KR20180074888A - 접촉 대전 발전기 및 그 제조 방법 - Google Patents

접촉 대전 발전기 및 그 제조 방법 Download PDF

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최양규
김대원
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한국과학기술원
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    • H02N1/04—Friction generators

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Abstract

본 발명에 따르면, 접촉 대전 발전기에 있어서, 솔루션-디핑 공정을 이용하여 만든 전극을 접촉 대전 발전기의 전극으로 사용함으로써, 기판의 모폴로지를 잘 구현하여 접촉 대전 발전기의 제작과 동작을 용이하도록 하고, 한쪽면에 형성된 폴리머와 다른 한쪽 면에 형성된 전극이 두면을 연결하는 탄성체의 압축과 팽창을 통해 접촉과 분리를 반복하는 과정에서 마찰에 의해 발생하는 정전기적 전하를 기반으로 발전을 수행함으로써 고출력 발전이 가능하도록 한다.

Description

접촉 대전 발전기 및 그 제조 방법{TRIBOELECTRIC GENERATOR AND METHOD FOR MANUFACTURING THE GENERATOR}
본 발명은 접촉 대전 발전기에 관한 것으로, 특히 솔루션-디핑 공정(solution-dipping process)을 이용하여 만든 전극을 접촉 대전 발전기의 전극으로 사용함으로써, 기판의 모폴로지(morphology)를 잘 구현하여 접촉 대전 발전기의 제작과 동작을 용이하도록 하고, 한쪽면에 형성된 폴리머와 다른 한쪽 면에 형성된 전극이 두면을 연결하는 탄성체의 압축과 팽창을 통해 접촉과 분리를 반복하는 과정에서 마찰에 의해 발생하는 정전기적 전하를 기반으로 발전하는 접촉 대전 발전기 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 접촉 대전 방식의 발전은 서로 다른 두 가지 물질이 접촉할 때 발생하는 정전기적 전하발생에 기반을 둔다.
위와 같은 접촉 대전 방식의 발전 동작을 살펴보면, 두 물질의 접촉 시 한쪽은 양으로 다른 쪽은 음으로 유도되는 정전기적 전하에 의해 각각의 물질에 연결된 전극 사이에 전위 차이가 생기고, 이러한 전위차가 전극 간 전자의 흐름을 만들어 전류가 흐르게 되며, 접촉과 분리를 반복할 시 이와 같은 전기적 유도 현상에 의해 반복적인 전기적 신호를 얻을 수 있다.
따라서, 위와 같이 기본적인 접촉, 분리를 이용하는 접촉 대전 발전기의 경우 접촉과 분리가 생기게 하는 역학적 움직임(Mechanical motion)이 필요한데, 이러한 역학적 움직임을 제공하는 원동력으로서 일반적으로 바람, 진동, 스프링의 탄성, 사람 몸의 움직임 등 다양한 것들이 이용될 수 있다.
또한, 접촉대전발전기의 동작에 있어서는 하나 혹은 두 개의 전극이 필수적이며, 이에 따라, 전극 제작 과정에서의 여러 특성이 접촉 대전 발전기의 제작 및 동작을 유리하게 할 경우, 여러 이점을 기대할 수 있다.
(특허문헌)
대한민국 공개특허번호 10-2011-0132758호(공개일자 2011년 12월 09일)
따라서, 본 발명에서는 솔루션-디핑 공정을 이용하여 만든 전극을 접촉 대전 발전기의 전극으로 사용함으로써, 기판의 모폴로지를 잘 구현하여 접촉 대전 발전기의 제작과 동작을 용이하도록 하고, 한쪽면에 형성된 폴리머와 다른 한쪽 면에 형성된 전극이 두면을 연결하는 탄성체의 압축과 팽창을 통해 접촉과 분리를 반복하는 과정에서 마찰에 의해 발생하는 정전기적 전하를 기반으로 발전하는 접촉 대전 발전기 및 그 제조 방법을 제공하고자 한다.
