KR101172279B1 - 발전량이 향상된 나노발전기 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 압전효과를 이용하여 불규칙한 움직임으로부터 전력을 생산하는 나노발전기에 관한 것으로, 본 발명에 따르면, 종래, 나노와이어가 수직 또는 수평의 어느 한쪽 방향으로만 성장하도록 구성되어 매우 적은 발전량밖에 얻을 수 없었던 종래의 나노발전기의 단점을 해결하여, 기판상에 일정 간격으로 배열된 시드로부터 나노와이어가 수직 및 수평 방향의 양쪽으로 성장하도록 구성됨으로써, 종래에 비하여 발전량을 증가시킬 수 있는 나노발전기 및 그러한 나노발전기의 제조방법이 제공된다.
Description
본 발명은 나노발전기(nanogenerator)에 관한 것으로, 더 상세하게는, 예를 들면, 산화 아연(ZnO)과 같은 물질의 압전효과를 이용하여, 불규칙한 움직임으로부터 전력을 생산하는 나노발전기 및 그 제조방법에 관한 것이다.
즉, 본 발명은, 종래의 나노발전기의 미세한 발전량을 개선하여 발전량이 향상된 나노발전기 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근, 환경오염 등의 문제로 인해 친환경 에너지에 대한 요구가 높아지고 있으며, 또한, 스마트폰이나 태블릿 PC 등 각종 휴대형 전자기기가 보급됨에 따라 배터리 및 배터리를 충전하는 기술에 대한 수요도 증가하고 있다.
즉, 휴대기기의 사용자는, 충전된 상태의 기기나 배터리를 가지고 다니면서 사용하다가 배터리가 방전되면 자신의 집이나 사무실 등의 콘센트를 통해 공급되는 전기를 이용하여 자신의 기기 및 배터리를 충전한 후에 다시 사용하는 것이 일반적이었다.
이에 대하여, 최근에는, 기존의 충전방식을 대신하여, 별도의 충전기가 필요 없이 자가발전의 형태로 충전하는 이른바 사용자 발전(UCP : User Created Power) 기술이 연구되고 있다.
더 상세하게는, 이러한 사용자발전(UCP)의 예로서, 예를 들면, MIT 졸업생들이 개발한 자가발전형 '요요 발전기'가 있다.
즉, 상기한 요요 발전기는, 줄을 당기면 내장된 발전기가 돌아가면서 15～20W의 전력을 생산하도록 구성된 것으로, 이와 같이 소형의 자가발전형 충전장치를 휴대하면 언제 어디서나 휴대용 전자기기에 필요한 전기를 공급할 수 있다.
또한, 사용자 발전(UCP)의 다른 예로서, 예를 들면, 헬스기구에 발전기를 연결하여 운동을 하면 전력이 발생하도록 구성된 자가발전형 헬스 바이크도 출시된 바 있으며, 이는, 사용자가 바이크 페달을 밟으면 발전기를 통해 20인치 TV를 켜는 데 충분한 100～200W의 전력이 생산된다.
즉, 상기한 바와 같은 헬스기구를 이용하면, TV 프로그램을 시청하기 위해서 최소 30분에서 한 시간은 쉬지 않고 페달을 돌려야 하므로, 전기에너지를 절약할 뿐만 아니라 TV를 보기 위해 계속 움직이는 운동효과도 얻을 수 있으므로, 이를 다른 헬스장비에도 적용하면 회원들의 운동량을 이용하여 전력 수요를 상당부분 절감할 수 있을 것으로 예상된다.
그러나 상기한 바와 같은 요요 발전기나 자가발전형 헬스 바이크는, 일정한 동작을 반복적으로 수행하여야 하므로, 사용자가 같은 동작을 오랜 시간 지속하기는 어렵다는 문제점이 있었다.
즉, 상기한 바와 같이, 사용자 발전은, 점점 늘어나는 전력 수요를 감당하기 위해서도 앞으로 많은 연구개발이 필요한 분야이며, 이러한 연구의 일환으로, 예를 들면, 걷기, 근육 스트레칭, 팔 돌리기, 심장 박동 등과 같은 인체의 불규칙한 다양한 움직임을 활용하여 전력을 생산하는 기술에 대한 연구가 진행되고 있다.
