KR101221501B1 - 나노와이어를 이용한 발전 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 나노와이어를 이용한 발전 장치에 관한 것으로서 N형 반도체인 나노와이어와 P형 반도체로 이루어진 수광부를 포함하고, 나노와이어는 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환시키는 압전효과를 갖는 물질로 이루어져 있고, 수광부에 가해지는 압력이 나노와이어에 전해지도록 수광부에 나노와이어를 접촉시키면서, 수광부와 나노와이어가 접촉한 경우 PN접합을 형성하는 것을 특징으로 하며, 나노와이어와 수광부가 접촉시 PN 접합구조가 형성된 후, 태양광 에너지를 흡수함으로써, 전류를 발생시킴과 동시에 수광부에 전달된 진동 또는 압력이 압전효과를 갖는 나노와이어에 전달됨으로써 전류를 발생시킬 수 있다.
Description
본 발명은 나노와이어를 이용한 발전 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 나노와이어와 수광부가 접촉시 PN 접합구조가 형성된 후, 태양광에너지를 흡수함으로써, 전류를 발생시킴과 동시에 수광부에 전달된 진동 또는 압력이 압전효과(piezoelectric effect)를 갖는 나노와이어에 전달됨으로써 전류를 발생시킬 수 있는 나노와이어를 이용한 발전 장치에 관한 것이다.
최근 무공해 에너지 개발에 많은 관심이 모이고 있다. 화석에너지는 100년 안에 고갈이 예상되고 있으며, 많은 환경오염과 오존층 파괴 등의 문제를 만들기 때문에 무공해 에너지를 확보하는데 많은 노력과 연구가 진행되고 있다.
풍력에 의한 발전은 지금까지 패러데이의 법칙에 의해서 감아있는 코일에 자석을 넣었다 빼기만 해도 코일 내의 자기장에 변화가 생겨 전압이 유도되는 전자기유도 현상이 일어나 전기가 만들어지게 되는 원리를 이용한 것이다.
풍력에 의한 발전은 무공해 에너지로 좋지만 설치비가 많이 소요되고, 설치 가능한 곳의 선정 등의 입지 조건이 까다로우며, 일정량의 풍력이 있어야 하므로 한정된 곳에 넓은 입지 면적하에서 설치운영되고 있다. 따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위해, 작고 휴대도 가능하고, 설치와 효율 면에서도 우수한 발전소자가 필요한 실정이다.
무공해 에너지에 대한 관심이 많아지는 요즘 최대 관심사는 값싸고 안정되게 전기를 생산할 수 있는지 여부인바, 지금까지의 태양전지는 넓은 면적이 소요되고 초기 비용이 높다는 문제점과 낮에만 가능하다는 단점이 있으며, 프로펠러를 이용한 풍력발전 또한 까다로운 입지조건으로 한정된 곳에서만 이루어지고 있는 실정이다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 나노와이어와 수광부가 접촉할 때 PN 접합구조가 형성되면, 태양광 에너지를 흡수함으로써, 전류를 발생시킴과 동시에 수광부에 전달된 진동 또는 압력이 압전효과를 갖는 나노와이어에 전달됨으로써 전류를 발생시킬 수 있는 나노와이어를 이용한 발전 장치를 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 과제를 달성하기 위하여, N형 반도체인 나노와이어; 및 P형 반도체로 이루어진 수광부를 포함하고, 상기 나노와이어는 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환시키는 압전효과를 갖는 물질로 이루어져 있고, 상기 수광부에 가해지는 압력이 상기 나노와이어에 전해지도록 상기 수광부에 상기 나노와이어를 접촉시키면서, 상기 수광부와 상기 나노와이어가 접촉한 경우 PN접합을 형성하는 것을 특징으로 하는 나노와이어를 이용한 발전 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 수광부는 얇고 투명한 전도성 있는 물질로 구성되며, 상기 수광부는 전극으로서 사용될 수 있다. 이때, 상기 수광부는 그라핀 또는 갈륨 나이트라이드(GaN)로 형성되고, 상기 나노와이어와 다른 전기적 타입을 갖고 있는 물질로 형성될 수 있다. 또한, 상기 나노와이어는 아연 산화물, 갈륨 질화물, 또는 바륨티타늄 산화물 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 나노와이어를 지지하는 기판부를 더 포함하고, 상기 기판부가 전기적으로 부도체인 경우, 상기 기판부와 상기 나노와이어 사이에 메탈 전극이 삽입되어 있는 것이 바람직하다.
