[go: up one dir, main page]

KR102643226B1 - 전기에너지 생성 액정 소자 및 이를 이용한 전기에너지 생성 방법 - Google Patents

전기에너지 생성 액정 소자 및 이를 이용한 전기에너지 생성 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR102643226B1
KR102643226B1 KR1020210071265A KR20210071265A KR102643226B1 KR 102643226 B1 KR102643226 B1 KR 102643226B1 KR 1020210071265 A KR1020210071265 A KR 1020210071265A KR 20210071265 A KR20210071265 A KR 20210071265A KR 102643226 B1 KR102643226 B1 KR 102643226B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
liquid crystal
flexible electrode
electrical energy
crystal device
clause
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
KR1020210071265A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20220162979A (ko
Inventor
김종현
이재훈
이준용
유정선
Original Assignee
충남대학교산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 충남대학교산학협력단 filed Critical 충남대학교산학협력단
Priority to KR1020210071265A priority Critical patent/KR102643226B1/ko
Publication of KR20220162979A publication Critical patent/KR20220162979A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102643226B1 publication Critical patent/KR102643226B1/ko
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/30—Piezoelectric or electrostrictive devices with mechanical input and electrical output, e.g. functioning as generators or sensors
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
    • G02F1/133—Constructional arrangements; Operation of liquid crystal cells; Circuit arrangements
    • G02F1/1333—Constructional arrangements; Manufacturing methods
    • G02F1/1337—Surface-induced orientation of the liquid crystal molecules, e.g. by alignment layers
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
    • G02F1/137—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells characterised by the electro-optical or magneto-optical effect, e.g. field-induced phase transition, orientation effect, guest-host interaction or dynamic scattering
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N11/00—Generators or motors not provided for elsewhere; Alleged perpetua mobilia obtained by electric or magnetic means
    • H02N11/002—Generators
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80—Constructional details
    • H10N30/85—Piezoelectric or electrostrictive active materials
    • H10N30/857—Macromolecular compositions
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80—Constructional details
    • H10N30/87—Electrodes or interconnections, e.g. leads or terminals
    • H10N30/872—Interconnections, e.g. connection electrodes of multilayer piezoelectric or electrostrictive devices
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80—Constructional details
    • H10N30/87—Electrodes or interconnections, e.g. leads or terminals
    • H10N30/877—Conductive materials

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Liquid Crystal (AREA)

Abstract

본 발명은 전기에너지를 생성 시킬 수 있는 액정 소자에 관한 것으로, 상세하게 서로 이격 대향하여 위치하는 제1유연성 전극과 제2유연성 전극; 이격에 의한 공간의 일부를 밀폐된 공간으로 구획하는 절연성 측벽; 및 측벽에 의해 구획되는 밀폐된 공간에 위치하는 액정 셀(cell);을 포함하고, 적어도 제1유연성 전극 및 제2유연성 전극 중 부착대상의 부착면에 대향하는 일 전극의 양단부가 상기 부착면에 고정되는 전기에너지 생성 액정 소자에 관한 것이다.

