KR20240072400A - Hybrid energy harvester and Fabrication of Hybrid energy harvester - Google Patents
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Abstract
본 발명은 하이브리드 물방울 에너지 하베스터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 에너지 하베스터로서, 유연기판; 상기 유연기판과 특정간격 이격되는 제1유전체필름; 상기 제1유전체필름 상에 부착되는 제1전극필름; 상기 제1전극필름 상에 부착되는 제1음전하대전필름; 상기 제1음전하대전필름과 이격되는 제2전극필름; 및상기 제2전극필름 상에 부착되는 제2유전체필름;을 포함하여, 물방울의 전기적 에너지와 역학적 에너지를 동시에 수확할 수 있는 3차원 구조의 하이브리드 물방울 에너지 하베스터에 관한 것이다. The present invention relates to a hybrid water droplet energy harvester, and more specifically, as an energy harvester, comprising: a flexible substrate; a first dielectric film spaced apart from the flexible substrate at a specific distance; A first electrode film attached to the first dielectric film; A first negatively charged film attached to the first electrode film; a second electrode film spaced apart from the first negatively charged film; and a second dielectric film attached on the second electrode film. It relates to a hybrid water droplet energy harvester with a three-dimensional structure that can simultaneously harvest the electrical energy and mechanical energy of water droplets.
Description
본 발명은 하이브리드 에너지 하베스터 및 그 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 물방울의 전기적 에너지와 역학적 에너지를 동시에 수확할 수 있는 3차원 구조의 하이브리드 물방울 에너지 하베스터에 대한 것이다. The present invention relates to a hybrid energy harvester and a method of manufacturing the same. More specifically, it is about a hybrid water droplet energy harvester with a three-dimensional structure that can simultaneously harvest the electrical and mechanical energy of water droplets.
기존의 물방울 에너지 하베스터는 물의 거동에 의해 발생하는 한 가지의 에너지만을 수확하는데, droplet-based electricity generator (DEG)는 고체와 충돌된 물방울의 전기적 에너지만을 수확한다. Existing droplet energy harvesters harvest only one type of energy generated by the movement of water, while the droplet-based electricity generator (DEG) harvests only the electrical energy of water droplets colliding with a solid.
이와 반대로, solid-solid triboelectric nanogenerator (S-S TENG)는 낙하하는 물방울의 역학적 에너지만을 수확한다. 따라서, 기존의 물방울 에너지 하베스터는 하나의 에너지를 수확하는 동안, 또 다른 에너지를 소산시킨다는 제한점이 있다. In contrast, the solid-solid triboelectric nanogenerator (S-S TENG) harvests only the mechanical energy of falling water droplets. Therefore, the existing water droplet energy harvester has a limitation in that it dissipates another energy while harvesting one energy.
즉, 기존의 에너지 하베스터는 목표로 하는 에너지원 중 단 한 가지의 에너지를 수확한다. In other words, existing energy harvesters harvest energy from only one of the targeted energy sources.
특히, 물방울은 전기적 에너지와 역학적 에너지를 동시에 가지지만, 기존 물방울 에너지 하베스터는 각각의 에너지만을 수확한다. In particular, water droplets have both electrical energy and mechanical energy, but existing water droplet energy harvesters harvest only each energy.
물방울의 에너지를 수확하는 대표적인 장치인 DEG는 물방울의 표면 접촉에 의해 발생하는 전기적 에너지만을 수확한다. 이와 달리, 역학적 에너지를 수확하는 대표적인 장치인 S-S TENG의 경우에는 물방울의 전기적 에너지가 소산된다.DEG, a representative device that harvests the energy of water droplets, harvests only the electrical energy generated by water droplet contact with the surface. In contrast, in the case of S-S TENG, a representative device for harvesting mechanical energy, the electrical energy of the water droplets is dissipated.
따라서 이러한 물방울의 전기적 에너지와 역학적 에너지를 모두 수집할 수 있는 하이브리드 에너지 하베스터의 개발이 요구된다. Therefore, the development of a hybrid energy harvester that can collect both the electrical and mechanical energy of these water droplets is required.
따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 실시예에 따르면, 떨어지는 물방울의 전기적 에너지와 역학적 에너지의 동시 수확을 위한 3차원 구조의 하이브리드 물방울 에너지 하베스터를 제공하는데 목적이 있다. Therefore, the present invention was devised to solve the above-described conventional problems, and according to an embodiment of the present invention, it provides a hybrid water droplet energy harvester with a three-dimensional structure for simultaneous harvesting of the electrical energy and mechanical energy of falling water droplets. There is a purpose.
본 발명의 실시예에 따르면, DEG와 S-S TENG의 하이브리드된 시스템을 제시하여, 물방울의 전기적 에너지와 역학적 에너지를 동시에 수확할 수 있고, 또한, 시스템을 제작하는 과정에서 기계적 좌굴을 이용한 3차원 구조를 활용함으로써, 기존 S-S TENG의 필수 구성 요소인 스페이서가 불필요해지며, S-S TENG의 두 층간 갭 조절이 가능한, 하이브리드 에너지 하베스터 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다. According to an embodiment of the present invention, a hybrid system of DEG and S-S TENG is presented, which can simultaneously harvest the electrical energy and mechanical energy of water droplets, and also creates a three-dimensional structure using mechanical buckling during the manufacturing process of the system. By using it, the spacer, which is an essential component of the existing S-S TENG, becomes unnecessary, and the purpose is to provide a hybrid energy harvester and its manufacturing method that can adjust the gap between the two layers of the S-S TENG.
본 발명의 실시예에 따르면, 하나의 물방울로 물방울의 전기적 에너지와 역학적 에너지를 동시에 수확하기 때문에, 물방울의 단위 체적당 에너지 효율을 증가시킬 수 있는, 하이브리드 에너지 하베스터 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다. According to an embodiment of the present invention, the object is to provide a hybrid energy harvester and a method of manufacturing the same, which can increase energy efficiency per unit volume of a water droplet by simultaneously harvesting the electrical energy and mechanical energy of the water droplet with a single water droplet. There is.
그리고 본 발명의 실시예에 따르면, 떨어지는 물방울이 DEG에 접촉함과 동시에 S-S TENG의 접촉층과 상대층이 접촉함으로써 물방울의 전기적 에너지와 역학적 에너지를 한 번에 수확할 수 있고, 시스템을 제작하는 과정에서 기계적 좌굴을 이용한 3차원 구조를 활용함으로써, 기존 S-S TENG의 필수 구성 요소인 스페이서가 불필요해지며, S-S TENG의 두 층간 갭 조절이 가능하므로 물방울에 대한 시스템의 민감도를 조절할 수 있기 때문에 외부 환경에 대한 유동적 제어가 가능할 수 있고, 더불어, 3차원 구조 제작과정을 통해서 장치의 대량 제작이 가능한, 하이브리드 에너지 하베스터 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다. And according to an embodiment of the present invention, the electrical energy and mechanical energy of the water droplet can be harvested at the same time by contacting the contact layer and the counterpart layer of the S-S TENG at the same time as the falling water droplet contacts the DEG, and the process of manufacturing the system By utilizing a three-dimensional structure using mechanical buckling, the spacer, which is an essential component of the existing S-S TENG, becomes unnecessary, and the gap between the two layers of the S-S TENG can be adjusted, making it possible to adjust the sensitivity of the system to water droplets, thus protecting it from the external environment. The purpose is to provide a hybrid energy harvester and a method of manufacturing the same that can be used to dynamically control the energy harvester and mass-manufacture the device through a three-dimensional structure manufacturing process.
