KR101246162B1 - piezoelectric-pyroelectricity energy harvester - Google Patents
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Abstract
압전-초전기 기반 에너지 수확소자가 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 압전-초전기 기반 에너지 수확소자는, 압전기(piezoelectricity) 및 초전기(pyroelectricity) 특성을 가지는 소재로 구성되는 에너지수확체; 및 에너지수확체에서 분극(polarization)된 전하의 이동경로를 형성가능한 전도성 소재로 구성되어 에너지수확체의 양면에 형성되며, 외력에 의해 에너지수확체와 함께 유연하게 굴곡 변형가능한 필름형태를 이루는 전극;을 포함한다.A piezo-electric device based energy harvesting device is disclosed. The piezoelectric-pyroelectric based energy harvesting device according to an embodiment of the present invention includes an energy harvester composed of a material having piezoelectricity and pyroelectricity characteristics; And an electrode formed of a conductive material capable of forming a movement path of polarized charges in the energy harvester, formed on both sides of the energy harvester, and forming a film that can be flexibly bent and deformed together with the energy harvester by an external force. It includes.
Description
본 발명은 압전-초전기 기반 에너지 수확 소자에 관한 것이다.
The present invention relates to piezo-electric devices based energy harvesting devices.
정보통신 기술의 발달에 따라 이동통신기기, 휴대용 단말기 등이 널리 사용되고 있다. 이러한 기기들의 전원 공급수단으로 충전지를 사용하는 경우에는 충전지를 충전하기 위한 전력이 요구되는데, 야외 등 충전을 위한 설비가 마련되어 있지 않은 장소에서는 전력 공급이 어려워 그 사용에 제약이 따르게 된다.With the development of information and communication technology, mobile communication devices and portable terminals are widely used. When the rechargeable battery is used as a power supply means of these devices, power for charging the rechargeable battery is required. In a place where no facility for charging is provided, such as outdoors, power supply is difficult, and thus the use of the rechargeable battery is restricted.
이러한 불편함을 해결하기 위하여 별도의 전력 공급 설비가 마련되어 있지 않은 장소에서도 충전지를 충전할 수 있도록 하는 소형 발전기가 다양한 구조로 제안되고 있으며, 이러한 목적의 제안 기술로서 압전체를 이용하여 전기를 발생시키는 에너지 변환 기술이 개시되어 있다.In order to solve this inconvenience, a small generator for charging a rechargeable battery even in a place where a separate power supply is not provided has been proposed in various structures, the energy for generating electricity using a piezoelectric element as a proposed technology for this purpose. Conversion techniques are disclosed.
일반적으로 압전체는 외부에서 특정 방향으로 힘을 가하면 내부에서 발생하는 응력에 대응하여 일측 전극에는 정(+)전하, 타측 전극에는 부(-)전하가 유기(有機)되어 양전극 간에 전압이 발생되는데 이러한 현상을 압전 정효과하며, 이와 반대로 압전체에 전압을 걸어주어 압전체가 기계적 왜곡현상을 일으키게 되는 현상을 압전 역효과라 한다.In general, when a piezoelectric force is applied in a specific direction from the outside, a positive charge is induced on one electrode and a negative charge is induced on the other electrode to generate a voltage between the two electrodes. The phenomenon in which the piezoelectric positive effect is caused, and on the contrary, a voltage is applied to the piezoelectric body, causes the piezoelectric to cause mechanical distortion.
압전체는 상기와 같이 기계적인 힘(응력)을 전기적 신호(전압)로, 또는 전기적 신호를 기계적인 힘으로 변환시키는 성질을 이용해, 전기를 발생시키는 발전장치로서 다양한 구조로 개발되고 있으며, 세라믹을 재료로 하는 압전세라믹(piezoelectric ceramics)이 가장 많이 사용되고 있다.The piezoelectric material is developed in various structures as a power generating device that generates electricity by using a property of converting a mechanical force (stress) into an electrical signal (voltage) or a mechanical signal into a mechanical force as described above. Piezoelectric ceramics are most commonly used.
주로 자동차, 스피커, 작업설비 등에서 반복적으로 발생되는 진동 에너지를 에너지 수확에 이용하고 있으나, 인간의 신체활동을 이용한 에너지 수확은 장소와 시간에 구애받지 않고 에너지 수확이 가능하다는 장점이 있어 인간의 신체활동으로 인한 소산 에너지 등을 이용해서 에너지를 수확하는 연구 또한 활발히 진행되고 있다.Although vibration energy, which is repeatedly generated in automobiles, speakers, and work facilities, is used for energy harvesting, energy harvesting using human physical activity has the advantage that energy harvesting is possible regardless of place and time. The research on harvesting energy by using dissipated energy is also actively underway.
종래에 인간의 신체활동을 이용하여 에너지를 수확함에 있어서는 인간의 신체활동에 의해 발생되는 진동만을 대상으로 하고 있으나, 인간의 다양한 신체활동에 의해 발생되는 진동은 비주기적이며 낮은 공진 주파수를 가지기 때문에 에너지를 수확 효율이 낮아, 진동 에너지 외에도 인간의 다양한 각종 움직임과 특성을 고려하여 보다 효율적으로 에너지를 수확하고자 하는 노력이 요구되고 있다.
Conventionally, in harvesting energy using human physical activity, only the vibration generated by human physical activity is targeted, but the vibration generated by various physical activities of human being is aperiodic and has a low resonant frequency. Since harvesting efficiency is low, efforts to harvest energy more efficiently are required in consideration of various movements and characteristics of human beings in addition to vibration energy.
