KR102618544B1 - 저주파 운동이 갖는 에너지를 수집하는 장치 - Google Patents
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Abstract
저주파 운동 에너지 수집장치(harvester)에 관해 개시되어 있다. 일 실시예에 저주파 운동 에너지 수집장치는 p형 하이드로겔(hydrogel) 복합체 전극과 n형 하이드로겔 복합체 전극을 포함하고, 상기 p형 하이드로겔 복합체 전극과 상기 n형 하이드로겔 복합체 전극 사이에 배치된 분리막 및 전류 집전체를 포함한다. 상기 p형 하이드로겔 복합체 전극은 이동성 양이온(mobile cation)을 포함하는 폴리머 하이드로겔층 및 상기 폴리머 하이드로겔층의 전도성을 증가시키기 위한 물질을 포함할 수 있다. 상기 n형 하이드로겔 복합체 전극은 이동성 음이온(anion)을 포함하는 폴리머 하이드로겔층 및 상기 폴리머 하이드로겔층의 전도성을 증가시키기 위한 물질을 포함할 수 있다.
Description
본 개시는 에너지 수집장치(energy harvester)에 관한 것으로, 보다 자세하게는 저주파수로 움직이는 물체가 갖는 에너지(예컨대, 운동 에너지)를 수집하는 장치(이하, 저주파 운동 에너지 수집장치)에 관한 것이다.
휴대용 전자기기의 보급이 증가됨에 따라 배터리의 용량증가와 배터리의 수명 연장 혹은 배터리를 대체할 수 있는 전원 개발에 대한 관심도 높아지고 있다.
이에 대응하기 위한 방법으로 하나로 사용되는 기기의 환경으로부터 에너지를 수집하는(harvesting) 방법이 연구되어 왔다.
소개되고 있는 에너지 수집방법은 대부분 압전, 전자기, 이온 및 가변 정전용량에 기초한 방법들이다.
이와 같이 에너지 수집을 위해 다양한 방법들이 연구되고 있으나, 여러 문제점으로 인해 에너지 수집장치의 상용화까지는 좀 더 시간이 필요할 것으로 보인다.
본 개시는 낮은 주파수로 움직이는 물체의 동작으로부터 에너지를 수집할 수 있는 저주파 운동 에너지 수집장치를 제공한다.
본 개시에서 일 실시예에 저주파 운동 에너지 수집장치는 p형 하이드로겔(hydrogel) 복합체 전극과 n형 하이드로겔 복합체 전극을 포함하고, 상기 p형 하이드로겔 복합체 전극과 상기 n형 하이드로겔 복합체 전극 사이에 배치된 분리막 및 전류 집전체를 포함한다.
이러한 저주파 운동 에너지 수집장치에서, 상기 p형 하이드로겔 복합체 전극은 이동성 양이온(mobile cation)을 포함하는 폴리머 하이드로겔층 및 상기 폴리머 하이드로겔층의 전도성을 증가시키기 위한 물질을 포함할 수 있다.
상기 n형 하이드로겔 복합체 전극은 이동성 음이온(anion)을 포함하는 폴리머 하이드로겔층 및 상기 폴리머 하이드로겔층의 전도성을 증가시키기 위한 물질을 포함할 수 있다.
상기 이동성 양이온을 포함하는 폴리머 하이드로겔층은 Nafion, sulfonated poly(ether ether ketone)(SPEEK), sulfonated poly(arylene ether ketone ketone sulfone)(SPAEKKS), sulfonated poly(aryl ether ketone)(SPAEK), poly[bis(benzimidazobenzisoquinolinones)](SPBIBI), Poly(styrene sulfonic acid)(PSS) 및 sodium 9,10-diphenylanthracene-2-sulfonate(DPAS-Na+) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 이동성 음이온을 포함하는 폴리머 하이드로겔층은 poly(diallyl dimethylammonium chloride)(PDAC), quaternary ammonium polysulphone(QAPS), tris(2,4,6-trimethoxyphenyl) polysulfone methylene quaternary phosphonium hydroxide(TPQPOH), quaternized PVA(QAPVA), quaternized poly(ether imide)(QPEI) 및 [Ru(bpy)3]2+(PF6-)2 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 폴리머 하이드로겔층의 전도성을 증가시키기 위한 물질은 상기 폴리머 하이드로겔층 내에서 계층적 전도체 네트워크(hierarchical conductor network)를 형성하는 물질을 포함할 수 있다.
상기 폴리머 하이드로겔층의 전도성을 증가시키기 위한 물질은 주요 성분의 하나로 탄소를 포함할 수 있다.
상기 폴리머 하이드로겔층의 전도성을 증가시키기 위한 물질은 탄소나노튜브(CNT)와 은 나노 와이어(Ag NW) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 탄소나노튜브(CNT)와 상기 은 나노 와이어(Ag NW) 무게중량(wt%)은 각각 5wt% ~ 20wt% 정도일 수 있다.
상기 p형 하이드로겔 복합체 전극, 상기 n형 하이드로겔 복합체 전극 및 상기 분리막을 포함하는 적층물을 에너지 수집유닛이라 할 때, 순차적으로 적층된 2개 이상의 에너지 수집유닛을 포함하고, 이러한 복수의 에너지 수집유닛 적층물의 최상층과 최하층에 각각 전류 집전체가 배치될 수 있다.
