KR101972091B1

KR101972091B1 - 접촉대전 나노발전기 및 그 제작 방법

Info

Publication number: KR101972091B1
Application number: KR1020170056993A
Authority: KR
Inventors: 송인상; 김동성; 김도완; 최동휘; 유동현
Original assignee: 국방과학연구소
Priority date: 2017-05-04
Filing date: 2017-05-04
Publication date: 2019-04-24
Also published as: KR20180122852A

Abstract

본 발명에 따른 접촉대전 나노발전기의 제작 방법은, 연잎의 표면에 몰딩부를 적층하고, 상기 몰딩부에서 상기 연잎을 제거하여, 상기 연잎의 표면에 대응되는 표면 형상의 몰딩부를 구비하는 스탬프를 형성하는 스탬프 제작 단계; 및 상기 스탬프를 접촉층에 접촉 및 가압하여, 상기 몰딩부의 표면 형상에 대응되는 표면 형상을 구비하는 접촉층을 형성하는 임프린팅 단계를 포함한다. 이에 의하면, 표면적이 극대화된 연잎 표면 구조를 모사하여 에너지 발생량이 향상된 접촉대전 나노발전기를 손쉽게 제작할 수 있다.

Description

접촉대전 나노발전기 및 그 제작 방법{TRIBOELECTRIC NANOGENERATOR AND FABRICATING METHOD THEREOF}

본 발명은 두 물질의 접촉 및 분리에 의해 생성되는 정전기 등에 수반되는 유도 전하를 이용하여 에너지를 수확하는 접촉대전 발전기에 관한 것이다.

최근, 두 개의 서로 다른 물질이 접촉 후 분리되며 자발적으로 생성되는 마찰전기 혹은 정전기와 이에 수반되는 유도전하를 이용하여 전기에너지를 생산하는 접촉대전 나노발전기술이 새로운 에너지 수확기술로써 제안되고 있다.

접촉대전 나노발전 기술은, 기존의 대표적 에너지 수확 기술인 태양광 발전 기술, 전자기 발전 기술, 압전 발전 기술, 열전 발전 기술 등과 비교하여 다양한 장점들을 지니고 있다. 예를 들면, 높은 에너지 수확 효율, 단순한 구성 측면에서 유용성이 높다고 할 수 있다.

접촉대전 나노발전기는 두 표면 사이의 마찰 및 이에 수반되는 대전현상에 의하여 구동된다. 이때, 접촉대전 나노발전기에서 생산되는 전력량은, 마찰력 및 마찰전기의 크기를 결정짓는 표면들 상의 마이크로 혹은 나노 구조에 매우 큰 영향을 받는다. 따라서, 생산 전력량을 극대화하기 위하여 접촉대전 나노발전기의 표면에 마이크로 혹은 나노 구조를 도입하는 연구가 다양하게 이루어지고 있으며, 다양한 구조를 생성하기 위한 다양한 방법들도 제안되어 오고 있는 실정이다.

이와 관련하여, 자연에 존재하고 있는 마이크로 혹은 나노 구조들, 예를 들면, 연잎 표면의 마이크로 및 나노 혼합 구조는 수억년을 진화하여 지금의 최적화된 구조를 갖추었다고 할 수 있다. 따라서, 자연이 만든 구조를 모사하는 것은 진화론적 관점에서 볼 때에도 큰 유용성이 있을 수 있다. 이에, 자연에 존재하는 미세 표면 구조들을 접촉대전 나노발전기에 적용하고, 이러한 접촉대전 나노발전기를 손쉽게 제작할 수 있는 방안을 고려해 볼 여지가 있다.

본 발명의 일 목적은, 연잎의 표면 구조에 대응되는 표면 구조를 갖는 스탬프를 형성하여, 연잎 표면 구조가 모사된 접촉대전 나노발전기를 제작하는 방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 일 목적은, 연잎의 표면 구조와 유사한 미세 표면 구조를 갖는 접촉대전 나노발전기를 제공하고자 하는 것이다.

