KR20240109348A - Positively charged body for triboelectric sensor and manufacturing method of positively charged body - Google Patents
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Abstract
본 발명은 마찰전기 센서용으로 양전하를 대전하는 양전하 대전체로서, 열가소성 폴리우레탄(TPU, Thermoplastic Polyurethane) 소재의 고분자 폴리머 및 SiO2 세라믹 입자(particle)를 포함하는 마찰전기 센서용 양전하 대전체로서, 본 발명에 의하면, 샤프트류 및 베어링류 속도 측정에 사용 가능한 스피드 센서로 활용할 수 있는 외부 환경에 영향이 적은 마찰전기 센서용 양전하 대전체를 제공할 수 있다.The present invention is a positively charged material for triboelectric sensors, which includes a polymer made of thermoplastic polyurethane (TPU, Thermoplastic Polyurethane) and SiO 2 ceramic particles. According to the present invention, it is possible to provide a positively charged body for a triboelectric sensor that is less affected by the external environment and can be used as a speed sensor that can be used to measure the speed of shafts and bearings.
Description
본 발명은 마찰전기 활용 무전원 센서를 위한 양전하 대전체와 그것의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a positively charged body for a powerless sensor utilizing triboelectricity and a method of manufacturing the same.
마찰전기 센서는 전기적 특성이 다른 두 가지 물질이 접촉했을 때 전기가 발생하는 점을 활용하여 두 물질에 가해지는 변화를 감지하는 센서를 통칭하며, 샤프트류 및 베어링류 속도 측정에 사용 가능한 스피드 센서 등으로 사용된다.A triboelectric sensor is a general term for a sensor that detects changes in two materials by utilizing the fact that electricity is generated when two materials with different electrical properties come into contact. A speed sensor that can be used to measure the speed of shafts and bearings, etc. It is used as.
기존 마찰전기 기반 소자는 상이한 두 개의 마찰층을 접촉시켜 발생하는 전기적 신호를 통해 압력 및 변위를 측정하는 메커니즘을 가지고 있다.Existing triboelectric-based devices have a mechanism to measure pressure and displacement through electrical signals generated by contacting two different friction layers.
그러나, 종래의 기술에서는 접촉식 방식을 사용하여 사용 시간이 길어지면 소재가 마모되는 문제점을 가진다. 또한 습기나 기름기에 민감하여 노출되었을 시 출력이 급감하는 문제점을 가진다.However, the conventional technology uses a contact method, which has the problem that the material wears out over a long period of time. Additionally, it is sensitive to moisture or oil, and when exposed to it, its output rapidly decreases.
이상의 배경기술에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 돕기 위한 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.The matters described in the above background technology are intended to aid understanding of the background of the invention, and may include matters that are not prior art already known to those skilled in the art in the field to which this technology belongs.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 본 발명은 샤프트류 및 베어링류 속도 측정에 사용 가능한 스피드 센서로 활용할 수 있는 외부 환경에 영향이 적은 마찰전기 센서용 양전하 대전체 및 양전하 대전체 제조 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.The present invention was devised to solve the above-mentioned problems. The present invention is to manufacture a positively charged material and a positively charged material for a triboelectric sensor that is less affected by the external environment and can be used as a speed sensor that can be used to measure the speed of shafts and bearings. The purpose is to provide a method.
본 발명의 일 관점에 의한 마찰전기 센서용 양전하 대전체는, 마찰전기 센서용으로 양전하를 대전하는 양전하 대전체로서, 열가소성 폴리우레탄(TPU, Thermoplastic Polyurethane) 소재의 고분자 폴리머 및 SiO2 세라믹 입자(particle)를 포함한다.The positively charged body for a triboelectric sensor according to one aspect of the present invention is a positively charged body that charges a positive charge for a triboelectric sensor, and is composed of a polymer made of thermoplastic polyurethane (TPU, Thermoplastic Polyurethane) and SiO 2 ceramic particles. ) includes.
여기서, 상기 SiO2 세라믹 입자의 입자 크기는 200nm 이상 500nm 이하인 것을 특징으로 한다.Here, the SiO 2 ceramic particles have a particle size of 200 nm or more and 500 nm or less.
그리고, 상기 SiO2 세라믹 입자는 분산제 100wt%에 10wt% 이상 50wt% 이하의 농도로 첨가되어 상기 열가소성 폴리우레탄에 혼합되는 것을 특징으로 한다.In addition, the SiO 2 ceramic particles are added to 100 wt% of the dispersant at a concentration of 10 wt% or more and 50 wt% or less and mixed into the thermoplastic polyurethane.
또한, 상기 분산제와 상기 열가소성 폴리우레탄을 포함하는 복합재 전체 wt%를 기준으로, 상기 분산제는 15wt% ± 5wt%로 혼합되는 것을 특징으로 한다.In addition, based on the total wt% of the composite material containing the dispersant and the thermoplastic polyurethane, the dispersant is mixed at 15 wt% ± 5 wt%.
한편, 상기 복합재의 두께는 10~100㎛인 것을 특징으로 한다.Meanwhile, the composite material has a thickness of 10 to 100 μm.
다음으로, 본 발명의 일 관점에 의한 양전하 대전체 제조 방법은, 마찰전기 센서용으로 양전하를 대전하는 양전하 대전체를 제조하는 방법으로서, 열가소성 폴리우레탄(TPU, Thermoplastic Polyurethane) 소재의 고분자 폴리머 및 SiO2 세라믹 입자(particle)를 포함하는 복합재를 준비하는 단계, 상기 복합재를 기판(substrate)에 드롭 캐스팅(drop-casting)하는 단계 및 상기 기판을 가열하여 상기 복합재에 포함된 용매를 증발시키는 단계를 포함한다.Next, the method for producing a positively charged body according to one aspect of the present invention is a method of manufacturing a positively charged body that charges a positive charge for a triboelectric sensor, using a polymer made of thermoplastic polyurethane (TPU, Thermoplastic Polyurethane) and SiO 2 Preparing a composite material containing ceramic particles, drop-casting the composite material on a substrate, and heating the substrate to evaporate the solvent contained in the composite material. do.
그리고, 상기 복합재를 준비하는 단계는, 상기 SiO2 세라믹 입자를 분산제에 첨가하는 단계, 상기 열가소성 폴리우레탄을 용매에 용해시키는 단계 및 상기 분산제를 용해된 상기 열가소성 폴리우레탄에 혼합하는 단계를 포함한다.Preparing the composite includes adding the SiO 2 ceramic particles to a dispersant, dissolving the thermoplastic polyurethane in a solvent, and mixing the dispersant with the dissolved thermoplastic polyurethane.
여기서, 상기 분산제에 첨가하는 상기 SiO2 세라믹 입자의 크기는 200nm 이상 500nm 이하인 것을 특징으로 한다.Here, the size of the SiO 2 ceramic particles added to the dispersant is characterized in that it is 200 nm or more and 500 nm or less.
또한, 상기 SiO2 세라믹 입자를 분산제에 첨가하는 단계는 상기 분산제 100wt%에 상기 SiO2 세라믹 입자를 110wt% 이상 50wt% 이하의 농도로 첨가하는 것을 특징으로 한다.In addition, the step of adding the SiO 2 ceramic particles to the dispersant is characterized in that the SiO 2 ceramic particles are added at a concentration of 110 wt% or more and 50 wt% or less to 100 wt% of the dispersant.
