KR20130063365A - Energy harvesting device and method for producing thereof - Google Patents

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KR20130063365A
KR20130063365A KR1020110129846A KR20110129846A KR20130063365A KR 20130063365 A KR20130063365 A KR 20130063365A KR 1020110129846 A KR1020110129846 A KR 1020110129846A KR 20110129846 A KR20110129846 A KR 20110129846A KR 20130063365 A KR20130063365 A KR 20130063365A
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electrode plate
plate
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elastic dielectric
energy harvesting
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KR1020110129846A
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Inventor
김성현
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한국전자통신연구원
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y40/00Manufacture or treatment of nanostructures

Abstract

PURPOSE: An energy harvesting device and a method for manufacturing the same are provided to increase the contact area of an electrode plate and a dielectric plate and to secure high capacitance. CONSTITUTION: A first electrode plate(210) is formed in one surface of an elastic dielectric plate(100). A second electrode plate(220) is formed in the other surface of the elastic dielectric plate. A contact structure is formed in at least one of two surfaces of the elastic dielectric plate. The contact structure is a nano-wire shape(310). The contact structure is made of the same material as the elastic dielectric plate.

Description

에너지 수확 소자 및 이를 제조하는 방법{ENERGY HARVESTING DEVICE AND METHOD FOR PRODUCING THEREOF}Energy harvesting device and method for manufacturing same {ENERGY HARVESTING DEVICE AND METHOD FOR PRODUCING THEREOF}

본 발명은 에너지의 수확에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 정전용량의 변화를 이용하여 에너지를 수확하는 소자 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to energy harvesting, and more particularly, to a device for harvesting energy using a change in capacitance and a method of manufacturing the same.

전자장치들의 소형화 및 소자들의 집적화가 급속도로 이루어지고 무선 통신 기술이 발달함에 따라, 산업 전반은 소형화 및 무선화에 초점이 맞추어지고 있다. 이에 따라 외부로부터 전선의 연결이나 배터리의 교환없이 구동이 가능한 소형화된 전자장치 또는 집적화된 소자들에 대한 필요가 증대되고 있으며, 이러한 전자장치 또는 소자들에 전원을 공급하기 위한 에너지 수확(Energy Harvesting)과 관련된 기술에 대한 연구가 이루어지고 있다. As miniaturization of electronic devices and integration of devices are rapidly made and wireless communication technologies are developed, the entire industry is focused on miniaturization and wirelessization. Accordingly, there is an increasing need for miniaturized electronic devices or integrated devices that can be driven without connecting wires or changing batteries from the outside, and energy harvesting for supplying power to these electronic devices or devices. Research is being done on technologies related to this.

태양광이나 수력을 이용한 대규모의 에너지 수확은 오랜 기간 전부터 이루어져 왔다. 그러나, 소형화된 전자장치 또는 집적화된 소자들에 전원을 공급할 수 있는 미세 규모의 에너지를 수확하는 기술에 대한 연구는 비교적 최근에 와서 주목받고 있다. Large-scale energy harvesting using sunlight or hydropower has been around for a long time. However, research on a technique of harvesting fine-scale energy capable of supplying power to miniaturized electronic devices or integrated devices has been relatively recently received attention.

특히, 전기활성 고분자(EAP: ElectroActive Polymer)는 전기 자극에 의해 팽창, 수축 및 휨 현상을 나타낼 수 있는 고분자로, 전기적인 자극을 가하면 기계적인 움직임을 얻을 수 있고 기계적인 자극이 주어지면 전기를 얻을 수 있어 액츄에이터(actuator)나 센서(sensor)등에 적용될 수 있다. 또한, 전기활성 고분자(EAP)는 형상이 바뀌는 경우에 전기 에너지를 발생시키므로 에너지 수확에 관한 기술에 활용될 수 있다.In particular, EAP (Electroactive Polymer) is a polymer that can exhibit expansion, contraction and warpage by electrical stimulation. When electrical stimulation is applied, mechanical movement can be obtained. It can be applied to actuators or sensors. In addition, since the electroactive polymer (EAP) generates electrical energy when the shape is changed, it may be utilized in the technology related to energy harvesting.

도 1은 종래의 전기활성 고분자(EAP)를 이용한 에너지 수확 소자의 개념도이다. 종래의 에너지 수확 소자는 탄성 전극판(20), 탄성 유전체판(10)으로 구성된다. 종래의 전기활성 고분자(EAP)를 이용한 에너지 수확 소자는 유전체의 양단에 탄성이 있는 전극을 도포하여 외력에 의해 발생하는 전기활성 고분자(EAP)의 신축 현상에 따른 정전용량의 차이로부터 에너지를 수확하였다. 특히, 전기활성 고분자(EAP)를 활용하여 정전용량의 차이로부터 에너지를 수확하는 소자에서 수확되는 에너지의 양은 초기 정전용량에 비례하는 특성이 있다. 1 is a conceptual diagram of an energy harvesting device using a conventional electroactive polymer (EAP). The conventional energy harvesting element is composed of the elastic electrode plate 20, the elastic dielectric plate 10. The energy harvesting device using the conventional electroactive polymer (EAP) harvested energy from the difference in capacitance due to the stretching phenomenon of the electroactive polymer (EAP) generated by external force by applying elastic electrodes on both ends of the dielectric. . In particular, the amount of energy harvested from the device that harvests energy from the difference in capacitance by using an electroactive polymer (EAP) has a characteristic proportional to the initial capacitance.

