WO2018155771A1 - 광수집 입자들을 갖는 에너지 하베스팅 장치 - Google Patents

광수집 입자들을 갖는 에너지 하베스팅 장치 Download PDF

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WO2018155771A1
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light
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박영준
김상우
박윤권
윤홍준
김태윤
김형택
박혜정
손영인
승완철
유한준
이정환
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삼성전자 주식회사
성균관대학교 산학협력단
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    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
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    • G02B19/0042—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the use for use with ambient light for use with direct solar radiation
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N1/00—Electrostatic generators or motors using a solid moving electrostatic charge carrier
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    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/52—PV systems with concentrators

Definitions

  • the disclosed embodiment relates to an energy harvesting apparatus, and more particularly, to an energy harvesting apparatus that improves light emission characteristics of light collecting particles in a light collecting layer by applying an electric field generated by triboelectric charging to the light collecting layer. It is about.
  • Energy harvesting technology is a new eco-friendly energy technology that can be obtained by converting mechanical energy generated by people or bridge vibrations, human or object movements, or solar energy, indoor lighting, and broadcast radio waves into electrical energy. can do.
  • the power that can be obtained by such energy harvesting technology is small, a device with low power consumption can be operated using only the power obtained through energy harvesting without a separate external power source, and thus the use range thereof is being expanded.
  • a wearable device that can be worn or worn on a human body, such as a smart watch, is commercialized, the importance of energy harvesting technology is increasing.
  • an energy harvesting device having photo-collecting particles, applicable to a smartphone or wearable device.
  • the light guide plate having a plurality of light collecting particles to guide the light incident from the outside; A first charging member disposed on the first surface of the light guide plate; A second charging member disposed on the second surface of the light guide plate; And a solar cell disposed to face a light exit surface between the first surface and the second surface of the light guide plate.
  • the first charging member and the second charging member are configured to be charged by frictional charging to apply an electric field to the light guide plate, and the plurality of light collecting particles may include a material whose excitation strength is increased by the electric field.
  • the plurality of light collecting particles may include an organic dye or a quantum dot.
  • the light collecting particles may be configured such that the intensity of light emitted by the light collecting particles increases more when an electric field is applied than when an electric field is not applied.
  • the light guide plate may be configured to transmit the light that satisfies the total reflection condition among the light emitted from the light collecting particles to the edge of the light guide plate through total reflection.
  • the first charging member and the second charging member may include a material having a different charging rate.
  • the first surface of the light guide plate may be a light incident surface to which external light is incident, and the first charging member may be made of a transparent material.
  • the second charging member may be made of a material transparent to visible light.
  • the second charging member may be made of a reflective material that reflects incident light.
  • the energy harvesting apparatus further includes a third charging member that contacts with the first charging member to cause frictional charging, and the third charging member may include a material having a different charge rate than that of the first charging member. Can be.
  • the third charging member may be configured to be separated from the first charging member, and may be configured to be connected to the ground while the third charging member is separated from the first charging member.
  • the energy harvesting device may further include a control circuit that adjusts a current, a voltage, and an impedance of power delivered from the solar cell to the power consumption device.
  • the energy harvesting apparatus may further include a transmission circuit for extracting electrical energy from the charged first and second charged members.
  • the light guide plate having a plurality of light collecting particles to guide the light incident from the outside; A first electrode disposed on the first surface of the light guide plate; A second electrode disposed on the second surface of the light guide plate; And a solar cell disposed to face a light exit surface between the first surface and the second surface of the light guide plate.
  • the first electrical charge is electrically charged to have a first polarity
  • the second electrical charge is electrically charged to have a second polarity that is electrically opposite to the first polarity.
  • the electric field can always be applied to the light guide plate.
  • the first and second electrifiers may include ferroelectric materials or electret materials.
  • the first charged material may include a dielectric material electrically infused with ions having a first polarity
  • the second charged material may include a dielectric material electrically infused with ions having a second polarity
  • a power consumption device including an energy harvesting device having the above-described structure may be provided.
  • the light energy delivered to the solar cell may be increased by applying an electric field to the light collecting particles in the light collecting layer with the electric energy generated by friction or the like.
  • the energy harvesting apparatus according to the disclosed embodiment can efficiently harvest light energy irradiated, for example, from room lighting.
  • the energy harvesting device when the energy harvesting device is mounted on the portable device, the energy can be continuously charged to the portable device.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a schematic structure of an energy harvesting apparatus according to an embodiment.
  • FIG. 2 and 3 are cross-sectional views schematically showing the operation of the energy harvesting apparatus shown in FIG.
  • FIG. 4 is a graph exemplarily showing the intensity of light incident on a solar cell before and after an electric field is applied.
  • FIG 5 and 6 are cross-sectional views schematically showing the structure and operation of the energy harvesting apparatus according to another embodiment.
  • FIG. 7 is a perspective view illustrating an example in which the energy harvesting device illustrated in FIGS. 5 and 6 is mounted on a portable device.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view illustrating a schematic structure of an energy harvesting apparatus according to still another embodiment.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view schematically showing a schematic structure of an energy harvesting apparatus according to another embodiment.
  • the energy harvesting apparatus 100 may include a light collecting layer 101 and a light collecting layer 101 that absorb light incident from the outside and transmit the absorbed light toward the edge.
  • the energy harvesting apparatus 100 may further include a control circuit 150 that adjusts a current, a voltage, and the like of the power transferred from the solar cell 112 to the power consumption element 200.
  • the light collecting layer 101 may include a light guide plate 101a made of a transparent material capable of transmitting light and a plurality of light collecting particles 101b dispersed in the light guide plate 101a.
  • the light guide plate 101a may be made of a transparent material having a high refractive index so that light may be transmitted by total reflection therein.
  • the light guide plate 101a may be made of a flexible polymer material that can be easily bent or bent so that the energy harvesting device 100 can be mounted to the wearable device.
  • the light guide plate 101a is made of a material such as polycarbonate (PC), polyethylene terephthalate (PET), poly methyl methacrylate (PMMA), triacetyl cellulose (TAC), poly acrylonitrile (PAN), or the like. Can be. Although only a light guide plate 101a is shown thick in FIG. 1 for convenience, the light guide plate 101a may be a thin thin film having a thickness of several mm or several hundred um or less.
  • PC polycarbonate
  • PET polyethylene terephthalate
  • PMMA poly methyl methacrylate
  • TAC triacetyl cellulose
  • PAN poly acrylonitrile
  • the light collecting particle 101b serves to reflect light or absorb and emit light to be transmitted through the light guide plate 101a.
