KR101775116B1 - 분말의 움직임을 이용한 접촉 대전 발전기 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따르면, 분말 접촉 대전 발전기에서, 하우징 내부와 접촉 할 때 대전되는 분말을 위치시키고 대전된 분말이 움직이면서 하우징 위아래, 상하, 좌우에 위치한 전극 간에 비대칭적인 전위차를 생성하여 유도 전류를 생성하도록 함으로써 외부의 물리적 에너지를 보다 용이하게 전기적 에너지로 변환할 수 있다. 또한, 접촉 대전에 필요한 두 대전체 중 하나를 고체 평면 구조가 아닌 분말을 사용함으로써 접촉 대전 발전기의 내구력을 증가시키고, 외부 물리적 자극에 상대적으로 더 움직이기 쉬운 분말을 사용함으로써 작은 물리적 자극에도 높은 효율을 낼 수 있다.

Description

분말의 움직임을 이용한 접촉 대전 발전기 및 그 제조 방법{TRIBOELECTRIC GENERATOR BASED ON CONTACT-ELECTRIFICATION USING POWDER MOTION AND METHOD FOR MANUFACTURING THE GENERATOR}

본 발명은 접촉 대전 발전기에 관한 것으로, 외부의 물리적 에너지를 전달받는 하우징과 하우징 내부에 삽입되어 외부의 물리적 에너지에 따라 움직이며 하우징 내벽과 접촉 대전을 발생시키는 분말을 포함하여 하우징 내벽과 분말의 마찰을 이용해 물리적 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 접촉 대전 발전기 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

근래에 들어, 지속적인 에너지 고갈과 기존의 화석연료 등에 의한 환경오염 등의 문제로 에너지 하베스팅(energy harvesting) 기술이 큰 관심을 받고 있다.

에너지 하베스팅이란 주변의 버려지는 태양광, 열, 물리적 운동에너지 등의 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 기술을 말하며, 에너지 변환 과정이 친환경적이고 버려지는 에너지를 수확한다는 점에서 효율적이다. 또한, 에너지 하베스팅 기술은 직접적인 전력 수급이 어려운 무선 장치(wireless device)나 외진 장소에 전력을 공급할 수 있는 방법으로도 부각되고 있다.

한편, 최근에는 접촉 대전(contact-electrification)현상에 기반한 접촉 대전 발전기(triboelectric generator)라는 새로운 운동 에너지 하베스팅 장치가 제안되었다. 이러한 접촉 대전 발전기에서는 서로 다른 두 표면이 접촉할 때 접촉 대전 현상에 의해 한 쪽 표면에는 양전하가, 다른 표면에는 음전하가 유도되고 이 두 표면이 분리될 시 앞서 유도된 전하에 의해 전위차가 생기고 평형상태에 도달하기 위해 두 표면에 연결된 전극 사이에 전자의 흐름이 유도된다. 또한, 평형 상태에 도달한 후 두 표면이 다시 가까워지면 이전과 반대의 전위차가 형성되고 반대 방향의 전자 흐름이 유도되며, 따라서 두 대전체 표면의 반복적인 접촉, 분리는 반복적 전압, 전류를 생성한다.

위와 같이, 두 고체 물질의 표면 간 접촉 대전을 활용하여 실제 존재하는 물리적 에너지를 수확하는 다양한 구조의 접촉 대전 발전기가 제안되었다. 이때, 이러한 진동은 접촉, 분리를 쉽게 발생시킬 수 있는 운동이며, 이 진동으로 고체 평면 구조의 두 대전체를 접촉, 분리시키는 방식을 통해 발전하는 구조가 대표적이다. 그러나 접촉 대전에 필요한 두 대전체가 고체 평면 구조인 경우 지속적인 접촉 분리에 의한 발전기의 내구력 저하 문제와, 평면의 특성상 전기 에너지로 전환 가능한 진동 방향이 한 방향으로 한정된다는 문제점이 있다.

이에 따라, 유도 전류를 발생시키는 방식으로 기존의 고체 평면 대신 고분자 분말을 이용하도록 하는 경우, 접촉 대전 발전기의 내구성을 크게 개선하고 또한 다양한 방향의 진동을 전기 에너지로 변환시킬 수 있어 높은 효율을 낼 수 있을 것으로 기대된다.