상술한 본 발명은 접촉 대전 발전기로서, 탄성체의 일단을 부착하는 제1 연결홈이 형성된 제1 지지부와, 상기 제1 지지부의 상부에 형성된 제1 기판과, 상기 제1 기판의 상부에 형성된 제1 전극과, 상기 제1 전극의 상부에 형성된 폴리머층과, 상기 탄성체의 타단을 부착하는 제2 연결홈이 형성된 제2 지지부와, 상기 제2 지지부의 상부에 형성된 제2 기판과, 상기 제2 기판의 상부에 형성된 제2 전극과, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극을 연결하는 배선을 포함하며, 상기 탄성체는 상기 제1 및 제2 연결홈에 결합되어 상기 제1 지지부와 상기 제2 지지부를 서로 대향하는 방향으로 연결하며, 상기 폴리머층과 상기 제2 전극간 이격 거리가 소정 거리가 되도록 지지하고, 외부의 물리적 에너지에 의해 상기 폴리머층이 상기 제2 전극과 접촉되거나 분리되는 과정에서 접촉 대전이 발생하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 폴리머층과 상기 제2 전극간 접촉 또는 분리에 의해 상기 접촉 대전이 발생하는 경우 상기 제1 전극과 상기 제2 전극간 비대칭적인 전위차가 생성되어 유도 전류가 생성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 외부의 물리적 에너지가 인가되면 상기 폴리머층과 상기 제2 전극간 상기 이격 거리가 상기 소정 거리보다 작아지고, 상기 물리적 에너지가 제거되면 상기 폴리머층과 상기 제2 전극간 상기 이격거리가 상기 탄성체의 탄성력에 의해 다시 상기 소정 거리로 복원되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제2 전극은, 솔루션 디핑 공정(solution-dipping process)으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 외부의 물리적 에너지는, 상기 제1 지지부 또는 상기 제2 지지부로 가해지는 압력 또는 진동인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 폴리머층은, PTFE(Polytetrafluoroethylene), PDMS(Polydimethylsiloxane), PI(Polyimide), 또는 PET(Polyethyleneterephthalate) 중 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은, 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al), 크롬(Cr) 또는 니켈(Ni) 중 어느 하나의 금속으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제2 기판은, 상기 솔루션 디핑 공정이 수행될 수 있는 기판인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 탄성체는, 스프링인 것을 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 접촉 대전 발전기의 제조 방법으로서, 탄성체를 부착할 수 있는 연결홈을 각각 가지는 제1 지지부와 제2 지지부를 제공하는 단계와, 상기 제1 지지부의 상부에 제1 기판을 형성하는 단계와, 상기 제1 기판의 상부에 폴리머층을 형성하는 단계와, 상기 제2 지지부의 상부에 제2 기판을 형성하는 단계와, 상기 제2 기판의 상부에 제2 전극을 형성하는 단계와, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극을 연결하는 배선을 형성하는 단계와, 상기 제1 지지부와 상기 제2 지지부를 서로 대향되는 방향으로 연결하며, 상기 폴리머층과 상기 제2 전극간 이격 거리가 소정 거리가 되도록 지지하는 상기 탄성체를 상기 연결홈에 결합시키는 단계를 포함한다.
또한, 상기 제2 전극은, 솔루션 디핑 공정으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 접촉 대전 발전기에 있어서, 한쪽면에 형성된 폴리머와 다른 한쪽 면에 형성된 전극이 두면을 연결하는 탄성체의 압축과 팽창을 통해 접촉과 분리를 반복하는 과정에서 마찰에 의해 발생하는 정전기적 전하를 기반으로 발전을 수행함으로써 고출력 발전이 가능한 이점이 있다.
또한, 접촉 대전 발전기에 있어서, 솔루션-디핑 공정을 이용하여 전극을 제작하는 경우, 기판의 크기(size), 구부러진 정도(flexibility), 새겨진 무늬(patterned structure) 등에 관계없이 기판상 균일한 전극 형성이 가능함으로써, 접촉 대전 발전기의 제작에 있어 제한이 적은 이점이 있다.
또한 솔루션-디핑 공정을 통해 기판상 전극을 끊김없이 얇게 형성시키는 것이 가능하여, 전극의 불연속에 의한 전기적 출력의 감소가 발생하지 않으며, 또 얇은 전극 형성으로 인해 기판 표면의 모폴로지를 보존함으로서 전기적 출력(electrical output)을 증대시킬 수 있는 이점이 있다.