상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명은, 인간의 다양한 각종 움직임과 특성을 고려하여 보다 효율적으로 에너지를 수확할 수 있는 압전-초전 기반 에너지 수확 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
The present invention devised to solve the problems described above, an object of the present invention is to provide a piezoelectric-pyroelectric-based energy harvesting device capable of harvesting energy more efficiently in consideration of various various movements and characteristics of the human.
상술한 바와 같은 목적 달성을 위한 본 발명은, 에너지 수확소자에 있어서, 압전기(piezoelectricity) 및 초전기(pyroelectricity) 특성을 가지는 소재로 구성되는 에너지수확체(10); 및 상기 에너지수확체(10)에서 분극(polarization)된 전하의 이동경로를 형성가능한 전도성 소재로 구성되어 상기 에너지수확체(10)의 양면에 형성되며, 외력에 의해 상기 에너지수확체(10)와 함께 유연하게 굴곡 변형가능한 필름형태를 이루는 전극(20);을 포함하는 압전-초전기 기반 에너지 수확소자를 기술적 요지로 한다.The present invention for achieving the above object, in the energy harvesting device, the energy harvester (10) consisting of a material having a piezoelectricity (pyzoelectricity) and pyroelectricity characteristics; And a conductive material capable of forming a movement path of polarized charges in the
여기서, 상기 에너지수확체(10)는, 압전-초전기성 폴리머인 PVDF(Polyvinylidene fluoride)를 포함하여 구성될 수 있다.Here, the
또한, 상기 에너지수확체(10)는, 절연성 이온 결정이 역학적 압력과 부분 가열에 의해 분극되어 전기적 극성을 가질 수 있다.In addition, the
또한, 상기 전극(20)은, 상기 에너지수확체(10)의 양면에 격자형으로 형성될 수 있다.In addition, the electrode 20 may be formed in a lattice shape on both sides of the energy harvester (10).
또한, 상기 전극(20)은, 상기 에너지수확체(10)의 표면 전반에 걸쳐 다수가 이격되게 배치되는 수평연장부(21); 상기 에너지수확체(10)의 표면 전반에 걸쳐 다수가 상기 수평연장부(21)와 교차되게 배치되는 수직연장부(22); 및 상기 수평연장부(21)와 수직연장부(22)간의 교차부에 상기 수평연장부(21) 및 수직연장부(22) 보다 확장된 너비로 일체로 연결형성되는 판상형 교차연결부(23);를 포함하여 구성될 수 있다.In addition, the electrode 20, the
또한, 상기 전극(20)은, 상기 교차연결부(23)에 의해 커버링된 상기 에너지수확체(10)가 상기 전극(20) 외부로 노출되게 상기 교차연결부(23)상에 중공형성되는 중공부(24);를 더 포함하여 구성될 수 있다.In addition, the electrode 20 may include a hollow part hollow formed on the
또한, 상기 에너지수확체(10)의 일측면에 형성되며, 상기 수평연장부(21), 수직연장부(22), 교차연결부(23)가 구비되는 제1전극(20a); 및 상기 에너지수확체(10)의 타측면에 형성되며, 상기 교차연결부(23)상에 상기 중공부(24)가 추가로 형성된 제2전극(20b);을 포함하여 구성될 수 있다.In addition, the first electrode (20a) is formed on one side of the
또한, 절연성 소재로 구성되며, 상기 에너지수확체(10) 및 전극(20)의 표면을 커버링하며 결합되는 절연막(30);을 더 포함하여 구성될 수 있다.In addition, the
또한, 상기 절연막(30)은, PDMS(Polydimethylsiloxane)와 같이 연성을 가지는 탄성 중합체(elastomer)로 구성될 수 있다.In addition, the
또한, 본 발명은, 에너지 수확소자에 있어서, 압전기(piezoelectricity) 및 초전기(pyroelectricity) 특성을 가지는 소재로 구성되며, 인체에 착용하는 의복 소재로 적용되거나 의복에 부착된 상태로 의복 소재와 함께 유연하게 굴곡 변형가능한 필름형태를 가지는 에너지수확체(10); 및 상기 에너지수확체(10)에서 분극(polarization)된 전하의 이동경로를 형성가능한 전도성 소재로 구성되어 상기 에너지수확체(10)의 양면에 형성되는 전극(20);을 포함하는 인체의 움직임과 열을 이용한 압전-초전기 기반 에너지 수확소자를 다른 기술적 요지로 한다.In addition, the present invention, in the energy harvesting device, is composed of a material having a piezoelectricity (pyzoelectricity) and pyroelectricity characteristics, and applied to the clothing material to be worn on the human body or flexible with the clothing material in a state attached to the clothing Energy harvester (10) having a flexible deformable film form; And electrodes 20 formed on both sides of the
여기서, 상기 에너지수확체(10)는, 인체의 움직임에 의한 굽힘, 비틀림, 국부적인 충격에 의한 변형에너지와 인체의 체열 및 외부의 열에 의한 열에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있다.Here, the
또한, 본 발명은, 압전기(piezoelectricity) 및 초전기(pyroelectricity) 특성을 가지는 소재로 필름형 에너지수확체(10)를 제작하는 수확체형성단계(S1); 전도성 소재로 구성된 스크린 프린트 페이스트를 상기 에너지수확체(10)의 양면 전반에 걸쳐 격자형으로 코팅하여 전극(20)을 형성하는 전극형성단계(S2); 및 절연성 소재로 구성된 절연막(30)을 상기 에너지수확체(10)와 전극(20)의 표면에 결합하는 커버링단계(S3);를 포함하는 압전-초전기 기반 에너지 수확소자 제조방법을 또 다른 기술적 요지로 한다.In addition, the present invention, the harvesting body forming step (S1) for producing a film-type energy harvester 10 from the material having the characteristics of piezoelectric (piezoelectricity) and pyroelectricity (pyroelectricity); An electrode forming step (S2) of forming an electrode 20 by coating a screen print paste made of a conductive material in a lattice form on both sides of the
여기서, 상기 절연막(30)은, 웨이퍼상에 감광물질(photoresist)을 코팅형성하는 감광액코팅단계(S3-1); 상기 전극(20)에 대응되는 형상의 채널이 형성된 포토마스크를 이용해 상기 감광물질을 노광하는 노광단계(S3-2); 상기 웨이퍼를 현상액에 담궈 상기 감광물질의 노광부로 상기 웨이퍼 표면에 상기 전극(20)에 대응되는 형상의 패턴을 형성하는 현상단계(S3-3); 상기 전극(20)에 대응되는 형상의 패턴이 형성된 상기 웨이퍼상에 액상의 절연소재를 부어 양생시키는 양생단계(S3-4); 및 양생된 절연소재를 상기 웨이퍼로부터 떼어내어 분리시키는 절연막분리단계(S3-5);를 거쳐 제작될 수 있다.
