KR102570652B1 - 역전기습윤 발전 모듈 - Google Patents

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양휘철
김영범
홍순욱
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한양대학교 산학협력단
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    • H—ELECTRICITY
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Abstract

역전기습윤 발전 모듈을 제공된다. 상기 역전기습윤 발전 모듈은, 제1 기판, 상기 제1 기판 상의 제1 전극, 상기 제1 전극 상의 제1 일렉트릿층, 상기 제1 일렉트릿층 상의 전도성 액체, 상기 제1 일렉트릿층 및 상기 전도성 액체 사이에 배치되고, 상기 제1 일렉트릿층에서 생성된 전기장을 상기 전도성 액체로 전달하는 제1 전달 전극, 상기 제1 기판 상의 제2 기판, 및 상기 제2 기판 상에 배치되고, 상기 전도성 액체를 사이에 두고 상기 제1 전달 전극과 이격된 제2 전극을 포함한다.

Description

역전기습윤 발전 모듈{Reverse Electrowetting-on-Dielectric Energy harvesting Module}
본 발명은 역전기습윤 발전 모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 일렉트릿층 및 상기 일렉트릿층 상에 배치된 전달 전극을 포함하는 역전기습윤 발전 모듈에 관한 것이다.
최근 태양광, 태양열, 풍력, 연료전지, 수소에너지, 또는 바이오에너지 등의 신재생에너지를 전력으로 변환하여 사용하는 에너지 하베스팅(energy harvesting) 기술에 대한 관심이 높아지고 있다. 특히, 도로, 철도, 또는 교량 등의 교통 환경에서 발생하는 진동 에너지, 또는 인간의 운동(locomotion)을 이용한 기계적 에너지는 유망한 휴대용 에너지원으로 알려져 있으나, 기존의 에너지 하베스팅 기술은 낮은 전기 에너지 출력 효율로 인해 사용이 제한되고 있다.
이에 따라, 높은 출력을 가지며 다양한 형태의 에너지를 수집할 수 있는 역전기습윤(Reverse Electrowetting-on-Dielectric, REWOD) 기술에 대해 활발한 연구가 진행되고 있다.
예를 들어, 대한민국 특허 등록 번호 10-0806872(출원인: 삼성전자주식회사, 출원번호: 10-2009-0099437)는 전기습윤 현상을 이용하는 가변 커패시터에 관한 것으로, 전극, 유체 채널, 절연막, 및 도전성 유체를 포함하는, 제조 공정이 용이하고, 신뢰성 및 내구성이 탁월하며, 튜닝 범위에 제한이 없는 가변 커패시터를 개시한다.
대한민국 특허 등록 번호 10-0806872
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는, 외부 전원 없이 동작하는 역전기습윤 발전 모듈을 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 전기 에너지 생성 효율이 높은 역전기습윤 발전 모듈을 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 시스템 구조가 간소화된 역전기습윤 발전 모듈을 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 제조 공정이 간소화된 역전기습윤 발전 모듈을 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 제조 단가가 감소된 역전기습윤 발전 모듈을 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, self-biased 역전기습윤 발전 모듈을 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술된 것에 제한되지 않는다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 역전기습윤 발전 모듈을 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 역전기습윤 발전 모듈은, 제1 기판, 상기 제1 기판 상의 제1 전극, 상기 제1 전극 상의 제1 일렉트릿층(electrets layer), 상기 제1 일렉트릿층 상의 전도성 액체, 상기 제1 일렉트릿층 및 상기 전도성 액체 사이에 배치되고, 상기 제1 일렉트릿층에서 생성된 전기장을 상기 전도성 액체로 전달하는 제1 전달 전극(transfer electrode), 상기 제1 기판 상의 제2 기판, 및 상기 제2 기판 상에 배치되고, 상기 전도성 액체를 사이에 두고 상기 제1 전달 전극과 이격된 제2 전극을 포함한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 역전기습윤 발전 모듈은, 상기 제2 전극 상에 배치되고, 상기 전도성 액체를 사이에 두고 상기 제1 일렉트릿층과 이격된 제2 일렉트릿층, 및 상기 제2 일렉트릿층 및 상기 전도성 액체 사이에 배치되고, 상기 제2 일렉트릿층에서 생성된 전기장을 상기 전도성 액체로 전달하는 제2 전달 전극을 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 일렉트릿층 및 상기 제2 일렉트릿층은 서로 다른 극성의 전하가 주입될 수 있는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 일렉트릿층 및 상기 제2 일렉트릿층은 테플론(Teflon), PTFE, SiO2, 또는 Al2O3 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 역전기습윤 발전 모듈은, 상기 제1 전달 전극 및 상기 전도성 액체 사이에 배치되는 제1 유전체 물질층, 및 상기 제1 유전체 물질층 및 상기 전도성 액체 