KR101527170B1 - solar cell based flexible transparent actuator for self-electric generation - Google Patents
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Abstract
본 발명은 태양전지 기반의 자가발전형 유연 투명 구동기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 태양전지 모듈 및 상기 태양 전지모듈과 전기적으로 연결되는 투명 유연 구동기를 포함하고, 상기 태양 전지 모듈에서 발생되는 전압은 상기 투명 유연 구동기로 인가되고, 상기 투명 유연 구동기는 상기 태양 전지 모듈에서 발생되어 인가되는 전압에 의해 굽힘 변형되는 것인 태양전지 기반의 자가발전형 유연 투명 구동기에 관한 것이다. The present invention relates to a solar cell-based self-generating type flexible transparent driver, and more particularly, to a solar cell module that includes a solar cell module and a transparent flexible actuator electrically connected to the solar cell module, Wherein the transparent flexible actuator is bent and deformed by a voltage generated in the solar cell module and applied to the transparent flexible actuator.
Description
본 발명은 태양전지 기반의 자가발전형 유연 투명 구동기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 태양전지 모듈 및 상기 태양 전지모듈과 전기적으로 연결되는 투명 유연 구동기를 포함하고, 상기 태양 전지 모듈에서 발생되는 전압은 상기 투명 유연 구동기로 인가되고, 상기 투명 유연 구동기는 상기 태양 전지 모듈에서 발생되어 인가되는 전압에 의해 굽힘 변형되는 것인 태양전지 기반의 자가발전형 유연 투명 구동기에 관한 것이다.
The present invention relates to a solar cell-based self-generating type flexible transparent driver, and more particularly, to a solar cell module that includes a solar cell module and a transparent flexible actuator electrically connected to the solar cell module, Wherein the transparent flexible actuator is bent and deformed by a voltage generated in the solar cell module and applied to the transparent flexible actuator.
일반적으로, 모바일(mobile), 고객 어플리케이션(consumer applications) 및 소형 로봇 등의 소형 휴대 장치에 적용되는 구동기(actuator)는 사용된 재료의 특성에 따라 분류할 수 있으며, 대표적인 소형 구동기(actuator)의 재료는 SMA(Shape Memory Alloy, 형상기억합금), EAC(Electro-Active Ceramics, 전기활성 세라믹), 및 EAP(Electro-Active Polymer, 전기활성 폴리머)가 있다. In general, actuators applied to small portable devices such as mobile, consumer applications, and small robots can be classified according to the characteristics of the materials used, and a representative small actuator material There are SMA (Shape Memory Alloy), EAC (Electro-Active Ceramics), and EAP (Electro-Active Polymer).
SMA를 이용한 구동기(actuator)는 형상기억합금에 전류를 흘려줌으로써 발열되는 열을 이용하는 원리로 구동되며, 매우 큰 힘을 낼 수 있다는 장점을 가지고 있으나 반응속도가 느리고 수명이 길지 않다는 단점을 가지고 있다. 그러나, 반응속도가 느리고 열에 따른 변위 오차가 크다는 단점에도 불구하고 근육과 유사한 섬유형태로 제작 가능하다는 장점을 살려 현재 내시경에 탑재된 구동기(actuator)로 사용되기도 하며 다른 근육형 구동기(actuator)의 성능을 비교하는 척도가 되기도 한다.The actuator using SMA is driven by the principle of using heat generated by flowing current to the shape memory alloy and has the advantage that it can generate a very large force but has a disadvantage that the reaction speed is slow and the life is not long. However, despite the disadvantages of slow reaction rate and large heat-induced displacement error, it can be used as an actuator mounted on an endoscope, taking advantage of the fact that it can be fabricated in the form of a muscle-like fiber. It is also a measure of comparison.
