KR101097796B1 - 초소형 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치 제조방법, 그 초소형 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치를 구비한 휴대용 전자기기, 그 휴대용 전자기기를 이용한 에너지 수집방법 및 그 초소형 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치를 구비한 무선 키보드 - Google Patents

초소형 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치 제조방법, 그 초소형 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치를 구비한 휴대용 전자기기, 그 휴대용 전자기기를 이용한 에너지 수집방법 및 그 초소형 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치를 구비한 무선 키보드 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치, 그 장치를 이용한 에너지 수집방법, 그 장치를 사용한 충전회로 및 그 장치를 사용한 촉각센서에 대한 것이다. 보다 상세하게는, 배터리를 전원수단으로 이용하는 휴대용 전자기기에 있어서, 초소형 기계제작기술(MEMs, Microelectromechanical Systems)에 의한 제조방법으로 제조된 초소형 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치; 일측에 초소형 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치의 하부면이 결합되는 하우징; 초소형 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치의 상부면과 결합되고, 사용자가 휴대용 전자기기의 작동을 위해 중에 소정의 힘이 인가 또는 제거되어, 유전식 엘라스토머가 압축 또는 팽창하게 되는 인가수단; 초소형 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치의 전극층 중 적어도 어느 하나와 입력노드에 의해 연결되고, 전극층에 입력전압을 인가하는 전압소스; 및 초소형 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치와 출력 노드로 연결되며 전극층에서 발생되는 출력 전압을 축적하는 배터리를 포함하여, 힘이 제거되어 유전식 엘라스토머가 팽창되면, 출력전압이 증가되고, 증가된 출력전압에 의해 발생된 에너지가 배터리에 저장되는 것을 특징으로 하는 초소형 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치를 구비한 휴대용 전자기기이다.
Figure R1020090121610
유전식 엘라스토머, 전극층, 고정프레임, 배터리, 초소형 유전식 엘라스토머 수집장치, 무선 키보드, 초소형 유전식 엘라스토머 수집장치를 구비한 무선 키보드

Description

초소형 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치 제조방법, 그 초소형 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치를 구비한 휴대용 전자기기, 그 휴대용 전자기기를 이용한 에너지 수집방법 및 그 초소형 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치를 구비한 무선 키보드{Manufacturing Method of Micro Energy Generator Device with Dielectric Elastomer, Portable Electronic Apparatus including the Device, Method for Generation using the Portable Electronic Apparatus and Wireless Keyboard including the Device}
본 발명은 초소형 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치 제조방법, 그 초소형 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치를 구비한 휴대용 전자기기, 그 휴대용 전자기기를 이용한 에너지 수집방법 및 그 초소형 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치를 구비한 무선 키보드에 대한 것이다. 보다 상세하게는, 탄소나노튜브가 교차로 삽입된 전극층 사이에 유전식 엘라스토머로 형성된 유전층을 포함하고 있다. 입력전압에 의해 전기장이 형성된 전극층에 소정의 압축력을 제공하여 정전용량 및 출력전압의 변화로 인해 발생된 에너지를 전기에너지로 충전하는 충전장치를 구비한 휴대용 전자기기에 관한 것이다.
정보기술에서 어느 제품을 막론하고 전원부를 필요로 하지 않는 장치는 없다. 특히 휴대성을 중요시하는 노트북, 카메라, 캠코더 등에서는 배터리의 무게와 크기, 한번 충전시 충전된 용량 등의 성능이 매우 중요하다. 주변에 전원장치가 없는 곳에서 장시간 있을 때 배터리의 중요성은 더욱 커진다. 현재 IT제품 중 많이 사용하고 있는 노트북 컴퓨터의 경우 90년 이후부터 성능지수의 개선 정도를 보면 CPU 속도, 메모리나 무선속도의 경우 비약적인 발전을 하였으나 유독 배터리 밀도 향상은 발전속도가 늦고 있다.
배터리 기술이 발달하여 소형화, 경량화된 휴대용 전원장치를 제공하더라도 영구적인 전력공급은 불가능하다는 단점이 있다. 배터리 기술의 발전 속도가 느린 반면에 소형크기의 전자제품에 있어서 에너지 수집제품에 대한 세계 시장수요는 급격히 커지고 있다.
에너지 수확방법으로는 풍력, 태양광, 열, 지열 등 자연상의 에너지원을 이용해서 에너지를 획득하는 방법, 압전소자나 전자기 방법 등을 이용하여 기계적인 진동에너지 등을 전기에너지로 변환하는 방법으로 나눌 수 있다. 보통 작은 에너지는 뜬 에너지 수준에서 변환을 하는 것으로 쓰이고, 압전소자나 전자기방법 등은 작은 폐 에너지를 다시 사용하기 위하여 에너지 수집장치를 쓰게 된다. 그러나, 자연에너지는 자연환경의 제약을 따르므로 항상 일정수준의 에너지 획득이 어렵고, 인간이 에너지를 얻는데 도움을 주기가 어려운 문제가 있다. 이에 반해 압전소자나 전자기 방법 등은 인간이나 동물 또는 자연에서의 기계적 움직임 등을 이용하여 에너지를 얻을 수 있다는 장점이 있다.
에너지 획득을 위한 에너지 수집장치의 개발 추세를 보면 국내에서는 압전 소자의 재료개선, 최적의 에너지 저장회로에 의한 효율 향상기술 연구 등 피에조(PZT)를 이용한 연구는 활발히 이루어지고 있다. 미국의 경우 에너지 생산, 저장 분야에 10억 달러이상의 연구비를 지원하고 있고(2006년기준), 버지니아 공대 Sodano 팀은 압전 재료 변화가 효율에 미치는 영향과 외팔보형 압전 바이모프의 발생 에너지에 관한 수학적 모델 등을 제시하였다. 그리고, 영국의 Southhamton 대학 등은 컨소시엄 형태로 “피에조일렉트릭(Piezoelectric)” 및 “전자기 에너지 수집(Electromagnetic Energy harvesting)”프로젝트를 수행 중이며 펜실베니아 주립대 Lesieutre 등은 압전장치에서 출력되는 에너지를 Fly back 변환기 및 SSHI회로를 이용하여 효율적으로 에너지를 저장하는 방법 등의 연구가 활발히 진행되고 있다.
그러나, 피에조 물질 등 압전소자를 이용한 에너지 획득기술을 보면, 압전소자의 취성으로 인하여 에너지 획득 과정에서 압전소자가 부서질 위험이 있다는 단점이 있다. 또한, 피에조 물질은 비싸고 에너지 밀도가 낮은 문제가 있다. 전자기 방법의 경우는 전자기 유도를 이용해서 에너지를 획득하는 원리를 이용하는데, 대개 장치크기가 커서 무겁고, 휴대성을 지니기 어렵다는 단점이 있다. 그리고, 보통 복잡한 기계적 변환부가 필요하다는 단점이 있고, 고속에서는 효율적이나 저속에서는 급격히 효율이 낮아져서 속도성능이 좋지 않은 문제가 존재한다.
이러한 대안으로 유전식 엘라스토머(Dielectric Elastomer, DE)를 이용한 에너지 수집장치 기술은 현재 미국 DARPA에서 MIT대학에 큰 폭의 지원을 하고 있으 며, 비영리 단체인 SRI(Stanford Reasearch Institute)에서도 유전식 엘라스토머를 이용한 에너지 수집장치(DE genernator)에 관한 연구가 시작되어 높은 가능성을 제시해 주고 있으나, 국내에서의 연구는 미약한 편이다.
DE를 이용한 에너지 수집장치의 응용으로는 구두형 에너지 수집장치, 풍력 또는 파력을 이용한 에너지 수집장치 등을 들 수 있다. 구두형 에너지 수집장치의 경우 압전 에너지로 연구가 활발히 진행 중에 있지만, 압전 구두에너지 수집장치에 비해 DE 구두 에너지 수집 장치가 고에너지 밀도, 저가격과 경량의 장점을 가지고 있다. 또한, 풍력이나 파력을 이용한 에너지 수집장치에 쓰이는 전자석에너지 수집장치의 경우보다 DE를 이용한 에너지 수집 장치는 저가격과 DE와 자연에너지원인 파력 또는 풍력 간의 좋은 기계적 부하 매칭의 장점이 있다.
