WO2023234656A1 - 굴곡진 형태의 마찰전기 발전 소자 및 그 제조방법 - Google Patents

굴곡진 형태의 마찰전기 발전 소자 및 그 제조방법 Download PDF

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WO2023234656A1
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triboelectricity
power generation
layer
triboelectric
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PCT/KR2023/007312
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송찰스기석
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숙명여자대학교산학협력단
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L27/00—Compositions of homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and at least one being terminated by a halogen; Compositions of derivatives of such polymers
    • C08L27/02—Compositions of homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and at least one being terminated by a halogen; Compositions of derivatives of such polymers not modified by chemical after-treatment
    • C08L27/04—Compositions of homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and at least one being terminated by a halogen; Compositions of derivatives of such polymers not modified by chemical after-treatment containing chlorine atoms
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L27/00—Compositions of homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and at least one being terminated by a halogen; Compositions of derivatives of such polymers
    • C08L27/02—Compositions of homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and at least one being terminated by a halogen; Compositions of derivatives of such polymers not modified by chemical after-treatment
    • C08L27/12—Compositions of homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and at least one being terminated by a halogen; Compositions of derivatives of such polymers not modified by chemical after-treatment containing fluorine atoms
    • 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 generation device having a curved shape, and more specifically, by molding an existing triboelectric power generation device that generates triboelectricity by mixing two or more polymer materials with different properties into a curved shape. , relates to a curved triboelectric power generation element that not only increases power generation but also enables continuous power production, and a method of manufacturing the same.
  • organic piezoelectric materials such as highly flexible polyvinylidene fluoride (PVDF) have difficulty producing competitive products due to environmental hazards and high material costs.
  • inorganic piezoelectric materials with poor flexibility have the disadvantage of poor durability, such as rupture of the material due to continuous external pressure.
  • triboelectric devices not only is a physical space required to generate frictional motion between friction materials, but the structure of the device is complex and mass production is difficult, and the degree of material wear due to friction is large, reducing durability. There is a problem with low reliability.
  • existing triboelectric materials have the disadvantage of being difficult to mass produce due to difficulties in bonding between electrodes and friction materials and different processing methods for applying friction materials to devices. Therefore, there has been a demand for the development of a triboelectric power generation device that complements these shortcomings.
  • the structure was improved to allow the friction material to move smoothly even when a small amount of energy is applied by inserting a steel rod between the friction materials as a bearing, and it was shown that despite this, the efficiency of triboelectricity production does not decrease significantly.
  • the amount of voltage or current can be supplied more stably by connecting an electromagnetic generator (AC) and a triboelectric element (AC) in series or parallel as a hybrid method, and in addition, a solar cell (DC) and triboelectric element can be supplied more stably. It was confirmed that power can be produced simultaneously from light and kinetic energy by connecting the device (AC).
  • No. 2213229 physically excludes unnecessary structures between triboelectric materials and has nano- or up to micron-scale triboelectric material domains (domains, with different properties). It is characterized by producing power by using the phenomenon of contact between two or more polymer materials falling and sticking together due to bending of the film.
  • This No. 2213229 is an improvement in the aspect of controlling the surface shape of the material from existing studies, and has even secured legitimacy by succeeding the research on ways to utilize kinetic energy in various ways.
  • the amount of power generation is limited because only one curved surface change (i.e., change from flat to curved or curved to flat) occurs when the device is bent once. Since the amount of power generated per unit area is not large, there is a limit to its use in applications that require a lot of power. In addition, it is suitable for the device to be continuously shaken by external forces due to external wind or fluids such as water. There is a problem that has not been addressed (i.e., once a flat element is equilibrated under continuous wind or flow rate, there is almost no residual vibration, so power generation does not occur continuously).
  • the purpose of the present invention is to mold the existing triboelectric power generation device, which generates triboelectricity by mixing two or more polymer materials with different properties, into a curved shape, which not only increases the amount of power generation but also enables continuous power production.
  • the object is to provide a curved triboelectric power generation device and a manufacturing method thereof.
  • the present invention includes a triboelectricity generating layer including a friction portion of a junction structure containing two or more different polymers; a first electrode positioned opposite to one side of the triboelectricity generation layer; and a second electrode positioned opposite to the other surface of the triboelectricity generation layer, wherein at least one of the triboelectricity generation layer, the first electrode, and the second electrode includes one or more curved portions consisting of valleys and ridges.
  • a triboelectric power generation device characterized in that:
  • the present invention a) dissolves and disperses two or more polymers with different dielectric properties in a solvent, respectively, or mixes them after dissolving and dispersing them, or melts two or more polymers with different dielectric properties and then mixes them to form a polymer solution.
  • manufacturing step b) masking a portion of the surface of each of the first electrode and the second electrode; c) In any one of the masked first electrode and the second electrode, the polymer solution prepared in step a) is supplied to the exposed surface that is not masked and then dried or cured to cause friction on the electrode.
  • a method of manufacturing a triboelectric power generation device which includes bending and molding at least one of the second electrode and the triboelectricity generation layer in a direction perpendicular to the stacking direction.
  • the curved triboelectric power generation element and its manufacturing method according to the present invention are designed to increase the amount of power generation by molding the existing triboelectric power generation element, which generates triboelectricity by mixing two or more polymer materials with different properties, into a curved shape. It has the advantage of not only increasing power but also enabling continuous power production. That is, because the curved triboelectric power generation device according to the present invention has a plurality of curved portions, a larger friction area is formed compared to the flat device, and thus the amount of power generation is also inevitably increased. In addition, when a fluid such as wind or water flows on the curved surface of the device, turbulent flow occurs, so the device continues to vibrate or bend, enabling continuous power production.
  • FIG. 1 is a plan schematic diagram of an electrode masked according to the present invention.
  • Figure 2 is an image illustrating a normal state (left figure) and a bent state (right figure) of a triboelectric power generation device according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 3 is a graph measuring electrical performance according to stimulation applied to the triboelectric power generation device according to an embodiment and comparative example of the present invention.
  • the curved triboelectric power generation device includes a triboelectricity generation layer (located at the center in the stacking direction) and a friction portion of a junction structure made of two or more different polymers, the triboelectricity generation layer It includes a first electrode located opposite to one side of the triboelectricity generation layer and a second electrode located opposite to the other side of the triboelectricity generation layer, and at least one of the triboelectricity generation layer, the first electrode, and the second electrode. It is characterized in that it includes one or more curved portions consisting of valleys and ridges.
  • the curved triboelectric power generation device is a device that can convert 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, and can be used to implement each power generation method.
  • it may be composed of a module in which a plurality of elements are repeatedly arranged and a generator in which a plurality of the modules are repeatedly arranged.
  • the curved triboelectric power generation element according to the present invention can detect physical movement or sense texture, hardness, or applied force, and can also be used as a sensor. It can be utilized.
  • the triboelectric generating layer is a triboelectric composite material in the form of a film including a friction part that generates electricity, and the friction part is a random joint in the nanometer (nm) to micrometer ( ⁇ m) units ( junction), and the junction may have a structure of a bulk-hetero junction in which two or more different polymers are in heterogeneous contact, or may have a structure of a multi-junction, e.g.
  • the active layer of bulk-heterojunction organic photovoltaics see website https://www.photonics.com/images/Web/Articles/2012/2/1/thumbnail_49904.jpg)
  • the structure of the multiple junction is basically similar to the structure 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/ See services/images/RSCpubs.ePlatform.Service.FreeContent.ImageService.svc/ImageService/Articleimage/2009/EE/b809257e/b809257e-f3.gif). Therefore, even though the movement distance of each polarized triboelectric material is extremely short, the surface area is maximized, improving reliability of material durability and enabling efficient production of electricity.
  • the thickness of the triboelectricity generation layer is 1 nm to 10,000 ⁇ m, preferably 100 nm to 5,000 ⁇ m, more preferably 1 to 1,000 ⁇ m, and when the thickness of the triboelectricity generation layer exceeds 10,000 ⁇ m , there is a risk that the electric field formed due to the separation of charges generated at the junction may not affect the collecting electrode, causing a problem in which voltage and current cannot be generated. If it is less than 1 nm, the distance between the collecting electrodes is excessively close, causing tunneling (tunneling). ) phenomenon may cause a device short.
  • the triboelectricity generation layer (or friction portion) is made of two or more polymers with different dielectric properties, preferably two different types of polymers.
  • the polymers are materials that are inexpensive to manufacture and easy to mass produce, i.e. Polyamide, polyvinyl alcohol (PVA), polymethylmethacrylate (PMMA), polyester, polyurethane, polyvinyl butyral (PVB) )), Polyacrylonitrile, natural rubber, Polystyrene (PS), Polyvinylidene chloride, Polyethylene (PE), Polypropylene (PP) ), polyimide, polyvinylchloride (PVC), and polydimethylsiloxane (PDMS).
  • preferred examples include mixed use of PVC and PMMA, mixed use of PVC and PVA, mixed use of PVC and PVB, mixed use of PP and PMMA, and mixed use of PE and PMMA.
  • the inclusion (mixing) ratio is a weight ratio of 0.1:99.9 to 99.9:0.1, where the two polymers Even if any one of them is included in a trace amount, the effect according to the present invention occurs, and the weight ratio may be preferably 20:80 to 80:20, more preferably 40:60 to 60:40.
  • each of the above polymers preferably has a weight average molecular weight (Mw) of 10,000 to 5,000,000.
  • the friction part is composed of polymers with different dielectric properties as described above, the bonds between the backbone and functional groups between polymers with different dielectric properties are broken to form radicals, which is caused by the charge transfer between the two materials due to electrons or radicals. This means that it can occur due to material transfer. Additionally, when ionic single molecules inside the polymer already exist or are formed due to friction, they may also move between different types of polymers and cause charge transfer. For this reason, triboelectricity is generated by the separation of charges between the two materials.
