KR101370786B1 - 정전유도형 발전 장치 - Google Patents
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Abstract
발전 효율의 향상을 도모한 정전유도형 발전 장치를 제공한다. 서로 대향한 상태를 유지한 채로, 상대적으로 이동 가능하게 구성된 제 1 기판(10) 및 제 2 기판(20)과, 제 1 기판(10)에 마련된 일렉트릿(13)과, 제 2 기판(20)에서의 일렉트릿(13)과 대향하는 면측에 마련되는 제 1 전극(21) 및 제 2 전극(22)을 구비하고, 일렉트릿(13)과 제 1 전극(21) 사이의 정전용량, 및 일렉트릿(13)과 제 2 전극(22) 사이의 정전용량이 각각 변화함으로써 전력이 출력되는 정전유도형 발전 장치(100)에 있어서, 제 1 전극(21)과 제 2 전극(22)의 사이에는, 이들의 전극 사이의 정전용량을 저하시키는 구조가 마련되어 있는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은, 정전유도형 발전 장치에 관한 것이다.
종래, 서로 대향한 상태를 유지한 채로, 상대적으로 이동 가능하게 구성된 한 쌍의 기판을 구비하고, 한 쌍의 기판의 한쪽에 복수의 일렉트릿이 병렬하여 배치되고, 다른쪽에 한 쌍의 전극을 일조(組)로 하는 복수조의 전극이 병렬하여 배치된 정전유도형 발전 장치가 알려져 있다. 이러한 장치에 의하면, 한 쌍의 기판의 상대적인 이동에 의해, 한 쌍의 전극 중의 한쪽의 전극과 일렉트릿 사이의 정전용량과, 다른쪽의 전극과 일렉트릿 사이의 정전용량이 각각 변화하기 때문에, 그 변화분이 전력으로서 출력된다.
여기서, 한 쌍의 전극이 모두 동일 재료로 이루어지는 동일한 구성이고, 또한, 한 쌍의 기판이 일정한 진동 주파수(f)로 진동하도록 상대적인 이동(왕복 이동)을 한 경우, Boland들에 의하면, 최대 출력 전력(Pmax)은,
Pmax=σ2nA2πf÷[(εeε0/d)×((εeg/d)+1)]
이 된다. 이하, 이 수식을 식1이라고 칭한다.
또한, σ는 한 쌍의 전극에서의 표면 전하 밀도, n은 [한 쌍의 기판의 진폭÷일렉트릿의 피치], A는 일렉트릿과 전극이 겹치는 최대 면적, εe는 일렉트릿의 비유전율, d는 일렉트릿의 두께, ε0은 진공의 유전율, g는 한 쌍의 기판의 간격이다.
식1에 의하면, 출력 전력을 높이기 위해서는, n을 크게 하면 좋다. 즉, 한 쌍의 기판의 진폭을 크게 하거나, 일렉트릿의 피치를 작게 하거나 하면 좋다. 그러나, 장치의 소형화가 요구되는 경우에는, 한 쌍의 기판의 진폭을 크게 하는 데는 한도가 있다. 이와 같은 경우, 일렉트릿의 피치를 작게 함에 의해, 식1의, 출력 전력을 크게 할 수 있다.
그러나, 실제로는, 일렉트릿의 피치를 작게 하여도, 계산식과 같이 출력 전력을 크게 할 수가 없는 것이 확인되어 있다. 이 원인으로서, 장치의 어느 하나의 부위에서, 기생 용량이 발생하고 있고, 이 기생 용량이 발전 효율을 저하시키는 원인일 것이 보고되어 있다(비특허문헌1 참조). 그러나, 어느 부위에서의 기생 용량이 발전 효율을 저하시키는 요인으로 되어 있는지는, 아직도 명확하게 되어 있지 않았다.
또한, 관련되는 기술로서는, 특허문헌 1 내지 특허문헌3에 개시된 기술이 있다.
비특허문헌1 : T. Tsutsumino, Y. Suzuki, N. Kasagi, K. Kashiwagi, and Y. Morizawa 「Micro Seismic Electret Generator for Energy Harvesting」 The Sixth International Workshop and Nanotechnology for Power Generation and Energy Conversion Applications ; Power MEMS2006, November 29 - December 1, 2006, Berkeley, U. S. A.
본 발명의 목적은, 발전 효율의 향상을 도모한 정전유도형 발전 장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명자들은, 예의 검토하고, 또한 시행(施行)을 거듭한 결과, 발전 효율을 저하시키는 요인으로 되어 있는 기생 용량의 발생 부위를 밝혀낼 수가 있었다. 일반 기술 상식적인 견지에 의하면, 한 쌍의 기판 사이의 어느 하나의 부위에서 기생 용량이 발생하고, 이것이 발전 효율을 저하시키는 요인이라고 생각된다. 한편, 같은 기판상에 구비된 전극 사이에서는, 일반적으로 전극이 박막으로 구성되어 있는 것도 있고, 이들의 전극 사이에서 기생 용량이 발생하였다고 하여도 무시할 수 있다고 생각되고 있다. 그러나, 이 전극 사이에서 발생하는 기생 용량이, 발전 효율을 저하시키는 요인으로 되어 있는 것을, 본 발명자들은 밝혀냈다.
