WO2021125584A2 - 분리막이 적용된 마찰전기 발전 소자 및 그 제조방법 - Google Patents

분리막이 적용된 마찰전기 발전 소자 및 그 제조방법 Download PDF

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WO2021125584A2
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송찰스기석
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송찰스기석
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    • 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

Definitions

  • the present invention relates to a triboelectric power generating device to which a separator is applied, and more particularly, by providing a separator on the inside or upper and lower surfaces of the triboelectric generating layer in the triboelectric generating device, an electrode that can be displayed by an ultra-thin triboelectric generating layer
  • the present invention relates to a triboelectric power generation device to which a separator is applied, and a method for manufacturing the same, which can maintain or improve device performance while preventing a short circuit of the device.
  • an organic piezoelectric material such as PVDF having excellent flexibility is difficult to manufacture competitively due to environmental hazards and high material cost.
  • inorganic piezoelectric materials having poor flexibility have a problem in durability, such as material rupture by continuous external pressure.
  • a triboelectric device not only a physical space is required to generate frictional motion between the friction materials, but also the structure of the device is complicated and it is difficult to mass-produce, and the degree of material wear due to friction is large, so that durability is affected. There is a problem of low reliability.
  • conventional triboelectric materials have disadvantages in that mass production is difficult due to difficulties in bonding between electrodes and friction materials and different process methods for applying friction materials to devices. Accordingly, there is a demand for the development of a triboelectric power generation device that compensates for these shortcomings.
  • the structure was improved so that the friction material can move smoothly even when a small amount of energy is applied by inserting a steel bar between the friction materials for the purpose of bearing.
  • the amount of voltage or current can be more stably supplied by connecting the electromagnetic generator (AC) and the triboelectric element (AC) in series or parallel as a hybrid method, and additionally a solar cell (DC) and triboelectric It was confirmed that power can be simultaneously generated from light and kinetic energy by connecting the device (AC) as well.
  • the conventional triboelectric devices as described above not only contain the above-described disadvantages, but also have a problem in that an electrode short circuit occurs. That is, conventional triboelectric devices use a triboelectric generating layer in the form of a thin thin film having a thickness of tens to hundreds of micrometers, so that the film is incompletely formed, or the electrode is bent according to the movement of the device and the triboelectric generating layer is formed. There is a problem in that a short circuit occurs as a result of piercing and contact.
  • the triboelectric element to be described in the present invention physically excludes unnecessary structures between triboelectric materials, and the contact between the triboelectric material domains in the nano-scale or maximum micron unit is reduced to a film level. It not only produces power using the phenomenon of falling and sticking by bending of the electrode, but also solves the short circuit problem of the electrode. This is an advanced study in terms of controlling the surface shape of the material in previous studies, and legitimacy was also secured by succeeding the research on methods to utilize kinetic energy in various ways.
  • an object of the present invention is to prevent short circuiting of electrodes that may be caused by an ultra-thin triboelectric generating layer by providing separators inside or on the upper and lower surfaces of the triboelectric generating layer in the triboelectric power generating element, while maintaining the performance of the device. Or to provide a triboelectric power generation device to which a separator is applied and a method for manufacturing the same, which can be improved.
  • an object of the present invention is that, unlike the existing triboelectric power generation device, a physical space for generating friction is not required, and the surface area is maximized by the joint friction part of the friction material composite, which is inexpensive and easy to mass-produce, so that the power plant
  • An object of the present invention is to provide a triboelectric power generation device to which a separator is applied, in which durability of the ruler is improved and efficient production of electricity is possible, and a method for manufacturing the same.
  • the present invention provides a triboelectric generating layer, which is located in the center and includes a friction part having a junction structure made of two or more different polymers; a first electrode positioned opposite to one surface of the triboelectric generating layer; a second electrode positioned opposite to the other surface of the triboelectric generating layer; and a separation membrane positioned inside the triboelectric generation layer, between the triboelectric generation layer and the first electrode, and between the triboelectric generation layer and the second electrode.
  • a power generating device is provided.
  • the present invention a) dissolving and dispersing two or more polymers having different dielectric properties in a solvent, respectively, dissolving and dispersing, mixing, or melting and mixing; b) masking a portion of the surface of each of the first and second electrodes having different materials; c) In any one of the masked first and second electrodes, the polymer solution mixed or unmixed in step a) is supplied to the exposed surface that is not masked, and then dried or cured, forming a triboelectric generating layer on the and d) stacking the remaining electrodes on which the triboelectric generating layer is not formed on the triboelectric generating layer and then compressing the electrode before the triboelectric generating layer is formed in step c).
  • step c) forming a separator on one surface of the triboelectric generating layer that does not face the electrode provides a method of manufacturing a triboelectric power generation device to which a separator is applied, comprising further comprising.
  • the triboelectric power generation device to which the separator according to the present invention is applied and the method for manufacturing the same does not require a physical space to generate frictional motion, and is inexpensive and easy to mass-produce in the joint friction part of the friction material composite.
  • the surface area is maximized by this, so the durability of the power generator is improved and the efficient production of electricity is possible, and by providing a separator on the inside or upper and lower surfaces of the triboelectric generating layer in the triboelectric power generation device, the ultra-thin triboelectric generating layer It also has the advantage of being able to maintain or improve the performance of the device while preventing the short circuit of the electrode that may appear.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional side view of a triboelectric power generation device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic diagram of an electrode masked according to the present invention.
  • FIG 3 is a schematic cross-sectional side view of a triboelectric power generation device according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional side view of a triboelectric power generation device according to an embodiment of the present invention. As shown in Figure 1, the triboelectric power generation device to which the separator according to the present invention is applied,
  • the triboelectric generation layer 300 is located in the center and includes a friction part having a junction structure made of two or more different polymers, and the first electrode 100 is located opposite to any one surface of the triboelectric generation layer 300 . ), the second electrode 200 and the inside of the triboelectric generating layer 300 positioned opposite to the other surface of the triboelectric generating layer 300, the triboelectric generating layer 300 and the first electrode 100 ) and between the triboelectric generating layer 300 and the second electrode 200, and a separator 600 positioned at any one or more places.
  • the triboelectric power generation device is a device capable of converting all physical kinetic energy applied from the outside into electrical energy, and can be used for wind power generation, tidal power generation, and wave power generation.
  • a plurality of It may be composed of a module in which elements are repeatedly arranged and a generator in which a plurality of the modules are repeatedly arranged.
  • the triboelectric power generation device can also be used as a sensor because it is possible to sense a physical movement or sense a texture, hardness, or applied force.
  • the triboelectric generation layer 300 is a triboelectric composite material in the form of a film including a friction part that generates electricity, and the friction part is random in nanometer (nm) to micrometer ( ⁇ m) units. It consists of one junction, and the junction has a bulk-heterojunction structure in which two or more different materials are non-uniformly in contact with each other, or has a multi-junction structure.
  • the structure of the multi-junction is basically similar to that of the bulk heterojunction, but may be a structure in which two or more materials are in contact with each other in a more regular shape (website http://pubs.rsc.org/ services/images/RSCpubs.ePlatform.Service.FreeContent.ImageService.svc/ImageService/Articleimage/2009/EE/b809257e/b809257e-f3.gif). Therefore, despite the extremely short movement distance of each triboelectric material having polarity, the surface area is maximized, thereby improving the reliability of the material durability and efficient electricity production.
  • the thickness of the triboelectric generation layer 300 is 1 nm to 10,000 ⁇ m, preferably 100 nm to 5,000 ⁇ m, more preferably 1 to 1,000 ⁇ m, and the thickness of the triboelectric generation layer 300 is 10,000
  • it exceeds ⁇ m there is a risk that the electric field formed due to the separation of charges generated at the junction does not affect even the collecting electrode, so that voltage and current cannot be generated, and when it is less than 1 nm, the distance between the collecting electrodes is too close to cause a device short (short) phenomenon due to tunneling (tunneling) phenomenon may occur.
  • the triboelectric generating layer (or friction part) is made of two or more polymers having different dielectric properties, preferably two different polymers, and the polymer is a material that has a low manufacturing cost and is easy to mass-produce, that is, For example, polyamide (Polyamide), polyvinyl alcohol (Polyvinyl alcohol (PVA)), polymethyl methacrylate (Polymethylmethacrylate (PMMA)), polyester (Polyester), polyurethane (Polyurethane), polyvinyl butyral ( Polyvinyl butyral (PVB)), polyacrylonitrile, natural rubber, polystyrene (PS), polyvinylidene chloride, polyethylene (PE)), polypropylene ( Polypropylene (PP)), polyimide (Polyimide), polyvinyl chloride (PVC), polydimethylsiloxane (PDMS), and mixtures thereof may be used, and a mixture of PVC and PMMA, PVC and PVA It is preferable to mix,
  • the included (mixed) ratio is 0.1: 99.9 to 99.9: 0.1 by weight, and the two polymers Even if any one is included in a trace amount, the effect according to the present invention occurs, preferably 20: 80 to 80: 20 in a weight ratio, more preferably 40: 60 to 60: 40 weight ratio.
  • each polymer preferably has a weight average molecular weight (Mw) of 10,000 to 5,000,000.
  • the bond between the backbone and functional group between polymers having different dielectric properties is broken to form radicals, which means that charge transfer between the two materials is caused by electrons or radicals. This means that it may be due to material transfer formed.
  • ionic monomolecules in the polymer already exist or are formed due to friction, they also move between different polymers, which may cause charge transfer. For this reason, triboelectricity is generated by the separation of electric charges between the two materials.
  • Acetone Tetrahydrofuran (THF)
  • Toluene Dichloromethane
  • Chloroform Chloroform
  • Toluene Hexane
  • Cyclohexane dimethyl sulfoxide
  • NMP NMP
  • alcohol-based compounds eg, methanol, ethanol, isopropyl alcohol
  • butanol general-purpose solvents such as water.
  • the different polymers are dissolved and mixed in such a solvent, the polymer is melted and mixed, or the different polymers are dispersed in an aqueous and non-aqueous solvent, respectively (water-borne or solvent-borne dispersion) ) and then mixing (ie, emulsion polymerization) to form a composite material such as a composite film or composite particles.
