KR101958807B1 - 계층구조 폴리머 기반의 유연한 마찰전기 자가발전 센서 및 이의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 일면에 복수의 미세리지들이 규칙적으로 육각 배열되고 내부 다공성의 계층형 구조를 가진 제1 폴리머층 및 상기 제1 폴리머층의 일면과 마주보는 면에 복수의 미세리지들이 규칙적으로 육각 배열되고 표면 및 내부 다공성의 계층 구조를 가진 제2 폴리머층을 포함하고, 상기 제1 폴리머층과 제2 폴리머층은 인터록(interlocked) 구조로 결합된 계층구조 폴리머 기반의 유연한 마찰전기 자가발전 센서에 관한 것이다.
Description
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.
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.
웨어러블 기기를 오랜 시간 편리하게 이용하기 위한 방법으로 웨어러블 기기의 주변 에너지원으로부터 에너지를 얻을 수 있는 자가동력 시스템이 하나의 방법이 될 수 있다.
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.
마찰전기를 이용한 에너지 변환 시스템은 다른 시스템들과 비교하여 일상생활에서 가장 많은 전하를 발생시킬 수 있어 웨어러블 기기에 적용시키기 적합하다.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
상기 제1 폴리머층과 제2 폴리머층은, 상기 제1 폴리머층의 일면에 형성된 미세리지들이 상기 제2 폴리머층의 일면에 형성된 미세리지들의 사이의 공간에 위치하여 맞물리도록 배치될 수 있다.
상기 제1 폴리머층은, 상기 제1 폴리머층의 내부에 형성된 나노다공성 구조와 표면에 형성된 버클링(buckling) 구조를 포함할 수 있다.
상기 제2 폴리머층은 표면과 내부에 형성된 다공성 구조를 포함할 수 있다.
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.
상기 금속은, 금, 은, 백금, 철 또는 구리 중 적어도 하나일 수 있다.
상기 제1 폴리머층, 제2 폴리머층 및 전극을 실링하는 투명한 플렉서블 패키징재를 더 포함할 수 있다.
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.
상기 미세리지들의 간격은 미세리지의 직경에 대하여 1.2배 내지 2배의 비율일 수 있다.
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.
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.
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.
상기 미세리지들의 간격은 미세리지의 직경에 대하여, 1.2배 내지 2배의 비율일 수 있다.
상기 제1 폴리머층과 제2 폴리머층은, 상기 제1 폴리머층의 일면에 형성된 미세리지들이 상기 제2 폴리머층의 일면에 형성된 미세리지들의 사이의 공간에 위치하여 맞물리도록 배치될 수 있다.
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.
상기 금속은, 금, 은, 백금, 철 또는 구리 중 적어도 하나일 수 있다.
상기 센서 모듈을 제조하는 단계는, 상기 전극이 코팅된 제1 폴리머층 및 제2 폴리머층을 투명한 플렉서블 실링재로 패키징하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 유연하고, 소형화된 자가발전이 가능한 마찰전기 자가발전 센서를 제조할 수 있다.
또한, 외부 압력 또는 굽힘 반경에 따른 마찰전기 자가발전 센서의 감지 민감도가 높고, 저주파 내지 고주파로 발생되는 진동과 음향을 감지할 수 있다.
또한, 열악한 환경에서 정확한 신호 측정과 자가발전이 가능하고, 다양한 디자인으로 제조될 수 있어 웨어러블 기기에 적용될 수 있는 분야가 넓다.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
도 1a는 계층구조 폴리머층을 제조하는 단계를 나타내는 모식도이다.
도 1b는 계층구조 폴리머층을 제조하는 단계를 나타내는 순서도이다.
이하 도 1a 및 도 1b를 참조하여 본 발명의 일 구현예에 대해 설명하도록 한다.
제조 방법의 각 단계들은 마찰전기 자가발전 센서를 제조하는 장치에 의해 수행될 수 있다.
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.
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.
