WO2020218844A1 - 압전 에너지 하베스팅 이차 전지 - Google Patents

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WO2020218844A1
WO2020218844A1 PCT/KR2020/005364 KR2020005364W WO2020218844A1 WO 2020218844 A1 WO2020218844 A1 WO 2020218844A1 KR 2020005364 W KR2020005364 W KR 2020005364W WO 2020218844 A1 WO2020218844 A1 WO 2020218844A1
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WO
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electrode part
positive electrode
negative electrode
unit
common negative
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Application number
PCT/KR2020/005364
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English (en)
French (fr)
Inventor
신이현
신은정
김창현
김권석
Original Assignee
주식회사 제낙스
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/18—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H3/00—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection
    • H02H3/18—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection responsive to reversal of direct current
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/30—Piezoelectric or electrostrictive devices with mechanical input and electrical output, e.g. functioning as generators or sensors
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/30—Piezoelectric or electrostrictive devices with mechanical input and electrical output, e.g. functioning as generators or sensors
    • H10N30/308—Membrane type

Definitions

  • the present invention relates to an energy harvesting technology, and more particularly, to a piezoelectric energy harvesting secondary battery that efficiently converts and stably stores electrical energy output from a piezoelectric element.
  • the problem to be solved by the present invention is a piezoelectric energy harvesting secondary battery capable of obtaining electric energy from a wearable device, simply converting the obtained electric energy, stably storing the converted electric energy, and outputting it safely. Is to provide.
  • the piezoelectric energy harvesting secondary battery of the present invention for achieving the above technical problem comprises: a first positive electrode part coated with a positive electrode active material on a conductive network formed by physical contact or chemical bonding of one or more long metal fibers;
  • the positive electrode active material is applied to a conductive network in which one or more long metal fibers are formed through physical contact or chemical bonding, so that the common negative electrode part and the common negative electrode part are separated from the first positive electrode part in a direction apart from the common negative electrode part.
  • Second bipolar electrode portions spaced apart in parallel;
  • a separator interposed in the common negative electrode part and the second positive electrode part to prevent a short circuit between the common negative electrode part and the second positive electrode part and conduct ions;
  • the metal filaments may be randomly arranged to form a nonwoven fabric structure that is fastened to each other.
  • the first positive electrode portion, the common negative electrode portion, and the second positive electrode portion may have a plate-shaped structure or a structure that can be displaced from the plate-shaped structure.
  • the rectifying circuit unit includes a first diode and a second diode connected in series to form a first connection node point, a third diode and a fourth diode connected in series to form a second connection node point, and the second diode
  • the cathode of and the cathode of the fourth diode are connected to form a third connection node point
  • the anode of the first diode and the anode of the third diode are connected to form a fourth connection node point
  • the first connection node point is connected to the first positive electrode part
  • the second connection node point and the fourth connection node point are connected to the common negative electrode part
  • the third connection node is connected to the second positive electrode part.
  • the dots can be connected.
  • the cathode is connected to the second positive electrode part, and the anode is connected to the common negative electrode part, so that the positive charge accumulated in the second positive electrode part and the negative charge accumulated in the common negative electrode part exceed the storage capacity.
  • it may include an overcharge prevention circuit unit for moving the positive charge to the common negative electrode unit.
  • An anode is connected to the second bipolar electrode and a cathode is connected to a load terminal, and a circuit protection unit configured to block a current flowing from the load terminal to the second bipolar electrode unit may be included.
  • the circuit protection unit may include a switch interposed between the second bipolar electrode unit and the load to control a flow of current flowing from the second bipolar electrode unit to the load.
  • the It may include a switching control unit for switching the switch from the turn-on state to the turn-off.
  • An anode is connected to one end of the switch chair, a cathode is connected to the common negative electrode, and the switching control unit may include a state display unit that outputs light or does not output light depending on whether the switching control unit is conducting.
  • a piezoelectric element unit generating electric energy in response to an external force and a capacitor unit storing electric energy are connected to one negative electrode, and a surge voltage (abruptly applied voltage ), the potential difference between the piezoelectric element unit and the capacitor unit can be prevented.
  • the piezoelectric element unit and the capacitor unit use one negative electrode in common, and the rectifier circuit unit is connected to the common negative electrode to be used as a ground of the rectifier circuit unit, thereby simplifying the structure and reducing the weight.
  • overcharging of the capacitor unit may be prevented, damage of the capacitor unit may be prevented, and output of a surge voltage from the capacitor unit may be prevented.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a state of use of a piezoelectric energy harvesting secondary battery according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cut-away perspective view of the piezoelectric energy harvesting secondary battery of FIG. 1.
  • FIG. 3 is a block diagram of the piezoelectric energy harvesting secondary battery of FIG. 2.
  • FIG. 4 is a circuit diagram of the piezoelectric energy harvesting secondary battery of FIG. 2.
  • FIG. 5 is a view showing an operating state when electric energy is charged to a capacitor portion of the piezoelectric energy harvesting secondary battery of FIG. 4.
  • FIG. 6 is an operation diagram showing a state in which the rectifying circuit unit of the piezoelectric energy harvesting secondary battery of FIG. 5 rectifies a positive half cycle of an AC power source.
  • FIG. 7 is an operation diagram illustrating a state in which a rectifying circuit part of the piezoelectric energy harvesting secondary battery of FIG. 5 rectifies a negative half cycle of an AC power source.
  • FIG. 8 is a diagram showing voltage waveforms output from the common negative electrode part, the separator, and the second positive electrode part of FIG. 4.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating an operating state of an overcharge prevention circuit of the piezoelectric energy harvesting secondary battery of FIG. 5.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a state in which electric energy charged in the piezoelectric energy harvesting secondary battery of FIG. 8 is supplied to a load end.
  • first and second are used to describe various members, parts, regions, layers and/or parts, but these members, parts, regions, layers and/or parts are limited by these terms. No. These terms are only used to distinguish one member, component, region, layer or portion from another region, layer or portion. Accordingly, the first member, part, region, layer or part described below may support the second member, part, region, layer or part without departing from the teachings of the invention.
  • (Anode)' may be referred to as a cathode as an oxidation electrode that loses electrons
  • a'cathode' may be referred to as an anode as a reduction electrode that acquires electrons.
  • the anode may be a negative electrode in a battery and a positive electrode in a diode
  • the cathode may be a positive electrode in a battery and a negative electrode in a diode.
  • the piezoelectric element unit 100 refers to a module in which the first positive electrode unit 110, the common negative electrode unit 120, and the dielectric unit 130 are combined.
  • the capacitor part 300 refers to a module in which the common negative electrode part 120, the second positive electrode part 310, and the separator 320 are combined.
  • the capacitor unit 300 may be a secondary battery.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a state of use of a piezoelectric energy harvesting secondary battery according to an embodiment of the present invention.
  • the piezoelectric energy harvesting secondary battery 1 may include a piezoelectric element unit 100, a rectifier circuit unit 200, and a capacitor unit 300.
  • the piezoelectric energy harvesting secondary battery 1 includes this and is connected to clothes such as shirts (B) that are washed in a washing machine (A) or accessories such as bags and hats, and movement applied to clothes or accessories when washed. It converts and stores energy into electrical energy, and converts and outputs the stored energy so that it can be used in various electric devices.
  • the piezoelectric energy harvesting secondary battery 1 converts kinetic energy generated when washing in the piezoelectric element unit 100 into electric energy. Then, the electric energy output from the rectifying circuit unit 200 is converted into electric energy that can be stored in the capacitor unit 300. Thereafter, electric energy is stored in the capacitor unit 200 and the electric energy charged in the capacitor unit 300 can be used as a power source for a load.
  • the piezoelectric element unit 100 is composed of a first bipolar electrode unit 110, a common cathode electrode unit 120, and a dielectric unit 130, and contracts or expands according to external stress and is an AC type. To produce electrical energy.
  • the capacitor unit 200 is composed of a common negative electrode part 120, a second positive electrode part 310, and a separator 320, and the AC electric energy output from the piezoelectric element part 100 is converted into a rectifying circuit part. It stores the DC electric energy converted and output at (200).
  • a piezoelectric element unit 100 and a capacitor unit 200 are formed around one common negative electrode unit 120, so that the piezoelectric element unit 100 and the capacitor unit It drives without generating a potential difference between (300). Accordingly, the piezoelectric energy harvesting secondary battery 1 can be driven with high safety.
  • the piezoelectric energy harvesting secondary battery 1 is formed in a structure in which the rectifier circuit part 200 is connected to the common negative electrode part 120, so that the ground of the rectifier circuit part 200 is converted to the common negative electrode part 120. By using it, it is formed in a simplified structure and the weight can be formed lightly. Accordingly, the piezoelectric energy harvesting secondary battery 1 may be highly portable.
  • FIG. 2 is a cut-away perspective view of the piezoelectric energy harvesting secondary battery of FIG. 1
  • FIG. 3 is a block diagram of the piezoelectric energy harvesting secondary battery of FIG. 2.
  • either of the first positive electrode part 110 or the second positive electrode part 310 is formed as a reference layer in the flexible encapsulant C, and thus a common negative electrode part 120 and the separation membrane 320 may be formed in a structure interposed in parallel.
  • the common negative electrode part 120 is installed in parallel in the lower side of the first positive electrode part 110, that is, in the direction of gravity, and the common negative electrode part (
  • the separator 320 may be installed in parallel in the lower direction of 120 and the second bipolar electrode 310 may be installed in parallel under the separator 320.
  • the first positive electrode part 110, the common negative electrode part 120, the separator 320, and the second positive electrode part 310 are formed in a parallel structure. I can.
