WO2016089046A1 - 마찰대전 발전소자 - Google Patents

마찰대전 발전소자 Download PDF

Info

Publication number
WO2016089046A1
WO2016089046A1 PCT/KR2015/012847 KR2015012847W WO2016089046A1 WO 2016089046 A1 WO2016089046 A1 WO 2016089046A1 KR 2015012847 W KR2015012847 W KR 2015012847W WO 2016089046 A1 WO2016089046 A1 WO 2016089046A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
layer
electrode
ferroelectric
triboelectric
charging layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/KR2015/012847
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
박영준
김상우
박윤권
승완철
윤홍준
이근영
이정환
이주혁
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Samsung Electronics Co Ltd
Sungkyunkwan University
Original Assignee
Samsung Electronics Co Ltd
Sungkyunkwan University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Samsung Electronics Co Ltd, Sungkyunkwan University filed Critical Samsung Electronics Co Ltd
Priority to US15/532,643 priority Critical patent/US10468996B2/en
Publication of WO2016089046A1 publication Critical patent/WO2016089046A1/ko
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N1/00—Electrostatic generators or motors using a solid moving electrostatic charge carrier
    • H02N1/04—Friction generators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B1/00—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors
    • H01B1/20—Conductive material dispersed in non-conductive organic material
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N1/00—Electrostatic generators or motors using a solid moving electrostatic charge carrier
    • H02N1/06—Influence generators
    • H02N1/08—Influence generators with conductive charge carrier, i.e. capacitor machines
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N1/00—Electrostatic generators or motors using a solid moving electrostatic charge carrier
    • H02N1/06—Influence generators
    • H02N1/10—Influence generators with non-conductive charge carrier

