KR20180002267A

KR20180002267A - 마찰전기를 이용한 에너지 하베스터 및 이를 포함하는 장치

Info

Publication number: KR20180002267A
Application number: KR1020160081536A
Authority: KR
Inventors: 김재영; 변경은; 신현진; 정아름
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2016-06-29
Filing date: 2016-06-29
Publication date: 2018-01-08
Also published as: CN107547003B; EP3264584A1; US10931209B2; EP3264584B1; KR102581469B1; CN107547003A; US20180006582A1

Abstract

마찰전기를 이용한 에너지 하베스터 및 이를 포함하는 장치에 관해 개시되어 있다. 개시된 에너지 하베스터는 제1 마찰전기 물질을 포함하는 제1 구조체, 제2 마찰전기 물질을 포함하는 제2 구조체 및 상기 제1 및 제2 마찰전기 물질의 마찰면을 외부 환경으로부터 격리하는 밀폐구조체를 포함할 수 있다. 상기 에너지 하베스터는 상기 밀폐구조체 내에 구비된 충전재를 더 포함할 수 있다. 상기 충전재는 전하를 포함할 수 있다. 상기 충전재는 소정의 점도를 가질 수 있다. 상기 밀폐구조체의 적어도 일부는 탄성물질을 포함할 수 있다.

Description

마찰전기를 이용한 에너지 하베스터 및 이를 포함하는 장치{Energy harvester using triboelectricity and apparatus including the same}

개시된 실시예들은 마찰전기를 이용한 에너지 하베스터 및 이를 포함하는 장치에 관한 것이다.

최근, 다양한 전자기기의 보급 및 사용이 급속도로 확대되고 있다. 특히, 모바일 기기(mobile device), 웨어러블 기기(wearable device), 소형 가전기기 등의 사용이 크게 늘어나고 있다. 그런데 이러한 전자기기들에 전력을 공급해주기 위해서는 대용량의 배터리를 장착하거나 수시로 충전을 해야 하는 문제가 있다. 다양한 전자기기에 적용할 수 있으면서 우수한 에너지 효율을 갖는 전력원의 개발이 요구된다.

우수한 효율을 갖는 에너지 하베스터(energy harvester)를 제공한다.

외부 환경에 의한 특성 저하 문제를 방지 또는 억제할 수 있는 에너지 하베스터를 제공한다.

마찰전기의 대전(electrification) 효율을 높일 수 있는 에너지 하베스터를 제공한다.

상기 에너지 하베스터를 포함하는 장치(전자기기)를 제공한다.

일 측면(aspect)에 따르면, 제1 마찰전기 물질을 포함하는 제1 구조체; 상기 제1 마찰전기 물질과 마찰하여 전기를 발생하는 것으로, 제2 마찰전기 물질을 포함하는 제2 구조체; 상기 제1 및 제2 마찰전기 물질 각각의 마찰면을 외부 환경으로부터 격리하는 밀폐구조체; 및 상기 밀폐구조체 내에 상기 제1 및 제2 마찰전기 물질과 접촉하도록 구비된 것으로, 복수의 전하를 갖는 충전재;를 포함하고, 상기 충전재에 의해 상기 제1 및 제2 마찰전기 물질의 대전 효율이 증가하는 에너지 하베스터(energy harvester)가 제공된다.

상기 제1 구조체와 상기 제2 구조체는 서로 대향하도록 배치될 수 있고, 상기 제1 마찰전기 물질과 상기 제2 마찰전기 물질의 접촉 및 분리가 반복되도록 구성될 수 있다.

상기 제1 구조체는 상기 제1 마찰전기 물질을 포함하는 제1 물질층 및 상기 제1 물질층에 접촉된 제1 전극을 구비할 수 있고, 상기 제2 구조체는 상기 제2 마찰전기 물질을 포함하면서 전극 기능을 갖는 제2 물질층을 구비할 수 있다. 이 경우, 상기 충전재와 상기 제1 전극은 서로 접촉하지 않고 물리적으로 분리되어 있을 수 있다. 상기 밀폐구조체는 상기 제1 물질층의 측면 및 상기 제2 물질층의 측면을 둘러싸도록 구비될 수 있고, 상기 제1 전극의 적어도 일부는 상기 밀폐구조체에 의해 커버되지 않을 수 있다.

상기 제1 구조체는 상기 제1 마찰전기 물질을 포함하는 제1 물질층 및 상기 제1 물질층에 접촉된 제1 전극을 구비할 수 있고, 상기 제2 구조체는 상기 제2 마찰전기 물질을 포함하는 제2 물질층 및 상기 제2 물질층에 접촉된 제2 전극을 구비할 수 있다. 이 경우, 상기 충전재와 상기 제1 및 제2 전극은 서로 접촉하지 않고 물리적으로 분리되어 있을 수 있다. 상기 밀폐구조체는 상기 제1 물질층의 측면 및 상기 제2 물질층의 측면을 둘러싸도록 구비될 수 있고, 상기 제1 전극의 적어도 일부 및 상기 제2 전극의 적어도 일부는 상기 밀폐구조체에 의해 커버되지 않을 수 있다.

상기 밀폐구조체의 적어도 일부는 탄성물질(elastic material)을 포함할 수 있다.

상기 충전재는 이온성 액체(ionic liquid) 또는 이온겔(ion-gel)을 포함할 수 있다.

상기 충전재는 양전하 및 음전하를 포함할 수 있다.

상기 충전재는 약 25℃에서 약 4 mPa·s 이상의 점도(viscosity)를 갖는 유체를 포함할 수 있다.

상기 제1 구조체 및 제2 구조체 중 하나는 적어도 하나의 가이드핀(guide pin)을 포함할 수 있고, 상기 제1 구조체 및 제2 구조체 중 다른 하나는 상기 가이드핀이 삽입되는 적어도 하나의 가이드홀(guide hole)을 포함할 수 있으며, 상기 가이드핀과 상기 가이드홀에 의해 상기 제1 구조체에 대한 상기 제2 구조체의 이동 방향이 제어될 수 있다.

상기 제1 구조체와 상기 제2 구조체 사이에 적어도 하나의 스프링부재(spring element)가 더 구비될 수 있다.

다른 측면에 따르면, 전술한 에너지 하베스터; 및 상기 에너지 하베스터에 연결된 회로부;를 포함하는 전자장치가 제공된다.

상기 전자장치는 모바일 디바이스(mobile device) 또는 웨어러블 디바이스(wearable device)일 수 있다.

다른 측면에 따르면, 제1 마찰전기 물질을 포함하는 제1 구조체; 상기 제1 마찰전기 물질과 마찰하여 전기를 발생하는 것으로, 제2 마찰전기 물질을 포함하는 제2 구조체; 및 상기 제1 및 제2 구조체 사이에 구비된 것으로, 전하를 갖는 중간물질;을 포함하고, 상기 제1 및 제2 구조체 사이의 간격이 좁아지면 상기 중간물질이 상기 제1 및 제2 구조체 외부로 이동하고, 상기 제1 및 제2 구조체 사이의 간격이 벌어지면 상기 중간물질이 상기 제1 및 제2 구조체 사이의 공간을 채우도록 구성된 에너지 하베스터가 제공된다.

상기 중간물질은 이온성 액체(ionic liquid) 또는 이온겔(ion-gel)을 포함할 수 있다.

상기 중간물질은 양전하 및 음전하를 포함할 수 있다.

상기 중간물질은 약 25℃에서 약 4 mPa·s 이상의 점도를 갖는 유체를 포함할 수 있다.

상기 에너지 하베스터의 적어도 일부를 감싸는 밀폐구조체가 더 구비될 수 있고, 상기 밀폐구조체 내에 상기 중간물질이 구비될 수 있으며, 상기 밀폐구조체의 적어도 일부는 탄성물질로 형성될 수 있다.

상기 제1 구조체는 상기 제1 마찰전기 물질을 포함하는 제1 물질층 및 상기 제1 물질층에 접촉된 제1 전극을 구비할 수 있고, 상기 제2 구조체는 상기 제2 마찰전기 물질을 포함하면서 전극 기능을 갖는 제2 물질층을 구비할 수 있다.

