KR20210059933A - 올인원 구조의 압전 및 마찰 하이브리드 에너지 하베스터 모듈 - Google Patents

올인원 구조의 압전 및 마찰 하이브리드 에너지 하베스터 모듈 Download PDF

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Abstract

전기마찰층의 앙면에 아치형 구조의 압전 소자층을 적용하는 것에 의해 최적의 출력 특성을 확보할 수 있으면서 유연성을 갖는 올인원 구조의 압전 및 마찰 하이브리드 에너지 하베스터 모듈에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 올인원 구조의 압전 및 마찰 하이브리드 에너지 하베스터 모듈은 상면 및 상기 상면에 반대되는 하면을 갖는 마찰전기층; 및 상기 마찰전기층의 상면 및 하면에 각각 아치 형태로 적층된 압전 소자층;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

올인원 구조의 압전 및 마찰 하이브리드 에너지 하베스터 모듈{PIEZOELECTRIC AND FRICTION HYBRID ENERGY HARVESTER MODULE OF ALL-IN-ONE STRUCTURE}
본 발명은 올인원 구조의 압전 및 마찰 하이브리드 에너지 하베스터 모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전기마찰층의 앙면에 아치형 구조의 압전 소자층을 적용하는 것에 의해 최적의 출력 특성을 확보할 수 있으면서 유연성을 갖는 올인원 구조의 압전 및 마찰 하이브리드 에너지 하베스터 모듈에 관한 것이다.
압전 세라믹은 전자산업과 메카트로닉스 분야에서 중요한 역할을 하며, 초음파 송수신용, 비파괴용 초음파 트랜스듀서, 어군 탐지기, 광세트, 광변조기 컬러필터, 연소가스 조정용 액추에이터를 비롯한 특수용 압전체에 이용된다.
Pb(Zr,Ti)O3(이하, 'PZT'라고 함.)는 압전 특성이 우수하고 가격이 저렴하면서 제조 공정기술이 잘 알려져 있는 압전 재료로서 많은 응용분야에서 이용되고 있다. PbTiO3와 PbZrO3의 고용체에 있어서 정방정계-삼방정계의 상경계에서 강한 압전성을 가지면서 390℃의 퀴리(Curie) 온도를 가지는 PZT 고용체가 발견되었다.
이에 따라, 이러한 세라믹을 이용해서 압전효과를 이용한 액츄에이터(actuator), 주파수 출력형 센서(frequency output sensor), 압전 트랜스듀서(piezoelectric transducer), 진동자(resonator) 등의 여러 전자소자로서 압전 세라믹의 활용에 대한 연구가 광범위하게 이루어져 왔다.
이러한 PZT는 우수한 압전 및 유전 특성을 가지고 있어 여러 분야에 널리 사용되고 있으나, 세라믹의 약한 강도와 곡선형상의 어려움, 벌크 형태로 인한 디바이스 내의 일정 공간을 차지한다는 단점을 가지고 있다.
이에 반해, 압전섬유 모듈은 뛰어난 압전 성능과 휘거나 구부렸을 때 박막에 비해 구조적 손상이 훨씬 덜 하고, 압전섬유를 연신이 가능한 기판(substrate)에 받아서 소자를 만들 경우 펼 수 있는(stretchable) 소자 제작도 가능하다는 이점이 있다.
그러나, 종래의 압전 에너지 하베스터 모듈의 경우에는 약 20v의 전압을 얻을 수 있지만 전류가 낮아서 전략값이 낮기 때문에 에너지 하베스터로 사용하는데 제한이 많았다.
관련 선행 문헌으로는 대한민국 등록특허공보 제10-1298028호(2013.08.26. 공고)가 있으며, 상기 문헌에는 PCB 에너지 하베스터 및 그 제조 방법과 이를 이용한 에너지 하베스터 모듈이 기재되어 있다.
본 발명의 목적은 전기마찰층의 앙면에 아치형 구조의 압전 소자층을 적용하는 것에 의해 최적의 출력 특성을 확보할 수 있으면서 유연성을 갖는 올인원 구조의 압전 및 마찰 하이브리드 에너지 하베스터 모듈을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 올인원 구조의 압전 및 마찰 하이브리드 에너지 하베스터 모듈은 상면 및 상기 상면에 반대되는 하면을 갖는 마찰전기층; 및 상기 마찰전기층의 상면 및 하면에 각각 아치 형태로 적층된 압전 소자층;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 마찰전기층은 내부 중앙 부분에 배치된 마찰 전극층; 및 상기 마찰 전극층의 양면에 각각 적층되어, 상기 압전 소자층과 접촉하는 마찰 경화층;을 포함한다.
상기 압전 소자층은 상기 마찰전기층의 상면 및 하면에 각각 아치 형태로 적층되어, 상기 마찰전기층의 마주보는 양측 가장자리 부분만이 직접 접촉한다.
여기서, 상기 마찰전기층은 상기 마찰 경화층의 표면을 사포로 문질러 표면 거칠기를 증가시킨 것이 이용된다.