그래서, 본 발명은, 이러한 전극 사이의 정전용량을 저하시키는 구조를 채용하고 있다.
보다 구체적으로는, 본 발명의 정전유도형 발전 장치는,
서로 대향한 상태를 유지한 채로, 상대적으로 이동 가능하게 구성된 제 1 기판 및 제 2 기판과,
제 1 기판에 마련된 일렉트릿과,
제 2 기판에서의 상기 일렉트릿과 대향하는 면측에 마련되는 제 1 전극 및 제 2 전극을 구비하고,
제 1 기판과 제 2 기판의 상대적인 위치의 변화에 수반하여, 상기 일렉트릿과 제 1 전극과의 위치 관계, 및 상기 일렉트릿과 제 2 전극과의 위치 관계가 각각 변화함에 의해, 상기 일렉트릿과 제 1 전극 사이의 정전용량, 및 상기 일렉트릿과 제 2 전극 사이의 정전용량이 각각 변화함으로써 전력이 출력되는 정전유도형 발전 장치에 있어서,
제 1 전극과 제 2 전극의 사이에는, 이들의 전극 사이의 정전용량을 저하시키는 구조(제 2 기판상에 단지 제 1 전극과 제 2 전극이 마련된 것이 아니라, 이들의 전극 사이의 정전용량을 저하시키도록 어떠한 궁리가 시행되어 있는 구조)가 마련되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 제 1 전극과 제 2 전극의 사이에는, 이들의 전극 사이의 정전용량을 저하시키는 구조가 마련되어 있기 때문에, 이들의 전극 사이에 발생하는 기생 용량을 저하시킬 수 있다. 따라서 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
전극 사이의 정전용량을 저하시키기 위해서는, 전극 사이의 거리를 길게 하거나, 전극 사이의 유전율을 저하시키거나 하는 것을 생각할 수 있다. 그러나, 장치의 소형화를 도모하는 경우 등, 전극 사이의 거리를 길게 하는 것은 한도가 있다.
그래서, 상기 정전용량을 감소시키는 구조는, 제 1 전극과 제 2 전극의 사이에 마련된, 이들의 전극 사이의 유전율을 저하시키는 구조면 좋다.
여기서, 전극 사이의 유전율을 저하시키는 구조로서는, 이하의 구성을 채용할 수 있다.
즉, 제 2 기판에서의 제 1 전극과 제 2 전극 사이의 부분에 관통구멍이 마련됨에 의해, 이들의 전극 사이의 유전율이 저하되어 있는 구성을 채용할 수 있다.
또한, 제 2 기판에서의 제 1 전극과 제 2 전극 사이의 부분에 오목부가 마련됨에 의해, 이들의 전극 사이의 유전율이 저하되어 있는 구성도 채용할 수 있다.
더욱, 제 2 기판과 제 1 전극의 사이, 및 제 2 기판과 제 2 전극의 사이에, 각각 제 2 기판보다도 비유전율이 낮은 재료로 이루어지는 층이 마련됨에 의해, 제 1 전극과 제 2 전극 사이의 유전율이 저하되어 있는 구성도 채용할 수 있다. 또한, 당해 구성은, 상기한 2개의 구성과 조합시킬 수도 있다.
또한, 제 2 기판측에서의 제 1 기판과 대향하는 면측은, 절연막에 의해 덮여 있는 것도 알맞다. 이에 의해, 일렉트릿으로부터의 방전을 억제할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 형태에 관한 정전유도형 발전 장치의 개략 구성도.
도 2는 본 발명의 실시 형태에 관한 정전유도형 발전 장치의 발전 원리를 설명하는 도면.
도 3은 본 발명의 실시 형태에 관한 정전유도형 발전 장치의 출력 전압을 도시하는 도면.
도 4는 정전유도형 발전 장치에서의 기생 용량의 발생을 설명하는 도면.
도 5는 정전유도형 발전 장치에서 기생 용량이 발생한 경우에 있어서의 등가 회로도.
도 6은 본 발명의 실시예 1에 관한 정전용량을 저하시키는 구조를 도시하는 모식적 단면도.
도 7은 본 발명의 실시예 2에 관한 정전용량을 저하시키는 구조를 도시하는 모식적 단면도.
도 8은 본 발명의 실시예 3에 관한 정전용량을 저하시키는 구조를 도시하는 모식적 단면도.
도 9는 본 발명의 실시예 4에 관한 정전용량을 저하시키는 구조를 도시하는 모식적 단면도.
도 10은 본 발명의 실시예 5에 관한 정전용량을 저하시키는 구조를 도시하는 모식적 단면도.
도 2는 본 발명의 실시 형태에 관한 정전유도형 발전 장치의 발전 원리를 설명하는 도면.
도 3은 본 발명의 실시 형태에 관한 정전유도형 발전 장치의 출력 전압을 도시하는 도면.
도 4는 정전유도형 발전 장치에서의 기생 용량의 발생을 설명하는 도면.
도 5는 정전유도형 발전 장치에서 기생 용량이 발생한 경우에 있어서의 등가 회로도.
도 6은 본 발명의 실시예 1에 관한 정전용량을 저하시키는 구조를 도시하는 모식적 단면도.
도 7은 본 발명의 실시예 2에 관한 정전용량을 저하시키는 구조를 도시하는 모식적 단면도.