또한 본 발명의 실시예에 따르면, 물방울이 가지는 전기적 에너지와 역학적 에너지를 동시에 수확하여 전기적 에너지로 활용할 수 있어 무선 소형 전자기기들의 전력 공급을 위한 에너지 하베스터로 활용이 가능하며 또한, 물방울의 크기 등을 감지하는 자가발전 센서로도 활용이 가능한, 하이브리드 에너지 하베스터 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다. In addition, according to an embodiment of the present invention, the electrical energy and mechanical energy of water droplets can be simultaneously harvested and used as electrical energy, making it possible to use it as an energy harvester to supply power to wireless small electronic devices. In addition, the size of the water droplet, etc. The purpose is to provide a hybrid energy harvester and its manufacturing method that can also be used as a self-generating sensor.
기존 친환경 에너지 수확 장치의 제한점 중 하나는 대형화로 인한 면적 차지이다. 본 발명의 실시예에 따르면, DEG와 S-S TENG를 하나의 구조물에 통합하는 형태이기 때문에 동일 면적 대비 에너지 수확량의 증가를 기대할 수 있고 또한 물방울 체적당 에너지 효율을 높이는 데에도 기여할 수 있는, 하이브리드 에너지 하베스터 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다. One of the limitations of existing eco-friendly energy harvesting devices is the area they occupy due to their large size. According to an embodiment of the present invention, a hybrid energy harvester that integrates DEG and S-S TENG into one structure can be expected to increase energy harvest compared to the same area and can also contribute to increasing energy efficiency per water droplet volume. The purpose is to provide and a manufacturing method thereof.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 물방울 크기를 감지하는 자가발전 센서로도 활용이 가능하며, 물 뿐만이 아니라 다른 액체 방울의 출력을 감지함으로써, 크기 이외에 다른 물성을 측정할 수 있는 센서로 활용이 가능한, 하이브리드 에너지 하베스터 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다. In addition, according to an embodiment of the present invention, it can be used as a self-generating sensor that detects the size of water droplets, and by detecting the output of not only water but also other liquid droplets, it can be used as a sensor that can measure physical properties other than size. The purpose is to provide a possible hybrid energy harvester and its manufacturing method.
한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.Meanwhile, the technical problems to be achieved in the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned will be clearly apparent to those skilled in the art from the description below. It will be understandable.
본 발명의 제1목적은 에너지 하베스터로서, 유연기판; 상기 유연기판과 특정간격 이격되는 제1유전체필름; 상기 제1유전체필름 상에 부착되는 제1전극필름; 상기 제1전극필름 상에 부착되는 제1음전하대전필름; 상기 제1음전하대전필름과 이격되는 제2전극필름; 및 상기 제2전극필름 상에 부착되는 제2유전체필름;을 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스터로서 달성될 수 있다. The first object of the present invention is an energy harvester, comprising: a flexible substrate; a first dielectric film spaced apart from the flexible substrate at a specific interval; A first electrode film attached to the first dielectric film; A first negatively charged film attached to the first electrode film; a second electrode film spaced apart from the first negatively charged film; And a second dielectric film attached on the second electrode film. It can be achieved as an energy harvester characterized by comprising a.
그리고 상기 제1유전체 필름은 상기 제1전극필름이 부착되는 중단부와, 상기 유연기판에 접착되는 복수의 접착부와, 상기 중단부와 상기 접착부를 연결하는 연결단을 포함하며, 사전에 팽창시킨 상기 유연기판에 대해 상기 접착부를 상기 유연기판에 부착시키고, 상기 유연기판에 대한 팽창력을 제거하여 압축좌굴에 의해 상기 제1유전체필름을 상기 유연기판에 이격시키는 것을 특징으로 할 수 있다. And the first dielectric film includes a middle portion to which the first electrode film is attached, a plurality of adhesive portions bonded to the flexible substrate, and a connection end connecting the middle portion and the adhesive portion, and the pre-expanded The adhesive part may be attached to the flexible substrate, and the first dielectric film may be separated from the flexible substrate by compressive buckling by removing the expansion force on the flexible substrate.
또한 상기 제2유전체 필름은 상기 제2전극필름이 부착되는 중앙단과, 상기 유연기판에 접착되는 복수의 접착단과, 상기 중앙단과 상기 접착단을 연결하는 연결부를 포함하며, 사전에 팽창시킨 상기 유연기판에 대해 상기 접착단을 상기 유연기판에 부착시키고, 상기 유연기판에 대한 팽창력을 제거하여 압축좌굴에 의해 상기 제1유전체필름을 상기 유연기판에 이격시켜 상기 제1음전하 대전필름과 상기 제2전극필름을 이격시키는 것을 특징으로 할 수 있다. In addition, the second dielectric film includes a central end to which the second electrode film is attached, a plurality of adhesive ends adhered to the flexible substrate, and a connection part connecting the central end and the adhesive end, and the flexible substrate is pre-expanded. For example, the adhesive end is attached to the flexible substrate, the expansion force on the flexible substrate is removed, the first dielectric film is separated from the flexible substrate by compression buckling, and the first negatively charged film and the second electrode film are separated. It may be characterized as being spaced apart.
그리고 상기 유연기판에 가해지는 기 설정된 인장력의 크기, 상기 유연기판의 탄성력, 상기 제1유전체 필름과 상기 제2유전체 필름의 형상, 재료, 두께, 너비, 및 길이, 상기 연결단과 상기 연결부의 길이차이에 따라 상기 제2전극필름과 상기 제1음전하 대전필름 간 사이간격을 조절하는 것을 특징으로 할 수 있다. And the size of the preset tensile force applied to the flexible substrate, the elastic force of the flexible substrate, the shape, material, thickness, width, and length of the first dielectric film and the second dielectric film, and the difference in length between the connecting end and the connecting portion. It may be characterized in that the gap between the second electrode film and the first negatively charged film is adjusted according to.
또한 상기 제1음전하 대전필름은 FEP필름이고, 상기 제1유전체필름과 상기 제2유전체 필름은 PI필름인 것을 특징으로 할 수 있다. Additionally, the first negatively charged film may be a FEP film, and the first dielectric film and the second dielectric film may be PI films.
본 발명의 제2목적은 하이브리드 에너지 하베스터로서, 앞서 언급한 제1목적에 따른 에너지 하베스터; 제2유전체 필름 상에 부착되는 제3전극필름; 상기 제3전극필름 상에 부착되는 제2음전하 대전필름; 및 상기 제2음전하 대전필름 상면 일측에 구비되는 전극단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 에너지 하베스터로서 달성될 수 있다. The second object of the present invention is a hybrid energy harvester, which includes the energy harvester according to the first object mentioned above; a third electrode film attached to the second dielectric film; a second negatively charged film attached to the third electrode film; and an electrode provided on one side of the upper surface of the second negative charge charging film. It can be achieved as a hybrid energy harvester characterized by comprising a.
그리고 액체방울이 접촉하여 흐르는 경우, 상기 액체방울은 상기 제2음전하 대전필름에 접촉하여 분극화되어 제3전극필름으로부터 상기 전극단으로 양전하가 유도되고, 상기 액체방울이 떨어지면 상기 전극단에 유도된 양전하가 제3전극필름으로 흐르게 되어 전기에너지를 발생시키는 것을 특징으로 할 수 있다. And when a liquid droplet touches and flows, the liquid droplet is polarized in contact with the second negatively charged film and a positive charge is induced from the third electrode film to the electrode end. When the liquid droplet falls, the positive charge induced at the electrode end is It can be characterized by flowing through the three-electrode film to generate electrical energy.