또한, 전극과 기판 사이의 응집력이 강하여, 접촉대전발전기의 반복되는 접촉 및 분리 과정 후에도 출력에 변화를 거의 주지 않으며, 역학적 변형에 대한 내구성이 강하여 전기적, 역학적 성질에 변화를 주지 않음으로써 접촉대전발전기의 내구성을 강화시킬 수 있는 이점이 있다. 또한, 대량생산이 가능하고, 실온에서도 전극의 형성이 가능하여 접촉대전발전기의 제작이 용이하게 되는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 접촉 대전 발전기의 전극을 솔루션 디핑 공정을 통해 제작하는 공정 순서도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 접촉 대전 발전기의 단면도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 접촉 대전 발전기의 평면도.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 실시예에 따른 접촉 대전 발전기에서 유도 전류가 생성되는 동작 개념도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 동작 원리를 상세히 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 접촉 대전 발전기의 전극을 솔루션 디핑 공정을 통해 제작하는 공정 순서도를 도시한 것이다.
이하, 위 도 1을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 솔루션 디핑 공정을 통한 전극 제작 방법에 대해 보다 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 솔루션-디핑 공정(Solution-Dipping Process)은 임의의 기판 위에 전극으로 사용될 수 있는 알루미늄(Al) 등을 코팅할 수 있도록 하는 공정으로, 그 과정은 크게 두 가지 단계로 구성될 수 있다.
첫 번째로, 도 1의 (a)에서 보여지는 바와 같이, 기판(100)에 Ti(O-i-Pr)4 등의 촉매 물질을 이용하여 촉매 처리(catalytic treatment)를 한다.
이어, 도 1의 (b)에서 보여지는 바와 같이, 촉매 처리 된 기판(100)을 알루미늄 전구체(Aluminum precursor)인 AlH3O(C4H9)2 용액(102)에 담금으로써 기판(100)상 알루미늄을 코팅하여 전극을 제작한다.
이러한 솔루션-디핑 공정은 큰 면적의 기판, 다양한 모양의 기판, 무늬가 새겨진 기판, 표면이 매끈하지 않은 기판 등 모든 기판에 적용이 가능하며, 또한 단단한 표면이나 구부러지는(flexible) 표면에도 모두 사용될 수 있다는 장점이 있다.
또한, 위와 같은 솔루션-디핑 공정을 이용하는 경우, 전극이 형성된 기판의 대량 생산이 가능하고, 촉매를 사용하므로 실온 및 항압에서도 행해질 수 있으며, 코팅 후 역학적 변형이 가해져도 내구성(durability)이 강해 전기적, 역학적 성질을 잃지 않는다. 또한, 솔루션 디핑 공정에서는 진공 장비를 사용하지 않아도 되어 제조 원가를 절감시킬 수 있다.
따라서, 접촉 대전 발전기의 전극 제작에 솔루션-디핑 공정을 이용할 경우, 접촉 대전 발전기의 제작 및 동작에 여러 이점을 얻을 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 접촉 대전 발전기의 단면도를 도시한 것이다.
도 2을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 접촉 대전 발전기는 제1 지지부(200), 제1 기판(202), 제1 전극(204), 폴리머층(206), 제2 기판(252), 제2 전극(254), 제2 지지부(250), 탄성체(208) 등을 포함할 수 있다.
제1 지지부(200)는 제1 기판(202)을 지지한다. 이러한 제1 지지부(200)는 일정 면적과 두께를 가지는 사각형 형태의 판 형상으로 제작될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 제1 지지부(200)는 스프링(spring) 등의 탄성체(208)를 통해 제2 지지부(250)와 서로 대향되는 방향으로 연결될 수 있으며, 도 3에서 보여지는 바와 같이 탄성체(208)를 부착할 수 있는 연결홈(230) 등이 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
제1 기판(202)은 제1 전극(204)과, 제1 전극(204)의 상부에 형성되는 폴리머층(206)을 지지한다. 또한, 제1 기판(202)은 탄성체(208)를 부착할 수 있는 연결홈(230)이 형성되는 제1 지지부(200)에 연결되어 형성된다.
