KR101810036B1 - 액체를 이용한 에너지 전환 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고체 표면에 흡착한 물방울의 움직임에 따라 유도된 전하의 움직임을 통해 전기를 생성하는 에너지 전환 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 종래의 액체를 이용한 에너지전환장치가 전극을 상하 또는 좌우로 2개로 분리된 전극을 사용하는 구조와 달리, 반도체로 구성된 일체형 단일 전극을 사용하여 물방울의 움직임에 따라 유도된 전하의 움직임을 통해 전기를 생성하는 새로운 구조 및 재료의 에너지 전환 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 에너지 전환 장치는 구조의 단순화를 통해 제조원가 절감과 함께, 종래의 펄스 형태의 신호가 아닌 연속적인 에너지 발전이 가능하고 출력을 현저히 향상시키는 효과가 있다.
Description
본 발명은 액체를 이용한 에너지 전환 방법 및 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고체 표면에 흡착한 물방울의 움직임에 따라 유도된 전하의 움직임을 통해 전기를 생성하는 에너지 전환 방법 및 장치에 관한 것이다.
종래의 유체를 이용하여 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 기술들은 유전물질과 접하고 있는 액체금속의 접촉면적을 시간의 흐름에 따라 변화시켜 유전물질 아래 위치하는 전극에 전기용량을 발생시키는 원리를 이용하였다(미국 등록특허 제 7,898,096호 참조).
종래의 유체를 이용한 에너지 전환 장치는 가늘고 긴 형상의 채널의 벽에 일정한 패턴으로 전극을 형성하고, 전극의 상부에는 유전물질층을 형성시킨다. 그리고 채널의 내부에는 작은 물방울 형태의 전도성 액체와 비전도성 액체를 주입하고, 이러한 물방울 형태의 전도성 액체에 외부전원으로부터 전압을 인가하여 전도성 액체를 분극시킨다.
이 상태에서 채널과 연결되어 있는 소정의 부분(미도시)에 물리적인 압력을 가하게 되면 분극된 물방울 형태의 전도성 액체는 채널을 따라 이동하게 되고, 이 과정에서 일정한 패턴으로 형성되어 있는 다수의 전극은 이동하는 다수의 전도성 액체 방울과 접촉하는 면적이 시간에 따라 계속적으로 변화하게 되어, 그 결과 전기용량이 변화하여 전기 에너지가 생성된다.
그러나, 종래의 유체를 이용한 에너지 전환 방법 및 장치는 실용화를 위해서는 다양한 문제점들을 가지고 있었다.
먼저, 좁고 가는 채널 내에서 방울형태의 액체금속이 이동하였다가 외부의 힘이 사라지면 다시 원래의 위치로 복귀하는, 가역가능한(reversible)움직임이 어려워 윤활층(lubricating layer)이 별도로 필요하다는 한계점이 있고, 채널 막힘현상이 쉽게 발생하여 동작이 불가능한 경우가 발생한다.
또한, 종래의 유체를 이용한 에너지 전환 방법 및 장치는 좁고 가는 채널 구조를 채용하고 있어, 대향하는 두 전극이 채널의 벽에 일정한 모양으로 패턴되어야 하며, 이러한 구조에 따라 장치구성이 복잡해지고, 전기에너지를 생산하는 모듈의 크기가 커지며, 대량생산이나 원가절감에 한계가 있다.
또한, 수은 또는 갈린스탄(galinstan)과 같은 액체금속을 사용하여 인체 및 환경에 유해하며, 이러한 전도성 액체를 분극시키기 위해서는 외부로부터 별도의 전원 인가가 필요한 한계점이 있다.
또한, 종래의 유체를 이용한 에너지 전환 방법 및 장치는 채널구조에서 가역가능한(reversible)한 움직임을 계속적으로 구현해야 하는 점과 섞이지 않는 상이한 두 종류의 액체를 사용해야하기 때문에 제어의 어려움이 있다.
상술한 문제점을 극복하기 위해, 최근에는 물을 포함한 액체 방울(droplet)의 흐름을 통해 에너지 전환층과 액체 사이의 접촉면, 접촉면적 또는 접촉각 중 적어도 어느 하나 이상의 변화를 유도하여 이를 전기에너지로 변환하거나, 또는 기판에 접촉하는 액체의 접촉면, 접촉면적 또는 접촉각을 물리적 힘에 의해 변화시켜 이를 전기에너지로 변환하는 에너지 전환 방법 및 소자가 개발되었다(대한민국 등록특허 제 10-1358286호, 제 10-1358291호, 제 10-1358295호, 및 제 10-1411337호 참조).
그러나, 이런 에너지 전환 방법 및 소자들은 전기적 신호가 펄스(pulse) 형태로 연속적이지 못하여 출력 효율이 낮은 단점이 있다.