상기 제1 구조체는 상기 제1 마찰전기 물질을 포함하는 제1 물질층 및 상기 제1 물질층에 접촉된 제1 전극을 구비할 수 있고, 상기 제2 구조체는 상기 제2 마찰전기 물질을 포함하는 제2 물질층 및 상기 제2 물질층에 접촉된 제2 전극을 구비할 수 있다.

우수한 효율을 갖는 에너지 하베스터를 구현할 수 있다. 외부 환경에 의한 특성 저하 문제를 방지 또는 억제할 수 있는 에너지 하베스터를 구현할 수 있다. 마찰전기의 대전 효율을 높일 수 있는 에너지 하베스터를 구현할 수 있다. 상기 에너지 하베스터를 포함하는 다양한 장치(전자기기)를 구현할 수 있다.

도 1은 일 실시예에 따른 에너지 하베스터(energy harvester)를 보여주는 단면도이다.
도 2는 도 1의 에너지 하베스터의 동작 메커니즘/원리를 설명하기 위한 단면도이다.
도 3은 도 1의 에너지 하베스터의 충전재에 의한 효율 개선 원리를 설명하기 위한 단면도이다.
도 4는 다른 실시예에 따른 에너지 하베스터를 보여주는 단면도이다.
도 5는 도 4의 에너지 하베스터의 동작 메커니즘/원리를 설명하기 위한 단면도이다.
도 6은 다른 실시예에 따른 에너지 하베스터를 보여주는 단면도이다.
도 7은 다른 실시예에 따른 에너지 하베스터를 보여주는 단면도이다.
도 8은 비교예에 따른 에너지 하베스터 및 그 동작 메커니즘을 보여주는 단면도이다.
도 9는 일 실시예에 따른 에너지 하베스터의 밀폐구조체를 설명하기 위한 사시도이다.
도 10은 다른 실시예에 따른 에너지 하베스터의 밀폐구조체를 설명하기 위한 사시도이다.
도 11은 다른 실시예에 따른 에너지 하베스터를 보여주는 단면도이다.
도 12는 다른 실시예에 따른 에너지 하베스터를 보여주는 단면도이다.
도 13은 다른 실시예에 따른 에너지 하베스터를 보여주는 단면도이다.
도 14는 다른 실시예에 따른 에너지 하베스터를 설명하기 위한 단면도이다.
도 15는 다른 실시예에 따른 에너지 하베스터를 설명하기 위한 단면도이다.
도 16은 도 15의 에너지 하베스터의 평면 구조를 예시적으로 보여주는 평면도이다.
도 17은 다른 실시예에 따른 에너지 하베스터를 설명하기 위한 단면도이다.
도 18은 다른 실시예에 따른 에너지 하베스터를 설명하기 위한 단면도이다.
도 19는 일 실시예에 따른 에너지 하베스터를 적용할 수 있는 장치(전자기기)를 예시적으로 보여주는 사시도이다.
도 20은 다른 실시예에 따른 에너지 하베스터를 적용할 수 있는 장치(전자기기)를 예시적으로 보여주는 사시도이다.

이하, 실시예들에 따른 마찰전기를 이용한 에너지 하베스터 및 이를 포함하는 장치(전자기기)를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부된 도면에 도시된 층이나 영역들의 폭 및 두께는 명세서의 명확성 및 설명의 편의성을 위해 다소 과장되어 있을 수 있다. 상세한 설명 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.

도 1은 일 실시예에 따른 에너지 하베스터(energy harvester)를 보여주는 단면도이다.

도 1을 참조하면, 제1 마찰전기 물질을 포함하는 제1 물질층(M10)이 구비될 수 있고, 제1 물질층(M10)에 접촉된/연결된 제1 전극(E10)이 구비될 수 있다. 제1 물질층(M10)과 제1 전극(E10)이 '제1 구조체'를 구성한다고 할 수 있다. 상기 제1 마찰전기 물질과 마찰하여 전기를 발생시키는 제2 마찰전기 물질을 포함하는 제2 물질층(ME20)이 구비될 수 있다. 본 실시예에서 제2 물질층(ME20)은 상기 제2 마찰전기 물질을 포함하면서 전극의 기능을 가질 수 있다. 제2 물질층(ME20)은 상기 제1 구조체(즉, M10+E10)에 대향하는 '제2 구조체'라고 할 수 있다.

제1 물질층(M10)에 포함된 제1 마찰전기 물질과 제2 물질층(ME20)에 포함된 제2 마찰전기 물질로는 일반적인 마찰전기 분야에서 사용하는 다양한 물질을 사용할 수 있다. 제1 물질층(M10) 및 제2 물질층(ME20) 중 하나는 음(-)으로 대전되기 쉬운 물질을 포함할 수 있고, 다른 하나는 양(+)으로 대전되기 쉬운 물질을 포함할 수 있다. 예컨대, 제1 물질층(M10)은 음(-)으로 대전되기 쉬운 물질로서 silicone rubber, Teflon, PDMS(polydimethylsiloxane), Kapton, PP(polypropylene), PE(polyethylene) 또는 PVC(polyvinyl chloride) 등을 포함할 수 있다. 또는, 제1 물질층(M10)은 강유전체(ferroelectrics) 또는 일렉트릿(electrets) 등과 같은 물질을 포함할 수도 있다. 여기서, 상기 일렉트릿(electrets)은, 예컨대, fluoropolymer, PVF(polyvinylfluoride), PVDF(polyvinylidene fluoride), PCTFE(polychlorotrifluoroethylene), PFA(perfluoroalkoxy alkane), FEP(fluorinated ethylene propylene), ETFE(ethylene tetrafluoroethylene), PET(polyethylene terephthalate) 또는 quartz 등을 포함할 수 있다. 한편, 제2 물질층(ME20)은 양(+)으로 대전되기 쉬운 물질로서, 예컨대, polyformaldehyde, etylcellulose, polyamide, wool, silk, cotton, steel, wood, Al, Ni, Cu, Ag 또는 PVA(polyvinyl alcohol) 등을 포함할 수 있다. 본 실시예에서 제2 물질층(ME20)은 전극의 역할을 겸할 수 있기 때문에, 제2 물질층(ME20)은 도전성 물질(ex, 금속이나 금속성 물질)을 포함할 수 있다. 구체적인 예로, 제2 물질층(ME20)은 Al 호일(foil)이나 silver fabric을 포함할 수 있다. 그러나 전술한 제1 및 제2 물질층(M10, ME20)의 구체적인 물질들은 예시적인 것에 불과하고, 그 밖에 다양한 물질들이 사용될 수 있다. 또한, 제1 물질층(M10)에 양(+)으로 대전되기 쉬운 물질을 적용하고, 제2 물질층(ME20)에 음(-)으로 대전되기 쉬운 물질을 적용할 수 있다.

제1 전극(E10)과 제2 물질층(ME20)은 전기적으로 연결될 수 있다. 예컨대, 제1 전극(E10)과 제2 물질층(ME20)은 배선(W10)을 통해 연결될 수 있다. 제1 물질층(M10)과 제2 물질층(ME20) 사이의 마찰/접촉에 의해 발생된 전기는 배선(W10)을 통해 흐를 수 있다. 도시하지는 않았지만, 배선(W10)에는 소정의 부하(load)나 회로(circuit)가 연결될 수 있다.

적어도 상기 제1 및 제2 마찰전기 물질 각각의 마찰면을 외부 환경으로부터 격리하는 밀폐구조체(closed structure)(CS10)가 구비될 수 있다. 밀폐구조체(CS10)는 제1 물질층(M10)의 마찰면 및 제2 물질층(ME20)의 마찰면을 외부 환경으로부터 격리할 수 있다. 밀폐구조체(CS10)는 제1 물질층(M10)의 측면 및 제2 물질층(ME20)의 측면을 둘러싸도록 구비될 수 있다. 밀폐구조체(CS10)는 제1 물질층(M10)의 측면 및 제2 물질층(ME20)의 측면에 부착될 수 있다. 밀폐구조체(CS10)의 적어도 일부는 탄성물질(elastic material)로 형성될 수 있다. 상기 탄성물질은, 예컨대, 고무와 같은 탄성중합체(elastomer)를 포함할 수 있다.

