KR101788805B1 - 교차운동을 이용한 자가발전 의류 - Google Patents

Abstract

본 발명은 인체에 착용하고 이동할 때 발생되는 운동에너지를 전기에너지로 변환하여 전력을 생성하는 자가발전 의류에 관한 것으로서, 특히 간단한 구조로 이루어져 저렴한 비용으로 구현되면서도 발전 효율이 뛰어난 자가발전 의류에 관한 것이다.
본 발명에 따른 교차운동을 이용한 자가발전 의류는 의류의 제1부위에 구비되고, 자기장을 발생시키는 자석부재; 도보시 상기 제1부위와 교차운동이 행해지는 의류의 제2부위에 구비되어서, 상기 자석부재의 자기장에 의해 전력을 생성하는 코일부재; 상기 코일부재에서 생성되는 전력으로 충전되는 축전지;를 포함하여 이루어진다.

Description

교차운동을 이용한 자가발전 의류{Garment that generates energy by reciprocal movement}

본 발명은 인체에 착용하고 이동할 때 발생되는 운동에너지를 전기에너지로 변환하여 전력을 생성하는 자가발전 의류에 관한 것으로서, 특히 간단한 구조로 이루어져 저렴한 비용으로 구현되면서도 발전 효율이 뛰어난 자가발전 의류에 관한 것이다.

현대사회에서 전력은 각종 전자제품을 가동시키는 동력원으로 사용되고 있다.

전자제품 중에서 휴대폰 등과 같은 휴대용 전자제품은 배터리를 통하여 전력을 공급받는다.

배터리는 사전에 충전된 전력량에 따라 그 사용시간이 한정되어 있으므로, 전력이 모두 소진된 후에는 재사용을 위해 다시 충전해야 하는 불편함이 있고, 배터리의 충전은 전력원이 존재하는 장소 내에서만 제한적으로 이루어지므로, 사용자가 실외에 위치할 경우에는 해당 제품이 방전되어도 재사용할 수 없다는 문제점이 있다.

근래에는 레저문화의 발달로 야외활동이 늘어나면서 야외에서의 휴대용 전자제품을 많이 사용하지만 배터리가 공급할 수 있는 전력양의 한계로 충분한 휴대용 전자제품의 사용이 제한되고 있다.

한편, 최근에는 일상생활에서 착용하는 의류에 IT기술이 접목되어 발열의류, 전자호구 등의 사용되는 스마트 의류도 활발히 개발되고 있는데, 스마트 의류도 보통 배터리를 전력원으로 사용하면서 전력량이 부족한 문제가 있다.

이처럼 배터리의 한정된 전력양에 따른 문제를 해결하기 위해 다양한 종류의 자가발전기술이 개발되고 있고, 우리가 일상생활에서 착용하는 의류에도 자가발전기술을 적용하기 위한 연구가 활발하게 행해지고 있다.

의류에 자가발전기술을 접목해 전력을 생성하고자 하는 연구는 현재 주로 의류의 마찰 등에 의하여 발생되는 정전기를 집적하여 전력을 생성하는 방법이 많이 연구되어 있으나 아직 실용화에는 더 많은 연구가 필요한 실정이다.

의류에 자가발전기술을 접목해 전력을 생성하는 또 다른 종래기술로 등록특허 제1485608호 "전원을 생성할 수 있는 선재와, 이를 이용한 결합체, 및 이를 이용한 스마트 의복, 등록특허 제1256371호 "자가 발전용 바지"가 제안되었다.

상기 두 등록특허는 플레밍의 오른손 법칙에 따라 도선이 자석의 자기장에서 운동(이동)도록 하여 전력을 생성하고 있다.

보다 구체적으로 보면, 상기 등록특허 제1485608호는 "신축성을 갖는 내선; 상기 내선에 권취되는 유도코일; 상기 내선 및 상기 유도코일의 외부에 덧씌워지고 신축성을 갖도록 형성된 외피층; 및 상기 내선상에 N극 및 S극이 반복적으로 형성되는 마그네트부를 구비하여, 상기 내선 또는/및 상기 유도코일의 신축시에 상기 마그네트부와 유도코일과의 전자기유도작용으로 전원을 발전하도록 된 것을 특징으로 하는 전원을 생성할 수 있는 선재"를 의류에서 신축작용이 크게 행해지는 부위에 구비시켜 전력을 생성하고 있다.

