KR20140096644A - 자가 동력 터치 센서 겸용 에너지 수확 장치 - Google Patents
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Abstract
외부로부터의 터치에 의한 압력을 외부 동력 없이 센싱할 수 있고 터치에 의한 압력시 발생하는 에너지를 수확하여 저장할 수 있는 자가 동력 터치 센서 겸용 에너지 수확 장치가 개시된다. 개시된 자가 동력 터치 센서 겸용 에너지 수확 장치는 제 1 전극을 구비하는 제 1 기판, 제 2 전극을 구비하는 제 2 기판, 제 1 전극 상에 배치된 에너지 발생층, 및 제 2 전극 상에 배치되며 상기 에너지 발생층과 대향하여 배치된 탄성층을 포함하며, 상기 에너지 발생층은 압력에 의해 전기를 발생시키는 압전 필름 또는 표면이 전하로 대전되어 있는 정전 필름을 포함할 수 있다.
Description
개시된 실시예들은 자가 동력 터치 센서 겸용 에너지 수확 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 외부로부터의 터치에 의한 압력을 외부 동력 없이 센싱할 수 있을 뿐만 아니라 터치에 의한 압력시 발생하는 에너지를 수확하여 저장할 수도 있는 자가 동력 터치 센서 겸용 에너지 수확 장치에 관한 것이다.
최근, 녹색 에너지(green energy)에 대한 관심이 증가하면서, 열, 태양, 진동 등의 주변에 존재하는 작은 에너지를 전기 에너지로 변환하여 쓸모 있게 이용하려는 에너지 수확(energy harvesting) 기술이 이슈화되고 있다. 에너지 수확 기술은 사람이나 교량의 진동, 사람이나 물건의 움직임으로 발생되는 기계적 에너지, 또는 태양광 에너지, 실내의 조명광, 방송의 전파 등을 전기 에너지로 변환하여 추출할 수 있는 새로운 친환경 에너지 기술이라 할 수 있다. 이러한 에너지 수확 기술에 의해 얻을 수 있는 전력은 작은 편이지만, 소비전력이 작은 장치를 전원 없이 동작시킬 수 있어서 그 활용 범위가 확대되고 있다.
외부로부터의 터치에 의한 압력을 외부 동력 없이 센싱할 수 있고 터치에 의한 압력시 발생하는 에너지를 수확하여 저장할 수 있는 자가 동력 터치 센서 겸용 에너지 수확 장치를 제공한다.
일 유형에 따른 자가 동력 터치 센서 겸용 에너지 수확 장치는, 제 1 전극을 구비하는 제 1 기판; 제 2 전극을 구비하는 제 2 기판; 상기 제 1 전극 상에 배치된 에너지 발생층; 및 상기 제 2 전극 상에 배치되며 상기 에너지 발생층과 대향하여 배치된 것으로, 외부의 압력에 의해 변형되고 외부의 압력이 없어지면 복원되는 탄성층;을 포함할 수 있으며, 여기서 상기 에너지 발생층은 압력에 의해 전기를 발생시키는 압전 필름 또는 표면이 전하로 대전되어 있는 정전 필름을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 압전 필름은 ZnO, GaN, ZnMgO, InN, BTO, PZT, PVDF, 또는 압전성 나노 입자들이 분산된 폴리머를 포함할 수 있다.
또한, 상기 정전 필름은, 예를 들어, 자연적으로 표면 전위를 갖는 불소계 폴리머, PET, 또는 폴리프로필렌, 또는 인위적으로 표면을 분극시킨 석영이나 SiO2를 포함할 수 있다.
상기 탄성층은 다공성의 나노 구조를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 탄성층은 상기 제 1 전극을 향해 돌출된 다수의 돌출부, 및 상기 돌출부들 사이의 기공들을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 기공의 직경은 500nm 내지 2um이고, 깊이는 1um 내지 8um일 수 있다.
상기 다수의 돌출부는 상기 제 1 전극을 향해 수직하게 돌출될 수 있다.
상기 다수의 돌출부는 상기 제 2 전극의 방향으로 폭이 점차 넓어지고 상기 에너지 발생층의 방향으로는 폭이 점차 좁아지는 피라미드 형태를 가질 수 있다.