이에, 본 발명자들은 이전에 개발된 액체를 이용한 에너지 전환 소자에 대해 물방울 운동에너지 대비 낮은 출력을 향상시키기 위해 예의노력한 결과, 전극의 구조 및 재료를 변경하고, 소수성 표면 물질의 범위를 확장하여, 펄스(pulse) 형태의 신호가 연속적인 에너지 발전으로 바뀌고 출력을 현저히 향상시킴으로써 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 전극에 접촉하는 액체의 움직임에 따라 유도된 전하의 움직음을 통해 전기 에너지를 생성하는 액체를 이용한 에너지 전환 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 기존의 액체를 이용한 에너지 전환 방법 및 장치에 있어서 전극의 구조 및 재료를 변경하고, 소수성 표면 물질의 범위를 확장함으로써, 구조가 간단하고 출력이 현저히 향상된 에너지 전환 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은
반도체로 구성된 단일 전극; 및
상기 단일 전극과 접촉하여, 상기 단일 전극에서 이동하는 이온성 액체 또는 물;을 포함하는,
액체의 이동을 이용한 에너지 전환 장치를 제공한다.
또한, 본 발명은
반도체로 구성된 단일 전극;
상기 단일 전극의 상부면에 유기물층, 무기물층 또는 유기물과 무기물의 혼합물층 중 어느 하나로 구성된 유전체층; 및
상부 고체 표면과 접촉하여, 상기 고체 표면에서 이동하는 이온성 액체 또는 물;을 포함하는,
액체의 이동을 이용한 에너지 전환 장치를 제공한다.
또한, 본 발명은
반도체로 구성된 단일 전극;
상기 단일 전극의 상부면에 유기물층, 무기물층, 유기물과 무기물의 혼합물층 또는 자가조립 단분자 중 어느 하나로 구성된 소수성 물질층; 및
상부 고체 표면과 접촉하여, 상기 고체 표면에서 이동하는 이온성 액체 또는 물;을 포함하는,
액체의 이동을 이용한 에너지 전환 장치를 제공한다.
또한, 본 발명은
반도체로 구성된 단일 전극;
상기 단일 전극의 상부면에 유기물층, 무기물층 또는 유기물과 무기물의 혼합물층 중 어느 하나로 구성된 유전체층;
상기 유전체층의 상부면에 유기물층, 무기물층, 유기물과 무기물의 혼합물층 또는 자가조립 단분자막 중 어느 하나로 구성된 소수성 물질층; 및
상부 고체 표면과 접촉하여, 상기 고체 표면에서 이동하는 이온성 액체 또는 물;을 포함하는,
액체의 이동을 이용한 에너지 전환 장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 본 발명에 따른 에너지 전환 장치들에 있어서, 상기 단일 전극의 하부면에 기판을 더 포함하는, 액체의 이동을 이용한 에너지 전환 장치들을 제공한다.
또한, 본 발명은
반도체로 구성된 단일 전극을 준비하는 단계;
상기 단일 전극의 상부면에 유전체층 또는 소수성 물질층 중 어느 하나. 또는 유전체층 및 소수성 물질층을 차례로 적층시키는 단계; 및
상부 고체 표면에 이온성 액체 또는 물을 접촉시켜 이온을 고체 표면에 흡착시키는 단계;를 포함하는
액체의 이동을 이용한 에너지 전환 장치의 제조 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 본 발명에 따른 에너지 전환 장치의 제조 방법에 있어서, 상기 단일 전극을 기판에 적층시키는 단계를 더 포함하는, 액체의 이동을 이용한 에너지 전환 장치의 제조 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 본 발명에 따른 에너지 전환 장치들에 있어서, 상부 고체 표면에 접촉된 이온성 액체 또는 물을 이동시켜 액체 방울 또는 물방울의 움직임에 따라 유도된 전하를 이동시켜 전기를 생성시키는 단계를 포함하는, 액체의 이동을 이용한 에너지 전환 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 에너지 전환 장치는 종래의 액체를 이용한 에너지 전환 장치와 비교하여, 전극의 구조 및 재료를 변경하고, 소수성 표면 물질의 범위를 확장하여, 출력이 현저히 향상되었다.
구체적으로, 본 발명에 따른 에너지 전환 장치는 종래의 액체를 이용한 에너지전환장치가 전극을 상하 또는 좌우로 2개로 분리된 전극을 사용하는 구조와 달리, 반도체로 구성된 일체형 단일 전극을 사용하여, 즉 2개의 포트를 단일 전극에 물리는 구조를 사용하는 새로운 형태 및 원리를 갖는 소자이며, 이는 종래의 펄스(pulse) 형태의 신호가 연속적인 에너지 발전으로 바뀌었으며, 물방울 운동에너지 대비 출력에 대해 종래의 0.01% 이하에서 약 40 내지 50%로 현저히 향상시켰다.
도 1은 이전에 개발된 소자와 본 발명에 따른 소자의 구조 차이를 예시적으로 보여주는 개요도이다.
