KR101617865B1 - 실린더형 접촉 대전 발전기 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따르면, 실린더형 접촉 대전 발전기에 있어서, 스프링의 각 마디에 대전판을 설치하고, 대전판의 일면에는 금속층을 형성시키고, 타면에는 폴리머층을 형성시킨 후, 스프링의 종파 운동을 이용하여 대전판상 금속층과 폴리머층의 접촉에 의한 접촉 대전 발전을 수행시킴으로써 발전 효율을 높일 수 있다. 또한, 실린더 등의 하우징 내부에 위치한 스프링의 접촉 대전 발전 방식을 이용함으로서 외부에서 발생하는 흔들림이나 진동을 보다 효과적으로 전력발전에 활용할 수 있다.
Description
본 발명은 접촉 대전 발전기에 관한 것으로, 특히 스프링(spring)의 각 마디에 대전판을 설치하고, 대전판의 일면에는 금속층(metal layer)을 형성시키고, 타면에는 폴리머층(polymer layer)을 형성시킨 후, 스프링의 종파 운동을 이용하여 대전판상 금속층과 폴리머층의 접촉에 의한 접촉 대전 발전을 수행시킴으로써 외부의 흔들림이나 진동을 보다 효과적으로 이용하여 전력발전 효율을 높일 수 있도록 하는 실린더형 접촉 대전 발전기에 관한 것이다.
일반적으로, 접촉 대전 방식의 발전은 두 가지 물질의 접촉 시 발생하는 정전기적 전하발생에 기반을 두어 시작되었다. 두 물질의 접촉 시 한쪽은 양으로 다른 쪽은 음으로 유도되는 정전기적 전하에 의해 각각에 물질에 연결된 전극 사이에 전위차이가 생기고 이러한 전위차가 전극 간 전자의 흐름을 만들어 전류가 흐르게 되며 접촉과 분리를 반복할 시 이와 같은 전기적 유도 현상에 의해 반복적인 전기적 신호를 얻을 수 있으며, 이를 이용하여 전력을 생산할 수 있다.
한편, 위와 같은 접촉 대전 발전방식의 효율을 향상시키기 위하여 반도체 나노공정을 이용한 접촉면적의 극대화, 접촉세기의 최적화, 접촉물질에 대한 새로운 시도 등 다양한 연구들이 현재 진행되고 있다. 또한, 이러한 접촉 대전 발전방식은 타 발전 방식에 비하여 높은 전압을 생산할 수 있는 장점 때문에 산업으로의 응용방안에 대한 연구 또한 활발히 진행되고 있다.
예를 들어, 두 전극 면이 접촉할 때 발생한 전력을 이용하여 소리 감지센서 혹은 압력 감지센서 로서 활용할 수 있을 뿐만 아니라, 나아가 소규모 전력발전 등으로도 응용시킬 수 있다.
하지만 종래의 접촉 대전 발전방식은 대부분 상/하로 위치한 두 개의 전극면의 접촉에 의하여 구현되기 때문에 산업으로의 응용 또한 상/하로 이루어지는 단순한 접촉에 국한된다는 한계를 지니고 있다.
따라서, 접촉 대전 발전방식을 산업에서 다양하게 활용하는데 있어서 더 용이하게 만들기 위해서는 기존에 알려진 두 개의 전극면의 상하 접촉방식 뿐만 아니라, 또 다른 형태의 접촉방식을 이용하여 전력 효율을 높일 수 있는 기술의 개발이 필요하다.
(특허문헌)
대한민국 공개특허번호 10-2011-0132758호(공개일자 2011년 12월 09일)
따라서, 본 발명에서는 스프링의 각 마디에 대전판을 설치하고, 대전판의 일면에는 금속층을 형성시키고, 타면에는 폴리머층을 형성시킨 후, 스프링의 종파 운동을 이용하여 대전판상 금속층과 폴리머층의 접촉에 의한 접촉 대전 발전을 수행시킴으로써 외부의 흔들림이나 진동을 보다 효과적으로 이용하여 전력발전 효율을 높일 수 있도록 하는 실린더형 접촉 대전 발전기 및 그 제조 방법을 제공하고자 한다.
상술한 본 발명은 접촉 대전 발전기로서, 하우징과, 상기 하우징의 양끝단에 연결되는 전극과, 상기 하우징의 내부에 탑재되며, 상기 하우징의 양끝단에 형성된 상기 전극과 연결되는 기설정된 길이의 스프링과, 상기 스프링의 각 마디에 형성되는 대전판과, 상기 대전판의 일면에 형성되는 금속층을 포함한다.