반면에, 상기 기판부가 전기적으로 도체인 경우, 상기 기판부를 전극으로 사용할 수 있다.
본 발명은 상기 과제를 달성하기 위하여, P형 반도체인 나노와이어; N형 반도체로 이루어진 기판부; 및 빛이 투과할 수 있는 투명한 전도성 있는 물질로 구성되어, 전극으로서 사용되는 수광부를 포함하고, 상기 기판부의 아래에는 금속전극이 있고, 상기 기판부의 위에 상기 나노와이어가 있으며, 상기 나노와이어 위에 상기 수광부가 있는 나노와이어를 이용한 발전 장치를 제공한다.
본 발명은 상기 과제를 달성하기 위하여, 그라핀으로 이루어진 제 1 전극; 그라핀으로 이루어진 제 2 전극; 그라핀으로 이루어진 제 3 전극; 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 있고, N형 반도체로 이루어진 제 1 나노와이어; 및 상기 제 2 전극과 상기 제 3 전극 사이에 있고, P형 반도체로 이루어진 제 2 나노와이어를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노와이어를 이용한 발전 장치를 제공한다.
또한, 상기 제 1 전극, 상기 제 2 전극, 또는 상기 제 3 전극은 얇고 투명한 전도성이 있는 전극일 수 있다.
상기 제 1 나노와이어와 상기 제 2 나노와이어는 PN 접합을 형성할 수 있으며, 동시에 상기 제 1 나노와이어와 상기 제 2 나노와이어는 압전효과를 갖는 물질로 구성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제 1 전극에 압력이 가해지면, 상기 제 1 나노와이어가 압력을 전달받게 되고, 상기 제 3 전극에 압력이 가해지면, 상기 제 2 나노와이어가 압력을 전달받게 되어 전기에너지를 발생시킬 수 있다.
기능 향상을 위해 상기 제 1 전극, 제 2 전극, 및 제 3 전극에 외에 그라핀으로 이루어진 적어도 하나 이상의 전극을 더 추가하되, 상기 추가된 전극과 전극 사이는 나노와이어가 포함되고, 상기 포함된 나노와이어의 전기적 타입인 N형 반도체와 P형 반도체가 번갈아 위치하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 나노와이어와 수광부가 접촉시 PN 접합구조가 형성된 후, 태양광에너지를 흡수함으로써, 전류를 발생시킴과 동시에 수광부에 전달된 진동 또는 압력이 압전효과를 갖는 나노와이어에 전달됨으로써 전류를 발생시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노와이어를 이용한 발전 장치를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 나노와이어를 이용한 발전 장치를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 나노와이어를 이용한 발전 장치를 도시한 것이다.
본 발명에 관한 구체적인 내용의 설명에 앞서 이해의 편의를 위해 본 발명이 해결하고자 하는 과제의 해결 방안의 개요 혹은 기술적 사상의 핵심을 우선 제시한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 나노와이어를 이용한 발전 장치는 N형 반도체인 나노와이어; 및 P형 반도체로 이루어진 수광부를 포함하고, 상기 나노와이어는 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환시키는 압전효과를 갖는 물질로 이루어져 있고, 상기 수광부에 가해지는 압력이 상기 나노와이어에 전해지도록 상기 수광부에 상기 나노와이어를 접촉시키면서, 상기 수광부와 상기 나노와이어가 접촉한 경우 PN접합을 형성하는 것을 특징으로 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되지 않는다는 것은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제의 해결 방안을 명확하게 하기 위한 발명의 구성을 본 발명의 바람직한 실시예에 근거하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하되, 도면의 구성요소들에 참조번호를 부여함에 있어서 동일 구성요소에 대해서는 비록 다른 도면상에 있더라도 동일 참조번호를 부여하였으며 당해 도면에 대한 설명시 필요한 경우 다른 도면의 구성요소를 인용할 수 있음을 미리 밝혀둔다. 아울러 본 발명의 바람직한 실시 예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 본 발명과 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명 그리고 그 이외의 제반 사항이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명을 생략한다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 '연결'되어 있다고 할때, 이는 '직접적으로 연결'되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 '간접적으로 연결'되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 구성 요소를 '포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노와이어를 이용한 발전 장치를 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 나노와이어를 이용한 발전 장치는 수광부(110), 나노와이어(120), 및 기판부(130)로 구성된다.