또한 액체방울이 접촉하여 흐르는 경우, 액체방울에 의해 제2전극필름이 제1음전하 대전필름에 접촉하게 되면 제2전극필름은 양전하로 대전되고 복원력에 의해 제2전극필름과 제1음전하 대전필름이 이격되면 제2전극필름의 양전하가 제1전극필름으로 유도되며 전기에너지를 발생시키는 것을 특징으로 할 수 있다. In addition, when liquid droplets contact and flow, when the second electrode film comes into contact with the first negatively charged film by the liquid droplet, the second electrode film is positively charged and the second electrode film and the first negatively charged film are separated by the restoring force. When this happens, the positive charge of the second electrode film is induced into the first electrode film and electrical energy is generated.
그리고 상기 액체방울은 물방울인 것을 특징으로 할 수 있다. And the liquid droplets may be characterized as water droplets.
또한 상기 제2음전하 대전필름은 FEP필름인 것을 특징으로 할 수 있다. Additionally, the second negatively charged film may be a FEP film.
본 발명의 제3목적은 에너지 하베스터의 제조방법에 있어서, 커팅기를 통해, 중단부와 복수의 접착부와, 중단부와 복수의 접착부 각각을 연결하는 연결단을 갖는 2D패턴의 제1유전체 필름과, 중앙단과 복수의 접착단와, 중앙단과 복수의 접착단 각각을 연결하는 연결부를 갖는 2D패턴의 제2유전체 필름 제작하는 단계; 상기 제1유전체 필름 상에 제1전극필름을 부착하고 상기 제1전극필름 상에 제1음전하 대전필름을 부착하며, 상기 제2유전체 필름 하면에 제2전극필름을 부착하는 단계; 기 설정된 인장력 만큼 인장된 유연기판에 상기 접착부 각각을 접착하고, 상기 접착단 각각을 접착시키는 단계; 상기 기 설정된 인장력을 해제하여 상기 2D패턴 구조에 압축력이 가해지면서 기계적 좌굴에 의해 제1유전체 필름과 상기 유연기판 사이가 이격되고, 상기 제1음전하 대전필름과 상기 제2전극필름 사이가 이격되어 3D 구조가 생성되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 에너지 하베스터의 제조방법으로서 달성될 수 있다. A third object of the present invention is a method of manufacturing an energy harvester, comprising: a first dielectric film of a 2D pattern having a middle portion and a plurality of adhesive portions and a connection end connecting each of the middle portions and the plurality of adhesive portions through a cutting machine; Manufacturing a second dielectric film in a 2D pattern having a central end, a plurality of adhesive ends, and a connection portion connecting the central end and the plurality of adhesive ends, respectively; attaching a first electrode film to the first dielectric film, attaching a first negative charging film to the first electrode film, and attaching a second electrode film to a lower surface of the second dielectric film; Bonding each of the adhesive portions to a flexible substrate stretched by a preset tensile force and bonding each of the adhesive ends to a flexible substrate; When the preset tensile force is released and a compressive force is applied to the 2D pattern structure, the space between the first dielectric film and the flexible substrate is separated by mechanical buckling, and the first negative charge film and the second electrode film are spaced apart to form a 3D pattern. It can be achieved as a method of manufacturing a hybrid energy harvester, comprising the step of generating a structure.
그리고 상기 부착하는 단계에서, 제2유전체 필름 상에 제3전극필름을 부착하고, 상기 제3전극필름 상에 제2음전하 대전필름을 부착하며, 상기 제2음전하 대전필름 상면 일측에 전극단을 부착하는 것을 특징으로 할 수 있다. In the attaching step, a third electrode film is attached to the second dielectric film, a second negative charge film is attached to the third electrode film, and an electrode end is attached to one side of the upper surface of the second negative charge film. It can be characterized as:
또한 상기 유연기판과 상기 접착부, 및 상기 유연기판과 상기 접착단은 플라즈마 처리에 의해 접합되는 것을 특징으로 할 수 있다. Additionally, the flexible substrate and the adhesive portion, and the flexible substrate and the adhesive end may be bonded by plasma treatment.
그리고 상기 제1음전하 대전필름과 상기 제2음전하 대전필름은, 음전하 주입 피가공재료를 전극판 하에서, 고전압이 인가되는 고전압 핀에 의해 상기 피가공재료 주위의 유체를 이온화하여, 생성된 이온들이 전기장에 의해 상기 피가공재료 주입되는 것을 특징으로 할 수 있다. And the first negative charge charging film and the second negative charge charging film ionize the fluid around the negative charge-injected material to be processed by a high voltage pin to which a high voltage is applied under the electrode plate, and the generated ions are generated in an electric field. It may be characterized in that the material to be processed is injected by.
또한 상기 피가공재료는 FEP필름이고, 상기 기판은 신축성 기판인 PDMS로 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다. Additionally, the processing material may be a FEP film, and the substrate may be composed of PDMS, a stretchable substrate.
그리고 상기 유연기판에 가해지는 기 설정된 인장력의 크기, 상기 유연기판의 탄성력, 상기 제1유전체 필름과 상기 제2유전체 필름의 형상, 재료, 두께, 너비, 및 길이, 상기 연결단과 상기 연결부의 길이차이에 따라 상기 제2전극필름과 상기 제1음전하 대전필름 간 사이간격을 조절하는 것을 특징으로 할 수 있다. And the size of the preset tensile force applied to the flexible substrate, the elastic force of the flexible substrate, the shape, material, thickness, width, and length of the first dielectric film and the second dielectric film, and the difference in length between the connecting end and the connecting portion. It may be characterized in that the gap between the second electrode film and the first negatively charged film is adjusted according to.
본 발명의 실시예에 따르면, 떨어지는 물방울의 전기적 에너지와 역학적 에너지의 동시 수확을 위한 3차원 구조의 하이브리드 물방울 에너지 하베스터를 제공할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, it is possible to provide a hybrid water droplet energy harvester with a three-dimensional structure for simultaneous harvesting of the electrical energy and mechanical energy of falling water droplets.
본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 에너지 하베스터 및 그 제조방법에 따르면, DEG와 S-S TENG의 하이브리드된 시스템을 제시하여, 물방울의 전기적 에너지와 역학적 에너지를 동시에 수확할 수 있고, 또한, 시스템을 제작하는 과정에서 기계적 좌굴을 이용한 3차원 구조를 활용함으로써, 기존 S-S TENG의 필수 구성 요소인 스페이서가 불필요해지며, S-S TENG의 두 층간 갭 조절이 가능한 효과를 갖는다.According to the hybrid energy harvester and its manufacturing method according to an embodiment of the present invention, a hybrid system of DEG and S-S TENG can be presented to simultaneously harvest the electric energy and mechanical energy of water droplets, and also the process of manufacturing the system By utilizing a three-dimensional structure using mechanical buckling, the spacer, which is an essential component of the existing S-S TENG, becomes unnecessary, and the gap between the two layers of the S-S TENG can be adjusted.
본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 에너지 하베스터 및 그 제조방법에 따르면, 하나의 물방울로 물방울의 전기적 에너지와 역학적 에너지를 동시에 수확하기 때문에, 물방울의 단위 체적당 에너지 효율을 증가시킬 수 있는 효과를 갖는다.According to the hybrid energy harvester and its manufacturing method according to an embodiment of the present invention, the electric energy and mechanical energy of the water droplet are harvested simultaneously with a single water droplet, so it has the effect of increasing energy efficiency per unit volume of the water droplet.
