KR101729149B1 - 환경 진동에 의해 구동되는 하이드로젤 기반의 넓은 대역폭의 에너지 하베스터 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 외부 환경의 진동으로부터 전기적 에너지로 효과적인 재활용을 하는 하이드로젤 기반의 에너지 하베스터에 관한 것으로서, 더욱 자세하게는 에너지 하베스터의 작동 메카니즘은 전기적 이중층 커패시터 개념에 기반을 두며 커패시터 사이에 하이드로젤이 위치하여 주변 진동으로부터 에너지를 수확(harvesting)하는 구조이다.
본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 종래 액적(water droplet) 기반 에너지 하베스터의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 액적에 기반한 에너지 하베스터의 대역폭이 30Hz 이하로 제한되는 문제가 있어서 대부분의 실제 응용에서의 주파수 범위를 만족할 수 없고, 또한 물이 상온에서 증발하는 성질 때문에, 에너지 하베스터를 신뢰성 있게 만들고 실제로 응용하기에는 제한되는 문제점이 있었다. 본 발명은 이러한 문제점의 해결방법을 제공한다.
본 발명에 의하면, 우수한 유연성과 탄성 때문에 하이드로젤은 액적(water droplet)이 견디는 것보다 더 높은 진동을 견딜 수 있다. 그러므로 하이드로젤 기반의 에너지는 더 넓은 운영상 진동 대역폭을 가지게 되고, 더 신뢰성을 갖게 되는 효과를 보인다. 이로 인해 다양한 분야에 이용될 가능성이 있다.
구체적으로는, 실현가능성을 보기 위한 실험에서 0~120 Hz의 넓은 진동 대역폭을 이용하였고, 평균 출력 전압은 단일 하이드로젤에 대해 100mV까지 측정되었다. 어레이 형식으로 배열된 하이드로젤 기반의 에너지 하베스터에 의해 LCD 스크린을 작동시키는 것도 가능한 것을 확인하였다.

Description

환경 진동에 의해 구동되는 하이드로젤 기반의 넓은 대역폭의 에너지 하베스터 { A Hydrogel-based Energy Harvester with Broad Bandwidth Driven by Ambient Vibration}
본 발명은 외부 환경의 진동으로부터 전기적 에너지로 효과적인 재활용을 하는 하이드로젤 기반의 에너지 하베스터에 관한 것으로서, 더욱 자세하게는 에너지 하베스터의 작동 메카니즘은 전기적 이중층 커패시터 개념에 기반을 두며 커패시터 사이에 하이드로젤이 위치하여 주변 진동으로부터 에너지를 수확(harvesting)하는 구조이다.
에너지 하베스터란 자연상태에서 변형 또는 소멸되는 에너지를 획득하여 가용의 에너지 형태로 변환하는 장치를 일컫는 것으로, 버려지는 에너지를 수집한다는 의미에서 에너지 스캐빈저(energy scavenger)라고도 불리운다.
에너지 하베스터는 그 용어 자체의 사용이 비교적 근래이 이루어졌을 뿐, 인류가 고대로부터 사용하던 에너지획득 방식과 일맥상통하는 것으로, 수차(水車)나 풍차(風車)도 광의의 에너지 하베스터라 할 수 있으나, 수력발전 또는 풍력발전 등 대규모 설비를 필요로 하는 산업용 발전시설과의 구분을 위하여 비교적 간소한 구성으로 단위 장치당 소량의 전력을 생산하는 수단을 협의의 에너지 하베스터로 구분하고 있다.
최근에는 전세계는 무공해 대체 에너지의 개발에 역점을 두고 있다. 대체 에너지의 예로는 태양, 열, 풍력, 진동 등과 같이 주변에서 얻을 수 있는 하베스팅 에너지원이 있다. 하베스팅 에너지 기술은 주변 환경에서 에너지를 추출해내는 동안 오염물질의 배출이 없는 친환경 녹색 기술로서, 소량의 전력으로 구동될 수 있는 저전력 통신기기, 센서 네트워크, 체내 삽입형 기기, 모바일 기기 등이 주된 응용분야이다.