DE 에너지 수집 장치는 친환경에너지 산업과도 연계되어 부가가치가 높다고 할 수 있고, 국방산업의 미래병사에 병사개개의 움직임에 의한 기계 에너지를 전기에너지로 변화시켜 소형 저전력 군사제품이나 휴대용 로봇의 전력보충에 쓰일 수 있다. 또한, DE는 폴리머의 유연한 특성을 가지고 있어 병사의 어느 곳에 부착하든 자유롭게 수축/팽창하여 병사 행동에 영향을 주지 않는다. 또한, DE 에너지 수집장치는 휴대폰 배터리와 건강체크/항해(navigation) 장치 등에도 이용 가능하다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로 압전식 에너지 수집장치에 있어서, 유전식 엘라스토머(DE)를 유전체로 사용하게 된다. 피에조는 매우 단단하여 다양한 움직임에 제한이 있으나 DE는 유연성이 매우 좋아 다양한 움직임에서도 구현이 가능하다. 에너지 발생방법에서도 피에조는 압축력을 받은 상태 하에서만 에너지가 발생하지만 DE는 힘을 가할 때 두께 방향뿐만 아니라 면방향으로 인장력을 받는 상태에서도 에너지가 발생하므로 다양한 에너지 획득이 가능하다. 따라서, 기존의 압전 소자에 비해 소형화가능하고, 전력생산을 크게 할 수 있게 된다.
또한, 기존의 전자기 에너지 수집장치와 비교할 때, 압전소자의 일밀도(energy density, 한 주기 동안 액추에이터가 전달할 수 있는 기계적 일의 양을 부피로 나눈 것)와 비일밀도(specific energy density, 한 주기 동안 액추에이터가 전달할 수 있는 기계적 일의 양을 무게로 나눈 것) 및 출력밀도가 높아지게 된다.
또한, 본 발명에서의 전극은 슈퍼 커패시터(super capacitor)로서의 성질을 지닌 탄소나노튜브(CNT)를 이용한다. 따라서, 복수의 탄소나노튜브가 전극층에 교차로 삽입되어 있는 구조를 가짐으로써 일반 전극보다 고효율, 고전기에너지를 얻게된다. 탄소나노튜브가 삽입된 전극층은 DE의 변형에 따라 큰 정전용량의 변화를 가져오게됨으로 압축력에 따른 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하여 저장하는 효율을 증가시켜 기존 수집장치의 문제점을 해결하고, 고효율의 충전이 가능하 게 된다.
또한, 본 발명은 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치를 초소형으로 제작가능한 제조방법을 제공한다. 따라서, 본 발명의 제조방법에 의해 제조된 초소형 유전식 엘라스토머 수집장치를 휴대용 전자기기에 결합시킴으로써, 휴대용 전자기기를 작동을 위해 인가한 힘을 에너지로서 배터리에 충전시킬 수 있게 된다.
본 발명의 그 밖에 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 관련되어 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명확해질 것이다.
본 발명의 제 1 목적은, 초소형 실리콘 기판을 준비하고, 실리콘 기판을 산화시켜 산화층을 형성하는 단계; 실리콘 기판을 패터닝하고, 애칭시켜 구멍을 형성시켜 프레임을 제작하는 단계; 프레임 상부에 유전식 엘라스토머를 부착시키는 단계; 유전식 엘라스토머 상부면에 전극층을 증착시키고, 상부에 유전식 엘라스토머를 증착시켜 유전식 엘라스토머 그룹을 형성하는 단계; 및 복수의 유전식 엘라스토머 그룹을 제조하고, 유전식 엘라스토머 그룹을 적층시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 초소형 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치 제조방법으로 달성될 수 있다.
프레임 제작단계는, 포토 리소그래피 공정을 사용하여 복수의 구멍이 형성된 프레임을 제작하는 것을 특징으로 할 수 있다.
유전식 엘라스토머 그룹을 형성 단계는, 프레임 구멍이 형성된 각각의 위치에 대응되는 유전식 엘라스토머 상부면 각각에 복수의 전극층을 증착시키는 것을 특징으로 할 수 있다.
전극층은 탄소 그리스로 구비되고, 탄소나노튜브가 교차로 삽입되어 있고, 전극층에 입력전압이 인가되어 전기장이 형성되고, 유전식 엘라스토머에 소정 힘이 인가되어 유전식 엘라스토머가 압축됨으로써 정전용량이 커지는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 제 2 목적은, 초소형 실리콘 기판을 준비하고, 실리콘 기판을 산화시켜 산화층을 형성하는 단계; 실리콘 기판을 패터닝하고, 애칭시켜 구멍을 형성시켜 프레임을 제작하는 단계; 프레임 상부에 유전식 엘라스토머를 부착시키는 단계; 프레임 구멍이 형성된 위치에 대응되는 유전식 엘라스토머 부분 내부에 이온 주입법에 의해 전극층을 삽입시켜 유전식 엘라스토머 그룹을 형성하는 단계; 및 부착단계와 그룹 형성단계를 반복하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 초소형 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치 제조방법으로 달성될 수 있다.
전극층은 금인 것을 특징으로 할 수 있다.
프레임 제작단계에서는, 포토 리소그래피를 이용하여 복수의 구멍이 형성된 프레임을 제작하고, 그룹 형성단계에서는, 프레임 구멍이 형성된 각각의 위치에 대응되는 유전식 엘라스토머 부분 내부에 이온 주입법에 의해 복수의 전극층을 삽입시키고, 반복단계 후에, 절단선을 기준으로 유전식 엘라스토머를 절단하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 제 3 목적은, 배터리를 전원수단으로 이용하는 휴대용 전자기기에 있어서, 초소형 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치; 일측에 초소형 유전식 엘라스 토머 에너지 수집장치의 하부면이 결합되는 하우징; 초소형 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치의 상부면과 결합되고, 사용자가 휴대용 전자기기의 작동을 위해 소정의 힘이 인가되어, 유전식 엘라스토머가 압축하게 되는 인가수단; 초소형 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치의 전극층 중 적어도 어느 하나와 입력노드에 의해 연결되고, 전극층에 입력전압을 인가하는 전압소스; 및 초소형 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치와 출력 노드로 연결되며 전극층에서 발생되는 출력 전압을 축적하는 배터리를 포함하여, 힘이 제거되어 유전식 엘라스토머가 팽창되면, 출력전압이 증가되고, 증가된 출력전압에 의해 발생된 에너지가 배터리에 저장되는 것을 특징으로 하는 초소형 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치를 구비한 휴대용 전자기기로 달성될 수 있다.
인가수단은 복수로 구비되고, 복수의 인가수단 중 적어도 하나의 하단에 초소형 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치가 구비되고, 사용자가 인가수단을 눌러 유전식 엘라스토머를 압축시킬 때마다 배터리에 에너지가 저장되는 것을 특징으로 할 수 있다.
입력전압이 인가되는 전측층 외에 다른 전극층은 그라운드 되어진 것을 특징으로 할 수 있다.
입력전압 소스와 초소형 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치 사이에 커패시터를 더 포함하여, 입력 전압이 커패시터에 저장되어 입력전압이 없는 경우에도 충전된 커패시터에서 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치에 입력전압을 제공하는 것을 특징으로 할 수 있다.
보 발명의 제 4 목적은, 초소형 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치를 구비한 휴대용 전자기기를 이용한 에너지 수집방법에 있어서, 입력소스에서 적어도 하나의 전극층에 입력전압을 제공하여 전극층 사이에 전기장이 형성되고, 전기장에 의해 유전식 엘라스토머가 압축되는 단계; 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치 상부면에 결합된 인가수단에 소정 힘을 인가하여 유전식 엘라스토머가 더 압축되어 전기장의 정전용량이 상승되는 단계; 및 힘이 제거되어 초소형 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치에 출력 전압이 상승되고, 상승된 출력전압에 의해 발생된 에너지가 배터리에 충전되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 초소형 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치를 구비한 휴대용 전자기기를 이용한 에너지 수집방법으로 달성될 수 있다.