  • general-purpose solvents such as Acetone, Tetrahydrofuran (THF), Toluene, Dichloromethane, Chloroform, Toluene, Hexane, Cyclohexane, dimethyl sulfoxide, NMP and water can be used. That is, the different polymers are dissolved and mixed in such solvents, the polymers are melted and mixed, or the different polymers are dispersed in aqueous and non-aqueous solvents (water-borne or solvent-borne dispersion). ) and then mixing (i.e., emulsion polymerization) can form a composite material such as a composite film or composite particles.
  • THF Tetrahydrofuran
  • Toluene Dichloromethane
  • Chloroform Chloroform
  • Toluene Hexane
  • Cyclohexane dimethyl sulfoxide
  • NMP dimethyl sulfoxide
  • water i.emulsion polymerization
  • the triboelectricity generating layer (or friction material composite), which is easy to mass produce, is positioned (or inserted) between two conductive electrodes (first electrode, second electrode). After doing so, it has a simple structure of additionally coating a coating layer that plays the role of waterproofing/moisture proofing and a coating layer that plays a supporting role, so it has a very simple structure compared to existing triboelectric devices, but is different from commercialized piezoelectric devices. Because it has a similar structure, mass production and reliability are high.
  • the first electrode and the second electrode are made of a conductive material that conducts electricity by a charging phenomenon, and any conductive material that satisfies this requirement can be applied without particular restrictions.
  • conductive materials include copper, aluminum, gold, silver, carbon felt, carbon paper, and composites to which carbon nanotubes (CNTs) are added.
  • the electrodes may be formed in porous foam in addition to the typical film form. ) There are no special restrictions on the form, etc.
  • the first electrode and the second electrode may each be made of different materials.
  • the thickness of the first electrode and the second electrode is 20 nm to 5 mm, preferably 50 nm to 1 mm, more preferably 100 nm to 100 um, and the thickness of the first electrode and the second electrode is If it exceeds 5 mm, there is a risk that the flexibility of the device to respond to wind may be reduced, and if it is less than 20 nm, the performance of the device may be reduced due to increased resistance.
  • the first electrode and the second electrode may be configured so that one end of each electrode protrudes relative to the triboelectricity generation layer in order to couple (ground) the wires.
  • the first electrode and the second electrode are used to prevent a short phenomenon between the two electrodes and to maintain the area of the triboelectricity generation layer the same for each device.
  • the remaining externally exposed surface, excluding the portion facing the surface may be masked using an insulating material such as tape or PP or PE coated with an adhesive agent.
  • Figure 1 is a plan schematic diagram of an electrode masked according to the present invention. The masking process of the electrode may be performed on both sides (a and b in Figure 1-A) as shown in A in Figure 1, As shown in B of FIG. 1, only one side may be targeted, and this may vary depending on the performance of the target electrode.
  • the basic roles of electrodes that are not explained above can be applied to electrodes used in general triboelectric devices.
  • the triboelectric power generation device of the present invention including the above configuration has a shape bent in a direction perpendicular to the direction in which the second electrode, the triboelectric generation layer, and the first electrode are stacked (in other words, the triboelectric power generation device has a curved shape in its longitudinal or horizontal direction).
  • at least one of the triboelectricity generation layer, the first electrode, and the second electrode includes one or more curved portions made of valleys and ridges.
  • 'valley' refers to the lowest part (lowest point) of the bend
  • 'crest' refers to the highest part (highest point) of the bend.
  • the valley and ridge are continuous and adjacent to each other. .
  • At least one of the triboelectricity generation layer, the first electrode, and the second electrode includes a bent portion in a direction perpendicular to the stacking direction.
  • the bends of this waveform may be formed repeatedly at regular intervals, or may be formed repeatedly at irregular intervals.
  • the spacing between the bent parts may vary depending on the specifications or usage conditions of the triboelectric power generation device, and there is no particular limitation.
  • the bending radius of the bending portion may also vary depending on the specifications or usage conditions of the triboelectric power generation device, and there is no particular limitation. However, in one embodiment, based on a device having an area of about 50 mm ⁇ 50 mm, it may be desirable for the bending radius (D) of the bent portion to be about 10 to 30 mm.
  • the waveform is wavy ( ), wedge-shaped ( ) and concavo-convex type ( ) may be selected from the group consisting of.
  • the wave type is preferable in terms of stable and continuous generation of turbulence that is induced by fluids such as wind and water flowing on the surface of the device.
  • shapes that can be simply deformed from the wave shape, wedge shape, or concavo-convex shape also belong to the curved shape of the triboelectric power generation device according to the present invention.
  • the bent portion may be formed on any one or more of the triboelectricity generation layer, the first electrode, and the second electrode that constitute the triboelectric power generation device of the present invention.
  • the curved portion may be formed only on the first electrode, may be formed only on the second electrode, or may be formed only on the triboelectricity generation layer.
  • the curved portion may be formed only on the first electrode and the second electrode, may be formed only on the first electrode and the triboelectricity generation layer, or may be formed only on the second electrode and the triboelectricity generation layer.
  • the curved portion may be formed on all of the first electrode, the second electrode, and the triboelectricity generation layer.
  • the triboelectricity-generating layer includes one or more curved portions, and at least one of the first electrode and the second electrode is planar and has a plurality of ridges or valleys among the curved portions of the triboelectricity-generating layer. can be contacted.
  • either the first electrode or the second electrode may include a curved portion and may contact the entire surface of the bent portion of the triboelectricity generation layer.
  • the triboelectricity-generating layer may include one or more curved portions, and at least one of the first electrode and the second electrode may include the bent portion and entirely contact the bent portion of the triboelectricity-generating layer.
  • either the first electrode or the second electrode has a planar shape and may contact a plurality of ridges or a plurality of valleys among the curved portions of the triboelectricity generation layer.
  • the bending portion is formed in the triboelectricity generation layer (that is, when the triboelectricity generation layer has a curved shape)
  • bends are inevitably formed in each of two or more different polymers included in the triboelectricity generation layer.
  • the frequency of contact between the polymer materials is higher compared to the case where this is not the case (as an extreme example, when only one type of polymer material is curved). As the number increases, the amount of power generation also increases.
  • At least one of the first electrode and the second electrode includes one or more curved portions
  • the triboelectric generation layer has a planar shape and has a plurality of curved portions of at least one of the first electrode and the second electrode. It may come into contact with the ridge of the dog or multiple troughs.
  • the bent portion is basically formed on at least one electrode and the triboelectricity generation layer and is in full contact with the triboelectricity generation layer. This is because there are advantages such as an increase in the effective area for power generation only when the triboelectricity generation layer and the electrode in full contact with it are curved and molded into the same structure. In addition, it may be more desirable for the electrode to be in full contact with the triboelectricity generation layer and both sides thereof, and to bend and mold them all together into the same structure.
  • the triboelectric power generation element may further include a pair of first coating layers located on the outer periphery or peripheral surface of each of the first and second electrodes, if necessary, to play the role of waterproofing, moisture-proofing, and oxygen blocking.
  • it may further include one or more pairs of second coating layers located on the outer periphery or peripheral surface of each of the first coating layers to serve as support.
  • the first coating layer is a layer for improving the water resistance, moisture resistance, oxygen barrier property, weather resistance and durability of the triboelectric power generation device according to the present invention, and for blocking the inside of the device from the outside, and its material is epoxy ( Epoxy, polyester, polyurethane, mixture of paraffin wax and polyolefin, polyethylene terephthalate (PET), polypropylene (PP), polyethylene (PE) , Polyethylene), polystyrene (PS, Polystyrene), polyvinyl chloride (PVC), polyethylene naphthalate (PEN), polyamide (PA, Polyamide), polyvinyl alcohol (PVAL), ethylene Examples include vinyl alcohol (EVOH, ethylene vinyl alcohol), polyvinylidene chloride (PVDC, polyvinylidene chloride), and mixtures thereof, and are materials that have one or more of the following properties: water resistance, moisture resistance, oxygen barrier properties, weather resistance, and durability. If so, it can be used without any particular restrictions.
  • epoxy Epoxy, polyester, poly
  • the second coating layer basically has the function of supporting the triboelectric power generation device and can also have the function of the first coating layer, and more precisely, it is a layer that provides elasticity to the device.
  • materials for the second coating layer include polyimide, polyether ether ketone, mixtures thereof, and mixtures of any one or more of these with compounds constituting the first coating layer.
  • Any material that allows the triboelectric power generation device to have a support function, such as a flexible and tough material, can be used without particular restrictions.
  • the thickness of the first coating layer is 100 nm to 10 mm, preferably 1 um to 1 mm, more preferably 10 to 100 um, and when the thickness of the first coating layer is outside the above range, the flexibility of the device is reduced. Problems may arise such as deterioration or inability to sufficiently perform functions such as waterproofing/moisture-proofing. Meanwhile, both ends of the first coating layer may be configured to protrude relative to both ends of the first electrode and the second electrode in order to protect the entire device including the collection electrode from water, moisture, and oxygen.
  • the thickness of the second coating layer is 1 um to 10 mm, preferably 5 um to 5 mm, and more preferably 10 um to 1 mm. If the thickness of the second coating layer is outside the above range, the device Problems may occur such that the flexibility of the device may be reduced or the function of supporting the device may not be sufficiently performed. Meanwhile, the length of the first coating layer and the second coating layer may be the same, and one or both ends of the second coating layer may be configured to protrude relative to the first coating layer. With such a protruding configuration, the coating layer is completely coated (wrapped) once again by the external support layer, and the blocking effect from the outside can be improved.
  • the triboelectric power generation device may, if necessary, have a first interface layer interposed between the triboelectricity generating layer and the first electrode and a first interfacial layer interposed between the triboelectricity generating layer and the second electrode. 2 It further includes an interfacial layer.
