KR101818863B1 - 액체를 이용한 복합체 에너지 발생 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 액체를 이용한 복합체 에너지 발생 장치에 관한 것이다. 본 발명의 액체를 이용한 복합체 에너지 발생 장치는 액체의 이동에 따른 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환시키는 에너지 발전기이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 액체를 이용한 복합체 에너지 발생 장치는, 대전된 절연체; 상기 대전된 절연체 상의 커패시턴스를 갖는 박막층; 및 상기 커패시턴스를 갖는 박막층 상에서 자유 이동 가능한 액체를 포함하고, 상기 액체의 움직임에 의해 액체와 커패시턴스를 갖는 박막층 간에 발생되는 전위차에 의해 전기적 에너지가 발생된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 액체를 이용한 복합체 에너지 발생 장치는, 대전된 절연체; 상기 대전된 절연체 상의 커패시턴스를 갖는 박막층; 및 상기 커패시턴스를 갖는 박막층 상에서 자유 이동 가능한 액체를 포함하고, 상기 액체의 움직임에 의해 액체와 커패시턴스를 갖는 박막층 간에 발생되는 전위차에 의해 전기적 에너지가 발생된다.
Description
본 발명은 액체를 이용한 복합체 에너지 발생 장치에 관한 것이다. 본 발명의 액체를 이용한 복합체 에너지 발생 장치는 액체의 이동에 따른 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환시키는 에너지 발전기이다.
기존의 액체를 이용한 발전기는 튜브의 내벽에 패턴된 전극 채널과 튜브 내부의 분극된 전도성 액체의 움직임으로 이용하거나, 전극이 패턴된 기판 위에서나 전극이 증착된 두 개의 기판 사이에서의 액체의 움직임을 이용한 구조이다.
이러한 기존의 액체 발전기에서는 일정 높이를 가진 두 개의 기판이나 튜브 형태의 구조적 제한이 있거나 패턴된 전극을 이용해야한다는 공정상의 제한점이 있다.
또한, 기존의 그래핀 위에 액체의 움직임을 이용하는 발전기 경우에는 매우 낮은 출력을 가지므로 실용화에 적용하기에는 어려움이 있다.
본 발명은 커패시턴스를 갖는 박막층과 절연체를 포함한 복합체 소자 위에서 액체의 움직임이나 변형을 통해 액체와 커패시턴스를 갖는 박막층 간의 발생하는 전위차를 이용하여 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 에너지 발전기를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 액체를 이용한 복합체 에너지 발생 장치는, 대전된 절연체; 상기 대전된 절연체 상의 커패시턴스를 갖는 박막층; 및 상기 커패시턴스를 갖는 박막층 상에서 자유 이동 가능한 액체를 포함하고, 상기 액체의 움직임에 의해 액체와 커패시턴스를 갖는 박막층 간에 발생되는 전위차에 의해 전기적 에너지가 발생된다.
상기 커패시턴스를 갖는 박막층은 2차원 물질을 포함한다.
상기 커패시턴스를 갖는 박막층은 그래핀, BN, MoS2, MoSe2, MoTe2, WS2, WSe2, WTe2 중 어느 하나가 이용된다.
상기 커패시턴스를 갖는 박막층 상의 상기 액체의 이탈을 방지하는 테두리를 추가로 포함한다..
상기 절연체는 폴리머 또는 산화물이 이용된다.
상기 커패시턴스를 갖는 박막층 상에는 2개의 전극이 배치되어 있다.
상기 2개의 전극에 각각 연결된 인출부를 추가로 포함한다.
상기 인출부에는 에너지 저장부가 연결되어 있다.
상기 인출부와 상기 에너지 저장부 사이에는 정류 다이오드가 연결되어 있다.
