KR20220046782A - 마찰전기 발전소자용 양전하 대전체 및 이를 포함한 마찰전기 발전소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 마찰전기 발전소자용 양전하 대전체 및 이를 포함한 마찰전기 발전소자에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 실리콘 산화물을 포함하는 이차원 소재 기반 양전하 대전체에 관한 것이며, 이러한 양전하 대전체를 포함하는 마찰전기 발전기에 관한 것이다.
본 발명에서는 기존에 주로 금속 박막 또는 폴리머로 이루어진 양전하 대전체의 패러다임을 바꾸어 실리콘 산화물 및 이차원 소재를 포함한 양전하 대전체 소재를 제조하여 음전하 대전체와의 접촉을 통한 전하 생성 효율을 획기적으로 향상한 마찰 전기 발전기를 제공한다.
본 발명에서는 기존에 주로 금속 박막 또는 폴리머로 이루어진 양전하 대전체의 패러다임을 바꾸어 실리콘 산화물 및 이차원 소재를 포함한 양전하 대전체 소재를 제조하여 음전하 대전체와의 접촉을 통한 전하 생성 효율을 획기적으로 향상한 마찰 전기 발전기를 제공한다.
Description
본 발명은 마찰전기 발전소자용 양전하 대전체 및 이를 포함한 마찰전기 발전소자에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 실리콘 산화물을 포함하는 이차원 소재 기반 양전하 대전체에 관한 것이며, 이러한 양전하 대전체를 포함하는 마찰전기 발전기에 관한 것이다.
마찰전기 발전기는 두 대전체의 마찰 시 나타나는 전하 이동 현상을 이용하여 전기 에너지를 발생시키는 에너지 하베스팅 소자이다. 마찰전기 발전기는 에너지 변환 효율이 높아서 외부의 작은 힘에 의해서도 높은 출력을 얻을 수 있다. 또한, 마찰전기 발전기는 열이나 태양을 이용한 에너지 하베스팅 소자들에 비해서 시간적, 공간적 제약이 없으며, 물질의 변형에 의해 전기에너지를 발생시키는 압전 소재를 이용한 에너지 하베스팅 소자에 비해 지속적으로 전기에너지를 발생시킬 수 있다.
마찰전기 발전기는 서로 다른 마찰 대전 성질을 가지는 두 개의 재료를 정전 특성을 이용해 에너지 하베스팅한다. 일상생활에서 일어나는 마찰과 움직임으로 전기를 만들어 환경오염 요소가 없다. 사물인터넷(IoT), AI, 전자기기 등의 소형화는 사람들이 간편하게 휴대할 수 있고 협소한 공간에 다양한 기능을 추가하는 데 의의가 있다. 최소한의 면적에서 최대한의 출력 구현은 관련 산업 시장의 성장과 스마트폰, 스마트워치 등 휴대용 기기의 시장 확장성 필요한 부분이다. 그뿐만 아니라 바쁜 현대 사회에서 따로 충전없이 움직임으로서 배터리 충전이라는 사용자 편의성과 응급 상황을 위해 주목받고 있다.
마찰 대전 성질을 가진 두 재료가 접촉 시 표면특성에 따라 높은 전압과 전류의 향상된 값을 얻을 수 있다. 소자의 구조를 제어하여 계면에서 접촉하는 표면적에 따른 전자 혹은 홀의 수송 특성을 분석하여 전자 혹은 홀의 이동성을 높이고 많은 양의 전자 혹은 홀이 쉽게 이동할 수 있는 소재와 구조를 만드는 기술이 필요하다. 현재 마찰 전기 발전기로 발생하는 출력값과 전류의 세기가 낮아서 실생활에 적용이 어려운 상황이다. 에너지의 출력이 일정하지 않고 지속적이지 않아 일상생활에서 간편하게 전자기기를 사용하고 일상화하는데 필요한 에너지까지 도달하지 못하고 있다.
현재 양전하 대전체는 대체로 Al, Ni 등의 금속이나 나일론 등의 polymer를 쓰고 있으며 대부분 소재 연구가 음전하 대전체 위주로 진행되었다. 지금까지 보고된 마찰전기 발전기의 출력이나 전류의 세기가 눈에 띄게 형성되지 않았기 때문에 기존에 계속된 음전하 대전체가 아닌 새로운 양전하 대전체 개발을 통한 발전기의 출력 향상에서의 돌파구가 필요하다.
