KR20190005381A - charged body having negative electric charge and artificial generator comprising the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 음전하 대전체 및 이를 포함하는 마찰 전기 발전기에 관한 것이다.The present invention relates to an entire negative charge carrier and a triboelectric generator including the same.
최근 화석 연료의 고갈 문제로 전기의 사용량이 점차 증가하고 있으며 이로 인해 발전량의 부족으로 에너지 부족현상이 점차 심각해져 가고 있다. 이에 부족한 에너지 자원을 효율적으로 활용하기 위해 개발되기 시작된 에너지 하베스팅(Energy harvesting) 기술은 최근의 에너지 문제와 맞물려 주목을 받고 있다.In recent years, the use of electricity has been increasing due to the exhaustion of fossil fuels. As a result, the energy shortage is becoming more serious due to the lack of electricity generation. Energy harvesting technology, which has been developed to efficiently utilize energy resources that are scarce, is attracting attention in recent years due to energy problems.
에너지 하베스팅이란 주위 환경에서 발생하나 소모되어 버려지는 에너지(ambient energy)들을 수확하여 사용 가능한 전기에너지로 변환하여 이용하는 시스템을 말한다.Energy Harvesting refers to a system that harvests ambient energy that is generated in the environment but is consumed and converted into usable electrical energy.
이러한 에너지 하베스팅 기술 중에서도 가장 기술개발이 활발한 분야는 압전 재료를 이용한 에너지 하베스팅 (Piezoelectric), 마찰 전기를 이용한 에너지 하베스팅 (Triboelectric), 열전 재료를 이용한 에너지 하베스팅, 페로플루이드를 이용한 에너지 하베스팅 기술 등이 있다.Among these energy harvesting technologies, the most active fields of technology development include energy harvesting using piezoelectric materials, triboelectric using triboelectric energy, energy harvesting using thermoelectric materials, energy harvesting using ferrofluids, Technology.
특히, 마찰 전기를 이용한 에너지 하베스팅 기술을 이용하는 경우 높은 출력 값을 얻을 수 있는 장점이 있으나, 현재 마찰 전기 발생에 이용할 수 있는 고분자 재료인 PDMS, PVDF 혹은 Kapton과 같은 상업적으로 유통되는 소재는 전하 생성 효율이 매우 낮아서 그 응용이 미미한 실정이다.Particularly, when energy hubbing technique using triboelectricity is used, high output value can be obtained. However, commercially available materials such as PDMS, PVDF or Kapton, which is a polymer material that can be used for generating triboelectric current, The efficiency is very low and its application is insignificant.
따라서, 고효율의 발전기에 적용을 위한 우수한 전하 생성 효율을 갖는 소재에 대한 요구가 높아지고 있다.Therefore, there is a growing demand for materials having excellent charge generation efficiency for application to high efficiency generators.
한 측면은 전하 생성 효율 및 유전 상수가 획기적으로 향상된 새로운 구조의 음전하 대전체를 제공하는 것이다.One aspect is to provide a new structure of negative charge carriers with dramatically improved charge generation efficiency and dielectric constant.
다른 한 측면은 상기 음전하 대전체를 채용한 마찰 전기 발전기를 제공하는 것이다.And the other aspect thereof is to provide a triboelectric generator employing the entire negative charge carrier.
일 측면에서, 본 발명은, 하기 화학식 1 내지 5 중 어느 하나로 표시되는 반복 단위를 포함하는 고분자를 포함하는 음전하 대전체를 제공한다:In one aspect, the present invention provides an entire negative charge carrier comprising a polymer comprising a repeating unit represented by any one of the following formulas (1) to (5):
<화학식 1>≪ Formula 1 >
<화학식 2>(2)
<화학식 3>(3)
<화학식 4>≪ Formula 4 >
<화학식 5>≪ Formula 5 >
상기 화학식 1 내지 5 중에서,In the above
R11 내지 R13, R21 내지 R24, R31 내지 R34, R41 내지 R46 및 R51 내지 R54는 서로 독립적으로, 중수소, -F, -Cl, -Br, -I, 히드록실기, 시아노기, 니트로기, 아미디노기, 히드라지노기, 히드라조노기, C1-C20알킬기, C1-C20알콕시기; 및 R 11 to R 13 , R 21 to R 24 , R 31 to R 34 , R 41 to R 46 and R 51 to R 54 independently of one another are selected from the group consisting of deuterium, -F, -Cl, -Br, -I, A cyano group, a nitro group, an amidino group, a hydrazino group, a hydrazino group, a C 1 -C 20 alkyl group, a C 1 -C 20 alkoxy group; And
중수소, -F, -Cl, -Br, -I, 히드록실기, 시아노기, 및 니트로기 중 선택된 하나 이상으로 치환된, C1-C20알킬기 및 C1-C20알콕시기; 중에서 선택되고,A C 1 -C 20 alkyl group and a C 1 -C 20 alkoxy group substituted with at least one selected from deuterium, -F, -Cl, -Br, -I, a hydroxyl group, a cyano group, and a nitro group; ≪ / RTI >
a11 내지 a12, a21 내지 a22, a31 내지 a32, a41 내지 a42 및 a51 내지 a54는 서로 독립적으로 0 내지 3 중에서 선택된 정수이고,a11 to a12, a21 to a22, a31 to a32, a41 to a42 and a51 to a54 are each independently an integer selected from 0 to 3,
a13, a23 내지 a24, a33 내지 a34 및 a43 내지 a46은 서로 독립적으로 0 내지 4 중에서 선택된 정수이다.a13, a23 to a24, a33 to a34, and a43 to a46 are independently an integer selected from 0 to 4;
이때, 상기 a11 내지 a13, a21 내지 a24, a31 내지 a34, a41 내지 a46 및 a51 내지 a54는 0일 수 있다.At this time, a11 to a13, a21 to a24, a31 to a34, a41 to a46 and a51 to a54 may be zero.
또한, 상기 고분자는 상기 화학식 1 내지 5 중 동일한 화학식으로 표시되는 반복 단위를 포함하는 동종 중합체(homopolymer)일 수 있다.In addition, the polymer may be a homopolymer containing repeating units represented by the same chemical formulas (1) to (5).
한편, 상기 고분자는 상기 화학식 1 내지 5 중 상이한 화학식으로 표시되는 2 종 이상의 반복 단위를 포함하는 공중합체(copolymer)일 수 있다.Meanwhile, the polymer may be a copolymer including two or more repeating units represented by the different formulas (1) to (5).
이때, 상기 공중합체는,At this time,
i) 상기 화학식 1로 표시되는 반복 단위 및 상기 화학식 2로 표시되는 반복 단위를 포함하거나,(i) repeating units represented by the above formula (1) and repeating units represented by the above formula (2)
ii) 상기 화학식 1로 표시되는 반복 단위 및 상기 화학식 3으로 표시되는 반복 단위를 포함하거나,ii) a polymer comprising a repeating unit represented by the formula (1) and a repeating unit represented by the formula (3)
iii) 상기 화학식 2로 표시되는 반복 단위 및 상기 화학식 3으로 표시되는 반복 단위를 포함하거나, 또는iii) the repeating unit represented by the formula (2) and the repeating unit represented by the formula (3), or
iv) 상기 화학식 1로 표시되는 반복 단위, 상기 화학식 2로 표시되는 반복 단위 및 상기 화학식 3으로 표시되는 반복 단위를 포함할 수 있다.iv) a repeating unit represented by the formula (1), a repeating unit represented by the formula (2), and a repeating unit represented by the formula (3).