Definitions

  • the present disclosure relates to an energy harvesting device by vibration (mechanical energy). More specifically, the present disclosure relates to triboelectric power generators that generate power by friction.
  • Triboelectric power generation technology allows friction at the interface between different dielectrics or friction at the interface between the dielectric and the metal to be generated by pressure or vibration from the outside and from the potential difference induced by such friction. It is a power generation technology that generates electricity. It is known that triboelectric power generation technology can provide about 10 to about 100 times more power than piezoelectric power generation technology. However, there is still a need to improve the power density of the triboelectric generator.
  • the output of the triboelectric generator is generally determined by the properties of the triboelectric charging material (work function, ionization tendency, chemical potential, etc.), and the composition and surface structure of the triboelectric charging member.
  • the conventional triboelectric power generator has shown a limit to the output due to the limitation on the charging characteristics of the conventional triboelectric charging material in producing induction electricity due to static electricity by friction.
  • Many studies have been conducted to overcome the limitation of output, but most of the research is based on a technique for changing the structure and surface area of the charging member, and to increase the amount of static electricity generated by friction in more places. Main purpose is to.
  • these techniques increase the size of the triboelectric generator, and also increase the amount of material required for the triboelectric generator.
  • the present disclosure improves the output of the triboelectric generator by making the material of the triboelectric charging member itself exhibit increased surface charge density characteristics. Accordingly, the present disclosure provides a triboelectric generator that can exhibit improved output without increasing the size of the triboelectric generator or increasing the amount of material required for the triboelectric generator.
  • a second electrode disposed on the first charging layer
  • the first electrification layer and the second electrode are arranged such that an interface between the first electrification layer and the second electrode forms a frictional interface
  • the first charging layer includes a ferroelectric polymer matrix and ferroelectric inorganic particles dispersed in the ferroelectric polymer matrix.
  • the present disclosure can improve the output value of the triboelectric generator by controlling the surface charge density of the triboelectric material, so that embodiments of the triboelectric generator of the present disclosure can achieve improved output at the same thickness and area.
  • the first charging layer contains a ferroelectric polymer matrix and ferroelectric inorganic particles dispersed in the ferroelectric polymer matrix.
  • Ferroelectric polymer matrix exhibits interfacial polarization due to external pressure.
  • Ferroelectric inorganic particles dispersed in the ferroelectric polymer matrix generate a local polarization effect due to strain caused by interfacial friction and deformation, thereby resulting in an additional potential difference increase.
  • Improve the overall output of the triboelectric generator improve the output value of the triboelectric generator.
  • Embodiments of the triboelectric generator of the present disclosure may be manufactured in the form of a flexible film, and may be embedded in a vibrating structure, a strap, a buckle, and the like, by using friction by vibration or human body movement, thereby providing electricity. Can be generated.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing one embodiment of a triboelectric power generator provided according to a first aspect of the present disclosure.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing an embodiment in which the sub-charge layer having the lowest inorganic particle content is arranged to form a friction interface.
  • FIG 3 is a cross-sectional view schematically showing an embodiment including a second charging layer.
  • FIG. 4 is a scanning electron micrograph of the surface of the first electrification layer obtained in Examples 1 and 4.
  • FIG. 4 is a scanning electron micrograph of the surface of the first electrification layer obtained in Examples 1 and 4.
  • FIG. 5 is a graph showing potential difference measurement results for Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 4.
  • FIG. 5 is a graph showing potential difference measurement results for Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 4.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing one embodiment of a triboelectric power generator provided according to a first aspect of the present disclosure.
  • the first electrification layer 200 includes a ferroelectric polymer matrix 210 and ferroelectric inorganic particles 220 dispersed in the ferroelectric polymer matrix 210.
  • the first electrode 100 can comprise any electrically conductive material.
  • the first electrode 100 is, for example, aluminum (Al), copper (Cu), magnesium (Mg), tungsten (W), iron (Fe), platinum (Pt), gold (Au), silver (Ag). ), Tantalum (Ta), titanium (Ti), palladium (Pd), ruthenium (Ru), alloys thereof, carbon nanotubes, graphene, ITO (indium tin oxide), tantalum nitride (TaN), titanium nitride (TiN), and a conductive polymer (specifically, for example, PCBM ([6,6] -phenyl-C85 butyric acid methyl ester) based polymer).
  • PCBM [6,6] -phenyl-C85 butyric acid methyl ester
  • the first charging layer 200 is formed on the first electrode 100.
  • the first electrification layer 200 may include a ferroelectric polymer matrix 210; And ferroelectric inorganic particles 220 dispersed in the ferroelectric polymer matrix 210.
  • Ferroelectricity refers to the characteristics of a nonconductor or dielectric that exhibits spontaneous polarization (a phenomenon in which the centers of positive and negative charges are separated and one side of the crystal is positively charged and the other side is negatively charged).
  • Ferroelectric materials may consist of small electric dipoles of structural units.
  • the electric dipole refers to a state in which the center of the unit positive charge and the unit negative charge are separated by a small distance. In crystals these electric dipoles are themselves evenly arranged in what is called a "domain.”
  • the ferroelectric polymer matrix 210 is, for example, polyvinylidene fluoride (PVDF), polydimethylsiloxane (PDMS), polyimide (Polyimide), P (VDF-TrFE) (poly (vinylidenefluoride-co-trifluoroethylene)) And P (VDF-TrFECFE) (poly (vinylidenefluoride-trifluoroethylene-chlorofluoroethylene)), and P (VDF-HFP) (poly (vinylidenefluoride-hexafluoropropylene)).
  • PVDF polyvinylidene fluoride
  • PDMS polydimethylsiloxane
  • Polyimide Polyimide
  • P (VDF-TrFE) poly (vinylidenefluoride-co-trifluoroethylene)
  • VDF-TrFECFE poly (vinylidenefluoride-trifluoroethylene-chlorofluoroethylene)
  • the ferroelectric inorganic particles 220 are dispersed in the ferroelectric polymer matrix 210.
  • the ferroelectric inorganic particles 220 include, for example, lead zirconate titanate (PZT), barium titanate (BaTiO 3 ), zinc oxide (ZnO), gallium nitride (GaN), aluminum nitride (AlN), PbTiO 3 , and triglycine sulfide.
  • pate (triglycine sulfate: (NH 2 CH 2 COOH) 3 ⁇ H 2 SO 4), lithium tantalate (lithium tantalate: LiTaO 3), and lithium niobate (lithium niobate: LiNbO 3) comprises at least one selected from can do.
  • the average particle size of the ferroelectric inorganic particles 220 may be, for example, about 80 nm to about 800 nm. If the average particle size of the ferroelectric inorganic particles 220 is too small, the occurrence of polarization due to external strain may be insignificant or small. If the average particle size of the ferroelectric inorganic particles 220 is too large, the inorganic particles 220 may be unevenly distributed, and thus, it may be difficult to expect to obtain a uniform polarization distribution.
  • the amount of ferroelectric inorganic particles 220 in the first electrification layer 200 may be, for example, about 1 part by weight to about 40 parts by weight based on 100 parts by weight of the ferroelectric polymer matrix. If the amount of ferroelectric inorganic particles is too small, the potential difference improving effect may be insignificant, or may show a local distribution. If the amount of the ferroelectric inorganic particles is too large, the potential difference improving effect may be lowered, or a composite including the polymer matrix and the inorganic particles may be unstable, and thus the binding force of the first charging layer 200 itself may be reduced. This can be degraded.
  • the ferroelectric polymer matrix 210 exhibits interfacial polarization characteristics due to external pressure.
  • the ferroelectric inorganic particles 220 dispersed in the ferroelectric polymer matrix 210 generate a local polarization effect due to strain caused by interfacial friction and deformation, thereby resulting in an additional increase in potential difference. Can be.
  • a method of forming the first electrification layer 200 on the first electrode 100 may include a ferroelectric polymer; Ferroelectric inorganic particles; And applying a dispersion for forming a first charging layer containing a solvent onto the first electrode 100. And removing the solvent from the applied dispersion for forming the first charging layer.
  • the solvent any solvent capable of dissolving the ferroelectric polymer and dispersing the ferroelectric inorganic particles may be used.
  • the solvent may include, for example, one or more selected from dimethylformamide (DMF), acetone, and N-methylpyrrolidone (NMP).
  • the amount of the solvent may be about 50 parts by weight to about 95 parts by weight based on a total of 100 parts by weight of the ferroelectric polymer and the ferroelectric inorganic particles.
  • Removing the solvent from the coated dispersion for forming the first charging layer may be performed by, for example, volatilization or evaporation.
  • the first charging layer 200 formed through this process may be attached on the first electrode 100.
  • the second electrode 300 is disposed on the first charging layer 200.
  • the second electrode 300 may include any material capable of frictionally charging the first charged layer 200 through friction between the second electrode 300 and the first charged layer 200.
  • the second electrode 300 is, for example, aluminum (Al), copper (Cu), magnesium (Mg), tungsten (W), iron (Fe), platinum (Pt), gold (Au), silver (Ag).
  • PCBM [6,6] -phenyl-C85 butyric acid methyl ester
  • the first charging layer 200 and the second electrode 300 are arranged such that an interface between the first charging layer 200 and the second electrode 300 forms a friction interface 400.
  • forming the friction interface 400 means that the first charging layer 200 and the second electrode 300 may contact each other in a state where they are not attached or fixed to each other.
  • the second electrode 300 frictionally charges the first charging layer 200. Accordingly, charges having polarities opposite to each other are accumulated in the first charging layer 200 and the second electrode 300. As a result, a potential difference is formed between the first electrode 100 and the second electrode 300.
  • the ferroelectric inorganic particles 220 dispersed in the ferroelectric polymer matrix 210 may generate a local polarization effect due to strain generated by interfacial friction and deformation. Accordingly, the ferroelectric inorganic particles 220 dispersed in the ferroelectric polymer matrix 210 may be formed of the first electrode 100 and the first electrode 100 as compared with the case where the first charging layer 200 includes only the ferroelectric polymer matrix 210. It is possible to bring about a significant increase in the potential difference formed between the two electrodes 300. On the other hand, when a potential difference of a desired size is formed between the first electrode 100 and the second electrode 300, by connecting an external load to the first electrode 100 and the second electrode 300, through frictional charging The generated electrical energy can be taken out.