상기 등록특허 제1485608호는 전력을 생성하는 선재의 구조가 매우 복잡하여 제조원가가 상당히 높고, 선재의 굵기를 가늘게 하는데 한계가 있어 의류에 적용시 의류의 두께가 두꺼워지는 문제가 있다.

그리고 무엇보다 상기 등록특허 제1485608호는 유도코일과 마그네트부 간의 상대적인 운동량이 적어 생성되는 전력(발전)이 미미할 것이다. 발전을 위해서는 유도코일과 마그네트부 간에 상대적인 이동이 있어야 하는데, 상기 등록특허 제1485608호는 유도코일은 내선에 권취되고, 마그네트부는 내선상에 구비되는 구조이어서 의류의 신축시에 유도코일과 마그네트부가 같은 방향으로 움직이기 때문에 유도코일과 마그네트부 간에 상대적인 이동이 없거나 매우 적어 발전이 어렵다.

상기 등록특허 제1256371호 "자가 발전용 바지"의 경우, 자석부재가 바지의 양측 가랑이에 극성을 서로 반대방향으로 하면서 배치된다.

이처럼 자석부재가 바지의 양측 가랑이에 극성이 반대가 되도록 배치되면, 양측의 자석부재가 인력으로 서로 붙으려 하기 때문에 보행을 불가능하게 하거나 방해하기 때문에 전류 생성(즉, 발전)을 기대하기 어렵다.

본 발명은 이처럼 의류에 자가발전기술이 적용된 종래기술이 갖는 문제를 해결하기 위해 안출된 발명으로서, 도보시 의류에서 행해지는 교차운동을 이용하여 전력이 생성되도록 함으로써 구조가 단순하고, 그에 따라 제조원가가 낮고 생산성이 뛰어나며, 의류가 불필요하게 두꺼워지지 아니하고, 발전효율이 우수하여 유용하게 사용할 수 있는 량의 전력을 생성할 수 있는 교차운동을 이용한 자가발전 의류를 제공함을 목적으로 한다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 교차운동을 이용한 자가발전 의류는

의류의 제1부위에 구비되고, 자기장을 발생시키는 자석부재;

도보시 상기 제1부위와 교차운동이 행해지는 의류의 제2부위에 구비되어서, 상기 자석부재의 자기장에 의해 전력을 생성하는 코일부재;

상기 코일부재에서 생성되는 전력으로 충전되는 축전지;를 포함하여 이루어진다.

그리고 상기 코일부재는 금속필라멘트가 섬유사에 커버드 상태로 감긴 꼬임 구조의 전도성사를 사용하고, 상기 제2부위에 자수되어 구비되거나 제2부위를 구성하는 원단의 직조에 사용되어 원단의 일부를 구성하며 구비되는 것을 특징으로 한다.

이와 같이 구성되는 본 발명에 따른 교차운동을 이용한 자가발전 의류는 자석부재와 코일부재를 각각 의류에서 교차운동이 행해지는 제1부위와 제2부위에 구비시키기만 하면 되므로 종래기술처럼 자석부재와 코일부재를 서로 결합시키는 추가적인 구성요소가 필요 없으므로 간단한 구성과 구조로 제조원가가 저렴하고, 코일부재는 전도성사를 이용하여 자수나 직조의 방식으로 제2부위에 구비되어서 생산성이 높으며 자가발전을 위해 의류의 두꺼워지는 것을 최소화하고, 도보시에 분당 약 50회의 교차운동이 행해져서 유용하게 사용할 수 있는 전력량을 얻을 수 있을 정도로 발전 효율이 높은 교차운동을 이용한 자가발전 의류로서 산업발전에 매우 유용한 발명이다.

도 1 은 본 발명에 따른 교차운동을 이용한 자가발전 의류의 블럭 구성도.
도 2 는 도보시에 교차운동이 행해지는 제1,2 부위에 자석부재와 코일부재가 구비된 형태를 개략적으로 도시한 도면.
도 3 은 플레밍의 오른손 법칙을 모식적으로 보여주는 도면.
도 4 는 코일부재가 자석부재에서 운동하는 방향과 그때 코일부재에서 발생되는 전류의 방향을 보여주는 도면.
도 5 는 도4의 운동시 발생되는 전류의 파형을 보여주는 도면.
도 6 은 발생되는 전류를 축전지에 충전시키는 간단한 일례의 회로도와 전류의 파형도.
도 7 은 발생되는 전류를 오실로스코프로 측정한 데이터.
도 8 은 측정 조건에 따른 발전량을 보여주는 도표.
도 9 는 발전량의 측정에 사용된 기계장치를 보여주는 사진.

