KR101419742B1 - 이온 트랜지스터 구조를 이용한 고효율 나노유체역학 에너지수확 시스템 및 방법 - Google Patents

이온 트랜지스터 구조를 이용한 고효율 나노유체역학 에너지수확 시스템 및 방법 Download PDF

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조형희
신상우
김범석
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연세대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 나노채널에 설치된 게이트 전극을 통해 나노채널의 표면 전하량을 조절하여 나노채널 양단 간의 전위차를 제어함으로써 에너지 변환효율을 향상시킬 수 있는 이온 트랜지스터 구조를 이용한 고효율 나노유체역학 에너지수확 시스템 및 방법에 관한 것이다. 이를 위한 본 발명은, 표면전하가 존재하는 나노채널 내에 이온이 포함된 유체를 흘려주어 발생되는 나노채널 양단 간의 전위차를 이용하여 전기에너지를 발생시키는 나노유체역학 에너지수확 시스템에 있어서, 상기 나노채널 벽면 주변에 나노채널의 길이방향을 따라 게이트(gate) 전극을 설치하고, 상기 나노채널 양단에 임의의 외부 부하(external load)를 연결하여, 상기 게이트 전극을 통해 나노채널의 표면전하량을 조절하여 나노채널 양단 간의 전위차를 제어할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 한다.

Description

이온 트랜지스터 구조를 이용한 고효율 나노유체역학 에너지수확 시스템 및 방법{Highly efficient nanofluidic energy harvesting system and method using ionic field-effect transistor}
본 발명은 나노채널에 설치된 게이트 전극을 통해 나노채널의 표면 전하량을 조절하여 나노채널 양단 간의 전위차를 제어함으로써 에너지 변환효율을 향상시킬 수 있는 이온 트랜지스터 구조를 이용한 고효율 나노유체역학 에너지수확 시스템 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 표면이 하전된 채널로 압력구배(pressure gradient)에 의해 유체가 흐르는 경우, 채널 벽면 근처에는 채널 벽면의 전하와 반대 극성을 갖는 상대이온(counter-ion)들의 밀도분포가 높아져서, 소위 디바이 층 (Debye layer)이라 불리우는 전기이중층(electric double layer)이 형성된다.
상기 전기이중층 내의 상대이온들은 압력구배 방향으로의 흐름에 의해 흐름전류(streaming current)를 생성시키고, 채널의 상류(upstream)와 하류(downstream) 간에는 공통이온(co-ion)과 상대이온들의 분포 차에 의한 전위차로 인하여 흐름전위(streaming potential)가 발생한다.
아울러, 상대이온들이 하류(downstream)에서 계속 축적되면, 압력구배의 반대방향(즉, 상류측)으로 상대이온들이 이동하게 되어 전도전류(conduction current)가 유도된다. 이 경우, 정상상태에서의 흐름전류와 전도전류의 총합은 0 (zero)으로서, 채널 내부에서의 전류는 보존된다.
한편, 일정한 단면을 갖는 직선 채널 내에 일정한 이온농도(이온화 세기)를 갖는 전해질 수용액이 흐르는 경우, 제타전위 ζ와 흐름전위 E의 관계는 아래의 수학식 1의 헬름홀츠-스몰루초우스키(Helmholtz-Smoluchowski; H-S) 식으로 주어진다.
<수학식 1>
Figure 112013014902059-pat00001
상기 식에서,
E는 계면동전기 효과로 유발된 전위 즉, 흐름전위이고,
Δp는 채널 양단에 가해진 압력차이며,
εo는 진공에서의 유전상수(dielectric constant 또는 vacuum permittivity)이고,
εr은 전해질 수용액의 상대유전율(relative permittivity)이며,
λo는 전해질 수용액의 전기전도도(electric conductivity)이고,
η는 전해질 수용액의 점도이다.
이와 같은 계면동전기(electrokinetic) 현상에 대한 연구는 그동안 많은 연구자들에 의해 진행되어 왔으며, 특히, 직경이 수백 마이크로미터 이하인 미세채널에서의 유체 유동과 이에 따라 발생되는 흐름전위 값을 정량적으로 해석하고자 노력하였다.