밀폐구조체(CS10) 내에 충전재(filling material)(filler)(F10)가 구비될 수 있다. 충전재(F10)는 상기 제1 및 제2 마찰전기 물질과 접촉하도록 구비될 수 있다. 다시 말해, 충전재(F10)는 제1 물질층(M10) 및 제2 물질층(ME20)과 접촉될 수 있다. 충전재(F10)는 복수의 전하(charges)를 갖는 물질을 포함할 수 있다. 충전재(F10)는 양전하(positive charge) 및 음전하(negative charge)를 포함할 수 있다. 충전재(F10)는 양이온(cation) 및 음이온(anion)을 포함할 수 있다. 예컨대, 충전재(F10)는 이온성 액체(ionic liquid) 또는 이온겔(ion-gel)을 포함할 수 있다. 상기 이온겔(ion-gel)은 이온성 액체와 폴리머 바인더(polymer binder)의 혼합물을 포함할 수 있다. 또한, 충전재(F10)는 상온(약 25℃)에서 약 4 mPa·s 이상의 점도(viscosity)를 갖는 유체를 포함할 수 있다. 충전재(F10)의 점도는 이온성 액체의 종류나 이에 포함되는 폴리머의 양 등에 의해 조절될 수 있다. 이러한 충전재(F10)에 의해 상기 제1 및 제2 마찰전기 물질의 대전(electrification) 효율이 증가할 수 있다. 이에 대해서는 추후에 보다 상세히 설명한다.

충전재(F10)가 이온성 액체를 포함하는 경우, 예컨대, EMIM, DMIM, PMIM, BMPyr, BMPy, AMIM, APy, N-methyl-N-alkylpyrrolidinium, ammonium ions 중 적어도 하나의 양이온을 포함할 수 있다. 또한, 충전재(F10)는 SCN, DCA, BF4, OTF, NTf2, PF6, [(CF3SO2)2N], CF3SO3, ammonium salts, choline, tosylate, formate, alkylsulfate, alkylphosphate, glycolate 중 적어도 하나의 음이온을 포함할 수 있다. 상기 EMIM, DMIM, PMIM, BMPyr, BMPy, AMIM, APy, SCN, DCA, BF4, OTF, NTf2, PF6, [(CF3SO2)2N] 및 CF3SO3의 화학명은 아래와 같을 수 있다.

EMIM : 1-Ethyl-3-methylimidazolium

DMIM : 1-Methyl-3-methylimidazolium

PMIM : 1-Propyl-3-methylimidazolium

BMPyr : 1-Butyl-1-methylpyrrolidinium

BMPy : 1-Butyl-3-methylpyridinium

AMIM : 1-alkyl-3-methylimidazolium

APy : 1-alkylpyridinium

SCN : thiocyanate

DCA : dicyanamide

BF4 : tetrafluoroborate

OTF : trifluoromethanesulfonate

NTf2 : bi(trifluoromethanesulfonyl)imide

PF6 : hexafluorophosphate

[(CF3SO2)2N] : bis-trifluorsulfonimide (= bistriflimide)

CF3SO3 : triflate

그러나, 충전재(F10)에 포함되는 양이온 및 음이온의 종류는 전술한 바에 한정되지 않고 다양하게 변화될 수 있다.

충전재(F10)는 제1 전극(E10)과 접촉하지 않고 물리적으로 분리되어 있을 수 있다. 밀폐구조체(CS10)에 의해 충전재(F10)와 제1 전극(E10)이 분리될 수 있다. 이를 위해, 충전재(F10)와 제1 전극(E10)이 접촉되지 않도록, 밀폐구조체(CS10)의 사이즈 및 형성 범위를 결정할 수 있다. 그러나, 충전재(F10)의 전기전도도가 낮은 경우, 충전재(F10)와 제1 전극(E10)이 접촉하도록 밀폐구조체(CS10)를 디자인할 수도 있다. 도 1에 도시된 밀폐구조체(CS10)의 사이즈와 형태, 그리고, 밀폐구조체(CS10)에 의해 한정되는 충전재(F10)의 형성 범위는 예시적인 것이고 다양하게 변화될 수 있다. 또한, 제1 물질층(M10)의 측면 중 일부 및/또는 제2 물질층(ME20)의 측면 중 일부는 밀폐구조체(CS10)에 의해 둘러싸이지 않고 노출될 수도 있다. 예컨대, 제1 물질층(M10)의 측면 중 상단부 일부는 전하 대전에 크게 기여하는 부분이 아닐 수 있기 때문에, 밀폐구조체(CS10)에 의해 둘러싸이지 않고 노출될 수 있다. 또한, 제1 전극(E10)의 측면 중 적어도 일부는 밀폐구조체(CS10)에 의해 커버될 수도 있다.

도 2는 도 1의 에너지 하베스터의 동작 메커니즘/원리를 설명하기 위한 단면도이다.

도 2를 참조하면, 제1 물질층(M10)과 제2 물질층(ME20)이 접촉 및 분리를 반복하면서 이들 사이에 마찰전기가 발생할 수 있다.

도 2의 (A)단계는 제1 물질층(M10)과 제2 물질층(ME20)이 상호 이격되어 있는 단계로, 이는 도 1의 구조에 대응될 수 있다.

도 2의 (B)단계와 같이, 제1 물질층(M10)과 제2 물질층(ME20)이 접촉된 경우, 이들의 마찰면 부분에 전하가 발생할 수 있다. 예컨대, 제1 물질층(M10)에 음(-)의 전하가 유도되고 제2 물질층(ME20)에 양(+)의 전하가 유도되거나, 그 반대일 수 있다. 제1 물질층(M10)과 제2 물질층(ME20)이 접촉함에 따라, 이들 사이에 마찰이 발생할 수 있고, 마찰에 의한 대전이 발생할 수 있다. 제1 물질층(M10)과 제2 물질층(ME20) 사이의 간격이 좁아짐에 따라, 충전재(F10)는 제1 물질층(M10)과 제2 물질층(ME20) 사이에서 그 바깥으로 이동할 수 있다. 이때, 밀폐구조체(CS10)의 적어도 일부는 탄성물질로 형성될 수 있으므로, 밀폐구조체(CS10)는 충전재(F10)를 수용할 수 있도록 늘어날 수 있다.

도 2의 (C)단계와 같이, 제1 물질층(M10)과 제2 물질층(ME20) 사이의 간격이 소정 간격 이상 벌어지면, 제1 전극(E10)과 제2 물질층(ME20) 사이에 전류가 흐를 수 있다. 예컨대, 제1 전극(E10)에서 전자(e-)가 제2 물질층(ME20)으로 이동할 수 있다. 제1 전극(E10)에서 전자(e-)가 제2 물질층(ME20)으로 이동함에 따라, 제1 전극(E10)에 정공이 생성되거나 그와 같은 효과가 발생할 수 있고, 제1 전극(E10)과 제1 물질층(M10) 사이의 전기적 비평형 상태가 완화될 수 있다. 한편, 제1 물질층(M10)과 제2 물질층(ME20)이 상호 이격되는데 있어서, 밀폐구조체(CS10)의 탄성물질(탄성체)의 복원력이 일정 부분 역할을 할 수 있다. 다시 말해, 밀폐구조체(CS10)에서 탄성물질로 형성된 부분이 일정 정도만큼 늘어났다가 복원하려는 힘이 제1 물질층(M10)과 제2 물질층(ME20) 사이의 이격 동작에 일정 부분 역할을 할 수 있다. 또한, 밀폐구조체(CS10)는 제1 물질층(M10)과 제2 물질층(ME20)을 외부 환경으로부터 격리하고 있기 때문에, 외부 환경에 의한 특성 저하 문제를 방지 또는 최소화할 수 있다. 예컨대, 공기 중의 수분(습기)으로 인해, 제1 물질층(M10) 및 제2 물질층(ME20)의 대전 전하가 공기 중으로 방전되어 소멸되는 문제를 방지할 수 있다.

