the durability of the device can be increased.

또한, 마찰 대전층과 전극층 간의 접촉 과정에서, 강유전체의 양전하에 의해 마찰 대전층으로 음전하가 더 빨리 그리고 더 많이 유도될 수 있어, 빠른 시간에 더욱 큰 전류를 출력할 수 있어 발전 효율을 높일 수 있는 이점이 있다.Further, during the contact process between the triboelectrification layer and the electrode layer, a negative charge can be induced more quickly and more in the triboelectrification layer due to the positive charge of the ferroelectric substance, so that a larger current can be output in a short time, There is an advantage.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 강유전체를 이용한 마찰 전기 디바이스를 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 마찰 전기 디바이스의 구동 원리를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에서 강유전체 삽입 전후의 전류 세기를 비교한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에서 강유전체 삽입 전후에 마찰 대전층에 유도되는 전하량을 비교한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에서 강유전체 삽입 전후의 전압 및 전류의 크기를 비교한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에서 강유전체 물질의 삽입 전후에 전극과 폴리머 사이의 거리에 따라 발생하는 전류의 세기를 비교한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에서 마찰 대전층의 두께에 따른 전류 값의 크기를 비교한 결과이다.
1 is a view illustrating a triboelectric device using a ferroelectric substance according to an embodiment of the present invention.
Fig. 2 is a view showing a driving principle of the triboelectric device shown in Fig. 1. Fig.
3 is a graph comparing current intensities before and after ferroelectric inserting in the embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a graph comparing the amount of charge induced in the triboelectric charging layer before and after inserting the ferroelectric in the embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a graph comparing magnitudes of voltage and current before and after inserting a ferroelectric in the embodiment of the present invention. FIG.
FIG. 6 is a graph comparing current intensities generated according to the distance between the electrodes and the polymer before and after the ferroelectric material is inserted in the embodiment of the present invention.
FIG. 7 shows the results of comparing the magnitude of the current value according to the thickness of the triboelectrification layer in the embodiment of the present invention.

그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily carry out the present invention.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 강유전체를 이용한 마찰 전기 디바이스를 나타낸 도면이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 마찰 전기 디바이스(100)는 하부 전극층(110), 강유전층(120), 마찰 대전층(130), 그리고 상부 전극층(140)을 포함한다.1 is a view illustrating a triboelectric device using a ferroelectric substance according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, a triboelectric device 100 according to an embodiment of the present invention includes a lower electrode layer 110, a ferroelectric layer 120, a triboelectrification layer 130, and an upper electrode layer 140.

하부 전극층(110) 및 상부 전극층(140)은 전도성 물질을 포함하여 이루어진다. 이러한 하부 전극층(110) 및 상부 전극층(140)은 투명성을 가지는 형태로 구현될 수 있다. 예를 들어 각 전극층(110,140)은 ITO 또는 Al 재질로 형성될 수 있으며 그밖에도 투명 필름상에 ITO 또는 Al가 증착된 형태로 형성될 수도 있다.The lower electrode layer 110 and the upper electrode layer 140 include a conductive material. The lower electrode layer 110 and the upper electrode layer 140 may be formed in a form having transparency. For example, each of the electrode layers 110 and 140 may be formed of ITO or Al, or may be formed of ITO or Al deposited on a transparent film.

하부 전극층(110)과 상부 전극층(140)은 선로를 포함한 전기 회로를 통하여 축전기 등과 같은 저장장치(10)의 양단에 각각 전기적으로 연결되어 대전에 의해 생산한 전기를 저장시킬 수 있다.The lower electrode layer 110 and the upper electrode layer 140 may be electrically connected to both ends of the storage device 10 such as a capacitor through an electric circuit including a line to store electricity produced by charging.

강유전층(120)은 하부 전극층(110)과 마찰 대전층(130) 사이에 배치되며 강유전체 재질로 형성된다. 구체적으로 강유전층(120)은 PVDF 또는 P(VDF-TrFE) 재질을 포함하여 형성될 수 있다. The ferroelectric layer 120 is disposed between the lower electrode layer 110 and the triboelectrification layer 130 and is formed of a ferroelectric material. Specifically, the ferroelectric layer 120 may be formed of PVDF or P (VDF-TrFE) material.

