KR102364502B1

KR102364502B1 - 절전형 나노 에너지 하베스터

Info

Publication number: KR102364502B1
Application number: KR1020190118357A
Authority: KR
Inventors: 김혁
Original assignee: 주식회사 세미엘렉
Priority date: 2019-09-25
Filing date: 2019-09-25
Publication date: 2022-02-23
Also published as: KR20210036194A

Abstract

본 발명은 사람의 일반적인 움직임으로부터 전력을 발생시키는 나노 에너지 하베스터를 제공하기 위하여, 직물층, 상기 직물층의 상측 방향에 위치되는 PDMS층 및 상기 직물층 및 상기 PDMS층에서 발생된 전기를 저장하는 축전부를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 에너지 하베스터를 제공한다. 본 발명에 따르면 사람의 일반적인 움직임으로부터 전력을 발생시키는 나노 에너지 하베스터가 제공된다. 또한 본 발명에 따르면 생체적합성을 구비한 나노 에너지 하베스터가 제공된다. 또한 본 발명에 따르면 신축성 및 통기성을 구비한 나노 에너지 하베스터가 제공된다.

Description

절전형 나노 에너지 하베스터{POWER-SAVING NANO ENERGY HARVESTER}

본 발명은 나노 에너지 하베스터에 관한 것이다. 상세하게, 발생된 에너지를 저장하는 축전부를 포함하는 나노 에너지 하베스터에 관한 것이다.

세계적인 에너지 이슈에 따라 나노 에너지 하베스터(NEH, nano energy harvester)가 지속적인 친환경적 에너지 공급원으로서 주목받고 있다. 특히 직물 기반 나노 에너지 하베스터의 경우 유연성 및 신축성이 활용하여 웨어러블 장비에 적용이 가능하며, 착용자의 움직임에 의해 전력을 발생하는 것이 가능하다. 또한 직물은 플라스틱, 유리필름, 금속호일과 같은 다른 유연성 소재에 비하여 원자재로서 유리한점을 갖고 있다. 직물은 부드럽고, 가볍고, 통기성이 좋으며 세탁이 가능하고, 직접 착용이 가능하다. 따라서 생체적합성이 뛰어나고, 반복사용이 가능하다. 따라서 나노 구조 표면 구성, 나노패턴 직물 기반 마찰전기 나노제네이터, 플렉서블 리튬이온 전지와의 결합, 염료 감응 태양 전지와의 결합과 같은 직물 기반의 나노 에너지 하베스터에 대한 많은 연구가 진행되었다. 이러한 구성의 개발 또는 다른 전자장비와의 결합에 관한 연구와 더불어, 일상복에 적용될 수 있는 직물 기반 나노 에너지 제네레이터의 상용화 또한 요구되고 있다.

대한민국 등록특허 제10-1580409호 (2015년 12월 18일 등록) 대한민국 공개특허 제10-2016-0125276호 (2016년 10월 31일 공개)

S. Ulukus, A. Yener, E. Erkip, O. Simeone, M. Zorzi, P. Grover and K. Huang, (2015). IEEE J. Sel. Areas Commun., 33, 360. H. S. Kim, J.-H. Kim and J. Kim, (2011). Int. J. Precis. Eng. Manuf., 12, 1129. G. Zhu, Z.-H. Lin, Q. Jing, P. Bai, C. Pan, Y. Yang, Y. Zhou and Z. L. Wang, (2013). Nano Lett., 13, 847. F. R. Fan, W. Tang and Z. L. Wang. (2016). Adv. Mater., 28, 4283. F. K. Shaikh and S. Zeadally, (2016). Renew. Sust. Energ. Rev., 55, 1041. G. Lucarelli, F. D. Giacomo, V. Zardetto, M. Creatore and T. M. Brown, (2017). Nano Research, 10, 2130. W. Wu, S. Bai, M. Yuan, Y. Qin, Z. L. Wang and T. Jing, (2012). ACS Nano, 6, 6231. Z. Wen, M.-H. Yeh, H. Guo, J. Wang, Y. Zi, W. Xu, J. Deng, L. Zhu, X. Wang, C. Hu, L. Zhu, X. Sun and Z. L. wang, (2016). Sci. Adv., 2, e1600097. Z. Chai, N. Zhang, P. Sun, Y. Huang, C. Zhao, H. J. Fan, X. Fan and W. Mai, (2016). ACS Nano, 10, 9201. K. Jost, G. Dion and Y. Gogotsi, (2014). J. Mater. Chem. A., 2, 10776. X. Pu, L. Li, H. Song, C. Du, Z. Zhao, C. Jiang, G. Cao, W. Hu and Z. L. Wang, (2015). Adv. Mater., 27, 2472. S. Lee, W. Ko, Y. Oh, J. Lee, G. Baek, Y. Lee, J. Sohn, S. Cha, J. Kim, J. Park and J. Hong (2015). Nano Energy, 12, 410. W. Seung, M. K. Gupta, K. Y. Lee, K.-S. Shin, J.-H. Lee, T. Y> Kim, S. Kim, J. Lin, J. H. Kim and S.-W. Kim, (2015). ACS Nano, 9, 3501. X. Pu, W. Song, M. Liu, C. Sun, C. Du, C. Jiang, X. Huang, D. Zou, W. Hu and Z. L. Wang, (2016). Adv. Energy Mater., 6, 1601048. E. Runge and E. K. U. gross, (1984). Phys. Rev. Lett., 52, 997.