여기서 제1 혼합물은 탄성률이 1GPa 내지 3GPa인 P(VDF-TrFE)를 포함할 수 있고, 제2 혼합물은 탄성률이 1MPa 내지 3MPa인 PDMS를 포함할 수 있다.
제조된 제1 혼합물 및 제2 혼합물을 Si 몰드에 주입하여 열처리 및 경화시키는 단계(114)를 통해 계층구조 폴리머층을 제조할 수 있다.
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.
Si 몰드에 정렬된 리지형태의 홈의 크기는 직경이 25㎛ 내지 100㎛일 수 있다.
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.
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.
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.
구체적으로, 인터록 (interlock) 구조의 두 폴리머층 기반 마찰전기 자가발전 센서의 총 두께를 1mm 이하로 제조하기 위하여 미세리지의 직경을 100㎛이하로 제조할 수 있다.
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.
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.
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.
구체적으로, 혼합물들이 경화되기 전에 혼합물 내에 존재하는 극성 용매가 증발되고, 증발된 용매로 인하여 용매가 존재하던 위치에 기공이 형성될 수 있다.
특히, PDMS를 포함하는 폴리머층(104)은 개방된 다공성 구조와 내부에 형성된 다공성 구조를 가질 수 있다.
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.
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.
일예로, 극성 용매는 증류수 및 에탄올을 포함하는 혼합 극성 용매를 이용할 수 있다.
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.
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.
일예로, P(VDF-TrFE)와 아세톤 및 디메틸포름아마이드를 포함하는 혼합 극성 용매를 혼합하고, 140℃에서 열처리하여 경화시킬 수 있다.
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.
제조된 P(VDF-TrFE)를 포함하는 폴리머층(102)과 PDMS를 포함하는 폴리머층(104)은 인터록 구조로 배치(116)될 수 있다.
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.
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.
구체적으로 폴리머층에 형성된 미세리지의 크기는 직경이 25㎛ 내지 100㎛이고, 미세리지들의 간격은 30㎛ 내지 200㎛일 수 있다.
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.
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.
또한, 미세 다공성 구조를 폴리머층의 내부에 형성시키기 위하여 미세리지의 최소 크기를 직경 25㎛로 제한할 수 있다.
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.
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.
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.
도 2a는 폴리머층의 인터록 구조를 나타내는 모식도 및 폴리머층의 표면 및 측면에 대한 주사전자현미경(SEM) 이미지이다.
도 2b는 P(VDF-TrFE)를 포함하는 폴리머층의 표면 버클링 구조를 분석한 결과를 나타내는 그래프이다.
이하 도 2a 및 도 2b를 참조하여 본 발명의 일 구현예에 대해 설명하도록 한다.
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.
코팅된 전극은 전도성의 금속 또는 탄소를 포함하는 필름 및 나노와이어일 수 있다.
일 예로, 폴리머층은 폴리머층의 후면에 코팅된 은을 포함하는 필름 및 나노와이어를 포함할 수 있다.
구체적으로, 폴리머층의 후면에 코팅된 필름과 필름의 상부에 코팅된 나노와이어를 포함할 수 있다.
플렉서블 마찰전기 자가발전 센서가 필름만 포함하는 경우, 외부의 압력에 의해 센서가 벤딩될 때 전극에 크랙이 발생하여 저항이 증가하는 문제가 발생될 수 있다.
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.
전극이 코팅된 인터록 구조의 두 폴리머층은 두 층이 접촉되거나 분리될 때, 폴리머층의 각 표면이 양 또는 음으로 마찰대전되어 마찰전기 전하가 발생될 수 있다.
구체적으로 P(VDF-TrFE)를 포함하는 폴리머층(102)은 양전위로 마찰대전되고, PDMS를 포함하는 폴리머층(104)은 음전위로 마찰대전 될 수 있다.
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.
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.
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.
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.
폴리머층의 일면에 형성된 미세리지(108, 208)는 종래의 마찰전기 센서가 포함하는 스페이서 역할을 할 수 있다.
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.
또한, 얇은 일체형 구조로 인하여 패키징이 가능할 수 있다. 패키징된 마찰전기 자가발전 센서는 수분에 영향을 받지 않을 수 있다.