그러나, 대부분의 전기활성 고분자(EAP)를 이용한 에너지 수확 소자는 전극판과 유전체판이 접촉하는 면적이 작아 단위 부피 당 초기 정전용량이 작은 문제점이 있다.However, energy harvesting devices using most electroactive polymers (EAPs) have a problem in that an initial capacitance per unit volume is small due to a small contact area between electrode plates and dielectric plates.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 전극판과 유전체판이 접촉하는 면적을 증가시켜 초기 정전용량을 크게 함으로써 수확하는 에너지의 양이 증가된 에너지 수확 소자를 제공하는데 있다.An object of the present invention for solving the above problems is to provide an energy harvesting device in which the amount of energy harvested is increased by increasing the initial capacitance by increasing the contact area between the electrode plate and the dielectric plate.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 다른 목적은, 전극판과 유전체판이 접촉하는 면적을 증가시켜 초기 정전용량을 크게 함으로써 수확하는 에너지의 양이 증가된 에너지 수확 소자를 제조하는 방법을 제공하는데 있다.Another object of the present invention for solving the above problems is to provide a method for manufacturing an energy harvesting device in which the amount of energy harvested is increased by increasing the initial capacitance by increasing the contact area between the electrode plate and the dielectric plate. have.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 수확 소자는, 탄성 유전체판과, 탄성 유전체판의 일면에 형성되는 제 1 전극판과, 탄성 유전체판의 타면에 형성되는 제 2 전극판 및 탄성 유전체판의 일면 및 타면 중 적어도 하나의 면에 형성되어 제 1 전극판 및 제 2 전극판 중 적어도 하나를 침투한 형태를 갖는 접촉 구조체를 포함한다.An energy harvesting device according to an embodiment of the present invention for achieving the above object, an elastic dielectric plate, a first electrode plate formed on one surface of the elastic dielectric plate, and a second electrode plate formed on the other surface of the elastic dielectric plate And a contact structure formed on at least one of one surface and the other surface of the elastic dielectric plate to penetrate at least one of the first electrode plate and the second electrode plate.

여기에서, 접촉 구조체는, 탄성 유전체판과 동일한 재질로 구성될 수 있다. Here, the contact structure may be made of the same material as the elastic dielectric plate.

여기에서, 접촉 구조체는, 나노선(nano-wire) 또는 나노닷(nano-dot)의 형태일 수 있다. Here, the contact structure may be in the form of nano-wire or nano-dot.

여기에서, 제 1 전극판 및 제 2 전극판은, 탄성력을 가진 전도성 고분자일 수 있다. Here, the first electrode plate and the second electrode plate may be a conductive polymer having elastic force.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 에너지 수확 소자는, 탄성 유전체판과, 탄성 유전체판의 일면에 형성되는 제 1 전극판 및 탄성 유전체판의 타면에 형성되는 제 2 전극판을 포함하되, 제 1 전극판 및 제 2 전극판 중 적어도 하나에는 탄성 유전체판과 접촉할 수 있는 접촉 구조체가 형성되어 있는 것을 특징으로 할 수 있다.Energy harvesting device according to another embodiment of the present invention for achieving the above object, the elastic dielectric plate, the first electrode plate formed on one surface of the elastic dielectric plate and the second electrode plate formed on the other surface of the elastic dielectric plate Including, but at least one of the first electrode plate and the second electrode plate may be characterized in that the contact structure which is in contact with the elastic dielectric plate is formed.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 수확 소자의 제조 방법은, 탄성 유전체판의 일면에 접촉 구조체를 형성하는 단계와, 접촉 구조체가 형성된 탄성 유전체판의 일면에 제 1 전극판을 형성하는 단계와, 탄성 유전체판의 타면에 접촉 구조체를 형성하는 단계 및 접촉 구조체가 형성된 탄성 유전체판의 타면에 제 2 전극판을 형성하는 단계를 포함한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing an energy harvesting device, the method including: forming a contact structure on one surface of an elastic dielectric plate, and forming a first electrode plate on one surface of the elastic dielectric plate on which the contact structure is formed. Forming a contact structure on the other surface of the elastic dielectric plate, and forming a second electrode plate on the other surface of the elastic dielectric plate on which the contact structure is formed.

여기에서, 제 1 전극판과 제 2 전극판은, 접촉 구조체가 제 1 전극판 및 제 2 전극판을 침투한 상태로 형성될 수 있다.Here, the first electrode plate and the second electrode plate may be formed in a state in which the contact structure penetrates the first electrode plate and the second electrode plate.

상기와 같은 본 발명에 따른 가변 정전용량을 이용한 에너지 수확 소자를 이용할 경우에는 전극판과 유전체판이 접촉하는 면적을 증가시켜 정전용량이 큰 에너지 수확 소자를 제공할 수 있다.When using the energy harvesting device using the variable capacitance according to the present invention as described above can increase the area in contact with the electrode plate and the dielectric plate can provide an energy harvesting device with a large capacitance.

또한, 본 발명에 따른 가변 정전용량을 이용한 에너지 수확 소자를 이용할 경우에는 전극판과 유전체판이 접촉하는 면적을 증가시켜 정전용량이 큰 에너지 수확 소자를 제조하는 방법을 제공할 수 있다.In addition, when using an energy harvesting device using a variable capacitance according to the present invention can provide a method for manufacturing an energy harvesting device having a large capacitance by increasing the area in contact between the electrode plate and the dielectric plate.