강유전체는 자발 분극을 가지는 재료로서 전기 쌍극자(다이폴; dipole)가 정렬된 구조를 가진다. 자발 분극이란 양전하와 음전하의 중심이 분리되어 결정체의 한쪽은 양으로, 다른 쪽은 음으로 대전되는 현상을 의미한다. 도 1에 도시된 것처럼, 본 발명의 실시예에서 강유전층(120)은 양전하 및 음전하가 각각 상부 및 하부 위치에 분극된 구조를 가진다. The ferroelectric material has a structure in which electrical dipoles (dipoles) are aligned as a material having spontaneous polarization. Spontaneous polarization means that the center of positive charge and negative charge are separated so that one side of the crystal is charged positively and the other side is negatively charged. As shown in FIG. 1, in the embodiment of the present invention, the ferroelectric layer 120 has a structure in which positive and negative charges are polarized at upper and lower positions, respectively.

마찰 대전층(130)은 강유전층(120)의 상부에 배치되고, 상부 전극층(140)은 마찰 대전층(130)의 상부에 이격 배치되어 있다. 마찰 대전은 마찰 대전층(130)과 상부 전극층(140) 사이에서 발생되며 마찰 대전층(130)과 상부 전극층(140)의 상대적 위치에 따라 발전된다. The triboelectrification layer 130 is disposed on the upper part of the ferroelectric layer 120 and the upper electrode layer 140 is disposed on the upper part of the triboelectrification layer 130. The triboelectrification occurs between the triboelectrification layer 130 and the upper electrode layer 140 and is generated according to the relative positions of the triboelectrification layer 130 and the upper electrode layer 140.

마찰 대전층(130)은 마찰 시 전자를 쉽게 받아들이는 성질로 형성되고 상부 전극층(140)은 상대적으로 전자를 쉽게 내주는 성질로 형성된다. 이에 따라, 마찰 시에 마찰 대전층(130)은 (-)로, 상부 전극층(140)은 (+)로 대전된다.The triboelectric charge layer 130 is formed of a material that easily accepts electrons during rubbing, and the upper electrode layer 140 is formed of a material that allows relatively easy electrons to be emitted. Accordingly, the triboelectric charging layer 130 is charged with (-) and the upper electrode layer 140 is charged with (+) at the time of rubbing.

본 발명의 실시예에서 마찰 대전층(130)은 PDMS(polydimethylsiloxane), PTFE(polytetrafluoroethylene), PMMA(polymethylmethacrylate), PI(polyimide) 중 적어도 하나의 재질을 포함하여 형성될 수 있다. 이러한 마찰 대전층(130)은 10 내지 18 ㎛의 두께를 가지며, 바람직하게는 13 ㎛의 두께를 가질 수 있다.In an embodiment of the present invention, the triboelectric charge layer 130 may include at least one material selected from the group consisting of polydimethylsiloxane (PDMS), polytetrafluoroethylene (PTFE), polymethylmethacrylate (PMMA), and polyimide (PI). The triboelectrification layer 130 has a thickness of 10 to 18 mu m, and may preferably have a thickness of 13 mu m.

상부 전극층(140)은 외력에 의해 수직 하강되어 상부 전극층(140)과 접촉 가능하며 접촉 후 다시 상승되어 이격 가능하다. 여기서 외력은 30N이고, 상부 전극층(140)의 수직 이동거리는 4cm 이며, 마찰 발전 환경의 온도는 23.5℃, 습도는 13%인 것이 바람직하다. The upper electrode layer 140 is vertically lowered by an external force and is contactable with the upper electrode layer 140. After the contact, the upper electrode layer 140 is lifted and separated. Here, the external force is 30 N, the vertical movement distance of the upper electrode layer 140 is 4 cm, the temperature of the friction power generation environment is 23.5 ° C, and the humidity is 13%.

도 2는 도 1에 도시된 마찰 전기 디바이스의 구동 원리를 나타낸 도면이다.Fig. 2 is a view showing a driving principle of the triboelectric device shown in Fig. 1. Fig.

도 2에 도시된 것과 같이, 본 실시예는 마찰 대전층(130)과 상부 전극층(140)이 외력에 의해 접촉된 후 다시 이격됨에 따라 마찰 전기가 발생한다. 즉, 마찰 대전층(130)과 상부 전극층(140)이 붙고 떨어지는 과정에서 양쪽 전극에서 전위 차에 의한 전기가 생산된다.As shown in FIG. 2, in the present embodiment, triboelectricity is generated as the triboelectrification layer 130 and the upper electrode layer 140 are separated from each other after being contacted by an external force. That is, in the process of the triboelectric charge layer 130 and the upper electrode layer 140 adhering to each other, electricity is generated by the potential difference between both electrodes.