충전단계 후에, 상승단계 및 충전단계를 반복하여 배터리에 전압이 계속 축적되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 제 5 목적은, 배터리를 전원수단으로 이용하고, 무선으로 전자기기와 연결되는 무선 키보드에 있어서, 초소형 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치;하면에 초소형 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치가 결합되고 사용 중 사용자에 의해 소정의 힘이 가해지게 되는 입력 키; 초소형 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치의 전극층 중 적어도 어느 하나와 입력노드에 의해 연결되고, 전극층에 입력전압을 인가하는 전압소스; 및 초소형 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치와 출력 노드로 연결되며 전극층에서 발생되는 출력 전압을 축적하는 배터리를 포함하여, 힘이 제거되어 유전식 엘라스토머가 팽창하게 되면, 출력전압이 증가되고, 증가된 출 력전압에 의해 발생된 에너지가 배터리에 저장되는 것을 특징으로 하는 초소형 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치를 구비한 무선 키보드로서 달성될 수 있다.
복수의 입력 키 중 적어도 하나의 하부면에 초소형 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치가 구비되고, 사용자가 입력 키의 조작으로 유전식 엘라스토머를 압축시킬 때마다 배터리에 에너지가 저장되는 것을 특징으로 할 수 있다.
따라서, 상기 설명한 바와 같은 본 발명의 일실시예에 의하면, 유전식 엘라스토머로 형성된 유전층과 복수의 탄소나노튜브가 교차되어 삽입된 전극층을 포함하는 고효율의 에너지 수집장치를 제공하게 된다. 통상의 에너지 수집장치보다 정전용량의 변화를 크게 하여, 인가된 소정의 기계적 에너지를 고효율로 전기적 에너지로 저장할 수 있게 된다.
본 발명은 군사적 분야에서 다양한 장점을 가지고 있다. 미래 병사 시스템에 부착될 다양한 전자장비에 사용시간을 극대화시킴으로써 병사의 활동범위 및 임무 수행 능력을 극대화시킬 수 있는 효과를 가지게 된다. 또한, 군의 병력 및 장비의 손실을 최소화함으로써 병사의 전투력 및 사기 유지에 큰 기여를 할 수 있는 장점이 있다. 또한, 병사의 군사작전 수행 중 발생되는 기계적 에너지를 활용하여 각종 무인 장비의 가동시간을 극대화할 수 있어 향후 미래 전투 시스템에 활용될 무인화 장비의 활용 및 공정 체계확립에 유리한 효과를 갖는다.
특히, 기존의 에너지 수집장치에 비해 병사의 활동에너지를 고효율로 수집할 수 있어, 전자장비를 이용한 지속적인 임무수행이 가능하다는 장점이 있다. 또 한, 무인 복합형 임무로봇의 전기적 에너지 충전수단으로 사용되어, 활용성을 극대화시킬 수 있다. 구체적으로 소형 UGV, 전쟁 영역 추정(battle field estimation)과 착용 및 휴대용 전자장비 등에도 적용가능하다는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 민간산업 분야에서도 다양한 효과를 가져오게 된다. PDA, 노트북, 휴대폰 등의 다양한 휴대용 전자장비의 보조 전원으로 활용 가능함으로 시장성이 매우 높다는 장점이 있다. 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환 가능하고, 그 효율이 매우 높아 차세대 발전 시스템으로 응용될 수 있다. 인간보행등에서 발생되는 자연적인 기계에너지 뿐 아니라 자동차 및 산업설비에서 발생하는 진동 및 소음을 전기에너지로 변환하여 수집할 수 있는 방법에 적용되어 새로운 그린에너지의 원천으로 활용될 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치를 초소형으로 제작가능한 효과가 있다. 따라서, 본 발명의 제조방법에 의해 제조된 초소형 유전식 엘라스토머 수집장치를 휴대용 전자기기에 결합시킴으로써, 휴대용 전자기기를 작동을 위해 인가한 힘을 에너지로서 배터리에 충전시킬 수 있는 장점이 존재한다.
따라서, 휴대용 전자기기의 종류에 상관없이 배터리를 사용하여 전원을 공급하는 휴대용 전자기기에서 조작버튼 하단에 초소형 유전식 엘라스토머 수집장치를 결합시킴으로써, 배터리의 교체, 별도의 배터리 충전없이, 조작버튼에 인가하는 기계적인 힘을 전기적 에너지로서 배터리에 충전시킬 수 있게 된다.
비록 본 발명이 상기에서 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어 졌지 만, 본 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정 및 변형이 가능한 것은 당업자라면 용이하게 인식할 수 있을 것이며, 이러한 변경 및 수정은 모두 첨부된 특허 청구 범위에 속함은 자명하다.
< 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치의 구성 및 기능>
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치(10)의 구성에 대하여 설명하도록 한다. 먼저, 도 1a는 본 발명의 일실시예에 따른 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치(10)의 평면도를 도시한 것이다. 도 1b는 고정프레임(300) 양쪽에 부착된 유전식 엘라스토머 수집장치(10)의 측면도를 도시한 것이다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 유전층을 형성하는 유전식 엘라스토머(100) 양쪽면 각각에 전극층(200)이 결합되어 있다. 전극층(200)은 유전식 엘라스토머(100)의 양면에 결합되어 있다. 유전식 엘라스토머(100)는 변형율이 크고, 출력 응력이 큰 특성을 가진다. 전극층(200)의 경우, 통상의 전극을 형성할 수 있는 금속으로 형성되고, 특히, 탄소그리스(210)로 형성됨이 바람직하다. 이러한 탄소그리스(210)로 형성된 전극층(200)에 복수의 탄소나노튜브(220)가 서로 교차되도록 삽입되어 있음을 알 수 있다. 탄소나노튜브(220)는 서로 잘 끊기지 않은 상호 연결 네트워크 구조(좋은 interconnection)와 발달된 기공성(porousity)으로 인한 바깥전극과 가운데 엘라스토머 층이 맞닿는 유효면적(A)를 증가시키게 한다. 따라서, 정정용량은 C = εrεo * (A/d)로 정의(εr 는 엘라스토머의 유전율, εo는 진공에서의 유전율)됨으로 정전용량을 매우 크게 한다.
탄소나노튜브(220)의 기본 성질을 살펴보면 4개의 최외각전자를 가지는 4족원소로 이루어진 탄소원자들의 구조물로서 하나의 탄소원자 주변에 세개의 다른 탄소원자와 강한 sp2결합(C=C)을 하여 육각형 벌집구조를 이룬다. 4개의 최외각전자들 중 세개는 σ결합을 하고, 나머지 하나는 π결합을 한다. 이와 동일한 탄소원자결합을 가지는 물질로는 풀러렌(fullerene), 흑연층(graphite), 흑연나노섬유(GNF, graphite nanofiber)가 있다.
탄소나노튜브(220)는 합성법과 실험조건에 따라 다음과 같이 네가지 종류로 구분된다. 단층(Single wall), 이중층(double wall), 얇은 다층(thin multi wall), 다층 탄소나노튜브(multi wall carbon nanotube, MWNT)가 그것이다. 단층 탄소나노튜브(220) 외의 탄소나노튜브(220)들은 각기 다른 지름의 단층 탄소나노튜브(220)가 동심원상으로 배열된 것이다. 탄소나노튜브(220)는 탄소원자 6개로 이루어진 육각형들이 관모양을 형성, 탄소 6개 세트가 감긴 형태에 따라 도체, 반도체의 성질을 띠게 된다. 또한 탄소나노튜브(220)는 탄소 원자 간의 공유결합과 육각형 구조의 네트워크로 인해 높은 종횡비를 지니면서도 강하고도 유연한 성질을 가져, 강도는 철보다 수백 배 뛰어나고 전기전도도는 구리와 비슷한 값을 지닌다. 구체적으로 같은 원소인 탄소로 이루어졌지만 기하학적 구조가 다른 흑연(Graphite)은 1%만 변형되어도 끊어지지만 탄소나노튜브(220)는 10～30%의 변형에도 견딜 수 있는 구조 를 가지고 있다.
