KR20190084555A - 마찰 전기 나노발전기 및 이의 제조 방법 - Google Patents

마찰 전기 나노발전기 및 이의 제조 방법 Download PDF

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KR20190084555A
KR20190084555A KR1020180002451A KR20180002451A KR20190084555A KR 20190084555 A KR20190084555 A KR 20190084555A KR 1020180002451 A KR1020180002451 A KR 1020180002451A KR 20180002451 A KR20180002451 A KR 20180002451A KR 20190084555 A KR20190084555 A KR 20190084555A
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김태환
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한양대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 마찰 전기 나노발전기 및 마찰 전기 나노발전기의 제조 방법을 개시한다. 본 발명의 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기는 제1 기판 상에 형성되는 하부 전극; 상기 하부 전극 상에 형성되는 음의 마찰층; 제2 기판 상에 형성되고, 상부 전극으로 사용되는 양의 마찰층; 및 상기 제1 기판 및 제2 기판 사이에 형성되고, 상기 제1 기판 및 제2 기판 사이의 간격을 유지하는 적어도 하나의 스페이서를 포함하고, 상기 음의 마찰층은 고분자 물질 및 나노 물질을 포함하며, 상기 나노 물질은 상기 음의 마찰층과 양의 마찰층 간의 마찰에 의해 상기 음의 마찰층에서 생성된 전자와 음의 마찰층 표면에서 흡수되는 양이온 간의 재결합을 개선하는 것을 특징으로 한다.

Description

마찰 전기 나노발전기 및 이의 제조 방법{TRIBOELECTRIC NANOGENERATOR AND THE MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 마찰 전기 나노발전기 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 마찰로 생성된 전자가 자발적으로 소실되는 것을 방지할 수 있는 고효율의 마찰 전기 나노발전기 및 이의 제조 방법 에 관한 것이다.
역학적 에너지를 전기적 에너지로 바꾸는 마찰 전기형 나노발전기(triboelectric nanogenerator; TENG)는 높은 에너지 전환 효율, 낮은 제조 단가, 간단하면서 구부릴 수 있는 구조, 그리고 다양한 물질로 제작 가능하다는 점에서 활발한 연구와 발전이 이루어지고 있다. TENG의 성능은 마찰을 통한 전하 생성량과 양과 음의 전하를 분리하는 과정의 효율에 큰 영향을 받는다.
일반적으로 TENG의 성능을 개선하기 위한 두 가지 방법이 적용되고 있다. 첫 번째는, 확연히 다른 극성을 갖는 적절한 마찰 물질을 사용하여 마찰 과정에서 생성되는 전하량을 증가시키는 방법이 있고, 두 번째 방법은 마찰층을 마이크로 또는 나노 구조를 갖는 표면으로 만들거나 나노 스케일로 표면 개질(surface modification)하는 것이다.
특히, 두 번째 방법에서는 효과적으로 생성된 양전하와 음전하를 분리하는 것이 중요하기 때문에, 소자 구조를 결정하는데 지대한 영향을 미치게 된다. 따라서 선형 격자(linear grating) 구조, 롤링(rolling) 구조 및 평면 구조 등의 새로운 구조를 통해 TENG의 성능을 향상시켰다.
더 나아가, TENG의 성능을 개선하기 위해 이온화된 공기를 주입하여 표면 전하 밀도를 높이는 방법이 적용되고 있다.
이와 같이, TENG의 성능을 개선하기 위한 여러 가지 개선책이 제시되어 왔지만, TENG은 여전히 대면적화 등의 미래의 유망한 기술이 되기 위하여 성숙하고 탄탄한 기술을 통합하고 커팅 에지 구조(cutting edge design)를 개발하는 등의 노력이 필요하다.
또한, TENG 내부에는 수직 방향의 전기장이 음의 마찰층과 양의 마찰층 사이에 존재하고, 음의 마찰층에서 전자가 이동하는 두 가지 메커니즘이 있는데, 전기장에 의한 표동 과정과 농도차이에 의한 확산 과정이다.
두 방법 모두 마찰로 발생된 전자를 잃는 결과를 초래하는데, 이는 전극에서 나온 양이온과 재결합을 하기 때문이다. 추가적으로, 마찰로 생성된 표면 부분의 전자는 양전하와 흡착하거나 대기 중의 입자들, 흡수된 양의 전하량과 결합하며 소멸한다.
따라서, 마찰로 생성된 전자의 양이 감소하여 TENG의 성능이 저하되는 문제가 발생한다.
대한민국 등록특허 제10-1788733호, "마찰 발전 소자 및 그 제조 방법" 대한민국 등록특허 제10-1714122호, "마찰전기 발전소자용 복합체, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 마찰전기 발전소자"
본 발명의 실시예들의 목적은 음의 마찰층에 나노 물질을 포함하여 음의 마찰층과 양의 마찰층 간의 마찰에 의해 음의 마찰층에서 생성된 전자와 음의 마찰층 표면에서 흡수되는 양이온 간의 재결합을 방지하여 생성된 전자가 자발적으로 소실되는 것을 방지할 수 있는 마찰 전기 나노발전기를 제조하기 위한 것이다.
본 발명의 실시예들의 목적은 음의 마찰층에 나노 물질을 포함하여 음의 마찰층과 양의 마찰층 간의 마찰에 의해 음의 마찰층에서 생성된 전자를 트랩시켜 생성된 전자가 자발적으로 소실되는 것을 방지하여 전력 효율이 향상되어 고효율의 마찰 전기 나노발전기를 제조하기 위한 것이다.
본 발명의 실시예들의 목적은 음의 마찰층에 단일층 결정의 나노 물질을 포함하여 음의 마찰층과 양의 마찰층 간의 마찰에 의해 음의 마찰층에서 생성된 전자가 부착되는 영역의 비표면적 (Specific Surface Area)을 향상시켜 음의 마찰층과 양의 마찰층 간의 마찰에 의해 음의 마찰층에서 트랩되는 전자의 수가 극대화된 고효율의 마찰 전기 나노발전기를 제조하기 위한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기는 제1 기판 상에 형성되는 하부 전극; 상기 하부 전극 상에 형성되는 음의 마찰층; 제2 기판 상에 형성되고, 상부 전극으로 사용되는 양의 마찰층; 및 상기 제1 기판 및 제2 기판 사이에 형성되고, 상기 제1 기판 및 제2 기판 사이의 간격을 유지하는 적어도 하나의 스페이서를 포함하고, 상기 음의 마찰층은 고분자 물질 및 나노 물질을 포함하며, 상기 나노 물질은 상기 음의 마찰층과 양의 마찰층 간의 마찰에 의해 상기 음의 마찰층에서 생성된 전자와 음의 마찰층 표면에서 흡수되는 양이온 간의 재결합을 개선한다.
상기 생성된 전자는 상기 나노 물질에 트랩(trap)될 수 있다.
상기 트랩되는 전자의 수는 상기 음의 마찰층의 두께 및 상기 나노 물질의 농도에 의해 제어될 수 있다.
상기 음의 마찰층은 상기 고분자 물질을 포함하는 고분자 박막의 표면에 분산될 수 있다.
상기 음의 마찰층은 상기 고분자 물질을 포함하는 제1 층, 상기 고분자 물질 및 나노 물질을 포함하는 제2 층 및 상기 고분자 물질을 포함하는 제3층을 포함 할 수 있다.
상기 나노 물질은 나노입자, 단일층 결정, 다층 결정, 양자점, 코어-쉘 양자점, 나노와이어, 나노리플, 나노튜브, 나노로드, 나노시트, 나노섬유, 에어로젤 및 나노폼 중 적어도 어느 하나를 포함 할 수 있다.
상기 나노 입자는 Au, Al, In, Ga, Ag, AuCl3, 환원된 그래핀 산화물(reduced graphene oxide), 그래핀, 단일벽 탄소나노튜브(single-wall CNT), 이중벽 탄소나노튜브(double-wall CNT) 및 NixFe1 -x 중 적어도 어느 하나를 포함 할 수 있다.
상기 단일층 결정 및 다층 결정은 이황화 몰리브덴(MoS2), 몰리브덴 디셀레나이드(MoSe2), 질화붕소(BN), 그래핀(grapheme), 텔루르화 몰리브덴(MoTe), 운모(Mica), 이텔루르화 몰리브덴(MoTe2) 및 흑린(black phosphorus) 중 적어도 어느 하나를 포함 할 수 있다.
상기 양자점은 Si, Ge, GaAs, InP, InAs, AlAs, InSb, AlGaxAs1 -x, InGaxAs1-x, CdSe, CdTe, ZnSe, ZnTe, CdTexSe1 -x, HgTe, HgCdxTe1 -x, ZnO, GaN, AlxGa1 - xN, SnO2, CuO, Cu2O, C60, Cu2ZnSnS4, CuInS2, SrTiO3, BaTiO3, (Ga1 - xMnx)N, (In1 - xMnx)N, CsPbCl3, CdTe/ZnTe, 중 적어도 어느 하나를 포함 할 수 있다.
상기 코어-쉘 양자점은 CdSe/CdTe, CdSe/CdS, InP/GaAs, CuInS4/ZnTe, CuInS2/CdS, CdSe/ZnS, Cd1 - xZnxTe/ZnTe, GaAs/Si, ZnSe/GaAs, CuInS2/ZnS, Si/SixGe1-x, Au/SiO2, InAs/GaAs, InP/GaAs/InAs 및 CdSe/CdS/ZnS 중 적어도 어느 하나를 포함 할 수 있다.