  • a dielectric part 130 is located between the first positive electrode part 110 and the common negative electrode part 120, and the first positive electrode part 110 and the common negative electrode part 120 and the dielectric part Reference numeral 130 may be one piezoelectric element unit 100.
  • the common negative electrode part 120, the second positive electrode part 310, and the separator 320 may be a single capacitor part 300.
  • the piezoelectric element unit 100 and the capacitor unit 300 are accommodated in the flexible encapsulant (C).
  • the flexible encapsulant C is a packaging material that stably supports the piezoelectric element unit 100 and the capacitor unit 300.
  • the surface of the flexible encapsulant C may have a fabric-friendly surface layer in consideration of an external substrate to be mounted, for example, a surface such as clothes, bags or hats.
  • the flexible encapsulant (C) may be formed of the same material as the fabric-friendly surface layer to form a connection portion (D) connected to clothes or accessories.
  • the connection portion (D) may be formed to be coupled to a button.
  • the piezoelectric energy harvesting secondary battery 1 can be easily mounted on clothes, bags, or hats.
  • the fabric-friendly surface layer may be formed of a fibrous layer, tax, natural leather or artificial leather.
  • the fiber layer may include a fabric layer, a non-woven fabric layer, a knitted fabric layer, a velvet layer, or a microfiber layer using natural fibers and/or synthetic fibers.
  • the fabric-friendly surface layer may be a single layer of the aforementioned materials or may have a multilayer structure.
  • the flexible encapsulant C may include a first electrode E1 and a second electrode E2 on the upper and lower surfaces of the fabric evolutionary surface layer.
  • the first electrode E1 and the second electrode E2 may include a current collector and an electrode active material applied to at least one surface of the current collector, that is, a positive active material or a negative active material.
  • the first electrode (E1) and the second electrode (E2) may have an electrode structure according to Korean Patent No. 10-1088073 filed on October 16, 2010 by the applicant, and the patent is The whole may be included by reference.
  • the base layer may improve the waterproof or moisture-proof function of the flexible encapsulant C from water (W, see FIG. 1).
  • the first bipolar electrode unit 110 is a conductive network formed by physical contact or chemical bonding of one or more long metal fibers 111 and an electrode formed by coating the positive electrode active material 112 on the conductive network.
  • the long metal fibers 111 are metal fibers such as stainless steel, aluminum, nickel, titanium, and copper or alloys thereof.
  • the long metal fibers 111 of the first bipolar electrode unit 110 are formed of aluminum or an alloy thereof.
  • These long metal fibers 111 may be segmented to have a suitable length and a plurality of pieces.
  • the long metal fibers 111 may be formed in a plate-like structure having plasticity or a structure capable of being displaced from a plate-like structure by the ductility and malleability of the metal.
  • the length and number of these long metal fibers 111 may be appropriately selected according to the size and capacity of the battery.
  • the metal long fibers 111 may have a thickness in the range of 1 ⁇ m to 200 ⁇ m, and may have an aspect ratio of 25 to 106 by having a length in the range of 5 mm to 1000 mm.
  • the shape of the long metal fibers 111 may be generally straight and bent. However, this is only an example, and the shape of the long metal fibers is not limited to this shape, and the long metal fibers 111 may be formed in a curly shape or a spiral shape.
  • the long metal fibers 111 of this type are electrically connected to each other through physical contact or chemical bonding to form a single conductive network.
  • the long metal fibers 111 may have a nonwoven structure that is randomly arranged and fastened to each other as shown.
  • the one or more long metal fibers 111 are bent or bent and entangled with each other, thereby forming a low-resistance conductive network that is mechanically robust while having porosity.
  • These long metallic fibers 111 may be made of two or more different types of metals, respectively, as needed, and through an additional process such as heat treatment, a conductive network is formed by chemical bonding between them by forming an intermetallic compound.
  • the positive electrode active material 112 becomes an electrical active material mechanically bound in a conductive network.
  • the size and porosity of the pores formed by the long metal fibers 111 may be appropriately adjusted so that the positive electrode active material 112 is strongly bound to the conductive network.
  • the size and porosity of the pores may be adjusted by adjusting the weight ratio of the positive electrode active material 112 and the mixture in the entire first positive electrode part 110 of the long metal fibers 111.
  • the mixing weight ratio of the long metal fibers 111 in the first bipolar electrode unit 110 may be adjusted by increasing the number or length of the long metal fibers 111.
  • the size and porosity of the pores in the first positive electrode part 110 may be appropriately adjusted by compressing the mixture of the long metal fibers 111 and the positive electrode active material 112 with a press such as a roll press.
  • This mechanical compression process allows to obtain an electrode structure of a non-woven structure, mechanically strengthens the conductive network, and at the same time, the positive electrode active material 112 is strongly bound to the conductive network and increases the energy density of the battery.
  • the positive electrode active material 112 is a two-component or more oxide containing lithium, nickel, cobalt, chromium, magnesium, strontium, vanadium, lanthanum, cerium, iron, cadmium, lead and/or manganese, phosphate, sulfide (sulfide), fluoride (fluoride) or a combination thereof.
  • the positive electrode active material may be formed of another chalcogen compound.
  • the cathode-type electrical active material includes at least two or more of cobalt, copper, nickel, and manganese suitable for lithium secondary batteries, and at least one selected from the group consisting of O, F, S, P, and combinations thereof It may be a three-component or more lithium compound containing the above non-metallic elements.
  • the common negative electrode unit 120 is a conductive network formed by physical contact or chemical bonding of one or more long metal fibers 111 and an electrode formed by coating the negative active material 121 on the conductive network.
  • the common cathode electrode unit 120 is formed in a shape and position capable of maintaining a parallel state with the first bipolar electrode unit 110.
  • the common cathode electrode unit 120 may be formed in a plate-like structure having plasticity due to the ductility and malleability of metal or a structure capable of being displaced from the plate-like structure.
  • the long metal fibers 111 of the common cathode electrode unit 120 are formed of fibers of copper, stainless steel, nickel, or an alloy thereof, compared with the metal long fibers of the first bipolar electrode unit 110 described above. It is the same except that it becomes.
  • the negative active material 121 applied to the common negative electrode part 120 may be a carbon-based material such as low crystalline carbon or high crystalline carbon.
  • the low crystalline carbon may be soft carbon or hard carbon.
  • high crystalline carbon is natural graphite, Kish graphite, pyrolytic carbon, liquid crystal pitch based carbon fiber, mesophase pitches, petroleum or coal tar pitch derived cokes).
  • the negative active material is not defined as the materials of the negative active material listed above.
  • the negative electrode active material is a mono-magnetic field such as silicon, germanium, tin, lead, antimony, bismuth, zinc, aluminum, iron and cadmium, an intermetallic compound thereof, or an oxide having a high capacity of lithium ion occlusion and release capability. It may also contain a system material.
  • the other negative electrode active material may include sodium suitable for NaS batteries, or at least one of other oxides, carbides, nitrides, sulfides, phosphides, selenides, and teleniums.
  • a positive electrode active material and a negative electrode active material may be pre-coated on the surfaces of the long metal fibers 111.
  • the resultant is applied on the long metal fiber 111, and the solvent is removed through a drying process to coat the electrical active material.
  • Metal long fibers can be provided.
  • the positive electrode active material and the metal long fiber 111 pre-coated with the negative electrode active material may be prevented from being corroded by a liquid electrolyte.
  • the electrical active material to be pre-coated may be the same as the surrounding electrical active material or may be a different type of active material having chemical affinity.
  • the pre-coating layer may be another metal or metal oxide coating having corrosion resistance.
  • the dielectric part 130 is interposed between the first positive electrode part 110 and the common negative electrode part 120, and is electrically charged in response to the displacement of the first positive electrode part 110 and the common negative electrode part 120. Polarization occurs.
  • the first positive electrode part 110, the common negative electrode part 120, and the dielectric part 130 are composed of one piezoelectric element part 100, and are compressed and stretched by kinetic energy applied from the outside. Electrical energy corresponding thereto is generated and supplied to the rectifying circuit unit 200.
  • the rectifying circuit part 200 rectifies AC power.
  • the rectifying circuit unit 200 may be formed of at least one diode to rectify electric energy, that is, AC electricity, applied from the first positive electrode unit 110 and the common negative electrode unit 120 into a pulsating current.
  • the rectifying circuit part 200 may be formed of one diode having a first polarity connected to the first bipolar electrode part 110 and a second polarity connected to the second bipolar electrode part 310.
  • the rectifying circuit unit 200 may half-wave rectify AC electricity output from the first positive electrode unit 110 and the common negative electrode unit 120.
  • a plurality of diodes are formed as a bridge circuit, and a first positive electrode part 110 and a common negative electrode part 120 and a second positive electrode are formed at a connection node point formed by connecting a plurality of diodes.
  • the electrode part 310 is connected to allow full-wave rectification of AC electricity output from the first positive electrode part 110 and the common negative electrode part 120. The structure and operation of such a diode bridge circuit will be described in detail when describing FIG. 4.
  • the second bipolar electrode unit 310 is a conductive network formed by physical contact or chemical bonding of one or more long metal fibers 111, the same as the first bipolar electrode unit 110, and the positive electrode active material 112 is included in the conductive network. It is an electrode formed by coating.
  • the second positive electrode part 310 is spaced apart from the first positive electrode part 110 in parallel with the common negative electrode part 120 along a direction in which the common negative electrode part 120 is spaced apart from the first positive electrode part 110.
  • a separator 320 is provided between the second positive electrode part 310 and the common negative electrode part 120 in parallel with the second positive electrode part 310 and the common negative electrode part 120.
  • the separator 320 prevents a short circuit between the second positive electrode part 310 and the common negative electrode part 120 and conducts ions.