본 발명은 고출력 발전기 구현의 가장 난제 중의 하나인 대전체 간 대전 능력을 높이기 위해 전하 이동 결정 인자들과 출력과의 상관관계 재해석 및 새로운 결정 인자에 의한 대전체 설계를 하는 것이다.
본 발명은 대전체 중에 양전하 대전체의 제조 기술 개발에 관한 것으로 전하 생성 효율이 획기적으로 향상된 양전하 대전체 및 이를 포함하는 마찰 전기 발전기 제작을 통해 전자소자 등에 전력 공급이 가능한 실용적인 마찰전기 발전기를 만드는 데 목적이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전소자용 양전하 대전체는, 제 1 전극; 상기 제 1 전극 상에 형성된 실리콘 산화물층; 및 상기 실리콘 산화물층 상에 형성된 이차원 물질층을 포함한다.
상기 제 1 전극은 메쉬(mesh) 전극일 수 있고, 상기 이차원 물질층은 전이금속 칼코게나이드계 물질 또는 rGO로 이루어질 수 있다.
상기 실리콘 산화물층의 두께는 200nm 이하인 것이 바람직하다.
본 발명의 추가적인 실시예에 따른 마찰전기 발전소자용 양전하 대전체는, 제 1 전극; 상기 제 1 전극 상에 형성된 실리콘층; 상기 실리콘층 상의 실리콘 산화물층; 및 상기 실리콘 산화물층 상에 형성된 이차원 물질층을 포함한다.
상기 제 1 전극은 메쉬 전극일 수 있고, 상기 이차원 물질층은 전이금속 칼코게나이드계 물질 또는 rGO로 이루어질 수 있다.
상기 실리콘 산화물층의 두께는 200nm 이하인 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전소자는, 제 1 전극; 상기 제 1 전극 상에 형성된 실리콘 산화물층; 및 상기 실리콘 산화물층 상에 형성된 이차원 물질층을 포함하는, 양전하 대전체; 및 제 2 전극 상에 형성된 음전하 대전체를 포함하고, 상기 양전하 대전체 및 상기 음전하 대전체는 짝을 이루며 서로 접촉 가능하도록 배치된다.
상기 제 1 전극은 메쉬 전극일 수 있고, 상기 이차원 물질층은 전이금속 칼코게나이드계 물질 또는 rGO로 이루어질 수 있다.
상기 실리콘 산화물층의 두께는 200nm 이하인 것이 바람직하다.
본 발명의 추가적인 실시예에 따른 마찰전기 발전소자는, 제 1 전극; 상기 제 1 전극 상에 형성된 실리콘층; 상기 실리콘층 상의 실리콘 산화물층; 및 상기 실리콘 산화물층 상에 형성된 이차원 물질층을 포함하는, 양전하 대전체; 및 제 2 전극 상에 형성된 음전하 대전체를 포함하고, 상기 양전하 대전체 및 상기 음전하 대전체는 짝을 이루며 서로 접촉 가능하도록 배치된다.
상기 제 1 전극은 메쉬 전극일 수 있고, 상기 이차원 물질층은 전이금속 칼코게나이드계 물질 또는 rGO로 이루어질 수 있다.
상기 실리콘 산화물층의 두께는 200nm 이하인 것이 바람직하다.
본 발명에서는 기존에 주로 금속 박막 또는 폴리머로 이루어진 양전하 대전체의 패러다임을 바꾸어 실리콘 산화물을 포함하는 WTe2, MoS2 등의 이차원 소재로 구성된 대전체 소재를 제조하여 polytetrafluoroethylene (PTFE) 등과의 접촉을 통한 전하 생성 효율을 획기적으로 향상한 마찰 전기 발전기의 전류값 및 출력값을 향상하는 것을 목표로 한다.
또한, 에너지 원천으로써 뿐만 아니라 nontact 센서, 메디컬 응용 센서 등 다양한 센서 분야에의 응용성이 높아 사회적 큰 이슈로 부각한 개개인의/공공의 안전 관련 응용에도 큰 기여할 수 있을 것으로 판단된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전소자용 양전하 대전체를 도시한다.
도 2는 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 마찰전기 발전소자용 양전하 대전체를 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전소자의 예시를 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전소자의 작동 원리를 도시한다.
