WO2021221255A1 - 연신전극을 포함하는 마찰발전소자 - Google Patents

연신전극을 포함하는 마찰발전소자 Download PDF

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WO2021221255A1
WO2021221255A1 PCT/KR2020/016569 KR2020016569W WO2021221255A1 WO 2021221255 A1 WO2021221255 A1 WO 2021221255A1 KR 2020016569 W KR2020016569 W KR 2020016569W WO 2021221255 A1 WO2021221255 A1 WO 2021221255A1
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stretched
layer
stretching
present
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PCT/KR2020/016569
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Inventor
최영민
정성묵
이수연
이은정
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한국화학연구원
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    • H02N1/04—Friction generators
    • H—ELECTRICITY
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    • 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
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    • H01B7/00—Insulated conductors or cables characterised by their form
    • H01B7/04—Flexible cables, conductors, or cords, e.g. trailing cables

Definitions

  • the present invention relates to a friction power generator.
  • Wearable devices attached to the body are important for flexibility, adhesion, and fit, and in order to realize this, the development of flexible electrodes that are free from deformation is required.
  • a device such as a wearable device requires a power source to drive it, and an energy harvesting technology that converts mechanical energy into electrical energy is in the spotlight due to the nature of the device requiring frequent mechanical movement and lightness.
  • Energy harvesting technology capable of converting mechanical energy into electrical energy can realize self-generation as a power source for such wearable devices.
  • Triboelectricity one of the energy harvesting technologies, can be applied to the body to obtain electrical energy through frictional motion generated in the human body.
  • conventional triboelectric nanogenerator research has been on generators using friction motion of a contact method or a friction motion of a sliding method. Therefore, in the prior art, since energy can be obtained by one operation mode such as a contact or sliding method, electricity can be generated only by a specific movement, and there is a limitation in that the energy conversion rate is significantly lowered.
  • a friction generator including an elongated electrode, and the friction generator generates electrical energy through friction caused by mechanical movement.
  • a stretchable electrode that is stretchable by distributing conductive particles or conductive wires on a flexible substrate is used.
  • the resistance change during bending is not large, when stretching in the planar direction, the distance between the conductive particles increases and the electrical conductivity decreases. thus reducing reliability.
  • the resistance increases rapidly and the function of the electrode is lost, so there is a limit to stretching.
  • An object of the present invention is to provide a tribological generator having a remarkably high energy conversion rate by generating electrical energy through stretching or contraction in a plane direction in addition to a contact or sliding method.
  • Another object of the present invention is to provide a friction power generator that has higher flexibility than the prior art and can maintain high durability for a long period of time.
  • a friction power generator is a friction power generator in which a first electrode and a second electrode are stacked and includes a non-adhesive stacked surface, wherein at least one electrode selected from the first electrode and the second electrode is a flexible electrode. Including, wherein the flexible electrode, a plurality of electrode units are spaced apart; and a bridge connecting any one of the electrode units to an adjacent electrode unit, wherein, when the stretched electrode is stretched or contracted in a planar direction, electrical energy is generated by friction between the stretched electrode and the second electrode.
  • the first electrode may include the stretching electrode; and a positively charged layer or a negatively charged layer laminated on the stretching electrode, wherein the second electrode includes: a conductive layer; and a charge layer laminated on the conductive layer opposite to the positive charge layer or the negative charge layer of the first electrode, wherein the positive charge layer or the negative charge layer of the first electrode and the charge layer of the second electrode face each other It may be laminated toward.
  • the positive charge layer may include any one or two or more selected from a urethane-based resin, silver metal, and aluminum metal.
  • the negative charge layer may include any one or two or more selected from perfluoroalkoxy-based resins, tetrafluoroethylene-based resins, fluorinated ethylenepropylene-based resins, and ethylene terephthalate-based resins.
  • the positively charged layer may include a urethane-based resin
  • the negatively charged layer may include a perfluoroalkoxy-based resin
  • the stretched electrode may include a conductive polymer layer containing conductive particles.
  • the conductive polymer layer may contain 10 to 80 wt% of the conductive particles.
  • the stretched electrode may further include a stretched layer laminated on one surface of the conductive polymer layer, and the conductive polymer layer of the first electrode and the second electrode are laminated to face each other. have.
  • the average thickness of the conductive polymer layer may be 100 to 500 ⁇ m, the average thickness of the stretched layer may be 1 to 5 mm.
  • the width of the bridge may be formed to be smaller than the width of the electrode unit.
  • the electrode unit may be formed in a polygonal shape, and the bridge may be formed adjacent to or at a corner of the electrode unit.
  • the electrode unit may rotate in a direction perpendicular to a plane direction as a rotation axis during stretching.
  • the bridge may be disposed on one or more of each side of the electrode unit and may be disposed singly on each side.
  • the bridge may have a negative Poisson's ratio by reducing a change in cross-sectional area when the stretched electrode is stretched.
  • the ratio of the separation width between the electrode unit and the adjacent electrode unit to the width of the electrode unit may be 1:4 to 9.
  • the friction power generator according to the present invention can generate friction by stretching in the plane direction in addition to the contact or sliding method, as well as maximize the frictional force to significantly improve the amount of electrical energy generated, and almost seamlessly It has the effect of continuously generating electrical energy.
  • the friction power generator according to the present invention has a higher flexibility compared to the prior art, and has the effect of maintaining high durability for a long period of time.
  • 1 is an image showing measuring the power generation efficiency by the contraction (contact mode) of a friction power generator according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an image illustrating measuring power generation efficiency by stretching mode of a friction power generator according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a view showing a stacked structure of a friction power generator according to the present invention.
  • FIG. 4 is a plan view of a stretched electrode according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a partially enlarged plan view of a stretched electrode according to an embodiment of the present invention.
  • 6 and 7 are partially enlarged plan views illustrating the stretching of the stretching electrode according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 8 shows an image of a friction power generator according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a plan view of a stretched electrode according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a graph showing a planar photograph and a rate of change in resistance according to stretching of a general flexible electrode during stretching.
  • FIG. 11 is a graph illustrating a planar photograph during stretching of a stretched electrode according to an embodiment of the present invention and a rate of change in resistance according to stretching.
  • FIG. 12 is a flowchart of a method for manufacturing a stretched electrode according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a schematic cross-sectional view of a main process of a method for manufacturing a stretched electrode according to an embodiment of the present invention.
  • the unit of % used without special mention means % by weight unless otherwise specified.
  • the term “layer” or “film” means that each material forms a continuum and has a dimension with a relatively small thickness compared to width and length. Accordingly, the terms “layer” or “film” in this specification should not be interpreted as a two-dimensional flat plane.
  • a friction power generating device is a friction power generating device in which a first electrode (1) and a second electrode (2) are stacked and includes a non-adhesive stacked surface, and the first electrode (1) and the second electrode (2) ) any one or more electrodes selected from the group consisting of a flexible electrode, the flexible electrode, a plurality of electrode units arranged spaced apart (110); and a bridge 150 for connecting any one of the electrode units 110 to the neighboring electrode units 110, wherein the stretched electrode 11 is stretched or contracted in the plane direction when the stretched electrode 11 is stretched or contracted in the plane direction. It has a structure in which electrical energy is generated by friction between and the second electrode 2 .
  • the triboelectrode device has a structure in which the first electrode 1 and the second electrode 2 are stacked, wherein the stacking surface is a non-adhesive stacked surface or includes an area of the non-adhesive stacked surface.
  • the first electrode 1 or the second electrode 2 can have mechanical energy such as mechanical movement, and the mechanical energy causes the first electrode 1 and the second electrode 2 to rub against each other to generate electricity. make it happen
  • the tribological electrode device when the first electrode 1 including the stretched electrode 11 is stretched in the planar direction, electricity is generated by a change in the friction area between the stretched electrode 11 and the second electrode 2 . It has a structure in which energy is generated. Therefore, even when the stretched electrode 11 of the first electrode 1 is not only contracted but also stretched, the friction of the second electrode 2 is effectively implemented, so that the amount of electrical energy generated is significantly higher even in a state with less mechanical movement compared to the prior art.
  • the stretched electrode 11 of the first electrode 1 can be contracted or stretched as described above.
  • a device used as a wearable device in which both ends of the first electrode 1 are connected to and fixed to a support member that can be stretched and contracted.
  • the stretchable and contractible support member can also perform a function by stretching or contracting the stretchable electrode 11 of the first electrode 1 by mechanical movement.
  • this is only described as a specific example, and if the stretched electrode 11 of the first electrode 1 is contracted or stretched to generate electrical energy, the present invention is not limited thereto.
  • the stretched electrode 11 may be used as the first electrode 1 as it is, in terms of further increasing energy conversion efficiency, as shown in FIG. 3 , the first electrode 1 is the stretched electrode (11); and a positive charge layer 12 or a negative charge layer 22 stacked on the stretching electrode 11 , wherein the second electrode 2 includes a conductive layer 21 ; and a charge layer stacked on the conductive layer 21 and opposite to the positive charge layer 12 or the negative charge layer 22 of the first electrode 1 .
  • the positive charge layer 12 or the negative charge layer 22 of the first electrode 1 and the charge layer of the second electrode 2 may be stacked to face each other.
  • the first electrode 1 may include the stretching electrode 11; and a positive charge layer 12 laminated on the stretching electrode 11 , wherein the second electrode 2 includes a conductive layer 21 ; and a negative charge layer 22 of the first electrode 1 laminated on the conductive layer 21 .
