KR101958807B1 - Hierarchical polymers based self-powered triboelectric sensors and manufacturing method of the same - Google Patents

Abstract

The present invention relates to a flexible triboelectric self-powered sensor based on a hierarchical polymer and a manufacturing method thereof. The flexible triboelectric self-powered sensor based on a hierarchical polymer comprises: a first polymer layer having a plurality of micro-ridges regularly arranged in a hexagonal shape and having an internal porous hierarchical structure; and a second polymer layer having the plurality of micro-ridges regularly arranged in the hexagonal shape on a surface facing one surface of the first polymer layer and having the internal porous hierarchical structure, wherein the first and second polymer layers are coupled with an interlocked structure.

Description

계층구조 폴리머 기반의 유연한 마찰전기 자가발전 센서 및 이의 제조 방법{Hierarchical polymers based self-powered triboelectric sensors and manufacturing method of the same}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a tribological polymer-based flexible triboelectrically powered sensor and a manufacturing method thereof.

본 발명은 계층구조 폴리머 기반의 유연한 마찰전기 자가발전 센서 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 유전체 폴리머층의 내부에 형성된 나노 다공성 구조와 일면에 형성된 미세리지 배열을 포함하고, 상이한 탄성률을 가진 폴리머층이 서로 마주보도록 배치된 인터록 구조를 포함하는 폴리머 기반의 유연한 마찰전기 자가발전 센서 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a layered polymer-based flexible tactile electroluminescent sensor and a method of fabricating the same, and more particularly, to a flexible tactile electroluminescence sensor including a nanoporous structure formed inside a dielectric polymer layer and a micro- And a method of manufacturing the same. 2. Description of the Related Art

종래의 바이오 센서 및 웨어러블 기기들은 시계, 팔찌 등 단순히 신체의 특정 부분에만 장착하는 스마트 기기에 그치고 있다. 이에 따라 생체 변화를 효과적으로 감지할 수 있는 센서의 민감도를 확보하는 데에 한계가 있다. 또한, 종래의 웨어러블 기기들은 착용이 불편하고, 신체에 부착되기 위한 유연성 또는 장시간동안 사용할 수 있는 충전량을 충분히 확보하지 못하는 문제점이 있다.Conventional biosensors and wearable devices are limited to smart devices such as watches, bracelets, etc., which are simply mounted on specific parts of the body. Accordingly, there is a limit to securing the sensitivity of a sensor capable of effectively detecting a biological change. In addition, the conventional wearable devices are inconvenient to wear, have a problem in that they are not flexible enough to be attached to the body, or can not secure sufficient chargeable amount for a long time.

웨어러블 기기를 오랜 시간 편리하게 이용하기 위한 방법으로 웨어러블 기기의 주변 에너지원으로부터 에너지를 얻을 수 있는 자가동력 시스템이 하나의 방법이 될 수 있다.A self-powered system capable of obtaining energy from the surrounding energy source of a wearable device can be a method for using the wearable device for a long time and conveniently.

자가동력 시스템으로는 신체의 에너지를 웨어러블 기기에서 이용 가능한 전기로 변환시킬 수 있는 압전기, 열전기, 전자기 또는 마찰전기 효과를 사용하는 에너지 변환 시스템이 이용될 수 있다.As an autonomous power system, an energy conversion system using a piezoelectric, thermoelectric, electromagnetic or triboelectric effect capable of converting body energy into wearable electric power can be used.

마찰전기를 이용한 에너지 변환 시스템은 다른 시스템들과 비교하여 일상생활에서 가장 많은 전하를 발생시킬 수 있어 웨어러블 기기에 적용시키기 적합하다.The energy conversion system using triboelectricity can generate the most electric charge in everyday life as compared with other systems, and is suitable for wearable devices.

웨어러블 기기에 마찰전기 자가발전 센서를 적용시키기 위하여, 마찰전기를 통한 전하 발생이 일정하게 이루어질 수 있는 디자인이 요구된다. 마찰전기 자가발전 센서는 습도에 민감하므로, 습도의 영향을 적게 받도록 마찰전기 장치의 패키징 및 실링이 필요하다.In order to apply a friction electric self-generating sensor to a wearable device, there is a demand for a design in which charge generation through triboelectricity can be constant. Because the triboelectrically powered sensor is sensitive to humidity, packaging and sealing of the triboelectric device is required to be less affected by humidity.

그러나 기존의 마찰전기 장치는 두 마찰표면 사이의 거리 확보를 위하여 멀티레이어, 3D 적층, 아치형 및 스프링 구조와 같은 부피가 큰 디자인으로 개발되었고, 이로 인해 패키징 및 웨어러블 기기로의 적용이 용이하지 않은 문제점이 있다. However, existing triboelectric devices have been developed with bulky designs such as multilayer, 3D laminate, arcuate, and spring structures for securing the distance between two friction surfaces, which makes it difficult to apply to packaging and wearable devices .

한국등록특허 제10-1645132호는 형상기억 폴리머 지지체를 이용한 정전기 에너지 발전소자에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 접촉 및 비접촉(또는 마찰)에 의한 정전기를 전기에너지로 변환하여 전력을 생산할 수 있는 형상기억 폴리머 지지체를 이용한 정전기 에너지 발전소자에 관한 것이다.Korean Patent No. 10-1645132 relates to an electrostatic energy generating device using a shape memory polymer support, and more particularly, to a shape memory (electrostatic) energy generating device using a shape memory polymer support that is capable of generating electric power by converting static electricity caused by contact and noncontact To a static electricity energy generating device using a polymer support.

본 발명은 종래의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로써, 유전체인 폴리[(비닐리덴플루오라이드-코-트라이플루오로에틸렌)](poly[(vinylidenefluoride-co-trifluoroethylene)]: P(VDF-TrFE))으로 이루어진 제1 폴리머층 및 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane: PDMS)으로 이루어진 제2 폴리머층을 포함하는 폴리머 기반의 유연한 마찰전기 자가발전 센서 및 이의 제조방법을 제공할 수 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the conventional problems, and it is an object of the present invention to provide a poly [(vinylidene fluoride-co-trifluoroethylene)]: P (VDF-TrFE ) And a second polymer layer made of polydimethylsiloxane (PDMS), and a method of manufacturing the same.

구체적으로, 서로 상이한 탄성률을 가진 폴리머층의 일면에 형성된 돌출된 미세리지(micro-ridge)와 폴리머층의 내부에 형성된 다공성 구조 및 표면에 형성된 버클링(buckling) 구조를 통해 종래의 센서에 비해 효과적인 압력전달이 가능하며 유연성, 압력 민감도 및 출력전원 밀도가 향상된 폴리머 기반의 유연한 마찰전기 자가발전 센서 및 이의 제조방법을 제공할 수 있다.In particular, the micro-ridges formed on one side of the polymer layer having different elastic moduli from each other, and the porous structure formed inside the polymer layer and the buckling structure formed on the surface, A flexible polymer based, friction self-powered sensor capable of pressure transfer and enhanced flexibility, pressure sensitivity and output power density, and a method of manufacturing the same.

본 발명에 따른 폴리머 기반의 유연한 마찰전기 자가발전 센서는 일면에 복수의 미세리지들이 규칙적으로 육각 배열된 제1 폴리머층; 및 상기 제1 폴리머층의 일면과 마주보는 면에 복수의 미세리지들이 규칙적으로 육각 배열된 제2 폴리머층;을 포함하고, 상기 제1 폴리머층과 제2 폴리머층은 인터록(interlocked) 구조로 결합될 수 있다.A polymer-based flexible triboelectrically powered sensor according to the present invention comprises a first polymer layer having a plurality of micro-ridges regularly hexagonally arranged on one surface thereof; And a second polymer layer having a plurality of micro-ridges regularly hexagonal arranged on a surface of the first polymer layer, the first polymer layer and the second polymer layer being interlocked with each other, .

상기 제1 폴리머층은 탄성률이 1GPa 내지 3GPa인 폴리[비닐리덴플루오라이드-코-트라이플루오로에틸렌](poly[vinylidenefluoride-co-trifluoroethylene]: P(VDF-TrFE))을 포함하고, 상기 제2 폴리머층은 탄성률이 최소 1MPa 내지 3MPa인 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane: PDMS)을 포함할 수 있다.Wherein the first polymer layer comprises poly [vinylidenefluoride-co-trifluoroethylene] (P (VDF-TrFE)) having a modulus of elasticity of 1 GPa to 3GPa, The polymer layer may comprise polydimethylsiloxane (PDMS) having a modulus of elasticity of at least 1 MPa to 3 MPa.

상기 제1 폴리머층과 제2 폴리머층은, 상기 제1 폴리머층의 일면에 형성된 미세리지들이 상기 제2 폴리머층의 일면에 형성된 미세리지들의 사이의 공간에 위치하여 맞물리도록 배치될 수 있다.The first polymer layer and the second polymer layer may be arranged such that fine ridges formed on one surface of the first polymer layer are positioned and engaged with spaces between fine ridges formed on one surface of the second polymer layer.

상기 제1 폴리머층은, 상기 제1 폴리머층의 내부에 형성된 나노다공성 구조와 표면에 형성된 버클링(buckling) 구조를 포함할 수 있다.The first polymer layer may include a nanoporous structure formed inside the first polymer layer and a buckling structure formed on the surface.

상기 제2 폴리머층은 표면과 내부에 형성된 다공성 구조를 포함할 수 있다.The second polymer layer may comprise a porous structure formed on the surface and inside.

상기 폴리머 기반의 유연한 마찰전기 자가발전 센서는, 상기 제1 폴리머층 및 제2 폴리머층의 미세리지가 형성되지 않은 면에 코팅된 전극층을 더 포함하고, 상기 전극층은 금속의 필름 및 나노와이어가 순차적으로 코팅될 수 있다.The polymer based flexible triboelectrically powered sensor further comprises an electrode layer coated on the surface of the first polymer layer and the second polymer layer where the micro-ridges are not formed, wherein the electrode layer is formed of a metal film and nanowires sequentially ≪ / RTI >

상기 금속은, 금, 은, 백금, 철 또는 구리 중 적어도 하나일 수 있다.The metal may be at least one of gold, silver, platinum, iron or copper.

상기 제1 폴리머층, 제2 폴리머층 및 전극을 실링하는 투명한 플렉서블 패키징재를 더 포함할 수 있다.And a transparent flexible packaging material sealing the first polymer layer, the second polymer layer and the electrodes.

상기 제1 폴리머층 및 제2 폴리머층에 형성된 미세리지의 크기는, 직경이 25㎛ 내지 100㎛이고, 상기 제1 폴리머층 및 제2 폴리머층에 형성된 미세리지들의 간격은, 30㎛ 내지 200㎛일 수 있다.The size of the fine ridges formed in the first polymer layer and the second polymer layer is 25 mu m to 100 mu m in diameter and the interval of the fine ridges formed in the first polymer layer and the second polymer layer is 30 mu m to 200 mu m Lt; / RTI >

상기 미세리지들의 간격은 미세리지의 직경에 대하여 1.2배 내지 2배의 비율일 수 있다.The spacing of the micro-ridges may be a ratio of 1.2 to 2 times the diameter of the micro-ridges.

본 발명에 따른 폴리머 기반의 유연한 마찰전기 자가발전 센서 제조 방법은 고분자 유전체 및 극성 용매를 혼합하여 제1 혼합물 및 제2 혼합물을 제조하는 단계; 상기 제1 혼합물 및 제2 혼합물을 일면에 반구형상으로 오목하게 함몰된 복수개의 홈들이 규칙적으로 배열된 패턴을 갖는 Si 몰드에 주입하고 경화시키는 단계; 및 상기 제1 혼합물이 경화된 제1 폴리머층과 상기 제2 혼합물이 경화된 제2 폴리머층을 인터록 구조로 배치하여 센서 모듈을 제조하는 단계;를 포함할 수 있다.A method of manufacturing a polymer-based flexible triboelectrically powered sensor according to the present invention comprises: preparing a first mixture and a second mixture by mixing a polymer dielectric and a polar solvent; Injecting and curing the first mixture and the second mixture into a Si mold having a regularly arranged pattern of a plurality of recesses recessed in a semispherical shape on one surface thereof; And arranging a first polymer layer in which the first mixture is cured and a second polymer layer in which the second mixture is cured in an interlock structure to produce a sensor module.

상기 제1 혼합물을 제조하는 단계는, 탄성률이 1GPa 내지 3GPa인 P(VDF-TrFE)를 극성 용매와 혼합하고, 상기 제2 혼합물을 제조하는 단계는, 탄성률이 1MPa 내지 3MPa인 PDMS를 극성 용매와 혼합할 수 있다.The step of preparing the first mixture includes mixing P (VDF-TrFE) having a modulus of elasticity of 1 GPa to 3GPa with a polar solvent, and the step of preparing the second mixture comprises mixing PDMS having a modulus of elasticity of 1 MPa to 3 MPa with a polar solvent Can be mixed.

상기 제1 폴리머층과 제2 폴리머층은 일면에 규칙적으로 육각 배열된 복수개의 미세리지들을 포함하고, 상기 제1 폴리머층과 제2 폴리머층에 형성된 미세리지의 크기는, 직경이 25㎛ 내지 100㎛이고, 상기 제1 폴리머층과 제2 폴리머층에 형성된 미세리지들의 간격은, 30㎛ 내지 200㎛일 수 있다.Wherein the first polymer layer and the second polymer layer include a plurality of micro-ridges regularly hexagonal arranged on one surface thereof, and the size of the micro-ridges formed in the first polymer layer and the second polymer layer is in the range of 25 占 퐉 to 100 Mu m, and the interval between the fine ridges formed in the first polymer layer and the second polymer layer may be 30 mu m to 200 mu m.

상기 미세리지들의 간격은 미세리지의 직경에 대하여, 1.2배 내지 2배의 비율일 수 있다.The spacing of the micro-ridges may be a ratio of 1.2 to 2 times the diameter of the micro-ridges.

상기 제1 폴리머층과 제2 폴리머층은, 상기 제1 폴리머층의 일면에 형성된 미세리지들이 상기 제2 폴리머층의 일면에 형성된 미세리지들의 사이의 공간에 위치하여 맞물리도록 배치될 수 있다.The first polymer layer and the second polymer layer may be arranged such that fine ridges formed on one surface of the first polymer layer are positioned and engaged with spaces between fine ridges formed on one surface of the second polymer layer.

센서 모듈을 제조하는 단계는, 상기 제1 폴리머층 및 제2 폴리머층에 미세리지가 형성되지 않은 면에 전극을 코팅하는 단계를 더 포함하고, 상기 전극은 금속의 필름 및 나노와이어가 순차적으로 코팅될 수 있다.The step of fabricating the sensor module further comprises coating an electrode on a surface of the first polymer layer and the second polymer layer where the micro-ridges are not formed, wherein the electrode is formed by sequentially coating a film of metal and nanowires .

상기 금속은, 금, 은, 백금, 철 또는 구리 중 적어도 하나일 수 있다.The metal may be at least one of gold, silver, platinum, iron or copper.

상기 센서 모듈을 제조하는 단계는, 상기 전극이 코팅된 제1 폴리머층 및 제2 폴리머층을 투명한 플렉서블 실링재로 패키징하는 단계를 더 포함할 수 있다.The step of fabricating the sensor module may further include packaging the first polymer layer coated with the electrodes and the second polymer layer into a transparent flexible sealant.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 유연하고, 소형화된 자가발전이 가능한 마찰전기 자가발전 센서를 제조할 수 있다. According to one embodiment of the present invention, it is possible to manufacture a flexible, miniaturized, self-generating frictional electromagnetically generated sensor.

또한, 외부 압력 또는 굽힘 반경에 따른 마찰전기 자가발전 센서의 감지 민감도가 높고, 저주파 내지 고주파로 발생되는 진동과 음향을 감지할 수 있다.Also, the sensing sensitivity of the frictional electromagnetism sensor according to the external pressure or the bending radius is high, and it is possible to sense vibration and sound generated from a low frequency to a high frequency.

또한, 열악한 환경에서 정확한 신호 측정과 자가발전이 가능하고, 다양한 디자인으로 제조될 수 있어 웨어러블 기기에 적용될 수 있는 분야가 넓다.In addition, accurate signal measurement and self-power generation are possible in a harsh environment, and various designs can be manufactured, which can be applied to wearable devices.