하지만 상술한 대체 에너지 중, 태양이나 열, 풍력 등을 이용한 발전 방법은 아직까지 변환효율이 높지 않으면서 설비 및 관리비용도 적지 않게 소요되고 있다. 아울러 이러한 에너지 발전 방법은 휴대용, 착용식 및 이동형 소형 전자기기의 에너지원으로는 한계가 있다.
반면, 진동을 이용한 에너지 변환 방법은 특히 소형 전원 소자로 적용이 가능하고, 기기가 외부에 노출될 필요가 없어 장비에 부착하거나 삽입이 유리하다는 이점이 있다. 또한 시간과 장소의 제약 없이 지속적인 사용이 가능하다는 잠재적 가능성으로 인해 소형 전자기기나 무선 센서노드(WSN: Wireless Sensor Nodes) 및 의료용 기기 등의 전원장치로 사용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.
진동을 이용하여 에너지를 수집하는 대표적 발전기술에는 소재와 변환 방식에 따라 압전식(piezoelectric), 전자기식(electromagnetic) 및 정전식(electrostatic)으로 구분한다.
압전식은 PZT 또는 PVDF(폴리피닐덴디플루오리드)와 같은 압전 물질이 사용되며, 소형화가 용이하고 외부 전원이 불필요하다. 그러나 높은 임피던스와 수백 ㎐의 높은 주파수에서 동작하며 외부에서 순간적으로 들어오는 강한 충격에 쉽게 압전 물질이 파손될 수 있는 위험성이 존재한다.
전자기식은 유도코일(induction coil)과 영구자석(permanent magnet) 사이의 상대적인 움직임을 이용하는 방식이다. 전자기식은 구조 및 제작이 간단하나 집적화가 어렵고 출력 전압레벨이 매우 낮은 단점이 있다.
한편 정전식은 MEMS(micro electromechanical system) 제조공정에 따라 집적화가 용이하지만 낮은 에너지 변환효율과 초기에 외부 전압원이 필요로 하기 때문에 소형 전원으로 적합하지 않다는 단점이 있었다. 하지만 일상 생활에서 발생하는 진동 주파수가 100 ㎐ 미만의 영역이라는 점을 고려한다면 진동형 에너지 하베스터는 전자기식의 저 주파수로 설계되는 것이 바람직한데, 정전식은 이러한 낮은 일상 생활 주파수 진동을 이용할 수 있다.
최근에는 정전식 진동에너지 하베스터와 관련하여, 액적(water droplet)을 사용하여 진동 환경에서 전기를 발생시키는 방법이 제안되었다. 불행하게도, 이러한 방법은 높은 주파수로 인한 여기(exitation) 상태에서 일어나는 유체역학적 효과에 의한 수분 가교(water bridge)의 변형 현상 때문에, 에너지 하베스터의 기반이 되는 이들 액적의 진동 대역폭이 30Hz이하로 매우 제한된다. 또한, 물이 상온에서 증발하는 성질 때문에 에너지 하베스터의 기반이 되는 물을 이용하는 것이 제한된다.
관련 종래 기술의 예로 Ender Yildirim의 논문 "Elecrostatic energy harvesting by droplet-based multi-phase microfluidics"에서 두 개의 위상(phase)과 서로 다른 유전율을 갖는 마이크로플로우를 이용해 에너지 수확(harvesting) 효율을 높이는 기술을 공개한 바 있다. 하지만 water droplet을 이용하기 때문에 갖는 대역폭의 단점 등은 여전히 극복하지 못한 한계점이 있었다.
이러한 한계점을 극복하고 우수한 성능을 얻고자, 액적(water droplet)이 아닌 하이드로젤 기반의 새로운 에너지 하베스터 디자인을 모색하여 발명을 완성하였다.
우수한 유연성과 탄성 특성 때문에 하이드로젤은 액적이 견디는 것보다 더 높은 진동을 견딜 수 있어서, 하이드로젤 기반의 에너지 하베스터는 더 넓은 운영 대역폭을 가지게 되고, 수분증발을 최소화하는 것이 가능하기 때문에 더 높은 신뢰성을 갖게 된다. 이렇게 개선된 특성으로 인해 다양한 분야에 이용될 가능성이 있게 된다.
