KR101527170B1 - 태양전지 기반의 자가발전형 유연 투명 구동기 - Google Patents
태양전지 기반의 자가발전형 유연 투명 구동기 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 태양전지 기반의 자가발전형 유연 투명 구동기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 태양전지 모듈 및 상기 태양 전지모듈과 전기적으로 연결되는 투명 유연 구동기를 포함하고, 상기 태양 전지 모듈에서 발생되는 전압은 상기 투명 유연 구동기로 인가되고, 상기 투명 유연 구동기는 상기 태양 전지 모듈에서 발생되어 인가되는 전압에 의해 굽힘 변형되는 것인 태양전지 기반의 자가발전형 유연 투명 구동기에 관한 것이다.
Description
본 발명은 태양전지 기반의 자가발전형 유연 투명 구동기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 태양전지 모듈 및 상기 태양 전지모듈과 전기적으로 연결되는 투명 유연 구동기를 포함하고, 상기 태양 전지 모듈에서 발생되는 전압은 상기 투명 유연 구동기로 인가되고, 상기 투명 유연 구동기는 상기 태양 전지 모듈에서 발생되어 인가되는 전압에 의해 굽힘 변형되는 것인 태양전지 기반의 자가발전형 유연 투명 구동기에 관한 것이다.
일반적으로, 모바일(mobile), 고객 어플리케이션(consumer applications) 및 소형 로봇 등의 소형 휴대 장치에 적용되는 구동기(actuator)는 사용된 재료의 특성에 따라 분류할 수 있으며, 대표적인 소형 구동기(actuator)의 재료는 SMA(Shape Memory Alloy, 형상기억합금), EAC(Electro-Active Ceramics, 전기활성 세라믹), 및 EAP(Electro-Active Polymer, 전기활성 폴리머)가 있다.
SMA를 이용한 구동기(actuator)는 형상기억합금에 전류를 흘려줌으로써 발열되는 열을 이용하는 원리로 구동되며, 매우 큰 힘을 낼 수 있다는 장점을 가지고 있으나 반응속도가 느리고 수명이 길지 않다는 단점을 가지고 있다. 그러나, 반응속도가 느리고 열에 따른 변위 오차가 크다는 단점에도 불구하고 근육과 유사한 섬유형태로 제작 가능하다는 장점을 살려 현재 내시경에 탑재된 구동기(actuator)로 사용되기도 하며 다른 근육형 구동기(actuator)의 성능을 비교하는 척도가 되기도 한다.
EAC 구동기(actuator)는 압전 세라믹에 비교적 높은 전압을 가할 때 발생되는 진동을 이용하여 구동시키며, 빠른 속도로 제어 가능하다는 장점이 있으나 상대적으로 변위가 매우 작아서 공진 영역에서 다른 재료와의 마찰을 이용하여 구동된다. 대표적으로 초음파 모터(ultrasonic motor)가 있으며 마찰을 이용한 구동으로 제어가 매끄럽지 못한 단점이 있지만 근육과 유사한 부하가 없이 자유로운 상태(free state)를 만들 수 있어 역촉감 제시 장치, 로봇 핸드 등에 응용되기도 한다.
전기활성 고분자(EAP)는 빠른 응답속도, 큰 작동변위, 구동 시 낮은 전력 소모량 등의 장점 뿐만 아니라 고분자 소재가 가지는 우수한 가공성으로 인한 경량화, 박막화, 소형화 등의 장점이 있어 많은 관심을 받고 있다. 전기활성 고분자(EAP)는 수십 년 동안 전기적 자극에 의해 변형을 일으키는 정도의 재료로 알려져 왔으며, 초기의 고분자 재료들은 상대적으로 작은 변위를 발생하였다. 1990년대에 이르러 새로운 EAP 재료가 개발되었으며 큰 전기에 대해 상대적으로 큰 변위와 힘을 발생하는 특성을 보여주었다. 전기활성 고분자는 햅틱폰, 햅틱마우스, 카메라 모듈, 평판 스피커, 촉각센서 등으로 응용 가능하며 금속이나 세라믹 등의 재료와는 달리 인체 근육과 비슷한 탄성과 강도를 가지고 있어 인공 근육이나 생체 모방 작동기로써의 응용 가능성 또한 지니고 있다.
전기활성 고분자는 작동방식에 따라 외부전압 인가시, 이온의 이동과 확산에 의해 고분자가 수축-팽창 변형을 일으키는 이온성 전기활성고분자(ionic EAP)와 전자 분극(polarization) 현상에 의하여 변형이 일어나는 전자성 전기활성고분자(electronic EAP)로 구분된다. 상기 이온성 전기활성 고분자로는 전기유변유체(electrorheological fluids, ERP), 탄소나노튜브(carbon nanotubes, CNT), 전도성 고분자(conducting polymers, CP), 이온성 고분자-금속 복합체(ionic polymer-metal composites, IPMC), 고분자겔(ionic polymer gels, IPG) 등이 있으며 큰 작동력, 빠른 응답속도, 낮은 인가전압 등의 다양한 장점을 가지고 있다.
