KR101781551B1 - 전기에너지 발생 소자 및 그 구동방법 - Google Patents

전기에너지 발생 소자 및 그 구동방법 Download PDF

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Abstract

전기에너지 발생소자가 개시된다. 개시된 전기에너지 발생소자는, 압전 특성을 가지는 물질을 포함하는 압전 구조체와, 일렉트릿 특성을 가지는 물질을 포함하는 절연성 필름을 구비하고, 외부 에너지에 의해 절연성 필름이 압전 구조체와 접촉하여 상기 압전 구조체가 변형됨으로써 전기에너지가 발생되고, 또 절연성 필름과 이웃하고 있는 기판과의 정전용량 변화에 따른 전기에너지도 발생된다.

Description

전기에너지 발생 소자 및 그 구동방법{Electric energy generating device and method of driving the same}
전기에너지 발생 소자에 관한 것으로, 상세하게는 압전 구조체 및 일렉트릿(electret) 특성을 가지는 절연성 필름을 포함하는 전기에너지 발생소자 및 그 구동방법에 관한 것이다.
기판 상에 성장된 압전 나노와이어들을 이용하여 주변 환경에서 발생되는 기계적인 에너지를 포함한 여러 가지 형태의 에너지를 전기에너지로 변환시키는 전기에너지 발생 소자가 개발되고 있다. 기존에는 평탄한 벌크(bulk) 형태의 기판 상에 압전 나노와이어들을 성장시킨 전기에너지 발생 소자가 개발되었으나, 이러한 구조의 전기에너지 발생 소자는 기판의 벌크(bulk) 형태로 인해 외부의 작은 진동이나 음파와 같은 작은 입력 에너지로부터 효율적으로 전기에너지를 생성시키기 어렵다는 문제점이 있다. 따라서, 이를 해결하기 위한 방안으로 최근에는 유연하고(flexible) 신장가능한(stretchable) 특성을 가지는 의류 등과 같은 직물(textile)을 기판으로 이용함으로써 사람의 움직임에 의한 기계적인 에너지나 외부 소음에 의한 진동 에너지로부터 전기에너지를 발생시킬 수 있는 전기에너지 발생 소자에 대한 개발이 각광을 받고 있다. 이러한 직물 기판을 이용한 전기에너지 발생 소자는 직물 기판이 향상된 컨포멀 커버리지(conformal coverage), 거친 표면(rough surface) 및 외부 환경에 민감하게 반응하여 진동하는 특성을 가지기 때문에 압전 효과가 향상될 수 있고, 이에 따라 발생되는 출력 전압을 효율적으로 증대시킬 수 있다.
본 발명의 실시예는 압전 구조체 및 일렉트릿(electret) 특성을 가지는 절연성 필름을 구비하는 전기에너지 발생소자 및 그 구동방법을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 있어서,
도전성 물질을 포함하며, 서로 이격되게 배치되는 제1 및 제2 기판;
상기 제1 기판 상에 마련되는 것으로, 압전(piezoelectric) 특성을 가지는 물질을 포함하는 압전 구조체(piezoelectric structure); 및
상기 압전 구조체와 상기 제2 기판 사이에 마련되는 것으로, 일렉트릿(electret) 특성을 가지는 물질을 포함하는 절연성 필름;을 구비하는 전기에너지 발생소자가 제공된다.
상기 전기에너지 발생소자는 상기 절연성 필름이 외부의 기계적인 힘에 의해 상기 압전 구조체와 접촉하여 상기 압전 구조체가 변형됨으로써 전기에너지를 발생시킨다.
상기 절연성 필름은 반영구적인 분극(polarization) 또는 반영구적인 표면전하(surface charge)를 가지는 물질을 포함할 수 있다. 이러한 상기 절연성 필름은 폴리머 계열의 물질 또는 무기물을 포함할 수 있다.
상기 폴리머 계열의 물질은 fluoropolymers, polyethylene(PE), polypropylene(PP), polyethylene terephtalate(PET), polyimid(PI), polymethylmethacrylate(PMMA), polyvinlylidenefluoride(PVDF), ethylene vinyl acetate(EVA), cellular polypropylene 또는 porous polytetrafluoroethylene(PTFE)을 포함할 수 있다. 그리고, 상기 무기물은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 알루미늄 산화물 또는 포토리프랙티브 물질(photorefractive material)을 포함할 수 있다.
상기 압전 구조체는 n형 반도체 물질로 이루어지고, 상기 압전 구조체와 대면하는 상기 절연성 필름의 표면은 (-) 표면전하를 가질 수 있다. 또한, 상기 압전 구조체는 p형 반도체 물질로 이루어지고, 상기 압전 구조체와 대면하는 상기 절연성 필름의 표면은 (+) 표면전하를 가질 수 있다.
상기 압전 구조체는 상기 제1 기판 상에 성장된 복수의 압전 나노와이어 또는 상기 제1 기판 상에 코팅된 압전 물질층을 포함할 수 있다.
상기 압전 나노와이어들은 상기 제1 기판 상에 수직 또는 경사지게 마련될 수 있다. 상기 압전 나노와이어들은 길이방향을 따라 직경이 일정한 형상 및/또는 일 길이 방향을 따라 직경이 변화되는 형상을 가질 수 있다. 이러한 상기 압전 나노와이어들은 예를 들면, ZnO, PZT(Lead Zirconium Titanate) 또는 BaTiO3 등을 포함할 수 있다.