  • the triboelectric generation layer (or the friction material composite, 300), which is easy to mass-produce as described above, is used as a conductive positive electrode (first electrode 100, second electrode 200). After positioning (or inserting) between them, it has a simple structure of coating the coating layer 400 serving as waterproof/moisture-proof and the coating layer 500 serving as support, making it very simple compared to the conventional triboelectric element. However, since it has a structure similar to that of a commercially available piezoelectric element, mass productivity and reliability are high.
  • the first electrode 100 and the second electrode 200 are made of a conductive material that allows electricity to pass through by a charging phenomenon, and any conductive material that satisfies this may be applied without any particular limitation.
  • a conductive material copper, aluminum, gold, silver, carbon felt, carbon paper, and a composite to which carbon nanotubes (CNT) are added may be exemplified, and the electrode is a conventional
  • the form such as a porous foam form.
  • the first electrode 100 and the second electrode 200 may be each made of different materials.
  • the thickness of the first electrode 100 and the second electrode 200 is 20 nm to 5 mm, preferably 50 nm to 1 mm, more preferably 100 nm to 100 um, the first electrode ( 100) and when the thickness of the second electrode 200 exceeds 5 mm, there is a fear that the flexibility corresponding to the wind of the device may be reduced, and if it is less than 20 nm, the performance of the device may be deteriorated due to an increase in resistance. have.
  • the first electrode 100 and the second electrode 200 in order to couple (ground) the electric wire, as shown in FIG. 1, either end of each electrode in comparison with the triboelectric generating layer 300 It can be configured to protrude.
  • the first electrode 100 and the second electrode 200 prevent a short between the electrodes, and the area of the triboelectric generation layer 300 is the same for each element.
  • the remaining external exposed surface except for the portion facing the triboelectric generation layer 300 may be masked by a tape coated with an adhesive component or an insulator material such as PP or PE.
  • FIG. 2 is a schematic diagram of an electrode masked according to the present invention, and the masking treatment of the electrode may be performed on both surfaces (a and b of FIG. 2-A), as shown in FIG. 2A , , as shown in B of FIG. 2 , may vary depending on the performance of the target electrode, such as being able to target only one side.
  • the content of the electrode used in a general triboelectric element may be applied mutatis mutandis to the basic role of the electrode, which is not described above.
  • the separator 600 is to prevent a short circuit that may occur between the electrodes 100 and 200 , and is located inside the triboelectric generating layer 300 , the triboelectric generating layer 300 and the first electrode. (100) and between the triboelectric generating layer (300) and the second electrode (100) may be located at any one or more.
  • the conventional triboelectric elements apply a thin film-type triboelectric generating layer, so the film is incompletely formed, or the electrode is bent due to the movement of the element, and a short circuit occurs as the triboelectric generating layer penetrates and comes into contact. It can be said that it is the most characteristic component of the present invention for solving the problem.
  • the separation membrane 600 located inside the triboelectric generation layer 300 can be seen through FIG. 1 , and between the triboelectric generation layer 300 and the first electrode 100 and the triboelectric generation layer.
  • the multilayer separator 600 positioned between the 300 and the second electrode 100 can be confirmed with reference to FIG. 3 to be described later.
  • metals such as copper, nickel, aluminum, stainless steel and iron, epoxy, paraffin wax, polyethylene terephthalate (PET), polyethylene naphthalate, and mixtures thereof (eg, polymer + polymer, polymer + ceramic, polymer + metal, ceramic + metal, polymer + ceramic + metal, etc.) It can be applied as a material, and in addition to these, as long as physical contact between the two electrodes 100 and 200 can be prevented, the type is not particularly limited.
  • the separator 600 may have a form of a sheet in which pores are formed, for example, a form of a mesh or a form of a net, in addition to the form of a film, in addition to these, the two electrodes 100 , 200), as long as it is possible to prevent physical contact between them, there is no particular limitation on the form. Therefore, the separator 600 has a sheet form with voids, not a film form, and within the scope that is morphologically distinguished from the film-type triboelectric generating layer 300 facing the separator 600, the The material of the separator 600 may be the same as that of the triboelectric generating layer 300 .
  • the thickness of the separator 600 is 1 to 100,000 nm, preferably 100 to 50,000 nm, more preferably 1,000 to 20,000 nm, and when the thickness of the separator 600 is less than 1 nm, short circuit between electrodes
  • the application of the separator 600 may be meaningless, such as the phenomenon occurring intermittently or continuously, and when it exceeds 100,000 nm, a problem in which the electric charge of the triboelectric generating layer is excessively reduced to the electrode may occur. .
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional side view of a triboelectric power generation device according to another embodiment of the present invention.
  • the triboelectric power generation element if necessary, as shown in FIG. 3, is located on the outer peripheral surface of each of the first and second electrodes 100 and 200 to serve as waterproof, moisture-proof and oxygen-blocking. It may further include one or more pairs of first coating layers 400, and additionally, one or more pairs of second coating layers 500 positioned on the outer circumferential surface of each of the first coating layers 400 to serve as support, etc. can
  • the first coating layer 400 is a layer for improving the waterproof, moisture-proof, oxygen barrier, weather resistance and durability of the triboelectric power generation device to which the separator according to the present invention is applied, and to block the inside of the device from the outside.
  • its materials include epoxy, polyester, polyurethane, a mixture of paraffin wax and polyolefin, polyethylene terephthalate (PET), polypropylene (PP) , Polypropylene), polyethylene (PE, Polyethylene), polystyrene (PS, Polystyrene), polyvinyl chloride (PVC, Polyvinyl chloride), polyethylene naphthalate (PEN, Polyethylene naphthalate), polyamide (PA, Polyamide), polyvinyl alcohol ( PVAL, Polyvinyl alcohol), ethylene vinyl alcohol (EVOH, ethylene vinyl alcohol), polyvinylidene chloride (PVDC, Polyvinylidene chloride) and mixtures thereof may be exemplified, and among waterproof, moisture-proof, oxygen barrier
  • the second coating layer 500 has a supporting function of the triboelectric power generation device as a basis, and can also have a function of the first coating layer 400 , and more precisely, it is a layer that gives elasticity to the device.
  • the material of the second coating layer 500 is polyimide, polyether ether ketone, a mixture thereof, and a mixture of any one or more of these and a compound constituting the first coating layer 400 . and the like, and any material that allows the triboelectric power generation device to have a supporting function, such as flexible and tough, may be used without any particular limitation.
  • the thickness of the first coating layer 400 is 100 nm to 10 mm, preferably 1 um to 1 mm, more preferably 10 to 100 um, when the thickness of the first coating layer 400 is out of the above range In this case, there may be problems in that the flexibility of the device is lowered or the function such as waterproof/moisture proof cannot be sufficiently performed.
  • both ends of the first coating layer 400 in order to protect the entire device including the collecting electrode from water, moisture and oxygen, as shown in FIG. 3, the first and second electrodes 100, 200) can be configured to protrude compared to both ends.
  • the thickness of the second coating layer 500 is 1 um to 10 mm, preferably 5 um to 5 mm, more preferably 10 um to 1 mm, and the thickness of the second coating layer 500 is within the above range. If it is out of the range, the flexibility of the device may be lowered or the function of supporting the device may not be sufficiently performed. Meanwhile, in FIG. 3 , the lengths of the first coating layer 400 and the second coating layer 500 are expressed the same, but this is only an example, and either end or both ends of the second coating layer 500 . It may be configured to protrude from the first coating layer 400 . When such a protruding configuration is made, the coating layer is completely coated (covered) by the external support layer once more, so that the blocking effect from the outside can be improved.
  • the width (width ⁇ width) of the triboelectric generation layer 300, the first electrode 100, the second electrode 200, the first coating layer 400, the second coating layer 500, and the separator 600 described so far. vertical, top down) is not particularly limited, and may vary depending on the size and characteristics of the target triboelectric power generation device.
  • the method of manufacturing a triboelectric power generation device to which the separator is applied includes: a) dissolving and dispersing, respectively, dissolving and dispersing two or more polymers having different dielectric properties in a solvent, dissolving and dispersing, mixing, or melting and mixing; b) the material is A step of masking a portion of the surface of each of the different first and second electrodes, c) in any one of the masked first and second electrodes (the second electrode 200 in the drawing), the masking treatment is not performed Forming a triboelectric generating layer (or polymer composite film, 300) on an electrode by supplying the polymer solution mixed or unmixed in step a) to the unexposed surface, followed by drying or curing, d) the triboelectric and laminating the remaining electrodes (the first electrode,
  • the manufacturing method of the triboelectric power generation device to which the separator is applied includes the steps of e) forming a first coating layer 400 on each outer circumferential surface of the first electrode 100 and the second electrode 200, and f) the first The method further includes any one or more of the steps of forming the second coating layer 500 on each outer circumferential surface of the first coating layer 400 .
  • a triboelectric power generation device in order to manufacture a triboelectric power generation device to which a separator is applied, first, two or more polymers having different dielectric properties are dissolved and dispersed in a solvent, respectively, or mixed after dissolving and dispersing, or two or more polymers having different dielectric properties
  • the polymer must be melted and mixed (in the case of emulsion polymerization, a water-borne solution and a solvent-borne solution are mixed, step a).
  • the polymer (material) constitutes a friction part that generates electricity in the triboelectric power generation device, and the detailed description thereof applies mutatis mutandis to the polymer described in the triboelectric power generation device.
  • the stacked triboelectric power generation device can be manufactured by sequentially supplying each polymer solution onto the electrode.
  • Dissolving/dispersing the polymer in a solvent is a process for further improving the mass productivity of the polymer
  • usable solvents include linear and cyclic aliphatic compounds, aromatic compounds, and ketones.
  • the concentration of dissolving the polymer in the solvent is 0.1 to 10,000 g/kg, preferably 1 to 5,000 g/kg, more preferably 10 to 1,000 g/kg, and the concentration of dissolving the polymer in the solvent is within the above range. Otherwise, the effect obtained by dissolving the polymer in a solvent may be insignificant or the mixing process may be difficult.
  • the temperature for dissolving the polymer in the solvent is 0 to 70 °C, preferably 10 to 50 °C, more preferably 25 to 40 °C, when the temperature at which the polymer is dissolved in the solvent is out of the above range, the dissolution There is a risk of problems that may not be formed, decompose, or increase the risk of explosion.
  • the mixing ratio of each polymer solution may be 0.1: 99.9 to 99.9: 0.1 by weight, preferably 20: 80 to 80: 20, more preferably 40: 60 to 60: 40 by weight.
