KR102199791B1 - 마찰 전계 효과를 이용한 열전발전소자 - Google Patents

마찰 전계 효과를 이용한 열전발전소자 Download PDF

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백정민
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울산과학기술원
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Abstract

본 발명은, P형 반도체 층; 상기 P형 반도체 층의 일 측의 양 가장자리에 각각 배치되는 제1 전극과 제2 전극; 상기 P형 반도체 층에 대하여, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극이 배치된 측의 반대 측에 배치되는 유전체 층; 상기 유전체 층에 대하여 상기 P형 반도체 층의 반대 편에, 상기 유전체 층과 이격되도록 배치되며, 상기 유전체 층에 단속적으로 접촉하는 제3 전극;을 포함하는, 열전발전소자를 제공한다.

Description

마찰 전계 효과를 이용한 열전발전소자{Thermoelectric generation element using triboelectric field effect}
본 발명의 실시예들은, 마찰 전계 효과를 이용한 열전발전소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 마찰대전(triboelectrification)에 의한 전계 효과(field effect)를 이용하여 열전발전소자의 출력을 증대시킬 수 있는 융합소자에 관한 것이다.
최근, 에너지로 인한 환경 오염 문제와 기존의 화석 연료 고갈 문제 등으로 인해, 친환경 대체 에너지에 관한 연구가 많이 이루어지고 있으며, 그 중에서도 에너지 하베스팅(Energy harvesting)이 많은 관심을 받고 있다. 에너지 하베스팅 기술은, 자연에서 버려지는 에너지를 유용한 전기 에너지로 변환하여 이용하는 기술로, 예를 들면, 주변에 존재하는 태양광, 온도 차이 등을 에너지원으로 이용하거나, 바람, 진동, 인간의 움직임으로부터 발생되는 기계적 에너지 등을 이용하여 전기를 생산하는 기술이다. 이러한 에너지 하베스팅 기술은 소형 전자 기기에 전원을 공급하기 위한 방법으로 제시되고 있다.
소형 에너지 하베스팅 방법에는 태양광을 이용한 태양발전, 기계적인 에너지를 이용한 압전발전 및 정전발전, 기계적인 운동과 전자기적 현상을 이용한 발전 및 용량성(capacitive) 발전, 폐열을 이용한 열전발전 등이 있다. 각각의 방법은 장단점을 가지고 있으며 주어진 자연환경에 적합한 방법이 선택되어 적용될 수 있다.
이들 중 마찰대전발전은, 두 대전체의 마찰 시 나타나는 물질 간 전하 이동 현상에 의한 것이다. 구체적으로, 서로 다른 두 물체가 접촉을 하게 되면 각각의 물질에서 전하들이 편극 되어 전하가 상대를 향하여 병행하는 전기 이중 층을 형성하게 되며, 이러한 전기 이중 층의 전하 분리가 일어나, 두 물체에는 각각 극성이 다른 전하가 발생되는데, 마찰대전발전은 이러한 현상을 이용하는 것이다. 마찰대전발전은, 대부분의 물질에서 정전기 효과를 볼 수 있기 때문에 물질적인 제한 없이 활용될 수 있다. 또한, 다른 미소에너지 생산 방식에 비해 시간적, 공간적 제약이 없다는 장점이 있다. 마찰대전 발전 방식은, 기후에 관계없이 실내외의 기계진동을 이용할 수 있으며, 풍력, 파도, 인간의 움직임, 자동차의 엔진 등 주변의 모든 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있는 장점으로 인해 최근 많은 연구가 진행되고 있다.
한편 열전발전은, 온도가 차이 날 때 전류가 흐르는 현상인 열전효과를 이용한 발전을 의미한다. 구체적으로, 서로 다른 두 금속의 양끝을 연결하여 폐회로를 구성하고 양단에 온도차를 주면, 두 접점 사이에 전위차(즉, 열기전력)가 발생하는데 이를 열전효과라고 한다. 이러한 열전효과를 이용하면 폐열을 이용하여 친환경적으로 전기를 생산할 수 있기 때문에, 열전발전소자에 관한 연구 및 수요가 증가하고 있다.
친환경 대체 에너지에 대한 관심이 높아지는 것에 비하여, 열전발전소자의 출력 효율은 기대에 미치지 못하고 있으며, 그로 인해 충분히 활용되지 못하고 있다. 따라서 열전발전소자의 상용화를 위해 출력을 증대시키는 방안이 요구된다.
