KR102134818B1 - 열전 발전 및 압전 발전을 이용한 하이브리드 발전기 - Google Patents

열전 발전 및 압전 발전을 이용한 하이브리드 발전기 Download PDF

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Abstract

열전 발전 및 압전 발전을 이용한 하이브리드 발전기가 개시된다. 개시된 하이브리드 발전기는, 서로 이격된 제1 및 제2 절연층 사이에 마련되는 열전 구조물과, 상기 제2 절연층 상에 서로 이격된 제1 및 제2 전극 사이에 마련되는 압전 구조물과, 상기 압전 구조물과 상기 제2 전극 사이에 마련되는 제3 절연층을 포함한다.

Description

열전 발전 및 압전 발전을 이용한 하이브리드 발전기{Hybrid generator using thermoelectric generation and piezoelectric generation}
발전기에 관한 것으로, 상세하게는 열전 발전 및 압전 발전을 이용한 하이브리드 발전기에 관한 것이다.
최근에는 에너지를 하베스팅(harvesting)하는 기술이 이슈화로 떠오르고 있다. 이러한 에너지를 하베스팅 하는 소자들 중 압전 발전기는 주변 환경에 존재하는 바람이나 미세 진동 또는 인간의 움직임에 의해 발생되는 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환하여 하베스팅할 수 있는 친환경 에너지 발전소자라 할 수 있다. 또한, 나노기술의 발달로 인해 나노 시스템을 이용한 플렉서블한 압전 나노발전기를 개발하는 연구가 진행되고 있다. 한편, 주변 환경에서는 기계적 에너지 뿐만 아니라 열 에너지도 많이 발생하고 있는 바, 이러한 기계적 에너지 및 열 에너지로부터 전기 에너지를 하베스팅하는 기술이 요구된다.
열전 발전 및 압전 발전을 이용한 하이브리드 발전기를 제공한다.
일 측면에 있어서,
서로 이격되게 마련되는 제1 및 제2 절연층;
상기 제1 및 제2 절연층 사이에 마련되는 열전 구조물(thermoelectric structure);
상기 제2 절연층 상에 마련되는 제1 전극;
상기 제1 전극 상에 마련되는 압전 구조물(piezoelectric structure);
상기 압전 구조물 상에 마련되는 제3 절연층; 및
상기 제3 절연층 상에 마련되는 제2 전극;을 포함하는 하이브리드 발전기가 제공된다.
상기 하이브리드 발전기는 제1 절연층이 마련되는 열전도성 기판을 더 포함할 수 있다.
상기 제1, 제2 및 제3 절연층은 예를 들면, PMMA(Poly(methyl methacrylate)) 등과 같은 절연성 폴리머를 포함할 수 있다. 이러한 제1, 제2 및 제3 절연층은 예를 들면, 대략 2㎛ 이하의 두께를 가질 수 있다.
상기 열전 구조물은 복수개의 p형 반도체 구조물 및 복수개의 n형 반도체 구조물을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 p형 및 n형 반도체 구조물들은 제1 절연층에 대하여 수직 또는 나란하게 배열될 수 있다. 상기 p형 및 n형 반도체 구조물들은 도전체(conductor)에 의해 연결될 수 있다. 이 경우, 상기 도전체는 연성 솔더에 의해 상기 p형 및 n형 반도체 구조물들에 접합될 수 있다.
상기 p형 및 n형 반도체 구조물들은 Bi, Sb, Se 및 Te 으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다.
상기 제1 전극은 유연하고 전도성이 있는 기판이 될 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 전극은 금속 기판 또는 전도성 고분자 기판이 될 수 있다. 이러한 제1 전극은 예를 들면 대략 500㎛ 이하의 두께를 가질 수 있다.
한편, 상기 제1 전극은 유연한 플라스틱 기판 상에 마련될 수도 있다. 여기서, 상기 제1 전극은 금속, 전도성 고분자 또는 그라핀(graphene)을 포함할 수 있다.
상기 압전 구조물은 복수의 압전 나노와이어를 포함할 수 있다. 상기 압전 나노와이어는 ZnO, ZnSnO3 또는 SnO를 포함할 수 있다. 상기 압전 나노와이어들과 상기 제1 전극 사이에는 제4 절연층이 더 마련될 수도 있다. 상기 제4 절연층은 절연성 폴리머를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 제4 절연층은 예를 들면, 대략 2㎛ 이하의 두께를 가질 수 있다. 상기 압전 나노와이어들과 상기 제1 절연층 사이에는 시드층(seed layer)이 더 마련될 수도 있다.
상기 압전 구조물은 압전 박막층을 포함할 수 있다. 상기 압전 박막층은 ZnO, ZnSnO3, SnO, BaTiO3, NaNbO3, PZT 또는 PVDF(Polyvinylidene fluoride)를 포함할 수 있다. 상기 압전 박막층과 상기 제1 전극 사이에는 제4 절연층이 더 마련될 수도 있다.
다른 측면에 있어서,
열전 발전기; 및
상기 열전 발전기 상에 마련되는 압전 발전기;를 포함하는 하이브리드 발전기가 제공된다.