  • Light incident on the plurality of light collecting particles 101b inside the light guide plate 101a from the outside is reflected or absorbed and emitted from the light collecting particles 101b to spread into the light guide plate 101a.
  • the light that satisfies the total reflection condition determined by the light guide plate 101a among the light spreading inside the light guide plate 101a is transmitted toward both sides of the light guide plate 101a while traveling along the inside of the light guide plate 101a. Then, the light traveling through the inside of the light guide plate 101a is emitted to the outside of the light guide plate 101a through the side surface of the light guide plate 101a.
  • the side surface of the light guide plate 101a may be a light exit surface.
  • the light collecting particle 101b may be a particle whose excitation intensity may be increased by an external electric field.
  • the light collecting particles 101b may include organic dyes or quantum dots for solar cells.
  • the quantum dot is a particle having a predetermined size having a quantum confined stark effect, and may be formed of a compound semiconductor such as CdTe, CdSe, ZnS, CdS, or the like.
  • the quantum dots may have a diameter of about 1 nm to about 10 nm depending on the inherent resonance wavelength.
  • Each quantum dot can be formed in a homogeneous single structure, or in a core-shell dual structure.
  • Quantum dots of various core-shell structures have been proposed. For example, quantum dots of structures such as CdSe / AsS, CdTe / CdSe, CdSe / ZnS, and the like may be used.
  • the energy band gap of the shell material may be larger than the energy band gap of the core material.
  • quantum dots having various diameters may be dispersed in the light guide plate 101a to effectively absorb light of various wavelengths.
  • the solar cell 112 is disposed on the side of the light guide plate 101a and receives electric light transmitted from the light guide plate 101a to generate electrical energy.
  • solar cells 112 are respectively disposed to face opposite sides of the light guide plate 101a.
  • a total of four solar cells 112 may be disposed to face four sides of the light guide plate 101a.
  • the light collecting layer 101 having a large area collects light from the outside and collects the collected light through the light guide plate 101a having a small thickness, the light is collected to the solar cell 112. Even when the lighting is dark, light of sufficient intensity to generate electrical energy may be incident on the solar cell 112.
  • the first charging member 103 and the second charging member 104 may be disposed on two opposite surfaces among the remaining surfaces of the light guide plate 101a in which the solar cell 112 is not disposed.
  • the first charging member 103 and the second charging member 104 may be disposed on the upper surface and the lower surface of the light guide plate 101a, respectively. That is, the first charging member 103 and the second charging member 104 may be disposed with the light exit surface therebetween.
  • the first charging member 103 disposed on the upper surface of the light guide plate 101a and the second charging member 104 disposed on the lower surface of the light guide plate 101a generate electric energy by triboelectrification. It may be made of a material having a different charge rate.
  • the first charging member 103 is made of a material which is easy to be positively charged compared to the second charging member 104, and the second charging member 104 is compared with the first charging member 103. It may be made of a material that is likely to be negatively charged. Alternatively, the first charging member 103 may be made of a material that is easy to be negatively charged, and the second charging member 104 may be made of a material that is easy to be positively charged. Whether the first charging member 103 and the second charging member 104 are positively or negatively charged is the charge rate of the first charging member 103 and the second charging member 104. It can be determined according to the difference.
  • examples of materials that are likely to be positively charged include polyformaldehyde, polyvinyl alcohol (PVC), polyamide, EC (etylcellulose), silk, and wool. (wool), paper, wood, cotton, steel, aluminum (Al), nickel (Ni), copper (Cu), silver (Ag) and the like.
  • examples of negatively-charged materials include silicone rubber, Teflon, PDMS (polydimethylsiloxane), Kapton, PP (polypropylene), PE (polyethylene), or polyvinyl chloride. PVC) and the like.
  • the first charging member 103 may be made of a material transparent to light such as visible light.
  • the second charging member 104 may also be made of a transparent material.
  • the second charging member 104 may be made of an opaque material.
  • the second charging member 104 may be made of a reflective material such as metal, for example, so that the light passing through the light collecting layer 101 can be recycled.
  • FIG. 2 and 3 are cross-sectional views schematically showing the operation of the energy harvesting apparatus 100 shown in FIG.
  • an electric field may be applied to the light guide plate 101a disposed between the first charging member 103 and the second charging member 104. Then, a plurality of light collecting particles 101b dispersed in the light guide plate 101a may be excited by an electric field. That is, the light collecting particles 101b are optically excited by absorbing external light to emit light.
  • the excitation intensity is increased so that the light emitted from the light collecting particles 101b is increased. The intensity may increase. Therefore, the intensity of light emitted by the light collecting particles 101b increases more when the electric field is applied than when the electric field is not applied.
  • FIG. 4 is an exemplary graph showing the intensity of light incident on the solar cell 112 before and after the electric field is applied. Referring to FIG. 4, it can be seen that the intensity of light incident on the solar cell 112 increases when an electric field is applied.
  • the band gap of the quantum dot which is the light collecting particle 101b is changed by an electric field applied to the light guide plate 101a.
  • the absorption / emission wavelengths of the quantum dots shift toward the longer wavelength.
  • the wavelength of light absorbed / emitted by the light collecting particles 101b may be controlled.
  • the user may intentionally perform frictional charging between the first charging member 103 and the second charging member 104 so that the optimal light absorption occurs in the energy harvesting apparatus 100 according to the color of the room lighting.
  • the first charging member 103 and the second charging member 104 may be discharged intentionally.
  • the first charging member 103 can be discharged by bringing a conductor such as a metal into contact with the first charging member 103.
  • the intensity of light emitted from the light collecting particles 101b can be increased. Can be.
  • the ratio of total light energy provided to the solar cell 112 in the light collecting layer 101 to the total light energy of external light incident on the light collecting layer 101 may be improved. Therefore, the light energy transmitted to the solar cell 112 can be increased, so that the energy harvesting device 100 can efficiently harvest light energy irradiated from, for example, room lighting.
  • the energy harvesting apparatus 100 does not need to use a component for maximum power point tracking having a large volume to obtain the maximum power in a given environment, so that the energy harvesting device 100 is mounted on a portable device. To enable constant energy charging.
  • the energy harvesting apparatus 100 may further include a third charging member 105 disposed to contact the first charging member 103.
  • the third charging member ( 105 may be made of a material that is likely to be negatively charged.
  • the third charging member 105 is used.
  • the third charging member 105 may be made of the same material as the second charging member 104, but is not necessarily limited thereto, and may be made of any material that satisfies the above-described conditions.
