KR102671994B1 - 하이브리드 발전장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 하이브리드 발전장치에 관한 것이다. 한 구체예에서 상기 하이브리드 발전장치는 투명 폴리머기판; 상기 투명 폴리머기판의 적어도 일면에 형성되며, 수분에 의해 발생하는 마찰전기를 이용하여 교류 전기에너지를 생산하는 나노발전기; 상기 투명 폴리머기판의 적어도 일면에 형성되며, 태양광을 이용하여 직류 전기에너지를 생산하는 유기태양전지; 및 상기 나노발전기 및 유기태양전지와 전기적으로 연결되는 정류장치;를 포함하며, 상기 나노발전기에서 생산되는 교류는 상기 정류장치로 연결되어 직류로 변환되어, 상기 유기태양전지에서 생산되는 직류와 합한다.
Description
본 발명은 하이브리드 발전장치에 관한 것이다.
최근 개인의 상태와 환경 변화를 감지하는 인간 중심의 휴먼인터페이스 기술이 발전하고 있다. 이에 따라 유연한 성질의 전자 소자에 대한 관심이 증가하고 있다. 기존 융합 발전장치는 깨지기 쉬운(brittle) 기계적 성질로 인해, 실리콘 기판 상에서 제작되는 문제로 유연성 확보에 한계가 있었다.
이와 같은 융합 발전장치의 유연성의 한계를 극복하기 위해서는 가볍고, 휴대가 간편하면서 저렴한 유기 재료를 기반으로 한 플렉서블 융합 발전장치 제작이 요구되고 있다.
이러한 융합 발전장치의 예로 나노발전기와 유기태양전지를 적층한 발전장치가 있다. 상기 나노발전기(nanogenerator)는 마찰에 따른 표면대전과, 이에 수반되는 유도전하를 이용하여 전기에너지를 생산하는 장치이다. 구체적으로 고체 표면과 액체가 접촉시 표면 대전현상이 발생하여, 액체와 분리된 고체 표면은 양전하 혹은 음전하를 띄게 된다. 이때, 전하를 갖는 고체 표면의 반대쪽에 접지가 되어있는 전극을 부착시, 정전기적 평형을 유지하기 위해 유도 전류가 발생하게 된다. 이와 같이, 마찰에 따른 표면대전과 이에 수반되는 유도전하를 이용하여 전기에너지를 생산하는 나노발전기를 접촉대전 나노발전기(triboelectric nanogenerator, TENG) 라고 한다.
상기 유기태양전지는 크게 3개의 층으로 이루어진다. 구체적으로 ITO(indium tin oxide) 투명전극, 전자와 정공을 발생시키는 도너(donor, D) 및 발생된 전자를 받는 억셉터(acceptor, A)를 갖는 광활성층, 및 불투명한 금속전극을 포함한다. 유기태양전지는 단순한 D/A 또는 D:A 접합 다이오드이며, 유기태양전지의 효율은 광활성층 반도체 물질의 밴드갭에 의해 개방전압(Voc)이 결정되고, 입사되는 광량 및 소자내 저항성분에 의해 단락전류(Jsc)가 결정된다.
유기태양전지 모듈에서 각 단위 셀들을 직렬연결하는 경우, 높은 개방전압(Voc)을 얻을 수 있는 반면에, 병렬 연결시 하나의 단위 셀에서 낮은 광량 또는 고저항 등의 결함 발생시, 전체 태양전지 시스템의 전류값이 이 결함을 갖는 단위 셀 전류 하나의 출력값 또는 평균값으로 저하되는 문제가 있었다.
종래의 융합 발전장치 기술은 단순 적층구조로 제작되었기 때문에 두 발전 장치의 내구성은 물론, 에너지 효율과 직결되는 전기적 연결이 불안정하여, 실제 시스템에 융합 발전 장치를 적용하는 것에 많은 어려움이 있다. 또한, 상용 실리콘 기반 태양전지에 비해 유기태양전지의 에너지 효율은 저조하기 때문에 단위면적당 에너지 생산량을 증가시키기 위한 연구가 요구되고 있다.
본 발명과 관련한 배경기술은 대한민국 등록특허공보 제10-1727242호(2017.04.14. 공고, 발명의 명칭: 접촉대전 나노발전기)에 개시되어 있다.
본 발명의 하나의 목적은 주/야간 또는 날씨 변화에 관계없이 발전 가능하며, 전력 생산성이 우수한 하이브리드 발전장치에 관한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 유연성이 우수하며, 기계적/전기적 안정성이 우수한 하이브리드 발전장치에 관한 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 에너지 생산 효율성이 우수한 하이브리드 발전장치에 관한 것이다.
