KR20190072086A - 스프링을 포함하는 마찰전기 발전 소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 마찰전기 발전 소자를 개시한다. 본 발명의 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자는 1차원 섬유; 및 표면에 제1 마찰 대전층이 형성된 스프링; 을 포함하고, 상기 제1 마찰 대전층이 형성된 스프링의 표면에 상기 1차원 섬유가 권취되고, 상기 제1 마찰 대전층 및 상기 1차원 섬유의 전기음성도 차이에 의해 상기 스프링의 압축 및 복원 과정에서 마찰 전기를 생성하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 스프링을 포함하는 마찰전기 발전 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 탄성체의 진동으로 인해 반복되는 기계적 압력을 이용하여 에너지 수확을 용이하게 할 수 있고, 단위 면적 당 생성되는 에너지의 효율을 극대화 시킬 수 있는 스프링을 포함하는 마찰전기 발전 소자에 관한 것이다.
생활 주변이나 산업현장에서 볼 수 있는 대부분의 물품이나 장치는 전기를 동력원으로 하고 있고, 사회의 고도화에 따라 그 수요가 증가되고 있다. 따라서, 화석에너지를 이용한 화력발전, 핵융합 및 핵분열을 이용한 원자력발전 등 다양한 발전시설에 대한 시설투자가 지속적으로 증가되고 있고, 최근에는 에너지자원의 고갈로 인
해 태양광발전, 풍력발전, 조력발전, 등 다양한 대체 발전시설에 투자와 개발이 활발하게 진행되고 있다.
그러나, 배터리는 한정된 사용시간으로 인해 전원이 방전되면 다시 충전해서 사용하여야 하고, 이동 중에 있거나 야외에서는 충전할 수 없으므로 방전시에는 해당 제품을 사용할 수 없게 된다. 이러한 문제점을 해결하기 위한 방안으로 최근에는 다양한 자가 발전장치가 개발되어 비상시에 필요한 전원을 사용할 수 있도록 하고 있고, 특히, 최근에는 에너지 하베스트(energy harvest)라는 개념으로 일상 생활에서 버려지는 에너지를 회수하는 시스템에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
에너지 하베스트 기술의 한 종류로서, 최근 나노 와이어의 압전 효과를 이용한 기술이 개발되고 있는데, 이는 인간의 발걸음과 같이 반복적으로 전달되는 압력을 전기 에너지로 변환하는 기술로서, 나노 와이어가 압력에 의해 변형되는 과정에서 발생되는 전기를 수집하는 방식으로 구성된다.
그러나, 압전효과를 이용하여 에너지를 수확하는 시스템은 그 출력량이 수 Volts, 수십 nA 정도이다. 이에 비해 상대적으로 비슷한 에너지 수확 원리를 갖는 마찰전기효과를 이용할 경우 압전효과에 비해 102 ~ 103 배 이상의 전압, 전류를 수확 가능하며, 수 mW 이상의 전력을 생성할 수 있다. 따라서, 압전 효과를 이용한 기술 이외에 일상 생활에서는 마찰에 의해 발생하는 전기가 매우 많이 발생하고 있다. 따라서, 최근에는 인간 주변의 움직임으로부터 소량의 전기를 수확하는 방법으로 2개의 다른 물체가 마찰될 때 발생하는 전자를 포획하는 기술이 연구되고 있다.
그러나, 아직까지 마찰 전기를 회수하여 전기 에너지로 변환하는 기술은 매우 초보적인 수준이거나 그 효율이 매우 낮아 널리 사용되지 못하고 있는 실정이다. 특히, 마찰 전기 발생 효율이 높은 물질로서 폴리디메틸실록산(PDMS: polydimethylsiloxane) 물질을 이용한 마찰 전기 발전 소자에 대한 개발이 이루어지고 있는데, 폴리디메틸실록산의 표면에 미세 나노 패턴을 형성하는 등 그 제조 방법이 반도체 공정이 요구될 뿐만 아니라 고가의 제조 장비가 요구되는 등 제조 공정이 복잡하고 어렵다는 문제가 있었다.
Yahya Atwa 외 2, Silver nanowire coated threads for electrically conductive textiles, 2015
본 발명의 실시예들의 목적은 1차원 섬유 및 스프링을 사용하여 단위 면적 당 생성되는 에너지 효율이 향상된 마찰전기 발전 소자를 제조하기 위한 것이다.
본 발명의 실시예들의 목적은 탄성력을 갖는 스프링을 사용하여 탄성체의 진동으로 인한 반복되는 기계적 압력 또는 다양한 형태의 에너지원으로부터 효과적으로 전력을 생산할 수 있는 마찰전기 발전 소자를 제조하기 위한 것이다.
본 발명의 실시예들의 목적은 스프링 표면에 1차원 섬유를 권취시키는 단순한 공정을 이용하여 간단하게 마찰전기 발전 소자를 제조하기 위한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자는 1차원 섬유; 및 표면에 제1 마찰 대전층이 형성된 스프링;을 포함하고, 상기 제1 마찰 대전층이 형성된 스프링의 표면에 상기 1차원 섬유가 권취되고, 상기 제1 마찰 대전층 및 상기 1차원 섬유의 전기음성도 차이에 의해 상기 스프링의 압축 및 복원 과정에서 마찰 전기를 생성한다.
상기 마찰전기 발전 소자는, 상기 제1 마찰 대전층과 상기 제1 마찰 대전층의 표면에 배치된 상기 1차원 섬유 간에 생성되는 제1 마찰 전기 및 상기 제1 마찰 대전층과 상기 제1 마찰 대전층에 이격되어 배치된 상기 1차원 섬유 간에 생성되는 제2 마찰 전기를 생성할 수 있다.
상기 스프링 또는 상기 1차원 섬유의 상부에는 식각 공정 또는 용액 공정에 의해 형성되는 나노 패턴을 포함할 수 있다.
상기 나노 패턴의 형상은 나노와이어(nanowire), 나노 도트(nano dots), 나노 플레이크(nanoflake), 나노 프레임(nanoframe), 나노벽(nanowall), 나노 튜브(nanotube), 나노 로드(nanoroad), 나노 뿔(nanohorn) 및 나노 스피어(nano sphere) 중 적어도 하나인 것을 포함할 수 있다.
상기 나노 패턴의 표면에는 나노 입자가 더 형성될 수 있다.
상기 제1 마찰 대전층은 폴리머층, 도전층, 산화물층 또는 이들의 조합일 수 있다.