  • the third charging member 105 is in contact with the first charging member 103 and serves to cause frictional charging. When the third charging member 105 is used, it is not necessary to intentionally contact the finger or another object with the first charging member 103. Although the third charging member 105 is illustrated as being stacked on the first charging member 103 in FIG. 5, the third charging member 105 is not fixed and configured to be able to move freely on the first charging member 103. Can be. For example, a hinge or a string may be connected only to one end of the third charging member 105.
  • the third charging member 105 may be configured to be automatically connected to the ground when separated from the first charging member 103. Then, when the third charging member 105 is separated from the first charging member 103, the third charging member 105 may be discharged.
  • the third charging member 105 may be configured to be connected to the ground when the third charging member 105 moves away from the first charging member 103 by more than a predetermined distance or rotates by a predetermined angle or more about the rotation axis of the hinge.
  • the ground may be the ground of the printed circuit board in the power consumption device 200 on which the energy harvesting device 100 is mounted.
  • the third charging member 105 may be configured to be naturally discharged while in contact with the user's body part or an external object.
  • FIG. 7 is a perspective view illustrating an example in which the energy harvesting device 100 illustrated in FIGS. 5 and 6 is mounted on a power consuming device 200 such as a portable device.
  • the power consumption device 200 may be a smartphone.
  • the energy harvesting device 100 may be mounted on the display panel 210 of the smartphone.
  • both the first charging member 103 and the second charging member 104 may be made of a material that is transparent to visible light.
  • the solar cell 112 may be disposed outside the smartphone but may be mounted inside the smartphone. In this case, the light collecting layer 101 may be bent to insert the edge of the light collecting layer 101 into the smart phone.
  • the solar cell 112 may be directly connected to the power supply of the smartphone to supply power to the smartphone.
  • the first charging member 103 Since the first charging member 103 is exposed to the outside, the first charging member 103 may repeatedly contact the user's finger while using the smartphone to cause frictional charging. Then, an electric field is applied to the light collecting layer 101 so that the light collecting efficiency of the light collecting layer 101 can be improved.
  • the third charging member 105 may be disposed on an inner side surface of the folding type cover 300 that accommodates the smartphone. Then, the third charging member 105 may contact the first charging member 103 to cause frictional charging while closing the cover 300 without using the smartphone. Thereafter, when the user opens the cover 300 to use the smartphone, the third charging member 105 may fall from the first charging member 103 and an electric field may be applied to the light collecting layer 101.
  • the energy harvesting apparatus 120 may further include a transmission circuit 160 for extracting electrical energy from the charged first charging member 103 and the second charging member 104.
  • the transmission circuit 160 includes, for example, a converter (not shown) for converting an electrical signal of an alternating current form to a direct current (DC) and a step-down converter (not shown) for lowering the voltage when the converted DC voltage in the converter is too high. can do.
  • the step-down converter can serve to protect other devices by suppressing excessive electrical signal generation. Therefore, the transmission circuit 160 converts the electrical signal generated by the triboelectric charging into a DC voltage having an appropriate magnitude.
  • the output of the transmission circuit 160 may be delivered to the control circuit 150 together with the output of the solar cell 112 and then supplied to the power consumption element 200 through the control circuit 150.
  • FIG. 8 illustrates the transmission circuit 160 and the control circuit 150 separately for convenience, the transmission circuit 160 and the control circuit 150 may be configured together on one circuit board or may be configured as one chip. have.
  • the energy harvesting apparatus 120 illustrated in FIG. 8 may supply power by using triboelectric charging in a situation in which power supply by the solar cell 112 is not possible because there is no external light.
  • the energy harvesting device 130 may include a first electrical charge body in an intrinsic charged state to include a positive charge or a negative charge instead of the first and second charging members causing frictional charging.
  • 106 and the second charged material 107 are disposed on the upper surface of the light guide plate 101a instead of the first charging member 103, and the second electrification 107 containing the negative charge is The lower surface of the light guide plate 101a may be disposed instead of the second charging member 104.
  • the first and second electrifiers 106 and 107 are made of a material that maintains a positive (+) or negative (-) state, such as, for example, ferroelectrics or electrets. Can be.
  • the first electrifier 106 and the second electrifier 107 may be formed by an ion implantation method for forcibly injecting ions into a general dielectric material.
  • a positive ion is forcibly injected into the first electrifier 106 and an anion is forcibly injected into the second electrifier 107, or conversely, an anion is injected into the first electrifier 106 and a cation is injected into the second It may also be injected into the charger 107.
  • the electric field may always be applied to the light collecting layer 101 regardless of frictional charging.

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Abstract

광수집 입자들을 갖는 에너지 하베스팅 장치가 개시된다. 개시된 에너지 하베스팅 장치는, 외부로부터 입사하는 빛을 수집하는 광수집층, 광수집층의 제 1 표면에 배치된 제 1 대전 부재, 광수집층의 제 1 표면에 대향하는 제 2 표면에 배치된 제 2 대전 부재, 및 광수집층의 제 1 표면과 제 2 표면 사이의 광출사면에 대향하여 배치된 태양 전지를 포함한다.

Description

광수집 입자들을 갖는 에너지 하베스팅 장치
개시된 실시예는 에너지 하베스팅 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 마찰 대전에 의해 발생된 전기장을 광수집층에 인가함으로써 광수집층 내의 광수집 입자들에서의 광 방출 특성을 향상시킨 에너지 하베스팅 장치에 관한 것이다.
최근, 녹색 에너지에 대한 관심이 증가하면서, 열, 태양, 진동 등의 주변에 존재하는 작은 에너지를 전기 에너지로 변환하여 쓸모 있게 이용하려는 에너지 하베스팅 기술이 이슈화되고 있다. 에너지 하베스팅 기술은 사람이나 교량의 진동, 사람이나 물건의 움직임에 의해 발생되는 기계적 에너지, 또는 태양광 에너지, 실내의 조명광, 방송의 전파 등을 전기 에너지로 변환하여 얻을 수 있는 새로운 친환경 에너지 기술이라 할 수 있다. 이러한 에너지 하베스팅 기술에 의해 얻을 수 있는 전력은 작은 편이지만, 소비전력이 작은 장치를 별도의 외부 전원 없이 에너지 하베스팅을 통해 얻은 전력만으로 동작시킬 수 있어서 그 활용 범위가 확대되고 있다. 특히, 스마트 시계(smart watch)와 같이 사람의 몸에 착용하거나 걸칠 수 있는 웨어러블 기기(wearable device)가 상용화되면서 에너지 하베스팅 기술의 중요성이 증가하고 있다.