기존에는 열전발전소자의 출력 효율 증대를 위하여, 열전 소재나 구조에 관한 연구가 진행되어 왔다. 그러나 아직 열전발전소자의 출력 효율이 기대에 미치지 못하는 바, 활용 가능성이 낮은 문제점이 있다. 본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로써, 열전발전소자의 효율을 향상시키기 위해 새로운 관점에서 접근하여, 마찰대전에 의한 전계 효과를 이용한 열전발전소자를 제공하는 것을 목적으로 한다. 구체적으로 마찰대전발전기의 전계 효과가 열전발전소자에 적용된, 융합소자를 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 따른 열전발전소자는, P형 반도체 층; 상기 P형 반도체 층의 일 측의 양 가장자리에 각각 배치되는 제1 전극과 제2 전극; 상기 P형 반도체 층에 대하여, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극이 배치된 측의 반대 측에 배치되는 유전체 층; 상기 유전체 층에 대하여 상기 P형 반도체 층의 반대 편에, 상기 유전체 층과 이격되도록 배치되며, 상기 유전체 층에 단속적으로 접촉하는 제3 전극;을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 유전체 층은 상기 제3 전극과의 접촉에 의해 음전하로 대전되며, 상기 제3 전극은 상기 유전체와의 접촉에 의해 양전하로 대전될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 유전체 층은, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극을 연결하는 선에 평행하게 배치될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 유전체에 대전된 음전하는 상기 P형 반도체 층에 전계 효과를 주어, 상기 P형 반도체 층에 정공을 유도할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제2 전극에 고온을 형성하고 상기 제1 전극에 저온을 형성하면, 상기 제2 전극과 상기 제1 전극 사이에 전위차가 발생할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제3 전극이 상기 유전체와 접촉될 때 상기 제2 전극과 상기 제1 전극 사이의 전위차가, 상기 제3 전극이 상기 유전체와 이격될 때 상기 제2 전극과 상기 제1 전극 사이의 전위차보다 클 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제3 전극과 상기 유전체가 접촉될 때 상기 P형 반도체 층에 유도되는 정공이, 상기 제3 전극과 상기 유전체가 이격될 때 상기 P형 반도체 층에 유도되는 정공보다 더 많을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 열전발전소자는, N형 반도체 층; 상기 N형 반도체 층의 일 측의 양 가장자리에 각각 배치되는 제1 전극과 제2 전극; 상기 N형 반도체 층에 대하여 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극이 배치된 측의 반대 측에 배치되는 유전체 층;
상기 유전체 층에 대하여 상기 N형 반도체 층의 반대 편에, 상기 유전체 층과 이격되도록 배치되며, 상기 유전체 층에 단속적으로 접촉하는 제3 전극;을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 유전체 층은 상기 제3 전극과의 접촉에 의해 양전하로 대전되며, 상기 제3 전극은 상기 유전체와의 접촉에 의해 음전하로 대전될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 유전체 층은, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극을 연결하는 선에 평행하게 배치될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 유전체에 대전된 양전하는 상기 N형 반도체 층에 전계 효과를 주어, 상기 N형 반도체 층에 전자를 유도할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제2 전극에 고온을 형성하고 상기 제1 전극에 저온을 형성하면, 상기 제2 전극과 상기 제1 전극 사이에 전위차가 발생할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제3 전극과 상기 유전체가 접촉될 때 상기 N형 반도체 층에 유도되는 전자가, 상기 제3 전극과 상기 유전체가 이격될 때 상기 N형 반도체 층에 유도되는 전자보다 더 많을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 열전발전 모듈은, 서로 이격되어 배치된 P형 반도체와 N형 반도체; 상기 P형 반도체와 상기 N형 반도체의 일 측에서 상기 P형 반도체와 N형 반도체를 연결하는 상부전극; 상기 상부전극의 반대 측에서 상기 N형 반도체와 접촉하는 제1 하부전극; 상기 상부전극의 반대 측에서 상기 P형 반도체와 접촉하는 제2 하부전극; 상기 N형 반도체의 적어도 일 면에 접촉하되, 상기 상부전극과 상기 제1 하부전극을 연결하는 선에 평행하게 배치되는 양전하 대전체; 상기 P형 반도체의 적어도 일 면에 접촉하되, 상기 상부전극과 상기 제2 하부전극을 연결하는 선에 평행하게 배치되는 음전하 대전체; 상기 양전하 대전체와 이격되어 배치되며 상기 양전하 대전체와 단속적으로 접촉했을 때 음전하로 대전되는 제3 전극; 상기 음전하 대전체와 이격되어 배치되며 상기 음전하 대전체와 단속적으로 접촉했을 때 양전하로 대전되는 제4 전극;을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제3 전극은 외력에 따라 단속적으로 상기 양전하 대전체와 접촉하고, 상기 양전하 대전체는 상기 N형 반도체에 전계 효과를 줄 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 전계 효과로 인해 상기 N형 반도체에 전자가 유도될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제4 전극은 외력에 따라 단속적으로 상기 음전하 대전체와 접촉하고, 상기 음전하 대전체는 상기 P형 반도체에 전계 효과를 줄 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 전계 효과로 인해 상기 P형 반도체에 정공이 유도될 수 있다.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
상술한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 열전발전소자에 마찰대전발전기의 전계 효과를 이용함으로써, 열전발전소자의 출력을 증가시키고, 따라서 효율을 향상시킬 수 있다.
물론 이러한 효과들에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 일반적인 열전발전기에서의 열전 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전발전소자(100)를 개략적으로 도시한다.
도 3은 도 2에 도시된 열전발전소자(100)의 출력이 증대되는 메커니즘을 개략적으로 도시한다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전발전소자(100)의 유전체 층(160) 및 제3 전극(103)의 다양한 구조를 개념적으로 도시한다.
도 5는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 열전발전소자(300)를 개략적으로 도시한다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예들을 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고, 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 명세서에서 사용되는 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
이하의 실시예에서, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
이하의 실시예에서, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.
이하의 실시예에서, '위', '아래', '상면', '하면', '상부', '하부' 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소와 다른 구성 요소의 상대적 위치 관계를 지시하는 것이다.