상기 나노와이어는 CeO2, CdTe, ZnTe, SiO2, Al2O3, ZnO, GaN, TiO2, SnO2, CuO, CuO2 및 CH3NH3PbI3 중 적어도 어느 하나를 포함 할 수 있다.
상기 나노로드는 CeO2, CdTe, ZnTe, ZnO, GaN, TiO2, SnO2, CuxO 및 CuO2 중 적어도 어느 하나를 포함 할 수 있다.
상기 나노리플은 CeO2, CdTe, ZnTe, ZnO, GaN, TiO2, SnO2, CuxO 및 CuO2 중 적어도 어느 하나를 포함 할 수 있다.
상기 나노튜브는 CeO2, CdTe, ZnTe, ZnO, GaN, TiO2, SnO2, CuxO 및 CuO2 중 적어도 어느 하나를 포함 할 수 있다.
상기 고분자 물질은 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리디메틸실록산, 폴리염화비닐, 폴리이미드, 폴리프로필렌 및 플리스티렌 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 제조 방법은 제1 기판 상에 하부 전극을 형성하는 단계; 상기 하부 전극 상에 형성되는 음의 마찰층을 형성하는 단계; 제2 기판 상에 상부 전극으로 사용되는 양의 마찰층을 형성하는 단계; 및 상기 제1 기판 및 제2 기판 사이에 형성되고, 상기 제1 기판 및 제2 기판 사이의 간격을 유지하는 적어도 하나의 스페이서를 형성하는 단계를 포함하고, 상기 음의 마찰층은 고분자 물질 및 나노 물질을 포함하며, 상기 나노 물질은 상기 음의 마찰층과 양의 마찰층 간의 마찰에 의해 상기 음의 마찰층에서 생성된 전자와 음의 마찰층 표면에서 흡수되는 양이온 간의 재결합을 개선한다.
상기 음의 마찰층을 형성하는 단계는, 상기 하부 전극 상에 상기 고분자 물질을 포함하는 제1 층을 형성하는 단계; 상기 제1 층 상에 상기 고분자 물질 및 나노 물질을 포함하는 제2 층을 형성하는 단계; 상기 제2층 상에 상기 고분자 물질을 포함하는 제3 층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면 음의 마찰층에 나노 물질을 포함하여 음의 마찰층과 양의 마찰층 간의 마찰에 의해 음의 마찰층에서 생성된 전자와 음의 마찰층 표면에서 흡수되는 양이온 간의 재결합을 방지하여 생성된 전자가 자발적으로 소실되는 것을 방지할 수 있는 마찰 전기 나노발전기를 제조할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면 음의 마찰층에 나노 물질을 포함하여 음의 마찰층과 양의 마찰층 간의 마찰에 의해 음의 마찰층에서 생성된 전자를 트랩시켜 생성된 전자가 자발적으로 소실되는 것을 방지하여 전력 효율이 향상되어 고효율의 마찰 전기 나노발전기를 제조할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면 음의 마찰층에 단일층 결정의 나노 물질을 포함하여 음의 마찰층과 양의 마찰층 간의 마찰에 의해 음의 마찰층에서 생성된 전자가 부착되는 영역의 비표면적 (Specific Surface Area)을 향상시켜 음의 마찰층과 양의 마찰층 간의 마찰에 의해 음의 마찰층에서 트랩되는 전자의 수가 극대화된 고효율의 마찰 전기 나노발전기를 제조할 수 있다.
도 1을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 마찰 전기 나노발전기를 도시한 단면도이다.
도 2a 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 입체도를 도시한 도면이다.
도 2b 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 음의 마찰층의 제2 층을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 광학 이미지(Optical image)를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기에 포함되는 음의 마찰층의 단면의 주사전자현미경(SEM) 측정 이미지를 도시한 것이다.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 개방-회로 전압(Open-circuit voltage)을 도시한 그래프이다.
도 6a 내지 도 도 6f는 전자 트랩 매커니즘을 도시한 그래프 및 에너지 밴드를 도시한 것이다.
도 7a는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기에 포함되는 제2 층(PI:rGO)의 두께에 따른 개방 회로 전압을 도시한 그래프이다.
도 7b는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기에 포함되는 제2 층(PI:rGO)의 rGO의 농도에 따른 개방 회로 전압을 도시한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 외부 로딩 저항(external loading resistance)에 따른 출력 전압 및 전류 밀도를 도시한 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 외부 로딩 저항에 따른 출력 전력 밀도(output power density)를 도시한 그래프이다.
도 10은 PI:rGO로 최적화된 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 개방 회로 전압을 도시한 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 충전 과정(Charging processes)의 전기적 특성을 도시한 그래프이다.
도 12a 및 도 12b는 도 11에서 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기를 이용한 충전 과정의 전기적 특성을 확대한 그래프이다.
도 13a 내지 도 13d는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기에 의해 구동되는 적색 LED 및 녹색 LED를 도시한 이미지이다.
도 14a 내지 도 14f는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 슬라이딩 과정에서의 전기적 특성을 도시한 그래프이다.
도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 입체도를 도시한 도면이다.
도 16a는 이황화 몰리브덴(MOS2)의 단일층 제조 과정을 도시한 도면이다.
도 16b는 이황화 몰리브덴 단일층의 주사전자현미경 측정 이미지를 도시한 것이다.
도 16c는 실리콘 기판 상에 형성된 이황화 몰리브덴 단일층의 횡단면의 원자 힘 현미경(Atomic Force Microscope, AFM) 측정 이미지를 도시한 것이다.
도 16d는 이황화 몰리브덴 단일층의 횡단면의 투과 전자 현미경(transmission electron microscopy, TEM) 측정 이미지를 도시한 것이다.
도 16e는 이황화 몰리브덴 단일층의 고배율의 투과 전자 현미경(transmission electron microscopy, TEM) 측정 이미지를 도시한 것이다.
도 17는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기에 포함되는 음의 마찰층의 제2 층(PI:MoS2)의 횡단면의 주사전자현미경 측정 이미지를 도시한 것이다.
도 18a는 PI:MoS2를 포함하지 않는 마찰 전기 나노발전기의 개방 회로 전압을 도시한 그래프이고, 도 18b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 개방 회로 전압을 도시한 그래프이다.
도 18c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 마찰-이격 주기 동안 생성된 전하의 양 및 단락 전류 밀도(Short-circuit current density)를 도시한 이미지이다.
도 18d는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 충전 과정의 전기적 특성을 도시한 그래프이다.
도 18e는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 피크 출력 전압(output peak voltage)에 대한 피크 출력 전류(output peak current)를 도시한 그래프이다.
도 18f는 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기를 이용하여 동작되는 LCD 및 녹색 LED를 도시한 이미지이다.
도 19a는 PI:MoS2를 포함하는 플로팅 게이트 MIS를 도시한 입체도이다.
도 19b는 PI:MoS2를 포함하는 플로팅 게이트 MIS의 캐패시턴스를 도시한 그래프이다.
도 19c는 -3V 내지 3V의 듀얼 전압 스윕에서의 PI:MoS2를 포함하는 플로팅 게이트 MIS의 전압-캐패시터스 곡선을 도시한 그래프이다.
도 19d 내지 도 19g는 PI:MoS2를 포함하는 플로팅 게이트 MIS의 에너지 밴드를 도시한 도면이다.
도 20a은 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 작동 매커니즘을 도시한 단면도이다.
도 20b는 PI:MoS2를 포함하지 않는 마찰 전기 나노발전기의 충전 전 및 후의 개방 회로 출력 전압을 도시한 그래프이고, 도 20c는 본 발명의 실시예들에 따른 마찰 전기 나노발전기의 충전 전 및 후의 개방 회로 출력 전압을 도시한 그래프이다.
도 20d는 PI:MoS2를 포함하지 않는 마찰 전기 나노발전기 및 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 단락 전류를 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 1을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 마찰 전기 나노발전기에 대해 설명하기로 한다.
도 1을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 마찰 전기 나노발전기를 도시한 단면도이다.
본 발명의 실시예들에 따른 마찰 전기 나노발전기는 제1 기판(111) 상에 형성되는 하부 전극(120), 하부 전극(120) 상에 형성되는 음의 마찰층(130), 제2 기판(112) 상에 형성되고, 상부 전극으로 사용되는 양의 마찰층(140) 및 제1 기판(111) 및 제2 기판(1112) 사이에 형성되고, 제1 기판(111) 및 제2 기판(112) 사이의 간격을 유지하는 적어도 하나의 스페이서를 포함한다.
또한, 음의 마찰층(130)은 고분자 물질 및 나노 물질을 포함하고, 나노 물질은 음의 마찰층과 양의 마찰층 간의 마찰에 의해 음의 마찰층에서 생성된 전자와 음의 마찰층(130) 표면에서 흡수되는 양이온 간의 재결합을 방지한다.
또한, 음의 마찰층(130)과 양의 마찰층(140) 간의 마찰에 의해 음의 마찰층(130)에서 생성된 전자는 나노 물질에 트랩(trap)될 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예들에 따른 마찰 전기 나노발전기는 음의 마찰층(130)과 양의 마찰층(140) 간의 마찰에 의해 음의 마찰층(130)에서 생성된 전자가 나노 물질에 트랩됨으로써, 생성된 전자가 음의 마찰층(130) 표면에서 흡수되는 양이온과 재결합되는 것을 방지하고, 대기 중의 입자들 또는 흡수된 전하들과 결합하여 전자가 자발적으로 소실되는 것을 방지하여 마찰 전기 나노발전기의 전력 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 마찰 전기 나노발전기는 제1 기판(111) 상에 형성되는 하부 전극(120)을 포함한다.