상기 열전 발전기는 서로 이격되게 마련되는 제1 및 제2 절연층과, 상기 제1 및 제2 절연층 사이에 마련되는 열전 구조물을 포함하고, 상기 압전 발전기는 상기 제2 절연층 상에 마련되는 제1 전극과, 상기 제1 전극 상에 마련되는 압전 구조물과, 상기 압전 구조물 상에 마련되는 제3 절연층과, 상기 제3 절연층 상에 마련되는 제2 전극을 포함할 수 있다.
실시예에 따른 하이브리드 발전기는 열전 발전기에 의해 온도차에 따른 열흐름을 이용하여 전기에너지를 얻을 수 있으며, 압전 발전기에 의해 기계적인 힘에 의한 변형을 이용하여 전기에너지를 얻을 수 있다. 이에 따라, 주변 환경에 존재하는 열에너지 및 기계적인 에너지로부터 전기에너지를 수확할 수 있다. 또한, 유연한 재질을 기판 및 전극을 사용함으로써 유연한 하이브리드 발전기를 구현할 수 있다. 그리고, 본 실시예에 따른 하이브리드 발전기는 열전 발전기의 특성과 압전 발전기의 특성의 상호 보완적인 효과(complementary effect)를 발생시켜 수확되는 에너지의 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 하이브리드 발전기를 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 하이브리드 발전기의 일부를 절개하여 도시한 사시도이다.
도 3은 도 1에 도시된 하이브리드 발전기의 단면도이다.
도 4는 도 1에 도시된 제1 전극의 변형예를 도시한 것이다.
도 5는 도 1에 도시된 하이브리드 발전기에서 발생되는 전자 흐름(electron flow)을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 6은 예시적인 실시예에 따른 하이브리드 발전기를 찍은 사진이다.
도 7a는 도 6에 도시된 하이브리드 발전기에서, 온도차 및 기계적 진동에 의해 발생되는 전류측정 결과를 도시한 것이다.
도 7b는 도 6에 도시된 하이브리드 발전기에서, 온도차 및 기계적 진동에 의해 발생되는 전압측정 결과를 도시한 것이다.
도 8은 인체의 온도 및 움직임에 의해 에너지 하베스팅을 확인하기 위한 도 6에 도시된 하이브리드 발전기가 팔의 피부에 부착된 모습을 찍은 모습을 도시한 것이다.
도 9a는 도 8에 도시된 상태에서, 팔의 움직임 및 피부의 온도에 의해 하이브리드 발전기로부터 발생되는 전류측정 결과를 도시한 것이다.
도 9b는 도 8에 도시된 상태에서, 팔의 움직임 및 피부의 온도에 의해 하이브리드 발전기로부터 발생되는 전압측정 결과를 도시한 것이다.
도 10은 다른 예시적인 실시예에 따른 하이브리드 발전기의 단면도이다.
도 11은 다른 예시적인 실시예에 따른 하이브리드 발전기의 단면도이다.
도 12는 다른 예시적인 실시예에 따른 하이브리드 발전기의 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세히 설명한다. 아래에 예시되는 실시예는 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니며, 본 발명을 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다. 또한, 소정의 물질층 기판이나 다른 층 상에 존재한다고 설명될 때, 그 물질층은 기판이나 다른 층에 직접 접하면서 존재할 수도 있고, 그 사이에 다른 제3의 층이 존재할 수도 있다. 그리고, 아래의 실시예에서 각 층을 이루는 물질은 예시적인 것이므로, 이외에 다른 물질이 사용될 수도 있다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 하이브리드 발전기(100)를 도시한 사시도이다. 도 2는 도 1에 도시된 하이브리드 발전기(100)의 일부를 절개하여 도시한 사시도이고, 도 3은 도 1에 도시된 하이브리드 발전기(100)의 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 하이브리드 발전기(100)는 열전 발전기(110) 및 상기 열전 발전기(110) 상에 마련되는 압전 발전기(120)를 포함한다. 상기 열전 발전기(110)는 서로 이격되게 마련되는 제1 및 제2 절연층(112,113)과, 상기 제1 및 제2 절연층(112,113) 사이에 마련되는 열전 구조물(115)을 포함한다. 여기서, 상기 제1 절연층(112)은 열전도성 기판(111) 상에 마련될 수 있다. 이러한 열전도성 기판(111)은 유연하고, 열전도성이 우수한 물질을 포함할 수 있다. 상기 열전도성 기판(111)은 예를 들면, Al, Cu, Au 또는 Ag 등과 같은 금속을 포함할 수 있으며, 이외에도 다양한 물질을 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2 절연층(112,113)은 유연한 재질을 포함할 수 있다. 구체적인 예로서, 상기 제1 및 제2 절연층(112,113)은 PMMA(Poly(methyl methacrylate)) 등과 같은 절연성 폴리머를 포함할 수 있다. 이러한 제1 절연층(112)은 예를 들면 대략 2㎛ 이하(보다 구체적인 예로는 대략 200nm 이하)의 두께를 가질 수 있지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 열전 구조물(115)은 온도차에 의해 전기에너지를 발생시키는 물질을 포함할 수 있다. 상기 열전 구조물(115)은 복수개의 p형 반도체 구조물(115a)과 복수개의 n형 반도체 구조물(115b)을 포함할 수 있다. 상기 p형 및 n형 반도체 구조물들(115a,115b)은 예를 들면, Bi,Sb, Se 및 Te로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다. 구체적인 예로서, 상기 p형 반도체 구조물(115a)은 BiSbTe3을 포함할 수 있고, 상기 n형 반도체 구조물(115b)은 Bi2Te2.7Se0.3을 포함할 수 있다. 그리고, 이러한 p형 및 n형 반도체 구조물들(115a,115b)은 도전체(conductor,118)에 의해 연결될 수 있다. 예를 들면, 상기 p형 및 n형 반도체 구조물들(115a,115b)은 직렬로 연결될 수 있다. 상기 도전체(118)의 표면에는 절연 물질이 코팅되어 있을 수 있다. 상기 p형 및 n형 반도체 구조물들(115a,115b)에는 상기 도전체(118)와의 접합을 위한 솔더(117)가 마련될 수 있다. 여기서, 상기 솔더(117)로는 유연하고 열전 특성이 우수한 열전 발전기(110)를 구현하기 위해 예를 들면 InSn 솔더 등과 같은 연성 솔더가 사용될 수 있다.
