KR101529814B1 - 하이브리드 발전소자 - Google Patents
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Abstract
하이브리드 발전소자가 개시된다. 하이브리드 발전소자는 제1기판; 상기 제1기판 상의 하부 전극층; 상기 하부 전극층 상의 무기물 압전물질 및 유기물 중합체 매트릭스가 서로 혼합된 복합체인 압전체층; 상기 압전체층 상의 스페이서; 상기 스페이서 상에 위치하고, 상기 압전체층과 마찰에 의해 서로 대전되는 상부 전극층; 및 상기 상부 전극층 상의 제2기판을 포함한다.
Description
본 발명은 압력과 정전기를 이용하여 전기 에너지를 발생할 수 있는 소자에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 압력을 이용하여 전기 에너지를 발생하는 압전 에너지 발전소자와 정전기를 이용하여 전기 에너지를 발생하는 정전기 발전소자를 구비한 하이브리드 발전소자에 관한 것이다.
우리 주변에는 무한한 기계적 에너지(바람, 파도, 미세 진동 등)와 무한한 태양 에너지가 존재한다. 이러한 에너지들은 미래의 차세대 녹색 에너지로서 현재 주목을 받고 있다.
기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환시키는 압전 에너지 발전소자가 개발되어 이미 아스팔트에서 이용되고 있고(이스라엘의 경우), 건물 내장재 등에서도 향후 이용이 될 가능성이 높다. 압전 에너지 발전소자는 에너지 변환 효율이 크고, 소형 및 경량화가 가능하며, 나노기술과의 융합되는 경우, 친환경 에너지 관련 분야의 획기적인 기술 도약을 이끌 새로운 기술로 평가받고 있고, 이러한 추세에 따라, 압전 에너지 발전소자에 대한 관심이 증가하고 있다.
그러나, 압전 에너지 발전소자는 가해지는 압력이 작은 경우에는 발생하는 전기 에너지가 작다는 문제점이 있다. 또한, 압전 에너지 발전소자는 소자가 구부려(Bending)지거나, 진동되는 경우에만 전기적 에너지를 발전 시킬 수 있다는 한계가 있었다. 특히, 압전 에너지 발전소자에 큰 응력(압력)이 수직한 방향으로 가해지는 경우, 압전 에너지 발전소자를 구성하는 소재 또는 소재와 전극 사이의 계면이 파괴될 수 있어, 압전 에너지 발전소자의 기계적 안정성 및 신뢰성 문제가 있었다.
이에 본 발명자는 정전기를 이용한 발전소자를 압전 에너지 발전소자에 적용함으로써 가해지는 압력이 작은 경우에도 큰 전기 에너지를 발생할 수 있으며, 기계적 안정성 및 신뢰성도 향상시킬 수 있는 새로운 하이브리드 발전소자를 개발하게 되었다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 압력을 이용하여 전기 에너지를 발생하는 압전 에너지 발전소자와 정전기를 이용하여 전기 에너지를 발생하는 정전기 발전소자를 구비한 하이브리드 발전소자를 제공하는 것이다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 발전소자는 제1기판; 상기 제1기판 상의 하부 전극층; 상기 하부 전극층 상의 무기물 압전물질 및 유기물 중합체 매트릭스가 서로 혼합된 복합체인 압전체층; 상기 압전체층 상의 스페이서; 상기 스페이서 상에 위치하고, 상기 압전체층과 마찰에 의해 서로 대전되는 상부 전극층; 및 상기 상부 전극층 상의 제2기판을 포함할 수 있다.
또 다른 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 발전소자는 제1기판; 상기 제1기판 상의 하부 전극층; 상기 하부 전극층 상의 무기물 압전물질 및 유기물 중합체 매트릭스가 서로 혼합된 복합체인 압전체층; 상기 압전체층 상의 스페이서; 상기 스페이서 상에 위치하고, 상기 압전체층과 마찰에 의해 서로 대전되는 마찰 대전체; 상기 마찰 대전체 상의 상부 전극층; 및 상기 상부 전극층 상의 제2기판을 포함할 수 있다.
하나의 실시예로, 상기 무기물 압전물질은 상기 유기물 중합체 매트릭스 내에 랜덤(Random)하게 분산될 수 있고, 상기 무기질 압전물질은 육면체 형상일 수 있다.