또한, 상기 고분자는 유전 상수(dielectric constant)가 4.5 이상일 수 있다.In addition, the polymer may have a dielectric constant of 4.5 or more.
또한, 상기 고분자는 하기 화학식 A 내지 E 중 어느 하나로 표시될 수 있다:In addition, the polymer may be represented by any one of the following formulas A to E:
상기 화학식 A 내지 E 중에서,In the above formulas (A) to (E)
n1 내지 n5는 1 내지 1000000 중에서 선택된 정수일 수 있다.n1 to n5 may be integers selected from 1 to 1000000.
다른 측면에서, 본 발명은, 하기 화학식 11 또는 12로 표시되는 제1 화합물과 하기 화학식 13 내지 17 중 어느 하나로 표시되는 제2 화합물을 용매 중에 반응시켜, 하기 화학식 1 내지 5 중 어느 하나로 표시되는 반복 단위를 제조하는 단계; 및In another aspect, the present invention provides a process for preparing a compound represented by the following general formula (11) or (12) and a second compound represented by any one of the following general formulas Preparing a unit; And
하기 화학식 1 내지 5 중 어느 하나로 표시되는 1 이상의 반복 단위를 반응시켜, 고분자를 제조하는 단계를 포함하는 음전하 대전체의 제조방법을 제공한다:Reacting at least one repeating unit represented by any one of the following formulas (1) to (5) to produce a polymer, the method comprising the steps of:
<화학식 1>≪ Formula 1 >
<화학식 2>(2)
<화학식 3>(3)
<화학식 4>≪ Formula 4 >
<화학식 5>≪ Formula 5 >
<화학식 11>≪ Formula 11 >
<화학식 12>≪ Formula 12 >
<화학식 13>≪ Formula 13 >
<화학식 14>≪ Formula 14 >
<화학식 15>≪ Formula 15 >
<화학식 16>≪ Formula 16 >
<화학식 17>≪ Formula 17 >
상기 화학식 1 내지 5 및 11 내지 17 중,Of the
R11 내지 R13, R21 내지 R24, R31 내지 R34, R41 내지 R46, R51 내지 R54, a11 내지 a13, a21 내지 a24, a31 내지 a34, a41 내지 a46 및 a51 내지 a54에 대한 정의는 앞서 정의된 바와 같고,The R 11 to R 13, R 21 to R 24, R 31 to R 34, R 41 to R 46, R 51 to R 54, a11 to a13, a21 to a24, a31 to a34, a41 to a46 and a51 to a54 Is as defined above,
R111 내지 R112, R133, R143 내지 R144 및 R153 내지 R154에 대한 정의는 앞서 R11 내지 R11 내지 R13, R21 내지 R24, R31 내지 R34, R41 내지 R46 및 R51 내지 R54에 대해 정의된 바와 같고,R 111 to R 112 , R 133 , R 143 to R 144 and R 153 to R 154 are the same as R 11 to R 11 to R 13 , R 21 to R 24 , R 31 to R 34 , R 41 to R 46 and R 51 to R 54 ,
a111 내지 a112에 대한 정의는 앞서 a11 내지 a12, a21 내지 a22, a31 내지 a32, a41 내지 a42 및 a51 내지 a54에 대해 정의된 바와 같고,The definitions for a111 to a112 are as defined above for a11 to a12, a21 to a22, a31 to a32, a41 to a42 and a51 to a54,
a133, a143 내지 a144 및 a153 내지 a154에 대한 정의는 앞서 a13, a23 내지 a24, a33 내지 a34 및 a43 내지 a46에 대해 정의된 바와 같다.The definitions for a133, a143 to a144 and a153 to a154 are as defined above for a13, a23 to a24, a33 to a34 and a43 to a46.
이때, 상기 고분자를 제조하는 단계는, 열적 이미드화 (thermal imidization) 반응 또는 화학적 이미드화 (chemical imidization) 반응으로 수행될 수 있다.At this time, the step of preparing the polymer may be performed by a thermal imidization reaction or a chemical imidization reaction.
또 다른 측면에서, 본 발명은, 상기 음전하 대전체를 포함하는 마찰 전기 발전기를 제공한다.In another aspect, the present invention provides a triboelectric generator including the entire negative charge carrier.
이때, 상기 마찰 전기 발전기의 출력 값은 16μA 내지 70μA일 수 있다.At this time, the output value of the triboelectric generator may be 16 μA to 70 μA.
또한, 상기 음전하 대전체는 박막 형태일 수 있다.Further, the entire negative charge carrier may be in the form of a thin film.
이때, 상기 박막의 두께는 0.1㎛ 내지 1000㎛일 수 있다.At this time, the thickness of the thin film may be 0.1 탆 to 1000 탆.
본 발명에 따른 음전하 대전체는 유전 상수가 향상되고 전화 포집 능력이 획기적으로 증가되어, 이를 마찰 전기 발전기에 적용하는 경우 우수한 전하 생성 효율을 가진다.The negative charge carrier according to the present invention has an improved dielectric constant and a remarkable increase in the phone collection ability and has excellent charge generation efficiency when applied to a triboelectric generator.
도 1에는 본 발명에 따른 마찰 전기 발전기의 일 예를 나타내었다.
도 2(a) 내지 도 2(e)에는 본 발명에 따른 마찰 전기 발전기의 작동 원리를 예시적으로 나타내었다.
도 3은 실시예 1 내지 3 및 비교예 1에 따라 제조된 음전하 대전체의 사진을 나타낸 것이다.
도 4는 실시예 1 내지 3에 따라 제조된 음전하 대전체의 IR 스펙트럼이다.
도 5(a)는 실시예 1 내지 3 및 비교예 1에 따라 제조된 음전하 대전체의 주파수(frequency)에 따른 유전 상수(dielectric constant) 측정 결과를 나타낸 것이고, 도 5(b)는 실시예 1 내지 3 및 비교예 1에 따라 제조된 음전하 대전체의 주파수에 따른 손실 정접(loss tangent) 측정 결과를 나타낸 것이다.
도 6(a)는 실시예 4 내지 6 및 비교예 2에 따라 제조된 마찰 전기 발전기의 출력 전압 측정 결과를 나타낸 것이고, 도 6(b)는 실시예 4 내지 6 및 비교예 2에 따라 제조된 마찰 전기 발전기의 출력 전류 측정 결과를 나타낸 것이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10: 하부 전극
20: 음전하 대전체
30: 상부 전극
100: 외부 하중
200: 마찰 전기 발전기FIG. 1 shows an example of a triboelectric generator according to the present invention.
2 (a) to 2 (e) illustrate the operation principle of the triboelectric generator according to the present invention.
Fig. 3 is a photograph of the entire negative charge collector prepared according to Examples 1 to 3 and Comparative Example 1. Fig.
Fig. 4 is an IR spectrum of the entire negative charge collector prepared according to Examples 1 to 3. Fig.
5 (a) shows the results of measurement of dielectric constant according to the frequency of the entire negative charge collector prepared according to Examples 1 to 3 and Comparative Example 1, and Fig. 5 (b) To 3 and Comparative Example 1, the loss tangent of the entire negative charge collecting band was measured.
