KR20180029629A - 강유전체를 이용한 마찰 전기 디바이스 - Google Patents

Abstract

본 발명은 강유전체를 이용한 마찰 전기 디바이스에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 하부 전극층과, 상기 하부 전극층의 상부에 배치되며 강유전체 재질로 형성되는 강유전층과, 상기 강유전층의 상부에 배치되는 마찰 대전층, 및 상기 마찰 대전층의 상부에 이격 배치되는 상부 전극층을 포함하며, 상기 마찰 대전층과 상기 상부 전극층이 외력에 의해 접촉된 후 이격됨에 따라 마찰 전기가 발생되는 강유전체를 이용한 마찰 전기 디바이스를 제공한다.
본 발명에 의한 마찰 전기 디바이스에 따르면, 강유전체 물질을 이용하여 마찰 전기 디바이스의 마모 정도를 획기적으로 줄여 디바이스의 내구성은 물론 발전 효율을 증대시킬 수 있는 이점이 있다.

Description

강유전체를 이용한 마찰 전기 디바이스{Triboelectric device using ferroelectric material}

본 발명은 강유전체를 이용한 마찰 전기 디바이스에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 마찰 전기 디바이스의 내구성 및 효율성을 높일 수 있는 강유전체를 이용한 마찰 전기 디바이스에 관한 것이다.

석탄/석유와 같은 화석 연료의 급속한 감소, 지구 온난화와 같은 환경 문제로 인하여, 신재생 에너지에 대한 연구가 매우 활발히 진행 중이다. 그 중에서 마찰 발전은 서로 다른 두 물질이 접촉한 후 분리되었을 때 발생하는 정전기에 의한 대전(帶電) 차이로 발생하는 에너지를 이용한다.

마찰 발전은 기존의 태양전지, 풍력, 연료전지 등과 같은 친환경 에너지와 달리 주변에 존재하는 미세진동이나 인간의 움직임으로부터 발생된 소모성의 기계적 에너지를 전기에너지로 무한히 추출할 수 있기 때문에, 새로운 개념의 친환경 에너지 발전방법이라 할 수 있다.

마찰 전기 발전소자는 마찰이 일어날 때 전자를 내주는 성질이 큰 물질과 전자를 받아들이는 성질이 큰 물질을 마찰시켜 전자를 이동시킨 후 정전기 유도를 통해 전기를 생산한다. 종래에는 전기적 성질 차이가 큰 물질을 이용해 발전 소자를 만들고 효율을 높이는 연구가 주로 진행됐다.

이러한 정전기 특성을 이용한 에너지 변환 방식은 변환 효율이 크고 소형 및 경량화가 가능하며 나노기술과의 융합을 통해 획기적인 기술 도약을 이끌 만한 파급효과가 높은 기술로 평가받고 있다. 예컨대 최근 모바일 기기가 널리 사용되고 신체에 착용하는 웨어러블 기기가 속속 등장하면서 이들 기기의 전기 공급 또는 충전을 위한 발전 장치로 많은 관심이 집중되고 있다.

마찰 전기 디바이스는 기본적으로 서로 다른 두 물체의 접촉에 의해 전기가 발생되기 때문에, 장기간 사용 시 두 물체가 심하게 마모되는 현상이 발생하여 내구성 문제가 다양하게 제기되어 왔다. 이를 해결하기 위한 시도로서 형상 기억 폴리머를 이용하여 마모된 폴리머에 열을 가하여 재생하는 방법, 원자 층 증착법을 이용하여 표면은 물론 폴리머 내부까지 모두 개질하는 방법 등이 보고된 바 있다.

하지만 이와 같이 마모된 디바이스를 별도의 가열이나 증착 등의 후속 공정을 이용하여 개질하는 방식은 시간 및 비용이 많이 필요하기 때문에, 디바이스 자체의 마모 정도를 근본적으로 줄일 수 있는 기술이 요구된다.

본 발명의 배경이 되는 기술은 한국등록특허 제0949146호(2010.03.25 공고)에 개시되어 있다.

본 발명은, 마찰 대전층 하부에 강유전체를 삽입하여 마찰 전기 디바이스의 내구성 및 발전 효율을 높일 수 있는 강유전체를 이용한 마찰 전기 디바이스를 제공하는데 목적이 있다.