하나의 실시예로, 상기 하부 전극층은 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 그래핀(Graphene), 카본나노튜브(Carbonnanotube) 및 인듐주석산화물(Indium Tin Oxide, ITO)로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
하나의 실시예로, 상기 무기물 압전물질은 아연주석산화물(ZnSnO3), 티탄산바륨(BaTiO3) 및 비스무스철산화물(BiFeO3)로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
하나의 실시예로, 상기 유기물 중합체는 폴리다이메틸실록세인(PolyDiMethylSiloxane, PDMS) 및 폴리메틸메타크릴레이트(PolyMethylMethAcrylate, PMMA)로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
하나의 실시예로, 상기 제1기판 및 상기 제2기판은 플렉시블 기판일 수 있고, 상기 하부 전극층과 상기 압전체층 사이에 위치하고, 전도성 물질로 형성된 보조층을 더 포함할 수 있다.
하나의 실시예로, 상기 압전체층은 상기 압전체층의 총 중량에 대해, 상기 무기물 압전 물질의 함량이 35 내지 45 wt%일 수 있다.
상기와 같은 본 발명은, 무기물 압전물질 및 유기물 중합체가 혼합된 복합체를 이용함으로써, 수직으로 큰 응력(압력)이 가해지는 경우에도 높은 기계적 안정성과 신뢰성을 확보할 수 있다.
또한, 종래의 압전 에너지 발전소자에 비하여 가해지는 압력의 크기에 상관없이 지속적으로 큰 전기 에너지를 발생할 수 있다.
또한, 압력을 이용하여 전기 에너지를 발생하는 압전 에너지 발전소자와 정전기를 이용하여 전기 에너지를 발생하는 정전기 발전소자를 하이브리드하여 양 소자의 단점을 각각 보완하고 시너지 효과를 낼 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 발전소자를 설명하기 위한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 발전소자의 출력전압을 나타낸 그래프이다.
도 3은 징크 설페이트 헵타하이드레이트와 소듐 스테네이트의 반응 온도에 따라 형성된 아연주석산화물 입자의 형상을 설명하기 위한 사진들이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 발전소자의 출력전압을 나타낸 그래프이다.
도 3은 징크 설페이트 헵타하이드레이트와 소듐 스테네이트의 반응 온도에 따라 형성된 아연주석산화물 입자의 형상을 설명하기 위한 사진들이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 발전소자를 설명하기 위한 개념도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 발전소자(100)는 제1기판(10), 하부 전극층(20), 압전체층(30), 스페이서(40), 상부 전극층(50) 및 제2기판(60)을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 발전소자(100)는 제1기판(10), 하부 전극층(20), 압전체층(30), 스페이서(40), 마찰 대전체, 상부 전극층(50) 및 제2기판(60)을 포함할 수 있다.
마찰 대전체는 압전체층(30)과 마찰에 의하여 서로 대전될 수 있는 물질로서, 마찰 대전체가 전도성도 가지고 있는 경우에는 전극의 역할을 수행할 수 있어 상부 전극층(50)은 마찰 대전체를 대체할 수 있다. 그러나, 마찰 대전체가 전도성을 가지고 있지 않은 경우에는 전극의 역할을 수행할 수 없어 별도의 상부 전극층(50)을 포함할 수 있다.
이하에서는 상부 전극층(50)이 압전체층(30)과 마찰에 의하여 서로 대전될 수 있고, 전도성을 가지고 있는 경우의 실시예를 기초로하여 설명하기로 하고, 마찰 대전체를 포함하는 경우에는 별도의 추가설명을 하기로 한다.
제1기판(10)은 플렉시블 기판일 수 있고, 제1기판(10) 상의 하부 전극층(20)을 지지할 수 있다. 일 예로 제1기판(10)은, 폴리에틸렌나프타레이트(PolyEthylenNaphthalate, PEN)이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
하부 전극층(20)은 제1기판(10) 상에 위치할 수 있고, 도전성 물질로 형성될 수 있다. 하부 전극층(20)은 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 그래핀(Graphene), 카본나노튜브(Carbonnanotube) 및 인듐주석산화물(Indium Tin Oxide, ITO)로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 발전소자(100)는 하부 전극층(20)과 압전체층(30) 사이에 위치하고, 하부 전극층(20) 및 압전체층(30)과 접합하며, 전도성 물질로 형성된 보조층(미도시)을 더 포함할 수 있다. 일 예로, 보조층은 전도성의 특성을 가진 크롬(Cr)이 사용될 수 있다. 이는, 하부 전극층(20)이 압전체층(30)에 더욱 잘 접착될 수 있도록 하기 위함이다.