상기 폴리머층은 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET; polyethyleneterephthalate), 폴리에스테르(PE; polyester), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE; polytetrafluoroethylene), 폴리디메틸실록산(PDMS; polydimethylsiloxane), 캡톤(Kapton), 폴리이미드(PI; Polyimide), 나일론(nylon), 폴리비닐알코올(PVA; polyvinylalcohol), 폴리이소부틸렌(polyisobutylene), 폴리우레탄 탄성 스펀지, 폴리비닐 부티랄(polyvinyl butyral), 폴리클로로프렌(polychloroprene), 천연고무, 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리디페놀카보네이트(polydiphenolcarbonate), 염화폴리에테르(polyetherchloride), 폴리염화비닐리덴(polyvinylidene chloride), 폴리스티렌(polystylene), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리프로필렌(PP; polypropylene) 및 폴리염화비닐(PVC; polyvinyl chloride) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 도전층은 알루미늄(Al), 스테인리스 스틸(SUS), 니켈(Ni), 구리(Cu), 은(Ag), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 금(Au) 및 탄소(C) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 산화물층은 아연 산화물(ZnO), 티타늄 산화물(TiO2), 알루미늄 산화물(Al2O3) 및 실리콘 산화물(SiO2) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 스프링은 탄소강(carbon steel), 저합금강(low-alloy steel) 및 스프링강(spring steel) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자는 스프링; 및 표면에 제2 마찰 대전층이 형성된 1차원 섬유를 포함하고, 상기 스프링의 표면에 상기 제2 마찰 대전층이 형성된 1차원 섬유가 권취되고, 상기 스프링 및 상기 제2 마찰 대전층의 전기음성도 차이에 의해 상기 스프링의 압축 및 복원 과정에서 마찰 전기를 생성한다.
상기 마찰전기 발전 소자는, 상기 스프링과 상기 스프링의 표면에 배치된 상기 제2 마찰 대전층 간에 생성되는 제1 마찰 전기 및 상기 스프링과 상기 스프링에 이격되어 배치된 상기 제2 마찰 대전층 간에 생성되는 제2 마찰 전기를 생성할 수 있다.
상기 제2 마찰 대전층은 폴리머층, 도전층, 산화물층 또는 이들의 조합일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자는 표면에 제1 마찰 대전층이 형성된 스프링; 및 표면에 제2 마찰 대전층이 형성된 1차원 섬유를 포함하고, 상기 제1 마찰 대전층이 형성된 스프링의 표면에 상기 제2 마찰 대전층이 형성된 1차원 섬유가 권취되고, 상기 제1 마찰 대전층 및 상기 제2 마찰 대전층은 전기음성도 차이에 의해 상기 스프링의 압축 및 복원 과정에서 마찰 전기를 생성한다.
상기 마찰전기 발전 소자는, 상기 제1 마찰 대전층과 상기 제1 마찰 대전층의 표면에 배치된 상기 제2 마찰 대전층 간에 생성되는 제1 마찰 전기 및 상기 제1 마찰 대전층과 상기 제1 마찰 대전층에 이격되어 배치된 상기 제2 마찰 대전층 간에 생성되는 제2 마찰 전기를 생성할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면 1차원 섬유 및 스프링을 사용하여 단위 면적 당 생성되는 에너지 효율이 향상된 마찰전기 발전 소자를 제조할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면 탄성력을 갖는 스프링을 사용하여 탄성체의 진동으로 인한 반복되는 기계적 압력 또는 다양한 형태의 에너지원으로부터 효과적으로 전력을 생산할 수 있는 마찰전기 발전 소자를 제조할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면 스프링 표면에 1차원 섬유를 권취시키는 단순한 공정을 이용하여 간단하게 마찰전기 발전 소자를 제조할 수 있다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자를 도시한 단면도이다.
도 1b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자를 도시한 단면도이다.
도 1c는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자를 도시한 단면도이다.
도 2a는 제1 마찰 대전층으로 폴리머층, 도전층 및 산화물층을 모두 포함하는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자를 도시한 단면도이다.
도 2b는 제2 마찰 대전층으로 폴리머층, 도전층 및 산화물층을 모두 포함하는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자를 도시한 단면도이다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자의 횡단면을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자를 포함하는 마찰 발전 장치를 도시한 입체도이다.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자의 제조 방법을 도시한 입체도이다.
도 6a 내지 도 6d는 표면에 나노패턴이 형성된 1차원 섬유를 도시한 전자주사현미경(SEM) 이미지를 도시한 것이다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 실시예들에 따른 마찰전기 발전 소자를 도시한 실제이미지이다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 실시예들에 따른 마찰전기 발전 소자의 효용성을 확인하기 위한 푸싱 테스터(pushing tester)를 도시한 것이다.
도 9a는 본 발명의 실시예들에 따른 마찰전기 발전 소자의 압축 및 복원 과정의 출력 전압(output voltage)을 도시한 그래프이고, 도 9b는 본 발명의 실시예들에 따른 마찰전기 발전 소자의 압축 및 복원 과정의 출력 전압(output current)을 도시한 그래프이다.
도 1b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자를 도시한 단면도이다.
도 1c는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자를 도시한 단면도이다.
도 2a는 제1 마찰 대전층으로 폴리머층, 도전층 및 산화물층을 모두 포함하는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자를 도시한 단면도이다.
도 2b는 제2 마찰 대전층으로 폴리머층, 도전층 및 산화물층을 모두 포함하는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자를 도시한 단면도이다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자의 횡단면을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자를 포함하는 마찰 발전 장치를 도시한 입체도이다.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자의 제조 방법을 도시한 입체도이다.
도 6a 내지 도 6d는 표면에 나노패턴이 형성된 1차원 섬유를 도시한 전자주사현미경(SEM) 이미지를 도시한 것이다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 실시예들에 따른 마찰전기 발전 소자를 도시한 실제이미지이다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 실시예들에 따른 마찰전기 발전 소자의 효용성을 확인하기 위한 푸싱 테스터(pushing tester)를 도시한 것이다.
도 9a는 본 발명의 실시예들에 따른 마찰전기 발전 소자의 압축 및 복원 과정의 출력 전압(output voltage)을 도시한 그래프이고, 도 9b는 본 발명의 실시예들에 따른 마찰전기 발전 소자의 압축 및 복원 과정의 출력 전압(output current)을 도시한 그래프이다.
이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본 명세서에서 사용되는 "실시예", "예", "측면", "예시" 등은 기술된 임의의 양상(aspect) 또는 설계가 다른 양상 또는 설계들보다 양호하다거나, 이점이 있는 것으로 해석되어야 하는 것은 아니다.
또한, '또는' 이라는 용어는 배타적 논리합 'exclusive or'이기보다는 포함적인 논리합 'inclusive or'를 의미한다. 즉, 달리 언급되지 않는 한 또는 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 'x가 a 또는 b를 이용한다'라는 표현은 포함적인 자연 순열들(natural inclusive permutations) 중 어느 하나를 의미한다.
또한, 본 명세서 및 청구항들에서 사용되는 단수 표현("a" 또는 "an")은, 달리 언급하지 않는 한 또는 단수 형태에 관한 것이라고 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 일반적으로 "하나 이상"을 의미하는 것으로 해석되어야 한다.
아래 설명에서 사용되는 용어는, 연관되는 기술 분야에서 일반적이고 보편적인 것으로 선택되었으나, 기술의 발달 및/또는 변화, 관례, 기술자의 선호 등에 따라 다른 용어가 있을 수 있다. 따라서, 아래 설명에서 사용되는 용어는 기술적 사상을 한정하는 것으로 이해되어서는 안 되며, 실시예들을 설명하기 위한 예시적 용어로 이해되어야 한다.
또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 설명 부분에서 상세한 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 아래 설명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가지는 의미와 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 이해되어야 한다.
