[0001] 示例实施方式涉及包括自组装单层的摩擦电发电机。

[0002] 产生摩擦电的技术是从两个摩擦电构件之间的电势差产生电的技术，该两个摩擦电构件的电势差由在所述两个不同的摩擦电构件之间的界面处由于外部压力或振动产生的摩擦引起。产生摩擦电的技术一般提供经由产生压电的技术提供的电压的大致10倍至100倍的输出电压。

[0003] 摩擦电发电机的输出电压通常由摩擦电材料的特性(功函数、电离趋势、化学势等)以及摩擦电构件的成分和表面结构确定。在从由摩擦引起的静电产生感应电中，由于现有技术的摩擦电发电机取决于摩擦电构件的起电特性，所以摩擦电构件的选择受到限制。

[0004] 存在通过掺杂摩擦电构件而增大输出电压的方法。然而，此方法可以应用于例如能够被容易地掺杂的聚合物的材料，但是会难以应用于金属或金属氧化物。

[0025] 现在将详细参照附图中示出的示例实施方式。在附图中，为了层和区域的清晰，层和区域的厚度可以被夸大。示例实施方式能够有各种变型，并可以以许多不同的形式实施。相同的附图标记始终指代相同的元件。同样的附图标记在整个说明书中指示相同的部件。

[0026] 将理解，当称一个元件在另一元件“上”、“连接到”或“联接到”另一元件时，它可以直接在另一元件上、连接到或联接到另一元件，或者可以存在插入的元件。相反，当称一个元件“直接在”另一元件“上”、“直接连接”或“直接联接”到另一元件时，不存在插入的元件。如这里所用的，术语“和/或”包括一个或多个所列相关项目的任何及所有组合。此外，将理解，当一层被称为在另一元件“下面”时，它可以直接在下面，或者也可以存在一个或多个插入层。此外，也将理解，当一层被称为在两个层“之间”时，它可以是这两个层之间的唯一层，或者还可以存在一个或多个插入层。

[0027] 将理解，尽管这里可以使用术语“第一”、“第二”等来描述各种元件、部件、区域、层和/或部分，但是这些元件、部件、区域、层和/或部分不应受到这些术语限制。这些术语仅用于将一个元件、部件、区域、层或部分与另一元件、部件、区域、层或部分区别开。因此，以下讨论的第一元件、部件、区域、层或部分可以被称为第二元件、部件、区域、层或部分，而没有背离示例实施方式的教导。

[0028] 为便于描述，这里可以使用空间关系术语诸如“在…之下”、“在...下面”、“下”、“在…之上”、“上”等来描述如附图所示的一个元件或特征与另一个(些)元件或特征之间的关系。将理解，空间关系术语旨在涵盖除了附图所示的取向之外器件在使用或操作中的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转过来，被描述为“在”其他元件或特征“之下”或“下面”的元件将会在其他元件或特征的“上方”。因此，示例性术语“之下”能够涵盖之上和之下两种取向。器件可以另外地取向(旋转90度或在其他的取向)，这里所用的空间关系描述符被相应解释。

[0029] 这里所用的术语仅是为了描述特定实施方式的目的，并不意在限制示例实施方式。如这里所用的，除非上下文另有明确表述，否则单数形式“一”、“一个”和“该”也旨在包括复数形式。还将理解的是，术语“包括”和/或“包含”，当在本说明书中使用时，指定了所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但是不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其组的存在或增加。

[0030] 这里参照截面图描述示例实施方式，这些图为示例实施方式的理想化实施方式(和中间结构)的示意图。因而，由例如制造技术和/或公差引起的图示形状的变化是可能发生的。因此，示例实施方式不应被解释为仅限于这里示出的区域的特定形状，而是包括由例如制造引起的形状偏差在内。例如，图示为矩形的注入区将通常具有圆化或弯曲的特征和/或在其边缘处的注入浓度的梯度，而不是从注入区到非注入区的二元变化。类似地，通过注入形成的埋入区可以导致在埋入区与通过其发生注入的表面之间的某些注入。因此，附图所示的区域在本质上是示意性的，它们的形状不意在示出器件的区域的真实形状，也不意在限制示例实施方式的范围。

[0031] 除非另外地限定，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)都具有示例实施方式所属领域内的普通技术人员所通常理解的同样的含义。还将理解的是，术语诸如通用词典中限定的那些术语应当被解释为具有与它们在相关领域的背景中的含义相一致的含义，而不应被解释为理想化的或过度形式化的意义，除非这里明确如此限定。如这里所用的，表述诸如“…中的至少一个”，当在一列元件之后时，修饰整列的元件而不修饰该列表的单个元件。