이와 같은 흐름전위의 해석에 대한 노력의 일환으로, 하전된 물체의 표면전위가 낮은 경우에 적용되는 푸아송-볼츠만(Poisson-Boltzmann, P-B) 식의 해석해, 상기 수학식 1의 H-S 식을 이용하는 경우 적용되어야 하는 보정인자의 제시, 그리고 모든 표면전위 범위에 대한 P-B 식의 해에 대한 연구 등이 있었다.
한편, 상기와 같이 전기삼투(electroosmosis)와 반대되는 메카니즘인 흐름전위는 계면동전기 현상의 하나로서, 과거에는 하전된 물체의 표면전위인 미지의 제타전위(zeta potential)를 결정하는 방법으로 이용되어 왔다. 일 예로서, Szymczyk 등의 논문[A. Szymczyk, B. Aoubiza, P. Fievet, J. Pagetti, "Electrokinetic phenomena in homogeneous cylindrical pores", J. Colloid Interface Sci. 216, 285-296, 1999]에 개시되어 있는 연구로부터, 다공성 물질의 기공(pore)이나 표면에 대한 전하 특성(charge characterization)에 계면동전기 흐름전위의 측정이 유효하게 기여함을 알 수 있다. 아울러, Sung 등의 논문[J.H. Sung, M.-S. Chun, H.J. Choi, "On the behavior of electrokinetic streaming potential during protein filtration with fully and partially retentive nanopores", J. Colloid Interface Sci. 264, 195-202, 2003], 또는 Chun 등의 미국특허 제6,727,099 B2호[M.S. Chun, J.J. Kim, S.Y. Lee, "Equipment and method of local streaming potential measurement for monitoring the process of membrane fouling in hollow-fiber membrane filtrations", US Patent 6,727,099 B2, 2004]에 개시되어 있는 바와 같이, 계면동전기 흐름전위의 시간에 따른 동특성 모니터링을 통하여 다공성 멤브레인 표면에의 콜로이드 입자 침착(deposition) 거동에 대한 중요한 정보를 알 수 있다.
상기 수학식 1의 물리적 의미는, 하전된 채널에 전해질 수용액을 압력차 Δp로 흘리는 경우 채널 양단 간에는 ΔE만큼의 전위차가 발생된다는 것이다. 따라서, 구동시키고자 하는 임의의 외부 부하(external load)를 연결하면 이 외부 저항에 작용하는 전류 및 전압, 즉 에너지를 얻을 수 있다.
최근, 계면동전기 원리에 의하여 발생되는 흐름전위를 에너지원으로서 사용가능한지에 대한 연구결과가 발표된 바 있다. Ygng 등의 논문[J. Yang, F.L. Larry, W. Kostiuk, D.Y. Kwok, "Electrokinetic microchannel battery by means of electrokinetic and microfluidic phenomena", J. Micromech. Microeng., 13, 963-970, 2003]은, 기공크기가 10-16㎛인 다공성 유리 필터(직경 2cm, 두께 3mm, Schott-Duran, Mainz)에 압력차로 수돗물(tap water)을 흘렸을 때 발생되는 흐름전위 최대값이 10V이고 최대 전류가 수 ㎂인 결과를 보고하였고, Olthuis 등의 논문 [W. Olthuis, B. Schippers, J. Eijkel, A. van den Berg, "Energy from streaming current and potential", Sens. Actuators B, 111-112, 385-389, 2005]은 같은 제품으로서 기공크기가 1.0-1.6㎛인 경우에 대해 외부저항의 변화에 따라 얻어진 흐름전위와 에너지에 대한 결과를 보고하였다. 또한, Chun 등의 논문[M.S. Chun, T.S. Lee, N.W. Choi, "Microfluidic Analysis on Electrokinetic Streaming Potential Induced by Microflows of Monovalent Electrolyte Solution", J. Micromech. Microeng., 15, 710-719, 2005]은 계면동전기 유동장의 이론 모델을 수립하고 수치계산을 실행하여 다중 채널 회로에서의 흐름전위값을 예측하였다.
