KR20150134362A - 슬라이드 마찰식 나노발전기 및 발전 방법 - Google Patents

슬라이드 마찰식 나노발전기 및 발전 방법 Download PDF

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KR20150134362A
KR20150134362A KR1020157028494A KR20157028494A KR20150134362A KR 20150134362 A KR20150134362 A KR 20150134362A KR 1020157028494 A KR1020157028494 A KR 1020157028494A KR 20157028494 A KR20157028494 A KR 20157028494A KR 20150134362 A KR20150134362 A KR 20150134362A
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conductive
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KR1020157028494A
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중린 왕
광 주
쓰훙 왕
룽 린
쥔 천
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베이징 인스티튜트 오브 나노에너지 앤드 나노시스템즈
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N1/00—Electrostatic generators or motors using a solid moving electrostatic charge carrier
    • H02N1/04—Friction generators

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  • Lubricants (AREA)
  • Laminated Bodies (AREA)
  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

본 발명은 슬라이드 마찰식 나노발전기 및 발전 방법을 제공한다. 슬라이드 마찰식 나노발전기는, 도전층(20), 마찰층(10), 및 상기 마찰층의 하부에 접촉하도록 배치되는 도전소자(11)를 포함하고, 마찰층의 상면은 도전층의 하면에 대향하도록 배치되며, 마찰층의 상면과 도전층의 하면은, 외력이 작용할 경우 접촉면에 접하는 상대적인 슬라이드 마찰이 발생하는 한편, 마찰하는 면적이 슬라이드 과정에서 변화하며, 상기 도전소자 및 도전층을 통해 전기신호를 외부회로로 출력한다. 본 발명의 슬라이드 마찰식 나노발전기에 주기적인 접선 방향의 외력을 인가할 경우, 도전소자와 도전층 사이에 교류 펄스 신호의 출력을 형성할 수 있다.

Description

슬라이드 마찰식 나노발전기 및 발전 방법{SLIDING FRICTIONAL NANO GENERATOR AND POWER GENERATION METHOD}
본 발명은 발전기 및 발전 방법에 관한 것으로, 특히 외력이 인가되었을 때 역학적 에너지를 전기적 에너지로 전환하는 슬라이드 마찰식 나노발전기 및 상기 발전기를 이용하여 발전하는 방법에 관한 것이다.
최근, 마이크로 전자 기술 및 재료 기술이 고속으로 발전하여, 복수의 기능을 가지는 한편 고도의 집적성을 가지는 새로운 마이크로 전자기기가 대량으로 개발되어 사람들의 일상생활 의 각 분야에서 널리 응용되고 있다. 그러나 이러한 마이크로 전자기기와 매칭되는 전원 시스템에 대한 연구는 상대적으로 뒤떨어져 있다. 일반적으로 이러한 마이크로 전자기기는 배터리로부터 직접 또는 간접적으로 전력을 공급받는다. 배터리는 부피가 크고 무거울 뿐만 아니라 그가 함유하는 유독 화학 물질은 환경 및 인체에 대한 잠재적인 위험 요소이기도 하다. 따라서 운동, 진동 등 자연계에 존재하는 역학적 에너지를 전기적 에너지로 전환하는 기술을 개발하는 것은 아주 중요한 의의를 가진다.
그러나 현재, 상술한 바와 같이 역학적 에너지를 전기적 에너지로 효과적으로 전환하는 발전기는 모두 전자기 유도를 기초로 하며, 수차, 증기 터빈, 디젤엔진 또는 기타 기계적 에너지에 의하여 구동되고, 수류, 기류, 연료의 연소 또는 원자핵 분열에 의한 에너지를 역학적 에너지로 전환하여 발전기로 전송하며, 발전기는 이를 전기적 에너지로 전환하여 사용한다. 이러한 발전기는 상대적으로 집중된 고강도의 에너지의 입력을 필요로 하는데, 사람들의 일상적인 활동에 의하여 발생되는 운동 에너지 및 자연계에 존재하는 강도가 작은 운동 에너지에 대하여서는 대부분 효과적으로 전기적 에너지로 전환할 수 없다. 또한, 전통적인 발전기는 부피가 크고 구조가 복잡하므로 마이크로 전자기기의 급전(給電) 소자로 사용할 수 없다.
종래 기술중의 상술한 문제점들을 해결하기 위하여, 본 발명에서는, 마찰식 나노발전기에 인가되는 접선 방향의 외력의 역학적 에너지를 전기적 에너지로 전환할 수 있는 슬라이드 마찰식 나노발전기를 제공한다.
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서의 마찰식 나노발전기는,
마찰층;
상기 마찰층의 하부에 접촉하도록 배치되는 도전소자; 및
도전층; 을 구비하며,
상기 마찰층의 상면은 상기 도전층의 하면에 대향하도록 배치되고,
상기 마찰층의 상면과 상기 도전층의 하면은, 외력이 작용할 경우 상대적인 슬라이드를 발생하며 접촉면에 접하는 슬라이드 마찰을 발생함과 동시에, 마찰되는 면적이 슬라이드 과정에서 변화하며, 상기 도전소자 및 도전층에 의하여 전기신호를 외부회로로 출력한다.
바람직하게는, 상기 마찰층의 상면의 재료와 상기 도전층의 하면의 재료는, 대전열(電列)에서 순서에 차이가 있다.
바람직하게는, 상기 마찰층의 상면과 상기 도전층의 하면은 접촉하도록 배치된다.
바람직하게는, 외력이 작용하지 않을 경우, 상기 마찰층의 상면과 상기 도전층의 하면은 분리되어 있고; 외력이 작용할 경우, 상기 마찰층의 상면과 상기 도전층의 하면은 접촉하여 접촉면에 접하는 상대적인 슬라이드 마찰을 발생한다.
바람직하게는, 상기 마찰층은 절연 재료 또는 반도체 재료로 이루어진다.
바람직하게는, 상기 절연 재료는, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리디메틸실록산, 폴리이미드, 폴리디페닐프로판카보네이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 아닐린포름알데히드 수지, 폴리포름알데히드, 에틸셀룰로오스, 폴리아미드, 멜라민포름알데히드, 폴리에틸렌글리콜석시네이트(polyethylene glycol succinate), 셀룰로오스, 셀룰로오스아세테이트, 폴리에틸렌글리콜아디페이트, 폴리프탈산디아릴(polydiallylphthalate), 재생섬유스펀지, 폴리우레탄일래스터머, 스티렌프로펜공중합체, 스티렌부타디엔공중합체, 인조섬유, 폴리메타크릴레이트, 폴리비닐알코올, 폴리에스테르, 폴리이소부틸렌, 폴리우레탄 플렉시블 스펀지, 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethylene glycol terephthalate), 폴리비닐 부티랄(polyvinyl butyral), 페놀 수지, 클로로프렌고무, 부타디엔프로펜공중합체, 천연고무, 폴리아크릴로니트릴, 폴리(염화 비닐 리덴co-아크릴로니트릴)(poly(vinyldene chloride-co-acrylonitrile), 폴리에틸렌비스페놀카보네이트, 폴리스티렌, 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate), 폴리카보네이트, 액정고분자폴리머, 폴리클로로프렌, 폴리아크릴로니트릴, 폴리디페놀카보네이트, 염화폴리에테르(polyetherchloride), 폴리클로로트리플루오르에틸렌, 폴리염화비닐리덴, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리염화비닐 및 패럴린(Parylene　)으로부터 선택된다.
바람직하게는, 상기 절연 재료는, 폴리스티렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리디페닐프로판카보네이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리이미드, 폴리염화비닐, 폴리디메틸실록산, 폴리클로로트리플루오르에틸렌, 폴리테트라플루오로에틸렌 및 패럴린으로부터 선택된다.
