WO2016013849A1 - Rewod 발전장치 및 역 전기습윤 발전 모듈 - Google Patents

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WO2016013849A1
WO2016013849A1 PCT/KR2015/007558 KR2015007558W WO2016013849A1 WO 2016013849 A1 WO2016013849 A1 WO 2016013849A1 KR 2015007558 W KR2015007558 W KR 2015007558W WO 2016013849 A1 WO2016013849 A1 WO 2016013849A1
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vibration
rewod
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conductive fluid
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김영범
양휘철
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Industry University Cooperation Foundation IUCF HYU
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N3/00—Generators in which thermal or kinetic energy is converted into electrical energy by ionisation of a fluid and removal of the charge therefrom
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N11/00—Generators or motors not provided for elsewhere; Alleged perpetua mobilia obtained by electric or magnetic means

Definitions

  • the present invention relates to a REWOD generator, and more particularly to a REWOD generator using a vibration-rotation converter.
  • the present invention relates to the field of power generation using reverse electrowetting, and more particularly, to a vibration collection type reverse electrowetting power generation module having improved power generation performance by maximizing change of contact area of a fluid droplet.
  • Korean Patent No. 10-1358291 (2014.01.27.) Discloses an apparatus for converting energy using a volume change of a fluid.
  • a vibration collecting type reverse electrowetting power generation module has been studied as a power generation module using REWOD technology.
  • the problem to be solved by the present invention is to provide a REWOD generator capable of collecting energy even in the environment of extreme vibration and rotation.
  • the present invention is to provide a vibration collecting reverse electrowetting power generation module that can maximize the change of the contact area of the fluid droplets.
  • the vibration-rotation converter may further include an energy attenuation unit configured to attenuate the converted energy after converting rotational energy into vibration energy.
  • the vibration-rotation conversion unit the rotating member rotated by an external physical force;
  • a connecting member having one end connected to the rotating part;
  • An elastic member connected to the other end of the connection member and vibrated by the connection member;
  • An energy damping member connected to the elastic member and configured to attenuate vibration energy transmitted from the elastic member;
  • a vibration transmitting member connected to the energy damping member and transferring the damped vibration energy to the first electrode substrate or the second electrode substrate of the REWOD generator.
  • the REWOD power generation unit may include a first electrode substrate including a plurality of grooves disposed on an upper surface thereof; A first dielectric thin film formed on the first electrode substrate; A first hydrophobic thin film formed on the first dielectric thin film; A conductive fluid array including conductive fluids disposed corresponding to the positions of the grooves on the first electrode substrate on which the first dielectric thin film and the first hydrophobic thin film are formed; And a second electrode substrate installed on the conductive fluid array so as to vibrate, and having a second dielectric thin film and a second hydrophobic thin film disposed below the second dielectric thin film.
  • the grooves are characterized in that the positional deviation of the conductive fluid is prevented.
  • the display device may further include a partition wall supporting the first electrode substrate and the second electrode substrate.
  • the vibration-rotation converter may include a vibration member vibrating by an external physical force; An energy damping member connected to the vibration member and configured to attenuate the vibration energy transmitted from the vibration member; An elastic member connected to the energy damping member and vibrating by receiving the damped vibration energy; A connecting member having one end connected to the elastic member; And a rotational transmission member connected to the other end of the connection member and rotated by the connection member to transmit rotational energy to the first electrode substrate or the second electrode substrate of the REWOD generator.
  • the grooves may be dot-shaped or channel-shaped.
  • the grooves are arranged radially spaced apart from each other.
  • the conductive fluid may be in the form of droplets or channels.
  • the conductive fluid is a liquid metal gallinstane, NaCl, LiCl, NaNo 3 , Na 2 SiO 3 , AlCl 3 -NaCl, LiCl-KCl, KCL, Na, NaOH, H 2 SO 4 , CH 3 COOH, HF, CuSO 4 , It may include at least one of ethylene glycol, propylene glycol and AgCl.
  • the second electrode substrate may be branched.
  • the second electrode substrate may include a branched electrode region and a nonconductive region other than the electrode region.
  • the present invention also provides a vibration collecting reverse electrowetting power generation module, comprising: an upper and a lower electrode substrate arranged to be able to change a distance therebetween; One or more conductive fluid droplets disposed between the upper electrode substrate and the lower electrode substrate; First and second dielectric layers formed on surfaces of the conductive fluid droplet side of the upper and lower electrode substrates, respectively; And hydrophobic protruding nano-micro structures arranged on the first or second dielectric layer.
  • the first or second dielectric layer may be hydrophobic or may have a hydrophobic film on its surface.
  • the protruding nano-micro structure may be made of a superhydrophobic body.
  • the dielectric layer may be 5 nm to 5 mm.
  • the dielectric layer may be formed of a material including silicon oxide, silicon nitride, tantalum oxide, titanium oxide, aluminum oxide, barium titanate, glass, parylene, teflon, or PDMS.
  • the one or more conductive fluid droplets may be ionic liquids or liquid metals.
  • Each of the one or more conductive fluid droplets may have a diameter of 1 ⁇ m to 5 cm.
  • a portion in which each of the one or more conductive fluid droplets contacts may have a concave groove structure to prevent separation of the conductive fluid droplets.
  • a cover member may be further disposed on the upper electrode substrate.
  • An elastic separator may be disposed to maintain a gap between the upper electrode substrate and the lower electrode substrate.
  • REWOD generator that can be applied more flexibly in extreme vibration and rotation environments, and can be used as an auxiliary power device to contribute to power supply.
  • the contact area between the droplet and the substrate in the compression and recovery process by vibration Changes can be maximized.
  • contact angles of 150 ° or more are possible. This maximizes the change in contact area during compression and restoration due to vibration, and can improve the performance of the REWOD power generation module.
  • the vibration collecting reverse electrowetting power generation module of the present invention has a stable structure as a whole as well as the droplets do not leave the position.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of a REWOD generating apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a sectional view taken along the line A-A 'of FIG.
  • FIG. 3 is a schematic perspective view of a vibration-rotation converter.
  • FIG. 4 is a schematic perspective view of a REWOD power generation unit.
  • FIG. 5 is a conceptual diagram illustrating the energy collection principle of the vibration type REWOD generator.
  • FIG. 6 is an operation explanatory diagram of a REWOD generator according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a schematic perspective view of a REWOD generating apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view taken along the line BB ′ of FIG. 7.
  • FIG. 9 is a schematic perspective view of a REWOD power generation unit.
  • FIG. 10 is an exploded perspective view of a power generation unit.
  • FIG. 12 is an operation explanatory diagram of a REWOD generator according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 13 is a perspective view of a vibration collecting type reverse electrowetting power generation module according to a preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a cross-sectional view of FIG. 13.
  • FIG. 15 is an exploded perspective view of FIG. 13.
  • FIG. 16 is a view showing a lower structure included in the nano-micro structure employed in the vibration collecting type inverse electrowetting power generation module shown in FIG. 13.
  • 17 is an FE-SEM photograph of a nano-cone as an example of a nano-micro structure employed in the vibration collecting reverse electrowetting power generation module of the present invention.
  • first, second, etc. may be used to describe various elements, components, regions, layers, and / or regions, such elements, components, regions, layers, and / or regions It will be understood that it should not be limited by these terms.
  • REWOD generating apparatus includes a REWOD generator and a vibration-rotation converter for collecting energy.
  • the REWOD generator may be a vibration type REWOD generator that collects vibration energy or a rotary REWOD generator that collects rotational energy.
  • the vibration-rotation converter converts vibration energy into rotation energy or rotation energy into vibration energy according to the type of the REWOD power generation unit.
  • the vibration-rotation converter includes a slide-crank structure, and the slide-crank structure may convert vibration energy into rotation energy or rotation energy into vibration energy.
  • FIG. 2 is a sectional view taken along the line A-A 'of FIG.
  • REWOD power generation unit 20 is the first electrode substrate 210, the second electrode substrate 230 and the conductive fluids 221 positioned between the first electrode substrate 210 and the second electrode substrate 230. It may include a conductive fluid array 220 including. At this time, the first electrode substrate 210 or the second electrode substrate 230 vibrates by an external physical force, and the electrode portion of the first electrode substrate 210 or the second electrode substrate 230 and the conductive fluid 221. The energy is collected by using the change of the contact area where) touches.
  • the vibration-rotation converter 10 is connected to the first electrode substrate 210 or the second electrode substrate 230 of the REWOD power generation unit 20 so that external physical force is applied to the first electrode substrate 210 or the second electrode. Transfer to the electrode substrate 230, converts the rotational energy to vibration energy and delivers.
  • the external physical force is a rotational energy of rotational movement
  • the vibration-rotation conversion unit by converting the rotational energy into vibration energy by using the vibration-rotation conversion unit, in addition to a method of collecting energy by directly using the rotary REWOD power generation unit in such an environment, Therefore, it is possible to collect energy by using the vibration type REWOD generator.
  • the vibration-rotation converter 10 may further include an energy attenuation unit 140 that attenuates the converted vibration energy. Accordingly, the vibration-rotation converter 10 attenuates the converted energy by the energy attenuation unit after converting rotational energy into vibration energy, and attenuates the attenuated vibration energy by the first electrode substrate 210 or the second. The electrode may be transferred to the substrate 230.
  • the present invention REWOD power generation device is applicable in the extreme rotation environment, it is possible to apply more flexible, it can be used as an auxiliary power device and contribute to power supply and demand.
  • FIG. 3 is a schematic perspective view of the vibration-rotation converter 10.
  • the vibration-rotation converter 10 includes a rotating member 110, a connecting member 120, an elastic member 130, an energy damping member 140, and a vibration transmitting member. 150 may be included.
  • the rotating member 110 may include a rotating plate 111 and a protrusion 112 positioned at a predetermined distance from the center of rotation of the rotating plate 111.
  • it may include a groove instead of the protrusion 112.
  • connection member 120 One end of the connection member 120 is connected to the rotating member 110, and the other end is connected to the elastic member 130 described later.
  • the connection member 120 is connected to the elastic member 130 in a linear motion when the rotary member 110 is rotated by the external physical force.
  • connection member 120 may include a connection rod 121.
  • One end of the connecting rod 121 is provided with a groove portion 123 corresponding to the protrusion 112 of the rotating member 110, the protrusion 112 of the rotating member 110 may be fitted into the groove portion 123 to be connected.
  • the rotating member 110 is provided with a groove instead of the protrusion 112, one end of the connecting rod 121 may be provided with a protrusion to be interconnected.
  • the other end of the connecting rod 121 may be provided with a protrusion 122 to be connected to the elastic member.
  • the elastic member 130 is connected to the other end of the connecting member 120, and vibrates by the connecting member 120. That is, when the connecting member 120 is the connecting rod 121, the elastic member 130 is connected to the other end of the connecting rod 121, vibrating by the connecting rod 121. Therefore, the elastic member 130 is vibrated by converting the rotational energy of the rotating member 110 into vibration energy by the connecting rod 121.
  • the elastic member 130 may employ any form as long as it has a constant elastic modulus as well as the coil spring.
  • the elastic member 130 may include a spring 131 and an upper connection plate 132 and a lower connection plate 133 coupled to upper and lower portions of the spring 131 at this time. Therefore, the upper connecting plate 132 may be provided with a protrusion 134 on the upper portion and the protrusion 134 may be provided with a fitting groove. Therefore, the protrusion 122 of the connecting rod 121 may be inserted into the fitting groove of the protrusion 134. In addition, the lower connecting plate 133 may be connected to the energy damping member described later.
  • the energy damping member 140 is connected to the elastic member 130 and attenuates vibration energy transmitted from the elastic member 130.
  • the damping member 140 attenuates the energy transmitted from the outside, and then transfers the attenuated energy to the REWOD generator 20, where the REWOD generator directly connects to the extreme environment. Compared with this, the risk of destruction can be reduced and safety can be improved.
  • the vibration transmitting member 150 is connected to the energy damping member 140, and transmits the damped vibration energy to the first electrode substrate 210 or the second electrode substrate 230 of the REWOD generator 20. .
  • the vibration transmission member 150 is coupled to the protective cover 250 of the REWOD power generation unit 20. Therefore, the vibration transmitting member 150 may transmit the attenuated vibration energy to the second electrode substrate 230 coupled with the protective cover 250.
  • FIG. 4 is a schematic perspective view of a REWOD power generation unit.
  • the REWOD power generation unit includes a first electrode substrate 210, a first dielectric thin film (not shown), a first hydrophobic thin film (not shown), a conductive fluid array 220, and a first And a second hydrophobic thin film (not shown), a second dielectric thin film (not shown), and a second electrode substrate 230.
  • the first electrode substrate 210 includes a plurality of grooves 211 positioned on the top surface.
  • the grooves 2100 may have a dot shape. These grooves serve to prevent the conductive fluid 221 to be described later out of position.
  • the first dielectric thin film may be formed on the first electrode substrate 210, and the first hydrophobic thin film may be formed on the first dielectric thin film. Meanwhile, when the first dielectric thin film and the first hydrophobic thin film are formed on the first electrode substrate 210, the structure of the plurality of grooves 211 is maintained on the upper surface of the first electrode substrate 210.
  • the thickness of the first dielectric thin film may be 5 nm to 50 mm.