도 5는 2차원 소재의 양전하 대전체의 WTe2, MoS2, WS2, rGO 이층 구조 TENG의 (a) 출력 전압, (b) 출력 전류, (c) 표면 전하 밀도를 도시한다.
도 6 및 도 7은 Ni mesh, MoS2/Ni mesh, MoS2/SiO2 나노입자/Ni mesh, MoS2/SiO2/Si 이층 구조 TENG의 a) 출력 전압, (b) 출력 전류, (c) 표면 전하 밀도를 도시한다.
다양한 실시예들이 이제 도면을 참조하여 설명되며, 전체 도면에서 걸쳐 유사한 도면번호는 유사한 엘리먼트를 나타내기 위해서 사용된다. 설명을 위해 본 명세서에서, 다양한 설명들이 본 발명의 이해를 제공하기 위해서 제시된다. 그러나 이러한 실시예들은 이러한 특정 설명 없이도 실행될 수 있음이 명백하다. 다른 예들에서, 공지된 구조 및 장치들은 실시예들의 설명을 용이하게 하기 위해서 블록 다이아그램 형태로 제시된다.
도 2는 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 마찰전기 발전소자용 양전하 대전체를 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전소자의 예시를 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전소자의 작동 원리를 도시한다.
도 5는 2차원 소재의 양전하 대전체의 WTe2, MoS2, WS2, rGO 이층 구조 TENG의 (a) 출력 전압, (b) 출력 전류, (c) 표면 전하 밀도를 도시한다.
도 6 및 도 7은 Ni mesh, MoS2/Ni mesh, MoS2/SiO2 나노입자/Ni mesh, MoS2/SiO2/Si 이층 구조 TENG의 a) 출력 전압, (b) 출력 전류, (c) 표면 전하 밀도를 도시한다.
다양한 실시예들이 이제 도면을 참조하여 설명되며, 전체 도면에서 걸쳐 유사한 도면번호는 유사한 엘리먼트를 나타내기 위해서 사용된다. 설명을 위해 본 명세서에서, 다양한 설명들이 본 발명의 이해를 제공하기 위해서 제시된다. 그러나 이러한 실시예들은 이러한 특정 설명 없이도 실행될 수 있음이 명백하다. 다른 예들에서, 공지된 구조 및 장치들은 실시예들의 설명을 용이하게 하기 위해서 블록 다이아그램 형태로 제시된다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명은 실리콘 산화물을 포함하는 이차원 소재 기반 양전하 대전체에 관한 것이며, 이러한 양전하 대전체를 포함하는 마찰전기 발전기에 관한 것이다.
본 발명은 접촉에 의해 양전하를 생성하는 양전하 대전체 관한 것으로 기존 금속 및 폴리머 기반의 설계와 다르게 실리콘 산화물과 이차원 소재를 포함한다.
본 발명에서는 실리콘 산화물 및 이차원 소재를 포함한 양전하 대전체 소재를 제조하여 음전하 대전체와의 접촉을 통한 전하 생성 효율을 획기적으로 향상한 마찰 전기 발전기를 제공한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전소자용 양전하 대전체를 도시한다.
도 1에서 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전소자용 양전하 대전체는, 제 1 전극(10); 실리콘 산화물층(20); 및 이차원 물질층(30)을 포함한다.
제 1 전극(10)은 전도성 물질로 이루어진 전극 구조체로서 기판 역할을 수행할 수도 있고 별도의 기판이 추가로 배치될 수도 있다. 제 1 전극은 전극으로 이용 가능한 어떠한 물질도 가능하며, 예를 들어 Ni, Al 등이 이용될 수 있다.
한편, 제 1 전극으로 메쉬(mesh) 형태의 전극이 이용될 수도 있으며, 메쉬 형태의 전극이 이용될 때 표면적이 더 넓어지기 때문에 전기적 효율이 더욱 증대될 수 있다.
실리콘 산화물층(20)은 제 1 전극(10) 상에 배치되며, SiOx와 같은 물질로 이루어질 수 있다. 실리콘 산화물은 실리콘 위에 thermally grown 실리콘 산화물 박막과 TEOS 등으로 제조된 실리콘 산화물 나노입자로 나눌 수 있다. 실리콘 산화물은 박막, 나노입자 등 다양한 형태를 띄며, 열산화법, 솔침전법 등의 방법을 사용하며, 일반적으로 Ni-mesh, Al 등의 전극으로 사용되는 전도성 물질에 코팅한다.