제1 기판(111)은 제2 기판(112)과 서로 일정한 간격으로 이격되게 형성될 수 있고, 제1 기판(111)은 하부 기판이며, 제1 기판(111)의 물질은 특별히 제한되지 않고, 일반적으로 사용되는 기판 물질이 사용될 수 있다.
바람직하게는, 제1 기판(111)은 금속 기판 또는 고분자 기판이 사용될 수 있고, 예를 들어, 제1 기판(111)은 실리콘 웨이퍼 또는 글라스와 같은 단단한 재질을 포함할 수 있지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 제1 기판(111)은 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에스테르(PE), 폴리에스테르설폰(PES), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN) 또는 캡톤(Kapton)과 같은 유연한 재질을 포함할 수도 있다.
실시예에 따라, 제1 기판(111)은 하부 전극(120)으로 사용될 수 있다.
하부 전극(120)은 제1 기판(111)의 상면에는 형성될 수 있고, 하부 전극(120)은 전기 전도성이 우수한 물질을 포함할 수 있다.
예를 들면, 하부 전극(120)은 그래핀(graphene), 탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT), ITO(Indium Tin Oxide), 금속 및 전도성 폴리머 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있고, 금속은 예를 들면, Ag, Al, Cu, Au, Ni, Cr 및 Pt 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있지만, 이에 제한되지는 않는다.
또한, 하부 전극(120)은 단층 구조 또는 복수의 층 구조로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 마찰 전기 나노발전기는 하부 전극(120) 상에 형성되는 음의 마찰층(130)을 포함한다.
음의 마찰층(130)은 외력에 의해 이종(異種)인 양의 마찰층(140)과 마찰하여 마찰 전기를 유도할 수 있다. 여기서, 음의 마찰층(130)은 하부 전극(120) 및 상부 전극(140) 사이에 개재되고, 고분자 물질 및 나노 물질을 포함할 수 있다.
나노 물질은 음의 마찰층(130)과 양의 마찰층(140) 간의 마찰에 의해 음의 마찰층(130)에서 생성된 전자와 음의 마찰층 표면에서 흡수되는 양이온 간의 재결합을 방지할 수 있다.
또한, 음의 마찰층(130)과 양의 마찰층(140) 간의 마찰에 의해 음의 마찰층(130)에서 생성된 전자는 나노 물질에 트랩(trap)될 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예들에 따른 마찰 전기 나노발전기는 음의 마찰층(130)과 양의 마찰층(140) 간의 마찰에 의해 음의 마찰층(130)에서 생성된 전자가 나노 물질에 트랩됨으로써, 생성된 전자가 음의 마찰층(130) 표면에서 흡수되는 양이온과 재결합되는 것을 방지하고, 대기 중의 입자들 또는 흡수된 전하들과 결합하여 전자가 자발적으로 소실되는 것을 방지하여 마찰 전기 나노발전기의 전력 효율을 향상시킬 수 있다.
음의 마찰층(130)은 고분자 물질을 포함하는 제1 층(121), 고분자 물질 및 나노 물질을 포함하는 제2 층(122) 및 고분자 물질을 포함하는 제3층(123)을 포함하는 샌드위치 구조로 형성될 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예들에 따른 마찰 전기 나노발전기는 샌드위치 구조를 갖는 음의 마찰층(130)을 포함함으로써, 음의 마찰층의 제2 층(122)에 포함되는 나노 물질이 고분자 물질과 전극 사이의 접촉 면적을 감소시켜 전자의 밀도를 감소시키는 문제를 방지함으로써, 마찰 전기 나노발전기의 성능을 보다 향상시킬 수 있다.
또한, 실시예에 따라, 음의 마찰층(130)은 고분자 물질을 포함하는 제1 층(121), 나노 물질을 포함하는 제2 층(122) 및 고분자 물질을 포함하는 제3층(123)을 포함할 수 있다.
또한, 음의 마찰층(130)은 고분자 물질을 포함하는 고분자 박막의 표면에 분산될 수 있다. 따라서, 나노 물질은 고분자 박막에 흩뿌려진 형태를 가질 수 있다.
또한, 음의 마찰층(130)에 트랩되는 전자의 수는 음의 마찰층(130)의 두께 및 나노 물질의 농도에 의해 제어될 수 있다.
보다 구체적으로, 음의 마찰층(130)의 두께가 증가될수록 더 많은 전자를 트랩할 수 있어 음의 마찰층(130)에 트랩되는 전자의 수가 증가될 수 있다.
또한, 음의 마찰층(130)의 나노 물질의 농도가 증가될수록 더 많은 전자를 트랩할 수 있어 음의 마찰층(130)에 트랩되는 전자의 수가 증가될 수 있다.
또한, 음의 마찰층(130)에 포함되는 나노 물질은 강력한 전자 트랩성과 넓은 표면적에 의해 상부 전극(140)에서 하부 전극(120)으로 전자가 이동하는 과정에서도 전자를 트랩하여 본 발명의 실시예들에 따른 마찰 전기 나노발전기의 효율을 향상시킬 수 있다.
고분자 물질은 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리디메틸실록산, 폴리염화비닐, 폴리이미드, 폴리프로필렌 및 플리스티렌 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있고, 바람직하게는 고분자 물질은 캡톤(kapton)이 사용될 수 있다.
나노 물질은 나노입자, 단일층 결정, 다층 결정, 양자점, 코어-쉘 양자점, 나노와이어, 나노리플, 나노튜브, 나노로드, 나노시트, 나노섬유, 에어로젤 및 나노폼 중 적어도 어느 하나를 포함 할 수 있다.
나노 입자는 Au, Al, In, Ga, Ag, AuCl3, 환원된 그래핀 산화물(reduced graphene oxide, rGO), 그래핀, 단일벽 탄소나노튜브(single-wall CNT), 이중벽 탄소나노튜브(double-wall CNT) 및 NixFe1-x 중 적어도 어느 하나를 포함 할 수 있다.
단일층 결정 및 다층 결정은 이황화 몰리브덴(MoS2), 몰리브덴 디셀레나이드(MoSe2), 질화붕소(BN), 그래핀(grapheme), 텔루르화 몰리브덴(MoTe), 운모(Mica), 이텔루르화 몰리브덴(MoTe2) 및 흑린(black phosphorus) 중 적어도 어느 하나를 포함 할 수 있다.
양자점은 Si, Ge, GaAs, InP, InAs, AlAs, InSb, AlGaxAs1 -x, InGaxAs1-x, CdSe, CdTe, ZnSe, ZnTe, CdTexSe1 -x, HgTe, HgCdxTe1 -x, ZnO, GaN, AlxGa1 - xN, SnO2, CuO, Cu2O, C60, Cu2ZnSnS4, CuInS2, SrTiO3, BaTiO3, (Ga1 - xMnx)N, (In1 - xMnx)N, CsPbCl3, CdTe/ZnTe, 중 적어도 어느 하나를 포함 할 수 있다.
코어-쉘 양자점은 CdSe/CdTe, CdSe/CdS, InP/GaAs, CuInS4/ZnTe, CuInS2/CdS, CdSe/ZnS, Cd1 - xZnxTe/ZnTe, GaAs/Si, ZnSe/GaAs, CuInS2/ZnS, Si/SixGe1-x, Au/SiO2, InAs/GaAs, InP/GaAs/InAs 및 CdSe/CdS/ZnS 중 적어도 어느 하나를 포함 할 수 있다.
나노와이어는 CeO2, CdTe, ZnTe, SiO2, Al2O3, ZnO, GaN, TiO2, SnO2, CuO, CuO2 및 CH3NH3PbI3 중 적어도 어느 하나를 포함 할 수 있다.
나노로드는 CeO2, CdTe, ZnTe, ZnO, GaN, TiO2, SnO2, CuxO 및 CuO2 중 적어도 어느 하나를 포함 할 수 있다.
나노리플은 CeO2, CdTe, ZnTe, ZnO, GaN, TiO2, SnO2, CuxO 및 CuO2 중 적어도 어느 하나를 포함 할 수 있다.
나노튜브는 CeO2, CdTe, ZnTe, ZnO, GaN, TiO2, SnO2, CuxO 및 CuO2 중 적어도 어느 하나를 포함 할 수 있다.
바람직하게는 나노 물질은 환원된 그래핀 산화물 또는 이황화 몰리브덴이 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기에서 나노 물질로 환원된 그래핀 산화물 또는 이황화 몰리브덴이 사용되는 기술에 대해서는 도 2a 내지 도 20d를 참조하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.
따라서, 본 발명의 실시예들에 따른 마찰 전기 나노발전기의 음의 마찰층(130)에 포함되는 나노 물질은 음의 마찰층(130)과 양의 마찰층(140) 간의 마찰에 의해 음의 마찰층(130)에서 생성된 전자가 음의 마찰층(130) 표면에서 흡수되는 양이온과 재결합되는 것을 방지하여 마찰 전기 나노발전기의 전력 밀도 및 출력 전압을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기는 제2 기판 상에 형성되고, 상부 전극으로 사용되는 양의 마찰층(140)을 포함한다.
제2 기판(112)은 제1 기판(111)과 서로 일정한 간격으로 이격되게 형성될 수 있고, 제2 기판(112)은 상부 기판이며, 제2 기판(112)의 물질은 특별히 제한되지 않고, 일반적으로 사용되는 기판 물질이 사용될 수 있다.