더 상세하게는, 예를 들면, 미국 조지아 공대의 왕종린 교수 등에 의해, 햄스터의 움직임을 전류로 바꾸는 나노발전기가 제시된 바 있다.
이는, 불규칙한 생체운동을 전기 에너지로 바꾼 세계 최초의 사례로서, 즉, 이론적으로는 모든 생물의 근육 수축과 이완을 기계적 에너지로 전환시켜 전기를 만들 수 있는 것으로 알려져 있으나, 그 불규칙한 운동특성 때문에 실용화에는 성공하지 못했던 문제점을 해결하여, 비규칙적이고 아주 미세한 동물이나 인간의 근육힘을 전기로 바꿀 수 있음을 입증했다는 점에서 의미가 크다고 할 수 있다.
더 상세하게는, 상기한 나노발전기는 압전효과를 이용한 나노발전기로서, 여기서, 압전효과란, 크리스탈이나 세라믹 같은 압전체에 물리적 힘을 가하면 그 힘이 전기 에너지로 변환되는 효과를 말한다.
따라서 상기한 바와 같은 압전효과를 이용하면 근육이 움직일 때 발생하는 불규칙한 움직임을 전기 에너지로 만들 수 있다.
즉, 더 상세하게는, 상기한 나노 발전기는, 얇고 잘 휘어지는 폴리머 기판에 산화아연(ZnO) 소재의 나노 와이어를 붙인 구조로서, 햄스터가 움직일 때마다 와이어가 구부러지면서 전류가 흐르게 된다.
따라서 이러한 방식을 이용하면, 근육이 움직일 때 발생하는 불규칙한 움직임을 발전으로 연결할 수 있으며, 최근에는 나노 와이어로 옷감을 만들어 전기를 생성하는 실험까지 성공한 사례가 알려진 바 있다.
그러나 상기한 나노발전기는, 그 발전량이 매우 적어서 햄스터 약 1000마리를 모아야 휴대폰 충전이 가능한 수준이며, 따라서 더욱 많은 발전량을 가지는 나노발전기에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
따라서 상기한 바와 같이, 종래의 나노발전기에 비하여 더욱 큰 발전량을 가지는 새로운 나노발전기의 구조 및 그 제조방법을 제공하는 것이 바람직하나, 아직까지 그러한 요구를 모두 만족시키는 장치나 방법은 제공되지 못하고 있는 실정이다.
아울러, 상기한 바와 같은 나노발전기의 원리에 대한 더 상세한 내용은, 이하의 [참고문헌]에 기재된 내용들을 참조하면 쉽게 알 수 있다.
[참고문헌]
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본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 나노발전기의 단점을 해결하고자 하는 것으로, 따라서 본 발명의 목적은, 종래에 비하여 더욱 증가된 발전용량을 가지는 새로운 나노발전기의 구조 및 그 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따르면, 나노발전기에 있어서, 상면 및 하면에 각각 배치되는 상부기판 및 하부기판과, 상기 하부기판상에 일정 간격으로 배열되는 복수의 시드와, 각각의 상기 시드로부터 수평 및 수직 방향으로 각각 성장하는 복수의 나노와이어와, 상기 나노와이어로부터 발생한 전기를 외부로 전달하기 위해 상기 하부기판의 좌우측에 각각 배치되고 도전체로 이루어지는 하부전극과, 상기 상부기판상에 톱니형으로 형성되는 상부전극과, 각각의 전극으로부터 전달된 전기를 축적하는 축전수단 및 상기 하부전극 외측의 상기 하부기판의 좌우 양단에 각각 배치되어 상기 상부기판과 상기 하부기판이 접촉하는 것을 방지하고 일정 간격을 유지하도록 하는 지지체를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 나노발전기가 제공된다.