바람직하게는, 상기 반도체 재료는, 규소, 게르마늄, 제Ⅲ족 및 제V족 화합물, 제Ⅱ족 및 제Ⅵ족 화합물, -V족 화합물과 -족 화합물로 이루어지는 고용체, 비정질 유리 반도체, 및 유기 반도체로부터 선택된다.
바람직하게는, 상기 제Ⅲ족 및 제V족 화합물은 갈륨비소 및 인화갈륨으로부터 선택되고; 상기 제Ⅱ족 및 제Ⅵ족 화합물은 황화카드뮴 및 황화아연으로부터 선택되고; 상기 산화물은 망간, 크롬, 철, 또는 동의 산화물로부터 선택되고; 상기 Ⅲ-V족 화합물 및 Ⅱ-Ⅵ족 화합물로 이루어지는 고용체는 갈륨-알루미늄-비소 및 갈륨-비소-린으로부터 선택된다.
바람직하게는, 상기 마찰층은, 비도전성 산화물, 반도체산화물, 또는 복잡한 산화물로 이루어지며, 산화규소, 산화알루미늄, 산화망간, 산화크롬, 산화철, 산화티타늄, 산화동, 산화아연, BiO2, 및 Y2O3을 포함한다.
바람직하게는, 상기 마찰층의 상면 및/또는 상기 도전층의 하면에는 마이크로미터 또는 서브 마이크로미터 수량급의 미세 구조가 분포되어 있다.
바람직하게는, 상기 미세 구조는, 나노 와이어, 나노 튜브, 나노 입자, 나노 홈, 마이크로미터 홈, 나노 뿔, 마이크로미터 뿔, 나노 스피어, 및 마이크로미터 스피어 구조로부터 선택된다.
바람직하게는, 상기 마찰층의 상면 및/또는 상기 도전층의 하면에 나노재료의 장식 또는 도포층이 설치되어 있다.
바람직하게는, 상기 마찰층의 상면 및/또는 상기 도전층의 하면은 화학수식을 통하여 상기 마찰층의 상면의 재료에 전자를 쉽게 얻는 작용기를 도입, 및/또는 상기 도전층의 하면의 재료에 전자를 쉽게 잃는 작용기를 도입한다.
바람직하게는, 상기 전자를 쉽게 잃는 작용기는, 아미노기, 하이드록실기, 또는 알콕실기(alkoxyl group)를 포함한다.
바람직하게는, 상기 전자를 쉽게 얻는 작용기는, 아실기, 카복실기, 니트로기, 또는 술폰기를 포함한다.
바람직하게는, 상기 마찰층의 상면 및/또는 상기 도전층의 하면은, 화학수식을 통하여 상기 마찰층의 상면의 재료에 음전하를 도입 및/또는 상기 도전층의 하면의 재료에 양전하를 도입한다.
바람직하게는, 상기 화학수식은, 화학결합에 의해 하전기(荷電基)를 도입하는 것을 통하여 실현된다.
바람직하게는, 상기 도전층은, 금속 및 도전성 산화물로부터 선택된 도전재료로 구성된다.
바람직하게는, 상기 금속은, 금, 은, 백금, 알루미늄, 니켈, 동, 티타늄, 크롬, 또는 셀렌 및 상술한 금속으로 형성된 합금으로부터 선택된다.
바람직하게는, 상기 도전소자는, 금속 및 도전성 산화물로부터 선택된다.
바람직하게는, 상기 도전소자는, 금, 은, 백금, 알루미늄, 니켈, 동, 티타늄, 크롬 또는 셀렌 및 상술한 금속으로 형성된 합금으로부터 선택된다.
바람직하게는, 상기 도전소자, 마찰층 및/또는 도전층은 박막이다.
바람직하게는, 상기 마찰층, 도전층 및/또는 도전소자는 경질 물질이다.
바람직하게는, 상기 마찰층, 도전층 및/또는 도전소자는 연질 물질이다.
바람직하게는, 상기 도전소자는 마찰층의 하면에 고정되어 있다.
바람직하게는, 상기 도전소자는 퇴적 방식을 통하여 상기 마찰층의 하면에 형성된다.
바람직하게는, 상기 도전소자와 마찰층은 사이즈 및 형상이 동일하다.
바람직하게는, 상기 도전소자, 마찰층 및 도전층은 평면 구조이다.
바람직하게는, 상기 도전소자 및 마찰층은 곡면 구조이고, 및/또는 상기 도전층은 곡면 구조이다.
본 발명의 상술한 발전기를 사용하는 발전 방법에 있어서,
(1) 상기 마찰층을 준비하는 단계;
(2) 상기 마찰층의 하부에 접촉하도록 배치되는 상기 도전소자를 형성하는 단계;
(3) 상기 도전층을 준비하는 단계;
(4) 상기 마찰층의 상면과 상기 도전층의 하면을 접촉시키는 단계;
(5) 상기 도전소자 및 상기 도전층을 외부회로에 전기적으로 연결하는 단계;
(6) 외력을 인가하여 상기 마찰층과 상기 도전층 사이에 상대적인 슬라이드를 발생시키며, 접촉면에 접하는 상대적인 슬라이드 마찰을 발생시키며, 슬라이드 과정에 있어서, 상대적인 슬라이드 거리를 제어함으로써 상기 마찰층과 상기 도전층이 접촉면의 방향을 따라 엇갈리도록 하여, 슬라이드 마찰하는 면적을 변화시키는 단계; 및
(7) 상기 도전소자 및 상기 도전층을 이용하여 전기신호를 외부회로로 출력하는 단계; 를 포함한다.
바람직하게는, 단계 (4)에 있어서, 상기 마찰층의 상면과 상기 도전층의 하면을 완전히 접촉시킨다.
바람직하게는, 단계 (6)에 있어서, 방향이 주기적으로 반전하거나 크기가 주기적으로 변화하는 지속적인 외력을 인가한다.
본 발명의 슬라이드 마찰식 나노발전기는, 주기적인 접선 방향의 외력이 작용될 경우, 도전소자와 도전층 사이에서 교류 펄스 신호를 발생하여 이를 출력할 수 있다. 종래 기술과 비교하면, 본 발명의 슬라이드 마찰식 나노발전기 및 상기 나노발전기를 이용하여 발전하는 방법은, 아래와 같은 이점들을 가진다.
1. 원리 및 응용에 있어서 새로운 돌파를 이룬다. 본 발명의 발전기는, 동작과정에서 두개의 마찰층 사이에 간격을 필요하지 않는 바, 두개의 마찰층을 주기적으로 완전히 접촉시키거나 완전히 이격시키는 장치에 비하여 발전 원리가 부동하므로, 새로운 설계 구상을 제공할 수 있다. 또한, 간격을 가지지 않는 설계는, 탄성거리를 유지하기 위한 부품의 장착을 생략할 수 있으므로, 패키지 기술에도 편의를 도모하여, 보다 넓은 분야에 적용될 수 있다.
2. 에너지를 효율적으로 이용한다. 본 발명의 발전기는, 대규모 및 고강도의 에너지를 입력할 필요 없이, 마찰층과 도전층 사이의 상대적인 슬라이드를 구동가능한 역학적 에너지만 입력하면 된다. 따라서, 자연과 인류의 일상생활에서 발생하는 다양한 강도를 가지는 역학적 에너지를 효과적으로 수집하여 전기적 에너지로 전환함으로써, 에너지의 효율적인 이용을 실현할 수 있다.
3. 구조가 간단하고 휴대하기 편리하며 호환성이 높다. 본 발명의 발전기는, 자석, 코일, 회전자 등 부품을 필요하지 않으므로, 구조가 간단하고 부피가 작아 제조가 편리하고 원가도 낮으며, 마찰층과 도전층을 상대적으로 슬라이드시킬 수 있는 각종 기기에 장착될 수 있다. 그리고, 특정적인 동작환경을 필요로 하지 않으므로, 호환성이 높다. 또한, 본 발명의 발전기는, 전자를 쉽게 잃는 마찰층과 도전층의 협력으로, 발전기의 동작요구를 만족시키는 한편, 구조를 간단화하고 원가를 절감할 수 있으므로, 실제 생산에서의 보급 및 적용에 아주 유리하다.