한편, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성 요소들은 용어들에 의하여 한정되지 않는다. 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
또한, 막, 층, 영역, 구성 요청 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 할 때, 다른 부분의 바로 위에 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 막, 층, 영역, 구성 요소 등이 개재되어 있는 경우도 포함한다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
한편, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고, 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
이하에서는, 도 1a를 참조하면 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자에 설명하기로 한다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자를 도시한 단면도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자는 1차원 섬유(120) 및 표면에 제1 마찰 대전층(111)이 형성된 스프링(110)을 포함하고, 제1 마찰 대전층(111)이 형성된 스프링(110)의 표면에 1차원 섬유(120)가 권취된다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자는 제1 마찰 대전층(111) 및 1차원 섬유(120)의 전기음성도 차이에 의해 스프링의 압축 및 복원 과정에서 마찰 전기를 생성한다.
제1 마찰 대전층(111) 및 1차원 섬유(120)는 전기음성도가 상이한 물질로 형성될 수 있고, 마찰 전기 시리즈(Triboelectric Series) 상에서 제1 마찰 대전층(111)을 구성하는 물질의 위치는 1차원 섬유(120)를 구성하는 물질의 위치 보다 더 음의 값에 가까이 위치하거나, 더 양의 값에 가까이 위치할 수 있다.
따라서, 제1 마찰 대전층(111) 및 1차원 섬유(120)는 스프링(110)이 압축 및 복원될 때, 제1 마찰 대전층(111) 및 1차원 섬유(120) 중 어느 하나는 양전하(+)로 대전되고, 나머지 하나는 음전하(-)로 대전될 수 있고, 제1 마찰 대전층(111) 및 1차원 섬유(120)을 이루는 물질의 마찰 전기 시리즈 위치에 따라 유도되는 전하의 성질 및 양이 달라질 수 있다.
또한, 1차원 섬유(120) 또는 제1 마찰 대전층(111)은 대전되는 전하양이 크고, 유전률이 높을수록 마찰전기 생산률이 높으므로, 1차원 섬유(120) 또는 제1 마찰 대전층(111)의 표면에 나노 구조를 형성하거나 마찰 전기 시리즈에서 멀리 떨어져 있는 물질을 적용하여 형성될 수 있다.
또한, 1차원 섬유(120) 또는 제1 마찰 대전층(111)을 마찰 전기 시리즈에서 멀리 떨어져 있는 물질을 사용하면, 개방 전압을 향상시킬 수 있다.
바림직하게, 스프링(110) 표면에 형성된 제1 마찰 대전층(111)으로 (polydimethylsiloxane, PDMS)를 사용하고, 1차원 섬유(120)를 사용하면, 제1 마찰 대전층(111)은 상대적으로 음전하를 띄어 전자를 얻는 능력이 비교적 강해지고, 스프링(110)은 상대적으로 양전하를 띄어 전자를 얻는 능력이 비교적으로 약해지게 된다.
따라서, 1차원 섬유(120) 및 제1 마찰 대전층(111)은 마찰 전기 시리즈에서 나열 순서에 차이가 있으므로, 양자가 전자를 얻는 능력에서 차이가 나타나게 되어, 1차원 섬유(120) 및 제1 마찰 대전층(111)이 스프링(110)의 압축 및 복원 과정에 의해 마찰되면 1차원 섬유(120) 및 제1 마찰 대전층(111)의 표면 전하의 평형이 파괴되어 전자는 등전위로부터 전극으로 이동하게 되어 마찰 전기를 생성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자는 제1 마찰 대전층(111)과 제1 마찰 대전층(111)의 표면에 배치된 1차원 섬유(120) 간에 생성되는 제1 마찰 전기(E1) 및 제1 마찰 대전층(111)과 제1 마찰 대전층(111)에 이격되어 배치된 1차원 섬유(120) 간에 생성되는 제2 마찰 전기(E2)를 생성할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자는 제1 마찰 대전층(111)이 형성된 스프링(110)에 1차원 섬유(120)을 권취하여 사용함으로써, 제1 마찰 전기(E1) 및 제2 마찰 전기(E2)를 생성하여 마찰전기 발전 소자의 출력 성능을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자는 스프링(110) 또는 1차원 섬유(120)의 상에 식각 공정(top-down 방식) 또는 용액 공정(bottom-up 방식)을 이용하여 2차원 형태의 박막, 0차원 (Nanodots) 또는 1차원 (Nanowire) 등의 나노 패턴을 형성하여 구조의 다양성을 향상시킬 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자는 표면에 다차원 구조가 형성되어, 표면적을 극대화시킬 수 있고, 표면적이 극대화됨에 따라 수확되는 에너지 양을 극대화시킬 수 있다.
식각 공정으로는 RIE (reactive ion etching) 또는 이온 밀링(Ion milling)이 사용될 수 있으나, 이에 제한되지 않고, 표면 적을 증가시킬 수 있는 식각 기술이라면 모두 사용 가능하다.
용액 공정으로는 성장 방법이 사용될 수 있고, 성장 방법은 물리/화학적 증착(deposition) 또는 용액 공정(solution coating; dip coating 등) 방법을 이용하여, 스프링(110) 또는 1차원 섬유(120) 표면에 시드층(seeding layer)을 형성한 다음, 시드층에 수열합성 방법(hydrothermal process)을 통하여 에너지를 수확하는 나노 패턴을 합성할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자는 나노 패턴 형성 시, 스프링(110) 또는 1차원 섬유(120)의 결정도(crystallinity) 및 접착도(adhesion)를 개선하여 물리적 특성을 향상시키기 위해 열처리 공정을 더 진행할 수 있다.
나노 패턴의 형상은 나노와이어(nanowire), 나노 도트(nano dots), 나노 플레이크(nanoflake), 나노 프레임(nanoframe), 나노벽(nanowall), 나노 튜브(nanotube), 나노 로드(nanoroad), 나노 뿔(nanohorn) 및 나노 스피어(nano sphere) 중 적어도 하나인 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자는 스프링(110) 또는 1차원 섬유(120)의 표면에 나노 패턴을 형성함으로써, 마찰전기 발전 소자의 마찰면적이 증가되어 단락전류 밀도가 향상될 수 있다.
나노 패턴의 표면에는 나노 입자가 더 형성될 수 있고, 나노 패턴의 표면에 형성되는 나노 입자에 의해 표면적을 더욱 증가시킬 수 있다.
나노 입자는 TiO2 및 ZnO 중에서 선택된 어느 하나를 포함할 수 있고, 나노 입자는 드롭 캐스팅 방법으로 형성될 수 있다.
제1 마찰 대전층(111)은 폴리머층, 도전층, 산화물층 또는 이들의 조합일 수 있다.
제1 마찰 대전층(111)으로 폴리머층, 도전층 및 산화물층을 모두 사용하는 기술에 대해서는 도 2a에서 설명하기로 한다.
