KR102249909B1 - 튜너블 커패시터 및 이를 이용한 에너지 수집장치 - Google Patents

튜너블 커패시터 및 이를 이용한 에너지 수집장치 Download PDF

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Abstract

튜너블 커패시터 및 이를 이용한 에너지 수집장치가 개시된다. 본 발명의 일실시예의 튜너블 커패시터에 의하면 절연된 제1 및 제2상부전극의 연결이 온오프되어, 커패시턴스의 최대 및 최소의 차이를 극대화할 수 있다.

Description

튜너블 커패시터 및 이를 이용한 에너지 수집장치{TUNABLE CAPACITOR AND ENERGY HARVESTER BY USING THE SAME}
본 발명은 튜너블 커패시터 및 이를 이용한 정전기 방식의 에너지 수집장치에 관한 것이다.
일반적으로 에너지 수집이란, 주위 환경으로부터 에너지를 수확하여 전력으로 변환하는 것을 말하며, 운동에너지 또는 정전에너지를 전기에너지로 변환할 수 있다.
운동 에너지를 전기에너지로 변환하는 장치는, 예를 들어 바람, 조력, 압전소자, 열전소자, 태양열 발전소자 등으로부터 발생된 운동에너지를 전기에너지로 변환하는 장치이다. 또한 정전에너지를 전기에너지로 변환하는 정전기 방식의 에너지 변환장치는, 커패시터에 전압을 가하여 충전했을 때 그 유전체 내에 축적되는 에너지를 전기에너지로 변환하는 장치를 말한다. 후자의 경우, 소형 전자기기나 웨어러블 디바이스(wearable device)에 사용될 수 있어, 그 중요성이 부각되고 있다.
[문헌 1] 미국 등록특허 US7,898,096호(2011. 03. 01)
문헌 1의 경우, 전도/비전도성의 유체가 군집을 이루고, 외부로부터 인가된 힘에 의해 다수의 전극이 분포한 고유 전체의 채널 벽 사이를 이동함으로써 전극 사이의 커패시턴스가 변하여 전류를 생산하는 방식이다.
문헌 1의 경우, 커패시터의 양 전극 위에 유전체가 덮힌 상태로 채널이 형성되고, 채널 내에서 전도/비전도성의 유체가 이동하는 구조가 구현되어 있으나, 큰 값의 ΔC를 구현하기 위해 유전체의 유전율이 높아야 하고, 최대한 얇은 박막으로 제작되어야 하였다. 그러나, 전극간 거리가 가까워질수록 낮은 인가전압에서 전압 브레이크다운(voltage breakdown)이 발생되어 소자가 파괴되므로, ΔC 및 인가전압 V가 제한되어, 발전량 획득에 한계가 존재하는 문제점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 튜너블 커패시터를 제공하여, 커패시턴스 변화량을 극대화하여 에너지 수집량을 극대화하는 에너지 수집장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 적층구조의 튜너블 커패시터를 제공하여, 에너지 수집량을 극대화하는 에너지 수집장치를 제공하는 것이다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일실시예의 튜너블 커패시터는, 유전체; 상기 유전체의 하부에 배치되는 제1전극; 상기 유전체의 상부의 일부 영역에 배치되는 제2전극; 상기 제2전극과 절연되며, 상기 유전체의 상부의 다른 영역에 배치되는 제3전극; 및 상기 제2전극과 상기 제3전극의 연결을 스위칭하는 스위치를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 제1전극의 크기는, 상기 제2전극의 크기보다 작을 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 스위치가 제2전극과 제3전극을 연결하는 경우 커패시턴스가 최대가 되고, 상기 스위치가 제2전극과 제3전극을 오프하는 경우 커패시턴스가 최소가 될 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 스위치는, 기계적 스위치를 포함하거나, 전자적 스위치를 포함할 수 있다.
