KR20220022817A - 불소계 고분자 및 황 고분자를 포함하는 대면적 대전체 복합필름, 그의 제조방법 및 그를 이용한 마찰전기 발전소자 - Google Patents

불소계 고분자 및 황 고분자를 포함하는 대면적 대전체 복합필름, 그의 제조방법 및 그를 이용한 마찰전기 발전소자 Download PDF

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Abstract

본 발명은 신규 고분자 복합 필름, 그의 제조방법 및 그의 용도에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 불소계 고분자 및 황 고분자를 포함하는 대면적 대전체 복합필름, 그의 제조방법 및 그를 이용한 마찰전기 발전소자를 제공한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 필름은 저렴한 비용으로 제조가 가능하며 우수한 마찰전기 발전특성을 가지므로, 다양한 센서 등의 전기소자로 유용하게 사용될 수 있다.

Description

불소계 고분자 및 황 고분자를 포함하는 대면적 대전체 복합필름, 그의 제조방법 및 그를 이용한 마찰전기 발전소자{A novel large-area electrified complex film comprising fluoropolymers and sulfur polymers, a method for preparing the same and triboelectric generateor using the same}
본 발명은 신규 고분자 복합필름, 그의 제조방법 및 그의 용도에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 불소계 고분자 및 황 고분자를 포함하는 대면적 대전체 복합필름, 그의 제조방법 및 그를 이용한 마찰전기 발전소자에 관한 것이다.
원유의 탈황 과정에서 부산물로 얻을 수 있는 황(sulfur)은 취성이 약하고, 결정성이 크기 때문에 황산을 제조하거나, 고무의 가황(vulcanization) 과정에 이용되는 정도 이외에는 활용도가 높지 않았다. 최근에는 이러한 황을 이용하기 위한 연구로 황을 함유하는 거대분자는 기능성 고분자로서 최근 이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
한편, 마찰대전 현상은 두 물체를 접촉 또는 마찰시켰을 때 서로 다른 극성의 전하로 대전되는 현상이다. 서로 다른 두 물질을 접촉할 경우 대전열에 따라 한쪽은 음전하로 다른 한쪽은 양전하로 대전된다.
일반적으로 마찰대전 현상은 산업현장 및 생활 속에서 불편함을 가져오는 경우가 많아 마찰대전 현상을 줄이기 위한 연구들이 많이 진행되고 있었다.
그러나 다른 한편으로는 마찰대전 현상을 이용한 마찰전기 발전소자에 대한 연구도 활발히 이루어지고 있으며 이 발전소자의 효율을 높이기 위해선 물질의 마찰대전 특성을 변화시킬 필요가 있다. 그러나 현재의 마찰대전 특성 변화는 탄소 기반의 기존 물질들에서만 두드러지게 나타나고 있어 산업 및 생활 현장에서 쓰이는 다양한 물질의 마찰대전 특성을 변화시키는 데에는 어려움이 많다.
각 물질에 도체면을 부착하고 두 마찰면의 상대적인 거리를 반복하여 변경하면 도체면에 정전기 유도현상이 일어나게 된다. 이 후 두 물질에 부착된 도체를 연결하면 교류 전류가 발생하게 된다. 마찰대전에 의해 발생하는 전류와 전압은 각각의 물질 표면에 대전된 전하량이 클수록 강해지기 때문에 대전열이 상대적으로 큰 물질을 조합할수록 발전효율은 증가된다.
이에 본 발명은 상술한 문제점을 포함한 다양한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 보다 효율적인 음의 마찰전기 복합 필름(negative tribo-composite films) 및 그의 제조방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 따르면, 불소계 고분자 및 황 고분자를 포함하는 대전체 복합 필름이 제공된다.
