KR20220012544A - 마찰 대전 발전기 및 이의 제조방법 - Google Patents
마찰 대전 발전기 및 이의 제조방법 Download PDFInfo
- Publication number
- KR20220012544A KR20220012544A KR1020200091438A KR20200091438A KR20220012544A KR 20220012544 A KR20220012544 A KR 20220012544A KR 1020200091438 A KR1020200091438 A KR 1020200091438A KR 20200091438 A KR20200091438 A KR 20200091438A KR 20220012544 A KR20220012544 A KR 20220012544A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- triboelectric
- film
- electrode
- generator
- auxiliary
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 52
- 230000001965 increasing effect Effects 0.000 claims abstract description 45
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 claims abstract description 12
- -1 polydimethylsiloxane Polymers 0.000 claims description 35
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 31
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 29
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 claims description 25
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 claims description 25
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims description 18
- 239000004205 dimethyl polysiloxane Substances 0.000 claims description 15
- 229920000435 poly(dimethylsiloxane) Polymers 0.000 claims description 15
- 229920001721 polyimide Polymers 0.000 claims description 13
- 239000002033 PVDF binder Substances 0.000 claims description 12
- 239000004813 Perfluoroalkoxy alkane Substances 0.000 claims description 12
- 239000004743 Polypropylene Substances 0.000 claims description 12
- 229920001684 low density polyethylene Polymers 0.000 claims description 12
- 239000004702 low-density polyethylene Substances 0.000 claims description 12
- 229920011301 perfluoro alkoxyl alkane Polymers 0.000 claims description 12
- 229920001155 polypropylene Polymers 0.000 claims description 12
- 229920002981 polyvinylidene fluoride Polymers 0.000 claims description 12
- 239000004812 Fluorinated ethylene propylene Substances 0.000 claims description 10
- 239000004642 Polyimide Substances 0.000 claims description 10
- 229920009441 perflouroethylene propylene Polymers 0.000 claims description 10
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 claims description 8
- 230000005251 gamma ray Effects 0.000 claims description 8
- 229920002379 silicone rubber Polymers 0.000 claims description 8
- 239000004945 silicone rubber Substances 0.000 claims description 8
- 238000010884 ion-beam technique Methods 0.000 claims description 7
- 230000005260 alpha ray Effects 0.000 claims description 6
- 239000004814 polyurethane Substances 0.000 claims description 6
- 238000005266 casting Methods 0.000 claims description 5
- HQQADJVZYDDRJT-UHFFFAOYSA-N ethene;prop-1-ene Chemical group C=C.CC=C HQQADJVZYDDRJT-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 230000005250 beta ray Effects 0.000 claims description 4
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims description 4
- 238000010030 laminating Methods 0.000 claims description 3
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 claims description 2
- 230000005527 interface trap Effects 0.000 abstract description 3
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 22
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 18
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 15
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 15
- 239000000463 material Substances 0.000 description 15
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 14
- 230000008569 process Effects 0.000 description 14
- 230000008859 change Effects 0.000 description 12
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 12
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 12
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 10
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 7
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 7
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 description 7
- YXFVVABEGXRONW-UHFFFAOYSA-N Toluene Chemical compound CC1=CC=CC=C1 YXFVVABEGXRONW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 6
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 6
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 5
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 5
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 5
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 4
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 4
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 4
- 229920005575 poly(amic acid) Polymers 0.000 description 4
- 229920003229 poly(methyl methacrylate) Polymers 0.000 description 4
- QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-N Acetic acid Chemical compound CC(O)=O QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 3
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 3
- 239000002801 charged material Substances 0.000 description 3
- 238000010893 electron trap Methods 0.000 description 3
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 3
- 239000004926 polymethyl methacrylate Substances 0.000 description 3
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 3
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000011651 chromium Substances 0.000 description 2
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 2
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 2
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 2
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 2
- 239000001307 helium Substances 0.000 description 2
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 2
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 2
- 238000001020 plasma etching Methods 0.000 description 2
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 2
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- 238000004381 surface treatment Methods 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- VVQNEPGJFQJSBK-UHFFFAOYSA-N Methyl methacrylate Chemical compound COC(=O)C(C)=C VVQNEPGJFQJSBK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004793 Polystyrene Substances 0.000 description 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-N acrylic acid group Chemical group C(C=C)(=O)O NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005054 agglomeration Methods 0.000 description 1
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 description 1
- 238000005576 amination reaction Methods 0.000 description 1
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920001400 block copolymer Polymers 0.000 description 1
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 1
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- UXGNZZKBCMGWAZ-UHFFFAOYSA-N dimethylformamide dmf Chemical compound CN(C)C=O.CN(C)C=O UXGNZZKBCMGWAZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 239000012153 distilled water Substances 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 239000008398 formation water Substances 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 238000007654 immersion Methods 0.000 description 1
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 1
- 238000009616 inductively coupled plasma Methods 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 1
- 229910021382 natural graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 238000011197 physicochemical method Methods 0.000 description 1
- 229920002223 polystyrene Polymers 0.000 description 1
- 239000011164 primary particle Substances 0.000 description 1
- 229920005604 random copolymer Polymers 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 239000013589 supplement Substances 0.000 description 1
- 238000002207 thermal evaporation Methods 0.000 description 1
- 238000002525 ultrasonication Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H02N1/00—Electrostatic generators or motors using a solid moving electrostatic charge carrier
- H02N1/04—Friction generators
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
- H01B3/00—Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties
- H01B3/18—Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties mainly consisting of organic substances
- H01B3/30—Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties mainly consisting of organic substances plastics; resins; waxes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
- H01B3/00—Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties
- H01B3/18—Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties mainly consisting of organic substances
- H01B3/30—Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties mainly consisting of organic substances plastics; resins; waxes
- H01B3/44—Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties mainly consisting of organic substances plastics; resins; waxes vinyl resins; acrylic resins
- H01B3/443—Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties mainly consisting of organic substances plastics; resins; waxes vinyl resins; acrylic resins from vinylhalogenides or other halogenoethylenic compounds
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
Abstract
본 발명은 제1전극; 상기 제1전극 상에 형성된 보조막; 상기 보조막 상에 형성된 마찰대전막; 및 상기 제1전극에 대향하는 제2전극을 포함하고, 상기 마찰대전막은 에너지 빔 조사에 의해 계면 트랩의 농도 증가되어 출력량이 증가되는 것을 특징으로 하는 마찰 대전 발전기를 제공한다.
Description
본 발명은 마찰 대전 발전기 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 물리 화학적인 방법으로 계면 트랩이 증가된 마찰 대전 발전기 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
마찰 대전 발전기는 두 개의 전극과, 적어도 한 쪽의 전극에 부착되어 있는 마찰 대전 막(절연체)으로 이루어진다. 전극-절연체 또는 절연체-절연체 간의 마찰 대전으로 인해 양 쪽 절연체 또는 전극에 마찰 전하가 분포하게 되고, 외부의 기계적 힘에 의해서 두 전극 또는 전극이 하나일 경우 절연체와 전극의 상대적인 위치가 변하게 되면 정전기 유도에 의해 외부로 연결된 전선에 전류가 흐르게 된다. 이로써 마찰 대전 발전기는 결과적으로 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환하는 에너지 하베스터 역할을 한다.