압전체층(30)은 상기 하부 전극층 상에 위치할 수 있고, 무기물 압전물질 및 유기물 중합체 매트릭스가 서로 혼합된 복합체로 형성될 수 있다.
무기물 압전물질은 유기물 중합체 매트릭스 내에 랜덤(Random)하게 분산될 수 있다. 무기물 압전물질은 나노(Nano) 스케일의 크기를 갖고, 육면체 형상을 가질 수 있다. 예를 들면, 무기물 압전물질은 장변(edge size)의 길이가 약 100 내지 200nm인 육면체 형상을 가질 수 있다. 또한 무기물 압전물질은 페로브스카이트 구조를 가질 수 있다.
일 예로, 무기물 압전 물질은 아연주석산화물(ZnSnO3), 티탄산바륨(BaTiO3) 및 비스무스철산화물(BiFeO3) 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 무기물 압전 물질이 아연주석산화물(ZnSnO3)인 경우, 무기물 압전 물질은 징크 설페이트 헵타하이드레이트(ZnSO4·7H2O) 수용액과 소듐 스테네이트 수용액(Na2SnO3)을 혼합하고, 소정 온도에서 아연주석산화물 반응을 유도함으로써 형성할 수 있다. 징크 설페이트 헵타하이드레이트와 소듐 스테네이트의 반응 온도는 생성되는 아연주석산화물의 형상에 크게 영향을 미친다. 이에 대해서는 도 3을 참조하여 설명하기로 한다.
일 예로, 유기물 중합체는 폴리다이메틸실록세인(PolyDiMethylSiloxane, PDMS) 및 폴리메틸메타크릴레이트(PolyMethylMethAcrylate, PMMA) 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
압전체층(30)에 있어서, 무기물 압전 물질은 복합체 전체 중량에 대해 약 35 내지 45 wt%로 혼합될 수 있다. 일 예로, 무기물 압전 물질은 복합체 전체 중량에 대해 약 40 wt%로 혼합될 수 있다. 무기물 압전 물질의 함량이 35 wt% 미만인 경우, 유기물 중합체에 의한 스트레인(strain) 흡수량이 많아 하이브리드 발전소자(100)의 출력값이 저하될 수 있고, 무기물 압전 물질의 함량이 45 wt%를 초과하는 경우, 복합체의 전기 절연이 파괴되어 하이브리드 발전소자(100)의 출력값이 저하될 수 있다.
또한, 복합체 전체 중량에 대한 무기물 압전 물질의 함량은 변경이 가능하고, 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 발전소자(100)의 사용환경에 따라 적절히 변경될 수 있다.
스페이서(40)는 압전체층(30) 상에 위치할 수 있다. 스페어서(40)는 압전체층(30)과 상부 전극층(50)이 서로 일정거리 이격되게 할 수 있다. 이는 압전체층(30)과 상부 전극층(50)이 서로 마찰될 수 있도록 하기 위함이다. 또한, 마찰 대전체를 포함하는 경우에는 스페이서(40)는 압전체층(30)과 마찰 대전체를 서로 일정거리 이격되게 할 수 있다.
스페이서(40)는 압전체층(30)과 상부 전극층(50)이 마찰에 의하여 서로 대전될 수 있도록 비전도성의 재질일 수 있다. 또한, 스페이서(40)는 압전체층(30)과 마찰 대전체가 마찰에 의하여 서로 대전될 수 있도록 비전도성의 재질일 수 있다.
일 예로 상부 전극층(50)은 알루미늄(Al)이 사용될 수 있지만, 상부 전극층(50)과 압전체층(30)이 서로 마찰되어 정전기가 발생하는 경우라면, 상부 전극층(50)과 압전체층(30)의 재질은 변경이 가능하다. 또한, 압전체층(30)과 상부 전극층(50)은 서로 마찰에 의하여 정전기가 가장 크게 발생할 수 있는 재질로 선택되는 것이 바람직하다. 이는 발생되는 전기 에너지를 크게 하기 위함이다.