  • the first charging layer 200 and the second electrode 300 are arranged so as to alternately repeat contact and non-contact with each other. Further, in another embodiment, when both surfaces in contact are rubbed, electric charges of different polarities may be charged on both surfaces, thereby generating a potential difference. Further, in another embodiment, the interaction between the charges present on both surfaces in contact with each other at the frictional interface is changed by a change in distance of both surfaces in contact, and the external circuit is changed by the change in the interaction. Through the flow of charge can be generated. To create a continuous flow of charge, the distance between the two surfaces at the frictional interface is continually changed (i.e. alternating expansion and contraction), thus alternating the direction of the current, allowing alternating current generation.
  • the thickness of the first electrification layer 200 may be, for example, about 0.1 ⁇ m to about 300 ⁇ m. Preferably, the thickness of the first electrification layer 200 may be about 1 ⁇ m to about 150 ⁇ m. More preferably, the thickness of the first charging layer 200 may be about 10 ⁇ m to about 100 ⁇ m. If the thickness of the first electrification layer 200 is too thin, it may be difficult to sufficiently absorb strain, and not only to disperse the nanoparticles. If the thickness of the first charging layer 200 is too thick, the frictional charging effect may be reduced.
  • the amount of ferroelectric inorganic particles 220 in the first charging layer 200 is about 1 weight based on 100 parts by weight of the ferroelectric polymer matrix. Parts to about 40 parts by weight. More preferably, the amount of ferroelectric inorganic particles 220 in the first charging layer 200 may be about 1 part by weight to about 20 parts by weight based on 100 parts by weight of the ferroelectric polymer matrix. Even more preferably, the amount of ferroelectric inorganic particles 220 in the first electrification layer 200 may be about 3 parts by weight to about 18 parts by weight based on 100 parts by weight of the ferroelectric polymer matrix. According to the present disclosure, when the amount of the ferroelectric inorganic particles 220 in the first electrification layer 200 is in the above-described range, the potential difference formed between the first electrode 100 and the second electrode 300 is There is a sharp increase in criticality.
  • the content of the ferroelectric inorganic particles in the first charging layer may show a gradient in the thickness direction of the first charging layer.
  • the distribution of the ferroelectric polymer particles may be sequentially increased in a dense state.
  • the first charging layer may be a stack of at least two sub-charge layers having different inorganic particle contents.
  • a sub-charge layer having the lowest inorganic particle content may be arranged to form the friction interface (ie, the sub-charge layer having the lowest inorganic particle content may be disposed to face the second electrode. have).
  • the content of the inorganic particles at the friction interface of the first charging layer is lower than the content of the inorganic particles at other portions of the first charging layer.
  • the first charging layer 200 may include a first sub-charge layer 250 having a relatively low inorganic particle content; And a second sub-charge layer 260 having a relatively high inorganic particle content.
  • the first sub-charge layer 250 faces the second electrode 300.
  • the inorganic particle content in the friction interface 400 of the first electrification layer 200 is reduced to that of the inorganic particles in another portion of the first electrification layer 200 (ie, the second sub-charge layer 260). Lower than the content.
  • Having a gradient in which the content of ferroelectric inorganic particles in the first charging layer changes in the thickness direction of the first charging layer means that both surfaces of the first charging layer (that is, the friction interface 400; and the first electrode 100) From an electron micrograph of the contact surface). For example, if the number of inorganic particles shown in the electron micrograph of the friction interface 400 is smaller than the number of inorganic particles shown in the electron micrograph of the contact surface with the first electrode 100, the ferroelectricity in the first electrification layer It can be seen that the content of the inorganic particles has a gradient that changes in the thickness direction of the first charging layer.
  • the electron micrograph of the contact surface with the 1st electrode 100 can be taken, after peeling the 1st charging layer 200 from the 1st electrode 100.
  • the first electrification layer 200 is a dispersion for forming a second sub-charge layer 260 containing a ferroelectric polymer, a relatively high content of ferroelectric inorganic particles, and a solvent.
  • the content of ferroelectric inorganic particles in the sub-charge layer having the lowest inorganic particle content is sequentially increased from 0 parts by weight to about 40 parts by weight, for example, based on 100 parts by weight of the ferroelectric polymer matrix of the sub-charge layer. can do.
  • the content of ferroelectric inorganic particles in the sub-charge layer having the lowest inorganic particle content may be, for example, from 0 parts by weight to about 18 parts by weight based on 100 parts by weight of the ferroelectric polymer matrix of the sub-charge layer. have.
  • the content of the ferroelectric inorganic particles in the sub-charge layer other than the sub-charge layer having the lowest inorganic particle content is, for example, about 1 part by weight based on 100 parts by weight of the ferroelectric polymer matrix of the sub-charge layer. To about 40 parts by weight.
  • the thickness of the sub-charge layer having the lowest inorganic particle content may be, for example, about 0.1 ⁇ m to about 300 ⁇ m.
  • the total thickness of the sub-charge layer (s) other than the sub-charge layer having the lowest inorganic particle content may be, for example, about 0.01 ⁇ m or more.
  • the triboelectric power generator further comprises a second charging layer formed on the second electrode, the second charging layer is second And a ferroelectric polymer matrix, wherein the first charged layer and the second charged layer are arranged such that an interface between the first charged layer and the second charged layer forms a frictional interface.
  • FIG 3 is a cross-sectional view schematically showing an embodiment including a second charging layer.
  • the second charging layer 500 is additionally formed on the second electrode 300.
  • the second electrification layer 500 includes a second ferroelectric polymer matrix 510.
  • the first electrification layer 200 and the second electrification layer 500 are arranged such that an interface between the first electrification layer 200 and the second electrification layer 500 forms a friction interface 400.
  • the second charging layer 500 Through the addition of the second charging layer 500, it is possible to selectively arrange a dielectric material having a large potential difference with the first charging layer 200 in the second charging layer 500.
  • the specific surface area of the friction interface may be further increased through surface treatment and stacking of the first charging layer 200 as well as the added second charging layer 500, an additional charge increase effect may be obtained.
  • the second electrification layer 500 may further include ferroelectric inorganic particles 520 dispersed in the second ferroelectric polymer matrix 510.
  • the content of the ferroelectric inorganic particles in the second charging layer 500 may show a gradient in the thickness direction of the second charging layer.
  • the second charging layer may be a laminate of at least two sub-charge layers having different inorganic particle contents.
  • a sub-charge layer having the lowest inorganic particle content may be arranged to form the friction interface (ie, the sub-charge layer having the lowest inorganic particle content faces the first charging layer 200. May be arranged).
  • the content of the inorganic particles at the friction interface of the second charging layer is lower than the content of the inorganic particles at other parts of the second charging layer.
  • Example 1 Inorganic Particle Content 10 Parts by weight ( Polymer Matrix 100 Parts by weight standard)
  • a first electrification layer having a thickness of 10 ⁇ m was formed.
  • a scanning electron micrograph of the surface of the first electrification layer thus formed is shown in FIG. 4.
  • the white spots are barium titanate (BaTiO 3 ) particles.
  • the triboelectric charge generator of Example 1 was prepared by disposing a second electrode (aluminum foil having a thickness of 100 ⁇ m) on the first charging layer.
  • the second electrode was vibrated laterally while the PTFE sheet was covered on the second electrode.
  • the amplitude was 30 mm and the frequency was 2 times / sec. After the vibration for 10 minutes, the potential difference between the first electrode and the second electrode was measured.
  • Example 2 inorganic particle content 5 Parts by weight ( Polymer Matrix 100 Parts by weight standard)
  • a triboelectric charge generator of Example 2 was prepared in the same manner as in Example 1, except that 0.04 g of barium titanate (BaTiO 3 ) was used. Then, in the same manner as in Example 1, the potential difference between the first electrode and the second electrode was measured.
  • barium titanate BaTiO 3
  • Example 3 inorganic particle content 20 Parts by weight ( Polymer Matrix 100 Parts by weight standard)
  • a triboelectric charge generator of Example 3 was prepared in the same manner as in Example 1, except that 0.16 g of barium titanate (BaTiO 3 ) was used. Then, in the same manner as in Example 1, the potential difference between the first electrode and the second electrode was measured.
  • barium titanate BaTiO 3
  • Example 4 Inorganic Particle Content 40 Parts by weight ( Polymer Matrix 100 Parts by weight standard)
  • a triboelectric charge generator of Comparative Example 1 was prepared in the same manner as in Example 1, except that 0.32 g of barium titanate (BaTiO 3 ) was used. Then, in the same manner as in Example 1, the potential difference between the first electrode and the second electrode was measured.
  • barium titanate BaTiO 3
  • Example 5 Inorganic Particle Content 60 Parts by weight ( Polymer Matrix 100 Parts by weight standard)
  • a triboelectric charge generator of Comparative Example 1 was prepared in the same manner as in Example 1, except that 0.48 g of barium titanate (BaTiO 3 ) was used. Then, in the same manner as in Example 1, the potential difference between the first electrode and the second electrode was measured.
  • barium titanate BaTiO 3
  • Example 6 Inorganic Particle Content 80 Parts by weight ( Polymer Matrix 100 Parts by weight standard)
  • a triboelectric charge generator of Comparative Example 1 was prepared in the same manner as in Example 1, except that 0.64 g of barium titanate (BaTiO 3 ) was used. Then, in the same manner as in Example 1, the potential difference between the first electrode and the second electrode was measured.
  • barium titanate BaTiO 3
  • a triboelectric charge generator of Comparative Example 1 was prepared in the same manner as in Example 1, except that 0 g of barium titanate (BaTiO 3 ) was used. Then, in the same manner as in Example 1, the potential difference between the first electrode and the second electrode was measured.
  • barium titanate BaTiO 3