그리고, 상기 분산제를 상기 SiO2 세라믹 입자에 혼합하는 단계는 상기 복합재 전체 wt%를 기준으로 상기 분산제를 15wt% ± 5wt%로 혼합하는 것을 특징으로 한다.In addition, the step of mixing the dispersant into the SiO 2 ceramic particles is characterized in that the dispersant is mixed at 15 wt% ± 5 wt% based on the total wt% of the composite.
또한, 상기 열가소성 폴리우레탄을 용매에 용해시키는 단계는 상기 용매 전체 wt%를 기준으로 상기 열가소성 폴리우레탄을 2.5wt% ± 0.5wt%로 혼합하는 것을 특징으로 한다.In addition, the step of dissolving the thermoplastic polyurethane in a solvent is characterized in that the thermoplastic polyurethane is mixed at 2.5 wt% ± 0.5 wt% based on the total wt% of the solvent.
나아가, 상기 기판에 드롭 캐스팅된 상기 복합재의 두께는 10~100㎛인 것을 특징으로 한다.Furthermore, the composite material drop casted on the substrate has a thickness of 10 to 100 μm.
종래의 기술에서는 접촉식 방식을 사용하여 사용 시간이 길어지면 소재가 마모되는 문제점을 가진다. 또한 습기나 기름기에 민감하여 노출되었을 시 출력이 급감하는 문제점을 가진다.Conventional technology uses a contact method, which has the problem that the material wears out over a long period of time. Additionally, it is sensitive to moisture or oil, and when exposed to it, its output rapidly decreases.
이에 반해, 본 발명에 의하면 비접촉 방식의 마찰전기 기반의 소자를 구성하여 소자 자체의 안정적 출력과 내구성이 뛰어나게 좋고 반영구적으로 활용 가능하다.On the other hand, according to the present invention, a non-contact triboelectric-based device is constructed, and the device itself has excellent stable output and durability and can be used semi-permanently.
영구 자석과 코일로 구성되어 자기장 변화에 의해 코일에 유도되는 전기적 신호를 이용하는 종래의 스피드 센서에 비해 본 기술에서는 저속에서 고속까지 속도에 따라 출력되는 전압의 차이가 크지 않아 신호 처리 회로의 구성이 간단해질 수 있다.Compared to the conventional speed sensor, which is composed of a permanent magnet and a coil and uses an electrical signal induced in the coil by a change in the magnetic field, this technology does not have a large difference in the voltage output depending on the speed from low to high speed, so the configuration of the signal processing circuit is simple. It can happen.
그리고, 전기적 신호가 교류의 형태를 갖기 때문에 신호 처리에 있어 명확한 구분이 가능해지고, 이에 따라 정확한 속도 감지 및 빠른 속도 감지가 가능하다.Additionally, because the electrical signal is in the form of alternating current, clear distinction is possible in signal processing, and thus accurate and fast speed detection is possible.
마찰전기 기술의 특성 상, 외부 전류가 필요 없는 self-powered sensor로 활용 가능하여 소자의 경량화 및 차체 부하 감소가 가능하다.Due to the characteristics of triboelectric technology, it can be used as a self-powered sensor that does not require external current, making it possible to reduce the weight of the device and reduce the load on the vehicle body.
또한, 표면 개질 기술을 포함하여 각종 환경적 요인 변화에 강하고 안정적인 센서로 활용 가능하며, 제작 방법과 그 공정의 이점에 있어 대면적화 그리고 대량 생산에 유리하다.In addition, it can be used as a stable sensor that is resistant to changes in various environmental factors, including surface modification technology, and the manufacturing method and process are advantageous for large-area and mass production.
도 1은 본 발명의 양전하 대전체의 미세입자 크기에 따른 출력을 나타낸 것이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 양전하 대전체의 미세입자 농도에 따른 출력을 나타낸 것으로서, 도 2는 저속인 경우, 도 3은 고속인 경우이다.
도 4는 본 발명의 양전하 대전체의 미세입자 농도에 따른 정규화된(normalized) 출력 전압을 나타낸 것이다.
도 5는 drop-casting 용액 투입량에 따른 대전체 두께를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 양전하 대전체의 두께별 출력을 나타낸 것이다.
도 7은 음전하 대전체의 비교예별 출력을 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 양전하 대전체에 의한 속도별 출력 전압 측정 결과를 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명의 양전하 대전체에 의한 저속에서의 출력 전압 측정 결과를 나타낸 것이고, 도 10은 본 발명의 양전하 대전체에 의한 고속에서의 출력 전압 측정 결과를 나타낸 것이다.
도 11은 본 발명의 양전하 대전체의 시간에 따른 표면 전하 감소 여부를 나타낸 것이다.
도 12는 비교예의 경우의 습도별 전압을 나타낸 것이며, 도 13은 본 발명의 경우의 습도별 전압을 나타낸 것이다.
도 14는 비교예의 경우의 오염시 전압을 나타낸 것이며, 도 15는 본 발명의 경우의 오염시 전압을 나타낸 것이다.
도 16은 본 발명의 양전하 대전체를 포함하는 스피드 센서의 예를 도시한 것이며, 도 17은 센서의 일부를 도시한 것이다.
도 18은 도 16의 스피드 센서의 작동 메커니즘을 도시한 것이다.
도 19는 본 발명의 마찰전기 기반 센서의 출력 원리를 설명하기 위한 것이다.
도 20은 교류 형태의 출력 전압 및 신호 발생 주기를 통한 회전체 속도 측정의 예를 도시한 것이다.Figure 1 shows the output according to the fine particle size of the positively charged body of the present invention.
Figures 2 and 3 show the output according to the concentration of fine particles of the positively charged body of the present invention, where Figure 2 is for low speed and Figure 3 is for high speed.
Figure 4 shows the normalized output voltage according to the concentration of fine particles of the positively charged body of the present invention.
Figure 5 shows the thickness of the charged body according to the amount of drop-casting solution input.
Figure 6 shows the output by thickness of the positively charged body of the present invention.
Figure 7 shows the output of each comparative example of a negatively charged body.
Figure 8 shows the output voltage measurement results for each speed by the positively charged body of the present invention.
Figure 9 shows the results of output voltage measurement at low speed by the positively charged body of the present invention, and Figure 10 shows the result of output voltage measurement at high speed by the positively charged body of the present invention.
Figure 11 shows whether the surface charge of the positively charged body of the present invention decreases over time.
Figure 12 shows the voltage according to humidity in the case of the comparative example, and Figure 13 shows the voltage according to humidity in the case of the present invention.
Figure 14 shows the voltage at the time of contamination in the case of the comparative example, and Figure 15 shows the voltage at the time of contamination in the case of the present invention.
Figure 16 shows an example of a speed sensor containing a positively charged body of the present invention, and Figure 17 shows a part of the sensor.
FIG. 18 shows the operating mechanism of the speed sensor of FIG. 16.
Figure 19 is for explaining the output principle of the triboelectric-based sensor of the present invention.
Figure 20 shows an example of measuring the speed of a rotating body through an output voltage and signal generation period in the form of alternating current.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.In order to fully understand the present invention, its operational advantages, and the objectives achieved by practicing the present invention, reference should be made to the accompanying drawings illustrating preferred embodiments of the present invention and the contents described in the accompanying drawings.
본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지의 기술이나 반복적인 설명은 그 설명을 줄이거나 생략하기로 한다.In describing preferred embodiments of the present invention, known techniques or repetitive descriptions that may unnecessarily obscure the gist of the present invention will be reduced or omitted.
