KR101358295B1 - 액체를 이용한 에너지 전환 기판 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 액체를 이용한 에너지 전환 기판에 관한 것으로, 보다 상세하게는 에너지전환층이 있는 기판 위에서 액체의 흐름을 통해 기계적 에너지를 전기 에너지로 전환시키는 액체를 이용한 에너지 전환 기판에 관한 것으로 대향하는 기판쌍이 아닌 하나의 기판을 통해 액체를 이용한 에너지 전환 장치를 구현하여 제조의 용이성 및 액체 순환의 용이성을 달성할 수 있고, 윤활층을 필요로 하지 않은 에너지 전환 장치를 실현할 수 있는 효과를 가진다.
Description
본 발명은 액체를 이용한 에너지 전환 기판에 관한 것으로, 보다 상세하게는 에너지전환층이 있는 기판 위에서 액체의 흐름을 통해 기계적 에너지를 전기 에너지로 전환시키는 액체를 이용한 에너지 전환 기판에 관한 것이다.
종래의 유체를 이용하여 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 기술들은 유전물질과 접하고 있는 액체금속의 접촉면적을 시간의 흐름에 따라 변화시켜 유전물질 아래 위치하는 전극에 전기용량(capacitance)을 발생시키는 원리를 이용한다.
종래의 유체를 이용한 에너지 전환 방법 및 장치는 미국등록특허 7,898,096호에서 개시하고 있다.
도 1은 종래의 유체를 이용한 에너지 전환 장치의 개념도이다. 도 1을 참조하면, 종래의 유체를 이용한 에너지 전환 장치는 가늘고 긴 형상의 채널의 벽에 일정한 패턴으로 전극을 형성하고, 전극의 상부에는 유전물질층을 형성시킨다. 그리고 채널의 내부에는 작은 물방울 형태의 전도성 액체와 비전도성 액체를 주입하고, 이러한 물방울 형태의 전도성 액체에 외부전원으로부터 전압을 인가하여 전도성 액체를 분극시킨다.
이 상태에서 채널과 연결되어 있는 소정의 부분(미도시)에 물리적인 압력을 가하게 되면 분극된 물방울 형태의 전도성 액체는 채널을 따라 이동하게 되고, 이 과정에서 일정한 패턴으로 형성되어 있는 다수의 전극은 이동하는 다수의 전도성 액체 방울과 접촉하는 면적이 시간에 따라 계속적으로 변화하게 되어, 그 결과 전기용량이 변화하여 전기 에너지가 생성된다.
그러나, 종래의 유체를 이용한 에너지 전환 방법 및 장치는 실용화를 위해서는 다양한 문제점들을 가지고 있었다.
종래의 유체를 이용한 에너지 전환 방법 및 장치는 전기습윤(electrowetting) 현상을 역으로 이용하는 것을 기본으로 하기 때문에 두 전극이 대향하도록 하는 구조를 채택해야 한다.
이러한 구조적 제한 때문에, 종래의 유체를 이용한 에너지 전환 방법 및 장치는 좁고 가는 채널 구조를 이용하여야 하였고, 이로 인하여 제조의 어려움 및 액체 순환의 어려움을 가졌다.
또한, 좁고 가는 채널 구조내에서 방울형태의 액체금속이 이동하였다가 외부의 힘이 사라지면 다시 원래의 위치로 복귀하는, 가역가능한(reversible)움직임이 어려워 윤활층(lubricating layer)이 별도로 필요하다는 한계점이 있고, 채널 막힘현상이 쉽게 발생하여 동작이 불가능한 경우가 발생한다.
그리고, 종래의 유체를 이용한 에너지 전환 방법 및 장치는 좁고 가는 채널 구조를 채용하고 있어, 대향하는 두 전극이 채널의 벽에 일정한 모양으로 패턴되어야 하며, 이러한 구조에 따라 장치구성이 복잡해지고, 전기에너지를 생산하는 모듈의 크기가 커지며, 대량생산이나 원가절감에도 한계가 많았다.
또 다른 문제점으로는 수은 또는 갈린스탄(galinstan)과 같은 액체금속을 사용하여 인체 및 환경에 유해하며, 이러한 전도성 액체를 분극시키기 위해서는 외부로부터 별도의 전원 인가가 필요한 한계점이 있다.
그리고, 종래의 유체를 이용한 에너지 전환 방법 및 장치는 채널구조에서 가역가능한(reversible)한 움직임을 계속적으로 구현해야 하는 점과 섞이지 않는 상이한 두 종류의 액체를 사용해야하기 때문에 제어의 어려움이 있다.
본 발명의 목적은 액체 방울(droplet)의 흐름을 통해 에너지전환층과 액체 사이의 접촉면, 접촉면적 또는 접촉각 중 적어도 어느 하나 이상의 변화를 유도하여 이를 전기에너지로 변환하는 액체를 이용한 에너지 전환 기판을 제공하는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 기판 상에 간격을 두고 패터닝된 제1전극 및 제2전극; 및 상기 제1전극 또는 제2전극 중 적어도 어느 하나 상에 형성되는 에너지전환층;을 포함하되, 이온성 액체 또는 물이 상기 전극들 상을 흐르면서 상기 전극들과의 접촉각, 접촉면, 접촉면적 중 어느 하나가 변화하여 상기 에너지전환층에 의하여 전기 에너지를 생성하는 것을 특징으로 하는 액체를 이용한 에너지 전환 기판이 제공된다.
