KR101151070B1 - 섬유의 탄성차이를 이용한 직물형 발전 장치 - Google Patents

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Abstract

섬유의 탄성차이를 이용한 직물형 발전 장치가 개시된다. 직물형 발전 장치는 씨줄과 날줄이 교차되어 직조된 직물을 이용한 발전 수단을 포함할 수 있다. 이때, 씨줄은 전도성이 있는 전도성 섬유가 사용되고 날줄은 신축성이 있는 신축성 섬유와 자성이 있는 자화(磁化) 섬유가 사용될 수 있다. 이에, 직물형 발전 장치는 직물의 이완 운동과 수축 운동을 전기 에너지로 변환할 수 있다.

Description

섬유의 탄성차이를 이용한 직물형 발전 장치{FABRIC TYPE GENERATOR USING ELASTICITY OF FIBER}
본 발명의 실시예들은 섬유의 탄성 차이를 이용하여 전기 에너지를 생성하는 발전 장치에 관한 것이다.
바이오 발전 장치(Bio-generator)라 함은, 인체에서 발생하는 운동 에너지나 열 에너지를 전기 에너지로 전환하는 장치를 의미한다. 사람의 힘만으로 발전을 하므로 휴대성이 높고 시간이나 장소에 구애 받지 않고 사용할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 과거에는 사용자가 직접 손으로 돌리거나 흔들어서 전기를 발생시키는 발전기 등이 많이 제안되었다.
한국등록특허 제10-1040525호(등록일 2011년 06월 03일)에는 사용자의 보행이나 구보 행위에 의해 전기 에너지를 발생시키는 신발 형태의 자가 발전기가 개시되어 있다.
이와 같이, 최근에는 발전기를 신발에 장착하여 보행 중에 무의식적으로 발전되는 장치에 관심이 집중되고 있다. 그 이유는 사용자가 다른 목적을 위해 운동하는 가운데서 무의식 중에 잉여에너지를 활용할 수 있기 때문이다.
그러나, 종래의 바이오 발전 장치는 사용자가 특정한 운동을 할 때만 발전을 할 수 있거나, 사용자의 운동 에너지에 비해 전기 에너지의 발전 효율이 떨어지는 문제가 있다.
본 명세서에서는, 인체에 착용한 상태에서의 움직임에 따라 발생하는 섬유의 수축/이완 운동을 전기 에너지로 변환시켜 주는 직물형 발전 장치를 제안한다.
섬유의 탄성 차이를 이용하여 전기 에너지를 생성할 수 있는 발전 장치를 제공한다.
인체에 착용한 것만으로 직물의 섬유 수축/이완 작용을 이용하여 전기 에너지를 발전시킬 수 있는 직물형 발전 장치를 제공한다.
씨줄과 날줄이 교차되어 직조된 직물을 이용한 발전 수단을 포함하는 직물형 발전 장치를 제공한다. 이때, 씨줄은 전도성이 있는 전도성 섬유가 사용되고 날줄은 신축성이 있는 신축성 섬유와 자성이 있는 자화(磁化) 섬유가 사용될 수 있다. 이에, 발전 수단은 직물의 이완 운동과 수축 운동을 전기 에너지로 변환할 수 있다.
일 측면에 따르면, 자화 섬유는 신축성이 없거나 신축성 섬유보다 신축성이 낮은 섬유를 사용할 수 있다.
다른 측면에 따르면, 날줄에 해당되는 홀수 번째 날줄과 짝수 번째 날줄 중에서 어느 하나의 날줄에는 신축성 섬유가 사용되고, 다른 하나의 날줄에는 자화 섬유가 사용될 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 발전 수단에서는 전도성 섬유가 자화 섬유에 대해 왕복 운동을 하는 경우 자화 섬유의 주변에 발생하는 자기장 변화에 따라 전도성 섬유에 전기가 생성될 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 직물형 발전 장치는 전도성 섬유에 연결된 전극을 통해 전도성 섬유에 생성된 전기를 충전하는 충전 수단을 더 포함할 수 있다.
