KR101796185B1 - 웨어러블 에너지 발생 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시 형태에 따른 웨어러블 에너지 발생 장치는, 플렉시블 기판과, 플렉시블 기판의 일면에 부착되는 음의 대전체 물질이 코팅된 제1 전극과, 플렉시블 기판의 일면에 부착되며 제1 전극으로부터 소정 간격 이격되게 배치된 제2 전극을 구비하는 플렉시블 전극부를 포함하는 에너지 발생 장치로서, 에너지 발생 장치의 착용시 제1 전극의 표면에 코팅된 음의 대전체 물질은 외력이 인가되지 않은 상태에서도 양의 대전체인 인체의 피부에 직접 접촉되며, 에너지 발생 장치의 착용시 제2 전극은 외력이 인가되지 않은 상태에서도 인체의 피부에 직접 접촉되도록 구성될 수 있다.

Description

웨어러블 에너지 발생 장치{WEARABLE ENERGY GENERATING APPARATUS}
본 출원은, 웨어러블 에너지 발생 장치에 관한 것이다.
본 출원은, 미래창조과학부 및 정보통신기술진흥센터의 대학 ICT 연구센터 육성지원사업의 일환으로 수행된 연구[과제관리번호: 1711035203 (R0992-16-1021), 과제명: Wearable 디바이스용 에너지 하베스팅 및 무선 전력 전송 기술 개발]로부터 도출된 것이다.
최근 휴대용 디바이스(portable device) 사용 증가에 따라 디바이스들의 배터리 문제들을 보완하기 위해 웨어러블 에너지 소스에 대한 기술들이 주목을 받고 있다. 그러나 현재 웨어러블 에너지 소스로 사용되고 있는 장치는, 방전 이후 오랜 시간의 재충전이 요구되고 수명의 한계 및 중금속으로 인한 환경오염을 유발할 수 있다는 단점을 가지고 있다.
이러한 웨어러블 에너지 소스의 문제점들을 극복하기 위해서 에너지 하베스팅 기술에 대한 연구가 증가하고 있다.
에너지 하베스팅(Energy harvesting) 기술은 주변에서 버려지는 에너지를 수확하여 전기에너지로 변환한 후 이용하는 것으로서, 자연환경을 보존할 수 있는 미래 산업 분야로 기대되고 있다.
이러한 에너지 하베스팅 기술을 기존 전자 기기 등에 이용할 경우 에너지 효율을 크게 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 별도의 전원을 이용한 배터리 충전 없이 주변의 에너지를 이용하여 전자 기기를 독립적으로 구동하도록 할 수 있다. 또한 이 기술은 응용 범위가 상당히 넓어 다양한 센서 및 이를 이용한 통신 소자 등의 전원 또는 보조 전원으로 이용될 수 있다.
이러한 에너지 하베스팅 기술의 하나로 최근 정전 에너지 하베스팅 기술이 주목 받고 있다. 이는 물체의 반복적인 마찰 대전을 유도하여 에너지를 얻는 방식으로 상호 마찰을 통해 접촉 표면에 전기를 발생시키고, 여기서 발생된 전기를 축전하여 발전기로 활용하는 방식으로 환경오염 요소가 없고 높은 에너지 출력을 내면서 비교적 저렴한 비용으로 하베스팅 소자를 생산할 수 있는 장점이 있다.
정전 에너지 하베스팅 기술로, 예를 들면 미국공개특허 제2013-0049531호(“TRIBOELECTRIC GENERATOR”, 공개일: 2013년 02월 28일)이 있다.
이러한 종래 기술에 의하면, 별도의 지지 구조가 필요하며, 인체에 착용하여 사용시 일부 방향으로 별도의 외력 작용이 필요로 하다는 단점을 가지고 있다.