폴리머층은 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET; polyethyleneterephthalate), 폴리에스테르(PE; polyester), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE; polytetrafluoroethylene), 폴리디메틸실록산(PDMS; polydimethylsiloxane), 캡톤(Kapton), 폴리이미드(PI; Polyimide), 나일론(nylon), 폴리비닐알코올(PVA; polyvinylalcohol), 폴리이소부틸렌(polyisobutylene), 폴리우레탄 탄성 스펀지, 폴리비닐 부티랄(polyvinyl butyral), 폴리클로로프렌(polychloroprene), 천연고무, 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리디페놀카보네이트(polydiphenolcarbonate), 염화폴리에테르(polyetherchloride), 폴리염화비닐리덴(polyvinylidene chloride), 폴리스티렌(polystylene), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리프로필렌(PP; polypropylene) 및 폴리염화비닐(PVC; polyvinyl chloride) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
바람직하게, 제1 마찰 대전층(111)은 폴리디메틸실록산(PDMS; polydimethylsiloxane)가 사용될 수 있고, 폴리디메틸실록산(PDMS; polydimethylsiloxane)은 음전하를 띄는 물질로 사용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
도전층은 알루미늄(Al), 스테인리스 스틸(SUS), 니켈(Ni), 구리(Cu), 은(Ag), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 금(Au) 및 탄소(C) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
바람직하게, 도전층으로는 알루미늄이 사용될 수 있고, 알루미늄은 양전하를 띄는 물질로 사용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
산화물층은 아연 산화물(ZnO), 티타늄 산화물(TiO2), 알루미늄 산화물(Al2O3) 및 실리콘 산화물(SiO2) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
바람직하게, 산화물층으로는 아연 산화물 이 사용될 수 있고, 아연 산화물은 양전하를 띄는 물질로 사용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
스프링(110)은 탄소강(carbon steel), 저합금강(low-alloy steel) 및 스프링강(spring steel) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
1차원 섬유(120)는 면섬유, 모섬유, 석면 또는 면화와 같은 천연 섬유, 레이온 또는 아세테이트와 같은 재생섬유, 나일론, 폴리에스테르, 아크릴 또는 폴리프로필렌과 같은 합성섬유, 금속섬유 또는 유리섬유와 같은 무기 섬유 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 1차원 섬유(120)는 장섬유(staple), 단섬유(filament) 또는 복수의 장섬유나 단섬유를 서로 꼬거나 병렬 배치하여 얻어질 수 있는 섬유를 포함할 수 있다.
또한, 1차원 섬유(120)는 표면에는 금속 와이어(Metal wire) 또는 전도성 물질이 도포될 수 있다.
종래에 사용되는 압전 소자의 소재는 강유전체 물질 중 고분자 물질의 PVDF, 1차원 나노구조물 또는 2차원 박막 형태의 아연 산화물이 대표적이며 압전소재로 사용될 수 있는 소재는 매우 한정적이다. 그러나, 본원 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자는 2개의 대전 물질이 사용되는데 대전 물질로, 고분자 물질, 전도성 물질 또는 산화물과 같은 다양한 물질을 사용하여 물질의 다양성을 향상시킬 수 있다.
또한, 종래에 사용되는 스프링 형태의 압전 소자는 구조체와 압전 소재가 일체화 되어야 하기 때문에 에너지를 수확하는 과정 및 방식 또한 제한적이다. 그러나, 본원 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자는 스프링(110) 표면에 유연한(flexible) 1차원 섬유(120)를 권취하여 형성할 수 있어, 다양한 구조의 스프링(110) 소재 및 구조와 접목이 가능하여 활용도를 향상시킬 수 있다.
본원 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자는 다양한 크기 및 형상의 스프링(110)을 사용함으로써, 접목되는 응용 범위가 증가하게 되어 스마트 전자 기기의 주/보조 전력원으로 사용될 수 있고, 스마트 전자 기기의 출력 효율을 증가시켜 사용 시간을 증가시킬 수 있다.
본원 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자는 딥 코팅(dip coating) 및 수열합성(hydrothermal process)과 같은 용액 공정만으로 제작이 가능하여 제조 공정 및 제조 비용을 간소화할 수 있다.
본원 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자는 스프링(110) 표면에 1차원 섬유를 권취함으로써, 압전 효과로 인해 생성되는 전기 에너지의 수 십, 수백 배에 해당하는 마찰 전기 효과를 사용하여 단위 면적 당 / 단위 압력 당 발생되는 발전 에너지양을 극대화시킬 수 있다.
도 1b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자를 도시한 단면도이다.
도 1b는 마찰 대전층(제2 마찰 대전층; 121)이 형성되는 위치가 상이한 점으로 점을 제외하면, 도 1a와 동일한 구성요소를 포함하고 있기에, 동일한 구성요소에 대해서는 생략하기로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자는 스프링(110) 및 표면에 제2 마찰 대전층이 형성된 1차원 섬유(120)를 포함하고, 스프링(110)의 표면에 제2 마찰 대전층(121)이 형성된 1차원 섬유(120)가 권취되고, 스프링(110) 및 제2 마찰 대전층(121)의 전기음성도 차이에 의해 스프링(110)의 압축 및 복원 과정에서 마찰 전기를 생성한다.
스프링(110) 및 제2 마찰 대전층(121)은 전기음성도가 상이한 물질로 형성될 수 있고, 마찰 전기 시리즈(Triboelectric Series) 상에서 제2 마찰 대전층(121)을 구성하는 물질의 위치는 스프링(110)을 구성하는 물질의 위치 보다 더 음의 값에 가까이 위치하거나, 더 양의 값에 가까이 위치할 수 있다.
따라서, 스프링(110) 및 제2 마찰 대전층(121)은 스프링(110)이 압축 및 복원될 때, 스프링(110) 및 제2 마찰 대전층(121) 중 어느 하나는 양전하(+)로 대전되고, 나머지 하나는 음전하(-)로 대전될 수 있고, 스프링(110) 및 제2 마찰 대전층(121)을 이루는 물질의 마찰 전기 시리즈 위치에 따라 유도되는 전하의 성질 및 양이 달라질 수 있다.
또한, 스프링(110) 및 제2 마찰 대전층(121)을 마찰 전기 시리즈에서 멀리 떨어져 있는 물질을 사용하면, 개방 전압을 향상시킬 수 있다.
바림직하게, 1차원 섬유(120) 표면에 형성된 제2 마찰 대전층(121)으로 (polydimethylsiloxane, PDMS)를 사용하고, 스프링(110)를 사용하면, 제2 마찰 대전층(121)은 상대적으로 음전하를 띄어 전자를 얻는 능력이 비교적 강해지고, 스프링(110)은 상대적으로 양전하를 띄어 전자를 얻는 능력이 비교적으로 약해지게 된다.
따라서, 스프링(110) 및 제2 마찰 대전층(121)은 마찰 전기 시리즈에서 나열 순서에 차이가 있으므로, 양자가 전자를 얻는 능력에서 차이가 나타나게 되어, 스프링(110) 및 제2 마찰 대전층(121)이 스프링(110)의 압축 및 복원 과정에 의해 마찰되면 스프링(110) 및 제2 마찰 대전층(121)의 표면 전하의 평형이 파괴되어 전자는 등전위로부터 전극으로 이동하게 되어 마찰 전기를 생성할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자는, 스프링(110)과 스프링(110)의 표면에 배치된 제2 마찰 대전층(121) 간에 생성되는 제1 마찰 전기(E1) 및 스프링(110)과 스프링(110)에 이격되어 배치된 제2 마찰 대전층(121) 간에 생성되는 제2 마찰 전기(E2)를 생성할 수 있다.
따라서, 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자는 스프링(110)에 제2 마찰 대전층(121)이 형성된 1차원 섬유(120)를 권취하여 사용함으로써, 제1 마찰 전기(E1) 및 제2 마찰 전기(E2)를 생성하여 마찰전기 발전 소자의 출력 성능을 향상시킬 수 있다.