또한, 본 발명에 따른 가변 정전용량을 이용한 에너지 수확 소자는 초기 정전용량을 크게 하여 수확되는 에너지의 양을 증가시킬 수 있는 장점이 있다.In addition, the energy harvesting device using the variable capacitance according to the present invention has the advantage that can increase the amount of energy harvested by increasing the initial capacitance.

도 1은 종래의 전기활성 고분자를 이용한 에너지 수확 소자의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노선(nano-wire)이 형성된 전기활성 고분자를 이용한 에너지 수확 소자의 개념도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 나노닷(nano-dot)이 형성된 전기활성 고분자를 이용한 에너지 수확 소자의 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 수확 소자를 제작하는 방법에 관한 순서도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 전기방사 장치로 형성시킨 나노선(nano-wire)의 전자 현미경 사진이다.
1 is a conceptual diagram of an energy harvesting device using a conventional electroactive polymer.
2 is a conceptual diagram of an energy harvesting device using an electroactive polymer having nano-wires formed thereon according to an embodiment of the present invention.
3 is a conceptual diagram of an energy harvesting device using an electroactive polymer having nano-dots formed thereon according to another exemplary embodiment of the present invention.
4 is a flowchart illustrating a method of manufacturing an energy harvesting device according to an embodiment of the present invention.
5 is an electron micrograph of a nano-wire formed of an electrospinning apparatus according to an embodiment of the present invention.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. While the invention is susceptible to various modifications and alternative forms, specific embodiments thereof are shown by way of example in the drawings and will herein be described in detail. It should be understood, however, that the invention is not intended to be limited to the particular embodiments, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention. Like reference numerals are used for like elements in describing each drawing.

제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다. The terms first, second, A, B, etc. may be used to describe various elements, but the elements should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, the first component may be referred to as a second component, and similarly, the second component may also be referred to as a first component. And / or < / RTI > includes any combination of a plurality of related listed items or any of a plurality of related listed items.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. When a component is referred to as being "connected" or "connected" to another component, it may be directly connected to or connected to that other component, but it may be understood that other components may be present in between. Should be. On the other hand, when an element is referred to as being "directly connected" or "directly connected" to another element, it should be understood that there are no other elements in between.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular example embodiments only and is not intended to be limiting of the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In this application, the terms "comprise" or "have" are intended to indicate that there is a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification, and one or more other features. It is to be understood that the present invention does not exclude the possibility of the presence or the addition of numbers, steps, operations, components, components, or a combination thereof.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries are to be interpreted as having a meaning consistent with the contextual meaning of the related art and are to be interpreted as either ideal or overly formal in the sense of the present application Do not.

본 발명의 개념이 되는 축전기에 저장되는 전기 에너지를 설명하면 다음과 같다. Referring to the electrical energy stored in the capacitor that is the concept of the present invention.

두 개의 도체판을 사이에 두고 전압을 걸면 음극에는 (-) 전하, 양극에는 (+)전하가 같은 크기로 모이게 된다. 축전기는 이러한 현상을 이용하여 전자회로에서 전하를 충전하거나 방전하는 기능을 한다. When voltage is applied between two conductor plates, negative charges are collected on the cathode and positive charges on the anode. Capacitors use this phenomenon to charge or discharge charges in electronic circuits.

정전용량이 C인 축전기에 전하Q가 충전되면, 축전지에 저장되는 전기 에너지(W)는 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다. 여기서, V는 두 개의 도체판에 인가되는 전압을 의미한다. When the charge Q is charged in the capacitor having the capacitance C, the electric energy W stored in the battery may be represented by Equation 1. Here, V means the voltage applied to the two conductor plates.

Figure pat00001
Figure pat00001

평행판 축전기의 경우, 축전기의 정전용량(C)의 크기는 전극의 면적(A)에 비례하고, 전극 사이의 거리(d)에 반비례한다. 즉, 전극 사이에 위치한 유전체의 유전율을

Figure pat00002
이라고 하면 정전용량은 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다. In the case of a parallel plate capacitor, the magnitude of the capacitance C of the capacitor is proportional to the area A of the electrode and inversely proportional to the distance d between the electrodes. That is, the dielectric constant of the dielectric between the electrodes
Figure pat00002
In this case, the capacitance can be expressed as in Equation 2.

Figure pat00003
Figure pat00003

만약에, 탄성력이 있는 평행판 축전기에 외력이 작용하여 축전기의 평판의 면적이 2배로 늘어난다면, 축전기의 두께는 1/2로 줄어든다. 또한, 외력이 제거되면 탄성력이 있는 축전기는 원상태로 복귀한다. 외력이 작용하였을 경우의 정전용량을

Figure pat00004
라 하고 외력이 제거되었을 경우의 정전용량을
Figure pat00005
라 하면,
Figure pat00006
의 관계가 성립한다.
If an external force is applied to the parallel plate capacitor with elastic force and the area of the plate of the capacitor is doubled, the thickness of the capacitor is reduced to 1/2. In addition, when the external force is removed, the elastic capacitor returns to its original state. The capacitance when an external force
Figure pat00004
And the capacitance when the external force is removed
Figure pat00005
Say,
Figure pat00006
.