이러한 실리콘 산화물층의 두께는 200nm 이하인 것이 바람직하다. 왜냐하면 실리콘 산화물층의 두께가 200nm를 초과할 경우, 전하 포집 능력이 떨어져 전기적 효율이 떨어질 수 있기 때문이다. 실리콘 산화물층의 두께는 더욱 바람직하게는 100nm 이하인 것이 좋다.
이러한 실리콘 산화물층을 이용함으로써 전하 포집 능력을 향상시킬 수 있고, 이에 의해 기존의 마찰전기 발전소자 대비 구동시 효율이 높은 디바이스의 제공이 가능하게 된다.
이차원 물질층(30)은 실리콘 산화물층(20) 상에 배치된다. 이차원 물질층은 전이금속 칼코게나이드계 물질 또는 rGO가 이용될 수 있다.
일례로, 금속 칼코게나이드계 물질 중 적어도 하나는 Mo, W, Nb, V, Ta, Ti, Zr, Hf, Tc, Re 중 하나의 전이금속과 S, Se, Te 중 하나의 칼코겐(chalcogen) 원소를 포함하고, MX2로 표현되는 전이금속 칼코게나이드 물질일 수 있다(여기서, M 은 전이금속을 가리키고, X는 칼코겐 원소를 가리킨다). 이에 의하면, 전이금속 칼코게나이드 물질은, 예컨대, MoS2, MoSe2, MoTe2, WS2, WSe2, WTe2, ZrS2, ZrSe2, HfS2, HfSe2, NbSe2, ReSe2 등일 수 있다
본 발명에서는 이차원 물질층을 이용함으로써 표면 전하 이동이 좋아져서 높은 전압, 전류, 전하 밀도를 얻을 수 있다는 장점을 갖는다.
이차원 소재는 크게 화학기상법(CVD) 및 수열합성법으로 제조했으며, WTe2, rGO, MoS2, WS2 등을 포함한다. CVD는 기판에 증착하고자 하는 물질을 고체상태가 아닌 기체 상태인 가스로 주입하고 반응 챔버 내의 기판 위에서 고온분해 또는 고온화학반응을 통해 증착시키는 방법으로 WTe2는 CVD를 통하여 제조되었다. 수열합성법은 고온고압하에서 물 또는 수용액을 이용하여 물질을 합성하는 과정을 말하는데, rGO, MoS2, WS2 소재를 제조하였다. 이차원 소재는 WTe2, rGO, MoS2, WS2 등의 p 또는 n 형 반도체로 CVD 또는 수열합성법으로 제조하고 실리콘 산화물 위에 100 nm 이하의 두께로 코팅 또는 증착을 한다.
도 2는 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 마찰전기 발전소자용 양전하 대전체를 도시한다.
도 2에서 도시된 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 마찰전기 발전소자용 양전하 대전체는, 제 1 전극(10); 실리콘층(21); 실리콘 산화물층(22); 및 이차원 물질층(30)을 포함한다.
도 1의 실시예와 다른 점은 도 1에서는 실리콘 산화물층(20)으로 이루어진 부분이 도 2에서는 실리콘층(21) 및 실리콘 산화물층(22)으로 이루어진 점이며, 나머지는 모두 동일하므로 중복 설명은 생략하도록 하겠다.
이 실시예에서도 실리콘 산화물층의 두께는 200nm 이하인 것이 바람직하며, 이 경우에도 역시 두께가 200nm를 초과할 경우 전하의 이동이 자유롭게 이루어지지 못하여 전기적 효율이 떨어질 수 있다. 실리콘 산화물층의 두께는 더욱 바람직하게는 100nm 이하인 것이 좋다.
지금까지 양전하 대전체에 대해서 설명했으며, 이하에서는 이러한 양전하 대전체를 이용한 마찰전기 발전 소자에 대해서 설명하도록 하겠다. 이 경우 위에서 설명한 부분과 중복되는 부분에 대해서는 반복 설명을 생략하도록 하겠다.