4. 용도가 넓다. 발전기에 있어서 마찰층의 상면과 도전층의 하면에 대하여 물리적변화 또는 화학수식을 진행함으로써, 나노 구조의 패턴을 도입하거나 나노 재료 등을 도포할 수 있으며, 나아가서 마찰식 나노발전기가 접선 방향의 외력의 작용으로 인해 두개의 마찰층을 접촉시켜 상대적으로 슬라이드시킬 때 발생하는 접촉전하밀도를 더욱 향상시켜, 발전기의 출력능력을 향상시킬 수 있다. 따라서, 본 발명의 발전기는, 소형 전력원이 될 수 있을 뿐만 아니라, 고출력 발전에도 적용될 수 있다.
첨부하는 도면을 통하여, 본 발명의 상술한 목적 및 기타 목적, 특징 및 이점들은 더욱 명확해질 것이다. 첨부 도면에 있어서, 동일한 부호는 동일한 부분을 표시한다. 실제 사이즈에 기초하여 등비례로 확대 또는 축소한 것이 아니라, 본 발명의 주제를 표시하는데 그 목적이 있다.
도 1은 본 발명의 마찰식 나노발전기의 전형적인 구조를 표시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 마찰식 나노발전기의 발전 원리를 표시하는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 마찰식 나노발전기의 다른 전형적인 구조를 표시하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 마찰식 나노발전기의 또 다른 전형적인 구조를 표시하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 마찰식 나노발전기에 있어서, 상대 평균 슬라이드 속도가 0.6m/s인 경우의 단락전류 출력을 표시하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 마찰식 나노발전기에 있어서, 상대 평균 슬라이드 속도가 0.6m/s인 경우의 풀브리지 정류기를 통과하는 전류의 출력도이다.
이하, 본 발명의 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예 중의 기술방안을 명확하고 완전하게 설명한다. 물론, 여기에서 설명하는 실시예는 본 발명의 일부 실시예일 뿐 전반 실시예는 아니다. 통상의 기술자가 본 발명의 실시예에 기초하여 쉽게 얻을 수 있는 모든 기타 실시예도 본 발명의 보호범위에 포함된다.
또한, 본 발명에 관하여, 도면을 참조하면서 상세하게 설명하나, 본 발명의 실시예를 상세하게 설명할 경우 상기 도면은 설명의 편의를 위한 예시일 뿐, 본 발명의 보호범위를 한정하는 것은 아니다.
본 발명은, 운동 또는 진동 등 자연계에 존재하는 역학적 에너지를 전기적 에너지로 전환할 수 있는, 구조가 간이한 마찰식 나노발전기를 제공하여, 마이크로 전자기기에 적합한 전원을 공급할 수 있다. 본 발명의 마찰식 나노발전기는, 대전열에서 순서에 차이가 많은 재료가 서로 접촉할 때 발생하는 표면 전하의 이동 현상을 이용하여, 외력의 역학적 에너지를 전기에너지로 전환하는 것이다.
본 발명에 기재된 “대전열”은, 재료가 전하에 대한 흡인 정도에 따라 나열한 것으로, 두 재료가 서로 마찰하는 순간, 마찰하는 면에서 음전하가 대전열 중의 극성이 비교적 “+”를 띠는 재료의 표면으로부터, 대전열 중의 극성이 비교적 “-”를 띠는 재료의 표면으로 이동하는 것을 말한다. 현재, 전하 이동의 원리를 완정하게 해석할 수 있는 통일된 이론은 없다. 일반적으로, 이러한 전하의 이동은, 재료 표면의 일함수에 관련된 것으로, 전자 또는 이온이 접촉면에서의 이동에 의하여 전하의 이동을 실현하는 것으로 간주한다. 대전열은 단지 경험에 의하여 통계한 결과로서, 두 물체가 대전열에서 멀리 떨어질수록, 접촉할 경우에 발생되는 전하의 양, 음 성질이 이 대전열에 부합될 확률이 커진다. 또한, 실제적인 결과는, 재료 표면의 거칠기, 환경의 습도 및 상대적 마찰의 유무 등과 같은 여러 요소의 영향을 받는다. 또한, 전하의 이동은 두가지 재료 사이의 상대적인 마찰을 필요하지 않는바 서로 접촉하기만 하면 된다.
본 발명에 기재된 “접촉전하”는, 대전열에 있어서 순서에 차이가 있는 두가지 종류의 재료가 접촉마찰하여 분리된 후 그 표면이 가지는 전하를 말하는데, 일반적으로 이러한 전하는 재료의 표면에만 분포되며, 분포되는 최대 깊이는 약 10nm이다. 접촉전하의 부호는, 순전하(net charge)의 부호이다. 다시 말하면, "+"접촉전하를 가지는 재료는, 표면의 일부 영역에 음전하가 집중된 영역이 존재할 수 있으나 표면전체의 순전하의 부호는 “+”이다.
도 1은 본 발명의 마찰식 나노발전기의 전형적인 구조를 표시하는데, 마찰층(10), 마찰층(10)의 하면에 접촉되도록 배치되는 도전소자(11), 도전층(20)을 포함한다. 마찰층(10)의 상면은 도전층(20)의 하면과 접촉한다. 외력의 작용 하에, 상기 마찰층(10)과 도전층(20)의 접촉면이 상대적으로 미끄는 동시에 접촉하는 면적이 변화함으로써, 전기신호는 도전소자(11) 및 도전층(20)을 통하여 외부회로로 출력된다.
설명의 편의를 위하여, 이하 도 1의 전형적인 구조를 참조하면서 본 발명의 원리, 각 부품을 선택하는 원칙 및 재료의 범위를 설명하기로 한다. 물론, 이러한 내용은 도 1에 표시하는 실시예에 한정되는 것이 아니라, 본 발명에 개시되는 모든 기술방안에 적용될 수 있다.
도 2를 참조하면서, 본 발명의 마찰식 나노발전기의 동작원리 및 발전 방법을 설명하기로 한다. 외력의 작용 하에, 마찰층(10)의 상면과 도전층(20)의 하면이 상대적으로 슬라이드하여 마찰이 발생되었을 경우, 마찰층(10)의 상면의 재료와 도전층(20)의 하면의 재료가 대전열에 서 순서에 차이가 존재하므로, 전자는 도전층(20)으로부터 접촉면을 통하여 마찰층(10)의 상면으로 직접 이동하여 마찰층(10)의 표면에 속하게 된다(도 2(a)를 참조). 위치가 엇갈림으로 인해 마찰층(10)과 도전층(20)에 잔류한 표면 전하가 형성하는 전계(electric field)를 차단하기 위하여, 도전소자(11)의 자유전자가 외부회로를 경유하여 도전층(20)으로 흐르게 한다. 이로써, 외부 전류가 발생한다(도 2(ｂ)를 참조). 외력을 역방향으로 인가할 경우, 마찰층(10) 또는 도전층(20)의 상대적인 슬라이드의 위치 엇갈림이 소실되어 두 도전소자는 원래의 상태로 되돌아 가게 된다. 이로써, 도전층(20)의 전자가 도전소자(10)로 흘러 역방향의 외부 전류가 발생한다. 이러한 동작을 반복하여, 교류 펄스 전류를 형성한다.