바람직하게는, 상기 에너지전환층은 무기물층, 유기물층 또는 유기물과 무기물의 혼합물층 중 적어도 어느 하나의 층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 에너지전환층 상에 상기 이온성 액체 또는 물과의 접촉면, 접촉각 또는 접촉면적 변화를 용이하도록 하기 위한 소수성 물질층이 적층되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 이온성 액체는 NaCl, LiCl, NaNo3, Na2SiO3, AlCl3-NaCl, LiCl-KCl, KCL, Na,NaOH H2SO4, CH3COOH, HF, CuSO4, 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜 또는 AgCl 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 기판 상에 간격을 두고 패터닝된 제1전극 및 제2전극; 및 상기 제1전극 또는 제2전극 중 적어도 어느 하나 상에 형성되는 에너지전환층;을 포함하되, 전도성 액체가 상기 전극들 상을 흐르면서 상기 전극들과의 접촉각, 접촉면, 접촉면적 중 어느 하나가 변화하여 상기 에너지전환층에 의하여 전기 에너지를 생성하는 것을 특징으로 하는 액체를 이용한 에너지 전환 기판이 제공된다.
바람직하게는, 상기 에너지전환층은 무기물층, 유기물층 또는 유기물과 무기물의 혼합물층 중 적어도 어느 하나의 층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 에너지전환층 상에 상기 전도성 액체와의 접촉면, 접촉각 또는 접촉면적 변화를 용이하도록 하기 위한 친수성 물질층이 적층되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 친수성 물질층은 폴리아크릴산(Poly(acrylic acid), PAA), 아크릴아미드(Acrylamides), 말레산 무수물 공중합체(Maleic Anhydride Copolymers), 메타크릴레이트(Methacrylate), 에타크릴레이트(Ethacrylate), 아민 작용성 중합체(Amine-Functional Polymers) or 아민-관능기를 갖는 중합체(Amine-Functional Polymers), 폴리스티렌설포네이트(Polystyrenesulfonate, PSS), 비닐산(Vinyl Acids), 비닐알코올(Vinyl Alcohols) 또는 -NH, -CO-, 아미노기 -NH2, 수산기 -OH 또는 카르복실시 -COOH 의 기능기 중 적어도 어느 하나를 포함하는 물질로 이루어진 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 전도성 액체는 비저항범위가 1uΩ/cm 내지 1000uΩ/cm이며, 유전상수(dielectric constant, K)가 5이하인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 에너지전환층은, 폴리메틸메타크릴레이트(PolyMethylMethAcrylate, PMMA), 폴리에틸렌(Polyethylene, PE), 폴리스티렌(Polystyrene, PS), 폴리비닐피롤리돈(Polyvinylpyrrolidone, PVP), 폴리4비닐페놀(poly(4-vinylpenol, PVP)) 또는 폴리이서술폰(polyethersulfone, PES) 폴리(4-메톡시페닐아크릴레이트) (Poly(4-methoxyphenylacrylate); PMPA), 폴리(페닐아크릴레이트) (Poly(phenylacrylate); PPA), 폴리(2,2,2-트리플로로에틸 메타아크릴레이트) (Poly(2,2,2-trifluoroethyl methacrylate); PTFMA), 사이아노에틸풀루란 (Cyanoethylpullulan; CYEPL), 폴리염화비닐 (polyvinyl chloride; PVC), 폴리(파라반사) 수지 (Poly (parabanic acid) resin; PPA), 폴리(t-부틸스티렌) (Poly(t-butylstyrene); PTBS), 폴리티에닐렌비닐렌 (Polythienylenevinylene; PTV), 폴리비닐아세테이트 (Polyvinylacetate; PVA), 폴리(비닐 알코올) (Poly(vinyl alcohol); PVA), 폴리(R메틸스티렌) (Poly(Rmethylstyrene); PAMS), 폴리(비닐 알코올)-코-폴리(비닐 아세테이트)-코-폴리(이타콘산) (Poly(vinyl alcohol)-co-poly(vinyl acetate)-co-poly(itaconic acid); PVAIA), 폴리올레핀 (Polyolefin), 폴리아크릴레이트 (Polyacrylate), 파릴렌-C (Parylene-C), 폴리이미드 (Polyimide), 옥타데실트리클로로실란 (Octadecyltrichlorosilane; OTS), 폴리(트리아릴아민) (Poly(triarylamine); PTTA), 폴리-3-헥실티오펜 (Poly-3-hexylthiophene; P3HT), 가교 결합된 폴리-4-비닐페놀 (cross-linked Poly-4-vinylphenol; cross-linked PVP), 폴리(퍼플로로알케닐비닐 에테르) (Poly(perfluoroalkenylvinyl ether)), 나일론-6 (Nylon-6), n-옥타데실포스포닉 산 (n-Octadecylphosphonic acid; ODPA), 폴리테트라플루오르에틸렌(Polytetrafluoroethylene, PTFE), 실리콘(silicone), 폴리우레탄(polyurethane), 라텍스(latex), 초산셀룰로오스(cellulose acetate), PHEMA(poly(hydroxy ethyl methacrylate)), 폴리락타이드(polylactide, PLA), PGA(폴리글리콜라이드, polyglycolide), 또는 PGLA (Polyglycolide-co-Lactide ) 중 적어도 어느 하나의 물질을 포함하는 유기물층;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 에너지전환층은, 산화실리콘(SiO2), 산화티타늄(TiO2), 산화알루미늄(Al2O3),탄탈(Ta2O5), 오산화 탄탈럼(Tantalum Pentoxide), 산화아연(Zinc