상기 마찰 전극층은 알루미늄(Al), 구리(Cu), 티타늄(Ti), 은(Ag), 금(Au) 및 니켈(Ni) 중 선택된 1종 이상의 재질로 형성된다.
상기 마찰 경화층은 PDMS(polydimethyl siloxane)에 경화제가 첨가된 것이 이용된다.
또한, 상기 압전 소자층은 상기 마찰전기층의 상면 및 하면에 적어도 하나 이상이 아치 형태로 수직 적층될 수 있다.
상기 압전 소자층은 압전 섬유층과, 상기 압전 섬유층의 일면에 부착되며, 제1 전극과, 상기 제1 전극을 지지하는 제1 고분자 필름을 갖는 제1 전극 구조체; 및 상기 압전 섬유층의 타면에 부착되며, 제2 전극과, 상기 제2 전극을 지지하는 제2 고분자 필름을 갖는 제2 전극 구조체;를 포함한다.
여기서, 상기 제1 및 제2 전극 각각은 상하 양측 가장자리를 따라 배치된 몸체 전극부; 및 상기 몸체 전극부로부터 내측으로 복수개가 연장되어, 상기 상하로 배치된 몸체 전극부를 상호 연결하여 깍지형 전극 배열 구조를 갖는 연결 전극부;를 갖는다.
상기 연결 전극부는 0.08 ~ 0.12mm의 폭을 갖는 것이 바람직하다.
또한, 상기 연결 전극부는 0.18 ~ 0.22mm의 간격으로 이격 배치된다.
상기 압전 소자층은 상기 마찰전기층의 상면 및 하면에서 아치 형태로 직렬 연결되고, 상기 아치 형태로 직렬 연결된 압전 소자층의 사이에 마찰전기층이 병렬 연결된다.
본 발명에 따른 올인원 구조의 압전 및 마찰 하이브리드 에너지 하베스터 모듈은 전기마찰층의 앙면에 아치형 구조의 압전 소자층을 적용하는 것에 의해 최적의 출력 특성을 확보하였다.
이를 위해, 본 발명에 따른 올인원 구조의 압전 및 마찰 하이브리드 에너지 하베스터 모듈은 압전 소자층으로 IDE 형태의 전극을 사용하여 압전 소자층에서의 최대 출력을 확보하였다.
또한, 본 발명에 따른 올인원 구조의 압전 및 마찰 하이브리드 에너지 하베스터 모듈은 마찰전기층의 마찰 경화층에 대한 표면 거칠기를 나노 사이즈와 마이크로 사이즈를 함께 적용하는 것에 의해, 출력 전압 값 및 출력 전류 값을 함께 증가시켰다.
아울러, 본 발명에 따른 올인원 구조의 압전 및 마찰 하이브리드 에너지 하베스터 모듈은 올인원 구조의 하이브리드 에너지 하베스터 모듈을 이용하여 커패시터 충전을 통하여 소형 선풍기와 LED 전구를 안정적으로 점등시켜 에너지 하베스터 능력을 확인하였다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 올인원 구조의 압전 및 마찰 하이브리드 에너지 하베스터 모듈을 나타낸 사시도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 올인원 구조의 압전 및 마찰 하이브리드 에너지 하베스터 모듈을 나타낸 모식도.
도 3은 도 1의 압전 소자층을 확대하여 나타낸 사시도.
도 4는 도 3의 제1 전극을 확대하여 나타낸 평면도.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 올인원 구조의 압전 및 마찰 하이브리드 에너지 하베스터 모듈의 작동 메커니즘을 설명하기 위한 모식도.
도 6은 본 발명의 변형예에 따른 올인원 구조의 압전 및 마찰 하이브리드 에너지 하베스터 모듈을 나타낸 단면도.
도 7은 하이브리드 에너지 하베스터 모듈의 각 층에 대한 출력 전압을 측정한 결과를 나타낸 그래프.
도 8 및 도 9는 압전 소자층의 특성 평가 결과를 나타낸 그래프.
도 10은 하이브리드 에너지 하베스터 모듈의 압전 소자층의 개수 변화에 따른 출력 전압값을 측정한 결과를 나타낸 그래프.
도 11은 하이브리드 에너지 하베스터 모듈의 압전 소자층의 개수 변화에 따른 출력 전류값을 측정한 결과를 나타낸 그래프.
도 12는 하이브리드 에너지 하베스터 모듈의 각 층에 대한 저항-전력 측정 결과를 나타낸 그래프.
도 13은 전기마찰층의 표면 거칠기별 출력 전압값을 측정한 결과를 나타낸 그래프.
도 14는 전기마찰층의 표면 거칠기별 출력 전류값을 측정한 결과를 나타낸 그래프.
도 15는 압전 소자층을 이용하여 0.1㎌, 1.0㎌ 및 10㎌의 커패시터를 충전한 결과를 나타낸 그래프.