제1 전극(204)은 제1 기판(202)의 상부면에 형성될 수 있으며, 높은 전도도를 가지는 금속, 산화물 또는 높은 농도로 도핑된 반도체 등을 사용하는 것이 바람직하다. 이때, 이러한 제1 전극(204)은 예를들어 금(Au), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 크롬(Cr) 또는 니켈(Ni) 등의 금속으로 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
폴리머층(206)은 제2 전극(254)과의 접촉 또는 분리를 통해 접촉 대전을 발생시키는 소자로서, 제2 전극(254)과의 접촉 대전 현상에 의해 보다 많은 양의 음전하를 유도할 수 있도록 대전열에서 최하위에 위치하는 물질을 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 물질은 예를들어 Polytetrafluoroethylene(PTFE), Polydimethylsiloxane(PDMS), Polyimide(PI), 또는 Polyethyleneterephthalate(PET) 등과 같은 물질이 될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
제2 지지부(250)는 제2 기판(252)을 지지한다. 이러한 제2 지지부(250)는 일정 면적과 두께를 가지는 사각형 형태의 판 형상으로 제작될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 제2 지지부(250)는 스프링 등의 탄성체(208)를 통해 제1 지지부(200)와 서로 대향되는 방향으로 연결될 수 있으며, 도 3에서 보여지는 바와 같이 탄성체(208)를 부착할 수 있는 연결홈(230) 등이 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
제2 기판(252)은 제2 기판(252)의 상부에 형성되는 제2 전극(254)을 지지한다. 또한, 본 발명에 따른 실시예에서는 솔루션 디핑 공정을 통해 제2 기판(252)의 상부에 제2 전극(254)을 형성함에 따라, 이러한 제2 기판(252)으로서 면적이 상대적으로 큰 크기의 기판, 기판의 표면이 평평하지 않은 기판, 다양한 모양의 기판, 다양한 무늬가 새겨진 기판, 서피스 모폴로지(surface morphology)를 갖는 기판 등 다양한 형태의 기판을 모두 사용 가능하게 된다.
제2 전극(254)은 제2 기판(252)의 상부면에 형성될 수 있으며, 높은 전도도를 가지는 금속, 산화물 또는 높은 농도로 도핑된 반도체 등을 사용하는 것이 바람직하다. 이때, 이러한 제2 전극(254)은 예를들어 금(Au), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 크롬(Cr) 또는 니켈(Ni) 등의 금속으로 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 이러한 제2 전극(254)은 솔루션 디핑 공정을 통해 제2 기판(252)의 상부에 형성될 수 있다.
이때, 솔루션 디핑 공정을 통한 제2 전극(254)의 형성에 있어서, 위 도 1에서 설명한 바와 같이, 먼저, 제2 기판(252)에 Ti(O-i-Pr)4 의 촉매 처리(catalytic treatment)를 한 후, 촉매 처리 된 제2 기판(252)을 알루미늄 전구체(Aluminum precursor)인 AlH3O(C4H9)2 용액에 담금으로써 제2 기판(252)에 알루미늄이 코팅된 제2 전극(254)을 형성할 수 있다. 이때, 본 발명의 실시예에서는 제2 전극(254)을 형성하는 물질로 알루미늄을 예로 들어 설명하였으나, 이에 한정되지는 않는다.
또한, 종래 진공 증착 공정에서는 제2 기판(252)상 제2 전극(254)을 얇게 형성시키는 경우 제2 전극(254)이 제2 기판(252)의 형상에 따라 제2 기판(252)상 불연속되게 형성되는 문제점이 있었으나, 본 발명의 실시예에서는 제2 전극(254)을 솔루션 디핑 공정으로 형성함에 따라 제2 전극(254)을 얇은 박막으로 형성시키는 경우에도 제2 기판(252)의 형상과 관계없이 제2 전극(254)이 끊김 없이 형성될 수 있다.