본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 종래 액적(water droplet) 기반 에너지 하베스터의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 액적에 기반한 에너지 하베스터의 대역폭이 30Hz 이하로 제한되는 문제가 있어서 대부분의 실제 응용에서의 주파수 범위를 만족할 수 없고, 또한 물이 상온에서 증발하는 성질 때문에, 에너지 하베스터를 신뢰성 있게 만들고 실제로 응용하기에는 제한되는 문제점이 있었다. 본 발명은 이러한 문제점의 해결방법을 제공한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 나란히 마주보며 사이에 일정한 간격을 둔 2개의 전도성 평판; 상기 2개의 전도성 평판 중 하나의 전도성 평판에 위치하고, 상기 간격을 향한 표면의 유전물질 층; 상기 간격에 위치하고, 상기 2개의 전도성 평판 중 유전물질 층이 없는 전도성 평판에 접하는 1개 이상의 하이드로젤; 및 상기 2개의 전도성 평판을 연결하는 전선을 포함하는, 환경 진동을 이용하는 에너지 하베스터를 제공한다.
상기 전도성 평판은 금속인 것을 특징으로 한다.
상기 금속은 알루미늄인 것을 특징으로 한다.
상기 유전물질은 PTFE(Polytetrafluoroethene)인 것을 특징으로 한다.
상기 1개 이상의 하이드로젤은 어레이 형태로 배열된 것을 특징으로 한다.
상기 하이드로젤은 반구형(hemispherical)이며, 상기 2개의 전도성 평판 중 유전물질 층이 있는 전도성 평판에 반구의 상면이 접하는 것을 특징으로 한다.
상기 하이드로젤은 직육면체형(cuboid)이며, 상기 2개의 전도성 평판 중 유전물질 층이 있는 전도성 평판에는 접하지 않고, 유전물질 층이 없는 전도성 평판에 부착된 상태인 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 제 1항의 환경 진동을 이용하는 에너지 하베스터를 포함하는 무전지 센서를 제공한다.
본 발명에 의하면, 우수한 유연성과 탄성 때문에 하이드로젤은 액적(water droplet)이 견디는 것보다 더 높은 진동을 견딜 수 있다. 그러므로 하이드로젤 기반의 에너지는 더 넓은 운영상 진동 대역폭을 가지게 되고, 더 신뢰성을 갖게 되는 효과를 보인다. 이로 인해 다양한 분야에 이용될 가능성이 있다.
구체적으로는, 실현가능성을 보기 위한 실험에서 0~120 Hz의 넓은 진동 대역폭을 이용하였고, 평균 출력 전압은 단일 하이드로젤에 대해 100mV까지 측정되었다. 어레이 형식으로 배열된 하이드로젤 기반의 에너지 하베스터에 의해 LCD 스크린을 작동시키는 것도 가능한 것을 확인하였다.
도 1은 본 발명에 의한 하이드로젤 기반 에너지 하베스터의 작동 원리와 회로 개념도
도 2는 본 발명에 의한 하이드로젤 기반 에너지 하베스터와 액적(water droplet) 기반 에너지 하베스터의 작동 원리와 회로 비교도
도 3은 본 발명의 에너지 하베스터 구조에서, 하이드로젤과 액적을 사용한 경우에 대해, 다양한 유전(dielectric) 물질을 사용했을 때의 정적 인력(static attraction force)를 비교한 그래프
도 4는 하이드로젤과 액적의 다른 습도 환경에서 증발 성질을 비교한 그래프
도 5는 하이드로젤 기반 에너지 하베스터의 진동 주파수 대역폭과 출력 성능 특성을 측정하기 위한 실험 장치 묘사도
도 6은 액적 기반 에너지 하베스터와 하이드로젤 기반 에너지 하베스터의 출력 전압 성능을 주파수에 따라 비교한 그래프
도 7은 60Hz에서 하이드로젤 기반 에너지 하베스터의 부하 최적화를 위한 실험 결과 그래프
도 8은 어레이 형상의 하이드로젤 기반 에너지 하베스터에 의해 LCD 스크린을 밝히는 구조 개념도
도 9는 어레이 형상의 하이드로젤 기반 에너지 하베스터에서 하이드로젤 숫자에 따라 출력 전압의 피크가 높아지는 것을 보인 그래프
도 10은 (a)반구형(hemispherical) 하이드로젤을 사용한 경우와 (b)직육면체형(cuboid) 하이드로젤을 사용한 경우의, 출력전압과 전하량 에너지를 상호 비교한 그래프
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
일 관점에서 본 발명은, 나란히 마주보며 사이에 일정한 간격을 둔 2개의 전도성 평판; 상기 2개의 전도성 평판 중 하나의 전도성 평판에 위치하고, 상기 간격을 향한 표면의 유전물질 층; 상기 간격에 위치하고, 상기 2개의 전도성 평판 중 유전물질 층이 없는 전도성 평판에 접하는 1개 이상의 하이드로젤; 및 상기 2개의 전도성 평판을 연결하는 전선을 포함하는, 환경 진동을 이용하는 에너지 하베스터를 제공한다.
