KR102491545B1 - 광수집 입자들을 갖는 에너지 하베스팅 장치 - Google Patents
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Abstract
광수집 입자들을 갖는 에너지 하베스팅 장치가 개시된다. 개시된 에너지 하베스팅 장치는, 외부로부터 입사하는 빛을 수집하는 광수집층, 광수집층의 제 1 표면에 배치된 제 1 대전 부재, 광수집층의 제 1 표면에 대향하는 제 2 표면에 배치된 제 2 대전 부재, 및 광수집층의 제 1 표면과 제 2 표면 사이의 광출사면에 대향하여 배치된 태양 전지를 포함한다.
Description
개시된 실시예는 에너지 하베스팅 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 마찰 대전에 의해 발생된 전기장을 광수집층에 인가함으로써 광수집층 내의 광수집 입자들에서의 광 방출 특성을 향상시킨 에너지 하베스팅 장치에 관한 것이다.
최근, 녹색 에너지에 대한 관심이 증가하면서, 열, 태양, 진동 등의 주변에 존재하는 작은 에너지를 전기 에너지로 변환하여 쓸모 있게 이용하려는 에너지 하베스팅 기술이 이슈화되고 있다. 에너지 하베스팅 기술은 사람이나 교량의 진동, 사람이나 물건의 움직임에 의해 발생되는 기계적 에너지, 또는 태양광 에너지, 실내의 조명광, 방송의 전파 등을 전기 에너지로 변환하여 얻을 수 있는 새로운 친환경 에너지 기술이라 할 수 있다. 이러한 에너지 하베스팅 기술에 의해 얻을 수 있는 전력은 작은 편이지만, 소비전력이 작은 장치를 별도의 외부 전원 없이 에너지 하베스팅을 통해 얻은 전력만으로 동작시킬 수 있어서 그 활용 범위가 확대되고 있다. 특히, 스마트 시계(smart watch)와 같이 사람의 몸에 착용하거나 걸칠 수 있는 웨어러블 기기(wearable device)가 상용화되면서 에너지 하베스팅 기술의 중요성이 증가하고 있다.
스마트폰 또는 웨어러블 기기에 적용 가능한, 광수집 입자들을 갖는 에너지 하베스팅 장치를 제공한다.
일 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치는, 다수의 광수집 입자를 구비하여 외부로부터 입사하는 빛을 가이드하는 도광판; 상기 도광판의 제 1 표면에 배치된 제 1 대전 부재; 상기 도광판의 제 2 표면에 배치된 제 2 대전 부재; 및 상기 도광판의 제 1 표면과 제 2 표면 사이의 광출사면에 대향하여 배치된 태양 전지;를 포함할 수 있다.
상기 제 1 대전 부재와 제 2 대전 부재는 마찰 대전에 의해 대전되어 상기 도광판에 전기장을 인가하도록 구성되며, 상기 다수의 광수집 입자는 전기장에 의해 여기 강도가 증가하는 재료를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 다수의 광수집 입자는 유기 염료 또는 양자점(quantum dot)을 포함할 수 있다.
상기 광수집 입자는, 상기 광수집 입자가 방출하는 빛의 세기가 전기장이 인가되지 않을 때보다 전기장이 인가될 때 더 증가하도록 구성될 수 있다.
상기 도광판은 상기 광수집 입자에서 방출되는 빛 중에서 전반사 조건을 만족하는 빛을 전반사를 통해 상기 도광판의 가장자리로 전달하도록 구성될 수 있다.
상기 제 1 대전 부재와 제 2 대전 부재는 서로 다른 대전율을 갖는 재료를 포함할 수 있다.
상기 도광판의 제 1 표면은 외부의 빛이 입사하는 광입사면이며, 상기 제 1 대전 부재는 투명한 재료로 이루어질 수 있다.
상기 제 2 대전 부재는 가시광에 대해 투명한 재료로 이루어질 수 있다.
상기 제 2 대전 부재는 입사된 빛을 반사하는 반사성 재료로 이루어질 수 있다.
상기 에너지 하베스팅 장치는 상기 제 1 대전 부재와 접촉하여 마찰 대전을 일으키는 제 3 대전 부재를 더 포함하며, 상기 제 3 대전 부재는 상기 제 1 대전 부재의 재료와 상이한 대전율을 갖는 재료를 포함할 수 있다.
상기 제 3 대전 부재는 상기 제 1 대전 부재로부터 떨어질 수 있도록 구성되며, 상기 제 3 대전 부재가 상기 제 1 대전 부재로부터 떨어진 동안 접지에 연결되도록 구성될 수 있다.