도 2의 (D)는 제1 물질층(M10)과 제1 전극(E10)이 전기적 평형 상태를 형성한 단계를 보여준다. 도시하지는 않았지만, (D)단계 이후, 제1 물질층(M10)과 제2 물질층(ME20)이 다시 접촉하는 경우, 제1 전극(E10)과 제2 물질층(ME20) 사이에 전류가 흐르면서, 결과적으로, (B)단계와 유사한 상태가 될 수 있다. 이와 같이, 제1 물질층(M10)과 제2 물질층(ME20)이 접촉 및 이격을 반복하면서, 이들 사이에 마찰전기가 발생할 수 있다. 그러나 도 2에 도시하고 설명한 메커니즘은 예시적인 것이고, 그 밖에 다른 원리 및 메커니즘이 있을 수 있다.

도 3은 도 1의 에너지 하베스터의 충전재(F10)에 의한 효율 개선 원리를 설명하기 위한 단면도이다.

도 3을 참조하면, 제1 물질층(M10)과 제2 물질층(ME20) 사이의 간격이 좁아지면서, 충전재(F10)와 제1 및 제2 물질층(M10, ME20) 사이에 마찰이 발생할 수 있고, 이로 인해, 마찰전기의 발생 효율이 개선될 수 있다. 충전재(F10)가 소정의 점도(예컨대, 상온에서 약 4 mPa·s 이상의 점도)를 갖는 유체인 경우, 충전재(F10)에 의한 부가적인 마찰 효과가 증가할 수 있다. 또한, 충전재(F10)가 양전하(+) 및 음전하(-)를 포함하는 경우, 충전재(F10)의 양전하(+)에 의해 제1 및 제2 물질층(M10, ME20) 중 하나, 예컨대, 제1 물질층(M10)의 음전하(-) 유도가 촉진될 수 있고, 충전재(F10)의 음전하(-)에 의해 제1 및 제2 물질층(M10, ME20) 중 다른 하나, 예컨대, 제2 물질층(ME20)의 양전하(+) 유도가 촉진될 수 있다. 결과적으로, 제1 및 제2 물질층(M10, ME20)의 대전 효율이 증가할 수 있다. 따라서, 본 실시예에 따르면, 우수한 효율을 갖는 에너지 하베스터를 구현할 수 있다.

충전재(F10)는 제1 물질층(M10)과 제2 물질층(ME20) 사이에 구비되는 '중간물질'이라고 할 수 있고, 상기 중간물질(F10)이 전하를 포함할 경우, 중간물질(F10)에 의해 에너지 하베스터의 대전 효율이 증가된다고 할 수 있다. 제1 물질층(M10)과 제2 물질층(ME20) 사이의 간격이 좁아지면 상기 중간물질(F10)이 제1 물질층(M10)과 제2 물질층(ME20) 외부로 이동하고, 제1 물질층(M10)과 제2 물질층(ME20) 사이의 간격이 벌어지면 상기 중간물질(F10)이 제1 물질층(M10)과 제2 물질층(ME20) 사이의 공간을 채울 수 있다. 중간물질(F10)은, 예컨대, 이온성 액체(ionic liquid) 또는 이온겔(ion-gel)을 포함할 수 있다. 중간물질(F10)은 양전하 및 음전하를 포함할 수 있다. 중간물질(F10)은 상온(약 25℃)에서 약 4 mPa·s 이상의 점도를 갖는 유체를 포함할 수 있다. 이러한 중간물질(F10)은 소정의 밀폐구조체(ex, 도 3의 CS10) 내에 구비될 수 있다.

도 4는 다른 실시예에 따른 에너지 하베스터를 보여주는 단면도이다.

도 4를 참조하면, 제1 마찰전기 물질을 포함하는 제1 물질층(M10) 및 이에 접촉된/연결된 제1 전극(E10)이 구비될 수 있다. 제1 물질층(M10)과 제1 전극(E10)은 도 1에서 설명한 바와 실질적으로 동일하거나 유사할 수 있고, 이들은 '제1 구조체'를 구성한다고 할 수 있다. 제2 마찰전기 물질을 포함하는 제2 물질층(M20) 및 이에 접촉된/연결된 제2 전극(E20)이 구비될 수 있다. 상기 제2 마찰전기 물질은 상기 제1 마찰전기 물질과 마찰하여 전기를 발생시키는 물질일 수 있다. 제2 물질층(M20) 및 제2 전극(E20)은 '제2 구조체'를 구성한다고 할 수 있다. 제1 물질층(M10) 및 제2 물질층(M20) 중 하나는 도전성 물질일 수 있고, 다른 하나는 비도전성 물질일 수 있다. 또는, 제1 및 제2 물질층(M10, M20) 모두 비도전성 물질일 수 있다. 제1 물질층(M10)에 포함된 제1 마찰전기 물질과 제2 물질층(M20)에 포함된 제2 마찰전기 물질로는 일반적인 마찰전기 분야에서 사용하는 다양한 물질을 사용할 수 있다.

제1 물질층(M10)과 제2 물질층(M20)이 상호 마주하도록 배치될 수 있고, 제1 전극(E10)은 제1 물질층(M10)의 바깥쪽 면(여기서는, 상면)에 배치될 수 있고, 제2 전극(E20)은 제2 물질층(M20)의 바깥쪽 면(여기서는, 하면)에 배치될 수 있다. 제1 전극(E10)과 제2 전극(E20)은, 예컨대, 배선(W11)을 통해 전기적으로 서로 연결되어 있을 수 있다. 도시하지는 않았지만, 배선(W11)에는 소정의 부하(load)나 회로(circuit)가 연결될 수 있다.

밀폐구조체(CS11)는 제1 물질층(M10) 및 제2 물질층(M20)의 측면을 둘러싸도록 구비될 수 있다. 밀폐구조체(CS11)의 적어도 일부는 탄성물질로 형성될 수 있다. 밀폐구조체(CS11)의 물질 및 특성은 도 1을 참조하여 설명한 밀폐구조체(CS10)의 그것과 동일하거나 유사할 수 있다. 밀폐구조체(CS11) 내에 제1 및 제2 물질층(M10, M20)과 접촉된 충전재(F11)가 구비될 수 있다. 충전재(F11)의 물질 및 특성은 도 1을 참조하여 설명한 충전재(F10)의 그것과 동일하거나 유사할 수 있다.

충전재(F11)는 제1 전극(E10) 및 제2 전극(E20)과 접촉하지 않고 물리적으로 분리되어 있을 수 있다. 따라서, 충전재(F11)의 전기전도도가 비교적 높은 경우라도, 충전재(F11)로 인해 제1 전극(E10)과 제2 전극(E20)이 전기적으로 단락(short)되거나 그와 유사한 문제가 발생하지 않을 수 있다. 충전재(F11)의 전기전도도가 비교적 낮은 경우라면, 충전재(F11)가 제1 및 제2 전극(E10, E20) 중 적어도 하나와 접촉될 수도 있다. 밀폐구조체(CS11)의 사이즈 및 형태, 그리고, 밀폐구조체(CS11)에 의해 한정되는 충전재(F11)의 형성 범위는 예시적인 것이고, 다양하게 변화될 수 있다. 이는 도 1에서 밀폐구조체(CS10) 및 충전재(F10)에 대해서 설명한 바와 유사할 수 있다.

도 5는 도 4의 에너지 하베스터의 동작 메커니즘/원리를 설명하기 위한 단면도이다.

도 5를 참조하면, 도 2에서 설명한 바와 유사하게, 제1 물질층(M10)과 제2 물질층(M20)이 접촉 및 분리를 반복함에 따라, 이들 사이에 전기적 에너지가 발생할 수 있다. 도 5의 (A) 내지 (D) 단계들은 도 2의 그것들과 유사하기 때문에, 이들에 대한 반복 설명은 배제한다. 밀폐구조체(CS11)에 의해 외부 환경(예컨대, 습기 등)에 의한 특성 저하 문제가 방지 또는 최소화될 수 있고, 충전재(F11)에 의해 대전 효율이 증가할 수 있다.

다른 실시예에 따르면, 도 1 및 도 4의 에너지 하베스터 구조에서 충전재(F10, F11)를 배제할 수도 있다. 즉, 충전재(F10, F11) 없이, 밀폐구조체(CS10, CS11)의 내부가 비어 있는 경우가 가능할 수 있다. 그 예들이 도 6 및 도 7에 도시되어 있다.

