KR20160146104A - 에너지 하베스팅 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 에너지 하베스트(harvest)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane, PDMS)과, 산화아연(ZnSnO3)를 기반으로 인쇄전자 기법으로 제작된 나노 제너레이터(Nano Generator)를 이용하여 전기 에너지를 하베스팅(harvesting)하고, 이를 저장하여 전력 제어 회로의 구동에 필요한 전압을 획득하기 위해 알루미늄 기판상에 적층된 상부 전극(top electrode) 및 하부 전극(bottom electrode) 사이에 연계된 PDMS와 ZnSnO3이 혼합되어 액티브 레이어(Active layer)된 압전물질층과 상기 압전물질층을 소정 유닛과 연계하여 외부 에너지원을 전기 에너지로 변환시키는 에너지 하베스트를 수행하도록 제어함으로써 인체의 모션 등에 따라 지속적인 전력 생산 가능한 소자를 제공하고자 한다.
Description
본 발명은 외부 에너지원을 전기 에너지로 변환시키는 에너지 하베스트에 관한 기술이다.
주변 기기의 소형화 등이 점점 중요해지고 있는 요즘 주변 기기의 유한한 배터리 수명에 의한 전력공급이 문제가 되고 있다. 긴 시간에 걸쳐 작동해야 하는 장치에 주기적으로 배터리를 교체 또는 충전을 해야 하는 것은 많은 비용과 시간이 들기 때문에 비효율적이다.
이러한 문제를 해결할 수 있는 기술이 에너지 하베스팅(energy harvesting)이다. 에너지 하베스팅이란 빛, 열, 진동 등 주변의 버려지는 에너지를 다시 재수확하여 전기에너지로 변환하여 사용하는 기술로서, 외부의 전력 공급 없이 압전 소자(piezoelectric), 열 에너지(thermal) 변환기 등의 다양한 에너지원을 전기 에너지로 변환하여 전력을 공급하는 에너지 하베스팅 시스템이 다양하게 제시되고 있다.
본 발명은 에너지 하베스팅 소스로부터 전달받는 전력을 낭비 없이 관리하기 위한 나노 제너레이터를 소정의 화합물을 통해 생성하고, 수집된 전력을 효율적으로 배터리에 분배할 수 있도록 하는 에너지 하베스팅 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 견지에 따르면, 기판, 상기 기판상에 적층된 탑 전극(top electrode) 및 하부 전극(bottom electrode) 사이에 연계되어 적어도 둘 이상의 화합물이 혼합되어 액티브 레이어(Active layer)된 압전물질층 및 상기 압전물질층을 기설정된 형태로 구성하여 외부 에너지원을 전기 에너지로 변환시키는 에너지 하베스트를 수행하도록 제어하는 하베스트 제어부를 포함함을 특징으로 한다.
본 발명은 별도의 외부 전력 공급 없이 인체의 움직임 등에 따라 발생 되어 버려지는 에너지를 재수확하여 전기 에너지로 변환하여 친환경/지속적인 전력 생산 가능한 소자 구현이 가능한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 하베스팅 시스템 기반 소자의 구조를 개략적으로 도시한 예시도.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 하베스팅 시스템 기반 소자의 제작 과정을 보인 예시도.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 하베스팅 소자의 전기 수확 특성을 보인 그래프.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 하베스팅 시스템의 구성을 보인 상세 블록도.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 하베스팅 시스템이 적용된 응용의 실시 예.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 하베스팅 시스템 기반 소자의 제작 과정을 보인 예시도.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 하베스팅 소자의 전기 수확 특성을 보인 그래프.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 하베스팅 시스템의 구성을 보인 상세 블록도.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 하베스팅 시스템이 적용된 응용의 실시 예.
이하 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기 설명에서는 구체적인 구성 소자 등과 같은 특정 사항들이 나타나고 있는데 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐 이러한 특정 사항들이 본 발명의 범위 내에서 소정의 변형이나 혹은 변경이 이루어질 수 있음은 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다 할 것이다.