  • the separator 320 may be, for example, a polymer microporous membrane, a woven fabric, a nonwoven fabric, a ceramic, an intrinsic solid polymer electrolyte membrane, a gel solid polymer electrolyte membrane, or a combination thereof.
  • the intrinsic solid polymer electrolyte membrane may contain a linear polymer material or a crosslinked polymer material.
  • the gel polymer electrolyte membrane may be any one of a plasticizer-containing polymer, a filler-containing polymer, and a pure polymer, or a combination thereof.
  • the solid electrolyte layer is polyethylene, polypropylene, polyimide, polysulfone, polyurethane, polyvinyl chloride, polystyrene, polyethylene oxide, polypropylene oxide, polybutadiene, cellulose, carboxymethyl cellulose, nylon, polyacrylonitrile, polyvinyl Lidenfluoride, polytetrafluoroethylene, copolymer of vinylidene fluoride and hexafluoropropylene, copolymer of vinylidene fluoride and trifluoroethylene, copolymer of vinylidene fluoride and tetrafluoroethylene, poly Any one of methyl acrylate, polyethyl acrylate, polyethyl acrylate, polymethyl methacrylate, polyethyl methacrylate, polybutyl acrylate, polybutyl methacrylate, polyvinyl acetate, and polyvinyl alcohol or these It may include a polymer matrix consisting of a combination
  • the materials listed for the above-described separator 320 are exemplary, and as the separator 320, the shape change is easy, and the mechanical strength is excellent, so that it is not torn or cracked even when the electrode structure is deformed, while having any suitable electronic insulating property.
  • a material with good ionic conductivity can be selected.
  • the separator 320 may be a single layer film or a multilayer film, and the multilayer film may be a stack of the same single layer or a stack of single layers formed of different materials.
  • the capacitor part 300 formed of the separator 320, the common negative electrode part 120, and the second positive electrode part 310 charges the pulsating current voltage applied from the rectifier circuit part 200, and then smoothes it with a DC voltage. Print. A detailed description of the output voltage of the capacitor unit 300 will be described later.
  • FIGS. 4 to 7 a circuit diagram of the piezoelectric energy harvesting secondary battery of the present invention and operating states of components of the piezoelectric energy harvesting secondary battery will be described in detail with reference to FIGS. 4 to 7.
  • an operating state of the piezoelectric energy harvesting secondary battery of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 8 to 10.
  • FIG. 4 is a circuit diagram of the piezoelectric energy harvesting secondary battery of FIG. 2, and FIG. 5 is a diagram illustrating an operating state 6 when electric energy is charged to a capacitor portion of the piezoelectric energy harvesting secondary battery of FIG. 4, and FIG. Fig. 5 is an operation diagram showing a state in which the rectifying circuit unit of the piezoelectric energy harvesting secondary battery rectifies the positive half cycle of AC power, and Fig. 7 is the rectification circuit unit of the piezoelectric energy harvesting secondary battery of Fig. 5 negative half cycle of the AC power It is an operation diagram showing the state of rectifying. And FIG. 8 is a view showing voltage waveforms output from the common negative electrode part, the separator, and the second positive electrode part of FIG. 4, and FIG.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating an operating state of the overcharge prevention circuit part of the piezoelectric energy harvesting secondary battery of FIG. It is a drawing shown. 10 is a diagram illustrating a state in which electric energy charged in the piezoelectric energy harvesting secondary battery of FIG. 8 is supplied to a load end.
  • the piezoelectric energy harvesting secondary battery 1 may be formed of a circuit formed of a piezoelectric element unit 100, a capacitor unit 300, and a rectifying circuit unit 200.
  • the piezoelectric energy harvesting secondary preposition (1) includes an overcharge prevention circuit unit 400, a circuit protection unit 600, a switching control unit 700 and a status display unit 500 so that the converted energy can be stably charged and used safely. It may be formed as a circuit containing.
  • the piezoelectric energy harvesting secondary battery 1 includes a piezoelectric element unit 100, a capacitor unit 300, a rectifier circuit unit 200, an overcharge prevention circuit unit 400, and a circuit protection unit 600 as shown in FIG. 4. ), the circuit to which the switching control unit 700 and the status display unit 500 are connected will be described as a circuit of the piezoelectric energy harvesting secondary battery 1 as an example.
  • the piezoelectric energy harvesting secondary battery 1 is an example of a force applied from the outside, and the piezoelectric element unit 100 converts and outputs AC electrical energy to the stress and tension applied during washing. And AC electric energy is rectified by the rectifying circuit part 200.
  • the rectifying circuit unit 200 may be formed in a structure in which a plurality of diodes are connected to perform full-wave rectification of the applied AC power.
  • the rectifier circuit part 200 is formed in a structure in which a first diode (D1) and a second diode (D2) are connected in series, and a third diode (D3) and a fourth diode (D4) are connected in series. can do.
  • the rectifying circuit unit 200 has a first connection node point 210 formed at a point where the first diode D1 and the second diode D2 are connected, and the third diode D3 and the fourth diode A second connection node point 220 is formed at a point where (D4) is connected, a third connection node point 230 is formed at a point where the cathode of the second diode and the cathode of the fourth diode are connected, and the first A structure in which the fourth connection node point 240 is formed at a point where the anode of the diode and the anode of the third diode are connected, that is, may be formed in a bridge diode structure.
  • the first positive electrode unit 110 is connected to the first connection node point 210 of the rectification circuit unit 200, and the second connection node point 220 and the fourth connection node point 240 have a common negative polarity.
  • the second bipolar electrode part 310 may be connected to the electrode part 120 and the third connection node point 230.
  • the rectifying circuit unit 200 operates as shown in (a) of FIG. 6, the third diode (D3) and the second diode (D2), and the amount of AC power shown in (b) of FIG. It can rectify the AC power of the cycle.
  • the rectification circuit unit 200 as shown in Figure 7 (a), the first diode (D1) and the fourth diode (D4) operate, as shown in Figure 7 (b), AC It is possible to rectify the AC power of the drinking machine of all power sources.
  • the piezoelectric energy harvesting secondary battery 1 charges the pulsating electric energy rectified by the rectifier circuit unit 200 into the capacitor unit 300 as shown in FIG. 5.
  • the capacitor unit 300 is rectified and charged through the first diode D1 and the fourth diode D4, as shown in FIG. 8, and the charged half cycle, the second diode D2 and the third diode D3.
  • a voltage having a small ripple that is, a DC voltage.
  • the piezoelectric energy harvesting secondary battery 1 drives the switching control unit 700 and the status display unit 500 by using the DC voltage and DC current that are charged and output in the capacitor unit 300, and the capacitor unit 300 is stably Can be charged. In addition, the state of charge of the capacitor unit 300 may be checked from the outside.
  • the piezoelectric energy harvesting secondary battery 1 uses the overcharge prevention circuit unit 400 to prevent the capacitor unit 300 from being overcharged by the piezoelectric element unit 100, and only the voltage equal to or less than the set voltage is the first electrode E1. ) And the load connected to the second electrode E2 can be stably supplied.
  • the overcharge prevention circuit unit 400 prevents the output voltage of the capacitor unit 300 from exceeding a predetermined voltage value.
  • the overcharge prevention circuit unit 400 may be formed of a Zener diode having a cathode connected to the second positive electrode part 310 and an anode connected to the common negative electrode part 120, as shown in FIG. 9.
  • the overcharge prevention circuit part 400 is connected to the second positive electrode part 310 and the common negative electrode part 120, and the positive charges accumulated in the second positive electrode part 310 and the common negative electrode part 120 When the negative charge accumulated in exceeds the storage capacity, the capacitor unit 300 may be prevented from overcharging by conducting conduction and moving the positive charge to the common negative electrode unit.
  • the piezoelectric energy harvesting secondary battery 1 allows current to flow only from the second bipolar electrode unit 310 to the load end 800 through the circuit protection unit 600 and to be applied from the load end 800.
  • the piezoelectric element unit 100, the capacitor unit 300, and the rectifier circuit unit 200 may be protected from possible electricity.
  • the circuit protection part 600 blocks the current flowing from the load terminal 800 to the second bipolar electrode part 310.
  • the circuit protection unit 600 is composed of a diode and a switch, and may control a current flow so that current flows only from the second bipolar electrode unit 310 to the load terminal 800.
  • the circuit protection part 600 is formed in a structure in which the switch 620 has one end connected to the second bipolar electrode part 310, the other end connected to the anode of the diode, and the cathode of the diode connected to the load end 800. Can be.
  • the switch 620 is a structure that operates to maintain a turn-on state when a magnetic field is not applied and a turn-off state when a magnetic field is applied, that is, a structure that operates in a b-contact switch method.
  • the piezoelectric energy harvesting secondary battery 1 controls the operation of the switch 620 through the switching control unit 700, and the first bipolar electrode unit 110 and the second bipolar electrode unit 310 from the load end 800. ), the common cathode electrode unit 120 and the rectifier circuit unit 200 may be protected.
  • the switching control unit 700 is formed in a structure in which one end is connected to the common negative electrode part, the other end forms the second positive electrode part and the open section 510, and coils are formed at one end and the other end.
  • the switching control unit 700 has water in the open section 710 between the second bipolar electrode unit 310 and the other end.
  • W contacts
  • current flows and a magnetic field is formed in the coil to turn on the switch 620.
  • the switching control unit 700 maintains the turn-off state of the switch 620 when the capacitor unit 300 is charged as shown in FIG. 5, and the capacitor unit 300 and the load end 800 Opens the current path between them and blocks the flow of current.
  • the switching control unit 700 switches the switch 620 from a turn-off state to a turn-on state when the capacitor unit 300 is no longer charged, as shown in FIG. 10, so that the capacitor unit 300 By shorting the and the load terminal 800, the electric energy charged in the capacitor part 300 can be discharged.