마찰 대전체를 포함하는 경우에는 마찰 대전체와 압전체층(30)이 서로 마찰되어 정전기가 발생하는 경우라면, 마찰 대전체와 압전체층(30)의 재질은 변경이 가능하다. 또한, 압전체층(30)과 마찰 대전체는 서로 마찰에 의하여 정전기가 가장 크게 발생할 수 있는 재질로 선택되는 것이 바람직하다. 이는 발생되는 전기 에너지를 크게 하기 위함이다.
일 예로, 스페이서(40)는 압전체층(30)의 양 단에서 각각 돌출되어 상부 전극층(50)을 지지함으로써 압전체층(30)과 상부 전극층(50)이 서로 일정거리 이격되게 할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
압전체층(30)과 상부 전극층(50)이 서로 마찰되는 경우, 압전체층(30)과 상부 전극층(50) 중 어느 하나는 양전하(+)로 대전되고 다른 하나는 음전하(-)로 대전될 수 있다.
압전체층(30)과 상부 전극층(50)이 서로 다른 전하로 대전되는 경우, 압전체층(30)과 상부 전극층(50) 사이에는 전위차가 발생하게 되고, 이러한 전위차에 의하여 전기 에너지가 발생될 수 있다.
예를 들면, 마찰에 의하여 압전체층(30)은 양전하(-)로 대전되고, 상부 전극층(50)이 음전하(+)로 대전되는 경우, 압전체층(30)과 상부 전극층(50)을 전기적으로 연결하게 되면, 압전체층(30)의 음전하가 상부 전극층(50)으로 흐르게 되어 전류는 상부 전극층(50)에서 압전체층(30)으로 흐르게 된다. 이러한 원리를 통하여 하이브리드 발전소자(100)는 전기 에너지를 발생할 수 있다.
상기 원리는 마찰 대전체와 압전체층(30) 사이에도 적용될 수 있다. 마찰 대전체가 압전체층(30)과 마찰에 의하여 서로 다른 전하로 대전되는 경우, 상부 전극층(50)을 통하여 압전체층(30)과 마찰 대전체 사이의 전하의 이동이 가능하다.
상부 전극층(50)은 스페이서(40) 상에 위치할 수 있고, 도전성 물질로 형성될 수 있다. 또한 상부 전극층(50)은 압전체층(30)과 서로 마찰될 수 있다.
일 예로 상부 전극층(50)은 알루미늄(Al)이 사용될 수 있지만, 상부 전극층(50)과 압전체층(30)이 서로 마찰되어 정전기가 발생하는 경우라면, 상부 전극층(50)과 압전체층(30)의 재질은 변경이 가능하다. 또한, 압전체층(30)과 상부 전극층(50)은 서로 마찰에 의하여 정전기가 가장 크게 발생할 수 있는 재질로 선택되는 것이 바람직하다. 이는 발생되는 전기 에너지를 크게 하기 위함이다.
또한, 압전체층(30)과 상부 전극층(50)이 서로 마찰될 수 있도록 압전체층(30)과 상부 전극층(50)은 각각 플렉시블(Felexible) 재질일 수 있다.
마찰 대전체를 포함하는 경우에는 상부 전극층(50)은 마찰 대전체 상에 위치할 수 있고, 도전성 물질로 형성될 수 있다. 또한, 압전체층(30)과 마찰 대전체가 서로 마찰될 수 있도록 압전체층(30)과 마찰 대전체는 각각 플렉시블(Felexible) 재질일 수 있다.
제2기판(60)은 상부 전극층 상에 위치할 수 있고, 플렉시블 기판일 수 있다. 또한, 제2기판(60)은 제2기판(60) 하의 상부 전극층(50)을 지지할 수 있다. 일 예로 제2기판(60)은, 폴리에틸렌나프타레이트(Polyethylenephthalate, PET)이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 발전소자의 출력전압을 나타낸 그래프이다.
도 2를 참조하면, 압력이 증가할수록 Hybrid라고 표시된 하이브리드 발전소자(100)의 출력전압이 Tribo라고 표시된 정전기 발전소자의 출력전압 및 Piezo라고 표시된 압전 에너지 발전소자 각각의 출력전압보다 높은 것을 확인할 수 있다.
따라서, 압력이 높은 환경에서 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 발전소자(100)를 사용하는 것이 전기 에너지를 발생하는데 더욱 효율적이다.
도 3은 징크 설페이트 헵타하이드레이트와 소듐 스테네이트의 반응 온도에 따라 형성된 아연주석산화물 입자의 형상을 설명하기 위한 사진들이다.
