KR101199466B1 - 3차원 융합 에너지 하베스터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 3차원 융합 에너지 하베스터에 관한 것이다. 본 발명은 코어와 코어를 감싸는 클래딩을 포함하는 광섬유와; 클래딩이 제거된 일부분에 설치되고, 투명 전도성 산화물로 구성되는 제 1전극과; 제 1전극의 표면에서 다수개가 방사상으로 연장되어 구비되고, 압전 특성을 가진 산화아연(ZnO)로 이루어지는 나노 와이어와; 제 1전극과 대향되게 구비되는 제 2전극과; 제 1전극과 제 2전극 사이에 충진되는 유기물 활성층을 포함한다. 이와 같은 본 발명에 의하면, 나노전력발전소자와 유무기 하이브리드 태양전지의 융합이 가능하게 되어 태양에너지와 주변에 존재하는 소모성의 에너지를 동시에 사용할 수 있어 고효율의 에너지 하베스팅을 구현할 수 있는 효과가 있다.

Description

3차원 융합 에너지 하베스터{Energy harvester for three-dimensional complex}

본 발명은 3차원 융합 에너지 하베스터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 서로 상이한 에너지 변환 메커니즘을 가진 에너지 하베스터의 융합 설계를 통해 고효율의 에너지를 생산할 수 있는 3차원 융합 에너지 하베스터에 관한 것이다.

물질의 압전(piezoelectric) 특성을 이용한 에너지 발전소자의 경우 기존의 태양전지, 풍력, 연료전지등과 같은 친환경 에너지와 달리 주변에 존재하는 미세진동이나 인간의 움직임으로부터 발생된 소모성의 기계적 에너지를 전기에너지로 무한히 추출할 수 있는 새로운 개념의 친환경에너지 발전 소자라 할 수 있다.

이러한 압전 특성을 이용한 에너지 변환 방식은 변환 효율이 크고 소형 및 경량화가 가능하며 나노 기술과의 융합을 통하여 획기적인 기술 도약을 이끌 새로운 기술로 각광받고 있다. 특히, 최근 나노 기술의 발달로 인해 나노 크기의 소자를 쉽게 만들 수 있는 수준에 이르렀다.

하지만, 현재 전력의 대부분을 차지하는 배터리는 나노 소자에 비해 큰 면적을 차지할 뿐만 아니라 제한된 수명으로 인해 나노 소자의 성능 및 독립적 구동을 제한시키는 단점이 있다. 반면 저차원 나노 구조물 기반 나노전력발전소자의 경우 소자 전체 시스템을 나노 크기로 만들 수 있을 뿐만 아니라 지속적이고 독립적인 소자의 구동을 가능하게 한다. 이러한 저차원 나노구조물을 이용한 에너지 발전소자의 개발은 나노소자의 기술적인 한계를 획기적으로 개선시킬 것으로 보여진다.

이상에서 설명한 압전 소자를 비롯한 태양광발전(photovoltaics), 열전 소자(thermoelectric)과 같은 차세대 신재생 에너지의 경우, 개별 특성들을 이용한 소자는 낮은 출력을 가지는 단점이 있고, 소자 설치에 대한 공간적 제한뿐만 아니라 흐린 날에는 효율이 급격히 떨어지는 시간적인 제한을 받을 수밖에 없는 2차원의 평면형 소자에 대한 연구가 대부분을 차지하는 한계가 있었다.

따라서, 본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 서로 상이한 에너지 변환 메커니즘을 가진 에너지 하베스터의 융합과 소자 설계를 통하여 이론적인 효율을 뛰어넘는 3차원의 고효율 에너지 하베스터를 구현하기 위한 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 광섬유와; 상기 광섬유의 적어도 일부 구간에 설치되고, 투명 전도성 산화물로 구성되는 제 1전극과; 상기 제 1전극의 표면에서 연장되어 구비되고, 압전 특성을 가진 물질로 이루어지는 나노와이어와; 상기 제 1전극과 대향되게 구비되는 제 2전극을 포함한다.

상기 나노와이어는 압전 특성을 나타내는 산화아연(ZnO)으로 구성됨을 특징으로 한다. 산화아연(ZnO) 외 압전 특성을 나타내는 ZnSnO₃, ZnMgO, GaN, InGaN, AlGaN 등으로 구성될 수 있다.

상기 나노와이어는 상기 제 1전극의 표면에서 다수개가 방사형으로 연장되어 형성됨을 특징으로 한다.

상기 제 1전극의 표면에는 상기 나노와이어의 형성을 위한 시드층이 형성됨을 특징으로 한다.

상기 제 1전극은 산화인듐주석(ITO) 임을 특징으로 한다.

상기 제 2전극은 금(Au) 또는 백금(Pt)의 높은 일함수 값을 가진 금속 전극으로 형성됨을 특징으로 한다.