  • the first and second interface layers are independently made of polyamide, polyvinyl alcohol (PVA), polymethylmethacrylate (PMMA), and polyester.
  • Polyurethane Polyvinyl butyral (PVB), Polyacrylonitrile, natural rubber, Polystyrene (PS), Polyvinylidene chloride
  • a material selected from the group consisting of polyethylene (PE), polypropylene (PP), polyimide, polyvinylchloride (PVC), and polydimethylsiloxane (PDMS). may include.
  • the first and second interface layers may be composed of multiple layers and cross-laminated with the triboelectric generation layer, if necessary. .
  • the order there is no particular limit to the order, and various combinations can be made considering the performance of the device.
  • the first and second interface layers are used to improve the degree of triboelectricity generation by preventing interaction with the triboelectricity generation layer and preventing charges from flowing in the reverse direction in the triboelectricity generation layer.
  • the first interfacial layer and the second interfacial layer have different triboelectric polarities.
  • the first interfacial layer is PMMA
  • the second interfacial layer may be PVC.
  • one of the first and second interface layers is selected from the group consisting of PMMA, Polyamide, Polyvinyl Alcohol, Polybutyral, and Polystyrene
  • the remaining interface layer is PVC, PDMS, Polypropylene, Polyethylene, and Polyvinylidine Chloride. It may be selected from the group consisting of.
  • the thickness of the first interface layer and the second interface layer is 1 nm to 1 mm, preferably 50 nm to 500 um, more preferably 100 nm to 100 um, and the first interface layer and the second interface If the thickness of the layer is outside the above range, the flexibility of the device may be reduced, the power generation performance of the device may be reduced, or the triboelectricity generation layer may not properly perform its role of blocking charges moving in the reverse direction.
  • any one or more of the first coating layer, second coating layer, first interface layer, and second interface layer described above may have a curved portion. Additionally, these bent portions may be bent together while being laminated on the first electrode, the second electrode, or the triboelectricity generation layer.
  • width width
  • width width
  • it can vary widely depending on the specifications and characteristics of the intended triboelectric power generation device.
  • the method of manufacturing the triboelectric power generation device is a) dissolving and dispersing two or more polymers with different dielectric properties in a solvent, or mixing them after dissolving and dispersing them, or melting two or more polymers with different dielectric properties and then mixing them. preparing a polymer solution, b) masking a portion of the surface of each of the first electrode and the second electrode, c) masking treatment on any one of the masked first and second electrodes.
  • step a) supplying the polymer solution prepared in step a) to the unexposed surface and then drying or curing it to form a triboelectricity-generating layer (or polymer composite film) on the electrode; and d) the upper part of the triboelectricity-generating layer.
  • step b) the remaining electrodes (on which the triboelectricity generation layer is not formed), and after any one or more of steps b) to d) is performed, the first electrode, the second electrode It is characterized by bending and molding at least one of the electrode and the triboelectricity generation layer in a direction perpendicular to the stacking direction.
  • a triboelectric power generation device in order to manufacture a triboelectric power generation device, first, two or more polymers with different dielectric properties are dissolved and dispersed in a solvent, or mixed after dissolution and dispersion to prepare a polymer solution, or two or more polymers with different dielectric properties are mixed. Two or more polymers are each melted and then mixed to prepare a polymer solution (in the case of emulsion polymerization, water-borne solution and solvent-borne solution are mixed, step a).
  • the polymer (material) constitutes the friction part that generates electricity within the triboelectric power generation device, and the specific description thereof applies mutatis mutandis to the content described in the description of the triboelectric power generation device.
  • a completely stacked triboelectric power generation device can be manufactured by sequentially supplying each polymer solution onto the electrode.
  • Solvents that can be used include linear and cyclic aliphatic compounds, aromatic compounds, Examples include organic solvents such as ketone compounds, linear and cyclic ether compounds, amine compounds, sulfide compounds, and halogen compounds, and more specific Examples include general-purpose solvents such as Hexane, Cyclohexane, Toluene, Acetone, Diethyl ether, Tetrahydrofuran (THF), N-Methyl-2-pyrrolidone, Dimethyl sulfoxide, Dichloromethane, and Chloroform.
  • solvents that can be used include linear and cyclic aliphatic compounds, aromatic compounds, Examples include organic solvents such as ketone compounds, linear and cyclic ether compounds, amine compounds, sulfide compounds, and halogen compounds, and more specific Examples include general-purpose solvents such as Hexane, Cyclohexane, Toluene, Acetone, Diethyl ether, Tetrahydrofuran (THF
  • the concentration for 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 for dissolving the polymer in the solvent is within the above range. If it deviates, the effect obtained by dissolving the polymer in the solvent may be minimal or the mixing process may be difficult.
  • the temperature at which the polymer is dissolved in the solvent is 0 to 70°C, preferably 10 to 50°C, and more preferably 25 to 40°C. If the temperature at which the polymer is dissolved in the solvent is outside the above range, dissolution occurs. There is a risk of problems occurring such as failure, decomposition, or increased risk of explosion.
  • the mixing ratio of each polymer solution may be a weight ratio of 0.1:99.9 to 99.9:0.1, preferably a weight ratio of 20:80 to 80:20, and more preferably a weight ratio of 40:60 to 60:40.
  • additives such as plasticizers and impact modifiers may be additionally added as needed to reinforce the flexibility and impact strength of each polymer material.
  • step b After preparing electrodes (first electrode and second electrode) made of different materials, a portion of each surface is masked (step b).
  • the first electrode and the second electrode must be made of different materials to enable the generation of triboelectricity.
  • the reason why part of the surface of the first electrode and the second electrode is masked with tape is to prevent a short phenomenon between the two electrodes and to keep the area of the triboelectricity generation layer the same for each device. By doing so, the part where the polymer mixture is not intended to be applied (or supplied) is used as the masking application area.
  • the specific description of the electrodes and masking applies to the electrodes and masking described in the description of the triboelectric power generation device.
  • the polymer prepared in step a) is placed on any one of the first electrode and the second electrode (more precisely, on the exposed, unmasked surface of the electrode). After supplying (applying) the solution, it is dried or cured to form a triboelectricity generation layer (or polymer composite film) on one electrode (step c).
  • Methods for 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 triboelectricity generation layer 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 triboelectricity generation layer 300 is 10,000 ⁇ m. If it exceeds 1 nm, there is a risk that the electric field formed due to the separation of charges generated at the junction will not affect the collecting electrode, causing a problem in which voltage and current cannot be generated. If it is less than 1 nm, the distance between the collecting electrodes may be too much. If the device is too close, a short circuit may occur due to tunneling.
  • the method of manufacturing the triboelectric power generation device includes, if necessary, applying the polymer solution used in step c) on the surface of the polymer composite film (triboelectricity generation layer) formed in step c) at least once, It further includes the step of drying after re-supplying preferably 1 to 100 times, more preferably 5 to 20 times.
  • This is a process for controlling the thickness of the polymer composite film. The lower the polymer concentration in step a), the greater the number of resupplies. Therefore, when the polymer concentration is high, the resupply of such a polymer mixture solution is possible. The process may not be performed.
  • the remaining electrodes on which the triboelectricity generation layer is not formed are stacked on top of the triboelectricity generation layer and then pressed (step d).
  • the compression may be performed at a temperature of 40 to 250° C. and a pressure of 1 gF to 100 kgF through a conventional compression method such as a roll press method or a hot press method.
  • At least one of the first electrode, the second electrode, and the triboelectric generation layer is bent and molded in a direction perpendicular to the direction in which it is laminated. .
  • at least one of the first electrode, the second electrode, and the triboelectric generation layer is molded to include one or more curved portions consisting of valleys and peaks.
  • step b) when step b) is completed, at least one of the first electrode and the second electrode can be bent and molded.
  • step c) either the masked first electrode or the second electrode or the triboelectric generation layer may be bent and molded separately, and the masked first electrode and the second electrode may be bent and molded separately. Any one of the electrodes and the triboelectric generation layer may be bent and molded together.
  • step d) the first electrode, the second electrode, and the triboelectricity generation layer can be bent and molded together (that is, if the electrode is bent and molded after step c) is performed, triboelectricity can be generated. The generated layer can also be bent and molded).
  • the bending molding may be performed through a hot plate coater with a bending pattern corresponding to the shape of the bending portion of the device (i.e., the bending portion is formed repeatedly to form a waveform, so that the bending portion of the first electrode, the second electrode, and the triboelectric generation layer is formed.
  • a hot plate coater with a curved pattern Any one or more can be formed with a hot plate coater with a curved pattern). However, it is not limited to this, and there is no particular limitation to the means as long as the device can be bent and maintain its curved shape. Meanwhile, bending forming using a hot plate coater, etc. is hot forming, and the temperature at this time may be 80 to 100°C.
  • the method of manufacturing a triboelectric power generation device includes, if necessary, e) forming a first coating layer on each outer peripheral surface of the first electrode and the second electrode, and f) forming a second coating layer on each outer peripheral surface of the first coating layer.
  • a forming step may be further included.
  • a process of annealing the triboelectricity generation layer may be additionally performed. The annealing process is a process of bringing the triboelectricity generation layer to a certain temperature, maintaining it at that temperature for a certain period of time, and then cooling it to room temperature.
  • the total bonding area is adjusted by controlling the degree of cohesion of the polymers inside the triboelectricity generation layer. Accordingly, it can be used to optimize power generation efficiency.
  • the temperature, time, and number of annealing processes can be arbitrarily changed in consideration of the physical properties of the target power generation device, but are preferably performed at a temperature of 30 to 250°C, preferably 50 to 150°C, for 1 to 3,600 seconds. It may be performed 1 to 24 times, preferably 1 to 10 times, for 10 to 180 seconds.
  • an interfacial layer is formed between the triboelectricity-generating layer and the first electrode and between the triboelectricity-generating layer and the second electrode (or on both sides of the triboelectricity-generating layer).