직물 형태의 발전 장치를 통해 사람이 입고 활동하는 것만으로도 효과적으로 전기 에너지를 생산할 수 있다.
씨줄과 날줄의 직조 구조에서 유도 전기를 생성하는 것으로, 매우 많은 수의 씨줄과 날줄의 조합이 매트릭스 형태로 배열된 직물 형태를 가지므로 상당량의 발전 효과를 낼 수 있다.
도 1은 일반적인 직물의 직조 구조를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 있어서, 발전용 직물의 직조 구조를 도시한 것이다.
도 3와 도 4는 본 발명의 일실시예에 있어서, 섬유의 수축과 이완 작용에 의한 발전 원리를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
본 발명의 원리는 전자기학에서 설명하는 매우 기본적인 유도전기발생에 근간하고 있다. 따라서, 물리학의 기본적인 유도전류에 대해서 이해하면 쉽게 이해할 수 있는 기본구조를 가지고 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 신축성이 있는 일반 섬유와 신축성이 없는 자화 섬유를 날줄로 하고 전도성 섬유를 씨줄로 하여 직조하는 직물 구조와, 이들로부터 섬유의 수축/이완에 따른 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전 장치에 관한 것이다.
직물은 씨줄과 날줄을 교차하여 직조함으로써 제작된다. 통상적으로, 동일한 신축성을 가지는 섬유를 이용하기 때문에 수평 방향과 수직 방향으로의 수축/신장률은 차이가 없다. 직물로 된 의류를 착용하고 몸을 움직이면 섬유가 수축/이완하는 작용을 반복하게 된다. 본 발명에서는 섬유의 운동 에너지를 전기 에너지로 전환하는 방법을 제안한다.
본 발명의 경우, 직조 과정에서 씨줄에는 전도성 섬유를 사용하고, 날줄에는 신축성이 낮은 자화(磁化) 섬유와 신축성이 높은 일반 섬유를 번갈아 사용하는 직물을 제안한다. 상기한 직조 구조의 직물을 인체에 착용하면, 인체가 움직임이 있을 때마다 날줄의 자화 섬유가 씨줄의 전도성 섬유 사이를 미끄러지면서 유도 기전력을 발생시킬 수 있다. 단일한 씨줄/날줄 조합에서 발생하는 유도전기의 양은 미미하지만, 하나의 직물에는 매우 많은 수의 씨줄/날줄 조합이 매트릭스 형태로 배열되어 있으므로 이를 합산하면 상당량의 발전효과를 낼 수 있다.
이하에서는, 본 발명에 따른 직물형 발전 장치를 구체적으로 설명하기로 한다.
도 1은 일반적인 직물의 직조 구조를 도시한 것이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 기본적인 직물의 직조 구조는 씨줄과 날줄이 서로 교차하는 구조를 가지고 있다. 다시 말해, 직물은 씨줄과 날줄이 서로 아래 위로 교차하여 짜여진 것이며, 씨줄과 날줄의 교차 방법에 따라 여러 가지 직물 조직이 만들어질 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 발전 장치는 씨줄과 날줄로 이루어진 직조 구조의 직물을 발전 수단으로 적용한 것이다. 즉, 일실시예에 따른 직물형 발전 장치는 씨줄과 날줄이 교차되어 직조된 직물을 이용한 발전 수단을 포함할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 있어서, 발전용 직물의 직조 구조를 도시한 것이다.