상기 전도성 평판은 금속일 수 있다.
상기 금속은 전도율이 높고 가벼운 알루미늄이 적절하다. 단, 알루미늄이 아닌 다른 금속도 적용 가능하다.
상기 유전물질은 PTFE(Polytetrafluoroethene)일 수 있다. PDMS(Polydimethylsiloxane)도 유전물질로 사용 가능하지만 PTFE(Polytetrafluoroethene)가 더 우수한 유전효과를 나타낸다.
상기 1개 이상의 하이드로젤은 어레이 형태로 배열될 수 있다. 어레이 형태로 배열되면 출력 전압을 높일 수 있다. 다수의 하이드로젤은 다수의 전하를 보유할 수 있다.
상기 하이드로젤은 반구형(hemispherical)일 수 있다. 속이 차 있는 반구형 하이드로젤일 때, 환경 진동을 효과적으로 이용할 수 있고 많은 전하량을 가질 수 있다. 이 때 2개의 전도성 평판 중 유전물질 층이 있는 전도성 평판에 반구의 상면이 접하고 반구의 하면은 유전물질 층이 없는 전도성 평판에 부착된 상태가 된다.
상기 하이드로젤은 직육면체형(cuboid)일 수 있다. 측면에서 보면 스퀘어(square) 형태인 직육면체형(cuboid) 하이드로젤을 이용하면, 출력전압을 순간적으로 높게 만들 수 있다. 이 때 2개의 전도성 평판 중 유전물질 층이 있는 전도성 평판에는 접하지 않고, 유전물질 층이 없는 전도성 평판에 부착된 상태가 된다.
상기 하이드로젤은 캡슐화될 수 있다. 캡슐화된 하이드로젤은 증발 가능성이 낮아져서 하이드로젤 기반 에너지 하베스터의 안정성과 실용성을 높일 수 있다.
상기 환경 진동은 0~120 Hz의 넓은 대역폭을 가질 수 있다. 액적(water droplet) 기반의 에너지 하베스터가 30Hz이상의 진동 주파수를 이용하지 못하는 것과 비교된다.
다른 관점에서 본 발명은, 상기 환경 진동을 이용하는 에너지 하베스터를 포함하는 무전지 센서를 제공한다. 이러한 무전지 센서는 WSN(Wireless Sensor Nodes) 같은 무선 센서노드 및 의료용 기기 등의 전원장치로 사용될 수 있다.
이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 그 구성 및 작용을 설명한다. 이 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
(도 1)의 (a)와 (b)에서 볼 수 있는 바와 같이, 반구 형태의 하이드로젤은 두 개의 평행한 전도성 평판 사이에 가교(bridge)로서 위치한다. 두 개의 평행한 전도성 평판 간의 거리는 수직 방향의 환경 진동에 의해 조절될 수 있다. 상층 전도성 평판의 하이드로젤과 맞닿는 표면에는 얇은 유전체(dielectric) 층이 코팅된다. 이러한 형상으로 두 개의 EDLC 커패시터가 하이드로젤과 전도성 평판 사이에서 형성된다. 이 경우 상층과 하층 평판 사이의 비평형(non-equilibrium) 정전용량(capacitance)이 존재하게 되고, 두 평판 사이에 전압차이가 발생하게 된다. 그렇게 함으로써, 전기를 발생시켜 사용할 수 있게 된다. 이러한 에너지 하베스터의 출력 전류와 전압을 측정하기 위해, 부하저항 RL을 두 개의 커패시터 사이에 연결시킨다. 규칙적 진동을 하는 시기 동안, 커패시터의 상층 평판과 하이드로젤 AT 사이의 접촉면은 변화하게 된다. 반대로 작은 접촉각 때문에 하층 평판과 하이드로젤 AB 사이의 접촉면은 거의 변화가 없게 된다. 만약 두 개의 커패시터 CT와 CB가 접촉면 AT와 AB에 따라 선형으로 증가한다고 하면 다음과 같은 식에 따를 것이다.