6 (a) shows the results of measurement of the output voltage of the triboelectric generator produced according to Examples 4 to 6 and Comparative Example 2, and Fig. 6 (b) The results of the measurement of the output current of the triboelectric generator are shown.
Description of the Related Art
10: Lower electrode
20: Negative charge band whole
30: upper electrode
100: External load
200: Friction electric generator
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The present invention may be embodied in many different forms and is not limited to the embodiments described herein.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.In order to clearly illustrate the present invention, parts not related to the description are omitted, and the same or similar components are denoted by the same reference numerals throughout the specification.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.In addition, since the sizes and thicknesses of the respective components shown in the drawings are arbitrarily shown for convenience of explanation, the present invention is not necessarily limited to those shown in the drawings.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Also, throughout the specification, when an element is referred to as " including " an element, it is understood that the element may include other elements as well, without departing from the other elements unless specifically stated otherwise.
마찰 전기를 이용한 에너지 하베스팅 기술은 정전기 유도 현상을 기본 원리로 에너지를 수확하는 것이다. 즉, 외부의 기계적 에너지가 전위차를 만들고 이로 인해 보상 전하가 형성되어 전자, 즉 전류가 흐르는 현상을 바탕으로 한다.The energy harvesting technique using triboelectricity is to harvest energy using the electrostatic induction phenomenon as a basic principle. That is, the external mechanical energy makes a potential difference, and a compensating charge is formed, which is based on a phenomenon that an electron, that is, a current flows.
이와 같이 기계적인 미소 에너지를 이용한 에너지 하베스팅 기술을 이용하는 경우 친환경 고출력 발전기를 구현할 수 있으므로 매우 유용하다.The energy harvesting technique using the mechanical minute energy is very useful because it can realize an environmentally friendly high power generator.
이러한 마찰 전기를 이용한 에너지 하베스팅 기술을 다양한 분야에 효과적으로 적용하기 위해서는 전자 친화 및/또는 포집 특성이 우수한 음전하 대전체의 개발이 선행되어야 한다.In order to effectively apply the energy hubbing technique using such triboelectricity to various fields, it is necessary to develop a whole negative charge band having excellent electron affinity and / or trapping characteristics.
한편, 일반적으로 마찰 전기를 이용한 에너지 하베스팅 기술에 적용되는 음전하 대전체의 소재로는 PDMS, PTFE, PVDF, 상업적으로 이용 가능한 폴리이미드인 Kapton 등이 있다.In general, PDMS, PTFE, PVDF, and commercially available polyimide Kapton are used as the materials of the negative charge bases applied to the energy hubbing technique using triboelectricity.
그러나, 이들 재료는 전하 생성 효율에 한계가 있기 때문에 발전기에 적용하는 경우 원하는 효과를 얻기가 어려운 문제점이 있었다.However, these materials have a problem in that it is difficult to obtain a desired effect when applied to a generator because of the limited electric charge generating efficiency.
따라서, 본 발명의 발명자들은, 전하 생성 효율이 향상된 음전하 대전체를 개발하기 위하여 연구를 거듭한 결과, 전하를 많이 포집할 수 있는 작용기인 -CF3기나 높은 쌍극자 모멘트(dipole moment)를 갖는 에테르 또는 설폰 작용기를 음전하 대전체에 도입하는 경우, 상기와 같은 목적을 달성할 수 있음을 알아내었다.Accordingly, the inventors of the present invention have conducted extensive research to develop a whole negative charge transport layer having improved charge generation efficiency. As a result, the inventors of the present invention have found that an ether having a -CF 3 group or a high dipole moment, which is a functional group capable of capturing a large amount of charges, It has been found that the above object can be achieved when a sulfonic functional group is introduced into the entire negative charge region.
즉, 본 발명에 따른 음전하 대전체는, 하기 화학식 1 내지 5 중 어느 하나로 표시되는 반복 단위를 포함하는 고분자를 포함하는 것을 특징으로 한다:That is, the negative charge collector according to the present invention is characterized in that it comprises a polymer comprising a repeating unit represented by any one of the following formulas (1) to (5)
<화학식 1>≪
<화학식 2>(2)
<화학식 3>(3)
<화학식 4>≪
<화학식 5>≪
상기 화학식 1 내지 5 중에서, R11 내지 R13, R21 내지 R24, R31 내지 R34, R41 내지 R46 및 R51 내지 R54는 서로 독립적으로, 중수소, -F, -Cl, -Br, -I, 히드록실기, 시아노기, 니트로기, 아미디노기, 히드라지노기, 히드라조노기, C1-C20알킬기, C1-C20알콕시기; 및 In the
중수소, -F, -Cl, -Br, -I, 히드록실기, 시아노기, 및 니트로기 중 선택된 하나 이상으로 치환된, C1-C20알킬기 및 C1-C20알콕시기; 중에서 선택된다.A C 1 -C 20 alkyl group and a C 1 -C 20 alkoxy group substituted with at least one selected from deuterium, -F, -Cl, -Br, -I, a hydroxyl group, a cyano group, and a nitro group; .
예를 들어, 상기 R11 내지 R13, R21 내지 R24, R31 내지 R34, R41 내지 R46 및 R51 내지 R54는 서로 독립적으로, 시아노기, -F, -Cl, -Br, -I, -F로 치환된 C1-C20알킬기, -Cl로 치환된 C1-C20알킬기, -Br로 치환된 C1-C20알킬기 및 -I로 치환된 C1-C20알킬기 중에서 선택될 수 있다.For example, R 11 to R 13 , R 21 to R 24 , R 31 to R 34 , R 41 to R 46, and R 51 to R 54 independently represent a cyano group, -F, -Cl, -Br , -I, a C 1 -C 20 alkyl group, a C 1 -C 20 alkyl group, a C 1 -C 20 substituted with a C 1 -C 20 alkyl group and is substituted by -Br -I -Cl substituted with substituted with -F Alkyl groups.
상기 화학식 1 내지 3 및 5와 같이, -CF3기를 포함함으로써, 높은 출력 값을 얻을 수 있다. 나아가, 상기 화학식 2 내지 4와 같이, 높은 쌍극자 모멘트(dipole moment)를 갖는 에테르 또는 설폰 등의 작용기를 도입함으로써, 높은 출력 값을 얻을 수 있다.As shown in the above general formulas (1) to (3) and (5) above, a high output value can be obtained by including a -CF 3 group. Further, by introducing a functional group such as ether or sulfone having a high dipole moment as shown in the
상기 화학식 1 내지 5 중에서, a11 내지 a12, a21 내지 a22, a31 내지 a32, a41 내지 a42 및 a51 내지 a54는 서로 독립적으로 0 내지 3 중에서 선택된 정수이고,In the
a13, a23 내지 a24, a33 내지 a34 및 a43 내지 a46은 서로 독립적으로 0 내지 4 중에서 선택된다.a13, a23 to a24, a33 to a34, and a43 to a46 are independently selected from 0 to 4;
예를 들어, 상기 a11 내지 a13, a21 내지 a24, a31 내지 a34, a41 내지 a46 및 a51 내지 a54는 0일 수 있다.For example, the above-mentioned a11 to a13, a21 to a24, a31 to a34, a41 to a46 and a51 to a54 may be zero.
일 구현예에 있어서, 상기 고분자는 상기 화학식 1 내지 5 중 동일한 화학식으로 표시되는 반복 단위를 포함하는 동종 중합체(homopolymer)일 수 있다.In one embodiment, the polymer may be a homopolymer comprising a repeating unit represented by the same formula (1) to (5).