그리고 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 에너지 하베스터 및 그 제조방법에 따르면, 떨어지는 물방울이 DEG에 접촉함과 동시에 S-S TENG의 접촉층과 상대층이 접촉함으로써 물방울의 전기적 에너지와 역학적 에너지를 한 번에 수확할 수 있고, 시스템을 제작하는 과정에서 기계적 좌굴을 이용한 3차원 구조를 활용함으로써, 기존 S-S TENG의 필수 구성 요소인 스페이서가 불필요해지며, S-S TENG의 두 층간 갭 조절이 가능하므로 물방울에 대한 시스템의 민감도를 조절할 수 있기 때문에 외부 환경에 대한 유동적 제어가 가능할 수 있고, 더불어, 3차원 구조 제작과정을 통해서 장치의 대량 제작이 가능한 장점이 있다. And according to the hybrid energy harvester and its manufacturing method according to an embodiment of the present invention, the falling water droplets contact the DEG and at the same time the contact layer of the S-S TENG contacts the counterpart layer, harvesting the electrical energy and mechanical energy of the water droplets at the same time. By utilizing a three-dimensional structure using mechanical buckling in the process of manufacturing the system, spacers, which are an essential component of the existing S-S TENG, become unnecessary, and the gap between the two layers of the S-S TENG can be adjusted, making it possible to control the system against water droplets. Because the sensitivity can be adjusted, flexible control of the external environment is possible, and in addition, there is an advantage in that the device can be mass-manufactured through a three-dimensional structure manufacturing process.
또한 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 에너지 하베스터 및 그 제조방법에 따르면, 물방울이 가지는 전기적 에너지와 역학적 에너지를 동시에 수확하여 전기적 에너지로 활용할 수 있어 무선 소형 전자기기들의 전력 공급을 위한 에너지 하베스터로 활용이 가능하며 또한, 물방울의 크기 등을 감지하는 자가발전 센서로도 활용이 가능한 장점이 있다. In addition, according to the hybrid energy harvester and its manufacturing method according to an embodiment of the present invention, the electrical energy and mechanical energy of water droplets can be simultaneously harvested and used as electrical energy, so it can be used as an energy harvester to supply power to wireless small electronic devices. It is possible and has the advantage of being able to be used as a self-generating sensor that detects the size of water droplets.
기존 친환경 에너지 수확 장치의 제한점 중 하나는 대형화로 인한 면적 차지이다. 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 에너지 하베스터 및 그 제조방법에 따르면, DEG와 S-S TENG를 하나의 구조물에 통합하는 형태이기 때문에 동일 면적 대비 에너지 수확량의 증가를 기대할 수 있고 또한 물방울 체적당 에너지 효율을 높이는 데에도 기여할 수 있는 효과를 갖는다. One of the limitations of existing eco-friendly energy harvesting devices is the area they occupy due to their large size. According to the hybrid energy harvester and its manufacturing method according to an embodiment of the present invention, since DEG and S-S TENG are integrated into one structure, an increase in energy harvest can be expected compared to the same area and also increase energy efficiency per water droplet volume. It also has an effect that can contribute to
또한, 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 에너지 하베스터 및 그 제조방법에 따르면, 물방울 크기를 감지하는 자가발전 센서로도 활용이 가능하며, 물 뿐만이 아니라 다른 액체 방울의 출력을 감지함으로써, 크기 이외에 다른 물성을 측정할 수 있는 센서로 활용이 가능한 장점이 있다. In addition, according to the hybrid energy harvester and its manufacturing method according to an embodiment of the present invention, it can also be used as a self-generating sensor that detects the size of water droplets, and by detecting the output of not only water but also other liquid droplets, other physical properties other than size It has the advantage of being able to be used as a sensor that can measure .
특히, 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 물방울 에너지 하베스터는 물방울의 DEG 표면충돌과 동시에 TENG의 분리/접촉이 이뤄지기 때문에, 동시적(Synchronize)으로 전기적 에너지와 역학적 에너지를 수확할 수 있어, 이는 기존의 두 단위 이상의 에너지 하베스터의 동시 에너지 출력 문제를 해결할 수 있고, 이로 인해 물방울의 단위 체적당 에너지 하베스팅 효율을 증가시킬 수 있는 효과를 갖는다. In particular, the hybrid water droplet energy harvester according to an embodiment of the present invention can synchronize and harvest electrical energy and mechanical energy because the TENG is separated/contacted at the same time as the water droplet collides with the surface of the DEG. The problem of simultaneous energy output of two or more units of energy harvesters can be solved, and this has the effect of increasing energy harvesting efficiency per unit volume of water droplets.
기존 친환경 에너지 수확 장치의 제한점 중 하나는 대형화로 인한 면적 차지이다. 본 발명의 실시예에 따르면, DEG와 S-S TENG를 하나의 구조물에 통합하는 형태이기 때문에 동일 면적 대비 에너지 수확량의 증가를 기대할 수 있고 또한 물방울 체적당 에너지 효율을 높이는 데에도 기여할 수 있어 이에 따라, 차세대 물방울 에너지 수확장치에 대한 방향을 제시할 수 있을 것으로 예상된다One of the limitations of existing eco-friendly energy harvesting devices is the area they occupy due to their large size. According to an embodiment of the present invention, since DEG and S-S TENG are integrated into one structure, an increase in energy harvest can be expected compared to the same area, and it can also contribute to increasing energy efficiency per water droplet volume, thereby providing the next generation It is expected to provide direction for water droplet energy harvesting devices.
한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.Meanwhile, the effects that can be obtained from the present invention are not limited to the effects mentioned above, and other effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below. You will be able to.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 물방울 에너지 하베스터의 사시도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 물방울 에너지 하베스터의 제조방법의 흐름도,
도 3a는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 물방울 에너지 하베스터의 2D 전구체(precursor)의 분해 사시도,
도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 물방울 에너지 하베스터의 압축좌굴 전 분해 사시도,
도 3c는 압축좌굴에 의해 형성된 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 물방울 에너지 하베스터의 사시도,
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 물방울 에너지 하베스터에서 전기 에너지 수집부(DEG)에서의 전기 수집 메커니즘의 흐름도,
도 5a 내지 도 5e는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 물방울 에너지 하베스터에서 역학적 에너지 수집부(S-S TENG)에서의 전기 수집 메커니즘의 흐름도,
도 6a는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 물방울 에너지 하베스터에서 전기 에너지 수집부(DEG)의 출력 그래프,
도 6b는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 물방울 에너지 하베스터에서 역학적 에너지 수집부(S-S TENG)의 출력 그래프,
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 물방울 에너지 하베스터의 전체 출력 그래프를 도시한 것이다. The following drawings attached to this specification illustrate preferred embodiments of the present invention, and serve to further understand the technical idea of the present invention along with the detailed description of the invention, so the present invention is limited only to the matters described in such drawings. It should not be interpreted as such.
