KR20220163548A - 메조포로스 카본과 전하조절염료 코팅을 이용한 마찰전기 발전기 - Google Patents
메조포로스 카본과 전하조절염료 코팅을 이용한 마찰전기 발전기 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 반대로 대전된 대전체 사이에 메조포로스 카본과 염료를 코팅한 마찰전기 발전기에 관한 것으로, 본 발명의 마찰전기 발전기에서 메조포로스 카본을 담지한 음대전층은 표면적이 증가된 3차원 구조에 외부에서 주입한 높은 음전하를 담지하고, 양대전층은 표면을 양전하로 코팅하여 높은 양전하 밀도를 갖기 때문에, 마찰 시에 마찰전기 발생을 증폭시켜 전압과 전류량을 증가시켜 마찰전기 발전기의 마찰 발전 효율을 증폭시킬 수 있다.
Description
본 발명은 메조포로스 카본에 의한 전하 담지 성능이 향상 된 마찰 전기 발전기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 음대전층은 메조포러스 카본층이 포함 된 고분자 유전체 층에 외부에서 전하를 주입하여 표면전하밀도를 증가시켜, 마찰 기전력을 높이고, 양대전층은 염료를 이용하여 표면의 전하밀도를 증가시켜, 마찰 발전 효율을 증폭시킬 수 있는 마찰전기 발전기에 관한 것이다.
최근 화석 에너지의 고갈, 환경오염 및 늘어나는 에너지 수요량과 같은 에너지 관련 문제가 대두됨에 따라, 대체 에너지 기술로서 주변 환경에 존재하는 바람이나 진동, 또는 인간의 움직임으로부터 발생되는 기계적 에너지 등을 전기 에너지로 변환하여 추출할 수 있는 에너지 하베스팅 기술에 대한 관심이 높아지고 있다.
에너지 하베스팅 기술 중 마찰전기 발전기(triboelectric nanogenerator; TENG)는 두 대전체의 마찰 시 나타나는 전하 이동 현상을 이용하여 전기 에너지를 발생시키는 에너지 하베스팅 소자이다. 마찰전기 발전기는 열이나 태양을 이용한 에너지 하베스팅 소자들에 비해서 시간적, 공간적 제약이 없다. 마찰전기 발전기는 재료 선택에 대한 높은 자유도와 다양한 작동 방식으로 사물인터넷(IoT) 및 웨어러블 전자 장치의 응용 분야에 적용되고 있다.
최근 마찰전기 발전기 기술로서, 국내특허공개 제2018-0114738호 등에서는 마찰전기 발전기의 접촉면에 3차원 마이크로-나노 구조, 나노와이어 구조체, 또는 나노입자와 같은 특징들을 도입하여 마찰전기 발전기의 단락 전류 밀도 및 전력효율을 향상시킨 기술들이 있다. 그러나 상기 마찰전기 발전기에서 접촉 표면은 민감하기 때문에, 접촉횟수 또는 마찰 횟수가 증가함에 따라 상기 마찰전기 발전기의 접촉 표면의 특성은 저하될 수 있으며, 이에 따라 상기 마찰전기 발전기의 단락 전류 밀도 및 전력 효율이 감소할 수 있다. 또한 기존의 표면구조 연구들은 단지 고정화된 표면적 하에서 마찰 접촉 면적을 변화시킨 것이 대부분이고, 표면적이 증가하거나 외부에서 높은 전하량을 주입하여 마찰대전 전하량을 증가시키는 기술은 전무한 실정이다.
본 발명은 상술한 종래기술의 한계를 극복하기 위한 것으로, 본 발명의 하나의 목적은 음대전층 아래에는 메조포러스 카본층을 형성하여 고전압의 음전하(high negative voltage)를 주입하는 방식으로 표면전하밀도를 극대화시키고, 양대전층은 양대전체에 더욱 양의 전하 성질을 부여하는 전하조절염료에 의한 표면 개질로 표면의 전자공여기를 풍부하게 하여 두 물질의 마찰 대전시 효율을 향상시켜, 마찰기전력을 향상시킬 수 있는 마찰전기 발전기를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 마찰전기 발전기의 음대전층에 형성되는 메조포로스 카본층을 메조포러스 카본의 크기가 상이한 다수의 층으로 구성되는 적층 구조 (layer-by-layer)로 설계하여 음대전층의 표면전하밀도의 효율을 높이면서도, 이를 오랫동안 유지하고 대전 물질이 쉽게 방전되지 않도록 함으로써, 마찰전기 발전기의 발전 효율을 더욱 더 증폭시킬 수 있는 마찰전기 발전기를 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하나의 양상은,
제1 전극의 일면에 마련되는 음전하로 대전되는 음대전층과 상기 음대전층과 서로 이격되게 마련되고, 제2 전극의 일면에 마련되는, 상기 음대전층과의 접촉에 의해 양전하로 대전되는 양대전층을 포함하는 마찰전기 발전기에 있어서,
상기 음대전층과 양대전층 사이에는 메조포로스 카본을 담지한 메조포로스 카본층이 형성되고; 및 상기 양대전층은 전하조절염료(charge control dye)에 의해 표면개질된 것임을 특징으로 하는 마찰전기 발전기에 관한 것이다.
상기 메조포러스 카본은 평균입경이 0.3~1 μm이고, 카본 입자 내의 기공크기가 3~5 nm이며, 비표면적이 900~1,400 m2/g일 수 있다.