본 발명의 과제는 사람의 일반적인 움직임으로부터 전력을 발생시키는 나노 에너지 하베스터를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 과제는 생체적합성을 구비한 나노 에너지 하베스터를 제공하는 것이다.

본 발명의 또다른 과제는 신축성 및 통기성을 구비한 나노 에너지 하베스터를 제공하는 것이다.

상기한 과제를 해결하기 위해 본 발명은 직물층, 상기 직물층의 상측 방향에 위치되는 PDMS층, 상기 직물층 및 상기 PDMS층에서 발생된 전기를 저장하는 축전부를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 에너지 하베스터를 제공한다.

본 발명에 따르면 사람의 일반적인 움직임으로부터 전력을 발생시키는 나노 에너지 하베스터가 제공된다.

본 발명에 따르면 생체적합성을 구비한 나노 에너지 하베스터가 제공된다.

또한 본 발명에 따르면 신축성 및 통기성을 구비한 나노 에너지 하베스터가 제공된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 에너지 하베스터의 구조를 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 에너지 하베스터의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 직물층 및 PDMS층의 경계부위(도 2의 a)를 확대하여 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 나노 에너지 하베스터의 구조를 나타낸 사시도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 나노 에너지 하베스터의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 6은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 나노 에너지 하베스터의 구조를 나타낸 사시도이다.
도 7는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 나노 에너지 하베스터의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 8은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 나노 에너지 하베스터의 구조를 나타낸 사시도이다.
도 9는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 나노 에너지 하베스터의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 10은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 나노 에너지 하베스터의 구조를 나타낸 사시도이다.
도 11은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 나노 에너지 하베스터의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 PDMS층 및 PDMS 기판의 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 각 소재의 직물층을 전자주사현미경으로 관찰한 것을 나타낸 사진이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 각 직조 형태별 직물층을 전자주사현미경 및 원자간력현미경으로 관찰한 것을 나타낸 사진이다.
도 15는 직물층의 각 소재에 따른 접촉 대전을 통해 발생한 출력 전압을 측정한 그래프이다.
도 16은 직물층의 각 소재에 따른 접촉 대전을 통해 발생한 출력 전류를 측정한 그래프이다.
도 17은 직물층의 각 직조 형태에 따른 접촉 대전을 통해 발생한 출력 전압 및 출력 전류를 측정한 그래프이다.

본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명의 일 실시예에 대해 구체적으로 설명하기로 한다. 본 명세서에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 명세서에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.

본 설명에서 "상측"이란 도 1 내지 도 9에서 위쪽 방향을 의미하며, "상면"이란 상측 방향의 면을 의미한다. "하측"이란 도 1 내지 도 9에서 아래쪽 방향을 의미하고, "하면"이란 하측 방향의 면을 의미한다.

이하, 첨부된 도면을 통해 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 에너지 하베스터의 구조를 나타낸 사시도이다. 도 1에서는 각 구성이 분리되어 있는 것을 기준으로 도시하였다.

본 발명에 따르면 나노 에너지 하베스터는, 직물층(100), 상기 직물층(100)의 상측 방향에 위치되는 PDMS층(200) 및 상기 직물층(100) 및 상기 PDMS층(200)에서 발생된 전기를 저장하는 축전부(500)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 에너지 하베스터의 구조를 나타낸 단면도이다. 도 2에서는 각 구성이 결합되어 있는 것을 기준으로 도시하였다. 단, 도 2에서는 각 구성의 구분이 용이하도록 각 구성의 두께를 과장하여 도시하였다.