개시된 일 실시예에 의한 저주파 운동에너지 수집장치는 기존의 압전재료 또는 마찰전기 현상을 이용하는 에너지 수집방식이 아니라 하이드로겔 이온 고분자 복합체 간의 이온의 흐름과 농도차이를 이용하여 외부의 전압 및 전류를 유도하는 방식이다. 특히, 하이드로겔 이온 고분자 복합체의 부피 전체의 이온이 이동할 수 있고, 이온의 이동이 오랫동안 지속적으로 이루어질 수 있어, 저주파수(예컨대, 10Hz 이하)의 움직임이나 진동을 갖는 변형력이 수집장치에 인가되는 경우에도 기존에 비해 많은 전류가 발생된다. 아울러, 예시된 에너지 수집장치가 하이드로겔을 이용한다는 점에서 생체적합성과 환경친화성이 높은 에너지 수집장치를 용이하게 구현할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 의한 저 주파수 운동에너지 수집장치의 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시한 에너지 수집장치의 제2 하이드로겔 복합체 전극의 제2 폴리머 하이드로겔에 포함된 이온 전도체 폴리머의 일 예로 PDAC의 분자구조를 보여준다.
도 3은 도 1에 도시한 에너지 수집장치의 제1 하이드로겔 복합체 전극의 제1 폴리머 하이드로겔에 포함된 이온 전도체 폴리머의 일 예로 PSS의 분자구조를 보여준다.
도 4는 도 1의 저주파 수집장치의 제1 하이드로겔 복합체 전극 또는 제2 하이드로겔 복합체 전극의 구성에 대한 일 예를 나타낸 단면도이다.
도 5a 및 도 5b는 도 1의 에너지 수집장치에서 제1 하이드로겔 복합체 전극과 제2 하이드로겔 복합체 전극이 서로 접합될 때, 일어나는 이온의 이동과 그에 따른 공간 전하 영역이 형성되는 과정을 나타낸 단면도들이다.
도 6a는 일 실시예에 의한 저주파 운동에너지 수집장치로부터 출력되는 전위(potential)의 시간에 따른 변화를 나타낸 그래프이다.
도 6b는 일 실시예에 의한 저주파 운동에너지 수집장치로부터 출력되는 전류밀도의 시간에 따른 변화를 나타낸 그래프이다.
도 7a과 도 7b는 일 실시예에 의한 저주파 운동에너지 수집장치에 대한 실험의 결과를 나타낸 것으로써, 하이드로겔 복합체 전극에 포함되는 계층적 네트워크를 형성하는 물질의 종류와 함량(wt%)에 따른 정류비(rectification ratio)를 나타낸 그래프들이다.
도 8은 다른 실시예에 의한 저주파 운동에너지 수집장치의 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시한 에너지 수집장치의 제2 하이드로겔 복합체 전극의 제2 폴리머 하이드로겔에 포함된 이온 전도체 폴리머의 일 예로 PDAC의 분자구조를 보여준다.
도 3은 도 1에 도시한 에너지 수집장치의 제1 하이드로겔 복합체 전극의 제1 폴리머 하이드로겔에 포함된 이온 전도체 폴리머의 일 예로 PSS의 분자구조를 보여준다.
도 4는 도 1의 저주파 수집장치의 제1 하이드로겔 복합체 전극 또는 제2 하이드로겔 복합체 전극의 구성에 대한 일 예를 나타낸 단면도이다.
도 5a 및 도 5b는 도 1의 에너지 수집장치에서 제1 하이드로겔 복합체 전극과 제2 하이드로겔 복합체 전극이 서로 접합될 때, 일어나는 이온의 이동과 그에 따른 공간 전하 영역이 형성되는 과정을 나타낸 단면도들이다.
도 6a는 일 실시예에 의한 저주파 운동에너지 수집장치로부터 출력되는 전위(potential)의 시간에 따른 변화를 나타낸 그래프이다.
도 6b는 일 실시예에 의한 저주파 운동에너지 수집장치로부터 출력되는 전류밀도의 시간에 따른 변화를 나타낸 그래프이다.
도 7a과 도 7b는 일 실시예에 의한 저주파 운동에너지 수집장치에 대한 실험의 결과를 나타낸 것으로써, 하이드로겔 복합체 전극에 포함되는 계층적 네트워크를 형성하는 물질의 종류와 함량(wt%)에 따른 정류비(rectification ratio)를 나타낸 그래프들이다.
도 8은 다른 실시예에 의한 저주파 운동에너지 수집장치의 단면도이다.
생활 환경 속에는 기계적 혹은 동적 에너지원이 많이 존재한다. 지금까지 이러한 에너지원으로부터 에너지를 수집하기 위한 다양한 방법이 시도되고 있다.
예를 들면, 마찰 전기방전과 정전유도를 결합한 마찰 전기 나노발전기(TENG)를 에너지 수집장치로 이용하는 연구가 계속되고 있고, 외부의 기계적 에너지 입력 에 대해서 다른 수집장치에 비해 상대적으로 에너지 출력이 높다는 점에서 나노 발전기를 이용한 에너지 수집장치가 관심을 많이 받고 있다.