  • the thickness of the first dielectric thin film may be set to 1 ⁇ m or less. Therefore, the thickness of the dielectric thin film can be made thinner than 1 ⁇ m, and at the same time, a thin film having a dense structure can be formed to greatly increase the capacitance, which leads to an increase in power density and a higher efficiency and higher power generation system can be constructed. .
  • the first dielectric thin film may be formed of silicon oxide (SiO x ), silicon nitride (SiN x ), tantalum oxide (Ta 2 O 5 ), titanium oxide (TiO 2 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), and barium titanate (BaTiO). 3 ), glass or a polymer such as parylene, teflon or polydimethylsiloxane (PDMS), or a combination of these materials.
  • the first dielectric thin film may be formed using a vapor deposition method and a physical vapor deposition method.
  • the method of forming the first dielectric thin film may be formed by chemical vapor deposition (CVD), atomic layer deposition (ALD), sputtering, dip-coating, It may include a doctor blade method (Dr. blade), spin coating (Spin coating), screen printing (Spray printing) or spray coating (Spray coating).
  • CVD chemical vapor deposition
  • ALD atomic layer deposition
  • sputtering dip-coating
  • It may include a doctor blade method (Dr. blade), spin coating (Spin coating), screen printing (Spray printing) or spray coating (Spray coating).
  • the conductive fluid array 220 may include conductive fluids 221 disposed corresponding to the positions of the grooves 211 on the first electrode substrate 210 having the first dielectric thin film and the first hydrophobic thin film formed thereon. Can be.
  • Such conductive fluids 221 may be in the form of droplets.
  • the diameter of such conductive fluid droplets may be between 1 ⁇ m and 5 cm.
  • the conductive fluid 221 is an alloy of gallium, indium and tin, liquid metal gallinstane, NaCl, LiCl, NaNo 3 , Na 2 SiO 3 , AlCl 3 -NaCl, LiCl-KCl, KCL, Na, NaOH, H It may include at least one of 2 SO 4 , CH 3 COOH, HF, CuSO 4 , ethylene glycol, propylene glycol and AgCl.
  • the second electrode substrate 230 is installed on the conductive fluid array 220 so as to vibrate, and has a second dielectric thin film (not shown) on the bottom surface and a second hydrophobic thin film (lower degree) positioned under the second dielectric thin film. O) is formed.
  • the second dielectric thin film is silicon oxide (SiO x ), silicon nitride (SiN x ), tantalum oxide (Ta 2 O 5 ), titanium oxide (TiO 2 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), barium titanate (BaTiO 3 ) , Polymers such as glass or parylene, teflon or polydimethylsiloxane (PDMS), or combinations of these materials.
  • the second hydrophobic thin film may include a fluoropolymer-based material or a super water-repellent nanostructure.
  • a barrier rib 240 may be further supported between the first electrode substrate 210 and the second electrode substrate 230.
  • the partition wall 240 uses an elastic material so that the first electrode substrate 210 or the second electrode substrate 230 can vibrate.
  • the partition wall 240 serves to maintain the distance between the first electrode substrate 210 and the second electrode substrate 230 in a specific range even in the case of excessive amplitude when the vibration environment of the REWOD power generation unit is applied.
  • the vibration transmission member 150 of the vibration-rotation converter 10 may be coupled to the second electrode substrate 210. Therefore, the second electrode substrate 210 is vibrated by the vibration energy transmitted by the vibration transmitting member 150. Accordingly, the contact area where the electrode portion of the second electrode substrate 210 and the conductive fluid come into contact with each other due to the vibration of the second electrode substrate 210 is changed, and energy can be collected using the capacitance change according to the change. .
  • the substrate itself may be an electrode portion, and in some cases, may include an electrode region and a non-conductive region.
  • a protective cover 250 may be further included on the second electrode substrate 230.
  • the vibration transmission member 150 may be connected to the upper portion of the protective cover 250 to transmit vibration energy to the second electrode substrate 230.
  • the lower protective cover 251 may be further included to surround the lower portion of the first electrode substrate 210 to protect the first electrode substrate 210.
  • FIG. 5 is a conceptual diagram illustrating the energy collection principle of the vibration type REWOD generator.
  • FIG. 6 is an operation explanatory diagram of a REWOD generator according to an embodiment of the present invention.
  • a REWOD generator includes a vibration-rotation converter and a vibration type REWOD generator.
  • rotation is caused by an external environment.
  • the rotary motion is then converted into vibration by the slide-crank structure.
  • the vibration type REWOD generator is operated by the converted / reduced vibration movement.
  • FIG. 7 is a schematic perspective view of a REWOD generating apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view taken along the line BB ′ of FIG. 7.
  • a REWOD generator according to an embodiment of the present invention includes a REWOD generator 40 and a vibration-rotation converter 30 for collecting energy.
  • the REWOD power generator 40 may include a first electrode substrate 410, a second electrode substrate 430, and the first electrode substrate 410 and a first electrode.
  • the conductive fluid array 420 may include a conductive fluid 421 positioned between the two electrode substrates 430. At this time, the first electrode substrate 410 or the second electrode substrate 430 is rotated by an external physical force, the electrode portion of the first electrode substrate 410 or the second electrode substrate 430 and the conductive fluid abuts. The change of contact area is used to collect energy.
  • the vibration-rotation converter 30 is connected to the first electrode substrate 410 or the second electrode substrate 430 of the REWOD power generation unit 40 so that external physical force is applied to the first electrode substrate 410 or the second electrode.
  • the electrode is transferred to the substrate 430, and the vibration energy is converted into rotational energy and transmitted.
  • the vibration energy is converted into rotation energy by using the vibration-rotation converter, and in addition to the method of directly collecting the energy by using the vibration-type REWOD generator in such an environment, Energy can be collected using the rotating REWOD generator.
  • the vibration-rotation converter 30 may further include an energy damping member 320 for damping external vibration energy.
  • the vibration-rotation converter 30 may attenuate external vibration energy by the energy damping member 320, and then convert the damped vibration energy into rotation energy to transmit the damped rotation energy to the REWOD power generation unit. .
  • the present invention REWOD power generation device can be applied in the extreme vibration environment, it is possible to apply more flexible, can be used as an auxiliary power device and contribute to power supply and demand.
  • the vibration-rotation converter 30 includes a vibration member 310, an energy damping member 320, an elastic member 330, a connection member 340, and a rotation transmission member 350. can do.
  • the vibration member 310 is vibrated by an external physical force, and receives the vibration energy.
  • the shape of the vibration member 310 may be set to receive the vibration energy according to the external environment, it is not particularly limited to the shape.
  • the vibration member 310 may be in the form of a plate.
  • the energy damping member 320 is connected to the vibration member 310 and attenuates the vibration energy transmitted from the vibration member 310.
  • the energy damping member 320 may be a damper for damping vibration energy.
  • the energy damping member 320 may be a hydraulic damper.
  • the present invention is not limited thereto, and various known dampers may be used. Therefore, the detailed description of the damper is omitted.
  • the energy damping member 320 is a hydraulic damper as shown in FIG. 8. Due to the external vibration energy, the vibration member 310 vibrates, and the central axis 321 of the hydraulic damper connected to the vibration member 310 performs a repetitive movement (dashed arrow). At this time, the fluid moves through the opening 322 (solid arrow), and attenuation may occur due to the resistance of the fluid generated at this time.
  • the energy received from the outside by the energy damping member 320 attenuates, and the attenuated energy is converted into vibration energy and transmitted to the REWOD power generation unit, whereby the REWOD power generation unit is used in an extreme environment.
  • the risk of destruction can be reduced, which further improves safety.
  • the elastic member 330 is connected to the energy damping member 320 and vibrates by receiving the damped vibration energy.
  • the elastic member 330 may employ any form as long as it has a constant elastic modulus as well as the coil spring.
  • the elastic member 330 may include a spring 331 and an upper connection plate 332 and a lower connection plate 333 coupled to upper and lower portions of the spring 331 at this time. Therefore, the lower connecting plate 333 may also be connected to the energy damping member 320.
  • the upper connecting plate 332 may be provided with a protrusion 334 at the top, and the protrusion 334 may be provided with a fitting groove. Accordingly, the protrusion 342 of the connecting rod 341 to be described later may be inserted into the fitting groove of the protrusion 334.
  • connection member 350 One end of the connection member 350 is connected to the elastic member 330, and the other end is connected to the rotational transmission member 350, which will be described later.
  • the connection member 350 is connected so that the rotational member 350 rotates when the elastic member 330 vibrates.
  • connection member 340 may include a connection rod 341.
  • One end of the connection rod 310 may be provided with a protrusion 342 to be connected to the connection groove of the protrusion 334 provided on the upper connection plate 332 of the elastic member 330. Therefore, the connecting rod 341 may receive vibration energy from the elastic member 330.
  • connection rod 341 may be provided with a groove corresponding to the protrusion 352 of the rotation transmission member 350 to be described later, and may be connected to the rotation transmission unit 350.
  • the rotation transmission member 350 may receive the rotation energy attenuated by the connection member 340 and transmit the damped rotation energy to the REWOD power generation unit 40.
  • the rotation transfer member 350 is rotated by the connection member 340, and the rotational energy is transferred to the first electrode substrate 410 or the REWOD generator 40. It transfers to the second electrode substrate 430.
  • FIG. 9 is a schematic perspective view of a REWOD power generation unit. 10 is an exploded perspective view of the REWOD power generation unit.
  • the REWOD generator 40 includes a first electrode substrate 410, a first dielectric thin film (not shown), a conductive fluid array 420, and a second dielectric.
  • a thin film (not shown) and a second electrode substrate 430 are included.
  • the first electrode substrate 410 may include a plurality of grooves 411 positioned on the top surface.
  • the grooves 411 may be arranged radially spaced apart from each other.
  • the grooves 411 may have a dot shape or a channel shape.
  • a dot-shaped groove will be described as an example.
  • the conductive fluids 421 described later are disposed corresponding to the positions of the grooves 411. Accordingly, these grooves 411 serve to prevent the displacement of the conductive fluids 421 to be disposed.
  • first electrode substrate 410 may further include a through hole 412 in the center thereof.
  • the through hole 412 may serve as a passage connecting the rotation shaft 353 of the rotation transmission member 350 and the second electrode substrate 430.
  • a first dielectric thin film is formed on the first electrode substrate 410.
  • the thickness of the first dielectric thin film may be 5 nm to 50 mm.
  • the thickness of the first dielectric thin film may be set to 1 ⁇ m or less. Therefore, the thickness of the dielectric thin film can be made thinner than 1 ⁇ m, and at the same time, a thin film having a dense structure can be formed to greatly increase the capacitance, which leads to an increase in power density and a higher efficiency and higher power generation system can be constructed. .
  • the first dielectric thin film may be formed of silicon oxide (SiO x ), silicon nitride (SiN x ), tantalum oxide (Ta 2 O 5 ), titanium oxide (TiO 2 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), and barium titanate (BaTiO). 3 ), glass or a polymer such as parylene, teflon or polydimethylsiloxane (PDMS), or a combination of these materials.
  • the first dielectric thin film may be formed using a vapor deposition method and a physical vapor deposition method.
  • the method of forming the first dielectric thin film may be formed by chemical vapor deposition (CVD), atomic layer deposition (ALD), sputtering, dip-coating, It may include a doctor blade method (Dr. blade), spin coating (Spin coating), screen printing (Spray printing) or spray coating (Spray coating).
  • CVD chemical vapor deposition
  • ALD atomic layer deposition
  • sputtering dip-coating
  • It may include a doctor blade method (Dr. blade), spin coating (Spin coating), screen printing (Spray printing) or spray coating (Spray coating).
  • the conductive fluid array 420 may include conductive fluids 421 disposed corresponding to the positions of the grooves 411 on the first electrode substrate 410 having the first dielectric thin film formed thereon.
  • Such conductive fluids 421 may be in the form of droplets or channels.
  • the conductive fluid may also be formed in the form of droplets, and when the grooves 411 have the form of a channel, the conductive fluid may be formed in the form of a channel to correspond to the droplets.
  • the conductive fluids 411 may be selected as droplets of conductive fluid.
  • the diameter of such conductive fluid droplets may be between 1 ⁇ m and 5 cm.
  • the conductive fluid is a liquid metal gallinstane, an alloy of gallium, indium and tin, NaCl, LiCl, NaNo 3 , Na 2 SiO 3 , AlCl 3 -NaCl, LiCl-KCl, KCL, Na, NaOH, H 2 SO 4 And CH 3 COOH, HF, CuSO 4 , ethylene glycol, propylene glycol and AgCl.
  • the second electrode substrate 430 may be installed to contact the conductive fluid array.
  • the second electrode substrate 430 is rotated by an external physical force, and the change in the contact area between the electrode portion of the second electrode substrate 430 and the conductive fluids 421, for example, the conductive fluid droplets is used. Energy can be collected.
  • the second electrode substrate 430 may include a branched electrode region 431 and a nonconductive region 432 other than the electrode region.
  • the electrode region 431 may include a conductive material.
  • such conductive materials may be inorganic materials including at least one of ITO, IGO, chromium, aluminum, Indium Zinc Oxide (IZO), Indium Gallium Zinc Oxide (IGZO), ZnO, ZnO 2 or TiO 2 or may be aluminum, iron or Metallic material containing at least one of copper or PEDOT (polyethylenedioxythiophene), carbon nanotube (CNT, Carbon nanotube), graphene (graphene), polyacetylene (polyacetylene), polythiophene (PT), polypyrrole It may be an organic material including at least one of polypyrrole, polyparaphenylene (PPV), polyaniline, polysulfur nitride, or polyparaphenylenevinylene.