도 2는 본 발명에 따른 소자의 가능한 구조들을 보여주는 그림이다.
도 3은 본 발명에 따른 소자의 구동 원리를 보여주는 그림이다.
도 4는 본 발명에 따른 소자의 각 층의 구체적인 정보를 예시적으로 보여주는 그림이다.
도 5는 본 발명에 따른 소자의 전압-전류 생성 평가를 위한 구조를 예시적으로 보여주는 그림이다.
도 6은 본 발명에 따른 소자의 전압-전류 생성 평가를 위한 산출식을 보여주는 그림이다.
도 7은 본 발명에 따른 소자 위를 4cm/s 속도로 움직이는 200 μL 물방울(0.01M NaCl)에 의해 발생하는 개로전압 및 단락전류를 평가한 결과를 보여주는 그래프이다.
도 2는 본 발명에 따른 소자의 가능한 구조들을 보여주는 그림이다.
도 3은 본 발명에 따른 소자의 구동 원리를 보여주는 그림이다.
도 4는 본 발명에 따른 소자의 각 층의 구체적인 정보를 예시적으로 보여주는 그림이다.
도 5는 본 발명에 따른 소자의 전압-전류 생성 평가를 위한 구조를 예시적으로 보여주는 그림이다.
도 6은 본 발명에 따른 소자의 전압-전류 생성 평가를 위한 산출식을 보여주는 그림이다.
도 7은 본 발명에 따른 소자 위를 4cm/s 속도로 움직이는 200 μL 물방울(0.01M NaCl)에 의해 발생하는 개로전압 및 단락전류를 평가한 결과를 보여주는 그래프이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.
본 발명은
반도체로 구성된 단일 전극; 및
상기 단일 전극과 접촉하여, 상기 단일 전극에서 이동하는 이온성 액체 또는 물;을 포함하는,
액체의 이동을 이용한 에너지 전환 장치를 제공한다.
또한, 본 발명은
반도체로 구성된 단일 전극;
상기 단일 전극의 상부면에 유기물층, 무기물층 또는 유기물과 무기물의 혼합물층 중 어느 하나로 구성된 유전체층; 및
상부 고체 표면과 접촉하여, 상기 고체 표면에서 이동하는 이온성 액체 또는 물;을 포함하는,
액체의 이동을 이용한 에너지 전환 장치를 제공한다.
또한, 본 발명은
반도체로 구성된 단일 전극;
상기 단일 전극의 상부면에 유기물층, 무기물층, 유기물과 무기물의 혼합물층 또는 자가조립 단분자 중 어느 하나로 구성된 소수성 물질층; 및
상부 고체 표면과 접촉하여, 상기 고체 표면에서 이동하는 이온성 액체 또는 물;을 포함하는,
액체의 이동을 이용한 에너지 전환 장치를 제공한다.
또한, 본 발명은
반도체로 구성된 단일 전극;
상기 단일 전극의 상부면에 유기물층, 무기물층 또는 유기물과 무기물의 혼합물층 중 어느 하나로 구성된 유전체층;
상기 유전체층의 상부면에 유기물층, 무기물층, 유기물과 무기물의 혼합물층 또는 자가조립 단분자막 중 어느 하나로 구성된 소수성 물질층; 및
상부 고체 표면과 접촉하여, 상기 고체 표면에서 이동하는 이온성 액체 또는 물;을 포함하는,
액체의 이동을 이용한 에너지 전환 장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 본 발명에 따른 에너지 전환 장치들에 있어서, 상기 단일 전극의 하부면에 기판을 더 포함하는, 액체의 이동을 이용한 에너지 전환 장치들을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 본 발명에 따른 에너지 전환 장치들에 있어서, 상기 에너지 전환 장치가 어레이 형태로 복수로 연결된 에너지 전환 장치들을 제공한다.
도 1은 종래에 개발된 액체를 이용한 에너지 전환 장치와 본 발명에 따른 에너지 전환 장치의 차이점을 보여주는 그림이다. 구체적으로, 본 발명에 따른 에너지 전환 장치는 종래의 에너지 전환 장치와 비교하여 전극의 재료(반도체 사용) 및 전극의 구조(단일 전극 사용)를 변경하고, 소수성 표면 물질의 범위를 확장(자가조립단분자막(SAM)이 추가)하여, 종래의 에너지 전환 장치의 펄스(pulse) 형태의 신호가 연속적인 에너지 발전으로 바뀌고, 물방울 운동에너지 대비 출력을 현저히 향상시킨 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 에너지 전환 장치의 가능한 구조들을 보여주는 그림이다. 에너지 전환 장치가 3층(반도체층, 유전체층 및 소수성 물질층)으로 구성되어 있는 경우, 출력을 최대화하기 위한 가장 바람직한 구조이며, 비록 3가지 층이 있지 않더라도 도 2의 구조인 경우 상대적으로 작더라도 전기에너지가 나오는 가능한 구조이다.