상기 메조포러스 카본층은 평균입경이 상이한 다수의 층으로 구성되고, 음대전층에서 양대전층으로 갈수록 메조포러스 카본의 입자크기가 감소되도록 배치될 수 있다.
상기 음대전층은 테프론, EPDM 고무, 부틸고무, 합성고무, 불소고무, 천연 고무, PVC, 폴리클로로프렌, 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE), 셀룰로오스 질산염, 저밀도 폴리에틸렌(LDPE), 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 폴리이미드, 폴리스티렌, EVA 고무, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 스티렌-부타디엔 고무(SBR)로 구성되는 군에서 선택되는 재료로 구성될 수 있다.
상기 양대전층은 한 가지 이상의 염료를 음이온 또는 양이온을 주쇄 또는 측쇄에 포함하는 고분자와 혼합한 용액을 대전체의 표면에 코팅하여 분자 자기조립층을 형성하는 재료로 구성될 수 있다.
상기 염료는 결합이 되는 기재 고분자에 따라 염료의 작용기로 인해서 전자의 withdrawing, donating 현상에 의해 기재 고분자의 표면전하밀도를 조절하여 마찰에 따라 에너지 생산 효율이 향상되는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 전극 또는 제2 전극은 ITO, IGO, IZO(Indium Zinc Oxide), IGZO(Indium Gallium Zinc Oxide), ZnO, ZnO2 및 TiO2로 구성되는 군에서 선택되는 어느 하나를 포함하는 무기전극이거나 금, 은, 백금, 알루미늄, 철, 크롬, 알루미늄, 구리, 스테인레스 스틸, Co-Cr 합금, Ti 합금, 니티놀(Ni-Ti)로 구성되는 군에서 선택되는 어느 하나를 포함하는 금속전극이거나, 이런 금속을 전기 도금한 텍스타일 전극이거나, 또는 폴리에틸렌디옥시티오펜, 탄소나노튜브, 그래핀(graphene), 폴리아세틸렌, 폴리티오펜, 폴리피롤, 폴리파라페닐렌, 폴리아닐린, 폴리설퍼니트리드, 또는 폴리파라페닐렌비닐렌 중 적어도 어느 하나를 포함하는 유기전극일 수 있다.
상기 양대전층의 표면에는 노닷(nanodot), 나노벨트(nanobelt), 나노리본(nanoribbon), 나노피라미드(nanopyramid), 나노웨이비(nanowavy), 또는 나노블록 형태의 다수의 미세돌기 구조체가 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 양상은 상술한 마찰전기 발전기를 포함하는 전자기기에 관한 것이다.
본 발명의 또 다른 양상은, 상술한 마찰전기 발전기에서 음대전층으로 외부에서 전하를 강제로 주입하여 에너지를 하베스팅하는 방법에 관한 것이다.
본 발명의 다양한 실시예의 마찰전기 발전기에 의하면 메조포로스 카본을 담지한 음대전층은 표면적이 증가된 3차원 구조에 외부에서 주입한 높은 음전하를 담지하고, 양대전층은 표면을 더욱 많은 전자 공여기를 가지는 구조로 개질하여 높은 양전하 밀도를 갖고 마찰 시 마찰전기 발생을 증폭시켜 전압과 전류량을 증가시켜 마찰전기 발전기의 마찰 발전 효율을 증폭시켜 고효율의 마찰전기 발전기를 제공할 수 있다.
또한 본 발명에 의하면 메조포로스 카본이 음대전층의 전하 주입층에 전극으로 위치하면 한정된 크기 안에서 표면적을 늘릴 수 있게 되어 표면적이 커지면서 이온 전기 에너지 흡착 밀도가 점진적 증가하기 때문에 메조포로스 카본을 적층(layer by layer) 구조로 만들어 high negative voltage 주입 시 고출력·고밀도·고효율 및 우수한 사이클 수명과 뛰어난 전기화학적 성능으로 마찰발전 효율을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전기의 개략단면도이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전기의 동작원리를 설명하기 위한 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전기에서 음대전층에 음의 전하를 갖는 고전압 주입을 최적화하기 위한 조건과 전하 저장 효율을 위한 층별 구조에 따른 마찰전기 출력전압 비교 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전기에서 양대전층에 염료를 이용하여 표면 개질 시의 최적화 조건과 염료 염색 농도 및 시간에 따른 마찰전기 출력전압 비교 결과 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전기에 사용한 크기가 다른 메조포러스 카본의 SEM 사진이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전기의 동작원리를 설명하기 위한 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전기에서 음대전층에 음의 전하를 갖는 고전압 주입을 최적화하기 위한 조건과 전하 저장 효율을 위한 층별 구조에 따른 마찰전기 출력전압 비교 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전기에서 양대전층에 염료를 이용하여 표면 개질 시의 최적화 조건과 염료 염색 농도 및 시간에 따른 마찰전기 출력전압 비교 결과 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전기에 사용한 크기가 다른 메조포러스 카본의 SEM 사진이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것이 아니다. 또한, 본 명세서에서 단수로 기재되어 있다 하더라도, 문맥상 단수를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"이란 용어는 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
본 명세서에서, "아래로(below)", "위로(above)", "상부의(upper)", "하부의(lower)"와 같은 상대적 용어들은, 도면들 상에 도시된 바와 같이, 일 구성 부재, 층 또는 영역들이 다른 구성 부재, 층 또는 영역과 갖는 관계를 기술하기 위하여 사용될 수 있다.