상기 압전 물질층은 폴리머 압전필름을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 폴리머 압전필름은 예를 들면, polyvinylidene fluoride(PVDF)를 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2 기판은 각각 직물 기판을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 직물 기판은 비도전성 직물과, 상기 비도전성 직물 상에 형성된 도전층을 포함할 수 있다. 또한, 상기 직물 기판은 도전성 직물을 포함할 수도 있다.
본 발명의 다른 측면에 있어서,
압전 특성을 가지는 물질을 포함하는 압전 구조체와,
일렉트릿 특성을 가지는 물질을 포함하는 절연성 필름을 구비하고,
상기 절연성 필름이 상기 압전 구조체와 접촉하여 상기 압전 구조체가 변형됨으로써 전기에너지를 발생시키는 전기에너지 발생소자가 제공된다.
상기 압전 구조체 및 상기 절연성 필름은 도전성 물질을 포함하는 제1 및 제2 기판 사이에 마련될 수 있다. 여기서, 상기 압전 구조체는 상기 제1 기판 상에 마련되며, 상기 절연성 필름은 상기 압전 구조체와 상기 제2 기판 사이에 마련될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 있어서,
압전 특성을 가지는 물질을 포함하는 압전 구조체와, 일렉트릿 특성을 가지는 물질을 포함하는 절연성 필름을 구비하는 전기에너지 발생소자의 구동방법에 있어서,
상기 절연성 필름이 상기 압전 구조체와 접촉하여 상기 압전 구조체가 변형됨으로써 전기에너지를 발생시키는 전기에너지 발생소자의 구동방법이 제공된다.
여기서, 상기 절연성 필름은 외부의 기계적인 힘에 의해 상기 압전 구조체와 접촉할 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 외부의 기계적인 힘에 의해 일렉트릿 특성을 가지는 물질을 포함하는 절연성 필름이 압전 구조체와 접촉하여 상기 압전 구조체가 변형됨으로써 보다 향상된 출력 전압을 유도할 수 있는 전기에너지 발생소자를 구현할 수 있다. 또한, 기판으로 유연하고, 신장가능한 특성을 가지는 직물 기판을 사용하는 경우에는 상기 직물 기판이 외부의 소음이나 진동과 같은 작은 입력 에너지에 대해서도 민감하게 반응할 수 있으므로, 보다 효율적으로 전기에너지를 생성시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전기에너지 발생소자를 개략적으로 도시한 분리 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 전기에너지 발생소자의 주요부를 확대하여 도시한 것이다.
도 3a 및 도 3b는 도 1에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 전기에너지 발생소자의 동작 과정을 설명하기 위한 도면들이다.
도 4a 내지 도 4c는 각각 정전용량 변화만을 이용한 전기에너지 발생소자, 압전효과만을 이용한 전기에너지 발생소자 및 본 발명의 실시예에 따른 압전 및 정전용량 변화의 시너지효과(Synergy Effect)를 이용한 전기에너지 발생소자를 도시한 도면들이다.
도 5a 내지 도 5c는 각각 도 4a 내지 도 4c에 도시된 대응되는 전기에너지 발생소자들에 의해 발생된 출력 전압들을 도시한 것이다.
도 6은 압전 나노와이어의 상단면에 표면전하가 부착된 상태에서 상기 압전 나노와이어에 일정한 힘(Tz = -2.05×108 Pa)이 가해진 경우, 상기 표면전하의 밀도에 따라 상기 압전 나노와이어의 상단에 유도되는 압전 포텐셜(piezoelectric potential)을 시뮬레이션을 통해 계산한 결과를 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 전기에너지 발생소자에 적용되는 직물 기판의 변형예를 도시한 것이다.
도 8a 내지 도 8c는 본 발명의 실시예에 따른 전기에너지 발생소자에 적용되는 압전 나노와이어의 변형예들을 도시한 것이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 전기에너지 발생소자에 적용되는 압전 구조체의 다른 예를 도시한 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전기에너지 발생소자(100)를 개략적으로 도시한 분리 사시도이다. 그리고, 도 2는 도 1에 도시된 전기에너지 발생소자(100)의 주요부를 개략적으로 확대하여 도시한 것이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 제1 및 제2 직물 기판(110,120)이 서로 이격되게 마련되어 있다. 상기 제1 및 제2 직물 기판(110,120)은 도전성 물질을 포함할 수 있다. 일 예로, 상기 제1 직물 기판(110)은 비도전성의 제1 직물(111)과, 상기 제1 직물(111) 상에 코팅된 제1 도전층(112)을 포함할 수 있다. 그리고, 상기 제2 직물 기판(120)은 비도전성의 제2 직물(121)과, 상기 제2 직물(121) 상에 코팅된 제2 도전층(122)을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 제1 및 제2 직물(111,121) 각각은 다수의 섬유 가닥들이 (도 1에 도시된 바와 같이) 서로 소정패턴으로 짜여진 2차원적 형상을 가질 수도 있다. 이러한 제1 및 제2 직물(111,121)은 유연하고(flexible), 신장가능한(strechable) 특성을 가질 수 있다. 상기 제1 및 제2 도전층(112,122)은 예를 들면 Au 등과 같은 전기전도도가 우수한 금속으로 이루어질 수 있다. 하지만, 이는 단지 예시적인 것으로 본 실시예는 이에 한정되지 않고 다른 다양한 물질이 상기 제1 및 제2 도전층(112,122)으로 사용될 수 있다. 이와 같이, 제1 및 제2 직물 기판(110,120)을 전기에너지 발생 소자(100)의 기판으로 사용하게 되면 유연하고 신장가능한 직물 특성으로 인해 외부의 소음이나 진동 등과 같은 미세한 입력 에너지에 대해서도 전기에너지 발생소자가 민감하게 반응하게 되고, 이에 따라 보다 효율적으로 전기에너지를 생성할 수 있다.