Description

전기에너지 생성 액정 소자 및 이를 이용한 전기에너지 생성 방법{Liquid Crystal Device for Generation of Electrical Energy and Method for Generation of Electrical Energy using the Same}
본 발명은 전기에너지 생성 액정 소자 및 이를 이용한 전기에너지 생성 방법에 관한 것으로 상세하게, 액정의 변전효과(flexoelectric effect)를 이용하여 전기에너지를 생성할 수 있는 액정 소자 및 이를 이용한 전기에너지 생성 방법에 관한 것이다.
4차 산업혁명 시대를 맞아 초소형 전자기기(microelectronics)나 웨어러블 기기(wearable device)의 개발이 본격화되고 있으며, 이와 더불어 이러한 기기들의 작동에 필요한 전기에너지를 소비 습관, 장소 또는 시간에 따라 다양한 방법으로 생산할 수 있는 방안에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
전기에너지 생성의 다양한 방법으로 물리적, 화학적 및 생물학적 현상을 이용한 다양한 기술들이 개발되고 있고, 그 중에서도 몇몇의 기술들은 인간의 일상과 밀접한 관계가 있으며, 다양한 인간의 움직임으로부터 전기에너지를 형성 시킬 수 있는 기술의 가능성에 대한 연구 역시 많은 관심을 받고 있다.
일 예로, 기계적 스트레스를 인가하여 결정(crystal)내에 존재하는 원자들의 변위(displacement)로부터 기인하는 압전효과(piezoelectric effect)에 의해 전기를 발생시킬 수 있는 압전소자가 있으나, 이는 대칭 중심을 갖지 않는 결정 구조에서 압전성이 나타나거나, 압전효과는 균일한 변위(uniform displacement)에 의해 야기되기 때문에 그 사용에 있어 한계가 있다.
이와는 달리, 재료의 변형 구배(deformation gradient)로부터 야기되는 전기 분극(electric polarization) 현상이 일어나는 변전효과(flexoelectric effect)에 의해 전기를 발생시킬 수 있는 방법이 있다. 이러한 변전효과는 세라믹, 고분자 및 생물학적 박막 뿐 아니라 액정(liquid crystal)에서도 나타날 수 있다.
특히, 액정은 방향 정렬성과 전기적, 자기적 및 광학적 이방성의 특성을 가지고 있어 디스플레이 분야에 널리 사용되고 있으며, 대한민국 등록특허 제 10-1166084호에서는 외부 자극을 통한 압전효과와 변전효과에 의해 발생될 수 있는 전하량 변화를 감지(센싱)할 수 있는 액정 터치스크린 패널을 제공하고 있다.
이처럼, 액정의 변전효과는 대부분 디스플레이 분야에 한정되어 사용되었으나, 전술한 바와 같이, 발전하는 초소형 전자기기나 웨어러블 기기를 효과적으로 사용하기 위해서는 액정의 변전효과를 이용하여 전기에너지를 발생시킬 수 있는 에너지원으로써의 액정 소자가 개발될 필요성이 있다.
대한민국 등록특허 제 10-1166084호
본 발명은 전기에너지를 생성시킬 수 있는 액정 소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 실질적으로 전자기기의 작동이 가능한 전기에너지 생성 액정 소자를 포함하는 전기에너지 생성 모듈을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 액정 소자를 이용하여 전기에너지를 생성시키는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 양태에 따른 전기에너지 생성 액정 소자는 서로 이격 대향하여 위치하는 제1유연성 전극과 제2유연성 전극; 이격에 의한 공간의 일부를 밀폐된 공간으로 구획하는 절연성 측벽; 및 절연성 측벽에 의해 구획되는 밀폐된 공간에 위치하는 액정 셀(cell);을 포함하되 적어도 상기 제1유연성 전극 및 제2유연성 전극 중 부착대상의 부착면에 대향하는 일 전극의 양단부가 상기 부착면에 고정될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기에너지 생성 액정 소자에 있어, 액정 셀은 수직(homeotropic) 배향, 수평(planar) 배향, 하이브리드(hybrid) 배향 및 패턴(patterned) 배향 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 배향으로 정렬된 액정을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기에너지 생성 액정 소자에 있어, 액정은 네마틱 상일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기에너지 생성 액정 소자에 있어, 제1유연성 전극과 제2유연성 전극은 10 내지 100 μm의 거리로 이격된 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기에너지 생성 액정 소자에 있어, 길이(L) x 너비(W)로 정의되는 액정 셀의 면적은 10 내지 10000 mm2일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기에너지 생성 액정 소자에 있어, 액정 셀에서 L : W의 비는 1 : 1.5 내지 20일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기에너지 생성 액정 소자에 있어, 제1유연성 전극과 제2유연성 전극은 금속, 고분자 전도체 및 투명 전도성 금속 산화물 중에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기에너지 생성 액정 소자에 있어, 제1유연성 전극 및 제2유연성 전극은 외부로 노출되는 일 면에 너비 방향으로 복수개의 홈을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기에너지 생성 액정 소자에 있어, 액정 소자를 이용하여 생성된 기전력은 1 내지 1000 mV일 수 있다.
본 발명은 본 발명의 일 양태에 따라 제공되는 전기에너지 생성 액정 소자를 복수개 포함하며, 전기에너지 생성 액정 소자가 전기적으로 직렬 및 병렬 구조 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 구조로 연결된 전기에너지 생성 모듈을 제공한다.
본 발명은 또 다른 일 양태에 따라 전술한 전기에너지 생성 액정 소자를 이용한 전기에너지 생성 방법을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기에너지 생성 액정 소자를 이용한 전기에너지 생성 방법에 있어, 액정 소자의 탄성변형에 의해 액정 소자에 포함된 액정 셀의 변전효과로부터 유도되는 전기분극(electric polarization)에 의해 기전력이 생성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기에너지 생성 액정 소자를 이용한 전기에너지 생성 방법에 있어, 탄성변형에 의해 액정은 스플레이(splay) 및 굽힙(bend) 변형에서 선택되는 어느 하나 이상의 변형으로 유도될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기에너지 생성 액정 소자를 이용한 전기에너지 생성 방법에 있어, 탄성변형 시 탄성변형의 방향과 액정의 정렬된 방향은 서로 평행한 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기에너지 생성 액정 소자를 이용한 전기에너지 생성 방법에 있어, 탄성변형은 길이(L) x 너비(W)로 정의되는 상기 액정 셀의 면적에서 너비 방향으로 더 일어나는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기에너지 생성 액정 소자를 이용한 전기에너지 생성 방법에 있어, 너비 방향으로 더 일어나는 탄성변형은 제1유연성 전극 및 제2유연성 전극에 포함된 복수개의 홈으로부터 유도되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기에너지 생성 액정 소자를 이용한 전기에너지 생성 방법에 있어, 탄성변형은 길이 방향으로 액정 셀의 양단부면이 변형 전의 각도 대비적어도 20도 이상의 각도로 변형된 것일 수 있다.
본 발명에 따른 액정 소자는 서로 이격 대향하여 위치하는 제1유연성 전극과 제2유연성 전극 및 이격된 공간에 액정 셀을 포함하고, 제1유연성 전극과 제2유연성 전극 중 부착대상의 부착면에 대향하는 일 전극의 양단부가 부착면에 고정됨으로써, 부착대상에 용이하게 부착될 수 있는 적합한 구조 및 모양을 가질 수 있고, 부착대상에 부착되어 부착대상의 다양한 움직임으로부터 전기에너지를 생성 시킬 수 있다.
도 1(a)는 일 실시예에 따라 제조된 전기에너지 생성 액정 소자를 모식적으로 나타낸 모식도이고, 도 1(b)는 부착대상의 부착면에 일 전극의 양단부가 부착면에 고정된 액정 소자 및 액정 셀의 변형이 유도된 액정 소자를 도시한 도면이다.