그러나 나노 발전기를 포함해서 현재까지 소개된 에너지 수집장치의 대부분은 상기 외부의 기계적 에너지의 주파수가 고 주파수(예컨대, 100 Hz보다 높은 주파수)일 때, 효과적으로 작동하기 때문에, 이러한 점이 한계점으로 지적되고 있다.
곧, 보통의 생활 환경에서는 낮은 주파수(예컨대, 1Hz 전후)의 기계적 움직임을 나타내거나 낮은 주파수의 운동이나 진동을 나타내는 요소들(예컨대, 사람의 움직임, 파도, 바람 등)이 많이 존재하는데, 현재까지 소개된 에너지 수집장치로는 이러한 낮은 주파수의 운동이 갖는 에너지를 수집하기 어렵다.
이러한 문제를 해결하기 위한 방안의 하나로 하이드로겔 복합체를 이용하여 100Hz 미만의 낮은 주파수, 예컨대 10Hz 내외의 저주파수로 움직이거나 진동하는 물체가 갖는 운동에너지를 수집하는 에너지 수집장치를 제시한다. 이러한 수집장치를 이용하면, 그 동안 수집이 어려웠던 저 주파수 영역의 운동 주파수 혹은 진동 주파수를 갖는 물체의 움직임으로부터 에너지를 수집할 수 있다. 이러한 수집장치를 배터리를 사용하는 기기, 예를 들면 휴대용 전자기기나 착용형 기기(wearable device)와 결합하면, 상기 수집장치는 결합된 기기의 적어도 보조전원이 될 수 있다.
이하, 일 실시예에 의한 저주파 운동에너지 수집장치(harvester)를 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 과장되게 도시된 것이다.
도 1는 일 실시예에 의한 저주파 운동에너지 수집장치(200)를 보여준다.
도 1를 참조하면, 에너지 수집장치(200)는 제1 하이드로겔 복합체 전극(210), 제2 하이드로겔 복합체 전극(220), 제1 전류 집전체(230), 제2 전류 집전체(240), 및 분리막(250)을 포함한다. 분리막(250)은 제1 및 제2 하이드로겔 복합체 전극(210, 220) 사이에 배치되어 두 전극(210, 220)의 직접 접촉을 방지한다. 분리막(250)은 이온 및 작은 분자들을 통과시킬 수 있는 모든 막을 포함할 수 있다. 일 예로 분리막(250)은 유리 마이크로섬유(glass microfiber), 폴리프로필렌(polypropylene) 및 폴리에틸렌(polyethylene) 중 하나 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 하이드로겔 복합체 전극(210, 220) 중 하나는 이동성 양이온(mobile cation)을 제공하는 p형 하이드로겔 복합체 전극이고, 나머지는 이동성 음이온(mobile anion)을 제공하는 n형 하이드로겔 복합체 전극일 수 있다. 편의 상, 제1 하이드로겔 복합체 전극(210)을 p형, 제2 하이드로겔 복합체 전극(220)을 n형 하이드로겔 복합체 전극으로 간주한다.
이동성 양이온을 제공하는 제1 하이드로겔 복합체 전극(210)은 이동성 양이온을 포함하는 제1 폴리머 하이드로겔층과 상기 제1 폴리머 하이드로겔층의 전도성을 증가시키기 위한 제1 물질을 포함할 수 있다.
상기 제1 폴리머 하이드로겔층은 이온 전도성 폴리머로 Nafion, sulfonated poly(ether ether ketone)(SPEEK), sulfonated poly(arylene ether ketone ketone sulfone)(SPAEKKS), sulfonated poly(aryl ether ketone)(SPAEK), poly[bis(benzimidazobenzisoquinolinones)] (SPBIBI), Poly(styrene sulfonic acid)(PSS) 및 sodium 9,10-diphenylanthracene-2-sulfonate(DPAS-Na+) 중 하나 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 상기 제1 물질은 상기 제1 폴리머 하이드로겔층 내에서 계층적 전도체 네트워크(hierarchical conductor network)를 형성하는 물질일 수 있다. 상기 제1 물질은 탄소를 포함하는 물질일 수 있는데, 예를 들면, 탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT)와 은 나노와이어(Ag NanoWire) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이때, 상기 탄소나노튜브와 상기 은 나노 와이어(Ag NW)의 무게중량(wt%)은 각각 5wt% ~ 20wt% 정도일 수 있다.
제1 하이드로겔 복합체 전극(210)은 탄성이 있는 젤 형태의 전극이 될 수 있다. 젤 형태의 제1 하이드로겔 복합체 전극(210)은 외부에서 힘이 가해지면 변형이 발생할 수 있다.
제2 하이드로겔 복합체 전극(220)은 이동성 음이온을 제공하는 전극일 수 있다. 제2 하이드로겔 복합체 전극(220)은 이동성 음이온(mobile anion)을 포함하는 제2 폴리머 하이드로겔층과 상기 제2 폴리머 하이드로겔층의 전도성을 증가시키기 위한 제2 물질을 포함할 수 있다.