  • a first interface layer and a second interface layer may be formed. This is a phenomenon in which the polymer of the triboelectricity generation layer leaks to the top and bottom due to heating during the annealing process and is caused by a density difference, and the first and second interface layers are formed of polymers with opposite triboelectric polarities. possible.
  • the interface layer may be intentionally formed before forming the triboelectric layer (or polymer composite film) on the electrode. Accordingly, the first and second interface layers may be composed of multiple layers and alternately laminated with the triboelectricity generation layer. However, there is no particular limitation on the order, and various combinations can be made considering device performance.
  • an annealing process may be additionally performed, if necessary.
  • the first coating layer and the second coating layer may be performed as needed. 2
  • the description of the material and thickness of the coating layer applies to the content described in the description of the triboelectric power generation device.
  • PVC tetrahydrofuran
  • PMMA was also dissolved in THF at a concentration of 0.1 g/mL at room temperature, and then the PVC solution and PMMA solution were mixed at a ratio of 7:3.
  • a polymer mixture was prepared by mixing in weight ratio.
  • the previously prepared PVC-PMMA polymer mixture was extracted with a syringe, and then applied to the exposed surface of one masked electrode film (aluminum substrate tape exposed portion) with a blade knife and dried with a fan. A triboelectric generation layer was formed. Afterwards, the PVC-PMMA polymer mixture was additionally applied and dried on the upper surface (surface) of the formed triboelectricity generation layer (the application and drying method was the same as for the first application and drying). Then, the remaining electrode film that had previously been masked was placed overlapping on the surface of the triboelectricity generation layer and then pressed and coated at room temperature.
  • the PET coating films located at the top and bottom are simultaneously formed into a wave shape. and annealing (at this time, the molding temperature was set to about 70 to 120° C.) to manufacture a triboelectric power generation device in a curved shape. Meanwhile, as the PET coating films located at the top and bottom were molded into a wave shape, even the triboelectricity generation layer sandwiched between them was molded into the same wave shape (i.e., the entire device was formed in a continuous wave shape). ).
  • the device was carried out in the same manner as Example 1, except that the device was not molded into a wave shape, but instead was pressed and coated at room temperature and then annealed at 77° C. for about 5 seconds using a hot roll press, so that friction was achieved. An electric power generation device was manufactured.
  • Example 1 After connecting both electrodes of the triboelectric power generation device manufactured in Example 1 and Comparative Example 1 and a multimeter (product name: DMM7510, manufacturer: Keithley) with a wire, the device is bent up and down three times per second (3 Hz). The process was repeated eight times each and changes in electrical performance (Power, ⁇ W) were measured.
  • a multimeter product name: DMM7510, manufacturer: Keithley
  • Figure 2 is an image simulating the normal appearance (left view) and the bent state (right view) of the triboelectric power generation device according to an embodiment of the present invention, through which it has a curved shape (or wrinkled shape)
  • a curved shape or wrinkled shape
  • Figure 3 is a graph measuring electrical performance according to stimulation applied to the triboelectric power generation device according to an embodiment and comparative example of the present invention.
  • the triboelectric power generation device of Example 1 which has a curved shape, not only has a large difference between the power values produced each time it receives an external stimulus, but also shows a high overall power value, providing continuous and excellent power generation. You can see that this is possible.
  • the commonly used planar triboelectric power generation device (Comparative Example 1) not only showed a generally constant power value even when receiving external stimulation, but also showed an overall low power value. Through the above, it was confirmed that even if the same force is applied to the triboelectric power generation device at the same cycle, power generation performance varies greatly depending on whether the device is curved.

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Abstract

성질이 서로 다른 둘 이상의 고분자 물질을 혼합하여 마찰전기를 발생시키는 기존의 마찰전기 발전 소자를 굴곡진 형태로 성형함으로써, 발전량을 증대시킬 뿐만 아니라 지속적인 전력 생산까지도 가능한, 굴곡진 형태의 마찰전기 발전 소자 및 그 제조방법이 개시된다. 상기 굴곡진 형태의 마찰전기 발전 소자는, 서로 다른 둘 이상의 고분자를 포함하는 접합(junction) 구조의 마찰부를 포함하는 마찰전기 발생층; 상기 마찰전기 발생층의 어느 일면에 대향되어 위치하는 제1 전극; 및 상기 마찰전기 발생층의 다른 일면에 대향되어 위치하는 제2 전극;을 포함하며, 상기 마찰전기 발생층, 제1 전극 및 제2 전극 중 어느 하나 이상이 골과 마루로 이루어진 하나 이상의 굴곡부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

굴곡진 형태의 마찰전기 발전 소자 및 그 제조방법
본 출원은 2022년 05월 31일자 한국 특허 출원 제10-2022-0067126호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 굴곡진 형태를 가지는 마찰전기 발전 소자에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 성질이 서로 다른 둘 이상의 고분자 물질을 혼합하여 마찰전기를 발생시키는 기존의 마찰전기 발전 소자를 굴곡진 형태로 성형함으로써, 발전량을 증대시킬 뿐만 아니라 지속적인 전력 생산까지도 가능한, 굴곡진 형태의 마찰전기 발전 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
통상적인 압전소자(Piezoelectric device)에 있어서, 유연성이 뛰어난 폴리비닐리덴 플로라이드(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 내구성이 좋지 못하다는 단점이 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 있다. 또한, 기존의 마찰전기 소재는 전극과 마찰소재 간의 접합에 대한 어려움, 그리고 마찰소재들을 소자에 적용하는 공정방법의 상이함으로 인하여 양산이 어렵다는 단점을 가지고 있다. 따라서, 이와 같은 단점들이 보완된 마찰전기 발전 소자의 개발이 요구되어 왔다.
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. 또한, 마찰전기 소자의 한쪽 면은 기판에 고정하고 다른 한 면은 바람에 흔들리게 둠으로써 풍력 발전기로서의 활용 가능성도 보여주었다. 이와 같이, 마찰전기와 관련한 다양한 기술들이 제시되었지만, 발전량이나 효율 측면에서 만족할만한 수준에 이르지는 못하고 있는 실정이었다.
이에, 본 출원인은, 대한민국 특허등록 제10-2213229호(발명의 명칭: 마찰전기 발전 소자 및 그 제조방법, 이하 '제2213229호')를 통하여, 기존의 마찰전기 소자에서 발생하던 문제점들을 해결한 바 있다. 즉, 상기 제2213229호는, 앞서 소개한 통상의 마찰전기 소자와는 다르게, 물리적으로 마찰전기 소재 간에 불필요한 구조를 배제하고, 나노 단위 또는 최대 마이크론 단위의 마찰전기 소재 도메인(domain, 성질이 서로 다른 둘 이상의 고분자 물질) 간의 접촉이 필름의 구부러짐에 의해 떨어지고 붙는 현상을 이용하여 전력을 생산하는 것에 특징이 있다. 이러한 제2213229호는 기존 연구들의 소재 표면 형상을 조절한다는 면에서 발전된 모습이며, 여러 방식의 운동 에너지를 활용하는 방안을 연구하는 것을 계승함으로써 정통성까지 확보한 바 있다.
하지만, 제2213229호와 같이 평평한 필름의 형태로 이루어진 소자의 경우, 소자가 한 번 휠 때 하나의 곡면 변화(즉, 평면에서 곡면으로 변화, 또는 곡면에서 평면으로 변화)만 발생하기 때문에 발전량에 한계가 있는 등, 단위 면적당 발전량이 크지 않아 전력을 많이 요구하는 응용분야로의 활용에 제한이 있고, 또한, 외부의 바람이나 물과 같은 유체로 인해 외부에서 가해지는 힘이 지속적으로 소자를 흔들기가 적합하지 않은 문제(즉, 연속적인 바람 또는 유량에서 평평한 소자가 평형을 이루고 나면, 잔류 진동이 거의 없어 발전이 지속적으로 이루어지지 않는 문제)가 있다.
따라서, 제2213229호와 같이, 성질이 서로 다른 둘 이상의 고분자 물질을 혼합하여 마찰전기를 발생시키는 기작(mechanism)에 의하면서, 발전량을 획기적으로 증대시킬 뿐만 아니라 지속적인 전력 생산까지도 가능하게 한다면, 마찰전기 발전 분야의 새로운 원동력이 될 것으로 예측된다.
따라서, 본 발명의 목적은, 성질이 서로 다른 둘 이상의 고분자 물질을 혼합하여 마찰전기를 발생시키는 기존의 마찰전기 발전 소자를 굴곡진 형태로 성형함으로써, 발전량을 증대시킬 뿐만 아니라 지속적인 전력 생산까지도 가능한, 굴곡진 형태의 마찰전기 발전 소자 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 서로 다른 둘 이상의 고분자를 포함하는 접합(junction) 구조의 마찰부를 포함하는 마찰전기 발생층; 상기 마찰전기 발생층의 어느 일면에 대향되어 위치하는 제1 전극; 및 상기 마찰전기 발생층의 다른 일면에 대향되어 위치하는 제2 전극;을 포함하며, 상기 마찰전기 발생층, 제1 전극 및 제2 전극 중 어느 하나 이상이 골과 마루로 이루어진 하나 이상의 굴곡부를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰전기 발전 소자를 제공한다.