한편, 위 설명에서는 제2 전극(254)이 솔루션 디핑으로 형성되는 것을 설명하였으나, 제1 전극(204)을 솔루션 디핑 공정으로 형성하는 것도 가능하다. 또한, 제1 전극(204)과 제2 전극(254)을 솔루션 디핑 공정으로 형성하는 경우 제1 전극(204)과 제2 전극(254)을 지지하는 제1 기판(202)과 제2 기판(252)은 솔루션 디핑 공정이 가능한 기판으로 형성될 수 있으며, 이러한 기판은 예를 들어 PET, PES, 종이 등이 될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
탄성체(208)는 제1 지지부(200)와 제2 지지부(250)의 사이에 설치되며, 진동, 충격, 압력 등의 외부의 물리적 에너지에 의해 압축과 팽창 등의 동작을 수행한다. 즉, 탄성체(208)는 외부의 물리적 에너지가 있는 경우 압축되어 폴리머층(206)과 제2 전극(254)이 접촉되어 접촉 대전이 발생하도록 하며, 외부의 물리적 에너지가 제거되는 경우 제1 지지부(200)와 제2 지지부(250)의 위치를 원래의 위치로 복원시켜 폴리머층(206)과 제2 전극(254)이 분리되도록 한다. 이러한 탄성체(208)는 외부의 물리적 에너지에 의한 압축 후 원상태로 복원할 수 있도록 충분한 복원력을 제공하도록 설계되는 것이 바람직하며, 또한, 이러한 탄성체(208)는 스프링 등이 될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 탄성체(208)는 연결홈(230)에 결합되어 제1 지지부(200)와 제2 지지부(250)를 서로 대향되는 방향으로 연결하며, 폴리머층(206)과 제2 전극(254)간 이격 거리가 소정 거리가 되도록 지지한다. 이러한 탄성체(208)는 외부의 물리적 에너지가 인가되면 압축되어 폴리머층(206)과 제2 전극(254)간 이격 거리가 소정 거리보다 작아지도록 하며, 외부의 물리적 에너지가 제거되면 탄성체(208)의 탄성력에 의해 폴리머층(206)과 제2 전극(254)간 이격 거리가 다시 소정 거리로 복원되도록 할 수 있다.
배선(210)은 제1 전극(204)과 제2 전극(254)을 전기적으로 연결하며, 제1 전극(204)과 제2 전극(254)간 전기적 평형상태의 불균형에 따른 전하의 이동이 가능하도록 한다. 이러한 배선(210)에는 저항(R)(212)이 연결될 수 있다.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 접촉 대전 발전기에서는 제1 지지부(200) 또는 제2 지지부(250)의 수직방향으로 외부의 물리적 에너지가 가해지는 경우, 그에 따른 탄성체(208)의 압축과 팽창으로 제1 지지부(200)의 폴리머층(206)과 제2 지지부(250)의 제2 전극(254)간 접촉과 분리가 반복적으로 발생하여 접촉 대전 발생하게 되며, 이러한 접촉 대전에 따라 폴리머층(206)과 제2 전극(254)간 전기적 평형이 깨지는 경우 새로운 평형 상태를 이루기 위해 제1 전극(204)과 제2 전극(254)간 연결된 배선(210)을 통해 전하가 이동하면서 유도 전류가 생성된다.
이하에서는 위와 같은 접촉 대전 발전기의 제작 과정을 자세히 설명하기로 한다.
먼저, 스프링 등의 탄성체(208)를 부착할 수 있는 연결홈(230)을 가지는 제1 지지부(200)와 제2 지지부(250)를 제작한다. 이러한 제1 지지부(200)와 제2 지지부(250)는 일정 면적과 두께를 가지는 사각형 형태의 판 형상으로 제작될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
다음으로, 제1 지지부(200)의 상부에 제1 기판(202)을 형성하고, 제1 기판(202)의 상부에 제1 전극(204)을 형성한다. 이어, 제1 전극(204)의 상부에 폴리머층(206)을 형성시킨다.
다음으로, 제2 지지부(250)의 상부에 제2 기판(252)을 형성시키고, 제2 기판(252)의 상부에 솔루션 디핑 공정을 통해 제2 전극(254)을 형성시킨다. 이때, 본 발명에서는 솔루션 디핑 공정을 통해 제2 기판(252)의 상부에 제2 전극(254)을 형성함에 따라, 이러한 제2 기판(252)은 면적이 상대적으로 큰 크기의 기판, 기판의 표면이 평평하지 않은 기판, 다양한 모양의 기판, 다양한 무늬가 새겨진 기판, 서피스 모폴로지(surface morphology)를 갖는 기판 등 다양한 형태의 기판이 모두 사용 가능하게 된다.
