KR20220099078A - 마찰대전 소재의 마찰대전 특성 정량화 방법 및 마찰대전 소재 설계 방법 - Google Patents

마찰대전 소재의 마찰대전 특성 정량화 방법 및 마찰대전 소재 설계 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 마찰대전 소재의 마찰대전 특성을 정량화하는 방법 및 마찰대전 소재를 설계하기 위한 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 마찰대전 소재의 물성 중 밀도, 비열, 열전도도 및 제벡계수를 기초로 마찰대전 소재의 마찰대전 계수를 정확히 산출하고 이를 기초로 마찰대전력을 산출할 수 있는 방법과, 이를 이용하여 원하는 대전 특성을 가지는 마찰대전 소재를 설계하는 방법에 관한 것이다.

Description

마찰대전 소재의 마찰대전 특성 정량화 방법 및 마찰대전 소재 설계 방법{Quantification method of triboelectric properties of triboelectric material and Design method of triboelectric material}
본 발명은 마찰대전 소재의 마찰대전 특성을 정량화하는 방법 및 마찰대전 소재를 설계하기 위한 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 마찰대전 소재의 물성 중 밀도, 비열, 열전도도 및 제벡계수를 기초로 마찰대전 소재의 마찰대전 계수를 정확히 산출하고 이를 기초로 마찰대전력을 산출할 수 있는 방법과, 이를 이용하여 원하는 대전 특성을 가지는 마찰대전 소재를 설계하는 방법에 관한 것이다.
화석 연료의 고갈과 환경 오염 문제로 인하여 전 세계적으로 지속 가능한 친환경 에너지의 확보가 중요한 문제로 떠오르고 있다. 이러한 문제의 해결책으로, 주변 환경에 존재하는 빛, 열, 기계적(바람, 파도, 음파, 미세진동 등), 전자기, 화학, 그리고 바이오 등과 같은 다양한 형태의 에너지원에서 에너지를 수확하는 에너지 하베스팅이 떠오르고 있다.
특히 이 중에서도 마찰전기 현상을 활용한 마찰대전 에너지 하베스팅 기술(energy harvesting technology)이 최근 들어 큰 주목을 받고 있다. 일 예로서, 마찰전기 나노 발전기(triboelectric nano generator, TENG)라고 부르는 기술은, 마찰전기와 이에 수반되는 유도전하를 이용하는 것으로, 신체의 움직임에 의한 진동이나 마찰에 의한 에너지를 사용 가능한 에너지로 전환시킬 수 있는 친환경적인 기술이다. 마찰전기 나노 발전기는 높은 효율과 유용성 및 뛰어난 접근성을 가지고 있어 지속가능한 에너지원을 개발하려는 시대적 요구에 맞는 시스템으로 주목을 받고 있다. 또한 그 효율의 향상을 위하여 다양한 대전물질에 대한 연구들이 활발하게 진행되고 있다.
이와 같이 마찰대전 현상을 이용한 기술을 이용하기 위해서는 마찰대전 소재의 마찰대전 특성을 정밀하게 정량화할 수 있어야만 한다. 그러나, 현재까지 마찰대전 현상의 근본적인 원리가 밝혀지지 않아, 두 소재가 마찰에 의해 대전될 시 어떤 소재가 양 또는 음으로 대전되는지 내지 마찰에 의해 얼마만큼의 대전이 일어나는지 객관적으로 파악할 수 있는 방법이 없어 해당 기술분야의 발전에 커다란 저해요인이 되고 있는 실정이다.
한국 공개특허공보 제10-2016-0066938호(2016.03.13.)
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 마찰대전 소재의 물성 중 밀도, 비열, 열전도도 및 제벡계수를 기초로 마찰대전 소재의 마찰대전 계수를 정확히 파악할 수 있는 방법과, 이를 이용하여 원하는 대전 특성을 가지는 마찰대전 소재를 설계하는 방법을 제공하기 위한 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 예에 따른 마찰대전 소재의 마찰대전 특성 정량화 방법은, 마찰대전 소재를 마련하는 단계; 상기 마찰대전 소재에 대한 적어도 하나의 물성에 대한 정보를 얻는 단계; 및 상기 적어도 하나의 물성에 대한 정보를 기초로 상기 마찰대전 소재의 마찰대전 계수(ξ)를 산출하는 단계;를 포함하며, 상기 적어도 하나의 물성은, 상기 마찰대전 소재의 밀도(ρ), 비열(c), 열전도도(k) 및 제벡계수(S)를 포함할 수 있다.
상기 마찰대전 계수를 산출하는 단계에서는, 하기 식 1을 이용하여 상기 마찰대전 소재의 마찰대전 계수를 산출할 수 있다.
[식 1]
Figure pat00001
(여기서, ξ는 마찰대전 계수, S는 제벡계수, ρ는 밀도, c는 비열, 및 k는 열전도도를 의미한다)
상기 적어도 하나의 물성은, 상기 마찰대전 소재의 유전율(ε)을 더 포함할 수 있다.
상기 마찰대전 계수를 산출하는 단계에서는, 하기 식 2를 이용하여 상기 마찰대전 소재의 마찰대전 계수(ξ)를 산출할 수 있다.
[식 2]
Figure pat00002
(여기서, ξ는 마찰대전 계수, ε는 유전율, S는 제벡계수, k는 전기전도도를 의미한다)
상기 마찰대전 소재의 제벡계수를 추정하는 단계;를 더 포함하고, 상기 제벡계수를 추정하는 단계에서는, 하기 식 3을 이용하여 상기 마찰대전 소재의 제벡계수(S)를 추정할 수 있다.
[식 3]
Figure pat00003
(여기서, e는 전자 전하량, T0는 주위온도, N(E)는 상기 마찰대전 소재의 전자 상태 밀도, f는 fermi-dirac function, EF는 fermi energy를 의미한다)
상기 EF는, 물(water)의 산화환원 전위 범위 내의 특정 값으로 설정될 수 있다.
상기 마찰대전 소재의 마찰대전력을 산출하는 단계;를 더 포함하며, 상기 마찰대전력을 산출하는 단계에서는 하기 식 4를 이용하여 상기 마찰대전력을 산출할 수 있다.
[식 4]
Figure pat00004
(여기서, Κ는 마찰대전력, ξ는 마찰대전 계수, t는 마찰 시간을 의미한다)
본 발명의 다른 양태에 따른 마찰대전 소재 설계 방법은, 설계하고자 하는 마찰대전 소재의 마찰대전 계수를 설정하는 단계; 상기 마찰대전 소재에 대한 물성들 중 일부를 설계변수로 설정하는 단계; 상기 마찰대전 계수 설정 단계에서 설정된 마찰대전 계수를 만족시키도록 상기 설계변수를 조정하는 단계; 및 상기 설계변수 조정 단계에서 조정된 설계변수를, 상기 설계변수에 대응되는 물성의 설계값으로 설정하는 단계;를 포함하며, 상기 설계변수로 설정되는 물성은, 상기 마찰대전 소재의 밀도(ρ), 비열(c), 열전도도(k) 및 제벡계수(S)를 포함할 수 있다.