직물층(100)은 후술할 PDMS층(200)과의 접촉 및 마찰을 통해 대전되기 위한 구성이다. 상세하게, 직물층(100)은 한 겹 이상의 직물로 구비되고, 직물층(100)의 소재로는 PDMS와 대비되는 접촉 대전 특성을 가진 소재이면 사용 가능하다. 바람직하게는, 직물층(100)은 천연섬유 또는 합성섬유를 포함하는 직물로 구비된다. 또는 직물층(100)은 천연섬유 및 합성섬유를 포함하는 직물로 구비될 수 있다. 보다 바람직하게는, 직물층(100)은 면, 양모 또는 레이온을 포함하는 천연섬유 또는 합성섬유 중 적어도 하나 이상을 포함하는 직물로 구비될 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 나노 에너지 하베스터를 플렉서블 장비 또는 웨어러블 장비에 적용하기에 용이해지는 효과가 있다.

PDMS층(200)은 상기 직물층(100)과의 접촉 및 마찰을 통해 대전되기 위한 구성이다. 상세하게, PDMS층(200)은 상기 직물층(100)의 상측 방향에 위치되고, PDMS층(200)의 소재로는 PDMS(polydimethylsiloxane)가 사용된다. PDMS가 사용됨으로써 직물층(100)과의 접촉 대전이 용이할 뿐 아니라 PDMS 소재의 유연성 및 탄성으로 인하여 본 발명에 따른 나노 에너지 하베스터를 플렉서블 장비 또는 웨어러블 장비에 적용하기에 용이해지는 효과가 있다.

상기한 바와 같이 직물층(100)이 면, 양모 또는 레이온을 포함하는 천연섬유 또는 합성섬유 중 적어도 하나 이상을 포함하는 직물로 구비되고, PDMS층(200)의 소재가 PDMS로 구비됨으로써, 직물층(100) 및 PDMS층(200)이 서로 접촉하여 마찰하게 되면 전하의 이동이 일어나 각각 양전하 및 음전하로 대전되게 된다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 직물층(100) 및 PDMS층(200)의 경계부위(도 2의 a)를 확대하여 나타낸 단면도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 직물층(100) 및 PDMS층(200)은 압력이 가해지지 않으면 미세한 간격을 유지하고 있다. 그러나 본 발명에 따른 나노 에너지 하베스터에 압력이 가해지면 직물층(100) 및 PDMS층(200)이 서로 접촉되어 마찰함으로써 각각 양전하 및 음전하로 대전된다.

축전부(500)는 직물층(100) 및 PDMS층(200)에서 발생하는 전기를 저장하기 위한 구성이다. 상세하게, 축전부(500)는 양단자 및 음단자를 포함하고, 각 단자를 통하여 전하가 유입되어 전기를 저장한다. 바람직하게, 양단자는 직물층(100)에 전기적으로 연결되고 음단자는 PDMS층(200)에 연결됨으로써, 직물층(100) 및 PDMS층(200)에 발생된 전하가 축전부(500)로 이동되어 저장된다. 또한, 축전부(500)는 출력단자를 더 포함할 수 있다. 출력단자를 통해 본 발명에 따른 나노 에너지 하베스터가 외부 장비에 전기를 공급할 수 있게 된다.

바람직하게, 축전부(500)는 복수로 구비될 수 있다. 축전부(500)가 복수로 구비되면 각각의 축전부(500)의 위치가 분산될 수 있으므로 단일로 구비되는 경우에 비하여 신축성 및 통기성이 향상되는 효과가 있다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 나노 에너지 하베스터의 구조를 나타낸 사시도이고, 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 나노 에너지 하베스터의 구조를 나타낸 단면도이다. 도 4에서는 각 구성이 분리되어 있는 것을 기준으로 도시하였고, 도 5에서는 각 구성이 결합되어 있는 것을 기준으로 도시하였다.

보다 바람직한 실시예로서, 본 발명에 따른 나노 에너지 하베스터는 제1 전극(310) 및 제2 전극(320)을 포함할 수 있다.

