KR102117925B1 - Triboelectric generator and its manufacturing method - Google Patents
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- H02N1/00—Electrostatic generators or motors using a solid moving electrostatic charge carrier
- H02N1/04—Friction generators
Abstract
Description
본 발명은 출력 향상을 위한 마찰 전기 발전기에 관한 것으로, 상세하게는 유전율이 높은 재질의 전자 차단층을 전극층에 증착하여 표면 전하가 제어됨에 따라 기존의 마찰 전기 발전기보다 출력이 향상되는 마찰전기 발전기 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a triboelectric generator for improving power, and in detail, an electrostatic barrier layer of a material having a high dielectric constant is deposited on an electrode layer to control the surface charge so that the triboelectric generator improves output compared to a conventional triboelectric generator. It relates to a manufacturing method.
마찰전기 발전은 마찰에 의해 전기를 생성하는 것으로, 기존의 태양전지, 수력, 풍력 등과 같은 친환경 에너지와 달리 주변에서 발생하는 미세한 진동이나 운동시 발생되는 소모성 기계적 에너지를 전기 에너지로 추출할 수 있다. Friction electricity generation generates electricity by friction, and unlike conventional eco-friendly energy such as solar cells, water power, wind power, etc., it is possible to extract minute vibrations generated in the surroundings or consumable mechanical energy generated during exercise as electrical energy.
마찰식 나노 발전기는 마찰 대전 특성이 서로 다른 두 물체 사이의 상호 접촉과 분리를 이용하여 발전하는 것으로, 대부분의 마찰식 나노 발전기는 두 개의 전극층을 반드시 필요로 한다. 그리고 하나의 전극층과 마찰하는 박막 재료의 표면에 도전성 금속을 부착한 다음 두 개의 전극층이 접촉과 분리를 통해 전력을 출력하게 된다.The tribological nanogenerator is developed by using mutual contact and separation between two objects having different triboelectric properties, and most tribological nanogenerators require two electrode layers. Then, a conductive metal is attached to the surface of the thin film material that rubs against one electrode layer, and then the two electrode layers output power through contact and separation.
따라서 마찰식 나노발전기(마찰 전기 나노 발전기)는 가벼운 무게, 휴대 가능하다는 점, 환경 친화성, 저비용 등의 바람직한 특성으로 인해 촉망 받는 차세대 에너지 발생장치로 평가받고 있으며, 마찰식 나노발전기와 관련된 다수의 기술이 제안되어 있다.Therefore, the triboelectric nanogenerator (frictional electric nanogenerator) is evaluated as a promising next-generation energy generator due to desirable properties such as light weight, portability, environmental friendliness, and low cost. Technology has been proposed.
예를 들어, 한국 공개특허공보 제10-2017-0126522호(공개일자: 2017.11.17)은 단극 마찰식 나노발전기, 발전 방법 및 자체 구동 추적 장치에 관한 것으로, 폴리머 재료와 금속 재료가 서로 다른 마찰대전 특성을 가지는 특성을 이용하여 단극 마찰식 발전기를 구축하며, 이 발전기를 기초로 하는 추적 시스템을 제조한다.For example, Korean Patent Publication No. 10-2017-0126522 (published date: 2017.11.17) relates to a single-pole friction nanogenerator, a power generation method, and a self-driven tracking device, wherein a polymer material and a metal material have different frictions. A single-pole triboelectric generator is constructed by using a charging characteristic, and a tracking system based on the generator is manufactured.
하지만, 선행문헌을 비롯한 다수의 마찰 전기 나노 발전기의 출력을 향상시키기 위한 방법이나 구성에 대한 기술 개발이 부족한 실정이다.However, there is a lack of technology development for a method or configuration for improving the output of a number of triboelectric nanogenerators, including the prior literature.
본 발명은 마찰전기 발전기의 출력을 향상시키고자 한다.The present invention seeks to improve the output of a triboelectric generator.
본 발명은 전극과 마찰재 사이에 전자 차단층을 구비하여 마찰재의 표면에서 높은 표면 전하 밀도를 유지할 수 있도록 하고자 한다.The present invention is to provide an electron blocking layer between the electrode and the friction material to maintain a high surface charge density at the surface of the friction material.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위한 출력 향상을 위한 마찰 전기 발전기에 관한 것으로, 제1 전극과, 상기 제1 전극과 전기적으로 연결된 상태로 소정 간격 이격되는 제2 전극과, 상기 제1 전극과 선택적으로 접촉되고, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 구비되며, 상기 제1 전극과 전기음성도의 차이가 나는 재질로 형성되는 마찰층 및 일 단은 상기 마찰층에 결합되고, 타 단은 상기 제2 전극에 결합되며, 상기 마찰층에 비하여 유전율이 높은 재질로 형성되는 전자 차단층을 포함한다.The present invention relates to a triboelectric generator for improving power to achieve the above object, a first electrode, a second electrode spaced a predetermined distance in an electrically connected state with the first electrode, and the first electrode and optional And the first electrode and the second electrode, the friction layer and one end formed of a material having a difference in electronegativity from the first electrode and one end coupled to the friction layer, the other end It is coupled to the second electrode, and includes an electron blocking layer formed of a material having a higher dielectric constant than the friction layer.
바람직하게는, 상기 전자 차단층은 상기 제2 전극에 박막 형태로 증착된다.Preferably, the electron blocking layer is deposited in the form of a thin film on the second electrode.
바람직하게는, 상기 전자 차단층은 상기 제2 전극에 스퍼터링 방식으로 증착되고, 상기 마찰층은 상기 전자 차단층 상에 결합된다.Preferably, the electron blocking layer is deposited on the second electrode by sputtering, and the friction layer is bonded on the electron blocking layer.
바람직하게는, 상기 전자 차단층은 산화물로 형성된다.Preferably, the electron blocking layer is formed of oxide.
바람직하게는, 상기 전자 차단층은 TiOx, AlOx 및 HfOx 가운데 적어도 하나의 재질을 포함한다.Preferably, the electron blocking layer includes at least one of TiOx, AlOx, and HfOx.
바람직하게는, 상기 전자 차단층은 80 내지 120nm의 두께로 형성된다.Preferably, the electron blocking layer is formed to a thickness of 80 to 120nm.
바람직하게는, 상기 전자 차단층은 100nm의 두께로 형성된다.Preferably, the electron blocking layer is formed to a thickness of 100nm.
바람직하게는, 상기 마찰층은 상기 제1 전극보다 전기음성도 또는 일함수가 더 큰 재질로 형성된다.Preferably, the friction layer is formed of a material having a greater electronegativity or work function than the first electrode.
바람직하게는, 상기 마찰층은 PDMS, PTFE, FEP, PAN, PVC 중 어느 하나의 재질로 형성된다.Preferably, the friction layer is formed of any one of PDMS, PTFE, FEP, PAN, and PVC.
바람직하게는, 상기 제1 및 제2 전극은 금속 재질로 형성된다.Preferably, the first and second electrodes are formed of a metal material.