EAC 구동기(actuator)는 압전 세라믹에 비교적 높은 전압을 가할 때 발생되는 진동을 이용하여 구동시키며, 빠른 속도로 제어 가능하다는 장점이 있으나 상대적으로 변위가 매우 작아서 공진 영역에서 다른 재료와의 마찰을 이용하여 구동된다. 대표적으로 초음파 모터(ultrasonic motor)가 있으며 마찰을 이용한 구동으로 제어가 매끄럽지 못한 단점이 있지만 근육과 유사한 부하가 없이 자유로운 상태(free state)를 만들 수 있어 역촉감 제시 장치, 로봇 핸드 등에 응용되기도 한다.The EAC actuators are driven by vibrations generated when a relatively high voltage is applied to the piezoelectric ceramics and can be controlled at a high speed. However, since the displacement is very small, . Typically, there is an ultrasonic motor, which is disadvantageous in that the control is not smooth due to driving by friction, but it can be used in a reverse tactile display device or a robot hand because it can make a free state without load similar to muscles.
전기활성 고분자(EAP)는 빠른 응답속도, 큰 작동변위, 구동 시 낮은 전력 소모량 등의 장점 뿐만 아니라 고분자 소재가 가지는 우수한 가공성으로 인한 경량화, 박막화, 소형화 등의 장점이 있어 많은 관심을 받고 있다. 전기활성 고분자(EAP)는 수십 년 동안 전기적 자극에 의해 변형을 일으키는 정도의 재료로 알려져 왔으며, 초기의 고분자 재료들은 상대적으로 작은 변위를 발생하였다. 1990년대에 이르러 새로운 EAP 재료가 개발되었으며 큰 전기에 대해 상대적으로 큰 변위와 힘을 발생하는 특성을 보여주었다. 전기활성 고분자는 햅틱폰, 햅틱마우스, 카메라 모듈, 평판 스피커, 촉각센서 등으로 응용 가능하며 금속이나 세라믹 등의 재료와는 달리 인체 근육과 비슷한 탄성과 강도를 가지고 있어 인공 근육이나 생체 모방 작동기로써의 응용 가능성 또한 지니고 있다.Electroactive polymer (EAP) has attracted much attention because it has advantages such as fast response speed, large operating displacement, low power consumption during driving, light weight, thinning, and miniaturization due to excellent processability of a polymer material. Electroactive polymers (EAPs) have been known for decades to be deformed by electrical stimulation, and early polymeric materials have produced relatively small displacements. In the 1990s, new EAP materials were developed and exhibited relatively large displacements and forces for large electricity. Electroactive polymers can be applied to haptic phones, haptic mice, camera modules, flat speakers, tactile sensors, etc. Unlike materials such as metals and ceramics, they have similar elasticity and strength to human muscles, It also has applicability.
전기활성 고분자는 작동방식에 따라 외부전압 인가시, 이온의 이동과 확산에 의해 고분자가 수축-팽창 변형을 일으키는 이온성 전기활성고분자(ionic EAP)와 전자 분극(polarization) 현상에 의하여 변형이 일어나는 전자성 전기활성고분자(electronic EAP)로 구분된다. 상기 이온성 전기활성 고분자로는 전기유변유체(electrorheological fluids, ERP), 탄소나노튜브(carbon nanotubes, CNT), 전도성 고분자(conducting polymers, CP), 이온성 고분자-금속 복합체(ionic polymer-metal composites, IPMC), 고분자겔(ionic polymer gels, IPG) 등이 있으며 큰 작동력, 빠른 응답속도, 낮은 인가전압 등의 다양한 장점을 가지고 있다.Electrically active polymers are ionic electroactive polymers (EAC) that cause shrinkage-expansion deformation of polymers due to migration and diffusion of ions when an external voltage is applied depending on the operation method, and electrons that are deformed by electron polarization phenomenon And electroactive polymer (electronic EAP). Examples of the ionic electroactive polymer include electrorheological fluids (ERP), carbon nanotubes (CNT), conducting polymers (CP), ionic polymer-metal composites IPMC, and ionic polymer gels (IPG), and has various advantages such as a large operating force, a fast response speed, and a low applied voltage.