마찰 대전 현상은 오래전부터 이미 널리 알려진 것으로, 통상의 기술자들이 마찰 대전의 재료 종류에 대한 견해도 공통적이다. 하지만 지금까지 알고 있는 것은, 마찰에 의하여 정전기가 발생할 수 있다는 것이다. 본 발명은 최초로 슬라이드 마찰을 이용하여 발전하고 이를 제품화하는 구상을 제기하였다. 상술한 바와 같이, 본 발명에 개시된 동작원리에 의하여, 통상의 기술자들은 슬라이드 마찰식 나노발전기의 동작 방식을 명확하게 인식할 수 있을 것이고, 각 부품을 구성하는 재료의 선택 원칙도 장악할 수 있을 것이다. 이하, 본 발명의 모든 기술방안에 적합한 각 부품을 구성하는 재료의 선택 가능한 범위를 제공한다. 이는 실제 응용에 있어서, 실제적인 수요에 따라 구체적으로 선택하여 발전기의 출력 성능을 조절하는 목적을 달성할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 마찰층(10)과 도전층(20)은 접촉하도록 배치되며 외력의 유무와 상관없이 항상 면접촉을 유지한다. 이것은 본 발명의 발전기의 가장 전형적인 구조로서, 마찰층(10)과 도전층(20)의 사이즈 및 상대 변위량을 제어하는 것을 통하여, 상대적인 슬라이드 마찰 과정에서의 마찰 면적의 변화를 용이하게 실현할 수 있다.
하지만, 본 발명은 마찰층(10)과 도전층(20)이 항상 면접촉을 유지하는 것을 한정하는 것은 아니며, 외력이 작용할 경우 양자가 접촉하여 접촉면에 접하는 상대적인 슬라이드 마찰이 발생하고, 외력이 작용하지 않을 경우 마찰층(10)과 도전층(20)이 완전히 분리되도록 구성되기만 하면 된다. 이러한 구성은, 단속적인 발전을 필요로 하는 상황을 만족시킬 수 있다. 그리고, 마찰 과정은 접촉마찰일 수도 있고, 슬라이드 마찰일 수도 있다. 이 목적을 실현하는 기술수단에는 여러가지가 있으며, 본 기술분야에서 거리를 제어하는 관용적인 부품을 사용할 수 있는데, 예를 들면 마찰층(10)의 하면 및 도전층(20)의 상면에 각각 절연 스프링을 연결할 수 있다. 단지 사용되는 스프링은 마찰층(10)과 도전층(20) 사이의 상대적인 슬라이드를 제한하여서는 안된다는 점에 주의하여야 한다. 또한, 본 실시예는 기타 제품과 조합하여 사용되는 발전기에 유리하다. 다시말하면, 마찰층(10)과 도전층(20)을 기타 제품의 상호 분리되어 있는 두개의 부품에 각각 연결하여, 이 두 부품 사이의 단속적 접촉 및 상대적 슬라이드를 이용하여 발전기를 동작시킴으로써, 단속적인 발전을 실현할 수 있다.
마찰층(10)의 상면은 절연 재료로 이루어지고 도전층(20)의 하면은 도전 재료로 이루어지는데, 양자는 부동한 마찰 대전 특성을 가진다. 다시 말하면, 양자는 대전열에서 부동한 위치에 있으며, 이로써 마찰층(10)의 상면과 도전층(20)의 하면은 마찰이 발생되는 과정에서 표면에 접촉전하를 발생할 수 있다. 일반적인 절연 재료는 모두 마찰 대전 특성을 가지며, 도체와 마찰이 발생할 후 그 표면에 "-" 표면 전하가 발생된다. 따라서, 이러한 절연 재료를 본 발명의 마찰층(10)의 상면을 구성하는 재료로 사용할 수 있다. 여기서, 자주 사용되는 재료로 예시할 수 있는 것은, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리디메틸실록산, 폴리이미드, 폴리디페닐프로판카보네이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 아닐린포름알데히드 수지, 폴리포름알데히드, 에틸셀룰로오스, 폴리아미드, 멜라민포름알데히드, 폴리에틸렌글리콜석시네이트(polyethylene glycol succinate), 셀룰로오스, 셀룰로오스아세테이트, 폴리에틸렌글리콜아디페이트, 폴리프탈산디아릴(polydiallylphthalate), 재생섬유스펀지, 폴리우레탄일래스터머, 스티렌프로펜공중합체, 스티렌부타디엔공중합체, 인조섬유, 폴리메타크릴레이트, 폴리비닐알코올, 폴리에스테르, 폴리이소부틸렌, 폴리우레탄 플렉시블 스펀지, 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethylene glycol terephthalate), 폴리비닐 부티랄(polyvinyl butyral), 페놀 수지, 클로로프렌고무, 부타디엔프로펜공중합체, 천연고무, 폴리아크릴로니트릴, 폴리(염화 비닐 리덴co-아크릴로니트릴)(poly(vinyldene chloride-co-acrylonitrile), 폴리에틸렌비스페놀카보네이트, 폴리스티렌, 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate), 폴리카보네이트, 액정고분자폴리머, 폴리클로로프렌, 폴리아크릴로니트릴, 폴리디페놀카보네이트, 염화폴리에테르(polyetherchloride), 폴리염화비닐리덴, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리클로로트리플루오르에틸렌, 폴리염화비닐 및 패럴린(Parylene　)(패럴린C, 패럴린N, 패럴린D, 패럴린HT 또는 패럴린AF4를 포함한다)가 있다. 편폭의 제한으로 사용 가능한 모든 재료를 예시할 수 없으므로, 여기서는 참고로 몇개의 구체적인 물질 만을 예시한다. 물론, 이러한 구체적인 재료는, 본 발명의 보호범위를 한정할 수 있는 요소는 아니다. 통상의 기술자들은, 발명의 시사 하에 이러한 재료의 마찰 대전 특성에 기초하여 유사한 기타 재료를 용이하게 선택할 수 있을 것이다.
반도체 재료도 마찰 대전 특성을 가지며 대전열에서 절연체와 도체 사이에 위치하므로, 도체재료와 마찰이 발생했을 경우 표면에 "-" 접촉전하를 발생할 수 있다. 따라서, 반도체를 마찰층(10)을 형성하는 원료로 사용할 수도 있다. 자주 사용되는 반도체는, 규소, 게르마늄; 갈륨비소, 인화갈륨 등과 같은 제Ⅲ족 및 제V족 화합물; 황화카드뮴, 황화아연 등과 같은 제Ⅱ족 및 제Ⅵ족 화합물; 및 갈륨-알루미늄-비소, 갈륨-비소-린 등과 같은 Ⅲ-V족 화합물과 Ⅱ-Ⅵ족 화합물로 구성되는 고용체를 포함한다. 상술한 결정질 반도체 이외에, 비정질 유리 반도체, 유기 반도체 등일 수도 있다. 예를 들면, 망간(Mn), 크롬(Cr), 철(Fe), 동(Cu)의 산화물, 산화규소, 산화망간, 산화크롬, 산화철, 산화동, 산화아연, BiO2, 및 Y2O3등과 같은, 비도전성 산화물, 반도체산화물 및 복잡한 산화물도 마찰 대전 특성을 가지며 마찰 과정에서 표면 전하를 형성할 수 있으므로, 본 발명의 마찰층으로 사용할 수도 있다.
발전기에 있어서, 도전층(20)은 마찰을 통해 발전하기 위한 하면을 제공할 뿐만 아니라, 전극으로서의 기능도 가진다. 다시 말하면 도전층(20)은 표면 전하에 의한 전계가 불균형적일 경우, 외부회로를 경유하여 전자를 전송할 수 있다. 따라서, 도전층(20)은 도전재료로 이루어져야 하며, 일반적인 금속으로부터 선택할 수 있다. 자주 사용되는 금속으로는, 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 동(Cu), 티타늄(Ti), 크롬(Cr) 또는 셀렌(Se)이 있으며, 이러한 금속의 합금도 포함한다. 물론, ITO(Indium tin oxide) 및 도핑반도체와 같이 도전 특성을 가지는 기타 재료를 전자를 쉽게 잃는 마찰층으로 사용할 수도 있다.