본 발명의 하나의 관점은 하이브리드 발전장치에 관한 것이다. 한 구체예에서 상기 하이브리드 발전장치는 투명 폴리머기판; 상기 투명 폴리머기판의 적어도 일면에 형성되며, 수분에 의해 발생하는 마찰전기를 이용하여 교류 전기에너지를 생산하는 나노발전기; 상기 투명 폴리머기판의 적어도 일면에 형성되며, 태양광을 이용하여 직류 전기에너지를 생산하는 유기태양전지; 및 상기 나노발전기 및 유기태양전지와 전기적으로 연결되는 정류장치;를 포함하며, 상기 나노발전기에서 생산되는 교류는 상기 정류장치로 이송되어 직류로 변환되어, 상기 유기태양전지에서 생산되는 직류와 합한다.
한 구체예에서 상기 투명 폴리머기판의 적어도 일면에는 상기 나노발전기 및 유기태양전지가 형성될 수 있다.
한 구체예에서 상기 투명 폴리머기판은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN), 폴리카보네이트(PC), 폴리이미드(PU) 및 폴리디메틸실록산(PDMS) 중에서 하나 이상 포함할 수 있다.
한 구체예에서 상기 유기태양전지는 상기 투명 폴리머기판과 접촉하며 투명소재를 포함하는 제1 전극, 유기광활성층 및 금속소재를 포함하는 제2 전극이 순차적으로 형성되며, 상기 유기광활성층은 전자 및 정공을 발생시키는 도너(donor) 및 상기 발생된 전자를 수용하는 억셉터(acceptor)를 포함하며, 상기 제1 전극은 상기 정류장치와 전기적으로 연결될 수 있다.
한 구체예에서 상기 투명 폴리머기판의 양면에는 각각 유기태양전지가 형성되고, 상기 투명 폴리머기판의 양면에 형성된 유기태양전지의 제1 전극 및 제2 전극은 상기 투명 폴리머기판에 형성된 비아홀을 통해 서로 전기적으로 연결될 수 있다.
한 구체예에서 상기 나노발전기는 상기 투명 폴리머기판과 접촉하며, 투명소재를 포함하는 마찰전극 및 마찰폴리머층이 순차적으로 형성되며, 상기 나노발전기는, 상기 마찰폴리머층의 표면에 수분이 접촉하여 이동에 의해 전하가 발생하여 상기 마찰전극으로 대전되어 교류가 발생하는 것이며, 상기 마찰전극은 상기 정류장치와 전기적으로 연결될 수 있다.
한 구체예에서 상기 마찰전극은 상기 투명 폴리머기판에 형성된 비아홀을 통해 상기 정류장치와 전기적으로 연결될 수 있다.
한 구체예에서 상기 나노발전기 및 유기태양전지는 각각 복수 개가 직렬로 연결될 수 있다.
본 발명에 따른 하이브리드 발전장치는 주/야간 또는 날씨 변화에 관계없이 발전 가능하며, 전력 생산성이 우수하고, 유연성이 우수하며, 기계적/전기적 안정성이 우수하며, 에너지 생산 효율성이 우수할 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 구체예에 따른 하이브리드 발전장치를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 다른 구체예에 따른 하이브리드 발전장치를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 구체예에 따른 하이브리드 발전장치를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 다른 구체예에 따른 하이브리드 발전장치를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 구체예에 따른 하이브리드 발전장치를 나타낸 것이다.
본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 발명을 설명하는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 명세서에서 “상부”와 “하부”는 도면을 기준으로 정의한 것으로서, 보는 관점에 따라 “상부”가 “하부”로 “하부”가 “상부”로 변경될 수 있다. 또한, 본 명세서에서 위(on)” 또는 “상(on)”으로 지칭되는 것은 바로 위뿐만 아니라 중간에 다른 구조를 개재한 경우도 포함할 수 있다.
본 명세서에서 용어 "투명"은, 가시광선 투과율이 80% 이상인 것을 의미할 수 있다.