본 발명에 따르면, 대전된 절연체와 커패시턴스를 갖는 박막층을 포함한 복합체를 이용하여 액체의 움직임이나 변형에 따른 향상된 출력을 가지는 에너지 발전기를 개발하였고 전극의 패터닝 또는 소자의 구조적 제한이 없어 에너지 발전기의 대면적화가 가능하였다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 액체를 이용한 복합체 에너지 발생 장치의 구성도를 도시한다.
도 2a 내지 2b는 커패시턴스를 갖는 박막층으로 2차원 물질이 이용되지 아니하거나 또는 2차원 물질의 두께에 따른 출력값의 변화를 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 액체를 이용한 복합체 에너지 발생 장치의 구조 및 구동 원리를 도시한다.
도 4는 기초 출력 평가를 위해 NaCl 수용액을 액체로 이용하고, 커패시턴스를 갖는 박막층으로 2차원 물질로서 그래핀을 이용하였으며, 절연체로 PTFE 폴리머를 이용한 실시예의 모습을 도시한다.
도 5는 기초 출력 평가를 위한 도 4의 실시예을 직렬 또는 병렬로 연결한 실시예의 모습을 도시한다.
다양한 실시예들이 이제 도면을 참조하여 설명되며, 전체 도면에서 걸쳐 유사한 도면번호는 유사한 엘리먼트를 나타내기 위해서 사용된다. 설명을 위해 본 명세서에서, 다양한 설명들이 본 발명의 이해를 제공하기 위해서 제시된다. 그러나 이러한 실시예들은 이러한 특정 설명 없이도 실행될 수 있음이 명백하다. 다른 예들에서, 공지된 구조 및 장치들은 실시예들의 설명을 용이하게 하기 위해서 블록 다이아그램 형태로 제시된다.
도 2a 내지 2b는 커패시턴스를 갖는 박막층으로 2차원 물질이 이용되지 아니하거나 또는 2차원 물질의 두께에 따른 출력값의 변화를 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 액체를 이용한 복합체 에너지 발생 장치의 구조 및 구동 원리를 도시한다.
도 4는 기초 출력 평가를 위해 NaCl 수용액을 액체로 이용하고, 커패시턴스를 갖는 박막층으로 2차원 물질로서 그래핀을 이용하였으며, 절연체로 PTFE 폴리머를 이용한 실시예의 모습을 도시한다.
도 5는 기초 출력 평가를 위한 도 4의 실시예을 직렬 또는 병렬로 연결한 실시예의 모습을 도시한다.
다양한 실시예들이 이제 도면을 참조하여 설명되며, 전체 도면에서 걸쳐 유사한 도면번호는 유사한 엘리먼트를 나타내기 위해서 사용된다. 설명을 위해 본 명세서에서, 다양한 설명들이 본 발명의 이해를 제공하기 위해서 제시된다. 그러나 이러한 실시예들은 이러한 특정 설명 없이도 실행될 수 있음이 명백하다. 다른 예들에서, 공지된 구조 및 장치들은 실시예들의 설명을 용이하게 하기 위해서 블록 다이아그램 형태로 제시된다.
하기 설명은 본 발명의 실시예에 대한 기본적인 이해를 제공하기 위해서 하나 이상의 실시예들의 간략화된 설명을 제공한다. 본 섹션은 모든 가능한 실시예들에 대한 포괄적인 개요는 아니며, 모든 엘리먼트들 중 핵심 엘리먼트를 식별하거나, 모든 실시예의 범위를 커버하고자 할 의도도 아니다. 그 유일한 목적은 후에 제시되는 상세한 설명에 대한 도입부로서 간략화된 형태로 하나 이상의 실시예들의 개념을 제공하기 위함이다.
본 발명은 액체를 이용한 복합체 에너지 발생 장치에 관한 것이다. 본 발명의 액체를 이용한 복합체 에너지 발생 장치는 액체의 이동에 따른 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환시키는 에너지 발전기이다.