또한, 본 발명은, a) 유전 성질이 상이한 둘 이상의 고분자를 각각 용매에 용해 및 분산시키거나, 용해 및 분산시킨 후 혼합하거나, 유전 성질이 상이한 둘 이상의 고분자를 각각 용융시킨 후 혼합하여 고분자 용액을 제조하는 단계; b) 제1 전극 및 제2 전극 각각의 표면 일부를 마스킹 처리하는 단계; c) 상기 마스킹 처리된 제1 전극 및 제2 전극 중 어느 하나의 전극에 있어서, 마스킹 처리되지 않은 노출 면에 상기 a) 단계에서 제조된 고분자 용액을 공급한 후 건조 또는 경화시켜, 전극 상에 마찰전기 발생층을 형성하는 단계; 및 d) 상기 형성된 마찰전기 발생층의 상부에 나머지 전극을 적층시킨 후 압착하는 단계;를 포함하며, 상기 b) 단계 내지 d) 단계 중 어느 하나 이상의 단계가 수행된 이후에는, 상기 제1 전극, 제2 전극 및 마찰전기 발생층 중 어느 하나 이상을 적층 방향과 수직하는 방향으로 굴곡 성형시키는 것을 특징으로 하는 마찰전기 발전 소자의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 굴곡진 형태의 마찰전기 발전 소자 및 그 제조방법은, 성질이 서로 다른 둘 이상의 고분자 물질을 혼합하여 마찰전기를 발생시키는 기존의 마찰전기 발전 소자를 굴곡진 형태로 성형함으로써, 발전량을 증대시킬 뿐만 아니라 지속적인 전력 생산까지도 가능하다는 장점이 있다. 즉, 본 발명에 따른 굴곡진 형태의 마찰전기 발전 소자는, 다수의 굴곡부를 가지기 때문에 평평한 형태의 소자에 비하여 더 넓은 마찰 면적이 형성되고, 이에 따라 발전량 또한 필연적으로 증가하게 된다. 여기에 더하여, 소자의 굴곡진 표면에 바람, 물과 같은 유체가 흐르면 난류(turbulent flow)가 발생하기 때문에, 소자가 계속 진동하거나 휘어 지속적인 전력 생산이 가능하다.
도 1은 본 발명에 따라 마스킹 처리된 전극의 평면 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자의 평상시 모습(좌도)과 구부러뜨린 상태의 모습(우도)을 모식화한 이미지이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따라 마찰전기 발전 소자에 가해지는 자극에 따른 전기적 성능을 측정한 그래프이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 굴곡진 형태의 마찰전기 발전 소자는, (적층 방향으로 중심부에 위치하며) 서로 다른 둘 이상의 고분자로 이루어진 접합(junction) 구조의 마찰부를 포함하는 마찰전기 발생층, 상기 마찰전기 발생층의 어느 일면에 대향되어 위치하는 제1 전극 및 상기 마찰전기 발생층의 다른 일면에 대향되어 위치하는 제2 전극을 포함하며, 상기 마찰전기 발생층, 제1 전극 및 제2 전극 중 어느 하나 이상이 골과 마루로 이루어진 하나 이상의 굴곡부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 굴곡진 형태의 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 굴곡진 형태의 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 발생층은 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 둘 이상의 고분자가 불균일하게 맞닿아 있는 벌크 이종 접합(bulk-hetero junction)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 발생층의 두께는 1 ㎚ 내지 10,000 ㎛, 바람직하게는 100 ㎚ 내지 5,000 ㎛, 더욱 바람직하게는 1 내지 1,000 ㎛로서, 상기 마찰전기 발생층의 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 집전극 간의 거리가 과도하게 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 고분자로는 제조 단가가 저렴하며 양산이 용이한 소재, 즉 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)) 및 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane(PDMS))을 예시할 수 있다. 그리고, 이들 중 PVC와 PMMA의 혼용, PVC와 PVA의 혼용, PVC와 PVB의 혼용, PP와 PMMA의 혼용 및 PE와 PMMA의 혼용을 바람직한 예로 들 수 있다.
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 인하여, 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 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)을 전도성의 양 전극(제1 전극, 제2 전극) 사이에 위치(또는, 삽입)시킨 후, 방수/방습의 역할을 하는 코팅층과 지지의 역할을 하는 코팅층을 추가로 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 및 제2 전극은 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, carbon felt, 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 전극과 제2 전극은 서로 다른 소재로 각각 구성될 수도 있다. 또한, 상기 제1 전극 및 제2 전극의 두께는 20 nm 내지 5 mm, 바람직하게는 50 nm 내지 1 mm, 더욱 바람직하게는 100 nm 내지 100 um로서, 상기 제1 전극 및 제2 전극의 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 및 제2 전극은, 전선을 결합(접지)시키기 위하여, 각 전극 어느 한 쪽 끝단을 마찰전기 발생층 대비 돌출되게 구성할 수 있다. 또한, 본 발명에서 있어서, 상기 제1 전극 및 제2 전극은 양 전극 간 쇼트(short) 현상을 방지하고, 또한, 마찰전기 발생층의 면적을 소자마다 동일하게 유지하기 위하여, 상기 마찰전기 발생층과 대면되는 부분을 제외한 나머지 외부 노출 면이, 접착 성분이 도포된 테이프나 PP 또는 PE 등의 절연체 물질에 의해 마스킹(Masking) 처리될 수 있다. 도 1은 본 발명에 따라 마스킹 처리된 전극의 평면 모식도로서, 상기 전극의 마스킹 처리는 도 1의 A에 도시된 바와 같이 양쪽 면(도 1-A의 a 및 b)을 대상으로 할 수도 있고, 도 1의 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.
이상의 구성을 포함하는 본 발명의 마찰전기 발전 소자는, 상기 제2 전극, 마찰전기 발생층 및 제1 전극이 적층되는 방향과 수직하는 방향으로 굴곡된 형태를 가진다(다르게 말하면, 상기 마찰전기 발전 소자는 이의 길이 방향 또는 수평 방향으로 굴곡된 형태를 가진다). 구체적으로, 상기 마찰전기 발생층, 제1 전극 및 제2 전극 중 어느 하나 이상이 골과 마루로 이루어진 하나 이상의 굴곡부를 포함한다. 여기서, '골'은 굴곡부 중 가장 낮은 부분(최저점)을 지칭하고, '마루'는 굴곡부 중 가장 높은 부분(최고점)을 지칭하며, 하나의 굴곡부에서 골과 마루는 연속적으로 이어져 이웃한 형태를 가진다.
따라서, 상기 마찰전기 발생층, 제1 전극 및 제2 전극 중 어느 하나 이상은 적층 방향과 수직하는 방향으로 굴곡부를 포함한다. 그리고, 상기 굴곡부는 반복적으로 형성되어 파형(waveform)을 이루는 것이 좋다. 즉, 상기 굴곡부는 골과 마루가 번갈아 위치하며 연속적으로 반복되는 형태인 것이 바람직하다. 이러한 파형의 굴곡부는 일정한 간격을 가지며 반복적으로 형성된 것이거나, 일정하지 않은 간격을 가지며 반복적으로 형성된 것일 수 있다. 다만, 바람 및 물과 같은 유체가 소자의 굴곡진 표면에 흐르며 유도시키는 난류의 안정적이고도 지속적인 발생을 위하여, 굴곡부는 가급적 일정한 간격을 가지며 반복적으로 형성되는 것이 바람직할 수 있다.
그리고, 상기 굴곡부가 일정한 간격을 가지는 경우의 굴곡부 간 간격은, 마찰전기 발전 소자의 규격이나 사용 조건에 따라 달라질 수 있는 등 특별한 제한이 없다. 아울러, 상기 굴곡부의 굴곡 반경 또한 마찰전기 발전 소자의 규격이나 사용 조건에 따라 달라질 수 있는 등 특별한 제한이 없다. 다만, 일 실시 양태로, 약 50 mm × 50 mm의 면적을 가지는 소자를 기준으로 하였을 때, 상기 굴곡부의 굴곡 반경(D)은 약 10 내지 30 mm인 것이 바람직할 수 있다.
또한, 상기 파형은 물결형(
Figure PCTKR2023007312-appb-img-000001
), 쐐기형(
Figure PCTKR2023007312-appb-img-000002
) 및 요철형(
Figure PCTKR2023007312-appb-img-000003
)으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 그리고, 바람 및 물과 같은 유체가 소자의 표면에 흐르며 유도시키는 난류의 안정적이고도 지속적인 발생 측면에서 상기 물결형이 바람직하다. 아울러, 상기 물결형이나 쐐기형이나 요철형으로부터 단순 변형 가능한 형태 또한, 본 발명에 따른 마찰전기 발전 소자의 굴곡된 형태로 속함은 당연하다 할 것이다.
한편, 상기 굴곡부는 본 발명의 마찰전기 발전 소자를 구성하는 마찰전기 발생층, 제1 전극 및 제2 전극 중 어느 하나 이상에 형성될 수 있다. 구체적으로, 상기 굴곡부는 제1 전극에만 형성될 수도 있고, 제2 전극에만 형성될 수도 있으며, 마찰전기 발생층에만 형성될 수도 있다. 또한, 상기 굴곡부는 제1 전극과 제2 전극에만 형성될 수도 있고, 제1 전극과 마찰전기 발생층에만 형성될 수도 있으며, 제2 전극과 마찰전기 발생층에만 형성될 수도 있다. 또한, 상기 굴곡부는 제1 전극, 제2 전극 및 마찰전기 발생층 모두에 형성될 수도 있다.
일 실시 양태로, 상기 마찰전기 발생층이 하나 이상의 굴곡부를 포함하고, 상기 제1 전극 및 제2 전극 중 어느 하나 이상은 평면 형태로서 상기 마찰전기 발생층의 굴곡부 중 다수 개의 마루 또는 다수 개의 골과 접촉할 수 있다.
그리고 이때, 상기 제1 전극 및 제2 전극 중 어느 하나가 굴곡부를 포함하고, 상기 마찰전기 발생층의 굴곡부에 전면적(全面的)으로 접촉할 수 있다.
다른 실시 양태로, 상기 마찰전기 발생층이 하나 이상의 굴곡부를 포함하고, 상기 제1 전극 및 제2 전극 중 어느 하나 이상이 굴곡부를 포함하여 상기 마찰전기 발생층의 굴곡부에 전면적으로 접촉할 수 있다.