Figure 112015094078479-pat00001
Figure 112015094078479-pat00002
식에서 d와 εP는 각각 두께와 유전체(dielectric) 층의 유전상수이다. λP는 상층 EDL의 폭이며, ε d 는 하이드로젤의 유전상수를 나타낸다. d /εP 값이 λP /ε d 값보다 매우 크다는 것을 감안하면, 식 (1)의 근사계산은 들어맞게 된다. 그러므로 도 1 (c)와 (d)에 표현된 대로의 회로 모델과 동등한 회로에서, CT과 CB는 하층 전도 평판의 수직 운동 동안 밸런스가 맞지 않게 된다. 이로 인해 상층 평판과 하층 평판 사이에 전압의 비평형(non-equilibrium) 상태가 야기된다. 이런 경우, 전하는 연결된 부하 저항을 통해 재분배되고, 주변 환경의 진동 상태로부터 전기가 생성될 수 있는 것이다. (도 1)의 (c)와 (d)는 이러한 전류 생성 과정을 보인다. 상부 EDLC의 주기적 변화로 인해 상부 EDLC에 저장되는 총 전하가 변화된다. 따라서 하부 EDLC에서 상부 EDLC로 자유 전하가 흘러가게 되고(상부 EDLC 전하의 증가) 또는 상부 EDLC에서 하부 EDLC로 자유 전하가 흘러가게 된다(상부 EDLC 전하의 감소). 평형 상태로 돌아가기 위해 진동 과정에서 전자가 상층 전도성 평판과 하층 전도성 평판 사이를 반복적으로 이동하게 되고, 이러한 과정에서 교류 전기가 발생된다.
상층 전도성 평판과 하층 전도성 평판은 일정한 전하량을 가지고 있고 하이드로젤 내부 역시 또 다른 일정한 전하량을 가지고 있다. 하층 전도성 평판의 경우 하이드로젤과의 접촉면적 변화가 상대적으로 작기 때문에 외부에서 충격이 있더라도 하층 전도성 평판 전극이 가지는 전하량은 일정하다. 하지만 상층 전도성 평판의 경우 외력에 의해 하이드로젤과 접촉하는 면적이 달라지며 이에 따라 상층 전도성 평판 전극에서의 전하량이 변화하게 된다. 즉 외력에 의해 상층 전도성 평판의 전하량이 달라지므로 상/하층 전도성 평판 전하량의 평행상태가 이어지지 못하게 계속 변하게 된다. 결국 외력에 따라 상층 전도성 평판과 접촉하는 하이드로젤의 면적에 따라 흘러가는 전하가 존재하게 되는 것이다.
상기에서 언급한 형상으로 인해, 하이드로젤은 주위 환경의 진동에 의해 구동되는 에너지 하베스터의 핵심 역할을 하며 이용될 수 있다. 이에 더해서 하이드로젤 물질은 우수한 탄성을 가지고 있어서, 30Hz보다 더 높은 주파수의 진동을 장비들이 견딜 수 있어서 실제 운영가능성을 높인다. 따라서 진동 환경하에서 하이드로젤 기반의 에너지 하베스터는 보다 넓은 대역폭을 이용하는 것을 기대할 수 있다. 하이드로젤의 다공성 구조 때문에 넓은 접촉면의 확보가 가능하며, 이로 인해 전압 출력뿐 아니라 면적 변화를 이용할 수 있다.