본 발명의 다른 일 관점에 따르면, 원소 황(S8)을 용융시킨 후 가교제 및 불소계 고분자를 혼합하고 교반함으로써 불소계 고분자 및 황 고분자를 포함하는 복합체를 제조하는 복합체 제조단계; 및
상기 복합체를 필름상으로 성형하는 단계를 포함하는 불소계 고분자 및 황 고분자를 포함하는 상기 대전체 복합 필름의 제조방법이 제공된다.
본 발명의 다른 일 관점에 따르면, 상기 대전체 복합 필름을 포함하는 마찰전기 전극이 제공된다.
본 발명의 다른 일 관점에 따르면, 상기 마찰 전기 전극을 포함하는 마찰전지 발전소자가 제공된다.
본 발명의 다른 일 관점에 따르면, 상기 대전체 복합 필름에 코로나 방전 처리를 하는 단계를 포함하는, 출력이 향상된 대전체 복합 필름의 제조방법이 제공된다.
본 발명의 다른 일 관점에 따르면, 상기 제조방법에 의해 제조된 출력이 향상된 대전체 복합 필름이 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 불소계 고분자 및 황 고분자를 포함하는 대전체 복합 필름은 그 제작이 용이하며 원유의 탈황 과정에서 부산물로 얻을 수 있는 황을 이용함으로써 저렴하게 제조가 가능하다는 장점이 있다. 또한 필름 형태로 제조가 가능하여 대면적 마찰전기 발전소자를 제조하는데 사용될 수 있다. 따라서 본 발명의 일 실시예에 따르면 저렴한 비용으로 마찰전기를 이용한 센서나 발전소자를 제작할 수 있다다.
도 1은 PPFS와 황 함유 고분자 복합 필름의 제조 과정을 개략적으로 나타낸 개요도이다.
도 2는 본 발명의 실시예 7에 의해 제조된 폴리(펜타플루오로스티렌){PPFS} 및 황 고분자를 포함하는 대전체 복합 필름을 촬영한 사진이다.
도 3은 불소계 고분자 및 황 고분자룰 포함하는 복합 필름 표면의 불소와 황 원자의 원소 분석을 주사 전자 현미경(SEM)을 이용한 에너지 분산형 분광분석법(EDX)을 이용하여 실시한 결과이다. Image J 프로그램을 사용하여 황고분자가 많은 영역은 노란색으로, 불소분자가 많은 영역은 파란 색으로 컬러 맵을 변경하여 나타내었다.
도 4는 PPFS 및 황 고분자를 포함하는 복합 필름 대전체에 대한 코로나 방전 처리를 개략적으로 나타낸 개요도이다.
도 5는 마찰전기 발전소자의 구조를 개략적으로 나타내는 개요도이다.
도 6은 본 발명의 실시예 7에 의해 제조된 PPFS 및 황 고분자를 포함하는 복합 필름을 음의 대전체로 제작한 마찰전기 발전소자에서 측정된 출력 전압(좌측) 및 전류(우측)를 나타내는 일련의 그래프이다.
도 7은 PPFS 기반 마찰대전 소자 LED 연결 회로에 대한 회로도이다.
도 8은 본 발명의 실시예 7에 의해 제조된 4 인치 크기(대각선 길이임)의 복합 필름 대전체로 제작한 마찰전기 발전소자를 이용하여 소모전력 40 mW 짜리 LED 400 개(미점등: 좌측)를 동시에 점등한 결과(우측)를 촬영한 일련의 사진이다.
용어의 정의:
본 문서에서 사용되는 용어 "황 고분자(sulfur polymer)"는 고분자의 메인 체인이 탄소간의 결합이 아닌 황 원자 간의 결합으로 이루어진 고분자를 의미한다. 원소 황(octasulfur)는 보통 8개의 황 원자가 환형을 이루고 있으나(S8), 고온에서 용융되면 선형의 반응성 분자로 바뀌게 되고 이러한 반응성 황분자는 탄소 이중결합을 가진 가교제 분자와 반응하게 되어 고분자를 형성하게 된다. 이러한 고분자의 경우 황이 가진 특징으로 인해 고굴절률을 가지게 되며, 중적외선 투과 성질을 가지고 있는 것으로 알려졌다(Chung, W. J. et al., J. Nat. Chem. 2013, 5(6): 518-524, 2013; Griebel, J. J. et al., Adv. Mater. 26(19): 3014-3018, 2014).