이와 같은 본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 접촉대전 나노발전기의 제작 방법은, 연잎의 표면에 몰딩부를 적층하고, 상기 몰딩부에서 상기 연잎을 제거하여, 상기 연잎의 표면에 대응되는 표면 형상의 몰딩부를 구비하는 스탬프를 형성하는 스탬프 제작 단계; 및 상기 스탬프를 접촉층에 접촉 및 가압하여, 상기 몰딩부의 표면 형상에 대응되는 표면 형상을 구비하는 접촉층을 형성하는 임프린팅 단계를 포함한다.

상기 스탬프 제작 단계는, 상기 연잎을 기설정된 크기로 가공하는 단계; 상기 연잎을 세척하는 단계; 상기 연잎의 표면에 금속 재질의 박막 형태로 몰딩부를 코팅하는 단계; 및 상기 박막에 상기 몰딩부를 도금하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 스탬프는, 니켈, 아연, 주석을 모두 포함하는 군으로부터 선택된 적어도 하나의 금속 재질로 이루어질 수 있다.

상기 임프린팅 단계는, 상기 스탬프에 접촉되는 접촉층과, 상기 접촉층에 접촉되는 전도성 재질의 전극층과, 상기 전극층과 접촉되는 지지층을 적층하고, 기설정된 온도에서 상기 적층된 방향으로 기설정된 압력으로 가압하도록 이루어질 수 있다.

상기 지지층은, 폴리이미드(polyimide), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethyl methacrylate, PMMA), 폴리스타이렌(polystyrene, PS), 플로린에이트에틸렌프로필렌(fluorinated ethylene propylene, FEP), 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET), 플루오르화 폴리비닐리덴(polyvinylidene fluoride, PVDF) 및 폴리에틸렌(polyethylene, PE)을 모두 포함하는 군으로부터 선택된 적어도 하나의 고분자 물질로 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 일 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 접촉대전 나노발전기는, 지지층; 상기 지지층 상에 형성되는 전기 전도성 재질의 전극층; 및 일 면은 상기 전극층에 결합되고 타 면은 상대물과 접촉되어, 상기 전극층에 전하의 흐름을 형성하도록 대전되는 접촉층을 포함하며, 상기 접촉층은, 상기 타 면에서 돌출 형성되는 다수 개의 마이크로 돌기; 및 상기 타 면 및 마이크로 돌기의 표면에서, 상기 마이크로 돌기보다 작은 크기 및 상호 이격 거리를 갖도록 돌출 형성되는 다수 개의 나노 돌기를 구비한다.

상기 나도 돌기는 상기 마이크로 돌기의 1/100 내지 1/10000의 크기를 갖도록 이루어질 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 접촉대전 나노발전기는, 지지층; 상기 지지층 상에 형성되는 전기 전도성 재질의 전극층; 및 일 면은 상기 전극층에 결합되고 타 면은 상대물과 접촉되어, 상기 전극층에 전하의 흐름을 형성하도록 대전되는 접촉층을 포함하며, 상기 접촉층은, 상기 타 면에 연잎의 표면 일부와 동일한 표면 구조가 형성된 것일 수 있다.

이상에서 설명한 해결 수단에 의해 구성되는 본 발명에 의하면, 다음과 같은 효과가 있다.

본 발명의 접촉대전 나노발전기의 제작 방법은 연잎의 표면 구조에 대응되는 몰딩부를 형성하는 스탬프를 제작하여 이용하도록 이루어진다. 이에 따라, 상대물과의 접촉 면적이 극대화될 수 있는 연잎 표면 구조를 접촉층에 적용할 수 있다. 따라서, 접촉에 의한 전하 생성량이 증가되어 에너지 생성량이 개선된 접촉대전 나노발전기가 제작될 수 있게 된다.

특히, 연잎 표면 구조를 갖는 스탬프를 제작함으로써, 스탬프를 반복적으로 임프린팅 공정에 사용할 수 있게 되므로, 정밀한 미세 구조가 별도로 설계 및 개별 가공될 필요 없이, 신속하게 대량으로 생산될 수 있는 이점이 있다.