상기 압전 발전기(120)는 서로 이격되게 마련되는 제1 및 제2 전극(121,122)과, 제1 전극(121) 상에 마련되는 압전 구조물과, 압전 구조물과 제2 전극(122) 사이에 마련되는 제3 절연층(125)을 포함한다. 상기 제1 전극(121)은 제2 절연층(113) 상에 마련되어 있다. 상기 제1 전극(121)은 압전 발전기(120)의 전극 역할을 하는 동시에 전술한 열전 발전기(110)의 열전도성 플레이트 역할도 할 수 있다. 따라서, 상기 제1 전극(121)은 전기전도성 및 열전도성을 가지는 물질을 포함하는 유연한 기판이 될 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 전극(121)은 금속 기판 또는 전도성 고분자 기판이 될 수 있다. 상기 금속 기판은 예를 들면, Al, Cu, Au 및 Ag 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 하지만, 이는 단지 예시적인 것으로 이외에도 다양한 재질의 금속을 포함할 수 있다. 제1 전극(121)은 예를 들면 대략 500㎛ 이하(보다 구체적인 예로는 대략 50㎛ 이하)의 두께를 가질 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 한편, 도 4에 도시된 바와 같이 제1 전극(121')이 유연한 플라스틱 기판(121") 상에 마련될 수도 있다. 여기서, 상기 플라스틱 기판(121")은 대략 500㎛ 이하(보다 구체적인 예로는 대략 50㎛ 이하)의 두께를 가질 수 있다. 이 경우, 상기 제1 전극(121')은 금속, 전도성 고분자 또는 그라핀(graphene) 등과 같은 전도성 물질을 포함할 수 있다.
상기 제1 전극(121) 상에는 압전 구조물이 마련되어 있다. 구체적으로, 제1 전극(121) 상에는 복수의 압전 나노와이어(126)가 배열되어 있다. 여기서, 상기 압전 나노와이어들(126)은 제1 전극(121) 상에 수직 또는 일정한 각도로 경사지게 배열될 수 있다. 상기 압전 나노와이어(126)는 변형에 의해 그 양단에 압전 포텐셜(piezoelectric potential)을 발생시키는 물질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 압전 나노와이어(126)는 ZnO 나노와이어가 될 수 있으며, 이외에도 상기 압전 나노와이어(126)는 ZnSnO3 나노와이어 또는 SnO 나노와이어 등이 될 수 있다. 하지만, 이에 한정되지는 않는다. 한편, 상기 압전 나노와이어들(126)이 형성된 제1 전극(121) 상에는 시드층(seed layer,도 11의 324)이 더 마련될 수 있다. 이러한 시드층은 압전 나노와이어들(126)의 성장을 용이하게 하기 위한 것으로, 예를 들면, ZnO, Zn, ZnSnO3, SnO, Sn 및 Au 중 적어도 하나를 포함할 수 있지만, 이에 한정되지는 않는다.
상기 압전 나노와이어들(126) 상에는 제3 절연층(125)이 마련되어 있다. 여기서, 상기 제3 절연층(125)은 압전 나노와이어들(126)을 덮도록 코팅될 될 수 있다. 상기 제3 절연층(125)은 압전 나노와이어들(126) 사이를 채우도록 마련될 수도 있다. 도 3에는 제3 절연층(125)이 압전 나노와이어들(126) 사이의 상부를 채우도록 마련되는 경우가 예시적으로 도시되어 있으며, 상기 제3 절연층(125)은 압전 나노와이어들(126) 사이의 모든 공간을 채우도록 마련되는 것도 가능하다. 이러한 제3 절연층(125)은 제1 전극(121)과 제2 전극(122) 사이의 합선을 방지하는 역할을 한다. 상기 제3 절연층(125)은 예를 들면, PMMA 등과 같은 절연성 폴리머를 포함할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 제3 절연층(125)의 두께(구체적으로, 압전 나노와이어(126)의 상면과 제2 전극(122)의 하면 사이의 제3 절연층(125)의 두께)는 예를 들면 대략 2㎛ 이하(보다 구체적인 예로서, 대략 200nm 이하)가 될 수 있다. 상기 제3 절연층(125) 상에는 제2 전극(122)이 마련되어 있다. 여기서, 상기 제2 전극(122)은 금속, 그라핀(graphene), 도전성 폴리머 등과 같은 도전성 물질을 포함할 수 있다.