도 16은 0.1㎌의 커패시터 충전 및 방전 실험을 각 층별로 측정한 결과를 나타낸 그래프.
도 17은 하이브리드 에너지 하베스터 모듈로 LED 전구를 점등시킨 상태를 나타낸 사진.
도 18은 10㎌의 커패시터가 연결된 하이브리드 에너지 하베스터를 250sec 동안 작동시켜 소형 선풍기를 작동시킨 상태를 나타낸 사진.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 올인원 구조의 압전 및 마찰 하이브리드 에너지 하베스터 모듈에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 올인원 구조의 압전 및 마찰 하이브리드 에너지 하베스터 모듈을 나타낸 사시도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 올인원 구조의 압전 및 마찰 하이브리드 에너지 하베스터 모듈을 나타낸 모식도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 올인원 구조의 압전 및 마찰 하이브리드 에너지 하베스터 모듈(100)은 마찰전기층(120) 및 압전 소자층(140)을 포함한다.
마찰전기층(120)은 상면 및 상면에 반대되는 하면을 갖는 플레이트 형상을 가질 수 있다.
이러한 마찰전기층(120)은 마찰 전극층(122) 및 마찰 경화층(124)을 포함한다.
마찰 전극층(122)은 하이브리드 에너지 하베스터 모듈(100)의 내부 중앙 부분에 배치된다. 이때, 마찰 전극층(122)은 알루미늄(Al), 구리(Cu), 티타늄(Ti), 은(Ag), 금(Au) 및 니켈(Ni) 중 선택된 1종 이상의 재질로 형성된다.
마찰 경화층(124)은 마찰 전극층(122)의 양면에 각각 적층된다. 여기서, 마찰 경화층(122)은 PDMS(polydimethyl siloxane)에 경화제가 첨가된 것이 이용된다. 즉, 마찰 경화층(122)은 PDMS(polydimethyl siloxane) 100 중량부에 대하여, 경화제 1 ~ 20 중량부를 첨가하여 교반한 후, 70 ~ 90℃의 진공 오븐 내에서 경화시켜 제조된 것이 이용될 수 있다.
이러한 마찰전기층(120)은 마찰 경화층(124)의 표면을 사포로 문질러 표면 거칠기를 증가시킨 것을 이용하는 것이 바람직하다. 이때, 마찰전기층(120)은 표면을 사포로 거칠게 하였을 때(나노 스케일) 패턴을 주어 거칠게 했을 때(마이크로 스케일) 보다 전류값이 더 높게 측정되었다.
따라서, 마찰전기층(120)이 나노 스케일로 거칠어지면 전류가 증가되고, 마이크로 스케일로 거칠어지면 전압이 증가된다. 결론적으로, 마이크로 스케일과 나노 스케일을 함께 증가시키면 전압과 전류가 함께 증가하는 것을 실험을 통하여 확인하였다.
압전 소자층(140)은 마찰전기층(120)의 상면 및 하면에 각각 아치 형태로 적층된다. 이에 따라, 압전 소자층(140)은 마찰전기층(120)의 마찰 경화층(124)의 표면과 접촉한다.
이때, 압전 소자층(140)은 마찰전기층(120)의 상면 및 하면에 각각 아치 형태로 적층되어, 마찰전기층(120)의 마주보는 양측 가장자리 부분만이 직접 접촉한다.
이러한 압전 소자층(140)은 마찰전기층(120)의 상면 및 하면에서 아치 형태로 직렬 연결되고, 아치 형태로 직렬 연결된 압전 소자층(140)의 사이에 마찰전기층(120)이 병렬 연결된다.
이와 같이, 아치형 구조로 마찰전기층(120)의 상면 및 하면에 압전 소자층(140)을 각각 부착시키게 되면, 전압 인가시 압전 소자층(140)과 마찰전기층(120)이 접촉 상태가 되기 시작하면서 마찰전기층(120)에서 전위차가 발생되어 전압이 발생한다. 또한, 압전 소자층(140)과 마찰전기층(120)이 완전 접촉 상태가 되면, 마찰전기층(120)에서 발생되는 전압은 감소되고, 압전 소자층(140)에 인상응력에 의해 전압이 발생된다. 다시, 압전 소자층(140)과 마찰전기층(120)이 분리되기 시작하면, 마찰전기층(120)의 전위차가 발생되어 전압이 발생된 후, 압전 소자층(140)과 마찰전기층(120)이 완전히 분리되면, 압전 소자층(140)에 압축응력이 발생되어 전압이 발생된다.
이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 올인원 구조의 압전 및 마찰 하이브리드 에너지 하베스터 모듈(100)은 전기마찰층(120)의 앙면에 아치형 구조의 압전 소자층(140)을 적용하는 것에 의해 우수한 출력 특성을 확보할 수 있게 된다.
도 3은 도 1의 압전 소자층을 확대하여 나타낸 사시도이고, 도 4는 도 3의 제1 전극을 확대하여 나타낸 평면도로, 이를 참조하여 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 압전 소자층(140)은 압전 섬유층(142), 제1 전극 구조체(145) 및 제2 전극 구조체(148)를 포함한다.