  • the piezoelectric energy harvesting secondary battery 1 allows electric energy to be stably charged in the capacitor unit 300 through the switching control unit 700, while the charged energy is discharged when the load terminal 800 is connected. You can do it.
  • the piezoelectric energy harvesting secondary battery 1 enables the operation of the switching control unit 700 and whether the capacitor unit 300 is charged with electric energy or discharged through the status display unit 500.
  • the status display unit 500 is formed of, for example, a light-emitting diode, an anode is connected to one end, and a cathode is connected to a common cathode electrode to output light or do not output light depending on whether the switching control unit 700 is conducting. May not.
  • the state display unit 500 charges electric energy in the capacitor unit 300 and a resistance is located in the open section 710
  • the electric energy charged in the capacitor unit 300 flows through the switching control unit 700 Light can be output.
  • the state display unit 500 may not output light when the resistance is not located in the open section 710, electrical energy is discharged in the capacitor unit 300, and the switch 620 is operated as a turn-on. .
  • the status display unit 500 operates differently depending on the operation of the switching control unit 700 and the state in which electric energy is charged and discharged in the capacitor unit 300, so that the user charges the electric energy in the capacitor unit 300 Whether it is being used or charged, and whether it is discharging, etc. can be easily identified.

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  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)

Abstract

본 발명은 압전 에너지 하베스팅 이차 전지에 관한 것이다. 이러한 본 발명은 금속 장섬유들이 결합되어 형성된 도전성 네트워크에 양극 활물질이 도포된 제 1 양극성 전극부, 금속 장섬유들이 결합되어 형성된 도전성 네트워크에 음극 활물질이 도포되고 제 1 양극성 전극부와 평행한 공통 음극성 전극부, 제 1 양극성 전극부와 공통 음극성 전극부에 개재되는 유전체부, 제 1 양극성 전극부에 공통 음극성 전극부가 이격된 방향을 따라 공통 음극성 전극부와 평행하게 이격된 제 2 양극성 전극부, 공통 음극성 전극부와 상기 제 2 양극성 전극부에 개재되어, 공통 음극성 전극부와 제 2 양극성 전극부의 단락을 방지하고 이온을 전도시키는 분리막 및 적어도 하나의 다이오드를 포함하여, 다이오드의 제 1 극성이 상기 제 1 양극성 전극부에 연결되고, 제 2 극성이 상기 제 2 양극성 전극부에 연결되는 정류 회로부를 포함한다.

Description

압전 에너지 하베스팅 이차 전지
본 발명은 에너지 하베스팅 기술에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 압전 소자에서 출력되는 전기에너지를 효율적으로 변환하여, 안정적으로 저장하는 압전 에너지 하베스팅 이차 전지에 관한 것이다.
전자 및 통신 기술은 하루 다르게 발전하고 있다. 전자 및 통신 기술의 발달로 티셔츠나 바지 등에 부착되는 웨어러블(wearable) 장치가 많이 개발되고 있다.
이러한 기술과 더불어 진동, 광전 또는 열로부터 에너지를 얻는 에너지 하비스트(Energy harvest) 기술 그리고 수집된 에너지를 저장하는 장치가 활발히 개발되고 있다.
최근 들어서는 에너지 효율성을 위해, 진동, 광전 및 열 등으로부터 전기 에너지를 획득하고, 획득된 전기에너지로 웨어러블 장치를 구동시키는 장치에 관한 관심이 커지고 있다. 그리고 이러한 기술에 대한 개발이 활발하게 진행되고 있다.
그러나, 웨어러블 장치의 효율적인 구동을 위한 전기에너지를 안정적으로 획득하고, 획득된 전기에너지를 효율적으로 변환하는 기술 개발은 아직 미비한 실정이다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 웨어러블 장치로부터 전기 에너지를 획득한 후, 획득된 전기에너지를 간단히 변환하고, 변환된 전기에너지를 안정적으로 저장할 수 있고 안전하게 출력할 수 있는 압전 에너지 하베스팅 이차 전지를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되는 것은 아니며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해 될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 압전 에너지 하베스팅 이차 전지는, 하나 이상의 금속 장섬유들이 물리적 접촉 또는 화학적 결합을 통해 형성된 도전성 네트워크에 양극 활물질이 도포된 제 1 양극성 전극부;
하나 이상의 금속 장섬유들이 물리적 접촉 또는 화학적 결합을 통해 형성된 도전성 네트워크에 음극 활물질이 도포되어, 상기 제 1 양극성 전극부와 평행한 공통 음극성 전극부;
상기 제 1 양극성 전극부와 상기 공통 음극성 전극부에 개재되는 유전체부;
하나 이상의 금속 장섬유들이 물리적 접촉 또는 화학적 결합을 통해 형성된 도전성 네트워크에 상기 양극 활물질이 도포되어, 상기 제 1 양극성 전극부에 상기 공통 음극성 전극부가 이격된 방향을 따라, 상기 공통 음극성 전극부와 평행하게 이격된 제 2 양극성 전극부;
상기 공통 음극성 전극부와 상기 제 2 양극성 전극부에 개재되어, 상기 공통 음극성 전극부와 상기 제 2 양극성 전극부의 단락을 방지하고 이온을 전도시키는 분리막; 및
적어도 하나의 다이오드를 포함하여, 상기 다이오드의 제 1 극성이 상기 제 1 양극성 전극부에 연결되고, 제 2 극성이 상기 제 2 양극성 전극부에 연결되는 정류 회로부를 포함한다.
상기 금속 장섬유들은 랜덤 하게 배열되어 서로 체결되는 부직포 구조가 될 수 있다.
상기 제 1 양극성 전극부, 상기 공통 음극성 전극부 및 상기 제 2 양극성 전극부는 판상 구조를 갖거나 상기 판상 구조에서 변위 가능한 구조를 가질 수 있다.
상기 정류 회로부는 제 1 다이오드와 제 2 다이오드가 직렬로 연결되며 제 1 연결 노드점을 형성하고, 제 3 다이오드와 제 4 다이오드가 직렬로 연결되며 제 2 연결 노드점을 형성하고, 상기 제 2 다이오드의 캐소드와 상기 제 4 다이오드의 캐소드가 연결되며 제 3 연결 노드점을 형성하고, 상기 제 1 다이오드의 애노드와 상기 제 3 다이오드의 애노드가 연결되며 제 4 연결 노드점을 형성하여,
상기 제 1 양극성 전극부에 상기 제 1 연결 노드점이 연결되고, 상기 공통 음극성 전극부에 상기 제 2 연결 노드점 및 상기 제 4 연결 노드점이 연결되며 상기 제 2 양극성 전극부에 상기 제 3 연결 노드점이 연결될 수 있다.
캐소드가 상기 제 2 양극성 전극부에 연결되고, 애노드가 상기 공통 음극성 전극부에 연결되어, 상기 제 2 양극성 전극부에 축적되는 양전하와 상기 공통 음극성 전극부에 축적되는 음전하가 축적 용량을 초과하였을 때, 상기 양전하를 상기 공통 음극성 전극부로 이동시키는 과충전방지 회로부를 포함할 수 있다.
애노드가 상기 제 2 양극성 전극부에 연결되고, 캐소드가 부하단에 연결되어, 상기 부하단으로부터 상기 제 2 양극성 전극부로 유입되는 전류를 차단하는 회로 보호부를 포함할 수 있다.
상기 회로 보호부는, 제 2 양극성 전극부와 부하 사이에 개재되어, 상기 제 2 양극성 전극부에서 상기 부하로 흐르는 전류의 흐름을 제어하는 스위치를 포함할 수 있다.
일단이 상기 공통 음극성 전극부에 연결되고 타단이 상기 제 2 양극성 전극부와 개방 상태로 형성되어, 상기 제 2 양극성 전극부와 상기 타단에 저항이 형성되어 단락 되었을 때, 전류경로를 형성하며 상기 스위치를 턴-온 상태에서 턴-오프로 전환시키는 스위칭 제어부를 포함할 수 있다.
상기 스위치체어부의 일단에 애노드가 연결되고, 상기 공통 음극성 전극부에 캐소드가 연결되어 상기 스위칭 제어부가 도통 여부에 따라, 광을 출력하거나 광을 출력하지 않는 상태표시부를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따라, 압전 에너지 하베스팅 이차 전지는 외력에 대응해 전기 에너지를 발생시키는 압전 소자부와 전기 에너지를 저장하는 커패시터부가 하나의 음전극에 연결되어, 서지전압(갑작스럽게 인가되는 전압)으로부터 압전 소자부와 커패시터부 간 전위차 발생을 방지시킬 수 있다.
그리고 압전 소자부와 커패시터부가 하나의 음전극을 공통적으로 사용하고, 공통음전극에 정류 회로부를 연결하여 정류 회로부의 접지로 사용함으로써, 구조의 간소화 및 무게를 감소시킬 수 있다.
또한, 커패시터부의 과충전을 방지시키며, 커패시터부의 파손 방지 및 커패시터부에서 서지전압의 출력을 방지시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스팅 이차 전지의 사용 상태도이다.
도 2는 도 1의 압전 에너지 하베스팅 이차 전지의 절개 사시도이다.
도 3은 도 2의 압전 에너지 하베스팅 이차 전지의 블록도이다.
도 4는 도 2의 압전 에너지 하베스팅 이차 전지의 회로도이다.
도 5는 도 4의 압전 에너지 하베스팅 이차 전지의 커패시터부에 전기 에너지가 충전될 때 작동상태를 나타낸 도면이다.
도 6은 도 5의 압전 에너지 하베스팅 이차 전지의 정류 회로부가 교류전원의 양의 반주기를 정류하는 상태를 나타낸 작동도이다.