도 1a는 계층구조 폴리머층을 제조하는 단계를 나타내는 모식도이다.
도 1b는 계층구조 폴리머층을 제조하는 단계를 나타내는 순서도이다.
도 2a는 폴리머층의 인터록 구조를 나타내는 모식도와 폴리머층의 표면 및 측면에 대한 주사전자현미경(SEM) 이미지이다.
도 2b는 P(VDF-TrFE)를 포함하는 폴리머층의 표면 버클링(buckling) 구조를 분석한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 3은 유전 성질을 갖는 폴리머로 이루어진 두 폴리머층을 주사켈빈프로브현미경(SKPM)으로 분석한 표면 포텐셜 분포 결과를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 폴리머 기반의 마찰전기 자가발전 센서를 나타내는 이미지이다.
도 5a는 P(VDF-TrFE)를 포함하는 폴리머층 및 PDMS를 포함하는 폴리머층 사이의 접촉 및 분리에 따른 마찰전기 자가발전 센서의 작동 원리를 나타내는 모식도이다.
도 5b는 마찰전기 자가발전 센서에 압력을 가했을 때 발생되는 출력 전압을 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 5c는 마찰전기 자가발전 센서에 압력을 가했을 때 발생되는 출력 전류 밀도를 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 5d는 마찰전기 자가발전 센서의 외부 로드 저항에 따른 출력 전압, 전류 밀도 및 전력 밀도를 측정한 그래프이다.
도 5e는 마찰전기 자가발전 센서를 이용하여 적색 LED를 정류 시스템으로 작동시킨 결과를 나타내는 이미지이다.
도 6a는 마찰전기 자가발전 센서에 수직으로 압력을 가했을 때 변화되는 두 폴리머층 사이의 갭을 나타내는 모식도이다.
도 6b는 마찰전기 자가발전 센서에 압력을 가했을 때 발생되는 마찰전기 전압 및 압력 민감도를 미세리지의 크기에 따라 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 6c는 마찰전기 자가발전 센서에 압력을 가했을 때 발생되는 마찰전기 전류 밀도를 미세리지의 크기에 따라 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 6d는 손목에 부착된 마찰전기 자가발전 센서를 통해 측정된 손목 맥압에 대한 마찰전기 전류 신호를 나타내는 그래프이다.
도 6e는 수직압력에 대해 인터록 미세리지 사이의 이동변위 (displacement)와 갭 거리변화를 ABAQUS 소프트웨어를 통해 분석한 그래프이다.
도 7a는 마찰전기 자가발전 센서를 구부렸을 때 변화되는 미세리지 사이의 접촉 면적 및 미세리지의 부피 변화를 나타내는 모식도이다.
도 7b는 마찰전기 자가발전 센서를 구부렸을 때 변화되는 마찰전기 전압 및 굽힘 민감도를 미세리지의 크기에 따라 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 7c는 마찰전기 자가발전 센서를 구부렸을 때 변화되는 마찰전기 전류 밀도를 미세리지의 크기에 따라 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 7d는 손가락에 부착된 마찰전기 자가발전 센서의 손가락 구부림 각도에 따른 출력 전류 신호를 나타내는 그래프이다.
도 8a는 마찰전기 자가발전 센서가 진동을 감지하는 모식도이다.
도 8b는 마찰전기 자가발전 센서에 저주파수의 접촉 진동을 가했을 때 변화되는 마찰전기 전압을 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 8c는 마찰전기 자가발전 센서에 저주파수의 접촉 진동을 가했을 때 변화되는 마찰전기 전류를 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 9a는 마찰전기 자가발전 센서가 음형을 감지하는 모식도이다.
도 9b는 마찰전기 자가발전 센서에 입력되는 음향의 파형 및 단시간 푸리에 변환신호를 나타내는 그래프이다.
도 9c는 마찰전기 자가발전 센서에 음향파의 고주파수 진동을 가했을 때 변화되는 마찰전기 전압 파형과 STFT 스펙트럼에 의한 시간에 따른 주파수 편차를 분석한 그래프이다.
도 10a는 마찰전기 자가발전 센서가 사람의 목소리를 감지하는 모식도이다.
도 10b는 마찰전기 자가발전 센서를 통해 여성 및 남성이 각 문장을 읽는 음성을 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 10c는 마찰전기 자가발전 센서를 통해 여성 및 남성이 단어를 반복적으로 읽는 음성을 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 11은 손에 착용된 마찰전기 자가발전 센서를 통해 상이한 반경을 갖는 물체를 잡을 때 변화되는 마찰전기 출력 전류를 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 12a는 마찰전기 자가발전 센서가 손에 착용된 예시를 나타내는 이미지이다.
도 12b는 마찰전기 자가발전 센서가 착용된 손이 수화를 따라 움직일 때 변화되는 마찰전기 출력 전류 및 등고선 지도 어레이를 나타내는 이미지이다.
도 12c는 마찰전기 자가발전 센서가 착용된 손의 부위를 세 부분으로 나누고, 손의 움직임에 따른 해당 부위의 전류 피크를 나타내는 그래프이다.
도 13a는 상대 습도에 따른 마찰전기 자가발전 센서의 마찰전기 출력 전압을 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 13b는 상대 습도에 따른 마찰전기 자가발전 센서의 마찰전기 전류 밀도를 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 13c는 마찰전기 자가발전 센서에 연결된 적색 LED의 작동여부를 통해 물에서 작동되는 마찰전기 자가발전 센서를 나타내는 이미지이며, 고속 푸리에 변환 (fast Fourier transform)을 통해 마찰전기 자가발전 센서의 초음파 감지 성능을 분석한 그래프이다.
도 13d는 마찰전기 자가발전 센서에 초음파를 가했 때 시간에 따른 주파수 분포 변화를 시각적으로 확인할 수 있는 초음파형을 나타내는 STFT 스펙트럼에 대한 그래프이다.
도 14는 PDMS을 포함하는 폴리머층의 표면 및 측면을 나타내는 SEM 이미지이다.
도 15는 P(VDF-TrFE)를 포함하는 폴리머층의 표면 및 측면을 나타내는 SEM 이미지이다.
도 16은 PDMS를 포함하는 폴리머층으로만 이루어진 인터록된 마찰전기 자가발전 센서와 P(VDF-TrFE)를 포함하는 폴리머층과 PDMS를 포함하는 폴리머층으로 이루어진 인터록된 마찰전기 자가발전 센서의 응력 집중도를 분석한 결과를 나타내는 이미지이다.
도 17a는 인터록 구조로 배치된 폴리머층에 압력을 가했을 때 변화되는 전압을 폴리머층의 내부에 형성된 기공의 유무 및 일면에 형성된 미세리지의 유무에 따라 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 17b는 인터록 구조로 배치된 폴리머층에 압력을 가했을 때 변화되는 전류 밀도를 폴리머층의 내부에 형성된 기공의 유무 및 일면에 형성된 미세리지의 유무에 따라 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.1A is a schematic diagram showing a step of producing a layered polymer layer.
1B is a flow chart illustrating steps for fabricating a layered polymer layer.
2A is a schematic view showing an interlock structure of a polymer layer and a scanning electron microscope (SEM) image of a surface and a side surface of the polymer layer.
2B is a graph showing a result of analyzing a surface buckling structure of a polymer layer including P (VDF-TrFE).
3 is a graph showing surface potential distribution results obtained by analyzing two polymer layers made of a polymer having dielectric properties with a scanning Kelvin probe microscope (SKPM).
Figure 4 is an image showing a polymer-based triboelectrically powered sensor fabricated in accordance with one embodiment of the present invention.
5A is a schematic diagram showing the principle of operation of a triboelectric sensor according to contact and separation between a polymer layer including P (VDF-TrFE) and a polymer layer including PDMS.
FIG. 5B is a graph showing a result of measuring an output voltage generated when a friction electromotive force is applied to the power generation sensor. FIG.
5C is a graph showing the result of measuring the output current density generated when pressure is applied to the frictional electromotive force sensor.
FIG. 5D is a graph showing output voltage, current density, and power density according to the external load resistance of the friction sensor.
FIG. 5E is an image showing the result of operating the red LED with the rectifying system using a friction-electric power generation sensor.
6A is a schematic diagram illustrating a gap between two polymer layers that change when a frictional electrometer is applied with a vertical pressure to the power generation sensor.
FIG. 6B is a graph showing the result of measuring the triboelectric voltage and pressure sensitivity generated when pressure is applied to the triboelectric sensor according to the size of the micro-ridge.
6C is a graph showing a result of measuring the frictional electric current density generated when pressure is applied to the frictional electromotive force sensor according to the size of the micro-ridge.
6D is a graph showing a triboelectric current signal for wrist pulse pressure measured through a triboelectrically powered sensor attached to the wrist.
6E is a graph of displacement and gap distance change between interlock micro-ridges versus vertical pressure through ABAQUS software.
FIG. 7A is a schematic diagram showing the contact area between the micro-ridges and the volume change of the micro-ridges when the frictional electromotive force sensor is bent.
7B is a graph showing the result of measuring the triboelectric voltage and the bending sensitivity, which are varied when the triboelectric sensor is bent, according to the size of the micro-ridge.
7C is a graph showing the results of measurement of the triboelectric current density, which is varied when the triboelectric sensor is bent, according to the size of the micro-ridge.
7D is a graph showing an output current signal according to a finger bending angle of a friction electromotive force sensor attached to a finger.
Fig. 8A is a schematic diagram in which a friction electrification sensor senses vibration. Fig.
8B is a graph showing a result of measuring a triboelectric voltage which is changed when a low frequency contact vibration is applied to a triboelectric generator.
8C is a graph showing a result of measuring a triboelectric current which is changed when a low-frequency contact vibration is applied to a triboelectric generator.
FIG. 9A is a schematic diagram of a triboelectric generator sensor sensing a tone. FIG.
FIG. 9B is a graph showing a waveform of a sound and a short-time Fourier transform signal input to the friction electrification sensor. FIG.
FIG. 9C is a graph of frequency deviation of the triboelectric voltage waveform and the STFT spectrum, which are varied when the high frequency vibration of the acoustic wave is applied to the triboelectric power generation sensor, according to time.
FIG. 10A is a schematic diagram of a frictional self-generated sensor for detecting a human voice. FIG.
FIG. 10B is a graph showing a result of measuring the voice of women and men reading each sentence through a friction electric power generation sensor. FIG.
FIG. 10C is a graph showing the result of measuring the voice repeatedly read by the female and the male by means of the friction-electric power generation sensor.
11 is a graph showing a result of measuring a triboelectric output current which is changed when an object having different radii is held by a hand-held frictional electromotive force sensor.
12A is an image showing an example in which a frictional electromotive force sensor is worn by hand.
12B is an image showing a triboelectric map array and a triboelectric output current which is changed when a hand on which the triboelectric power generation sensor is worn moves along with hydration.
12C is a graph showing the current peak of the corresponding portion according to the movement of the hand by dividing the portion of the hand where the friction electromotive force sensor is worn into three portions.
13A is a graph showing a result of measuring a triboelectric output voltage of a triboelectric generator according to relative humidity.
13B is a graph showing a result of measuring a triboelectric current density of a triboelectric generator according to relative humidity.
13C is an image showing a rubbing-electric power generation sensor operated in water through the operation of a red LED connected to a rubbing-electric-power-generating sensor, and shows an ultrasonic sensing performance of a rubbing- Respectively.
13D is a graph of an STFT spectrum showing an ultrasonic wave type in which a change in frequency distribution with time when ultrasonic waves are applied to a frictional electromotive force sensor can be visually confirmed.
14 is a SEM image showing the surface and side of the polymer layer comprising PDMS.
15 is an SEM image showing the surface and side of the polymer layer containing P (VDF-TrFE).
16 is a graph showing the relationship between the stress concentration of an interlocked triboelectrically generated sensor consisting only of a polymer layer comprising PDMS and the interlocked triboelectricity sensor of a polymer layer comprising PDMS and a polymer layer comprising P (VDF-TrFE) And the results are shown in Fig.
17A is a graph showing the result of measuring the voltage that is changed when a polymer layer arranged in an interlock structure is changed according to the presence or absence of pores formed in the polymer layer and the presence or absence of fine ridges formed on one surface.
FIG. 17B is a graph showing the result of measuring the current density, which is changed when a polymer layer arranged in an interlock structure is applied, according to the presence or absence of pores formed in the polymer layer and the presence or absence of fine ridges formed on one surface.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 계층구조 폴리머 기반의 유연한 마찰전기 자가발전 센서 및 이의 제조방법에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will now be described more fully with reference to the accompanying drawings, in which exemplary embodiments of the invention are shown. The present invention is capable of various modifications and various forms, and specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in the text. It is to be understood, however, that the invention is not intended to be limited to the particular forms disclosed, but on the contrary, is intended to cover all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention. Like reference numerals are used for like elements in describing each drawing. In the accompanying drawings, the dimensions of the structures are enlarged to illustrate the present invention in order to clarify the present invention.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. The terms first, second, etc. may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, the first component may be referred to as a second component, and similarly, the second component may also be referred to as a first component.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used in this application is used only to describe a specific embodiment and is not intended to limit the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this application, the terms "comprises", "having", and the like are used to specify that a feature, a number, a step, an operation, an element, a part or a combination thereof is described in the specification, But do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries are to be interpreted as having a meaning consistent with the contextual meaning of the related art and are to be interpreted as either ideal or overly formal in the sense of the present application Do not.

이하, 본 발명의 구현예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. However, the present invention is not limited thereto, and the present invention is only defined by the scope of the following claims.

도 1a는 계층구조 폴리머층을 제조하는 단계를 나타내는 모식도이다.1A is a schematic diagram showing a step of producing a layered polymer layer.

도 1b는 계층구조 폴리머층을 제조하는 단계를 나타내는 순서도이다.1B is a flow chart illustrating steps for fabricating a layered polymer layer.

이하 도 1a 및 도 1b를 참조하여 본 발명의 일 구현예에 대해 설명하도록 한다.Hereinafter, one embodiment of the present invention will be described with reference to Figs. 1A and 1B.

제조 방법의 각 단계들은 마찰전기 자가발전 센서를 제조하는 장치에 의해 수행될 수 있다.Each step of the manufacturing method can be carried out by an apparatus for manufacturing a rf sensor.

본 발명의 일 구현예에 따른 폴리머층은 내부에 형성된 다수개의 기공들과 일면에 형성된 미세리지(micro-ridge)들을 포함할 수 있으며, 용제 마이크로 성형법(solvent-assisted micro-molding method)으로 제조될 수 있다. 용제 마이크로 성형법은 폴리머층에 형성되는 기공의 밀도 및 크기, 표면의 미세구조를 용이하게 제어할 수 있다.The polymer layer according to an embodiment of the present invention may include a plurality of pores formed therein and micro-ridges formed on one surface thereof, and may be manufactured by a solvent-assisted micro-molding method . The solvent micro-molding method can easily control the density and size of the pores formed in the polymer layer and the microstructure of the surface.

도 1a 및 도 1b에 따르면, 유전 성질을 갖는 폴리[(비닐리덴플루오라이드-코-트라이플루오로에틸렌)](poly[(vinylidenefluoride-co-trifluoroethylene)]: P(VDF-TrFE)) 또는 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane: PDMS)을 극성 용매와 혼합하는 단계(112)를 통해 제1 혼합물 및 제2 혼합물을 제조할 수 있다.According to Figs. 1A and 1B, poly [(vinylidene fluoride-co-trifluoroethylene)]: P (VDF-TrFE) having dielectric properties or polydimethyl The first mixture and the second mixture may be prepared through the step 112 of mixing polydimethylsiloxane (PDMS) with a polar solvent.

여기서 제1 혼합물은 탄성률이 1GPa 내지 3GPa인 P(VDF-TrFE)를 포함할 수 있고, 제2 혼합물은 탄성률이 1MPa 내지 3MPa인 PDMS를 포함할 수 있다.Wherein the first mixture may comprise P (VDF-TrFE) with a modulus of elasticity of 1 GPa to 3GPa and the second mixture may comprise PDMS with an elastic modulus of 1 MPa to 3 MPa.

제조된 제1 혼합물 및 제2 혼합물을 Si 몰드에 주입하여 열처리 및 경화시키는 단계(114)를 통해 계층구조 폴리머층을 제조할 수 있다.The layered polymer layer may be prepared by injecting the first mixture and the second mixture thus prepared into a Si mold, followed by heat treatment and curing (114).

Si 몰드는 일측면에 리지형상으로 오목하게 함몰된 다수 개의 홈(106)들이 일정한 간격으로 정렬된 패턴을 갖는다. 여기서 오목하게 함몰된 미세홈(106)은 반구, 원기둥, 원뿔, 다각형의 기둥 형태 또는 다각형의 뿔형태 등으로 형성될 수 있다.The Si mold has a pattern in which a plurality of grooves 106 recessed concavely in a ridge shape on one side are arranged at regular intervals. The concavely recessed fine grooves 106 may be formed as a hemisphere, a cylinder, a cone, a polygonal columnar shape, or a polygonal horn.

Si 몰드에 정렬된 리지형태의 홈의 크기는 직경이 25㎛ 내지 100㎛일 수 있다.The size of the ridge-shaped grooves aligned with the Si mold may be 25 [mu] m to 100 [mu] m in diameter.

홈의 크기, 개수 및 형태에 따라 폴리머층에 형성되는 돌기의 크기, 개수 및 형태가 결정되고, 돌기의 크기 및 개수에 따라 마찰로 인한 마찰전기 자가발전 센서의 출력 전압 및 전류의 크기가 결정될 수 있다.The size, number and shape of the protrusions formed on the polymer layer are determined according to the size, number and shape of the grooves, and the size of the output voltage and the current of the friction sensor due to friction can be determined according to the size and number of protrusions have.

미세리지의 직경이 25㎛ 미만일 경우, 폴리머층의 내부에 나노 내지 마이크로 스케일의 다공성 구조가 형성되기 어려운 문제점이 있어, 최소 크기를 직경 25㎛로 제한할 수 있다.When the diameter of the fine ridges is less than 25 탆, there is a problem that a porous structure of nano to microscale is difficult to be formed inside the polymer layer, and the minimum size can be limited to a diameter of 25 탆.

반대로, 미세리지의 직경이 100㎛ 초과일 경우, 폴리머층의 전체 두께가 두꺼워질 수 있기 때문에 얇고 유연성이 높은 마찰전기 자가발전 센서를 제조하기 어려운 문제점이 발생할 수 있다. On the contrary, when the diameter of the fine ridges exceeds 100 mu m, the entire thickness of the polymer layer may become thick, so that it may be difficult to manufacture a thin and highly flexible triboelectric generator sensor.

구체적으로, 인터록 (interlock) 구조의 두 폴리머층 기반 마찰전기 자가발전 센서의 총 두께를 1mm 이하로 제조하기 위하여 미세리지의 직경을 100㎛이하로 제조할 수 있다.Specifically, in order to make the total thickness of the two polymer layer-based frictional electrophoretic sensors of the interlock structure less than 1 mm, the diameter of the micro-ridges may be less than 100 탆.