탄소나노튜브(220) 구조를 분류하는 간단한 방법 중 하나는 Dresselhaus에 의해 알려진 것으로 그래펀(graphene) 격자 위의 두 점을 연결하는 벡터 C로 표시하는 것이다. 원통형 탄소나노튜브(220)는 이 벡터의 두 끝점이 만나도록 평면을 말아 올린 것이다. 흑연판 내에서 반복된 흑연의 육각형 구조는 다음과 같은 식에 의해 두 개의 2차원 기본단위벡터 a1과 a2로 나타낼 수 있으며, 흑연판 위에서 병진벡터,
C=n*a1+m*a2 식 (1)
로 표시될 수 있다. 여기서 n, m은 정수이고 이러한 벡터를 카이럴벡터(chiral vector)라고도 지칭하며 C의 시작점과 종점이 일치하게 흑연면을 말면 CNT형상이 되고, 그것의 길이는 탄소나노튜브(220) 원주 길이와 같아지게 된다. Arm chair 구조는 n=m일 때, Zigzag구조는 m=0일때, 그 외 n≠m 일 때의 탄소나노튜브(220)는 카이럴 구조를 가지게 된다.
단일벽 탄소나노튜브(220)의 경우, Arm chair구조는 도체 성질을 띠고, Zigzag 구조는 반도체 성질을 띤다. 이러한 전도성의 차이는 탄소나노튜브(220)의 분자적 구조로 인한 각기 다른 대역폭(band gap)때문이며, 이는 흑연판에서 쉽게 증명될 수 있다. 만약 (n,m)의 카이럴벡터를 가진 탄소나노튜브(220)가 있다고 가정하면, n=m이거나 n-m=3i(i=정수)이면, 금속성을 가진다고 말할 수 있다. 또한 탄소나노튜브(220)의 비전도성은 양자 기계학적(quantum mechanical) 측면에서 결정 될 수 있으며, 탄소나노튜브(220)의 길이와는 무관하다. Fank는 탄소나노튜브(220)가 양자거동을 보이면서 획기적인 전도성을 가진다. 또한, 도 1a에 도시된 바와 같이, 한 방향으로만이 아닌 서로 교차하면서 정렬하면 더 좋은 상호작용으로 인해 정전용량을 더 크게 할 수 있다.
그리고, 유전식 엘라스토머(100)는 높은 신장량과 일밀도를 가지나, 액츄에이터로서 구동시 고전압(보통 수 kV이하)이 필요하고, 변위와 출력을 크게 하기 위해 pre-strain 조건 사용으로 지속성이 문제될 수 있다. 따라서, 도 1b에 도시된 바와 같이, 유연한 엘라스토머층을 구속시키기 위해 단단한 고정프레임(300)을 사용하게 된다. 본 발명의 구체적 실시예에서는 고정프레임(300)으로 페트리 디쉬를 사용하였다. 또한, 가운데 엘라스토머로 형성된 유전식 엘라스토머(100)와 바깥 양측 전극층(200) 2개로 이루어진 3개의 층을 하나의 단위로 여러개를 스택(stack)형으로 적층하면 더욱 높은 정전용량 값을 가지게 된다. 그리고, 각각의 사이에 고정 프레임(300)으로 고정시킴이 바람직하다.
도 2a는 본 발명의 일실시예에 따라 입력전압(Vin)을 가하고, 소정의 압력힘(f)을 인가한 상태의 엘라스토머 에너지 수집장치(10)의 측면도를 도시한 것이다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 입력전압(Vin)이 인가되면 맥스웰 응력(Maxwellwell Stress, σ)에 의해 엘라스토머를 쥐어짜는 쿨롱힘(F)이 발생한다.
σ = F/A = εrεo*E2 식 (2)
식(2)에서, A는 힘을 가하는 면적, E는 전기장의 크기, εr는 엘라스토머의 유전 율(dielectric constant), εo 는 진공 유전 상수(vacuum permittivity)이다. 이러한 응력으로 유전식 엘라스토머(100)는 두께(d)방향으로 수축되고, 비압축성 성질에 의해 부피가 일정하므로 두께(d)방향에 수직인 면 방향은 팽창하게 된다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 입력전압(Vin)을 계속 가한 상태에서 힘(f)을 가해 면적(A)이 늘어나면서 정전용량이 더욱 커지게 된다. 입력전압(Vin)은 유지된 상태에서 정전용량 값이 커지게 되어 전하(Q)가 커지게 된다. 도 2b는 가해진 힘(f)을 제거한 상태의 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치(10)의 측면도를 도시한 것이다. 도 2b에 도시된 바와 같이, 가해진 힘(f)이 제거되면 유전식 엘라스토머(100)가 원상태로 돌아오게 되므로 두께(d)의 수직방향 면은 줄어들고, 두께(d)는 커지게 된다. 따라서, 출력쪽으로 입력전하와 같은 양만큼 전하가 흘러나오게 된다. 이때 순간적으로 출력전압(Vout)이 커지게 되므로 전기에너지는 더 큰 값을 갖게 된다. 이러한 전기에너지는 외부에서 가한 기계적 에너지가 변환된 것이다.
획득에너지 = 1/2*Qo 2(1/Cf-1/Ci) 식(3)
식(3)에서 Cf 는 힘(f)을 가한 상태에서 증가된 정전용량 값이고, Ci는 힘(f)이 제거된 상태에서의 정전용량 값이다. 탄소나노튜브(220)를 탄소그리스(210) 등 일반전극 사이에 분산시켜 교차되게 섞어주면 유효표면적(A)을 크게 만들어 같은 전극면적이어도 정전용량 값을 크게 만드는 효과가 있다. 특히 누르는 힘(f)에 의해 면적(A)이 팽창되어 전극 사이가 벌어져 실제유효면적(A)이 작아질 수가 있으므로 유용하다. 또한, 탄소나노튜브(220)는 전기 전도성이 매우 높고, 큰 기공성으로 인해 전극자체의 표면적(A)을 크게 만들게 되므로 정전용량 값을 크게 하는 작용을 한다.
여러 독립 인자들이 전력에 대하여 미치는 영향을 보면 다음과 같다. 유전식 엘라스토머(100)에 힘(f)을 가했다가 놓으면서 전하는 일정하고, 유전식 엘라스토머(100)의 유효표면적(A)이 바뀌므로 정전용량 값이 커지게 되고, 힘(f)이 제거되면서 정전용량은 작아지므로 “Q=C*V=일정”의 관계에서 출력 전압(V)이 커지게 된다. 이때, 전력(P)은 전압과 전류의 곱(P=V*i)이고, 전하는 전류를 시간에 대해서 적분한 것이므로 다음과 같은 식(4)를 유도할 수 있다.
P = V*i = V*dQ/dt
= V*d(CV)/dt
= V*(V*dC/dt + C*dV/dt)
= V*εrεo*(V*d/dt*(A/d) + A/d*(dV/dt)) 식(4)
또한, 전력이 아닌 전기에너지(E)는 E = C/2*V2로 계산될 수 있다. 본 발명에서 조절 가능한 변수는 입력전압(Vin)과 누르는 힘(f) 변화에 의한 출력전압(Vout)의 변화, 누르는 힘(f)의 변화, 탄소나노튜브(220) 등의 첨가로 인한 유전식 엘라스토머(100)의 면적 변화, 누르는 힘(f)에 의한 유전식 엘라스토머(100) 층 두께(d)변화가 있다. 또한, 누르는 주파수가 클수록 흐르는 전류가 커진다. 이때, 유전식 엘라스토머(100)의 면적(A)과 두께(d) 등이 영향을 미치는 정전용량은 초기 정전용량 값(Co)이 큰 것도 중요하지만, 힘(f)을 가해서 변화된 정전용량 값(△C) 역시 클수록 좋다. 즉, Co+△C가 클수록 전압튐 현상(600)이 커지게 된다. 전압튐현상(600)이 클수록 획득되는 전기에너지가 커진다.