상기 에너지 하베스팅 장치는 상기 태양 전지로부터 전력 소모 소자에 전달되는 전력의 전류, 전압, 및 임피던스를 조절하는 제어 회로를 더 포함할 수 있다.
상기 에너지 하베스팅 장치는 대전된 상기 제 1 대전 부재와 제 2 대전 부재로부터 전기 에너지를 추출하는 전송 회로를 더 포함할 수 있다.
다른 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치는, 다수의 광수집 입자를 구비하여 외부로부터 입사하는 빛을 가이드하는 도광판; 상기 도광판의 제 1 표면에 배치된 제 1 대전체; 상기 도광판의 제 2 표면에 배치된 제 2 대전체; 및 상기 도광판의 제 1 표면과 제 2 표면 사이의 광출사면에 대향하여 배치된 태양 전지;를 포함할 수 있다.
상기 제 1 대전체는 전기적으로 제 1 극성을 갖도록 대전되어 있으며 상기 제 2 대전체는 전기적으로 제 1 극성과 반대인 제 2 극성을 갖도록 대전되어 있고, 상기 제 1 대전체와 제 2 대전체에 의해 상기 도광판에 항상 전기장이 인가될 수 있다.
예를 들어, 상기 제 1 대전체와 제 2 대전체는 강유전체 재료 또는 일렉트릿 재료를 포함할 수 있다.
상기 제 1 대전체는 전기적으로 제 1 극성을 갖는 이온이 주입된 유전체 재료를 포함하며, 상기 제 2 대전체는 전기적으로 제 2 극성을 갖는 이온이 주입된 유전체 재료를 포함할 수 있다.
또 다른 실시예에 따르면, 상술한 구조를 갖는 에너지 하베스팅 장치를 포함하는 전력 소모 소자가 제공될 수 있다.
개시된 실시예에 따르면, 마찰 등에 의해 발생하는 전기 에너지로 광수집층 내의 광수집 입자들에 전기장을 인가함으로써 태양전지로 전달되는 빛 에너지를 증가시킬 수 있다. 따라서, 개시된 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치는 예를 들어 실내 조명으로부터 조사되는 빛 에너지를 효율적으로 수확할 수 있다. 또한, 에너지 하베스팅 장치가 휴대용 기기에 장착되면 휴대용 기기에 상시적인 에너지 충전이 가능하게 된다.
도 1은 일 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치의 개략적인 구조를 예시적으로 보이는 단면도이다.
도 2a 및 도 2b는 도 1에 도시된 에너지 하베스팅 장치의 동작을 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 3은 전기장이 인가되기 전과 전기장이 인가된 후에 태양전지에 입사하는 빛의 세기를 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 4a 및 도 4b는 다른 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치의 구조 및 동작을 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 5는 도 4a 및 도 4b에 도시된 에너지 하베스팅 장치를 휴대용 기기에 장착한 예를 보이는 사시도이다.
도 6은 또 다른 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치의 개략적인 구조를 예시적으로 보이는 단면도이다.
도 7은 또 다른 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치의 개략적인 구조를 예시적으로 보이는 단면도이다.
도 2a 및 도 2b는 도 1에 도시된 에너지 하베스팅 장치의 동작을 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 3은 전기장이 인가되기 전과 전기장이 인가된 후에 태양전지에 입사하는 빛의 세기를 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 4a 및 도 4b는 다른 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치의 구조 및 동작을 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 5는 도 4a 및 도 4b에 도시된 에너지 하베스팅 장치를 휴대용 기기에 장착한 예를 보이는 사시도이다.
도 6은 또 다른 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치의 개략적인 구조를 예시적으로 보이는 단면도이다.
도 7은 또 다른 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치의 개략적인 구조를 예시적으로 보이는 단면도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 광수집 입자들을 갖는 에너지 하베스팅 장치에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 또한, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다. 또한 이하에서 설명하는 층 구조에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 표현은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치의 개략적인 구조를 예시적으로 보이는 단면도이다. 도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치(100)는, 외부로부터 입사하는 빛을 흡수하고 흡수된 빛을 가장자리를 향해 전달하는 광수집층(101), 광수집층(101)의 제 1 표면에 배치된 제 1 대전 부재(103), 광수집층(101)의 제 1 표면의 반대편에 있는 제 2 표면에 배치된 제 2 대전 부재(104) 및 광수집층(101)의 제 1 표면 및 제 2 표면 사이의 측면에 각각 배치된 태양 전지(112)를 포함할 수 있다. 또한, 에너지 하베스팅 장치(100)는 태양 전지(112)로부터 전력 소모 소자(200)에 전달되는 전력의 전류, 전압 등을 조절할 수 있는 제어 회로(150)를 더 포함할 수 있다.