다시 말하면, 본 발명에 따르면 대전된 절연체와 그 위에 전사된 전도성을 가지는 2차원 물질의 복합체와 기계적 에너지인 물방울의 움직임이나 변형을 통해 2차원 물질과 물방울 계면에서의 전위차가 발생하게 되어 이를 외부 회로를 통해 전기적 에너지로 변환하는 에너지 발전기를 제공하고자 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 액체를 이용한 복합체 에너지 발생 장치의 구성도를 도시한다.
도 1에 따르면, 본 발명의 일 실시예에 따른 액체를 이용한 복합체 에너지 발생 장치는, 대전된 절연체(10); 대전된 절연체 상의 커패시턴스를 갖는 박막층(20); 및 커패시턴스를 갖는 박막층 상에서 자유 이동 가능한 액체(30)를 포함한다.
대전된 절연체(10)는 (+) 또는 (-)로 이미 대전된 상태의 절연체를 의미하는 것이다. 이러한 대전된 절연체를 통해 커패시턴스를 갖는 박막층에서 상부 및 하부에서 양전하 및 음전하의 분포를 발생시킬 수 있게 된다.
대전된 절연체(10)는 대전된 폴리머 또는 산화물이 이용될 수 있다.
커패시턴스를 갖는 박막층(20)은 대전된 절연체(10) 상에 배치되며, 대전된 절연체의 대전 상태에 따라 커패시턴스를 갖는 박막층의 상부 및 하부에서 양전하 및 음전하의 분포가 발생된다. 예를 들어 음으로 대전된 절연체가 이용되는 경우 커패시턴스를 갖는 박막층의 하부에는 정공(양전하)이 분포되고 커패시턴스를 갖는 박막층의 상부에는 전자(음전하)가 분포된다.
커패시턴스를 갖는 박막층(20)은 울트라 박막(ultra thin layer)의 형태가 이용될 수 있으며, 커패시턴스를 갖는 것이어야 한다. 이러한 커패시턴스를 갖는 박막층은 2차원 물질을 포함한다.
2차원 물질은 그래핀, BN, MoS2, MoSe2, MoTe2, WS2, WSe2, WTe2 중 어느 하나가 이용될 수 있다. 2차원 구조의 물질은 그래핀과 같이 2차원적인 구조를 갖는, 즉 면 형상의 구조를 갖는 물질을 의미한다.
커패시턴스를 갖는 박막층은 이미 알려져 있는 다양한 방식(예를 들어 CVD 등)에 의해 성장될 수 있으며, 또한 전사 공정을 거쳐 강유전 또는 압전 물질 위에 전사될 수 있다. 이러한 전사 방식에 대해서도 특별한 제한은 없다.
한편, 커패시턴스를 갖는 박막층의 두께가 두꺼워지거나 다른 금속 물질로 대체되어 진다면, 음전하로 대전된 절연체 기판의 의한 영향이 급격히 감소하거나 완전히 스크린 되게 된다. 이는 도 2a 내지 2b에서 명확하게 볼 수 있으며 도 2a에서와 같이 2차원 물질을 이용하지 아니하고 금을 이용한 경우에는 액체의 움직임에 따른 출력이 나타나지 아니함을 알 수 있었다.
또한, 커패시턴스를 갖는 박막층의 두께 역시 매우 중요한 포인트로써 커패시턴스를 갖는 박막층의 두께가 두꺼워지는 경우 도 2b에서 보는 것처럼 멀티 층으로 한 경우 층의 수가 증가함에 따라 출력값이 감소됨을 확인할 수 있었다.
커패시턴스를 갖는 박막층(20) 상에는 액체(30)가 배치되며, 이러한 액체(30)는 커패시턴스를 갖는 박막층(20) 상에서 자유롭게 이동 가능하며, 이러한 액체의 움직임에 의해 액체와 커패시턴스를 갖는 박막층 간에 발생되는 전위차에 의해 전기적 에너지가 발생된다.