  • the first electrode 1 may include the stretching electrode 11; and a negative charge layer 22 laminated on the stretching electrode 11 , wherein the second electrode 2 includes a conductive layer 21 ; and a positive charge layer 12 of the first electrode 1 stacked on the conductive layer 21 .
  • the positively charged layer 12 is not particularly limited as long as a positively charged material is applied.
  • the urethane-based resin When included, it may be preferable in terms of remarkably excellent power generation efficiency when contracted, particularly when stretched.
  • the weight average molecular weight of the resin may be any degree capable of maintaining its structure while functioning as a positive charge layer, for example, 10,000 to 1000,000 g/mol. However, this is only described as a specific example, and the present invention is not limited thereto.
  • the negatively charged layer 22 is not particularly limited as long as a negatively charged material is applied, for example, perfluoroalkoxy-based resins, tetrafluoroethylene-based resins, fluorinated ethylenepropylene-based resins, and ethylene terephthalate-based resins. It may include any one or two or more selected from the like, and among them, when a perfluoroalkoxy-based resin is included, it may be preferable in terms of remarkably excellent power generation efficiency when contracted, particularly when stretched.
  • the weight average molecular weight of the resin may be any degree capable of maintaining its structure while functioning as a negative charge layer, for example, 10,000 to 1000,000 g/mol. However, this is only described as a specific example, and the present invention is not limited thereto.
  • the power generation efficiency is further improved when contracted, particularly when stretched. may be more preferable.
  • the average thickness of the first electrode 1 and the second electrode 2 may be appropriately adjusted according to the required power generation capacity and use scale of the triboelectric generator, for example, 0.1 to 10 mm independently of each other, specifically 0.5 to 7 mm. However, this is only described as a preferred example, and the present invention is not limited thereto.
  • “average thickness” means in a flat state, not in a stretched or contracted state.
  • the average thickness of the elongated electrode 11 may be appropriately adjusted according to the required power generation capacity of the tribological generator and the scale of use, for example, 0.5 to 7 mm, specifically 1 to 5 mm. However, this is only described as a preferred example, and the present invention is not limited thereto.
  • “average thickness” means in a flat state, not in a stretched or contracted state.
  • the average thickness of the positively charged layer 12 and the negatively charged layer 22 may be appropriately adjusted according to the required power generation capacity and use scale of the triboelectric generator, for example, independently of each other 0.1 ⁇ m to 1,000 ⁇ m, preferably 1 ⁇ m to 500 ⁇ m, more preferably 5 to 300 ⁇ m. However, this is only described as a preferred example, and the present invention is not limited thereto.
  • “average thickness” means in a flat state, not in a stretched or contracted state.
  • the conductive layer 21 is a conductor through which current can flow
  • various materials may be used.
  • metal plates such as copper and aluminum, but also particles such as activated carbon, graphite, and carbon nanotubes mixed with a binder may be used, but the present invention is not limited thereto.
  • the means for forming the positive charge layer 12 or the negative charge layer 22 on the stretched electrode 11 and the means for forming the positive charge layer 12 or the negative charge layer 22 on the conductive layer 21 include a positively charged material or a negatively charged material. It may be formed on the surface of the stretched electrode 11 or the conductive layer 21 so as to be well fixed. Examples of the conventionally known coating method include a dip coating method, a coating method, a spin coating method, a spraying method, and the like, and various other known methods may be used.
  • the stretched electrode 11 may be any one capable of being stretched and contracted and capable of generating electricity through friction of the second electrode 2, for example, a conductive polymer layer 101 containing conductive particles or the conductive polymer. It may be desirable to include layer 101 .
  • the conductive particles may have various shapes such as spheres, rods, and flakes, but preferably plate-shaped conductive flakes, and various conductive particles such as silver, carbon nanotubes, activated carbon, and the like may be used.
  • the average length of the long axis of the flakes is not particularly limited, and may be, for example, 0.1 to 50 ⁇ m, specifically 0.5 to 30 ⁇ m. However, this is only described as a specific example, and the present invention is not limited thereto.
  • the polymer of the conductive polymer layer 101 may be any material capable of functioning as a polymer matrix in which conductive particles can exist in a dispersed state while having flexibility so as to be contracted or stretched, and an elastomer may be generally used.
  • various types of the polymer such as polydimethylsiloxane, polyurethane, and silicone rubber may be used.
  • the weight average molecular weight of the polymer may be sufficient as long as it has flexibility to enable shrinkage or stretching and allowing conductive particles to exist in a dispersed state, for example, 10,000 to 100,000 g/mol.
  • this is only described as a specific example, and the present invention is not limited thereto.
  • the content of the conductive particles contained in the conductive polymer layer 101 may be within a range such that it is easy to shrink or stretch and has conductivity higher than required.
  • the conductive polymer layer 101 may contain the conductive particles. It may be contained in an amount of 10 to 80% by weight, preferably 20 to 70% by weight. However, this is only described as a preferred example, and the present invention is not limited thereto.
  • the stretched electrode 11 may further include a stretched layer 102 laminated on one surface of the conductive polymer layer 101 .
  • the tribological generator may have a structure in which the stretching layer 102 is formed outward so that the conductive polymer layer 101 of the first electrode 1 and the second electrode 2 are stacked to face each other.
  • the stretched electrode 11 includes the conductive polymer layer 101 and the stretched layer 102, compared with the stretched electrode having a single-layer structure having a thickness of several mm, the conductivity required for frictional power generation with the second electrode is maximized. It may be preferable because it is possible to further improve the stretching performance while at the same time. Through this, electrical performance, structural rigidity, and elongation performance of the electrode can be further improved.
  • the average thickness of the conductive polymer layer 101 may be set to have sufficient conductivity and flexibility, and may be, for example, 100 to 500 ⁇ m.
  • the average thickness of the stretched layer 102 may be set to such an extent that it has sufficient flexibility as well, and may be, for example, 1 to 5 mm. However, this is only described as a preferred example, and the present invention is not limited thereto.
  • the stretched electrode 11 may be or be included in the first electrode 1, but may be or be included in the second electrode 2, of course.
  • a first electrode including or a first stretched electrode and a second electrode; a first electrode and a second electrode including or having a second stretched electrode; or a first electrode including or being a first stretched electrode, and a second electrode having or being a second stretched electrode.
  • the friction power generator according to the present invention may have a maximum voltage of 5 to 500 V, preferably 100 to 500 V, more preferably 200 to 500 V, even more preferably 300 to 500 V when friction occurs. have.
  • the friction power generator according to the present invention has a maximum current that can have when friction is generated from 2 to 100 ⁇ A, preferably from 10 to 100 ⁇ A, more preferably from 20 to 100 ⁇ A, even more preferably from 30 to 100 ⁇ A, very Preferably, it may be 40 to 100 ⁇ A.
  • the friction generating element according to the present invention includes a stretched electrode, specifically a stretched electrode having a structure to be described later, so that friction is generated even by stretching in the plane direction, and in particular, frictional force caused by stretching in the plane direction is reduced. It can be maximized so that frictional power generation can be continuously performed almost seamlessly even in various directions of mechanical movement.
  • the structure of the stretched electrode 11 according to the present invention will be described in detail, and since the stretched electrode 11 has a specific structure to be described later, the characteristics and effects according to the present invention, such as durability, weather resistance, power generation efficiency, etc. more improved
  • FIG. 4 is a plan view of a stretchable electrode 100 (hereinafter, 'stretched electrode') capable of being stretched in a plane direction according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 5 is a stretched electrode 100 according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a plan view of a stretchable electrode 100 (hereinafter, 'stretched electrode') capable of being stretched in a plane direction according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 5 is a stretched electrode 100 according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a stretched electrode 100 according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a partially enlarged plan view of the figure.
  • the stretched electrode 100 may be formed in a form in which a plurality of electrode units 110 are spaced apart from each other by a predetermined distance, and each electrode unit 110 spaced apart is connected through a bridge 150 . Accordingly, when the stretched electrode 100 is stretched, the space between the electrode units 110 is widened to minimize deformation of the electrode unit 110 , thereby minimizing an increase in resistance of the electrode unit 110 .
  • the electrode units 110 are formed in a substantially rectangular shape, and a plurality of electrode units 110 may be disposed to be spaced apart from each other by a predetermined distance.
  • the bridge 150 may be configured to extend from one side of the electrode unit 110 to be connected to any one side of the neighboring electrode unit 110 .
  • the width of the bridge 150 may be formed to be smaller than the width of the electrode unit 110, which is to prevent an increase in resistance by reducing deformation of the electrode unit 110 that may occur when the stretching electrode 100 is stretched. .
  • the bridge 150 may have the following configuration to rotate based on a rotation axis orthogonal to the stretching direction of the electrode unit 110 when the stretching electrode 100 is stretched. This is because, when the electrode unit 110 does not rotate during stretching, resistance may increase as the electrode unit 110 is stretched. To this end, the bridge 150 may be connected singly between any one side of the electrode unit 110 and any one side of the neighboring electrode unit. Also, the bridge 150 may be disposed adjacent to a corner portion of the electrode unit 110 . In addition, when the bridge 150 is disposed at one end of one side of the electrode unit 110 , the other bridge 150 may be disposed at the other end of the side opposite to the one side. That is, the bridge 150 may be disposed on a diagonal line with respect to opposite sides of the electrode unit 110 facing each other. Therefore, the electrode unit 110 connected through the arrangement of the bridge 150 as described above may be configured to rotate when stretching in a planar direction to minimize deformation.