또한, 상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일실시예의 멀티 레이어 구조의 튜너블 커패시터는, 복수의 제1암이 병렬연결된 제1전극; 복수의 제2암이 병렬연결되며, 각각의 상기 제2암은 상기 제1전극의 각각의 제1암과 대응하여 적층되어 복수의 레이어를 형성하는 제2전극; 상기 복수의 레이어 사이에 배치되어, 공통전극을 구성하는 복수의 제3전극; 및 상기 제1전극과 제2전극의 연결을 온오프하는 스위치를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 제1전극의 각 제1암의 크기는, 상기 제2전극의 각 제2암의 크기보다 작을 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 스위치가 제1전극과 제2전극을 연결하는 경우 커패시턴스가 최대가 되고, 상기 스위치가 제1전극과 제2전극을 오프하는 경우 커패시턴스가 최소가 될 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 스위치는, 기계적 스위치를 포함하거나, 전자적 스위치를 포함할 수 있다.
또한, 상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 튜너블 커패시터를 이용한 에너지 수집장치가 제공될 수 있고, 본 발명의 멀티 레이어 구조의 튜너블 커패시터를 이용한 에너지 수집장치가 제공될 수도 있다.
상기와 같은 본 발명은, 튜너블 커패시터를 제공하여, 커패시턴스 변화량을 극대화하여 에너지 수집량을 극대화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 튜너블 커패시터를 설명하기 위한 일예시도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예의 에너지 수집장치의 동작을 설명하기 위한 일예시도이다.
도 3은 커패시턴스에 따른 발전량과 소비량을 모식적으로 나타낸 일예시도이다.
도 4는 커패시턴스에 따른 전력수집량을 모식적으로 나타낸 일예시도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예의 튜너블 커패시터를 모식적으로 설명하기 위한 일예시도이다.
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.
도 1은 본 발명의 튜너블 커패시터(tunable capacitor)를 설명하기 위한 일예시도이다.
본 발명의 튜너블 커패시터는, 하부에 배치되는 하부전극(10), 제1상부전극(20), 제2하부전극(30) 및 스위치(40)를 포함할 수 있다.
제1상부전극(20)과 제2상부전극(30)의 사이에는 유전체가 형성될 수 있으며, 스위치(40)가 온인 경우 제1 및 제2상부전극(20, 30)이 연결되어 하부전극(10)과 함께 최대 커패시턴스(Cmax)를 형성하고, 스위치(40)가 오프인 경우 제1 및 제2상부전극(20, 30) 중 어느 하나의 상부전극과 하부전극(10)이 최소 커패시턴스를 형성할 수 있다.
일반적으로, 커패시터에서 전력 수집량은 다음 식에 의해 결정될 수 있다.
Figure 112014078265300-pat00001
이때, ΔC는 커패시턴스 변화량(Cmax-Cmin)이고, V는 하부전극과 상부전극에 대한 입력전압이며, f는 Cmax와 Cmin 사이의 변환주파수이다. C는 전극의 면적에 비례하고 전극간 거리에 반비례하며, 전극 사이의 유전체의 유전율에 비례하는데, 종래 ΔC를 극대화하기 위해 거리를 변경시키는 방법을 사용하였으나, 거리의 변경에는 한계가 존재하였다.
