KR101358291B1

KR101358291B1 - 액체의 접촉각 및 접촉면적의 변화를 이용한 에너지 전환 장치

Info

Publication number: KR101358291B1
Application number: KR1020120121909A
Authority: KR
Inventors: 권순형; 김원근; 한철종; 이정노
Original assignee: 서울대학교산학협력단; 전자부품연구원
Priority date: 2012-10-31
Filing date: 2012-10-31
Publication date: 2014-02-12
Also published as: US20150061459A1; EP2838191B1; WO2014069894A1; EP2838191A1; EP2838191A4; US10090783B2; JP2015516794A; JP5960905B2

Abstract

본 발명은 액체의 접촉각 및 접촉면적의 변화를 이용한 에너지 전환 방법 및 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전기습윤(electrowetting)현상의 반대현상을 응용하여 기계적 에너지를 전기 에너지로 전화시키는 방법 및 장치에 관한 것으로 대향하는 두 개의 기판 사이에 액체와 가스를 위치시키고 유체의 체적변화를 이용하여 에너지를 전환함으로써, 채널 막힘현상을 방지할 수 있고, 대향하는 전극이 모두 패턴될 필요성이 없고, 장치구성을 단순화하였고, 제어가 용이하며, 외부 전원인가의 필요성이 없는 장점이 있다.

Description

액체의 접촉각 및 접촉면적의 변화를 이용한 에너지 전환 장치 {Apparatus for energy harvesting using change of Wetting angle and contact area of liquid}

본 발명은 유체를 이용한 에너지 전환 방법 및 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전기습윤(electrowetting)현상의 반대현상을 응용하여 기계적 에너지를 전기 에너지로 전환시키는 방법 및 장치에 관한 것이다.

종래의 유체를 이용하여 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 기술들은 유전물질과 접하고 있는 액체금속의 접촉면적을 시간의 흐름에 따라 변화시켜 유전물질 아래 위치하는 전극에 전기용량(capacitance)을 발생시키는 원리를 이용한다.

종래의 유체를 이용한 에너지 전환 방법 및 장치는 미국등록특허 7,898,096호에서 개시하고 있다.

도 1은 종래의 유체를 이용한 에너지 전환 장치의 개념도이다. 도 1을 참조하면, 종래의 유체를 이용한 에너지 전환 장치는 가늘고 긴 형상의 채널의 벽에 일정한 패턴으로 전극을 형성하고, 전극의 상부에는 유전물질층을 형성시킨다. 그리고 채널의 내부에는 작은 물방울 형태의 전도성 액체와 비전도성 액체를 주입하고, 이러한 물방울 형태의 전도성 액체에 외부전원으로부터 전압을 인가하여 전도성 액체를 분극시킨다.

이 상태에서 채널과 연결되어 있는 소정의 부분(미도시)에 물리적인 압력을 가하게 되면 분극된 물방울 형태의 전도성 액체는 채널을 따라 이동하게 되고, 이 과정에서 일정한 패턴으로 형성되어 있는 다수의 전극은 이동하는 다수의 전도성 액체 방울과 접촉하는 면적이 시간에 따라 계속적으로 변화하게 되어, 그 결과 전기용량이 변화하여 전기 에너지가 생성된다.

그러나, 종래의 유체를 이용한 에너지 전환 방법 및 장치는 실용화를 위해서는 다양한 문제점들을 가지고 있었다.

먼저, 좁고 가는 채널 내에서 방울형태의 액체금속이 이동하였다가 외부의 힘이 사라지면 다시 원래의 위치로 복귀하는, 가역가능한(reversible)움직임이 어려워 윤활층(lubricating layer)이 별도로 필요하다는 한계점이 있고, 채널 막힘현상이 쉽게 발생하여 동작이 불가능한 경우가 발생한다.

또한, 종래의 유체를 이용한 에너지 전환 방법 및 장치는 좁고 가는 채널 구조를 채용하고 있어, 대향하는 두 전극이 채널의 벽에 일정한 모양으로 패턴되어야 하며, 이러한 구조에 따라 장치구성이 복잡해지고, 전기에너지를 생산하는 모듈의 크기가 커지며, 대량생산이나 원가절감에도 한계가 많았다.

또 다른 문제점으로는 수은 또는 갈린스탄(galinstan)과 같은 액체금속을 사용하여 인체 및 환경에 유해하며, 이러한 전도성 액체를 분극시키기 위해서는 외부로부터 별도의 전원 인가가 필요한 한계점이 있다.

그리고, 종래의 유체를 이용한 에너지 전환 방법 및 장치는 채널구조에서 가역가능한(reversible)한 움직임을 계속적으로 구현해야 하는 점과 섞이지 않는 상이한 두 종류의 액체를 사용해야하기 때문에 제어의 어려움이 있다.

본 발명의 목적은 전극에 접촉하는 액체의 접촉각 및 접촉면적을 물리적 힘에 의해 변화시켜 기계적 에너지를 전기 에너지로 전환하는 유체를 이용한 에너지 전환 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 외부의 물리력에 의해 상호간의 간격이 변화하는 하부 전극기판 및 상부 전극기판; 상기 전극기판들 사이의 간격 변화에 따라 상기 전극기판들 중 적어도 하나와의 접촉각 및 접촉면적이 변화하는 이온성 액체 또는 물; 및 상기 전극기판들 중 적어도 하나 이상에 형성되어, 상기 접촉각 및 접촉면적의 변화에 따라 전기에너지가 발생하도록 하는 에너지 전환층;을 포함하여 구성된 액체의 접촉각 및 접촉면적의 변화를 이용한 에너지 전환 장치가 제공된다.