상기와 같은 이론적 기반을 토대로, Chun 등의 논문[M.S. Chun, M.S. Shim, N.W. Choi, "Fabrication and validation of a multi-channel type microfluidic chip for electrokinetic streaming potential devices", Lab Chip, 6, 302-309, 2006]에서는 미세기전시스템(micro-electromechanical system, MEMS) 가공으로 폭이 수십 마이크로미터인 채널 수백 개를 집적시킨 마이크로 칩에 1차 증류수를 흘려서 외부저항에 따라 발생하는 흐름전위와 전류를 측정하였다. 칩의 재질이 PDMS 보다는 실리콘인 경우에 높은 흐름전위가 얻어졌는데, 실리콘 칩에서 1 bar의 압력차로 약 1.2 V가 발생하였고, 외부저항 1 kΩ에 대해 0.03 W/㎥ 수준의 전력밀도(power density)를 얻었으며, 이론적 계산값과 일치하는 거동도 아울러 확인하였다.
칩으로 구현하는 이른바 온-칩(on-chip) 기술의 강점은 MEMS 혹은 NEMS 공정 및 미세가공(microfabrication) 기술에 의하여 원하는 크기의 채널 폭을 갖는 마이크로 혹은 나노채널을 용이하게 제작할 수 있다는 점에 있다.
최근, 마이크로플루이딕 칩 형태의 랩온어칩(lab-on-a-chip) 기술로, 미세종합분석 시스템(micro total analysis system, μ-TAS), 또는 고속처리 시스템(high throughput system, HTS)을 실현하게 되었다.
한편, 상기에서 검토한 흐름전위의 원리에 의한 마이크로/나노 에너지 시스템의 실용화를 달성하기 위해서는, ⅰ)다중 채널과 적층으로 구현된 병렬 채널에 의한 전류 증폭, ⅱ)단위 셀들의 직렬 연결에 의한 전압 증폭, ⅲ)채널의 설계와 재질의 선정, ⅳ)전해질 용액 조건에 대한 연구개발이 중요한 관건이다.
특히, 상기 칩의 재질로서 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxame)과 같은 플라스틱 소재를 사용하는 경우, 대량으로 수월하게 복제(replication)하고 성형할 수 있는 1회용(disposable)으로 널리 이용되는 장점이 있으나, 실리콘이나 유리계열보다 표면 하전성이 낮기 때문에 높은 흐름전위를 발생시키기에는 불리하다는 문제점이 있었다.
이와 같은 문제점을 개선하고자, 종래에는 마이크로플루이딕 칩의 재질로서 높은 제타전위값을 가지며 표면 하전 특성이 우수한 실리콘 물질을 사용한 사례가 있었으나, 이와 같은 종래의 방법들은 단순히 유체가 흐르는 마이크로/나노 채널의 재질을 표면전하가 높은 물질로 변경하여 에너지 변환효율을 향상시킨 것에 불과하기 때문에 매우 낮은 에너지 변환효율(3% 미만)을 가질 수밖에 없는 문제점이 있었다.
이에, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 기존 나노유체역학 에너지 수확기술의 단점으로 인식되던 낮은 에너지 변환효율을 극복하기 위하여, 유체가 통과되는 나노채널 을 따라 게이트 전극을 설치하고, 나노채널에 설치된 게이트 전극을 통해 나노채널의 표면 전하량을 조절하여 나노채널 양단 간의 전위차를 제어함으로써 에너지 변환효율을 증대시킬 수 있는 이온 트랜지스터 구조를 이용한 고효율 나노유체역학 에너지수확 시스템 및 방법을 제공함에 있다.
특히, 나노채널에 설치되는 게이트 전극을 나노채널을 사이에 두고 서로 마주보는 위치에 한 쌍으로 설치한 이중 게이트 구조로 구성하거나, 또는 게이트 전극을 나노채널을 감싸는 형태로 설치한 전방위 게이트 구조로 구성함으로써, 나노채널 표면에 인가되는 전하량을 보다 증대시켜 에너지 변환효율을 더욱 극대화시킬 수 있는 이온 트랜지스터 구조를 이용한 고효율 나노유체역학 에너지수확 시스템 및 방법을 제공함에 있다.
