KR20220126991A - 마찰대전 및 전기 습윤 효과를 이용한 유연 기둥 구조 에너지 하베스터 - Google Patents

마찰대전 및 전기 습윤 효과를 이용한 유연 기둥 구조 에너지 하베스터 Download PDF

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김창호
김태훈
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광주과학기술원
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Abstract

본 발명은 마찰대전 및 전기 습윤 효과를 이용한 유연 기둥 구조 에너지 하베스터에 관한 것으로서, 제1기판, 제1기판의 일면에 배치된 제1전극 및 제1전극으로부터 일방으로 연장된 하나 이상의 제1대전폴리머를 포함하는 제1부; 및 제1기판과 마주하도록 배치된 제2기판, 제2기판의 일면에 배치된 제2전극 및 제2전극으로부터 일방으로 연장된 하나 이상의 제2대전폴리머를 포함하는 제2부;를 포함하고, 제1대전폴리머는 제2대전폴리머와 외력에 의해 접촉 및 이격이 반복적으로 이루어지도록 제1대전폴리머 및 제2대전폴리머 중 적어도 하나는 외력에 의해 탄성적으로 변형되고, 제1전극 및 제2전극은 전로에 의해 전기적으로 연결이 이루어지는, 마찰대전 및 전기 습윤 효과를 이용한 유연 기둥 구조 에너지 하베스터가 제공된다.