도 7은 도 5의 압전 에너지 하베스팅 이차 전지의 정류 회로부가 교류전원의 음의 반주기를 정류하는 상태를 나타낸 작동도이다.
도 8은 도 4의 공통 음극성 전극부, 분리막 및 제 2 양극성 전극부에서 출력되는 전압 파형을 나타낸 도면이다.
도 9는 도 5의 압전 에너지 하베스팅 이차 전지의 과충전 방지 회로부의 작동상태를 도시한 도면이다.
도 10은 도 8의 압전 에너지 하베스팅 이차 전지에 충전된 전기에너지가 부하단에 공급되는 상태를 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시 예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시 예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시 예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시 예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 또한 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시 예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및 /또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 아니 된다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술한 제1부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도, 제2부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지지할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시 예들은 본 발명의 이상적인 실시 예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명된다.
본 발명의 압전 에너지 하베스팅 이차 전지(1)에 대한 설명을 하기 앞서, 본 명세서 기술되는 사용되는'애노드(Anode)'와 '캐소드(Cathode)'에 대한 설명이 명확해 질 수 있도록, '애노드(Anode)'는 전자를 잃는 산화 전극으로서 음극으로 지칭될 수도 있으며, '캐소드(Cathode)'는 전자를 얻는 환원 전극으로서 양극으로 지칭될 수 있다.
이에, 애노드는 전지에서 음극이 되며 다이오드에서 양극이 될 수 있고, 캐소드는 전지에서 양극이 되며 다이오드에서 음극이 될 수 있다.
아울러, 본 명세서 상에서는 설명의 편의상, 압전 소자부(100)는 제 1 양극성 전극부(110), 공통 음극성 전극부(120) 및 유전체부(130)가 합쳐진 모듈을 지칭한다. 그리고, 커패시터부(300)는 공통 음극성 전극부(120), 제 2 양극성 전극부(310) 및 분리막(320)이 합쳐진 모듈을 지칭한다. 여기서, 커패시터부(300)는 이차 전지가 될 수 있다.
이하, 도 1을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스팅 이차 전지(1)에 대해 개괄적으로 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스팅 이차 전지의 사용 상태도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스팅 이차 전지(1)는 압전 소자부(100), 정류 회로부(200) 및 커패시터부(300)를 포함할 수 있다.
압전 에너지 하베스팅 이차 전지(1)는 이를 포함하여, 세탁기(A)에서 빨래되는 셔츠(B) 등의 옷 이나, 가방 및 모자 등의 액세서리에 연결되어 세탁될 때, 옷이나 액세서리에 가해지는 운동에너지를 전기에너지로 변환하여 저장하고, 저장된 에너지를 각종 전기기기에서 사용할 수 있도록 변환하여 출력한다.
더욱 구체적으로, 압전 에너지 하베스팅 이차 전지(1)는 압전 소자부(100)에서 세탁 할 때 발생되는 운동에너지를 전기에너지로 변환한다. 그리고, 정류 회로부(200)에서 출력된 전기 에너지를 커패시터부(300)에 저장 가능한 전기에너지로 변환한다. 이후, 커패시터부(200)에서 전기에너지를 저장하며 커패시터부(300)에 충전된 전기에너지를 부하(load)의 전원으로 사용할 수 있도록 한다.
여기서, 압전 소자부(100)는 제 1 양극성 전극부(110), 공통 음극성 전극부(120) 및 유전체부(130)등으로 구성되어, 외부에서 가해지는 응력에 따라 수축하거나 팽창하며 교류 타입의 전기 에너지를 생산한다. 그리고, 커패시터부(200)는 공통 음극성 전극부(120), 제 2 양극성 전극부(310) 및 분리막(320) 등으로 구성되어, 압전 소자부(100)에서 출력된 교류전기 에너지가 정류 회로부(200)에서 변환되어 출력되는 직류전기 에너지를 저장한다.
특히, 압전 에너지 하베스팅 이차 전지(1)는 하나의 공통 음극성 전극부(120)를 중심으로 압전 소자부(100)와 커패시터부(200)가 형성되어, 압전 소자부(100)와 커패시터부(300) 간 전위차를 발생시키지 않으며 구동한다. 이에, 압전 에너지 하베스팅 이차 전지(1)는 안전성 높게 구동될 수 있다.
아울러, 압전 에너지 하베스팅 이차 전지(1)는 공통 음극성 전극부(120)에 정류 회로부(200)가 연결된 구조로 형성되어, 정류 회로부(200)의 접지를 공통 음극성 전극부(120)로 사용함으로써, 단순화된 구조로 형성되며 무게가 가볍게 형성될 수 있다. 이에 따라, 압전 에너지 하베스팅 이차 전지(1)는 휴대성이 높아질 수도 있다.
이하, 도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명의 압전 에너지 하베스팅 이차 전지의 구성요소에 대해 상세히 설명한다.
도 2는 도 1의 압전 에너지 하베스팅 이차 전지의 절개 사시도이고, 도 3은 도 2의 압전 에너지 하베스팅 이차 전지의 블록도이다.
압전 에너지 하베스팅 이차 전지(1)는 플랙시블 봉지체(C)에 제 1 양극성 전극부(110) 또는 제 2 양극성 전극부(310) 중 어느 하나가 기준층으로 형성되고, 이에 공통 음극성 전극부(120) 및 분리막(320)이 평행하게 개재되는 구조로 형성 될 수 있다. 일례로, 제 1 양극성 전극부(110)을 기준층으로 하여, 제 1 양극성 전극부(110)의 하측 즉, 중력 방향으로 공통 음극성 전극부(120)가 평행하게 설치되고 공통 음극성 전극부(120)의 하측 방향으로 분리막(320)이 평행하게 설치되며, 분리막(320)의 하측으로 제 2 양극성 전극부(310)가 평행하게 설치되는 구조로 형성될 수 있다.
즉, 압전 에너지 하베스팅 이차 전지(1)는 제 1 양극성 전극부(110), 공통 음극성 전극부(120), 분리막(320) 및 제 2 양극성 전극부(310)가 평행한 구조로 형성될 수 있다.
여기서, 제 1 양극성 전극부(110)와 공통 음극성 전극부(120) 사이에는 유전체부(130)가 위치하며, 제 1 양극성 전극부(110)와 공통 음극성 전극부(120) 및 유전체부(130)는 하나의 압전 소자부(100)가 될 수 있다. 그리고, 공통 음극성 전극부(120), 제 2 양극성 전극부(310) 및 분리막(320)은 하나의 커패시터부(300)가 될 수 있다. 이러한 압전 소자부(100)와 커패시터부(300)는 플랙시블 봉지체(C)에 수용된다.
플랙시블 봉지체(C)는 압전 소자부(100)와 커패시터부(300)를 안정적으로 담지하는 포장재이다. 플랙시블 봉지체(C)의 표면은 장착될 외부 기재, 예를 들면, 옷, 가방 또는 모자와 같은 표면을 고려하여 직물 친화적 표면층을 가질 수 있다. 또한, 플랙시블 봉지체(C)는 직물 친화적 표면층과 동일한 재질로 형성되어 옷이나 액세서리에 연결되는 연결부(D)가 형성될 수 있다. 일례로, 연결부(D)는 단추에 결합될 수 있도록 형성될 수 있다.
이에, 압전 에너지 하베스팅 이차 전지(1)는 옷, 가방 또는 모자에 쉽게 장착될 수 있다.
여기서, 직물 친화적 표면층은 섬유층, 세무, 천연 가죽 또는 인조 가죽으로 형성될 수 있다. 여기서 섬유층은 천연 섬유 및/또는 합성 섬유를 이용한 직물층, 부직포층, 편직물층, 벨벳층 또는 극세사층을 포함할 수 있다. 직물 친화적 표면층은 전술한 재료의 단일층이거나 복합적층 구조를 가질 수 있다.
플랙시블 봉지체(C)는 직물 진화적 표면층의 상면 및 저면에 제 1 전극(E1)과 제 2 전극(E2)을 포함할 수 있다. 제 1 전극(E1)과 제 2 전극(E2)은 집전체와 집전체의 적어도 일면에 도포되는 전극 활물질, 즉 양극 활물질 또는 음극 활물질을 포함할 수 있다. 또는 제 1 전극(E1) 및 제 2 전극(E2)은 본 출원인의 2010년 10월 16일자로 출원한 대한민국 특허 제10-1088073호에 의한 전극 구조를 가질 수 있으며, 상기 특허는 본 명세서에 그 전체가 참조에 의해 포함될 수 있다.
저면에 부착되는 기저층을 더 포함할 수도 있다. 기저층은 물(W, 도 1 참조)로부터 플랙시블 봉지체(C)의 방수 또는 방습 기능을 향상시킬 수 있다.
제 1 양극성 전극부(110)는 하나 이상의 금속 장섬유(111)들이 물리적 접촉 또는 화학적 결합을 통해 형성된 도전성 네트워크 그리고 이러한 도전성 네트워크에 양극 활물질(112)이 도포되어 형성된 전극이다.
여기서, 금속 장섬유(111)는 스테인레스강, 알루미늄, 니켈, 티타늄 및 구리 또는 이들의 합금과 같은 금속 섬유가 된다. 이러한 금속 섬유들 가운데 제 1 양극성 전극부(110)의 금속 장섬유(111)들은 알루미늄 또는 이의 합금으로 형성된다.
이러한 금속 장섬유(111)는 적합한 길이를 갖도록 세그먼트화되어 복수 개일 수 있다. 금속 장섬유(111)들은 금속의 연성 및 전성에 의하여 가소성을 가지는 판상 구조 또는 판상 구조에서 변위 가능한 구조로 형성될 수 있다. 이러한 금속 장섬유(111)의 길이 및 개수는 전지의 크기 및 용량에 따라 적절히 선택될 수 있다. 예를 들면, 금속 장섬유(111)들은 1 ㎛ 내지 200 ㎛ 범위 내의 두께를 가지며, 5 mm 내지 1000 mm 범위 내의 길이를 가짐으로써 25 내지 106의 종회비를 가질 수 있다.
