KR20210016133A - 깃털 구조를 이용하는 마찰전기 발생장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 깃털 또는 하이퍼브랜치 구조(hyperbranched structure)의 깃털 유사 구조체(feather-like structure)를 이용하는 마찰전기 발생장치에 관한 것으로, 본 발명에 의하면 깃털의 회전 시 깃털의 표면적이 변하는 현상을 이용하여 마찰 접촉 면적을 변화시킴으로써 전기 발생 효율을 향상시키고, 깃털의 표면을 전하 조절 염료로 표면 개질함으로써 전압량과 전류량을 증가시켜 궁극적으로는 마찰 발전 효율을 향상시킬 수 있다.

Description

깃털 구조를 이용하는 마찰전기 발생장치{TRIBOELECTRIC GENERATOR USING FEATHER-LIKE STRUCTURE}

본 발명은 깃털 구조를 이용하는 마찰전기 발생장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 마찰 접촉 면적을 증가시키는 깃털 구조를 이용하여 마찰 발전 효율을 향상시킬 수 있는 마찰전기 발생장치에 관한 것이다.

최근 세계적으로 환경 이슈가 부각되고 화석연료의 고갈에 따른 에너지 위기를 맞이하면서 다양한 대체 에너지원 개발에 많은 노력을 기울이고 있다. 이러한 추세의 일환으로 주위 환경에서 발생하지만, 소모되어 버리는 주위 에너지(ambient energy)를 전기 에너지로 변환하는 에너지 발생장치와 관련된 기술이 최근 주목을 받고 있다.

이러한 장치 가운데 하나가 마찰전기 발생장치로, 마찰전기 발전기술은 서로 다른 두 개의 물질이 접촉할 때 마찰에 의해 두 물질 표면이 대전되는 현상을 이용한 에너지 수확 기술이다. 마찰된 두 물질의 접촉, 분리가 일어날 때 정전기 유도 현상이 일어나고, 그때 각 전극에서 생기는 보상 전하의 축적, 소멸에 따라 발생하는 전위차(전압)와 외부회로를 통해 흐르는 전류를 통해 전기 에너지를 얻는 기술이다.

마찰전기 발생장치는 마찰되는 두 대전체의 접촉, 분리 시 대전되는 양대전체와 음대전체의 전하량 차이가 클수록 높은 에너지 수확 효율을 얻을 수 있기 때문에 대전체의 소재적인 측면에서 다양한 폴리머들과 표면구조에 대한 연구들이 진행 중에 있다. 하지만, 기존의 표면구조 연구들은 단지 고정화된 표면적 하에서 마찰 접촉 면적을 변화시킨 것이 대부분이고 표면적이 늘어나는 현상에 대한 연구는 부족하며, 마찰 대전 물체의 표면 처리에 의해 마찰 대전 전하량을 증가시키는 기술에 대한 전무한 실정이다.

본 발명은 상술한 종래 기술의 한계를 극복하기 위한 것으로, 본 발명의 하나의 목적은 풍력 등의 주위 에너지를 이용하는 마찰전기 발생장치에 있어서, 회전체의 회전 시 조류의 깃털의 표면적이 변하는 현상을 이용하여 마찰 접촉 면적을 변화시킴으로써 전기 발생 효율을 향상시키고, 마찰전기 발생장치의 대전체 부분에서 양대전체는 더 양대전체로 음대전체는 더 음대전체로 만들어, 궁극적으로 마찰 전기 발생장치의 발전 효율을 더욱더 향상시킬 수 있는 마찰전기 발생장치를 제공하는 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하나의 양상은,

회전축 둘레로 회전하는 하나 이상의 블레이드로 구성되는 회전체; 상기 회전체의 블레이드의 외측 단부에 연결되어 회전하는, 깃털 구조의 제1 마찰부재; 제1마찰부재와 상이한 마찰대전서열을 갖는 마찰재료로 구성되는 제2 마찰부재와 제2 전극으로 구성되는 마찰전극을 포함하고, 여기서 상기 제1 마찰부재 및 제2 마찰부재는 표면이 전하 조절 염료(charge control dye)에 의해 표면개질된 것을 특징으로 하는 깃털 구조를 이용하는 마찰전기 발생장치에 관한 것이다.

본 발명에서 깃털 구조의 제1 마찰부재는 조류의 깃털이거나 우축(rachis), 깃가지(barbs), 및 작은깃가지(barbules)로 구성되는 깃털 구조를 미세 패턴을 통해서 구현한 하이퍼브랜치 구조(hyperbranched structure)의 깃털 유사 구조체(feather-like structure)일 수 있다.

상기 제1 마찰부재는 깃털 구조의 양대전체인 제1 마찰부재를 더 양대전체로 바꾸는 전하 조절 염료에 의해 표면 개질될 수 있다. 또한, 미세 패턴구조의 재질에 따라 양대전체로 바꾸는 전하 조절 염료에 의해 표면 개질될 수 있다.

상기 제1 마찰부재는 한 가지 이상의 염료 또는 염료를 음이온 또는 양이온을 주쇄 또는 측쇄에 포함하는 고분자와 혼합한 용액을 마찰부재의 표면에 코팅하여 분자 자기 조립층을 형성하여 표면 개질 되는 것일 수 있다.

상기 제1 마찰부재는 폴리우레탄폼, 이축연신 폴리프로필렌, 인모, 고형 폴리우레탄, 불화마그네슘, 나일론, 기계유, 나일라트론 유리, 종이, 목재, 실리콘, 면, 및 니트릴 고무로 구성되는 군에서 선택되는 재료로 구성되고, 상기 제1 마찰부재는 테프론, EDPM 고무, 부틸 고무, 합성고무, 불소고무, 천연 고무, PVC, 폴리클로로프렌, 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE), 셀룰로오스 질산염, 저밀도 폴리에틸렌(LDPE), 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 폴리이미드, 폴리스티렌, EVA 고무, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 스티렌-부타디엔 고무(SBR)로 구성되는 군에서 선택되는 재료로 구성될 수 있다.

상기 제2 마찰부재(42)의 표면에는 마찰되는 표면적을 증가시키기 위해서 다수의 미세 돌기 구조체(미도시)가 형성될 수 있는데, 이들 미세 돌기 구조체는 나노닷(nanodot), 나노벨트(nanobelt), 나노리본(nanoribbon), 나노 피라미드(nanopyramid), 나노웨이비(nanowavy), 또는 나노블록 형태일 수 있다.