도 1은 이온성 고분자-금속 복합재료의 동작 원리를 도시한 개략도로써, 도 1에 도시된 바와 같이 스트립 타입의 IPMC의 전체적인 외형을 살펴보면 중앙에 이온전달특성이 우수한 고분자 전해질 막이 위치하고 막의 상하 양면에 전자전달 특성이 우수한 금속전극이 입혀진 커패시터 구조로 이루어져 있으며, 상기 금속 전극에 전계를 가하면 이온성 고분자 막 내부의 양이온 이동에 따라 양이온이 이동하는 쪽의 부피가 팽창하여 양이온 이동 방향의 반대쪽으로 구부러지게 되고, 이러한 막의 특성에 기인하여 전기장 내에서 막의 변형이 일어나게 된다. FIG. 1 is a schematic view showing an operation principle of an ionic polymer-metal composite material. As shown in FIG. 1, the overall shape of a strip-type IPMC is shown in FIG. 1. The polymer electrolyte membrane having excellent ion- When an electric field is applied to the metal electrode, the volume of the side where the cation moves on the basis of the cation movement inside the ionic polymer membrane expands and is bent on the opposite side of the direction of the cation movement And deformation of the film occurs in the electric field due to the characteristics of such film.
IPMC 구동기의 성능은 변위(displacement), 힘(force), 응답속도(response rate), 작동 안정성(actuation stability) 등으로 표현되며, 고분자 전해질, 금속전극, 전해질/전극 계면, 내부 용액, 카운터 이온, 인가전압/주파수 등 다양한 요소들에 기인한다. The performance of an IPMC actuator is expressed by displacement, force, response rate, actuation stability, etc., and can be measured using a polymer electrolyte, a metal electrode, an electrolyte / electrode interface, Due to various factors such as applied voltage / frequency.
종래 IPMC 에 있어서, 고분자 전해질 막은 불소계 이온성 고분자인 Dupont사의 나피온(NafionTM)이 주로 사용되고 있으며, 금속 전극은 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 동(Cu) 등이 사용되었다. 이와 같은 금속 전극은 주로 무전해 도금법으로 제조되며, 무전해 도금법은 전처리 과정, 이온 흡착 과정, 환원 과정 등이 복잡하고 우수한 굽힘 성능을 얻기 위해서는 이들 과정을 5회 내지 7회 이상 반복해야 한다. 이에 따라 전극 적층 과정에서만 일주일 이상의 시간이 소요되며, 긴 제작 시간에 의해 발생할 수 있는 실험적 문제나 오차로 인해 일정한 성능, 예컨대, 낮은 표면 전기 저항, 일정한 전극의 표면 형상, 일정한 전극의 두께 및 전극과 고분자 사이의 계면 특성 등에 재현성을 갖는 전극을 갖는 구동기를 제작하는 데 어려움이 있다. 또한, 종래 TiO, MnO2, Fe2O3 등의 불투명한 소재로는 투명 전극을 구현하는 것에 어려움이 있었으며, 매우 높은 저항으로 인하여 우수한 전기 전도도를 나타내는 것에 어려움이 있었다. 고분자 필름 상에 카본 파우더 용액을 스프레이하여 유연한 전극을 형성하는 경우에도 상기 전극의 신축성에 한계가 있어 모션의 미세한 컨트롤에 어려움이 있었다. 또한, 종래 IPMC의 경우 구동을 위한 별도의 전원을 사용하였다.