구체적으로, 마찰 대전층(130)과 상부 전극층(140)의 접촉에 따라 상부 전극층(140)의 전하가 마찰 대전층(130)으로 이동하여 마찰 대전층(130)은 (-)로, 상부 전극층(140)은 (+)로 대전된다. 예를 들어 마찰 대전층(130)을 PDMS로 구성하고 상부 전극층(140)을 ITO로 구성할 경우, 마찰 시 대전열에 의해 마찰 대전층(130)은 (-)로, 상부 전극층(140)은 (+)로 각각 대전될 수 있다.Specifically, the charge of the upper electrode layer 140 is moved to the tribo charging layer 130 by the contact between the triboelectric charge layer 130 and the upper electrode layer 140, the tribo charging layer 130 is negatively charged, (140) is charged to (+). For example, when the triboelectric charge layer 130 is made of PDMS and the upper electrode layer 140 is made of ITO, the triboelectric charge layer 130 is negatively charged by the charging heat during friction and the upper electrode layer 140 is charged by +), Respectively.

그리고, 도 2에 도시된 것처럼, 마찰 대전층(130) 하부에는 강유전층(120)이 배치되어 있으며, 강유전층(120)의 상부 표면에는 양전하들이 분극되어 있다. 따라서, 마찰 대전층(130)에 대전된 음전하들은 강유전층(120)의 양전하들의 인력에 의해 사라지지 않고 유지될 수 있다. As shown in FIG. 2, a ferroelectric layer 120 is disposed under the triboelectrification layer 130, and positive charges are polarized on the upper surface of the ferroelectric layer 120. Therefore, the negative charges charged in the triboelectric charge layer 130 can be maintained without disappearance by the attractive force of the positive charges of the ferroelectric layer 120.

또한 이에 따르면 마찰 대전층(130)이 상부 전극층(140)과 접촉이 떨어진 상태에서도 기존보다 음전하를 더욱 긴 시간 유지할 수 있게 되므로 낮은 접촉 횟수로도 효과적인 전기 생산이 가능할 뿐만 아니라, 접촉 횟수를 획기적으로 줄일 수 있어 디바이스의 마모도를 줄이고 내구성을 향상시킨다.In addition, since the negative charge can be maintained for a longer time even when the tribo charging layer 130 is in contact with the upper electrode layer 140 for a longer time, it is possible to effectively produce electricity even with a low number of contact, To reduce device wear and improve durability.

도 3은 본 발명의 실시예에서 강유전체 삽입 전후의 전류 세기를 비교한 도면이다. 도 3의 (a)는 강유전체를 삽입하지 않은 경우이고, (b)는 본 발명의 실시예와 같이 강유전체를 삽입한 경우를 나타낸다. 3 is a graph comparing current intensities before and after ferroelectric inserting in the embodiment of the present invention. Fig. 3 (a) shows a case where no ferroelectric is inserted, and Fig. 3 (b) shows a case where a ferroelectric is inserted as in the embodiment of the present invention.

도 3의 그래프는 마찰 전기 디바이스에서 관측되는 전류 그래프로서, 전류 값이 양과 음을 반복하여 측정된다. 이러한 패턴은 마찰 대전층(130)과 상부 전극층(140)이 서로 근접해졌다 멀어질 때 전류 방향이 전환되는 것과 관계한다. 도 3의 결과로부터, 강유전체의 삽입 시에는 강유전체가 삽입되지 않은 경우보다 마찰 대전층(130) 위에 더 많은 음전하가 유도됨을 알 수 있다. The graph of Fig. 3 is a current graph observed in a triboelectric device, in which a current value is measured repeatedly in positive and negative. This pattern is related to the switching of the current direction when the triboelectrification layer 130 and the upper electrode layer 140 are brought closer to and away from each other. It can be seen from the results of FIG. 3 that more negative charges are induced on the triboelectric charging layer 130 than when the ferroelectric is not inserted at the time of inserting the ferroelectric.

도 3에서 전극층 사이에 연결된 전류계의 경우 전류 지침이 초기의 수직 상태보다 많이 기울어질수록 전류 세기가 큰 것을 의미한다. 물론 전류 세기가 크다는 것은 전기 생산력이 더욱 큰 것을 나타낸다. 두 가지 경우를 비교하여 볼 때, 강유전층(120)을 삽입한 (b)의 경우는 그렇지 않은 (a)보다 전류 세기가 증대된 것을 확인할 수 있다.In the case of the ammeter connected between the electrode layers in FIG. 3, it means that the electric current intensity is higher as the electric current instruction is inclined more than the initial vertical state. Of course, the greater the current strength, the greater the electricity production capacity. Comparing the two cases, it can be seen that the current intensity is increased in the case of (b) in which the ferroelectric layer 120 is inserted (a).