수광부(110)는 광 에너지를 받아들이는 것과 동시에 외부의 압력을 나노와이어(120)로 전달한다. 수광부(110)는 P형 반도체 또는 N형 반도체로 이루어져 있으며, 나노와이어(120)는 수광부(110)가 P형 반도체이면, N형 반도체로 이루어지고, N형 반도체이면, P형 반도체로 이루어진다. 즉, 수광부(110)와 나노와이어(120)는 서로 접합되는 경우 PN 접합을 이루게 된다.
수광부(110)는 얇고 투명한 전도성 있는 물질로 형성하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 그라핀(graphene)이나 갈륨 나이트라이드(GaN)을 예로 들 수 있으며, 이에 한정되지 않는다.
나노와이어(120)는 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변화시킬 수 있는 압전 성질를 가짐과 동시에 P형 반도체 또는 N형 반도체로 이루어져 있다. 아연 산화물(ZnO)이나 갈륨 질화물(GaN) 나노와이어뿐만 아니라 바륨 티타늄 산화물로 이루어진 나노와이어는 압전 성질이 있다는 것이 알려져 있다.
수광부(110)와 나노와이어(120)는 PN 접합을 이루어야 하므로, 수광부(110)가 P형 그라핀 또는 P형 GaN 반도체인 경우 나노와이어(120)는 N형 ZnO 또는 N형 GaN 반도체인 것이 바람직하다. 마찬가지로, 수광부(110)가 N형 그라핀 또는 N형 GaN 반도체인 경우 나노와이어(120)는 P형 ZnO 또는 P형 GaN 반도체인 것이 바람직하다.
기판부(130)는 유리(glass), Si, 또는 Al2O3로 이루어져 나노와이어(120)를 지지하고 있다. 이때, 기판부(130)가 전기적으로 부도체로 이루어질 경우에는 나노와이어(120)와 기판부(130) 사이에 메탈 전극(140)이 삽입되는 것이 바람직하다. 한편, 기판부(130)가 전도성 물질인 경우에는 추가적인 메탈 전극 삽입 없이 소자 구성이 가능하다.
또 다른 구조로써 N형(P형) 기판 위에 P형(N형) 나노와이어를 형성할 경우에 수광부(110)는 투명한 전극소재 구조로 제작할 수 있다. 이 경우, 기판 아래에 금속 전극이 있고, 기판 위에는 나노와이어가 있는 구조이다.
한편, 도 1의 왼쪽 그림은 수광부(110)에 압력이 가해지기 전의 상태를 도시한 것이고, 도 1의 오른쪽 그림은 수광부(110)에 압력이 가해진 상태를 도시한 것으로서, 도 1의 오른쪽의 경우에는 PN 접합을 이용하여 빛 에너지를 전기 에너지로 변환하는 과정과 압전 효과를 이용하여 기계 에너지를 전기 에너지로 변환하는 과정이 동시에 일어난다.
도 1의 왼쪽과 같이 압력이 수광부(110)에 가해지기 전에 수광부(110)는 나노와이어(120)와 이격되어 있을 수도 있고, 접촉되어 있을 수도 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 압전 효과가 있는 반도체로 구성된 나노와이어를 이용하여 태양발전과 동시에 풍력발전을 할 수 있다.
태양-풍력소자의 전기생산 원리는 P형과 N형 반도체를 접합시 압전효과를 통한 전기 생산 및 바람에 의한 압력과 충격과 진동을 통한 압전 발전기의 작동으로 전기를 생산할 수 있다. 즉, 순간순간 발생되는 진동을 유발하는 이동체에서는 압전장치를 통해 움직이기만 하면 추가적인 전기생산이 가능하다. 이와 같은 압전 장치가 가능한 이유는 반도체 나노 와이어 구조를 이용하였기 때문에 가능한 것이다.