Description

마찰대전 및 전기 습윤 효과를 이용한 유연 기둥 구조 에너지 하베스터{ELECTROWETTING AND TRIBOELECTRIC ENERGY HARVESTER WITH FLEXIBLE PILLAR STRUCTURE}
본 발명은 마찰대전 및 전기 습윤 효과를 이용한 유연 기둥 구조 에너지 하베스터에 관한 것이다.
종래에는 화석에너지를 대체하기 위해 전기에너지를 생산할 수 있는 시스템에 투자개발이 되어오고 있다. 이러한 전기에너지 생산 시스템은 에너지형태의 변형 등을 통해 에너지형태의 변형을 통한 생산이 주로 연구되어 왔다. 다양한 예가 존재하면 일 예로서 에너지원을 대체하기 위해 버려지거나 활용되지 않은 에너지를 수확할 수 있는 압전, 열전, 초전, 전기습윤 등의 에너지 변환기술을 도입한 에너지 하베스터 연구가 진행되고 있다. 이는 재사용 가능한 에너지를 활용함으로써 성능 향상뿐만 아니라 응용 분야의 확장을 가져올 수 있다. 하지만 수확되는 에너지가 충분치 않고 구조를 포함한 다양한 제약이 있는 것이 현실이다.
따라서, 수확가능한 에너지양을 보다 증대시킬 수 있는 에너지 하베스터가 요구되는 것이 현실이다.
대한민국 공개특허공보 제 2018-0002267 호 (2018. 01. 08)
본 발명의 일 실시예는 물방울과 바람 에너지를 전기습윤(electrowetting) 현상과 마찰대전(triboelectric) 현상을 이용하여 에너지를 수확할 수 있는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예는 에너지를 수확하는 유효 면적 및 구조를 통하여 에너지 수확 효율을 증대할 수 있는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 마찰대전 및 전기 습윤 효과를 이용한 유연 기둥 구조 에너지 하베스터에 관한 것으로서, 제1기판, 제1기판의 일면에 배치된 제1전극 및 제1전극으로부터 일방으로 연장된 하나 이상의 제1대전폴리머를 포함하는 제1부; 및 제1기판과 마주하도록 배치된 제2기판, 제2기판의 일면에 배치된 제2전극 및 제2전극으로부터 일방으로 연장된 하나 이상의 제2대전폴리머를 포함하는 제2부;를 포함하고, 제1대전폴리머는 제2대전폴리머와 외력에 의해 접촉 및 이격이 반복적으로 이루어지도록 제1대전폴리머 및 제2대전폴리머 중 적어도 하나는 외력에 의해 탄성적으로 변형되고, 제1전극 및 제2전극은 전로에 의해 전기적으로 연결이 이루어지는, 마찰대전 및 전기 습윤 효과를 이용한 유연 기둥 구조 에너지 하베스터가 제공된다.
그리고, 제1전극은 일방으로 연장된 전도체를 포함하고, 제1대전폴리머는 전도체의 표면에 접하여 배치될 수 있다.
또한, 제1대전폴리머는 전도체에 의해 고정되고, 제2대전폴리머는 외력에 의해 연장단부에 변위가 발생함으로써 제1대전폴리머와 접촉이 이루어질 수 있다.
또한, 제1대전폴리머 및 제2대전폴리머는 서로 마주하는 방향으로 연장되고, 비(非)동축상으로 연장될 수 있다.
또한, 전도체는 핀 타입 및 원기둥 타입 중 하나 이상으로 형성될 수 있다.
또한, 제2대전폴리머는 제1대전폴리머와 엇갈려 배치되고, 외력이 전달되는 방향을 기준으로 중첩되는 구간이 형성되도록 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 전기 습윤 효과를 통해 물방울과 바람 에너지를 전기습윤(electrowetting) 현상과 마찰대전(triboelectric) 현상을 이용하여 에너지를 수확할 수 있는 마찰대전 및 전기 습윤 효과를 이용한 유연 기둥 구조 에너지 하베스터를 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 에너지를 수확하는 유효 면적 및 구조를 통하여 에너지 수확 효율을 증대할 수 있는 마찰대전 및 전기 습윤 효과를 이용한 유연 기둥 구조 에너지 하베스터를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하베스터를 나타낸 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마주하는 제1전극 및 제2전극의 내측면을 나타낸 도면으로서, 도 2(a)는 제2전극의 내측면 및 제1전극의 위치를 표시한 것을 나타낸 도면이고, 도 2(b)는 제1전극의 내측면 및 제2전극의 위치를 표시한 것을 나타낸 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수분(물방울)이 제1의한 전제2 냉각단계를 나타낸 도면,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1대전폴리머와 제2대전폴리머가 제2대전폴리머의 변위발생에 의해 접촉 및 이격이 발생하는 것을 나타낸 도면
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하기로 한다. 그러나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명의 기술적 사상은 청구범위에 의해 결정되며, 이하의 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 효율적으로 설명하기 위한 일 수단일 뿐이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하베스터(100)를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명은 마찰대전 및 전기 습윤 효과를 이용한 유연 기둥 구조 에너지 하베스터(100)에 관한 것으로서, 제1기판(111), 제1기판(111)의 일면에 배치된 제1전극(112) 및 제1전극(112)으로부터 일방으로 연장된 하나 이상의 제1대전폴리머(114)를 포함하는 제1부을 포함한다. 그리고 상기 제1기판(111)과 마주하도록 배치된 제2기판(121), 제2기판(121)의 일면에 배치된 제2전극(122) 및 제2전극(122)으로부터 일방으로 연장된 하나 이상의 제2대전폴리머(125)를 포함하는 제2부를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 제1대전폴리머(114)는 제2대전폴리머(125)와 외력(F)에 의해 접촉 및 이격이 반복적으로 이루어지도록 제1대전폴리머(114) 및 제2대전폴리머(125) 중 적어도 하나는 외력(F)에 의해 탄성적으로 변형되고, 제1전극(112) 및 제2전극(122)은 전로(101)에 의해 전기적으로 연결이 이루어지는, 마찰대전 및 전기 습윤 효과를 이용한 유연 기둥 구조 에너지 하베스터(100)가 제공된다.
본 예시에서는 제2대전폴리머(125)가 상기 외력(F)에 의해 탄성적으로 변형되어 변위가 발생할 수 있는 구성일 수 있고, 상기 외력(F)은 유체흐름(바람)이나 물리적이 다른 외력(F)일 수 있다. 여기서, 제1대전폴리머(114)가 상기 외력(F)에 의해서도 변위가 발생하지 않는다. 이는 제1대전폴리머(114)가 제1전극(112)으로부터 연장된 전도체(113)에 의해 지지받는 구조때문일 수 있다.
