KR20230044599A - 강유전 복합체를 이용한 초음파 기반 마찰전기 발전소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 인체삽입형 의료기기 충전을 위하여, 초소형의 초음파 기반 마찰전기 에너지 발전 소자를 장기간 안정적으로 사용하기 위한 분극 유지 기술을 제안함으로써 종래기술이 가지고 있는 한계를 극복하고 나아가 새로운 방식을 제시한다. 초음파를 인가했을 때 발생하는 전기장을 활용하여 강유전체 물질의 분극을 유지하기 때문에 방법이 간단하고 환자에게 부담이 가지 않는 새로운 방식의 고출력 유지 기술을 제시한다.
Description
본 발명은 강유전 복합체를 이용한 초음파 기반 마찰전기 발전소자에 관한 것이다. 특히 본 발명은 인체삽입형 의료기기 충전을 위한 초음파 기반 고출력 마찰전기 발전소자의 장기간 출력 안정성을 확보할 수 있는 기술에 관한 것이다.
최근 고령화에 따라 발생하는 노인성 질환이 문제가 되고 있으며, 이를 지속해서 치료하기 위한 인체삽입형 의료기기 기술이 주목받고 있다. 인체삽입형 의료기기를 충전하기 위한 초음파 기반 마찰전기 에너지 발전 소자가 개발되었으나 상용화하기엔 부피가 크다는 단점이 있다. 소자의 부피가 클 경우, 삽입 부위가 제한되고 체내 삽입 후 움직임에 불편함을 야기한다.
하지만 소자를 소형화할 경우 마찰 면적 감소로 인해 인체삽입형 의료기기를 충전하는 데 필요한 에너지 발전이 어려움이 있고, 현재 개발된 물질들의 고유 마찰전기 특성으로는 초소형의 크기에서 충분한 전기적 출력을 만들기 어려다는 단점이 있다.
한편, 강유전체 물질에 전기장을 인가해 소재를 분극화 하면 강유전체 물질 고유의 표면전하와 분극에 의한 전하 유도의 커플링 효과로 인해 고출력을 얻을 수 있다. 따라서 분극 처리에 의해 높은 출력을 가지는 초음파 기반 마찰전기 발전소자는 소형화를 달성 할 수 있다. 하지만 강유전체의 분극 처리는 시간이 지남에 따라 감소한다는 문제가 있다.
상기 서술된 종래기술의 문제점에 따라 환자에게 부담이 없을 정도로 부피가 작으면서 인체삽입형 의료기기를 충전하기 충분한 고출력을 유지할 수 있도록 강유전체 분극 유지 기술이 필요하다.
본 발명은 인체삽입형 의료기기 충전을 위하여, 초소형의 초음파 기반 마찰전기 에너지 발전 소자를 장기간 안정적으로 사용하기 위한 분극 유지 기술을 제안함으로써 종래기술이 가지고 있는 한계를 극복하고 나아가 새로운 방식을 제시하고자 한다.
본 발명은 초음파를 인가했을 때 발생하는 전기장을 활용하여 강유전체 물질의 분극을 유지하기 때문에 방법이 간단하고 환자에게 부담이 가지 않는 새로운 방식의 고출력 유지 기술을 제시하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 강유전 복합체를 이용한 초음파 기반 마찰전기 발전소자는, 전도성 물질로 이루어져 제 1 전극 역할을 수행하는 제 1 마찰 대전체층; 상기 제 1 마찰 대전체층의 마찰면과 서로 대향하며 이격되어 배치되며 강유전 복합체로 이루어진 제 2 마찰 대전체층; 및 상기 제 1 마찰 대전체층과 상기 제 2 마찰 대전체층을 일부 또는 전부 둘러싸는 외벽부를 포함하고, 상기 강유전 복합체는 고분자 상에 강유전성 입자가 포함되어 있는 형태이며, 초음파가 인가되는 경우 상기 제 1 마찰 대전체층 및 상기 제 2 마찰 대전체층은 서로 접촉 및 비접촉을 반복하여 마찰 전기를 발생시키고, 초음파가 인가되는 경우 전기장이 발생되어 강유전성 입자의 분극을 유지시켜 마찰 전기의 출력을 유지시킨다.