도 8은 본 발명의 실시예 3에 관한 정전용량을 저하시키는 구조를 도시하는 모식적 단면도.
도 9는 본 발명의 실시예 4에 관한 정전용량을 저하시키는 구조를 도시하는 모식적 단면도.
도 10은 본 발명의 실시예 5에 관한 정전용량을 저하시키는 구조를 도시하는 모식적 단면도.
이하에 도면을 참조하여, 본 발명을 실시하기 위한 형태를, 예시적으로 상세히 설명한다. 단, 이하의 실시 형태 및 실시예에 기재되어 있는 구성 부품의 치수, 재질, 형상, 그 상대배치 등은, 특히 특정적인 기재가 없는 한은, 본 발명의 범위를 그들만으로 한정하는 취지의 것은 아니다.
(실시 형태)
<정전유도형 발전 장치의 전체 구성>
도 1을 참조하여, 본 발명의 실시 형태에 관한 정전유도형 발전 장치의 전체 구성에 관해 설명한다. 여기서, 도 1의 (a)는 본 발명의 실시예에 관한 정전유도형 발전 장치 전체의 모식적 단면도이다. 또한, 도 1의 (b)는 이하에 설명하는 제 2 기판에 관한 구성의 개략 구성도이다. 또한, 이 도면에서는, 제 2 기판을 윗면측에서 본 도면에 상당한다. 본 발명의 실시 형태에 관한 정전유도형 발전 장치(100)는, 몸체(110)와, 몸체(110)의 내부에 마련되는 제 1 기판(10) 및 제 2 기판(20)을 구비하고 있다.
제 1 기판(10)은, 지지 부재(11)에 의해 지지되어 있다. 이 지지 부재(11)는, 각각, 일단이 몸체(110)의 내벽면측에 고정되고, 타단이 지지 부재(11)에 고정된, 한 쌍의 스프링(12)에 의해 지지되어 있다. 이에 의해, 지지 부재(11)는 도 1의 (a) 중 좌우 방향으로 이동(진동)할 수 있고, 제 1 기판(10)도 지지 부재(11)와 함께 이동(진동)한다.
제 1 기판(10)과 제 2 기판(20)은 서로 대향하도록 배치되어 있다. 제 1 기판(10)은 제 2 기판(20)과 대향한 상태를 유지한 채로 이동하도록 구성되어 있다. 즉, 제 1 기판(10)과 제 2 기판(20)은, 서로 대향한 상태를 유지한 채로, 상대적으로 이동 가능하게 구성되어 있다. 또한, 본 실시 형태에서는, 제 1 기판(10)이 이동 가능하게 구성되는 경우를 나타냈지만, 제 2 기판(20)이 이동 가능하게 구성되도록 하여도 좋고, 양자가 이동 가능하게 구성되도록 하여도 좋다.
제 1 기판(10)에서의 제 2 기판(20)과의 대향면측에는, 각각 도전체상에 형성된 복수의 일렉트릿(13)과, 어느 것이나 접지된 복수의 가드 전극(14)이, 교대로 병렬하도록 배치되어 있다. 본 실시 형태에서는, 일렉트릿(13)은 마이너스의 전하를 반영구적으로 보존하도록 구성되어 있다.
또한, 제 2 기판(20)에서의 제 1 기판(10)과의 대향면측에는, 한 쌍의 전극(제 1 전극(21)과 제 2 전극(22)이라고 칭한다)을 일조로 하는 복수조의 전극이 병렬하여 배치되어 있다. 각 조에 구비된 복수의 제 1 전극(21)은 서로 전기적으로 접속되어 있고, 또한 복수의 제 2 전극(22)도 전기적으로 접속되어 있다. 본 실시 형태에서는, 빗살(櫛齒) 형상의 전극을 채용함에 의해, 복수의 제 1 전극(21) 및 제 2 전극(22)이 각각 전기적으로 접속되어 있다(도 1의 (b)참조). 그리고, 복수의 제 1 전극(21)에 전기적으로 접속된 제 1 전극 패드(21a), 및 복수의 제 2 전극(22)에 전기적으로 접속된 제 2 전극 패드(21b)를 통하여, 발전에 의해 얻어진 전력이 공급되는 부하(30)가 전기적으로 접속된다.
그리고, 본 실시 형태에 관한 정전유도형 발전 장치(100)에서는, 제 1 전극(21)과 제 2 전극(22)의 사이에는, 이들의 전극 사이의 정전용량을 저하시키는 구조(이하, 정전용량 저하 구조(23)라고 칭한다)가 마련되어 있다.
<정전유도형 발전 장치의 발전 원리>
도 2 및 도 3을 참조하여, 본 발명의 실시 형태에 관한 정전유도형 발전 장치의 발전 원리에 관해 설명한다.
제 1 기판(10)이 이동함에 의해, 제 1 기판(10)과 제 2 기판(20)의 상대적인 위치 관계가 변화한다. 이에 수반하여, 일렉트릿(13)과 제 1 전극(21)과의 위치 관계, 및 일렉트릿(13)과 제 2 전극(22)과의 위치 관계도 각각 변화한다. 도 2의 (a)는 일렉트릿(13)의 전면(全面)과, 제 1 전극(21)의 전면이 대향한 상태이고, 일렉트릿(13)과 제 2 전극(22)은 전혀 대향하지 않은 상태를 도시하고 있다. 도 2의 (b)는 일렉트릿(13)과 제 1 전극(21)은 전혀 대향하지 않은 상태이고, 일렉트릿(13)의 일부와 제 2 전극(22)의 일부가 대향한 상태를 도시하고 있다. 도 2의 (c)는 일렉트릿(13)의 전면과, 제 2 전극(22)의 전면이 대향한 상태이고, 일렉트릿(13)과 제 1 전극(21)은 전혀 대향하지 않은 상태를 도시하고 있다.