도 4는 본 발명의 실시예에서 강유전체 삽입 전후에 마찰 대전층에 유도되는 전하량을 비교한 도면이다. 도 4의 (a)는 강유전체를 삽입하지 않은 경우이고, (b)는 본 발명의 실시예와 같이 강유전체를 삽입한 경우이다. FIG. 4 is a graph comparing the amount of charge induced in the triboelectric charging layer before and after inserting the ferroelectric in the embodiment of the present invention. 4 (a) shows a case where no ferroelectric is inserted, and FIG. 4 (b) shows a case where a ferroelectric is inserted as in the embodiment of the present invention.

도 4의 결과로부터, 강유전체가 없는 (a)의 경우 전류 세기가 약 3μA로 측정된 반면, 강유전체를 삽입한 (b)의 경우 12μA로 측정되었으며, 강유전체의 삽입 시에 전류 세기가 크게 증가한 것을 알 수 있다.From the results of FIG. 4, it was found that the current intensity was measured at about 3 μA in the case of (a) without ferroelectric, while it was measured at 12 μA in case of (b) .

도 3 및 도 4의 결과와 같이, 강유전층(120)의 양전하에 따라, 대전층과 전극층의 마찰 시에 마찰 대전층(130)으로 음전하를 더 빨리 그리고, 더 많이 유도될 수 있으며, 강유전체를 삽입할 경우 그렇지 않은 경우보다 단시간에 더욱 많은 전기를 생산할 수 있고 발전 효율을 높일 수 있음을 확인할 수 있다.3 and 4, negative charge can be induced more quickly and more in the triboelectric charge layer 130 at the time of friction between the charge layer and the electrode layer in accordance with the positive charge of the ferroelectric layer 120, It can be seen that more electricity can be produced in a shorter time than in the case of inserting, and the power generation efficiency can be increased.

도 5는 본 발명의 실시예에서 강유전체 삽입 전후의 전압 및 전류의 크기를 비교한 도면이다. 파란 색 그래프는 강유전체를 삽입하지 않은 경우이고, 붉은 색 그래프는 강유전체를 삽입한 경우를 나타낸다. 왼쪽 데이터는 마찰 대전층(130)과 상부 전극층(140) 간의 접촉과 멀어짐을 1시간 동안 지속적으로 반복한 경우를 나타내고, 우측 데이터는 이후 접촉을 중단한 경우를 나타낸다.FIG. 5 is a graph comparing magnitudes of voltage and current before and after inserting a ferroelectric in the embodiment of the present invention. FIG. The blue color graph represents the case where no ferroelectric material is inserted, and the red color represents the case where the ferroelectric material is inserted. The left data shows a case where the contact between the triboelectrification layer 130 and the upper electrode layer 140 is repeated continuously for 1 hour, and the right data shows a case where the contact is stopped after that.

도 5의 결과에서, 강유전체 물질을 삽입한 경우 약 15분이 지난 후에 전압 값이 최대치에 도달하고 약 30분이 지난 후에 전류 값이 최대치에 도달하는 반면, 강유전체 물질을 삽입하지 않은 경우는 약 50분 정도의 긴 시간이 필요하다는 것을 확인할 수 있다. 5, when the ferroelectric material is inserted, the current value reaches the maximum value after about 15 minutes and the voltage value reaches the maximum value. After about 30 minutes, when the ferroelectric material is not inserted, about 50 minutes Can be obtained.

또한, 접촉을 멈추었을 경우는 강유전체가 삽입된 디바이스에서 훨씬 더 오랫동안 전하가 유지됨을 확인할 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예의 경우 접촉 해제 시에도 기존보다 음전하를 더욱 긴 시간 유지할 수 있으므로 기존보다 접촉 횟수를 줄일 수 있고 나아가 디바이스의 내구성을 증가시킬 수 있다.In addition, when the contact is stopped, it can be confirmed that the charge is maintained for a much longer period of time in the ferroelectric inserted device. Therefore, according to the embodiment of the present invention, since the negative charge can be maintained for a longer time even when the contact is released, the number of contact can be reduced and the durability of the device can be further increased.