또한, 상기 대전판은, 타면에는 폴리머층이 형성되며, 상기 폴리머층과 금속층간 마찰이 발생하는 경우 상기 폴리머층과 금속층 사이에 접촉 대전이 발생되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 대전판은, 외부의 물리적 에너지에 의해 상기 스프링이 상기 하우징의 내부에서 압축 또는 복원되는 과정에서, 상기 대전판에 형성된 상기 폴리머층과 상기 금속층간 마찰에 의해 접촉 대전이 발생되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 외부의 물리적 에너지는, 상기 하우징에 가해지는 진동 또는 충격인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 금속층은, 금(Au), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 크롬(Cr) 또는 니켈(Ni) 중 어느 하나의 금속으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 스프링은, 실린더형으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 스프링은, 금속 물질로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 하우징은, 실린더형으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 하우징은, 절연 물질로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 접촉 대전 발전기의 제조 방법으로서, 하우징을 형성시키는 단계와, 기설정된 길이의 스프링의 각 마디에 대전판을 형성시키는 단계와, 상기 대전판의 일면에 금속층을 형성시키는 단계와, 상기 스프링을 상기 하우징의 내부에 삽입하고 상기 하우징의 양끝단에 형성된 전극에 연결하여 고정시키는 단계를 포함한다.
또한, 상기 대전판은, 타면에는 폴리머층이 형성되며, 상기 폴리머층과 금속층간 마찰이 발생하는 경우 상기 폴리머층과 금속층 사이에 접촉 대전이 발생되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 대전판은, 외부의 물리적 에너지에 의해 상기 스프링이 상기 하우징의 내부에서 응축 압축되는 과정에서, 상기 대전판에 형성된 상기 폴리머층과 상기 금속층간 마찰에 의해 접촉 대전이 발생되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 실린더형 접촉 대전 발전기에 있어서, 스프링의 각 마디에 대전판을 설치하고, 대전판의 일면에는 금속층을 형성시키고, 타면에는 폴리머층을 형성시킨 후, 스프링의 종파 운동을 이용하여 대전판상 금속층과 폴리머층의 접촉에 의한 접촉 대전 발전을 수행시킴으로써 발전 효율을 높일 수 있는 이점이 있다.
또한, 발전 효율을 높이는 것에 더하여 실린더 내부의 스프링 구조로 인하여 기계적인 자원(mechanical source)(바람, 파도 등의 상하진동)으로부터 에너지를 생산해낼 수 있는 이점이 있다.
또한, 실린더 등의 하우징 내부에 위치한 스프링의 접촉 대전 발전 방식을 이용함으로서 외부에서 발생하는 흔들림이나 진동을 보다 효과적으로 전력발전에 활용할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 접촉 대전 발전기의 하우징의 사시도,
도 2 내지 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 접촉 대전 발전기의 사시도,
도 4 내지 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 접촉 대전 발전기에서의 동작 개념도.
도 2 내지 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 접촉 대전 발전기의 사시도,
도 4 내지 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 접촉 대전 발전기에서의 동작 개념도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 동작 원리를 상세히 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1을 본 발명의 일실시예에 따른 접촉 대전 발전기의 하우징의 사시도를 도시한 것이고, 도 2 내지 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 접촉 대전 발전기의 사시도를 도시한 것이다.
위 도 1을 참조하면, 본 발명의 접촉 대전 발전기는 실린더(cylinder) 등의 형태로 형성되는 하우징(100)과, 제1 전극(120), 제2 전극(130), 스프링(spring)(110), 대전판(113) 등을 포함할 수 있다.
하우징(100)은 접촉 대전 발전기에서 접촉 대전을 발생시키는 대전판(113)이 형성된 스프링(110)을 감싸는 장치로, 도 1에서는 실린더형으로 제작한 것을 예시하였으나, 이에 한정되지는 않는다. 또한, 이러한 하우징(100)은 예를 들어 상대적으로 낮은 전기전도도를 가지는 물질 또는 절연 물질로 제작될 수 있으며, 압축 아크릴이나 PVC 등의 물질로 제작될 수 있다.
제1 전극(120)과 제2 전극(130)은 하우징(100)의 양끝단에 형성되어 스프링(110)과 연결될 수 있다. 이때, 제1 전극(120)과 제2 전극(130)은 하우징(100)이 실린더형으로 제작되는 경우 하우징(100)내 탑재되는 스프링(110)이 하우징(100)의 내부에서 이탈하지 않도록 원통형의 마개 형태로 제작될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
스프링(110)은 탄성력을 가지고 압축 또는 복원의 동작을 수행하는 장치로써 본 발명의 실시예에서는 도 2 내지 도 3에서 보여지는 바와 같이 스프링(110)의 각 마디에 대전판(113)이 형성될 수 있다.