사이에 배치되는 제1 소수성 물질층을 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 역전기습윤 발전 모듈은, 상기 제2 전극 및 상기 전도성 액체 사이에 배치되는 제2 유전체 물질층, 및 상기 제2 유전체 물질층 및 상기 전도성 액체 사이에 배치되는 제2 소수성 물질층을 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 소수성 물질층 및 상기 제2 소수성 물질층은 불소수지 계열의 물질을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 역전기습윤 발전 모듈은, 외부 물리력에 의해 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판 사이의 간격이 변화되고, 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판 사이의 간격에 따라서, 상기 전도성 액체와 상기 제1 전달 전극의 접촉 면적이 변화되고, 상기 전도성 액체와 상기 제1 전달 전극의 접촉 면적의 변화에 의해 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이의 전위차이가 변화할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 역전기습윤 발전 모듈은, 상기 제2 전극 및 상기 전도성 액체 사이에 배치되는 제2 유전체 물질층, 및 상기 제2 유전체 물질층 및 상기 전도성 액체 사이에 배치되는 제2 소수성 물질층을 더 포함하고, 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판 사이의 간격에 따라서, 상기 전도성 액체와 상기 소수성 물질층의 접촉 면적이 변화되고, 상기 전도성 액체와 상기 소수성 물질층의 접촉 면적의 변화에 의해 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이의 전위차이가 변화할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 역전기습윤 발전 모듈은, 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판 사이에 배치되고, 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판 사이에 간격을 제공하는 격벽을 더 포함하고, 상기 격벽이 제공하는 간격 내에 상기 전도성 액체가 배치되고, 상기 격벽은 탄성 물질로 형성되어, 상기 격벽이 제공하는 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판 사이의 간격이 외부 물리력에 의해 영향받아 변형 및 복원될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 외부 전원과 연결되지 않은 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 역전기습윤 발전 모듈은, 제1 기판 상의 제1 전극, 상기 제1 전극 상의 제1 일렉트릿층, 상기 제1 일렉트릿층 상의 제1 전달 전극, 및 상기 제1 전달 전극 상의 전도성 액체를 포함할 수 있다. 상기 제1 일렉트릿층은 양전하 또는 음전하가 표면에 주입되어 분극 상태를 유지할 수 있다. 이로 인해, 상기 전도성 액체가 분극 상태를 용이하게 유지할 수 있다. 이에 따라, 외부 전원이 생략된 역전기습윤 발전 모듈이 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 제1 전달 전극은, 상기 제1 일렉트릿층의 분극이 상기 제1 일렉트릿층 전반에 걸쳐 균일하게 분포되지 못한 경우, 상기 제1 일렉트릿층의 불균일한 분극으로부터 생성된 전기장을 균일하게 보완하여 상기 전도성 액체로 전달 할 수 있다. 이로 인해, 전기 에너지 생성 효율이 증가된 역전기습윤 발전 모듈이 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따르면, 역전기습윤 발전 모듈은 상기 제1 전달 전극 및 상기 전도성 액체 사이에 배치되는 제1 유전체 물질층, 및 상기 제1 유전체 물질층 상에 배치되는 제1 소수성 물질층을 더 포함할 수 있다. 상기 제1 소수성 물질층은 접촉각 이력을 최소화할 수 있다. 이로 인해, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극의 전위 차이를 극대화 시킬 수 있다. 이에 따라, 전기 에너지 생성 효율이 증가된 역전기습윤 발전 모듈이 제공될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 역전기습윤 모듈의 제1 실시 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 외부 물리력이 인가된 역전기습윤 모듈의 제1 실시 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 역전기습윤 모듈의 제2 실시 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 외부 물리력이 인가된 역전기습윤 모듈의 제2 실시 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 역전기습윤 모듈의 제3 실시 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 외부 물리력이 인가된 역전기습윤 모듈의 제3 실시 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 역전기습윤 모듈의 제4 실시 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 외부 물리력이 인가된 역전기습윤 모듈의 제4 실시 예를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.
