KR101972637B1 - 발전 모듈 - Google Patents
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Abstract
발전 모듈이 제공된다. 상기 발전 모듈은, 제1 기판, 상기 제1 기판 상의 제1 전극, 상기 제1 전극 상의 제1 유전층, 상기 제1 유전층 상의 전도성 액체, 상기 제1 기판 상의 제2 기판, 상기 제2 기판 상에 배치되고, 상기 전도성 액체를 사이에 두고 상기 제1 유전층과 이격된 제2 전극, 및 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판 사이에 배치되고, 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판 사이에 간격을 제공하는 유전성 탄성체 격벽을 포함하되, 상기 유전성 탄성체 격벽이 제공하는 간격 내에 상기 전도성 액체가 배치되는 것을 포함한다.
Description
본 발명은 발전 모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 역전기습윤 발전 모듈 및 유전성 탄성체 발전 모듈이 융합된 발전 모듈에 관한 것이다.
에너지 하베스팅(energy harvesting)은, 주변에서 버려지는 에너지를 수확(harvest)하고, 전기 에너지로 변환하여 이용하는 기술이다. 에너지 하베스팅은 압전 효과, 열전 효과, 또는 광전 효과 등의 물리 현상을 이용하여 전기에너지를 생산한다. 압전 효과를 이용한 발전은, 기계적 압력에 의해 물질에, 양전하와 음전하가 나뉘는 유전 분극이 일어나고, 이때 표면의 전하 밀도가 변하면서 전기가 흐르게 되는 것을 이용한다. 압전 효과를 이용한 발전은, 자동차 도로, 교량, 또는 철도 등의 도로 교통 기술에 적용되어 주목을 받았으나, 발전 용량과 효율이 너무 낮아 그 실효성을 인정받고 있지 못하고 있다.
이에 따라, 높은 발전 용량 및 효율을 갖는 압전 소자인, 역전기습윤(Reverse Electrowetting-on-Dielectric, REWOD) 기술에 대해 활발한 연구가 진행되고 있다.
예를 들어, 대한민국 특허 등록 번호 10-0806872(출원인: 삼성전자주식회사, 출원번호: 10-2009-0099437)는 전기습윤 현상을 이용하는 가변 커패시터에 관한 것으로, 전극, 유체 채널, 절연막, 및 도전성 유체를 포함하는, 제조 공정이 용이하고, 신뢰성 및 내구성이 탁월하며, 튜닝 범위에 제한이 없는 가변 커패시터를 개시한다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 전기 에너지 생성 효율이 높은 발전 모듈을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 내구성이 향상된 발전 모듈을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 수명이 증가된 발전 모듈을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술된 것에 제한되지 않는다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 발전 모듈을 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 발전 모듈은, 제1 기판, 상기 제1 기판 상의 제1 전극, 상기 제1 전극 상의 제1 유전층, 상기 제1 유전층 상의 전도성 액체, 상기 제1 기판 상의 제2 기판, 상기 제2 기판 상에 배치되고, 상기 전도성 액체를 사이에 두고 상기 제1 유전층과 이격된 제2 전극, 및 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판 사이에 배치되고, 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판 사이에 간격을 제공하는 유전성 탄성체 격벽을 포함하되, 상기 유전성 탄성체 격벽이 제공하는 간격 내에 상기 전도성 액체가 배치되는 것을 포함한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 전극은 제1 탄성 전극 및 제1 비탄성 전극을 포함하고, 상기 제2 전극은 제2 탄성 전극 및 제2 비탄성 전극을 포함하되, 상기 제1 기판 상에 상기 제1 탄성 전극이 배치되고, 상기 제1 탄성 전극 상에 제1 비탄성 전극이 배치되고, 상기 제2 기판 상에 상기 제2 탄성 전극이 배치되고, 상기 제2 탄성 전극 상에 상기 제2 비탄성 전극이 배치되는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 비탄성 전극은, 상기 제1 유전층이 배치되는 일면을 제외하고 상기 제1 탄성 전극 내에 매립되고, 상기 제2 비탄성 전극은, 일면을 제외하고 상기 제2 탄성 전극 내에 매립되어, 상기 전도성 액체를 사이에 두고 상기 제1 유전층과 이격된 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 유전층은, 상기 제1 비탄성 전극을 사이에 두고, 상기 제1 탄성 전극과 이격되는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 탄성 전극은, 상기 제1 비탄성 전극이 매립되지 않은 일면을 포함하고, 상기 제2 탄성 전극은, 상기 제2 비탄성 전극이 매립되지 않은 일면을 포함하고, 상기 유전성 탄성체 격벽은, 상기 제1 탄성 전극의 상기 일면 및 상기 제2 탄성 전극의 상기 일면 사이에 배치되는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 탄성 전극, 상기 제2 탄성 전극 및 상기 유전성 탄성체 격벽은 외부 물리력에 의해 변형되고, 복원되는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 탄성 전극, 상기 제2 탄성 전극, 및 상기 유전성 탄성체 격벽이 변형 및 복원되는 동안, 상기 제1 비탄성 전극 상에 배치된 상기 제1 유전체층은 보호되는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 발전 모듈은, 상기 제1 유전층 및 상기 전도성 액체 사이에 배치되는 제1 소수성 물질층을 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 발전 모듈은, 상기 제2 전극 및 상기 전도성 액체 사이에 배치되는 제2 유전층, 및 상기 제2 유전층 및 상기 전도성 액체 사이에 배치되는 제2 소수성 물질층을 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 발전 모듈은, 외부 물리력에 의해 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판 사이의 간격이 변화되고, 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판 사이의 간격에 따라서, 상기 전도성 액체와 상기 제1 유전층 접촉 면적이 변화되고, 상기 전도성 액체와 상기 제1 유전층의 접촉 면적의 변화에 의해 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이의 전위차이가 변화될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 