또한 도시된 바와 같이 금속 장섬유(111)들의 형상은 대체적인 직선과 구부러진 형태가 될 수 있다. 다만, 이는 하나의 예일 뿐, 이러한 형태로 금속 장섬유의 형태가 한정되는 것은 아니며 금속 장섬유(111)들은 곱슬 모양 또는 나선 모양으로 형성될 수 있다.
이러한 형태의 금속 장섬유(111)들은 서로 물리적 접촉 또는 화학적 결합을 통하여 전기적으로 접속되어 하나의 도전성 네트워크를 형성한다.
금속 장섬유(111)들은 도시된 바와 같이 랜덤하게 배열되어 서로 체결되는 부직포 구조를 가질 수 있다.
하나 이상의 금속 장섬유(111)들은 휘어지거나 꺽여 서로 엉킴으로써, 기공(porosity)을 가지면서도 기계적으로 견고한 저저항의 도전성 네트워크를 형성하게 된다. 이러한 금속 장섬유(111)들은 필요에 따라 두 개 이상의 서로 다른 종류의 금속으로 각각 이루어질 수 있으며, 열처리와 같은 추가적인 공정을 통하여 이들 사이의 금속간 화합물(intermetallic compound) 형성에 의한 화학적 결합으로 도전성 네트워크로 형성될 수 있다.
양극 활물질(112)은 도전성 네트워크 내에 기계적으로 바인딩되는 전기적 활물질이 된다. 양극 활물질(112)이 도전성 네트워크에 강하게 속박되도록, 금속 장섬유(111)들이 형성하는 기공의 크기 및 기공률이 적절이 조절될 수 있다. 여기서 기공의 크기 및 기공률의 조절은 금속 장섬유(111)들의 전체 제 1 양극성 전극부(110) 내에서 양극 활물질(112)과 혼합 중량비의 조절을 통해 수행될 수 있다.
제 1 양극성 전극부(110) 내의 금속 장섬유(111)들의 혼합 중량비는 금속 장섬유(111)들의 개수 또는 길이를 증가시키는 것에 의해 조절될 수 있다. 또는, 제 1 양극성 전극부(110) 내의 기공의 크기 및 기공률은 금속 장섬유(111)들과 양극 활물질(112)의 혼합물을 롤프레스와 같은 가압기로 압축하며, 적절히 조절될 수도 있다.
이러한 기계적 압축 공정은 부직포 구조의 전극 구조를 얻도록 하며, 도전성 네트워크를 기계적으로 견고하게 하고, 동시에 양극 활물질(112)이 도전성 네트워크에 강하게 속박되고 전지의 에너지 밀도를 증가시킨다.
양극 활물질(112)은 리튬, 니켈, 코발트, 크롬, 마그네슘, 스트론튬, 바나듐, 란탄, 세륨, 철, 카드뮴, 납 및/또는 망간을 포함하는 2 성분계 이상의 산화물(oxide), 인산염(phosphate), 황화물(sulfide), 불화물(fluoride) 또는 이들의 조합으로부터 선택될 수 있다. 그러나, 이는 예시적이며, 양극 활물질은 다른 칼코겐 화합물로 형성될 수도 있다. 바람직하게는, 캐소드형 전기적 활물질은, 리튬 2 차전지용으로 적합한 코발트, 구리, 니켈, 망간 중 적어도 2 이상을 포함하고, O, F, S, P, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상의 비금속 원소를 포함하는 3 성분계 이상의 리튬 화합물일 수 있다.
공통 음극성 전극부(120)는 하나 이상의 금속 장섬유(111)들이 물리적 접촉 또는 화학적 결합을 통해 형성된 도전성 네트워크 그리고 이러한 도전성 네트워크에 음극 활물질(121)이 도포되어 형성된 전극이다. 공통 음극성 전극부(120)는 제 1 양극성 전극부(110)와 평행상태를 유지할 수 있는 형상 및 위치에 형성된다. 이러한 공통 음극성 전극부(120)는 금속의 연성 및 전성에 의하여 가소성을 가지는 판상 구조 또는 판상 구조에서 변위 가능한 구조로 형성될 수 있다.
이와 같은 공통 음극성 전극부(120)의 금속 장섬유(111)는 전술한 제 1 양극성 전극부(110)의 금속 장섬유와 비교하여, 구리, 스테인레스강, 니켈 또는 이들의 합금의 섬유로 형성되는 것을 제외하고 동일하다.
따라서, 공통 음극성 전극부(120)에 대한 설명이 간결해 질 수 있도록 제 1 양극성 전극부(110)와 차이가 있는 부분에 대해서만 구체적으로 설명한다.
공통 음극성 전극부(120)에 도포된 음극 활물질(121)은 저결정 탄소 또는 고결정 탄소와 같은 탄소계 재료일 수 있다. 저결정성 탄소는 연화 탄소(soft carbon) 또는 경화 탄소(hard carbon)일 수 있다. 그리고 고결정성 탄소는 천연 흑연, 키시 흑연(Kish graphite), 열분해 탄소(pyrolytic carbon), 액정 피치계 탄소 섬유(mesophase pitch based carbon fiber), 액정 피치(Mesophase pitches), 석유 또는 석탄계 코크스(petroleum or coal tar pitch derived cokes)와 같은 고온 소성 탄소일 수 있다.
위에 열거된 음극 활물질의 재료들로 음극 활물질이 정의 되는 것은 아니다. 음극 활물질은 고용량의 리튬 이온 흡장 및 방출 능력을 갖는, 실리콘, 게르마늄, 주석, 납, 안티몬, 비스무스, 아연, 알루미늄, 철 및 카드뮴과 같은 단원자계, 이들의 금속간 화합물(intermetallic compound), 또는 산화물계 재료를 포함할 수도 있다.
또한, 다른 음극 활물질은 NaS 전지에 적합한 나트륨, 또는 다른 산화물, 탄화물, 질화물, 황화물, 인화물, 셀레늄화물 및 텔레늄화물 중 적어도 어느 하나를 포함할 수도 있다.
도시되어 있지는 않지만, 금속 장섬유(111)들의 표면에 양극 활물질 및 음극 활물질을 프리코팅(pre-coating)할 수 있다. 이를 위하여, 적합한 전기적 활물질의 파우더, 도전제 및 바인더의 혼합 조성물을 적합한 용매에 분산시킨 후, 그 결과물을 금속 장섬유(111)상에 도포하고, 건조 공정을 통하여 용매를 제거함으로써 전기적 활물질이 코팅된 금속 장섬유가 제공될 수 있다.
양극 활물질 및 음극 활물질이 프리코팅된 금속 장섬유(111)은 액상 전해액에 의한 부식이 방지될 수 있다. 프리코팅될 전기적 활물질은 주위의 전기적 활물질과 동일하거나 화학적 친화도를 갖는 다른 종류의 활물질일 수 있다. 또는, 전해액의 침식을 막기 위하여, 프리코팅층은 내식성이 있는 다른 금속 또는 금속 산화물 코팅체일 수도 있다.
유전체부(130)는 제 1 양극성 전극부(110)와 공통 음극성 전극부(120)에 개재되어, 제 1 양극성 전극부(110)와 공통 음극성 전극부(120)의 변위에 대응해 전기 분극(Polarization)을 발생시킨다.
이와 같은 제 1 양극성 전극부(110), 공통 음극성 전극부(120) 및 유전체부(130)는 하나의 압전 소자부(100)로 구성되어, 외부에서 가해지는 운동에너지에 의해 압축 및 인장되며 그에 대응하는 전기적인 에너지를 발생시켜 정류 회로부(200)에 공급한다.
정류 회로부(200)는 교류전원을 정류한다. 이러한 정류 회로부(200)는 적어도 하나의 다이오드로 형성되어, 제 1 양극성 전극부(110), 공통 음극성 전극부(120)에서 인가되는 전기 에너지 즉, 교류 전기를 맥류로 정류할 수 있다.
일례로, 정류 회로부(200)는 제 1 극성이 제 1 양극성 전극부(110)에 연결되고, 제 2 극성이 제 2 양극성 전극부(310)에 연결되는 하나의 다이오드로 형성될 수 있다. 이러한 정류 회로부(200)는 제 1 양극성 전극부(110) 및 공통 음극성 전극부(120)에서 출력되는 교류 전기를 반파 정류할 수 있다.
한편, 정류 회로부(200)는 복수 개의 다이오드가 브릿지 회로로 구성되고, 복수 개의 다이오드가 연결되며 형성된 연결노드점에 제 1 양극성 전극부(110) 및 공통 음극성 전극부(120) 그리고 제 2 양극성 전극부(310)가 연결되어 제 1 양극성 전극부(110) 및 공통 음극성 전극부(120)에서 출력되는 교류 전기를 전파 정류할 수 있다. 이러한 다이오드 브릿지 회로에 대한 구조 및 작동은 도 4를 설명할 때, 구체적으로 설명하도록 한다.
제 2 양극성 전극부(310)는 제 1 양극성 전극부(110)와 동일하게 하나 이상의 금속 장섬유(111)들이 물리적 접촉 또는 화학적 결합을 통해 형성된 도전성 네트워크 그리고 이러한 도전성 네트워크에 양극 활물질(112)이 도포되어 형성된 전극이다.