종래 마찰 대전 발전기의 출력 향상을 위한 기술들은 크게 마찰 대전막 안에 전자 포집층을 만들어 표면 전하를 저장시켜 출력을 향상하는 방식이나, 표면의 화학적/물리적 특성을 바꾸어 향상시키는 방법 등이 사용된다.
전자 포집층을 만들어 표면 전하를 증가시키는 방식은 표면의 마찰 대전막과 다른 물질의 막을 마찰 대전 막 밑에 삽입하여, 계면 트랩(Interfacial trap)을 생성하는 방법과, 전자를 포집할 수 있는 물질을 마찰 대전 막 안에 섞어 벌크 트랩(bulk trap)을 늘리는 방법이 있다. 물리적 특성을 바꾸어 표면 전하를 증가시키는 방식은 표면에 마이크로 나노 스케일의 입체 구조를 형성하는 방법이 대표적이다.
계면 트랩을 생성하는 방법은 편평한 계면과 함께 마찰 대전 막의 표면에 아무 처리를 하지 않은 방식이다.
도 1는 표면 처리되지 않은 계면 트랩이 생성된 마찰 대전 발전기의 모식도이다.
도 1을 참조하면, 대전막의 단위 부피당 계면 트랩의 개수가 작아, 표면 전하의 향상 비율이 상대적으로 적은 단점이 있다. 마찰 대전 막의 밑에 있는 보조막은 오로지 계면 트랩만을 생성하는 막으로, 다른 역할은 하지 않는다.
또한, 계면 트랩을 증가시키기 위한 방안으로 파우더 형식의 물질을 다른 물질의 안에 넣고(embedded structure) 계면의 면적을 늘리는 기술이 제안되었다.
도 2는 파우더가 충전된 계면 트랩이 포함된 마찰 대전 발전기의 모식도이다.
도 2를 참조하면, 계면 트랩 생성을 통한 출력 향상은 그 자체의 효과는 좋으나, 마이크로-나노 구조 형성과 같은 다른 마찰 대전 향상 기법과 중복하여 사용될 수 없다는 한계점이 있다.
따라서 계면 트랩을 물리 화학적으로 증가시켜 출력을 향상시킬 수 있는 마찰 대전 발전기 및 이의 제조방법의 개발이 시급한 실정이다.
이와 관련된 선행문헌으로 대한민국 공개특허공보 제10-2018-0031451호 마찰대전 에너지하베스터 구조체 및 그 제조방법(2018.03.28 공개)가 있다.
본 발명은 하나의 목적은 마찰 대전 발전기의 출력량이 증가된 마찰 대전 발전기 및 이의 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 진공을 사용하지 않아도 되기 때문에 처리 비용과 시간을 줄일 수 있으며, 짧은 시간의 에너지 빔 조사 처리로도 높은 비율의 마찰 대전량의 향상 마찰 대전 발전기 및 이의 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 다양한 3차원 구조의 마찰 대전 발전기 및 편평하지 않은 구형이나 원통형과 같은 입체형 마찰 대전막에도 적용이 가능한 마찰 대전 발전기 및 이의 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 계면 트랩과 벌크 트랩의 수를 증가시킬 수 있는 마찰 대전 발전기 및 이의 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 마찰대전막과 보조막의 물질적 차이에서 기인하는 기계적 특성의 열화를 방지할 수 있는 마찰 대전 발전기 및 이의 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 상기 및 기타의 목적들은 하기 설명되는 본 발명에 의하여 모두 달성될 수 있다.
1. 본 발명의 하나의 관점은 마찰 대전 발전기에 관한 것이다.
상기 마찰 대전 발전기는 제1전극; 상기 제1전극 상에 형성된 보조막; 상기 보조막 상에 형성된 마찰대전막; 및 상기 제1전극에 대향하는 제2전극을 포함하고, 상기 마찰대전막은 에너지 빔 조사에 계면 트랩의 농도가 증가되어 출력량이 증가될 수 있다.
2. 상기 1구체예에서, 상기 출력량은 에너지 빔 조사에 의해 마찰대전막의 단위 면적당 출력량(μC/m2)이 2 내지 4배로 증가될 수 있다.
3. 상기 1 또는 2구체예에서, 상기 상기 제2전극상에 마찰대전막이 더 구비될 수 있다.
4. 상기 1 내지 3 구체예에서, 상기 보조막은 에너지 비반응성일 수 있다.
5. 상기 1 내지 4 구체예에서, 상기 보조막은 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 폴리이미드(Polyimide), 실리콘 고무(Silicone rubber), 폴리우레탄(PU), 폴리프로필렌(PP), 저밀도 폴리에틸렌(LDPE) 중 1종 이상일 수 있다.
6. 상기 1 내지 5 구체예에서, 상기 마찰대전막은 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE, polytetrafluoroethylene), 불소화에틸렌프로필렌(FEP, fluorinated ethylene propylene) 및 퍼플루오로알콕시알케인(PFA, perfluoroalkoxy alkane) 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
7. 상기 1 내지 6 구체예에서, 상기 보조막은 음각 템플릿을 이용한 캐스팅을 통하여 마이크로-나노 입체 구조로 형성될 수 있다.
8. 본 발명의 다른 관점은 마찰 대전 발전기 제조방법에 관한 것이다.
상기 마찰 대전 발전기 제조방법은 (a) 제1전극 상에 보조막을 형성하는 단계; (b) 상기 보조막에 막을 적층하는 단계; (c) 상기 제1전극에 대향되도록 제2전극을 배치하는 단계; 및 (d) 에너지 빔을 조사하여, 상기 막의 분자 구조를 변형시켜 마찰대전막을 형성하는 단계;를 포함한다.
9. 상기 8 구체예에서, 상기 보조막은 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 폴리이미드(Polyimide), 실리콘 고무(Silicone rubber), 폴리우레탄(PU), 폴리프로필렌(PP), 저밀도 폴리에틸렌(LDPE) 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
10. 상기 8 또는 9 구체예에서, 상기 마찰대전막은 상기 보조막에 분말입자를 도포하여 입자 또는 이들의 결합인 섬 형태의 막을 형성한 후 에너지 빔 조사에 의해 형성될 수 있다.
11. 상기 8 내지 10 구체예에서, 상기 분말입자는 폴리테트라플루오로에틸렌 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE), 불소화에틸렌프로필렌(fluorinated ethylene propylene; FEP) 및 퍼플루오로알콕시알케인( perfluoroalkoxy alkane; PFA) 중 1종 이상일 수 있다.
12. 상기 8 내지 11 구체예에서, 상기 에너지 빔은 감마선(γ-ray), 전자선(β-ray or electron
beam), 알파선(α-ray), 중성자선(neutron beam), 양자선(proton beam), 및 중이온빔(heavy
ion beam) 중 선택된 어느 하나일 수 있다.
