KR101916544B1 - 디스플레이 패널용 전기에너지 하베스터 - Google Patents

디스플레이 패널용 전기에너지 하베스터 Download PDF

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Abstract

디스플레이 패널 표면에 배치되는 것을 특징으로 하는 디스플레이 패널용 전기에너지 하베스터가 개시된다. 디스플레이 패널용 전기에너지 하베스터는 투명하고 유연한 하부전극; 상기 하부전극 상에 배치된 투명하고 유연한 압전물질로 이루어져 있는 압전물질층; 상기 압전물질층 내부에 분산되어 있고, 상기 압전물질층을 통과하는 빛을 반사하는 반사체들; 상기 압전물질층의 측면들 중 하나 이상에 배치되고, 상기 반사체로부터 반사되는 빛을 받아 전기에너지를 발생하는 하나 이상의 태양전지; 및 상기 압전물질층 상에 배치된 투명하고 유연한 상부전극을 포함할 수 있다.

Description

디스플레이 패널용 전기에너지 하베스터{ELECTRIC ENERGY HARVESTER FOR DISPLAY PANEL}
본 발명은 전기에너지 하베스터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 디스플레이 패널의 표면에 배치되고, 투명하고 유연하며 외부에서 힘이 가해지거나 빛이 인가되는 경우에 전기에너지를 발생할 수 있는 디스플레이 패널용 전기에너지 하베스터에 관한 것이다.
디스플레이를 사용하는 전자기기가 보편화되고 기술이 발전함에 따라 전자기기의 두께는 얇아지고 디스플레이의 해상도는 향상되어 사용되는 전기에너지 소비량은 높아지고 있어 전자기기 내의 배터리가 차지하는 부피의 비중이 점차 높아지고 있다. 그러나 부피가 커지게 되면 휴대성 및 사용 편의성이 감소되기 때문에 배터리의 부피를 키우는 것은 한계가 있어 디스플레이를 사용하는 전자기기에 전기에지를 공급할 수 있는 새로운 대체장치가 요구되고 있는 실정이다. 태양 빛은 거의 무한한 에너지원에 가깝기 때문에 이를 이용하기 위한 태양전지 개발이 활발히 이루어 있어 이러한 태양전지를 이용하여 디스플레이를 사용하는 전자기기에 전기에너지를 공급하는 것이 고려될 수 있다.
일 예로 기존의 태양광을 이용한 디스플레이의 경우 투명하지 않아 디스플레이의 측면이나 뒷면에 적용할 경우 전기에너지 발생량이 매우 적어 비효율적이라는 문제점이 있다. 또한 날씨가 흐리거나 비가 올 때엔 태양전지의 효율이 급격히 낮아지는 문제가 있어 일조량이 적은 지역에서는 태양전지는 시설비용 대비 전기에너지를 생산하는 양이 적어 상용화되기 어렵다는 문제가 있다.
이에 본 발명자는 거의 모든 시간을 실내조명(형광등, LED 등) 속에서 생활하고 있는 현대인들의 추세를 고려하여 실내조명에서도 전기에너지를 발생시킬 수 있으면서도 디스플레이를 사용하는 전자기기에 전기에너지를 지속적으로 공급할 수 있는 장치를 개발하기에 이르렀다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 디스플레이 패널의 표면에 배치되고, 투명하고 유연하며 외부에서 힘이 가해지거나 빛이 인가되는 경우에 전기에너지를 발생할 수 있는 디스플레이 패널용 전기에너지 하베스터를 제공하는 것이다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 실시예에 따른 디스플레이 패널용 전기에너지 하베스터는 투명하고 유연한 하부전극; 상기 하부전극 상에 배치된 투명하고 유연한 압전물질로 이루어져 있는 압전물질층; 상기 압전물질층 내부에 분산되어 있고, 상기 압전물질층을 통과하는 빛을 반사하는 반사체들; 상기 압전물질층의 측면들 중 하나 이상에 배치되고, 상기 반사체로부터 반사되는 빛을 받아 전기에너지를 발생하는 하나 이상의 태양전지; 및 상기 압전물질층 상에 배치된 투명하고 유연한 상부전극을 포함할 수 있다.