도 3a은 탄소그리스(210)만으로 형성된 전극층(200)을 구비한 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치(10)의 전압튐 현상(600)을 보여주는 시간에 대한 출력전압(Vout) 그래프를 도시한 것이다. 그리고, 도 3b는 탄소그리스(210)에 복수의 탄소나노튜브(220)가 삽입되어 형성된 전극층(200)을 구비한 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치(10)의 전압튐 현상(600)을 보여주는 시간에 대한 출력전압(Vout) 그래프를 도시한 것이다. 전압튐 현상(600)은 힘(f)의 제거에 의한 정전용량 감소에 따른 출력전압(Vout)이 급작스럽게 증가하는 현상이다. 도 3a와 도 3b에 도시된 바와 같이, 전극층(200)에 탄소나노튜브(220)가 삽입된 경우가 전압튐 현상(600)이 큰 것을 알 수 있다. 이것은 유효면적(A) 증가로 인한 Co+△C가 크기 때문이다. 전압튐 현상(600)이 더 큼으로 획득되는 전기에너지 또한 더욱 크게 된다.
< 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치를 이용한 에너지 수집방법>
이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치를 이용한 에너지 수집방법에 대하여 설명하도록 한다. 먼저, 도 4는 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치를 이용한 에너지 수집방법의 흐름도를 도시한 것이다. 먼저, 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치(10)에 입력전압(Vin)이 인가되어 전극 층(200)에 Co 정전용량이 축적된다. 그리고, 전극층(200)에 소정 힘(f)을 가하여 유전식 엘라스토머(100)를 압축하고, 힘(f)을 제거하는 단계를 반복하게 된다.
도 5a는 유전식 엘라스모터 에너지 수집장치(10)에 힘(f)을 가하고, 힘(f)을 제거하는 동안, 시간에 따른 출력전압(Vout) 변화그래프와 A, B, C 단계에서 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치(10)의 사시도를 도시한 것이다. A단계에서, 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치(10)의 전극층(200)에 일정한 입력전압(Vin)이 인가된다(S10). 전극층(200)은 전기장을 형성하고, Co의 정전용량 값을 가지게 된다. 또한, 출력전압(Vout)도 입력전압(Vin)과 같이 일정한 값을 가지게 된다.
그리고, a 구간(A상태에서 B상태로의 변화)에서 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치(10)에 힘(f)을 인가하게 된다(S20). B 상태는 힘(f)을 인가하여 유전식 엘라스토머(100)가 최대로 압축된 상태를 도시한 것이다. a 구간에서 일정한 입력전압(Vin)과 함께 소정의 힘(f)이 가해져 전극층(200)사이의 거리(d)가 좁아지면서 유효면적(A)넓이는 증가하게 되어 정전용량이 커지게 된다(S30). a 구간에서 보이는 밑으로 처진 점선은 갑자기 힘(f)이 가해짐으로써 나타나게 된다. 즉, A상태에서 A`상태로의 변화는 전하량(Q)은 일정하나, 갑자기 힘(f)을 가함으로써 전류가 흐르는 속도보다 힘(f)을 가하는 속도가 빨라져 정전용량이 커지기 때문에 전압이 갑자기 작아지게 된다(Q = C*V). A` 상태에서 B 상태로 변하는 것은 가하는 힘(f)이 일정한 상태에서 (즉, 정전용량이 일정한 상태) 시간이 어느 정도 흐르고 전하 가 쌓이면서 전압이 회복되는 것을 나타낸다. 이때 힘(f)을 천천히 가한다면 A`지점 영향을 무시할 수 있어서 전압이 일정한 a구간처럼 출력전압(Vout)을 표시할 수 있다.
b구간(B상태에서 C상태로 변화)은 짧은 시간 동안에 이루어지는 구간으로 전류가 흐르지 않는 상태에서 힘(f)이 제거하면서 유전식 엘라스토머(100)의 복원력(f`)으로 인해 정전용량이 감소하게 된다. 이로 인하여 갑작스런 고전압이 발생하게 되는 구간이다(S40). 즉, 전압튐 현상(600)이 발생하고, 전압튐 현상(600)이란, 정전용량 감소에 의한 갑작스럽게 높아지는 전압을 발생시키는 것이다. 앞서 설명한 바와 같이, 이러한 증가된 출력전압(Vout)의 변화량에 비례하여 획득되는 전기적 에너지가 결정된다.
c구간(C상태에서 A상태로 변화)은 유전식 엘라스토머(100)가 계속 탄성회복을 하므로 정전용량이 계속 작아지게 되고, 여분의 전하마저 빠져나가 원래의 전압으로 되돌아 오는 구간이다. 빠져나가는 전하는 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치(10)의 출력전압(Vout)과 연결된 또 다른 커패시터(에너지 저장용 축전지, 배터리(500))에 저장되게 된다(S50). 따라서, 일정한 입력전압(Vin)이 인가된 상태에서 계속적으로 힘(f)을 가하고, 제거하는 a, b, c 구간을 반복함으로써 제공되는 기계적에너지가 전기적에너지로 변환되어 출력전압(Vout)에 연결된 배터리(500)에 계속 축적되게 된다(S60).
도 5b는 동일한 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치(10)에 대하여 높은 입력 전압(Vin)을 인가하였을 때의 출력전압(Vout)의 변화그래프와 A, B, C 및 D 단계에서의 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치(10)의 사시도를 도시한 것이다. 도 5b는 도 5a와 다르게 b`구간(C상태에서 D 상태로의 변화)을 더 포함하게 된다. 이것은 입력전압(Vin)이 도 5a보다 크기 때문에 발생하게 된다. 즉, 입력전압(Vin)이 커지면 전압튐 현상(600)이 발생할 때, 전기장에 의한 압력으로 두께(d)방향으로 압축하려는 힘(f)과 유전식 엘라스토머(100)의 기계적 복원력(f`)이 균형을 이루는 b`구간이 존재하게 된다.
도 6은 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치(10)에 힘(f)을 가하고, 힘(f)을 제거하는 동안, 시간에 따른 출력전압(Vout), 정전용량, 전하량(Q) 및 전류의 변화그래프를 도시한 것이다. 도 6에 도시된 바와 같이, a구간(A상태에서 B상태로의 변화)은 일정한 입력전압(Vin)하에서 소정의 힘(f)이 인가되는 단계로, 출력전압(Vout)은 일정하고(앞서 설명한 바와 같이 힘(f)이 갑작스럽게 인가되는 경우 출력전압(Vout)이 감소하였다가 다시 회복되는 구간이 존재할 수 있음), 유전식 엘라스토머(100)의 두께(전극층 사이의 거리, d) 감소와 유효면적(A) 증가로 정전용량은 상승하게 된다. 그리고, 전하량(Q)과 흐르는 전류 역시 증가하게 된다.
또한, b구간(B상태에서 C상태로의 변화)에서 힘(f)이 제거되면, 전하량(Q)이 일정하게 유지된 상태에서 정전용량이 감소(유전식 엘라스토머의 복원력(f`)에 의해 두께(d)가 커지고, 유효면적(A)이 감소함으로)함으로 출력전압(Vout)이 갑작스럽 게 증가되게 된다. 즉, 전압튐 현상(600)이 일어난다. c 구간은 원상태로 복구되는 구간으로 정전용량은 힘(f)을 가하기 전의 값으로 감소하게 되고, 전하량(Q)이 출력전압(Vout)에 연결된 배터리(500)로 모두 빠져나가게 되어 힘(f)을 가하기 전의 전하량(Q)까지 감소하게 된다. 이때 전류는 유전식 엘라스토머 수집장치(10)에서 배터리(500)로 흐르게 됨으로 음(-)의 값을 가지게 된다.
일정한 입력전압(Vin)하에서 소정의 힘(f)을 가하고, 제거하는 단계를 반복함으로써 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치(10)와 연결된 배터리(500)에 계속 에너지가 축적되게 된다. 모든 구간은 계속 입력전압(Vin)이 인가된 채, 오직 기계적으로 변형과 탄성변형에 의해서 가능하게 되다. 이는 통상적인 피에조를 이용한 압전소자에서는 인가전압이 필요없이 압전현상으로 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 것과는 대조적이다.
< 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치를 이용한 에너지 충전회로>
이하에서는 유전식 엘라스토머 수집장치(10)를 이용한 에너지 충전회로에 대하여 설명하도록 한다. 먼저, 도 7a는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 유전식 엘라스토머 수집장치(10)를 이용한 에너지 충전회로를 도시한 것이다. 도 7a에 도시된 바와 같이, 충전회로는 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치(10), 전압소스(520), 충전식 배터리(500), 저항(510) 및 다이오드(530)를 구비하고 있다.