13. 상기 12 구체예에서, 상기 에너지 빔이 감마선인 경우 0.5 내지 15.0 Mrad의 선량으로 조사될 수 있다.
14. 상기 8 내지 13 구체예에서, 상기 에너지 빔은 마찰대전막의 계면 트랩의 농도를 증가시켜 마찰대전막의 단위 면적당 출력량이 2 내지 4배로 증가되도록 조사할 수 있다.
본 발명에 따른 마찰 대전 발전기는 보조막 상에 분말을 도포하여 입자 또는 섬 형태로 마이크로 나노 구조를 형성하는 마찰대전막을 형성하여 이중 계층 구조(double-hierarchy)를 가지며, 단일 구조보다 높은 표면적으로 인하여 증가된 유효 전하량을 갖는다.
마찰대전막과 보조막의 계면에서 발생되는 계면 트랩이 보조막의 마이크로-나노 구조에 의해 편평한 계면에 비해 계면의 농도가 물리적으로 증가되어 추가적인 유효 전하를 기대할 수 있다.
또한 고 에너지 빔을 조사하여 마찰대전막을 화학적으로 변화시켜 유효 전하를 증가시킴과 동시에 마찰대전막을 입자 또는 섬 형태로 형성하여 마찰대전막과 보조막의 물질적 차이에 기안하는 기계적 특성의 열화를 감소시킬 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 따른 마찰 대전 발전기 제조방법은 단순한 공정으로 처리량이 증가되고, 다양한 입체 구조에 적용 가능하며, 효과적으로 유효 전하량 증가시킬 수 있다.
도 1는 표면 처리되지 않은 계면 트랩이 생성된 마찰 대전 발전기의 모식도이다.
도 2는 파우더가 충전된 계면 트랩이 포함된 마찰 대전 발전기의 모식도이다.
도 3은 본 발명의 한 구체예에 따른 마찰 대전 발전기의 구조를 나타낸 모식도이다.
도 4는 마찰 대전 발전기에서 기계적 에너지를 전기에너지로 변환하는 과정을 나타낸 모식도이다.
도 5는 본 발명의 한 구체예에 따른 마찰 대전 발전기에서 입자 또는 섬 형태의 마찰대전막의 계면 트랩 형성과 고분자 매트릭스에 마찰 대전 물질 입자를 분산시키는 경우 계면 트랩 형성을 비교한 모식도이다.
도 6은 본 발명의 한 구체예에 따른 마찰 대전 발전기의 기계적 압력에 따른 변화를 나타낸 모식도이다.
도 7은 본 발명의 한 구체예에 따른 마찰 대전 발전기 제조방법의 공정순서도이다.
도 8은 실시예 1 및 비교예 1에서 제작된 마찰 대전 발전기의 출력 변화를 비교한 그래프이다.
도 2는 파우더가 충전된 계면 트랩이 포함된 마찰 대전 발전기의 모식도이다.
도 3은 본 발명의 한 구체예에 따른 마찰 대전 발전기의 구조를 나타낸 모식도이다.
도 4는 마찰 대전 발전기에서 기계적 에너지를 전기에너지로 변환하는 과정을 나타낸 모식도이다.
도 5는 본 발명의 한 구체예에 따른 마찰 대전 발전기에서 입자 또는 섬 형태의 마찰대전막의 계면 트랩 형성과 고분자 매트릭스에 마찰 대전 물질 입자를 분산시키는 경우 계면 트랩 형성을 비교한 모식도이다.
도 6은 본 발명의 한 구체예에 따른 마찰 대전 발전기의 기계적 압력에 따른 변화를 나타낸 모식도이다.
도 7은 본 발명의 한 구체예에 따른 마찰 대전 발전기 제조방법의 공정순서도이다.
도 8은 실시예 1 및 비교예 1에서 제작된 마찰 대전 발전기의 출력 변화를 비교한 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 다만, 하기 도면은 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 제공되는 것일 뿐, 본 발명이 하기 도면에 의해 한정되는 것은 아니다. 또한, 도면에 개시된 형상, 크기, 비율, 각도, 개수 등은 예시적인 것이므로 본 발명이 도시된 사항에 한정되는 것은 아니다.
명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
본 명세서 상에서 언급한 '포함한다', '갖는다', '이루어진다' 등이 사용되는 경우 '~만'이 사용되지 않는 이상 다른 부분이 추가될 수 있다. 구성 요소를 단수로 표현한 경우에 특별히 명시적인 기재 사항이 없는 한 복수를 포함하는 경우를 포함한다.
구성 요소를 해석함에 있어서, 별도의 명시적 기재가 없더라도 오차 범위를 포함하는 것으로 해석한다.
~상에', '~상부에', '~하부에', '~옆에' 등으로 두 부분의 위치 관계가 설명되는 경우, '바로' 또는 '직접'이 사용되지 않는 이상 두 부분 사이에 하나 이상의 다른 부분이 위치할 수 있다.
'상부', '상면', '하부', '하면' 등과 같은 위치 관계는 도면을 기준으로 기재된 것일 뿐, 절대적인 위치 관계를 나타내는 것은 아니다. 즉, 관찰하는 위치에 따라, '상부'와 '하부' 또는 '상면'과 '하면'의 위치가 서로 변경될 수 있다.
본 발명의 하나의 관점은 마찰 대전 발전기에 관한 것이다.
도 3은 본 발명의 한 구체예에 따른 마찰 대전 발전기의 구조를 나타낸 모식도이다.
도 3을 참조하면, 상기 마찰 대전 발전기(1000)는 제1전극(100), 보조막(200), 마찰대전막(400), 및 제2전극(300)을 포함한다.
상기 제1전극(100)은 보조막(200)이 상부에 형성될 수 있는 공간을 제공한다.
상기 제1전극(100) 및 제2전극(300)은 서로 대향하여 평행하게 배치된다.
상기 제1전극(100) 및 제2전극(300)은 알루미늄(Al), 금(Au), 구리(Cu), 크롬(Cr) 또는 니켈(Ni) 중 어느 하나의 금속으로 형성되거나 ITO를 포함하는 산화물로 형성될 수 있다.
상기 제1전극(100)과 제2전극(300)은 마찰 대전 발전기(1000)에서 전극-절연체 사이 또는 절연체-절연체 사이의 마찰 대전에 의한 절연체 표면 또는 전극에 마찰 전하가 분포한다.
도 4는 마찰 대전 발전기에서 기계적 에너지를 전기에너지로 변환하는 과정을 나타낸 모식도이다.
도 4를 참조하면, 외부의 기계적 힘에 의해서 한 개 또는 두 개의 전극이 절연체와 상대적인 위치가 변하게 되면 정전기 유도에 의해 외부로 연결된 전선에 전류가 흐르게 된다.
결과적으로 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환하는 에너지 하베스터 역할을 하게 된다.