이러한 제 2 양극성 전극부(310)는 제 1 양극성 전극부(110)에 공통 음극성 전극부(120)가 이격된 방향을 따라, 공통 음극성 전극부(120)와 평행하게 이격된다. 제 2 양극성 전극부(310)와 공통 음극성 전극부(120) 사이에 제 2 양극성 전극부(310)와 공통 음극성 전극부(120)와 평행하게 분리막(320)이 설치된다.
분리막(320)은 제 2 양극성 전극부(310)와 공통 음극성 전극부(120)간 단락을 방지하며 이온을 전도시킨다. 이러한 분리막(320)은 일례로, 폴리머계 미세다공막, 직포, 부직포, 세라믹, 진성 고체 고분자 전해질막, 겔 고체 고분자 전해질막 또는 이들의 조합일 수 있다. 진성 고체 고분자 전해질막은, 직쇄 폴리머 재료, 또는 가교 폴리머 재료를 포함할 수 있다. 여기서 겔 고분자 전해질막은, 염을 포함하는 가소제 함유 폴리머, 필러 함유 폴리머 및 순 폴리머 중 어느 하나 또는 이들의 조합일 수 있다. 그리고 고체 전해질층은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리이미드, 폴리설폰, 폴리우레탄, 폴리염화비닐, 폴리스티렌, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리프로필렌옥사이드, 폴리부타디엔, 셀룰로오스, 카르복시메틸셀룰로오스, 나일론, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리테트라플루오로에틸렌, 비닐리덴플루오라이드와 헥사플루오로프로필렌의 공중합체, 비닐리덴플루오라드와 트리플루오로에틸렌의 공중합체, 비닐리덴플루오라이드와 테트라플루오로에틸렌의 공중합체, 폴리메틸아크릴레이트, 폴리에틸아크릴레이트, 폴리에틸아크릴레이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리에틸메타크릴레이트, 폴리부틸아크릴레이트, 폴리부틸메타크릴레이트, 폴리비닐아세테이트, 및 폴리비닐알콜 중 어느 하나 또는 이들의 조합으로 이루어진 고분자 메트릭스, 첨가제 및 전해액을 포함할 수 있다.
전술한 분리막(320)에 관하여 열거한 재료들은 예시적이며, 분리막(320)으로서 형상 변화가 용이하고, 기계적 강도가 우수하여 전극 구조체 변형에도 찢어지거나 균열되지 않으며, 임의의 적합한 전자 절연성을 가지면서도 우수한 이온 전도성을 갖는 재료가 선택될 수 있다.
분리막(320)은 단층막 또는 다층막일 수 있으며, 상기 다층막은 동일 단층막의 적층체이거나 다른 재료로 형성된 단층막의 적층체일 수 있다.
분리막(320), 공통 음극성 전극부(120) 및 제 2 양극성 전극부(310)으로 형성된 커패시터부(300)는 정류 회로부(200)에서 인가되는 맥류 전압을 충전한 후, 직류 전압으로 평활하게 출력한다. 커패시터부(300)의 출력 전압에 대한 구체적인 설명은 후술하도록 한다.
이하, 도 4 내지 도 7을 참조하여, 본 발명의 압전 에너지 하베스팅 이차 전지의 회로도와 압전 에너지 하베스팅 이차 전지의 구성요소의 각 작동 상태에 대해 구체적으로 설명한다. 그리고, 도 8 내지 도 10을 참조하여, 본 발명의 압전 에너지 하베스팅 이차 전지의 작동 상태에 대해 상세히 설명한다.
도 4는 도 2의 압전 에너지 하베스팅 이차 전지의 회로도이고, 도 5는 도 4의 압전 에너지 하베스팅 이차 전지의 커패시터부에 전기 에너지가 충전될 때 작동상태를6 나타낸 도면이고, 도 6은 도 5의 압전 에너지 하베스팅 이차 전지의 정류 회로부가 교류전원의 양의 반주기를 정류하는 상태를 나타낸 작동도이고, 도 7은 도 5의 압전 에너지 하베스팅 이차 전지의 정류 회로부가 교류전원의 음의 반주기를 정류하는 상태를 나타낸 작동도이다. 그리고 도 8은 도 4의 공통 음극성 전극부, 분리막 및 제 2 양극성 전극부에서 출력되는 전압 파형을 나타낸 도면이고, 도 9는 도 5의 압전 에너지 하베스팅 이차 전지의 과충전 방지 회로부의 작동상태를 도시한 도면이다. 그리고 도 10은 도 8의 압전 에너지 하베스팅 이차 전지에 충전된 전기에너지가 부하단에 공급되는 상태를 나타낸 도면이다.
압전 에너지 하베스팅 이차 전지(1)는 압전 소자부(100), 커패시터부(300), 정류 회로부(200)로 형성된 회로로 형성될 수 있다. 아울러, 압전 에너지 하베스팅 이차 전치(1)는 변환된 에너지를 안정적으로 충전하고 안전하게 사용할 수 있도록 과충전 방지 회로부(400), 회로 보호부(600), 스위칭 제어부(700) 및 상태표시부(500)를 포함하는 회로로 형성될 수 있다.
이하, 압전 에너지 하베스팅 이차 전지(1)는 도 4에 도시된 바와 같이 압전 소자부(100), 커패시터부(300), 정류 회로부(200), 과충전 방지 회로부(400), 회로 보호부(600), 스위칭 제어부(700) 및 상태표시부(500)가 연결된 회로를 일례의 압전 에너지 하베시팅 이차 전지(1)의 회로로 하여 설명하도록 한다.
압전 에너지 하베스팅 이차 전지(1)는 외부에서 가해지는 힘 일례로, 세탁 시 가해지는 응력 및 장력을 압전 소자부(100)에서 교류의 전기 에너지를 변환하여 출력한다. 그리고 교류 전기 에너지를 정류 회로부(200)에서 정류한다.
여기서, 정류 회로부(200)는 복수 개의 다이오드가 연결된 구조로 형성되어 인가되는 교류전원을 전파 정류할 수 있다. 정류 회로부(200)는 제 1 다이오드(D1)와 제 2 다이오드(D2)가 직렬 연결되고, 제 3 다이오드(D3)와 제 4 다이오드(D4)가 직렬 연결되는 구조로 형성되어 교류전원을 전파 정류할 수 있다.
더욱 구체적으로, 정류 회로부(200)는 제 1 다이오드(D1)와 제 2 다이오드(D2)가 연결되는 지점에 제 1 연결 노드점(210)이 형성되고, 제 3 다이오드(D3)와 제 4 다이오드(D4)가 연결되는 지점에 제 2 연결 노드점(220)이 형성되며, 제 2 다이오드의 캐소드와 제 4 다이오드의 캐소드가 연결되는 지점에 제 3 연결 노드점(230)이 형성되고, 제 1 다이오드의 애노드와 상기 제 3 다이오드의 애노드가 연결되는 지점에 제 4 연결 노드점(240)을 형성하는 구조 즉, 브릿지 다이오드 구조로 형성될 수 있다.
이때, 정류 회로부(200)의 제 1 연결 노드점(210)에 제 1 양극성 전극부(110)가 연결되고, 제 2 연결 노드점(220) 및 제 4 연결 노드점(240)에 공통 음극성 전극부(120) 그리고 제 3 연결 노드점(230)에 제 2 양극성 전극부(310)가 연결될 수 있다.
이를 통해 정류 회로부(200)는 도 6의 (a)에 도시된 바와 같이, 제 3 다이오드(D3)와 제 2 다이오드(D2)가 작동하며, 도 6의 (b)에 도시된 교류전원의 양주기의 교류전원을 정류할 수 있다. 또한, 정류 회로부(200)는 도 7의 (a)에 도시된 바와 같이, 제 1 다이오드(D1)와 제 4 다이오드(D4)가 작동하며, 도 7의 (b)에 도시된 바와 같이, 교류전원의 음주기의 교류전원을 정류할 수 있다.
압전 에너지 하베스팅 이차 전지(1)는 이러한 정류 회로부(200)에서 정류된 맥류 전기 에너지를 도 5에 도시된 바와 같이 커패시터부(300)에 충전한다. 여기서, 커패시터부(300)는 도 8에 도시된 바와 같이, 제 1 다이오드(D1)와 제 4 다이오드(D4)를 통해 정류되어 충전된 반주기와 제 2 다이오드(D2)와 제 3 다이오드(D3)를 통해 정류되어 충전된 반주기를 저장하여 리플의 크기가 적은 전압 즉, 직류전압을 출력할 수 있다.
압전 에너지 하베스팅 이차 전지(1)는 커패시터부(300)에 충전되어 출력되는 직류 전압 및 직류 전류를 이용해 스위칭 제어부(700), 상태표시부(500)를 구동시키며, 커패시터부(300)가 안정적으로 충전되도록 할 수 있다. 그리고 커패시터부(300)의 충전상태를 외부에서 확인할 수 있도록 할 수 있다.
아울러, 압전 에너지 하베스팅 이차 전지(1)는 과충전 방지 회로부(400)를 이용해 커패시터부(300)가 압전 소자부(100)에 의해 과충전 되지 않도록 하며, 설정 전압 이하의 전압만을 제 1 전극(E1)과 제 2 전극(E2)에 연결되는 부하에 안정적으로 공급할 수 있다.
여기서, 과충전 방지 회로부(400)는 커패시터부(300)의 출력 전압이 소정 전압값 이상이 되지 않도록 한다. 과충전 방지 회로부(400)는 도 9에 도시된 바와 같이 캐소드가 제 2 양극성 전극부(310)에 연결되고, 애노드가 공통 음극성 전극부(120)에 연결되는 제너다이오드로 형성될 수 있다. 이러한 과충전 방지 회로부(400)는 제 2 양극성 전극부(310)와 공통 음극성 전극부(120)에 연결되어, 제 2 양극성 전극부(310)에 축적되는 양전하와 공통 음극성 전극부(120)에 축적되는 음전하가 축적 용량을 초과하였을 때, 도통되어 양전하를 공통 음극성 전극부로 이동시켜 커패시터부(300)가 과충전 되지 않도록 할 수 있다.