상기 제 2전극의 내면에는 태양광에 의해 발생한 전자를 차단하기 위한 전자 차단층이 형성됨을 특징으로 한다.

상기 제 1전극과 제 2전극 사이에 충진되는 유기물 활성층(P3HT:PCBM blend)을 더 포함한다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 본 발명은 코어와 상기 코어를 감싸는 클래딩을 포함하는 광섬유와; 상기 클래딩이 제거된 일부분에 설치되고, 투명 전도성 산화물로 구성되는 제 1전극과; 상기 제 1전극의 표면에서 다수개가 방사상으로 연장되어 구비되고, 압전 특성을 가진 산화아연(ZnO)으로 이루어지는 나노와이어와; 상기 제 1전극과 대향되게 구비되는 제 2전극과; 상기 제 1전극과 제 2전극 사이에 충진되는 유기물 활성층(P3HT:PCBM blend)을 포함한다.

본 발명에 의하면, 광섬유의 구조를 도입하여 3차원 와이어 형태의 하베스터를 구현함으로써, 나노전력발전소자와 유무기 하이브리드 태양전지의 융합이 가능하게 되어 태양에너지와 주변에 존재하는 소모성의 에너지를 동시에 사용할 수 있어 고효율의 에너지 하베스팅을 구현할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 융합 에너지 하베스터의 일부를 절개한 것을 보인 사시도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 융합 에너지 하베스터의 단면도.
도 3은 본 발명에 의한 3차원 융합 에너지 하베스터의 구동 형태를 보인 사시도.
도 4는 본 발명에 의한 3차원 융합 에너지 하베스터를 도로에 이용한 것을 보인 예시도.

이하 본 발명에 의한 3차원 융합 에너지 하베스터의 일 실시예를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 융합 에너지 하베스터의 일부를 절개한 것을 보인 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 융합 에너지 하베스터의 단면도이다.

이들 도면에 도시된 바에 따르면, 본 발명에 의한 3차원 융합 에너지 하베스터는 광섬유(1)와; 상기 광섬유(1)의 적어도 일부 구간에 구비되고, 투명 전도성 산화물로 구성되는 제 1전극(10)과; 상기 제 1전극(10)의 표면에서 연장되어 구비되고, 압전 특성을 가진 물질로 이루어지는 나노와이어(14)와; 상기 제 1전극(10)과 대향되게 구비되는 제 2전극(20)을 포함한다.

상기 광섬유(1)는 중앙의 코어(3; core, 도 2 참조)와 주변의 클래딩(5; cladding)으로 구성되고, 일반적으로 상기 코어(3)는 굴절률이 높은 물질로 이루어지고 상기 클래딩(5)은 굴절률이 낮은 물질로 이루어져 코어(3)를 통과하는 광이 전반사가 이루어지도록 한다. 본 실시예에서 상기 광섬유(1)와 같은 구성을 둔 것은 3차원 형태의 융합 에너지 하베스터를 구현하기 위함이다. 즉, 이하에서 설명하겠지만, 산화아연(ZnO)의 압전 특성을 이용하여 광섬유(1)를 통과하는 태양광뿐만 아니라 주변에 존재하는 진동 에너지와 같은 소모성 에너지를 사용 가능한 에너지로 변환이 가능하다.

한편, 상기 광섬유(1)의 일부 구간, 즉 상기 클래딩(5)이 제거된 일부에 제 1전극(10)이 설치된다. 상기 제 1전극(10)은 투과 전도성 산화물(TCO; transparent conducting oxide)로 구성된다. 상기 제 1전극(10)은 중앙의 코어보다 굴절률이 큰 산화인듐주석(ITO)과 같은 물질로 만들어진다. 이로 인하여 상기 광섬유(1)를 통해 전반사해서 들어온 빛은 제 1전극(10)으로 굴절되어 들어가게 되고, 산화인듐주석(ITO)보다 굴절률이 큰 산화아연(ZnO)으로 굴절되어 들어간다. 상기 굴절된 빛은 유기물 활성층(16)에 이르게 되고 태양광 발전을 하게 된다.

그리고, 상기 제 1전극(10)의 표면에는 시드층(12)이 형성된다. 상기 시드층(12)은 나노와이어(14)를 형성하고 성장하도록 하는 역할과 동시에 유기물 활성층(16)에서 발생한 홀을 차단하는 역할을 한다. 다시 말해, 상기 시드층(12)은 홀을 차단하여 상기 제 1전극(10) 쪽으로 전자가 이동될 수 있도록 하는 것이다.