본 발명에 따른 에너지 전환 장치는 종래의 액체를 이용한 에너지전환장치가 전극을 상하 또는 좌우로 2개로 분리된 전극을 사용하는 구조와 달리, 반도체로 구성된 일체형 단일 전극을 사용하여, 즉 2개의 포트를 단일 전극에 물리는 구조를 갖는다.
도 3은 본 발명에 따른 에너지 전환 장치의 구동 원리를 보여주는 그림이다. 이온이 들어있는 물방울이 고체 표면과 접촉하게 되면 이온이 고체 표면에 흡착하게 되고, 흡착한 이온은 전극에 반대 부호의 전하를 당기게 되며, 물방울이 움직임에 따라 유도된 전하 또한 움직이기 때문에 전기가 생성되는 원리이다.
본 발명에 따른 에너지 전환 장치는 물방울 속 이온이 반도체 층의 전하밀도를 바꾸고 바뀌어진 전하밀도가 물방울의 움직임을 따라 이동하며, 따라서 전극의 양 끝 단에 연속적인 전기에너지가 생성된다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 에너지 전환 장치들은 반도체가 전극으로 사용되었고, 또한 전극이 기판(substrate)이자 저항체로 작동하고, 저항의 범위는 극히 넓다,.
상기 반도체는 Si wafer를 사용(예를 들면, MTIKorea 등에서 구매 가능)하거나 적절한 저항 범위를 갖는 반도체 물질을 합성(예를 들면, TiO2, ZnO)하여 사용할 수 있으며, 상기 반도체는 Si, Ge, GaAs, Cds, ZnS, CdSe, ZnSe, SiC, SnO2, PbS, TiO2, ZnO, SnO2, Fe2O3, NiO, CoO 및 WO3로 구성된 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 상기 유전체층은 유기물층, 무기물층 또는 그 혼합을 사용할 수 있으며, 용액공정을 통하여 PVP, PMMA, PVA, PTFE 등의 박막을 제작하여 사용하거나, 진공공정(CVD, 열증착, sputter, ALD)을 통하여 SiO2, Al2O3, HfO2 등의 박막 제작(예를 들면, 나노종합기술원 등에서 10 nm로 증착하여 사용 가능)하여 사용할 수 있다.
상기 유전체층은 폴리메틸메타크릴레이트(PolyMethylMethAcrylate, PMMA), 폴리에틸렌(Polyethylene, PE), 폴리스티렌(Polystyrene, PS), 폴리비닐피롤리돈(Polyvinylpyrrolidone, PVP), 폴리4비닐페놀(poly(4-vinylpenol), PVP), 폴리이서술폰(polyethersulfone, PES), 폴리(4-메톡시페닐아크릴레이트)(Poly(4-methoxyphenylacrylate), PMPA), 폴리(페닐아크릴레이트)(Poly(phenylacrylate); PPA), 폴리(2,2,2-트리플로로에틸 메타아크릴레이트)(Poly(2,2,2-trifluoroethyl methacrylate); PTFMA), 사이아노에틸풀루란 (Cyanoethylpullulan; CYEPL), 폴리염화비닐(polyvinyl chloride; PVC), 폴리(파라반사) 수지(Poly (parabanic acid) resin; PPA), 폴리(t-부틸스티렌)(Poly(t-butylstyrene); PTBS), 폴리티에닐렌비닐렌 (Polythienylenevinylene; PTV), 폴리비닐아세테이트(Polyvinylacetate; PVA), 폴리(비닐 알코올)(Poly(vinyl alcohol); PVA), 폴리(R메틸스티렌)(Poly(Rmethylstyrene); PAMS), 폴리(비닐 알코올)-코-폴리(비닐 아세테이트)-코-폴리(이타콘산)(Poly(vinyl alcohol)-co-poly(vinyl acetate)-co-poly(itaconic acid); PVAIA), 폴리올레핀(Polyolefin), 폴리아크릴레이트(Polyacrylate), 파릴렌-C(Parylene-C), 폴리이미드(Polyimide), 옥타데실트리클로로실란(Octadecyltrichlorosilane; OTS), 폴리(트리아릴아민)(Poly(triarylamine); PTTA), 폴리-3-헥실티오펜(Poly-3-hexylthiophene; P3HT), 가교 결합된 폴리-4-비닐페놀(cross-linked Poly-4-vinylphenol; crosslinked PVP), 폴리(퍼플로로알케닐비닐 에테르)(Poly(perfluoroalkenylvinyl ether)), 나일론-6(Nylon-6), n-옥타데실포스포닉 산(n-Octadecylphosphonic acid; ODPA), 폴리테트라플루오르에틸렌(Polytetrafluoroethylene, PTFE), 실리콘(silicone), 폴리우레탄(polyurethane), 라텍스(latex), 초산셀룰로오스(cellulose acetate), PHEMA(poly(hydroxy ethyl methacrylate)), 폴리락타이드(polylactide, PLA), PGA(폴리글리콜라이드, polyglycolide), 및 PGLA(Polyglycolide-co-Lactide)로 구성된 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나의 물질을 포함한 유기물층을 사용할 수 있다.