본 발명에서 제안한 발전용 직물의 직조 구조는 도 2에 도시한 바와 같다. 상세하게, 씨줄은 전도성 섬유(201)로 되어 있고 전도성 섬유(201)의 양쪽에 전극이 연결되어 있다. 이때, 전도성 섬유(201)는 구리 코일과 같은 역할을 하는 섬유를 사용할 수 있다. 그리고, 신축성이 있는 일반 섬유(이하, '신축성 섬유'라 칭함)(202)와 신축성이 없는 자화 섬유(203)가 날줄로 되어 있다. 날줄에 해당되는 홀수 번째 날줄과 짝수 번째 날줄 중에서 어느 하나의 날줄에는 신축성 섬유(202)를 사용하고, 다른 하나의 날줄에는 자화 섬유(203)를 사용할 수 있다. 일 예로, 도 2에 도시한 바와 같이 발전 수단으로 이용되는 직물에서 홀수 번째 날줄은 상대적으로 신축성이 큰 신축성 섬유(202)로 되어 있고, 짝수 번째 날줄은 자성이 있으면서 동시에 신축성 섬유(202)에 비해 신축성이 작거나 신축성질이 없는 자화 섬유(203)로 되어 있다.
상기한 직조 구조로 직물을 제작하여 인체에 착용하거나 불수의적 반복 운동을 하는 임의의 물체에 연결하면 직물의 섬유들이 수축과 이완을 반복하게 된다. 이때, 직물이 수축될 때와 이완될 때 섬유 간의 탄성 차이로 인하여 자화 섬유(203)와 전도성 섬유(201) 간에 운동 에너지가 발생하며, 이러한 섬유의 수축/이완 운동에 의하여 미세한 유도 전기가 발생한다.
도 3와 도 4는 본 발명의 일실시예에 있어서, 섬유의 수축과 이완 작용에 의한 발전 원리를 설명하기 위한 도면이다. 도 3은 직물의 수축 상태를 도시한 것이며, 도 4는 직물의 이완 상태를 도시한 것이다.
도시된 바와 같이, 직물에 외력이 작용하여 섬유가 수축되거나 이완될 때 패러데이의 법칙(Faraday's law)에 의해 서로 반대 방향으로 유도전기가 발생한다. 섬유 수축과 이완 시에 자화 섬유는 고정되어 있거나 적은 양만 이동하게 되고 그 주변으로 전도성 섬유가 왕복 운동을 하게 되므로 자기장의 변화가 생기게 되고 이러한 자기장의 변화가 전도성 섬유에 전기를 유발하게 된다.
이때, 기전력은 단위시간당 자속 변화량에 비례하므로 동일한 조건(같은 굵기의 자화 섬유, 동일한 코일)에서 자화 섬유의 왕복 이동이 클수록 발생 전력이 커진다. 따라서, 본 발명의 발전용 직물을 무릎, 발꿈치, 어깨 등 운동 반경이 넓은 영역에서 사용하면 큰 전력을 발생시킬 수 있다.
도 3과 도 4의 예는 한 방향으로 수축과 이완하는 경우만 보여주고 있지만, 실제로 좌우로 수축 및 이완하는 경우에도 자화 섬유 주변에 자기장 변화가 발생하므로 유도전기는 항상 생산된다고 할 수 있다.
하나의 자화 섬유와 전도성 섬유가 교차되는 위치에서 발생하는 유도 기전력은 미미한 수준이지만 직물을 형성하고 있는 N개의 씨줄과 M개의 날줄이 교차되면서 전력 발생 지점은 N*M개가 된다. 특히, 한 순간에 한 방향으로만 유도전기가 생기기 때문에 상호간섭이나 감쇄가 생기지 않는다. 본 발명의 직물형 발전 장치는 수천 개의 소형 발전기를 모아서 전력을 생산하는 것과 같은 원리로 생각할 수 있다.
더 나아가, 일실시예에 따른 직물형 발전 장치는 전도성 섬유에 연결된 전극을 통해 전도성 섬유에 생성된 유도전기를 충전하는 충전 수단(미도시)을 포함하여 구성될 수 있다. 다시 말해, 본 발명의 직물형 발전 장치는 발전 수단인 직물에서 발전된 전기 에너지를 충전 수단을 통해 충전함으로써 외부 전기장치를 대상으로 충전된 전기를 공급할 수 있다.