상기 제1 직물 기판(110) 상에는 압전(piezoelectric) 특성을 가지는 물질을 포함하는 압전 구조체가 마련되어 있다. 상기 압전 구조체는 복수의 압전 나노와이어(130)를 포함할 수 있다. 이러한 압전 나노와이어들(130)은 외부의 기계적인 힘에 의해 변형되면, 그 압전 효과에 의해 변형된 나노와이어(130)의 양단 간에는 소정 전압 유도되고, 이에 따라 전기에너지가 발생될 수 있다. 상기 압전 나노와이어들(130)은 n형 반도체 물질 또는 p형 반도체 물질로 이루어질 수 있다. 구체적으로, 상기 압전 나노와이어들(130)은 예를 들면, ZnO, PZT(Lead Zirconium Titanate) 또는 BaTiO3 등을 포함할 수 있다. 하지만 이는 단지 예시적인 것으로, 이외에도 상기 압전 나노와이어들(130)는 다른 다양한 압전 물질을 포함할 수 있다. 상기 압전 나노와이어들(130)은 상기 제1 직물 기판(110)의 제1 도전층(112) 상에 예를 들면, 화학기상증착법(CVD; Chemical Vapor Deposition) 또는 수열 합성 방법(hydrothermal synthesis method) 등을 이용하여 압전 물질을 성장시킴으로써 형성될 수 있다. 이에 따라 상기 압전 나노와이어들(130)은 제1 직물 기판(110)의 제1 도전층(112) 상에 수직 또는 소정 각도로 경사지게 형성될 수도 있다. 이러한 압전 나노와이어들(130)은 길이 방향을 따라 직경이 일정한 형상을 가질 수 있다.
상기 압전 나노와이어들(130)과 상기 제2 직물 기판(120) 사이에는 절연성 필름(150)이 마련되어 있다. 상기 절연성 필름(150)은 일렉트릿(electret) 특성을 가지는 물질을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 일렉트릿 특성을 가지는 물질은 반영구적인 표면전하(surface charge) 또는 반영구적인 분극(polarization)을 가지는 물질을 의미한다. 이에 따라, 상기 절연성 필름(150) 다수의 (-) 표면전하를 가지거나, 또는 다수의 (+) 표면 전하를 가질 수 있다. 또한, 상기 절연성 필름(150)은 일면은 다수의 (+) 표면전하를 가지도록, 타면은 다수의 (-) 표면전하를 가지도록 강하게 분극(polarized)되어 있는 물질로 이루어질 수도 있다. 구체적으로, 상기 압전 나노와이어들(130)이 n형 반도체 물질을 포함하는 경우에는 상기 압전 나노와이어들(130)과 대면하는 상기 절연성 필름(150)의 표면, 즉 상기 절연성 필름(150)의 하면은 (-) 표면전하를 가질 수 있다. 이 경우, 상기 절연성 필름(150))은 (-) 표면전하를 가지는 물질로 이루어지거나 또는 하면이 (-)표면전하를 가지도록 강하게 분극되어 있는 물질로 이루어질 수 있다. 그리고, 상기 압전 나노와이어들(130)이 p형 반도체 물질을 포함하는 경우에는 상기 압전 나노와이어들(130)과 대면하는 상기 절연성 필름(150)의 표면, 즉 상기 절연성 필름(150)의 하면은 (+) 표면전하를 가질 수 있다. 이 경우, 상기 절연성 필름(150)은 (+) 표면전하를 가지는 물질로 이루어지거나 또는 하면이 (+)표면전하를 가지도록 강하게 분극되어 있는 물질로 이루어질 수 있다.
이러한 절연성 필름(150)은 그 절연 특성으로 인해 상기 제1 및 제2 직물 기판(110,120)이 서로 접촉함으로써 발생될 수 있는 쇼트(short)를 방지할 수도 있다. 그리고, 상기 절연성 필름(150)은 그 일렉트릿 특성으로 인해 외부 에너지(일 예로, 기계 및 진동 에너지)에 의해 상기 제1 직물 기판(110)과의 간격이 변하게 되면, 정전 용량의 변화에 따른 전압 유도가 발생될 수 있다. 이러한 절연성 필름(150)은 예를 들면 폴리머 계열의 물질 또는 무기물을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 폴리머 계열의 물질은 fluoropolymers, polyethylene(PE), polypropylene(PP), polyethylene terephtalate(PET), polyimid(PI), polymethylmethacrylate(PMMA), polyvinlylidenefluoride(PVDF), ethylene vinyl acetate(EVA), cellular polypropylene 또는 porous polytetrafluoroethylene(PTFE) 등을 포함할 수 있다. 상기 fluoropolymers에는 polytetrafluorethylene(PTFE) 또는 poly(tetrafluoroethyle-co-hexafluoropropylene)(FEP) 등이 포함될 수 있으며, 상기 polyethylene(PE)에는 high density polyethylene(HDPE), low density polyethylene(LDPE) 또는 cross-linking polyethylene(XLPE) 등이 포함될 수 있다. 그리고, 상기 무기물은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 알루미늄 산화물, photorefractive material 또는 실리콘 산화물에 Na, Se 또는 B 등이 추가된 글라스를 포함할 수 있다. 한편, 이상에서 언급된 물질들은 단지 예시적인 것으로, 이외에 다른 다양한 물질이 상기 절연성 필름(150)의 물질로 사용될 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 도 1에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 전기에너지 발생소자(100)가 전기에너지를 발생하는 과정을 설명하기 위한 도면들이다. 구체적으로, 도 3a는 본 발명의 실시예에 따른 전기에너지 발생소자(100)가 릴리즈된(released) 상태, 즉 상기 전기에너지 발생소자(100)에 외부 에너지가 가해지지 않은 상태를 도시한 것이다. 그리고, 도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 전기에너지 발생소자(100)에 외부 에너지로 인해 압력이 가해진 상태, 즉 상기 전기에너지 발생소자(100)에 예를 들면 외부의 소음이나 진동 등에 의한 기계적인 힘이 가해진 상태를 도시한 것이다.