바람직하게는 제2 기판(112)은 금속 기판 또는 고분자 기판이 사용될 수 있고, 예를 들어, 제2 기판(112)은 실리콘 웨이퍼 또는 글라스와 같은 단단한 재질을 포함할 수 있지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 제2 기판은 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에스테르(PE), 폴리에스테르설폰(PES), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN) 또는 캡톤(Kapton)과 같은 유연한 재질을 포함할 수도 있다.
실시예에 따라, 제2 기판(112)은 양의 마찰층(상부 전극, 140)으로 사용될 수 있다.
양의 마찰층(상부 전극, 140)은 제1 기판(112)의 상면에는 형성될 수 있고, 상부 전극(140)은 전기 전도성이 우수한 물질을 포함할 수 있다.
예를 들면, 양의 마찰층(상부 전극, 140)은 그래핀(graphene), 탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT), ITO(Indium Tin Oxide), 금속 및 전도성 폴리머 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있고, 금속은 예를 들면, Ag, Al, Cu, Au, Ni, Cr 및 Pt 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있지만 이에 제한되지는 않는다.
또한, 양의 마찰층(상부 전극, 140)은 단층 구조 또는 복수의 층 구조일 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 마찰 전기 나노발전기는 제1 기판(1111) 및 제2 기판(112) 사이에 형성되고, 제1 기판 및 제2 기판 사이의 간격을 유지하는 적어도 하나의 스페이서를 포함한다.
스페이서는 스프링 또는 고분자 물질로 형성될 수 있고, 스페이서는 음의 마찰층(130)과 양의 마찰층(140)을 이격시키기 위해 적정 두께로 형성될 수 있다.
바람직하게는, 스페이서는 스프링이 사용될 수 있고, 제1 기판(111) 및 제2 기판(112) 사이의 가장자리 부분에 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기는 기본 상태에서는 하부 전극(120)과 상부 전극(140) 사이에 전위차가 없기 때문에 음의 마찰층(130)과 양의 마찰층(140) 각각의 표면에 전하가 없는 상태를 유지할 수 있다.
그러나, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기에 외력이 가해져 음의 마찰층(130)과 양의 마찰층(140)이 마찰될 때, 마찰되어 마찰전기 효과에 의해 음의 마찰층(130)과 양의 마찰층(140) 각각의 표면으로 전하가 이동될 수 있다.
마찰전기 시리즈에 따라, 음의 마찰층(130)은 강한 마찰 음극성을 갖게 되고, 음전하 및 양전하 각각이 음의 마찰층(130)과 양의 마찰층(140)의 표면에 유도될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기는 음의 마찰층(130)과 양의 마찰층(140)이 다시 이격되면, 쌍극자 모멘트가 더 강해지고, 하부 전극(120)과 상부 전극(140) 사이에 강한 전위차가 발생될 수 있다. 따라서, 전자들이 음전위에서 양전위로 흘러 마찰전기 발전기가 발전하게 된다.
본 발명의 실시예들에 따른 마찰 전기 나노발전기는 발전기, 자가 발전형 전자 기기 또는 웨어러블 기기에 사용될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 마찰 전기 나노발전기의 제조 방법은 제1 기판 상에 하부 전극을 형성하는 단계, 하부 전극 상에 형성되는 음의 마찰층을 형성하는 단계, 제2 기판 상에 상부 전극으로 사용되는 양의 마찰층을 형성하는 단계 및 제1 기판 및 제2 기판 사이에 형성되고, 제1 기판 및 제2 기판 사이의 간격을 유지하는 적어도 하나의 스페이서를 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예들에 따른 마찰 전기 나노발전기의 제조 방법은 도 1에서 도시된 본 발명의 실시예들에 따른 마찰 전기 나노발전기와 동일한 구성을 포함하므로, 동일한 구성 요소에 대해서는 생략하기로 한다.
본 발명의 실시예들에 따른 마찰 전기 나노발전기의 제조 방법은 제1 기판 상에 하부 전을 형성한다.
하부 전극은 제1 기판 상에 형성되고, 하부 전극은 열 증착법(thermal deposition), 진공 증착법 (vacuum deposition), 화학 기상 증착법(chemical vapor deposition), 물리 기상 증착법(physical vapor deposition), 원자층 증착법(atomic layer deposition), 유기금속 화학 증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition), 플라즈마 화학 증착법(Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition), 분자선 성장법(Molecular Beam Epitaxy), 수소화물 기상 성장법(Hydride Vapor Phase Epitaxy), 스퍼터링(Sputtering), 스핀 코팅(spin coating), 딥 코팅(dip coating) 및 존 캐스팅(zone casting) 중 적어도 어느 하나를 이용하여 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 마찰 전기 나노발전기의 제조 방법은 하부 전극 상에 음의 마찰층을 형성한다.
또한, 실시예에 따라서는, 음의 마찰층을 별도로 형성하고, 하부 전극에 부착할 수 있다.
음의 마찰층은 고분자 물질 및 나노 물질을 포함하고, 나노 물질은 음의 마찰층과 양의 마찰층 간의 마찰에 의해 상기 음의 마찰층에서 생성된 전자와 음의 마찰층 표면에서 흡수되는 양이온 간의 재결합을 방지한다.
음의 마찰층을 형성하는 단계는, 하부 전극 상에 고분자 물질을 포함하는 제1 층을 형성하는 단계, 제1 층 상에 고분자 물질 및 나노 물질을 포함하는 제2 층을 형성하는 단계 및 제2층 상에 고분자 물질을 포함하는 제3 층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
특히, 고분자 물질 및 나노 물질을 포함하는 제2 층을 형성하는 단계는 고분자 물질에 고르게 분산된 나노 물질을 형성하기 위해, 고분자 전구체 및 용매를 포함하는 고분자 물질 용액 내에 나노 물질을 첨가하여, 제2 층 용액을 제조한 다음, 제1 층 상에 코팅될 수 있다.
또한, 음의 마찰층으로 단일층 결정이 사용되는 경우, 박리 과정을 진행하여, 다층 결정을 단일층 결정으로 박리하여 단일층 결정을 제조한 다음, 고분자 전구체 및 용매를 포함하는 고분자 물질 용액 내에 첨가하여 제2 층 용액을 제조한 다음, 제1 층 상에 코팅될 수 있다.
음의 마찰층은 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.
본 발명의 실시예들에 따른 마찰 전기 나노발전기의 제조 방법은 제2 기판 상에 상부 전극으로 사용되는 양의 마찰층을 형성한다.
양의 마찰층은 딥 열 증착법(thermal deposition), 진공 증착법 (vacuum deposition), 화학 기상 증착법(chemical vapor deposition), 물리 기상 증착법(physical vapor deposition), 원자층 증착법(atomic layer deposition), 유기금속 화학 증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition), 플라즈마 화학 증착법(Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition), 분자선 성장법(Molecular Beam Epitaxy), 수소화물 기상 성장법(Hydride Vapor Phase Epitaxy), 스퍼터링(Sputtering), 스핀 코팅(spin coating), 딥 코팅(dip coating) 및 존 캐스팅(zone casting) 중 적어도 어느 하나를 이용하여 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 마찰 전기 나노발전기의 제조 방법은 제1 기판 및 제2 기판 사이의 간격을 유지하는 적어도 하나의 스페이서를 형성한다.
스페이서는 스프링이 사용될 수 있고, 스프링은 탄성력을 가지는 스프링 와이어(spring wire)가 사용될 수 있고, 스프링은 탄소강(carbon steel), 저합금강(low-alloy steel) 및 스프링강(spring steel) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
이하에서는, 도 2a 내지 도 14e를 참조하여 나노 물질로 환원된 그래핀 산화물을 사용하는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기에 대해 설명하기로 한다.
도 2a 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 입체도를 도시한 도면이다.
도 2a는 도 1에서와 동일한 구성을 포함하고 있으므로, 동일한 구성요소에 대해서는 생략하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기는 제1 기판 상에 형성되는 하부 전극(210), 하부 전극(210) 상에 형성되는 음의 마찰층(220), 제2 기판 상에 형성되고, 상부 전극으로 사용되는 양의 마찰층(230) 및 제1 기판 및 제2 기판 사이에 형성되고, 제1 기판 및 제2 기판 사이의 간격을 유지하는 적어도 하나의 스페이서를 포함한다.
바람직하게는, 하부 전극(210) 및 상부 전극(230)으로는 알루미늄(Al)이 사용될 수 있고, 음의 마찰층(220)에 포함되는 고분자 물질로는 폴리이미드(PI)가 사용될 수 있으며, 나노 물질로는 환원된 그래핀 산화물(rGO)이 사용될 수 있다.
특히, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 음의 마찰층(220)으로 폴리이미드를 포함하는 제1 층(221), 폴리이미드 및 환원된 그래핀 산화물을 포함하는 제2 층(223) 및 폴리이미드를 포함하는 제3 층(223)이 순차적으로 적층된 샌드위치 구조일 수 있다.
또한, 음의 마찰층(220)은 폴리이미드 내에 환원된 그래핀 산화물이 균일하게 분산될 수 있도록, 폴리아크릴아마이드(PAA)를 포함하는 용액 내에 기능화된 그래핀 산화물(GO) 시트를 결합시켜 제조될 수 있다.