도 1은 본 발명의 양전하 대전체의 미세입자 크기에 따른 출력을 나타낸 것이고, 도 2 및 도 3은 본 발명의 양전하 대전체의 미세입자 농도에 따른 출력을 나타낸 것으로서, 도 2는 저속인 경우, 도 3은 고속인 경우이며, 도 4는 본 발명의 양전하 대전체의 미세입자 농도에 따른 정규화된(normalized) 출력 전압을 나타낸 것이다.Figure 1 shows the output according to the fine particle size of the positively charged body of the present invention, and Figures 2 and 3 show the output according to the fine particle concentration of the positively charged body of the present invention. Figure 2 shows the output according to the fine particle concentration of the positively charged body of the present invention. Figure 3 shows the high-speed case, and Figure 4 shows the normalized output voltage according to the fine particle concentration of the positively charged body of the present invention.
이하, 도 1 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 의한 마찰전기 센서용 양전하 대전체 및 양전하 대전체 제조 방법을 설명하기로 한다.Hereinafter, a positively charged body for a triboelectric sensor and a method for manufacturing a positively charged body according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 4.
본 발명의 양전하 대전체는 기존 마찰전기 기반 소자에 비해 양전하 특성을 보다 오래 유지하도록 하며, 대전체 간 접촉에 의해서 생기는 전하량을 이용하는 것이 아닌 코로나 방전을 통한 인위적인 전하량을 내부에 주입하는 방식으로 소재가 보유할 수 있는 전하의 농도가 최대치가 되도록 한다.The positively charged charged body of the present invention maintains positive charge characteristics longer than existing triboelectric-based devices, and the material is made by injecting an artificial amount of charge inside through corona discharge rather than using the amount of charge generated by contact between charged materials. Ensure that the concentration of charge that can be held is at its maximum.
본 발명의 양전하 대전체는 양전하를 대전하는 양전하 대전체이며, 전극과 연결되고, 전극을 통해 센싱 회로와 연결됨으로써 마주하는 음전하 대전체와의 거리에 따른 전압 출력 변화에 의해, 장착된 부품의 속도, 가속도 등을 감지하는 스피드 센서에 적용된다.The positively charged body of the present invention is a positively charged body that charges a positive charge, and is connected to an electrode and connected to a sensing circuit through the electrode, thereby changing the voltage output according to the distance from the negatively charged body facing the speed of the mounted component. , applied to speed sensors that detect acceleration, etc.
본 발명의 양전하 대전체는 고분자 폴리머(matrix)에 나노입자(particle)가 혼합된 복합재를 필름 형태로 제조하여 형성된다.The positively charged body of the present invention is formed by manufacturing a composite material in which nanoparticles are mixed with a high molecular polymer (matrix) in the form of a film.
즉, 양전하 대전체는 필름을 이루는 고분자 주재와, 주입된 양전하를 오래 유지하는 나노입자를 섞은 복합재를 이용한다.In other words, the positively charged material uses a composite material that mixes the polymer base that forms the film with nanoparticles that retain the injected positive charge for a long time.
Matrix 소재로는 가공이 쉽고 hard segment를 가지고 있어 기계적 물성이 안정적이며, 질소기를 가지고 있어 전자를 제공하는 성질을 가진 열가소성 폴리우레탄(TPU, Thermoplastic Polyurethane)인 것이 바람직하다.The matrix material is preferably thermoplastic polyurethane (TPU), which is easy to process, has hard segments, has stable mechanical properties, and has a nitrogen group that provides electrons.
TPU 외에 PDMS, PET, PI, PEI, PS, PP 등의 폴리머(polymer) 소재가 적용될 수 있다.In addition to TPU, polymer materials such as PDMS, PET, PI, PEI, PS, and PP can be applied.
그리고, Particle 소재로는 양전하 포섭 가능한 양이 뛰어나게 높고, 이를 유지하는 성능이 좋으며, 합성이나 표면 개질 등 가공이 용이한 세라믹 나노 입자(SiO2)인 것이 바람직하다.Additionally, it is preferable that the particle material be ceramic nanoparticles (SiO 2 ), which have an exceptionally high amount of positive charges that can be captured, have good performance in maintaining them, and are easy to process, such as synthesis or surface modification.
SiO2 외에 PTFE, Parylene, Al2O3 등이 적용될 수 있다.In addition to SiO 2 , PTFE, Parylene, Al 2 O 3 , etc. can be applied.
나아가, SiO2의 입자 크기 및 농도를 고려하여야 하며, 복합재의 두께 또한 고려 대상이 된다. 이를 정리하면 표 1과 같다.Furthermore, the particle size and concentration of SiO 2 must be considered, and the thickness of the composite material is also taken into consideration. This is summarized in Table 1.
먼저, SiO2의 입자 크기는 200nm 이상 500nm 이하인 것이 바람직하다.First, the particle size of SiO 2 is preferably 200 nm or more and 500 nm or less.
첨가하는 미세 입자는 SiO2 입자를 사용하여 복합재를 제조할 수 있다.A composite material can be manufactured using SiO 2 particles as the added fine particles.
입자의 크기는 균일한 필름 제조에 영향을 미치게 되는데, 200nm 보다 작은 크기의 입자를 사용할 경우 필름 제조 과정에서 입자끼리의 aggregation이 발생하여 뭉친 입자들이 필름 내 균일하게 분포되지 못하고 가라앉게 되고 표면 roughness가 생기는 현상이 발생한다.The size of the particles affects the production of a uniform film. If particles smaller than 200 nm are used, aggregation of particles occurs during the film production process, so the aggregated particles are not distributed uniformly in the film and settle, reducing the surface roughness. A phenomenon occurs.
반대로 입자 크기가 500nm 보다 큰 입자를 사용할 경우 필름 제조 시 용액 상태에서 magnetic stir로 충분히 저어주더라도 중력의 영향으로 가라앉는 현상이 발생한다. 이는 대전체 charging 이후 표면에 전하가 감소하는 효과를 일으키며 출력이 급감하게 된다.Conversely, if particles with a particle size larger than 500 nm are used, sinking occurs due to gravity even if the solution is sufficiently stirred with a magnetic stir during film production. This has the effect of reducing the charge on the surface after charging the charged body, causing a sharp decrease in output.
동일한 농도의 입자를 섞었을 때 입자가 작아질수록 표면 면적이 늘어나 대전체의 출력이 증가한다. 또한 입자의 크기가 작을수록 밀도가 증가한다.When particles of the same concentration are mixed, the smaller the particles, the more the surface area increases, and the output of the charged body increases. Additionally, the smaller the particle size, the higher the density.
미세 입자의 크기가 너무 작게 되면 고농도(wt%)의 필름 제조가 어렵게 된다. 미세입자의 농도는 출력에 비례관계가 있으므로 너무 작은 크기의 입자를 사용할 경우 (200nm 미만) 출력에 부정적 영향을 미치게 된다.If the size of the fine particles is too small, it becomes difficult to manufacture a high concentration (wt%) film. Since the concentration of fine particles is proportional to the output, using too small particles (less than 200 nm) will have a negative effect on the output.
도 1은 TPU와 SiO2가 20 wt%인 경우이며, 입자 크기가 200nm와 500nm인 경우이다.Figure 1 shows the case where TPU and SiO 2 are 20 wt% and the particle size is 200 nm and 500 nm.
다음, SiO2의 농도는 10wt% 이상 50wt% 이하인 것이 바람직하다.Next, the concentration of SiO 2 is preferably 10 wt% or more and 50 wt% or less.
SiO2는 양전하 대전체로서 전하 유지 능력이 우수하기 때문에 농도가 증가할수록 출력이 증가한다.Since SiO 2 is a positively charged material and has excellent charge retention ability, the output increases as the concentration increases.