하이드로젤의 다공성 성질은 물을 흡수하기 용이하고 이 수분이 쉽게 대기중으로 증발하지 않는 특징이 있으며, 액적의 경우 전도성 평판과 접촉하는 영역이, (도 2)의 액적(water droplet) 기반 에너지 하베스터 모습과 같이 완벽하게 한 포인트로 되지 않는 것(발수소재를 사용해도 완벽하게 될 수 없음)에 비해서 하이드로젤의 경우는 전도성 평판과 접촉하는 영역이 제한될 수 있다. 추가로, 수분 모듈에 대한 높은 흡수 능력 때문에 하이드로젤은 대체로 이전의 액적(water droplet)을 사용했을 때 문제되었던 증발 문제를 해결하였다. 한편 전압 생성을 더 높이기 위해 어레이 형상으로도 사용할 수 있다.
실험예 1. 하이드로젤 기반 에너지 하베스터의 우수성 확인과 유전물질 선정
(도 1)과 같은 형상의 하이드로젤 기반의 에너지 하베스터가 실제로 전력을 생산하는 것을 시험하기 위해, 알루미늄을 전도성 평판의 재료로 사용하고, PTFE(Polytetrafluoroethene) 레이어를 75㎛이하의 두께로 상층 평판의 내측에 유전(dielectric) 레이어 역할을 하도록 코팅하였다. 하이드로젤은 두 개의 평행한 전도성 평판 사이에 위치하여 주변환경의 진동으로부터 전력을 생산하였다.
유전 물질로 적당한 물질을 조사하기 위해, 하이드로젤과 액적(water droplet)을 대상으로 PTFE(Polytetrafluoroethene), PDMS(Polydimethylsiloxane), Steel, PMMA(Polymethylmethacrylate) 각각과 정적 인력(static attraction force)을 측정하여 비교하였다.
실험에서 하이드로젤 구슬은 직경 3mm, 부피는 14μl였으며, 액적의 부피도 똑같이 14μl로 하였다.
정적 인력(static attraction force)은 쿨롱의 법칙에 따르는 힘이기 때문에, 접근한 유전물질과 하이드로젤 구슬(또는 액적)이 전하를 담을 수 있는 능력을 반영하므로, 둘 간의 인력을 측정하면 전하를 담을 수 있는 능력을 측정할 수 있다. 더 큰 인력 거리가 나타난다면, 더 강한 정적 인력이 존재하고, 더 큰 전하를 담을 수 있는 능력이 있음을 나타낸다. 최대의 인력 거리는 가장 적절한 유전 물질을 사용했을 때 얻어지게 된다. (도 3)를 보면, 4mm의 거리에서 하이드로젤 구슬이 PTFE 물질로 된 브릭(brick)을 향해 끌리는 것에 비해, 같은 거리에서 액적은 끌리지 않는다. 사이의 거리가 2.2mm로 줄어들면, 액적이 정적 인력에 의해 PTFE 물질로 된 브릭(brick)을 향해 끌리게 된다. 같은 유전물질을 사용해도 하이드로젤이 액적보다 더 큰 인력 거리를 나타내며, 이는 액적보다 더 큰 전하를 담을 수 있는 능력이 있음을 나타낸다. 추가로, 다른 유전물질보다 PTFE를 사용하였을 경우 인력 거리가 큰 것을 알 수 있으므로 PTFE가, 다른 3가지 물질에 비해, 하이드로젤 기반 또는 액적 기반의 에너지 하베스터의 유전 물질로 가장 적절한 물질임을 알 수 있다.