도 3a를 참조하면, 상기 전기에너지 발생소자(100)에 외부의 기계적인 힘이 가해지지 않은 상태에서는 제1 직물 기판(110) 상에 형성된 압전 나노와이어들(130), 일렉트릿 특성을 가지는 절연성 필름(150) 및 제2 직물 기판(120)이 서로 일정하게 이격되어 있을 수 있다. 한편, 상기 전기에너지 발생소자(100)에 외부의 기계적인 힘이 가해지지 않은 상태에서도 상기 제2 직물 기판(120), 상기 절연성 필름(150) 및 상기 압전 나노와이어들(130)은 서로 접촉될 수도 있는데, 이 경우에 상기 압전 나노와이어들(130)은 변형되지 않고 상기 절연성 필름(150)과 제1 직물 기판(110) 사이의 간격이 일정하게 유지될 수도 있다. 따라서 이와 같이, 상기 전기에너지 발생소자(100)에 외부의 기계적인 힘이 가해지지 않은 상태에서는 상기 압전 나노와이어들(130)이 변형되지 않으므로 압전효과(piezoelectric effect)에 의한 전압유도는 발생되지 않을 수 있고, 또한 상기 절연성 필름(150)이 제1 직물기판(110)과 일정한 간격을 유지하고 있으므로, 절연성 필름(150)과 제1 직물기판(110) 사이의 정전용량 변화에 따른 전압유도도 발생되지 않을 수 있다.
다음으로, 도 3b를 참조하면, 상기 전기에너지 발생소자(100)에 외부의 에너지가 (일 예로, 소음이나 진동 등에 의한 기계적인 힘을 통해) 가해지게 되면, 상기 제2 직물 기판(120)이 제1 직물 기판(110)을 누르는 방향으로 압력이 작용하게 된다. 이에 따라, 상기 제2 직물 기판(120), 일렉트릿 특성을 가지는 절연성 필름(150) 및 압전 나노와이어들(130)이 서로 접촉하게 될 수 있다. 그리고, 상기 절연성 필름(150)이 압전 나노와이어들(130)의 상단을 누름으로써 상기 압전 나노와이어들(130)은 변형을 일으킬 수 있다. 한편, 상기 절연성 필름(150)은 제1 및 제2 직물 기판(110,120) 사이에서 발생될 수 있는 쇼트(short)를 방지할 수 있다. 이와 같이, 상기 전기에너지 발생소자(100)에 외부의 에너지가 (일 예로 기계적인 힘을 통해) 가해진 상태에서는 상기 압전 나노와이어들(130)의 변형에 따른 압전 효과가 발생하게 되고, 이러한 압전 효과에 따라 압전 나노와이어들(130)의 양단 간에 소정 전압이 유도될 수 있다. 또한, 상기 절연성 필름(150)과 제1 직물 기판(110) 사이의 간격이 변화함에 따라 상기 절연성 필름(150)과 제1 직물 기판(110) 사이의 정전용량이 변화하게되고, 이러한 정전용량 변화에 따라 상기 제1 및 제2 직물 기판(110,120) 사이에 소정 전압이 유도될 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 전기에너지 발생소자에서는 외부의 에너지에 의해 압전 효과에 따른 전압 유도와 정전 용량 변화에 따른 전압 유도가 발생됨으로써 높은 출력 전압을 얻을 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 전기에너지 발생소자에서는 일렉트릿 특성을 가지는 절연성 필름(150)의 표면전하에 의해 상기 압전 나노와이어들(130)의 압전 특성을 향상시킴으로써 보다 높은 출력 전압을 얻을 수도 있다. 이를 구체적으로 설명하기 위해 상기 절연성 필름(150)은 (-) 표면전하를 가지는 물질로 이루어지고, 상기 압전 나노와이어들(130)은 n형 반도체 물질로 이루어지는 경우를 예로 들어 설명하기로 한다. 도 3b을 참조하면, 전기에너지 발생소자에 외부의 기계적인 힘이 가해지게 되면, 상기 절연성 필름(150)이 압전 나노와이어들(130)의 상단에 접촉되고, 이어서 상기 압전 나노와이어들(130)이 변형된다. 이에 따라, (-) 표면전하를 가지는 절연성 필름(150)과 제1 직물 기판(110) 및 제2 직물 기판(120) 사이의 간격이 변화함으로써 정전 용량이 변화하게 되고, 이러한 정전용량의 변화로 인해 제1 및 제2 직물 기판(110,120)에는 각각 소정의 (-) 전위 및 (+) 전위가 유도된다. 또한, 상기 절연성 필름(150)과 접촉하는 압전 나노와이어들(150)이 변형됨에 따라 압전 효과가 발생하게 된다. 여기서, 상기 압전 나노와이어들(130)과 접촉하는 절연성 필름(150)의 (-) 표면전하에 의해 압전 나노와이어들(130)의 압전 효과가 크게 향상될 수 있다. 구체적으로, 상기 절연성 필름(150)이 압전 나노와이어들(130)과 접촉된 상태에서 상기 압전 나노와이어들(130)이 변형된 경우에 상기 압전 나노와이어들(130)의 상단면에 접촉하고 있는 절연성 필름(150)의 (-) 표면전하로부터 발생되는 정전기장이 상기 압전 나노와이어들(130) 내부의 전자들을 재분포시키게 될 수 있다. 그리고, 이러한 전자들의 재분포에 의해 압전 나노와이어들(130)의 압전 특성은 보다 강화될 수도 있다. 따라서, 이렇게 향상된 압전 효과에 의해 상기 압전 나노와이어들(130)의 하단 및 상단에는 각각 소정의 (+) 전위 및 (-) 전위가 유도될 수 있다. 여기서, 상기 압전 나노와이어들(130)의 양단 간에 유도되는 전압은 상기 절연성 필름(150)이 없이 상기 압전 나노와이어들(130)이 변형됨으로써 유도되는 전압보다 클 수 있다. 이와 같이, 본 실시예에 따른 전기에너지 발생소자에서는 절연성 필름(150)과 제1 직물(110) 기판 사이의 정전용량 변화에 따른 전압 유도와, 상기 압전 나노와이어들(130)의 변형과 상기 압전 나노와이어들(130)에 접촉된 절연성 필름(150)의 표면전하에 의해 발생되는 향상된(enhanced) 압전 효과에 따른 전압 유도가 발생됨으로써 보다 높은 출력 전압을 얻을 수 있다.
