KR20210059264A - 마찰대전 발전소자 - Google Patents

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KR20210059264A
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Abstract

본 발명은 양대전체와의 접촉과 분리에 의하여 음전하를 생성하는 음대전체; 및 상기 음대전체에 삽입되는 음전극을 포함하고, 상기 음대전체는 폴리실록산계 고분자 화합물인 것인 마찰대전 발전소자를 제공한다.

Description

마찰대전 발전소자{Triboelectric generating device}
본 발명은 진동에 의한 기계적 에너지를 전기 에너지로 전환하는 에너지 하베스팅(Energy Harvesting) 소자에 관한 것으로, 구체적으로는 고출력을 나타낼 수 있는 마찰대전 발전소자에 관한 것이다.
마찰대전 발전소자는 기존의 태양광 발전, 풍력 발전 등과 같은 친환경 에너지와는 달리, 주변에 존재하는 미세진동이나 인간의 움직임으로부터 발생된 소모성의 기계적 에너지를 전기 에너지로 전환하는 새로운 개념의 친환경 에너지 발전소자라 할 수 있다.
구체적으로 마찰대전 발전소자는 외부의 압력 또는 진동을 통해 서로 다른 유전체 간의 마찰, 또는 유전체와 금속 간의 마찰을 발생시키고, 발생된 마찰에 의해 유도된 전위차로부터 전기를 발생시키는 것으로, 압전 발전소자에 비해 약 10 내지 100 배의 출력을 제공할 수 있는 것으로 알려져 있다.
이러한 마찰대전 발전소자의 출력은 마찰대전을 일으키는 재료의 특성(일함수, 이온화 경향, 화학적 포텐셜 등), 재료의 조성 및 구조 등에 의해 결정될 수 있다. 그런데 종래의 마찰대전 발전소자는 마찰을 통해 유도 전기를 생산함에 있어서, 재료가 갖는 대전 특성의 한계로 인해 보다 높은 출력을 나타내지 못하고 있다. 또한 재료의 유연성이 떨어져 마찰대전 발전소자의 응용성이 폭넓지 못하고, 내구성도 요구되는 수준으로 나타내지 못하고 있다.
이에 따라 고출력을 나타내면서 유연성이 우수하여 다양한 분야에 응용될 수 있는 마찰대전 발전소자가 요구되고 있다.
대한민국등록특허공보 제10-1598592호
본 발명은 음대전체의 재료를 개선하여 고출력을 나타낼 수 있는 마찰대전 발전소자를 제공하고자 한다.
상기 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 양대전체와의 접촉과 분리에 의하여 음전하를 생성하는 음대전체; 및 상기 음대전체에 삽입되는 음전극을 포함하고, 상기 음대전체는 폴리실록산계 고분자 화합물을 포함하는 것인 마찰대전 발전소자를 제공한다.
상기 폴리실록산계 고분자 화합물은 캘빈 프로브 포스 마이크로스코피로 측정된 표면 포텐셜이 -100 mV 이하를 나타내는 고분자 화합물일 수 있다.
상기 폴리실록산계 고분자 화합물은 X 선 광전자 분광(XPS) 분석 시, 산소(O) 결합 에너지를 나타내는 피크가 970 내지 990eV 및 520 내지 540eV에서 각각 나타나고, 규소(Si) 결합 에너지를 나타내는 피크가 90 내지 110eV 및 140 내지 160eV에서 각각 나타날 수 있다.
상기 폴리실록산계 고분자 화합물은 인장 강도가 400 내지 500 psi이고, 100% 모듈러스가 20 내지 30 psi일 수 있다.
상기 폴리실록산계 고분자 화합물은 쇼어 A 경도가 10 내지 20일 수 있다.
본 발명에 따른 마찰대전 발전소자는 음대전체를 포함하되, 상기 음대전체가 매우 높은 음전하(negative charge) 특성을 나타내는 폴리실록산계 고분자 화합물을 포함하기 때문에 유연성이 우수하고 고출력을 나타낼 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 마찰대전 발전소자는 다양한 분야에 효율적으로 응용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰대전 발전소자를 나타낸 개략도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 실험예 1을 설명하기 위한 참고도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 실험예 2를 설명하기 위한 참고도이다.
도 6는 본 발명의 실험예 3을 설명하기 위한 참고도이다.