본 발명에서 깃털 구조의 제1 마찰부재에 대한 전하 조절 염료의 코팅은 양이온과 음이온을 번갈아 코팅하여 한 쌍 이상의 Ionic Assembled Layer를 만들어 강한 코팅 층을 형성하는 방법으로 실시할 수 있다.

본 발명의 다양한 실시예의 마찰전기 발생장치에 의하면, 풍력이나 수력과 같은 주위 에너지에 의해서 깃털 구조의 제1 마찰부재가 고정된 회전체를 회전시켜, 마찰전기 발생장치의 회전체상의 제1 마찰부재와 마찰 전극 상의 제2 마찰부재 사이의 마찰에 의하여 전기에너지를 발생시킬 수 있다.

본 발명에 의하면 깃털 구조와 미세 패턴구조를 이용함으로써 마찰 접촉 면적을 향상시키고, 대전체 부분에서 양대전체와 음대전체의 전하 차이가 커져서 전하량 및 전위차를 증가시켜, 마찰발전의 효율을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발생장치의 개략사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발생장치에서 제1 마찰부재로 사용되는 깃털의 구조를 도시한 개략도이다.
도 3은 하이퍼브랜치 구조의 깃털의 표면적 변화 양상을 도시한 것으로, 도 3(a)는 간격이 넓어지기 전의 상태를 도시한 것이고, 도 3(b)는 간격이 넓어진 후를 도시한 것이며, 도 3의 (c) 내지 (f) 깃털의 작은 깃가지(barbules)의 SEM 사진이다.
도 4는 깃털구조의 제1 마찰부재의 깃털 종류에 따라서 마찰 이후 다르게 나타나는 깃털의 특징을 설명하기 위한 도면으로, (a)는 깃털의 표면적이 증가하는 예이고, (b)는 깃털의 표면적이 감소하는 예이며, (c)는 표면의 솜털로 인해서 표면적이 변화하는 예를 도시한 것이고, (d) 표면적 변화가 없는 경우를 도시한 것이다.
도 5는 깃털 종류에 따른 본 발명의 마찰전기 발생장치의 전압, 전류 결과값을 도시한 그래프로서, (a)는 풍속별, (b)는 전압별, (c)는 풍속별 전류, (d)는 RPM별 전류를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발생장치에서 깃털 구조의 제1 마찰부재에 전하 조절 염료를 코팅하여 양대전체를 더 양대전체로 바꾸는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예의 마찰전기 발생장치에서 깃털 구조의 제1 마찰부재에 염료 염착 후 전압, 전류를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 8 내지 도 13은 다양한 종류의 조류 깃털을 이용한 마찰전기 발생장치의 시간에 따른 전압 출력 결과를 그래프로 도시한 것이다.
도 14 및 도 15는 포토레지스트 패턴을 이용하여 형성된 하이퍼브랜치 구조(hyperbranched structure)의 깃털 유사 구조체의 패턴을 도시한 도면이다.
도 16은 도 14 및 도 15의 하이퍼브랜치 구조의 깃털 유사 구조체를 이용해서 측정한 전압 출력를 나타낸 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 예시적인 실시예들을 상세히 설명한다.

본 발명은 주위 에너지를 회전체(10)(rotor)를 이용하여 회전동력으로 변환할 경우 회전체(20의 끝단에 있는 깃털 구조의 제1 마찰부재(30)와 고정대(41)의 마찰전극(40의 마찰로 발생되는 전압과 전류를 얻는 마찰전기 발생장치에 관한 것이다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발생장치의 개략사시도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발생장치는 회전축(12) 둘레로 회전하는 하나 이상의 블레이드로 구성되는 회전체(20); 상기 회전체의 블레이드의 외측 단부에 연결되어 회전하는, 깃털 구조의 제1 마찰부재(30); 제1마찰부재와 상이한 마찰대전서열을 갖는 마찰재료로 구성되는 제2 마찰부재(42)와 제2 전극(43)으로 구성되는 마찰전극(40)을 포함하고, 여기서 상기 제1 마찰부재(30) 및 제2 마찰부재(42)는 표면이 전하 조절 염료에 의해 표면개질된 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 깃털 구조의 제1 마찰부재(30) 및 마찰 전극(40)의 제2 마찰부재(42)는 마찰전기 시리즈(triboelectric series) 상에서 서로 다른 극성을 갖는 재료로 구성된다. 본 발명의 마찰전기 발생장치는 회전체(20)의 회전에 의해 발생되는 기계적인 힘에 의해 다른 물질로 이루어진 깃털 구조의 제1 마찰부재(30)와 마찰전극(40)의 제2 마찰부재(42)가 서로 접촉과 분리를 반복하며 마찰되어 전기에너지를 발생시킨다.

본 발명에서 깃털 구조의 제1 마찰부재로 구성되는 하이퍼브랜치 구조(hyperbranched structure)의 깃털 유사 구조체(feather-like structure)는 포토레지스트 공정을 이용하여 형성된 미세구조물일 수 있다. 포토레지스트 패턴을 이용하여 형성된 미세구조물이 마찰전기에서 효과적으로 표면적을 증가하여 사용되기 위해서는 여러 종류의 다양한 기판상에서 우수한 접착력을 가지는 포토레지스트 패턴을 형성하는 것이 중요하다.

본 발명의 실시예에 따른 포토레지스트 미세패턴 형성방법은 기판상에 네거티브 타입의 포토레지스트 막을 형성하고, 상기 포토레지스트 막을 자외선으로 노광하고, 상기 포토레지스트 막을 열처리한 후, 포토레지스트 막을 현상하여 깃털 유사 구조체의 미세 패턴을 형성할 수 있다.

상기 기판으로는 실리콘, 유리, 금속, 금속산화물, 세라믹 또는 플라스틱을 사용할 수 있다. 상기 기판의 표면상에 실리콘, 유리, 금속, 금속산화물, 세라믹 및 플라스틱으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 재질로 형성된 박막이 증착될 수 있다.