도 2의 (a)에 도시하는 상태에서는, 일렉트릿(13)과 제 1 전극(21) 사이의 정전용량이 최대가 된다. 이때, 일렉트릿(13)과 제 2 전극(22) 사이의 정전용량도 존재할 수 있다. 그리고, 도 2의 (c)에 도시하는 상태에서는, 일렉트릿(13)과 제 2 전극(22) 사이의 정전용량이 최대가 된다. 이때, 일렉트릿(13)과 제 1 전극(21) 사이의 정전용량도 존재할 수 있다. 이와 같이, 제 1 기판(10)의 이동에 의해, 일렉트릿(13)과 제 1 전극(21) 사이의 정전용량, 및 일렉트릿(13)과 제 2 전극(22) 사이의 정전용량이 각각 변화한다.
도 2의 (b)는, 도 2의 (a)에 도시하는 상태로부터 도 2의 (c)에 도시하는 상태로 이행하는 도중의 상태를 도시하고 있다. 이 이행의 과정에서는, 일렉트릿(13)과 제 1 전극(21) 사이의 정전용량은 저하되고, 일렉트릿(13)과 제 2 전극(22) 사이의 정전용량은 상승한다. 따라서 제 1 전극(21)과 제 2 전극(22)은, 부하(30)를 통하여 전기적으로 연결되어 있기 때문에, 제 1 전극(21)으로부터 제 2 전극(22)을 향하여, 플러스의 전하가 이동한다. 이와 같이 하여 전력이 발생한다.
도 2의 (a)에 도시하는 상태와 도 2의 (c)에 도시하는 상태가 교대로 일정한 주기로 변동하는(제 1 기판(10)이 일정한 주기로 진동하는(왕복 이동하는)) 경우에 있어서의 경과 시간(t)에 대한 출력 전압(V)의 변동을 나타냈던 그래프를 도 3에 도시한다. 도면중, t1은 도 2의 (a)에 도시하는 상태일 때에 상당하고, t2는 도 2의 (c)에 도시하는 상태일 때에 상당한다.
여기서, 이 도 3에 도시하는 바와 같이, 안정된 출력 전압을 얻을 수 있도록, 출력 전압은 고전압과 저전압의 중심이 0(V)가 되는 커브를 그리는 것이 바람직하다. 본 실시 형태에서는, 가드 전극(14)을 마련함에 의해, 출력 전압의 고전압과 저전압의 중심을 0(V)로 하는 것을 가능하게 하고 있다. 즉, 예를 들면, 도 2의 (a)에 도시하는 바와 같이, 일렉트릿(13)과 제 1 전극(21)이 대향하고, 또한 접지된 가드 전극(14)과 제 2 전극(22)이 대향한 상태에서는, 키르히호프의 법칙에 의해, 제 2 전극(22)의 전위는 0(V)가 된다. 도 2의 (c)에 도시하는 상태에서는, 제 1 전극(21)과 가드 전극(14)(이 도면에서는 생략하고 있다)이 대향한 상태가 되고, 제 1 전극(21)의 전위는 0(V)가 된다. 따라서 도 3에 도시하는 바와 같은 출력 전압의 커브를 얻을 수 있고, 안정된 출력 전압을 얻을 수 있다.
<기생 용량>
도 4 및 도 5를 참조하여, 기생 용량에 관해 설명한다. 배경 기술중에서 설명한 바와 같이, 식1에 의하면, 일렉트릿의 피치를 작게 하고, n을 크게 함에 의해, 출력 전력을 높일 수 있는 것이지만, 실제로는, 식1과 같이 출력 전압을 높일 수가 없다. 이것은, 장치의 어느 하나의 부위에서 발생하는 기생 용량이 원인이라고 생각되고 있지만, 어느 부위에 발생하는 기생 용량이 발전 효율을 저하시키는 요인인지는 명백하게 되어 있지 않았다. 본 발명자들은, 예의 검토하고, 또한 시행을 거듭한 결과, 제 1 전극(21)과 제 2 전극(22)의 사이에서 발생하는 기생 용량이, 발전 효율을 저하시키는 요인인 것을 밝혀냈다.
즉, 일반 기술의 상식적인 견지에 의하면, 정전유도형 발전 장치에 있어서 제 2 기판(20)상에 마련되는 제 1 전극(21) 및 제 2 전극(22)은 두께가 얇은(예를 들면, 1㎛ 이하) 막에 의해 구성되기 때문에, 이들의 전극 사이에서 기생 용량이 발생하였다고 하여도, 무시할 수 있다고 생각되고 있다. 그러나, 실제로는, 이러한 기생 용량이 발전 효율을 저하시키는 요인으로 되는 것을 알았다.