상기 제2 폴리머 하이드로겔층은 이온 전도성 폴리머로 poly(diallyl dimethylammonium chloride)(PDAC), quaternary ammonium polysulphone(QAPS), tris(2,4,6-trimethoxyphenyl) polysulfone methylene quaternary phosphonium hydroxide(TPQPOH), quaternized PVA(QAPVA), quaternized poly(ether imide)(QPEI) 및 [Ru(bpy)3]2+(PF6-)2 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 제2 물질은 상기 제2 폴리머 하이드로겔층 내에서 계층적 전도체 네트워크를 형성하는 물질일 수 있다. 상기 제2 물질은 탄소를 포함하는 물질일 수 있는데, 예를 들면, 탄소나노튜브와 은 나노와이어(Ag NW) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이때, 상기 탄소나노튜브와 상기 은 나노 와이어(Ag NW)의 무게중량(wt%)은 각각 5wt% ~ 20wt% 정도일 수 있다. 제2 하이드로겔 복합체 전극(220)은 탄성이 있는 젤 형태의 전극이 될 수 있다. 젤 형태의 제2 하이드로겔 복합체 전극(220)은 외부에서 힘이 가해지면 변형이 발생할 수 있다.
제1 전류 집전체(230)와 제2 전류 집전체(240)는 각각 제1 하이드로겔 복합체 전극(210) 및 제2 하이드로겔 복합체 전극(220)에 연결되도록 구비될 수 있다. 일 예로, 제1 전류 집전체(230)는 제1 하이드로겔 복합체 전극(210)의 밑면에 부착될 수 있고, 제2 전류 집전체(240)는 제2 하이드로겔 복합체 전극(220)의 상부면에 부착될 수 있다.
제1 하이드로겔 복합체 전극(210)과 제2 하이드로겔 복합체 전극(220)에서 발생된 전류는 제1 전류 집전체(230)와 제2 전류 집전체(240)를 통해서 전자장치에 전달될 수 있다. 제1 전류 집전체(230)와 제2 전류 집전체(240)는 금속 물질 또는 전도성 탄소 물질 등을 포함할 수 있다. 제1 전류 집전체(230)와 제2 전류 집전체(240)는 금속박(metal foil) 또는 금속 메쉬(metal mesh) 형태로 구비될 수 있다.
제1 전류 집전체(230)와 제2 전류 집전체(240)에 각각 금속판(미도시)이 더 연결될 수 있다.
한편, 점선으로 나타낸 바와 같이, 제1 하이드로겔 복합체 전극(210), 제2 하이드로겔 복합체 전극(220), 분리막(250), 제1 전류 집전체(230) 및 제2 전류 집전체(240)의 측면을 감싸는 기구(270), 예컨대 실린더가 더 구비될 수 있다. 이렇게 해서 에너지 수집장치(200)는 기계적으로 지지될 수 있다.
에너지 수집장치(200)에 외부로부터 제1 및 제2 하이드로겔 복합체 전극(210, 220)을 변형시키는 힘(F)이 가해지면서 제1 및 제2 하이드로겔 복합체 전극(210, 220)은 팽창 또는 수축될 수 있다.
도 2는 도 1의 에너지 수집장치(200)의 제2 하이드로겔 복합체 전극(220)의 제2 폴리머 하이드로겔에 포함된 이온 전도체 폴리머의 일 예로 PDAC의 분자구조를 보여준다. PDAC는 양전하를 띠고 있는 고분자 체인 구조와 이동 가능한 염소 음이온(Cl-)으로 이루어져 있다.
도 3은 도 1의 에너지 수집장치(200)의 제1 하이드로겔 복합체 전극(210)의 제1 폴리머 하이드로겔에 포함된 이온 전도체 폴리머의 일 예로 PSS의 분자구조를 보여준다. PSS는 음전하를 띠고 있는 고분자 체인 구조와 이동 가능한 나트륨 양이온(Na+)으로 이루어져 있다.
도 2의 PDAC와 도 3의 PSS의 구조 및 화학적 조성은 하나의 실시 예로 예시한 것이므로, 상기 제1 및 제2 폴리머 하이드로겔은 이들로 제한되지 않는다.
PDAC와 PSS를 포함해서 상기 제1 및 제2 폴리머 하이드로겔의 폴리머는 하이드로겔과 섞여 있다. 하이드로겔은 폴리머에 포함된 이동 가능한 이온들이 움직일 수 있도록 수분 환경 또는 액상 환경을 만들어준다. 이러한 폴리머 하이드로겔은 기본적으로 각각 이온 전도체로써 거동 할 수 있다. 기본적으로 이들은 고분자로 이루어졌다는 점에서 기계적으로 유연할 수 있으나 그렇지 않을 수도 있다.
도 4는 도 1의 저주파 운동 에너지 수집장치(200)의 제1 하이드로겔 복합체 전극(210) 또는 제2 하이드로겔 복합체 전극(220)의 구성에 대한 일 예를 보여준다.
도 4를 참조하면, 제1 하이드로겔 복합체 전극(210)은 제1 폴리머 하이드로겔층(410)을 포함하고, 제1 폴리머 하이드로겔층(410) 내에서 계층적 전도체 네트워크를 형성하는 물질들(430, 440)을 포함할 수 있다. 이 물질들(430, 440)은 도 1에서 설명한 상기 제1 물질의 일 예에 불과하며, 탄소나노튜브(430)와 은 나노와이어(440)일 수 있다. 탄소나토튜브(430)는, 예를 들면 단일벽 탄소나노튜브일 수 있으나, 이것으로 제한되지 않는다. 제2 하이드로겔 복합체 전극(220)은 제2 폴리머 하이드로겔층(420)을 포함하고, 제2 폴리머 하이드로겔층(420) 내에서 계층적 전도체 네트워크를 형성하는 물질들(430, 440)을 포함할 수 있다. 이 물질들(430, 440)은 도 1에서 설명한 상기 제2 물질의 일 예에 불과하며, 탄소나노튜브(430)와 은 나노와이어(440)일 수 있다. 탄소나노튜브(430)는 단일벽 탄소나노튜브일 수 있으나, 이것으로 제한되지 않는다. 은 나노와이어(440)도 유사한 특성을 갖는 다른 소재로 대체될 수도 있다.