상기 다수의 돌출부는 상기 에너지 발생층의 표면에 접하는 다수의 제 1 돌출부와 상기 에너지 발생층의 표면과 이격되어 있는 다수의 제 2 돌출부를 포함할 수 있다.
상기 제 1 및 제 2 전극은 투명한 도전성 재료로 이루어질 수 있다.
상기 제 1 및 제 2 전극은 금속 나노 튜브 또는 탄소 나노 튜브를 상기 제 1 및 제 2 기판에 각각 스프레이 코팅함으로써 형성된 신축성 전극일 수 있다.
상기 제 1 전극과 제 2 전극은 서로 수직한 방향으로 배열된 다수의 패턴들의 어레이를 각각 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 제 1 전극은 제 1 방향을 향해 일직선 형태로 연장된 다수의 나란한 제 1 전극 패턴들의 어레이를 포함하며, 제 2 전극은 제 1 방향에 수직한 제 2 방향을 향해 일직선 형태로 연장된 다수의 나란한 제 2 전극 패턴들의 어레이를 포함할 수 있다.
또한, 다른 유형에 따른 자가 동력 터치 센서 겸용 에너지 수확 장치는, 제 1 전극을 구비하는 제 1 기판; 상기 제 1 기판과 대향하도록 배치되며 제 2 전극을 구비하는 제 2 기판; 상기 제 2 전극 상에 배치된 것으로, 상기 제 1 전극을 향해 돌출된 다수의 돌출부들을 포함하는 탄성층; 및 상기 탄성층의 표면을 따라 배치된 에너지 발생층;을 포함할 수 있으며, 여기서 상기 에너지 발생층은 압력에 의해 전기를 발생시키는 압전 필름 또는 표면이 전하로 대전되어 있는 정전 필름을 포함하고, 상기 탄성층은 외부의 압력에 의해 변형되고 외부의 압력이 없어지면 복원될 수 있다.
상기 다수의 돌출부는 상기 제 1 전극의 표면에 접하는 다수의 제 1 돌출부와 상기 제 2 전극과 이격되어 있는 다수의 제 2 돌출부를 포함할 수 있다.
한편, 또 다른 유형에 따르면, 상술한 자가 동력 터치 센서 겸용 에너지 수확 장치를 포함하는 터치 스크린 또는 인공 피부를 제공할 수 있다.
터치 센서와 진동식 에너지 수확 장치는 모두 압력을 이용하여 센싱하거나 에너지를 만들어 낸다는 공통점이 있다. 그러나 터치 센서의 구동을 위해서는 외부에서 전력을 공급해 주어야 한다. 본 실시예에 따르면, 진동식 에너지 수확 구조를 터치 센서와 결합하여 터치에 의한 압력시 에너지를 발생시킴으로써, 외부 전원 없이 자가 동력으로 센싱 동작을 수행할 수 있을 뿐만 아니라 잉여 에너지를 축전하여 사용할 수도 있다. 또한, 본 실시예에 따른 자가 동력 터치 센서 겸용 에너지 수확 장치는 폴리머 필름으로 구현이 가능하기 때문에, 생산 단가를 저감하고 공정 비용이 절약될 수 있다.