도 5는 도 1에 도시된 하이브리드 발전기(100)에서 발생되는 전자 흐름(electron flow)을 개략적으로 나타낸 것이다. 도 5를 참조하면, 하이브리드 발전기(100)의 압전 발전기(120)에 압력이 가해지거나 압전 발전기(120)에 가해진 압력이 릴리즈(release)되면, 압전 발전기(120)로부터 전류가 발생하게 되고 이렇게 발생된 전류는 부하(150)에 인가될 수 있다. 또한, 하이브리드 발전기(100)의 열전 발전기(110)에 온도차가 발생하게 되면, 열전 발전기(110)로부터 전류가 발생하게 되고 이렇게 발생된 전류는 부하에 인가될 수 있다. 한편, 상기 압전 발전기(120) 및 열전 발전기(110)로부터 발생된 전류는 캐퍼시터(capacitor, 미도시)에 의해 축적되는 것도 가능하다.
이상과 같이, 본 실시예에 따른 하이브리드 발전기(100)는 열전 발전기(110)에 의해 온도차에 따른 열흐름을 이용하여 전기에너지를 얻을 수 있으며, 압전 발전기(120)에 의해 기계적인 힘에 의한 변형을 이용하여 전기에너지를 얻을 수 있다. 이에 따라, 주변 환경에 존재하는 열에너지 및 기계적인 에너지로부터 전기에너지를 수확할 수 있다. 또한, 유연한 재질을 기판 및 전극을 사용함으로써 유연한 하이브리드 발전기(100)를 구현할 수 있다. 일반적으로, 열전 발전기는 높은 출력 전류 및 낮은 출력 전압의 특성을 가지고 있는데 반해, 압전 발전기는 낮은 출력 전류 및 높은 출력 전압의 특성을 가지고 있다. 본 실시예에 따른 하이브리드 발전기(100)는 열전 발전기(110)의 특성과 압전 발전기(120)의 특성의 상호 보완적인 효과(complementary effect)를 발생시켜 수확되는 에너지의 효율을 향상시킬 수 있다.
도 6은 예시적인 실시예에 따른 하이브리드 발전기(100)를 찍은 사진이다. 도 6에 도시된 하이브리드 발전기(100)에서는 열전도성 기판(111), 제1 및 제2 전극(121,122)의 물질로서 Al를 사용하였으며, 제1, 제2 및 제3 절연층(112,113,125)의 물질로서 PMMA를 사용하였다. 그리고, 압전 나노와이어(126)로는 ZnO 나노와이어를 사용하였다.
도 7a 및 도 7b는 도 6에 도시된 하이브리드 발전기(100)에서, 온도차 및 기계적 진동에 의해 발생되는 전류 측정 결과 및 전압 측정 결과를 각각 도시한 것이다. 도 7a 및 도 7b에는 제1 및 제2 절연층(112,113) 사이의 온도차를 3℃ 정도로 하고, 압전 나노와이어들(126)에 대략 10kPa 정도의 압력을 가했다가 놓았을 때 측정된 결과들이 도시되어 있다. 도 7a 및 도 7b에서, 'HC'는 하이브리드 발전기(100)를 나타내며, 'NG' 및 'TG'는 상기 하이브리드 발전기(100)를 구성하는 압전 발전기(120) 및 열전 발전기(110)를 나타낸다.
일반적으로, 열전 발전기는 "On" 상태에서 "Off" 상태로 되거나 또는 "Off" 상태에서 "On" 상태로 되면, 출력 전류는 급격히 변화하지만, 출력 전압은 그 변화가 미미하다. 즉, 열전 발전기는 높은 출력 전류 및 낮은 출력 전압의 특성을 가진다. 그리고, 압전 발전기는 "On" 상태에서 "Off" 상태로 되거나 또는 "Off" 상태에서 "On" 상태로 되면, 출력 전류는 그 변화가 미미하지만, 출력 전압은 급격히 변화한다. 즉, 압전 발전기는 낮은 출력 전류 및 높은 출력 전압의 특성을 가진다.
도 7a 및 도 7b를 참조하면, 하이브리드 발전기(HC)의 열전 발전기(TG)는 높은 출력 전류 및 낮은 출력 전압의 특성을 가지고, 하이브리드 발전기(HC)의 압전 발전기(NG)는 낮은 출력 전류 및 높은 출력 전압의 특성을 가짐을 알 수 있다. 그리고, 본 실시예에 따른 하이브리드 발전기에서는 열전 발전기의 특성과 압전 발전기의 특성이 상쇄되지 않고, 상호 보완적인 효과를 나타내고 있음을 알 수 있다. 따라서, 상기 하이브리드 발전기로부터 수확되는 에너지의 효율을 향상시킬 수 있다.