명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다.
또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 역전기습윤 발전 모듈을 나타내는 단면도이고, 도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 역전기습윤 발전 모듈에 외부 물리력이 인가된 경우를 설명하는 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 역전기습윤 발전 모듈은, 제1 기판(110), 제1 전극(112), 제1 일렉트릿층(114), 제1 전달 전극(116), 제1 유전체 물질층(118), 제1 소수성 물질층(120), 제2 기판(210), 제2 전극(212), 제2 유전체 물질층(218), 제2 소수성 물질층(220), 전도성 액체(310), 또는 격벽(320)을 포함할 수 있다.
상기 제1 기판(110)은 플라스틱 기판, 유리 기판, 실리콘 기판, 또는 화합물 반도체 기판일 수 있다. 상기 제1 기판(110)은 제1 면(110a) 및 상기 제1 면(110a)에 대향하는 제2 면(110b)을 포함할 수 있다.
상기 제1 전극(112)은 상기 제1 기판(110)의 상기 제1 면(110a) 상에 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 전극(112)은 Al, Ni, Ag, Au, Pd, 또는 Pt 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 또는, 다른 예를 들어, 상기 제1 전극(112)은 ITO, AZO, SnO2, 또는 ZnO 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 또는, 또 다른 예를 들어, 상기 제1 전극(112)은 탄소 구조체(예를 들어, 그래핀, CNT 등)로 형성될 수 있다.
상기 제1 일렉트릿층(114)은 상기 제1 전극(112) 상에 배치될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 코로나 방전을 통해 상기 제1 일렉트릿층(114) 내에 양전하 또는 음전하가 주입(implantation)될 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 일렉트릿층(114)은 양전하 또는 음전하에 의해 분극된 상태를 유지할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 일렉트릿층(114)은, 테플론, PTFE, SiO2, 또는 Al2O3 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 제1 전달 전극(116)은 상기 제1 일렉트릿층(114) 상에 배치될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 제1 전달 전극(116)은, 상기 제1 전극(112)과 동일한 물질로 형성될 수 있다. 상기 제1 전달 전극(116)은 상기 제1 일렉트릿층(114)의 분극에 의해 생성된 전기장을 상기 전도성 액체(310)로 전달할 수 있다.
상기 제1 유전체 물질층(118)은 상기 제1 전달 전극(116) 상에 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 유전체 물질층(118)은 SiO2, Al2O3, HfO2, TiO2, BaTiO3, Si2N3 또는 AlN 중에서 적어도 어느 하나를 포함하거나, 또는, 이들이 혼합된 구조 또는 적층된 구조를 포함할 수 있다.
상기 제1 소수성 물질층(120)은 상기 제1 유전체 물질층(118) 상에 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 소수성 물질층(120)은 테플론, PTFE, PCTFE, 또는 PVDF 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 상기 제1 소수성 물질층(120)은, 상기 전도성 액체(310)와의 접촉면에서 발생할 수 있는 접촉각 이력을 최소화할 수 있다. 다시 말하면, 상기 전도성 액체(310)는 응집력(cohesive force)이 상기 전도성 액체(310)의 상기 제1 소수성 물질층(120)에 대한 부착력(adhesive force)보다 강할 수 있다. 이에 따라, 상기 전도성 액체(310)와 상기 제1 소수성 물질층(120)의 접촉 면적이 감소되고, 상기 전도성 액체(310)와 상기 제1 소수성 물질층(120)의 상호 작용(interaction force)은 최소화될 수 있다. 이로 인해, 후술되는 바와 같이, 외부 물리력의 인가 여부에 따른, 상기 전도성 액체(310)와 상기 제1 전극(112) 및 상기 제2 전극(212)의 중첩 면적의 변화량이 증가될 수 있다. 또한, 상기 제1 소수성 물질층(120)은, 상기 제1 유전체 물질층(118)으로 전하가 트랩(trap) 되는 것을 방지할 수 있다.