  • the stretched electrode 100 of the present invention can be stretched in both directions through the structure of the bridge 150 while the bridge 150 has a negative Poisson's ratio.
  • general stretchable electrodes have a characteristic that the cross-sectional area decreases and the thickness becomes thin when stretching
  • the stretched electrode 100 according to the present invention is stretched through rotation of the electrode unit 110, so the cross-sectional area of the bridge 150 during stretching. little change Therefore, the stretched electrode 100 according to the present invention has the advantage of absorbing energy well and having strong characteristics against external impact.
  • the bridge 150 is formed separately from the electrode unit 110 and coupled thereto, it may be formed integrally. That is, the stretching electrode 100 is provided with a protrusion to form stretching spaces 121 and 122 as shown in the mold for forming a square plate so that the electrode unit 110 and the bridge 150 are integrally formed. (100) may be molded by a molding method.
  • a thin film or plate-shaped electrode having a predetermined thickness is first formed, and then the stretching spaces 121 and 122 are cut to form a stretching electrode in which the plurality of electrode units 110 and the bridge 150 are integrally connected ( 100) can be molded.
  • a ratio between the distance W2 between the plurality of electrode units 110 and the electrode units and the width W1 of the electrode unit 110 may be configured within the range of 1:4 to 9. As a non-limiting example, if it exceeds 1:9, the stretching distance may be shortened, and if it is less than 1:4, the area of the electrode unit 110 may be reduced and electrical characteristics may be deteriorated.
  • FIG. 6 is a partially enlarged plan view before stretching of the stretched electrode 100 according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 7 is a partially enlarged plan view after stretching of the stretched electrode 100 according to an embodiment of the present invention. is shown.
  • the first unit 111 disposed on the upper left side of the drawing, and the fourth unit 114 disposed on the lower right side of the drawing rotate clockwise during stretching, and the second unit 112 disposed on the upper right side of the drawing and , the third unit 113 disposed on the lower left side rotates counterclockwise during stretching. That is, the electrode unit and the adjacent electrode unit are rotated in opposite directions to allow stretching without deformation of the electrode unit as the space between the electrode unit and the electrode unit is widened.
  • FIG. 8 is a plan view of the stretched electrode 200 according to another embodiment of the present invention.
  • the stretched electrode 200 shown in FIG. 8 is characterized in that the number of electrode units is increased and the area of the electrode unit is reduced compared to the stretched electrode 100 according to the above-described embodiment of the present invention. That is, one electrode unit was divided into four electrode units again.
  • the stretching distance during stretching is increased, as well as deformation of the electrode unit can be further minimized, so that the increase in resistance can be reduced even when the stretching distance is increased.
  • FIG. 10 is a graph showing the resistance change rate according to the stretching strength of a conventional conventional flexible electrode having no configuration of a stretched electrode according to the present invention
  • FIG. 11 is a graph showing stretching according to one embodiment and another embodiment of the present invention. A graph showing the resistance change rate according to the stretching strength of the electrodes 100 and 200 is shown.
  • a general flexible electrode is deformed in a planar direction during stretching, and resistance increases as the distance between conductive particles increases.
  • the function of the electrode is lost as the resistance change rate increases exponentially. (The resistance change rate increases from 0.2 to 1100% at the elongation strength)
  • the resistance change rate is 54% even when the stretching strength is increased to 0.4 because only the stretching space increases and almost no deformation of the electrode unit occurs during stretching. It can be seen that within the range, in particular, in the case of the stretched electrode 200 according to another embodiment of the present invention, even when the stretching strength is increased to 0.5, it can be seen that the resistance change rate is within 26%.
  • FIG. 12 is a flowchart of a method for manufacturing a stretched electrode according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 13 is a schematic cross-sectional view of a main process related to a method for manufacturing a stretched electrode according to an embodiment of the present invention.
  • the method for manufacturing a stretched electrode according to the present invention may include a conductive polymer layer forming step (S10, S20) of filling a mold with a metal paste (S10) containing conductive particles, a polymer, and an organic solvent and drying (S20).
  • the method may further include a stretching layer forming step (S30, S40) of stacking the stretched layer on the conductive polymer layer by filling (S30) and drying (S40) a polymer in the mold on which the conductive polymer layer is formed.
  • the mold is a mold in which an electrode having a structure as shown in FIGS. 1 to 9 can be molded.
  • the composition ratio of the metal paste is not particularly limited as it may be appropriately adjusted according to the degree of flexibility and conductivity.
  • 100 to 500 parts by weight of conductive particles may be used based on 100 parts by weight of the polymer, and 10 to 500 parts by weight of the organic solvent. 80 parts by weight may be used.
  • the organic solvent used at this time is not particularly limited as long as the conductive particles can be well dispersed and the polymer can be well dissolved, and an example of the organic solvent is methylisobutylketone (MIBK).
  • MIBK methylisobutylketone
  • the prepared metal paste 101a is filled in the mold M for forming the stretched electrode, and the solvent on the metal paste 101a is evaporated and dried for curing.
  • the conductive polymer layer 101 having a reduced height (thickness) is formed as shown in the second figure from the top.
  • a polymer 102a for stretching is filled in the mold M on which the conductive polymer layer 101 is formed.
  • the polymer 102a protruding upward of the mold M is bladed using the blade B, and then dried at 80° C. for 1 hour for curing to form a stretched layer.
  • the stretched layer 102 is formed on the upper side of the conductive polymer layer 101 .
  • the prepared sample may be removed from the mold to manufacture the stretched electrode 100 structured as two layers of the conductive polymer layer 101 and the stretched layer 102 .
  • the friction power generator according to the present invention can be used in various fields as long as power is required in addition to the wearable device, and as long as the friction power generator such as a battery and a control module can be applied or applied, various related means may be further included.
  • the stretched electrode having the structure according to FIGS. 4 to 7 was manufactured.
  • plate-shaped silver powder (Ag flake), methyl isobutyl ketone (MIBK) and polydimethylsiloxane (PDMS) (DC-184, Dow corning) (DC-184, Dow corning) having a major axis length of 1.5 ⁇ m were each 10:
  • a metal paste was prepared by mixing in a weight ratio of 7:2.
  • the prepared metal paste was filled in a mold capable of forming a stretched electrode having a fractal structure according to FIGS. 4 to 7 .
  • the mold was dried at 80° C. for 1 hour and cured by evaporating the solvent of the metal paste filled inside the mold.
  • PDMS is applied to the mold where the metal paste is hardened, and the pattern is filled through the doctor blading method, and then dried at 80°C for 1 hour for curing.
  • polydimethylsiloxane (PDMS) was additionally applied on the cured metal paste in the mold, that is, on the conductive polymer layer, and filled in the pattern through the doctor blading method. Then, it was dried and cured at 80°C for 1 hour. Then, it was separated from the mold, and after final curing at 100° C. for 2 hours, a stretched electrode having a two-layer structure in which a 3 mm thick stretched layer was formed on a 300 ⁇ m thick conductive polymer layer was manufactured. An image of the prepared stretched electrode is shown in FIG. 8 .
  • a first electrode is manufactured by laminating a positive charge layer on the stretched electrode in the following way, a second electrode is manufactured by laminating a negative charge layer on an aluminum metal plate, the second electrode is laminated on the second electrode, and the second electrode is laminated on the second electrode.
  • a friction power generator was manufactured by fixing both ends of the first electrode and the second electrode. At this time, as shown in FIGS. 1 and 2 to measure the power generation efficiency, the fixing parts of both ends of the first electrode can be moved so that both ends of the first electrode can be stretched and contracted in the plane direction of the stretched electrode. made it possible
  • a 50 ⁇ m thick polyurethane (Polyurethane, PU) layer was laminated on the stretched electrode to prepare a first electrode.
  • the main agent (B) and the curing agent (A) (Flexfoam-iT X, SMOOTH-ON) were mixed within 1 minute in a weight ratio of 1:2 to prepare a flex polyurethane foam composition.
  • the flex polyurethane foam composition was applied to the conductive polymer layer of the stretching electrode and spin-coated at 2,000 rpm for 60 seconds to laminate a positive charge layer on the stretching electrode. Subsequently, after curing at room temperature (25° C.) for 12 hours, additional curing was performed at 100° C. for 2 hours to prepare a first electrode in which a positive charge layer was laminated on the stretched electrode.
  • a second electrode was prepared by laminating a 50 ⁇ m thick polyperfluoroalkoxy (PFA) film layer as a negative charge layer on an aluminum metal plate.
  • PFA polyperfluoroalkoxy
  • Example 1 was performed in the same manner as in Example 1, except that the first electrode was manufactured by laminating a silver metal layer, which is a silver metal plate, on the stretched electrode instead of a polyurethane layer as a positive charge layer in Example 1.
  • Example 1 was performed in the same manner as in Example 1, except that the first electrode was manufactured by laminating an aluminum metal layer, which is an aluminum metal plate, on the stretching electrode instead of a polyurethane layer as a positive charge layer in Example 1.
  • Example 1 was performed in the same manner as in Example 1, except that a second electrode was manufactured by laminating a polytetrafluoroethylene (PTFE) film layer on an aluminum metal plate instead of a polyperfluoroalkyl layer as a negatively charged layer.
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • Example 1 in the same manner as in Example 1, except that the second electrode was manufactured by laminating a polyfluorinated ethylene propylene (FEP) film layer on an aluminum metal plate instead of a polyperfluoroalkyl layer as a negatively charged layer. carried out.