바람직하게는, 상기 하부 전극기판과 상기 상부 전극기판 사이를 지지하며, 장치 내부와 외부를 서로 격리시키는 격벽;을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 격벽에 의해 격리된 상기 하부 전극기판과 상기 상부 전극기판 사이에 배치된 비전도성 가스;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 에너지 전환층은 무기물층 및 유기물층이 적층되어 구성되고, 상기 에너지 전환층 혹은 이온성 액체와 접촉하는 전극기판 상에 상기 이온성 액체 또는 물의 형상이 외부의 물리력이 제거되면 원래의 형태로 복원될 수 있도록 소수성 물질층이 적층되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 하부 전극기판, 상기 상부 전극기판, 또는 상기 격벽 중 적어도 하나 이상은 외부의 물리력이 제거되면 원래의 형태로 복원되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 격벽은 상기 격벽은 직사각형, 삼각형, 역삼각형, 원형, 타원형 또는 원기둥형 중 적어도 어느 하나의 모양을 가지고, 상기 에너지 전환 장치는 어레이 형태로 연결될 수 있도록 상기 격벽에 의하여 삼각형태, 사각형태, 오각형태, 육각형태, 원형태, 격자형태 또는 벌집형태인 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 상부 전극기판과 상기 하부 전극기판 사이의 간격은 상기 이온성 액체 또는 물의 직경의 크기에 따라 결정되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 유기물층은 폴리메틸메타크릴레이트(PolyMethylMethAcrylate, PMMA), 폴리에틸렌(Polyethylene, PE), 폴리스티렌(Polystyrene, PS), 폴리비닐피롤리돈(Polyvinylpyrrolidone, PVP), 폴리4비닐페놀(poly(4-vinylpenol, PVP)) 또는 폴리이서술폰(polyethersulfone, PES), 폴리(4-메톡시페닐아크릴레이트) (Poly(4-methoxyphenylacrylate); PMPA), 폴리(페닐아크릴레이트) (Poly(phenylacrylate); PPA), 폴리(2,2,2-트리플로로에틸 메타아크릴레이트) (Poly(2,2,2-trifluoroethyl methacrylate); PTFMA), 사이아노에틸풀루란 (Cyanoethylpullulan; CYEPL), 폴리염화비닐 (polyvinyl chloride; PVC), 폴리(파라반사) 수지 (Poly (parabanic acid) resin; PPA), 폴리(t-부틸스티렌) (Poly(t-butylstyrene); PTBS), 폴리티에닐렌비닐렌 (Polythienylenevinylene; PTV), 폴리비닐아세테이트 (Polyvinylacetate; PVA), 폴리(비닐 알코올) (Poly(vinyl alcohol); PVA), 폴리(R메틸스티렌) (Poly(Rmethylstyrene); PAMS), 폴리(비닐 알코올)-코-폴리(비닐 아세테이트)-코-폴리(이타콘산) (Poly(vinyl alcohol)-co-poly(vinyl acetate)-co-poly(itaconic acid); PVAIA), 폴리올레핀 (Polyolefin), 폴리아크릴레이트 (Polyacrylate), 파릴렌-C (Parylene-C), 폴리이미드 (Polyimide), 옥타데실트리클로로실란 (Octadecyltrichlorosilane; OTS), 폴리(트리아릴아민) (Poly(triarylamine); PTTA), 폴리-3-헥실티오펜 (Poly-3-hexylthiophene; P3HT), 가교 결합된 폴리-4-비닐페놀 (cross-linked Poly-4-vinylphenol; cross-linked PVP), 폴리(퍼플로로알케닐비닐 에테르) (Poly(perfluoroalkenylvinyl ether)), 나일론-6 (Nylon-6), n-옥타데실포스포닉 산 (n-Octadecylphosphonic acid; ODPA) 중 적어도 어느 하나의 물질을 포함하고, 상기 무기물층은 산화실리콘(SiO2), 산화티타늄(TiO2), 산화알루미늄(Al2O3), 탄탈(Ta2O5), 오산화 탄탈럼(Tantalum Pentoxide), 산화아연(Zinc oxide, ZnO), 산화탄탈륨(Tantalum pentoxide, Ta2O5), 산화이트륨(Yttrium oxide, Y2O3), 산화세륨(Cerium oxide, CeO2), 이산화타이타늄(titanium dioxide, TiO2), 티탄산바륨(Barium titanate, BaTiO3), 바륨 지르코네이트 티타네이트(Barium zirconate titanate, BZT), 이산화지르코늄(Zirconium dioxide, ZrO2), 산화란탄륨(Lanthanum oxide, La2O3), 하프늄실리케이트(Hafnon, HfSiO4), 란타늄 알루미네이트(Lanthanum Aluminate, LaAlO3), 질화규소(Silicon nitride, Si3N4), Perovskite 물질로는, 스트론튬 티타네이트(Strontium titanate, SrTiO3), 바륨 스트론튬 티타네이트(barium strontium titanate, BST), 티탄산 지르콘산 연(Lead zirconate titanate, PZT), 티탄산칼슘구리(Calcium copper titanate,CCTO), 또는 산화하프늄(HfO2) 중 적어도 어느 하나의 물질을 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 소수성 물질층은 실란(silane)계 물질, 플루오르중합체(fluoropolymer) 물질, 트리클로로실란(Trichlorosilane), 트리에톡시실란(Trimethoxysilane), 펜타플루오르페닐프로필트리클로로실란(Pentafluorophenylpropyltrichlorosilane), (벤질옥시)알킬트리메톡시실란 ((benzyloxy)alkyltrimethoxysilane; BSM-22), (벤질옥시)알킬트리클로로실란 ((benzyloxy)alkyltrichlorosilane; BTS), 헥사메틸디실라잔 (hexamethyldisilazane; HMDS), 옥타데실트리클로로실란 (octadecyltrichlorosilane; OTS), 옥타데실트리메톡시실란 (octadecyltrimethoxysilane; OTMS), 디비닐테트라메틸디실록산-비스-(벤조시클로부텐) (divinyltetramethyldisiloxane-bis(benzocyclobutene); BCB) 중 적어도 어느 하나의 물질을 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 하부전극기판 또는 상기 상부전극기판은 전극을 포함하며, 상기 전전극은 ITO, IGO, 크롬, 알루미늄, IZO(Indium Zinc Oxide), IGZO(Indium Gallium Zinc Oxide), ZnO, ZnO2 또는 TiO2 중 적어도 어느 하나를 포함하는 무기전극이거나 알루미늄, 철 또는 구리 중 적어도 어느 하나를 포함하는 금속전극이거나 페돗(PEDOT, polyethylenedioxythiophene), 탄소나노튜브(CNT, Carbon nano tube), 그래핀(graphene), 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리티오펜(Polythiophene, PT), 폴리피롤(Polypyrrole), 폴리파라페닐렌(polyparaphenylene, PPV), 폴리아닐린(Polyaniline), 폴리설퍼니트리드(poly sulfur nitride) 또는 폴리파라페닐렌비닐렌(polyparaphenylenevinylene) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 유기전극인 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 하부전극기판 또는 상기 상부전극기판 중 적어도 어느 하나는 금속 기판, 유리 기판 또는 고분자 소재의 기판이며, 상기 고분자 소재의 기판은 폴리에틸렌테레프탈레이트(Polyethylene Terephthalate, PET), 폴리아릴레이트(polyarylate, PAR), 폴리메틸메타크릴레이트(PolyMethylMethAcrylate, PMMA), 폴리에틸렌나프탈레이트(PolyethyleneNaphthalate, PEN), 폴리에테르설폰(Polyethersulfone, PES), 폴리이미드(Polyimide, PI), 폴리카보네이트(Polycarbonate, PC) 또는 고분자복합재료(fiber reinforced plastics, FRP) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 플라스틱 기판 또는 필름인 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 이온성 액체는 NaCl, LiCl, NaNo3, Na2SiO3, AlCl3-NaCl, LiCl-KCl, H2O, KCL, Na,NaOH H2SO4, CH3COOH, HF, CuSO4, 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜 또는 AgCl 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 비전도성 가스는 공기, 산소, 질소, 아르곤, 헬륨, 네온, 크립톤, 크세논 또는 라돈 중 적어도 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 외부의 물리력에 의해 상호간의 간격이 변화하는 하부 전극기판 및 상부 전극기판; 상기 전극기판들 사이의 간격 변화에 따라 상기 전극기판들 중 적어도 하나와의 접촉각이 변화하는 전도성 액체; 및 상기 하부 전극기판 및 상기 상부 전극기판에 형성되어, 상기 접촉각의 변화에 따라 전기에너지가 발생하도록 하는 에너지 전환층; 을 포함하여 구성된 액체의 접촉각 및 접촉면적의 변화를 이용한 에너지 전환 장치가 제공된다.