이러한 자가 동력 터치 센서 겸용 에너지 수확 장치는 휴대용 전자기기나 디스플레이 장치 등의 터치 스크린에 적용될 수 있으며, 나아가 촉각 기능을 갖는 인공 피부에도 적용될 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 자가 동력 터치 센서 겸용 에너지 수확 장치의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
도 2는 다른 실시예에 따른 자가 동력 터치 센서 겸용 에너지 수확 장치의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
도 3은 또 다른 실시예에 따른 자가 동력 터치 센서 겸용 에너지 수확 장치의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
도 4는 또 다른 실시예에 따른 자가 동력 터치 센서 겸용 에너지 수확 장치의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
도 5a 내지 도 7b는 도 1에 도시된 자가 동력 터치 센서 겸용 에너지 수확 장치에서 다양한 외부의 압력에 의해 에너지가 발생할 수 있다는 것을 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 8a 내지 도 8c는 도 1에 도시된 자가 동력 터치 센서 겸용 에너지 수확 장치에서 터치 압력에 따라 커패시턴스가 변화하는 것을 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 9는 터치 위치를 감지하기 위한 자가 동력 터치 센서 겸용 에너지 수확 장치의 전극 구조를 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 2는 다른 실시예에 따른 자가 동력 터치 센서 겸용 에너지 수확 장치의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
도 3은 또 다른 실시예에 따른 자가 동력 터치 센서 겸용 에너지 수확 장치의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
도 4는 또 다른 실시예에 따른 자가 동력 터치 센서 겸용 에너지 수확 장치의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
도 5a 내지 도 7b는 도 1에 도시된 자가 동력 터치 센서 겸용 에너지 수확 장치에서 다양한 외부의 압력에 의해 에너지가 발생할 수 있다는 것을 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 8a 내지 도 8c는 도 1에 도시된 자가 동력 터치 센서 겸용 에너지 수확 장치에서 터치 압력에 따라 커패시턴스가 변화하는 것을 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 9는 터치 위치를 감지하기 위한 자가 동력 터치 센서 겸용 에너지 수확 장치의 전극 구조를 예시적으로 보이는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 자가 동력 터치 센서 겸용 에너지 수확 장치에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 또한, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다. 또한 이하에서 설명하는 층 구조에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 표현은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 자가 동력 터치 센서 겸용 에너지 수확 장치의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다. 도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 자가 동력 터치 센서 겸용 에너지 수확 장치(10)는, 제 1 기판(11), 상기 제 1 기판(11)의 상부 표면에 배치된 제 1 전극(12), 제 2 기판(16), 상기 제 2 기판(12)의 하부 표면에 배치된 제 2 전극(15), 상기 제 1 전극(12)의 상부 표면에 배치된 에너지 발생층(13), 및 상기 제 2 전극(15)의 하부 표면에 배치되는 탄성층(14)을 포함할 수 있다. 제 1 기판(11)과 제 2 기판(16)은 서로 대향하도록 배치되며, 이에 따라 탄성층(14)은 에너지 발생층(13) 위에 배치될 수 있다.
에너지 발생층(13)은 외부의 압력 또는 진동에 의해 에너지를 발생시키기 위한 역할을 한다. 이러한 에너지 발생층(13)은, 예를 들어, 압력에 의해 전기를 발생시키는 압전 필름 또는 표면이 전하에 의해 강하게 대전되어 있는 정전 필름을 포함할 수 있다. 예를 들어, 압전 필름은 ZnO, GaN, ZnMgO, InN, BTO(BaTiO3)등의 반도체 압전 물질, PZT 등의 세라믹 물질, PVDF(polyvinylidene fluoride) 등의 폴리머 계열 물질로 형성되거나, 또는 PDMS(poly-dimethylsiloxane) 등과 같은 폴리머 내에 다수의 압전성 나노 입자들을 분산시켜 사용할 수 있다. 또한, 정전 필름으로는 자연적으로 강한 표면 전위(surface potential)를 갖거나 또는 인위적으로 표면을 분극(polarization)시킨 물질을 사용할 수 있다. 예를 들어, 정전 필름은 테프론(teflon)과 같은 불소계 폴리머, PET(polyethyleneterephthalate), 폴리프로필렌(polypropylene)를 사용하거나, 또는 석영(quartz)이나 SiO2를 분극시켜 사용할 수 있다.
탄성층(14)은 두 전극(12, 15)과 함께 커패시터를 구성하며, 외부의 압력 및 진동에 따라 두께가 변화하여 커패시턴스를 변화시키는 역할을 한다. 또한, 외부의 압력을 에너지 발생층(13)에 전달하는 역할도 할 수 있다. 또한, 탄성층(14)은 외부의 힘에 의해 변형되었다가 외부의 힘이 없어지면 다시 원형으로 복원되는 탄성력을 갖는다. 외부의 변형에 의한 탄성층(14)의 변형을 크게 하고 탄성복원력 또한 크게 할 수 있도록, 탄성층(14)을 다공성(porous) 구조로 나노 구조화할 수 있다. 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 탄성층(14)은 제 1 전극(12)을 향해 돌출된 다수의 수직한 돌출부(14a) 및 상기 돌출부(14a)들 사이의 기공(pore)(14b)들을 포함하는 구조로 형성될 수 있다. 돌출부(14a)는 예를 들어 빗살 구조, 벌집 구조, 또는 격자 구조로 형성될 수 있다. 변형 및 탄성복원력을 충분히 크게 하기 위하여, 기공(14b)의 종횡비는 대략 1:5 정도일 수 있다. 예를 들어, 기공(14b)의 직경은 약 500nm 내지 2um이고, 기공(14b)의 깊이는 약 1um 내지 8um 정도일 수 있다.