하나의 실시예로 상기 디스플레이 패널용 전기에너지 하베스터는 디스플레이 패널 표면에 배치되는 것을 특징으로 할 수 있다.
하나의 실시예로 상기 반사체들은, 상기 압전물질층과 평행한 방향을 따라 규칙적으로 배열되어 2 이상의 열들을 형성하는 제1 반사체들; 및 상기 압전물질층과 평행한 방향을 따라 규칙적으로 배열되어 2 이상의 열들을 형성하고 상기 제1 반사체들 사이에 대응하는 영역들 상에 배치된 제2 반사체들을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 디스플레이 패널용 전기에너지 하베스터는 상기 태양전지와 전기적으로 연결되어 있는 제1 인출선; 및 상기 하부전극 및 상기 상부전극과 전기적으로 연결되어 있는 제2 인출선을 더 포함할 수 있다.
하나의 실시예로 상기 제1 인출선은 및 상기 제2 인출선은 상기 디스플레이 패널과 전기적으로 연결되어 있을 수 있다.
하나의 실시예로 상기 반사체들은 구(球) 형상을 가지는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기와 같은 본 발명은, 지속적으로 전력을 소비하는 디스플레이 패널에 시간적, 공간적인 제한을 받지 않고 지속적으로 전기에너지를 공급할 수 있고, 디스플레이 패널에 연결된 배터리를 충전시킬 수 있어 배터리의 효율을 개선할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 태양 빛이 조사되지 않는 경우 또는 조사되는 태양 빛의 세기가 약한 경우에 힘을 인가하여 압전물질층에서 전기에너지 발생이 가능하므로 실내에서도 전기에너지를 지속적으로 발생시킬 수 있는 효과가 있다. 또한 실내 조명환경에서도 충분히 전기에너지를 발생할 수 있는 태양전지를 적용함으로써 지속적으로 전기에너지를 발생시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 태양 빛에 의하여 전기에너지를 발생하거나 실내조명에 의하여 전기에너지를 발생시킬 수 있으며, 실내조명이 약한 경우에는 압전효과에 의하여 전기에너지를 발생시킴으로써 지속적으로 전기에너지를 발생시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 터치 또는 작은 힘에 의하여도 전기에너지를 발생시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 빛을 반사하여 태양전지로 전달되는 빛의 양을 증가시킴으로써 태양전지로부터 발생되는 전기에너지의 양을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 투명하고 유연한 특성을 가지고 있기 때문에 차세대 디스플레이 장치인 모바일, 스마트 워치, 스마트 윈도우 등에 다양하게 사용 가능한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 디스플레이 패널용 전기에너지 하베스터를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 조사받은 빛이 태양전지에 전달되는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 디스플레이 패널용 전기에너지 하베스터에 변형이 일어나는 경우에 전기에너지가 발생하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 4a-4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점이 분산된 압전 물질층의 광학 특성 데이터를 도시한다.
도 5a-5b는 본 발명의 일 실시예에 따라 제작된 전기 에너지 하베스터의 전기 에너지 발생에 대한 실험 결과를 도시한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 제작된 전기 에너지 하베스터의 압전 물질층에 의한 전기 에너지 발생에 대한 실험 결과를 도시한다.
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 디스플레이 패널용 전기에너지 하베스터를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 디스플레이 패널용 전기에너지 하베스터(1000)는 하부전극(100), 압전물질층(200), 반사체(300)들, 하나 이상의 태양전지(400) 및 상부전극(500)을 포함할 수 있다. 일 예로 디스플레이 패널용 전기에너지 하베스터(1000)는 디스플레이 패널 표면에 배치될 수 있고, 디스플레이 패널에서 발생하는 빛은 디스플레이 패널용 전기에너지 하베스터(1000)를 투과하여 외부로 방출될 수 있다.