In the conventional IPMC, Nafion ( TM ) of Dupont, a fluorine-based ionic polymer, is mainly used as the polymer electrolyte membrane. The metal electrode is made of platinum (Pt), gold (Au), silver (Ag) Respectively. Such a metal electrode is mainly manufactured by electroless plating. In the electroless plating process, the pretreatment process, the ion adsorption process, and the reduction process are complicated. In order to obtain excellent bending performance, these processes must be repeated 5 to 7 times or more. Therefore, it takes more than one week only in the electrode stacking process. Due to the experimental problems or errors caused by the long manufacturing time, it is possible to obtain a certain performance, for example, low surface electric resistance, constant electrode surface shape, It is difficult to fabricate a driver having an electrode having reproducibility in the interface characteristics between the polymers. In addition, conventional opaque materials such as TiO 2 , MnO 2 and Fe 2 O 3 have difficulty in realizing a transparent electrode and have difficulty in exhibiting excellent electric conductivity due to a very high resistance. Even when a flexible electrode is formed by spraying a carbon powder solution onto a polymer film, the elasticity of the electrode is limited and it is difficult to finely control the motion. Also, in the case of the conventional IPMC, a separate power source for driving is used.
본 발명은 태양 전지 모듈에서 발생하는 전원을 유연 구동기를 구동시키기 위한 전원으로 사용하는 새로운 구조의 태양전지 기반의 자가발전형 유연 투명 구동기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
An object of the present invention is to provide a solar cell-based self-generating type flexible transparent driver having a novel structure using a power generated from a solar cell module as a power source for driving a flexible actuator.
본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 The present invention has been made to solve the above problems
태양전지 모듈; 및Solar cell module; And
상기 태양 전지모듈과 전기적으로 연결되는 투명 유연 구동기 모듈;을 포함하고, 상기 태양 전지 모듈에서 발생되는 전압은 상기 투명 유연 구동기로 인가되고, 상기 투명 유연 구동기는 상기 태양 전지 모듈에서 발생되어 인가되는 전압에 의해 굽힘 변형되는 것인 태양전지 기반의 자가발전형 유연 투명 구동기를 제공한다. And a transparent flexible actuator module electrically connected to the solar cell module, wherein a voltage generated in the solar cell module is applied to the transparent flexible actuator, and the transparent flexible actuator drives a voltage Wherein the flexible transparent actuator is a solar cell-based self-generating type flexible transparent actuator.
도 2 및 도 3에 본 발명에 의한 태양전지 기반 자가발전형 투명 유연 구동기의 구조를 모식적으로 나타내었다. 도 2 및 도 3에서 보는 바와 같이 본 발명에 의한 태양전지 기반 자가발전형 유연 투명 구동기는 태양전지 모듈(200) 및 상기 태양 전지모듈과 전기적으로 연결되는 유연 투명 구동기 모듈(100)을 포함한다. FIGS. 2 and 3 schematically show the structure of a solar cell-based self-generating transparent flexible actuator according to the present invention. As shown in FIGS. 2 and 3, the solar cell-based self-generating type flexible transparent actuator according to the present invention includes a
도 2 및 도 3에서 보는 바와 같이 본 발명에 의한 태양전지 기반 자가발전형 투명 유연 구동기는 고분자 막(120) 및 상기 고분자 막의 일면 또는 양면에 배치된 그래핀 전극층(110, 130);을 포함하는 것을 특징으로 한다. As shown in FIGS. 2 and 3, the solar cell-based self-generating transparent flexible actuator according to the present invention includes a
본 발명에 의한 태양전지 기반 자가발전형 투명 유연 구동기에 있어서, 상기 그래핀 전극층은 단일층 또는 다층인 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의한 태양전지 기반 자가발전형 투명 유연 구동기에 있어서, 상기 그래핀 전극층의 제조 방법은 특별히 한정되지 않으며, 상기 그래핀 전극층의 층수 및 적층 방법을 달리함으로써 투과도 및 전기 전도도를 제어하는 것이 가능하다.In the solar cell based self-generating transparent flexible actuator according to the present invention, the graphene electrode layer may be a single layer or a multilayer. In the solar cell-based self-generated transparent flexible actuator according to the present invention, the method of manufacturing the graphene electrode layer is not particularly limited, and it is possible to control the transmittance and the electrical conductivity by varying the number of layers and the stacking method of the graphene electrode layer Do.