본 발명은 에너지 하베스트(harvest)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane, PDMS)과, 산화아연(ZnSnO3)를 기반으로 인쇄전자 기법으로 제작된 나노 제너레이터(Nano Generator)를 이용하여 전기 에너지를 하베스팅(harvesting)하고, 이를 저장하여 전력 제어 회로의 구동에 필요한 전압을 획득하기 위해 알루미늄 기판상에 적층된 상부 전극(top electrode) 및 하부 전극(bottom electrode) 사이에 연계된 PDMS와 ZnSnO3이 혼합되어 액티브 레이어(Active layer)된 압전물질층과 상기 압전물질층을 소정 유닛과 연계하여 외부 에너지원을 전기 에너지로 변환시키는 에너지 하베스트를 수행하도록 제어함으로써 인체의 모션 등에 따라 지속적인 전력 생산 가능한 소자를 제공하고자 한다.
이하, 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 하베스팅 시스템 기반 소자의 구조를 도 1을 참조하여 자세히 살펴보기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 하베스팅 시스템 기반 소자의 구조를 개략적으로 도시한 것으로, 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 하베스팅 시스템 기반 소자는, 기판상에 탑 전극(top electrode, 110), 압전 물질층(112) 및 하부 전극(bottom electrode)이 순차 적층되어 형성된다.
상기 압전 물질층(112)은 상기 탑 전극(110) 및 하부 전극(114) 사이에 연계되어 적어도 둘 이상의 화합물이 혼합되어 액티브 레이어된다. 상기 화합물은 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane, PDMS), 산화아연(ZnSnO3)을 포함한다.
본 발명의 에너지 하베스팅 시스템에서는 상기 압전물질층을 기설정된 형태로(복수의 유닛과 연계된) 구성하여 외부 에너지원을 전기 에너지로 변환시키는 에너지 하베스트를 수행하도록 제어하는 하비스트 제어부를 포함한다.
또한, 인쇄전자 기법에 기반하는 하비스트 기술을 이식 가능한 나노 제너레이터를 제작하기 위하여 알루미늄 기판상에 압전 물질층을 포함하는 압전 소자층을 먼저 적층한다.
여기서, 상기 알루미늄 기판은 고온 조건의 압전 소자 제작 공정이 진행되는 임시 기판을 의미하며, 소자 완성 후 다시 소자로부터 분리될 수 있는 기판이다.
환언하여, 본 발명이 적용된 에너지 하베스팅 소자는 ITO 코팅판(Glass 또는 PET)에 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane, PDMS)과, 산화아연(ZnSnO3) 물질이 프린팅(Active layer)된 레이어 섹션 위에 전극(electrode, 116)를 만들어 에너지 하베스팅 소자를 구성한다.
이때, 에너지 하베스팅 소자는, 인쇄전자 기법으로 제작되어 나노 제너레이터의 기능을 수행한다.
이러한, 본 발명이 적용된 에너지 하베스팅 시스템 기반 소자는 기본적으로 대면적용 소자이기 때문에 알루미늄과 PDMS와 ZnSnO3 화합물 모두를 스프레이 방식으로 상온 대기압 조건에 도포한다. 특히, 알루미늄 코팅은 기존에 상용화되어 있는 99.5% 알루미늄 락커를 사용하여 제작하였으며, 또한 다른 모든 스프레이 방식을 사용하여 제작이 가능하다.
여기서, 도 2를 참조하면, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 하베스팅 시스템 기반 소자의 제작 과정을 보인 것으로, 도 2에 도시된 바와 같이 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane, PDMS)과 산화아연(ZnSnO3)을 혼합(S210)하고, 이를 전극이 연계된 알루미늄 기판상에 스프레이 방식으로 도포(S212)한 후 상기 전극이 와이어에 연결되어(S214), 폴리에틸렌(polythene)에 캡슐화(encapsulating)된다(S216). 이에 소정 오브젝트에 의한 압력(예컨대, 사람에 의한 스텝)이 가해지면(S218), 이로 인해 S220와 같은 특성을 보인다. 이는 도 3에 도시된 바와 같으며, 본 발명에 의한 상술된 소자는 눌림의 빈도에 따라 전압과 주파수가 도 3에서와 같이 변화함을 알 수 있다.
이후, 상기 PDMS와 ZnSnO3를 혼합 후 도포하여 외부 컨택 영역에 밀착되는 유연 재질의 소재로 코팅하여 인쇄전자 기법 기반 나노 제너레이터를 생성한다.