광수집층(101)은 빛을 전달할 수 있는 투명한 재료로 이루어진 도광판(101a) 및 도광판(101a) 내에 분산된 다수의 광수집 입자(101b)를 포함할 수 있다. 도광판(101a)은 그 내부에서 빛이 전반사에 의해 전달될 수 있도록 높은 굴절률을 갖는 투명한 재료로 이루어질 수 있다. 또한, 에너지 하베스팅 장치(100)가 웨어러블 기기에 장착될 수 있도록 도광판(101a)은 쉽게 휘어지거나 구부러질 수 있는 유연한 폴리머(polymer) 재료로 이루어질 수도 있다. 예를 들어, 도광판(101a)은 폴리카보네이트(polycarbonate; PC), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate; PET), PMMA(poly methyl methacrylate), TAC(triacetyl cellulose), PAN(poly acrylonitrile) 등과 같은 재료로 이루어질 수 있다. 도 1에는 단지 편의상 도광판(101a)이 두껍게 도시되어 있지만, 도광판(101a)은 수 mm 또는 수백 um 이하의 두께를 갖는 얇은 박막 필름일 수 있다.
광수집 입자(101b)는 빛을 반사하거나 또는 빛을 흡수 및 방출하여 도광판(101a)을 통해 전달되도록 하는 역할을 한다. 외부로부터 도광판(101a)의 내부에 있는 다수의 광수집 입자(101b)에 입사하는 빛은 광수집 입자(101b)에서 반사되거나 또는 흡수 및 방출되면서 도광판(101a)의 내부로 퍼지게 된다. 도광판(101a)의 내부로 퍼지는 빛 중에서 도광판(101a)에 의해 결정되는 전반사 조건을 만족하는 빛은 도광판(101a)의 내부를 따라 진행하면서 도광판(101a)의 양쪽 측면을 향해 전달된다. 그런 후 도광판(101a)의 내부를 진행하는 빛은 도광판(101a)의 측면을 통해 도광판(101a)의 외부로 출사된다. 따라서 도광판(101a)의 측면이 광출사면이 될 수 있다. 또한 본 실시예에 따르면, 광수집 입자(101b)는 외부의 전기장에 의해 여기 강도(excitation intensity)가 증가될 수 있는 입자일 수 있다. 예를 들어, 광수집 입자(101b)는 태양 전지용 유기 염료 또는 양자점(quantum dot)을 포함할 수 있다.
양자점은 양자 구속 효과(quantum confined stark effect)를 가지는 소정 크기의 입자로서, CdTe, CdSe, ZnS, CdS 등과 같은 화합물 반도체로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 양자점은 고유의 공진 파장에 따라 대략 1nm 내지 10nm 정도의 직경을 가질 수 있다. 각각의 양자점은 균질한 단일 구조, 또는 코어-쉘(core-shell)의 이중 구조로 형성될 수 있다. 다양한 코어-쉘 구조의 양자점들이 제안되고 있는데, 예를 들어 CdSe/AsS, CdTe/CdSe, CdSe/ZnS 등과 같은 구조의 양자점들이 사용될 수 있다. 여기서, 쉘 재료의 에너지 밴드 갭은 코어 재료의 에너지 밴드 갭보다 클 수 있다. 광수집 입자(101b)로서 양자점을 사용하는 경우, 다양한 파장의 빛을 효과적으로 흡수하기 위하여 다양한 직경을 갖는 양자점들을 도광판(101a) 내에 분산시킬 수 있다.
태양 전지(112)는 도광판(101a)의 측면에 배치되며, 도광판(101a)으로부터 전달되는 빛을 받아 전기 에너지를 발생시킨다. 도 1에는 도광판(101a)의 양쪽 측면에 대향하여 태양 전지(112)가 각각 배치된 것으로 도시되어 있다. 그러나, 예컨대 도광판(101a)이 사각형의 형상을 갖는 경우, 도광판(101a)의 4개의 측면에 각각 대향하여 총 4개의 태양 전지(112)가 배치될 수도 있다. 넓은 면적을 갖는 광수집층(101)을 이용하여 외부로부터 오는 빛을 수집하고 이렇게 수집된 빛을 얇은 두께의 도광판(101a)을 통해 집광하여 태양 전지(112)에 제공하기 때문에, 예를 들어 실내의 조명이 어두운 경우에도 태양전지(112)에는 전기 에너지를 생성하기에 충분한 세기의 빛이 입사될 수 있다.