발전 모듈은, 상기 제2 전극 및 상기 전도성 액체 사이에 배치되는 제2 유전층, 및 상기 제2 유전층 및 상기 전도성 액체 사이에 배치되는 제2 소수성 물질층을 더 포함하되, 외부 물리력에 의해 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판 사이의 간격이 변화되고, 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판 사이의 간격에 따라서, 상기 전도성 액체와 상기 소수성 물질층의 접촉 면적이 변화되고, 상기 전도성 액체와 상기 소수성 물질층의 접촉 면적의 변화에 의해 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이의 전위차이가 변화될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 발전 모듈은, 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판 사이에 배치되고, 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판 사이에 간격을 제공하는 상기 유전성 탄성체 격벽을 포함하되, 외부 물리력에 의해 상기 유전성 탄성체 격벽이 변형되고, 상기 유전성 탄성체 격벽의 변형에 의해 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이의 전위차이가 변화될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 외부 전원과 연결되지 않은 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 발전 모듈은, 제1 기판 상의 제1 전극 및 제2 기판 상의 제2 전극 사이에 배치되어, 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판 사이에 전도성 액체가 배치되는 간격을 제공하는 유전성 탄성체 격벽을 포함할 수 있다. 상기 발전 모듈에 외부 물리력이 인가되는 경우, 상기 전도성 액체와 상기 제1 및 제2 전극의 중첩 면적이 변화되는 것과 함께, 상기 유전성 탄성체 격벽의 변형으로, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극의 전위 차이가 용이하게 생성될 수 있다. 이로 인해, 본 발명의 실시 예에 따른 발전 모듈은 역전기습윤 발전 모듈과 유전성 탄성체 발전 모듈이 융합된 발전 시스템을 포함하여, 전기 에너지 생성 효율이 향상될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 발전 모듈은, 상기 제1 전극으로 제1 탄성 전극 및 제1 비탄성 전극을 포함하고, 상기 제2 전극으로 제2 탄성 전극 및 제2 비탄성 전극을 포함할 수 있다. 상기 제1 비탄성 전극은, 상기 제1 비탄성 전극 상에 배치되는 제1 유전층 및 제1 소수성 물질층을 외부 물리력으로부터 보호할 수 있고, 상기 제2 비탄성 전극은, 상기 제2 비탄성 전극 상에 배치되는 제2 유전층 및 제2 소수성 물질층을 외부 물리력으로부터 보호할 수 있다. 이로 인해, 본 발명의 실시 예에 따른 발전 모듈은 내구성이 향상되고, 수명이 증가될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 발전 모듈의 제1 실시 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 외부 물리력이 인가된 발전 모듈의 제1 실시 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 발전 모듈의 제2 실시 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 외부 물리력이 인가된 발전 모듈의 제2 실시 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 발전 모듈의 제3 실시 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 외부 물리력이 인가된 발전 모듈의 제3 실시 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 발전 모듈의 제4 실시 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 외부 물리력이 인가된 발전 모듈의 제4 실시 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 외부 물리력이 인가된 발전 모듈의 제1 실시 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 발전 모듈의 제2 실시 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 외부 물리력이 인가된 발전 모듈의 제2 실시 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 발전 모듈의 제3 실시 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 외부 물리력이 인가된 발전 모듈의 제3 실시 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 발전 모듈의 제4 실시 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 외부 물리력이 인가된 발전 모듈의 제4 실시 예를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.
명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다.
또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 발전 모듈을 나타내는 단면도이고, 도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 발전 모듈에 외부 물리력이 인가된 경우를 설명하는 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 발전 모듈은, 제1 기판(110), 제1 전극(120), 제1 유전층(130), 제1 소수성 물질층(140), 제2 기판(210), 제2 전극(210), 전도성 액체(310), 또는 유전성 탄성체 격벽(320)을 포함할 수 있다.
상기 제1 기판(110)은 탄성 물질로 형성되어, 외부 물리력이 인가된 경우 변형 및 복원될 수 있다.
상기 제1 전극(120)은 상기 제1 기판(110) 상에 배치될 수 있다. 상기 제1 전극(120)은 패터닝(patterning)된 전극이고, 탄성 물질로 형성되어 외부 물리력이 인가된 경우 변형 및 복원될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 전극(120)은 그라파이트(graphite) 분말, 카본 블랙(carbon black) 또는 카본 그리스(carbon grease)와 같은 탄소 계열 물질을 포함할 수 있다. 또는, 다른 예를 들어, 상기 제1 전극(120)은 Al, Ni, Ag, Au, Pd, 또는 Pt와 같은 전도성 금속 물질 중에서 적어도 어느 하나를 포함하거나, 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.