상기 유전체층은 산화실리콘(SiO2), 산화티타늄(TiO2), 산화알루미늄(Al2O3),탄탈(Ta2O5), 오산화 탄탈럼(Tantalum Pentoxide), 산화아연(Zinc oxide, ZnO), 산화탄탈륨(Tantalum pentoxide, Ta2O5), 산화이트륨(Yttrium oxide, Y2O3), 산화세륨(Cerium oxide, CeO2), 이산화타이타늄(titanium dioxide, TiO2), 티탄산바륨(Barium titanate, BaTiO3), 바륨 지르코네이트 티타네이트(Barium zirconate titanate, BZT), 이산화지르코늄(Zirconium dioxide, ZrO2), 산화란탄륨(Lanthanum oxide, La2O3), 하프늄실리케이트(Hafnon, HfSiO4), 란타늄 알루미네이트(Lanthanum Aluminate, LaAlO3), 질화규소(Silicon nitride, Si3N4), 스트론튬 티타네이트(Strontium titanate, SrTiO3), 바륨 스트론튬 티타네이트(barium strontium titanate, BST), 티탄산 지르콘산 연(Lead zirconate titanate, PZT), 티탄산칼슘구리(Calcium copper titanate,CCTO), 산화하프늄(HfO2), 아파타이트(A10(MO4)6(X)2), 수산화인회석(Ca10(PO4)6(OH)2), 인산3칼슘(Ca3(PO42)), Na2O-CaO-SiO2, 및 바이오글라스(CaO-SiO2-P2O5)로 구성된 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나의 물질을 포함한 무기물층을 사용할 수 있다.
바람직하게는, 상기 유기물층은 유전상수(dielectric constant, K)가 4 이하의 물질이 사용될 수 있고, 상기 무기물층은 유전상수(dielectric constant, K)가 5 이상의 물질이 사용될 수 있다.
바람직하게는, 상기 유전체층은 이온성 액체 또는 물과의 접촉면적을 넓히기 위한 구조물이 형성될 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 상기 소수성 물질층은 유기물층, 무기물층 또는 그 혼합이거나, 또는 자가조립단분자막(self-assembled monolayer)이 사용될 수 있으며, 용액공정 및 진공공정을 통하여 실란(silane) 계열 SAM이 제작하여 사용(예를 들면, perfluorooctyltriethoxysilane을 sigmaaldrich 등에서 구입하여 CVD 공정을 통해 증착하여 사용가능)될 수 있다.
상기 소수성 물질층은 실란(silane)계 물질, 플루오르중합체(fluoropolymer) 물질, 트리클로로실란(Trichlorosilane), 트리에톡시실란(Trimethoxysilane), 펜타플루오르페닐프로필트리클로로실란(Pentafluorophenylpropyltrichlorosilane), (벤질옥시)알킬트리메톡시실란((benzyloxy)alkyltrimethoxysilane; BSM-22), (벤질옥시)알킬트리클로로실란((benzyloxy)alkyltrichlorosilane; BTS), 헥사메틸디실라잔 (hexamethyldisilazane; HMDS), 옥타데실트리클로로실란 (octadecyltrichlorosilane; OTS), 옥타데실트리메톡시실란 (octadecyltrimethoxysilane; OTMS), alc 디비닐테트라메틸디실록산-비스-(벤조시클로부텐) (divinyltetramethyldisiloxane-bis(benzocyclobutene); BCB)로 구성된 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나의 물질을 포함하는 것으로 사용될 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 액체는 이온이 포함되어 있는 이온성 액체인 것이 바람직하다.
상기 이온성 액체는 NaCl, LiCl, HCl, KCl, RbCl, CsCl, NaF, NaBr, NaI, H2CO3, NaOH, NaNo3, Na2SiO3, AlCl3-NaCl, LiCl-KCl, Na,NaOH, H2SO4, CH3COOH, HF, CuSO4, 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜 및 AgCl로 구성된 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는 것이 사용될 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 상기 기판은 금속 기판, 유리 기판 또는 고분자 소재 기판가 사용될 수 있다.
상기 고분자 소재 기판은 폴리에틸렌테레프탈레이트(Polyethylene Terephthalate, PET), 폴리아릴레이트(polyarylate, PAR), 폴리메틸메타크릴레이트(PolyMethylMethAcrylate, PMMA), 폴리에틸렌나프탈레이트(PolyethyleneNaphthalate, PEN), 폴리에테르설폰(Polyethersulfone, PES), 폴리이미드(Polyimide, PI), 폴리카보네이트(Polycarbonate, PC) 및 고분자복합재료(fiber reinforced plastics, FRP)로 구성된 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는 플라스틱 기판 또는 필름이 사용될 수 있다.