도면에 있어서, 예를 들면, 부재들의 크기와 형상은 설명의 편의와 명확성을 위하여 과장될 수 있으며, 실제 구현 시, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 된다.
본 발명의 일 실시예의 마찰전기 발전기는 제1 전극의 일면에 마련되는 음전하로 대전되는 음대전층(110)과 상기 음대전층과 서로 이격되게 마련되고, 제2 전극의 일면에 마련되는, 상기 음대전층과의 접촉에 의해 양전하로 대전되는 양대전층(120)을 포함하는 마찰전기 발전기로서, 상기 음대전층(110)과 양대전층(120) 사이에는 메조포로스 카본(13)을 담지한 메조포로스 카본층(130)이 형성되고; 및 상기 양대전층(140)은 전하조절염료(charge control dye)에 의해 표면개질된 것임을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예의 마찰전기 발전기는 음대전층과 양대전층은 마찰전기 시리즈(triboelectric series)에서 서로 상대적 대전(charging)정도의 차이가 큰 물질을 갖고 마찰을 유도하기 위해 음대전층은 음(-)으로 대전되기 쉬운 물질을 포함하고 양대전층은 양(+)으로 대전되기 쉬운 물질을 포함한다. 음대전층(110)과 양대전층(120)은 서로 마주보도록 배치되고, 마찰 전기 발전기는 음대전층(110)과 양대전층(120)의 컨택/릴리스 마찰에 의해 마찰 전기를 발생할 수 있다. 음대전층(110)과 양대전층(120)의 마찰 대전에 따른 전하량은 음대전층(110)과 양대전층(120)의 일함수 갭에 의해 결정될 수 있다. 상기 일함수 갭이 클수록 마찰 전기 효과가 증가될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전기의 개략사시단면도이다. 음대전층은 음(-)으로 대전되기 쉬운 물질을 함유하고 여기에 외부에서 음전하를 주입한다. 양대전층은 양(+)으로 대전되기 쉬운 물질 위에 전하조절염료를 코팅하여 표면전하 밀도가 증가되어 더 양으로 대전된 표면을 갖는다.
본 발명의 마찰전기 발전기에서는 음대전층 및 양대전층의 염료 코팅을 통해서 표면에 분자자기조립층을 형성하는 표면개질 방법을 이용하여 마찰 시 양대전체, 음대전체 표면 전하를 조절함으로써 마찰전기 발전기의 에너지 수확 효율을 높일 수 있다.
음(-)으로 대전되기 쉬운 물질로서, 예를 들면 테프론, EPDM고무, 부틸고무, 합성고무, 불소고무, 천연 고무, PVC, 폴리클로로프렌, 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE), 셀룰로오스 질산염, 저밀도 폴리에틸렌(LDPE), 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 폴리이미드, 폴리스티렌, EVA 고무, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 스티렌-부타디엔 고무(SBR) 등을 포함할 수 있다.
본 발명에서와 같이 메조포로스 카본의 입자의 크기가 큰 메조포로스 카본을 상부층(음대전층쪽)에 배치하고, 하부층(양대전층쪽)에는 입자의 크기가 작은 메조포로스 카본을 배치하면, 정전기의 농도 구배에 의해 전하가 잘 흡착된다. 이러한 층상 구조의 메보포러스 카본층은 PVDF(Polyvinylidiene fluoride)와 같은 베이스 폴리머와 입자의 크기가 다른 3 종류의 메조포로스 카본을 전기방사하여 형성할 수 있다. 전하 주입 후 포획된 전자들이 각층 마다 저장되고, 전하를 메조포로스 카본에 담지시켜서 수분에 전하를 뺏기는 시간을 지연시키게 된다.
본 발명의 마찰전기 발전기에서 메조포로스 카본은 한정된 크기 안에서 표면적을 늘릴 수 있게 되어 표면적이 커지면서 이온 전기에너지 흡착 밀도가 점진적 증가하기 때문에 메조포로스 카본을 적층(layer by layer) 구조로 만들어 high negative voltage 주입 시 고출력·고밀도·고효율 및 우수한 사이클 수명과 뛰어난 전기화학적 성능으로 마찰전기 담지 효율을 높일 수 있다.
상기 메조포러스 카본층(130)을 구성하는 메조포러스 카본(13)은 평균입경이 0.3~1 μm이고, 카본 입자 내의 기공크기가 3~5 nm이며, 비표면적이 900~1,400 m2/g인 것을 사용할 수 있다. 본 발명에서 상기 메조포러스 카본층은 평균입경이 상이한 다수의 층(131, 132, 133)으로 구성되고, 음대전층에서 양대전층으로 갈수록 메조포러스 카본의 입자크기가 감소되도록 배치된다. 예를 들어, 테프론을 전기 방사 할 때 크기가 다른 메조포로스 1000 nm, 700 nm, 300 nm의 카본을 전기방사해서 형성할 수 있다.
음대전층(110)쪽에 입경이 큰 메조포로스 카본을 포함하는 층이 배열되고, 양대전층으로 갈수록 입경이 작은 메조포러스 카본을 포함하는 층을 배열하면, 전하 주입이 잘 되어 마찰 기전력이 향상된다. 반면에 메조포러스 카본층을 형성하는 경우에 음대전층에서 양대전층 쪽으로 가면서 메조포러스 카본의 크기를 크게 형성하면 (예를 들어, 300 nm, 700 nm, 1000 nm), 전하 주입이 상대적을 덜 이루어져 담지되는 전하의 양이 적어 마찰기전력이 낮아진다.