SiO2의 농도가 10 wt% 미만인 경우에는 출력 전압이 낮아 안정적인 신호 획득이 어렵다.(noise signal과 속도 신호를 구별하여 감지할 수 있을만큼 충분한 출력이 발생하지 않음)If the concentration of SiO 2 is less than 10 wt%, the output voltage is low and it is difficult to obtain a stable signal. (There is not enough output to distinguish between the noise signal and the speed signal.)
반면, SiO2의 농도가 50 wt%를 초과할 경우에는 복합 소재의 viscosity가 급증하여 필름 제조가 어렵다.On the other hand, when the concentration of SiO 2 exceeds 50 wt%, the viscosity of the composite material rapidly increases, making film production difficult.
도 2 및 도 3은 본 발명의 양전하 대전체의 미세입자 농도에 따른 출력을 나타낸 것으로서, 도 2는 저속인 경우, 도 3은 고속인 경우이며, 도 4는 본 발명의 양전하 대전체의 미세입자 농도에 따른 정규화된(normalized) 출력 전압을 나타낸 것이다.Figures 2 and 3 show the output according to the concentration of fine particles of the positively charged material of the present invention, where Figure 2 is the case at low speed, Figure 3 is the case at high speed, and Figure 4 is the fine particle of the positively charged material of the present invention. This shows the normalized output voltage according to concentration.
다음, 복합재의 두께는 10~100㎛ 인 것이 바람직하다.Next, the thickness of the composite material is preferably 10 to 100㎛.
유전체는 두께에 따라 보유할 수 있는 전하의 양이 변하므로 센서의 안정적인 출력을 확보하기 위해서는 두께에 따른 출력 비교가 필요한데, 이론적으로는 대전체 소재의 두께(하기 식의 d)가 얇을수록 마찰전기 기반 소자의 전기적 출력을 증가시킬 수 있다.Since the amount of charge that a dielectric can hold changes depending on its thickness, it is necessary to compare output according to thickness to ensure stable output of the sensor. In theory, the thinner the thickness of the charged material (d in the equation below), the higher the triboelectricity. The electrical output of the base device can be increased.
복합재의 두께가 너무 얇으면 표면 전하 밀도에 의해 형성된 전기장에 의해 표면 전하가 전극으로 이동하거나 반대로 전극의 전하가 표면 전하로 이동하여 출력이 감소하는 현상이 있다.If the thickness of the composite material is too thin, the surface charge moves to the electrode due to the electric field formed by the surface charge density, or conversely, the charge on the electrode moves to the surface charge, causing a decrease in output.
본 발명에서는 양전하 대전체 필름 제작을 위해 drop-casting 방법을 사용하여 필름을 제작한다. drop-casting 방식의 특성상 기판에 고르게 퍼질 수 있도록 손으로 용액을 펼쳐줘야 하는 과정이 있어 10 ㎛ 미만의 두께 범위에서는 표면 거칠기가 크고 균일한 필름 제작이 어려움을 확인할 수 있다. 이는 마찰대전 과정에서 전기적 쇼트에 의한 필름의 파괴로 이어질 수 있다. 도 5는 drop-casting 용액 투입량과 두께의 관계이다.In the present invention, a drop-casting method is used to produce a positively charged film. Due to the nature of the drop-casting method, there is a process of spreading the solution by hand to spread it evenly on the substrate. Therefore, in the thickness range of less than 10 ㎛, the surface roughness is large and it is difficult to produce a uniform film. This may lead to destruction of the film due to an electrical short during the triboelectric charging process. Figure 5 shows the relationship between drop-casting solution input amount and thickness.
또한 기판과 용액의 표면 장력에 의해 한 번에 증착할 수 있는 필름의 최대 두께가 결정되었고, 이는 50 ㎛이다. 즉 50 ㎛ 초과의 두께를 갖는 필름은 용액을 굳힌 후 drop-casting을 반복하여 제작해야 했는데, 이 과정에서 새로 올린 용액에 기존 필름이 녹으며 필름의 중심부와 외곽 사이에 거칠기가 증가하는 현상이 일어난다. 실험 결과 drop-casting 3회 반복(150 ㎛) 이상의 두께는 균일한 필름을 얻기가 어렵다고 판단된다.Additionally, the maximum thickness of the film that can be deposited at once was determined by the surface tension of the substrate and solution, which is 50 ㎛. In other words, films with a thickness exceeding 50 ㎛ had to be produced by solidifying the solution and then repeating drop-casting. During this process, the existing film was dissolved in the newly added solution, causing an increase in roughness between the center and the outside of the film. . As a result of the experiment, it is judged that it is difficult to obtain a uniform film with a thickness of more than 3 times drop-casting (150 ㎛).
따라서, 도 6(TPU+SiO2 50wt%)과 같이 최대 출력이 안정적으로 발생하는 최적의 두께 범위는 10~100 ㎛ 구간이다. 해당 두께로 필름을 제조하여 최적화된 음전하 대전체와 함께 pair로 속도별 출력 평가할 경우 출력이 약한 30 km/h 이하 저속 조건에서까지 속도 감지가 가능하여 스피드 센서로 활용이 가능하다.(도 9 참조)Therefore, as shown in Figure 6 (TPU+SiO 2 50wt%), the optimal thickness range in which maximum output is stably generated is 10 to 100 ㎛. When a film is manufactured to the corresponding thickness and the output is evaluated for each speed in pairs with an optimized negative charger, speed can be detected even under low speed conditions of 30 km/h or less with low output, making it possible to use it as a speed sensor (see Figure 9). )
본 발명에서는 최대 출력이 안정적으로 발생하는 10~100 ㎛ 구간을 최적 두께로 선정하였으며, 그 이상의 두께에서도 출력이 부족하지 않으며, 마찰대전 기반 소자의 용도에 따라 다양한 두께로 제작해서 사용이 가능하다. 다만 안정적이고 균일한 필름 제조가 어려울 수 있다.In the present invention, the 10 to 100 ㎛ section where maximum output stably occurs was selected as the optimal thickness. There is no shortage of output even at thicknesses above that, and the triboelectric charge-based device can be manufactured and used at various thicknesses depending on the purpose of the device. However, it can be difficult to manufacture a stable and uniform film.
이하에서는 상술한 본 발명의 양전하 대전체의 제조예를 설명한다.Below, an example of manufacturing the positively charged body of the present invention described above will be described.
먼저, 농도에 맞는 양의 SiO2 입자를 전체 용액의 15 wt%에 해당하는 EtOH에 분산시켜 준비한다. 분산제의 경우 methanol, ethanol, propanol과 같이 하이드록실기(-OH)를 갖는 용매가 사용될 수 있다.First, prepare SiO 2 particles in an amount appropriate for the concentration by dispersing them in EtOH corresponding to 15 wt% of the total solution. In the case of a dispersant, a solvent having a hydroxyl group (-OH) such as methanol, ethanol, or propanol can be used.
그리고, N,N-Dimethylformamide(DMF) 용매에 TPU를 2.5wt% ± 0.5wt% 비율로 첨가한다.Then, TPU is added to the N,N-Dimethylformamide (DMF) solvent at a ratio of 2.5wt% ± 0.5wt%.
다음, 100℃에서 24시간 가열하여 TPU를 용해시킨다.Next, heat at 100°C for 24 hours to dissolve the TPU.