또한, 본 발명은
반도체로 구성된 단일 전극을 준비하는 단계;
상기 단일 전극의 상부면에 유전체층 또는 소수성 물질층 중 어느 하나. 또는 유전체층 및 소수성 물질층을 차례로 적층시키는 단계; 및
상부 고체 표면에 이온성 액체 또는 물을 접촉시켜 이온을 고체 표면에 흡착시키는 단계;를 포함하는
액체의 이동을 이용한 에너지 전환 장치의 제조 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 본 발명에 따른 에너지 전환 장치의 제조 방법에 있어서, 상기 단일 전극을 기판에 적층시키는 단계를 더 포함하는, 액체의 이동을 이용한 에너지 전환 장치의 제조 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 본 발명에 따른 에너지 전환 장치들에 있어서, 상부 고체 표면에 접촉된 이온성 액체 또는 물을 이동시켜 액체 방울 또는 물방울의 움직임에 따라 유도된 전하를 이동시켜 전기를 생성시키는 단계를 포함하는, 액체의 이동을 이용한 에너지 전환 방법을 제공한다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에서는, 본 발명에 따른 에너지 전환 장치에 대해 전극(반도체)의 양쪽 끝 단에 측정기기(전류계, 전압계)를 연결한 후, 소자 위에서 물방울이 흘러내려감에 따라 전기 생성을 측정하였습니다.
구체적으로, 본 발명의 실시예에서는 소자는 반도체층으로 Si wafer(sigmaaldrich에서 구입), 유전체층으로 HfO2를 ALD 공정으로 10 nm 증착, 및 소수성 물질층으로 perfluorooctyltriethoxysilane(sigmaaldrich에서 구입)을 CVD 공정을 통해 증착하여 길이 10 cm, 폭 1 cm를 갖는 소자를 제작하였고, 200 μL (0.01M NaCl)의 물방울을 사용하였다. 소자 위에서 물방울이 4 cm/s로 움직이는 동안 길쭉한 소자의 양 끝단에 측정기기(전류계 & 전압계)를 연결하고 측정하였습니다. 그 결과, 개로 전압(Open circuit voltage): ~0.35V 및 단락 전류(Short circuit current): ~0.4μA가 측정되었다(도 7).
본 발명에 따른 에너지 전환 장치는 종래의 시간에 따른 전압에 대해 펄스(pulse) 형태의 신호가 일정시간 동안 연속적인 신호로 바뀜으로써 종래에 펄스 형태의 신호로 인한 전력 추출의 어려운 문제점을 극복하였으며, 출력에 대해 종래의 0.01% 이하에서 약 40 내지 50%로 현저히 향상시켰다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.
Claims (15)
- 반도체(Semiconductor)로 구성된 단일 전극; 및
상기 단일 전극과 접촉하여, 상기 단일 전극의 상부 표면에서 이동하는 이온성 액체 또는 물;을 포함하는,
액체의 이동을 이용한 에너지 전환 장치.
- 반도체(Semiconductor)로 구성된 단일 전극;
상기 단일 전극의 상부면에 유기물층, 무기물층 또는 유기물과 무기물의 혼합물층 중 어느 하나로 구성된 유전체층(Dielectric layer); 및
상기 유전체층의 상부 표면과 접촉하여, 상기 유전체층의 상부 표면에서 이동하는 이온성 액체 또는 물;을 포함하고,
이때 상기 단일 전극은 상기 유전체층의 하부 전층에 형성되어 있는,
액체의 이동을 이용한 에너지 전환 장치.
- 반도체(Semiconductor)로 구성된 단일 전극;
상기 단일 전극의 상부면에 유기물층, 무기물층, 유기물과 무기물의 혼합물층 또는 자가조립 단분자막(self assembled monolayer) 중 어느 하나로 구성된 소수성 물질층(Hydrophobic layer); 및
상기 소수성 물질층의 상부 표면과 접촉하여, 상기 소수성 물질층의 상부 표면에서 이동하는 이온성 액체 또는 물;을 포함하고,
이때 상기 단일 전극은 상기 소수성 물질층의 하부 전층에 형성되어 있는,
액체의 이동을 이용한 에너지 전환 장치.
- 반도체(Semiconductor)로 구성된 단일 전극;
상기 단일 전극의 상부면에 유기물층, 무기물층 또는 유기물과 무기물의 혼합물층 중 어느 하나로 구성된 유전체층(Dielectric layer);
상기 유전체층의 상부면에 유기물층, 무기물층, 유기물과 무기물의 혼합물층 또는 자가조립 단분자막(self assembled monolayer) 중 어느 하나로 구성된 소수성 물질층(Hydrophobic layer); 및
상기 소수성 물질층의 상부 표면과 접촉하여, 상기 소수성 물질층의 상부 표면에서 이동하는 이온성 액체 또는 물;을 포함하고,
이때 상기 단일 전극은 상기 유전체층의 하부 전층에 형성되어 있는,
액체의 이동을 이용한 에너지 전환 장치.