이하에서는 정전 용량 변화만을 이용한 전기에너지 발생소자와, 압전 효과만을 이용한 전기에너지 발생소자와, 전술한 본 발명의 실시예에 따른 압전 및 정전용량 변화의 시너지효과(Synergy Effect)를 이용한 전기에너지 발생소자를 비교하여 설명한다.
도 4a는 정전용량 변화만을 이용한 전기에너지 발생소자(10)를 개략적으로 도시한 것이다. 도 4a를 참조하면, 제1 및 제2 직물 기판(110,120) 사이에 일렉트릿 특성을 가지는 절연성 필름(150)이 개재되어 있다. 상기 전기에너지 발생소자(10)에 외부의 에너지가 (일 예로, 기계적인 힘을 통해) 가해지게 되면 상기 절연성 필름(150)과 제1 직물 기판(110) 사이의 간격이 변화함에 따라 상기 절연성 필름(150)과 제1 직물 기판(110) 사이의 정전용량이 변화하게 될 수 있다. 그리고, 이러한 정전용량의 변화에 의해 제1 및 제2 직물 기판(1101,20) 사이에는 소정 전압이 유도될 수 있다. 도 4b는 압전효과만을 이용한 전기에너지 발생소자(20)를 개략적으로 도시한 것이다. 도 4b를 참조하면, 제1 직물 기판(110) 상에는 다수의 압전 나노와이어들이(130) 형성되어 있으며, 이 압전 나노와이어들(130) 상부에 제2 직물 기판(120)이 마련되어 있다. 상기 전기에너지 발생소자에 외부의 에너지가 (일 예로, 기계적인 힘을 통해) 가해지게 되면, 상기 제2 직물 기(120)판이 압전 나노와이어들(130)을 누름으로써 압전 나노와이어들(130)이 변형될 수 있다. 그리고, 이러한 압전 나노와이어들(130)의 변형에 따라 발생되는 압전 효과에 의해 상기 압전 나노와이어들(130)의 양단에는 소정 전압이 유도될 수 있다. 도 4c는 본 발명의 실시예에 따른 압전 및 정전용량 변화의 시너지효과(Synergy Effect)를 이용한 전기에너지 발생소자(100)를 개략적으로 도시한 것이다. 도 4c를 참조하면, 제1 직물 기판(110) 상에는 압전 나노와이어들(130)이 형성되어 있으며, 이 압전 나노와이어들(130)과 제2 직물 기판(120) 사이에는 일렉트릿 특성을 가지는 절연성 필름(150)이 개재되어 있다. 전술한 바와 같이, 상기 전기에너지 발생소자에 외부의 에너지가 (일 예로, 기계적인 힘을 통해) 가해지게 되면, 정전용량 변화에 따른 전압 유도와 압전 효과에 따른 전압 유도가 발생될 수 있다.
도 5a 내지 도 5c는 각각 도 4a 내지 도 4c에 도시된 대응되는 전기에너지 발생소자들(10,20,100)에 의해 발생된 출력 전압들을 도시한 것이다. 구체적으로, 도 5a는 도 4a에 도시된 정전용량의 변화만을 이용한 전기에너지 발생소자(10)에 의해 발생된 출력 전압(V1)을 도시한 것이며, 도 5b는 도 4b에 도시된 압전효과만을 이용한 전기에너지 발생소자(20)에 의해 발생된 출력 전압(V2)을 도시한 것이다. 그리고, 도 5c는 도 4c에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 압전 및 정전용량 변화의 시너지효과(Synergy Effect)를 이용한 전기에너지 발생소자(100)에 의해 발생된 출력 전압(V3)을 도시한 것이다. 도 5a 내지 도 5c에는 도 4a 내지 도 4c에 도시된 전기에너지 발생소자들(10,20,100)에 스피커를 이용하여 100dB, 100Hz의 음파를 가했을 때 유도된 출력 전압들이 도시되어 있다. 여기서, 상기 절연성 필름(150)으로는 (-) 표면 전하를 가지는 일렉트릿 필름이 사용되었으며, 상기 압전 나노와이어(130)로는 n형 ZnO 나노와이어가 사용되었다. 그리고, 상기 제1 및 제2 직물 기판(110,120)으로는 Au가 표면에 코팅된 직물 기판이 사용되었다.