  • the nonconductive region 432 at this time may include
  • the second electrode substrate 430 itself may be branched.
  • the entire second electrode substrate 430 may be made of an electrode material. Accordingly, in the case of this branch type substrate, the substrate itself serves as an electrode, and the contact area between the substrate and the conductive fluid 421 abuts according to the rotation of the substrate, and changes the capacitance according to the change. Energy can be collected.
  • a second dielectric thin film (not shown) is formed on the lower surface of the second electrode substrate 430.
  • the second dielectric thin film will be in contact with the conductive fluid array 200.
  • the thickness of the second dielectric thin film may be 5 nm to 50 mm.
  • the thickness of the second dielectric thin film may be set to 1 ⁇ m or less. Therefore, the thickness of the second dielectric thin film can be made thinner than 1 ⁇ m, and at the same time, a thin film having a dense structure can be formed to greatly increase the capacitance. can do.
  • the second dielectric thin film may be formed of silicon oxide (SiO x ), silicon nitride (SiN x ), tantalum oxide (Ta 2 O 5 ), titanium oxide (TiO 2 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), and barium titanate (BaTiO). 3 ), glass or a polymer such as parylene, teflon or polydimethylsiloxane (PDMS), or a combination of these materials.
  • the second dielectric thin film may be formed using a vapor deposition method and a physical vapor deposition method.
  • the method of forming the second dielectric thin film may include chemical vapor deposition, atomic layer deposition, sputtering, dip-coating, doctor blade, spin coating, screen printing, or spray coating.
  • the protective cover 440 may prevent the separation of the second electrode substrate 430 and the damage to the mechanical seat, which may occur when the second electrode substrate 430 is rotated.
  • the protective cover 440 may be formed to surround the lower portion of the first electrode substrate 440 in some cases, thereby protecting the second electrode substrate 440 together.
  • an inert gas such as argon gas may be filled in the space between the first electrode substrate 410 and the second electrode substrate 430 to fix the position of the conductive fluid array 420.
  • 11 is a conceptual view for explaining the principle of energy collection of the rotary REWOD power generation unit.
  • the second electrode substrate 430 starts to contact the electrode region 431 of the second electrode substrate 430 and the conductive fluid droplet 410 positioned on the first electrode substrate 410. Electric charges collect in the vicinity of the contact area (process 1-start contact).
  • the contact area between the electrode region 431 of the second electrode substrate 430 and the conductive fluid droplet 421 becomes maximum. With this increase in contact area, additional charge is supplied from the circuit to balance charge (process 2-maximum contact area).
  • vibration is generated by an external environment. Then, the damping vibration movement by the damper is performed.
  • the rotary REWOD generator is operated by the converted / reduced rotational motion.
  • Figure 13 is a perspective view of a vibration collecting type reverse electrowetting power generation module according to a preferred embodiment of the present invention.
  • 14 is a cross-sectional view of FIG. 13.
  • 15 is an exploded perspective view of FIG. 13.
  • FIG. 16 is a view illustrating a lower structure included in the nano-micro structure employed in the vibration collecting reverse electrowetting power generation module shown in FIG. 13.
  • 17 is an FE-SEM photograph of a nano-cone as an example of a nano-micro structure employed in the vibration collecting reverse electrowetting power generation module of the present invention.
  • the vibration collecting type reverse electrowetting power generation module includes an upper electrode substrate 51 and a lower electrode substrate 52 disposed so that the distance therebetween can be changed. .
  • One or more conductive fluid droplets 53 are disposed between the upper electrode substrate 51 and the lower electrode substrate 52.
  • the first dielectric layer (1) is formed on the surface of the conductive fluid droplet 53 side, that is, the lower surface of the upper electrode substrate 51 and the upper surface of the lower electrode substrate 52, respectively.
  • 54 and the second dielectric layer 55 are disposed.
  • hydrophobic protruding nano-micro structures 561 are arranged on the first dielectric layer 54 or the second dielectric layer 55.
  • Such nano-micro structures 561 may be disposed in the hydrophobic film 56 formed on the first dielectric layer 54 or the second dielectric layer as described below, or the first dielectric layer 54 or the second dielectric layer 55 may be formed. It may be formed hydrophobic and disposed thereon.
  • the contact angle between the droplet and the substrate is maximized by the nano-micro structures in a steady state (process 1). By doing so, the change of the contact area in the compression recovery process due to vibration can be maximized.
  • the upper electrode substrate 51 and the lower electrode substrate 52 may be a material that can be used as an electrode such as metal, polymer, or glass such as Pt, Pd, Ru, Ag, Au, Al, Ni, or the like. .
  • the first dielectric layer 54 and the second dielectric layer 55 are disposed on the bottom and top surfaces of the upper electrode substrate 51 and the lower electrode substrate 52, respectively. These may be for example 5 nm to 5 mm.
  • FIGS. 13 and 15 illustrate some elements to be transparent. In FIG. 15, the first dielectric layer 54 and the second dielectric layer 55 formed on the upper electrode substrate 51 and the lower electrode substrate 52 are not separately shown.
  • the first dielectric layer 54 and the second dielectric layer 55 are formed of a material comprising silicon oxide, silicon nitride, tantalum oxide, titanium oxide, aluminum oxide, barium titanate, glass, parylene, teflon or PDMS. It may be.
  • the hydrophobic film 56 may be disposed on the first dielectric layer 54 or the second dielectric layer 55. In the illustrated example, the hydrophobic film 56 is disposed on the second dielectric layer 55 disposed on the lower electrode substrate 52.
  • These multiple hydrophobic protruding nano-micro structures 561 can increase the contact angle of the conductive fluid droplet 53 to 150 ° or more.
  • the protruding nano-micro structures 561 may be nanocones, nanofillers, nanomeshes or nanofibers, and the like, and the shape thereof is not particularly limited.
  • first dielectric layer 54 or the second dielectric layer 55 may be formed of a hydrophobic material, in which case the protruding nano-micro structure 561 may be replaced by the first dielectric layer 54 or the second dielectric layer 55. ) Or nano-micro structures 561 thereon.
  • One or more conductive fluid droplets 53 are disposed between the upper electrode substrate 51 and the lower electrode substrate 52 as described above.
  • one or more conductive fluid droplets 53 abut dielectric layer, hydrophobic film 56, or protruding nano-micro structure 561.
  • the droplets 53 have a large contact angle in a steady state before vibration compression is performed by the protruding nano-micro structures 561 of the superhydrophobic body disposed on the lower electrode substrate 52.
  • the change of the contact area of each droplet 53 becomes larger than that of the existing module.
  • One or more conductive fluid droplets may be an ionic liquid or a liquid metal.
  • each of the one or more conductive fluid droplets may have a diameter of 1 ⁇ m to 5 cm.
  • the portions of the first and second dielectric layers 54 and 55 or the hydrophobic film 56 which contact each of the one or more conductive fluid droplets may have a concave groove structure.
  • This concave groove structure can prevent the separation of each conductive fluid droplet 53.
  • Such a groove structure may be naturally formed by forming a concave groove on the lower electrode substrate 52 and forming the first dielectric layer 54, the hydrophobic layer 56, and the nano-micro structures 561 thereon.
  • the vibration collecting reverse electrowetting power generation module includes an elastic separator 57 disposed to maintain a gap between the upper electrode substrate 51 and the lower electrode substrate 52.
  • the elastic separator 57 maintains a gap between the upper electrode substrate 51 and the lower electrode substrate 52 during compression by vibration, and also allows the upper electrode substrate 51 to recover to a predetermined height upon recovery.
  • the elastic separator 57 may be provided in an edge shape surrounding one or more conductive fluid droplets 53 in one module, but is not limited thereto.
  • a cover member 58 may be further disposed on the upper electrode substrate.
  • the cover member 58 serves to protect the components of the module disposed below.
  • step 1 polarization of droplets occurs due to voltage in a normal state where the substrates are not compressed.
  • the droplets 53 may have a contact angle of 150 ° or more due to the superhydrophobic protruding nano-micro structures 561.
  • the droplets are pressed by the substrates to increase the contact area, thereby additionally supplying charges in the circuit to balance the charges.
  • the contact area between the droplet and the substrate is reduced, and the charge moves to the circuit to balance the charge, and then, these charges are collected to produce electric power.
  • connection rod 122 protrusion
  • first electrode substrate 211 groove
  • opening 330 elastic member
  • connecting member 341 connecting rod
  • protrusion 350 rotational transmission member
  • conductive fluid array 421 conductive fluid
  • non-conductive zone 440 protective cover

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

REWOD 발전장치 및 역 전기습윤 발전모듈을 제공한다. REWOD 발전장치는 제1 전극기판, 제2 전극기판 및 상기 제1 전극기판 및 제2 전극기판 사이에 위치하는 전도성 유체들을 포함하는 전도성 유체 어레이를 포함하는 REWOD 발전부 및 상기 REWOD 발전부의 제1 전극기판 또는 제2 전극기판과 연결되어 외부의 물리력을 상기 제1 전극기판 또는 제2 전극기판에 전달하되, 회전 에너지를 진동 에너지로 변환하여 전달하는 진동-회전 변환부를 포함한다. 따라서, 극한 진동 및 회전 환경에서 보다 유연한 적용이 가능하고, 보조 전력 장치 등으로 이용되어 전력 수급에 기여할 수 있는 REWOD 발전장치를 제공할 수 있다.

Description

REWOD 발전장치 및 역 전기습윤 발전 모듈
본 발명은 REWOD 발전장치에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 진동-회전 변환장치를 이용한 REWOD 발전장치에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 역 전기습윤을 이용한 발전 분야에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 유체 액적의 접촉면적 변화를 최대화하여 발전 성능이 향상된 진동 수집형 역 전기습윤 발전 모듈에 관한 것이다.
생활 또는 환경에서 버려지는 에너지를 회생 시켜 사용하자는 회생 에너지 기반 발전 시스템에 대한 관심이 높아지고 있으며 그 중에서도 진동 등을 이용한 발전 방식이 주목을 받고 있다.
기존에 진동을 이용한 발전 방법은 진동-압력 변환을 이용한 압전소자 발전이 있으나 낮은 발전량과 소자를 이루는 유해 물질 등의 문제로 그 실효성과 안전성에 어려움을 겪고 있으며, 엄밀히 말하자면 진동 에너지 자체를 이용하는 것이 아니므로 압력으로의 변환이 어려운 미세한 진동 환경 등에는 적용이 어려운 점도 단점으로 지적 받고 있다.
이에 종래의 압전소자를 이용한 발전이 아닌 새로운 기술인 Reverse electrowetting on dielectric(REWOD)을 이용한 발전 방법이 새롭게 등장하였는데, 이는 미세 유체 유동을 이용한 새로운 발전 방법으로 전극-유전체-전도성 유체로 이루어진 시스템에서 유체의 형상 변화에 의한 커패시턴스 변화 효과를 이용한다.
이러한 REWOD 기술을 이용한 발전 방법으로 관내 유동을 통한 방법과 상/하 진동을 이용한 방법이 연구되고 있다. 예를 들어, 대한민국 등록특허 제10-1358291호(2014.01.27.)에서는 유체의 체적변화를 이용하여 에너지를 전환하는 장치에 대하여 개시되어 있다.
한편, 경우에 따라 때로는 매우 큰 진동이나 고속의 회전 환경의 경우, 에너지를 직접적으로 이용하게 되면 효율 감소나 파괴 등의 문제점이 발생하게 될 수 있다.
따라서, 매우 큰 진동 환경 등의 극한 환경에서도 장치 파괴 문제 없이 에너지 수집이 가능한 발전장치를 개발할 필요가 있다.
한편, REWOD 기술을 이용한 발전 모듈로 진동 수집형 역 전기습윤 발전 모듈이 연구되고 있다.
이와 같은 진동 수집형 역 전기습윤 발전 모듈에서는 전도성 유체 액적과 기판의 접촉 면적이 커질수록 전력 밀도가 상승된다. 따라서, 진동에 의한 전도성 유체 액적의 접촉 면적 변화를 최대로 하기 위해서는 소수성 막에 의한 유체의 접촉 각도 상승이 필요하다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 극한 진동 및 회전 환경에서도 에너지 수집이 가능한 REWOD 발전장치를 제공함에 있다.
또한, 본 발명은 유체 액적의 접촉면적의 변화를 최대화할 수 있는 진동 수집형 역 전기습윤 발전 모듈을 제공함에 있다.
또한, 본 발명은 안정적이고 지속적으로 발전 동작을 수행할 수 있는 진동 수집형 역 전기습윤 발전 모듈을 제공함에 있다.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 REWOD 발전장치를 제공한다. 상기 REWOD 발전장치는 제1 전극기판, 제2 전극기판 및 상기 제1 전극기판 및 제2 전극기판 사이에 위치하는 전도성 유체들을 포함하는 전도성 유체 어레이를 포함하고, 외부의 물리력에 의해 제1 전극기판 또는 제2 전극기판이 진동하면서 상기 제1 전극기판 또는 제2 전극기판의 전극 부분과 상기 전도성 유체가 맞닿은 접촉면적의 변화를 이용하여 에너지를 수집하는 REWOD 발전부; 및 상기 REWOD 발전부의 제1 전극기판 또는 제2 전극기판과 연결되어 외부의 물리력을 상기 제1 전극기판 또는 제2 전극기판에 전달하되, 회전 에너지를 진동 에너지로 변환하여 전달하는 진동-회전 변환부를 포함할 수 있다.