도 1은 이온성 고분자-금속 복합재료의 동작 원리를 도시한 개략도로써, 도 1에 도시된 바와 같이 스트립 타입의 IPMC의 전체적인 외형을 살펴보면 중앙에 이온전달특성이 우수한 고분자 전해질 막이 위치하고 막의 상하 양면에 전자전달 특성이 우수한 금속전극이 입혀진 커패시터 구조로 이루어져 있으며, 상기 금속 전극에 전계를 가하면 이온성 고분자 막 내부의 양이온 이동에 따라 양이온이 이동하는 쪽의 부피가 팽창하여 양이온 이동 방향의 반대쪽으로 구부러지게 되고, 이러한 막의 특성에 기인하여 전기장 내에서 막의 변형이 일어나게 된다.
IPMC 구동기의 성능은 변위(displacement), 힘(force), 응답속도(response rate), 작동 안정성(actuation stability) 등으로 표현되며, 고분자 전해질, 금속전극, 전해질/전극 계면, 내부 용액, 카운터 이온, 인가전압/주파수 등 다양한 요소들에 기인한다.
종래 IPMC 에 있어서, 고분자 전해질 막은 불소계 이온성 고분자인 Dupont사의 나피온(NafionTM)이 주로 사용되고 있으며, 금속 전극은 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 동(Cu) 등이 사용되었다. 이와 같은 금속 전극은 주로 무전해 도금법으로 제조되며, 무전해 도금법은 전처리 과정, 이온 흡착 과정, 환원 과정 등이 복잡하고 우수한 굽힘 성능을 얻기 위해서는 이들 과정을 5회 내지 7회 이상 반복해야 한다. 이에 따라 전극 적층 과정에서만 일주일 이상의 시간이 소요되며, 긴 제작 시간에 의해 발생할 수 있는 실험적 문제나 오차로 인해 일정한 성능, 예컨대, 낮은 표면 전기 저항, 일정한 전극의 표면 형상, 일정한 전극의 두께 및 전극과 고분자 사이의 계면 특성 등에 재현성을 갖는 전극을 갖는 구동기를 제작하는 데 어려움이 있다. 또한, 종래 TiO, MnO2, Fe2O3 등의 불투명한 소재로는 투명 전극을 구현하는 것에 어려움이 있었으며, 매우 높은 저항으로 인하여 우수한 전기 전도도를 나타내는 것에 어려움이 있었다. 고분자 필름 상에 카본 파우더 용액을 스프레이하여 유연한 전극을 형성하는 경우에도 상기 전극의 신축성에 한계가 있어 모션의 미세한 컨트롤에 어려움이 있었다. 또한, 종래 IPMC의 경우 구동을 위한 별도의 전원을 사용하였다.
본 발명은 태양 전지 모듈에서 발생하는 전원을 유연 구동기를 구동시키기 위한 전원으로 사용하는 새로운 구조의 태양전지 기반의 자가발전형 유연 투명 구동기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위하여
태양전지 모듈; 및
상기 태양 전지모듈과 전기적으로 연결되는 투명 유연 구동기 모듈;을 포함하고, 상기 태양 전지 모듈에서 발생되는 전압은 상기 투명 유연 구동기로 인가되고, 상기 투명 유연 구동기는 상기 태양 전지 모듈에서 발생되어 인가되는 전압에 의해 굽힘 변형되는 것인 태양전지 기반의 자가발전형 유연 투명 구동기를 제공한다.
도 2 및 도 3에 본 발명에 의한 태양전지 기반 자가발전형 투명 유연 구동기의 구조를 모식적으로 나타내었다. 도 2 및 도 3에서 보는 바와 같이 본 발명에 의한 태양전지 기반 자가발전형 유연 투명 구동기는 태양전지 모듈(200) 및 상기 태양 전지모듈과 전기적으로 연결되는 유연 투명 구동기 모듈(100)을 포함한다.
도 2 및 도 3에서 보는 바와 같이 본 발명에 의한 태양전지 기반 자가발전형 투명 유연 구동기는 고분자 막(120) 및 상기 고분자 막의 일면 또는 양면에 배치된 그래핀 전극층(110, 130);을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 태양전지 기반 자가발전형 투명 유연 구동기에 있어서, 상기 그래핀 전극층은 단일층 또는 다층인 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의한 태양전지 기반 자가발전형 투명 유연 구동기에 있어서, 상기 그래핀 전극층의 제조 방법은 특별히 한정되지 않으며, 상기 그래핀 전극층의 층수 및 적층 방법을 달리함으로써 투과도 및 전기 전도도를 제어하는 것이 가능하다.