도 2는 이동 변위에 따른 일 실시예에 포함된 액정 셀의 변형 정도를 도시한 도면으로 변형 정도는 도 1(b)에 도시된 액정 소자의 모식도를 기준으로 액정 소자의 정면 뷰에서 이동 변위에 따른 액정 셀의 높이로 나타내었으며, 도 2(a)는 일 실시예의 이동 변위가 2mm일 때의 액정 셀의 변형정도를 나타낸 것이고, 도 2(b)는 일 실시예의 이동 변위가 5mm 일 때의 액정 셀의 변형정도를 나타낸 것이다.
도 3(a)는 이론적으로 계산된 결과값을 바탕으로 2mm의 이동 변위에 따라 액정 셀의 변형이 유도된 실시예 1의 액정 소자에서 액정이 스플레이 변형일 때의 방향자와 전기분극을 도시한 도면이고, 도 3(b)는 이론적으로 계산된 결과값을 바탕으로 변형이 일어난 액정 셀의 각 지점에서의 이동 변위에 따른 전기분극의 분포를 도시한 도면이다.
도 4(a)는 이동 변위에 따른 실시예 1의 액정 소자를 통해 측정된 기전력을 도시한 도면이고, 도 4(b)는 이동 변위가 4mm일 때의 실시예 1 내지 실시예 3에 따라 제조된 액정 소자를 통해 생성된 기전력의 측정 결과를 도시한 도면이다.
도 5(a) 및 도 5(b)는 4mm 이동 변위에 따른 각각 실시예 1 및 비교예를 통해 측정된 기전력을 시간에 따라 도시한 도면이다.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 전기에너지 생성 액정 소자를 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 이하 제시되는 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다. 이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
또한 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 사용되는 단수 형태는 문맥에서 특별한 지시가 없는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 의도할 수 있다.
본 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용된다.
본 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 특별히 한정하지 않는 한, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.
본 발명의 일 양태에 따른 전기에너지 액정 소자는 서로 이격 대향하여 위치하는 제1유연성 전극과 제2유연성 전극; 이격에 의한 공간의 일부를 밀폐된 공간으로 구획하는 절연성 측벽; 및 측벽에 의해 구획되는 밀폐된 공간에 위치하는 액정 셀(cell);을 포함하되 적어도 제1유연성 전극 및 제2유연성 전극 중 부착대상의 부착면에 대향하는 일 전극의 양단부가 부착면에 고정될 수 있다.
본 발명의 액정 소자는 서로 이격 대향하여 위치하는 제1유연성 전극과 제2유연성 전극을 포함하여 플렉서블한 전극의 특성을 가질 수 있고, 제1유연성 전극과 제2유연성 전극의 이격된 정도에 따라 형성될 수 있는 공간의 일부를 밀폐된 공간으로 구획하는 절연성 측벽 및 측벽에 의해 구획되는 밀폐된 공간에 위치하는 액정 셀을 포함함에 따라 다양한 구조 및 형태를 가질 수 있다. 또한, 이러한 장점으로부터 부착대상에 용이하게 부착될 수 있으며, 부착대상의 부착면에 대향하는 일 전극의 양단부가 부착면에 고정되어 부착대상의 다양한 움직임으로부터 야기되는 변형 구배에 의해 본 발명의 액정 소자에 포함되는 액정 셀은 전기에너지를 생성 시킬 수 있는 것이다.
본 발명의 일 실시예로, 액정 셀은 수직(homeotropic) 배향, 수평(planar) 배향, 하이브리드(hybrid) 배향 및 패턴(patterned) 배향 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 배향으로 정렬된 액정을 포함할 수 있다.
이 때, 수직 배향이라 함은 제1유연성 전극 및 제2유연성 전극 평면에 실질적으로 수직인 것을 의미할 수 있다. 또한, 실질적으로 수직이라는 의미는 전극 평면의 법선을 기준으로 정렬된 액정의 각도가 8도 이하, 좋게는 5도 이하, 보다 좋게는 3도 이하의 각도로 기울어진 것을 의미할 수 있다.
수평 배향은 제1유연성 전극 및 제2유연성 전극 평면에 실질적으로 수평인 것을 의미할 수 있고, 실질적으로 수평이라 함은 전극 평면과 수평한 선을 기준으로 정렬된 액정의 각도가 전극 평면의 법선 방향으로 8도 이하, 좋게는 5도 이하, 보다 좋게는 3도 이하의 각도로 기울어진 것을 의미할 수 있다.
하이브리드 배향이라 함은 액정이 수직 배향 및 수평 배향 중에서 선택되는 어느 하나의 배향으로 제1유연성 전극이나 제2유연성 전극 평면에 정렬될 경우, 어느 하나의 배향으로 정렬된 액정의 대향면에 위치하는 액정은 상기 선택된 배향과 다르게 정렬된 것을 의미한다. 일 예로, 제1유연성 전극 쪽에 위치하는 액정이 수직 배향으로 정렬되면 제2유연성 전극 쪽에 위치하는 액정은 수평 배향으로 정렬될 수 있고, 제1유연성 전극 쪽에 위치하는 액정이 수평 배향으로 정렬되면 제2유연성 전극 쪽에 위치하는 액정은 수직 배향으로 정렬될 수 있다.
패턴 배향은 제1유연성 전극 및/또는 제2유연성 전극 각각의 전극 평면에서 액정이 일련의 주기성을 갖도록 특정 배향으로 정렬되는 것을 의미하고, 일 예로 각각의 전극 평면에서 액정이 각 위치(각 단위 영역) 마다 다르게 수직 배향 및 수평 배향으로 정렬되어 액정이 패턴화된 형태로 정렬될 수 있다. 즉, 패턴은 각각의 전극 평면에 각각 다른 배향으로 정렬된 액정이 포함되는 단위 영역이 복수개 포함되어 규칙적 또는 불규칙적으로 위치하는 패턴일 수 있다.
일 실시예에 있어, 액정은 네마틱 상일 수 있다.
일반적으로 액정은 보통의 액체에서 정의되지 않는 방향 질서(orientational order)를 가지고 있으며, 위치 질서(positional order)의 정도에 따라 다양한 액정 상이 존재할 수 있다. 네마틱 상은 위치 질서 없이 방향 질서만을 가지는 액정 상으로 액정 분자의 질량 중심은 액체처럼 움직일 수 있다.
이 때, 네마틱 상의 액정은 막대형, 쐐기형, 바나나형 및 디스크 형 구조에서 선택되는 하나 이상의 구조를 포함하는 액정 분자의 형태를 포함할 수 있고, 액정 분자는 대칭적으로 배열된 것일 수 있다.
상세하게, 전술한 배향으로 정렬된 액정을 포함하는 액정 소자는 변형 구배를 가짐에 따라 대칭적으로 배열된 액정 분자의 대칭성이 깨질 수 있으며, 이로 인해 액정 분자의 퍼짐 또는 휨 변형에 의한 변전효과(flexoelectric effect)로부터 거시적으로 유도된 전기 분극(electric polarization)이 나타나서 전기 에너지가 생성되는 것이다. 이 때, 효율적으로 전기에너지를 생성시키기 위해서는 액정 분자의 형태는 막대형 및 쐐기형 중에서 선택되는 것이 바람직하다. 또한, 액정 분자의 쌍극자 모멘트(dipole moment)가 클수록 유리할 수 있다.
일 구체예에 있어, 액정은 액정 분자로 4-시아노-4'-펜틸바이페닐 (4-cyano-4'-pentylbiphenyl, 5CB), 4-시아노-4'-헥실바이페닐(4-cyano-4'-hexylbiphenyl, 6CB), 4-시아노-4'-헵틸바이페닐(4-cyano-4'- heptylbipheny; 7CB) 및 4-시아노-4'-옥틸바이페닐(4-cyano-4'-octylbipheny; 8CB) 중에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.
다른 일 예로, 액정은 액정 분자에서 분자의 특성이 두드러지게 나타나는 메조겐 분자 2개가 연결된 바이메조게닉 화합물을 포함할 수 있으며, 일 예로, 알파-(2', 4-디플루오르바이페닐-4'-에스테르)-오메가-(4-디플루오르바이페닐-4'-에스테르)노난(α-(2',4-difluorobiphenyl-4'-ester)-ω(2',4-difluorobiphenyl-4'-ester)nonane, FFE9EFF), 알파-(2', 4-디플루오르바이페닐-4'-에스테르)-오메가-(4-디플루오르바이페닐-4'-에스테르)운데칸(α-(2',4-difluorobiphenyl-4'-ester)-ω(2',4-difluorobiphenyl-4'-ester)undecane, FFE11EFF), 알파-(2', 4-디플루오르바이페닐-4'-일록시)-오메가-(4-시아노바이페닐-4'-일록시)펜테인(α-(2',4-difluorobiphenyl-4'-yloxy)-ω(4-cyanobiphenyl-4'-yloxy)pentane, FFO5OCB), 알파-(2', 4-디플루오르바이페닐-4'-일록시)-오메가-(4-시아노바이페닐-4'-일록시)헥세인(α-(2',4-difluorobiphenyl-4'-yloxy)-ω'-yloxy)hexane, FFO6OCB) 및 알파-(2', 4-디플루오르바이페닐-4'-일록시)-오메가-(4-시아노바이페닐-4'-일록시)헵테인(α-(2',4-difluorobiphenyl-4'-yloxy)-ω'-yloxy)heptane, FFO7OCB) 중에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 있어, 길이(L) x 너비(W)로 정의되는 액정 셀의 면적은 10 내지 10000 mm2일 수 있고, 구체적으로 50 내지 7000 mm2일 수 있으며, 보다 구체적으로 100 내지 4000 mm2일 수 있다.