Si 몰드에 정렬된 홈들의 간격은 30㎛ 내지 200㎛일 수 있다. 또한, 미세리지들의 간격은 미세리지 직경의 1.2배 내지 2배로 배열됨이 바람직할 수 있다. 미세리지들의 간격은 미세리지의 정점에서 인접한 다른 미세리지의 정점까지의 거리를 의미한다.The spacing of the grooves aligned in the Si mold may be between 30 μm and 200 μm. Also, the spacing of the micro ridges may be preferably arranged to be 1.2 to 2 times the diameter of the micro-ridges. The spacing of the micro-ridges means the distance from the apex of the micro-ridge to the apex of another adjacent micro-ridge.

폴리머층에 형성된 미세리지들의 간격이 30㎛ 미만이거나 200㎛ 초과일 경우, 외부 압력에 대한 미세리지 사이의 접촉 면적 변화량이 크지 않기 때문에 마찰로 인한 마찰전기 자가발전 센서의 출력 전압 및 전류의 양이 적은 문제점이 발생할 수 있다.If the distance between the fine ridges formed on the polymer layer is less than 30 占 퐉 or exceeds 200 占 퐉, the amount of change in the contact area between the micro-ridges due to the external pressure is not large, so that the amount of output voltage and current of the friction- A small problem may arise.

Si 몰드에 주입된 각 혼합물들은 혼합물에 혼합된 극성 용매들이 증발되도록 열처리될 수 있다. 열처리 단계가 진행되는 동안 혼합물의 표면을 통해 용매가 증발되면 용매가 존재하던 위치에 기공이 형성될 수 있다.Each mixture injected into the Si mold may be heat treated to allow the polar solvents mixed in the mixture to evaporate. When the solvent is evaporated through the surface of the mixture during the heat treatment step, pores may be formed at the position where the solvent is present.

구체적으로, 혼합물들이 경화되기 전에 혼합물 내에 존재하는 극성 용매가 증발되고, 증발된 용매로 인하여 용매가 존재하던 위치에 기공이 형성될 수 있다.Specifically, the polar solvent present in the mixture is evaporated before the mixtures are cured, and pores may be formed at the location where the solvent was present due to the evaporated solvent.

특히, PDMS를 포함하는 폴리머층(104)은 개방된 다공성 구조와 내부에 형성된 다공성 구조를 가질 수 있다. In particular, the polymer layer 104 comprising PDMS may have an open porous structure and a porous structure formed therein.

더욱 구체적으로, PDMS를 포함하는 혼합물에서 PDMS와 극성 용매 사이의 상 분리로 인하여 극성 용매가 구형태의 버블로 존재할 수 있다. 즉, PDMS를 포함하는 혼합물이 열처리되는 단계에서, 구형태의 극성 용매가 증발되어 극성 용매의 위치에 기공이 형성되고, 기공이 형성된 상태에서 경화가 이루어지면 폴리머층에 다공성 구조가 형성될 수 있다.More specifically, in a mixture comprising PDMS, the polar solvent may be present in spherical bubbles due to the phase separation between the PDMS and the polar solvent. That is, in the step of heat-treating the mixture containing PDMS, the spherical polar solvent is evaporated to form pores at the position of the polar solvent, and if the pores are cured, a porous structure can be formed in the polymer layer .

즉, PDMS와 상 분리가 이루어지는 극성 용매를 이용하여 혼합물을 제조하고, 극성 용매를 증발시킨 뒤 혼합물을 경화시킴으로써 다공성의 폴리머층을 제조할 수 있다. 또한, 혼합물이 경화되는 온도보다 낮은 온도에서 증발이 이루어지는 극성 용매를 사용함이 바람직 할 수 있다.That is, a porous polymer layer can be prepared by preparing a mixture using a polar solvent in which phase separation with PDMS is performed, evaporating the polar solvent, and then curing the mixture. It may also be desirable to use a polar solvent in which evaporation occurs at a temperature below the temperature at which the mixture is cured.

일예로, 극성 용매는 증류수 및 에탄올을 포함하는 혼합 극성 용매를 이용할 수 있다.For example, as the polar solvent, a mixed polar solvent including distilled water and ethanol may be used.

P(VDF-TrFE)를 포함하는 폴리머층(102)은 열처리 단계 동안 결정화가 일어나기 때문에 나노섬유 모양의 결정구조가 형성될 수 있다. 즉, P(VDF-TrFE)를 포함하는 폴리머층(102)의 내부에는 나노다공성 구조와 표면 버클링(bulckling)구조가 형성될 수 있다.The polymer layer 102 comprising P (VDF-TrFE) may be crystallized in the form of nanofibers since crystallization occurs during the heat treatment step. That is, a nanoporous structure and a surface buckling structure may be formed inside the polymer layer 102 including P (VDF-TrFE).

구체적으로, P(VDF-TrFE)와 극성 용매를 혼합하고, P(VDF-TrFE)의 결정화 온도에서 용매를 증발시킴으로써 P(VDF-TrFE)를 포함하는 폴리머층(102)을 제조할 수 있다. P(VDF-TrFE)를 포함하는 혼합물이 결정화되는 단계에서 극성 용매가 증발되고, 나노섬유 모양의 독특한 결정구조가 형성될 수 있다.Specifically, the polymer layer 102 containing P (VDF-TrFE) can be produced by mixing P (VDF-TrFE) with a polar solvent and evaporating the solvent at the crystallization temperature of P (VDF-TrFE). In the step of crystallizing the mixture containing P (VDF-TrFE), the polar solvent is evaporated and a unique crystal structure in nanofiber form can be formed.

일예로, P(VDF-TrFE)와 아세톤 및 디메틸포름아마이드를 포함하는 혼합 극성 용매를 혼합하고, 140℃에서 열처리하여 경화시킬 수 있다.For example, a mixed polar solvent containing P (VDF-TrFE) and acetone and dimethylformamide may be mixed and cured by heat treatment at 140 占 폚.

P(VDF-TrFE)와 극성 용매 혼합물을 일정한 간격으로 배열된 홈(106)의 패턴을 갖는 Si 몰드에서 열처리 공정으로 통해 경화된다. 경화된 혼합물은 일면에 일정한 간격으로 정렬된 돌출형 미세리지(208) 패턴이 형성된 폴리머층이다.P (VDF-TrFE) and the polar solvent mixture are cured through a heat treatment process in a Si mold having a pattern of grooves 106 arranged at regular intervals. The cured mixture is a polymer layer having a pattern of protruding micro-ridges (208) arranged at regular intervals on one surface.

제조된 P(VDF-TrFE)를 포함하는 폴리머층(102)과 PDMS를 포함하는 폴리머층(104)은 인터록 구조로 배치(116)될 수 있다.The polymer layer 102 comprising the fabricated P (VDF-TrFE) and the polymer layer 104 comprising PDMS may be disposed 116 in an interlocked configuration.

인터록 구조는 두 폴리머층이 서로 맞물리도록 배치된 구조로써. 구체적으로는 P(VDF-TrFE)를 포함하는 폴리머층(102)의 일면에 육각 배열로 형성된 미세리지(108)들이 PDMS를 포함하는 폴리머층(104)의 일면에 육각 배열로 형성된 미세리지(108)들 사이의 공간에 위치하도록 밀착되어 배치된 구조이다. P(VDF-TrFE)를 포함하는 폴리머층(102)의 미세리지(108)들과 PDMS를 포함하는 폴리머층(104)의 미세리지(108)들은 서로 소정의 간격만큼 이격되어 배치될 수 있다.The interlock structure is a structure in which the two polymer layers are arranged to mesh with each other. More specifically, micro-ridges 108 formed in a hexagonal array on one surface of a polymer layer 102 including P (VDF-TrFE) are formed on a surface of a polymer layer 104 including PDMS, In a space between them. The micro ridges 108 of the polymer layer 102 including P (VDF-TrFE) and the micro ridges 108 of the polymer layer 104 including PDMS may be spaced apart from each other by a predetermined distance.

즉, 인터록된 일정 크기의 미세리지 구조로 인하여 별도의 구성을 더 포함하지 않고, 두 폴리머층 사이의 에어 갭을 확보할 수 있다. 이에 따라 얇은 일체형 구조로 제조가 가능하며 패키징이 가능하다.That is, due to the micro-ridged structure of the interlocked constant size, it is possible to secure an air gap between the two polymer layers without further including a separate structure. As a result, it can be manufactured in a thin one-piece structure and packaging is possible.

구체적으로 폴리머층에 형성된 미세리지의 크기는 직경이 25㎛ 내지 100㎛이고, 미세리지들의 간격은 30㎛ 내지 200㎛일 수 있다. Specifically, the size of the fine ridges formed in the polymer layer may be 25 占 퐉 to 100 占 퐉 in diameter, and the interval between the fine ridges may be 30 占 퐉 to 200 占 퐉.

더욱 구체적으로, 미세리지들의 간격은 미세리지 직경의 1.2배 내지 2배로 배열됨이 바람직할 수 있다. 미세리지들의 간격은 미세리지의 중심에서 인접한 다른 미세리지의 중심까지의 거리를 기준으로 할 수 있다.More specifically, the spacing of the micro-ridges may be arranged to be 1.2 to 2 times the diameter of the micro-ridges. The spacing of the micro-ridges can be based on the distance from the center of the micro-ridge to the center of another adjacent micro-ridge.

미세리지의 크기가 직경 25㎛ 미만으로 형성될 경우, 두 폴리머층을 인터록 구조로 배치시켰을 때, 두 폴리머층 사이의 에어 갭이 형성되지 않거나 짧은 에어 갭으로 인하여 마찰로 인한 마찰전기 자가발전 센서의 출력 전압 및 전류가 크지 않은 문제점이 발생할 수 있다.When the size of the fine ridges is formed to be smaller than 25 mu m in diameter, when the two polymer layers are arranged in the interlock structure, the air gap between the two polymer layers is not formed, The output voltage and current may not be large.

또한, 미세 다공성 구조를 폴리머층의 내부에 형성시키기 위하여 미세리지의 최소 크기를 직경 25㎛로 제한할 수 있다.In addition, the minimum size of the micro-ridge can be limited to 25 mu m in diameter in order to form the microporous structure inside the polymer layer.

반대로 미세리지의 크기가 직경 100㎛를 초과하도록 형성될 경우, 제조된 인터록 구조의 마찰전기 자가발전 센서의 총 두께가 1mm를 초과하게 되어 초박막형의 플렉서블한 센서를 제조하기 어려운 문제점이 발생할 수 있다. On the contrary, when the size of the micro ridge is formed to exceed the diameter of 100 mu m, the total thickness of the frictional electromagnet generation sensor of the produced interlock structure exceeds 1 mm, which makes it difficult to manufacture a flexible sensor of the ultra thin film type .

또한, 미세리지들의 간격이 미세리지 직경의 1.2배 미만인 폴리머층을 포함하는 마찰센서 자기발전 센서는 외부 자극에 대한 미세리지의 접촉 면적 변화량이 감소되어 센서의 감지 민감도가 저하될 수 있다.In addition, the friction sensor self-generated sensor including the polymer layer having the interval of the micro ridges of less than 1.2 times the diameter of the micro-ridges may reduce the contact area variation amount of the micro-ridges with respect to the external magnetic poles, thereby lowering the sensing sensitivity of the sensor.

반대로, 미세리지들의 간격이 미세리지 직경의 2배를 초과하는 폴리머층을 포함하는 마찰센서 자기발전 센서는 두 폴리머층 사이의 에어 갭 거리 감소 및 접촉하는 미세리지의 개수가 줄어들어, 외부 압력에 대해 발생되는 출력 전압 및 전류가 감소될 수 있다.Conversely, a friction sensor self-generating sensor comprising a polymer layer wherein the spacing of the micro-ridges is greater than twice the diameter of the micro-ridges reduces the air gap distance between the two polymer layers and reduces the number of contact micro-ridges, The generated output voltage and current can be reduced.

도 2a는 폴리머층의 인터록 구조를 나타내는 모식도 및 폴리머층의 표면 및 측면에 대한 주사전자현미경(SEM) 이미지이다.2A is a schematic view showing an interlock structure of a polymer layer and a scanning electron microscope (SEM) image of a surface and a side surface of the polymer layer.

도 2b는 P(VDF-TrFE)를 포함하는 폴리머층의 표면 버클링 구조를 분석한 결과를 나타내는 그래프이다.FIG. 2B is a graph showing the result of analyzing the surface buckling structure of the polymer layer containing P (VDF-TrFE). FIG.

이하 도 2a 및 도 2b를 참조하여 본 발명의 일 구현예에 대해 설명하도록 한다.Hereinafter, one embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 2A and 2B.

P(VDF-TrFE)를 포함하는 폴리머층(102)과 PDMS를 포함하는 폴리머층(104)을 포함하는 플렉서블 마찰전기 자가발전 센서를 제조하기 위하여, 플렉서블 마찰전기 자가발전 센서는 미세리지(108)가 형성되지 않은 폴리머층의 후면에 코팅된 전도성의 전극을 포함할 수 있다.The flexible fridge electroluminescence sensor comprises a micro-ridge 108 for producing a flexible frictional electroluminescence sensor comprising a polymer layer 102 comprising P (VDF-TrFE) and a polymer layer 104 comprising PDMS, A conductive electrode coated on the backside of the polymer layer where the polymer layer is not formed.

코팅된 전극은 전도성의 금속 또는 탄소를 포함하는 필름 및 나노와이어일 수 있다.The coated electrode may be a film or nanowire comprising a conductive metal or carbon.

일 예로, 폴리머층은 폴리머층의 후면에 코팅된 은을 포함하는 필름 및 나노와이어를 포함할 수 있다.As an example, the polymer layer may comprise a film and nanowires comprising silver coated on the backside of the polymer layer.

구체적으로, 폴리머층의 후면에 코팅된 필름과 필름의 상부에 코팅된 나노와이어를 포함할 수 있다.Specifically, it may include a film coated on the back side of the polymer layer and a nanowire coated on top of the film.

플렉서블 마찰전기 자가발전 센서가 필름만 포함하는 경우, 외부의 압력에 의해 센서가 벤딩될 때 전극에 크랙이 발생하여 저항이 증가하는 문제가 발생될 수 있다.In the case where the flexible frictional self-generated sensor includes only a film, a crack may be generated in the electrode when the sensor is bent by an external pressure, thereby increasing the resistance.

이러한 문제를 해결하기 위해 전도성의 필름 위에 나노와이어를 추가로 코팅함이 바람직할 수 있다. 필름과 나노와이어를 모두 포함하는 전극은, 벤딩될 때 나노와이어가 브릿지 역할을 하기 때문에 전극에 크랙이 발생하는 문제를 해결할 수 있다. 즉, 나노와이어는 센서의 전극에 크랙이 발생하여 저항이 증가하는 현상을 방지하고 높은 저항에 의한 에너지 손실을 방지할 수 있다.To overcome this problem, it may be desirable to further coat the nanowires on a conductive film. The electrode including both the film and the nanowire can solve the problem that cracks occur in the electrode because the nanowire serves as a bridge when bent. That is, the nanowire can prevent a phenomenon that a resistance is increased due to a crack in an electrode of the sensor, and can prevent energy loss due to high resistance.

전극이 코팅된 인터록 구조의 두 폴리머층은 두 층이 접촉되거나 분리될 때, 폴리머층의 각 표면이 양 또는 음으로 마찰대전되어 마찰전기 전하가 발생될 수 있다.The two polymer layers of the interlocked structure coated with electrodes can be triboelectrified to generate triboelectric charge when each layer is contacted or separated, with each surface of the polymer layer being positively or negatively charged.

구체적으로 P(VDF-TrFE)를 포함하는 폴리머층(102)은 양전위로 마찰대전되고, PDMS를 포함하는 폴리머층(104)은 음전위로 마찰대전 될 수 있다.Specifically, the polymer layer 102 comprising P (VDF-TrFE) is triboelectrically charged and the polymer layer 104 comprising PDMS can be triboelectrically charged to a negative potential.

용제 마이크로 성형법으로 제조된 PDMS를 포함하는 폴리머층(104)의 표면을 주사전자현미경(SEM)으로 관찰하면 PDMS를 포함하는 폴리머층(214)의 일면에 형성된 미세리지(108)와 표면에 형성된 기공들을 확인할 수 있다. When the surface of the polymer layer 104 including the PDMS prepared by the solvent microforming method is observed by a scanning electron microscope (SEM), the micro-ridge 108 formed on one surface of the polymer layer 214 including the PDMS, .

PDMS를 포함하는 폴리머층(104)에 형성된 개방형 다공성(open porous) 구조를 갖는 미세리지와 내부에 형성된 다공성 구조에 의하여, 마찰 접촉 면적과 외부 압력에 대한 PDMS를 포함하는 폴리머층(104)의 부피 변화량이 증가될 수 있다. By the micro-ridge having an open porous structure formed in the polymer layer 104 containing PDMS and the porous structure formed therein, the volume of the polymer layer 104 including the PDMS against the friction contact area and external pressure The amount of change can be increased.

부피 변화량이 증가된 폴리머층을 포함하는 센서는 외부 압력에 대한 압력 감지 민감도가 향상될 수 있다. 또한, 부피 변화량이 큰 PDMS 폴리머층(104)을 포함하는 마찰전기 자가발전 센서는 고출력의 동력을 발생시킬 수 있다.A sensor comprising a polymer layer with an increased volume change can have improved pressure sensitive sensitivity to external pressure. In addition, the frictional electromotive force sensor including the PDMS polymer layer 104 having a large volume change amount can generate high output power.