스마트폰 또는 웨어러블 기기에 적용 가능한, 광수집 입자들을 갖는 에너지 하베스팅 장치를 제공한다.
일 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치는, 다수의 광수집 입자를 구비하여 외부로부터 입사하는 빛을 가이드하는 도광판; 상기 도광판의 제 1 표면에 배치된 제 1 대전 부재; 상기 도광판의 제 2 표면에 배치된 제 2 대전 부재; 및 상기 도광판의 제 1 표면과 제 2 표면 사이의 광출사면에 대향하여 배치된 태양 전지;를 포함할 수 있다.
상기 제 1 대전 부재와 제 2 대전 부재는 마찰 대전에 의해 대전되어 상기 도광판에 전기장을 인가하도록 구성되며, 상기 다수의 광수집 입자는 전기장에 의해 여기 강도가 증가하는 재료를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 다수의 광수집 입자는 유기 염료 또는 양자점(quantum dot)을 포함할 수 있다.
상기 광수집 입자는, 상기 광수집 입자가 방출하는 빛의 세기가 전기장이 인가되지 않을 때보다 전기장이 인가될 때 더 증가하도록 구성될 수 있다.
상기 도광판은 상기 광수집 입자에서 방출되는 빛 중에서 전반사 조건을 만족하는 빛을 전반사를 통해 상기 도광판의 가장자리로 전달하도록 구성될 수 있다.
상기 제 1 대전 부재와 제 2 대전 부재는 서로 다른 대전율을 갖는 재료를 포함할 수 있다.
상기 도광판의 제 1 표면은 외부의 빛이 입사하는 광입사면이며, 상기 제 1 대전 부재는 투명한 재료로 이루어질 수 있다.
상기 제 2 대전 부재는 가시광에 대해 투명한 재료로 이루어질 수 있다.
상기 제 2 대전 부재는 입사된 빛을 반사하는 반사성 재료로 이루어질 수 있다.
상기 에너지 하베스팅 장치는 상기 제 1 대전 부재와 접촉하여 마찰 대전을 일으키는 제 3 대전 부재를 더 포함하며, 상기 제 3 대전 부재는 상기 제 1 대전 부재의 재료와 상이한 대전율을 갖는 재료를 포함할 수 있다.
상기 제 3 대전 부재는 상기 제 1 대전 부재로부터 떨어질 수 있도록 구성되며, 상기 제 3 대전 부재가 상기 제 1 대전 부재로부터 떨어진 동안 접지에 연결되도록 구성될 수 있다.
상기 에너지 하베스팅 장치는 상기 태양 전지로부터 전력 소모 소자에 전달되는 전력의 전류, 전압, 및 임피던스를 조절하는 제어 회로를 더 포함할 수 있다.
상기 에너지 하베스팅 장치는 대전된 상기 제 1 대전 부재와 제 2 대전 부재로부터 전기 에너지를 추출하는 전송 회로를 더 포함할 수 있다.
다른 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치는, 다수의 광수집 입자를 구비하여 외부로부터 입사하는 빛을 가이드하는 도광판; 상기 도광판의 제 1 표면에 배치된 제 1 대전체; 상기 도광판의 제 2 표면에 배치된 제 2 대전체; 및 상기 도광판의 제 1 표면과 제 2 표면 사이의 광출사면에 대향하여 배치된 태양 전지;를 포함할 수 있다.
상기 제 1 대전체는 전기적으로 제 1 극성을 갖도록 대전되어 있으며 상기 제 2 대전체는 전기적으로 제 1 극성과 반대인 제 2 극성을 갖도록 대전되어 있고, 상기 제 1 대전체와 제 2 대전체에 의해 상기 도광판에 항상 전기장이 인가될 수 있다.
예를 들어, 상기 제 1 대전체와 제 2 대전체는 강유전체 재료 또는 일렉트릿 재료를 포함할 수 있다.
상기 제 1 대전체는 전기적으로 제 1 극성을 갖는 이온이 주입된 유전체 재료를 포함하며, 상기 제 2 대전체는 전기적으로 제 2 극성을 갖는 이온이 주입된 유전체 재료를 포함할 수 있다.
또 다른 실시예에 따르면, 상술한 구조를 갖는 에너지 하베스팅 장치를 포함하는 전력 소모 소자가 제공될 수 있다.
개시된 실시예에 따르면, 마찰 등에 의해 발생하는 전기 에너지로 광수집층 내의 광수집 입자들에 전기장을 인가함으로써 태양전지로 전달되는 빛 에너지를 증가시킬 수 있다. 따라서, 개시된 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치는 예를 들어 실내 조명으로부터 조사되는 빛 에너지를 효율적으로 수확할 수 있다. 또한, 에너지 하베스팅 장치가 휴대용 기기에 장착되면 휴대용 기기에 상시적인 에너지 충전이 가능하게 된다.
도 1은 일 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치의 개략적인 구조를 예시적으로 보이는 단면도이다.
도 2 및 도 3은 도 1에 도시된 에너지 하베스팅 장치의 동작을 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 4는 전기장이 인가되기 전과 전기장이 인가된 후에 태양전지에 입사하는 빛의 세기를 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 5 및 도 6은 다른 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치의 구조 및 동작을 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 7은 도 5 및 도 6에 도시된 에너지 하베스팅 장치를 휴대용 기기에 장착한 예를 보이는 사시도이다.
도 8은 또 다른 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치의 개략적인 구조를 예시적으로 보이는 단면도이다.
도 9는 또 다른 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치의 개략적인 구조를 예시적으로 보이는 단면도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 광수집 입자들을 갖는 에너지 하베스팅 장치에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 또한, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다. 또한 이하에서 설명하는 층 구조에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 표현은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치의 개략적인 구조를 예시적으로 보이는 단면도이다. 도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치(100)는, 외부로부터 입사하는 빛을 흡수하고 흡수된 빛을 가장자리를 향해 전달하는 광수집층(101), 광수집층(101)의 제 1 표면에 배치된 제 1 대전 부재(103), 광수집층(101)의 제 1 표면의 반대편에 있는 제 2 표면에 배치된 제 2 대전 부재(104) 및 광수집층(101)의 제 1 표면 및 제 2 표면 사이의 측면에 각각 배치된 태양 전지(112)를 포함할 수 있다. 또한, 에너지 하베스팅 장치(100)는 태양 전지(112)로부터 전력 소모 소자(200)에 전달되는 전력의 전류, 전압 등을 조절할 수 있는 제어 회로(150)를 더 포함할 수 있다.