제1 전극(310)은 상기 직물층(100)에 대한 전기적인 연결을 제공하기 위한 구성이다. 상세하게, 제1 전극(310)은 전도성 물질로 구비되어 일단이 직물층(100)에 연결된다. 바람직하게, 제1 전극(310)은 판 형태로 구비되어 일단이 직물층(100)의 하면에 연결될 수 있다. 보다 바람직하게, 제1 전극(310)은 구리 테이프로 구비되어 일단이 직물층(100)의 하면에 연결될 수 있다. 보다 바람직하게, 제1 전극(310)은 CNT(carbon-nanotube)-PDMS 소재로 구비되어 일단이 직물층(100)의 하면에 연결될 수 있다. 또한, 제1 전극(310)의 타단은 제1 배선(311)을 통해 축전부(500)에 전기적으로 연결될 수 있다. 이에 따라, 직물층(100)에서 발생되는 전하가 제1 전극(310)을 통해 축전부(500)로 이동된다. 제1 배선(311)의 형태 및 위치는 제1 전극(310) 및 축전부(500)의 형태 및 위치에 따라서 달라질 수 있으며, 본 실시예에 나타난 형태 및 위치에 한정되지 않는다.

제2 전극(320)은 상기 PDMS층(200)에 대한 전기적인 연결을 제공하기 위한 구성이다. 상세하게, 제2 전극(320)은 전도성 물질로 구비되어 일단이 PDMS층(200)에 연결된다. 바람직하게, 제2 전극(320)은 판 형태로 구비되어 일단이 PDMS층(200)의 상면에 연결될 수 있다. 보다 바람직하게, 제2 전극(320)은 구리 테이프로 구비되어 일단이 PDMS층(200)의 상면에 연결될 수 있다. 보다 바람직하게, 제2 전극(320)은 CNT-PDMS 소재로 구비되어 일단이 PDMS층(200)의 상면에 연결될 수 있다. 또한, 제2 전극(320)의 타단은 제2 배선(321)을 통해 축전부(500)에 전기적으로 연결될 수 있다. 이에 따라, PDMS층(200)에서 발생되는 전하가 제2 전극(320)을 통해 축전부(500)로 이동된다. 제2 배선(321)의 형태 및 위치는 제2 전극(320) 및 축전부(500)의 형태 및 위치에 따라서 달라질 수 있으며, 본 실시예에 나타난 형태 및 위치에 한정되지 않는다.

제1 전극(310) 및 제2 전극(320)이 CNT-PDMS 소재로 구비되는 경우, 구리 테이프의 경우에 비하여 본 발명에 따른 나노 에너지 하베스터의 접촉 대전이 보다 용이해지며, 신축성이 향상되는 효과가 있다.

이하의 설명에서 제1 배선(311) 및 제2 배선(321)은 생략하도록 한다.

상기한 바와 같이 제1 전극(310) 및 제2 전극(320)이 구비됨에 따라, 직물층(100) 및 PDMS층(200)의 접촉 및 마찰로 인해 전하가 발생되면, 직물층(100)에 연결된 제1 전극(310) 및 PDMS층(200)에 연결된 제2 전극(320)을 통해 전하가 축전부(500)로 이동되어 저장된다.

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 나노 에너지 하베스터의 구조를 나타낸 사시도이고, 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 나노 에너지 하베스터의 구조를 나타낸 단면도이다. 도 6에서는 각 구성이 분리되어 있는 것을 기준으로 도시하였고, 도 7에서는 각 구성이 결합되어 있는 것을 기준으로 도시하였다.

바람직하게, 본 발명에 따른 나노 에너지 하베스터는 PDMS층(200)의 상면에 구비된 제3 직물층(130)을 더 포함할 수 있다. 상세하게, PDMS층(200)의 상면에 제3 직물층(130)이 더 구비되고, 상기 제2 전극(320)은 상기 PDMS층(200) 및 제3 직물층(130) 사이, 즉, PDMS층(200)의 상면에 구비되고 제3 직물층(130)의 하측에 위치하도록 구비된다. 제3 직물층(130)이 구비됨으로써 상기 PDMS층(200)이 직물과 마찰하는 면적이 증가하므로 접촉 대전이 보다 향상되는 효과가 있다. 또한, 제3 직물층(130)이 상기 PDMS층(200)을 외부 환경으로부터 보호하는 효과가 있다.