1 is a perspective view of a hybrid water droplet energy harvester according to an embodiment of the present invention;
Figure 2 is a flow chart of a manufacturing method of a hybrid water droplet energy harvester according to an embodiment of the present invention;
Figure 3a is an exploded perspective view of a 2D precursor of a hybrid water droplet energy harvester according to an embodiment of the present invention;
Figure 3b is an exploded perspective view before compression buckling of the hybrid water droplet energy harvester according to an embodiment of the present invention;
Figure 3c is a perspective view of a hybrid water droplet energy harvester according to an embodiment of the present invention formed by compression buckling;
4A to 4D are flow diagrams of the electricity collection mechanism in the electric energy collection unit (DEG) in the hybrid droplet energy harvester according to an embodiment of the present invention;
5A to 5E are flowcharts of the electricity collection mechanism in the mechanical energy collection unit (SS TENG) in the hybrid droplet energy harvester according to an embodiment of the present invention;
Figure 6a is a graph of the output of the electric energy collection unit (DEG) in the hybrid water droplet energy harvester according to an embodiment of the present invention;
Figure 6b is a graph of the output of the mechanical energy collection unit (SS TENG) in the hybrid droplet energy harvester according to an embodiment of the present invention;
Figure 7 shows an overall output graph of the hybrid water droplet energy harvester according to an embodiment of the present invention.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.The above objects, other objects, features and advantages of the present invention will be easily understood through the following preferred embodiments related to the attached drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided so that the disclosed content will be thorough and complete and so that the spirit of the present invention can be sufficiently conveyed to those skilled in the art.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.In this specification, when an element is referred to as being on another element, it means that it may be formed directly on the other element or that a third element may be interposed between them. Also, in the drawings, the thickness of components is exaggerated for effective explanation of technical content.
본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서 도면에서 예시된 영역들은 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.Embodiments described herein will be explained with reference to cross-sectional views and/or plan views, which are ideal illustrations of the present invention. In the drawings, the thicknesses of films and regions are exaggerated for effective explanation of technical content. Therefore, the shape of the illustration may be changed depending on manufacturing technology and/or tolerance. Accordingly, embodiments of the present invention are not limited to the specific form shown, but also include changes in form produced according to the manufacturing process. For example, an area shown as a right angle may be rounded or have a shape with a predetermined curvature. Accordingly, the regions illustrated in the drawings have properties, and the shapes of the regions illustrated in the drawings are intended to illustrate a specific shape of the region of the device and are not intended to limit the scope of the invention. In various embodiments of the present specification, terms such as first and second are used to describe various components, but these components should not be limited by these terms. These terms are merely used to distinguish one component from another. Embodiments described and illustrated herein also include complementary embodiments thereof.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.The terminology used herein is for describing embodiments and is not intended to limit the invention. As used herein, singular forms also include plural forms, unless specifically stated otherwise in the context. As used in the specification, 'comprises' and/or 'comprising' does not exclude the presence or addition of one or more other elements.
아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는데 있어 별 이유 없이 혼돈이 오는 것을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.In describing specific embodiments below, various specific details have been written to explain the invention in more detail and to aid understanding. However, a reader with sufficient knowledge in the field to understand the present invention can recognize that it can be used without these various specific details. In some cases, it is mentioned in advance that when describing the invention, parts that are commonly known but are not significantly related to the invention are not described in order to prevent confusion without any reason in explaining the invention.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 물방울 에너지 하베스터의 구성, 기능, 제조방법 및 전기 생성 메커니즘에 대해 설명하도록 한다.Hereinafter, the configuration, function, manufacturing method, and electricity generation mechanism of the hybrid water droplet energy harvester according to an embodiment of the present invention will be described.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 물방울 에너지 하베스터의 사시도를 도시한 것이다. 그리고 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 물방울 에너지 하베스터의 제조방법의 흐름도를 도시한 것이다. Figure 1 shows a perspective view of a hybrid water droplet energy harvester according to an embodiment of the present invention. And Figure 2 shows a flow chart of a manufacturing method of a hybrid water droplet energy harvester according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 물방울 에너지 하베스터(100)는 물방울(2)이 접촉되어 떨어지는 상황에서 물방울(2)의 전기적 에너지와 역학적 에너지를 하나의 유닛을 통해 동시에 수확할 수 있다. The hybrid water droplet energy harvester 100 according to an embodiment of the present invention can simultaneously harvest the electrical energy and mechanical energy of the
본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 물방울 에너지 하베스터(100)의 역학적 에너지 수집부(S-S TENG)(120)는 제1유전체필름(10), 제1전극필름(20), 제1음전하대전필름(30), 제2유전체필름(40), 제2전극필름(50)을 포함하여 구성될 수 있다. 또한 전기적 에너지 수집부(DEG)(110)는 제3전극필름(60)과 제2음전하대전필름(70)과 전극단(80)을 포함하여 구성될 수 있다. The mechanical energy collection unit (S-S TENG) 120 of the hybrid water droplet energy harvester 100 according to an embodiment of the present invention includes a first dielectric film 10, a
도 3a는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 물방울 에너지 하베스터의 2D 전구체(precursor)의 분해 사시도를 도시한 것이다. 그리고 도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 물방울 에너지 하베스터의 압축좌굴 전 분해 사시도를 도시한 것이다. 또한 도 3c는 압축좌굴에 의해 형성된 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 물방울 에너지 하베스터의 사시도를 도시한 것이다. Figure 3a shows an exploded perspective view of a 2D precursor of a hybrid droplet energy harvester according to an embodiment of the present invention. And Figure 3b shows an exploded perspective view of the hybrid water droplet energy harvester before compression buckling according to an embodiment of the present invention. Figure 3c also shows a perspective view of a hybrid water droplet energy harvester according to an embodiment of the present invention formed by compression buckling.
먼저, 2D패턴을 갖는 제1유전체필름(10)과 제2유전체필름(40)을 제작한다(S1). 제1유전체필름(10)과 제2유전체필름(40)은 PI(Polyimide)필름으로 구성될 수 있다. First, the first dielectric film 10 and the second dielectric film 40 having a 2D pattern are manufactured (S1). The first dielectric film 10 and the second dielectric film 40 may be composed of a PI (polyimide) film.
이러한 2D 패턴을 갖는 제1유전체필름(10)은 도 3a에 도시된 바와 같이, 사각 형태의 중단부(11)와, 중단부(11) 모서리 각각에 이격되어 배치되는 복수의 접착부(12) 그리고 중단부(11)와 접착부(12) 각각을 연결하는 연결단(13)을 포함하여 구성될 수 있음을 알 수 있다. As shown in FIG. 3A, the first dielectric film 10 having such a 2D pattern includes a square-shaped middle portion 11, a plurality of adhesive portions 12 spaced apart from each corner of the middle portion 11, and It can be seen that it may be configured to include a connection end 13 connecting each of the middle portion 11 and the adhesive portion 12.
또한, 2D 패턴을 갖는 제2유전체필름(40)도 도 3a에 도시된 바와 같이, 사각 형태의 중앙단(41)와, 중앙단(41) 모서리 각각에 이격되어 배치되는 복수의 접착단(42) 그리고 중앙단(41)와 접착단(42) 각각을 연결하는 연결부(43)을 포함하여 구성될 수 있음을 알 수 있다. In addition, as shown in FIG. 3A, the second dielectric film 40 having a 2D pattern has a square-shaped central end 41 and a plurality of adhesive ends 42 arranged at a distance from each other at the corners of the central end 41. ) And it can be seen that it can be configured to include a connection portion 43 connecting each of the central end 41 and the adhesive end 42.