준비된 SiO2 + EtOH을 용해된 TPU에 넣고 30분간 sonication 처리하여 분산시킨다.Add the prepared SiO 2 + EtOH to the dissolved TPU and disperse it by sonication for 30 minutes.
그리고, Hot plate 위에 기판으로 전극(Al)를 준비하고 두께에 맞추어 정량을 드롭 캐스팅(drop-casting) 한다.Then, prepare an electrode (Al) as a substrate on the hot plate and drop-cast a fixed amount according to the thickness.
Hot plate의 온도를 50℃에서 15분, 60℃에서 15분, 70℃에서 15분동안 순차적으로 가열하여 brittle한 소재가 깨지지 않도록 안정적이게 용매를 증발시키고 박막을 얻는다.By heating the hot plate sequentially at 50℃ for 15 minutes, 60℃ for 15 minutes, and 70℃ for 15 minutes, the solvent is stably evaporated to prevent the brittle material from breaking and a thin film is obtained.
도 16은 본 발명의 양전하 대전체를 포함하는 스피드 센서의 예를 도시한 것이며, 도 17은 센서부를 부분 도시한 것이다.Figure 16 shows an example of a speed sensor including a positively charged body of the present invention, and Figure 17 partially shows the sensor unit.
본 발명의 마찰전기 센서용 양전하 대전체의 시험을 위해, Fused deposition modeling 방식의 3D 프린터로 톤 휠(tone wheel)의 구조를 모방하여 제작한 구조체(rotator)의 치의 외주면에 음전하 대전체를 코팅하고, stator의 센서부(10)에는 위와 같이 제조된 양전하 대전체(11)가 코팅된 전극(12)을 일정한 간격에 위치하여 single electrode 기반 비접촉식 스피드 센서를 제작한다.To test the positively charged material for the triboelectric sensor of the present invention, a negatively charged material was coated on the outer peripheral surface of the teeth of a rotator manufactured by imitating the structure of a tone wheel using a 3D printer using fused deposition modeling. , electrodes 12 coated with the positively charged body 11 manufactured as above are placed at regular intervals on the sensor unit 10 of the stator to manufacture a single electrode-based non-contact speed sensor.
톤 휠과 센서부에 제조된 양/음전하 대전체를 다양하게 코팅한 이후 코로나 방전을 통해 전하를 충전하고 나서 자동차의 구동 조건 (속도, 외부환경 등)에 따른 출력 전압 측정 및 평가를 진행한다.After various coatings of positive and negative charged materials manufactured on the tone wheel and sensor part, the charges are charged through corona discharge, and then the output voltage is measured and evaluated according to the car's driving conditions (speed, external environment, etc.).
ion-injection을 통한 대전체에 인위적으로 전하를 주입하기 위한 방법은 전하를 주입하기 위해 전압의 세기가 7~10 kV 일 수 있고, 처리 시간은 1분에서 5분 정도일 수 있으며, 소재와 기기 사이의 거리는 1 cm 내외일 수 있다.The method for artificially injecting charges into a charged object through ion-injection may require a voltage of 7 to 10 kV to inject charges, a processing time of 1 to 5 minutes, and a gap between the material and the device. The distance may be around 1 cm.
도 18은 도 16의 스피드 센서의 작동 메커니즘을 도시한 것이다.FIG. 18 shows the operating mechanism of the speed sensor of FIG. 16.
작동 메커니즘을 설명하면, 톤 휠이 회전하며 음전하 대전체와 양전하 대전체와 가까워지며 전기적 균형을 맞추기 위해 전자가 전극에서 나가고, 양전하 대전체와 음전하 대전체가 마주치는 면적이 최대가 될 때까지 전자가 전극에서 나간다.To explain the working mechanism, the tone wheel rotates and brings the negative and positive charges closer together, causing electrons to leave the electrode to achieve electrical balance, until the area where the positive and negative charges meet is maximized. leaves the electrode.
그리고, 톤 휠이 회전하며 음전하 대전체가 양전하 대전체와 멀어지며 전기적 균형을 맞추기 위해 전자가 전극에 들어오고, 양전하 대전체와 음전하 대전체가 마주치는 면적이 최소가 될 때까지 전자는 들어온다.Then, as the tone wheel rotates, the negatively charged body moves away from the positive charged body, and electrons enter the electrode to maintain electrical balance. Electrons enter until the area where the positive and negative charged bodies meet is minimized.
속도가 증가함에 따라서 신호 세기 및 발생 주기(Frequency)를 안정적으로 확보할 수 있다. 도 20과 같이 신호 발생 주기를 통해 회전체의 속도를 측정할 수 있다.As the speed increases, signal strength and frequency can be stably secured. As shown in Figure 20, the speed of the rotating body can be measured through the signal generation cycle.
센서의 구조는 톤 휠과 마찰전기 기반 센서로 구성된 마찰 대전부, 출력 전압을 측정하는 측정부, 측정된 신호 발생 주기를 분석하여 속도를 산출하는 산출부로 구성될 수 있으며, 이 같은 센서 구성을 통해 본 발명의 양전하 대전체를 평가한다.The structure of the sensor can be composed of a triboelectric charging unit consisting of a tone wheel and a triboelectric-based sensor, a measuring unit that measures the output voltage, and a calculation unit that calculates the speed by analyzing the measured signal generation cycle. Through this sensor configuration, The positively charged body of the present invention is evaluated.
본 발명은 기존 자동차 등에 활용되는 스피드 센서에 마찰전기 기반의 소자 구조인 single electrode 구조를 포함하는 비접촉식 센서를 도입하여 활용하고자 한다.The present invention seeks to utilize a non-contact sensor including a single electrode structure, which is a triboelectric-based element structure, in speed sensors used in existing automobiles, etc.
도 19는 본 발명의 마찰전기 기반 센서의 출력 원리를 설명하기 위한 것이고, 도 20은 교류 형태의 출력 전압 및 신호 발생 주기를 통한 회전체 속도 측정의 예를 도시한 것이다.Figure 19 is for explaining the output principle of the triboelectric-based sensor of the present invention, and Figure 20 shows an example of measuring the speed of a rotating body through an alternating current output voltage and signal generation period.
이를 참조하여 마찰전기 기반 소자의 출력 원리를 설명한다.With reference to this, the output principle of the triboelectric-based device will be explained.
마찰대전 기반 발전기는 대전체(도시의 파랑, 초록 부분)와 전극(그림의 흰색 부분)으로 구성된다.A triboelectric-based generator consists of a charged body (blue and green parts in the picture) and electrodes (white parts in the picture).
a)에서 대전체 1(파랑)과 대전체 2(초록) 소재의 접촉에 의한 정전기적 대전 결과 대전체 1의 표면은 양전하가, 대전체 2의 표면에는 음전하가 생성된다.In a), as a result of electrostatic charging caused by contact between charged body 1 (blue) and charged body 2 (green), a positive charge is generated on the surface of charged body 1 and a negative charge is created on the surface of charged body 2.