마찰 대전 발전기의 출력은 이론적으로 마찰대전막의 유효 전하에 비례하기 때문에, 마찰대전막의 유효 전하가 증가하면 마찰 대전 발전기의 출력 또한 증가한다.
상기 보조막(200)은 상기 제1전극(100) 상에 형성된다.
상기 보조막(200)은 상부에 상기 마찰대전막(400)이 형성될 수 있도록 점착성 또는 접착성을 가질 수 있다.
상기 보조막(200)은 에너지 비반응성이다.
상기 보조막(200)이 에너지 비반응성인 경우 고 에너지 빔 조사에 의해서도 반응하지 않아서 화학적 구조의 변화가 없다.
한 구체예에서, 보조막은 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 폴리이미드(Polyimide), 실리콘 고무(Silicone rubber), 폴리우레탄(PU), 폴리프로필렌(PP), 저밀도 폴리에틸렌(LDPE) 중 1종 이상이다.
상기 보조막(200)은 음각 템플릿을 이용한 캐스팅으로 마이크로-나노 입체 구조로 형성될 수 있다.
한 구체예에서 상기 보조막(200)은 음각 템플릿을 이용한 캐스팅 공정을 통하여 형성된 후, 열 압착 공정을 거쳐 형성되며, 수 나노에서 수백 마이크로의 표면 구조가 형성되어 평한 구조 대비 표면적이 증가된 마이크로-나노 입체 구조이다.
상기 보조막(200)이 마이크로-나노 입체구조로 형성되면, 분말입자가 도포되어 형성되는 상기 마찰대전막(400)의 단위 면적당 계면 트랩의 농도를 물리적으로 증가시킬 수 있다.
상기 마찰대전막(400)은 상기 보조막(200) 상에 형성된다.
상기 마찰대전막(400)은 상기 보조막(200) 상에 정전기 전하를 유도할 수 있는 분말입자(Powder)가 도포되어 입자 또는 이들의 결합인 섬 형태의 고분자 절연체 막이 화학적으로 변화된 것이다.
상기 섬 형태는 1차 입자가 응집되어 바닥부(420)과 피크부(410)를 형성하여 이루어진다.
상기 분말입자가 도포되어 마찰대전막(400) 단위 면적당 계면 트랩(500)의 수를 물리적으로 증가시킬 수 있다.
상기 마찰대전막(400)은 마이크로-나노 구조 위에 분말입자가 도포되어 입자 또는 섬 형태로 피크부(410)가 돌출되고, 바닥부(420)가 형성된 마찰 대전 물질 구조로 이루어져, 이중 계층 구조(Double hierarchy) 구조를 형성한다.
이는 실제 접촉 면적을 크게 증가시켜 계면뿐만 아니라 마찰대전막(400)의 표면 전하 밀도를 크게 증가시킨다.
도 5는 본 발명의 한 구체예에 따른 마찰 대전 발전기에서 입자 또는 섬 형태의 마찰대전막의 계면 트랩 형성과 고분자 매트릭스에 마찰 대전 물질 입자를 분산시키는 경우 계면 트랩 형성을 비교한 모식도이다.
도 5를 참조하면, 단순하게 계면 트랩을 이용하여 표면 유효 전하를 증가시키는 경우 다른 표면 전하 증가 기술이 적용되기 어려우나, 물리적으로 마이크로-나노 구조가 먼저 형성되면 계면 면적의 증가에 의한 물리적 계면 트랩의 수의 증가와 함께 표면적 증가에 따른 표면 전하까지 증가시킬 수 있다.
상기 고분자 매트릭스에 마찰 대전 물질 입자를 분산시키는 경우 실제 계면 트랩의 면적이 증가되나, 절연체의 낮은 전하 이동도로 인하여 대부분의 계면 트랩이 유효하게 이동되지 못한다.
반면에 입자 또는 섬 형태의 마찰대전막(400)은 실제 전하가 이동할 수 있는 두께 내에서(마찰대전막의 두께) 계면 트랩(500)을 대부분 형성하기 때문에, 생성된 모든 계면 트랩(500)이 유효하게 이용될 수 있다.
한 구체예에서 마찰대전막(400)은 보조막(200)과 서로 다른 물질을 이용하여 구비되어 이중 계층 구조를 형성하였기 때문에 구조적인 이점은 보존하고 추가로 계면 트랩으로 인한 출력 증가까지 확보할 수 있다.
상기 마찰대전막(400)은 감마선(γ-ray), 전자선(β-ray or electron beam), 알파선(α-ray), 중성자선(neutron beam), 양자선(proton beam), 및 중이온빔(heavy ion beam)으로 중 어느 하나의 에너지 빔이 조사되어 계면 트랩(500)의 농도가 증가된다.
상기 에너지 빔의 출력을 증가시켜 일정 범위의 고 에너지 빔을 조사하는 경우 상기 계면 트랩(500)의 농도가 화학적으로 증가된다.
상기 고 에너지 빔은 물질에 상관없이 매질에 높은 에너지를 전달하기 때문에 보통 마찰대전막(400)에 사용되는 물질인 고분자 절연체나 세라믹 절연체의 분자 구조를 변형시킨다.
한 구체예에서, 상기 마찰대전막(400)은 폴리테트라플루오로에틸렌 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE), 불소화에틸렌프로필렌(fluorinated ethylene propylene; FEP) 및 퍼플루오로알콕시알케인(perfluoroalkoxy alkane; PFA) 중 1종 이상을 포함한다.
상기 종류의 고분자는 고 에너지 빔에 민감하여 조사 선량에 따라 화학적으로 분자 구조가 변화되어 마찰대전막(400)이 형성된다.
이러한 분자 구조의 변형은 계면 트랩(interfacial trap)과 벌크 트랩(bulk trap)의 농도를 화학적으로 증가시켜 마찰 대전을 더 많이 일으키게 하여 마찰 대전 발전기의 출력량을 증가시킨다.
상기 에너지 빔의 선량은 상기 마찰대전막(400)을 형성하는 물질인 고분자 절연체나 세라믹 절연체 물질이 에너지 빔에 반응하는 정도에 따라 실험적으로 결정된다.
상기 에너지 빔의 선량을 조절하여 마찰 대전 발전기의 출력량을 효과적으로 증가시킬 수 있다.
한 구체예에서 상기 에너지 빔이 감마선인 경우 0.5 내지 15.0 Mrad의 선량이 조사된다.
상기 범위 내에서 계면 트랩의 농도를 증가시켜 출력량을 효과적으로 증가시킬 수 있으며, 상기 범위를 초과하는 경우 에너지 소모에 의해 효과적이지 못하며, 상기 범위에 미치지 못하는 경우 계면 트랩의 농도의 변화가 미미하여, 출력량을 변화시키기기 어렵다.
상기 범위 내에서 에너지 빔이 조사되면, 마찰대전막(400)은 계면 트랩(500)의 농도가 증가되어 출력이 증가된다.