도 4에서는, 정전용량 저하 구조(23)를 구비하지 않은 종래 구조에 있어서, 일렉트릿(13)과 제 1 전극(21)이 대향하고, 또한 가드 전극(14)과 제 2 전극(22)이 대향한 상태를 도시하고 있다. 이 도 4 중 화살표 P로 도시하는 바와 같이, 제 1 전극(21)에서의 제 2 전극(22)측의 측면에는 마이너스의 전하가 모이고, 제 2 전극(22)에서의 제 1 전극(21)측의 측면에는 플러스의 전하가 모이는 전하의 분포가 상정된다.
도 5는 도 4에 도시하는 상태에서의 정전유도형 발전 장치의 등가 회로도를 도시한 것이다. 도면 중, C1, R1은 각각 일렉트릿(13)과 제 1 전극(21) 사이의 정전용량 및 전기저항에 상당하고, C2, R2는 각각 일렉트릿(13)과 제 2 전극(22) 사이의 정전용량 및 전기저항에 상당하고, C3, R3은 각각 제 1 전극(21)과 제 2 전극(22) 사이의 정전용량 및 전기저항에 상당하고, R4는 부하(30)에서의 전기저항에 상당한다. 또한, 부하(30)에서의 전기저항(R4)에 의해, 출력 전력이 소비된다.
이 등가 회로도로 부터 알 수 있는 바와 같이, 정전용량(C3)이 커질수록, 전기저항(R4)에 의해 소비된 전력이 적어진다. 즉, 발전 효율이 저하된다.
한 예로서, 전극 사이즈(상기 도 1의 (b)에 도시하는 바와 같이, 복수의 전극이 배치되어 있는 영역(Z)에 상당하는 부분의 세로와 가로의 길이)를 20×20㎜, 전극의 선폭(도 4에서의 제 1 전극(21) 및 제 2 전극(22)의 좌우 방향의 거리)을 300㎛, 제 1 전극(21)과 제 2 전극(22) 사이의 간격을 20㎛, 제 1 전극(21) 및 제 2 전극(22)의 막두께를 0.4㎛, 제 1 기판(10)과 제 2 기판(20) 사이의 간격을 100㎛, 제 2 기판(20)의 비유전율을 4.7로 한 정전유도형 발전 장치에 있어서, 도 4에 도시하는 상태에서의 각 부분의 정전용량을 측정하였다.
측정 결과, 일렉트릿(13)과 제 1 전극(21) 사이의 정전용량(상기 C1에 상당)은 20㎊이고, 일렉트릿(13)과 제 2 전극(22) 사이의 정전용량(상기 C2에 상당)은 15.8㎊이고, 제 1 전극(21)과 제 2 전극(22) 사이의 정전용량(상기 C3에 상당)은 75㎊이였다.
따라서 △C=20㎊-15.8㎊=4.2㎊가 되고, △C/20㎊=0.21로, 상기 식 1로부터 구하여진 발전량에 대해 21%밖에 전력으로서 취출할 수가 없음을 알았다.
그래서, 본 실시 형태에서는, 상기한 바와 같이, 제 1 전극(21)과 제 2 전극(22)의 사이에는, 정전용량 저하 구조(23)가 마련되어 있다. 이에 의해, 발전 효율을 저하시키는 요인인 기생 용량이 되는 정전용량(C3)을 저하시킬 수 있고, 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
여기서, 정전용량(C3)은,
C3≒πεL÷log(D/a)
로 표시된다. 단, ε는 제 1 전극(21)과 제 2 전극(22) 사이의 유전율이고, D는 제 1 전극(21)과 제 2 전극(22) 사이의 간격이고, a는 제 1 전극(21) 및 제 2 전극(22)의 막두께의 반분(1/2)이고, L은 제 1 전극(21)과 제 2 전극(22)이 상대한 영역의 전체 길이(全長)이다. (도 1의 (b)에 도시하는 구성의 경우에는, 1점 쇄선 부분의 전체 길이에 상당한다.)
이 식으로부터, 기생 용량이 되는 정전용량(C3)을 저하시키기 위해서는, 제 1 전극(21)과 제 2 전극(22) 사이의 유전율(ε)을 저하시키거나, 제 1 전극(21)과 제 2 전극(22) 사이의 간격을 넓게 하거나 하면 좋음을 알 수 있다. 그러나, 후자의 경우에는, 상기 식 1에어서, 한 쌍의 기판의 진폭이 일정하게 하면, n이 작아져 버리기 때문에, 그다지 의미가 없다. 또한, 장치의 소형화가 요구되는 경우에는, 원래 제 1 전극(21)과 제 2 전극(22) 사이의 간격을 폭넓게 하는 데는 한도가 있다. 따라서 정전용량 저하 구조(23)로서는, 제 1 전극(21)과 제 2 전극(22) 사이의 유전율(ε)을 저하시키는 구조를 채용하는 것이 바람직하다.
여기서, 제 1 전극(21)과 제 2 전극(22) 사이의 유전율(ε)은, 제 1 전극(21)과 제 2 전극(22)을 잇는 영역에 존재하는 물체의 비유전율이 낮을수록 낮아진다. 또한, 제 1 전극(21)과 제 2 전극(22)을 잇는 영역에, 공기나 진공으로 이루어지는 공간이 존재하고, 이 공간이 크면 클수록, 상기 유전율(ε)은 낮아진다. 이하, 이들을 실현하기 위한 구체적인 실시예를 몇가지 설명한다.