상기 설계변수를 조정하는 단계에서는, 하기 식 1을 이용하여 상기 설계변수를 조정할 수 있다.
[식 1]
Figure pat00005
(여기서, ξ는 마찰대전 계수, S는 제벡계수, ρ는 밀도, c는 비열, 및 k는 열전도도를 의미한다)
상기 설계변수로 설정되는 물성은, 상기 마찰대전 소재의 유전율(ε)을 더 포함할 수 있다.
상기 설계변수를 조정하는 단계에서는, 하기 식 2를 이용하여 상기 설계변수를 조정할 수 있다.
[식 2]
Figure pat00006
(여기서, ξ는 마찰대전 계수, ε는 유전율, S는 제벡계수, k는 전기전도도를 의미한다)
상기 마찰대전 소재의 제벡계수를 추정하는 단계;를 더 포함하고, 상기 제벡계수를 추정하는 단계에서는, 하기 식 3을 이용하여 상기 마찰대전 소재의 제벡계수(S)를 추정할 수 있다.
[식 3]
Figure pat00007
(여기서, e는 전자 전하량, T0는 주위온도, N(E)는 상기 마찰대전 소재의 전자 상태 밀도, f는 fermi-dirac function, EF는 fermi energy를 의미한다)
상기 EF는, 물(water)의 산화환원 전위 범위 내의 특정 값으로 설정될 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태에 따른 정전기 생성 방법은, 제1 마찰대전 소재와 제2 마찰대전 소재를 준비하는 단계; 및 상기 제1 마찰대전 소재와 제2 마찰대전 소재를 접촉시켜 정전기를 생성하는 단계;를 포함하되, 상기 제1 마찰대전 소재 및 상기 제2 마찰대전 소재 중 적어도 하나는 상술한 마찰대전 소재 설계 방법을 이용하여 제작되는 마찰대전 소재일 수 있다.
상기 정전기를 생성하는 단계에서는, 상기 제1 마찰대전 소재와 제2 마찰대전 소재의 접촉 계면에서 발생하는 열을 증가시켜 정전기의 생성량을 증가시킬 수 있다.
상기 열은 상기 제1 마찰대전 소재와 상기 제2 마찰대전 소재 간 마찰에 의해 발생하는 것일 수 있다.
상기 열은 화학반응 또는 레이저 펄스로부터 유도되는 것일 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태에 따른 에너지 수확 방법은, 제14항의 방법을 이용하여 정전기를 생성하는 단계; 및 상기 정전기 생성 단계에서 생성된 정전기를 수확하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 제1 마찰대전 소재는 폴리염화비닐, 폴리디메틸실록산 및 폴리테트라플루오로에틸렌으로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나이며, 상기 제2 마찰대전 소재는 폴리프로필렌, 실크 및 케라틴으로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
본 발명은 마찰대전 소재의 마찰대전 계수를 산출하기 위해 필요한 물성들, 구체적으로 밀도, 비열, 열전도도 및 제벡계수를 제공하고, 이를 기초로 마찰대전 소재의 마찰대전 계수를 정밀하게 산출함과 동시에 마찰대전 소재의 대전 특성까지도 정확하게 파악할 수 있다. 또한, 본 발명을 통해 또 다른 마찰대전 특성으로서 마찰대전 소재의 마찰대전력까지도 획득할 수 있다.
또한 위와 같은 물성의 종류와 식들에 기초하여 원하는 마찰대전 특성을 가지는 마찰대전 소재를 설계할 수 있으며, 이를 이용하여 마찰대전 소재들의 접촉에 의해 생성되는 정전기의 양과 이의 수확량을 최대화함으로써 마찰대전 효율을 극대화할 수 있다.
도 1은 열전 소재와 마찰대전 소재를 비교하여 나타낸 도면이다.
도 2는 마찰대전 시리즈와 마찰열을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 예에 따른 마찰대전 소재의 마찰대전 계수 산출 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일 예에 따른 마찰대전 계수 정량화 시스템의 개략도이다.
도 5는 종래 마찰대전 시리즈와 본 발명에 따른 마찰대전 소재의 마찰대전 계수를 함께 나타난 도면이다.
도 6은 종래의 마찰대전 시리즈와 본 발명에 따른 마찰대전 시리즈를 비교하여 나타낸 도표이다.
도 7은 종래의 마찰대전 시리즈와 본 발명에 따른 마찰대전 시리즈의 유사도를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 예에 따른 마찰대전 소재의 전자 구조와 제벡 계수를 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 예에 따른 마찰대전 소재의 마찰대전 특성을 나타낸 리스트이다.
도 10은 본 발명의 일 예에 따른 마찰대전 소재 설계 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 11은 본 발명의 일 예에 따른 마찰대전 소재 설계 시스템의 개략도이다.
도 12는 본 발명의 일 예에 따른 정전기 생성 방법의 흐름도이다.
도 13은 본 발명의 일 예에 따른 에너지 수확 방법의 흐름도이다.
본 명세서의 전반에 걸쳐 기재된 "...부(unit), "...장치(device)" 및 "...시스템(system)" 등의 용어는 하나 또는 둘 이상의 기능이 조합된 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어, 소프트웨어 또는, 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
본 명세서에 설명된 다양한 기법은 하드웨어 또는 소프트웨어와 함께 구현될 수 있거나, 적합한 경우에 이들 모두의 조합과 함께 구현될 수 있다. 본 명세서에 사용된 바와 같은 "부", "모듈", "장치" 및 "시스템" 등의 용어는 마찬가지로 컴퓨터 관련 엔티티(Entity), 즉 하드웨어, 하드웨어 및 소프트웨어의 조합, 소프트웨어 또는 실행 시의 소프트웨어와 등가로 취급할 수 있다. 또한, 본 발명에서 실행되는 어플리케이션 프로그램은 "부" 단위로 구성될 수 있고, 읽기, 쓰기 및 지우기가 가능한 형태로 하나의 물리적 메모리에 기록되거나, 둘 이상의 메모리 또는 기록매체 사이에 분산되어 기록될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 설명하도록 한다.
우선, 본 발명은 마찰대전 소재에 관한 것으로, 마찰대전 소재란 마찰에 의해 대전이 일어나는 소재를 의미하며, 유전체, 금속, 반도체와 같은 고체 물질뿐만 아니라 액체 물질이나 가스 물질이 모두 이에 해당될 수 있다.