상기 진동-회전 변환부는 회전 에너지를 진동에너지로 변환 후 상기 변환된 에너지를 감쇠시키는 에너지 감쇠부를 더 포함할 수 있다.
상기 진동-회전 변환부는 슬라이드-크랭크 구조를 포함할 수 있다.
상기 진동-회전 변환부는, 외부의 물리력에 의해 회전되는 회전부재; 일단이 상기 회전부에 연결된 연결부재; 상기 연결부재의 타단에 연결되고, 상기 연결부재에 의해 진동하는 탄성부재; 상기 탄성부재에 연결되고, 상기 탄성부재로부터 전달된 진동에너지를 감쇠시키는 에너지 감쇠부재; 및 상기 에너지 감쇠부재에 연결되고, 상기 감쇠된 진동에너지를 상기 REWOD 발전부의 제1 전극기판 또는 제2 전극기판에 전달하는 진동전달부재를 포함할 수 있다.
상기 REWOD 발전부는, 상부면에 위치하는 복수개의 홈들을 포함하는 제1 전극기판; 상기 제1 전극기판 상에 형성된 제1 유전체 박막; 상기 제1 유전체 박막 상에 형성된 제1 소수성 박막; 상부에 제1 유전체 박막 및 제1 소수성 박막이 형성된 제1 전극기판 상에 상기 홈들의 위치에 대응하여 배치되는 전도성 유체들을 포함하는 전도성 유체 어레이; 및 상기 전도성 유체 어레이 상에 진동 가능하도록 설치되되, 하부면에 제2 유전체 박막 및 제2 유전체 박막의 하부에 위치하는 제2 소수성 박막이 형성된 제2 전극기판을 포함할 수 있다.
상기 홈들은 상기 전도성 유체의 위치 이탈을 방지하는 것을 특징으로 한다.
상기 전도성 유체는 액체 금속 갈린스탄, NaCl, LiCl, NaNo3, Na2SiO3, AlCl3-NaCl, LiCl-KCl, KCL, Na, NaOH, H2SO4, CH3COOH, HF, CuSO4, 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜 및 AgCl 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 제1 전극기판과 상기 제2 전극기판 사이를 지지하는 격벽을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 소수성 박막 또는 상기 제2 소수성 박막은 불소 중합체(fluoropolymer) 계열의 물질 또는 초발수 나노 구조체를 포함할 수 있다.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 다른 측면은 REWOD 발전장치를 제공한다. 상기 REWOD 발전장치는 제1 전극기판, 제2 전극기판, 및 상기 제1 전극기판 및 제2 전극기판 사이에 위치하는 전도성 유체들을 포함하는 전도성 유체 어레이를 포함하고, 외부의 물리력에 의해 제1 전극기판 또는 제2 전극기판이 회전하면서 상기 제1 전극기판 또는 제2 전극기판의 전극 부분과 상기 전도성 유체가 맞닿은 접촉면적의 변화를 이용하여 에너지를 수집하는 REWOD 발전부; 및 상기 REWOD 발전부의 제1 전극기판 또는 제2 전극기판과 연결되어 외부의 물리력을 상기 제1 전극기판 또는 제2 전극기판에 전달하되, 진동 에너지를 회전 에너지로 변환하여 전달하는 진동-회전 변환부를 포함할 수 있다.
상기 진동-회전 변환부는 슬라이드-크랭크 구조를 포함할 수 있다.
상기 진동-회전 변환부는, 외부의 물리력에 의해 진동하는 진동부재; 상기 진동부재에 연결되고 상기 진동부재로부터 전달된 진동에너지를 감쇠시키는 에너지 감쇠부재; 상기 에너지 감쇠부재에 연결되고, 상기 감쇠된 진동에너지를 전달받아 진동하는 탄성부재; 일단이 상기 탄성부재에 연결된 연결부재; 및 상기 연결부재의 타단에 연결되고, 상기 연결부재에 의해 회전하되, 회전에너지를 상기 REWOD 발전부의 제1 전극기판 또는 제2 전극기판에 전달하는 회전전달부재를 포함할 수 있다.
상기 REWOD 발전부는, 상부면에 위치하는 복수개의 홈들을 포함하는 제1 전극기판; 상기 제1 전극기판 상에 형성된 제1 유전체 박막; 상부에 제1 유전체 박막이 형성된 제1 전극기판 상에 상기 홈들의 위치에 대응하여 배치되는 전도성 유체들을 포함하는 전도성 유체 어레이; 및 상기 전도성 유체 어레이가 배치된 제1 전극기판 상에 회전 가능하도록 설치되되, 하부면에 제2 유전체 박막이 형성된 제2 전극기판을 포함하고, 상기 제2 전극기판의 중심부에 상기 회전전달부의 회전축이 결합될 수 있다.
상기 홈들은 닷 형태 또는 채널 형태인 것을 특징으로 한다.
상기 홈들은 방사형으로 서로 이격되어 배열된 것을 특징으로 한다.
상기 홈들은 상기 전도성 유체의 위치 이탈을 방지하는 것을 특징으로 한다.
상기 전도성 유체는 액적 또는 채널 형태인 것을 특징으로 한다.
상기 전도성 유체는 액체 금속 갈린스탄, NaCl, LiCl, NaNo3, Na2SiO3, AlCl3-NaCl, LiCl-KCl, KCL, Na, NaOH, H2SO4, CH3COOH, HF, CuSO4, 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜 및 AgCl 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 제2 전극기판은 가지 형태인 것을 특징으로 한다.
상기 제2 전극기판은 가지 형태의 전극 영역 및 상기 전극 영역 이외의 비전도성 영역을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 진동 수집형 역 전기습윤 발전 모듈을 제공하며, 이는: 상호간의 간격이 변경가능하도록 배치된 상부 및 하부 전극기판; 상기 상부 전극기판과 상기 하부 전극기판 사이에 배치되는 하나 이상의 전도성 유체 액적; 상기 상부 및 하부 전극기판에 있어서 상기 전도성 유체 액적 측의 면에 각각 형성된 제1 및 제2 유전체층; 및 상기 제1 또는 제2 유전체층 상에 배열된 소수성의 돌출 나노-마이크로 구조들;을 포함한다.
여기서, 상기 제1 또는 제2 유전체층은 소수성이거나, 표면에 소수성막을 가지는 것일 수 있다.
상기 돌출형 나노-마이크로 구조는 초발수체로 이루어진 것일 수 있다.
상기 유전체층은 5 ㎚ 내지 5 ㎜일 수 있다.
상기 유전체층은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 탄탈륨 산화물, 티타늄 산화물, 알루미늄 산화물, 티탄산 바륨, 유리, 파릴렌, 테플론 또는 PDMS을 포함하는 물질로 형성된 것일 수 있다.
상기 하나 이상의 전도성 유체 액적은 이온성 액체 또는 액체 금속일 수 있다.
상기 하나 이상의 전도성 유체 액적 각각은 1 ㎛ 내지 5 ㎝의 지름을 가지는 것일 수 있다.
상기 제1 및 제2 유전체층 또는 상기 소수성막에 있어서 상기 하나 이상의 전도성 유체 액적 각각이 접촉하는 부위는 상기 전도성 유체 액적의 이탈을 방지하도록 오목한 홈 구조가 형성될 수 있다.
상기 상부 전극기판 위에는 커버부재가 더 배치될 수 있다.
상기 상부 전극기판과 상기 하부 전극기판 사이의 간격 유지를 위한 탄성 분리막이 배치될 수 있다.
본 발명에 따르면, 극한 진동 및 회전 환경에서 보다 유연한 적용이 가능하고, 보조 전력 장치 등으로 이용되어 전력 수급에 기여할 수 있는 REWOD 발전장치를 제공할 수 있다.
또한, 진동-회전 변환 장치를 통해 보다 고효율 환경으로 변환하여 고효율 발전이 가능한 REWOD 발전장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 초발수체(super hydrophobic material) 나노-마이크로 구조를 이용함으로써 전도성 유체 액적과 기판과의 접촉각을 최대화시킴으로써, 진동에 의한 압축과 복원 과정에서 액적과 기판과의 접촉면적의 변화를 최대화할 수 있다. 이를테면, 나노 콘(nano cone), 나노 필러(nano pillar), 나노 메쉬, 나노 파이버, 등의 나노-마이크로 구조 또는 초발수체 나노-마이크로 구조로 형성하면 접촉 각도가 150o 이상이 가능하게 되는데, 이를 통해 진동에 의한 압축과 복원 시에 접촉 면적의 변화가 극대화 되고, REWOD 발전 모듈의 성능 향상을 가져올 수 있다. 나아가, 본 발명의 진동 수집형 역 전기습윤 발전 모듈은 액적이 정위치에서 이탈하지 않을 뿐 아니라 모듈 전체적으로 안정적인 구조를 가진다.
본 발명의 기술적 효과들은 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 REWOD 발생장치의 개략사시도이다.
도 2는 도 1의 절단선 A-A'에 따라 취해진 단면도이다.
도 3은 진동-회전 변환부의 개략사시도이다.
도 4는 REWOD 발전부의 개략사시도이다.
도 5는 진동형 REWOD 발전부의 에너지 수집 원리를 설명하기 위한 개념도들이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 REWOD 발전장치의 동작설명도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 REWOD 발생장치의 개략사시도이다.
도 8은 도 7의 절단선 B-B'에 따라 취해진 단면도이다.
도 9는 REWOD 발전부의 개략사시도이다.
도 10은 REWOD 발전부의 분해 사시도이다.
도 11은 회전형 REWOD 발전부의 에너지 수집 원리를 설명하기 위한 개념도들이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 REWOD 발전장치의 동작설명도이다.
도 13은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 진동 수집형 역 전기습윤 발전 모듈을 도시한 사시도이다.
도 14은 도 13의 단면도이다.
도 15는 도 13의 분해사시도이다.
도 16은 도 13에 도시한 진동 수집형 역 전기습윤 발전 모듈에 채용된 나노-마이크로 구조가 포함하는 하부 구조를 보여주는 도면이다.
도 17은 본 발명의 진동 수집형 역 전기습윤 발전 모듈에 채용되는 나노-마이크로 구조의 예로서 나노 콘에 대한 FE-SEM 사진이다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다.
층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 구성요소 "상(on)"에 존재하는 것으로 언급될 때, 이것은 직접적으로 다른 요소 상에 존재하거나 또는 그 사이에 중간 요소가 존재할 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
비록 제1, 제2 등의 용어가 여러 가지 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들을 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 이러한 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들은 이러한 용어에 의해 한정되어서는 안 된다는 것을 이해할 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 REWOD 발생장치를 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 REWOD 발생장치는 에너지를 수집하는 REWOD 발전부 및 진동-회전 변환부를 포함한다.
REWOD 발전부는 진동에너지를 수집하는 진동형 REWOD 발전부 또는 회전에너지를 수집하는 회전형 REWOD 발전부일 수 있다.
이러한 REWOD 발전부의 종류에 따라 진동-회전 변환부는 진동에너지를 회전에너지로 변환하거나 회전에너지를 진동에너지로 변환하는 역할을 한다. 이때의 진동-회전 변환부는 슬라이드-크랭크(Slide-Crank) 구조를 포함하고, 이러한 슬라이드-크랭크 구조에 의해 진동에너지를 회전에너지로 변환하거나 회전에너지를 진동에너지로 변환할 수 있다.
먼저, REWOD 발전부가 진동형인 경우를 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 REWOD 발생장치의 개략사시도이다.
도 2는 도 1의 절단선 A-A'에 따라 취해진 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 REWOD 발생장치는 에너지를 수집하는 REWOD 발전부(20) 및 진동-회전 변환부(10)를 포함한다.
REWOD 발전부(20)는 제1 전극기판(210), 제2 전극기판(230) 및 상기 제1 전극기판(210) 및 제2 전극기판(230) 사이에 위치하는 전도성 유체들(221)을 포함하는 전도성 유체 어레이(220)를 포함할 수 있다. 이때, 외부의 물리력에 의해 제1 전극기판(210) 또는 제2 전극기판(230)이 진동하면서 상기 제1 전극기판(210) 또는 제2 전극기판(230)의 전극 부분과 상기 전도성 유체(221)가 맞닿은 접촉면적의 변화를 이용하여 에너지를 수집하게 된다.
진동-회전 변환부(10)는 상기 REWOD 발전부(20)의 제1 전극기판(210) 또는 제2 전극기판(230)과 연결되어 외부의 물리력을 상기 제1 전극기판(210) 또는 제2 전극기판(230)에 전달하되, 회전 에너지를 진동 에너지로 변환하여 전달한다.
따라서, 외부의 물리력이 회전 운동하는 회전 에너지인 경우, 진동-회전 변환부를 이용하여 회전 에너지를 진동 에너지로 변환시킴으로써, 이러한 환경에서 회전형 REWOD 발전부를 직접 이용하여 에너지를 수집하는 방법 이외에도, 필요에 따라 진동형 REWOD 발전부를 이용하여 에너지를 수집할 수 있게 된다.