액정 셀의 면적이 10 mm2 미만이면 생성되는 전기에너지가 너무 작아 실질적으로 사용하기에는 부족할 수 있고, 액정 셀의 면적이 10000 mm2를 초과 하면 액정 셀에 포함되는 액정의 배열성이 떨어져 전기에너지 생성 효율이 저하될 수 있기 때문에 액정 셀의 변전효과로부터 유도되는 전기 에너지를 효율적으로 생성 시키기 위해서 액정 셀의 면적은 상기 범위를 만족하는 것이 유리하다.
일 구체예로, 액정 셀의 길이(L) : 너비(W)의 비는 1 : 1.1 내지 100일 수 있고, 좋게는 1 : 1.3 내지 50일 수 있으며, 보다 좋게는 1 : 1.5 내지 20일 수 있으며, 보다 더 좋게는 1 : 1.8 내지 15일 수 있으며, 보다 더욱더 좋게는 1 : 2 내지 10일 수 있다.
일 예로, 액정 셀을 포함하는 본 발명의 액정 소자는 너비 방향으로의 변형이 더 일어날 수 있고, 액정 셀의 변전효과로부터 충분한 전기 에너지를 생성하기 위해서는 액정 셀의 길이(L) : 너비(W)의 비가 상기 범위의 조건을 만족하는 것이 바람직하다.
일 실시예로, 본 발명의 액정 소자는 서로 이격 대향하여 위치하는 제1유연성 전극과 제2유연성 전극을 포함할 수 있다.
이 때, 제1유연성 전극 및 제2유연성 전극의 플렉서블한 특성으로부터 본 발명의 액정 소자는 다양한 구조 및/또는 형태를 가질 수 있으며 부착대상에 부착할 시 용이하게 부착될 수 있는 장점이 있다. 또한, 부착대상의 부착면에 대향하는 제1유연성 전극 및 제2유연성 전극 중에서 일 전극의 양단부가 부착면에 고정되어 부착대상의 다양한 움직임으로부터 야기되는 변형 구배를 야기시킬 수 있다.
일 구체예로, 제1유연성 전극과 제2유연성 전극을 포함하는 본 발명의 액정 소자는 인체에 부착되어 변형 구배를 야기시킬 수 있고, 구체적으로 액정 소자의 변형 정도를 크게 하여 전기에너지 생성 효율을 향상시키기 위해 부착대상의 부착면에 대향하는 제1유연성 전극 및 제2유연성 전극 중에서 일 전극의 양단부는 팔꿈치, 무릎, 손목 등 인체의 관절부위에 부착될 수 있으나, 이는 일 예시 일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
일 실시예에 있어, 제1유연성 전극 및 제2유연성 전극의 두께는 10 내지 1000 μm일 수 있고, 구체적으로 50 내지 600 μm일 수 있으며, 보다 구체적으로 100 내지 400 μm일 수 있다.
일 실시예로, 제1유연성 전극 및 제2유연성 전극은 외부로 노출되는 일 면에 너비 방향으로 복수개의 홈을 포함할 수 있다.
여기서 너비 방향이라 함은 전술한 액정 셀의 면적이 길이(L) x 너비(W)로 정의되는데 이 때, 액정 셀의 너비 방향과 동일한 방향임을 의미한다.
외부로 노출되는 제1유연성 전극 및 제2유연성 전극의 일 면에 너비 방향으로 포함된 복수개의 홈은 너비 방향으로 액정 소자의 변형을 용이하게 유발할 수 있을 뿐 아니라 더 큰 변형을 유도할 수 있어 앞서 상술한 액정 셀의 길이(L) : 너비(W)의 비를 갖는 액정 셀에서 액정 소자의 변형으로부터 기인한 변전효과의 효율성을 향상시켜 전기에너지 생성에 유리할 수 있다.
일 구체예로, 홈의 깊이는 1 내지 50 μm일 수 있고, 유리하게 5 내지 30 μm일 수 있으며, 보다 유리하게 10 내지 20 μm일 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
제1유연성 전극과 제2유연성 전극은 전도성을 가지면서 플렉서블한 특성을 갖는 물질이면 제한 없이 사용할 수 있으며, 일 예로, 제1유연성 전극과 제2유연성 전극은 전도성 고분자, 금속 및 투명 전도성 산화물 중에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
전도성 고분자는 일 예로, 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리싸이오펜(polythiophene), 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(poly(3,4-ethylene dioxythiophene, PEDOT)), 폴리아닐린(polyaniline) 및 이들의 혼합물 중에서 선택될 수 있다.
일 예로, 금속은 Au, Ag, Cu, Pt, Al, Ni, Cr, Co, Zn, Mo, Mg 및 W에서 선택되는 1종 이상의 금속을 포함할 수 있고, 구체적으로 전기전도도가 우수한 금속으로 Au, Ag 및 Cu에서 선택되는 1종 이상의 금속을 포함할 수 있으며, 금속은 나노와이어 메쉬, 나노 입자 네트워크, 나노 로드, 나노 플레이크, 나노 섬유 등 다양한 형태로 포함될 수 있으며, 포함되는 금속의 형태로 본 발명이 제한되는 것은 아니다.
다른 일 예로, 전도성 산화물은 불소 함유 산화주석(FTO; Fluorine doped Tin Oxide), 인듐 함유 산화주석(ITO; Indium doped Tin Oxide), 산화아연(ZnO; Zinc Oxide), 알루미늄 함유 산화아연(AZO; Aluminium doped Zinc Oxide), 인듐 함유 산화아연(IZO; Indium doped Zinc Oxide), 갈륨 함유 산화아연(GZO; Gallium doped Zinc Oxide) 및 이들의 복합물에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상일 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되지 않는다.
또한, 제1유연성 전극과 제2유연성 전극은 액정 셀의 단면과 접하는 유연 기판의 일 면에 전술한 전도성 물질이 위치하는 층상 구조일 수 있다.
일 예로, 유연 기판은 폴리이미드(polyimide, PI), 폴리에터르이미드(polyetherimide, PEI), 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethylene terephtalate, PET), 폴리에테르설폰(polyethersulfone, PES), 폴리페닐설폰(polyphenylsulfone, PPS) 폴리에틸렌 나프탈레이트(polyethylene　naphthalate, PEN), 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol, PVA), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 폴리에테프에테르케톤(Polyether ether ketone, PEEK) 및 폴리아릴레이트(polyarylate, PAR) 중에서 선택될 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
제1유연성 전극과 제2유연성 전극이 액정 셀의 단면과 접하는 유연 기판의 일 면에 전술한 전도성 물질을 포함하는 층을 포함 할 경우, 전도성 물질을 포함하는 층의 두께는 1 내지 500 μm일 수 있고, 좋게는 10 내지 200 μm일 수 있으며, 보다 좋게는 유리하게 20 내지 100 μm일 수 있다.
제1유연성 전극과 제2유연성 전극이 플렉서블한 특성을 유지하면서 우수한 전도성을 갖기 위해서는 액정 셀의 단면과 접하는 유연 기판의 일 면에 위치하는 전도성 물질을 포함하는 층의 두께는 상기 범위를 만족하는 것이 바람직하다.
일 구체예에 있어, 제1유연성 전극 및 제2유연성 전극은 액정 셀의 단면과 접하는 일 면에 단분자막을 더 포함할 수 있다. 액정 셀에 포함된 액정은 단분자막에 의해 일정한 방향성을 갖도록 위치하여 전술한 배향으로 정렬될 수 있다.
일 예로 액정의 배향은 액정 셀의 단면과 접하는 제1유연성 전극 및 제2유연성 전극의 일 면에 단분자막을 형성시킴으로써 구현될 수 있으며, 단분자막의 형성은 당업계에 널리 알려진 방식이라면 제한없이 사용될 수 있고, 일 예로, 스프레이 방식, 딥(dip) 방식, 인쇄 방식 등의 방법으로 단분자막이 형성될 수 있다. 또한, 전술한 액정의 다양한 배향은 러빙법이나 편광된 자외선 (polarized UV, PUV) 조사등에 의해 구현될 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