도포된 상기 포토레지스트 막은 포토레지스트의 점도와 도포하는 회전수를 조절하여 그 두께를 수 ㎛ 내지 수 백 ㎛까지 다양하게 변화시킬 수 있다. 이어서 포토레지스트 막내에 포함된 용매를 제거하기 위하여 기판을 열처리하는 소프트 베이크(soft bake)를 실시한다. 이때 실시하는 소프트 베이크는 기판에 도포된 포토레지스트 막의 두께에 따라 65℃ 내지 95℃의 범위에서 실시한다. 다음에 예를 들어 미세 구조물의 패턴이 형성된 마스크를 사용하여 기판 위의 상기 포토레지스트 막을 자외선으로 노광하고, 노광된 포토레지스트 막을 고온에서 열처리하는 PEB(Post Exposure Bake, 이하 PEB라 부른다) 공정을 실시한다. 또한 PEB 공정은 상기 마스크를 투과한 자외선에 의해서 노광된 포토레지스트 막이 현상액에 의해서 반응하지 않도록 가교결합 반응을 촉진시키는 역할을 하여 포토레지스트 패턴의 분해능(resolution)을 향상시킨다. , SU-8 포토레지스트에 대하여 실시하는 PEB 공정은 열처리 공정에서 발생하는 스트레스, 웨이퍼 휨 및 포토레지스트 막의 크랙을 최소화시키기 위하여 65℃ 이하의 온도에서부터 서서히 온도를 상승시키거나 65℃ 이하의 온도에서 일차로 열처리를 한 다음에 고온에서 이차 열처리를 실시하는 방법을 사용한다. 열처리 온도 예를 들어 85℃ 내지 95℃ 정도에서 노광된 상기 포토레지스트를 5분 이상의 시간동안 가열하여 PEB 공정을 실시한다.

이어서 현상액으로 상기 포토레지스트 막을 현상하여 자외선에 노광되지 않은 영역의 포토레지스트 막을 제거하고 포토레지스트 패턴을 형성한다. 이때 사용하는 현상액은 예를 들어 SU-8 포토레지스트에 대응하여 전용 SU-8 현상액을 사용한다. 현상이 완료된 포토레지스트는 150℃ 이상의 고온에서 열처리하여 포토레지스트 패턴의 변화를 방지하면서 잔류 용매를 제거하고, 가교 결합을 완료하여 완성된 포토레지스트 패턴의 구조물을 경화시키는 것이 바람직하다. 고온에서의 열처리는 기판과 포토레지스트 패턴 사이의 접착력을 증가시키는 장점도 있다. 이렇게 얻어지 미세패턴을 이용하여 기판을 에칭하게 되면 다양한 종횡비를 확보할 수 있는 미세패턴을 얻을 수 있다. 에칭하는 건식각 방법은 플라즈마 에칭, RIE (Reactive Ion Etching), 스퍼터링 에칭 조건을 이용하여 최종 미세 패턴 구조를 얻을 수 있다.

상기 깃털 구조의 제1 마찰부재(30)는 제1 유전체 또는 금속을 포함할 수 있으며, 상기 제2 마찰부재(42)는 제1 유전체와 다른 제2 유전체를 포함할 수 있다. 상기 깃털 구조의 제1 마찰부재(30)는 양(+)으로 대전되기 쉬운 물질로서, 예를 들면 폴리우레탄폼, 이축연신 폴리프로필렌, 인모, 고형 폴리우레탄, 불화마그네슘, 나일론, 기계유, 나일라트론 유리, 종이, 목재, 실리콘, 면, 및 니트릴 고무 등을 포함할 수 있다. 그리고 상기 마찰 전극(40)은 음(-)으로 대전되기 쉬운 물질로서, 테프론, EDPM 고무, 부틸 고무, 합성고무, 불소고무, 천연 고무, PVC, 폴리클로로프렌, 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE), 셀룰로오스 질산염, 저밀도 폴리에틸렌(LDPE), 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 폴리이미드, 폴리스티렌, EVA 고무, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 스티렌-부타디엔 고무(SBR) 등을 포함할 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니다. 대안으로 상기 깃털 구조의 제1 마찰부재(30)가 음(-)으로 대전되기 쉬운 물질을 포함하고, 상기 마찰 전극(40)이 양(+)으로 대전되기 쉬운 물질을 포함할 수도 있다.

서로 상대적 대전(charging) 정도의 차이가 큰 물질을 포함할 수도 있다. 상기 깃털 구조의 제1 마찰부재(30)와 상기 제2 마찰부재(42)는 소정의 간격을 두고 이격되어 배치된다. 상기 깃털 구조의 제1 마찰부재(30)와 상기 제2 마찰부재(42) 사이의 간격은 예를 들면 대략 0~10 mm 정도가 될 수 있으며, 구체적으로는 0~1 mm 정도가 될 수 있다. 그러나 반드시 이러한 범위로 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 마찰전기 발생장치에서 지지대(10)의 회전축(12)에 고정된 회전체(20)를 주위 에너지에 의해서 회전시킬 수 있다. 이러한 주위 에너지로는 선형 에너지를 회전 에너지로 변환할 수 있는 풍력 또는 수력을 예로 들 수 있다. 상기 회전체(20)는 세라믹 베어링, 세라믹 하이브리드 베어링, 세라믹 코팅 베어링, 또는 금속베어링을 포함할 수 있다. 이러한 베어링에 의해서 회전체(20)가 회전축에 대하여 원활하게 회전가능하게 된다. 상기 마찰 전극(40)은 상기 회전체(20)의 외곽에 형성된 마찰 전극 고정대(41)에 고정 설치될 수 있다.

회전체(20)의 단부에 연결된 깃털 구조의 제1 마찰부재(30)는 고니 깃털, 독수리 깃털, 오리 깃털, 꿩 깃털, 말똥가리 깃털 및 올빼미 깃털 등과 같은 조류의 깃털이거나 우축(rachis), 깃가지(barbs), 및 작은깃가지(barbules)로 구성되는 하이퍼브랜치 구조(hyperbranched structure)의 깃털 유사 구조체(feather-like structure)일 수 있다.

예를 들어, 도 2를 참조하면, 깃털은 우축(rachis)으로부터 다수의 깃가지(barbs)들이 양 옆으로 연장형성되어 있고, 각각의 깃가지로부터 다수의 작은깃가지들(barbules)이 파생되어 하이퍼브랜치 구조(hyperbranched structure)를 형성하고 있다. 본 발명에서는 회전체(20)의 회전 시 깃털 구조의 제1 마찰부재(30)의 표면적이 변하는 현상을 이용한다. 비행을 위해 진화된 깃털의 깃가지(barbs)의 인터록킹 효과(interlocking effect)를 마찰전기 발생장치의 회전체(20)에 적용함으로써 제1 마찰부재의 마찰 접촉 면적을 변화시킬 수 있다. 따라서 마찰 접촉 면적이 증가함에 따라서 깃털 구조의 제1 마찰부재 채용 시에 낮은 풍속에서도 충분히 큰 전기 에너지를 수확할 수 있다.