같은 방법으로 제조된 P(VDF-TrFE)를 포함하는 폴리머층(102)의 표면을 SEM으로 관찰하면 P(VDF-TrFE)를 포함하는 폴리머층(212)의 일면에 형성된 미세리지(208)와 폴리머층(212)의 표면에 형성된 나노섬유 구조를 확인할 수 있다. 또한, P(VDF-TrFE)를 포함하는 폴리머층(102)의 나노 다공성 구조와 표면 버클링 구조(216)가 형성됨을 확인할 수 있다.Observation of the surface of the polymer layer 102 including P (VDF-TrFE) manufactured by the same method with a SEM revealed that the micro-ridge 208 formed on one surface of the polymer layer 212 including P (VDF-TrFE) The nanofiber structure formed on the surface of the polymer layer 212 can be confirmed. It can also be seen that the nanoporous structure of the polymer layer 102 comprising P (VDF-TrFE) and the surface buckling structure 216 are formed.

폴리머층의 일면에 형성된 미세리지(108, 208)는 종래의 마찰전기 센서가 포함하는 스페이서 역할을 할 수 있다.The micro ridges 108 and 208 formed on one side of the polymer layer can serve as spacers included in the conventional triboelectric sensor.

즉, 미세리지(108, 208)를 통해 인터록 구조로 배치된 두 폴리머층 사이에 에어 갭(air gap) 거리를 확보할 수 있다. 이에 따라, 미세리지(108, 208)가 형성된 폴리머층을 포함하는 센서는 간단한 공정으로 소형화되어 제조될 수 있다. That is, an air gap distance can be secured between the two polymer layers arranged in the interlock structure through the micro ridges 108 and 208. Accordingly, the sensor including the polymer layer on which the micro ridges 108 and 208 are formed can be miniaturized and manufactured by a simple process.

또한, 얇은 일체형 구조로 인하여 패키징이 가능할 수 있다. 패키징된 마찰전기 자가발전 센서는 수분에 영향을 받지 않을 수 있다.In addition, packaging may be possible due to the thin integral structure. A packaged triboelectrically powered sensor may not be affected by moisture.

구체적으로 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 마찰전기 자가발전 센서는 전체의 두께가 400㎛ 이하로 제조될 수 있고, 유연성이 우수할 수 있다.Specifically, the triboelectric-electric-power-generating sensor manufactured according to one embodiment of the present invention can be manufactured with a thickness of 400 m or less as a whole, and excellent in flexibility.

상이한 탄성률의 미세리지가 형성된 두 폴리머층이 인터록 구조로 배치되는 형태는 사람의 피부와 유사한 구조이다. The shape in which the two polymer layers with different elastic modulus are arranged in the interlock structure is a structure similar to human skin.

사람의 피부는 표피와 진피로 구분될 수 있고, 표피와 진피는 서로 상이한 강도를 갖는다. 또한, 표피와 진피는 일면에 미세리지 형태의 구조가 형성되어 있고, 두 면이 인터록킹 되어 있다.Human skin can be divided into epidermis and dermis, and epidermis and dermis have different strengths. In addition, the epidermis and dermis have a micro-ridge structure on one side, and two sides are interlocked.

외부에서 압력이 가해졌을 때, 상대적으로 강도가 높은 표피가 강도가 낮은 진피로 힘을 잘 전달하여 진피에 응력을 집중시킬 수 있다. 특히, 미세리지 모양으로 인하여 그 효과가 극대화될 수 있고, 진피 내의 자극 수용체가 외부 자극을 민감하게 감지할 수 있다.When external pressure is applied, the relatively high-strength epidermis can transfer the force to the low-intensity dermis and concentrate the stress on the dermis. In particular, the effect can be maximized due to the shape of the micro-ridges, and the stimulus receptors in the dermis can sensitively sense external stimuli.

이와 같은 피부의 형태와 기능을 모사하여 서로 상이한 탄성계수를 갖는 두 폴리머를 제조하고, 폴리머의 일면에 미세리지 모양의 배열을 형성하여 외부 압력을 효과적으로 전달하고, 그에 따른 접촉 면적 및 부피 변화를 극대화할 수 있는 구조의 마찰전기 자가발전 센서를 제조할 수 있다.Two polymers having different elastic moduli are manufactured by simulating the shape and function of the skin, and the micro-ridge arrangement is formed on one side of the polymer to effectively transmit the external pressure, thereby maximizing the contact area and the volume change It is possible to manufacture a triboelectrically powered sensor of a structure that can be used.

즉, 피부의 기계적 특성 및 기능을 모사하여 센서의 성능을 향상시킬 수 있다.That is, the performance of the sensor can be improved by simulating the mechanical characteristics and functions of the skin.

추가적으로, 외부의 압력에 대한 접촉 면적과 부피 변화량을 최대화하기 위하여 폴리머의 내부에 다공성 구조를 형성시킴에 따라 표면 미세리지 및 미세 다공성 구조를 제조할 수 있다.In addition, surface micro-ridges and microporous structures can be fabricated by forming a porous structure within the polymer to maximize the contact area and volume change to external pressure.

도 3은 유전 성질을 갖는 폴리머로 이루어진 두 폴리머층을 주사켈빈프로브현미경(SKPM)으로 분석한 결과를 나타내는 그래프이다.FIG. 3 is a graph showing the results of analysis of two polymer layers made of a polymer having dielectric properties by a scanning Kelvin probe microscope (SKPM).

SKPM으로 분석한 결과, P(VDF-TrFE)를 포함하는 폴리머층(102)은 양전위를 나타내고, PDMS를 포함하는 폴리머층(104)은 음전위를 나타내는 것으로 나타난다. P(VDF-TrFE) 또는 PDMS으로 이루어진 두 폴리머층 사이의 표면 전위차는 최대 430.42 mV 일 수 있다.As a result of the analysis by SKPM, the polymer layer 102 including P (VDF-TrFE) exhibits positive potential and the polymer layer 104 including PDMS appears to exhibit negative potential. The surface potential difference between the two polymer layers of P (VDF-TrFE) or PDMS can be up to 430.42 mV.

특히, P(VDF-TrFE)를 포함하는 폴리머층의 표면 전위 분포는 도 2a에서 나타난 폴리머층의 섬유형 결정성(216)과 정확히 매치되어 마찰전기 전위 발생에 대한 위상 효과를 증명할 수 있다.In particular, the surface potential distribution of the polymer layer comprising P (VDF-TrFE) can exactly match the fiber type crystallinity 216 of the polymer layer shown in Fig. 2A to demonstrate the phase effect on the triboelectric potential generation.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 폴리머 기반의 마찰전기 자가발전 센서를 나타내는 이미지이다.Figure 4 is an image showing a polymer-based triboelectrically powered sensor fabricated in accordance with one embodiment of the present invention.

본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 마찰전기 자가발전 센서는 폴리머층의 일면에 형성된 미세리지 어레이와 폴리머층에 형성된 다공성 구조로 인하여 소형화가 가능할 수 있고, 유연성이 우수하다. 특히, 마찰전기 자가발전 센서의 두께가 400㎛ 이하로 제조될 수 있어, 신체의 일부에 부착되거나 착용되기 용이하여 웨어러블 기기에 접목될 수 있다.The triboelectrically generated sensor fabricated according to an embodiment of the present invention can be miniaturized due to the porous structure formed on the polymer layer and the micro-array array formed on one side of the polymer layer, and is excellent in flexibility. In particular, the thickness of the friction sensor can be manufactured to be 400 탆 or less, so that it can be attached to a part of the body or easily worn and can be attached to a wearable device.

도 5a는 P(VDF-TrFE)를 포함하는 폴리머층 및 PDMS를 포함하는 폴리머층 사이의 접촉 및 분리에 따른 마찰전기 자가발전 센서의 작동 원리를 나타내는 모식도이다.5A is a schematic diagram showing the principle of operation of a triboelectric sensor according to contact and separation between a polymer layer including P (VDF-TrFE) and a polymer layer including PDMS.

도 5b는 마찰전기 자가발전 센서에 압력을 가했을 때 발생되는 출력 전압을 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.FIG. 5B is a graph showing a result of measuring an output voltage generated when a friction electromotive force is applied to the power generation sensor. FIG.

도 5c는 마찰전기 자가발전 센서에 압력을 가했을 때 발생되는 출력 전류 밀도를 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.5C is a graph showing the result of measuring the output current density generated when pressure is applied to the frictional electromotive force sensor.

이하 도 5a 내지 도 5c를 참조하여 본 발명의 일 구현예에 대해 설명하도록 한다.Hereinafter, one embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 5A to 5C.

마찰전기 자가발전 센서는 두 물체가 스칠 때 만들어지는 전하 불균형을 이용하여 전기를 발생시킨다.The triboelectric sensor generates electricity by using the charge imbalance created when two objects are smudged.

서로 다른 유전 성질의 물질이 외부 압력에 의하여 접촉(502)하게 되면, 표면 마찰전기 전하가 두 물질의 계면에서 발생되고 각 물질의 계면은 양전하 또는 음전하를 띠게 된다. When materials of different dielectric properties are contacted (502) by external pressure, the surface triboelectric charge is generated at the interface of the two materials and the interface of each material is positively charged or negatively charged.

두 물질이 분리되기 시작(504)하면, 상쇄하는 전하가 전극의 양측에 형성되어 전하 불균형이 생기고, 전하 불균형으로 인하여 전류 흐름이 발생한다.When the two materials start to separate 504, charge canceling is formed on both sides of the electrode, resulting in charge imbalance and current flow due to charge imbalance.

이러한 마찰전기 시스템의 전하가 평형 상태(506)에 도달된 후에, 두 물질이 다시 접촉(508)하게 되면 동일한 작동 원리로 역전류 흐름이 발생한다.After the charge of this triboelectric system reaches the equilibrium state 506, when both materials come into contact again 508, a reverse current flow occurs with the same operating principle.

도 5b 및 도 5c에서 확인할 수 있듯이, 마찰전기 전압 및 전류 신호의 규칙적인 피크는 가역적으로 나타난다. As can be seen in Figures 5b and 5c, the regular peaks of the triboelectric voltage and current signals are reversible.

본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 자가발전 센서는 외부에서 가해지는 수직 압력이 19.8kPa 및 4Hz일때, 최대 64V의 출력 전압과 최대 1.63 ㎂/㎠의 출력 전류 밀도를 발생시킬 수 있다.A triboelectrically powered sensor according to an embodiment of the present invention can generate an output voltage of up to 64V and an output current density of up to 1.63 A / cm2 when the external applied external pressure is 19.8 kPa and 4 Hz.

도 5d는 마찰전기 자가발전 센서의 외부 로드 저항에 따른 출력 전압, 전류 밀도 및 전력 밀도를 측정한 그래프이다.FIG. 5D is a graph showing output voltage, current density, and power density according to the external load resistance of the friction sensor.

도 5d에 따르면, 마찰전기 자가발전 센서의 최대 출력밀도는 46.7㎼/㎠이고, 이때의 외부 로드 저항은 60MΩ이다.According to Fig. 5d, the maximum output density of the triboelectric power generation sensor is 46.7 kV / cm2, and the external load resistance at this time is 60 MQ.

이에 따라, 본 발명에 따른 마찰전기 자가발전 센서는 적색 LED를 작동시킬 수 있다.Accordingly, the frictional electromotive force sensor according to the present invention can operate the red LED.

도 5e는 마찰전기 자가발전 센서를 이용하여 적색 LED를 정류 시스템으로 작동시킨 결과를 나타내는 이미지이다.FIG. 5E is an image showing the result of operating the red LED with the rectifying system using a friction-electric power generation sensor.

도 5e에 따르면, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 자가발전 센서는 적색 LED를 정류 시스템을 통해 밝힐 수 있음을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 5E, it can be seen that the rf sensor according to an embodiment of the present invention can illuminate a red LED through a rectification system.

도 6a는 마찰전기 자가발전 센서에 수직으로 압력을 가했을 때 변화되는 두 폴리머층 사이의 갭을 나타내는 모식도이며, COMSOL 멀티피직스 소프트웨어를 이용한 이론적인 전압분포도를 분석한 결과이다. 도 6b는 마찰전기 자가발전 센서에 압력을 가했을 때 발생되는 마찰전기 전압을 미세리지의 크기에 따라 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.FIG. 6A is a schematic diagram illustrating the gap between two polymer layers that change when a triboelectrically biased sensor is applied to the sensor, and is the result of analyzing the theoretical voltage distribution using COMSOL multi-physics software. 6B is a graph showing the result of measuring the triboelectric voltage generated when pressure is applied to the triboelectric sensor according to the size of the micro-ridge.

도 6c는 마찰전기 자가발전 센서에 압력을 가했을 때 발생되는 마찰전기 전류 밀도를 미세리지의 크기에 따라 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.6C is a graph showing a result of measuring the frictional electric current density generated when pressure is applied to the frictional electromotive force sensor according to the size of the micro-ridge.

도 6d는 손목에 부착된 마찰전기 자가발전 센서를 통해 측정된 손목 맥압의 마찰전기 전류 신호를 나타내는 그래프이다.6D is a graph showing the triboelectric current signal of wrist pulse pressure measured through a triboelectrically powered sensor attached to the wrist.

도 6e는 수직압력에 대해 인터록 미세리지 사이의 이동변위 (displacement)와 갭 거리변화를 ABAQUS 소프트웨어를 통해 분석한 그래프이다.6E is a graph of displacement and gap distance change between interlock micro-ridges versus vertical pressure through ABAQUS software.

이하 도 6a 내지 도 6d를 참조하여 본 발명의 일 구현예에 대해 설명하도록 한다. Hereinafter, one embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 6A to 6D.

인터록 구조로 배치된 폴리머층의 수직압력에 대한 마찰전기 효과를 분석하기 위하여 COMSOL 멀티피직스 소프트웨어를 이용하여 분석할 수 있다.Analysis can be performed using COMSOL multi-physics software to analyze the triboelectric effect of the polymer layer placed in the interlock structure against the vertical pressure.

미세리지가 형성되지 않은 폴리머층 및 미세리지의 크기가 서로 다른 세 종류의 폴리머층을 포함하는 마찰전기 자가발전 센서들에 수직한 방향으로 압력을 가했을 때, 가장 큰 마찰전기 전압과 전류 밀도를 발생시키는 폴리머층은 100㎛의 직경 및 120㎛의 간격으로 형성된 미세리지를 포함하는 폴리머층이다.When a frictional electromagnet comprising a polymer layer without micro-ridges and three types of polymer layers with different micro-ridges is applied in a direction perpendicular to the generation sensors, the largest triboelectric voltage and current density are generated Is a polymer layer comprising micro-ridges formed with a diameter of 100 mu m and an interval of 120 mu m.

100㎛의 직경 및 120㎛의 간격으로 형성된 미세리지를 포함하는 마찰전기 자가발전 센서는 다른 크기의 미세리지를 포함하는 마찰전기 자가발전 센서에 비해 에어 갭 거리가 가장 멀다. 구체적으로 100㎛의 직경 및 120㎛의 간격으로 형성된 미세리지를 포함하는 마찰전기 자가발전 센서의 에어 갭 거리는 최소 70㎛이다.A triboelectrically generated sensor comprising a micro-ridge formed with a diameter of 100 microns and an interval of 120 microns has the largest air gap distance as compared to a frictional electromagnetically powered sensor comprising micro-ridges of different sizes. Specifically, the air gap distance of the triboelectric-electric-power-generating sensor including the micro-ridges formed with a diameter of 100 mu m and an interval of 120 mu m is at least 70 mu m.

이론적으로 마찰전기 자가발전 센서의 에어 갭 거리가 멀어질수록 외부에서 가해지는 수직 압력에 의해 발생되는 마찰전기량은 증가할 수 있지만, 초박막형의 플렉서블한 센서를 제조하기 위하여 미세리지의 최대 크기를 100㎛의 직경으로 제한하고, 미세리지들의 간격을 최대 120㎛로 제한함이 바람직할 수 있다.Theoretically, as the air gap distance of the friction sensor increases, the triboelectric charge generated by the vertical pressure applied from the outside may increase. However, in order to manufacture a flexible sensor of a thin film type, Lt; RTI ID = 0.0 > m, < / RTI >

100㎛의 직경 및 120㎛의 간격으로 형성된 미세리지를 포함하는 마찰전기 자가발전 센서는 98kPa 및 0.4Hz의 외부 수직 압력을 가했을 때, 최대 25.8V의 마찰전기 전압과 0.73㎂/㎠의 전류 밀도를 나타낸다.A triboelectrically powered sensor comprising micro-ridges formed with a diameter of 100 mu m and an interval of 120 mu m has a triboelectric voltage of up to 25.8 V and a current density of 0.73 mu A / cm < 2 > when subjected to external vertical pressure of 98 kPa and 0.4 Hz .

본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 마찰전기 자가발전 센서는 저압 감지가 가능하여 손목에 부착되어 요골 동맥 맥파 파형을 모니터링할 수 있다. The frictional electromotive force sensor manufactured according to an embodiment of the present invention is capable of detecting low pressure and can be attached to the wrist to monitor the radial artery pulse wave waveform.

도 6d에 따르면, 마찰전기 자가발전 센서를 통해 손목 맥압의 마찰전기 전류 신호를 감지한 그래프를 확인할 수 있다. 마찰전기 자가발전 센서는 A, B 및 C로 구별되는 명확한 피크를 감지할 수 있으며, 여기서 A는 심장수축기 피크이고, B는 신호 교차 지점이고, C는 심장확장기 피크이다. 또한, A, B 및 C에 각각 대응되는 역마찰전기 신호를 나타내는 a, b 및 c를 감지할 수 있다.Referring to FIG. 6D, a graph of the triboelectric current signal of the wrist pulse pressure sensed by the triboelectric power generation sensor can be seen. The triboelectrically generated sensor can sense distinct peaks distinguished as A, B and C, where A is the heart systolic peak, B is the signal crossing point, and C is the diastolic peak. It is also possible to detect a, b and c representing the reverse-friction electrical signal corresponding to A, B and C, respectively.