본 발명에 따른 접촉대전 나노발전기는, 접촉층에 마이크로 돌기부와 나노 돌기부가 형성된다. 접촉층의 표면 상에 복수의 스케일의 돌기부가 중첩적으로 형성됨으로써, 접촉층은 표면적이 크게 확대될 수 있고 초발수 성질을 갖게 되어, 전하 및 에너지 생성량이 향상될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 접촉대전 나노발전기의 작동 원리를 보인 개념도.
도 2는 본 발명에 따른 접촉대전 나노발전기의 제작 방법 중 스탬프 제작 단계를 보인 개념도.
도 3은 본 발명에 따른 접촉대전 나노발전기의 제작 방법 중 임프린팅 단계를 보인 개념도.
도 4는 본 발명에 따른 접촉대전 나노발전기의 제작 방법에 의해 제작된 스탬프 및 접촉층 표면을 보인 사진들.
도 5는 본 발명에 따른 접촉대전 나노발전기의 단면 및 표면 구조를 보인 개념도.
도 6은 본 발명에 따른 접촉대전 나노발전기의 에너지 발생량을 도시한 그래프.

이하, 본 발명에 관련된 접촉대전 나노발전기 및 그 제작 방법에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.

본 명세서에 개시된 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

도 1은 접촉대전 나노발전기의 작동 원리를 보인 개념도이다. 도 1을 참조하여, 접촉대전 나노발전기에서 전류가 발생되는 원리에 대하여 설명한다.

도시된 것과 같이, 접촉대전 나노발전기는 지지층(11), 전극층(12) 및 접촉층(13)을 포함하며, 상대층(14)과의 접촉 및 마찰 시 정전기 대전을 이용하여 전류 흐름을 형성하는 방식으로 에너지를 생성하도록 이루어진다.

지지층(11)은 전극층(12)과 접촉층(13)을 지지하는 몸체 역할을 수행하며, 박막 또는 기판의 형태를 가져 다른 구성요소들과 함께 적층형 구조를 형성할 수 있다. 아울러, 지지층(11)의 일 면(도 1에서는 상부면)에는 전극층(12)이 형성될 수 있다.

전극층(12)은 접촉대전 나노발전기에서 발생되는 전하의 흐름이 형성되어 수집되는 전극 역할을 수행할 수 있다. 전극층(12)은 전기 전도성 재질로 이루어질 수 있고, 그 설계에 따라 지지층(11) 상에 다양한 패턴으로 형성될 수 있다. 또한, 전극층(12)에는 도선이 연결되어 전하의 흐름이 이어지도록 연결될 수 있다.

지지층(11)과 접촉되는 전극층(12)의 일 면(하부면)의 반대 면(상부면)에는 접촉층(13)이 형성될 수 있다. 접촉층(13)은 상대층(14)과의 선택적인 접촉 및 상대적인 변위에 따라 정전기가 대전되는 층으로 기능한다. 도시된 것과 같이, 전극층(12)과 결합되는 면(하부면)의 반대 면(상부면)이 상대층(14)과 접촉이 이루어지는 면이 될 수 있다. 접촉층(13)의 재질은 마찰대전 시 전자를 쉽게 얻는 성질을 갖는 불소계 고분자 물질로 이루어질 수 있다.

도 1을 참조하면, 접촉대전 나노발전기의 동작은 상대층(14)과 접촉층(13)이 서로 접촉되어 정전기가 상호 대전되는 것으로부터 시작될 수 있다. 도 1의 예와 같이, 접촉층(13)은 음전하로 대전되고, 상대층(14)은 양전하로 대전될 수 있다.

정전기가 대전된 상태에서 상대층(14)과 접촉층(13)이 멀어지게 되면, 정전기적 평형이 이루어지도록 전기 전도성 재질의 전극층(12)에 양전하가 유도된다. 전극층(12)에 양전하가 유도되는 과정에서 전류가 형성되며, 이러한 전하의 흐름은 전극층(12)에 유도되는 양전하의 양이, 접촉층(13)에 유도되었던 음전하의 양과 서로 같아져 평형에 도달할 때까지 계속될 수 있다.