또한, 본 발명에 따르면, 나노발전기의 제조방법에 있어서, 상면 및 하면에 각각 배치되는 상부기판 및 하부기판을 형성하는 단계와, 상기 하부기판상에 일정 간격으로 복수의 시드를 배열하는 단계와, 상기 하부기판의 좌우측에 도전체로 이루어지는 하부전극을 각각 배치하는 단계와, 상기 상부기판상에 톱니형으로 상부전극을 형성하는 단계와, 각각의 전극으로부터 전달된 전기를 축적하는 축전수단을 설치하는 단계와, 상기 하부전극 외측의 상기 하부기판의 좌우 양단에 상기 상부기판과 상기 하부기판이 접촉하는 것을 방지하고 일정 간격을 유지하도록 하는 지지체를 각각 배치하는 단계와, 각각의 상기 시드로부터 수평 및 수직 방향으로 각각 복수의 나노와이어를 성장시키는 단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 나노발전기의 제조방법이 제공된다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 발전량이 매우 적어 일반적인 휴대기기에 적용하기에는 적합하지 못했던 종래의 나노발전기의 문제점을 해결하여, 종래의 나노발전기에 비하여 더욱 증가된 발전용량을 가지는 새로운 나노발전기의 구조 및 그 제조방법을 제공할 수 있다.
도 1은 종래기술에 따른 나노발전기의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 나노발전기의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 나노발전기의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 발전량이 향상된 나노발전기 및 그 제조방법의 구체적인 실시예에 대하여 설명한다.
여기서, 이하에 설명하는 내용은 본 발명을 실시하기 위한 실시예일 뿐이며, 본 발명은 이하에 설명하는 실시예의 내용으로만 한정되는 것은 아니라는 사실에 유념해야 한다.
즉, 본 발명에 따른 발전량이 향상된 나노발전기 및 그 제조방법은, 후술하는 바와 같이, 기판에 대하여 수평 및 수직방향으로 각각 나노와이어를 성장시키고, 그것에 의해, 한쪽 방향으로만 나노와이어를 성장시키는 종래의 나노발전기에 비하여 발전량을 증가시킬 수 있도록 구성된 것이다.
여기서, 도 1을 참조하여, 종래의 나노발전기의 구성에 대하여 설명하면 다음과 같다.
즉, 도 1에 나타낸 바와 같이, 종래의 나노발전기(10)는, 플렉서블 폴리머로 이루어지고 상면 및 하면에 각각 배치되는 상부기판(11) 및 하부기판(12)과, 상기 하부기판(12)상에 배치된 고밀도의 아연 산화물(Zinc Oxide)로 이루어지는 시드층(seed layer)(13)과, 상기 시드층(13)으로부터 수직 방향으로 성장하는 복수의 나노와이어(nanowires)(14)와, 상기 나노와이어로부터 발생되는 전기를 전달하기 위해 상기 하부기판(12)과 시드층(13) 사이에 배치되는 하부전극(15)과, 상부기판(11)에 배치되고 지그재그형으로 이루어지는 상부전극(16)과, 상기 전극(15, 16)으로부터 전달되는 전기를 축적하는 축전수단(17) 및 기판(11, 12)의 변형시 각 기판(11, 12)이 접촉하지 않도록 일정 간격을 유지하기 위한 지지체(18)를 포함하여 구성되어 있다.
여기서, 축전수단(17)은, 예를 들면, 커패시터(capacitor)와 같은 소자를 이용할 수 있다.
더 상세하게는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 종래의 나노발전기의 구성은, 기판상에 일정 방향으로 복수의 나노와이어를 성장시키고, 기판에 힘을 가하여 기판이 휘어지도록 함으로써 압전 효과에 의해 나노와이어에서 전기가 발생하게 되면, 이와 같이 하여 발생된 전기를 전극을 통하여 외부의 커패시터와 같은 축전소자에 축적함으로써 발전이 이루어지는 원리를 이용한 것이다.
그러나 상기한 바와 같은 종래의 나노발전기는, 수직(또는 수평) 방향의 한쪽 방향으로만 나노와이어가 성장하므로, 일반적인 전자기기의 전원에 적용하려면 상대적으로 그 발전량이 미세하여 매우 많은 수의 나노발전기가 필요하게 된다는 단점이 있는 것이었다.