상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명은, 표면전하가 존재하는 나노채널 내에 이온이 포함된 유체를 흘려주어 발생되는 나노채널 양단 간의 전위차를 이용하여 전기에너지를 발생시키는 나노유체역학 에너지수확 시스템에 있어서, 상기 나노채널 벽면 주변에 나노채널의 길이방향을 따라 게이트(gate) 전극을 설치하고, 상기 나노채널 양단에 임의의 외부 부하(external load)를 연결하여, 상기 게이트 전극을 통해 나노채널의 표면전하량을 조절하여 나노채널 양단 간의 전위차를 제어할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 게이트 전극은 나노채널 주변에 복수 개가 서로 마주보는 형태로 배치될 수 있다.
또한, 상기 게이트 전극은 나노채널 주변을 둘러싸는 형태로 배치될 수도 있다.
한편, 상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 나노유체역학 에너지수확 방법은, 표면전하가 존재하는 나노채널 내에 이온이 포함된 유체를 흘려주어 발생되는 나노채널 양단 간의 전위차를 이용하여 전기에너지를 발생시킴에 있어서, 상기 나노채널 벽면 주변에 길이방향을 따라 설치된 게이트(gate) 전극을 통해 나노채널의 표면전하량을 조절함으로써 나노채널 양단 간의 전위차를 제어하여 에너지 변환효율을 증대시키는 것을 특징으로 한다.
상기한 구성을 갖는 본 발명에 따르면, 유체가 통과되는 나노채널 벽면 주변에 나노채널의 길이방향으로 게이트 전극을 설치하고, 나노채널에 설치된 게이트 전극을 통해 나노채널의 표면 전하량을 조절하여 나노채널 양단 간의 전위차를 제어함으로써 에너지 변환효율을 증대시킬 수 있는 장점이 있다.
특히, 나노채널에 설치되는 게이트 전극을 나노채널을 사이에 두고 서로 마주보는 위치에 한 쌍으로 설치한 이중 게이트 구조로 구성하거나, 또는 게이트 전극을 나노채널을 감싸는 형태로 설치한 전방위 게이트 구조로 구성함으로써, 나노채널 표면에 인가되는 전하량을 보다 증대시켜 에너지 변환효율을 더욱 극대화시킬 수 있는 장점이 있다.
도 1은 일반적인 액체-고체 계면에서의 디바이 차폐(Debye screening) 효과에 따른 선택적 이온 형성과정을 설명하는 개념도.
도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 나노채널에 게이트 전극이 설치된 나노유체역학 에너지수확 시스템을 도시한 개념도.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 에너지수확 시스템을 도시한 것으로서, 나노채널 주변에 이중 게이트가 설치된 나노유체역학 에너지수확 시스템을 보여주는 개념도.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 에너지수확 시스템을 도시한 것으로서, 게이트 전극이 나노채널 주변을 전방위로 감싸도록 설치된 나노유체역학 에너지수확 시스템을 보여주는 개념도.
이하, 본 발명의 바람직한 일실시 예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
본 발명에서 제안하는 이온 트랜지스터 구조를 이용한 에너지수확 기술은 외부의 압력에 의해 이온이 함유된 유체가 나노채널을 통과하게 될 때 나노채널 양단 간에 발생하게 되는 전위차를 이용하여 전기에너지를 얻어낼 수 있도록 하는 에너지 변환기술이다.
이온 트랜지스터(Ionic field-effect transistor)는 지난 2005년도에 실험적으로 처음 규명된 후 지속적인 연구가 진행되어 온 분야이다(Karnik et al. (2005) Nano Letters, vol. 5, pp. 943-948). 이러한 이온 트랜지스터는 아직까지 대부분 기초적인 연구(이온전달 제어 자체)만 진행되어왔을 뿐, 실질적인 응용에 있어서는 바이오 입자(약물)의 전달 제어와 같은 바이오 관련 응용에만 적용되어 왔다.