그리고 이때, 상기 제1 전극 및 제2 전극 중 어느 하나가 평면 형태이고, 상기 마찰전기 발생층의 굴곡부 중 다수 개의 마루 또는 다수 개의 골과 접촉할 수 있다.
아울러, 상기 굴곡부가 마찰전기 발생층에 형성되면(즉, 상기 마찰전기 발생층이 굴곡된 형태를 가지면), 상기 마찰전기 발생층에 포함된 서로 다른 둘 이상의 고분자 각각에도 굴곡이 형성될 수밖에 없다. 그리고, 이와 같이 마찰전기 발생층에 포함된 고분자 물질들이 모두 굴곡을 가지면, 그렇지 않은 경우(극단적인 예시로, 1종의 고분자 물질만이 굴곡을 가지는 경우)에 비하여 고분자 물질들 간의 접촉 빈도가 보다 많아지고 발전량 또한 증가하게 된다.
또 다른 실시 양태로, 상기 제1 전극 및 제2 전극 중 어느 하나 이상이 하나 이상의 굴곡부를 포함하고, 상기 마찰전기 발생층은 평면 형태로서 상기 제1 전극 및 제2 전극 중 어느 하나 이상의 굴곡부 중 다수 개의 마루 또는 다수 개의 골과 접촉할 수 있다.
다만, 상기 굴곡부는 최소한 하나의 전극과 마찰전기 발생층에 기본적으로 형성되어 전면적으로 접촉하는 것이 바람직하다. 상기 마찰전기 발생층과 이에 전면적으로 접촉하는 전극이 함께 동일한 구조로 굴곡 성형되어야만 발전 유효 면적이 증가하는 등의 이점이 있기 때문이다. 그리고, 상기 마찰전기 발생층과 이의 양측 각각에 전극이 전면적으로 접촉하고, 이들 모두를 함께 동일한 구조로 굴곡 성형시키는 것이 더욱 바람직할 수 있다.
한편, 상기 마찰전기 발전 소자는, 필요에 따라 상기 제1 전극 및 제2 전극 각각의 외주연 또는 외주면에 위치하여 방수, 방습 및 산소 차단 등의 역할을 하는 한 쌍 이상의 제1 코팅층을 더 포함할 수 있고, 추가적으로, 상기 제1 코팅층 각각의 외주연 또는 외주면에 위치하여 지지 등의 역할을 하는 한 쌍 이상의 제2 코팅층을 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 제1 코팅층은 본 발명에 따른 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 코팅층은 마찰전기 발전 소자의 지지 기능을 기본으로 가지고 있고, 상기 제1 코팅층의 기능까지 가질 수 있는 것으로서, 보다 정확하게는 소자에 탄성을 부여하는 층이다. 상기 제2 코팅층의 소재로는 폴리이미드(Polyimide), 폴리에테르에테르키톤(Polyether ether ketone), 이들의 혼합물 및 이들 중 어느 하나 이상과 상기 제1 코팅층을 구성하는 화합물의 혼합물 등을 예시할 수 있으며, 유연하고 질긴 소재와 같이 마찰전기 발전 소자가 지지 기능을 가질 수 있도록 하는 소재라면 특별한 제한 없이 사용될 수 있다.
상기 제1 코팅층의 두께는 100 nm 내지 10 mm, 바람직하게는 1 um 내지 1 mm, 더욱 바람직하게는 10 내지 100 um로서, 상기 제1 코팅층의 두께가 상기 범위를 벗어날 경우에는, 소자의 유연성이 저하되거나 방수/방습 등의 기능을 충분히 수행하지 못하는 문제가 발생할 수 있다. 한편, 상기 제1 코팅층의 양 끝단은, 집전극을 포함하는 소자 전체를 물, 습기 및 산소로부터 보호하기 위하여, 상기 제1 전극 및 제2 전극의 양 끝단 대비 돌출되도록 구성할 수 있다.
또한, 상기 제2 코팅층의 두께는 1 um 내지 10 mm, 바람직하게는 5 um 내지 5 mm, 더욱 바람직하게는 10 um 내지 1 mm로서, 상기 제2 코팅층의 두께가 상기 범위를 벗어날 경우에는, 소자의 유연성이 저하되거나 소자 지지의 기능을 충분히 수행하지 못하는 문제가 발생할 수 있다. 한편, 상기 제1 코팅층과 제2 코팅층의 길이는 동일할 수도 있고, 상기 제2 코팅층의 어느 한 쪽 끝단 또는 양 쪽 끝단이 상기 제1 코팅층 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, 본 발명에 따른 마찰전기 발전 소자는, 필요에 따라, 상기 마찰전기 발생층과 제1 전극의 사이에 개재되는 제1 계면층 및 상기 마찰전기 발생층과 제2 전극의 사이에 개재되는 제2 계면층을 더 포함한다. 그리고, 상기 제1 계면층 및 제2 계면층은 서로 독립적으로 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)) 및 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane(PDMS))으로 이루어진 군으로부터 선택되는 소재를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 마찰전기 발전 소자는, 소자의 성능 향상을 위하여, 필요에 따라, 상기 제1 계면층 및 제2 계면층을 복수층으로 구성하여, 마찰전기 발생층과 교차 적층시킬 수도 있다. 다만, 그 순서에는 특별한 제한이 없고, 소자의 성능을 고려하여 다양한 조합으로 이루어질 수 있다.
상기 제1 계면층 및 제2 계면층은 상기 마찰전기 발생층과의 상호작용 및 마찰전기 발생층에서 전하가 역방향으로 흐르는 것을 방지하여 마찰전기의 발전 정도를 보다 향상시키기 위한 것이다. 상기 제1 계면층과 제2 계면층은 마찰전기(Triboelectric) 극성이 서로 다르며, 예를 들어, 상기 제1 계면층이 PMMA일 경우, 상기 제2 계면층은 PVC일 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 계면층과 제2 계면층 중 어느 하나가 PMMA, Polyamide, Polyvinyl Alcohol, Polybutyral 및 Polystyrene으로 이루어진 군으로부터 선택되면, 나머지 하나의 계면층은 PVC, PDMS, Polypropylene, Polyethylene 및 Polyvinylidine Chloride로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
그밖에, 상기 제1 계면층 및 제2 계면층의 두께는 1 nm 내지 1 mm, 바람직하게는 50 nm 내지 500 um, 더욱 바람직하게는 100 nm 내지 100 um로서, 상기 제1 계면층 및 제2 계면층의 두께가 상기 범위를 벗어날 경우에는, 소자의 유연성이 저하되거나, 소자의 발전 성능이 저하되거나, 마찰전기 발생층에서 역방향으로 움직이는 전하들을 차단하는 역할을 제대로 수행하지 못하는 문제가 발생할 수 있다. 아울러, 이상에서 설명한 제1 코팅층, 제2 코팅층, 제1 계면층 및 제2 계면층 중 어느 하나 이상도 굴곡부를 가질 수 있다. 그리고, 이들의 굴곡부는 제1 전극, 제2 전극 또는 마찰전기 발생층에 적층된 상태로 함께 굴곡되며 이루어질 수 있다.
한편, 지금까지 설명한 마찰전기 발생층, 제1 전극, 제2 전극, 제1 코팅층, 제2 코팅층, 제1 계면층 및 제2 계면층의 너비(가로 × 세로, 위에서 내려다본 모습 기준)에는 특별한 제한이 없으며, 목적으로 하는 마찰전기 발전 소자의 규격 및 특성 등에 따라 다양하게 가변될 수 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 마찰전기 발전 소자의 제조방법에 대하여 설명한다. 상기 마찰전기 발전 소자의 제조방법은, a) 유전 성질이 상이한 둘 이상의 고분자를 각각 용매에 용해 및 분산시키거나, 용해 및 분산시킨 후 혼합하거나, 유전 성질이 상이한 둘 이상의 고분자를 각각 용융시킨 후 혼합하여 고분자 용액을 제조하는 단계, b) 제1 전극 및 제2 전극 각각의 표면 일부를 마스킹 처리하는 단계, c) 상기 마스킹 처리된 제1 전극 및 제2 전극 중 어느 하나의 전극에 있어서, 마스킹 처리되지 않은 노출 면에 상기 a) 단계에서 제조된 고분자 용액을 공급한 후 건조 또는 경화시켜, 전극 상에 마찰전기 발생층(또는 고분자 복합 필름)을 형성하는 단계 및 d) 상기 마찰전기 발생층의 상부에 (마찰전기 발생층이 형성되지 않은) 나머지 전극을 적층시킨 후 압착하는 단계를 포함하며, 상기 b) 단계 내지 d) 단계 중 어느 하나 이상의 단계가 수행된 이후에는, 상기 제1 전극, 제2 전극 및 마찰전기 발생층 중 어느 하나 이상을 적층 방향과 수직하는 방향으로 굴곡 성형시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따라, 마찰전기 발전 소자를 제조하기 위해서는, 먼저, 유전 성질이 상이한 둘 이상의 고분자를 각각 용매에 용해 및 분산시키거나, 용해 및 분산시킨 후 혼합하여 고분자 용액을 제조하거나, 유전 성질이 상이한 둘 이상의 고분자를 각각 용융시킨 후 혼합하여 고분자 용액을 제조한다(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 소자에 대한 설명 시 기술한 내용을 준용한다. 한편, 유전 성질이 상이한 둘 이상의 고분자를 각각 용매에 용해 및 분산시킨 후 혼합하지 않는 경우에는, 전극 상에 각 고분자 용액을 순차 공급함으로써 완전한 적층형의 마찰전기 발전 소자가 제조될 수 있다.
상기 고분자를 용매에 용해 및 분산시키는 것은, 고분자의 양산성을 보다 향상시키기 위한 본 발명 고유의 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 전극 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 소자에 대한 설명 시 기술한 전극 및 마스킹의 내용을 준용한다.