본 발명은, 하부 전극층과, 상기 하부 전극층의 상부에 배치되며 강유전체 재질로 형성되는 강유전층과, 상기 강유전층의 상부에 배치되는 마찰 대전층, 및 상기 마찰 대전층의 상부에 이격 배치되는 상부 전극층을 포함하며, 상기 마찰 대전층과 상기 상부 전극층이 외력에 의해 접촉된 후 이격됨에 따라 마찰 전기가 발생되는 강유전체를 이용한 마찰 전기 디바이스를 제공한다.

여기서, 상기 접촉에 따라 상기 상부 전극층의 전하가 상기 마찰 대전층으로 이동하여 상기 마찰 대전층은 (-)로, 상기 상부 전극층은 (+)로 대전되며, 상기 강유전층은, 양전하 및 음전하가 각각 상부 및 하부 위치에 분극된 구조를 가질 수 있다.

또한, 상기 마찰 대전층은 PDMS, PTFE, PMMA, PI 중 적어도 하나의 재질을 포함하여 형성되고, 상기 강유전층은 PVDF 또는 P(VDF-TrFE) 재질을 포함하여 형성될 수 있다.

또한, 상기 마찰 대전층은 10 내지 18 ㎛의 두께를 가질 수 있다.

더욱 바람직하게는, 상기 마찰 대전층은 13 ㎛의 두께를 가질 수 있다.

본 발명에 따른 강유전체를 이용한 마찰 전기 디바이스에 따르면, 강유전체 물질을 이용하여 마찰 전기 디바이스의 마모 정도를 획기적으로 줄여 디바이스의 내구성은 물론 발전 효율을 증대시킬 수 있는 이점이 있다.

또한, 본 발명은 전극층과의 접촉에 의해 마찰 대전층에 유도된 음전하가 강유전체의 양전하에 의해 사라지지 않고 고정될 수 있고 접촉이 떨어진 경우에도 마찰 대전층의 음전하를 상당량 유지시킬 수 있으므로 접촉 횟수를 획기적으로 줄일 수 있는 동시에 디바이스의 내구성을 증대시킬 수 있다.

또한, 마찰 대전층과 전극층 간의 접촉 과정에서, 강유전체의 양전하에 의해 마찰 대전층으로 음전하가 더 빨리 그리고 더 많이 유도될 수 있어, 빠른 시간에 더욱 큰 전류를 출력할 수 있어 발전 효율을 높일 수 있는 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 강유전체를 이용한 마찰 전기 디바이스를 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 마찰 전기 디바이스의 구동 원리를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에서 강유전체 삽입 전후의 전류 세기를 비교한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에서 강유전체 삽입 전후에 마찰 대전층에 유도되는 전하량을 비교한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에서 강유전체 삽입 전후의 전압 및 전류의 크기를 비교한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에서 강유전체 물질의 삽입 전후에 전극과 폴리머 사이의 거리에 따라 발생하는 전류의 세기를 비교한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에서 마찰 대전층의 두께에 따른 전류 값의 크기를 비교한 결과이다.

그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 강유전체를 이용한 마찰 전기 디바이스를 나타낸 도면이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 마찰 전기 디바이스(100)는 하부 전극층(110), 강유전층(120), 마찰 대전층(130), 그리고 상부 전극층(140)을 포함한다.

하부 전극층(110) 및 상부 전극층(140)은 전도성 물질을 포함하여 이루어진다. 이러한 하부 전극층(110) 및 상부 전극층(140)은 투명성을 가지는 형태로 구현될 수 있다. 예를 들어 각 전극층(110,140)은 ITO 또는 Al 재질로 형성될 수 있으며 그밖에도 투명 필름상에 ITO 또는 Al가 증착된 형태로 형성될 수도 있다.

하부 전극층(110)과 상부 전극층(140)은 선로를 포함한 전기 회로를 통하여 축전기 등과 같은 저장장치(10)의 양단에 각각 전기적으로 연결되어 대전에 의해 생산한 전기를 저장시킬 수 있다.

강유전층(120)은 하부 전극층(110)과 마찰 대전층(130) 사이에 배치되며 강유전체 재질로 형성된다. 구체적으로 강유전층(120)은 PVDF 또는 P(VDF-TrFE) 재질을 포함하여 형성될 수 있다.