본 발명의 설명 및 청구범위에서 사용된 용어나 단어는, 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명에 따른 마찰대전 발전소자는 종래의 음대전체가 나타내지 않았던 음전하(negative charge) 특성을 나타내는 소재를 음대전체에 도입한 것이 특징으로, 이에 대해 도면을 참조하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰대전 발전소자는 음대전체(10) 및 음전극(20)을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 마찰대전 발전소자에 포함되는 음대전체(10)는 양대전체(30)와의 접촉과 분리에 의하여 음전하(-)를 생성하는 역할을 할 수 있다. 이러한 음대전체(10)는 종래의 음대전체가 나타내지 않았던 매우 높은 음전하 특성을 갖는 것으로, 이로 인해 본 발명은 고출력을 나타내는 마찰대전 발전소자를 제공할 수 있다.
구체적으로 상기 음대전체(10)는 캘빈 프로브 포스 마이크로스코피(kelvin probe force microscopy, KPFM)로 측정한 표면 포텐셜이 -100 mV 이하를 나타내는 폴리실록산계 고분자 화합물을 포함하는 것으로, 이로 인해 음대전체(10)는 매우 높은 음전하 특성을 나타낼 수 있다. 즉, 종래에는 음대전체의 소재로 폴리테트라플루오르에틸렌 또는 폴리디메틸실록산이 사용되었는데, 이들 소재는 낮은 음전하 특성으로 인해 음전하의 생성량이 적기 때문에 마찰대전 발전소자의 출력을 높이는데 한계가 있었다. 그러나 본 발명은 음대전체(10)가 매우 높은 음전하 특성(즉, 캘빈 프로브 포스 마이크로스코피로 측정된 표면 포텐셜이 -100 mV 이하)을 나타내는 유기 고분자 화합물을 포함하여 음전하의 생성량이 많기 때문에 고출력을 나타내는 마찰대전 발전소자를 제공할 수 있는 것이다. 여기서 음전하 특성이 높다는 것은 마이너스(-) 표면 포텐셜 값이 큰 것을 의미할 수 있다.
상기 폴리실록산계 고분자 화합물은 캘빈 프로브 포스 마이크로스코피로 측정한 표면 포텐셜이 구체적으로 -300 내지 -1200 mV를 나타낼 수 있고, 보다 구체적으로 -700 내지 -900 mV를 나타낼 수 있다. 상기 표면 포텐셜은 상온(20±5 ℃) 및 50% 상대습도 조건 하에 측정된 값일 수 있다.
이러한 캘빈 프로브 포스 마이크로스코피로 측정한 표면 포텐셜이 -100 mV 이하를 나타내는 폴리실록산계 고분자 화합물은 규소 원자와 산소 원자가 교대로 결합하여 사슬 구조를 갖는 폴리실록산계 고분자 화합물(폴리실록산계 고분자 엘라스토머)일 수 있다.
또한 폴리실록산계 고분자 화합물은 X 선 광전자 분광(XPS) 분석 시, 산소(O) 결합 에너지를 나타내는 피크가 970 내지 990eV 및 520 내지 540eV에서 각각 나타나고, 규소(Si) 결합 에너지를 나타내는 피크가 90 내지 110eV 및 140 내지 160eV에서 각각 나타나는 것일 수 있다.
또 폴리실록산계 고분자 화합물은 인장 강도(tensile strength)가 400 내지 500 psi이고, 100% 모듈러스(modulus)가 20 내지 30 psi일 수 있다. 또한 폴리실록산계 고분자 화합물은 쇼어 A 경도(shore hardness)가 10 내지 20일 수 있다. 상기 폴리실록산계 고분자 화합물의 인장 강도, 100% 모듈러스 및 쇼어 A 경도가 상기 범위 내임에 따라 음대전체(10)가 마찰대전 발전소자의 분야에서 요구되는 수준의 유연성 및 강도를 갖게 되어 마찰대전 발전소자의 응용성 및 내구성을 높일 수 있다.
본 발명에 따른 마찰대전 발전소자에 포함되는 음전극(20)은 음대전체(10)에 삽입되는 것으로, 음대전체(10)에서 생성된 음전하를 일시적으로 저장하고, 저장된 음전하를 외부로 공급하는 역할을 할 수 있다. 이러한 음전극(20)은 단위면적 당 높은 표면적을 가질 수 있도록 음대전체(10) 내부에 분산되는 복수의 단위 음전극체(21)를 포함할 수 있다.
상기 복수의 단위 음전극체(21)는 판형, 직선형, 곡선형, 나선형, 지그재그형 등과 같은 다양한 형상을 가질 수 있다. 구체적으로 단위 음전극체(21) 각각의 형상은 나선형 또는 지그재그형일 수 있다. 상기 단위 음전극체(21)의 형상이 나선형 또는 지그재그형일 경우 음전극(20)이 보다 넓은 표면적을 가질 수 있고, 음대전체(10)와 음전극(20)에 외부의 힘이 가해지더라도 그 변형이 유연하게 이루어질 수 있다.