또한, 평행판 축전기에 일정한 전압(V)를 인가한 상태에서, 외력이 작용한 경우와 외력이 제거된 경우에 평행판 축전기에 저장되는 에너지의 차이를 구하면, 수학식 3과 같이 된다. In addition, when a constant voltage V is applied to the parallel plate capacitor, the difference between the energy stored in the parallel plate capacitor when the external force is applied and when the external force is removed is obtained as in Equation (3).

Figure pat00007
Figure pat00007

여기서, We는 외력이 작용하여 평행판 축전기의 평판 면적이 증가한 경우에 축전기에 저장되는 전기 에너지를 의미하고, Wi는 외력이 제거되어 평행판 축전기가 원상태로 복귀한 경우에 축전기에 저장되는 전기 에너지를 의미한다. Here, W e means the electric energy stored in the capacitor when the external force is applied to increase the plate area of the parallel plate capacitor, and W i is stored in the capacitor when the external force is removed and the parallel plate capacitor is returned to its original state. Means electrical energy.

따라서, 수학식 3을 참조하면, 외력이 작용된 경우와 외력이 제거된 경우에 축전기에 저장되는 전기 에너지 차이를 이용하여 에너지를 수확할 수 있다. Therefore, referring to Equation 3, energy may be harvested using the difference in electrical energy stored in the capacitor when the external force is applied and the external force is removed.

또한, 같은 크기의 외력으로부터 수확할 수 있는 전기 에너지의 크기는 수학식 1과 수학식 3을 참조하면, 전하량(Q)나 정전용량(C)의 크기에 비례한다. In addition, the magnitude of the electrical energy that can be harvested from the external force of the same size is proportional to the magnitude of the charge amount (Q) or the capacitance (C) with reference to equations (1) and (3).

여기서, 전하량(Q)은 정전용량(C)에 비례하므로(

Figure pat00008
), 일정한 정전용량(C)에서 전하량(Q)을 증가시키기 위해서는 인가하는 전압(V)을 증가시켜야 한다. 다만, 인가되는 전압(V)이 커질 경우에는, 이동성이 중요시되는 소형의 전자장치에 적용하기 어렵다. 또한, 낮은 전압(V)에서는 전하량(Q)이 전압(V)의 증가에 따라 선형적으로 증가하나, 높은 전압(V)에서는 전하량(Q)이 전압(V)에 선형적으로 증가하지 않아 효율성이 감소되는 문제점이 있다. Here, since the charge amount Q is proportional to the capacitance C,
Figure pat00008
In order to increase the amount of charge Q at a constant capacitance C, the voltage V to be applied must be increased. However, when the applied voltage V is large, it is difficult to apply to a small electronic device in which mobility is important. Also, at low voltage (V), the charge amount (Q) increases linearly with the increase of the voltage (V), but at high voltage (V), the charge amount (Q) does not increase linearly with the voltage (V). There is a problem that is reduced.

따라서, 정전용량(C)을 증가시켜 수확되는 에너지의 양을 증가시키는 것이 효율적이다. 수학식 2를 참조하면, 정전용량(C)을 증가시키기 위해서는 유전율(ε) 또는 전극과 유전체의 접촉 면적(A)을 증가시키거나, 축전기의 두께(d)를 감소시키는 것이 필요하다. Therefore, it is efficient to increase the amount of energy harvested by increasing the capacitance C. Referring to Equation 2, in order to increase the capacitance C, it is necessary to increase the dielectric constant epsilon or the contact area A of the electrode and the dielectric or reduce the thickness d of the capacitor.

유전체의 유전율(ε)은 소재의 특성에 따르며, 일반적으로 고유전율의 유전체는 누설 전류가 크게 생성되고 화학적으로 안정적이지 못한 측면이 있다. The dielectric constant (ε) of the dielectric depends on the characteristics of the material. In general, a dielectric having a high dielectric constant has a large leakage current and is not chemically stable.

또한, 축전지의 두께(d)를 작게하는 것은 탄성력을 가진 전극과 유전체에 있어 한계가 있다. 외력에 의하여 신장과 수축을 반복하는 축전기에 있어서 탄성력을 가진 전극과 유전체를 너무 얇게 할 경우, 축전기의 내구성을 저하시킬 수 있다. In addition, reducing the thickness d of the battery has limitations in the electrode and the dielectric having elastic force. When the electrode and dielectric having elastic force are made too thin in the capacitor which repeats stretching and contracting by external force, the durability of the capacitor can be reduced.

따라서, 전극과 유전체의 접촉 면적(A)을 증가시킴을 통하여 축전기의 정전용량(C)을 증가시키는 것이 바람직하다. Therefore, it is desirable to increase the capacitance C of the capacitor by increasing the contact area A of the electrode and the dielectric.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
Hereinafter, preferred embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노선(nano-wire)이 형성된 전기활성 고분자를 이용한 에너지 수확 소자의 개념도이다. 2 is a conceptual diagram of an energy harvesting device using an electroactive polymer having nano-wires formed thereon according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 가변 정전용량을 이용한 에너지 수확 소자는 탄성 유전체판(100), 제 1 전극판(210), 제 2 전극판(220) 및 접촉 구조체를 포함한다. Referring to FIG. 2, the energy harvesting device using the variable capacitance according to the present invention includes an elastic dielectric plate 100, a first electrode plate 210, a second electrode plate 220, and a contact structure.