하부전극(100)은 투명하고 유연한 재질로 이루어질 수 있다. 하부전극(100)은 투명한 재질로 이루어지기 때문에 아래에 배치된 디스플레이 패널으로부터 발생하는 빛은 하부전극(100)을 투과할 수 있다. 또한, 하부전극(100)은 유연한 재질로 이루어지기 때문에 변형이 일어날 수 있다. 일 예로 하부전극(100)으로는 ITO, 그래핀 등이 사용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
압전물질층(200)은 하부전극(100) 상에 배치되고, 투명하고 유연한 압전물질로 이루어질 수 있다. 압전물질층(200)은 외부에서 인가되는 힘에 의하여 기계적 변형이 발생하는 경우에 전기에너지를 발생하는 층으로서, 일 예로 압전물질층(200)으로는 압전 특성을 가지면서 빛의 투과도가 높은 폴리머 물질인 PVDF, P(VDF-TrFE) 등이 사용될 수 있다. 일 예로 압전물질층(200)이 터치되거나 구부러지는 경우에 압전물질층(200)으로부터 전기에너지가 발생할 수 있다.
반사체(300)들은 압전물질층(200) 내부에 분산되어 있고, 압전물질층(200)을 통과하는 빛을 반사할 수 있다. 반사체(300)들은 빛을 조사받고 이를 굴절시켜 반사시킬 수 있으며, 반사되는 빛은 아래의 태양전지(400)로 전달될 수 있다. 일 예로 반사체(300)들은 II-VI 족(CdSe, CdS, CdTe, ZnSe, ZnS, ZnTe, ZnO, HgS, HgSe, HgTe 등), III-V 족(GaN, GaP, GaAs, GaSb, AlN, AlP, AlAs, AlSb, InN, InP, InAs, InSb 등), IV-VI 족(SnS, SnSe, SnTe, PbS, PbSe, PbTe 등), I-III-V 족(CuGaS2, CuGaSe2, CuInS2, CuInSe2 등), 단일 물질 또는 코어/쉘(core/shell)과 같은 구조를 가지는 양자점이 사용될 수 있다.
일 예로 반사체(300)들은, 압전물질층(200)과 평행한 방향을 따라 규칙적으로 배열되어 2 이상의 열들을 형성하는 제1 반사체(310)들 및 압전물질층(200)과 평행한 방향을 따라 규칙적으로 배열되어 2 이상의 열들을 형성하고 제1 반사체들 사이에 대응하는 영역들 상에 배치된 제2 반사체들을 포함할 수 있다. 또한, 반사체(300)들은 구(球) 형상 또는 각진 구(球) 형상을 가질 수 있다.
태양전지(400)는 하나 이상이 사용될 수 있고, 압전물질층(200)의 측면들 중 하나 이상에 배치될 수 있으며, 반사체(400)로부터 반사되는 빛을 받아 전기에너지를 발생할 수 있다. 보다 많은 전기에너지를 발생시키기 위하여 넓은 대역의 빛의 파장을 흡수할 수 있는 광흡수체가 사용된 태양전지(400)가 사용되는 것이 바람직하며 실내 조명환경에서도 충분히 전기에너지를 발생할 수 있는 태양전지(400)가 사용되는 것이 바람직하다. 일 예로 규소(Si), 갈륨비소(GaAs) 또는 페로브스카이트(Perovskite) 태양전지 등이 사용될 수 있다.
일 예로 태양전지(400)은 하부전극(100) 및 아래의 상부전극(500)이 배치되지 않은 압전물질층(200)의 4개의 측면들 중 하나 이상에 각각 배치될 수 있고, 다른 일 예로 압전물질층(200)의 하나의 측면에 복수 개의 태양전지(400)를 배치시킬 수 있으며 발생되는 전기에너지의 양을 조절하기 위하여 배치되는 방식은 임의적으로 변경될 수 있다.