메조포러스 카본층은 전기방사(electrospinning) 방법 이외에 전통적인 멜트블로운(meltblown) 방사법 또는 전기방사와 멜트블로운 방식이 혼합된 정전블로운(electrostatic blown) 방법에 의해 제조될 수 있는데, 바람직하게는 전기방사 방법을 사용하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에서 상기 음대전층(110)은 테프론, EPDM 고무, 부틸고무, 합성고무, 불소고무, 천연 고무, PVC, 폴리클로로프렌, 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE), 셀룰로오스 질산염, 저밀도 폴리에틸렌(LDPE), 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 폴리이미드, 폴리스티렌, EVA 고무, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 스티렌-부타디엔 고무(SBR)로 구성되는 군에서 선택되는 재료로 구성될 수 있다.
상기 양대전층(120)은 양(+)으로 대전되기 쉬운 물질로 구성되며, 예를 들면 폴리우레탄폼, 이축연신 폴리프로필렌, 인모, 고형 폴리우레탄, 불화마그네슘, 나일론, 종이, 목재, 실리콘, 면, 및 니트릴 고무 등을 포함할 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니다. 양대전층(120)은 한 가지 이상의 염료를 음이온 또는 양이온을 주쇄 또는 측쇄에 포함하는 고분자와 혼합한 용액을 대전체의 표면에 코팅하여 분자 자기조립층을 형성하는 재료로 구성될 수 있다.
본 발명에서 양대전층(120)은 염료의 염색을 통해 표면의 전자공여기가 활성화되어 전기에너지 수확 효율을 향상시키도록 설계하였다. 양대전층(120)은 한 가지 이상의 염료 또는 염료를 음이온 또는 양이온을 주쇄 또는 측쇄에 포함하는 고분자와 혼합한 용액을 양대전층의 표면에 코팅하여 분자 자기 조립층을 형성하여 표면 개질할 수 있다.
상기 염료는 결합이 되는 기재 고분자에 따라 염료의 작용기로 인해서 전자의 withdrawing, donating 현상에 의해 기재 고분자의 표면전하밀도를 조절하여 마찰에 따라 에너지 생산 효율이 향상되는 것을 특징으로 한다.
양대전층은 양대전체를 더 양대전체로 바꾸는 전하 조절 염료(전하 control dye)에 의해 표면개질 될 수 있다. 본 발명의 양대전층을 더 양대전체로 바꾸는 전하 조절 염료는 염료의 모체 화학 골격 구조에 따라 아조 염료 (Azo dye), 안트라퀴논 염료(Anthraquinone dye), 인디고 염료(Indigo dye), 디페닐메탄 염료(Diphenylmethane dye), 트리페닐메탄 염료(Triphenylmethane dye), 니트로 염료(Nitro dye), 니트로소 염료(Nitroso dye)로 구분할 수 있다.
또한 상기 염료 군에서 선택되는 염료는 염색 시 sulfonate, Carboxylic 혹은 그 외의 친수성 작용기에 의하여 전자를 Withdrawing 하는 그룹으로 구분할 수 있으며, 이러한 염료에는 아조 염료(Azo dye), 안트라퀴논 염료(Anthraquinone dye), 인디고 염료(Indigo dye), 니트로 염료(Nitro dye), 니트로소 염료(Nitroso dye) 등이 있다.
반대로 염료의 아민 혹은 4차 암모늄염 등의 작용기에 의하여 전자를 Donating 하는 염료는 디페닐메탄 염료(Diphenylmethane dye), 트리페닐메탄 염료(Triphenylmethane dye)이 있고, 천연 염료인 헤마톡실린 (Hematoxylin)은 기재 고분자와 결합되면 카보닐 그룹 (Cabonyl group)에서 산화가 되어 헤마테인(Hematein)이 된 후에 전자를 공여한다.
상기 제1 전극 또는 제2 전극은 ITO, IGO, IZO(Indium Zinc Oxide), IGZO(Indium Gallium Zinc Oxide), ZnO, ZnO2 및 TiO2로 구성되는 군에서 선택되는 어느 하나를 포함하는 무기전극이거나 금, 은, 백금, 알루미늄, 철, 크롬, 알루미늄, 구리, 스테인레스 스틸, Co-Cr 합금, Ti 합금, 니티놀(Ni-Ti)로 구성되는 군에서 선택되는 어느 하나를 포함하는 금속전극이거나, 이런 금속을 전기 도금한 텍스타일 전극이거나, 또는 폴리에틸렌디옥시티오펜, 탄소나노튜브, 그래핀(graphene), 폴리아세틸렌, 폴리티오펜, 폴리피롤, 폴리파라페닐렌, 폴리아닐린, 폴리설퍼니트리드, 또는 폴리파라페닐렌비닐렌 중 적어도 어느 하나를 포함하는 유기전극으로 구성될 수 있다.
음대전층과 양대전층이 서로 일정한 간격으로 이격되게 마련되어 있다. 예를 들어, 음대전층은 상부기판이 될 수 있으며, 양대전층은 하부 기판이 될 수 있다. 이러한 음대전층과 양대전층은 평탄한 구조를 가질 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
이러한 기판은 예를 들어, 실리콘 웨이퍼 또는 글라스 등과 같은 단단한 재질을 포함할 수 있다. 하지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 이외에도 상하 기판은 다양한 물질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상하 기판은 폴리에스테르(PE), 폴리에스테르설폰(PES), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN) 또는 캡톤(Kapton) 등과 같은 유연한 재질을 포함할 수도 있다.