상기 출력량은 에너지 빔 조사에 의해 마찰대전막의 단위 면적당 출력량(μC/m2)이 2 내지 4배로 증가된다.
한 구체예에서 5 Mrad의 감마선이 조사된 경우 출력량이 약 2.68배 증가되어 상기 계면 트랩(500)의 농도 또한 증가된 것을 확인하였다.
도 6은 본 발명의 한 구체예에 따른 마찰 대전 발전기의 기계적 압력에 따른 변화를 나타낸 모식도이다.
도 6을 참조하면, 상기 마찰대전막(400)을 고 에너지 빔에 민감하게 반응하는 재질로 형성하고, 상기 보조막(200)을 고 에너지 빔에 거의 반응하지 않은 고분자를 선택하는 경우에는 마찰대전막(400)의 에너지 빔 조사에 의하여 기계적 특성이 열화되는 경우에도, 상기 보조막(200)이 기계적 특성을 보완할 수 있다.
한 구체예에서, 상기 마찰대전막(400)이 필름 형태로 형성되는 경우 압력을 가한 경우 마찰대전막이 손상되나, 마찰대전막(400)이 입자 또는 섬 형태로 형성되어 압력을 받는 경우에도 마찰대전막(400)이 보존된다.
상기 마찰대전막(400)에 고 에너지 빔이 조사되어 계면 트랩(500)의 농도가 증가됨과 동시에 상기 보조막(200)의 마이크로-나노 구조 형성에 따른 이중 계층으로 형성되어 기계적 특성을 보강할 수 있다.
한편 상기 제2전극상(300)에 마찰대전막이 더 구비될 수 있다.
이 경우 마찰 대전 발전기는 절연체-절연체 간의 마찰 대전으로 정전기 유도에 의한 전류가 흐르게 된다.
본 발명의 다른 관점은 마찰 대전 발전기 제조방법을 제공한다.
도 7은 본 발명의 한 구체예에 따른 마찰 대전 발전기 제조방법의 공정순서도이다.
도 7을 참조하면, 상기 마찰 대전 발전기 제조방법은 (a) 제1전극 상에 보조막을 형성하는 단계; (b) 상기 보조막에 마찰대전막을 형성하는 단계; (c) 상기 제1전극에 대향되도록 제2전극을 배치하는 단계; 및 (d) 에너지 빔을 조사하여, 상기 막의 분자 구조를 변형시켜 마찰대전막을 형성하는 단계;를 포함한다.
우선 제1전극 상에 보조막을 형성한다(S100).
상기 보조막은 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 폴리이미드(Polyimide), 실리콘 고무(Silicone rubber), 폴리우레탄(PU), 폴리프로필렌(PP), 저밀도 폴리에틸렌(LDPE) 중 1종 이상을 포함한다.
상기 보조막은 점착성 또는 접착성을 갖는 고분자 매트릭스이다.
상기 보조막이 점착성 또는 접착성을 갖는 경우 고분자 분말입자를 도포하여 막을 형성할 수 있다.
상기 보조막은 절연체이며, 에너지 빔이 조사에 반응하지 않는다.
한 구체예에서, 상기 보조막은 PDMS인 것이 바람직하다.
상기 보조막은 음각 템플릿을 이용한 캐스팅 공정을 통하여 형성된 후, 열 압착 공정을 거쳐 형성되며, 수 나노에서 수백 마이크로의 표면 구조가 형성되어 평한 구조 대비 표면적이 최대 4배까지 증가된 마이크로-나노 입체 구조이다.
상기 보조막에 막을 적층한다(S200).
상기 막은 상기 보조막에 분말입자가 도포되어 입자 또는 이들의 결합인 섬 형태로 생성되며, 상기 보조막의 입체 구조에 따라 마이크로-나노 구조를 형성한다.
한 구체예에서 상기 분말입자는 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene)인 것이 바람직하다.
상기 막은 고분자 절연체이며, 상기 보조막에 막을 적층하여 상기 제2전극과 접촉 시 대전열에서 상대적으로 하위에 위치하여 더 많은 정전기 전하를 유도할 수 있다.
상기 막이 입자 또는 이들의 결합인 섬 형태로 생성되는 경우 이중 계층 구조가 형성되어 물리적으로 계면의 면적을 증가시켜 단위 면적당 계면 트랩의 농도를 증가시킬 수 있다.
상기 제1전극에 대향되도록 제2전극을 배치한다(S300).
상기 제2전극은 제1전극에 대향되어 서로 평행되도록 배치되며, 상기 마찰대전막과의 마찰 대전으로 인하여 정전기 유도에 의해 전류가 흐르게 된다.
마지막으로 에너지 빔을 조사하여, 상기 막의 분자 구조를 변형시켜 마찰대전막을 형성한다(S400).
상기 분말입자로 이루어진 막은 고 에너지 빔에 민감하게 반응한다.
에너지 빔은 물질에 상관없이 매질에 높은 에너지를 전달하고, 상기 막에 사용되는 분말입자의 분자 구조를 변형시킨다.
상기 분자 구조의 변형은 계면 트랩과 벌크 트랩의 농도를 화학적으로 증가시켜 마찰 대전이 더 많이 발생되도록 유도한다.
특히 일정 선량 이상의 고 에너지 빔은 막의 분자 구조를 변형시켜 마찰대전막을 형성하여 마찰 대전 발전기의 출력을 효과적으로 증가시킬 수 있다.
상기 에너지 빔은 감마선(γ-ray), 전자선(β-ray or electron
beam), 알파선(α-ray), 중성자선(neutron beam), 양자선(proton beam), 및 중이온빔(heavy
ion beam)중 어느 하나이다.
한 구체예에서, 상기 에너지 빔이 감마선인 경우 0.5 내지 15.0 Mrad의 선량으로 조사된다.
상기 감마선(γ-ray)과 중성자선(neutron beam)은 매질을 통과할 때 감쇠가 매우 적기 때문에 마찰 대전 발전기의 입체적 구조 복잡도와 상관없이 어떠한 3차원 구조에도 모두 적용이 가능하다는 장점이 있다.
상기 (d)단계에서, 고 에너지 빔을 조사하여 막의 분자 구조를 변형시킬 수 있기 때문에 종래의 마찰 대전 향상 기법과 호환하여 사용이 가능하기 때문에 대전 마찰 발전기에 추가적인 에너지 빔 조사만으로 더 큰 출력 향상을 기대할 수 있다.
상기 범위에서 감마선이 조사되는 경우 마찰대전막의 계면 트랩의 농도를 증가시켜 마찰대전막의 단위 면적당 출력량을 2 내지 4배까지 증가시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1> 이중 계층 구조 마찰 대전 발전기 제조
접촉 분리식 마찰 대전 발전기 제조방법에 따라 3×3 cm 의 알루미늄 전극 한 쌍을 준비하고, 경화제를 포함하는 PDMS용액을 마이크로-나노 패턴이 되어 있는 실리콘 기판에 붓고, 110oC정도의 온도에서 10분간 경화 후, 물리적으로 떼어 내 패턴이 새겨져 있는 부분을 위로 향하게 한쪽 알루미늄 전극 위에 덮어 보조막을 형성하였다.