[0032] 当术语“大约”或“基本上”在本说明书中结合数值来使用时，所意欲的是相关的数值包括所述数值周围的±10％的公差。此外，当参照本说明书中的百分比时，所意欲的是百分比是基于重量的，即为重量百分数。表述“直到”包括零的量至所表述的上限以及在两者之间的所有值。当范围被指定时，该范围包括在两者之间的诸如具有0.1％的增量的全部值。此外，当词语“大概”和“基本上”与几何形状结合地使用时，所意欲的是不要求几何形状的精确性，而是该形状的宽容度在本公开的范围内。虽然实施方式的管状的元件可以是圆柱形的，但是其他的管状的截面形式被考虑，诸如正方形、矩形、椭圆形、三角形以及其他形状。

[0033] 图1是根据示例实施方式的摩擦电发电机100的示意截面图。

[0034] 参照图1，摩擦电发电机100包括形成在第一电极110上的自组装单层130和面对自组装单层130并通过期望的(或可选地，预定的)间隙与自组装单层130分隔的摩擦电材料层160。

[0035] 第一电极110可以是由Al、Cu、Mg、W、Fe、Pt、Au、Ag、Ta、Ti、Pd、Ru或这些金属的合金形成的金属或包括它们。第一电极110可以是包括铟锡氧化物(ITO)的金属氧化物。

[0036] 当第一电极110由金属形成或包括金属时，自组装单层130可以包括硫醇基团和官能团(CH3、CF3、COOH、NH2等)。自组装单层130包括硫醇基团和官能团之间的碳链。碳链可以是碳氢化合物和/或碳氟化合物。例如，自组装单层130可以是碳氢化合物硫醇，诸如甲硫醇(methane thiol)CH3SH和乙硫醇(ethane thiol)C2H5SH。自组装单层130可以是HS-(CH2)n-CH3或HS-(CH2)n-(CF2)m-CF3，其中n和m分别为1～30的整数。

[0037] 自组装单层130的硫醇基团可以与第一电极110的表面结合。

[0038] 当第一电极110由ITO形成或包括ITO时，自组装单层130可以包括头基(head group)诸如硅烷基团、硅氮烷基团和硅醇基团(Si(OCH3)3、Si(OC2H5)3)、官能团(CH3、CF3、COOH、NH2等)以及连接头基和官能团的碳链。碳链可以包括碳氢化合物和/或碳氟化合物。自组装单层130可以是包括硅烷基团的碳氢化合物硅烷。例如，自组装单层130可以是(3-氨基丙基)三乙氧基硅烷(APTES)、n-丙基三乙氧基硅烷(PTES)、(3,3,3-三氟丙基)三甲氧基硅烷(FAS3)或(3-巯丙基)三甲氧基硅烷(MPTMS)。自组装单层130的硅烷基团是头基并与第一电极110的表面结合。

[0039] 此外，自组装单层130可以是Si(OC2H5)3-(CH2)n-NH2。这里，n是1～30的整数，并且当n＝3时，自组装单层130是APTES。自组装单层130可以是Si(OCH3)3-(CH2)n-CF3。这里，n是1～30的整数，并且当n＝2时，自组装单层130是FAS3。

[0040] 自组装单层130可以是Si(OCH3)3-(CH2)n-(CF2)m-CF3，其中n和m分别是1～30的整数。

[0041] 自组装单层130可以是包括硅氮烷基团的六甲基二硅氮烷(HMDS)。

[0042] 摩擦电材料层160可以由在摩擦电序列测定(triboelectric series rating)中具有通过与第一电极110的摩擦形成的大的电势的材料形成或包括该材料。例如，摩擦电材料层160可以由聚合物形成或包括聚合物。然而，示例实施方式不限于此。也就是说，摩擦电材料层160可以由除了聚合物之外的材料形成或包括除了聚合物之外的材料，例如非金属材料。

[0043] 自组装单层130改变第一电极110的表面特性并可以增大由与摩擦电材料层160的摩擦产生的电能的量。也就是说，可以容易地改善第一电极110的摩擦特性。