구체적으로 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 마찰전기 자가발전 센서는 전체의 두께가 400㎛ 이하로 제조될 수 있고, 유연성이 우수할 수 있다.
상이한 탄성률의 미세리지가 형성된 두 폴리머층이 인터록 구조로 배치되는 형태는 사람의 피부와 유사한 구조이다.
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.
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.
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.
즉, 피부의 기계적 특성 및 기능을 모사하여 센서의 성능을 향상시킬 수 있다.
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.
도 3은 유전 성질을 갖는 폴리머로 이루어진 두 폴리머층을 주사켈빈프로브현미경(SKPM)으로 분석한 결과를 나타내는 그래프이다.
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.
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.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 폴리머 기반의 마찰전기 자가발전 센서를 나타내는 이미지이다.
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.
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.
이하 도 5a 내지 도 5c를 참조하여 본 발명의 일 구현예에 대해 설명하도록 한다.
마찰전기 자가발전 센서는 두 물체가 스칠 때 만들어지는 전하 불균형을 이용하여 전기를 발생시킨다.
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.
두 물질이 분리되기 시작(504)하면, 상쇄하는 전하가 전극의 양측에 형성되어 전하 불균형이 생기고, 전하 불균형으로 인하여 전류 흐름이 발생한다.
이러한 마찰전기 시스템의 전하가 평형 상태(506)에 도달된 후에, 두 물질이 다시 접촉(508)하게 되면 동일한 작동 원리로 역전류 흐름이 발생한다.
도 5b 및 도 5c에서 확인할 수 있듯이, 마찰전기 전압 및 전류 신호의 규칙적인 피크는 가역적으로 나타난다.
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.
도 5d는 마찰전기 자가발전 센서의 외부 로드 저항에 따른 출력 전압, 전류 밀도 및 전력 밀도를 측정한 그래프이다.
도 5d에 따르면, 마찰전기 자가발전 센서의 최대 출력밀도는 46.7㎼/㎠이고, 이때의 외부 로드 저항은 60MΩ이다.
이에 따라, 본 발명에 따른 마찰전기 자가발전 센서는 적색 LED를 작동시킬 수 있다.
도 5e는 마찰전기 자가발전 센서를 이용하여 적색 LED를 정류 시스템으로 작동시킨 결과를 나타내는 이미지이다.
도 5e에 따르면, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 자가발전 센서는 적색 LED를 정류 시스템을 통해 밝힐 수 있음을 확인할 수 있다.
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.
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 맥압의 마찰전기 전류 신호를 나타내는 그래프이다.
도 6e는 수직압력에 대해 인터록 미세리지 사이의 이동변위 (displacement)와 갭 거리변화를 ABAQUS 소프트웨어를 통해 분석한 그래프이다.
이하 도 6a 내지 도 6d를 참조하여 본 발명의 일 구현예에 대해 설명하도록 한다.
인터록 구조로 배치된 폴리머층의 수직압력에 대한 마찰전기 효과를 분석하기 위하여 COMSOL 멀티피직스 소프트웨어를 이용하여 분석할 수 있다.
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.
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.
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.
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.
본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 마찰전기 자가발전 센서는 저압 감지가 가능하여 손목에 부착되어 요골 동맥 맥파 파형을 모니터링할 수 있다.
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.
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 전압을 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.
이하 도 7a 내지 도 7d를 참조하여 본 발명의 일 구현예에 대해 설명하도록 한다.
본 발명의 일 구현예에 따라 제조된 마찰전기 자가발전 센서는 굽힘 변형(bending strain)에 대한 민감도가 높다.
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.
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.
이는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 자가발전 센서에 수직한 방향으로 압력을 가했을 때 미세리지 사이의 갭 거리에 차이가 발생하는 현상과 차이가 있다.
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.
표면 압축 응력은 높은 탄성계수를 갖는 P(VDF-TrFE)를 포함하는 폴리머층의 미세구조를 변형시키기 어렵다.
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.
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.