Here, the
본 발명은 PVDF(Polyvinylidene fluoride)와 같은 압전-초전기 소자의 양면에 격자형으로 전극을 형성함으로써, PVDF상에서 발생된 에너지를 전면에 걸쳐 효율적으로 수확할 수 있으면서도, 진동, 구겨짐, 비틀림 가압력 등에 의해 유연하게 굴곡, 변형될 수 있는 필름형태의 에너지 수확소자를 구현한다.The present invention forms electrodes on both sides of piezoelectric-superelectric devices such as polyvinylidene fluoride (PVDF) in a lattice form, so that the energy generated on the PVDF can be efficiently harvested over the entire surface, while being vibrated, wrinkled, and torsionally applied. It realizes a film-type energy harvesting device that can be flexed, deformed flexibly.
압전-초전기 소자의 특성을 이용하여 비틀림, 굽힘, 국부적인 충격 등과 같은 인체의 다양한 움직임과 체열에 의해 발생하는 변형에너지, 열에너지를 지속적으로 수확할 수 있으며, 유연하게 변형가능한 필름형태를 가짐에 따라 인체에 착용하는 의복 등에 적용하는 등 면적에 구애받지 않고 어느 부위에나 적용할 수 있다.By using the characteristics of piezoelectric and pyroelectric elements, it is possible to continuously harvest strain energy and thermal energy caused by various movements and heat of the body such as torsion, bending, and local impact, and have a flexible film form. Therefore, it can be applied to any part irrespective of the area such as to be applied to clothing worn on the human body.
또한, PVDF의 양면에 형성된 전극 중 일측에는 격자의 교차부상에 PVDF를 외부로 노출시키는 중공을 형성함으로써, 인체와의 PVDF간의 접촉면적을 최대한 확보하여 인체에 닿는 표면과의 온도차를 이용한 에너지 수확 효율을 보다 향상시킬 수 있다.
In addition, one side of the electrodes formed on both sides of the PVDF by forming a hollow to expose the PVDF to the outside on the intersection of the grid, to ensure the maximum contact area between the human body and PVDF energy efficiency using the temperature difference with the surface touching the human body Can be further improved.
도 1 - 본 발명의 제1실시예에 따른 압전-초전기 기반 에너지 수확소자를 도시한 사시도
도 2 - 도 1의 평면도
도 3 - 도 1의 저면도
도 4 - 도 1의 종단면도
도 5 - 본 발명의 제1실시예에 따른 압전-초전기 기반 에너지 수확소자의 제조방법을 도시한 순서도
도 6 - 에너지수확체상에 제1전극을 형성한 상태를 도시한 저면도
도 7 - 에너지수확체상에 제2전극을 형성한 상태를 도시한 평면도
도 8 - 본 발명의 실시예에 따른 압전-초전기 기반 에너지 수확소자의 평면 사진
도 9 - 충격력 인가에 따른 출력 전압 변화를 도시한 그래프
도 10 - 굽힘력 인가에 따른 출력 전압 변화를 도시한 그래프
도 11 - 외부 열원 인가에 따른 출력 전압 변화를 도시한 그래프
도 12 - 체열 인가에 따른 출력 전압 변화를 도시한 그래프1-a perspective view showing a piezo-electric device based energy harvesting device according to a first embodiment of the present invention
2-top view of FIG. 1
3-bottom view of FIG. 1
4-longitudinal cross-sectional view of FIG.
5-a flowchart illustrating a method of manufacturing a piezoelectric-superelectric based energy harvesting device according to a first embodiment of the present invention
6 is a bottom view showing a state where a first electrode is formed on an energy harvester;
7 is a plan view showing a state in which a second electrode is formed on the energy harvester;
8-A planar photograph of a piezo-electric device based energy harvesting device according to an embodiment of the present invention.
9-Graph showing output voltage change according to application of impact force
10-Graph showing variation of output voltage with application of bending force
11-Graph showing output voltage change according to application of external heat source
12-Graph showing output voltage change according to application of heat
본 발명은 인체의 움직임이나 체열을 전기적 에너지로 변환하기 위한 대면적 에너지 변환 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 인체의 움직임에 의한 압전체의 굽힘, 비틀림, 국부적인 충격 등으로 발생하는 에너지와 인체의 체열 및 외부의 열에 의한 에너지를 전기 에너지로 변환하는 압전-초전기 기반 에너지 수확 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a large-area energy conversion device for converting the movement or body heat of the human body into electrical energy, and more particularly, the energy generated by bending, torsion, local impact, etc. The present invention relates to a piezoelectric-superelectric based energy harvesting device for converting energy from body heat and external heat into electrical energy and a method of manufacturing the same.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 첨부된 도면을 참조하여 자세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1, 2, 3, 4는 각각 본 발명의 제1실시예에 따른 압전-초전기 기반 에너지 수확소자를 도시한 사시도, 도 1의 평면도, 저면도 및 종단면도이다.1, 2, 3, and 4 are perspective views showing a piezoelectric-superelectric based energy harvesting device according to a first embodiment of the present invention, respectively, and are a plan view, a bottom view, and a longitudinal sectional view of FIG.