oxide, ZnO), , 산화탄탈륨(Tantalum pentoxide, Ta2O5), 산화이트륨(Yttrium oxide, Y2O3), 산화세륨(Cerium oxide, CeO2), 이산화타이타늄(titanium dioxide, TiO2), 티탄산바륨(Barium titanate, BaTiO3), 바륨 지르코네이트 티타네이트(Barium zirconate titanate, BZT), 이산화지르코늄(Zirconium dioxide, ZrO2), 산화란탄륨(Lanthanum oxide, La2O3), 하프늄실리케이트(Hafnon, HfSiO4), 란타늄 알루미네이트(Lanthanum Aluminate, LaAlO3), 질화규소(Silicon nitride, Si3N4), Perovskite 물질로는, 스트론튬 티타네이트(Strontium titanate, SrTiO3), 바륨 스트론튬 티타네이트(barium strontium titanate, BST), 티탄산 지르콘산 연(Lead zirconate titanate, PZT), 티탄산칼슘구리(Calcium copper titanate,CCTO), 산화하프늄(HfO2), 아파타이트(A10(MO4)6(X)2), 수산화인회석(Ca10(PO4)6(OH)2), 인산3칼슘(Ca3(PO42)), Na2O-CaO-SiO2, 또는 바이오글라스(CaO-SiO2-P2O5) 중 적어도 어느 하나의 물질을 포함한 무기물층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 에너지전환층은 액체와의 접촉면적을 넓히기 위한 구조물이 형성된 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제1전극 또는 상기 제2전극은, ITO, IGO, 크롬, 알루미늄, IZO(Indium Zinc Oxide), IGZO(Indium Gallium Zinc Oxide), ZnO, ZnO2 또는 TiO2 중 적어도 어느 하나를 포함하는 무기전극이거나 백금, 금, 은, 알루미늄, 철 또는 구리 중 적어도 어느 하나를 포함하는 금속전극이거나 페돗(PEDOT, polyethylenedioxythiophene), 탄소나노튜브(CNT, Carbon nano tube), 그래핀(graphene), 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리티오펜(Polythiophene, PT), 폴리피롤(Polypyrrole), 폴리파라페닐렌(polyparaphenylene, PPV), 폴리아닐린(Polyaniline), 폴리설퍼니트리드(poly sulfur nitride), 스테인레스 스틸, 크롬을 10%dltkd 함유한 철합금, SUS 304, SUS 316, SUS 316L, Co-Cr 합금, Ti 합금, 니티놀(Ni-Ti) 또는 폴리파라페닐렌비닐렌(polyparaphenylenevinylene) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 유기전극인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제1전극은 평면형태의 오목부를 가지도록 패터닝되고, 상기 제2전극은 상기 오목부에 대응하는 볼록부를 가지도록 패터닝되는 것을 특징으로 한다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명은 대향하는 기판쌍이 아닌 하나의 기판을 통해 액체를 이용한 에너지 전환 장치를 구현하여 제조의 용이성 및 액체 순환의 용이성을 달성한 효과가 있다.
또한, 본 발명은 윤활층을 필요로 하지 않도록 하므로써 장치의 단순화, 제조원가 절감과 함께 고장이 적은 에너지 전환장치를 구현한다는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 별도의 외부 전원인가 없이도 효율적인 전기에너지 전환이 가능하다는 장점이 있다.
그리고, 본 발명은 이온성 액체 또는 물을 사용함에 따라 인체 및 환경에 유해한 문제점을 해결한 효과가 있다.
도 1은 종래의 유체를 이용한 에너지 전환 장치의 블록도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 액체를 이용한 에너지 전환 기판의 개략도.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 액체를 이용한 에너지 전환 기판의 개략도.
도4a 내지 도4d는 본 발명의 일 실시예에 따른 액체를 이용한 에너지 전환 기판의 에너지전환층의 단면을 나타낸 측면도.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 액체를 이용한 에너지 전환 기판의 구조도.
도 6은 본발명의 일 실시예에 따른 액체를 이용한 에너지 전환 기판의 사용태양을 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 액체를 이용한 에너지 전환 기판의 개략도.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 액체를 이용한 에너지 전환 기판의 개략도.
도4a 내지 도4d는 본 발명의 일 실시예에 따른 액체를 이용한 에너지 전환 기판의 에너지전환층의 단면을 나타낸 측면도.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 액체를 이용한 에너지 전환 기판의 구조도.
도 6은 본발명의 일 실시예에 따른 액체를 이용한 에너지 전환 기판의 사용태양을 나타낸 도면.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 액체를 이용한 에너지 전환 기판의 개략도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 액체를 이용한 에너지 전환 기판은 베이스 기판(210); 베이스 기판(210) 상에 간격을 두고 패터닝된 제1전극(220) 및 제2전극(230); 및 제1전극(220) 또는 제2전극(230) 중 적어도 어느 하나 상에 형성되는 에너지전환층(221, 222)을 포함하도록 구성된다.
에너지전환층(221, 222)은 제1전극(220)과 제2전극(230) 상을 흐르는 이온성 액체 또는 물과의 접촉각, 첩촉면, 접촉면적 중 적어도 어느 하나가 변화하여 전기 에너지를 생성한다.