본 발명의 마찰전기 발전기의 양의 대전 표면에는 표면적을 증가시키기 위해서 미세돌기 구조체(미도시)가 형성될 수 있다. 이러한 미세돌기 구조체로 인해서, 마찰 표면적이 증가하여 전기에너지를 보다 효율적으로 발생시킬 수 있다. 이러한 미세돌기 구조체는 마이크로 구조체이거나 나노구조체일 수 있다. 상기 미세돌기 구조체는 반구형, 사각기둥 형상, 피라미드 형상, 다각 기둥 형상의 구조를 가질 수 있으나, 반드시 이러한 형태로 제한되는 것은 아니다. 상기 미세돌기 구조체는 높이가 100 nm~1 cm이고, 미세돌기 구조체들 사이의 간격은 100 nm~ 5 mm일 수 있다. 또한, 상기 미세돌기 구조체는 나노 구조체로 구성될 수 있는데, 예를 들어, 나노닷(nanodot), 나노벨트(nanobelt), 나노리본(nanoribbon), 나노피라미드(nanopyramid), 나노웨이비(nanowavy), 또는 나노블록 형태로 구성될 수 있다.
본 발명에서 상기 미세돌기 구조체는 포토리소그래피(photolithography) 공정에 의한 패터닝(patterning), 플라즈마 에칭, 3D 프린팅, 박막 전사(thin film transfer), 코팅, 나노 임프린팅(nano-imprinting), 또는 직접 성장에 의한 방법 등 다양한 방법에 의해 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 양상은 이상에서 설명한 마찰전기 발전기에서 전기를 회수하는 방법에 관한 것이다. 도 2a 및 도 2b를 참조하면, 음대전층(110)의 하면에는 메조포러스 카본층(130)이 마련되어 있고, 양대전층(140)은 전하조절염료에 의해 표면개질되어 있으며, 음대전층(110)과 양대전층(130)은 일정한 간격으로 이격되어 있다.
양대전층(140)의 상면과 음대전층(130)의 하면은 각각 마찰 대전에 의해 소정의 극성을 가지는 전하들로 대전될 수 있다. 다음, 양대전층(140)과 접촉하고 있던 음대전층(130)이 양대전층(140)으로부터 이격되는 과정에서 전기에너지가 발생하게 되며, 이렇게 발생된 전기에너지는 제1 및 제2 전극을 통해 얻을 수 있다. 또한, 음대전층(130)이 양대전층(140)으로부터 멀어지고 가까워지는 과정에서 발생되는 전류는 서로 반대 방향으로 흐를 수 있다.
고전압 전하 주입은 출력 전압 범위가 -30kV에서 +30kV인 고전압 전하 주입 장치 Chargemaster (VCMBP30)를 사용하여 진행할 수 있다. 제작된 TENG의 음의 마찰부에 -7 kV의 전압으로 5 min 동안 전하를 주입한다. 마찰이 일어나는 양대전부와 음대전부의 표면에 양대전부에는 (+) 전하를 주입시키고 음대전부에는 (-) 전하를 주입시킨다.
이하에서 실시예를 들어 본 발명에 대해서 더욱 상세하게 설명한다. 다만 이러한 실시예는 예시를 위한 것이고 본 발명을 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
실시예
실시예 1
메조포러스 카본을 층상 구조의 층으로 만들기 위해서 1.3g의 PVDF을 30 mL 바이알에서 3.48 g의 DMF와 함께 2시간 동안 교반하여 PVDF를 완전히 용해시켰다. 5.22g의 아세톤에 0.068g의 메조포러스 카본을 크기 별로 (300, 700, 1000 nm) 첨가하고 소니케이션을 사용하여 2시간 동안 분산시켰다. 두 용액을 50℃ 및 400 rpm에서 교반시킨 후 혼합물을 30분동안 분산시켜 전기방사 용액을 제조하였다.
전기방사 용액을 만들기 위해서 메조포러스 카본 용액과 PVDF 메조포러스 카본 용액을 sonicator를 이용하여 30 min 간 혼합하였다. 메조포러스 카본 용액은 PVDF 메조포러스 카본 용액에 대하여 26 wt%로 준비하였다. 전기방사를 위해서, 메조포러스 카본/PVDF 용액은 24 ml syringe에 넣어 22 니들 게이지로 유량 0.5 ml/h 로 방사하였다. 15 kV의 고전압을 니들과 접지 사이에 인가하였다. 이때 니들 팁과 컬렉터 사이의 거리는 15 cm로 하였다. 전기방사의 조건은 실험적으로 최적화하였으며, 방사 시 안정적인 테일러 콘(taylor cone)이 형성됨을 확인하였다. 메조포러스 카본 적층 구조를 만들기 위해 300 nm 크기의 메조포러스 카본부터 방사하였고, 방사된 메조포러스 카본/PVDF 나노파이버 멤브레인 위에 순차적으로 700, 1000 nm 크기를 가진 메조포러스 카본/PVDF 용액을 방사하여 층상 구조(300-700-1000 nm)를 갖는 나노파이버 멤브레인을 얻었다. 전기 방사 기기는 Drum collector & flat collector type electrospinning machine (Model: ESR200R2D)를 사용하여 방사하였다.