도 1 내지 도 4를 참조하면 본 발명의 제1실시예에 따른 압전-초전기 기반 에너지 수확소자는, 에너지수확체(10), 전극(20), 절연막(30)으로 구성되고, 전체적으로 외력에 의해 유연하게 굴곡 변형가능한 필름형 내지 박막형구조를 가진다.1 to 4, the piezoelectric-superelectric based energy harvesting device according to the first embodiment of the present invention is composed of an
상기 에너지수확체(10)는 압전기(piezoelectricity) 및 초전기(pyroelectricity) 특성을 가지는 소재로 구성되며, 본 발명의 제1실시예에서는 압전 폴리머이자 온도에 의존하는 쌍극자 모멘트를 가지는 초 전기성 폴리머인 PVDF(Polyvinylidene fluoride)를 적용한다. The
PVDF는 수지를 압출 성형한 열가소성 수지로서 불소계 수지 중에서 결정성이 높기 때문에 내구성, 내화학성이 우수하며, 기계 가공성 또한 우수하며, 미약한 외력에도 유연하게 굴곡 변형가능할 정도로 유연성이 우수할 뿐 아니라, 150℃의 내열성, 50MPa 정도의 인장강도(상온 기준)와 내마모성, 내충격성 또한 우수한 특성을 가진다.PVDF is a thermoplastic resin extruded from resin and has high crystallinity among fluorine resins, so it has excellent durability and chemical resistance, excellent machinability, and flexibility to bend and deform flexibly even with weak external force. Heat resistance of ℃, tensile strength of about 50MPa (at room temperature), wear resistance, impact resistance also has excellent characteristics.
압전기(壓電氣, piezoelectricity)는 절연성 결정이 역학적 압력을 받을 때 결정의 일측에는 양전하가 타측에는 음전하가 생기는 특성이며, 초전기(焦電氣, pyroelectricity)는 결정의 온도 변화에 따라 결정의 부분들에 서로 반대 전하가 생기는 특성이다. Piezoelectricity is a characteristic in which when a dielectric crystal is subjected to mechanical pressure, positive charges are generated on one side of the crystal and negative charges on the other side. This is the property that opposite charges occur.
상기 에너지수확체(10)는 상기와 같은 압전- 초전기 특성을 가짐에 따라, 외부에서 특정 방향으로 힘을 가하거나, 온도차를 가지도록 열을 전달하면 내부에서 발생하는 응력에 대응하여 일측면에는 정(+)전하, 타측면에는 부(-)전하가 발생하게 된다.As the
상기 에너지수확체(10)를 제작함에 있어서, 인체에 착용하는 의복 소재로 적용되거나 의복에 부착된 상태로 의복 소재와 함께 유연하게 굴곡 변형가능한 정도의 유연성을 가지도록 제작하면, 의복을 착용하거나 의복의 특정위치에 부착시키는 사용에 의해, 인체의 움직임에 의한 변형에너지 및 인체의 체열에 해당되는 열에너지를 전기에너지로 간편하게 변환, 수확할 수 있다.In manufacturing the energy harvester (10), if applied to the clothing material to be worn on the human body or if attached to the clothing material to be manufactured to have a degree of flexibility to flexibly bend and deformable with the clothing material, wear clothing or clothing By attaching at a specific position of the body, the strain energy due to the movement of the human body and the thermal energy corresponding to the body heat of the human body can be easily converted into electrical energy and harvested.
굽힘과 비틀림 운동을 수행하는 인체의 관절부, 팔과 몸통 사이, 허벅지 사이, 손가락 사이 내지 손바닥과 같은 인체의 접촉부, 체중이 주요 작용하게 되는 엉덩이, 발바닥 등에 위치시킴으로써, 인체의 움직임에 의한 굽힘, 비틀림, 국부적인 충격에 의한 변형에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있다.Bending and torsion due to movement of the human body by placing it in the joints of the human body performing the bending and torsional movements, between the arm and the torso, between the thighs, the contact points of the human body such as between the fingers and the palm, the hips and soles where the weight is mainly applied, and the like. In addition, strain energy due to local impact can be converted into electrical energy.
또한, 상기와 같이 변형에너지가 주요하게 작용하지 않는 부위라도 인체의 체열을 전달받을 수 있다면 인체의 체열에 의한 열에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있으며, 드라이기, 온열기 등과 같이 인체에 착용한 상태에서 작용할 수 있는 외부의 열에 의한 열에너지 또한 전기 에너지로 변환할 수 있다.In addition, even if the deformation energy does not mainly act as described above, if the body heat of the human body can be transferred to heat energy due to the body heat of the human body can be converted into electrical energy, such as a dryer, a warmer, etc. Thermal energy from external heat can also be converted into electrical energy.