도 6은 본발명의 일 실시예에 따른 액체를 이용한 에너지 전환 기판의 사용태양을 나타낸 도면이다. 도6을 참조하면, 베이스 기판(210)이 기울어져 베이스 기판(210) 상의 이온성 액체 또는 물(290)이 제1전극(220) 및 제2전극(230)과의 접촉면, 접촉면적 또는 접촉각이 변화하도록 흐르게 된다. 이런 흐름에 의하여, 액체를 이용한 에너지 전환 기판은 이온성 액체 또는 물(290)의 이동인 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환한다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 액체를 이용한 에너지 전환 기판은 이온성 액체 또는 물(290)과 제1전극(220) 및 제2전극(230)의 접촉면, 접촉각 또는 접촉면적 중 적어도 어느 하나의 변화에 따라 전기용량 변화를 발생시켜 전기에너지가 발생한다.
다시 도 2를 참조하면, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 에너지전환층은 무기물층(221) 및/또는 유기물층(222)이 적층되어 구성된다. 바람직하게는, 이러한 에너지전환층의 형성은 패터닝이나 증착, 또는 스핀코팅과 같은 방법이 이용될 수 있다.
무기물층(221)과 유기물층(222)은 제1전극(210) 또는 제2전극(220) 상에 적층됨에 순서는 상관없으나, 인접하여 적층되어야 한다.
또한, 바람직하게는, 에너지전환층은 제1전극(210)과 제2전극(220)을 모두 덮도록 일체의 층으로 형성될 수 있다.
바람직하게는, 무기물층(221)과 유기물층(222)은 제1전극(210) 또는 제2전극(220) 상에 적층될 때 반복 중첩될 수 있다. 즉, 에너지전환층은 무기물층(221)과 유기물층(222)의 적층 형태가 반복적으로 이루어져서 형성될 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 무기물층(221) 또는 유기물층(222)은 상기 이온성 액체 또는 물과의 접촉면적을 넓히기 위한 구조물이 형성되도록 증착된다.
도4a 내지 도4d는 본 발명의 일 실시예에 따른 액체를 이용한 에너지 전환 기판의 에너지전환층의 실시예를 나타낸 측면도이다. 도4a 내지 도4d를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 액체를 이용한 에너지 전환 기판의 에너지전환층은 베이스 기판(410) 상에 패터닝된 전극(420) 상에 무기물층(430)이 증착된다. 유기물층(440)은 무기물층(430) 상에 요철 형상(도 4a), 뾰족 돌기 형상(도 4b), 반구 형상(도 4c), 구혈 형상(도 4d)인 미세구조물이 형성되도록 적층된다. 바람직하게는, 유기물층(440)과 무기물층(430)의 순서가 바뀌어도 되며, 구조물이 형성되도록 적층되는 것이 반드시 유기물층(440)이어야 하는 것은 아니다.
바람직하게는, 구조물이 형성되도록 적층된 유기물층(440) 상에 상기 구조물 형상이 유지되도록 소수성 물질층(450)이 적층된다.
이러한 구조물 형상은 상기 전극(420)과 이온성 액체 또는 물의 접촉면적 변화가 보다 커지도록 하여 전기에너지 발생효율을 높이는 효과가 있다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 소수성 물질층(223)은 에너지전환층(221, 222) 상에 적층된다. 이러한 소수성 물질층(223)은 이온성 액체 또는 물이 전극들(221, 222)과의 접촉면, 접촉각 또는 접촉면적 변화가 용이하게 되도록 적층된다.
바람직하게는, 소수성 물질층(223)은 에너지전환층이 형성되지 않은 제1전극(210) 또는 제2전극(220) 상에 적층될 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 에너지전환층은 폴리메틸메타크릴레이트(PolyMethylMethAcrylate, PMMA), 폴리에틸렌(Polyethylene, PE), 폴리스티렌(Polystyrene, PS), 폴리비닐피롤리돈(Polyvinylpyrrolidone, PVP), 폴리4비닐페놀(poly(4-vinylpenol, PVP)) 또는 폴리이서술폰(polyethersulfone, PES) 폴리(4-메톡시페닐아크릴레이트) (Poly(4-methoxyphenylacrylate); PMPA), 폴리(페닐아크릴레이트) (Poly(phenylacrylate); PPA), 폴리(2,2,2-트리플로로에틸 메타아크릴레이트) (Poly(2,2,2-trifluoroethyl methacrylate); PTFMA), 사이아노에틸풀루란 (Cyanoethylpullulan; CYEPL), 폴리염화비닐 (polyvinyl chloride; PVC), 폴리(파라반사) 수지 (Poly (parabanic acid) resin; PPA), 폴리(t-부틸스티렌) (Poly(t-butylstyrene); PTBS), 폴리티에닐렌비닐렌 (Polythienylenevinylene; PTV), 폴리비닐아세테이트 (Polyvinylacetate; PVA), 폴리(비닐 알코올) (Poly(vinyl alcohol); PVA), 폴리(R메틸스티렌) (Poly(Rmethylstyrene); PAMS), 폴리(비닐 알코올)-코-폴리(비닐 아세테이트)-코-폴리(이타콘산) (Poly(vinyl alcohol)-co-poly(vinyl acetate)-co-poly(itaconic acid); PVAIA), 폴리올레핀 (Polyolefin), 폴리아크릴레이트 (Polyacrylate), 파릴렌-C (Parylene-C), 폴리이미드 (Polyimide), 옥타데실트리클로로실란 (Octadecyltrichlorosilane; OTS), 폴리(트리아릴아민) (Poly(triarylamine); PTTA), 폴리-3-헥실티오펜 (Poly-3-hexylthiophene; P3HT), 가교 결합된 폴리-4-비닐페놀 (cross-linked Poly-4-vinylphenol; cross-linked PVP), 폴리(퍼플로로알케닐비닐 에테르) (Poly(perfluoroalkenylvinyl ether)), 나일론-6 (Nylon-6), n-옥타데실포스포닉 산 (n-Octadecylphosphonic acid; ODPA), 폴리테트라플루오르에틸렌(Polytetrafluoroethylene, PTFE), 실리콘(silicone), 폴리우레탄(polyurethane), 라텍스(latex), 초산셀룰로오스(cellulose acetate), PHEMA(poly(hydroxy ethyl methacrylate)), 폴리락타이드(polylactide, PLA), PGA(폴리글리콜라이드, polyglycolide), 또는 PGLA (Polyglycolide-co-Lactide ) 중 적어도 어느 하나의 물질을 포함한 유기물층(222); 및 산화실리콘(SiO2), 산화티타늄(TiO2), 산화알루미늄(Al2O3),탄탈(Ta2O5), 오산화 탄탈럼(Tantalum Pentoxide), 산화아연(Zinc oxide, ZnO), , 산화탄탈륨(Tantalum pentoxide, Ta2O5), 산화이트륨(Yttrium oxide, Y2O3), 산화세륨(Cerium oxide, CeO2), 이산화타이타늄(titanium dioxide, TiO2), 티탄산바륨(Barium titanate, BaTiO3), 바륨 지르코네이트 티타네이트(Barium zirconate titanate, BZT), 이산화지르코늄(Zirconium dioxide, ZrO2), 산화란탄륨(Lanthanum oxide, La2O3), 하프늄실리케이트(Hafnon, HfSiO4), 란타늄 알루미네이트(Lanthanum Aluminate, LaAlO3), 질화규소(Silicon nitride, Si3N4), Perovskite 물질로는, 스트론튬 티타네이트(Strontium titanate, SrTiO3), 바륨 스트론튬 티타네이트(barium strontium titanate, BST), 티탄산 지르콘산 연(Lead zirconate titanate, PZT), 티탄산칼슘구리(Calcium copper titanate,CCTO), 산화하프늄(HfO2), 아파타이트(A10(MO4)6(X)2), 수산화인회석(Ca10(PO4)6(OH)2), 인산3칼슘(Ca3(PO42)), Na2O-CaO-SiO2, 또는 바이오글라스(CaO-SiO2-P2O5) 중 적어도 어느 하나의 물질을 포함한 무기물층(221)을 포함한다.
바람직하게는, 유기물층(222)은 유전상수(dielectric constant, K)가 4이하의 물질이 사용될 수 있고, 무기물층(221)은 유전상수(dielectric constant, K)가 5이상의 물질이 사용될 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 소수성 물질층(223)은 실란(silane)계 물질, 플루오르중합체(fluoropolymer) 물질, 트리클로로실란(Trichlorosilane), 트리에톡시실란(Trimethoxysilane), 펜타플루오르페닐프로필트리클로로실란(Pentafluorophenylpropyltrichlorosilane), (벤질옥시)알킬트리메톡시실란 ((benzyloxy)alkyltrimethoxysilane; BSM-22), (벤질옥시)알킬트리클로로실란 ((benzyloxy)alkyltrichlorosilane; BTS), 헥사메틸디실라잔 (hexamethyldisilazane; HMDS), 옥타데실트리클로로실란 (octadecyltrichlorosilane; OTS), 옥타데실트리메톡시실란 (octadecyltrimethoxysilane; OTMS), 디비닐테트라메틸디실록산-비스-(벤조시클로부텐) (divinyltetramethyldisiloxane-bis(benzocyclobutene); BCB) 중 적어도 어느 하나의 물질 또는 이들 물질의 혼합물로 이루어진다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 제1전극(210) 또는 제2전극(220)은 ITO, IGO, 크롬, 알루미늄, IZO(Indium Zinc Oxide), IGZO(Indium Gallium Zinc Oxide), ZnO, ZnO2 또는 TiO2 중 적어도 어느 하나를 포함하는 무기전극이거나 백금, 금, 은, 알루미늄, 철 또는 구리 중 적어도 어느 하나를 포함하는 금속전극이거나 페돗(PEDOT, polyethylenedioxythiophene), 탄소나노튜브(CNT, Carbon nano tube), 그래핀(graphene), 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리티오펜(Polythiophene, PT), 폴리피롤(Polypyrrole), 폴리파라페닐렌(polyparaphenylene, PPV), 폴리아닐린(Polyaniline), 폴리설퍼니트리드(poly sulfur nitride), 스테인레스 스틸, 크롬을 10%dltkd 함유한 철합금, SUS 304, SUS 316, SUS 316L, Co-Cr 합금, Ti 합금, 니티놀(Ni-Ti) 또는 폴리파라페닐렌비닐렌(polyparaphenylenevinylene) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 유기전극이다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 이온성 액체(260)는 NaCl, LiCl, NaNo3, Na2SiO3, AlCl3-NaCl, LiCl-KCl, KCL, Na,NaOH H2SO4, CH3COOH, HF, CuSO4, 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜 또는 AgCl 중 적어도 어느 하나를 포함한다.