도 5a 내지 도 5c를 참조하면, 정전용량의 변화만을 이용한 전기에너지 발생소자(10)에서 발생된 출력 전압(V1)은 대략 1V 정도가 나왔으며, 압전효과만을 이용한 전기에너지 발생소자(20)에서 발생된 출력 전압(V2)은 대략 1.6V 정도가 나왔다. 그리고, 본 발명의 실시예에 따른 압전 및 정전용량 변화의 시너지효과(Synergy Effect)를 이용한 전기에너지 발생소자(100)에서 발생된 출력 전압(V3)은 대략 4.8V 정도가 나왔다. 이러한 결과로부터, 본 발명의 실시예에 따른 전기에너지 발생소자(100)로부터 발생되는 출력 전압(V3)은 정전용량의 변화를 이용하여 유도된 출력 전압(V1)과 압전효과를 이용하여 유도된 출력 전압(V2)의 합보다 훨씬 크다는 것을 알 수 있다. 이는 전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 전기에너지 발생소자에서는 절연성 필름(150)과 제1 직물 기판(110) 사이의 정전용량 변화에 따른 전압 유도와, 상기 압전 나노와이어들(130)의 변형과 상기 절연성 필름의 표면전하에 의해 발생되는 향상된(enhanced) 압전 효과에 따른 전압 유도가 발생되는 것에 기인한다.
도 6은 압전 나노와이어의 상단면에 다른 양(또는 밀도)의 (-) 표면전하가 부착된 상태에서 상기 압전 나노와이어에 일정한 힘(Tz = -2.05×108 Pa)이 나노와이어의 길이 방향으로 가해진 경우, 상기 표면전하의 밀도에 따라 상기 압전 나노와이어의 상단에 유도되는 압전 포텐셜(piezoelectric potential)을 시뮬레이션을 통해 계산한 결과를 도시한 것이다. 도 6의 시뮬레이션을 위한 압전 나노와이어(130)로는 n형 ZnO 나노와이어가 사용되었다. 도 6을 참조하면, 상기 압전 나노와이어의 상단에 부착된 (-) 표면전하의 밀도가 증가함에 따라 상기 압전 나노와이어의 상단에 유도되는 압전 포텐셜도 증가함을 알 수 있다. 이와 같은 실험 결과로부터, 본 발명의 실시예에 따른 전기에너지 발생소자에서 외부의 기계적인 힘에 의해 상기 압전 나노와이어들(130)의 상단면에 일렉트릿 특성을 가지는 절연성 필름(150)이 부착되게 되면, 상기 압전 나노와이어들(130)의 상단면에 접촉하는 절연성 필름(150)의 표면 전하로 인해 상기 압전 나노와이어들(130)의 압전 특성이 보다 향상될 수 있음을 알 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 전기에너지 발생소자(100)에서는 절연성 필름(150)과 제1 직물 기판(110) 사이의 정전용량 변화에 따른 전압 유도와 상기 압전 나노와이어들(130)의 변형과 상기 압전 나노와이어들(130)에 접촉된 상기 절연성 필름(150)의 표면전하에 의해 발생되는 향상된(enhanced) 압전 효과에 따른 전압 유도에 의해 보다 높은 출력 전압을 얻을 수 있다. 또한, 본 실시예에 따른 전기에너지 발생소자(100)에서 기판으로 유연하고 신장가능한 특성을 가지는 직물 기판(110,120)을 사용함으로써 외부의 소음과 같은 작은 입력 에너지에 대해서도 전기에너지 발생소자가 민감하여 반응하여 효율적으로 전기에너지로 발생시킬 수 있다.
한편, 이상에서는 상기 제1 및 제2 직물 기판(110)이 비도전성의 직물과 이 직물 표면에 코팅된 도전층(112)으로 구성되는 경우가 설명되었다. 하지만, 도 7에 도시된 바와 같이 제1 및 제2 직물 기판(110',120')이 도전성 재질의 직물로만 이루어질 수도 있다. 그리고, 이상에서 언급된 제1 및 제2 직물 기판(110,110',120,120')의 구조도 단지 예시적인 것으로 이외에도 상기 제1 및 제2 직물 기판은 다른 다양한 구조를 가질 수 있다. 그리고, 이상에서는 직물 기판이 사용되는 경우가 예로 들어 설명되었으나, 이외에도 다양한 종류의 기판(예를 들어, 실리콘 기판 또는 플렉서블 기판 등)이 사용될 수 있다.
이상에서는 제1 직물 기판(110) 상에 형성된 압전 나노와이어(130)가 길이 방향을 따라 직경이 일정한 형상을 가지는 경우가 예로 들어 설명되었다. 그러나, 이외에도 성장 조건을 조절하게 되면 다양한 형상의 압전 나노와이어가 성장 형성될 수 있다. 도 8a 내지 도 8c에는 전술한 압전 나노와이어(130)의 변형예들이 도시되어 있다. 구체적으로, 도 8a에 도시된 압전 나노와이어(130a)는 일 길이방향을 따라 직경이 점점 줄어드는 형상을 가지고 있으며, 도 8b에 도시된 압전 나노와이어(130b)는 길이 방향을 따라 직경이 일정한 형상과 일 길이 방향을 따라 직경이 줄어드는 형상이 결합된 형상을 가지고 있다. 그리고, 도 7c에 도시된 압전 나노와이어(130c)는 일 길이 방향을 따라 직경이 점점 줄어들다가 다시 증가하는 형상을 가지고 있다. 한편, 이상에서 언급된 압전 나노와이어(130,130a,130b,130c)의 형상은 단지 예시적인 것으로, 이외에도 다양한 형상의 압전 나노와이어가 사용될 수 있다.