도 1은 열전 소재와 마찰대전 소재를 비교하여 나타낸 도면이다. 도 1의 (a)는 열전 실험에서 접촉된 유한한 크기의 두 재료에 있어서 한쪽에서 다른쪽으로 열의 전달을 나타내는 개략도와 그에 대응되는 온도 프로파일을 나타내는 것으로, 도시된 바와 같이 정상 상태에서 온도는 열전도도에 따라 재료 내에서 선형으로 감소하며 계면 열전도도에 따라 계면(접점)에서 갑자기 감소한다. 이에 반해 도 1의 (b)는 마찰대전 실험에서 계면 열원으로부터 유한한 크기의 두 재료의 양측으로의 열의 전달을 나타내는 개략도와 그에 대응되는 온도 프로파일을 나타내는 것으로, 도시된 바와 같이 정상 상태에서 온도는 계면으로부터 재료의 양측으로 멀어지면서 감소한다. 이와 같이 마찰대전 소재는 열전 소자와는 다른 온도 변화 양상을 가지며, 마찰대전 소재는 열전 소자와 달리 열원이 계면에 존재하는 소재를 의미한다.
도 2는 마찰대전 시리즈와 마찰열을 나타낸 도면으로서, 도 2의 (a)는 다양한 종류의 마찰대전 소재에 대해 마찰대전 계수로 정량화된 마찰 대전 시리즈를 나타내고, 도 2의 (b)는 두 접촉 재료의 계면에서 발생되는 마찰열을 나타내며, 도 2의 (c)는 계면에 위치한 stationary heat pulses를 나타내는 것으로 계면 근처에서의 온도 프로파일은 Thigh와 Tlow가 서로 다를 수 있으며, 소재의 열적 특성에 따라 접촉 계면 전체에 갑작스러운 온도 강하가 있다.
이하 본 발명에 대해 보다 구체적으로 설명한다. 도 3은 본 발명의 일 예에 따른 마찰대전 소재의 마찰대전 특성 정량화 방법을 나타낸 흐름도로서, 도시된 바와 같이 본 방법(S10)은 마찰대전 소재 마련 단계(S11); 물성 정보 획득 단계(S12); 및 마찰대전 계수 산출 단계(S13);를 포함하며, 제벡계수 추정 단계(S19);와 마찰대전력 산출 단계(S14);를 더 포함할 수 있다.
도 4는 도 3의 방법을 수행하기 위한 마찰대전 특성 정량화 시스템의 일 예를 개략적으로 나타낸 것으로서, 본 시스템(10)은 마찰대전 소재 입력부(110); 물성 정보 획득부(120); 및 마찰대전 계수 산출부(130);를 포함하고, 제벡계수 산출부(190);와 마찰대전력 산출부(140);를 더 포함할 수 있으며, 이와 함께 물성 측정장치(20);와 물성 정보 저장부(30);를 포함할 수 있다.
마찰대전 소재 마련 단계(S11)는 마찰대전 특성을 구하고자 하는 소재를 준비하는 단계로서, 실제 물리적인 소재를 준비하거나 또는 이론적으로 분석하고자 하는 소재에 관한 정보를 마찰대전 소재 입력부(110)에 입력하는 것을 포함할 수 있다.
물성 정보 획득 단계(S12)는 마찰대전 소재 마련 단계(S11)에서 마련된 마찰대전 소재에 대한 다양한 물성들 중 적어도 하나 이상의 물성에 대한 정보를 얻는 단계로서, 본 단계(S12)는 물성 정보 획득부(120)에 의해 수행될 수 있다. 예를 들어, 소재의 물성에 대한 정보는 물성 측정장치(20)를 통해 소재를 직접 측정하거나 분석하여 원하는 종류의 물성에 대한 데이터를 획득하고 물성 측정장치(20)로부터 물성 정보 획득부(120)가 직접 물성에 대한 데이터를 획득하는 방식으로 이루어지거나, 물성 측정장치(20)가 소재를 분석하여 획득한 데이터를 물성 정보 저장부(30)에 우선 저장하고 물성 정보 저장부(30)로부터 물성 정보 획득부(120)가 데이터 정보를 획득하는 방식으로 이루어질 수 있다. 또는, 소재의 물성에 대한 데이터를 획득하기 위해 물성 측정장치(20)를 이용하는 것이 아니라, 물성 정보 저장부(30)에 해당 마찰대전 소재에 관련하여 이미 저장되어 있는 물성에 대한 데이터를 물성 정보 획득부(120)가 획득하는 방식으로 이루어질 수 있다.
여기서, 본 발명은 특히 마찰대전 소재의 다양한 물성들 중, 마찰대전 소재의 밀도(ρ), 비열(c), 열전도도(k) 및 제벡계수(S)에 대한 정보를 얻을 수 있으며, 추가로 유전율(ε)에 대한 정보를 더 얻을 수 있다.
밀도(ρ)는 물질의 단위부피당 질량을 의미하고, 비열(c)은 물질의 단위질량에 가해진 열량에 따른 온도 변화의 비를 의미하고, 열전도도(k)는 물질의 단위 온도 구배 상태에서 단위 시간당 단위 면적을 통하여 흐르는 열량을 의미하며, 유전율(ε)은 물질(유전체)에 외부 전기장을 가할 시 물질 내에서 전기장 세기가 감소하는 비율을 의미한다. 제벡계수(S)는 물질에 따라 결정되는 상수 값으로서, 제벡 기전력을 접함점에서의 온도차로 나눈 값의 차이로 온도차가 0에 접근한 극한값을 의미하며, 제벡계수(S)는 크기 성질만 아니라 양의 값과 음의 값에 해당하는 부호 성질을 동시에 가질 수 있다.
상기의 각 종류에 해당하는 물성들은 종래 알려진 방식 또는 장치 등을 통해 획득할 수 있으며, 본 시스템(10)의 물성 측정장치(20)는 이와 같은 종래 장치들 중 하나일 수 있다. 또는 이와 달리 마찰대전 소재의 물성들에 대한 정보가 이미 알려진 경우에는 해당 정보가 물성 정보 저장부(30)에 미리 저장되어 있을 수 있으며, 물성 정보 저장부(30)로부터 기 저장된 정보들을 획득할 수 있다. 여기서, 본 발명은 특히 제벡계수(S)에 대한 정보를 획득하기 위해 제벡계수를 추정하는 단계(S19)를 더 포함할 수 있는데, 이에 관한 보다 자세한 내용은 후술하기로 한다.
마찰대전 계수 산출단계(S13)는 물성 정보 획득 단계(S12)에서 획득된 적어도 하나의 물성에 대한 정보를 기초로, 마찰대전 소재의 마찰대전 계수(triboelectric factor, ξ)를 산출하는 단계로서, 본 단계(S13)는 마찰대전 계수 산출부(130)에 의해 수행될 수 있다. 보다 구체적으로, 본 단계(S13)에서는 상술한 바와 같이 소재의 밀도, 비열, 열전도도 및 제벡계수에 대한 정보에 기초하여 소재의 마찰대전 계수를 산출할 수 있으며, 이때 본 단계에서는 더욱 구체적으로 하기 식 1을 이용하여 마찰대전 소재의 마찰대전 계수를 산출할 수 있다.
