KR102588571B1 - 친환경 에너지원으로 사용 가능한 책 구조의 압전-마찰전기 올인원 에너지 하베스터 모듈 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
압전 섬유층의 유연한 구조를 극대화할 수 있도록 책 구조로 설계하여 내구성 문제를 개선한 친환경 에너지원으로 사용 가능한 책 구조의 압전-마찰전기 올인원 에너지 하베스터 모듈 및 그 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 친환경 에너지원으로 사용 가능한 책 구조의 압전-마찰전기 올인원 에너지 하베스터 모듈은 제1 압전 섬유층 및 제1 압전 섬유층의 적어도 일면에 배치된 압전 전극층을 갖는 압전 에너지 하베스터; 제1 마찰 전극층 및 상기 제1 마찰 전극층 상에 배치된 마찰 경화층과, 상기 제1 마찰 전극층 및 마찰 경화층과 일측 변이 책 구조로 절첩되게 부착되는 제2 마찰 전극층 및 상기 제2 마찰 전극층 상에 형성되어, 상기 마찰 경화층과 대면하는 제2 압전 섬유층을 갖는 마찰전기 에너지 하베스터; 및 상기 압전 에너지 하베스터 상에 부착되어, 상기 압전 에너지 하베스터를 상기 마찰전기 에너지 하베스터의 타측 변에 연결시키기 위한 접착 부재;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 친환경 에너지원으로 사용 가능한 책 구조의 압전-마찰전기 올인원 에너지 하베스터 모듈은 제1 압전 섬유층 및 제1 압전 섬유층의 적어도 일면에 배치된 압전 전극층을 갖는 압전 에너지 하베스터; 제1 마찰 전극층 및 상기 제1 마찰 전극층 상에 배치된 마찰 경화층과, 상기 제1 마찰 전극층 및 마찰 경화층과 일측 변이 책 구조로 절첩되게 부착되는 제2 마찰 전극층 및 상기 제2 마찰 전극층 상에 형성되어, 상기 마찰 경화층과 대면하는 제2 압전 섬유층을 갖는 마찰전기 에너지 하베스터; 및 상기 압전 에너지 하베스터 상에 부착되어, 상기 압전 에너지 하베스터를 상기 마찰전기 에너지 하베스터의 타측 변에 연결시키기 위한 접착 부재;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 친환경 에너지원으로 사용 가능한 책 구조의 압전-마찰전기 올인원 에너지 하베스터 모듈 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 압전 섬유층의 유연한 구조를 극대화할 수 있도록 책 구조로 설계하여 내구성 문제를 개선한 친환경 에너지원으로 사용 가능한 책 구조의 압전-마찰전기 올인원 에너지 하베스터 모듈 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
미래 친환경 에너지원의 개발은 현재 화석연료의 고갈로 전 세계적으로 개발이 활발하게 진행 중에 있다. 이 중, 대표적인 친환경 에너지원으로 압전 세라믹이 포함된 에너지 하베스터 모듈이 있다.
그러나, 종래의 압전 에너지 하베스터 모듈은 낮은 전압 및 전류로 인하여 실생활에 사용되기에 한계가 있었다.
관련 선행 문헌으로는 대한민국 공개특허공보 제10-2020-0085994호(2020.07.16. 공개)가 있으며, 마찰 대전 에너지 하베스터, 상기 마찰 대전 에너지 하베스터의 제조 방법, 상기 마찰 대전 에너지 하베스터의 동작 방법, 상기 마찰 대전 에너지 하베스터를 이용하는 전자 종이 및 전자 센서가 기재되어 있다.
본 발명의 목적은 압전 섬유층의 유연한 구조를 극대화할 수 있도록 책 구조로 설계하여 내구성 문제를 개선한 친환경 에너지원으로 사용 가능한 책 구조의 압전-마찰전기 올인원 에너지 하베스터 모듈 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 친환경 에너지원으로 사용 가능한 책 구조의 압전-마찰전기 올인원 에너지 하베스터 모듈은 제1 압전 섬유층 및 제1 압전 섬유층의 적어도 일면에 배치된 압전 전극층을 갖는 압전 에너지 하베스터; 제1 마찰 전극층 및 상기 제1 마찰 전극층 상에 배치된 마찰 경화층과, 상기 제1 마찰 전극층 및 마찰 경화층과 일측 변이 책 구조로 절첩되게 부착되는 제2 마찰 전극층 및 상기 제2 마찰 전극층 상에 형성되어, 상기 마찰 경화층과 대면하는 제2 압전 섬유층을 갖는 마찰전기 에너지 하베스터; 및 상기 압전 에너지 하베스터 상에 부착되어, 상기 압전 에너지 하베스터를 상기 마찰전기 에너지 하베스터의 타측 변에 연결시키기 위한 접착 부재;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 및 제2 마찰 전극층 각각은 알루미늄(Al), 구리(Cu), 티타늄(Ti), 은(Ag), 금(Au) 및 니켈(Ni) 중 선택된 1종 이상의 재질로 형성된다.
상기 마찰 경화층은 PDMS(polydimethyl siloxane)에 경화제가 첨가된 것이 이용된다.
상기 마찰 경화층은 복수의 돌기를 구비하며, 상기 복수의 돌기는 매트릭스 배열 구조로 이격 배치되어 있다.
상기 제1 및 제2 압전 섬유층 각각은 고분자 수지와, 상기 고분자 수지 내에 분산 배치된 전도성 분말이 첨가된 무연계 압전 세라믹을 포함한다.
상기 전도성 분말은 상기 무연계 압전 세라믹 전체 중량의 0.01 ~ 0.30 중량%의 함량비로 첨가된다.
상기 접착 부재는 PET 테이프(polyethylene terephthalate tape), PI 테이프(polyimide tape), PE 테이프(polyethylene tape) 및 PP 테이프(polypropylene tape) 중 선택된 어느 하나를 포함한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 변형예에 따른 친환경 에너지원으로 사용 가능한 책 구조의 압전-마찰전기 올인원 에너지 하베스터 모듈은 적어도 둘 이상이 수평 방향으로 연결되는 친환경 에너지원으로 사용 가능한 책 구조의 압전-마찰전기 올인원 에너지 하베스터 모듈로서, 상기 압전-마찰전기 올인원 에너지 하베스터 모듈 각각은 제1 압전 섬유층 및 제1 압전 섬유층의 적어도 일면에 배치된 압전 전극층을 갖는 압전 에너지 하베스터; 제1 마찰 전극층 및 상기 제1 마찰 전극층 상에 배치된 마찰 경화층과, 상기 제1 마찰 전극층 및 마찰 경화층과 일측 변이 책 구조로 절첩되게 부착되는 제2 마찰 전극층 및 상기 제2 마찰 전극층 상에 형성되어, 상기 마찰 경화층과 대면하는 제2 압전 섬유층을 갖는 마찰전기 에너지 하베스터; 및 상기 압전 에너지 하베스터 상에 부착되어, 상기 압전 에너지 하베스터를 상기 마찰전기 에너지 하베스터의 타측 변에 연결시키기 위한 접착 부재;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 압전-마찰전기 올인원 에너지 하베스터 모듈은 인접한 2개가 상호 대칭 구조로 배열되어, 상호 간이 전기적으로 연결된다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 친환경 에너지원으로 사용 가능한 책 구조의 압전-마찰전기 올인원 에너지 하베스터 모듈 제조 방법은 제1 압전 섬유층을 압전 전극층과 압착하여 압전 에너지 하베스터를 형성하는 단계; 제1 마찰 전극층 및 마찰 경화층과, 상기 제1 마찰 전극층 및 마찰 경화층과 일측 변이 책 구조로 접첩되게 제2 마찰 전극층 및 제2 압전 섬유층을 부착하여 마찰전기 에너지 하베스터를 형성하는 단계; 및 상기 압전 에너지 하베스터 상에 접착 부재를 배치하고, 상기 접착 부재를 매개로 상기 압전 에너지 하베스터를 상기 마찰전기 에너지 하베스터의 타측 변에 연결시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 및 제2 압전 섬유층 각각은 고분자 수지와, 상기 고분자 수지 내에 분산 배치된 전도성 분말이 첨가된 무연계 압전 세라믹을 포함한다.