본 발명의 제1실시예에서 상기 에너지수확체(10)는 PVDF로 구성되나, 역학적 압력이나 부분 가열에 의해 분극되어 전기적 극성을 가진다(압전기와 초전기 특성을 함께 가진다)면 특정한 소재와 조성으로 한정되지 않는다.In the first embodiment of the present invention, the
상기 에너지수확체(10)에 응력이나 변형이 가해지는 경우, 상기 에너지수확체(10)의 두께, 작용한 힘의 크기, 작용 면적, 상기 에너지수확체(10) 구성 소재의 유전율 등에 따라 출력 전압이 다르게 발생한다. When stress or deformation is applied to the
상기 전극(20)은 상기 에너지수확체(10)에서 분극(polarization)된 전하의 이동경로를 형성가능한 전도성 소재로 구성되어, 상기 에너지수확체(10)의 양면에 각각 결합된다. The electrode 20 is made of a conductive material capable of forming a movement path of polarized charges in the
상기 에너지수확체(10)에 변형에너지 또는 열에너지가 작용하게 되면, 상기 에너지수확체(10)의 일측면에 발생되는 정(+)전하는 일측 전극(20)에 유기(有機)되고, 타측면에 발생되는 부(-)전하는 타측 전극(20)에 유기되어 양(兩)전극 간에 전압(전하차)이 발생하게 된다.When strain energy or heat energy acts on the
상기 전극(20)은 상기 에너지수확체(10)의 분극 발생에 따라 표면에 생성된 전기 에너지 수확 효율을 최대한 확보할 수 있도록 상기 에너지수확체(10)의 양면 전반에 걸쳐 형성되며, 백금, 금, 은, 구리, 크롬, 니켈, 알루미늄, ITO, IGO, AGO, 또는 황화합물 등의 전도성 소재가 적용될 수 있다.The electrode 20 is formed on both sides of the
상기 전극(20)을 상기 에너지수확체(10)의 양면 전반에 걸쳐 형성함에 있어서는, 단순히 상기 에너지수확체(10)의 양면 전체에 연속하여 형성할 수도 있으나, 격자형으로 형성하면 상기 전극(20) 전체에서 발생된 전기 에너지를 효율적으로 수확할 수 있으면서도 상기 에너지수확체(10)의 유연한 변형 및 상기 에너지수확체(10)로의 원활한 열전달을 저해하는 것을 최소화할 수 있다.In forming the electrode 20 over both sides of the
상기 전극(20)의 전도성 소재를 상기 에너지수확체(10) 표면에 결합함에 있어서, 고상의 구조체 형태가 아니라, 페이스트(paste) 형태로 스크린 프린트(screen print) 방식으로 형성하면 상기 에너지수확체(10)의 유연한 변형을 저해하지 않으면서도 연속된 전하 이동경로를 명확하게 형성할 수 있다.In coupling the conductive material of the electrode 20 to the surface of the
도 2, 3을 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 전극(20)은, 상기 에너지수확체(10)의 일측면에 형성되는 제1전극(20a)과, 상기 에너지수확체(10)의 타측면에 형성되는 제2전극(20b)이 서로 다른 구조를 가진다.2 and 3, the electrode 20 according to the first embodiment of the present invention, the first electrode 20a formed on one side of the
상기 제1전극(20a)은 수평연장부(21), 수직연장부(22), 교차연결부(23), 테두리부(25)로 이루어진 구조를 가지며, 상기 제2전극(20b)은 상기 제1전극(20a)에 비해 중공부(24)가 추가로 형성된 구조를 가진다.The first electrode 20a has a structure consisting of a
상기 수평연장부(21)는 상기 에너지수확체(10)의 표면 전반에 걸쳐 다수가 이격되게 배치되는 선형의 형태로 형성되며, 상기 수직연장부(22)는 상기 에너지수확체(10)의 표면 전반에 걸쳐 다수가 상기 수평연장부(21)와 교차되는 선형의 형태로 형성된다.The
상기 교차연결부(23)는 상기 수평연장부(21)와 수직연장부(22)간의 교차부에 상기 수평연장부(21) 및 수직연장부(22)와 일체로 연결형성되되, 가는 선형의 형태를 가지는 상기 수평연장부(21)와 수직연장부(22)간을 보다 확대된 면적에 걸쳐 안정적으로 연결할 수 있도록 상기 수평연장부(21) 및 수직연장부(22) 보다 확장된 너비를 가지는 판상형(예를 들어, 원판형 등)으로 형성된다.The
상기 중공부(24)는 체열이 보다 직접적으로 상기 에너지수확체(10)의 표면에 전달가능하도록 하기 위한 구성요소로, 상기 교차연결부(23)에 의해 커버링된 상기 에너지수확체(10)가 상기 전극(20) 외부로 노출되게 상기 교차연결부(23)상에 중공형성된다.The
상기 테두리부(25)는 다수의 상기 수평연장부(21)와 수직연장부(22)의 가장자리 단부를 상기 에너지수확체(10)의 가장자리 둘레를 따라 일체로 연결하며, 리드선 등으로 에너지 회수를 위한 전자회로(미도시)에 연결되며, 상기 교차연결부(23) 또는 수평, 수직연장부(21, 22)상에서 상기 제1전극(20a), 제2전극(20b)측으로 전달된 전하는 상기 테두리부(25)를 거쳐 상기 전자회로측으로 전달된다. The
본 발명의 제1실시예와 같이, 일측에는 상기 제1전극(20a)이 형성되어 상대적으로 전하의 유동경로를 보다 안정적으로 제공하고, 타측에는 상기 제2전극(20b)이 외부의 열을 보다 효율적으로 전달가능한 특성을 가지는 경우, 상기 중공부(24)가 구비된 상기 제2전극(20b)이 형성된 일측면을 인체의 피부에 접하도록 의복 등에 결합시키는 것이 바람직하다.As in the first embodiment of the present invention, the first electrode 20a is formed on one side to provide a more stable flow path of charge, and on the other side, the second electrode 20b receives external heat. In the case of having a property that can be efficiently transmitted, it is preferable to couple one side of the second electrode 20b having the
상기 절연막(30)은 상기 에너지수확체(10)와 전극(20)상에서의 전류 흐름이 외부 접지 요소와의 접촉에 의해 방전, 유실되는 것을 방지가능한 절연성 소재로 구성되어 상기 에너지수확체(10) 및 전극(20)의 표면을 커버링하며 결합된다.The insulating
본 발명의 제1실시예에서는 상기 절연막(30)의 소재로 액상 실리콘고무인 PDMS(Polydimethylsiloxane)를 적용하며, PDMS는 평탄하지 않은 표면(surface)을 포함한 넓은 영역에 안정적으로 점착가능하고, 성형 가공성과 내구성이 우수하고 연성을 가지는 탄성 중합체(elastomer)의 특성을 가진다.According to the first embodiment of the present invention, PDMS (polydimethylsiloxane), which is a liquid silicone rubber, is used as a material of the insulating
본 발명의 제1실시예에서 상기 절연막(30)은 PDMS로 구성되나, 외력에 의해 상기 에너지수확체(10)와 함께 유연하게 변형가능하면서 상기 에너지수확체(10)와 전극(20)을 안정적으로 외부와 절연시킬 수 있다면 특정한 소재와 조성으로 한정되지 않는다.In the first embodiment of the present invention, the insulating
도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 압전-초전기 기반 에너지 수확소자의 제조방법을 도시한 순서도이다.FIG. 5 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a piezoelectric-superelectric based energy harvesting device according to a first embodiment of the present invention.