상기 초음파가 인가되는 경우 전기장이 발생되어 강유전성 입자의 분극을 유지시켜 마찰 전기의 출력을 유지시키는 것은, 초음파가 인가될 때 고분자와 강유전성 입자 사이의 계면에서 두 물질 사이의 어쿠스틱 임피던스(acoustic impedance)차이로 압력이 집중되어 압력에 의한 전기장이 발생되고, 결함 내에 전기장에 의한 전하가 트랩(trap)되어 강한 분극이 형성되며 초음파에 의해 발생된 전기장이 기존에 형성된 강유전성 입자의 분극을 유지시킴에 의해 이루어진다.
상기 고분자는 강유전성 고분자를 포함하고, 상기 강유전성 입자는 분극 처리가 수행된 것이다.
상기 제 2 마찰 대전체층의 마찰면의 반대면에 제 2 전극을 추가로 포함한다.
본 발명의 추가적인 실시예에 따른 강유전 복합체를 이용한 초음파 기반 마찰전기 발전소자는, 제 1 마찰 대전체층과 상기 제 1 마찰 대전체층 상의 제 1 전극; 상기 제 1 마찰 대전체층의 마찰면과 서로 대향하며 이격되어 배치되며 강유전 복합체로 이루어진 제 2 마찰 대전체층; 및 상기 제 1 마찰 대전체층과 상기 제 2 마찰 대전체층을 일부 또는 전부 둘러싸는 외벽부를 포함하고, 상기 강유전 복합체는 고분자 상에 강유전성 입자가 포함되어 있는 형태이며, 초음파가 인가되는 경우 상기 제 1 마찰 대전체층 및 상기 제 2 마찰 대전체층은 서로 접촉 및 비접촉을 반복하여 마찰 전기를 발생시키고, 초음파가 인가되는 경우 전기장이 발생되어 강유전성 입자의 분극을 유지시켜 마찰 전기의 출력을 유지시킨다.
상기 초음파가 인가되는 경우 전기장이 발생되어 강유전성 입자의 분극을 유지시켜 마찰 전기의 출력을 유지시키는 것은, 초음파가 인가될 때 고분자와 강유전성 입자 사이의 계면에서 두 물질 사이의 어쿠스틱 임피던스차이로 압력이 집중되어 압력에 의한 전기장이 발생되고, 결함 내에 전기장에 의한 전하가 트랩되어 강한 분극이 형성되며 초음파에 의해 발생된 전기장이 기존에 형성된 강유전성 입자의 분극을 유지시킴에 의해 이루어진다.
상기 고분자는 강유전성 고분자를 포함하고, 상기 강유전성 입자는 분극 처리가 수행된 것이다.
상기 제 2 마찰 대전체층의 마찰면의 반대면에 제 2 전극을 추가로 포함한다.
본 발명에 따른 강유전 복합체를 이용한 초음파 기반 마찰전기 발전소자는 인체 삽입 후 외부에서 초음파를 인가하여 상기 강유전 복합체를 이용한 초음파 기반 마찰전기 발전소자에서 전기장을 발생시켜 강유전성 입자의 분극을 유지시켜 출력의 유지가 가능하다.
본 발명을 통해 초소형의 초음파 기반 마찰전기 에너지 발전 소자로 장기간 안정적으로 인체삽입형 기기를 충전할 수 있는 기술을 확보할 수 있고, 초음파 기반 마찰전기 에너지 발전 소자의 고출력 유지를 위한 새로운 방법을 제시한다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 강유전 복합체를 이용한 초음파 기반 마찰전기 발전소자의 개략도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 강유전 복합체를 이용한 초음파 기반 마찰전기 발전소자의 개략도이다.
도 5는 초음파에 의한 분극 유도 및 유지를 통한 장기간 안정한 구동 특성을 갖는 초음파 기반 마찰전기 에너지 발전 소자 구조 및 작동원리를 도시한다.
도 6은 강유전성 나노복합체에 초음파를 인가한 후의 윗면, 초음파를 인가하지 않은 면, 초음파를 인가한 후의 아랫면의 표면 포텐셜을 도시한다.
도 7은 초음파 구동 발전 소자의 실제 사진 및 전기적 출력을 도시한다.