압전 섬유층(142)은 PVDF(polyvinyleden floride) : 80 ~ 20 중량% 및 무연 압전 세라믹 분말 : 20 ~ 80 중량%을 포함할 수 있다. 이때, PVDF(polyvinyleden floride)의 첨가량이 압전 섬유층(142) 전체 중량의 20 중량% 미만일 경우에는 전기방사시 농도가 낮아 방울형태로 축적되어 구슬 형태의 섬유상이 형성될 우려가 크다. 반대로, PVDF(polyvinyleden floride)의 첨가량이 압전 섬유층(142) 전체 중량의 80 중량%를 초과할 경우에는 과도한 수축으로 인해 압전 섬유층(142)의 형성시 안정성이 저하되는 문제가 있다.
특히, 무연 압전 세라믹 분말의 첨가량이 압전 섬유층(142) 전체 중량의 20 중량% 미만일 경우에는 유연성 확보에는 유리하나, 압전 성능 확보에 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 무연 압전 세라믹 분말의 첨가량이 압전 섬유층 전체 중량의 80 중량%를 초과할 경우에는 압전 성능 측면에서는 유리하나, 섬유 형태의 성질에 따라 취성이 증가하여 취급성에 어려움이 따를 뿐만 아니라, 유연성이 급격히 저하되는 문제를 유발한다.
이러한 압전 섬유층(142)은 100 ~ 5,000㎛의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 압전 섬유층(142)의 두께가 100㎛ 미만일 경우에는 그 두께가 너무 얇은 관계로 압전 성능을 제대로 발휘하는데 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 압전 섬유층(142)의 두께가 5,000㎛를 초과할 경우에는 하이브리드 에너지 하베스터 모듈(100)의 두께를 증가시켜 실용성을 저하시키는 요인으로 작용할 수 있다.
제1 전극 구조체(145)는 압전 섬유층(142)의 일면에 부착되며, 제1 전극(143)과, 제1 전극(143)을 지지하는 제1 고분자 필름(144)을 갖는다. 또한, 제2 전극 구조체(148)는 압전 섬유층(142)의 타면에 부착되며, 제2 전극(146)과, 제2 전극(146)을 지지하는 제2 고분자 필름(147)을 갖는다.
이때, 제1 및 제2 전극(143, 146) 각각은 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au), 알루미늄(Al) 등의 공지의 전극 소재를 제한 없이 사용할 수 있다. 이러한 제1 및 제2 전극(143, 146)은 제1 및 제2 고분자 필름(144, 147)의 내부에 각각 배치되거나, 또는 제1 및 제2 고분자 필름(144, 147)의 표면 상에 배치될 수 있다.
제1 전극(143) 및 제2 전극(146) 각각은 상하 양측 가장자리를 따라 배치된 몸체 전극부(143a)와, 몸체 전극부(143a)로부터 내측으로 복수개가 연장되어, 상하로 배치된 몸체 전극부(143a)를 상호 연결하여 깍지형 전극 배열 구조를 갖는 연결 전극부(143b)를 갖는다.
이때, 연결 전극부(143b)는 0.08 ~ 0.12mm의 폭(w) 및 0.18 ~ 0.22mm의 간격(d)으로 이격 배치되도록 설계하는 것이 바람직한데, 이는 연결 전극부(143b)의 폭(w) 및 간격(d)이 상기의 범위를 벗어날 경우 출력 전압값이 급격히 감소하는 경향을 나타내기 때문이다.
제1 및 제2 고분자 필름(144, 147) 각각은 폴리이미드(Polyimide, PI), 폴리에틸렌 나프탈레이트(Polyethylene napthalate, PEN), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Polyethylene terephthalate, PET), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC) 등에서 선택된 어느 하나 이상의 재질이 이용될 수 있다.
특히, 본 발명에서, 제1 및 제2 전극(145, 148) 각각은 깍지형 전극(Interdigitated electrode : IDE 전극) 배열 구조를 갖는 것이 바람직하다. 이러한 IDE 전극 배열 구조로 제1 및 제2 전극(145, 148)을 형성하게 되면, d33 모드가 발동되어 출력 특성을 향상시킬 수 있다.
반면, 제1 및 제2 전극(145, 148)이 깍지형 전극 배열 구조와 달리 중앙 부분이 일체의 면상 구조로 설계되는 전면 전극 구조(TBE)로 설계될 시에는 출력 전압값이 높으나, 전면 전극 구조로 이루어져 있기 때문에 쉽게 쇼트가 나거나 전극이 상하기 쉬어 내구성이 약하다. 따라서, 제1 및 제2 전극(145, 148)으로는 전면 전극 구조보다는 깍지형 전극 배열 구조를 갖는 것을 이용하는 것이 보다 바람직하다.
