KR20150065835A - 장치 및 관련 방법 - Google Patents
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Abstract
장치는 압전 변환기층 및 압전 변환기층의 제 1 면과 전기적으로 통신하는 근위의 제 1 압저항층을 포함하고, 장치는, 압전 변환기층이 전하를 생성하기 위해 변형되는 경우, 제 1 압저항층이 압전 변환기층으로부터의 전하의 흐름을 제어하도록 구성된다.
Description
본 발명은 전자 분야, 관련 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 압전 물질 및 압저항 물질에 관한 것이다. 소정의 개시된 측면/실시예는 이동식 전자 디바이스, 특히 (사용시에 크래들에 위치될 수 있지만) 사용시에 손으로 잡혀질 수 있는 소위 휴대용(hand-portable) 전자 디바이스에 관한 것이다. 이러한 휴대용 전자 디바이스는 소위 PDA 및/또는 태블릿 컴퓨터를 포함한다.
개시된 하나 이상의 측면/실시예에 따른 이동식 전자 디바이스/장치는 하나 이상의 오디오/텍스트/비디오 통신 기능(예를 들어, 전자 통신(tele-communication), 화상 통신, 및/또는 문자 전송, SMS/MMS/이메일 기능, 상호형/비상호형 보기 기능(interactive/non-interactive viewing functions)(예를 들어, 웹 브라우징, 네비게이션, TV/프로그램 보기 기능), 음악 녹음/재생 기능(예를 들어, MP3 또는 다른 형태 및/또는 (FM/AM) 라디오 방송 녹음/재생), 데이터의 다운로드/전송 기능, (예컨대, (예를 들어, 내장형) 디지털 카메라를 이용한) 이미지 캡쳐 기능, 및 게임 기능을 제공할 수 있다.
에너지 하베스팅(energy harvesting)은 포획되는 외부 소스로부터 에너지(예를 들어, 태양열 또는 운동 에너지)가 도출되고, 웨어러블 일렉트로닉스 및 무선 센서 네트워크에서 사용되는 것들과 같은 소형의 무선 자율 디바이스를 위해 저장되는 과정이다.
여기서 개시된 장치 및 관련 방법은 이들 이슈들 중 하나 이상을 설명하거나 하지 않을 수 있다.
사전 공개된 문서 또는 본 명세서에서의 임의의 배경기술의 열거 또는 논의는 그 문서 또는 배경기술이 종래기술의 일부이거나 또는 공통의 일반적인 지식이라는 확인으로서 반드시 취해져야 하는 것은 아니다. 본 발명의 하나 이상의 측면/실시예는 배경기술의 이슈들 중 하나 이상을 설명하거나 하지 않을 수 있다.
제 1 측면에 의하면,
압전 변환기층(a piezoelectric convertor layer)과,
상기 압전 변환기층의 제 1 면과 전기적으로 통신하는 근위의 제 1 압저항층(a proximal first piezoresistive layer)을 포함하는 장치를 제공하되,
상기 장치는, 상기 압전 변환기층이 전하를 생성하도록 변형되는 경우, 상기 제 1 압저항층이 압전 변환기층으로부터의 전하의 흐름을 제어하도록 구성된다.
변형은 물질에 인가된 임의의 스트레인(strain)을 포함할 수 있다. 변형은 압축, 구부림, 및 연장 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 압전 변환기층 및/또는 압전 변환기층은 변형된 이후에 그것들의 원래 형상으로 되돌아가도록 하게 하는 탄성 물질을 포함할 수 있다. 변형은 물질/변형기층으로 인가되는 응력(stress) 또는 힘의 결과물일 수 있다.
압전 변환기층 및 압저항층의 인접도(예를 들어, 직접적/간접적 접촉의 유/무를 이용한 접촉/비접촉, 직접/간접의 오버라잉(overlying))는, 압전 변환기층의 변형에 의해 생성된 전기장이 무변형 상태와 비교해서 압저항층의 저항의 변화를 야기함으로써 압전 변환기층으로부터의 전하의 흐름을 제어하도록 될 수 있다. 압전 변환기층은 압전 소자로 간주될 수 있다.
무변형 상태와 비교해서 압저항층의 저항의 변화를 야기하여, 압전 변환기층으로부터의 전하의 흐름을 제어하는 데 압저항층의 변형이 요구되지 않도록 장치가 구성될 수 있다.
압전 변환기층과 압저항층의 인접도는, 압전 변환기층 및 압저항층이 물리적으로(예를 들어, 직/간접적으로) 접촉하고 있어서 압전 변환기층의 변형이 무변형 상태와 비교해서 압저항층의 저항을 변화시키도록 압저항층의 변형을 야기함으로써 압전 변환기층으로부터의 전하의 흐름을 제어하도록 될 수 있다. 압전 변환기층과 압저항층의 인접도는, 압전 변환기층 및 압저항층이 물리적으로(예를 들어, 직/간접적으로) 접촉하고 있어서 압저항층의 변형이 압전 변환기층의 변형을 야기하도록 될 수 있으며, 상기 변형은 무변형 상태와 비교해서 압저항층의 저항을 변화시킴으로써 압전 변환기층으로부터의 전하의 흐름을 제어한다.
장치는 압전 변환기층에 인가된 기계적 응력(예를 들어, 압축)에 응답하여 제 1 압저항층의 저항이 감소하도록 구성될 수 있다.
제 1 압저항층은 도체 절연체 복합 물질(a conductor-insulator composite material)을 포함할 수 있다. 도체 절연체 복합물은 도전성 소자(예를 들어, 금속) 및 절연 물질(예를 들어, 중합 결합제( polymeric binder)의 복합물일 수 있다. 그것들은 연속적인 도전성 네트워크 또는 양자 터널링을 통한 퍼컬레이션(percolation)을 이용할 수 있는데: 변형(예를 들어, 압축)이 없으면, 도전성 소자들은 전기성을 도전시키기에는 너무 멀리 떨어져 있고; 압력이 인가되면 도전성 소자들은 서로 가깝게 이동할 수 있고 전자들은 절연체를 통해 터널링할 수 있고, 혹은 도전성 소자들이 직접 접촉하게 되면 전자들은 하나의 도전성 소자로부터 다른 도전성 소자로 직접 흐를 수 있다. 압저항층은, 예컨대, 카본 나노튜브/폴리디메틸실록산(PDMS; poiydimethylsiloxane) 복합물; 금속 나노 미립자/폴리머 복합물; 그래핀/카본 나노튜브(CNT; carbon nanotube)/폴리머 복합물; 힘 감지 고무(force sensitive rubber); 및/또는 양자 터널링 복합물(QTC; quantum tunnelling composites)을 포함할 수 있다.
제 1 압저항층은 압전 변환기층과 (예를 들어, 직접) 접촉해 있는 도핑된 그래핀을 포함할 수 있고, 상기 도핑된 그래핀의 저항은 변형에 응답하여 압전 변환기층에 의해 생성된 전기장에 따라 변화하도록 구성된다. 이러한 상황 하에서, 제 1 압저항층의 실제 변형은 (도핑된 그래핀의 저항을 변화시킴으로써) 전하의 흐름을 제어하도록 요구되지 않는다. 이러한 경우에, 실제 변형이 저항의 변화를 위해 제공하도록 요구되지 않음에 따라 제 1 압저항층은 엄격히 압저항성으로 간주될 수 없다.
기계적 응력(예를 들어, 압축) 하에서 네가티브로 충전되는 압전 변환기층의 표면과 접촉해 있는 n-도핑된 그래핀층, 또는 기계적 응력(예를 들어, 압축) 하에서 포지티브로 충전되는 압전 변환기층과 접촉/인접해 있는 p-도핑된 그래핀층은, (도핑된 그래핀층의 실제 압축이 요구되지 않을 수도 있더라도) 포지티브 압저항층으로서 기능할 것이다. 반대로, 기계적 응력(예를 들어, 압축) 하에서 네가티브로 충전되는 압전 변환기층의 표면과 접촉/인접해 있는 p-도핑된 그래핀층, 또는 기계적 응력(예를 들어, 압축) 하에서 포지티브로 충전되는 압전 변환기층의 표면과 접촉해 있는 n-도핑된 그래핀층은, (n-도핑된 그래핀층의 실제 압축이 요구되지 않을 수도 있더라도) 네가티브 압저항층으로서 기능할 것이다.
압전 변환기층 및 제 1 압저항층은 투명하게 구성될 수 있다.
압저항층의 크기는 압전 변환기층의 크기보다 작을 수 있다. 예를 들어, 압저항층의 표면 영역은 압전 변환기층의 표면 영역보다 작을 수 있다. 이는, 압전 변환기층의 캐패시턴스에 대해서 압저항층의 캐패시턴스가 감소되게 할 수 있다.