또한, 진동-회전 변환부(10)는 변환된 진동에너지를 감쇠시키는 에너지 감쇠부(140)를 더 포함할 수 있다. 따라서, 상기 진동-회전 변환부(10)는 회전 에너지를 진동에너지로 변환 후 상기 변환된 에너지를 상기 에너지 감쇠부에 의해 감쇠시키고, 감쇠된 진동에너지를 상기 제1 전극기판(210) 또는 제2 전극기판(230)에 전달할 수 있다.
따라서, 극한의 회전 환경의 경우, 극한의 에너지를 감쇠시킴으로써, REWOD 발전부(20)가 파괴될 위험성을 줄일 수 있다. 따라서, 극한의 회전 환경에서도 에너지 수집을 가능하게 한다.
따라서, 본 발명 REWOD 발전 장치는 극한의 회전 환경에서 적용 가능한 바, 보다 유연한 적용이 가능하고, 보조 전력 장치 등으로 이용되어 전력 수급에 기여할 수 있다.
이하, 진동-회전 변환부(10)의 구성을 보다 구체적으로 설명한다.
도 3은 진동-회전 변환부(10)의 개략사시도이다.
도 1 및 도 2와 함께 도 3을 참조하면, 진동-회전 변환부(10)는 회전부재(110), 연결부재(120), 탄성부재(130), 에너지 감쇠부재(140) 및 진동전달부재(150)를 포함할 수 있다.
회전부재(110)는 외부의 물리력에 의해 회전되며, 회전에너지를 전달받게 된다. 예를 들어, 회전부재(110)는 자동차의 바퀴 축에 연결되어 외부의 물리력에 의해 회전할 수 있다. 이러한 회전부재(110)의 형상은 외부 환경에 따라 회전에너지를 전달받을 수 있도록 설정할 수 있고, 그 형상에 대하여 특별히 제한되지는 않는다.
예컨대, 이러한 회전부재(110)는 회전판(111) 및 회전판(111)의 회전중심에서 소정 거리 이격되어 위치하는 돌출부(112)를 포함할 수 있다. 한편, 돌출부(112) 대신 홈부를 포함할 수도 있다.
연결부재(120)는 일단이 이러한 회전부재(110)에 연결되고, 타단은 후술하는 탄성부재(130)에 연결된다. 이러한 연결부재(120)는 회전부재(110)가 외부의 물리력에 의해 회전운동시 탄성부재(130)가 선형운동을 하도록 연결된다.
예컨대, 이러한 연결부재(120)는 연결로드(121)를 포함할 수 있다. 연결로드(121)의 일단은 회전부재(110)의 돌출부(112)에 대응하는 홈부(123)가 구비되어, 이러한 홈부(123)에 회전부재(110)의 돌출부(112)가 끼워져 연결될 수 있다. 한편, 반대로, 회전부재(110)가 돌출부(112) 대신 홈부가 구비된 경우 연결로드(121)의 일단은 돌출부를 구비하여 상호 연결할 수 있을 것이다.
또한, 연결로드(121)의 타단은 탄성부재와 연결할 수 있도록 돌출부(122)가 구비될 수 있다.
따라서, 회전부재(110)가 회전운동시 회전부재(110)와 연결된 연결로드(120)의 일단은 원운동을 하게 되고, 이러한 연결로드(120)에 의해 연결로드(120)의 타단에 연결된 탄성부재(130)는 선형운동을 하게 된다.
탄성부재(130)는 연결부재(120)의 타단에 연결되고, 상기 연결부재(120)에 의해 진동한다. 즉, 연결부재(120)가 연결로드(121)인 경우, 탄성부재(130)는 연결로드(121)의 타단에 연결되고, 상기 연결로드(121)에 의해 진동한다. 따라서, 연결로드(121)에 의해 회전부재(110)의 회전에너지를 진동에너지로 변환시킴으로써, 탄성부재(130)가 진동하게 된다.
이러한 탄성부재(130)는 코일 스프링뿐만 아니라 일정한 탄성계수를 가지는 것이면 어떠한 형태라도 채용할 수 있다.
예를 들어, 탄성부재(130)는 스프링(131) 및, 이때의 스프링(131)의 상, 하부에 결합된 상부연결판(132) 및 하부연결판(133)을 포함할 수 있다. 따라서, 상부연결판(132)은 상부에 돌출부(134)가 구비되고 이러한 돌출부(134)에는 끼움홈이 구비될 수 있다. 따라서, 이러한 돌출부(134)의 끼움홈에 연결로드(121)의 돌출부(122)가 끼워져 연결될 수 있다. 또한, 하부연결판(133)은 후술하는 에너지 감쇠부재와 연결될 수 있다.
에너지 감쇠부재(140)는 상기 탄성부재(130)에 연결되고, 상기 탄성부재(130)로부터 전달된 진동에너지를 감쇠시킨다.
예를 들어, 이러한 에너지 감쇠부재(140)는 진동 에너지를 감쇠시키는 댐퍼(damper)일 수 있다. 예컨대, 에너지 감쇠부재는 유압 댐퍼일 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않고, 공지된 다양한 댐퍼를 이용할 수 있다.
따라서, 극한의 회전 환경의 경우, 감쇠부재(140)는 외부로부터 전달받은 에너지를 감쇠시킨 후, 감쇠된 에너지를 REWOD 발전부(20)에 전달함으로써, REWOD 발전부가 극한의 환경에 직접 연결하는 경우에 비하여 파괴의 위험을 줄여 안전성을 향상시킬 수 있다.
진동전달부재(150)는 이러한 에너지 감쇠부재(140)에 연결되고, 상기 감쇠된 진동에너지를 상기 REWOD 발전부(20)의 제1 전극기판(210) 또는 제2 전극기판(230)에 전달한다. 도 2에서는 진동전달부재(150)가 REWOD 발전부(20)의 보호커버(250)와 결합된 구조이다. 따라서, 진동전달부재(150)는 보호커버(250)와 결합된 제2 전극기판(230)에 감쇠된 진동에너지를 전달할 수 있다.
이하, 진동형 REWOD 발전부의 구성에 대하여 구체적으로 설명한다.
도 4는 REWOD 발전부의 개략사시도이다.
도 1 및 도 2와 함께 도 4를 참조하면, REWOD 발전부는 제1 전극기판(210), 제1 유전체 박막(미도시), 제1 소수성 박막(미도시), 전도성 유체 어레이(220), 제2 소수성 박막(미도시), 제2 유전체 박막(미도시) 및 제2 전극기판(230)을 포함한다.
제1 전극기판(210)은 상부면에 위치하는 복수개의 홈들(211)을 포함한다. 이때의 홈들(2100)은 닷 형태일 수 있다. 이러한 홈들은 후술하는 전도성 유체(221)가 위치 이탈하는 것을 방지하는 역할을 한다.
또한, 제1 유전체 박막은 제1 전극기판(210) 상에 형성되고, 이러한 제1 유전체 박막 상에 제1 소수성 박막이 형성될 수 있다. 한편, 제1 유전체 박막과 제1 소수성 박막을 제1 전극기판(210) 상에 형성할 때, 제1 전극기판(210) 상부면에 복수개의 홈들(211) 구조가 그대로 유지되도록 한다.
이러한 제1 유전체 박막의 두께는 5 nm 내지 50 ㎜ 일 수 있다.
바람직하게 제1 유전체 박막의 두께를 1 ㎛ 이하로 설정할 수 있다. 따라서, 유전체 박막의 두께를 1 ㎛ 이하로 얇게 가져감과 동시에 치밀한 구조의 박막을 형성하여 커패시턴스를 크게 증가시킬 수 있으며 이는 곧 전력 밀도의 상승으로 이어지고 보다 고효율, 고발전량의 발전 시스템을 구축할 수 있다.
또한, 제1 유전체 박막은 실리콘 산화물(SiOx), 실리콘 질화물(SiNx), 탄탈륨산화물(Ta2O5), 티타늄 산화물(TiO2), 알루미늄 산화물(Al2O3), 티탄산바륨(BaTiO3), 유리(glass) 또는 파릴렌(parylene), 테플론(taflon) 또는 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS)과 같은 폴리머, 또는 이들 재료의 조합을 포함할 수 있다.
이러한 제1 유전체 박막은 기상 증착법과 물리적 증착법을 이용하여 형성할 수 있다. 예를 들어, 제1 유전체 박막의 형성방법은 화학기상증착법(Chemical Vaper Deposition, CVD), 원자층증착법(Atomic Layer Deposition, ALD), 스퍼터링법(Sputtering), 딥-코팅법(Dip-coating), 닥터블레이드법(Dr. blade), 스핀코팅법(Spin coating), 스크린프린팅법(Screen printing) 또는 스프레이코팅법(Spray coating)을 포함할 수 있다.
제1 소수성 박막은 불소 중합체(fluoropolymer) 계열의 물질 또는 초발수 나노 구조체를 포함할 수 있다. 이러한 제1 소수성 박막은 액적과의 접촉각이 크기 때문에 액적과의 접촉면적을 작아지게 한다. 따라서, 외부 힘이 없을 경우 제1 전극기판(210)과 액적과의 접촉면적이 작기 때문에, 진동에 의한 제1 전극기판(210)과 액적과의 접촉면적의 변화량이 커지게 되고, 이에 따라 에너지 수집 효율이 향상된다.
전도성 유체 어레이(220)는 상부에 제1 유전체 박막 및 제1 소수성 박막이 형성된 제1 전극기판(210) 상에 상기 홈들(211)의 위치에 대응하여 배치되는 전도성 유체들(221)을 포함할 수 있다.
이러한 전도성 유체들(221)은 액적 형태일 수 있다. 이러한 전도성 유체 액적의 지름은 1 ㎛ 내지 5 ㎝ 일 수 있다.
한편, 이러한 전도성 유체(221)는 갈륨, 인듐 및 주석의 합금인 액체 금속 갈린스탄, NaCl, LiCl, NaNo3, Na2SiO3, AlCl3-NaCl, LiCl-KCl, KCL, Na, NaOH, H2SO4, CH3COOH, HF, CuSO4, 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜 및 AgCl 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
제2 전극기판(230)은 상기 전도성 유체 어레이(220) 상에 진동 가능하도록 설치되되, 하부면에 제2 유전체 박막(미도시) 및 제2 유전체 박막의 하부에 위치하는 제2 소수성 박막(미도시)이 형성된다.
제2 유전체 박막은 실리콘 산화물(SiOx), 실리콘 질화물(SiNx), 탄탈륨산화물(Ta2O5), 티타늄 산화물(TiO2), 알루미늄 산화물(Al2O3), 티탄산바륨(BaTiO3), 유리(glass) 또는 파릴렌(parylene), 테플론(taflon) 또는 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS)과 같은 폴리머, 또는 이들 재료의 조합을 포함할 수 있다.
제2 소수성 박막은 불소 중합체(fluoropolymer) 계열의 물질 또는 초발수 나노 구조체를 포함할 수 있다.
또한, 제1 전극기판(210)과 상기 제2 전극기판(230) 사이를 지지하는 격벽(240)을 더 포함할 수 있다. 또한, 이러한 격벽(240)은 제1 전극기판(210) 또는 제2 전극기판(230)이 진동가능 하도록 탄성소재를 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 이러한 격벽(240)은 REWOD 발전부의 진동 환경 적용시 과대 진폭의 경우에도 제1 전극기판(210)과 제2 전극기판(230)의 간격을 특정범위로 유지하는 역할을 한다.
이러한 제2 전극기판(210) 상에 진동-회전 변환부(10)의 진동전달부재(150)가 결합될 수 있다. 따라서, 진동전달부재(150)에 의해 전달된 진동에너지에 의해 제2 전극기판(210)이 진동하게 된다. 따라서, 제2 전극기판(210)의 진동에 따라 제2 전극기판(210)의 전극 부분과 전도성 유체가 맞닿은 접촉면적이 변화하게 되고 이러한 변화에 따른 캐패시턴스 변화를 이용하여 에너지를 수집할 수 있게 된다. 제2 전극기판(210)의 경우 기판 자체가 전극 부분일 수 있고, 경우에 따라 전극 영역과 비전도성 영역을 포함할 수도 있다.
한편, 이러한 제2 전극기판(230) 상에 보호커버(250)를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 진동전달부재(150)는 보호커버(250) 상부와 연결되어 제2 전극기판(230)에 진동에너지를 전달할 수 있다. 또한, 제1 전극기판(210)을 보호하기 위하여 제1 전극기판(210) 하부를 감싸도록 하부 보호커버(251)를 더 포함할 수 있다.
도 5는 진동형 REWOD 발전부의 에너지 수집 원리를 설명하기 위한 개념도들이다.
도 5를 참조하면, 제1 전극기판(210)과 제2 전극기판(230)에 소정의 전압을 인가시 인가된 전압에 의해 전도성 유체 액적(221)의 분극이 일어난다. 이때 액적과 기판 접촉 면적 부근으로 전하가 모이게 된다(과정1- 정상 상태).
진동에 의해 제1 전극기판(210)과 제2 전극기판(230) 사이에 압축될 경우, 이러한 진동에 의해 액적이 눌려 접촉 면적이 커지게 된다. 따라서, 접촉 면적의 증가로 전하 균형을 맞춰주기 위해 회로에서 전하가 추가로 공급된다(과정2- 압축 상태).