여기서 100㎛의 직경 및 120㎛의 간격으로 형성된 미세리지는 서로 다른 크기를 갖는 세 개의 미세리지들 중에서 가장 큰 크기를 갖는 미세리지이다.
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.
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.
굽힘 응력은 수직 압력과 달리 미세리지에 국부적인 힘을 가하며, 미세리지의 부피 변화를 발생시킬 만큼 큰 압력이 작용되지 않는다.
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.
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.
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.
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.
이하 도 8a 내지 도 8c를 참조하여 본 발명의 일 구현예에 대해 설명하도록 한다.
도 8a와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 자가발전 센서는 높은 압력 민감도 및 빠른 응답성을 갖고, 이를 통해 동력을 감지할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 자가발전 센서는 센서에 접촉된 코인에서 발생시키는 주파수에 대하여 마찰전기 출력 전압 및 전류를 발생시킬 수 있다.
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.
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.
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.
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).
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.
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.
이하 도 9a 내지 도 9c를 참조하여 본 발명의 일 구현예에 대해 설명하도록 한다.
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.
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.
도 9b는 스피커에 입력되는 전압신호와 대응되는 단시간 푸리에 변환(STFT) 신호를 통해 시간에 따른 주파수 변화를 분석한 그래프이다.
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.
분석된 음향의 파형 및 감지된 주파수 범위는 입력 신호의 파형과 유사하다. 여기서 감지된 주파수 범위는 6kHz 이상이다.
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.
이하 도 10a 내지 도 10c를 참조하여 본 발명의 일 구현예에 대해 설명하도록 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 자가발전 센서는 60dB 이하의 낮은 음압을 감지할 수 있으며, 이는 인간의 음성을 감지할 수 있음을 나타낸다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 자가발전 센서는 여성과 남성의 음성 간의 상이한 주파수 영역을 구별할 수 있다.
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.
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.
여성의 음성에 대한 주파수 영역은 100Hz 내지 6.25Hz로 나타나 광범위한 주파수 영역을 나타낼 수 있다.
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.
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.
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.
실시예
1.
도 11은 손에 착용된 마찰전기 자가발전 센서를 통해 상이한 반경을 갖는 물체를 잡을 때 변화되는 마찰전기 출력 전류를 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
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.
일예로, 장갑형태의 마찰전기 자가발전 센서는 손에 착용되어 손의 다양한 제스처를 용이하게 감지할 수 있다.
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.
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.
실험예
1.
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.
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.
대상물을 반복적으로 쥐었을 때 마찰전기 자가발전 센서가 받는 응력 및 변화량은 한 번 쥐었을 때의 결과와 유사하다.
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.
실시예
2.
도 12a는 마찰전기 자가발전 센서가 손에 착용된 예시를 나타내는 이미지이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 자가발전 센서는 큰 동작으로 움직이는 대상물을 쥐는 동작 외에도 세밀한 제스처를 수행하는 손의 동작을 감지할 수 있다.
구체적으로 장갑형으로 제조된 마찰전기 자가발전 센서는 손에 착용되어 수화 동작을 수행하는 손의 움직임을 감지할 수 있다.
일예로, 장갑형 마찰전기 자가발전 센서를 착용하고 "I am happy to meet you"를 수화로 나타낼 수 있다.
실험예
2.
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.
이하 도 12b 및 도 12c를 참조하여 본 발명의 일 구현예에 대해 설명하도록 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 자가발전 센서는 장갑형으로 제조되어 손에 착용될 수 있고, 다양한 제스처를 수행하는 손의 움직임을 감지할 수 있다.
즉, 마찰전기 자가발전 센서는 센서가 착용된 손이 움직일 때마다 이에 대응되는 마찰전기 전류를 발생시킬 수 있다.
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.
구체적으로 도 12b의 i는 "I am", ii는 "happy", iii은 "to meet", iv는 "you"를 의미하는 수화동작에 대한 마찰전기 전류의 등고선 그래프이다.
도 12b에서 알 수 있듯이, 각 단어에 대한 수화동작을 수행할 때, 마찰전기 자가발전 센서에서 발생되는 마찰전기 전류 신호는 모두 다르다.