상기 보조막을 산소 플라즈마 처리 후, 보조막 상에 직경 100nm정도의 PTFE 분말을 소닉케이터(sonicator)로 물에 분산시킨 분산액을 100nm 두께로 도포하여 막을 형성하였다.
이후 UV 플래쉬 램프를 이용하여 도포된 PTFE 분말들을 화학적으로 보조막에 결합시켰다. 마지막으로 나머지 알루미늄 전극을 보조막 및 마찰대전막으로부터 이격시켜 구비하여 마찰 대전 발전기를 제조하였다. 이격된 알루미늄 전극이 마찰대전막과 접촉/분리를 반복하여 전기에너지를 생산하여 출력량을 확인하였다.
제조된 마찰 대전 발전기를 아크릴 케이스에 삽입하고, 5 Mrad 감마선을 조사하여 화학적으로 변화시켜 계면 트랩의 농도를 증가시킨 마찰대전막을 구비하는 마찰 대전 발전기를 회수하고 출력량을 비교하였다.
<비교예 1>
감마선을 조사하지 않은 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 수행하여 마찰 대전 발전기를 완성하였다.
<비교예 2 내지 6>
각각 다른 방식으로 마찰 대전 발전기를 제조하되, 동일한 크기에서 마찰 대전 발전기에서 출력 향상 비교하였다.
비교예 2의 경우, 그래핀 옥사이드(Graphene Oxide)는 자연 상태의 흑연을 modified Hummers 방법으로 처리하여 얻고, 폴리아믹산(Polyamic acid) 용액의 경우 디메틸포름아마이드(Dimethylformamide)에 폴라아믹산(Polyamic acid)를 녹여 준비하였다. 이후, 그래핀 옥사이드(Graphene Oxide)를 상기 용액에 넣고 1시간 동안 ultrasonication을 시켜 균일하게 분산시켰다. 접촉 분리식 마찰 대전 발전기 제조방법에 따라, 양 쪽 전극은 1.5cm×2.5cm 유리 기판에 알루미늄을 열 증발(thermal evaporation) 방식으로 증착하여 준비하였다. 폴리이미드(Polyimide) 필름 위에 상기 용액을 도포하여 열처리를 통해 용매를 기화시키고, 다시 그래핀 옥사이드(Graphene Oxide)가 들어있지 않은 폴리아믹산(Polyamic acid) 용액을 도포하여 열처리를 통해 용매를 기화시킨다. 이후, 아미네이션(amination) 공정을 통해 폴리아믹산(Polyamic acid)를 폴리이미드(Polyimide)로 변환시킨다. 이렇게 형성된 필름을 한 쪽 알루미늄이 코팅된 유리 기판에 접착제로 붙인다. 마지막으로 대향되는 전극을 덮어서 마찰 대전 발전기를 제조하였다.
비교예 3의 경우, 두 개의 폴리이미드(Polyimide) 필름 위에 금을 100nm 두께로 증착한 뒤, 자외선-오존 공정으로 표면을 깨끗하게 처리하였다. 이후, 한 쪽 전극 위에 그래핀 옥사이드(Graphene oxide) 용액을 금 표면에 코팅한 뒤, 열 처리를 통해 용매를 기화시킨다. 이어 그래핀 옥사이드(Graphene oxide)가 도표된 표면에 폴리스타이렌-r-폴리메틸메타크릴레이트(polystyrene-r-poly(methyl methacrylate)) 랜덤 공중합체 브러쉬로 표면을 변환시키고, 이 위에 폴리스타이렌-r-폴리메틸메타크릴레이트(polystyrene-r-poly(methyl methacrylate))이 톨루엔(toluene)에 녹인 용액을 도포하고 열처리와 함께 용매를 기화시킨다. 이어 폴리스타이렌-b-폴리메틸메타크릴레이트(polystyrene-b-poly(methyl methacrylate)) 용액을 그 위에 다시 얇게 도포하고 열처리와 함께 용매를 기화시킨다. 형성된 폴리메틸메타크릴레이트(Poly(methyl methacrylate)) 기둥을 자외선 처리 후, 아세트산으로 제거한다. 이렇게 나노 구조가 형성된 필름 위에 다시 금을 얇게 증착하고, 톨루엔에 담가 남아있는 폴리스타이렌(polystyrene) 구조물을 녹여 제거하여 금 나노구조를 형성한다. 마지막으로 다른 한 쪽 전극 위에는 PDMS를 코팅해서 마찰 대전 발전기를 제조하였다.
비교예 4의 경우, 두 개의 알루미늄 전극을 준비한 뒤, 한 쪽의 알루미늄 전극은 증류수에 넣고 가열하여 산화시키고, 다른 한 쪽의 알루미늄 전극 위에는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 막을 접착제로 붙인다. 마지막으로 두 전극을 덮어서 마찰 대전 발전기를 제조하였다.
비교예 5의 경우, 두 개의 알루미늄 전극을 준비한 뒤, 한 쪽의 알루미늄 전극에 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 막을 접착제로 붙인 뒤, 그 위에 금 나노입자를 thermal evaporator를 이용해 증착한다. 그 전극을 ICP-RIE (Inductively coupled plasma reactive ion etching) 챔버에 넣고 아르곤(Ar), 산소, CF4가 섞인 기체를 주입하고, 플라즈마를 생성시킨다. 이렇게 처리된 전극을 다른 한쪽 전극으로 덮어서 마찰 대전 발전기를 제조하였다.
비교예 6의 경우, 두 개의 알루미늄 전극을 준비한 뒤, 한 쪽의 알루미늄 전극에 폴리이미드(polyimide) 필름을 접착제로 붙이고, 이온 조사 장치에 넣어 진공 상태에서 헬륨 이온을 조사한다. 이후, 그 전극을 회수하고 다른 한 전극을 덮어 마찰 대전 발전기를 제조하였다.
<실험예 1> 출력량 비교
에너지 빔 조사 선량에 따른 마찰 대전 발전기의 출력 변화를 주기적인 압력을 가해주는 가진기와 전달 전하 밀도(QTR)를 측정할 수 있는 electrometer를 사용하여 측정하였다.
| 실시예 1 | 비교예 1 | |
| 조사선량(Mrad) | 5 | 0 |
| 출력[(QTR(μC/m2)] | 43.332 | 16.11 |
상기 표 1은 5Mrad의 고 에너지 감마선을 조사한 실시예 1과 에너지 빔을 조사하지 않는 비교예 1의 출력을 나타낸 것이다.
도 8은 실시예 1 및 비교예 1에서 제작된 마찰 대전 발전기의 출력 변화를 비교한 그래프이다.
마찰 대전 발전기에 5Mrad 감마선 조사 후 시간에 따른 출력 변화를 에너지 빔을 조사하지 않은 마찰 대전 발전기의 출력 변화와 비교하였다.