[식 1]
Figure pat00008
(여기서, ξ는 마찰대전 계수, S는 제벡계수, ρ는 밀도, c는 비열, 및 k는 열전도도를 의미한다)
위 식 1과 같이, 마찰대전 소재의 마찰대전 계수는 제벡계수의 크기에 비례하고, 밀도, 비열 및 열전도도의 곱의 제곱근에 반비례하는 관계를 가지며, 본 단계(S13)에서는 이에 기초하여 마찰대전 소재의 마찰대전 계수를 정확히 산출할 수 있다. 한편, 본 발명에서 위 식 1에 의해 산출된 마찰대전 계수와, 후술하는 식 2에 의해 산출된 마찰대전 계수를 구분하기 위해, 필요에 따라 식 1에 의해 산출된 마찰대전 계수를 제1 마찰대전 계수라 하고, 식 2에 의해 산출된 마찰대전 계수를 제2 마찰대전 계수라 하기로 한다.
여기서, 밀도, 비열, 열전도도는 스칼라량으로서 단순히 크기만을 가지는 물리량임에 반해, 상술한 바와 같이 제벡계수는 크기뿐만 아니라 양 또는 음의 부호를 함께 가지는 물리량이므로, 본 발명에 의하면 마찰대전 계수의 크기뿐만이 아니라 마찰에 의해 대전되는 극성까지 결정할 수 있다. 이와 같이 본 발명에 의하면, 마찰대전 소재의 마찰대전 계수의 크기와 대전 극성을 정확히 파악할 수 있으며, 이를 통해 다양한 종류의 마찰대전 소재들 간의 마찰대전 시리즈(triboelectric series)를 구할 수 있다.
도 5는 종래 마찰대전 시리즈와 본 발명에 따른 마찰대전 소재의 마찰대전계수를 함께 나타낸 도면으로서, 도 5의 (a)는 종래 마찰대전 시리즈를 나타내고 도 5의 (b)는 본 발명에 의해 도출된 마찰대전 소재들 각각의 마찰대전 계수의 그래프를 나타내고, 도 6은 종래의 마찰대전 시리즈와 본 발명에 따른 마찰대전 시리즈를 비교하여 나타낸 도표로서, 도 6에 밑줄로 표시한 pub. year 2021이 본 발명에 따른 마찰대전 시리즈에 해당하며, 도 7은 종래의 마찰대전 시리즈와 본 발명에 따른 마찰대전 시리즈의 유사도를 나타내는 그래프이다.
도 5 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 종래 마찰대전 시리즈는 각 마찰대전 시리즈의 제작 년도에 따라 변화해왔음을 알 수 있는데, 이로부터 종래에는 마찰대전 시리즈를 정확하게 구할 수 있는 방법이 없고, 특히 각 마찰대전 소재의 마찰대전 계수를 정량화하는 방법이 없어 접촉되는 두 소재간의 상대적인 대전 특성을 통해 마찰대전 시리즈를 간접적으로 파악하였다는 점을 알 수 있다.
이에 반해, 본 발명은 상술한 바와 같이 마찰대전 소재의 물성에 기초하여 마찰대전 계수를 정확히 산출할 수 있으므로, 마찰대전 소재의 단락조건 후 각 마찰대전 소재에 따른 마찰대전 계수를 산출한 뒤 이들을 극성에 따른 크기순으로 정렬하여 다수의 소재들 간의 마찰대전 시리즈를 정확히 구할 수 있다. 본 발명을 이용하여 도출한 마찰대전 시리즈는 도 7에 도시된 바와 같이 종래 마찰대전 시리즈들과 비교하여 약 83% 정도의 평균 유사도를 가짐을 알 수 있다.
한편, 상술한 바와 같이 본 발명은 물성 정보 획득 단계(S12)에서 마찰대전 소재의 유전량(ε)에 대한 정보를 더 얻을 수 있으며, 마찰대전 계수 산출 단계(S13)에서는 유전량에 대한 정보를 추가적으로 이용하여 마찰대전 계수를 산출할 수 있다. 이때 본 단계(S13)에서는 더욱 구체적으로 하기 식 2를 이용하여 마찰대전 소재의 마찰대전 계수를 산출할 수 있다.
[식 2]
Figure pat00009
(여기서, ξ는 마찰대전 계수, ε는 유전율, S는 제벡계수, k는 전기전도도를 의미한다)
위 식 2와 같이, 마찰대전 소재의 마찰대전 계수는 유전율과 제벡계수의 곱에 비례하고, 열전도도에 반비례하는 관계를 가지며, 이에 기초하여 본 단계에서는 마찰대전 소재의 마찰대전 계수를 정확히 산출할 수 있다.
위 식 2의 마찰대전 계수는, 마찰열에 의해 마찰대전 소재의 표면에 유도된 표면 유도 전하 밀도에 비례하는 것으로서, 표면 유도 전하 밀도는 아래의 식에 의해 구할 수 있다.
[표면 유도 전하 밀도 식]
Figure pat00010
(여기서, σsurface는 표면 유도 전하 밀도, ε은 유전율, S는 제벡계수, k는 전기전도도, Q0는 마찰열, τ는 시간을 의미한다)
위 식에서 Q0/τ는 단위시간당 생성되는 마찰열에 해당한다. 즉, 본 발명에서는 식 2를 통해 마찰대전 계수(즉, 제2 마찰대전 계수)를 산출할 수 있으며, 이는 표면 유도 전하 밀도와 비례하는 관계를 가짐을 알 수 있다. 여기서, 표면 유도 전하의 경우에는 실제 물리량으로서 실험적으로 측정 및 검증이 가능하다는 장점이 있으므로, 이에 비례하는 식 2를 통해 산출한 제2 마찰대전 계수를, 상술한 식 1을 통해 산출한 제1 마찰대전 계수의 정확도를 검증하는 보조수단으로 사용할 수 있다. 이를 위해, 본 발명의 시스템은 마찰대전 소재의 표면 유도 전하를 측정하기 위한 측정수단(미도시)을 더 포함할 수 있다.
한편, 상술한 바와 같이 본 발명은 마찰대전 소재의 물성들 중 특히 제벡계수를 알기 위해 제벡계수를 추정하는 단계(S19)를 더 포함할 수 있으며, 이는 제벡계수 추정부(190)에 의해 수행될 수 있다. 본 단계(S19)는 본 발명에서 사용되는 다른 종류의 물성들과 달리 일반적으로 잘 문서화되어 있지 않은 제벡계수를 구하기 위한 것으로서, 종래 제벡계수를 측정하기 위해 별도의 장치 등을 이용하는 것과 달리 본 발명은 본 단계(S19)에서 하기 식 3을 이용하여 마찰대전 소재의 제벡계수(S)를 추정할 수 있다.