장치는 공통의 압전 변환기층과 인접하게 배치된 복수의 별개의 이격된 제 1 압저항층들을 포함할 수 있다. 이는, 개개의 픽셀이 각기 활성화되게 할 수 있고 및/또는 별개의 각 압저항층의 캐패시턴스가 압전 변환기층의 캐패시턴스에 대해 감소되게 할 수 있다.
압전 변환기층은,
압전층과,
압전층의 제 1 면과 직접 전기적으로 통신하는 제 1 도전층과,
압전층의 대향하는 제 2 면과 직접 전기적으로 통신하는 제 2 도전층을 포함한다.
장치는,
제 1 압저항층을 거쳐 압전 변환기층의 제 1 면, 및 압전 변환기층의 대향하는 제 2 면에 전기적으로 연결된 제 1 회로부와,
압전 변환기층의 제 1 면, 및 압전 변환기층의 대향하는 제 2 면에 연결된 제 2 회로부를 포함할 수 있으며,
상기 제 1 회로부는 압전 변환기층에 의해 생성되는 전하를 저장하도록 구성되고,
상기 제 2 회로부는 압전 변환기층의 대향하는 제 1 면과 제 2 면 사이에서 전하를 등화할 수 있도록 구성된다.
제 1 회로부는 압전 변환기층으로부터 전하를 저장하도록 구성된 저장 캐패시터, 슈퍼 캐패시터 또는 배터리를 포함할 수 있다. 저장 캐패시터의 캐패시턴스는 압전 변환기의 고유 캐패시턴스보다 클 수 있다.
제 2 회로는 저항기를 포함할 수 있고, 상기 저항기는 압전 변환기층의 대향하는 제 1 면과 제 2 면 사이의 전하 등화를 견디도록 구성된다.
장치는,
압전 변환기층이 기계적으로 응력을 받으면(예를 들어, 압축되면), 제 1 압저항층의 저항이 저항기의 저항보다 작고,
압전 변환기층이 기계적으로 응력을 받지 않으면, 제 1 압저항층의 저항이 저항기의 저항보다 크도록 구성될 수 있다.
압저항층은 포지티브 압저항 물질 또는 네가티브 압저항 물질을 포함할 수 있다. 포지티브 압저항 물질은 기계적 응력(예를 들어, 압축)의 인가시에 전도성이 증가(또한 저항이 감소)하는 물질이다. 반대로, 네가티브 압저항 물질의 전도성은 기계적인 응력(예를 들어, 압축)의 인가시에 저하된다(저항은 증가됨). 바람직하게, 압저항 물질은 높은 ON/OFF 비율을 갖고, 예를 들어 포지티브 압저항 물질은 휴지(rest)시에는 절연체일 수 있고, 압력 하에서는 우수한 도전체일 수 있다.
장치는 압전 변환기층의 대향하는 제 2 면과 전기적으로 통신하고 또한 오버라잉/인접해 있는 제 2 압저항층을 포함할 수 있다.
장치는 압전 변환기층의 기계적 응력(예를 들어, 압축)에 응답하여 제 2 압저항층의 저항이 증가하도록 구성될 수 있다.
제 2 압저항층은 압전 변환기와 (예를 들어, 직접적으로) 접촉해 있는 도핑된 그래핀을 포함할 수 있고, 도핑된 그래핀의 저항은 변형에 응답하여 압전 변환기에 의해 생성되는 전기장에 따라 변화하도록 구성된다.
장치는,
제 1 압저항층을 거쳐 압전 변환기층의 제 1 면, 및 압전 변환기의 대향하는 제 2 면에 전기적으로 연결된 제 1 회로부와,
압전 변환기층의 제 1 면, 및 제 2 압저항층을 거쳐 압전 변환기층의 대향하는 제 2 면에 연결된 제 2 회로부를 포함할 수 있고,
상기 제 1 회로부는 압전 변환기층에 의해 생성된 전하를 저장하도록 구성되고,
상기 제 2 회로부는 압전 변환기층의 대향하는 제 1 면과 제 2 면 사이에서 전하를 등화할 수 있도록 구성된다.
장치는 터치 스크린, 터치 스크린 픽셀, 신발, 시계, 의류 아이템, 이동식 전자 디바이스, 또는 기계 에너지 수집 디바이스이거나 그 일부를 형성할 수 있다.
다른 측면에 의하면, 장치를 제조하는 방법이 제공되고, 상기 방법은,
압전 변환기층과,
압전 변환기층의 제 1 면과 전기적으로 통신하는 근위의 제 1 압저항층을 제공하는 단계를 포함하고,
상기 장치는, 압전 변환기층이 전하를 생성하기 위해 변형되는 경우, 제 1 압저항층이 압전 변환기층으로부터의 전하의 흐름을 제어하도록 구성된다.
다른 측면에 의하면, 장치를 이용하는 방법이 제공되고, 상기 장치는,
압전 변환기층과,
압전 변환기층의 제 1 면과 전기적으로 통신하는 근위의 제 1 압저항층을 포함하고,
상기 장치는, 압전 변환기층이 전하를 생성하기 위해 변형되는 경우, 제 1 압저항층이 압전 변환기층으로부터의 전하의 흐름을 제어하도록 구성되며,
상기 방법은,
압전 변환기층이 전하를 생성하고, 제 1 압저항층이 압전 변환기층으로부터 생성된 전하의 흐름을 제어하도록 압전 변환기층을 변형하는 단계를 포함한다.
다른 측면에 의하면, 장치의 제작을 제어하기 위한 컴퓨터 프로그램이 제공되고, 상기 컴퓨터 프로그램은,
압전 변환기층을 제어하는 것과, 압전 변환기층의 제 1 면과 전기적으로 통신하는 근위의 제 1 압저항층을 제공하는 것 중 하나 이상을 제어하며,
압전 변환기층이 전하를 생성하기 위해 변형되면, 압저항층이 압전 변환기층으로부터의 전하의 흐름을 제어하도록 구성된 컴퓨터 코드를 포함한다.
컴퓨터 프로그램은 저장 매체(예를 들어, CD, DVD, 메모리 스틱 또는 다른 비일시적 매체)에 저장될 수 있다. 컴퓨터 프로그램은 디바이스 또는 장치 상에서 애플리케이션으로서 실행하도록 구성될 수 있다. 애플리케이션은 운영 시스템을 거쳐 디바이스 또는 장치에 의해 실행될 수 있다. 컴퓨터 프로그램은 컴퓨터 프로그램 제품의 일부를 형성할 수 있다.
본 발명은 조합하거나 별개로 구체적으로 기재되는지(청구항의 기재를 포함함) 여부를 별개로 또는 다양한 조합으로 하나 이상의 해당 측면, 실시예 또는 특징을 포함한다. 또한, 하나 이상의 논의된 기능을 수행하기 위한 기능 유닛의 해당 수단은 본 발명 내에 있다.
또한, 개시된 하나 이상의 방법을 구현하기 위한 해당 컴퓨터 프로그램은 본 발명 내에 있으며, 하나 이상의 설명된 실시예에 의해 포함된다.
상기 개요는 단지 예시적인 것이며 이에 제한되지 않는다.
이하에서 첨부 도면들을 참조하여 단지 예로써 설명이 주어진다.
도 1 및 도 2는 2개의 압전 에너지 하베스팅 디바이스에 대한 단순한 일반 모델을 나타낸다.
도 3a 및 3b는 압저항 물질의 단일층 및 대응 등가 회로를 이용하는 것에 기초하여 에너지 하베스팅 디바이스를 도시한다.
도 4a 및 4b는, 각각, 화소로 처리된 실시예들에서의 사용에 적합한 다른 에너지 하베스팅 디바이스의 측면도 및 사시도이다.
도 5는 압저항 물질에 기초한 다른 픽셀로 처리된 실시예를 나타낸다.
도 6a 및 6b는 압저항 물질 및 대응 등가 회로에 기초한 다른 에너지 하베스팅 디바이스를 나타낸다.
도 7a 및 7b는 압저항 물질에 기초한 다른 에너지 하베스팅 디바이스의 2개의 도면을 나타낸다.
도 8은 전체적으로 인쇄 및 적층을 거쳐 제작될 수 있는 완전 집적(fully-integrated) "소프트" 디바이스(부하 캐패시터 CL을 포함함)의 실시예를 나타낸다.
도 9는 포지티브 압저항층에 대한 저항 대 힘의 관계를 나타낸다.
도 10은 실시예가 반복적으로 변형됨에 따라 전류 및 전압이 어떻게 형성되는지를 시뮬레이션하는 모델 회로이다.
도 11a~11d는 높은 응력 및 낮은 주파수의 제한 내에서의 이상적인 디바이스에 대한 시뮬레이션 결과들이다.