이러한 구조의 에너지 수확 장치(10)에 외부의 압력이 작용하면, 탄성층(14)이 변형되면서 에너지 수확 장치(10)의 커패시턴스가 변화할 수 있으며, 이와 동시에 에너지 발생층(13)에서 발생하는 전기 에너지가 두 전극(12, 15)을 통해 출력될 수 있다. 만약 에너지 발생층(13)이 압전 필름으로 형성된 경우, 압전 필름에 작용하는 압력에 의해 전기 에너지가 직접 발생할 수 있다. 탄성층(14)의 전체 두께는 수 내지 수십 um 정도이므로, 탄성층(14)이 변형되더라도 에너지 발생층(13)에는 충분한 압력이 전달될 수 있다.
또한, 에너지 발생층(13)이 정전 필름으로 형성된 경우, 다음과 같은 원리로 전기 에너지가 발생할 수 있다. 예를 들어, 도 1에서 상부에 배치된 제 2 전극(15)의 표면에는 정전 필름의 표면에 강하게 분포되어 있는 전자에 의해 양전하가 유도되며, 제 1 전극(12)의 표면에는 음전하가 유도될 수 있다. 외부에서 압력이 가해지면, 탄성층(14)의 변형이 생기면서 제 2 전극(15)과 에너지 발생층(13) 사이의 거리가 변화하게 된다. 이러한 거리의 변화로 인해, 제 2 전극(15)의 표면에서의 정전위(electrostatic potential)가 변화하게 된다. 제 2 전극(15)과 에너지 발생층(13) 사이의 거리가 가까워지면 제 2 전극(15)의 표면에 양전하가 강하게 유도되며, 거리가 멀어지면 제 2 전극(15)의 표면에 유도된 양전하가 상대적으로 방전된다.
이와 같은 압전 효과 또는 정전 효과를 이용하여 전기 에너지를 발생시킴으로써, 제 1 전극(12)과 제 2 전극(15) 사이에 연결된 부하에 전류를 인가할 수 있다. 또한, 에너지 수확 장치(10)는 커패시턴스의 변화를 감지함으로써 터치 센서의 역할도 수행할 수 있다. 따라서, 본 실시예에 따르면, 진동식 에너지 수확 구조를 터치 센서와 결합하여 터치에 의한 압력시 에너지를 발생시킴으로써, 외부 전원 없이 자가 동력으로 센싱 동작을 수행할 수 있을 뿐만 아니라 잉여 에너지를 축전하여 사용할 수도 있다. 또한, 본 실시예에 따른 자가 동력 터치 센서 겸용 에너지 수확 장치(10)는 폴리머 필름으로 구현이 가능하기 때문에, 생산 단가를 저감하고 공정 비용이 절약될 수 있다.
이러한 자가 동력 터치 센서 겸용 에너지 수확 장치(10)는 휴대용 전자기기나 디스플레이 장치 등의 터치 스크린에 적용될 수 있으며, 나아가 촉각 기능을 갖는 인공 피부에도 적용될 수 있다. 터치 스크린에 적용시, 제 1 및 제 2 기판(11, 16)을 PET나 PDMS와 같은 투명한 재료로 형성할 수 있으며, 제 1 및 제 2 전극(12, 15)을 ITO(Indium Tin Oxide)나 IZO(Indium Zinc Oxide)와 같은 투명한 도전성 재료로 형성할 수 있다. 에너지 발생층(13)과 탄성층(14)도 PDMS, PVDF, 테프론 등의 투명한 재료를 이용하여 형성할 수 있다. 또한, 은(Ag)이나 금(Au)을 이용한 금속 나노 튜브나 탄소 나노 튜브(CNT)를 기판(11, 16) 상에 스프레이(spray) 코팅하여 형성함으로써, 전극(12, 15)을 신축성(stretchable) 있게 형성할 수도 있다. 신축성 전극(12, 15)을 갖는 자가 동력 터치 센서 겸용 에너지 수확 장치(10)는 인공 피부와 같이 플렉서블한 용도에 사용될 수 있다.