광수집층(101)은 빛을 전달할 수 있는 투명한 재료로 이루어진 도광판(101a) 및 도광판(101a) 내에 분산된 다수의 광수집 입자(101b)를 포함할 수 있다. 도광판(101a)은 그 내부에서 빛이 전반사에 의해 전달될 수 있도록 높은 굴절률을 갖는 투명한 재료로 이루어질 수 있다. 또한, 에너지 하베스팅 장치(100)가 웨어러블 기기에 장착될 수 있도록 도광판(101a)은 쉽게 휘어지거나 구부러질 수 있는 유연한 폴리머(polymer) 재료로 이루어질 수도 있다. 예를 들어, 도광판(101a)은 폴리카보네이트(polycarbonate; PC), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate; PET), PMMA(poly methyl methacrylate), TAC(triacetyl cellulose), PAN(poly acrylonitrile) 등과 같은 재료로 이루어질 수 있다. 도 1에는 단지 편의상 도광판(101a)이 두껍게 도시되어 있지만, 도광판(101a)은 수 mm 또는 수백 um 이하의 두께를 갖는 얇은 박막 필름일 수 있다.
광수집 입자(101b)는 빛을 반사하거나 또는 빛을 흡수 및 방출하여 도광판(101a)을 통해 전달되도록 하는 역할을 한다. 외부로부터 도광판(101a)의 내부에 있는 다수의 광수집 입자(101b)에 입사하는 빛은 광수집 입자(101b)에서 반사되거나 또는 흡수 및 방출되면서 도광판(101a)의 내부로 퍼지게 된다. 도광판(101a)의 내부로 퍼지는 빛 중에서 도광판(101a)에 의해 결정되는 전반사 조건을 만족하는 빛은 도광판(101a)의 내부를 따라 진행하면서 도광판(101a)의 양쪽 측면을 향해 전달된다. 그런 후 도광판(101a)의 내부를 진행하는 빛은 도광판(101a)의 측면을 통해 도광판(101a)의 외부로 출사된다. 따라서 도광판(101a)의 측면이 광출사면이 될 수 있다. 또한 본 실시예에 따르면, 광수집 입자(101b)는 외부의 전기장에 의해 여기 강도(excitation intensity)가 증가될 수 있는 입자일 수 있다. 예를 들어, 광수집 입자(101b)는 태양 전지용 유기 염료 또는 양자점(quantum dot)을 포함할 수 있다.
양자점은 양자 구속 효과(quantum confined stark effect)를 가지는 소정 크기의 입자로서, CdTe, CdSe, ZnS, CdS 등과 같은 화합물 반도체로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 양자점은 고유의 공진 파장에 따라 대략 1nm 내지 10nm 정도의 직경을 가질 수 있다. 각각의 양자점은 균질한 단일 구조, 또는 코어-쉘(core-shell)의 이중 구조로 형성될 수 있다. 다양한 코어-쉘 구조의 양자점들이 제안되고 있는데, 예를 들어 CdSe/AsS, CdTe/CdSe, CdSe/ZnS 등과 같은 구조의 양자점들이 사용될 수 있다. 여기서, 쉘 재료의 에너지 밴드 갭은 코어 재료의 에너지 밴드 갭보다 클 수 있다. 광수집 입자(101b)로서 양자점을 사용하는 경우, 다양한 파장의 빛을 효과적으로 흡수하기 위하여 다양한 직경을 갖는 양자점들을 도광판(101a) 내에 분산시킬 수 있다.
태양 전지(112)는 도광판(101a)의 측면에 배치되며, 도광판(101a)으로부터 전달되는 빛을 받아 전기 에너지를 발생시킨다. 도 1에는 도광판(101a)의 양쪽 측면에 대향하여 태양 전지(112)가 각각 배치된 것으로 도시되어 있다. 그러나, 예컨대 도광판(101a)이 사각형의 형상을 갖는 경우, 도광판(101a)의 4개의 측면에 각각 대향하여 총 4개의 태양 전지(112)가 배치될 수도 있다. 넓은 면적을 갖는 광수집층(101)을 이용하여 외부로부터 오는 빛을 수집하고 이렇게 수집된 빛을 얇은 두께의 도광판(101a)을 통해 집광하여 태양 전지(112)에 제공하기 때문에, 예를 들어 실내의 조명이 어두운 경우에도 태양전지(112)에는 전기 에너지를 생성하기에 충분한 세기의 빛이 입사될 수 있다.
제 1 대전 부재(103)와 제 2 대전 부재(104)는 태양전지(112)가 배치되지 않은 도광판(101a)의 나머지 표면들 중에서 2개의 서로 반대쪽 표면에 배치될 수 있다. 예를 들어, 도광판(101a)의 측면이 광출사면인 경우에 도광판(101a)의 상부 표면과 하부 표면에 각각 제 1 대전 부재(103)와 제 2 대전 부재(104)가 배치될 수 있다. 즉, 광출사면을 사이에 두고 제 1 대전 부재(103)와 제 2 대전 부재(104)가 배치될 수 있다. 여기서, 도광판(101a)의 상부 표면에 배치된 제 1 대전 부재(103)와 도광판(101a)의 하부 표면에 배치된 제 2 대전 부재(104)는 마찰 대전(triboelectrification)에 의해 전기에너지를 발생시키기 위해 서로 다른 대전율을 갖는 재료로 이루어질 수 있다.
예를 들어, 제 1 대전 부재(103)는 제 2 대전 부재(104)에 비하여 양(+)으로 대전되기 쉬운 재료로 이루어지고 제 2 대전 부재(104)는 제 1 대전 부재(103)에 비하여 음(-)으로 대전되기 쉬운 재료로 이루어질 수 있다. 또는, 제 1 대전 부재(103)가 음(-)으로 대전되기 쉬운 재료로 이루어지고 제 2 대전 부재(104)가 양(+)으로 대전되기 쉬운 재료로 이루어질 수도 있다. 제 1 대전 부재(103)와 제 2 대전 부재(104)가 양(+)으로 대전되는지 또는 음(-)으로 대전되는지는 제 1 대전 부재(103)와 제 2 대전 부재(104)의 대전율 차이에 따라 결정될 수 있다. 대체적으로, 양(+)으로 대전되기 쉬운 물질의 예에는, 폴리포름알데히드(polyformaldehyde), 폴리비닐알코올(polyvinyl alcoho; PVC), 폴리아미드(polyamide), EC(etylcellulose), 실크(silk), 울(wool), 종이(paper), 목재(wood), 면(cotton), 강철(steel), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 구리(Cu), 또는 은(Ag) 등이 포함될 수 있다. 그리고, 음(-)으로 대전되기 쉬운 물질의 예에는, 실리콘 고무(silicone rubber), 테프론(Teflon), PDMS(polydimethylsiloxane), Kapton, PP(polypropylene), PE(polyethylene) 또는 폴리염화비닐(polyvinyl chloride; PVC) 등이 포함될 수 있다.