일 예로, 단분자막은 폴리아믹산(polyamic acid), 폴리이미드(poly-imide), 레시틴(lecithin), 나일론(nylon), 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol, PVA)로 이루어 진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 액정의 배향은 액정 셀의 단면과 접하는 제1유연성 전극 및 제2유연성 전극의 일 면에 형성된 단분자막 뿐만 아니라, 전술한 물질군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 수백 nm이하의 두께를 가지는 박막에 의해 구현될 수 있음은 물론이다. 일 예로, 박막의 두께는 500 nm이하, 구체적으로 300 nm이하, 보다 구체적으로 200 nm이하일 수 있고, 하한 값이 제한되는 것은 아니나, 5 nm이상 일 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 있어, 제1유연성 전극과 제2유연성 전극은 5 내지 200 μm의 거리, 구체적으로 10 내지 100 μm의 거리, 보다 구체적으로 40 내지 80 μm의 거리로 이격되어 위치할 수 있다.
제1유연성 전극 및 제2유연성 전극의 이격된 거리가 5 μm 미만이면 액정 소자가 변형되었을 때 전극간의 접촉이 발생할 수 있고, 액정 셀의 변전효과로 발생될 수 있는 전압차가 작아 전기에너지 생성의 효율성이 저하 될 수 있으며, 제1유연성 전극 및 제2유연성 전극의 이격된 거리가 200 μm를 초과하면 제1유연성 전극 및 제2유연성 전극의 사이에 위치하는 액정의 배향상태가 불안정하고, 액정 소자가 변형되었을 때 액정의 움직임이 너무 커지게 되어 전기에너지 생성의 효율성이 저하 될 수 있으므로 제1유연성 전극과 제2유연성 전극은 상기 범위의 거리만큼 이격되어 위치하는 것이 유리하다.
일 구체예로, 본 발명의 액정 소자는 제1유연성 전극 및 제2유연성 전극이 이격되어 위치함으로써 형성된 이격 공간의 일부를 밀폐된 공간으로 구획하는 절연성 측벽을 포함할 수 있다.
절연성 측벽은 제1유연성 전극 및 제2유연성 전극이 이격되어 위치함으로써 형성된 이격 공간의 일부를 밀폐된 공간으로 구획하여 전술한 액정 셀의 면적 및 모양을 선택함에 있어 다양성을 제공할 뿐 아니라, 제1유연성 전극 및 제2유연성 전극의 이격된 거리를 일정하게 유지시키는 역할을 수행 할 수 있다.
일 예로, 밀폐된 공간은 삼각, 사각, 오각 등의 다각형이나 원형 또는 타원 형상일 수 있으며 전술한 밀폐된 공간에 액정 셀이 위치할 수 있다.
이 때, 절연성 측벽의 위치 및 두께는 각각 앞서 상술한 액정 셀의 면적 및 제1유연성 전극과 제2유연성 전극의 이격된 거리와 상응되게 조절될 수 있고, 절연성 측벽은 절연성 물질이면 제한없이 사용될 수 있으며 일 예로, 유리나 프릿 등을 포함할 수 있으나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
일 실시예에 있어, 본 발명의 전기에너지 생성 액정 소자는 0.1 내지 1000 mV, 구체적으로 1 내지 1000 mV, 보다 구체적으로 3 내지 500 mV, 보다 더 구체적으로 3 내지 100 mV, 보다 더욱더 구체적으로 5 내지 20 mV의 기전력을 생성 시킬 수 있다.
서로 이격 대향하여 위치하는 제1유연성 전극과 제2유연성 전극을 포함하여 플렉서블한 전극의 특성을 갖고, 제1유연성 전극과 제2유연성 전극의 이격된 정도에 따라 형성될 수 있는 공간의 일부를 밀폐된 공간으로 구획하는 절연성 측벽 및 측벽에 의해 구획되는 밀폐된 공간에 위치하는 액정 셀을 포함함에 따라 다양한 구조 및 형태를 가질 수 있는 본 발명의 액정 소자는 부착대상의 부착면에 대향하는 일 전극의 양단부가 부착면에 고정되어 부착대상의 다양한 움직임으로부터 전술한 범위의 기전력을 생성 시킬 수 있기 때문에 본 발명의 액정 소자에 포함되는 액정의 변전효과를 이용하여 생성된 전기에너지를 초소형 전자기기나 웨어러블 기기의 작동을 위한 에너지원으로 사용할 수 있는 장점을 가질 수 있는 것이다.
본 발명은 다른 일 양태에 따라 본 발명의 전기에너지 생성 액정 소자를 복수개 포함하며, 상기 전기에너지 생성 액정 소자가 전기적으로 직렬 및 병렬 구조 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 구조로 연결된 전기에너지 생성 모듈을 제공한다.
사용 목적에 따라, 전기에너지 생성 액정 소자는 전기적으로 직렬 및/또는 병렬 구조 중에서 선택적으로 연결될 수 있고, 일 예로, 충분한 전압을 형성하기 위한 목적이라면 직렬로 연결될 수 있으며, 충분한 전하량 즉, 전류를 필요로 하면 병렬로 연결된 전기에너지 생성 모듈이 제공될 수 있다.
본 발명은 또 다른 일 양태에 따라 상술한 전기에너지 생성 액정 소자를 이용한 전기에너지 생성 방법을 포함한다.
일 실시예로, 액정 소자의 탄성변형에 의해 액정 소자에 포함된 액정 셀의 변전효과로부터 유도되는 전기분극(electric polarization)에 의해 기전력이 생성될 수 있다.
상세하게, 액정 소자의 변형 전, 초기에 일정한 방향으로 배향된 액정을 포함하는 액정 소자가 일정한 방향으로 탄성변형이 일어났을 시, 액정의 변전효과로부터 유도된 전기분극이 다시 액정 소자에 포함된 제1유연성 전극 및 제2유연성 전극 표면에 전하를 유도하게 된다. 이 때, 액정 소자의 탄성변형의 정도에 따라 즉, 액정 소자의 탄성변형의 정도는 각 위치마다 다를 수 있고, 탄성변형이 일어나는 각 위치에 따라 유도되는 전기분극의 세기는 다를 수 있으며, 이에 따라 유도된 전기분극의 각 위치에 대응되는 전극 표면에 유도된 전하들은 다른 밀도를 갖게 되고, 다른 전하밀도를 갖도록 유도된 표면 전하에 의한 전기장이 발생될 수 있으며, 이렇게 발생된 전기장이 기전력 역할을 하는 것이다.
일 구체예로, 본 발명의 액정 소자의 탄성변형에 의해 액정은 스플레이(splay) 및 굽힙(bend) 변형에서 선택되는 어느 하나 이상의 변형으로 유도될 수 있다.
이 때, 유도되는 액정의 변형 모드에 따라 액정은 서로 상이한 액정 분자를 포함할 수 있고, 일 예로, 유도되는 액정의 변형이 스플레이 변형일 경우에 액정은 양의 유전률 이방성 액정 분자를 포함할 수 있고, 유도되는 액정의 변형이 굽힘 변형일 경우에 액정은 양의 유전률 이방성 액정 분자를 포함할 수 있다.
여기서 유전률 이방성이란 전기장에 의해서 유도되는 유전분극 정도가 액정 분자 내에서 장축방향과 단축방향에 따라 서로 상이한 특성을 의미하고, 양의 유전률 이방성 액정 분자라 함은 전기장 인가 시 유도 쌍극자 모멘트가 액정 분자의 장축방향으로 발생하는 액정 분자를 의미하며, 음의 유전률 이방성 액정 분자라 함은 전기장 인가 시 유도 쌍극자 모멘트가 액정 분자의 단축방향으로 발생하는 액정 분자를 의미한다.
일 실시예에 있어, 탄성변형 시 탄성변형의 방향과 액정의 정렬된 방향은 서로 평행한 것일 수 있다. 이 때, 액정의 정렬된 방향은 유도된 쌍극자 모멘트 방향과 동일한 방향을 의미할 수 있다.
구체적으로 탄성변형의 방향과 액정의 정렬된 방향이 서로 평행할 경우, 유도된 전기분극의 세기는 변형구배에 따라 다르게 나타날 수 있고, 이로부터 전극 표면이 상이한 전하밀도를 갖도록 전하들이 유도될 수 있으며, 전극 표면에서의 상이한 전하밀도로부터 발생되는 전기장이 기전력이 되는 것이다. 이 때, 변형 정도는 기전력 생성에 있어 주요한 인자일 수 있고, 탄성변형으로부터 유도된 전극 표면에서의 전하밀도 차이가 클수록 전기에너지 생성에 유리할 수 있다.
일 구체예로, 탄성변형은 전술한 길이(L) x 너비(W)로 정의되는 액정 셀의 면적에서 너비 방향으로 더 일어나는 것일 수 있다.
앞서 상술한 액정 셀의 길이(L) : 너비(W)의 비에서 알 수 있듯이, 액정 셀은 길이 대비 너비가 더 크고, 탄성변형이 너비 방향으로 더 일어남으로써 변형구배에 따라 유도된 전기분극에 의해 전극 표면에서 충분한 전하밀도 차이가 나도록 전극 표면에 전하가 유도될 수 있는 것이다.
이 때, 너비 방향으로 더 일어나는 탄성변형은 제1유연성 전극 및 제2유연성 전극에 포함된 복수개의 홈으로부터 유도되는 것일 수 있다. 각 전극에 포함되는 복수개의 홈은 제1유연성 전극 및 제2유연성 전극의 외부로 노출되는 일 면에 너비 방향으로 포함됨에 따라 전술한 탄성변형이 너비 방향으로 용이하게 일어나도록 할 수 있을 뿐 아니라, 더 큰 변형을 유도할 수 있어 전극 표면에 유도된 전하들이 더 큰 전하밀도 차이를 가질 수 있게 하여 액정 셀로부터 유도된 변전효과의 효율성을 향상시킬 수 있으며 그 결과로 전기에너지의 생성 효율 또한 향상될 수 있는 장점을 가질 수 있다.
일 구체예에 있어, 탄성변형은 길이 방향으로 액정 셀의 양단부면이 변형 전의 각도 대비 적어도 15도 이상, 구체적으로 20도 이상, 보다 구체적으로 30도 이상, 보다 더 구체적으로 45도 이상의 각도로 변형된 것일 수 있고, 70도 이하의 각도로 변형된 것일 수 있다.