  • additives such as a plasticizer and impact reinforcing material may be additionally added, if necessary, in order to reinforce the flexibility and impact strength of each polymer material.
  • step b After preparing electrodes with different materials (first electrode and second electrode), a part of each surface is masked (step b).
  • the first electrode and the second electrode should be made of different materials to enable triboelectric power generation.
  • the reason why the surface of the first and second electrodes is masked with the tape is to prevent a short between the electrodes and to maintain the same area of the triboelectric generating layer for each element.
  • a portion where the polymer mixture is not to be applied (or supplied) is used as a masking application site.
  • the detailed description of the electrode and the masking applies mutatis mutandis to the electrode and the masking described in the triboelectric power generation device.
  • step c After masking the surface of each electrode, on one of the first and second electrodes (the second electrode 200 in the drawing) (precisely, on the exposed surface of the electrode that is not masked), After supplying (applying) the mixed or unmixed polymer solution in step a), drying or curing is performed to form a triboelectric generating layer (or polymer composite film, 300) on one electrode (step c).
  • Methods of supplying the polymer mixture onto the electrode include drop casting, screen printing, spin coating, rotogravure printing, spray coating, and inkjet printing ( ink-jet printing), etc.
  • the thickness of the triboelectric generation layer 300 is 1 nm to 10,000 ⁇ m, preferably 100 nm to 5,000 ⁇ m, more preferably 1 to 1,000 ⁇ m, and the thickness of the triboelectric generation layer 300 is When it exceeds 10,000 ⁇ m, the electric field formed due to the separation of charges generated at the junction does not affect the collecting electrode, so there is a risk that voltage and current cannot be generated, and when it is less than 1 nm, between the collecting electrodes Since the distance is too close, a device short phenomenon may occur due to a tunneling phenomenon.
  • the polymer mixture used in step c) is applied at least once, Preferably, it further comprises the step of drying after resupplying 1 to 100 times, more preferably 5 to 20 times.
  • This is a process for controlling the thickness of the polymer composite film, and the lower the polymer concentration in step a), the greater the number of resupply times. Therefore, when the polymer concentration is high, the resupply of the polymer mixture solution The process may not be performed.
  • the remaining electrodes (the first electrode 100 in the drawing) on which the triboelectric generating layer 300 is not formed are laminated on the triboelectric generating layer 300 . and then compressed (step d).
  • the compression may be performed at a temperature of 40 to 250° C. and a pressure of 1 gF to 100 kgF by a conventional compression method such as a roll press method and a hot press method.
  • the greatest feature of the present invention is to prevent a short circuit between electrodes by applying a separator in the triboelectric power generation device, and the formation of the separator will be described below.
  • the separator 600 is disposed inside the triboelectric generating layer 300 , between the triboelectric generating layer 300 and the first electrode 100 , and between the triboelectric generating layer 300 and the second electrode. It has been mentioned that it is located in any one or more places among (200).
  • step c) is performed to form the triboelectric generating layer 300 on one electrode, and then, the electrode and The separator 600 may be formed on the other surface of the triboelectric generating layer 300 that is not facing (see FIG. 1 ). Therefore, in this case, before step d) is performed, a process of additionally forming another triboelectric generating layer 300 on the separation membrane 600 should be performed. Meanwhile, in step d), the 'upper portion of the triboelectric generation layer' may mean not only facing the triboelectric generation layer but also somewhere in the upper direction of the triboelectric generation layer.
  • the separator 600 when the separator 600 is positioned between the triboelectric generation layer 300 and the first electrode 100, before the triboelectric generation layer 300 is formed in step c).
  • a separator 600 may be formed on the electrode (see FIG. 3 ). Therefore, in this case, the triboelectric generation layer 300 formed in step c) is formed on the separator 600 rather than the electrode.
  • the electrode' may mean not only facing the electrode but also somewhere in the upper direction of the electrode.
  • step c) is performed to form the triboelectric generation layer 300 on one electrode.
  • the separator 600 may be formed on the other side of the triboelectric generating layer 300 that does not face the electrode (see FIG. 3 ).
  • the separator 600 since the separator 600 directly faces the second electrode 200, unlike the first case, another triboelectric generating layer 300 on the separator 600 before step d) is performed. ) does not need to be additionally formed.
  • the separation membrane 600 is in a cured state such as a film or a sheet form (mesh or mesh type, etc.) formed with voids, such as the electrode or triboelectric generating layer ( 300) or coated with a mixed liquid including a solvent and then dried and then laminated on the electrode or the triboelectric generating layer 300.
  • a cured state such as a film or a sheet form (mesh or mesh type, etc.) formed with voids, such as the electrode or triboelectric generating layer ( 300) or coated with a mixed liquid including a solvent and then dried and then laminated on the electrode or the triboelectric generating layer 300.
  • an annealing process of the triboelectric generating layer 300 may be performed, if necessary.
  • the annealing process is a process of making the triboelectric generating layer 300 at a predetermined temperature, maintaining it at the corresponding temperature for a predetermined time, and then cooling it to room temperature, and adjusting the degree of aggregation of polymers in the triboelectric generating layer 300 .
  • the temperature, required time and number of such annealing process can be arbitrarily changed in consideration of the physical properties of the target power generation device, but at a temperature of 30 to 250 °C, preferably 50 to 150 °C, 1 to 3,600 seconds, Preferably, it may be performed 1 to 24 times, preferably 1 to 10 times for 10 to 180 seconds.
  • an annealing process may be additionally performed.
  • the description of the material and thickness of the first coating layer 400 and the second coating layer 500 is replaced with the bar described above.
  • PMMA was dissolved in Tetrahydrofuran (THF) at a concentration of 5 g/mL at room temperature
  • PVC was also dissolved in THF at a concentration of 5 g/mL at room temperature
  • a polymer mixture was prepared by mixing in a weight ratio of 1.
  • a PMMA-PVC polymer mixture is knife-coated (knife coating, coater, KP-3000) and dried to form a triboelectric generating layer with a thickness of 10 ⁇ m. did.
  • a 21 ⁇ m thick PET film is placed on the other side of the formed triboelectric generating layer to form a separator, then a PMMA-PVC polymer mixture is further naive-coated and dried to another 15 ⁇ m thick A triboelectric generating layer was formed.
  • the remaining 1 sheet of the masking-treated electrode film is placed on the surface of another triboelectric generating layer having a thickness of 15 ⁇ m, and then, using a laminator (Kolami-320S, Korami, Korea), 70 to 90° C.
  • a laminator Kolami-320S, Korami, Korea
  • step d) was excluded, instead of forming a triboelectric generating layer with a thickness of 25 ⁇ m by knife-coating the PMMA-PVC polymer mixture twice during the step c) of Example 1 to prepare a triboelectric power generation device without a separator applied thereto. Meanwhile, in step E), one remaining electrode film was laminated on the triboelectric generation layer formed in step C).
  • the average voltage (Average) according to the impact applied to the device Voltage), average current and average power were measured. That is, after the initial rest period of 10 seconds, the device was bent up and down 3 times per second (3 Hz) for 20 seconds, followed by a rest period of 10 to 20 seconds, and then, the rest of the process except for the first rest period It was repeated 2 more times.
  • FIG. 4 is a graph comparing the average voltage (A), the average current (B) and the average power (C) according to the impact applied to the triboelectric power generation device of Examples and Comparative Examples according to the present invention. As shown in FIG. 4, it was confirmed that the voltage, current and power generated from the power generation device were superior to the voltage, current and power generated from the triboelectric power generation device of the comparative example, and through this, friction as in the present invention It can be seen that when the separator is applied to a specific portion in the electric power generation device, a short circuit between electrodes is prevented.

Landscapes

  • Cell Separators (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)
  • Laminated Bodies (AREA)

Abstract

마찰전기 발전 소자 내 마찰전기 발생층의 내부 또는 상하면에 분리막을 구비시킴으로써, 초박막의 마찰전기 발생층에 의해 나타날 수 있는 전극의 단락 현상을 방지하면서도 소자의 성능은 유지 또는 향상시킬 수 있는, 분리막이 적용된 마찰전기 발전 소자 및 그 제조방법이 개시된다. 상기 분리막이 적용된 마찰전기 발전 소자는, 중심부에 위치하며 서로 다른 둘 이상의 고분자로 이루어진 접합(junction) 구조의 마찰부를 포함하는 마찰전기 발생층; 상기 마찰전기 발생층의 어느 일면에 대향되어 위치하는 제1 전극; 상기 마찰전기 발생층의 다른 일면에 대향되어 위치하는 제2 전극; 및 상기 마찰전기 발생층의 내부, 상기 마찰전기 발생층과 제1 전극의 사이 및 상기 마찰전기 발생층과 제2 전극의 사이 중 어느 한 곳 이상에 위치하는 분리막;을 포함한다.

Description

분리막이 적용된 마찰전기 발전 소자 및 그 제조방법
본 출원은 2019년 12월 17일자 한국 특허 출원 제10-2019-0168486호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 분리막이 적용된 마찰전기 발전 소자에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 마찰전기 발전 소자 내 마찰전기 발생층의 내부 또는 상하면에 분리막을 구비시킴으로써, 초박막의 마찰전기 발생층에 의해 나타날 수 있는 전극의 단락 현상을 방지하면서도 소자의 성능은 유지 또는 향상시킬 수 있는, 분리막이 적용된 마찰전기 발전 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
통상적인 압전소자(Piezoelectric device)에 있어서, 유연성이 뛰어난 PVDF 등의 유기 계열 압전소재는 환경적 유해성 및 높은 소재 원가로 인하여 경쟁력 있는 제품의 제작에 어려움이 있다. 또한, 유연성이 좋지 못한 무기 계열의 압전소재는, 지속되는 외부 압력에 의해 소재가 파열되는 등 내구성에 문제가 발생하는 문제가 있다. 마찰전기 소자(triboelectric device)의 경우, 마찰소재 간의 마찰 운동을 발생시키기 위한 물리적인 공간이 필요할 뿐만 아니라, 소자의 구조가 복잡하고 양산에도 어려움이 있으며, 마찰에 의한 소재 마모의 정도가 커서 내구성에 대한 신뢰도가 낮은 문제가 발생한다. 또한, 기존 마찰전기 소재는 전극과 마찰소재 간의 접합에 대한 어려움, 그리고 마찰소재들을 소자에 적용하는 공정방법의 상이함으로 인해 양산이 어렵다는 단점을 가지고 있다. 따라서, 이와 같은 단점들이 보완된 마찰전기 발전 소자의 개발이 요구되고 있는 실정이다.