도 4에서 볼 수 있듯이, 제1 및 제2 폴리머 하이드로겔층(410, 420) 내의 계층적 전도체 네트워크를 형성하는 물질들(430, 440)은 제1 및 제2 폴리머 하이드로겔층(410, 420) 전체에 고르게 분포할 수 있다.
도 4에서 제1 및 제2 폴리머 하이드로겔층(410, 420) 내에 계층적 전도체 네트워크를 형성하는 2개의 물질들(430, 440)이 포함된 것으로 예시하였지만, 두 물질들(430, 440) 중 하나만 포함될 수도 있다.
도 5a 및 도 5b는 도 1의 에너지 수집장치(200)에서 제1 하이드로겔 복합체 전극(210)과 제2 하이드로겔 복합체 전극(220)을 서로 접합시켰을 때, 일어나는 이온의 이동과 그에 따른 공간 전하 영역(S)이 형성되는 과정을 보여준다.
도 5a 및 도 5b에 도시한 바와 같이, 제1 하이드로겔 복합체 전극(210)과 제2 하이드로겔 복합체 전극(220)이 서로 접합되면, 두 전극(210, 220)에 각각 포함된 이온들은 이온 농도차로 인해 반대편 전극으로 확산된다. 예를 들면, 제1 하이드로겔 복합체 전극(210)의 양이온(+)(예컨대, 나트륨 이온(Na+))은 제2 하이드로겔 복합체 전극(220)으로 확산되고, 제2 하이드로겔 복합체 전극(220)의 음이온(-)(예컨대, 염소 이온(Cl-))은 제1 하이드로겔 복합체 전극(210)으로 확산될 수 있다. 이에 따라 제1 하이드로겔 복합체 전극(210)에는 음이온(-)이 남게 되며, 제2 하이드로겔 복합체 전극(220)에는 양이온(+)이 남게 된다.
다음, 제1 하이드로겔 복합체 전극(210)으로 확산된 음이온(-)은 제1 하이드로겔 복합체 전극(210)에 있는 양이온과 만나서 재결합하면서 사라질 수 있으며, 제2 하이드로겔 복합체 전극(220)으로 확산된 양이온(+)은 제2 하이드로겔 복합체 전극(220)에 있는 음이온과 만나서 재결합하면서 사라질 수 있다. 그 결과, 확산되어 이동한 양이온(+) 및 음이온(-)은 사라지고, 움직일 수 있는 전하 운반자가 없는 경계면 부근에 공간 전하 영역(S)이 형성된다. 공간 전하 영역(S)에서는 대전된 이온만이 남을 수 있다. 공간 전하 영역(S)의 제1 하이드로겔 복합체 전극(210) 쪽에는 음전하를 띤 이온이 남고, 공간 전하 영역(S)의 제2 하이드로겔 복합체 전극(220) 쪽에는 양전하를 띤 이온이 남을 수 있다. 이러한 결과로, 제1 및 제2 하이드로겔 복합체 전극(210, 220) 사이에 빌트인 (built-in) 전위가 발생된다. 이러한 빌트인 전위에 의해 제2 하이드로겔 복합체 전극(220)에서 제1 하이드로겔 복합체 전극(210) 방향으로 전기장(EF)이 형성될 수 있다. 두 전극(210, 220) 사이의 이온 농도차에 기인한 양이온(+)과 음이온(-)의 확산은 전기장(EF)에 의해 억제될 수 있다. 또한, 전기장(EF)에 의해서도 이온 이동이 발생될 수 있다. 전기장(EF)에 의한 이온 이동 방향은 두 전극(210, 220) 사이의 이온 농도차에 기인한 이온 확산 방향과 반대이다. 이에 따라 두 전극(210, 220) 사이의 이온 농도차에 의한 확산은 점차 감소되어 두 전극(210, 220) 사이의 이온 농도 구배에 의한 이온 확산속도와 상기 빌트인 전위에 의한 이온 이동속도가 같아지게 된다. 이 결과, 제1 및 제2 하이드로겔 복합체 전극(210, 220) 사이에서 각 이온의 움직임은 동적 평형 상태에 이르게 된다.
이러한 상태는 일반적인 실리콘 반도체 p-n 다이오드에서 나타나는 전자와 정공의 동적 평형 상태 및 공핍 영역(depletion region 또는 space charge region) 에 의한 거동과 유사하다.
일 실시예에 의한 수집장치(200)에서 제1 하이드로겔 복합체 전극(210)에 포함된 이동 가능한 양이온(예컨대, 나트륨 이온)은 정공의 역할을 할 수 있고, 제2 하이드로겔 복합체 전극(220)에 포함된 이동 가능한 음이온(예컨대, 염소이온)은 전자의 역할을 할 수 있다. 그러므로 제1 하이드로겔 복합체 전극(210)은 p형 하이드로겔 복합체 전극이라 할 수 있고, 제2 하이드로겔 복합체(220)는 n형 하이드로겔 복합체 전극이라 할 수 있다.