[식 3]
Figure pat00011
(여기서, e는 전자 전하량, T0는 주위온도, N(E)는 상기 마찰대전 소재의 전자 상태 밀도, f는 fermi-dirac function, EF는 fermi energy를 의미한다)
이론적으로 제벡계수는 페르미 에너지(Ef)의 위치(location)와 해당 위치에서의 국소 밀도상태에 의존하며, 마찰대전 소재의 페르미 에너지의 위치는 샘플의 퀄리티와 주변 환경에 의해 결정되므로, 동일한 소재에 대해서도 그 값이 쉽게 달라질 수 있다. 또한, 특정 소재에 대하여 페르미 에너지의 위치 내지 포지션(position)을 실험을 통해 알 수 없으므로, 일반적인 마찰대전 환경을 고려하면서 페르미 에너지의 위치를 찾는 방법이 필요하다.
이에 본 발명은 다양한 마찰대전 소재(예를 들어, 반도체)와 물(water) 사이에서 페르미 에너지의 보편적인 정렬을 선택하며, 보다 구체적으로 대기는 일정량의 수분을 포함하므로 물(water, H2/H+)의 산화환원 전위를 페르미 에너지의 정렬위치로 설정할 수 있다. 물의 산화환원 전위는 H+의 농도 즉 산성도에 의존하는 값으로서 산성이 매우 큰 경우 -4.44 eV 에서 pH가 높아짐에 따라 -5.24 eV까지 변화할 수 있으며, 본 발명은 위의 범위 즉, -5.24eV 이상 -4.44 eV 이하를 만족하는 범위 내의 특정 값을 페르미 에너지의 정렬위치로 설정할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 예에 따른 마찰대전 소재의 전자 구조와 제벡 계수를 나타낸 그래프로서, 도 8의 (a)는 밸런스 밴드(valance banc)와 컨덕션 밴드(conduction band)를 함께 나타낸 마찰대전 소재의 전자 구조를 나타내고, 도 8의 (b)는 마찰대전 소재의 제벡계수를 나타낸다. 도시된 바와 같이 각 마찰대전 소재들의 밴드 오프셋은 제로(0) 에너지에서의 진공 레벨을 기준으로 정렬되며, 페르미 에너지는 물(수소)의 산화환원 레벨에 속하는 -4.44 e를 기준으로 보편적으로 정렬됨을 알 수 있다. 여기서 각 마찰대전 소재의 전하-중립 레벨(charge-neutrality level)은 Eneutral로 표시하였다.
이를 통해, 도 8의 (b)에 나타낸 각 마찰대전 소재, 즉, wool(sulfur-crosslinked α-keratin), polypropylene(PP), silk, nylon, polyisoprene(NR: natural rubber), cellulose, Al, Si, quartz(SiO2), sulfur, pylyethylene(PE), polydimethylsiloxane(PDMS: silicone rubber) 및 polyvinyl chlorine(PVC)의 밴드 정렬과 제벡 계수를 구할 수 있다. 각 소재의 전하-중립 위치가 페르미 에너지 위치(즉, 본 발명에서는 -4.44 eV)보다 클때에는 제벡 계수가 양이 되고, Metallic Al은 제벡 계수가 거의 제로가 되며, 각 소재의 전하-중립 위치가 페르미 에너지 위치보다 작을때에는 제벡 계수가 음이 됨을 알 수 있다. 일반적으로, 제벡계수의 크기(magnitude)는 페르미 에너지 위치와 소재의 전하-중립 위치 사이의 분리 정도가 감소함에 따라 증가한다.
이와 같이, 본 발명은 각 소재의 페르미 에너지(또는, 페르미 에너지의 정렬 위치)를 물의 산화환원 전위로 설정함으로써 각 소재의 실제 제벡계수 값과 매우 근접한 제벡계수 추정값을 얻을 수 있으며, 또한 본 발명은 본 제벡계수 추정 단계가 더 마련됨에 따라 각 소재의 제벡계수를 실제로 측정하지 않고도 각 소재의 충전대전량을 산출할 수 있는 이점이 있다.
한편, 본 발명은 마찰대전 소재의 또 다른 마찰대전 특성인 마찰대전력을 산출할 수 있다. 이를 위해 본 발명은 마찰대전 소재의 마찰대전력을 산출하는 단계(S14);를 더 포함할 수 있으며, 본 단계(S14)는 마찰대전력 산출부(140)에 의해 수행될 수 있다.
이때, 본 단계에서는 앞의 단계(S13)에서 구한 마찰대전 소재의 마찰대전 계수를 기초로 하여 마찰대전력을 구할 수 있으며, 보다 구체적으로 하기 식 4를 이용하여 마찰대전 소재의 마찰대전력(triboelectric power)을 산출할 수 있다.
[식 4]
Figure pat00012
(여기서, Κ는 마찰대전력, ξ는 마찰대전 계수, t는 마찰 시간을 의미한다)
상술한 마찰대전 계수의 단위는 Vs1/2/Jcm-2 이므로 , 단위 에너지 밀도 당 정전기 포텐셜과 연관될 수 있으나, s1/2 이므로 이와 정확히 일치하지는 않는다. 이에 따라 본 발명에서는 마찰대전 계수에 마찰시간 t의 제곱근을 곱하여 마찰대전력을 산출할 수 있다. 마찰대전력의 단위는 V/Wcm-2 로서, 단위 힘 밀도당 정전기 포텐셜을 나타낸다. 마찰대전력은 마찰시간 t가 증가할 때 t 제곱근의 의존성에 따르므로, 마찰대전 소재의 마찰대전 특성을 평가하는데 중요한 요소로 작용할 수 있다.
구체적으로, 마찰대전력 K는 후술하는 바와 같이 제1 마찰대전 소재와 제2 마찰대전 소재 간 접촉 계면에서 생성되는 정전기의 생성량 등을 측정하는 지표로서 이용될 수 있다. 보다 구체적으로, 제1 마찰대전 소재와 제2 마찰대전 소재 사이에서 발생하는 마찰대전압은 하기 식 5를 통해 산출할 수 있다.