태양광 에너지를 통한 발전은 나노와이어(N형)와 수광부(P형)의 접촉시 PN접합구조가 형성되어 태양광 에너지의 흡수를 통해서 전류가 발생된다. 이때 나노와이어의 경우 태양광의 접합면적이 크고 결정성이 우수하기 때문에 높은 효율의 태양전지 특성이 기대된다. 또한 전기 전도도가 우수하고, 광투명도가 우수하며, 광반응 특성이 우수한 그라핀을 층간 삽입한 구조에 대해서는 도 2에서 상세히 살펴보기로 한다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 나노와이어를 이용한 발전 장치를 도시한 것이다.
도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 나노와이어를 이용한 발전 장치는 제 1 전극(210), 제 1 나노와이어(220), 제 2 전극(211), 제 2 나노와이어(221), 및 제 3 전극(212)으로 구성된다.
제 1 전극(210), 제 2 전극(211), 및 제 3 전극(212)은 얇고 투명한 전도성 있는 전극이다. 일 예로서, 그라핀을 사용할 수 있다.
제 1 나노와이어(220)는 제 1 전극(210)과 제 2 전극(211) 사이에 있으며, 제 2 나노와이어(221)는 제 2 전극(211)과 제 3 전극(212) 사이에 있다.
제 1 나노와이어(220)는 제 2 나노와이어(221)와 PN 접합을 형성하고 있다. 즉, 제 1 나노와이어(220)가 P형 반도체인 경우 제 2 나노와이어가 N형 반도체이고, 제 1 나노와이어(220)가 N형 반도체인 경우 제 2 나노와이어가 P형 반도체이다.
또한, 제 1 나노와이어(220)와 제 2 나노와이어(221)는 압전효과를 갖는 물질로 구성될 수 있을 것이다. 따라서, 제 1 전극(210) 또는 제 3 전극(212)에 압력이 가해지면, 제 1 나노와이어(220)와 제 2 나노와이어(221)는 압력을 받게 되고, 전기에너지를 발생시킬 수 있다.
본 발명을 적용한 태양-풍력발전소자를 태양을 받을 수 있는 이동체에 장착함으로써 나노와이어가 박막으로 이루어진 수광부와 접촉시 PN 접합구조가 형성되고 태양광 에너지를 흡수하여 전류가 발생된다. 또한, 진동으로 인해서 나노와이어(N형)와 수광부(P형)의 접합으로 압전효과에 의한 발전과 태양광에 의한 발전이 모두 발생된다. 낮에는 이와 같이 2가지 발전이 이루어지지만 밤에는 풍력을 비롯한 진동으로 인한 발전이 이루어질 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
태양발전 및 풍력발전을 동시에 할 수 있는 발전소자장치에 이용가능하다.
110 : 수광부 120 : 나노와이어
130 : 기판부 210 : 제 1 전극
220 : 제 1 나노와이어 211 : 제 2 전극
221 : 제 2 나노와이어 212 : 제 3 전극
130 : 기판부 210 : 제 1 전극
220 : 제 1 나노와이어 211 : 제 2 전극
221 : 제 2 나노와이어 212 : 제 3 전극
Claims (15)
- N형 반도체인 나노와이어; 및
빛을 흡수하고 P형 반도체로 이루어진 수광부를 포함하고,
상기 나노와이어는 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환시키는 압전효과를 갖는 물질로 이루어져 있고,
상기 수광부에 가해지는 압력이 상기 나노와이어에 전해지도록 상기 수광부에 상기 나노와이어를 접촉시키면서, 상기 수광부와 상기 나노와이어가 접촉한 경우 PN접합을 형성하여 상기 수광부가 흡수한 빛 에너지 및 상기 압력에 따른 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환시키는 것을 특징으로 하는 나노와이어를 이용한 발전 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 수광부는 얇고 투명한 전도성 있는 물질로 구성되며, 상기 수광부는 전극으로서 사용되는 것을 특징으로 하는 나노와이어를 이용한 발전 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 수광부는 그라핀 또는 갈륨 나이트라이드(GaN)로 형성되고, 상기 나노와이어와 다른 전기적 타입을 갖고 있는 물질로 형성된 것을 특징으로 하는 나노와이어를 이용한 발전 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 나노와이어는 아연 산화물, 갈륨 질화물, 또는 바륨티타늄 산화물 중 어느 하나로 이루어진 나노와이어를 이용한 발전 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 나노와이어를 지지하는 기판부를 더 포함하고,