도 7a는 마찰전기 자가발전 센서를 구부렸을 때 변화되는 미세리지 사이의 접촉 면적 및 미세리지의 부피 변화를 나타내는 모식도이다.FIG. 7A is a schematic diagram showing the contact area between the micro-ridges and the volume change of the micro-ridges when the frictional electromotive force sensor is bent.

도 7b는 마찰전기 자가발전 센서를 구부렸을 때 변화되는 마찰전기 전압을 미세리지의 크기에 따라 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.7B is a graph showing the result of measuring the triboelectric voltage, which is varied when the triboelectric sensor is bent, according to the size of the micro-ridge.

도 7c는 마찰전기 자가발전 센서를 구부렸을 때 변화되는 마찰전기 전류 밀도를 미세리지의 크기에 따라 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.7C is a graph showing the results of measurement of the triboelectric current density, which is varied when the triboelectric sensor is bent, according to the size of the micro-ridge.

도 7d는 손가락에 부착된 마찰전기 자가발전 센서의 손가락 구부림 각도에 따른 출력 전류 신호를 나타내는 그래프이다.7D is a graph showing an output current signal according to a finger bending angle of a friction electromotive force sensor attached to a finger.

이하 도 7a 내지 도 7d를 참조하여 본 발명의 일 구현예에 대해 설명하도록 한다.Hereinafter, one embodiment of the present invention will be described with reference to Figs. 7A to 7D.

본 발명의 일 구현예에 따라 제조된 마찰전기 자가발전 센서는 굽힘 변형(bending strain)에 대한 민감도가 높다.The triboelectrically powered sensor fabricated in accordance with one embodiment of the present invention is highly sensitive to bending strain.

인터록 구조를 갖는 마찰전기 자가발전 센서를 더 작은 반경으로 구부릴수록, 마찰전기 자가발전 센서에 가해지는 굽힘 응력은 증가된다. 굽힘 응력이 증가되면, P(VDF-TrFE)를 포함하는 폴리머층의 미세리지와 PDMS를 포함하는 폴리머층의 미세리지가 접촉되는 면적이 넓어질 수 있다.As the frictional electromagnet with interlock structure bends the power generation sensor to a smaller radius, the bending stress exerted on the frictional electromagnetism sensor is increased. If the bending stress is increased, the contact area of the micro ridge of the polymer layer including PDMS with the micro-ridge of the polymer layer containing P (VDF-TrFE) can be widened.

즉, 벤딩되는 인터록 구조를 갖는 마찰전기 자가발전 센서의 단위 셀(cell)당 집중되는 응력에 의해 두 폴리머층의 미세리지들이 접촉되는 면적과 개수밀도(number density)에 차이가 발생할 수 있다.That is, due to the concentrated stress per unit cell of the triboelectric sensor having a bending interlock structure, there may be a difference in the area and number density of contact between the fine ridges of the two polymer layers.

이는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 자가발전 센서에 수직한 방향으로 압력을 가했을 때 미세리지 사이의 갭 거리에 차이가 발생하는 현상과 차이가 있다.This is different from the phenomenon in which the gap distance between the micro-ridges is different when pressure is applied in the direction perpendicular to the triboelectric sensor according to an embodiment of the present invention.

즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 자가발전 센서에 수직한 방향으로 압력을 가하면, 센서의 에어 갭 거리가 달라지지만, 벤딩 했을 때는 두 폴리머층에 형성된 미세리지들의 접촉 면적과 접촉된 미세리지의 수가 달라진다.That is, when the pressure is applied in a direction perpendicular to the triboelectric sensor according to an embodiment of the present invention, the air gap distance of the sensor is changed. However, when the bending is performed, the micro- The number of Ridge varies.

표면 압축 응력은 높은 탄성계수를 갖는 P(VDF-TrFE)를 포함하는 폴리머층의 미세구조를 변형시키기 어렵다. The surface compressive stress is difficult to deform the microstructure of the polymer layer including P (VDF-TrFE) having a high modulus of elasticity.

표면 인장 응력은 낮은 탄성계수를 갖는 PDMS를 포함하는 폴리머층의 서로 접촉되는 미세리지의 수를 감소시킬 수 있다. 또한, 미세리지의 개수밀도가 가장 낮은 폴리머층에 가장 큰 영향을 미칠 수 있다.The surface tensile stress can reduce the number of contact micro-ridges of polymer layers including PDMS with low elastic modulus. In addition, the number density of micro ridges can have the greatest effect on the polymer layer having the lowest density.

구체적으로 서로 다른 크기의 미세리지를 포함하는 세 개의 폴리머층 중에서 가장 적은 수의 미세리지를 갖는 직경 100㎛ 및 간격 120㎛로 형성된 미세리지를 포함하는 폴리머층에 가장 큰 영향을 미칠 수 있다. It may have the greatest effect on the polymer layer including the micro-ridges formed with a diameter of 100 mu m and a gap of 120 mu m having the smallest number of micro-ridges among the three polymer layers including specifically different sizes of the micro-ridges.

여기서 100㎛의 직경 및 120㎛의 간격으로 형성된 미세리지는 서로 다른 크기를 갖는 세 개의 미세리지들 중에서 가장 큰 크기를 갖는 미세리지이다.Here, the micro-ridges formed at a diameter of 100 탆 and at an interval of 120 탆 are micro-ridges having the largest size among the three micro-rides having different sizes.

구체적으로, 25㎛의 직경 및 30㎛의 간격을 갖는 미세리지들이 일면에 조밀하게 형성된 폴리머층은 가장 높은 마찰전기 전압 및 전류 밀도를 나타낼 수 있으며, 4.6Vcm의 굽힘 민감도를 가질 수 있다. 도 7b 및 도 7c에 따르면, 25㎛의 직경 및 30㎛의 간격으로 형성된 미세리지를 포함하는 폴리머층의 마찰전기 전압은 11.37V이고, 전류 밀도는 0.28㎂/cm²이다.Specifically, a polymer layer in which fine ridges having a diameter of 25 탆 and an interval of 30 탆 are densely formed on one surface can exhibit the highest triboelectric voltage and current density, and can have a bending sensitivity of 4.6 Vcm. According to Figs. 7B and 7C, the triboelectric voltage of the polymer layer including the micro-ridges formed at a diameter of 25 mu m and the interval of 30 mu m is 11.37 V and the current density is 0.28 mu A / cm < ^{2 &} gt ;.

본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 자가발전 센서는 수직 압력을 가할 때와 달리, 벤딩에 의한 출력전기량은 작은 크기의 미세리지를 포함하는 폴리머층이 더 클 수 있다.Unlike the case where a vertical pressure is applied to the triboelectric power generation sensor according to an embodiment of the present invention, the amount of output electricity by bending may be larger in the polymer layer including the small size micro-ridge.

굽힘 응력은 수직 압력과 달리 미세리지에 국부적인 힘을 가하며, 미세리지의 부피 변화를 발생시킬 만큼 큰 압력이 작용되지 않는다. Unlike the vertical pressure, the bending stress exerts a localized force on the micro-ridge and does not exert a large pressure to cause a change in the volume of the micro-ridge.

이로 인하여, 큰 굽힘 반경에도 인터록 구조의 마찰전기 자가발전 센서의 미세리지들이 점접촉을 이루게 되며, 접촉되는 미세리지의 개수가 중요한 요소가 될 수 있다. 따라서, 높은 개수밀도를 갖는 직경 25㎛와 간격 30㎛로 형성된 미세리지를 포함하는 마찰전기 자가발전 센서가 높은 출력전압을 발생시킬 수 있다.Therefore, even if the bending radius is large, the fine ridges of the interlocking frictional electromotive force sensor are point-contacted, and the number of contacted micro ridges can be an important factor. Therefore, a frictional electromotive force sensor including a fine ridge formed with a diameter of 25 mu m and an interval of 30 mu m having a high number density can generate a high output voltage.

본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 마찰전기 자가발전 센서는 손가락의 관절에 부착되기 용이하고, 엄지, 검지 및 중지를 각 손가락에 해당하는 각도에 대한 출력전류 신호로 감지할 수 있다.The frictional electromotive force sensor manufactured according to an embodiment of the present invention is easy to attach to the joints of the fingers, and can detect the thumb, the detection, and the stop by the output current signal with respect to the angle corresponding to each finger.

도 7d에 따르면, 마찰전기 자가발전 센서가 손가락의 각 관절에 부착되어 엄지는 90°, 검지는 110° 및 중지는 100°로 구부러질 때 발생되는 서로 다른 출력전류 신호를 통해 움직임의 정도를 감지할 수 있음을 확인할 수 있다.According to Fig. 7d, a friction electromotive force sensor is attached to each joint of the finger to detect the degree of movement through different output current signals generated when the thumb is bent at 90 [deg.], The detection at 110 [deg.] And the stop at 100 [ Can be confirmed.

도 8a는 마찰전기 자가발전 센서가 진동을 감지하는 모식도이다.Fig. 8A is a schematic diagram in which a friction electrification sensor senses vibration. Fig.

도 8b는 마찰전기 자가발전 센서에 저주파수의 접촉 진동을 가했을 때 변화되는 마찰전기 전압을 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.8B is a graph showing a result of measuring a triboelectric voltage which is changed when a low frequency contact vibration is applied to a triboelectric generator.

도 8c는 마찰전기 자가발전 센서에 저주파수의 접촉 진동을 가했을 때 변화되는 마찰전기 전류를 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.8C is a graph showing a result of measuring a triboelectric current which is changed when a low-frequency contact vibration is applied to a triboelectric generator.

이하 도 8a 내지 도 8c를 참조하여 본 발명의 일 구현예에 대해 설명하도록 한다.Hereinafter, one embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 8A to 8C.

도 8a와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 자가발전 센서는 높은 압력 민감도 및 빠른 응답성을 갖고, 이를 통해 동력을 감지할 수 있다.As shown in FIG. 8A, the triboelectrically powered sensor according to an embodiment of the present invention has high pressure sensitivity and quick response, so that power can be sensed through the sensor.

본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 자가발전 센서는 센서에 접촉된 코인에서 발생시키는 주파수에 대하여 마찰전기 출력 전압 및 전류를 발생시킬 수 있다. A triboelectrically powered sensor according to an embodiment of the present invention can generate a triboelectric output voltage and current with respect to a frequency generated in a coin contacted with a sensor.

도 8b 및 도 8c에 따르면, 코인에서 발생되는 진동 주파수를 0.2Hz부터 4.2Hz까지 증가시키면, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 자가발전 센서에서 출력되는 마찰전기 전압 및 전류는 점차 증가한다. 진동 주파수가 4.2Hz일 때, 출력되는 마찰전기 전압은 44.8V이고, 전류는 0.47㎛이다.According to FIGS. 8B and 8C, when the vibration frequency generated in the coin is increased from 0.2 Hz to 4.2 Hz, the triboelectric voltage and current output from the triboelectric generator according to the embodiment of the present invention gradually increases. When the oscillation frequency is 4.2 Hz, the triboelectric voltage outputted is 44.8 V and the current is 0.47 탆.

높은 가속도의 접촉 진동수 증가는 마찰전기 자가발전 센서의 인터록 구조를 갖는 폴리머층의 변형량과 폴리머층 사이의 이격된 거리(h(t))를 더욱 증가시킬 수 있는 요소가 될 수 있다. 따라서, 공진 주파수 이하에서 개방회로의 전압(V _OC )을 증가시킬 수 있다.The increase in the contact frequency of the high acceleration can be an element that can further increase the distance h (t ) between the deformation amount of the polymer layer having the interlock structure of the friction sensor and the polymer layer. Therefore, the voltage V _OC of the open circuit can be increased below the resonance frequency.

또한, 고주파 진동의 높은 속도(v(t))에 의해 빈번하게 발생되는 전위(Q _SC )는 전하 유속을 상승시킬 수 있다. 즉, 아래의 식과 같이 단락 전류(I _SC )를 증가시킬 수 있다.In addition, the potential Q _SC frequently generated by the high speed v (t) of the high frequency oscillation can increase the charge flow rate. That is, the short-circuit current I _SC can be increased as shown in the following equation.

여기서 σ는 표면전하, ε ₀ 은 공기 유전 상수, A는 표면적, d _e 는 인터록 구조의 폴리머의 유효두께를 의미한다(= d ₁ ε _r1 + d ₂ ε _r2 , 두 폴리머층의 ε _r1 및 ε _r2 에 대한 상대적인 유전 상수).Where σ is the surface charge, ε ₀ is the air dielectric constant, A is the surface area, and d _e is the effective thickness of the polymer in the interlock structure (= d ₁ ε _r1 + d ₂ epsilon _r2 , the dielectric constant relative to [ epsilon] _r1 and [ epsilon] _r2 of the two polymer layers.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 자가발전 센서는 걷기, 뛰기, 눈 깜박거림, 호흡 주기 및 심장 박동과 같은 신체의 저주파가 발생되는 조건에서도 출력 파워를 발생시킬 수 있으며, 주파수 변화를 감지할 수 있다.Therefore, the friction electrification sensor according to an embodiment of the present invention can generate output power even under conditions of low body frequency such as walking, running, blinking, breathing cycle and heartbeat, can do.

도 9a는 마찰전기 자가발전 센서가 음형을 감지하는 모식도이다.FIG. 9A is a schematic diagram of a triboelectric generator sensor sensing a tone. FIG.

도 9b는 마찰전기 자가발전 센서에 입력되는 음향의 파형 및 단시간 푸리에 변환신호를 나타내는 그래프이다.FIG. 9B is a graph showing a waveform of a sound and a short-time Fourier transform signal input to the friction electrification sensor. FIG.

도 9c는 마찰전기 자가발전 센서에 음향파의 고주파수 진동을 가했을 때 변화되는 마찰전기 전압 파형과 STFT 스펙트럼에 의한 시간에 따른 주파수 편차를 분석한 그래프이다.FIG. 9C is a graph of a frequency deviation of a triboelectric voltage waveform and a STFT spectrum, which are varied when a high-frequency vibration of an acoustic wave is applied to a triboelectric power generation sensor, according to time.

이하 도 9a 내지 도 9c를 참조하여 본 발명의 일 구현예에 대해 설명하도록 한다.Hereinafter, one embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 9A to 9C.

본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 자가발전 센서의 인터록된 폴리머층은 순간적인 접촉 및 분리가 가능하고, 마찰전기 자가발전 센서는 폴리머층의 접촉 및 분리에 대한 응답이 빠르다. 이러한 특성을 통해 마찰전기 자가발전 센서는 음파의 고주파 진동을 감지할 수 있다.The interlocked polymer layer of the triboelectrically powered sensor according to an embodiment of the present invention is capable of momentary contact and separation, and the triboelectrically powered sensor has a fast response to contact and separation of the polymer layer. These characteristics enable the triboelectric sensor to sense high frequency vibrations of the sound waves.

도 9a와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 자가발전 센서의 음파 진동 감지 성능을 "마찰전기 센서"와 같이 속도가 다른 단어의 소리를 스피커로 출력하며 측정할 수 있다.As shown in FIG. 9A, the sound wave vibration sensing performance of the tester according to the embodiment of the present invention can be measured by outputting sounds of words having different speeds, such as a "triboelectric sensor"

도 9b는 스피커에 입력되는 전압신호와 대응되는 단시간 푸리에 변환(STFT) 신호를 통해 시간에 따른 주파수 변화를 분석한 그래프이다.FIG. 9B is a graph of frequency change over time through a short time Fourier transform (STFT) signal corresponding to a voltage signal input to a speaker.

도 9c에 따르면, 스피커에서 출력되는 음파 파형에 따라 마찰전기 자가발전 센서의 출력 전압 파형 및 대응되는 STFT 스펙트럼의 주파수 변동과 도 9c의 입력 신호에 해당하는 전압 신호 및 주파수 변동이 일치함을 확인할 수 있다. According to Fig. 9C, it can be confirmed that the frequency fluctuation of the output voltage waveform of the frictional electromotive force generation sensor and the corresponding STFT spectrum coincide with the voltage signal and the frequency fluctuation corresponding to the input signal of Fig. 9c in accordance with the sound wave waveform output from the speaker have.

분석된 음향의 파형 및 감지된 주파수 범위는 입력 신호의 파형과 유사하다. 여기서 감지된 주파수 범위는 6kHz 이상이다.The waveform of the analyzed sound and the sensed frequency range are similar to the waveform of the input signal. Here, the detected frequency range is more than 6 kHz.

도 10a는 마찰전기 자가발전 센서가 사람의 목소리를 감지하는 모식도이다.FIG. 10A is a schematic diagram of a frictional self-generated sensor for detecting a human voice. FIG.

도 10b는 마찰전기 자가발전 센서를 통해 여성 및 남성이 각 문장을 읽는 음성을 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.FIG. 10B is a graph showing a result of measuring the voice of women and men reading each sentence through a friction electric power generation sensor. FIG.

도 10c는 마찰전기 자가발전 센서를 통해 여성 및 남성이 단어를 반복적으로 읽는 음성을 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.FIG. 10C is a graph showing the result of measuring the voice repeatedly read by the female and the male by means of the friction-electric power generation sensor.

이하 도 10a 내지 도 10c를 참조하여 본 발명의 일 구현예에 대해 설명하도록 한다.Hereinafter, one embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 10A to 10C.