본 발명에 의한 태양전지 기반 자가발전형 투명 유연 구동기에 있어서, 상기 고분자 막은 PDMS(polydimethylsiloxane), 실리콘, 폴리우레탄, VHB(very high bond), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리씨오펜(polythiophene) 으로 이루어진 그룹에서 선택되는 어느 하나인 것인 것을 특징으로 한다. In the solar cell-based self-powered transparent flexible actuator according to the present invention, the polymer membrane may be formed of at least one selected from the group consisting of polydimethylsiloxane (PDMS), silicone, polyurethane, very high bond (VHB), polypyrrole, polyacetylene, polyaniline ), And polythiophene. [0027] The term " polythiophene "
본 발명에 의한 태양전지 기반 자가발전형 투명 유연 구동기에 있어서, 상기 태양전지 모듈은 비정질 규소(a-Si), 미세결정 규소(μc-Si), 카드뮴 텔루라이드 (CdTe), 구리 인듐 셀레나이드(CIS), 구리 인듐/갈륨 다이셀레나이드 (CIGS), 광 흡수 염료, 및 유기 반도체 기반 태양 전지로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 박막 태양 전지라면 제한 없이 사용할 수 있다. In the solar cell-based self-generating transparent flexible actuator according to the present invention, the solar cell module may include at least one of amorphous silicon (a-Si), microcrystalline silicon (μc-Si), cadmium telluride (CdTe), copper indium selenide CIS), copper indium / gallium di-selenide (CIGS), light absorbing dyes, and organic semiconductor based solar cells.
본 발명에 의한 태양전지 기반 자가발전형 투명 유연 구동기에 있어서, 상기 태양전지 모듈(200) 및 유연 투명 구동기 모듈(100)은 도 2에서 보는 바와 같이 하부에 태양전지 모듈, 상부에 유연 투명 구동기 모듈을 포함하거나, 도 3에서 보는 바와 같이 상부에 태양전지 모듈, 하부에 유연 투명 구동기 모듈을 포함하는 것이 가능하다. 본 발명에 의한 태양전지 기반 자가발전형 투명 유연 구동기에 있어서, 상기 태양전지 모듈은 상기 투명 유연 구동기를 투과층으로 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의한 태양전지 기반 자가발전형 투명 유연 구동기가 도 2에서 보는 바와 같이 하부에 태양전지 모듈, 상부에 유연 투명 구동기 모듈을 포함하는 구조의 경우 상기 유연 투명 구동기 모듈은 투명 고분자막 및 투명 그래핀 전극을 사용함으로써 태양광을 상기 태양전지 모듈까지 투과시킨다.2, the
본 발명에 의한 태양전지 기반 자가발전형 투명 유연 구동기는 도 2 및 도 3에서 보는 바와 같이 상기 태양전지모듈(200)과 상기 투명 유연 구동기 모듈(100) 사이에 투명 절연막(300)을 포함하고 일체형으로 적층되는 구조로 형성되는 것이 가능하다. 상기 투명 절연막은 예컨대, PET(polyethylene terephthalate) 필름을 사용할 수 있으며, 이외에도 PDMS(polydimethylsiloxane), 실리콘, 폴리우레탄 또는 VHB(very high bond)등의 상기 고분자막과 동일한 성능을 가지며 얇은 두께의 고분자막 또는 고분자 코팅법을 이용한 PMMA(polymethylmethacrylate), 셀룰로오스(cellulose), 보론 나이트라이드(boron nitride) 등의 고분자 층을 사용할 수 있다.
2 and 3, the solar cell based self-generating type transparent flexible actuator according to the present invention includes a transparent
본 발명에 의한 태양전지 기반의 자가발전형 유연 투명 구동기는 태양 전지모듈과 투명 유연 구동기 모듈을 전기적으로 연결하고, 투명 유연 구동기를 통과하는 빛이 상기 태양전지까지 도달하여 상기 태양 전지 모듈에서 발생되는 전압이 투명 유연 구동기로 인가되도록 함으로써 별도의 전원 없이 유연 투명 구동기의 구동이 가능하다.