본 발명은 이러한 이온 트랜지스터 구조를 응용하여 고효율의 에너지를 수확할 수 있는 나노유체역학 에너지 변환기술을 제공한다. 이러한 본 발명의 에너지 변환기술은 외부 압력이 지속적으로 존재하는 곳에 모두 적용 가능하며, 예를 들어, 인체의 폐나, 신발 밑창과 같이 인체의 움직임이 지속적으로 이루어지는 곳에 응용 가능하며, 또는 자동차 타이어나 송유관 등과 같이 외부 압력이 주기적으로 작용되는 곳에 적용하여 전기에너지를 수확하는 것이 가능하다.
먼저, 도 1은 본 발명에 따른 에너지수확 시스템에서 게이트 전극을 통해 인가되는 표면 전하에 의해 나노채널 양단 간에 전위차가 발생되는 과정을 설명하기 위한 것으로서, 액체-고체 계면에서의 디바이 차폐(Debye screening)에 따른 선택적 이온층 형성과정을 설명하는 개념도이다.
도 1을 참조하면, 양이온 및 음이온을 함유한 액체(Bulk liquid)와 고체(Solid) 사이의 계면(S)에 있어서, 고체의 표면에 (-)극성의 전압이 인가될 경우, 도 1의 오른쪽 그림과 같이, 고체의 표면에는 인가된 전압과 반대되는 극성을 갖는 양이온(+)이 인력에 의해 끌어 당겨져서 모여들게 되고, 인가된 전압과 동일한 극성의 음이온(-)은 척력에 의해 고체의 표면으로부터 밀려나가는 현상이 발생된다. 이때, (-)극성의 전압이 인가된 고체의 표면(S) 부근에서는 인가된 전하량만큼 양이온(+)들이 모여들어 밀집된 상태로 재배치되기 때문에 전기적으로 중성을 유지하게 된다.
이와 같이 이온(양이온 및 음이온)이 포함된 액체 내에서 전압을 인가하여 전기장을 발생시킬 경우, 액체 내부의 이온들이 전압이 인가된 고체 표면으로 모여들어 표면상에 재배치되어 전기적 중성을 유지하도록 함으로써 전기장을 없애려는 성질을 갖게 되는데, 이러한 현상을 디바이 차폐(Debye screening 또는 Debye shielding)라고 한다. 그리고, 이러한 영향력이 미치는 범위를 디바이 길이(Debye length, 도면에서 'L'로 표시)라고 한다.
상기와 같은 디바이 차폐 현상이 발생할 경우, 고체의 표면(S)으로부터 일정한 높이(L), 즉 디바이 길이(Debye length) 범위까지는 고체 표면에 인가된 전압의 극성(-)과 반대되는 극성(+)을 갖는 이온들만이 존재하게 된다. 이때, 고체 표면에 모여져 쌓이게 되는 이온들의 적층 높이(L)는 고체의 표면(S)으로부터 대략 100nm 이내의 범위 내에 존재하게 된다.
이와 같이 전기장 인가시 디바이 차폐 효과가 미치는 디바이 길이 범위(L = 1~100nm) 내에 나노채널의 유로 폭이 존재하도록 설정하고, 나노채널에 설치된 게이트 전극을 통해 표면전위를 인가한 상태에서 나노채널 내에 이온이 포함된 유체를 흘려주게 되면 디바이 차폐 효과에 따라 나노채널의 양단에는 서로 반대되는 극성의 이온들만이 분포되어 나노채널 양단 간에 일정한 전위차를 발생시킨다. 이때, 상기 나노채널에 설치된 게이트 전극을 통해 나노채널 표면 전하량을 제어하게 되면 나노채널 양단 간의 전위차를 자유롭게 제어할 수 있다.