도 3은 하이퍼브랜치된 깃털의 표면적 변화 양상을 도시한 것으로 도 3(a)는 간격이 넓어지기 전의 상태를 도시한 것이고, 도 3(b)는 간격이 넓어진 후를 도시한 것이며, 도 3의 (c) 내지 (f) 깃털의 작은깃가지(barbules)의 SEM 사진이다. 도 4를 참조하면, 회전체(20)의 제1 마찰부재(30)를 회전체를 회전시켜 제2 마찰부재에 마찰시키면, 도 4와 같이 깃털의 형태가 바뀌게 된다. 본 발명의 제1 마찰부재(30)는 하이퍼브랜치 구조의 깃털 구조를 갖기 때문에, 회전체의 회전에 의해 제2 마찰부재와 충돌 시에 깃가지가 외부의 힘에 의해 벌어지면서 작은 깃가지가 깃가지를 버클처럼 잡아서 깃가지 사이의 간격이 넓어지면서 표면적이 넓어지고, 이에 따라서 마찰 표면적이 확대되어 더 높은 출력을 발생시킬 수 있다.

도 5는 깃털 종류에 따른 본 발명의 마찰전기 발생장치의 전압, 전류 결과값을 도시한 그래프로서, (a)는 풍속별, (b)는 전압별, (c)는 풍속별 전류, (d)는 RPM별 전류를 나타낸 그래프이다. 다양한 종류의 하이퍼브랜치 구조의 깃털 가운데 깃가지에서 뻗어나오는 작은깃가지(barbules) 구조가 없는 깃털보다 있는 깃털이 높은 마찰전기 에너지를 생성하였고 특히, 표면에 스텔스 기능이 있는 올빼미 깃털이 더 높은 마찰 전기 에너지를 생성하였다. 또한, 도 5를 참조하면, 깃털의 형태에 따라서 접촉 마찰 면적과 구조적 차이로 인해 깃털마다 다른 출력 전압 또는 전류값을 보이는 것을 확인할 수 있다.

제1 마찰부재(30)와 제2 마찰부재(42)는 마찰되는 경우에 서로 반대로 대전될 수 있는 물질로 이루어질 수 있고, 그 대전 특성의 차이가 클수록 더 큰 마찰 전기가 발생될 수 있다. 본 발명에서는 상기 제1 마찰부재(30)는 깃털 구조의 제1 마찰부재(30)를 양대전체로 바꾸는 전하 조절 염료에 의해 표면 개질될 수 있다. 도 6을 참조하면, 본 발명의 마찰전기 발생장치에서는 제1 마찰부재(30) 및 제2 마찰부재(42)의 염료 코팅을 통해서 표면에 분자자기조립층을 형성하는 표면개질 방법을 이용하여 마찰 시 양대전체, 음대전체 표면 전하를 조절함으로써 마찰전기 발생장치의 에너지 수확 효율을 높일 수 있다. 도 6과 같이 깃털 내부가 다공성 구조로 되어 있고, 깃털의 작은 깃가지가 외부의 힘에 의해 벌어지면서 작은 깃가지가 깃가지를 버클처럼 잡아서 표면적을 넓혀서 마찰전기발생의 효율을 상승시킬 수 있다.

제1 마찰부재(30)는 깃털 구조의 제1 마찰부재를 양대전체를 더 양대전체로 바꾸는 전하 조절 염료(charge control dye)에 의해 표면개질될 수 있다.

상기 제1 마찰부재(30)는 한 가지 이상의 염료 또는 염료를 음이온 또는 양이온을 주쇄 또는 측쇄에 포함하는 고분자와 혼합한 용액을 깃털 구조의 제1 마찰부재(30)의 표면에 코팅하여 분자 자기 조립층을 형성하여 표면 개질할 수 있다.