제1 및 제2 하이드로겔 복합체 전극(210, 220) 사이의 상기 동적 평형 상태는 다양한 원인으로 깨어질 수 있는데, 그 원인 중의 하나가 외부에서 수집장치(200)에 가해지는 변형력이다. 변형력에 의해 제1 및 제2 하이드로겔 복합체 전극(210, 220)의 부피가 달라질 수 있는데, 이는 결국 제1 및 제2 하이드로겔 복합체 전극(210, 220) 내의 이온 농도차와 공간 전하 영역(S)의 폭을 변화시켜 빌트인 전위에 변화를 일으킨다. 이러한 변화가 일어난 후에는 다시 새로운 동적 평형 상태를 찾아가는데, 상기 변화의 시작부터 새로운 동적 평형 상태를 찾아가는 과정에서 전압과 전류가 발생된다.
일 예로, 에너지 수집장치(200)에 외부 기계적 에너지 및/또는 응력이 가해지면, 제1 및 제2 하이드로겔 복합체 전극(210, 220) 사이의 상기 평형 상태는 깨어진다. 상기 외부 기계적 에너지 및/또는 응력에 의해 각 하이드로겔 복합체 전극(210, 220)의 부피가 변하게 되고, 이에 의해 각 이온의 농도가 변하게 되며, 확산 속도와 공핍영역 혹은 공간전하영역(S)의 폭이 변한다. 이로 인해 제1 및 제2 하이드로겔 복합체 전극(210, 220) 사이의 빌트인 전위에 변화가 생기며, 이로 인해 외부 회로에 걸리는 전압이 변하고, 외부 회로를 통해 전류가 흐를 수 있다. 상기 외부 기계적 에너지 및/또는 응력이 사라지게 되면, 새로운 동적 평형 상태가 이루어지는데, 이 상태에 이르는 과정에서 상기 외부 기계적 에너지 및/또는 응력이 가해졌을 때와 반대 방향으로 전압과 전류가 생성된다. 상기 외부 기계적 에너지 및/또는 응력은 저주파수로, 예컨대 10Hz 내외 혹은 10Hz 이하로 수집장치(200)에 가해질 수 있다.
제1 하이드로겔 복합체 전극(210) 및 제2 하이드로겔 복합체 전극(220)에 가해지는 변형력의 하나는 10Hz 내외 혹은 10Hz 이하의 운동이나 진동을 갖는 사람의 일반적인 움직임에 의해 발생될 수 있다. 그러므로 수집장치(200)를 이용하면, 사람의 일반적인 움직임이 갖는 운동 에너지를 전자기기의 전원으로 사용하거나 보조전원으로 사용할 수 있다.
일 실시예에 의한 수집장치(200)의 제1 및 제2 하이드로겔 복합체 전극(210, 220)의 경우, 복합체의 부피 전체의 이온이 이동할 수 있고, 또한 이온의 이동속도가 압전이나 마찰전기의 경우에 비해서 느리기 때문에, 10Hz 이하의 기계적 에너지에 대해서도 상대적으로 많은 전류를 얻을 수 있다.
도 6a와 6b는 일 실시 예의 에너지 수집장치(200)에 0.01Hz 정도의 주기로 기계적 에너지 및/또는 응력이 가해졌을 때, 에너지 수집장치(200)로부터 발생되는 전압의 형태(도 6a)와 전류의 형태(도 6b)를 보여준다.
도 6a와 도 6b에서 가로축은 시간(초)을, 도 6a의 세로축은 전위를, 도 6b의 세로축은 전류밀도를 각각 나타낸다.
도 6a 및 6b를 참조하면, 0.01Hz의 초저주파수의 기계적 에너지 및/또는 응력에 대해서도 매우 높은 전압과 전류를 얻을 수 있음을 보여준다.
도 7a과 도 7b는 일 실시예에 의한 저주파 운동에너지 수집장치에 대한 실험의 결과를 나타낸 것으로써, 하이드로겔 복합체 전극에 포함되는 계층적 네트워크를 형성하는 탄소물질의 종류와 함량(wt%)에 따른 정류비(rectification ratio)를 나타낸 그래프들이다.
도 7a와 도 7b에서 가로축은 수용액(Water)에서 은 나노와이어의 중량(wt%)을 나타내고, 세로축은 정류비를 나타낸다.
도 7a의 결과는 수집장치(200)의 제1 및 제2 하이드로겔 복합체 전극(210, 220)이 계층적 네트워크를 형성하는 탄소물질로 은 나노와이어와 5wt%의 CNT를 포함하는 경우, 은 나오와이어의 중량에 따른 정류비를 측정한 결과이다.
도 7b의 결과는 수집장치(200)의 제1 및 제2 하이드로겔 복합체 전극(210, 220)이 계층적 네트워크를 형성하는 탄소물질로 은 나노와이어만을 포함하는 경우, 은 나오와이어의 중량에 따른 정류비를 측정한 결과이다.
도 7a와 도 7b의 가로축에서 'pure'는 두 전극(210, 220)이 상기 계층적 네트워크를 형성하는 탄소물질을 포함하지 않는 경우를 나타낸다.