다양한 실시예들이 이제 도면을 참조하여 설명되며, 전체 도면에서 걸쳐 유사한 도면번호는 유사한 엘리먼트를 나타내기 위해서 사용된다. 설명을 위해 본 명세서에서, 다양한 설명들이 본 발명의 이해를 제공하기 위해서 제시된다. 그러나 이러한 실시예들은 이러한 특정 설명 없이도 실행될 수 있음이 명백하다. 다른 예들에서, 공지된 구조 및 장치들은 실시예들의 설명을 용이하게 하기 위해서 블록 다이아그램 형태로 제시된다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 강유전 복합체를 이용한 초음파 기반 마찰전기 발전소자의 개략도이다.
도 5는 초음파에 의한 분극 유도 및 유지를 통한 장기간 안정한 구동 특성을 갖는 초음파 기반 마찰전기 에너지 발전 소자 구조 및 작동원리를 도시한다.
도 6은 강유전성 나노복합체에 초음파를 인가한 후의 윗면, 초음파를 인가하지 않은 면, 초음파를 인가한 후의 아랫면의 표면 포텐셜을 도시한다.
도 7은 초음파 구동 발전 소자의 실제 사진 및 전기적 출력을 도시한다.
다양한 실시예들이 이제 도면을 참조하여 설명되며, 전체 도면에서 걸쳐 유사한 도면번호는 유사한 엘리먼트를 나타내기 위해서 사용된다. 설명을 위해 본 명세서에서, 다양한 설명들이 본 발명의 이해를 제공하기 위해서 제시된다. 그러나 이러한 실시예들은 이러한 특정 설명 없이도 실행될 수 있음이 명백하다. 다른 예들에서, 공지된 구조 및 장치들은 실시예들의 설명을 용이하게 하기 위해서 블록 다이아그램 형태로 제시된다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명은 초소형의 초음파 기반 마찰전기 에너지 발전 소자로 장기간 안정적으로 인체삽입형 기기를 충전할 수 있는 기술을 확보할 수 있고, 초음파 기반 마찰전기 에너지 발전 소자의 고출력 유지를 위한 새로운 방법을 개시한다. 이를 위해 본 발명은 강유전성을 가진 인체 적합성 고분자 나노복합체를 이용하여 제작된 초음파 기반 마찰전기 에너지 발전 소자와 초음파를 발생시키는 초음파 탐촉자를 포함하고, 특히 본 발명은 초음파 기반 마찰전기 에너지 발전 소자에 그 특징이 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 강유전 복합체를 이용한 초음파 기반 마찰전기 발전소자의 개략도이다.
도 1을 살펴보면, 본 발명의 일 실시예에 따른 강유전 복합체를 이용한 초음파 기반 마찰전기 발전소자는, 전도성 물질로 이루어져 제 1 전극 역할을 수행하는 제 1 마찰 대전체층(10); 상기 제 1 마찰 대전체층의 마찰면과 서로 대향하며 이격되어 배치되며 강유전 복합체로 이루어진 제 2 마찰 대전체층(20); 및 상기 제 1 마찰 대전체층과 상기 제 2 마찰 대전체층을 일부 또는 전부 둘러싸는 외벽부(30)를 포함한다. 이 경우 제 1 마찰 대전체층과 제 2 마찰 대전체층의 위치는 무관함은 당업자에게 자명하다.
강유전 복합체는 고분자 상에 강유전성 입자가 포함되어 있는 형태이다. 도 5에서와 같이 강유전 입자가 고분자 상에 삽입되어 포함되어 있는 형태를 갖는다. 마찰전기 발전소자로의 구동을 위해 강유전체에 미리 전기장을 인가하여 분극화를 시켜서 이용을 하게 된다. 한편, 고분자는 강유전성 고분자가 이용되는 것이 바람직하다.
강유전성 고분자 매트릭스는 P(VDF-TrFE), PVDF, P(VDF-TrFE-CFE), P(VDF-TrFE-CTFE)가 사용될 수 있고, 강유전성 세라믹은 BTO(Barium titanate), KNN(Potassium-sodium niobate), LN(Lithium niobate), BFO(Bismuth ferrite) 등이 사용될 수 있다.
본 발명에서는 초음파를 인가하여 강유전성 입자의 분극을 유지시켜 마찰전기 발전 소자의 고출력을 유지시킨다. 초음파는 유체 내에 존재하는 가스 뉴클레이(gas nuclei)로부터 어쿠스틱 캐비테이션 버블(acoustic cavitation bubble)을 형성하고 이들의 붕괴를 야기한다. 어쿠스틱 캐비테이션 버블들의 붕괴는 매우 높은 압력(~100Mpa)과 전기장(~100kV/m)을 발생시킬 수 있다.