대전체 1과 대전체 2가 접촉한 상태에서 대전체 표면 전하 합에 의한 결과가 전기적으로 중성인 상태이다.When charged bodies 1 and 2 are in contact, the result of the sum of surface charges of the charged bodies is electrically neutral.
b)에서 대전체 1과 대전체 2가 멀어지며 대전체 표면 전하는 유지되기 때문에 각각 대전체와 전극 사이에 전기적 중성을 이루기 위해 음전하 대전체(초록)에 부착된 전극의 전자가 양전하 대전체(파랑)에 부착된 전극으로 이동하며 전류가 생성된다.In b), charged body 1 and charged body 2 are separated and the surface charge of the charged body is maintained, so that electrons of the electrode attached to the negatively charged body (green) are transferred to the positively charged body (blue) to achieve electrical neutrality between the charged body and the electrode. ) moves to the electrode attached to the electrode and generates an electric current.
c)에서 대전체 1과 대전체 2 사이의 거리가 최대가 되며 전기적 중성을 이룬 상태가 된다.In c), the distance between charged body 1 and charged body 2 becomes maximum and electrical neutrality is achieved.
d)에서 대전체 1과 대전체 2가 멀어지며 각 대전체 표면에 유지되는 전하가 전기적 중성을 이루기 때문에 양전하 대전체(파랑)에 부착된 전자가 음전하 대전체(초록)에 부착된 전극으로 이동하며 전류가 생성된다.In d), charged body 1 and charged body 2 move apart, and since the charges held on the surface of each charged body become electrically neutral, the electrons attached to the positively charged body (blue) move to the electrode attached to the negatively charged body (green). And a current is generated.
이때 b)과정과 d)과정에서 형성된 전류는 반대 방향이기에 마찰대전 기반 발전기의 출력 전압은 교류 형태를 보이게 된다.At this time, since the currents formed in processes b) and d) are in opposite directions, the output voltage of the triboelectric generator is in the form of alternating current.
도 20과 같이 신호 발생 주기를 통해 회전체의 속도를 측정할 수 있다.As shown in Figure 20, the speed of the rotating body can be measured through the signal generation cycle.
이하, 본 발명의 평가 방법을 설명한다.Hereinafter, the evaluation method of the present invention will be described.
내습성 평가는 습도별 출력 전압 평가를 위해 출력 전압 평가 장치를 아크릴 상자에 넣고 가습기와 습도계를 설치하여 상대습도(RH, relative humidity) 0~99% 사이에서 센서 출력 전압을 측정한다. noise 외에 속도 감지가 가능한 수준의 출력이 발생하는지 확인하였다. 모터와 스피드 센서는 각각 파워서플라이와 오실로스코프에 연결된다.To evaluate humidity resistance, put the output voltage evaluation device in an acrylic box, install a humidifier and a hygrometer, and measure the sensor output voltage between 0 and 99% relative humidity (RH) to evaluate the output voltage by humidity. It was confirmed that, in addition to noise, output was generated at a level capable of detecting speed. The motor and speed sensor are connected to a power supply and oscilloscope, respectively.
내유성 평가는 표면 오염에 따른 출력 전압 평가를 위해 발명 소재의 표면에 다양한 윤활유 성분의 유체를 스프레이를 이용하여 대전체 소재 표면에 oil막이 형성될 수 있도록 충분한 양의 오일이 완전히 덮이도록 도포한 후 출력 전압 평가를 실시한다.In order to evaluate the output voltage according to surface contamination, the oil resistance evaluation is performed by spraying fluids with various lubricant components on the surface of the inventive material to completely cover the surface of the charged material with a sufficient amount of oil to form an oil film. Carry out voltage evaluation.
본 발명에서는 soybean oil, octadecene, brake oil을 사용하여 출력 전압을 평가하였고, noise 외에 속도 감지가 가능한 수준의 출력이 발생하는지 확인하였다.In the present invention, the output voltage was evaluated using soybean oil, octadecene, and brake oil, and it was confirmed whether the output was generated at a level that allows speed detection in addition to noise.
본 발명의 소자 특성 평가를 위해 먼저 다음 비교예를 통해 음전하 대전체를 선정한다.To evaluate the device characteristics of the present invention, a negatively charged body is first selected through the following comparative example.
금속의 양전하 대전체와 폴리머의 음전하 대전체로 구성된 비교예 1~9를 reference 평가로 실시하였다.Comparative Examples 1 to 9, which consisted of a positively charged metal body and a polymer negatively charged body, were performed as a reference evaluation.
reference 측정에 사용된 금속 소재는 출력은 높지만 시간에 따른 표면 전하 감소가 심하며, 산화 및 변질이 되기 때문에 향후 센서용 양전하 대전체로 직접 사용하기는 적절하지 않으며 출력 수준 비교를 위해 사용된다.The metal material used in the reference measurement has high output, but its surface charge decreases significantly over time, and because it is oxidized and deteriorated, it is not appropriate to be used directly as a positively charged material for future sensors. It is used to compare output levels.
도 7과 같이 동일한 20℃, RH 30% 측정 조건에서 비교예9 (Ni-PET pair)에서 가장 큰 출력 전압을 얻었고, 이를 reference로 해서 소재 설계 및 평가를 진행하였다.As shown in Figure 7, the highest output voltage was obtained in Comparative Example 9 (Ni-PET pair) under the same measurement conditions of 20°C and RH 30%, and material design and evaluation were carried out using this as a reference.
도 2 및 도 3에서 참조되는 바와 같이, 마찰대전 기반 발전기에서 양전하 대전체의 경우 양전하를 포섭 가능한 양이 뛰어나게 높고 전하를 유지하는 성능이 좋은 SiO2 입자 농도가 높아질수록 출력이 커지는 경향을 보인다.As shown in Figures 2 and 3, in the case of a positively charged body in a triboelectric generator, the output tends to increase as the concentration of SiO 2 particles, which have an exceptionally high ability to capture positive charges and have good charge retention performance, increases.
SiO2의 농도가 높아질수록 복합 소재의 viscosity가 급증하여 50 wt% 이상의 농도에서는 spin-coating이나 drop-casting의 방법으로 필름 제조가 어렵다.As the concentration of SiO 2 increases, the viscosity of the composite material increases rapidly, making it difficult to manufacture films using spin-coating or drop-casting methods at concentrations above 50 wt%.
그리고, SiO2의 농도가 낮을 경우 (<10wt%) 출력 전압이 낮아 noise level 대비 안정적인 신호 획득이 어렵다. (noise level 약 20 mV)In addition, when the concentration of SiO 2 is low (<10wt%), the output voltage is low, making it difficult to obtain a stable signal compared to the noise level. (noise level about 20 mV)
다음, 본 발명의 양전하 대전체는 TPU+SiO2이며, 음전하 대전체는 PET(polyethylene terephthalate)인 본 발명 실시예에서 양전하 대전체에 대해 두께별 출력 전압을 측정한 결과, 도 6과 같이 10~200 ㎛ 구간에서 최대 출력이 안정적으로 발생하는 것을 확인할 수 있었다.(단, 마찰대전 기반 소자의 용도에 따라 두께는 다양한 범위에서도 활용이 가능함)Next, the positive charge material of the present invention is TPU+SiO 2 and the negative charge material is PET (polyethylene terephthalate). As a result of measuring the output voltage by thickness for the positive charge material in an embodiment of the present invention, it is 10~10 as shown in Figure 6. It was confirmed that the maximum output was stably generated in the 200 ㎛ section (however, depending on the purpose of the triboelectric charge-based device, the thickness can be used in a variety of ranges).