  • FEP polyfluorinated ethylene propylene
  • Example 1 was performed in the same manner as in Example 1, except that a second electrode was manufactured by laminating a polyimide (Pi) film layer on an aluminum metal plate instead of a polyperfluoroalkyl layer as a negatively charged layer.
  • a second electrode was manufactured by laminating a polyimide (Pi) film layer on an aluminum metal plate instead of a polyperfluoroalkyl layer as a negatively charged layer.
  • Example 1 was carried out in the same manner as in Example 1, except that a second electrode was manufactured by laminating a polyethyleneterephthalate (PET) film layer on an aluminum metal plate instead of a polyperfluoroalkyl layer as a negatively charged layer in Example 1.
  • PET polyethyleneterephthalate
  • Example One 2 3 4 5 6 7 positive charge layer PU Silver aluminum PU PU PU PU negative charge layer PFA PFA PFA PTFE FEP PI PET Voltage(V) 320 245 265 177 132 125 8 Current ( ⁇ A) 45 35 30 26 16 19 2.5
  • the friction power generator according to the present invention generates power even during stretching, and when used in a wearable device, power generation is possible even during stretching, thereby significantly improving power generation efficiency.
  • the power generation efficiency is very excellent by being developed even in a mechanical movement in a different direction from the case of contraction, and there is an effect of minimizing the moment when power generation is interrupted due to the power generation during stretching.

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Abstract

본 발명에 따른 마찰발전소자는 연신전극을 포함함으로써 접촉(Contact) 또는 슬라이딩(Sliding) 방식 외에도 평면 방향으로의 연신에 의한 전기 에너지의 생성이 가능하여 에너지 전환율이 현저히 높은 효과가 있으며, 종래 대비 더욱 높은 유연성을 가지고 높은 내구성을 장기간 유지할 수 있는 효과가 있다.

Description

연신전극을 포함하는 마찰발전소자
본 발명은 마찰발전소자에 관한 것이다.
최근에 신체에 부착하여 컴퓨팅 행위를 할 수 있는 웨어러블 디바이스들의 연구가 활발히 진행 중이다. 신체에 부착되는 웨어러블 디바이스들은 유연성과 부착성, 착용감이 중요하고, 이를 구현하기 위해서는 변형이 자유로운 유연한 전극의 개발이 요구된다.
웨어러블 디바이스 등의 장치는 이를 구동하기 위한 전력원이 필요하며, 장치에 기계적 이동이 잦고 경량성이 요구되는 특성상 역학적 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 에너지 하베스팅 기술이 각광받고 있다.
역학적 에너지를 전기 에너지로 변환 가능한 에너지 하베스팅 기술은 이러한 웨어러블 디바이스의 전력원으로서 자가발전을 실현할 수 있다. 에너지 하베스팅 기술 중 하나인 마찰전기는 신체에 적용하여 인체에서 발생하는 마찰 움직임을 통해 전기 에너지의 수득이 가능하다. 그러나 종래의 마찰전기 나노발전기 연구는 접촉(Contact) 방식의 마찰 운동을 이용하거나 슬라이딩(Sliding) 방식의 마찰운동을 이용한 발전기들이었다. 따라서 종래의 기술에서는 접촉 또는 슬라이딩 방식 등의 하나의 작동 모드에 의해 에너지의 수득이 가능하므로, 특정 움직임에 의해서만 발전 가능하고, 에너지 전환율이 현저히 떨어지는 한계가 있었다.
에너지 하베스팅 기술로서 연신전극을 포함하는 마찰발전소자가 있으며, 마찰발전소자는 기계적 움직임에 의한 마찰을 통해 전기 에너지를 생성한다. 기계적 움직임에 의한 마찰을 통해 전기 에너지를 생성하기 위해서, 종래에는 유연한 재질의 기판에 전도성 입자 또는 전도성 와이어를 분포시켜 신축 가능한 연신전극을 사용하였다. 하지만 종래의 연신전극은, 굽힘 시 저항 변화는 크지 않더라도, 평면 방향으로 연신 시에는 전도성 입자 입자간의 거리가 늘어나 전기 전도성이 감소하는 문제가 발생하며, 전도성 와이어의 경우 단선되기 때문에 이에 따른 저항이 증가하여 신뢰성이 떨어진다. 또한 일정 거리 이상 연신될 경우 저항이 급격히 증가하여 전극의 기능을 상실하기 때문에 신축에 한계가 있었다.
따라서 내구성 및 내후성이 우수하고, 전극이 다양한 방향으로 신축 또는 연신되어도 저항의 증가 및 전기 전도성 감소를 최소화할 수 있어야 하며, 접촉, 슬라이딩, 연신, 수축 등의 다양한 방향으로 구현되는 역학적 에너지를 전기 에너지로 변환하는 효율이 현저히 높은 마찰발전소자의 연구가 필요하다.
본 발명의 목적은 접촉(Contact) 또는 슬라이딩(Sliding) 방식 외에도 평면 방향으로의 연신 또는 수축을 통해 전기 에너지를 생성함으로써 에너지 전환율이 현저히 높은 마찰발전소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 종래 대비 더욱 높은 유연성을 가지며, 높은 내구성을 장기간 유지할 수 있는 마찰발전소자를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 마찰발전소자는, 제1전극 및 제2전극이 적층되되 비접착 적층면을 포함하는 마찰발전소자로서, 상기 제1전극 및 상기 제2전극 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 전극은 유연전극을 포함하며, 상기 유연전극은, 복수 개가 이격 배치되는 전극유닛; 및 상기 전극유닛 중 어느 하나와 이웃하는 전극유닛을 연결하는 브리지;를 포함하며, 상기 연신전극이 평면 방향으로 연신 또는 수축될 시 연신전극과 제2전극간 마찰에 의해 전기 에너지가 생성되는 구조를 가진다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 제1전극은 상기 연신전극; 및 상기 연신전극에 적층되는 양전하층 또는 음전하층;을 포함할 수 있으며, 상기 제2전극은 도전층; 및 상기 도전층에 적층되되 상기 제1전극의 양전하층 또는 음전하층과 반대되는 전하층;을 포함할 수 있으며, 상기 제1전극의 양전하층 또는 음전하층과 상기 제2전극의 전하층이 서로 대향하여 적층되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 양전하층은 우레탄계 수지, 은 금속 및 알루미늄 금속 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 음전하층은 퍼플루오르알콕시계 수지, 테트라플루오르에틸렌계 수지, 플루오르화에틸렌프로필렌계 수지 및 에틸렌테레프탈레이트계 수지 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 양전하층은 우레탄계수지를 포함할 수 있고, 상기 음전하층은 퍼플루오르알콕시계 수지를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 연신전극은 전도성 입자를 함유하는 전도성고분자층을 포함할 수 있다.
*본 발명의 일 예에 있어서, 상기 전도성고분자층은 상기 전도성 입자를 10 내지 80 중량%로 함유할 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 연신전극은 상기 전도성고분자층의 일면에 적층되는 연신층을 더 포함할 수 있으며, 상기 제1전극의 전도성고분자층과 상기 제2전극이 대향하여 적층되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 전도성고분자층의 평균두께는 100 내지 500 ㎛일 수 있고, 상기 연신층의 평균두께는 1 내지 5 mm일 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 브리지의 폭은 상기 전극유닛의 폭보다 적게 형성되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 전극유닛은 다각형으로 이루어질 수 있으며, 상기 브리지는 상기 전극유닛의 모서리 또는 모서리에 인접하여 형성되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 전극유닛은 연신 시 각각이 평면 방향에 직교하는 방향을 회전축으로 회전하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 브리지는 상기 전극유닛의 각 변 중 하나 이상에 배치되되 각 변에는 단일로 배치되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 브리지는 연신전극의 연신 시 단면적의 변화를 감소시켜 음의 푸아송비를 갖는 것일 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 전극유닛과 이웃하는 전극유닛의 이격 폭과, 상기 전극유닛의 폭의 비는 1:4~9인 것일 수 있다.
본 발명에 따른 마찰발전소자는 접촉(Contact) 또는 슬라이딩(Sliding) 방식 외에도 평면 방향으로의 연신에 의한 마찰을 발생시킬 수 있는 것은 물론, 마찰력을 극대화하여 전기 에너지 생성량을 현저히 향상시킬 있으며, 거의 끊김없이 전기 에너지를 지속적으로 생성할 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명에 따른 마찰발전소자는 종래 대비 더욱 높은 유연성을 가지며, 높은 내구성을 장기간 유지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰발전소자의 수축(Contact mode)에 의한 발전 효율을 측정하는 것을 나타낸 이미지이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰발전소자의 연신(Stretching mode)에 의한 발전 효율을 측정하는 것을 나타낸 이미지이다.
도 3은 본 발명에 따른 마찰발전소자의 적층 구조를 나타낸 도면이다.
도 4은 본 발명의 일 실시예에 따른 연신전극의 평면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연신전극의 부분 확대 평면도이다.
도 6 및 도 7는 본 발명의 일 실시예에 따른 연신전극의 연신을 나타낸 부분 확대 평면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰발전소자의 이미지를 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연신전극의 평면도이다.
도 10은 일반적인 유연전극의 연신 시 평면 사진과 연신에 따른 저항 변화율을 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 연신전극의 연신 시 평면 사진과 연신에 따른 저항 변화율을 나타낸 그래프이다.
도 12은 본 발명의 일 실시예에 따른 연신전극의 제조 방법의 순서도이다.