상기 제2 기판(210)은 상기 제1 기판(110) 상에 배치될 수 있다. 상기 제2 기판(210)은 제3 면(210a) 및 상기 제3 면(210a)에 대향하는 제4 면(210b)을 포함할 수 있다. 상기 제2 기판(210)은, 상기 제2 기판(210)의 제3 면(210a)과 상기 제1 기판(110)의 제1 면(110a)이 대면하도록 배치되는 것을 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 제2 기판(210)은 상기 제1 기판(110)과 동일한 물질로 형성될 수 있다
상기 제2 전극(212)은 상기 제2 기판(210)의 상기 제3 면(210a) 상에 배치될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 제2 전극(212)은 상기 제1 전극(112)과 동일한 물질로 형성될 수 있다.
상기 제2 유전체 물질층(218)은 상기 제2 전극(212) 상에 배치될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 제2 유전체 물질층(218)은 상기 제1 유전체 물질층(118)과 동일한 물질로 형성될 수 있다.
상기 제2 소수성 물질층(220)은 상기 제2 유전체 물질층(218) 상에 배치될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 제2 소수성 물질층(220)은 상기 제1 소수성 물질층(120)과 동일한 물질로 형성될 수 있다. 상기 제2 소수성 물질층(220)은, 상기 제1 소수성 물질층(120)과 동일하게, 접촉각 이력을 최소화시키는 동시에, 상기 제2 유전체 물질층(220)으로 전하가 트랩 되는 것을 방지할 수 있다.
상기 격벽(320)은 상기 제1 기판(110) 및 상기 제2 기판(210) 사이에 배치될 수 있다. 이에 따라, 상기 격벽(320)은 상기 제1 기판(110) 및 상기 제2 기판(210) 사이에 간격을 제공할 수 있다. 다시 말하면, 상기 격벽(320)은 상기 제1 소수성 물질층(120) 및 상기 제2 소수성 물질층(220) 사이에 간격을 제공할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 격벽(320)은 탄성 물질로 형성되어, 상기 격벽(320)이 제공하는 상기 제1 기판(110) 및 상기 제2 기판(210) 사이의 간격이 외부 물리력에 의해 영향받아 변형 및 복원될 수 있다.
상기 전도성 액체(310)는 상기 제1 기판(110) 및 상기 제2 기판(210) 사이에, 상기 격벽(320)이 제공하는 간격 내에 배치될 수 있다. 상기 전도성 액체(310)는 액체 금속 또는 이온성 액체를 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 전도성 액체(310)는 내부에 이온 또는 전하를 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 전도성 액체(310)는 상기 제1 일렉트릿층(114)에 의해 분극이 유도될 수 있다. 이에 따라, 상기 전도성 액체(310)는 용이하게 분극 상태를 형성할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 역전기습윤 발전 모듈에 외부 물리력이 인가된 경우, 상기 격벽(320)이 제공하는 상기 제1 기판(110)과 상기 제2 기판(210) 사이의 간격이 축소될 수 있다.
이에 따라, 상기 제1 소수성 물질층(120), 상기 제1 유전체 물질층(118), 상기 제1 전달 전극(116), 상기 제1 일렉트릿층(114) 및 상기 제1 전극과 상기 전도성 액체(310)의 중첩 면적(overlapping surface)이 증가될 수 있다. 또한, 상기 제2 소수성 물질층(220), 상기 제2 유전체 물질층(218) 및 상기 제2 전극(212)과 상기 전도성 액체(310)의 중첩 면적이 증가될 수 있다.