또한, 제2 전극(254)은 솔루션 디핑 공정을 통해 제2 기판(252)의 상부에 형성될 수 있다.
이때, 솔루션 디핑 공정을 통한 제2 전극(254)의 형성에 있어서, 위 도 1에서 설명한 바와 같이, 제2 기판(252)에 Ti(O-i-Pr)4의 촉매 처리(catalytic treatment)를 한 후, 촉매 처리 된 제2 기판(252)을 알루미늄 전구체(Aluminum precursor)인 AlH3O(C4H9)2 용액(102)에 담금으로써 제2 기판(252)상 알루미늄이 코팅된 제2 전극(254)을 형성할 수 있다.
이어, 제1 지지부(200)와 제2 지지부(250)에 형성되는 연결홈(230)에 스프링 등의 탄성체(208)를 부착하여 제1 지지부(200)와 제2 지지부(250)를 서로 대향되는 방향으로 연결시킨 후, 제1 전극(204)과 제2 전극(254)간 배선(210)을 연결시켜 접촉 대전 발전기를 완성시킬 수 있게 된다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 실시예에 따른 접촉 대전 발전기에서 유도 전류가 생성되는 동작 개념을 도시한 것이다.
이하, 도 4a 내지 도 4c를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 접촉 대전 발전기에서 외부의 물리적 압력 등과 같은 물리적 에너지가 가해질 때 유도 전류가 생성되는 동작을 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 도 4a에서 보여지는 바와 같이 외부로부터 물리적 압력이 제1 지지부(200)의 상부에 가해져 제1 지지부(200)의 폴리머층(206)이 제2 지지부(250)의 제2 전극(254)과 접촉하게 되면, 제2 전극(254)과 폴리머층(206)의 대전열 차이에 의한 접촉 대전 현상이 발생하여 제2 전극(254)은 양전하로 대전되고, 폴리머층(206)은 음전하로 대전된다.
이때, 도 4b에서 보여지는 바와 같이 외부의 물리적 압력이 없어지는 경우 스프링 등의 탄성체(208)의 탄성력으로 인해 제1 전극(204) 및 폴리머층(206)을 포함한 제1 기판(202)이 제2 전극(254)과 분리되어 멀어지게 된다. 이런 경우에, 폴리머층(206)의 음전하가 스크리닝하고 있던 제2 전극(254)의 양전하의 양이 줄어들게 된다. 이로 인해 제2 전극(254)과 제1 전극(204)간 전위차가 발생하게 되고 평형상태를 이루기 위해 제1 전극(204)에서 제2 전극(254)으로 전자가 이동하면서 유도 전류가 생성된다.
다음으로, 도 4c에서 보여지는 바와 같이 외부의 물리적 압력이 다시 가해져 제2 전극(254)과 폴리머층(206) 사이의 거리가 가까워지면, 제2 전극(254)의 양전하의 양이 늘어나게 된다. 이로 인해 다시 제2 전극(254)과 제1 전극(204)간 전위차가 발생하게 되고 평형상태를 이루기 위해 제2 전극(254)에서 제1 전극(204)으로 전자가 이동하면서 유도 전류가 생성된다.
이러한 반복적인 외부의 물리적 압력에 의한 움직임에 따라 제2 전극(254)과 폴리머층(206)의 접촉/분리가 발생되고, 이러한 접촉/분리에 따른 제1 전극(204)과 제2 전극(254)간 전위차로 인해 제2 전극(254)과 제1 전극(204)간 전자의 흐름이 유도되면서 접촉 대전 발전에 의한 지속적인 전력의 생산이 가능하다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 접촉 대전 발전기에 있어서, 솔루션-디핑 공정을 이용하여 만든 전극을 접촉 대전 발전기의 전극으로 사용함으로써, 기판의 모폴로지를 잘 구현하여 접촉 대전 발전기의 제작과 동작을 용이하도록 하고, 한쪽면에 형성된 폴리머와 다른 한쪽 면에 형성된 전극이 두면을 연결하는 탄성체의 압축과 팽창을 통해 접촉과 분리를 반복하는 과정에서 마찰에 의해 발생하는 정전기적 전하를 기반으로 발전을 수행함으로써 고출력 발전이 가능하도록 한다.