제 1 전극판(210)과 제 2 전극판(220)은 탄성 유전체판(100)을 사이에 두고, 각각 탄성 유전체판(100)의 일면에 형성될 수 있다. 즉, 제 1 전극판(210)이 탄성 유전체판(100)의 일면에 형성되고, 제 2 전극판(220)이 탄성 유전체판(100)의 타면에 형성될 수 있다. 또한, 제 1 전극판(210)과 제 2 전극판(220)의 양단에는 전압(V)이 인가될 수 있다. The first electrode plate 210 and the second electrode plate 220 may be formed on one surface of the elastic dielectric plate 100 with the elastic dielectric plate 100 interposed therebetween. That is, the first electrode plate 210 may be formed on one surface of the elastic dielectric plate 100, and the second electrode plate 220 may be formed on the other surface of the elastic dielectric plate 100. In addition, a voltage V may be applied to both ends of the first electrode plate 210 and the second electrode plate 220.

접촉 구조체는 탄성 유전체판(100)의 일면 또는 양면에 형성될 수 있다. 접촉 구조체는 탄성 유전체판(100)과 동일한 재질로 구성될 수 있다. 접촉 구조체는 제 1 전극판(210) 및 제 2 전극판(220)에 침투하여 형성되도록 할 수 있다. 접촉 구조체가 제 1 전극판(210) 및 제 2 전극판(220) 중 적어도 하나에 침투한 형태로 형성되어야 탄성 유전체판(100)과 전극판(210, 220)의 접촉 면적을 효과적으로 증가시킬 수 있다. 따라서, 접촉 구조체는 제 1 전극판(210) 및 제 2 전극판(220)의 적어도 하나에 형성되어 있고, 제 1 전극판(210) 및 제 2 전극판(220)이 탄성 유전체판(100)에 증착 등의 방식으로 형성될 때, 접촉 구조체가 탄성 유전체판(100)에 접촉되도록 할 수도 있다.The contact structure may be formed on one side or both sides of the elastic dielectric plate 100. The contact structure may be made of the same material as the elastic dielectric plate 100. The contact structure may be formed to penetrate the first electrode plate 210 and the second electrode plate 220. The contact structure must be formed to penetrate at least one of the first electrode plate 210 and the second electrode plate 220 to effectively increase the contact area between the elastic dielectric plate 100 and the electrode plates 210 and 220. have. Accordingly, the contact structure is formed on at least one of the first electrode plate 210 and the second electrode plate 220, and the first electrode plate 210 and the second electrode plate 220 are elastic dielectric plates 100. When formed by, for example, evaporation, the contact structure may be brought into contact with the elastic dielectric plate 100.

접촉 구조체는 나노선(nano-wire)(310)의 형태를 가질 수 있다. 나노선(310)은 단면의 지름이 수 나노미터인 극미세의 와이어를 의미한 것으로, 나노선(310)이 탄성 유전체판(100)의 일면 또는 양면에 형성될 수 있다. 즉, 나노선(310)의 형상을 가진 접촉 구조체는 탄성 유전체판(100)과 전극판(210, 220)사이의 접촉 면적을 증가시켜, 축전기의 정전용량을 증가시킬 수 있다. 예컨대, 평행판 축전기의 초기 정전용량이 증가하며, 초기 정전용량은 평행판 축전기에 외력이 작용하지 않은 상태에서의 정전용량을 의미할 수 있다. The contact structure may have the form of a nano-wire 310. The nanowire 310 refers to an extremely fine wire having a diameter of several nanometers, and the nanowire 310 may be formed on one or both surfaces of the elastic dielectric plate 100. That is, the contact structure having the shape of the nanowire 310 may increase the contact area between the elastic dielectric plate 100 and the electrode plates 210 and 220, thereby increasing the capacitance of the capacitor. For example, an initial capacitance of the parallel plate capacitor is increased, and the initial capacitance may mean a capacitance in a state in which no external force is applied to the parallel plate capacitor.

제 1 전극판(210)과 제 2 전극판(220)은 탄성력을 가지고 있어, 외력에 의해 변형되고 다시 원상태로 복귀할 수 있다. 또한, 제 1전극판(210)과 제 2 전극판(220)은 전도성이 있는 동일한 재질인 전도성 고분자 물질로 구성될 수 있다. 예컨대, 제 1 전극판(210)과 제 2 전극판(220)은 도프(dope)된 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리티오펜(Polythiophene) 등을 재질로 할 수 있다. Since the first electrode plate 210 and the second electrode plate 220 have elastic force, the first electrode plate 210 and the second electrode plate 220 may be deformed by an external force and then returned to their original state. In addition, the first electrode plate 210 and the second electrode plate 220 may be made of a conductive polymer material having the same conductive material. For example, the first electrode plate 210 and the second electrode plate 220 may be made of doped polyethylene, polythiophene, or the like.

또한, 본 발명에 적용되는 탄성 유전체판(100)은 탄성력을 가진 유전체로 재질에 있어 특별한 제한은 없으나, 유전율이 비교적 높은 고분자의 유전체일 수 있다. 예컨대, 탄성 유전체판(100)은 폴리에스터(polyester), 폴리스티렌(polystyrene), 폴리에틸렌(polyethylene) 등을 주요한 구성 성분으로 할 수 있다. In addition, the elastic dielectric plate 100 to be applied to the present invention is a dielectric having elastic force, but there is no particular limitation on the material, but may be a dielectric of a polymer having a relatively high dielectric constant. For example, the elastic dielectric plate 100 may be made of polyester, polystyrene, polyethylene, or the like as main components.