이후, 다시 상대층(14)이 접촉층(13)에 근접하여 접촉하게 되면, 접촉층(13)의 음전하와 상대층(14)의 양전하는 서로 상쇄되어 정전기적으로 평형을 이루게 된다. 이에 따라, 전극층(12)에 유도되었던 양전하가 이탈되면서, 앞서와는 반대 방향으로 전류가 형성될 수 있다.

도 1의 예에서 보인 것과 같이, 접촉대전 나노발전기는, 상대층(14)과 접촉층(13)의 상대적인 변위에 의해 전극층(12)에 전류가 형성되도록 이루어진다. 상대층(14)과 접촉층(13)의 상대적인 변위는 일상생활 및 다양한 산업 환경에서 발생되는 상대운동을 활용하여 얻을 수 있고, 이러한 측면에서, 접촉대전 나노발전기는 에너지를 수확(harvesting)하는 기술로 유용하게 활용될 수 있다.

한편, 이상에서 설명한 것과 같이, 접촉대전 나노발전기는 접촉층(13)과 상대층(14)의 접촉 및 마찰 대전에 의하여 전류가 발생된다. 이때, 동일한 소자 크기 대비 접촉층(13)과 상대층(14)이 서로 접촉되는 접촉면적이 넓을수록 많은 양의 전하가 대전될 수 있어 많은 양의 전류가 생성될 수 있다. 접촉대전 나노발전기의 에너지 발생량을 증대시키기 위해서는, 접촉층(13)의 표면적이 극대화되는 것이 중요한 설계 목표가 된다. 아울러, 접촉층(13)의 표면은 액체가 쉽게 달라붙지 않는 초발수 성질을 갖도록 하는 것이 접촉대전 나노발전기의 신뢰성 있는 작동을 구현하는데 중요한 요소가 된다.

이와 관련하여, 이하에서는 에너지 생성량과 직결되는 접촉층(13) 표면적을 극대화할 수 있도록, 연잎 표면 구조를 모사하여 접촉층(13)을 형성하는 접촉대전 나노발전기의 제작 방법을 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명에 따른 접촉대전 나노발전기의 제작 방법 중 스탬프 제작 단계(S1)를 보인 개념도이고, 도 3은 본 발명에 따른 접촉대전 나노발전기의 제작 방법 중 임프린팅 단계(S2)를 보인 개념도이다.

도 2 및 3을 참조하면, 본 발명에 따른 접촉대전 나노발전기의 제작 방법은, 스탬프 제작 단계(S1)와 임프린팅 단계(S2)를 포함한다. 스탬프 제작 단계(S1)는 연잎(20) 표면 구조를 모사하기 위한 금형인 스탬프(30)를 제작하는 단계이며, 임프린팅 단계(S2)는 재료들을 스탬프(30)와 함께 가압하여 본 발명에 따른 접촉대전 나노발전기의 적층 구조를 형성하는 단계이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 스탬프 제작 단계(S1)는 연잎(20)의 표면에 몰딩부(31)를 적층한 뒤, 몰딩부(31)에서 연잎(20)을 제거함으로써, 연잎(20)의 표면에 대응되는 표면 형상의 몰딩부(31)가 형성된 스탬프(30)를 제작하도록 이루어진다.

구체적으로, 스탬프 제작 단계(S1)는, 연잎(20)을 기설정된 크기로 가공하는 단계(s11)와, 상기 연잎(20)을 세척하는 단계를 포함할 수 있다. 본 발명에서 채용하고자 하는 연잎(20)의 표면 구조는 마이크로 혹은 나노 스케일의 구조이므로, 이하의 단계를 진행하기에 적합한 크기로 연잎(20)을 가공하고, 마이크로 혹은 나노 스케일의 불순물을 제거하는 단계를 거칠 수 있다.