어떤 실시예가 달리 구현 가능한 경우에 특정한 공정 순서는 설명되는 순서와 다르게 수행될 수도 있다. 예를 들어, 연속하여 설명되는 두 공정이 실질적으로 동시에 수행될 수도 있고, 설명되는 순서와 반대의 순서로 수행될 수도 있다.
도면에서는 설명의 편의를 위하여 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 예컨대, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 예를 들어, 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대 또는 축소하여 나타내었다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 실질적으로 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 일반적인 열전발전기에서의 열전 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 일반적인 열전발전기(10)는, N형 반도체(11), P형 반도체(12), 제1 하부전극(13), 제2 하부전극(14), 및 상부전극(15)을 포함한다.
N형 반도체(11)와 P형 반도체(12)는 서로 이격되어 나란히 배치된다. 상부전극(15)은 N, P형 반도체(11, 12)의 일 측에 배치되며, 제1, 2 하부전극(13, 14)은 N, P형 반도체(11, 12)의 반대 측에 배치된다. 일 예를 들면, 상부전극(15)은 N, P형 반도체(11, 12)의 상부에 배치될 수 있고, 제1, 2 하부전극(13, 14)은 N, P형 반도체(11, 12)의 하부에 배치될 수 있다.
상부전극(15)은 N형 반도체(11)와 P형 반도체(12)를 연결하도록, N, P형 반도체(11, 12)와 접촉한다. 제1 하부전극(13)은, N형 반도체(11)의 하부에 부착될 수 있고, 제2 하부전극(14)은 P형 반도체(12)의 하부에 부착될 수 있다.
상부전극(15)과 제1, 2 하부전극(13, 14)은 전기전도도가 높은 물질(예: 도체)일 수 있다.
이 때, 상부전극(15)의 상부에서 열(H)을 가하면 상부전극(15)은 고온이 되고, 제1, 2 하부전극(13, 14)은 저온이 되어 온도차가 형성된다. 상기 온도차로 인해 N, P형 반도체(11, 12)에 기전력이 발생한다. 구체적으로, N, P형 반도체(11, 12)의 전하 운반자(charge carrier)가 모두 고온에서 저온으로 움직이게 된다. 따라서 N형 반도체(11)에서는 전자가 상부에서 하부로 흐르며, P형 반도체(11)에서는 정공(positive hole)이 상부에서 하부로 흐르게 된다. 따라서, 제1 하부전극(13)과 제2 하부전극(14)을 연결하는 회로에서, 도 1과 같이 전류(I)가 시계 방향으로 흐르게 된다.
상술한 바와 같이 온도 차이에 의해서 기전력이 생기는 효과를 열전 효과라고 한다. 본 발명에서는 이러한 열전 효과를 이용하는 열전발전소자에 있어서, 마찰대전 소자와의 결합으로 인해 출력 효율을 증대시킬 수 있는 열전발전소자를 제공한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전발전소자(100)를 개략적으로 도시한다.
도 2를 참조하면, 열전발전소자(100)는, 제1 전극(101), 제2 전극(102), 제3 전극(103), P형 반도체 층(120), 및 유전체 층(160)을 포함할 수 있다.
제1 전극(101)과 제2 전극(102)은, P형 반도체 층(120)의 일 측의 양 단에 각각 배치될 수 있다. 일 예를 들면, 제1 전극(101)과 제2 전극(102)은 P형 반도체 층(120)의 상부의 양쪽 가장자리에, 서로 이격되어 배치될 수 있다.
제1, 2 전극(101, 102)은 전기전도성이 우수한 물질을 포함할 수 있다. 일 예를 들면, 제1, 2 전극(101, 102)은 그래핀(graphene), 탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT), ITO(Indium Tin Oxide), 금속, 및 전도성 폴리머로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다. 여기서, 금속은 예를 들면, Ag, Al, Cu, Au, Ni, Cr 및 Pt으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있지만 이에 한정되는 것은 아니다. 제1, 2 전극(101, 102)은 단층 구조 또는 복수의 층 구조를 가질 수 있다.
제1 전극(101)과 제2 전극(102)은 P형 반도체 층(120)의 일 측의 양 단에서 P형 반도체 층(120)과 접촉하면서, P형 반도체 층(120)의 외부에서 회로로 연결될 수 있다. 즉, 제2 전극(102), P형 반도체 층(120), 및 제1 전극(101)은 폐회로를 구성할 수 있다. 따라서, 예를 들어, P형 반도체 층(120)의 제2 전극(102)이 배치된 측에서 열(H)을 가하면 제2 전극(102)은 고온이 되고 제1 전극(101)은 저온이 되어, P형 반도체 층(120)의 정공(positive hole)이 제2 전극(102) 측에서 제1 전극(101) 측으로 흐르게 되어, 상기 폐회로를 통해 전류(I)가 흐를 수 있다. 즉, 제2 전극(102)에서 P형 반도체 층(120)을 통해 제1 전극(101)을 향하는 방향으로 전류가 흐를 수 있다.
P형 반도체 층(120)은 열전 소재로 이루어질 수 있다. 예를 들면, P형 반도체 층(120)은 Bi2Te3, SnSe, Sb2Te4, 또는 CuSe, 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 하지만 이에 한정되지 않는다.