예를 들어, 상기 고분자는 상기 화학식 1로 표시되는 반복 단위를 포함하는 동종 중합체일 수 있다. 예를 들어, 상기 고분자는 상기 화학식 2로 표시되는 반복 단위를 포함하는 동종 중합체일 수 있다. 예를 들어, 상기 고분자는 상기 화학식 3으로 표시되는 반복 단위를 포함하는 동종 중합체일 수 있다.For example, the polymer may be a homopolymer containing a repeating unit represented by the formula (1). For example, the polymer may be a homopolymer containing a repeating unit represented by the formula (2). For example, the polymer may be a homopolymer containing a repeating unit represented by the formula (3).
다른 구현예에 있어서, 상기 고분자는 상기 화학식 1 내지 5 중 상이한 화학식으로 표시되는 2 종 이상의 반복 단위를 포함하는 공중합체(copolymer)일 수 있다.In another embodiment, the polymer may be a copolymer comprising two or more repeating units represented by the different formulas (1) to (5).
예를 들어, 상기 공중합체는,For example,
i) 상기 화학식 1로 표시되는 반복 단위 및 상기 화학식 2로 표시되는 반복 단위를 포함하거나,(i) repeating units represented by the above formula (1) and repeating units represented by the above formula (2)
ii) 상기 화학식 1로 표시되는 반복 단위 및 상기 화학식 3으로 표시되는 반복 단위를 포함하거나,ii) a polymer comprising a repeating unit represented by the formula (1) and a repeating unit represented by the formula (3)
iii) 상기 화학식 2로 표시되는 반복 단위 및 상기 화학식 3으로 표시되는 반복 단위를 포함하거나, 또는iii) the repeating unit represented by the formula (2) and the repeating unit represented by the formula (3), or
iv) 상기 화학식 1로 표시되는 반복 단위, 상기 화학식 2로 표시되는 반복 단위 및 상기 화학식 3으로 표시되는 반복 단위를 포함할 수 있다.iv) a repeating unit represented by the formula (1), a repeating unit represented by the formula (2), and a repeating unit represented by the formula (3).
상기 고분자는 유전 상수(dielectric constant)가 4.5 이상일 수 있다. 예를 들어, 상기 고분자는 유전 상수가 4.5 내지 10 이하일 수 있다.The polymer may have a dielectric constant of 4.5 or higher. For example, the polymer may have a dielectric constant of 4.5 to 10 or less.
즉, 본 발명에서 전하를 많이 포집할 수 있는 -CF3기를 포함하는 고분자를 음전하 대전체로 사용할 경우, 기존의 PDMS, PTFE, PVDF, Kapton 등에 비해 우수한 전하 생성 효율을 발휘할 수 있고, 향상된 유전 상수를 발휘하여, 음전하 대전체로서 적합하며, 이를 포함한 마찰 전기 발전기의 출력을 향상시킬 수 있다.That is, in the present invention, when a polymer containing -CF 3 groups capable of collecting a large amount of electric charge is used as a negative charge collector, excellent charge generation efficiency can be exhibited as compared with conventional PDMS, PTFE, PVDF, Kapton, So that it is possible to improve the output of the triboelectric generator including the negative charge carrier.
이때, 상기 음전하 대전체는 하기 화학식 A 내지 E 중 어느 하나로 표시되는 것일 수 있다:In this case, the negative charge group may be represented by any one of the following formulas A to E:
이때, 상기 화학식 A 내지 E 중에서, n1 내지 n5는 서로 독립적으로 1 내지 1000000 중에서 선택된 정수일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In the above formulas (A) to (E), n1 to n5 may independently be integers selected from 1 to 1000000, but are not limited thereto.
한편, 본 발명에 따른 음전하 대전체의 제조 방법은, 하기 화학식 11 또는 12로 표시되는 제1 화합물과 하기 화학식 13 내지 17 중 어느 하나로 표시되는 제2 화합물을 용매 중에 반응시켜, 하기 화학식 1 내지 5 중 어느 하나로 표시되는 반복 단위를 제조하는 단계; 및The method for producing a negative charge collector according to the present invention comprises reacting a first compound represented by the following general formula (11) or (12) and a second compound represented by any one of the following general formulas (13) to (17) A repeating unit represented by any one of the following; And
하기 화학식 1 내지 5 중 어느 하나로 표시되는 1 이상의 반복 단위를 반응시켜, 고분자를 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다:Reacting at least one repeating unit represented by any one of the following formulas (1) to (5) to produce a polymer:
<화학식 1>≪
<화학식 2>(2)
<화학식 3>(3)
<화학식 4>≪
<화학식 5>≪
<화학식 11>≪ Formula 11 >
<화학식 12>≪ Formula 12 >
<화학식 13>≪ Formula 13 >
<화학식 14>≪ Formula 14 >
<화학식 15>≪ Formula 15 >
.
<화학식 16>≪ Formula 16 >
<화학식 17>≪ Formula 17 >
상기 화학식 1 내지 5 및 11 내지 17 중,Of the
R11 내지 R13, R21 내지 R24, R31 내지 R34, R41 내지 R46, R51 내지 R54, a11 내지 a13, a21 내지 a24, a31 내지 a34, a41 내지 a46 및 a51 내지 a54에 대한 정의는 앞서 정의된 바와 같고,The R 11 to R 13, R 21 to R 24, R 31 to R 34, R 41 to R 46, R 51 to R 54, a11 to a13, a21 to a24, a31 to a34, a41 to a46 and a51 to a54 Is as defined above,
R111 내지 R112, R133, R143 내지 R144 및 R153 내지 R154에 대한 정의는 앞서 R11 내지 R11 내지 R13, R21 내지 R24, R31 내지 R34, R41 내지 R46 및 R51 내지 R54에 대해 정의된 바와 같고,R 111 to R 112 , R 133 , R 143 to R 144 and R 153 to R 154 are the same as R 11 to R 11 to R 13 , R 21 to R 24 , R 31 to R 34 , R 41 to R 46 and R 51 to R 54 ,
a111 내지 a112에 대한 정의는 앞서 a11 내지 a12, a21 내지 a22, a31 내지 a32, a41 내지 a42 및 a51 내지 a54에 대해 정의된 바와 같고,The definitions for a111 to a112 are as defined above for a11 to a12, a21 to a22, a31 to a32, a41 to a42 and a51 to a54,
a133, a143 내지 a144 및 a153 내지 a154에 대한 정의는 앞서 a13, a23 내지 a24, a33 내지 a34 및 a43 내지 a46에 대해 정의된 바와 같다.The definitions for a133, a143 to a144 and a153 to a154 are as defined above for a13, a23 to a24, a33 to a34 and a43 to a46.
이때, 상기 고분자를 제조하는 단계는, 열적 이미드화 (thermal imidization) 반응 또는 화학적 이미드화 (chemical imidization) 반응으로 수행될 수 있다.At this time, the step of preparing the polymer may be performed by a thermal imidization reaction or a chemical imidization reaction.
