KR100890650B1

KR100890650B1 - 발광타일

Info

Publication number: KR100890650B1
Application number: KR1020080049194A
Authority: KR
Inventors: 정형곤; 박승준; 문병무
Original assignee: 아크로솔 주식회사; 주식회사 티모테크놀로지
Priority date: 2008-05-27
Filing date: 2008-05-27
Publication date: 2009-03-27

Abstract

본 발명은 태양 광을 이용한 자가발전을 통해 구동원을 확보하고, 별도의 전력공급없이도 상기 구동원으로 발광하여 다양한 용도로 활용할 수 있도록 된 발광타일에 관한 것으로, 전기이중층 방식의 충전식 캐퍼시터(120); 캐퍼시터(120)로부터 전기를 공급받아 발광하는 판 형상의 발광부(140); 나노티타니아와 염료가 도포된 투명판 형상의 일전극(151)과, 촉매제가 도포되고 상호 접합하는 일전극(151)과의 사이에 전해질이 주입되는 투명판 형상의 상대전극(152)을 포함하며, 발광부(140)의 전면을 덮도록 배치되는 태양전지부(150); 발광부(140)의 ON/OFF를 제어하는 발광제어회로를 포함하고, 캐퍼시터(120), 발광부(140) 및 태양전지부(150)를 전기적으로 연결 및 제어하는 회로부(130); 및 충진제(170)를 수용하면서 캐퍼시터(120), 발광부(140), 태양전지부(150) 및 회로부(130)를 탑재하는 하우징을 포함하는 것이다.

Description

발광타일{A light tile}

본 발명은 태양 광을 이용한 자가발전을 통해 구동원을 확보하고, 별도의 전력공급없이도 상기 구동원으로 발광하여 다양한 용도로 활용할 수 있도록 된 발광타일에 관한 것이다.

도로 또는 건축 구조물(이하 구조물) 등의 벽면 부착용으로 제작되는 타일은 구조물의 미장을 통한 외관미 개선과 이정표와 같은 특수한 용도로 활용된다.

타일은 그 용도에 따라 다양한 형상으로 제작될 수 있고, 기획된 이미지에 맞춰 다양한 색상으로 표현될 수도 있다.

일반적으로 타일의 색상은 색감표현을 위한 다양한 방식이 적용될 수 있는데, 도료 또는 안료와 같은 페인트를 표면에 도포하는 방식으로 도색이 진행된다. 하지만, 단순히 페인트를 이용한 도색은 주간에만 그 발색 효과를 보일 뿐 야간에는 타일이 갖는 색감을 느낄 수 없는 문제가 있었다.

한편, 이러한 문제를 해소할 목적으로 자체 발광기능을 갖는 발광타일이 제시되었다.

대한민국 특허출원 '발광타일(출원번호; 10-1999-0027223)'은 발광을 위한 전기에너지를 태양 광을 이용한 자가발전으로 확보하고, 야간에는 발전된 전기에너지로서 발광하여 주야 구분없이 색감표현이 가능하도록 한 것이다.

도 1은 종래 발광타일을 도시한 단면도인 바, 이를 참조하여 설명한다.

종래 발광타일(10)은 베이스(11)와 커버(16)로 이루어진 하우징과, 하우징 내에 탑재되는 캐퍼시터(12), 회로부(13), 발광부(14) 및 태양발전부(15)로 구성되고, 하우징 내에 충진제(17)를 주입하여 캐퍼시터(12), 회로부(13), 발광부(14) 및 태양발전부(15)를 완충 및 보호하면서 방수와 방습기능을 수행하도록 하였다.

상기 하우징은 베이스(11)와 커버(16)로 분리될 수도 있고, 베이스(11)와 커버(16)의 구분없이 일체로 제작될 수도 있으나, 발광 및 수광이 이루어지는 커버(16)는 투명 또는 반투명 재질로 이루어져야 한다.

캐퍼시터(12)는 태양발전부(15)에서 발전한 전기를 충전하여 야간 또는 일정 조도 이하의 기상환경에서 발광부(14)가 발광할 수 있도록 전기를 공급한다.

캐퍼시터(12)는 다양한 종류의 충전기술이 적용될 수 있는데, 종래 발광타일(10)은 전기이중층 방식의 캐퍼시터가 적용되었다.