전하의 분포는 액체의 정적인 상태에서는 균형을 유지하여 외부 회로를 통한 전하의 이동이 없지만, 액체의 이동 및 변형을 통하여 액체 내부의 양이온의 분포가 변경되게 되면 전체적인 전하의 균형이 깨지게 되어 균형을 맞추기 위해 전하의 흐름이 발생하며 이는 외부 회로를 통해 전기적 신호를 발생시키게 된다.
한편, 도 1에서 도시되지는 아니하였지만, 커패시턴스를 갖는 박막층(20) 상에서의 액체(30)의 이동시 액체가 커패시턴스를 갖는 박막층 바깥으로 이탈되는 것을 방지하기 위해 테두리(미도시)를 추가로 포함할수도 있다. 이러한 테두리 내에서 액체가 자유롭게 이동함에 따라 기계적 에너지가 전기적 에너지로 계속적으로 변화될 수 있다.
커패시턴스를 갖는 박막층 상에는 2개의 전극(40)이 배치될 수 있다. 이러한 전극은 전극 물질이면 어느것이나 이용가능하며, 전극의 재질이나 형상에는 특별한 제한은 없다.
또한, 2개의 전극에 각각 연결된 인출부를 추가로 포함할 수 있으며, 이러한 인출부에는 에너지 저장부(50)가 연결되어 있다. 한편, 인출부와 상기 에너지 저장부 사이에는 정류 다이오드가 연결되어 있을 수 있다.
도 1에서 보는 인출부에는 축전지와 같은 에너지 저장부(50)가 연결되어 있다. 인출부와 에너지 저장부 사이에는 정류 다이오드(60)가 연결될 수 있다. 인출선에는 부하가 연결될 수도 있으며, 이에 의해 직접 전구에 불을 밝힐 수도 있다. 한편, 다이오드는 정류 다이오드로서 어느 한쪽 방향으로만 전류가 흐르도록 하는 역할을 하며, 이에 의해 전류가 반대로 흘러 축전지 등(50)이 방전되는 것을 방지한다.
지금까지 본 발명의 일 실시예에 따른 액체를 이용한 복합체 에너지 발생 장치에 대해 설명하였으며, 이하에서는 구체적인 실시예와 함께 추가적으로 본 발명의 내용을 설명하도록 하겠다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 액체를 이용한 복합체 에너지 발생 장치의 구조 및 구동 원리를 도시한다.
도 3에서 보는 것처럼, 하부 절연체로서 음으로 대전된 폴리머를 이용하는 경우, 상부의 2차원 물질의 하부에는 양전하가 분포되고 상부에는 음전하가 분포하게 된다. 2차원 물질의 상부에 분포된 음전하에 의해 액체의 내부의 양전하가 끌리게 되고 액체의 이동 및 변형을 통하여 액체 내부의 양이온의 분포가 변경되게 되면 전체적인 전하의 균형이 깨지게 되어 균형을 맞추기 위해 전하의 흐름이 발생하며 이는 외부 회로를 통해 전기적 신호를 발생시키게 된다.
도 4는 기초 출력 평가를 위해 NaCl 수용액을 액체로 이용하고, 커패시턴스를 갖는 박막층으로 2차원 물질로서 그래핀을 이용하였으며, 절연체로 PTFE 폴리머를 이용한 실시예의 모습을 도시한다. 도 4에서 도시된 것처럼, 액체의 움직임에 따른 출력이 발생됨을 확인할 수 있었다.
도 5는 기초 출력 평가를 위한 도 4의 실시예을 직렬 또는 병렬로 연결한 실시예의 모습을 도시한다. 도 5에서 보는 것처럼, 직렬 또는 병렬로 연결함에 의해 출력값이 향상됨을 확인할 수 있었다.
상기에서 설명한 본 발명의 일 실시예에 따른 액체를 이용한 복합체 에너지 발생 장치는 대전된 절연체와 커패시턴스를 갖는 박막층을 포함한 복합체를 이용하여 액체의 움직임이나 변형에 따른 향상된 출력을 가지는 에너지 발전기를 제공한다. 이를 통해 전극의 패터닝 또는 소자의 구조적 제한이 없어 에너지 발전기의 대면적화가 가능하다.