한편, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 올인원 구조의 압전 및 마찰 하이브리드 에너지 하베스터 모듈의 작동 메커니즘을 설명하기 위한 모식도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 올인원 구조의 압전 및 마찰 하이브리드 에너지 하베스터 모듈은 i), ii), iii) 및 iv)의 4 단계로 작동된다.
먼저, 초기에는 전압이 형성되지 않다가 압전 소자층(PEHM)과 마찰전기층(TEHM)이 접촉 상태가 되기 시작하는 i) 단계인 컨택 상태(Contact state)가 되면, 마찰전기층(TEHM)에서 전위차가 발생되어 전압이 발생된다.
다음으로, 압전 소자층(PEHM)과 마찰전기층(TEHM)이 완전히 접촉하는 ii) 단계인 완접 접촉 상태(Full-contact state)가 되면, 마찰전기층(TEHM)에서 발생되는 전압은 감소되고, 압전 소자층(PEHM)에 인상응력에 의해 전압이 발생된다.
다음으로, 다시 압전 소자층(PEHM)과 마찰전기층(TEHM)이 분리되기 시작하는 iii) 단계인 분리 상태(Separating state)가 되면, 마찰전기층(TEHM)의 전위차가 발생되어 전압이 발생된다.
다음으로, 압전 소자층(PEHM)과 마찰전기층(TEHM)이 완전히 분리되는 iv) 단계는 완전 분리 상태(Full-separating state)가 되면, 압전 소자층(PEHM)에 압축응력이 발생되어 전압이 발생된다.
도 6은 본 발명의 변형예에 따른 올인원 구조의 압전 및 마찰 하이브리드 에너지 하베스터 모듈을 나타낸 단면도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 변형예에 따른 올인원 구조의 압전 및 마찰 하이브리드 에너지 하베스터 모듈(100)은 압전 소자층(140)의 개수를 제외하고는 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 실시예와 실질적으로 동일하므로, 중복 설명은 생략하고 차이점 위주로 설명하도록 한다.
본 발명의 변형예에 따른 올인원 구조의 압전 및 마찰 하이브리드 에너지 하베스터 모듈(100)은, 실시예와 달리, 압전 소자층(140)이 마찰전기층(120)의 상면 및 하면에 적어도 둘 이상이 아치 형태로 수직 적층된다.
이때, 도 6에서는 제1 압전 소자층(140a) 및 제2 압전 소자층(140b)으로 이루어진 2개의 압전 소자층(140)이 마찰전기층(120)의 상면 및 하면에 각각 수직적으로 적층된 것을 나타내었으나, 이는 예시적인 것으로 그 수는 다양하게 적용될 수 있다는 것은 자명한 사실일 것이다.
본 발명의 변형예에 따른 올인원 구조의 압전 및 마찰 하이브리드 에너지 하베스터 모듈(100)은, 실시예에 비하여, 압전 소자층(140)의 적층 개수가 증가하는 것에 의해 압전 소자층(140)의 출력 전압값 및 출력 전류값이 각각 증가하여 출력 특성이 보다 향상되는 구조적인 이점을 갖는다. 이때, 압전 소자층(140)의 출력 전압 및 출력 전류는 압전 소자층(140)의 적층 개수에 비례하여 출력 특성이 점진적으로 증가되는 경향을 나타내어, 압전 소자층(140)의 출력 특성도 증가하는 경향을 나타내게 된다.
지금까지 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 올인원 구조의 압전 및 마찰 하이브리드 에너지 하베스터 모듈은 전기마찰층의 앙면에 아치형 구조의 압전 소자층을 적용하는 것에 의해 최적의 출력 특성을 확보하였다.
이를 위해, 본 발명에 따른 올인원 구조의 압전 및 마찰 하이브리드 에너지 하베스터 모듈은 압전 소자층으로 IDE 형태의 전극을 사용하여 압전 소자층에서의 최대 출력을 확보하였다.
또한, 본 발명에 따른 올인원 구조의 압전 및 마찰 하이브리드 에너지 하베스터 모듈은 마찰전기층의 마찰 경화층에 대한 표면 거칠기를 나노 사이즈와 마이크로 사이즈를 함께 적용하는 것에 의해, 출력 전압 값 및 출력 전류 값을 함께 증가시켰다.
아울러, 본 발명에 따른 올인원 구조의 압전 및 마찰 하이브리드 에너지 하베스터 모듈은 올인원 구조의 하이브리드 에너지 하베스터 모듈을 이용하여 커패시터 충전을 통하여 소형 선풍기와 LED 전구를 안정적으로 점등시켜 에너지 하베스터 능력을 확인하였다.
실시예
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.
여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.
1. 실험 방법
마찰전기층(TEHM) 제조
PDMS(polydimethyl siloxane) 10g과 경화제 1g을 넣고 잘 섞은 후, 80℃의 진공 오븐 내에서 경화시켜 마찰 경화층을 제조하였다.
다음으로, 마찰 경화층을 가로 5cm 및 세로 1cm의 크기로 2개를 잘라서 알루미늄 호일의 양쪽에 2개의 마찰 경화층을 부착하여 마찰전기층을 제조하였다.