본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 자가발전 센서는 60dB 이하의 낮은 음압을 감지할 수 있으며, 이는 인간의 음성을 감지할 수 있음을 나타낸다. A triboelectrically powered sensor according to an embodiment of the present invention can sense a low sound pressure of 60 dB or less, which indicates that human voice can be detected.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 자가발전 센서는 여성과 남성의 음성 간의 상이한 주파수 영역을 구별할 수 있다. In addition, the tribo-electric power generation sensor according to an embodiment of the present invention can distinguish different frequency regions between the voice of a woman and the voice of a man.

일예로, 도 10a와 같이 여성 및 남성이 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 자가발전 센서를 향해 하나의 문장을 말하면 여성 및 남성의 음성에 대한 주파수 범위가 다르게 감지될 수 있다.For example, if a woman and a male each speak one sentence toward a rheometer sensor according to one embodiment of the present invention, as shown in FIG. 10A, the frequency range for the female and male voice may be different.

여기서 여성이 말한 문장은 "I'm a girl"이고, 남성이 말한 문장은 "I'm a boy"이다. 그러나 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 자가발전 센서가 감지할 수 있는 문장은 "I'm a girl" 또는 "I'm a boy"에 제한되지 않는다.Here the sentence of the woman is "I'm a girl" and the sentence of the man is "I'm a boy". However, the sentence that a triboelectric sensor according to an embodiment of the present invention can detect is not limited to "I'm a girl" or "I'm a boy".

여성의 음성에 대한 주파수 영역은 100Hz 내지 6.25Hz로 나타나 광범위한 주파수 영역을 나타낼 수 있다. The frequency range for the female voice is 100 Hz to 6.25 Hz and can represent a wide frequency range.

그러나 남성의 음성에 대한 주파수 영역은 여성의 음성에 대한 주파수보다 낮은 영역에서 더 높은 강도를 나타낼 수 있다. 구체적으로 남성의 음성에 대한 주파수 영역은 여성의 음성에 대한 주파수보다 2kHz 이하의 낮은 영역에서 더 높은 강도를 나타낸다.However, the frequency range for the male voice can be higher in the lower frequency range than for the female voice. Specifically, the frequency range for a male voice exhibits a higher intensity in a region lower than 2 kHz than a frequency for a female voice.

본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 자가발전 센서는 높은 민감도로 음성 식별이 가능하고, 여성과 남성의 음성을 구별하는 높은 신뢰성을 가질 수 있음을 확인할 수 있다. It can be confirmed that the triboelectric power generation sensor according to an embodiment of the present invention can identify the voice with high sensitivity and can have high reliability to distinguish between the voice of a woman and the voice of a man.

도 10c에 따르면, 남성과 여성이 동일한 단어를 반복적으로 읽었을 때, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 자가발전 센서는 단어에 해당하는 음성을 감지하고, 여성과 남성의 목소리의 구별이 가능함을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 10C, when a male and a female repeatedly read the same word, the friction electrifier sensor according to an embodiment of the present invention senses a voice corresponding to a word and distinguishes between voices of women and men Can be confirmed.

실시예Example 1. One.

도 11은 손에 착용된 마찰전기 자가발전 센서를 통해 상이한 반경을 갖는 물체를 잡을 때 변화되는 마찰전기 출력 전류를 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.11 is a graph showing a result of measuring a triboelectric output current which is changed when an object having different radii is held by a hand-held frictional electromotive force sensor.

플렉서블하고 소형화된 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 자가발전 센서는 상이한 반경으로 벤딩되는 굽힘 동작을 감지할 수 있다. 이에 따라, 인체의 일부에 부착되거나 착용되어 인체의 움직임을 감지할 수 있다.The frictional electromotive force sensor according to an embodiment of the present invention, which is flexible and miniaturized, can sense a bending motion bending at different radii. Accordingly, it can be attached to or worn on a part of the human body to sense the movement of the human body.

일예로, 장갑형태의 마찰전기 자가발전 센서는 손에 착용되어 손의 다양한 제스처를 용이하게 감지할 수 있다.For example, a glove-shaped frictional electrosurgical sensor may be worn on the hand to easily detect various gestures of the hand.

구체적으로 스마트 장갑으로 디자인된 장갑형 마찰전기 자가발전 센서는 손가락 및 손목의 모든 관절에 부착되는 11개의 마찰전기 자가발전 센서로 구성될 수 있으며, 손의 굽힘, 이완, 펼침, 밀어냄 및 비틀림과 같은 다양한 동작을 감지할 수 있다.Specifically, the glove type frictional self-generated sensor designed as a smart glove can be composed of eleven friction electric power generation sensors attached to all the joints of the fingers and the wrist, and can be constituted by hand sensors such as bending, relaxing, spreading, pushing and twisting Various operations can be detected.

본 발명의 일 실시예에 따른 장갑형 마찰전기 자가발전 센서가 착용된 손이 서로 상이한 반경을 갖는 대상물을 쥐었을 때, 각 위치의 센서에서 발생되는 마찰전기 출력 전류는 서로 다를 수 있다.When the gloved triboelectrical generator according to the embodiment of the present invention grasps an object having different radii from each other, the triboelectric output currents generated in the sensors at the respective positions may be different from each other.

실험예Experimental Example 1. One.

작은 반경을 갖는 대상물을 쥐었을 때(1120), 손의 관절에 위치하는 각 마찰전기 자가발전 센서들이 받는 응력 및 변화량(1122)은 큰 반경을 갖는 대상물을 쥐었을 때(1140)의 마찰전기 자가발전 센서들이 받는 응력 및 변화량(1142)보다 크다.When the object with a small radius is held 1120, the stresses and variations 1122 of each frictional electromagnetically generated sensor located at the joint of the hand, when holding the object with a large radius, Is larger than the stress and change amount (1142) received by the power generation sensors.

즉, 작은 반경을 갖는 대상물을 쥐었을 때(1120)의 마찰전기 자가발전 센서가 발생시킬 수 있는 마찰전기 전류는 큰 반경을 갖는 대상물을 쥐었을 때(1140)보다 더 높다. That is, the triboelectric current that the triboelectric generator sensor 1120 can generate when holding an object with a small radius is higher than when holding an object with a large radius 1140. [

대상물을 반복적으로 쥐었을 때 마찰전기 자가발전 센서가 받는 응력 및 변화량은 한 번 쥐었을 때의 결과와 유사하다. The stress and variation of the frictional self-generated sensor when the object is repeatedly held is similar to the result of holding it once.

작은 반경을 갖는 대상물을 100번 쥐었을 때의 마찰전기 자가발전 센서가 받는 응력 및 변화량(1124)은 큰 반경을 갖는 대상물을 100번 쥐었을 때의 마찰전기 자가발전 센서가 받는 응력 및 변화량(1144)보다 크다.The stress and variation (1124) received by the triboelectric generator when the object with a small radius is grasped 100 times is the stress and the amount of change (1144) that the triboelectric sensor receives when the object having a large radius is grasped 100 times ).

실시예Example 2. 2.

도 12a는 마찰전기 자가발전 센서가 손에 착용된 예시를 나타내는 이미지이다.12A is an image showing an example in which a frictional electromotive force sensor is worn by hand.

본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 자가발전 센서는 큰 동작으로 움직이는 대상물을 쥐는 동작 외에도 세밀한 제스처를 수행하는 손의 동작을 감지할 수 있다. The friction electrification sensor according to an exemplary embodiment of the present invention can sense movement of a hand performing a detailed gesture in addition to a movement of holding a moving object in a large motion.

구체적으로 장갑형으로 제조된 마찰전기 자가발전 센서는 손에 착용되어 수화 동작을 수행하는 손의 움직임을 감지할 수 있다.Specifically, a glove-shaped friction electrification sensor is mounted on a hand to sense movement of a hand performing a hydration operation.

일예로, 장갑형 마찰전기 자가발전 센서를 착용하고 "I am happy to meet you"를 수화로 나타낼 수 있다.For example, an armored triboelectric sensor can be used to indicate a "I am happy to meet you" sign.

실험예Experimental Example 2. 2.

도 12b는 마찰전기 자가발전 센서가 착용된 손이 수화를 따라 움직일 때 변화되는 마찰전기 출력 전류 및 등고선 지도 어레이를 나타내는 이미지이다.12B is an image showing a triboelectric map array and a triboelectric output current which is changed when a hand on which the triboelectric power generation sensor is worn moves along with hydration.

도 12c는 마찰전기 자가발전 센서가 착용된 손의 부위를 세 부분으로 나누고, 손의 움직임에 따른 해당 부위의 전류 피크를 나타내는 그래프이다.12C is a graph showing the current peak of the corresponding portion according to the movement of the hand by dividing the portion of the hand where the friction electromotive force sensor is worn into three portions.

이하 도 12b 및 도 12c를 참조하여 본 발명의 일 구현예에 대해 설명하도록 한다.Hereinafter, one embodiment of the present invention will be described with reference to Figs. 12B and 12C.

본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 자가발전 센서는 장갑형으로 제조되어 손에 착용될 수 있고, 다양한 제스처를 수행하는 손의 움직임을 감지할 수 있다.The frictional electromotive force sensor according to an exemplary embodiment of the present invention may be manufactured in a glove shape and may be worn by a hand, and may detect motion of a hand performing various gestures.

즉, 마찰전기 자가발전 센서는 센서가 착용된 손이 움직일 때마다 이에 대응되는 마찰전기 전류를 발생시킬 수 있다. That is, the frictional self-generated sensor can generate a corresponding triboelectric current each time the hand worn by the sensor moves.

도 12b와 같이 마찰전기 자가발전 센서에서 발생된 마찰전기 전류는 등고선으로 표현될 수 있다. 도 12b의 마찰전기 전류에 대한 각 등고선 그래프는 수화로 표현되는 단어에 대응된다. As shown in FIG. 12B, the triboelectric current generated in the triboelectric generator can be represented by a contour line. Each contour line graph of the triboelectric current of FIG. 12B corresponds to a word represented by sign language.

구체적으로 도 12b의 i는 "I am", ii는 "happy", iii은 "to meet", iv는 "you"를 의미하는 수화동작에 대한 마찰전기 전류의 등고선 그래프이다.Specifically, i in FIG. 12B is a contour graph of the triboelectric current for the hydration operation, which means "I am", ii is "happy", iii is "to meet" and iv is "you".

도 12b에서 알 수 있듯이, 각 단어에 대한 수화동작을 수행할 때, 마찰전기 자가발전 센서에서 발생되는 마찰전기 전류 신호는 모두 다르다.As can be seen from Fig. 12B, when performing a hydration operation for each word, the triboelectric current signals generated by the triboelectric generator are all different.

장갑형 마찰전기 자가발전 센서는 모든 손가락과 손목이 움직일 때마다 마찰전기 전류를 발생시킬 수 있다. 특히, 주먹을 쥐고 있는 동안 세 번째 손가락과 네 번째 손가락의 관절이 다른 손가락들의 관절에 비해 더 큰 각도로 벤딩되며, 이에 따라 마찰전기 전류가 다른 손가락들에 비해 높을 수 있다.The glove triboelectrically powered sensor can generate a triboelectric current whenever every finger and wrist moves. Particularly, while holding the fist, the joints of the third and fourth fingers bend at a larger angle than the joints of the other fingers, and thus the tractive electric current may be higher than the other fingers.

여기서 다섯 번째 손가락의 관절은 다른 네 손가락의 관절에 비해 가장 큰 각도로 벤딩되지만, 악력이 약하기 때문에 세 번째 및 네 번째 손가락보다 낮은 마찰전기 전류를 발생시킨다. Here, the joint of the fifth finger bends at the greatest angle relative to the joints of the other four fingers, but generates a triboelectric current lower than the third and fourth fingers because of the weak grip.

본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 자가발전 센서가 수화 신호를 측정하는 방법은 도 12a의 "you"를 의미하는 수화 동작에 대한 등고선 맵인 도 12b의 iv를 통해 알 수 있다. The method of measuring the hydration signal by the frictional electromotive force sensor according to an embodiment of the present invention can be seen from FIG. 12B, iv, which is a contour map for the sign language operation "you" in FIG. 12a.

"to meet"을 의미하는 수화 동작 후에 "you"를 의미하는 수화 동작을 수행하면, 다섯 손가락의 움직임은 거의 없고, 손목의 관절만 움직인다. 따라서, 다섯 손가락의 관절에 대한 마찰전기 전류보다 손목의 관절에 대한 마찰전기 전류가 높게 발생될 수 있다.If you perform a sign language operation that means "you" after the sign language operation, which means "to meet", there are few movements of the five fingers, only the joints of the wrist. Therefore, the triboelectric current for the joint of the wrist can be higher than the triboelectric current for the joint of the five fingers.

즉, 연속적인 동작을 수행하는 손의 움직임에 따라 발생되는 마찰전기 전류 신호를 측정하여 움직임을 감지하고, 수화의 경우 수화가 의미하는 바를 해석할 수 있다.That is, it is possible to sense the motion by measuring the triboelectric current signal generated according to the motion of the hand performing the continuous motion, and to interpret the meaning of sign language in sign language.

손가락과 손목의 각 관절들을 통해 구체적인 신호 변화를 분석하기 위하여 스마트 장갑에 부착된 마찰전기 자가발전 센서의 전류 변화를 실시간으로 측정하며 수화 동작을 모니터링 할 수 있다.In order to analyze the signal changes through the joints of the fingers and the wrists, it is possible to measure the current change of the friction sensor attached to the smart gloves in real time and monitor the hydration operation.

수화 동작 모니터링을 위하여 도 12c의 i와 같이, 손을 지골, 손뼈 및 손목의 세 부분으로 구분할 수 있다. For hydration monitoring, the hand can be divided into three parts: the phalanx, the hand bone, and the wrist, as shown in Fig. 12c, i.

도 12c의 ii에서 확인할 수 있듯이, 손목 부분의 손목의 관절은 다른 관절들과 비교하여 "happy"를 의미하는 수화 동작에서 다수개의 명확한 피크들을 발생시킬 수 있다. 다른 수화 동작들과 달리 "happy"에 해당하는 수화 동작에서 손목의 비틀림이 이루어지기 때문이다.As can be seen in Fig. 12 (ii), the wrist joint of the wrist portion can generate a number of distinct peaks in the hydration operation, meaning "happy " as compared to other joints. This is because the wrist is twisted in the hydration operation corresponding to "happy ", unlike other hydration operations.

또한, 도 12c의 iii 및 iv에서 확인할 수 있듯이, "meet"을 의미하는 수화 동작에서 T1(엄지1) 및 T2(엄지2)의 관절에 대한 전류 신호의 피크 형태는 손가락들의 굽힘 및 이완 동작에서 발생되는 위아래로 형성된 일반적인 피크 형태와 차이가 있다. 이는 "to meet"을 의미하는 수화 동작에서 엄지가 만날 수 있고, 여기서 엄지들의 접촉 및 분리에 의한 업-다운 피크들이 추가적으로 발생되기 때문이다.12C, the peak shape of the current signal for the joints of T1 (thumb 1) and T2 (thumb 2) in the hydration operation meaning "meet" There is a difference from the typical peak shape formed above and below. This is because the thumb can meet in a hydration operation which means "to meet ", wherein up-down peaks due to contact and separation of the thumbs are additionally generated.

기존의 유도 마찰전기에 의한 충전 및 방전 프로세서는 대기에 존재하는 불순물, 주변 온도, 압력 및 습도 등의 환경 조건에 의한 영향을 크게 받는다. 특히, 기존의 마찰전기 자가발전 센서는 별도의 스페이서를 포함하여야 하므로, 부피가 크기 때문에 패키징에 한계가 있기 때문이다. 마찰대전된 표면 주변의 높은 습도는 두꺼운 수분층을 형성시키고, 전체적으로 공기 전도성을 증가시킬 수 있다. 이에 따라, 소재에 유도된 표면 전하를 대기중으로 쉽게 방전시킬 수 있다.Conventional charging and discharging processes by induction triboelectricity are greatly affected by environmental conditions such as impurities in the atmosphere, ambient temperature, pressure and humidity. Particularly, since the existing friction-type electric power generation sensor must include a separate spacer, there is a limitation in packaging due to its large volume. The high humidity around the triboelectrified surface can create a thicker water layer and increase overall air conductivity. Thus, the surface charge induced in the work can be easily discharged into the atmosphere.

고성능, 고민감도 및 고신뢰도를 갖는 마찰전기 자가발전 센서를 상용화시키고 지속적으로 이용될 수 있도록 마찰대전 소재를 패키지화함으로써 주변 환경 조건에 영향을 적게 받을 수 있도록 설계함이 필요하다.It is necessary to design the triboelectric self-generating sensor having high performance, high sensitivity and high reliability to commercialize the triboelectric sensor and to package the triboelectric material so as to be continuously used so that it is less affected by the surrounding environmental conditions.

실시예Example 3. 3.

충전 및 방전에 큰 영향을 미치는 습도의 영향을 최소화하고자, 폴리머층들과 전극을 투명하고 플렉서블한 테이프로 전체를 패키징 할 수 있다. 또한, 투명한 플렉서블 테이프로 패키징되어 제조된 마찰전기 자가발전 센서는 기존의 마찰전기 자가발전 센서에 비해 부피가 최소화될 수 있다.To minimize the effects of humidity, which has a significant impact on charge and discharge, the polymer layers and electrodes can be entirely packaged with transparent and flexible tape. In addition, a frictional electromotive force sensor manufactured by packaging with a transparent flexible tape can be minimized in volume as compared with a conventional frictional electrification sensor.