제시된 실시예들에 대한 설명은 임의의 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 이용하거나 또는 실시할 수 있도록 제공된다. 이러한 실시예들에 대한 다양한 변형들은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이며, 여기에 정의된 일반적인 원리들은 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 그리하여, 본 발명은 여기에 제시된 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 여기에 제시된 원리들 및 신규한 특징들과 일관되는 최광의의 범위에서 해석되어야 할 것이다.
Claims (9)
- 대전된 절연체;
상기 대전된 절연체 상의 커패시턴스를 갖는 박막층으로서, 상기 대전된 절연체와 맞닿는 영역에는 상기 대전된 절연체의 대전 특성과 반대의 대전 특성의 전하 분포를 나타내고, 상기 대전된 절연체와 맞닿는 영역의 반대 영역에는 상기 절연체의 대전 특성과 동일한 대전 특성의 전하 분포를 나타내는 박막층; 및
상기 박막층 상에서 자유 이동 가능한 액체 방울을 포함하고,
상기 액체 방울의 움직임에 의해 액체와 박막층 간에 발생되는 전위차에 의해 전기적 에너지가 발생되는,
액체를 이용한 복합체 에너지 발생 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 커패시턴스를 갖는 박막층은 2차원 물질을 포함하는,
액체를 이용한 복합체 에너지 발생 장치.
- 제 2 항에 있어서,
상기 2차원 물질은 그래핀, BN, MoS2, MoSe2, MoTe2, WS2, WSe2, WTe2 중 어느 하나가 이용되는,
액체를 이용한 복합체 에너지 발생 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 박막층 상의 상기 액체의 이탈을 방지하는 테두리를 추가로 포함하는,
액체를 이용한 복합체 에너지 발생 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 절연체는 폴리머 또는 산화물이 이용되는,
액체를 이용한 복합체 에너지 발생 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 박막층 상에는 2개의 전극이 배치되어 있는,
액체를 이용한 복합체 에너지 발생 장치.
- 제 6 항에 있어서,
상기 2개의 전극에 각각 연결된 인출부를 추가로 포함하는,
액체를 이용한 복합체 에너지 발생 장치.
- 제 7 항에 있어서
상기 인출부에는 에너지 저장부가 연결되어 있는,
액체를 이용한 복합체 에너지 발생 장치.
- 제 8 항에 있어서,
상기 인출부와 상기 에너지 저장부 사이에는 정류 다이오드가 연결되어 있는,
액체를 이용한 복합체 에너지 발생 장치.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020160114714A KR101818863B1 (ko) | 2016-09-07 | 2016-09-07 | 액체를 이용한 복합체 에너지 발생 장치 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020160114714A KR101818863B1 (ko) | 2016-09-07 | 2016-09-07 | 액체를 이용한 복합체 에너지 발생 장치 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR101818863B1 true KR101818863B1 (ko) | 2018-01-16 |
Family
ID=61066915
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020160114714A KR101818863B1 (ko) | 2016-09-07 | 2016-09-07 | 액체를 이용한 복합체 에너지 발생 장치 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR101818863B1 (ko) |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101560098B1 (ko) | 2014-10-20 | 2015-10-13 | 성균관대학교산학협력단 | 액체방울을 이용한 발전시스템 |
-
2016
- 2016-09-07 KR KR1020160114714A patent/KR101818863B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101560098B1 (ko) | 2014-10-20 | 2015-10-13 | 성균관대학교산학협력단 | 액체방울을 이용한 발전시스템 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| JIANXIN ZHOU, AND WANLIN GUO,NANO LETTERS,2012.03* |
| Zhong Lin Wang,Adv. Energy Mater. 1501467.(2015.11.05.)* |
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