도 5를 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 압전-초전기 기반 에너지 수확소자의 제조방법은 크게 수확체형성단계(S1), 전극형성단계(S2), 커버링단계(S3)로 이루어진다.Referring to FIG. 5, a method of manufacturing a piezoelectric-electric power-based energy harvesting device according to a first embodiment of the present invention includes a harvesting body forming step S1, an electrode forming step S2, and a covering step S3. .
상기 수확체형성단계(S1)에서는, 압전기(piezoelectricity) 및 초전기(pyroelectricity) 특성을 가지는 소재로 상기 에너지수확체(10)를 필름형태로 제작하며, PVDF 필름 등을 제조하는 공정에 대해서는 공지기술을 따르는 바 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.In the harvesting forming step (S1), the
도 6, 7은 각각 상기 에너지수확체(10)상에 상기 제1전극(20a), 제2전극(20b)을 형성한 상태를 도시한 저면도, 평면도이다.6 and 7 are bottom and top views showing a state in which the first electrode 20a and the second electrode 20b are formed on the
도 6, 7을 참조하면, 상기 전극형성단계(S2)에서는, 전도성 소재로 구성된 페이스트를 스크린 프린트 공정에 의해, 상기 에너지수확체(10)의 저면과 상면 각각에 격자형의 상기 제1전극(20a)과 제2전극(20b)을 순차적으로 코팅 형성하는 과정을 거친다.6 and 7, in the electrode forming step S2, a paste formed of a conductive material is formed on the bottom and top surfaces of the
상기 커버링단계(S3)에서는 절연성 소재로 구성된 상기 절연막(30)을 상기 에너지수확체(10)와 전극(20)의 표면에 결합하며, 상기 절연막(30)은 감광액코팅단계(S3-1), 노광단계(S3-2), 현상단계(S3-3), 양생단계(S3-4), 절연막분리단계(S3-5)를 거쳐 제작할 수 있다.In the covering step S3, the insulating
상기 감광액코팅단계(S3-1)에서는 웨이퍼(미도시)상에 감광물질(photoresist)(예를 들어, SU-8 등의 네거티브 감광물질(negative photoresist))을 상기 전극(20)의 두께에 대응되는 두께로 고르게 코팅형성한다.In the photoresist coating step (S3-1), a photoresist (eg, a negative photoresist such as SU-8) on a wafer (not shown) corresponds to the thickness of the electrode 20. The coating is formed evenly to a thickness that becomes.
상기 노광단계(S3-2)에서는 상기 전극(20)에 대응되는 형상의 채널이 형성된 포토마스크를 상기 감광물질 상측에 두고 상기 감광물질을 노광하며, 상기 현상단계(S3-3)에서는 상기 웨이퍼를 현상액에 담궈 상기 감광물질 중 노광되지 않는 부분을 제거함으로써 상기 웨이퍼 표면에 상기 전극(20)에 대응되는 형상의 패턴을 형성한다.In the exposing step S3-2, the photosensitive material is exposed by placing a photomask on which a channel having a shape corresponding to the electrode 20 is formed above the photosensitive material, and in the developing step S3-3, the wafer is exposed. A pattern having a shape corresponding to the electrode 20 is formed on the wafer surface by removing an unexposed portion of the photosensitive material by immersing it in a developing solution.