도 2는 본 발명의 제1실시 예에 따른 이온 트랜지스터를 이용한 나노유체역학 에너지수확 시스템을 도시한 개념도로서, 나노채널 주변에 게이트 전극이 설치된 구조를 보여주고 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 나노유체역학 에너지수확 시스템(100)은 이온성 유체(이온을 함유한 유체)가 흐르는 나노채널(10) 주변에 게이트 전극(Gate electrode)(12)이 설치된다.
이때, 상기 게이트 전극(12)은 나노채널(10)의 표면(내벽면)에 인접된 위치상에 배치되어 나노채널(10)의 길이방향을 따라 길게 배치된 구조를 갖는다.
이러한 배치 구조를 갖는 게이트 전극(12)에는 제어부(미도시)를 통해 전압이 인가되어, 전기장에 의해 나노채널(10)의 표면을 (+) 또는 (-) 극성으로 대전시키게 된다.
이때, 상기 게이트 전극(12)에 인가되는 전압의 크기를 조절하여 상기 나노채널(10)의 표면 전하량을 적절히 조절할 수 있다.
상기와 같이 게이트 전극(12)을 통한 전압 인가에 의해 하전된 나노채널(10)에 이온성 유체(F)를 일정 압력으로 흘려주게 되면 나노채널(10) 양단 간에 일정 수준의 전위차가 발생된다.
따라서, 상기 나노채널(10) 양단 측에 구동시키고자 하는 임의의 외부 부하(external load)(30)를 연결하면, 이 외부 저항에 작용하는 전류 및 전압, 즉 에너지를 얻을 수 있다.
이때, 상기 게이트 전극(12)을 통해 나노채널(10)의 표면 전하량을 조절하여 나노채널(10) 양단 간의 전위차를 원하는 크기로 제어할 수 있다.
한편, 나노채널(10)의 내부 유로 폭(L)은 전술된 도 1에서 설명한 바와 같이 게이트 전극(12)을 통한 전압 인가시 나노채널(10) 표면에 밀집되는 이온들에 의한 디바이 차폐(Debye screening) 효과가 발휘되는 디바이 길이(Debye length) 범위(L = 1~100nm) 내에서 적절한 유로 폭으로 설정된다.
여기서, 나노채널(10)의 내부 유로 폭(L)을 수 nm 정도의 작은 폭으로 형성할 경우, 디바이 차폐 효과가 미치는 디바이 길이가 짧아지기 때문에 나노채널(10) 표면에는 인가 전위와 반대 극성을 갖는 이온들이 많은 양으로 모여들게 된다. 이로 인해 인가된 전위와 동일 극성을 갖는 이온이 나노채널(10) 내부로 들어올 수 없게 되고, 나노채널(10)의 하류측 유체에는 인가 전위와 반대 극성의 이온들만이 존재하여 나노채널(10) 양단 간에 큰 전위차를 발생시킬 수 있다. 반면, 나노채널(10)의 유로 폭이 좁아서 유체를 통과시키기 위하여 높은 압력을 필요로 한다.
또한, 나노채널(10)의 내부 유로 폭(L)을 수십 nm 정도의 크기로 크게 형성할 경우, 디바이 차폐 효과가 미치는 디바이 길이가 길어지기 때문에 나노채널(10) 내부에는 인가 전위와 반대 극성을 갖는 이온들과 더불어 인가 전위와 동일 극성을 갖는 이온들이 일부 포함된 상태가 된다. 따라서, 나노채널(10)의 하류측 유체에는 인가 전위와 반대 극성의 이온들과 더불어 인가 전위와 동일 극성의 이온들이 일부 포함된 상태로 유지되기 때문에 나노채널(10) 양단 간의 전위차는 상대적으로 작아지게 된다. 반면, 나노채널(10)의 유로 폭이 넓게 형성되기 때문에 낮은 압력을 가하여 나노채널(10) 내부로 유체를 쉽게 통과시킬 수 있다.