도 12는 실시예가 반복적으로 변형됨에 따라 전류 및 전압이 어떻게 형성되는지를 시뮬레이션하는 모델 회로이다.
도 13은 낮은 응력 및 높은 주파수의 제한 내에서의 이상적인 디바이스에 대한 시뮬레이션 결과들을 나타낸다.
도 1 및 도 2는 2개의 압전 에너지 하베스팅 디바이스에 대한 단순한 일반 모델을 나타낸다.
도 3a 및 3b는 압저항 물질의 단일층 및 대응 등가 회로를 이용하는 것에 기초하여 에너지 하베스팅 디바이스를 도시한다.
도 4a 및 4b는, 각각, 화소로 처리된 실시예들에서의 사용에 적합한 다른 에너지 하베스팅 디바이스의 측면도 및 사시도이다.
도 5는 압저항 물질에 기초한 다른 픽셀로 처리된 실시예를 나타낸다.
도 6a 및 6b는 압저항 물질 및 대응 등가 회로에 기초한 다른 에너지 하베스팅 디바이스를 나타낸다.
도 7a 및 7b는 압저항 물질에 기초한 다른 에너지 하베스팅 디바이스의 2개의 도면을 나타낸다.
도 8은 전체적으로 인쇄 및 적층을 거쳐 제작될 수 있는 완전 집적(fully-integrated) "소프트" 디바이스(부하 캐패시터 CL을 포함함)의 실시예를 나타낸다.
도 9는 포지티브 압저항층에 대한 저항 대 힘의 관계를 나타낸다.
도 10은 실시예가 반복적으로 변형됨에 따라 전류 및 전압이 어떻게 형성되는지를 시뮬레이션하는 모델 회로이다.
도 11a~11d는 높은 응력 및 낮은 주파수의 제한 내에서의 이상적인 디바이스에 대한 시뮬레이션 결과들이다.
도 12는 실시예가 반복적으로 변형됨에 따라 전류 및 전압이 어떻게 형성되는지를 시뮬레이션하는 모델 회로이다.
도 13은 낮은 응력 및 높은 주파수의 제한 내에서의 이상적인 디바이스에 대한 시뮬레이션 결과들을 나타낸다.
압전 효과는 기계적인 스트레인(mechanical strain)을 전기장으로 변환하고, 그 다음으로 전류 또는 전압을 생성할 수 있다. 이 스트레인은 인간의 움직임, 저주파 지진 진동, 또는 음향 잡음과 같은 다수의 상이한 소스로부터 올 수 있다. 대부분의 압전 전원(piezoelectric electricity sources)은 시스템 애플리케이션에 있어서는 너무 작지만 무선 자율 디바이스 및 자가 구동형의 기계 센서의 일부 클래스에 있어서 충분한 밀리와트 정도의 전력을 생산한다.
도 1 및 도 2는 압전 에너지 하베스팅 디바이스들에 대한 종래기술의 구현예를 나타내고, 디바이스들 각각은 회로의 상이한 부분들로의 전류 흐름을 제어하기 위해 필요한 성분으로서 적어도 하나의 다이오드(184, 173, 284)(도 1에서는 2개이고, 도 2에서는 1개가 도시됨)를 갖는다. 그러나, 이러한 다이오드 구성요소의 사용은 많은 경우에 제한적이고 불편할 수 있다.
도 1에 도시된 회로는 기계적으로 압력이 가해지는 것(예를 들어, 압축)에 응답하여 전기장을 생성하도록 구성된 압전 변환기(191)(예를 들어, 2개의 금속판 사이에 끼워진 압전 물질층을 포함함)를 포함한다. 압전 변환기(191)는 직렬의 전압 생성기 VP(191a) 및 캐패시터 CP(191b)에 의해 모델링될 수 있다. 회로는 부하(183)를 구동하기 위한 전하를 저장하도록 구성된 저장 캐패시터 CL(182)를 더 포함한다. 또한, 회로는 상이한 전기 경로를 통해 압전 변환기의 캐패시턴스 CP(191b)를 충전 및 방전하도록 구성된 2개의 다이오드(184, 173)를 포함한다. 이는 피에조 사이클(piezo-cycle)(예를 들어, 해제(release) 이후의 압축)마다 부하 캐패시터 CL에 순 전하(a net charge)가 저장되게 한다. 이 경우에, CL>>CP라고 가정된다. CL(182)이 충전되면, 사이클이 속도 및 강도에 있어서 심하게 불규칙하더라도, 사이클 간에서 비교적 안정적인 전압을 이용하여 부하(183)에 전력을 공급할 수 있다. 압전 변환기에 의해 생성된 전압 VP가 교류 전압으로서 모델링될 수 있음에 따라, 이러한 소자에 기초한 에너지 하베스팅 디바이스는 압전 변환기로부터의 신호를 교정하여 배터리 또는 캐패시터에 저장하기 위한 추가적인 회로를 포함할 수 있다. 이 경우에, 교정은 다이오드에 의해 수행된다.
보다 간단한 구조가 도 2에 도시되어 있다. 도 2의 회로는 다이오드들 중 하나가 저항기(272)(RS)로 교체된 것을 제외하면 도 1의 회로와 유사하다. 동작의 원리는 이하의 조건들이 충족되면 도 1과 동일하다:
(i) (순방향 바이어스에서 벌크 전류가 다이오드 경로로부터 나오도록) RS가 순방향 바이어스에서 다이오드의 저항보다 (훨씬) 큼, 및
(ii) 사이클마다 역방향 바이어스에서 CP의 완전한 충전/방전을 가능하게 할 만큼 RS가 충분히 작음.
예컨대, 소스가 일부 인간 호환가능성의 움직임(human-compatible motion)(예를 들어, 10Hz 최대 사이클 주파수)인 경우에, 이 때에 사이클 당 최소 50ms 동안에 응력이 인가된다. 전압 임계치 이상이면, 표준의 상용 다이오드는 100Ω과 10kΩ 사이의 저항을 나타낸다. 폴리비닐리덴 디플로라이드(PVDF) 압전 컨버터의 영역이 수 cm2인 경우, 캐패시턴스는 일반적으로 1-10nF이다. 따라서, 다이오드를 통한 캐패시터(291b)(CP)의 충전은 약 0.1ms(시간 상수=RC=10kΩ×10nF) 내에서 발생한다. 그것은 (여전히 1MΩ×10nF<50ms이기 때문에) RS가 약 10kΩ~1MΩ이어야 함을 의미한다.
도 2가 다른 중요한 고려사항(모든 다이오드가 CF로서 모델링될 수 있는 고유 내부 캐패시턴스(284a)를 갖음)을 강조하고 있음을 유의한다. CF는 사이클마다 CP와 CF 사이에서 전달되는 전하를 경감시키기 위해(즉, 저장 캐패시터(282)보다는) CP보다 작아야 한다. 즉, 순방향 바이어스에서 다이오드를 통해 전류가 흐르게 되지 않으면, 저장 캐패시터로의 "전하 펌핑(charge pumping)"이 발생하지 않는다.
일부 조합에서, 다이오드는 압전에 의해 생산되는 전압을 전송하기 위한 다이내믹 레인지를 가질 수 없다. 예컨대, 폴리비닐리덴 디플로라이드(PVDF) 압전 변환기는 인가되는 응력에 따라 10mV~100V의 전압을 출력할 수 있다. 통상의 실리콘 다이오드는 대략 0.6V의 임계 전압을 갖으며, 이는 그 임계치 미만인 임의의 신호 또는 에너지가 손실될 것임을 의미한다. 이는, 빛 진동 또는 손가락 접촉과 같은 응력을 완화시키기에는 작은 하베스팅 또는 검출의 경우, 다이오드 피에조 시스템을 제한할 수 있다. 다른 극단으로, 10~100V에서 다이오드는 상당한 전류를 견딜 수 있다. 따라서, 잠재적인 고전압 스파이크를 커버하기 위해, 부피가 큰 고출력 다이오드가 사용될 수 있으며, 이에 의해 피에조 시스템이 대부분의 시간 동안 작은 신호를 처리하고 있는 경우 불필요한 비용이 발생할 수 있다.
두 번째 고려사항은 회로 집적이다. 집적의 사이즈는 외부 다이오드가 제거될 수 있으므로 보다 작을 수 있다. 예컨대, 신발 당 하나의 다이오드를 설치하는 것은 관리가능하지만, 다수의 피에조 픽셀로 이루어진 터치 스크린/패널에 있어서는 곤란하고/고가이며/복잡할 수 있다.