또한 단위 음전극체(21)는 몸체부와 돌기부를 포함할 수 있다. 상기 돌기부는 음대전체(10)에서 생성된 전하를 집속하여 전하의 출력을 증폭시킬 수 있다. 이러한 돌기부는 직선형, 침상형, 원뿔형, 다각뿔형, 톱니형 등과 같은 형상을 가질 수 있다.
상기 단위 음전극체(21)는 음전하의 저장 및 이동이 가능한 금속을 포함할 수 있다. 구체적으로 단위 음전극체(21)는 알루미늄(Al), 은(Ag), 철(Fe), 니켈(Ni), 금(Au), 백금(Pt) 및 구리(Cu)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 마찰대전 발전소자에 포함되는 음대전체(10)와 접촉 및 분리가 이루어지는 양대전체(30)는 양전하(+)를 생성하는 역할을 할 수 있다. 이러한 양대전체(30)는 양전하를 생성하는 것이라면 특별히 한정되지 않는다. 구체적으로 양대전체(30)는 울(wool), 실크(silk), 미카(mica), 나일론(nylon), 러버(rubber), 종이(paper), 유리(glass), 퍼(fur), 폴리스티렌(polystyrene), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리비닐클로라이드(polyvinylchloride), 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS) 및 폴리이미드(polyimide)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
한편 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰대전 발전소자는 음전극(20)과 연결되어 음전극(20)에서 공급되는 음전하를 외부로 인출하는 전극 단자(40)를 더 포함할 수 있다. 이러한 전극 단자(40)는 통상적으로 공지된 전선 형태일 수 있다. 상기 전극 단자(40)는 외부 회로 또는 에너지 저장소자와 결합(연결)되어 있어, 음전극(20)에서 전극 단자(40)로 이동한 전하를 상기 외부 회로 또는 상기 에너지 저장소자에 공급할 수 있다.
이와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰대전 발전소자는 높은 음전하 특성을 나타내는 음대전체로 인해 고출력 및 유연성을 가지면서 그 크기를 자유롭게 조절할 수 있기 때문에 다양한 분야(예를 들어, 웨어러블 기기, 스마트 전자기기, 자동차, 센서 등)에 효율적으로 응용될 수 있다.
이하, 실시예에 의하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 통상의 기술자에게 있어서 명백한 것이며, 이들 만으로 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1]
나선형 형상을 갖는 알루미늄 단위 음전극체를 투명 용기에 복수로 투입하고, 주제와 경화제가 1:1의 중량비로 혼합된 폴리실록산계 화합물 용액(Smooth-On, Inc.의 Dragon skinTM)을 첨가한 후 상온에서 2시간 동안 경화시켜 복수의 알루미늄 단위 음전극체로 이루어진 음전극이 음대전체(폴리실록산계 경화물)에 분산된 구조를 갖는 전극 구조체를 제조하였다. 이후 전극 구조체에 양대전체로 니트릴 러버를 적용하여 마찰대전 발전소자를 준비하였다.
[실시예 2]
투명 용기에 주제와 경화제가 1:1의 중량비로 혼합된 폴리실록산계 화합물 용액(Smooth-On, Inc.의 Dragon skinTM)을 첨가하고, 70 ℃의 오븐에서 1시간 동안 예비경화시킨 후 상온에서 2시간 동안 경화시키는 과정을 거치는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 과정으로 마찰대전 발전소자를 준비하였다.
[실시예 3]
투명 용기에 주제와 경화제가 1:1의 중량비로 혼합된 폴리실록산계 화합물 용액(Smooth-On, Inc.의 Dragon skinTM)을 첨가하고, 70 ℃의 오븐에서 2시간 동안 예비경화시킨 후 상온에서 2시간 동안 경화시키는 과정을 거치는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 과정으로 마찰대전 발전소자를 준비하였다.
[실시예 4]
투명 용기에 주제와 경화제가 1:1의 중량비로 혼합된 폴리실록산계 화합물 용액(Smooth-On, Inc.의 Dragon skinTM)을 첨가하고, 80 ℃의 오븐에서 2시간 동안 예비경화시킨 후 상온에서 2시간 동안 경화시키는 과정을 거치는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 과정으로 마찰대전 발전소자를 준비하였다.