상기 제1 유전층(130)은 상기 제1 전극(120) 상에 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 유전층(130)은 SiO2, Al2O3, HfO2, TiO2, BaTiO3, Si2N3 또는 AlN 중에서 적어도 어느 하나를 포함하거나, 또는, 이들이 혼합된 구조 또는 적층된 구조를 포함할 수 있다.
상기 제1 소수성 물질층(140)은 상기 제1 유전층(130) 상에 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 소수성 물질층(140)은 테플론, PTFE, PCTFE, 또는 PVDF 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 상기 제1 소수성 물질층(140)은, 상기 전도성 액체(310)와의 접촉면에서 발생할 수 있는 접촉각 이력을 최소화할 수 있다. 다시 말하면, 상기 전도성 액체(320)는 응집력(cohesive force)이 상기 전도성 액체(320)의 상기 제1 소수성 물질층(140)에 대한 부착력(adhesive force)보다 강할 수 있다. 이에 따라, 상기 전도성 액체(320)와 상기 제1 소수성 물질층(140)의 접촉 면적이 감소되고, 상기 전도성 액체(320)와 상기 제1 소수성 물질층(140)의 상호 작용(interaction force)은 최소화될 수 있다. 이로 인해, 후술되는 바와 같이, 외부 물리력의 인가 여부에 따른, 상기 전도성 액체(320)와 상기 제1 전극(120) 및 상기 제2 전극(220)의 중첩 면적의 변화량이 증가될 수 있다. 또한, 상기 제1 소수성 물질층(140)은, 상기 제1 유전층(130)으로 전하가 트랩(trap) 되는 것을 방지할 수 있다.
상기 제2 기판(210)은, 상기 제1 기판(110) 상에 배치될 수 있다. 상기 제2 기판(210)은, 상기 제1 전극(120)이 배치되는 상기 제2 기판(110)의 일면과 대향하도록 배치되는 것을 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 제2 기판(210)은 상기 제1 기판(110)과 동일한 물질로 형성될 수 있다.
상기 제2 전극(220)은, 상기 제2 기판(210) 상에 배치될 수 있다. 상기 제2 전극(220)은 상기 제1 유전층(130)이 배치되는 상기 제1 전극(120)의 일면과 대향하도록 배치되는 것을 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 제2 전극(220)은 상기 제1 전극(120)과 동일한 물질로 형성될 수 있다.
상기 유전성 탄성체 격벽(310)은, 상기 제1 기판(110) 및 상기 제2 기판(210) 사이에 배치될 수 있다. 이에 따라, 상기 유전성 탄성체 격벽(310)은 상기 제1 기판(110) 및 상기 제2 기판(210) 사이에 간격을 제공할 수 있다. 다시 말하면, 상기 유전성 탄성체 격벽(310)은 상기 제1 소수성 물질층(140) 및 상기 제2 전극(220) 사이에 간격을 제공할 수 있다. 상기 유전성 탄성체 격벽(310)이 제공하는 상기 제1 기판(110) 및 상기 제2 기판(210) 사이의 간격이 외부 물리력에 의해 영향받아 변형 및 복원될 수 있다.
상기 전도성 액체(320)는, 상기 제1 기판(110) 및 상기 제2 기판(210) 사이에, 상기 유전성 탄성체 격벽(310)이 제공하는 간격 내에 배치될 수 있다. 상기 전도성 액체(320)는 액체 금속 또는 이온성 액체를 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 전도성 액체(320)는 내부에 이온 또는 전하를 포함할 수 있다. 이로 인해, 상기 전도성 액체(320)는 용이하게 분극 상태를 형성할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 발전 모듈에 외부 물리력이 인가된 경우, 상기 유전성 탄성체 격벽(310)이 제공하는 상기 제1 기판(110)과 상기 제2 기판(210) 사이의 간격이 축소되고, 상기 유전성 탄성체 격벽(310)의 형태에 변형이 발생될 수 있다.
이에 따라, 상기 제1 소수성 물질층(140), 상기 제1 유전층(130), 및 상기 제1 전극(120)과 상기 전도성 액체(310)의 중첩 면적(overlapping surface)이 증가되고, 상기 제2 전극(220)과 상기 전도성 액체(320)의 중첩 면적이 증가될 수 있다. 이와 같이, 상기 전도성 액체(320)의 중첩 면적 증가는, 상기 전도성 액체(320)의 분극 크기를 변화시켜, 상기 제1 전극(120) 및 상기 제2 전극(220) 사이의 전위 차이를 발생시킬 수 있다. 이로 인해, 상기 발전 모듈이 전기 에너지를 생성할 수 있다.