제1 마찰부재를 더 양대전체로 바꾸는 전하 조절 염료는 Sodium 4-[(E)-(4-anilinophenyl)diazenyl]benzenesulfonate,sodium 4-[(2E)-2-(2-oxonaphthalen-1-ylidene)hydrazinyl]benzenesulfonate,Sodium 4-(2-hydroxy-1-naphthalenylazo)-naphthalenesulfonate,Sodium 2-hydroxy-5-[(E)-(4-nitrophenyl)diazenyl]benzoate,Trisodium (4E)-3-oxo-4-[(4-sulfonato-1-naphthyl)hydrazono]naphthalene-2,7-disulfonate, Sodium4-amino-5-hydroxy-3-((E)-(4-nitrophenyl)diazenyl)-6-((E)-phenyldiazenyl)naphthalene-2,7-disulfonate,4-(Phenyldiazenyl)aniline, 4-[(E)-(4-Nitrophenyl)diazenyl]benzene-1,3-diol,disodium 4-hydroxy-2-[(E)-(4-sulfonato-1-naphthyl)diazenyl]naphthalene-1-sulfonate, Tetrasodium6-amino-4-hydroxy-3-[[7-sulfonato-4-[(4-sulfonatophenyl)azo]-1-naphthyl]azo]naphthalene-2,7-disulfonate,Tetrasodium(6Z)-4-acetamido-5-oxo-6-[[7-sulfonato-4-(4-sulfonatophenyl)azo-1-naphthyl]hydrazono]naphthalene-1,7-disulfonate,Disodium4-[(2E)-2-[(5Z)-3-(hydroxymethyl)-2,6-dioxo-5-[(4-sulfonatonaphthalen-1-yl)hydrazinylidene]-1-cyclohex-3-enylidene]hydrazinyl]naphthalene-1-sulfonate,Sodium 4-[(2,4-dihydroxyphenyl)diazenyl]benzenesulfonate, 1-(2,5-Dimethoxy-phenylazo)-naphthalen-2-ol,disodium4-amino-3-[4-[4-(1-amino-4-sulfonato-naphthalen-2-yl)diazenylphenyl]phenyl]diazenyl-naphthalene-1-sulfonate,Disodium5-amino-4-hydroxy-3-(phenylazo)-naphthalene-2,7-disulfonate,tetrasodium (6E)-4-amino-6-[[4-[4-[N′-(8-amino-1-oxo-5,7-disulfonato-2-naphthylidene)hydrazino]-3-methoxy-phenyl]-2-methoxy-phenyl]hydrazono]-5-oxo-naphthalene-1,3-disulfonate, 4-[(E)-(4-Nitrophenyl)diazenyl]-N-phenylaniline,Sodium1-[1-Hydroxynaphthylazo]-6-nitro-2-naphthol-4-sulfonate,tetrasodium(6E,6'E)-6,6-[(3,3'-dimethylbiphenyl-4,4'-diyl)di(1E)hydrazin-2-yl-1-ylidene]bis(4-amino-5-oxo-5,6-dihydronaphthalene-1,3-disulfonate),8-(4-Dimethylaminophenyl)diazenyl-N,N-diethyl-10-phenylphenazin-10-ium-2-amine chloride,Calcium(4Z)-4-[(4-methyl-2-sulfonatophenyl)hydrazono]-3-oxo-2-naphthalenecarboxylate, Sodium 3-[(4-anilinophenyl)diazenyl]benzenesulfonate, Sodium4-{[4-(dimethylamino)phenyl]diazenyl}benzene-1-sulfonate,2-{[4-(Dimethylamino)phenyl]diazenyl}benzoic acid, N,N-Dimethyl-4-(phenyldiazenyl)aniline, Sodium2,4-diamino-5-[2-(3-nitro-6-oxocyclohexa-2,4-dien-1-ylidene)hydrazin-1-yl]benzene-1-sulfonate,5-Chloro-2-hydroxy-3-(3-methyl-5-oxo-1-phenyl-4,5-dihydro-1H-pyrazol-4-ylazo)-benzenesulfonic acid, 3-hydroxy-N-phenylnaphthalene-2-carboxamide,1-(2,5-dimethyl-4-(2,5-dimethylphenyl) phenyldiazenyl) azonapthalen-2-ol, Disodium4-[N'-[3-ethoxycarbonyl-5-oxo-1-(4-sulfonatophenyl)-4-pyrazolylidene]hydrazino]-1-naphthalenesulfonate, 1-(m-Sulfophenylazo)-2-naphthol-6-sulfonic aci,1-[(E)-(4-Nitrophenyl)diazenyl]-2-naphthol, trisodium(8Z)-7-oxo-8-[(4-sulfonatonaphthalen-1-yl)hydrazinylidene]naphthalene-1,3-disulfonate,Hexasodium(3E)-4-oxo-7-[[(6E)-5-oxo-7-sulfonato-6-[[2-sulfonato-4-[(4-sulfonatophenyl)diazenyl]phenyl]hydrazinylidene]naphthalen-2-yl]carbamoylamino]-3-[[2-sulfonato-4-[(4-sulfonatophenyl)diazenyl]phenyl]hydrazinylidene]naphthalene-2-sulfonate, N-Ethyl-N-[2-[1-(2-methylpropoxy)ethoxy]ethyl]-4-phenyldiazenylaniline, (2,2-dimethyl-1,3-dihydroperimidin-6-yl)-(4-phenylazo-1-naphthyl)diazene, 1-(Phenyldiazenyl)naphthalen-2-ol, 1-(2,4-Dimethylphenylazo)-2-naphthol, 1-(4-(Phenyldiazenyl)phenyl)azonaphthalen-2-ol,1-[{2-Methyl-4-[(2-methylphenyl)diazenyl]phenyl}diazenyl]naphthalen-2-ol,N-Ethyl-1-((4-phenyldiazenyl)phenyl)diazenyl)naphthalen-2-amine, amethoxybenzenazo-β-naphthol,3-Methyl-1-phenyl-4-(phenyldiazenyl)-1H-pyrazol-5(4H)-one,Disodium 6-hydroxy-5-[(4-sulfophenyl)azo]-2-naphthalenesulfonate,Trisodium 5-hydroxy-1-(4-sulfonatophenyl)-4-[(E)-(4-sulfonatophenyl)diazenyl]-1H-pyrazole-3-carboxylate,Disodium2-amino-5-[(Z)-(4-amino-3-sulfonatophenyl)(4-iminio-3-sulfonato-2,5-cyclohexadien-1-ylidene)methyl]-3-methylbenzenesulfonate, 5-[(3-carboxy-4-hydroxyphenyl)(3-carboxy-4-oxo-2,5-cyclohexadien-ylidene)methyl]-2-hydroxybenzoic acid triammonium salt,4-[Bis(p-hydroxyphenyl)methylene]-2,5-cyclohexadien-1-one, disodium;2-[[4-[ethyl-[(3-sulfonatophenyl)methyl]amino]phenyl]-[4-[ethyl-[(3-sulfonatophenyl)methyl]azaniumylidene]cyclohexa-2,5-dien-1-ylidene]methyl]benzenesulfonate,2,6-Dibromo-4-[7-(3,5-dibromo-4-hydroxy-2-methyl-phenyl)-9,9-dioxo-8-oxa-9λ6-thiabicyclo[4.3.0]nona-1,3,5-trien-7-yl]-3-methyl-phenol, 4,4'-(1,1-Dioxido-3H-2,1-benzoxathiole-3,3-diyl)-bis(2-bromo-6-methylphenol), 4,4′-(1,1-dioxido-3H-2,1-benzoxathiole-3,3-diyl)bis(2,6-dibromophenol), 3,3’-Dibromosulfongallein,4,4-(1,1-Dioxido-3H-2,1-benzoxathiole-3,3-diyl)bis(2-bromo-6-isopropyl-3-methylphenol), Disodium2-hydroxy-5-[4,5,6,7-tetrabromo-1-(4-hydroxy-3-sulfonatophenyl)-3-oxo-1,3-dihydro-2-benzofuran-1-yl]benzene-1-sulfonate,2-Chloro-4-[3-(3-chloro-4-hydroxyphenyl)-1,1-dioxobenzo[c]oxathiol-3-yl]phenol, 3,3-Bis(4-hydroxy-3-methylphenyl)-1(3H)-isobenzofuranone, 2',7'-dichloro-3',6'-dihydroxy-3H-spiro[2-benzofuran-1,9'-xanthen]-3-one,4′,5′-dibromo-3′,6′-dihydroxy-2′,7′-dinitro-1-spiro[isobenzofuran-3,9′-xanthene]one, 2-(2,4,5,7-tetrabromo-6-oxido-3-oxo-3H-xanthen-9-yl)benzoate [in its deprotonated form], 2-(6-Hydroxy-2,4,5,7-tetraiodo-3-oxo-xanthen-9-yl)benzoic acid, ethyl-[4-[[4-[ethyl-[(3-sulfophenyl)methyl]amino]phenyl]-(4-hydroxy-2-sulfophenyl)methylidene]-1-cyclohexa-2,5-dienylidene]-[(3-sulfophenyl)methyl]azanium, FlAsH-EDT2, Spiro[2-benzofuran-3,9'-xanthene]-1-one,3′,6′-dihydroxyspiro[isobenzofuran-1(3H),9′-[9H]xanthen]-3-one, 4-[(4-Aminophenyl)-(4-imino-1-cyclohexa-2,5-dienylidene)methyl]aniline hydrochloride,Sodium4-[(4-dimethylaminophenyl)-(4-dimethylazaniumylidene-1-cyclohexa-2,5-dienylidene)methyl]-3-hydroxynaphthalene-2,7-disulfonate, ethyl-[4-[[4-[ethyl-[(3-sulfophenyl)methyl]amino]phenyl]-(4-sulfophenyl)methylene]-1-cyclohexa-2,5-dienylidene]-[(3-sulfophenyl)methyl]ammonium, 4-{[4-(Dimethylamino)phenyl](phenyl)methylidene}-N,N-dimethylcyclohexa-2,5-dien-1-iminium chloride, dibromohydroxymercurifluorescein, Methyl violet 2B, 3,3-bis(4-hydroxynaphthalen-1-yl)-2-benzofuran-1-one, [4-[Bis(4-aminophenyl)methylidene]-1-cyclohexa-2,5-dienylidene]dianiline, 3,3-Bis(4-hydroxyphenyl)-2-benzofuran-1(3H)-one. [9-(2-carboxyphenyl)-6-diethylamino-3-xanthenylidene]-diethylammonium chloride, 4,5,6,7-Tetrachloro-3',6'-dihydroxy-2',4',5',7'-tetraiodo-3H- spiro[isobenzofuran-1,9'-xanthen]-3-one, 4-[(4-anilinophenyl)-(4-phenyliminocyclohexa-2,5-dien-1-ylidene)methyl]-N-phenylanilinehydrochloride, 4-[9-(4-hydroxy-2-methyl-5-propan- 2-yl-phenyl)-7,7-dioxo-8-oxa- 7λ6-thiabicyclo[4.3.0]nona-1,3,5-trien-9-yl]-5-methyl-2-propan-2-yl-phenol, 3,3-bis(4-hydroxy-2-methyl-5-propan-2-ylphenyl)-2-benzofuran-1-one, [4-[Bis[4-(dimethylamino)phenyl]methylidene]naphthalen-1-ylidene]-ethylazanium chloride, 2,7-Dimethylacridine-3,6-diamine, 3,6-Diamino-10-methylacridin-10-iumchloride,2,6-Dichloro-4-[(4-hydroxyphenyl)imino]cyclohexa-2,5-dien-1-one,(7-Amino-8-methylphenoxazin-3-ylidene)-diethylazanium dichlorozinc dichloride, (9-dimethylamino-10-methyl-benzo[a]phenoxazin-5-ylidene)ammonium chloride , 9-diethylamino-5-benzo[a]phenoxazinone,Sodium1-amino-4-anilino-9,10-dioxoanthracene-2-sulfonate, 1,2-Dihydroxyanthracene-9,10-dione, 1,2,7-Trihydroxyanthracene-9,10-dione, 7-(β-D-Glucopyranosyl)-3,5,6,8-tetrahydroxy-1-methyl-9,10-dioxo-9,10-dihydroanthracene-2-carboxylic acid, 7,14-Dibenzpyrenequinone, Dibromoanthanthrone, 1,3-dihydroxyanthracene-9,10-dione, 1,4-dihydroxyanthracene-9,10-dione, 1,2,5-trihydroxy-6-methylanthracene-9,10-dione, 1,4-bis(butylamino)anthraquinone, 1,4-bis(isopropylamino)anthraquinone, 1,8-dihydroxy-6-methoxy-3-methyl-anthracene-9,10-dione, Quinizarine Green SS, 1-hydroxy-4-(p-tolylamino)anthracene-9,10-dione, 1,2,4-trihydroxyanthracene-9,10-dione, (29H,31H-phthalocyaninato(2-)-N29,N30,N31,N32)copper(II), 2-(4-Hydroxyphenyl)chromenylium-3,5,6,7-tetrol, (6aS,11bR)-7,11b-Dihydro-6H-indeno[2,1-c]chromene-3,6a,9,10-tetrol, Crimson, Cucumin, Desfontainia, 7,11b-Dihydroindeno[2,1-c]chromene-3,4,6a,9,10(6H)-pentol, 5-Hydroxy-1,4-naphthalenedione, 2-Hydroxy-1,4-naphthoquinone, 1,2,5-trihydroxy-6-methylanthracene-9,10-dione, Orcein, Phaeolus schweinitzii로 구성되는 군에서 선택되는 염료일 수 있다.