따라서 본 발명은, 상기한 바와 같은 종래기술의 단점을 개선하기 위해, 다음과 같이 하여 발전량을 증가시킨 나노발전기를 구성하였다.
계속해서, 도 2를 참조하여 본 발명에 따른 발전량이 향상된 나노발전기 및 그 제조방법의 상세한 내용에 대하여 설명한다.
도 2를 참조하면, 도 2는 본 발명에 따른 나노발전기의 전체적인 구조를 개략적으로 나타내는 도면이다.
즉, 도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 나노발전기(20)는, 상면 및 하면에 각각 배치되는 상부기판(21) 및 하부기판(22)과, 상기 하부기판(22)상에 일정 간격으로 배열되는 복수의 시드(23)와, 각각의 상기 시드(23)로부터 수평 및 수직 방향으로 각각 성장하는 나노와이어(24)와, 상기 나노와이어(24)로부터 발생한 전기를 외부로 전달하기 위해 상기 하부기판(22)의 좌우측에 각각 배치되고 도전체로 이루어지는 하부전극(25)과, 상기 상부기판(21)상에 톱니형으로 형성되는 상부전극(26)과, 각각의 전극(25, 26)으로부터 전달된 전기를 축적하는 축전수단(27) 및 상기 하부전극 외측의 상기 하부기판(22)의 좌우 양단에 각각 배치되어 상기 상부기판과 상기 하부기판이 접촉하는 것을 방지하고 일정 간격을 유지하도록 하는 지지체(28)를 포함하여 구성되어 있다.
따라서 상기한 바와 같은 구성을 통하여, 나노발전기(20)에 힘이 가해져 상부 및 하부기판(21, 22)이 서로를 향해 가압되거나 기판이 휘어지게 되면, 나노와이어(24)에 의해 발생된 전기가 전극(25, 26)을 통하여 축전수단(27)에 모이게 된다.
상기한 바와 같이 나노와이어(24)의 변형을 반복시킴으로써 발전이 이루어지게 되며, 또한, 축전수단(27)은, 예를 들면, 커패시터(capacitor)와 같은 소자를 이용할 수 있다.
여기서, 나노와이어(24)를 변형시킴으로써 압전효과를 이용하여 발전이 이루어지는 원리 자체는 종래기술의 내용과 동일하므로 그 방법에 대한 상세한 설명은 생략하나, 본 발명에 따른 나노발전기(20)는, 도 2에 나타낸 바와 같이, 하부기판(22) 상에 일정 간격으로 복수의 시드(23)를 배열함으로써, 일정 간격으로 배열된 복수의 시드(23)로부터 각각 나노와이어(24)가 수직 및 수평 방향의 양쪽 방향으로 성장하도록 구성된 것을 특징으로 하는 것이다.
즉, 종래의 나노발전기는, 나노와이어가 수직 또는 수평의 어느 한쪽 방향으로만 성장하여 나노발전기를 직렬 또는 병렬 중 한가지 방법으로 연결하는 효과밖에 얻을 수 없는 것이었으나, 본 발명에 따른 나노발전기(20)는, 나노와이어(24)가 수직 및 수평 방향의 양쪽으로 성장하여 직렬 및 병렬 연결의 효과를 동시에 얻을 수 있고, 그것에 의해 발전량을 증가시킬 수 있도록 구성된 것이다.
그 외의 내용은 종래의 나노발전기와 동일하므로, 여기서는, 설명을 간략히 하기 위해 그 상세한 설명을 생략한다.
따라서 상기한 바와 같이 하여, 본 발명에 따른 발전량이 향상된 나노발전기 및 그 제조방법을 구현할 수 있으며, 그것에 의해, 종래에 비하여 발전량을 증가시킨 나노발전기를 제공할 수 있다.