도 6 및 도 7은 각각 도 1 및 도 4의 에너지 하베스터에서 충전재(F10, F11)가 배제된 경우를 보여준다. 도 6 및 도 7에서는, 밀폐구조체(CS10, CS11)에 의한 효과를 얻을 수 있다. 특히, 공기 중의 수분/습기에 의해 대전 전하가 방전되어 소실되는 문제를 방지할 수 있다. 또한, 밀폐구조체(CS10, CS11)가 탄성물질(탄성체)을 포함하는 경우, 제1 물질층(M10)과 제2 물질층(M20)이 서로 접촉했다가 이격될 때, 상기 탄성물질(탄성체)의 복원력에 의해 이격(분리) 동작이 용이하게 이루어질 수 있다.

도 8은 비교예에 따른 에너지 하베스터 및 그 동작 메커니즘을 보여주는 단면도이다.

도 8의 (A)도면을 참조하면, 비교예에 따른 에너지 하베스터는 오픈된 시스템(open system)을 가질 수 있다. 다시 말해, 도 1 및 도 4에서와 같은 밀폐구조체(CS10, CS11) 없이, 제1 물질층(M10)과 제2 물질층(ME20)이 외부 환경에 노출된 구조(열린 구조)를 가질 수 있다. 이 경우, (C)도면에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 물질층(M10, ME20)에 대전된 전하가 공기 중의 수분/습기 등과 만나서 방전되는 문제가 발생할 수 있다. 공기 중의 습도가 증가할수록, 정전기(static electritity)는 감소하고, 대전된 물질에서 전하의 소실이 증가하기 때문에, 도 8과 같은 오픈된 시스템을 갖는 경우, 에너지 하베스터의 성능이 저하될 수 있다.

그러나 본원의 실시예에서와 같이, 밀폐구조체(CS10, CS11)를 이용해서 제1 및 제2 물질층(M10, M20/ME20)을 외부 환경으로부터 격리시키면, 외부 환경에 의한 문제를 원천적으로(거의 근본적으로) 방지할 수 있다. 따라서, 외부 환경에 의해 전하가 소실되는 문제 등을 방지할 수 있다. 더욱이, 밀폐구조체(CS10, CS11) 내에 충전재(F10, F11)를 구비시킨 경우, 충전재(F10, F11)와 제1 및 제2 물질층(M10, M20/ME20) 사이에 추가적인 마찰 효과가 발생할 수 있고, 또한, 충전재(F10, F11)의 전하가 제1 및 제2 물질층(M10, M20/ME20)의 대전 효율을 증가시키기 때문에, 전기에너지 발생 효율이 상당히 개선될 수 있다. 특히, 충전재(F10, F11)가 소정의 점도를 갖는 유체인 경우, 예컨대, 상온(약 25℃)에서 약 4 mPa·s 이상의 점도를 갖는 유체인 경우, 충전재(F10, F11)와 제1 및 제2 물질층(M10, M20/ME20) 사이의 마찰에 의한 효과가 증가할 수 있다.

도 9는 일 실시예에 따른 에너지 하베스터의 밀폐구조체를 설명하기 위한 사시도이다.

도 9를 참조하면, 제1 마찰전기 물질을 포함하는 제1 구조체(SS1) 및 제2 마찰전기 물질을 포함하는 제2 구조체(SS2)가 서로 대향하도록 배치된 상태에서 이들 사이의 공간을 감싸는 밀폐구조체(CS1)를 형성할 수 있다. 밀폐구조체(CS1)는 제1 구조체(SS1)의 측면의 적어도 일부와 제2 구조체(SS2)의 측면의 적어도 일부를 둘러싸는 형태를 가질 수 있다. 제1 구조체(SS1) 및 제2 구조체(SS2) 각각이 4개의 측면을 갖는 경우, 상기 4개의 측면 중 3개의 측면은 제1 물질막(1a)을 이용해서 둘러쌀 수 있고, 나머지 1개의 측면은 제2 물질막(2a)을 이용해서 덮을 수 있다. 제1 물질막(1a)과 제2 물질막(2a) 중 적어도 하나, 예컨대, 제2 물질막(2a)은 탄성물질일 수 있다. 이 경우, 제1 물질막(1a)은 비탄성물질이거나 탄성물질일 수도 있다. 제1 물질막(1a)은 플렉서블(flexible)한 특성을 가질 수 있다. 예컨대, 제1 물질막(1a)은 소정의 폴리머일 수 있다.

제1 물질막(1a)으로 제1 구조체(SS1) 및 제2 구조체(SS2) 각각의 3개의 측면을 둘러싼 후, 오픈된 면(즉, 나머지 1개의 측면)을 위쪽으로 향하게 한 다음, 그 내부에 충전재(미도시)를 채워줄 수 있다. 그리고, 오픈된 면을 제2 물질막(2a)으로 덮어줄 수 있다. 이때, 제2 물질막(2a)의 양단부를 제1 물질막(1a)의 끝부분에 부착할 수 있다. 또한, 제1 물질막(1a) 및 제2 물질막(2a) 각각은 제1 및 제2 구조체(SS1, SS2)의 측면들에 부착될 수 있다.

제1 구조체(SS1)와 제2 구조체(SS2) 사이의 간격을 적정 간격까지 좁혀주면 제2 물질막(2a)이 측방향으로 어느 정도 볼록해질 수 있다. 결과적으로, 도 1의 밀폐구조체(CS10)와 유사하게, 밀폐구조체(CS1)의 일부가 측방향으로 볼록하게 돌출될 수 있다.

도 9에서는 두 가지 종류의 물질(즉, 제1 물질막 및 제2 물질막)(1a, 2a)을 이용해서 밀폐구조체(CS1)를 구성한 경우를 도시하고 설명하였지만, 다른 실시예에 따르면, 한 종류의 물질(탄성물질)을 이용해서 밀폐구조체를 구성할 수도 있다. 그 일례가 도 10에 도시되어 있다.

도 10은 다른 실시예에 따른 에너지 하베스터의 밀폐구조체를 설명하기 위한 사시도이다.

도 10을 참조하면, 한 종류의 물질막(2b)으로 제1 구조체(SS1) 및 제2 구조체(SS2)의 측면들을 둘러쌈으로써, 밀폐구조체(CS2)를 형성할 수 있다. 물질막(2b)으로 제1 구조체(SS1) 및 제2 구조체(SS2) 각각의 3개의 측면을 둘러싼 후, 오픈된 면(즉, 나머지 1개의 측면)을 위쪽으로 향하게 한 다음, 그 내부에 충전재(미도시)를 채워줄 수 있다. 그리고, 오픈된 면을 물질막(2b)의 나머지 부분으로 덮어줄 수 있다. 물질막(2b)의 양단은 서로 접착될 수 있다. 도 9에서 설명한 바와 유사하게, 제1 구조체(SS1)와 제2 구조체(SS2) 사이의 간격을 적정 간격까지 좁혀주면 물질막(2b)의 적어도 일부가 측방향으로 어느 정도 볼록해질 수 있다.

도 9 및 도 10에서는 밀폐구조체(CS1, CS2)를 구성하는 방법에 대해서 구체적으로 도시하고 설명하였지만, 이는 예시적인 것에 불과하고, 다양하게 변형될 수 있다. 밀폐구조체(CS1, CS2)의 사이즈와 밀폐구조체(CS1, CS2)를 구성하는 물질의 종류 및 부착 방법 등은 다양하게 변화될 수 있다. 또한, 밀폐구조체(CS1, CS2) 내에 충전재를 도입하는 방법도 다양하게 변화될 수 있다. 또한, 제1 및 제2 구조체(SS1, SS2)는 사각형이 아닌 원형이나 타원형 등 다른 형태를 가질 수 있다.

도 9 및 도 10 등의 실시예에서, 제1 구조체(SS1) 및 제2 구조체(SS2) 중 하나는 적어도 하나의 가이드핀(guide pin)을 포함할 수 있고, 제1 구조체(SS1) 및 제2 구조체(SS2) 중 다른 하나는 상기 가이드핀이 삽입되는 적어도 하나의 가이드홀(guide hole)을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 가이드핀과 상기 가이드홀에 의해 제1 구조체(SS1)에 대한 제2 구조체(SS2)의 이동 방향이 제어될 수 있다. 그 일례가 도 11에 도시되어 있다. 도 11은 도 1의 에너지 하베스터에 가이드핀 및 가이드홀이 구비된 예를 보여준다.