그리고, 이러한 제1유전체필름(10)의 중단부 상면에 전도성테이프로 구성되는 제1전극필름(20)을 부착하고, 제1전극필름(20) 상에 제1음전하 대전필름(30)을 부착한다. Then, a
또한 제2유전체필름(40)의 중단부 하면에 전도성테이프로 구성되는 제2전극필름(50)을 부착하고, 상면에 전도성테이프로 구성되는 제3전극필름(60)을 부착한다. 그리고 제3전극필름(60) 상에 제2음전하 대전필름(70)을 부착하고, 제2음전하 대전필름(70) 상면 일측에 전극단을 부착한다(S2). Additionally, a
제1음전하 대전필름(30)과 제2음전하 대전필름(70)은 FEP필름으로 구성될 수 있다. The first negatively charged
제1, 제2음전하 대전필름(30,70)은, 음전하 주입 피가공재료를 전극판 하에서, 고전압이 인가되는 고전압 핀에 의해 피가공재료 주위의 유체를 이온화하여, 생성된 이온들이 전기장에 의해 피가공재료 주입되어 제조될 수 있음을 알 수 있다. 이러한 피가공재료는 FEP필름일 수 있다. The first and second negatively charged
구체적으로, 전극 위에 FEP 필름을 위치시키고, 고전압 발생기의 음극에 핀을 연결시키고, 양극에 전극을 연결시키게 된다. 그리고 고전압을 인가하면, 코로나 방전으로 인해 핀 주위 유체가 이온화되게 되며, 코로나 방전에 의해 생성된 이온들이 전기장에 의해 FEP필름에 인위적으로 주입되어 음전하 대전필름을 제작하게 된다. Specifically, the FEP film is placed on the electrode, the pin is connected to the cathode of the high voltage generator, and the electrode is connected to the anode. When a high voltage is applied, the fluid around the pin is ionized due to corona discharge, and the ions generated by the corona discharge are artificially injected into the FEP film by an electric field to produce a negatively charged film.
그리고 도 3b에 도시된 바와 같이, 기 설정된 인장력 만큼 인장된 유연기판(1)에(S3) 제1유전체필름(10)의 접착부(12) 각각을 접착하고, 제2유전체필름(40)의 접착단(42) 각각을 접착시키게 된다. 이는 플라즈마 처리에 의해 접착될 수 있다(S4). And, as shown in FIG. 3B, each of the adhesive portions 12 of the first dielectric film 10 is bonded to the flexible substrate 1 (S3) stretched by a preset tensile force, and the second dielectric film 40 is bonded. Each stage 42 is glued together. This can be bonded by plasma treatment (S4).
제1유전체필름(10)의 접착위치는 제2유전체필름(40) 보다 내측에 위치되며, 제1유전체필름(10)의 연결단(13)의 길이는 제2유전체필름(40)의 연결부(43) 보다 짧게 구성된다. 따라서 후에 설명되는 바와 같이, 압축좌굴 현상에 의해 3D구조가 형성될 때, 제1유전체필름(10)과 제2유전체필름(40) 간에 간극(gap)이 형성될 수 있게 된다.The adhesion position of the first dielectric film 10 is located inside the second dielectric film 40, and the length of the connecting end 13 of the first dielectric film 10 is the connecting portion of the second dielectric film 40 ( 43) It is composed shorter. Therefore, as will be explained later, when a 3D structure is formed by a compression buckling phenomenon, a gap may be formed between the first dielectric film 10 and the second dielectric film 40.
그리고 유연기판(1)에 인장력, 팽창력을 해제하면(S5), 도 3c에 도시된 바와 같이, 2D패턴 구조에 압축력이 가해지면서 기계적 좌굴에 의해 제1유전체필름(10)과 유연기판(1) 사이가 이격되고, 제1음전하대전필름(30)과 제2전극필름(50) 사이가 이격되어 3D 구조가 생성되게 된다(S6). And when the tension and expansion forces are released on the flexible substrate 1 (S5), as shown in FIG. 3C, compressive force is applied to the 2D pattern structure and the first dielectric film 10 and the flexible substrate 1 are mechanically buckled. The space between the first negatively charged
유연기판(1)에 가해지는 기 설정된 인장력의 크기, 유연기판의 탄성력, 제1유전체 필름(10)과 제2유전체 필름(40)의 형상, 재료, 두께, 너비, 및 길이, 그리고 제1유전체필름(10)의 연결단(13)과 제2유전체필름(40)의 연결부(43) 간의 길이차이에 따라 제2전극필름(50)과 제1음전하대전필름(30) 간 사이간격을 조절할 수 있다. The size of the preset tensile force applied to the flexible substrate 1, the elastic force of the flexible substrate, the shape, material, thickness, width, and length of the first dielectric film 10 and the second dielectric film 40, and the first dielectric The gap between the
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 물방울 에너지 하베스터에 의한 전기생성 메커니즘에 대해 설명하도록 한다. Hereinafter, the electricity generation mechanism by the hybrid water droplet energy harvester according to an embodiment of the present invention will be described.
먼저, 전기적 에너지 수집부(DEG)에 의한 메커니즘을 설명한다. 도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 물방울 에너지 하베스터에서 전기 에너지 수집부(DEG)(110)에서의 전기 수집 메커니즘의 흐름도를 도시한 것이다. First, the mechanism by the electrical energy collection unit (DEG) is explained. Figures 4A to 4D show a flow chart of the electricity collection mechanism in the electric energy collection unit (DEG) 110 in the hybrid droplet energy harvester according to an embodiment of the present invention.
먼저, 제2음전하대전필름(70)이 물방울(2)과 접촉하여 대전된 상태를 가정한다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 물방울(2)이 제2음전하대전필름(70)에 떨어지고, 도 4b에 도시된와 같이 제2음전하대전필름(70)에 접촉하게 되면 물방울(2) 내에서 국소적으로 분극화가 발생한다. First, assume that the second negatively charged
물방울(2) 내 분극화에 의해서 제3전극필름(60)으로부터 전극단으로 양전하가 유도된다. 그리고 도 4c에 도시된 바와 같이, 물방울(2)이 제2음전하대전필름(70)에 닿는 면적이 커지면서, 더 많은 양의 분극화가 발생하고 그에 따라 양전하가 더 유도된다. 이후 도 4d에 도시된 상태처럼 물방울(2)이 떨어지면서, 전극단에 유도된 전하는 제3전극필름(60)으로 유도되고 전류는 반대 방향으로 흐른다. Positive charge is induced from the
따라서, 물방울(2)이 계속 떨어진다면, 도 4a → 도 4b → 도 4c → 도 4d → 도 4c 순서의 사이클에 의해 전기 에너지가 발생한다.Therefore, if the
다음으로는 역학적 에너지 수집부(S-S TENG)(120)에 의한 메커니즘을 설명한다. 도 5a 내지 도 5e는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 물방울 에너지 하베스터에서 역학적 에너지 수집부(S-S TENG)에서의 전기 수집 메커니즘의 흐름도를 도시한 것이다. Next, the mechanism by the mechanical energy collection unit (S-S TENG) 120 will be described. Figures 5A to 5E show a flowchart of the electricity collection mechanism in the mechanical energy collection unit (S-S TENG) in the hybrid droplet energy harvester according to an embodiment of the present invention.
물방울(2)이 제2음전하대전필름(70)에 떨어져서 그 힘에 의해서 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 제2전극필름(50)은 제1음전하 대전필름(30)과 접촉하게 된다. 이 때, 제2전극필름(50)과 제1음전하 대전필름(30)은 서로 다른 전하로 대전된다. The
이후 3차원 구조의 복원력에 의해서 제2전극필름(50)은 제1음전하 대전필름(30)과 분리되고, 전기적 평형을 위해 제2전극필름(50)의 전하들은 제1전극필름(20)으로 유도된다(도 5b 상태 -> 도 5c 상태 -> 도 5d 상태)Afterwards, the
이어서 물방울(2) 충격에 의한 상부 3차원 구조의 진동에 의해서 도 5d → 도 5e → 도 5b → 도 5c → 도 5d 순서로 이어지다가 진동이 멈추면 도 5d 상태로 있다. 물방울(2)이 떨어질 때 마다 이 과정이 반복된다.Subsequently, the vibration of the upper three-dimensional structure due to the impact of the water droplet (2) continues in the order of Figure 5d → Figure 5e → Figure 5b → Figure 5c → Figure 5d, and when the vibration stops, it remains in the state of Figure 5d. This process is repeated each time a water droplet (2) falls.