도 7a와 도 7b는 제1 및 제2 하이드로겔 복합체 전극(210, 220)이 계층적 네트워크를 형성하는 탄소물질로 CNT와 은 나노와이어 중 적어도 하나를 포함할 때의 수집장치(200)의 정류비가 제1 및 제2 하이드로겔 복합체 전극(210, 220)이 계층적 네트워크를 형성하는 탄소물질을 포함하지 않을 때보다 크다는 것을 시사한다.
또한, 도 7a와 도 7b는 제1 및 제2 하이드로겔 복합체 전극(210, 220)이 계층적 네트워크를 형성하는 탄소물질로 CNT와 은 나노와이어 중 적어도 하나를 포함하는 경우, CNT와 은 나노와이어 중 하나만 포함해도 의미있는 정류비를 얻을 수 있지만, CNT와 은 나노와이어를 모두 포함하는 경우, 보다 큰 정류비를 얻을 수 있음을 시사한다.
도 8은 다른 실시예에 의한 저주파 운동에너지 수집장치에 관한 것으로, 저주파 운동에너지를 수집하기 위한 복수의 단위 수집장치를 포함하는 경우를 보여준다.
도 8을 참조하면, 저주파 운동에너지 수집장치(300)는 복수의 수집유닛(300a, 300b, 300c, 300d), 제1 전류 집전체(330) 및 제2 전류 집전체(340)를 포함할 수 있다. 복수의 수집유닛(300a, 300b, 300c, 300d) 각각은 저주파 운동에너지 수집을 위한 유닛일 수 있다. 복수의 수집유닛(300a, 300b, 300c, 300d)은 외부로부터 가해지는 힘(F)의 방향과 평행한 방향으로 적층될 수 있다. 제1 수집유닛(300a), 제2 수집유닛(300b), 제3 수집유닛(300c) 및 제4 수집유닛(300d) 각각은 제1 하이드로겔 복합체 전극(310a, 310b, 310c, 310d), 제2 하이드로겔 복합체 전극(320a, 320b, 320c, 320d) 및 분리막(350a, 350b, 350c, 350d)을 포함할 수 있다. 분리막(350a, 350b, 350c, 350d)은 제1 하이드로겔 복합체 전극(310a, 310b, 310c, 310d) 및 제2 하이드로겔 복합체 전극(320a, 320b, 320c, 320d) 사이에 구비될 수 있다.
제1 하이드로겔 복합체 전극(310a, 310b, 310c, 310d)은 각각 도 1의 제1 하이드로겔 복합체 전극(210)과 동일한 전극일 수 있다. 제2 하이드로겔 복합체 전극(320a, 320b, 320c, 320d)은 도 1의 제2 하이드로겔 복합체 전극(220)과 동일한 전극일 수 있다. 복수의 수집유닛(300a, 300b, 300c, 300d)사이에 이온 차단막(360)이 배치되어 있다. 이온 차단막(360)에 의해 수집유닛(300a, 300b, 300c, 300d)들 사이에 이온 유입이 방지될 수 있다. 제1 전류 집전체(330)는 복수의 제1 하이드로겔 복합체 전극(310a, 310b, 310c, 310d)에 연결될 수 있으며, 제2 전류 집전체(340)는 복수의 제2 하이드로겔 복합체 전극(320a, 320b, 320c, 320d)에 연결될 수 있다. 제1 전류 집전체(330)는 도 1의 제1 전류 집전체(230)와 동일할 수 있다. 제2 전류 집전체(340)는 도 1의 제2 전류 집전체(240)와 동일할 수 있다. 외부로부터 에너지 수집 장치(300)에 힘이 가해지면, 복수의 제1 하이드로겔 복합체 전극(310a, 310b, 310c, 310d) 및 복수의 제2 하이드로겔 복합체 전극(320a, 320b, 320c, 320d)은 수축될 수 있다.