도 8 및 표 1을 참조하면, 알루미늄으로 이루어진 두 전극과 마찰대전막으로 이루어진 마찰 대전 발전기에 5Mrad의 선량으로 감마선을 조사한 결과 마찰 대전 발전기의 출력이 약 3배 증가하는 것을 확인하였다.
따라서 고 에너지 빔을 고분자 또는 세라믹과 같은 절연체에 조사하였을 경우, 분자 구조를 변형시켜 벌크 트랩 및 계면 트랩의 농도를 화학적으로 증가시키고, 이로 인해 마찰 대전막의 유효 전하량이 증가하는 것을 확인하였다.
감마선과 같은 에너지 빔 조사는 편평하고 밖으로 노출되어 있는 마찰 대전 막에만 적용이 가능했던 마찰 대전 향상 기술과는 달리, 다양한 3차원 구조의
마찰 전 발전기 및 편평하지 않은 구형이나 원통형과 같은 입체형 마찰 대전막에도 적용이 가능한 장점을 갖는다.
또한 에너지 빔을 사용하는 것은 일부 종전의 기술과는 달리, 진공을 사용하지 않아도 되기 때문에 처리 비용과 시간을 줄일 수 있으며, 짧은 시간의 에너지 빔 조사 처리로도 높은 비율의 마찰 대전량의 향상을 확인하였다.
<실험예 2> 고 에너지 빔 공정 적용 비교
각각 상이한 방법으로 마찰대전막을 제조한 마찰 대전 발전기의 제조과정과 에너지 빔 조사에 따른 출력 향상 비율을 실시예 1에 따른 마찰 대전 발전기와 비교하였다.
| 실시예 1 | 비교예 2 | 비교예 3 | 비교예 4 | 비교예 5 | 비교예 6 | |
| 제조방법 | PTFE 도포 및 감마선 조사 | 전자 포집층 형성 | 블록 공중합체 표면 구조 형성 | WAO(water assisted oxidation) | 플라즈마 에칭 | 헬륨 이온 조사 |
| 공정복잡도 | 매우 간단 | 매우 복잡 | 매우 복잡 | 간단 | 간단 | 간단 |
| 공정비용 | 매우 낮음 | 보통 | 매우 높음 | 낮음 | 높음 | 높음 |
| 출력 향상비율 | 2.86 | 2.5 | 2.0 | 1.5 | 2.1 | 2.4 |
| 진공 사용 여부 | 사용하지 않음 | 사용하지 않음 | 사용 | 사용하지 않음 | 사용 | 사용 |
| 입체 구조 마찰 대전발전기 적용 가능성 | 매우 높음 | 없음 | 보통 | 낮음 | 낮음 | 없음 |
| 처리량 | 높음 | 낮음 | 보통 | 보통 | 낮음 | 낮음 |
| 타 제조방법과 호환성 | 높음 | 보통 | 보통 | 낮음 | 낮음 | 보통 |
| 기계적 특성 변화 | 기계적 열화 개선 | 변화없음 | 변화없음 | 변화없음 | 열화 또는 변화 없음 | 변화없음 |
상기 표 2는 실시예 1 대비 다른 출력 향상 방법에 의해 제조된 마찰 대전 발전기의 출력 향상 결과 및 제조공정을 비교한 것이다.
상기 출력 향상 비율은 해당 기술을 사용한 마찰 대전 발전기의 출력/같은 물질을 사용하지만 해당 기술을 사용하지 않은 마찰 대전 발전기의 출력으로 결정하였다.
표 2를 참조하면, 실시예에 따른 마찰 대전 발전기는 제조 공정에서 진공을 요구하지 않아서 생산 효율과 처리량이 높으면서도, 공정이 단순한 장점을 갖는다.
또한 실시예 1에 따라 고 에너지 빔 조사 공정이 도입된 출력 향상비율이 비교예 2 내지 6의 공정에 비해 크게 증가되는 것을 확인하였다.
고 에너지 빔 조사는 매질 투과가 가능한 감마선을 이용하여 입체 구조 마찰 대전 발전기에 적용가능하며, 타 제조방법과 호환이 가능하나, 비교예 2 내지 6의 경우 또한 고 에너지 빔 조사에 따른 출력 향상 비율 증가가 가능하나, 출력량 증가 정도가 떨어지고, 진공을 요구하거나 처리량이 낮아서 생산 효율이 매우 떨어지는 것을 확인하였다.
한편 실시예에 따른 마찰 대전 발전기는 이중 계층(double-hierarchy) 구조로, 단일 계층 구조(single-hierarchy) 구조보다 높은 표면적으로 인한 증가된 유효 전하를 나타내었으며, 특히 마찰대전막과 보조막의 계면에서 발생하는 계면 트랩이 보조막의 마이크로-나노 구조에 의해 물리적으로 그 개수가 편평한 계면에 비해 증가되었고, 이로 인해 추가적으로 증가된 유효 전하를 확인하였다.
마찰대전막을 입자 또는 섬의 형태로 형성하여, 마찰대전막과 보조막의 물질적 차이에서 기인하는 기계적 특성의 열화를 효과적으로 보완한 것을 확인하였다.
본 발명에 따른 마찰 대전 발전기는 마찰대전막의 기계적 특성이 열화되어 발생하는 한계를 극복하기 위해 고 에너지 빔에 영향을 받지 않는 보조막 상에 고분자 절연체 막을 입자 또는 섬 형태로 마이크로-나노 구조로 형성하여 계면의 농도를 물리적으로 증가시키고, 동시에 고 에너지 빔을 조사하여 고분자 절연체 막이 유효 전하량이 증가된 마찰대전막을 형성하도록 하여 기계적 특성의 차이에 따른 열화를 효과적으로 방지하면서도 출력량이 증가된 마찰 대전 발전기를 제공한다.
출력이 향상된 마찰 대전 발전기는 운도 에너지를 효과적으로 전기 에너지로 변환할 수 있으므로, 형 전자기기 및 IoT 기반의 센서, 생체 삽입형 전자기기에 활용이 가능하다.
이제까지 본 발명에 대하여 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
1000 : 마찰 대전 발전기
100 : 제1전극 200 : 보조막
300 : 제2전극 400 : 마찰대전막
410 : 피크부 420 : 바닥부
500 : 계면 트랩
100 : 제1전극 200 : 보조막
300 : 제2전극 400 : 마찰대전막
410 : 피크부 420 : 바닥부
500 : 계면 트랩
Claims (14)
- 제1전극;
상기 제1전극 상에 형성된 보조막;
상기 보조막 상에 형성된 마찰대전막; 및 상기 제1전극에 대향하는 제2전극을 포함하고,
상기 마찰대전막은 에너지 빔 조사에 의해 계면 트랩의 농도가 증가되어 출력량이 증가되는 것을 특징으로 하는 마찰 대전 발전기.