아울러, 상기와 같이 나노채널(10) 양단 간의 전위차 발생을 위하여, 이온성 유체의 흐름을 한 방향으로만 유지시키는 것뿐 아니라, 양 방향으로 유체의 흐름을 유지시켜 주는 것도 가능하다. 이와 같은 이온성 유체의 양 방향 흐름은, 예컨대, 펌프동작을 통해 가능하다. 즉, 챔버(chamber) 내부에 중앙의 나노채널을 사이에 두고 서로 상,하부로 연결된 두 저장공간(reservoir)이 마련되고, 이 두 저장공간 중 일측은 이온성 유체가 부분적으로 차있을 경우, 상기 챔버에 압력을 가하게 되면 챔버가 압축되면서 상부 저장공간에 있는 이온성 유체가 나노채널을 지나 하부로 저장공간으로 흐르게 되면서 에너지가 수확되고, 이후 챔버에 가해진 압력을 해제하게 되면 하부 저장공간에 있던 이온성 유체가 나노채널을 통과하여 상부 저장공간으로 다시 돌아오게 되는 반복과정을 거쳐 전기에너지를 지속적으로 얻을 수 있다. 이와 같이 클로즈드 시스템(closed system) 내에서 이온의 움직임을 주기적인 펌프 동작을 통해 나노채널의 전후방향으로 지속적으로 유지시키게 되면 에너지변환효율을 크게 증대시킬 수 있다.
상기한 구성을 갖는 본 발명의 나노유체역학 에너지수확 시스템(100)을 이용한 에너지수확 방법을 도 2를 참조하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 에너지수확 시스템(100)에 있어서, 나노채널(10)에 구비된 게이트 전극(12)에 (+)전압을 인가하여 나노채널(10) 표면(내벽면)을 (+)로 대전시키게 되면, 나노채널(10) 표면에는 전기적인 인력에 의해 유체(F) 속에 포함된 (-)극성의 이온들이 모여들어 밀집되고, 나노채널(10) 표면에 인가된 전압(+)과 동일한 (+)극성의 이온들은 반발력에 의해 나노채널(10) 내부로 들어오지 못하게 되어 결국 나노채널(10)의 표면에는 대부분 (-)극성의 이온들이 재배치된다.
이러한 상태에서, 이온성 유체(F)에 일정한 압력을 가하여 유체를 나노채널(10)에 흘려주게 되면, 게이트 전극(12)에 인가된 전압과 동일한 극성을 갖는 대부분의 (+)이온들은 반발력으로 인해 나노채널(10) 내부로 들어오지 못하고, 나노채널(10) 표면에 밀집되어 있던 (-)극성의 이온들만이 유체의 압력에 의해 나노채널(10) 밖으로 밀려나오게 된다. 이러한 현상으로 인해 나노채널(10)의 상류측에는 (+)극성의 이온들이, 하류측에는 (-)극성의 이온들이 많이 분포되는 현상이 발생되어 나노채널(10) 양단 간에 이온 불균형을 만들게 됨으로써, 결국 나노채널(10) 양단 간에 일정수준의 전위차를 발생시키게 된다.
따라서, 상기 전위차가 발생된 나노채널(10) 양단 측에 구동시키고자 하는 임의의 외부 부하(external load)(30)를 연결하게 되면, 이 외부 저항에 작용하는 전기에너지를 얻을 수 있다. 이때, 상기 나노채널(10)에 설치된 게이트 전극(12)을 통해 나노채널(10)의 표면 전하량을 조절하여 나노채널(10) 양단 간의 전위차를 제어함으로써, 에너지 변환효율을 극대화시킬 수 있다.
한편, 도 3은 본 발명의 제2실시 예에 따른 나노유체역학 에너지수확 시스템의 구성을 도시한 개념도이다.
본 발명의 제2실시 예에 의한 따른 에너지수확 시스템은, 도 3에서 보는 바와 같이, 한 쌍의 게이트전극(12)(13)이 나노채널(10)을 사이에 두고 서로 마주보는 형태로 배치된 구성을 갖는다. 이와 같이, 나노채널(10)에 구비되는 게이트전극(12)(13)을 나노채널(10)의 상부 및 하부에서 서로 마주보도록 설치한 이중 게이트 전극 구조로 형성함으로써, 상기 나노채널(10)에 구비된 한 쌍의 게이트 전극(12)(13)을 통해 많은 양의 표면 전하량을 인가할 수 있기 때문에, 전술된 도 2와 같은 하나의 게이트 전극을 갖는 에너지수확 시스템보다 많은 양의 전기에너지 획득이 가능하다.