[0044] 自组装单层130可以通过溶液工艺、化学气相沉积方法、物理气相沉积、旋涂工艺或其他的技术形成。

[0045] 所产生的摩擦电的能量的大小可以根据自组装单层130的官能团而改变。

[0046] 自组装单层130的厚度可以根据自组装单层130的碳链的数目而改变。例如，自组装单层130可以具有在从大约0.2nm至大约5nm的范围内的厚度。当自组装单层130由HMDS形成或包括HMDS时，碳链的数目是一个(1)并可以具有大约0.2nm的厚度。当自组装单层130由(十六烷氧基)三甲硅烷形成或包括十六烷氧基三甲基硅烷((hexadecyloxy)trimethylsilane)时，碳链的数目是二十六(26)并可以具有大约5nm的厚度。

[0047] 由于摩擦电材料层160和自组装单层130之间的摩擦而产生的电荷移动到连接到第一电极110的电负载105，因此电能被产生。

[0048] 根据示例实施方式的摩擦电发电机100可以通过在电极的表面上形成自组装单层而实现，因此，当与仅利用电极作为摩擦电材料层产生的摩擦电的能量相比时，大的摩擦电的能量可以被产生。

[0049] 图2是根据另一个示例实施方式的摩擦电发电机200的示意截面图。相同的附图标记用来表示与图1的元件相同或等同的元件，将不重复其描述。将主要地描述不同于图1的元件的构成元件。

[0050] 参照图2，摩擦电发电机200包括第一电极210和与第一电极210隔开期望的(或可选地，预定的)间隙的摩擦电材料层260。自组装单层270形成在摩擦电材料层260的面对第一电极210的表面上。

[0051] 摩擦电材料层260可以由聚合物或非金属材料形成或包括聚合物或非金属材料。例如，摩擦电材料层260可以是含氧的聚合物诸如聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚酰亚胺或者非金属材料诸如硅氧化物和铝氧化物。

[0052] 自组装单层270可以包括头基诸如硅醇基团(Si(OCH3)3、Si(OC2H5)3)或与氧结合的硅烷基团、官能团(CH3、CF3、COOH、NH2等)以及连接头基和官能团的碳链。碳链可以是碳氢化合物和/或碳氟化合物。自组装单层270可以是包括硅烷基团的碳氢化合物硅烷。例如，自组装单层270可以是APTES、PTES、FAS3、MPTMS等。

[0053] 由于第一电极210和自组装单层270之间的摩擦而产生的电荷移动到连接到第一电极210的电负载205，因此电能被产生。

[0054] 摩擦电发电机200的构造和操作可以从参照图1描述的示例实施方式更好地理解，因此将省略其描述。

[0055] 图3是示出当硅氧化物基板的表面用具有彼此不同的官能团的碳氢化合物硅烷处理时根据碳氢化合物硅烷的电势差的图形。

[0056] 制备其中不同材料的自组装单层通过利用气相沉积方法分别形成在Si基板(675μm的厚度)上的样品。样品的区域(3μm×3μm)通过利用具有涂有铑的尖端的原子力显微镜(AFM)摩擦。摩擦区域和未摩擦区域之间的表面电势差通过测量与开尔文探针显微镜的电势而获得。该差异是由于摩擦而产生的电压。

[0057] 参照图3，如果自组装单层没有形成在硅氧化物基板(图3的横轴处的SiO2)上，产生的电压为大约500mV。用作硅氧化物基板上的自组装单层的APTES包括氨基官能团(-NH2)并具有相对高的产生的电压(在图3的横轴处的APTES)。PTES包括甲烷官能团(-CH3)，FAS3包括三氟甲基官能团(-CF3)，MPTMS包括硫醇官能团。PTES、FAS3和MPTMS具有比硅氧化物基板相对低的电势差。

[0058] 图4是示出根据碳链的数目的电势差的变化的图形。用于参照图3描述的测试的类似的方法被使用。

[0059] 参照图4，具有单碳链的HMDS、具有三碳链的PTES和具有8碳链的辛基三甲氧基硅烷(octyl trimethoxy silane，OTMS)用作硅氧化物基板上的自组装单层。HMDS、PTES和OTMS都包括相同的甲烷官能团。显然的，摩擦电势差随着碳链的数目的增大而增大。因此，两个起电物质之间的摩擦电的量可以通过改变碳链的数目而增大。