이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 교차운동을 이용한 자가발전 의류를 보다 상세하게 설명한다.

본 발명에 따른 교차운동을 이용한 자가발전 의류를 보다 구체적으로 설명하기에 앞서,

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 구현예(態樣, aspect)(또는 실시예)들을 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

각 도면에서 동일한 참조부호, 특히 십의 자리 및 일의 자리 수, 또는 십의 자리, 일의 자리 및 알파벳이 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 기능을 갖는 부재를 나타내고, 특별한 언급이 없을 경우 도면의 각 참조부호가 지칭하는 부재는 이러한 기준에 준하는 부재로 파악하면 된다.

또 각 도면에서 구성요소들은 이해의 편의 등을 고려하여 크기나 두께를 과장되게 크거나(또는 두껍게) 작게(또는 얇게) 표현하거나, 단순화하여 표현하고 있으나 이에 의하여 본 발명의 보호범위가 제한적으로 해석되어서는 안 된다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 구현예(태양, 態樣, aspect)(또는 실시예)를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, ~포함하다~ 또는 ~이루어진다~ 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

먼저, 도1에서 보는 바와 같이 본 발명에 따른 교차운동을 이용한 자가발전 의류는 전기적인 블럭구성은 자기장을 만드는 자석부재(20), 자기장에서의 운동으로 전기장을 유시시켜 전류를 생성하는 코일부재(10), 그리고 생성되는 전류에 따른 전력을 저장(충전)하는 축전지(BAT)의 간단한 구성으로 이루어진다.

상기 자석부재(20)와 코일부재(10)는 도보시에 서로 엇갈리는(교차하는) 교차운동이 행해지는 팔과 옆구리 또는 두 다리가 위치하는 의류의 부위에 구비되어서, 도보시에 코일부재(10)가 자석부재(20) 위를 자연스럽게 왕복이동 하게 된다.

도2를 참조하여 보다 구체적으로 설명하면, 인체에 착용하고 도보시에 서로 간에 교차운동이 행해지는 의류의 제1부위와 제2부위로는 팔의 안쪽(제1부위)과 옆구리(제2부위), 오른다리(제1부위)의 내측과 왼다리(제2부위)의 내측이 있다. 이와 같은 제1부위와 제2부위의 의류에 상기 자석부재(20)와 코일부재(10)가 각각 구비된다. 참고로, 제1부위와 제2부위는 상호 교차운동이 행해지는 두 파트를 구분짓기 위한 명칭이다.

상기 자석부재(20)는 주변에 자기장을 발생시키는 영구자석을 사용한다.

상기 자석부재(20)는 좌우 양측에 각각 N극과 S극이 위치하여, 교차운동시 상기 코일부재(10)가 N극과 S극 위를 왕복한다.

상기 자석부재(20)는 얇으면서 휘어짐이 가능한 가요성의 패드타입을 사용하여 의류 착용시 이물감을 줄여 착용자의 활동성과 착용감을 확보하는 것이 바람직할 수 있다. 그리고 가용성의 패드타입 자석부재(20)는 의류에 박음질하여 고정시킬 수 있는 장점도 있다.

상기 자석부재(20)는 의류의 제1부위에 주머니를 만들고, 주머니에 넣어서 제1부위에 고정배치되도록 할 수 있다. 이때, 주머니는 지퍼나 밸크로테잎 등으로 개폐가 가능하도록 하여 의류의 세탁시나 기타 필요한 때에 자석부재(20)를 의류에서 분리할 수 있도록 하는 것이 바람직할 것이다.

상기 코일부재(10)는 상기 자석부재(20)에서 발생된 자기장에서 이동하여 전류를 발생시킨다.

상기 코일부재(10)는 도2의 [A]에서 보는 바와 같이 사각형 모양으로 의류에 여러번 감긴구조를 갖는다. 이때, 사각형 모양의 좌우폭은 상기 자석부재(20)의 N극이나 S극의 폭과 동일한 것이 바람직하다. 코일부재(10)의 좌우폭이 자석부재(20)의 N극이나 S극의 폭 보다 좁으면 발생되는 전력(전류)의 상쇄가 일어나 발전효율이 저하되고, 코일부재(10)의 좌우폭이 자석부재(20)의 N극이나 S극의 폭 보다 넓으면 발생되는 전류 파형의 주기가 길어지고 진폭이 낮아져 발전효율이 저하될 수 있다.