제 1 대전 부재(103)와 제 2 대전 부재(104)는 태양전지(112)가 배치되지 않은 도광판(101a)의 나머지 표면들 중에서 2개의 서로 반대쪽 표면에 배치될 수 있다. 예를 들어, 도광판(101a)의 측면이 광출사면인 경우에 도광판(101a)의 상부 표면과 하부 표면에 각각 제 1 대전 부재(103)와 제 2 대전 부재(104)가 배치될 수 있다. 즉, 광출사면을 사이에 두고 제 1 대전 부재(103)와 제 2 대전 부재(104)가 배치될 수 있다. 여기서, 도광판(101a)의 상부 표면에 배치된 제 1 대전 부재(103)와 도광판(101a)의 하부 표면에 배치된 제 2 대전 부재(104)는 마찰 대전(triboelectrification)에 의해 전기에너지를 발생시키기 위해 서로 다른 대전율을 갖는 재료로 이루어질 수 있다.
예를 들어, 제 1 대전 부재(103)는 제 2 대전 부재(104)에 비하여 양(+)으로 대전되기 쉬운 재료로 이루어지고 제 2 대전 부재(104)는 제 1 대전 부재(103)에 비하여 음(-)으로 대전되기 쉬운 재료로 이루어질 수 있다. 또는, 제 1 대전 부재(103)가 음(-)으로 대전되기 쉬운 재료로 이루어지고 제 2 대전 부재(104)가 양(+)으로 대전되기 쉬운 재료로 이루어질 수도 있다. 제 1 대전 부재(103)와 제 2 대전 부재(104)가 양(+)으로 대전되는지 또는 음(-)으로 대전되는지는 제 1 대전 부재(103)와 제 2 대전 부재(104)의 대전율 차이에 따라 결정될 수 있다. 대체적으로, 양(+)으로 대전되기 쉬운 물질의 예에는, 폴리포름알데히드(polyformaldehyde), 폴리비닐알코올(polyvinyl alcoho; PVC), 폴리아미드(polyamide), EC(etylcellulose), 실크(silk), 울(wool), 종이(paper), 목재(wood), 면(cotton), 강철(steel), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 구리(Cu), 또는 은(Ag) 등이 포함될 수 있다. 그리고, 음(-)으로 대전되기 쉬운 물질의 예에는, 실리콘 고무(silicone rubber), 테프론(Teflon), PDMS(polydimethylsiloxane), Kapton, PP(polypropylene), PE(polyethylene) 또는 폴리염화비닐(polyvinyl chloride; PVC) 등이 포함될 수 있다.
만약 제 1 대전 부재(103)가 광수집층(101)의 광입사면에 배치되어 있다면 제 1 대전 부재(103)는 가시광과 같은 빛에 대해 투명한 재료로 이루어질 수 있다. 또한, 에너지 하베스팅 장치(100)가 예를 들어 디스플레이 패널 위에 배치되어 사용된다면, 제 2 대전 부재(104)도 역시 투명한 재료로 이루어질 수 있다. 그러나 에너지 하베스팅 장치(100)가 빛을 투과시킬 필요가 없는 전력 소모 소자(200)에서 사용된다면, 제 2 대전 부재(104)는 불투명한 재료로 이루어질 수도 있다. 이 경우, 광수집층(101)을 통과한 빛을 재활용할 수 있도록 제 2 대전 부재(104)는 예를 들어 금속과 같은 반사성 재료로 이루어질 수도 있다.
마찰 대전에 의해 제 1 대전 부재(103)와 제 2 대전 부재(104)가 대전되어 전기 에너지가 발생하게 되면 제 1 대전 부재(103)와 제 2 대전 부재(104) 사이에 배치된 도광판(101a)에 전기장이 인가될 수 있다. 예를 들어, 도 2a 및 도 2b는 도 1에 도시된 에너지 하베스팅 장치(100)의 동작을 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 사람의 손가락이나 또는 다른 외부의 물체가 제 1 대전 부재(103)에 접촉하여 마찰이 일어나면, 예컨대 제 1 대전 부재(103)로 양전하가 이동하고 손가락 또는 다른 물체로 음전하가 이동할 수 있다. 그런 후, 도 2b에 도시된 바와 같이, 손가락 또는 다른 물체가 제 1 대전 부재(103)로부터 떨어지면, 제 1 대전 부재(103)가 양(+)으로 대전된다. 이에 따라, 제 1 대전 부재(103)를 마주보고 있는 제 2 대전 부재(104)는 음(-)으로 대전된다. 그러면, 제 1 대전 부재(103)와 제 2 대전 부재(104) 사이에 전기장(E)이 형성될 수 있다. 전기장(E)의 세기는 제 1 대전 부재(103)와 제 2 대전 부재(104)의 대전율 차이에 따라 그리고 마찰에 의해 이동한 전하들의 양에 따라 달라질 수 있다.