회로부(13)는 캐퍼시터(12), 발광부(14) 및 태양발전부(15)를 전기적으로 연결하면서 발광부(14)의 ON/OFF를 제어하는 것으로, 주지 기술인 과전압 보호회로, 전압 안정화 회로, 승압회로 및 발광제어회로 등을 구성한다. 여기서, 발광제어회로는 발광타일(10)이 설치된 주변환경의 조도를 감지하여서, 발광부(14)의 ON/OFF을 결정 및 제어하게 된다.

발광부(14)는 캐퍼시터(12)로부터 전기를 공급받아 발광하는 것으로, 전기이용효율과 공간이용률을 고려하여 LED가 적용될 수 있다. 또한, LED는 다양한 색상표현이 가능하므로, 시각적 이미지를 개선하는데 유리하다.

태양발전부(15)는 광발전을 적용한 태양전지가 적용된다. 태양발전부(15)는 캐퍼시터(12)와 통전하면서 주간에는 태양광을 수광하여 발전하고, 발전된 전기는 캐퍼시터(12)에 충전한다.

충진제(17)는 내수성 수지로, 캐퍼시터(12), 회로부(13), 발광부(14) 및 태양발전부(15)를 탑재한 하우징(11, 16) 내에 충전한 후 밀봉함으로서, 발광타일(10)의 방수 및 방습은 물론 캐퍼시터(12), 회로부(13), 발광부(14) 및 태양발전부(15) 간의 완충기능을 겸할 수 있다.

이상 설명한 종래 발광타일(10)은 주간에는 자체색상을 통해 미감 또는 특수한 기능을 발휘하고, 야간에는 주간에 발전한 전기를 이용해 발광부(14)를 구동시켜서 다양한 색감 표현으로 상기 미감 또는 특수한 기능을 수행하므로, 종래 발광타일(10)은 주야 구분없이 목적한 바를 이룰 수 있다는 이점이 있다.

그런데, 종래 발광타일(10)은 도 1에 도시한 바와 같이, (반)투명한 재질의 커버(16)를 통해 발광 및 수광이 이루어져야 하므로, 발광을 위한 발광부(14)와 수광을 위한 태양발전부(15)가 한정된 상면을 서로 공유해야 하는 문제가 있었다. 즉, 발광부(14)와 태양발전부(15) 모두가 종래 발광타일(10)의 상면 전체를 점유할 수 없고, 부분적으로 일부만을 점유하면서 그 기능을 수행해야 하는 것이다.

따라서, 종래 발광타일(10)의 발광부(14)는 상면 중앙에 배치하고, 태양발전 부(150)는 상면 테두리를 따라 발광부(14)의 가장자리에 배치하였다. 결국, 발광부(14)와 태양발전부(150)는 그 개수가 한정되면서 종래 발광타일(10)의 밝기는 물론 수광에 의한 발전율이 제한되었고, 이러한 제한은 발광타일(10)의 용도와 기능을 한정하므로, 종래 발광타일(10)의 효과는 현저히 저하될 수 밖에 없었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제를 해소하기 위해 안출된 것으로, 동일한 면적에서도 시각적 이미지효과를 주는 발광과 발전을 위한 수광 효율을 개선하고, 이를 통해 화려한 미감 표현과 효율적인 충전이 가능한 기발광타일의 제공을 기술적 과제로 한다.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은,

전기이중층 방식의 충전식 캐퍼시터;

캐퍼시터로부터 전기를 공급받아 발광하는 판 형상의 발광부;

나노티타니아와 염료가 도포된 투명판 형상의 일전극과, 촉매제가 도포되고 상호 접합하는 일전극과의 사이에 전해질이 주입되는 투명판 형상의 상대전극을 포함하며, 발광부의 전면을 덮도록 배치되는 태양전지부;

발광부의 ON/OFF를 제어하는 발광제어회로를 포함하고, 캐퍼시터, 발광부 및 태양전지부를 전기적으로 연결 및 제어하는 회로부; 및

충진제를 수용하면서 캐퍼시터, 발광부, 태양전지부 및 회로부를 탑재하는 하우징을 포함하는 발광타일이다.

상기의 본 발명은, 투명 또는 반투명 재질의 염료감응형 태양발전부를 적용하고, 태양발전부를 발광부와 포개어 배치 구성함으로서, 동일한 면적대비 발광 및 수광 효율을 개선하고, 이를 통해 발광타일이 갖는 기능을 효과적으로 발휘할 수 있다.