도 11을 참조하면, 제2 물질층(ME20) 상에 복수의 가이드핀(P1)이 구비될 수 있고, 제1 물질층(M10) 내에 복수의 가이드홀(H1)이 구비될 수 있다. 필요에 따라, 복수의 가이드홀(H1)은 제1 전극(E10) 내부로 연장될 수 있다. 복수의 가이드핀(P1)은 복수의 가이드홀(H1)에 각각 삽입되도록 디자인될 수 있다. 가이드핀(P1) 및 가이드홀(H1)에 의해 제1 물질층(M10)에 대한 제2 물질층(ME20)의 이동 방향, 또는, 제2 물질층(ME20)에 대한 제1 물질층(M10)의 이동 방향이 제어될 수 있다. 따라서, 제1 물질층(M10)과 제2 물질층(ME20)의 접촉 및 이격을 위한 이들의 위치 이동이 용이하게 이루어질 수 있다. 여기서는, 제1 물질층(M10)에 가이드홀(H1)이 구비되고, 제2 물질층(ME20)에 가이드핀(P1)이 구비된 경우를 도시하고 설명하였지만, 가이드홀(H1)과 가이드핀(P1)의 형성 위치는 뒤바뀔 수 있다. 또한, 상기 "이동 방향"을 제어하기 위한 방안으로, 가이드홀(H1) 및 가이드핀(P1) 이외에 다른 구성을 사용할 수도 있다.

부가적으로, 도 11에서와 같이 제1 물질층(M10)에 가이드홀(H1)이 구비되고 가이드홀(H1)이 제1 전극(E10) 내부로 연장된 경우라도, 가이드홀(H1)을 통한 충전재(F10)와 제1 전극(E10)의 접촉은, 필요에 따라, 적절한 방법을 이용해서 방지할 수 있다. 예컨대, 가이드홀(H1)의 내부 표면에 절연막을 코팅하면, 상기 절연막에 의해 제1 전극(E10)과 충전재(F10)의 접촉이 방지될 수 있다. 또한, 가이드홀(H1)의 깊이가 제1 물질층(M10)의 두께보다 작은 경우, 가이드홀(H1)에 의해 제1 전극(E10)이 노출되지 않기 때문에, 제1 전극(E10)과 충전재(F10)의 접촉이 방지될 수 있다.

또한, 도 11에서는 밀폐구조체(CS10) 내부에 가이드핀(P1) 및 가이드홀(H1)을 구비시킨 경우를 도시하였지만, 가이드핀 및 가이드홀은 밀폐구조체(CS10) 외부에 구비시킬 수도 있다. 예컨대, 제1 전극(E10) 상에 제1 기판을 구비시키고, 제2 물질층(ME20) 아래에 제2 기판을 구비시킨 경우, 상기 제1 기판과 제2 기판은 밀폐구조체(CS10)보다 큰 폭을 가질 수 있고, 상기 제1 기판 및 제2 기판에 가이드핀 및 가이드홀을 구비시킬 수 있다. 그 밖에도 도 11의 구성은 다양하게 변화될 수 있다.

앞서 언급한 바와 같이, 본원의 실시예에 따르면, 제1 마찰전기 물질을 포함하는 제1 구조체는 소정의 기판(제1 기판)을 더 포함할 수 있고, 이와 유사하게, 제2 마찰전기 물질을 포함하는 제2 구조체도 소정의 기판(제2 기판)을 더 포함할 수 있다. 즉, 도 1에서 제1 전극(E10)과 제1 물질층(M10)은 제1 기판에 구비될 수 있고, 제2 물질층(ME20)은 제2 기판에 구비될 수 있으며, 제1 물질층(M10)과 제2 물질층(ME20)이 상호 대향하도록 상기 제1 기판과 제2 기판이 배치될 수 있다. 또한, 도 4에서 제1 전극(E10)과 제1 물질층(M10)은 제1 기판에 구비될 수 있고, 제2 전극(E20)과 제2 물질층(M20)은 제2 기판에 구비될 수 있으며, 제1 물질층(M10)과 제2 물질층(M20)이 상호 대향하도록 상기 제1 기판과 제2 기판이 배치될 수 있다. 상기 제1 및 제2 기판을 사용한 경우가 도 12에 도시되어 있다.

도 12는 다른 실시예에 따른 에너지 하베스터를 보여주는 단면도이다.

도 12를 참조하면, 제1 구조체(SS100)는 제1 기판(SUB10) 및 그 일면에 차례로 구비된 제1 전극(E10)과 제1 물질층(M10)을 포함할 수 있다. 제2 구조체(SS200)는 제2 기판(SUB20) 및 그 일면에 차례로 구비된 제2 전극(E20)과 제2 물질층(M20)을 포함할 수 있다. 제1 기판(SUB10) 및 제2 기판(SUB20) 중 적어도 하나는, 예컨대, PET(polyethylene terephthalate)나 아크릴(acryl) 등을 포함할 수 있지만, 기판(SUB10, SUB20)의 물질은 이에 한정되지 않고 다양하게 변화될 수 있다. 제1 구조체(SS100) 및 제2 구조체(SS200)는 제1 물질층(M10)과 제2 물질층(M20)이 상호 대향하도록 배치될 수 있다. 제1 물질층(M10) 및 제2 물질층(M20)의 측면을 둘러싸는 형태의 밀폐구조체(CS11)가 구비될 수 있고, 그 내부에 충전채(F11)가 더 구비될 수 있다. 도시하지는 않았지만, 제1 전극(E10)과 제2 전극(E20)은 소정의 배선 구조체에 의해 전기적으로 연결될 수 있다. 제1 기판(SUB10) 및 제2 기판(SUB20)을 사용함에 따라, 제1 구조체(SS100) 및 제2 구조체(SS200) 각각의 강도가 강화될 수 있다. 다시 말해, 에너지 하베스터의 강도가 강화될 수 있다. 경우에 따라서는, 제1 및 제2 기판(SUB10, SUB20) 중 하나는 사용하지 않을 수도 있다.

도 12에서 제1 기판(SUB10)은 제1 전극(E10) 및 제1 물질층(M10)보다 큰 사이즈(폭)를 가질 수 있다. 또한, 제2 기판(SUB20)은 제2 전극(E20) 및 제2 물질층(M20)보다 큰 사이즈(폭)를 가질 수 있다. 그 일례가 도 13에 도시되어 있다.

도 13을 참조하면, 제1 기판(SUB11)은 제1 전극(E10) 및 제1 물질층(M10)보다 큰 사이즈(폭)를 가질 수 있다. 제2 기판(SUB22)은 제2 전극(E20) 및 제2 물질층(M20)보다 큰 사이즈(폭)를 가질 수 있다. 제1 기판(SUB11)의 일면 상에 이보다 작은 사이즈의 제1 전극(E10)과 제1 물질층(M10)을 용이하게 형성할 수 있고, 이와 유사하게, 제2 기판(SUB22)의 일면 상에 이보다 작은 사이즈의 제2 전극(E20) 및 제2 물질층(M20)을 용이하게 형성할 수 있다. 또한, 제1 기판(SUB11)의 사이즈가 클 경우, 이를 포함하는 제1 구조체(SS110)의 취급(handling)이 보다 용이할 수 있다. 이와 유사하게, 제2 기판(SUB22)의 사이즈가 클 경우, 이를 포함하는 제2 구조체(SS220)의 취급이 보다 용이할 수 있다.

다른 실시예에 따르면, 두 개의 기판 사이에 도 1 또는 도 4와 같은 구조를 복수 개 구비시킬 수 있다. 그 일례가 도 14에 도시되어 있다.

도 14는 다른 실시예에 따른 에너지 하베스터를 설명하기 위한 단면도이다.