본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전소자는 양전하 대전체로 도 1에서 도시된 양전하 대전체를 이용하며, 제 1 전극; 상기 제 1 전극 상에 형성된 실리콘 산화물층; 및 상기 실리콘 산화물층 상에 형성된 이차원 물질층을 포함하는, 양전하 대전체; 및 제 2 전극 상에 형성된 음전하 대전체를 포함하고, 상기 양전하 대전체 및 상기 음전하 대전체는 짝을 이루며 서로 접촉 가능하도록 배치된다.
또한, 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 마찰전기 발전소자는 양전하 대전체로 도 2에서 도시된 양전하 대전체를 이용할 수 있으며, 제 1 전극; 상기 제 1 전극 상에 형성된 실리콘층; 상기 실리콘층 상의 실리콘 산화물층; 및 상기 실리콘 산화물층 상에 형성된 이차원 물질층을 포함하는, 양전하 대전체; 및 제 2 전극 상에 형성된 음전하 대전체를 포함하고, 상기 양전하 대전체 및 상기 음전하 대전체는 짝을 이루며 서로 접촉 가능하도록 배치된다.
음전하 대전체는 PFA, PTFE(Polytetrafluoroethylene), polytetrafluoroethylene(Teflon), polydimethylsiloxane(PDMS), fluorinated ethylene propylene(FEP), poly(methyl methacrylate)(PMMA), polyvinylidene fluoride(PVDF), polycarbonate(PC), polyvinyl chloride(PVC), polyimide(Kapton), polypropylene(PP), polyethylene(PE), polystyrene(PS)을 포함한다.
음전하 대전체에는 제 2 전극이 배치될 수 있으며, 제 2 전극은 전극으로 이용가능한 물질이면 무엇이든 가능하다.
마찰전기 발전소자를 이룸으로써 양전하 대전체 및 음전하 대전체가 서로 마찰전기 및/또는 정전기를 일으키고 유도함으로써 전자가 이동하면서 전류가 흐르게 된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전소자의 예시를 도시하며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전소자의 작동 원리를 도시한다.
도 3 및 도 4에서는 마찰전기 발전소자가 푸쉬(push) 형태로 도시되었지만, 이는 예시에 불과하며, 슬라이딩(sliding), 회전(rotation) 등 어떠한 형태의 마찰전기 발전소자도 본 발명에 따른 양전하 대전체 및 음전하 대전체가 짝을 이루어 구성될 수 있다.
도 4에서 (a)에서 압축되는 힘을 주고 완전히 붙게 되면 Triboelectric effect 가 일어나서 PFA는 음전하로 이차원 소재는 양전하로 대전이 되고, (b)에서 떨어지면서 대전된 표면이 electrostatic induction 로 전자가 이동하면서 전류가 흐르게 된다. (d)에서 완전히 떨어졌을 때 전기적 중성을 이루며, (c)에서 다시 힘으로 누를 때 electrostatic induction에 의해 다시 전자들이 이동하여 전류가 반대 방향으로 흐르게 된다.
도 4의 실시예와 같이 마찰대전 발전기를 제작한 경우, 외부 회로로 흐르는 전하의 양이 800 μC/m2로 측정되어 문헌상에 일반적으로 보고되는 전하량 (200 ~ 300 μC/m2)보다 3 ~ 4배 높은 수치를 보였다.
이하에서는 구체적인 실시예와 함께 본 발명의 내용을 추가적으로 설명하도록 하겠다.
실시예 1은 2차원 소재/SiO2/Si/Al 구조의 양전하 대전체에 관한 것이다.
1) 이차원 소재 물질 중 WTe2는 CVD법으로 합성하며, 합성 조건은 아래와 같다.
Transition metal layer을 wafer 위에 magnetron sputter로 증착시킨다. Heating jacket 부분에 precursor로써 Chalcogen powder를 놓고 Ag gas가 흐르는 환경에서 온도를 ~500°C만큼 올려서 가열해준다.
Precursor의 eutectic point(~449°C)보다 높은 온도로 가열시켜 chalcogen powder의 Te이 충분한 환경을 만들어줘서 carrier gas에 의해 확산한다. 반응로 중앙의 Transition metal이 증착된 p-Si wafer 위에 이동하여 WTe2로 성장한다. 최소 24시간 이상 유지해서 Transition metal이 모두 반응시킨다. 상기 방법으로 넓은 면적의 균일한 TMDC film을 성장시켰다.
2) 이차원 MoS2를 합성 방법은 아래와 같다.