유전식 엘라스토머 에너지 수집장치(10)의 한쪽 전극층(200)은 그라운 드(400) 되어져 있고, 다른 한쪽 전극층(200)은 전압소스(520)와 입력노드로 연결되어 전압소스(520)에서 발생된 입력전압(Vin)이 인가되게 된다. 그리고, 전극층(200)과 커패시터 형태의 충전용 배터리(500)가 출력노드로 연결되어 있다. 따라서, 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치(10)에서 발생된 출력전압(Vout)은 배터리(500)에 계속적으로 충전되게 된다. 앞서 설명한 바와 같이, 유전식 엘라스토머(100)는 고전압의 입력전압(Vin)을 필요로 함으로 전압소스(520)에는 고전압에 견딜 수 있는 저항(510)이 연결되어 있다. 또한, 입력전압(Vin)이 전극층(200)으로 흐를 수 있고, 출력전압(Vout)이 배터리(500)로 인가될 수 있도록 역행을 방지하기 위해 충전회로에 다이오드(530)들이 연결되어 있다.
도 7b는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 유전식 엘라스토머 수집장치(10)를 이용한 에너지 충전순환회로를 도시한 것이다. 도 7b의 충전순환회로는 도 7a의 충전회로와 유사한 기능을 하나 순환회로로써 궁극적으로 초기에 전압소스(520)에 의한 입력전압(Vin)이 전하 축적을 위해 쓰여진다. 그리고, 전압소스(520)에 의한 입력전압(Vin) 없이도, 또 다른 커패시터(540)에 의해 충전식 배터리(500)에 전압이 계속 쌓일 수 있게 되는 구조를 가지고 있다. 도 8은 도 7a 및 도 7b의 충전회로에 의해 시간에 따라 배터리(500)에 축적되는 전압을 나타낸 그래프이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치(10)에 소정의 힘(f)이 인가되고, 제거되는 과정을 반복함으로써 계속적으로 배터리(500)에 전압이 축적됨을 알 수 있다.
본 발명의 기술적 사상은 압전식 에너지 수집장치(10)에서 유전식 엘라스토머(100)를 형성하고, 전극층(200)에 복수의 탄소나노튜브(220)를 교차로 삽입되어 진 것이다. 따라서, 소정의 기계적 힘(f)을 전기적 에너지로 변환하여 배터리(500)에 계속적으로 충전한다는 자체에 기술적 특징이 존재하는 것으로 본 발명의 기술적 사상의 동일성이 유지되는 한 구체적인 회로의 형태가 변경되더라도 권리범위에 속함은 자명할 것이다.
<초소형 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치 제조방법>
이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 초소형 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치(10)의 제조방법에 대해 설명하도록 한다. 먼저, 도 9a는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 초소형 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치(10)의 제조방법의 흐름도를 도시한 것이다. 그리고, 도 9b는 제조공정 별, 단면도를 도시한 것이다. 초소형 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치의 제작은 맴스(MEMs, Microelectromechanical Systems) 기술에 의해 가능해 진다.
먼저, 도 9b의 첫번째 도시된 도면에서와 같이, 평평한 초소형 실리콘 기판(20)을 준비한다(S100-1). 그리고, 실리콘 기판(20)의 상부면과 하부면을 산화(oxidation)시켜 산화층(21)을 형성시키게 된다(S200-1). 도 9b의 두번째 도시된 것은 산화층(21)을 형성한 실리콘 기판(20)의 단면도이다. 그리고, 실리콘 기판(20)의 중앙부분을 패터닝하고, 에칭하여 구멍을 형성시켜 고정프레임(300)을 제 작하게 된다(S300-1).
도 9b의 세번째 도시된 것은, 구멍이 형성된 고정프레임(300)의 단면도를 도시한 것이다. 구멍이 형성된 고정프레임(300)의 상부면에 유전식 엘라스토머(100)를 부착시키게 된다(S400-1). 도 9b의 네번째 도시된 것은, 상부에 평평한 유전식 엘라스토머(100)가 부착된 고정프레임(300)의 단면도를 도시한 것이다. 그리고, 유전식 엘라스토머(100) 상부면에 전극층(200)을 증착시키게 된다. 도 9b의 다섯번째 도시된 것은, 전극층(200)이 증착된 모습의 단면도이다. 도 9b에 도시된 바와 같이, 전극층(200)은 고정프레임(300) 구멍이 형성된 부분에 대응되는 유전식 엘라스토머(100) 상부면에 증착된다(S500-1).
전극층(200)은 앞서 설명한 바와 같이, 탄소 그리스로 구비될 수 있고, 내부에 탄소나노튜브가 교차로 삽입될 수 있다. 그리고, 유전식 엘라스토머(100) 상부면과 전극층(200) 상부면을 다시 유전식 엘라스토머(100)로 덮게 된다. 따라서, 유전식 엘라스토머(100) 내부에 전극층(200)이 구비되도록하여 유전식 엘라스토머(100) 그룹을 형성하게 된다(S600-1). 도 9b의 여섯번째 도시된 것은, 유전식 엘라스토머(100) 그룹의 단면도를 도시한 것이다.
마지막으로, 별도로 제작된 2개의 유전식 엘라스토머(100) 그룹을 프로젝션(Projection) 공정에 의해 서로 접합시키게 된다(S700-1). 유전식 엘라스토머(100)가 노출된 면 끼리 접합시키게 된다. 따라서, MEMs 기술에 의해 제작된 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치(10)는 수mm~수㎛의 크기를 가질 수 있다. 도 9b의 일곱번째 도시된 것은 제작된 초소형 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치(10)의 단면도이다. 도 9b에 도시된 바와 같이, 상부와 하부에 고정프레임(300)이 설치되어 있고, 유전식 엘라스토머(100) 내부에 평행하게 2개의 전극층(200)이 삽입되어 있음을 알 수 있다. 하나의 전극층(200)은 입력노드에 의해 입력전압이 인가되고, 다른 하나의 전극층(200)은 그라운드 시켜 전기장을 형성시킨다. 그리고, 전기장이 형성된 초소형 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치(10)에 소정의 힘을 인가하여 유전식 엘라스토머(100)를 압축 팽창시켜, 배터리에 에너지를 축적시킬 수 있게 된다.
도 10a는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 초소형 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치(10)의 제조방법의 흐름도를 도시한 것이다. 도 10b는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 초소형 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치(10) 제조방법의 각 공정 별로 평면도를 도시한 것이다. 제 1 실시예와 같이, 평평한 초소형 실리콘 기판(20)을 준비하고,(S100-2)그리고, 실리콘 기판(20)의 상부면과 하부면을 산화(oxidation)시킨다(S200-2). 도 10b의 위에서 첫번째 도시된 것은, 산화된 실리콘 기판(20)의 평면도이다. 그리고, 포토 리쏘그래피 공정에 의해 실리콘 기판(20)에 복수의 구멍을 형성시키게 된다(S300-2). 포토 리쏘그래피 공정은, 도 10b에 도시된 바와 같이, 복수의 구멍을 구비한 제 1 마스크(30)를 사용하여 실리콘 기판(20)에 패턴을 형성하게 된다. 그리고, 노광, 현상시켜 실리콘 기판(20)에 복수의 구멍을 형성시켜 고정프레임(300)을 제작하게 된다.
그리고, 복수의 구멍을 구비한 고정프레임(300) 상부면에 유전식 엘라스토머를 부착시키게 된다(S400-2). 도 10b에 세번째 도시된 것은, 상부면에 유전식 엘라 스토머(100)가 부착된 고정프레임(300)의 평면도이다. 그리고, 전극층(200)을 구성한 금속입자를 이온주입법(ion implantation)을 이용하여 유전식 엘라스토머(100)에 삽입시키게 된다(S500-2). 고정프레임(300) 구멍이 위치한 부분에 대응되는 유전식 엘라스토머(100) 내부 각각에 삽입되도록 한다. 도 10b에 네번째 도시된 것은, 이온주입법으로 전극을 삽입시켜 유전식 엘라스토머(100) 내부에 전극층(200)을 구비한 유전식 엘라스토머(100) 그룹의 평면도를 도시한 것이다.