본 문서에서 사용되는 용어 "불소계 고분자(fluoropolymer)"는 탄화수소계열 고분자의 수소 원자의 일부 또는 전부가 불소로 치환된 고분자를 의미한다. 불소계고분자는 접촉각이 크고 이형력이 극히 낮아 다른 물질이 잘 접착하지 않는 성질을 가지고 있기 때문에 발수코팅제로 사용되고 있고, 화학적 내성 또한 강하기 때문에 연료전지의 이온-교환 막으로 사용되기도 한다.
본 문서에서 사용되는 용어 "마찰전기 발전(triboelectric generation)"은 각자 대전되는 정도가 다른 두 물질이 마찰을 통해 특정한 전하를 갖게 되고, 그에 따라 보상 전하를 축적함으로 인해 교류전류가 발생하면서 전기에너지를 생산하는 발전 기술을 의미한다.
본 문서에서 사용되는 용어 "코로나 방전(corona discharge)"는 도체 주위의 유체의 이온화로 인해 발생하는 전기적 방전으로서, 전위 경도(전기장의 세기)가 특정값을 초과하지만 완전한 절연 파괴나 아크를 발생하기에는 불충분한 조건일 때 발생한다.
발명의 상세한 설명:
본 발명의 일 관점에 따르면, 불소계 고분자 및 황 고분자를 포함하는 대전체 복합 필름이 제공된다.
상기 대전체 복합 필름에 있어서, 상기 불소계 고분자는 폴리(펜타플로오로스티렌{poly(pentafluorostyrene), PPFS}, 폴리(테트라플로오로에틸렌){polytetrafluoroethylene, PTFE}, 테르라플루오로 에틸렌 퍼플루오로 알킬 비닐 에테르 공중합체[{poly[tetrafluoroethylene-co-perfluoro (alkyl vinyl ether)}, PFA}, 불소화 에틸렌 프로필렌 공중합체(fluorinated ethylene propylene copolymer, FEP), 퍼플루오로알콕시 알칸(perfluoroalkoxy alkane, PFA), 폴리비닐 플루오라이드(polyvinyl fluoride, PVF), 폴리클로로트리플루오로에틸렌(polychlorotrifluoroethylene, PCTFE), 폴리비닐리덴 플루오로라이드(polyvinylidene fluoride, PVDF), 에틸렌-테트라플루오로에틸렌 공중합체(ethylene-tetrafluoroethylene copolymer, ETFE), 및 에틸렌-클로로트리플루오로에틸렌 공중합체(ethylene-chlorotrifluoroethylene copolymer, ECTFE)로 구성되는 군으로부터 선택되는 하나 또는 둘 이상의 복합체일 수 있다.
본 발명의 다른 일 관점에 따르면, 원소 황(S8)을 용융시킨 후 가교제 및 불소계 고분자를 혼합하고 교반함으로써 불소계 고분자 및 황 고분자를 포함하는 복합체를 제조하는 복합체 제조단계; 및
상기 복합체를 필름상으로 성형하는 필름 성형 단계를 포함하는 불소계 고분자 및 황 고분자를 포함하는 상기 대전체 복합 필름의 제조방법이 제공된다.
상기 제조방법에 있어서, 상기 가교제는 말단 또는 내부에 알켄기(alkene group)를 가진 화합물이라면 어느 것이라도 사용될 수 있고, 바람직하게는 리모넨(limonene), ENB(5-ethylidene-2-norbornene), DCPD(dicyclopentadiene), 또는 DIB(1,3-diisopropenyl benzene)일 수 있다.