바람직하게는, 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 전환 기판은 비전도성 가스로 채워진 환경에서 실시된다. 일반적으로는 상기 공간은 일반 공기 환경으로도 가능하다.
바람직하게는, 비전도성 가스는 공기, 산소, 질소, 아르곤, 헬륨, 네온, 크립톤, 크세논 또는 라돈 중 적어도 어느 하나로 이루어진다.
바람직하게는, 도 2에 도시된 바와 같이 제1전극(220) 및 제2전극(230)으로 이루어진 쌍에 의한 전기에너지 V1 발생 외에 다른 전극쌍(241, 242, 243, 244)에 의한 전기에너지 V2, V3 발생을 도모하도록 구성될 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 액체를 이용한 에너지 전환 기판의 개략도이다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 액체를 이용한 에너지 전환 기판은 베이스 기판(210) 상에 제1전극(220)이 평면형태의 오목부를 가지도록 패터닝되고, 제2전극(220)이 상기 오목부에 상응하는 볼록부를 가지도록 패터닝되도록 구성된다.
이를 통해, 이온성 액체 또는 물과의 접촉면, 접촉면적, 접촉각등의 변화를 보다 크게 가져오도록 하여 에너지 전환 효율을 증대시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 액체를 이용한 에너지 전환 기판의 구조도이다. 도 5를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 액체를 이용한 에너지 전환 기판은 베이스 기판(510); 베이스 기판(510) 상에 간격을 두고 패터닝된 제1전극(520) 및 제2전극(530); 및 제1전극(520) 또는 제2전극(530) 중 적어도 어느 하나 상에 형성되는 에너지전환층(521, 522)을 포함하도록 구성된다.
에너지전환층(521, 522)은 제1전극(220)과 제2전극(230) 상을 흐르는 전도성 액체와의 접촉각, 첩촉면, 접촉면적 중 적어도 어느 하나가 변화하여 전기 에너지를 생성한다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 전도성 액체는 수은, 리튬, 갈륨, 칼륨, NaK, 비스무트, 주석, 나트륨, 나트륨-칼륨 alloy 등이 사용될 수 있으며, 비저항범위가 1uΩ/cm 내지 1000uΩ/cm이며, 유전상수(dielectric constant, K)가 5이하인 것이 바람직하다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 친수성 물질층(523)은 에너지전환층(521, 522) 상에 적층된다. 이러한 친수성 물질층(523)은 전도성 액체가 전극들(520, 530)과의 접촉면, 접촉각 또는 접촉면적 변화를 용이하도록 하기 위하여 적층된다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 친수성 물질층(523)은 폴리아크릴산(Poly(acrylic acid), PAA), 아크릴아미드(Acrylamides), 말레산 무수물 공중합체(Maleic Anhydride Copolymers), 메타크릴레이트(Methacrylate), 에타크릴레이트(Ethacrylate), 아민 작용성 중합체(Amine-Functional Polymers) or 아민-관능기를 갖는 중합체(Amine-Functional Polymers), 폴리스티렌설포네이트(Polystyrenesulfonate, PSS), 비닐산(Vinyl Acids), 비닐알코올(Vinyl Alcohols), -NH, -CO-, 아미노기, -NH2, 수산기, -OH, 카르복실기 및 -COOH, 중 적어도 어느 하나의 기능기를 포함하는 물질로 이루어진다.
이 외에, 전도성 액체를 이용하는 상기 실시예에 있어서, 제1전극(520), 제2전극(530), 무기물층(521), 유기물층(522)의 특징과 구조, 전극의 패터닝된 형상 등에 관련된 기술적 사항은 앞서 이온성 액체 또는 물을 사용한 실시예 혹은 도 2, 도 3 및 도 4a 내지 도 4d에서 설명된 내용에 따라 구성될 수 있어 자세한 내용은 생략한다.
본 발명은 앞서 살펴본 바와 같이 이종 액체를 두 종류 이상 사용하는 종래에 비하여 채널내 막힘현상, 섞임현상을 막을 수 있고, 윤활층(lubricating layer) 또한 필요하지 않게 된다. 특히, 대향하는 전극 쌍을 요구하지 않아 채널구조 등과 같은 제조의 어려움 또는 액체의 순환성이 곤란한 구조 제한이 없어 보다 경제적이고 관리가 용이한 에너지 전환 장치를 구성할 수 있다.
또한, 종래의 기술은 전극 절연막의 구조를 1층의 자기집함 분자 단층(self assembly molecular monolayer)와 1층의 유전층(dielectric layer) 또는 그 이상의 절연층(non conductive layer) 또는 이들의 다양한 조합을 제한하고 있으나, 본 발명은 에너지 전환효율 최적을 위한 구조를 제안한다. 즉, 제1전극 또는 제2전극 중 적어도 한 쪽의 기판에 (적층 순서에 따라) 전극/무기물층/유기물층/(소수성물질층, 친수성물질층 중 액체의 종류에 따라 선택됨) 또는 전극/유기물층/무기물층/(소수성물질층, 친수성물질층 중 액체의 종류에 따라 선택됨)의 구성을 가지도록 하며, 제1전극 및 제2전극 모두에 (적층 순서에 따라) 전극/무기물층/유기물층/(소수성물질층, 친수성물질층 중 액체의 종류에 따라 선택됨) 또는 전극/유기물층/무기물층/(소수성물질층, 친수성물질층 중 액체의 종류에 따라 선택됨)의 구성을 가지도록 변결될 수 있다.