바람직하게는, 상기 제1 및 제2 전극은 알루미늄 재질로 형성된다.Preferably, the first and second electrodes are made of aluminum.
바람직하게는, 제1 전극, 제2 전극, 상기 제1 전극과 전기음성도 차이가 나는 재질의 마찰층을 마련하는 단계와, 상기 제2 전극에 상기 마찰층에 비하여 유전율이 높은 전자 차단층을 증착하는 단계와, 상기 전자 차단층 위에 상기 마찰층을 결합하는 단계 및 상기 제1 전극을 상기 마찰층과 소정 간격 이격 배치하고, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극을 전기적으로 연결하는 단계를 포함한다.Preferably, a first electrode, a second electrode, a step of providing a friction layer made of a material having a difference in electronegativity from the first electrode, and an electron blocking layer having a higher dielectric constant than the friction layer on the second electrode. Depositing, bonding the friction layer over the electron blocking layer, disposing the first electrode at a predetermined distance from the friction layer, and electrically connecting the first electrode and the second electrode. do.
바람직하게는, 상기 전자 차단층은 스퍼터링 증착 방식에 의한 박막 형태로 상기 제2 전극에 증착된다.Preferably, the electron blocking layer is deposited on the second electrode in the form of a thin film by sputtering deposition.
바람직하게는, 상기 전자 차단층은 산소 분압이 0%인 상태에서 증착된다.Preferably, the electron blocking layer is deposited while the oxygen partial pressure is 0%.
바람직하게는, 상기 전자 차단층은 TiOx, AlOx 및 HfOx 가운데 적어도 하나의 재질을 포함한다.Preferably, the electron blocking layer includes at least one material of TiOx, AlOx, and HfOx.
바람직하게는, 상기 전자 차단층은 80 내지 120nm의 두께로 형성된다.Preferably, the electron blocking layer is formed to a thickness of 80 to 120nm.
바람직하게는, 상기 제1 전극 및 제2 전극은 금속재질로 형성되고, 상기 마찰층은 PDMS 재질로 형성된다.Preferably, the first electrode and the second electrode are formed of a metal material, and the friction layer is formed of a PDMS material.
본 발명에 따른 마찰전기 발전기는 출력 전력이 향상되는 효과가 있다.The triboelectric generator according to the present invention has an effect of improving output power.
본 발명은 전자 차단층의 전자 차단과 향상된 분극의 커플링 효과로 인해 출력 전력 향상이 이루어진다.The present invention improves output power due to the coupling effect of the electron blocking of the electron blocking layer and the improved polarization.
본 발명은 전자 차단층의 두께와 재질에 따라 출력 전력이 향상되는 효과가 있다.The present invention has an effect of improving the output power according to the thickness and material of the electron blocking layer.
도 1은 본 발명에 따른 마찰전기 발전기의 정면도,
도 2는 본 발명에 따른 마찰전기 발전기의 작동원리에 대한 도면,
도 3는 본 발명에 따른 마찰전기 발전기의 전하 밀도 그래프,
도 4는 본 발명에 따른 마찰전기 발전기의 COMSOL 다중 물리 시뮬레이션 그래프,
도 5는 본 발명에 따른 마찰전기 발전기에서 전자 차단층 유, 무에 따른 출력 전압과 전류 그래프,
도 6는 본 발명에 따른 마찰전기 발전기에서 전자 차단층 유, 무에 따른 표면 전위를 비교한 결과 모습,
도 7는 본 발명에 따른 마찰전기 발전기에서 산소 분압에 의한 출력을 비교한 그래프,
도 8는 본 발명에 따른 마찰전기 발전기의 산소 K-edge XAS 스펙트럼,
도 9는 본 발명에 따른 마찰전기 발전기의 산소 K-edge XAS 스펙트럼 확대도 및 산소 공극 관련 상대적 영역에 대한 그래프,
도 10는 본 발명에 따른 마찰전기 발전기의 산소 결손에 따른 전자 트랩 메커니즘의 개략도,
도 11는 본 발명에 따른 마찰전기 발전기에서 전자 차단층의 두께에 따른 출력 전압과 전류를 비교한 그래프,
도 12는 본 발명에 따른 마찰전기 발전기에서 전자 차단층의 두께에 따른 산소 K-edge XAS 스펙트럼,
도 13는 본 발명에 따른 마찰전기 발전기에서 전자 차단층의 함수로서 상대 분자 궤도비의 상대 비율 그래프,
도 14는 본 발명에 따른 마찰전기 발전기에서 전하 차단층의 증착 위치에 따른 출력 변화 비교도,
도 15는 본 발명에 따른 마찰전기 발전기에서 전하 차단층을 구성하는 물질에 따른 출력 변화 비교도,
도 16은 본 발명에 따른 마찰전기 발전기를 제작하는 방법에 대한 순서도.1 is a front view of a triboelectric generator according to the present invention,
2 is a view of the operating principle of the triboelectric generator according to the present invention,
3 is a charge density graph of the triboelectric generator according to the present invention,
4 is a COMSOL multiphysics simulation graph of a triboelectric generator according to the present invention,
5 is a graph of the output voltage and current according to the presence or absence of an electron blocking layer in the triboelectric generator according to the present invention,
6 is a result of comparing the surface potential according to the presence or absence of the electromagnetic blocking layer in the triboelectric generator according to the present invention,
7 is a graph comparing the output by the partial pressure of oxygen in the triboelectric generator according to the present invention,
8 is an oxygen K-edge XAS spectrum of the triboelectric generator according to the present invention,
9 is an enlarged view of the oxygen K-edge XAS spectrum of the triboelectric generator according to the present invention and a graph of relative regions related to oxygen voids,
10 is a schematic diagram of an electron trap mechanism according to oxygen deficiency of a triboelectric generator according to the present invention,
11 is a graph comparing the output voltage and current according to the thickness of the electromagnetic blocking layer in the triboelectric generator according to the present invention,
12 is an oxygen K-edge XAS spectrum according to the thickness of the electron blocking layer in the triboelectric generator according to the present invention,
13 is a graph of the relative ratio of the relative molecular orbital ratio as a function of the electron blocking layer in the triboelectric generator according to the present invention,
14 is a comparative view of the output change according to the deposition location of the charge blocking layer in the triboelectric generator according to the present invention,
15 is a comparative view of the output change according to the material constituting the charge blocking layer in the triboelectric generator according to the present invention,
16 is a flow chart for a method of manufacturing a triboelectric generator according to the present invention.
본 발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.The specific structure or functional descriptions presented in the embodiments of the present invention are exemplified for the purpose of describing the embodiments according to the concept of the present invention, and the embodiments according to the concept of the present invention may be implemented in various forms. In addition, it should not be construed as being limited to the embodiments described herein, and should be understood to include all modifications, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명에 따른 마찰전기 발전기의 정면도에 관한 것이다.1 relates to a front view of a triboelectric generator according to the present invention.