여기서, 상기 열적 이미드화 반응은, 상기 화학식 11 또는 12로 표시되는 제1 화합물과 상기 화학식 13 내지 17 중 어느 하나로 표시되는 제2 화합물을 예를 들어, 상온(즉, 25℃)에서 용매 중에 반응시켜서 폴리아미산(poly(amic acid)) 용액을 얻은 뒤, 상기 폴리아미산 용액을 열처리하여 용매를 제거하면서, 폴리이미드를 제조하는 반응이다.Here, the thermal imidization reaction may be carried out by reacting the first compound represented by the above formula (11) or (12) and the second compound represented by any one of the above formulas (13) to (17) To obtain a poly (amic acid) solution, and then the poly (amic acid) solution is heat-treated to remove the solvent, thereby producing a polyimide.
예를 들어, 상기 고분자를 제조하는 단계는 이무수물(dianhydride)계 화합물과 디아민(diamine)계 화합물의 중축합(polycondensation) 반응으로 인해 생성된 폴리아미산을 경화(예를 들어, 이미드화(imidization))하여 수행될 수 있다.For example, the step of preparing the polymer may include curing (for example, imidization) a polyamic acid produced by a polycondensation reaction between a dianhydride compound and a diamine compound, ). ≪ / RTI >
이때, 전술한 제1 화합물은 이무수물계 화합물이며, 전술한 제2 화합물은 디아민계 화합물일 수 있다.Here, the first compound may be a dianhydride compound, and the second compound may be a diamine compound.
예를 들어, 상기 제1 화합물이 화학식 11로 표시되는 화합물인 경우, 상기 제2 화합물은 화학식 13 내지 17 중 어느 하나로 표시되는 화합물일 수 있으며, 상기 제1 화합물이 화학식 12로 표시되는 화합물인 경우, 상기 제2 화합물은 화학식 16으로 표시되는 화합물일 수 있다.For example, when the first compound is a compound represented by Formula 11, the second compound may be a compound represented by Formula 13 to 17, and when the first compound is a compound represented by Formula 12 , And the second compound may be a compound represented by the formula (16).
이때, 상기 용매는 N-메틸피롤리돈(NMP), 아세톤 또는 물일 수 있으나, 이들로 한정되지 않으며, 당해 기술 분야에서 사용될 수 있는 것이라면 모두 사용될 수 있다.Here, the solvent may be N-methylpyrrolidone (NMP), acetone, or water, but is not limited thereto, and any solvent that can be used in the art can be used.
한편, 본 발명에 따른 상기 음전하 대전체는, 마찰 전기 발전기에 적용될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 마찰 전기 발전기는 상기 음전하 대전체를 포함하는 것을 특징으로 한다. 즉, 전하 펌프를 기반으로 한 본 발명에 따른 마찰 전기 발전기에 전술한 음전하 대전체를 적용할 수 있다.On the other hand, the entire negative charge carrier according to the present invention can be applied to a triboelectric generator. Therefore, the triboelectric generator according to the present invention is characterized in that it includes the entire negative charge carrier. That is, the negative charge carrier described above can be applied to the triboelectric generator according to the present invention based on the charge pump.
보다 구체적으로, 전술한 제1 화합물 및 제2 화합물을 혼합하여 제조된 용액을 이용하여 음전하 대전체를 형성할 수 있다.More specifically, a solution prepared by mixing the first compound and the second compound may be used to form a negative charge collector.
즉, 알루미늄 등으로 이루어진 전극을 자외선(UV) 및/또는 오존 처리한 후 상기 전극의 적어도 일 면에 전술한 제1 화합물 및 제2 화합물을 혼합하여 제조된 용액을 드랍 코팅, 닥터 블레이트, 스핀 코팅 등을 이용하여 도포하고 경화시킴으로써 박막형태의 음전하 대전체를 형성할 수 있다.That is, a solution prepared by mixing an electrode made of aluminum or the like with ultraviolet (UV) and / or ozone, and then mixing at least one side of the electrode with the first compound and the second compound is applied by a drop coating, a doctor blade, Coating or the like, and then curing it, thereby forming a thin negative electrode charge collecting body.
도 1에는 본 발명에 따른 마찰 전기 발전기의 일 예를 나타내었다.FIG. 1 shows an example of a triboelectric generator according to the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 마찰 전기 발전기(200)는, 마주보고 배치되는 하부 전극(10) 및 상부 전극(30)과 이들 사이에 위치하며, 상기 하부 전극(10) 및 상부 전극(30) 중 적어도 하나의 면에 직접 접촉하는 본 발명에 따른 음전하 대전체(20)를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 음전하 대전체는 박막 형태로 위치할 수 있다.Referring to FIG. 1, a
도 1에는 편의상 음전하 대전체(20)가 상부 전극(10)에 접촉한 형태를 도시하였으나 필요에 따라 음전하 대전체(20)는 하부 전극(30)에 직접 접촉한 형태일 수도 있다.1, the entire negative
도 2(a) 내지 도 2(e)에는 본 발명에 따른 마찰 전기 발전기의 작동 원리를 예시적으로 나타내었다.2 (a) to 2 (e) illustrate the operation principle of the triboelectric generator according to the present invention.
보다 상세하게, 먼저 도 2(a)는 본 발명에 따른 마찰 전기 발전기의 초기 상태를 나타낸 것이다. 초기 상태에는 외부 하중 및 마찰을 기반으로 하는 발전기 내부에 마찰이 없으므로 전체 시스템은 표면 전하(surface charge)가 없기 때문에 전하 평형상태(equilibrium state)이다.More specifically, FIG. 2 (a) shows an initial state of the triboelectric generator according to the present invention. In the initial state, there is no friction inside the generator based on external load and friction, so the whole system is in equilibrium state because there is no surface charge.
다음으로, 도 2(b)는 본 발명에 따른 마찰 전기 발전기에 외부 하중이 적용되는 상태를 나타낸 것이다. 외부에서 하중(100)이 적용되면 발전기 내부의 음전하 대전체 박막과 하부 전극(30) 사이에 마찰이 발생하며 이때 상대적으로 전자를 많이 가지고 있는 하부 전극(30) 표면에서 음전하 대전체(20) 표면으로 전자들이 이동하여 하부 전극(30)은 양전하(positive charge), 음전하 대전체(20) 표면 은 음전하 상태(negative charge)가 된다.Next, FIG. 2 (b) shows a state in which an external load is applied to the triboelectric generator according to the present invention. When the
도 2(c)는 본 발명에 따른 마찰 전기 발전기에 외부 하중이 제거되는 상태를 나타낸 것이다. 외부 하중(100)이 제거되면 마찰된 두 표면, 즉, 음전하 대전체(20) 및 하부 전극(30)이 분리되고 상부 전극(10)과 하부 전극(30) 사이에 전하 평형을 형성하기 위해 상부 전극(10)으로부터 하부 전극(30)으로 외부 회로를 통해 전자들이 이동하여 출력 전류가 발생하게 된다.2 (c) shows a state in which the external load is removed from the triboelectric generator according to the present invention. When the
도 2(d)는 본 발명에 따른 마찰 전기 발전기에서 외부 하중이 완전히 제거된 상태를 나타낸 것이다. 외부 하중(100)이 완전히 제거 되면, 발전기 내부의 각 층들은 초기 상태로 복원되지만, 본 발명에 따른 음전하 대전체(20)는 절연 특성 때문에 표면에 음전하가 유지 되고 상부 전극(10)은 양전하 상태로 유지된다.2 (d) shows a state in which the external load is completely removed from the triboelectric generator according to the present invention. When the
도 2(e)는 본 발명에 따른 마찰 전기 발전기에 다시 외부 하중이 적용되는 상태를 나타낸 것이다. 도 2(e)에 나타낸 것처럼 반복하여 발전기 상부에 외부 하중(10)이 적용되면, 음전하 대전체(20)층과 하부 전극(30) 사이의 거리가 줄어들면서 표면의 음전하들이 하부 전극(30)에 양전하를 정전기적 유도(electrostatic induction)하여 하부 전극(30)으로부터 상부 전극(10)으로 전자들이 이동하여 도 2(c)에 나타낸 것과 반대방향으로 출력 전류가 발생하게 된다.FIG. 2 (e) shows a state in which an external load is applied again to the triboelectric generator according to the present invention. 2 (e), when the
본 발명에 따른 마찰 전기 발전기는 상기 도 2(a) 내지 도 2(e)에 나타낸 과정을 반복하며 출력을 생성하게 된다.The triboelectric generator according to the present invention repeats the process shown in FIGS. 2 (a) to 2 (e) to generate an output.