위의 원리는 폴리머-파티클 복합체에서도 활용 될 수 있다. 고분자와 입자 사이의 계면에서 두 물질 사이의 어쿠스틱 임피던스(Acoustic impedance) 차이로 인해 순간적으로 압력이 집중되며 압력에 의한 전기장을 발생시킨다. 이로 인해, 결함 내에 전기장에 의한 전하가 트랩되어 더 강한 분극이 형성되고, 또한 초음파에 의해 발생한 전기장은 기존에 형성된 분극을 유지시키는 역할도 수행한다.
즉, 본 발명의 강유전 복합체를 이용한 초음파 기반 마찰전기 발전소자에 초음파가 인가되는 경우 상기 제 1 마찰 대전체층 및 상기 제 2 마찰 대전체층은 서로 접촉 및 비접촉을 반복하여 마찰 전기를 발생시켜 마찰 전기를 발생시키는 작동 이외에, 초음파가 인가되는 경우 전기장이 발생되어 강유전성 입자의 분극을 유지시켜 마찰 전기의 출력을 유지시킬 수 있게 된다.
또한, 도 2에서 보는 것처럼 제 2 마찰 대전체층(20)의 마찰면(제 1 마찰 대전체층과 대향하는 면)의 반대면에 제 2 전극(25)을 추가로 포함할 수 있다.
외벽부(30)는 제 1 마찰 대전체층과 제 2 마찰 대전체층을 도 1 및 도 2와 같이 전부 둘러쌀 수도 있고, 도 5와 같이 일부분만 둘러쌀 수도 있다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 강유전 복합체를 이용한 초음파 기반 마찰전기 발전소자의 개략도이다. 도 3 및 도 4의 실시예는 제 1 마찰 대전체층이 전도성 물질로써 제 1 전극 역할을 동시에 수행하는 도 1 및 도 2와 다르게 제 1 마찰 대전체층이 전도성 물질이 아니고 별도의 제 1 전극(15)을 추가로 포함하고 있다는 점이다. 그 이외에는 모든 내용이 도 1 및 도 2의 실시예와 동일 유사하므로 반복 설명은 생략하도록 하겠다.
본 발명의 추가적인 실시예에 따른 강유전 복합체를 이용한 초음파 기반 마찰전기 발전소자는, 제 1 마찰 대전체층(10)과 상기 제 1 마찰 대전체층 상의 제 1 전극(15); 상기 제 1 마찰 대전체층의 마찰면과 서로 대향하며 이격되어 배치되며 강유전 복합체로 이루어진 제 2 마찰 대전체층(20); 및 상기 제 1 마찰 대전체층과 상기 제 2 마찰 대전체층을 일부 또는 전부 둘러싸는 외벽부(30)를 포함하고, 상기 강유전 복합체는 고분자 상에 강유전성 입자가 포함되어 있는 형태이며, 초음파가 인가되는 경우 상기 제 1 마찰 대전체층 및 상기 제 2 마찰 대전체층은 서로 접촉 및 비접촉을 반복하여 마찰 전기를 발생시키고, 초음파가 인가되는 경우 전기장이 발생되어 강유전성 입자의 분극을 유지시켜 마찰 전기의 출력을 유지시킨다.
초음파가 인가되는 경우 전기장이 발생되어 강유전성 입자의 분극을 유지시켜 마찰 전기의 출력을 유지시키는 것은, 초음파가 인가될 때 고분자와 강유전성 입자 사이의 계면에서 두 물질 사이의 어쿠스틱 임피던스차이로 압력이 집중되어 압력에 의한 전기장이 발생되고, 결함 내에 전기장에 의한 전하가 트랩되어 강한 분극이 형성되며 초음파에 의해 발생된 전기장이 기존에 형성된 강유전성 입자의 분극을 유지시킴에 의해 이루어진다.
상기 고분자는 강유전성 고분자를 포함하고, 상기 강유전성 입자는 분극 처리가 수행된 것이다.
상기 제 2 마찰 대전체층의 마찰면의 반대면에 제 2 전극을 추가로 포함할 수 있으며, 도 4는 제 2 마찰 대전체층(20)의 마찰면의 반대면에 제 2 전극(25)을 추가로 포함하는 실시예를 도시한다.