이와 같이, 상기 전도성 액체(310)의 중첩 면적 증가는, 상기 전도성 액체(310)의 분극 크기를 변화시킬 수 있다. 상기 전도성 액체(310)의 분극 크기 변화는, 상기 제1 전극(112) 및 상기 제2 전극(212) 사이의 전위 차이를 발생시킬 수 있다. 이로 인해, 상기 역전기습윤 발전 모듈이 전기 에너지를 생성할 수 있다.
본 발명의 제1 실시 예에 따른 역전기습윤 발전 모듈에 외부 물리력이 제거된 경우, 상기 격벽(320)이 제공하는 상기 제1 기판(110)과 상기 제2 기판(210) 사이의 간격 및 상기 전도성 액체(310)의 형태는 복원될 수 있다.
이에 따라, 상기 제1 소수성 물질층(120), 상기 제1 유전체 물질층(118), 상기 제1 전달 전극(116), 상기 제1 일렉트릿층(114) 및 상기 제1 전극과 상기 전도성 액체(310)의 중첩 면적(overlapping surface)이 감소될 수 있다. 또한, 상기 제2 소수성 물질층(220), 상기 제2 유전체 물질층(218) 및 상기 제2 전극(212)과 상기 전도성 액체(310)의 중첩 면적이 감소될 수 있다.
이와 같이, 상기 전도성 액체(310)의 중첩 면적 감소는, 상기 전도성 액체(310)의 분극 크기를 변화시킬 수 있다. 상기 전도성 액체(310)의 분극 크기 변화는, 상기 제1 전극(112) 및 상기 제2 전극(212) 사이의 전위 차이를 발생시킬 수 있다. 이로 인해, 상기 역전기습윤 발전 모듈이 전기 에너지를 생성할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 역전기습윤 발전 모듈은, 상기 제1 일렉트릿층(114), 상기 제1 일렉트릿층(114) 상의 상기 제1 전달 전극(116), 및 상기 제1 전달 전극(116) 상의 상기 전도성 액체(310)를 포함할 수 있다. 이로 인해, 본 발명의 실시 예에 따른 역전기습윤 발전 모듈은 외부 전원 없이 동작할 수 있다.
본 발명의 실시 예와 달리, 상기 제1 일렉트릿층(114)이 생략된 경우, 상기 전도성 액체(310)에 분극을 유도하기 위해 외부 전원이 필수적으로 요구된다. 따라서, 상기 제1 일렉트릿층(114)이 생략된 경우, 역전기습윤 발전 모듈의 소자 구성이 매우 복잡해지고, 제작 비용이 증가하며, 제조 공정이 복잡해질 수 있다. 이로 인해, 예를 들어, 자동차, 기차 등 운송 수단의 진동을 이용한 발전 모듈, 인간의 움직임을 이용한 발전 모듈 등의 제조에 한계가 생길 수 있다. 또는, 다른 예를 들어, 와이어리스 마이크로센서(wireless microsensors), 임플란트 디바이스(implant devices), 또는 웨어러블 디바이스(wearable devices)와 같은 소형 전자 기기의 전력 공급원으로써의 적용이 제한될 수 있다.
하지만, 본 발명의 실시 예와 같이, 상기 제1 일렉트릿층(114)이 포함된 경우, 역전기습윤 발전 모듈의 소자 구성이 매우 간략해지고, 제작 비용이 감소하며, 제조 공정의 단순화가 가능해질 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 제1 일렉트릿층(114)의 분극이 상기 제1 일렉트릿층(114) 전반에 걸쳐 균일하게 분포되지 못한 경우, 상기 제1 전달 전극(116)은, 상기 제1 일렉트릿층(114)의 불균일한 분극으로부터 생성된 전기장을 균일하게 보완하여 상기 전도성 액체(310)로 전달할 수 있다.
본 발명의 제1 실시 예와 달리, 상기 제1 일렉트릿층(114)의 분극이 상기 제1 일렉트릿층(114) 전반에 걸쳐 균일하게 분포되지 못하고, 상기 제1 전달 전극(116)이 생략된 경우, 상기 제1 일렉트릿층(114)의 불균일한 분극으로부터 생성된 전기장이 직접적으로 상기 전도성 액체(310)로 전달될 수 있다. 따라서, 상기 제1 전달 전극이 생략된 경우, 역전기습윤 발전 모듈의 소자에 대한 신뢰성이 하락할 수 있고, 전기 에너지 생성 효율이 감소할 수 있다.