본 발명의 일 실시예에 의한 마찰전기 발전기(1)는 제1 전극(10)과, 제1 전극(10)과 전기적으로 연결된 상태로 소정 간격 이격되는 제2 전극(12)과, 제1 전극(10)과 선택적으로 접촉되고, 제1 전극(10) 및 제2 전극(12) 사이에 구비되며, 제1 전극(10)과 전기음성도의 차이가 나는 재질로 형성되는 마찰층(20) 및 일 단은 마찰층(20)에 결합되고, 타 단은 제2 전극(12)에 결합되며, 마찰층(20)에 비하여 유전율이 높은 재질로 형성되는 전자 차단층(30)을 포함한다.The
제1 전극(10) 및 제2 전극(12)은 판상형으로 형성될 수 있고, 전기가 흐를 수 있는 금속 재질로 형성될 수 있다. 제1 전극(10) 및 제2 전극(12)은 금속 재질로 형성될 수 있고, 일례로 전기 전도성이 높은 알루미늄, 구리나 은 등과 같은 금속으로 형성될 수 있다. 제1 전극(10) 및 제2 전극(12)은 서로 같은 재질로 형성될 수도 있고, 서로 다른 재질로 형성될 수도 있다. The
제1 전극(10) 및 제2 전극(12)은 서로 소정 간격 이격되어 배치될 수 있다. 제1 전극(10) 및 제2 전극(12) 사이에는, 제1 전극(10)과 선택적으로 접촉되는 마찰층(30)과, 마찰층(30) 및 제2 전극(12) 사이에 삽입되는 전자 차단층(30)이 구비될 수 있다.The
또한, 제1 전극(10) 및 제2 전극(12)은 전기가 흐를 수 있는 전선 등의 와이어에 의하여 전기적으로 연결될 수 있으며, 제1 전극(10)이 마찰층(20)과 접촉 및 분리되는 경우 상기 와이어에 전기가 흐르게 될 수 있다. Further, the
마찰층(20)은 판상형으로 형성되고, 제1 전극(10)의 하부에 제1 전극(10)과 선택적으로 접촉될 수 있도록 배치될 수 있다. The
마찰층(20)은 제1 전극(10)보다 전기음성도가 더 큰 재질로 형성되어 있으며, 이에 따라 제1 전극(10)과 마찰층(20)이 서로 접촉되면 전기음성도가 더 큰 마찰층(20)은 음전하로 대전되고, 마찰층(20)에 비하여 전기음성도가 더 작은 제1 전극(10)은 양전하로 대전될 수 있다. The
마찰층(20)은 합성수지 재질로 형성될 수 있고, 일례로 PDMS재질로 형성될 수 있다. The
전자 차단층(electron blocking layer, EBL)(30)은 제2 전극(12)에 박막 형태로 증착되는 것으로, 마찰층(20)에 비하여 높은 유전율을 갖는 재질로 형성될 수 있다. 구체적으로, 전자 차단층(30)은 산화물로 형성될 수 있고, TiOx, AlOx 및 HfOx 등의 재질로 형성될 수 있다. The electron blocking layer (EBL) 30 is deposited on the
또한, 전자 차단층(30)의 두께는 80 내지 120nm의 두께로 형성되는 것이 발전기의 출력 향상 측면에서 좋고, 바람직하게는 100nm의 두께로 형성되는 것이 좋다. In addition, the thickness of the
마찰전기 발전기(1)의 전자 차단층(30)은 제2 전극(12)에 스퍼터링 방식으로 증착될 수 있고, 마찰층(20)은 전자 차단층(30) 상에 결합된다. The
마찰층(20)을 전자 차단층(30)에 부착하면 마찰전기 발전기(1)를 완성할 수 있다. When the
즉, 마찰전기 발전기(1)가 수직 방향으로 접촉과 분리가 이루어질 수 있도록 제1 전극(10)과 제2 전극(12) 및 마찰층(20)과 전자 차단층(30)을 순서대로 적층시켜 제작하면 될 것이다.That is, the
상술한 전자 차단층(30)이 제2 전극(12)과 마찰층(20) 사이에 삽입됨에 따라 마찰전기 발전기(1)의 표면 전하 밀도가 향상됨에 따라 출력 성능이 크게 향상될 수 있으며, 이에 대한 자세한 설명은 후술한다. As the above-mentioned
도 2는 본 발명에 따른 마찰전기 발전기의 작동원리에 대한 도면을 보여주고 있다.Figure 2 shows a diagram of the operating principle of the triboelectric generator according to the present invention.
한 쌍의 전극층(10)(12) 중에서 제2 전극(12)에 마찰층(20)만 위치하는 발전기와 제2 전극(12)과 마찰층(20) 사이에 전자 차단층(30)을 증착시킨 마찰전기 발전기(1)의 구동원리를 비교한 것이다.Among the pair of electrode layers 10 and 12, the
도 2의 왼쪽 도면은 제2 전극(12)에 전자 차단층(30)을 증착하지 않은 발전기로서, 제2 전극(12)에 바로 마찰층(20)을 부착시킨 발전기의 제1 전극(10)과 제2 전극(12)을 붙였다 떨어트리는 작업을 반복하게 되면, 마찰층(20)의 표면이 음전하로 대전된다. 이때 마찰층(20)과 제2전극(12) 사이의 계면에서 마찰층(20)의 표면에서 대전된 음전하의 양만큼 양전하의 유도가 이루어지게 된다. 그리고 제2 전극(12) 내에 존재하는 전자인 음전하로 인해 제2 전극(12)과 마찰층(20) 계면에서 스크린 아웃(screen out)되는 양전하가 존재함에 따라 이는 마찰층(20) 표면의 전하밀도를 감소하게 된다.The left view of FIG. 2 is a generator that does not deposit the
반면에 제2 전극(12)과 마찰층(20) 사이에 전자 차단층(30)을 삽입한 마찰전기 발전기(1)의 경우, 마찰층(20)의 출력 특성을 향상할 수 있으며, 전자 차단층(30)의 유전율을 통해 마찰층(20)의 출력특성을 제어할 수 있게 된다.On the other hand, in the case of the
즉, 전자 차단층(30)에 존재하는 산소 결핍(Oxygen vacancy) 부분에 의한 자유 전자의 이동 억제를 통해 양전하가 유지되고, 높은 유전율로 인해 분극을 늘려 출력이 향상되는 효과가 있다.That is, the positive charge is maintained through the movement of free electrons by the oxygen vacancy portion existing in the
또한 마찰전기 발전기(1)의 표면 전하 밀도는 마찰층(20)에 높은 유전율 입자를 사용하는 편극으로 복합체를 형성함으로써 향상될 수 있다. 즉, 전자 차단층(30)은 산화 물질인 산화 알루미늄(Al2O3), 산화 티타늄(TiO2) 및 산화 하프늄(HfO2)을 사용하는데, 이는 마찰층(20)에 비하여 유전율이 매우 높기 때문에 높은 유전율을 지닌 전자 차단층(30)이 마찰층(20)의 분극(44)을 개선하여 출력을 향상시킨다.In addition, the surface charge density of the
한편, 마찰전기 발전기(1)의 전자 차단층(30)과 마찰층(20)의 유전율(εr)값을 측정하기 위해 금속-절연체-금속(M-I-M) 구조에 대해 커패시턴스-전압(C-V)을 하기의 식을 통해 구할 수 있을 것이다.On the other hand, in order to measure the dielectric constant (εr) values of the
식 (1) 
여기서, 
식 (1)에서 알 수 있듯이, 정전 용량(C) 값은 전자 차단층(30)의 두께에 반비례하므로 두께가 두꺼운 마찰층(20)의 작은 정전 용량을 갖게 될 것이다. 상기의 식을 통해 유전율(
도 3은 본 발명에 따른 마찰전기 발전기의 전하 밀도 그래프와 도 4는 본 발명에 따른 마찰전기 발전기의 COMSOL 다중 물리 시뮬레이션 결과를 보여주고 있다.Figure 3 shows the charge density graph of the triboelectric generator according to the present invention and Figure 4 shows the results of the COMSOL multiphysics simulation of the triboelectric generator according to the present invention.