(특허문헌)

대한민국 공개특허번호 10-2011-0132758호(공개일자 2011년 12월 09일)

따라서, 본 발명에서는 밀폐된 하우징과 하우징을 형성하는 대전 물질과 하우징 내부에 삽입되어 물리적 에너지에 따라 움직여 하우징 내벽과 접촉 대전을 발생시키는 분말을 포함하여 하우징 내벽과 분말의 마찰을 이용해 물리적 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 분말 접촉 대전 발전기 및 그 제조 방법을 제공하고자 한다.

또한, 본 발명에서는 하우징 내벽과 접촉 할 때 대전되는 분말을 위치시킴으로써, 대전된 분말이 움직이며 하우징의 겉면에 위치한 전극들 간에 비대칭적인 전위차를 생성하여 유도 전류를 생성하도록 하는 분말 접촉 대전 발전기 및 그 제조 방법을 제공하고자 한다.

또한, 본 발명에서는 접촉 대전에 필요한 두 대전체 중 하나를 고체 평면 구조가 아닌 분말을 사용함으로써 접촉 대전 발전기의 내구력을 증가시키고, 하우징 내부에서 분말의 움직임이 자유롭기 때문에 전기 에너지로 전환 가능한 진동이 한 방향으로 한정되지 않으며, 외부 물리적 자극에 상대적으로 더 움직이기 쉬운 분말을 사용함으로써 작은 물리적 자극에도 높은 효율을 낼 수 있는 분말 접촉 대전 발전기 및 그 제조 방법을 제공하고자 한다.

상술한 본 발명은 분말의 움직임을 이용한 접촉 대전 발전기로서, 하우징과 하우징의 상부 및 하부에 결합되어 상기 하우징을 밀폐시키는 상/하부 전극과, 하우징의 내부에 위치하는 기설정된 양의 접촉 대전 발생용 분말과, 하우징의 외부면에 형성되는 적어도 하나 이상의 추가 전극과 상/하부 전극과 상기 추가 전극을 각각 연결하는 배선을 포함하고 하우징은 외부의 물리적 자극에 의해 상기 분말이 상기 하우징의 내부에서 이동하는 과정에서 상기 분말과의 마찰에 의해 접촉대전이 발생하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 하우징과 분말간 마찰에 의해 접촉 대전이 발생하는 경우 상기 상/하부 전극 또는 상기 하우징의 외부면에 형성되는 서로 대향되는 추가 전극의 사이에서 비대칭적인 전위차가 생성되어 유도 전류가 생성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 분말은, PTEE(Polytetrafluoroethylene)인 또는 PDMS 물질로 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 기설정된 양은, 상기 분말이 상기 하우징의 내부에서 유동 시 상기 하우징 내부의 벽과 마찰에 의하여 정전기적 전하가 가장 많이 발생하게 되는 용량으로 미리 계산되어 설정되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 물리적 자극은, 상기 하우징에 가해지는 바람, 진동 또는 충격인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 상하/하부 전극과 상기 추가 전극은, 금(Au), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 크롬(Cr) 또는 니켈(Ni) 중 어느 하나의 금속으로 형성되거나 ITO를 포함하는 산화물로 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 하우징은, 원통형 또는 다각형으로 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 분말의 움직임을 이용한 접촉 대전 발전기의 제조 방법으로서, 하우징을 형성하는 단계와, 상기 하우징의 상부와 하부에 결합되는 상부 전극과 하부 전극을 제작하는 단계와, 상기 하우징의 내부에 기설정된 양의 접촉 대전 발생용 분말을 삽입시키는 단계와, 상기 상부 전극과 하부 전극을 상기 하우징의 상부와 하부에 결합시켜 상기 하우징을 밀폐시키는 단계와, 상기 하우징의 외부면에 적어도 하나 이상의 추가 전극을 형성시키는 단계와, 상기 상부 전극과 하부 전극 및 상기 추가 전극을 각각 배선으로 연결시키는 단계를 포함한다.