헤마톡실린 염료를 이용한 나일론 6,6의 표면 개질을 위해서 헤마톡실린 용액은 60℃, 50 mL, pH 7의 증류수에 1.55g의 헤마톡실린을 ultrasonic processer (Bandelin, HD4050)를 사용하여 분산시켜 3 wt %로 준비하였다. 나일론 6,6 (4x4 ㎠)를 swelling 하기 위해 60℃의 물에 1시간 동안 디핑하였다. 준비된 헤마톡실린 용액에 나일론 6,6을 넣고, DL-600 적외선 염색 시험기 (DAELIM STARLET corporation)를 통해 직물 염색을 진행하였다. 이후 건조 오븐에서 70℃에서 1시간 동안 공기 중에서 건조하였다.
양대전부와 음대전부의 재료를 이용해 수직 접촉 모드 TENG 장치를 제작하기 위해 상단층에 마찰을 일으키는 음극 마찰 전기 재료로 일측에 실리콘 접착제가 코팅된 접착 테이프 형태의 PTFE 필름(Nitto DENKO corporation)을 선택하였다. 하단층에는 Cu 전극을 전극층으로 사용하였고, 주입되는 전하를 confinement 할 수 있는 층으로 layer-by-layer 구조로 설계된 나노파이버 멤브레인을 Cu 전극과 마이크로-홀이 있는 PTFE 중간에 위치시켰다. 양극 마찰 전기 재료는 헤마톡실린이 염색 된 나일론 6,6를 사용하였고, 상단부 전극은 Au 텍스타일 전극을 사용하였다.
도 3은 메조포로스 카본의 전하 저장효율과 triboelectric negative material의 고전압 전하 주입 조건을 최적화하는 방법을 제시하였다. 주입된 고전압은 3, 4, 5, 7 kV에서 관찰하였으며, 주입 시간, 주입 거리 및 주입 횟수를 통해서 1,000 사이클 동안 지속적으로 작동되어 출력된 단락 전압 비교를 통해 조건을 최적화하였다. 도 3(a)는 7 kV의 고전압을 1, 2, 3, 4 및 5 분 주입 후에 최적의 주입 시간을 확인하였다. 출력된 단락 전압의 피크를 통해 주입된 시간이 4분까지는 마찰이 일어나 방전되는 양이 1,000 사이클 후에도 급격히 감소하는 경향을 확인할 수 있다. 하지만 주입된 시간이 5분 이상이 되면 출력 단락 전압가 735±3 V로 유지됨을 확인할 수 있다. 주입된 전압의 크기가 3, 4, 5 및 6 kV에서도 같은 결과를 보였다.
도 3(b)는 7 kV의 전압을 5 분간 직접 1-5 회 동안 반복하여 전압을 주입했을 때 출력 단락 전압을 비교하였다. 반복되는 고전압 주입 후 1000 사이클의 접촉/분리를 통해 1 회(시간: 5 min, 거리: 직접) 주입된 출력 단락 전압 735±30 V의 범위에 음대전층의 유효전하밀도(ECD)가 안정적인 상태에 도달했음을 확인할 수 있었다. 도 3(c)는 3층의 층상구조로 설계된 메조포로스 카본이 고전압 주입 되었을 때 영향을 조사하기 위해서 주입 후 표면전하밀도(μC/m2)를 측정하였다.
비교를 위해서 메조포로스 카본을 포함하지 않는 PVDF 용액만을 전기방사한 경우와 비교하였다. 7 kV가 주입된 후 3층 메조포로스 카본은 최대 표면전하밀도 375 μC/m2, 비메조포로스 카본은 248 μC/m2로 메조포로스 카본이 있을 때 127 μC/m2 높은 표면전하밀도가 측정되었다. 출력전압을 통해 주입된 고전압이 더 효율적으로 담지됨을 확인할 수 있었다. 도 3(d)에서는 7 kV 가 주입된 후 3층 메조포로스 카본와 비메조포로스 카본의 ECD 조사를 위해 출력전압을 측정하였다. 도 3(c)의 경향과 같은 경향성을 보이며, 3층 메조포로스 카본이 120 V 높은 출력전압 값을 보였다.
도 3(e)는 3층 메조포로스 카본와 비메조포로스 카본의 효과를 시간 변화에 따른 효율을 확인하기 위해서 출력전압 값을 비교하였다. 또한, 크기가 다른 메조포로스 카본은 3층 구조로 설계하였을 때, 메조포로스 카본 사이즈에 위치에 따른 고전압 주입 효율성을 검증하였다. 고전압 주입되는 면을 3층의 top(T)으로 표기하고, 그 반대편을 bottom(B)으로 표기했을 때, 메조포로스 카본의 크기가 가장 작은 300 nm가 가장 윗면에 위치한 경우를 1000(B)-700-300(T) nm로 지칭하고, 그 반대 경우를 300(B)-700-1000(T) nm로 지칭한다. 먼저, 도 3(e)의 3가지 경우 모두 120 분이 지난 후 1,000 사이클이 지났을 때 접촉/분리 운동을 통해 방전이 일어났다. 초기에 7 kV로 주입된 값과 비교하여, 비메조포로스 카본, 1000(b)-700-300(T) nm(3층) 및 300(B)-700-1000(T) nm(3층) 순서로 각각 약 41%, 26% 및 21%의 손실율을 보였다. 3층 메조포로스 카본(300(B)-700-1000(T) nm)의 경우가 가장 좋은 전하 저장 효율을 보였으며, 메조포로스 카본이 없는 경우에 비해서 약 2배 이상의 높은 저장 효과를 보였다. 도 3(f)는 3층 메조포로스 카본(300(B)-700-1000(T) nm)의 120 min 간의 구체적인 출력전압을 보여주고 있다. 주목할 점은 고전압이 주입되기 전보다 출력전압 값은 약 48배 높은 효과를 보이고 있다. 120 min 이후에 표면전하밀도가 안정화 되며 초기값에 비해 약 39배 높은 출력전압값을 보이고 있어 이러한 결과는 마찰전기 효율 향상에 유용한 방법으로 쓰일 수 있다.