아울러, 스탬프 제작 단계(S1)는 연잎(20)의 표면에 금속 재질의 몰딩부(31)를 박막 형태로 코팅(coating)하는 단계(s12)와, 코팅된 금속 박막과 동일한 재질의 금속을 도금(electroplating)하는 단계(s13)를 포함할 수 있다. 연잎(20)의 표면 구조는 대표적으로 수십 내지 수백 마이크로미터 스케일의 큰 돌기 구조와, 이에 중첩적으로 형성되는 수십 나노미터 스케일의 작은 돌기 구조로 이루어져 있고, 위 단계들은 이들 돌기 구조들을 정확하게 반영하도록 구성될 수 있다.

즉, 몰딩부(31)를 코팅하는 단계(s12)에서, 금속 박막의 두께는 0.1 내지 100 nm의 수준으로 코팅될 수 있다. 금속 박막으로 몰딩부(31)를 코팅하는 단계(s12)에 의해, 연잎(20) 표면의 수십 나노미터 스케일의 돌기 구조를 정확하게 반영할 수 있는 정밀도를 확보할 수 있다.

그리고, 코팅된 금속 박막에 금속을 도금하는 단계(s13)에서는, 연잎(20) 표면의 수십 내지 수백 마이크로미터 스케일의 돌기 구조를 포함할 수 있는 두께로 몰딩부(31)를 형성하도록 도금이 이루어질 수 있다.

몰딩부(31)가 코팅 및 도금된 이후에는, 몰딩부(31)로부터 연잎(20)을 제거하는 단계가 수행됨으로써, 몰딩부(31)만으로 이루어지는 스탬프(30)가 형성될 수 있다.

한편, 몰딩부(31)를 구비하는 스탬프(30)는, 도금 공정 및 후술하는 임프린팅 공정의 가압력을 고려하여, 니켈, 아연, 주석을 모두 포함하는 군으로부터 선택된 적어도 하나의 금속 재질로 이루어질 수 있다. 스탬프(30) 제작 공정이 완료되면, 스탬프(30)의 몰딩부(31)에는 연잎(20)의 돌기 구조에 대응되는 표면 구조가 음각으로 형성될 수 있다.

도 3에 도시된 것처럼, 임프린팅 단계(S2)는, 스탬프(30)를 접촉층(130)에 접촉 및 가압하여 몰딩부(31)의 표면 형상에 대응되는 표면 형상을 갖는 접촉층(130)을 형성하도록 이루어진다.

구체적으로, 임프린팅 단계(S2)는 접촉층(130), 전극층(120) 및 지지층(110)을 한꺼번에 가압하여 이들의 결합 구조를 형성하도록 이루어질 수 있다. 도 3에 도시된 것과 같이, 일 방향으로 지지층(110), 전극층(120) 및 접촉층(130)을 차례로 배치하고, 접촉층(130)의 상부면에는 음각된 몰딩부(31)가 접촉되도록 스탬프(30)를 배치한 상태에서 가압이 이루어질 수 있다.

이때, 전극층(120)은 금속과 같은 전기 전도성 재질로 이루어지는 것일 수 있다. 또한, 접촉층(130)은 고분자 재료로 이루어질 수 있으며, 특히, 열가소성 및 초발수 성질 중 적어도 하나의 성질을 갖는 고분자 재료로 이루어질 수 있다. 이러한 성질의 접촉층(130)은, 접촉 및 마찰에 의하여 대전이 용이하게 일어나는 성질을 고려하여 형성된 것이다.

아울러 지지층(110)은, 폴리이미드(polyimide), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethyl methacrylate, PMMA), 폴리스타이렌(polystyrene, PS), 플로린에이트에틸렌프로필렌(fluorinated ethylene propylene, FEP), 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET), 플루오르화 폴리비닐리덴(polyvinylidene fluoride, PVDF) 및 폴리에틸렌(polyethylene, PE)을 모두 포함하는 군으로부터 선택된 적어도 하나의 고분자 물질로 이루어질 수 있다.

한편, 임프린팅 단계(S2)는, 200°이상의 고온에서 0.1 MPa 이상의 압력을 적층 방향(도 3의 상하 방향)으로 가함으로써, 위와 같은 접촉층(130), 전극층(120) 및 지지층(110)의 적층 구조가 형성되도록 이루어질 수 있다.