도 3을 참조하면, 실온(Room Temperature; RT), 40℃ 및 80℃에서 징크 설페이트 헵타하이드레이트와 소듐 스테네이트를 반응시켜 아연주석산화물을 각각 합성하였다.
실온(RT)에서 합성된 아연주석산화물은 모서리가 둥근 형상으로 합성되었고, 40℃에서 합성된 아연주석산화물은 실온에서 합성된 아연주석산화물보다 모서리가 좀 더 각진 형상으로 합성되었다. 80℃에서 합성된 아연주석산화물은 모서리가 각진 형상이고, 육면체 형상으로 합성되었다.
즉, 반응시키는 온도가 증가할수록 육면체 형상의 아연주석산화물이 더욱 잘 합성되는 것을 확인할 수 있었고, 80℃ 이상에서 가장 완벽한 육면체 형상을 가짐을 확인할 수 있었다. 따라서, 아연주석산화물은 80℃ 이상에서 합성되는 것이 바람직하다.
이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
10: 제1기판 20: 하부 전극층
30: 압전체층 40: 스페이서
50: 상부 전극층 60: 제2기판
30: 압전체층 40: 스페이서
50: 상부 전극층 60: 제2기판
Claims (10)
- 제1기판;
상기 제1기판 상의 하부 전극층;
상기 하부 전극층 상의 무기물 압전물질 및 유기물 중합체 매트릭스가 서로 혼합된 복합체인 압전체층;
상기 압전체층 상의 스페이서;
판 형상이고, 양 단부가 각각 상기 스페이서 상에 위치하고, 외부에서 압력이 가해지는 경우 상기 압전체층과 마찰되며, 상기 압전체층과 서로 대전될 수 있는 물질로 이루어진 상부 전극층; 및
상기 상부 전극층 상의 제2기판을 포함하고,
상기 무기물 압전물질은 육면체 형상이고, 상기 유기물 중합체 매트릭스 내에 랜덤(Random)하게 분산되어 있으며, 상기 압전체층의 총 중량에 대해 상기 무기물 압전 물질의 함량이 35 내지 45 wt%인, 하이브리드 발전소자.
- 제1기판;
상기 제1기판 상의 하부 전극층;
상기 하부 전극층 상의 무기물 압전물질 및 유기물 중합체 매트릭스가 서로 혼합된 복합체인 압전체층;
상기 압전체층 상의 스페이서;
판 형상이고, 양 단부가 각각 상기 스페이서 상에 위치하고, 외부에서 압력이 가해지는 경우 상기 압전체층과 마찰되며, 상기 압전체층과 서로 대전될 수 있는 물질로 이루어진 마찰 대전체;
상기 마찰 대전체 상의 상부 전극층; 및
상기 상부 전극층 상의 제2기판을 포함하고,
상기 무기물 압전물질은 육면체 형상이고, 상기 유기물 중합체 매트릭스 내에 랜덤(Random)하게 분산되어 있으며, 상기 압전체층의 총 중량에 대해 상기 무기물 압전 물질의 함량이 35 내지 45 wt%인, 하이브리드 발전소자.
- 삭제
- 삭제
- 제1항 또는 제2항 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 하부 전극층은,
금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 그래핀(Graphene), 카본나노튜브(Carbonnanotube) 및 인듐주석산화물(Indium Tin Oxide, ITO)로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함하는, 하이브리드 발전소자.
- 제1항 또는 제2항 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 무기물 압전물질은, 아연주석산화물(ZnSnO3), 티탄산바륨(BaTiO3) 및 비스무스철산화물(BiFeO3)로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함하는, 하이브리드 발전소자.
- 제1항 또는 제2항 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 유기물 중합체는,
폴리다이메틸실록세인(PolyDiMethylSiloxane, PDMS) 및 폴리메틸메타크릴레이트(PolyMethylMethAcrylate, PMMA)로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함하는, 하이브리드 발전소자.
- 제1항 또는 제2항 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 제1기판 및 상기 제2기판은 플렉시블 기판인, 하이브리드 발전소자.
- 제1항 또는 제2항 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 하부 전극층과 상기 압전체층 사이에 위치하고, 전도성 물질로 형성된 보조층을 더 포함하는, 하이브리드 발전소자.
- 삭제
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