도 4는 나일론 6.6에 천연 염료인 헤마톡실린을 염색하여 표면의 전자공여기을 풍부하게 하고, 이를 통해 필터 표면의 정전기 전위를 변화시켜 마찰전기 나노발전기의 효율을 높이기 위한 실험을 실시하였다. 퀴노이드 링을 포함하는 헤마톡스의 구조로 인해 헤마톡스의 산소 말단기 비공유 전자쌍이 음대전층과 접촉 시 음의 재료 쪽으로 이동하게 되고, 흡착 전과 비교 시 양의 대전체인 나일론 6.6 표면의 전자공여기를 풍부하게 하였다.
염색 진행 정도를 시각적으로 확인하기 위해 3 wt% 헤마톡실린 용액을 나일론 6.6에 2시간부터 12시간까지 2시간 간격으로 염색을 진행한 뒤 컬러 강도(K/S)를 측정하였다. 측정은 스펙트로포토미터(CS-600, CHN spec, China)를 사용하여 D65 광원, 10°시야 조건에서 표면반사율을 측정하였다. 도 4(a)에는 염색 결과를 나타내었고, 2시간 염색을 진행하였을 때부터 컬러 강도(K/S)가 증가하며 8시간에서 컬러 강도(K/S)가 수렴하는 것을 확인할 수 있다. 도 3(b)에서는 FT-IR 스펠트로스코피를 통해 헤마톡실린이 나일론 6.6에 염색이 잘 되었는지 확인하였다. 측정은 염색되지 않은 나일론 6.6, 3 wt% 헤마톡실린 용액으로 8시간 염색을 진행한 나일론 6.6, 헤마톡실린 파우더를 각각 측정하였고, 그 결과 헤마톡실린의 염색이 잘 이루어진 것을 확인하였다. 헤마톡실린 염색 전에는 관찰이 되지 않았던 벤젠 고리에서 나타나는 sp2 C-H의 스트레칭 바이브레이션 피크(3050-3010 cm-1) 와 C=C(1475 cm-1, 3010 cm-1)이 관찰되었다. 염색하기 전에는 나타나지 않았던 벤젠 고리 피크는 헤마톡실린이 나일론 6.6에 염색이 잘 진행되었음을 나타낸다. 도 4(c)는 염색 시간 조건을 확립하기 위해 실험한 것으로, 3 wt% 헤마톡실린 용액으로 나일론 6.6에 2시간부터 10시간 까지 2시간 간격으로 각각 염색한 뒤 출력전압 값을 비교하였다. 염색되지 않은 나일론 6.6의 경우 출력전압이 최대 15.2 V가 출력되었으며, 염색 시간이 길어질수록 그 값이 상승하고 8시간 염색을 하였을 때 최대 107 V의 출력전압으로 가장 좋은 효율을 보였다. 도 4(d)는 염색 농도 조건을 확립하기 위해 도 4(c)에서 염색 시간 조건을 확립한 것을 바탕으로 농도를 1-5 wt% 까지 8시간 동안 염색한 뒤 출력전압 값을 비교하였다. 염색되지 않은 경우 15.2 V의 출력전압 값이 출력되지만, 1 wt%에서 63.5V의 출력전압 값이 출력되고, 3 wt%에서 최대 107 V의 출력전압 값이 출력되었다. 도 3(c-d)를 통해 건을 확립하여 염색되지 않은 것에 비해 약 7배 높은 출력전압 값으로 마찰전기 효율이 향상된 것을 확인하였다.
본 발명의 다른 양상은 본 발명의 마찰전기 발전기를 포함하는 전자기기게 관한 것이다. 또한, 본 발명에 따른 메조포러스 카본층이 삽입된 마찰대전 발전기는 마찰발전에 의해 발생된 전기를 통해 신체에 장착된 장치를 구동하는 웨어러블 장치용 마찰대전 발전기일 수 있다.
보다 상세하게는, 상기 메조포러스 카본층이 삽입된 마찰대전 발전기는 전기를 발생시키고, 이를 통해 신체에 장착된 웨어러블 장치에 전력을 공급할 수 있다. 따라서 간단한 구조만으로 웨어러블 장치를 구동시키는 웨어러블 장치용 마찰대전 발전기로 활용가능하다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의하면 양대전층과 음대전층의 표면전하밀도를 높여서 마찰에 의해 발생하는 정전 특성을 제어하고, 마찰에 의한 재료의 대전 차이를 증폭시켜 마찰전기 발전기의 출력을 향상시킬 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 보호범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 정해지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
Claims (9)
- 제1 전극의 일면에 마련되는 음전하로 대전되는 음대전층과 상기 음대전층과 서로 이격되게 마련되고, 제2 전극의 일면에 마련되는, 상기 음대전층과의 접촉에 의해 양전하로 대전되는 양대전층을 포함하는 마찰전기 발전기에 있어서,
상기 음대전층은 메조포로스 카본을 담지한 메조포로스 카본층; 및
상기 양대전층은 전하조절염료(charge control dye)에 의해 표면개질된 것임을 특징으로 하는 마찰전기 발전기.