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Electrostatic Charge, Transfer And Separation In Electrography (AREA)
  • Developing Agents For Electrophotography (AREA)

Abstract

본 개시는 마찰대전부재(triboelectric charging member)의 재료 자체가 증가된 표면 전하 밀도(surface charge density) 특성을 보이도록 함으로써, 마찰대전 발전소자의 출력을 향상시킨다. 그에 따라, 본 개시에서는, 마찰대전 발전소자의 크기를 증가시키거나 마찰대전 발전소자에 소요되는 재료의 양을 증가시키지 않고도, 향상된 출력을 보일 수 있는 마찰대전 발전소자를 제공한다. 본 개시의 제1 측면에 따라 제공되는 마찰대전 발전소자의 일 구현예는, 제1 전극; 상기 제1 전극 상에 형성된 제1 대전층; 및 상기 제1 대전층 상에 배치된 제2 전극;을 포함하고, 상기 제1 대전층 및 상기 제2 전극은, 상기 제1 대전층과 상기 제2 전극 사이의 계면이 마찰 계면을 형성하도록 배열되며, 상기 제1 대전층은, 강유전성 폴리머 매트릭스 및 상기 강유전성 폴리머 매트릭스에 분산된 강유전성 무기입자를 포함한다.

Description

마찰대전 발전소자
본 개시는 진동(기계적에너지)에 의한 에너지하베스팅 소자에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 개시는 마찰에 의해서 전력을 발생시키는 마찰대전 발전소자에 관한 것이다.
마찰대전(triboelectric) 발전 기술은, 외부로부터의 압력 또는 진동에 의해, 서로 다른 유전체 사이의 계면에서의 마찰 또는 유전체와 금속 사이의 계면에서의 마찰이 발생하도록 하고, 이러한 마찰에 의해 유도된 전위차로부터 전기를 발생시키는 발전 기술이다. 마찰대전 발전 기술은 압전 발전 기술 대비 약 10 배 내지 약 100배의 출력을 제공할 수 있는 것으로 알려져 있다. 그러나, 마찰대전 발전소자의 출력밀도의 향상이 여전히 요구되고 있다. 마찰대전 발전소자의 출력은, 전반적으로, 마찰 대전 재료의 특성(일함수, 이온화 경향, 화학적 포텐셜 등) 및 마찰 대전 부재의 조성 및 표면 구조에 의하여 결정된다. 그에 따라, 종래의 마찰대전 발전소자는, 마찰에 의한 정전기에 따른 유도 전기를 생산함에 있어서, 기존의 마찰 대전 재료가 갖는 대전특성에 따른 제한에 의하여, 출력에 한계를 보이고 있다. 출력의 한계를 극복하기 위한 많은 연구가 진행되고 있으나, 대부분의 연구는 대전부재의 구조 및 표면적을 변화시키는 기법에 기초하고 있으며, 정전기의 생성량을 증가시키기 위하여 더 많은 곳에서 마찰이 일어나도록 하는 것을 주된 목적으로 하고 있다. 그러나, 이러한 기법들은 마찰대전 발전소자의 크기를 증가시키고, 또한, 마찰대전 발전소자에 소요되는 재료의 양을 증가시킨다.
본 개시는 마찰대전부재(triboelectric charging member)의 재료 자체가 증가된 표면 전하 밀도(surface charge density) 특성을 보이도록 함으로써, 마찰대전 발전소자의 출력을 향상시킨다. 그에 따라, 본 개시에서는, 마찰대전 발전소자의 크기를 증가시키거나 마찰대전 발전소자에 소요되는 재료의 양을 증가시키지 않고도, 향상된 출력을 보일 수 있는 마찰대전 발전소자를 제공한다.
본 개시의 제1 측면에 따라 제공되는 마찰대전 발전소자의 일 구현예는,
제1 전극;
상기 제1 전극 상에 형성된 제1 대전층; 및
상기 제1 대전층 상에 배치된 제2 전극;을 포함하고,
상기 제1 대전층 및 상기 제2 전극은, 상기 제1 대전층과 상기 제2 전극 사이의 계면이 마찰 계면을 형성하도록 배열되며,
상기 제1 대전층은, 강유전성 폴리머 매트릭스 및 상기 강유전성 폴리머 매트릭스에 분산된 강유전성 무기입자를 포함한다.
본 개시는 마찰 대전부재 재료의 표면 전하 밀도를 제어함으로써, 마찰대전 발전소자의 출력 값을 향상시킬 수 있으며, 그에 따라, 본 개시의 마찰대전 발전소자의 구현예들은 동일한 두께 및 면적에서 향상된 출력을 달성할 수 있다. 즉, 상기 제1 대전층은, 강유전성 폴리머 매트릭스 및 상기 강유전성 폴리머 매트릭스에 분산된 강유전성 무기입자를 함유한다. 강유전성 폴리머 매트릭스는 외부 압력에 의한 계면 분극 특성을 보인다. 상기 강유전성 폴리머 매트릭스에 분산된 강유전성 무기입자는 계면 마찰 및 변형에 의해 발생되는 스트레인(strain)에 의한 국소 분극 효과(local polarization effect)를 발생시키며, 그에 따라, 추가적인 전위차 증가를 가져오며, 그에 따라, 마찰대전 발전소자의 전체적인 출력을 향상시키게 된다. 본 개시의 마찰대전 발전소자의 구현예들은 유연성 필름(Flexible film) 형태로 제작될 수 있으며, 진동하는 구조체, 스트랩, 버클 등에 내장(embedding)되어, 진동 또는 인체동작에 의한 마찰을 이용하여, 전기를 발생시킬 수 있다.
도 1은 본 개시의 제1 측면에 따라 제공되는 마찰대전 발전소자의 일 구현예를 도식적으로 보여주는 단면도이다.
도 2는, 가장 낮은 무기입자 함량을 갖는 서브-대전층이 마찰계면을 형성하도록 배치되어 있는 구현예를 도식적으로 보여주는 단면도이다.
도 3은, 제2 대전층을 더 포함하는 구현예를 도식적으로 보여주는 단면도이다.
도 4는 실시예 1 및 4에서 얻은 제1 대전층의 표면의 주사전자현미경 사진이다.
도 5는, 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 4에 대한 전위차 측정결과를 나타내는 그래프이다.
이하에서는, 도 1을 참조하여, 본 개시의 제1 측면에 따라 제공되는 마찰대전 발전소자의 일 구현예를 더욱 상세하게 설명한다. 도 1은 본 개시의 제1 측면에 따라 제공되는 마찰대전 발전소자의 일 구현예를 도식적으로 보여주는 단면도이다.
도 1의 구현예는, 제1 전극(100); 제1 전극(100) 상에 형성된 제1 대전층(200); 및 제1 대전층(200) 상에 배치된 제2 전극(300);을 포함한다. 제1 대전층(200) 및 제2 전극(300)은, 제1 대전층(200)과 제2 전극(300) 사이의 계면이 마찰 계면(400)을 형성하도록 배열된다. 제1 대전층(200)은 강유전성 폴리머 매트릭스(210) 및 강유전성 폴리머 매트릭스(210)에 분산된 강유전성 무기입자(220)를 포함한다.
제1 전극(100)은 임의의 전기전도성 재료를 포함할 수 있다. 제1 전극(100)은, 예를 들면, 알루미늄(Al), 구리(Cu), 마그네슘(Mg), 텅스텐(W), 철(Fe), 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 탄탈륨(Ta), 티타늄(Ti), 팔라듐(Pd), 루테늄(Ru), 이들의 합금, 탄소나노튜브, 그래핀, ITO(indium tin oxide), 탄탈륨 나이트라이드(TaN), 티타늄 나이트라이드(TiN), 및 전도성 폴리머(구체적인 예를 들면, PCBM([6,6]- phenyl-C85 butyric acid methyl ester)계 폴리머) 중에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.
제1 대전층(200)은 제1 전극(100) 상에 형성된다. 또한, 제1 대전층(200)은 강유전성 폴리머 매트릭스(210); 및 강유전성 폴리머 매트릭스(210)에 분산된 강유전성 무기입자(220);를 포함한다.
강유전성(ferroelectricity)이라 함은, 자발분극(양전하와 음전하의 중심이 분리되어 결정체의 한쪽은 양, 다른쪽은 음으로 대전되는 현상)을 나타내는 부도체나 유전체의 특성을 의미한다. 강유전성 물질은 구조단위가 조그만 전기쌍극자로 구성될 수 있다. 여기에서 전기쌍극자란 단위양전하와 단위음전하의 중심이 미세한 거리로 떨어져 있는 상태를 말한다. 결정에서 이러한 전기쌍극자는 "영역(domain)"이라 부르는 곳에서 스스로 균일하게 배열된다.
강유전성 폴리머 매트릭스(210)는, 예를 들면, 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리이미드(Polyimide), P(VDF-TrFE)(poly(vinylidenefluoride-co-trifluoroethylene)), P(VDF-TrFECFE) (poly(vinylidenefluoride-trifluoroethylene-chlorofluoroethylene)), 및 P(VDF-HFP)(poly(vinylidenefluoride-hexafluoropropylene)) 중에서 선택되는 1종 이상의 폴리머를 포함할 수 있다.
강유전성 무기입자(220)는 강유전성 폴리머 매트릭스(210) 내에 분산된다. 강유전성 무기입자(220)는, 예를 들면, PZT(Lead Zirconate Titantate), 티탄산바륨(BaTiO3), 산화아연(ZnO), 질화갈륨(GaN), 질화알루미늄(AlN), PbTiO3, 트리글리신 술페이트(triglycine sulfate: (NH2CH2COOH)3·H2SO4), 리튬 탄탈레이트(Lithium tantalate: LiTaO3), 및 리튬 니오베이트(Lithium niobate: LiNbO3) 중에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