미국공개특허 제2013-0049531호(“TRIBOELECTRIC GENERATOR”, 공개일: 2013 년02월 28일)
본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 별도의 지지 구조 없이도 인체 착용이 편리하며, 작은 움직임에도 전력을 생산할 수 있는 웨어러블 에너지 발생 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 플렉시블 기판: 및 상기 플렉시블 기판의 일면에 부착되는 음의 대전체 물질이 코팅된 제1 전극과, 상기 플렉시블 기판의 일면에 부착되며 상기 제1 전극으로부터 소정 간격 이격되게 배치된 제2 전극을 구비하는 플렉시블 전극부를 포함하는 에너지 발생 장치로서, 상기 에너지 발생 장치의 착용시 상기 제1 전극의 표면에 코팅된 음의 대전체 물질은, 외력이 인가되지 않은 상태에서도 양의 대전체인 인체의 피부에 직접 접촉되며, 상기 에너지 발생 장치의 착용시 상기 제2 전극은, 외력이 인가되지 않은 상태에서도 상기 인체의 피부에 직접 접촉되도록 구성된 웨어러블 에너지 발생 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 상기 웨어러블 에너지 발생 장치는, 상기 인체의 근육 부위 및 관절 부위 중 적어도 하나에 착용될 수 있다.
본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 상기 웨어러블 에너지 발생 장치는, 상기 인체의 근육 부위 및 관절 부위 중 적어도 하나가 움직일 때 상기 음의 대전체 물질과 상기 인체와의 접촉 부위의 마찰에 의해 전기를 발생시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 상기 제1 전극의 표면에 코팅되는 음의 대전체 물질의 표면적은, 상기 제2 전극의 표면적보다 적어도 5배 이상 30배일 수 있다.
본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 상기 음의 대전체 물질은, 실리콘 러버(silicon rubber)일 수 있다.
본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 상기 음의 대전체 물질의 표면은, 마이크로 패터닝 기법을 이용하여 증가된 표면적을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은, 도전성 섬유(conductive textile)로 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 상기 웨어러블 에너지 발생 장치는, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극과 연결된 정류부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 상기 웨어러블 에너지 발생 장치는, 상기 정류부에 연결된 에너지 저장 소자를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 상기 음의 대전체 물질은, 제1 전극을 완전히 덮도록 코팅함으로써, 상기 제1 전극과 상기 인체의 피부가 직접 접촉되는 것을 방지될 수 있다.
본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 플렉시블 기판과, 플렉시블 기판의 일면에 부착되는 음의 대전체 물질이 코팅된 제1 전극과, 플렉시블 기판의 일면에 부착되며 제1 전극으로부터 소정 간격 이격되게 배치된 제2 전극을 구비하는 플렉시블 전극부를 포함하며, 제1 전극의 표면에 코팅된 음의 대전체 물질은, 양의 대전체인 인체와 직접 접촉되도록 함으로써, 별도의 지지 구조 없이도 인체에 착용이 편리하며, 작은 움직임에도 전력을 생산할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 웨어러블 에너지 발생 장치의 구성도로, (a)는 정면도, (b)는 배면도, (c)는 Z-Z'에서 바라본 절단도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 웨어러블 에너지 발생 장치의 동작 원리를 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 형태에 따른 웨어러블 에너지 발생 장치를 손목 관절 부위에 착용한 사진이다.
도 4는 도 2의 착용 상태에서 각 손가락의 움직임에 따라 발생되는 전압의 크기를 도시한 것이다.
도 5는 도 2의 착용 상태에서 손목의 움직임에 따라 발생되는 전압의 크기를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 일 형태에 따른 웨어러블 에너지 발생 장치를 팔뚝에 부착한 경우 팔뚝의 움직임에 따라 발생되는 전압의 크기를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 형태에 따른 마이크로 패터닝 기법을 이용하여 증가된 표면적을 가진 음의 대전체 물질의 표면을 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나 본 발명의 실시형태는 여러 가지의 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로만 한정되는 것은 아니다. 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 웨어러블 에너지 발생 장치(100)의 구성도로, (a)는 정면도, (b)는 배면도, (c)는 Z-Z'에서 바라본 절단도이다.
도 1에 도시된 같이, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 웨어러블 에너지 발생 장치(100)는, 플렉시블 기판(110)과, 플렉시블 기판(110)의 일면에 부착되는 음의 대전체 물질(121A)이 코팅된 제1 전극(121)과, 플렉시블 기판(110)의 일면에 부착되며 제1 전극(121)으로부터 소정 간격 이격되게 배치된 제2 전극(122)을 구비하는 플렉시블 전극부(121, 121A, 122)와, 정류부(130)와, 접합부(140)를 포함할 수 있다.
구체적으로, 플렉시블 기판(110)은, 전기가 통하지 않는 부도체이며, 인체에 무해하며, 잘 휘어질 수 있는(flexible) 재질로 만들어질 수 있다. 상술한 플렉시블 기판(110)은 인체의 일부를 감싸도록 일정 길이와 폭을 가질 수 있다.