The solar cell-based self-generating type flexible transparent actuator according to the present invention electrically connects the solar cell module and the transparent flexible actuator module, and the light passing through the transparent flexible driver reaches the solar cell, The voltage is applied to the transparent flexible actuator so that the flexible transparent driver can be driven without a separate power source.
도 1은 이온성 고분자-금속 복합재료의 동작 원리를 도시한 개략도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명에 의한 태양전지 기반 투명 유연 구동기의 모식도를 나타낸다. 1 is a schematic view showing an operation principle of an ionic polymer-metal composite material.
2 and 3 are schematic views of a solar cell-based transparent flexible actuator according to the present invention.
Claims (6)
상기 태양 전지모듈과 전기적으로 연결되는 투명 유연 구동기 모듈; 및
투명 절연막을 포함하고,
상기 태양 전지 모듈에서 발생되는 전압은 상기 투명 유연 구동기로 인가되고, 상기 투명 유연 구동기는 상기 태양 전지 모듈에서 발생되어 인가되는 전압에 의해 굽힘 변형되며,
상기 투명 유연 구동기 모듈, 상기 투명 절연막 및 상기 태양전지 모듈은 일체형으로 적층되는 것을 특징으로 하는 태양전지 기반의 자가발전형 유연 투명 구동기.
Solar cell module;
A transparent flexible driver module electrically connected to the solar cell module; And
And a transparent insulating film,
Wherein the voltage generated in the solar cell module is applied to the transparent flexible actuator, and the transparent flexible actuator is bent and deformed by a voltage generated and applied from the solar cell module,
Wherein the transparent flexible actuator module, the transparent insulating film, and the solar cell module are laminated integrally.
상기 투명 유연 구동기는
고분자 막;
상기 고분자 막의 일면 또는 양면에 배치된 그래핀 전극층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 기반의 자가발전형 유연 투명 구동기.
The method according to claim 1,
The transparent flexible actuator
Polymer membrane;
And a graphene electrode layer disposed on one side or both sides of the polymer film.
상기 고분자 막은 PDMS(polydimethylsiloxane), 실리콘, 폴리우레탄, VHB(very high bond), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리씨오펜(polythiophene) 으로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 태양전지 기반의 자가발전형 유연 투명 구동기.
3. The method of claim 2,
The polymer film may be at least one selected from the group consisting of polydimethylsiloxane (PDMS), silicon, polyurethane, very high bond (VHB), polypyrrole, polyacetylene, polyaniline, and polythiophene. Wherein the solar cell is a solar cell type self-generating type flexible transparent actuator.
상기 그래핀 전극층은 단일층 또는 다층인 것을 특징으로 하는 태양전지 기반의 자가발전형 유연 투명 구동기.
3. The method of claim 2,
Wherein the graphene electrode layer is a single layer or a multi-layered structure.
상기 태양전지 모듈은 비정질 규소 (a-Si), 미세결정 규소 (μc-Si), 카드뮴 텔루라이드 (CdTe), 구리 인듐 셀레나이드 (CIS), 구리 인듐/갈륨 다이셀레나이드 (CIGS), 광 흡수 염료 및 유기 반도체 기반 태양 전지로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 어느 하나의 박막 태양 전지를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 기반의 자가발전형 유연 투명 구동기.
The method according to claim 1,
The solar cell module may be formed of a material selected from the group consisting of amorphous silicon (a-Si), microcrystalline silicon (μc-Si), cadmium telluride (CdTe), copper indium selenide (CIS), copper indium / gallium di- Wherein the thin film solar cell comprises at least one thin film solar cell selected from the group consisting of a dye and an organic semiconductor based solar cell.
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