도 8은 인체의 온도 및 움직임에 의해 에너지 하베스팅을 확인하기 위한 도 6에 도시된 하이브리드 발전기가 팔의 피부에 부착된 모습을 찍은 모습을 도시한 것이다. 도 9a 및 도 9b는 도 8에 도시된 상태에서, 팔의 움직임 및 피부의 온도에 의해 하이브리드 발전기로부터 발생되는 전류 측정 결과 및 전압 측정 결과를 각각 도시한 것이다. 도 9a 및 도 9b에는 본 실시예에 따른 하이브리드 발전기가 팔의 피부에 부착된 상태에서 팔을 주기적으로 움직였을 때 측정된 결과들이 도시되어 있다. 도 9a 및 도 9b를 참조하면, 본 실시예에 따른 하이브리드 발전기는 팔의 움직임 및 피부와 주변 환경의 온도차에 의해 상호 보완적인 전류 및 전압을 발생시킬 수 있음을 알 수 있다.
도 10은 다른 예시적인 실시예에 따른 하이브리드 발전기의 단면도이다. 이하에서는 전술한 실시예와 다른 점을 중심으로 설명한다.
도 10을 참조하면, 하이브리드 발전기(200)는 열전 발전기(210) 및 상기 열전 발전기(210) 상에 마련되는 압전 발전기(220)를 포함한다. 상기 열전 발전기(210)는 서로 이격되게 마련되는 제1 및 제2 절연층(212,213)과, 상기 제1 및 제2 절연층(212,213) 사이에 마련되는 열전 구조물(215)을 포함한다. 여기서, 상기 제1 절연층(212)은 열전도성 기판(211) 상에 마련될 수 있으며, 열전도성 기판(211)은 유연하고, 열전도성이 우수한 물질을 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2 절연층(212,213)은 유연한 재질을 포함할 수 있다. 구체적인 예로서, 상기 제1 및 제2 절연층(212,213)은 PMMA 등과 같은 절연성 폴리머를 포함할 수 있다. 상기 열전 구조물(215)은 복수개의 p형 반도체 구조물(215a)과 복수개의 n형 반도체 구조물(215b)을 포함할 수 있다. 상기 p형 및 n형 반도체 구조물들(215a,215b)은 예를 들면, Bi,Sb, Se 및 Te로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다. 그리고, 이러한 p형 및 n형 반도체 구조물들(215a,215b)은 도전체(218)에 의해 연결될 수 있으며, 이 도전체(218)의 표면에는 절연 물질이 코팅되어 있을 수 있다. 상기 p형 및 n형 반도체 구조물들(215a,215b)에는 상기 도전체(218)와의 접합을 위한 솔더(217)가 마련될 수 있다. 여기서, 상기 솔더(217)로는 예를 들면 InSn 솔더 등과 같은 연성 솔더가 사용될 수 있다.
상기 압전 발전기(220)는 서로 이격되게 마련되는 제1 및 제2 전극(221,222)과, 제1 전극(221) 상에 마련되는 압전 구조물과, 압전 구조물과 제2 전극(222) 사이에 마련되는 제3 절연층(225)을 포함한다. 상기 제1 전극(221)은 제2 절연층(213) 상에 마련되어 있다. 상기 제1 전극(221)은 압전 발전기(220)의 전극 역할을 하는 동시에 전술한 열전 발전기(210)의 열전도성 플레이트 역할도 할 수 있다. 따라서, 상기 제1 전극(221)은 전기전도성 및 열전도성을 가지는 물질을 포함하는 유연한 기판이 될 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 전극(221)은 금속 기판 또는 전도성 고분자 기판이 될 수 있다. 상기 금속 기판은 예를 들면, Al, Cu, Au 및 Ag 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 하지만, 이는 단지 예시적인 것으로 이외에도 다양한 재질의 금속을 포함할 수 있다. 한편, 도 4에 도시된 바와 같이 제1 전극(121')이 유연한 플라스틱 기판(121") 상에 마련될 수도 있다. 이 경우, 상기 제1 전극(121')은 금속, 전도성 고분자 또는 그라핀(graphene) 등과 같은 전도성 물질을 포함할 수 있다.
상기 제1 전극(221) 상에는 압전 구조물이 마련되어 있다. 구체적으로, 제1 전극(221) 상에는 압전 박막층(226)이 마련되어 있다. 여기서, 상기 압전 박막층(226)은 ZnO, ZnSnO3, SnO, BaTiO3, NaNbO3, PZT 또는 PVDF(Polyvinylidene fluoride) 등을 포함할 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며 상기 압전 박막층(226)은 이외에도 다양한 압전 물질을 포함할 수 있다. 상기 압전 박막층(226) 상에는 제3 절연층(225)이 마련되어 있다. 이러한 제3 절연층(225)은 제1 전극(221)과 제2 전극(222) 사이의 합선을 방지하는 역할을 한다. 상기 제3 절연층(225)은 예를 들면, PMMA 등과 같은 절연성 폴리머를 포함할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 제3 절연층(225) 상에는 제2 전극(222)이 마련되어 있다. 여기서, 상기 제2 전극(222)은 금속, 그라핀, 도전성 폴리머 등과 같은 도전성 물질을 포함할 수 있다.