일예로, 도 12a의 본 발명의 일 실시예에 따른 장갑형 마찰전기 자가발전 센서와 같이 스마트 장갑으로 제조되어 벤딩이 가능한 센서 어레이 형태로 제조될 수 있다.For example, a glove type frictional electromagnet according to an embodiment of the present invention as shown in FIG. 12A may be manufactured in the form of a sensor array which can be manufactured as a smart glove and bendable like a power generation sensor.

실험예Experimental Example 3. 3.

도 13a는 상대 습도에 따른 마찰전기 자가발전 센서의 마찰전기 출력 전압을 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.13A is a graph showing a result of measuring a triboelectric output voltage of a triboelectric generator according to relative humidity.

도 13b는 상대 습도에 따른 마찰전기 자가발전 센서의 마찰전기 전류 밀도를 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.13B is a graph showing a result of measuring a triboelectric current density of a triboelectric generator according to relative humidity.

도 13c는 마찰전기 자가발전 센서에 연결된 적색 LED의 작동 여부를 통해 물에서 작동되는 마찰전기 자가발전 센서를 나타내는 이미지이다.13C is an image showing a rubbing-electro-magnetic power generation sensor operated in water through the operation of a red LED connected to a rubbing-electric power generation sensor.

도 13d는 마찰전기 자가발전 센서에 초음파를 가했을 때 시간에 따른 주파수 분포 변화를 시각적으로 확인할 수 있는 초음파형을 나타내는 STFT 스펙트럼에 대한 그래프이다.FIG. 13D is a graph of an STFT spectrum showing an ultrasonic wave type in which a frequency distribution change with time when the ultrasonic wave is applied to the frictional electric power generation sensor. FIG.

이하 도 13a 내지 도 13d를 참조하여 본 발명의 일 구현예에 대해 설명하도록 한다. Hereinafter, one embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 13A to 13D.

본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 투명 플렉서블 테이프로 패키징된 마찰전기 자가발전 센서는 습도의 영향을 적게 받아 마찰전기 출력 전압 및 전류 밀도를 일정하게 유지시킬 수 있다.The frictional electromotive force sensor packaged with the transparent flexible tape manufactured according to an embodiment of the present invention is less influenced by humidity and can maintain a constant triboelectric output voltage and current density.

도 13a 및 도 13b에 따르면, 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 플렉서블 테이프로 패키징된 마찰전기 자가발전 센서에 대해 상대 습도를 20% RH부터 90% RH까지 증가시키면서 마찰전기 자가발전 센서의 변화되는 마찰전기 출력 전압 및 전류 밀도를 측정한 결과, 출력되는 전압 및 전류 밀도는 일정하게 유지되고 있음을 알 수 있다.According to Figures 13A and 13B, the friction electrical generator sensor packaged with a transparent flexible tape according to an embodiment of the present invention has a relative humidity of 20% RH to 90% RH, As a result of measuring the triboelectric output voltage and current density, it can be seen that the output voltage and current density are kept constant.

구체적으로 최대 출력 전압은 25V 내지 30V 범위로 유지되고, 최대 전류 밀도는 0.6㎂/㎠ 내지 0.8㎂/㎠ 범위로 유지될 수 있다.Specifically, the maximum output voltage is maintained in the range of 25V to 30V, and the maximum current density can be maintained in the range of 0.6 μA / cm 2 to 0.8 μA / cm 2.

즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 플렉서블 테이프로 패키징된 마찰전기 자가발전 센서는 습도가 높은 환경에서 일정한 마찰 출력 전압 및 전류 밀도를 유지할 수 있으며, 수중 내에서도 그 성능과 민감도를 유지할 수 있다.That is, according to the embodiment of the present invention, a frictional electrophoretic sensor packaged with a transparent flexible tape can maintain a constant frictional output voltage and a current density in a high humidity environment, and can maintain its performance and sensitivity even underwater.

도 13c를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 플렉서블 테이프로 실링된 마찰전기 자가발전 센서가 수중에서 적색 LED를 작동시킬 수 있음을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 13C, it can be seen that a frictional electroluminescence sensor sealed with a transparent flexible tape according to an embodiment of the present invention can operate a red LED in water.

구체적으로 초음파 수조에 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 플렉서블 테이프로 패키징된 마찰전기 자가발전 센서를 담그고, 42kHz의 고주파를 발생시킨다. 초음파에 의해 본 발명의 일 실시예에 따른 패키징된 마찰전기 자가발전 센서에서 자가발전이 이루어지고, 패키징된 마찰전기 자가발전 센서에 연결된 적색 LED가 발광될 수 있다.Specifically, a frictional electrophoresis sensor packaged with a transparent flexible tape according to an embodiment of the present invention is immersed in an ultrasonic wave water tank, and a high frequency of 42 kHz is generated. Ultrasonic waves can cause self-power generation in a packaged triboelectrically powered sensor according to one embodiment of the present invention, and a red LED connected to the triboelectrically powered sensor packaged can be emitted.

즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 패키징된 마찰전기 자가발전 센서는 수중에서 동력을 생성할 수 있음을 의미한다.That is, a packaged triboelectrically powered sensor according to an embodiment of the present invention is capable of generating power in water.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 패키징된 마찰전기 자가발전 센서는 수중에서 고주파를 정확하게 탐지할 수 있다.In addition, the packaged triboelectrically powered sensor according to an embodiment of the present invention can accurately detect high frequency in water.

도 13c에 따르면, 진동하는 전압 신호를 보이는 고속푸리에변환(Fast Fourier transform: FFT) 스펙트럼은 21kHz에서 감지된 주파수와 고 진폭의 분포를 나타낸다. 이는 초음파수조에서 마찰전기 자가발전 센서가 상쇄간섭 계면에 위치하여 접촉됐기 때문이다.According to FIG. 13C, a fast Fourier transform (FFT) spectrum showing an oscillating voltage signal exhibits a frequency and a high amplitude distribution at 21 kHz. This is because in the ultrasonic water tank, the triboelectric power generation sensor is located at the destructive interference interface and contacted.

도 13d에 따르면, STFT 스펙트럼은 시간에 따른 주파수 분포를 시각적으로 나타내고, 초음파에 의해 진동하는 마찰전기 센서의 초음파 파형을 나타냄을 알 수 있다.According to FIG. 13D, the STFT spectrum visually represents the frequency distribution over time, and shows the ultrasonic waveform of the triboelectric sensor vibrating by ultrasonic waves.

본 발명의 일 실시예에 따른 패키징된 마찰전기 자가발전 센서는 열악한 환경에서도 지속적으로 동력을 발생시키고, 높은 민감도를 유지할 수 있다. 이러한 마찰전기 자가발전 센서의 성능을 통해 마찰전기 자가발전 센서가 실생활에 적용될 수 있는 분야를 확장시킬 수 있다.The packaged triboelectrically powered sensor according to an embodiment of the present invention can continuously generate power and maintain high sensitivity even in a harsh environment. Through the performance of such a triboelectric power generation sensor, it is possible to extend the field in which the triboelectric power generation sensor can be applied in real life.

도 14은 PDMS를 포함하는 폴리머층의 표면 및 측면을 나타내는 SEM 이미지이다.14 is a SEM image showing the surface and side of the polymer layer comprising PDMS.

PDMS를 포함하는 폴리머층은 폴리머층의 일면에 일정한 간격으로 이격되어 형성된 돌출형의 미세리지 배열을 갖는다.The polymer layer containing PDMS has a protruding micro-ridge array formed at a predetermined interval on one surface of the polymer layer.

또한, PDMS를 포함하는 폴리머층은 폴리머층의 표면에 다수개의 개방된 기공을 갖고, 불균일한 표면 구조를 갖는다. 폴리머층의 절단된 면을 통해 알 수 있듯이, 폴리머층의 내부는 다공성 구조로 형성된다.In addition, the polymer layer containing PDMS has a plurality of open pores on the surface of the polymer layer, and has a nonuniform surface structure. As can be seen through the cut face of the polymer layer, the interior of the polymer layer is formed into a porous structure.

도 15는 P(VDF-TrFE)를 포함하는 폴리머층의 표면을 나타내는 SEM 이미지이다.15 is an SEM image showing the surface of the polymer layer containing P (VDF-TrFE).

P(VDF-TrFE)를 포함하는 폴리머층은 폴리머층의 일면에 일정한 간격으로 이격되어 형성된 돌출형의 미세리지 배열을 갖는다.The polymer layer containing P (VDF-TrFE) has a protruding micro-ridge array formed at a predetermined interval on one surface of the polymer layer.

또한, P(VDF-TrFE)를 포함하는 폴리머층은 나노섬유 모양의 독특한 결정구조를 갖는 불균일한 표면이 형성되어 있고, 내부는 다공성 구조로 형성되어있다.In addition, the polymer layer containing P (VDF-TrFE) has a nonuniform surface having a unique crystal structure in the form of nanofibers, and the inside has a porous structure.

실험예Experimental Example 4. 4.

도 16은 PDMS를 포함하는 폴리머층으로만 이루어진 인터록된 마찰전기 자가발전 센서와 P(VDF-TrFE)를 포함하는 폴리머층과 PDMS를 포함하는 폴리머층으로 이루어진 인터록된 마찰전기 자가발전 센서의 응력 집중도를 ABAQUS 소프트웨어를 통해 분석한 결과를 나타내는 이미지이다.16 is a graph showing the relationship between the stress concentration of an interlocked triboelectrically generated sensor consisting only of a polymer layer comprising PDMS and the interlocked triboelectricity sensor of a polymer layer comprising PDMS and a polymer layer comprising P (VDF-TrFE) Is analyzed by ABAQUS software.

구체적으로 두 종류의 마찰전기 자가발전 센서에 수직한 방향으로 43kPa의 압력을 가했을 때, 두 마찰전기 자가발전 센서가 받는 응력 집중도를 ABAQUS 소프트웨어를 통해 분석한다. Specifically, when two types of triboelectrons apply a pressure of 43 kPa in a direction perpendicular to the power generation sensor, the stress concentrations of the two triboelectric sensors are analyzed by ABAQUS software.

PDMS만 포함하는 인터록된 마찰전기 자가발전 센서의 응력 집중도는 PDMS 및 P(VDF-TrFE)를 포함하는 인터록된 마찰전기 자가발전 센서의 응력 집중도보다 더 낮다. The stress concentration of the interlocked triboelectrically powered sensor containing only PDMS is lower than the stress concentration of the interlocked triboelectric power generation sensor including PDMS and P (VDF-TrFE).

이는 고탄성률을 갖는 P(VDF-TrFE)를 포함하는 폴리머층이 P(VDF-TrFE) 폴리머층의 하부에 위치한 저탄성률을 갖는 PDMS 폴리머층에 응력을 효과적으로 전달할 수 있기 때문이다.This is because the polymer layer containing P (VDF-TrFE) having a high elastic modulus can effectively transmit stress to the PDMS polymer layer having a low elastic modulus located at the bottom of the P (VDF-TrFE) polymer layer.

즉, 다공성의 PDMS를 포함하는 폴리머층은 상부의 P(VDF-TrFE)를 포함하는 폴리머층으로부터 전달받은 수직 응력에 의하여 부피가 크게 변할 수 있다. 이에 따라, 인터록된 두 폴리머층 사이의 갭 거리도 크게 감소되고, 전위 발생량을 증가시킬 수 있다.That is, the polymer layer including the porous PDMS can be significantly changed in volume by the normal stress transferred from the polymer layer including P (VDF-TrFE) on the upper part. Thus, the gap distance between the two interlocked polymer layers is greatly reduced, and the potential generation amount can be increased.

실험예Experimental Example 5. 5.

도 17a는 인터록 구조로 배치된 폴리머층에 압력을 가했을 때 변화되는 전압을 폴리머층의 내부에 형성된 기공의 유무 및 표면의 일면에 형성된 미세리지의 유무에 따라 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.17A is a graph showing the result of measuring the voltage that is changed when a polymer layer disposed in an interlock structure is changed according to the presence or absence of pores formed in the polymer layer and the presence or absence of fine ridges formed on one surface of the polymer layer.

도 17b는 인터록 구조로 배치된 폴리머층에 압력을 가했을 때 변화되는 전류 밀도를 폴리머층의 내부에 형성된 기공의 유무 및 일면에 형성된 미세리지의 유무에 따라 측정한 그래프이다.FIG. 17B is a graph showing a change in current density when pressure is applied to a polymer layer arranged in an interlock structure, depending on the presence or absence of pores formed in the polymer layer and the presence or absence of fine ridges formed on one surface.

도 17a에 따르면, 폴리머층의 내부에 다공성 구조가 형성되지 않은 비다공성 PDMS를 포함하는 폴리머층은 다공성 PDMS를 포함하는 폴리머층보다 마찰전기 전압이 낮다.According to Fig. 17A, the polymer layer comprising non-porous PDMS without a porous structure inside the polymer layer has a lower triboelectric voltage than the polymer layer comprising porous PDMS.

이는, 비다공성 폴리머층의 외부 응력에 대한 부피 변화량이 다공성 폴리머층의 부피 변화량보다 적기 때문이다. 구체적으로 비다공성 폴리머층의 탄성률은 다공성 폴리머의 탄성률보다 크기 때문에 외부 응력에 대한 변형량이 적어 인터록된 폴리머층 사이의 거리 변형량이 적고, 이에 따라 전위 발생이 어려울 수 있다.This is because the amount of volume change with respect to the external stress of the non-porous polymer layer is smaller than the volume change amount of the porous polymer layer. Specifically, since the modulus of elasticity of the non-porous polymer layer is larger than that of the porous polymer, the amount of deformation with respect to external stress is small, and the amount of deformation of the distance between the interlocked polymer layers is small.

미세리지를 포함하는 비다공성 폴리머층은 미세리지를 포함하지 않는 비다공성 폴리머층보다 더 낮은 마찰전기 출력 성능을 보인다.The nonporous polymer layer including the micro-ridges exhibits lower triboelectric output performance than the non-porous polymeric layer that does not include the micro-ridges.

이는 탄성률이 낮은 폴리머층으로 인하여 외부 응력에 대한 미세리지를 포함하는 비다공성 폴리머층의 부피 변화가 충분히 이루어지지 않기 때문이다. 변형이 적은 폴리머층으로 인하여 인터록된 미세리지 사이의 불완전한 접촉이 발생하고, 이에 따라 미세리지를 포함하는 비다공성 폴리머층의 마찰전기 출력 성능은 미세리지를 포함하지 않는 비다공성 폴리머층의 마찰전기 출력 성능보다 더 낮다.This is because the volume of the non-porous polymer layer including the micro-ridge due to the external stress is not sufficiently changed due to the polymer layer having a low elastic modulus. The poorly deformed polymer layer causes incomplete contact between the interlocked micro-ridges, and thus the triboelectric output performance of the non-porous polymer layer including the micro-ridges is less than the triboelectric output of the non-porous polymer layer Performance.

즉, 도 6b와 같이 변형량이 크고, 직경 100㎛의 미세리지를 포함하는 다공성 폴리머층이 인터록된 마찰전기 자가발전 센서는 0 내지 20kPa의 저마찰 영역에서 0.53V/kPa의 높은 압력 민감도와 우수한 마찰전기 출력 성능을 나타낸다.That is, as shown in FIG. 6B, a frictional electrophoresis sensor interlocked with a porous polymer layer including a micro-ridge having a large deformation amount and having a diameter of 100 μm has a high pressure sensitivity of 0.53 V / kPa in a low friction region of 0 to 20 kPa, Electrical output performance.

본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 마찰전기 자가발전 센서는 다공성 구조를 갖는 유연한 폴리머층을 포함하고, 폴리머층의 일면에 형성된 미세리지 배열과 폴리머층의 표면에 형성된 버클링 구조를 포함할 수 있다.A triboelectrically generated sensor fabricated according to one embodiment of the present invention includes a flexible polymer layer having a porous structure and may include a micro-ridge array formed on one side of the polymer layer and a buckling structure formed on the surface of the polymer layer have.

또한, 두 폴리머층이 인터록 구조로 배치되고, 인터록된 폴리머층은 투명한 플렉서블 테이프로 패키징된 형태일 수 있다.Also, the two polymer layers may be arranged in an interlock structure, and the interlocked polymer layer may be in the form of a package that is packaged with a transparent flexible tape.

구체적으로, 상부에 위치하는 폴리머층의 미세리지가 하부에 위치하는 폴리머층의 미세리지와 소정의 간격만큼 이격되어 맞물리도록 두 폴리머층을 인터록시킬 수 있다. 인터록된 폴리머층은 미세리지로 인하여 센서의 부피를 최소화하면서 두 폴리머층 사이의 갭 거리를 형성시킬 수 있다. 따라서, 별도의 스페이서를 포함하지 않아도 된다.Specifically, the two polymer layers can be interlocked such that the fine ridges of the polymer layer located on the top are spaced apart from the fine ridges of the underlying polymer layer by a predetermined distance. The interlocked polymer layer can form a gap distance between the two polymer layers while minimizing the volume of the sensor due to the micro-ridge. Therefore, it is not necessary to include a separate spacer.

기존의 미세리지가 형성되지 않은 평평한 구조를 갖는 폴리머층들로 이루어진 마찰전기 자가발전 센서는 별도의 스페이서를 통해 두 폴리머층 사이의 에어 갭을 확보하여야 한다. 따라서, 일체형 센서를 만들 수 없으며, 외부 압력에 대한 부피 변화가 발생되지 않기 때문에 압력 센서로 이용될 수 없는 한계점이 존재한다.A triboelectrically generated sensor composed of polymer layers having a flat structure in which the conventional micro-ridges are not formed must secure an air gap between the two polymer layers through a separate spacer. Therefore, there is a limit point that can not be used as a pressure sensor because an integral sensor can not be made and volume change with respect to external pressure does not occur.