한편, 이온 차단막(360)이 전기 전도성을 가지면 복수의 제1 하이드로겔 복합체 전극(310a, 310b, 310c, 310d) 및 복수의 제2 하이드로겔 복합체 전극(320a, 320b, 320c, 320d)을 각각 전기적으로 연결하지 않고도 수집유닛(300a, 300b, 300c, 300d)을 전기적으로 직렬 연결할 수 있다. 따라서, 도 5a 및 도 5b에서 설명한 과정을 통해 전류가 발생될 수 있다. 에너지 수집장치(300)는 복수의 수집유닛(300a, 300b, 300c, 300d)을 이용함으로써, 하나의 에너지 수집유닛을 이용하는 것에 비해 더 많은 전류를 발생시킬 수 있다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 때문에 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고, 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
200, 300: 에너지 수집장치(harvester) 230, 330:제1 전류 집전체
240, 340:제2 전류 집전체 250, 350a, 350b, 350c, 350d:분리막
210, 310a, 310b, 310c, 310d:제1 하이드로겔 복합체 전극
220, 320a, 320b, 320c, 320d:제2 하이드로겔 복합체 전극
270:수집장치의 측면을 감싸는 기구(실린더)
300a, 300b, 300c, 300d:제1 내지 제4 수집유닛
360: 이온 차단막 410(420): 폴리머 하이드로겔층
430, 440:계층적 전도체 네트워크를 형성하는 물질(CNT, Ag NW)
EF:전기장 F:힘 S:공간 전하 영역
240, 340:제2 전류 집전체 250, 350a, 350b, 350c, 350d:분리막
210, 310a, 310b, 310c, 310d:제1 하이드로겔 복합체 전극
220, 320a, 320b, 320c, 320d:제2 하이드로겔 복합체 전극
270:수집장치의 측면을 감싸는 기구(실린더)
300a, 300b, 300c, 300d:제1 내지 제4 수집유닛
360: 이온 차단막 410(420): 폴리머 하이드로겔층
430, 440:계층적 전도체 네트워크를 형성하는 물질(CNT, Ag NW)
EF:전기장 F:힘 S:공간 전하 영역
Claims (13)
- P형 하이드로겔(hydrogel) 복합체 전극;
N형 하이드로겔 복합체 전극;
상기 P형 하이드로겔(hydrogel) 복합체 전극과 상기 N형 하이드로겔 복합체 전극 사이에 배치된 분리막; 및
전류 집전체;를 포함하고,
상기 P형 하이드로겔(hydrogel) 복합체 전극은 서로 다른 나노 물질을 포함하고,
상기 N형 하이드로겔 복합체 전극은 서로 다른 나노 물질을 포함하는 저주파 운동 에너지 수집장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 p형 하이드로겔 복합체 전극은,
이동성 양이온(mobile cation)을 포함하는 폴리머 하이드로겔층; 및
상기 폴리머 하이드로겔층의 전도성을 증가시키기 위한 물질;을 포함하는 저주파 운동에너지 수집장치. - 제 1 항에서, 상기 n형 하이드로겔 복합체 전극은,
이동성 음이온(anion)을 포함하는 폴리머 하이드로겔층; 및
상기 폴리머 하이드로겔층의 전도성을 증가시키기 위한 물질;을 포함하는 저주파 운동에너지 수집장치. - 제 2 항에 있어서,
상기 이동성 양이온을 포함하는 폴리머 하이드로겔층은 Nafion, sulfonated poly(ether ether ketone)(SPEEK), sulfonated poly(arylene ether ketone ketone sulfone)(SPAEKKS), sulfonated poly(aryl ether ketone)(SPAEK), poly[bis(benzimidazobenzisoquinolinones)](SPBIBI), Poly(styrene sulfonic acid)(PSS) 및 sodium 9,10-diphenylanthracene-2-sulfonate(DPAS-Na+) 중 적어도 하나를 포함하는 저주파 운동에너지 수집장치. - 제 3 항에 있어서,
상기 이동성 음이온을 포함하는 폴리머 하이드로겔층은 poly(diallyl dimethylammonium chloride)(PDAC), quaternary ammonium polysulphone(QAPS), tris(2,4,6-trimethoxyphenyl) polysulfone methylene quaternary phosphonium hydroxide(TPQPOH), quaternized PVA(QAPVA), quaternized poly(ether imide)(QPEI) 및 [Ru(bpy)3]2+(PF6-)2 중 적어도 하나를 포함하는 저주파 운동에너지 수집장치. - 제 2 항에 있어서,
상기 폴리머 하이드로겔층의 전도성을 증가시키기 위한 물질은 상기 폴리머 하이드로겔층 내에서 계층적 전도체 네트워크(hierarchical conductor network)를 형성하는 저주파 운동 에너지 수집장치. - 제 3 항에 있어서,
상기 폴리머 하이드로겔층의 전도성을 증가시키기 위한 물질은 상기 폴리머 하이드로겔층 내에서 계층적 전도체 네트워크(hierarchical conductor network)를 형성하는 저주파 운동 에너지 수집장치. - 제 2 항에 있어서,
상기 폴리머 하이드로겔층의 전도성을 증가시키기 위한 물질은 상기 서로 다른 나노 물질을 포함하는 저주파 운동에너지 수집장치. - 제 3 항에 있어서,
상기 폴리머 하이드로겔층의 전도성을 증가시키기 위한 물질은 상기 서로 다른 나노 물질을 포함하는 저주파 운동에너지 수집장치. - 제 8 항에 있어서,
상기 폴리머 하이드로겔층의 전도성을 증가시키기 위한 물질은 탄소나노튜브(CNT)와 은 나노 와이어(Ag NW)를 포함하는 저주파 운동에너지 수집장치. - 제 9 항에 있어서,
상기 폴리머 하이드로겔층의 전도성을 증가시키기 위한 물질은 탄소나노튜브(CNT)와 은 나노 와이어(Ag NW)를 포함하는 저주파 운동에너지 수집장치. - 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
상기 탄소나노튜브(CNT)와 상기 은 나노 와이어(Ag NW) 무게중량(wt%)은 각각 5wt% ~ 20wt% 정도인 저주파 운동에너지 수집장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 P형 하이드로겔(hydrogel) 복합체 전극;
상기 N형 하이드로겔 복합체 전극; 및
상기 분리막;을 포함하는 적층물을 에너지 수집유닛이라 할 때,
순차적으로 적층된 2개 이상의 에너지 수집유닛을 포함하고,
이러한 복수의 에너지 수집유닛 적층물의 최상층과 최하층에 각각 상기 전류 집전체가 배치된 저주파 운동에너지 수집장치.
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