바람직하게는, 상기 에너지 전환층은 무기물층 및 유기물층이 적층되어 구성되고, 상기 에너지 전환층 상에 상기 전도성 액체의 형상이 외부의 물리력이 제거되면 원래의 형태로 복원될 수 있도록 친수성 물질층이 적층된 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 격벽은 직사각형, 삼각형, 역삼각형, 원형, 타원형 또는 원기둥형 중 적어도 어느 하나의 모양을 가지고, 상기 에너지 전환 장치는 어레이 형태로 연결될 수 있도록 상기 격벽에 의하여 삼각형태, 사각형태, 오각형태, 육각형태, 원형태, 격자형태 또는 벌집형태인 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 상부 전극기판과 상기 하부 전극기판 사이의 간격은 상기 전도성 액체의 직경의 크기에 따라 결정되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 유기물층은 폴리메틸메타크릴레이트(PolyMethylMethAcrylate, PMMA), 폴리에틸렌(Polyethylene, PE), 폴리스티렌(Polystyrene, PS), 폴리비닐피롤리돈(Polyvinylpyrrolidone, PVP), 폴리4비닐페놀(poly(4-vinylpenol, PVP)) 또는 폴리이서술폰(polyethersulfone, PES), 폴리(4-메톡시페닐아크릴레이트) (Poly(4-methoxyphenylacrylate); PMPA), 폴리(페닐아크릴레이트) (Poly(phenylacrylate); PPA), 폴리(2,2,2-트리플로로에틸 메타아크릴레이트) (Poly(2,2,2-trifluoroethyl methacrylate); PTFMA), 사이아노에틸풀루란 (Cyanoethylpullulan; CYEPL), 폴리염화비닐 (polyvinyl chloride; PVC), 폴리(파라반사) 수지 (Poly (parabanic acid) resin; PPA), 폴리(t-부틸스티렌) (Poly(t-butylstyrene); PTBS), 폴리티에닐렌비닐렌 (Polythienylenevinylene; PTV), 폴리비닐아세테이트 (Polyvinylacetate; PVA), 폴리(비닐 알코올) (Poly(vinyl alcohol); PVA), 폴리(R메틸스티렌) (Poly(Rmethylstyrene); PAMS), 폴리(비닐 알코올)-코-폴리(비닐 아세테이트)-코-폴리(이타콘산) (Poly(vinyl alcohol)-co-poly(vinyl acetate)-co-poly(itaconic acid); PVAIA), 폴리올레핀 (Polyolefin), 폴리아크릴레이트 (Polyacrylate), 파릴렌-C (Parylene-C), 폴리이미드 (Polyimide), 옥타데실트리클로로실란 (Octadecyltrichlorosilane; OTS), 폴리(트리아릴아민) (Poly(triarylamine); PTTA), 폴리-3-헥실티오펜 (Poly-3-hexylthiophene; P3HT), 가교 결합된 폴리-4-비닐페놀 (cross-linked Poly-4-vinylphenol; cross-linked PVP), 폴리(퍼플로로알케닐비닐 에테르) (Poly(perfluoroalkenylvinyl ether)), 나일론-6 (Nylon-6), n-옥타데실포스포닉 산 (n-Octadecylphosphonic acid; ODPA) 중 적어도 어느 하나의 물질을 포함하고, 상기 무기물층은 산화실리콘(SiO2), 산화티타늄(TiO2), 산화알루미늄(Al2O3),탄탈(Ta2O5), 오산화 탄탈럼(Tantalum Pentoxide), 산화아연(Zinc oxide, ZnO), 산화탄탈륨(Tantalum pentoxide, Ta2O5), 산화이트륨(Yttrium oxide, Y2O3), 산화세륨(Cerium oxide, CeO2), 이산화타이타늄(titanium dioxide, TiO2), 티탄산바륨(Barium titanate, BaTiO3), 바륨 지르코네이트 티타네이트(Barium zirconate titanate, BZT), 이산화지르코늄(Zirconium dioxide, ZrO2), 산화란탄륨(Lanthanum oxide, La2O3), 하프늄실리케이트(Hafnon, HfSiO4), 란타늄 알루미네이트(Lanthanum Aluminate, LaAlO3), 질화규소(Silicon nitride, Si3N4), Perovskite 물질로는, 스트론튬 티타네이트(Strontium titanate, SrTiO3), 바륨 스트론튬 티타네이트(barium strontium titanate, BST), 티탄산 지르콘산 연(Lead zirconate titanate, PZT), 티탄산칼슘구리(Calcium copper titanate,CCTO), 또는 산화하프늄(HfO2) 중 적어도 어느 하나의 물질을 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 친수성 물질층은 폴리아크릴산(Poly(acrylic acid), PAA), 아크릴아미드(Acrylamides), 말레산 무수물 공중합체(Maleic Anhydride Copolymers), 메타크릴레이트(Methacrylate), 에타크릴레이트(Ethacrylate), 아민 작용성 중합체(Amine-Functional Polymers), 아민-관능기를 갖는 중합체(Amine-Functional Polymers), 폴리스티렌설포네이트(Polystyrenesulfonate, PSS), 비닐산(Vinyl Acids), 비닐알코올(Vinyl Alcohols), 또는 -NH, -CO-, 아미노기 -NH2, 수산기 -OH 또는 카르복실시 -COOH 의 기능기 중 적어도 어느 하나를 포함하는 물질로 이루어진 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 하부전극기판 또는 상기 상부전극기판은 전극을 포함하며, 상기 전극은 ITO, IGO, 크롬, 알루미늄, IZO(Indium Zinc Oxide), IGZO(Indium Gallium Zinc Oxide), ZnO, ZnO2 또는 TiO2 중 적어도 어느 하나를 포함하는 무기전극이거나 알루미늄, 철 또는 구리 중 적어도 어느 하나를 포함하는 금속전극이거나 페돗(PEDOT, polyethylenedioxythiophene), 탄소나노튜브(CNT, Carbon nano tube), 그래핀(graphene), 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리티오펜(Polythiophene, PT), 폴리피롤(Polypyrrole), 폴리파라페닐렌(polyparaphenylene, PPV), 폴리아닐린(Polyaniline), 폴리설퍼니트리드(poly sulfur nitride) 또는 폴리파라페닐렌비닐렌(polyparaphenylenevinylene) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 유기전극인 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 전도성 액체는 수은, 리튬, 갈륨, 칼륨, NaK, 비스무트, 주석, 나트륨, 나트륨-칼륨 alloy 등이 사용될 수 있으며, 비저항범위가 1uΩ/cm 내지 1000uΩ/cm이며, 유전상수(dielectric constant, K)가 5이하인 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 비전도성 가스는 공기, 질소, 아르곤, 헬륨, 네온, 크립톤, 크세논 또는 라돈 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 한다.

기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.

본 발명은 외부의 물리력을 이용하여 한쌍의 전극사이의 간격을 변화시키고, 그에 따른 액체의 접촉각 및 접촉면적 변화를 전기에너지 생성에 활용하여, 채널 막힘현상이나 윤활층, 혹은 채널상에 복잡하게 패터닝된 전극들을 필요로 하지 않도록 함으로써 장치의 단순화, 제조원가 절감과 함께 고장이 적은 에너지 전환장치를 구현한다는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 별도의 외부 전원인가 없이도 효율적인 전기에너지 전환이 가능하다는 장점이 있다.

그리고, 본 발명은 이온성 액체 또는 물을 사용함에 따라 인체 및 환경에 유해한 문제점을 해결한 효과가 있다.

도 1은 종래의 유체를 이용한 에너지 전환 장치의 블록도.
도 2는 본 발명의 액체의 접촉각 및 접촉면적을 이용한 에너지 전환 장치의 구조도.
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 액체의 접촉각 및 접촉면적을 이용한 에너지 전환장치의 동작원리를 설명한 개념도.
도4는 본 발명의 또 다른 일실시예에 따른 액체의 접촉각 및 접촉면적을 이용한 에너지 전환장치의 동작원리를 설명한 개념도

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유체를 이용한 에너지 전환 장치의 블록도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 유체를 이용한 에너지 전환 장치는 대향하는 하부전극기판(220)과 상부전극기판(210)을 포함하고, 상기 전극기판들에는 전극이 배치되고, 한 쌍의 전극기판 사이에는 이온성 액체 또는 물(260)이 위치한다.

바람직하게는 하부전극기판(220)과 상부전극기판(210) 사이의 공간은 비전도성 가스(270)로 채워진다.