제1 전극기판(210)과 제2 전극기판(230) 사이의 압축이 해제될 경우, 액적이 압축 상태에서 회복되며 기판과 액적의 접촉면적이 다시 작아지게 된다. 따라서, 접촉 면적의 감소로 전하 균형을 맞춰 주기 위해 전하가 다시 회로로 돌아간다(과정3- 회복 상태). 따라서, 이렇게 회로로 다시 돌아가는 전하를 포집하여 전력을 생산할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 REWOD 발전장치의 동작설명도이다. 이러한 REWOD 발전장치는 진동-회전 변환부와 진동형 REWOD 발전부를 포함하는 경우이다.
도 6을 참조하면, 외부 환경에 의해 회전이 발생한다. 그 다음에 슬라이드-크랭크 구조에 의해 회전운동이 진동운동으로 변환된다.
그 다음에, 댐퍼(damper)에 의한 감쇠 진동운동을 한다.
그리고, 변환/감소된 진동 운동에 의해 진동형 REWOD 발전장치가 작동하게 된다.
그 다음에, REWOD 발전부가 회전형인 경우를 설명한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 REWOD 발생장치의 개략사시도이다.
도 8은 도 7의 절단선 B-B'에 따라 취해진 단면도이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 REWOD 발생장치는 에너지를 수집하는 REWOD 발전부(40) 및 진동-회전 변환부(30)를 포함한다.
REWOD 발전부(40)에 대하여 후술하는 도 9를 함께 참조하면, REWOD 발전부(40)는 제1 전극기판(410), 제2 전극기판(430) 및 상기 제1 전극기판(410) 및 제2 전극기판(430) 사이에 위치하는 전도성 유체들(421)을 포함하는 전도성 유체 어레이(420)를 포함할 수 있다. 이때, 외부의 물리력에 의해 제1 전극기판(410) 또는 제2 전극기판(430)이 회전하면서 상기 제1 전극기판(410) 또는 제2 전극기판(430)의 전극 부분과 상기 전도성 유체가 맞닿은 접촉면적의 변화를 이용하여 에너지를 수집하게 된다.
진동-회전 변환부(30)는 상기 REWOD 발전부(40)의 제1 전극기판(410) 또는 제2 전극기판(430)과 연결되어 외부의 물리력을 상기 제1 전극기판(410) 또는 제2 전극기판(430)에 전달하되, 진동 에너지를 회전 에너지로 변환하여 전달한다.
따라서, 외부의 물리력이 진동 운동하는 진동 에너지인 경우, 진동-회전 변환부를 이용하여 진동 에너지를 회전 에너지로 변환시킴으로써, 이러한 환경에서 진동형 REWOD 발전부를 직접 이용하여 에너지를 수집하는 방법 이외에도, 필요에 따라 회전형 REWOD 발전부를 이용하여 에너지를 수집할 수 있게 된다.
또한, 진동-회전 변환부(30)는 외부의 진동 에너지를 감쇠시키는 에너지 감쇠부재(320)를 더 포함할 수 있다. 이 경우 진동-회전 변환부(30)는 에너지 감쇠부재(320)에 의해 외부의 진동 에너지를 감쇠시킨 후, 감쇠된 진동에너지를 회전에너지로 변환시켜 REWOD 발전부에 감쇠된 회전에너지를 전달할 수 있다.
따라서, 극한의 진동 환경의 경우, 극한의 에너지를 감쇠시킴으로써, REWOD 발전부(20)가 파괴될 위험성을 줄일 수 있다. 따라서, 극한의 진동 환경에서도 에너지 수집을 가능하게 한다.
따라서, 본 발명 REWOD 발전 장치는 극한의 진동 환경에서 적용 가능한 바, 보다 유연한 적용이 가능하고, 보조 전력 장치 등으로 이용되어 전력 수급에 기여할 수 있다.
이하, 진동-회전 변환부(30)의 구성을 보다 구체적으로 설명한다.
도 7 및 8을 참조하면, 진동-회전 변환부(30)는 진동부재(310), 에너지 감쇠부재(320), 탄성부재(330), 연결부재(340) 및 회전전달부재(350)를 포함할 수 있다.
진동부재(310)는 외부의 물리력에 의해 진동되며, 진동에너지를 전달받게 된다. 이러한 진동부재(310)의 형상은 외부 환경에 따라 진동에너지를 전달받을 수 있도록 설정할 수 있고, 그 형상에 대하여 특별히 제한되지는 않는다.
예를 들어, 이러한 진동부재(310)는 판 형태 일수 있다.
에너지 감쇠부재(320)는 진동부재(310)에 연결되고 상기 진동부재(310)로부터 전달된 진동에너지를 감쇠시킨다.
예를 들어, 이러한 에너지 감쇠부재(320)는 진동 에너지를 감쇠시키는 댐퍼(damper)일 수 있다. 예컨대, 에너지 감쇠부재(320)는 유압 댐퍼일 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않고, 공지된 다양한 댐퍼를 이용할 수 있다. 따라서, 댐퍼의 구체적인 설명에 대하여는 생략한다.
일 예로, 이러한 댐퍼의 동작에 대하여 간략하게 설명하면, 도 8에 도시된 바와 같이 에너지 감쇠부재(320)가 유압 댐퍼인 경우를 설명한다. 외부 진동에너지에 의해, 진동부재(310)가 진동하고, 이러한 진동부재(310)에 연결된 유압 댐퍼의 중심축(321)이 반복운동(점선 화살표)을 하게 된다. 이 때 유체가 개구부(322)를 통해 이동하며(실선 화살표), 이 때 발생하는 유체의 저항에 의해 감쇠가 발생할 수 있다.
따라서, 극한의 진동 환경의 경우, 에너지 감쇠부재(320)에 의해 외부로부터 전달받은 에너지를 감쇠시키고, 이렇게 감쇠된 에너지를 진동에너지로 변환하여 REWOD 발전부에 전달함으로써, REWOD 발전부가 극한의 환경에 직접 연결하는 경우에 비하여 파괴의 위험을 줄일 수 있는 바, 안전성을 보다 향상시킬 수 있다.
탄성부재(330)는 상기 에너지 감쇠부재(320)에 연결되고, 감쇠된 진동에너지를 전달받아 진동한다.
이러한 탄성부재(330)는 코일 스프링뿐만 아니라 일정한 탄성계수를 가지는 것이면 어떠한 형태라도 채용할 수 있다.
예를 들어, 탄성부재(330)는 스프링(331) 및, 이때의 스프링(331)의 상, 하부에 결합된 상부연결판(332) 및 하부연결판(333)을 포함할 수 있다. 따라서, 또한, 하부연결판(333)은 에너지 감쇠부재(320)와 연결될 수 있다. 또한, 상부연결판(332)은 상부에 돌출부(334)가 구비되고 이러한 돌출부(334)에는 끼움홈이 구비될 수 있다. 따라서, 이러한 돌출부(334)의 끼움홈에 후술하는 연결로드(341)의 돌출부(342)가 끼워져 연결될 수 있다.
연결부재(350)는 일단이 이러한 탄성부재(330)에 연결되고, 타단은 후술하는 회전전달부재(350)에 연결된다. 이러한 연결부재(350)는 탄성부재(330)가 진동운동시 회전전달부재(350)가 회전운동을 하도록 연결된다.
예컨대, 이러한 연결부재(340)는 연결로드(341)를 포함할 수 있다. 연결로드(310)의 일단은 돌출부(342)가 구비되어 탄성부재(330)의 상부연결판(332) 상에 구비된 돌출부(334)의 연결홈에 끼워져 연결될 수 있다. 따라서, 연결로드(341)는 탄성부재(330)로부터 진동에너지를 전달받을 수 있다.
또한, 연결로드(341)의 타단은 후술하는 회전전달부재(350)의 돌출부(352)에 대응하는 홈부가 구비되어, 회전전달부(350)와 연결될수 있다.
회전전달부재(350)는 연결부재(340)에 의해 감쇠된 회전에너지를 전달받아 REWOD 발전부(40)에 이러한 감쇠된 회전에너지를 전달할 수 있다.
이러한 회전전달부재(350)는 회전판(351), 회전판(351) 일면의 회전중심에서 소정 거리 이격되어 위치하는 돌출부(352) 및 회전판(351) 일면의 반대면의 회전중심에 위치하는 회전축(353)을 포함할 수 있다. 한편, 돌출부(352) 대신 홈부를 포함할 수도 있다. 또한, 이러한 회전축(353)은 REWOD 발전부(40)의 제1 전극기판(410) 또는 제2 전극기판(430)에 연결될 수 있다.
따라서, 탄성부재(330)가 진동운동시 연결부재(340)에 의해 회전전달부재(350)는 회전운동을 하게 되고, 이러한 회전에너지를 REWOD 발전부(40)의 제1 전극기판(410) 또는 제2 전극기판(430)에 전달한다.
이하, 회전형 REWOD 발전부의 구성에 대하여 구체적으로 설명한다.
도 9는 REWOD 발전부의 개략사시도이다. 또한, 도 10은 REWOD 발전부의 분해 사시도이다.
도 7 및 도 8과 함께 도 9 및 도 10을 참조하면, REWOD 발전부(40)는 제1 전극기판(410), 제1 유전체 박막(미도시), 전도성 유체 어레이(420), 제2 유전체 박막(미도시) 및 제2 전극기판(430)을 포함한다.
제1 전극기판(410)은 상부면에 위치하는 복수개의 홈들(411)을 포함할 수 있다.
상기 홈들(411)은 방사형으로 서로 이격되어 배열될 수 있다. 이때의 홈들(411)은 닷 형태 또는 채널 형태일 수 있다. 이하 닷 형태의 홈을 예로 설명한다.
따라서, 후술하는 전도성 유체들(421)은 이러한 홈들(411)의 위치에 대응하여 배치된다. 따라서, 이러한 홈들(411)은 배치되는 전도성 유체들(421)의 위치 이탈을 방지하는 역할을 한다.
또한, 이러한 제1 전극기판(410)은 중심부에 관통공(412)을 더 포함될 수 있다. 이러한 관통공(412)은 회전전달부재(350)의 회전축(353)과 제2 전극기판(430)을 연결하는 통로 역할을 할 수 있다.
또한, 이러한 제1 전극기판(410) 상에는 제1 유전체 박막이 형성된다. 이러한 제1 유전체 박막의 두께는 5 nm 내지 50 ㎜ 일 수 있다.
바람직하게 제1 유전체 박막의 두께를 1 ㎛ 이하로 설정할 수 있다. 따라서, 유전체 박막의 두께를 1 ㎛ 이하로 얇게 가져감과 동시에 치밀한 구조의 박막을 형성하여 커패시턴스를 크게 증가시킬 수 있으며 이는 곧 전력 밀도의 상승으로 이어지고 보다 고효율, 고발전량의 발전 시스템을 구축할 수 있다.
또한, 제1 유전체 박막은 실리콘 산화물(SiOx), 실리콘 질화물(SiNx), 탄탈륨산화물(Ta2O5), 티타늄 산화물(TiO2), 알루미늄 산화물(Al2O3), 티탄산바륨(BaTiO3), 유리(glass) 또는 파릴렌(parylene), 테플론(taflon) 또는 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS)과 같은 폴리머, 또는 이들 재료의 조합을 포함할 수 있다.
이러한 제1 유전체 박막은 기상 증착법과 물리적 증착법을 이용하여 형성할 수 있다. 예를 들어, 제1 유전체 박막의 형성방법은 화학기상증착법(Chemical Vaper Deposition, CVD), 원자층증착법(Atomic Layer Deposition, ALD), 스퍼터링법(Sputtering), 딥-코팅법(Dip-coating), 닥터블레이드법(Dr. blade), 스핀코팅법(Spin coating), 스크린프린팅법(Screen printing) 또는 스프레이코팅법(Spray coating)을 포함할 수 있다.
전도성 유체 어레이(420)는 상부에 제1 유전체 박막이 형성된 제1 전극기판(410) 상에 상기 홈들(411)의 위치에 대응하여 배치되는 전도성 유체들(421)을 포함할 수 있다.
이러한 전도성 유체들(421)은 액적 또는 채널 형태일 수 있다. 바람직하게 홈들(411)의 형태가 닷 형태인 경우 전도성 유체도 액적 형태로 형성하고, 홈들(411)의 형태가 채널 형태인 경우 전도성 유체도 채널 형태로 형성하여 대응 배치하는 것이 바람직하다.
따라서, 도 10과 같이 홈들(411)이 닷 형태인 경우, 전도성 유체들(411)은 액적 형태인 전도성 유체 액적으로 선택하는 것이 바람직하다. 이러한 전도성 유체 액적의 지름은 1 ㎛ 내지 5 ㎝ 일 수 있다.
한편, 이러한 전도성 유체는 갈륨, 인듐 및 주석의 합금인 액체 금속 갈린스탄, NaCl, LiCl, NaNo3, Na2SiO3, AlCl3-NaCl, LiCl-KCl, KCL, Na, NaOH, H2SO4, CH3COOH, HF, CuSO4, 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜 및 AgCl 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
제2 전극기판(430)은 상기 전도성 유체 어레이(420)가 배치된 제1 전극기판(410) 상에 회전 가능하도록 설치된다. 예를 들어, 제2 전극기판(430)의 중심부에 회전전달부(350)의 회전축(353)이 결합되어 회전할 수 있다.