이온 주입법에 의한 방법은 도 10b에 도시된 제 2 마스크(40)를 이용하여 수십-수백 KeV로 가속한 이온빔을 제 2 마스크(40) 패턴에 부합되도록 주사하여 금속을 엘라스토머(100) 내부로 삽입하게 된다. 제 2 실시예에서 전극층(200)을 구성하는 금속의 구체적인 예는 금에 해당한다. 그리고, 상부면에 다시 엘라스토머(100)를 부착시키고, 이온 주입법을 이용하여 전극층(200)을 유전식 엘라스토머(100) 내부에 삽입시켜서 제작하게 된다(S600-2). 마지막으로 고정프레임(300) 구멍과 구멍 사이를 절단시킴으로써 한번의 제조공정으로 복수의 초소형 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치(10)를 제조하게 된다(S700-2). 도 10b의 다섯번째 도시된 것은, 절단선을 표시한 전극층(200)이 삽입된 유전식 엘라스토머(100)의 평면도를 도시한 것이다.
<초소형 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치를 구비한 휴대용 전자기기>
이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 초소형 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치(10)를 구비한 휴대용 전자기기의 구성에 대해 설명하도록 한다. 본 발명에 서는 앞서 설명한 제조방법에 의해 제조된 초소형 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치(10)를 휴대용 전자기기에 결합시켜, 휴대용 전자기기의 작동을 위해 가하는 힘을 에너지로 이용하여 전자기기에 전원을 공급하게 된다.
휴대용 전자기기의 작동을 위해 구비된 인가수단 하부면에 초소형 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치(10)를 결합시키게 된다. 즉, 인가수단은 휴대용 전자기기를 사용하면서 사용자가 힘을 가하게 되는 조작버튼에 해당한다. 따라서, 작동을 위해 반드시 사용자는 소정의 힘을 인가하여 조작버튼을 눌러야 하고, 이러한 힘에 의해 조작버튼과 하우징 사이에 결합된 초소형 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치(10)의 유전식 엘라스토머(100)는 압축되게 될 것이다.
또한, 휴대용 전자기기는 앞서 설명한 충전 회로를 구비하여야 한다. 즉, 통상의 휴대용 전자기기에서 인가수단과 하우징 사이에 적어도 하나의 초소형 유전식 엘라스토머(100)가 구비되고, 전극층(200) 중 적어도 하나는 입력 노드에 의해 연결된 전압 소스에 의해 전압을 인가받게 된다. 그리고, 나머지 전극층(200)은 그라운드시켜 마주보는 전극층(200) 사이에 전기장이 형성될 수 있도록 구성된다. 사용자가 휴대용 전자기기의 인가수단에 소정힘을 인가, 제거하는 동안, 전극층(200)은 출력전압을 출력하고, 출력된 전압은 출력노드와 연결된 배터리에 축적되게 된다. 구체적인 회로의 구성은 앞서 설명한 도 7b에 도시된 바와 같다.
휴대용 전자기기의 구체적인 예로 무선 키보드(700)를 들 수 있다. 무선키보드(700)는 배터리를 구비하고, 무선으로 전자기기와 연결되어 있다. 무선 키보드(700)는 통상의 키보드와 같이, 자판(50)과 복수의 입력키(60)를 구비하고, 자 판(50)과 입력키(60) 사이에 고무로 구비된 돌기(51, projection)를 포함한다. 사용자가 입력키(60)에 소정 힘을 인가하게 되면 돌기(51)가 눌러지면서 돌기(51) 하단에 연결된 센서를 건드려 해당 글자가 무선으로 연결된 전자기기의 디스플레이부에 표시된다. 도 11a는 자판(50) 위에 구비된 돌기(51) 부분을 볼 수 있도록 입력키(60)를 분리시킨 무선 키보드(700)의 부분사시도를 도시한 것이다.
그리고, 이러한 돌기(51) 위에 초소형 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치(10)를 결합시키게 된다. 도 11b는 입력키(60) 하단 각각에 구비된 3개의 돌기(51)에 초소형 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치(10)가 결합된 무선 키보드(700)의 부분사시도를 도시한 것이다. 그리고, 초소형 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치(10)의 상부면과 입력키(60)의 하부면을 결합시키게 된다. 도 11c는 초소형 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치(10)에 입력키(60)가 결합되고, 자판(50) 일부를 분리시킨, 무선 키보드(700)의 부분사시도를 도시한 것이다. 도 11c에 도시된 바와 같이, 자판(50)의 돌기(51)에 초소형 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치(10)가 결합되어 있고, 초소형 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치(10) 상부면에 입력키(60)가 결합되어 있다. 자판(50)의 하부면은 센서가 구비됨을 알 수 있다.
자판(50)에 구비된 돌기(51)와 입력키(60) 사이에 적어도 하나의 초소형 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치(10)를 구비함으로써 사용자가 입력키(60)를 누르는 힘을 에너지로써 배터리에 저장시켜 별도의 충전, 배터리 분리없이 무선키보드(700)를 사용할 수 있게 된다. 도 12는 본 발명의 일실시예에서, 입력키(60)를 제외한 초소형 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치(10)가 구비된 무선키보드(700) 의 평면도를 도시한 것이다. 도 12에 도시된 바와 같이, 초소형 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치(10)에 구비된 일측의 전극층(200)은 입력노드로 연결되어 있고, 타측의 전극층(200)은 모두 그라운드되어 있다. 구체적인 회로의 구성은 앞서 설명한 도 7a 또는 도 7b에 도시되 것과 같다. 즉, 입력노드에 연결된 전극층(200)에 전압이 인가되어 초소형 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치(10)에 전기장이 형성되고, 사용자가 입력키(60)를 눌러 유전식 엘라스토머(100)가 압축, 팽창하면서 발생된 출력전압은 출력노드를 통해 배터리에 축적된다.
이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 초소형 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치(10)가 구비된 무선키보드(700)를 이용한 에너지 수집방법을 설명하도록 한다. 먼저, 도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 초소형 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치(10)가 구비된 무선키보드(700)를 이용한 에너지 수집방법의 흐름도를 도시한 것이다. 전압소스에서 전극층(200)으로 입력전압을 인가하여 초소형 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치(10) 각각에 전기장이 형성되게 된다(S1000). 그리고, 사용자는 소정의 힘으로 입력키(60)를 누르게 된다(S2000). 즉, 입력키(60)를 눌러 타이핑(typing)하게 된다. 입력키(60)를 누르게 되면, 입력키(60) 하부면에 결합된 초소형 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치(10)의 유전식 엘라스토머(100)가 압축되게 된다(S3000). 유전식 엘라스토머(100)가 압축됨으로써 전기장의 정전용량은 상승되게 된다(S4000).
그리고, 타이핑하는 과정에서 소정 힘이 제거될 때, 유전식 엘라스토머(100)는 다시 팽창하고, 출력전압이 증가되며(S5000), 증가된 출력전압은 출력노드를 통 해 배터리로 흐르게 된다. 출력전압에 의한 에너지는 계속 타이핑하는 과정에서 배터리에 축적되게 된다(S6000, S7000).