상기 양생단계(S3-4)에서는 상기 전극(20)에 대응되는 형상의 패턴이 형성된 상기 웨이퍼상에 액상의 절연소재를 부어 양생시키며, 상기 절연막분리단계(S3-5)에서는 양생된 절연소재를 상기 웨이퍼로부터 떼어내어 분리시킴으로써, 일측면에 상기 전극(20)에 대응되는 형상의 홈부가 형성된 필름형태로 상기 절연막(30)을 완성하게 된다.In the curing step (S3-4), the liquid insulating material is poured onto the wafer on which the pattern of the shape corresponding to the electrode 20 is formed and cured. In the insulating film separation step (S3-5), the cured insulating material is By removing the wafer from the wafer, the insulating
도 8은 상기와 같은 제작과정을 거쳐 실제로 제작한 본 발명의 실시예에 따른 압전-초전기 기반 에너지 수확소자의 평면 사진이다.(사이즈 : 30mm×30mm)8 is a planar photograph of a piezo-electric device based energy harvesting device according to an embodiment of the present invention actually manufactured through the manufacturing process as described above. (Size: 30 mm × 30 mm)
상기 에너지수확체(10)는 110μm 두께의 PVDF 필름을 사용(상기 수확체형성단계(S1))하고, 분극이 발생되는 PVDF 필름의 양면에 스크린 프린팅으로 Ag 전극을 형성(상기 전극형성단계(S2))한다.The
상기 제1전극(20a), 제2전극(20b) 각각에 대응되는 형상으로 상기 절연막(30)을 형성하기 위해서 SU-8을 이용하여 상기 전극(20)에 대응되는 양각형 패턴틀을 형성하고 상기 패턴틀상에 액상의 PDMS를 부은 후 고형화(양생)한다.In order to form the insulating
상기 제1전극(20a), 제2전극(20b) 각각에 대응되는 형상의 홈부가 형성된 2장의 상기 절연막(30)을, 상기 홈부상에 상기 제1전극(20a), 제2전극(20b) 각각이 수용되도록 상기 에너지수확체(10)의 양면에 결합시킴으로써 완성한다. Two insulating
도 9, 10, 11, 12는 상기 시제품에 충격력, 굽힘력, 외부 열원, 체열을 각각 인가함에 따른 출력 전압 변화를 도시한 그래프이다.9, 10, 11, and 12 are graphs showing changes in output voltage according to the impact force, bending force, external heat source, and body heat applied to the prototype, respectively.
본 발명의 실시예에 따른 에너지 수확 소자의 인체 움직임과 체열에 따른 에너지 수확 효율을 평가하기 위해 각기 다른 종류의 힘(충격력, 굽힘력)과 열(발열장치(열원), 체열)을 인가하고, 이에 따른 전압 변화를 오실로스코프를 이용하여 측정하였다 .In order to evaluate the energy harvesting efficiency according to the human body motion and heat of the energy harvesting device according to an embodiment of the present invention, different kinds of forces (impact force, bending force) and heat (heating device (heat source), heat) are applied, The voltage change was measured using an oscilloscope.
도 9에 도시된 그래프는 충격력 인가에 따른 출력 전압 변화를 측정한 데이터를 표시한 것으로, 상기 시제품에 0.25N의 충격(impact)을 주기적으로 인가하였으며, 도 10에 도시된 그래프는 굽힘력 인가에 따른 출력 전압 변화를 측정한 데이터를 표시한 것으로, 상기 시제품에 90 °굽힘(bending)을 주기적으로 인가하였다.The graph shown in FIG. 9 shows data obtained by measuring the output voltage change according to the application of the impact force. The impact of 0.25 N was periodically applied to the prototype, and the graph shown in FIG. 10 was applied to the bending force application. The measured data of the output voltage change is shown, and a 90 ° bending is periodically applied to the prototype.
도 9, 10에 도시된 그래프로, 가해진 충격력의 크기와 굽힘 각도에 따라 출력 전압이 일정한 정도로 발생되는 것을 확인할 수 있었으며, 0.25N의 충격과 90 °굽힘에 따른 전압 변화는 각각 13.5V와 0.33V였다.In the graphs shown in FIGS. 9 and 10, it can be seen that the output voltage is generated to a certain degree according to the magnitude of the impact force and the bending angle applied, and the voltage change due to the impact of 0.25N and the 90 ° bending is 13.5V and 0.33V, respectively. It was.
도 11에 도시된 그래프는 외부에서 열을 인가함에 따른 출력 전압 변화를 측정한 데이터를 표시한 것으로, 22 ℃의 상온에서 소비전력 600W의 발열장치(예를 들어, 드라이기 등)를 이용하여 열원을 인가하였으며, 도 12에 도시된 그래프는 체열(35.8~37.2℃) 인가에 따른 출력 전압 변화를 측정한 데이터를 표시한 것이다.The graph shown in FIG. 11 shows data obtained by measuring a change in output voltage according to the application of heat from the outside, and uses a heat generator (eg, a dryer, etc.) with a power consumption of 600 W at a room temperature of 22 ° C. 12 is a graph showing data obtained by measuring a change in output voltage according to application of a body heat (35.8 to 37.2 ° C).
도 11, 12에 도시된 그래프로, 열원과 체열을 인가한 경우 모두 열을 인가한 시점부터 열평형에 도달할 때까지 일정한 정도로 출력 전압이 감소하는 것을 확인할 수 있었으며, 최대 전압은 열원과 체열을 인가하였을 경우 각각 0.74V, 0.51V 였다.11 and 12, it can be seen that the output voltage decreases to a certain degree from the time of applying the heat until the heat equilibrium is reached when both the heat source and the heat are applied, and the maximum voltage indicates the heat source and the heat. When applied, it was 0.74V and 0.51V, respectively.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되는 것이 아니고, 상기 실시예들을 기존의 공지기술과 단순히 조합적용한 실시예와 함께 본 발명의 특허청구범위와 상세한 설명에서 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 변형하여 이용할 수 있는 기술은 본 발명의 기술범위에 당연히 포함된다고 보아야 할 것이다.
The present invention has been described with reference to preferred embodiments of the present invention, but the present invention is not limited to these embodiments, and the claims and detailed description of the present invention together with the embodiments in which the above embodiments are simply combined with existing known technologies. In the present invention, it can be seen that the technology that can be modified and used by those skilled in the art are naturally included in the technical scope of the present invention.