- 제1항에 있어서, 상기 메조포러스 카본층의 메조포러스 카본은 평균입경이 0.3~1 μm이고, 카본 입자 내의 기공크기는 3~5 nm이며, 비표면적이 900~1,400 m2/g인 것을 특징으로 하는 마찰전기 발전기.
- 제1항에 있어서, 상기 메조포러스 카본층은 평균입경이 상이한 다수의 층으로 구성되고, 음대전층에서 양대전층으로 갈수록 메조포러스 카본의 입자크기가 감소되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 마찰전기 발전기.
- 제1항에 있어서, 상기 음대전층은 테프론, EPDM 고무, 부틸고무, 합성고무, 불소고무, 천연 고무, PVC, 폴리클로로프렌, 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE), 셀룰로오스 질산염, 저밀도 폴리에틸렌(LDPE), 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 폴리이미드, 폴리스티렌, EVA 고무, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 스티렌-부타디엔 고무(SBR)로 구성되는 군에서 선택되는 재료로 구성되는 것임을 특징으로 하는 마찰전기 발전기.
- 제1항에 있어서, 상기 양대전층은 한 가지 이상의 염료를 음이온 또는 양이온을 주쇄 또는 측쇄에 포함하는 고분자와 혼합한 용액을 대전체의 표면에 코팅하여 분자 자기조립층을 형성하는 재료로 구성되는 것임을 특징으로 하는 마찰전기 발전기.
- 제5항에 있어서, 상기 염료는 염료의 모체 화학 골격 구조에 따라 아조염료 (Azo dye), 안트라퀴논염료(Anthraquinonedye), 인디고염료(Indigo dye), 디페닐메탄염료(Diphenylmethanedye), 트리페닐메탄염료(Triphenylmethanedye), 니트로 염료(Nitro dye), 및 니트로소염료(Nitrosodye)로 구성되는 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 마찰전기 발전기.
- 제1항에 있어서, 상기 제1 전극 또는 제2 전극은 ITO, IGO, IZO(Indium Zinc Oxide), IGZO(Indium Gallium Zinc Oxide), ZnO, ZnO2 및 TiO2로 구성되는 군에서 선택되는 어느 하나를 포함하는 무기전극이거나 금, 은, 백금, 알루미늄, 철, 크롬, 알루미늄, 구리, 스테인레스 스틸, Co-Cr 합금, Ti 합금, 니티놀(Ni-Ti)로 구성되는 군에서 선택되는 어느 하나를 포함하는 금속전극이거나, 이런 금속을 전기 도금한 텍스타일 전극이거나, 또는 폴리에틸렌디옥시티오펜, 탄소나노튜브, 그래핀(graphene), 폴리아세틸렌, 폴리티오펜, 폴리피롤, 폴리파라페닐렌, 폴리아닐린, 폴리설퍼니트리드, 또는 폴리파라페닐렌비닐렌 중 적어도 어느 하나를 포함하는 유기전극으로 구성되는 것을 특징으로 하는 마찰전기 발전기.
- 제1항에 있어서, 상기 양대전층의 표면에 나노닷(nanodot), 나노벨트(nanobelt), 나노리본(nanoribbon), 나노피라미드(nanopyramid), 나노웨이비(nanowavy), 또는 나노블록 형태의 다수의 미세돌기 구조체가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 마찰전기 발전기.
- 제1항 내지 제8항 중 어느 하나의 항의 마찰전기 발전기를 포함하는 전자기기.
Priority Applications (1)
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| KR1020210071491A KR102532650B1 (ko) | 2021-06-02 | 2021-06-02 | 메조포러스 카본과 전하조절염료 코팅을 이용한 마찰전기 발전기 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1020210071491A KR102532650B1 (ko) | 2021-06-02 | 2021-06-02 | 메조포러스 카본과 전하조절염료 코팅을 이용한 마찰전기 발전기 |
Publications (2)
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| KR20220163548A true KR20220163548A (ko) | 2022-12-12 |
| KR102532650B1 KR102532650B1 (ko) | 2023-05-17 |
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ID=84391522
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| KR1020210071491A KR102532650B1 (ko) | 2021-06-02 | 2021-06-02 | 메조포러스 카본과 전하조절염료 코팅을 이용한 마찰전기 발전기 |
Country Status (1)
| Country | Link |
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| KR (1) | KR102532650B1 (ko) |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20210016133A (ko) * | 2019-07-31 | 2021-02-15 | 전남대학교산학협력단 | 깃털 구조를 이용하는 마찰전기 발생장치 |
-
2021
- 2021-06-02 KR KR1020210071491A patent/KR102532650B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20210016133A (ko) * | 2019-07-31 | 2021-02-15 | 전남대학교산학협력단 | 깃털 구조를 이용하는 마찰전기 발생장치 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| Highly porous and thermally stable tribopositive hybrid bimetallic cryogel to boost up the performance * |
| Intermediate layer for enhanced triboelectric nanogenerator, Xinkai Xie 외6, Nano Energy 79 (2020.10.01.) * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR102532650B1 (ko) | 2023-05-17 |
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