이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 액체의 접촉각 및 접촉면적의 변화를 이용한 에너지 전환 장치는 외부에서 물리력이 작용하게 되면 상부 전극기판과 하부 전극기판 사이의 거리, 즉 간격이 변화하게 되고, 그에 따라 작용하는 힘에 의하여 이온성 액체 및 물은 상부전극기판(210) 또는 하부 전극기판(220)과 접촉하는 면적 및 접촉각이 변화하게 된다. 이온성 액체 또는 물(260)의 접촉면적이 변화하게 되면 전극의 전기용량이 변화하게 되어 전기적 에너지가 발생한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 유체를 이용한 에너지 전환 장치가 전기 에너지를 발생시키는 과정을 보여주는 도면이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 초기 본 발명의 일 실시예에 따른 유체를 이용한 에너지 전환 장치는 외부 발생 전기 에너지는 0이다. 이후, 상부전극기판(210)에 대해 외부의 물리적 힘이 작용하여 이온성 액체 또는 물(260)과 상부 전극기판(210) 또는 하부 전극기판과(220)의 접촉면적이 변화함에 따라 일정한 극성을 가지는 전기 에너지가 발생한다(V1, V2). 이때 외부의 물리력이 제거되거나 감소하게 되면 상부 전극기판과 하부 전극기판 사이의 간격이 넓어지면서 이온성 액체 또는 물은 원래의 형상대로 복원하게 되고, 그에 따라 다시 이온성 액체 또는 물과 전극기판들간의 접촉면적이 변화하게 되어 외부의 물리적 힘이 작용하는 경우와는 반대의 극성을 가지는 또 다른 전기 에너지가 발생하게 된다(V3).

다시 도 2를 참조하면, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 본 발명의 일 실시예에 따른 유체를 이용한 에너지 전환 장치는 하부전극기판(220)과 상부전극기판(210) 사이를 지지하는 격벽(280)을 더 포함한다.

격벽(280)은 도 3에서 도시된 바와 같이, 외부의 물리적인 힘에 의하여 형태의 변화가 발생하고 외부의 물리력이 제거되면 원래의 형태로 되돌아오는 복원력, 혹은 유연성을 가진다.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 하부전극기판(220) 또는 상부전극기판(210) 역시 복원력, 혹은 유연성을 가지도록 구성될 수 있다.

바람직하게는, 격벽(280)은 단단한(rigid) 형태이나 하부전극기판(220) 또는 상부전극기판(210)과 접촉이 유연하여 격벽(280)이 자유로이 밀려나는 형태일 수 있고, 격벽(280)과 하부전극기판(220)은 단단하나 상부전극기판(210)이 유연할 수 있고, 모두 유연할 수 있다. 외부의 물리적인 힘에 의하여 상부전극기판(210)과 이온성 액체 또는 물(260)과 맞닿는 접촉면적의 변화를 발생시킬 수 있는 형태이면 구성이 가능하다.

본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따르면, 격벽(280)의 높이, 혹은 상부 전극기판과 하부 전극기판 사이의 간격은 이온성 액체 또는 물(260)의 직경의 크기에 따라 결정되며, 바람직하게는 이온성 액체 또는 물(260)의 직경에 비해 2배 이하가 되도록 한다. 또한, 에너지 전환 동작시에는 상부전극기판(210)과 하부전극기판(220) 사이의 간격은 이온성 액체 또는 물(260)의 직경보다 작아야 한다.

또한, 본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따르면, 격벽(280)은 직사각형, 삼각형, 역삼각형, 원형, 타원형 또는 원기둥형 중 적어도 어느 하나의 모양을 가진다.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 전환 장치는 격벽(280)에 의하여 어레이 형태로 연결될 수 있다. 즉, 상기 에너지 전환 장치는 격벽(280)에 의하여 삼각형태, 사각형태, 오각형태, 육각형태, 원형태, 격자형태 또는 벌집형태를 가진다.

또한, 바람직하게는, 격벽(280)의 모양은 직사각형, 삼각형, 역삼각형, 원형, 타원형, 원기둥형 이 될 수 있으며, 에너지 전환장치 단위셀, Cell(상판+하판+격벽+액체+가스)의 모양은 삼각형, 사각형, 오각형, 육각형, 원형, 격자형, 벌집형이 가능하다.

본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따르면, 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 전환 장치는 하부전극기판(220) 및/또는 상부전극기판(210) 상에 무기물층(230)과 유기물층(240)을 적층하여 형성된 에너지 전환층을 포함한다. 에너지 전환층의 형성은 패터닝이나 증착, 또는 스핀코팅과 같은 방법이 이용될 수 있다.

무기물층(230)과 유기물층(240)은 하부전극기판(220) 또는 상부전극기판(210) 상에 적층됨에 순서는 상관없으나, 인접하여 적층되어야 한다.

바람직하게는, 무기물층(230)과 유기물층(240)은 하부전극기판(220) 또는 상부전극기판(210) 상에 적층될 때 반복 중첩될 수 있다. 즉, 에너지 전환층은 무기물층(230)과 유기물층(240)의 적층 형태가 반복적으로 이루어져서 형성될 수 있다.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 무기물층(230)과 유기물층(240)으로 이루어진 에너지 전환층 상에 상기 이온성 액체 또는 액체(260)의 형상이 외부의 물리력이 제거되면 원래의 형태로 복원될 수 있도록 소수성 물질층(250)이 더 적층된다.

바람직하게는, 소수성 물질층(250)은 에너지 전환층이 형성되지 않은 상부 전극기판(210) 또는 하부 전극기판(220) 상에 적층될 수 있다.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 유기물층(240)은 폴리메틸메타크릴레이트(PolyMethylMethAcrylate, PMMA), 폴리에틸렌(Polyethylene, PE), 폴리스티렌(Polystyrene, PS), 폴리비닐피롤리돈(Polyvinylpyrrolidone, PVP), 폴리4비닐페놀(poly(4-vinylphenol, PVP)) 또는 폴리이서술폰(polyethersulfone, PES), 폴리(4-메톡시페닐아크릴레이트) (Poly(4-methoxyphenylacrylate); PMPA), 폴리(페닐아크릴레이트) (Poly(phenylacrylate); PPA), 폴리(2,2,2-트리플로로에틸 메타아크릴레이트) (Poly(2,2,2-trifluoroethyl methacrylate); PTFMA), 사이아노에틸풀루란 (Cyanoethylpullulan; CYEPL), 폴리염화비닐 (polyvinyl chloride; PVC), 폴리(파라반사) 수지 (Poly (parabanic acid) resin; PPA), 폴리(t-부틸스티렌) (Poly(t-butylstyrene); PTBS), 폴리티에닐렌비닐렌 (Polythienylenevinylene; PTV), 폴리비닐아세테이트 (Polyvinylacetate; PVA), 폴리(비닐 알코올) (Poly(vinyl alcohol); PVA), 폴리(R메틸스티렌) (Poly(Rmethylstyrene); PAMS), 폴리(비닐 알코올)-코-폴리(비닐 아세테이트)-코-폴리(이타콘산) (Poly(vinyl alcohol)-co-poly(vinyl acetate)-co-poly(itaconic acid); PVAIA), 폴리올레핀 (Polyolefin), 폴리아크릴레이트 (Polyacrylate), 파릴렌-C (Parylene-C), 폴리이미드 (Polyimide), 옥타데실트리클로로실란 (Octadecyltrichlorosilane; OTS), 폴리(트리아릴아민) (Poly(triarylamine); PTTA), 폴리-3-헥실티오펜 (Poly-3-hexylthiophene; P3HT), 가교 결합된 폴리-4-비닐페놀 (cross-linked Poly-4-vinylphenol; cross-linked PVP), 폴리(퍼플로로알케닐비닐 에테르) (Poly(perfluoroalkenylvinyl ether)), 나일론-6 (Nylon-6), n-옥타데실포스포닉 산 (n-Octadecylphosphonic acid; ODPA) 중 적어도 어느 하나의 물질 또는 이들 물질의 혼합물로 이루어지고, 무기물층(230)은 산화실리콘(SiO2), 산화티타늄(TiO2), 산화알루미늄(Al2O3), Ta2O5, Tantalum Pentoxide, 산화아연(Zinc oxide, ZnO), 산화탄탈륨(Tantalum pentoxide, Ta2O5), 산화이트륨(Yttrium oxide, Y2O3), 산화세륨(Cerium oxide, CeO2), 이산화타이타늄(titanium dioxide, TiO2), 티탄산바륨(Barium titanate, BaTiO3), 바륨 지르코네이트 티타네이트(Barium zirconate titanate, BZT), 이산화지르코늄(Zirconium dioxide, ZrO2), 산화란탄륨(Lanthanum oxide, La2O3), 하프늄실리케이트(Hafnon, HfSiO4), 란타늄 알루미네이트(Lanthanum Aluminate, LaAlO3), 질화규소(Silicon nitride, Si3N4), Perovskite 물질로는, 스트론튬 티타네이트(Strontium titanate, SrTiO3), 바륨 스트론튬 티타네이트(barium strontium titanate, BST), 티탄산 지르콘산 연(Lead zirconate titanate, PZT), 티탄산칼슘구리(Calcium copper titanate,CCTO), 또는 산화하프늄(HfO2) 중 적어도 어느 하나의 물질로 이루어진다.