또한, 이러한 제2 전극기판(430)은 전도성 유체 어레이와 맞닿도록 설치될 수 있다.
따라서, 외부의 물리력에 의해 상기 제2 전극기판(430)이 회전하면서 상기 제2 전극기판(430)의 전극 부분과 상기 전도성 유체들(421) 예컨대, 전도성 유체 액적이 맞닿은 접촉면적의 변화를 이용하여 에너지를 수집할 수 있다.
예를 들어, 제2 전극기판(430)은 가지 형태의 전극 영역(431) 및 상기 전극 영역 이외의 비전도성 영역(432)을 포함할 수 있다. 이때의 전극 영역(431)은 전도성 물질을 포함할 수 있다. 예컨대, 이러한 전도성 물질은 ITO, IGO, 크롬, 알루미늄, IZO(Indium Zinc Oxide), IGZO(Indium Gallium Zinc Oxide), ZnO, ZnO2 또는 TiO2 중 적어도 어느 하나를 포함하는 무기물질이거나 알루미늄, 철 또는 구리 중 적어도 어느 하나를 포함하는 금속물질이거나 페돗(PEDOT, polyethylenedioxythiophene), 탄소나노튜브(CNT, Carbon nanotube), 그래핀(graphene), 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리티오펜(Polythiophene, PT), 폴리피롤(Polypyrrole), 폴리파라페닐렌(polyparaphenylene, PPV), 폴리아닐린(Polyaniline), 폴리설퍼니트리드(polysulfur nitride) 또는 폴리파라페닐렌비닐렌(polyparaphenylenevinylene) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 유기물질일 수 있다. 또한, 이때의 비전도성 영역(432)은 비전도성 물질을 포함할 수 있다.
따라서, 제2 전극기판(430)을 회전시킬 경우, 제2 전극기판(430)의 전극 영역(431) 부분과 전도성 유체(421)가 맞닿은 접촉면적이 변화하게 되며, 이러한 변화에 따라 캐패시턴스 변화에 의해 에너지를 수집할 수 있다.
이러한 제2 전극기판(430)의 다른 예로서, 제2 전극기판(430) 자체가 가지 형태일 수도 있다. 이 경우, 제2 전극기판(430) 전체가 전극 물질로 구성될 수 있다. 따라서, 이러한 가지 형태의 기판의 경우, 기판 자체가 전극 역할을 하게 되며, 기판의 회전에 따라 이러한 기판과 상기 전도성 유체(421)가 맞닿은 접촉면적이 변화하게 되고 이러한 변화에 따른 캐패시턴스 변화를 이용하여 에너지를 수집할 수 있게 된다.
또한, 이러한 제2 전극기판(430)의 하부면에는 제2 유전체 박막(미도시)이 형성된다. 따라서, 제2 유전체 박막이 전도성 유체 어레이(200)와 맞닿게 될 것이다.
이러한 제2 유전체 박막의 두께는 5 nm 내지 50 ㎜ 일 수 있다. 바람직하게 제2 유전체 박막의 두께를 1 ㎛ 이하로 설정할 수 있다. 따라서, 제2 유전체 박막의 두께를 1 ㎛ 이하로 얇게 가져감과 동시에 치밀한 구조의 박막을 형성하여 커패시턴스를 크게 증가시킬 수 있으며퓨 이는 곧 전력 밀도의 상승으로 이어지고 보다 고효율, 고발전량의 발전 시스템을 구축할 수 있다.
또한, 제2 유전체 박막은 실리콘 산화물(SiOx), 실리콘 질화물(SiNx), 탄탈륨산화물(Ta2O5), 티타늄 산화물(TiO2), 알루미늄 산화물(Al2O3), 티탄산바륨(BaTiO3), 유리(glass) 또는 파릴렌(parylene), 테플론(taflon) 또는 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS)과 같은 폴리머, 또는 이들 재료의 조합을 포함할 수 있다.
이러한 제2 유전체 박막은 기상 증착법과 물리적 증착법을 이용하여 형성할 수 있다. 예를 들어, 제2 유전체 박막의 형성방법은 화학기상증착법, 원자층증착법, 스퍼터링법, 딥-코팅법, 닥터블레이드법, 스핀코팅법, 스크린프린팅법 또는 스프레이코팅법을 포함할 수 있다.
보호커버(440)는 제2 전극기판(430) 상에 위치할 수 있다. 예를 들어, 이러한 보호커버(440)는 제1 전극기판(410)에 결합 지지되어, 제1 전극기판(410) 상에 위치하는 전도성 유체 어레이(420) 및 제2 전극기판(430)을 커버할 수 있다.
따라서, 이러한 보호커버(440)는 제2 전극기판(430)의 회전시에 발생될 수 있는 상기 제2 전극기판(430)의 이탈 및 기계석 파손을 방지할 수 있다.
또한, 이러한 보호커버(440)는 경우에 따라 제1 전극기판(440)의 하부까지 감싸도록 형성됨으로써, 제2 전극기판(440)까지 함께 보호할 수도 있다.
한편, 전도성 유체 어레이(420)의 위치 고정을 위하여 제1 전극기판(410) 및 제2 전극기판(430) 사이의 공간에 아르곤 가스와 같은 비활성 가스를 충진시킬 수 있다.
도 11은 회전형 REWOD 발전부의 에너지 수집 원리를 설명하기 위한 개념도들이다.
도 11을 참조하면, 상부에 전도성 유체 액적(421)이 위치하는 제1 전극기판(410)은 고정된 상태에서, 전도성 유체 액적(421) 상에 위치하는 제2 전극기판(430)을 회전시키게 된다.
먼저, 제2 전극기판(430)이 회전하면서 제2 전극기판(430)의 전극 영역(431) 부분과 제1 전극기판(410) 상에 위치하는 전도성 유체 액적(410)과 맞닿기 시작한다. 이렇게 맞닿은 면적 부근으로 전하가 모이게 된다(과정1- 접촉 시작).
그 다음에, 제2 전극기판(430)이 계속하여 회전하면서 제2 전극기판(430)의 전극 영역(431) 부분과 전도성 유체 액적(421)의 접촉 면적이 최대가 된다. 이렇게 접촉 면적의 증가에 따라, 전하 균형을 맞춰 주기 위하여 회로에서 전하가 추가로 공급된다(과정 2- 접촉 면적 최대 상태).
그 다음에, 제2 전극기판(430)이 좀 더 회전하면서 제2 전극기판(430)의 전극 영역(431) 부분이 전도성 유체 액적(421)을 지나가게 되고, 제2 전극기판(430)의 전극 영역(431) 부분과 전도성 유체 액적(421)의 접촉 면적은 다시 감소하게 된다(과정 3-접촉 마무리 상태). 따라서, 접촉 면적의 감소로 전하 균형을 맞춰주기 위하여 전하가 다시 회로로 돌아간다.
따라서, 이렇게 회로로 다시 돌아가는 전하를 포집하여 전력을 생산할 수 있다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 REWOD 발전장치의 동작설명도이다. 이러한 REWOD 발전장치는 진동-회전 변환부와 회전형 REWOD 발전부를 포함하는 경우이다.
도 12를 참조하면, 외부 환경에 의해 진동이 발생한다. 그 다음에, 댐퍼(damper)에 의한 감쇠 진동운동을 한다.
그 다음에, 슬라이드-크랭크 구조에 의해 진동운동이 회전운동으로 변환된다.
그리고, 변환/감소된 회전 운동에 의해 회전형 REWOD 발전장치가 작동하게 된다.
본 발명에 따르면, 극한 진동 및 회전 환경에서 보다 유연한 적용이 가능하고, 보조 전력 장치 등으로 이용되어 전력 수급에 기여할 수 있는 REWOD 발전장치를 제공할 수 있다.
또한, 진동-회전 변환 장치를 통해 보다 고효율 환경으로 변환하여 고효율 발전이 가능한 REWOD 발전장치를 제공할 수 있다.
도 13은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 진동 수집형 역 전기습윤 발전 모듈을 도시한 사시도이다. 도 14는 도 13의 단면도이다. 도 15는 도 13의 분해사시도이다. 도 16는 도 13에 도시한 진동 수집형 역 전기습윤 발전 모듈에 채용된 나노-마이크로 구조가 포함하는 하부 구조를 보여주는 도면이다. 도 17은 본 발명의 진동 수집형 역 전기습윤 발전 모듈에 채용되는 나노-마이크로 구조의 예로서 나노 콘에 대한 FE-SEM 사진이다.
도 13 내지 17을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 진동 수집형 역 전기습윤 발전 모듈은 상호간의 간격이 변경가능하도록 배치된 상부 전극기판(51)과 하부 전극기판(52)을 포함한다. 이들 상부 전극기판(51)과 하부 전극기판(52)의 사이에는 하나 이상의 전도성 유체 액적(53)이 배치된다. 상부 전극기판(51)과 하부 전극기판(52)에 있어서, 전도성 유체 액적(53) 측의 면, 즉 상부 전극기판(51)의 하면과 하부 전극기판(52)의 상면에는 각각 제1유전체층(54)과 제2유전체층(55)가 배치된다. 본 발명의 역 전기습윤 발전 모듈에서 제1유전체층(54) 또는 제2유전체층(55) 상에는 소수성의 돌출 나노-마이크로 구조(561)들이 배열된다. 이와 같은 나노-마이크로 구조(561)들은 후술되는 바와 같이 제1유전체층(54) 또는 제2유전체층 상에 형성된 소수성막(56)에 배치되거나, 제1유전체층(54) 또는 제2유전체층(55)을 소수성으로 형성하고, 그 위에 배치될 수 있다.
이상과 같은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 진동 수집형 역 전기습윤 발전 모듈은, 도 5에서 나타낸 바와 같이, 정상 상태(과정 1)에서 나노-마이크로 구조들에 의해 액적과 기판의 접촉 각도가 최대가 됨으로써 진동에 의한 압축 회복 과정에서 접촉면적의 변화가 최대화될 수 있다.
구체적으로, 상부 전극기판(51)과 하부 전극기판(52)은 Pt, Pd, Ru, Ag, Au, Al, Ni과 같은 금속, 고분자, 또는 유리와 같이 전극으로 사용될 수 있는 물질이 적용될 수 있다.
제1유전체층(54)과 제2유전체층(55)은 상부 전극기판(51)과 하부 전극기판(52)의 하면과 상면 상에 각각 배치된다. 이들은 예컨대, 5 ㎚ 내지 5 ㎜일 수 있다. 참고적으로, 이해의 편의를 위해 도 13과 도 15에서는 일부 요소들을 투명하도록 도시하였다. 또한 도 15의 경우에 상부 전극기판(51)과 하부 전극기판(52) 상에 형성된 제1유전체층(54)과 제2유전체층(55)을 별도로 표시하지 않았다.
바람직한 실시예에서 제1유전체층(54)과 제2유전체층(55)은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 탄탈륨 산화물, 티타늄 산화물, 알루미늄 산화물, 티탄산 바륨, 유리, 파릴렌, 테플론 또는 PDMS을 포함하는 물질로 형성된 것일 수 있다.
제1유전체층(54) 또는 제2유전체층(55) 상에는 소수성막(56)이 배치될 수 있다. 도시한 예에서는 하부 전극기판(52)에 배치된 제2유전체층(55) 상에 소수성막(56)이 배치된 것을 보여준다.
도시한 예에서 소수성막(56)에는 다수개의 돌출 나노-마이크로 구조(561)가 예를 들어 초발수체로 형성된다. 이러한 돌출 나노-마이크로 구조(561)들은 나노 리소그래피 및 패터닝을 이용하여 형성할 수 있다. 적용될 수 있는 대표적인 소수성 물질은 fluoropolymer 계열이지만, 그에 한정되는 것은 아니다.
이들 다수개의 소수성 돌출 나노-마이크로 구조(561)들은 전도성 유체 액적(53)의 접촉 각도를 150°이상으로 높일 수 있다.
돌출 나노-마이크로 구조(561)들은 나노 콘, 나노필러, 나노메쉬 또는 나노파이버 등일 수 있고, 그 형상에는 특별한 제약이 있는 것이 아니다.
다른 예로서, 제1유전체층(54) 또는 제2유전체층(55)이 소수성 재료로 형성될 수 있고, 이 경우에는 돌출 나노-마이크로 구조(561)를 제1유전체층(54) 또는 제2유전체층(55)에 형성하거나, 그 위에 나노-마이크로 구조(561)들을 형성할 수 있다.
이상과 같은 상부 전극기판(51)과 하부 전극기판(52) 사이에는 하나 이상의 전도성 유체 액적(53)이 배치된다. 따라서 하나 이상의 전도성 유체 액적(53)은 유전체층, 소수성막(56), 또는 돌출 나노-마이크로 구조(561)에 접한다. 특히, 하부 전극기판(52)에 배치된 초발수체의 돌출 나노-마이크로 구조(561)들에 의해 진동 압축이 이루어지기 전의 정상상태에서 각각의 액적(53)들은 큰 접촉 각도를 가지게 된다. 결과적으로, 정상상태와 압축상태가 반복될 때 각각의 액적(53)들의 접촉면적의 변화가 기존 모듈 보다 커지게 된다.