- 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 단일 전극의 하부면에 기판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 액체의 이동을 이용한 에너지 전환 장치.
- 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 반도체는 Si, Ge, GaAs, Cds, ZnS, CdSe, ZnSe, SiC, SnO2, PbS, TiO2, ZnO, SnO2, Fe2O3, NiO, CoO 및 WO3로 구성된 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는, 액체의 이동을 이용한 에너지 전환 장치.
- 제 2항 또는 제 4항에 있어서,
상기 유전체층은 폴리메틸메타크릴레이트(PolyMethylMethAcrylate, PMMA), 폴리에틸렌(Polyethylene, PE), 폴리스티렌(Polystyrene, PS), 폴리비닐피롤리돈(Polyvinylpyrrolidone, PVP), 폴리4비닐페놀(poly(4-vinylpenol), PVP), 폴리이서술폰(polyethersulfone, PES), 폴리(4-메톡시페닐아크릴레이트)(Poly(4-methoxyphenylacrylate), PMPA), 폴리(페닐아크릴레이트)(Poly(phenylacrylate); PPA), 폴리(2,2,2-트리플로로에틸 메타아크릴레이트)(Poly(2,2,2-trifluoroethyl methacrylate); PTFMA), 사이아노에틸풀루란 (Cyanoethylpullulan; CYEPL), 폴리염화비닐(polyvinyl chloride; PVC), 폴리(파라반사) 수지(Poly (parabanic acid) resin; PPA), 폴리(t-부틸스티렌)(Poly(t-butylstyrene); PTBS), 폴리티에닐렌비닐렌 (Polythienylenevinylene; PTV), 폴리비닐아세테이트(Polyvinylacetate; PVA), 폴리(비닐 알코올)(Poly(vinyl alcohol); PVA), 폴리(R메틸스티렌)(Poly(Rmethylstyrene); PAMS), 폴리(비닐 알코올)-코-폴리(비닐 아세테이트)-코-폴리(이타콘산)(Poly(vinyl alcohol)-co-poly(vinyl acetate)-co-poly(itaconic acid); PVAIA), 폴리올레핀(Polyolefin), 폴리아크릴레이트(Polyacrylate), 파릴렌-C(Parylene-C), 폴리이미드(Polyimide), 옥타데실트리클로로실란(Octadecyltrichlorosilane; OTS), 폴리(트리아릴아민)(Poly(triarylamine); PTTA), 폴리-3-헥실티오펜(Poly-3-hexylthiophene; P3HT), 가교 결합된 폴리-4-비닐페놀(cross-linked Poly-4-vinylphenol; crosslinked PVP), 폴리(퍼플로로알케닐비닐 에테르)(Poly(perfluoroalkenylvinyl ether)), 나일론-6(Nylon-6), n-옥타데실포스포닉 산(n-Octadecylphosphonic acid; ODPA), 폴리테트라플루오르에틸렌(Polytetrafluoroethylene, PTFE), 실리콘(silicone), 폴리우레탄(polyurethane), 라텍스(latex), 초산셀룰로오스(cellulose acetate), PHEMA(poly(hydroxy ethyl methacrylate)), 폴리락타이드(polylactide, PLA), PGA(폴리글리콜라이드, polyglycolide), 및 PGLA(Polyglycolide-co-Lactide)로 구성된 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는, 액체의 이동을 이용한 에너지 전환 장치.
- 제 2항 또는 제 4항에 있어서,
상기 유전체층은 산화실리콘(SiO2), 산화티타늄(TiO2), 산화알루미늄(Al2O3),탄탈(Ta2O5), 오산화 탄탈럼(Tantalum Pentoxide), 산화아연(Zinc oxide, ZnO), 산화탄탈륨(Tantalum pentoxide, Ta2O5), 산화이트륨(Yttrium oxide, Y2O3), 산화세륨(Cerium oxide, CeO2), 이산화타이타늄(titanium dioxide, TiO2), 티탄산바륨(Barium titanate, BaTiO3), 바륨 지르코네이트 티타네이트(Barium zirconate titanate, BZT), 이산화지르코늄(Zirconium dioxide, ZrO2), 산화란탄륨(Lanthanum oxide, La2O3), 하프늄실리케이트(Hafnon, HfSiO4), 란타늄 알루미네이트(Lanthanum Aluminate, LaAlO3), 질화규소(Silicon nitride, Si3N4), 스트론튬 티타네이트(Strontium titanate, SrTiO3), 바륨 스트론튬 티타네이트(barium strontium titanate, BST), 티탄산 지르콘산 연(Lead zirconate titanate, PZT), 티탄산칼슘구리(Calcium copper titanate,CCTO), 산화하프늄(HfO2), 아파타이트(A10(MO4)6(X)2), 수산화인회석(Ca10(PO4)6(OH)2), 인산3칼슘(Ca3(PO42)), Na2O-CaO-SiO2, 및 바이오글라스(CaO-SiO2-P2O5)로 구성된 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는, 액체의 이동을 이용한 에너지 전환 장치.