압전 소자층(PEHM) 제조
PVDF-TrFE(Poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene)를 DMF + 아세톤(acetone) 혼합 용매에 첨가하여 24시간 동안 교반시킨 후, BNT-ST 분말{0.78(Bi0.5Na0.5)TiO3-0.22SrTiO3}을 첨가하고 나서 25℃에서 24시간 동안 교반시켜 세라믹-고분자 복합 용액을 제조하였다.
다음으로, 세라믹-고분자 복합 용액을 시린지(syringe)에 넣고 실린지 펌프(syringe pump)를 이용하여 1.0ml/hour의 속도로 토출시켜 유리 기판 상에 전기방사한 후, 70℃에서 24시간 동안 건조시켜 PVDF : 40wt% 및 BNT-ST : 60wt%로 조성되는 압전 섬유 필름을 제조하였다.
다음으로, 압전 섬유 필름을 1cm(가로)×5cm(세로)×0.5cm(두께)로 절단한 후, 절단된 압전 섬유 필름의 일면에 폴리이미드 필름에 구리전극이 형성된 전극 필름을 열경화성 에폭시 접착제를 이용하여 70℃ 및 80bar 조건으로 30분 동안 부착하였다. 이후, 압전 섬유 필름의 타면에 동일한 방법으로 전극 필름을 다시 부착하여 압전 소자층을 제조하였다.
하이브리드 에너지 하베스터 모듈(HEHM) 제조
제조된 압전 소자층을 마찬전기층의 상면 및 하면에 각각 아치 형태로 직렬로 연결하였고, 아치형으로 연결된 압전 소자층의 사이에 병렬로 마찰전기층을 연결하여 하이브리드 에너지 하베스터 모듈을 제조하였다.
2. 물성 평가
도 7은 하이브리드 에너지 하베스터 모듈의 각 층에 대한 출력 전압을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 하이브리드 에너지 하베스터 모듈(HEHM)의 각 층에 대한 출력 전압을 측정한 결과, 압전 소자층(PEHM)은 약 6.7V의 출력 전압이 측정되었고, 전기마찰층(TEHM)은 약 205.4V의 출력 전압이 측정되었다.
또한, 하이브리드 에너지 하베스터 모듈(HEHM)은 214.5V의 출력 전압이 측정되었다. 이때, 하이브리드 에너지 하베스터 모듈(HEHM)의 출력 전압은 압전 소자층(PEHM)의 출력 전압 값과 전기마찰층(TEHM)의 출력 전압 값을 합산한 값으로 나타내었다.
도 8 및 도 9는 압전 소자층의 특성 평가 결과를 나타낸 그래프이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 압전 소자층의 압전 섬유층에 대한 XRD 측정 결과, 강유전성 고분자와 압전 세라믹이 공존해 있는 것을 확인하였다. 또한, 40 ~ 50℃ 부분의 피크를 확인한 결과, 전기방사 공정으로 분극화가 되어 있는 것을 확인하였다.
도 9에 도시된 바와 같이, 압전 소자층의 압전 섬유층에 대한 FT-IR 특성을 평가한 결과, 압전섬유에 PVDF-TrFE 고분자의 α상의 비율과 β상의 비율을 확인하였으며, 전기방사 공정으로 PVDF-TrFE 고분자가 β상으로 변하여 압전 특성을 가지는 것을 확인하였다.
여기서, 비율은 α상은 17wt%, β상은 83wt%이었다. 일반적으로 PVDF-TrFE는 전기방사 전에는 α상이 100%이며, 전기방사 공정으로 분극되면 α상이 β상으로 변하여 압전 특성이 우수해진다. 따라서, β상의 비율이 높을수록 압전 특성이 우수해진다.
한편, 도 10은 하이브리드 에너지 하베스터 모듈의 압전 소자층의 개수 변화에 따른 출력 전압값을 측정한 결과를 나타낸 그래프이고, 도 11은 하이브리드 에너지 하베스터 모듈의 압전 소자층의 개수 변화에 따른 출력 전류값을 측정한 결과를 나타낸 그래프이며, 도 12는 하이브리드 에너지 하베스터 모듈의 각 층에 대한 저항-전력 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 10에 도시된 바와 같이, 하이브리드 에너지 하베스터 모듈(HEMH)에서 압전 소자층(PEHM)의 증가에 따른 출력 전압값을 비교하여 나타내고 있다.
이때, 마찰전기층(TEHM)의 경우에 변화를 주지 않아서 출력 특성이 변하지 않았다. 반면, 압전 소자층(TEHM)의 출력 전압은 압전 소자층(TEHM)의 적층 개수가 증가될수록 점점 출력 특성이 증가되었으며, 그 영향으로 압전 소자층(HEHM)의 출력 특성도 증가하는 것을 확인하였다.