본 발명에 따르면, 분말 접촉 대전 발전기에서, 하우징 내부의 표면과 접촉 할 때 대전되는 분말을 위치시키고, 대전된 분말이 움직이면서 하우징 겉면에 위치한 전극 간에 비대칭적인 전위차를 생성하여 유도 전류를 생성하도록 함으로써 외부의 물리적 에너지를 보다 용이하게 전기적 에너지로 변환할 수 있는 이점이 있다.

또한, 접촉 대전에 필요한 두 대전체 중 하나를 고체 평면 구조가 아닌 분말을 사용함으로써 접촉 대전 발전기의 내구력을 증가시킬 수 있으며, 하우징 내부에서 분말의 움직임이 자유롭기 때문에 전기 에너지로 전환 가능한 진동이 한 방향으로 한정되지 않으며, 외부 물리적 자극에 상대적으로 더 움직이기 쉬운 분말을 사용함으로써 작은 물리적 자극에도 높은 효율을 낼 수 있는 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 분말의 움직임을 이용한 접촉 대전 발전기의 사시도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 접촉 대전 발전기 제작 과정 흐름도,
도 3a 내지 도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 접촉 대전 발전기의 유도 전류 생성 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 1은 본 발명의 일실시예에 따른 분말의 움직임을 이용한 접촉 대전 발전기의 사시도를 도시한 것이다.

위 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 접촉 대전 발전기는 하우징(100)과, 제1 전극(110), 제2 전극(111), 제3 전극(112), 제4 전극(113), 제5 전극(114), 제6 전극(115) 등을 포함할 수 있다.

하우징(100)은 접촉 대전 발전기에서 접촉 대전을 발생시킴과 동시에 분말(120)을 감싸는 장치로, 도 1에서는 원통 형태로 제작한 것을 예시하였으나, 이에 한정되지는 않는다. 즉, 하우징(100)은 다각형 형태로도 제작될 수 있다.

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.

또한, 이러한 하우징(100)은 외부로부터의 물리적 자극에 강한 물질을 사용하는 것이 바람직하며, 하우징(100) 내부에 삽입된 분말(120)이 외부로 새어나가지 않도록 밀폐되는 것이 바람직하다. 이때, 물리적 자극이라 함은 외부로부터 하우징(100)으로 인가되는 진동, 충격 등의 물리적 에너지를 의미할 수 있다.

하우징(100)은 접촉 대전 발전기에서 분말(120)과의 접촉시 접촉 대전을 발생시키는 대전 물질로 형성될 수 있으며, 내부에 삽입된 분말(120)과 접촉하여 많은 정전기적 전하를 유도할 수 있도록 대전열에서 상대적으로 하위에 위치하는 PTFE, PDMS 등의 물질을 사용함이 바람직하다.

제1 전극(110), 제2 전극(111), 제3 전극(112), 제4 전극(113), 제5 전극(114), 제6 전극(115)은 상대적으로 높은 전도도를 가지는 금속, 산화물, 높은 농도로 도핑된 반도체 등을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 이러한 제1 전극(110), 제2 전극(111), 제3 전극(112), 제4 전극(113), 제5 전극(114), 제6 전극(115)은 예를 들어 금(Au), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 크롬(Cr) 또는 니켈(Ni) 등의 금속으로 형성되거나 ITO를 포함하는 산화물로 형성될 수 있다.

분말(120)은 하우징(100)의 내부에 삽입될 수 있으며, 이러한 분말(120)의 양은 하우징(100)의 내부에서 유동 시 하우징(100) 내부의 내벽과의 마찰에 의한 정전기적 전하 발생이 가장 많게 되는 용량으로 미리 계산되어 설정될 수 있다.

또한, 분말(120)은 하우징(100)과 접촉하여 상대적으로 많은 전하를 유도할 수 있는 대전 물질을 사용함이 바람직하며, 이러한 물질로는 하우징(100)과의 접촉 시 많은 정전기적 전하를 유도할 수 있도록 대전열에서 상대적으로 하위에 위치하는 예를 들어 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene, PTFE), PDMS 등의 물질이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

도 2은 본 발명의 실시예에 따른 분말의 움직임을 이용한 접촉 대전 발전기의 제작 과정 흐름도를 도시한 것이다. 이하, 도 2를 참조하여 위와 같은 본 발명의 접촉 대전 발전기의 제작 과정을 보다 자세히 설명하기로 한다.