강유전체는 자발 분극을 가지는 재료로서 전기 쌍극자(다이폴; dipole)가 정렬된 구조를 가진다. 자발 분극이란 양전하와 음전하의 중심이 분리되어 결정체의 한쪽은 양으로, 다른 쪽은 음으로 대전되는 현상을 의미한다. 도 1에 도시된 것처럼, 본 발명의 실시예에서 강유전층(120)은 양전하 및 음전하가 각각 상부 및 하부 위치에 분극된 구조를 가진다.

마찰 대전층(130)은 강유전층(120)의 상부에 배치되고, 상부 전극층(140)은 마찰 대전층(130)의 상부에 이격 배치되어 있다. 마찰 대전은 마찰 대전층(130)과 상부 전극층(140) 사이에서 발생되며 마찰 대전층(130)과 상부 전극층(140)의 상대적 위치에 따라 발전된다.

마찰 대전층(130)은 마찰 시 전자를 쉽게 받아들이는 성질로 형성되고 상부 전극층(140)은 상대적으로 전자를 쉽게 내주는 성질로 형성된다. 이에 따라, 마찰 시에 마찰 대전층(130)은 (-)로, 상부 전극층(140)은 (+)로 대전된다.

본 발명의 실시예에서 마찰 대전층(130)은 PDMS(polydimethylsiloxane), PTFE(polytetrafluoroethylene), PMMA(polymethylmethacrylate), PI(polyimide) 중 적어도 하나의 재질을 포함하여 형성될 수 있다. 이러한 마찰 대전층(130)은 10 내지 18 ㎛의 두께를 가지며, 바람직하게는 13 ㎛의 두께를 가질 수 있다.

상부 전극층(140)은 외력에 의해 수직 하강되어 상부 전극층(140)과 접촉 가능하며 접촉 후 다시 상승되어 이격 가능하다. 여기서 외력은 30N이고, 상부 전극층(140)의 수직 이동거리는 4cm 이며, 마찰 발전 환경의 온도는 23.5℃, 습도는 13%인 것이 바람직하다.

도 2는 도 1에 도시된 마찰 전기 디바이스의 구동 원리를 나타낸 도면이다.

도 2에 도시된 것과 같이, 본 실시예는 마찰 대전층(130)과 상부 전극층(140)이 외력에 의해 접촉된 후 다시 이격됨에 따라 마찰 전기가 발생한다. 즉, 마찰 대전층(130)과 상부 전극층(140)이 붙고 떨어지는 과정에서 양쪽 전극에서 전위 차에 의한 전기가 생산된다.

구체적으로, 마찰 대전층(130)과 상부 전극층(140)의 접촉에 따라 상부 전극층(140)의 전하가 마찰 대전층(130)으로 이동하여 마찰 대전층(130)은 (-)로, 상부 전극층(140)은 (+)로 대전된다. 예를 들어 마찰 대전층(130)을 PDMS로 구성하고 상부 전극층(140)을 ITO로 구성할 경우, 마찰 시 대전열에 의해 마찰 대전층(130)은 (-)로, 상부 전극층(140)은 (+)로 각각 대전될 수 있다.

그리고, 도 2에 도시된 것처럼, 마찰 대전층(130) 하부에는 강유전층(120)이 배치되어 있으며, 강유전층(120)의 상부 표면에는 양전하들이 분극되어 있다. 따라서, 마찰 대전층(130)에 대전된 음전하들은 강유전층(120)의 양전하들의 인력에 의해 사라지지 않고 유지될 수 있다.

또한 이에 따르면 마찰 대전층(130)이 상부 전극층(140)과 접촉이 떨어진 상태에서도 기존보다 음전하를 더욱 긴 시간 유지할 수 있게 되므로 낮은 접촉 횟수로도 효과적인 전기 생산이 가능할 뿐만 아니라, 접촉 횟수를 획기적으로 줄일 수 있어 디바이스의 마모도를 줄이고 내구성을 향상시킨다.

도 3은 본 발명의 실시예에서 강유전체 삽입 전후의 전류 세기를 비교한 도면이다. 도 3의 (a)는 강유전체를 삽입하지 않은 경우이고, (b)는 본 발명의 실시예와 같이 강유전체를 삽입한 경우를 나타낸다.