한편, 본 발명에 따른 음전하 대전체를 이용하는 경우, 마찰 전기 발전기에도 적용하여 우수한 효과를 구현할 수 있다.On the other hand, when the entire negative charge carrier according to the present invention is used, it can be applied to a triboelectric generator to realize an excellent effect.
즉, 본 발명에 따른 음전하 대전체를 발전기에 적용하는 경우, 마찰에 의한 전하의 생성, 분리 및 축적 원리를 이용하여 대전 특성을 크게 향상시킬 수 있다. 또한, 이와 함께 재료 자체가 갖는 출력 전류의 본질적인 한계를 뛰어넘기 위하여 전하 생성기, 전하 분리기, 그리고 전하 축적기를 통합한 시스템인 전하 펌프라는 개념을 도입함으로써, 고출력 값을 갖는 마찰 전기 발전기를 구현할 수 있다.That is, when the entire negative charge carrier according to the present invention is applied to a generator, charging characteristics can be greatly improved by using charge generation, separation and accumulation principle by friction. In addition, by introducing the concept of a charge pump, which is a system that integrates a charge generator, a charge separator, and a charge accumulator, to overcome the inherent limit of the output current of the material itself, a triboelectric generator having a high output value can be realized .
따라서, 본 발명에 따른 마찰 전기 발전기의 출력 값은 16μA 내지 70μA일 수 있다.Thus, the output value of the triboelectric generator according to the present invention may be 16 [mu] A to 70 [mu] A.
또한, 상기 마찰 전기 발전기에서 본 발명에 따른 음전하 대전체는 상부 전극 및 하부 전극 사이에 박막 구조로 적용될 수 있다. 이때, 상기 박막의 두께는, 예를 들면, 0.1㎛ 내지 1000㎛, 1㎛ 내지 800㎛ 또는 50㎛ 내지 600㎛일 수 있다. 박막의 두께가 0.1㎛ 미만인 경우 상부 및 하부 전극 사이에 저항이 사라지기 때문에 발전기로서의 기능이 구현되지 않는 문제점이 있고, 1000㎛를 초과하는 경우에는 음전하 대전체와 접촉하지 않는 전극에 정전기 유도가 되지 않아 출력이 저감되는 문제가 있다.In addition, in the triboelectric generator, the negative charge collector according to the present invention may be applied as a thin film structure between the upper electrode and the lower electrode. At this time, the thickness of the thin film may be, for example, 0.1 to 1000 m, 1 to 800 m, or 50 to 600 m. When the thickness of the thin film is less than 0.1 탆, the resistance between the upper and lower electrodes disappears, so that the function as a generator is not realized. When the thickness exceeds 1000 탆, static electricity is not induced in the electrode There is a problem that the output is reduced.
이하의 실시예 및 비교예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 단, 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이지 이들만으로 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다.The present invention will be described in more detail with reference to the following examples and comparative examples. It should be noted, however, that the examples are for illustrative purposes only and are not intended to limit the scope of the invention.
실시예 1Example 1
5 mmol의 bis(3-aminophenyl) sulfone (APS)을 100 mL 둥근 바닥 플라스크에 넣고, 아르곤(Ar) 기류 하에서 NMP 16 mL에 용해시켰다. 이후, 상기 용액에 4,4'-(hexafluoroisopropylidene) diphthalic anhydride (6FDA) 5 mmol을 천천히 첨가하였다. 이후, 이를 상온에서 하루 동안 교반하여, 폴리이미드(PI)의 전구체인 폴리아미산(PAA) 용액을 수득하였다.5 mmol of bis (3-aminophenyl) sulfone (APS) was placed in a 100 mL round bottom flask and dissolved in 16 mL of NMP under an argon (Ar) stream. Then, 5 mmol of 4,4 '- (hexafluoroisopropylidene) diphthalic anhydride (6FDA) was slowly added to the solution. Thereafter, it was stirred at room temperature for one day to obtain a polyamic acid (PAA) solution which is a precursor of polyimide (PI).
수득한 PAA 용액을 표면이 고른 알루미늄/유리판에 고르게 펼친 후, 공기 중 100℃에서 2시간 동안 천천히 NMP를 제거하여, PAA를 안정하게 유지시켰다. PAA의 표면을 유지하기 위해, 이후 진공 상태의 160℃에서 2시간 동안 천천히 NMP를 제거하여 경화시켜, 박막 형태의 음전하 대전체를 형성하였다.The obtained PAA solution was uniformly spread on an aluminum / glass plate having a uniform surface, and then NMP was slowly removed in the air at 100 DEG C for 2 hours to stably maintain the PAA. In order to maintain the surface of the PAA, NMP was then slowly removed by curing at 160 DEG C for 2 hours in a vacuum state to form a thin film negative charge carrier.
상기 음전하 대전체에 대한 IR 스펙트럼 결과를 도 4에 도시하였다. 도 4를 참조하면, C=O 대칭 이미드 결합과 C-N-C 이미드 결합이 형성됨을 확인할 수 있다.The IR spectral results for the entire negative charge band are shown in FIG. Referring to FIG. 4, it can be seen that a C = O symmetrical imide bond and a C-N-C imide bond are formed.
실시예 2Example 2
APS 대신 4,4'-diaminodiphenyl ether (ODA) 5 mmol을 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로, 음전하 대전체를 형성하였다.Except that 5 mmol of 4,4'-diaminodiphenyl ether (ODA) was used in place of APS to form a negative charge collecting body.
상기 음전하 대전체에 대한 IR 스펙트럼 결과를 도 4에 도시하였다. 도 4를 참조하면, C=O 대칭 이미드 결합과 C-N-C 이미드 결합이 형성됨을 확인할 수 있다.The IR spectral results for the entire negative charge band are shown in FIG. Referring to FIG. 4, it can be seen that a C = O symmetrical imide bond and a C-N-C imide bond are formed.
실시예 3Example 3
APS 대신 p-phenylenediamine (PDA) 5 mmol을 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로, 음전하 대전체를 형성하였다.Except that 5 mmol of p- phenylenediamine (PDA) was used in place of APS, the negative charge collecting body was formed in the same manner as in Example 1 above.
상기 음전하 대전체에 대한 IR 스펙트럼 결과를 도 4에 도시하였다. 도 4를 참조하면, C=O 대칭 이미드 결합과 C-N-C 이미드 결합이 형성됨을 확인할 수 있다.The IR spectral results for the entire negative charge band are shown in FIG. Referring to FIG. 4, it can be seen that a C = O symmetrical imide bond and a C-N-C imide bond are formed.