먼저, 예를 들어 원통 형태의 하우징(100)을 제작하고(S200), 하우징(100)의 내부를 밀폐시키도록 하는 제1 전극(110)과 제2 전극(111)을 제작한다(S202).

이때, 이러한 하우징(100)은 접촉 대전 발전기에서 접촉 대전을 발생시키는 분말(120)을 감싸는 장치로, 상술한 도 1에서 설명한 바와 같이 공기의 출입이 원활할 수 있는 구조로 제작될 수 있으며, 또한 예를 들어 압축 아크릴이나 PVC 등과 같이 상대적으로 낮은 전기전도도를 가지는 물질 또는 절연 물질로 제작될 수 있다.

이어, 기 설정된 일정량의 분말을 하우징(100)의 내부에 삽입한 후(S204), 제1 전극(110)과 제2 전극(111)을 하우징(100)의 위아래에 배치하여 하우징(100)을 밀폐시킨다(S206). 그리고, 추가적인 전극으로, 예를 들어 하우징(100)의 앞, 뒤, 좌, 우에 각각 제3 전극(112), 제4 전극(113), 제5 전극(114), 제6 전극(115)을 배치한다(S208). 이때, 본 발명의 실시예에서는 추가적인 전극으로 제3 전극(112), 제4 전극(113), 제5 전극(114), 제6 전극(115) 등 4개의 전극을 추가적으로 배치하는 것을 예를 들어 설명하였으나, 이에한정되는 것은 아니다.

이어, 각각의 전극에 배선(도시하지 않음)을 연결하여(S210) 분말(120)과 하우징(100)간 접촉 발생에 따라 대전된 전류가 각각의 전극과 연결된 배선을 통해 전기 에너지로 축적될 수 있도록 한다.

도 3a 내지 도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 분말의 움직임을 이용한 접촉 대전 발전기에서 유도 전류가 생성되는 동작 개념을 도시한 것이다. 이하, 도 3a 내지 도 3b를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 접촉 대전 발전기에서 외부의 물리적 자극이 가해질 때 유도 전류가 생성되는 동작을 상세히 설명하기로 한다.

먼저, 도 1에서 보여지는 바와 같이 외부로부터의 물리적 자극이 주어져 분말과 하우징(100)간 접촉을 통한 접촉 대전 현상이 발생할 시 하우징(100)은 양전하로 대전되며, 분말(120)은 음전하로 대전된다.

이때, 외부의 물리적 자극에 의해 하우징(100) 내부에 위치한 분말(120)이 도 3a에서 보여지는 바와 같이 제1 전극(110)으로 향할 경우, 분말(120)의 음전하가 스크리닝(screening)하고 있던 제2 전극(111)의 양전하의 양이 줄어들게 된다. 이로 인해 제1 전극(110)과 제2 전극(111)간 전위차가 발생하게 되고 평형상태를 이루기 위해 제1 전극(110)에서 제2 전극(111)으로 전자가 이동하게 된다.

다음으로, 만약 물리적 자극에 의해 하우징(100) 내부에 위치한 분말(120)이 도 3b에서 보여지는 바와 같이 제2 전극(111)으로 향할 경우, 분말(120)의 음전하가 스크리닝하고 있던 제1 전극(110)의 양전하의 양이 줄어들게 된다. 이로 인해 제1 전극(110)과 제2 전극(111)간 전위차가 발생하게 되고 평형상태를 이루기 위해 제2 전극(111)에서 제1 전극(110)으로 전자가 이동하게 된다.

이러한 반복적인 외부의 물리적 자극에 의한 분말의 움직임에 따라 비대칭적 스크리닝이 발생되고, 이러한 비대칭적 스크리닝으로 인해 제1 전극(110)과 제2 전극(111)간 전자의 흐름이 유도되면서 접촉 대전 발전에 의한 지속적인 전력의 생산이 가능하게 된다. 즉, 본 발명에서는 하우징(100)의 내부에 하우징(100)의 내부의 벽과 접촉할 시 대전되는 분말(120)을 위치시킴으로써, 대전된 분말(120)이 외부의 물리적 자극에 의해 하우징(100) 내부를 움짐임에 따라 제1 전극(110)과 제2 전극(111), 그리고 하우징(100)의 외부면에 위치되는 제3 전극(112), 제4 전극(113), 제5 전극(114), 제6 전극(115) 간에 비대칭적인 전위차가 생성되어 유도 전류가 생성되므로써 지속적인 전력이 생산이 가능하게 되는 것이다.