상기 제조방법에 있어서, 상기 불소계 고분자는 폴리(펜타플로오로스티렌{poly(pentafluorostyrene), PPFS}, 폴리(테트라플로오로에틸렌){polytetrafluoroethylene, PTFE}, 테르라플루오로 에틸렌 퍼플루오로 알킬 비닐 에테르 공중합체[{poly[tetrafluoroethylene-co-perfluoro (alkyl vinyl ether)}, PFA}, 불소화 에틸렌 프로필렌 공중합체(fluorinated ethylene propylene copolymer, FEP), 퍼플루오로알콕시 알칸(perfluoroalkoxy alkane, PFA), 폴리비닐 플루오라이드(polyvinyl fluoride, PVF), 폴리클로로트리플루오로에틸렌(polychlorotrifluoroethylene, PCTFE), 폴리비닐리덴 플루오로라이드(polyvinylidene fluoride, PVDF), 에틸렌-테트라플루오로에틸렌 공중합체(ethylene-tetrafluoroethylene copolymer, ETFE), 및 에틸렌-클로로트리플루오로에틸렌 공중합체(ethylene-chlorotrifluoroethylene copolymer, ECTFE)로 구성되는 군으로부터 선택되는 하나 또는 둘 이상의 복합체일 수 있다.
상기 제조방법에 있어서, 상기 불소계 고분자 및 황 고분자의 배합비는 중량비로 1:100 내지 1:5, 1:80 내지 1:6, 1:50 내지 1:7, 1:20 내지 1:8, 1:15 내지 1:9, 또는 1:12 내지 1:10일 수 있다.
상기 제조방법에 있어서, 상기 필름 성형 단계는 고온 가업 프레스, 고온 압연 성형, 스핀코팅 또는 압출성형에 의해 수행될 수 있다.
본 발명의 다른 일 관점에 따르면, 상기 대전체 복합 필름을 포함하는 마찰전기 전극이 제공된다.
본 발명의 다른 일 관점에 따르면, 상기 마찰 전기 전극을 포함하는 마찰전지 발전소자가 제공된다.
상기 마찰전기 발전소자는 제1전극 및 상기 제1전극과 이격되어 대향하고 있는 제2전극을 포함하며 상기 제1전극 및 제2전극 중 어느 하나의 전극 대향면에 상기 대전체 복합 필름이 부착되어 있는 구조를 가질 수 있으며, 바람직하게는 상기 제1전극은 백금 전극이고 제2전극은 알루미늄 전극으로, 상기 제1전극은 상기 대전체 복합 필름 상에 백금이 증착되어 제조될 수 있다.
본 발명의 다른 일 관점에 따르면, 상기 대전체 복합 필름을 코로나 방전 처리하는 단계를 포함하는, 출력이 향상된 대전체 복합 필름의 제조방법이 제공된다.
상기 제조방법에 있어서, 상기 코로나 방전은 텅스텐 탐침 및 알루미늄 호일 전극에 각각 음극 및 양극을 연결하고 양 전극의 간격을 2 내지 4 mm로 유지한 채 상기 대전체 복합 필름을 양 전극 사이에 위치시킨 후 20 내지 40분간 5 내지 7 kV의 전압을 가함으로써 수행될 수 있다.
본 발명의 다른 일 관점에 따르면, 상기 제조방법에 의해 제조된 출력이 향상된 대전체 복합 필름이 제공된다.
이하 본 발명을 첨부되는 실시예 및 실험예를 통해 보다 상세하게 설명하고자 한다. 다만, 본 발명의 실시예 및 실험예들은 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려 이들 실시예들은 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이다.