여기서, 지금까지 진행되었던 통상적인 마찰전기 소자의 발전 연혁에 대하여 설명하면, 2012년에 이종의 마찰전기 소재를 2겹으로 배열(bilayer)한 후 외부에 전극을 대어, 마찰전기 소재 간 수직 및 수평 움직임을 통해 전기 생산이 가능하다는 것을 확인하였고, 2013년에는 이종의 마찰전기 소재를 교차로 회전시키는 방식으로도 전기 생산이 가능함을 나타내었으며, 개별 마찰전기 소자들을 다층(병렬 구조)으로 구성하여 발전 효율을 개선하기도 하였다. 2014년에는 3차원 구조의 마찰전기 소자를 통해 발생 전류의 양을 크게 개선하였고, 자전거 바퀴 형상을 가지는 원반 전극과 마찰전기 소재들을 가운데 중심 축을 두고 회전 시킴으로써 효율적인 마찰전기 생산이 가능하다는 것을 확인하였으며, 박막의 마찰전기 소재에 마이크론 단위로 grating을 하고 전극과 겹친 후 수평이동을 함으로써 효율적인 전기 생산이 가능함을 보여주었고, grating된 마찰전기 소재와 전극에 용수철을 달아 소재와 전극 간의 수평이동 및 용수철을 통한 에너지 보존을 통하여 높은 효율의(~85%) 물리 에너지를 전기 에너지로 전환 가능함을 확인하였다.
2015년에는 마찰소재 사이에 강철 봉을 베어링의 용도로 삽입함으로써 적은 에너지를 가해도 마찰소재가 부드럽게 움직일 수 있게 구조를 개선하였고, 그럼에도 마찰전기 생산 효율이 크게 떨어지지 않음을 보여주었다. 또한, 하이브리드 방식으로써 전자기발전기(AC)와 마찰전기소자(AC)를 직렬 또는 병렬로 연결함으로써 전압이나 전류의 양을 더 안정적으로 공급할 수 있음을 발견하였으며, 추가로 태양전지(DC)와 마찰전기 소자(AC)도 연결함으로써 빛과 운동 에너지로부터 동시에 전력을 생산할 수 있음을 확인하였다. 이후, 마찰전기 소재 간의 마이크로 또는 나노 단위의 패터닝을 통해 전력생산 효율을 개선하는 연구들이 진행되고 있으며, 소재를 변경하거나, 운동 에너지를 받아들이는 형태(수직, 수평, 회전, 구부러짐 등)를 바꿔가면서 효율을 보다 개선시켰다. 가장 최근의 주목할만한 연구결과로는, 마찰전기 소자의 한쪽 면은 기판에 고정하고, 다른 한 면은 바람에 흔들리게 둠으로써 풍력 발전기로써 활용 가능성을 보여주었다.
이상과 같은 기존의 마찰전기 소자들은, 전술한 단점들을 내포하고 있을 뿐만 아니라, 전극의 단락 현상이 발생하는 문제점까지도 가지고 있다. 즉, 종래의 마찰전기 소자들은, 수십 내지 수백 마이크로미터 두께의 얇은 박막 형태의 마찰전기 발생층을 사용함에 따라, 필름이 불완전하게 형성되거나, 소자의 움직임에 따라 전극이 구부러지며 마찰전기 발생층을 뚫고 맞닿음에 따라 단락이 발생하는 문제점이 있다. 아울러, 마찰전기 소자의 효율 극대화를 위해서는 마찰전기 발생층의 두께를 더욱 감소시키는 것이 바람직하나, 상기와 같은 전극의 단락 문제에 의해 마찰전기 발생층의 두께 감소는 요원해지고 있는 실정이다. 따라서, 상기의 전극 단락 문제를 해결하는 동시에 마찰전기 발생층의 두께를 보다 감소시켜 소자의 효율을 극대화시킬 수 있는 방안이 요구된다.
[선행기술문헌]
[특허문헌]
대한민국 특허공개 제10-2017-0087122호
상기 소개된 모든 마찰전기 소자와는 달리, 본 발명에서 설명하고자 하는 마찰전기 소자는, 물리적으로 마찰전기 소재 간에 불필요한 구조를 배제하고, 나노 단위 또는 최대 마이크론 단위의 마찰전기 소재 domain 간의 접촉이, 필름의 구부러짐에 의해 떨어지고 붙는 현상을 이용하여 전력을 생산할 뿐만 아니라, 전극의 단락 문제까지도 해결한 것이다. 이는, 기존 연구들의 소재 표면 형상을 조절한다는 면에서 발전된 모습이며, 여러 방식의 운동 에너지를 활용하는 방안을 연구하는 것을 계승함으로써 정통성도 확보한 것이다.
즉, 본 발명의 목적은, 마찰전기 발전 소자 내 마찰전기 발생층의 내부 또는 상하면에 분리막을 구비시킴으로써, 초박막의 마찰전기 발생층에 의해 나타날 수 있는 전극의 단락 현상을 방지하면서도 소자의 성능은 유지 또는 향상시킬 수 있는, 분리막이 적용된 마찰전기 발전 소자 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은, 기존 마찰전기 발전 소자와는 달리 마찰 운동을 발생시키기 위한 물리적 공간이 요구되지 않으며, 저렴하고 양산이 용이한 마찰소재 복합체의 접합 마찰부에 의해 표면적이 극대화되어, 발전소자의 내구성이 개선되고 전기의 효율적인 생산이 가능한, 분리막이 적용된 마찰전기 발전 소자 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 중심부에 위치하며 서로 다른 둘 이상의 고분자로 이루어진 접합(junction) 구조의 마찰부를 포함하는 마찰전기 발생층; 상기 마찰전기 발생층의 어느 일면에 대향되어 위치하는 제1 전극; 상기 마찰전기 발생층의 다른 일면에 대향되어 위치하는 제2 전극; 및 상기 마찰전기 발생층의 내부, 상기 마찰전기 발생층과 제1 전극의 사이 및 상기 마찰전기 발생층과 제2 전극의 사이 중 어느 한 곳 이상에 위치하는 분리막;을 포함하는 분리막이 적용된 마찰전기 발전 소자를 제공한다.
또한, 본 발명은, a) 유전 성질이 상이한 둘 이상의 고분자를 각각 용매에 용해 및 분산시키거나, 용해 및 분산시킨 후 혼합하거나, 용융시켜 혼합하는 단계; b) 소재가 상이한 제1 전극 및 제2 전극 각각의 표면 일부를 마스킹 처리하는 단계; c) 상기 마스킹 처리된 제1 및 제2 전극 중 어느 하나의 전극에 있어서, 마스킹 처리되지 않은 노출 면에 상기 a) 단계에서 혼합되었거나 혼합되지 않은 고분자 용액을 공급한 후 건조 또는 경화시켜, 전극 상에 마찰전기 발생층을 형성하는 단계; 및 d) 상기 마찰전기 발생층의 상부에, 상기 마찰전기 발생층이 형성되지 않은 나머지 전극을 적층시킨 후 압착하는 단계;를 포함하며, 상기 c) 단계에서 마찰전기 발생층이 형성되기 이전의 전극 상이나, 상기 c) 단계가 수행된 후 전극과 대면되지 않은 마찰전기 발생층의 일면에 분리막을 형성시키는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 분리막이 적용된 마찰전기 발전 소자의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 분리막이 적용된 마찰전기 발전 소자 및 그 제조방법은, 기존 압전소자와는 달리 마찰 운동을 발생시키기 위한 물리적 공간이 요구되지 않으며, 저렴하고 양산이 용이한 마찰소재 복합체의 접합 마찰부에 의해 표면적이 극대화되어, 발전소자의 내구성이 개선되고 전기의 효율적인 생산이 가능하다는 장점뿐만 아니라, 마찰전기 발전 소자 내 마찰전기 발생층의 내부 또는 상하면에 분리막을 구비시킴으로써, 초박막의 마찰전기 발생층에 의해 나타날 수 있는 전극의 단락 현상을 방지하면서도 소자의 성능은 유지 또는 향상시킬 수 있다는 장점도 가지고 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자의 측단면 모식도이다.
도 2는 본 발명에 따라 마스킹 처리된 전극의 모식도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자의 측단면 모식도이다.
도 4는 본 발명에 따른 실시예 및 비교예의 마찰전기 발전 소자에 가해지는 충격에 따른 평균 전압(A), 평균 전류(B) 및 평균 전력(C)을 비교한 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자의 측단면 모식도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 분리막이 적용된 마찰전기 발전 소자는,
중심부에 위치하며 서로 다른 둘 이상의 고분자로 이루어진 접합(junction) 구조의 마찰부를 포함하는 마찰전기 발생층(300), 상기 마찰전기 발생층(300)의 어느 일면에 대향되어 위치하는 제1 전극(100), 상기 마찰전기 발생층(300)의 다른 일면에 대향되어 위치하는 제2 전극(200) 및 상기 마찰전기 발생층(300)의 내부, 상기 마찰전기 발생층(300)과 제1 전극(100)의 사이 및 상기 마찰전기 발생층(300)과 제2 전극(200)의 사이 중 어느 한 곳 이상에 위치하는 분리막(600)을 포함한다.
본 발명에 따른 마찰전기 발전 소자는, 외부로부터 가해지는 모든 물리적 운동 에너지를 전기 에너지로 전환 가능한 소자로서, 풍력 발전, 조력 발전 및 파력 발전 등에 활용 가능하며, 각 발전 방식을 구현하기 위하여, 다수의 소자가 반복 배치되는 모듈 및 그 모듈 다수가 반복 배치되는 발전기로 구성될 수 있다. 뿐만 아니라, 본 발명에 따른 마찰전기 발전 소자는, 물리적인 움직임을 감지하거나 촉감(texture), 경도(hardness) 또는 가해지는 힘(force)을 감지하는 것도 가능하여 센서(sensor)로도 활용 가능하다.