이에 따라 제 1 대전 부재(103)와 제 2 대전 부재(104) 사이에 배치된 도광판(101a)에 전기장이 인가될 수 있다. 그러면 도광판(101a) 내에 분산된 다수의 광수집 입자(101b)들이 전기장에 의해 여기될 수 있다. 즉, 광수집 입자(101b)들은 외부광을 흡수함으로써 광학적으로 여기되어 빛을 방출하는데, 광수집 입자(101b)에 전기장이 인가되면 여기 강도가 증가하여 광수집 입자(101b)로부터 방출되는 빛의 세기가 증가할 수 있다. 따라서, 광수집 입자(101b)들이 방출하는 빛의 세기는 전기장이 인가되지 않았을 때보다 전기장이 인가될 때 더 증가하게 된다. 그 결과, 태양전지(112)에 제공되는 빛의 세기가 증가하여 태양전지(112)에서 생성되는 전기 에너지의 양이 증가할 수 있다. 예를 들어, 도 3은 전기장이 인가되기 전과 전기장이 인가된 후에 태양전지(112)에 입사하는 빛의 세기를 예시적으로 보이는 그래프이다. 도 3을 참조하면, 전기장이 인가된 경우에 태양전지(112)에 입사하는 빛의 세기가 증가한다는 것을 알 수 있다.
한편, 광수집 입자(101b)가 양자 구속 효과를 갖는 양자점으로 이루어진 경우, 도광판(101a)에 인가된 전기장에 의해 광수집 입자(101b)인 양자점의 밴드갭이 변화하게 된다. 예를 들어, 전기장의 세기가 커질수록 양자점에 의한 흡수/방출 파장은 장파장 쪽으로 이동하게 된다. 이러한 현상을 이용하여 광수집 입자(101b)들에 의해 흡수/방출되는 빛의 파장이 제어될 수 있다. 예를 들어, 실내 조명의 색에 따라 에너지 하베스팅 장치(100)에서 최적의 광 흡수가 일어나도록, 사용자가 제 1 대전 부재(103)와 제 2 대전 부재(104) 사이의 마찰 대전을 의도적으로 일으키거나 또는 의도적으로 제 1 대전 부재(103)와 제 2 대전 부재(104)를 방전시킬 수도 있다. 예를 들어, 실내 조명이 적색에 가까운 경우에는 손가락 또는 다른 물체와 제 1 대전 부재(103) 사이에 마찰을 일으킬 수 있다. 또한, 실내 조명이 적색보다 짧은 파장인 경우에는 금속 등의 도전체를 제 1 대전 부재(103)에 접촉시켜 제 1 대전 부재(103)를 방전킬 수 있다.
상술한 실시예에 따르면, 마찰 대전에 의해 발생하는 전기 에너지로 광수집층(101) 내의 광수집 입자(101b)들에 전기장을 인가함으로써 광수집 입자(101b)에서 방출되는 빛의 세기를 증가시킬 수 있다. 결과적으로, 광수집층(101)에 입사하는 외부광의 전체 빛 에너지 대비 광수집층(101)에서 태양전지(112)에 제공하는 전체 빛 에너지의 비율이 향상될 수 있다. 따라서, 태양전지(112)로 전달되는 빛 에너지를 증가시킬 수 있어서, 에너지 하베스팅 장치(100)는 예를 들어 실내 조명으로부터 조사되는 빛 에너지를 효율적으로 수확할 수 있다. 따라서, 본 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치(100)는 주어진 환경에서 최대의 전력을 얻기 위한, 큰 부피를 갖는 최대 전력점 추적(Maximum Power Point Tracking)용 부품을 사용할 필요가 없어서 휴대용 기기에 장착되어 상시적인 에너지 충전을 가능하게 할 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 다른 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치(110)의 구조 및 동작을 개략적으로 보이는 단면도이다. 도 4a를 참조하면, 에너지 하베스팅 장치(100)는 제 1 대전 부재(103)와 접촉하도록 배치된 제 3 대전 부재(105)를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 제 1 대전 부재(103)가 양(+)으로 대전되기 쉬운 재료로 이루어지고 제 2 대전 부재(104)가 음(-)으로 대전되기 쉬운 재료로 이루어지는 경우, 제 3 대전 부재(105)는 음(-)으로 대전되기 쉬운 재료로 이루어질 수 있다. 반대로, 제 1 대전 부재(103)가 음(-)으로 대전되기 쉬운 재료로 이루어지고 제 2 대전 부재(104)가 양(+)으로 대전되기 쉬운 재료로 이루어지는 경우, 제 3 대전 부재(105)는 양(+)으로 대전되기 쉬운 재료로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제 3 대전 부재(105)는 제 2 대전 부재(104)와 동일한 재료로 이루어질 수도 있지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며 상술한 조건을 만족하는 어떠한 재료로도 이루어질 수 있다.