실시예 1: 불소계 고분자의 합성
본 발명자들은 단량체인 2,3,4,5,6-펜타플로오로스티렌(2,3,4,5,6-pentafluorostyrene, PFS) 15 g과 개시제인 2,2'-아조비스이소부티로니트릴(2,2'-azobisisobutyronitrile, AIBN) 0.45 g을 용매인 30 mL 톨루엔에 질소 분위기에서 녹인 후 70℃에서 20시간 동안 중합함으로써 폴리(펜타플루오로스티렌){PPFS}를 합성하였다. 중합된 PPFS의 분자량 및 다분산 지수(PDI)는 겔 투과 크로마토그래피(GPC) 방법으로 측정하였다. 중합한 PPFS의 수평균 분자량은 5,200 g/mol이었고 다분산 지수(PDI)는 1.2로 확인됐다.
실시예 2: 황 고분자 필름의 제조
본 발명자들은 황 23.4 g을 플라스크에 넣고 185℃에서 용융시킨 후 가교제인 6.6 g의 1,3-디이소프로페닐 벤젠(1,3-diisopropenyl benzene, DIB)를 첨가하고 7분간 격렬히 교반하여 황 고분자를 제조하였다. 제조된 황 고분자를 고온 가압 프레스를 이용하여 150℃에서 약 0.6 mm 두께의 대전체 필름으로 제작하였다.
실시예 3: 황 고분자 및 불소계 고분자를 포함하는 복합 필름의 제조
황 23.4 g을 플라스크에 넣고 185℃에서 용융시킨 후 6.6 g의 DIB와 실시예 1에서 합성된 0.3 g의 PPFS를 혼합하고 7분간 격렬히 교반하여 불소계 고분자 및 황 고분자의 복합체(composite)를 제조하였다. 제조된 복합체를 고온 가압 프레스를 이용하여 150℃에서 약 0.6 mm 두께의 대전체 필름으로 제작하였다.
실시예 4: 황 고분자 및 불소계 고분자를 포함하는 복합 필름의 제조
상기 실시예 3과 같은 방법으로 하되 0.61 g의 PPFS를 넣어 불소계 고분자와 황 함유 고분자의 복합물을 제조한 후 고온 가압 프레스로 필름화하였다.
실시예 5: 황 고분자 및 불소계 고분자를 포함하는 복합 필름의 제조
상기 실시예 3과 같은 방법으로 하되 1.09 g의 PPFS를 넣어 불소계 고분자와 황 함유 고분자의 복합물을 제조한 후 고온 가압 프레스로 필름화하였다.
실시예 6: 황 고분자 및 불소계 고분자를 포함하는 복합 필름의 제조
상기 실시예 3과 같은 방법으로 하되 1.58 g의 PPFS를 넣어 불소계 고분자와 황 함유 고분자의 복합물을 제조한 후 고온 가압 프레스로 필름화하였다.
실시예 7: 황 고분자 및 불소계 고분자를 포함하는 복합 필름의 제조
상기 실시예 3과 같은 방법으로 하되 2.43 g의 PPFS를 넣어 불소계 고분자와 황 함유 고분자의 복합물을 제조한 후 고온 가압 프레스로 필름화하였다.
실시예 8: 황 고분자 및 불소계 고분자를 포함하는 복합 필름의 제조
상기 실시예 3과 같은 방법으로 하되 3.33 g의 PPFS를 넣어 불소계 고분자와 황 함유 고분자의 복합물을 제조한 후 고온 가압 프레스로 필름화하였다.
비교예 1: PTFE를 이용한 대전체 필름의 제조
높은 음극 대전열을 가진 물질로 알려진 PTFE를 본 실험의 대조군으로 사용하였다. 이 경우 동일 조건에서 개방전압 및 단락전류는 각각 19.7 V, 0.35 uA가 측정되었다. 따라서 PPFS 고분자 중합체가 보다 우수한 마찰 발전성능을 보임을 확인하였다.