본 실시예에 따른 하이브리드 발전기(200)도 전술한 실시예와 같이, 열전 발전기(210)에 의해 온도차에 따른 열흐름을 이용하여 전기에너지를 얻을 수 있으며, 압전 발전기(220)에 의해 기계적인 힘에 의한 변형을 이용하여 전기에너지를 얻을 수 있다. 이에 따라, 주변 환경에 존재하는 열에너지 및 기계적인 에너지로부터 전기에너지를 수확할 수 있다. 또한, 유연한 재질을 기판 및 전극을 사용함으로써 유연한 하이브리드 발전기(200)를 구현할 수 있다. 그리고, 열전 발전기(210)의 특성과 압전 발전기(220)의 특성의 상호 보완적인 효과를 발생시켜 수확되는 에너지의 효율을 향상시킬 수 있다.
도 11은 다른 예시적인 실시예에 따른 하이브리드 발전기(300)의 단면도이다. 이하에서는 전술한 실시예들과 다른 점을 중심으로 설명한다.
도 11을 참조하면, 하이브리드 발전기(300)는 열전 발전기(310) 및 상기 열전 발전기(310) 상에 마련되는 압전 발전기(320)를 포함한다. 상기 열전 발전기(310)는 서로 이격되게 마련되는 제1 및 제2 절연층(312,313)과, 상기 제1 및 제2 절연층(312,313) 사이에 마련되는 열전 구조물(315)을 포함한다. 여기서, 상기 제1 절연층(312)은 열전도성 기판(311) 상에 마련될 수 있으며, 열전도성 기판(311)은 유연하고, 열전도성이 우수한 물질을 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2 절연층(312,313)은 유연한 재질을 포함할 수 있다. 구체적인 예로서, 상기 제1 및 제2 절연층(312,313)은 PMMA 등과 같은 절연성 폴리머를 포함할 수 있다. 상기 열전 구조물(315)은 복수개의 p형 반도체 구조물(315a)과 복수개의 n형 반도체 구조물(315b)을 포함할 수 있다. 상기 p형 및 n형 반도체 구조물들(315a,315b)은 예를 들면, Bi,Sb, Se 및 Te로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다. 그리고, 이러한 p형 및 n형 반도체 구조물들(315a,315b)은 도전체(318)에 의해 연결될 수 있으며, 이 도전체(318)의 표면에는 절연 물질이 코팅되어 있을 수 있다. 상기 p형 및 n형 반도체 구조물들(315a,315b)에는 상기 도전체(318)와의 접합을 위한 솔더(317)가 마련될 수 있다. 여기서, 상기 솔더(317)로는 예를 들면 InSn 솔더 등과 같은 연성 솔더가 사용될 수 있다.
상기 압전 발전기(320)는 서로 이격되게 마련되는 제1 및 제2 전극(321,322)과, 제1 전극(321) 상에 마련되는 압전 구조물과, 압전 구조물과 제2 전극(322) 사이에 마련되는 제3 절연층(325)과, 상기 제1 전극(321)과 압전 구조물 사이에 마련되는 제4 절연층(323)을 포함한다. 상기 제1 전극(321)은 제2 절연층(313) 상에 마련되어 있다. 상기 제1 전극(321)은 압전 발전기(320)의 전극 역할을 하는 동시에 전술한 열전 발전기(310)의 열전도성 플레이트 역할도 할 수 있다. 따라서, 상기 제1 전극(321)은 전기전도성 및 열전도성을 가지는 물질을 포함하는 유연한 기판이 될 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 전극(321)은 금속 기판 또는 전도성 고분자 기판이 될 수 있다. 상기 금속 기판은 예를 들면, Al, Cu, Au 및 Ag 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 하지만, 이는 단지 예시적인 것으로 이외에도 다양한 재질의 금속을 포함할 수 있다. 한편, 도 4에 도시된 바와 같이 제1 전극(121')이 유연한 플라스틱 기판(121") 상에 마련될 수도 있다. 이 경우, 상기 제1 전극(121')은 금속, 전도성 고분자 또는 그라핀 등과 같은 전도성 물질을 포함할 수 있다.