상기 코일부재(10)는 활동성이 많은 의류에 부착되어 구비되므로 활동성에 따른 외력에 순응하여서 파손되지 않도록 휘어짐 등의 변형이 가능한 것을 사용할 필요가 있다.

상기 코일부재(10)는 에나멜과 같은 보호용 수지로 표면이 코팅된 전선(13)이 사용될 수 있고, 금속필라멘트(11a)와 섬유사(11b)가 섞인 전도성사(11)가 사용될 수 있고, 기타 전류의 흐름이 가능한 실 형태의 것도 코일부재(10)로 사용될 수 있다.

상기 전도성사(11)는 금속필라멘트(11a)가 섬유사(11b)에 커버드 상태로 감긴 꼬임 구조(도2의 원단에 있는 사진 참조)를 갖도록 하면 금속필라멘트(11a)의 항복강력이 증가되어서 의류의 원단(1)에 자수할 수 있고, 의류의 원단(1)을 직조할 때에 직조실의 일부로 전도성사(11)가 사용되어서 전도성사(11)가 원단의 일부를 구성하도록 할 수 있다.

이처럼 전도성사가 의류에 자수되거나 직조되어서 코일부재(10)로 의류에 구비되도록 하면, 전도성사(즉, 코일부재(10))와 의류간의 결합 안정성이 높고, 코일부재(10)가 의류 착용자의 착용감과 활동성을 저해하는 것을 최소화할 수 있는 등의 장점이 있다.

코일부재(10)로 전선(13)을 사용할 경우에는 도2의 [A]에서 보는 바와 같이 전선(13)을 의류의 원단(1) 위에 사각형 모양으로 감아 배치시킨 후에 자수실(3)로 전선(13) 위를 자수하여 전선(13)을 의류의 원단(1)에 고정시킬 수 있다.

코일부재(10)로 전도성사(11)를 사용하는 경우에는 도2의 [B]에서 보는 바와 전도성사(11)를 의류의 원단(1)에 직접 자수하여 고정시킬 수 있고, 도2의 [C]에서 보는 바와 전도성사(11)를 일반사(5)와 같이 직조하여 의류의 원단을 구성하도록 하여 고정시킬 수 있다.

상기 축전지(BAT)는 상기 코일부재(10)에 생성되는 전류로 충전된다.

상기 축전지(BAT)는 의류의 세탁이 가능하도록 방수처리되나 의류에 탈부착이 가능하도록 하는 것이 바람직하다.

상기 축전지(BAT)에 충전된 전원은 다른 휴대용 전자제품에 공급되어 사용될 수 있고, 의류가 IT기술이 접목된 스마트 의류인 경우에 스마트 의류의 작동(예; 발열, 센싱 등)을 위한 전원으로 사용할 수 있다.

이하에서는 도3 내지 도6을 참조하여 본 발명에 따른 교차운동을 이용한 자가발전 의류에서 전력이 생성되어 저장되는 원리와 과정에 대하여 설명한다.

먼저, 도3에서 보는 바와 같이 [플레밍의 오른손 법칙]에 의하면 자기장 내에서 도선이 운동하면 전류가 생성되고, 이때 자기장의 방향, 도선의 이동방향, 전류의 생성방향은 각각 도3처럼 오른손의 검지, 엄지, 중지의 방향이 된다.

도4를 참고하면, [플레밍의 오른손 법칙]에 따라 코일부재(10)를 자석부재(20) 위에서 좌우로 이동시키면, 코일부재(10)가 자석부재(20) 위를 지나는 방향에 따라 코일부재(10)에는 화살표의 방향으로 전류가 생성되어 흐른다.

도5를 참고하면, 도4와 같이 코일부재(10)가 자석부재(20) 위를 (1)에서 (6)까지의 상태로 왕복이동하면 도5에서 보는 바와 같은 파형의 전류가 생성된다.

도6을 참고하면, 도5와 같은 파형으로 생성된 전류는 전파 브릿지(BD)를 통과하여 전파정류됨으로써 도6의 파형의 전류가 되어 축전지(BAT)에 충전된다.