한편, P형 반도체 층(120)에 대하여 제1 전극(101) 및 제2 전극(102)이 배치된 측의 반대 측에는 유전체 층(160)이 배치될 수 있다. 예를 들면, 제1 전극(101)및 제2 전극(102)은 P형 반도체 층(120)의 상부의 양쪽 가장자리에 배치되고, 유전체 층(160)은, P형 반도체 층(120)의 하부에 배치될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 유전체 층(160)의 적어도 일부는 P형 반도체 층(120)과 접촉될 수 있다. 유전체 층(160)은, 음전하 대전체일 수 있다.
유전체 층(160)은, 후술되는 제3 전극(103)과의 접촉에 의해 음전하로 대전되는 것으로, 전기전도도가 낮은 물질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 유전체 층(160)은 polytetrafluoroethylene(PTFE, Teflon), polydimethylsiloxane(PDMS), polyvinyl chloride(PVC), polyimide(Kapton), polypropylene(PP), polyethylene(PE), polyvinylidenefluoride(PVDF), polyimide, 또는 polystyrene(PS) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며 유전체 층(160)은 제3 전극(103)과의 접촉에 의해 음전하로 대전될 수 있는 다양한 물질을 포함할 수 있다. 일 실시예들에서, 유전체 층(160)은, 금속, 세라믹, 또는 폴리머 물질 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
제3 전극(103)은 유전체 층(160)을 기준으로, P형 반도체 층(120)의 반대 측에 배치될 수 있다. 예를 들면, 제3 전극(103)은 유전체 층(160)의 하부에 배치될 수 있다. 제3 전극(103)은 유전체 층(160)과 이격되도록 배치될 수 있으며, 제3 전극(103)의 움직임에 따라 유전체 층(160)과 단속적으로 접촉할 수 있다. 예를 들면 제3 전극(103)은 외력이 가해지지 않은 상태에서는 유전체 층(160)과 이격되도록 형성될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 유전체 층(160)과 제3 전극(103)의 단속적인 접촉을 위하여, 유전체 층(160)과 제3 전극(103) 중 적어도 하나는 플렉시블(flexible)한 재질로 형성될 수 있다.
제3 전극(103)은 유전체 층(160)과의 접촉에 의해 양전하로 대전되는, 양전하 대전체가 될 수 있다. 제3 전극(103)은 전기전도도가 높은 도전성 물질을 포함할 수 있다. 제3 전극(103)은 예를 들면, Al, Cu, Ag, Au, Nylon, Paper, 또는 steel 등을 포함할 수 있다. 제3 전극(103)은 예를 들면 poly(methylmethacrylate)(PMMA)를 포함할 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 제3 전극(103)은 유전체 층(160)과의 접촉에 의해 양전하로 대전될 수 있는 다양한 도전성 물질을 포함할 수 있다.
유전체 층(160)과 제3 전극(103) 중 적어도 하나는 그 표면의 대전 특성을 조절하기 위해 p형 도펀트 또는 n형 도펀트로 도핑될 수 있다. 유전체 층(160)과 제3 전극(103)은 마찰대전에 의한 전계 효과를 일으키는 한 쌍의 대전체를 형성할 수 있다. 즉, 유전체 층(160)과 제3 전극(103)은 마찰에 의해 유전체 층(160)은 음전하로 대전될 수 있고, 제3 전극(103)은 양전하로 대전될 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예들에 따르면, 유전체 층(160)과 제3 전극(103)의 마찰 전계 효과로 인해, 열전발전소자(100)의 출력(예를 들면 출력 전류 또는 출력 전압)이 증가할 수 있다. 즉, P형 반도체 층(120)의 제2 전극(102) 측에서 열(H)을 가하여 제2 전극(102)에 고온을 형성하고 제1 전극(101)에 저온을 형성하면 전류(I)가 발생하는데, 이 때 유전체 층(160)과 제3 전극(103)이 없는 구조보다, 유전체 층(160) 및 제3 전극(103)을 포함하는 열전발전소자(100)의 출력 전류(I)가 더 클 수 있다. 예를 들면, 유전체 층(160)은, 제1 전극(101)과 제2 전극(102)을 연결하는 선에 평행하게 배치될 수 있다.
또는, P형 반도체 층(120)의 제2 전극(102) 측에서 열(H)을 가하여 제2 전극(102)에 고온을 형성하고 제1 전극(101)에 저온을 형성하면, 제2 전극(102)과 제1 전극(101) 사이에 전위차가 발생하는데, 이 때 유전체 층(160)과 제3 전극(103)이 없는 구조보다, 유전체 층(160) 및 제3 전극(103)을 포함하는 열전발전소자(100)에서 제2 전극(102)과 제1 전극(101) 사이의 전위차(또는 출력 전압)가 더 커질 수 있다.
도 3은 도 2에 도시된 열전발전소자(100)의 출력이 증대되는 메커니즘을 개략적으로 도시한다.
도 3의 (a)는 열전발전소자(100)(또는 제3 전극(103))에 외력이 가해지지 않아, 제3 전극(103)과 유전체 층(160)이 이격된 상태를 도시한다. 도 3의 (b)는 열전발전소자(100)(또는 제3 전극(103))에 외력이 가해지는 동안, 제3 전극(103)과 유전체 층(160)이 서로 가까워지는 상태를 도시한다. 도 3의 (c)는 상기 외력에 의해 제3 전극(103)과 유전체 층(160)이 서로 접촉된 상태를 도시하며, 도 3의 (d)는 상기 외력이 해제되어, 제3 전극(103)과 유전체 층(160)이 다시 서로 멀어지고 있는 상태를 도시한다.