이론적으로 대전체 소재 (유전층)의 두께가 얇을수록 마찰전기 기반 소자의 전기적 출력을 증가시킬 수 있으나 너무 얇으면 표면 전하 밀도에 의해 형성된 전기장에 의해 표면 전하가 전극으로 이동하거나 반대로 전극의 전하가 표면 전하로 이동하여 출력이 감소하는 현상이 있어 소재별 최대 출력을 보이는 최적 두께를 선정하는 것이 필요하다. 10 ㎛ 미만의 두께에서는 표면이 거칠고 균일한 필름 제작이 어렵기 때문에 균일한 필름의 두께에 따른 단순한 출력 비교가 불가하므로, 본 발명에서는 10~100 ㎛ 두께를 최적 두께로 선정하였다.In theory, the thinner the thickness of the charged material (dielectric layer) can increase the electrical output of the triboelectric-based device, but if it is too thin, the surface charge moves to the electrode due to the electric field formed by the surface charge density, or conversely, the charge of the electrode moves to the surface. Since there is a phenomenon in which output decreases due to charge transfer, it is necessary to select the optimal thickness that shows maximum output for each material. At a thickness of less than 10 ㎛, the surface is rough and it is difficult to produce a uniform film, so a simple comparison of output according to the thickness of the uniform film is not possible, so a thickness of 10 to 100 ㎛ was selected as the optimal thickness in the present invention.
다음, 도 8은 본 발명의 양전하 대전체에 의한 속도별 출력 전압 측정 결과를 나타낸 것이며, 도 9는 본 발명의 양전하 대전체에 의한 저속에서의 출력 전압 측정 결과를 나타낸 것이고, 도 10은 본 발명의 양전하 대전체에 의한 고속에서의 출력 전압 측정 결과를 나타낸 것이다. 그리고, 도 11은 본 발명의 양전하 대전체의 시간에 따른 표면 전하 감소 여부를 나타낸 것이다.Next, Figure 8 shows the output voltage measurement results at different speeds by the positively charged body of the present invention, Figure 9 shows the output voltage measurement results at low speed by the positively charged body of the present invention, and Figure 10 shows the results of the output voltage measurement by the positively charged body of the present invention. This shows the output voltage measurement results at high speed by a positively charged object. And, Figure 11 shows whether the surface charge of the positively charged body of the present invention decreases over time.
양전하 대전체는 TPU + SiO2 50wt%이며, 음전하 대전체는 PET인 본 발명 실시예에서 양전하 대전체로 사용한 최적화된 대전체 pair에 대해 속도별 출력 전압을 측정한 결과 30 km/h 이상 구간에서는 충분한 출력을 확인할 수 있었으며, 30 km/h 이하 저속 구간에서도 속도 감지가 가능함을 확인하였다. (noise level 약 20 mV < 출력 전압)The positive charge material is TPU + SiO 2 50wt%, and the negative charge material is PET. As a result of measuring the output voltage at each speed for the optimized charge material pair used as the positive charge material in the embodiment of the present invention, in the section above 30 km/h, Sufficient output was confirmed, and it was confirmed that speed detection was possible even in low-speed sections below 30 km/h. (noise level approximately 20 mV < output voltage)
센서부에 부착하는 양전하 대전체는 전극에 효과적인 induction을 위해 가능한 얇은 film에 표면에 SiO2 입자가 모인 형태로 제작하였다.The positively charged material attached to the sensor unit was manufactured in the form of SiO 2 particles gathered on the surface of a film as thin as possible for effective induction of the electrode.
도 11과 같이 시간에 따른 발명 소재의 출력 전압 유지 성능 확인 결과, reference 소재인 비교예9 대비 유지 시간이 대폭 향상된 것을 확인할 수 있다.As shown in Figure 11, as a result of checking the output voltage maintenance performance of the invention material over time, it can be seen that the maintenance time is significantly improved compared to Comparative Example 9, which is the reference material.
다음, 도 12는 비교예9의 경우의 습도별 전압을 나타낸 것이며, 도 13은 본 발명의 경우의 습도별 전압을 나타낸 것이다.Next, Figure 12 shows the voltage according to humidity in the case of Comparative Example 9, and Figure 13 shows the voltage according to humidity in the case of the present invention.
양전하 대전체는 TPU + SiO2 50wt%이며, 음전하 대전체는 PET인 본 발명 실시예에 대해 습도별 출력 전압을 측정한 결과 발명 소재를 적용한 소자는 ~RH 99%의 습도 범위에서까지 출력을 보이며 속도 감지가 가능함을 확인할 수 있다.As a result of measuring the output voltage according to humidity for the embodiment of the present invention in which the positive charge material is TPU + SiO 2 50wt% and the negative charge material is PET, the device using the inventive material shows output up to the humidity range of ~RH 99%. You can confirm that speed detection is possible.
마찰전기 기반 소자는 표면 전하 밀도가 가장 중요한 요인으로 습도는 표면 전하 소실에 큰 영향을 미치는 요인이다. 대부분의 마찰전기 기반 소자는 주변 습도가 증가함에 따라 출력이 감소하고, 일정 습도 이상에서는 출력을 보이지 않는다. (reference 소재의 경우 noise만 관찰)For triboelectric-based devices, surface charge density is the most important factor, and humidity is a factor that greatly affects surface charge dissipation. Most triboelectric-based devices have reduced output as ambient humidity increases, and do not show output above a certain humidity. (In case of reference material, only noise is observed)
다음, 도 14는 비교예의 경우의 오염시 전압을 나타낸 것이며, 도 15는 본 발명의 경우의 오염시 전압을 나타낸 것이다.Next, Figure 14 shows the voltage at the time of contamination in the case of the comparative example, and Figure 15 shows the voltage at the time of contamination in the case of the present invention.
양전하 대전체는 TPU + SiO2 50wt%이며, 음전하 대전체는 PET인 본 발명 실시예에 대해 표면 오염에 따른 출력 전압을 측정한 결과 발명 소재를 적용한 소자는 다양한 기름 성분에 오염되어도 속도 감지가 가능한 수준의 출력을 보이는 것을 확인하였다.As a result of measuring the output voltage according to surface contamination for an embodiment of the present invention in which the positive charge material is TPU + SiO 2 50wt% and the negative charge material is PET, the device using the inventive material is capable of detecting speed even when contaminated with various oil components. It was confirmed that the level of output was shown.
마찰전기 기반 소자는 표면 전하 밀도가 가장 중요한 요인으로 표면 오염 또한 표면 전하 소실에 큰 영향을 미치는 요인이다.For triboelectric-based devices, surface charge density is the most important factor, and surface contamination is also a factor that greatly affects surface charge loss.
대부분의 마찰전기 기반 소자는 대전체의 표면이 다양한 원인에 의해 오염됨에 따라 출력을 상실하고 noise만 관찰된다.Most triboelectric-based devices lose output and only noise is observed as the surface of the charged body is contaminated by various causes.
이상과 같이 본 발명의 양전하 대전체에 의하면, 속도가 다양한 환경에서도 센서로서 안정적 성능을 유지할 수 있음을 확인할 수 있으며, 습도 및 오염 등 환경에 대한 영향도 최소화 가능하다.As described above, according to the positively charged body of the present invention, it can be confirmed that stable performance as a sensor can be maintained even in environments where speeds vary, and environmental impacts such as humidity and pollution can also be minimized.
한편, 출력 전압 증가를 위해 양전하 대전체 소재 제조 시 첨가된 입자의 분산도 향상 목적으로 Hexane 등의 분산제를 추가 사용할 수 있다.Meanwhile, in order to increase the output voltage, dispersants such as hexane can be additionally used to improve the dispersion of particles added when manufacturing positively charged materials.
또한, 표면에 수분이 존재하면 charge dissipation 현상이 생겨 전하가 분산되어 출력이 감소할 수 있으므로, 전하 유지 성능 향상을 위해 다양한 방식으로 3차원 형상으로 표면을 개질하여 hydrophobicity를 높일 수 있다.(예. reactive ion etching (RIE), lithography, particle coationg, mold-casting 등)In addition, the presence of moisture on the surface can cause charge dissipation, which can disperse charges and reduce output. Therefore, hydrophobicity can be increased by modifying the surface into a three-dimensional shape in various ways to improve charge retention performance (e.g. reactive ion etching (RIE), lithography, particle coating, mold-casting, etc.)