상기 나노 제너레이터는, 압전 특성을 나타내는 ZnO 나노 와이어를 이용하여 알루미늄 코팅 판 상에 구현된 다중 수평 나노 와이어 어레이가 집적되는 것으로, 하부 전극(114)과 상부 전극(110) 각각이 전극 라인에 연결되며, 상기 상부 전극(110)과 하부 전극(114) 사이에는 압력에 의하여 전압이 발생하는 압전층이 구비된다. 이로 인하여 기판의 플랙서블(flexible) 기반 인쇄전자 기법에 의한 나노 제너레이터 압전 소자가 제작되며, 내부에 구비된 압전층에서 발생한 전자(예컨대, 플랙서블 소자의 구부러짐으로부터 발생한 전자)는 상기 하부 전극(114) 혹은 상부 전극(110)을 통하여 외부로 나가게 되며, 이로써 압력 에너지를 전기적 에너지로 회수하는 에너지 하베스트가 가능해진다.
이때, 본 발명이 적용된 나노 제너레이터는 실리콘 등과 같은 경성의 기판에 압전물질층을 포함하는 압전소자를 적층하고, 이를 패턴하여 복수 갱의 단위 압전소자를 기판에 제조한다. 이후, 단위 압전소자별 전극층에 별도의 전극라인을 연결함으로써, 플렉서블 압전소자를 제조한다.
상기 실시 예는 플렉서블 나노 제너레이터를 제조하기 위하여, 기판 상에 상부전극/압전물질층/상부전극층의 압전 소자층을 적층하고, 다시 상기 압전소자층을 소정 형태로 패터닝하여, 압전소자의 단위소자 영역을 정의한다.
한편, 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 하베스팅 시스템은 에너지 하베스트 수행을 위해 정류기와 배터리를 이식 가능한 소자로 나노 제너레이터에 집약하고, 하베스트 제어부를 이용하여 기설정된 형태로 패터닝된 압전물질층 기반 나노 제너레이터로부터 획득된 에너지를 배터리에 저장하여 소정 오브젝트의 가이드 혹은 구동 제어를 위해 사용한다.
더욱 상세하게는, 도 4를 참조하여 설명하도록 한다. 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 하베스팅 시스템의 구성을 보인 상세 블록도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 하베스팅 시스템(400)은 나노 제너레이터(410), 정류기(412), 검파기(414), 배터리부(416), 하베스트 제어부(418) 및 응용 디바이스(420)을 포함한다.
상기 나노 제너레이터(410)은 실리콘 등과 같은 경성의 기판에 압전물질층을 포함하는 압전소자를 적층하고, 이를 패턴하여 복수 갱의 단위 압전소자를 기판에 제조한다. 이후, 단위 압전소자별 전극층에 별도의 전극 라인을 연결함으로써, 플렉서블 압전소자를 제조한다.
상기 압전 물질층은 상기 상부 전극 및 하부 전극 사이에 연계되어 적어도 둘 이상의 화합물이 혼합되어 액티브 레이어된다. 상기 화합물은 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane, PDMS), 산화아연(ZnSnO3)을 포함한다.
상기 정류기(412)는 복수의 사이리스터로 구성되어 상기 복수의 사이리스터에 입력된 교류를 직류로 변환시킨다.
상기 검파기(414)는 주파수 변조나 위상변조에 대해 그들의 주파수에 대해 비례하는 출력이 나타나는 회로이며, 본 발명의 일 실시 예에 따라 상기 나노 제너레이터(410)에 연계되어 감지 동작을 통해 하베스트 제어부(418)의 제어 하에 응용 디바이스(420) 구동에 적용된다.
상기 배터리부(416)는 하베스트 제어부(418)의 제어 하에 나노 제너레이터(410)에 의한 에너지 하베스팅 전력을 저장하거나 사용하여 응용 디바이스(420)의 구동을 지원한다.
상기 하베스트 제어부(418)은 압전물질층을 기설정된 형태로 구성하여 외부 에너지원을 전기 에너지로 변환시키는 에너지 하베스트를 수행하도록 제어한다.
본 발명의 일 실시 예에 따라 압전 에너지 하베스트 소자 기반 나노 제너레이터는 진동, 음파, 초음파 등을 이용하여 압전층에 구부러짐, 수축, 신장 등을 유발하여 압전 효과에 의해 전압을 생성하고, 생성된 전압은 응용 디바이스(420)의 구동에 사용되거나 전력 조절 회로(Power Conditioning Circuit: PCC)의 스위치 구동에 사용된다.