본 발명은 압전 변환기의 상부에 조립된 압저항층을 이용한 기계 에너지 하베스팅을 위한 피에조 시스템 및 센싱을 위한 피에조 시스템에서 (예를 들어, 양쪽이 동시에 동일하게 인가된 응력을 경험할 수 있도록) 전하 흐름의 제어를 제공하는 것에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 의하면, 피에조 에너지/기계 에너지 하베스터/수집기는 압전 변환기에 인가된 보다 작은 압력으로부터 에너지를 하베스트/수집할 수 있다. 또한, 하베스터는 크기가 보다 작을 수 있지만 추후 사용을 위해 저장될 에너지를 여전히 하베스트할 수 있다. 또한, 보다 넓은 다이내믹 레인지, 비임계 전압, 및 보다 용이한 제조성의 이점을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 장치는 다양한 응용 분야에 적용할 수 있으며, 이 응용 분야는 걷기/달리기로부터 하베스트하는 에너지를 위해 신발에 집적; 움직임으로부터 하베스트하는 에너지를 위해 의자 또는 옷에 집적; 자가 동력의 터치 스크린; 자가 동력의 무선 센서(예를 들어, 타이어 내의 자동 동력 센서); 풍력 에너지를 하베스트하기 위한 디바이스; 사람들이 걷는 것으로부터 에너지를 하베스트하기 위해 바닥에 집적된 디바이스; 가속으로부터 에너지를 하베스트하기 위해 관성 질량(an inertial mass)과 통합; 및 압착(squeezing)으로부터 에너지를 하베스트하기 위해 디바이스의 본체 내에서의 집적을 포함할 수 있다.
압전 하베스터/장치의 실시예(301)가 도 3a에 도시되어 있으며, 대응의 등가 회로(도 3b)가 함께 도시되어 있다. 실시예는 압전 변환기층(312), 및 그 압전 변환기층의 제 1 면과 전기적으로 통신하고 있는 근위의 제 1 압저항층(313)(이 경우는 포지티브 압저항층임)을 포함하여, 압전 변환기층(312)이 전하를 생성하도록 변형될 때에, 압저항층(313)은 압전 변환기층으로부터의 전하의 흐름을 제어하도록 구성된다.
이 경우, 압전 변환기층(312) 및 압저항층(313)의 인접도는 이들이 직접 물리적으로 접촉되어 있어서, 압전 변환기층의 변형이 무변형 상태와 비교해서 압저항층의 저항을 변화시키도록 압저항층의 변형을 야기함으로써 압전 변환기층으로부터의 전하의 흐름을 제어한다.
이 경우에서의 제 1 압저항층은 포지티브 압저항층이다. 즉, 이 경우에서 금속 절연체 복합물인 제 1 압저항층의 저항은 기계적 응력에 응답하여 감소한다. 포지티브 압저항층은 다른 회로 부분과의 전기적 연결을 가능하게 하도록 도전층(314)으로 코팅되어 있다.
이 경우, 압전 변환기층은 압전층(312x), 압전층의 제 1 면과 직접 전기적으로 통신하고 있는 제 1 도전층(312z)(예를 들어, 금속화층), 및 압전층의 반대편의 제 2 면과 직접 전기적으로 통신하고 있는 제 2 도전층(312y)(예를 들어, 금속화층)을 포함한다. 도전층들 중 하나 이상은 금속이 아닐 수도 있음을 이해해야 할 것이다. 예컨대, 도전층은 그래핀 필름(graphene film)을 포함할 수 있다.
압저항층이 압전 변환기층과 통합되어 있기 때문에, 압전 변환기(312) 및 압저항층(313)을 포함하는 계층화된 구조(311)는 임의의 외부 회로 없이 단일 적층된 포일(a single laminated foil)로서, 예컨대 롤투롤(roll-to-roll) 생산을 이용하여 제작될 수 있다.
계층화된 구조(311)는 저항기(322)를 포함하는 등화 회로부(321), 및 저장 캐패시터(332)를 포함하는 저장 회로부(331)의 2개의 회로부에 연결되어 있다. 저장 회로부(331)는 제 1 압저항층(314)를 거쳐 압전 변환기층(312)의 제 1 면, 및 압전 변환기의 반대편의 제 2 면에 전기적으로 연결되어 있으며, 제 1 회로부는 압전 변환기층에 의해 생성되는 전하를 저장하도록 구성된다. 등화 회로부(322)는 압전 변환기층의 제 1 면 및, 압전 변환기층의 반대편의 제 2 면에 연결되어 있으며, 제 2 등화 회로부는 압전 변환기층의 대향하는 제 1 면과 제 2 면 사이에서 전하를 등화할 수 있도록 구성된다. 이들 회로부는 외부 회로부일 수 있거나 또는 계층화된 구조와 통합될 수 있다.
응력 또는 힘 F(t)가 압전 변환기층에 인가됨에 따라, 압전 물질(312x)의 양쪽 면에 필드(a field)가 형성되어서, 평행판 캐패시터를 형성하는 2개의 도전층(312y, 312z)에서의 전하의 축적을 야기한다. 압력 하에 있을 때, 포지티브 압저항층(313)이 등화 회로부(321)보다 저항기 RS(322)를 양호하게 수행하기 때문에, 전류는 주로 회로의 오른쪽 저장 지점(331)에서 흐르고, 피에조 캐패시터 CP(압전 변환기층의 고유 캐패시턴스를 나타냄)는 단지 저장 캐패시터 CL(332)로/로부터 전하를 이동시킴으로써 충전될 수 있다(고임피던스 부하(333)를 통한 전류는 무시할 수 있음). 응력/힘이 해제되면, 도체판 상에서 전하를 유지하고 있는 전기장이 제거되어서 전하는 소멸하거나 방전해야 하지만, 포지티브 압저항층(313)이 감소된 도전성을 갖기 때문에, 차단된 오른쪽 저장 회로부(331)를 통해서는 그렇게 될 수 없다. 그러나, 회로의 왼쪽 등화 지점(321)(포지티브 압저항층을 포함하지 않음)은 압전 변환기층(312)의 도체판(312y, 312z)을 방전할 수 있는 상태를 유지한다. 즉, 압저항층의 저항 RP는 응력 하에서는 RP<<RS를 만족하고 응력을 받지 않을 때에는 RS<<RP를 만족한다.
그 후에, 상기 디바이스의 등가 회로가 포지티브 압저항층(313)으로 대체되는 다이오드를 갖는 도 2와 유사함을 알 수 있다. 포지티브 압저항층(313)은 상기한 사용과 관련해서 다이오드로 간주될 수 있다고 이해될 것이다. 그러나, 압저항층의 도전성 불균형이 기계적 응력에 의해 유도되는 것이며 압저항층을 가로질러 인가되는 전기 바이어스에 의해 유도되는 것이 아니므로, 압저항층은 전기 다이오드와 직접적으로 동등하지 않을 수 있다. 그러나, 이러한 특정 장치에 있어서, 바이어스에서 임의의 역전(reverse)은 응력의 인가를 이용한 단계에서 항상 발생한다. 따라서, 압저항층은 반도체 다이오드의 동작을 모방하여, 하나의 전류 극성만을 위한 도전성 상태로 발견된다. 또한, 압저항층은, 압전 변환기가 기계적으로 응력을 받아서(예를 들어, 압축되어서) 구현되는 것과 동시에 개폐되는 압력 구동 스위치(a pressure activated switch)로 간주될 수 있다.
도 3의 장치가 에너지 하베스터로서 보다 효율적으로 작동하기 위해서는, "다이오드"(CF) 또는 다이오드 등가물(이 경우에서는 압저항층(313))의 내부 캐패시턴스는 CP보다 작아야 한다(이 회로에 있어서는 작으면 작을수록 보다 좋음). 이 경우에서와 같이, 압전 물질로서 폴리비닐리덴 디플로라이드(PVDF)를 포함하는 압전 변환기층에 있어서, CP는 1nF/㎠ 정도일 수 있다. 도 3a에 도시된 바와 같이, 폴리비닐리덴 디플로라이드(PVDF) 캐패시터 및 압저항층과 연관된 병렬 캐패시턴스는 실질적으로 동일한 영역을 공유할 수 있어서, 그것들의 캐패시턴스는 매우 유사할 수 있다. 게다가, 평균 압저항층의 두께는 5~10㎛일 수 있는 반면에, 폴리비닐리덴 디플로라이드(PVDF)의 두께는 20~50㎛일 수 있다(캐패시턴스는 일반적으로 유전체 두께에 반비례함). 마지막으로, 폴리비닐리덴 디플로라이드(PVDF)의 유전 상수는 ~12인 반면에, 절연 도전체 합성물의 유전 상수는 훨씬 더 작아지기 어렵다. 따라서, 디바이스의 기능을 개선하기 위해, 압저항층의 캐패시턴스는 압전 변환기층에 비해서 감소될 수 있다.