[식 5]
Figure pat00013
(여기서, V는 마찰대전압, K는 제1 마찰대전 소재와 제2 마찰대전 소재 간 마찰대전력의 차이, Q는 제1 마찰대전 소재와 제2 마찰대전 소재의 접촉 계면에서의 마찰열)
이와 같이, 두 마찰대전 소재의 마찰에 의한 마찰대전압은 두 소재 간 마찰대전력의 차이와 두 소재의 접촉계면에서의 마찰열의 곱으로 정의될 수 있으며, 이때 마찰대전압은 실제 측정 가능한 대전압으로서 그 단위는 V에 해당한다. 이러한 점에 기초하여, 마찰대전력 K는 두 마찰대전 소재의 마찰대전력의 차이 값에 두 마찰대전 소재 사이에서 발생하는 열을 곱하였을 때 산출되는 대전압으로 측정될 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 예에 따른 마찰대전 소재의 마찰대전 특성을 나타낸 리스트로서, 도 9의 표와 같이 본 발명을 통해 마찰대전 소재의 특성을 정량화할 수 있다. 이와 같이 본 발명인 마찰대전 특성 정량화 방법은, 마찰대전 소재의 마찰대전 계수를 산출하기 위해 필요한 물성들, 구체적으로 밀도, 비열, 열전도도 및 제벡계수를 제공하고, 이를 기초로 마찰대전 소재의 마찰대전 계수의 크기를 정밀하게 산출함과 동시에 마찰대전 소재의 대전 특성까지도 파악할 수 있다. 또한, 본 발명을 통해 또 다른 마찰대전 특성으로서 마찰대전 소재의 마찰대전력까지도 획득할 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 다른 양태에 따른 마찰대전 소재 설계 방법에 대해 설명하도록 한다. 도 10은 본 발명의 일 예에 따른 마찰대전 소재 설계 방법을 나타낸 흐름도이고, 도 11은 도 10의 방법을 수행하기 위한 마찰대전 소재 설계 시스템의 일 예를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 10에 도시된 바와 같이, 본 방법(S20)은 마찰대전 소재 설정 단계(S21); 물성 정보 획득 단계(S22); 설계변수 조정 단계(S23); 및 설계값 설정 단계(S24)'를 포함하고, 제벡계수 추정 단계(S29);를 더 포함할 수 있으며, 도 11에 도시된 바와 같이 본 시스템(20)은 마찰대전 소재 설정부(210); 설계변수 설정부(220); 설계변수 조정부(230); 및 설계값 설정부(240);를 포함하고, 제벡계수 추정부(290);를 더 포함할 수 있다.
마찰대전 소재 설정 단계(S21)는 설계하고자 하는 마찰대전 소재의 마찰대전 계수를 설정하는 단계로서, 예를 들어 마찰대전 계수가 큰 마찰대전 소재를 설계하고자 하는 경우 그에 해당하는 제1 마찰대전 계수 값을 마찰대전 소재 설정부(210)에 입력하거나, 마찰대전 계수가 작은 마찰대전 마찰대전 소재를 설계하고자 하는 경우에는 그에 해당하는 제2 마찰대전 계수 값을 마찰대전 소재 설정부(210)에 입력하는 방식으로 이루어질 수 있다. 이때 마찰대전 계수는 단순히 그 크기뿐만이 아니고 상술한 바와 같이 제벡계수에 의해 부호까지 결정될 수 있는 것이며, 본 예에 의하면 제1 마찰대전 계수의 크기는 제2 마찰대전 계수의 크기에 비해 클 수 있다.
설계변수 설정 단계(S22)는 마찰대전 소재에 대한 물성들 중 일부를 설계변수로 설정하는 단계로서, 이는 본 시스템(20)의 설계변수 설정부(220)에 의해 수행될 수 있다. 본 단계(S20)에서 설계변수로 설정되는 물성은, 마찰대전 소재의 밀도, 비열, 열전도도 및 제벡계수를 포함할 수 있으며, 나아가 유전율을 더 포함할 수 있다.
설계변수 조정 단계(S23)는 앞의 마찰대전 소재 설정 단계(S21)에서 설정된 마찰대전 계수 값을 만족시키도록 상기 설계변수들을 조정하여 마찰대전 소재의 밀도, 비열, 열전도도, 유전율 및 제벡계수의 설계값으로 설정할 수 있으며, 이는 본 시스템(20)의 설계변수 조정부(230)에 의해 수행될 수 있다.
이때, 본 발명은 설계변수를 조정하는 단계(S23)에서, 하기 식 1을 이용하여 각 설계변수들을 조정할 수 있다.
[식 1]
Figure pat00014
(여기서, ξ는 마찰대전계수, S는 제벡계수, ρ는 밀도, c는 비열, 및 k는 열전도도를 의미한다)
예를 들어, 마찰대전 계수가 큰 제1 마찰대전 계수 값을 만족시키기 위해서는 제벡계수를 크게 하고, 밀도, 비열, 열전도도의 곱이 작아지도록 설계변수들을 조정할 수 있다. 일반적으로 유기 고분자 소재는 이와 같은 특징을 가지고 있으며, 의도적 또는 비의도적 도핑에 의해 제벡계수가 양 또는 음의 극성을 갖도록 할 수 있다. 또는, 마찰대전 계수가 작은 제2 마찰대전 계수 값을 만족시키기 위해서는 위와 반대로 제벡계수를 작게 하고, 밀도, 비열, 열전도도의 곱이 커지도록 설계변수들을 조정할 수 있다.
나아가, 본 단계(S23)에서는, 하기 식 2를 이용하여 설계변수들은 조정할 수 있다.
[식 2]
Figure pat00015
(여기서, ξ는 마찰대전 계수, ε는 유전율, S는 제벡계수, k는 전기전도도를 의미한다)
식 2를 이용하는 경우에, 예를 들어 제1 마찰대전 계수 값을 만족시키기 위해서는 유전율과 제벡계수의 곱이 커지도록 하고 열전도도가 작아지도록 설계변수들을 조정할 수 있으며, 제2 마찰대전 계수 값을 만족시키기 위해서는 위와 반대로 유전율과 제벡계수의 곱이 작아지도록 하고 열전도도가 커지도록 설계변수들을 조정할 수 있다.
설계값 설정 단계(S24)는 앞의 설계변수 조정 단계(S23)에서 조정된 설계변수를, 설계변수에 대응되는 물성, 즉 밀도, 비열, 열전도도, 유전율 및 제벡계수 각각의 설계값으로 설정하는 단계로서, 이는 본 시스템(20)의 설계값 설정부(240)에 의해 수행될 수 있다. 본 발명은 마찰대전 소재 설정 단계(S21)에서 설정된 마찰대전 계수를 만족하도록 설계변수들을 조정하며, 이와 같이 조정된 설계변수들에 대응되는 각 물성의 최종 값들을 설계값들로 설정할 수 있다.
한편, 상술한 바와 같이 본 발명인 마찰대전 소재 설계 방법(S20)에 있어서, 설계변수들 중 특히 제벡계수를 알기 위해 제벡계수를 추정하는 단계(S29);를 더 포함할 수 있으며, 이는 본 시스템(20)의 제벡계수 추정부(290)에 의해 수행될 수 있다. 보다 구체적으로, 본 단계(S29)에서는 하기 식 3을 이용하여 마찰대전 소재의 제벡계수(S)를 추정할 수 있다.