따라서, 본 발명은 전도성의 고분자 물질로 구성된 탄성력을 가진 전극판(210, 220)과 탄성력을 가진 고분자의 유전체로 구성된 탄성 유전체판(100)이 결합하고, 전극판(210,220)과 탄성 유전체판(100)이 결합하는 면에 접촉 구조체가 형성된 전기활성 고분자(EAP)로 이루어진 에너지 수확 소자를 제공할 수 있다.
Therefore, in the present invention, the electrode plates 210 and 220 having elastic force made of a conductive polymer material and the elastic dielectric plate 100 made of a dielectric of a polymer having elastic force are combined, and the electrode plates 210 and 220 and the elastic dielectric plate ( It is possible to provide an energy harvesting device made of an electroactive polymer (EAP) having a contact structure formed on a surface to which 100 is bonded.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 나노닷(nano-dot)이 형성된 전기활성 고분자를 이용한 에너지 수확 소자의 개념도이다. 3 is a conceptual diagram of an energy harvesting device using an electroactive polymer having nano-dots formed thereon according to another exemplary embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 에너지 수확 소자는 탄성 유전체판(100), 제 1 전극판(210), 제 2 전극판(220) 및 나노닷(nano-dot)(320)을 포함한다. Referring to FIG. 3, the energy harvesting device according to the embodiment of the present invention may include an elastic dielectric plate 100, a first electrode plate 210, a second electrode plate 220, and a nano-dot 320. It includes.

도 3에 있어서, 접촉 구조체는 나노닷(nano-dot)(320)의 형태로 형성될 수 있음을 나타낸다. 나노닷(320)은 지름이 수 나노미터인 돔(dome)형상의 구조체일 수 있다. In FIG. 3, the contact structure may be formed in the form of a nano-dot 320. The nano dot 320 may be a dome-shaped structure having a diameter of several nanometers.

나노닷(320)은 도 2의 실시예와 같이 탄성 유전체판(100)의 일면 또는 양면에 형성될 수 있다. 나노닷(320)은 제 1 전극판(210) 및 제 2 전극판(220) 중 적어도 하나에 침투하여 형성되도록 할 수 있다. 나노닷(320)이 제 1전극판(210) 및 제 2 전극판(220)에 침투한 형태로 형성되어야 탄성 유전체판(100)과 전극판(210, 220)의 접촉 면적을 효과적으로 증가시킬 수 있다. 즉, 나노닷(320)의 형상을 가진 접촉 구조체는 탄성 유전체판(100)과 전극판(210, 220)사이의 접촉 면적을 증가시켜, 축전기의 초기 정전용량을 증가시킬 수 있다. The nano dot 320 may be formed on one or both surfaces of the elastic dielectric plate 100 as in the embodiment of FIG. 2. The nano dot 320 may be formed to penetrate at least one of the first electrode plate 210 and the second electrode plate 220. The nano dot 320 must be formed to penetrate the first electrode plate 210 and the second electrode plate 220 to effectively increase the contact area between the elastic dielectric plate 100 and the electrode plates 210 and 220. have. That is, the contact structure having the shape of the nano dot 320 may increase the contact area between the elastic dielectric plate 100 and the electrode plates 210 and 220, thereby increasing the initial capacitance of the capacitor.

또한, 접촉 구조체를 탄성 유전체판(100)에 형성시키는 방법에는 특별한 제한이 없으나, 나노선(310)와 나노닷(320)은 전기 방사법(Elelctrospinning Method)을 이용하여 탄성 유전체판(100)에 형성할 수 있다.
In addition, a method of forming the contact structure on the elastic dielectric plate 100 is not particularly limited, but the nanowires 310 and the nano dots 320 are formed on the elastic dielectric plate 100 by using an electrospinning method. can do.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 수확 소자를 제작하는 방법에 관한 순서도이다. 4 is a flowchart illustrating a method of manufacturing an energy harvesting device according to an embodiment of the present invention.

도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 에너지 수확 소자를 제작하는 방법은 크게 탄성 유전체판(100)에 접촉 구조체를 형성시키는 단계와 접촉 구조체가 형성된 탄성 유전체판(100)의 양면에 전극판(210, 220)을 형성시키는 단계를 포함한다. Referring to FIG. 4, the method of manufacturing the energy harvesting device according to the present invention includes forming the contact structure on the elastic dielectric plate 100 and the electrode plate 210 on both sides of the elastic dielectric plate 100 on which the contact structure is formed. 220).

본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 수확 소자를 제작하는 방법은 탄성 유전체판(100)의 일면에 접촉 구조체를 형성하는 단계(S100)와 접촉 구조체가 형성된 탄성 유전체판(100)의 일면에 제 1 전극판(210)을 형성하는 단계(S110)와 탄성 유전체판(100)의 타면에 접촉 구조체를 형성하는 단계(S120) 및 접촉 구조체가 형성된 탄성 유전체판(100)의 타면에 제 2 전극판(220)을 형성하는 단계(S130)를 포함한다. The method of manufacturing an energy harvesting device according to an embodiment of the present invention includes forming a contact structure on one surface of the elastic dielectric plate 100 (S100) and a first surface on one surface of the elastic dielectric plate 100 on which the contact structure is formed. Forming a contact structure on the other surface of the elastic dielectric plate 100 and forming the electrode plate 210 (S110) and a second electrode plate on the other surface of the elastic dielectric plate 100 on which the contact structure is formed. And forming a step (S130).