압전 변환기층에 비해 압저항층의 캐패시턴스를 감소시키기 위한 해결안은 캐패시턴스의 감소를 달성하는 해당 압전 변환기층과 비교해서 압저항층의 영역을 줄이는 것일 수 있다. 이러한 실시예(401)가 도 4a에 도시되어 있다. 도 4a의 실시예는 압저항층의 영역이 압전 변환기층의 영역과 비교해서 줄어든 것을 제외하고는 도 3a와 동일하다. 마찬가지로, 포지티브 압저항층과 다른 회로부들 사이의 전기 접속을 가능하게 하는 도전층(414)의 크기가 그에 따라 감소된다. 이 방안은 일부 경우(예를 들어, 터치 패널 픽셀)에 특히 효과적일 수 있다. 압전 변환기층을 구동시키는 동일하게 인가된 응력이 압저항층에서의 저항 변화도 활성화시키도록 보다 작은 압저항층이 배치되어야 함을 이해할 것이다. 마찬가지로, 도통 상태에 있을 때 압저항층의 저항이 너무 커서 전류가 통과할 수 없도록 압저항층이 너무 작게 형성되어서는 않된다.
다수의 압저항층 픽셀들은 도 4b에 도시된 바와 같이 압전 변환기층의 표면 상에 배치될 수 있음(예를 들어, 격자 무늬를 형성함)을 이해할 것이다. 이는, 전체 디바이스 영역 위에서 균일하게 압력이 인가되지 않더라도 시스템이 효과적으로 작동하게 할 수 있다. 격자 무늬의 지오메트리는 압저항층의 낮은 캐패시턴스 및 낮은 ON 저항에 영향을 줄 수 있고, 또한 충분히 큰 전류가 지지되게 할 수 있다. 개별적인 픽셀들의 크기 및 간격은 응용에 의존적이다. 예컨대, 터치스크린의 픽셀들은 1마이크론~1mm인 인접 픽셀들 간의 간격을 갖고서 1~10mm 범위 내에 있을 수 있는 반면에, 카페트 발걸음 에너지 하베스터(a carpet footfall energy harvester)의 개별적인 픽셀들은 인접하는 개별적인 픽셀들 간에 큰 공간을 갖는 수십 cm까지(예를 들어, 1미터까지) 있을 수 있다.
상기의 설명으로부터, 0.1~10㏁ 범위 내의 RS의 값은 대부분의 응용에서 적합할 수 있다. RS를 구현하기 위해, 완벽히 집적된 "소프트"(예를 들어, 플렉서블, 신축가능, 및/또는 변형가능) 디바이스에서도, 압전 변환기층의 2개의 도전층은 하나의 고저항 폴리머 또는 접착 테이프와 연결될 수 있다.
도 5는 픽셀들(개별적인 유닛들)이 집합적으로 작동하도록 구성되어 있는 다른 픽셀화된(분리화된) 실시예(501)를 도시한다. 이 실시예의 층 구조는 도 4a의 것과 유사하다. 도 4a의 실시예와 달리, 압전층(512x)의 상부 표면에 인접하게 위치된 도전층(512z)의 영역이 전체 상부 표면 위로 연장되어 있지 않지만, 압저항층 픽셀들의 영역과 대응한다. 즉, 픽셀화는 도전층(512z)부터 시작하는 반면에, 제 1 도전층(512y) 및 압전층(512x)은 연속적인 벌크층으로서 공유될 수 있다. 부하 저항기(524)는 압전 변환기층을 통해 압전 변환기층의 2개의 도전층(512y, 512z) 사이를 연결함으로써 층 구조(511) 내에 포함된다. 사시도에 도시된 바와 같이, 저장 회로(531)로 모아지는 공유 전극 라인들은 각 픽셀의 맨 위의 전극 도전층에 연결된다. 이 경우에서의 저장 회로는 생성된 전하를 저장하는 저장 캐패시터(532) 및 부하를 나타내는 부하 저항기(533)를 포함한다.
이러한 실시예는 발걸음(footsteps)으로부터 에너지를 하베스트하는 도 5에 도시된 바와 같은 압전 카페트로 통합될 수 있다. 카페트가 전체 방을 덮고 있고 또한 사람이 그 위를 걷고 있다고 가정하면, 개개의 "픽셀"이 발자국 크기에 최대한 가깝게 되어 있는 피에조 생성기들의 배열로 카페트가 이루어진 경우에만 일부 에너지를 하베스트할 수 있다. 카페트가 대형의 단일 픽셀만으로 이루어진 경우, 걸음에 의해 국부적으로 유도된 전하는 비활성 표면의 거대한 기생 캐패시턴스와 직면할 것이며, 이는 임의의 에너지 출력을 저해할 것이다(~발 영역/방 영역으로서 신호가 사라짐). 픽셀 크기는 응용에 따라 1㎟~1㎡의 범위 내에 일반적으로 있을 수 있다. 마찬가지로, 응용에 따라, 인접 타일 간의 간격은 1마이크론~1m일 수 있다. 본 카페트 경우에, 픽셀 "타일"은 최대 수십 cm일 수 있다.
압전 변환기에 기초한 독립형의 기계 에너지 하베스터의 배열에서, 모든 픽셀은 그 자신의 다이오드 또는 전하의 흐름을 제어하기 위한 다이오드를 필요로 한다. 통상의 다이오드의 사용과 비교해서 이 실시예에 의해 제공되는 이점은, 다이오드가 조립되어야 할 때, 필요한 경우에 쉽게 걷어질 수 있는 유연한 "카페트" 상의 넓은 영역 위에 압저항층이 인쇄될 수 있다는 것이다. 이는 제조 비용을 저감하고 또한 보다 단순한 디자인을 만들 수 있다.
이 경우, 압전 물질은 폴리비닐리덴 디플로라이드(PVDF)이다. 다른 압전 물질들이 이용될 수 있음을 이해할 것이다. 예컨대, 압전 물질은 PZT(ceramic like lead zirconate titanate) 또는 ZnO와 같은 세라믹을 포함할 수 있다. 압전 물질로서 사용되기에 적합할 수 있는 다른 물질은 나노와이어 기반의 복합물을 포함한다.
다른 실시예(601)가 대응하는 등가 회로(도 6b)와 함께 도 6a에 도시되어 있다. 실시예는 압전 변환기층(612)(612x, 612y, 612z), 압전 변환기층의 제 1 면과 전기적으로 통신하고 있는 근위의 제 1 압저항층(613)(이 경우에서는 포지티브 압저항층임) - 압전 변환기층이 전하를 생성하도록 변형되면 압저항층이 압전 변환기층으로부터의 전하의 흐름을 제어하도록 구성됨 - , 및 압전 변환기층(612)의 반대편의 제 2 면과 전기적으로 통신하며 제 2 면을 덮고 있는(근접하게 있는) 제 2 압저항층(615)을 포함한다. 이 경우, 제 2 압저항층은 압전 변환기층의 기계적 응력(예를 들어, 압축)에 응답하여 제 2 압저항층의 저항이 증가하도록 구성되는 네가티브 압저항층이다.
본 실시예는 2개의 회로부로서: 제 1 압저항층(613)을 거쳐 압전 변환기층(612)(612x, 612y, 612z)의 제 1 면(즉, 압저항층과 접촉해 있는 표면), 및 압전 변환기층의 반대편의 제 2 면(즉, 제 1 면과 반대쪽에 있는 압전 변환기층의 표면)에 전기적으로 연결된 제 1 저장 회로부(631)와; 압전 변환기층(612)의 제 1 면, 및 제 2 네가티브 압저항층(615)을 거쳐 압전 변환기층의 반대편의 제 2 면에 연결된 제 2 등화 회로부(621)를 더 포함하되, 상기 제 1 회로부(631)는 압전 변환기층(612)에 의해 생성된 전하를 저장하도록 구성되고, 상기 제 2 회로부는 압전 변환기층(612)(612x, 612y, 612z)의 대향하는 제 1 면과 제 2 면과의 사이에서 전하를 등화할 수 있도록 구성된다.