상기 각 전극의 표면을 마스킹 처리한 후에는, 상기 제1 전극 및 제2 전극 중 어느 하나의 전극상에(정확하게는, 전극의 마스킹 처리되지 않은 노출 면에), 상기 a) 단계에서 제조된 고분자 용액을 공급(도포)한 후 건조 또는 경화시켜, 하나의 전극 상에 마찰전기 발생층(또는 고분자 복합 필름)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 발생층의 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 집전극 간의 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 용액을 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 수도 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 수행되어도 무방하다.
상기와 같이 전극 상에 마찰전기 발생층이 형성되면, 상기 마찰전기 발생층의 상부에 상기 마찰전기 발생층이 형성되지 않은 나머지 전극을 적층시킨 후 압착한다(d 단계). 상기 압착은 롤 프레스 방식 및 핫 프레스 방식 등의 통상적인 압착 방식을 통해 40 내지 250 ℃의 온도 및 1 gF 내지 100 kgF의 압력 하에서 수행될 수 있다.
그리고, 상기 b) 단계 내지 d) 단계 중 어느 하나 이상의 단계가 수행된 이후에는, 상기 제1 전극, 제2 전극 및 마찰전기 발생층 중 어느 하나 이상을 적층되는 방향과 수직하는 방향으로 굴곡 성형시킨다. 즉, 다시 말해, 상기 제1 전극, 제2 전극 및 마찰전기 발생층 중 어느 하나 이상이 골과 마루로 이루어진 하나 이상의 굴곡부를 포함하도록 성형시킨다.
구체적으로, 상기 b) 단계가 완료된 시점에서는, 제1 전극 및 제2 전극 중 어느 하나 이상을 굴곡 성형시킬 수 있다. 또한, 상기 c) 단계가 완료된 시점에서는, 마스킹 처리된 제1 전극 및 제2 전극 중 어느 하나의 전극 또는 마찰전기 발생층을 별도로 각각 굴곡 성형시킬 수도 있고, 마스킹 처리된 제1 전극 및 제2 전극 중 어느 하나의 전극과 마찰전기 발생층을 함께 굴곡 성형시킬 수도 있다. 또한, 상기 d) 단계가 완료된 시점에서는, 제1 전극, 제2 전극 및 마찰전기 발생층을 함께 굴곡 성형시킬 수 있다(즉, 상기 c) 단계가 수행된 이후에 전극을 굴곡 성형시키면, 마찰전기 발생층도 함께 굴곡 성형시킬 수 있다).
상기 굴곡 성형은 소자의 굴곡부 형태에 대응되는 굴곡 패턴이 형성된 열판 코팅기를 통해 이루어질 수 있다(즉, 상기 굴곡부가 반복적으로 형성되어 파형을 이루도록, 상기 제1 전극, 제2 전극 및 마찰전기 발생층 중 어느 하나 이상을 굴곡 패턴이 형성된 열판 코팅기로 성형시킬 수 있다). 다만, 이에 제한되는 것은 아니며, 소자를 굴곡시켜 굴곡된 형태를 유지할 수만 있다면 그 수단에는 특별한 제한이 없다. 한편, 열판 코팅기 등을 이용한 굴곡 성형은 열간 성형으로, 이때의 온도는 80 내지 100 ℃일 수 있다.
한편, 마찰전기 발전 소자의 제조방법은, 필요에 따라 e) 상기 제1 전극 및 제2 전극의 각 외주면에 제1 코팅층을 형성하는 단계 및 f) 상기 제1 코팅층의 각 외주면에 제2 코팅층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 c) 단계 및 d) 단계 중 어느 하나 이상의 단계가 수행된 이후 또는 굴곡 성형을 시키는 중에는, 상기 마찰전기 발생층을 어닐링시키는 공정이 추가로 수행될 수 있다. 상기 어닐링 공정은 마찰전기 발생층을 일정 온도로 만든 후, 해당 온도에서 일정 시간 동안 유지시키고, 이어서 실온으로 냉각시키는 과정으로서, 상기 마찰전기 발생층 내부의 고분자들의 결집도 조절을 통한 총 접합면적 조절에 따라 발전 효율을 최적화하는 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 어닐링 공정이 수행되는 경우, 상기 마찰전기 발생층과 제1 전극의 사이, 그리고 상기 마찰전기 발생층과 제2 전극의 사이 각각에(또는, 마찰전기 발생층의 양면에), 계면층(제1 계면층 및 제2 계면층)이 형성될 수 있다. 이는, 어닐링 공정 시 가열에 의해 마찰전기 발생층의 고분자가 상하부로 새어 나오는 현상으로서 밀도 차이에 의한 것이며, 상기 제1 계면층 및 제2 계면층은 마찰전기 극성이 상호 반대인 고분자로 형성되도록 유도 가능하다.
그리고, 상기 계면층은 어닐링 공정에 의해 형성되는 방법 이외에, 전극 상에 마찰전기 발생층(또는 고분자 복합 필름)을 형성시키기 전 등의 시점에 의도적으로 형성될 수 있다. 따라서, 제1 계면층 및 제2 계면층을 복수층으로 구성하여, 마찰전기 발생층과 교차 적층시킬 수도 있다. 다만, 그 순서에는 특별한 제한이 없으며, 소자 성능을 고려하여 다양한 조합으로 이루어질 수 있다.
한편, 상기 e) 단계의 제1 코팅층을 형성한 후, 또는 상기 f) 단계의 제2 코팅층을 형성한 후에도, 필요에 따라 어닐링 공정이 추가로 수행될 수 있으며, 그밖에, 상기 제1 코팅층 및 제2 코팅층의 소재 및 두께 등에 관한 설명은, 상기 마찰전기 발전 소자에 대한 설명 시 기술한 내용을 준용한다.
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] 굴곡진 형태의 마찰전기 발전 소자의 제조
먼저, PVC를 Tetrahydrofuran(THF)에 0.1 g/mL의 농도로 상온에서 용해시키고, PMMA 또한 THF에 0.1 g/mL의 농도로 동일하게 상온에서 용해시킨 후, PVC 용액과 PMMA 용액을 7 : 3의 중량비로 혼합하여 고분자 혼합액을 제조하였다.
다음으로, 아크릴 접착제가 도포된 PET 코팅 필름의 표면상에 4.8 cm × 10.8 cm × 50 μm의 크기를 가지는 알루미늄 기판 테이프를 부착하고, 이의 표면을 아세톤으로 세척한 후 도 1에 도시된 바와 같은 형태로 1.5 cm × 6 cm의 면적(Exposed Electrode, 알루미늄 기판 테이프 노출부)을 제외한 나머지 부분을 스카치 테이프로 마스킹 처리한 전극 필름을 2장 준비하였다.
이어서, 앞서 제조된 PVC-PMMA 고분자 혼합액을 실린지로 추출한 후, 이를 상기 마스킹 처리된 전극 필름 1장의 노출면(알루미늄 기판 테이프 노출부)에 블레이드 나이프(blade knife)로 도포하고 팬(fan)으로 건조시켜 마찰전기 발생층을 형성시켰다. 이후, 형성된 마찰전기 발생층의 상부면(표면)에 PVC-PMMA 고분자 혼합액을 추가로 도포 및 건조시켰다(도포 및 건조 방식은 1회차 도포 및 건조 시와 동일). 그리고, 앞서 마스킹 처리된 나머지 전극 필름 1장을 마찰전기 발생층의 표면에 겹치게 올린 후 상온 압착 코팅을 하였다.
마지막으로, 굴곡 반경이 20 mm이고 이러한 굴곡 패턴이 반복적으로 형성되어 있는 열판 코팅기(제품명: 320S, 제조사: 코라미)를 이용하여, 최상부 및 최하부 각각에 위치하는 PET 코팅 필름을 동시에 물결 형태로 성형 및 어닐링시킴으로써(이때, 성형 온도는 약 70 ~ 120 ℃로 하였다), 굴곡진 형태의 마찰전기 발전 소자를 제조하였다. 한편, 최상부 및 최하부 각각에 위치하는 PET 코팅 필름을 물결 형태로 성형시킴에 따라, 이들의 사이에 개재된 마찰전기 발생층까지 동일한 물결 형태로 성형되었다(즉, 소자 전체가 연속된 물결 형태로 형성).
[비교예 1] 마찰전기 발전 소자의 제조
소자를 물결 형태로 성형시키지 않는 대신 상온 압착 코팅 후 핫 롤-프레스(Hot roll press)를 이용하여 77 ℃에서 약 5초 간 어닐링시킨 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여, 마찰전기 발전 소자를 제조하였다.
[실험예 1] 마찰전기 발생량 평가
상기 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 마찰전기 발전 소자의 양 전극과 멀티미터(제품명: DMM7510, 제조사: Keithley)를 전선으로 연결한 후, 초당 3 번씩(3 Hz) 소자를 상하로 구부러뜨리는 과정을 각 8회씩 반복하며 전기적 성능(Power, ㎼)의 변화를 측정하였다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자의 평상시 모습(좌도)과 구부러뜨린 상태의 모습(우도)을 모식화한 이미지로서, 이를 통해, 굴곡진 형태(또는, 주름진 형태)의 마찰전기 발전 소자를 구부러뜨리면 주름진 곡면이 줄어든 부분과 늘어난 부분이 공존하게 되고, 소자를 구부뜨리는 동작을 반복하게 되면 그만큼의 마찰 면적이 늘어나 발전량이 증가할 수밖에 없음을 예측할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따라 마찰전기 발전 소자에 가해지는 자극에 따른 전기적 성능을 측정한 그래프이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 굴곡진 형태를 가지는 실시예 1의 마찰전기 발전 소자는, 외부 자극을 받을 때마다 생산되는 전력값 간의 차이가 클뿐만 아니라 전체적으로 높은 전력값을 나타내어, 지속적이고도 우수한 발전이 가능함을 알 수 있다. 반면, 일반적으로 사용되는 평면 형태의 마찰전기 발전 소자(비교예 1)는, 외부 자극을 받아도 대체로 일정한 전력값을 나타내었을뿐만 아니라, 전체적으로 낮은 전력값을 나타내었다. 이상을 통해, 마찰전기 발전 소자에 동일한 주기로 같은 힘을 가하더라도, 소자가 굴곡을 가지는 지의 여부에 따라 발전 성능이 크게 달라짐을 확인할 수 있었다.