본 발명의 다른 실시예로서, 상기 PDMS층(200)은 상면 및 하면이 관통된 PDMS 스페이서(200')일 수 있다. 상세하게, PDMS층(200)은 상면 및 하면의 소정의 면적에 해당하는 부분이 관통됨으로써 관통부(201)가 형성된 PDMS 스페이서(200')일 수 있다.

PDMS 스페이서(200’)는 본 발명에 따른 나노 에너지 하베스터의 전기적 특성을 향상시키기 위한 구성이다. 상세하게, 일반적인 판형의 PDMS 층으로 제작 된 나노 에너지 하베스터의 경우, 상측에 위치하는 제3 직물층(130) 및 하측에 위치하는 직물층(100)의 마찰에 의한 대전 효과를 기대하기 어렵다. 따라서, PDMS층(200)이 PDMS 스페이서(200')로 구비됨으로써 관통부(201)를 통해 제3 직물층(130) 및 직물층(100)이 마찰하여 대전 효과를 발생함으로써, 나노 에너지 하베스터의 전기적 특성이 향상된다.

또한, PDMS 스페이서(200')는 본 발명에 따른 나노 에너지 하베스터의 신축성을 향상시키는 효과가 있다. 상세하게, 일반적인 판 형태의 PDMS층(200)일 때에 비하여 외부에서 가해지는 힘을 분산하기 용이하므로 신축성이 향상된다.

나아가, PDMS 스페이서(200')가 구비됨으로써 관통부(201)에 의해 통기성이 향상되어 웨어러블 장비에의 적용이 보다 용이해지는 효과가 있다.

도 8은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 나노 에너지 하베스터의 구조를 나타낸 사시도이고, 도 9는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 나노 에너지 하베스터의 구조를 나타낸 단면도이다. 도 8에서는 각 구성이 분리되어 있는 것을 기준으로 도시하였고, 도 9에서는 각 구성이 결합되어 있는 것을 기준으로 도시하였다.

본 발명의 또다른 실시예로서, 상기 직물층(100)은 서로 접하는 제1 직물층(110) 및 제2 직물층(120)을 포함하도록 구비될 수 있다. 상세하게, 제1 직물층(110) 및 제1 직물층(110)의 상면에 접하여 구비되는 제2 직물층(120)이 구비된다.

이 경우, 상기 제1 전극(310) 및 축전부(500)는 제1 직물층(110) 및 제2 직물층(120) 사이에 위치하는 것이 바람직하다. 이에 따라 제1 전극(310) 및 축전부(500)가 제1 직물층(110) 및 제2 직물층(120)에 의해 외부 환경으로부터 보호될 수 있고, 쇼트가 방지되는 효과가 있다. 또한, 본 발명에 따른 나노 에너지 하베스터가 웨어러블 장비에 적용되는 경우 착용감이 개선되는 효과가 있다.

도 10은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 나노 에너지 하베스터의 구조를 나타낸 사시도이고, 도 11은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 나노 에너지 하베스터의 구조를 나타낸 단면도이다. 도 10에서는 각 구성이 분리되어 있는 것을 기준으로 도시하였고, 도 11에서는 각 구성이 결합되어 있는 것을 기준으로 도시하였다.

본 발명의 또다른 실시예로서, 상기 직물층(100)의 하측 방향에 위치하는 PDMS 기판(400)을 더 포함할 수 있다. PDMS 기판(400)의 소재로는 PDMS층(200)의 소재와 동일한 PDMS가 사용되는 것이 바람직하다. PDMS 기판(400)이 구비됨으로써, 상기 직물층(100)이 PDMS와 마찰하는 면적이 증가하므로 접촉 대전이 보다 향상되는 효과가 있다.

도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 PDMS층(200) 및 PDMS 기판(400)의 제조 방법을 나타낸 순서도이다.

본 발명에 따르면, PDMS층(200)은 주제-경화제 혼합물로부터 기포를 제거하는 기포 제거 단계(S120); 및 상기 주제-경화제 혼합물을 가열하여 경화시키는 경화 단계(S130);를 포함하는 제조 방법을 통해 제조된다.

바람직하게, 상기 기포 제거 단계 이전에 주제 및 경화제를 혼합하는 혼합 단계(S110)가 더 포함된다.

주제는 PDMS층(200) 및 PDMS 기판(400)을 형성하기 위한 원료이며, 경화제는 상기 주제를 경화시키기 위한 화학성분이다. 본 발명의 일 실시예에 따르면 Dow Corning사의 Sylgard 184에 포함된 주제 및 경화제가 사용될 수 있다.