[식 3]
Figure pat00016
(여기서, e는 전자 전하량, T0는 주위온도, N(E)는 상기 마찰대전 소재의 전자 상태 밀도, f는 fermi-dirac function, EF는 fermi energy를 의미한다)
또한, 본 단계(S29)에서도 앞에서 설명한 바와 마찬가지로, 물의 산화환원 전위의 특정 값, 예를 들어 -4.44eV를 페르미 에너지의 위치로 설정할 수 있으며, 이를 기초로 제벡계수를 추정할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명은 설계변수에 해당하는 물성의 종류를 제공하고, 상술한 식 1 내지 식 2를 통해 원하는 마찰대전 계수를 가지는 마찰대전 소재의 각 물성들의 설계값을 설정할 수 있게 되며, 이를 이용하여 해당 설계값을 가지는 마찰대전 소재를 최종적으로 제작할 수 있다.
이에 따라, 본 발명은 에너지 하베스팅을 위해 마찰대전에 의한 충전을 최대화하기 위하여 마찰대전 계수가 큰 소재를 그 물성의 종류에 기초하여 설계할 수 있고, 이와 달리 정전기 방지 소재를 제조함에 있어서는 마찰대전 계수가 작은 소재를 설계할 수 있다. 즉, 본 발명에 의하면 원하는 목적에 일치하도록 원하는 마찰대전 특성을 가지는 마찰대전 소재를 설계하고 이를 이용하여 최종적으로 마찰대전 소재를 제조할 수 있다.
한편, 본 발명인 마찰대전 소재 설계 방법(S20)에서 사용된 식 1 내지 3은 앞서 설명한 마찰대전 특성 정량화 방법(S10)에서의 식 1 내지 3과 동일하며, 양 발명에서 서로 중복되는 내용에 대한 상세한 설명은 생략하였다.
이하에서는, 본 발명의 또 다른 양태인 정전기 생성 방법과, 이를 이용한 에너지 수확 방법에 대해 설명하도록 한다.
도 12는 본 발명의 일 예에 따른 정전기 생성 방법의 흐름도로서, 도 12를 참조하면 본 방법(S30)은 마찰대전 소재 준비 단계(S31); 및 정전기 생성 단계(S32);를 포함할 수 있다.
마찰대전 소재 준비 단계(S31)는 제1 마찰대전 소재와 제2 마찰대전 소재를 준비하는 단계로서, 이때 본 발명에서는 제1 마찰대전 소재 및 제2 마찰대전 소재 중 적어도 하나는 상술한 마찰대전 소재 설계 방법(S20)을 이용하여 제작되는 마찰대전 소재일 수 있다.
정전기 생성 단계(S32)는 제1 마찰대전 소재와 제2 마찰대전 소재를 접촉시켜 정전기를 생성하는 단계로서, 본 단계(S32)에서는 제1 마찰대전 소재와 제2 마찰대전 소재의 접촉에 의해 정전기가 생성될 수 있다. 여기서, 제1 마찰대전 소재와 제2 마찰대전 소재의 접촉 계면에서 발생하는 열을 증가시켜 정전기의 생성량을 증가시킬 수 있는데, 이때 접촉 계면에서 발생하는 열은 제1 마찰대전 소재와 제2 마찰대전 소재 간 마찰에 의해 발생하는 마찰열이거나, 또는 화학반응이나 레이저 펄스로부터 유도되는 열일 수 있다. 즉, 제1 마찰대전 소재와 제2 마찰대전 소재에 물리적인 힘을 가하여 접촉계면에서의 마찰열의 발생을 증가시키거나, 또는 제1 마찰대전 소재와 제2 마찰대전 소재의 접촉 계면에 화학반응을 가하거나 레이저 펄스를 가하여 외부로부터 접촉계면으로 인가되는 열을 증가시켜 마찰 대전 효율을 최대화할 수 있다.
도 13은 본 발명의 또 다른 양태에 따른 에너지 수확 방법의 흐름도로서, 도 13을 참조하면 본 방법(S40)은 정전기 생성 단계(S41); 및 정전기 수확 단계(S42);를 포함할 수 있다. 한편, 정전기를 생성하기 위한 정전기 생성 수단 및 정전기를 수확하기 위한 정전기 수확 수단은 각각 종래 알려진 수단에 해당할 수 있으며, 본 명세서에서 이를 수행하기 위한 구체적인 수단에 대한 설명은 생략하기로 한다.
정전기 생성 단계(S41)는 정전기를 생성하는 단계로서, 이때 본 단계(S41)는 상술한 정전기 생성 방법(S30)을 이용하여 정전기를 생성하는 것으로, 구체적으로 제1 마찰대전 소재와 제2 마찰대전 소재를 접촉시켜 정전기를 생성할 수 있다.
정전기 수확 단계(S42)는 앞의 정전기 생성 단계(S41)에서 생성된 정전기를 수확하는 단계로서, 상술한 바와 같이 정전기 수확 수단에 의해 수행될 수 있다.
이때, 본 발명에 있어서, 제1 마찰대전 소재는 폴리염화비닐, 폴리디메틸실록산 및 폴리테트라플루오로에틸렌으로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있고, 제2 마찰대전 소재는 폴리프로필렌, 실크 및 케라틴으로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다. 상술한 제1 마찰대전 소재와 제2 마찰대전 소재는 각각 마찰대전 계수가 크기 때문에, 본 발명에 의하면 정전기 생성 단계에서 생성되는 정전기의 양이 극대화되어, 최종적으로 많은 양의 정전기를 수확할 수 있게 된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면 마찰대전 소재의 물성의 종류 중 밀도, 비열, 열전도도, 유전율 및 제벡계수에 기초하고 상술한 식들에 기초하여 마찰대전 소재의 마찰대전 계수를 정확하게 정량화할 수 있다. 또한 위와 같은 물성의 종류와 식들에 기초하여 원하는 마찰대전 특성을 가지는 마찰대전 소재를 설계할 수 있으며, 이를 이용하여 마찰대전 소재들의 접촉에 의해 생성되는 정전기의 양과 이의 수확량을 극대화할 수 있는 방법을 제공할 수 있다.
나아가, 본 발명을 이용하여 마찰대전 소재의 성능을 평가하거나, 원하는 마찰대전 특성을 가지는 소재, 예를 들어 정전기 발생을 방지하기 위한 정전기 방지 소재나 정전기의 발생량을 증가시키기 위한 정전기 발생 소재 등을 제조하거나, 에너지 수확 장치 등을 제조할 수 있음은 물론이다.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야 한다.