또한, 상기 유전성 탄성체 격벽(310)의 형태가 변형에 의해, 상기 제1 전극(120) 및 상기 제2 전극(220) 사이의 전위 차이가 증가될 수 있다. 이로 인해, 상기 발전 모듈의 전기 에너지 생성 효율이 향상될 수 있다.
본 발명의 제1 실시 예에 따른 발전 모듈에 외부 물리력이 제거된 경우, 상기 유전성 탄성체 격벽(310)이 제공하는 상기 제1 기판(110)과 상기 제2 기판(210) 사이의 간격, 상기 전도성 액체(320)의 형태, 및 상기 유전성 탄성체 격벽(310)의 형태는 복원될 수 있다.
이에 따라, 상기 제1 소수성 물질층(140), 상기 제1 유전층(130), 및 상기 제1 전극(120)과 상기 전도성 액체(320)의 중첩 면적(overlapping surface)이 감소되고, 상기 제2 전극(220)과 상기 전도성 액체(320)의 중첩 면적이 감소될 수 있다. 이와 같이, 상기 전도성 액체(320)의 중첩 면적 감소는, 상기 전도성 액체(320)의 분극 크기를 변화시켜, 상기 제1 전극(120) 및 상기 제2 전극(220) 사이의 전위 차이를 발생시킬 수 있다. 이로 인해, 상기 발전 모듈이 전기 에너지를 생성할 수 있다.
또한, 상기 유전성 탄성체 격벽(310)의 형태가 복원되어, 상기 제1 전극(120) 및 상기 제2 전극(220) 사이의 전위 차이가 증가될 수 있다. 이로 인해, 상기 발전 모듈의 전기 에너지 생성 효율이 향상될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 발전 모듈은, 상기 제1 기판(110) 상의 상기 제1 전극(120) 및 상기 제2 기판(210) 상의 상기 제2 전극(220) 사이에 배치되어, 상기 제1 기판(110) 및 상기 제2 기판(210) 사이에 상기 전도성 액체(320)가 제공되는 간격을 제공하는 상기 유전성 탄성체 격벽(310)을 포함할 수 있다. 이로 인해, 본 발명의 실시 예에 따른 발전 모듈은 역전기습윤(Reverse Electrowetting-on-Dielectric, REWOD) 발전과 유전성 탄성체 발전이 융합된 발전 시스템을 포함하여, 전기 에너지 생성 효율이 향상될 수 있다.
본 발명의 실시 예와 달리, 상기 유전성 탄성체 격벽(310)이 생략된 경우, 발전 모듈의 전기 에너지 생성 효율이 감소될 수 있다. 이로 인해, 예를 들어, 자동차, 기차 등 운송 수단의 진동을 이용한 발전 모듈, 인간의 움직임을 이용한 발전 모듈 등으로 적용함에 있어서 한계가 생길 수 있다. 또는, 다른 예를 들어, 와이어리스 마이크로센서(wireless microsensors), 임플란트 디바이스(implant devices), 또는 웨어러블 디바이스(wearable devices)와 같은 소형 전자 기기의 전력 공급원으로 활용하는 것이 용이하지 않다.
하지만, 본 발명의 실시 예와 같이, 발전 모듈의 상기 제1 기판(110) 상의 상기 제1 전극(120) 및 상기 제2 기판(210) 상의 상기 제2 전극(220) 사이에 상기 유전성 탄성체 격벽(310)이 배치되어, 상기 제1 기판(110) 및 상기 제2 기판(210) 사이에 간격이 제공되는 경우, 상기 유전성 탄성체 격벽(310)의 변형에 의해 생성되는 전기 에너지를 추가로 얻을 수 있다. 다시 말하면, 본 발명의 실시 예에 따른 발전 모듈은 기존의 역전기습윤 발전 효과를 포함하는 동시에, 유전성 탄성체 발전 효과를 포함할 수 있다. 이에 따라, 발전 모듈의 전기 에너지 생성 효율이 향상될 수 있다.
도 3은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 발전 모듈을 나타내는 단면도이고, 도 4는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 발전 모듈에 외부 물리력이 인가된 경우를 설명하는 단면도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 발전 모듈은, 제1 기판(110), 제1 전극(120), 제1 유전층(130), 제1 소수성 물질층(140), 제2 기판(210), 제2 전극(210), 제2 유전층(230), 제2 소수성 물질층(240), 전도성 액체(310), 또는 유전성 탄성체 격벽(320)을 포함할 수 있다.
상기 제1 기판(110), 상기 제1 전극(120), 상기 제1 유전층(130), 상기 제1 소수성 물질층(140), 상기 제2 기판(210), 상기 제2 전극(210), 상기 전도성 액체(310), 또는 상기 유전성 탄성체 격벽(320)은 도 1 및 도 2에서 설명한 바와 동일하게 제공될 수 있다.
상기 제2 유전층(230)은, 상기 제2 전극(220) 상에, 상기 전도성 액체(320)를 사이에 두고 상기 제1 소수성 물질층(140)과 대향하도록 배치될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 제2 유전층(230)은 도 1 및 도 2에서 설명한 상기 제1 유전층(130)과 동일하게 제공될 수 있다.