하지만, 본 발명의 실시 예와 같이, 상기 제1 일렉트릿층 상에 상기 제1 전달 전극(116)이 배치된 경우, 역전기습윤 발전 모듈의 소자에 대한 신뢰성이 향상하며, 전기 에너지 생성 효율이 증가할 수 있다.
상술된 본 발명의 제1 실시 예와 달리, 본 발명의 제2 실시 예에 따르면, 상기 제2 전극(212)과 상기 제2 유전체 물질층(218) 사이에 제2 일렉트릿층(214) 및 제2 전달 전극(216)이 더 제공될 수 있다. 이하, 도 3 및 도 4를 참조하여, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 역전기습윤 발전모듈이 설명된다.
도 3은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 역전기습윤 발전 모듈을 나타내는 단면도이고, 도 4는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 역전기습윤 발전 모듈에 외부 물리력이 인가된 경우를 설명하는 단면도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 역전기습윤 발전 모듈은, 제1 기판(110), 제1 전극(112), 제1 일렉트릿층(114), 제1 전달 전극(116), 제1 유전체 물질층(118), 제1 소수성 물질층(120), 제2 기판(210), 제2 전극(212), 제2 일렉트릿층(214), 제2 전달 전극(216), 제2 유전체 물질층(218), 제2 소수성 물질층(220), 전도성 액체(310), 또는 격벽(320)을 포함할 수 있다.
상기 제1 기판(110), 상기 제1 전극(112), 상기 제1 일렉트릿층(114), 상기 제1 전달 전극(116), 상기 제1 유전체 물질층(118), 상기 제1 소수성 물질층(120), 상기 제2 기판(210), 상기 제2 전극(212), 상기 제2 유전체 물질층(218), 상기 제2 소수성 물질층(220), 상기 전도성 액체(310), 또는 격벽(320)은 도 1에서 설명한 바와 동일하게 제공될 수 있다.
상기 제2 일렉트릿층(214)은 상기 제2 전극(212)과 상기 제2 유전체 물질층(218) 사이에 배치될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 제2 일렉트릿층(214)은 도 1 및 도 2에서 설명한 상기 제1 일렉트릿층(114)과 동일하게 제공될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 제2 일렉트릿층(214) 내에 상기 제1 일렉트릿층(114)과 다른 극성의 전하가 주입될 수 있다.
상기 제2 전달 전극(216)은 상기 제2 일렉트릿층(214)과 상기 제2 유전체 물질층(218) 사이에 배치될 수 있다. 상기 제2 전달 전극(215)은 도 1 및 도 2에서 설명한 상기 제1 전달 전극(116)과 동일하게 제공될 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 역전기습윤 발전 모듈에 외부 물리력이 인가되거나, 또는 제거된 경우, 도 2를 참조하여 설명된 것과 같이 전기 에너지가 생성될 수 있다.
상술된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시 예에 따르면, 상기 제2 유전체 물질층(218)과 상기 제2 전극(212) 사이에 상기 제2 전달 전극(216) 및 상기 제2 일렉트릿층(214)이 더 제공될 수 있다. 이로 인해, 도 1 및 도 2를 참조하여 설명된 것과 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 역전기습윤 발전 모듈은 외부 전원 없이 동작할 수 있다.
상술된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시 예에 따르면, 상기 제2 유전체 물질층(218)과 상기 제2 전극(212) 사이에 상기 제2 전달 전극(216) 및 상기 제2 일렉트릿층(214)이 더 제공될 수 있다. 도 1 및 도 2를 참조하여 설명된 것과 같이, 상기 제2 일렉트릿층(214)에 의해 상기 전도성 액체(310)의 분극이 유도되고, 상기 제2 전달 전극(216)에 의해 상기 제2 일렉트릿층(214)의 분극으로부터 생성된 전기장이 균일하게 전달될 수 있다.