따라서, 본 발명에서는 도 1과 같은 튜너블 커패시터를 제안한다.
본 발명의 튜너블 커패시터에 의하면 스위치(40)에 의해 제1상부전극(20)과 제2상부전극(30)의 연결을 온 또는 오프함에 의해, 커패시턴스의 변화량을 극대화할 수 있다.
본 발명의 튜너블 커패시터의 스위치(40)는 기계적 스위치일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 다양한 스위치가 사용될 수 있으며, 예를 들어 FET( field-effect transistor)와 같은 전기적 스위치일 수도 있다.
또한, 제1상부전극(20)과 제2상부전극(30)의 사이에는 전도성 용융물질(conductive liquid material)이 더 배치될 수도 있다.
제1상부전극(20)의 크기는 제2상부전극(30)의 크기보다 작게 도시되어 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 설계가 요구되는 커패시턴스의 크기를 고려하여 다양하게 구성될 수 있을 것이다.
도 2는 본 발명의 일실시예의 에너지 수집장치의 동작을 설명하기 위한 일예시도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 에너지 수집장치는, DC 바이어스 전압을 공급하는 전원부(2)와 부하(3) 사이에 본 발명의 튜너블 커패시터(1)가 연결될 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 다양한 수동 또는 능동소자가 회로에 더 연결될 수 있음은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 자명한 사항이다.
전원부(2)는 튜너블 커패시터(1)의 제1상부전극(20)에 연결되며, 제2상부전극(30)과는 스위칭에 의해 연결될 수 있다. (a)와 같이 제1 및 제2상부전극(20, 30)이 전원부(2)에 연결되는 경우 커패시턴스는 최대가 되며, (b)와 같이 제1상부전극(20)이 전원부(2)에 연결되는 경우 커패시턴스는 최소가 됨을 알 수 있다.
이와 같이 구성되는 본 발명의 에너지 수집장치는, (a)와 같이 커패시턴스가 최대(Cmax)일 때 전원부(2)로부터 공급되는 전하를 충전하고, (b)와 같이 커패시턴스가 최소(Cmin)일 때 충전된 전하를 부하(3)로 방전하게 되는데, 방전전력에서 충전전력을 뺀 값이 전력수집량이다.
즉, 부하저항(3)에서 소비된 커패시터(1)의 방전전력을 발전량이라고 하고, 전원부(2)에서 유입된 커패시터(1)의 충전전력을 소비량이라고 하면, 전력수집량은 발전량이 소비량보다 클 때의 발전량과 소비량의 차이이다.
도 3은 커패시턴스에 따른 발전량과 소비량을 모식적으로 나타낸 것이고, 도 4는 커패시턴스에 따른 전력수집량을 모식적으로 나타낸 것으로서, 최대 커패시턴스와 최소 커패시턴스에서 발전량과 소비량이 결정되며, 전력수집량은 최대 및 최소 커패시턴스의 차이가 클수록 커지는 것을 확인할 수 있다.
따라서, 본 발명의 튜너블 커패시터(1)를 이용하는 에너지 수집장치는, 최대 커패시턴스와 최소 커패시턴스의 차이를 극대화할 수 있으므로, 전력수집량을 극대화할 수 있다.
또한, 본 발명의 튜너블 커패시터(1)를 이용한 에너지 수집장치는 그 제작이 용이하며, 내부저항에 의한 에너지 소모가 적다.
또한, 본 발명의 튜너블 커패시터(1)를 이용한 에너지 수집장치는 솔리드(solid) 기반으로서, 안정성이 높아 시스템의 신뢰성을 향상할 수 있다.
다음 표는 커패시턴스의 최대값 및 최소값을 변화하여 전력수집량을 측정한 결과를 나타낸 것이다.
커패시턴스 Cmax: 17.1nF
Cmin: 1.64nF		 Cmax: 34.9nF
Cmin: 3.34nF		 Cmax: 70.6nF
Cmin: 6.73nF
전원전압[V] 7.4 7.4 7.4
Cmax