도 11에 도시된 바와 같이, 하이브리드 에너지 하베스터 모듈(HEMH)에서 압전 소자층(PEHM)의 증가에 따른 출력 전류값을 측정한 결과를 비교하여 나타내고 있다.
이때, 압전 소자층(TEHM)의 출력 전류값은, 출력 전압값과 마찬가지로, 압전 소자층(TEHM)의 적층 개수가 증가될수록 점점 출력 특성이 증가되었으며, 그 영향으로 압전 소자층(HEHM)의 출력 특성도 증가하는 것을 확인하였다.
또한, 도 12에 도시된 바와 같이, 하이브리드 에너지 하베스터 모듈의 각 층에 대한 저항-전력 측정 결과, 마찰전기층(PEHM)의 경우에는 0.8MΩ에서 최대 전력을 얻었으며, 압전 소자층(TEHM)의 경우에는 10MΩ에서 최대 전력을 얻었다.
반면, 하이브리드 에너지 하베스터 모듈(HEHM)의 경우에는 0.9MΩ에서 최대 출력 전압을 얻었다. 따라서, 하이브리드 에너지 하베스터 모듈(HEHM)로 구현시, 최대 출력 전압을 얻기 위한 저항을 낮출 수 있다는 것을 확인하였다.
한편, 도 13은 전기마찰층의 표면 거칠기별 출력 전압값을 측정한 결과를 나타낸 그래프이고, 도 14는 전기마찰층의 표면 거칠기별 출력 전류값을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 13에 도시된 바와 같이, 마찰전기층(TEHM)의 표면 거칠기에 따른 출력 전압 결과가 나타나 있다.
측정 결과, 표면이 매끄러울 때는 약 219V의 출력 전압이 측정되었으며, 표면을 사포로 거칠게 하였을 때(나노 스케일) 보다 패턴을 주어 거칠게 하였을 때(마이크로 스케일) 전압이 높게 증가하였다. 또한, 표면 거칠기를 패터닝된 표면에 사포로 거칠기를 주었을 때 전압이 증가하였다. 이는 표면이 마이크로 사이즈로 거칠어지면 전압이 증가됨을 의미한다.
도 14에 도시된 바와 같이, 마찰전기층(TEHM)의 표면 거칠기에 따른 출력 전류를 측정한 결과가 나타나 있다.
측정 결과, 표면을 사포로 거칠게 하였을 때(나노 스케일) 패턴을 주어 거칠게 했을 때(마이크로 스케일) 보다 전류값이 더 높게 측정되었다.
따라서, 마찰전기층이 나노 스케일로 거칠어지면 전류가 증가되고, 마이크로 스케일로 거칠어지면 전압이 증가된다.
결론적으로, 마이크로 스케일과 나노 스케일을 함께 증가시키면 전압과 전류가 함께 증가한다. 최종적으로, 253V의 전압과 149μA의 전류가 측정되었다.
도 15는 압전 소자층을 이용하여 0.1㎌, 1.0㎌ 및 10㎌의 커패시터를 충전한 결과를 나타낸 그래프이고, 도 16은 0.1㎌의 커패시터 충전 및 방전 실험을 각 층별로 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 15에 도시된 바와 같이, 측정 결과, 모든 캐패시터에서 하이브리드 에너지 하베스터 모듈(HEHM)의 충전 효율이 가장 우수하였다. 이는 하이브리드 에너지 하베스터 모듈(HEHM)이 가장 높은 전압을 출력하기 때문이다.
또한, 0.1μF, 1.0μF 및 10μF의 충전 시간 비교 결과, 충전 용량이 가장 장은 0.1μF의 커패시터의 경우에는 약 25V의 전압을 측정하는데 40초가 소용되며, 1.0μF 및 10μF의 커패시터는 각각 용량이 증가되어 충전 시간이 0.1μF의 커패시터에 비해 10배 이상의 시간이 걸렸다.
도 16에 도시된 바와 같이, 실험 결과, 하이브리드 에너지 하베스터 모듈(HEHM)이 가장 빠르게 충방전이 되며, 마찰전기층(TEHM) 및 압전 소자층(PEHM)의 순서로 충방전이 진행되었다. 이는 충전 전압 속도는 모듈의 출력 전압에 비례하는 것을 의미한다.
한편, 도 17은 하이브리드 에너지 하베스터 모듈로 LED 전구를 점등시킨 상태를 나타낸 사진이다.
도 17에 도시된 바와 같이, 하이브리드 에너지 하베스터 모듈(HEHM)로 15개의 파란색 LED 전구와 27개의 빨간색 LDE 전구를 점등시킨 상태가 나타나 있다.
LED 전구 1개를 작동시키기 위해서는 2V의 전압이 필요하며, 총 42개의 LED 전구가 순간적으로 작동하였으며, 이는 하이브리드 에너지 하베스터 모듈(HEHM)이 순간적으로 약 82V 이상의 출력 전압을 안정적으로 발생시키는 것을 의미한다.
도 18은 10㎌의 커패시터가 연결된 하이브리드 에너지 하베스터 모듈을 250sec 동안 작동시켜 소형 선풍기를 작동시킨 상태를 나타낸 사진이다.