상기 제2 소수성 물질층(240)은, 상기 제2 유전층(230) 상에 상기 전도성 액체(320)를 사이에 두고, 상기 제1 소수성 물질층(140)과 대향하도록 배치될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 제2 소수성 물질층(240)은 도 1 및 도 2에서 설명한 상기 제1 소수성 물질층(140)과 동일하게 제공될 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 발전 모듈에 외부 물리력이 인가되거나, 또는 제거된 경우, 도 2를 참조하여 설명된 것과 같이, 전기 에너지가 생성될 수 있다. 다시 말하면, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 발전 모듈에 외부 물리력이 인가되거나, 또는 제거된 경우, 상기 유전성 탄성체 격벽(310)이 제공하는 상기 제1 기판(110)과 상기 제2 기판(210) 사이의 간격 및 상기 유전성 탄성체 격벽(310)의 형태가 변화될 수 있다.
이에 따라, 상기 제1 소수성 물질층(140), 상기 제1 유전층(130), 및 상기 제1 전극(120)과 상기 전도성 액체(310)의 중첩 면적, 또는 상기 제2 소수성 물질층(240), 상기 제2 유전층(230), 및 상기 제2 전극(220)과 상기 전도성 액체(320)의 중첩 면적이 변화되어, 상기 전도성 액체(320)의 분극 크기를 변화시키고, 상기 제1 전극(120) 및 상기 제2 전극(220) 사이의 전위 차이를 발생시켜, 상기 발전 모듈이 전기 에너지를 생성할 수 있다.
또한, 상기 유전성 탄성체 격벽(310)의 형태가 변형되어 발생되는 기계적 에너지에 의해, 상기 제1 전극(120) 및 상기 제2 전극(220) 사이의 전위 차이가 증가될 수 있다. 이로 인해, 상기 발전 모듈의 전기 에너지 생성 효율이 향상될 수 있다.
상술된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 발전 모듈은 상기 유전성 탄성체 격벽(310)을 포함할 수 있다. 이로 인해, 도 1 및 도 2를 참조하여 설명된 것과 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 발전 모듈은 전기 에너지 생성 효율이 향상될 수 있다.
도 5는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 발전 모듈을 나타내는 단면도이고, 도 6은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 발전 모듈에 외부 물리력이 인가된 경우를 설명하는 단면도이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 본 발명의 제3 실시 예에 따른 발전 모듈은, 제1 기판(110), 제1 탄성 전극(122) 및 제1 비탄성 전극(124)을 포함하는 제1 전극(120), 제1 유전층(130), 제1 소수성 물질층(140), 제2 기판(210), 제2 탄성 전극(222) 및 제2 비탄성 전극(224)을 포함하는 제2 전극(210), 전도성 액체(310), 또는 유전성 탄성체 격벽(320)을 포함할 수 있다.
상기 제1 기판(110), 상기 제1 유전층(130), 상기 제1 소수성 물질층(140), 상기 제2 기판(210), 상기 전도성 액체(310), 또는 상기 유전성 탄성체 격벽(320)은 도 1 및 도 2에서 설명한 바와 동일하게 제공될 수 있다.
상기 제1 전극(120)에 포함되는 상기 제1 탄성 전극(122)은 상기 제1 기판(110) 상에 배치될 수 있다. 상기 제1 탄성 전극(122)은 탄성 물질로 형성되어 변형 및 복원될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 탄성 전극(122)은 카본 페이스트(carbon paste), 카본 나노튜브(Carbon Nano Tube, CNT), 또는 나노와이어(nanowire) 전극 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 제1 전극(120)에 포함되는 상기 제1 비탄성 전극(124)은 상기 제1 탄성 전극(122) 상에 배치될 수 있다. 다시 말하면, 상기 제1 비탄성 전극(124)은 일면을 제외하고 상기 제1 탄성 전극(122) 내에 매립되고, 상기 일면 상에 상기 제1 유전층(130)이 상기 제1 탄성 전극(122)과 이격되어 배치될 수 있다. 상기 제1 비탄성 전극(124) 상의 상기 제1 유전층(130) 상에 상기 제1 소수성 물질층(140)이 배치되고, 상기 제1 유전층(130) 및 상기 제1 소수성 물질층(140)은 상기 제1 탄성 전극(122)과 직접적으로 접촉(directly contact)되지 않을 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 탄성 전극(122)이 외부 물리력에 의해 영향 받아 형태가 변형 및 복원되는 것으로부터, 상기 제1 유전층(130) 및 상기 제1 소수성 물질층(140)의 변형이 최소화될 수 있다. 다시 말하면, 상기 제1 비탄성 전극(124)은 박막(layer) 형태가 아닌 기판(substrate) 형태로, 상기 제1 기판(110), 상기 제1 탄성 전극(122), 및 상기 유전성 탄성체 격벽(310)이 외부 물리력에 의해 변형 및 복원될 시, 상기 제1 유전층(130) 및 상기 제1 소수성 물질층(140)을 외부 물리력에 의한 충격으로부터 보호할 수 있다.