본 발명의 다양한 실시예들에 따르면, 도 3의 (a) 내지 (d)의 과정은 외력에 따른 제3 전극(103)의 움직임에 따라 불규칙적으로 반복될 수 있다. 또한, 도 3의 (a) 내지 (d)은, 제2 전극(102)이 제1 전극(101)보다 고온인 상황을 나타낸다. 따라서 도 3의 (a) 내지 (d)에서, P형 반도체 층(120)의 정공이 제2 전극(102)에서 제1 전극(101) 방향으로 움직여, 전류(I)가 시계 방향으로 흐를 수 있다.
도 3의 (c)와 같이 제3 전극(103)과 유전체 층(160)이 서로 접촉되면, 마찰대전 효과로써 유전체 층(160)은 음전하로 대전되고, 제3 전극(103)은 양전하로 대전된다. 유전체 층(160)에 대전된 음전하는, P형 반도체 층(120)에 전계 효과(field effect)를 줄 수 있다. 상술한 전계 효과는, P형 반도체 층(120)의 정공(positive hole)에 영향을 미칠 수 있다. 예를 들면, 상술한 전계 효과는 P형 반도체 층(120)에 정공을 더 많이 유도할 수 있다. 따라서, 유전체 층(160) 및 제3 전극(103)이 없는 구조보다, 본 발명의 일 실시예와 같이 유전체 층(160) 및 제3 전극(103)을 포함하는 열전발전소자(100)가 더 큰 전류(I)를 발생시킬 수 있다.
또한, 도 3의 (a) 내지 (d)를 참조하면, 유전체 층(160)과 제3 전극(103)의 거리에 따라 출력 전류(I)의 크기가 변할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 유전체 층(160)과 제3 전극(103)이 더 가까울수록 P형 반도체 층(120)에 정공이 더 많이 유도되고, 따라서 더 큰 전류가 흐를 수 있다. 유전체 층(160)과 제3 전극(103)이 멀어질수록 P형 반도체 층(120)에 정공이 더 적게 유도되고, 따라서 더 작은 전류가 흐를 수 있다. 예를 들면, 유전체 층(160)과 제3 전극(103)이 접촉될 때, P형 반도체 층(120)에 전계 효과가 크게 미치고, 유전체 층(160)과 제3 전극(103)이 이격될 때, P형 반도체 층(120)에 전계 효과가 적게 미칠 수 있다.
이러한 이유는 예를 들면, 도 3의 (c)와 같이 유전체 층(160)과 제3 전극(103)이 접촉된 후, 도 3의 (d), (a)와 같이 유전체 층(160)과 제3 전극(103)이 이격되는 과정에서, 대전된 음전하 또는 양전하의 손실(loss)에 의한 것일 수 있다. 다만 이에 한정되지 않으며 다양한 원인이 존재할 수 있다.
결론적으로, 제3 전극(103)이 유전체 층(160)에 접촉될 때 제1 전극(101)에서 나와서 제2 전극(102)으로 들어가는 출력 전류(I)가 가장 증가할 수 있다. 즉, 유전체 층(160)과 제3 전극(103)이 접촉될 때 출력 전류(I) 값이 가장 크고, 유전체 층(160)과 제3 전극(103)이 이격될 때, 출력 전류(I) 값이 작아질 수 있다. 하지만, 유전체 층(160)과 제3 전극(103)이 이격될 때에도 P형 반도체 층(120)에 전계 효과가 미치기 때문에, 유전체 층(160) 및 제3 전극(103)이 없는 구조보다는 더 큰 전류를 발생시킬 수 있다.
다시 말하면, 제3 전극(103)이 유전체 층(160)에 접촉될 때 제2 전극(102)과 제1 전극(101) 사이의 전위차(또는 출력 전압)가 가장 증가할 수 있다. 유전체 층(160)과 제3 전극(103)이 이격될 때, 상기 전위차가 작아질 수 있다. 하지만 유전체 층(160)과 제3 전극(103)이 이격될 때에도 P형 반도체 층(120)에 전계 효과가 미치기 때문에, 유전체 층(160) 및 제3 전극(103)이 없는 구조보다는 더 큰 전위차를 발생시킬 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전발전소자(100)의 유전체 층(160) 및 제3 전극(103)의 다양한 구조를 개념적으로 도시한다.
도 4a 및 도 4b에서는, 열전발전소자(100)의 제1 전극(101), 제2 전극(102), 및 P형 반도체 층(120)이 생략되었으며, 유전체 층(160) 및 제3 전극(103)이 가질 수 있는 다양한 구조를 개념적으로 도시하였다.
본 발명의 일 실시예에 따른 열전발전소자(100)의 유전체 층(160)과 제3 전극(103)은, 마찰대전 효과를 발생시킬 수 있는 한 쌍의 대전체를 이룬다. 마찰대전은 두 대전체의 마찰 시 나타나는 물질 간의 전하 이동 현상에 의한 것으로, 실내외의 다양한 기계진동을 이용할 수 있으며, 풍력, 파도, 인간의 움직임, 자동차의 엔진 등 주변의 모든 기계적 에너지를 이용할 수 있다. 따라서 제3 전극(103)을 유전체 층(160)에 단속적으로 접촉하게 하는 방법은 다양할 수 있다.