전자 차단층(30)의 유, 무에 따른 발전기의 표면 전하밀도를 비교한 그래프로, 제2 전극(12)과 마찰층(20) 사이에 전자 차단층(30)을 삽입했을 때 표면 전하밀도가 증가한 것을 알 수 있다.A graph comparing the surface charge density of the generator according to the presence or absence of the
전자 차단층(30)이 없는(W/O TiOx EBL) 발전기(1)는 약 15μC/㎡의 표면 전하 밀도를 나타냈지만, 본 발명에 따른 전자 차단층(30)이 삽입(With TiOx EBL)된 마찰전기 발전기(1)는 30μC/㎡에 이르렀다.The
전자 차단층(30)의 유, 무에 따른 마찰전기 발전기(1)의 마찰 전위 분포를 비교하기 위해 COMSOL 다중 물리 시뮬레이션으로 측정한 이미지에 관한 것이다.It relates to an image measured by COMSOL multi-physics simulation to compare the friction potential distribution of the
좌측의 전자 차단층(30)이 없는(W/O TiOx EBL) 발전기(1) 보다 우측의 전자 차단층(30)이 삽입(With TiOx EBL)된 마찰전기 발전기(1)의 마찰 전위 분포가 더 높은 것을 알 수 있다.The friction potential distribution of the
도 5는 본 발명에 따른 마찰전기 발전기에서 전자 차단층 유, 무에 따른 출력 전압과 전류를 비교하는 그래프를 보여주고 있다.Figure 5 shows a graph comparing the output voltage and current according to the presence or absence of the electromagnetic blocking layer in the triboelectric generator according to the present invention.
전자 차단층(30)이 없는(W/O TiOx EBL) 발전기는 ~50V의 피크 출력 전압과 2μA의 피크 출력 전류를 생성했다. 반면에 전자 차단층(30)이 삽입된(With TiOx EBL) 마찰전기 발전기(1)는 출력 전압과 전류가 각각 약 272V와 9.1μA로 매우 향상된 출력값을 보여주고 있는 것을 알 수 있다.The generator without the electron blocking layer 30 (W/O TiOx EBL) generated a peak output voltage of ˜50 V and a peak output current of 2 μA. On the other hand, it can be seen that the
이는 제2 전극(12)과 마찰층(20) 사이의 계면에 삽입된 절연체 물질인 전자 차단층(30)이 제2 전극(12)에 비해 전자(음전하)가 매우 부족한 물질이기 때문에 계면에 삽입되었을 때, 계면에서 스크린 아웃(screen out)되는 양전하의 양을 줄여주는 전자 차단층(electron blockinglayer, EBL)(30)의 역할을 하게 된다.This is because the
또한, 전자 차단층(30)은 고 유전상수를 갖는 물질로서 계면에 삽입되었을 때, 마찰층(20)의 높은 분극상태를 유지하여 제1 전극(10)과 접촉할 때 더 많은 전자를 포획할 수 있는 상태가 된다. In addition, the
이러한 주요한 두 원인으로 제2 전극(12)과 마찰층(20) 사이의 계면에 산화물 박막인 전자 차단층(30)이 삽입된 마찰층(20)의 출력 특성이 증가하는 현상을 설명할 수 있을 것이다.It can be explained that the output characteristics of the
도 6는 본 발명에 따른 마찰전기 발전기에서 전자 차단층 유, 무에 따른 표면 전위를 비교한 결과에 관한 것이다.Figure 6 relates to the results of comparing the surface potential according to the presence or absence of the electron blocking layer in the triboelectric generator according to the present invention.
마찰전기 발전기(1)의 출력 성능을 향상시키기 위한 접근법을 입증하기 위해 전자 차단층(30) 유, 무에 따른 마찰층(20) 표면의 마찰 대전량을 CPD 분석을 위해 전극층(10)(12)의 접촉과 분리를 순차적으로 수행했을 때의 모습이다.
CPD 분석 방법은 전자 차단층(30)이 없는 발전기 (a)와 전자 차단층(30)을 삽입한 발전기 (b)의 제1 전극(10)과 제2 전극(12)의 접촉과 분리를 통해 마찰층(20) 표면에 유도된 접촉 전위를 측정한다. The CPD analysis method is achieved through contact and separation of the
제1 전극(10)과 제2 전극(12)의 접촉 전의 경우, 전자 차단층(30)이 없는 마찰층(20)의 표면 전위 값은 815mV이고, 전자 차단층(30)이 있는 마찰층(20)의 표면 전위 값은 395mV이다. 전자 차단층(30)을 포함하는 마찰층(20)의 표면 전위가 현저히 낮은 이유는 전자 차단층(30)에 의해 야기되는 마찰층(20)의 향상된 분극화에 기인할 수 있으며, 이에 따라 마찰층(20)의 표면 상에 존재하는 전자를 상쇄하게 된다. In the case of contact between the
즉, 접촉 전의 표면 전위 값이 낮은 이유는 제1 전극(10)과 마찰층(20)의 분극이 향상되었기 때문이다.That is, the reason why the surface potential value before contact is low is that the polarization of the
제1 전극(10)과 제2 전극(12)의 접촉 후 전자 차단층(30)이 없는 마찰층(20)의 표면 전위 값은 마찰 전보다 130mV 큰 954mV인 반면에, 전자 차단층(30)이 구비된 마찰층(20)의 경우 1035mV의 표면 전위 값을 갖으며, 전극층(10)(12)의 접촉 전, 후 과정을 통해 전위 값이 640mV만큼 증가했다. After the contact between the
이는 마찰전기 발전기(1)의 제2 전극(12)과 마찰층(20) 사이에 전자 차단층(30)을 구비함에 따라 전자의 차단과 편광 결합 효과가 향상되어 마찰층(20) 표면에서 높은 표면 전하 밀도를 갖게 된다.This is because the
도 7는 본 발명에 따른 마찰전기 발전기에서 산소 분압에 의한 출력을 비교한 그래프에 관한 것이다.Figure 7 relates to a graph comparing the output by the partial pressure of oxygen in the triboelectric generator according to the present invention.