또한, 위와 같은 제1 전극(110)과 제2 전극(111)간의 동작은, 제3 전극(112)과 제4 전극(113), 제5 전극(114)과 제6 전극(115) 사이에서도 각각 동일한 방식으로 발생하게 되며, 대응되는 전극간 상호작용을 통해 전력이 생산된다.

상기한 바와 같이 본 발명에 따르면, 분말 접촉 대전 발전기에서, 하우징 내부와 접촉 할 시 대전되는 분말을 위치시키고 대전된 유체가 움직이면서 하우징 위아래, 상하, 좌우에 위치한 전극 간에 비대칭적인 전위차를 생성하여 유도 전류를 생성하도록 함으로써 외부의 물리적 에너지를 보다 용이하게 전기적 에너지로 변환할 수 있다. 또한, 접촉 대전에 필요한 두 대전체 중 하나를 고체 평면 구조가 아닌 분말을 사용함으로써 접촉 대전 발전기의 내구력을 증가시키고, 외부 물리적 자극에 상대적으로 더 움직이기 쉬운 유체를 사용함으로써 작은 물리적 자극에도 높은 효율을 낼 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 : 제1 전극
111 : 제2 전극 112 : 제3 전극
113 : 제4 전극 114 : 제5 전극
115 : 제6 전극 120 : 분말

Claims (6)

1. 하우징과,
   상기 하우징의 상부 및 하부에 결합되어 상기 하우징을 밀폐시키는 상/하부 전극과,
   상기 하우징의 내부에 위치하는 기설정된 양의 접촉 대전 발생용 분말과,
   상기 하우징의 외부면에 형성되는 적어도 하나 이상의 추가 전극과
   상기 상/하부 전극을 각각 연결하고, 상기 추가 전극을 각각 연결하는 배선을 포함하고
   상기 하우징은 외부의 물리적 자극에 의해 상기 분말이 상기 하우징의 내부에서 이동하는 과정에서 상기 분말과의 마찰에 의해 접촉대전이 발생하는
   접촉 대전 발전기.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 하우징과 분말간 마찰에 의해 접촉 대전이 발생하는 경우 상기 상부 및 하부 전극 또는 상기 하우징의 외부면에 형성되는 서로 대향되는 추가 전극의 사이에서 전위차가 생성되어 유도 전류가 생성되는 것을 특징으로 하는 접촉 대전 발전기.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 분말은,
   PTEE(Polytetrafluoroethylene)인 또는 PDMS 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 접촉 대전 발전기.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 기설정된 양은,
   상기 분말이 상기 하우징의 내부에서 유동 시 상기 하우징 내부의 벽과 마찰에 의하여 정전기적 전하가 가장 많이 발생하게 되는 용량으로 미리 계산되어 설정되는 것을 특징으로 하는 접촉 대전 발전기.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 물리적 자극은,
   상기 하우징에 가해지는 바람, 진동 또는 충격인 것을 특징으로 하는 접촉 대전 발전기.
   
6. 하우징을 형성하는 단계와,
   상기 하우징의 상부와 하부에 결합되는 상부 전극과 하부 전극을 제작하는 단계와,
   상기 하우징의 내부에 기설정된 양의 접촉 대전 발생용 분말을 삽입시키는 단계와,
   상기 상부 전극과 하부 전극을 상기 하우징의 상부와 하부에 각각 결합시켜 상기 하우징을 밀폐시키는 단계와,
   상기 하우징의 외부면에 적어도 하나 이상의 추가 전극을 형성시키는 단계와,
   상기 상부 전극과 하부 전극을 각각 배선으로 연결시키고, 상기 추가 전극을 각각 배선으로 연결시키는 단계
   를 포함하는 접촉 대전 발전기의 제조 방법.

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