따라서, 제2 층(223)은 폴리아크릴아마이드에 기능화된 그래핀 산화물을 포함하는 제2 층 용액을 스핀 코팅 및 후속 이미드화를 진행하여 손쉽게 제조될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기는 제2 층에 환원된 그래핀 산화물 시트를 포함하더라고 폴리이미드의 화학 구조에는 전혀 영향을 미치지 않는다.
제2 층(223)에 대해서는 도 2b에서 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 2b 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 음의 마찰층의 제2 층을 도시한 도면이다.
도 2b를 참조하면, 음의 마찰층의 제2 층은 폴리이미드 및 환원된 그래핀 산화물을 포함하고, 보다 바람직하게는, 폴리이미드 매트릭스(PI matrix) 내에 환원된 그래핀 산화물(rGO) 시트가 균일하게 분산될 수 있다.
또한, 음의 마찰층의 제2 층에 포함되는 환원된 그래핀 산화물(rGO) 시트는 전자를 트랩할 수 있다.
제조예
PAA:GO 용액 준비
천연의 흑연을 수정된 Hummers법을 이용함으로써 정제하여 그래핀 산화물(GO) 시트를 준비하였다. 다이메틸폼아마이드(DMF)에 폴리아믹산(PAA)을 용해시켜 만든 PAA 전구체 용액은 287.5 mg의 p-페닐렌디아민(PDA), 781.25 mg의 비페닐디안무수물(BPDA)를 DMF 용액에 용해시켜서 수득하였다.
PAA 전구체 용액에 GO 시트를 첨가하고 1시간 동안 초음파처리(ultrasonication)하여 PAA:GO 혼합물을 수득하고, PAA 전구체 용액에 GO 시트가 균일하게 분산된 PAA와 PAA:GO 용액을 준비하였다.
TENG 소자 제조
TENG의 음의 마찰층을 제작하기 위하여 열 증착법을 이용하여 유리 기판 상에 Al막을 증착하여 하부 전극을 형성하였다. 이후, PAA 전구체 용액을 코팅하여 PI(Kapton)막의 음의 마찰층의 제1 층을 형성하고, PI(Kapton)막 상에 스핀 코팅 방법으로 PAA:GO 막을 코팅하며, 135℃에서 30분간 열처리하여 용매를 증발시켜 음의 마찰층의 제2 층을 형성하고, 음의 마찰층의 제2 층 상에 PAA 전구체 용액을 코팅하여 PI(Kapton)막의 음의 마찰층의 제3 층을 형성하였다.
이후, 400℃ 에서 2시간 동안 열처리하여 PI(Kapton)/Pi:rGO/PI가 순차적으로 적층된 음의 마찰층을 형성하고, 하부 전극 상에 부착하였다. 마지막으로, 양의 마찰층으로 알루미늄(Al) 호일이 부착된 유리 기판을 준비하고, 양의 마찰층을 TENG의 공간층으로 사용된 10 mm 두께의 스프링으로 지탱하여 음의 마찰층에 부착하였다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 광학 이미지(Optical image)를 도시한 것이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기는 1.5 cm×2.5 cm의 활성 크기로 형성된 것을 알 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기에 포함되는 음의 마찰층의 단면의 주사전자현미경(SEM) 측정 이미지를 도시한 것이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 음의 마찰층이 폴리이미드(PI), 폴리이미드 및 환원된 그래핀 산화물(PI:rGO) 및 폴리이미드(PI)이 순차적으로 잘 적층되어 있는 것을 알 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 음의 마찰층의 제2 층(PI:rGO)은 폴리이미드(PI) 내에 환원된 그래핀 산화물(rGO)이 균일하게 분산된 것을 알 수 있다.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 개방-회로 전압(Open-circuit voltage)을 도시한 그래프이다.
도 5a는 음의 마찰층으로 제1 층만 포함하는 마찰 전기 나노발전기에서의 개방-회로 전압이고, 도 5b는 음의 마찰층으로 제1 층(Kapton) 및 제2 층으로 고분자 물질(PI)만 포함하는 마찰 전기 나노발전기에서의 개방-회로 전압이며, 도 5c는 음의 마찰층으로 제1 층(Kapton) 및 제2 층(PI:rGO)을 포함하는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기에서의 개방-회로 전압이고, 도 5d는 음의 마찰층으로 제1 층(Kapton) 내지 제3 층(PI)을 포함하는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기에서의 개방-회로 전압이다.
또한, 도 5a 내지 도 5b는 순차적으로, 활성화 과정(Activation process), 0.2Hz의 동작 주파수(operation frequencies), 1 Hz의 동작 주파수 및 7 Hz의 동작 주파수에서의 개방-회로 전압을 도시하였다.
도 5a 내지 도 5d는 음의 마찰층으로 제1 층 내지 제3 층을 포함하는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기는 안정된 접압 출력(voltage output)을 얻기 위해 40 회의 마찰-이격 주기를 필요로 하는 것으로 보아, 음의 마찰층에 고분자 물질만 포함하는 마찰 전기 나노발전기보다 안정된 접압 출력을 갖기 위한 마찰-이격 주기가 감소되는 것을 알 수 있다.
또한, 7Hz의 동작 주파수에서 음의 마찰층으로 제1 층 내지 제3 층을 포함하는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기는 음의 마찰층에 고분자 물질만 포함하는 마찰 전기 나노발전기보다 약 3배 이상 높은 90V의 출력 전압을 나타내는 것을 알 수 있다.
또한, 음의 마찰층에 고분자 물질만 포함하는 마찰 전기 나노발전기는 동작 주파수가 증가함에 따라 출력 전압이 증가하나, 음의 마찰층으로 제1 층 내지 제3 층을 포함하는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기는 출력 전압이 동작 주파수에 의존되지 않고, 높은 출력 전압을 나타내는 것으로 보아, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기가 안정적인 동작 특성을 나타내는 것을 알 수 있다.
도 6a 내지 도 도 6f는 전자 트랩 매커니즘을 도시한 그래프 및 에너지 밴드를 도시한 것이다.
도 6a는 폴리이미드(이하에서 PI로 표기)와 폴리이미드:환원된 그래핀 산화물(이하에서 PI:rGO로 표기) 나노 복합체 각각의 여기(excitation) 스펙트럼(왼쪽) 및 방출(emission) 스펙트럼(오른쪽)을 도시한 그래프이다.
도 6a를 참조하면, PI:rGO 나노 복합체는 361nm 부근의 파장에서 형광 여기가 발생하는 것을 알 수 있다.
따라서, PI:rGO 나노 복합체의 형광 여기가 PI보다 증가되는 것으로 보아, rGO(보다 바람직하게 rGO 시트)가 전하 전달 과정(charge transfer process)을 촉진시킬 수 있고, 이를 통해, rGO가 전하를 트랩할 수 있는 것을 알 수 있다.
도 6b는 PI와 PI:rGO 나노 복합체 각각의 흡수 스펙트럼(absorption spectra)을 도시한 그래프이다.
도 6b를 참조하면, PI:rGO 나노 복합체의 가시광 영역에서의 흡수 피크는 rGO에 의해 544nm에서 572nm로 이동되는 것을 알 수 있다.
도 6c는 PI:rGO 나노 복합체를 포함하는 플로팅 게이트 MIS(floating-gate metal-insulator-semiconductor)의 캐패시턴스를 도시한 그래프이다.
도 6c는 플로팅 게이트 MIS의 전하 저장층으로 PI:rGO 나노 복합체를 도입하여 PI:rGO 나노 복합체의 전자 전달 및 트래핑 효과를 확인하였고, 전압-캐패시터스(C-V) 곡선은 5MHz에서 측정되었다.
도 6c를 참조하면, 전압-캐패시터스 히스테레시스 윈도우(C-V hysteresis windows)에서 음의 최대 바이어스가 증가하는 것으로 보아 PI에 분산된 rGO가 전자를 트랩하여 전하의 포획이 증가하는 것을 알 수 있다.
도 6d는 다양한 인가 전압에 따른 플로팅 게이트 MIS의 플랫-밴드 전압 쉬프트(flat-band voltage shifts, ΔVfb)를 도시한 그래프이다.
도 6d를 참조하면, 음의 바이어스에서 포획된 전자의 평균 밀도는 음의 인가 전압이 -1V에서 -8V으로 증가될 때 3.8×10-3 C/m2 에서 2.8×10-2 C/m2까지 증가되는 것을 알 수 있다.
도 6e는 제로 바이어스(zero bias)에서의 플로팅 게이트 MIS의 에너지 밴드 다이어그램을 도시한 것이고, 도 6f는 음의 바이어스(negative bias) 에서의 플로팅 게이트 MIS의 에너지 밴드 다이어그램을 도시한 것이다.
도 6e를 참조하면, 상부 전극에 인가되는 전압이 0V일 때, 전하가 PI:rGO 전하 저장층에 트랩되지 않는 것을 알 수 있다.
그러나, 도 6f를 참조하면, 상부 전극에 음의 전압이 인가될 때, 전자는 상부 전극의 페르미 레벨에서 가장 낮은 비점유 분자 궤도(LUMO) 레벨로 주입된 다음, PI:rGO 전하 저장층의 rCO에 트랩되는 것을 알 수 있다.
PI:rGO 전하 저장층에 전자가 트랩되면 PI/p-Si 계면에서 정공이 축적되어 캐패시턴스 값이 증가하고, 이는 마찰 전기 나노발전기의 작동 원리와 유사하다.
도 7a는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기에 포함되는 제2 층(PI:rGO)의 두께에 따른 개방 회로 전압을 도시한 그래프이다.