대전판(113)은 접촉 대전 발전기에서 스프링(110)의 압축 및 복원 동작을 통해 접촉 대전을 발생시키는 소자로써, 이러한 대전판(113)은 앞뒤에 서로 다른 물질이 형성되는 제1 접촉면(111)과 제2 접촉면(112)을 가지게 되는데, 제1 접촉면(111)에는 금속층이 형성될 수 있고, 제2 접촉면(112)에는 폴리머층이 형성될 수 있다.
이때, 폴리머층은 금속층과의 접촉 대전 현상에 의해 많은 음 전하가 유도되어야 하므로 대전열에서 하위에 위치한 물질을 사용함이 바람직하고, 금속층은 접촉 대전 시 양의 전하를 잘 유도할 수 있도록 대전열의 상위에 위치한 물질을 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 금속층의 형성을 위한 금속물질은 예를 들어 금(Au), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 크롬(Cr) 또는 니켈(Ni) 등이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이하에서는, 위와 같은 접촉 대전 발전기의 제작 과정을 자세히 설명하기로 한다.
먼저, 실린더 형태의 하우징(100)을 제작하고, 하우징(100)의 양끝단에 부착되거나 또는 삽입되어 하우징(100)의 내부를 밀폐시킴으로써 스프링(110)의 이탈을 방지시키도록 하는 제1 전극(120)과 제2 전극(130)을 제작한다.
이때, 이러한 하우징(100)은 접촉 대전 발전기에서 접촉 대전을 발생시키는 대전판(113)이 형성된 스프링(110)을 감싸는 장치로, 상술한 도 1에서 설명한 바와 같이 실린더형으로 제작될 수 있으며, 또한 예를 들어 압축 아크릴이나 PVC 등과 같이 상대적으로 낮은 전기전도도를 가지는 물질 또는 절연 물질로 제작될 수 있다.
또한, 이때, 제1 전극(120)과 제2 전극(130)은 하우징(100)이 실린더형으로 제작되는 경우 하우징(100)내 탑재되는 스프링(110)이 하우징(100)의 내부에서 이탈하지 않도록 원통형의 마개 형태로 제작될 수 있다.
위와 같이 하우징(100)과 제1 전극(120), 제2 전극(130)이 제작된 경우, 이어, 제1 접촉면(111)에는 폴리머층이 형성되고 제2 접촉면(112)에는 금속층이 형성된 다수의 대전판(113)을 제작한다. 이때, 이러한 대전판(113)은 예를 들어 스프링(110)이 실린더형으로 제작되는 경우 원형으로 제작될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 이러한 대전판(113)은 접촉 대전 발전기에서 스프링(110)의 압축 및 복원 동작을 통해 접촉 대전을 발생시키는 소자로써, 스프링(110)의 압축과 복원이 반복되는 경우 대전판(113)의 폴리머층과 금속층이 근접하게 되는데, 이때 폴리머층 및 금속층에 미리 대전된 정전기 전하가 서로 근접하게 되고 이를 통해 전류가 유도되는 방식으로 접촉 대전을 발생시킬 수 있다.
위와 같이 대전판(113)이 제작되는 경우 기설정된 길이의 스프링(110)의 각 마디에 대전판(113)을 형성시키고, 대전판(113)이 형성된 스프링(110)을 하우징(100)의 내부에 삽입한 후, 스프링(110)의 양끝단을 제1 전극(120)과 제2 전극(130)에 연결하여 스프링(110)의 양끝단을 하우징(100)에 고정시킴으로서 접촉 대전 발전기를 완성시킬 수 있게 된다.
도 4 내지 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 접촉 대전 발전기에서의 동작 개념을 도시한 것이다. 이하, 도 4 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 접촉 대전 발전기의 동작을 상세히 설명하기로 한다.
하우징(100)의 내부에 삽입되며, 접촉 대전 발전을 위한 다수의 대전판(113)을 구비한 스프링(110)에 대해 하우징(100)의 외부에서 물리적 에너지가 인가되어 스프링(110)으로 전달되는 경우, 도 4에서 보여지는 바와 같이, 스프링(110)이 하우징(100)의 일측 방향으로 압축된다. 또한, 위와 같이 일측 방향으로 압축된 스프링(110)은 스프링(110)의 탄성력에 의해 도 5에서와 같이 일정 시간 이후에는 복원되었다가 하우징(100)의 타측 방향으로 압축되는 방식으로 연속적으로 압축과 복원을 수행하게 된다.