이상, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예를 통하여 본 발명에 따른 발전량이 향상된 나노발전기 및 그 제조방법의 상세한 내용에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 기재된 내용으로만 한정되는 것은 아니며, 따라서 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 설계상의 필요 및 기타 다양한 요인에 따라 여러 가지 수정, 변경, 결합 및 대체 등이 가능한 것임은 당연한 일이라 하겠다.
10. 나노발전기 11. 상부기판
12. 하부기판 13. 시드층
14. 나노와이어 15. 하부전극
16. 상부전극 17. 축전수단
18. 지지체 20. 나노발전기
21. 상부기판 22. 하부기판
23. 시드 24. 나노와이어
25. 하부전극 26. 상부전극
27. 축전수단 28. 지지체
12. 하부기판 13. 시드층
14. 나노와이어 15. 하부전극
16. 상부전극 17. 축전수단
18. 지지체 20. 나노발전기
21. 상부기판 22. 하부기판
23. 시드 24. 나노와이어
25. 하부전극 26. 상부전극
27. 축전수단 28. 지지체
Claims (2)
- 나노발전기에 있어서,
상면 및 하면에 각각 배치되는 상부기판 및 하부기판과,
상기 하부기판상에 일정 간격으로 배열되는 복수의 시드와,
각각의 상기 시드로부터 수평 및 수직 방향으로 각각 성장하는 복수의 나노와이어와,
상기 나노와이어로부터 발생한 전기를 외부로 전달하기 위해 상기 하부기판의 좌우측에 각각 배치되고 도전체로 이루어지는 하부전극과,
상기 상부기판상에 톱니형으로 형성되는 상부전극과,
각각의 전극으로부터 전달된 전기를 축적하는 축전수단 및
상기 하부전극 외측의 상기 하부기판의 좌우 양단에 각각 배치되어 상기 상부기판과 상기 하부기판이 접촉하는 것을 방지하고 일정 간격을 유지하도록 하는 지지체를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 나노발전기.
- 나노발전기의 제조방법에 있어서,
상면 및 하면에 각각 배치되는 상부기판 및 하부기판을 형성하는 단계와,
상기 하부기판상에 일정 간격으로 복수의 시드를 배열하는 단계와,
상기 하부기판의 좌우측에 도전체로 이루어지는 하부전극을 각각 배치하는 단계와,
상기 상부기판상에 톱니형으로 상부전극을 형성하는 단계와,
각각의 전극으로부터 전달된 전기를 축적하는 축전수단을 설치하는 단계와,
상기 하부전극 외측의 상기 하부기판의 좌우 양단에 상기 상부기판과 상기 하부기판이 접촉하는 것을 방지하고 일정 간격을 유지하도록 하는 지지체를 각각 배치하는 단계와,
각각의 상기 시드로부터 수평 및 수직 방향으로 각각 복수의 나노와이어를 성장시키는 단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 나노발전기의 제조방법.
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|---|---|---|---|
| KR1020110082816A KR101172279B1 (ko) | 2011-08-19 | 2011-08-19 | 발전량이 향상된 나노발전기 및 그 제조방법 |
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| KR (1) | KR101172279B1 (ko) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101494213B1 (ko) | 2013-12-31 | 2015-02-17 | 연세대학교 산학협력단 | 자가발전형 제너레이터와 그 제조방법 및 상기 제너레이터를 이용한 압전 에너지-하베스팅 소자 |
| US9112432B2 (en) | 2012-12-14 | 2015-08-18 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Piezoelectric generator and method of manufacturing the same |
Citations (1)
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|---|---|---|---|---|
| KR100643083B1 (ko) | 2005-07-20 | 2006-11-10 | 학교법인 포항공과대학교 | 산화아연 나노구조체 제조방법 및 이를 이용한 소자 |
-
2011
- 2011-08-19 KR KR1020110082816A patent/KR101172279B1/ko not_active IP Right Cessation
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| US9929336B2 (en) | 2013-12-31 | 2018-03-27 | Industry-Academic Cooperation Foundation, Yonsei University | Self-powered generator, method of fabricating the same and piezoelectric enery-harvesting device using the generator |
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