실시예 9: 코로나 방전 처리
본 발명자들은 추가적으로 PPFS 고분자 표면에 코로나 방전처리를 수행하였다. 상기와 같이 코로나 방전 처리된 PPFS 고분자는 출력 전압이 대폭 향상되었다. 구체적으로 처리 후 PPFS 마찰 대전 소자의 개방전압 및 단락전류는 각각 362.78 V, 8.21 μA로 측정되었고 출력밀도는 60 MΩ에서 최대 832.89 mW/m2가 측정되었다. 실험예 1: 에너지 분산형 분광분석
본 발명자들은 불소계 고분자와 황 고분자의 복합 필름 표면의 원소 분석을 주사 전자 현미경(scanning electron spectroscopy, SEM)을 이용한 에너지 분산형 분광분석법(energy dispersive X-ray spectroscopy, EDX)을 이용하여 실시하였다.
EDX는 가속전압 15 kV, 작동거리 15 mm 조건 하에 200 배율의 스케일에서 표면분석을 수행하였다. 도 3에 나타낸 SEM 이미지는 분리된 상의 뚜렷한 대조를 위해 Image J 프로그램을 사용하여 경계면을 나눈 후 의사 컬러링 기법을 이용하여 임의로 황고분자가 많은 영역은 노란색으로, 불소분자가 많은 영역은 파란 색으로 컬러 맵을 변경하여 나타낸 것이다.
실험예 2: 불소계 고분자 및 황 고분자의 복합 필름에 코로나 방전
발전 소자 성능을 높일 수 있는 방법으로 PPFS와 황 함유 고분자 복합 필름의 음의 대전체 표면에 도 4에 도시된 바와 같이 코로나 방전을 처리하였다. 코로나 방전은 전하밀도가 크게 차이나는 양단에 고전압을 가할 경우 발생하는 현상으로, 텅스텐 탐침을 이용해 물질의 표면에 전자 및 이온을 주입하여 표면 전하밀도를 극대화 할 수 있다. 본 시연에서는 코로나 처리 시 탐침과 알루미늄 호일 전극에 각각 음극과 양극을 연결하고 간격은 3 mm로 유지한 상태에서 양 전극 사이에 대전체 복합 필름을 위치시킨 후 30분간 6 kV의 전압의 전류를 가하여 코로나 방전 처리를 수행하였다.
실시예 10: 마찰전기 발전소자의 제작
도 5에 도시된 바와 같이 수직접촉방식의 마찰대전 발전기를 제작하기 위해 전극이 연결된 두 기판이 필요하다. 마찰시 음극으로 사용할 면은 PPFS 및 황 고분자 복합 필름으로 여기에 알루미늄 포일을 부착하고 60℃로 가열)하여 PPFS-Al 면을 완성하였다. 양극으로 사용할 다른 면은 PTFE 기판위에 열 증발 진공 증착(Thermal Evaporation)방식을 통해 금속 알루미늄 100 nm를 증착하여 Al-PTFE 면을 제작하였다. 이 때 증착한 알루미늄을 양극물질로 사용하였다. 각 면이 완성된 후 두 면을 결합시켜 소자를 제작하였다. 소자는 3D 프린터로 제작한 샘플 스테이지에 설치하였으며, 이 때 PPFS 및 황 고분자 복합 필름 면과 증착한 알루미늄 면이 맞닿을 수 있도록 하였다.
실험예 3: LED 점등 시연 방법
마찰 대전 발전기의 경우 마찰 대전과 정전기 유도현상을 이용함으로 발전 시 교류형태의 전력을 생산된다. 이를 이용한 실사용 예를 보이기 위해 정류 회로 연결하여 상용 LED를 구동 시킬 수 있다.
이에 본 발명자들은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 마찰전기 발전소자를 이용하여 전력 생산을 실증하기 위해 LED 회로를 구성하였다. 이 때, 정류기는 브릿지 정류회로를 가진 소자를 사용하였고, 브릿지 정류회로는 정방향 전류는 흐르게 하고 역방향 전류는 차단시키는 다이오드의 특성을 이용해 4개의 발광 다이오드를 도 7에 도시된 바와 같이 연결하여 직류와 같이 한쪽방향으로 전류를 정렬하였다.