 소비량
(Charge)

 입력전압 7.6 7.429 7.69
입력전류 3.580E-03 3.900E-03 4.920E-03
시간 3.120E-06 4.652E-06 5.147E-06
충전전력 8.488E-08 1.348E-07 1.948E-07
발전량
(Discharge)
 부하전압 9.107 9.03 8.99
시간 4.690E-03 8.977E-03 1.759E-02
방전전력 1.762E-07 3.206E-07 6.112E-07
Cmax시 수집량 9.134E-08 1.858E-07 4.164E-07
Cmin






 소비량
(Charge)

 입력전압 7.58 7.61 7.6
입력전류 5.930E-04 1.267E-03 1.675E-03
시간 2.2568E-06 1.3477E-06 1.6723E-06
충전전력 1.014E-08 1.299E-08 2.129E-08
발전량
(Discharge)
 부하전압 8.949 8.89 8.87
시간 4.800E-04 8.802E-04 1.537E-03
방전전력 1.621E-08 2.616E-08 4.574E-08
Cmin시 수집량 6.604E-09 1.316E-08 2.446E-08
전체수집량 97.4nW 198.9nW 440.9nW
이때 상부전극(20, 30)과 하부전극(10) 사이의 유전막은 3000Å 두께의 Si3N4을 사용하였으며 부하저항은 750㏀을 사용한 경우이다.
이와 같이, 커패시턴스의 차이가 클수록 전체 수집량이 커지는 것을 확인할 수 있다.
이와 같은 본 발명의 에너지 수집장치에 의하면 100mWh 대의 전력생산을 예상할 수 있으며, 피트니스 기기 및 스마트 워치(smart watch) 등 웨어러블 디바이스에서 배터리를 대체함으로써, 충전없이 디바이스를 사용할 수 있게 한다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예의 튜너블 커패시터를 모식적으로 설명하기 위한 일예시도로서, 멀티레이어 구조로 커패시터가 구성된 것을 나타낸 것이다.
도면에 도시된 바와 같이, 복수의 암(arm)이 병렬연결된 제1전극(25), 복수 암이 병렬연결된 제2전극(35)을 포함하며, 제1전극(25)과 제2전극(35)의 각 암은 하나의 레이어를 형성하도록 대응하여 적층될 수 있다.
또한, 제1전극(25)과 제2전극(35)의 대응되는 암에 의해 형성되는 레이어 사이에는 공통전극인 제3전극(15)이 되며, 도 1의 하부전극(10)과 같은 접지역할을 수행할 수 있다.
도 5와 같은 구조는, 도 1과 같은 커패시터가 병렬연결되는 구조로 이해될 수 있다. 병렬연결되는 커패시터의 총 커패시턴스는, 각각의 커패시턴스를 더한 것이므로, 이와 같은 구조에 의해 더 큰 커패시턴스를 얻을 수 있다.
제1전극(25)과 제2전극(35)은 스위치(45)에 의해 연결이 온 또는 오프될 수 있으며, 이에 의해 복수의 커패시터가 각각 도 1과 같이 최대 커패시턴스 또는 최소 커패시턴스를 가지도록 구성될 수 있다.
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.
1: 튜너블 커패시터 2: 전원부
3: 부하저항

Claims (12)

  1. 유전체;
    상기 유전체의 하부에 배치되는 제1전극;
    상기 유전체의 상부의 일부 영역에 배치되는 제2전극;
    상기 제2전극과 절연되며, 상기 유전체의 상부의 다른 영역에 배치되는 제3전극; 및
    상기 제2전극과 상기 제3전극의 연결을 스위칭하는 스위치를 포함하고,
    DC 바이어스 전압을 공급하는 전원부는 상기 제1전극 및 상기 제2전극과 연결되고,
    전력이 방전되는 부하의 일단은 상기 제1전극과 연결되고 상기 부하의 타단은 상기 스위치의 스위칭 동작에 따라 상기 제3전극과 연결되고,
    상기 제2전극의 크기는 상기 제3전극의 크기보다 작고,
    상기 스위치가 상기 제2전극 및 상기 제3전극을 연결하는 경우 커패시턴스가 최대가 되고,
    상기 스위치가 상기 제3전극 및 상기 부하를 연결하는 경우 커패시턴스가 최소가 되는 튜너블 커패시터.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 스위치는, 기계적 스위치를 포함하는 튜너블 커패시터.
  5. 제1항에 있어서, 상기 스위치는, 전자적 스위치를 포함하는 튜너블 커패시터.
  6. 제1항의 튜너블 커패시터를 이용한 에너지 수집장치.
  7. 복수의 제1암이 병렬연결된 제1전극;
    복수의 제2암이 병렬연결되며, 각각의 상기 제2암은 상기 제1전극의 각각의 제1암과 대응하여 적층되어 복수의 레이어를 형성하는 제2전극;
    상기 복수의 레이어 사이에 배치되어, 공통전극을 구성하고, 상기 제1전극 및 상기 제2전극과 이격되어 배치되는 복수의 제3전극; 및
    상기 제1전극과 제2전극의 연결을 온오프하는 스위치를 포함하고,
    상기 제1전극의 상기 각 제1암의 크기는 상기 제2전극의 상기 각 제2암의 크기보다 작고,
    상기 스위치가 상기 제1전극과 상기 제2전극을 연결하는 경우 커패시턴스가 최대가 되고, 상기 스위치가 상기 제1전극과 상기 제2전극을 오프하는 경우 커패시턴스가 최소가 되는 멀티 레이어 구조의 튜너블 커패시터.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제7항에 있어서, 상기 스위치는, 기계적 스위치를 포함하는 멀티 레이어 구조의 튜너블 커패시터.
  11. 제7항에 있어서, 상기 스위치는, 전자적 스위치를 포함하는 멀티 레이어 구조의 튜너블 커패시터.
  12. 제7항의 멀티 레이어 구조의 튜너블 커패시터를 이용한 에너지 수집장치.
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