상기 전도성 분말은 상기 무연계 압전 세라믹 전체 중량의 0.01 ~ 0.30 중량%의 함량비로 첨가된다.
상기 접착 부재는 PET 테이프(polyethylene terephthalate tape), PI 테이프(polyimide tape), PE 테이프(polyethylene tape) 및 PP 테이프(polypropylene tape) 중 선택된 어느 하나를 포함한다.
본 발명은 압전 에너지 하베스터와 마찰전기 에너지 하베스터를 복합화한 압전-마찰전기 올인원 에너지 하베스터 모듈을 제조하였다. 이와 같이, 제조된 압전-마찰전기 올인원 에너지 하베스터 모듈은 다양한 구조를 적용함으로써 우수한 전압을 형성할 수 있다.
아울러, 본 발명은 책 구조로 압전-마찰전기 올인원 에너지 하베스터 모듈을 제조하여 최적화하는 것에 의해, 압전 섬유층의 유연한 구조를 극대화하여 내구성 문제를 획기적으로 개선하였다.
또한, 본 발명은 압전 에너지 하베스터와 마찰전기 에너지 하베스터에 각각 사용되는 세라믹인 무연 압전 세라믹(BNT-ST)에 전도성 분말인 카본 블랙(Carbon black)을 최적의 함량비로 첨가하는 것을 통하여 기존은 낮은 전류값 문제를 해결하여 높은 전류 특성을 확보하였다.
또한, 본 발명은 책 구조를 갖는 압전-마찰전기 올인원 에너지 하베스터 모듈을 적어도 둘 이상 수평 방향으로 연결하여 적층하고, 인접한 2개를 상호 대칭 구조로 배열하는 것에 의해, 부피를 최소화할 수 있으면서도 전력을 극대화할 수 있는 구조적인 이점을 발휘할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 친환경 에너지원으로 사용 가능한 책 구조의 압전-마찰전기 올인원 에너지 하베스터 모듈을 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 친환경 에너지원으로 사용 가능한 책 구조의 압전-마찰전기 올인원 에너지 하베스터 모듈의 동작 상태를 나타낸 사시도이다.
도 3은 도 1의 마찰전기 에너지 하베스터를 확대하여 나타낸 사시도이다.
도 4는 도 3의 압전 에너지 하베스터를 확대하여 나타낸 분해 사시도이다.
도 5는 도 4의 압전 에너지 하베스터의 압전 전극층을 확대하여 나타낸 평면도이다.
도 6은 도 3의 마찰전기 에너지 하베스터의 작동 원리를 설명하기 위한 모식도.
도 7은 본 발명의 변형예에 따른 친환경 에너지원으로 사용 가능한 책 구조의 압전-마찰전기 올인원 에너지 하베스터 모듈을 나타낸 사시도이다.
도 8은 본 발명의 변형예에 따른 친환경 에너지원으로 사용 가능한 책 구조의 압전-마찰전기 올인원 에너지 하베스터 모듈의 동작 상태를 나타낸 사시도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 친환경 에너지원으로 사용 가능한 책 구조의 압전-마찰전기 올인원 에너지 하베스터 모듈 제조 방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 10은 CB 함량별 BNT-ST 압전 세라믹에 대한 XRD 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 11은 CB 함량별 BNT-ST 압전 세라믹에 대한 XRD 측정 결과를 나타낸 사진이다.
도 12는 CB 함량별 BNT-ST 압전 세라믹에 대한 SEM 측정 결과를 나타낸 사진이다.
도 13은 CB 함량별 BNT-ST 압전 세라믹에 대한 그레인 사이즈를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 14 및 도 15는 CB 함량별 BNT-ST 압전 세라믹에 대한 유전율 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 16 및 도 17은 CB 함량별 BNT-ST 압전 세라믹에 대한 압전 특성 평가 결과를 나타낸 그래프이다.
도 18 및 도 19는 CB 함량별 BNT-ST 압전 세라믹에 대한 PFM 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 20은 CB 함량별 BNT-ST 압전섬유에 대한 SEM 측정 결과를 나타낸 사진이다.
도 21 및 도 22는 CB 함량별 BNT-ST 압전섬유에 대한 특성 평가 결과를 나타낸 것이다.
도 23은 압전 에너지 하베스터(PEHM)의 개수에 따른 발전량 측정 결과를 나타낸 것이다.
도 24는 TEHM에 방사된 압전섬유의 CB 첨가 여부에 따른 발전량 및 TEHM의 넓이에 따른 발전량을 전압 및 전류로 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 25는 TEHM에 방사된 압전섬유의 CB 함량에 따른 전류 증가 원인을 설명하기 위한 그래프이다.
도 26은 TEHM의 다양한 조건에서의 전압 및 전류 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 27은 TEHM을 어플리케이션으로 사용하기 위한 다양한 실험 결과를 나타낸 것이다.
도 28은 HEHM의 내구성 평가 결과를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 친환경 에너지원으로 사용 가능한 책 구조의 압전-마찰전기 올인원 에너지 하베스터 모듈의 동작 상태를 나타낸 사시도이다.
도 3은 도 1의 마찰전기 에너지 하베스터를 확대하여 나타낸 사시도이다.
도 4는 도 3의 압전 에너지 하베스터를 확대하여 나타낸 분해 사시도이다.
도 5는 도 4의 압전 에너지 하베스터의 압전 전극층을 확대하여 나타낸 평면도이다.
도 6은 도 3의 마찰전기 에너지 하베스터의 작동 원리를 설명하기 위한 모식도.
도 7은 본 발명의 변형예에 따른 친환경 에너지원으로 사용 가능한 책 구조의 압전-마찰전기 올인원 에너지 하베스터 모듈을 나타낸 사시도이다.
도 8은 본 발명의 변형예에 따른 친환경 에너지원으로 사용 가능한 책 구조의 압전-마찰전기 올인원 에너지 하베스터 모듈의 동작 상태를 나타낸 사시도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 친환경 에너지원으로 사용 가능한 책 구조의 압전-마찰전기 올인원 에너지 하베스터 모듈 제조 방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 10은 CB 함량별 BNT-ST 압전 세라믹에 대한 XRD 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 11은 CB 함량별 BNT-ST 압전 세라믹에 대한 XRD 측정 결과를 나타낸 사진이다.
도 12는 CB 함량별 BNT-ST 압전 세라믹에 대한 SEM 측정 결과를 나타낸 사진이다.
도 13은 CB 함량별 BNT-ST 압전 세라믹에 대한 그레인 사이즈를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 14 및 도 15는 CB 함량별 BNT-ST 압전 세라믹에 대한 유전율 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 16 및 도 17은 CB 함량별 BNT-ST 압전 세라믹에 대한 압전 특성 평가 결과를 나타낸 그래프이다.
도 18 및 도 19는 CB 함량별 BNT-ST 압전 세라믹에 대한 PFM 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 20은 CB 함량별 BNT-ST 압전섬유에 대한 SEM 측정 결과를 나타낸 사진이다.
도 21 및 도 22는 CB 함량별 BNT-ST 압전섬유에 대한 특성 평가 결과를 나타낸 것이다.
도 23은 압전 에너지 하베스터(PEHM)의 개수에 따른 발전량 측정 결과를 나타낸 것이다.
도 24는 TEHM에 방사된 압전섬유의 CB 첨가 여부에 따른 발전량 및 TEHM의 넓이에 따른 발전량을 전압 및 전류로 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 25는 TEHM에 방사된 압전섬유의 CB 함량에 따른 전류 증가 원인을 설명하기 위한 그래프이다.
도 26은 TEHM의 다양한 조건에서의 전압 및 전류 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 27은 TEHM을 어플리케이션으로 사용하기 위한 다양한 실험 결과를 나타낸 것이다.