상기 제1 전극(321) 상에는 제4 절연층(323)이 마련되어 있다. 이러한 제4 절연층(323)은 제1 전극(321)과 제2 전극(322) 사이의 합선(short circuit)을 방지하고, 상기 제4 절연층(323) 상에 후술하는 압전 나노와이어들(326)이 균일하게 성장하게 하는 역할을 할 수 있다. 이러한 제4 절연층(323)은 높은 절연상수를 가지는 유연한 물질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 제4 절연층(323)은 PMMA 등과 같은 절연성 폴리머를 포함할 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 이러한 제4 절연층(323)은 대략 2㎛의 두께(대략 200nm 이하의 두께)를 가질 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제4 절연층 상에는 압전 구조물이 마련되어 있다. 구체적으로, 상기 제4 절연층(323) 상에는 복수의 압전 나노와이어(326)가 배열되어 있다. 여기서, 상기 압전 나노와이어들(326)은 제4 절연층(323) 상에 수직 또는 일정한 각도로 경사지게 배열될 수 있다. 예를 들면, 상기 압전 나노와이어(326)는 ZnO 나노와이어, ZnSnO3 나노와이어 또는 SnO 나노와이어 등이 될 수 있다. 하지만, 이에 한정되지는 않는다. 상기 압전 나노와이어들(326)이 형성된 제4 절연층(323) 상에는 시드층(324)이 더 마련될 수 있다. 이러한 시드층(324)은 압전 나노와이어들(326)의 성장을 용이하게 하기 위한 것으로, 예를 들면, ZnO, Zn, ZnSnO3, SnO, Sn 및 Au 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 압전 나노와이어들(326) 상에는 제3 절연층(325)이 마련되어 있다. 여기서, 상기 제3 절연층(325)은 압전 나노와이어들(326)을 덮도록 코팅될 될 수 있다. 이러한 제3 절연층(325)은 제1 전극(321)과 제2 전극(322) 사이의 합선을 방지하는 역할을 한다. 상기 제3 절연층(325)은 예를 들면, PMMA 등과 같은 절연성 폴리머를 포함할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 제3 절연층(325)의 두께(구체적으로, 압전 나노와이어(326)의 상면과 제2 전극(322)의 하면 사이의 제3 절연층(325)의 두께)는 예를 들면 대략 2㎛ 이하(보다 구체적인 예로서, 대략 200nm 이하)가 될 수 있다. 상기 제3 절연층(325) 상에는 제2 전극(322)이 마련되어 있다. 여기서, 상기 제2 전극(322)은 금속, 그라핀, 도전성 폴리머 등과 같은 도전성 물질을 포함할 수 있다.
본 실시예에서는 압전 나노와이어들(326)의 양단에 제3 및 제4 절연층(325,323)을 비교적 얇은 두께로 형성함으로써 제1 및 제2 전극(321.322) 사이의 합선을 방지하는 동시에 압전 발전기(320)의 발전 성능을 보다 향상시킬 수 있다.
도 12는 다른 예시적인 실시예에 따른 하이브리드 발전기(400)의 단면도이다. 이하에서는 전술한 실시예들과 다른 점을 중심으로 설명한다.
도 12를 참조하면, 하이브리드 발전기(400)는 열전 발전기(410) 및 상기 열전 발전기(410) 상에 마련되는 압전 발전기(420)를 포함한다. 상기 열전 발전기(410)는 서로 이격되게 마련되는 제1 및 제2 절연층(412,413)과, 상기 제1 및 제2 절연층(412,413) 사이에 마련되는 열전 구조물(415)을 포함한다. 여기서, 상기 제1 절연층(412)은 열전도성 기판(411) 상에 마련될 수 있으며, 열전도성 기판(411)은 유연하고, 열전도성이 우수한 물질을 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2 절연층(412,413)은 유연한 재질을 포함할 수 있다. 구체적인 예로서, 상기 제1 및 제2 절연층(412,413)은 PMMA 등과 같은 절연성 폴리머를 포함할 수 있다. 상기 열전 구조물(415)은 복수개의 p형 반도체 구조물(415a)과 복수개의 n형 반도체 구조물(415b)을 포함할 수 있다. 상기 p형 및 n형 반도체 구조물들(415a,415b)은 예를 들면, Bi,Sb, Se 및 Te로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다. 그리고, 이러한 p형 및 n형 반도체 구조물들(415a,415b)은 도전체(418)에 의해 연결될 수 있으며, 이 도전체(418)의 표면에는 절연 물질이 코팅되어 있을 수 있다. 상기 p형 및 n형 반도체 구조물들(415a,415b)에는 상기 도전체(418)와의 접합을 위한 솔더(417)가 마련될 수 있다. 여기서, 상기 솔더(417)로는 예를 들면 InSn 솔더 등과 같은 연성 솔더가 사용될 수 있다.
상기 압전 발전기(420)는 서로 이격되게 마련되는 제1 및 제2 전극(421,421)과, 제1 전극(421) 상에 마련되는 압전 구조물과, 압전 구조물과 제2 전극(422) 사이에 마련되는 제3 절연층(425)과, 상기 제1 전극(421)과 압전 구조물 사이에 마련되는 제4 절연층(423)을 포함한다. 상기 제1 전극(421)은 제2 절연층(413) 상에 마련되어 있다. 상기 제1 전극(421)은 압전 발전기(420)의 전극 역할을 하는 동시에 전술한 열전 발전기(410)의 열전도성 플레이트 역할도 할 수 있다. 따라서, 상기 제1 전극(421)은 전기전도성 및 열전도성을 가지는 물질을 포함하는 유연한 기판이 될 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 전극(421)은 금속 기판 또는 전도성 고분자 기판이 될 수 있다. 상기 금속 기판은 예를 들면, Al, Cu, Au 및 Ag 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 한편, 도 4에 도시된 바와 같이 제1 전극(121')이 유연한 플라스틱 기판(121") 상에 마련될 수도 있다. 이 경우, 상기 제1 전극(121')은 금속, 전도성 고분자 또는 그라핀 등과 같은 전도성 물질을 포함할 수 있다.