본 발명은 위에서 설명한 강유전 복합체를 이용한 초음파 기반 마찰전기 발전소자를 포함하는 인체 삽입형 기기의 충전을 위한 인체 삽입형 마찰전기 발전소자를 제공할 수 있다. 이러한 인체 삽입형 마찰전기 발전소자는 인체 삽입 후 외부에서 초음파를 인가하여 상기 강유전 복합체를 이용한 초음파 기반 마찰전기 발전소자에서 전기장을 발생시켜 강유전성 입자의 분극을 유지시켜 출력의 유지가 가능하다.
한편 본 발명의 부품들은 인체 삽입형으로 이용되기 때문에 인체 내부에서 생분해성 또는 시한성 특성을 갖는 소재들로 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명의 전극 물질은 생분해성 금속 또는 전도성 고분자가 이용될 수 있다. 이러한 생분해성 금속의 예로는 Mg, Mo와 같은 생체에서 분해 가능한 금속 물질이 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 본 발명의 외벽부는 다공성 시한성 소재로 이루어진 것이 이용될 수 있다. 다공성 시한성 소재는 예를 들어 다공성 생분해성 고분자가 이용될 수 있으며, PHBV, PLA, PCL 등이 이용 가능하나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이러한 다공성 시한성 소재는 다공성 물질에 초음파가 인가되면 다공성 물질의 매트릭스와 매트릭스 사이에 존재하는 공기층의 음파 저항성 차이가 크기 때문에 초음파 에너지가 공기층 내부에 집중되는 현상이 발생된다. 그러나 낮은 세기를 갖는 초음파를 인가하면 다공성 물질의 공기층에 집중된 초음파 에너지가 크지 않기 때문에 분해되지 않는 반면, 인체에 무해한 수준이지만 높은 세기를 갖는 초음파를 인가하면 공기층 내부에 집중된 초음파 에너지가 크기 때문에 음파로 인한 압력이 다공성 물질의 매트릭스에 인가되어 공기층을 중심으로 다공성 시한성 소재가 분해된다. 본 발명에서는 이 점을 이용하여 초음파 선택적 반응 시한성 소재를 다공성 시한성 소재로 이루어진 외벽으로 이용하여, 인체에 삽입한 후 분극을 유지시키기 위한 전기장 발생을 위해서는 낮은 세기를 갖는 초음파를 인가하여 진행하고, 사용 완료 이후에는 높은 세기를 갖는 초음파를 인가하여 마찰전기 발전소자를 인체 내부에서 생분해 시킬 수 있다. 즉, 다공성 시한성 소재는 분해가 시작되는 임계 초음파 세기 이상의 세기의 초음파 인가시 분해가 이루어지는 초음파 선택적 반응 시한성 소재이고, 상기 임계 초음파 세기 미만의 초음파 인가시에는 상기 전극부 및 상기 마찰부는 서로 이격된 채로 배치된 상태에서 초음파의 인가에 의해 서로 접촉 및 비접촉을 반복하여 마찰 전기를 발생시키고, 상기 임계 초음파 세기 이상의 초음파 인가시에는 상기 다공성 시한성 소재로 이루어진 외벽부가 분해될 수 있다.
초음파 송신장치는 도 5에서 도면 부호 (50)으로 도시되고, 초음파를 발생하여 발생된 초음파를 송신할 수 있으며, 일반적으로 치료를 위해서 사용되는 경우 초음파의 주파수는 약 20kHz 내지 50kHz이고, 초음파의 세기는 약 1 W/cm2 의 초음파를 발생시킨다. 이 경우 다공성 시한성 소재가 분해되는 임계 초음파의 세기는 약 3 W/cm2 내지 5 W/cm2 이하이다.
이하에서는 구체적인 실시예와 함께 본 발명의 내용을 추가적으로 설명하도록 하겠다.