다음으로, 상기 제 1전극(10)과 제 2전극(20) 사이에는 유기물 활성층(16, P3HT:PCBM blend)이 충진되고 상기 시드층(12)에 의해 나노와이어(14)가 형성된다. 상기 나노와이어(14)는 다수개가 상기 제 1전극(10)의 표면에서 방사상으로 연장되게 형성되고, 다수개가 소정의 간격으로 열 및 행을 이루어 배치될 수 있다.

본 실시예에서 상기 나노와이어(14)로는 압전 특성을 가진 물질을 사용함이 바람직하다. 즉, 상기 나노와이어(14)는 태양광을 흡수하여 전자 및 홀을 발생시키는 유기 태양전지로서의 역할 뿐만 아니라, 압전 특성을 이용하여 나노전력발전소자로서 활용될 수 있어야 한다. 압전 특성을 가진 나노와이어(14)에 의해 압력이나 진동에 의해 발생하는 소모성 에너지를 새로운 에너지로 창출할 수 있는 효과를 가져온다. 이를 위해 상기 나노와이어(14)로서 산화아연(ZnO)을 사용함이 바람직하다. 상기 산화아연(ZnO)는 압전 특성을 가진 소자로서, 서로 상이한 에너지 변환 메커니즘을 가진 에너지 하베스팅 소자의 융합 설계가 가능하다.

이상에서 상기 나노와이어(14)로서 산화아연(ZnO)을 제시하였지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 태양전지에 활용이 가능하고 압전 특성을 가진 소자라면 어떠한 것이라도 채용될 수 있음은 당연하다. 예를 들어, 산화아연(ZnO) 외 압전 특성을 나타내는 ZnSnO₃, ZnMgO, GaN, InGaN, AlGaN 등으로 구성될 수 있다.

본 실시예에서 이와 같이 유기 태양전지와 나노전력발전소자로서 3차원 형상의 차세대 하베스팅 소자를 제안한 것은 다음과 같은 이유 때문이다.

태양광의 경우 시간적, 공간적인 한계를 가지고 있는 에너지이다. 즉, 태양광은 비가 오거나 흐린 날에는 광전변환 효율이 급격하게 떨어지고 2차원의 평면형 소자는 설치에 있어서 공간적인 한계를 가지고 있다. 하지만, 본 발명에서와 같이 3차원 형상의 융합 하베스팅 소자에 의하면, 3차원 형상으로서 굽힘이 가능하여 설치에 있어서 자유롭고 날씨가 흐리고 비가 오는 날에도 압력, 진동 등을 통한 에너지 생성이 가능한 장점이 있다. 이와 같은 하베스팅 소자를 활용한 방안에 대해서는 이하에서 보다 자세하게 설명하도록 한다.

한편, 본 발명에 의한 하베스팅 소자의 외곽에는 제 2전극(20)이 설치된다. 상기 제 2전극(20)은 상기 제 1전극(10)과 대향되는 것으로서 태양광에 의해 전자 및 홀이 발생될 때 홀이 이동되는 부분이다. 상기 제 2전극(20)은 상기 제 1전극(10)과 일정한 거리만큼 이격되어 제 1전극(10)을 감싸고, 금(Au), 백금(Pt)과 같은 높은 일함수 값을 가진 금속 전극으로 구성된다.

그리고, 상기 제 2전극(20)의 내면에는 전자 차단층(22)이 형성된다. 상기 전자 차단층(22)은 상기 제 2전극(20) 쪽으로 전자가 이동되는 것을 차단하는 역할을 하는 것으로서, 상기 시드층(12)과 서로 대응된다. 상기 전자 차단층(22)으로는 예를 들어 MoO_x가 사용될 수 있다.

이하 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 3차원 융합 에너지 하베스터의 활용예를 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명에 의한 3차원 융합 에너지 하베스터의 구동 형태를 보인 사시도이고, 도 4는 본 발명에 의한 3차원 융합 에너지 하베스터를 도로에 이용한 것을 보인 예시도이다.

이들 도면에 도시된 바에 따르면, 도 3에서와 같이 본 발명에 의한 3차원 융합 에너지 하베스터는 3차원 와이어 형상으로서 다양한 방향으로 굽힘이 가능하게 된다. 따라서, 축방향 또는 축방향에 직교한 방향 등으로 작용하는 응력 또는 진동에 대해 압전 특성을 가진 나노와이어(14)를 통해 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 것이 가능하다.

예를 들어, 도 4에서와 같이 3차원 융합 에너지 하베스터를 도로의 하방에 설치하였다고 가정한다. 이 상태에서 하베스터의 일단부는 도로(R) 외부로 노출되도록 설치한다. 다시 말해, 광섬유(1)의 일단부가 도로(R) 외부로 노출되도록 설치하고, 노출된 일단부를 통해 태양광이 집광되게 한다.