비교예 1Comparative Example 1
시판되는 Kapton 필름을 사용하여, 음전하 대전체를 형성하였다.A commercially available Kapton film was used to form the entire negative charge band.
실험예 1: 음전하 대전체 박막의 특성 측정Experimental Example 1: Characterization of Negative Charge Deposition Layer
실시예 1 내지 3 및 비교예 1에 따라 제조된 음전하 대전체를 이용하여, 도 3에 나타낸 것과 같이 박막의 특성을 측정하기 위한 샘플(2cm x 2cm)을 제조하였다.A sample (2 cm x 2 cm) for measuring the characteristics of the thin film as shown in Fig. 3 was prepared by using the entire negative charge collector prepared according to Examples 1 to 3 and Comparative Example 1.
상기와 같이 제조된 박막 샘플의 특성 측정 결과는 도 5에 나타내었다.The measurement results of the characteristics of the thin film samples thus prepared are shown in FIG.
도 5(a)는 실시예 1 내지 3 및 비교예 1에 따라 제조된 음전하 대전체의 주파수(frequency)에 따른 유전 상수(dielectric constant) 측정 결과를 나타낸 것이고, 도 5(b)는 실시예 1 내지 3 및 비교예 1에 따라 제조된 음전하 대전체의 주파수에 따른 손실 정접(loss tangent) 측정 결과를 나타낸 것이다.5 (a) shows the results of measurement of dielectric constant according to the frequency of the entire negative charge collector prepared according to Examples 1 to 3 and Comparative Example 1, and Fig. 5 (b) To 3 and Comparative Example 1, the loss tangent of the entire negative charge collecting band was measured.
도 5(a) 및 5(b)를 참조하면, 실시예 1 내지 3에 따라 제조된 음전하 대전체의 유전 상수는 비교예 1에 따라 제조된 음전하 대전체의 유전 상수보다 현저히 높음을 확인할 수 있다.5 (a) and 5 (b), it can be seen that the dielectric constants of the negative charge collectors prepared according to Examples 1 to 3 are significantly higher than those of the negative charge collector prepared according to Comparative Example 1 .
실시예 4Example 4
실시예 1에서 제조된 박막 형태의 음전하 대전체를 사용하여, 아크릴 기판 / 상부 전극(Al) / 음전하 대전체 박막 / 갭(공기) / 하부 전극(Al)/ 아크릴 기판 구조의 마찰 전기 발전기를 제조하였다. 이때, 음전하 대전체 박막과 하부 전극 사이의 일정한 이격 거리, 즉, 갭(gap)은 스프링을 이용하여 유지하였다.A triboelectric generator of acrylic substrate / upper electrode (Al) / negative charge / total thin film / gap (air) / lower electrode (Al) / acrylic substrate structure was manufactured using the thin film negative charge collector prepared in Example 1 Respectively. At this time, the constant gap between the entire thin film and the lower electrode, that is, the gap, was maintained by using the spring.
실시예 5Example 5
실시예 2에서 제조된 음전하 대전체를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 마찰 전기 발전기를 제조하였다.A triboelectric generator was produced in the same manner as in Example 1, except that the entire negative charge collector prepared in Example 2 was used.
실시예 6Example 6
실시예 3에서 제조된 음전하 대전체를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 마찰 전기 발전기를 제조하였다.A triboelectric generator was produced in the same manner as in Example 1 except that the entire negative charge collector prepared in Example 3 was used.
비교예 2Comparative Example 2
비교예 1에서 제조된 음전하 대전체를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 마찰 전기 발전기를 제조하였다.A triboelectric generator was produced in the same manner as in Example 1 except that the entire negative charge collector prepared in Comparative Example 1 was used.
실험예 2: 출력량 측정Experimental Example 2: Measurement of yield
실시예 4 내지 6 및 비교예 2에 따른 마찰 전기 발전기의 상부에 푸싱 장비를 이용하여 50N, 5Hz, 1시간의 조건으로 하중을 적용하고, 오실로스코프(oscilloscope)와 전류 증폭기(Current amplifier)를 이용하여 출력 전압과 출력 전류를 측정하였다. 결과는 도 6에 나타내었다.The load was applied to the top of the triboelectric generator according to Examples 4 to 6 and Comparative Example 2 under the condition of 50 N, 5 Hz, and 1 hour by using a pushing device, and using an oscilloscope and a current amplifier Output voltage and output current were measured. The results are shown in Fig.
도 6(a)를 참조하면, 실시예 4 내지 6에 따른 마찰 전기 발전기의 출력 전압이 비교예 2에 따른 마찰 전기 발전기의 출력 전압 보다 2배 이상, 많게는 3 배 이상 증가한 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 6 (a), it can be seen that the output voltage of the triboelectric generator according to the fourth to sixth embodiments is twice or more than three times as much as the output voltage of the triboelectric generator according to the second comparative example.
또한, 도 6(b)를 참조하면, 실시예 4 내지 6에 따른 마찰 전기 발전기의 출력 전류가 비교예 2에 따른 마찰 전기 발전기의 출력 전류 보다 2.5배 이상 증가한 것을 알 수 있다.6 (b), it can be seen that the output current of the triboelectric generator according to the fourth to sixth embodiments is increased by 2.5 times or more than the output current of the triboelectric generator according to the second comparative example.
따라서, 본 발명에 따른 음전하 대전체를 마찰 전기 발전기에 적용하는 경우 전하 포집 능력이 획기적으로 증가되어 우수한 전하 생성 효율을 가지는 것을 확인할 수 있다.Therefore, when the entire negative charge carrier according to the present invention is applied to a triboelectric generator, it can be confirmed that the charge collecting ability is drastically increased and excellent charge generation efficiency is obtained.
이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시 예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be practical exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, And all changes to the scope that are deemed to be valid.
Claims (13)
<화학식 1>
<화학식 2>
<화학식 3>
<화학식 4>
<화학식 5>
상기 화학식 1 내지 5 중에서,
R11 내지 R13, R21 내지 R24, R31 내지 R34, R41 내지 R46 및 R51 내지 R54는 서로 독립적으로, 중수소, -F, -Cl, -Br, -I, 히드록실기, 시아노기, 니트로기, 아미디노기, 히드라지노기, 히드라조노기, C1-C20알킬기, C1-C20알콕시기; 및
중수소, -F, -Cl, -Br, -I, 히드록실기, 시아노기, 및 니트로기 중 선택된 하나 이상으로 치환된, C1-C20알킬기 및 C1-C20알콕시기; 중에서 선택되고,
a11 내지 a12, a21 내지 a22, a31 내지 a32, a41 내지 a42 및 a51 내지 a54는 서로 독립적으로 0 내지 3 중에서 선택된 정수이고,
a13, a23 내지 a24, a33 내지 a34 및 a43 내지 a46은 서로 독립적으로 0 내지 4 중에서 선택된 정수이다.A negative charge collector comprising a polymer comprising a repeating unit represented by any one of the following formulas (1) to (5):
≪ Formula 1 >
(2)
(3)
≪ Formula 4 >
≪ Formula 5 >
In the above Chemical Formulas 1 to 5,
R 11 to R 13 , R 21 to R 24 , R 31 to R 34 , R 41 to R 46 and R 51 to R 54 independently of one another are selected from the group consisting of deuterium, -F, -Cl, -Br, -I, A cyano group, a nitro group, an amidino group, a hydrazino group, a hydrazino group, a C 1 -C 20 alkyl group, a C 1 -C 20 alkoxy group; And
A C 1 -C 20 alkyl group and a C 1 -C 20 alkoxy group substituted with at least one selected from deuterium, -F, -Cl, -Br, -I, a hydroxyl group, a cyano group, and a nitro group; ≪ / RTI >
a11 to a12, a21 to a22, a31 to a32, a41 to a42 and a51 to a54 are each independently an integer selected from 0 to 3,
a13, a23 to a24, a33 to a34, and a43 to a46 are independently an integer selected from 0 to 4;
상기 a11 내지 a13, a21 내지 a24, a31 내지 a34, a41 내지 a46 및 a51 내지 a54는 0인, 음전하 대전체.The method according to claim 1,
And a11 to a13, a21 to a24, a31 to a34, a41 to a46 and a51 to a54 are 0, all of the negative charge carriers.