강유전성 무기입자(220)의 평균입자크기는, 예를 들면, 약 80 nm 내지 약 800 nm일 수 있다. 강유전성 무기입자(220)의 평균입자크기가 너무 작으면 외부 변형(strain)에 의한 분극 발생이 미미하거나 작을 수 있다. 강유전성 무기입자(220)의 평균입자크기가 너무 크면 무기입자(220)가 불균일하게 분포될 수 있으며, 그에 따라, 균일한 분극 분포를 얻는 것을 기대하기 어려울 수 있다.
제1 대전층(200) 중의 강유전성 무기입자(220)의 양은, 전형적인 예를 들면, 강유전성 폴리머 매트릭스 100 중량부를 기준으로 하여, 약 1 중량부 내지 약 40 중량부일 수 있다. 강유전성 무기입자의 양이 너무 작으면, 전위차 향상 효과가 미미할 수 있거나, 국부적인 분포를 보일 수 있다. 강유전성 무기입자의 양이 너무 크면 오히려 전위차 향상 효과가 저하될 수 있거나, 폴리머 매트릭스와 무기입자를 포함하는 복합체(composite)가 불안정하게 형성되어, 제1 대전층(200) 자체의 결속력(binding force)이 저하될 수 있다.
강유전성 폴리머 매트릭스(210)는 외부 압력에 의한 계면 분극 특성을 보인다. 강유전성 폴리머 매트릭스(210)에 분산된 강유전성 무기입자(220)는 계면 마찰 및 변형에 의해 발생되는 스트레인(strain)에 의한 국소 분극 효과(local polarization effect)를 발생시키며, 그에 따라, 추가적인 전위차 증가를 가져올 수 있다.
예를 들면, 제1 대전층(200)을 제1 전극(100) 상에 형성하는 방법은, 강유전성 폴리머; 강유전성 무기입자; 및 용매를 함유하는 제1 대전층 형성용 분산액을 제1 전극(100) 상에 도포하는 단계; 및 상기 도포된 제1 대전층 형성용 분산액으로부터 용매를 제거하는 단계;를 포함할 수 있다. 용매로서는 강유전성 폴리머를 용해할 수 있고 강유전성 무기입자를 분산시킬 수 있는 임의의 용매가 사용될 수 있다. 용매는, 예를 들면, 디메틸포름아미드(DMF), 아세톤, 및 N-메틸피롤리돈(NMP) 중에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다. 예를 들면, 용매의 사용량은, 강유전성 폴리머와 강유전성 무기입자의 합계 100 중량부를 기준으로 하여, 약 50 중량부 내지 약 95 중량부일 수 있다. 상기 도포된 제1 대전층 형성용 분산액으로부터 용매를 제거하는 단계는, 예를 들면, 휘발 또는 증발에 의하여 수행될 수 있다. 이러한 과정을 통하여 형성된 제1 대전층(200)은 제1 전극(100) 상에 부착될 수 있다.
제2 전극(300)은 제1 대전층(200) 상에 배치된다. 제2 전극(300)은, 제2 전극(300)과 제1 대전층(200)의 마찰을 통하여 제1 대전층(200)을 마찰대전시킬 수 있는 임의의 재료를 포함할 수 있다. 제2 전극(300)은, 예를 들면, 알루미늄(Al), 구리(Cu), 마그네슘(Mg), 텅스텐(W), 철(Fe), 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 탄탈륨(Ta), 티타늄(Ti), 팔라듐(Pd), 루테늄(Ru), 이들의 합금, 탄소나노튜브, 그래핀, ITO(indium tin oxide), 탄탈륨 나이트라이드(TaN), 티타늄 나이트라이드(TiN), 및 전도성 폴리머(구체적인 예를 들면, PCBM([6,6]- phenyl-C85 butyric acid methyl ester)계 폴리머) 중에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.
제1 대전층(200) 및 제2 전극(300)은, 제1 대전층(200)과 제2 전극(300) 사이의 계면이 마찰 계면(400)을 형성하도록 배열된다. 여기서, 마찰 계면(400)을 형성한다 함은, 제1 대전층(200)과 제2 전극(300)이 서로에 대하여 부착되거나 고정되어 있지 않은 상태에서 서로 접촉할 수 있는 것을 의미한다. 제1 대전층(200)과 제2 전극(300)이 서로 접촉함으로써, 제2 전극(300)은 제1 대전층(200)을 마찰대전시킨다. 그에 따라, 제1 대전층(200)과 제2 전극(300)에는 서로 반대되는 극성을 갖는 전하들이 축적된다. 그에 따라, 제1 전극(100)과 제2 전극(300) 사이에 전위차가 형성된다. 강유전성 폴리머 매트릭스(210)에 분산된 강유전성 무기입자(220)는 계면 마찰 및 변형에 의해 발생되는 스트레인(strain)에 의한 국소 분극 효과(local polarization effect)를 발생시킬 수 있다. 그에 따라, 강유전성 폴리머 매트릭스(210)에 분산된 강유전성 무기입자(220)는, 제1 대전층(200)이 강유전성 폴리머 매트릭스(210) 만을 포함하는 경우와 대비하여, 제1 전극(100)과 제2 전극(300) 사이에 형성되는 전위차의 현저한 증가를 가져올 수 있다. 한편, 제1 전극(100)과 제2 전극(300) 사이에 원하는 크기의 전위차가 형성되었을 때, 제1 전극(100)과 제2 전극(300)에 외부 부하를 연결함으로써, 마찰대전을 통하여 발생된 전기에너지를 인출할 수 있다. 그 다음, 제1 전극(100)과 제2 전극(300)으로부터 외부 부하를 차단함으로써, 제1 전극(100)과 제2 전극(300) 사이에 다시, 마찰대전에 의한 전위차가 축적될 수 있다. 이러한 과정을 반복함으로써, 교류 발전이 가능하게 된다. 또한, 다른 구현예에 있어서, 제1 대전층(200) 및 제2 전극(300)은 서로에 대한 접촉 및 비접촉을 번갈아서 반복할 수 있도록 배열된다. 또한, 또 다른 구현예에 있어서, 접촉하는 양 표면이 마찰될 때, 상기 양 표면에 서로 다른 극성의 전하가 대전되어, 전위차가 발생될 수 있다. 또한, 또 다른 구현예에 있어서, 접촉하는 양 표면의 거리 변화에 의해, 마찰 계면에서 서로 접촉하는 양 표면에 존재하는 전하들 사이의 상호작용이 변하게 되고, 상기 상호작용의 변화에 의하여, 외부 회로를 통해 전하의 흐름이 발생 될 수 있다. 지속적인 전하의 흐름을 만들기 위해, 마찰 계면에서의 양 표면 사이의 거리를 계속 변화(즉, 확대 및 축소를 번갈아서 일으킴)시키면, 그에 따라 전류의 방향이 바뀌면서 교류발전이 가능하게 된다.
제1 대전층(200)의 두께는, 예를 들면, 약 0.1 ㎛ 내지 약 300 ㎛일 수 있다. 바람직하게는, 제1 대전층(200)의 두께는 약 1 ㎛ 내지 약 150 ㎛일 수 있다. 더욱 바람직하게는, 제1 대전층(200)의 두께는 약 10 ㎛ 내지 약 100 ㎛일 수 있다. 제1 대전층(200)의 두께가 너무 얇으면 변형(strain)을 충분히 흡수하기 어렵고, 뿐만 아니라, 나노입자의 분산이 용이하지 않을 수 있다. 제1 대전층(200)의 두께가 너무 두꺼우면 마찰대전 효과가 감소할 수 있다.
본 개시의 제1 측면에 따라 제공되는 마찰대전 발전소자의 다른 구현예에 있어서, 제1 대전층(200) 중의 강유전성 무기입자(220)의 양은, 강유전성 폴리머 매트릭스 100 중량부를 기준으로 하여, 약 1 중량부 내지 약 40 중량부일 수 있다. 더욱 바람직하게는, 제1 대전층(200) 중의 강유전성 무기입자(220)의 양은, 강유전성 폴리머 매트릭스 100 중량부를 기준으로 하여, 약 1 중량부 내지 약 20 중량부일 수 있다. 더더욱 바람직하게는, 제1 대전층(200) 중의 강유전성 무기입자(220)의 양은, 강유전성 폴리머 매트릭스 100 중량부를 기준으로 하여, 약 3 중량부 내지 약 18 중량부일 수 있다. 본 개시에서 밝혀진 바에 따르면, 제1 대전층(200) 중의 강유전성 무기입자(220) 양이 상기 기술된 범위에 있는 경우, 제1 전극(100)과 제2 전극(300) 사이에 형성되는 전위차가 임계적으로 급격하게 증가되는 현상을 보인다.
본 개시의 제1 측면에 따라 제공되는 마찰대전 발전소자의 또 다른 구현예에 있어서, 제1 대전층 중의 강유전성 무기입자의 함량이 제1 대전층의 두께 방향으로 변화하는 구배를 보일 수 있다. 바람직하게는, 강유전성 폴리머 매트릭스 중의 강유전성 무기입자의 함량이, 마찰 계면으로부터 멀어질수록, 소에서 밀한 상태로 순차적으로 증가하는 분포를 보일 수 있다. 강유전성 무기입자의 분포가 소에서 밀한 상태로 순차적으로 증가할 경우, 마찰 계면의 양 표면의 전하는 강유전성 폴리머의 마찰대전에 의해 유도되고, 한편, 강유전성 무기입자는 마찰대전에 의한 전위차 발생 보다는 강유전 분극에 의한 전위차 발생 효과를 제공함으로써, 강유전성 폴리머의 마찰대전에 의하여 발생되는 전위차를 추가적으로 증가시킬 수 있다. 강유전성 무기입자의 분포가 소에서 밀한 상태로 순차적으로 증가 할 경우, 또한, 강유전성 무기입자에 의한 분극들이 순차적으로 배열됨으로써, 강유전 분극에 의한 전위차 발생 효과가 증폭될 수 있다.
예를 들면, 제1 대전층은 무기입자 함량을 서로 달리하는 적어도 두 개의 서브-대전층의 적층체일 수 있다.
예를 들면, 가장 낮은 무기입자 함량을 갖는 서브-대전층이 상기 마찰계면을 형성하도록 배치될 수 있다(즉, 가장 낮은 무기입자 함량을 갖는 서브-대전층이 제2 전극과 대면하도록 배치될 수 있다). 이 경우, 제1 대전층의 마찰계면에서의 무기입자 함량이, 제1 대전층의 다른 부분에서의 무기입자 함량보다 낮아지게 된다. 그에 따라, 국부적인 분극 분포의 차이를 일으킴으로써, 마찰 계면의 양 표면 사이의 유효 전위차를 추가적으로 증가시키는 효과를 얻을 수 있다.