구체적으로 상기 전도체(113)는 제1전극(112)으로부터 연장된 제1전극(112)과 동일한 소재의 구조체일 수 있고, 적어도 전도성을 지닌 구조체일 수 있다. 이러한 전도체(113)를 코어로 하여 상기 전도체(113)의 외표면 상에 접하여 배치되는 제1대전폴리머(114)는 외력(도 4의 F)에 의해서도 전도체(113)에 의해 지지받으므로, 위치의 변화 또는 변형에 의한 변위가 발생되지 않을 수 있다. 물론, 이는 전도체(113)의 강도에 따른 것이나 본 발명에서 설명하기 위해 지칭하는 외력(F)은 유체의 흐름이나 수분(W)이 대전폴리머(제1대전폴리머(114) 및 제2대전폴리머(125)) 상에 응집, 응결, 포집되는 수준의 자연상태에서 발생할 수 있는 비교적 작은 에너지를 의미한다.
한편, 제1기판(111) 및 제2기판(121)은 마주하도록 배치되고, 마주하는 면에 제1전극(112) 및 제2전극(122)이 배치되게 된다. 즉, 제1전극(112) 및 제2전극(122)도 서로 마주하도록 배치되고, 각 전극으로부터 연장되는 제1대전폴리머(114) 및 제2대전폴리머(125)는 서로 대향하는 방향으로 연장되게 된다. 바람직하게는 엇갈린 지점으로부터 연장됨에 따라 서로 접하지 않도록 연장될 수 있다. 즉, 제1대전폴리머(114) 및 제2대전폴리머(125)는 평행하되 서로 엇갈리도록 연장될 수 있다. 여기서 연장길이는 제1대전폴리머(114) 및 제2대전폴리머(125)가 중첩될 수 있도록 연장되는 것이 바람직하다. 이는 전술한 바와 같이 제1대전폴리머(114)는 전도체(113)에 의해 고정되고, 제2대전폴리머(125)가 외력(F)에 의해 변위가 발생할 때, 고정된 제1대전폴리머(114)와 비주기적이고 무작위적으로 접촉에 발생할 수 있도록 하는 구조일 수 있다. 이러한 접촉과 이격이 반복되며 에너지 하베스팅이 구현될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마주하는 제1전극(112) 및 제2전극(122)의 내측면을 나타낸 도면으로서, 도 2(a)는 제2전극(122)의 내측면 및 제1전극(112)의 위치를 표시한 것을 나타낸 도면이고, 도 2(b)는 제1전극(112)의 내측면 및 제2전극(122)의 위치를 표시한 것을 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 전술한 바와 같이, 제1대전폴리머(114) 및 제2대전폴리머(125)는 서로 마주하는 방향으로 연장되고, 비(非)동축상으로 연장될 수 있다. 비동축상으로 배치되어 제1대전폴리머(114) 및 제2대전폴리머(125)는 연장에 의해 서로 접하지 않을 수 있다. 또한, 폴리머는 단면이 원형일 수 있다. 물론, 원형에 한정되는 것은 아니고 다각형의 단면일 수도 있다. 도시된 바에 의하면 제2폴리머가 20여개 형성되어 있으나 이는 스케일과 관계없이 배치구조를 설명하기 위한 구성으로 스케일은 cm 내지 nm 등 다양한 스케일의 구조로 형성될 수 있다.
또한, 비동축 상으로 배치됨으로써 외력(F)이 전달되는 힘과 방향이 불균일하고 비정형적인 경우에도 그에 대응하여 제1대전폴리머(114) 및 제2대전폴리머(125)의 접촉이 발생할 수 있다. 예를 들어, 박막필름을 포함한 플레이트 형태의 대전폴리머가 마련된 경우 외력(F)이 전달되는 방향이 에너지 하베스팅의 중요한 요소가 될 수 있다. 이러한 상대적으로 까다로운 요건이 요구되는 구조에서는 대전폴리머 간의 접촉 및 이격의 효율이 저하될 수 있다. 즉, 본 예시와 같은 형태로 서로 마주하는 복수 개의 제1대전폴리머(114) 및 제2대전폴리머(125)가 기판을 등지고 전달되는 방향을 제외하면 전방위적으로 외력(F)을 수용할 수 있다.
따라서, 제1대전폴리머(114) 및 제2대전폴리머(125)의 형상이 핀 타입 및 원기둥 타입 중 하나 이상으로 형성된 본 예시가 하베스팅 효율면에서 바람직할 수 있다. 또한, 이러한 대전폴리머의 형상에 대응되도록 제1대전폴리머(114)의 지지를 위해 전도체(113)는 핀 타입 및 원기둥 타입 중 하나 이상으로 형성될 수 있다. 또한, 제2대전폴리머(125)는 제1대전폴리머(114)와 마주하되 엇갈려 배치되고, 도 4에 도시된 외력(F)이 전달되는 방향을 기준으로 중첩되는 구간이 형성되도록 배치될 수 있다. 바람직하게는 평행한 방향으로 연장될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수분(W)(물방울)이 제1의한 전제2 냉각단계를 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1대전폴리머(114)와 제2대전폴리머(125)가 제2대전폴리머(125)의 변위발생에 의해 접촉 및 이격이 발생하는 것을 나타낸 도면이다.
공기 마찰로 인해 양전하로 대전된 물방울은 정전기적 폴리머로 구성된 제2대전폴리머(125)에 접촉 및 제거 시 전하의 이동을 발생시키며, 외력(F)(바람)이 가해지면 기판이 진동하거나 제2대전폴리머(125)가 진동하면서 변위가 발생(125a)하게 되고, 제1대전폴리머(114) 및 제2대전폴리머(125)가 서로 접촉 및 이격을 반복하며 전하의 이동을 발생시킬 수 있다. 이때, 음전하로 대전되는 폴리머(예를 들어, 제1대전폴리머(114))의 경우 내부에 전극을 형성하여 전기 습윤 효과로 인한 에너지 수집을 보다 효율적으로 한다.
한편, 본 예시의 경우에, 전기 습윤 효과에 대한 에너지 하베스팅을 효율적으로 수행하기 위해 고정부(115)의 구조 내에 전극역할을 하는 전도체(113)를 포함할 수 있다. 또한, 평면(전술한 플레이트 형태)으로 구성된 에너지 하베스터에 비해 본 예시의 에너지 하베스터(100)는 대전폴리머 간의 접촉과 이격에 보다 유리하기 때문에, 에너지 수확 측면에서 유리하다고 할 수 있다.
또한, 수분(W)(물방울)과 바람(외력(F))을 본 예시의 구조 내에서 마찰대전, 전기 습윤 효과를 통해 효율적인 에너지 하베스팅을 수행할 수 있다. 그리고 본 발명의 일 실시예인 에너지 하베스터(100)는 대전폴리머가 핀 타입 및 원기둥 타입 중 하나의 방식으로서, 마주하는 방향으로 연장된 대전폴리머 구조를 통해 에너지 수확 효율을 증대하고, 동시에 제1대전폴리머(114) 내부에 전도체(113) 배치를 통한 효율적인 전기 습윤 에너지 하베스팅을 구현할 수 있다.
나아가, 제1대전폴리머(114)와 제2대전폴리머(125)의 재료는 각각 대전되는 극성이 서로 반대되는 것으로 선정하며, 비수용성 및 정전기적 전하밀도가 큰 재료가 채용될 수 있다. 또한 일 예로, 내부의 전극으로 기능하는 전도체(113) 및 전극(제1전극(112) 및 제2전극(122))는 규소 기둥(미도시)을 선제작 후에 순차적으로 금속, 폴리머를 증착하여 형성한다. 이는 전도체의 내측에 제1기판(111)과 연결되거나 이격된 규소 구조체가 전도체의 연장방향으로 마련되어, 규소 구조체, 금속, 폴리머 순으로 외측방향으로 표면이 구성될 수 있다. 이러한 구조에 의해 제1부의 제조 및 폴리머의 증착을 보다 용이하게 할 수 있다.
이상에서 본 발명의 대표적인 실시예들을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100 : 하베스터
101 : 전로
111 : 제1기판
112 : 제1전극
113 : 전도체
114 : 제1대전폴리머
115 : 고정부
121 : 제2기판
122 : 제2전극
125 : 제2대전폴리머
125a : 변형위치
W : 수분
F : 외력