실험을 통하여, 마찰층(10)의 재료와 도전층(20)의 재료가 전자를 얻는 능력의 차이가 클수록(다시말하면, 대전열에서 멀리 떨어져 있을수록) 발전기가 출력하는 전기신호가 더욱 강해진다는 것을 발견하였다. 따라서, 실제수요에 의하여, 적합한 재료를 선택하여 마찰층(10) 및 도전층(20)을 형성함으로써, 더욱 뛰어난 출력 효과를 얻을 수 있다. 대전열에서 "-" 극성을 가지는 재료로서는 폴리스티렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리디페닐프로판카보네이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리이미드, 폴리염화비닐, 폴리디메틸실록산, 폴리클로로트리플루오르에틸렌 및 폴리테트라플루오로에틸렌, 및 패럴린(패럴린C, 패럴린N, 패럴린D, 패럴린HT 또는 패럴린AF4를 포함한다)에서 선택하는 것이 바람직하다. 대전열에서 "+" 극성을 가지는 재료로서는 동, 알루미늄, 금, 은, 및 강철에서 선택하는 것이 바람직하다.
마찰층(10)의 상면 및/또는 도전층(20)의 하면에 대하여 물리적 변화를 실시하여, 표면에 마이크로미터 또는 서브 마이크로미터 수량급의 미세 구조의 어레이가 분포되도록 하여, 마찰층(10)과 도전층(20) 사이의 접촉면적을 증가시켜 접촉전하의 량을 증가시킬 수도 있다. 구체적인 변화 방법으로는 포토리소그래피, 화학에칭, 이온에칭 등 방법이 있다.
서로 접촉하는 마찰층(10) 및/또는 도전층(20)의 표면에 대하여 화학수식을 실시하여, 접촉 순간의 전하의 이동량을 더욱 향상시킬 수도 있다. 이로써, 접촉전하의 밀도 및 발전기의 출력 전력을 향상시킬 수 있다. 화학수식은 아래와 같은 두가지 방법으로 나뉜다.
일 방법으로는, 서로 접촉하는 마찰층(10)과 도전층(20)을 구성하는 재료에 대하여, 극성이 "+"인 재료의 표면에 전자를 쉽게 잃는 작용기(다시말하면, 강한 전자공여기)를 도입하거나, 극성이 "-"인 재료의 표면에 전자를 쉽게 얻는 작용기(다시말하면, 강한 전자흡인기)를 도입함으로써, 서로 슬라이드할 경우의 전하의 이동량을 더욱 향상시켜 마찰 전하의 밀도 및 발전기의 출력 전력을 향상시키는 방법이다. 강한 전자공여기는, 아미노기, 하이드록실기, 알콕실기(alkoxyl group) 등을 포함한다. 강한 전자흡인기는, 아실기, 카복실기, 니트로기, 술폰기 등을 포함한다. 작용기의 도입은, 플라즈마에 의한 표면 수식 등 일반적인 방법을 사용할 수 있다. 예를 들면, 산소와 질소의 혼합가스를 소정의 전력하에서 플라즈마를 형성시킴으로써, 아미노기를 마찰층을 구성하는 재료의 표면으로 도입할 수도 있다.
다른 일 방법으로는, 극성이 "+"인 마찰층을 구성하는 재료의 표면에 양전하를 도입하고, 극성이 "-"인 마찰층을 구성하는 재료의 표면에 음전하를 도입하는 방법이다. 구체적으로는, 화학결합을 통하여 실현할 수 있다. 예를 들면, PDMS 마찰층의 표면에 졸-겔 법(sol-gel)을 이용하여 테트라에틸오소실리케이트(TEOS)를 수식하여 음전하를 가지도록 할 수 있다. 또는 금박막층에 대하여 금－유황 결합을 통하여 표면에 헥사데실 트리메틸암모늄 브로마이드(CTAB)가 함유된 금나노 입자를 수식할 수도 있다. CTAB가 양이온이므로, 마찰층 전체는 양전하를 띠도록 한다. 통상의 기술자들은, 마찰층을 구성하는 재료가 전자를 잃고 얻는 성질 및 표면 화학결합의 종류에 의하여 적합한 수식 재료를 선택하여 결합시킴으로써, 본 발명의 목적을 달성할 수 있다. 따라서, 이러한 변형도 본 발명의 보호범위 내에 속한다.
본 발명은, 마찰층(10)과 도전층(20)이 반드시 경질재료로 이루어지는 것에 한정되는 것은 아니며, 연질재료로 이루어질 수도 있다. 이는 재료의 경도가 양자 사이의 슬라이드 마찰 효과에 영향을 주지 않기 때문이다. 통상의 기술자들은, 실제 수요에 따라 선택할 수 있다. 마찰층(10) 및 도전층(20)의 두께는, 본 발명의 실시에 뚜렷한 영향을 주지 않는다. 본 발명에 있어서, 양자가 박막인 것이 바람직하며, 그 두께는, 50nm~5mm이며, 100nm~2mm인 것이 바람직하고, 1㎛~800㎛인 것이 더욱 바람직하다. 이러한 두께의 범위는 본 발명의 모든 기술방안에 적용된다.
발전기의 전극으로서, 도전소자(11)는 도전 가능한 특성만 가지면 된다. 이는 금속, ITO 또는 도핑반도체로부터 선택할 수 있으며, 플레이트, 박편 또는 박막일 수 있다. 두께의 선택 가능한 범위는 10nm~5mm이고, 50nm~1mm가 바람직하며, 100nm~500㎛가 더욱 바람직하다. 자주 사용되는 금속은, 금, 은, 백금, 알루미늄, 니켈, 동, 티타늄, 크롬 또는 셀렌, 및 상술한 금속으로 형성된 합금을 포함한다. 알루미늄막, 금막, 동막과 같은 금속 박막이 바람직하다. 전극층은 마찰층의 표면과 밀접히 접촉되어 전하의 전송 효율을 확보하는 것이 바람직하다. 퇴적 방식을 이용하여 도전재료를 마찰층의 표면에 성막(成膜)시키는 것이 비교적 바람직하다. 구체적인 퇴적방법으로는 전자빔증착, 플라즈마 스퍼터링, 마그네트론 스퍼터링 또는 증착이 있다.
도전소자(11) 및 도전층(20)과 외부회로 사이의 연결은 도선 또는 금속 박막을 통하여 실현할 수 있다.
본 발전기의 기계적 강도를 확보하기 위하여, 도전소자의 하면 및/또는 도전층의 상면에 지지층을 접촉하도록 설치할 수 있다. 플라스틱 판 또는 규소 시트 등과 같은 절연 재료 또는 반도체 재료가 바람직하다.
본 발명은 마찰층, 도전층, 및 도전소자를 경질재료에 한정하는 것은 아니며, 연질재료를 사용할 수도 있다. 이는 재료의 경도가 슬라이드 마찰 및 전기신호의 출력 효과에 영향주지 않기 때문이다. 또한, 연질재료로 형성되는 발전기는, 유연하고 얇은 마찰층이 작은 외력의 작용하에서도 변형 가능하다는 이점을 가진다. 이러한 변형은 마찰하는 두 층이 상대적 변위를 발생하도록 하여, 슬라이드 마찰을 통하여 전기신호를 외부로 출력할 수 있다. 연질재료를 사용함으로써, 본 발명의 나노발전기를 생물 및 의학 분야까지 널리 적용되도록 할 수 있다. 사용과정에서 유연하고 탄성을 가지는 초박형 고분자재료 및/또는 투명한 초박형 고분자재료를 베이스로 사용하여, 편리하게 사용할 수 있도록 봉지하여, 강도를 향상시킬 수도 있다. 물론, 본 발명에 개시된 모든 구조를, 유연하고 탄성을 가지는 재료로 구성함으로써, 연질의 나노발전기를 형성할 수 있는데, 여기서는 설명을 생략하기로 한다. 이를 기초로, 변경을 가하여 얻은 각 변형 설계는 모두 본 출원의 보호범위에 포함되는 것은 물론이다.