그리고, 종래의 기술은 전도성 액체를 이용함에 있어서 분극을 위한 외부전원 인가를 필요로 하였으나, 본 발명은 에너지전환층이 이온성 액체를 분극하는 역할을 수행하여 외부전원 인가가 불요하다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예 및 응용예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 응용예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.
210 : 베이스 기판 220 : 제1전극
230 : 제2전극 221 : 무기물층
222 : 유기물층 223 : 소수성물질층
290 : 이온성 액체 또는 물
230 : 제2전극 221 : 무기물층
222 : 유기물층 223 : 소수성물질층
290 : 이온성 액체 또는 물
Claims (14)
- 기판 상에 간격을 두고 패터닝된 제1전극 및 제2전극; 및
상기 제1전극 또는 제2전극 중 적어도 어느 하나 상에 형성되는 에너지전환층;을 포함하되,
이온성 액체 또는 물이 상기 전극들 상을 흐르면서 상기 전극들과의 접촉각, 접촉면, 접촉면적 중 어느 하나가 변화하여 상기 에너지 전환층에 의하여 전기 에너지를 생성하는 것
을 특징으로 하는 액체를 이용한 에너지 전환 기판.
- 제1항에 있어서,
상기 에너지전환층은 무기물층, 유기물층 또는 유기물과 무기물의 혼합물층 중 적어도 어느 하나의 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 액체를 이용한 에너지 전환 기판.
- 제2항에 있어서,
상기 에너지전환층 상에 상기 이온성 액체 또는 물과의 접촉면, 접촉각 또는 접촉면적 변화를 용이하도록 하기 위한 소수성 물질층이 적층되는 것을 특징으로 하는 액체를 이용한 에너지 전환 기판.
- 제1항에 있어서,
상기 이온성 액체는 NaCl, LiCl, NaNo3, Na2SiO3, AlCl3-NaCl, LiCl-KCl, KCL, Na,NaOH H2SO4, CH3COOH, HF, CuSO4, 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜 또는 AgCl 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 액체를 이용한 에너지 전환 기판.
- 기판 상에 간격을 두고 패터닝된 제1전극 및 제2전극; 및
상기 제1전극 또는 제2전극 중 적어도 어느 하나 상에 형성되는 에너지전환층;을 포함하되,
전도성 액체가 상기 전극들 상을 흐르면서 상기 전극들과의 접촉각, 접촉면, 접촉면적 중 어느 하나가 변화하여 상기 에너지전환층에 의하여 전기 에너지를 생성하는 것
을 특징으로 하는 액체를 이용한 에너지 전환 기판.
- 제5항에 있어서,
상기 에너지전환층은 무기물층, 유기물층 또는 유기물과 무기물의 혼합물층 중 적어도 어느 하나의 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 액체를 이용한 에너지 전환 기판.
- 제6항에 있어서,
상기 에너지전환층 상에 상기 전도성 액체와의 접촉면, 접촉각 또는 접촉면적 변화를 용이하도록 하기 위한 친수성 물질층이 적층되는 것을 특징으로 하는 액체를 이용한 에너지 전환 기판.
- 제7항에 있어서,
상기 친수성 물질층은 폴리아크릴산(Poly(acrylic acid), PAA), 아크릴아미드(Acrylamides), 말레산 무수물 공중합체(Maleic Anhydride Copolymers), 메타크릴레이트(Methacrylate), 에타크릴레이트(Ethacrylate), 아민 작용성 중합체(Amine-Functional Polymers) or 아민-관능기를 갖는 중합체(Amine-Functional Polymers), 폴리스티렌설포네이트(Polystyrenesulfonate, PSS), 비닐산(Vinyl Acids), 비닐알코올(Vinyl Alcohols) 또는 -NH, -CO-, 아미노기 -NH2, 수산기 -OH 또는 카르복실시 -COOH 의 기능기 중 적어도 어느 하나를 포함하는 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 액체를 이용한 에너지 전환 기판.
- 제5항에 있어서,
상기 전도성 액체는 비저항범위가 1uΩ/cm 내지 1000uΩ/cm이며, 유전상수(dielectric constant, K)가 5이하인 것을 특징으로 하는 액체를 이용한 에너지 전환 기판.