상기 제2 전극(220)에 포함되는 상기 제2 탄성 전극(222)은 상기 제2 기판(210) 상에 배치될 수 있다. 상기 제2 탄성 전극(222)은 상기 제1 탄성 전극(122)과 동일한 물질로 형성될 수 있다.
상기 제2 전극(220)에 포함되는 상기 제2 비탄성 전극(224)은 상기 제2 탄성 전극(222) 상에 배치될 수 있다. 다시 말하면, 상기 제2 비탄성 전극(224)은 일면을 제외하고 상기 제2 탄성 전극(222) 내에 매립되고, 상기 일면 상에 상기 제2 유전층(230)이 상기 제2 탄성 전극(222)과 이격되어 배치될 수 있다. 상기 제2 비탄성 전극(224) 상의 상기 제2 유전층(230) 상에 상기 제2 소수성 물질층(240)이 배치되고, 상기 제2 유전층(230) 및 상기 제2 소수성 물질층(240)은 상기 제2 탄성 전극(222)과 직접적으로 접촉(directly contact)되지 않을 수 있다. 이에 따라, 상기 제2 탄성 전극(222)이 외부 물리력에 의해 영향 받아 형태가 변형 및 복원되는 것으로부터, 상기 제2 유전층(230) 및 상기 제2 소수성 물질층(240)의 변형이 최소화될 수 있다. 다시 말하면, 상기 제2 비탄성 전극(224)은 박막(layer) 형태가 아닌 기판(substrate) 형태로, 상기 제2 기판(210), 상기 제2 탄성 전극(222), 및 상기 유전성 탄성체 격벽(310)이 외부 물리력에 의해 변형 및 복원될 시, 상기 제2 유전층(230) 및 상기 제2 소수성 물질층(240)을 외부 물리력에 의한 충격으로부터 보호할 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제3 실시 예에 따른 발전 모듈에 외부 물리력이 인가되거나, 또는 제거된 경우, 도 2를 참조하여 설명된 것과 같이, 전기 에너지가 생성될 수 있다. 다시 말하면, 본 발명의 제3 실시 예에 따른 발전 모듈에 외부 물리력이 인가되거나, 또는 제거된 경우, 상기 유전성 탄성체 격벽(310)이 제공하는 상기 제1 기판(110)과 상기 제2 기판(210) 사이의 간격 및 상기 유전성 탄성체 격벽(310)의 형태가 변화될 수 있다.
이에 따라, 상기 제1 소수성 물질층(140), 상기 제1 유전층(130), 및 상기 제1 전극(120)과 상기 전도성 액체(310)의 중첩 면적, 또는 상기 제2 소수성 물질층(240), 상기 제2 유전층(230), 및 상기 제2 전극(220)과 상기 전도성 액체(320)의 중첩 면적이 변화되어, 상기 전도성 액체(320)의 분극 크기를 변화시키고, 상기 제1 전극(120) 및 상기 제2 전극(220) 사이의 전위 차이를 발생시켜, 상기 발전 모듈이 전기 에너지를 생성할 수 있다.
또한, 상기 유전성 탄성체 격벽(310)의 형태가 변형되어 발생되는 기계적 에너지에 의해, 상기 제1 전극(120) 및 상기 제2 전극(220) 사이의 전위 차이가 증가될 수 있다. 이로 인해, 상기 발전 모듈의 전기 에너지 생성 효율이 증가될 수 있다.
상술된 바와 같이, 본 발명의 제3 실시 예에 따른 발전 모듈은 상기 유전성 탄성체 격벽(310)을 포함할 수 있다. 이로 인해, 도 1 및 도 2를 참조하여 설명된 것과 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 발전 모듈은 전기 에너지 생성 효율이 향상될 수 있다.
또한, 본 발명의 제3 실시 예에 따른 발전 모듈은, 상기 제1 비탄성 전극(124)을 포함할 수 있다. 상기 제1 비탄성 전극(124)은, 상기 제1 비탄성 전극(124) 상에 배치되는 상기 제1 유전층(130) 및 상기 제1 소수성 물질층(140)의 형태가 외부 물리력에 의해 손상되지 않도록 보호할 수 있다. 이로 인해, 본 발명의 제3 실시 예에 따른 발전 모듈의 내구성이 향상될 수 있다.
본 발명의 제3 실시 예와 달리, 발전 모듈이 상기 제1 비탄성 전극(124)을 포함하지 못하는 경우, 상기 제1 유전층(130) 및 상기 제1 소수성 물질층(140)은 상기 제1 전극(120) 상에 배치될 수 있다. 이에 따라, 외부 물리력이 인가된 경우, 탄성 물질로 형성된 상기 제1 전극(120)이 변형되고, 상기 변형에 의해 상기 제1 유전층(130) 및 상기 제1 소수성 물질층(140)이 변형되어, 영구적으로 손상될 수 있다. 따라서, 발전 모듈이 상기 제1 비탄성 전극(124)을 포함하지 못하는 경우, 발전 모듈의 내구성이 저하되어, 수명이 감소될 수 있다. 이로 인해, 예를 들어, 와이어리스 마이크로센서(wireless microsensors), 임플란트 디바이스(implant devices), 또는 웨어러블 디바이스(wearable devices)와 같은 소형 전자 기기의 전력 공급원으로 활용하는 것이 용이하지 않다.