도 13는 본 발명의 일 실시예에 따른 연신전극의 제조 방법의 주요 공정의 개략 단면도이다.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 연신전극을 포함하는 마찰발전소자를 상세히 설명한다.
본 명세서에 기재되어 있는 도면은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서 본 발명은 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 상기 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
본 명세서에서 사용되는 용어의 단수 형태는 특별한 지시가 없는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 해석될 수 있다.
본 명세서에서 언급되는 s1, s2, s3, ...; a1, a2, a3, ...; b1, b2, b3, ...; a, b, c, ...; 등의 각 단계를 지칭하는 용어 자체는 어떠한 단계, 수단 등을 지칭하기 위해 사용되는 것일 뿐, 그 용어들이 지칭하는 각 대상들의 순서 관계를 의미하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
본 명세서에서 특별한 언급 없이 사용된 %의 단위는 별다른 정의가 없는 한 중량%를 의미한다.
본 명세서에서 언급되는 “층” 또는 “막”의 용어는 각 재료가 연속체(continuum)를 이루며 폭과 길이 대비 두께가 상대적으로 작은 디멘젼(dimension)을 가짐을 의미하는 것이다. 이에 따라, 본 명세서에서 “층” 또는 “막”의 용어에 의해, 2차원의 편평한 평면으로 해석되어서는 안 된다.
본 발명에 따른 마찰발전소자는, 제1전극(1) 및 제2전극(2)가 적층되되 비접착 적층면을 포함하는 마찰발전소자로서, 상기 제1전극(1) 및 상기 제2전극(2) 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 전극은 유연전극을 포함하며, 상기 유연전극은, 복수 개가 이격 배치되는 전극유닛(110); 및 상기 전극유닛(110) 중 어느 하나와 이웃하는 전극유닛(110)을 연결하는 브리지(150);를 포함하며, 상기 연신전극(11)이 평면 방향으로 연신 또는 수축될 시 연신전극(11)과 제2전극(2)간 마찰에 의해 전기 에너지가 생성되는 구조를 가진다.
본 발명에 따른 마찰전극소자는 제1전극(1) 및 제2전극(2)가 적층된 구조를 가지며, 이때 적층면은 비접착 적층면이거나 비접착 적층면의 영역을 포함한다. 이를 통해 제1전극(1) 또는 제2전극(2)는 기계적 움직임 등의 역학적 에너지를 가질 수 있으며, 역학적 에너지는 제1전극(1)과 제2전극(2)가 서로 마찰하도록 하여 전기가 발생하도록 한다.
특히 본 발명에 따른 마찰전극소자는 연신전극(11)을 포함하는 제1전극(1)이 평면 방향으로 스트레칭될 시 연신전극(11)과 제2전극(2)간 마찰 면적의 변화에 의해 전기 에너지가 생성되는 구조를 가진다. 따라서 제1전극(1)의 연신전극(11)이 수축뿐만 아니라 연신될 경우에도 제2전극(2)의 마찰을 효과적으로 구현함으로써 종래 대비 기계적 움직임 적은 상태에서도 전기에너지 생성량이 현저히 많은 효과가 있다.
제1전극(1)과 제2전극(2)의 적층된 구조는 상술한 바와 같이 제1전극(1)의 연신전극(11)이 수축 또는 연신될 수 있도록 적층되는 구조라면 다양한 수단이 사용될 수 있으며, 웨어러블 장치로 사용되는 일 예를 들면, 제1전극(1)의 양 끝단이 연신 및 수축이 가능한 지지부재에 연결 및 고정된 장치를 들 수 있다. 따라서 연신 및 수축 가능한 지지부재가 기계적 움직임에 의해 제1전극(1)의 연신전극(11)도 연신 또는 수축됨으로써 기능을 수행할 수 있다. 하지만 이는 구체적인 일 예로서 설명된 것일 뿐, 제1전극(1)의 연신전극(11)이 수축 또는 연신하여 전기 에너지를 생성할 수 있는 것이라면, 본 발명이 이에 제한되어 해석되는 것은 아니다.
상기 제1전극(1)으로 상기 연신전극(11)이 그대로 사용될 수도 있으나, 에너지 변환 효율을 더 높일 수 있는 측면에서, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 제1전극(1)은 상기 연신전극(11); 및 상기 연신전극(11)에 적층되는 양전하층(12) 또는 음전하층(22);을 포함할 수 있으며, 상기 제2전극(2)는 도전층(21); 및 상기 도전층(21)에 적층되되 상기 제1전극(1)의 양전하층(12) 또는 음전하층(22)과 반대되는 전하층;을 포함할 수 있다. 이때 상기 제1전극(1)의 양전하층(12) 또는 음전하층(22)과 상기 제2전극(2)의 전하층이 서로 대향하도록 적층될 수 있다. 구체적인 일 예로, 상기 제1전극(1)은 상기 연신전극(11); 및 상기 연신전극(11)에 적층되는 양전하층(12);을 포함할 수 있고, 상기 제2전극(2)는 도전층(21); 및 상기 도전층(21)에 적층되되 상기 제1전극(1)의 음전하층(22);을 포함할 수 있다. 구체적인 일 예로, 상기 제1전극(1)은 상기 연신전극(11); 및 상기 연신전극(11)에 적층되는 음전하층(22);을 포함할 수 있고, 상기 제2전극(2)는 도전층(21); 및 상기 도전층(21)에 적층되되 상기 제1전극(1)의 양전하층(12);을 포함할 수 있다.
바람직한 일 예에 있어서, 상기 양전하층(12)은 양전하 물질이 도포된 것이라면 크게 제한되는 것은 아니나, 예컨대 우레탄계 수지, 은 금속 및 알루미늄 금속 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있으며, 이 중 우레탄계 수지를 포함할 경우, 수축, 특히 연신될 때 발전 효율이 현저히 우수한 측면에서 바람직할 수 있다. 상기 수지의 중량평균분자량은 양전하층으로 기능하면서 그 구조를 유지할 수 있는 정도라면 무방하며, 예컨대 10,000 내지 1000,000 g/mol을 들 수 있다. 하지만 이는 구체적인 일 예로서 설명된 것일 뿐, 본 발명이 이에 제한되어 해석되는 것은 아니다.
바람직한 일 예에 있어서, 상기 음전하층(22)은 음전하 물질이 도포된 것이라면 크게 제한되는 것은 아니나, 예컨대 퍼플루오르알콕시계 수지, 테트라플루오르에틸렌계 수지, 플루오르화에틸렌프로필렌계 수지 및 에틸렌테레프탈레이트계 수지 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있으며, 이 중 퍼플루오르알콕시계 수지를 포함할 경우, 수축, 특히 연신될 때 발전 효율이 현저히 우수한 측면에서 바람직할 수 있다. 상기 수지의 중량평균분자량은 음전하층으로 기능하면서 그 구조를 유지할 수 있는 정도라면 무방하며, 예컨대 10,000 내지 1000,000 g/mol을 들 수 있다. 하지만 이는 구체적인 일 예로서 설명된 것일 뿐, 본 발명이 이에 제한되어 해석되는 것은 아니다.
보다 바람직한 일 예에 있어서, 상기 양전하층(12)이 우레탄계수지를 포함하고, 상기 음전하층(22)이 퍼플루오르알콕시계 수지를 포함할 경우, 수축, 특히 연신될 때 발전 효율이 더욱 향상된다는 측면에서 더 바람직할 수 있다.
상기 제1전극(1)과 상기 제2전극(2)의 평균두께는 마찰발전소자의 필요 발전 능력, 사용 규모에 따라 적절히 조절될 수 있으며, 예를 들어 서로 독립적으로 0.1 내지 10 mm, 구체적으로 0.5 내지 7 mm를 들 수 있다. 하지만 이는 바람직한 일 예로서 설명된 것일 뿐, 본 발명이 이에 제한되어 해석되는 것은 아니다. 여기서 “평균두께” 연신 또는 수축 상태가 아닌 평 상태에서의 것을 의미한다.
상기 연신전극(11)의 평균두께는 마찰발전소자의 필요 발전 능력, 사용 규모에 따라 적절히 조절될 수 있으며, 예를 들어 0.5 내지 7 mm, 구체적으로 1 내지 5 mm를 들 수 있다. 하지만 이는 바람직한 일 예로서 설명된 것일 뿐, 본 발명이 이에 제한되어 해석되는 것은 아니다. 여기서 “평균두께” 연신 또는 수축 상태가 아닌 평 상태에서의 것을 의미한다.
상기 양전하층(12)과 상기 음전하층(22)의 평균두께는 마찰발전소자의 필요 발전 능력, 사용 규모에 따라 적절히 조절될 수 있으며, 예를 들어 서로 독립적으로 0.1 ㎛ 내지 1,000 ㎛, 바람직하게는 1 ㎛ 내지 500 ㎛, 보다 바람직하게는 5 내지 300 ㎛를 들 수 있다. 하지만 이는 바람직한 일 예로서 설명된 것일 뿐, 본 발명이 이에 제한되어 해석되는 것은 아니다. 여기서 “평균두께” 연신 또는 수축 상태가 아닌 평 상태에서의 것을 의미한다.
상기 도전층(21)은 전류가 흐를 수 있는 도체라면 다양한 것들이 사용되어도 무방하다. 구체적인 일 예로, 구리, 알루미늄 등의 금속판 등뿐만 아니라 활성탄소, 흑연, 탄소나노튜브 등의 입자가 바인더와 혼합된 것도 사용될 수 있으나, 이에 본 발명이 제한되지 않음은 물론이다.