도 14를 참조하면, 제1 기판(SUB100)과 제2 기판(SUB200)이 서로 대향하도록 배치될 수 있고, 이들 사이에 복수의 에너지 하베스터 유닛(UT10)이 구비될 수 있다. 편의상, 에너지 하베스터 유닛(UT10)의 구조를 단순하게 도시하였지만, 이들은 도 1이나 도 4의 구조를 갖거나 그와 유사한 구조를 가질 수 있다. 또한, 경우에 따라서는, 제1 기판(SUB100) 측에 제1 공통전극이 구비될 수 있고, 복수의 에너지 하베스터 유닛(UT10)이 상기 제1 공통전극에 공통적으로 연결될 수 있다. 또한, 제2 기판(SUB200) 측에 제2 공통전극이 구비될 수 있고, 복수의 에너지 하베스터 유닛(UT10)이 상기 제2 공통전극에 공통적으로 연결될 수 있다. 본 실시예에서와 같이 복수의 에너지 하베스터 유닛(UT10)을 사용할 경우, 에너지 발생량을 증가시킬 수 있다. 또한, 복수의 에너지 하베스터 유닛(UT10) 중 하나 또는 일부가 손상되더라도, 손상되지 않은 나머지 에너지 하베스터 유닛들(UT10)을 이용해서 전기를 발생시킬 수 있기 때문에, 소자의 안정성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

다른 실시예에 따르면, 제1 마찰전기 물질을 포함하는 제1 구조체와 제2 마찰전기 물질을 포함하는 제2 구조체 사이에 적어도 하나의 스프링부재(spring element)를 더 구비시킬 수 있다. 여기서, 상기 스프링부재는 상기 제1 구조체와 상기 제2 구조체가 접촉되었다가 떨어지는 과정에서 복원력을 제공할 수 있다. 상기 스프링부재를 구비시킨 경우의 일례가 도 15에 도시되어 있다.

도 15는 다른 실시예에 따른 에너지 하베스터를 설명하기 위한 단면도이다.

도 15를 참조하면, 제1 구조체(SS11)는 제1 마찰전기 물질을 포함하는 제1 물질층(M11)을 구비할 수 있다. 제2 구조체(SS22)는 제2 마찰전기 물질을 포함하는 제2 물질층(M22)을 구비할 수 있다. 제1 물질층(M11)과 제2 물질층(M22)이 상호 대향하도록 배치될 수 있다. 제1 구조체(SS11)는 소정 영역, 예컨대, 중앙부에 액티브 영역을 가질 수 있고, 이 경우, 제2 구조체(SS22)도 그 중앙부에 액티브 영역을 가질 수 있다. 상기 액티브 영역은 제1 및 제2 물질층(M11, M22)이 구비된 영역일 수 있다. 다시 말해, 제1 물질층(M11) 및 제2 물질층(M22)은 각각 제1 구조체(SS11) 및 제2 구조체(SS22)의 액티브 영역에 구비될 수 있다. 제1 및 제2 물질층(M11, M22)을 둘러싸는 밀폐구조체(CS5)가 구비될 수 있다.

본 실시예에서는 상기 액티브 영역 주위에 적어도 하나의 스프링부재(SP1)가 구비될 수 있다. 예컨대, 상기 액티브 영역 주위에 복수의 스프링부재(SP1)를 구비시킬 수 있다. 필요에 따라, 제1 구조체(SS11)의 액티브 영역 외부에 제1 수용부(R1)를 구비시킬 수 있고, 이와 유사하게, 제2 구조체(SS22)의 액티브 영역 외부에 소정의 제2 수용부(R2)를 구비시킬 수 있다. 제1 및 제2 수용부(R1, R2)는 오목한 영역, 즉, 리세스(recess) 영역일 수 있다. 제1 및 제2 수용부(R1, R2)에 복수의 스프링부재(SP1)가 끼워지도록 배치할 수 있다. 상기 스프링부재(SP1)는 제1 구조체(SS11)와 제2 구조체(SS22)가 접촉되었다가 떨어지는 과정에서 복원되는 힘, 즉, 복원력을 제공할 수 있다.

도 16은 도 15의 에너지 하베스터의 평면 구조를 예시적으로 보여주는 평면도이다. 도 16을 참조하면, 액티브 영역 주위에 복수의 스프링부재(SP1)가 구비될 수 있다. 스프링부재(SP1)의 개수 및 위치는 예시적인 것이고, 다양하게 변화될 수 있다. 상기 액티브 영역을 둘러싸는 밀폐구조체(CS5)의 형태도 달라질 수 있다.

도 15 및 도 16에서는 스프링부재(SP1)를 사용하는 경우에 대해서 도시하고 설명하였지만, 스프링부재(SP1)의 사용은 선택적인(optional) 것일 수 있다. 또한, 스프링부재(SP1) 대신에, 이와 유사한 역할을 하는 다른 구성을 사용할 수도 있다.

이상의 실시예들에서는 제1 마찰전기 물질을 포함하는 제1 물질층(또는, 제1 구조체)의 마찰면(표면)과 제2 마찰전기 물질을 포함하는 제2 물질층(또는, 제2 구조체)의 마찰면(표면)을 평탄하게 도시하였지만, 이는 예시적인 것이고, 상기 마찰면들은 평탄하지 않은 다양한 형태를 가질 수 있다. 그 예들이 도 17 및 도 18에 도시되어 있다.

도 17을 참조하면, 제1 마찰전기 물질을 포함하는 제1 구조체(SS15)의 마찰면(제1 마찰면)(15)과 이와 대향하는 제2 마찰전기 물질을 포함하는 제2 구조체(SS25)의 마찰면(제2 마찰면)(25)은 요철 구조를 가질 수 있다. 예컨대, 제1 마찰면(15)은 삼각형 형태의 복수의 돌출부를 갖고 제2 마찰면(25)은 삼각형 형태의 복수의 오목부를 갖는다고 할 수 있고, 그 반대로 여길 수도 있다.

도 18을 참조하면, 제1 구조체(SS16)의 제1 마찰면(16)과 이와 대향하는 제2 구조체(SS26)의 제2 마찰면(26)은 다른 형태의 요철 구조를 가질 수 있다. 예컨대, 제1 마찰면(16)은 사다리꼴 형태의 단면을 갖는 복수의 제1 돌출부를 가질 수 있고, 제2 마찰면(26)은 상기 복수의 제1 돌출부 사이로 삽입되는 사다리꼴 형태의 복수의 제2 돌출부를 가질 수 있다.

도 17 및 도 18과 같이 마찰면들이 비평탄한 구조(요철 구조)를 갖는 경우, 마찰 면적이 증가하기 때문에, 대전 효율이 상당히 증가할 수 있다. 도 17 및 도 18에는 도시하지 않았지만, 밀폐구조체가 더 구비될 수 있고, 상기 밀폐구조체 내에 충전재가 구비될 수 있다. 상기 밀폐구조체 및 충전재는 각각 도 1의 밀폐구조체(CS10) 및 충전재(F10)와 동일하거나 유사할 수 있다. 비평탄한 마찰면들의 형태는 도 17 및 도 18에 도시된 바에 한정되지 않고 다양하게 변형될 수 있다.

이상에서 설명한 다양한 실시예들에 따른 에너지 하베스터는 다양한 장치(전자장치)에 적용될 수 있다. 이때, 상기 장치(전자장치)는 에너지 하베스터에 연결된 회로부를 포함할 수 있다. 상기 회로부는 에너지 하베스터에서 발생된 전기적 에너지를 저장하거나 이를 활용하는 역할을 할 수 있다. 상기 회로부의 구성은 전자장치 분야에서 잘 알려진 바와 같을 수 있다. 따라서, 상기 회로부에 대한 자세한 설명은 배제한다. 상기 에너지 하베스터는, 예컨대, 모바일 디바이스(mobile device) 또는 웨어러블 디바이스(wearable device)에 적용될 수 있다. 상기 모바일 디바이스는, 예컨대, 도 19에 도시된 바와 같은 휴대폰(스마트폰)일 수 있다. 상기 웨어러블 디바이스는, 예컨대, 도 20에 도시된 바와 같은 스마트 워치(smart watch)나 스마트 밴드(smart band) 등일 수 있다. 그러나, 상기 에너지 하베스터의 적용 분야는 모바일 기기나 웨어러블 기기에 한정되지 않고 매우 다양하게 변화될 수 있다. 예컨대, 드론(drone)이나 센서 또는 그 밖에 다양한 장치에 본원의 실시예에 따른 에너지 하베스터를 적용할 수 있다. 본원의 실시예에 따른 에너지 하베스터는 우수한 효율을 갖고 외부 환경에 의해 특성이 열화되는 문제가 방지될 수 있기 때문에, 이를 적용하면 우수한 전력 특성을 갖는 전자장치를 구현할 수 있다.