상기 기판부가 전기적으로 부도체인 경우, 상기 기판부와 상기 나노와이어 사이에 메탈 전극이 삽입되어 있는 것을 특징으로 하는 나노와이어를 이용한 발전 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 나노와이어를 지지하는 기판부를 더 포함하고,
상기 기판부가 전기적으로 도체인 경우, 상기 기판부를 전극으로 사용하는 것을 특징으로 하는 나노와이어를 이용한 발전 장치. - P형 반도체인 나노와이어; 및
빛을 흡수하고 N형 반도체로 이루어진 수광부를 포함하고,
상기 나노와이어는 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환시키는 압전효과를 갖는 물질로 이루어져 있고,
상기 수광부에 가해지는 압력이 상기 나노와이어에 전해지도록 상기 수광부에 상기 나노와이어를 접촉시키면서, 상기 수광부와 상기 나노와이어가 접촉한 경우 PN접합을 형성하여 상기 수광부가 흡수한 빛 에너지 및 상기 압력에 따른 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환시키는 것을 특징으로 하는 나노와이어를 이용한 발전 장치. - P형 반도체인 나노와이어;
N형 반도체로 이루어진 기판부; 및
빛이 투과할 수 있는 투명한 전도성 있는 물질로 구성되어, 전극으로서 사용되는 수광부를 포함하고,
상기 기판부의 아래에는 금속전극이 있고, 상기 기판부의 위에 상기 나노와이어가 있으며, 상기 나노와이어 위에 상기 수광부가 있는 나노와이어를 이용한 발전 장치. - N형 반도체인 나노와이어;
P형 반도체로 이루어진 기판부; 및
빛이 투과할 수 있는 투명한 전도성 있는 물질로 구성되어, 전극으로서 사용되는 수광부를 포함하고,
상기 기판부의 아래에는 금속전극이 있고, 상기 기판부의 위에 상기 나노와이어가 있으며, 상기 나노와이어 위에 상기 수광부가 있는 나노와이어를 이용한 발전 장치. - 그라핀으로 이루어진 제 1 전극;
그라핀으로 이루어진 제 2 전극;
그라핀으로 이루어진 제 3 전극;
상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 있고, N형 반도체로 이루어진 제 1 나노와이어; 및
상기 제 2 전극과 상기 제 3 전극 사이에 있고, P형 반도체로 이루어진 제 2 나노와이어를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노와이어를 이용한 발전 장치. - 제 10 항에 있어서,
상기 제 1 전극, 상기 제 2 전극, 또는 상기 제 3 전극은 얇고 투명한 전도성이 있는 전극인 것을 특징으로 하는 나노와이어를 이용한 발전 장치. - 제 10 항에 있어서,
상기 제 1 나노와이어와 상기 제 2 나노와이어는 PN 접합을 형성하는 것을 특징으로 하는 나노와이어를 이용한 발전 장치. - 제 10 항에 있어서,
상기 제 1 나노와이어와 상기 제 2 나노와이어는 압전효과를 갖는 물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 나노와이어를 이용한 발전 장치. - 제 13 항에 있어서,
상기 제 1 전극에 압력이 가해지면, 상기 제 1 나노와이어가 압력을 전달받게 되고, 상기 제 3 전극에 압력이 가해지면, 상기 제 2 나노와이어가 압력을 전달받게 되어 전기에너지를 발생시키는 것을 특징으로 하는 나노와이어를 이용한 발전 장치. - 제 10 항에 있어서,
상기 제 1 전극, 제 2 전극, 및 제 3 전극에 외에 그라핀으로 이루어진 적어도 하나 이상의 전극을 더 추가하되, 상기 추가된 전극과 전극 사이는 나노와이어가 포함되고, 상기 포함된 나노와이어의 전기적 타입인 N형 반도체와 P형 반도체가 번갈아 위치하는 것을 특징으로 하는 나노와이어를 이용한 발전 장치.
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