도 5는 초음파에 의한 분극 유도 및 유지를 통한 장기간 안정한 구동 특성을 갖는 초음파 기반 마찰전기 에너지 발전 소자 구조 및 작동원리를 도시한다. 도 5의 경우 금(gold)으로 이루어진 제 1 전극(10); 강유전성 나노 복합체(20); 외벽부(30); 및 초음파 발생기(50)를 도시한다. 외벽부(30)는 내부 부품을 일부만 감싸는 형태로 배치되어 있다. (40)은 기판을 도시한다. 강유전성 나노복합체의 경우 강유전성 고분자 매트릭스 P(VDF-TrFE)에 강유전성 세라믹 BTO(Barium titanate)를 섞어 제작하였고, 분극이 이루어진 모습을 도시한다.
DC 폴링(poling)을 통해 분극이 형성된 강유전성 나노복합체를 활성 영역(Active area)가 8mm x 8mm인 초소형의 초음파 기반 마찰전기 에너지 발전 소자의 마찰 물질로 쓸 경우, 나노복합체 내 전기 쌍극자의 분극이 더 많은 표면전하를 유도하여 인체삽입형 의료기기를 충전하는데 충분한 에너지를 발전할 수 있었다. 기존의 4cm x 4cm 크기의 초음파 기반 마찰전기 에너지 발전 소자의 발전 수준과 유사하면서 1cm x 1cm 크기로 구동 안정성 특성까지 확보 가능한 기술을 제안하고자 한 것이다.
본 발명의 기술적인 타당성을 KPFM을 통하여 표면 포텐셜을 측정함으써 실험적으로 증명하였다.
도 6은 강유전성 나노복합체에 초음파를 인가한 후의 윗면, 초음파를 인가하지 않은 면, 초음파를 인가한 후의 아랫면의 표면 포텐셜을 도시한다. 도 6은 강유전성 나노복합체 필름에 초음파를 1W/cm2의 세기로 1시간 동안 인가한 후 필름의 윗면과 아랫면의 표면 포텐셜을 초음파를 인가하지 않은 필름의 표면 포텐셜과 비교한 데이터로서, 표면 포텐셜 비교를 통해 도 5와 같이 분극이 유도됨을 확인하였다.
도 7은 초음파 구동 발전 소자의 실제 사진 및 전기적 출력을 도시한다. 도 7은 1cm × 1cm 크기의 초음파 구동 발전 소자의 실제 사진과 20kHz의 주파수를 갖는 초음파를 1W/cm2의 세기로 인가하였을 때, 발전하는 전압을 측정한 데이터이다. RMS값 기준으로, 35.52V를 발전하는 것으로 확인하였다. 이를 기존 초음파 기반 마찰전기 발전소자의 출력과 비교할 경우, 면적이 16배 감소하고 초음파 세기가 3배 감소했음에도 출력이 약 2.6배 증가하여 에너지 변환 효율이 125배 증가함을 확인하였다.
외부 초음파로 발생시킨 압력과 전기장을 통해 장기간 분극 유지 안정성이 확보된 초음파 기반 마찰전기 에너지 발전 소자는 심박동기와 같이 주기적 배터리 교체가 필요한 인체삽입형 의료기기의 배터리 충전용 에너지 발전 소자로 활용 가능하다는 점에서 기술적 의미가 클 것으로 기대된다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
Claims (10)
- 전도성 물질로 이루어져 제 1 전극 역할을 수행하는 제 1 마찰 대전체층;
상기 제 1 마찰 대전체층의 마찰면과 서로 대향하며 이격되어 배치되며 강유전 복합체로 이루어진 제 2 마찰 대전체층; 및
상기 제 1 마찰 대전체층과 상기 제 2 마찰 대전체층을 일부 또는 전부 둘러싸는 외벽부를 포함하고,
상기 강유전 복합체는 고분자 상에 강유전성 입자가 포함되어 있는 형태이며,
초음파가 인가되는 경우 상기 제 1 마찰 대전체층 및 상기 제 2 마찰 대전체층은 서로 접촉 및 비접촉을 반복하여 마찰 전기를 발생시키고,
초음파가 인가되는 경우 전기장이 발생되어 강유전성 입자의 분극을 유지시켜 마찰 전기의 출력을 유지시키는,
강유전 복합체를 이용한 초음파 기반 마찰전기 발전소자.