연신전극(11)에 양전하층(12) 또는 음전하층(22)을 형성하는 수단 및 도전층(21)에 양전하층(12) 또는 음전하층(22)을 형성하는 수단은 양전하 물질 또는 음전하 물질이 연신전극(11) 또는 도전층(21)의 표면에 형성되어 잘 고정되어 있도록 하는 것이라면 무방하다. 종래 공지된 코팅법의 예로, 딥코팅법, 도포법, 스핀코팅법, 분사법 등의 방법을 들 수 있으며, 이 외의 공지된 다양한 방법이 사용되어도 무방하다.
상기 연신전극(11)은 연신 및 수축 가능하면서 제2전극(2)의 마찰을 통해 전기를 생성할 수 있는 것이라면 무방하며, 예를 들어 전도성 입자를 함유하는 전도성고분자층(101)이거나 상기 전도성고분자층(101)을 포함하는 것이 바람직할 수 있다.
상기 전도성 입자는 구, 막대, 박편 등의 다양한 형태를 가질 수 있으나, 판상의 전도성 플레이크인 것이 좋으며, 은, 탄소나노튜브, 활성탄소, 등의 다양한 전도성 입자들이 사용될 수 있다. 판상의 전도성 플레이크가 사용될 경우, 박편의 장축의 평균길이는 크게 제한되는 것은 아니며, 일 예로 0.1 내지 50 ㎛, 구체적으로 0.5 내지 30 ㎛를 들 수 있다. 하지만 이는 구체적인 일 예로서 설명된 것일 뿐, 본 발명이 이에 제한되어 해석되는 것은 아니다.
상기 전도성고분자층(101)의 고분자는 수축 또는 연신 가능하도록 유연성을 가지면서 전도성 입자가 분산된 상태로 존재할 수 있는 고분자 매트릭스로서 기능할 수 있는 것이라면 무방하며 통상 탄성중합체가 사용될 수 있다. 구체적인 일 예로, 상기 고분자는 폴리디메틸실록산, 폴리우레탄, 실리콘러버 등의 다양한 것들이 사용될 수 있다. 이때 고분자의 중량평균분자량은 수축 또는 연신 가능하도록 유연성을 가지면서 전도성 입자가 분산된 상태로 존재할 수 있도록 할 정도라면 무방하며, 예컨대 10,000 내지 1000,000 g/mol을 들 수 있다. 하지만 이는 구체적인 일 예로서 설명된 것일 뿐, 본 발명이 이에 제한되어 해석되는 것은 아니다.
상기 전도성고분자층(101)에 함유되는 전도성 입자의 함량은 수축 또는 연신이 용이하면서 요구 이상의 도전성을 갖도록 할 정도의 범위를 가지면 무방하며, 예를 들어 상기 전도성고분자층(101)은 상기 전도성 입자를 10 내지 80 중량%, 바람직하게는 20 내지 70 중량%로 함유할 수 있다. 하지만 이는 바람직한 일 예로서 설명된 것일 뿐, 본 발명이 이에 제한되어 해석되는 것은 아니다.
바람직한 일 예에 있어서, 상기 연신전극(11)은 상기 전도성고분자층(101)의 일면에 적층되는 연신층(102)을 더 포함하는 것이 바람직할 수 있다. 이때 상기 제1전극(1)의 전도성고분자층(101)과 상기 제2전극(2)가 대향하여 적층되도록 마찰발전소자는 연신층(102)이 바깥쪽으로 형성된 구조를 가질 수 있다. 상기 연신전극(11)이 전도성고분자층(101) 및 연신층(102)을 포함할 경우, 수 mm 두께의 단층 구조의 연신전극인 경우와 비교하여 제2전극과의 마찰 발전에 필요한 전도성을 최대화할 수 있으면서 동시에 연신 성능을 더욱 향상시킬 수 있어 바람직할 수 있다. 이를 통해 전극의 전기적 성능과 구조적 강성, 그리고 연신 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.
상기 전도성고분자층(101)의 평균두께는 충분한 전도성과 유연성을 갖도록 하는 정도로 설정되면 무방하며, 예를 들어 100 내지 500 ㎛를 들 수 있다. 또한 상기 연신층(102)의 평균두께도 마찬가지로 충분한 유연성을 갖도록 하는 정도로 설정되면 무방하며, 예를 들어 1 내지 5 mm일 수 있다. 하지만 이는 바람직한 일 예로서 설명된 것일 뿐, 본 발명이 이에 제한되어 해석되는 것은 아니다.
상기 연신전극(11)은 제1전극(1)이거나 이에 포함될 수 있지만, 상기 제2전극(2)이거나 이에 포함될 수 있음은 물론이다. 구체적인 일 예로, 제1연신전극이거나 이를 포함하는 제1전극과, 제2전극; 제1전극과, 제2연신전극이거나 이를 포함하는 제2전극; 또는 제1연신전극이거나 이를 포함하는 제1전극과, 제2연신전극이거나 이를 포함하는 제2전극;을 예로 들 수 있다.
본 발명에 따른 마찰발전소자는 마찰이 발생할 시 가질 수 있는 최대 전압이 5 내지 500 V, 바람직하게는 100 내지 500 V, 보다 바람직하게는 200 내지 500 V, 보다 더 바람직하게는 300 내지 500 V일 수 있다.
본 발명에 따른 마찰발전소자는 마찰이 발생할 시 가질 수 있는 최대 전류가 2 내지 100 μA, 바람직하게는 10 내지 100 μA, 보다 바람직하게는 20 내지 100 μA, 보다 더 바람직하게는 30 내지 100 μA, 매우 바람직하게는 40 내지 100μA 일 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 마찰발전소자는 연신전극, 구체적으로 후술하는 구조의 연신전극을 포함함으로써, 평면 방향으로의 연신에 의해서도 마찰을 발생시키는 것은 물론, 특히 평면 방향의 연신에 의한 마찰력을 극대화할 수 있어 다양한 방향의 역학적 움직임에서도 마찰 발전을 거의 끊김 없이 지속적으로 수행할 수 있다.
이하 본 발명에 따른 연신전극(11)의 구조를 구체적으로 설명하며, 상기 연신전극(11)이 후술하는 구체적 구조를 가짐으로써, 내구성, 내후성, 전력 생성 효율 등의 본 발명에 따른 특성 및 효과가 보다 향상된다.
도 4에는 본 발명의 일 실시예에 따른 평면 방향으로 연신이 가능한 연신전극(100, 이하 '연신전극')의 평면도가 도시되어 있고, 도 5에는 본 발명의 일실시 예에 따른 연신전극(100)의 부분 확대 평면도가 도시되어 있다.
도시된 바와 같이 연신전극(100)은 복수의 전극유닛(110)이 일정거리 이격 배치되고, 이격 배치되는 각각의 전극유닛(110)을 브리지(150)를 통해 연결한 형태로 이루어질 수 있다. 따라서 연신전극(100)은 연신 시 전극유닛(110) 사이의 공간이 넓어지도록 하여 전극유닛(110)의 변형을 최소화함에 따라 전극유닛(110)의 저항 증가를 최소화할 수 있다.
보다 구체적으로 설명하면, 전극유닛(110)은 대략 사각형 형태로 이루어지며, 복수개가 소정거리 이격 배치될 수 있다. 브리지(150)는, 전극유닛(110)의 어느 한 변에서 연장 형성되어 이웃하는 전극유닛(110)의 어느 한 변에 연결되도록 구성될 수 있다. 브리지(150)의 폭은 전극유닛(110)의 폭보다 적게 형성될 수 있으며, 이는 연신전극(100)의 연신 시 발생될 수 있는 전극유닛(110)의 변형을 줄여 저항 증가를 방지하기 위함이다.
브리지(150)는 연신전극(100)의 연신 시 전극유닛(110)의 연신 방향에 직교하는 회전축을 기준으로 회전하도록 다음과 같은 구성을 가질 수 있다. 연신 시 전극유닛(110)이 회전하지 않는 경우 전극유닛(110)이 늘어남에 따라 저항이 증가될 수 있기 때문이다. 이를 위해 브리지(150)는 전극유닛(110)의 어느 한 변과 이웃하는 전극유닛의 어느 한 변 사이에는 단일로 연결될 수 있다. 또한 브리지(150)는 전극유닛(110)의 모서리부에 인접하여 배치될 수 있다. 또한 브리지(150)는 전극유닛(110)의 어느 한 변의 일측 단부에 배치될 경우 다른 브리지(150)는 상기 어느 한 변과 대향되는 변의 타측 단부에 배치될 수 있다. 즉, 브리지(150)는 전극유닛(110)의 서로 마주보는 대향 변을 기준으로 서로 대각선상에 배치될 수 있다. 따라서 위와 같은 브리지(150)의 배치를 통해 연결된 전극유닛(110)은 평면 방향으로 연신 시 회전하여 변형을 최소화하도록 구성될 수 있다.
특히 본 발명의 연신전극(100)은 브리지(150) 구조를 통해 양방향 연신이 가능하면서도 브리지(150)는 음의 푸아송비(Poisson's ratio)를 갖는 특징이 있다. 일반적인 연신 가능한 전극들은 연신 시 단면적이 줄어들면서 두께가 얇아지는 특성을 갖지만, 본 발명에 따른 연신전극(100)은 전극유닛(110)의 로테이션을 통해 연신하기 때문에 연신 시 브리지(150)의 단면적의 변화가 적다. 따라서 본 발명에 따른 연신전극(100)은 에너지를 잘 흡수하고, 외부 충격에 강한 특징을 갖는 장점이 있다.