도 6a는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 물방울 에너지 하베스터에서 전기 에너지 수집부(DEG)의 출력 그래프를 도시한 것이고, 도 6b는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 물방울 에너지 하베스터에서 역학적 에너지 수집부(S-S TENG)의 출력 그래프를 도시한 것이다. 즉, 앞서 언급한 본 발명의 실시예에 따른 3차원 구조의 하이브리드 물방울 에너지 하베스터를 구성하는 전기적 에너지 수집부(DEG)와 역학적 에너지 수집부(S-S TENG)의 출력을 각각 나타낸 것이다(정류자를 연결하여 한 방향의 전압만 출력된다.).Figure 6a shows an output graph of the electric energy collection unit (DEG) in the hybrid droplet energy harvester according to an embodiment of the present invention, and Figure 6b shows the mechanical energy collection unit (DEG) in the hybrid droplet energy harvester according to an embodiment of the present invention. This shows the output graph of S-S TENG). That is, the outputs of the electrical energy collection unit (DEG) and the mechanical energy collection unit (S-S TENG), which constitute the three-dimensional hybrid water droplet energy harvester according to the embodiment of the present invention mentioned above, are respectively shown (by connecting the commutator) Only voltage in one direction is output.).
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 물방울 에너지 하베스터의 전체 출력 그래프를 도시한 것이다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 3차원 구조의 하이브리드 물방울 에너지 하베스터를 구성하는 전기적 에너지 수집부(DEG)와 역학적 에너지 수집부(S-S TENG)를 하나의 회로로 연결하여 얻은 출력을 나타낸 것이다. 도 6a의 전기적 에너지 수집부(DEG)와 도 6b 역학적 에너지 수집부(S-S TENG)의 각 출력보다 향상된 것을 확인할 수 있다(정류자를 연결하여 한 방향의 전압만 출력된다.).Figure 7 shows an overall output graph of the hybrid water droplet energy harvester according to an embodiment of the present invention. That is, the output obtained by connecting the electrical energy collection unit (DEG) and the mechanical energy collection unit (S-S TENG), which constitute the three-dimensional hybrid water droplet energy harvester according to an embodiment of the present invention, into one circuit. It can be seen that the output is improved compared to the output of the electrical energy collection unit (DEG) in Figure 6a and the mechanical energy collection unit (S-S TENG) in Figure 6b (only one direction of voltage is output by connecting the commutator).
또한, 상기와 같이 설명된 장치 및 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.In addition, the apparatus and method described above are not limited to the configuration and method of the above-described embodiments, but all or part of each embodiment can be selectively combined so that various modifications can be made. It may be composed.
1:유연기판
2:물방울
10:제1유전체필름
11:중단부
12:접착부
13:연결단
20:제1전극필름
30:제1음전하 대전필름
40:제2유전체필름
41:중앙단
42:접착단
43:연결부
50:제2전극필름
60:제3전극필름
70:제2음전하대전필름
80:전극단
100:하이브리드 에너지 하베스터
110:전기적 에너지 수집부(DEG)
120:역학적 에너지 수집부(S-S TENG)1:Flexible substrate
2:water droplets
10: First dielectric film
11: middle part
12: Adhesive part
13: Connection end
20: First electrode film
30: First negative charge film
40: Second dielectric film
41: Central end
42: Adhesive end
43: Connection part
50: Second electrode film
60: Third electrode film
70: Second negatively charged film
80: Electrode
100:Hybrid Energy Harvester
110: Electrical energy collection unit (DEG)
120: Mechanical energy collection unit (SS TENG)
Claims (16)
유연기판;
상기 유연기판과 특정간격 이격되는 제1유전체필름;
상기 제1유전체필름 상에 부착되는 제1전극필름;
상기 제1전극필름 상에 부착되는 제1음전하대전필름;
상기 제1음전하대전필름과 이격되는 제2전극필름; 및
상기 제2전극필름 상에 부착되는 제2유전체필름;을 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스터.
As an energy harvester,
flexible substrate;
a first dielectric film spaced apart from the flexible substrate at a specific distance;
A first electrode film attached to the first dielectric film;
A first negatively charged film attached to the first electrode film;
a second electrode film spaced apart from the first negatively charged film; and
An energy harvester comprising a second dielectric film attached to the second electrode film.
상기 제1유전체 필름은 상기 제1전극필름이 부착되는 중단부와, 상기 유연기판에 접착되는 복수의 접착부와, 상기 중단부와 상기 접착부를 연결하는 연결단을 포함하며,
사전에 팽창시킨 상기 유연기판에 대해 상기 접착부를 상기 유연기판에 부착시키고, 상기 유연기판에 대한 팽창력을 제거하여 압축좌굴에 의해 상기 제1유전체필름을 상기 유연기판에 이격시키는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스터.
According to clause 1,
The first dielectric film includes a middle portion to which the first electrode film is attached, a plurality of adhesive portions bonded to the flexible substrate, and a connection end connecting the middle portion and the adhesive portion,
An energy harvester characterized by attaching the adhesive part to the flexible substrate that has been expanded in advance, removing the expansion force on the flexible substrate, and separating the first dielectric film from the flexible substrate by compression buckling. .
상기 제2유전체 필름은 상기 제2전극필름이 부착되는 중앙단과, 상기 유연기판에 접착되는 복수의 접착단과, 상기 중앙단과 상기 접착단을 연결하는 연결부를 포함하며,
사전에 팽창시킨 상기 유연기판에 대해 상기 접착단을 상기 유연기판에 부착시키고, 상기 유연기판에 대한 팽창력을 제거하여 압축좌굴에 의해 상기 제1유전체필름을 상기 유연기판에 이격시켜 상기 제1음전하 대전필름과 상기 제2전극필름을 이격시키는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스터.
According to clause 2,
The second dielectric film includes a central end to which the second electrode film is attached, a plurality of adhesive ends adhered to the flexible substrate, and a connecting portion connecting the central end and the adhesive ends,
The adhesive end is attached to the pre-expanded flexible substrate, the expansion force on the flexible substrate is removed, the first dielectric film is separated from the flexible substrate by compression buckling, and the first negative charge is charged. An energy harvester, characterized in that the film and the second electrode film are spaced apart.
상기 유연기판에 가해지는 기 설정된 인장력의 크기, 상기 유연기판의 탄성력, 상기 제1유전체 필름과 상기 제2유전체 필름의 형상, 재료, 두께, 너비, 및 길이, 상기 연결단과 상기 연결부의 길이차이에 따라 상기 제2전극필름과 상기 제1음전하 대전필름 간 사이간격을 조절하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스터.
According to clause 3,
The size of the preset tensile force applied to the flexible substrate, the elastic force of the flexible substrate, the shape, material, thickness, width, and length of the first dielectric film and the second dielectric film, and the difference in length between the connecting end and the connecting portion. An energy harvester, characterized in that the gap between the second electrode film and the first negatively charged film is adjusted accordingly.
상기 제1음전하 대전필름은 FEP필름이고, 상기 제1유전체필름과 상기 제2유전체 필름은 PI필름인 것을 특징으로 하는 에너지 하베스터.