[0060] 图5是根据另一个示例实施方式的摩擦电发电机300的截面图。相同的附图标记用来表示与先前的示例实施方式的元件基本上相同的元件，其描述将不重复。

[0061] 参照图5，摩擦电发电机300包括形成在第一电极310上的第一自组装单层330和面对第一自组装单层330并通过期望的(或可选地，预定的)间隙与第一自组装单层330分离的摩擦电材料层360。第二自组装单层370形成在摩擦电材料层360的面对第一自组装单层330的表面上。

[0062] 第一电极310可以由Al、Cu、Mg、W、Fe、Pt、Au、Ag、Ta、Ti、Pd、Ru或这些金属的合金形成或包括Al、Cu、Mg、W、Fe、Pt、Au、Ag、Ta、Ti、Pd、Ru或这些金属的合金。第一电极310也可以由ITO形成或者包括ITO。

[0063] 当第一电极310由金属形成或包括金属时，第一自组装单层330可以包括硫醇基团和官能团(CH3、CF3、COOH、NH2等)。第一自组装单层330包括硫醇基团和官能团之间的碳链。碳链可以是碳氢化合物和/或碳氟化合物。例如，第一自组装单层330可以是碳氢化合物硫醇，诸如甲硫醇CH3SH和乙硫醇C2H5SH。第一自组装单层330可以是HS-(CH2)n-CH3或HS-(CH2)n-(CF2)m-CF3，其中n和m分别为1～30的整数。作为第一自组装单层330的官能团的硫醇基团可以与第一电极310结合。

[0064] 当第一电极310由ITO形成或包括ITO时，第一自组装单层330可以包括头基诸如硅烷基团、硅氮烷基团、硅醇基团(Si(OCH3)3、Si(OC2H5)3)、官能团(CH3、CF3、COOH、NH2等)以及连接头基到官能团的碳链。碳链可以包括碳氢化合物和/或碳氟化合物。第一自组装单层330可以是包括硅烷基团的碳氢化合物硅烷。例如，第一自组装单层330可以是APTES、PTES、FAS3或MPTMS。

[0065] 摩擦电材料层360可以由在摩擦电序列测定中通过与第一电极310的摩擦产生大的电势差的材料形成或包括该材料。例如，摩擦电材料层360可以由包括PDMS、聚酰亚胺、PVC、聚四氟乙烯等的聚合物形成或包括它们。

[0066] 第一自组装单层330可以改变第一电极310的表面特性并因此可以增大由与摩擦电材料层360的摩擦产生的电能的量。也就是说，可以容易地改善第一电极310的摩擦特性。

[0067] 第一自组装单层330可以通过溶液工艺、化学气相沉积方法、物理气相沉积或旋涂工艺形成。

[0068] 第二自组装单层370可以包括与摩擦电材料层360的表面结合的头基、位于其表面上的官能团以及连接头基到官能团的尾部。所产生的摩擦电的能量的大小可以根据官能团而改变。

[0069] 第二自组装单层370的厚度可以根据其碳链的数目而改变。例如，第二自组装单层370可以具有在从大约0.2nm至大约5nm的范围内的厚度。

[0070] 由于第一自组装单层330和第二自组装单层370之间的摩擦产生的电荷可以移动到连接到第一电极310的电负载305，因此电能被产生。

[0071] 图6是根据另一个示例实施方式的摩擦电发电机400的截面图。相同的附图标记用来表示与上面描述的元件基本上相同的元件，将不重复其描述。

[0072] 参照图6，摩擦电发电机400包括设置为彼此面对的第一电极410和第二电极450。第一自组装单层430形成在第一电极410的面对第二电极450的表面上。第二自组装单层470形成在第二电极450的面对第一电极410的表面上。

[0073] 第一电极410和第二电极450可以分别由金属或金属氧化物形成或包括金属或金属氧化物。第一电极410和第二电极450可以是由Al、Cu、Mg、W、Fe、Pt、Au、Ag、Ta、Ti、Pd、Ru或这些金属的合金形成的金属、或者可以包括Al、Cu、Mg、W、Fe、Pt、Au、Ag、Ta、Ti、Pd、Ru或这些金属的合金。

[0074] 当第一电极410和第二电极450由金属形成或包括金属时，第一自组装单层430可以包括硫醇基团和官能团(CH3、CF3、COOH、NH2等)。第一自组装单层430包括硫醇基团和官能团之间的碳链。碳链可以是碳氢化合物和/或碳氟化合物。例如，第一自组装单层430可以是碳氢化合物硫醇，诸如甲硫醇(CH3SH)和乙硫醇(C2H5SH)。第一自组装单层430可以是HS-(CH2)n-CH3或HS-(CH2)n-(CF2)m-CF3。这里，n和m分别是1～30的整数。作为第一自组装单层430的头基的硫醇基团可以与第一电极410结合。