상기 광섬유(1)의 일단부로 입사된 태양광은 상기 광섬유(1)의 내부에서 코어(3) 및 클래딩(5)에 의해 전반사되어 이동되다가 제 1전극(10)이 형성된 부분에서 도 2와 같이 굴절이 일어나게 된다. 즉, 입사된 태양광 중에 일부는 반사되고 일부는 상기 제 1전극(10)에서 굴절이 발생하여 상기 나노와이어(14)로 입사된다.

다음으로, 상기 나노와이어(14)는 태양광에 의해 전자 및 홀을 발생시키고, 여기에서 생성된 전자는 나노와이어(14)를 통해 제 1전극(10) 쪽으로 수송되고, 홀은 제 2전극(20) 쪽으로 수송된다. 그리고, 상기 시드층(12)은 홀이 제 1전극(10) 쪽으로 수송되는 것을 차단하고, 상기 전자 차단층(22)은 전자가 제 2전극(20) 쪽으로 수송되는 것을 차단한다.

이와 같이 설치된 하베스터에 의하면 도로(R)에 하방에 설치되어 있기 때문에 자동차 등의 주행 시에 발생하는 압력 진동이 나노와이어(14)로 전달됨으로써 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환이 가능하다. 또한, 태양광을 집광하여 태양전지로서 전기적 에너지로의 변환도 동시에 가능하다. 따라서, 태양 에너지뿐만 아니라 주변에 존재하는 소모성의 에너지를 사용 가능한 에너지로 변환함으로써, 고효율의 융합 에너지 하베스팅 소자를 구현할 수 있다.

물론, 도 4에 도시된 설치 상태는 일 예를 도시한 것에 불과하고 태양 에너지를 집광할 수 있고, 소모성의 에너지를 활용할 수 있는 곳이라면 어떠한 장소에도 설치가 가능할 것이다.

본 발명의 권리범위는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.

1 : 광섬유 3 : 코어
5 : 클래딩 10 : 제 1전극
12 : 시드층 14 : 나노 와이어
16 : 유기물 활성층 20 : 제 2전극
22 : 전자 차단층

Claims (13)

1. 광섬유와;
   상기 광섬유의 적어도 일부 구간에 설치되고, 투명 전도성 산화물로 구성되는 제 1전극과;
   상기 제 1전극의 표면에서 연장되어 구비되고, 압전 특성을 가진 물질로 이루어지는 나노 와이어와;
   상기 제 1전극과 대향되게 구비되는 제 2전극과;
   상기 제 1전극과 제 2전극 사이에 충진되는 유기물 활성층을 포함하고,
   상기 제 2전극의 내면에는 태양광에 의해 발생한 전자가 상기 제2 전극 쪽으로 수송되는 것을 차단하기 위한 전자 차단층이 형성됨을 특징으로 하는 3차원 융합 에너지 하베스터.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 나노 와이어는 산화아연(ZnO)으로 구성됨을 특징으로 하는 3차원 융합 에너지 하베스터.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 나노 와이어는 상기 제 1전극의 표면에서 다수개가 방사형으로 연장되어 형성됨을 특징으로 하는 3차원 융합 에너지 하베스터.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 1전극의 표면에는 상기 나노 와이어의 형성을 위한 시드층이 형성됨을 특징으로 하는 3차원 융합 에너지 하베스터.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 1전극은 산화인듐주석(ITO) 임을 특징으로 하는 3차원 융합 에너지 하베스터.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 2전극은 금(Au) 또는 백금(Pt) 소재의 금속 전극으로 형성됨을 특징으로 하는 3차원 융합 에너지 하베스터.
7. 삭제
8. 삭제
9. 코어와 상기 코어를 감싸는 클래딩을 포함하는 광섬유와;
   상기 클래딩이 제거된 일부분에 설치되고, 투명 전도성 산화물로 구성되는 제 1전극과;
   상기 제 1전극의 표면에서 다수개가 방사상으로 연장되어 구비되고, 압전 특성을 가진 산화아연(ZnO)으로 이루어지는 나노 와이어와;
   상기 제 1전극과 대향되게 구비되는 제 2전극과;
   상기 제 1전극과 제 2전극 사이에 충진되는 유기물 활성층을 포함하고,
   상기 제 2전극의 내면에는 태양광에 의해 발생한 전자가 상기 제2 전극 쪽으로 수송되는 것을 차단하기 위한 전자 차단층이 형성됨을 특징으로 하는 3차원 융합 에너지 하베스터.
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1전극의 표면에는 상기 나노와이어의 형성을 위한 시드층이 형성됨을 특징으로 하는 3차원 융합 에너지 하베스터.
11. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1전극은 산화인듐주석(ITO) 임을 특징으로 하는 3차원 융합 에너지 하베스터.
12. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 2전극은 금(Au) 또는 백금(Pt) 소재의 금속 전극으로 형성됨을 특징으로 하는 3차원 융합 에너지 하베스터.
13. 삭제

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