한편, 도 4는 본 발명의 제3실시 예에 따른 에너지수확 시스템의 구성을 보여주는 것으로서, 도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제3실시 예에 따른 에너지수확 시스템은, 게이트 전극(22)이 나노채널(20) 주위를 전방위로 둘러싸는 원통 모양의 설치 구조를 갖는다.
따라서, 나노채널(20)을 감싸는 게이트 전극(22)에 (-)전압을 인가하게 되면, 전술된 도 2와 동일한 전기화학적 메커니즘에 의해 나노채널(20) 양단 간에 전위차를 발생시키게 된다.
이때, 게이트 전극(22)은 넓은 면적으로 나노채널(20) 주위를 둘러싸는 형태로 형성되어, 나노채널(20) 표면(내벽면)에는 보다 많은 양의 (+) 이온들이 포집되고, 이로 인해 결국 나노채널(20) 양단 간에 큰 전위차를 발생시키게 된다.
이와 같이 게이트 전극(22)을 나노채널(20)을 감싸는 형태의 전방위 게이트 구조로 형성함으로써, 나노채널(20) 표면에 인가되는 전하량을 증대시켜 에너지 변환효율을 더욱 극대화시킬 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이같은 특정 실시 예에만 한정되지 않으며, 해당분야에서 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 특허청구범위 내에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경이 가능할 것이다.
10,20 : 나노채널 12,13,22 : 게이트 전극
30 : 외부 부하 100 : 에너지수확 시스템

Claims (6)

  1. 표면전하가 존재하는 나노채널 내에 이온이 포함된 유체를 흘려주어 발생되는 나노채널 양단 간의 전위차를 이용하여 전기에너지를 발생시키는 나노유체역학 에너지수확 시스템에 있어서,
    상기 나노채널 벽면 주변에 나노채널의 길이방향을 따라 게이트(gate) 전극을 설치하고, 상기 나노채널 양단에 임의의 외부 부하(external load)를 연결하여, 상기 게이트 전극을 통해 나노채널의 표면전하량을 조절하여 나노채널 양단 간의 전위차를 제어할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 이온 트랜지스터 구조를 이용한 나노유체역학 에너지수확 시스템
  2. 제1항에 있어서, 상기 게이트 전극은 나노채널 주변에 복수 개가 서로 마주보는 형태로 배치되는 것을 특징으로 하는 이온 트랜지스터 구조를 이용한 나노유체역학 에너지수확 시스템
  3. 제1항에 있어서, 상기 게이트 전극은 나노채널 주변을 둘러싸는 형태로 배치되는 것을 특징으로 하는 이온 트랜지스터 구조를 이용한 나노유체역학 에너지수확 시스템
  4. 표면전하가 존재하는 나노채널 내에 이온이 포함된 유체를 흘려주어 발생되는 나노채널 양단 간의 전위차를 이용하여 전기에너지를 발생시키는 나노유체역학 에너지수확 방법에 있어서,
    나노채널 벽면 주변에 길이방향을 따라 설치된 게이트(gate) 전극을 통해 나노채널의 표면전하량을 조절함으로써 나노채널 양단 간의 전위차를 제어하여 에너지 변환효율을 증대시키는 것을 특징으로 하는 이온 트랜지스터 구조를 이용한 나노유체역학 에너지수확 방법
  5. 제4항에 있어서, 상기 게이트 전극은 나노채널 주변에 복수 개가 서로 마주보는 형태로 배치되는 것을 특징으로 하는 이온 트랜지스터 구조를 이용한 나노유체역학 에너지수확 방법
  6. 제4항에 있어서, 상기 게이트 전극은 나노채널 주변을 둘러싸는 형태로 배치되는 것을 특징으로 하는 이온 트랜지스터 구조를 이용한 나노유체역학 에너지수확 방법
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