상기 마찰전기 발생층(300)은 전기를 발생시키는 마찰부를 포함하는 필름 형태의 마찰소재 복합체(triboelectric composite material)로서, 상기 마찰부는 나노미터(㎚) 내지 마이크로미터(㎛) 단위의 랜덤(random)한 접합부(junction)들로 이루어져 있으며, 상기 접합부는 서로 다른 2종 이상의 소재가 불균일하게 맞닿아 있는 벌크 이종 접합(bulk-heterojunction)의 구조를 가지거나, 다중 접합(multi-junction)의 구조를 가질 수 있고, 예를 들어, 벌크 이종 접합 유기 태양전지(bulk-heterojunction organic photovoltaics, 웹사이트 https://www.photonics.com/images/Web/Articles/2012/2/1/thumbnail_49904.jpg 참조)의 활성층(Active Layer)과 유사한 구조를 가질 수 있다. 한편, 상기 다중 접합의 구조는 기본적으로 상기 벌크 이종 접합의 구조와 유사하나, 보다 규칙적인 형상으로 둘 이상의 물질이 서로 맞닿아 있는 구조일 수 있다(웹사이트 http://pubs.rsc.org/services/images/RSCpubs.ePlatform.Service.FreeContent.ImageService.svc/ImageService/Articleimage/2009/EE/b809257e/b809257e-f3.gif 참조). 따라서, 극성을 띠는 각 마찰전기 소재들의 이동 거리가 극히 짧음에도 불구하고, 표면적이 극대화되어 소재 내구성에 대한 신뢰 개선과 효율적인 전기의 생산이 가능해진다.
한편, 상기 마찰전기 발생층(300)의 두께는 1 ㎚ 내지 10,000 ㎛, 바람직하게는 100 ㎚ 내지 5,000 ㎛, 더욱 바람직하게는 1 내지 1,000 ㎛로서, 상기 마찰전기 발생층(300)의 두께가 10,000 ㎛를 초과할 경우에는, 접합부에서 발생한 전하의 분리로 인해 형성되는 전기장이 집전극까지 영향을 미치지 못하여, 전압 및 전류가 생성되지 못하는 문제가 발생할 우려가 있고, 1 ㎚ 미만일 경우에는 집전극간의 거리가 너무 가까워 터널링(tunneling) 현상으로 인한 소자 쇼트(short) 현상이 발생할 수 있다.
상기 마찰전기 발생층(또는, 마찰부)은 유전 성질이 서로 다른 둘 이상의 고분자, 바람직하게는 서로 다른 2종의 고분자로 이루어지는 것으로서, 상기 고분자는 제조 단가가 저렴하며 양산이 용이한 소재, 즉, 예를 들어, 폴리아미드(Polyamide), 폴리비닐알코올(Polyvinyl alcohol(PVA)), 폴리메틸메타크릴레이트(Polymethylmethacrylate(PMMA)), 폴리에스테르(Polyester), 폴리우레탄(Polyurethane), 폴리비닐부티랄(Polyvinyl butyral(PVB)), 폴리아크릴로니트릴(Polyacrylonitrile), 천연고무(natural rubber), 폴리스티렌(Polystyrene(PS)), 폴리염화비닐리덴(Polyvinylidene chloride), 폴리에틸렌(Polyethylene(PE)), 폴리프로필렌(Polypropylene(PP)), 폴리이미드(Polyimide), 폴리염화비닐(Polyvinylchloride(PVC)), 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane(PDMS)) 및 이들의 혼합물이 될 수 있으며, PVC와 PMMA의 혼용, PVC와 PVA의 혼용, PVC와 PVB의 혼용, PP와 PMMA의 혼용 및 PE와 PMMA의 혼용이 바람직하다.
상기 고분자가 2종 혼합 사용될 경우(즉, 상기 마찰전기 발생층이 서로 다른 두 고분자를 포함할 경우)의 그 포함되는(혼합되는) 비율은 0.1 : 99.9 내지 99.9 : 0.1의 중량비로서, 상기 두 고분자 중 어느 하나가 미량으로 포함되더라도 본 발명에 따른 효과가 발생하며, 바람직하게는 20 : 80 내지 80 : 20의 중량비, 더욱 바람직하게는 40 : 60 내지 60 : 40의 중량비일 수 있다. 그밖에, 상기 각 고분자는 10,000 내지 5,000,000의 중량평균분자량(Mw)을 가지는 것이 바람직하다.
상기와 같이 마찰부를 유전 성질이 상이한 고분자들로 구성하게 되면, 유전 성질이 다른 고분자 간 백본(backbone) 및 관능기의 결합이 깨져 라디칼을 형성하게 되고, 이는 두 물질 간의 전하 이동이 전자 또는 라디칼로 인해 형성된 물질 이동(material transfer)으로 인해 생길 수 있음을 의미한다. 추가로, 고분자 내부의 이온 단분자가 이미 존재하거나 마찰로 인해 형성될 시, 이들 또한 이종의 고분자 간에 이동하게 되어 전하 이동의 원인이 될 수 있다. 이러한 이유로 인해, 두 물질간에 전하가 분리됨으로써 마찰전기가 발생된다.
한편, 상기 고분자 소재의 양산성을 보다 높이기 위하여, Acetone, Tetrahydrofuran(THF), Toluene, Dichloromethane, Chloroform, Toluene, Hexane, Cyclohexane, dimethyl sulfoxide, NMP, 알코올계 화합물(예시: 메탄올, 에탄올, 이소프로필 알코올 및 부탄올 외) 및 물 등의 범용 용매를 이용할 수 있다. 즉, 이와 같은 용매에 상기 서로 다른 고분자를 용해(dissolve)한 후 혼합하거나, 상기 고분자를 용융하여 혼합하거나, 상기 서로 다른 고분자를 각각 수계 및 비수계 용매에 분산(water-borne 또는 solvent-borne dispersion)시킨 후 혼합하는 방식(즉, 에멀젼 중합)을 통해, 복합 필름 또는 복합 입자 등의 복합체(composite material)를 형성할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 마찰전기 발전 소자는, 이와 같이 양산이 용이한 마찰전기 발생층(또는 마찰소재 복합체, 300)을 전도성의 양 전극(제1 전극(100), 제2 전극(200)) 사이에 위치(또는, 삽입)시킨 후, 방수/방습의 역할을 하는 코팅층(400)과 지지의 역할을 하는 코팅층(500)을 코팅시키는 간단한 구조를 가짐으로써, 기존의 마찰전기 소자에 비하여 매우 단순한 구조를 가지되, 기 상용화된 압전소자와는 유사한 구조를 가지기 때문에, 양산성 및 신뢰성이 높다.
다음으로, 상기 제1 전극(100) 및 제2 전극(200)은 대전 현상에 의해 전기를 통하게 하는 전도성 물질로 이루어진 것으로서, 이를 만족하는 전도성 물질이라면 특별한 제한 없이 적용될 수 있다. 이와 같은 전도성 물질로는 구리, 알루미늄, 금, 은, 카본 펠트(carbon felt), 카본 페이퍼(carbon paper) 및 탄소나노튜브(CNT)가 첨가된 복합체 등을 예시할 수 있으며, 상기 전극은 통상적인 필름 형태 이외에 다공성의 폼(foam) 형태 등 그 형태에 있어서는 특별한 제한이 없다.
다만, 상기 제1 전극(100)과 제2 전극(200)은 서로 다른 소재로 각각 구성될 수도 있다. 또한, 상기 제1 전극(100) 및 제2 전극(200)의 두께는 20 nm 내지 5 mm, 바람직하게는 50 nm 내지 1 mm, 더욱 바람직하게는 100 nm 내지 100 um로서, 상기 제1 전극(100) 및 제2 전극(200)의 두께가 5 mm를 초과할 경우에는, 소자의 바람에 대응하는 유연성이 저하될 우려가 있고, 20 nm 미만일 경우에는 저항 증가로 인하여 소자의 성능이 저하될 수 있다.
한편, 상기 제1 전극(100) 및 제2 전극(200)은, 전선을 결합(접지)시키기 위하여, 도 1에 도시된 바와 같이, 각 전극 어느 한 쪽 끝단을 마찰전기 발생층(300) 대비 돌출되게 구성할 수 있다. 또한, 본 발명에서 있어서, 상기 제1 전극(100) 및 제2 전극(200)은, 양 전극 간 쇼트(short) 현상을 방지하고, 또한, 마찰전기 발생층(300)의 면적을 소자마다 동일하게 유지하기 위하여, 상기 마찰전기 발생층(300)과 대면되는 부분을 제외한 나머지 외부 노출 면이, 접착 성분이 도포된 테이프나 PP 또는 PE 등의 절연체 물질에 의해 마스킹(Masking) 처리될 수 있다. 도 2는 본 발명에 따라 마스킹 처리된 전극의 모식도로서, 상기 전극의 마스킹 처리는, 도 2의 A에 도시된 바와 같이, 양쪽 면(도 2-A의 a 및 b)을 대상으로 할 수도 있고, 도 2의 B에 도시된 바와 같이, 어느 한 쪽 면만을 대상으로 할 수도 있는 등, 목적으로 하는 전극의 성능 등에 따라 달라질 수 있다. 그밖에, 이상에서 설명되지 않은 전극의 기본적인 역할 등에 대한 내용은, 통상의 마찰전기 소자에 사용되는 전극의 내용을 준용할 수 있다.
마지막으로, 상기 분리막(600)은 전극(100, 200) 간에 발생할 수 있는 단락 현상을 방지하기 위한 것으로서, 상기 마찰전기 발생층(300)의 내부, 상기 마찰전기 발생층(300)과 제1 전극(100)의 사이 및 상기 마찰전기 발생층(300)과 제2 전극(100)의 사이 중 어느 한 곳 이상에 위치할 수 있다. 이는, 기존의 마찰전기 소자들이 얇은 박막 형태의 마찰전기 발생층을 적용함에 따라, 필름이 불완전하게 형성되거나, 소자의 움직임에 의해 전극이 구부러지며 마찰전기 발생층을 뚫고 맞닿음에 따라 단락이 발생하는 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 가장 특징 있는 구성 요소라 할 수 있다. 한편, 상기 마찰전기 발생층(300)의 내부에 위치한 분리막(600)은 도 1을 통하여 확인할 수 있고, 상기 마찰전기 발생층(300)과 제1 전극(100)의 사이 및 상기 마찰전기 발생층(300)과 제2 전극(100)의 사이에 다중으로 위치한 분리막(600)은 후술할 도 3을 통하여 확인할 수 있다.