제 3 대전 부재(105)는 제 1 대전 부재(103)와 접촉하여 마찰 대전을 일으키는 역할을 한다. 제 3 대전 부재(105)를 사용할 경우 손가락이나 다른 물체를 제 1 대전 부재(103)에 의도적으로 접촉시킬 필요가 없다. 도 4a에는 제 3 대전 부재(105)가 제 1 대전 부재(103) 위에 적층된 것으로 도시되어 있지만, 제 3 대전 부재(105)는 고정되지 않고 제 1 대전 부재(103) 위에서 자유롭게 이동할 수 있도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 제 3 대전 부재(105)의 일단부에만 힌지 또는 끈이 연결될 수 있다.
도 4a에 도시된 바와 같이, 제 3 대전 부재(105)가 제 1 대전 부재(103)에 접촉하여 마찰이 일어나면, 예컨대 제 1 대전 부재(103)로 양전하가 이동하고 제 3 대전 부재(105)로 음전하가 이동할 수 있다. 그런 후, 도 4b에 도시된 바와 같이, 제 3 대전 부재(105)가 제 1 대전 부재(103)로부터 떨어지면, 제 1 대전 부재(103)가 양(+)으로 대전된다. 이에 따라, 제 1 대전 부재(103)를 마주보고 있는 제 2 대전 부재(104)는 음(-)으로 대전될 수 있다. 그러면, 제 1 대전 부재(103)와 제 2 대전 부재(104) 사이에 전기장(E)이 형성될 수 있다.
한편, 제 3 대전 부재(105)는 제 1 대전 부재(103)로부터 떨어질 때 자동으로 접지에 연결되도록 구성될 수 있다. 그러면, 제 3 대전 부재(105)가 제 1 대전 부재(103)로부터 떨어지면 제 3 대전 부재(105)가 방전될 수 있다. 예를 들어, 제 3 대전 부재(105)가 제 1 대전 부재(103)로부터 미리 정해진 거리 이상으로 멀어지거나 또는 힌지의 회전축을 중심으로 일정한 각도 이상으로 회전하면 접지에 연결되도록 구성될 수 있다. 여기서, 접지는 에너지 하베스팅 장치(100)가 장착된 전력 소모 소자(200) 내의 인쇄 회로 기판의 접지일 수 있다. 또는 제 3 대전 부재(105)가 사용자의 신체 일부나 외부 물체 등과 접촉하는 동안 자연적으로 방전되도록 구성될 수도 있다.
도 5는 도 4a 및 도 4b에 도시된 에너지 하베스팅 장치(100)를 휴대용 기기와 같은 전력 소모 소자(200)에 장착한 예를 보이는 사시도이다. 예를 들어, 전력 소모 소자(200)는 스마트폰일 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 에너지 하베스팅 장치(100)는 스마트폰의 디스플레이 패널(210) 위에 장착될 수 있다. 이 경우, 제 1 대전 부재(103)와 제 2 대전 부재(104)가 모두 가시광에 대해 투명한 재료로 이루어질 수 있다. 태양전지(112)는 스마트폰의 외부에 배치될 수도 있지만 스마트폰의 내부에 장착될 수도 있다. 이 경우, 광수집층(101)을 구부려서 광수집층(101)의 가장자리가 스마트폰 내에 삽입될 수도 있다. 태양전지(112)는 스마트폰의 전력 공급 장치에 직접 연결되어 스마트폰에 전력을 공급할 수도 있다.
제 1 대전 부재(103)는 외부로 노출되어 있어서 사용자가 스마트폰을 사용하는 동안 사용자의 손가락에 반복적으로 접촉되어 마찰 대전을 일으킬 수 있다. 그러면 광수집층(101)에 전기장이 인가되어 광수집층(101)의 광수집 효율이 향상될 수 있다. 또한, 스마트폰을 수납하는 폴딩형 커버(300)의 내측면에 제 3 대전 부재(105)가 배치될 수 있다. 그러면 스마트폰을 사용하지 않고 커버(300)를 닫고 있는 동안 제 3 대전 부재(105)가 제 1 대전 부재(103)에 접촉하여 마찰 대전을 일으킬 수 있다. 그런 후, 사용자가 스마트폰을 사용하기 위해 커버(300)를 열 때 제 3 대전 부재(105)가 제 1 대전 부재(103)에서 떨어지면서 광수집층(101)에 전기장이 인가될 수 있다.