실험예 2. 하이드로젤과 액적(water droplet)의 증발 현상 비교
이러한 원리를 다양한 실제 환경 상태에 맞게 실용화하려면, 지속적으로 센서에 WSN에 전기를 공급할 수 있는 에너지 하베스터의 신뢰성이 중요하다. 하지만 에너지 하베스터의 신뢰성은 대체로 핵심이 되는 작동 부분에 증발 현상이 일어나는지 아닌지에 영향 받는다. 그러므로 두 종류의 에너지 하베스터에서 증발 현상이 미치는 영향을 관찰하기 위해, 다른 습도 조건에서 증발 특성을 조사하였다. 20℃의 온도를 동일하게 적용하였으며, 부피는 25μl인 액적과 하이드로젤을 20%와 40% 습도 조건에서 실험하였다. 비교의 편의를 위해 시간변화에 따른 중량을 최초의 중량으로 나눈 값인 정규화된(normalized) 중량값이 (도 4) 그래프에 사용되었다. 이러한 방법으로 증발의 영향을 관찰할 수 있다. (도 4)에서 볼 수 있듯이, 액적은 빠르게 증발되어 2시간 후 완전히 사라졌다. 이로 인해 액적 기반의 에너지 하베스터는 작동을 멈추게 된다. 이에 비해, 하이드로젤 기반 에너지 하베스터는 동일한 시간 동안 영향을 덜 받는 것이 확인된다. 이는 물 흡수 능력 때문이며 이로 인해 하이드로젤은 액적보다 증발에 저항하는 특성을 가지고 있다. 증발 현상 때문에 야기되는 비효율적인 작동을 피하기 위해서는 액적보다는 하이드로젤을 에너지 하베스터에 사용하여 실용화하는 것이 바람직하다. 실용화를 위해서는 적절한 캡슐화 기술을 하이드로젤에 적용하는 것도 증발을 막는데 도움이 될 수 있다.
실험예 3. 하이드로젤과 액적(water droplet) 기반 에너지 하베스터의 사용 가능 진동 주파수 측정
진동 환경에서 하이드로젤 기반 에너지 하베스터의 출력 성능과 특성을 측정하기 위해, (도 5)와 같은 측정 시스템을 사용하였다. 쉐이커 TIRA Vib VAA위에 하이드로젤 기반 에너지 하베스터를 배치하고, Agilent 33120A funtion generator를 이용하여 다양한 주파수로 사인곡선적인(sinusoidal) 여기상태를 만들어 테스트하였다. 출력 전압과 파워 발생 주파수는 Tektronix TDS 2014B 오실로스코프로 측정되었다.
비교의 편의를 위해, 같은 테스트 조건에서 액적 기반 에너지 하베스터와 하이드로젤 기반 에너지 하베스터의 출력값을 측정하였다. 관찰의 편의를 위해, 넓은 접촉 면적 변화가 있어야 높은 전압 출력이 발생하므로, 반구 형태의 하이드로젤은 부피가 90μl인 것을 사용하였다. 액적 크기도 마찬가지로 하였다.
(도 6)의 결과를 보면, 높은 주파수로 여기(exitation)된 상태에서 유체역학 효과의 영향을 받아 액적 기반 에너지 하베스터(WEH)는 단지 0~25Hz의 좁은 대역폭에서만 작동이 가능하다. 25Hz 이상의 여기 주파수에서는, 출력이 거의 0에 가깝게 감소한다. 이와 비교하면, 하이드로젤 기반 에너지 하베스터(HEH)는 0-120Hz의 넓은 범위에서 상당히 높은 출력을 꾸준히 유지하는 것을 볼 수 있다. 주파수 대역폭이 넓을 뿐 아니라, 하이드로젤 기반 에너지 하베스터의 출력 값이 액적 기반 에너지 하베스터의 출력 값보다 훨씬 높은 수치를 보인다. 이러한 현상은 하이드로젤이 높은 전하 보유 능력을 갖고 있기 때문이다.
실험예 4. 하이드로젤 기반 에너지 하베스터의 부하 저항 최적화
최대 출력 파워를 얻기 위해, 부하 저항 최적화가 하이드로젤 기반 에너지 하베스터에 대해 수행되었다. 60Hz(0.1g 가속)로 일정하게 입력 진동 주파수를 적용한 후, 다른 부하 저항을 에너지 하베스터 시스템에 연결하였다. 이러한 방법으로 RMS 전압으로부터 유도된 '유효 출력 전압'을 측정하였다. RMS 전압은 파형 데이터로부터 얻어졌다. (도 7)의 그래프에서 볼 수 있듯이, 부하 저항이 0.4 MΩ일 때, 최대 유효 출력 전압은 66nW로 측정되었다.
실험예 5. 어레이 형상으로 배열한 하이드로젤 기반 에너지 하베스터에 의한 전압 상승
출력 전압을 더 높이기 위해, (도 8)과 같은 모습으로 반구형 하이드로젤을 어레이 형태로 배열한다. 출력 전압은 (도 9)과 같이 하이드로젤의 숫자를 늘림으로써 증대될 수 있다. 이러한 응용이 가능한 것에 대해 최종 결과를 보이기 위해 LCD 스크린을 연결하여 스크린 밝히는 것을 성공하였다.