도 2는 다른 실시예에 따른 자가 동력 터치 센서 겸용 에너지 수확 장치(20)의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다. 도 2를 참조하면, 에너지 수확 장치(20)는 탄성층(24)의 형태만이 도 1에 도시된 실시예와 차이가 있다. 예를 들어, 상기 탄성층(24)의 개개의 돌출부(24a)는 제 2 전극(15) 방향으로 폭이 점차 넓어지고 에너지 발생층(13) 방향으로는 폭이 점차 좁아지는 피라미드 형태로 형성될 수 있다. 도 2의 단면도에는 단순한 역삼각형의 형태로 탄성층(24)의 돌출부(24a)가 도시되어 있지만, 다수의 피라미드 형태의 돌출부(24a)들이 탄성층(24)의 표면에 2차원 배열될 수 있다. 돌출부(24a)들을 피라미트 형태로 형성함으로써 탄성층(24)의 변형이 보다 쉽게 일어날 수 있으며, 돌출부(24a)들 사이의 공기층의 변화를 크게 할 수 있다. 따라서, 작은 압력으로도 커패시턴스의 변화를 크게 하여 터치 센서의 감도를 향상시킬 수 있다.
또한, 도 3은 또 다른 실시예에 따른 자가 동력 터치 센서 겸용 에너지 수확 장치(30)의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다. 도 3에 도시된 자가 동력 터치 센서 겸용 에너지 수확 장치(30)에서, 탄성층(34)은 에너지 발생층(13)의 표면에 접하는 다수의 제 1 돌출부(34a)와 에너지 발생층(13)의 표면에 접하지 않는 다수의 제 2 돌출부(34b)들을 포함할 수 있다. 도 3의 예에서 제 1 돌출부(34a)와 제 2 돌출부(34b)가 번갈아 배치되는 것으로 도시되어 있으나, 반드시 이에 한정될 필요는 없다. 예를 들어, 가장 바깥쪽에만 제 1 돌출부(34a)가 배치되고 안쪽에는 제 2 돌출부(34b)만이 배치되는 것도 가능하며, 제 1 돌출부(34a)와 제 2 돌출부(34b)가 불규칙하게 배열되어 있는 것도 가능하다. 또한, 도 3에는 수직한 형태의 제 1 및 제 2 돌출부(34a, 34b)가 도시되어 있지만, 제 1 및 제 2 돌출부(34a, 34b)는 도 2에 도시된 것과 같은 피라미드 형태를 가질 수도 있다.
또한, 도 4는 또 다른 실시예에 따른 자가 동력 터치 센서 겸용 에너지 수확 장치(40)의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다. 도 1 내지 도 3에 도시된 실시예에서는, 에너지 발생층(13)이 모두 제 1 전극(12)의 표면에 배치되어 있으나, 도 4에 도시된 자가 동력 터치 센서 겸용 에너지 수확 장치(40)는 탄성층(44)의 표면을 따라 배치된 에너지 발생층(43)을 포함할 수 있다. 도 4를 참조하면, 탄성층(44)은 제 1 전극(12)을 향해 돌출된 다수의 돌출부(44a)를 포함하며, 에너지 발생층(43)은 상기 탄성층(44)의 전체 표면을 따라 형성될 수 있다. 본 실시예의 경우, 에너지 발생층(43)이 돌출부(44a)를 포함하는 탄성층(44)의 표면을 따라 배치되어 있기 때문에, 에너지 발생층(43)의 표면적을 증가시킬 수 있으며, 탄성층(44)의 변화에 따른 에너지 발생층(43)의 변화를 증가시킬 수 있다. 따라서, 자가 동력 터치 센서 겸용 에너지 수확 장치(40)의 에너지 발생 효율 및 터치 감도를 더 향상시킬 수 있다. 또한, 자가 동력 터치 센서 겸용 에너지 수확 장치(40)를 더욱 플렉서블하게 만들 수도 있다.
한편, 도 4의 예에서, 수직한 형태의 돌출부(44a)가 도시되어 있지만, 도 2에 도시된 것과 같은 피라미드 형태로 돌출부(44a)를 형성할 수도 있다. 또한, 도 4의 예에서, 바깥쪽의 돌출부(44a)만이 제 1 전극(12)과 접촉하고 안쪽에 배치된 돌출부(44a)들은 모두 제 1 전극(12)과 이격되어 있으나, 안쪽에 배치된 일부의 돌출부(44a)들이 규칙적으로 또는 불규칙적으로 제 1 전극(12)과 접촉할 수도 있다.