S10: 마찰대전 특성 정량화 방법
S20: 마찰대전 소재 설계 방법
S30: 정전기 생성 방법
S40: 에너지 수확 방법
10: 마찰대전 특성 정량화 시스템
20: 마찰대전 소재 설계 시스템

Claims (19)

  1. 마찰대전 소재를 마련하는 단계;
    상기 마찰대전 소재에 대한 적어도 하나의 물성에 대한 정보를 얻는 단계; 및
    상기 적어도 하나의 물성에 대한 정보를 기초로 상기 마찰대전 소재의 마찰대전 계수(ξ)를 산출하는 단계;를 포함하며,
    상기 적어도 하나의 물성은,
    상기 마찰대전 소재의 밀도(ρ), 비열(c), 열전도도(k) 및 제벡계수(S)를 포함하는, 마찰대전 소재의 마찰대전 특성 정량화 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 마찰대전 계수를 산출하는 단계에서는,
    하기 식 1을 이용하여 상기 마찰대전 소재의 마찰대전 계수를 산출하는, 마찰대전 소재의 마찰대전 특성 정량화 방법.
    [식 1]
    Figure pat00017

    (여기서, ξ는 마찰대전 계수, S는 제벡계수, ρ는 밀도, c는 비열, 및 k는 열전도도를 의미한다)
  3. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 물성은,
    상기 마찰대전 소재의 유전율(ε)을 더 포함하는, 마찰대전 소재의 마찰대전 특성 정량화 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 마찰대전 계수를 산출하는 단계에서는,
    하기 식 2를 이용하여 상기 마찰대전 소재의 마찰대전 계수(ξ)를 산출하는, 마찰대전 소재의 마찰대전 특성 정량화 방법.
    [식 2]
    Figure pat00018

    (여기서, ξ는 마찰대전 계수, ε는 유전율, S는 제벡계수, k는 전기전도도를 의미한다)
  5. 제1항에 있어서,
    상기 마찰대전 소재의 제벡계수를 추정하는 단계;를 더 포함하고,
    상기 제벡계수를 추정하는 단계에서는,
    하기 식 3을 이용하여 상기 마찰대전 소재의 제벡계수(S)를 추정하는, 마찰대전 소재의 마찰대전 특성 정량화 방법.
    [식 3]
    Figure pat00019

    (여기서, e는 전자 전하량, T0는 주위온도, N(E)는 상기 마찰대전 소재의 전자 상태 밀도, f는 fermi-dirac function, EF는 fermi energy를 의미한다)
  6. 제5항에 있어서,
    상기 EF는, 물(water)의 산화환원 전위 범위 내의 특정 값으로 설정되는 것을 특징으로 하는, 마찰대전 소재의 마찰대전 특성 정량화 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 마찰대전 소재의 마찰대전력을 산출하는 단계;를 더 포함하며,
    상기 마찰대전력을 산출하는 단계에서는 하기 식 4를 이용하여 상기 마찰대전력을 산출하는, 마찰대전 소재의 마찰대전 특성 정량화 방법.
    [식 4]
    Figure pat00020

    (여기서, Κ는 마찰대전력, ξ는 마찰대전 계수, t는 마찰 시간을 의미한다)
  8. 설계하고자 하는 마찰대전 소재의 마찰대전 계수를 설정하는 단계;
    상기 마찰대전 소재에 대한 물성들 중 일부를 설계변수로 설정하는 단계;
    상기 마찰대전 계수 설정 단계에서 설정된 마찰대전 계수를 만족시키도록 상기 설계변수를 조정하는 단계; 및
    상기 설계변수 조정 단계에서 조정된 설계변수를, 상기 설계변수에 대응되는 물성의 설계값으로 설정하는 단계;를 포함하며,
    상기 설계변수로 설정되는 물성은,
    상기 마찰대전 소재의 밀도(ρ), 비열(c), 열전도도(k) 및 제벡계수(S)를 포함하는, 마찰대전 소재 설계 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 설계변수를 조정하는 단계에서는,
    하기 식 1을 이용하여 상기 설계변수를 조정하는, 마찰대전 소재 설계 방법.
    [식 1]
    Figure pat00021

    (여기서, ξ는 마찰대전 계수, S는 제벡계수, ρ는 밀도, c는 비열, 및 k는 열전도도를 의미한다)
  10. 제8항에 있어서,
    상기 설계변수로 설정되는 물성은,
    상기 마찰대전 소재의 유전율(ε)을 더 포함하는, 마찰대전 소재 설계 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 설계변수를 조정하는 단계에서는,
    하기 식 2를 이용하여 상기 설계변수를 조정하는, 마찰대전 소재 설계 방법.
    [식 2]
    Figure pat00022

    (여기서, ξ는 마찰대전 계수, ε는 유전율, S는 제벡계수, k는 전기전도도를 의미한다)
  12. 제8항에 있어서,
    상기 마찰대전 소재의 제벡계수를 추정하는 단계;를 더 포함하고,
    상기 제벡계수를 추정하는 단계에서는,
    하기 식 3을 이용하여 상기 마찰대전 소재의 제벡계수(S)를 추정하는, 마찰대전 소재 설계 방법.
    [식 3]
    Figure pat00023

    (여기서, e는 전자 전하량, T0는 주위온도, N(E)는 상기 마찰대전 소재의 전자 상태 밀도, f는 fermi-dirac function, EF는 fermi energy를 의미한다)
  13. 제12항에 있어서,
    상기 EF는, 물(water)의 산화환원 전위 범위 내의 특정 값으로 설정되는 것을 특징으로 하는, 마찰대전 소재 설계 방법.
  14. 제1 마찰대전 소재와 제2 마찰대전 소재를 준비하는 단계; 및
    상기 제1 마찰대전 소재와 제2 마찰대전 소재를 접촉시켜 정전기를 생성하는 단계;를 포함하되,
    상기 제1 마찰대전 소재 및 상기 제2 마찰대전 소재 중 적어도 하나는 제8항의 방법을 이용하여 제작되는 마찰대전 소재인 것을 특징으로 하는, 정전기 생성 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 정전기를 생성하는 단계에서는,
    상기 제1 마찰대전 소재와 제2 마찰대전 소재의 접촉 계면에서 발생하는 열을 증가시켜 정전기의 생성량을 증가시키는, 정전기 생성 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 열은 상기 제1 마찰대전 소재와 상기 제2 마찰대전 소재 간 마찰에 의해 발생하는 것인, 정전기 생성 방법.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 열은 화학반응 또는 레이저 펄스로부터 유도되는 것인, 정전기 생성 방법.
  18. 제14항의 방법을 이용하여 정전기를 생성하는 단계; 및
    상기 정전기 생성 단계에서 생성된 정전기를 수확하는 단계;를 포함하는, 에너지 수확 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 제1 마찰대전 소재는 폴리염화비닐, 폴리디메틸실록산 및 폴리테트라플루오로에틸렌으로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나이며,
    상기 제2 마찰대전 소재는 폴리프로필렌, 실크 및 케라틴으로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나인, 에너지 수확 방법.
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