도 3의 그래프는 마찰 전기 디바이스에서 관측되는 전류 그래프로서, 전류 값이 양과 음을 반복하여 측정된다. 이러한 패턴은 마찰 대전층(130)과 상부 전극층(140)이 서로 근접해졌다 멀어질 때 전류 방향이 전환되는 것과 관계한다. 도 3의 결과로부터, 강유전체의 삽입 시에는 강유전체가 삽입되지 않은 경우보다 마찰 대전층(130) 위에 더 많은 음전하가 유도됨을 알 수 있다.

도 3에서 전극층 사이에 연결된 전류계의 경우 전류 지침이 초기의 수직 상태보다 많이 기울어질수록 전류 세기가 큰 것을 의미한다. 물론 전류 세기가 크다는 것은 전기 생산력이 더욱 큰 것을 나타낸다. 두 가지 경우를 비교하여 볼 때, 강유전층(120)을 삽입한 (b)의 경우는 그렇지 않은 (a)보다 전류 세기가 증대된 것을 확인할 수 있다.

도 4는 본 발명의 실시예에서 강유전체 삽입 전후에 마찰 대전층에 유도되는 전하량을 비교한 도면이다. 도 4의 (a)는 강유전체를 삽입하지 않은 경우이고, (b)는 본 발명의 실시예와 같이 강유전체를 삽입한 경우이다.

도 4의 결과로부터, 강유전체가 없는 (a)의 경우 전류 세기가 약 3μA로 측정된 반면, 강유전체를 삽입한 (b)의 경우 12μA로 측정되었으며, 강유전체의 삽입 시에 전류 세기가 크게 증가한 것을 알 수 있다.

도 3 및 도 4의 결과와 같이, 강유전층(120)의 양전하에 따라, 대전층과 전극층의 마찰 시에 마찰 대전층(130)으로 음전하를 더 빨리 그리고, 더 많이 유도될 수 있으며, 강유전체를 삽입할 경우 그렇지 않은 경우보다 단시간에 더욱 많은 전기를 생산할 수 있고 발전 효율을 높일 수 있음을 확인할 수 있다.

도 5는 본 발명의 실시예에서 강유전체 삽입 전후의 전압 및 전류의 크기를 비교한 도면이다. 파란 색 그래프는 강유전체를 삽입하지 않은 경우이고, 붉은 색 그래프는 강유전체를 삽입한 경우를 나타낸다. 왼쪽 데이터는 마찰 대전층(130)과 상부 전극층(140) 간의 접촉과 멀어짐을 1시간 동안 지속적으로 반복한 경우를 나타내고, 우측 데이터는 이후 접촉을 중단한 경우를 나타낸다.

도 5의 결과에서, 강유전체 물질을 삽입한 경우 약 15분이 지난 후에 전압 값이 최대치에 도달하고 약 30분이 지난 후에 전류 값이 최대치에 도달하는 반면, 강유전체 물질을 삽입하지 않은 경우는 약 50분 정도의 긴 시간이 필요하다는 것을 확인할 수 있다.

또한, 접촉을 멈추었을 경우는 강유전체가 삽입된 디바이스에서 훨씬 더 오랫동안 전하가 유지됨을 확인할 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예의 경우 접촉 해제 시에도 기존보다 음전하를 더욱 긴 시간 유지할 수 있으므로 기존보다 접촉 횟수를 줄일 수 있고 나아가 디바이스의 내구성을 증가시킬 수 있다.

도 6은 본 발명의 실시예에서 강유전체 물질의 삽입 전후에 전극과 폴리머 사이의 거리에 따라 발생하는 전류의 세기를 비교한 도면이다. 여기서 전극과 폴리머는 상부 전극층(140) 및 마찰 대전층(130)을 각각 나타낸다.

상부 도면은 강유전체를 삽입하지 않은 경우이고, 하부 도면은 강유전체를 삽입한 경우의 결과를 나타낸다. 그래프의 가로축은 시간, 세로축은 전류 값을 나타내는데, z 값을 변경하면서 전류 값의 변화를 관찰한 것이다.