플렉시블 전극부(121, 121A, 122)는, 플렉시블 기판(110)의 일면에 부착되며 음의 대전체 물질(121A)이 코팅된 제1 전극(121)과, 플렉시블 기판(110)의 일면에 부착되며 제1 전극(121)으로부터 소정 간격 이격되게 배치된 제2 전극(122)을 포함할 수 있다.
즉, 플렉시블 기판(110) 위에는 2개의 전극(121, 122)가 부착되며, 2개의 전극(121, 122) 각각은 서로 접촉하지 않도록 일정 거리 이격되게 배치될 수 있다. 상술한 제1 전극(121)의 표면에는 음의 대전체 물질(121A)을 코팅하되, 음의 대전체 물질(121A)은 제1 전극(121)의 표면적보다 크게 코팅됨으로써, 제1 전극(121)이 인체의 피부와 직접 접촉되지 않도록 할 수 있다. 또한, 제2 전극(122)은 인체의 피부와 직접 접촉될 수 있다.
여기서, 제1 전극(121)의 표면에 코팅되는 음의 대전체 물질(121A)은, 하기의 표 1에 도시된 바와 같이, 음의 값이 상대적으로 가장 작은 실리콘 고무(silicon rubber)를 사용함으로써, 발생되는 마찰 전기의 크기를 증가시킬 수 있다.
반면, 본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 상술한 음의 대전체 물질에 대응되는 양의 대전체는 인체의 피부(human skin, HS)일 수 있다. 본 발명의 일 실시형태로, 음의 대전체 물질로서 실리콘 고무를 예시하고 있으나, 이는 발명의 이해를 돕기 위한 것으로, 표 1의 마찰 전기 시리즈(triboelectric series)에서 도시된 바와 같이, 인체의 피부(human skin) 보다 상대적으로 음의 값이 큰 재질, 예컨대 테프론(teflon) 등을 포함할 수 있음은 물론이다.
[표 1]
Figure 112016040399343-pat00001
또한, 제1 전극(121)의 표면에 코팅되는 음의 대전체 물질(121A)의 표면적은, 제2 전극(122)의 표면적보다 적어도 5배 이상 30배일 수 있는데, 이와 같이 음의 대전체 물질(121A)의 표면적을 제2 전극(122)의 표면적보다 상대적으로 크게 함으로써, 음의 대전체 물질(121A)과 인체의 피부(HS)와의 접촉 표면적을 늘려 발생되는 마찰전기의 크기를 증가시킬 수 있다.
상술한 2개의 전극(121, 122)은, 잘 휘어질 수 있으며(flexible), 도전성을 가진 재질로 만들어질 수 있으며, 예를 들면, 도전성 섬유(conductive textile)의 재질을 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 웨어러블 에너지 발생 장치(100)는 제1 전극(121) 및 제2 전극(122)과 연결된 정류부(130)를 더 포함할 수 있으며(연결 관계는 미도시함), 정류부(130)는 전극(121, 122)을 통해 흐르는 전류를 정류하여 직류 형태로 변환할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 웨어러블 에너지 발생 장치(100)는 정류부(130)에 연결된 에너지 저장 소자(미도시함)를 더 포함할 수 있으며, 에너지 저장 소자로는 슈퍼 커패시터 또는 배터리 등이 포함될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 기판(110)의 일면에는 접합부(140)가 더 부착될 수 있으며, 접합부(140)의 부착력에 의해 웨어러블 에너지 발생 장치(100)를 인체에 부착시킬 수 있다. 이러한 접합부(140)는, 예를 들면, 벨크로 테이프(velcro tape) 등이 사용될 수 있다.
상술한 웨어러블 에너지 발생 장치(100)는 인체의 근육 부위 및 관절 부위에 착용되어 이들 중 적어도 하나가 움직일 때 음의 대전체 물질(121A)과 인체의 피부와의 접촉 부위의 마찰에 의해 전기를 발생시킬 수 있다(도 3 내지 도 6 참조).
이하, 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시 형태에 따른 웨어러블 에너지 발생 장치(100)의 동작 원리를 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 웨어러블 에너지 발생 장치의 동작 원리를 설명하는 도면이다.