즉, 접촉 구조체가 형성된 탄성 유전체판(100)의 일면에 탄성 전극판(210)을 형성시킨 후에, 탄성 유전체판(100)의 타면에 접촉 구조체를 형성시킨다. 이렇게 하여야 탄성 유전체판(100)에 형성된 접촉 구조체가 그 형태를 유지한 상태에서 전극판(220)이 형성될 수 있다. That is, after the elastic electrode plate 210 is formed on one surface of the elastic dielectric plate 100 on which the contact structure is formed, the contact structure is formed on the other surface of the elastic dielectric plate 100. In this way, the electrode plate 220 may be formed while the contact structure formed on the elastic dielectric plate 100 maintains its shape.

또한, 접촉 구조체는 나노선(nano-wire)(310)일 수 있으며, 나노선(310)은 전기 방사법에 의하여 탄성 유전체판(100)에 형성될 수 있다. In addition, the contact structure may be a nano-wire (310), the nano-wire 310 may be formed on the elastic dielectric plate 100 by the electrospinning method.

또한, 제 1 전극판(210)과 제 2 전극판(220)은 탄성 유전체판(100)에 형성된 나노선(310) 또는 나노닷(320)과 같은 접촉 구조체가 제 1 전극판(210)과 제 2 전극판(220)을 침투한 형태로 형성될 수있다. 접촉 구조체가 제 1 전극판(210)과 제 2 전극판(220)을 침투한 형태로 형성되어야, 탄성 유전체판(100)과 전극판(210, 220)사이의 접촉 면적을 증가시킬 수 있다.
In addition, the first electrode plate 210 and the second electrode plate 220 may have a contact structure such as the nanowire 310 or the nano dot 320 formed on the elastic dielectric plate 100 and the first electrode plate 210. It may be formed to penetrate the second electrode plate 220. When the contact structure is formed to penetrate the first electrode plate 210 and the second electrode plate 220, the contact area between the elastic dielectric plate 100 and the electrode plates 210 and 220 may be increased.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 전기방사 장치로 형성시킨 나노선(nano-wire)의 전자 현미경 사진이다. 5 is an electron micrograph of a nano-wire formed of an electrospinning apparatus according to an embodiment of the present invention.

도 5를 참조하면, 나노선(310)은 탄성 유전체판(100)의 일면 또는 양면에 형성된다. 탄성 유전체판(100)에 형성되는 나노선(310)은 그물과 같이 서로 얽혀 있는 구조를 가지고 탄성 유전체판(100)과 결합될 수 있다. 또한, 나노선(310)은 전기 방사법에 의하여 형성될 수 있다.
Referring to FIG. 5, the nanowires 310 are formed on one surface or both surfaces of the elastic dielectric plate 100. The nanowires 310 formed on the elastic dielectric plate 100 may be coupled to the elastic dielectric plate 100 having a structure intertwined with each other such as a net. In addition, the nanowires 310 may be formed by electrospinning.

상술한 바와 같은 본 발명은 일면 또는 양면에 접촉 구조체가 형성된 탄성 유전체판의 양면에 전극판을 증착시킨 에너지 수확 소자를 제공한다. 특히, 접촉 구조체를 탄성 유전체판의 일면 또는 양면에 형성시키고, 접촉 구조체가 전극판에 침투하도록 전극판을 형성하여, 탄성 유전체판과 전극판사이의 접촉 면적을 증가시킴으로써 초기 정전용량을 증가시킬 수 있다. The present invention as described above provides an energy harvesting device in which electrode plates are deposited on both sides of an elastic dielectric plate having contact structures formed on one or both surfaces thereof. In particular, the initial capacitance can be increased by forming the contact structure on one or both sides of the elastic dielectric plate, and forming the electrode plate so that the contact structure penetrates the electrode plate, thereby increasing the contact area between the elastic dielectric plate and the electrode plate. .

또한, 본 발명의 실시예에 있어서, 접촉 구조체는 나노선(nano-wire) 또는 나노닷(nano-dot)의 형상을 가질 수 있는 것으로 기재되었으나, 탄성 유전체판과 전극판사이의 접촉 면적을 증가시킬 수 있는 형상이라면, 그 형상에 있어서 특별한 제한은 없다. In addition, in the embodiment of the present invention, it has been described that the contact structure may have the shape of nano-wire or nano-dot, but it will increase the contact area between the elastic dielectric plate and the electrode plate. As long as it can be a shape, there is no special limitation in the shape.