Heating mantle 안에 three neck 플라스크를 올려놓고 질소 분위기를 잡아준다. 100o C를 유지한 후에 2 mmol의 (NH4)2MoS4와 80 mL oleylamine를 넣고 잘 저어준다.
그 후에 heating mantle 온도를 360o C까지 올린 후에 합성이 잘 일어나도록 온도를 360o C로 시킨다. 반응기를 상온으로 냉각시킨 후에 검은색 소재들이 만들어진다. 합성한 2차원 소재를 MoS2 임을 XRD 로 알 수 있었고 SEM 사진으로 층층이 2차원 소재로 되어있음을 확인하였다. 만들어진 MoS2를 SiO2/Si 위에 rpm 별로 spin coating 하여 두께별로 소자를 제작하였다.
실시예 2는 MoS2/SiO2 나노입자/Ni mesh 양전하 대전체에 관한 것이다.
1) 실리콘산화물 나노입자의 제조방법은 아래와 같다.
포넥 플라스크에 NH4OH, Ethanol 넣고 Sonication 10min을 진행한다. TEOS(208g/mol) 주사기(10ml)에 넣는다. NH4OH, Ethanol이 담긴 포넥 플라스크에 magnetic bar 넣어서 반응시킨다. 용액이 불투명하기 시작할 때까지 300rpm stirring 진행한다.
TEOS의 Si-OR 이 NH4OH의 OH- 에 의해 SiOH로 교체되고(hydrolysis) SiOH 끼리 연결되어 Si-OH-Si bonding이 생긴다. 용액을 Conical tube(5ml)에 4ml씩 옮겨담고 centrifuse (14000rpm 10min) SiO2 particle을 모은다. Washing한 SiO2 particle을 60도 오븐에서 10시간 건조한 후에 막자사발로 grinding한다.
2) MoS2 코팅
MoS2를 SiO2 위에 코팅하였다.
실시예 3은 마찰대전 발전기를 제작하고 평가하는 과정을 설명한다. 마찰대전 발전기 제작과정은 아래와 같다.
2차원 소재/SiO2/Si/Al 구조의 양전하 대전체를 기반으로 하는 마찰대전 발전기 제작과정이다. MoS2는 합성한 후에 wafer 위에 spin coating 한다. 조건은 rpm 3000에서 40초 진행해서 50nm 두께의 film을 만든다. 소자를 만들기 위해 아크릴판 위에 Al film을 전극으로 하고 WTe2, MoS2 등을 올린 wafer를 전극으로 하는 Al film 위에 올려 양전하 대전체를 완성한다. 음전하 대전체는 아크릴판 위에 전극으로 Al film을 붙이고 그 위에 PFA film을 붙여 완성한다.
MoS2/SiO2 나노입자/Ni mesh 양전하 대전체를 기반으로 하는 마찰대전 발전기 제작과정이다. Ethanol에 SiO2 나노입자를 넣어 10wt% SiO2 용액을 만든다. 10분간 sonication한다. 그 후에 Ni mesh를 용액에 Dip coating하여 SiO2 나노입자 gap없이 골고루 올라가도록 층을 만든다. Hot plate에서 60°C에서 10분 annealing을 한다. 잘 올라간 것을 확인한 후에 spin coating한다. 조건은 rpm 3000에서 40초 진행하여 50nm 두께의 film을 만든다. 음전하 대전체는 아크릴판 위에 전극으로 Al film을 붙이고 그 위에 PFA film을 붙여 완성한다.
2) 전하량 측정결과
- 2차원 소재/SiO2/Si/Al 구조의 양전하 대전체 기반 마찰대전 발전기
WTe2, MoS2, WS2, rGO를 양전하 대전체로 하고 음전하 대전체를 PFA로 측정하였다. 30 N, 3 Hz에서 출력 전압, 출력 전류, 표면 전하 밀도를 측정하여 각각 비교하였다. 표면 전하 밀도는 MoS2 소재가 750 μC/m2 로 2차원 소재 양전하 대전체에서 가장 높은 특성을 보여주었다. 다음과 같은 측정값은 일반적인 이층 TENG 구조하에서 보고된 출력 값보다 높은 수치를 보여주었다. 이러한 측정값은 도 5에서 도시된다.