이하 본 발명을 첨부된 예시도면에 의거하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 발광타일을 도시한 분해 사시도이고, 도 3은 본 발명에 따른 발광타일을 도시한 단면도인 바, 이를 참조하여 설명한다.

본 발명에 따른 발광타일(100)은 하우징을 이루는 베이스(110) 및 커버(160)와, 하우징 내에 탑재되는 캐퍼시터(120), 회로부(130), 발광부(140) 및 태양발전부(150)를 구성하고, 하우징에 충진되는 충진제(170)를 더 포함한다. 여기서, 상기 충진제(170)는 앞서 설명한 바와 같이 발광타일(100)의 방수 및 방습은 물론 캐퍼시터(120), 회로부(130), 발광부(140) 및 태양발전부(150) 간의 완충기능을 겸할 수 있다.

상기 하우징은 베이스(110)와 커버(160)로 구성되되, 본 발명에 따른 상기 베이스(110)는 ABS수지로 이루어지고, 커버(160)는 폴리카보네이트(Polycarbonate, PC)로 이루어진다.

ABS수지는 Acrylonitrile(AN), Butadiene(BD), Styrene(SM) 3개가 공중합된 수지로서, 성형성, 내충격성, 기계적 성질, 내약품성, 착색성 등이 우수하여 각종 전기,전자 제품의 부품과 자동차 내,외장 부품, 완구류 등에 널리 적용된다.

ABS수지의 일반적인 재질의 특성을 살펴보면, 비중은 1.04, 성형 수축률은 0.3 ~ 0.6, 연화온도는 약 100도, 열변형온도는 약 85도이다.

폴리카보네이트는 비스페놀A와 포스켄의 반응으로 만든 폴리 탄산 에스테르로, 아주 강한 엔지니어링 플라스틱으로서 산에는 강하나 알칼리에는 약하고, 지방탄산화수소나 고급 알코올 또는 기름에는 강하나 솔벤트, 신나, 아세톤 등 유기용제에는 쉽게 녹는 성질이 있다. 한편, 높은 투명성으로 인해 전투기나 여객기 유리창, 필름이나 시트 등에 적용되고, 기계부품과 계기류의 유리를 대신하거나 핸드폰 창이나 LCD 모니터 창에도 적용될 수 있다.

종래 발광타일(10)과 비교해 본 발명에 따른 발광타일(100)은 태양발전부(150)로 염료감응형 태양전지가 적용된다.

염료감응태양전지(染料感應太陽電池)는 "Dye sensittized solar cell(DSSC)"로 지칭되는 태양전지로, 값싼 유기 염료와 나노 기술을 이용하여 저렴하면서도 고도의 에너지 효율을 갖도록 개발된 태양 전지의 일종이다. 염료감응태양전지는 가시광선을 투과시킬 수 있어 건물의 유리창이나 자동차 유리에 그대로 붙여 사용할 수도 있는 장점이 있다.

염료감응태양전지 방식이 적용된 본 발명에 따른 태양발전부(150)는 아래에서 상세히 설명한다.

계속해서, 본 발명에 따른 상기 캐퍼시터(120)는 전기이중층 방식이 적용된다.

전기이중층 캐퍼시터는 고체전극과 전해질 사이에 발생하는 전기이중층에 전하를 축적하는 것으로, 용도와 활용 면에서 여러 분야에 적용될 수 있다. 특히, 캐패시터의 경우는 전지와 비교해 에너지밀도는 낮지만, 순간적으로 힘을 걸어주는 파워밀도 면에서 우수한 특성을 보이고, 수십 만회를 웃도는 거의 반영구적인 수명을 갖는다.

따라서, 본 발명에 따른 발광타일(100)은 물리적인 손상이 발생하지 않는 한 설치 후에 반영구적으로 활용할 수 있으므로, 일반 미장타일과 비교해 관리 및 보수가 전혀 불리하지 않다.