상기 고분자는 상기 화학식 1 내지 5 중 동일한 화학식으로 표시되는 반복 단위를 포함하는 동종 중합체(homopolymer)인, 음전하 대전체.The method according to claim 1,
Wherein the polymer is a homopolymer comprising a repeating unit represented by the same formula (1) to (5).
상기 고분자는 상기 화학식 1 내지 5 중 상이한 화학식으로 표시되는 2 종 이상의 반복 단위를 포함하는 공중합체(copolymer)인, 음전하 대전체.The method according to claim 1,
Wherein the polymer is a copolymer comprising two or more repeating units represented by different formulas among the general formulas (1) to (5).
상기 공중합체는,
i) 상기 화학식 1로 표시되는 반복 단위 및 상기 화학식 2로 표시되는 반복 단위를 포함하거나,
ii) 상기 화학식 1로 표시되는 반복 단위 및 상기 화학식 3으로 표시되는 반복 단위를 포함하거나,
iii) 상기 화학식 2로 표시되는 반복 단위 및 상기 화학식 3으로 표시되는 반복 단위를 포함하거나, 또는
iv) 상기 화학식 1로 표시되는 반복 단위, 상기 화학식 2로 표시되는 반복 단위 및 상기 화학식 3으로 표시되는 반복 단위를 포함하는, 음전하 대전체.5. The method of claim 4,
The copolymer may be a copolymer,
(i) repeating units represented by the above formula (1) and repeating units represented by the above formula (2)
ii) a polymer comprising a repeating unit represented by the formula (1) and a repeating unit represented by the formula (3)
iii) the repeating unit represented by the formula (2) and the repeating unit represented by the formula (3), or
iv) a negative charge group comprising the repeating unit represented by the formula (1), the repeating unit represented by the formula (2), and the repeating unit represented by the formula (3).
상기 고분자는 유전 상수(dielectric constant)가 4.5 이상인, 음전하 대전체.The method according to claim 1,
Wherein the polymer has a dielectric constant of at least 4.5.
상기 고분자는 하기 화학식 A 내지 E 중 어느 하나로 표시되는, 음전하 대전체:
상기 화학식 A 내지 E 중에서,
n1 내지 n5는 1 내지 1000000 중에서 선택된 정수일 수 있다.The method according to claim 1,
Wherein the polymer is represented by any one of the following Chemical Formulas A to E:
In the above formulas (A) to (E)
n1 to n5 may be integers selected from 1 to 1000000.
하기 화학식 1 내지 5 중 어느 하나로 표시되는 1 이상의 반복 단위를 반응시켜, 고분자를 제조하는 단계를 포함하는 음전하 대전체의 제조방법:
<화학식 1>
<화학식 2>
<화학식 3>
<화학식 4>
<화학식 5>
<화학식 11>
<화학식 12>
<화학식 13>
<화학식 14>
<화학식 15>
<화학식 16>
<화학식 17>
상기 화학식 1 내지 5 및 11 내지 17 중,
R11 내지 R13, R21 내지 R24, R31 내지 R34, R41 내지 R46, R51 내지 R54, a11 내지 a13, a21 내지 a24, a31 내지 a34, a41 내지 a46 및 a51 내지 a54에 대한 정의는 제1항에서 정의된 바와 같고,
R111 내지 R112, R133, R143 내지 R144 및 R153 내지 R154에 대한 정의는 제1항 중 R11 내지 R11 내지 R13, R21 내지 R24, R31 내지 R34, R41 내지 R46 및 R51 내지 R54에 대해 정의된 바와 같고,
a111 내지 a112에 대한 정의는 제1항 중 a11 내지 a12, a21 내지 a22, a31 내지 a32, a41 내지 a42 및 a51 내지 a54에 대해 정의된 바와 같고,
a133, a143 내지 a144 및 a153 내지 a154에 대한 정의는 제1항 중 a13, a23 내지 a24, a33 내지 a34 및 a43 내지 a46에 대해 정의된 바와 같다.Reacting a first compound represented by the following general formula (11) or (12) with a second compound represented by any one of the following general formulas (13) to (17) in a solvent to produce a repeating unit represented by any one of the following general formulas And
Comprising reacting at least one repeating unit represented by any one of the following formulas (1) to (5) to produce a polymer,
≪ Formula 1 >
(2)
(3)
≪ Formula 4 >
≪ Formula 5 >
≪ Formula 11 >
≪ Formula 12 >
≪ Formula 13 >
≪ Formula 14 >
≪ Formula 15 >
≪ Formula 16 >
≪ Formula 17 >
Of the above formulas 1 to 5 and 11 to 17,
The R 11 to R 13, R 21 to R 24, R 31 to R 34, R 41 to R 46, R 51 to R 54, a11 to a13, a21 to a24, a31 to a34, a41 to a46 and a51 to a54 Is as defined in claim 1,
R 111 to R 112 , R 133 , R 143 to R 144, and R 153 to R 154 are the same as R 11 to R 11 to R 13 , R 21 to R 24 , R 31 to R 34 , R It is as defined for the 41 to R 46 and R 51 to R 54,
the definitions for a111 to a112 are as defined for a11 to a12, a21 to a22, a31 to a32, a41 to a42 and a51 to a54 in the first claim,
The definitions for a133, a143 to a144 and a153 to a154 are as defined for a13, a23 to a24, a33 to a34 and a43 to a46 in the first paragraph.
상기 고분자를 제조하는 단계는,
열적 이미드화 (thermal imidization) 반응 또는 화학적 이미드화 (chemical imidization) 반응으로 수행된 것인 음전하 대전체의 제조방법.9. The method of claim 8,
The step of preparing the polymer may include:
Wherein the step of forming the negative charge collecting layer is performed by a thermal imidization reaction or a chemical imidization reaction.
상기 마찰 전기 발전기의 출력 값은 16μA 내지 70μA인 마찰 전기 발전기.11. The method of claim 10,
Wherein the output value of the triboelectric generator is 16 [mu] A to 70 [mu] A.
상기 음전하 대전체는 박막 형태인 마찰 전기 발전기.11. The method of claim 10,
Wherein the negative charge collector is in the form of a thin film.
상기 박막의 두께는 0.1㎛ 내지 1000㎛인 마찰 전기발전기.13. The method of claim 12,
Wherein the thin film has a thickness of 0.1 占 퐉 to 1000 占 퐉.
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