하지만, 본 발명의 실시 예와 같이, 발전 모듈에 상기 제1 비탄성 전극(124)이 포함된 경우, 상기 제1 비탄성 전극(124) 상에 배치되는 상기 제1 유전층(130) 및 상기 제1 소수성 물질층(140)이 외부 물리력으로부터 보호되어, 발전 모듈의 내구성이 향상되고, 수명이 증가될 수 있다.
도 7은 본 발명의 제4 실시 예에 따른 발전 모듈을 나타내는 단면도이고, 도 8은 본 발명의 제4 실시 예에 따른 발전 모듈에 외부 물리력이 인가된 경우를 설명하는 단면도이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 본 발명의 제4 실시 예에 따른 발전 모듈은, 제1 기판(110), 제1 탄성 전극(122) 및 제1 비탄성 전극(124)을 포함하는 제1 전극(120), 제1 유전층(130), 제1 소수성 물질층(140), 제2 기판(210), 제2 탄성 전극(222) 및 제2 비탄성 전극(224)을 포함하는 제2 전극(210), 제2 유전층(230), 제2 소수성 물질층(240), 전도성 액체(310), 또는 유전성 탄성체 격벽(320)을 포함할 수 있다.
상기 제1 기판(110), 상기 제1 유전층(130), 상기 제1 소수성 물질층(140), 상기 제2 기판(210), 상기 제2 유전층(230), 상기 제2 소수성 물질층(240), 상기 전도성 액체(310), 또는 상기 유전성 탄성체 격벽(320)은 도 1 및 도 2에서 설명한 바와 동일하게 제공되고, 상기 제1 탄성 전극(122), 상기 제1 비탄성 전극(124), 제2 탄성 전극(222) 또는 제2 비탄성 전극(224)은 도 5 및 도 6에서 설명한 바와 동일하게 제공될 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제4 실시 예에 따른 발전 모듈에 외부 물리력이 인가되거나, 또는 제거된 경우, 도 2를 참조하여 설명된 것과 같이, 전기 에너지가 생성될 수 있다. 다시 말하면, 본 발명의 제4 실시 예에 따른 발전 모듈에 외부 물리력이 인가되거나, 또는 제거된 경우, 상기 유전성 탄성체 격벽(310)이 제공하는 상기 제1 기판(110)과 상기 제2 기판(210) 사이의 간격 및 상기 유전성 탄성체 격벽(310)의 형태가 변화될 수 있다.
이에 따라, 상기 제1 소수성 물질층(140), 상기 제1 유전층(130), 및 상기 제1 전극(120)과 상기 전도성 액체(310)의 중첩 면적, 또는 상기 제2 소수성 물질층(240), 상기 제2 유전층(230), 및 상기 제2 전극(220)과 상기 전도성 액체(320)의 중첩 면적이 변화되어, 상기 전도성 액체(320)의 분극 크기를 변화시키고, 상기 제1 전극(120) 및 상기 제2 전극(220) 사이의 전위 차이를 발생시켜, 상기 발전 모듈이 전기 에너지를 생성할 수 있다.
또한, 상기 유전성 탄성체 격벽(310)의 형태가 변형되어 발생되는 기계적 에너지에 의해, 상기 제1 전극(120) 및 상기 제2 전극(220) 사이의 전위 차이가 증가될 수 있다. 이로 인해, 상기 발전 모듈의 전기 에너지 생성 효율이 향상될 수 있다.
상술된 바와 같이, 본 발명의 제4 실시 예에 따른 발전 모듈은 상기 유전성 탄성체 격벽(310)을 포함할 수 있다. 이로 인해, 도 1 및 도 2를 참조하여 설명된 것과 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 발전 모듈은 전기 에너지 생성 효율이 향상될 수 있다.