응력 또는 힘 F(t)가 압전 변환기층(612), 및 근위의 제 1 및 제 2 압저항층(613, 615)을 포함하는 다층 구조(611)에 인가됨에 따라, 필드가 압전 물질(612x)의 양쪽 면에서 형성되어, 압전층(612x)을 사이에 두고 있는 2개의 금속화층(612y, 612z)에서 전하의 축적이 행해진다. 제 1 포지티브 압저항층이 기계적 응력(예를 들어, 압축) 하에서 잘 수행되는 반면에 네가티브 압저항층은 잘 수행되지 못하기 때문에, 전류 흐름은 회로의 오른쪽 저장 지점(631)을 향하고, 압전 변환기층(612)의 고유 캐패시턴스 CP는 저장 회로부(631)의 저장 캐패시터 CL(632)로/로부터 전하를 이동시킴으로써 충전될 수 있다(고임피던스 부하를 통한 전류는 무시될 수 있음). 압력이 해제되면, 압전 변환기층(612)의 캐패시턴스 CP는 방전하길 원하지만, 포지티브 압저항층(613)이 저하된 도전성을 갖음에 따라 차단된 오른쪽 저장 회로부(631)로의 경로를 이제 찾는다. 그러나, 동시에, 네가티브 압저항층(615)은 더욱 도전성의 상태로 됨으로써, 왼쪽의 등화 회로부(621) 상에서 전류가 우선적으로 흐르도록 하게 한다. 이러한 디바이스의 등화 회로가, 포지티브 압저항층 및 네가티브 압저항층으로 대체되어 있는 다이오드를 갖고 있는 도 1의 회로와 유사함을 알 수 있다.
압저항층의 도전성 불균형이 기계적 응력에 의해 유도되는 것이며 압저항층을 가로질러 인가되는 전기 바이어스에 의해 유도되는 것이 아니므로, 압저항층은 순수한 전기 다이오드가 아니다. 그러나, 이러한 특정 장치에서, 임의의 역방향 바이어스는 압전 물질이 트랜듀서로서 동작하고 있는 응력의 인가 단계에서 항상 발생한다. 따라서, 그 층은 반도체 다이오드의 동작을 모방하여, 하나의 전류 극성만을 위한 도전성 상태로 발견된다.
포지티브 압저항층은 탄소 나노튜브/PDMS, 그래핀/폴리머, 금속 나노와이어/폴리머 또는 압력 감지 고무 또는 양자 터널링 구성과 같은 도체 절연체 복합물을 포함할 수 있다.
이 경우에, 제 2 네가티브 압저항층(615)은 압전 변환기와 직접 접해 있는 도핑된 그래핀을 포함하되, 상기 도핑된 그래핀의 저항은 변형에 응답하여 압전 변환기에 의해 생성된 전기장에 따라 변화하도록 구성된다. 다른 네가티브 압저항층이 사용될 수 있음을 이해할 것이다.
다른 실시예(701)의 단면도가 도 7a에 도시되고 그 하면이 도 7b에 도시되어 있다. 이 경우, 도 6a에서의 상태와 달리, 그래핀 네가티브 압저항층이 압전 변환기의 표면을 전체적으로 덮고 있지 않다.
그래핀은 반도체의 전형적인 전계 효과와 함께 양호한 전기 전도성을 나타낼 수 있다. 이는, RS가, 응력의 인가 단계에서 그 상태가 변하는 가변 저항기로 되도록 하게 할 수 있다. 이제, 그래핀이 적절히 도핑되면(도 7a 및 7b의 p-타입), 전도성이 저감될 수 있는 디락(Dirac) 포인트에 보다 가까운 그래핀을 야기하기 위해 "게이트"로서 압력 하에서 폴리비닐리덴 디플로라이드(PVDF)에 의해 생성된 전압을 사용할 수 있다. 2~5의 ON/OFF 비율이 가능할 수 있다.
도 7b에 도시된 바와 같이 그래핀층의 영역을 조절함으로써 RS에 대한 요구 범위가 선택될 수 있음을 이해할 것이다. 예컨대, 단일층 그래핀의 시트 저항이 대략 1㏀/스퀘어이기 때문에, 100㎛ 폭 및 2cm 길이의 스트라이프는 ~200㏀의 직렬 저항기를 산출한다.
상기한 실시예의 이점은 매우 적은 힘 내지 매우 큰 힘으로부터 야기되는 넓은 (예를 들어, 전류 및/또는 전압의) 동작 범위가 수용될 수 있다고 하는 점을 포함할 수 있다. 또한, 통상의 다이오드에 있어서 보다 낮은 전압 또는 임계치가 없는 전압이 존재할 수 있다. 저항층이 압전 변환기층과 집적될 수 있으므로, 얇고 소프트한 계층화된 구조로의 완전한 집적을 거쳐 효과적이고 저비용의 제조성에 대한 가능성이 존재할 수 있다.
상기한 실시예가 인간의 몸으로부터 운동 에너지를 하베스트하는 데 사용될 수 있음을 이해할 것이다. 예컨대, 이러한 실시예는 발걸음의 에너지를 회수하기 위해 보도(walkways) 또는 신발에 내장될 수 있다. 에너지 하베스팅 디바이스는 다리 및 팔의 움직임, 신발의 충격, 및 혈압으로부터 에너지를 이용하도록 구성될 수도 있다. 마이크로벨트(microbelt) 에너지 하베스팅 디바이스는 호흡으로부터 전기를 수집하는 데 사용될 수 있다.
제조와 관련해서, 도 8에 도시된 통합 실시예(801)는 2개의 서브 구조의 적층에 의해 제조될 수 있되, 제 1 서브 구조는 제 1 도전층(812y) 및 제 2 도전층(812z)과 그 중간의 압전 기판(812x)(이 경우, 폴리비닐리덴 디플로라이드(PVDF)를 포함함)을 포함하는 압전 변환기층(812)(812x, 812y, 812z)을 포함하고, 제 2 서브 구조는 제 3 도전층(814) 및 압저항층(813)을 포함한다.
폴리비닐리덴 디플로라이드(PVDF)는 릴(a reel) 상의 유연하고 박막의 기판으로서 제공될 수 있고, 제 1 및 제 2 도전층의 형성은 인쇄 기술을 이용하여 달성될 수 있다. 그래핀이 제 1 및/또는 제 2 도전층(812y, 812z)의 일부를 형성하는 경우에, 이는 적층에 의해 달성될 수 있다.
압전 물질은 인쇄가능 잉크/페이스트로서 제공될 수 있고, 제조는 인쇄 및 적층의 조합에 의해 이루어질 수 있다.
압저항 물질(예를 들어, 압저항 잉크)을 압전 변환기층(812)(812x, 812y, 812z)의 도전층(812y, 812z)의 상부에 직접 스크린 인쇄하고, 그 이후에 제 3 도전층(814)을 상기 압저항층의 상부에 인쇄하도록 할 수 있다. 또한, 다른 압저항 물질은 상부에 제 3 도전층(814)의 직접적인 인쇄를 가능하게 하기 위해 기판으로서 제공될 수 있다.
도전층(812y, 812z, 814)은, 은 나노입자 잉크, 그래핀 잉크, 단일층 그래핀, 카본 블랙 잉크, 구리 나노입자 잉크를 포함하되 이로 제한되지 않는 임의의 적절한 물질로부터 형성될 수 있다.
마지막으로, 몇 ㎌ 내지 몇 mF의 캐패시턴스가 달성될 수 있는 도 8의 완전히 계층화된 구조에 도시된 바와 같이, 플렉서블 저장 캐패시터(832)를 고분자 전해질(a polymer electrolyte)과 통합하는 것 또한 공지되어 있다. 등화 저항기 RS(824)는 또한 압전 변환기층(812)의 도전층들(812y, 812z) 사이에 제공되어 있다. 이와 같이, 소자는 임의의 외부 회로 없이 단일 적층 포일로서, 예를 들어 롤투롤 생산을 이용하여 제작될 수 있다.
실험 데이터
도 9는 압저항층에 적합할 수 있는 일반적인 압저항 물질에 대한 저항 대 힘의 관계를 나타낸다. 예시적인 특성은, 응력을 받지 않는 경우에 저항은 >100㏁이고, 1kPa의 압력이 인가되면 저항은 <10㏀으로 떨어질 수 있다는 것일 수도 있다.
힘의 범위 및 동작 전압의 범위 양쪽이 상당히 광범위하며 폴리비닐리덴 디플로라이드(PVDF) 압전 물질의 출력과 대체로 호환가능함을 알 수 있다. 힘의 범위 및 동작 전압의 범위는 층을 두껍게 형성함으로써 "고압 제약(high pressure limit)"으로 더욱 확장될 수 있다.
또한, ON 상태 저항은 매우 낮은 응력에서도 낮다. 즉, 물질은 0.5~1N과 같이 낮은 힘을 갖는 몇 ㏀의 저항을 나타낼 수 있다. 힘이 인가되지 않으면, 압저항층의 OFF 상태 저항은 >100㏁이다. 이들 수치는, 낮은 바이어스에서의 전달을 제한하는 임계 전압이 없을 수도 있다는 주된 이점을 갖는 전형적인 다이오드의 성능과 호환될 수 있다.