도 7은 동일한 구조의 마찰 전기 발생장치를 이용해서 제1 마찰부재의 염료에 의한 표면개질 전후의 발전 효율을 비교하여 그래프로 나타낸 것이다. 도 7을 통해서 확인되는 바와 같이, 깃털 구조의 제1 마찰부재(30)를 염료를 이용해서 표면개질하여 마찰 시 양대전체 및 음대전체의 표면 전하를 조절함으로써 마찰전기 발생장치의 에너지 수확 효율을 높일 수 있다.

본 발명의 마찰전기 발생장치에서 회전체(20)는 프로펠러 또는 에어포일 형상의 단면을 갖는 날개인 다수의 블레이드로 구성된다. 상기 회전체(20)의 단면적은 가능한 한 에어 포일형, RAF 에어 포일형, 게팅겐 에어 포일형 등으로 대표되는 비행기에 사용되는 유선형의 에어 포일형으로 형성함이 바람직하다. 이러한 회전체(20)의 주변을 흐르는 공기 유동에 의하여 회전체(20)에 발생하는 공기 역학적 힘 중에서 양력을 이용하여 회전동력을 얻는다. 이러한 마찰전기 발생장치에서는 예를 들어, 지지대(10)에 설치된 상태에서 국지풍 또는 계절풍 등의 유입된 바람에 의해 회전체(20)가 회전하게 된다. 회전체(20)의 단부에 형성된 깃털 구조의 제1 마찰부재(30)와 마찰 전극(40)의 제2 마찰부재(42)는 소정의 간격을 두고 이격 형성되어 있고, 깃털 구조의 제1 마찰부재(30)와 마찰 전극(40)의 제2 마찰부재(42)는 서로 반대되는 마찰전기 극성을 가진 재료로 구성되어, 회전체(20)의 회전에 따라서 깃털 구조의 제1 마찰부재(30)와 마찰 전극(40)의 제2 마찰부재(42)가 주기적으로 접촉되었다 분리되었다를 반복하면서 마찰 전기를 수확할 수 있게 된다.

상기 지지대(10)에는 상기 회전체(20)의 회전축(12)과 연결되어 이의 구동력에 의해 발전하는 축전장치(미도시)가 연결될 수 있다. 고정대(41)는 반구 형상, 밴드형 형상, 원통 형상, 또는 코어-쉘(core-shell) 형상으로 구성될 수 있다.