바람직하게는, 유기물층(240)은 유전상수(dielectric constant, K)가 4이하의 물질이 사용될 수 있고, 무기물층(230)은 유전상수(dielectric constant, K)가 5이상의 물질이 사용될 수 있다.

본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명의 일 실시예에 따른 유체를 이용한 에너지 전환 장치는 하부전극기판(220) 또는 상부전극기판(210)은 무기물층(230)과 유기물층(240)으로 이루어진 에너지 전환층 상에 상기 이온성 액체 또는 물(260)의 형상이 외부의 물리력이 제거되면 원래의 형태로 복원될 수 있도록 소수성 물질층(250)이 적층된다. 소수성 물질층(250)은 실란(silane)계 물질, 플루오르중합체(fluoropolymer) 물질, 트리클로로실란(Trichlorosilane), 트리에톡시실란(Trimethoxysilane), 펜타플루오르페닐프로필트리클로로실란(Pentafluorophenylpropyltrichlorosilane), (벤질옥시)알킬트리메톡시실란 ((benzyloxy)alkyltrimethoxysilane; BSM-22), (벤질옥시)알킬트리클로로실란 ((benzyloxy)alkyltrichlorosilane; BTS), 헥사메틸디실라잔 (hexamethyldisilazane; HMDS), 옥타데실트리클로로실란 (octadecyltrichlorosilane; OTS), 옥타데실트리메톡시실란 (octadecyltrimethoxysilane; OTMS), 디비닐테트라메틸디실록산-비스-(벤조시클로부텐) (divinyltetramethyldisiloxane-bis(benzocyclobutene); BCB) 중 적어도 어느 하나의 물질 또는 이들 물질의 혼합물로 이루어진다.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 하부전극기판(220) 또는 상부전극기판(210)에 사용되는 전극은 ITO, IGO, 크롬, 알루미늄, IZO(Indium Zinc Oxide), IGZO(Indium Gallium Zinc Oxide), ZnO, ZnO2 또는 TiO2 중 적어도 어느 하나를 포함하는 무기전극이거나 알루미늄, 철 또는 구리 중 적어도 어느 하나를 포함하는 금속전극이거나 페돗(PEDOT, polyethylenedioxythiophene), 탄소나노튜브(CNT, Carbon nano tube), 그래핀(graphene), 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리티오펜(Polythiophene, PT), 폴리피롤(Polypyrrole), 폴리파라페닐렌(polyparaphenylene, PPV), 폴리아닐린(Polyaniline), 폴리설퍼니트리드(poly sulfur nitride) 또는 폴리파라페닐렌비닐렌(polyparaphenylenevinylene) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 유기전극이다.

또한, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 하부전극기판(220) 또는 상부전극기판(210)은 금속 기판, 유리 기판 또는 고분자 소재의 기판이다. 여기서 고분자 소재의 기판은 폴리에틸렌테레프탈레이트(Polyethylene Terephthalate, PET), 폴리아릴레이트(polyarylate, PAR), 폴리메틸메타크릴레이트(PolyMethylMethAcrylate, PMMA), 폴리에틸렌나프탈레이트(PolyethyleneNaphthalate, PEN), 폴리에테르설폰(Polyethersulfone, PES), 폴리이미드(Polyimide, PI), 폴리카보네이트(Polycarbonate, PC) 또는 고분자복합재료(fiber reinforced plastics, FRP) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 플라스틱 기판 또는 필름이다.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 물이 이용되거나, 이온성 액체(260)는 NaCl, LiCl, NaNo3, Na2SiO3, AlCl3-NaCl, LiCl-KCl, KCL, Na,NaOH H2SO4, CH3COOH, HF, CuSO4, 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜 또는 AgCl 중 적어도 어느 하나를 포함한다.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 비전도 가스(270)는 공기, 산소, 질소, 아르곤, 헬륨, 네온, 크립톤, 크세논 또는 라돈 중 적어도 어느 하나를 포함하도록 이루어진다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 유체를 이용한 에너지 전환 장치는 상기 서술한 유체를 이용한 에너지 전환 장치가 복수로 연결된 배열형태를 이루되, 하부전극기판(220) 또는 상부전극기판(210)에 포함된 전극이 각 에너지 전환 장치마다 개별되거나 2개 이상의 에너지 전환 장치가 공통하여 사용된다.

도 4는 본 발명의 또 다른 액체 접촉각 및 접촉면적 변화를 이용한 에너지 전환장치를 나타낸 개념도이다. 도 4를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 유체를 이용한 에너지 전환 장치는 대향하는 하부전극기판(420)과 상부전극기판(410)을 포함하고, 양 전극기판들에는 전극이 배치되며, 양 전극기판 사이에는 전도성 액체(460)가 위치하게 된다. 하부전극기판(420)과 상부전극기판(410) 사이는 비전도성 가스(470)로 채워진다. 또한,전도성 액체(460)와 하부 전극기판(420) 또는 상부전극기판(410) 중 적어도 어느 하나와의 접촉각 및 접촉면적 변화에 따라 전기에너지가 발생되도록 하는 에너지 전환층이 하부 전극기판(420) 또는 상부전극기판(410) 상에 형성된다.

바람직하게는, 상부 전극기판(410) 또는 하부 전극기판(420)은 전극을 포함하며, 이러한 전극들은 전도성 액체(460)와 절연되어 있다.

이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 액체의 접촉각 및 접촉면적의 변화를 이용한 에너지 전환 장치는 외부에서 물리력이 작용하게 되면 상부 전극기판(410)과 하부 전극기판(420) 사이의 거리, 즉 간격이 변화하게 되고, 그에 따라 작용하는 힘에 의하여 전도성 액체(460)는 상부전극기판(410) 또는 하부 전극기판(420)과 접촉하는 면적 및 접촉각이 변화하게 된다. 전도성 액체(460)의 접촉면적이 변화하게 되면 전극의 전기용량이 변화하게 되어 전기적 에너지가 발생한다.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 전도성 액체(460)는 수은, 리튬, 갈륨, 칼륨, NaK, 비스무트, 주석, 나트륨, 나트륨-칼륨 alloy 등이 사용될 수 있으며, 비저항범위가 1uΩ/cm 내지 1000uΩ/cm이며, 유전상수(dielectric constant, K)가 5이하인 것이 바람직하다.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 에너지 전환층은 상부전극기판(410)과 하부전극기판(420)의 양쪽 모두에 형성될 수 있는데, 무기물층(430) 및 유기물층(440)이 적층된 형태로 구성될 수 있고, 적층 방법으로는 패터닝, 증착 등이 이용될 수 있다.