이러한 도 6은 각각의 z 값을 이용하여, 상부 전극층(140)을 z값 만큼 이동시킨 후 다시 z=0으로 복귀하는 동작을 반복했을 때의 전류 측정 결과를 나타낸다. 두 경우에 대한 전류 값의 스케일은 상이하다. 이는 강유전체 삽입 시에 동일한 조건에서 전류 값이 훨씬 크게 측정되기 때문이다.

도 6에서 z는 상부 전극층(140)이 원래 위치(z=0)에서 아래로 내려온 거리를 의미한다. 상부 전극층(140)과 마찰 대전층(130) 간의 거리가 4cm 이므로, 내려온 길이(z)가 4cm일 때는 상부 전극층(140)과 마찰 대전층(130)이 닿는 경우이고, 4 cm 이하일 때는 닿지 않는 경우를 나타낸다.

z 값이 작아 질수록 전류의 세기가 줄어드는데, 이는 마찰 발전 디바이스에서 일반적으로 나타나는 현상이다. 강유전체 물질을 삽입한 경우, z 값이 작은 경우에 더 많은 전류의 피크를 볼 수 있는데, 이는 전극이 폴리머에 직접 닿지 않고 가까이 다가간 경우에도 전류가 흐를 수 있음을 나타낸다.

도 7은 본 발명의 실시예에서 마찰 대전층의 두께에 따른 전류 값의 크기를 비교한 결과이다. 도 7은 마찰 대전층으로 PDMS 재질을 사용한 것이며, PDMS의 두께에 따라 출력 전류의 크기가 확연히 변하는 것을 알 수 있다. 특히, PDMS 두께가 10 내지 18 ㎛ 일때 성능이 우수한 편이며 그 중에서 최대 전류 피크를 나타낸 13 ㎛가 최적 두께임을 알 수 있다.

이상과 같이 본 발명에 따른 강유전체를 이용한 마찰 전기 디바이스에 따르면, 강유전체 물질을 이용하여 마찰 전기 디바이스의 마모 정도를 획기적으로 줄여 디바이스의 내구성은 물론 발전 효율을 증대시킬 수 있는 이점이 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 전극층과의 접촉에 의해 마찰 대전층에 유도된 음전하가 강유전체의 양전하에 의해 사라지지 않고 고정될 수 있고 접촉이 떨어진 경우에도 마찰 대전층의 음전하를 상당량 유지시킬 수 있으므로 접촉 횟수를 획기적으로 줄일 수 있는 동시에 디바이스의 내구성을 증대시킬 수 있다.

또한, 마찰 대전층과 전극층 간의 접촉 과정에서, 강유전체의 양전하에 의해 마찰 대전층으로 음전하가 더 빨리 그리고 더 많이 유도될 수 있어, 빠른 시간에 더욱 큰 전류를 출력할 수 있어 발전 효율을 높일 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

100: 마찰 전기 디바이스 110: 하부 전극층
120: 강유전층 130: 마찰 대전층
140: 상부 전극층

Claims (5)

1. 하부 전극층;
   상기 하부 전극층의 상부에 배치되며 강유전체 재질로 형성되는 강유전층;
   상기 강유전층의 상부에 배치되는 마찰 대전층; 및
   상기 마찰 대전층의 상부에 이격 배치되는 상부 전극층을 포함하며,
   상기 마찰 대전층과 상기 상부 전극층이 외력에 의해 접촉된 후 이격됨에 따라 마찰 전기가 발생되는 강유전체를 이용한 마찰 전기 디바이스.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 접촉에 따라 상기 상부 전극층의 전하가 상기 마찰 대전층으로 이동하여 상기 마찰 대전층은 (-)로, 상기 상부 전극층은 (+)로 대전되며,
   상기 강유전층은,
   양전하 및 음전하가 각각 상부 및 하부 위치에 분극된 구조를 가지는 강유전체를 이용한 마찰 전기 디바이스.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 마찰 대전층은 PDMS, PTFE, PMMA, PI 중 적어도 하나의 재질을 포함하여 형성되고, 상기 강유전층은 PVDF 또는 P(VDF-TrFE) 재질을 포함하여 형성되는 강유전체를 이용한 마찰 전기 디바이스.
4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 마찰 대전층은 10 내지 18 ㎛의 두께를 가지는 강유전체를 이용한 마찰 전기 디바이스.
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 마찰 대전층은 13 ㎛의 두께를 가지는 강유전체를 이용한 마찰 전기 디바이스.

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