도면상에는 브리지(150)가 전극유닛(110)과 분리 형성되어 결합되는 것으로 도시되어 있으나, 일체로 형성될 수 있다. 즉, 연신전극(100)은 전극유닛(110)과 브리지(150)가 일체로 성형되도록 사각판 성형을 위한 금형에 도시된 바와 같은 연신공간(121, 122)이 형성되도록 돌출부를 구비하여 연신전극(100)을 몰딩 방식으로 성형할 수 있다.
다른 실시예로는 박막 또는 일정 두께를 갖는 판상의 전극을 우선 성형한 후 연신공간(121, 122)을 절삭하여 복수의 전극유닛(110)과 브리지(150)가 일체로 연결된 형태의 연신전극(100)을 성형할 수 있다.
한편, 복수의 전극유닛(110)과 전극유닛 사이의 이격거리(W2)와, 전극유닛(110)의 폭(W1)과의 비는 1:4~9의 범위 내에서 구성될 수 있다. 비제한적인 예로, 1:9를 초과하는 경우 연신 거리가 짧아질 수 있고, 1:4 미만인 경우 전극유닛(110)의 면적이 줄어들어 전기적 특성이 떨어질 수 있다.
도 6에는 본 발명의 일실시 예에 따른 연신전극(100)의 연신 전 부분 확대 평면도가 도시되어 있고, 도 7에는 본 발명의 일실시 예에 따른 연신전극(100)의 연신 후 부분 확대 평면도가 도시되어 있다.
도시된 바와 같이 제1 내지 제4 유닛(111, 112, 113, 114)이 서로 이격되어 브리지(150)를 통해 연결된 상태에서 평면 방향으로 연신될 경우 브리지(150)의 배치 상태에 따라 회전 방향이 결정된다.
도면상의 좌측 상부에 배치된 제1 유닛(111)과, 우측 하부에 배치된 제4 유닛(114)은 연신 시 시계 방향으로 회전하게 되고, 도면상의 우측 상부에 배치된 제2 유닛(112)과, 좌측 하부에 배치된 제3 유닛(113)은 연신 시 반시계 방향으로 회전하게 된다. 즉 전극유닛과 이웃하는 전극유닛은 서로 반대 방향으로 회전하여 전극유닛과 전극유닛 사이의 공간이 넓어짐에 따라 전극유닛의 변형 없이 연신이 가능하도록 구성된다.
도 8에는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연신전극(200)의 평면도가 도시되어 있다. 도 8에 도시된 연신전극(200)은 상술된 본 발명의 일 실시예에 따른 연신전극(100)에 비해 전극유닛의 수를 증가시키고, 전극유닛의 면적은 줄어듦에 그 특징이 있다. 즉 하나의 전극유닛을 다시 4 개의 전극유닛으로 나누어 구성하였다. 위와 같이 전극유닛의 수가 증가되고, 연신공간이 증가할 경우 연신 시 연신 거리가 증가됨은 물론 전극유닛의 변형을 더욱 최소화할 수 있어 연신 거리가 늘어나도 저항의 증가를 줄일 수 있는 장점이 있다.
도 10에는 본 발명에 따른 연신전극의 구성을 갖지 않는 종래의 일반적인 유연전극의 연신 강도에 따른 저항 변화율을 나타낸 그래프가 도시되어 있고, 도 11에는 본 발명의 일 실시예 및 다른 실시예에 따른 연신전극(100, 200)의 연신 강도에 따른 저항 변화율을 나타낸 그래프가 도시되어 있다.
도 10에 도시된 바와 같이 일반적인 유연 전극은 연신 시 평면 방향으로 변형이 발생되고, 도전 입자간의 거리가 멀어짐에 따라 저항이 증가하는 것을 볼 수 있다. 특히 연신 강도가 0.2 이상 증가하는 경우 저항 변화율이 기하급수적으로 증가함에 따라 전극의 기능을 상실하게 됨을 알 수 있다.(연신 강도가 0.2에서 저항 변화율이 1,100%까지 증가함)
그러나 도 11에 도시된 바와 같이 본 발명의 연신전극(100, 200)은, 연신 시 연신공간만 증가할 뿐 전극유닛의 변형은 거의 발생하지 않기 때문에 연신 강도를 0.4까지 증가시켜도 저항 변화율이 54% 이내인 것을 알 수 있고, 특히 본 발명의 다른 실시 예에 따른 연신전극(200)의 경우 연신 강도를 0.5까지 증가시켜도 저항 변화율이 26% 이내인 것을 알 수 있다.
이하에서는 상기와 같이 구성된 본 발명의 일 실시예에 따른 연신전극의 제조 방법에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 도 12에는 본 발명의 일 실시예에 따른 연신전극의 제조 방법 순서도가 도시되어 있고, 도 13에는 본 발명의 일 실시예에 따른 연신전극의 제조 방법과 관련한 주요 공정의 개략 단면도가 도시되어 있다.
본 발명에 따른 연신전극의 제조 방법은, 전도성 입자, 고분자 및 유기용매를 포함하는 금속 페이스트(S10)를 몰드에 충진하고 건조(S20)하는 전도성고분자층 성형 단계(S10, S20)를 포함할 수 있으며, 상기 전도성고분자층이 형성된 몰드에 고분자를 충진(S30)하고 건조(S40)하여 전도성고분자층에 연신층을 적층하는 연신층 성형 단계(S30, S40)를 더 포함할 수 있다. 이때 몰드는 도 1 내지 도 9에 도시된 바와 같은 구조를 가지는 전극이 성형될 수 있는 몰드이다.
상기 금속 페이스트의 조성비는 유연성 정도, 도전성 정도에 따라 적절히 조절되면 무방하므로 크게 제한되는 것은 아니며, 예를 들면 고분자 100 중량부에 대하여 전도성 입자는 100 내지 500 중량부로 사용될 수 있고, 유기용매는 10 내지 80 중량부로 사용될 수 있다. 이때 사용되는 유기용매는 전도성 입자가 잘 분산될 수 있고 고분자가 잘 용해될 수 있는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 일 예로 메틸이소부일케톤(Methylisobutylketone, MIBK) 등을 들 수 있다. 하지만 이는 구체적인 일 예로서 설명된 것일 뿐, 본 발명이 이에 제한되어 해석되는 것은 아니다.
다음으로 도 13의 최상측에 도시된 바와 같이 제조된 금속 페이스트(101a)를 연신전극의 성형을 위한 몰드(M)에 충진시키고, 금속 페이스트(101a) 상의 용매 증발 및 경화를 위해 건조한다. 금속 페이스트(101a)의 건조가 완료되면, 위에서 두 번째 도면에 도시된 바와 같이 높이(두께)가 줄어든 상태의 전도성고분자층(101)이 형성된다.
다음으로, 전도성고분자층(101)이 형성된 몰드(M)에 연신을 위한 고분자(102a)를 충진한다.
다음으로, 블레이드(B)를 이용하여 몰드(M)의 상측으로 돌출된 고분자(102a)를 블레이딩 한 후 경화를 위해 80℃에서 1시간 건조시켜 연신층을 형성한다. 고분자(102a)의 건조 및 경화가 완료되면, 전도성고분자층(101)의 상측에 연신층(102)이 형성된다. 그리고 제조된 샘플을 몰드에서 떼어내어 전도성고분자층(101)과 연신층(102)의 2층으로 구조화된 연신전극(100)을 제조할 수 있다.
본 발명에 따른 마찰발전소자는 웨어러블 장치 외에도 전력이 요구되는 것이라면 다양한 분야에 사용될 수 있으며, 배터리, 제어 모듈 등의 마찰발전소자가 적용 또는 응용될 수 있는 것이라면 관련한 다양한 수단이 더 포함되어도 무방하다.
즉, 본 발명의 상기한 실시 예에 한정하여 기술적 사상을 해석해서는 안 된다. 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당업자의 수준에서 다양한 변형 실시가 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 당업자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.
이하 본 발명을 실시예를 통해 상세히 설명하나, 이들은 본 발명을 보다 상세하게 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 권리범위가 하기의 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1]
<연신전극의 제조>
도 12 및 도 13의 제조 방법 순서도 및 공정도와 같이 도 4 내지 도 7에 따른 구조의 연신전극을 제조하였다.
구체적으로, 장축길이가 1.5 ㎛인 판상의 은 분말(Ag flake), 메틸이소부틸케톤(Methyl isobutyl ketone, MIBK) 및 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane, PDMS)(DC-184, Dow corning)을 각각 10:7:2의 중량비가 되도록 혼합하여 금속 페이스트를 제조하였다. 제조된 금속 페이스트를 도 4 내지 도 7에 따른 프렉탈(Fractal) 구조의 연신전극을 형성할 수 있는 몰드 안에 충진하였다. 그리고 상기 몰드를 80℃에서 1 시간 동안 건조시켜 몰드 내부에 충진된 금속 페이스트의 용매를 증발시켜 경화하였다. 금속 페이스트가 경화된 몰드에 PDMS를 도포하고 닥터 블레이딩 방식을 통해 패턴 안에 충진 시킨 뒤 경화를 위해 80℃에서 1 시간 건조시킨다. 그리고 도 13의 3 번째 이미지 및 4 번째 이미지에서와 같이 몰드 내 경화된 금속 페이스트, 즉, 전도성고분자층 위에 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane, PDMS)을 추가적으로 도포하고, 닥터 블레이딩 방식을 통해 패턴 안에 충진 시킨 뒤 80℃에서 1 시간 동안 건조 및 경화하였다. 그리고 이를 몰드로부터 분리하고 100℃에서 2 시간 동안 최종 경화를 거쳐 300 ㎛ 두께의 전도성고분자층 위에 3 mm 두께의 연신층이 형성된 2층 구조의 연신전극을 제조하였다. 제조된 연신전극의 이미지를 도 8에 도시하였다.