도 18에 도시된 바와 같이, 10㎌의 커패시터가 연결된 하이브리드 에너지 하베스터 모듈(HEHM)을 250sec 동안 작동시켜 소형 선풍기를 작동시켰다.
이때, 소형 선풍기를 작동시키기 위해서는 약 3.5W의 전력이 필요한데, 10㎌의 커패시터가 연결된 하이브리드 에너지 하베스터 모듈(HEHM)은 250sec 정도만 작동하더라도 소형 선풍기가 작동하였으므로 3.5W 이상의 전력이 형성된 것을 의미한다.
이와 같이, 하이브리드 에너지 하베스터 모듈(HEHM)은 새로운 형태의 에너지 하베스터로 사용이 가능함을 의미한다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
100 : 하이브리드 에너지 하베스터 모듈 120 : 마찰전기층
122 : 마찰 전극층 124 : 마찰 경화층
140 : 압전 소자층 142 : 압전 섬유층
143 : 제1 전극 144 : 제1 고분자 필름
145 : 제1 전극 구조체 146 : 제2 전극
147 : 제2 고분자 필름 148 : 제2 전극 구조체

Claims (12)

  1. 상면 및 상기 상면에 반대되는 하면을 갖는 마찰전기층; 및
    상기 마찰전기층의 상면 및 하면에 각각 아치 형태로 적층된 압전 소자층;
    을 포함하는 올인원 구조의 압전 및 마찰 하이브리드 에너지 하베스터 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 마찰전기층은
    내부 중앙 부분에 배치된 마찰 전극층; 및
    상기 마찰 전극층의 양면에 각각 적층되어, 상기 압전 소자층과 접촉하는 마찰 경화층;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 올인원 구조의 압전 및 마찰 하이브리드 에너지 하베스터 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 압전 소자층은
    상기 마찰전기층의 상면 및 하면에 각각 아치 형태로 적층되어, 상기 마찰전기층의 마주보는 양측 가장자리 부분만이 직접 접촉하는 것을 올인원 구조의 압전 및 마찰 하이브리드 에너지 하베스터 모듈.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 마찰전기층은
    상기 마찰 경화층의 표면을 사포로 문질러 표면 거칠기를 증가시킨 것이 이용되는 것을 특징으로 하는 올인원 구조의 압전 및 마찰 하이브리드 에너지 하베스터 모듈.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 마찰 전극층은
    알루미늄(Al), 구리(Cu), 티타늄(Ti), 은(Ag), 금(Au) 및 니켈(Ni) 중 선택된 1종 이상의 재질로 형성된 것을 특징으로 하는 올인원 구조의 압전 및 마찰 하이브리드 에너지 하베스터 모듈.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 마찰 경화층은
    PDMS(polydimethyl siloxane)에 경화제가 첨가된 것이 이용되는 것을 특징으로 하는 올인원 구조의 압전 및 마찰 하이브리드 에너지 하베스터 모듈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 압전 소자층은
    상기 마찰전기층의 상면 및 하면에 적어도 하나 이상이 아치 형태로 수직 적층된 것을 특징으로 하는 올인원 구조의 압전 및 마찰 하이브리드 에너지 하베스터 모듈.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 압전 소자층은
    압전 섬유층과, 상기 압전 섬유층의 일면에 부착되며, 제1 전극과, 상기 제1 전극을 지지하는 제1 고분자 필름을 갖는 제1 전극 구조체; 및
    상기 압전 섬유층의 타면에 부착되며, 제2 전극과, 상기 제2 전극을 지지하는 제2 고분자 필름을 갖는 제2 전극 구조체;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 올인원 구조의 압전 및 마찰 하이브리드 에너지 하베스터 모듈.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전극 각각은
    상하 양측 가장자리를 따라 배치된 몸체 전극부; 및
    상기 몸체 전극부로부터 내측으로 복수개가 연장되어, 상기 상하로 배치된 몸체 전극부를 상호 연결하여 깍지형 전극 배열 구조를 갖는 연결 전극부;
    를 갖는 것을 특징으로 하는 올인원 구조의 압전 및 마찰 하이브리드 에너지 하베스터 모듈.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 연결 전극부는
    0.08 ~ 0.12mm의 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 올인원 구조의 압전 및 마찰 하이브리드 에너지 하베스터 모듈.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 연결 전극부는
    0.18 ~ 0.22mm의 간격으로 이격 배치된 것을 특징으로 하는 올인원 구조의 압전 및 마찰 하이브리드 에너지 하베스터 모듈.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 압전 소자층은 상기 마찰전기층의 상면 및 하면에서 아치 형태로 직렬 연결되고, 상기 아치 형태로 직렬 연결된 압전 소자층의 사이에 마찰전기층이 병렬 연결된 것을 특징으로 하는 올인원 구조의 압전 및 마찰 하이브리드 에너지 하베스터 모듈.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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