하이브리드 발전장치
본 발명의 하나의 관점은 하이브리드 발전장치이다. 한 구체예에서 상기 하이브리드 발전장치는 투명 폴리머기판; 상기 투명 폴리머기판의 적어도 일면에 형성되며, 수분에 의해 발생하는 마찰전기를 이용하여 교류 전기에너지를 생산하는 나노발전기; 상기 투명 폴리머기판의 적어도 일면에 형성되며, 태양광을 이용하여 직류 전기에너지를 생산하는 유기태양전지; 및 상기 나노발전기 및 유기태양전지와 전기적으로 연결되는 정류장치;를 포함하며, 상기 나노발전기에서 생산되는 교류는 상기 정류장치로 이송되어 직류로 변환되어, 상기 유기태양전지에서 생산되는 직류와 합한다.
상기 하이브리드 발전장치의 유기태양전지 및 나노발전기는 기계적 및 전기적 안정성을 확보하기 위해 상기 투명 폴리머기판을 공유하는 구조로 구성된다. 상기 투명 폴리머기판은, 투명성과 유연성이 우수한 재료를 포함할 수 있다. 한 구체예에서 상기 투명 폴리머기판은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN), 폴리카보네이트(PC), 폴리이미드(PU) 및 폴리디메틸실록산(PDMS) 중에서 하나 이상 포함할 수 있다. 상기 소재를 포함시 투광성 및 유연성이 우수하며, 발전 효율성과 기계적 안정성이 우수할 수 있다.
한 구체예에서 상기 투명 폴리머기판의 적어도 일면에는 상기 나노발전기 및 유기태양전지가 형성될 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 구체예에 따른 하이브리드 발전장치를 나타낸 것이다. 한 구체예에서 하이브리드 발전창치(100)는 투명 폴리머기판(10); 투명 폴리머기판(10)의 상면에 형성되며, 수분에 의해 발생하는 마찰전기를 이용하여 교류 전기에너지를 생산하는 나노발전기(20); 투명 폴리머기판(10)의 상면 및 하면에 각각 형성되며, 태양광을 이용하여 직류 전기에너지를 생산하는 유기태양전지(30, 32'); 및 나노발전기(20) 및 유기태양전지(30, 30')와 전기적으로 연결되는 정류장치(40);를 포함한다. 한 구체예에서 나노발전기(20)에서 생산되는 교류는, 투명 폴리머기판(10)에 형성된 비아홀(11, 12)을 통해 정류장치(40)로 이송되어 직류로 변환되며, 상기 유기태양전지(30, 30')에서 생산되는 직류와 합한다.
상기와 같은 하이브리드 발전장치를 적용시 맑은날에는 태양광을 이용하여 상기 유기태양전지로부터 전류를 생산하며, 우천시에는 수분을 이용하여 상기 나노발전기로부터 전류를 생산할 수 있어, 에너지 수확 효율성이 우수할 수 있다.
상기 도 1을 참조하면 나노발전기(20)는 투명 폴리머기판(10)과 접촉하며, 투명소재를 포함하는 마찰전극(22) 및 마찰폴리머층(24)이 순차적으로 형성될 수 있다.
한 구체예에서 나노발전기(20)는 마찰폴리머층(24)의 표면에 수분이 접촉하여 이동에 의해 전하가 발생하여 마찰전극(22)으로 대전되어 교류가 발생할 수 있다.
상기 마찰전극은 정류장치와 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 도 1을 참조하면 마찰전극(22)은 투명 폴리머기판(10)에 형성된 비아홀(11, 12)을 통해 정류장치(40)와 전기적으로 연결될 수 있다.
한 구체예에서 상기 마찰전극의 투명소재는 인듐 주석 산화물, 인듐 아연 산화물, 탄소나노튜브, 그래핀 및 불소도핑 산화주석 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
한 구체예에서 상기 마찰폴리머층은 당 업계에서 사용되는 통상적인 것을 사용할 수 있다.
상기 도 1을 참조하면 유기태양전지(30, 30')는 투명 폴리머기판(10)과 접촉하며 투명소재를 포함하는 제1 전극(32, 32'), 유기광활성층(34, 34') 및 금속소재를 포함하는 제2 전극(36, 36')이 순차적으로 형성될 수 있다.
한 구체예에서 유기광활성층(34, 34')은 전자 및 정공을 발생시키는 도너(donor) 및 상기 발생된 전자를 수용하는 억셉터(acceptor)를 포함할 수 있다. 한 구체예에서 상기 제1 전극(32')은 정류장치(40)와 전기적으로 연결될 수 있다.
한 구체예에서 상기 제1 전극의 투명소재는 인듐 주석 산화물, 인듐 아연 산화물, 불소도핑 산화주석, 탄소나노튜브, 그래핀 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 상기 투명소재로 전극을 형성시 전류 생산 효율성이 우수할 수 있다.