상대습도를 38%로 동일하게 유지하고, 제2 전극(12)과 전자 차단층(30)을 증착할 때 산소 분압을 각각 0%, 1% 및 2%로 조절하여 마찰층(20)의 특성을 조사한 것이다. 다만, 전자 차단층(30)이 없는(W/O TiOx EBL) 발전기 보다 산소 분압에 상관없이 전자 차단층(30)이 구비된(TiOx EBL) 마찰전기 발전기(1)의 출력 전압 및 전류가 더 높은 것을 알 수 있다.When the relative humidity is maintained at 38% and the
산소 분압의 정도에 따른 마찰전기 발전기(1)의 출력 전압 및 전류의 크기는 산소 분압이 높을 때 보다 산소 분압이 낮은 상태에서 제2 전극(12)과 전자 차단층(30)을 증착했을 때의 마찰전기 발전기(1)의 출력 전압 및 전류가 더 높았다. 따라서 전자 차단층(30)을 제2 전극(12)에 증착할 때에는 산소 분압이 0%인 분위기에서 증착이 이루어져야 마찰전기 발전기(1)가 높은 출력 전압을 갖게 될 것이다.The magnitude of the output voltage and current of the
즉, 산소분압이 증가함에 따라 전자 차단층(30)의 전자 차단 특성이 감소했다. 이러한 변화의 주요 원인은 X-선 흡수 분광법을 통한 전자 차단층(30)의 전자구조 분석을 통해 알 수 있으며, 이에 대한 상세한 내용은 하기에서 다루기로 한다.That is, as the oxygen partial pressure increases, the electron blocking property of the
도 8는 본 발명에 따른 마찰전기 발전기의 산소 K-edge XAS 스펙트럼에 관한 것이다.8 relates to the oxygen K-edge XAS spectrum of the triboelectric generator according to the present invention.
전자 차단층(30)의 전자 구조와 전자 차단층(30)을 이용한 마찰전기 발전기(1)의 에너지 전환 메커니즘의 상관 관계를 조사한 것으로, XAS에 의해 측정된 산소 분압의 함수는 전자 차단층(30)의 전도대에서 혼성화된 분자 궤도 구조를 도시하고 있다. The correlation between the electronic structure of the
전자 차단층(30)의 산소 K- edge 스펙트럼의 정규화된 강도는 국부적인 원자 결합 대칭에 기초한 Ti궤도(3d 및 4sp 상태)와 O궤도(2p 상태) 사이의 분자 궤도 혼성화를 직접적으로 반영한다. 산소 K-edge 스펙트럼은 분자 궤도 상태의 에너지 준위를 결정하는데 사용되는 산소 K-edge 스펙트럼의 2차 미분에 대해 6개의 구별된 가우스 흡수 피크로 회귀한다. The normalized intensity of the oxygen K-edge spectrum of the
산소 분압이 0%에서 2%로 증가함에 따라, 전도대의 상대 면적이 감소했으며, 연장된 전도대 영역에 혼성화된 상태를 부가함에 따라 발생하는 비점유된 흡수 상태의 증가로 인해 전하의 운반이 향상된다.As the oxygen partial pressure increases from 0% to 2%, the relative area of the conduction band decreases, and the transport of charges improves due to an increase in the unoccupied absorption state that occurs by adding a hybridized state to the extended conduction band region. .
다시 말해서, 산소분압이 증가하는 경우, 전자 차단층(30)의 전도대 면적이 감소하게 된다. 이는 전자 차단층(30)의 전자구조에서 전도대 내의 비점유된 상태의 감소를 의미하며, 결과적으로 전자 차단층(30) 내에서 전자의 수송능력이 약화될 수 있음을 의미한다.In other words, when the oxygen partial pressure increases, the area of the conduction band of the
도 9는 본 발명에 따른 마찰전기 발전기의 산소 K-edge XAS 스펙트럼 확대도 및 산소 공극 관련 상대적 영역에 관한 것이며, 도 10은 본 발명에 따른 마찰전기 발전기의 산소 결손에 따른 전자 트랩 메커니즘의 개략도이다.9 is an enlarged view of the oxygen K-edge XAS spectrum of the triboelectric generator according to the present invention and a relative area related to oxygen vacancies, and FIG. 10 is a schematic diagram of an electron trap mechanism according to oxygen deficiency of the triboelectric generator according to the present invention .
전도대 아래에 위치하는 밴드 갭(band gap) 내에 존재하는 산소공공과 밀접하게 연관된 결함상태의 분석에 관한 결과를 도시한 것으로, 산소분압이 증가함에 따라 결함상태의 상대적 면적이 감소하는 경향을 보이고 있다.The results of the analysis of the defect state closely related to the oxygen void existing in the band gap located under the conduction band are shown. As the oxygen partial pressure increases, the relative area of the defect state tends to decrease. .
산소 공공(oxygen vacancy)이란 산화물에서 발견되는 결함 중 하나로, 산소가 빠져나가 발생하는 음이온 공공이다. 따라서 산화물에서 발생하는 결함은 재료 내의 전기중성도를 맞추는 방향으로 발생하게 되며, 산소의 경우 -2가의 전하를 가지므로 이 빈자리의 전기중성도를 맞추기 위해 2개의 전자를 점유하려고 한다. 산소 공공이 발생하게 되면, conduction band가 안정적인 상태보다 넓어지며, 이는 전기전도도가 증가함을 의미한다.Oxygen vacancy is one of the defects found in oxides. It is an anion vacancy that occurs when oxygen escapes. Therefore, the defects occurring in the oxide occur in the direction of matching the electrical neutrality in the material, and in the case of oxygen, it has a -2 valence charge, so it tries to occupy two electrons to match the electrical neutrality of this vacancies. When oxygen vacancies occur, the conduction band becomes wider than the stable state, which means that the electrical conductivity increases.
산소공공은 전기적으로 양전하를 띄기 때문에 음전하특성을 갖는 전자 혹은 산소이온을 트랩 할 수 있게 된다. 따라서 전자 차단 특성 향상을 위해서는 전자를 트랩 할 수 있는 결함상태를 많이 포함한 전자구조가 유리하다는 것을 알 수 있다.Oxygen pores have positive charges, so electrons or oxygen ions with negative charge characteristics can be trapped. Therefore, it can be seen that in order to improve the electron blocking property, an electronic structure including many defect states capable of trapping electrons is advantageous.