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.
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.
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.
"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.
즉, 연속적인 동작을 수행하는 손의 움직임에 따라 발생되는 마찰전기 전류 신호를 측정하여 움직임을 감지하고, 수화의 경우 수화가 의미하는 바를 해석할 수 있다.
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.
수화 동작 모니터링을 위하여 도 12c의 i와 같이, 손을 지골, 손뼈 및 손목의 세 부분으로 구분할 수 있다.
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.
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.
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.
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.
실시예
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.
일예로, 도 12a의 본 발명의 일 실시예에 따른 장갑형 마찰전기 자가발전 센서와 같이 스마트 장갑으로 제조되어 벤딩이 가능한 센서 어레이 형태로 제조될 수 있다.
실험예
3.
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 작동 여부를 통해 물에서 작동되는 마찰전기 자가발전 센서를 나타내는 이미지이다.
도 13d는 마찰전기 자가발전 센서에 초음파를 가했을 때 시간에 따른 주파수 분포 변화를 시각적으로 확인할 수 있는 초음파형을 나타내는 STFT 스펙트럼에 대한 그래프이다.
이하 도 13a 내지 도 13d를 참조하여 본 발명의 일 구현예에 대해 설명하도록 한다.
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.
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.
구체적으로 최대 출력 전압은 25V 내지 30V 범위로 유지되고, 최대 전류 밀도는 0.6㎂/㎠ 내지 0.8㎂/㎠ 범위로 유지될 수 있다.
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.
도 13c를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 플렉서블 테이프로 실링된 마찰전기 자가발전 센서가 수중에서 적색 LED를 작동시킬 수 있음을 확인할 수 있다.
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.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 패키징된 마찰전기 자가발전 센서는 수중에서 동력을 생성할 수 있음을 의미한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 패키징된 마찰전기 자가발전 센서는 수중에서 고주파를 정확하게 탐지할 수 있다.
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.
도 13d에 따르면, STFT 스펙트럼은 시간에 따른 주파수 분포를 시각적으로 나타내고, 초음파에 의해 진동하는 마찰전기 센서의 초음파 파형을 나타냄을 알 수 있다.
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.
도 14은 PDMS를 포함하는 폴리머층의 표면 및 측면을 나타내는 SEM 이미지이다.
PDMS를 포함하는 폴리머층은 폴리머층의 일면에 일정한 간격으로 이격되어 형성된 돌출형의 미세리지 배열을 갖는다.
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.
도 15는 P(VDF-TrFE)를 포함하는 폴리머층의 표면을 나타내는 SEM 이미지이다.
P(VDF-TrFE)를 포함하는 폴리머층은 폴리머층의 일면에 일정한 간격으로 이격되어 형성된 돌출형의 미세리지 배열을 갖는다.
또한, P(VDF-TrFE)를 포함하는 폴리머층은 나노섬유 모양의 독특한 결정구조를 갖는 불균일한 표면이 형성되어 있고, 내부는 다공성 구조로 형성되어있다.
실험예
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.
구체적으로 두 종류의 마찰전기 자가발전 센서에 수직한 방향으로 43kPa의 압력을 가했을 때, 두 마찰전기 자가발전 센서가 받는 응력 집중도를 ABAQUS 소프트웨어를 통해 분석한다.
PDMS만 포함하는 인터록된 마찰전기 자가발전 센서의 응력 집중도는 PDMS 및 P(VDF-TrFE)를 포함하는 인터록된 마찰전기 자가발전 센서의 응력 집중도보다 더 낮다.
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.
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.
실험예
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.
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.
도 17a에 따르면, 폴리머층의 내부에 다공성 구조가 형성되지 않은 비다공성 PDMS를 포함하는 폴리머층은 다공성 PDMS를 포함하는 폴리머층보다 마찰전기 전압이 낮다.
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.
미세리지를 포함하는 비다공성 폴리머층은 미세리지를 포함하지 않는 비다공성 폴리머층보다 더 낮은 마찰전기 출력 성능을 보인다.