도 5는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 역전기습윤 발전 모듈을 나타내는 단면도이고, 도 6은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 역전기습윤 발전 모듈에 외부 물리력이 인가된 경우를 설명하는 단면도이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 역전기습윤 발전 모듈은, 제1 기판(110), 제1 전극(112), 제1 일렉트릿층(114), 제1 전달 전극(116), 제2 기판(210), 제2 전극(212), 제2 유전체 물질층(218), 제2 소수성 물질층(220), 전도성 액체(310), 또는 격벽(320)을 포함할 수 있다.
상기 제1 기판(110), 제1 전극(112), 제1 일렉트릿층(114), 제1 전달 전극(116), 제2 기판(210), 제2 전극(212), 제2 유전체 물질층(218), 제2 소수성 물질층(220), 또는 전도성 액체(310)는 도 1에서 설명한 바와 동일하게 제공될 수 있다.
상기 격벽(320)은 도 1에서 설명한 바와 동일하게 제공될 수 있다. 상술된 본 발명의 제1 실시 예와 달리, 상기 격벽(320)은 상기 제1 전달 전극(116) 및 상기 제2 소수성 물질층(220) 사이에 간격을 제공할 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하여 설명된 제1 실시 예와 달리, 본 발명의 제3 실시 예에서는, 상기 제1 소수성 물질층(120) 및 상기 제1 유전체 물질층(118)이 생략된다. 이로 인해, 상기 전도성 액체(310)와 상기 제1 전달 전극(116)이 직접적으로 접촉할 수 있다. 또한, 이로 인해, 상기 전도성 액체(310)를 사이에 두고 상기 제1 전달 전극(116) 및 상기 제2 소수성 물질층(218)이 대향 할 수 있다.
도 7은 본 발명의 제4 실시 예에 따른 역전기습윤 발전 모듈을 나타내는 단면도이고, 도 8은 본 발명의 제4 실시 예에 따른 역전기습윤 발전 모듈에 외부 물리력이 인가된 경우를 설명하는 단면도이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 역전기습윤 발전 모듈은, 제1 기판(110), 제1 전극(112), 제1 일렉트릿층(114), 제1 전달 전극(116), 제2 기판(210), 제2 전극(212), 제2 일렉트릿층(214), 제2 전달 전극(216), 제2 유전체 물질층(218), 제2 소수성 물질층(220), 전도성 액체(310), 또는 격벽(320)을 포함할 수 있다.
상기 제1 기판(110), 제1 전극(112), 제1 일렉트릿층(114), 제1 전달 전극(116), 제2 기판(210), 제2 전극(212), 제2 일렉트릿층(214), 제2 전달 전극(216), 제2 유전체 물질층(218), 제2 소수성 물질층(220), 또는 전도성 액체(310)는 도 3에서 설명한 바와 동일하게 제공될 수 있다.
상기 격벽(320)은 도 3에서 설명한 바와 동일하게 제공될 수 있다. 상술된 본 발명의 제2 실시 예와 달리, 상기 격벽(320)은 상기 제1 전달 전극(116) 및 상기 제2 소수성 물질층(220) 사이에 간격을 제공할 수 있다.