본 발명에 따른 발광타일(100)이 타일로서 그 기능을 발휘하도록 하는 주요 구성요소인 전기기중층 캐퍼시터를 좀 더 상세히 설명하면, 한 쌍의 고체전극을 전해질이온 용액 중에 넣어서 직류전압을 걸어주면 +로 분극된 전극에는 -이온이, -로 분극된 전극에는 +이온이 정전적으로 유도되어 전극과 전해질 계면에 전기이중층이 형성된다. 특히 활성탄의 경우에는 수많은 세공이 분포해 전기이중층이 형성된다. 여기에서, 전기이중층 캐퍼시터에서 용량을 결정짓는 요인을 살펴본다면 비표면적이 클수록, 전해질의 유전율이 클수록, 그리고 이중층 형성시의 이온의 반경이 작을수록 큰 용량을 얻을 수 있다. 그외에 전극의 내부저항(ESR), 전극의 세공분포와 전해질 이온 간의 관계, 내전압 등에 의해 용량이 결정된다.

상기 회로부(130)는 종래 발광타일(10)에서 설명한 바와 같이, 캐퍼시터(120), 발광부(140) 및 태양발전부(150)를 전기적으로 연결하면서 발광부(140)의 ON/OFF를 제어하는 것으로, 주지 기술인 과전압 보호회로, 전압 안정화 회로, 승압회로 및 발광제어회로 등이 포함될 수 있다.

상기 발광부(140)는 LED와 같은 소비전력 대비 발광률이 우수한 자재가 적용되는 것이 바람직하나, 전기를 공급받아 발광할 수 있는 자재라면 이하의 청구범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양하게 변형실시될 수 있을 것이다.

한편, 본 발명에 따른 발광부(140)는 도시한 바와 같이, 발광타일(100)의 상면 전체에 배치되어서 발광타일(100) 상면 전체에서 발광하도록 한다. 즉, 발광타일(100) 상면 전체에서 시각적인 효과를 기대할 수 있는 것이다.

이는 전술한 태양발전부(150)의 적용을 통해 가능하고, 본 발명에 따른 태양발전부(150)는 발광부(140) 상에 배치되되 발광타일(100)의 상면 전체를 덮도록 된다. 즉, 발광부(140)와 태양발전부(150)가 발광타일(100)의 상면적에 상응하는 면적을 이루면서 서로 상하로 포개어지는 것이다.

물론, 염료감응태양전지가 적용된 본 발명에 따른 태양발전부(150)는 투명 또는 반투명한 재질로 되어서, 발전을 위한 수광은 물론 발광부(140)로부터 발한 빛이 투명 또는 반투명한 태양발전부(150)를 관통하므로, 발광 및 수광을 위한 면적을 최대로 제공하면서도 발광 및 수광 효율은 저하되지 않는다.

도 4는 본 발명에 따른 태양발전부을 도시한 사시도이고, 도 5는 상기 태양발전부의 구조와 원리를 도시한 도면인 바, 이를 참조하여 설명한다.

본 발명에 따른 태양발전부(150)는 전술한 바와 같이 염료감응태양전지가 적용된 것으로, 본 발명에 따른 태양발전부(150)는 일전극(151)과 상대전극(152)으로 구분된다. 여기서, 상기 일전극(151) 및 상대전극(152)은 캐퍼시터(120) 및 회로 부(130)와의 통전을 매개하는 전극선(151a, 152a)이 각각 구비될 것이다.

계속해서, 상기 일전극(151)은 투명한 평판 상에 TiO2 나노결정체(나노티타니아)를 15 ~ 20μm 두께로 코팅한 후 열처리하고 염료(dye)를 흡착하고, 상대전극(152)은 투명한 평판 상에 미세구멍을 형성하고 표면에 촉매제인 백금을 코팅하여 제작한다. 여기서, 일전극(151)과 상대전극(152)의 투명한 평판은 폴리카보네이트 재질일 수 있고, 2.5 ~ 3mm의 두께로 적용될 수 있다.

이렇게 완성된 일전극(151) 및 상대전극(152)은 도시한 바와 같이 엇갈리게 조립되어서 전극선(151a, 152a)이 각각 연결되고, 일전극(151)과 상대전극(152) 사이에 전해질을 주입하여 상대전극(152)의 미세구멍을 채운다. 한편, 일전극(151) 및 상대전극(152)을 이루는 투명한 재질의 평판에 투명전극을 코팅함으로서 전극선(151a, 152a)을 대신할 수도 있다.

결국, 본 발명에 따른 태양발전부(150)는 일전극(151)과 상대전극(152) 사이에, 염료 입자와 혼합된 TiO2 나노결정체가 전해질로 감싸이고, 태양 광을 받은 태양발전부(150)는 다음과 같은 과정으로 발전한다.