만약 제 1 대전 부재(103)가 광수집층(101)의 광입사면에 배치되어 있다면 제 1 대전 부재(103)는 가시광과 같은 빛에 대해 투명한 재료로 이루어질 수 있다. 또한, 에너지 하베스팅 장치(100)가 예를 들어 디스플레이 패널 위에 배치되어 사용된다면, 제 2 대전 부재(104)도 역시 투명한 재료로 이루어질 수 있다. 그러나 에너지 하베스팅 장치(100)가 빛을 투과시킬 필요가 없는 전력 소모 소자(200)에서 사용된다면, 제 2 대전 부재(104)는 불투명한 재료로 이루어질 수도 있다. 이 경우, 광수집층(101)을 통과한 빛을 재활용할 수 있도록 제 2 대전 부재(104)는 예를 들어 금속과 같은 반사성 재료로 이루어질 수도 있다.
마찰 대전에 의해 제 1 대전 부재(103)와 제 2 대전 부재(104)가 대전되어 전기 에너지가 발생하게 되면 제 1 대전 부재(103)와 제 2 대전 부재(104) 사이에 배치된 도광판(101a)에 전기장이 인가될 수 있다. 예를 들어, 도 2 및 도 3은 도 1에 도시된 에너지 하베스팅 장치(100)의 동작을 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 사람의 손가락이나 또는 다른 외부의 물체가 제 1 대전 부재(103)에 접촉하여 마찰이 일어나면, 예컨대 제 1 대전 부재(103)로 양전하가 이동하고 손가락 또는 다른 물체로 음전하가 이동할 수 있다. 그런 후, 도 3에 도시된 바와 같이, 손가락 또는 다른 물체가 제 1 대전 부재(103)로부터 떨어지면, 제 1 대전 부재(103)가 양(+)으로 대전된다. 이에 따라, 제 1 대전 부재(103)를 마주보고 있는 제 2 대전 부재(104)는 음(-)으로 대전된다. 그러면, 제 1 대전 부재(103)와 제 2 대전 부재(104) 사이에 전기장(E)이 형성될 수 있다. 전기장(E)의 세기는 제 1 대전 부재(103)와 제 2 대전 부재(104)의 대전율 차이에 따라 그리고 마찰에 의해 이동한 전하들의 양에 따라 달라질 수 있다.
이에 따라 제 1 대전 부재(103)와 제 2 대전 부재(104) 사이에 배치된 도광판(101a)에 전기장이 인가될 수 있다. 그러면 도광판(101a) 내에 분산된 다수의 광수집 입자(101b)들이 전기장에 의해 여기될 수 있다. 즉, 광수집 입자(101b)들은 외부광을 흡수함으로써 광학적으로 여기되어 빛을 방출하는데, 광수집 입자(101b)에 전기장이 인가되면 여기 강도가 증가하여 광수집 입자(101b)로부터 방출되는 빛의 세기가 증가할 수 있다. 따라서, 광수집 입자(101b)들이 방출하는 빛의 세기는 전기장이 인가되지 않았을 때보다 전기장이 인가될 때 더 증가하게 된다. 그 결과, 태양전지(112)에 제공되는 빛의 세기가 증가하여 태양전지(112)에서 생성되는 전기 에너지의 양이 증가할 수 있다. 예를 들어, 도 4는 전기장이 인가되기 전과 전기장이 인가된 후에 태양전지(112)에 입사하는 빛의 세기를 예시적으로 보이는 그래프이다. 도 4를 참조하면, 전기장이 인가된 경우에 태양전지(112)에 입사하는 빛의 세기가 증가한다는 것을 알 수 있다.
한편, 광수집 입자(101b)가 양자 구속 효과를 갖는 양자점으로 이루어진 경우, 도광판(101a)에 인가된 전기장에 의해 광수집 입자(101b)인 양자점의 밴드갭이 변화하게 된다. 예를 들어, 전기장의 세기가 커질수록 양자점에 의한 흡수/방출 파장은 장파장 쪽으로 이동하게 된다. 이러한 현상을 이용하여 광수집 입자(101b)들에 의해 흡수/방출되는 빛의 파장이 제어될 수 있다. 예를 들어, 실내 조명의 색에 따라 에너지 하베스팅 장치(100)에서 최적의 광 흡수가 일어나도록, 사용자가 제 1 대전 부재(103)와 제 2 대전 부재(104) 사이의 마찰 대전을 의도적으로 일으키거나 또는 의도적으로 제 1 대전 부재(103)와 제 2 대전 부재(104)를 방전시킬 수도 있다. 예를 들어, 실내 조명이 적색에 가까운 경우에는 손가락 또는 다른 물체와 제 1 대전 부재(103) 사이에 마찰을 일으킬 수 있다. 또한, 실내 조명이 적색보다 짧은 파장인 경우에는 금속 등의 도전체를 제 1 대전 부재(103)에 접촉시켜 제 1 대전 부재(103)를 방전킬 수 있다.
상술한 실시예에 따르면, 마찰 대전에 의해 발생하는 전기 에너지로 광수집층(101) 내의 광수집 입자(101b)들에 전기장을 인가함으로써 광수집 입자(101b)에서 방출되는 빛의 세기를 증가시킬 수 있다. 결과적으로, 광수집층(101)에 입사하는 외부광의 전체 빛 에너지 대비 광수집층(101)에서 태양전지(112)에 제공하는 전체 빛 에너지의 비율이 향상될 수 있다. 따라서, 태양전지(112)로 전달되는 빛 에너지를 증가시킬 수 있어서, 에너지 하베스팅 장치(100)는 예를 들어 실내 조명으로부터 조사되는 빛 에너지를 효율적으로 수확할 수 있다. 따라서, 본 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치(100)는 주어진 환경에서 최대의 전력을 얻기 위한, 큰 부피를 갖는 최대 전력점 추적(Maximum Power Point Tracking)용 부품을 사용할 필요가 없어서 휴대용 기기에 장착되어 상시적인 에너지 충전을 가능하게 할 수 있다.