도 2는, 가장 낮은 무기입자 함량을 갖는 서브-대전층이 상기 마찰계면을 형성하도록 배치되어 있는 구현예를 도식적으로 보여주는 단면도이다. 도 2의 구현예에 있어서, 제1 대전층(200)은 무기입자 함량이 상대적으로 낮은 제1 서브-대전층(250); 및 무기입자 함량이 상대적으로 높은 제2 서브-대전층(260);을 포함한다. 이때, 제1 서브-대전층(250)이 제2 전극(300)과 대면하고 있다. 그에 따라, 제1 대전층(200)의 마찰계면(400)에서의 무기입자 함량이, 제1 대전층(200)의 다른 부분(즉, 제2 서브-대전층(260))에서의 무기입자 함량보다 낮아지게 된다.
제1 대전층 중의 강유전성 무기입자의 함량이 제1 대전층의 두께 방향으로 변화하는 구배를 갖는다는 것은, 제1 대전층의 양 표면(즉, 마찰계면(400); 및 제1 전극(100)과의 접촉면)에서의 전자현미경 사진으로부터 확인될 수 있다. 예를 들어, 마찰계면(400)의 전자현미경 사진에 나타나는 무기입자의 개수가, 제1 전극(100)과의 접촉면의 전자현미경 사진에 나타나는 무기입자의 개수보다 작으면, 제1 대전층 중의 강유전성 무기입자의 함량이 제1 대전층의 두께 방향으로 변화하는 구배를 갖는다는 것을 확인할 수 있다. 제1 전극(100)과의 접촉면의 전자현미경 사진은, 제1 전극(100)으로부터 제1 대전층(200)을 떼어낸 후, 찍을 수 있다.
도 2의 구현예에 있어서, 예를 들면, 제1 대전층(200)은, 강유전성 폴리머, 상대적으로 높은 함량의 강유전성 무기입자, 및 용매를 함유하는 제2 서브-대전층(260) 형성용 분산액을 제1 전극(100) 상에 도포하는 단계; 상기 도포된 제2 서브-대전층(260) 형성용 분산액으로부터 용매를 제거하여 제2 서브-대전층(260)을 형성하는 단계; 강유전성 폴리머, 상대적으로 낮은 함량의 강유전성 무기입자, 및 용매를 함유하는 제1 서브-대전층(250) 형성용 분산액을 제2 서브-대전층(260) 상에 도포하는 단계; 및, 상기 도포된 제1 서브-대전층(250) 형성용 분산액으로부터 용매를 제거하여 제1 서브-대전층(250)을 형성하는 단계;에 의하여 형성될 수 있다.
가장 낮은 무기입자 함량을 갖는 서브-대전층 중의 강유전성 무기입자의 함량은, 예를 들면, 해당 서브-대전층의 강유전성 폴리머 매트릭스 100 중량부를 기준으로 하여, 0 중량부에서 약 40 중량부로 순차적으로 증가할 수 있다. 또는, 가장 낮은 무기입자 함량을 갖는 서브-대전층 중의 강유전성 무기입자의 함량은, 예를 들면, 해당 서브-대전층의 강유전성 폴리머 매트릭스 100 중량부를 기준으로 하여, 0 중량부 내지 약 18 중량부일 수 있다.
가장 낮은 무기입자 함량을 갖는 서브-대전층 이외의 다른 서브-대전층 중의 강유전성 무기입자의 함량은, 예를 들면, 해당 서브-대전층의 강유전성 폴리머 매트릭스 100 중량부를 기준으로 하여, 약 1 중량부 내지 약 40 중량부일 수 있다.
가장 낮은 무기입자 함량을 갖는 서브-대전층의 두께는, 예를 들면, 약 0.1 ㎛ 내지 약 300 ㎛일 수 있다.
가장 낮은 무기입자 함량을 갖는 서브-대전층 이외의 다른 서브-대전층(들)의 총 두께는, 예를 들면, 약 0.01 ㎛ 이상일 수 있다.
본 개시의 제1 측면에 따라 제공되는 마찰대전 발전소자의 또 다른 구현예에 있어서, 상기 마찰대전 발전소자는 상기 제2 전극 상에 형성된 제2 대전층을 더 포함하고, 상기 제2 대전층은 제2 강유전성 폴리머 매트릭스를 포함하며, 상기 제1 대전층 및 상기 제2 대전층은, 상기 제1 대전층과 상기 제2 대전층 사이의 계면이 마찰 계면을 형성하도록 배열된다.
도 3은, 제2 대전층을 더 포함하는 구현예를 도식적으로 보여주는 단면도이다. 제2 전극(300) 상에 제2 대전층(500)이 추가적으로 형성되어 있다. 제2 대전층(500)은 제2 강유전성 폴리머 매트릭스(510)를 포함한다. 제1 대전층(200) 및 제2 대전층(500)은, 제1 대전층(200)과 제2 대전층(500) 사이의 계면이 마찰 계면(400)을 형성하도록 배열되어 있다.
제2 대전층(500)이 추가를 통하여, 제1 대전층(200)과 상대적으로 전위차가 큰 유전재료를 제2 대전층(500)에 선택적으로 배치하는 것이 가능하게 된다. 또한, 제1 대전층(200) 뿐만 아니라 추가된 제2 대전층(500)의 표면처리 및 적층을 통하여, 마찰 계면의 비표면적을 추가적으로 증가시킬 수 있으므로, 추가적인 전하량 상승 효과를 얻을 수 있다.
다른 구현예에 있어서, 제2 대전층(500)은 제2 강유전성 폴리머 매트릭스(510)에 분산된 강유전성 무기입자(520)를 더 포함할 수 있다.
또 다른 구현예에 있어서, 제2 대전층(500) 중의 강유전성 무기입자의 함량이 제2 대전층의 두께 방향으로 변화하는 구배를 보일 수 있다. 예를 들면, 제2 대전층은 무기입자 함량을 서로 달리하는 적어도 두 개의 서브-대전층의 적층체일 수 있다. 예를 들면, 가장 낮은 무기입자 함량을 갖는 서브-대전층이 상기 마찰계면을 형성하도록 배치될 수 있다(즉, 가장 낮은 무기입자 함량을 갖는 서브-대전층이 제1 대전층(200)과 대면하도록 배치될 수 있다). 이 경우, 제2 대전층의 마찰계면에서의 무기입자 함량이, 제2 대전층의 다른 부분에서의 무기입자 함량보다 낮아지게 된다.
<실시예>
실시예 1 --- 무기입자 함량 10 중량부 ( 폴리머 매트릭스 100 중량부 기준)
먼저, 0.8 g의 P(VDF-TrFE)(프랑스, PIEZOTECH, P(VDF-TrFE) copolymer powder 70/30%mol, 1.8kg/m3), 0.08 g의 티탄산바륨(BaTiO3)(미국, Sigma Aldrich, Barium titanate(IV), <3μm) 및 DMF(dimethylformamide)(미국, Sigma Aldrich, N,N-Dimethylformamide)(용매 사용량: 무기입자 및 폴리머 매트릭스의 총 중량 100 중량부를 기준으로 60 중량부)를 혼합하여, 제1 대전층 형성용 분산액을 제조하였다.
그 다음, 제1 전극(200 ㎛ 두께의 PEN(Polyethylene Naphthalate) 기재 위에 형성된 200 ㎛ 두께의 ITO 박막) 위에, 제1 대전층 형성용 분산액을 스핀코팅한 후, 80 ℃에서 10분 동안 건조하여, 10 ㎛ 두께의 제1 대전층을 형성하였다. 이렇게 형성된 제1 대전층의 표면의 주사전자현미경 사진을 도 4에 나타내었다. 도 4에 있어서, 흰색 반점들이 티탄산바륨(BaTiO3) 입자들이다.
그 다음, 제2 전극(100㎛ 두께의 알루미늄 포일)을 제1 대전층 위에 배치함으로써, 실시예 1의 마찰대전 발전소자를 제조하였다.
그 다음, 제2 전극 위에 PTFE 시트를 덮은 상태에서, 제2 전극을 횡으로 진동시켰다. 진폭은 30 mm이었고, 진동수는 2 회/sec이었다. 10 분 동안의 진동 후, 제1 전극과 제2 전극 사이의 전위차를 측정하였다.
실시예 2 --- 무기입자 함량 5 중량부 ( 폴리머 매트릭스 100 중량부 기준)
0.04 g의 티탄산바륨(BaTiO3)을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 실시예 2의 마찰대전 발전소자를 제조하였다. 그 다음, 실시예 1과 동일한 방법으로, 제1 전극과 제2 전극 사이의 전위차를 측정하였다.
실시예 3 --- 무기입자 함량 20 중량부 ( 폴리머 매트릭스 100 중량부 기준)
0.16 g의 티탄산바륨(BaTiO3)을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 실시예 3의 마찰대전 발전소자를 제조하였다. 그 다음, 실시예 1과 동일한 방법으로, 제1 전극과 제2 전극 사이의 전위차를 측정하였다.
실시예 4 --- 무기입자 함량 40 중량부 ( 폴리머 매트릭스 100 중량부 기준)
0.32 g의 티탄산바륨(BaTiO3)을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 비교예 1의 마찰대전 발전소자를 제조하였다. 그 다음, 실시예 1과 동일한 방법으로, 제1 전극과 제2 전극 사이의 전위차를 측정하였다.
실시예 5 --- 무기입자 함량 60 중량부 ( 폴리머 매트릭스 100 중량부 기준)
0.48 g의 티탄산바륨(BaTiO3)을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 비교예 1의 마찰대전 발전소자를 제조하였다. 그 다음, 실시예 1과 동일한 방법으로, 제1 전극과 제2 전극 사이의 전위차를 측정하였다.
실시예 6 --- 무기입자 함량 80 중량부 ( 폴리머 매트릭스 100 중량부 기준)
0.64 g의 티탄산바륨(BaTiO3)을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 비교예 1의 마찰대전 발전소자를 제조하였다. 그 다음, 실시예 1과 동일한 방법으로, 제1 전극과 제2 전극 사이의 전위차를 측정하였다.
비교예 1 --- 무기입자 함량 0 중량부 ( 폴리머 매트릭스 100 중량부 기준)
0 g의 티탄산바륨(BaTiO3)을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 비교예 1의 마찰대전 발전소자를 제조하였다. 그 다음, 실시예 1과 동일한 방법으로, 제1 전극과 제2 전극 사이의 전위차를 측정하였다.
실시예 1 내지 6 및 비교예 1에 대한 전위차 측정결과를 도 5에 나타내었다.