또한, 접촉 구조체의 크기는 수 나노미터에서 수 마이크로미터에 이르기까지 다양하게 형성될 수 있음은 물론이다.
In addition, the contact structure may be formed in various sizes ranging from a few nanometers to several micrometers.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the present invention as defined by the following claims It can be understood that

100: 탄성 유전체판
210 :제 1 전극판 220: 제 2 전극판
310: 나노선 320: 나노닷
100: elastic dielectric plate
210: first electrode plate 220: second electrode plate
310: nanowire 320: nanodot

Claims (11)

탄성 유전체판;
상기 탄성 유전체판의 일면에 형성되는 제 1 전극판;
상기 탄성 유전체판의 타면에 형성되는 제 2 전극판; 및
상기 탄성 유전체판의 일면 및 타면 중 적어도 하나의 면에 형성되어, 상기 제 1 전극판 및 상기 제 2 전극판 중 적어도 하나를 침투한 형태를 갖는 접촉 구조체를 포함한 에너지 수확 소자.
Elastic dielectric plates;
A first electrode plate formed on one surface of the elastic dielectric plate;
A second electrode plate formed on the other surface of the elastic dielectric plate; And
An energy harvesting device comprising a contact structure formed on at least one of one surface and the other surface of the elastic dielectric plate, the contact structure penetrating at least one of the first electrode plate and the second electrode plate.
청구항 1에 있어서, 상기 접촉 구조체는,
전기 방사법에 의하여 상기 탄성 유전체판에 형성되는 것을 특징으로 하는 에너지 수확 소자.
The method according to claim 1, wherein the contact structure,
An energy harvesting element, characterized in that formed on the elastic dielectric plate by the electrospinning method.
청구항 1에 있어서, 상기 접촉 구조체는,
상기 탄성 유전체판과 동일한 재질로 구성되는 것을 특징으로 하는 에너지 수확 소자.
The method according to claim 1, wherein the contact structure,
Energy harvesting device, characterized in that made of the same material as the elastic dielectric plate.
청구항 1 내지 청구항 3 중에 어느 한 항에 있어서, 상기 접촉 구조체는,
나노선(nano-wire) 또는 나노닷(nano-dot)의 형태인 것을 특징으로 하는 에너지 수확 소자.
The said contact structure of any one of Claims 1-3,
Energy harvesting device, characterized in that the form of nano-wire (nano-wire) or nano-dot (nano-dot).
청구항 1 내지 청구항 3 중에 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 전극판 및 상기 제 2 전극판은,
탄성력을 가진 전도성 고분자인 것을 특징으로 하는 에너지 수확 소자.
The said 1st electrode plate and the said 2nd electrode plate are any one of Claims 1-3,
Energy harvesting device, characterized in that the conductive polymer having an elastic force.
탄성 유전체판;
상기 탄성 유전체판의 일면에 형성되는 제 1 전극판; 및
상기 탄성 유전체판의 타면에 형성되는 제 2 전극판을 포함하되,
상기 제 1 전극판 및 상기 제 2 전극판 중 적어도 하나에는 상기 탄성 유전체판과 접촉할 수 있는 접촉 구조체가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 에너지 수확 소자.
Elastic dielectric plates;
A first electrode plate formed on one surface of the elastic dielectric plate; And
Including a second electrode plate formed on the other surface of the elastic dielectric plate,
And at least one of the first electrode plate and the second electrode plate is formed with a contact structure capable of contacting the elastic dielectric plate.
청구항 6에 있어서, 상기 접촉 구조체는,
나노선(nano-wire) 또는 나노닷(nano-dot)의 형태인 것을 특징으로 하는 에너지 수확 소자.
The method according to claim 6, wherein the contact structure,
Energy harvesting device, characterized in that the form of nano-wire (nano-wire) or nano-dot (nano-dot).
청구항 6에 있어서, 상기 제 1 전극판 및 상기 제 2 전극판은,
탄성력을 가진 전도성 고분자인 것을 특징으로 하는 에너지 수확 소자.
The method according to claim 6, wherein the first electrode plate and the second electrode plate,
Energy harvesting device, characterized in that the conductive polymer having an elastic force.
에너지 수확 소자를 제작하는 방법에 있어서,
탄성 유전체판의 일면에 접촉 구조체를 형성하는 단계;
상기 접촉 구조체가 형성된 상기 탄성 유전체판의 일면에 제 1 전극판을 형성하는 단계;
상기 탄성 유전체판의 타면에 상기 접촉 구조체를 형성하는 단계; 및
상기 접촉 구조체가 형성된 상기 탄성 유전체판의 타면에 제 2 전극판을 형성하는 단계를 포함하는 에너지 수확 소자를 제작하는 방법.
In the method of manufacturing the energy harvesting device,
Forming a contact structure on one surface of the elastic dielectric plate;
Forming a first electrode plate on one surface of the elastic dielectric plate on which the contact structure is formed;
Forming the contact structure on the other surface of the elastic dielectric plate; And
And forming a second electrode plate on the other surface of the elastic dielectric plate having the contact structure formed thereon.
청구항 9에 있어서, 상기 접촉 구조체는,
전기 방사법을 이용하여 나노선(nano-wire) 또는 나노닷(nano-dot)의 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 에너지 수확 소자를 제작하는 방법.
The method according to claim 9, wherein the contact structure,
Method of manufacturing an energy harvesting device, characterized in that formed in the form of nano-wire (nano-wire) or nano-dot (nano-dot) using the electrospinning method.
청구항 9 또는 청구항 10에 있어서, 상기 제 1 전극판과 상기 제 2 전극판은,
상기 접촉 구조체가 상기 제 1 전극판 및 상기 제 2 전극판을 침투한 상태로 형성되는 것을 특징으로 하는 에너지 수확 소자를 제작하는 방법.
The method according to claim 9 or 10, wherein the first electrode plate and the second electrode plate,
And the contact structure is formed while penetrating the first electrode plate and the second electrode plate.
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