또한, 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따르면, 무기물층(430) 및 유기물층(440)이 적층되어 형성된 에너지 전환층 상에 상기 전도성 액체(460)의 형상이 외부의 물리력이 제거되면 원래의 형태로 복원될 수 있도록 친수성 물질층(450)이 더 적층된다.

바람직하게는, 친수성 물질층(450)은 에너지 전환층이 형성되지 않은 상부 전극기판(410) 또는 하부 전극기판(420) 상에 적층될 수 있다.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 친수성 물질층(450)은 폴리아크릴산(Poly(acrylic acid), PAA), 아크릴아미드(Acrylamides), 말레산 무수물 공중합체(Maleic Anhydride Copolymers), 메타크릴레이트(Methacrylate), 에타크릴레이트(Ethacrylate), 아민 작용성 중합체(Amine-Functional Polymers), 아민-관능기를 갖는 중합체(Amine-Functional Polymers), 폴리스티렌설포네이트(Polystyrenesulfonate, PSS), 비닐산(Vinyl Acids), 비닐알코올(Vinyl Alcohols), -NH, -CO-, 아미노기, -NH2, 수산기, -OH, 카르복실기 및 -COOH 중 적어도 어느 하나의 기능기를 포함하는 물질로 이루어진다.

이 외에, 전도성 액체를 이용한 본 발명에 있어서, 상부 전극기판(410) 또는 하부 전극기판(420)을 구성하는 전극이나 기판의 소재, 무기물층(430), 유기물층(440), 비전도성 가스(470) 및 격벽(480)의 특징과 구조 등에 관련된 기술적 사항은 앞서 이온성 액체를 사용한 실시예, 혹은 도 2와 도 3에서 설명된 내용에 따라 구성될 수 있어 자세한 내용은 생략한다.

본 발명은 앞서 살펴본 바와 같이 이종 액체를 두 종류 이상 사용하는 종래에 비하여 채널내 막힘현상, 섞임현상을 막을 수 있고, 윤활층(lubricating layer) 또한 필요하지 않게 된다.

또한, 종래의 기술은 전극 절연막의 구조를 1층의 자기집함 분자 단층(self assembly molecular monolayer)와 1층의 유전층(dielectric layer) 또는 그 이상의 절연층(non conductive layer) 또는 이들의 다양한 조합을 제한하고 있으나, 본 발명은 에너지 전환효율 최적을 위한 구조를 제안한다. 즉, 이온성 액체를 이용하는 경우, 상부전극기판 또는 하부전극기판 중 적어도 한 쪽의 기판에 (적층 순서에 따라) 전극/무기물층/유기물층/소수성물질층 또는 전극/유기물층/무기물층/소수성물질층의 구성을 가진도록 하며, 전도성 액체를 이용하는 경우, 상부전극기판 및 하부전극기판 모두에 (적층 순서에 따라) 전극/무기물층/유기물층/친수성물질층 또는 전극/유기물층/무기물층/친수성물질층의 구성을 가진도록 한다.

그리고, 종래의 기술은 전도성 액체를 이용함에 있어서 분극을 위한 외부전원 인가를 필요로 하였으나, 본 발명은 에너지 전환층이 이온성 액체를 분극하는 역할을 수행하여 외부전원 인가가 불요하다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예 및 응용예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 응용예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.

210 : 상부전극기판 220 : 하부전극기판
230 : 무기물층 240 : 유기물층
250 : 소수성물질층 260 : 이온성 액체 또는 물
270 : 비전도성 가스 280 : 격벽