도 3 및 도 4를 참조하여 설명된 제2 실시 예와 달리, 본 발명의 제4 실시 예에서는, 상기 제1 소수성 물질층(120) 및 상기 제1 유전체 물질층(118)이 생략된다. 이로 인해, 상기 전도성 액체(310)와 상기 제1 전달 전극(116)이 직접적으로 접촉할 수 있다. 또한, 이로 인해, 상기 전도성 액체(310)를 사이에 두고 상기 제1 전달 전극(116) 및 상기 제2 소수성 물질층(218)이 대향 할 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
110: 제1 기판
110a: 제1 면
110b: 제2 면
112: 제1 전극
114: 제1 일렉트릿
116: 제1 전달 전극
118: 제1 유전체 물질층
120: 제1 소수성 물질층
210: 제2 기판
210a: 제3 면
210b: 제4 면
212: 제2 전극
214: 제2 일렉트릿
216: 제2 전달 전극
218: 제2 유전체 물질층
220: 제2 소수성 물질층
310: 전도성 액체
320: 격벽

Claims (11)

  1. 제1 기판;
    상기 제1 기판 상의 제1 전극;
    상기 제1 전극 상의 제1 일렉트릿층(electrets layer);
    상기 제 1 일렉트릿층 상의 전도성 액체;
    상기 제1 일렉트릿층 및 상기 전도성 액체 사이에 배치되고, 상기 제1 일렉트릿층에서 생성된 전기장을 상기 전도성 액체로 전달하는 제1 전달 전극(transfer electrode);
    상기 제1 기판 상의 제2 기판;
    상기 제2 기판 상에 배치되고, 상기 전도성 액체를 사이에 두고 상기 제1 전달 전극과 이격된 제2 전극;
    상기 제2 전극 상에 배치되고, 상기 전도성 액체를 사이에 두고 상기 제1 일렉트릿층과 이격된 제2 일렉트릿층; 및
    상기 제2 일렉트릿층 및 상기 전도성 액체 사이에 배치되고, 상기 제2 일렉트릿층에서 생성된 전기장을 상기 전도성 액체로 전달하는 제2 전달 전극을 포함하되,
    상기 제1 일렉트릿층 및 제2 일렉트릿층 내에는 양전하 또는 음전하가 주입되되 서로 다른 극성의 전하가 주입되고,
    주입된 양전하 또는 음전하에 의해 상기 제1 및 제2 일렉트릿층은 분극된 상태를 유지하며,
    상기 제1 일렉트릿층은 단일층(single layer) 구조를 갖는 것을 포함하는 역전기습윤 발전 모듈.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 일렉트릿층 및 상기 제2 일렉트릿층은 테플론(Teflon), PTFE, SiO2, 또는 Al2O3 중 적어도 하나 이상을 포함하는 역전기습윤 발전 모듈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전달 전극 및 상기 전도성 액체 사이에 배치되는 제1 유전체 물질층; 및
    상기 제1 유전체 물질층 및 상기 전도성 액체 사이에 배치되는 제1 소수성 물질층을 더 포함하는 역전기습윤 발전 모듈.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2 전극 및 상기 전도성 액체 사이에 배치되는 제2 유전체 물질층; 및
    상기 제2 유전체 물질층 및 상기 전도성 액체 사이에 배치되는 제2 소수성 물질층을 더 포함하는 역전기습윤 발전 모듈.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 소수성 물질층 및 상기 제2 소수성 물질층은 불소수지 계열의 물질을 포함하는 역전기습윤 발전 모듈.
  8. 제1항에 있어서,
    외부 물리력에 의해 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판 사이의 간격이 변화하고, 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판 사이의 간격에 따라서, 상기 전도성 액체와 상기 제1 전달 전극의 접촉 면적이 변화하고, 상기 전도성 액체와 상기 제1 전달 전극의 접촉 면적의 변화에 의해 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이의 전위차이가 변화하는 것을 포함하는 역전기습윤 발전 모듈.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제2 전극 및 상기 전도성 액체 사이에 배치되는 제2 유전체 물질층; 및
    상기 제2 유전체 물질층 및 상기 전도성 액체 사이에 배치되는 제2 소수성 물질층을 더 포함하고,
    상기 제1 기판 및 상기 제2 기판 사이의 간격에 따라서, 상기 전도성 액체와 상기 소수성 물질층의 접촉 면적이 변화되고, 상기 전도성 액체와 상기 소수성 물질층의 접촉 면적의 변화에 의해 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이의 전위차이가 변화되는 것을 포함하는 역전기습윤 발전 모듈.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 기판 및 상기 제2 기판 사이에 배치되고, 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판 사이에 간격을 제공하는 격벽을 더 포함하고,
    상기 격벽이 제공하는 간격 내에 상기 전도성 액체가 배치되고,
    상기 격벽은 탄성 물질로 형성되어, 상기 격벽이 제공하는 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판 사이의 간격이 외부 물리력에 의해 영향받아 변형 및 복원되는 것을 포함하는 역전기습윤 발전 모듈.
  11. 제1항, 제4항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 외부 전원과 연결되지 않은 것을 포함하는 역전기습윤 발전 모듈.
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