제2 마찰 대전층(121)은 폴리머층, 도전층, 산화물층 또는 이들의 조합일 수 있다.
제2 마찰 대전층(121)으로 폴리머층, 도전층 및 산화물층을 모두 사용하는 기술에 대해서는 도 2a에서 설명하기로 한다.
도 1c는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자를 도시한 단면도이다.
도 1c는 마찰 대전층들(제1 및 제2 마찰 대전층; 111, 121)이 형성되는 위치가 상이한 점으로 점을 제외하면, 도 1a 및 도 1b와 동일한 구성요소를 포함하고 있기에, 동일한 구성요소에 대해서는 생략하기로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자는 표면에 제1 마찰 대전층(111)이 형성된 스프링(110) 및 표면에 제2 마찰 대전층이 형성된 1차원 섬유(120)를 포함하고, 제1 마찰 대전층(111)이 형성된 스프링(110)의 표면에 제2 마찰 대전층(121)이 형성된 1차원 섬유(120)가 권취되고, 제1 마찰 대전층(111) 및 제2 마찰 대전층(121)은 전기음성도 차이에 의해 스프링(110)의 압축 및 복원 과정에서 마찰 전기를 생성한다.
제1 마찰 대전층(111) 및 제2 마찰 대전층(121)은 전기음성도가 상이한 물질로 형성될 수 있고, 마찰 전기 시리즈(Triboelectric Series) 상에서 제1 마찰 대전층(111)을 구성하는 물질의 위치는 제2 마찰 대전층(121)을 구성하는 물질의 위치 보다 더 음의 값에 가까이 위치하거나, 더 양의 값에 가까이 위치할 수 있다.
따라서, 제1 마찰 대전층(111) 및 제2 마찰 대전층(121)은 스프링(110)이 압축 및 복원될 때, 제1 마찰 대전층(111) 및 제2 마찰 대전층(121) 중 어느 하나는 양전하(+)로 대전되고, 나머지 하나는 음전하(-)로 대전될 수 있고, 스프링(110) 및 제2 마찰 대전층(121)을 이루는 물질의 마찰 전기 시리즈 위치에 따라 유도되는 전하의 성질 및 양이 달라질 수 있다.
또한, 제1 마찰 대전층(111) 및 제2 마찰 대전층(121)을 마찰 전기 시리즈에서 멀리 떨어져 있는 물질을 사용하면, 개방 전압을 향상시킬 수 있다.
바림직하게, 스프링(110) 표면에 형성된 제1 마찰 대전층(111)으로 (polydimethylsiloxane, PDMS)를 사용하고, 1차원 섬유(120) 표면에 형성된 제2 마찰 대전층(121)으로 아연 산화물 또는 알루미늄을 사용하면, 제1 마찰 대전층(111)은 상대적으로 음전하를 띄어 전자를 얻는 능력이 비교적 강해지고, 제2 마찰 대전층(121)은 상대적으로 양전하를 띄어 전자를 얻는 능력이 비교적으로 약해지게 된다.
따라서, 제1 마찰 대전층(111) 및 제2 마찰 대전층(121)은 마찰 전기 시리즈에서 나열 순서에 차이가 있으므로, 양자가 전자를 얻는 능력에서 차이가 나타나게 되어, 제1 마찰 대전층(111) 및 제2 마찰 대전층(121)이 스프링(110)의 압축 및 복원 과정에 의해 마찰되면 제1 마찰 대전층(111) 및 제2 마찰 대전층(121)의 표면 전하의 평형이 파괴되어 전자는 등전위로부터 전극으로 이동하게 되어 마찰 전기를 생성할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자는, 제1 마찰 대전층(111)과 제1 마찰 대전층(111)의 표면에 배치된 제2 마찰 대전층(121) 간에 생성되는 제1 마찰 전기(E1) 및 제1 마찰 대전층(111)과 제1 마찰 대전층(111)에 이격되어 배치된 제2 마찰 대전층(121) 간에 생성되는 제2 마찰 전기(E2)를 생성할 수 있다.
따라서, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자는 제1 마찰 대전층(111)이 형성된 스프링(110)에 제2 마찰 대전층(121)이 형성된 1차원 섬유(120)를 권취하여 사용함으로써, 제1 마찰 전기(E1) 및 제2 마찰 전기(E2)를 생성하여 마찰전기 발전 소자의 출력 성능을 향상시킬 수 있다.
도 2a는 제1 마찰 대전층으로 폴리머층, 도전층 및 산화물층을 모두 포함하는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자를 도시한 단면도이다.
도 2a는 제1 마찰 대전층으로 폴리머층, 도전층 및 산화물층을 모두 포함하는 것을 제외하면 도 1a와 동일하므로, 동일한 구성요소에 대한 설명은 생략하기로 한다.
제1 마찰 대전층으로 폴리머층, 도전층 및 산화물층을 모두 포함하는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자는 스프링(110) 표면에 폴리머층, 도전층 및 산화물층을 포함하는 제1 마찰 대전층(111)을 포함할 수 있고, 스프링(110) 표면에는 나노 패턴(112)이 형성될 수 있다.
또한, 제1 마찰 대전층으로 폴리머층, 도전층 및 산화물층을 모두 포함하는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자는 폴리머층, 도전층 및 산화물층을 포함하는 제1 마찰 대전층(111)이 형성된 스프링(110)에 1차원 섬유가 권취된다.
도 2b는 제2 마찰 대전층으로 폴리머층, 도전층 및 산화물층을 모두 포함하는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자를 도시한 단면도이다.
도 2b는 제2 마찰 대전층으로 폴리머층, 도전층 및 산화물층을 모두 포함하는 것을 제외하면 도 1b와 동일하므로, 동일한 구성요소에 대한 설명은 생략하기로 한다.
제2 마찰 대전층으로 폴리머층, 도전층 및 산화물층을 모두 포함하는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자는 1차원 섬유(120) 표면에 폴리머층, 도전층 및 산화물층을 포함하는 제2 마찰 대전층(121)을 포함할 수 있고, 1차원 섬유(120) 표면에는 나노 패턴(122)이 형성될 수 있다.
또한, 제2 마찰 대전층으로 폴리머층, 도전층 및 산화물층을 모두 포함하는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자는 스프링에 폴리머층, 도전층 및 산화물층을 포함하는 제2 마찰 대전층(121)이 형성된 1차원 섬유(120)가 권취된다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자의 횡단면을 도시한 도면이다.
도 3a 내지 도 3c에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자의 구조는 도 1a와 동일하므로, 동일한 구성요소에 대한 설명은 생략하기로 한다.
도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자의 스프링(110)이 압축된 상태를 도시한 이미지이고, 도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자의 스프링(110)이 복원된 상태를 도시한 이미지이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자의 스프링(110)이 압축이 압축 되면, 스프링 표면에 형성된 제1 마찰 대전층(111) 및 1차원 섬유(120)은 서로 접촉되게 되고, 반면, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자의 스프링(110)이 복원 되면, 서로 접촉되었던 제1 마찰 대전층(111) 및 1차원 섬유(120)는 분리된다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자는 스프링(110)의 압축 및 복원 과정에 의해 제1 마찰 대전층(111) 및 1차원 섬유(120)의 표면 전하의 평형이 파괴되어 전자는 등전위로부터 전극으로 이동하게 되어 마찰 전기를 생성할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자를 포함하는 마찰 발전 장치를 도시한 입체도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자를 포함하는 마찰 발전 장치에 대해 설명하고 있으나, 이에 제한되지 않고, 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자 또는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자를 포함할 수 있다.