또한, 이상에서는 본 발명의 실시예에 따른 전기에너지 발생소자에 적용되는 압전 구조체로서 압전 나노와이어(130)를 예로 들어 설명하였다. 그러나, 이외에 다른 압전 구조체가 사용될 수도 있다. 도 9은 본 발명의 실시예에 따른 전기에너지 발생소자에 적용되는 압전 구조체의 다른 예를 도시한 것이다. 도 9를 참조하면, 제1 직물 기판(110) 상에는 압전 구조체가 마련될 수 있다. 여기서, 상기 압전 구조체는 상기 제1 직물 기판(110) 상에 코팅된 압전 물질층(130')이 될 수 있다. 이러한 압전 물질층(130')은 예를 들면 polyvinylidene fluoride(PVDF) 등과 같은 폴리머 압전물질을 포함할 수 있다. 하지만 이에 한정되는 것은 아니다. 한편, 이상의 실시예들에서는 두 개의 기판과 그 사이에 마련된 압전 구조체로 구성된 단층 구조의 전기에너지 발생소자가 예로 설명되었으나, 이에 한정되지 않고 복층 또는 다층 구조의 전기엔너지 발생소자도 구현이 가능하다.
이상에서 본 발명의 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
110,110'... 제1 직물기판 111... 제1 직물
112... 제1 도전층 120,120'... 제2 직물기판
121... 제2 직물 122... 제2 도전층
130,130a,130b,130c... 압전 나노와이어
130'... 압전 물질층
150,150'... 일렉트릿 특성을 가지는 절연성 필름

Claims (34)

  1. 도전성 물질을 포함하며, 서로 이격되게 배치되는 제1 및 제2 기판;
    상기 제1 기판 상에 마련되는 것으로, 압전(piezoelectric) 특성을 가지는 물질을 포함하는 압전 구조체(piezoelectric structure); 및
    상기 압전 구조체와 상기 제2 기판 사이에 마련되는 것으로, 일렉트릿(electret) 특성을 가지는 물질을 포함하는 절연성 필름;을 구비하며,
    외부의 기계적인 힘이 상기 절연성 필름에 가해질 때 상기 절연성 필름이 상기 압전 구조체와 접촉하여 상기 압전 구조체가 변형되고, 상기 절연성 필름과 상기 제1 기판 사이의 간격이 변화됨으로써 전기에너지를 발생시키고,
    상기 압전 구조체는 n형 반도체 물질로 이루어지고, 상기 압전 구조체와 대면하는 상기 절연성 필름의 표면은 (-) 표면전하를 가지는 전기에너지 발생소자.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 절연성 필름은 반영구적인 분극(polarization) 또는 반영구적인 표면전하(surface charge)를 가지는 물질을 포함하는 전기에너지 발생소자.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 절연성 필름은 폴리머 계열의 물질 또는 무기물을 포함하는 전기에너지 발생소자.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 폴리머 계열의 물질은 fluoropolymers, polyethylene(PE), polypropylene(PP), polyethylene terephtalate(PET), polyimid(PI), polymethylmethacrylate(PMMA), polyvinlylidenefluoride(PVDF), ethylene vinyl acetate(EVA), cellular polypropylene 또는 porous polytetrafluoroethylene(PTFE)을 포함하는 전기에너지 발생소자.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 무기물은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 알루미늄 산화물 또는 포토리프랙티브 물질(photorefractive material)을 포함하는 전기에너지 발생소자.
  7. 삭제
  8. 도전성 물질을 포함하며, 서로 이격되게 배치되는 제1 및 제2 기판;
    상기 제1 기판 상에 마련되는 것으로, 압전(piezoelectric) 특성을 가지는 물질을 포함하는 압전 구조체(piezoelectric structure); 및
    상기 압전 구조체와 상기 제2 기판 사이에 마련되는 것으로, 일렉트릿(electret) 특성을 가지는 물질을 포함하는 절연성 필름;을 구비하며,
    외부의 기계적인 힘이 상기 절연성 필름에 가해질 때 상기 절연성 필름이 상기 압전 구조체와 접촉하여 상기 압전 구조체가 변형되고, 상기 절연성 필름과 상기 제1 기판 사이의 간격이 변화됨으로써 전기에너지를 발생시키고,
    상기 압전 구조체는 p형 반도체 물질로 이루어지고, 상기 압전 구조체와 대면하는 상기 절연성 필름의 표면은 (+) 표면전하를 가지는 전기에너지 발생소자.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 압전 구조체는 상기 제1 기판 상에 성장된 복수의 압전 나노와이어 또는 상기 제1 기판 상에 코팅된 압전 물질층을 포함하는 전기에너지 발생소자.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 압전 나노와이어들은 상기 제1 기판 상에 수직 또는 경사지게 마련되는 전기에너지 발생소자.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 압전 나노와이어들은 길이방향을 따라 직경이 일정한 형상 및 일 길이 방향을 따라 직경이 변화되는 형상 중 적어도 하나를 가지는 전기에너지 발생소자.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 압전 나노와이어들은 ZnO, PZT(Lead Zirconium Titanate) 또는 BaTiO3를 포함하는 전기에너지 발생소자.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 압전 물질층은 폴리머 압전필름을 포함하는 전기에너지 발생소자.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 폴리머 압전필름은 polyvinylidene fluoride(PVDF)를 포함하는 전기에너지 발생소자.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 기판은 각각 직물 기판을 포함하는 전기에너지 발생소자.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 직물 기판은 비도전성 직물과, 상기 비도전성 직물 상에 형성된 도전층을 포함하는 전기에너지 발생소자.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 직물 기판은 도전성 직물을 포함하는 전기에너지 발생소자.