도7은 코일부재(10)와 자석부재(20)를 교차운동시키는 경우 발생되는 전력을측정한 오실로스코프의 파형이고, 도8은 실험데이터 결과표이다.

실험은 도9와 같은 실험장치에서 자석부재(20)는 고정암(7)에 부착시키고, 코일부재(10)은 왕복암(8)에 부착시켜서, 코일부재(10)가 자석부재(20) 앞에서 왕복운동하도록 하였다. 상기 고정암(7)과 왕복암(8)은 사람이 걸을 때 팔과 옆구리의 각도를 고려하여 45도로 설정하였다.

성인의 빠른 걸음은 시속 약 4km, 뜀 걸음은 시속 약 8km로서, 각각 분당 약 48번, 95번 팔이 옆구리를 교차이동하고, 그에 맞춰 상기 왕복암(8)은 고정암(7)을 분당 48회, 95회 지나간다.

상기 자석부재는 20×40×10(mm)의 사이즈이고, 발생되는 자기장의 세기는 1420~3600 가우스를 실험에 사용하였다.

상기 코일부재는 직경 0.2mm의 도선과 금속필라멘트 및 섬유사가 혼합된 전도성사(11)를 각각 사용하고, 20×60(mm)의 사각형 모양이 되도록 감았고, 감은 턴수는 50회이다.

측정은 코일부재의 양단에 3킬로옴의 F급(1%)DML 저항을 연결하고, 양단을 오실로스코프를 이용하여 파형을 측정하였고, 측정 파형의 일례가 도7에 도시되어 있고, 각각의 실험결과는 도8의 도표와 같다.

도8a 내지 도8f에서 도8c 도8d는 코일부재(10)로 금속필라멘트 및 섬유사가 혼합된 전도성사(11)로 측정한 결과이고, 그 외는 에나멜이 코팅된 직경 0.2mm의 도선으로 측정한 결과이다. 그리고 도8a, 도8c, 도8e는 코일부재(10)를 자석부재와 평행으로 마주보게 배치하여 시속 4km의 속도로 왕복교차운동시켜서 측정한 결과이고, 그 외는 시속 8km의 속도로 왕복교차운동시켜서 측정한 결과이다.

도8의 실험결과표를 보면, 어느 정도의 자력과 일정 수준의 코일의 Turn수를 갖게끔 하여 의류에 적용할 시 약 300 ~500nA 정도의 전류가 한 개의 구조에서 생성이 됨을 알 수 있고, 의류의 교차운동 부위에 전력을 생성하는 코일부재와 자력부재 쌍을 다수개 구비하면 상당한 전류가 모이게 되어서 이것을 오랜 시간 축적 시 긴급구난용이나 핸드폰의 보조용 정도의 전력량으로 충분히 사용 가능할 것이다.

이상에서 본 발명을 설명함에 있어 첨부된 도면을 참조하여 특정 형상과 구조를 갖는 교차운동을 이용한 자가발전 의류에 대해 설명하였으나 본 발명은 당업자에 의하여 다양한 변형 및 변경이 가능하고, 이러한 변형 및 변경은 본 발명의 보호범위에 속하는 것으로 해석되어야 한다.

10 : 코일부재 20 : 자석부재
BAT : 축전지

Claims (2)

1. 의류의 제1부위에 구비되고, 자기장을 발생시키는 자석부재;
   도보시 상기 제1부위와 교차운동이 행해지는 의류의 제2부위에 구비되어서, 상기 자석부재의 자기장에 의해 전력을 생성하는 코일부재;
   상기 코일부재에서 생성되는 전력으로 충전되는 축전지;를 포함하여 이루어지되,
   
   상기 코일부재는 의류에 사각형 모양으로 감긴구조를 갖고,
   상기 코일부재의 사각형 모양은 좌우폭은 그 위를 교차하며 지나는 상기 자석부재의 N극이나 S극의 폭에 대응하는 것을 특징으로 하는 교차운동을 이용한 자가발전 의류.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 코일부재는 금속필라멘트가 섬유사에 커버드 상태로 감긴 꼬임 구조의 전도성사를 사용하고, 상기 제2부위에 자수되어 구비되거나 제2부위를 구성하는 원단의 직조에 사용되어 원단의 일부를 구성하며 구비되는 것을 특징으로 하는 교차운동을 이용한 자가발전 의류.

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