Claims (6)

  1. 제1기판, 상기 제1기판의 일면에 배치된 제1전극 및 상기 제1전극으로부터 일방으로 연장된 하나 이상의 제1대전폴리머를 포함하는 제1부; 및
    상기 제1기판과 마주하도록 배치된 제2기판, 상기 제2기판의 일면에 배치된 제2전극 및 상기 제2전극으로부터 일방으로 연장된 하나 이상의 제2대전폴리머를 포함하는 제2부;를 포함하고,
    상기 제1대전폴리머는 상기 제2대전폴리머와 외력에 의해 접촉 및 이격이 반복적으로 이루어지도록 상기 제1대전폴리머 및 상기 제2대전폴리머 중 적어도 하나는 상기 외력에 의해 탄성적으로 변형되고,
    상기 제1전극 및 상기 제2전극은 전로에 의해 전기적으로 연결이 이루어지는, 마찰대전 및 전기 습윤 효과를 이용한 유연 기둥 구조 에너지 하베스터.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1전극은 일방으로 연장된 전도체를 포함하고, 상기 제1대전폴리머는 상기 전도체의 표면에 접하여 배치되는, 마찰대전 및 전기 습윤 효과를 이용한 유연 기둥 구조 에너지 하베스터.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1대전폴리머는 상기 전도체에 의해 고정되고, 상기 제2대전폴리머는 외력에 의해 연장단부에 변위가 발생함으로써 상기 제1대전폴리머와 접촉이 이루어지는, 마찰대전 및 전기 습윤 효과를 이용한 유연 기둥 구조 에너지 하베스터.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1대전폴리머 및 상기 제2대전폴리머는 서로 마주하는 방향으로 연장되고, 비(非)동축상으로 연장되는, 마찰대전 및 전기 습윤 효과를 이용한 유연 기둥 구조 에너지 하베스터.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 전도체는 핀 타입 및 원기둥 타입 중 하나 이상으로 형성되는, 마찰대전 및 전기 습윤 효과를 이용한 유연 기둥 구조 에너지 하베스터.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제2대전폴리머는 상기 제1대전폴리머와 엇갈려 배치되고, 외력이 전달되는 방향을 기준으로 중첩되는 구간이 형성되도록 배치되는, 마찰대전 및 전기 습윤 효과를 이용한 유연 기둥 구조 에너지 하베스터.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20180002267A (ko) 2016-06-29 2018-01-08 삼성전자주식회사 마찰전기를 이용한 에너지 하베스터 및 이를 포함하는 장치

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20180002267A (ko) 2016-06-29 2018-01-08 삼성전자주식회사 마찰전기를 이용한 에너지 하베스터 및 이를 포함하는 장치

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