혼합 단계(S110)는, 상기 주제 및 경화제를 혼합하는 단계이다. 상세하게, PDMS 중합체의 주제 및 경화제가 10:1의 중량비로 혼합된다.

기포 제거 단계(S120)는, 주제-경화제 혼합물에 포함되어있는 기포를 제거하는 단계이다. 상세하게, 주제-경화제 혼합물에는 혼합 과정에서 생성된 기포가 존재할 수 있으며, 제조될 PDMS층(200) 및 PDMS 기판(400)의 품질을 일정하게 하기 위해 기포를 제거하는 단계이다. 바람직하게, 진공 건조기를 사용하여 주제-경화제 혼합물의 기포를 제거할 수 있다.

경화 단계(S130)는, 주제-경화제 혼합물을 경화시켜 신축성 및 탄성을 갖는 PDMS 원자재가 제조되는 단계이다. 바람직하게, 주제-경화제 혼합물을 100℃ 이상의 온도에서 1시간 이상 가열하여 경화시킨다.

보다 바람직하게, 상기 경화 단계 이후에 PDMS층(200) 및 PDMS 기판(400)의 형상으로 가공하는 가공 단계(S140)가 더 포함될 수 있다. 상세하게, 상기 경화 단계에서 제조된 PDMS 원자재를 절단 등의 가공을 통해 본 발명에 따른 PDMS층(200) 및 PDMS 기판(400)의 형상으로 가공한다.

가공 단계(S140)에서 PDMS 원자재를 소정의 두께로 절단하고, 설계에 따라서 표면을 가공하는 과정을 통해 PDMS층(200)이 제조될 수 있다. 또한, PDMS층(200)의 상면 및 하면을 관통하도록 절단하여 PDMS 스페이서(200')가 제조될 수 있다. 바람직하게, PDMS층(200)의 두께는 1mm로 가공되며, PDMS 스페이서(200')의 상면 및 하면은 가로 및 세로 폭 2.5cm의 크기로 관통 형성된다.

또한 가공 단계에서 PDMS 원자재를 소정의 두께로 절단하고, 설계에 따라서 표면을 가공하는 과정을 통해 PDMS 기판(400)이 제조될 수 있다.

또는, 상기 경화 단계(S130) 이전에, 용기에 주제-경화제 혼합물이 소정의 두께를 형성하도록 담는 두께 설정 단계가 더 포함될 수 있다. 상세하게, 경화 후의 PDMS층(200) 및 PDMS 기판(400)의 두께를 고려하여 용기에 주제-경화제 혼합물을 소정의 두께를 형성하도록 담는다. 바람직하게, 스핀 코팅을 통해 실리콘 웨이퍼 상에 상기 소정의 두께를 형성하도록 PDMS의 박막을 형성할 수 있다. 이에 따라 상기 가공 단계에서 PDMS층(200) 및 PDMS 기판(400)을 가공하는 과정이 용이해진다.

이하, 도 13 내지 도 17을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 에너지 하베스터의 출력 전압 및 출력 전류를 측정한 결과에 대하여 설명한다.

도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 각 소재의 직물층(100)을 전자주사현미경(SEM)으로 관찰한 것을 나타낸 사진이다. 각각, 도 13의 (a)는 면 소재의 직물층(100)을, 도 13의 (b)는 레이온 소재의 직물층(100)을, 도 13의 (c)는 양모 소재의 직물층(100)을 전자주사현미경(SEM)으로 관찰한 것을 나타낸 사진이다.

도 13에 나타난 바와 같이, 각 소재에 따라 직물층(100)의 표면 형태가 달라지며 이에 따른 나노 에너지 하베스터의 특성도 달라질 것을 알 수 있다.

도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 각 직조 형태별 직물층(100)을 전자주사현미경(SEM) 및 원자간력현미경(atomic force microscope)으로 관찰한 것을 나타낸 사진이다. 상세하게, 도 14의 (a)는 직물층(100)을 이루는 섬유를 전자주사현미경(SEM)으로 관찰한 것을 나타낸 사진이며, 도 14의 (b)는 직물층(100)을 이루는 섬유를 원자간력현미경으로 관찰한 것을 나타낸 사진이다. 또한, 각각 도 14의 (c)는 일반(plain) 직조를, 도 14의 (d)는 새틴(satin) 직조를, 도 14의 (e)는 능직(twill) 직조에 따른 직물층(100)을 전자주사현미경(SEM)으로 관찰한 것을 나타낸 사진이다.