  18. 압전 특성을 가지는 물질을 포함하는 압전 구조체와,
    일렉트릿 특성을 가지는 물질을 포함하는 절연성 필름을 구비하고,
    상기 압전 구조체와 상기 절연성 필름은 도전성 물질을 포함하는 제1 및 제2 기판 사이에 마련되며,
    외부의 기계적인 힘이 상기 절연성 필름에 가해질 때 상기 절연성 필름이 상기 압전 구조체와 접촉하여 상기 압전 구조체가 변형되고, 상기 절연성 필름과 상기 제1 기판 사이의 간격이 변화됨으로써 전기에너지를 발생시키고,
    상기 압전 구조체는 n형 반도체 물질로 이루어지고, 상기 압전 구조체와 대면하는 상기 절연성 필름의 표면은 (-) 표면전하를 가지는 전기에너지 발생소자.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 절연성 필름은 반영구적인 분극 또는 반영구적인 표면전하를 가지는 물질을 포함하는 전기에너지 발생소자.
  20. 삭제
  21. 압전 특성을 가지는 물질을 포함하는 압전 구조체와,
    일렉트릿 특성을 가지는 물질을 포함하는 절연성 필름을 구비하고,
    상기 압전 구조체와 상기 절연성 필름은 도전성 물질을 포함하는 제1 및 제2 기판 사이에 마련되며,
    외부의 기계적인 힘이 상기 절연성 필름에 가해질 때 상기 절연성 필름이 상기 압전 구조체와 접촉하여 상기 압전 구조체가 변형되고, 상기 절연성 필름과 상기 제1 기판 사이의 간격이 변화됨으로써 전기에너지를 발생시키고,
    상기 압전 구조체는 p형 반도체 물질로 이루어지고, 상기 압전 구조체와 대면하는 상기 절연성 필름의 표면은 (+) 표면전하를 가지는 전기에너지 발생소자.
  22. 삭제
  23. 제 18 항에 있어서,
    상기 압전 구조체는 상기 제1 기판 상에 마련되며, 상기 절연성 필름은 상기 압전 구조체와 상기 제2 기판 사이에 마련되는 전기에너지 발생소자.
  24. 제 18 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 기판은 각각 직물 기판을 포함하는 전기에너지 발생소자.
  25. 제 18 항에 있어서,
    상기 압전 구조체는 상기 제1 기판 상에 성장된 복수의 압전 나노와이어 또는 상기 제1 기판 상에 코팅된 압전 물질층을 포함하는 전기에너지 발생소자.
  26. 제 18 항에 있어서,
    상기 절연성 필름은 폴리머 계열의 물질 또는 무기물을 포함하는 전기에너지 발생소자.
  27. 압전 특성을 가지는 물질을 포함하는 압전 구조체와, 일렉트릿 특성을 가지는 물질을 포함하는 절연성 필름을 구비하는 전기에너지 발생소자의 구동방법에 있어서,
    상기 압전 구조체와 상기 절연성 필름은 도전성 물질을 포함하는 제1 및 제2 기판 사이에 마련되며,
    외부의 기계적인 힘이 상기 절연성 필름에 가해질 때 상기 절연성 필름이 상기 압전 구조체와 접촉하여 상기 압전 구조체가 변형되고, 상기 절연성 필름과 상기 제1 기판 사이의 간격이 변화됨으로써 전기에너지를 발생시키고,
    상기 압전 구조체는 n형 반도체 물질로 이루어지고, 상기 압전 구조체와 대면하는 상기 절연성 필름의 표면은 (-) 표면전하를 가지는 전기에너지 발생소자의 구동방법.
  28. 삭제
  29. 제 27 항에 있어서,
    상기 압전 구조체는 복수의 압전 나노와이어 또는 압전 물질층을 포함하는 전기에너지 발생소자의 구동방법.
  30. 제 27 항에 있어서,
    상기 절연성 필름은 반영구적인 분극 또는 반영구적인 표면전하를 가지는 물질을 포함하는 전기에너지 발생소자의 구동방법.
  31. 삭제
  32. 압전 특성을 가지는 물질을 포함하는 압전 구조체와, 일렉트릿 특성을 가지는 물질을 포함하는 절연성 필름을 구비하는 전기에너지 발생소자의 구동방법에 있어서,
    상기 압전 구조체와 상기 절연성 필름은 도전성 물질을 포함하는 제1 및 제2 기판 사이에 마련되며,
    외부의 기계적인 힘이 상기 절연성 필름에 가해질 때 상기 절연성 필름이 상기 압전 구조체와 접촉하여 상기 압전 구조체가 변형되고, 상기 절연성 필름과 상기 제1 기판 사이의 간격이 변화됨으로써 전기에너지를 발생시키고,
    상기 압전 구조체는 p형 반도체 물질로 이루어지고, 상기 압전 구조체와 대면하는 상기 절연성 필름의 표면은 (+) 표면전하를 가지는 전기에너지 발생소자의 구동방법.
  33. 삭제
  34. 제 27 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 기판은 각각 직물 기판을 포함하는 전기에너지 발생소자의 구동방법.
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