즉, 산소 결핍과 관련된 밴드 에지(band edge) 상태의 변화는 전자 차단층(30)의 전자 차단 특성에 영향을 미칠 수 있고, 전자와 산소 이온을 포함한 음전하 트랩의 정도가 변할 수 있기 때문이다. That is, the change in the band edge state associated with oxygen deficiency may affect the electron blocking properties of the
그 결과, 밴드 에지(band edge) 상태의 증가는 전자 차단층(30)의 전자를 차단하는 특성이 향상되는 것과 상관관계가 있다고 볼 수 있을 것이다.As a result, it can be seen that the increase in the band edge state is correlated with the improvement of the electron blocking property of the
도 11는 본 발명에 따른 마찰전기 발전기에서 전자 차단층의 두께에 따른 출력 전압과 전류를 비교한 그래프에 관한 것이다.11 relates to a graph comparing the output voltage and the current according to the thickness of the electron blocking layer in the triboelectric generator according to the present invention.
전자 차단층(30)을 가진 마찰전기 발전기(1)의 출력 전압과 전류 특성을 65%의 상대 습도에서 측정한 전자 차단층(30) 두께의 함수를 나타낸 것이다.(단, 전자 차단층(30)은 0%의 산소 분압에서 증착됨) The output voltage and current characteristics of the
제2 전극(12)에 증착된 전자 차단층(30)은 광학에서 관찰하게 되면, 전자 차단층(30) 두께에 따라 상이한 색상을 갖는데, 이러한 현상은 전자 차단층(30)의 서로 다른 두께에 의한 간섭 효과 때문이다. The
즉, 전자 차단층(30)의 두께가 20nm에서 100nm로 증가함에 따라 출력 전압과 전류는 각각 128V와 3.5μA에서 272V와 9.1μA로 크게 증가하며, 전자 차단층(30)의 두께가 대략 80~120nm인 경우에 다른 두께에 비하여 출력 전류가 증가하는 것을 확인할 수 있으며, 특히 전자 차단층(30)의 두께가 100nm인 경우에 출력전압과 출력전류가 최대치가 나타나는 것을 확인할 수 있었다. That is, as the thickness of the
이는 다양한 두께에서 전자 차단층(30)의 물리적 구조가 어떻게 변하는지를 조사하기 위해 XRD 분석한 결과, 전자 차단층(30)의 두께가 물리적 구조에 영향을 미치지 않고, 비정질 구조가 보존된다. 따라서 전자 차단층(30)의 두께가 증가하면, 산소공공의 상대적인 양의 증가로 인해 전자 차단 특성이 개선된다. This is an XRD analysis to investigate how the physical structure of the
그러나 직렬로 연결된 커패시터의 전체 커패시턴스를 고려하면 전자 차단층(30)의 두께의 증가로 인해 전체 커패시턴스가 감소하며, 이는 발전량 감소를 의미한다.However, considering the total capacitance of the capacitors connected in series, the total capacitance decreases due to an increase in the thickness of the
식 (2) 
여기서 
도 12는 본 발명에 따른 마찰전기 발전기에서 전자 차단층의 두께에 따른 산소 K-edge XAS 스펙트럼이며, 도 13는 본 발명에 따른 마찰전기 발전기에서 전자 차단층의 함수로서 상대 분자 궤도비의 상대 비율에 관한 것이다.12 is an oxygen K-edge XAS spectrum according to the thickness of the electron blocking layer in the triboelectric generator according to the present invention, and FIG. 13 is a relative ratio of the relative molecular orbital ratio as a function of the electron blocking layer in the triboelectric generator according to the present invention It is about.
전자 차단층(30)의 두께에 따른 마찰전기 발전기(1) 출력 성능의 변화를 전자 구조로 이해하기 위해 하이브리드화된 분자 궤도 구조 분석을 한 것으로, 전자 차단층(30)의 두께가 변경됨에 따라 전도대의 상태와 4sp 상태의 비율이 변하게 된다. In order to understand the change in the output performance of the
예를 들어, 상태수가 증가하면 3d 궤도에서 
d-오비탈 정렬에서의 이러한 변화는 다섯 방향의 3차원 궤도에서 비어있는 상태의 대칭 분포 때문에 전하 이동을 향상시킬 수 있게 된다. This change in d-orbital alignment can improve charge transfer due to the symmetrical distribution of the empty state in three-dimensional orbits in five directions.
4sp 궤도의 상대적 비율의 다른 증가는 방향성 d-궤도와 비교하여 구형 대칭 s-궤도의 향상으로 인한 전하 수송의 증가를 일으킬 수 있는데, 전자 차단층(30)의 두께가 100nm일 때 최적화된 전하 수송이 가능하다.Another increase in the relative proportions of the 4sp trajectory can lead to an increase in charge transport due to the improvement of the spherically symmetric s-orbital compared to the directional d-orbit, which is optimized charge transport when the thickness of the
100nm 두께의 전자 차단층(30)일 때, 전하 수송은 전자 차단층(30) 내에서 전자를 쉽게 이동시킬 수 있다. 전자 차단층(30)과 같은 양의 산소 공극이 있어도 전자가 쉽게 이동하기 때문에 산소 공극에 의한 전자의 포획 시간(τT)을 줄이고, 트랩 속도(νT)를 증가시킬 수 있어, 전자 차단층(30)의 전자 차단 특성이 향상된다.When the
도 14는 본 발명에 따른 마찰전기 발전기에서 전하 차단층의 증착 위치에 따른 출력 변화 비교도에 관한 것이다.14 relates to a comparison of the output change according to the deposition position of the charge blocking layer in the triboelectric generator according to the present invention.
전자 차단층(30)의 증착 위치에 따라 출력의 정도를 비교한 그래프에 관한 것으로, Type1은 전자 차단층(30)을 구비하지 않고, 제1 전극(10)과 제2 전극(12) 사이에 마찰층(20)으로 이루어진 발전기이고, Type2는 Type1에서 마찰층(20) 상단에 전자 차단층(30)이 증착된 발전기이다. 마지막으로 Type3은 본 발명에 따른 마찰전기 발전기(1)로 제1 전극(10)과 마찰층(20), 전자 차단층(30) 및 제2 전극(12)이 순차적으로 적층된다.It relates to a graph comparing the degree of output according to the deposition position of the
각각의 발전기를 발전시켰을 때, Type3의 발전기가 가장 높은 출력전압과 전류가 흐르는 것을 알 수 있으며, Type1, Type2의 순서대로 출력이 높은 것을 알 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 마찰전기 발전기(1)의 출력이 가장 높았으며, Type2의 전자 차단층(30)이 마찰층(20)의 상단에 구비된 발전기의 출력이 가장 낮았다.When each generator is generated, it can be seen that the
이는 전자 차단층(30)이 제2 전극(10)과 마찰층(20) 사이에 위치함에 따라 마찰층(20)의 분극을 강화시키고, 마찰층(20)의 전자(40) 이탈을 감소시키는 역할을 하여 마찰전기 발전기(1)의 출력전압과 전류를 상승시키기 때문이다.This strengthens the polarization of the
도 15는 본 발명에 따른 마찰전기 발전기에서 전하 차단층을 구성하는 물질에 따른 출력 변화 비교도를 보여주고 있다.15 shows a comparison of the output change according to the material constituting the charge blocking layer in the triboelectric generator according to the present invention.