실험예 6. 반구형(hemispherical) 하이드로젤과 직육면체형(cuboid) 하이드로젤의 효과 비교
하이드로젤의 모양에 따라 에너지 하베스터의 성능이 어떻게 변화하는지 확인하기 위해, 반구형(hemispherical) 하이드로젤로 에너지 하베스터를 만든 경우(도 10 a 참조)와, 직육면체형(cuboid) 하이드로젤로 에너지 하베스터를 만든 경우(도 10 b 참조)를 비교하였다.
반구형 하이드로젤을 사용한 경우의 에너지 하베스터 출력 전압은 (도 10 c)에 표시된 대로이며, 직육면체형 하이드로젤을 사용한 경우의 에너지 하베스터 출력 전압은 (도 10 d)에 표시된 대로이다. 직육면체형 하이드로젤을 사용하였을 경우, 접촉이 없는 상황에서 순간적으로 상부가 위쪽 전도성 평판과 크게 접촉하기 때문에 출력전압의 변화가 반구형 하이드로젤을 사용한 경우보다 큰 것을 알 수 있다.
이에 비해 반구형 하이드로젤은 (도 10 e)에 표시된 대로 축적되는 에너지인 전체 전하량이 직육면체형 하이드로젤을 사용한 경우인 (도 10 f)보다 더 크다.
이렇게 반구형 하이드로젤을 사용한 에너지 하베스터와 직육면체형 하이드로젤을 사용한 에너지 하베스터는, 각각 장점이 있으므로 필요에 따라 선택하여 사용할 수 있다.
이상, 본 발명내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 실시태양일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의해 정의된다고 할 것이다.

Claims (8)

  1. 환경 진동을 이용하는 에너지 하베스터(energy harvester)로서,
    나란히 마주보며 사이에 일정한 간격을 둔 2개의 전도성 평판;
    상기 2개의 전도성 평판 중 하나의 전도성 평판에 위치하고, 상기 간격을 향한 표면의 유전물질 층;
    상기 간격에 위치하고, 상기 2개의 전도성 평판 중 유전물질 층이 없는 전도성 평판에 접하는 1개 이상의 하이드로젤; 및
    상기 2개의 전도성 평판을 연결하는 전선을 포함하고,
    상기 하이드로젤은 반구형(hemispherical)이며, 상기 2개의 전도성 평판 중 유전물질 층이 있는 전도성 평판에 반구의 상면이 접하는 것을 특징으로 하는, 환경 진동을 이용하는 에너지 하베스터.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 전도성 평판은 금속인 것을 특징으로 하는 환경 진동을 이용하는 에너지 하베스터.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 금속은 알루미늄인 것을 특징으로 하는 환경 진동을 이용하는 에너지 하베스터.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 유전물질은 PTFE(Polytetrafluoroethene)인 것을 특징으로 하는 환경 진동을 이용하는 에너지 하베스터.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 1개 이상의 하이드로젤은 어레이 형태로 배열된 것을 특징으로 하는 환경 진동을 이용하는 에너지 하베스터.
  6. 삭제
  7. 환경 진동을 이용하는 에너지 하베스터(energy harvester)로서,
    나란히 마주보며 사이에 일정한 간격을 둔 2개의 전도성 평판;
    상기 2개의 전도성 평판 중 하나의 전도성 평판에 위치하고, 상기 간격을 향한 표면의 유전물질 층;
    상기 간격에 위치하고, 상기 2개의 전도성 평판 중 유전물질 층이 없는 전도성 평판에 접하는 1개 이상의 하이드로젤; 및
    상기 2개의 전도성 평판을 연결하는 전선을 포함하고,
    상기 하이드로젤은 직육면체형(cuboid)이며, 상기 2개의 전도성 평판 중 유전물질 층이 있는 전도성 평판에는 접하지 않고, 유전물질 층이 없는 전도성 평판에 부착된 상태인 것을 특징으로 하는, 환경 진동을 이용하는 에너지 하베스터.
  8. 제 1항 또는 제7항의 환경 진동을 이용하는 에너지 하베스터를 포함하는 무전지 센서.
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