Claims (20)

  1. 서로 다른 둘 이상의 고분자를 포함하는 접합(junction) 구조의 마찰부를 포함하는 마찰전기 발생층;
    상기 마찰전기 발생층의 어느 일면에 대향되어 위치하는 제1 전극; 및
    상기 마찰전기 발생층의 다른 일면에 대향되어 위치하는 제2 전극;을 포함하며,
    상기 마찰전기 발생층, 제1 전극 및 제2 전극 중 어느 하나 이상이 골과 마루로 이루어진 하나 이상의 굴곡부를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰전기 발전 소자.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 마찰전기 발생층, 제1 전극 및 제2 전극 중 어느 하나 이상이 적층 방향과 수직하는 방향으로 굴곡부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 마찰전기 발전 소자.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 굴곡부가 반복적으로 형성되어 파형을 이루는 것을 특징으로 하는, 마찰전기 발전 소자.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 파형의 굴곡부가 일정한 간격을 가지며 반복적으로 형성된 것이거나, 일정하지 않은 간격을 가지며 반복적으로 형성된 것을 특징으로 하는, 마찰전기 발전 소자.
  5. 청구항 3에 있어서, 상기 파형이 물결형, 쐐기형 및 요철형으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 마찰전기 발전 소자.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 마찰전기 발생층이 하나 이상의 굴곡부를 포함하고, 상기 제1 전극 및 제2 전극 중 어느 하나 이상은 평면 형태로서 상기 마찰전기 발생층의 굴곡부 중 다수 개의 마루 또는 다수 개의 골과 접촉하는 것을 특징으로 하는, 마찰전기 발전 소자.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 제1 전극 및 제2 전극 중 어느 하나가 굴곡부를 포함하고, 상기 마찰전기 발생층의 굴곡부에 전면적으로 접촉하는 것을 특징으로 하는, 마찰전기 발전 소자.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 마찰전기 발생층이 하나 이상의 굴곡부를 포함하고, 상기 제1 전극 및 제2 전극 중 어느 하나 이상이 굴곡부를 포함하여 상기 마찰전기 발생층의 굴곡부에 전면적으로 접촉하는 것을 특징으로 하는, 마찰전기 발전 소자.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 제1 전극 및 제2 전극 중 어느 하나가 평면 형태이고, 상기 마찰전기 발생층의 굴곡부 중 다수 개의 마루 또는 다수 개의 골과 접촉하는 것을 특징으로 하는, 마찰전기 발전 소자.
  10. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 전극 및 제2 전극 중 어느 하나 이상이 하나 이상의 굴곡부를 포함하고, 상기 마찰전기 발생층은 평면 형태로서 상기 제1 전극 및 제2 전극 중 어느 하나 이상의 굴곡부 중 다수 개의 마루 또는 다수 개의 골과 접촉하는 것을 특징으로 하는, 마찰전기 발전 소자.
  11. 청구항 1에 있어서, 상기 마찰부는 나노미터 내지 마이크로미터 단위의 접합부들로 이루어져 있고, 상기 접합부는 서로 다른 둘 이상의 고분자가 불균일하게 맞닿아 있는 벌크 이종 접합(bulk-hetero junction)의 구조를 가지거나 다중 접합(multi junction)의 구조를 가지는 것을 특징으로 하는, 마찰전기 발전 소자.
  12. 청구항 1에 있어서, 상기 서로 다른 둘 이상의 고분자는 폴리아미드, 폴리비닐알코올, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리에스테르, 폴리우레탄, 폴리비닐부티랄, 폴리아크릴로니트릴, 천연고무, 폴리스티렌, 폴리염화비닐리덴, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리이미드, 폴리염화비닐 및 폴리디메틸실록산으로 이루어진 군으로부터 각각 선택되는 것을 특징으로 하는, 마찰전기 발전 소자.
  13. 청구항 1에 있어서, 상기 마찰전기 발전 소자가 상기 제1 전극 및 제2 전극 각각의 외주연 또는 외주면에 위치하는 한 쌍 이상의 제1 코팅층; 및 상기 제1 코팅층 각각의 외주연 또는 외주면에 위치하는 한 쌍 이상의 제2 코팅층;을 더 포함하고,
    상기 제1 코팅층 및 제2 코팅층 중 어느 하나 이상이 굴곡부를 가지는 것을 특징으로 하는, 마찰전기 발전 소자.
  14. 청구항 13에 있어서, 상기 제1 코팅층이 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 코팅층이 폴리이미드, 폴리에테르에테르키톤, 이들의 혼합물 및 이들 중 어느 하나 이상과 상기 제1 코팅층을 구성하는 화합물의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 마찰전기 발전 소자.
  15. 청구항 1에 있어서, 상기 마찰전기 발전 소자가 상기 마찰전기 발생층과 제1 전극의 사이에 개재되는 제1 계면층; 및 상기 마찰전기 발생층과 제2 전극의 사이에 개재되는 제2 계면층;을 더 포함하고,
    상기 제1 계면층 및 제2 계면층은 마찰전기 극성이 서로 다르며,
    상기 제1 계면층 및 제2 계면층 중 어느 하나 이상이 굴곡부를 가지는 것을 특징으로 하는, 마찰전기 발전 소자.
  16. a) 유전 성질이 상이한 둘 이상의 고분자를 각각 용매에 용해 및 분산시키거나, 용해 및 분산시킨 후 혼합하거나, 유전 성질이 상이한 둘 이상의 고분자를 각각 용융시킨 후 혼합하여 고분자 용액을 제조하는 단계;
    b) 제1 전극 및 제2 전극 각각의 표면 일부를 마스킹 처리하는 단계;
    c) 상기 마스킹 처리된 제1 전극 및 제2 전극 중 어느 하나의 전극에 있어서, 마스킹 처리되지 않은 노출 면에 상기 a) 단계에서 제조된 고분자 용액을 공급한 후 건조 또는 경화시켜, 전극 상에 마찰전기 발생층을 형성하는 단계; 및
    d) 상기 형성된 마찰전기 발생층의 상부에 나머지 전극을 적층시킨 후 압착하는 단계;를 포함하며,
    상기 b) 단계 내지 d) 단계 중 어느 하나 이상의 단계가 수행된 이후에는, 상기 제1 전극, 제2 전극 및 마찰전기 발생층 중 어느 하나 이상을 적층 방향과 수직하는 방향으로 굴곡 성형시키는 것을 특징으로 하는 마찰전기 발전 소자의 제조방법.
  17. 청구항 16에 있어서, 상기 제1 전극, 제2 전극 및 마찰전기 발생층 중 어느 하나 이상이 골과 마루로 이루어진 하나 이상의 굴곡부를 포함하도록 성형되는 것을 특징으로 하는, 마찰전기 발전 소자의 제조방법.
  18. 청구항 17에 있어서, 상기 굴곡부가 반복적으로 형성되어 파형을 이루도록, 상기 제1 전극, 제2 전극 및 마찰전기 발생층 중 어느 하나 이상을 굴곡 패턴이 형성된 열판 코팅기로 성형시키는 것을 특징으로 하는, 마찰전기 발전 소자.
  19. 청구항 16에 있어서, 상기 c) 단계가 수행된 이후에 전극을 굴곡 성형시키면, 마찰전기 발생층도 함께 굴곡 성형되는 것을 특징으로 하는, 마찰전기 발전 소자의 제조방법.
  20. 청구항 16에 있어서, 상기 c) 단계 및 d) 단계 중 어느 하나 이상의 단계가 수행된 이후 또는 굴곡 성형을 시키는 중에, 상기 마찰전기 발생층을 어닐링시키는 공정이 추가로 수행되는 것을 특징으로 하는, 마찰전기 발전 소자의 제조방법.
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20140141171A (ko) * 2013-05-31 2014-12-10 전자부품연구원 마찰전기 발생장치
KR101881481B1 (ko) * 2017-03-06 2018-07-24 포항공과대학교 산학협력단 필름 덮인 탄성체 기둥을 갖는 마찰전기 나노발전소자 및 그의 제조방법
KR20210011241A (ko) * 2019-07-22 2021-02-01 울산과학기술원 마찰전기 생성장치 및 그 장치의 제조방법
KR102213229B1 (ko) * 2017-11-22 2021-02-04 송찰스기석 마찰전기 발전 소자 및 그 제조방법
KR20210077157A (ko) * 2019-12-17 2021-06-25 송찰스기석 분리막이 적용된 마찰전기 발전 소자 및 그 제조방법

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20140141171A (ko) * 2013-05-31 2014-12-10 전자부품연구원 마찰전기 발생장치
KR101881481B1 (ko) * 2017-03-06 2018-07-24 포항공과대학교 산학협력단 필름 덮인 탄성체 기둥을 갖는 마찰전기 나노발전소자 및 그의 제조방법
KR102213229B1 (ko) * 2017-11-22 2021-02-04 송찰스기석 마찰전기 발전 소자 및 그 제조방법
KR20210011241A (ko) * 2019-07-22 2021-02-01 울산과학기술원 마찰전기 생성장치 및 그 장치의 제조방법
KR20210077157A (ko) * 2019-12-17 2021-06-25 송찰스기석 분리막이 적용된 마찰전기 발전 소자 및 그 제조방법

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