According to clause 4,
The energy harvester, wherein the first negative charge film is a FEP film, and the first dielectric film and the second dielectric film are PI films.
제 1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 에너지 하베스터;
제2유전체 필름 상에 부착되는 제3전극필름;
상기 제3전극필름 상에 부착되는 제2음전하 대전필름; 및
상기 제2음전하 대전필름 상면 일측에 구비되는 전극단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 에너지 하베스터.
As a hybrid energy harvester,
The energy harvester according to any one of claims 1 to 4;
a third electrode film attached to the second dielectric film;
a second negatively charged film attached to the third electrode film; and
A hybrid energy harvester comprising: an electrode provided on one side of the upper surface of the second negative charge film.
액체방울이 접촉하여 흐르는 경우,
상기 액체방울은 상기 제2음전하 대전필름에 접촉하여 분극화되어 제3전극필름으로부터 상기 전극단으로 양전하가 유도되고, 상기 액체방울이 떨어지면 상기 전극단에 유도된 양전하가 제3전극필름으로 흐르게 되어 전기에너지를 발생시키는 것을 특징으로 하는 하이브리드 에너지 하베스터.
According to clause 6,
When liquid droplets come into contact and flow,
The liquid droplet is polarized in contact with the second negatively charged film and a positive charge is induced from the third electrode film to the electrode end. When the liquid droplet falls, the positive charge induced at the electrode end flows to the third electrode film to generate electrical energy. A hybrid energy harvester characterized in that it generates.
액체방울이 접촉하여 흐르는 경우,
액체방울에 의해 제2전극필름이 제1음전하 대전필름에 접촉하게 되면 제2전극필름은 양전하로 대전되고 복원력에 의해 제2전극필름과 제1음전하 대전필름이 이격되면 제2전극필름의 양전하가 제1전극필름으로 유도되며 전기에너지를 발생시키는 것을 특징으로 하는 하이브리드 에너지 하베스터.
According to clause 7,
When liquid droplets come into contact and flow,
When the second electrode film comes into contact with the first negatively charged film by a liquid droplet, the second electrode film is positively charged, and when the second electrode film and the first negatively charged film are separated by the restoring force, the positive charge of the second electrode film is A hybrid energy harvester characterized in that it is guided by the first electrode film and generates electrical energy.
상기 액체방울은 물방울인 것을 특징으로 하는 하이브리드 에너지 하베스터.
According to clause 8,
A hybrid energy harvester, characterized in that the liquid droplets are water droplets.
상기 제2음전하 대전필름은 FEP필름인 것을 특징으로 하는 하이브리드 에너지 하베스터.
According to clause 6,
A hybrid energy harvester, wherein the second negative charge film is a FEP film.
커팅기를 통해, 중단부와 복수의 접착부와, 중단부와 복수의 접착부 각각을 연결하는 연결단을 갖는 2D패턴의 제1유전체 필름과, 중앙단과 복수의 접착단와, 중앙단과 복수의 접착단 각각을 연결하는 연결부를 갖는 2D패턴의 제2유전체 필름 제작하는 단계;
상기 제1유전체 필름 상에 제1전극필름을 부착하고 상기 제1전극필름 상에 제1음전하 대전필름을 부착하며, 상기 제2유전체 필름 하면에 제2전극필름을 부착하는 단계;
기 설정된 인장력 만큼 인장된 유연기판에 상기 접착부 각각을 접착하고, 상기 접착단 각각을 접착시키는 단계;
상기 기 설정된 인장력을 해제하여 상기 2D패턴 구조에 압축력이 가해지면서 기계적 좌굴에 의해 제1유전체 필름과 상기 유연기판 사이가 이격되고, 상기 제1음전하 대전필름과 상기 제2전극필름 사이가 이격되어 3D 구조가 생성되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 에너지 하베스터의 제조방법.
In the manufacturing method of the energy harvester,
Through a cutting machine, a first dielectric film of a 2D pattern having a middle portion and a plurality of adhesive portions, a connection end connecting each of the middle portion and a plurality of adhesive portions, a central end and a plurality of adhesive ends, and a central end and a plurality of adhesive ends, respectively. Producing a second dielectric film in a 2D pattern having connecting portions;
attaching a first electrode film to the first dielectric film, attaching a first negative charging film to the first electrode film, and attaching a second electrode film to a lower surface of the second dielectric film;
Bonding each of the adhesive portions to a flexible substrate stretched by a preset tensile force and bonding each of the adhesive ends to a flexible substrate;
When the preset tensile force is released and a compressive force is applied to the 2D pattern structure, the space between the first dielectric film and the flexible substrate is separated by mechanical buckling, and the first negative charge film and the second electrode film are spaced apart to form a 3D pattern. A method of manufacturing a hybrid energy harvester, comprising: generating a structure.
상기 부착하는 단계에서,
제2유전체 필름 상에 제3전극필름을 부착하고, 상기 제3전극필름 상에 제2음전하 대전필름을 부착하며, 상기 제2음전하 대전필름 상면 일측에 전극단을 부착하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 에너지 하베스터의 제조방법.
According to claim 11,
In the attaching step,
Hybrid energy, characterized in that attaching a third electrode film on a second dielectric film, attaching a second negative charging film on the third electrode film, and attaching an electrode end to one side of the upper surface of the second negative charging film. Harvester manufacturing method.
상기 유연기판과 상기 접착부, 및 상기 유연기판과 상기 접착단은 플라즈마 처리에 의해 접합되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 에너지 하베스터의 제조방법.
According to clause 8,
A method of manufacturing a hybrid energy harvester, wherein the flexible substrate and the adhesive portion, and the flexible substrate and the adhesive end are bonded by plasma treatment.
상기 제1음전하 대전필름과 상기 제2음전하 대전필름은,
음전하 주입 피가공재료를 전극판 하에서, 고전압이 인가되는 고전압 핀에 의해 상기 피가공재료 주위의 유체를 이온화하여, 생성된 이온들이 전기장에 의해 상기 피가공재료 주입되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 에너지 하베스터의 제조방법.
According to clause 12,
The first negatively charged film and the second negatively charged film,
A hybrid energy harvester characterized in that the negative charge injection workpiece is placed under an electrode plate, and the fluid around the workpiece is ionized by a high voltage pin to which a high voltage is applied, and the generated ions are injected into the workpiece by an electric field. Manufacturing method.
상기 피가공재료는 FEP필름이고,
상기 기판은 신축성 기판인 PDMS로 구성되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 에너지 하베스터의 제조방법.
According to clause 14,
The material to be processed is FEP film,
A method of manufacturing a hybrid energy harvester, characterized in that the substrate is composed of PDMS, a stretchable substrate.
상기 유연기판에 가해지는 기 설정된 인장력의 크기, 상기 유연기판의 탄성력, 상기 제1유전체 필름과 상기 제2유전체 필름의 형상, 재료, 두께, 너비, 및 길이, 상기 연결단과 상기 연결부의 길이차이에 따라 상기 제2전극필름과 상기 제1음전하 대전필름 간 사이간격을 조절하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 에너지 하베스터의 제조방법.
According to clause 12,
The size of the preset tensile force applied to the flexible substrate, the elastic force of the flexible substrate, the shape, material, thickness, width, and length of the first dielectric film and the second dielectric film, and the difference in length between the connecting end and the connecting portion. A method of manufacturing a hybrid energy harvester, characterized in that the gap between the second electrode film and the first negatively charged film is adjusted accordingly.
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