상기 회전체(20)는 블레이드 표면에 코팅된 대전필름을 포함할 수 있다. 상기 회전체(20) 및 마찰 전극(40)의 전극(43)은 무기전극, 금속전극, 전도성 폴리머, 그래핀, 또는 탄소나노튜브로 구성되는 전극일 수 있다. 예를 들어, 이러한 회전체(20) 및 마찰 전극(40)의 전극(43)은 ITO, IGO, IZO(Indium Zinc Oxide), IGZO(Indium Gallium Zinc Oxide), ZnO, ZnO₂ 또는 TiO₂ 중 적어도 어느 하나를 포함하는 무기전극이거나 금, 은, 백금, 알루미늄, 철, 크롬, 알루미늄, 구리, 스테인레스 스틸, Co-Cr 합금, Ti 합금, 니티놀(Ni-Ti) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 금속전극, 이런 금속을 전기 도금한 텍스타일 전극이거나 폴리에틸렌디옥시티오펜, 탄소나노튜브, 그래핀(graphene), 폴리아세틸렌, 폴리티오펜, 폴리피롤, 폴리파라페닐렌, 폴리아닐린, 폴리설퍼니트리드, 또는 폴리파라페닐렌비닐렌 중 적어도 어느 하나를 포함하는 유기전극일 수 있다.

마찰전극(40)의 전극(43)은 회전축으로부터 이격된 상태로 제2 마찰부재(42) 상에 각각 배치되어 있을 수 있다. 이는 회전축이 전도성인 경우 회전축(12) 자체가 전극으로 이용될 수 있으므로 회전축(12)과 전극(43) 사이를 전기적으로 절연하기 위함이다. 일례로 전극(43)은 서로 전기적으로 연결될 수 있고 이를 위하여 전극(43)은 전선(wire)으로 서로 연결될 수 있으나, 서로 전기적으로 연결될 수 있는 구성이라면 전선에 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 마찰전기 발생장치에서 제1 마찰부재(30)와 제2 마찰부재(42)의 전극에는 각각 인출부(미도시)가 연결되어 있을 수 있고, 상기 인출부에는 에너지 저장부 또는 부하(load)가 연결될 수 있다.

상기 회전체의 지지대(10) 및 마찰전극 고정대(41)는 예를 들면, 웨이퍼 또는 글라스 등과 같은 단단한 재질을 포함하거나 또는 플라스틱, 직물(textile), 섬유(fiber), 또는 금속 호일(metal foil) 등과 같은 유연한 재질을 포함할 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 이외에도 고정대(10)와 마찰전극 고정대(41)는 다양한 재질을 포함할 수 있다.

본 발명에서 회전체(20)의 블레이드는 섬유강화 플라스틱(FRP, fiber reinforced plastic)으로 제작될 수 있고, 주로 사용되는 섬유는 세라믹 계열(glass or carbon)의 섬유가 사용될 수 있다. 주로 유리섬유를 강화한 GFRP(Glass FRP)나 탄소섬유 강화 플라스틱을 사용할 수 있는데, 탄소섬유 강화 플라스틱은 무게를 감소시키고 설치비용을 절감시킬 수 있다.

본 발명의 마찰전기 발생장치의 마찰 전극(40)의 표면에는 표면적을 증가시키기 위해서 미세 돌기 구조체(미도시)가 형성될 수 있다. 이러한 미세 돌기 구조체로 인해서, 마찰 표면적이 증가하여 전기에너지를 보다 효율적으로 발생시킬 수 있다. 이러한 미세 돌기 구조체는 마이크로 구조체이거나 나노구조체일 수 있다. 상기 미세 돌기 구조체는 반구형, 사각기둥 형상, 피라미드 형상, 다각 기둥 형상의 구조를 가질 수 있으나, 반드시 이러한 형태로 제한되는 것은 아니다. 상기 미세 돌기 구조체는 높이가 100 nm ~ 1 cm이고, 미세 돌기 구조체들 사이의 간격은 100 nm~ 5 mm일 수 있다.

또한, 상기 미세 돌기 구조체는 나노 구조체로 구성될 수 있는데, 예를 들어, 나노닷(nanodot), 나노벨트(nanobelt), 나노리본(nanoribbon), 나노피라미드(nanopyramid), 나노웨이비(nanowavy), 또는 나노블록 형태로 구성될 수 있다. 상기 마찰 전극(40)은 미세 돌기 구조체 대신에 일정한 간격으로 나란히 배치된 와이어 또는 로드를 포함할 수 있다. 이러한 와이어 또는 로드는 나노와이어 또는 마이크로 와이어의 형상을 가질 수 있고, 그 직경이 대략 1 nm ~ 1 mm 정도가 될 수 있다.

본 발명에서 상기 미세 돌기 구조체는 포토리소그래피(photolithography) 공정에 의한 패터닝(patterning), 플라즈마 에칭, 3D 프린팅, 박막 전사(thin film transfer), 코팅, 나노 임프린팅(nano-imprinting), 또는 직접 성장에 의한 방법 등 다양한 방법에 의해 형성될 수 있다.

본 발명의 마찰전기 발생장치의 동작에 대해서 설명한다. 본 발명의 마찰전기 발생장치에서는, 회전체(10)가 에어포일 형상의 단면을 갖는 날개인 블레이드로 구성되어, 이 블레이드의 주변을 흐르는 공기 유동에 의하여 블레이드에 발생하는 공기 역학적 힘 중에서 양력을 이용하여 회전동력을 얻는다.

제2 마찰부재(42)를 제1 마찰부재(30)를 구성하는 재료에 비하여 음의 값을 가지는 재료로 구성하게 되면, 회전체(20)의 회전에 의해서 접촉에 의하여 제2 마찰부재(42)는 음(-)의 값으로, 깃털 구조의 제1 마찰부재(30)는 양(+)의 값으로 대전되어 마찰전기를 발생시키는데 용이하다. 특히 본 발명에서는 회전체(20)의 회전 시 깃털 구조의 제1 마찰부재(30)의 표면적이 변하는 현상을 이용해서 마찰 접촉 면적을 증대시키고, 제1 마찰부재(30)의 염료에 의한 표면개질에 의해서 서로 마찰되는 양전하체는 더 양전하체로 음대전체는 더 음대전체로 만들어 마찰전기 발전 효율이 증대될 수 있다.