일 예로, 제1유연성 전극 및 제2유연성 전극 중 부착대상의 부착면에 대향하는 일 전극의 양단부가 부착면에 고정되었을 때, 액정 셀은 변형 되기 전으로 액정 셀의 양단부면을 포함한 액정 셀 단면은 플랫한 상태일 수 있고, 부착대상의 움직임에 따라 액정 소자는 탄성변형이 일어날 수 있으며, 이 때 액정 셀의 양단부면이 전술한 범위의 각도로 변형될 수 있다. 변형된 각도가 15도 미만이면 전기에너지 생성 효율이 떨어져 생산적이지 못하고, 변형된 각도가 70도를 초과하면 유도된 전극분극의 세기가 증가할 수는 있으나 변형구배에 따라 유도되는 전극 표면에서의 전하들이 충분한 전하밀도의 차이를 갖지 못해 생성되는 기전력이 오히려 감소할 수 있으므로 탄성변형은 길이 방향으로 액정 셀의 양단부면이 변형 전의 각도 대비 전술한 범위의 각도로 변형되는 것이 바람직하다.
이하, 실시예를 통해 본 발명에 따른 전기에너지 생성 액정 소자에 대해 더욱 상세히 설명한다. 다만 하기 실시예는 본 발명을 상세히 설명하기 위한 하나의 참조일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 여러 형태로 구현될 수 있다.
또한, 달리 정의되지 않은 한, 모든 기술적 용어 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 당업자 중 하나에 의해 일반적으로 이해되는 의미와 동일한 의미를 갖는다. 본원에서 설명에 사용되는 용어는 단지 특정 실시예를 효과적으로 기술하기 위함이고 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않는다.
(실시예 1)
각각의 130 μm 두께를 갖는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephtalate, PET) 유연 기판 상에 ITO (Sigma Aldrich, surface resistivity 50 ohm/sq) 층을 스퍼터링 방법을 통해 코팅시켰다.
각각의 PET 기판 상에 코팅된 ITO 층 상(제1유연성 전극 및 제2유연성 전극)에 인쇄방식을 이용하여 레시틴 단분자막을 형성시킨 후 60 μm 두께의 절연성 측벽을 에폭시를 이용하여 제1유연성 전극 및 제2유연성 전극을 각각의 전극에 형성된 레시틴 단분자막이 대향하도록 고정시킨 다음 길이(L) x 너비(W)가 1.2 x 2 cm2인 셀 면적을 갖도록 셀 경계면을 에폭시로 고정시켰다.
이 후, 4-시아노-4'-펜틸바이페닐(5CB, Qingdao) 액정 조성물을 고정된 셀 영역에 주입하여 수직 배향으로 정렬되고 네마틱 상의 액정을 포함하는 액정 셀을 포함하는 전기에너지 생성 액정 소자를 제조하였다.
(실시예 2)
실시예 1과 동일하게 제조하되, 20 μm 두께의 절연성 측벽을 에폭시를 이용하여 제1유연성 전극 및 제2유연성 전극이 이격되도록 고정시켰다.
(실시예 3)
실시예 1과 동일하게 제조하되, 40 μm 두께의 절연성 측벽을 에폭시를 이용하여 제1유연성 전극 및 제2유연성 전극이 이격되도록 고정시켰다.
(실시예 4)
실시예 1과 동일하게 제조하되, 코팅된 ITO 층과 대향하는 PET 유연 기판의 일 면에 너비 방향으로 13 μm의 깊이를 갖는 홈 5개를 레이저를 이용하여 형성시켰다.
(비교예)
액정 셀에 포함되는 액정이 아이소트로픽 상인 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 전기에너지 생성 액정 소자를 제조하였다.
도 1(a)는 일 실시예에 따라 제조된 전기에너지 생성 액정 소자를 모식적으로 나타낸 모식도이고, 도 1(b)는 부착대상의 부착면에 일 전극의 양단부(길이방향)가 부착면에 고정된 액정 소자 및 액정 셀의 변형이 유도된 액정 소자를 도시한 도면이다.
도 1(b)에 나타난 바와 같이, 일 전극의 양단부 중 일 단부가 부착된 면을 고정시키고, 다른 일 단부가 부착된 면을 상기 일 단부가 부착된 고정된 면 방향으로 이동시킴으로써 즉, 이동 변위(displacement)에 따라 다른 액정 셀의 변형을 유도하고 이에 따른 액정 셀의 변형 정도 및 생성된 기전력의 변화를 관찰하였다.
도 2는 실시예 1의 이동 변위에 따른 액정 셀의 변형 정도를 도시한 도면으로 변형 정도는 도 1(b)에 도시된 액정 소자의 모식도를 기준으로 액정 소자의 정면 뷰에서 이동 변위에 따른 액정 셀의 높이로 나타내었다. 즉, 높이가 0일 때 액정 셀이 변형되기 전인 기준인 것이다.
도 2(a)는 실시예 1의 이동 변위가 2mm일 때의 액정 셀의 변형정도를 나타낸 것이고, 도 2(b)는 실시예 1의 이동 변위가 5mm 일 때의 액정 셀의 변형정도를 나타낸 것이다.
이동 변위가 2mm 및 5mm일 때, 길이 방향으로 액정 셀의 양단부면이 변형 전의 각도 대비 각각 15도 및 40도로 관찰되었다.
도 3(a)는 2mm의 이동 변위에 따라 액정 셀의 변형이 유도된 실시예 1의 액정 소자에서 액정이 스플레이 변형일 때의 방향자와 전기분극을 하기 식 1에 따라 계산된 결과를 도시한 도면이고, 도 3(b)는 변형이 일어난 액정 셀의 각 지점에서의 식 1에 따라 계산된 이동 변위에 따른 전기분극의 분포를 도시한 도면이다.
(식 1)
식 1에서 는 전기분극이고, 은 방향자이며, 은 스플레이 변형에서의 변전계수(flexoelectric coefficient)이며, 은 액정 셀의 길이이며, 는 변형되었을 때의 액정 셀의 높이이며 는 이동변위이다.
도 3(a)에서 알 수 있듯이, 탄성변형이 일어난 액정 셀의 각각의 지점에서 방향자(빨간색 화살표)의 방향과 전기분극(검은색 화살표)의 방향은 서로 동일한 방향을 가지나, 각각의 지점에서 전기분극의 세기는 서로 상이하게 나타남을 알 수 있다.
도 3(b)에서는 액정 셀의 변형 정도도 증가하게 될 때, 즉, 이동 변위가 2mm에서 6mm로 증가됨에 따라 전기분극의 세기 역시 증가함과 동시에 각 지점에서의 전기 분극의 세기 차이가 더 크게 나는 것을 확인하였다. 이와 같이, 각 지점에서의 전기 분극의 세기 차이가 더 크게 날수록 전기분극에 의해 유도되는 전하의 밀도가 전극 표면에서 상이하게 나타나 유도되는 전기장이 커져 더 큰 전기에너지를 생성시킬 수 있는 것이다.
도 4(a)는 이동 변위에 따른 실시예 1의 액정 소자를 통해 측정된 기전력을 도시한 도면이다.
실질적으로 이동 변위에 따라 측정된 기전력은 앞서 상술한 식 1에 의해 계산된 이동 변위가 증가함에 따라 각 지점에서의 유도된 전기분극의 세기의 차이가 증가되어 더 큰 전기에너지가 생성되는 결과와 일치함을 확인하였다.
측정된 기전력은 이동 변위가 2mm, 4mm 및 6mm 일 때, 각각 6.1 mV, 8.1 mV 및 9.3 mV였다. 이 때, 이동 변위가 증가할수록 생성되는 기전력은 증가하나, 그 상승폭은 감소함을 알 수 있는데 이는 이동 변위가 증가함에 따라 유도된 전기분극의 세기는 증가하나 변형된 액정 셀의 각 지점에서의 전기분극의 세기 차이가 감소하여 전극표면에 유도되는 전하밀도의 차이가 감소하기 때문인 것으로 판단된다.
도 4(b)는 이동 변위가 4mm일 때의 실싱예 1 내지 실시예 3에 따라 제조된 액정 소자를 통해 생성된 기전력의 측정 결과를 도시한 도면이다.
제1유연성 전극 및 제2유연성 전극이 이격된 거리(cell gap)에 따라 생성된 기전력은 차이가 있음을 확인하였고, cell gap이 증가할수록 더 큰 기전력이 생성됨을 확인하였고, 이는 cell gap이 증가할수록 탄성변형에 따라 유도되는 전기분극의 세기 차이가 더 크게 나타나기 때문이다.
도 5(a) 및 도 5(b)는 4mm 이동 변위에 따른 각각 실시예 1 및 비교예를 통해 측정된 기전력을 시간에 따라 도시한 도면이다.
4mm 이동 변위를 주어 탄성변형된 액정 소자는 시간이 지남에 따라 원래대로 회복하고 이에 따른 기전력 변화를 관찰한 결과, 실시예 1은 4mm의 이동 변위에 따른 탄성 변형이 중지되었을 때 약 8 mV의 최대 기전력이 측정되고 시간이 지남에 따라 생성된 기전력은 점차 감소 후, 변형 전의 형태로 복원되는 동안 반대 방향으로의 기전력이 생성되는 것을 확인하였다. 이 후, 변형 전의 형태로 완전히 복원되었을 때 측정된 기전력은 0 mV였다.
이와는 달리, 비교예는 생성된 기전력이 실시예 1 대비 매우 작았고, 시간이 지남에 따라 매우 불규칙하게 기전력이 생성되는 것이 관찰되었는데 이는, 전극 주변에 존재할 수 있는 네마틱 상의 방향자의 파동(fluctuation)으로부터 기인한 것으로 판단된다.
추가적으로 제1유연성 전극 및 제2유연성 전극의 외부로 노출되는 일 면 즉, 코팅된 ITO 층과 대향하는 PET 유연 기판의 일 면에 너비 방향으로 복수개의 홈을 포함하는 액정 소자(실시예 4)를 이용하여 이동 변위에 따라 측정된 기전력을 실시예 1를 통해서 측정된 기전력과 비교한 결과, 각 이동 변위의 조건에서 평균적으로 약 1.4배 높은 기전력이 생성됨을 확인하였다.
또한, 길이(L) x 너비(W)로 정의되는 액정 셀 면적에서 너비가 길이 대비 클수록 변형이 일어나는 각 지점에서 변형구배에 따라 유도되는 전기분극의 세기의 차이가 더 크게 되어 기전력 생성의 효율성이 증가됨을 확인하였다.
이상과 같이 특정된 사항들과 한정된 실시예를 통해 본 발명이 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (17)