[비교예 1]
폴리실록산계 화합물 용액(Smooth-On, Inc.의 Dragon skinTM) 대신에 실리콘 수지 용액(Smooth-On, Inc.의 EcoflexTM)을 사용한 것을 제외하고는 실시예 3과 동일한 과정으로 마찰대전 발전소자를 준비하였다.
[비교예 2]
폴리실록산계 화합물 용액(Smooth-On, Inc.의 Dragon skinTM) 대신에 폴리디메틸실록산 용액(PDMS)을 사용한 것을 제외하고는 실시예 3과 동일한 과정으로 마찰대전 발전소자를 준비하였다.
[비교예 3]
폴리실록산계 화합물 용액(Smooth-On, Inc.의 Dragon skinTM) 대신에 폴리우레탄 용액을 사용한 것을 제외하고는 실시예 3과 동일한 과정으로 마찰대전 발전소자를 준비하였다.
[비교예 4]
폴리실록산계 화합물 용액(Smooth-On, Inc.의 Dragon skinTM) 대신에 테프론 용액을 사용한 것을 제외하고는 실시예 3과 동일한 과정으로 마찰대전 발전소자를 준비하였다.
[실험예 1]
실시예 3을 통해 얻어진 음대전체(폴리실록산계 경화물)를 X 선 광전자 분광(XPS) 분석 및 FT-IR(Fourier Transform Infrared spectoscopy) 분석하였으며, 그 결과를 각각 도 2 및 도 3에 나타내었다.
도 2를 참고하면, 산소(O) 결합 에너지를 나타내는 피크가 970 내지 990eV 및 520 내지 540eV에서 각각 나타나고, 규소(Si) 결합 에너지를 나타내는 피크가 90 내지 110eV 및 140 내지 160eV에서 각각 나타나는 것을 확인할 수 있다.
[실험예 2]
실시예 1, 2, 3 및 비교예 1, 2를 통해 얻어진 음대전체를 48 시간 동안 상온에서 안정화시킨 후, 안정화된 음대전체의 표면 포텐셜을 캘빈 프로브 포스 마이크로스코피(Parks systems XE10)로 23 ℃ 및 50% 상대습도 조건 하에서 측정하였으며, 그 결과를 도 4 및 도 5에 나타내었다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 마찰대전 발전소자에 해당하는 실시예 1, 2 및 3은 캘빈 프로브 포스 마이크로스코피로 측정된 표면 포텐셜이 -100 mV 이하로, 비교예 1 및 2에 비해 매우 높은 음전하 특성을 나타내는 것을 확인할 수 있다.
[실험예 3]
실시예 3 및 비교예 2 내지 4의 마찰대전 발전소자를 각각 pushing tester에 놓고 5kgf의 힘을 가해 마찰 대전을 일으키면서 Oscilloscope(Tektronix, TBS 2000 SERIES)로 전압(voltage)을 측정하였으며, 그 결과를 도 6에 나타내었다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 마찰대전 발전소자에 해당하는 실시예 3은 최대 전압이 200 V이고, 비교예 2는 최대 전압이 100 V이며, 비교예 3은 최대 전압이 10 V이고, 비교예 4는 최대 전압이 150 V로, 본 발명의 마찰대전 발전소자인 실시예 3의 출력 특성이 가장 높은 것을 확인할 수 있었다.
10: 음대전체
20: 음전극
21: 단위 음전극체
30: 양대전체
40: 전극 단자

Claims (5)

  1. 양대전체와의 접촉과 분리에 의하여 음전하를 생성하는 음대전체; 및
    상기 음대전체에 삽입되는 음전극을 포함하고,
    상기 음대전체는 폴리실록산계 고분자 화합물인 것인 마찰대전 발전소자.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 폴리실록산계 고분자 화합물은 캘빈 프로브 포스 마이크로스코피로 측정된 표면 포텐셜이 -100 mV 이하를 나타내는 것인 마찰대전 발전소자.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 폴리실록산계 고분자 화합물은 X 선 광전자 분광(XPS) 분석 시, 산소(O) 결합 에너지를 나타내는 피크가 970 내지 990eV 및 520 내지 540eV에서 각각 나타나고, 규소(Si) 결합 에너지를 나타내는 피크가 90 내지 110eV 및 140 내지 160eV에서 각각 나타나는 것인 마찰대전 발전소자.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 폴리실록산계 고분자 화합물은 인장 강도가 400 내지 500 psi이고, 100% 모듈러스가 20 내지 30 psi인 것인 마찰대전 발전소자.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 폴리실록산계 고분자 화합물은 쇼어 A 경도가 10 내지 20인 것인 마찰대전 발전소자.
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