압저항 물질을 통해 허용되는 최대 전류와 관련해서, 큰 힘 하에서, 압전 변환기층이 대략 수십 볼트의 전압을 생성할 수 있는 반면에, 압저항 물질의 저항성이 1㏀ 아래로 떨어질 수 있다는 점(I=V/R=10V/1㏀=10mA)을 유의한다. (몇 kPa의 응력을 처리하는 애플리케이션에 있어서 현실적인) 10㎠의 영역을 갖는 소자를 가정하면, 압저항 물질의 전류 밀도는 1mA/㎠ 이상의 피크에 도달할 수 있다. 그러나, 이들 "헤비 듀티(heavy duty)" 애플리케이션에 있어서, 추가적인 제한 저항기(limiting resistor)(즉, 50㏀)는 원하는 범위 내에서 전류를 유지하는 압저항 물질과 직렬로 연결될 수 있으며, 또한 압저항층의 전체 ON 저항은 여전히 RS 훨씬 미만이다.
시뮬레이션
도 8~11에 제시된 장치의 모델은 실시예의 실질적 구현예를 도시하기 위해 여기에 포함되어 있다.
시뮬레이션용 회로도가 도 10에 도시되어 있다. 압전 변환기층(1012)은 VP와 CP의 직렬 결합으로서 모델링되었으며, VP(t)의 프로파일은 진폭 10V, 10ms의 상승 및 하강 시간을 갖는 1Hz 주파수의 구형파이다. 이 프로파일은 걷기를 통해 신발에 대한 충격의 결과로서 생성되는 자극(excitation)과 일치하는 것으로 간주될 수 있다. 포지티브 압저항층(1013)은 1㏀의 ON 저항, 1GΩ의 OFF 저항, 및 10mV의 임계 전압을 갖는 다이오드로서 모델링되었다. 과도상태 분석은 100초 동안 실행되었다. 회로는 포지티브 압저항층(1013)을 거쳐 압전 변환기층(1012)에 연결된 부하 저항기(1033)와 병렬로 저항 캐패시터(1032)를 더 포함한다. 등화 저항기(1022)는 압전 변환기층(1012)에 직접 연결된다.
제 1 시뮬레이션에서, 부하 저항기(1033)가 없는 회로가 시뮬레이션되었고 CL에 걸쳐 오픈 회로 전압이 모니터링되었다. 도 11a는 최초 20초 동안에 포지티브 압저항층(1151) 및 등화 저항기(R1, 1152)를 통해 흐르는 전류를 나타낸다. 60초까지의 해당 데이터가 도 11b 및 11c에 구분되어 도시되어 있다. 압전 스택이 (구형파의 상승에서) 압축됨에 따라, 각 사이클로 저장 캐패시터 CL을 부분적으로 충전하는 압저항층을 통한 전류 흐름에 의해 CP는 대개 충전된다. 압전 스택이 (구형파의 하강에서) 해제됨에 따라, CP는 등화 저항기 R1를 통해 방전된다(R1을 통해 실효 네가티브 전류를 생성함).
도 11d의 상부 곡선(1153)으로 표시된 바와 같이, CL이 전하를 축적함(및 CL에 걸친 전압이 증가함)에 따라, 각 압축 동안의 전류의 진폭은 감소된다(도 11b 참조). CL에 걸친 오픈 회로 전위가 포화되도록 표시되고, 압축 사이클이 시간=50s에서 중단되면, 이러한 시뮬레이션에서 실효 1GΩ 저항을 갖는 압저항층을 통해 CL은 천천히 방전된다.
또한, 도 11d는 10㏁ 부하가 CL에 병렬로 추가되는 경우에 CL에 걸친 전압의 축적을 도시한다. 각 압축 사이클에서, 보다 큰 방전 전류가 부하를 통해 흐르고, 그에 따라 포화 전위가 오픈 회로 경우보다 감소된다.
도 12는 보다 적은 압력이지만 손가락 누름에 의해 달성될 수 있는 것과 더욱 일치하는 보다 높은 주파수(10Hz)에서 압전 다층 구조가 압력을 받는 회로를 나타낸다. 압전 물질에 의해 생성되는 관련 전위는 손가락의 누름으로부터 가능한 저감된 압력을 감안하기 위해 1V로 감소된다. 도 13은 도 12의 회로에 대한 전위의 축적 및 후속 방전을 나타낸다. 단지 압전 물질의 감소된 전위 때문에 과도상태 분석은 여기서 5초간 실행되었다.
이전의 시뮬레이션 회로와 같이, 압전 변환기층(1212)은 VP 및 CP의 직렬 결합으로서 모델링되었으며, 포지티브 압저항층(1213)은 다이오드로서 모델링되었다. 회로는 포지티브 압저항층(1213)을 거쳐 압전 변환기층(1212)에 연결된 부하 저항기(1233)와 병렬로 저장 캐패시터(1232)를 더 포함한다. 등화 저항기(1222)는 압전 변환기층(1212)에 직접 연결된다.
장치 내에서의 파라미터는 특정 애플리케이션을 위해 최적화될 수 있다. 예컨대, 전하 축적이 부하를 통한 간헐적인 방전만으로 장기간 동안에 발생하는 것(예를 들어, 매우 떨어진(well-spaced) 간격으로 센서 응답을 무선으로 통신하는 것)이면, 큰 CL의 사용은 짧지만 높은 파워의 버스트를 공급하기에 충분한 용량을 보장할 수 있다. 반대로, 부하를 통한 연속적인 방전이 요구되고, (예를 들어, 배터리를 충전하기 위해) 포화 전압이 빠르게 달성되어야 하는 경우에 있어서는 보다 작은 CL이 더욱 적절할 수 있다.
임의의 언급된 장치/디바이스 및/또는 특정하게 언급된 장치/디바이스의 다른 특징이 활성화될 때에만, 예를 들어 스위치 온될 때에만 원하는 동작들을 수행하도록 구성된 장치에 의해 제공될 수 있음을 숙련된 독자라면 이해할 것이다. 이러한 경우, 비활성화(예를 들어, 스위치 오프 상태)시에 액티브 메모리로 로드되는 적절한 소프트웨어를 반드시 가지지 않을 수 있고, 활성화(예를 들어, 온 상태)시에 적절한 소프트웨어를 단지 로드할 수 있다. 장치는 하드웨어 회로 및/또는 펌웨어를 포함할 수 있다. 장치는 메모리에 로드되는 소프트웨어를 포함할 수 있다. 이러한 소프트웨어/컴퓨터 프로그램은 동일한 메모리/프로세서/기능 유닛 및/또는 하나 이상의 메모리/프로세서/기능 유닛에 기록될 수 있다.
일부 실시예에서, 특정 언급된 장치/디바이스는 원하는 동작들을 수행하기 위해 적절한 소프트웨어로 프로그래밍될 수 있으며, 상기 적절한 소프트웨어는 "키"를 다운로드하는 사용자에 의한 사용을 위해, 예를 들어 소프트웨어 및 그 연관 기능을 해제/활성화하도록 활성화될 수 있다. 이러한 실시예와 연관된 이점은 추가적인 기능이 디바이스를 위해 요구될 때에 데이터를 다운로드하는 줄어든 요구조건을 포함할 수 있으며, 이는 사용자에 의해 활성화될 수 없는 기능을 위한 이러한 사전 프로그래밍된 소프트웨어를 저장하기에 충분한 용량을 디바이스가 갖는 것으로 인지되는 예에서 유용할 수 있다.
임의의 언급된 장치/회로가 언급된 기능에 부가하여 다른 기능을 가질 수 있고, 이들 기능이 동일 장치/회로에 의해 수행될 수 있음을 이해할 것이다. 하나 이상의 개시된 측면은 연관 컴퓨터 프로그램 및 적절한 반송파(예를 들어, 메모리, 신호)에 기록된 컴퓨터 프로그램(소스/트랜스포트 인코딩될 수 있음)의 전자적 분배를 포함할 수 있다.
임의의 언급된 컴퓨터 및/또는 프로세서 및 메모리(예를 들어, ROM, CD-ROM 등을 포함함)의 임의의 설명과 관련하여, 이들은 본 발명의 기능을 수행하기 위한 방식으로 프로그래밍된 컴퓨터 프로세서, ASIC, FPGA, 및 또는 다른 하드웨어 구성요소를 포함할 수 있다.
이로써 출원인은, 여기서 설명되는 각 개별적인 특징 및 둘 이상의 이러한 특징의 임의의 조합을 따로따로, 당업자의 공통의 일반적인 지식에 비추어, 이러한 특징 또는 특징의 조합이 여기서 개시된 임의의 문제점을 해결하는지에 상관없이, 또한 청구범위의 제한 없이, 이러한 특징 또는 조합이 전체적으로 본 명세서에 기초하여 수행될 수 있을 정도로 개시한다. 출원인은 개시된 측면/실시예가 임의의 이러한 개개의 특징 또는 특징들의 조합으로 구성될 수 있음을 나타낸다. 전술한 설명을 고려하여, 본 발명의 범위 내에서 다양한 변경이 이루어질 수 있는 것은 당업자에게 있어서 자명할 것이다.