도 14의 (a)에서 나타난 바와 같이, 본 실시예에 사용된 섬유는 불규칙적이고 울퉁불퉁한 표면을 갖고 있다. 또한 도 14의 (b)에 나타난 바와 같이, 원자간력현미경 분석 결과 3.247nm의 제곱근평균 거칠기가 측정되었다. 또한 도 14의 (c) 내지 (e)에 나타난 바와 같이, 직조 형태에 따라 직물층(100)의 표면 형태가 달라지며 이에 따른 나노 에너지 하베스터의 특성도 달라질 것을 알 수 있다.

도 15는 직물층(100)의 각 소재에 따른 접촉 대전을 통해 발생한 출력 전압을 측정한 그래프이다. 각각, 도 15의 (a)는 면 소재, 도 15의 (b)는 레이온 소재, 도 15의 (c)는 양모 소재에 따른 출력 전압을 측정한 그래프이다.

도 16는 직물층(100)의 각 소재에 따른 접촉 대전을 통해 발생한 출력 전류를 측정한 그래프이다. 각각, 도 16의 (a)는 면 소재, 도 16의 (b)는 레이온 소재, 도 16의 (c)는 양모 소재에 따른 출력 전류를 측정한 그래프이다.

직물층(100)의 각 소재에 따른 출력 전압 및 출력 전류를 측정하게 위해서, 각 소재에 따른 나노 에너지 하베스터에 10회에 걸쳐 2.942N의 가압 및 풀기가 반복되었다.

직물층(100)의 소재에 따라서는, 면의 경우 평균 0.069V 및 최대 1.250V의 출력 전압이 발생되었고, 레이온의 경우 평균 0.406V 및 최대 3.313V의 출력 전압이, 양모의 경우 평균 1.049V 및 최대 4.063V의 출력 전압이 발생되었다. 또한 면의 경우 평균 0.054μA 및 최대 0.75μA의 출력 전류가 발생되었고, 레이온의 경우 평균0.018μA 및 최대 4.4μA의 출력 전류가, 양모의 경우 평균 0.017μA 및 최대 1.063μA의 출력 전류가 발생되었다.

도 17은 직물층(100)의 각 직조 형태에 따른 접촉 대전을 통해 발생한 출력 전압 및 출력 전류를 측정한 그래프이다. 각각, 도 17의 (a)는 일반(plain) 직조, 도 17의 (b)는 새틴(satin) 직조, 도 17의 (c)는 능직(twill) 직조에 따른 출력 전압을 측정한 그래프이고, 도 17의 (d)는 일반(plain) 직조, 도 17의 (e)는 새틴(satin) 직조, 도 17의 (f)는 능직(twill) 직조에 따른 출력 전류를 측정한 그래프이다.

직물층(100)의 각 직조 형태에 따른 출력 전압 및 출력 전류를 측정하게 위해서, 각 직조 형태에 따른 나노 에너지 하베스터에 10회에 걸쳐 2.942N의 가압 및 풀기가 반복되었다.

직물층(100)의 직조 형태에 따라서는, 일반(plain)직조 형태의 경우 최대 1.250V의 출력 전압이, 새틴(satin) 직조 형태의 경우 최대 0.688V의 출력 전압이, 능직(twill) 직조 형태의 경우 최대 0.328V의 출력 전압이 발생되었다. 또한 일반(plain)직조 형태의 경우 최대 0.750A의 출력 전류가, 새틴(satin) 직조 형태의 경우 최대 0.875A의 출력 전류가, 능직(twill) 직조 형태의 경우 최대 0.375A의 출력 전류가 발생되었다.

도 15 내지 도 17에 나타난 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 직물층(100) 및 PDMS층(200)의 접촉 대전을 통해 출력 전압 및 출력 전류가 발생하여, 나노 에너지 하베스터로서 용이하게 작동하는 것을 알 수 있다.