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.
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.
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.
또한, 두 폴리머층이 인터록 구조로 배치되고, 인터록된 폴리머층은 투명한 플렉서블 테이프로 패키징된 형태일 수 있다.
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.
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.
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.
또한, 주파수에 따른 마찰전기 전압 및 전류 변화를 통해 저주파의 접촉 진동부터 고주파의 음향 파형까지 감지가 가능하다.
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.
이에 따라, 웨어러블 기기에 적용되거나 신체의 일부에 부착되어 센서의 역할을 수행할 수 있다.
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.
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.
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 변화량
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 변화량
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.
- 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. - 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. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 제2 폴리머층은 표면과 내부에 형성된 다공성 구조를 포함하는,
폴리머 기반의 유연한 마찰전기 자가발전 센서. - 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. - 제6항에 있어서,
상기 금속은,
금, 은, 백금, 철 또는 구리 중 적어도 하나인,
폴리머 기반의 유연한 마찰전기 자가발전 센서. - 제6항에 있어서,
상기 제1 폴리머층, 제2 폴리머층 및 전극을 실링하는 투명한 플렉서블 패키징재를 더 포함하는,
폴리머 기반의 유연한 마찰전기 자가발전 센서. - 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. - 제9항에 있어서,
상기 미세리지들의 간격은 미세리지의 직경에 대하여 1.2배 내지 2배의 비율인,
폴리머 기반의 유연한 마찰전기 자가발전 센서. - 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.
- 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. - 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. - 제13항에 있어서,
상기 미세리지들의 간격은 미세리지의 직경에 대하여, 1.2배 내지 2배의 비율인,
폴리머 기반의 유연한 마찰전기 자가발전 센서 제조 방법. - 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. - 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. - 제16항에 있어서,
상기 금속은,
금, 은, 백금, 철 또는 구리 중 적어도 하나인,
폴리머 기반의 유연한 마찰전기 자가발전 센서 제조 방법. - 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.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020170158747A KR101958807B1 (ko) | 2017-11-24 | 2017-11-24 | 계층구조 폴리머 기반의 유연한 마찰전기 자가발전 센서 및 이의 제조 방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020170158747A KR101958807B1 (ko) | 2017-11-24 | 2017-11-24 | 계층구조 폴리머 기반의 유연한 마찰전기 자가발전 센서 및 이의 제조 방법 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR101958807B1 true KR101958807B1 (ko) | 2019-03-15 |
Family
ID=65762367
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020170158747A KR101958807B1 (ko) | 2017-11-24 | 2017-11-24 | 계층구조 폴리머 기반의 유연한 마찰전기 자가발전 센서 및 이의 제조 방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR101958807B1 (ko) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110454145A (zh) * | 2019-07-12 | 2019-11-15 | 中国地质大学（武汉） | 基于摩擦纳米发电机的地质钻探孔底多轴振动频率传感器 |
| CN113078842A (zh) * | 2021-03-30 | 2021-07-06 | 中国海洋大学 | 一种粘性摩擦纳米发电机 |
-
2017
- 2017-11-24 KR KR1020170158747A patent/KR101958807B1/ko active IP Right Grant
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| "Self-powered pressure sensor for ultra-wide range pressure detection", Kaushik Parida, Nano Research 2017(2017.06.14.)* |
| "Fingertip skin-inspired microstructured ferroelectric skins discriminate static/dynamic pressure and temperature stimuli", Jonghwa Park, Sci. Adv. 2015 (2015.10.30.)* |
| "Micro/nanostructured surfaces for self-powered and multifunctional electronic skins", Jonghwa Park,J. Mater. Chem. B, 2016 (201601.05.)* |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110454145A (zh) * | 2019-07-12 | 2019-11-15 | 中国地质大学（武汉） | 基于摩擦纳米发电机的地质钻探孔底多轴振动频率传感器 |
| CN113078842A (zh) * | 2021-03-30 | 2021-07-06 | 中国海洋大学 | 一种粘性摩擦纳米发电机 |
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