도 7a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기에 포함되는 제2 층(PI:rGO)의 두께가 증가할수록 개방 회로 전압이 증가하고, 특히, 제2 층(PI:rGO)의 두께가 6.5㎛로 증가될 때 개방 회로 전압이 150V로 증가되는 것을 알 수 있다.
도 7b는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기에 포함되는 제2 층(PI:rGO)의 rGO의 농도에 따른 개방 회로 전압을 도시한 그래프이다.
도 7b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기에 포함되는 제2 층(PI:rGO)의 rGO의 농도가 증가할수록 개방 회로 전압이 증가하고, 특히, 제2 층(PI:rGO)에서의 rGO의 농도가 약 20.0wt%일 때, 최대 개방 회로 출력 전압은 190V로 증가하여 rGO를 포함하지 않는 마찰 전기 나노발전기보다 약 7배정도 증가되는 것을 알 수 있다.
그러나, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기는 제2 층(PI:rGO)에서의 rGO의 농도가 약 28.9wt%로 증가하는 경우에는, 고농도의 rGO에 의해 rGO 끼리에 서로 연결되어 제2 층(PI:rGO)의 하부에서 내부 전기장을 가리는 효과를 나타내게 되어 개방 회로 전압이 50V로 감소되는 것을 알 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 외부 부하 저항(external loading resistance)에 따른 출력 전압 및 전류 밀도를 도시한 그래프이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기는 외부 부하 저항이 증가함에 따라 출력 전압이 감소되는 것을 알 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기는 PI:rGO를 포함하지 않는 마찰 전기 나노발전기보다 출력 특성이 향상되고, 전류 밀도가 개선되는 것을 알 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 외부 부하 저항에 따른 출력 전력 밀도(output power density)를 도시한 그래프이다.
도 9을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 출력 전력 밀도는 약 5㏁의 저항에서 6.3W/m2의 최대값에 도달하는 것으로 보아, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기는 PI:rGO를 포함하지 않는 마찰 전기 나노발전기보다 출력 전력 밀도가 300배 증가하는 것을 알 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기는 PI:rGO를 포함하지 않는 마찰 전기 나노발전기보다 출력 특성이 향상되는 것을 알 수 있다.
도 10은 PI:rGO로 최적화된 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 개방 회로 전압을 도시한 그래프이다.
PI:rGO로 최적화된 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기를 사용하여 에너지 저장 장치를 충전하는 경우, 로드에 연결하기 전에 AC 신호를 정류한다.
도 10에서와 같이, PI:rGO로 최적화된 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 출력 전압은 브릿지형 정류 회로(rectifier bridge circuit)에 의해 정류될 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 충전 과정(Charging processes)의 전기적 특성을 도시한 그래프이다.
도 11에서와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기를 이용하여 캐패시터를 충전하였고, 0.22㎌ 캐패시터는 7Hz의 동작 주파수에서 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기를 사용하여 충전되었다.
도 12a 및 도 12b는 도 11에서 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기를 이용한 충전 과정의 전기적 특성을 확대한 그래프이다.
도 12a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기는 PI:rGO를 포함하지 않는 마찰 전기 나노발전기보다 단시간에 충전되는 것으로 보아, 충전 성능이 향상되는 것을 알 수 있다.
특히, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기는 단 7초만에 캐패시터를 6V까지 충전하였다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기는 신호가 정류이기 때문에 마찰(press) 및 이격(release) 동작에서 모두 캐패시터를 충전할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 마찰 동작 동안 충전된 캐패시터의 전압을 0.32V까지 증가하고 이는 이격 동작과 거의 동일하였다. 그러나, PI:rGO를 포함하지 않는 마찰 전기 나노발전기는 약 0.1V의 전압만이 증가되었다.
도 12b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기는 마찰-이격 주기 동안의 총 축적량은 약 0.16μC를 갖고, PI:rGO를 포함하지 않는 마찰 전기 나노발전기는 마찰-이격 주기 동안의 총 축적량이 약 0.05 μC를 갖는 것으로 보아, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 충전 특성이 월등히 향상되는 것을 알 수 있다.
도 13a 내지 도 13d는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기에 의해 구동되는 적색 LED 및 녹색 LED를 도시한 이미지이다.
도 13a 내지 도 13d를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기를 이용하여 100개의 적색 LED 및 100개의 녹색 LED를 순간적으로 켜고 끌 수 있는 것을 알 수 있다.
도 14a 내지 도 14f는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 슬라이딩 과정에서의 전기적 특성을 도시한 그래프이다.
도 14a는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 수평 방향의 슬라이딩 과정을 도시한 입체도이다.
도 14a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기는 음의 마찰층과 양의 마찰층이 슬라이딩되는 경우에도 동작될 수 있어, 수직 마찰에서의 한계를 극복하여 마찰 전기 나노발전기의 효율을 극대화시킬 수 있다.
도 14b는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 슬라이딩 과정에서의 개방 회로 전압을 도시한 그래프이고, 도 14c는 PI:rGO를 포함하지 않는 마찰 전기 나노발전기의 슬라이딩 과정에서의 개방 회로 전압을 도시한 그래프이다.
도 14b 및 도 14c를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 슬라이딩 과정에서의 개방 회로 전압은 PI:rGO를 포함하지 않는 마찰 전기 나노발전기보다 약 3배 정도 증가하는 것을 알 수 있다.
도 14d는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 슬라이딩 과정에서의 전력 밀도를 도시한 그래프이다.
도 14d를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 슬라이딩 과정에서의 전력 밀도는 약 10㏁의 저항에서 0.3W/M2의 최대 값에 도달하는 것을 알 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 슬라이딩 과정에서의 최대 전력 밀도는 PI:rGO를 포함하지 않는 마찰 전기 나노발전기보다 약 9배 정도 증가하는 것을 알 수 있다.
도 14e는 슬라이딩을 이용한 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 충전 과정을 도시한 그래프이다.
도 14e를 참조하면, 8Hz의 동작 주파수에서의 슬라이딩을 이용한 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기는 단 5초만에 캐패시터를 4.5V로 충전하였다.
도 14f는 슬라이딩을 이용한 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 누적 전하를 도시한 그래프이다.
도 14f를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기는 마찰-이격 주기 동안 총 축적량은 약 0.1μC를 갖는 것으로 보아, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기가 PI:rGO를 포함하지 않는 마찰 전기 나노발전기보다 효율이 향상되는 것을 알 수 있다.
이하에서는, 도 15 내지 도 20d를 참조하여 나노 물질로 이황화 몰리브덴을 사용하는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기에 대해 설명하기로 한다.
도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 입체도를 도시한 도면이다.
도 15는 도 1 및 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기와 동일한 구성을 포함하고 있으므로, 동일한 구성요소에 대해서는 생략하기로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기는 제1 기판(311) 상에 형성되는 하부 전극(320), 하부 전극(320) 상에 형성되는 음의 마찰층(330), 제2 기판(312) 상에 형성되고, 상부 전극으로 사용되는 양의 마찰층(340) 및 제1 기판(311) 및 제2 기판(312) 사이에 형성되고, 제1 기판(311) 및 제2 기판(312) 사이의 간격을 유지하는 적어도 하나의 스페이서를 포함한다.
바람직하게는, 하부 전극(320) 및 상부 전극(340)으로 는 알루미늄(Al)이 사용될 수 있고, 음의 마찰층(220)에 포함되는 고분자 물질로는 폴리이미드(PI)가 사용될 수 있으며, 나노 물질로는 이황화 몰리브덴(MoS2)이 사용될 수 있다. 더욱 바람직하게는, 이황화 몰리브덴은 단일층 결정일 수 있다.
나노 물질로 사용되는 이황화 몰리브덴 단일층 결정은 전자가 부착되는 특정지역 비 표면적(Specific Surface Area)이 다른 물질에 비하여 매우 크기 때문에 전자 트랩 효율을 보다 향상시켜, 마찰 전기 나노발전기의 성능을 보다 향상시킬 수 있다.
특히, 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 음의 마찰층(330)으로 폴리이미드를 포함하는 제1 층(331), 폴리이미드 및 이황화 몰리브덴을 포함하는 제2 층(332) 및 폴리이미드를 포함하는 제3 층(333)이 순차적으로 적층된 샌드위치 구조일 수 있다.
또한, 음의 마찰층(340)은 폴리이미드(PI) 내에 이황화 몰리브덴(MoS2)이 균일하게 분산될 수 있도록, 폴리아크릴아마이드(PAA)를 포함하는 용액 내에 기능화된 이황화 몰리브덴(MoS2) 단일층을 결합시켜 제조될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기는 음의 마찰층(340) 내에 이황화 몰리브덴(MoS2)을 포함하더라고 폴리이미드의 화학 구조에는 영향을 미치지 않는다.
음의 마찰층의 제2 층(332)은 폴리이미드 및 이황화 몰리브덴을 포함하고, 보다 바람직하게는 폴리이미드 매트릭스(PI matrix) 내에 이황화 몰리브덴 단일층(monolayer MoS2)이 균일하게 분산될 수 있다.
또한, 음의 마찰층의 제2 층(332)에 포함되는 이황화 몰리브덴은 전극으로부터 전자를 트랩할 수 있다.
제조예
MoS 2 단일층 제조
MoS2 조각들을 도 16a에서와 같은 박리 방법을 이용하여 MoS2 단일층을 수득하였다.