상기한 바와 같이 직물층(100) 및 PDMS층(200)의 접촉 대전으로 인해 전기가 발생하며, 발생한 전기가 저장되는 축전부(500)를 포함하는 나노 에너지 하베스터가 개시된다. 본 발명에 따른 나노 에너지 하베스터는 직물층(100) 및 PDMS층(200)의 신축성 및 유연성으로 인해 플렉서블 장비 또는 웨어러블 장비에 적용하기가 용이한 장점이 있다. 특히, 생체적합성 및 반복사용성을 갖게 되어 웨어러블 장비에 적용하기가 용이하다.

상기한 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적으로 개시된 것이고, 본 발명에 대해 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경 및 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 상기의 특허청구 범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서, 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로, 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.

10: 나노 에너지 하베스터
100: 직물층
110: 제1 직물층 120: 제2 직물층
130: 제3 직물층
200: PDMS층 200': PDMS 스페이서
310: 제1 전극 320: 제2 전극
400: PDMS 기판
500: 축전부

Claims

서로 접하는 제1 직물층(110) 및 제2 직물층(120)을 포함하는 직물층(100);
상기 직물층(100)의 상측 방향에 1mm 두께로 형성되고, 상면 및 하면이 가로 및 세로 폭 2.5cm의 크기로 관통된 PDMS 스페이서(200’);
상기 PDMS 스페이서(200’)의 상면에 구비되는 제3 직물층(130);
상기 제1 직물층(110) 및 상기 제2 직물층(120) 사이에 위치되고, CNT(carbon-nanotube)-PDMS 재질인 제1 전극(310);
일단이 상기 PDMS 스페이서(200’)의 상면에 연결되고, CNT(carbon-nanotube)-PDMS 재질이며, 상기 PDMS 스페이서(200’)와 상기 제3 직물층(130) 사이에 위치하는 제2 전극(320); 및
상기 제1 직물층(110) 및 상기 제2 직물층(120) 사이에 복수로 구비되고, 상기 제1 전극(310) 및 상기 제2 전극(320)에 전기적으로 연결되어 상기 직물층(100) 및 상기 PDMS 스페이서(200’)에서 발생된 전기를 저장하는 축전부(500);를 포함하고,
상기 제1 직물층(110), 상기 제2 직물층(120) 및 상기 제3 직물층(130)은 적어도 3.247nm의 제곱근평균 거칠기를 갖는 면, 양모 또는 레이온을 포함하는 천연섬유 및 합성섬유 중 적어도 하나 이상을 포함하는 재질이고, 일반(plain) 직조, 새틴(satin) 직조 또는 능직(twill) 직조 중 어느 하나로 선택된 직물로 구비되며,
상기 PDMS 스페이서(200'), 상기 직물층(100) 및 상기 제3 직물층(130) 간의 마찰에 의한 접촉 대전으로부터 전기가 발생되고,
발생된 전기는 상기 제1 전극(310) 및 상기 제2 전극(320)을 통해 상기 축전부(500)로 전달되되,
상기 PDMS 스페이서(200'), 상기 제1 전극(310), 상기 제2 전극(320) 및 상기 축전부(500)는 상기 제1 직물층(110), 상기 제2 직물층(120) 및 상기 제3 직물층(130)에 의해 외부 환경으로부터 보호되는 것을 특징으로 하는 나노 에너지 하베스터.
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제 1 항에 있어서,
상기 직물층(100)의 하측 방향에 위치하는 PDMS 기판(400)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 에너지 하베스터.
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제 1 항에 있어서,
상기 PDMS 스페이서(200')는,
주제-경화제 혼합물로부터 기포를 제거하는 기포 제거 단계; 및
상기 주제-경화제 혼합물을 가열하여 경화시키는 경화 단계;를 포함하는 제조 방법을 통해 제조되는 것을 특징으로 하는 나노 에너지 하베스터.
제 15 항에 있어서,
상기 기포 제거 단계 이전에,
주제 및 경화제를 혼합하는 혼합 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 에너지 하베스터.
제 15 항에 있어서,
상기 주제-경화제 혼합물은 주제 및 경화제가 10:1의 중량비로 혼합되는 것을 특징으로 하는 나노 에너지 하베스터.
제 15 항에 있어서,
상기 기포 제거 단계는,
진공 건조기를 사용하여 상기 주제-경화제 혼합물 내 기포를 제거하는 것을 특징으로 하는 나노 에너지 하베스터.
제 15 항에 있어서,
상기 경화 단계는,
상기 주제-경화제 혼합물을 100℃의 온도에서 1시간 이상 가열하여 경화시키는 것을 특징으로 하는 나노 에너지 하베스터.
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