- 제 3항 또는 제 4항에 있어서,
상기 소수성 물질층은 실란(silane)계 물질, 플루오르중합체(fluoropolymer) 물질, 트리클로로실란(Trichlorosilane), 트리에톡시실란(Trimethoxysilane), 펜타플루오르페닐프로필트리클로로실란(Pentafluorophenylpropyltrichlorosilane), (벤질옥시)알킬트리메톡시실란((benzyloxy)alkyltrimethoxysilane; BSM-22), (벤질옥시)알킬트리클로로실란((benzyloxy)alkyltrichlorosilane; BTS), 헥사메틸디실라잔 (hexamethyldisilazane; HMDS), 옥타데실트리클로로실란 (octadecyltrichlorosilane; OTS), 옥타데실트리메톡시실란 (octadecyltrimethoxysilane; OTMS), alc 디비닐테트라메틸디실록산-비스-(벤조시클로부텐) (divinyltetramethyldisiloxane-bis(benzocyclobutene); BCB)로 구성된 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는, 액체의 이동을 이용한 에너지 전환 장치.
- 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 이온성 액체는 NaCl, LiCl, HCl, KCl, RbCl, CsCl, NaF, NaBr, NaI, H2CO3, NaOH, NaNo3, Na2SiO3, AlCl3-NaCl, LiCl-KCl, Na,NaOH, H2SO4, CH3COOH, HF, CuSO4, 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜 및 AgCl로 구성된 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는, 액체의 이동을 이용한 에너지 전환 장치.
- 제 5항에 있어서,
상기 기판은 금속 기판, 유리 기판 또는 고분자 소재 기판인 것을 특징으로 하는, 액체의 이동을 이용한 에너지 전환 장치.
- 제 11항에 있어서,
상기 고분자 소재 기판은 폴리에틸렌테레프탈레이트(Polyethylene Terephthalate, PET), 폴리아릴레이트(polyarylate, PAR), 폴리메틸메타크릴레이트(PolyMethylMethAcrylate, PMMA), 폴리에틸렌나프탈레이트(PolyethyleneNaphthalate, PEN), 폴리에테르설폰(Polyethersulfone, PES), 폴리이미드(Polyimide, PI), 폴리카보네이트(Polycarbonate, PC) 및 고분자복합재료(fiber reinforced plastics, FRP)로 구성된 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는 플라스틱 기판 또는 필름인 것을 특징으로 하는, 액체의 이동을 이용한 에너지 전환 장치.
- 반도체(Semiconductor)로 구성된 단일 전극을 준비하는 단계;
상기 단일 전극의 상부면에 유전체층 또는 소수성 물질층 중 어느 하나, 또는 유전체층 및 소수성 물질층을 차례로 적층시키되, 이때 단일 전극은 하부 전층에 향성되도록 적층시키는 단계; 및
최상부층의 상부 표면에 이온성 액체 또는 물을 접촉시켜 이온을 최상부층의 상부 표면에 흡착시키는 단계;를 포함하는
액체의 이동을 이용한 에너지 전환 장치의 제조 방법.
- 제 13항에 있어서,
상기 단일 전극을 기판에 적층시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 액체의 이동을 이용한 에너지 전환 장치의 제조 방법.
- 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항의 에너지 전환 장치에서 이온성 액체 또는 물을 이동시켜 액체 방울 또는 물방울의 움직임에 따라 유도된 전하를 이동시켜 전기를 생성시키는 단계를 포함하는, 액체의 이동을 이용한 에너지 전환 방법.
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|---|---|---|---|
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20200073571A (ko) * | 2018-12-14 | 2020-06-24 | 서울대학교산학협력단 | 중금속 이온탐지 센서 및 이를 이용한 중금속 이온탐지 방법 |
| US10972018B2 (en) | 2018-09-14 | 2021-04-06 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Low frequency kinetic energy harvester |
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|---|---|---|---|---|
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|---|
| An effective energy harvesting method from a natural water motion active transducer, Soon-Hyung Kwon (Energy Environ. Sci., 2014, 7, 3279-3283)* |
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| KR20200073571A (ko) * | 2018-12-14 | 2020-06-24 | 서울대학교산학협력단 | 중금속 이온탐지 센서 및 이를 이용한 중금속 이온탐지 방법 |
| KR102195506B1 (ko) * | 2018-12-14 | 2020-12-28 | 서울대학교산학협력단 | 중금속 이온탐지 센서 및 이를 이용한 중금속 이온탐지 방법 |
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