마찰 발전 장치는 제1 전극(200) 및 제2 전극(500) 사이에 형성된 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자를 포함한다.
제1 전극(200) 및 제2 전극(500)은 생성된 마찰 전기, 즉 전자를 산화 환원반응에 의해 이동시키는 역할을 한다.
제1 전극(200) 및 제2 전극(500)은 유도된 전하에 따라 양극 또는 음극으로 나뉘며, 이들 간의 산화 환원반응으로 인해 전자가 이동하게 된다.
제1 전극(200) 및 제2 전극(500)은 산화 환원반응에 의한 전자이동이 용이한 물질이라면 특별히 제한되지 않고, 유기 전극용 조성물은 전기 전도성이 우수한 전도성 고분자, 5개 이상의 방향족 고리를 포함하는 유기 단분자 화합물, 금속 및 금속 산화물 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
금속으로는 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 구리(Cu), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 셀렌(Se) 또는 그의 합금 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
금속 산화물로는 ITO(indium tin oxide)이 사용될 수 있다.
전도성 고분자의 종류로는 폴리(3-헥실티오펜)(poly(3-hexylthiophene), P3HT), 폴리(3,4-에틸렌다이옥시티오펜)(poly(3,4-ethylenedioxythiophene), PEDOT), 폴리(3,4-프로필렌다이옥시티오펜)(poly(3,4-propylenedioxythiophene)), 폴리(3,4-에틸렌다이옥시티오펜):폴리(에틸렌 글리콜-프로필렌 글리콜 블록 공중합체)(poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(ethylene glycol)-block-poly(propylene glycol), PEDOT:PP), 폴리(3,4-에틸렌다이옥시티오펜):폴리(스티렌 설포네이트)(poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrene sulfonate), PEDOT:PSS), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리티오펜(polythiophene) 및 폴리셀레노펜(polyselenophene) 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 제1 전극(200) 및 제2 전극(500)의 상면 및/또는 마찰층의 하면의 전부 또는 일부에는 나노, 미크론(micron), 또는 서브미크론(sub-micron) 레벨의 미세 구조가 분포될 수 있고, 미세 구조는 나노 와이어, 나노 튜브, 나노 입자, 나노 로드(nano-rods), 나노 꽃, 나노 홈, 미크론 홈, 나노 뿔, 미크론 뿔, 나노 스피어 및 미크론 스피어의 구조 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있고, 나노 구조는 어레이이거나, 나노 재료의 장식 또는 도포층일 수 있다.
따라서, 마찰 발전 장치는 본 발명의 실시예들에 따른 마찰전기 발전 소자의 마찰 전기 시리즈 위치에 따라 정전기가 유도되고, 유도된 정전기는 제1 전극(200) 및 제2 전극(500)에 의해 분극되어 전하를 나타냄으로써, 마찰 전기를 생성할 수 있다.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자의 제조 방법을 도시한 입체도이다.
도 5a는 스프링을 도시한 입체도이다.
스프링(110)은 탄성력을 가지는 스프링 와이어(spring wire)가 사용될 수 있고, 스프링(110)은 탄소강(carbon steel), 저합금강(low-alloy steel) 및 스프링강(spring steel) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
도 5b는 스프링 표면에 제1 마찰 대전층이 코팅된 입체도이다.
스프링 와이어(110) 표면에 제1 마찰 대전층(111)을 코팅한다.
제1 마찰 대전층(111)은 딥 코팅(dip coating), 드랍 캐스팅(drop-casting), 스핀 코팅(spin-coating), 바코팅(bar coating), 스프레이 코팅(spray coating), 스핀 코팅(spin coating), 브러쉬 코팅(brush coating), 딥 코팅(dip coating) 및 그라비아 코팅(gravure coating) 중 적어도 어느 하나의 방법으로 형성될 수 있다.
바람직하게, 제1 마찰 대전층(111)은 딥 코팅으로 형성될 수 있고, 딥 코팅은 제1 마찰 대전층(111)을 형성하기 위한 용액 내에 스프링 와이어(110)를 일정 시간 담궜다가 건조시킴으로써, 스프링 와이어(110) 표면에 제1 마찰 대전층(111)을 코팅하는 방법이다.
제1 마찰 대전층(111)은 폴리머층, 도전층, 산화물층 또는 이들의 조합일 수 있다.
도 5c는 제1 마찰 대전층이 코팅된 스프링에 1차 섬유(1D Yarn)을 권취한 입체도이다.
제1 마찰 대전층이 코팅된 스프링 와이어 표면에 나선형으로 1차 섬유(120)를 권취한다.
1차원 섬유(120)는 면섬유, 모섬유, 석면 또는 면화와 같은 천연 섬유, 레이온 또는 아세테이트와 같은 재생섬유, 나일론, 폴리에스테르, 아크릴 또는 폴리프로필렌과 같은 합성섬유, 금속섬유 또는 유리섬유와 같은 무기 섬유 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 1차원 섬유(120)는 장섬유 (staple), 단섬유 (filament) 또는 복수의 장섬유나 단섬유를 서로 꼬거나 병렬 배치하여 얻어질 수 있는 섬유를 포함할 수 있다.
또한, 1차원 섬유(120)는 표면에는 금속 와이어(Metal wire) 또는 전도성 물질이 도포될 수 있다.
도 5d는 1차 섬유(1D Yarn)가 권취된 코일형 스프링을 도시한 입체도이다.
봉상의 회전축에 1차 섬유(1D Yarn)가 권취된 스프링 와이어를 공급하여 권취한 다음, 봉상의 회전축에서 1차 섬유(1D Yarn)가 권취된 스프링 와이어를 분리함으로써, 1차 섬유(1D Yarn)가 권취된 코일형 스프링을 제조할 수 있다.
코일형 스프링의 외경은 봉상의 회전축의 직경에 따라 결정되고, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전 소자의 활용 용도에 따라 다양하게 조절될 수 있다.
도 6a 내지 도 6d는 표면에 나노패턴이 형성된 1차원 섬유를 도시한 전자주사현미경(SEM) 이미지를 도시한 것이다.
도 6a 내지 도 6d를 참조하면, 1차원 섬유의 표면에 수열합성 방법으로 2차원의 나노와이어(nanowire) 및 나노벽(nanowall)이 고르게 잘 성장된 것을 알 수 있다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 실시예들에 따른 마찰전기 발전 소자를 도시한 실제이미지이다.
도 7a 및 도 7b를 참조하면, 본 발명의 실시예들에 따른 마찰전기 발전 소자는 스프링 표면에 1차원 섬유가 권취되어 있는 것을 알 수 있다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 실시예들에 따른 마찰전기 발전 소자의 효용성을 확인하기 위한 푸싱 테스터(pushing tester)를 도시한 것이다.
도 8a 및 도 8b는 푸싱 테스터(pushing tester)에 의해 본 발명의 실시예들에 따른 마찰전기 발전 소자가 압출 및 복원 되는 것을 알 수 있다.