도 28은 HEHM의 내구성 평가 결과를 나타낸 것이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 친환경 에너지원으로 사용 가능한 책 구조의 압전-마찰전기 올인원 에너지 하베스터 모듈 및 그 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 친환경 에너지원으로 사용 가능한 책 구조의 압전-마찰전기 올인원 에너지 하베스터 모듈을 나타낸 사시도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 친환경 에너지원으로 사용 가능한 책 구조의 압전-마찰전기 올인원 에너지 하베스터 모듈의 동작 상태를 나타낸 사시도이며, 도 3은 도 1의 마찰전기 에너지 하베스터를 확대하여 나타낸 사시도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 친환경 에너지원으로 사용 가능한 책 구조의 압전-마찰전기 올인원 에너지 하베스터 모듈(100)은 압전 에너지 하베스터(120), 마찰전기 에너지 하베스터(140) 및 접착 부재(160)를 포함한다.
압전 에너지 하베스터(120)는 제1 압전 섬유층 및 제1 압전 섬유층의 적어도 일면에 배치된 압전 전극층을 갖는다.
여기서, 제1 압전 섬유층은 고분자 수지와, 고분자 수지 내에 분산 배치된 전도성 분말이 첨가된 무연계 압전 세라믹을 포함한다. 고분자 수지로는 PVDF(polyvinyleden floride)를 이용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 아울러, 전도성 분말은 무연계 압전 세라믹 전체 중량의 0.01 ~ 0.30 중량%의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하고, 보다 바람직한 범위로는 0.10 ~ 0.20 중량%를 제시할 수 있다. 전도성 분말이 무연계 압전 세라믹 전체 중량의 0.01 중량% 미만일 경우에는 페로브스카이트 피크가 뚜렷하게 관찰되지 않으며, 이로 인해 압전 성능 향상 효과를 발휘하기 어렵다. 반대로, 전도성 분말이 무연계 압전 세라믹 전체 중량의 0.30 중량%를 초과할 경우에는 카본 블랙이 너무 많이 첨가되어 오히려 압전 성능이 저하되는 문제가 있다.
마찰전기 에너지 하베스터(140)는 제1 마찰 전극층(142) 및 제1 마찰 전극층(142) 상에 배치된 마찰 경화층(144)과, 제1 마찰 전극층(142) 및 마찰 경화층(144)과 일측 변이 책 구조로 절첩되게 부착되는 제2 마찰 전극층(146) 및 제2 마찰 전극층(146) 상에 형성되어, 마찰 경화층(144)과 대면하는 제2 압전 섬유층(148)을 갖는다.
여기서, 제1 및 제2 마찰 전극층(142, 146) 각각은 알루미늄(Al), 구리(Cu), 티타늄(Ti), 은(Ag), 금(Au) 및 니켈(Ni) 중 선택된 1종 이상의 재질로 형성된다.
아울러, 마찰 경화층(144)은 PDMS(polydimethyl siloxane)에 경화제가 첨가된 것이 이용되다. 즉, 마찰 경화층(144)은 PDMS(polydimethyl siloxane) 100 중량부에 대하여, 경화제 1 ~ 20 중량부를 첨가하여 교반한 후, 70 ~ 90℃의 진공 오븐 내에서 경화시켜 제조된 것이 이용될 수 있다.
이러한 마찰 경화층(144)은 복수의 돌기(145)를 구비하며, 복수의 돌기(145)는 매트릭스 배열 구조로 이격 배치되어 있는 것이 바람직하다. 여기서, 마찰 경화층(144)의 복수의 돌기(145)는 제1 마찰 전극층(142)의 상면에 매트릭스 형태로 배열되어, 외부 힘에 의해 마찰 경화층(144)과 제2 압전 섬유층(148)이 접촉하는 과정에서 마찰력을 극대화시키는 역할을 한다.
또한, 제2 압전 섬유층(148)은 제1 압전 섬유층과 실질적으로 동일한 것이 이용된다. 즉, 제2 압전 섬유층(148)은 고분자 수지와, 고분자 수지 내에 분산 배치된 전도성 분말이 첨가된 무연계 압전 세라믹을 포함한다. 여기서, 고분자 수지로는 PVDF(polyvinyleden floride)를 이용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 아울러, 전도성 분말은 무연계 압전 세라믹 전체 중량의 0.01 ~ 0.30 중량%의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하고, 보다 바람직한 범위로는 0.10 ~ 0.20 중량%를 제시할 수 있다.
접착 부재(160)는 압전 에너지 하베스터(120) 상에 부착되어, 압전 에너지 하베스터(120)를 마찰전기 에너지 하베스터(140)의 타측 변에 연결시키는 역할을 한다.
이러한 접착 부재(160)로는 PET 테이프(polyethylene terephthalate tape), PI 테이프(polyimide tape), PE 테이프(polyethylene tape) 및 PP 테이프(polypropylene tape) 중 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다. 이 중, 접착 부재(160)로는 내구성이 우수한 PET 테이프를 이용하는 것이 보다 바람직하다.
한편, 도 4는 도 3의 압전 에너지 하베스터를 확대하여 나타낸 분해 사시도이고, 도 5는 도 4의 압전 에너지 하베스터의 압전 전극층을 확대하여 나타낸 평면도로, 이를 참조하여 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 압전 에너지 하베스터(120)는 제1 압전 섬유층(126) 및 제1 압전 섬유층(126)의 적어도 일면에 배치된 압전 전극층(123)을 갖는다. 여기서는, 압전 전극층(123)이 제1 압전 섬유층(126)의 양면에 각각 배치된 것을 일 예로 나타낸 것이다.
제1 압전 섬유층(126)은 고분자 수지와, 고분자 수지 내에 분산 배치된 전도성 분말이 첨가된 무연계 압전 세라믹을 포함한다.
보다 구체적으로, 제1 압전 섬유층(126)은 고분자 수지 : 90 ~ 10 중량% 및 무연 압전 세라믹 분말 : 10 ~ 90 중량%을 포함할 수 있다. 이때, 고분자 수지의 첨가량이 제1 압전 섬유층(126) 전체 중량의 10 중량% 미만일 경우에는 전기방사시 농도가 낮아 방울형태로 축적되어 구슬 형태의 섬유상이 형성될 우려가 크다. 반대로, 고분자 수지의 첨가량이 제1 압전 섬유층(126) 전체 중량의 90 중량%를 초과할 경우에는 과도한 수축으로 인해 제1 압전 섬유층(126)의 형성시 안정성이 저하되는 문제가 있다.
특히, 전도성 분말이 첨가된 무연 압전 세라믹 분말의 첨가량이 제1 압전 섬유층(126) 전체 중량의 10 중량% 미만일 경우에는 유연성 확보에는 유리하나, 압전 성능 확보에 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 전도성 분말이 첨가된 무연 압전 세라믹 분말의 첨가량이 제1 압전 섬유층(126) 전체 중량의 90 중량%를 초과할 경우에는 압전 성능 측면에서는 유리하나, 섬유 형태의 성질에 따라 취성이 증가하여 취급성에 어려움이 따를 뿐만 아니라, 유연성이 급격히 저하되는 문제를 유발한다.
이러한 제1 압전 섬유층(126)은 100 ~ 5,000㎛의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 제1 압전 섬유층(126)의 두께가 100㎛ 미만일 경우에는 그 두께가 너무 얇은 관계로 압전 성능을 제대로 발휘하는데 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 제1 압전 섬유층(126)의 두께가 5,000㎛를 초과할 경우에는 압전 에너지 하베스터(120)의 두께를 증가시켜 실용성을 저하시키는 요인으로 작용할 수 있다.
아울러, 압전 전극층(123)은 금속 전극(122)과 금속 전극(122)을 지지하는 지지 필름(121)을 갖는다. 금속 전극(122)은 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au), 알루미늄(Al) 등의 공지의 전극 소재를 제한 없이 사용할 수 있다.
금속 전극(122)은 상하 양측 가장자리를 따라 배치된 전극 몸체부(122a)와, 전극 몸체부(122a)로부터 내측으로 복수개가 연장되어, 상하의 전극 몸체부(122a)를 상호 연결하여 깍지형 전극 배열 구조를 갖도록 배치된 전극 연결부(122b)를 갖는다.
이때, 전극 연결부(122b)는 0.08 ~ 0.12mm의 폭(w) 및 0.18 ~ 0.22mm의 간격(d)으로 이격 배치되도록 설계하는 것이 바람직한데, 이는 전극 연결부(122b)의 폭(w) 및 간격(d)이 상기의 범위를 벗어날 경우 출력 전압값이 급격히 감소하는 경향을 나타내기 때문이다.
지지 필름(121)은 폴리이미드(Polyimide, PI), 폴리에틸렌 나프탈레이트(Polyethylene napthalate, PEN), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Polyethylene terephthalate, PET), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC) 등에서 선택된 어느 하나 이상의 재질이 이용될 수 있다.
이와 같이, 금속 전극(122)을 깍지형 전극(Interdigitated electrode : IDE 전극) 배열 구조로 형성하게 되면, d33 모드가 발동되어 출력 특성을 향상시킬 수 있게 된다.
한편, 도 6은 도 3의 마찰전기 에너지 하베스터의 작동 원리를 설명하기 위한 모식도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 마찰전기 에너지 하베스터는 접촉전기 및 정전기 유도현상으로 설명이 가능하다.
즉, 본 발명의 마찰전기 에너지 하베스터는 초기 상태에서 마찰 경화층(144)과 제2 압전 섬유층(148)이 충분히 분리되어 있어 전자 이동이 없는 것을 확인할 수 있다.
이후, 외부 힘에 의해 마찰전기 에너지 하베스터가 눌리기 시작하는 프레싱(pressing) 단계(I)에서는 전자가 전기음성에 따라 마찰 경화층(144)에서 제2 압전 섬유층(148)으로 이동하기 때문에 제2 압전 섬유층(148)의 표면에 음전하기 모인다.
외부 힘에 의해 마찰전기 에너지 하베스터가 완전히 눌린 프레스(pressed) 단계(Ⅱ)에서는 마찰 경화층(144)과 제2 압전 섬유층(148)이 완전히 접촉하여 각 층이 전기적으로 중성인 평형 상태에 도달한다.
이후, 외부 힘에 의해 마찰 경화층(144)과 제2 압전 섬유층(148)이 서서히 분리되는 릴리징(releasing) 단계(Ⅲ)에서는 마찰 경화층(144)과 제2 압전 섬유층(148)이 분리되어 해제되면서 각 층의 전기적 중립성이 유지되지 않으며, 전기적 중립성 유지 경향은 (Ⅰ) 단계에서와 반대 방향으로 정전기 유도로 인해 전류가 흐르게 된다.
이후, 외부 힘에 의해 마찰 경화층(144)과 제2 압전 섬유층(148)이 완전히 분리되는 릴리즈(released) 단계(Ⅳ)에서는 마찰 경화층(144)과 제2 압전 섬유층(148)이 완전히 해제된 상태에서 마찰 경화층(144)과 제2 압전 섬유층(148)이 다시 전기적 중립 상태에 놓이게 된다.
한편, 도 7은 본 발명의 변형예에 따른 친환경 에너지원으로 사용 가능한 책 구조의 압전-마찰전기 올인원 에너지 하베스터 모듈을 나타낸 사시도이고, 도 8은 본 발명의 변형예에 따른 친환경 에너지원으로 사용 가능한 책 구조의 압전-마찰전기 올인원 에너지 하베스터 모듈의 동작 상태를 나타낸 사시도이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 본 발명의 변형예에 따른 친환경 에너지원으로 사용 가능한 책 구조의 압전-마찰전기 올인원 에너지 하베스터 모듈(100)은, 적어도 둘 이상이 수평 방향으로 연결되는 적층 구조를 갖는 것을 제외하고는, 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 실시예와 실질적으로 동일한 구성을 갖는다.
즉, 본 발명의 변형예에 따른 친환경 에너지원으로 사용 가능한 책 구조의 압전-마찰전기 올인원 에너지 하베스터 모듈(100)은, 실시예와 마찬가지로, 압전-마찰전기 올인원 에너지 하베스터 모듈(100) 각각은 압전 에너지 하베스터(120), 마찰전기 에너지 하베스터(140) 및 접착 부재(160)를 포함한다.
이때, 도 7 및 도 8에서는 압전-마찰전기 올인원 에너지 하베스터 모듈(100) 5개가 수평 방향으로 연결된 것을 일 예로 나타낸 것이다.
이러한 압전-마찰전기 올인원 에너지 하베스터 모듈(100)은 인접한 2개가 상호 대칭 구조로 배열되어, 상호 간이 전기적으로 연결된다.
이와 같이, 본 발명의 변형예는 책 구조를 갖는 압전-마찰전기 올인원 에너지 하베스터 모듈(100)을 적어도 둘 이상 수평 방향으로 연결하여 적층하고, 인접한 2개를 상호 대칭 구조로 배열하는 것에 의해, 부피를 최소화할 수 있으면서도 전력을 극대화할 수 있는 구조적인 이점을 발휘할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 친환경 에너지원으로 사용 가능한 책 구조의 압전-마찰전기 올인원 에너지 하베스터 모듈 제조 방법에 대하여 설명하도록 한다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 친환경 에너지원으로 사용 가능한 책 구조의 압전-마찰전기 올인원 에너지 하베스터 모듈 제조 방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 친환경 에너지원으로 사용 가능한 책 구조의 압전-마찰전기 올인원 에너지 하베스터 모듈 제조 방법은 압전 에너지 하베스터 형성 단계(S110), 마찰전기 에너지 하베스터 형성 단계(S120) 및 압전-마찰전기 올인원 에너지 하베스터 모듈 형성 단계(S130)를 포함한다.
압전 에너지 하베스터 형성
압전 에너지 하베스터 형성 단계(S110)에서는 제1 압전 섬유층을 압전 전극층과 압착하여 압전 에너지 하베스터를 형성한다.
여기서, 제1 압전 섬유층은 고분자 수지와, 고분자 수지 내에 분산 배치된 전도성 분말이 첨가된 무연계 압전 세라믹을 포함한다. 고분자 수지로는 PVDF(polyvinyleden floride)를 이용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 아울러, 전도성 분말은 무연계 압전 세라믹 전체 중량의 0.01 ~ 0.30 중량%의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하고, 보다 바람직한 범위로는 0.10 ~ 0.20 중량%를 제시할 수 있다. 전도성 분말이 무연계 압전 세라믹 전체 중량의 0.01 중량% 미만일 경우에는 페로브스카이트 피크가 뚜렷하게 관찰되지 않으며, 이로 인해 압전 성능 향상 효과를 발휘하기 어렵다. 반대로, 전도성 분말이 무연계 압전 세라믹 전체 중량의 0.30 중량%를 초과할 경우에는 카본 블랙이 너무 많이 첨가되어 오히려 압전 성능이 저하되는 문제가 있다.
마찰전기 에너지 하베스터 형성
마찰전기 에너지 하베스터 형성 단계(S120)에서는 제1 마찰 전극층 및 마찰 경화층과, 제1 마찰 전극층 및 마찰 경화층과 일측 변이 책 구조로 접첩되게 제2 마찰 전극층 및 제2 압전 섬유층을 부착하여 마찰전기 에너지 하베스터를 형성한다.
여기서, 제1 및 제2 마찰 전극층(142, 146) 각각은 알루미늄(Al), 구리(Cu), 티타늄(Ti), 은(Ag), 금(Au) 및 니켈(Ni) 중 선택된 1종 이상의 재질로 형성된다.
아울러, 마찰 경화층(144)은 PDMS(polydimethyl siloxane)에 경화제가 첨가된 것이 이용되다. 즉, 마찰 경화층(144)은 PDMS(polydimethyl siloxane) 100 중량부에 대하여, 경화제 1 ~ 20 중량부를 첨가하여 교반한 후, 70 ~ 90℃의 진공 오븐 내에서 경화시켜 제조된 것이 이용될 수 있다.
이러한 마찰 경화층(144)은 복수의 돌기(145)를 구비하며, 복수의 돌기(145)는 매트릭스 배열 구조로 이격 배치되어 있는 것이 바람직하다. 여기서, 마찰 경화층(144)의 복수의 돌기(145)는 제1 마찰 전극층(142)의 상면에 매트릭스 형태로 배열되어, 외부 힘에 의해 마찰 경화층(144)과 제2 압전 섬유층(148)이 접촉하는 과정에서 마찰력을 극대화시키는 역할을 한다.
또한, 제2 압전 섬유층은 제1 압전 섬유층과 실질적으로 동일한 것이 이용된다. 즉, 제2 압전 섬유층은 고분자 수지와, 고분자 수지 내에 분산 배치된 전도성 분말이 첨가된 무연계 압전 세라믹을 포함한다. 여기서, 고분자 수지로는 PVDF(polyvinyleden floride)를 이용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 아울러, 전도성 분말은 무연계 압전 세라믹 전체 중량의 0.01 ~ 0.30 중량%의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하고, 보다 바람직한 범위로는 0.10 ~ 0.20 중량%를 제시할 수 있다.
압전-마찰전기 올인원 에너지 하베스터 모듈 형성
압전-마찰전기 올인원 에너지 하베스터 모듈 형성 단계(S130)에서는 압전 에너지 하베스터 상에 접착 부재를 배치하고, 접착 부재를 매개로 압전 에너지 하베스터를 마찰전기 에너지 하베스터의 타측 변에 연결시킨다.
여기서, 접착 부재로는 PET 테이프(polyethylene terephthalate tape), PI 테이프(polyimide tape), PE 테이프(polyethylene tape) 및 PP 테이프(polypropylene tape) 중 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다. 이 중, 접착 부재로는 내구성이 우수한 PET 테이프를 이용하는 것이 보다 바람직하다.
지금까지 살펴본 바와 같이, 본 발명은 압전 에너지 하베스터와 마찰전기 에너지 하베스터를 복합화한 압전-마찰전기 올인원 에너지 하베스터 모듈을 제조하였다. 이와 같이, 제조된 압전-마찰전기 올인원 에너지 하베스터 모듈은 다양한 구조를 적용함으로써 우수한 전압을 형성할 수 있다.
특히, 본 발명은 책 구조로 압전-마찰전기 올인원 에너지 하베스터 모듈을 제조하여 최적화하는 것에 의해, 압전 섬유층의 유연한 구조를 극대화하여 내구성 문제를 획기적으로 개선하였다.
뿐만 아니라, 기존의 압전-마찰전기 에너지 하베스터 모듈의 경우 낮은 전류로 인하여 최종 전력 형성에 어려움이 존재하였으나, 본 발명에서는 압전-마찰전기에 사용되는 세라믹인 무연 압전 세라믹(BNT-ST)에 전도성 분말인 카본 블랙(Carbon black)를 최적의 함량비로 첨가하는 것을 통하여 기존은 낮은 전류값을 해결하여 높은 전류 특성을 확보하였다.
또한, 본 발명은 책 구조를 갖는 압전-마찰전기 올인원 에너지 하베스터 모듈을 적어도 둘 이상 수평 방향으로 연결하여 적층하고, 인접한 2개를 상호 대칭 구조로 배열하는 것에 의해, 부피를 최소화할 수 있으면서도 전력을 극대화할 수 있는 구조적인 이점을 발휘할 수 있다.
실시예
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.
여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.
1. 실험 방법
압전섬유 제조
Bi2O3, Na2CO3, TiO2 및 SrCO3를 고체상 반응법으로 반응시켜 BNT-ST 압전 세라믹을 제조하였다.
다음으로, 제조된 BNT-ST 압전 세라믹에 카본 블랙 분말을 0.05wt%, 0.10wt, 0.15wt, 0.20wt 및 0.25wt로 각각 첨가하여, CB/BNT-ST 압전 세라믹을 제조하였다.
다음으로, CB/BNT-ST 압전 세라믹을 몰드에 투입한 후, PVA 첨가제를 첨가하고, 200MPa의 압력으로 성형하여 12mm의 직경을 갖는 벌크 세라믹으로 제조하였다.
다음으로, 벌크 세라믹을 1,150℃에서 2시간 동안 소결한 후, 70℃에서 20KV로 30분간 분극을 진행하고, 분쇄하여 100㎛의 입경을 갖는 CB/BNT-ST 압전 세라믹 분말을 수득하였다.
이후, DMF(dimethylformamide) 및 아세톤(acetone)을 5 : 5의 중량비로 혼합한 혼합 용매에 PVDF-TrFE(poly(vinylidene fluorideco-trifluoroethylene)) 고분자를 8 : 2의 중량비로 첨가하고 교반하였다.
다음으로, 교반된 고분자 혼합 용액에 CB/BNT-ST 압전 세라믹 분말을 4 : 6의 중량비로 첨가하고, 1,500rpm의 속도로 24시간 동안 교반하여 세라믹 전구체 용액을 제조하였다.
다음으로, 제조된 세라믹 전구체 용액을 니들 직경 21G, 인가전압 13kV, 방사속도 1mL/h 및 방사시간 8시간 조건으로 전기방사하여 CB/BNT-ST 압전섬유를 제조하였다.
압전 에너지 하베스터(PEHM) 제조
위의 방법으로 제조된 CB/BNT-ST 압전섬유를 가로 1cm 및 세로 5cm의 크기로 절단하고, 너비 0.1mm 및 간격 0.2mm로 설계된 IDE(interdigitated electrode) 전극 구조체에 WIP(warm isostatic press)를 통하여 부착한 후, 1kV에서 1시간 동안 분극 공정을 진행하여 압전 에너지 하베스터를 제조하였다.
마찰전기 에너지 하베스터(TEHM) 제조
PDMS(polydimethyl siloxane)와 경화제를 10 : 1의 중량비로 혼합하여 혼합 용액을 제조하였다.
다음으로, 마이크로 패턴 기판 상에 혼합 용액을 부어주고, 혼합 용액 위에 Al 전극을 붙여 80℃에서 1시간 동안 경화시켜 마찰 경화층을 제조한 후, 마이크로 패턴 기판 상에서 경화된 가로 1cm 및 세로 5cm 크기의 마찰 경화층을 분리하였다.
다음으로, 금속 기판 상에 위의 방법으로 제조된 세라믹 전구체 용액을 니들 직경 21G, 인가전압 13kV 및 방사속도 1mL/h 조건으로 5시간 동안 전기방사하여, 마찰 경화층과 동일한 크기로 CB/BNT-ST 압전섬유를 제조하여 마찰전기 에너지 하베스터를 제조하였다.
압전-마찰전기 올인원 에너지 하베스터 모듈(HEHM) 제조
압전 에너지 하베스터 상에 PET 테이프를 부착하고, PET 테이프를 매개로 압전 에너지 하베스터를 마찰전기 에너지 하베스터의 타측 변에 연결하여 압전-마찰전기 올인원 에너지 하베스터 모듈을 제조하였다.
2. 물성 평가
도 10은 CB 함량별 BNT-ST 압전 세라믹에 대한 XRD 측정 결과를 나타낸 그래프이고, 도 11은 CB 함량별 BNT-ST 압전 세라믹에 대한 XRD 측정 결과를 나타낸 사진이다.
도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이, XRD 측정결과, CB만을 측정한 XRD 피크에서는 CB 피크의 회절 패턴은 너무 약하기 때문에 잘 관측되지 않았다.
반면, BNT-ST 압전 세라믹의 페로브스카이트 피크는 뚜렷하게 관찰되었다.
특히, BNT-ST 압전 세라믹의 CB 함량이 증가할수록 110(32 ~ 33)피크와 211(57.5 ~ 58.5)피크가 더 높은 각도로 이동하고 있는 것을 확인할 수 있다.
표 1은 BNT-ST 압전 세라믹의 CB 함량에 따른 XRD 측정결과를 바탕으로 계산된 CB 함량에 따른 격자 크기 및 평균 입자 크기를 나타낸 것이고, 표 2는 Bragg의 법칙에 따른 격자의 각도를 계산한 결과를 나타낸 것이다.
[표 1]
[표 2]
표 1 및 표 2에 도시된 바와 같이, CB 함량이 증가함에 따라 CB/BNT-ST 압전 세라믹의 격자 크기, 부피, 결정체 크기 및 입자 크기가 점차 증가하는 것을 확인할 수 있다.
또한, CB 함량에 따라, 표 1에서 볼 수 있듯이, 4각도(c/a)가 증가하였는데, 이는 CB 함량과 함께 페로브스카이트 세라믹의 비율이 증가하여 압전 특성이 향상되었음을 의미한다.
아울러, 도 11 및 표 2에서는 완벽한 폴링을 가진 BNT-ST 압전 세라믹의 격자 구조에서 Na 중심 Ti 옥타헤드라의 이상적인 정렬을 개략적으로 보여준다.
표 2에 도시된 바와 같이, CB 함량과 함께 ac-평면의 Na-Ti-Na 각도와 b-축의 Ti-Na 및 Na-Ti-Na 각도가 점차 증가하는 것을 확인할 수 있는데, 이는 압전 세라믹의 효과적인 편광에 기여한 것으로 판단된다.
도 12는 CB 함량별 BNT-ST 압전 세라믹에 대한 SEM 측정 결과를 나타낸 사진이고, 도 13은 CB 함량별 BNT-ST 압전 세라믹에 대한 그레인 사이즈를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 12 및 도 13에 도시된 바와 같이, 상대밀도는 CB 함량과 무관하게 BNT-ST 압전 세라믹들 모두 99.97% 이상 측정되었고, CB의 함량이 증가될수록 상대밀도는 증가하는 경향을 나타낸 후 0.10/BNT-ST 압전 세라믹 이후에는 상대밀도가 다시 감소하는 경향을 나타내었다.
이는 초기에 CB가 그레인(grain) 사이의 공극을 채워주어 상대밀도가 증가하지만 이후 과량의 CB가 첨가되면 BNT-ST 압전 세라믹과 CB가 분리되어 상대밀도가 감소하고 있는 것으로 판단된다.
또한, CB의 함량이 증가될수록 그레인(grain) 사이즈는 점점 증가하는데, 이는 CB가 소결 과정에서 BNT-ST 압전 세라믹의 결정립의 성장을 유도하고 결합제 역할을 하기 때문인 것으로 판단된다.
도 14 및 도 15는 CB 함량별 BNT-ST 압전 세라믹에 대한 유전율 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 14 및 도 15에 도시된 바와 같이, 유전율 측정은 1kH, 10kH, 100kH, 1,000kHz에 각각 측정하였으며, 측정결과 2개의 피크(Ts, Tm)가 크게 관찰되었다.
Ts의 유전율 피크는 R3c 및 P4bm의 나노 혼합물로 인한 열변형 온도 BNT-ST 압전 세라믹의 그레인 사이의 공극 정도가 크면 명확한 피크를 나타낸다.
BNT-ST 압전 세라믹의 CB의 증가로 인하여 BNT-ST 압전 세라믹의 표면에 CB 입자수의 증가로 BNT-ST 압전 세라믹의 그레인 사이의 공극 감소로 인하여 Ts 피크는 점점 완화되고 있는 것을 확인할 수 있다.
Tm은 큐리온도로 CB의 함량이 증가될수록 큐리온도는 점점 증가하고 있으며, 이는 더 넓은 영역의 온도에서 BNT-ST 압전 세라믹의 특성이 증가되는 것을 의미한다.
또한, 유전 손실도 CB의 함량에 따라 점점 증가하는데, 이를 통하여 CB의 함량이 최적화될 필요가 있음을 의미한다.
표 3은 CB 함량별 BNT-ST 압전 세라믹에 대한 압전 특성 평가 결과를 나타낸 것이다. 또한, 도 16 및 도 17은 CB 함량별 BNT-ST 압전 세라믹에 대한 압전 특성 평가 결과를 나타낸 그래프이다.
[표 3]
표 3, 도 16 및 도 17에 도시된 바와 같이, CB 함량별 BNT-ST 압전 세라믹에 대한 압전 특성 평가를 위하여 P-E, S-E를 측정하여 이력곡선으로 결과를 나타내고 있다.
압전 특성 측정결과, CB의 함량이 증가할수록 Pmax, Pr, Ec, 스트레인(Strain) 값이 0.10/BNT-ST까지는 증가하지만, 이후에는 모든 값이 감소하고 있는 것을 확인할 수 있다. 이러한 이유는 CB의 첨가로 BNT-ST 압전 세라믹의 테트라고날 상의 비율이 감소되기 때문인 것으로 판단된다.
도 18 및 도 19는 CB 함량별 BNT-ST 압전 세라믹에 대한 PFM 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 18 및 도 19에 도시된 바와 같이, 인가 전압 -10 ~ +10까지 에서 측정된 PFM 측정 결과, 모든 압전 세라믹에서 위상 변화는 180°가 확인되었으며, 각 측정 결과를 바탕으로 d33* 계산 결과는 각각 다음과 같이 계산되었다(BNT-ST : 72 pm/V, 0.05/BNT-ST : 74 pm/V, 0.10/BNT-ST : 76 pm/V, 0.15/BNT-ST : 76pm/V, 0.20/BNT-ST : 76 pm/V, 0.25/BNT-ST : 75 pm/V).
즉, CB의 함량이 증가될수록 d33*의 값은 증가되지만, 너무 많은 양의 CB가 첨가되면 오히려 압전 성능이 저하되는 것을 확인하였다.
표 4는 CB 함량별 BNT-ST 압전 세라믹에 대한 압전 특성을 나타낸 것이다.
[표 4]
표 4에 도시된 바와 같이, CB 함량별 BNT-ST 압전 세라믹에 대한 압전 특성을 평가한 결과, CB의 함량이 증가할수록 d33, g33, Kp, Kt, Qm은 각각 증가되다 0.15/BNT-ST에서 점차 감소하고 있는 것을 확인할 수 있다.
이는 CB함량이 적정량 첨가되면 압전 특성에 긍정적인 영향을 미치지만, 너무 과량으로 첨가되면 압전 성능이 감소됨을 의미한다. 따라서, CB의 함량이 최적화된 압전 세라믹은 0.10/BNT-ST 압전 세라믹인 것을 확인하였다.
도 20은 CB 함량별 BNT-ST 압전섬유에 대한 SEM 측정 결과를 나타낸 사진이고, 도 21 및 도 22는 CB 함량별 BNT-ST 압전섬유에 대한 특성 평가 결과를 나타낸 것이다.
도 20에 도시된 바와 같이, CB가 포함된 BNT-ST 압전섬유의 경우, CB가 포함되지 않은 BNT-ST 압전섬유 보다 직경이 증가하였는데, 이는 CB가 BNT-ST 압전섬유 안에 포함되기 때문인 것으로 판단된다.
아울러, 도 21에 도시된 바와 같이, CB가 포함된 BNT-ST 압전섬유와 CB가 포함되지 않은 BNT-ST 압전섬유의 PFM 측정 결과, PFM으로 전기적 자극을 주었을 때 CB가 포함된 BNT-ST 압전섬유의 경우 직경이 증가되었고, d33 값도 61pm/V에서 66pm/V으로 증가하였다.
또한, 도 22에 도시된 바와 같이, CB 가 포함된 BNT-ST 압전섬유와 CB가 포함되지 않은 BNT-ST 압전섬유의 압전 특성 평가를 위하여 P-E와 S-E를 각각 측정하여 이력곡선으로 결과를 나타내었다.
측정 결과, CB가 포함된 BNT-ST 압전섬유의 경우 Pmax가 18.1μC/㎠ 스트레인 0.12%로 CB 가 포함되지 않은 BNT-ST 압전섬유에 비해(Pmax (14.36 μC/cm2) 스트레인 (0.09%)) 더 우수한 압전 특성을 나타내었다.
뿐만 아니라, Pr 과 Ec 또한 CB 가 포함된 BNT-ST 압전섬유가 Pr (11.79 μC/cm2), Ec (0.71 kV/mm)로 CB 가 포함되지 않은 BNT-ST 압전섬유 Pr (10.71 μC/cm2) 및 Ec (0.38 kV/mm) 보다 우수하였다. 즉, CB가 포함된 BNT-ST 압전섬유의 압전 특성이 모두 우수하였다.
도 23은 압전 에너지 하베스터(PEHM)의 개수에 따른 발전량 측정 결과를 나타낸 것이다. 여기서, 도 23의 (a)는 CB가 첨가되지 않은 PEHM의 개수별 발전량을 나타낸 것이고, 도 23의 (b)는 CB(0.10wt%)가 첨가된 PEHM의 개수별 발전량을 나타낸 것이다.
도 23의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이, CB가 첨가된 BNT-ST 압전섬유를 이용한 압전 에너지 하베스터(PEHM)의 발전량이 CB가 첨가되지 않은 BNT-ST 압전섬유를 이용한 압전 에너지 하베스터(PEHM) 보다 전압과 전류 모두 상승하였다.
또한, 압전 에너지 하베스터(PEHM)의 경우, 개수가 증가될수록 전압과 전류 모두 비례하여 상승하고 있다. 따라서, 높은 전압과 전류를 얻기 위하여 압전 에너지 하베스터(PEHM)의 개수를 증가시켜 주면 효과적이라는 것을 입증하였다.
도 24는 TEHM에 방사된 압전섬유의 CB 첨가 여부에 따른 발전량 및 TEHM의 넓이에 따른 발전량을 전압 및 전류로 측정한 결과를 나타낸 것이다. 여기서, 도 24의 (a)는 CB가 첨가되지 않은 BNT-ST 압전섬유를 이용한 마찰전기 에너지 하베스터(TEHM)의 발전량이고, 도 24의 (b)는 CB/BNT-ST 압전섬유를 이용한 마찰전기 에너지 하베스터(TEHM)의 발전량을 나타낸 것이다.
도 24의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이, CB가 첨가되지 않은 BNT-ST 압전섬유를 이용한 마찰전기 에너지 하베스터(TEHM)의 발전량과 CB/BNT-ST 압전섬유를 이용한 마찰전기 에너지 하베스터(TEHM)의 발전량이 나타나 있다.
여기서, CB/BNT-ST 압전섬유를 이용한 마찰전기 에너지 하베스터(TEHM)의 경우가 전압 및 전류 모두 더 높게 측정되었다.
특히, CB/BNT-ST 압전섬유를 이용한 마찰전기 에너지 하베스터(TEHM)의 경우, 전류가 CB가 첨가되지 않은 BNT-ST 압전섬유를 이용한 마찰전기 에너지 하베스터(TEHM)에 비해 많이 개선된 것을 알 수 있는데, 이는 CB의 첨가로 전류가 상승하였기 때문이다.
또한, CB/BNT-ST 압전섬유를 이용한 마찰전기 에너지 하베스터(TEHM)의 경우, 넓이가 증가될수록 전압 및 전류가 증가되는데, 이는 넓이가 넓어질수록 마찰전기 에너지 하베스터(TEHM)의 접촉면이 증가되기 때문인 것으로 판단된다.
도 25는 TEHM에 방사된 압전섬유의 CB 함량에 따른 전류 증가 원인을 설명하기 위한 그래프이다.
도 25에 도시된 바와 같이, CB의 첨가로 인하여 마찰전기 에너지 하베스터(TEHM)에서의 전류이 증가하는 이유는 CB 를 첨가함으로써 표면 에너지의 차이가 커지기 때문인 것으로 판단된다.
PDMS의 표면 에너지는 5.7eV이며, BNT-ST 압전섬유의 표면에너지는 5.1eV이다. 또한, CB의 표면에너지는 4.5eV 인데, BNT-ST에 CB를 첨가한 CB/BNT-ST 압전섬유의 경우 표면에너지가 4.8eV로 감소하게 된다. 이 결과, PDMS와의 표면에너지 차이가 증가하기 때문에 PDMS와 CB/BNT-ST의 전위차가 기존의 BNT-ST의 전위차 보다 크기 때문에 전자의 이동량이 증가하여 전류가 증가되는 것이다.
도 26은 TEHM의 다양한 조건에서의 전압 및 전류 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 26에 도시된 바와 같이, 압전-마찰전기 올인원 에너지 하베스터 모듈(HEHM)의 접촉 속도에 따른 전압 및 전류 측정 결과, 접촉속도가 증가하여도 전압은 거의 일정하였다. 그러나, 전류 값은 접촉속도가 증가할수록 점점 증가하고 있는 것을 확인할 수 있다.
이러한 이유는 압전-마찰전기 올인원 에너지 하베스터 모듈(HEHM)의 접촉속도가 증가될수록 모듈의 전자의 이동량이 증가되기 때문인 것으로 판단된다(전류는 전자의 이동량과 비례 관계임).
또한, 압전-마찰전기 올인원 에너지 하베스터 모듈(HEHM)의 개수가 증가될 때, 전압과 전류를 측정한 결과, 모듈의 개수가 증가되면 전압 및 전류 모두 증가하고 있는 것을 확인하였다.
도 27은 TEHM을 어플리케이션으로 사용하기 위한 다양한 실험 결과를 나타낸 것이다.
도 27에 도시된 바와 같이, 최적화된 압전-마찰전기 올인원 에너지 하베스터 모듈(HEHM)을 어플리케이션으로 사용하기 위하여 다양한 실험 진행하였다.
도 27의 (a)는 커패시턴스 충전 실험으로 1.0μF을 100sec 동안 작동하였을 때 25V의 충전 시간을 측정한 결과를 나타낸 것으로, 압전 에너지 하베스터(PEHM)은 100sec 경과 후에도 충전을 완료하지 못하였고, 마찰전기 에너지 하베스터(TEHM)은 40sec 만에 충전이 완료되었다.
반면, 압전-마찰전기 올인원 에너지 하베스터 모듈(HEHM)의 경우에는 25sec 만에 충전이 완료되어, 압전-마찰전기 올인원 에너지 하베스터 모듈(HEHM)의 충전 능력이 가장 우수하였다.
도 27의 (b)는 마찰전기 에너지 하베스터(TEHM)의 넓이 및 압전 에너지 하베스터(PEHM)의 개수를 각각 조절하였을 때 다양한 전압 값이 측정되었으며, 이는 실생활에서 다양하게 적용할 때, 다양한 전압을 모듈의 개수 및 넓이로 조절가능한 것을 확인하였다.
도 27의 (c), (d)는 마찰전기 에너지 하베스터(TEHM)와 압전-마찰전기 올인원 에너지 하베스터 모듈(HEHM)을 이용하여 LED 전구 및 전자 계산기 작동을 확인한 결과 압전-마찰전기 올인원 에너지 하베스터 모듈(HEHM)이 마찰전기 에너지 하베스터(TEHM)보다 LED 작동에서 더 밝은 빛을 나타내었으며, 전자계산기에 작동에서도 우수하게 작동시킬 수 있었다. 따라서, 압전-마찰전기 올인원 에너지 하베스터 모듈(HEHM)의 효율이 마찰전기 에너지 하베스터(TEHM) 및 압전 에너지 하베스터(PEHM) 보다 우수한 것을 확인하였다.
도 28은 HEHM의 내구성 평가 결과를 나타낸 것이다.
도 28에 도시된 바와 같이, 최적화된 압전-마찰전기 올인원 에너지 하베스터 모듈(HEHM)의 10,000회 접촉운동 후의 발전량을 평가한 결과, 압전-마찰전기 올인원 에너지 하베스터 모듈(HEHM)의 발전량이 감소되지 않았다. 이는 내구성이 우수함을 의미한다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
100 : 압전-마찰전기 올인원 에너지 하베스터 모듈
120 : 압전 에너지 하베스터
123 : 압전 전극층
126 : 제1 압전 섬유층
140 : 마찰전기 에너지 하베스터
142 : 제1 마찰 전극층
144 : 마찰 경화층
146 : 제2 마찰 전극층
148 : 제2 압전 섬유층
160 : 접착 부재
120 : 압전 에너지 하베스터
123 : 압전 전극층
126 : 제1 압전 섬유층
140 : 마찰전기 에너지 하베스터
142 : 제1 마찰 전극층
144 : 마찰 경화층
146 : 제2 마찰 전극층
148 : 제2 압전 섬유층
160 : 접착 부재
Claims (13)
- 제1 압전 섬유층 및 제1 압전 섬유층의 적어도 일면에 배치된 압전 전극층을 갖는 압전 에너지 하베스터;
제1 마찰 전극층 및 상기 제1 마찰 전극층 상에 배치된 마찰 경화층과, 상기 제1 마찰 전극층 및 마찰 경화층과 일측 변이 책 구조로 절첩되게 부착되는 제2 마찰 전극층 및 상기 제2 마찰 전극층 상에 형성되어, 상기 마찰 경화층과 대면하는 제2 압전 섬유층을 갖는 마찰전기 에너지 하베스터; 및
상기 압전 에너지 하베스터 상에 부착되어, 상기 압전 에너지 하베스터를 상기 마찰전기 에너지 하베스터의 타측 변에 연결시키기 위한 접착 부재;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경 에너지원으로 사용 가능한 책 구조의 압전-마찰전기 올인원 에너지 하베스터 모듈.