- 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 에너지전환층은,
폴리메틸메타크릴레이트(PolyMethylMethAcrylate, PMMA), 폴리에틸렌(Polyethylene, PE), 폴리스티렌(Polystyrene, PS), 폴리비닐피롤리돈(Polyvinylpyrrolidone, PVP), 폴리4비닐페놀(poly(4-vinylpenol, PVP)) 또는 폴리이서술폰(polyethersulfone, PES) 폴리(4-메톡시페닐아크릴레이트) (Poly(4-methoxyphenylacrylate); PMPA), 폴리(페닐아크릴레이트) (Poly(phenylacrylate); PPA), 폴리(2,2,2-트리플로로에틸 메타아크릴레이트) (Poly(2,2,2-trifluoroethyl methacrylate); PTFMA), 사이아노에틸풀루란 (Cyanoethylpullulan; CYEPL), 폴리염화비닐 (polyvinyl chloride; PVC), 폴리(파라반사) 수지 (Poly (parabanic acid) resin; PPA), 폴리(t-부틸스티렌) (Poly(t-butylstyrene); PTBS), 폴리티에닐렌비닐렌 (Polythienylenevinylene; PTV), 폴리비닐아세테이트 (Polyvinylacetate; PVA), 폴리(비닐 알코올) (Poly(vinyl alcohol); PVA), 폴리(R메틸스티렌) (Poly(Rmethylstyrene); PAMS), 폴리(비닐 알코올)-코-폴리(비닐 아세테이트)-코-폴리(이타콘산) (Poly(vinyl alcohol)-co-poly(vinyl acetate)-co-poly(itaconic acid); PVAIA), 폴리올레핀 (Polyolefin), 폴리아크릴레이트 (Polyacrylate), 파릴렌-C (Parylene-C), 폴리이미드 (Polyimide), 옥타데실트리클로로실란 (Octadecyltrichlorosilane; OTS), 폴리(트리아릴아민) (Poly(triarylamine); PTTA), 폴리-3-헥실티오펜 (Poly-3-hexylthiophene; P3HT), 가교 결합된 폴리-4-비닐페놀 (cross-linked Poly-4-vinylphenol; cross-linked PVP), 폴리(퍼플로로알케닐비닐 에테르) (Poly(perfluoroalkenylvinyl ether)), 나일론-6 (Nylon-6), n-옥타데실포스포닉 산 (n-Octadecylphosphonic acid; ODPA), 폴리테트라플루오르에틸렌(Polytetrafluoroethylene, PTFE), 실리콘(silicone), 폴리우레탄(polyurethane), 라텍스(latex), 초산셀룰로오스(cellulose acetate), PHEMA(poly(hydroxy ethyl methacrylate)), 폴리락타이드(polylactide, PLA), PGA(폴리글리콜라이드, polyglycolide), 또는 PGLA (Polyglycolide-co-Lactide ) 중 적어도 어느 하나의 물질을 포함하는 유기물층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 액체를 이용한 에너지 전환 기판.
- 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 에너지전환층은,
산화실리콘(SiO2), 산화티타늄(TiO2), 산화알루미늄(Al2O3),탄탈(Ta2O5), 오산화 탄탈럼(Tantalum Pentoxide), 산화아연(Zinc oxide, ZnO), , 산화탄탈륨(Tantalum pentoxide, Ta2O5), 산화이트륨(Yttrium oxide, Y2O3), 산화세륨(Cerium oxide, CeO2), 이산화타이타늄(titanium dioxide, TiO2), 티탄산바륨(Barium titanate, BaTiO3), 바륨 지르코네이트 티타네이트(Barium zirconate titanate, BZT), 이산화지르코늄(Zirconium dioxide, ZrO2), 산화란탄륨(Lanthanum oxide, La2O3), 하프늄실리케이트(Hafnon, HfSiO4), 란타늄 알루미네이트(Lanthanum Aluminate, LaAlO3), 질화규소(Silicon nitride, Si3N4), Perovskite 물질로는, 스트론튬 티타네이트(Strontium titanate, SrTiO3), 바륨 스트론튬 티타네이트(barium strontium titanate, BST), 티탄산 지르콘산 연(Lead zirconate titanate, PZT), 티탄산칼슘구리(Calcium copper titanate,CCTO), 산화하프늄(HfO2), 아파타이트(A10(MO4)6(X)2), 수산화인회석(Ca10(PO4)6(OH)2), 인산3칼슘(Ca3(PO42)), Na2O-CaO-SiO2, 또는 바이오글라스(CaO-SiO2-P2O5) 중 적어도 어느 하나의 물질을 포함한 무기물층을 포함하는 것을 특징으로 하는 액체를 이용한 에너지 전환 기판.
- 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 에너지전환층은 액체와의 접촉면적을 넓히기 위한 구조물이 형성된 것을 특징으로 하는 액체를 이용한 에너지 전환 기판.
- 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1전극 또는 상기 제2전극은,
ITO, IGO, 크롬, 알루미늄, IZO(Indium Zinc Oxide), IGZO(Indium Gallium Zinc Oxide), ZnO, ZnO2 또는 TiO2 중 적어도 어느 하나를 포함하는 무기전극이거나 백금, 금, 은, 알루미늄, 철 또는 구리 중 적어도 어느 하나를 포함하는 금속전극이거나 페돗(PEDOT, polyethylenedioxythiophene), 탄소나노튜브(CNT, Carbon nano tube), 그래핀(graphene), 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리티오펜(Polythiophene, PT), 폴리피롤(Polypyrrole), 폴리파라페닐렌(polyparaphenylene, PPV), 폴리아닐린(Polyaniline), 폴리설퍼니트리드(poly sulfur nitride), 스테인레스 스틸, 크롬을 10%dltkd 함유한 철합금, SUS 304, SUS 316, SUS 316L, Co-Cr 합금, Ti 합금, 니티놀(Ni-Ti) 또는 폴리파라페닐렌비닐렌(polyparaphenylenevinylene) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 유기전극인 것을 특징으로 하는 액체를 이용한 에너지 전환 기판.
- 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1전극은 평면형태의 오목부를 가지도록 패터닝되고, 상기 제2전극은 상기 오목부에 대응하는 볼록부를 가지도록 패터닝되는 것을 특징으로 하는 액체를 이용한 에너지 전환 기판.
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