- 제1항에 있어서, 상기 출력량은 에너지 빔 조사에 의해 마찰대전막의 단위 면적당 출력량(μC/m2)이 2 내지 4배로 증가되는 것을 특징으로 하는 마찰대전 발전기
- 제1항에 있어서, 상기 제2전극상에 마찰대전막이 더 구비되는 것을 특징으로 마찰 대전 발전기.
- 제1항에 있어서, 상기 보조막은 에너지 비반응성인 것을 특징으로 하는 마찰 대전 발전기.
- 제1항에 있어서, 상기 보조막은 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 폴리이미드(Polyimide), 실리콘 고무(Silicone rubber), 폴리우레탄(PU), 폴리프로필렌(PP), 저밀도 폴리에틸렌(LDPE) 중 1종 이상인 것을 특징으로 하는 마찰 대전 발전기.
- 제1항에 있어서, 상기 마찰대전막은 폴리테트라플루오로에틸렌 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE), 불소화에틸렌프로필렌(fluorinated ethylene propylene; FEP) 및 퍼플루오로알콕시알케인(perfluoroalkoxy alkane; PFA) 중 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰 대전 발전기.
- 제1항에 있어서, 상기 보조막은 음각 템플릿을 이용한 캐스팅을 통하여 마이크로-나노 입체 구조로 형성된 것을 특징으로 하는 마찰 대전 발전기.
- (a) 제1전극 상에 보조막을 형성하는 단계;
(b) 상기 보조막에 막을 적층하는 단계;
(c) 상기 제1전극에 대향되도록 제2전극을 배치하는 단계; 및
(d) 에너지 빔을 조사하여, 상기 막의 분자 구조를 변형시켜 마찰대전막을 형성하는 단계;를 포함하는 마찰 대전 발전기 제조방법.
- 제8항에 있어서, 상기 보조막은 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 폴리이미드(Polyimide), 실리콘 고무(Silicone rubber), 폴리우레탄(PU), 폴리프로필렌(PP), 저밀도 폴리에틸렌(LDPE) 중 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰 대전 발전기 제조방법.
- 제8항에 있어서, 상기 마찰대전막은 상기 보조막에 분말입자를 도포하여 입자 또는 이들의 결합인 섬 형태의 막을 형성한 후 에너지 빔 조사에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 마찰 대전 발전기 제조방법.
- 제10항에 있어서, 상기 분말입자는 폴리테트라플루오로에틸렌 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE), 불소화에틸렌프로필렌(fluorinated ethylene propylene; FEP) 및 퍼플루오로알콕시알케인(perfluoroalkoxy alkane; PFA) 중 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰 대전 발전기 제조방법.
- 제8항에 있어서, 상기 에너지 빔은 감마선(γ-ray), 전자선(β-ray or electron beam), 알파선(α-ray), 중성자선(neutron beam), 양자선(proton beam), 및 중이온빔(heavy ion beam)중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 마찰 대전 발전기 제조방법.
- 제12항에 있어서, 상기 에너지 빔이 감마선인 경우 0.5 내지 15.0 Mrad의 선량으로 조사되는 것을 특징으로 하는 마찰 대전 발전기 제조방법.
- 제8항에 있어서, 상기 에너지 빔은 마찰대전막의 계면 트랩의 농도를 증가시켜 마찰대전막의 단위 면적당 출력량(μC/m2)을 2 내지 4배로 증가되도록 조사되는 것을 특징으로 하는 마찰 대전 발전기 제조방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020200091438A KR20220012544A (ko) | 2020-07-23 | 2020-07-23 | 마찰 대전 발전기 및 이의 제조방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020200091438A KR20220012544A (ko) | 2020-07-23 | 2020-07-23 | 마찰 대전 발전기 및 이의 제조방법 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20220012544A true KR20220012544A (ko) | 2022-02-04 |
Family
ID=80267606
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020200091438A KR20220012544A (ko) | 2020-07-23 | 2020-07-23 | 마찰 대전 발전기 및 이의 제조방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20220012544A (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115118176A (zh) * | 2022-07-01 | 2022-09-27 | 闽都创新实验室 | 一种拉伸不敏感的摩擦纳米发电机 |
-
2020
- 2020-07-23 KR KR1020200091438A patent/KR20220012544A/ko not_active Application Discontinuation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115118176A (zh) * | 2022-07-01 | 2022-09-27 | 闽都创新实验室 | 一种拉伸不敏感的摩擦纳米发电机 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Li et al. | Manipulating the triboelectric surface charge density of polymers by low-energy helium ion irradiation/implantation | |
| Atta et al. | Influence of ion irradiation on the surface properties of silver-coated flexible PDMS polymeric films | |
| Torrisi et al. | Measurements on five characterizing properties of graphene oxide and reduced graphene oxide foils | |
| JPH0227748A (ja) | 静電チャック装置及びその作成方法 | |
| JP2016502227A (ja) | 熱融着転写を用いた柔軟埋込型電極フィルムの製造方法 | |
| JP2000090809A (ja) | 電界放出陰極、電子放出素子および電界放出陰極の製造方法 | |
| KR20170093696A (ko) | 3d 프린팅용 조성물 | |
| KR101682501B1 (ko) | 은 나노와이어 패턴층 및 그래핀층을 포함하는 투명전극 및 그 제조방법 | |
| US20230330975A1 (en) | Asymmetry composite material | |
| KR20220012544A (ko) | 마찰 대전 발전기 및 이의 제조방법 | |
| US20110111178A1 (en) | Structures having an adjusted mechanical property | |
| Cutroneo et al. | Porous polydimethylsiloxane filled with graphene-based material for biomedicine | |
| JP2012057143A (ja) | 電子ビーム照射を用いたフッ素系高分子の表面改質方法及びそれを用いた超疎水性表面の製造方法 | |
| KR20220021241A (ko) | 3차원 나노구조에 의한 활물질/전류집전체 물질의 비율 구배를 갖는 다공성 복합 전극, 그 제조 방법 및 이를 포함하는 이차 전지 | |
| Vasenina et al. | Effects of ion-and electron-beam treatment on surface physicochemical properties of polytetrafluoroethylene | |
| US9315389B2 (en) | Hydrogen surface-treated graphene, formation method thereof and electronic device comprising the same | |
| KR101124619B1 (ko) | 방사선을 이용한 고분자 재료 표면 위에 나노 재료 고정화 및 패턴 형성 방법 | |
| Cutroneo et al. | Polydimethylsiloxane–graphene oxide composite improving performance by ion beam irradiation | |
| JP2008018679A (ja) | 剥離フィルム | |
| CN107428071A (zh) | 成型体 | |
| Singh et al. | Radiation physics and chemistry of polymeric materials | |
| Liang et al. | Femtosecond Laser Patterning Wettability‐Assisted PDMS for Fabrication of Flexible Silver Nanowires Electrodes | |
| KR102191604B1 (ko) | 복합재의 제조 방법 | |
| Alegaonkar et al. | Polyimide: From radiation-induced degradation stability to flat, flexible devices | |
| Torrisi et al. | Conductive tracks in graphene oxide foils induced by micro beams of MeV helium ions |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal |