KR20030059223A - 나노스케일 압전 발생 시스템 - Google Patents

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KR20030059223A
KR20030059223A KR10-2003-7006150A KR20037006150A KR20030059223A KR 20030059223 A KR20030059223 A KR 20030059223A KR 20037006150 A KR20037006150 A KR 20037006150A KR 20030059223 A KR20030059223 A KR 20030059223A
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프레데릭 제이. 허만
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록히드 마틴 코포레이션
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Abstract

호스트 장치를 사용하기 위한 전기를 공급하는 시스템 및 방법. 시스템은 구조물 및 인터페이스를 포함한다. 구조물은 매트릭스에 관련하여 배열된 단중벽 탄소 나노튜브의 어레이를 포함한다. 동작시에, 시스템은 전기의 압전 발생을 용이하게 하기 위한 힘의 수신한다. 특히, 어레이는 힘을 수신하여 그로부터 전기를 압전으로 발생시킨다. 어레이는 인터페이스에 전기적으로 접속된다. 인터페이스는 구조물이 인터페이스에 접속된 전기 장치에 전기를 공급하도록 한다.

Description

나노스케일 압전 발생 시스템{NANOSCALE PIEZOELECTRIC GENERATION SYSTEMS BACKGROUND OF THE INVENTION}
예를 들어 전기 모터 자동차, 원격 감지 시스템, 컴퓨터, 셀룰러 폰, 및 개인 데이터 보조 장치(PDA)와 같은 휴대용이며 무선의 정보 장치와 같은 다수의 일반적인 호스트 시스템은 전기로 동작한다. 그러나 상기 이동 호스트 장치들의 동작 수명은 종종 상기 장치가 예를 들면 벽면 콘센트와 같이 표준 전원으로부터 떨어진 위치에서 사용되기 때문에 제한된다.
일반적으로, 먼 위치에서 호스트 장치를 동작시키기 위해 배터리 시스템 및/또는 석유 동력의 발전 장치와 같은 휴대용 발전 시스템은 전기를 공급하도록 사용된다. 배터리 시스템은 휴대용 컴퓨터 및 셀룰러 폰과 같은 소형 전기 장치에 널리 사용되지만, 대형 장치들은 휴대용 발전기 또는 발전기 및 배터리 시스템을 특징으로 하는 하이브리드 시스템을 필요로한다.
부적절하게, 시스템 및/또는 휴대용 발전기는 추가적인 복잡성과 배터리 호스트 장치에 전기를 공급하기 위한 유효 동작 수명 때문에 불리하다. 예를 들면, 전기 에너지가 소모된 배터리 시스템이 표준 전기 콘센트에 접속함으로써 재충전하거나 또다른 배터리로 대체하기 때문에 호스트 장치는 전기의 일정한 공급을 통해 동작을 계속할 수 있다. 유사하게, 전압을 발생시키기 위한 관련 구성부분을 구동시키기 위해, 발전기는 예를 들면 화석 연료, 핵 연료 로드, 및 수소 연료셀과 같은 연료원으로 연료를 제공할 것을 요구한다.
전기기반의 장치에 대한 우리의 상호의존성이 증가하고 있지만, 현존하는 원격 발전 시스템은 유효 동작 수명이 연장되거나 계속적으로 전기를 공급할 수 없다.
종래 기술의 다수의 다른 문제 및 단점은 본 명세서에서 설명되는 바와 같이 본 발명과 종래기술을 비교함으로써 당업자에게 명백할 것이다.
본 발명은 일반적으로 물리적인 힘이 작용함으로써 전기를 발생시키는 재료 구조물에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 호스트 장치를 사용하기 위한 전기를 발생시키기 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다. 시스템은 물리적인 힘을 수신하여 그로부터 압전으로 전기를 발생시키기 위한 단중벽 탄소 나노튜브의 어레이를 특징으로 한다.
당업자는 도면의 엘리먼트가 단순함과 명확함을 위해 도시되었으며, 필수적으로 표준에 맞게 그려진 것은 아님을 이해하고 있다. 예를 들면, 본 발명의 실시예에 대한 이해를 돕기 위해, 도면에서 임의의 엘리먼트가 다른 엘리먼트와 관련하여 과장될 수 있다.
본 발명은 예시적인 방식으로 설명되고, 첨부된 도면에 의해 제한받지 않는다.
도 1은 본 발명에 따라 전기를 발생시키고 단중벽 탄소 나노튜브의 어레이를 포함하는 시스템을 도시하는 개요도이다.
도 2는 압전으로 전기를 발생시키기 위한 시스템의 또다른 실시예를 설명하는 개요도이다.
도 3은 압전으로 전기를 발생시키기위해 구성된 것과 같은 단중벽 탄소 나노튜브의 다양한 격자 구조물을 설명하는 개요도이다.
도 3a는 전기적으로 절연인 애플리케이션을 위한 지그재그의 격자를 도시한다.
도 3b는 전기적으로 반도성의 애플리케이션을 위한 나선형 격자를 도시한다.
도 3c는 전기적으로 높은 전도성의 애플리케이션을 위한 이론적 격자를 도시한다.
도 4는 도 1의 단중벽 탄소 나노튜브의 어레이를 생성하기 위한 구조물 형성 어셈블리를 설명하는 개요도이다.
도 5는 어레이에 관련하여 임의의 성향의 단중벽 탄소 나노튜브의 배열을 도시하는 개요도이다.
도 6은 어레이에 관련하여 임의의 성향의 단중벽 탄소 나노튜브의 배열을 도시하는 개요도이다.
도 7은 어레이에 관련하여 임의의 성향의 단중벽 탄소 나노튜브의 배열을 도시하는 개요도이다.
도 8은 기계적인 파동에 기초하여 전기를 발생시키기 위한 시스템을 설명하는 개요도이다.
도 9는 인터페이스와 단중벽 탄소 나노 튜브의 어레이를 전기적으로 접속하는 성향을 포함하는 도 8의 시스템을 상세히 설명하는 개요도이다.
탄소의 일반적인 3가지 동소체는 다이아몬드, 흑연, 및 벅키볼(Buckyball)과 같은 풀러렌(fullerene)이다. 예를 들어, 탄소 나노튜브는 스틸 및 다른 재료보다 더 우수한 물리적인 강도 및 변형(strain) 뿐만아니라 압전 특성을 포함하는 전기적 특성을 나타내지만 현존하는 세라믹 또는 폴리머 복합재와 유사하거나 그 이하의 매우 낮은 밀도 특성을 나타내는 새로운 형태의 풀러렌이다.
탄소 나노튜브는 일반적으로 중공의, 튜브형 풀러렌 구조물이다. 탄소 나노튜브는 일반적으로 6각형이며 때때로 7각형 및 5각형의 격자 조합체를 가지는 두가지 크기의 시트로 구성된다. 시트는 서로 포개지며 종종 풀러렌 캡에 의해 양 끝단에서 덮어진다. 튜브형이기 때문에, 탄소 나노튜브는 가능하게 그 직경보다 수백만배 더 큰 길이를 가지는 스트랜드를 형성하도록 바깥쪽으로 연장한다.
압전 특성은 물리적인 힘에 영향받는 경우 탄소 나노튜브와 결합된 절연 결정 구조물에서의 전기의 발생을 포함하는 것이 추가되어야만 한다. 또한, 탄소 나노튜브는 결정 격자 구조물의 배열에 따라 절연의, 반도성의, 금속성 전기 특성의 결합을 가지는 변형을 포함한다. 특히, 나선형 또는 트위스트형의 나노튜브는 전도성, 밀도, 격자 구조물, 및 나노튜브에 관련된 다른 특성을 갖는다.
본발명의 성향은 호스트 장치를 사용하기 위한 전기를 공급하기 위한 시스템 및 방법에서 발견된다. 한 예시적인 실시예에서, 시스템은 매트릭스에 관련하여 배열된 단중벽 탄소 나노튜브의 어레이를 포함하는 구조물을 포함한다.
동작시에, 시스템은 전기의 압전 발생을 용이하게 하기 위한 힘을 수신한다. 특히, 어레이는 힘을 수신하여 압전으로 전기를 발생시킨다. 시스템은 추가로 어레이에 전기적으로 접속된 인터페이스를 포함한다. 인터페이스는 구조물이 인터페이스에 접속된 전기 장치에 전기를 공급하도록 한다.
한 성향에서, 시스템은 인터페이스에 전기적으로 접속된 배터리 어셈블리를 포함한다. 동작시에, 배터리 어셈블리는 어레이로부터 전기를 수신한다.
한 성향에서, 인터페이스는 컨버터를 포함한다. 컨버터는 어레이로부터 전기를 수신하여 직류 및 교류사이의 변환을 제공한다.
한 예시적인 실시예에서, 어레이는 복수의 절연 단중벽 탄소 나노튜브를 포함한다. 또다른 예시적인 실시예에서, 어레이는 복수의 반도성 단중벽 탄소 나노튜브를 포함한다. 또다른 예시적인 실시예에서, 어레이는 복수의 전도성 단중벽 탄소 나노튜브를 포함한다.
한 성향에서, 호스트 장치는 마이크로 전기기계 시스템(MEM)을 포함한다. 또다른 성향에서, 호스트 장치는 1*10-9미터 범위내의 크기인 시스템으로 참조하는 나노스케일 시스템을 포함한다. 한 예시적인 실시예에서 구조물은 스프링을 포함하는것이 추가되어야만 한다.
또다른 성향에서, 방법은 호스트 장치를 사용하기 위한 전기를 공급하는 것을 포함한다. 또한, 방법은 어레이에 전기적으로 접속된 인터페이스를 통해 어레이로부터 전기를 수신하기 위한 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 성향, 장점 및 신규한 특성은 다음의 첨부된 도면을 참조로 하여 상세히 설명될 것이다.
본 발명의 바람직한 실시예는 참조를 위해 사용되는 도면부호 및 다양한 도면의 해당 부분을 나타내는 도면에서 설명된다. 그러나, 개시된 실시예가 곧 다양한 형태로 실시될 수 있는 본 발명의 예는 아니라는 점이 이해된다.
도 1은 호스트 장치(50)를 사용하기 위한 발전 시스템(10)의 한 성향을 나타낸다. 일반적으로, 시스템(10)은 전기를 압전으로 발생시키는 것을 용이하게 하기 위한 힘을 수신한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 시스템(10)은 구조물(20)를 포함한다. 구조물(20)는 매트릭스(21) 및 매트릭스(21)에 배열된 단중벽 탄소 나노튜브(22)의 어레이를 포함한다.
동작시에, 구조물(20)은 힘을 수신한다. 그와 같이 힘은 전기를 압전으로 발생시키기 위해 어레이(22)를 이동시킨다.
효듈적으로, 전기는 초기위치로부터 기계적으로 이동된 각각의 단중벽 탄소 나노튜브에 대하여 압전으로 발생된다. 따라서, 일괄적으로 각각의 단중벽 탄소 나노튜브를 서로 통합하여, 어레이(22)는 각각 기계적으로 이동된 단중벽 탄소 나노튜브의 전체 합에 의해 특징지어지는 전기를 발생시킨다.
구조물(20)에 의해 발생되는 전기의 양은 어레이(22)를 형성하는 탄소 나노튜브의 전체 갯수에 따라 결정된다. 구조물에 의해 발생되는 전기의 양은 추가로 구조물(20), 매트릭스(21) 및 어레이(22)의 형태 및 크기의 구성에 따라 결정된다. 구조물(20)에 의해 발생된 전기의 양은 추가로 어레이(22)에 의해 제공되는 각각의 단중벽 탄소 나노튜브의 격자 구조물의 형태 및 크기의 구성에 따라 결정된다. 명백하게, 예를 들어, 어레이(22)는 복수의 절연 단중벽 탄소 나노튜브(26), 복수의 반도성 단중벽 탄소 나노튜브(27), 및/또는 전도성 또는 고전도성 탄소 나노튜브(28)의 어레이를 포함할 수 있다.
당업자는 구조물(20)이 전기를 압전으로 발생하기 위해 힘의 이동을 제공하기 때문에 임의의 형태 또는 크기의 구성으로 배열될 수 있다. 따라서, 도 1에 문자 "C"로써 도시된 바와 같이, 압축적인 힘이 구조물에 영향을 미치기 때문에 어레이(22)는 기계적으로 이동된다. 탄소 나노튜브가 이동되기 때문에 상기 힘의 영향이 압전으로 전기를 발생시킨다. 명백하게, 유사한 방식으로, 어레이(22)는 도 1에 문자 "T"에 의해 도시된 장력이 구조물(20)상에서 영향을 받기 때문에 전기를 압전으로 발생시킨다.
도 1에 도시된 한 예시적인 실시예에서, 구조물(20)은 스프링 형태를 포함한다. 따라서, 초기 위치로부터의 이동 및 스프링 구조물(20)에 의한 초기 위치로의 귀환 이동은 어레이(22)가 이동함으로써 전기의 향상된 압전 발전을 제공한다.
한 예시적인 실시예에서, 매트릭스(21)는 어레이(22)를 전기적으로 조절하기 위한 재료로 구성된다. 한 예시적인 실시예에서, 매트릭스(21)는 적어도 하나의전해질의 재료를 포함한다. 한 예시적인 실시예에서, 매트릭스(21)는 어레이(22)의 이동을 조절하기 위해 예를 들면 탄성 중합체 또는 스마트 재료와 같은 탄성 재료로 구성된다.
하기에서 상세히 논의되는 바와 같이, 한 예시적인 실시예에서, 어레이(22)는 전기의 압전 발생을 효과적으로 이루기위해 매트릭스(21)에 관련하여 배열된다. 명맥하게, 도 1 및 도 2의 예시적인 실시예를 위해 어레이(22)는 메시형 또는 "네트형" 구성을 포함한다. 그와 같이, 어레이(22)를 한정하는 단중벽 탄소 나노튜브는 압전 발생을 위한 전기 회로를 형성하고 구조물(20)로부터 전기를 전송하기 위해 네트형 또는 메시형 구성으로 배열된다. 또한, 각각의 탄소 나노튜브의 강도 및 파열 특성 때문에 메시형 구조물은 탄소 나노튜브가 매트릭스(21)를 강화시킴으로써 마침내 구조물(20)는 기계적인 힘에 의해 반복되는 이동에도 불구하고 최적의 형태 및 크기를 유지한다. 한 예시적인 실시예에서, 명백하게 단중벽 탄소 나노튜브의 어레이(22)에 의해 제공된 네트형 구성은 스프링 구성을 가지는 구조물(20)을 강화시킨다. 한 선택적인 실시예에서, 도 9의 어레이(84)는 팬형을 포함하기 때문에 구조물(28)의 말단 부분은 덜 이동하며, 따라서 더 적은양의 단중벽 탄소 나노튜브를 포함하는 반대 부분과 비교되는 것과 같이 더 집중된 단중벽 탄소 나노튜브를 갖는다.
도 1을 참조로 하여, 시스템(10)은 어레이(22)에 전기적으로 접속된 인터페이스(30)를 더 포함한다. 유효하게, 인터페이스(30)는 어레이(22)에 의해 발생된 전기를 수신한다. 또한, 인터페이스(30)는 전기 장치에 링크됨으로써 전기는 인터페이스(30)를 통해 어레이(22)로부터 다른 배터리 어셈블리 또는 호스트 장치와 같은 전기 장치에 전송된다.
한 예시적인 실시예에서, 도 1에 도시된 바와 같이, 인터페이스(30)는 리드 어셈블리(35)를 포함한다. 리드 어셈블리(35)는 어레이(22)에 전기적으로 접속되어 전기는 구조물(20)로부터 리드 어셈블리(35)로 전송된다. 리드 어셈블리(35)는 라인(31)을 포함한다. 유효하게, 전기는 라인(31)에 의한 인터페이스(30)를 통해 리드 어셈블리(35)로부터 전송된다.
한 예시적인 실시예에서, 인터페이스는 컨버터(33)를 포함한다. 컨버터(33)는 어레이(22)로부터 전기를 수신하여 직류 및 교류의 변환을 제공한다. 또한 한 예시적인 실시예에서, 컨버터(33)는 업계에서 잘 알려진 인버터 형태를 포함한다. 그 예로는 New Jersey, Cedar knolls의 TDI에 의한 5.0kW DC-AC 사인파 인버터가 있다.
도 1을 참조로 하여, 시스템(10)은 인터페이스에 전기적으로 접속되는 배터리 어셈블리(40)를 더 포함한다. 유효하게, 인터페이스(30)를 통해 어레이(22)로부터 수신된 전기는 배터리 어셈블리(40)를 재충전하기 위해 사용된다. 한 예시적인 실시예에서, 인터페이스(30)는 배터리 어셈블리(40)를 서서히 재충전시키기 위해 소량의 재충전 시퀀스를 실행하기 위한 회로를 포함한다. 한 예시적인 실시예에서, 배터리 어셈블리(40)는 구조물(22)에 의해 재충전을 위한 복수의 배터리를 포함한다.
결국, 참조 화살표(44)에 의해 도 1에 도시된 바와 같이, 어레이(22)에 의해발생된 전기는 시스템(10)으로부터 호스트 장치(50)로 전송된다. 당업자는 호스트 장치가 예를 들면 직류 또는 교류의 동작을 위해 전기를 필요로 하는 임의의 장치 또는 장치들을 포함함을 인식할 것이다. 예를 들면, 호스트 장치등은 셀룰러 전화기, 디지털 카메라 및 휴대용 컴퓨터를 포함할 수 있다.
당업자는 다른 예시적인 실시예가 호스트 장치(50)에 전기를 제공하기 위해 인터페이스(30)에 배터리 어셈블리(40)를 접속하는 것을 요구하지는 않을 것임을 인식할 것이다. 선택적으로, 컨버터(33)에 접속된 인터페이스(30)는 호스트 시스템(50)에 직접 교류를 제공할 수 있다.
최종적으로, 호스트 장치(50)에 전기를 제공하기 위한 시스템(10)의 동작은 다음과 같다. 구조물(20)에서 영향을 받은 기계적인 힘은 어레이(22)를 이동시킴으로써 어레이(22)를 포함하는 탄소 나노튜브는 압전으로 전기를 발생시킨다. 어레이(22)는 구조물(20)로부터 인터페이스(30)로 발생된 전기를 전송하기 위해 회로를 형성한다. 인터페이스(30)는 호스트 디바이스(50)에 전기를 제공하기 위해 시스템(10)에 의해 제공된다.
도 2의 예시적인 실시예를 참조로 하여, 시스템(110)은 호스트 장치(155)를 사용하기 위한 전기를 발생시킨다. 한 예시적인 실시예에서 호스트 장치(155)가 마이크로 전기기계(MEM) 시스템을 포함함으로써 탄소 나노튜브는 어레이(122)로부터 호스트 장치(155)에 의해 소모되는 전기를 압전으로 발생시킨다. 한 예시적인 실시예에서, 호스트 장치(155)는 1*10-6미터 내지 1*10-9미터사이의 범위의 크기인시스템을 포함하므로, 어레이(122)로부터의 탄소 나노튜브는 호스트 장치(155)에 의해 소모되는 전기를 압전으로 발생시킨다. 한 예시적인 실시예에서, 호스트 장치(155)는 약 1*10-9미터크기인 시스템을 포함하므로 어레이(122)로부터의 탄소 나노튜브는 호스트 장치(155)에 의해 소모되는 전기를 압전으로 발생시킨다.
도 2의 예시적인 실시예는 도 1의 예시적인 실시예와 유사하다. 그러나 선택적으로, 도 2의 시스템(110)은 MEMs 호스트 장치(155)에 전기를 제공한다. 그와 같이, 시스템(110)은 매트릭스(121)에 관련하여 배열된 어레이(122)를 가지는 구조물(120)을 포함한다. 어레이(122)는 절연 단중벽 탄소 나노튜브(126), 반도성 단중벽 탄소 나노튜브(127), 및 전도성 단중벽 탄소 나노튜브(128)등을 포함하는 탄소 나노튜브로 구성된다. 시스템(110)은 또한 인터페이스(130)를 포함한다. 인터페이스(130)는 리드 어셈블리(135), 라인(131) 및 선택적으로 컨버터(133)를 포함한다. 시스템(110)은 또한 인터페이스(130)에 결합된 배터리 어셈블리(140)를 포함한다. 결국 도 2에 참조 화살표(144)로 도시된 바와 같이, 시스템(110)은 MEM 호스트 장치(155)에 전기를 제공한다.
도 3은 어레이(22)를 형성하는 단중벽 탄소 나노튜브와 관련된 다양한 격자구조물을 도시한다. 당업자는 어레이(22)가 도 3에 도시된 격자 구조물의 임의의 조합을 포함할 수 있다는 것을 인식하여야한 할 것이다. 따라서, 각각의 탄소 나노튜브는 실제로 각각의 단중벽 탄소 나노튜브의 중심선을 따라 연장한 대칭축(66)을 포함한다.
도 3a는 전기적으로 절연인 단중벽 탄소 나노튜브(228)를 도시한다. 그와 같이, 어레이(22)는 복수의 절연 단중벽 탄소 나노튜브(128)를 포함할 수 있다. 따라서, 절연 단중벽 탄소 나노튜브(228)는 절연 격자 구조물(218)을 포함한다. 도 3a에 도시된 바와 같이, 절연 격자 구조물(218)은 대칭축(66)으로부터 각인 격자 구성을 도시한다. 격자 구조물(218)에 대한 각는 대칭축(66)으로부터 30°이다. 한 예시적인 실시예에서, 격자구조물(218)은 지그재그형 구성을 포함한다. 따라서, 각각의 절연 단중벽 탄소 나노튜브(228)는 그들을 통하는 전기의 흐름을 방해하도록 구성된다.
도 3b를 참조로 하여, 반도성 단중벽 탄소 나노튜브(227)가 도시된다. 한 예시적인 실시예에서, 어레이(22)는 복수의 반도성 단중벽 탄소 나노튜브(227)를 포함한다. 각각의 반도성 단중벽 탄소 나노튜브(227)는 반도성 격자 구조물(217)을 포함한다. 따라서, 도 3b에 도시된 바와 같이, 각각의 격자 구조물(217)는 대칭축(66)으로부터 각에 위치된다. 한 예시적인 실시예에서, 반도성 격자 구조물(217)에 대하여, 각는 0°이상 30°미만이다. 한 예시적인 실시예에서, 격자 구조물(217)은 나선형 구성을 포함한다. 그와 같이, 어레이(22)의 각각의 반도성 단중벽 탄소 나노튜브(227)는 그들을 통과하는 전기의 흐름을 방해하도록 구성된다.
도 3c를 참조로 하여, 전도성 단중벽 탄소 나노튜브(226)가 도시된다. 전도성 단중벽 탄소 나노튜브(226)는 전도성 격자 구조물(216)을 포함한다. 도 3c에도시된 바와 같이, 각각의 격자 구조물(216)은 대칭축(66)에 대해 각 θ에 위치된다. 격자 구조물(216)에 대한 각 θ은 대칭축(66)으로부터 0°이다. 한 예시적인 실시예에서, 격자 구조물(216)은 이론적인 구성을 포함한다. 따라서, 어레이(22)의 각각의 전도성 단중벽 탄소 나노튜브는 그들을 통과하는 전기의 흐름을 촉진시키도록 구성된다.
또한, 한 예시적인 실시예에서,어레이(22)의 각각의 전도성 단중벽 탄소 나노튜브(226)는 그들을 통과하는 고전도성 전기 흐름을 촉진시키도록 구성된다. 특히, 고전도성 구성을 위해, 전도성 격자 구조물(216)은 대칭축(66)에 병렬로 정렬된다. 상기 애플리케이션 및 첨부된 청구항에서, 고전도성이라는 용어는 실제로 손실이 없는 전기를 전송하기 위한 탄소 나노튜브의 능력을 말하는 것임이 추가되어야만 한다. 그러나, 한 예시적인 실시예에서, 당업자는 전기가 어레이와 인터페이스 사이에서 전송되기 때문에 본래의 저항 손실을 인식할 것이다.
요약하면, 어레이(22)의 각각의 단중벽 탄소 나노튜브의 격자 구조물을 변화시키는 것은 그들을 통해 전기를 전도시키는 나노튜브의 능력을 변화시키는 것이다. 애플리케이션에 따라 어레이(22)는 임의의 조합의 절연의, 반도성이며 전도성인 단중벽 탄소 나노튜브를 포함할 수 있다. 또한, 다른 예시적인 실시예에서, 어레이(22)는 단중벽 탄소 나노튜브와는 다른, 예를 들면 유사한 기계적이고 전기적인 특성을 가지는 다중벽 탄소 나노튜브를 포함한다.
도 4는 어레이를 한정하기 위해 단중벽 탄소 나노튜브를 배열한 단중벽 탄소 나노튜브의 임의의 성향을 도시하는 개요도를 나타낸다. 특히, 도 4는 적어도 하나의 어레이에서 포함하는 구조물의 제작을 위한 하나의 예시적인 실시예를 도시한다. 시스템(100)은 구조물(110)에 의해 제공되는 매트릭스에 관한 어레이를 배열한다. 도 4의 시스템(100)에 대하여, 단중벽 탄소 나노튜브의 적어도 한개의 어레이에서 포함하는 구조물(110)은 제어된 환경(105)내에서 형성된다.
특히, 예를 들면, 레이저 시스템과 같은 장치(107)는 구조물(110)을 구성하기 위해 사용된다. 장치(107)의 예는 높은 에너지 밀도의 시스템, 레이저 시스템, 전자빔 장치, 전기 아크(arc) 장치, 화학 증착 장치, 및 분자빔 에피탁시(epitaxi) 장치를 포함한다. 장치(107)는 구성 엘리먼트(108)를 포함한다. 구성 엘리먼트(108)는 매트릭스 및 매트릭스에 관련하여 배열괸 단중벽 탄소 나노튜브의 적어도 한개의 어레이를 포함하는 구조물을 발생한다. 구성 엘리먼트(108)는 전기의 압전 발생을 위해 적어도 한개의 어레이를 한정하기 위한 매트릭스에 관련하여 단중벽 탄소 나노튜브를 배열한다.
명백하게, 예를 들어 장치는 업계에서 잘 알려진 형태의 산업용 레이저를 포함할 수 있다. 산업용 레이저는 제어된 환경(105)내의 레이저 에너지의 발생을 용이하게 하기 위해 지지 어셈블리(109)에 접속된다. 명확하게, 어레이는 업계에서 잘 알려진 확립된 절차에 따라 장치(107)로부터 레이저 에너지에 매트릭스를 제공함으로써 형성된다. 따라서, 구조물(110)은 시스템(100)에 의해 형성된다.
도 5의 예시적인 실시예에 대하여, 장치(180)는 적어도 한개의 단중벽 탄소 나노튜브의 어레이를 포함하는 구조물의 발생을 위해 제공된다. 도 5의 실시예에서, 다수의 단중벽 탄소 나노튜브는 구조물의 발생으로부터 다른 곳에서 발생된다.특히, 다른 곳에서 발생된 단중벽 탄소 나노튜브는 공급 원료 소스(189)로부터 장치(180)에 제공된다. 장치(180)는 발생 엘리먼트(183)를 포함한다. 발생 엘리먼트(183)는 단중벽 탄소 나노튜브 공급 원료(189)를 통해 구조물에 단중벽 탄소 나노튜브를 제공하기 위해 공급 원료 소스(189)에 접속된 공급 유니트(185)를 포함한다. 한 예시적인 실시예에서, 예를 들어 발생 엘리먼트(183)가 매트릭스에 관련하여 적어도 하나의 단중벽 탄소 나노튜브의 어레이의 구성을 위한 레이저 에너지 애플리케이터(184)를 포함한다.
제어 시스템(188)은 장치(180)에 접속되는 것이 논의되어야만 한다. 제어 시스템(188)은 구조물의 구성에 관련하여 공급 원료 소스(189)로부터 단중벽 탄소 나노튜브 공급 원료의 공급을 제어한다. 제어 시스템(188)은 또한 처리 장치(180)에 의해 실행된 바와 같이 구조물 내에 단중벽 탄소 나노튜브의 각각의 어레이의 배열을 제공한다.
도 5의 구조물(190)은 기판(199)에 배치된 복합재(198)를 포함한다. 당업자는 다른 구조물(190)의 실시예가 기판을 제외할 수 있음을 인식할 것이다.
도 5의 실시예에 대하여, 구조물(190)은 네트, 웹, 및/또는 그물형 형태를 따르는 그리드형 축 배열(195)를 포함하는 복수의 어레이(193)를 포함한다. 또한, 한 실시예에서, 적어도 한개의 단중벽 탄소 나노튜브 어레이는 매트릭스(194)에 관련하여 배열된 탄소 나노튜브 섬유의 네트워크에 의해 한정된다.
도 6의 실시예에서, 구조물(160)은 매트릭스(161)에 관련하여 원위치에 제공되는 단중벽 탄소 나노튜브의 어레이(163)를 포함한다. 따라서, 구조물(160)은 다수의 용융제(164)를 포함한다. 도 6에 도시된 바와 같이, 적어도 하나의 어레이는 실제로 메시형 형태를 형성하기 위해 그리드형 배열을 따라 배열된다.
도 7의 실시예에서, 구조물은 매트릭스(171)와 관련하여 원위치에 제공되는 단중벽 탄소 나노튜브의 어레이(173)를 포함한다. 따라서, 구조물(170)은 다수의 용융제(174)를 포함한다. 도 7에 도시된 바와 같이, 적어도 하나의 어레이는 실제로 메시형 형태를 형성하기 위해 그리드형 축 배열(175)을 따라 배열된다.
명백하게, 도 8은 호스트 장치에 전기를 공급하기 위한 시스템(60)의 한 예시적인 실시예를 참조로 한다. 시스템은 구조물(66)을 포함한다. 구조물(66)은 매트릭스에 관련하여 배열된 단중벽 탄소 나노튜브의 어레이를 포함한다. 어레이는 그로부터 전기를 압전으로 발생시키기 위해 물의 보디(61)로부터 파장을 통해 힘을 수신한다. 도 8에 도시된 바와같이 한 예시적인 실시예에서, 구조물(66)은 물의 보디(61)에 의해 영향 받는 조수간만의 운동을 가지는 동작의 충돌내에 있다.
그러나 당업자는 다른 구조물적인 구성이 구조물(66)에서 힘을 미치기 위한 물리적인 조건을 허용하 것을 인식할 것이다. 예를 들어, 운동은 신속하게 흐르는 흐름, 비행중에 발생한 돌풍, 태양풍, 모래와 같은 쉬프트된 입자, 및 눈 또는 기상 조건으로부터 구조물(66)에서 영향받을 수 있다.