[0075] 当第一电极410由ITO形成或包括ITO时，第一自组装单层430可以包括头基诸如硅烷基团、硅氮烷基团或硅醇基团(Si(OCH3)3、Si(OC2H5)3)、官能团(CH3、CF3、COOH、NH2等)以及作为连接头基到官能团的碳链的碳氢化合物和/或碳氟化合物。例如，第一自组装单层430可以是包括硅烷基团的碳氢化合物硅烷。例如，第一自组装单层430可以是APTES、PTES、FAS3或MPTMS。

[0076] 第一自组装单层430和第二自组装单层470分别改变对应电极的表面特性，因此，由于第一自组装单层430和第二自组装单层470之间的摩擦产生的电能的量可以增大。

[0077] 第二自组装单层470包括与第二电极450的表面结合的头基、位于其表面上的官能团以及连接头基到官能团的尾部。摩擦电的能量的大小可以根据官能团而改变。

[0078] 第一自组装单层430和第二自组装单层470的厚度可以根据其碳链的数目而改变。例如，第一自组装单层430和第二自组装单层470可以分别具有在从大约0.2nm至大约5nm的范围内的厚度。

[0079] 由于第一自组装单层430和第二自组装单层470之间的摩擦而产生的电荷可以移动到连接到第一电极410和第二电极450的电负载405，因此电能被产生。

[0080] 根据示例实施方式的摩擦电发电机400可以通过适当地选择第一自组装单层430和第二自组装单层470的材料而增大第一自组装单层430和第二自组装单层470之间的摩擦电的能量。

[0081] 图7是根据另一个示例实施方式的摩擦电发电机500的截面图。相同的附图标记用来表示与上面描述的元件基本上相同的元件，将不重复其描述。

[0082] 参照图7，摩擦电发电机700包括设置为彼此面对的第一电极510和第二电极550。第一摩擦电材料层520和第一自组装单层530顺序地形成在面对第二电极550的第一电极
510上。第二摩擦电材料层560和第二自组装单层570顺序地形成在面对第一电极510的第二电极550上。

[0083] 第一电极510和第二电极550可以分别由金属或金属氧化物形成或包括金属或金属氧化物。第一电极510和第二电极550可以是由Al、Cu、Mg、W、Fe、Pt、Au、Ag、Ta、Ti、Pd、Ru、这些金属的合金、或者ITO形成的材料或包括这些材料。

[0084] 第一摩擦电材料层520和第二摩擦电材料层560可以由彼此不同的材料形成或者包括彼此不同的材料。例如，第二摩擦电材料层560可以由在摩擦电序列测定中具有相对正电荷的材料形成或者包括该材料，例如玻璃、硅氧化物等。第二摩擦电材料层560可以是在摩擦电序列测定中具有相对负电荷的材料或者包括该材料，并可以由包含氧的聚合物诸如PDMS、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺等形成或者包括它们。

[0085] 第一自组装单层530可以由包含可与第一摩擦电材料层520的氧结合的硅烷基团、硅氮烷基团或者硅醇基团的材料形成或包括该材料。

[0086] 第二自组装单层570可以由包含可与第二摩擦电材料层560的氧结合的硅烷基团、硅氮烷基团或者硅醇基团的材料形成或包括该材料。

[0087] 由于第一自组装单层530和第二自组装单层570之间的摩擦而产生的电荷移动到连接到第一电极510和第二电极550的电负载505，因此电能被产生。

[0088] 第一自组装单层530和第二自组装单层570分别改变对应的第一和第二摩擦电材料层520和560的表面特性，因此，通过第一自组装单层530和第二自组装单层570之间的摩擦产生的电能的量可以增大。

[0089] 根据示例实施方式的摩擦电发电机500可以通过适当地选择第一自组装单层530和第二自组装单层570的材料而增大第一自组装单层530和第二自组装单层570之间的摩擦电的能量。

[0090] 虽然已经参照附图描述了一个或多个示例实施方式，但是本领域普通技术人员将理解，可以在其中进行形式和细节上的各种变化而没有背离由权利要求书限定的精神和范围。

[0091] 本申请要求于2015年6月2日提交的韩国专利申请第10-2015-0078241号的优先权权益，其公开内容通过引用整体结合于此。