도 5a 내지 도 7b는 도 1에 도시된 자가 동력 터치 센서 겸용 에너지 수확 장치(10)에서 다양한 외부의 압력에 의해 에너지가 발생할 수 있다는 것을 예시적으로 보이는 그래프로서, 도 5a 및 도 5b는 약 100dB 정도의 소리로부터 수확한 전기 에너지의 출려 전압 및 출력 전류를 보이며, 도 6a 및 도 6b는 자가 동력 터치 센서 겸용 에너지 수확 장치(10)를 반복적으로 손가락으로 눌렀을 때 수확한 전기 에너지의 출력 전압 및 출력 전류를 보이고, 도 7a 및 도 7b는 소리와 압력을 동시에 인가했을 때의 출력 전압과 출력 전류를 보이고 있다. 도 5a 내지 도 7b의 그래프를 보면, 단순한 주변의 소음 또는 압력으로부터 에너지가 발생할 수 있다는 것을 확인할 수 있다.
또한, 도 8a 내지 도 8c는 도 1에 도시된 자가 동력 터치 센서 겸용 에너지 수확 장치(10)에서 터치 압력에 따라 커패시턴스가 변화하는 것을 예시적으로 보이는 그래프이다. 먼저, 도 8a는 약 1.69g의 추를 자가 동력 터치 센서 겸용 에너지 수확 장치(10) 위에 하나씩 쌓다가 다시 제거한 경우의 시간에 따른 커패시턴스 변화를 보이고 있다. 도 8a를 참조하면, 추의 개수가 증가할수록 커패시턴스가 증가하다가 추의 개수가 줄면서 커패시턴스도 줄어든다는 것을 알 수 있다.
또한, 도 8b는 자가 동력 터치 센서 겸용 에너지 수확 장치(10)를 누르거나 잡아늘릴 때의 커패시턴스의 변화를 보이고 있으며, 도 8c는 자가 동력 터치 센서 겸용 에너지 수확 장치(10)를 불규칙한 힘으로 반복적으로 누를 때의 커패시턴스의 변화를 보이고 있다. 도 8a 내지 도 8c의 그래프를 통해 알 수 있듯이, 외부의 힘에 의해 커패시턴스가 매우 민감하게 변화하는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 자가 동력 터치 센서 겸용 에너지 수확 장치(10)는 터치 센서로서 사용할 수 있을 뿐만 아니라, 에너지 발생층(13)에서 발생하는 자체적인 전기 에너지를 이용할 수 있기 때문에, 커패시턴스의 측정을 위해 별도의 외부 전원을 요구하지도 않는다.
한편, 단순한 터치 여부뿐만 아니라 터치 위치를 감지하기 위하여, 제 1 전극(12)과 제 2 전극(15)이 패터닝될 수도 있다. 도 9는 터치 위치를 감지하기 위한 자가 동력 터치 센서 겸용 에너지 수확 장치(10)의 전극 구조를 예시적으로 보이는 그래프이다. 도 9는 단순히 전극(12, 15)의 패턴 형태를 예시적으로 보이기 위한 목적으로 도시된 것으로서, 도 9에서는 에너지 발생층(13)과 탄성층(14)을 단순한 필름 형태로만 도시하고 있지만, 이는 에너지 발생층(13)과 탄성층(14)의 실제와 다를 수도 있다.
도 9를 참조하면, 제 1 전극(12)과 제 2 전극(15)은 서로 수직한 방향으로 배열된 패턴들의 어레이를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제 1 전극(12)은 세로 방향을 향해 일직선 형태로 연장된 다수의 나란한 제 1 전극 패턴들의 어레이를 포함하며, 상기 다수의 제 1 전극 패턴들은 가로 방향을 따라 차례로 배열되어 있다. 또한, 제 2 전극(15)은 가로 방향을 향해 일직선 형태로 연장된 다수의 나란한 제 2 전극 패턴들의 어레이를 포함하며, 상기 다수의 제 2 전극 패턴들은 세로 방향을 차례로 따라 배열되어 있다. 이러한 구조에서, 제 1 전극(12)의 다수의 제 1 전극 패턴들 중에서 커패시턴스의 변화가 있는 특정 제 1 전극 패턴과 제 2 전극(15)의 다수의 제 2 전극 패턴들 중에서 커패시턴스의 변화가 있는 특정 제 2 전극 패턴이 교차하는 지점에서 터치가 발생한다는 것을 알 수 있다.