- 제1항에 있어서,
상기 제1 및 제2 마찰 전극층 각각은
알루미늄(Al), 구리(Cu), 티타늄(Ti), 은(Ag), 금(Au) 및 니켈(Ni) 중 선택된 1종 이상의 재질로 형성된 것을 특징으로 하는 친환경 에너지원으로 사용 가능한 책 구조의 압전-마찰전기 올인원 에너지 하베스터 모듈.
- 제1항에 있어서,
상기 마찰 경화층은
PDMS(polydimethyl siloxane)에 경화제가 첨가된 것이 이용되는 것을 특징으로 하는 친환경 에너지원으로 사용 가능한 책 구조의 압전-마찰전기 올인원 에너지 하베스터 모듈.
- 제1항에 있어서,
상기 마찰 경화층은
복수의 돌기를 구비하며, 상기 복수의 돌기는 매트릭스 배열 구조로 이격 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 친환경 에너지원으로 사용 가능한 책 구조의 압전-마찰전기 올인원 에너지 하베스터 모듈.
- 제1항에 있어서,
상기 제1 및 제2 압전 섬유층 각각은
고분자 수지와,
상기 고분자 수지 내에 분산 배치된 전도성 분말이 첨가된 무연계 압전 세라믹을 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경 에너지원으로 사용 가능한 책 구조의 압전-마찰전기 올인원 에너지 하베스터 모듈.
- 제5항에 있어서,
상기 전도성 분말은
상기 무연계 압전 세라믹 전체 중량의 0.01 ~ 0.30 중량%의 함량비로 첨가된 것을 특징으로 하는 친환경 에너지원으로 사용 가능한 책 구조의 압전-마찰전기 올인원 에너지 하베스터 모듈.
- 제1항에 있어서,
상기 접착 부재는
PET 테이프(polyethylene terephthalate tape), PI 테이프(polyimide tape), PE 테이프(polyethylene tape) 및 PP 테이프(polypropylene tape) 중 선택된 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경 에너지원으로 사용 가능한 책 구조의 압전-마찰전기 올인원 에너지 하베스터 모듈.
- 적어도 둘 이상이 수평 방향을 따라 접촉되도록 적층되어, 상호 간이 전기적으로 연결되는 친환경 에너지원으로 사용 가능한 책 구조의 압전-마찰전기 올인원 에너지 하베스터 모듈로서,
상기 압전-마찰전기 올인원 에너지 하베스터 모듈 각각은
제1 압전 섬유층 및 제1 압전 섬유층의 적어도 일면에 배치된 압전 전극층을 갖는 압전 에너지 하베스터;
제1 마찰 전극층 및 상기 제1 마찰 전극층 상에 배치된 마찰 경화층과, 상기 제1 마찰 전극층 및 마찰 경화층과 일측 변이 책 구조로 절첩되게 부착되는 제2 마찰 전극층 및 상기 제2 마찰 전극층 상에 형성되어, 상기 마찰 경화층과 대면하는 제2 압전 섬유층을 갖는 마찰전기 에너지 하베스터; 및
상기 압전 에너지 하베스터 상에 부착되어, 상기 압전 에너지 하베스터를 상기 마찰전기 에너지 하베스터의 타측 변에 연결시키기 위한 접착 부재;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경 에너지원으로 사용 가능한 책 구조의 압전-마찰전기 올인원 에너지 하베스터 모듈.
- 제8항에 있어서,
상기 압전-마찰전기 올인원 에너지 하베스터 모듈은
인접한 2개가 상호 대칭 구조로 배열되어, 상호 간이 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 친환경 에너지원으로 사용 가능한 책 구조의 압전-마찰전기 올인원 에너지 하베스터 모듈.
- 제1 압전 섬유층을 압전 전극층과 압착하여 압전 에너지 하베스터를 형성하는 단계;
제1 마찰 전극층 및 마찰 경화층과, 상기 제1 마찰 전극층 및 마찰 경화층과 일측 변이 책 구조로 접첩되게 제2 마찰 전극층 및 제2 압전 섬유층을 부착하여 마찰전기 에너지 하베스터를 형성하는 단계; 및
상기 압전 에너지 하베스터 상에 접착 부재를 배치하고, 상기 접착 부재를 매개로 상기 압전 에너지 하베스터를 상기 마찰전기 에너지 하베스터의 타측 변에 연결시키는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경 에너지원으로 사용 가능한 책 구조의 압전-마찰전기 올인원 에너지 하베스터 모듈 제조 방법.
- 제10항에 있어서,
상기 제1 및 제2 압전 섬유층 각각은
고분자 수지와,
상기 고분자 수지 내에 분산 배치된 전도성 분말이 첨가된 무연계 압전 세라믹을 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경 에너지원으로 사용 가능한 책 구조의 압전-마찰전기 올인원 에너지 하베스터 모듈 제조 방법.
- 제11항에 있어서,
상기 전도성 분말은
상기 무연계 압전 세라믹 전체 중량의 0.01 ~ 0.30 중량%의 함량비로 첨가된 것을 특징으로 하는 친환경 에너지원으로 사용 가능한 책 구조의 압전-마찰전기 올인원 에너지 하베스터 모듈 제조 방법.
- 제10항에 있어서,
상기 접착 부재는
PET 테이프(polyethylene terephthalate tape), PI 테이프(polyimide tape), PE 테이프(polyethylene tape) 및 PP 테이프(polypropylene tape) 중 선택된 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경 에너지원으로 사용 가능한 책 구조의 압전-마찰전기 올인원 에너지 하베스터 모듈 제조 방법.
Priority Applications (1)
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| KR1020210106566A KR102588571B1 (ko) | 2021-08-12 | 2021-08-12 | 친환경 에너지원으로 사용 가능한 책 구조의 압전-마찰전기 올인원 에너지 하베스터 모듈 및 그 제조 방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1020210106566A KR102588571B1 (ko) | 2021-08-12 | 2021-08-12 | 친환경 에너지원으로 사용 가능한 책 구조의 압전-마찰전기 올인원 에너지 하베스터 모듈 및 그 제조 방법 |
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Family
ID=85328340
Family Applications (1)
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| KR1020210106566A KR102588571B1 (ko) | 2021-08-12 | 2021-08-12 | 친환경 에너지원으로 사용 가능한 책 구조의 압전-마찰전기 올인원 에너지 하베스터 모듈 및 그 제조 방법 |
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Family Cites Families (2)
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|---|---|---|---|---|
| KR102052907B1 (ko) * | 2016-12-28 | 2019-12-06 | 제주대학교 산학협력단 | 하이브리드 방식의 전력발전소자 및 이의 제조방법 |
| KR20210059933A (ko) * | 2019-11-18 | 2021-05-26 | 한국세라믹기술원 | 올인원 구조의 압전 및 마찰 하이브리드 에너지 하베스터 모듈 |
-
2021
- 2021-08-12 KR KR1020210106566A patent/KR102588571B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (2)
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|---|---|---|---|---|
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Shaobo Gong et al., "Biocompatible Poly(lactic acid)-Based Hybrid Piezoelectric and Electret Nanogenerator for Electronic Skin Applications", Advanced Functional Materials. 30, 1908724 (2020) |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20230024599A (ko) | 2023-02-21 |
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