아울러, 압전 에너지 하베스팅 이차 전지(1)는 회로 보호부(600)를 통해 제 2 양극성 전극부(310)로부터 부하단(800)으로만 전류가 흐르도록 하며, 부하단(800)으로부터 인가될 수 있는 전기로부터 압전 소자부(100), 커패시터부(300) 및 정류 회로부(200) 등을 보호할 수 있다.
여기서, 회로 보호부(600)는 부하단(800)으로부터 제 2 양극성 전극부(310)로 유입되는 전류를 차단한다. 회로 보호부(600)는 다이오드 및 스위치로 구성되어, 제 2 양극성 전극부(310)로부터 부하단(800)으로만 전류가 흐르도록 전류흐름을 제어할 수 있다. 이러한 회로 보호부(600)는 스위치(620)이 일단이 제 2 양극성 전극부(310)에 연결되고, 타단이 다이오드의 애노드에 연결되며 다이오드의 캐소드가 부하단(800)에 연결되는 구조로 형성될 수 있다.
아울러, 스위치(620)는 자기장이 가해지지 않을 때, 턴-온 상태를 유지하고 자기장이 가해질 때 턴-오프 상태를 유지하도록 작동되는 구조 즉, b접점 스위치 방식으로 작동하는 구조이다. 더욱이, 압전 에너지 하베스팅 이차 전지(1)는 스위칭 제어부(700)를 통해 스위치(620)의 작동을 제어하며 부하단(800)으로부터 제 1 양극성 전극부(110), 제 2 양극성 전극부(310), 공통 음극성 전극부(120) 및 정류 회로부(200) 등을 보호할 수 있다.
여기서, 스위칭 제어부(700)는 일단이 공통 음극성 전극부에 연결되고 타단이 상기 제 2 양극성 전극부와 개방구간(510)을 형성하고, 일단과 타단에 코일이 형성된 구조로 형성된다.
이를 통해 스위칭 제어부(700)는 제 2 양극성 전극부(310)와 타단에 저항이 형성되어 단락 되었을 때, 일례로 제 2 양극성 전극부(310)와 타단 사이 즉, 개방구간(710)에 물(W)이 접하였을 때, 전류가 흐르도록 하며 코일에서 자기장을 형성시켜 스위치(620)를 턴-온 시킨다.
더욱 구체적으로, 스위칭 제어부(700)는 도 5에 도시된 바와 같이 커패시터부(300)가 충전될 때, 스위치(620)를 턴-오프 상태를 유지시키며 커패시터부(300)와 부하단(800)간 전류 경로를 개방하여 전류의 흐름을 차단한다.
반면, 스위칭 제어부(700)는 도 10에 도시된 바와 같이 더 이상 커패시터부(300)가 충전되지 않을 때 스위치(620)를 턴-오프 상태에서 턴-온 상태로 전환시켜, 커패시터부(300)와 부하단(800)를 단락 시킴으로써, 커패시터부(300)에 충전된 전기에너지가 방전될 수 있도록 한다.
압전 에너지 하베스팅 이차 전지(1)는 스위칭 제어부(700)를 통해, 커패시터부(300)에 안정적으로 전기에너지가 충전될 수 있도록 하면서도, 충전된 에너지가 부하단(800)이 연결되었을 때 방전될 수 있도록 할 수 있다.
아울러, 압전 에너지 하베스팅 이차 전지(1)는 상태표시부(500)를 통해 스위칭 제어부(700)의 작동 및 커패시터부(300)에 전기에너지가 충전되는지 또는 방전되는지 등을 파악할 수 있도록 한다. 상태표시부(500)는 일례로 발광 다이오드로 형성되어, 일단에 애노드가 연결되고, 공통 음극성 전극부에 캐소드가 연결되어 스위칭 제어부(700)의 도통 여부에 따라, 광을 출력하거나 광을 출력하지 않을 수 있다. 일례로, 상태표시부(500)는 커패시터부(300)에서 전기에너지를 충전하고 개방구간(710)에서 저항이 위치하여, 커패시터부(300)에 충전된 전기에너지가 스위칭 제어부(700)를 흐를 때 광을 출력할 수 있다. 반면, 상태표시부(500)는 개방구간(710)에서 저항이 위치하지 않고, 커패시터부(300)에서 전기에너지가 방전되며 스위치(620)가 턴-온으로 작동될 때 광을 출력하지 않을 수 있다.
이와 같이, 상태표시부(500)는 스위칭 제어부(700)의 작동 및 커패시터부(300)에 전기에너지가 충전 및 방전되는 상태에 따라 서로 다르게 작동하여, 사용자가 커패시터부(300)에 전기에너지가 충전되고 있는지 또는 충전되어 있는지 그리고 방전되고 있는지 등을 용이하게 파악할 수 있도록 한다.
이상에서 설명한 본 발명이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

Claims (9)

  1. 하나 이상의 금속 장섬유들이 물리적 접촉 또는 화학적 결합을 통해 형성된 도전성 네트워크에 양극 활물질이 도포된 제 1 양극성 전극부;
    하나 이상의 금속 장섬유들이 물리적 접촉 또는 화학적 결합을 통해 형성된 도전성 네트워크에 음극 활물질이 도포되어, 상기 제 1 양극성 전극부와 평행한 공통 음극성 전극부;
    상기 제 1 양극성 전극부와 상기 공통 음극성 전극부에 개재되는 유전체부;
    하나 이상의 금속 장섬유들이 물리적 접촉 또는 화학적 결합을 통해 형성된 도전성 네트워크에 상기 양극 활물질이 도포되어, 상기 제 1 양극성 전극부에 상기 공통 음극성 전극부가 이격된 방향을 따라, 상기 공통 음극성 전극부와 평행하게 이격된 제 2 양극성 전극부;
    상기 공통 음극성 전극부와 상기 제 2 양극성 전극부에 개재되어, 상기 공통 음극성 전극부와 상기 제 2 양극성 전극부의 단락을 방지하고 이온을 전도시키는 분리막; 및
    적어도 하나의 다이오드를 포함하여, 상기 다이오드의 제 1 극성이 상기 제 1 양극성 전극부에 연결되고, 제 2 극성이 상기 제 2 양극성 전극부에 연결되는 정류 회로부를 포함하는, 압전 에너지 하베스팅 이차 전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 장섬유들은 랜덤 하게 배열되어 서로 체결되는 부직포 구조가 되는, 압전 에너지 하베스팅 이차 전지.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 양극성 전극부, 상기 공통 음극성 전극부 및 상기 제 2 양극성 전극부는 판상 구조를 갖거나 상기 판상 구조에서 변위 가능한 구조를 갖는, 압전 에너지 하베스팅 이차 전지.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 정류 회로부는 제 1 다이오드와 제 2 다이오드가 직렬로 연결되며 제 1 연결 노드점을 형성하고, 제 3 다이오드와 제 4 다이오드가 직렬로 연결되며 제 2 연결 노드점을 형성하고, 상기 제 2 다이오드의 캐소드와 상기 제 4 다이오드의 캐소드가 연결되며 제 3 연결 노드점을 형성하고, 상기 제 1 다이오드의 애노드와 상기 제 3 다이오드의 애노드가 연결되며 제 4 연결 노드점을 형성하여,
    상기 제 1 양극성 전극부에 상기 제 1 연결 노드점이 연결되고, 상기 공통 음극성 전극부에 상기 제 2 연결 노드점 및 상기 제 4 연결 노드점이 연결되며 상기 제 2 양극성 전극부에 상기 제 3 연결 노드점이 연결되는, 압전 에너지 하베스팅 이차 전지.
  5. 제 1 항에 있어서,
    캐소드가 상기 제 2 양극성 전극부에 연결되고, 애노드가 상기 공통 음극성 전극부에 연결되어, 상기 제 2 양극성 전극부에 축적되는 양전하와 상기 공통 음극성 전극부에 축적되는 음전하가 축적 용량을 초과하였을 때, 상기 양전하를 상기 공통 음극성 전극부로 이동시키는 과충전 방지 회로부를 포함하는, 압전 에너지 하베스팅 이차 전지.
  6. 제 1 항에 있어서,
    애노드가 상기 제 2 양극성 전극부에 연결되고, 캐소드가 부하단에 연결되어, 상기 부하단으로부터 상기 제 2 양극성 전극부로 유입되는 전류를 차단하는 회로 보호부를 포함하는, 압전 에너지 하베스팅 이차 전지.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 회로 보호부는, 제 2 양극성 전극부와 부하 사이에 개재되어, 상기 제 2 양극성 전극부에서 상기 부하로 흐르는 전류의 흐름을 제어하는 스위치를 포함하는, 압전 에너지 하베스팅 이차 전지.
  8. 제 7 항에 있어서,
    일단이 상기 공통 음극성 전극부에 연결되고 타단이 상기 제 2 양극성 전극부와 개방 상태로 형성되어, 상기 제 2 양극성 전극부와 상기 타단에 저항이 형성되어 단락 되었을 때, 전류경로를 형성하며 상기 스위치를 턴-온 상태에서 턴-오프로 전환시키는 스위칭 제어부를 포함하는, 압전 에너지 하베스팅 이차 전지.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 스위치체어부의 일단에 애노드가 연결되고, 상기 공통 음극성 전극부에 캐소드가 연결되어 상기 스위칭 제어부가 도통 여부에 따라, 광을 출력하거나 광을 출력하지 않는 상태표시부를 포함하는, 압전 에너지 하베스팅 이차 전지.
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