10 : 에너지수확체 20 : 전극
20a : 제1전극 20b : 제2전극
21 : 수평연장부 22 : 수직연장부
23 : 교차연결부 24 : 중공부
25 : 테두리부 30 : 절연막
S1 : 수확체형성단계 S2 : 전극형성단계
S3 : 커버링단계 S3-1 : 감광액코팅단계
S3-2 : 노광단계 S3-3 : 현상단계
S3-4 : 양생단계 S3-5 : 절연막분리단계10: energy harvester 20: electrode
20a: first electrode 20b: second electrode
21: horizontal extension 22: vertical extension
23: cross connection part 24: hollow part
25
S1: harvest forming step S2: electrode forming step
S3: covering step S3-1: photoresist coating step
S3-2: Exposure Step S3-3: Development Step
S3-4: curing step S3-5: insulating film separation step
Claims (13)
압전기(piezoelectricity) 및 초전기(pyroelectricity) 특성을 가지는 소재로 구성되는 에너지수확체(10); 및
상기 에너지수확체(10)에서 분극(polarization)된 전하의 이동경로를 형성가능한 전도성 소재로 구성되어 상기 에너지수확체(10)의 양면에 형성되며, 외력에 의해 상기 에너지수확체(10)와 함께 유연하게 굴곡 변형가능한 필름형태를 이루는 전극(20);
을 포함하며,
상기 전극(20)은 상기 에너지수확체(10)의 양면에 격자형으로 형성되되,
상기 에너지수확체(10)의 표면 전반에 걸쳐 다수가 이격되게 배치되는 수평연장부(21);
상기 에너지수확체(10)의 표면 전반에 걸쳐 다수가 상기 수평연장부(21)와 교차되게 배치되는 수직연장부(22); 및
상기 수평연장부(21)와 수직연장부(22)간의 교차부에 상기 수평연장부(21) 및 수직연장부(22) 보다 확장된 너비로 일체로 연결형성되는 판상형 교차연결부(23);
를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 압전-초전기 기반 에너지 수확소자.
In the energy harvester,
An energy harvester 10 composed of a material having piezoelectricity and pyroelectricity characteristics; And
It is formed on both sides of the energy harvester 10 is formed of a conductive material capable of forming a movement path of the polarized charge in the energy harvester 10, together with the energy harvester 10 by an external force Electrode 20 to form a flexible flexible deformable film form;
/ RTI >
The electrode 20 is formed in a grid on both sides of the energy harvester 10,
A horizontal extension part 21 disposed in a plurality spaced apart from the entire surface of the energy harvester 10;
A vertical extension part 22 disposed across the surface of the energy harvester 10 so that a plurality thereof intersects with the horizontal extension part 21; And
A plate-shaped cross-connecting portion 23 integrally connected to the horizontal extension portion 21 and the vertical extension portion 22 at an extended width than the horizontal extension portion 21 and the vertical extension portion 22;
Piezo-electric power-based energy harvesting device, characterized in that comprising a.
상기 에너지수확체(10)는,
압전-초전기성 폴리머인 PVDF(Polyvinylidene fluoride)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 압전-초전기 기반 에너지 수확소자.
The method of claim 1,
The energy harvester 10,
Piezoelectric-superelectric based energy harvesting device comprising a polyvinylidene fluoride (PVDF) that is a piezoelectric-superelectric polymer.
상기 에너지수확체(10)는,
절연성 이온 결정이 역학적 압력과 부분 가열에 의해 분극되어 전기적 극성을 가지게 되는 것을 특징으로 하는 압전-초전기 기반 에너지 수확소자.
The method according to claim 1 or 2,
The energy harvester 10,
A piezoelectric-superelectric based energy harvesting device, characterized in that insulating ion crystals are polarized by mechanical pressure and partial heating to have electrical polarity.
상기 전극(20)은,
상기 교차연결부(23)에 의해 커버링된 상기 에너지수확체(10)가 상기 전극(20) 외부로 노출되게 상기 교차연결부(23)상에 중공형성되는 중공부(24);
를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 압전-초전기 기반 에너지 수확소자.
The method of claim 1,
The electrode 20,
A hollow part 24 formed hollow on the cross connection part 23 such that the energy harvester 10 covered by the cross connection part 23 is exposed to the outside of the electrode 20;
Piezo-electric power-based energy harvesting device, characterized in that it further comprises.
상기 에너지수확체(10)의 일측면에 형성되며, 상기 수평연장부(21), 수직연장부(22), 교차연결부(23)가 구비되는 제1전극(20a); 및
상기 에너지수확체(10)의 타측면에 형성되며, 상기 교차연결부(23)상에 상기 중공부(24)가 추가로 형성된 제2전극(20b);
을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 압전-초전기 기반 에너지 수확소자.
The method according to claim 6,
A first electrode 20a formed on one side of the energy harvester 10 and provided with the horizontal extension part 21, the vertical extension part 22, and the cross connection part 23; And
A second electrode 20b formed on the other side of the energy harvester 10 and having the hollow part 24 further formed on the cross connection part 23;
Piezo-electric power-based energy harvesting device, characterized in that comprising a.
절연성 소재로 구성되며, 상기 에너지수확체(10) 및 전극(20)의 표면을 커버링하며 결합되는 절연막(30);
을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 압전-초전기 기반 에너지 수확소자.
The method of claim 1,
An insulating material 30 composed of an insulating material and covering and covering surfaces of the energy harvester 10 and the electrode 20;
Piezo-electric power-based energy harvesting device, characterized in that it further comprises.
상기 절연막(30)은,
PDMS(Polydimethylsiloxane)와 같이 연성을 가지는 탄성 중합체(elastomer)로 구성되는 것을 특징으로 하는 압전-초전기 기반 에너지 수확소자.
9. The method of claim 8,
The insulating film 30,
Piezoelectric-superelectric-based energy harvesting device, characterized in that consisting of a flexible elastomer (elastomer) such as PDMS (Polydimethylsiloxane).
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