도 5 및 도 6은 다른 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치(110)의 구조 및 동작을 개략적으로 보이는 단면도이다. 도 5를 참조하면, 에너지 하베스팅 장치(100)는 제 1 대전 부재(103)와 접촉하도록 배치된 제 3 대전 부재(105)를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 제 1 대전 부재(103)가 양(+)으로 대전되기 쉬운 재료로 이루어지고 제 2 대전 부재(104)가 음(-)으로 대전되기 쉬운 재료로 이루어지는 경우, 제 3 대전 부재(105)는 음(-)으로 대전되기 쉬운 재료로 이루어질 수 있다. 반대로, 제 1 대전 부재(103)가 음(-)으로 대전되기 쉬운 재료로 이루어지고 제 2 대전 부재(104)가 양(+)으로 대전되기 쉬운 재료로 이루어지는 경우, 제 3 대전 부재(105)는 양(+)으로 대전되기 쉬운 재료로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제 3 대전 부재(105)는 제 2 대전 부재(104)와 동일한 재료로 이루어질 수도 있지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며 상술한 조건을 만족하는 어떠한 재료로도 이루어질 수 있다.
제 3 대전 부재(105)는 제 1 대전 부재(103)와 접촉하여 마찰 대전을 일으키는 역할을 한다. 제 3 대전 부재(105)를 사용할 경우 손가락이나 다른 물체를 제 1 대전 부재(103)에 의도적으로 접촉시킬 필요가 없다. 도 5에는 제 3 대전 부재(105)가 제 1 대전 부재(103) 위에 적층된 것으로 도시되어 있지만, 제 3 대전 부재(105)는 고정되지 않고 제 1 대전 부재(103) 위에서 자유롭게 이동할 수 있도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 제 3 대전 부재(105)의 일단부에만 힌지 또는 끈이 연결될 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 제 3 대전 부재(105)가 제 1 대전 부재(103)에 접촉하여 마찰이 일어나면, 예컨대 제 1 대전 부재(103)로 양전하가 이동하고 제 3 대전 부재(105)로 음전하가 이동할 수 있다. 그런 후, 도 6에 도시된 바와 같이, 제 3 대전 부재(105)가 제 1 대전 부재(103)로부터 떨어지면, 제 1 대전 부재(103)가 양(+)으로 대전된다. 이에 따라, 제 1 대전 부재(103)를 마주보고 있는 제 2 대전 부재(104)는 음(-)으로 대전될 수 있다. 그러면, 제 1 대전 부재(103)와 제 2 대전 부재(104) 사이에 전기장(E)이 형성될 수 있다.
한편, 제 3 대전 부재(105)는 제 1 대전 부재(103)로부터 떨어질 때 자동으로 접지에 연결되도록 구성될 수 있다. 그러면, 제 3 대전 부재(105)가 제 1 대전 부재(103)로부터 떨어지면 제 3 대전 부재(105)가 방전될 수 있다. 예를 들어, 제 3 대전 부재(105)가 제 1 대전 부재(103)로부터 미리 정해진 거리 이상으로 멀어지거나 또는 힌지의 회전축을 중심으로 일정한 각도 이상으로 회전하면 접지에 연결되도록 구성될 수 있다. 여기서, 접지는 에너지 하베스팅 장치(100)가 장착된 전력 소모 소자(200) 내의 인쇄 회로 기판의 접지일 수 있다. 또는 제 3 대전 부재(105)가 사용자의 신체 일부나 외부 물체 등과 접촉하는 동안 자연적으로 방전되도록 구성될 수도 있다.
도 7은 도 5 및 도 6에 도시된 에너지 하베스팅 장치(100)를 휴대용 기기와 같은 전력 소모 소자(200)에 장착한 예를 보이는 사시도이다. 예를 들어, 전력 소모 소자(200)는 스마트폰일 수 있다. 도 7에 도시된 바와 같이, 에너지 하베스팅 장치(100)는 스마트폰의 디스플레이 패널(210) 위에 장착될 수 있다. 이 경우, 제 1 대전 부재(103)와 제 2 대전 부재(104)가 모두 가시광에 대해 투명한 재료로 이루어질 수 있다. 태양전지(112)는 스마트폰의 외부에 배치될 수도 있지만 스마트폰의 내부에 장착될 수도 있다. 이 경우, 광수집층(101)을 구부려서 광수집층(101)의 가장자리가 스마트폰 내에 삽입될 수도 있다. 태양전지(112)는 스마트폰의 전력 공급 장치에 직접 연결되어 스마트폰에 전력을 공급할 수도 있다.
제 1 대전 부재(103)는 외부로 노출되어 있어서 사용자가 스마트폰을 사용하는 동안 사용자의 손가락에 반복적으로 접촉되어 마찰 대전을 일으킬 수 있다. 그러면 광수집층(101)에 전기장이 인가되어 광수집층(101)의 광수집 효율이 향상될 수 있다. 또한, 스마트폰을 수납하는 폴딩형 커버(300)의 내측면에 제 3 대전 부재(105)가 배치될 수 있다. 그러면 스마트폰을 사용하지 않고 커버(300)를 닫고 있는 동안 제 3 대전 부재(105)가 제 1 대전 부재(103)에 접촉하여 마찰 대전을 일으킬 수 있다. 그런 후, 사용자가 스마트폰을 사용하기 위해 커버(300)를 열 때 제 3 대전 부재(105)가 제 1 대전 부재(103)에서 떨어지면서 광수집층(101)에 전기장이 인가될 수 있다.
도 8은 또 다른 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치(120)의 개략적인 구조를 예시적으로 보이는 단면도이다. 도 8을 참조하면, 에너지 하베스팅 장치(120)는 대전된 제 1 대전 부재(103)와 제 2 대전 부재(104)로부터 전기 에너지를 추출하기 위한 전송 회로(160)를 더 포함할 수도 있다. 전송 회로(160)는 예를 들어 교류 형태의 전기적 신호를 직류로 전환하는 컨버터(도시되지 않음)와 컨버터에서 변환된 직류 전압이 너무 높은 경우 전압을 낮추어주는 스텝 다운 컨버터(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 스텝 다운 컨버터는 과도한 전기 신호 발생을 억제하여 다른 소자들을 보호하는 역할을 할 수 있다. 따라서 전송 회로(160)는 마찰 대전에 의해 발생하는 전기적 신호를 적절한 크기의 직류 전압으로 변환하는 역할을 한다. 전송 회로(160)의 출력은 태양 전지(112)의 출력과 함께 제어 회로(150)에 전달된 후, 제어 회로(150)를 통해 전력 소모 소자(200)에 공급될 수 있다. 도 8에는 편의상 전송 회로(160)와 제어 회로(150)를 구분하여 도시하였지만, 전송 회로(160)와 제어 회로(150)는 하나의 회로 기판 상에 함께 구성되거나 또는 하나의 칩으로 구성될 수도 있다. 도 8에 도시된 에너지 하베스팅 장치(120)는 외광이 전혀 없어서 태양 전지(112)에 의한 전력 공급이 불가능한 상황에서 마찰 대전을 이용하여 전력을 공급할 수 있다.