한 구체예에서 상기 제2 전극의 금속소재는 알루미늄, 금, 백금, 은, 구리, 칼슘 및 마그네슘 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
한 구체예에서 유기태양전지는 D/A 또는 D:A 접합 다이오드 형태일 수 있다. 상기 유기태양전지의 효율은 유기광활성층에 포함되는 반도체 물질의 밴드갭에 의해 개방전압(Voc)이 결정되고, 입사되는 광량 및 소자내 저항성분에 의해 단락전류(Jsc)가 결정될 수 있다.
상기 도 1을 참조하면, 투명 폴리머기판(10)의 양면에 형성된 유기태양전지(30, 30')의 제1 전극(32, 32') 및 제2 전극(34, 34')은 상기 투명 폴리머기판(10)에 형성된 비아홀(13, 14)을 통해 서로 전기적으로 연결될 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 구체예에 따른 하이브리드 발전장치를 나타낸 것이다. 다른 구체예에서 하이브리드 발전창치(200)는 투명 폴리머기판(10)의 상면에 나노발전기(20, 20')가 직렬로 연결되어 형성되며, 투명 폴리머기판(10)의 하면에는 유기태양전지(20) 및 정류장치(40)가 형성되고, 나노발전기(20)의 마찰전극(22)은 비아홀(11, 12)을 통해 투명 폴리머기판(10)의 정류장치(40)와 전기적으로 연결되며, 유기태양전지(30)의 제1 전극(32)은 정류장치(40)와 전기적으로 연결될 수 있다.
도 3은 본 발명의 또 다른 구체예에 따른 하이브리드 발전장치를 나타낸 것이다. 또 다른 구체예에서 하이브리드 발전장치(300)는 투명 폴리머기판(10)의 상면에 나노발전기(20) 및 정류장치(40)가 형성되고, 투명 폴리머기판(10)의 하면에 유기태양전지(30, 30')가 직렬로 연결되어 형성되며, 유기태양전지(30)의 제1 전극(32)은 비아홀(11, 12)을 통해 투명 폴리머기판(10)의 정류장치(40)와 전기적으로 연결되며, 나노발전기(20)의 마찰전극(22)은 정류장치(40)와 전기적으로 연결될 수 있다.
본 발명에 따른 하이브리드 발전장치는 주/야간 또는 날씨 변화에 관계없이 발전 가능하며, 전력 생산성이 우수하고, 유연성이 우수하며, 기계적/전기적 안정성이 우수하며, 에너지 생산 효율성이 우수할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통하여 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다. 여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.
실시예
도 1과 같이 구체적으로 PET를 포함하는 투명 폴리머기판(10); 투명 폴리머기판(10)의 상면에 형성되며, 수분에 의해 발생하는 마찰전기를 이용하여 교류 전기에너지를 생산하는 나노발전기(20); 투명 폴리머기판(10)의 상면 및 하면에 각각 형성되며, 태양광을 이용하여 직류 전기에너지를 생산하는 유기태양전지(30, 32'); 및 나노발전기(20) 및 유기태양전지(30, 30')와 전기적으로 연결되는 정류장치(40);를 포함하는 하이브리드 발전장치(100)를 준비하였다.
나노발전기(20)는 투명 폴리머기판(10)과 접촉하며, 투명소재를 포함하는 마찰전극(22) 및 마찰전극(22)의 표면에 마찰폴리머층(24)이 형성된 구조로 형성되며, 마찰전극(22)은 투명 폴리머기판(10)에 형성된 비아홀(11, 12)을 통해 정류장치(40)와 전기적으로 연결되었다.
유기태양전지(30, 30')는 투명 폴리머기판(10)과 접촉하는 ITO 소재의 제1 전극(32, 32'), 유기광활성층(34, 34'), 및 금속소재의 제2 전극(36, 36')이 순차적으로 형성되며, 유기광활성층(34, 34')은 전자 및 정공을 발생시키는 도너(donor) 및 상기 발생된 전자를 수용하는 억셉터(acceptor)를 포함하는 구조로 형성되며, 유기태양전지의 제1 전극(32, 32') 및 제2 전극(36, 36')은 투명 폴리머기판에 형성된 비아홀(13, 14)을 통해 서로 전기적으로 연결되었다.