상기 제1 전극(421) 상에는 제4 절연층(423)이 마련되어 있다. 이러한 제4 절연층(423)은 제1 전극(421)과 제2 전극(422) 사이의 합선을 방지하는 역할을 한다. 이러한 제4 절연층(423)은 높은 절연상수를 가지는 유연한 물질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 제4 절연층(423)은 PMMA 등과 같은 절연성 폴리머를 포함할 수 있다. 이러한 제4 절연층(423)은 대략 2㎛의 두께(대략 200nm 이하의 두께)를 가질 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제4 절연층(423) 상에는 압전 구조물이 마련되어 있다. 구체적으로, 제4 절연층(423) 상에는 압전 박막층(426)이 마련되어 있다. 여기서, 상기 압전 박막층(426)은 ZnO, ZnSnO3, SnO, BaTiO3, NaNbO3, PZT 또는 PVDF 등을 포함할 수 있다. 상기 압전 박막층(426) 상에는 제3 절연층(425)이 마련되어 있다. 이러한 제3 절연층(425)은 제1 전극(421)과 제2 전극(422) 사이의 합선을 방지하는 역할을 한다. 상기 제3 절연층(425)은 예를 들면, PMMA 등과 같은 절연성 폴리머를 포함할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 제3 절연층(425) 상에는 제2 전극(422)이 마련되어 있다. 여기서, 상기 제2 전극(422)은 금속, 그라핀, 도전성 폴리머 등과 같은 도전성 물질을 포함할 수 있다.
이상에서 예시적인 실시예들을 통하여 기술적 내용을 설명하였으나, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
100,200,300,400... 하이브리드 발전기 110,210,310,410... 열전 발전기
111,211,311,411... 열전도성 기판 112,212,312,412... 제1 절연층
113,213,313,413... 제2 절연층 115,215,315,415... 열전 구조물
115a,215a,315a,415a... p형 반도체 구조물
115b,215b,315b,415b... p형 반도체 구조물
117,217,317,417... 솔더 118,218,318,418... 도전체
120,220,320,420... 압전 발전기 121,221,321,421... 제1 전극
122,222,322,422... 제2 전극 125,225,325,425... 제3 절연층
323,423... 제4 절연층 126,326... 압전 나노와이어
226,426... 압전 박막층

Claims (35)

  1. 서로 이격되게 마련되는 제1 및 제2 절연층;
    상기 제1 및 제2 절연층 사이에 마련되는 열전 구조물(thermoelectric structure);
    상기 제2 절연층 상에 서로 이격되어 마련되는 제1 및 제2 전극;
    상기 제1 및 제2 전극 사이에 마련되는 압전 구조물(piezoelectric structure);
    상기 압전 구조물과 상기 제2 전극 사이에 마련되는 제3 절연층; 및
    상기 압전 구조물과 상기 제1 전극 사이에 마련되는 제4 절연층;을 포함하는 하이브리드 발전기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 절연층이 마련되는 열전도성 기판을 더 포함하는 하이브리드 발전기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1, 제2 및 제3 절연층은 절연성 폴리머를 포함하는 하이브리드 발전기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 절연성 폴리머는 PMMA(Poly(methyl methacrylate))를 포함하는 하이브리드 발전기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1, 제2 및 제3 절연층은 2㎛ 이하의 두께를 가지는 하이브리드 발전기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 열전 구조물은 복수개의 p형 반도체 구조물 및 복수개의 n형 반도체 구조물을 포함하는 하이브리드 발전기.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 복수개의 p형 및 n형 반도체 구조물은 상기 제1 절연층에 대하여 수직 또는 나란하게 배열되는 하이브리드 발전기.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 p형 및 n형 반도체 구조물들은 도전체(conductor)에 의해 연결되는 하이브리드 발전기.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 도전체는 연성 솔더에 의해 상기 p형 및 n형 반도체 구조물들에 접합되는 하이브리드 발전기.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 p형 및 n형 반도체 구조물들은 Bi, Sb, Se 및 Te 으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하는 하이브리드 발전기.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 전극은 유연하고 전도성이 있는 기판인 하이브리드 발전기.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제1 전극은 금속 기판 또는 전도성 고분자 기판인 하이브리드 발전기.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 제1 전극은 500㎛ 이하의 두께를 가지는 하이브리드 발전기.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 전극은 유연한 플라스틱 기판 상에 마련되는 하이브리드 발전기.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 제1 전극은 금속, 전도성 고분자 또는 그라핀(graphene)을 포함하는 하이브리드 발전기.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 압전 구조물은 복수의 압전 나노와이어를 포함하는 하이브리드 발전기.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 압전 나노와이어는 ZnO, ZnSnO3 또는 SnO를 포함하는 하이브리드 발전기.
  18. 삭제
  19. 제 1 항에 있어서,
    상기 제4 절연층은 절연성 폴리머를 포함하는 하이브리드 발전기.
  20. 제 1 항에 있어서,
    상기 제4 절연층은 2㎛ 이하의 두께를 가지는 하이브리드 발전기.
  21. 제 16 항에 있어서,
    상기 압전 나노와이어들과 상기 제1 절연층 사이에는 시드층(seed layer)이 더 마련되는 하이브리드 발전기.
  22. 제 1 항에 있어서,
    상기 압전 구조물은 압전 박막층을 포함하는 하이브리드 발전기.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 압전 박막층은 ZnO, ZnSnO3, SnO, BaTiO3, NaNbO3, PZT 또는 PVDF(Polyvinylidene fluoride)를 포함하는 하이브리드 발전기.
  24. 삭제
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  26. 삭제
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