도 9는 또 다른 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치(130)의 개략적인 구조를 예시적으로 보이는 단면도이다. 도 9를 참조하면, 에너지 하베스팅 장치(130)는, 마찰 대전을 일으키는 제 1 및 제 2 대전 부재 대신에, 양전하 또는 음전하를 포함하도록 본질적으로(intrinsic) 대전된 상태에 있는 제 1 대전체(106)와 제 2 대전체(107)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 양전하를 포함하고 있는 제 1 대전체(106)는 제 1 대전 부재(103) 대신에 도광판(101a)의 상부 표면에 배치되고, 음전하를 포함하고 있는 제 2 대전체(107)는 제 2 대전 부재(104) 대신에 도광판(101a)의 하부 표면에 배치될 수 있다. 제 1 대전체(106)와 제 2 대전체(107)는 예를 들어 강유전체(ferroelectrics) 또는 일렉트릿(electrets) 등과 같이 양(+) 또는 음(-)으로 대전된 상태를 유지하는 재료로 이루어질 수 있다. 또는 제 1 대전체(106)와 제 2 대전체(107)는 일반적인 유전체 재료에 강제적으로 이온을 주입하는 이온 주입 방식으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 양이온을 제 1 대전체(106)에 강제로 주입하고 음이온을 제 2 대전체(107)에 강제로 주입하거나, 반대로 음이온을 제 1 대전체(106)에 주입하고 양이온을 제 2 대전체(107)에 주입할 수도 있다. 제 1 대전체(106)와 제 2 대전체(107)를 도광판(101a)의 상하부에 각각 위치시키면, 마찰 대전과 무관하게 광수집층(101)에 항상 전기장이 인가될 수 있다.
지금까지, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 광수집 입자들을 갖는 에너지 하베스팅 장치에 대한 예시적인 실시예가 설명되고 첨부된 도면에 도시되었다. 그러나, 이러한 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이고 이를 제한하지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 그리고 본 발명은 도시되고 설명된 설명에 국한되지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 이는 다양한 다른 변형이 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일어날 수 있기 때문이다.

Claims (15)

  1. 다수의 광수집 입자를 구비하여 외부로부터 입사하는 빛을 가이드하는 도광판;
    상기 도광판의 제 1 표면에 배치된 제 1 대전 부재;
    상기 도광판의 제 2 표면에 배치된 제 2 대전 부재; 및
    상기 도광판의 제 1 표면과 제 2 표면 사이의 광출사면에 대향하여 배치된 태양 전지;를 포함하는 에너지 하베스팅 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 대전 부재와 제 2 대전 부재는 마찰 대전에 의해 대전되어 상기 도광판에 전기장을 인가하도록 구성되며, 상기 다수의 광수집 입자는 전기장에 의해 여기 강도가 증가하는 재료를 포함하는 에너지 하베스팅 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 다수의 광수집 입자는 유기 염료 또는 양자점을 포함하는 에너지 하베스팅 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 광수집 입자는, 상기 광수집 입자가 방출하는 빛의 세기가 전기장이 인가되지 않을 때보다 전기장이 인가될 때 더 증가하도록 구성되며,
    상기 도광판은 상기 광수집 입자에서 방출되는 빛 중에서 전반사 조건을 만족하는 빛을 전반사를 통해 상기 도광판의 가장자리로 전달하도록 구성된 에너지 하베스팅 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 대전 부재와 제 2 대전 부재는 서로 다른 대전율을 갖는 재료를 포함하는 에너지 하베스팅 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 도광판의 제 1 표면은 외부의 빛이 입사하는 광입사면이며, 상기 제 1 대전 부재는 투명한 재료로 이루어지고, 상기 제 2 대전 부재는 가시광에 대해 투명한 재료로 이루어지는 에너지 하베스팅 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 도광판의 제 1 표면은 외부의 빛이 입사하는 광입사면이며, 상기 제 1 대전 부재는 투명한 재료로 이루어지고, 상기 제 2 대전 부재는 입사된 빛을 반사하는 반사성 재료로 이루어지는 에너지 하베스팅 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 대전 부재와 접촉하여 마찰 대전을 일으키는 제 3 대전 부재를 더 포함하며, 상기 제 3 대전 부재는 상기 제 1 대전 부재의 재료와 상이한 대전율을 갖는 재료를 포함하는 에너지 하베스팅 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 3 대전 부재는 상기 제 1 대전 부재로부터 떨어질 수 있도록 구성되며, 상기 제 3 대전 부재가 상기 제 1 대전 부재로부터 떨어진 동안 접지에 연결되도록 구성되는 에너지 하베스팅 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 태양 전지로부터 전력 소모 소자에 전달되는 전력의 전류, 전압, 및 임피던스를 조절하는 제어 회로, 및
    대전된 상기 제 1 대전 부재와 제 2 대전 부재로부터 전기 에너지를 추출하는 전송 회로를 더 포함하는 에너지 하베스팅 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 대전 부재는 전기적으로 제 1 극성을 갖도록 대전된 제 1 대전체를 포함하며, 상기 제 2 대전 부재는 전기적으로 제 1 극성과 반대인 제 2 극성을 갖도록 대전된 제 2 대전체를 포함하고,
    상기 제 1 대전체와 제 2 대전체에 의해 상기 도광판에 항상 전기장이 인가되는 에너지 하베스팅 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 다수의 광수집 입자는 전기장에 의해 여기 강도가 증가하는 재료를 포함하는 에너지 하베스팅 장치.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 대전체와 제 2 대전체는 강유전체 재료 또는 일렉트릿 재료를 포함하는 에너지 하베스팅 장치.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 대전체는 전기적으로 제 1 극성을 갖는 이온이 주입된 유전체 재료를 포함하며, 상기 제 2 대전체는 전기적으로 제 2 극성을 갖는 이온이 주입된 유전체 재료를 포함하는 에너지 하베스팅 장치.
  15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 따른 에너지 하베스팅 장치를 포함하는 전력 소모 소자.
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