하이브리드 발전장치(100)를 이용하여 맑은 날에는 투명 폴리머기판의 양면에 형성된 유기태양전지(30, 30')를 이용하여 직류를 생산하여 발전하였다. 또한 우천시에는 나노발전기(20)의 마찰폴리머층(24)의 표면에 수분이 접촉하여 마찰폴리머층을 따라 이동시 발생한 전하가 마찰전극(22)으로 대전되어 교류를 발생하였으며, 나노발전기(20)에서 생산되는 교류는, 투명 폴리머기판(10)에 형성된 비아홀(11, 12)을 통해 정류장치(40)로 이송되어 직류로 변환되며, 상기 유기태양전지(30, 30')에서 생산되는 직류와 합하여 발전하였다.
이제까지 본 발명에 대하여 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 투명 폴리머 기판 11, 12, 13, 14: 비아홀
20, 20': 나노발전기 22, 22': 마찰전극
24, 24': 마찰폴리머층 30, 30': 유기태양전지
32, 32': 제1 전극 34, 34': 유기광활성층
36, 36': 제2 전극 40: 정류장치
100, 200, 300: 하이브리드 발전장치
20, 20': 나노발전기 22, 22': 마찰전극
24, 24': 마찰폴리머층 30, 30': 유기태양전지
32, 32': 제1 전극 34, 34': 유기광활성층
36, 36': 제2 전극 40: 정류장치
100, 200, 300: 하이브리드 발전장치
Claims (8)
- 투명 폴리머기판;
상기 투명 폴리머기판의 적어도 일면에 형성되며, 수분에 의해 발생하는 마찰전기를 이용하여 교류 전기에너지를 생산하는 나노발전기;
상기 투명 폴리머기판의 적어도 일면에 형성되며, 태양광을 이용하여 직류 전기에너지를 생산하는 유기태양전지; 및
상기 나노발전기 및 유기태양전지와 전기적으로 연결되는 정류장치;를 포함하며,
상기 나노발전기에서 생산되는 교류는 상기 정류장치로 이송되어 직류로 변환되어, 상기 유기태양전지에서 생산되는 직류와 합하는 것이며,
상기 나노발전기는 상기 투명 폴리머기판과 접촉하며, 투명소재를 포함하는 마찰전극 및 마찰폴리머층이 순차적으로 형성되며,
상기 나노발전기는, 상기 마찰폴리머층의 표면에 수분이 접촉하여 이동에 의해 전하가 발생하여 상기 마찰전극으로 대전되어 교류가 발생하는 것이며,
상기 마찰전극은 상기 정류장치와 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 발전장치.
- 제1항에 있어서, 상기 투명 폴리머기판의 적어도 일면에는 상기 나노발전기 및 유기태양전지가 형성되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 발전장치.
- 제1항에 있어서, 상기 투명 폴리머기판은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN), 폴리카보네이트(PC), 폴리이미드(PU) 및 폴리디메틸실록산(PDMS) 중에서 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 발전장치.
- 제1항에 있어서, 상기 유기태양전지는 상기 투명 폴리머기판과 접촉하며 투명소재를 포함하는 제1 전극, 유기광활성층 및 금속소재를 포함하는 제2 전극이 순차적으로 형성되며,
상기 유기광활성층은 전자 및 정공을 발생시키는 도너(donor) 및 상기 발생된 전자를 수용하는 억셉터(acceptor)를 포함하며,
상기 제1 전극은 상기 정류장치와 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 발전장치.
- 제4항에 있어서, 상기 투명 폴리머기판의 양면에는 각각 유기태양전지가 형성되고,
상기 투명 폴리머기판의 양면에 형성된 유기태양전지의 제1 전극 및 제2 전극은 상기 투명 폴리머기판에 형성된 비아홀을 통해 서로 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 발전장치.
- 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 마찰전극은 상기 투명 폴리머기판에 형성된 비아홀을 통해 상기 정류장치와 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 발전장치.
- 제1항에 있어서, 상기 나노발전기 및 유기태양전지는 각각 복수 개가 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 발전장치.
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| KR1020200049188A KR102671994B1 (ko) | 2020-04-23 | 2020-04-23 | 하이브리드 발전장치 |
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| KR1020200049188A KR102671994B1 (ko) | 2020-04-23 | 2020-04-23 | 하이브리드 발전장치 |
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| KR20210131486A KR20210131486A (ko) | 2021-11-03 |
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|---|---|---|---|---|
| KR20240085049A (ko) * | 2022-12-07 | 2024-06-14 | 한국기술교육대학교 산학협력단 | 가소제를 포함하는 마찰대전 에너지 하베스터용 고분자 겔 및 이를 포함하는 마찰대전 에너지 하베스터 |
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