상부전극(500)은 투명하고 유연한 재질로 이루어질 수 있다. 상부전극(500)은 투명한 재질로 이루어지기 때문에 상부전극(500)에 조사되는 빛을 투과시킬 수 있다. 또한, 상부전극(500)은 유연한 재질로 이루어지기 때문에 변형이 일어날 수 있다. 일 예로 상부전극(500)으로는 ITO, 그래핀 등이 사용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 실시예에 따른 디스플레이 패널용 전기에너지 하베스터(1000)에서 발생하는 전기에너지를 이용하기 위하여, 디스플레이 패널용 전기에너지 하베스터(1000)는 태양전지(400)와 전기적으로 연결되어 있는 제1 인출선(미도시) 및 하부전극(100) 및 상부전극(500)과 전기적으로 연결되어 있는 제2 인출선(미도시)를 더 포함할 수 있다. 일 예로 제1 인출선은 및 제2 인출선은 디스플레이 패널과 전기적으로 연결되어 있을 수 있어 제1 인출선 및 제2 인출선을 통하여 흐르는 전류가 디스플레이 패널에 직접 공급될 수 있다. 다른 일 예로 제1 인출선은 및 제2 인출선은 디스플레이 패널에 전원을 공급하는 배터리에 전기적으로 연결되어 배터리를 충전시킬 수도 있다.
도 2는 조사받은 빛이 태양전지에 전달되는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 일 예로 상부전극(500)을 통과하는 빛은 반사체(300)에 반사되어 압전물질층(300)의 양 측면으로 반사되고 반사된 빛은 양 측면에 배치되어 있는 태양전지(400)에 조사될 수 있다. 이와 같은 과정을 통하여 전달된 빛을 이용하여 태양전지(400)는 전기에너지를 발생시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 디스플레이 패널용 전기에너지 하베스터에 변형이 일어나는 경우에 전기에너지가 발생하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 손 또는 터치펜으로 터치되거나 미세한 진동이 발생하는 경우에 압전물질층(200)은 기계적 변형이 발생할 수 있고 이러한 기계적 변형에 의하여 압전물질층(200)은 전기에너지를 발생할 수 있다. 또한, 외부에서 압전물질층(200)에 큰 힘이 작용하여 디스플레이 패널용 전기에너지 하베스터(1000)가 변형되어 구부러지는 경우에도 압전물질층(200)에서는 전기에너지가 발생될 수 있다.
디스플레이 패널용 전기에너지 하베스터(1000)는 변형되어 구부러지는 경우에도 손상이 발생하지 않도록 하부전극(100), 압전물질층(200), 반사체(300)들, 하나 이상의 태양전지(400) 및 상부전극(500)은 기계적 안정성이 우수한 재질로 이루어지는 바람직하다. 또한, 디스플레이 패널용 전기에너지 하베스터(1000)가 배치되는 디스플레이 패널도 유연성을 가지면서도 구부러질 수 있는 패널이 사용되는 것이 바람직하다.
이하에서는 구체적인 실시예와 함께 본 발명의 내용을 추가적으로 설명하도록 하겠다.
반사체들을 포함하고 있는 압전물질층(이하 "광가이드층"이라고 함)을 준비하였다. 이러한 광가이드층은 반사체로서 양자점(QDs)을 이용하였고, 압전 물질로서 P(VDF-TrFE)(양자점이 0-3구조로 분산되어 있는 압전 구조물)를 이용하였다.
준비된 광가이드층의 광학 특성 데이터를 측정하였으며, 그 결과는 도 4a-4c에서 도시되어 있다. 준비된 광가이드층을 Shimadzu UV-VIS-NIR UV-3600 기기로 300-800nm에 해당하는 광원을 조사하여 얻은 결과를 도시한다. 도 4a-4c에서 보는 것처럼, 퀀텀닷 농도가 증가하면서 특정 파장대의 Emission특성 증가, Transmittance는 감소 경향을 나타내었다. 도 4a는 사용된 양자점(CdSe/ZnS 코어쉘 구조)이 400nm 이하의 광원(UV영역)을 잘 흡수하므로, 상대적으로 400nm 이하의 광원의 absorbance 특성이 높게 측정되었다. 양자점의 농도가 증가하면서 비례하게 absorbance 특성도 증가하였다. 도 4b는 동일한 양자점이 550 nm 광원을 emission 하므로, 양자점 농도가 증가하면서 비례하게 emission 특성도 증가하였다. 도 4c는 Transmisstance는 주어진 광원 대비 투과된 광원이므로, 앞서 도 4a에서 설명한 것처럼 400nm 이하의 광원을 absorb 하므로 transmittance가 낮게 측정되었다. 역시 양자점의 농도에 비례한 특성으로 결과를 얻었다.