도 6은 또 다른 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치(120)의 개략적인 구조를 예시적으로 보이는 단면도이다. 도 6을 참조하면, 에너지 하베스팅 장치(120)는 대전된 제 1 대전 부재(103)와 제 2 대전 부재(104)로부터 전기 에너지를 추출하기 위한 전송 회로(160)를 더 포함할 수도 있다. 전송 회로(160)는 예를 들어 교류 형태의 전기적 신호를 직류로 전환하는 컨버터(도시되지 않음)와 컨버터에서 변환된 직류 전압이 너무 높은 경우 전압을 낮추어주는 스텝 다운 컨버터(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 스텝 다운 컨버터는 과도한 전기 신호 발생을 억제하여 다른 소자들을 보호하는 역할을 할 수 있다. 따라서 전송 회로(160)는 마찰 대전에 의해 발생하는 전기적 신호를 적절한 크기의 직류 전압으로 변환하는 역할을 한다. 전송 회로(160)의 출력은 태양 전지(112)의 출력과 함께 제어 회로(150)에 전달된 후, 제어 회로(150)를 통해 전력 소모 소자(200)에 공급될 수 있다. 도 6에는 편의상 전송 회로(160)와 제어 회로(150)를 구분하여 도시하였지만, 전송 회로(160)와 제어 회로(150)는 하나의 회로 기판 상에 함께 구성되거나 또는 하나의 칩으로 구성될 수도 있다. 도 6에 도시된 에너지 하베스팅 장치(120)는 외광이 전혀 없어서 태양 전지(112)에 의한 전력 공급이 불가능한 상황에서 마찰 대전을 이용하여 전력을 공급할 수 있다.
도 7은 또 다른 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치(130)의 개략적인 구조를 예시적으로 보이는 단면도이다. 도 7을 참조하면, 에너지 하베스팅 장치(130)는, 마찰 대전을 일으키는 제 1 및 제 2 대전 부재 대신에, 양전하 또는 음전하를 포함하도록 본질적으로(intrinsic) 대전된 상태에 있는 제 1 대전체(106)와 제 2 대전체(107)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 양전하를 포함하고 있는 제 1 대전체(106)는 제 1 대전 부재(103) 대신에 도광판(101a)의 상부 표면에 배치되고, 음전하를 포함하고 있는 제 2 대전체(107)는 제 2 대전 부재(104) 대신에 도광판(101a)의 하부 표면에 배치될 수 있다. 제 1 대전체(106)와 제 2 대전체(107)는 예를 들어 강유전체(ferroelectrics) 또는 일렉트릿(electrets) 등과 같이 양(+) 또는 음(-)으로 대전된 상태를 유지하는 재료로 이루어질 수 있다. 또는 제 1 대전체(106)와 제 2 대전체(107)는 일반적인 유전체 재료에 강제적으로 이온을 주입하는 이온 주입 방식으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 양이온을 제 1 대전체(106)에 강제로 주입하고 음이온을 제 2 대전체(107)에 강제로 주입하거나, 반대로 음이온을 제 1 대전체(106)에 주입하고 양이온을 제 2 대전체(107)에 주입할 수도 있다. 제 1 대전체(106)와 제 2 대전체(107)를 도광판(101a)의 상하부에 각각 위치시키면, 마찰 대전과 무관하게 광수집층(101)에 항상 전기장이 인가될 수 있다.
지금까지, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 광수집 입자들을 갖는 에너지 하베스팅 장치에 대한 예시적인 실시예가 설명되고 첨부된 도면에 도시되었다. 그러나, 이러한 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이고 이를 제한하지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 그리고 본 발명은 도시되고 설명된 설명에 국한되지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 이는 다양한 다른 변형이 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일어날 수 있기 때문이다.