지금까지, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 자가 동력 터치 센서 겸용 에너지 수확 장치에 대한 예시적인 실시예가 설명되고 첨부된 도면에 도시되었다. 그러나, 이러한 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이고 이를 제한하지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 그리고 본 발명은 도시되고 설명된 설명에 국한되지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 이는 다양한 다른 변형이 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일어날 수 있기 때문이다.
10, 20, 30, 40.....자가 동력 터치 센서 겸용 에너지 수확 장치
11, 16.....기판
12, 15.....전극
13, 43.....에너지 발생층
14, 24, 34, 44.....탄성층
11, 16.....기판
12, 15.....전극
13, 43.....에너지 발생층
14, 24, 34, 44.....탄성층
Claims (26)
- 제 1 전극을 구비하는 제 1 기판;
제 2 전극을 구비하는 제 2 기판;
상기 제 1 전극 상에 배치된 에너지 발생층; 및
상기 제 2 전극 상에 배치되며 상기 에너지 발생층과 대향하여 배치된 것으로, 외부의 압력에 의해 변형되고 외부의 압력이 없어지면 복원되는 탄성층;을 포함하며,
상기 에너지 발생층은 압력에 의해 전기를 발생시키는 압전 필름 또는 표면이 전하로 대전되어 있는 정전 필름을 포함하는, 자가 동력 터치 센서 겸용 에너지 수확 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 압전 필름은 ZnO, GaN, ZnMgO, InN, BTO, PZT, PVDF, 또는 압전성 나노 입자들이 분산된 폴리머를 포함하는 자가 동력 터치 센서 겸용 에너지 수확 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 정전 필름은 자연적으로 표면 전위를 갖는 불소계 폴리머, PET, 또는 폴리프로필렌, 또는 인위적으로 표면을 분극시킨 석영이나 SiO2를 포함하는 자가 동력 터치 센서 겸용 에너지 수확 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 탄성층은 다공성의 나노 구조를 포함하는 자가 동력 터치 센서 겸용 에너지 수확 장치. - 제 4 항에 있어서,
상기 탄성층은 상기 제 1 전극을 향해 돌출된 다수의 돌출부, 및 상기 돌출부들 사이의 기공들을 포함하는 자가 동력 터치 센서 겸용 에너지 수확 장치. - 제 5 항에 있어서,
상기 기공의 직경은 500nm 내지 2um이고, 깊이는 1um 내지 8um인 자가 동력 터치 센서 겸용 에너지 수확 장치. - 제 5 항에 있어서,
상기 다수의 돌출부는 상기 제 1 전극을 향해 수직하게 돌출되어 있는 자가 동력 터치 센서 겸용 에너지 수확 장치. - 제 5 항에 있어서,
상기 다수의 돌출부는 상기 제 2 전극의 방향으로 폭이 점차 넓어지고 상기 에너지 발생층의 방향으로는 폭이 점차 좁아지는 피라미드 형태를 갖는 자가 동력 터치 센서 겸용 에너지 수확 장치. - 제 5 항에 있어서,
상기 다수의 돌출부는 상기 에너지 발생층의 표면에 접하는 다수의 제 1 돌출부와 상기 에너지 발생층의 표면과 이격되어 있는 다수의 제 2 돌출부를 포함하는 자가 동력 터치 센서 겸용 에너지 수확 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 전극은 투명한 도전성 재료로 이루어지는 자가 동력 터치 센서 겸용 에너지 수확 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 전극은 금속 나노 튜브 또는 탄소 나노 튜브를 상기 제 1 및 제 2 기판에 각각 스프레이 코팅함으로써 형성된 신축성 전극인 자가 동력 터치 센서 겸용 에너지 수확 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 전극과 제 2 전극은 서로 수직한 방향으로 배열된 다수의 패턴들의 어레이를 각각 포함하는 자가 동력 터치 센서 겸용 에너지 수확 장치. - 제 12 항에 있어서,