본 발명은, 도전소자, 마찰층 및 도전층을 평면 구조에 한정하는 것은 아니다. 곡면 구조도 마찬가지로 상대적인 슬라이드 마찰을 실현할 수 있다. 단지, 마찰층과 도전소자는 양자 사이의 밀접한 접촉을 확보하도록 동시에 평면 구조 또는 곡면 구조여야 한다. 이를 전제로, 상황에 따라, 도전소자 및 마찰층은 곡면 구조로 설계하고 도전층은 평면 구조 또는 곡면 구조로 설계할 수 있다. 물론, 이와 반대로 도전층을 곡면 구조로 설계하고 도전소자 및 마찰층을 곡면 구조 또는 평면 구조로 설계할 수도 있다.
도 3은 본 발명의 마찰층과 도전층을 일부만 접촉시키는 것을 표시한 전형적인 실시예이다. 본 실시예의 주요 부분은 도 1에 표시된 실시예와 동일하다. 여기서는 양자의 구별점 만을 설명하기로 한다. 도 3에 표시된 실시예에 있어서, 마찰층(10)의 상면은 상대적으로 작고, 그 상면과 도전층(20)의 하면은 모두 평탄하지 않는 구조를 가진다. 따라서 양자가 접촉할 경우, 상대적으로 슬라이드하는 과정에서 접촉하는 면적이 변화되므로 전기신호를 외부로 출력하는 목적을 실현할 수 있다. 본 실시예는, 마찰층(10)의 상면이 아주 작을 경우 또는 마찰층(10)과 도전층(20)의 상대적인 위치변화량이 작을 경우에, 외력의 크기 또는 마찰층의 이동 가능한 공간이 발전기의 적당한 전기신호의 출력에 충분하지 않을 경우, 평탄하지 않는 표면을 설치함으로써, 마찰층(10)과 도전층(20)의 접촉면적 및 전기신호의 발생에 필요한 유효적인 상대 변위를 효과적으로 제어할 수 있다. 통상의 기술자들은, 도전층(20)의 표면적이 비교적 작을 경우에도 본 실시예의 구성에 의하여 본 발명의 목적을 실현할 수 있으며, 또한 표면이 평탄하지 않는 패턴을 설치하는 것도 실제 상황에 따라 선택 가능하다는 것을 예상할 수 있을 것이다. 따라서, 이러한 변형도 본 발명의 보호범위에 속한다.
도 4는 본 발명의 마찰층의 표면에 미세 구조를 설치한 것을 표시하는 전형적인 실시예이다. 본 실시예의 주요 부분은 도 1에 표시된 실시예와 동일하므로 여기서는 양자의 구별점 만을 설명하기로 한다. 도 4에 표시된 실시예에서는, 마찰층(10)의 상면 및 도전층(20)의 하면에 각각 마이크로미터 수량급의 선형구조(12, 및 22)를 설치되어 있다. 마찰층(10)과 도전층(20)이 접촉하는 과정에서, 이들 표면의 미세 구조가 서로 삽입되거나 중첩되므로, 접촉하여 마찰하는 면적이 크게 증가되어, 발전기의 출력 성능을 효과적으로 향상시킬 수 있다. 미세 구조의 구체적인 형태에 있어서, 통상의 기술자들은 제조 조건이나 실제적인 수요에 따라 자주 사용되는 막대기형, 선형 또는 꽃무늬형 등 형상을 선택할 수 있다. 미세 구조를 마찰층(10)과 도전층(20)의 표면에 모두 설치할 경우의 효과가 가장 좋다. 하지만, 두 표면 중 어느 하나의 표면에만 설치하여도 유사한 효과를 달성할 수 있음은 물론이다.
본 발명에서는 발전 방법도 제공하는데, 구체적으로, 상술한 슬라이드 마찰식 나노발전기를 이용하여 발전하는 방법으로서 이하의 단계를 포함한다.
(1) 우선, 상술한 원칙 에 기초하여 재료를 선택하여, 사이즈 및 형상이 적합한 마찰층을 형성한다.
(2) 마찰층(10)의 하면에 접촉하도록 배치되는 도전소자(11)를 형성하는데, 고정배치하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 퇴적 방법에 의하여, 도전소자(11)를 마찰층(10)의 하면에 직접 고정한다.
(3) 상술한 원칙에 기초하여 적합한 재료를 선택하여, 사이즈 및 형상이 적합한 도전층을 형성한다.
(4) 도전층(20)의 하면과 마찰층(10)의 상면을 접촉하도록 배치하여, 양자 사이에서 슬라이드 마찰을 형성될 수 있도록 한다. 본 단계는, 본 발명의 발전 방법을 실현할 수 있는 전제로서, 접촉/분리식 나노발전기의 발전 방식과 구별되는 포인트이다. 접촉/분리식 발전기는 동작과정에 있어서 두 박막층 사이에 거리 변화가 가능한 간격이 반드시 존재하여야 하며, 양자가 접촉－분리 동작을 반복하여야만 전기신호를 발생할 수 있다. 하지만, 본 발명의 발전 방법은, 도전층(20)과 마찰층(10) 상이에 간격을 형성할 필요가 없고, 전기신호의 발생 과정에서 도전층(20)과 마찰층(10)은 항상 접촉상태에 있게 된다. 초기 상태에서 마찰층(10)의 상면과 도전층(20)의 하면을 형상 및 사이즈가 동일하도록 하고, 완전히 접촉시킴으로써, 마찰하는 면적을 최대로 하는 것이 바람직하다. 그리고, 후속적인 발전 과정에 있어서 외력만 인가하면 마찰하는 면적을 변화시킬 수 있어 전기신호를 발생하여 외부로 출력할 수 있다.
(5) 도전소자(11) 및 도전층(20)을 외부회로에 전기적으로 연결한다. 본 단계는, 발전기로부터 발생한 전기적 에너지를 외부로 출력하는 필요 조건이다. 전기적 연결을 실현하는 방법에는 여러가지가 있는데, 예를 들면, 가장 자주 사용되는 도선을 이용하여 연결할 수도 있고, 필름층을 이용하여 연결할 수도 있다. 구체적으로는, 실제 수요에 따라 선택할 수 있다.
(6) 발전기에 외력을 인가하여 마찰층(10)과 도전층(20) 사이에 상대적인 슬라이드를 형성시켜, 접촉면에 접하는 상대적인 슬라이드 마찰을 발생하는 한편, 슬라이드 과정에서 마찰층(10)과 도전층(20)이 접촉면의 방향에 따라 엇갈리도록 하여 슬라이드 마찰하는 면적이 변화하도록, 상대적으로 슬라이드하는 거리를 제어한다. 본 단계는, 본 발명의 발전 방법에서 가장 중요한 단계이다. 마찰층(10)과 도전층(20) 사이에 상대적인 슬라이드 마찰이 발생하는 한편, 마찰하는 면적이 변화하도록 반드시 확보하여야 한다. 이렇게 하여야만, 전기신호를 외부회로로 출력할 수 있다. 바람직하게는, 도전층(20)의 하면 및 마찰층(10)의 상면이 접촉면의 방향에 따라 제한받지 않고 자유로 슬라이드할 수 있어야 한다. 이로써, 외력에 대한 응답 감도를 향상시킬 수 있다. 본 발명의 발전 방법은, 방향이 주기적으로 반전하거나 크기가 주기적으로 변화하는 지속적인 외력을 사용하는 것이 바람직하다. 이로써, 지속적으로 교류 펄스 전기신호를 외부회로로 출력할 수 있다.
방향이 주기적으로 반전하는 지속적인 외력에 있어서, 그 주기는 상대적으로 슬라이드 마찰하는 면적의 변화와 매칭되도록 할 수 있다. 다시 말하면, 상대적으로 슬라이드 마찰하는 면적이 최대에서 최소까지 변화 또는 최소에서 최대까지 변화하는 시간을 하나의 주기로 설정할 수 있다. 이로써, 외력이 작용하는 과정에서 펄스 전기신호가 항상 발생하도록 확보하여, 외력의 방향이 변화하지 않음으로 인하여 마찰층(10)과 도전층(20)이 접촉하지도 않고 마찰하지도 않는 상황을 방지할 수 있다.