정류회로를 거친 직류 전력을 직렬로 연결된 LED 400개에 연결한 뒤 마찰대전 발전소자에 힘 30 N을 1.3 Hz를 주기로 가하여 LED 점등 시연을 하였다. 그 결과 400개의 LED 소자 모두 점등이 됨을 확인할 수 있었다.
실험예 4: 발전 특성 분석
본 발명자들은 상기 실시예 2 내지 8에서 제조된 복합 필름을 이용하여 실시예 10의 방법으로 제조된 마찰전기 발전소자를 이용하여 발생하는 전압 및 전류의 양을 측정하였다. 구체적으로, 샘플 스테이지 위에 설치된 두 재질이 반복하여 서로 접촉-분리될 수 있도록 균일한 힘과 일정한 속도(30 N, 1.3 Hz)를 가한 후 발생하는 전압 및 전류 양을 측정하였다. 여기서 사용된 소자의 크기는 모두 접촉면적 2 cm×5 cm 이다.
불소계 고분자와 황 함유 고분자의 복합 필름 대전체의 제조 및 이를 이용하여 제작한 마찰전기 발전소자의 전기적 발전 특성
실시예 황 함량 (g) DIB (g) PPFS (g) 표면 불소 함량 (wt%) 개방전압 (V) 단락전류 (μA)
2 23.4 6.6 0 0 5.00 0.04
3 23.4 6.6 0.30 3.3±1.0 6.25 0.15
4 23.4 6.6 0.61 5.4±2.1 85.89 1.84
5 23.4 6.6 1.09 9.8±2.0 90.51 1.85
6 23.4 6.6 1.58 16.2±2.9 143.38 2.57
7 23.4 6.6 2.43 29.5±3.0 164.00 3.53
8 23.4 6.6 3.33 21.8±1.6 153.41 3.21
그 결과, 표 1에 나타난 바와 같이 PPFS 투입량이 증가할수록 불소계 고분자와 황 함유 고분자의 복합 필름의 표면에 도출된 PPFS가 증가하여 표면 불소함량이 실시예 7까지 증가하다 실시예 8에서 감소하였다.
불소계 고분자와 황 함유 고분자의 복합 필름 대전체를 이용하여 제작한 마찰전기 발전소자의 전기적 발전 특성은 PPFS 혼합비에 따라 차이를 보였다. PPFS가 투입 되지 않은 필름 대전체가 가장 낮은 전압 출력을 보였으며, 실시예 7의 PPFS 7.5 wt% 투입비에서 개방전압과 단락전류가 최대치를 보였다. 이후 실시예 8과 같은 더 높은 질량혼합비에서 다시 출력이 감소하였다. 이러한 결과는 불소계 고분자와 황 함유 고분자의 복합 필름의 표면의 불소 함량과 밀접한 관계가 있는 것으로 판정된다.
본 발명은 상술한 실시예 및 실험예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예 및 실험예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (14)

  1. 불소계 고분자 및 황 고분자를 포함하는 대전체 복합 필름.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 불소계 고분자는 폴리(펜타플로오로스티렌{poly(pentafluorostyrene), PPFS}, 폴리(테트라플로오로에틸렌){polytetrafluoroethylene, PTFE}, 테르라플루오로 에틸렌 퍼플루오로 알킬 비닐 에테르 공중합체[{poly[tetrafluoroethylene-co-perfluoro (alkyl vinyl ether)}, PFA}, 불소화 에틸렌 프로필렌 공중합체(fluorinated ethylene propylene copolymer, FEP), 퍼플루오로알콕시 알칸(perfluoroalkoxy alkane, PFA), 폴리비닐 플루오라이드(polyvinyl fluoride, PVF), 폴리클로로트리플루오로에틸렌(polychlorotrifluoroethylene, PCTFE), 폴리비닐리덴 플루오로라이드(polyvinylidene fluoride, PVDF), 에틸렌-테트라플루오로에틸렌 공중합체(ethylene-tetrafluoroethylene copolymer, ETFE), 및 에틸렌-클로로트리플루오로에틸렌 공중합체(ethylene-chlorotrifluoroethylene copolymer, ECTFE)로 구성되는 군으로부터 선택되는 하나 또는 둘 이상의 복합체인, 대전체 복합 필름.