상기와 같은 구조의 마찰전기 발생장치에서, 회전체(20)가 풍력 등의 주위 에너지에 의해서 중심축 둘레로 회전하게 되면, 깃털 구조의 제1 마찰부재(30)와 마찰 전극(40)의 제2 마찰부재(42)가 서로 마찰되며, 이 경우 깃털 구조의 제1 마찰부재(30)와 마찰 전극(40)의 제2 마찰부재(42)에 전하 밀도(charge density)의 차이가 발생하게 됨에 따라 한 쪽 물체의 전자가 다른 물체로 이동하게 되어 회전체(20)와 마찰 전극(40) 사이에는 전기에너지가 발생될 수 있다.

본 발명의 마찰전기 발생장치에서 주위 에너지 (예를 들어, 바람, 물의 흐름, 전자기적인 진동 등)에 의해 회전체가 회전되면, 제1 마찰부재에서 마찰에 의해 전기에너지를 발생시키고, 이렇게 발생된 전기에너지는 연결된 전자기기에 공급되거나 또는 에너지 저장 장치(예컨대, 배터리, 축전지)에 저장될 수 있다. 본 발명의 마찰전기 발생장치는 풍력과 같은 주위 에너지를 이용하여 전기 에너지를 수확할 수 있기 때문에, 마이크로 전류를 이용한 의료기기, 블루투스 무선통신 기기, 이동 수송기의 라이트 및 지시등, 도로표지판의 야간 조명, 옥외광고판, 레저용, 캠핑용 조명 등에 다양하게 응용될 수 있다. 이때 마찰전기 발생장치는 전자기기의 표면이나 그 내부, 또는 외부에 마련될 수 있다.

도 8 내지 도 13은 고니 깃털, 독수리 깃털, 오리 깃털, 꿩 깃털, 말똥가리 깃털 및 올빼미 깃털을 이용한 마찰전기 발생장치를 통해서 3 m/s, 5 m/s, 7 m/s에서 전압을 생성한 결과를 도시한 그래프이다. 도 8 내지 도 13에 도시된 바와 같이 소정의 풍속의 풍력에 의해서 회전체가 회전될 경우 전압이 발생되었다.

도 14 및 도 15는 하이퍼브랜치 구조(hyperbranched structure)의 깃털 유사 구조체의 패턴을 도시한 도면이고, 도 16은 도 14 및 도 15의 하이퍼브랜치 구조의 깃털 유사 구조체의 패턴을 이용해서 마찰전기 발생장치를 통해서 3 m/s, 5 m/s, 7 m/s에서 전압을 생성한 결과를 도시한 그래프이다.

본 발명이 다른 양상은 위에서 설명한 본 발명의 깃털 구조를 이용하는 마찰 전기 발생장치를 이용하는 전자기기에 관한 것이다. 이러한 전자기기로는 웨어러블 디바이스, 헬스케어기기, 전원보조기기 등을 포함하는데, 반드시 이들로 제한되는 것은 아니다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상술한 구체적인 실시예들에 한정되지 아니하며, 본 발명의 요지 및 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명이 다양하게 변형 및 변경 실시될 수 있다는 것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하므로, 이러한 다양한 변경 및 변형 실시예들도 본 발명의 보호범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.

10: 지지대 12: 회전축
20: 회전체 30: 깃털 구조 제1 마찰부재
40: 마찰 전극 41: 마찰전극 고정대
42: 제2 마찰부재 43: 전극
45: 미세 돌기 구조체

Claims (8)

1. 회전축 둘레로 회전하는 하나 이상의 블레이드로 구성되는 회전체; 상기 회전체의 블레이드의 외측 단부에 연결되어 회전하는, 깃털 구조의 제1 마찰부재; 제1 마찰부재와 상이한 마찰대전서열을 갖는 마찰재료로 구성되는 제2 마찰부재와 제2 전극으로 구성되는 마찰전극을 포함하고, 여기서 상기 제1 마찰부재 및 제2 마찰부재는 표면이 전하 조절 염료(charge control dye)에 의해 표면개질된 것을 특징으로 하는 깃털 구조를 이용하는 마찰전기 발생장치.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 깃털 구조의 제1 마찰부재는 조류의 깃털이거나 우축(rachis), 깃가지(barbs), 및 작은깃가지(barbules)로 구성되는 깃털 구조를 미세 패턴을 통해 구현한 하이퍼브랜치 구조(hyperbranched structure)의 깃털 유사 구조체(feather-like structure)로 만든 것을 특징으로 하는 마찰전기 발생장치.
   
3. 제1항에 있어서, 상기 제1 마찰부재는 양대전체인 깃털 구조의 제1 마찰부재를 더 양대전체로 바꾸는 전하 조절 염료에 의해 표면개질된 것을 특징으로 하는 깃털 구조를 이용하는 마찰전기 발생장치.
   
4. 제1항에 있어서, 상기 제1 마찰부재는 한 가지 이상의 염료 또는 염료를 음이온 또는 양이온을 주쇄 또는 측쇄에 포함하는 고분자와 혼합한 용액을 마찰부재의 표면에 코팅하여 분자 자기 조립층을 형성하여 표면 개질되는 것임을 특징으로 하는 깃털 구조를 이용하는 마찰전기 발생장치.
   
5. 제1항에 있어서, 상기 제1 마찰부재는 폴리우레탄폼, 이축연신 폴리프로필렌, 인모, 고형 폴리우레탄, 불화마그네슘, 나일론, 기계유, 나일라트론 유리, 종이, 목재, 실리콘, 면, 및 니트릴 고무로 구성되는 군에서 선택되는 재료로 구성되고, 상기 제2 마찰부재는 테프론, EDPM 고무, 부틸 고무, 합성고무, 불소고무, 천연 고무, PVC, 폴리클로로프렌, 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE), 셀룰로오스 질산염, 저밀도 폴리에틸렌(LDPE), 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 폴리이미드, 폴리스티렌, EVA 고무, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 스티렌-부타디엔 고무(SBR)로 구성되는 군에서 선택되는 재료로 구성되는 것임을 특징으로 하는 깃털 구조를 이용하는 마찰전기 발생장치.
   
6. 제1항에 있어서, 상기 제2 마찰부재의 표면에는 다수의 미세 돌기 구조체가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 깃털 구조를 이용하는 마찰전기 발생장치.
7. 제1항에 있어서, 상기 미세 돌기 구조체는 나노닷(nanodot), 나노벨트(nanobelt), 나노리본(nanoribbon), 나노 피라미드(nanopyramid), 나노웨이비(nanowavy), 또는 나노블록 형태인 것을 특징으로 하는 깃털 구조를 이용하는 마찰전기 발생장치.
   
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 하나의 항의 깃털 구조를 이용하는 마찰 전기 발생장치를 포함하는 전자기기.
   
   
   
   

Images