한편 상술한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 여러 가지 변형이 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 실시될 수 있다. 따라서 발명의 범위는 설명된 실시 예에 의하여 정할 것이 아니고 특허청구범위에 의해 정하여져야 한다.
200 : 제1 지지부 202 : 제1 기판
204 : 제2 전극 206 : 폴리머층
208 : 탄성체 210 : 배선
212 : 저항 230 : 연결홈
250 : 제2 지지부 252 : 제2 기판
254 : 제2 전극

Claims (11)

  1. 탄성체의 일단을 부착하는 제1 연결홈이 형성된 제1 지지부와,
    상기 제1 지지부의 상부에 형성된 제1 기판과,
    상기 제1 기판의 상부에 형성된 제1 전극과,
    상기 제1 전극의 상부에 형성된 폴리머층과,
    상기 탄성체의 타단을 부착하는 제2 연결홈이 형성된 제2 지지부와,
    상기 제2 지지부의 상부에 형성된 제2 기판과,
    상기 제2 기판의 상부에 형성된 제2 전극과,
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극을 연결하는 배선을 포함하며,
    상기 탄성체는 상기 제1 및 제2 연결홈에 결합되어 상기 제1 지지부와 상기 제2 지지부를 서로 대향하는 방향으로 연결하며, 상기 폴리머층과 상기 제2 전극간 이격 거리가 소정 거리가 되도록 지지하고,
    외부의 물리적 에너지에 의해 상기 폴리머층이 상기 제2 전극과 접촉되거나 분리되는 과정에서 접촉 대전이 발생하는 접촉 대전 발전기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 폴리머층과 상기 제2 전극간 접촉 또는 분리에 의해 상기 접촉 대전이 발생하는 경우 상기 제1 전극과 상기 제2 전극간 비대칭적인 전위차가 생성되어 유도 전류가 생성되는 접촉 대전 발전기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 외부의 물리적 에너지가 인가되면 상기 폴리머층과 상기 제2 전극간 상기 이격 거리가 상기 소정 거리보다 작아지고, 상기 물리적 에너지가 제거되면 상기 폴리머층과 상기 제2 전극간 상기 이격거리가 상기 탄성체의 탄성력에 의해 다시 상기 소정 거리로 복원되는 접촉 대전 발전기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 전극은, 솔루션 디핑 공정(solution-dipping process)으로 형성되는 접촉 대전 발전기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 외부의 물리적 에너지는, 상기 제1 지지부 또는 상기 제2 지지부로 가해지는 압력 또는 진동인 접촉 대전 발전기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 폴리머층은, PTFE(Polytetrafluoroethylene), PDMS(Polydimethylsiloxane), PI(Polyimide), 또는 PET(Polyethyleneterephthalate) 중 어느 하나로 형성되는 접촉 대전 발전기.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은, 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al), 크롬(Cr) 또는 니켈(Ni) 중 어느 하나의 금속으로 형성되는 접촉 대전 발전기.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 제2 기판은, 상기 솔루션 디핑 공정이 수행될 수 있는 기판인 접촉 대전 발전기.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄성체는, 스프링인 접촉 대전 발전기.
  10. 탄성체를 부착할 수 있는 연결홈을 각각 가지는 제1 지지부와 제2 지지부를 제공하는 단계와,
    상기 제1 지지부의 상부에 제1 기판을 형성하는 단계와,
    상기 제1 기판의 상부에 폴리머층을 형성하는 단계와,
    상기 제2 지지부의 상부에 제2 기판을 형성하는 단계와,
    상기 제2 기판의 상부에 제2 전극을 형성하는 단계와,
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극을 연결하는 배선을 형성하는 단계와,
    상기 제1 지지부와 상기 제2 지지부를 서로 대향되는 방향으로 연결하며, 상기 폴리머층과 상기 제2 전극간 이격 거리가 소정 거리가 되도록 지지하는 상기 탄성체를 상기 연결홈에 결합시키는 단계
    를 포함하는 접촉 대전 발전기의 제조 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제2 전극은, 솔루션 디핑 공정으로 형성되는 접촉 대전 발전기의 제조 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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