전자 차단층(30)이 없는(W/O EBL) 발전기와 본 발명에 따른 마찰전기 발전기(1) 중 전자 차단층(EBL)(30)을 구성하는 물질이 TiOx, AlOx 및 HfOx로 이루어졌을 때 출력을 비교하여 그래프로 나타낸 것이다.When the material constituting the electron blocking layer (EBL) 30 among the generator without the electron blocking layer 30 (W/O EBL) and the
전자 차단층(30)이 없는(W/O TiOx EBL) 발전기의 출력량이 가장 낮았으며, AlOx으로 이루어진 전자 차단층(30)의 마찰전기 발전기(1)의 출력량이 전자 차단층(30)이 없는 발전기의 출력량 보다 근소하게 높은 것을 알 수 있다. 반면에 TiOx와 AlOx로 이루어진 전자 차단층(30)의 발전기의 출력은 매우 높다.The output of the generator without the electron blocking layer 30 (W/O TiOx EBL) was the lowest, and the output of the
TiOx와 AlOx로 이루어진 전자 차단층(30)의 발전기의 출력이 높은 이유는 TiOx와 AlOx가 상대적으로 유전율이 높고, 밴드갭(band gap)이 작기 때문이다. 즉, TiOx가 AlOx로 이루어진 전자 차단층(30)의 발전기보다 출력이 높은데, 이는 TiOx가 AlOx보다 유전율이 더 높고, TiOx의 물질의 전자 상태를 나타내는 사이에 전자의 상태가 존재하지 않는 영역인 밴드갭(band gap)이 더 작기 때문이다. 이로 인해 TiOx의 전자 차단층(30)으로 이루어진 마찰전기 발전기(1)의 출력이 가장 크게 나타난다.The reason why the output of the generator of the
도 16은 본 발명에 따른 마찰전기 발전기를 제작하는 방법에 대한 순서도에 관한 것이다.16 relates to a flow chart for a method of manufacturing a triboelectric generator according to the present invention.
마찰전기 발전기(1)를 제작하는 과정은 제1 전극, 제2 전극, 제1 전극과 전기음성도 차이가 나는 재질의 마찰층을 마련하는 단계(S10)와, 제2 전극에 마찰층에 비하여 유전율이 높은 전자 차단층을 증착하는 단계(S20)와, 전자 차단층 위에 마찰층을 결합하는 단계(S30) 및 제1 전극을 마찰층과 소정 간격 이격 배치하고, 제1 전극 및 제2 전극을 전기적으로 연결하는 단계(S40)를 포함한다.The process of manufacturing the
제1 전극, 제2 전극, 제1 전극과 전기음성도 차이가 나는 재질의 마찰층을 마련하는 단계(S10)는 판상형으로 이루어진 금속 재질을 전극층(10)(12)으로 하며, 동일한 크기와 재질로 이루어진 전극층(10)(12)을 기설정된 간격으로 이격되게 위치시킨다. 바람직하게는 3×3㎠의 크기로, 두께가 80μm인 알루미늄 호일을 전극층(10)(12)으로 사용할 수 있다. 그리고 PDMS재질로 형성되며, 제1 전극(10)보다 전기음성도가 더 큰 재질로 이루어진 마찰층(20)을 구비한다. The first electrode, the second electrode, and the step of providing a friction layer of a material having a difference in electronegativity from the first electrode (S10) is a metal material made of a plate-
마찰층(20)은 닥터 블레이드(doctor-blade)와 테프론 템플리트(Teflon template)를 몰드로 사용하여 임프린트 리소그래피(SIL) 기술을 통해 제작이 이루어질 수 있다.The
제작과정을 살펴보면, 마찰층(20)은 베이스 수지와 경화제(Sylgard 184A: Sylgard 184B)를 10:1의 중량비로 혼합하여, 닥터 블레이드 기술에 의해 테프론 주형에 적층하고 80℃에서 4시간 동안 경화시킨다. 경화된 마찰층(20)을 테프론 몰드에서 조심스럽게 벗겨내면 약 200㎛ 두께의 평평한 PDMS로 제작이 완료된다.Looking at the manufacturing process, the
제2 전극에 마찰층에 비하여 유전율이 높은 전자 차단층(30)을 증착하는 단계 (S20)는 제2 전극(12)에 전자 차단층(30)을 증착하는 것으로, 바람직하게는 무선 주파수 스퍼터링에 의해 전자 차단층(30)을 제2 전극(12)에 증착하게 된다. The step of depositing the
보다 구체적으로, 제1 전극(10) 및 제2 전극(10)은 상업용 알루미늄 호일로, 3×3㎠의 크기와 80μm의 두께로 재작한 다음 에탄올로 세척하고 N2가스로 건조시킨다. More specifically, the
그 다음 마찰전기 발전기(1)의 제2 전극(12)을 제조하기 위하여 전극층(10)의 일면에 전자 차단층(30)을 증착한다. 이때 제2 전극(12)과 전자 차단층(30)이 증착된 층간에는 어떠한 공극도 갖지 않아야 할 것이며, 전자 차단층(30)이 증착된 제2 전극(12)을 100℃에서 8시간 동안 경화시킨다.Then, an
전자 차단층 위에 마찰층을 결합하는 단계(S30)는 제2 전극(12)의 전자 차단층(30)에 마찰층(20)을 부착한다. 마찰층(20)은 10:1의 중량비로 베이스 수지와 경화제를 혼합한 것으로, 닥터 블레이드 기술에 의해 테프론 주형에 적층하고 80℃에서 4시간 동안 경화시키면, 테프론 몰드에서 약 200㎛ 두께의 평평한 마찰층(20)을 얻게 된다.In the step of bonding the friction layer over the electron blocking layer (S30 ), the
제1 전극을 마찰층과 소정 간격 이격 배치하고, 제1 전극 및 제2 전극을 전기적으로 연결하는 단계(S40)는, 전선 등에 의하여 전기적으로 연결된 상태로 전극층(10)(12)을 이격되게 위치시켜, 제1 전극(10)과 제2 전극(12)이 수직으로 선택적으로 접촉과 분리가 이루어질 수 있도록 배치될 수 있다. Disposing the first electrode at a predetermined distance from the friction layer, and electrically connecting the first electrode and the second electrode (S40), the electrode layers 10 and 12 are spaced apart in an electrically connected state by wires or the like. By doing so, the
제2 전극(12)에 설치된 전자 차단층(30)이 마찰층(20)의 분극을 강화시키고, 마찰층(20) 표면의 전자(40)가 스크린 아웃되는 것을 방지하게 되어, 마찰전기 발전기(1)의 출력이 향상된다.The
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.The present invention described above is not limited by the above-described embodiments and accompanying drawings, and various substitutions, modifications, and changes are possible within the scope of the present invention without departing from the technical spirit of the present invention. It will be obvious to those who have the knowledge of.