100, 110, 120, 130.....에너지 하베스팅 장치
101.....광수집층 101a.....도광판
101b.....광수집 입자 103, 104, 105.....대전 부재
106, 107.....대전체 112.....태양 전지
150.....제어 회로 160.....전송 회로
200.....전력 소모 소자 300.....커버
101.....광수집층 101a.....도광판
101b.....광수집 입자 103, 104, 105.....대전 부재
106, 107.....대전체 112.....태양 전지
150.....제어 회로 160.....전송 회로
200.....전력 소모 소자 300.....커버
Claims (18)
- 다수의 광수집 입자를 구비하여 외부로부터 입사하는 빛을 가이드하는 도광판;
상기 도광판의 제 1 표면에 배치된 제 1 대전 부재;
상기 도광판의 제 2 표면에 배치된 제 2 대전 부재; 및
상기 도광판의 제 1 표면과 제 2 표면 사이의 광출사면에 대향하여 배치된 태양 전지;를 포함하는 에너지 하베스팅 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 대전 부재와 제 2 대전 부재는 마찰 대전에 의해 대전되어 상기 도광판에 전기장을 인가하도록 구성되며, 상기 다수의 광수집 입자는 전기장에 의해 여기 강도가 증가하는 재료를 포함하는 에너지 하베스팅 장치. - ◈청구항 3은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈제 2 항에 있어서,
상기 다수의 광수집 입자는 유기 염료 또는 양자점을 포함하는 에너지 하베스팅 장치. - ◈청구항 4은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈제 3 항에 있어서,
상기 광수집 입자는, 상기 광수집 입자가 방출하는 빛의 세기가 전기장이 인가되지 않을 때보다 전기장이 인가될 때 더 증가하도록 구성되는 에너지 하베스팅 장치. - ◈청구항 5은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈제 4 항에 있어서,
상기 도광판은 상기 광수집 입자에서 방출되는 빛 중에서 전반사 조건을 만족하는 빛을 전반사를 통해 상기 도광판의 가장자리로 전달하도록 구성된 에너지 하베스팅 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 대전 부재와 제 2 대전 부재는 서로 다른 대전율을 갖는 재료를 포함하는 에너지 하베스팅 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 도광판의 제 1 표면은 외부의 빛이 입사하는 광입사면이며, 상기 제 1 대전 부재는 투명한 재료로 이루어지는 에너지 하베스팅 장치. - ◈청구항 8은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈제 7 항에 있어서,
상기 제 2 대전 부재는 가시광에 대해 투명한 재료로 이루어지는 에너지 하베스팅 장치. - ◈청구항 9은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈제 7 항에 있어서,
상기 제 2 대전 부재는 입사된 빛을 반사하는 반사성 재료로 이루어지는 에너지 하베스팅 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 대전 부재와 접촉하여 마찰 대전을 일으키는 제 3 대전 부재를 더 포함하며, 상기 제 3 대전 부재는 상기 제 1 대전 부재의 재료와 상이한 대전율을 갖는 재료를 포함하는 에너지 하베스팅 장치. - 제 10 항에 있어서,
상기 제 3 대전 부재는 상기 제 1 대전 부재로부터 떨어질 수 있도록 구성되며, 상기 제 3 대전 부재가 상기 제 1 대전 부재로부터 떨어진 동안 접지에 연결되도록 구성되는 에너지 하베스팅 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 태양 전지로부터 전력 소모 소자에 전달되는 전력의 전류, 전압, 및 임피던스를 조절하는 제어 회로를 더 포함하는 에너지 하베스팅 장치. - 제 12 항에 있어서,
대전된 상기 제 1 대전 부재와 제 2 대전 부재로부터 전기 에너지를 추출하는 전송 회로를 더 포함하는 에너지 하베스팅 장치. - 다수의 광수집 입자를 구비하여 외부로부터 입사하는 빛을 가이드하는 도광판;
상기 도광판의 제 1 표면에 배치된 제 1 대전체;
상기 도광판의 제 2 표면에 배치된 제 2 대전체; 및
상기 도광판의 제 1 표면과 제 2 표면 사이의 광출사면에 대향하여 배치된 태양 전지;를 포함하며,
상기 제 1 대전체는 전기적으로 제 1 극성을 갖도록 대전되어 있으며 상기 제 2 대전체는 전기적으로 제 1 극성과 반대인 제 2 극성을 갖도록 대전되어 있고, 상기 제 1 대전체와 제 2 대전체에 의해 상기 도광판에 항상 전기장이 인가되는 에너지 하베스팅 장치. - ◈청구항 15은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈제 14 항에 있어서,
상기 다수의 광수집 입자는 전기장에 의해 여기 강도가 증가하는 재료를 포함하는 에너지 하베스팅 장치. - ◈청구항 16은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈제 14 항에 있어서,
상기 제 1 대전체와 제 2 대전체는 강유전체 재료 또는 일렉트릿 재료를 포함하는 에너지 하베스팅 장치. - ◈청구항 17은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈제 14 항에 있어서,
상기 제 1 대전체는 전기적으로 제 1 극성을 갖는 이온이 주입된 유전체 재료를 포함하며, 상기 제 2 대전체는 전기적으로 제 2 극성을 갖는 이온이 주입된 유전체 재료를 포함하는 에너지 하베스팅 장치. - 에너지 하베스팅 장치를 포함하는 전력 소모 소자에 있어서,
상기 에너지 하베스팅 장치는:
다수의 광수집 입자를 구비하여 외부로부터 입사하는 빛을 가이드하는 도광판;
상기 도광판의 제 1 표면에 배치된 제 1 대전 부재;
상기 도광판의 제 2 표면에 배치된 제 2 대전 부재; 및
상기 도광판의 제 1 표면과 제 2 표면 사이의 광출사면에 대향하여 배치된 태양 전지;를 포함하는 전력 소모 소자.
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