도 4a를 참조하면, 유전체 층(160)의 하부에 배치되는 제3 전극(103-1)을 바람개비 모양으로 형성할 수 있다. 제3 전극(103-1)의 상부는, 제3 전극(103-1)이 회전함에 따라 유전체 층(160)의 적어도 일부와 접촉할 수 있고, 제3 전극(103-1)의 하부는 기판(401)에 의해 적어도 일부 지지될 수 있다. 제3 전극(103-1)은 예를 들면 플렉시블(flexible)하게 형성될 수 있다. 바람에 의해 제3 전극(103-1)이 회전하면서, 열전발전소자(100)가 구동될 수 있다.
도 4b를 참조하면, 제3 전극(103-2)이 바람에 의해 진동하도록 형성할 수 있다. 제3 전극(103-2)의 상부는 제3 전극(103-2)이 회전함에 따라 유전체 층(160)의 적어도 일부와 접촉할 수 있고, 제3 전극(103-2)의 하부는 기판(401)에 의해 적어도 일부 지지될 수 있다. 제3 전극(103-2)은 예를 들면 플렉시블(flexible)하게 형성될 수 있다. 바람이나 주변의 기계적 진동에 의해 제3 전극(103-2)이 진동하면서, 열전발전소자(100)가 구동될 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 열전발전소자(300)를 개략적으로 도시한다.
도 5를 참조하면, 열전발전소자(300)는, 제1 전극(301), 제2 전극(302), 제2 대전층(303), N형 반도체 층(310), 및 제1 대전층(350)을 포함할 수 있다.
열전발전소자(300)의 제1 전극(301) 및 제2 전극(302)은, 열전발전소자(100)의 제1 전극(101) 및 제2 전극(102)에 상응할 수 있다.
열전발전소자(100)와 비교할 때 열전발전소자(300)는, P형 반도체 층(120) 대신에 N형 반도체 층(310)을 포함할 수 있다. 따라서 열전발전소자(300)의 전하 운반자(charge carrier)는 전자가 되고, N형 반도체 층(310)의 제2 전극(302) 측에서 열을 가할 경우 N형 반도체 층(310)의 전자가 제2 전극(302) 측에서 제1 전극(301) 측으로 흐르게 되어, 도 5에서 반시계방향으로 전류가 흐를 수 있다.
또한 열전발전소자(100)와 비교할 때 열전발전소자(300)는, 제1 대전층(350)과 제2 대전층(303)이 접촉했을 때, 제1 대전층(350)이 양전하로 대전되고 제2 대전층(303)이 음전하로 대전된다. 이는, N형 반도체 층(310)에서 전하 운반자가 전자이기 때문에, N형 반도체 층(310)에 출력을 증대시킬 수 있는 전계 효과를 주기 위해서이다.
열전발전소자(300)에서 제1 전극(301)과 제2 전극(302)은, N형 반도체 층(310)의 일 측의 양 단에 각각 배치될 수 있다. 일 예를 들면, 제1 전극(301)과 제2 전극(302)은 N형 반도체 층(310)의 상부의 양쪽 가장자리에, 서로 이격되어 배치될 수 있다.
제1 전극(301)과 제2 전극(302)은 N형 반도체 층(310)의 외부에서 회로로 연결될 수 있다. 즉, 제2 전극(302), N형 반도체 층(310), 및 제1 전극(301)은 폐회로를 구성할 수 있다. 따라서, N형 반도체 층(310)의 제2 전극(302)이 배치된 측에서 열(H)을 가하면 제2 전극(302)은 고온이 되고 제1 전극(301)은 저온이 되어, N형 반도체 층(310)의 전자가 제2 전극(302) 측에서 제1 전극(301) 측으로 흐르게 되어, 상기 폐회로를 통해 전류(I)가 흐를 수 있다. 즉, 제1 전극(301)에서 N형 반도체 층(310)을 통해 제2 전극(302)을 향하는 방향으로 전류가 흐를 수 있다.
한편, N형 반도체 층(310)에 대하여 제1 전극(301) 및 제2 전극(302)이 배치된 측의 반대 측에 제1 대전층(350)이 배치될 수 있다. 예를 들면, 제1 전극(301)및 제2 전극(302)은 N형 반도체 층(310)의 상부의 양쪽 가장자리에 배치되고, 제1 대전층(350)은 N형 반도체 층(310)의 하부에 배치될 수 있다. 제1 대전층(350)의 적어도 일부는 N형 반도체 층(310)과 접촉될 수 있다. 제1 대전층(350)은, 양전하 대전체일 수 있다.
제1 대전층(350)은 제2 대전층(303)과의 접촉에 의해 양전하로 대전되는 물질로, 전기전도도가 높은 도전성 물질을 포함할 수 있다. 제1 대전층(350)은 예를 들면, Al, Cu, Ag, Au, 또는 steel 등을 포함할 수 있다. 제1 대전층(350)은 예를 들면 poly(methylmethacrylate)(PMMA)를 포함할 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
제2 대전층(303)은 제1 대전층(350)의 하부에 배치될 수 있다. 제2 대전층(303)은 제1 대전층(350)과 이격되도록 배치될 수 있으며, 제2 대전층(303)의 움직임에 따라 제1 대전층(350)과 단속적으로 접촉할 수 있다. 제2 대전층(303)은 음전하 대전체일 수 있다.