Claims

외부의 물리력에 의해 상호간의 간격이 변화하는 하부 전극기판 및 상부 전극기판;
상기 전극기판들 사이의 간격 변화에 따라 상기 전극기판들 중 적어도 하나와의 접촉각 및 접촉면적이 변화하는 이온성 액체 또는 물;
상기 전극기판들 중 적어도 하나 이상에 형성되어, 상기 변화에 따라 전기에너지가 발생하도록 하는 에너지 전환층; 및
상기 에너지 전환층 상에 상기 이온성 액체 또는 물의 형상이 외부의 물리력이 제거되면 원래의 형태로 복원될 수 있도록 적층된 소수성 물질층;
을 포함하여 구성된 액체의 접촉각 및 접촉면적의 변화를 이용한 에너지 전환 장치.
제1항에 있어서,
상기 하부 전극기판과 상기 상부 전극기판 사이를 지지하며, 장치 내부와 외부를 서로 격리시키는 격벽;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액체의 접촉각 및 접촉면적의 변화를 이용한 에너지 전환 장치.
제2항에 있어서,
상기 격벽에 의해 격리된 상기 하부 전극기판과 상기 상부 전극기판 사이에 배치된 비전도성 가스;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액체의 접촉각 및 접촉면적의 변화를 이용한 에너지 전환 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 에너지 전환층은 무기물층 및 유기물층이 적층되어 구성된 것을 특징으로 하는 액체의 접촉각 및 접촉면적의 변화를 이용한 에너지 전환 장치.
제1항에 있어서,
상기 하부 전극기판 또는 상기 상부 전극기판은 외부의 물리력이 제거되면 원래의 형태로 복원되는 것을 특징으로 하는 액체의 접촉각 및 접촉면적의 변화를 이용한 에너지 전환 장치.
제2항에 있어서,
상기 격벽은 직사각형, 삼각형, 역삼각형, 원형, 타원형 또는 원기둥형 중 적어도 어느 하나의 모양을 가지고,
상기 에너지 전환 장치는 어레이 형태로 연결될 수 있도록 상기 격벽에 의하여 삼각형태, 사각형태, 오각형태, 육각형태, 원형태, 격자형태 또는 벌집형태인 것을 특징으로 하는 액체의 접촉각 및 접촉면적의 변화를 이용한 에너지 전환 장치.
제4항에 있어서,
상기 상부 전극기판과 상기 하부 전극기판 사이의 간격은 상기 이온성 액체 또는 물의 직경의 크기에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 액체의 접촉각 및 접촉면적의 변화를 이용한 에너지 전환 장치.
제4항에 있어서,
상기 유기물층은 폴리메틸메타크릴레이트(PolyMethylMethAcrylate, PMMA), 폴리에틸렌(Polyethylene, PE), 폴리스티렌(Polystyrene, PS), 폴리비닐피롤리돈(Polyvinylpyrrolidone, PVP), 폴리4비닐페놀(poly(4-vinylpenol, PVP)) 또는 폴리이서술폰(polyethersulfone, PES), 폴리(4-메톡시페닐아크릴레이트) (Poly(4-methoxyphenylacrylate); PMPA), 폴리(페닐아크릴레이트) (Poly(phenylacrylate); PPA), 폴리(2,2,2-트리플로로에틸 메타아크릴레이트) (Poly(2,2,2-trifluoroethyl methacrylate); PTFMA), 사이아노에틸풀루란 (Cyanoethylpullulan; CYEPL), 폴리염화비닐 (polyvinyl chloride; PVC), 폴리(파라반사) 수지 (Poly (parabanic acid) resin; PPA), 폴리(t-부틸스티렌) (Poly(t-butylstyrene); PTBS), 폴리티에닐렌비닐렌 (Polythienylenevinylene; PTV), 폴리비닐아세테이트 (Polyvinylacetate; PVA), 폴리(비닐 알코올) (Poly(vinyl alcohol); PVA), 폴리(R메틸스티렌) (Poly(Rmethylstyrene); PAMS), 폴리(비닐 알코올)-코-폴리(비닐 아세테이트)-코-폴리(이타콘산) (Poly(vinyl alcohol)-co-poly(vinyl acetate)-co-poly(itaconic acid); PVAIA), 폴리올레핀 (Polyolefin), 폴리아크릴레이트 (Polyacrylate), 파릴렌-C (Parylene-C), 폴리이미드 (Polyimide), 옥타데실트리클로로실란 (Octadecyltrichlorosilane; OTS), 폴리(트리아릴아민) (Poly(triarylamine); PTTA), 폴리-3-헥실티오펜 (Poly-3-hexylthiophene; P3HT), 가교 결합된 폴리-4-비닐페놀 (cross-linked Poly-4-vinylphenol; cross-linked PVP), 폴리(퍼플로로알케닐비닐 에테르) (Poly(perfluoroalkenylvinyl ether)), 나일론-6 (Nylon-6), n-옥타데실포스포닉 산 (n-Octadecylphosphonic acid; ODPA) 중 적어도 어느 하나의 물질을 포함하고, 상기 무기물층은 산화실리콘(SiO2), 산화티타늄(TiO2), 산화알루미늄(Al2O3),탄탈(Ta2O5), 오산화 탄탈럼(Tantalum Pentoxide), 산화아연(Zinc oxide, ZnO), 산화탄탈륨(Tantalum pentoxide, Ta2O5), 산화이트륨(Yttrium oxide, Y2O3), 산화세륨(Cerium oxide, CeO2), 이산화타이타늄(titanium dioxide, TiO2), 티탄산바륨(Barium titanate, BaTiO3), 바륨 지르코네이트 티타네이트(Barium zirconate titanate, BZT), 이산화지르코늄(Zirconium dioxide, ZrO2), 산화란탄륨(Lanthanum oxide, La2O3), 하프늄실리케이트(Hafnon, HfSiO4), 란타늄 알루미네이트(Lanthanum Aluminate, LaAlO3), 질화규소(Silicon nitride, Si3N4), Perovskite 물질로는, 스트론튬 티타네이트(Strontium titanate, SrTiO3), 바륨 스트론튬 티타네이트(barium strontium titanate, BST), 티탄산 지르콘산 연(Lead zirconate titanate, PZT), 티탄산칼슘구리(Calcium copper titanate,CCTO), 또는 산화하프늄(HfO2) 중 적어도 어느 하나의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 액체의 접촉각 및 접촉면적의 변화를 이용한 에너지 전환 장치.
제4항에 있어서,
상기 소수성 물질층은 실란(silane)계 물질, 플루오르중합체(fluoropolymer) 물질, 트리클로로실란(Trichlorosilane), 트리에톡시실란(Trimethoxysilane), 펜타플루오르페닐프로필트리클로로실란(Pentafluorophenylpropyltrichlorosilane), (벤질옥시)알킬트리메톡시실란 ((benzyloxy)alkyltrimethoxysilane; BSM-22), (벤질옥시)알킬트리클로로실란 ((benzyloxy)alkyltrichlorosilane; BTS), 헥사메틸디실라잔 (hexamethyldisilazane; HMDS), 옥타데실트리클로로실란 (octadecyltrichlorosilane; OTS), 옥타데실트리메톡시실란 (octadecyltrimethoxysilane; OTMS), 디비닐테트라메틸디실록산-비스-(벤조시클로부텐) (divinyltetramethyldisiloxane-bis(benzocyclobutene); BCB) 중 적어도 어느 하나의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 액체의 접촉각 및 접촉면적의 변화를 이용한 에너지 전환 장치.
제4항에 있어서,
상기 하부전극기판 또는 상기 상부전극기판은 전극을 포함하며,
상기 전극은 ITO, IGO, 크롬, 알루미늄, IZO(Indium Zinc Oxide), IGZO(Indium Gallium Zinc Oxide), ZnO, ZnO2 또는 TiO2 중 적어도 어느 하나를 포함하는 무기전극이거나 알루미늄, 철 또는 구리 중 적어도 어느 하나를 포함하는 금속전극이거나 페돗(PEDOT, polyethylenedioxythiophene), 탄소나노튜브(CNT, Carbon nano tube), 그래핀(graphene), 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리티오펜(Polythiophene, PT), 폴리피롤(Polypyrrole), 폴리파라페닐렌(polyparaphenylene, PPV), 폴리아닐린(Polyaniline), 폴리설퍼니트리드(poly sulfur nitride) 또는 폴리파라페닐렌비닐렌(polyparaphenylenevinylene) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 유기전극인 것을 특징으로 하는 액체의 접촉각 및 접촉면적의 변화를 이용한 에너지 전환 장치.
제4항에 있어서,
상기 하부전극기판 또는 상기 상부전극기판 중 적어도 어느 하나는 금속 기판, 유리 기판 또는 고분자 소재의 기판이며,
상기 고분자 소재의 기판은 폴리에틸렌테레프탈레이트(Polyethylene Terephthalate, PET), 폴리아릴레이트(polyarylate, PAR), 폴리메틸메타크릴레이트(PolyMethylMethAcrylate, PMMA), 폴리에틸렌나프탈레이트(PolyethyleneNaphthalate, PEN), 폴리에테르설폰(Polyethersulfone, PES), 폴리이미드(Polyimide, PI), 폴리카보네이트(Polycarbonate, PC) 또는 고분자복합재료(fiber reinforced plastics, FRP) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 플라스틱 기판 또는 필름인 것을 특징으로 하는 액체의 접촉각 및 접촉면적의 변화를 이용한 에너지 전환 장치.
제4항에 있어서,
상기 이온성 액체는 NaCl, LiCl, NaNo3, Na2SiO3, AlCl3-NaCl, LiCl-KCl, KCL, Na,NaOH H2SO4, CH3COOH, HF, CuSO4, 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜 또는 AgCl 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 액체의 접촉각 및 접촉면적의 변화를 이용한 에너지 전환 장치.
제3항에 있어서,