크기가 주기적으로 변화하는 지속적인 외력에 있어서, 외력이 소실된 후 마찰층(10)과 도전층(20)이 자동으로 원래의 상태로 되돌아갈 수 있는 외력을 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 초기 상태에서, 마찰층(10)의 상면과 도전층(20)의 하면이 완전히 접촉되고, 도전층(20)의 일단에 절연 스프링이 연결되며, 마찰층(10)과 그 하면의 도전소자(11)의 위치가 고정된다. 이때 도전층(20)의 타단에 외력을 인가하면, 절연 스프링이 점차 인장되어, 도전층(20)과 마찰층(10) 사이의 접촉마찰하는 면적이 점차 작아진다. 접촉마찰하는 면적이 최소치가 될 때, 외력을 감소하여 도전층(20)이 절연 스프링의 작용하에 점차 초기 위치로 되돌아가도록 한다. 이렇게 되면, 도전층(20)과 마찰층(10)은 또다시 완전히 접촉하게 된다. 이러한 과정을 하나의 주기로 하여 반복 실시하면, 펄스 전기신호를 지속적으로 외부회로에 전송할 수 있다.
<실시예 1>
도전소자는 두께가 100nm인 동 필름층을 사용하고, 마찰층은 두께가 25㎛인 테프론(폴리테트라플루오로에틸렌) 필름을 사용하고, 도전층은 두께가 100nm인 알루미늄 필름층을 사용하는데, 이러한 필름층의 마크로 사이즈(macro-size)는 5cm×7cm이다. 테프론 필름과 알루미늄 필름은, 완전히 중첩되게 접촉하도록 배치되고, 상술한 마찰식 나노발전기의 알루미늄 필름층 및 동 필름층을 통하여 도선을 인출한 후, 평균 속도가 0.6m/s인 상대적인 슬라이드 하에, 마찰식 나노발전기로부터 발생되는 단락전류의 출력을 도 5에 표시하였다. 마찰식 나노발전기의 출력단을 풀 브리지 정류기에 연결하여, 마찰식 나노발전기로부터 발생되는 교류전류의 출력을 직류전류의 출력으로 변화하여 얻은 전류의 출력은 도 6에 표시된 바와 같다. 이로부터, 본 발명의 발전기는 주기적인 역학적 에너지의 입력을 전기신호의 출력으로 전환할 수 있다는 것을 알 수 있다.
대전열에서 폴리테트라플루오로에틸렌은 극히 강한 “-” 극성을 가지고, 알루미늄은 “+” 극성을 가지므로, 본 실시예의 재료의 조합은 마찰식 나노발전기의 출력을 향상시키는데 유리하다. 실제 응용에 있어서, 마찰하는 층 전체를 절연체 재료로 구성하여도 이상의 효과를 실현할 수 있다.
<실시예 2>
본 실시예는, 실시예 1을 기초로, 폴리테트라플루오로에틸렌 필름 만을 변화시켰을 뿐, 다른 구성은 실시예 1과 동일하므로, 상세한 설명을 생략한다. 폴리테트라플루오로에틸렌 필름의 표면에, 유도 결합 플라즈마 에칭 방법을 이용하여 나노 와이어 어레이를 형성한다. 우선, 폴리테트라플루오로에틸렌의 표면에 스퍼터링 장치를 이용하여 약 10nm 두께의 금을 증착시킨 다음, 폴리테트라플루오로에틸렌 필름을 유도 결합 플라즈마 에칭장치에 넣어서 금이 증착된 일면을 에칭하는데, 유량을 각각 10sccm, 15sccm 및 30sccm로, 압력의 세기를 15m Torr로, 동작 온도를 55°C로 제어한 O2, Ar 및 CF4 기체를 도입하여, 400W의 전력으로 플라즈마를 발생하고, 100W의 전력으로 플라즈마를 가속한다. 이런 조건하에서 약 5분간 에칭을 진행하면, 절연 필름층에 거의 수직되며 길이가 약 1.5㎛인 고분자 폴리테트라플루오로에틸렌의 나노 막대기 어레이를 얻을 수 있다.
본 발명의 마찰식 나노발전기는, 평행운동의 운동 에너지를 이용하여 전기적 에너지를 발생할 수 있으므로, 배터리 등 전원 없이도 소형 전자기기에 전력을 제공할 수 있다. 그러므로, 편리하게 사용할 수 있는 발전기에 속한다. 또한, 본 발명의 마찰식 나노발전기의 제조방법은 간단하고 원가가 저렴한 바, 널리 응용될 수 있는 마찰식 나노발전기 및 발전기 그룹을 제공할 수 있다.
상술한 설명은 본 발명의 비교적 바람직한 실시예일 뿐, 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 통상의 기술자들은, 본 발명의 주지를 이탈하지 않는 범위 내에서, 상기 개시된 방법 및 기술내용에 기초하여 본 발명에 대하여 여러가지 변경 및 개선을 진행할 수도 있고, 동등하게 변화시킨 균등 실시예로 변경할 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 주지를 이탈하지 않는 한, 본 발명의 사상에 기초하여 상기 실시예에 대하여 진행한 간단한 수정, 균등한 변경 및 개선은 모두 본 발명의 기술방안이 보호하고자 하는 범위 내에 속한다.

Claims (32)

  1. 마찰층;
    상기 마찰층의 하부에 접촉하도록 배치되는 도전소자; 및
    도전층;
    을 구비하고,
    상기 마찰층의 상면은 상기 도전층의 하면에 대향하도록 배치되고,
    상기 마찰층의 상면과 상기 도전층의 하면은, 외력이 작용할 경우 상대적인 슬라이드가 발생하며 접촉면에 접하는 슬라이드 마찰이 발생하는 동시에, 마찰하는 면적이 슬라이드 과정에서 변화하며, 상기 도전소자 및 도전층에 의하여 전기신호를 외부회로로 출력하는
    것을 특징으로 하는 슬라이드 마찰식 나노발전기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 마찰층의 상면을 구성하는 재료와 상기 도전층의 하면을 구성하는 재료는, 대전열에서 순서에 차이가 있는 것을 특징으로 하는 슬라이드 마찰식 나노발전기.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 마찰층의 상면과 상기 도전층의 하면은 접촉하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 슬라이드 마찰식 나노발전기.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    외력이 작용하지 않을 경우, 상기 마찰층의 상면과 상기 도전층의 하면은 분리되어 있고; 외력이 작용할 경우, 상기 마찰층의 상면과 상기 도전층의 하면은 접촉하며 접촉면에 접하는 상대적인 슬라이드 마찰을 발생하는 것을 특징으로 하는 슬라이드 마찰식 나노발전기.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 마찰층은 절연 재료 또는 반도체 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 슬라이드 마찰식 나노발전기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 절연 재료는, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리디메틸실록산, 폴리이미드, 폴리디페닐프로판카보네이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 아닐린포름알데히드 수지, 폴리포름알데히드, 에틸셀룰로오스, 폴리아미드, 멜라민포름알데히드, 폴리에틸렌글리콜석시네이트(polyethylene glycol succinate), 셀룰로오스, 셀룰로오스아세테이트, 폴리에틸렌글리콜아디페이트, 폴리프탈산디아릴(polydiallylphthalate), 재생섬유스펀지, 폴리우레탄일래스터머, 스티렌프로펜공중합체, 스티렌부타디엔공중합체, 인조섬유, 폴리메타크릴레이트, 폴리비닐알코올, 폴리에스테르, 폴리이소부틸렌, 폴리우레탄 플렉시블 스펀지, 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethylene glycol terephthalate), 폴리비닐 부티랄(polyvinyl butyral), 페놀 수지, 클로로프렌고무, 부타디엔프로펜공중합체, 천연고무, 폴리아크릴로니트릴, 폴리(염화 비닐 리덴co-아크릴로니트릴)(poly(vinyldene chloride-co-acrylonitrile), 폴리에틸렌비스페놀카보네이트, 폴리스티렌, 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate), 폴리카보네이트, 액정고분자폴리머, 폴리클로로프렌, 폴리아크릴로니트릴, 폴리디페놀카보네이트, 염화폴리에테르(polyetherchloride), 폴리염화비닐리덴, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리클로로트리플루오르에틸렌, 폴리염화비닐 및 패럴린(Parylene　)으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 슬라이드 마찰식 나노발전기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 절연 재료는, 폴리스티렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리디페닐프로판카보네이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리이미드, 폴리염화비닐, 폴리디메틸실록산, 폴리클로로트리플루오르에틸렌, 폴리테트라플루오로에틸렌, 및 패럴린(Parylene　)으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 슬라이드 마찰식 나노발전기.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 반도체 재료는, 규소, 게르마늄, 제Ⅲ족 및 제V족 화합물, 제Ⅱ족 및 제Ⅵ족 화합물, Ⅲ-V족 화합물과 Ⅱ-Ⅵ족 화합물로 이루어지는 고용체, 비정질 유리 반도체, 및 유기 반도체의 비도핑 재료로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 슬라이드 마찰식 나노발전기.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제Ⅲ족 및 제V족 화합물은 갈륨비소 및 인화갈륨으로부터 선택되고; 상기 제Ⅱ족 및 제Ⅵ족 화합물은 황화카드뮴 및 황화아연으로부터 선택되고; 상기 Ⅲ-V족 화합물 및 Ⅱ-Ⅵ족 화합물로 이루어지는 고용체는 갈륨-알루미늄-비소 및 갈륨-비소-린으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 슬라이드 마찰식 나노발전기.