또는 표면 소수성과 내유성 향상을 위해 plasma, UV-Ozone treatment, corona discharging 및 CVD를 포함한 표면 처리 기술이 적용될 수 있다.Alternatively, surface treatment technologies including plasma, UV-Ozone treatment, corona discharging, and CVD can be applied to improve surface hydrophobicity and oil resistance.
이상과 같은 본 발명은 예시된 도면을 참조하여 설명되었지만, 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형될 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이며, 본 발명의 권리범위는 첨부된 특허청구범위에 기초하여 해석되어야 할 것이다.Although the present invention as described above has been described with reference to the illustrative drawings, it is not limited to the described embodiments, and it is common knowledge in the field of this technology that various modifications and changes can be made without departing from the spirit and scope of the present invention. It is self-evident to those who have. Accordingly, such modifications or variations should be considered to fall within the scope of the patent claims of the present invention, and the scope of rights of the present invention should be interpreted based on the appended claims.
10 : 센서부
11 : 양전하 대전체
12 : 전극10: sensor unit
11: Positively charged body
12: electrode
Claims (12)
열가소성 폴리우레탄(TPU, Thermoplastic Polyurethane) 소재의 고분자 폴리머; 및
SiO2 세라믹 입자(particle)를 포함하는,
마찰전기 센서용 양전하 대전체.As a positively charged body that charges a positive charge for a triboelectric sensor,
High molecular weight polymer made of thermoplastic polyurethane (TPU); and
Containing SiO 2 ceramic particles,
Positively charged material for triboelectric sensors.
상기 SiO2 세라믹 입자의 입자 크기는 200nm 이상 500nm 이하인 것을 특징으로 하는,
마찰전기 센서용 양전하 대전체.In claim 1,
Characterized in that the particle size of the SiO 2 ceramic particles is 200 nm or more and 500 nm or less,
Positively charged material for triboelectric sensors.
상기 SiO2 세라믹 입자는 분산제 100wt%에 10wt% 이상 50wt% 이하의 농도로 첨가되어 상기 열가소성 폴리우레탄에 혼합되는 것을 특징으로 하는,
마찰전기 센서용 양전하 대전체.In claim 1,
Characterized in that the SiO 2 ceramic particles are added to 100 wt% of the dispersant at a concentration of 10 wt% or more and 50 wt% or less and mixed into the thermoplastic polyurethane.
Positively charged material for triboelectric sensors.
상기 분산제와 상기 열가소성 폴리우레탄을 포함하는 복합재 전체 wt%를 기준으로, 상기 분산제는 15wt% ± 5wt%로 혼합되는 것을 특징으로 하는,
마찰전기 센서용 양전하 대전체.In claim 3,
Based on the total wt% of the composite material containing the dispersant and the thermoplastic polyurethane, the dispersant is mixed at 15wt% ± 5wt%,
Positively charged material for triboelectric sensors.
상기 복합재의 두께는 10~100㎛인 것을 특징으로 하는,
마찰전기 센서용 양전하 대전체.In claim 3,
Characterized in that the thickness of the composite is 10 to 100㎛,
Positively charged material for triboelectric sensors.
열가소성 폴리우레탄(TPU, Thermoplastic Polyurethane) 소재의 고분자 폴리머 및 SiO2 세라믹 입자(particle)를 포함하는 복합재를 준비하는 단계;
상기 복합재를 기판(substrate)에 드롭 캐스팅(drop-casting)하는 단계; 및
상기 기판을 가열하여 상기 복합재에 포함된 용매를 증발시키는 단계를 포함하는,
양전하 대전체 제조 방법.A method of manufacturing a positively charged body for a triboelectric sensor, comprising:
Preparing a composite material including a polymer made of thermoplastic polyurethane (TPU) and SiO 2 ceramic particles;
Drop-casting the composite onto a substrate; and
Comprising the step of heating the substrate to evaporate the solvent contained in the composite,
Method for producing a positively charged body.
상기 복합재를 준비하는 단계는,
상기 SiO2 세라믹 입자를 분산제에 첨가하는 단계;
상기 열가소성 폴리우레탄을 용매에 용해시키는 단계; 및
상기 분산제를 용해된 상기 열가소성 폴리우레탄에 혼합하는 단계를 포함하는,
양전하 양전체 제조 방법.In claim 6,
The step of preparing the composite material is,
Adding the SiO 2 ceramic particles to a dispersant;
Dissolving the thermoplastic polyurethane in a solvent; and
Comprising the step of mixing the dispersant into the dissolved thermoplastic polyurethane,
Method for producing a positive charge.
상기 분산제에 첨가하는 상기 SiO2 세라믹 입자의 크기는 200nm 이상 500nm 이하인 것을 특징으로 하는,
양전하 대전체 제조 방법.In claim 7,
Characterized in that the size of the SiO 2 ceramic particles added to the dispersant is 200 nm or more and 500 nm or less.
Method for producing a positively charged body.
상기 SiO2 세라믹 입자를 분산제에 첨가하는 단계는 상기 분산제 100wt%에 상기 SiO2 세라믹 입자를 110wt% 이상 50wt% 이하의 농도로 첨가하는 것을 특징으로 하는,
양전하 대전체 제조 방법.In claim 7,
The step of adding the SiO 2 ceramic particles to the dispersant is characterized in that the SiO 2 ceramic particles are added at a concentration of 110 wt% or more and 50 wt% or less to 100 wt% of the dispersant.
Method for producing a positively charged body.
상기 분산제를 상기 SiO2 세라믹 입자에 혼합하는 단계는 상기 복합재 전체 wt%를 기준으로 상기 분산제를 15wt% ± 5wt%로 혼합하는 것을 특징으로 하는,
양전하 대전체 제조 방법.In claim 7,
The step of mixing the dispersant into the SiO 2 ceramic particles is characterized in that the dispersant is mixed at 15 wt% ± 5 wt% based on the total wt% of the composite.
Method for producing a positively charged body.
상기 열가소성 폴리우레탄을 용매에 용해시키는 단계는 상기 용매 전체 wt%를 기준으로 상기 열가소성 폴리우레탄을 2.5wt% ± 0.5wt%로 혼합하는 것을 특징으로 하는,
양전하 대전체 제조 방법.In claim 7,
The step of dissolving the thermoplastic polyurethane in a solvent is characterized in that the thermoplastic polyurethane is mixed at 2.5 wt% ± 0.5 wt% based on the total wt% of the solvent.
Method for producing a positively charged body.
상기 기판에 드롭 캐스팅된 상기 복합재의 두께는 10~100㎛인 것을 특징으로 하는,
양전하 대전체 제조 방법.In claim 6,
Characterized in that the thickness of the composite material drop casted on the substrate is 10 to 100 ㎛,
Method for producing a positively charged body.
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|---|---|---|---|
| KR1020230000982A KR20240109348A (en) | 2023-01-04 | 2023-01-04 | Positively charged body for triboelectric sensor and manufacturing method of positively charged body |
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Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101872376B1 (en) | 2017-03-31 | 2018-08-02 | 한국생산기술연구원 | Acceleration sensor using triboelectrification and method of measuring acceleration using the same |
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2023
- 2023-01-04 KR KR1020230000982A patent/KR20240109348A/en unknown
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