도 8을 참조로 하여, 구조물(66)은 물의 보디(61) 밑의 그라운드(62)에 고정된다. 도 8의 시스템(60)은 전기 우물 어셈블리(65)를 포함한다. 전기 우물 어셈블리(65)는 하우징(67)을 포함한다. 한 예시적인 실시예에서, 하우징(67)은 압력 용기를 포함한다. 동작시에, 하우징(67)은 구조물(66)에 의해 발생된 전기를 확보하기 위해 저장 유니트를 포함한다. 또한, 하우징(67)은 물(61)의 보디와 충돌하기 위한 위치에 구조물(66)를 고정한다.
시스템(60)은 또한 구조물(66)에 전기적으로 접속된 인터페이스(68)를 포함한다. 구조물(66)내의 탄소 나노튜브의 이동으로부터 압전으로 발생된 전기는 인터페이스(68)에 전송된다.
예를 들어 배터리와 같은 저장 유니트는 인터페이스(680로부터 전기를 수신하기 위한 인터페이스에 접속된다. 도 8에서 도시된 바와 같이, 단일 저장 유니트(69)는 인터페이스(68)에 접속된다. 또한, 다수의 저장 유니트 어셈블리(70)는 인터페이스(68)에 접속된다. 다수의 저장 유니트 어셈블리(70)는 저장 유니트의 어레이(72)에 접속된 제어 시스템(71)을 포함한다. 제어 시스템(71)은 인터페이스(68)로부터 저장 유니트의 어레이(72)로의 전기 분배를 용이하게 한다. 따라서, 전기는 인터페이스(68)로부터 제어 시스템(71)으로 전송되고, 제어시스템(71)에 의해 선택된 복수의 저장 유니트(72)로부터 적어도 한개의 저장 유니트에 전송된다.
한 예시적인 실시예에서, 전기 우물 어셈블리(65)는 또한 하우징(67)내의 저장 유니트에 접속된 콘센트선(77)을 포함한다. 또한, 콘센트 인터페이스(78)는 콘센트선(77)에 접속된다. 콘센트선(77) 및 콘센트 인터페이스(78)의 조합은 전기 우물 어셈블리(65)로부터 편리함과 원격 전기 수확을 위해 제공한다.
명백하게, 예를 들어 콘센트 인터페이스(78)는 구조물(66)에 의해 발생된 전기가 물(61)의 보디에서 수집되도록 물(61)의 보디위에 띄울 수 있다. 또다른 실시예에서, 콘센트 인터페이스(78)는 다수의 구조물(66)로부터 전기의 전체 수집을 위해 전기 우물 어셈블리의 네트워크에 접속될 수 있다. 또다른 예시적인 실시예에서, 인터페이스(78) 및 콘센트 라인(77)은 그라운드(62)를 통해 해안에 위치된 원격 호스트 장치에 전기를 전송하기 위해 배치될 수 있따.
도 9는 도 8의 시스템(60)과 유사한 발전 시스템(80)을 참조로 한다. 시스템(80)은 구조물(82) 및 구조물(82)에 전기적으로 접속된 인터페이스(88)를 포함한다. 구조물(82)은 다수의 단중벽 탄소 나노튜브(90)를 포함하는 매트릭스(83) 및 어레이(84)를 포함한다.
도 9에 도시된 바와 같이 한 예시적인 실시예에서, 구조물(82)은 물의 보디로부터 조수간만의 운동과 최적으로 충돌하기 위한 후크형 구성을 포함한다. 선택적으로 구조물(82)는 물의 움직이는 보디와의 충돌을 개선시키기 위한 핀(86 및 87)을 포함한다. 도 9에 도시된 바와 같이, 핀(86)은 ZY 평면을 따라 이동하는 유체와 충돌하기 위해 제공되며, 핀(87)은 XY 평면을 따라 이동하는 유체와 충돌하기 위해 제공된다.
전술된 바와 같이, 도 9의 어레이는 더 집중된 단중벽 탄소 나노튜브가 후크형이며 조수간만의 힘에 의한 최적의 운동을 수신하는 구조물(82)의 말단에서 매트릭스(83)내에 배치되도록 팬 구성을 포함한다. 또한, 한 예시적인 실시예에서, 탄소 나노튜브(90)는 전기의 압전 발생을 위해 다수의 고전도성 탄소 나노튜브를 포함한다.
시스템(80)은 구조물(82)의 한 단부를 고정시키기 위한 고정장치(81)를 포함한다. 또한 한 예시적인 실시예에서, 고정장치(81)는 인터페이스(88)를 하우징한다. 인터페이스(88)는 전기를 수신하기 위해 어레이(84)에 전기적으로 접속된 터미널(92)을 포함한다. 한 예시적인 실시예에서, 인터페이스(88)는 직류를 교류로 변환시키기 위한 컨버터(96)를 포함한다. 시스템(80)은 또한 인터페이스(88)에 전기적으로 접속된 배터리 어셈블리(89)를 포함한다.
동작시에, 전기는 인터페이스(88)를 통해 라인(94)을 따라 터미널(92)로부터배터리 어셈블리(89)로 흐른다. 배터리 어셈블리(89)는 어레이(84)로부터 수신도니 전기를 수집한다. 또한, 도 9의 참조 화살표(99)에 의해 나타난것과 같이 배터리 어셈블리(89)는 호스트 장치(비도시)에 전기를 전송한다.