  10. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 마찰층은, 비도전성 산화물, 반도체산화물 또는 복잡한 산화물로 이루어지며, 산화규소, 산화알루미늄, 산화망간, 산화크롬, 산화철, 산화티타늄, 산화동, 산화아연, BiO2 및 Y2Ｏ3을 포함하는 것을 특징으로 하는 슬라이드 마찰식 나노발전기.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 마찰층의 상면 및/또는 상기 도전층의 하면에는 마이크로미터 수량급 또는 서브 마이크로미터 수량급의 미세 구조가 분포되어 있는 것을 특징으로 하는 슬라이드 마찰식 나노발전기.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 미세 구조는, 나노 와이어, 나노 튜브, 나노 입자, 나노 홈, 마이크로미터 홈, 나노 뿔, 마이크로미터 뿔, 나노 스피어, 및 마이크로미터 스피어 구조로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 슬라이드 마찰식 나노발전기.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 마찰층의 상면 및/또는 상기 도전층의 하면에 나노재료의 장식 또는 도포층이 위치하는 것을 특징으로 하는 슬라이드 마찰식 나노발전기.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 마찰층의 상면 및/또는 상기 도전층의 하면은, 화학수식을 통하여 상기 마찰층의 상면을 구성하는 재료에 전자를 쉽게 얻는 작용기를 도입 및/또는 상기 도전층의 하면을 구성하는 재료에 전자를 쉽게 잃는 작용기를 도입하는 것을 특징으로 하는 슬라이드 마찰식 나노발전기.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 전자를 쉽게 잃는 작용기는, 아미노기, 하이드록실기 또는 알콕실기(alkoxyl group)를 포함하고; 상기 전자를 쉽게 얻는 작용기는, 아실기, 카복실기, 니트로기 또는 술폰기를 포함하는 것을 특징으로 하는 슬라이드 마찰식 나노발전기.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 마찰층의 상면 및/또는 상기 도전층의 하면은, 화학수식을 통하여 상기 마찰층의 상면을 구성하는 재료에 음전하를 도입 및/또는 상기 도전층의 하면을 구성하는 재료에 양전하를 도입하는 것을 특징으로 하는 슬라이드 마찰식 나노발전기.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 화학수식은, 화학결합에 의해 하전기(荷電基)를 도입하는 것을 통하여 실현되는 것을 특징으로 하는 슬라이드 마찰식 나노발전기.
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 도전층은, 금속 및 도전성 산화물로부터 선택된 도전재료로 구성되는 것을 특징으로 하는 슬라이드 마찰식 나노발전기.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 금속은, 금, 은, 백금, 알루미늄, 니켈, 동, 티타늄, 크롬 또는 셀렌, 및 상술한 금속으로 형성된 합금으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 슬라이드 마찰식 나노발전기.
  20. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 도전소자는, 금속 및 도전성 산화물로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 슬라이드 마찰식 나노발전기.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 금속은, 금, 은, 백금, 알루미늄, 니켈, 동, 티타늄, 크롬 또는 셀렌, 및 상술한 금속으로 형성된 합금으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 슬라이드 마찰식 나노발전기.
  22. 제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 도전소자, 마찰층 및/또는 도전층은 박막인 것을 특징으로 하는 슬라이드 마찰식 나노발전기.
  23. 제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 마찰층, 도전층 및/또는 도전소자는 경질 물질인 것을 특징으로 하는 슬라이드 마찰식 나노발전기.
  24. 제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 마찰층, 도전층 및/또는 도전소자는 연질 물질인 것을 특징으로 하는 슬라이드 마찰식 나노발전기.
  25. 제1항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 도전소자는 마찰층의 하면에 고정되는 것을 특징으로 하는 슬라이드 마찰식 나노발전기.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 도전소자는 퇴적 방식을 통하여 상기 마찰층의 하면에 형성되는 것을 특징으로 하는 슬라이드 마찰식 나노발전기.
  27. 제1항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 도전소자와 마찰층의 사이즈 및 형상은 동일한 것을 특징으로 하는 슬라이드 마찰식 나노발전기.
  28. 제1항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 도전소자, 마찰층 및 도전층은 평면 구조인 것을 특징으로 하는 슬라이드 마찰식 나노발전기.
  29. 제1항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 도전소자 및 마찰층은 곡면 구조 및/또는 상기 도전층은 곡면 구조인 것을 특징으로 하는 슬라이드 마찰식 나노발전기.
  30. 제1항 내지 제29항 중 어느 한 항의 슬라이드 마찰식 나노발전기를 이용하는 발전 방법에 있어서,
    (1) 상기 마찰층을 준비하는 단계;
    (2) 상기 마찰층의 하부에 접촉하도록 배치되는 상기 도전소자를 형성하는 단계;
    (3) 상기 도전층을 준비하는 단계;
    (4) 상기 마찰층의 상면과 상기 도전층의 하면을 접촉시키는 단계;
    (5) 상기 도전소자 및 상기 도전층을 외부회로에 전기적으로 연결하는 단계;
    (6) 외력을 인가하여, 상기 마찰층과 상기 도전층 사이에 상대적인 슬라이드를 발생시켜 접촉면에 접하는 상대적인 슬라이드 마찰을 발생시키며, 슬라이드 과정에 있어서, 상대적인 슬라이드 거리를 제어함으로써, 상기 마찰층과 상기 도전층을 접촉면의 방향에 따라 엇갈리도록 하여 슬라이드 마찰하는 면적을 변화시키는 단계; 및
    (7) 상기 도전소자 및 상기 도전층을 통해 전기신호를 외부회로로 출력하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 발전 방법.
  31. 제30항에 있어서,
    상기 단계 (4)에 있어서, 상기 마찰층의 상면과 상기 도전층의 하면은 완전히 접촉시키는 것을 특징으로 하는 발전 방법.
  32. 제30항 또는 제31항에 있어서,
    상기 단계 (6)에 있어서, 방향이 주기적으로 반전하거나 크기가 주기적으로 변화하는 지속적인 외력을 인가하는 것을 특징으로 하는 발전 방법.
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