즉, 기설정된 형태로 패터닝된 압전물질층 기반 나노 제너레이터로부터 획득된 에너지를 배터리에 저장하여 소정 오브젝트의 가이드 혹은 구동 제어를 위해 사용한다.
상기 응용 디바이스(420)는 나노 제너레이터(410)로부터 수확된 빛, 열, 진동 등의 에너지를 정류기(412)를 통해 전기 에너지로 변환하여 하베스트 제어부(418)의 제어 하에 배터리부(416)로부터 공급된 전원을 통해 별도의 외부 전력 공급 없이 구동된다.
여기서, 도 5를 참조하면, 도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 하베스팅 시스템이 적용된 응용의 실시 예를 보인 것으로, 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명이 적용된 응용 디바이스(420)가 계단에 설치된 경우 계단을 밟는 행위에 따라 본 발명의 압전 물질층 기반 나노 제너레이터로부터 수확되는 압력 에너지에 의해 기설정된 영역의 LED가 점등되어 점등되는 LED를 제어함으로써 방향을 가이드 하거나 침입 등의 탐지 응용이 가능하다. 즉, M1 혹은 M2에 진동이 가해지면 금속 심의 양면에 형성된 압전층에서 전압이 생성되고, 에너지 하베스팅 시스템 내부의 검파기(414)를 통해 전압의 변화가 검출되어 LED가 구동된다.
한편, 도 5의 실시 예에서는 계단 스텝 관련 에너지 하베스팅을 예로 하여 설명하였지만 본 발명이 이에 한정되지 않으며, 열 에너지, 동물 움직임 또는 바람과 파도 등의 자연으로부터 발생하는 진동, 기계적 에너지를 포함하는 에너지 하베스팅에 관련됨을 미리 밝혀두는 바이다.
상기와 같이 본 발명에 따른 에너지 하베스팅 시스템에 관한 동작이 이루어질 수 있으며, 한편 상기한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나 여러 가지 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 실시될 수 있다. 따라서 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 의하여 정할 것이 아니고 청구범위와 청구범위의 균등한 것에 의하여 정하여져야 할 것이다.
110: 상부 전극 112: 압전 물질층
114: 하부 전극
114: 하부 전극
Claims (6)
- 기판,
상기 기판상에 적층된 탑 전극(top electrode) 및 하부 전극(bottom electrode) 사이에 연계되어 적어도 둘 이상의 화합물이 혼합되어 액티브 레이어(Active layer)된 압전물질층 및
상기 압전물질층을 기설정된 형태로 구성하여 외부 에너지원을 전기 에너지로 변환시키는 에너지 하베스트를 수행하도록 제어하는 하베스트 제어부를 포함함을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 시스템. - 제1항에 있어서, 상기 적어도 둘 이상의 화합물은,
폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane, PDMS), 산화아연(ZnSnO3)를 포함함을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 시스템. - 제2항에 있어서,
상기 PDMS와 ZnSnO3를 혼합 후 도포하여 외부 컨택 영역에 밀착되는 유연 재질의 소재로 코팅하여 인쇄전자 기법 기반 나노 제너레이터를 생성함을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 시스템. - 제1항에 있어서, 상기 기설정된 형태는,
에너지 하베스트 수행을 위해 정류기와 배터리를 이식 가능한 소자로 집약하거나 연계함을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 시스템. - 제2항에 있어서, 상기 나노 제너레이터는,
압전 특성을 나타내는 ZnO 나노 와이어를 이용하여 알루미늄 코팅 판 상에 구현된 다중 수평 나노 와이어 어레이가 집적됨을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 시스템. - 제1항에 있어서, 상기 하비스트 제어부는,
기설정된 형태로 패터닝된 압전물질층 기반 나노 제너레이터로부터 획득된 에너지를 배터리에 저장하여 소정 오브젝트의 가이드 혹은 구동 제어를 위해 사용함을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 시스템.
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KR102030426B1 (ko) * | 2019-05-12 | 2019-11-08 | 주식회사 스위텍 | 에너지하베스팅을 이용한 분진제거기능을 갖는 탄두회수장치 |
KR20220033396A (ko) | 2020-09-09 | 2022-03-16 | (주)한국바이오셀프 | 압전 소자 및 이의 제조 방법 |
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