하나 이상의 전도성 유체 액적은 이온성 액체 또는 액체 금속일 수 있다. 또한 하나 이상의 전도성 유체 액적 각각은 1 ㎛ 내지 5 ㎝의 지름을 가질 수 있다.
바람직하게는 제1 및 제2유전체층(54, 55) 또는 소수성막(56)에 있어서 하나 이상의 전도성 유체 액적 각각이 접촉하는 부위는 오목한 홈 구조일 수 있다. 이러한 오목한 홈 구조는 각 전도성 유체 액적(53)의 이탈을 방지할 수 있다. 이러한 홈 구조는 하부 전극기판(52) 상에 오목한 홈을 형성하고 그 위에 제1유전체층(54) 및 소수성막(56)과 나노-마이크로 구조(561)들을 형성하면 자연스럽게 형성될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 진동 수집형 역 전기습윤 발전 모듈은 상부 전극기판(51)과 하부 전극기판(52) 사이의 간격 유지를 위해 배치된 탄성 분리막(57)을 포함한다. 탄성 분리막(57)은 진동에 의한 압축시에 상부 전극기판(51)과 하부 전극기판(52) 간의 간격을 유지하고, 또한 회복 시에 상부 전극기판(51)이 정해진 높이로 회복하도록 해준다. 도시한 바와 같이, 탄성 분리막(57)은 하나의 모듈에서 하나 이상의 전도성 유체 액적(53)들을 둘러싸는 테두리 형태로 제공될 수 있지만, 이러한 형태에 한정되는 것은 아니다.
또한 상부 전극기판 위에는 커버부재(58)가 더 배치될 수 있다. 이러한 커버부재(58)는 그 하부에 배치되는 모듈의 구성요소들을 보호하는 역할을 수행한다.
이상과 같은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 진동 수집형 역 전기습윤 발전 모듈의 동작을 도 5를 참조하여 설명한다.
먼저 과정 1과 같이 기판들이 압축되지 않은 정상 상태에서는 전압에 의해 액적의 분극이 일어난다. 이때, 초발수체 돌출 나노-마이크로 구조(561)들에 의해 액적(53)들은 기판과의 접촉각이 150°이상이 될 수 있다. 이어 중앙에 도시한 과정 2와 같이 진동이 발생하여 압축이 일어나면 액적이 기판들에 의해 눌려서 접촉 면적이 커지며, 그에 따라 전하 균형을 맞춰주기 위해 회로에서 전하를 추가 공급한다. 하부의 과정 3과 같이 다시 정상상태로 회복되면 액적과 기판과의 접촉 면적이 줄어들고 전하의 균형을 맞추기 위해 전하가 회로로 이동하며, 이때 이들 전하를 포집하여 전력을 생산한다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시 예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
[부호의 설명]
10, 30: 진동-회전 변환부 20, 40: REWOD 발전부
110: 회전부재 111: 회전판
112: 돌출부 120: 연결부재
121: 연결 로드 122: 돌출부
123: 연결홈 130: 탄성부재
131: 스프링 132: 상부 연결판
133: 하부 연결판 134: 돌출부
140: 에너지 감쇠부재 150: 진동전달부재
210: 제1 전극기판 211: 홈
220: 전도성 유체 어레이 221: 전도성 유체
230: 제2 전극기판 240: 격벽
250: 보호커버 310: 진동부재
320: 에너지 감쇠부재 321: 중심축
322: 개구부 330: 탄성부재
331: 스프링 332: 상부 연결판
333: 하부 연결판 334: 돌출부
340: 연결부재 341: 연결 로드
342: 돌출부 350: 회전전달부재
351: 회전판 352: 돌출부
353: 회전축 410: 제1 전극기판
411: 홈 412: 관통공
420: 전도성 유체 어레이 421: 전도성 유체
430: 제2 전극기판 431: 전극 영역
432: 비전도성 영역 440: 보호커버
51: 상부 전극기판 52: 하부 전극기판
53: 전도성 유체 액적 54: 제1유전체층
55: 제2유전체층 56: 소수성막
561: 돌출형 나노-마이크로 구조 57: 탄성 분리막
58: 커버

Claims (30)

  1. 제1 전극기판, 제2 전극기판 및 상기 제1 전극기판 및 제2 전극기판 사이에 위치하는 전도성 유체들을 포함하는 전도성 유체 어레이를 포함하고, 외부의 물리력에 의해 상기 제1 전극기판 또는 제2 전극기판이 진동하면서 상기 제1 전극기판 또는 제2 전극기판의 전극 부분과 상기 전도성 유체가 맞닿은 접촉면적의 변화를 이용하여 에너지를 수집하는 REWOD 발전부; 및
    상기 REWOD 발전부의 제1 전극기판 또는 제2 전극기판과 연결되어 외부의 물리력을 상기 제1 전극기판 또는 제2 전극기판에 전달하되, 회전 에너지를 진동 에너지로 변환하여 전달하는 진동-회전 변환부를 포함하는 REWOD 발전장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 진동-회전 변환부는 회전 에너지를 진동에너지로 변환 후 상기 변환된 에너지를 감쇠시키는 에너지 감쇠부를 더 포함하는 REWOD 발전장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 진동-회전 변환부는 슬라이드-크랭크 구조를 포함하는 REWOD 발전장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 진동-회전 변환부는,
    외부의 물리력에 의해 회전되는 회전부재;
    일단이 상기 회전부에 연결된 연결부재;
    상기 연결부재의 타단에 연결되고, 상기 연결부재에 의해 진동하는 탄성부재;
    상기 탄성부재에 연결되고, 상기 탄성부재로부터 전달된 진동에너지를 감쇠시키는 에너지 감쇠부재; 및
    상기 에너지 감쇠부재에 연결되고, 상기 감쇠된 진동에너지를 상기 REWOD 발전부의 제1 전극기판 또는 제2 전극기판에 전달하는 진동전달부재를 포함하는 REWOD 발전장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 REWOD 발전부는,
    상부면에 위치하는 복수개의 홈들을 포함하는 제1 전극기판;
    상기 제1 전극기판 상에 형성된 제1 유전체 박막;
    상기 제1 유전체 박막 상에 형성된 제1 소수성 박막;
    상부에 제1 유전체 박막 및 제1 소수성 박막이 형성된 제1 전극기판 상에 상기 홈들의 위치에 대응하여 배치되는 전도성 유체들을 포함하는 전도성 유체 어레이; 및
    상기 전도성 유체 어레이 상에 진동 가능하도록 설치되되, 하부면에 제2 유전체 박막 및 제2 유전체 박막의 하부에 위치하는 제2 소수성 박막이 형성된 제2 전극기판을 포함하는 REWOD 발전장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 홈들은 상기 전도성 유체의 위치 이탈을 방지하는 것을 특징으로 하는 REWOD 발전장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 전도성 유체는 액체 금속 갈린스탄, NaCl, LiCl, NaNo3, Na2SiO3, AlCl3-NaCl, LiCl-KCl, KCL, Na, NaOH, H2SO4, CH3COOH, HF, CuSO4, 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜 및 AgCl 중 적어도 어느 하나를 포함하는 REWOD 발전장치.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 제1 전극기판과 상기 제2 전극기판 사이를 지지하는 격벽을 더 포함하는 REWOD 발전장치.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 제1 소수성 박막 또는 상기 제2 소수성 박막은 불소 중합체(fluoropolymer) 계열의 물질 또는 초발수 나노 구조체를 포함하는 REWOD 발전장치.
  10. 제1 전극기판, 제2 전극기판, 및 상기 제1 전극기판 및 제2 전극기판 사이에 위치하는 전도성 유체들을 포함하는 전도성 유체 어레이를 포함하고, 외부의 물리력에 의해 상기 제1 전극기판 또는 제2 전극기판이 회전하면서 상기 제1 전극기판 또는 제2 전극기판의 전극 부분과 상기 전도성 유체가 맞닿은 접촉면적의 변화를 이용하여 에너지를 수집하는 REWOD 발전부; 및
    상기 REWOD 발전부의 제1 전극기판 또는 제2 전극기판과 연결되어 외부의 물리력을 상기 제1 전극기판 또는 제2 전극기판에 전달하되, 진동 에너지를 회전 에너지로 변환하여 전달하는 진동-회전 변환부를 포함하는 REWOD 발전장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 진동-회전 변환부는 슬라이드-크랭크 구조를 포함하는 REWOD 발전장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 진동-회전 변환부는,
    외부의 물리력에 의해 진동하는 진동부재;
    상기 진동부재에 연결되고 상기 진동부재로부터 전달된 진동에너지를 감쇠시키는 에너지 감쇠부재;
    상기 에너지 감쇠부재에 연결되고, 상기 감쇠된 진동에너지를 전달받아 진동하는 탄성부재;
    일단이 상기 탄성부재에 연결된 연결부재; 및
    상기 연결부재의 타단에 연결되고, 상기 연결부재에 의해 회전하되, 회전에너지를 상기 REWOD 발전부의 제1 전극기판 또는 제2 전극기판에 전달하는 회전전달부재를 포함하는 REWOD 발전장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 REWOD 발전부는,
    상부면에 위치하는 복수개의 홈들을 포함하는 제1 전극기판;
    상기 제1 전극기판 상에 형성된 제1 유전체 박막;
    상부에 제1 유전체 박막이 형성된 제1 전극기판 상에 상기 홈들의 위치에 대응하여 배치되는 전도성 유체들을 포함하는 전도성 유체 어레이; 및
    상기 전도성 유체 어레이가 배치된 제1 전극기판 상에 회전 가능하도록 설치되되, 하부면에 제2 유전체 박막이 형성된 제2 전극기판을 포함하고,
    상기 제2 전극기판의 중심부에 상기 회전전달부재의 회전축이 결합된 REWOD 발전장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 홈들은 닷 형태 또는 채널 형태인 것을 특징으로 하는 REWOD 발전장치.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 홈들은 방사형으로 서로 이격되어 배열된 것을 특징으로 하는 REWOD 발전장치.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 홈들은 상기 전도성 유체의 위치 이탈을 방지하는 것을 특징으로 하는 REWOD 발전장치.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 전도성 유체는 액적 또는 채널 형태인 것을 특징으로 하는 REWOD 발전장치.
  18. 제13항에 있어서,
    상기 전도성 유체는 액체 금속 갈린스탄, NaCl, LiCl, NaNo3, Na2SiO3, AlCl3-NaCl, LiCl-KCl, KCL, Na, NaOH, H2SO4, CH3COOH, HF, CuSO4, 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜 및 AgCl 중 적어도 어느 하나를 포함하는 REWOD 발전장치.
  19. 제13항에 있어서,
    상기 제2 전극기판은 가지 형태인 것을 특징으로 하는 REWOD 발전장치.
  20. 제13항에 있어서,
    상기 제2 전극기판은 가지 형태의 전극 영역 및 상기 전극 영역 이외의 비전도성 영역을 포함하는 REWOD 발전장치.
  21. 진동 수집형 역 전기습윤 발전 모듈로서:
    상호간의 간격이 변경가능하도록 배치된 상부 및 하부 전극기판;
    상기 상부 전극기판과 상기 하부 전극기판 사이에 배치되는 하나 이상의 전도성 유체 액적;
    상기 상부 및 하부 전극기판에 있어서 상기 전도성 유체 액적 측의 면에 각각 형성된 제1 및 제2 유전체층; 및
    상기 제1 또는 제2 유전체층 상에 배열된 소수성의 돌출 나노-마이크로 구조들;을 포함하는, 역 전기습윤 발전 모듈.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 제1 또는 제2 유전체층은 소수성이거나, 표면에 소수성막을 가지는 것인, 역 전기습윤 발전 모듈.
  23. 제21항에 있어서,
    상기 돌출형 나노-마이크로 구조는 초발수체로 이루어진 것인, 역 전기습윤 발전 모듈.
  24. 제21항에 있어서,
    상기 유전체층은 5 ㎚ 내지 5 ㎜인, 역 전기습윤 발전 모듈.
  25. 제21항에 있어서,
    상기 유전체층은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 탄탈륨 산화물, 티타늄 산화물, 알루미늄 산화물, 티탄산 바륨, 유리, 파릴렌, 테플론 또는 PDMS을 포함하는 물질로 형성된 것인, 역 전기습윤 발전 모듈.
  26. 제21항에 있어서,
    상기 하나 이상의 전도성 유체 액적은 이온성 액체 또는 액체 금속인, 역 전기습윤 발전 모듈.
  27. 제21항에 있어서,
    상기 하나 이상의 전도성 유체 액적 각각은 1 ㎛ 내지 5 ㎝의 지름을 가지는 것인, 역 전기습윤 발전 모듈.
  28. 제22항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 유전체층 또는 상기 소수성막에 있어서 상기 하나 이상의 전도성 유체 액적 각각이 접촉하는 부위는 상기 전도성 유체 액적의 이탈을 방지하도록 오목한 홈 구조가 형성된 것인, 역 전기습윤 발전 모듈.
  29. 제21항에 있어서,
    상기 상부 전극기판 위에는 커버부재가 더 배치되는 것인, 역 전기습윤 발전 모듈.
  30. 제29항에 있어서,
    상기 상부 전극기판과 상기 하부 전극기판 사이의 간격 유지를 위한 탄성 분리막이 배치되는 것인, 역 전기습윤 발전 모듈.
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