MoS 2 단일층 및 PAA 부유물 용액 제조
다이메틸폼아마이드(DMF)에 폴리아믹산(PAA)을 용해시켜 만든 PAA 전구체 용액은 287.5 mg의 p-페닐렌디아민(PDA), 781.25 mg의 비페닐디안무수물(BPDA)를 DMF 용액에 용해시켜서 수득하였다.
MoS2 가루 10mg을 PAA 전구체 용액 20ml에 첨가하여 9시간 동안 초음파처리를 하여 MoS2 단일층 PAA 부유물을 준비하였다. 생성된 MoS2 단일층 PAA 부유물을 7일 동안 가만히 놔두어 잔여 입자들을 제거한 다음, 표면의 상층액을 30분 동안 4000rpm의 원심분리를 하여 모아, MoS2 단일층이 PAA 전구체 용액에 균일하게 분산된 MoS2 단일층 PAA 부유물 용액을 제조하였다.
TENG 소자 제조
TENG의 음의 마찰층을 제작하기 위하여 열 증착법을 이용하여 유리 기판 상에 Al막을 증착하여 하부 전극을 형성하였다. 이후, PAA 전구체 용액을 코팅하여 PI(Kapton)막의 음의 마찰층의 제1 층을 형성하고, PI(Kapton)막 상에 스핀 코팅 방법으로 PAA;MoS2 막을 코팅하며, 135℃에서 30분간 열처리하여 용매를 증발시켜 음의 마찰층의 제2 층을 형성하고, 음의 마찰층의 제2 층 상에 PAA 전구체 용액을 코팅하여 PI(Kapton)막의 음의 마찰층의 제3 층을 형성하였다.
이후, 400℃ 에서 2시간 동안 열처리하여 PI(Kapton)/Pi:rGO/PI가 순차적으로 적층된 음의 마찰층을 형성하고, 하부 전극 상에 부착하였다. 마지막으로 양의 마찰층으로 알루미늄(Al) 호일이 부착된 유리 기판을 준비하고, 양의 마찰층을 TENG의 공간층으로 사용된 10 mm 두께의 스프링으로 지탱하여 음의 마찰층에 부착하였다.
도 16a는 이황화 몰리브덴(MoS2)의 단일층 제조 과정을 도시한 도면이다.
도 16a를 참조하면, 이황화 몰리브덴(MoS2)의 단일층은 초음파로 유기 용매에 포함되는 벌크 이황화 몰리브덴 분말을 액상 박리하여 제조되었다.
또한, 폴리이미드의 전구체인 폴리아믹산(PAA)을 포함하는 폴리아믹산(PAA) 전구체 용액을 사용하였다.
폴리아믹산(PAA) 전구체 용액에 이황화 몰리브덴(MoS2) 단일층을 첨가하여 제조된 용액을 스핀 코팅 및 이미드화하여 폴리이미드:이황화 몰리브덴(PI:MoS2) 층을 제조하였다.
도 16b는 이황화 몰리브덴 단일층의 주사전자현미경 측정 이미지를 도시한 것이다.
도 16b는 몰리브덴 단일층이 이황화 몰리브덴 분말로부터 잘 분리된 것을 알 수 있다.
도 16c는 실리콘 기판 상에 형성된 이황화 몰리브덴 단일층의 횡단면의 원자 힘 현미경(Atomic Force Microscope, AFM) 측정 이미지를 도시한 것이다.
도 16c를 참조하면, 길이가 수백 나노 미터인 이황화 몰리브덴 나노 시트의 두께는 약 1nm를 갖는 것을 알 수 있다.
도 16d는 이황화 몰리브덴 단일층의 횡단면의 투과 전자 현미경(transmission electron microscopy, TEM) 측정 이미지를 도시한 것이다.
도 16d를 참조하면, SAED(selected area electron diffraction) 패턴이 육각형 대칭을 갖는 것으로 보아, 이황화 몰리브덴 단일층이 단일 결정 도메인(single crystal domain)인 것을 알 수 있다.
도 16e는 이황화 몰리브덴 단일층의 고배율의 투과 전자 현미경(transmission electron microscopy, TEM) 측정 이미지를 도시한 것이다.
도 16e를 참조하면, 이황화 몰리브덴 단일층이 벌집 구조를 갖는 것으로 보아, 이황화 몰리브덴의 박리 시트가 단일층인 것을 알 수 있다.
도 17는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기에 포함되는 음의 마찰층의 제2 층의 횡단면의 주사전자현미경 측정 이미지를 도시한 것이다.
도 17를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기는 음의 마찰층의 제2 층(이하에서, PI: MoS2로 표기)이 균일하게 형성되는 것을 알 수 있다.
도 18a는 PI:MoS2를 포함하지 않는 마찰 전기 나노발전기의 개방 회로 전압을 도시한 그래프이고, 도 18b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 개방 회로 전압을 도시한 그래프이다.
도 18a 및 도 18b를 참조하면, PI:MoS2를 포함하지 않는 마찰 전기 나노발전기의 개방 회로 전압은 약 30V이나, 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 개방 회로 전압은 400V로, 개방 회로 전압이 월등히 향상되는 것을 알 수 있다.
도 18c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 마찰-이격 주기 동안 생성된 전하의 양 및 단락 전류 밀도(Short-circuit current density)를 도시한 이미지이다.
도 18c를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 단략 전류 밀도는 PI:MoS2를 포함하지 않는 마찰 전기 나노발전기보다 개선되는 것을 알 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 마찰-이격 주기 동안 생성된 전하량은 PI:MoS2를 포함하지 않는 마찰 전기 나노발전기의 마찰-이격 사이클 동안 생성된 전하량인 0.05μC 보다 향상된 0.2μC를 나타낸다.
도 18d는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 충전 과정의 전기적 특성을 도시한 그래프이다.
도 18d는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기를 이용하여 캐패시터를 충전하였고, 0.22㎌ 캐패시터는 7Hz의 동작 주파수에서 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기를 사용하여 충전되었다.
도 18d를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기는 PI:MoS2를 포함하지 않는 마찰 전기 나노발전기보다 단시간에 충전되는 것을 알 수 있다.
특히, 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기는 단 15초만에 캐패시터를 10V까지 충전하였다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기는 신호가 정류이기 때문에 마찰(press) 및 이격(release) 동작에서 모두 캐패시터를 충전할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 마찰 동작 동안 충전된 캐패시터의 전압을 0.5V까지 증가하고 이는 이격 동작과 거의 동일하였다. 그러나, PI:MoS2를 포함하지 않는 마찰 전기 나노발전기는 약 0.1V의 전압만이 증가되었다.
도 18e는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 피크 출력 전압(output peak voltage)에 대한 피크 출력 전류(output peak current)를 도시한 그래프이다.
도 18e를 참조하면, 전류-전압 곡선에 의해 정의된 직사각형 영역이 최대 피크 전력 밀도를 결정하고, 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기는 약 5㏁의 저항에서 25.7W/M2의 최대 피크 전력 밀도에 도달하고, 이는 PI:rGO를 포함하지 않는 마찰 전기 나노발전기보다 120배 더 증가된 값이다.
도 18f는 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기를 이용하여 동작되는 LCD 및 녹색 LED를 도시한 이미지이다.
도 18f를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기는 LCD 및 녹색 LED에 직접 전원으로 사용될 수 있는 것을 알 수 있다.
도 19a는 PI:MoS2를 포함하는 플로팅 게이트 MIS를 도시한 입체도이다.
도 19a를 참조하면, 플로팅 게이트 MIS는 Al/p-Si/PI/MoS2:PI/PI/Al의 구조를 가지고, 전하 저장층으로 PI:MoS2를 도입하여 PI:MoS2의 전자 전달 및 트래핑 효과를 확인하였고, 전압-캐패시터스(C-V) 곡선은 5MHz에서 전기적 특성이 측정되었다.
또한, C-V 측정은 -3V 내지 3V의 듀얼 전압 스윕을 적용하여 수행되었다.
도 19b는 PI:MoS2를 포함하는 플로팅 게이트 MIS의 캐패시턴스를 도시한 그래프이다.
도 19b를 참조하면, 시계방향의 히스테레시스가 확인되는 것으로 보아, PI:MoS2가 전하 트래핑 영역으로 사용되는 것을 알 수 있다.
또한, PI:MoS2를 포함하는 플로팅 게이트 MIS의 캐패시턴스 경향은 PI:rGO를 포함하는 플로팅 게이트 MIS의 캐패시턴스 경향과 유사한 것을 알 수 있다.
도 19c는 -3V 내지 3V의 듀얼 전압 스윕에서의 PI:MoS2를 포함하는 플로팅 게이트 MIS의 전압-캐패시터스 곡선을 도시한 그래프이다.
도 19c를 참조하면, PI:MoS2에 트랩되는 전자의 수는 전압 스윕 횟수가 증가할수록 증가되는 것을 알 수 있다.
도 19d 내지 도 19g는 PI:MoS2를 포함하는 플로팅 게이트 MIS의 에너지 밴드를 도시한 도면이다.
도 19d를 참조하면, 네거티브 전압이 상부 전극에 인가될 때 PI:MoS2를 포함하는 플로팅 게이트 MIS는 플랫 밴드 상태를 유지하여 PI:MoS2 전하 저장층 내에 전자가 트랩되지 않는다.
도 19e를 참조하면, 도 19d보다 더 큰 네거티브 전압이 상부 전극에 인가되면 전자는 전극에서 가장 낮은 LUMO로 이동하고 PI:MoS2 전하 저장층 내에 전자가 트랩된다.