- 제 1 항에 있어서,
상기 초음파가 인가되는 경우 전기장이 발생되어 강유전성 입자의 분극을 유지시켜 마찰 전기의 출력을 유지시키는 것은,
초음파가 인가될 때 고분자와 강유전성 입자 사이의 계면에서 두 물질 사이의 어쿠스틱 임피던스(acoustic impedance)차이로 압력이 집중되어 압력에 의한 전기장이 발생되고, 결함 내에 전기장에 의한 전하가 트랩(trap)되어 강한 분극이 형성되며 초음파에 의해 발생된 전기장이 기존에 형성된 강유전성 입자의 분극을 유지시킴에 의해 이루어지는,
강유전 복합체를 이용한 초음파 기반 마찰전기 발전소자.
- 제 1 항에 있어서,
상기 고분자는 강유전성 고분자를 포함하고,
상기 강유전성 입자는 분극 처리가 수행된 것인,
강유전 복합체를 이용한 초음파 기반 마찰전기 발전소자.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 마찰 대전체층의 마찰면의 반대면에 제 2 전극을 추가로 포함하는,
강유전 복합체를 이용한 초음파 기반 마찰전기 발전소자.
- 제 1 마찰 대전체층과 상기 제 1 마찰 대전체층 상의 제 1 전극;
상기 제 1 마찰 대전체층의 마찰면과 서로 대향하며 이격되어 배치되며 강유전 복합체로 이루어진 제 2 마찰 대전체층; 및
상기 제 1 마찰 대전체층과 상기 제 2 마찰 대전체층을 일부 또는 전부 둘러싸는 외벽부를 포함하고,
상기 강유전 복합체는 고분자 상에 강유전성 입자가 포함되어 있는 형태이며,
초음파가 인가되는 경우 상기 제 1 마찰 대전체층 및 상기 제 2 마찰 대전체층은 서로 접촉 및 비접촉을 반복하여 마찰 전기를 발생시키고,
초음파가 인가되는 경우 전기장이 발생되어 강유전성 입자의 분극을 유지시켜 마찰 전기의 출력을 유지시키는,
강유전 복합체를 이용한 초음파 기반 마찰전기 발전소자.
- 제 5 항에 있어서,
상기 초음파가 인가되는 경우 전기장이 발생되어 강유전성 입자의 분극을 유지시켜 마찰 전기의 출력을 유지시키는 것은,
초음파가 인가될 때 고분자와 강유전성 입자 사이의 계면에서 두 물질 사이의 어쿠스틱 임피던스차이로 압력이 집중되어 압력에 의한 전기장이 발생되고, 결함 내에 전기장에 의한 전하가 트랩되어 강한 분극이 형성되며 초음파에 의해 발생된 전기장이 기존에 형성된 강유전성 입자의 분극을 유지시킴에 의해 이루어지는,
강유전 복합체를 이용한 초음파 기반 마찰전기 발전소자.
- 제 5 항에 있어서,
상기 고분자는 강유전성 고분자를 포함하고,
상기 강유전성 입자는 분극 처리가 수행된 것인,
강유전 복합체를 이용한 초음파 기반 마찰전기 발전소자.
- 제 5 항에 있어서,
상기 제 2 마찰 대전체층의 마찰면의 반대면에 제 2 전극을 추가로 포함하는,
강유전 복합체를 이용한 초음파 기반 마찰전기 발전소자.
- 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 강유전 복합체를 이용한 초음파 기반 마찰전기 발전소자를 포함하는, 인체 삽입형 기기의 충전을 위한 인체 삽입형 마찰전기 발전소자.
- 제 9 항에 있어서,
인체 삽입 후 외부에서 초음파를 인가하여 상기 강유전 복합체를 이용한 초음파 기반 마찰전기 발전소자에서 전기장을 발생시켜 강유전성 입자의 분극을 유지시켜 출력의 유지가 가능한,
인체 삽입형 기기의 충전을 위한 인체 삽입형 마찰전기 발전소자.
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| Enhanced Ferroelectric-Nanocrystal-Based Hybrid Photocatalysis by Ultrasonic-Wave-Generated Piezophototronic Effect, Haidong Li 외8, Nano Lett. 2015 (2015.03.24. 공개)* * |
| Ferroelectric Multilayer Nanocomposites with Polarization and Stress Concentration Structures for Enhanced Triboelectric Performances, Yoojeong Park 외8, ACS Nano 2020 (2020.06.05. 공개)* * |
| Ultrasound-induced wireless energy harvesting: From materials strategies to functional applications Laiming Jiang, 외3, Nano Energy 77 (2020.07.22. 공개)* * |
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