또한, 상술된 바와 같이, 본 발명의 제4 실시 예에 따른 발전 모듈은 상기 제1 비탄성 전극(124) 및 상기 제2 비탄성 전극(224)을 포함할 수 있다. 이로 인해, 도 5 및 도 6을 참조하여 설명된 것과 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 발전 모듈의 내구성이 향상될 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
110: 제1 기판
120: 제1 전극
122: 제1 탄성 전극
124: 제1 비탄성 전극
130: 제1 유전층
140: 제1 소수성 물질층
210: 제2 기판
220: 제2 전극
222: 제2 탄성 전극
224: 제2 비탄성 전극
230: 제2 유전층
240: 제2 소수성 물질층
310: 유전성 탄성체 격벽
320: 전도성 액체
330: 외부 물리력
120: 제1 전극
122: 제1 탄성 전극
124: 제1 비탄성 전극
130: 제1 유전층
140: 제1 소수성 물질층
210: 제2 기판
220: 제2 전극
222: 제2 탄성 전극
224: 제2 비탄성 전극
230: 제2 유전층
240: 제2 소수성 물질층
310: 유전성 탄성체 격벽
320: 전도성 액체
330: 외부 물리력
Claims (13)
- 제1 기판;
상기 제1 기판 상의 제1 탄성전극, 및 상기 제1 탄성 전극 상에 배치되고 적어도 일부가 상기 제1 탄성 전극에 매립된 제1 비탄성 전극을 포함하는, 제1 전극;
상기 제1 전극 상의 제1 유전층;
상기 제1 유전층 상의 전도성 액체;
상기 제1 기판 상의 제2 기판;
상기 제2 기판 하부의 제2 전극; 및
상기 제1 기판 및 상기 제2 기판 사이에 배치되고, 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판 사이에 간격을 제공하는 유전성 탄성체 격벽을 포함하되, 상기 유전성 탄성체 격벽이 제공하는 간격 내에 상기 전도성 액체가 배치되는 것을 포함하는 발전 모듈. - 제1항에 있어서,
상기 제2 전극은 제2 탄성 전극 및 제2 비탄성 전극을 포함하되,
상기 제2 기판 하부에 제2 탄성 전극이 배치되고, 상기 제2 탄성 전극 하부에 상기 제2 비탄성 전극이 배치되는 것을 포함하는 발전 모듈. - 제2항에 있어서,
상기 제1 비탄성 전극은, 상기 제1 유전층이 배치되는 일면을 제외하고 상기 제1 탄성 전극 내에 매립되고,
상기 제2 비탄성 전극은, 일면을 제외하고 상기 제2 탄성 전극 내에 매립되어, 상기 전도성 액체를 사이에 두고 상기 제1 유전층과 이격된 것을 포함하는 발전 모듈. - 제3 항에 있어서,
상기 제1 유전층은, 상기 제1 비탄성 전극을 사이에 두고, 상기 제1 탄성 전극과 이격되는 것을 포함하는 발전 모듈. - 제3 항에 있어서,
상기 제1 탄성 전극은, 상기 제1 비탄성 전극이 매립되지 않은 일면을 포함하고,
상기 제2 탄성 전극은, 상기 제2 비탄성 전극이 매립되지 않은 일면을 포함하고,
상기 유전성 탄성체 격벽은, 상기 제1 탄성 전극의 상기 일면 및 상기 제2 탄성 전극의 상기 일면 사이에 배치되는 것을 포함하는 발전 모듈. - 제3항에 있어서,
외부 물리력에 의해 상기 제1 탄성 전극, 상기 제2 탄성 전극 및 상기 유전성 탄성체 격벽이 변형되고, 복원되는 것을 포함하는 발전 모듈. - 제6항에 있어서,
상기 제1 탄성 전극, 상기 제2 탄성 전극, 및 상기 유전성 탄성체 격벽이 변형 및 복원되는 동안, 상기 제1 탄성 전극 및 상기 제2 탄성 전극에 의해 상기 제1 비탄성 전극 상에 배치된 상기 제1 유전층은 보호되는 것을 포함하는 발전 모듈. - 제1항에 있어서,
상기 제1 유전층 및 상기 전도성 액체 사이에 배치되는 제1 소수성 물질층을 더 포함하는 발전 모듈. - 제1항에 있어서,
상기 제2 전극 및 상기 전도성 액체 사이에 배치되는 제2 유전층; 및
상기 제2 유전층 및 상기 전도성 액체 사이에 배치되는 제2 소수성 물질층을 더 포함하는 발전 모듈. - 제1항에 있어서,
외부 물리력에 의해 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판 사이의 간격이 변화되고, 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판 사이의 간격에 따라서, 상기 전도성 액체와 상기 제1 유전층 접촉 면적이 변화되고, 상기 전도성 액체와 상기 제1 유전층의 접촉 면적의 변화에 의해 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이의 전위차이가 변화되는 것을 포함하는 발전 모듈. - 제10항에 있어서,
상기 제2 전극 및 상기 전도성 액체 사이에 배치되는 제2 유전층; 및
상기 제2 유전층 및 상기 전도성 액체 사이에 배치되는 제2 소수성 물질층을 더 포함하되,
외부 물리력에 의해 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판 사이의 간격이 변화되고, 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판 사이의 간격에 따라서, 상기 전도성 액체와 상기 소수성 물질층의 접촉 면적이 변화되고, 상기 전도성 액체와 상기 소수성 물질층의 접촉 면적의 변화에 의해 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이의 전위차이가 변화되는 것을 포함하는 발전 모듈. - 제1항에 있어서,
상기 제1 기판 및 상기 제2 기판 사이에 배치되고, 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판 사이에 간격을 제공하는 상기 유전성 탄성체 격벽을 포함하되,
외부 물리력에 의해 상기 유전성 탄성체 격벽이 변형되고, 상기 유전성 탄성체 격벽의 변형에 의해 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이의 전위차이가 변화되는 것을 포함하는 발전 모듈. - 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 외부 전원과 연결되지 않은 것을 포함하는 발전 모듈.
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| KR101411337B1 (ko) * | 2013-02-15 | 2014-06-25 | 전자부품연구원 | 적층구조를 가지는 액체를 이용한 에너지 전환 장치 |
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