제2 대전층(303)은, 제1 대전층(350)과의 접촉에 의해 음전하로 대전되는 것으로, 전기전도도가 낮은 물질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 유전체 층(160)은 polytetrafluoroethylene(PTFE, Teflon), polydimethylsiloxane(PDMS), polyvinyl chloride(PVC), polyimide(Kapton), polypropylene(PP), polyethylene(PE) 또는 polystyrene(PS) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
제1 대전층(350)과 제2 대전층(303)은 마찰에 의해 제2 대전층(303)은 음전하로 대전될 수 있고, 제1 대전층(350)은 양전하로 대전될 수 있다. 이와 같은 제1 대전층(350)과 제2 대전층(303)의 마찰 전계 효과로 인해, 열전발전소자(300)의 출력(예를 들면 출력 전류 또는 출력 전압)이 증가할 수 있다.
예를 들면, 제1 대전층(350)은 대전된 양전하는 N형 반도체 층(310)에 전계 효과를 줄 수 있다. 이러한 전계 효과는, N형 반도체 층(310)에 더 많은 전자를 유도할 수 있다. 따라서, 제1 대전층(350) 및 제2 대전층(303)이 없는 구조보다, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전발전소자(300)가 더 큰 전류(I)를 발생시킬 수 있다.
도시되지는 않았지만, 본 발명은 P형 반도체 층과 N형 반도체 층을 모두 포함하는 열전발전 모듈을 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 열전발전 모듈은, 서로 이격되어 배치된 P형 반도체와 N형 반도체를 포함하고, 상기 P형 반도체와 N형 반도체의 일 측에서 상기 P형 반도체와 N형 반도체를 연결하는 상부전극과, 상기 상부전극의 반대 측에서 상기 N형 반도체와 접촉하는 제1 하부전극과, 상기 상부전극의 반대 측에서 상기 P형 반도체와 접촉하는 제2 하부전극과, 상기 N형 반도체의 적어도 일 면에 접촉하는 양전하 대전체와, 상기 P형 반도체의 적어도 일 면에 접촉하는 음전하 대전체를 포함할 수 있다.
상기 열전발전 모듈은, 상기 상부전극 측에서 열을 가하면 상부전극은 고온이 되고 제1, 2 하부전극은 저온이 되어, N형 반도체에서는 전자가 상부전극 측에서 제1 하부전극 측으로 흐르고, P형 반도체에서는 정공이 상부전극 측에서 제2 하부전극 측으로 흐를 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 양전하 대전체는 상기 N형 반도체에 접촉하되, 상기 상부전극과 제1 하부전극을 연결하는 선에 평행하게 배치될 수 있다. 또한, 상기 양전하 대전체와 이격되어, 상기 양전하 대전체와 접촉했을 때 음전하로 대전되는 제3 전극이 배치될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 음전하 대전체는 상기 P형 반도체에 접촉하되, 상기 상부전극과 제2 하부전극을 연결하는 선에 평행하게 배치될 수 있다. 또한, 상기 음전하 대전체와 이격되어, 상기 음전하 대전체와 접촉했을 때 양전하로 대전되는 제4 전극이 배치될 수 있다.
제3 전극은 외력에 따라 단속적으로 양전하 대전체와 접촉하여, 양전하 대전체를 양전하로 대전시키고, 이로 인해 N형 반도체에 전계 효과를 줄 수 있다. 따라서 N형 반도체에 더 많은 전자가 유도될 수 있다.
제4 전극은 외력에 따라 단속적으로 음전하 대전체와 접촉하여, 음전하 대전체를 음전하로 대전시키고, 이로 인해 P형 반도체에 전계 효과를 줄 수 있다. 따라서 P형 반도체에 더 많은 정공이 유도될 수 있다.
따라서 본 발명의 일 실시예에 따른 열전발전 모듈은, 일반적인 열전발전기(10)보다 출력이 증대될 수 있다.
이와 같이 본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 하여 설명하였으나, 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100, 300: 열전발전소자
101, 301: 제1 전극
102, 302: 제2 전극
103: 제3 전극
120: P형 반도체 층
310: N형 반도체 층
160: 유전체 층
350: 제1 대전층
303: 제2 대전층

Claims (18)

  1. P형 반도체 층;
    상기 P형 반도체 층의 일 측의 양 가장자리에 각각 배치되는 제1 전극과 제2 전극;
    상기 P형 반도체 층에 대하여, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극이 배치된 측의 반대 측에 배치되는 유전체 층;
    상기 유전체 층에 대하여 상기 P형 반도체 층의 반대 편에, 상기 유전체 층과 이격되도록 배치되며, 상기 유전체 층에 단속적으로 접촉하는 제3 전극;을 포함하는, 열전발전소자.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 유전체 층은 상기 제3 전극과의 접촉에 의해 음전하로 대전되며,
    상기 제3 전극은 상기 유전체와의 접촉에 의해 양전하로 대전되는, 열전발전소자.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 유전체 층은, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극을 연결하는 선에 평행하게 배치되는, 열전발전소자.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 유전체에 대전된 음전하는 상기 P형 반도체 층에 전계 효과를 주어, 상기 P형 반도체 층에 정공을 유도하는, 열전발전소자.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 제2 전극에 고온을 형성하고 상기 제1 전극에 저온을 형성하면, 상기 제2 전극과 상기 제1 전극 사이에 전위차가 발생하는, 열전발전소자.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제3 전극이 상기 유전체와 접촉될 때 상기 제2 전극과 상기 제1 전극 사이의 전위차가, 상기 제3 전극이 상기 유전체와 이격될 때 상기 제2 전극과 상기 제1 전극 사이의 전위차보다 큰, 열전발전소자.