이와 같은 분리막(600)의 소재로는 구리, 니켈, 알루미늄, 스테인리스 스틸 및 철 등의 금속, 에폭시, 파라핀 왁스, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌 나프탈레이트 및 이들의 혼합물(예시: 고분자 + 고분자, 고분자 + 세라믹, 고분자 + 금속, 세라믹 + 금속, 고분자 + 세라믹 + 금속 등) 등을 대표적으로 예시할 수 있고, 필요에 따라 상기 마찰전기 발생층(300)에 해당하는 소재도 상기 분리막(600)의 소재로 적용 가능하며, 이들 이외에, 두 전극(100, 200) 간의 물리적 접촉을 방지할 수만 있다면 그 종류에는 특별한 제한이 없다.
또한, 상기 분리막(600)은 필름의 형태 이외에, 공극(pore)이 형성된 시트(sheet) 형태, 예를 들어, 메쉬(mesh) 형태 또는 그물망의 형태를 가질 수 있으며, 이들 이외에, 두 전극(100, 200) 간의 물리적 접촉을 방지할 수만 있다면 그 형태에는 특별한 제한이 없다. 따라서, 상기 분리막(600)이 필름 형태가 아닌 공극이 형성된 시트 형태를 가져, 상기 분리막(600)에 대면되는 필름 형태의 마찰전기 발생층(300)과 형태적으로 구분이 되는 범주 내에서는, 상기 분리막(600)의 소재가 상기 마찰전기 발생층(300)의 소재와 동일할 수 있다.
그밖에, 상기 분리막(600)의 두께는 1 내지 100,000 nm, 바람직하게는 100 내지 50,000 nm, 더욱 바람직하게는 1,000 내지 20,000 nm로서, 상기 분리막(600)의 두께가 1 nm 미만인 경우에는, 전극 간 단락 현상이 간헐적 또는 지속적으로 발생하는 등 분리막(600)의 적용이 무의미할 수 있고, 100,000 nm를 초과하는 경우에는 마찰전기 발생층의 전하가 전극으로 대전하는 현상이 과도하게 축소되는 문제가 발생할 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자의 측단면 모식도이다. 한편, 상기 마찰전기 발전 소자는, 필요에 따라, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 제1 및 제2 전극(100, 200) 각각의 외주면에 위치하여 방수, 방습 및 산소 차단 등의 역할을 하는 한 쌍 이상의 제1 코팅층(400)을 더 포함할 수 있고, 추가적으로, 상기 제1 코팅층(400) 각각의 외주면에 위치하여 지지 등의 역할을 하는 한 쌍 이상의 제2 코팅층(500)을 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 제1 코팅층(400)은, 본 발명에 따른 분리막이 적용된 마찰전기 발전 소자의 방수성, 방습성, 산소 차단성, 내후성 및 내구성 등을 향상시키고, 소자 내부를 외부로부터 차단하기 위한 층으로서, 그 소재로는 에폭시(Epoxy), 폴리에스터(Polyester), 폴리우레탄(Polyurethane), 파라핀 왁스(paraffin wax)와 폴리올레핀(polyolefin)의 혼합물, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET, Polyethylene terephthalate), 폴리프로필렌(PP, Polypropylene), 폴리에틸렌(PE, Polyethylene), 폴리스티렌(PS, Polystyrene), 폴리염화비닐(PVC, Polyvinyl chloride), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN, Polyethylene naphthalate), 폴리아미드(PA, Polyamide), 폴리비닐알코올(PVAL, Polyvinyl alcohol), 에틸렌비닐알코올(EVOH, ethylene vinyl alcohol), 폴리염화비닐리덴(PVDC, Polyvinylidene chloride) 및 이들의 혼합물 등을 예시할 수 있으며, 방수성, 방습성, 산소 차단성, 내후성 및 내구성 중 어느 하나 이상의 성질을 가지는 소재라면 특별한 제한 없이 사용될 수 있다.
또한, 상기 제2 코팅층(500)은 마찰전기 발전 소자의 지지 기능을 기본으로 가지고 있고, 상기 제1 코팅층(400)의 기능까지 가질 수 있는 것으로서, 보다 정확하게는 소자에 탄성을 부여하는 층이다. 상기 제2 코팅층(500)의 소재로는 폴리이미드(Polyimide), 폴리에테르에테르키톤(Polyether ether ketone), 이들의 혼합물 및 이들 중 어느 하나 이상과 상기 제1 코팅층(400)을 구성하는 화합물의 혼합물 등을 예시할 수 있으며, 유연하고 질긴 등 마찰전기 발전 소자가 지지 기능을 가질 수 있도록 하는 소재라면 특별한 제한 없이 사용될 수 있다.
상기 제1 코팅층(400)의 두께는 100 nm 내지 10 mm, 바람직하게는 1 um 내지 1 mm, 더욱 바람직하게는 10 내지 100 um로서, 상기 제1 코팅층(400)의 두께가 상기 범위를 벗어날 경우에는, 소자의 유연성이 저하되거나 방수/방습 등의 기능을 충분히 수행하지 못하는 문제가 발생할 수 있다. 한편, 상기 제1 코팅층(400)의 양 끝단은, 집전극을 포함하는 소자 전체를 물, 습기 및 산소로부터 보호하기 위하여, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 제1 및 제2 전극(100, 200)의 양 끝단 대비 돌출되도록 구성할 수 있다.
또한, 상기 제2 코팅층(500)의 두께는 1 um 내지 10 mm, 바람직하게는 5 um 내지 5 mm, 더욱 바람직하게는 10 um 내지 1 mm로서, 상기 제2 코팅층(500)의 두께가 상기 범위를 벗어날 경우에는, 소자의 유연성이 저하되거나 소자 지지의 기능을 충분히 수행하지 못하는 문제가 발생할 수 있다. 한편, 도 3에는 상기 제1 코팅층(400)과 제2 코팅층(500)의 길이를 동일하게 표현하였으나, 이는 일 예에 불과한 것으로서, 상기 제2 코팅층(500)의 어느 한 쪽 끝단 또는 양 쪽 끝단이 상기 제1 코팅층(400) 대비 돌출되도록 구성할 수도 있다. 이와 같은 돌출 구성을 하게 되면, 코팅층이 외부 지지층에 의해 한번 더 완전히 코팅되어(감싸져), 외부로부터의 차단 효과가 향상될 수 있다.
한편, 지금까지 설명한 마찰전기 발생층(300), 제1 전극(100), 제2 전극(200), 제1 코팅층(400), 제2 코팅층(500) 및 분리막(600)의 너비(가로 × 세로, 위에서 내려다 본 모습 기준)는 특별한 제한이 없으며, 목적으로 하는 마찰전기 발전 소자의 크기 및 특성 등에 따라 가변될 수 있다.
다음으로, 도 1 및 3을 참조하여, 본 발명에 따른 분리막이 적용된 마찰전기 발전 소자의 제조방법에 대하여 설명한다. 상기 분리막이 적용된 마찰전기 발전 소자의 제조방법은, a) 유전 성질이 상이한 둘 이상의 고분자를 각각 용매에 용해 및 분산시키거나, 용해 및 분산시킨 후 혼합하거나, 용융시켜 혼합하는 단계, b) 소재가 상이한 제1 전극 및 제2 전극 각각의 표면 일부를 마스킹 처리하는 단계, c) 상기 마스킹 처리된 제1 및 제2 전극 중 어느 하나의 전극(도면상 제2 전극, 200)에 있어서, 마스킹 처리되지 않은 노출 면에 상기 a) 단계에서 혼합되었거나 혼합되지 않은 고분자 용액을 공급한 후 건조 또는 경화시켜, 전극 상에 마찰전기 발생층(또는 고분자 복합 필름, 300)을 형성하는 단계, d) 상기 마찰전기 발생층(300)의 상부에, 상기 마찰전기 발생층(300)이 형성되지 않은 나머지 전극(도면상 제1 전극, 100)을 적층시킨 후 압착하는 단계를 포함하며, 상기 c) 단계에서 마찰전기 발생층이 형성되기 이전의 전극 상이나, 상기 c) 단계가 수행된 후 전극과 대면되지 않은 마찰전기 발생층의 일면에 분리막을 형성시키는 단계를 더 포함한다.
그밖에, 상기 분리막이 적용된 마찰전기 발전 소자의 제조방법에 있어서, 상기 c) 단계 및 d) 단계 중 어느 하나 이상의 단계가 수행된 이후에는, 필요에 따라, 상기 마찰전기 발생층(300)을 어닐링시키는 공정이 수행될 수 있다. 또한, 상기 분리막이 적용된 마찰전기 발전 소자의 제조방법은, e) 상기 제1 전극(100) 및 제2 전극(200)의 각 외주면에 제1 코팅층(400)을 형성하는 단계 및 f) 상기 제1 코팅층(400)의 각 외주면에 제2 코팅층(500)을 형성하는 단계 중 어느 하나 이상의 단계를 더 포함한다.
본 발명에 따라, 분리막이 적용된 마찰전기 발전 소자를 제조하기 위해서는, 먼저, 유전 성질이 상이한 둘 이상의 고분자를 각각 용매에 용해 및 분산시키거나, 용해 및 분산시킨 후 혼합하거나, 유전 성질이 상이한 둘 이상의 고분자를 용융시켜 혼합하여야 한다(에멀젼 중합의 경우, water-borne 용액 및 solvent-borne 용액을 혼합, a 단계). 상기 고분자(소재)는 마찰전기 발전 소자 내에서 전기를 발생시키는 마찰부를 구성하는 것으로서, 이에 대한 구체적인 설명은 상기 마찰전기 발전 소자에서 기술한 고분자에 관한 내용을 준용한다. 한편, 고분자를 각각 용매에 용해 및 분산시킨 후 혼합하지 않는 경우에는, 전극 상에 각 고분자 용액을 순차 공급함으로써 적층형의 마찰전기 발전 소자가 제조될 수 있다.
상기 고분자를 용매에 용해/분산시키는 것은 상기 고분자의 양산성을 보다향상시키기 위한 공정으로서, 사용 가능한 용매로는 선형 및 환형의 지방족(alkane)계 화합물, 방향족(aromatic)계 화합물, 키톤계(ketone) 화합물, 선형 및 환형의 에테르(ether)계 화합물, 아민(amine)계 화합물, 황화물(sulfide)계 화합물 및 할로겐(halogen)계 화합물 등의 유기 용제를 예로 들 수 있고, 보다 구체적으로는, Hexane, Cyclohexane, Toluene, Acetone, Diethyl ether, Tetrahydrofuran(THF), N-Methyl-2-pyrrolidone, Dimethyl sulfoxide, Dichloromethane 및 Chloroform 등의 범용 용매를 예시할 수 있다.