PI:MoS2 전하 저장층은 전자를 트랩하면 PI/p-Si 계면에서 정공이 축적되어 캐패시턴스 값이 증가하고, 이는 마찰 전기 나노발전기의 작동 원리와 유사하다.
도 19f를 참조하면, 포지티브 전압이 상부 전극에 인가되면, 전도대 바닥의 에너지 상태의 전자는 상부 전극으로 방출되고, 밴드 갭 내의 전자는 계면에 트랩된다.
따라서, 도 19g를 참조하면, 플랫 밴드 조건(flat-band condition)에서는 더 작은 네거티브 전압을 필요로하게 되는 것을 알 수 있다.
도 19d 내지 도 19g를 참조하면, 전압 스윕 수가 증가하면 PI:MoS2 전하 저장층에서 트랩되는 전자의 수가 증가하여 전압-캐패시터스 곡선도 이동하게 되는 것을 알 수 있다.
도 20a은 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 작동 매커니즘을 도시한 단면도이다.
도 20a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기는 활성 영역은 1.5 cm × 2.5 cm이다.
도 20a를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기는 초기에는 음의 마찰층 표면의 전자 일부가 PI:MoS2를 포함하는 음의 마찰층의 제2 층으로 전달된다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 음의 마찰층으로 양의 마찰층이 점차적으로 이동될 때는 하부 전극의 양전하가 점차적으로 상부 전극으로 이동된다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 음의 마찰층에 양의 마찰층이 마찰되면, 전자-수득 능력(electron-gaining ability)이 동일하기 때문에 하부의 전자가 일부 상부로 이동하게 된다.
그러나, 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 하부 부분은 MoS2에 의해 전자를 트랩하여 더 많은 수의 전자를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 양의 마찰층이 다시 이격되면, 상부 전극의 양전하는 이격 과정 동안 하부 전극으로 점진적으로 전달된다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 하부 부분에 존재하는 전자는 양의 마찰층 및 음의 마찰층으로 이동되게 된다.
따라서, 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기는 PI:MoS2를 포함하는 음의 마찰층에 의해 전자를 트랩하여 마찰 전기 나노발전기의 개방 회로 전압이 증가된다.
도 20b는 PI:MoS2를 포함하지 않는 마찰 전기 나노발전기의 충전 전 및 후의 개방 회로 출력 전압을 도시한 그래프이고, 도 20c는 본 발명의 실시예들에 따른 마찰 전기 나노발전기의 충전 전 및 후의 개방 회로 출력 전압을 도시한 그래프이다.
도 20b 및 도 20c를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기는 약 120V의 개방 회로 전압을 나타내고, 이는 PI:MoS2를 포함하지 않는 마찰 전기 나노발전기보다 월등이 증가된 값이다.
도 20d는 PI:MoS2를 포함하지 않는 마찰 전기 나노발전기 및 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 단락 전류를 도시한 그래프이다.
도 20d는 5Hz의 주파수에서 시간의 함수로서 단락 전류를 측정하였다.
도 20d를 참조하면, PI:MoS2를 포함하지 않는 마찰 전기 나노발전기(상부 그래프)의 출력 전류는 시간이 지날수록 전자가 소실되어 감소하는 반면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기(하부 그래프)의 출력 전류는 MoS2이 전자가 소실되는 것을 방지하여 마찰 전기 나노발전 가 높은 안정성을 나타내는 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.
111, 311: 제1 기판 112, 312: 제2 기판
120, 210, 320: 하부 전극 130, 220, 330: 음의 마찰층
131, 221, 331: 제1 층 132, 222, 332: 제2 층
133, 223, 333: 제3 층 140, 230, 340: 양의 마찰층, 상부 전극

Claims (17)

  1. 제1 기판 상에 형성되는 하부 전극;
    상기 하부 전극 상에 형성되는 음의 마찰층;
    제2 기판 상에 형성되고, 상부 전극으로 사용되는 양의 마찰층; 및
    상기 제1 기판 및 제2 기판 사이에 형성되고, 상기 제1 기판 및 제2 기판 사이의 간격을 유지하는 적어도 하나의 스페이서
    를 포함하고,
    상기 음의 마찰층은 고분자 물질 및 나노 물질을 포함하며,
    상기 나노 물질은 상기 음의 마찰층과 양의 마찰층 간의 마찰에 의해 상기 음의 마찰층에서 생성된 전자와 음의 마찰층 표면에서 흡수되는 양이온 간의 재결합을 개선하는 것을 특징으로 하는 마찰 전기 나노발전기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 생성된 전자는 상기 나노 물질에 트랩(trap)되는 것을 특징으로 하는 마찰 전기 나노발전기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 트랩되는 전자의 수는 상기 음의 마찰층의 두께 및 상기 나노 물질의 농도에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 마찰 전기 나노발전기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 음의 마찰층은 상기 고분자 물질을 포함하는 고분자 박막의 표면에 분산되는 것을 특징으로 하는 마찰 전기 나노발전기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 음의 마찰층은 상기 고분자 물질을 포함하는 제1 층, 상기 고분자 물질 및 나노 물질을 포함하는 제2 층 및 상기 고분자 물질을 포함하는 제3층을 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰 전기 나노발전기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 나노 물질은 나노입자, 단일층 결정, 다층 결정, 양자점, 코어-쉘 양자점, 나노와이어, 나노리플, 나노튜브, 나노로드, 나노시트, 나노섬유, 에어로젤 및 나노폼 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰 전기 나노발전기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 나노 입자는 Au, Al, In, Ga, Ag, AuCl3, 환원된 그래핀 산화물(reduced graphene oxide), 그래핀, 단일벽 탄소나노튜브(single-wall CNT), 이중벽 탄소나노튜브(double-wall CNT) 및 NixFe1 -x 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰 전기 나노발전기.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 단일층 결정 및 다층 결정은 이황화 몰리브덴(MoS2), 몰리브덴 디셀레나이드(MoSe2), 질화붕소(BN), 그래핀(grapheme), 텔루르화 몰리브덴(MoTe), 운모(Mica), 이텔루르화 몰리브덴(MoTe2) 및 흑린(black phosphorus) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰 전기 나노발전기.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 양자점은 Si, Ge, GaAs, InP, InAs, AlAs, InSb, AlGaxAs1 -x, InGaxAs1-x, CdSe, CdTe, ZnSe, ZnTe, CdTexSe1 -x, HgTe, HgCdxTe1 -x, ZnO, GaN, AlxGa1 - xN, SnO2, CuO, Cu2O, C60, Cu2ZnSnS4, CuInS2, SrTiO3, BaTiO3, (Ga1 - xMnx)N, (In1 - xMnx)N, CsPbCl3, CdTe/ZnTe, 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰 전기 나노발전기.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 코어-쉘 양자점은 CdSe/CdTe, CdSe/CdS, InP/GaAs, CuInS4/ZnTe, CuInS2/CdS, CdSe/ZnS, Cd1 - xZnxTe/ZnTe, GaAs/Si, ZnSe/GaAs, CuInS2/ZnS, Si/SixGe1-x, Au/SiO2, InAs/GaAs, InP/GaAs/InAs 및 CdSe/CdS/ZnS 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰 전기 나노발전기.
  11. 제6항에 있어서,
    상기 나노와이어는 CeO2, CdTe, ZnTe, SiO2, Al2O3, ZnO, GaN, TiO2, SnO2, CuO, CuO2 및 CH3NH3PbI3 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰 전기 나노발전기.
  12. 제6항에 있어서,
    상기 나노로드는 CeO2, CdTe, ZnTe, ZnO, GaN, TiO2, SnO2, CuxO 및 CuO2 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰 전기 나노발전기.
  13. 제6항에 있어서,
    상기 나노리플은 CeO2, CdTe, ZnTe, ZnO, GaN, TiO2, SnO2, CuxO 및 CuO2 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰 전기 나노발전기.
  14. 제6항에 있어서,
    상기 나노튜브는 CeO2, CdTe, ZnTe, ZnO, GaN, TiO2, SnO2, CuxO 및 CuO2 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰 전기 나노발전기.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 고분자 물질은 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리디메틸실록산, 폴리염화비닐, 폴리이미드, 폴리프로필렌 및 플리스티렌 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰 전기 나노발전기.
  16. 제1 기판 상에 하부 전극을 형성하는 단계;
    상기 하부 전극 상에 형성되는 음의 마찰층을 형성하는 단계;
    제2 기판 상에 상부 전극으로 사용되는 양의 마찰층을 형성하는 단계; 및
    상기 제1 기판 및 제2 기판 사이에 형성되고, 상기 제1 기판 및 제2 기판 사이의 간격을 유지하는 적어도 하나의 스페이서를 형성하는 단계
    를 포함하고,
    상기 음의 마찰층은 고분자 물질 및 나노 물질을 포함하며,
    상기 나노 물질은 상기 음의 마찰층과 양의 마찰층 간의 마찰에 의해 상기 음의 마찰층에서 생성된 전자와 음의 마찰층 표면에서 흡수되는 양이온 간의 재결합을 개선하는 것을 특징으로 하는 마찰 전기 나노발전기의 제조 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 음의 마찰층을 형성하는 단계는,
    상기 하부 전극 상에 상기 고분자 물질을 포함하는 제1 층을 형성하는 단계;
    상기 제1 층 상에 상기 고분자 물질 및 나노 물질을 포함하는 제2 층을 형성하는 단계;
    상기 제2층 상에 상기 고분자 물질을 포함하는 제3 층을 형성하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰 전기 나노발전기의 제조 방법.
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