Claims (15)

  1. 제1 전극;
    상기 제1 전극 상에 형성된 제1 대전층; 및
    상기 제1 대전층 상에 배치된 제2 전극;을 포함하는 마찰대전 발전소자로서,
    상기 제1 대전층 및 상기 제2 전극은, 상기 제1 대전층과 상기 제2 전극 사이의 계면이 마찰 계면을 형성하도록 배열되며,
    상기 제1 대전층은, 강유전성 폴리머 매트릭스 및 상기 강유전성 폴리머 매트릭스에 분산된 강유전성 무기입자를 포함하는,
    마찰대전 발전소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은, 서로 독립적으로, 알루미늄(Al), 구리(Cu), 마그네슘(Mg), 텅스텐(W), 철(Fe), 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 탄탈륨(Ta), 티타늄(Ti), 팔라듐(Pd), 루테늄(Ru), 이들의 합금, 탄소나노튜브, 그래핀, ITO(indium tin oxide), 탄탈륨 나이트라이드(TaN), 티타늄 나이트라이드(TiN), 및 전도성 폴리머 중에서 선택되는 1종 이상인,
    마찰대전 발전소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 강유전성 폴리머 매트릭스는, 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리이미드(Polyimide), P(VDF-TrFE), P(VDF-TrFECFE), 및 P(VDF-HFP) 중에서 선택되는 1종 이상의 폴리머를 포함하는,
    마찰대전 발전소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 강유전성 무기입자는, PZT(Lead Zirconate Titantate), 티탄산바륨(BaTiO3), 산화아연(ZnO), 질화갈륨(GaN), 질화알루미늄(AlN), PbTiO3, 트리글리신 술페이트(triglycine sulfate: (NH2CH2COOH)3·H2SO4), 리튬 탄탈레이트(Lithium tantalate: LiTaO3), 및 리튬 니오베이트(Lithium niobate: LiNbO3) 중에서 선택되는 1종 이상을 포함하는,
    마찰대전 발전소자.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 강유전성 무기입자의 평균입자크기는 80 nm 내지 800 nm인,
    마찰대전 발전소자.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 대전층 중의 상기 강유전성 무기입자의 양은, 상기 강유전성 폴리머 매트릭스 100 중량부를 기준으로 하여, 1 중량부 내지 40 중량부인,
    마찰대전 발전소자.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 대전층의 두께는 0.01 ㎛ 내지 300 ㎛인,
    마찰대전 발전소자.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 대전층 중의 강유전성 무기입자의 함량이 제1 대전층의 두께 방향으로 변화하는 구배를 보이는,
    마찰대전 발전소자.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제1 대전층 중의 강유전성 무기입자의 함량이, 상기 마찰 계면으로부터 멀어질수록, 소에서 밀한 상태로 순차적으로 증가하는 분포를 보이는,
    마찰대전 발전소자.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 제1 대전층은 무기입자 함량을 서로 달리하는 적어도 두 개의 서브-대전층의 적층체이고, 이때, 가장 낮은 무기입자 함량을 갖는 서브-대전층이 상기 마찰계면을 형성하도록 배치되어 있는,
    마찰대전 발전소자.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 가장 낮은 무기입자 함량을 갖는 서브-대전층 중의 강유전성 무기입자의 함량은, 해당 서브-대전층 중의 강유전성 폴리머 매트릭스 100 중량부를 기준으로 하여, 0 중량부에서 40 중량부로 순차적으로 증가하는,
    마찰대전 발전소자.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 가장 낮은 무기입자 함량을 갖는 서브-대전층의 두께는 0.01 ㎛ 내지 300 ㎛인,
    마찰대전 발전소자.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 마찰대전 발전소자는 상기 제2 전극 상에 형성된 제2 대전층을 더 포함하고, 상기 제2 대전층은 제2 강유전성 폴리머 매트릭스를 포함하며, 상기 제1 대전층 및 상기 제2 대전층은, 상기 제1 대전층과 상기 제2 대전층 사이의 계면이 마찰 계면을 형성하도록 배열되어 있는,
    마찰대전 발전소자.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제2 대전층은 상기 제2 강유전성 폴리머 매트릭스에 분산된 강유전성 무기입자를 더 포함하는,
    마찰대전 발전소자.
  15. 제 13 항에 있어서, 상기 제2 대전층은 무기입자 함량을 서로 달리하는 적어도 두 개의 서브-대전층의 적층체이고, 이때, 가장 낮은 무기입자 함량을 갖는 서브-대전층이 상기 마찰계면을 형성하도록 배치되어 있는,
    마찰대전 발전소자.
PCT/KR2015/012847 2014-12-03 2015-11-27 마찰대전 발전소자 Ceased WO2016089046A1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US15/532,643 US10468996B2 (en) 2014-12-03 2015-11-27 Triboelectric generation device

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020140172379A KR102293796B1 (ko) 2014-12-03 2014-12-03 마찰대전 발전소자
KR10-2014-0172379 2014-12-03

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2016089046A1 true WO2016089046A1 (ko) 2016-06-09

Family

ID=56091951

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/KR2015/012847 Ceased WO2016089046A1 (ko) 2014-12-03 2015-11-27 마찰대전 발전소자

Country Status (3)

Country Link
US (1) US10468996B2 (ko)
KR (1) KR102293796B1 (ko)
WO (1) WO2016089046A1 (ko)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106208802A (zh) * 2016-08-30 2016-12-07 电子科技大学 一种柔性可拉伸的摩擦发电机及其制备方法
CN111501210A (zh) * 2020-04-27 2020-08-07 南京工业大学 聚偏氟乙烯复合纳米纤维材料及其在摩擦纳米发电机上的应用
CN111665937A (zh) * 2020-05-25 2020-09-15 东华大学 一种一体化自驱动全纺织手势识别数据手套
US10873275B2 (en) * 2016-11-23 2020-12-22 Samsung Electronics Co., Ltd. Triboelectric generator
US20220023882A1 (en) * 2020-07-23 2022-01-27 Research & Business Foundation Sungkyunkwan University Fine dust collecting filter device

Families Citing this family (27)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101544326B1 (ko) * 2014-10-15 2015-08-12 성균관대학교산학협력단 강유전 또는 압전 물질층 상의 2차원 구조의 물질을 이용하여 투명성 및 기계적 특성이 향상된 정전기 에너지 발전 소자
KR101532887B1 (ko) * 2014-12-03 2015-07-02 성균관대학교산학협력단 쌍극자 분극 방향 제어를 이용한 정전기 에너지 발전기 및 이의 제조 방법
KR101694003B1 (ko) * 2015-06-05 2017-01-06 성균관대학교산학협력단 하이브리드 형태의 전해질을 이용한 마찰전기 에너지 발전 소자
US10277147B2 (en) * 2016-06-09 2019-04-30 Wisconsin Alumni Research Foundation Triboelectric nanogenerators based on chemically treated cellulose
KR101886501B1 (ko) 2016-08-10 2018-08-08 울산대학교 산학협력단 유체를 이용한 마찰전기 기반의 발전소자
CN106405950B (zh) * 2016-10-28 2019-11-12 京东方科技集团股份有限公司 显示面板及其制作方法和显示设备
KR102213229B1 (ko) * 2017-11-22 2021-02-04 송찰스기석 마찰전기 발전 소자 및 그 제조방법
KR20190098481A (ko) 2018-02-14 2019-08-22 전자부품연구원 전압분배 구조를 갖는 마찰대전 발전소자
KR20190109898A (ko) 2018-03-19 2019-09-27 전자부품연구원 전압분배 구조를 갖는 에너지 하베스팅 소자
KR20190109899A (ko) 2018-03-19 2019-09-27 전자부품연구원 전압분배 구조를 갖는 마찰대전 발전소자
WO2019180586A1 (en) * 2018-03-20 2019-09-26 Sabic Global Technologies B.V. Flexible and low cost piezoelectric composites with high d33 values
US11095234B2 (en) * 2018-11-26 2021-08-17 Purdue Research Foundation Triboelectric nanogenerators
CN111297321A (zh) * 2018-12-18 2020-06-19 北京纳米能源与系统研究所 透明柔性传感器及其制备方法、电子皮肤及可穿戴设备
WO2020202006A1 (en) * 2019-04-02 2020-10-08 Sabic Global Technologies B.V. Lead-free piezo composites and methods of making thereof
CN110212169B (zh) * 2019-05-05 2020-08-14 浙江大学 一种锂硫电池自支撑正极材料及其制备方法
US20220181891A1 (en) * 2019-05-06 2022-06-09 King Abdullah University Of Science And Technology Ultrasound driven mxene hydrogel electrical power generator and method
KR20210055462A (ko) 2019-11-07 2021-05-17 울산대학교 산학협력단 액체-액체 기반 마찰 나노 발전기
KR102388277B1 (ko) * 2020-03-18 2022-04-18 울산과학기술원 다층 구조의 강유전성 필름 및 이를 구비하는 마찰전기 센서 장치
CN111554793B (zh) * 2020-03-23 2021-10-15 中国农业大学 一种复合式全柔性发电单元体和人体可穿戴电子设备
KR102402015B1 (ko) * 2020-03-30 2022-05-24 울산과학기술원 마찰전기 및 초전기 멀티모달 센서
CN114257118A (zh) * 2020-09-23 2022-03-29 深圳先进技术研究院 一种全可降解摩擦纳米发电机及其制备方法和应用
KR102477748B1 (ko) 2021-01-05 2022-12-16 한국과학기술원 마찰대전 소재의 마찰대전 특성 정량화 방법 및 마찰대전 소재 설계 방법
CN112886854B (zh) * 2021-01-29 2022-06-24 电子科技大学 提升摩擦纳米发电机输出性能的方法及薄膜和制备方法
KR102611741B1 (ko) * 2021-09-27 2023-12-07 성균관대학교산학협력단 강유전 복합체를 이용한 초음파 기반 마찰전기 발전소자
CN117040310B (zh) * 2023-08-01 2025-04-01 江南大学 柔性阿基米德螺旋摩擦纳米发电机及在智能鞋垫中的应用
CN117209929A (zh) * 2023-08-21 2023-12-12 北京纳米能源与系统研究所 摩擦介质材料及其制备方法和应用以及摩擦纳米发电机
KR102808071B1 (ko) * 2023-11-07 2025-05-14 충남대학교산학협력단 흡수 기반의 전자기 차폐 소재 및 그 제조방법