- MoS2/SiO2 나노입자/Ni mesh 양전하 대전체 기반 마찰대전 발전기
해당 마찰대전 발전기에 대한 측정값은 도 6 및 도 7에서 도시된다. 도 6 및 도 7에서 도시된 것처럼, 본 발명의 TENG에서 더욱 높은 출력 전압/출력 전류/표면 전하 밀도가 나타남을 확인할 수 있었다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
Claims (16)
- 제 1 전극;
상기 제 1 전극 상에 형성된 실리콘 산화물층; 및
상기 실리콘 산화물층 상에 형성된 이차원 물질층을 포함하는,
마찰전기 발전소자용 양전하 대전체.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 전극은 메쉬(mesh) 전극인,
마찰전기 발전소자용 양전하 대전체.
- 제 1 항에 있어서,
상기 이차원 물질층은 전이금속 칼코게나이드계 물질 또는 rGO로 이루어진,
마찰전기 발전소자용 양전하 대전체.
- 제 1 항에 있어서,
상기 실리콘 산화물층의 두께는 200nm 이하인,
마찰전기 발전소자용 양전하 대전체.
- 제 1 전극;
상기 제 1 전극 상에 형성된 실리콘층;
상기 실리콘층 상의 실리콘 산화물층; 및
상기 실리콘 산화물층 상에 형성된 이차원 물질층을 포함하는,
마찰전기 발전소자용 양전하 대전체.
- 제 5 항에 있어서,
상기 제 1 전극은 메쉬 전극인,
마찰전기 발전소자용 양전하 대전체.
- 제 5 항에 있어서,
상기 이차원 물질층은 전이금속 칼코게나이드계 물질 또는 rGO로 이루어진,
마찰전기 발전소자용 양전하 대전체.
- 제 5 항에 있어서,
상기 실리콘 산화물층의 두께는 200nm 이하인,
마찰전기 발전소자용 양전하 대전체.
- 제 1 전극; 상기 제 1 전극 상에 형성된 실리콘 산화물층; 및 상기 실리콘 산화물층 상에 형성된 이차원 물질층을 포함하는, 양전하 대전체; 및
제 2 전극 상에 형성된 음전하 대전체를 포함하고,
상기 양전하 대전체 및 상기 음전하 대전체는 짝을 이루며 서로 접촉 가능하도록 배치되는,
마찰전기 발전소자.
- 제 9 항에 있어서,
상기 제 1 전극은 메쉬 전극인,
마찰전기 발전소자.
- 제 9 항에 있어서,
상기 이차원 물질층은 전이금속 칼코게나이드계 물질 또는 rGO로 이루어진,
마찰전기 발전소자.
- 제 9 항에 있어서,
상기 실리콘 산화물층의 두께는 200nm 이하인,
마찰전기 발전소자.
- 제 1 전극; 상기 제 1 전극 상에 형성된 실리콘층; 상기 실리콘층 상의 실리콘 산화물층; 및 상기 실리콘 산화물층 상에 형성된 이차원 물질층을 포함하는, 양전하 대전체; 및
제 2 전극 상에 형성된 음전하 대전체를 포함하고,
상기 양전하 대전체 및 상기 음전하 대전체는 짝을 이루며 서로 접촉 가능하도록 배치되는,
마찰전기 발전소자.
- 제 13 항에 있어서,
상기 제 1 전극은 메쉬 전극인,
마찰전기 발전소자.
- 제 13 항에 있어서,
상기 이차원 물질층은 전이금속 칼코게나이드계 물질 또는 rGO로 이루어진,
마찰전기 발전소자.
- 제 13 항에 있어서,
상기 실리콘 산화물층의 두께는 200nm 이하인,
마찰전기 발전소자.
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| KR102690658B1 (ko) | 2023-12-09 | 2024-08-05 | 한상관 | 물질폭발작용과 중력의 작용과 물질밀림작용과 물질새치기작용을 이용하여 유체성 물질분자와 결합 되어 있는 비중이 가벼운 유체성 물질분자들을 분리 가공하여 비중이 무거운 유체성 물질분자들을 추출함과 동시에 식물성 물질 또는 광물성 물질 또는 동물성 물질에 함유된 미네랄 성분들이 유체성 물질분자에 함유되도록 작용하는 자연친화적인 친환경 초순수 추출기 |
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|---|---|---|---|
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| AMND | Amendment | ||
| E601 | Decision to refuse application | ||
| AMND | Amendment | ||
| X601 | Decision of rejection after re-examination |