1. 태양광 조사

태양 광이 DSSC의 투명전극(일전극; 151)을 통과하여 TiO2 나노결정체에 혼합된 염료(dye)로 조사됨.

2. 염료전자의 광여기상태로 전이

염료가 태양 광을 흡수하면 염료의 전자가 기저상태(Ground state)에서 여기 상태(Excited State)로 변하면서, 광여기(Photoexcitation) 상태가 됨.

3. 전자주입

들뜬 전자는 TiO2의 전도대(Conduction Band)로 이동함.

4. 전자의 확산

이동한 들뜬 전자는 다공질의 TiO2의 막을 통해 확산되어 일전극(151)까지 도달함.

5. 상대전극으로 이동

일전극(151)에 도달한 전자는 전극선(151a, 152a)을 통해 상대전극(152)으로 이동함.

6. 염료의 환원

전자를 TiO2에 빼앗긴 염료는 전해질(요오드화물 이온(iodidie ion))로부터 전자를 얻어 환원되고 요오드화물(iodide)은 요오드(iodine)으로 산화됨.

7. 요오드화물의 환원

요오드(iodine)는 상대전극(152)으로부터 전자를 얻어 요오드화물(iodide)로 환원됨.

이상 설명한 과정으로 전자는 일전극(151)으로부터 방출되어 회로부(130) 및 캐퍼시터(120)를 통과하고, 이를 통해 캐퍼시터(120)는 충전된다.

이렇게 제작된 본 발명에 따른 발광타일(100)은 실리콘 태양전지방식에 비해 그 하중이 가볍고, 염료의 고유색상에 의한 미감을 자연스럽게 표현할 수 있다. 물론, 염료의 색상은 필요에 따라 다양하게 변형할 수 있으므로, 본 발명에 따른 발광타일(100)의 색감은 다양하게 표현될 수 있을 것이다.

도 1은 종래 발광타일을 도시한 단면도이고,

도 2는 본 발명에 따른 발광타일을 도시한 분해 사시도이고,

도 3은 본 발명에 따른 발광타일을 도시한 단면도이고,

도 4는 본 발명에 따른 태양발전부을 도시한 사시도이고,

도 5는 상기 태양발전부의 구조와 원리를 도시한 도면이다.

- 첨부도면의 주요부분에 대한 용어설명 -

10, 100; 발광타일 11, 110; 베이스

12, 120; 캐퍼시터 13, 130; 회로부

14, 140; 발광부 15, 150; 태양발전부

16, 160; 커버 17, 170; 충진제

Claims

전기이중층 방식의 충전식 캐퍼시터(120);

캐퍼시터(120)로부터 전기를 공급받아 발광하는 판 형상의 발광부(140);

나노티타니아와 염료가 도포된 투명판 형상의 일전극(151)과, 촉매제가 도포되고 상호 접합하는 일전극(151)과의 사이에 전해질이 주입되는 투명판 형상의 상대전극(152)을 포함하며, 발광부(140)의 전면을 덮도록 배치되는 태양전지부(150);

발광부(140)의 ON/OFF를 제어하는 발광제어회로를 포함하고, 캐퍼시터(120), 발광부(140) 및 태양전지부(150)를 전기적으로 연결 및 제어하는 회로부(130); 및

충진제(170)를 수용하면서 캐퍼시터(120), 발광부(140), 태양전지부(150) 및 회로부(130)를 탑재하는 하우징;

을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광타일.
제 1 항에 있어서,

상기 하우징은, ABS수지의 베이스(110)와, 발광부(140)와 태양전지부(150)의 발수광을 위한 투명 또는 반투명성 폴리카보네이트 재질의 커버(160)로 이루어진 것을 특징으로 하는 발광타일.
제 1 항에 있어서,

상기 발광부(140)는 LED인 것을 특징으로 하는 발광타일.
제 1 항에 있어서,

상기 일전극(151)의 평판은 2.5 ~ 3mm의 두께를 갖는 폴리카보네이트 재질이고, 나노티타니아는 15 ~ 20μm 두께로 코팅되며;

상기 상대전극(152)의 평판은 2.5 ~ 3mm의 두께를 갖는 폴리카보네이트 재질이고, 표면에 미세구멍을 형성시켜서 백금 성분의 촉매제를 코팅한 것을 특징으로 하는 발광타일.