도 6은 본 발명의 실시예에서 강유전체 물질의 삽입 전후에 전극과 폴리머 사이의 거리에 따라 발생하는 전류의 세기를 비교한 도면이다. 여기서 전극과 폴리머는 상부 전극층(140) 및 마찰 대전층(130)을 각각 나타낸다.FIG. 6 is a graph comparing current intensities generated according to distances between electrodes and a polymer before and after insertion of a ferroelectric material in an embodiment of the present invention. Here, the electrode and the polymer represent the upper electrode layer 140 and the triboelectrification layer 130, respectively.

상부 도면은 강유전체를 삽입하지 않은 경우이고, 하부 도면은 강유전체를 삽입한 경우의 결과를 나타낸다. 그래프의 가로축은 시간, 세로축은 전류 값을 나타내는데, z 값을 변경하면서 전류 값의 변화를 관찰한 것이다. The upper drawing shows the case where the ferroelectric is not inserted, and the lower drawing shows the result when the ferroelectric is inserted. The abscissa of the graph indicates the time and the ordinate indicates the current value. The change in the current value is observed while changing the z value.

이러한 도 6은 각각의 z 값을 이용하여, 상부 전극층(140)을 z값 만큼 이동시킨 후 다시 z=0으로 복귀하는 동작을 반복했을 때의 전류 측정 결과를 나타낸다. 두 경우에 대한 전류 값의 스케일은 상이하다. 이는 강유전체 삽입 시에 동일한 조건에서 전류 값이 훨씬 크게 측정되기 때문이다.6 shows a current measurement result when the operation of moving the upper electrode layer 140 by z value and then returning to z = 0 is repeated using each z value. The scales of the current values for the two cases are different. This is because the current value is measured much larger under the same conditions at the time of ferroelectric inserting.

도 6에서 z는 상부 전극층(140)이 원래 위치(z=0)에서 아래로 내려온 거리를 의미한다. 상부 전극층(140)과 마찰 대전층(130) 간의 거리가 4cm 이므로, 내려온 길이(z)가 4cm일 때는 상부 전극층(140)과 마찰 대전층(130)이 닿는 경우이고, 4 cm 이하일 때는 닿지 않는 경우를 나타낸다. In Figure 6, z means the distance from which the top electrode layer 140 descends from its original position (z = 0). Since the distance between the upper electrode layer 140 and the frictional electrification layer 130 is 4 cm, the upper electrode layer 140 and the frictional electrification layer 130 contact each other when the descending length z is 4 cm. Respectively.

z 값이 작아 질수록 전류의 세기가 줄어드는데, 이는 마찰 발전 디바이스에서 일반적으로 나타나는 현상이다. 강유전체 물질을 삽입한 경우, z 값이 작은 경우에 더 많은 전류의 피크를 볼 수 있는데, 이는 전극이 폴리머에 직접 닿지 않고 가까이 다가간 경우에도 전류가 흐를 수 있음을 나타낸다. As the z value decreases, the intensity of the current decreases, which is a phenomenon commonly seen in friction generating devices. When a ferroelectric material is inserted, a larger current peak can be seen when the z value is small, which indicates that the current can flow even when the electrode does not touch the polymer directly but comes close.

도 7은 본 발명의 실시예에서 마찰 대전층의 두께에 따른 전류 값의 크기를 비교한 결과이다. 도 7은 마찰 대전층으로 PDMS 재질을 사용한 것이며, PDMS의 두께에 따라 출력 전류의 크기가 확연히 변하는 것을 알 수 있다. 특히, PDMS 두께가 10 내지 18 ㎛ 일때 성능이 우수한 편이며 그 중에서 최대 전류 피크를 나타낸 13 ㎛가 최적 두께임을 알 수 있다.FIG. 7 shows the results of comparing the magnitude of the current value according to the thickness of the triboelectrification layer in the embodiment of the present invention. FIG. 7 shows that the PDMS material is used as the triboelectrification layer, and the magnitude of the output current varies depending on the thickness of the PDMS. Particularly, when the PDMS thickness is 10 to 18 탆, the performance is excellent, and 13 탆 showing the maximum current peak is the optimum thickness.

이상과 같이 본 발명에 따른 강유전체를 이용한 마찰 전기 디바이스에 따르면, 강유전체 물질을 이용하여 마찰 전기 디바이스의 마모 정도를 획기적으로 줄여 디바이스의 내구성은 물론 발전 효율을 증대시킬 수 있는 이점이 있다. As described above, according to the triboelectric device using the ferroelectric material according to the present invention, the degree of wear of the triboelectric device can be remarkably reduced by using the ferroelectric material, thereby enhancing the durability of the device as well as the power generation efficiency.