<마찰발전소자의 제조>
상기 연신전극에 다음과 같은 방법으로 양전하층을 적층하여 제1전극을 제조하고, 알루미늄 금속판에 음전하층을 적층하여 제2전극을 제조하고, 상기 제2전극 위에 상기 제2전극을 적층하고 상기 제1전극 및 상기 제2전극의 양 끝단을 고정하여 마찰발전소자를 제조하였다. 이때 발전 효율을 측정할 수 있도록 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 상기 제1전극의 양 끝단이 연신전극의 평면방향으로 신축 및 수축될 수 있도록 상기 제1전극의 양 끝단의 고정부가 움직일 수 있게 하였다.
양전하층으로 50 ㎛ 두께의 폴리우레탄(Polyurethane, PU)층을 상기 연신전극에 적층하여 제1전극을 제조하였다. 주제(B) 및 경화제(A)(Flexfoam-iT X, SMOOTH-ON)를 1:2의 중량비로 1 분 이내에 혼합하여 플렉스 폴리우레탄 폼(Flex polyurethane foam) 조성물을 제조하였다. 상기 플렉스 폴리우레탄 폼 조성물을 상기 연신전극의 전도성고분자층에 도포하고 2,000 rpm에서 60 초 동안 스핀코팅하여 연신전극에 양전하층을 적층하였다. 이어서 상온(25℃)에서 12 시간 동안 경화한 후, 100℃에서 2 시간 동안 추가 경화하여 연신전극에 양전하층이 적층된 제1전극을 제조하였다.
음전하층으로 50 ㎛ 두께의 폴리퍼플루오르알킬(polyperfluoroalkoxy, PFA) 필름층을 알루미늄 금속판에 적층하여 제2전극을 제조하였다.
[실시예 2]
실시예 1에서 양전하층으로 폴리우레탄층 대신 은 금속판인 은(Silver) 금속층을 상기 연신전극에 적층하여 제1전극을 제조한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 수행하였다.
[실시예 3]
실시예 1에서 양전하층으로 폴리우레탄층 대신 알루미늄(Aluminum) 금속판인 알루미늄 금속층을 상기 연신전극에 적층하여 제1전극을 제조한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 수행하였다.
[실시예 4]
실시예 1에서 음전하층으로 폴리퍼플루오르알킬층 대신 폴리테트라플루오르에틸렌(Polytetrafluoroethylene, PTFE) 필름층을 알루미늄 금속판에 적층하여 제2전극을 제조한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 수행하였다.
[실시예 5]
실시예 1에서 음전하층으로 폴리퍼플루오르알킬층 대신 폴리플루오르화에틸렌프로필렌(Poly fluorinated ethylene propylene, FEP) 필름층을 알루미늄 금속판에 적층하여 제2전극을 제조한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 수행하였다.
[실시예 6]
실시예 1에서 음전하층으로 폴리퍼플루오르알킬층 대신 폴리이미드(Polyimide, Pi) 필름층을 알루미늄 금속판에 적층하여 제2전극을 제조한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 수행하였다.
[실시예 7]
실시예 1에서 음전하층으로 폴리퍼플루오르알킬층 대신 폴리에틸렌테레프탈레이트(Polyethyleneterephthalate, PET) 필름층을 알루미늄 금속판에 적층하여 제2전극을 제조한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 수행하였다.
[실험예 1] 양전하층의 종류에 따른 발전 효율 측정
양전하층의 양전하 물질의 종류에 따른 발전 효율을 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 1에 도시하였다.
실시예
1 2 3 4 5 6 7
양전하층 PU Silver Aluminium PU PU PU PU
음전하층 PFA PFA PFA PTFE FEP PI PET
Voltage(V) 320 245 265 177 132 125 8
Current(μA) 45 35 30 26 16 19 2.5
상기 표 1에서와 같이, 양전하층으로 폴리우레탄층을 사용하고 음전하층으로 폴리퍼플루오르알킬층을 사용한 마찰발전소자는 다른 종류의 것을 사용한 것과 비교하여 수축(Contact mode) 또는 연신(Stretching mode)에 의한 발전효율이 보다 우수함을 확인하였다.[실험예 2] 수축 및 연신에 따른 발전 효율 측정
또한 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 제조된 마찰발전소자의 수축(Contact mode) 또는 연신(Stretching mode)에 의한 발전 효율을 측정하였으며, 그 결과를 도 14에 도시하였다.
도 14와 같이, 수축(Contact mode) 또는 연신(Stretching mode) 모두의 경우에서 높은 전압 및 높은 전류로서 높은 효율로 전기 에너지가 생성되는 것을 확인하였으며, 특히 연신 시에도 전압 및 전류가 발생하여 발전됨을 확인할 수 있다. 반면, 본 발명에 따른 연신전극의 구조와 상이한 연신전극을 이용하여 제조한 마찰발전소자의 경우는 연신 시 전기 에너지가 생성되지 않고 발전 자체가 불가하였다.
이와 같이, 본 발명에 따른 마찰발전소자는 연신 시에도 발전됨을 확인할 수 있으며, 웨어러블 장치에 사용될 경우 연신 시에도 발전이 가능하여 발전효율이 현저히 향상되는 효과가 있다. 또한 수축의 경우와 상이한 방향의 역학적 움직임에도 발전됨으로써 발전 효율이 매우 우수한 것은 물론, 연신 시에도 발전됨에 따라 발전이 끊기는 순간을 최소화할 수 있는 효과가 있다.
[부호의 설명]
1 : 제1전극
11, 100, 200 : 연신전극
12 : 양전하층 또는 음전하층
2 : 제2전극
21 : 도전층
22 : 전하층(음전하층 또는 양전하층)
101 : 전도성고분자층
102 : 연신층
110 : 전극유닛
111, 112, 113, 114 : 제1 내지 제4 유닛
121, 122 : 연신공간
150 : 브리지
W1 : 전극유닛의 폭
W2 : 전극유닛의 간격
M : 몰드
B : 블레이드

Claims (15)

  1. 제1전극 및 제2전극이 적층되되 비접착 적층면을 포함하는 마찰발전소자로서,
    상기 제1전극 및 상기 제2전극 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 전극은 유연전극을 포함하며,
    상기 유연전극은, 복수 개가 이격 배치되는 전극유닛; 및 상기 전극유닛 중 어느 하나와 이웃하는 전극유닛을 연결하는 브리지;를 포함하며,
    상기 연신전극이 평면 방향으로 연신 또는 수축될 시 연신전극과 제2전극간 마찰에 의해 전기 에너지가 생성되는 구조를 가지는 마찰발전소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1전극은 상기 연신전극; 및 상기 연신전극에 적층되는 양전하층 또는 음전하층;을 포함하며,
    상기 제2전극은 도전층; 및 상기 도전층에 적층되되 상기 제1전극의 양전하층 또는 음전하층과 반대되는 전하층;을 포함하며,
    상기 제1전극의 양전하층 또는 음전하층과 상기 제2전극의 전하층이 서로 대향하여 적층되는 것인 마찰발전소자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 양전하층은 우레탄계 수지, 은 금속 및 알루미늄 금속 중에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상을 포함하는 마찰발전소자.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 음전하층은 퍼플루오르알콕시계 수지, 테트라플루오르에틸렌계 수지, 플루오르화에틸렌프로필렌계 수지 및 에틸렌테레프탈레이트계 수지 중에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상을 포함하는 마찰발전소자.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 양전하층은 우레탄계수지를 포함하고, 상기 음전하층은 퍼플루오르알콕시계 수지를 포함하는 마찰발전소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 연신전극은 전도성 입자를 함유하는 전도성고분자층을 포함하는 마찰발전소자.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 전도성고분자층은 상기 전도성 입자를 10 내지 80 중량%로 함유하는 마찰발전소자.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 연신전극은 상기 전도성고분자층의 일면에 적층되는 연신층을 더 포함하며,
    상기 제1전극의 전도성고분자층과 상기 제2전극이 대향하여 적층되는 것인 마찰발전소자.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 전도성고분자층의 평균두께는 100 내지 500 ㎛이고, 상기 연신층의 평균두께는 1 내지 5 mm인 마찰발전소자.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 브리지의 폭은 상기 전극유닛의 폭보다 적게 형성되는 것인 마찰발전소자.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 전극유닛은 다각형으로 이루어지며,
    상기 브리지는 상기 전극유닛의 모서리 또는 모서리에 인접하여 형성되는 것인 마찰발전소자.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 전극유닛은 연신 시 각각이 평면 방향에 직교하는 방향을 회전축으로 회전하는 것인 마찰발전소자.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 브리지는 상기 전극유닛의 각 변 중 하나 이상에 배치되되 각 변에는 단일로 배치되는 것인 마찰발전소자.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 브리지는 연신전극의 연신 시 단면적의 변화를 감소시켜 음의 푸아송비를 갖는 것인 마찰발전소자.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 전극유닛과 이웃하는 전극유닛의 이격 폭과, 상기 전극유닛의 폭의 비는 1:4~9인 것인 마찰발전소자.
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