  3. 원소 황(S8)을 용융시킨 후 가교제 및 불소계 고분자를 혼합하고 교반함으로써 불소계 고분자 및 황 고분자를 포함하는 복합체를 제조하는 복합체 제조단계; 및
    상기 복합체를 필름상으로 성형하는 필름 성형 단계를 포함하는 불소계 고분자 및 황 고분자를 포함하는 상기 대전체 복합 필름의 제조방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 가교제는 말단 또는 내부에 알켄기(alkene group)를 가진 화합물인, 제조방법.
  5. 제3항에 있어서,
    리모넨(limonene), ENB(5-ethylidene-2-norbornene), DCPD(dicyclopentadiene), 또는 DIB(1,3-diisopropenyl benzene)인, 제조방법.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 불소계 고분자는 폴리(펜타플로오로스티렌{poly(pentafluorostyrene), PPFS}, 폴리(테트라플로오로에틸렌){polytetrafluoroethylene, PTFE}, 테르라플루오로 에틸렌 퍼플루오로 알킬 비닐 에테르 공중합체[{poly[tetrafluoroethylene-co-perfluoro (alkyl vinyl ether)}, PFA}, 불소화 에틸렌 프로필렌 공중합체(fluorinated ethylene propylene copolymer, FEP), 퍼플루오로알콕시 알칸(perfluoroalkoxy alkane, PFA), 폴리비닐 플루오라이드(polyvinyl fluoride, PVF), 폴리클로로트리플루오로에틸렌(polychlorotrifluoroethylene, PCTFE), 폴리비닐리덴 플루오로라이드(polyvinylidene fluoride, PVDF), 에틸렌-테트라플루오로에틸렌 공중합체(ethylene-tetrafluoroethylene copolymer, ETFE), 및 에틸렌-클로로트리플루오로에틸렌 공중합체(ethylene-chlorotrifluoroethylene copolymer, ECTFE)로 구성되는 군으로부터 선택되는 하나 또는 둘 이상의 복합체인, 제조방법.
  7. 제3항에 있어서, 상기 불소계 고분자 및 황 고분자의 배합비는 중량비로 1:100 내지 1:5인, 제조방법.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 필름 성형 단계는 고온 가압 프레스, 고온 압연 성형, 스핀코팅 또는 압출성형에 의해 수행되는, 제조방법.
  9. 제1항 또는 제2항의 대전체 복합 필름을 포함하는 마찰전기 전극.
  10. 제9항의 마찰 전기 전극을 포함하는 마찰전기 발전소자.
  11. 제10항에 있어서,
    제1전극 및 상기 제1전극과 이격되어 대향하고 있는 제2전극을 포함하며 상기 제1전극 및 제2전극 중 어느 하나의 전극 대향면에 상기 대전체 복합 필름이 부착되어 있는 구조를 갖는, 마찰전기 발전소자.
  12. 제1항 또는 제2항의 대전체 복합 필름을 코로나 방전 처리하는 단계를 포함하는, 출력이 향상된 대전체 복합 필름의 제조방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 코로나 방전은 텅스텐 탐침 및 알루미늄 호일 전극에 각각 음극 및 양극을 연결하고 양 전극의 간격을 2 내지 4 mm로 유지한 채 상기 대전체 복합 필름을 양 전극 사이에 위치시킨 후 20 내지 40분간 5 내지 7 kV의 전압을 가함으로써 수행되는, 제조방법.
  14. 제12항 또는 제13항의 제조방법에 의해 제조된 출력이 향상된 대전체 복합 필름.
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