도 9a는 본 발명의 실시예들에 따른 마찰전기 발전 소자의 압축 및 복원 과정의 출력 전압(output voltage)을 도시한 그래프이고, 도 9b는 본 발명의 실시예들에 따른 마찰전기 발전 소자의 압축 및 복원 과정의 출력 전압(output current)을 도시한 그래프이다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 실시예들에 따른 마찰전기 발전 소자의 압축 및 복원 과정에 따라 출력 전압 및 출력 전류가 변하는 것으로 보아, 본 발명의 실시예들에 따른 마찰전기 발전 소자가 효과적으로 에너지를 생성하는 것을 알 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시 예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
E1: 제1 마찰 전기 E2: 제2 마찰 전기
110: 스프링 111: 제1 마찰 대전층
120: 1차원 섬유 121: 제2 마찰 대전층
100: 마찰전기 발전 소자 200: 제1 전극
500: 제2 전극
110: 스프링 111: 제1 마찰 대전층
120: 1차원 섬유 121: 제2 마찰 대전층
100: 마찰전기 발전 소자 200: 제1 전극
500: 제2 전극
Claims (15)
1차원 섬유; 및
표면에 제1 마찰 대전층이 형성된 스프링;
을 포함하고,
상기 제1 마찰 대전층이 형성된 스프링의 표면에 상기 1차원 섬유가 권취되고, 상기 제1 마찰 대전층 및 상기 1차원 섬유의 전기음성도 차이에 의해 상기 스프링의 압축 및 복원 과정에서 마찰 전기를 생성하는 것을 특징으로 하는 마찰전기 발전 소자.
표면에 제1 마찰 대전층이 형성된 스프링;
을 포함하고,
상기 제1 마찰 대전층이 형성된 스프링의 표면에 상기 1차원 섬유가 권취되고, 상기 제1 마찰 대전층 및 상기 1차원 섬유의 전기음성도 차이에 의해 상기 스프링의 압축 및 복원 과정에서 마찰 전기를 생성하는 것을 특징으로 하는 마찰전기 발전 소자.
제1항에 있어서,
상기 마찰전기 발전 소자는,
상기 제1 마찰 대전층과 상기 제1 마찰 대전층의 표면에 배치된 상기 1차원 섬유 간에 생성되는 제1 마찰 전기 및 상기 제1 마찰 대전층과 상기 제1 마찰 대전층에 이격되어 배치된 상기 1차원 섬유 간에 생성되는 제2 마찰 전기를 생성하는 것을 특징으로 하는 마찰전기 발전 소자.
상기 마찰전기 발전 소자는,
상기 제1 마찰 대전층과 상기 제1 마찰 대전층의 표면에 배치된 상기 1차원 섬유 간에 생성되는 제1 마찰 전기 및 상기 제1 마찰 대전층과 상기 제1 마찰 대전층에 이격되어 배치된 상기 1차원 섬유 간에 생성되는 제2 마찰 전기를 생성하는 것을 특징으로 하는 마찰전기 발전 소자.
제1항에 있어서,
상기 스프링 또는 상기 1차원 섬유의 상부에는 식각 공정 또는 용액 공정에 의해 형성되는 나노 패턴을 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰전기 발전 소자.
상기 스프링 또는 상기 1차원 섬유의 상부에는 식각 공정 또는 용액 공정에 의해 형성되는 나노 패턴을 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰전기 발전 소자.
제3항에 있어서,
상기 나노 패턴의 형상은 나노와이어(nanowire), 나노 도트(nano dots), 나노 플레이크(nanoflake), 나노 프레임(nanoframe), 나노벽(nanowall), 나노 튜브(nanotube), 나노 로드(nanoroad), 나노 뿔(nanohorn) 및 나노 스피어(nano sphere) 중 적어도 하나인 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰전기 발전 소자.
상기 나노 패턴의 형상은 나노와이어(nanowire), 나노 도트(nano dots), 나노 플레이크(nanoflake), 나노 프레임(nanoframe), 나노벽(nanowall), 나노 튜브(nanotube), 나노 로드(nanoroad), 나노 뿔(nanohorn) 및 나노 스피어(nano sphere) 중 적어도 하나인 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰전기 발전 소자.
제3항에 있어서,
상기 나노 패턴의 표면에는 나노 입자가 더 형성되는 것을 특징으로 하는 마찰전기 발전 소자.
상기 나노 패턴의 표면에는 나노 입자가 더 형성되는 것을 특징으로 하는 마찰전기 발전 소자.
제1항에 있어서,
상기 제1 마찰 대전층은 폴리머층, 도전층, 산화물층 또는 이들의 조합인 것을 특징으로 하는 마찰전기 발전 소자.
상기 제1 마찰 대전층은 폴리머층, 도전층, 산화물층 또는 이들의 조합인 것을 특징으로 하는 마찰전기 발전 소자.
제6항에 있어서,
상기 폴리머층은 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET; polyethyleneterephthalate), 폴리에스테르(PE; polyester), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE; polytetrafluoroethylene), 폴리디메틸실록산(PDMS; polydimethylsiloxane), 캡톤(Kapton), 폴리이미드(PI; Polyimide), 나일론(nylon), 폴리비닐알코올(PVA; polyvinylalcohol), 폴리이소부틸렌(polyisobutylene), 폴리우레탄 탄성 스펀지, 폴리비닐 부티랄(polyvinyl butyral), 폴리클로로프렌(polychloroprene), 천연고무, 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리디페놀카보네이트(polydiphenolcarbonate), 염화폴리에테르(polyetherchloride), 폴리염화비닐리덴(polyvinylidene chloride), 폴리스티렌(polystylene), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리프로필렌(PP; polypropylene) 및 폴리염화비닐(PVC; polyvinyl chloride) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰전기 발전 소자.
상기 폴리머층은 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET; polyethyleneterephthalate), 폴리에스테르(PE; polyester), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE; polytetrafluoroethylene), 폴리디메틸실록산(PDMS; polydimethylsiloxane), 캡톤(Kapton), 폴리이미드(PI; Polyimide), 나일론(nylon), 폴리비닐알코올(PVA; polyvinylalcohol), 폴리이소부틸렌(polyisobutylene), 폴리우레탄 탄성 스펀지, 폴리비닐 부티랄(polyvinyl butyral), 폴리클로로프렌(polychloroprene), 천연고무, 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리디페놀카보네이트(polydiphenolcarbonate), 염화폴리에테르(polyetherchloride), 폴리염화비닐리덴(polyvinylidene chloride), 폴리스티렌(polystylene), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리프로필렌(PP; polypropylene) 및 폴리염화비닐(PVC; polyvinyl chloride) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰전기 발전 소자.
제6항에 있어서,
상기 도전층은 알루미늄(Al), 스테인리스 스틸(SUS), 니켈(Ni), 구리(Cu), 은(Ag), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 금(Au) 및 탄소(C) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰전기 발전 소자.
상기 도전층은 알루미늄(Al), 스테인리스 스틸(SUS), 니켈(Ni), 구리(Cu), 은(Ag), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 금(Au) 및 탄소(C) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰전기 발전 소자.
제6항에 있어서,
상기 산화물층은 아연 산화물(ZnO), 티타늄 산화물(TiO2), 알루미늄 산화물(Al2O3) 및 실리콘 산화물(SiO2) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰전기 발전 소자.