상기 고분자를 용매에 용해시키는 농도는 0.1 내지 10,000 g/kg, 바람직하게는 1 내지 5,000 g/kg, 더욱 바람직하게는 10 내지 1,000 g/kg으로서, 상기 고분자를 용매에 용해시키는 농도가 상기 범위를 벗어날 경우에는, 상기 고분자를 용매에 용해시킴으로써 얻을 수 있는 효과가 미미하거나 혼합 공정이 어려울 수 있다. 또한, 상기 고분자를 용매에 용해시키는 온도는 0 내지 70 ℃, 바람직하게는 10 내지 50 ℃, 더욱 바람직하게는 25 내지 40 ℃로서, 상기 고분자를 용매에 용해시키는 온도가 상기 범위를 벗어날 경우, 용해가 되지 않거나 분해가 되거나 또는 폭발의 위험성이 증가하는 문제가 발생할 우려가 있다.
이때, 각 고분자 용액의 혼합비는 0.1 : 99.9 내지 99.9 : 0.1의 중량비, 바람직하게는 20 : 80 내지 80 : 20의 중량비, 더욱 바람직하게는 40 : 60 내지 60 : 40의 중량비일 수 있다. 한편, 서로 다른 고분자 용액을 혼합하는 a) 단계의 수행 시에는, 각 고분자 소재의 유연성 및 충격 강도를 보강하기 위하여, 필요에 따라, 가소제 및 충격 보강재 등의 첨가제를 추가로 첨가할 수 있다.
다음으로, 소재가 상이한 전극(제1 전극 및 제2 전극)을 준비한 후, 각 표면의 일부를 마스킹 처리한다(b 단계). 상기 제1 전극 및 제2 전극은 마찰전기의 발전이 가능하도록 서로 다른 소재로 구성되어야 한다. 이와 같은, 제1 및 제2 전극의 표면 일부를 테이프로 마스킹 처리하는 이유는, 양 전극 간 쇼트(short) 현상을 방지하고, 또한, 마찰전기 발생층의 면적을 소자마다 동일하게 유지하기 위함으로써, 상기 고분자 혼합액을 도포(또는, 공급)하고자 하지 않는 부분을 마스킹 적용 부위로 한다. 그밖에, 전극 및 마스킹에 대한 구체적인 설명은, 상기 마찰전기 발전 소자에서 기술한 전극 및 마스킹의 내용을 준용한다.
상기 각 전극의 표면을 마스킹 처리한 후에는, 상기 제1 및 제2 전극 중 어느 하나의 전극(도면상 제2 전극, 200)상에(정확하게는, 전극의 마스킹 처리되지 않은 노출 면에), 상기 a) 단계에서 혼합되었거나 혼합되지 않은 고분자 용액을 공급(도포)한 후 건조 또는 경화시켜, 하나의 전극 상에 마찰전기 발생층(또는 고분자 복합 필름, 300)을 형성시킨다(c 단계). 상기 고분자 혼합액을 전극상에 공급하는 방식에는 드롭 캐스팅(drop casting), 스크린 프린팅(screen printing), 스핀 코팅(spin coating), 로토그라비어 프린팅(rotogravure printing), 스프레이 코팅(spray coating) 및 잉크젯 프린팅(ink-jet printing) 등이 있다. 그밖에, 상기 마찰전기 발생층(300)의 두께는, 1 ㎚ 내지 10,000 ㎛, 바람직하게는 100 ㎚ 내지 5,000 ㎛, 더욱 바람직하게는 1 내지 1,000 ㎛로서, 상기 마찰전기 발생층(300)의 두께가 10,000 ㎛를 초과할 경우에는, 접합부에서 발생한 전하의 분리로 인해 형성되는 전기장이 집전극까지 영향을 미치지 못하여, 전압 및 전류가 생성되지 못하는 문제가 발생할 우려가 있고, 1 ㎚ 미만일 경우에는 집전극간의 거리가 너무 가까워 터널링(tunneling) 현상으로 인한 소자 쇼트(short) 현상이 발생할 수 있다.
한편, 상기 마찰전기 발전 소자의 제조방법은, 필요에 따라, 상기 c) 단계에서 형성된 고분자 복합 필름(마찰전기 발생층)의 표면 상에, 상기 c) 단계에서 사용된 고분자 혼합액을 1 회 이상, 바람직하게는 1 내지 100 회, 더욱 바람직하게는 5 내지 20 회 재공급한 후 건조시키는 단계를 더 포함한다. 이는, 상기 고분자 복합 필름의 두께를 조절하기 위한 과정으로서, 상기 a) 단계의 고분자 농도가 낮을수록 재공급 횟수는 많아질 수 있으며, 따라서, 고분자 농도가 높을 경우에는, 이와 같은 고분자 혼합액의 재공급 과정이 수행되지 않을 수 있다.
그밖에, 본 명세서에 있어서, 고분자 용액 및 혼합액을 먼저 제조하고, 이후 전극의 표면을 마스킹 처리하는 것으로 기재하고 있으나, 이는 어디까지나 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 그 순서가 바뀌거나 동시에 진행될 수 있다.
상기와 같이 전극 상에 마찰전기 발생층이 형성되면, 마찰전기 발생층(300)의 상부에 상기 마찰전기 발생층(300)이 형성되지 않은 나머지 전극(도면상 제1 전극, 100)을 적층시킨 후 압착한다(d 단계). 상기 압착은 롤 프레스 방식 및 핫 프레스 방식 등 통상적인 압착 방식에 의해, 40 내지 250 ℃의 온도 및 1 gF 내지 100 kgF의 압력 하에서 수행될 수 있다.
한편, 본 발명의 가장 큰 특징은 마찰전기 발전 소자 내에 분리막을 적용하여 전극 간 단락 현상을 방지하는 것이며, 이하에서는 분리막의 형성에 관한 설명을 하도록 한다. 본 발명에 있어 분리막(600)은 상기 마찰전기 발생층(300)의 내부, 상기 마찰전기 발생층(300)과 제1 전극(100)의 사이 및 상기 마찰전기 발생층(300)과 제2 전극(200)의 사이 중 어느 한 곳 이상에 위치한다는 언급을 한 바 있다.
먼저, 상기 분리막(600)이 상기 마찰전기 발생층(300)의 내부에 위치하는 경우는, 상기 c) 단계가 수행되어 하나의 전극 상에 마찰전기 발생층(300)을 형성한 후, 전극과 대면되지 않은 마찰전기 발생층(300)의 다른 일면에 분리막(600)을 형성시킬 수 있다(도 1 참조). 따라서 이 경우에는, 상기 d) 단계가 수행되기 이전, 상기 분리막(600) 상에 또 다른 마찰전기 발생층(300)을 추가로 형성시키는 공정이 수행되어야 한다. 한편, 상기 d) 단계에 있어서, '마찰전기 발생층의 상부'란 마찰전기 발생층에 대면되는 것뿐만 아니라 마찰전기 발생층의 상부 방향 어딘가를 의미하는 것일 수도 있다.
두 번째로, 상기 분리막(600)이 상기 마찰전기 발생층(300)과 제1 전극(100)의 사이에 위치하는 경우는, 상기 c) 단계에서 마찰전기 발생층(300)이 형성되기 이전의 전극 상에 분리막(600)을 형성시킬 수 있다(도 3 참조). 따라서 이 경우에는, 상기 c) 단계에서 형성되는 마찰전기 발생층(300)이 전극이 아닌 분리막(600) 상에 형성된다. 한편, 상기 c) 단계에 있어서, '전극 상'이란 전극에 대면되는 것뿐만 아니라 전극의 상부 방향 어딘가를 의미하는 것일 수도 있다.
마지막으로, 상기 분리막(600)이 상기 마찰전기 발생층(300)과 제2 전극(200)의 사이에 위치하는 경우는, 상기 c) 단계가 수행되어 하나의 전극 상에 마찰전기 발생층(300)을 형성한 후, 전극과 대면되지 않은 마찰전기 발생층(300)의 다른 일면에 분리막(600)을 형성시킬 수 있다(도 3 참조). 다만, 이 경우에는 분리막(600)이 제2 전극(200)과 직접 대면되므로, 첫 번째 경우와 달리 상기 d) 단계가 수행되기 이전, 상기 분리막(600) 상에 또 다른 마찰전기 발생층(300)을 추가로 형성시킬 필요가 없다.
이상의 분리막(600)을 형성하는 세 가지의 경우 모두에 있어서, 상기 분리막(600)은 필름이나 공극이 형성된 시트 형태(메쉬 또는 그물망 형태 등) 등의 경화된 상태로 상기 전극이나 마찰전기 발생층(300)에 적층되거나, 용매 등을 포함한 혼합액상으로 코팅된 후 건조 등의 공정을 거쳐 상기 전극이나 마찰전기 발생층(300)에 적층될 수 있다.
한편, 상기 c) 단계 및 d) 단계 중 어느 하나 이상의 단계가 수행된 이후에는, 필요에 따라, 상기 마찰전기 발생층(300)을 어닐링시키는 공정이 수행될 수 있다. 상기 어닐링 공정은 마찰전기 발생층(300)을 일정 온도로 만든 후, 해당 온도에서 일정 시간 동안 유지시키고, 이어서 실온으로 냉각시키는 과정으로서, 상기 마찰전기 발생층(300) 내부의 고분자들의 결집도 조절을 통한 총 접합면적 조절에 따라 발전 효율을 최적화 하는 용도로 사용될 수 있다. 이와 같은 어닐링 공정의 온도, 소요 시간 및 횟수는, 목적으로 하는 발전 소자의 물성 등을 고려하여 임의 변경 가능하나, 30 내지 250 ℃, 바람직하게는 50 내지 150 ℃의 온도 하에서, 1 내지 3,600 초, 바람직하게는 10 내지 180 초 동안 1 내지 24 회, 바람직하게는 1 내지 10 회 수행될 수 있다.
한편, 상기 e) 단계의 제1 코팅층(400)을 형성한 후, 또는 상기 f) 단계의 제2 코팅층(500)을 형성한 후에도, 필요에 따라, 어닐링 공정이 추가로 수행될 수 있으며, 그밖에, 상기 제1 코팅층(400) 및 제2 코팅층(500)의 소재 및 두께 등에 관한 설명은, 전술한 바로 대체한다.