상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 구체적인 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 예들 들어, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 도 1 내지 도 7 및 도 9 내지 도 18을 참조하여 설명한 에너지 하베스터의 구성은 다양하게 변형될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 또한, 상기 에너지 하베스터의 적용 분야도 다양하게 변화될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 때문에 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호설명 *
M10 : 제1 물질층 M20 : 제2 물질층
ME20 : 제2 물질층 E10 : 제1 전극
E20 : 제2 전극 CS10, CS11 : 밀폐구조체
F10, F11 : 충전재 W10, W11 : 배선
SS1, SS11, SS100 : 제1 구조체 SS2, SS22, SS200 : 제2 구조체
SUB10, SUB11 : 제1 기판 SUB20, SUB22 : 제2 기판
SP1 : 스프링부재 UT1 : 에너지 하베스터 유닛
P1 : 가이드핀 H1 : 가이드홀

Claims

제1 마찰전기 물질을 포함하는 제1 구조체;
상기 제1 마찰전기 물질과 마찰하여 전기를 발생하는 것으로, 제2 마찰전기 물질을 포함하는 제2 구조체;
상기 제1 및 제2 마찰전기 물질 각각의 마찰면을 외부 환경으로부터 격리하는 밀폐구조체; 및
상기 밀폐구조체 내에 상기 제1 및 제2 마찰전기 물질과 접촉하도록 구비된 것으로, 복수의 전하를 갖는 충전재;를 포함하고, 상기 충전재에 의해 상기 제1 및 제2 마찰전기 물질의 대전 효율이 증가하는 에너지 하베스터(energy harvester).
제 1 항에 있어서,
상기 제1 구조체와 상기 제2 구조체는 서로 대향하도록 배치되고,
상기 제1 마찰전기 물질과 상기 제2 마찰전기 물질의 접촉 및 분리가 반복되도록 구성된 에너지 하베스터.
제 1 항에 있어서,
상기 제1 구조체는 상기 제1 마찰전기 물질을 포함하는 제1 물질층 및 상기 제1 물질층에 접촉된 제1 전극을 구비하고,
상기 제2 구조체는 상기 제2 마찰전기 물질을 포함하면서 전극 기능을 갖는 제2 물질층을 구비하는 에너지 하베스터.
제 3 항에 있어서,
상기 충전재와 상기 제1 전극은 서로 접촉하지 않고 물리적으로 분리되어 있는 에너지 하베스터.
제 3 항에 있어서,
상기 밀폐구조체는 상기 제1 물질층의 측면 및 상기 제2 물질층의 측면을 둘러싸도록 구비되고,
상기 제1 전극의 적어도 일부는 상기 밀폐구조체에 의해 커버되지 않는 에너지 하베스터.
제 1 항에 있어서,
상기 제1 구조체는 상기 제1 마찰전기 물질을 포함하는 제1 물질층 및 상기 제1 물질층에 접촉된 제1 전극을 구비하고,
상기 제2 구조체는 상기 제2 마찰전기 물질을 포함하는 제2 물질층 및 상기 제2 물질층에 접촉된 제2 전극을 구비하는 에너지 하베스터.
제 6 항에 있어서,
상기 충전재와 상기 제1 및 제2 전극은 서로 접촉하지 않고 물리적으로 분리되어 있는 에너지 하베스터.
제 6 항에 있어서,
상기 밀폐구조체는 상기 제1 물질층의 측면 및 상기 제2 물질층의 측면을 둘러싸도록 구비되고,
상기 제1 전극의 적어도 일부 및 상기 제2 전극의 적어도 일부는 상기 밀폐구조체에 의해 커버되지 않는 에너지 하베스터.
제 1 항에 있어서,
상기 밀폐구조체의 적어도 일부는 탄성물질(elastic material)을 포함하는 에너지 하베스터.
제 1 항에 있어서,
상기 충전재는 이온성 액체(ionic liquid) 또는 이온겔(ion-gel)을 포함하는 에너지 하베스터.
제 1 항에 있어서,
상기 충전재는 양전하 및 음전하를 포함하는 에너지 하베스터.
제 1 항에 있어서,
상기 충전재는 25℃에서 4 mPa·s 이상의 점도(viscosity)를 갖는 유체를 포함하는 에너지 하베스터.
제 1 항에 있어서,
상기 제1 구조체 및 제2 구조체 중 하나는 적어도 하나의 가이드핀(guide pin)을 포함하고,
상기 제1 구조체 및 제2 구조체 중 다른 하나는 상기 가이드핀이 삽입되는 적어도 하나의 가이드홀(guide hole)을 포함하며,
상기 가이드핀과 상기 가이드홀에 의해 상기 제1 구조체에 대한 상기 제2 구조체의 이동 방향이 제어되는 에너지 하베스터.
제 1 항에 있어서,
상기 제1 구조체와 상기 제2 구조체 사이에 구비된 적어도 하나의 스프링부재(spring element)를 더 포함하는 에너지 하베스터.
청구항 1 내지 14 중 어느 하나에 기재된 에너지 하베스터; 및
상기 에너지 하베스터에 연결된 회로부;를 포함하는 전자장치.
제 15 항에 있어서,
상기 전자장치는 모바일 디바이스(mobile device) 또는 웨어러블 디바이스(wearable device)인 전자장치.
제1 마찰전기 물질을 포함하는 제1 구조체;
상기 제1 마찰전기 물질과 마찰하여 전기를 발생하는 것으로, 제2 마찰전기 물질을 포함하는 제2 구조체; 및
상기 제1 및 제2 구조체 사이에 구비된 것으로, 전하를 갖는 중간물질;을 포함하고,
상기 제1 및 제2 구조체 사이의 간격이 좁아지면 상기 중간물질이 상기 제1 및 제2 구조체 외부로 이동하고, 상기 제1 및 제2 구조체 사이의 간격이 벌어지면 상기 중간물질이 상기 제1 및 제2 구조체 사이의 공간을 채우도록 구성된 에너지 하베스터.
제 17 항에 있어서,
상기 중간물질은 이온성 액체(ionic liquid) 또는 이온겔(ion-gel)을 포함하는 에너지 하베스터.
제 17 항에 있어서,
상기 중간물질은 양전하 및 음전하를 포함하는 에너지 하베스터.
제 17 항에 있어서,
상기 중간물질은 25℃에서 4 mPa·s 이상의 점도를 갖는 유체를 포함하는 에너지 하베스터.
제 17 항에 있어서,
상기 에너지 하베스터의 적어도 일부를 감싸는 밀폐구조체가 더 구비되고,
상기 밀폐구조체 내에 상기 중간물질이 구비되며,
상기 밀폐구조체의 적어도 일부는 탄성물질로 형성된 에너지 하베스터.
제 17 항에 있어서,
상기 제1 구조체는 상기 제1 마찰전기 물질을 포함하는 제1 물질층 및 상기 제1 물질층에 접촉된 제1 전극을 구비하고,
상기 제2 구조체는 상기 제2 마찰전기 물질을 포함하면서 전극 기능을 갖는 제2 물질층을 구비하는 에너지 하베스터.
제 17 항에 있어서,
상기 제1 구조체는 상기 제1 마찰전기 물질을 포함하는 제1 물질층 및 상기 제1 물질층에 접촉된 제1 전극을 구비하고,
상기 제2 구조체는 상기 제2 마찰전기 물질을 포함하는 제2 물질층 및 상기 제2 물질층에 접촉된 제2 전극을 구비하는 에너지 하베스터.
청구항 17 내지 23 중 어느 하나에 기재된 에너지 하베스터; 및
상기 에너지 하베스터에 연결된 회로부;를 포함하는 전자장치.
제 24 항에 있어서,
상기 전자장치는 모바일 디바이스(mobile device) 또는 웨어러블 디바이스(wearable device)인 전자장치.