본 발명에 의한 태양전지 기반 자가발전형 투명 유연 구동기에 있어서, 상기 고분자 막은 PDMS(polydimethylsiloxane), 실리콘, 폴리우레탄, VHB(very high bond), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리씨오펜(polythiophene) 으로 이루어진 그룹에서 선택되는 어느 하나인 것인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 태양전지 기반 자가발전형 투명 유연 구동기에 있어서, 상기 태양전지 모듈은 비정질 규소(a-Si), 미세결정 규소(μc-Si), 카드뮴 텔루라이드 (CdTe), 구리 인듐 셀레나이드(CIS), 구리 인듐/갈륨 다이셀레나이드 (CIGS), 광 흡수 염료, 및 유기 반도체 기반 태양 전지로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 박막 태양 전지라면 제한 없이 사용할 수 있다.
본 발명에 의한 태양전지 기반 자가발전형 투명 유연 구동기에 있어서, 상기 태양전지 모듈(200) 및 유연 투명 구동기 모듈(100)은 도 2에서 보는 바와 같이 하부에 태양전지 모듈, 상부에 유연 투명 구동기 모듈을 포함하거나, 도 3에서 보는 바와 같이 상부에 태양전지 모듈, 하부에 유연 투명 구동기 모듈을 포함하는 것이 가능하다. 본 발명에 의한 태양전지 기반 자가발전형 투명 유연 구동기에 있어서, 상기 태양전지 모듈은 상기 투명 유연 구동기를 투과층으로 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의한 태양전지 기반 자가발전형 투명 유연 구동기가 도 2에서 보는 바와 같이 하부에 태양전지 모듈, 상부에 유연 투명 구동기 모듈을 포함하는 구조의 경우 상기 유연 투명 구동기 모듈은 투명 고분자막 및 투명 그래핀 전극을 사용함으로써 태양광을 상기 태양전지 모듈까지 투과시킨다.
본 발명에 의한 태양전지 기반 자가발전형 투명 유연 구동기는 도 2 및 도 3에서 보는 바와 같이 상기 태양전지모듈(200)과 상기 투명 유연 구동기 모듈(100) 사이에 투명 절연막(300)을 포함하고 일체형으로 적층되는 구조로 형성되는 것이 가능하다. 상기 투명 절연막은 예컨대, PET(polyethylene terephthalate) 필름을 사용할 수 있으며, 이외에도 PDMS(polydimethylsiloxane), 실리콘, 폴리우레탄 또는 VHB(very high bond)등의 상기 고분자막과 동일한 성능을 가지며 얇은 두께의 고분자막 또는 고분자 코팅법을 이용한 PMMA(polymethylmethacrylate), 셀룰로오스(cellulose), 보론 나이트라이드(boron nitride) 등의 고분자 층을 사용할 수 있다.
본 발명에 의한 태양전지 기반의 자가발전형 유연 투명 구동기는 태양 전지모듈과 투명 유연 구동기 모듈을 전기적으로 연결하고, 투명 유연 구동기를 통과하는 빛이 상기 태양전지까지 도달하여 상기 태양 전지 모듈에서 발생되는 전압이 투명 유연 구동기로 인가되도록 함으로써 별도의 전원 없이 유연 투명 구동기의 구동이 가능하다.
도 1은 이온성 고분자-금속 복합재료의 동작 원리를 도시한 개략도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명에 의한 태양전지 기반 투명 유연 구동기의 모식도를 나타낸다.
도 2 및 도 3은 본 발명에 의한 태양전지 기반 투명 유연 구동기의 모식도를 나타낸다.
Claims (6)
- 태양전지 모듈;
상기 태양 전지모듈과 전기적으로 연결되는 투명 유연 구동기 모듈; 및
투명 절연막을 포함하고,
상기 태양 전지 모듈에서 발생되는 전압은 상기 투명 유연 구동기로 인가되고, 상기 투명 유연 구동기는 상기 태양 전지 모듈에서 발생되어 인가되는 전압에 의해 굽힘 변형되며,
상기 투명 유연 구동기 모듈, 상기 투명 절연막 및 상기 태양전지 모듈은 일체형으로 적층되는 것을 특징으로 하는 태양전지 기반의 자가발전형 유연 투명 구동기.
- 제 1 항에 있어서,
상기 투명 유연 구동기는
고분자 막;
상기 고분자 막의 일면 또는 양면에 배치된 그래핀 전극층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 기반의 자가발전형 유연 투명 구동기.
- 제 2 항에 있어서,
상기 고분자 막은 PDMS(polydimethylsiloxane), 실리콘, 폴리우레탄, VHB(very high bond), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리씨오펜(polythiophene) 으로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 태양전지 기반의 자가발전형 유연 투명 구동기.
- 제 2 항에 있어서,
상기 그래핀 전극층은 단일층 또는 다층인 것을 특징으로 하는 태양전지 기반의 자가발전형 유연 투명 구동기.
- 제 1 항에 있어서,
상기 태양전지 모듈은 비정질 규소 (a-Si), 미세결정 규소 (μc-Si), 카드뮴 텔루라이드 (CdTe), 구리 인듐 셀레나이드 (CIS), 구리 인듐/갈륨 다이셀레나이드 (CIGS), 광 흡수 염료 및 유기 반도체 기반 태양 전지로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 어느 하나의 박막 태양 전지를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 기반의 자가발전형 유연 투명 구동기.
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