이때, 위와 같이 하우징 내에서 스프링(110)의 압축과 복원이 반복되는 경우 압축되는 방향에 위치한 대전판(113)이 접촉 대전을 일으킬 수 있을 만큼 서로 근접하게 되며, 이에 따라 대전판(113)의 폴리머층과 금속층이 접촉 대전되어 전하가 만들어져서 전위차이가 생기게 되며, 금속층에서 전위차를 평형상태로 만들기 위해 전자가 이동함으로서 전기가 생산되게 된다.
또한, 본 발명에서는 접촉 대전 발전방식이 주로 상하로 위치한 두 개의 전극면의 접촉에 의하여 구현되는 기존의 접촉 대전 발전기와는 달리, 도 4 내지 도 5에서 보여지는 바와 같이 스프링의 종파운동이 가능하게 되며, 하우징(100)의 위치에 따라 스프링(110)이 하우징(100) 내에서 상하좌우로 압축과 복원이 수행되어 다수의 대전판(113)의 접촉면에서 접촉 대전을 일으키게 됨으로써, 발전 효율을 높일 수 있게 되는 것을 알 수 있다.
상기한 바와 같이, 실린더형 접촉 대전 발전기에 있어서, 스프링의 각 마디에 대전판을 설치하고, 대전판의 일면에는 금속층을 형성시키고, 타면에는 폴리머층을 형성시킨 후, 스프링의 종파 운동을 이용하여 대전판상 금속층과 폴리머층의 접촉에 의한 접촉 대전 발전을 수행시킴으로써 발전 효율을 높일 수 있다. 또한, 실린더 등의 하우징 내부에 위치한 스프링의 접촉 대전 발전 방식을 이용함으로서 외부에서 발생하는 흔들림이나 진동을 보다 효과적으로 전력발전에 활용할 수 있다.
한편 상술한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 여러 가지 변형이 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 실시될 수 있다. 따라서 발명의 범위는 설명된 실시 예에 의하여 정할 것이 아니고 특허청구범위에 의해 정하여져야 한다.
100 : 하우징 110 : 스프링
111 : 제1 접촉면 112 : 제2 접촉면
113 : 대전판 120 : 제1 전극
130 : 제2 전극
111 : 제1 접촉면 112 : 제2 접촉면
113 : 대전판 120 : 제1 전극
130 : 제2 전극
Claims (9)
- 하우징과,
상기 하우징의 양끝단에 연결되는 전극과,
상기 하우징의 내부에 탑재되며, 상기 하우징의 양끝단에 형성된 상기 전극과 연결되는 기설정된 길이의 스프링과,
상기 스프링의 각 마디에 형성되는 대전판과,
상기 대전판의 일면에 형성되는 금속층
을 포함하는 접촉 대전 발전기.
- 제 1 항에 있어서,
상기 대전판은,
타면에는 폴리머층이 형성되며, 상기 폴리머층과 상기 금속층간 마찰이 발생하는 경우 상기 폴리머층과 상기 금속층 사이에 접촉 대전이 발생되는 것을 특징으로 하는 접촉 대전 발전기.
- 제 2 항에 있어서,
상기 대전판은,
외부 에너지에 의해 상기 스프링이 상기 하우징의 내부에서 압축 또는 복원되는 과정에서, 상기 대전판에 형성된 상기 폴리머층과 상기 금속층간 마찰에 의해 접촉 대전이 발생되는 것을 특징으로 하는 접촉 대전 발전기.
- 제 3 항에 있어서,
상기 외부 에너지는,
상기 하우징에 가해지는 진동 또는 충격인 것을 특징으로 하는 접촉 대전 발전기.
- 제 1 항에 있어서,
상기 금속층은,
금(Au), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 크롬(Cr) 또는 니켈(Ni) 중 어느 하나의 금속으로 형성되는 것을 특징으로 하는 접촉 대전 발전기.
- 제 1 항에 있어서,
상기 스프링은,
실린더형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 접촉 대전 발전기.
- 제 1 항에 있어서,
상기 스프링은,
금속 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 접촉 대전 발전기.
- 제 1 항에 있어서,
상기 하우징은,
실린더형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 접촉 대전 발전기.
- 제 1 항에 있어서,
상기 하우징은,
절연 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 접촉 대전 발전기.
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