도 5a-5b는 본 발명의 일 실시예에 따라 제작된디스플레이 패널용 전기에너지 하베스터의 실험 데이터를 도시한다. 이용된 하베스터는 상부 전극으로 AgNW, 양자점이 분산된 압전 물질층으로 P(VDF-TrFE)/QDs(양자점이 0-3구조로 분산되어 있는 압전 구조물), 하부 전극으로 ITO, 기판으로 PEN(ITO가 증착되어 있는 플렉시블한 폴리머기판) 으로 구성되어 있으며, 이 전체 구조물의 측면 부에 c-Si solar cell 이 위치해 있다. 도 5a 및 5b에서 보는 것처럼, 양자점의 농도가 증가함에 따라 광가이드층이 측면부의 태양전지로 가이딩하는 광량이 증가됨을 확인할 수 있었다.
도 6은 도 5a-5b의 실시예에서 제작된 하베스터에 외부 힘을 인가한 경우 압전 소자에 의한 전기적 에너지 발생을 도시한다. 제작된 하베스터를 손가락 터치에 의한 힘(<0.5kgf)으로 누른 경우, 도 6에서 보는 것처럼 압전 소자 P(VDF-TrFE)에 의해 전기적 에너지가 발생된다.
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.
1000: 디스플레이 패널용 전기에너지 하베스터 100: 하부전극
200: 압전물질층 300: 반사체
400: 태양전지 500: 상부전극

Claims (7)

  1. 투명하고 유연한 하부전극;
    상기 하부전극 상에 배치된 투명하고 유연한 압전물질로 이루어져 있는 압전물질층;
    상기 압전물질층 내부에 분산되어 있고, 상기 압전물질층을 통과하는 빛을 반사하는 반사체들;
    상기 압전물질층의 측면들 중 하나 이상에 배치되고, 상기 반사체로부터 반사되는 빛을 받아 전기에너지를 발생하는 하나 이상의 태양전지; 및
    상기 압전물질층 상에 배치된 투명하고 유연한 상부전극을 포함하고,
    빛의 조사에 의해 태양전지에 의한 전기 에너지 발생과 외부 힘에 의해 압전물질층의 압전 효과에 의한 전기 에너지 발생이 함께 발생될 수 있으며,
    디스플레이 패널용 전기에너지 하베스터는 디스플레이 패널 표면에 배치되고,
    상기 반사체들은,
    상기 압전물질층과 평행한 방향을 따라 규칙적으로 배열되어 2 이상의 열들을 형성하는 제1 반사체들; 및
    상기 압전물질층과 평행한 방향을 따라 규칙적으로 배열되어 2 이상의 열들을 형성하고 상기 제1 반사체들 사이에 대응하는 영역들 상에 배치된 제2 반사체들을 포함하는,
    디스플레이 패널용 전기에너지 하베스터.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 태양전지와 전기적으로 연결되어 있는 제1 인출선; 및
    상기 하부전극 및 상기 상부전극과 전기적으로 연결되어 있는 제2 인출선을 더 포함하는, 디스플레이 패널용 전기에너지 하베스터.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 인출선은 및 상기 제2 인출선은 상기 디스플레이 패널과 전기적으로 연결되어 있는, 디스플레이 패널용 전기에너지 하베스터.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 반사체들은 구(球) 형상을 가지는 것을 특징으로 하는, 디스플레이 패널용 전기에너지 하베스터.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 반사체들은 서로 규칙적으로 엇갈리게 배열된 것을 특징으로 하는, 디스플레이 패널용 전기에너지 하베스터.
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