상기 제 1 전극은 제 1 방향을 향해 일직선 형태로 연장된 다수의 나란한 제 1 전극 패턴들의 어레이를 포함하며, 제 2 전극은 제 1 방향에 수직한 제 2 방향을 향해 일직선 형태로 연장된 다수의 나란한 제 2 전극 패턴들의 어레이를 포함하는 자가 동력 터치 센서 겸용 에너지 수확 장치. - 제 1 전극을 구비하는 제 1 기판;
상기 제 1 기판과 대향하도록 배치되며 제 2 전극을 구비하는 제 2 기판;
상기 제 2 전극 상에 배치된 것으로, 상기 제 1 전극을 향해 돌출된 다수의 돌출부들을 포함하는 탄성층; 및
상기 탄성층의 표면을 따라 배치된 에너지 발생층;을 포함하며,
상기 에너지 발생층은 압력에 의해 전기를 발생시키는 압전 필름 또는 표면이 전하로 대전되어 있는 정전 필름을 포함하고,
상기 탄성층은 외부의 압력에 의해 변형되고 외부의 압력이 없어지면 복원되는, 자가 동력 터치 센서 겸용 에너지 수확 장치. - 제 14 항에 있어서,
상기 압전 필름은 ZnO, GaN, ZnMgO, InN, BTO, PZT, PVDF, 또는 압전성 나노 입자들이 분산된 폴리머를 포함하는 자가 동력 터치 센서 겸용 에너지 수확 장치. - 제 14 항에 있어서,
상기 정전 필름은 자연적으로 표면 전위를 갖는 불소계 폴리머, PET, 또는 폴리프로필렌, 또는 인위적으로 표면을 분극시킨 석영이나 SiO2를 포함하는 자가 동력 터치 센서 겸용 에너지 수확 장치. - 제 14 항에 있어서,
상기 탄성층은 상기 돌출부들 사이의 기공들을 포함하는 자가 동력 터치 센서 겸용 에너지 수확 장치. - 제 17 항에 있어서,
상기 기공의 직경은 500nm 내지 2um이고, 깊이는 1um 내지 8um인 자가 동력 터치 센서 겸용 에너지 수확 장치. - 제 14 항에 있어서,
상기 다수의 돌출부는 상기 제 1 전극을 향해 수직하게 돌출되어 있는 자가 동력 터치 센서 겸용 에너지 수확 장치. - 제 14 항에 있어서,
상기 다수의 돌출부는 상기 제 2 전극의 방향으로 폭이 점차 넓어지고 상기 에너지 발생층의 방향으로는 폭이 점차 좁아지는 피라미드 형태를 갖는 자가 동력 터치 센서 겸용 에너지 수확 장치. - 제 14 항에 있어서,
상기 다수의 돌출부는 상기 제 1 전극의 표면에 접하는 다수의 제 1 돌출부와 상기 제 2 전극과 이격되어 있는 다수의 제 2 돌출부를 포함하는 자가 동력 터치 센서 겸용 에너지 수확 장치. - 제 14 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 전극은 투명한 도전성 재료로 이루어지는 자가 동력 터치 센서 겸용 에너지 수확 장치. - 제 14 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 전극은 금속 나노 튜브 또는 탄소 나노 튜브를 상기 제 1 및 제 2 기판에 각각 스프레이 코팅함으로써 형성된 신축성 전극인 자가 동력 터치 센서 겸용 에너지 수확 장치. - 제 14 항에 있어서,
상기 제 1 전극은 제 1 방향을 향해 일직선 형태로 연장된 다수의 나란한 제 1 전극 패턴들의 어레이를 포함하며, 제 2 전극은 제 1 방향에 수직한 제 2 방향을 향해 일직선 형태로 연장된 다수의 나란한 제 2 전극 패턴들의 어레이를 포함하는 자가 동력 터치 센서 겸용 에너지 수확 장치. - 제 1 항 내지 제 24 항 중 어느 한 항에 따른 자가 동력 터치 센서 겸용 에너지 수확 장치를 포함하는 터치 스크린.
- 제 1 항 내지 제 24 항 중 어느 한 항에 따른 자가 동력 터치 센서 겸용 에너지 수확 장치를 포함하는 인공 피부.
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