상기 산화물층은 아연 산화물(ZnO), 티타늄 산화물(TiO2), 알루미늄 산화물(Al2O3) 및 실리콘 산화물(SiO2) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰전기 발전 소자.
제1항에 있어서,
상기 스프링은 탄소강(carbon steel), 저합금강(low-alloy steel) 및 스프링강(spring steel) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰전기 발전 소자.
상기 스프링은 탄소강(carbon steel), 저합금강(low-alloy steel) 및 스프링강(spring steel) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰전기 발전 소자.
스프링; 및
표면에 제2 마찰 대전층이 형성된 1차원 섬유
를 포함하고,
상기 스프링의 표면에 상기 제2 마찰 대전층이 형성된 1차원 섬유가 권취되고, 상기 스프링 및 상기 제2 마찰 대전층의 전기음성도 차이에 의해 상기 스프링의 압축 및 복원 과정에서 마찰 전기를 생성하는 것을 특징으로 하는 마찰전기 발전 소자.
표면에 제2 마찰 대전층이 형성된 1차원 섬유
를 포함하고,
상기 스프링의 표면에 상기 제2 마찰 대전층이 형성된 1차원 섬유가 권취되고, 상기 스프링 및 상기 제2 마찰 대전층의 전기음성도 차이에 의해 상기 스프링의 압축 및 복원 과정에서 마찰 전기를 생성하는 것을 특징으로 하는 마찰전기 발전 소자.
제11항에 있어서,
상기 마찰전기 발전 소자는,
상기 스프링과 상기 스프링의 표면에 배치된 상기 제2 마찰 대전층 간에 생성되는 제1 마찰 전기 및 상기 스프링과 상기 스프링에 이격되어 배치된 상기 제2 마찰 대전층 간에 생성되는 제2 마찰 전기를 생성하는 것을 특징으로 하는 마찰전기 발전 소자.
상기 마찰전기 발전 소자는,
상기 스프링과 상기 스프링의 표면에 배치된 상기 제2 마찰 대전층 간에 생성되는 제1 마찰 전기 및 상기 스프링과 상기 스프링에 이격되어 배치된 상기 제2 마찰 대전층 간에 생성되는 제2 마찰 전기를 생성하는 것을 특징으로 하는 마찰전기 발전 소자.
제11항에 있어서,
상기 제2 마찰 대전층은 폴리머층, 도전층, 산화물층 또는 이들의 조합인 것을 특징으로 하는 마찰전기 발전 소자.
상기 제2 마찰 대전층은 폴리머층, 도전층, 산화물층 또는 이들의 조합인 것을 특징으로 하는 마찰전기 발전 소자.
표면에 제1 마찰 대전층이 형성된 스프링; 및
표면에 제2 마찰 대전층이 형성된 1차원 섬유
를 포함하고,
상기 제1 마찰 대전층이 형성된 스프링의 표면에 상기 제2 마찰 대전층이 형성된 1차원 섬유가 권취되고, 상기 제1 마찰 대전층 및 상기 제2 마찰 대전층은 전기음성도 차이에 의해 상기 스프링의 압축 및 복원 과정에서 마찰 전기를 생성하는 것을 특징으로 하는 마찰전기 발전 소자.
표면에 제2 마찰 대전층이 형성된 1차원 섬유
를 포함하고,
상기 제1 마찰 대전층이 형성된 스프링의 표면에 상기 제2 마찰 대전층이 형성된 1차원 섬유가 권취되고, 상기 제1 마찰 대전층 및 상기 제2 마찰 대전층은 전기음성도 차이에 의해 상기 스프링의 압축 및 복원 과정에서 마찰 전기를 생성하는 것을 특징으로 하는 마찰전기 발전 소자.
제14항에 있어서,
상기 마찰전기 발전 소자는,
상기 제1 마찰 대전층과 상기 제1 마찰 대전층의 표면에 배치된 상기 제2 마찰 대전층 간에 생성되는 제1 마찰 전기 및 상기 제1 마찰 대전층과 상기 제1 마찰 대전층에 이격되어 배치된 상기 제2 마찰 대전층 간에 생성되는 제2 마찰 전기를 생성하는 것을 특징으로 하는 마찰전기 발전 소자.
상기 마찰전기 발전 소자는,
상기 제1 마찰 대전층과 상기 제1 마찰 대전층의 표면에 배치된 상기 제2 마찰 대전층 간에 생성되는 제1 마찰 전기 및 상기 제1 마찰 대전층과 상기 제1 마찰 대전층에 이격되어 배치된 상기 제2 마찰 대전층 간에 생성되는 제2 마찰 전기를 생성하는 것을 특징으로 하는 마찰전기 발전 소자.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020170173151A KR20190072086A (ko) | 2017-12-15 | 2017-12-15 | 스프링을 포함하는 마찰전기 발전 소자 |
| PCT/KR2018/015658 WO2019117580A1 (ko) | 2017-12-15 | 2018-12-11 | 스프링을 포함하는 마찰전기 발전 소자 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020170173151A KR20190072086A (ko) | 2017-12-15 | 2017-12-15 | 스프링을 포함하는 마찰전기 발전 소자 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20190072086A true KR20190072086A (ko) | 2019-06-25 |
Family
ID=66819524
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020170173151A KR20190072086A (ko) | 2017-12-15 | 2017-12-15 | 스프링을 포함하는 마찰전기 발전 소자 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20190072086A (ko) |
| WO (1) | WO2019117580A1 (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11695351B2 (en) | 2021-07-21 | 2023-07-04 | Korea Advanced Institute Of Science And Technology | Triboelectricity-based energy harvesting material, spring including same, and method of manufacturing same |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20150142810A (ko) | 2014-06-11 | 2015-12-23 | 경희대학교 산학협력단 | 섬유 기반 마찰 전기 나노 발전 소자 및 이를 이용한 발전 유닛 |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9595894B2 (en) * | 2012-09-21 | 2017-03-14 | Georgia Tech Research Corporation | Triboelectric nanogenerator for powering portable electronics |
| KR20150025184A (ko) * | 2013-08-28 | 2015-03-10 | 한양대학교 산학협력단 | 에너지 하베스팅 소자 및 이의 제조방법 |
| KR101672094B1 (ko) * | 2014-08-28 | 2016-11-04 | 한양대학교 산학협력단 | 마찰전기 에너지 발생 소자 및 이의 제조방법 |
| KR102578823B1 (ko) * | 2016-05-10 | 2023-09-15 | 삼성전자주식회사 | 마찰전기 발전기 |
-
2017
- 2017-12-15 KR KR1020170173151A patent/KR20190072086A/ko unknown
-
2018
- 2018-12-11 WO PCT/KR2018/015658 patent/WO2019117580A1/ko active Application Filing
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20150142810A (ko) | 2014-06-11 | 2015-12-23 | 경희대학교 산학협력단 | 섬유 기반 마찰 전기 나노 발전 소자 및 이를 이용한 발전 유닛 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Yahya Atwa 외 2, Silver nanowire coated threads for electrically conductive textiles, 2015 |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11695351B2 (en) | 2021-07-21 | 2023-07-04 | Korea Advanced Institute Of Science And Technology | Triboelectricity-based energy harvesting material, spring including same, and method of manufacturing same |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2019117580A1 (ko) | 2019-06-20 |
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