이상에서와 같이, 스탬프(30)를 제작하여 본 발명의 접촉대전 나노발전기를 제작함으로써, 상대물과의 접촉 면적이 극대화될 수 있는 연잎(20) 표면 구조를 접촉층(130)에 형성할 수 있다. 따라서, 접촉에 의한 전하 생성량이 증가되어 에너지 생성량이 개선된 접촉대전 나노발전기가 제작될 수 있게 된다.

또한, 연잎(20) 표면의 마이크로 및 나노미터 스케일 구조를 접촉층(130), 전극층(120) 및 지지층(110)을 결합하는 과정에서 함께 형성할 수 있다. 즉, 미세 표면 구조는 스탬프(30)를 제작하는 단계를 한 차례 제작한 뒤, 이후의 적층 구조 형성 시 스탬프(30)를 함께 사용하기만 하면 다른 접촉층(130)에 반복적으로 형성될 수 있다. 따라서, 마이크로 및 나노미터 스케일의 미세 표면 구조를 정밀하게 가공하는 과정이 개별적으로 수행될 필요가 없어, 제작 편의성이 크게 향상될 수 있다.

이상에서는 연잎(20) 표면 구조를 채용하는 본 발명에 따른 접촉대전 나노발전기의 제작 방법에 대하여 설명하였다. 이하에서는 앞서 설명한 방법에 의해 제작된 접촉대전 나노발전기가 갖는 표면 구조와, 그에 따른 효과에 대하여 설명한다.

도 4는 본 발명에 따른 접촉대전 나노발전기의 제작 방법에 의해 제작된 스탬프(30) 및 접촉층(130) 표면을 보인 사진들이다. 구체적으로 도 4의 사진들은, 좌측에서부터 각각 연잎(lotus leaf, 20), 스탬프(Ni stamp, 30) 및 접촉층(FEP film, 130)을 도시한 것이다. 아울러, 도 5는 본 발명에 따른 접촉대전 나노발전기(100)의 단면 및 표면 구조를 보인 개념도이다.

도 4 및 5를 참조하면, 본 발명에 따른 접촉대전 나노발전기(100)는 지지층(110), 전극층(120) 및 접촉층(130)을 포함한다. 각 층의 재질 및 역할은 앞서 설명한 바와 유사하다. 다만, 본 발명에 따른 접촉대전 나노발전기(100)의 접촉층(130)은, 마이크로 돌기(131) 및 나노 돌기(132)를 구비한다.

마이크로 돌기(131)와 나노 돌기(132)는 서로 다른 스케일(규모)로 중첩적으로 형성되어 접촉층(130)의 표면적을 극대화할 수 있는 구성요소들이다. 도 4 및 5를 참조하면, 마이크로 돌기(131)는 접촉층(130)이 전극층(120)과 결합되는 일 면의 반대 면인 타 면에 형성된다. 마이크로 돌기(131)는 접촉층(130)의 표면 상에 다수 개가 이격되어 돌출 형성된다. 마이크로 돌기(131)의 크기는 수십 내지 수백 마이크로미터로 이루어질 수 있다. 각각의 마이크로 돌기(131)의 크기나 상호 간 이격 거리가 균일할 필요는 없으나, 동일하여도 무방하다.

나노 돌기(132)는, 마이크로 돌기(131)가 형성되는 접촉층(130)의 표면에 중첩적으로 형성된다. 나노 돌기(132)는 마이크로 돌기(131)보다 작은 크기 및 상호 이격 거리를 갖도록 돌출 형성될 수 있다. 나노 돌기(132)는 수십 내지 수백 나노미터로 이루어질 수 있고, 마이크로 돌기(131)와 비교하여서는 대략 1/100 내지 1/10000의 크기 및 상호 이격 거리를 갖도록 이루어질 수 있다. 각각의 나노 돌기(132)의 크기 및 상호 이격 거리는 균일하지 않아도 무방하다.