(실시예 1)
도 6을 참조하여, 본 발명의 실시예 1에 관한 정전용량을 저하시키는 구조를 설명한다. 본 실시예에서는, 제 2 기판(20)에서의 제 1 전극(21)과 제 2 전극(22) 사이의 부분에 관통구멍(23a)이 마련되어 있다. 이에 의해, 제 1 전극(21)과 제 2 전극(22)의 사이에는, 큰 공간(공기 또는 진공으로 이루어지는 영역)이 형성된다. 따라서 이들의 전극 사이의 유전율을 저하시킬 수 있다. 또한, 예를 들면, 제 2 기판(20)의 재료로서, 비유전율이 4 내지 4.7의 유리 기판을 이용한 경우, 상기한 바와 같은 관통구멍(23a)을 마련함에 의해, 제 1 전극(21)과 제 2 전극(22) 사이의 정전용량을 1/4 정도로 하는 것이 가능해진다.
이상과 같이 구성된 제 2 기판(20)에서의 정전용량 저하 구조의 제조 방법에 관해 간단히 설명한다. 우선, 제 2 기판(20)상에 메탈 전극(제 1 전극(21) 및 제 2 전극(22)에 상당)을 형성한다. 실리콘제의 기판의 경우에는 산화막 등 절연성이 높은 막을 표면에 형성하고, 그 상에 메탈 전극을 형성한다. 유리 기판의 경우에는 유리 표면에 직접 메탈 전극을 형성한다. 메탈 전극의 재료로서는, 알루미늄, 금 또는 구리 등 도전성이 높은 것을 이용하고, 증착이나 스퍼터 등으로 기판상에 메탈막을 형성하고, 포토 리소그래피에 의해 패턴을 형성한다. 그 후, 관통구멍(23a)을 형성한다. 또한, 실리콘 기판의 경우에는, KOH나 TMAH를 이용한 웨트 에칭이나 드라이 에칭 등으로 관통구멍(23a)을 형성할 수 있고, 유리 기판의 경우에는, 드라이 에칭, 블라스트, 레이저 가공이나 HF에 의한 웨트 에칭 등에 의해 관통구멍(23a)을 형성할 수 있다.
(실시예 2)
도 7을 참조하여, 본 발명의 실시예 2에 관한 정전용량을 저하시키는 구조를 설명한다. 본 실시예에서는, 제 2 기판(20)에서의 제 1 전극(21)과 제 2 전극(22) 사이의 부분에 오목부가 마련되어 있다. 도 7의 (a)에는, 오목부(23b)가 단면 사각형의 홈에 의해 구성된 경우를 도시하고 있고, 도 7의 (b)에는, 오목부(23c)가 단면 삼각형의 홈에 의해 구성된 경우를 도시하고 있다. 또한, 특히 도시는 하지 않지만, 오목부의 단면 형상은 도시된 것으로 한정되지 않고, 예를 들면, 오목부를 구성하는 면은 평면적인 것으로 한정되지 않고, 곡면 부분을 갖도록 하여도 좋다.
본 실시예에서도, 상기 실시예 1의 경우와 마찬가지로, 제 1 전극(21)과 제 2 전극(22)의 사이에는, 공간(공기 또는 진공으로 이루어지는 영역)이 형성된다. 또한, 실시예 1의 경우에는, 제 1 전극(21)과 제 2 전극(22)의 사이에 큰 공간이 형성되는 것에 대해, 본 실시예의 경우에는 전극으로부터 떨어진 위치에서 기판이 존재하기 때문에, 실시예 1의 경우에 비하여 제 1 전극(21)과 제 2 전극(22)의 사이에 형성되는 공간은 작다. 그러나, 오목부를 마련하지 않은 경우에 비하여, 제 1 전극(21)과 제 2 전극(22)의 사이에 큰 공간을 형성할 수 있다. 따라서 이들의 전극 사이의 유전율을 저하시킬 수 있다. 또한, 제 2 기판(20)에서의 정전용량 저하 구조의 제조 방법은 실시예 1의 경우와 마찬가지이다.
본 실시예에 의하면, 관통구멍까지는 이르지 않는 오목부를 형성하면 좋기 때문에, 실시예 1의 경우에 비하여 염가로 정전용량 저하 구조를 제조할 수 있다. 또한, 제 2 기판(20)의 재료로서, 비유전율이 4 내지 4.7의 유리 기판을 이용한 경우, 상기한 바와 같은 오목부(23b, 23c)를 마련함에 의해, 제 1 전극(21)과 제 2 전극(22) 사이의 정전용량을 1/2 정도로 하는 것이 가능해진다. 여기서, 오목부를 마련함에 의해, 유전율이 저하될 수 있는 이유에 관해, 도 7의 (b)에 도시하는 구성을 예로 하여, 보다 상세히 설명한다. 도 7의 (b)에 도시하는 바와 같이, 제 1 전극(21)과 제 2 전극(22) 사이의 거리를 D로 하고, 오목부(23c)에서의 2개의 경사면의 폭을 각각 D1, D2로 한다. 오목부(23c)가 없는 경우에 있어서의 정전용량(C)은, 근사적으로,
C≒πεL÷log(D/a)
이 된다. 또한, ε는 제 1 전극(21)과 제 2 전극(22) 사이의 유전율이고, L은 제 1 전극(21)과 제 2 전극(22)이 상대하는 영역의 전체 길이이고, a는 제 1 전극(21) 및 제 2 전극(22)의 막두께의 반분(1/2)이다. 이에 대해, 오목부(23c)를 마련한 경우에 있어서의 정전용량(C')으로 한 경우에, 단면 삼각형의 오목부(23c)에서의 정점을 끼우고 좌측의 거리를 D1, 우측의 거리를 D2로 하면, 근사적으로,
C'≒πεL÷log((D1+D2)/a)=πε'÷log(D/a)
이 된다. 이에 의해, 제 1 전극(21)과 제 2 전극(22) 사이의 유전율을 저하시킬 수 있음을 알 수 있다. 이와 같이, 제 1 전극(21)과 제 2 전극(22)의 위치 관계(거리)를 바꾸지 않아도, 오목부를 마련함에 의해 기판 표면을 통과하는 거리가 길어짐으로써, 양 전극 사이의 유전율을 저하시킬 수 있다.