이하, 구체적인 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1] 분리막이 적용된 마찰전기 발전 소자의 제조
가) 먼저, PMMA를 Tetrahydrofuran(THF)에 5 g/mL의 농도로 상온에서 용해시키고, PVC 또한 THF에 5 g/mL의 농도로 동일하게 상온에서 용해시킨 후, PMMA 용액과 PVC 용액을 1 : 1의 중량비로 혼합하여 고분자 혼합액을 제조하였다.
나) 다음으로, 아크릴 접착제가 도포된 PET 코팅 용지 표면상에 4 cm × 6 cm × 10 ㎛의 크기를 가지는 알루미늄 전극을 접착하고 전극의 표면을 아세톤으로 세척한 후, 도 2에 도시된 바와 같은 형태로 4 cm × 4 cm의 면적(Exposed Electrode)을 제외한 나머지 부분을 스카치 테이프로 마스킹 처리한 전극 필름을 2장 준비하였다.
다) 이어서, 노출된(마스킹 처리되지 않은) 전극 필름 1장의 표면에, PMMA-PVC 고분자 혼합액을 나이프 코팅(knife coating, 코터, KP-3000)하고 건조시켜 10 ㎛ 두께의 마찰전기 발생층을 형성하였다.
라) 계속해서, 상기 형성된 마찰전기 발생층의 다른 일면에 21 ㎛ 두께의 PET 필름을 한 장 얹어 분리막을 형성한 후, PMMA-PVC 고분자 혼합액을 추가로 나이브 코팅하고 건조시켜 15 ㎛ 두께의 또 다른 마찰전기 발생층을 형성하였다.
마) 이후, 상기 마스킹 처리된 나머지 전극 필름 1장을 상기 형성된 15 ㎛ 두께의 또 다른 마찰전기 발생층의 표면에 얹은 후, 라미네이터(Kolami-320S, 코라미, 대한민국)를 이용하여 70 내지 90 ℃에서 약 10초 간 어닐링시키며 약 1 kgF의 압력으로 압착하여, 도 1에 도시된 바와 같은 분리막 적용 마찰전기 발전 소자를 제조하였다.
[비교예 1] 마찰전기 발전 소자의 제조
상기 실시예 1의 다) 공정 중 PMMA-PVC 고분자 혼합액을 2회 나이프 코팅하여 25 ㎛ 두께의 마찰전기 발생층을 형성하는 대신, 상기 라) 공정을 배제한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 분리막 미적용 마찰전기 발전 소자를 제조하였다. 한편, 상기 마) 공정에 있어서, 나머지 전극 필름 1장은 다) 공정에서 형성된 마찰전기 발생층에 적층하였다.
[시험예 1] 마찰전기 발생량 평가
상기 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 마찰전기 발전 소자의 양 전극과 디지털 멀티미터(digital multimeter, Kiethley DMM 7510, 미국)를 전선으로 연결한 후, 소자에 가해지는 충격에 따른 평균 전압(Average Voltage), 평균 전류(Average Current) 및 평균 전력(Average Power)을 측정하였다. 즉, 최초 10초의 휴지기(休止期) 이후에 20초 동안 초당 3 번씩(3 Hz) 소자를 상하로 구부러뜨렸고, 이어서, 10 내지 20초의 휴지기를 가졌으며, 이후, 최초 휴지기를 제외한 나머지 과정을 2회 추가로 반복하였다.
도 4는 본 발명에 따른 실시예 및 비교예의 마찰전기 발전 소자에 가해지는 충격에 따른 평균 전압(A), 평균 전류(B) 및 평균 전력(C)을 비교한 그래프로서, 본 발명의 마찰전기 발전 소자로부터 발생하는 전압, 전류 및 전력은, 도 4에 도시된 바와 같이, 비교예의 마찰전기 발전 소자로부터 발생하는 전압, 전류 및 전력보다 모두 우수한 것을 확인할 수 있었으며, 이를 통하여, 본 발명과 같이 마찰전기 발전 소자 내 특정 부위에 분리막을 적용하게 되면, 전극 간 단락 현상이 방지됨을 알 수 있다.

Claims (13)

  1. 중심부에 위치하며 서로 다른 둘 이상의 고분자로 이루어진 접합(junction) 구조의 마찰부를 포함하는 마찰전기 발생층;
    상기 마찰전기 발생층의 어느 일면에 대향되어 위치하는 제1 전극;
    상기 마찰전기 발생층의 다른 일면에 대향되어 위치하는 제2 전극; 및
    상기 마찰전기 발생층의 내부, 상기 마찰전기 발생층과 제1 전극의 사이 및 상기 마찰전기 발생층과 제2 전극의 사이 중 어느 한 곳 이상에 위치하는 분리막;을 포함하는 분리막이 적용된 마찰전기 발전 소자.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 분리막은 금속, 에폭시, 파라핀 왁스, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리에틸렌 나프탈레이트 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 분리막이 적용된 마찰전기 발전 소자.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 분리막은 필름 형태 또는 공극이 형성된 시트 형태를 가지는 것을 특징으로 하는, 분리막이 적용된 마찰전기 발전 소자.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 분리막의 두께는 1 내지 100,000 nm인 것을 특징으로 하는, 분리막이 적용된 마찰전기 발전 소자.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 마찰전기 발생층은 폴리아미드, 폴리비닐알코올, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리에스테르, 폴리우레탄, 폴리비닐부티랄, 폴리아크릴로니트릴, 천연고무, 폴리스티렌, 폴리염화비닐리덴, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리이미드, 폴리염화비닐, 폴리디메틸실록산 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 서로 다른 두 고분자를 포함하는 것을 특징으로 하는, 분리막이 적용된 마찰전기 발전 소자.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 및 제2 전극은 구리, 알루미늄, 금, 은, 카본 펠트, 카본 페이퍼 및 탄소나노튜브가 첨가된 복합체로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 분리막이 적용된 마찰전기 발전 소자.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 마찰전기 발전 소자는,
    상기 제1 및 제2 전극 각각의 외주면에 위치하는 한 쌍 이상의 제1 코팅층; 및
    상기 제1 코팅층 각각의 외주면에 위치하는 한 쌍 이상의 제2 코팅층;을 더 포함하며,
    상기 제1 코팅층은 에폭시, 폴리에스터, 폴리우레탄, 파라핀 왁스와 폴리올레핀의 혼합물, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리스티렌, 폴리염화비닐, 폴리에틸렌 나프탈레이트, 폴리아미드, 폴리비닐알코올, 에틸렌비닐알코올, 폴리염화비닐리덴 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되고,
    상기 제2 코팅층은 폴리이미드, 폴리에테르에테르키톤, 이들의 혼합물 및 이들 중 어느 하나 이상과 상기 제1 코팅층을 구성하는 화합물의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 분리막이 적용된 마찰전기 발전 소자.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 마찰전기 발생층의 두께는 1 ㎚ 내지 10,000 ㎛인 것을 특징으로 하는, 분리막이 적용된 마찰전기 발전 소자.
  9. a) 유전 성질이 상이한 둘 이상의 고분자를 각각 용매에 용해 및 분산시키거나, 용해 및 분산시킨 후 혼합하거나, 용융시켜 혼합하는 단계;
    b) 소재가 상이한 제1 전극 및 제2 전극 각각의 표면 일부를 마스킹 처리하는 단계;
    c) 상기 마스킹 처리된 제1 및 제2 전극 중 어느 하나의 전극에 있어서, 마스킹 처리되지 않은 노출 면에 상기 a) 단계에서 혼합되었거나 혼합되지 않은 고분자 용액을 공급한 후 건조 또는 경화시켜, 전극 상에 마찰전기 발생층을 형성하는 단계; 및
    d) 상기 마찰전기 발생층의 상부에, 상기 마찰전기 발생층이 형성되지 않은 나머지 전극을 적층시킨 후 압착하는 단계;를 포함하며,
    상기 c) 단계에서 마찰전기 발생층이 형성되기 이전의 전극 상이나, 상기 c) 단계가 수행된 후 전극과 대면되지 않은 마찰전기 발생층의 일면에 분리막을 형성시키는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 분리막이 적용된 마찰전기 발전 소자의 제조방법.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 c) 단계가 수행된 후 전극과 대면되지 않은 마찰전기 발생층의 일면에 분리막이 형성되면, 상기 d) 단계가 수행되기 이전, 상기 분리막 상에 또 다른 마찰전기 발생층이 추가로 형성되는 것을 특징으로 하는, 분리막이 적용된 마찰전기 발전 소자의 제조방법.
  11. 청구항 9에 있어서, 상기 c) 단계에서 마찰전기 발생층이 형성되기 이전의 전극 상에 분리막이 형성되면, 상기 c) 단계에서 형성되는 마찰전기 발생층은 분리막 상에 형성되는 것을 특징으로 하는, 분리막이 적용된 마찰전기 발전 소자의 제조방법.
  12. 청구항 9에 있어서, 상기 분리막은 경화된 상태로 상기 전극 또는 마찰전기 발생층에 적층되거나, 용매를 포함한 혼합액상으로 코팅된 후 건조 공정을 거쳐 상기 전극 또는 마찰전기 발생층에 적층되는 것을 특징으로 하는, 분리막이 적용된 마찰전기 발전 소자의 제조방법.
  13. 청구항 9에 있어서, 상기 마찰전기 발전 소자의 제조방법은,
    e) 상기 제1 전극 및 제2 전극의 각 외주면에 제1 코팅층을 형성하는 단계; 및
    f) 상기 제1 코팅층의 각 외주면에 제2 코팅층을 형성하는 단계;를 더 포함하며,
    상기 제1 코팅층은 에폭시, 폴리에스터, 폴리우레탄, 파라핀 왁스와 폴리올레핀의 혼합물, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리스티렌, 폴리염화비닐, 폴리에틸렌 나프탈레이트, 폴리아미드, 폴리비닐알코올, 에틸렌비닐알코올, 폴리염화비닐리덴 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되고,
    상기 제2 코팅층은 폴리이미드, 폴리에테르에테르키톤, 이들의 혼합물 및 이들 중 어느 하나 이상과 상기 제1 코팅층을 구성하는 화합물의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 분리막이 적용된 마찰전기 발전 소자의 제조방법.
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