저탄소 녹색성장에 대한 관심이 높아지고 있고, 전 세계적으로 화석연료를 사용하지 않는 청정에너지 개발에 몰두하고 있는 상황에서 인체의 잉여 에너지를 변환 축적하여 전기 에너지로 사용하는 기술은 매우 중요하다. 특히, 스마트폰 등 휴대용 개인 정보기기의 보급이 활발하게 이루어지고 있는 상황에서 사용자가 특별히 전기를 생산하고 있다는 사실을 인지하지 못하는 상황에서 언제 어디서나 간편하게 전기를 얻을 수 있는 발전 장치는 그 파급효과가 매우 클 것으로 예상된다. 사람이 입고 활동하는 것만으로도 다량의 에너지를 생산해낼 수 있다면 언제 어디서나 장소와 시간에 구애 받지 않고 전기 에너지를 공급할 수 있다. 더욱이, 발전용 직물은 다양한 형태로 성형을 하여 수축/이완 작용이 일어나는 임의의 대상에 착용하여 전력을 발생시킬 수 있다. 따라서, 미래에 개인 휴대형 전원장치와 기타 전원 공급장치로 널리 사용될 수 있다. 최근 관심이 집중되고 있는 입는 컴퓨터(wearable computer) 및 의류 IT 융합기술분야에도 큰 영향을 미칠 수 있다.
직물형 발전 장치의 장점은 다음과 같다.
기존의 태양 전지는 에너지 변환효율이 떨어지고 날씨의 영향을 많이 받는다는 문제가 있다. 즉, 밤이나 우천 시에는 사용이 어렵다. 그리고, 신발에 설치하는 스테퍼(stepper)형 발전기는 사용자가 의식적으로 움직이는 동안에만 발전이 된다. 손으로 흔들거나 돌려서 사용하는 고전적인 발전기 또한 사용자의 의도적인 움직임에 의해서만 에너지를 생산할 수 있다.
반면에, 본 명세서에서 제안된 발전용 직물은 편하게 착용하고 무의식적으로 일어나는 운동으로부터 전기 에너지를 생산하므로 생명 활동이 지속되는 동안 끊임없이 에너지를 생산할 수 있다. 또한, 다수의 소형 발전기를 매트릭스 형태로 배열한 것과 마찬가지므로 적은 양의 수축/이완 운동만으로도 다량의 전력을 생산할 수 있는 장점이 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
200: 직물형 발전 장치
201: 전도성 섬유
202: 신축성 섬유
203: 자화 섬유

Claims (5)

  1. 씨줄과 날줄이 교차되어 직조된 직물을 이용한 발전 수단; 및
    상기 발전 수단에 의해 생성된 전기를 충전하는 충전 수단
    을 포함하며,
    상기 씨줄은 코일 역할을 위해 전도성이 있는 전도성 섬유가 사용되고,
    상기 날줄에 해당되는 홀수 번째 날줄과 짝수 번째 날줄 중에서 어느 하나의 날줄에는 신축성이 있는 신축성 섬유가 사용되고, 다른 하나의 날줄에는 상기 신축성이 없거나 상기 신축성 섬유보다 상기 신축성이 낮으면서 자성이 있는 자화(磁化) 섬유가 사용되며,
    상기 발전 수단은,
    상기 직물의 이완과 수축 시에 섬유 간의 탄성 차이로 인하여 상기 전도성 섬유와 상기 자화 섬유 간에 운동 에너지가 발생하며, 상기 전도성 섬유가 상기 자화 섬유에 대해 왕복 운동을 하는 경우 상기 자화 섬유의 주변에 발생하는 자기장 변화에 따라 상기 전도성 섬유에 전기가 생성되고,
    상기 충전 수단은,
    상기 전도성 섬유에 연결된 전극을 통해 상기 전도성 섬유에 생성된 전기를 충전하는 것
    을 특징으로 하는 직물형 발전 장치.
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