위와 같은 마이크로 돌기(131) 및 나노 돌기(132)의 복합 구조는 연잎(20)의 표면 구조와 동일하거나 매우 유사한 것일 수 있다.

도 6은 본 발명에 따른 접촉대전 나노발전기(100)의 에너지 발생량을 도시한 그래프이다. 도 6은 접촉층(130)에 연잎(20) 표면 구조 형성 유무에 따른 에너지 발생량을 비교하여 도시하고 있다. 도시된 바와 같이, 연잎(20) 표면 구조(lotus leaf-pattern)가 적용된 접촉대전 나노발전기의 에너지 발생량이 연잎(20) 표면 구조를 미적용한 평평한 표면 구조(flat-pattern)에서의 에너지 발생량보다 전체적으로 더 증대된 결과를 확인할 수 있다. 연잎(20)의 표면 구조와 유사하게, 마이크로 돌기(131) 및 나노 돌기(132)를 구비하는 본 발명에 따른 접촉대전 나노발전기(100)의 경우에도, 접촉층(130)의 표면적이 크게 증가되는 구조를 갖게 된다. 따라서, 접촉층(130)의 표면에 대전되는 전하량이 증대될 수 있어, 에너지 발생량이 증대될 수 있는 효과가 있다.

이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 접촉대전 나노발전기 및 그 제작 방법을 실시하기 위한 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 이상의 실시예에 한정되지 않고, 이하의 청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 사상이 있다고 할 것이다.

11, 110: 지지층
12, 120: 전극층
13, 130: 접촉층
14: 상대층
20: 연잎
30: 스탬프
31: 몰딩부
100: 접촉대전 나노발전기
131: 마이크로 돌기
132: 나노 돌기

Claims

연잎의 표면에 몰딩부를 적층하고, 상기 몰딩부에서 상기 연잎을 제거하여, 상기 연잎의 표면에 대응되는 표면 형상의 몰딩부를 구비하는 스탬프를 형성하는 스탬프 제작 단계; 및
상기 스탬프를 접촉층에 접촉 및 가압하여, 상기 몰딩부의 표면 형상에 대응되는 표면 형상을 구비하는 접촉층을 형성하는 임프린팅 단계를 포함하고,
상기 스탬프 제작 단계는,
상기 연잎을 기설정된 크기로 가공하는 단계;
상기 연잎을 세척하는 단계;
상기 연잎의 표면에 금속 재질의 박막 형태로 몰딩부를 코팅하는 단계; 및
상기 박막에 상기 몰딩부를 상기 금속 재질의 박막과 동일한 재질로 도금(electroplating)하는 단계를 포함하고,
상기 몰딩부를 도금하는 단계에서는 상기 연잎 표면의 수십 내지 수백 마이크로미터 스케일의 돌기 구조를 포함하는 두께로 몰딩부를 형성하도록 도금하는 접촉대전 나노발전기의 제작 방법.
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제1항에 있어서,
상기 스탬프는, 니켈, 아연, 주석을 모두 포함하는 군으로부터 선택된 적어도 하나의 금속 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 접촉대전 나노발전기의 제작 방법.
제1항에 있어서,
상기 임프린팅 단계는,
상기 스탬프에 접촉되는 접촉층과, 상기 접촉층에 접촉되는 전도성 재질의 전극층과, 상기 전극층과 접촉되는 지지층을 적층하고, 기설정된 온도에서 상기 적층된 방향으로 기설정된 압력으로 가압하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 접촉대전 나노발전기의 제작 방법.
제4항에 있어서,
상기 지지층은, 폴리이미드(polyimide), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethyl methacrylate, PMMA), 폴리스타이렌(polystyrene, PS), 플로린에이트에틸렌프로필렌(fluorinated ethylene propylene, FEP), 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET), 플루오르화 폴리비닐리덴(polyvinylidene fluoride, PVDF) 및 폴리에틸렌(polyethylene, PE)을 모두 포함하는 군으로부터 선택된 적어도 하나의 고분자 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 접촉대전 나노발전기의 제작 방법.
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