  1. 서로 이격 대향하여 위치하는 제1유연성 전극과 제2유연성 전극;
    상기 이격에 의한 공간의 일부를 밀폐된 공간으로 구획하는 절연성 측벽; 및
    상기 측벽에 의해 구획되는 밀폐된 공간에 위치하는 액정 셀(cell);을 포함하되
    적어도 상기 제1유연성 전극 및 제2유연성 전극 중 부착대상의 부착면에 대향하는 일 전극의 양단부가 상기 부착면에 고정되고,
    상기 제1유연성 전극 및 제2유연성 전극은 외부로 노출되는 일 면에 너비 방향으로 복수개의 홈을 포함하는 전기에너지 생성 액정 소자.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 액정 셀은 수직(homeotropic) 배향, 수평(planar) 배향, 하이브리드(hybrid) 배향 및 패턴(patterned) 배향 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 배향으로 정렬된 액정을 포함하는 전기에너지 생성 액정 소자.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 액정은 네마틱 상인 전기에너지 생성 액정 소자.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제1유연성 전극과 제2유연성 전극은 10 내지 100 μm의 거리로 이격된 것인 전기에너지 생성 액정 소자.
  5. 제 1항에 있어서,
    길이(L) x 너비(W)로 정의되는 상기 액정 셀의 면적은 10 내지 10000 mm2인 전기에너지 생성 액정 소자.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 L : W의 비는 1 : 1.5 내지 20인 전기에너지 생성 액정 소자.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 제1유연성 전극과 제2유연성 전극은 금속, 고분자 전도체 및 투명 전도성 금속 산화물 중에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 전기에너지 생성 액정 소자.
  8. 삭제
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 생성된 기전력은 1 내지 1000 mV인 전기에너지 생성 액정 소자.
  10. 제 1항 내지 제 7항 및 제 9항 중 어느 한 항에 따른 전기에너지 생성 액정 소자를 복수개 포함하며, 상기 전기에너지 생성 액정 소자가 전기적으로 직렬 및 병렬 구조 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 구조로 연결된 전기에너지 생성 모듈.
  11. 제 1항 내지 제 7항 및 제 9항 중 어느 한 항에 따른 전기에너지 생성 액정 소자를 이용한 전기에너지 생성 방법.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 액정 소자의 탄성변형에 의해 액정 소자에 포함된 액정 셀의 변전효과로부터 유도되는 전기분극(electric polarization)에 의해 기전력이 생성되는 전기에너지 생성 방법.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 탄성변형에 의해 액정은 스플레이(splay) 및 굽힙(bend) 변형에서 선택되는 어느 하나 이상의 변형으로 유도되는 전기에너지 생성 방법.
  14. 제 12항에 있어서,
    상기 탄성변형 시 탄성변형의 방향과 상기 액정의 정렬된 방향은 서로 평행한 것인 전기에너지 생성 방법.
  15. 제 12항에 있어서,
    상기 탄성변형은 길이(L) x 너비(W)로 정의되는 상기 액정 셀의 면적에서 너비 방향으로 더 일어나는 것인 전기에너지 생성 방법.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 너비 방향으로 더 일어나는 탄성변형은 상기 제1유연성 전극 및 제2유연성 전극에 포함된 복수개의 홈으로부터 유도되는 것인 전기에너지 생성 방법.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 탄성변형은 길이 방향으로 상기 액정 셀의 양단부면이 변형 전의 각도 대비 적어도 20도 이상의 각도로 변형된 것인 전기에너지 생성 방법.
KR1020210071265A 2021-06-02 2021-06-02 전기에너지 생성 액정 소자 및 이를 이용한 전기에너지 생성 방법 Active KR102643226B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210071265A KR102643226B1 (ko) 2021-06-02 2021-06-02 전기에너지 생성 액정 소자 및 이를 이용한 전기에너지 생성 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210071265A KR102643226B1 (ko) 2021-06-02 2021-06-02 전기에너지 생성 액정 소자 및 이를 이용한 전기에너지 생성 방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20220162979A KR20220162979A (ko) 2022-12-09
KR102643226B1 true KR102643226B1 (ko) 2024-03-05