1 : 마찰전기 발전기 10 : 제1 전극
12 : 제2 전극 20 : 마찰층
30 : 전자 차단층 40 : 전자
42 : 양전하 44 : 분극1: triboelectric generator 10: first electrode
12: second electrode 20: friction layer
30: electron blocking layer 40: electron
42: positive charge 44: polarization
Claims (17)
상기 제1 전극과 전기적으로 연결된 상태로 소정 간격 이격되는 제2 전극;
상기 제1 전극과 선택적으로 접촉되고, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 구비되며, 상기 제1 전극과 전기음성도의 차이가 나는 재질로 형성되는 마찰층; 및
일 단은 상기 마찰층에 결합되고, 타 단은 상기 제2 전극에 결합되는 전자 차단층;
을 포함하며,
상기 전자 차단층은 산소 결핍(Oxygen vacancy) 부분을 가지며 상기 마찰층보다 유전율이 높은 재질로 마련되어, 상기 마찰층의 분극을 강화시키는 마찰전기 발전기.A first electrode;
A second electrode spaced a predetermined distance in a state of being electrically connected to the first electrode;
A friction layer selectively contacted with the first electrode, provided between the first electrode and the second electrode, and formed of a material having a difference in electronegativity from the first electrode; And
An electron blocking layer having one end coupled to the friction layer and the other end coupled to the second electrode;
It includes,
The electron blocking layer has an oxygen vacancy portion and is made of a material having a higher dielectric constant than the friction layer, and a triboelectric generator that enhances polarization of the friction layer.
상기 전자 차단층은 상기 제2 전극에 박막 형태로 증착되는 마찰전기 발전기. According to claim 1,
The electron blocking layer is a triboelectric generator that is deposited in the form of a thin film on the second electrode.
상기 전자 차단층은 상기 제2 전극에 스퍼터링 방식으로 증착되고, 상기 마찰층은 상기 전자 차단층 상에 결합되는 마찰전기 발전기.According to claim 2,
The electron blocking layer is deposited on the second electrode by sputtering, and the friction layer is a triboelectric generator coupled to the electron blocking layer.
상기 전자 차단층은 산화물로 형성되는 마찰전기 발전기.According to claim 1,
The electron blocking layer is a triboelectric generator formed of oxide.
상기 전자 차단층은 TiOx, AlOx 및 HfOx 가운데 적어도 하나의 재질을 포함하는 마찰전기 발전기.The method of claim 4,
The electron blocking layer is a triboelectric generator comprising at least one material of TiOx, AlOx and HfOx.
상기 전자 차단층은 80 내지 120nm의 두께로 형성되는 마찰전기 발전기.According to claim 1,
The electron blocking layer is a triboelectric generator formed to a thickness of 80 to 120nm.
상기 전자 차단층은 100nm의 두께로 형성되는 마찰전기 발전기.The method of claim 6,
The electron blocking layer is a triboelectric generator formed to a thickness of 100nm.
상기 마찰층은 상기 제1 전극보다 전기음성도 또는 일함수가 더 큰 재질로 형성되는 마찰전기 발전기.According to claim 1,
The friction layer is a triboelectric generator formed of a material having a greater electronegativity or work function than the first electrode.
상기 마찰층은 PDMS, PTFE, FEP, PAN, PVC 중 어느 하나의 재질로 형성되는 마찰전기 발전기.The method of claim 8,
The friction layer is a triboelectric generator formed of any one of PDMS, PTFE, FEP, PAN, and PVC.
상기 제1 및 제2 전극은 금속 재질로 형성되는 마찰전기 발전기.According to claim 1,
The first and second electrodes are triboelectric generators formed of a metal material.
상기 제1 및 제2 전극은 알루미늄 재질로 형성되는 마찰전기 발전기.The method of claim 10,
The first and second electrodes are triboelectric generators made of aluminum.
상기 제2 전극에 산소 결핍(Oxygen vacancy) 부분을 가지며, 상기 마찰층에 비하여 유전율이 높은 재질로 마련되어 상기 마찰층의 분극을 강화시키는 전자 차단층을 증착하는 단계;
상기 전자 차단층 위에 상기 마찰층을 결합하는 단계; 및
상기 제1 전극을 상기 마찰층과 소정 간격 이격 배치하고, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극을 전기적으로 연결하는 단계;
를 포함하는 마찰전기 발전기 제조방법.Providing a first electrode, a second electrode, and a friction layer of a material having a difference in electronegativity from the first electrode;
Depositing an electron blocking layer having an oxygen vacancy portion on the second electrode and made of a material having a higher dielectric constant than the friction layer to enhance polarization of the friction layer;
Bonding the friction layer over the electron blocking layer; And
Placing the first electrode at a predetermined distance from the friction layer, and electrically connecting the first electrode and the second electrode;
Method of manufacturing a triboelectric generator comprising a.
상기 전자 차단층은 스퍼터링 증착 방식에 의한 박막 형태로 상기 제2 전극에 증착되는 마찰전기 발전기 제조방법.The method of claim 12,
The electron blocking layer is a method of manufacturing a triboelectric generator deposited on the second electrode in a thin film form by a sputtering deposition method.
상기 전자 차단층은 산소 분압이 0%인 상태에서 증착되는 마찰전기 발전기 제조방법.The method of claim 12,
The electron blocking layer is a method of manufacturing a triboelectric generator that is deposited in a state where the partial pressure of oxygen is 0%.
상기 전자 차단층은 TiOx, AlOx 및 HfOx 가운데 적어도 하나의 재질을 포함하는 산화물로 형성하는 마찰전기 발전기 제조방법.The method of claim 12,
The electron blocking layer is a method of manufacturing a triboelectric generator formed of an oxide containing at least one of TiOx, AlOx and HfOx.
상기 전자 차단층은 80 내지 120nm의 두께로 형성하는 마찰전기 발전기 제조방법.The method of claim 12,
The electron blocking layer is 80 to 120nm to form a triboelectric generator manufacturing method.
상기 제1 전극 및 제2 전극은 금속재질로 형성되고, 상기 마찰층은 PDMS 재질로 형성되는 마찰전기 발전기 제조방법.The method of claim 12,
The first electrode and the second electrode is formed of a metal material, the friction layer is a method of manufacturing a triboelectric generator formed of a PDMS material.
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|---|---|---|---|---|
| KR20220043724A (en) | 2020-09-29 | 2022-04-05 | 울산대학교 산학협력단 | Fluid friction generator with unsteady streaming flow using different charge affinity |
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| KR20170126522A (en) | 2013-06-13 | 2017-11-17 | 베이징 인스티튜트 오브 나노에너지 앤드 나노시스템즈 | Single-Electrode Friction Nano Generator, Power Generation Method And Self-Driven Tracker |
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2018
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