지금까지 본 발명이 상세히 설명되었지만, 다음의 첨부된 청구항에 의해 설명되는 발명의 영역으로부터 벗어나지 않고 다양한 변경이 가능함을 이해해야한다.

Claims (23)

  1. 호스트 장치를 사용하기 위한 전기를 발생시키며, 전기의 발생을 용이하게 하기 위한 힘을 수신하는 시스템으로서,
    매트릭스 및 상기 매트릭스에 배열된 단중벽 탄소 나노튜브의 어레이를 포함하는 구조물;
    힘을 수신하여 그로부터 압전으로 전기를 발생시키는 어레이; 및
    상기 어레이에 전기적으로 접속된 인터페이스를 포함하는 시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 인터페이스에 전기적으로 접속된 배터리 어셈블리를 더 포함하는 시스템.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 배터리 어셈블리는 상기 어레이로부터 전기를 수신하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 인터페이스는 컨버터를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 컨버터는 상기 어레이로부터 전기를 수신하여 교류로 변환시키는 것을 특징으로 하는 시스템.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 어레이는 다수의 절연 단중벽 탄소 나노튜브를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  7. 제 6항에 있서서, 상기 각각의 절연 단중벽 탄소 나노튜브는 절연 단중벽 탄소 나노튜브를 통한 전기의 흐름을 막도록 구성되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 어레이는 다수의 반도성(semiconducting) 단중벽 탄소 나노튜브를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 각각의 반도성 단중벽 탄소 나노튜브는 반도성 단중벽 탄소 나노튜브를 통한 전기의 흐름을 막도록 구성되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 어레이는 다수의 전도성 단중벽 탄소 나노튜브를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  11. 제 10항에 있어서, 상기 각각의 전도성 단중벽 탄소 나노튜브는 전도성 단중벽 탄소 나노튜브를 통한 전기의 흐름을 촉진시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  12. 제 10항에 있어서, 상기 각각의 전도성 단중벽 탄소 나노튜브는 전도성 단중벽 탄소 나노튜브를 통한 전기의 고전도성 흐름을 촉진시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  13. 제 1항에 있어서, 상기 호스트 장치는 마이크로 전기기계 시스템(MEMs)을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  14. 제 1항에 있어서, 상기 호스트 장치는 나노스케일 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  15. 제 1항에 있어서, 상기 구조물은 스프링을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  16. 전기를 발생시키고 전기의 발생을 용이하게하기 위해 힘을 수신하는 시스템으로서,
    매트릭스 및 상기 매트릭스에 배열된 탄소 나노튜브의 어레이를 포함하는 구조물;
    힘을 수신하여 그로부터 압전으로 전기를 발생시키는 어레이; 및
    상기 어레이에 전기적으로 접속된 인터페이스를 포함하는 시스템.
  17. 배터리를 재충전하고 전기의 발생을 용이하게 하기 위해 힘을 수신하는 시스템으로서,
    매트릭스 및 상기 매트릭스에 배열된 단중벽 탄소 나노튜브의 어레이를 포함하는 구조물;
    힘을 수신하여 그로부터 압전으로 전기를 발생시키는 어레이;
    상기 어레이 및 배터리에 전기적으로 접속된 인터페이스; 및
    상기 인터페이스를 통해 어레이로부터 전기를 수신하는 배터리를 포함하는 시스템.
  18. 호스트 장치를 사용하기위한 전기를 공급하는 방법으로서,
    매트릭스 및 상기 매트릭스에 배열된 단중벽 탄소 나노튜브의 어레이를 포함하는 구조물에 힘을 적용하는 단계;
    상기 구조물에서의 힘의 적용에 기초하여 어레이를 통해 전기를 발생시키는 단계;
    상기 어레이에 전기적으로 접속된 인터페이스를 통해 상기 어레이로부터 전기를 수신하는 단계; 및
    상기 인터페이스로부터 상기 인터페이스로 접속된 상기 호스트 장치에 전기를 전송하는 단계를 포함하는 방법.
  19. 상기 인터페이스로부터 상기 호스트 장치에 전기적으로 접속된 저장 유니트로 전기를 전송하는 단계를 더 포함하는 방법.
  20. 제 19항에 있어서, 상기 전기를 전송하는 단계는 어레이에 의해 포함된 복수의 절연 단중벽 탄소 나노튜브를 통한 전기의 흐름을 막는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 제 19항에 있어서, 상기 전기를 전송하는 단계는 어레이에 의해 포함된 복수의 반도성 단중벽 탄소 나노튜브를 통한 전기의 흐름을 막는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 제 19항에 있어서, 상기 전기를 전송하는 단계는 어레이에 의해 포함된 복수의 전도성 단중벽 탄소 나노튜브를 통한 전기의 흐름을 촉진하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  23. 매트릭스 및 상기 매트릭스에 배열된 단중벽 탄소 나노튜브의 어레이를 포함하는 구조물에 힘을 적용함으로써 발생되는 전기를 저장하여 전기가 상기 구조물에 대한 힘의 적용에 기초하여 어레이로부터 발생되는 방법으로서,
    상기 어레이에 전기적으로 접속된 인터페이스를 통해 상기 어레이로부터 전기를 수신하는 단계; 및
    상기 인터페이스로부터 상기 인터페이스에 전기적으로 접속된 저장 유니트에 전기를 전송하는 단계를 포함하는 방법.
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