(실시예 3)
도 8을 참조하여, 본 발명의 실시예 3에 관한 정전용량을 저하시키는 구조를 설명한다. 본 실시예에서는, 제 2 기판(20)과 제 1 전극(21)의 사이, 및 제 2 기판(20)과 제 2 전극(22)의 사이에, 각각 제 2 기판(20)보다도 비유전율이 낮은 재료로 이루어지는 층(23d)이 마련되어 있다.
본 실시예에서도, 구조상, 상기 실시예 2의 경우와 마찬가지로, 제 2 기판(20)에서의 제 1 전극(21)과 제 2 전극(22) 사이의 부분에 오목부(단면 사각형의 홈)가 형성된다. 따라서 제 1 전극(21)과 제 2 전극(22)의 사이에 큰 공간을 형성할 수 있다. 또한, 제 2 기판(20)과 제 1 전극(21)의 사이, 및 제 2 기판(20)과 제 2 전극(22)의 사이에는, 각각 제 2 기판(20)보다도 비유전율이 낮은 재료로 이루어지는 층(23d)이 개재한다. 따라서 제 1 전극(21)과 제 2 전극(22) 사이의 유전율을 저하시킬 수 있다.
이상과 같이 구성된 제 2 기판(20)에서의 정전용량 저하 구조의 제조 방법에 관해 간단히 설명한다. 우선, 제 2 기판(20)상에 CVD나 도포(스핀 코트, 딥법 등)에 의해, 비유전율이 낮은 재료(불소 수지, 파릴렌, 층간 절연 재료 등)에 의해 층(막)을 형성한다. 그리고, 이 층의 위에 메탈 전극을 형성한다. 그 후, 드라이 에칭(O2 애싱 등), 블라스트, 금형을 이용한 열전사 등에 의해, 오목부를 형성한다. 또한, 도시한 예에서는, 오목부로서 단면 사각형의 홈의 경우를 나타냈지만, 단면 삼각형의 홈이라도 좋다. 또한, 특히 도시는 하지 않지만, 오목부의 단면 형상은 도시한 것으로 한정되지 않고, 예를 들면, 오목부를 구성하는 면은 평면적인 것으로 한하지 않고, 곡면 부분을 갖도록 하여도 좋다.
본 실시예에 의하면, 기판에 관통구멍을 형성시킬 필요가 없기 때문에, 실시예 1의 경우에 비하여 염가로 제 2 기판(20)에서의 정전용량 저하 구조를 제조할 수 있다. 또한, 제 2 기판(20)의 재료로서, 비유전율이 4 내지 4.7의 유리 기판을 이용한 경우, 상기한 바와 같은 층(23d)을 개재시킴에 의해, 제 1 전극(21)과 제 2 전극(22) 사이의 정전용량을 1/2 정도로 하는 것이 가능해진다.
한 예로서, 상기 도 4를 참조하여 설명한 경우와 마찬가지로, 전극 사이즈(상기 도 1의 (b)에 도시하는 바와 같이, 복수의 전극이 배치되어 있는 영역(Z)에 상당하는 부분의 세로와 가로의 길이)를 20×20㎜, 전극의 선폭(도 8에서의 제 1 전극(21) 및 제 2 전극(22)의 좌우 방향의 거리)을 300㎛, 제 1 전극(21)과 제 2 전극(22) 사이의 간격을 20㎛, 제 1 전극(21) 및 제 2 전극(22)의 막두께를 0.4㎛, 제 1 기판(10)과 제 2 기판(20) 사이의 간격을 100㎛, 불소 수지로 이루어지는 층(23d)의 두께를 15㎛, 제 2 기판(20)의 비유전율을 4.7로 한 정전유도형 발전 장치에 있어서, 각 부분의 정전용량을 측정하였다.
측정 결과, 일렉트릿(13)과 제 1 전극(21) 사이의 정전용량(상기 C1에 상당)은 20㎊이고, 일렉트릿(13)과 제 2 전극(22) 사이의 정전용량(상기 C2에 상당)은 13.4㎊이고, 제 1 전극(21)과 제 2 전극(22) 사이의 정전용량(상기 C3에 상당)은 41㎊이였다.