상기 비전도성 가스는 공기, 산소, 질소, 아르곤, 헬륨, 네온, 크립톤, 크세논 또는 라돈 중 적어도 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 액체의 접촉각 및 접촉면적의 변화를 이용한 에너지 전환 장치.
외부의 물리력에 의해 상호간의 간격이 변화하는 하부 전극기판 및 상부 전극기판;
상기 전극기판들 사이의 간격 변화에 따라 상기 전극기판들 중 적어도 하나와의 접촉각 및 접촉면적이 변화하는 전도성 액체;
상기 하부 전극기판 또는 상기 상부 전극기판에 형성되어, 상기 변화에 따라 전기에너지가 발생하도록 하는 에너지 전환층; 및
상기 에너지 전환층 상에 상기 전도성 액체의 형상이 외부의 물리력이 제거되면 원래의 형태로 복원될 수 있도록 적층된 친수성 물질층;
을 포함하여 구성된 액체의 접촉각 및 접촉면적의 변화를 이용한 에너지 전환 장치.
제14항에 있어서,
상기 하부 전극기판과 상기 상부 전극기판 사이를 지지하며, 장치 내부와 외부를 서로 격리시키는 격벽;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액체의 접촉각 및 접촉면적의 변화를 이용한 에너지 전환 장치.
제15항에 있어서,
상기 격벽에 의해 격리된 상기 하부 전극기판과 상기 상부 전극기판 사이에 배치된 비전도성 가스;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액체의 접촉각 및 접촉면적의 변화를 이용한 에너지 전환 장치.
제14항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 에너지 전환층은 무기물층 및 유기물층이 적층되어 구성된 것을 특징으로 하는 액체의 접촉각 및 접촉면적의 변화를 이용한 에너지 전환 장치.
제14항에 있어서,
상기 하부 전극기판 또는 상기 상부 전극기판은 외부의 물리력이 제거되면 원래의 형태로 복원되는 것을 특징으로 하는 액체의 접촉각 및 접촉면적의 변화를 이용한 에너지 전환 장치.
제15항에 있어서,
상기 격벽은 직사각형, 삼각형, 역삼각형, 원형, 타원형 또는 원기둥형 중 적어도 어느 하나의 모양을 가지고,
상기 에너지 전환 장치는 어레이 형태로 연결될 수 있도록 상기 격벽에 의하여 삼각형태, 사각형태, 오각형태, 육각형태, 원형태, 격자형태 또는 벌집형태인 것을 특징으로 하는 액체의 접촉각 및 접촉면적의 변화를 이용한 에너지 전환 장치.
제17항에 있어서,
상기 상부 전극기판과 상기 하부 전극기판 사이의 간격은 상기 전도성 액체의 직경의 크기에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 액체의 접촉각 및 접촉면적의 변화를 이용한 에너지 전환 장치.
제17항에 있어서,
상기 유기물층은 폴리메틸메타크릴레이트(PolyMethylMethAcrylate, PMMA), 폴리에틸렌(Polyethylene, PE), 폴리스티렌(Polystyrene, PS), 폴리비닐피롤리돈(Polyvinylpyrrolidone, PVP), 폴리4비닐페놀(poly(4-vinylpenol, PVP)) 또는 폴리이서술폰(polyethersulfone, PES), 폴리(4-메톡시페닐아크릴레이트) (Poly(4-methoxyphenylacrylate); PMPA), 폴리(페닐아크릴레이트) (Poly(phenylacrylate); PPA), 폴리(2,2,2-트리플로로에틸 메타아크릴레이트) (Poly(2,2,2-trifluoroethyl methacrylate); PTFMA), 사이아노에틸풀루란 (Cyanoethylpullulan; CYEPL), 폴리염화비닐 (polyvinyl chloride; PVC), 폴리(파라반사) 수지 (Poly (parabanic acid) resin; PPA), 폴리(t-부틸스티렌) (Poly(t-butylstyrene); PTBS), 폴리티에닐렌비닐렌 (Polythienylenevinylene; PTV), 폴리비닐아세테이트 (Polyvinylacetate; PVA), 폴리(비닐 알코올) (Poly(vinyl alcohol); PVA), 폴리(R메틸스티렌) (Poly(Rmethylstyrene); PAMS), 폴리(비닐 알코올)-코-폴리(비닐 아세테이트)-코-폴리(이타콘산) (Poly(vinyl alcohol)-co-poly(vinyl acetate)-co-poly(itaconic acid); PVAIA), 폴리올레핀 (Polyolefin), 폴리아크릴레이트 (Polyacrylate), 파릴렌-C (Parylene-C), 폴리이미드 (Polyimide), 옥타데실트리클로로실란 (Octadecyltrichlorosilane; OTS), 폴리(트리아릴아민) (Poly(triarylamine); PTTA), 폴리-3-헥실티오펜 (Poly-3-hexylthiophene; P3HT), 가교 결합된 폴리-4-비닐페놀 (cross-linked Poly-4-vinylphenol; cross-linked PVP), 폴리(퍼플로로알케닐비닐 에테르) (Poly(perfluoroalkenylvinyl ether)), 나일론-6 (Nylon-6), n-옥타데실포스포닉 산 (n-Octadecylphosphonic acid; ODPA) 중 적어도 어느 하나의 물질을 포함하고, 상기 무기물층은 산화실리콘(SiO2), 산화티타늄(TiO2), 산화알루미늄(Al2O3),탄탈(Ta2O5), 오산화 탄탈럼(Tantalum Pentoxide), 산화아연(Zinc oxide, ZnO), 산화탄탈륨(Tantalum pentoxide, Ta2O5), 산화이트륨(Yttrium oxide, Y2O3), 산화세륨(Cerium oxide, CeO2), 이산화타이타늄(titanium dioxide, TiO2), 티탄산바륨(Barium titanate, BaTiO3), 바륨 지르코네이트 티타네이트(Barium zirconate titanate, BZT), 이산화지르코늄(Zirconium dioxide, ZrO2), 산화란탄륨(Lanthanum oxide, La2O3), 하프늄실리케이트(Hafnon, HfSiO4), 란타늄 알루미네이트(Lanthanum Aluminate, LaAlO3), 질화규소(Silicon nitride, Si3N4), Perovskite 물질로는, 스트론튬 티타네이트(Strontium titanate, SrTiO3), 바륨 스트론튬 티타네이트(barium strontium titanate, BST), 티탄산 지르콘산 연(Lead zirconate titanate, PZT), 티탄산칼슘구리(Calcium copper titanate,CCTO), 또는 산화하프늄(HfO2) 중 적어도 어느 하나의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 액체의 접촉각 및 접촉면적의 변화를 이용한 에너지 전환 장치.
제17항에 있어서,
상기 친수성 물질층은 폴리아크릴산(Poly(acrylic acid), PAA), 아크릴아미드(Acrylamides), 말레산 무수물 공중합체(Maleic Anhydride Copolymers), 메타크릴레이트(Methacrylate), 에타크릴레이트(Ethacrylate), 아민 작용성 중합체(Amine-Functional Polymers), 아민-관능기를 갖는 중합체(Amine-Functional Polymers), 폴리스티렌설포네이트(Polystyrenesulfonate, PSS), 비닐산(Vinyl Acids), 비닐알코올(Vinyl Alcohols) 또는 -NH, -CO-, 아미노기 -NH2, 수산기 -OH 또는 카르복실시 -COOH 의 기능기 중 적어도 어느 하나를 포함하는 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 액체의 접촉각 및 접촉면적의 변화를 이용한 에너지 전환 장치.
제17항에 있어서,
상기 하부전극기판 또는 상기 상부전극기판은 전극을 포함하며,
상기 전극은 ITO, IGO, 크롬, 알루미늄, IZO(Indium Zinc Oxide), IGZO(Indium Gallium Zinc Oxide), ZnO, ZnO2 또는 TiO2 중 적어도 어느 하나를 포함하는 무기전극이거나 알루미늄, 철 또는 구리 중 적어도 어느 하나를 포함하는 금속전극이거나 페돗(PEDOT, polyethylenedioxythiophene), 탄소나노튜브(CNT, Carbon nano tube), 그래핀(graphene), 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리티오펜(Polythiophene, PT), 폴리피롤(Polypyrrole), 폴리파라페닐렌(polyparaphenylene, PPV), 폴리아닐린(Polyaniline), 폴리설퍼니트리드(poly sulfur nitride) 또는 폴리파라페닐렌비닐렌(polyparaphenylenevinylene) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 유기전극인 것을 특징으로 하는 액체의 접촉각 및 접촉면적의 변화를 이용한 에너지 전환 장치.
제17항에 있어서,
상기 하부전극기판 또는 상기 상부전극기판 중 적어도 어느 하나는 금속 기판, 유리 기판 또는 고분자 소재의 기판이며,
상기 고분자 소재의 기판은 폴리에틸렌테레프탈레이트(Polyethylene Terephthalate, PET), 폴리아릴레이트(polyarylate, PAR), 폴리메틸메타크릴레이트(PolyMethylMethAcrylate, PMMA), 폴리에틸렌나프탈레이트(PolyethyleneNaphthalate, PEN), 폴리에테르설폰(Polyethersulfone, PES), 폴리이미드(Polyimide, PI), 폴리카보네이트(Polycarbonate, PC) 또는 고분자복합재료(fiber reinforced plastics, FRP) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 플라스틱 기판 또는 필름인 것을 특징으로 하는 액체의 접촉각 및 접촉면적의 변화를 이용한 에너지 전환 장치.
제17항에 있어서,
상기 전도성 액체는 비저항범위가 1uΩ/cm 내지 1000uΩ/cm이며, 유전상수(dielectric constant, K)가 5이하인 것을 특징으로 하는 액체의 접촉각 및 접촉면적의 변화를 이용한 에너지 전환 장치.
제16항에 있어서,
상기 비전도성 가스는 공기, 질소, 아르곤, 헬륨, 네온, 크립톤, 크세논 또는 라돈 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 액체의 접촉각 및 접촉면적의 변화를 이용한 에너지 전환 장치.