미세리지를 포함하지 않는 비다공성의 평면 폴리머층으로 이루어진 센서와 비교하여, 인터록된 폴리머 기반의 마찰전기 자가발전 센서는 굽힘 반경에 따라 굽힘 민감도를 달리하고, 마찰전기 출력 동력 밀도 및 압력 민감도를 향상시킬 수 있다.Compared with sensors made of a non-porous, flat polymer layer that does not include micro-ridges, interlocked polymer-based frictional electromagnet power sensors have different bending sensitivities along the bending radius and improve triboelectric output power density and pressure sensitivity .

또한, 주파수에 따른 마찰전기 전압 및 전류 변화를 통해 저주파의 접촉 진동부터 고주파의 음향 파형까지 감지가 가능하다.In addition, triboelectric voltage and current change according to frequency can detect from low frequency contact vibration to high frequency acoustic waveform.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 마찰전기 자가발전 센서는 폴리머층의 일면에 형성된 미세리지가 기존의 마찰전기 센서에 존재하던 스페이서 역할을 수행할 수 있어, 스페이서가 없는 플렉서블한 소형 마찰전기 센서를 제조할 수 있다. In addition, since the micro-ridge formed on one surface of the polymer layer can serve as a spacer existing in a conventional triboelectric sensor, the friction-type electric power generation sensor manufactured according to an embodiment of the present invention can be used as a flexible, An electric sensor can be manufactured.

이에 따라, 웨어러블 기기에 적용되거나 신체의 일부에 부착되어 센서의 역할을 수행할 수 있다. Accordingly, it can be applied to a wearable device or attached to a part of the body to perform a role of a sensor.

일예로, 생체 신호, 음석 인식, 열악한 환경에서의 모션 감지 등에 이용될 수 있다. 구체적으로 보철 의수족, 재활 장치 및 웨어러블 진단 시스템, 휴머노이드 로봇공학 등에 적용될 수 있다.For example, it can be used for biological signals, speech recognition, motion detection in a harsh environment, and the like. Specifically, it can be applied to prosthetic limb prosthesis, rehabilitation apparatus, wearable diagnostic system, and humanoid robotics.

제시된 실시예들에 대한 설명은 임의의 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 이용하거나 또는 실시할 수 있도록 제공된다. 이러한 실시예들에 대한 다양한 변형들은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이며, 여기에 정의된 일반적인 원리들은 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다른 실시 예들에 적용될 수 있다. 그리하여, 본 발명은 여기에 제시된 실시 예들로 한정되는 것이 아니라, 여기에 제시된 원리들 및 신규한 특징들과 일관되는 최광의의 범위에서 해석되어야 할 것이다.The description of the disclosed embodiments is provided to enable any person skilled in the art to make or use the present invention. Various modifications to these embodiments will be readily apparent to those skilled in the art, and the generic principles defined herein may be applied to other embodiments without departing from the scope of the invention. Thus, the present invention is not intended to be limited to the embodiments shown herein but is to be accorded the widest scope consistent with the principles and novel features presented herein.

102: P(VDF-TrFE)를 포함하는 폴리머층
104: PDMS를 포함하는 폴리머층
106: 미세리지홈
108: PDMS를 포함하는 폴리머층의 일면에 형성된 미세리지
202: Ag 전극
208: P(VDF-TrFE)를 포함하는 폴리머층의 일면에 형성된 미세리지
212: P(VDF-TrFE)를 포함하는 폴리머층의 표면
214: PDMS를 포함하는 폴리머층의 표면
216: P(VDF-TrFE)를 포함하는 폴리머층의 표면에 형성된 나노섬유 모양의 결정성
502: 압축된 마찰전기 자가발전 센서의 전하 생성 모식도
504: 이완 중인 마찰전기 자가발전 센서의 전자 이동 모식도
506: 이완된 마찰전기 자가발전 센서의 전하 균형 상태의 모식도
508: 압축 중인 마찰전기 자가발전 센서의 전하 생성 및 전자 이동 모식도
1120: 장갑형 마찰전기 자가발전 센서가 착용된 손으로 작은 반경을 갖는 대상물을 쥐었을 때
1122: 작은 반경을 갖는 대상물을 쥐었을 때 손의 관절에 위치하는 각 마찰전기 자가발전 센서들이 받는 응력 및 변화
1124: 작은 반경을 갖는 대상물을 100번 쥐었을 때의 마찰전기 자가발전 센서가 받는 응력 및 변화량
1140: 장갑형 마찰전기 자가발전 센서가 착용된 손으로 큰 반경을 갖는 대상물을 쥐었을 때
1142: 큰 반경을 갖는 대상물을 쥐었을 때 손의 관절에 위치하는 각 마찰전기 자가발전 센서들이 받는 응력 및 변화량
1144: 큰 반경을 갖는 대상물을 100번 쥐었을 때의 마찰전기 자가발전 센서가 받는 응력 및 변화량102: a polymer layer comprising P (VDF-TrFE)
104: Polymer layer containing PDMS
106: Micro Ridge Home
108: Micro-ridges formed on one surface of the polymer layer containing PDMS
202: Ag electrode
208: P (VDF-TrFE) formed on one surface of the polymer layer.
212: surface of the polymer layer comprising P (VDF-TrFE)
214: Surface of polymer layer comprising PDMS
216: Crystalline nanofiber formed on the surface of the polymer layer containing P (VDF-TrFE)
502: Charge Generation Model of Compressed Friction Electrolytic Sensor
504: Electronic transfer model of friction sensor
506: Typical diagram of the charge balance state of the relaxed electro-magnetic sensor
508: Charge Generation and Electromigration Models of Compressed Electrolytic Sensor under Compression
1120: When an armored frictional self-generated sensor holds an object with a small radius with a worn hand
1122: The stresses and changes that each triboelectric generator located in the joint of a hand when holding an object with a small radius,
1124: Stresses and variations of the triboelectrons generated by the sensor when holding a small radius of object 100 times
1140: When an armored triboelectrically powered sensor holds a large radius object with a worn hand
1142: The stresses and changes in the force sensors received by the respective frictional electrons located in the joints of the hand when grasping an object with a large radius
1144: Stresses and variations in the triboelectrons generated by the sensor when the object with a large radius is grasped 100 times

Claims (18)

일면에 복수의 미세리지들이 규칙적으로 육각 배열된 제1 폴리머층; 및
상기 제1 폴리머층의 일면과 마주보는 면에 복수의 미세리지들이 규칙적으로 육각 배열된 제2 폴리머층;을 포함하고,
상기 제1 폴리머층과 제2 폴리머층은 인터록(interlocked) 구조로 결합되고,
상기 제1 폴리머층은,
상기 제1 폴리머층의 열처리를 통해 내부에 형성된 다공성 구조와 표면에 형성된 섬유 모양의 결정으로 구성된 버클링(buckling) 구조를 포함하는,
폴리머 기반의 유연한 마찰전기 자가발전 센서.
A first polymer layer having a plurality of micro-ridges regularly hexagonally arranged on one surface thereof; And
And a second polymer layer having a plurality of fine ridges regularly hexagonally arranged on a surface of the first polymer layer, the second polymer layer facing the first polymer layer,
Wherein the first polymer layer and the second polymer layer are bonded in an interlocked structure,
Wherein the first polymer layer comprises:
And a buckling structure composed of a porous structure formed on the inside of the first polymer layer through heat treatment of the first polymer layer and fibrous crystals formed on the surface thereof.
Polymer based flexible triboelectrically powered sensors.
제1항에 있어서,
상기 제1 폴리머층은 탄성률이 1GPa 내지 3GPa인 폴리[비닐리덴플루오라이드-코-트라이플루오로에틸렌](poly[vinylidenefluoride-co-trifluoroethylene]: P(VDF-TrFE))을 포함하고,
상기 제2 폴리머층은 탄성률이 1MPa 내지 3MPa인 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane: PDMS)을 포함하는,
폴리머 기반의 유연한 마찰전기 자가발전 센서.The method according to claim 1,
Wherein the first polymer layer comprises poly [vinylidenefluoride-co-trifluoroethylene] (P (VDF-TrFE)) having a modulus of elasticity of 1 GPa to 3GPa,
Wherein the second polymer layer comprises polydimethylsiloxane (PDMS) having an elastic modulus of 1 MPa to 3 MPa.
Polymer based flexible triboelectrically powered sensors. 제1항에 있어서,
상기 제1 폴리머층과 제2 폴리머층은,
상기 제1 폴리머층의 일면에 형성된 미세리지들이 상기 제2 폴리머층의 일면에 형성된 미세리지들의 사이의 공간에 위치하여 맞물리도록 배치된,
폴리머 기반의 유연한 마찰전기 자가발전 센서.The method according to claim 1,
Wherein the first polymer layer and the second polymer layer comprise,
Wherein fine ridges formed on one surface of the first polymer layer are disposed in a space between fine ridges formed on one surface of the second polymer layer,
Polymer based flexible triboelectrically powered sensors. 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 제2 폴리머층은 표면과 내부에 형성된 다공성 구조를 포함하는,
폴리머 기반의 유연한 마찰전기 자가발전 센서.The method according to claim 1,
Wherein the second polymer layer comprises a porous structure formed on the surface and inside,
Polymer based flexible triboelectrically powered sensors. 제1항에 있어서,
상기 폴리머 기반의 유연한 마찰전기 자가발전 센서는,
상기 제1 폴리머층 및 제2 폴리머층의 미세리지가 형성되지 않은 면에 코팅된 전극층을 더 포함하고,
상기 전극층은 금속의 필름 및 나노와이어가 순차적으로 코팅된,
폴리머 기반의 유연한 마찰전기 자가발전 센서.The method according to claim 1,
The polymer-based flexible triboelectrically powered sensor,
Further comprising an electrode layer coated on a surface of the first polymer layer and the second polymer layer on which no micro-ridge is formed,
Wherein the electrode layer is formed by sequentially coating a metal film and a nanowire,
Polymer based flexible triboelectrically powered sensors. 제6항에 있어서,
상기 금속은,
금, 은, 백금, 철 또는 구리 중 적어도 하나인,
폴리머 기반의 유연한 마찰전기 자가발전 센서.The method according to claim 6,
The metal,
Gold, silver, platinum, iron or copper,
Polymer based flexible triboelectrically powered sensors. 제6항에 있어서,
상기 제1 폴리머층, 제2 폴리머층 및 전극을 실링하는 투명한 플렉서블 패키징재를 더 포함하는,
폴리머 기반의 유연한 마찰전기 자가발전 센서.The method according to claim 6,
Further comprising a transparent flexible packaging material sealing the first polymer layer, the second polymer layer and the electrode,
Polymer based flexible triboelectrically powered sensors. 제1항에 있어서,
상기 제1 폴리머층 및 제2 폴리머층에 형성된 미세리지의 크기는,
직경이 25㎛ 내지 100㎛이고,
상기 제1 폴리머층 및 제2 폴리머층에 형성된 미세리지들의 간격은,
30㎛ 내지 200㎛인,
폴리머 기반의 유연한 마찰전기 자가발전 센서.The method according to claim 1,
The size of the fine ridges formed in the first polymer layer and the second polymer layer,
A diameter of 25 mu m to 100 mu m,
The spacing of the micro-ridges formed in the first polymer layer and the second polymer layer,
30 mu m to 200 mu m,
Polymer based flexible triboelectrically powered sensors. 제9항에 있어서,
상기 미세리지들의 간격은 미세리지의 직경에 대하여 1.2배 내지 2배의 비율인,
폴리머 기반의 유연한 마찰전기 자가발전 센서.10. The method of claim 9,
Wherein the spacing of the micro ridges is in the range of 1.2 to 2 times the diameter of the micro ridge,
Polymer based flexible triboelectrically powered sensors. 고분자 유전체 및 극성 용매를 혼합하여 제1 혼합물 및 제2 혼합물을 제조하는 단계;
상기 제1 혼합물 및 제2 혼합물을 일면에 반구형상으로 오목하게 함몰된 복수개의 홈들이 규칙적으로 배열된 패턴을 갖는 Si 몰드에 주입하여 열처리 및 경화시키는 단계; 및
상기 제1 혼합물이 경화된 제1 폴리머층과 상기 제2 혼합물이 경화된 제2 폴리머층을 인터록 구조로 배치하여 센서 모듈을 제조하는 단계;를 포함하고,
상기 제1 폴리머층은,
상기 제1 폴리머층의 상기 열처리를 통해 내부에 형성된 다공성 구조와 표면에 형성된 나노섬유 모양의 결정으로 구성된 버클링(buckling) 구조를 포함하는,
폴리머 기반의 유연한 마찰전기 자가발전 센서 제조 방법.
Preparing a first mixture and a second mixture by mixing the polymer dielectric and the polar solvent;
Injecting the first mixture and the second mixture into a Si mold having a regularly arranged pattern of a plurality of recesses recessed in a hemispherical shape on one side, heat-treating and curing the mixture; And
Disposing a first polymer layer in which the first mixture is cured and a second polymer layer in which the second mixture is cured in an interlock structure to produce a sensor module,
Wherein the first polymer layer comprises:
And a buckling structure composed of a porous structure formed on the inside of the first polymer layer through the heat treatment of the first polymer layer and a nanofiber-
A method of manufacturing a polymer - based flexible triboelectrically powered sensor.
제11항에 있어서,
상기 제1 혼합물을 제조하는 단계는,
탄성률이 1GPa 내지 3GPa인 P(VDF-TrFE)를 극성 용매와 혼합하고,
상기 제2 혼합물을 제조하는 단계는,
탄성률이 1MPa 내지 3MPa인 PDMS를 극성 용매와 혼합하는,
폴리머 기반의 유연한 마찰전기 자가발전 센서 제조 방법.12. The method of claim 11,
Wherein the step of preparing the first mixture comprises:
P (VDF-TrFE) having an elastic modulus of 1 GPa to 3 GPa is mixed with a polar solvent,
Wherein the step of preparing the second mixture comprises:
PDMS having an elastic modulus of 1 MPa to 3 MPa is mixed with a polar solvent,
A method of manufacturing a polymer - based flexible triboelectrically powered sensor. 제11항에 있어서,
상기 제1 폴리머층과 제2 폴리머층은 일면에 규칙적으로 육각 배열된 복수개의 미세리지들을 포함하고,
상기 제1 폴리머층과 제2 폴리머층에 형성된 미세리지의 크기는,
직경이 25㎛ 내지 100㎛이고,
상기 제1 폴리머층과 제2 폴리머층에 형성된 미세리지들의 간격은,
30㎛ 내지 200㎛인,
폴리머 기반의 유연한 마찰전기 자가발전 센서 제조 방법.12. The method of claim 11,
Wherein the first polymer layer and the second polymer layer comprise a plurality of micro-ridges regularly hexagonal arranged on one surface,
The size of the fine ridges formed in the first polymer layer and the second polymer layer,
A diameter of 25 mu m to 100 mu m,
The distance between the fine ridges formed in the first polymer layer and the second polymer layer,
30 mu m to 200 mu m,
A method of manufacturing a polymer - based flexible triboelectrically powered sensor. 제13항에 있어서,
상기 미세리지들의 간격은 미세리지의 직경에 대하여, 1.2배 내지 2배의 비율인,
폴리머 기반의 유연한 마찰전기 자가발전 센서 제조 방법.14. The method of claim 13,
Wherein the interval of the micro ridges is in the range of 1.2 to 2 times the diameter of the micro ridge,
A method of manufacturing a polymer - based flexible triboelectrically powered sensor. 제11항에 있어서,
상기 제1 폴리머층과 제2 폴리머층은,
상기 제1 폴리머층의 일면에 형성된 미세리지들이 상기 제2 폴리머층의 일면에 형성된 미세리지들의 사이의 공간에 위치하여 맞물리도록 배치된,
폴리머 기반의 유연한 마찰전기 자가발전 센서 제조 방법.12. The method of claim 11,
Wherein the first polymer layer and the second polymer layer comprise,
Wherein fine ridges formed on one surface of the first polymer layer are disposed in a space between fine ridges formed on one surface of the second polymer layer,
A method of manufacturing a polymer - based flexible triboelectrically powered sensor. 제11항에 있어서,
센서 모듈을 제조하는 단계는,
상기 제1 폴리머층 및 제2 폴리머층에 미세리지가 형성되지 않은 면에 전극을 코팅하는 단계를 더 포함하고,
상기 전극은 금속의 필름 및 나노와이어가 순차적으로 코팅된,
폴리머 기반의 유연한 마찰전기 자가발전 센서 제조 방법.12. The method of claim 11,
The step of fabricating the sensor module comprises:
Further comprising coating an electrode on a surface of the first polymer layer and the second polymer layer where the micro-ridges are not formed,
Wherein the electrodes are formed by sequentially coating a metal film and a nanowire,
A method of manufacturing a polymer - based flexible triboelectrically powered sensor. 제16항에 있어서,
상기 금속은,
금, 은, 백금, 철 또는 구리 중 적어도 하나인,
폴리머 기반의 유연한 마찰전기 자가발전 센서 제조 방법.17. The method of claim 16,
The metal,
Gold, silver, platinum, iron or copper,
A method of manufacturing a polymer - based flexible triboelectrically powered sensor. 제14항에 있어서,
상기 센서 모듈을 제조하는 단계는,
상기 전극이 코팅된 제1 폴리머층 및 제2 폴리머층을 투명한 플렉서블 실링재로 패키징하는 단계를 더 포함하는,
폴리머 기반의 유연한 마찰전기 자가발전 센서 제조 방법.

15. The method of claim 14,
Wherein the step of fabricating the sensor module comprises:
Further comprising packaging the first polymer layer coated with the electrode and the second polymer layer with a transparent flexible sealant.
A method of manufacturing a polymer - based flexible triboelectrically powered sensor.

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