상이한 실시예에 적용되는 것과 같이 기초적인 새로운 특징들이 도시되고 설명 및 언급되었지만, 본 발명의 정신에서 벗어나지 않고서, 설명된 디바이스 및 방법의 형태 및 상세에서의 다양한 생략 및 대체 및 변경이 당업자에 의해 이루질 수 있음을 이해할 것이다. 예컨대, 동일한 결과를 달성하기 위해 실질적으로 동일한 방식으로 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 이들 요소 및/또는 방법 스텝들의 모든 조합이 본 발명의 범위 내에 있도록 의도된다. 게다가, 임의의 개시된 형태 또는 실시예와 관련하여 도시 및/또는 설명된 구조 및/또는 요소 및/또는 방법 스텝이 일반적인 설계 선택 사항으로서 임의의 다른 개시 또는 설명 또는 제안된 형태 또는 실시예에 통합될 수 있다고 인지되어야 한다. 또한, 청구범위에서, 기능식 조항은 언급된 기능과 구조적 등가물뿐만 아니라 등가의 구조를 수행하는 것과 같이 여기서 설명된 구조를 포함하도록 의도된다. 따라서, 나무 부품을 고정시키기 위해 못이 원통형 표면을 채택하는 반면에 나사는 나선형 표면을 채택한다는 점에서, 못과 나사가 구조적 등가물일 수는 없지만, 나무 부품들을 고정시키는 환경에 있어서 못과 나사는 등가의 구조물일 수 있다.
Claims (23)
- 장치로서,
압전 변환기층(a piezoelectric convertor layer)과,
상기 압전 변환기층의 제 1 면과 전기적으로 통신하는 근위의 제 1 압저항층(a proximal first piezoresistive layer)을 포함하되,
상기 장치는, 상기 압전 변환기층이 전하를 생성하기 위해 변형되는 경우, 상기 제 1 압저항층이 상기 압전 변환기층으로부터의 전하의 흐름을 제어하도록 구성되는
장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 압전 변환기층과 상기 제 1 압저항층의 인접도는, 상기 압전 변환기층의 변형에 의해 생성된 전기장이 무변형 상태와 비교해서 상기 제 1 압저항층의 저항의 변화를 야기함으로써 상기 압전 변환기층으로부터의 전하의 흐름을 제어하도록 되는
장치.
- 제 2 항에 있어서,
상기 장치는, 무변형 상태와 비교해서 상기 제 1 압저항층의 저항의 변화를 야기함으로써 상기 압전 변환기층으로부터의 전하의 흐름을 제어하는 데 상기 제 1 압저항층의 변형이 요구되지 않도록 구성되는
장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 압전 변환기층과 상기 제 1 압저항층의 인접도는, 상기 압전 변환기층과 상기 제 1 압저항층이 물리적으로 접촉하고 있어, 상기 압전 변환기층의 변형이 무변형 상태와 비교해서 상기 제 1 압저항층의 저항을 변화시키도록 상기 제 1 압저항층의 변형을 야기함으로써 상기 압전 변환기층으로부터의 전하의 흐름을 제어하도록 되는
장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 장치는 상기 압전 변환기층에 인가된 압축에 응답하여 상기 제 1 압저항층의 저항이 감소하도록 구성되는
장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 압저항층은 양자 터널링 복합물(quantum tunnelling composite)을 포함하는
장치.
- 제 3 항에 있어서,
상기 제 1 압저항층은 상기 압전 변환기층과 직접 접촉해 있는 도핑된 그래핀(doped graphene)을 포함하고, 상기 도핑된 그래핀의 저항은 변형에 응답하여 상기 압전 변환기층에 의해 생성된 전기장에 따라 변하도록 구성되는
장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 압전 변환기층 및 상기 제 1 압저항층은 투명하게 구성되는
장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 압전 변환기층은,
압전층과,
상기 압전층의 제 1 면과 직접 전기적으로 통신하는 제 1 도전층과,
상기 압전층의 대향하는 제 2 면과 직접 전기적으로 통신하는 제 2 도전층을 포함하는
장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 장치는,
상기 제 1 압저항층을 거쳐 상기 압전 변환기층의 제 1 면, 및 상기 압전 변환기층의 대향하는 제 2 면에 전기적으로 연결된 제 1 회로부와,
상기 압전 변환기층의 제 1 면, 및 상기 압전 변환기층의 대향하는 제 2 면에 연결된 제 2 회로부를 포함하고,
상기 제 1 회로부는 상기 압전 변환기층에 의해 생성된 전하를 저장하도록 구성되고,
상기 제 2 회로부는 상기 압전 변환기층의 대향하는 제 1 면과 제 2 면 사이에서 전하를 등화할(equalising) 수 있도록 구성되는
장치.
- 제 10 항에 있어서,
상기 제 1 회로부는 상기 압전 변환기층으로부터의 전하를 저장하도록 구성된 저장 캐패시터를 포함하는
장치.
- 제 11 항에 있어서,
상기 저장 캐패시터의 캐패시턴스는 상기 압전 변환기층의 고유 캐패시턴스(intrinsic capacitance)보다 큰
장치.
- 제 10 항에 있어서,
상기 제 2 회로부는 저항기를 포함하고, 상기 저항기는 상기 압전 변환기층의 대향하보는 제 1 면과 제 2 면 사이의 전하 등화(charge equalisation)를 견디도록 구성되는
장치. - 제 10 항에 있어서,
상기 장치는,
상기 압전 변환기층이 압축되면, 상기 제 1 압저항층의 저항이 상기 저항기의 저항보다 작고,
상기 압전 변환기층이 압축되지 않으면, 제 1 압저항층의 저항이 상기 저항기의 저항보다 크도록 구성되는
장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 장치는 상기 압전 변환기층의 대향하는 제 2 면과 전기적으로 통신하며 또한 오버라잉(overlying)하고 있는 제 2 압저항층을 포함하는
장치.
- 제 15 항에 있어서,
상기 장치는 상기 압전 변환기층의 압축에 응답하여 상기 제 2 압저항층의 저항이 증가하도록 구성되는
장치. - 제 16 항에 있어서,
상기 제 2 압저항층은 상기 압전 변환기층과 직접 접촉해 있는 도핑된 그래핀을 포함하고, 상기 도핑된 그래핀의 저항은 변형에 응답하여 상기 압전 변환기층에 의해 생성되는 전기장에 따라 변하도록 구성되는
장치.
- 제 17 항에 있어서,
상기 장치는,
제 1 압저항층을 거쳐 상기 압전 변환기층의 제 1 면, 및 상기 압전 변환기층의 대향하는 제 2 면에 전기적으로 연결된 제 1 회로부와,
상기 압전 변환기층의 제 1 면, 및 상기 제 2 압저항층을 거쳐 상기 압전 변환기층의 대향하는 제 2 면에 연결된 제 2 회로부를 포함하고,
상기 제 1 회로부는 상기 압전 변환기층에 의해 생성된 전하를 저장하도록 구성되고,
상기 제 2 회로부는 상기 압전 변환기층의 대향하는 제 1 면과 제 2 면 사이에서 전하를 등화할 수 있도록 구성되는
장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 압저항층의 크기는 상기 압전 변환기층의 크기보다 작은
장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 장치는 공통의 압전 변환기층과 인접하게 배치된 복수의 별개의 이격된 제 1 압저항층들을 포함하는
장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 장치는 터치 스크린, 터치 스크린 픽셀, 신발, 시계, 의류 아이템, 이동식 전자 디바이스, 또는 기계 에너지 수집 디바이스이거나 혹은 그 일부를 형성하는
장치.
- 장치를 제조하는 방법으로서,
압전 변환기층과, 상기 압전 변환기층의 제 1 면과 전기적으로 통신하는 근위의 제 1 압저항층을 제공하는 단계를 포함하고,
상기 장치는, 상기 압전 변환기층이 전하를 생성하기 위해 변형되는 경우, 상기 제 1 압저항층이 상기 압전 변환기층으로부터의 전하의 흐름을 제어하도록 구성되는
장치 제조 방법.
- 장치를 이용하는 방법으로서,
상기 장치는,
압전 변환기층과,
상기 압전 변환기층의 제 1 면과 전기적으로 통신하는 근위의 제 1 압저항층을 포함하고,
상기 장치는, 상기 압전 변환기층이 전하를 생성하기 위해 변형되는 경우, 상기 제 1 압저항층이 상기 압전 변환기층으로부터의 전하의 흐름을 제어하도록 구성되는
장치 이용 방법.
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