  7. 청구항 2에 있어서,
    상기 제3 전극과 상기 유전체가 접촉될 때 상기 P형 반도체 층에 유도되는 정공이, 상기 제3 전극과 상기 유전체가 이격될 때 상기 P형 반도체 층에 유도되는 정공보다 더 많은, 열전발전소자.
  8. N형 반도체 층;
    상기 N형 반도체 층의 일 측의 양 가장자리에 각각 배치되는 제1 전극과 제2 전극;
    상기 N형 반도체 층에 대하여 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극이 배치된 측의 반대 측에 배치되는 제1 대전층;
    상기 제1 대전층에 대하여 상기 N형 반도체 층의 반대 편에, 상기 제1 대전층과 이격되도록 배치되며, 상기 제1 대전층에 단속적으로 접촉하는 제2 대전층;을 포함하는, 열전발전소자.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 제1 대전층은 상기 제2 대전층과의 접촉에 의해 양전하로 대전되며,
    상기 제2 대전층은 상기 제1 대전층과의 접촉에 의해 음전하로 대전되는, 열전발전소자.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 제1 대전층은, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극을 연결하는 선에 평행하게 배치되는, 열전발전소자.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 제1 대전층에 대전된 양전하는 상기 N형 반도체 층에 전계 효과를 주어, 상기 N형 반도체 층에 전자를 유도하는, 열전발전소자.
  12. 청구항 9에 있어서,
    상기 제2 전극에 고온을 형성하고 상기 제1 전극에 저온을 형성하면, 상기 제2 전극과 상기 제1 전극 사이에 전위차가 발생하는, 열전발전소자.
  13. 청구항 9에 있어서,
    상기 제2 대전층과 상기 제1 대전층이 접촉될 때 상기 N형 반도체 층에 유도되는 전자가, 상기 제2 대전층과 상기 제1 대전층이 이격될 때 상기 N형 반도체 층에 유도되는 전자보다 더 많은, 열전발전소자.
  14. 서로 이격되어 배치된 P형 반도체와 N형 반도체;
    상기 P형 반도체와 상기 N형 반도체의 일 측에서 상기 P형 반도체와 N형 반도체를 연결하는 상부전극;
    상기 상부전극의 반대 측에서 상기 N형 반도체와 접촉하는 제1 하부전극;
    상기 상부전극의 반대 측에서 상기 P형 반도체와 접촉하는 제2 하부전극;
    상기 N형 반도체의 적어도 일 면에 접촉하되, 상기 상부전극과 상기 제1 하부전극을 연결하는 선에 평행하게 배치되는 양전하 대전체;
    상기 P형 반도체의 적어도 일 면에 접촉하되, 상기 상부전극과 상기 제2 하부전극을 연결하는 선에 평행하게 배치되는 음전하 대전체;
    상기 양전하 대전체와 이격되어 배치되며 상기 양전하 대전체와 단속적으로 접촉했을 때 음전하로 대전되는 제3 전극;
    상기 음전하 대전체와 이격되어 배치되며 상기 음전하 대전체와 단속적으로 접촉했을 때 양전하로 대전되는 제4 전극;을 포함하는, 열전발전 모듈.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 제3 전극은 외력에 따라 단속적으로 상기 양전하 대전체와 접촉하고,
    상기 양전하 대전체는 상기 N형 반도체에 전계 효과를 주는, 열전발전 모듈.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 전계 효과로 인해 상기 N형 반도체에 전자가 유도되는, 열전발전 모듈.
  17. 청구항 14에 있어서,
    상기 제4 전극은 외력에 따라 단속적으로 상기 음전하 대전체와 접촉하고,
    상기 음전하 대전체는 상기 P형 반도체에 전계 효과를 주는, 열전발전 모듈.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 전계 효과로 인해 상기 P형 반도체에 정공이 유도되는, 열전발전 모듈.
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KR1020190079699A KR102199791B1 (ko) 2019-07-02 2019-07-02 마찰 전계 효과를 이용한 열전발전소자

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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20120049286A (ko) * 2009-07-27 2012-05-16 다우 코닝 도레이 캄파니 리미티드 알루미늄ㆍ마그네슘ㆍ규소 복합재료 및 그 제조 방법, 그리고 이 복합재료를 이용한 열전변환 재료, 열전변환 소자, 및 열전변환 모듈
KR20150082914A (ko) * 2014-01-08 2015-07-16 엘지이노텍 주식회사 열전모듈 및 이를 포함하는 열전환장치
KR101870278B1 (ko) * 2017-05-23 2018-06-22 연세대학교 산학협력단 주파수 상향식 마찰 전기 에너지 하베스터 및 이를 활용한 자가 구동 능동 환경 센서

Patent Citations (3)

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