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011015503A (ja) * 2009-06-30 2011-01-20 Toyota Boshoku Corp 発電マット
US20130049531A1 (en) * 2011-08-30 2013-02-28 Georgia Tech Research Corporation Triboelectric Generator
KR101398708B1 (ko) * 2014-01-09 2014-05-27 성균관대학교산학협력단 강유전 특성이 커플링된 정전기 에너지 발전 소자
CN103973155A (zh) * 2013-02-05 2014-08-06 纳米新能源（唐山）有限责任公司 磁感应电缆
US20140246950A1 (en) * 2013-03-01 2014-09-04 Georgia Tech Research Corporation Triboelectric nanogenerator

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6047753B2 (ja) * 1978-06-01 1985-10-23 日本特殊陶業株式会社 圧電性高分子複合材料
EP0539151B1 (en) * 1991-10-24 1996-04-03 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Dielectric ceramics composite material
KR101417855B1 (ko) 2012-12-26 2014-07-09 한국세라믹기술원 플렉서블 압전 복합체 및 이를 이용한 캔틸레버형 압전 에너지 하베스터
KR101544326B1 (ko) * 2014-10-15 2015-08-12 성균관대학교산학협력단 강유전 또는 압전 물질층 상의 2차원 구조의 물질을 이용하여 투명성 및 기계적 특성이 향상된 정전기 에너지 발전 소자
KR101532887B1 (ko) * 2014-12-03 2015-07-02 성균관대학교산학협력단 쌍극자 분극 방향 제어를 이용한 정전기 에너지 발전기 및 이의 제조 방법
KR102391307B1 (ko) * 2015-02-11 2022-04-28 삼성전자주식회사 에너지 하베스터
KR20180080778A (ko) * 2017-01-05 2018-07-13 성균관대학교산학협력단 강자성체 물질이 임베디드된 강유전체 물질을 이용한 에너지 발전 소자

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011015503A (ja) * 2009-06-30 2011-01-20 Toyota Boshoku Corp 発電マット
US20130049531A1 (en) * 2011-08-30 2013-02-28 Georgia Tech Research Corporation Triboelectric Generator
CN103973155A (zh) * 2013-02-05 2014-08-06 纳米新能源（唐山）有限责任公司 磁感应电缆
US20140246950A1 (en) * 2013-03-01 2014-09-04 Georgia Tech Research Corporation Triboelectric nanogenerator
KR101398708B1 (ko) * 2014-01-09 2014-05-27 성균관대학교산학협력단 강유전 특성이 커플링된 정전기 에너지 발전 소자

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106208802A (zh) * 2016-08-30 2016-12-07 电子科技大学 一种柔性可拉伸的摩擦发电机及其制备方法
US10873275B2 (en) * 2016-11-23 2020-12-22 Samsung Electronics Co., Ltd. Triboelectric generator
CN111501210A (zh) * 2020-04-27 2020-08-07 南京工业大学 聚偏氟乙烯复合纳米纤维材料及其在摩擦纳米发电机上的应用
CN111665937A (zh) * 2020-05-25 2020-09-15 东华大学 一种一体化自驱动全纺织手势识别数据手套
US20220023882A1 (en) * 2020-07-23 2022-01-27 Research & Business Foundation Sungkyunkwan University Fine dust collecting filter device
US12103014B2 (en) * 2020-07-23 2024-10-01 Research & Business Foundation Sungkyunkwan University Fine dust collecting filter device

Also Published As

Publication number Publication date
US10468996B2 (en) 2019-11-05
KR102293796B1 (ko) 2021-08-25
US20180013359A1 (en) 2018-01-11
KR20160066938A (ko) 2016-06-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2016089046A1 (ko) 마찰대전 발전소자
JP5721738B2 (ja) 圧電性および／または焦電性固体複合材料、その材料の取得方法ならびに使用
Yan et al. Roles of carbon nanotube and BaTiO3 nanofiber in the electrical, dielectric and piezoelectric properties of flexible nanocomposite generators
Peddigari et al. Flexible self-charging, ultrafast, high-power-density ceramic capacitor system
US8803406B2 (en) Flexible nanocomposite generator and method for manufacturing the same
Adhikary et al. The co-operative performance of a hydrated salt assisted sponge like P (VDF-HFP) piezoelectric generator: an effective piezoelectric based energy harvester
Yaqoob et al. A novel tri-layer flexible piezoelectric nanogenerator based on surface-modified graphene and PVDF-BaTiO3 nanocomposites
Ghosh et al. Self‐poled efficient flexible “Ferroelectretic” nanogenerator: a new class of piezoelectric energy harvester
Wang et al. Tailoring dielectric properties and energy density of ferroelectric polymer nanocomposites by high-k nanowires
US20150202656A1 (en) Flexible transducer
Cao et al. Ultrahigh sensitive and rapid-response self-powered flexible pressure sensor based on sandwiched piezoelectric composites
Jangra et al. Enhanced dielectric properties of MoS2/PVDF free-standing, flexible films for energy harvesting applications
US10236794B2 (en) Hybrid power generating device
WO2013085467A1 (en) Graft copolymers of a poly(vinylidene fluoride)-based polymer and at least one type of electrically conductive polymer, and methods for forming the graft copolymers
CN103368452A (zh) 静电脉冲发电机和直流脉冲发电机
Yang et al. Enhancement of dielectric performance of polymer composites via constructing BaTiO3–Poly (dopamine)–Ag nanoparticles through mussel-inspired surface functionalization
Park et al. Piezoelectric BaTiO3 microclusters and embossed ZnSnO3 microspheres-based monolayer for highly-efficient and flexible composite generator
CN205195598U (zh) 复合纳米发电机
Magisetty et al. NiFe2O4/Poly (1, 6-heptadiyne) nanocomposite energy-storage device for electrical and electronic applications
Li et al. Natural sedimentation-assisted fabrication of Janus functional films for versatile applications in Joule heating, electromagnetic interference shielding and triboelectric nanogenerator
Bakar et al. Fabrication of indium-tin-oxide free, all-solution-processed flexible nanogenerator device using nanocomposite of barium titanate and graphene quantum dots in polyvinylidene fluoride polymer matrix
US9093927B2 (en) Actuator with ionic liquid
CN111081863A (zh) 一种柔性复合薄膜纳米发电机及其制备方法
Yaqoob et al. Synthesis of poly (vinylidenefluoride-trifluoroethylene)-0.65 Pb (Mg1/3Nb2/3) O3-0.35 PbTiO3-reduced graphene oxide-composite sheet and its application to flexible energy harvesting
Yi et al. Corona: An effective polarization strategy of polymer composites with high-k filler for piezoelectric nanogenerators

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 15864587

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 15532643

Country of ref document: US

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 15864587

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1