따라서 △C=20㎊-13.4㎊=6.6㎊가 되고, △C/20㎊=0.33로, 상기 식 1로부터 구하여진 발전량에 대해 33%의 전력을 취출할 수가 있었다.
(실시예 4)
도 9를 참조하여, 본 발명의 실시예 4에 관한 정전용량을 저하시키는 구조를 설명한다. 본 실시예에서는, 제 2 기판(20)과 제 1 전극(21)의 사이, 및 제 2 기판(20)과 제 2 전극(22)의 사이에, 각각 제 2 기판(20)보다도 비유전율이 낮은 재료로 이루어지는 층(23d1)이 마련되고, 또한 제 2 기판(20)에 오목부(23b1)가 마련되어 있다. 즉, 본 실시예에서는, 상술한 실시예 2에서의 특징적인 구성과 실시예 3에서의 특징적인 구성을 조합시킨 것이다. 본 실시예에 의하면, 상기 실시예 2나 실시예 3에 비하여, 보다 한층, 제 1 전극(21)과 제 2 전극(22) 사이의 정전용량을 저하시키는 것이 가능해짐은 말할 필요도 없다.
(실시예 5)
도 10을 참조하여, 본 발명의 실시예 5에 관한 정전용량을 저하시키는 구조를 설명한다. 본 실시예에서는, 제 2 기판(20)측에서의 제 1 기판(10)과 대향하는 면측은, 절연막(40)에 의해 덮여 있다. 또한, 본 실시예에 있어서 정전용량을 저하시키는 구조로서, 도 10의 (a)에서는 상술한 실시예 1에 나타낸 구조를 채용한 경우를 나타내고, 도 10의 (b)에서는 실시예 2에 나타낸 구조를 채용한 경우를 나타내고 있다. 특히 도시는 하지 않지만, 실시예 3이나 실시예 4에 나타낸 구조를 채용하여도 좋음은 말할 필요도 없다.
본 실시예에 의하면, 제 2 기판(20)측에서의 제 1 기판(10)과 대향하는 면측은, 절연막(40)에 의해 덮여 있기 때문에, 일렉트릿(13)으로부터의 방전을 억제할 수 있다.
10 : 제 1 기판 11 : 지지 부재
12 : 스프링 13 : 일렉트릿
14 : 가드 전극 20 : 제 2 기판
21 : 제 1 전극 22 : 제 2 전극
23 : 정전용량 저하 구조 23a : 관통구멍
23b, 23b1, 23c : 오목부 23d, 23d1 : 층
30 : 부하 40 : 절연막
100 : 정전유도형 발전 장치 110 : 몸체
12 : 스프링 13 : 일렉트릿
14 : 가드 전극 20 : 제 2 기판
21 : 제 1 전극 22 : 제 2 전극
23 : 정전용량 저하 구조 23a : 관통구멍
23b, 23b1, 23c : 오목부 23d, 23d1 : 층
30 : 부하 40 : 절연막
100 : 정전유도형 발전 장치 110 : 몸체
Claims (6)
- 서로 대향한 상태를 유지한 채로, 상대적으로 이동 가능하게 구성된 제 1 기판 및 제 2 기판과,
제 1 기판에 마련된 일렉트릿과,
제 2 기판에서의 상기 일렉트릿과 대향하는 면측에 마련되는 제 1 전극 및 제 2 전극을 구비하고,
제 1 기판과 제 2 기판의 상대적인 위치의 변화에 수반하여, 상기 일렉트릿과 제 1 전극과의 위치 관계, 및 상기 일렉트릿과 제 2 전극과의 위치 관계가 각각 변화함에 의해, 상기 일렉트릿과 제 1 전극 사이의 정전용량, 및 상기 일렉트릿과 제 2 전극 사이의 정전용량이 각각 변화함으로써 전력이 출력되는 정전유도형 발전 장치에 있어서,
제 1 전극과 제 2 전극의 사이에는, 이들의 전극 사이의 정전용량을 저하시키는 구조가 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 정전유도형 발전 장치. - 제 1항에 있어서,
상기 정전용량을 감소시키는 구조는, 제 1 전극과 제 2 전극의 사이에 마련된, 이들의 전극 사이의 유전율을 저하시키는 구조인 것을 특징으로 하는 정전유도형 발전 장치. - 제 2항에 있어서,
제 2 기판에서의 제 1 전극과 제 2 전극 사이의 부분에 관통구멍이 마련됨에 의해, 이들의 전극 사이의 유전율이 저하되어 있는 것을 특징으로 하는 정전유도형 발전 장치. - 제 2항에 있어서,
제 2 기판에서의 제 1 전극과 제 2 전극 사이의 부분에 오목부가 마련됨에 의해, 이들의 전극 사이의 유전율이 저하되어 있는 것을 특징으로 하는 정전유도형 발전 장치. - 제 2항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
제 2 기판과 제 1 전극의 사이, 및 제 2 기판과 제 2 전극의 사이에, 각각 제 2 기판보다도 비유전율이 낮은 재료로 이루어지는 층이 마련됨에 의해, 제 1 전극과 제 2 전극 사이의 유전율이 저하되어 있는 것을 특징으로 하는 정전유도형 발전 장치. - 제 1항에 있어서,
제 2 기판측에서의 제 1 기판과 대향하는 면측은, 절연막에 의해 덮여 있는 것을 특징으로 하는 정전유도형 발전 장치.
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