Family

ID=84440415

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020210071265A Active KR102643226B1 (ko) 2021-06-02 2021-06-02 전기에너지 생성 액정 소자 및 이를 이용한 전기에너지 생성 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102643226B1 (ko)

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5216728A (en) * 1991-06-14 1993-06-01 Corning Incorporated Optical fiber amplifier with filter
KR101166084B1 (ko) 2011-03-22 2012-07-23 고려대학교 산학협력단 액정 터치스크린 패널
KR20180070541A (ko) * 2018-06-19 2018-06-26 부산대학교 산학협력단 압전소자

Also Published As

Publication number Publication date
KR20220162979A (ko) 2022-12-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100915708B1 (ko) 도전성 박막과 전극을 구비한 발열기판 및 이의 제조방법
Patil et al. Efficient electrochromic properties of high-density and large-area arrays of one-dimensional NiO nanorods
Matsumoto et al. Exceptionally high electric double layer capacitances of oligomeric ionic liquids
Yang et al. Organic liquid-crystal devices based on ionic conductors
Guo et al. Roll-to-Roll continuous manufacturing multifunctional nanocomposites by electric-field-assisted “Z” direction alignment of graphite flakes in poly (dimethylsiloxane)
EP2637862B1 (en) Transparent graphene conductor with permanent dipole layer
US8194053B2 (en) Touch panel including nanowire
US20100328053A1 (en) Array-type tactile feedback touch panel
US20110299015A1 (en) Liquid crystal display screen
WO2013151590A2 (en) Triboelectric generator
CN101852934A (zh) 触摸式液晶显示屏
US7387856B2 (en) Display comprising liquid crystal droplets in a hydrophobic binder
US20140022208A1 (en) Color filter substrate and touch display panel using same
Zhu et al. Solvent-enhanced transparent stretchable polymer nanocomposite electrode for supercapacitors
CN108698384B (zh) 塑料单元及其制造方法
KR102653711B1 (ko) 접촉 감응 소자 및 그를 포함하는 표시 장치
KR102643226B1 (ko) 전기에너지 생성 액정 소자 및 이를 이용한 전기에너지 생성 방법
US11175544B2 (en) Stretchable electrooptical and mechanooptical devices comprising a liquid crystal cell disposed between first and second ionic conducting gel layers
Mai et al. Enhanced-performance droplet-triboelectric nanogenerators with composite polymer films and electrowetting-assisted charge injection
KR102595670B1 (ko) 접촉 감응 소자, 이를 포함하는 표시 장치 및 이의 제조 방법
CN108474977B (zh) 塑料单元及其制造方法
Chen et al. Electrochemical fabrication of a memory device based on conducting polymer nanocomposites
CN113056703B (zh) 包含电泳材料的压敏书写介质
CN109346211B (zh) 一种复合结构透明导电膜
KR100662199B1 (ko) 탄소나노튜브 및 전도성 폴리머 전극을 갖는 전자종이디스플레이 장치 및 그 제조방법

Legal Events

Date Code Title Description
PA0109 Patent application

Patent event code: PA01091R01D

Comment text: Patent Application

Patent event date: 20210602

PA0201 Request for examination
PG1501 Laying open of application
E902 Notification of reason for refusal
PE0902 Notice of grounds for rejection

Comment text: Notification of reason for refusal

Patent event date: 20230816

Patent event code: PE09021S01D

E701 Decision to grant or registration of patent right
PE0701 Decision of registration

Patent event code: PE07011S01D

Comment text: Decision to Grant Registration

Patent event date: 20240226

GRNT Written decision to grant
PR0701 Registration of establishment

Comment text: Registration of Establishment

Patent event date: 20240228

Patent event code: PR07011E01D

PR1002 Payment of registration fee

Payment date: 20240229

End annual number: 3

Start annual number: 1

PG1601 Publication of registration