또한, 본 발명에 따르면, 전극층과의 접촉에 의해 마찰 대전층에 유도된 음전하가 강유전체의 양전하에 의해 사라지지 않고 고정될 수 있고 접촉이 떨어진 경우에도 마찰 대전층의 음전하를 상당량 유지시킬 수 있으므로 접촉 횟수를 획기적으로 줄일 수 있는 동시에 디바이스의 내구성을 증대시킬 수 있다. Further, according to the present invention, since the negative charge induced in the triboelectric charging layer by contact with the electrode layer can be fixed without being vanished by the positive charge of the ferroelectric, and the negative charge of the triboelectric charging layer can be maintained substantially even when the contact is dropped, The number of times can be drastically reduced and the durability of the device can be increased.

또한, 마찰 대전층과 전극층 간의 접촉 과정에서, 강유전체의 양전하에 의해 마찰 대전층으로 음전하가 더 빨리 그리고 더 많이 유도될 수 있어, 빠른 시간에 더욱 큰 전류를 출력할 수 있어 발전 효율을 높일 수 있다.Further, during the contact process between the triboelectrification layer and the electrode layer, a negative charge can be induced more quickly and more in the triboelectrification layer due to the positive charge of the ferroelectric layer, so that a larger current can be output in a short time, .

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.While the present invention has been described with reference to exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and equivalent arrangements included within the spirit and scope of the appended claims. Accordingly, the true scope of the present invention should be determined by the technical idea of the appended claims.

100: 마찰 전기 디바이스 110: 하부 전극층
120: 강유전층 130: 마찰 대전층
140: 상부 전극층
100: Triboelectric device 110: Lower electrode layer
120: ferroelectric layer 130: triboelectric charge layer
140: upper electrode layer

Claims (5)

하부 전극층;
상기 하부 전극층의 상부에 배치되며 강유전체 재질로 형성되는 강유전층;
상기 강유전층의 상부에 배치되는 마찰 대전층; 및
상기 마찰 대전층의 상부에 이격 배치되는 상부 전극층을 포함하며,
상기 마찰 대전층과 상기 상부 전극층이 외력에 의해 접촉된 후 이격됨에 따라 마찰 전기가 발생되는 강유전체를 이용한 마찰 전기 디바이스.
A lower electrode layer;
A ferroelectric layer disposed on the lower electrode layer and formed of a ferroelectric material;
A triboelectric charge layer disposed on the ferroelectric layer; And
And an upper electrode layer disposed on an upper portion of the triboelectrification layer,
Wherein the triboelectric layer and the upper electrode layer are brought into contact with each other by an external force and are spaced apart from each other, thereby generating triboelectricity.
청구항 1에 있어서,
상기 접촉에 따라 상기 상부 전극층의 전하가 상기 마찰 대전층으로 이동하여 상기 마찰 대전층은 (-)로, 상기 상부 전극층은 (+)로 대전되며,
상기 강유전층은,
양전하 및 음전하가 각각 상부 및 하부 위치에 분극된 구조를 가지는 강유전체를 이용한 마찰 전기 디바이스.
The method according to claim 1,
The charge of the upper electrode layer moves to the triboelectrification layer according to the contact, the tribocharge layer is negatively charged, the upper electrode layer is charged positively,
The ferroelectric layer may include,
A triboelectric device using a ferroelectric having a structure in which positive and negative charges are polarized at upper and lower positions, respectively.
청구항 1에 있어서,
상기 마찰 대전층은 PDMS, PTFE, PMMA, PI 중 적어도 하나의 재질을 포함하여 형성되고, 상기 강유전층은 PVDF 또는 P(VDF-TrFE) 재질을 포함하여 형성되는 강유전체를 이용한 마찰 전기 디바이스.
The method according to claim 1,
Wherein the ferroelectric layer is formed of at least one material selected from the group consisting of PDMS, PTFE, PMMA and PI, and the ferroelectric layer is formed of PVDF or P (VDF-TrFE) material.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
상기 마찰 대전층은 10 내지 18 ㎛의 두께를 가지는 강유전체를 이용한 마찰 전기 디바이스.
The method according to any one of claims 1 to 3,
Wherein the triboelectrification layer is a ferroelectric having a thickness of 10 to 18 mu m.
청구항 4에 있어서,
상기 마찰 대전층은 13 ㎛의 두께를 가지는 강유전체를 이용한 마찰 전기 디바이스.
The method of claim 4,
Wherein the triboelectric charge layer has a thickness of 13 占 퐉.
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