도 1a는 본 발명의 일실시예에 따른 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치의 평면도,
도 1b는 본 발명의 일실시예에 따른 고정프레임에 결합된 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치의 측면도,
도 2a는 본 발명의 일실시예에 따른 소정 힘이 인가된 상태의 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치의 측면도,
도 2b는 본 발명의 일실시예에 따른 소정 힘이 제거된 상태의 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치의 측면도,
도 3a는 본 발명의 일실시예에 따른 탄소그리스만으로 형성된 전극층을 갖는 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치에 소정 힘을 인가하고, 제거하는 단계를 반복하는 경우, 시간에 따른 출력전압 그래프,
도 3b는 본 발명의 일실시예에 따른 탄소그리스와 복수의 탄소나노튜브가 서로 교차되어 삽입된 전극층을 갖는 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치에 소정 힘을 인가하고, 제거하는 단계를 반복하는 경우, 시간에 따른 출력전압 그래프,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치를 이용한 에너지 수집방법의 흐름도,
도 5a는 본 발명의 일실시예에 따른 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치에 소정 힘이 인가되고, 제거되는 동안 시간에 따른 출력전압 변화그래프와 A,B,C 단계에서의 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치의 사시도,
도 5b는 도 5a보다 큰 입력전압이 인가된 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치에 소정 힘이 인가되고, 제거되는 동안 시간에 따른 출력전압 변화그래프와 A,B,C,D 단계에서의 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치의 사시도,
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치에 소정 힘이 인가되고, 제거되는 동안 시간에 따른 출력전압, 정전용량, 전하량 및 전류 변화그래프,
도 7a는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치를 사용한 충전회로의 회로도,
도 7b는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치를 사용한 충전순환회로의 회로도,
도 8은 본 발명의 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치에 의해 시간에 따른 배터리에 축적되는 전압의 그래프를 도시한 것이다.
도 9a는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 초소형 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치 제조방법의 흐름도,
도 9b는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 초소형 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치 제조방법의 단계별 단면도,
도 10a는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 초소형 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치 제조방법의 흐름도,
도 10b는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 초소형 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치 제조방법의 단계별 평면도,
도 11a는 본 발명의 일실시예에 따라 입력 키를 분리한 돌기 부분이 나타난 무선 키보드의 부분 사시도,
도 11b는 본 발명의 일실시예에 따라 돌기에 초소형 유전식 엘라스토머 수집장치가 결합된 무선 키보드의 부분 사시도,
도 11c는 본 발명의 일실시예에 따라, 초소형 유전식 엘라스토머 수집장치에 입력 키가 결합된 무선 키보드의 부분 사시도,
도 12는 본 발명의 일실시예에 따라, 입력키를 제외한 초소형 유전식 엘라스토머 수집장치가 결합된 무선 키보드의 평면도,
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 초소형 유전식 엘라스토머 수집장치가 결합된 무선 키보드를 이용한 에너지 수집방법의 흐름도를 도시한 것이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10:유전식 엘라스토머 에너지 수집장치
20:실리콘 기판
21:산화층
30:제 1 마스크
40:제 2 마스크
50:자판
51:돌기
60:입력 키
100:유전식 엘라스토머
200:전극층
210:탄소그리스
220:탄소나노튜브
300:고정프레임
400:그라운드
500:배터리
510:저항
520:전압소스
530:다이오드
540:또 다른 커패시터
600:전압튐 현상
700:무선 키보드
Vin:입력전압
Vout:출력전압
F:쿨롱힘
f:소정 힘
f`:복원력
A:유효면적
d:유전식 엘라스토머의 두께(전극층 사이거리)

Claims (15)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 초소형 실리콘 기판을 준비하고, 상기 실리콘 기판을 산화시켜 산화층을 형성하는 단계;
    상기 실리콘 기판을 패터닝하고, 에칭시켜 구멍을 형성시켜 고정프레임을 제작하는 단계;
    상기 고정프레임 상부에 유전식 엘라스토머를 부착시키는 단계;
    상기 고정프레임 구멍이 형성된 위치에 대응되는 상기 유전식 엘라스토머 부분 내부에 이온 주입법에 의해 전극층을 삽입시켜 유전식 엘라스토머 그룹을 형성하는 단계; 및
    상기 부착단계와 상기 그룹 형성단계를 반복하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 초소형 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치의 제조방법.
  6. 청구항 6은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 5 항에 있어서,
    상기 전극층은 금인 것을 특징으로 하는 초소형 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치 제조방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 고정프레임 제작단계에서는,
    포토 리소그래피를 이용하여 복수의 구멍이 형성된 상기 고정프레임을 제작하고,
    상기 그룹 형성단계에서는,
    상기 고정프레임 구멍이 형성된 각각의 위치에 대응되는 상기 유전식 엘라스토머 부분 내부에 이온 주입법에 의해 복수의 상기 전극층을 삽입시키고,
    상기 반복단계 후에,
    절단선을 기준으로 상기 유전식 엘라스토머를 절단하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초소형 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치의 제조방법.
  8. 휴대용 전자기기에 있어서,
    제 5 항의 제조방법으로 제조된 초소형 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치;
    일측으로 상기 초소형 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치의 하부면이 결합되는 하우징;
    상기 초소형 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치의 상부면과 결합되고, 사용자가 상기 휴대용 전자기기의 작동을 위해 소정의 힘이 인가되어, 상기 유전식 엘라스토머가 압축하게 되는 인가수단;
    상기 초소형 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치의 전극층 중 적어도 어느 하나와 입력노드에 의해 연결되고, 상기 전극층에 입력전압을 인가하는 전압소스; 및
    상기 초소형 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치와 출력 노드로 연결되며 상기 전극층에서 발생되는 출력 전압을 축적하는 배터리를 포함하여,
    상기 힘이 제거되어 상기 유전식 엘라스토머가 팽창되면, 상기 출력전압이 증가되고, 증가된 상기 출력전압에 의해 발생된 에너지가 상기 배터리에 저장되는 것을 특징으로 하는 초소형 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치를 구비한 휴대용 전자기기.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 인가수단은 복수로 구비되고,
    복수의 상기 인가수단 중 적어도 하나의 하단에 상기 초소형 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치가 구비되고, 사용자가 상기 인가수단을 눌러 상기 유전식 엘 라스토머를 압축시킬 때마다 상기 배터리에 에너지가 저장되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 초소형 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치를 구비한 휴대용 전자기기.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 입력전압이 인가되는 상기 전극층 외에 다른 전극층은 그라운드 되어진 것을 특징으로 하는 초소형 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치를 구비한 휴대용 전자기기.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 입력전압 소스와 상기 초소형 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치 사이에 커패시터를 더 포함하여,
    상기 입력 전압이 상기 커패시터에 저장되어 상기 입력전압이 없는 경우에도 충전된 상기 커패시터에서 상기 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치에 입력전압을 제공하는 것을 특징으로 하는 초소형 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치를 구비한 휴대용 전자기기.
  12. 상기 제 8 항의 휴대용 전자기기를 이용한 에너지 수집방법에 있어서,
    입력소스에서 적어도 하나의 전극층에 입력전압을 제공하여 상기 전극층 사이에 전기장이 형성되고, 상기 전기장에 의해 유전식 엘라스토머가 압축되는 단계;
    상기 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치 상부면에 결합된 인가수단에 소정 힘을 인가하여 상기 유전식 엘라스토머가 더 압축되어 상기 전기장의 정전용량이 상승되는 단계; 및
    상기 힘이 제거되어 상기 초소형 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치에 출력 전압이 상승되고, 상승된 출력전압에 의해 발생된 에너지가 배터리에 충전되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 초소형 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치를 구비한 휴대용 전자기기를 이용한 에너지 수집방법.
  13. 청구항 13은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 12 항에 있어서,
    상기 충전단계 후에,
    상승단계 및 충전단계를 반복하여 상기 배터리에 전압이 계속 축적되는 것을 특징으로 하는 초소형 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치를 구비한 휴대용 전자기기를 이용한 에너지 수집방법.
  14. 무선으로 전자기기와 연결되는 무선 키보드에 있어서,
    제 5 항의 제조방법으로 제조된 초소형 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치;
    하면으로 상기 초소형 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치가 결합되고 사용 중 사용자에 의해 소정의 힘이 가해지게 되는 입력 키;
    상기 초소형 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치의 전극층 중 적어도 어느 하나와 입력노드에 의해 연결되고, 상기 전극층에 입력전압을 인가하는 전압소스; 및
    상기 초소형 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치와 출력 노드로 연결되며 상기 전극층에서 발생되는 출력 전압을 축적하는 배터리를 포함하여,
    상기 힘이 제거되어 상기 유전식 엘라스토머가 팽창하게 되면, 상기 출력전압이 증가되고, 증가된 상기 출력전압에 의해 발생된 에너지가 상기 배터리에 저장되는 것을 특징으로 하는 초소형 유전식 엘라스토머 에너지 수집장치를 구비한 무선 키보드.
  15. 삭제
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