우선, 도 2의 (a)에 도시된 바와 같이, 평상시 웨어러블 에너지 발생 장치(100)가 인체의 근육 부위 및 관절 부위에 착용된 상태에서는 음의 대전체 물질(121A)과 인체의 피부(HS)와의 접촉 부위의 마찰에 의해 음의 대전체 물질(121A)과 인체의 피부(HS)는 특정 전하로 대전될 수 있다.
구체적으로, 위의 표 1의 마찰 전기 시리즈(triboelectric series)에서 도시된 바와 같이, 음의 대전체 물질(121A)로 사용되는 실리콘 고무는 양의 대전체인 인체의 피부(Human Skin, HS)보다 음의 값을 가지므로, 음의 대전체 물질(121A)은 음전하로, 인체의 피부(HS)는 양전하로 대전될 수 있다.
다음, 도 2의 (b) 및 (c)에 도시된 바와 같이, 인체의 근육 부위 및 관절 부위의 움직임에 의해 웨어러블 에너지 발생 장치(100)가 인체 부위(HS)로부터 떨어지게 되면(Releasing), 음의 대전체 물질(121A)과 양의 대전체(HS) 사이에 전위차가 존재하게 되며, 음의 대전체 물질(121A)의 음전하는 제1 전극(121)을 통해 제2 전극(122)으로 이동될 수 있다.
이후, 음전하의 이동이 감소하게 되면, 도 2의 (d)에 도시된 바와 같이, 음전하는 제2 전극(122)로부터 제1 전극(121)으로 역류하게 된다. 이러한 과정을 통해 2개의 전극(121, 122)에는 교류 전압이 발생하게 된다.
도 3은 본 발명의 일 형태에 따른 웨어러블 에너지 발생 장치(100)를 손목 관절 부위에 착용한 사진이다.
즉, 도 3에 도시된 바와 같이, 접합부(140)를 이용하여 웨어러블 에너지 발생 장치(100)를 손목 관절 부위에 착용할 수 있다.
한편, 도 4는 도 2의 착용 상태에서 각 손가락의 움직임에 따라 발생되는 전압의 크기로, 전극(121, 122)에 7MΩ의 저항을 연결한 후 저항 양단의 전압을 측정한 것이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 웨어러블 에너지 발생 장치(100)를 손목 관절 부위에 착용한 이후, 각 손가락을 움직이게 되면, 음의 대전체 물질(121A)과 인체의 피부(HS)의 접촉에 따라 전압이 발생하게 된다. 해당 손가락의 움직임에 따른 전압은 별도로 도시하였다.
한편, 도 5는 도 2의 착용 상태에서 손목의 움직임에 따라 발생되는 전압의 크기를 도시한 것으로, (a)는 주먹을 쥔 상태에서 손목을 위아래로 움직이는 경우에 발생되는 전압이며, (b)는 손가락을 쥐었다 폈다한 경우에 발생되는 전압의 크기로, 전극(121, 122)에 7MΩ의 저항을 연결한 후 저항 양단의 전압을 측정한 것이다.
도 4와 도 5를 비교하면, 손목을 움직인 경우(도 5의 (a) 참조)에 손가락만을 움직인 경우(도 4 참조)에 비해 손목 근육의 움직임이 크므로, 발생되는 전압의 크기가 더 큰 것을 알 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 형태에 따른 웨어러블 에너지 발생 장치를 팔뚝에 부착한 경우 팔뚝의 움직임에 따라 발생되는 전압의 크기를 도시한 도면으로, 전극(121, 122)에 7MΩ의 저항을 연결한 후 저항 양단의 전압을 측정한 것이다.
도 6의 경우 발생되는 전압의 최대치가 대략 15V 정도로, 도 4의 경우에 비해 매우 큰 전압이 발생됨을 알 수 있다. 이는 근육의 움직임에 의해 음의 대전체 물질(121A)과 양의 대전체(HS)의 접촉 표면적이 더 넓어지기 때문이다.
마지막으로, 도 7은 본 발명의 일 형태에 따른 마이크로 패터닝 기법을 이용하여 증가된 표면적을 가진 음의 대전체 물질의 표면을 도시한 도면으로, (a)는 패터닝을 하지 않은 상태의 음의 대전체 물질(121A)의 표면을, (b)는 마이크로 패터닝을 수행한 후의 음의 대전체 물질(121A)의 표면을 확대한 것이다.
즉, 음의 대전체 물질(121A)과 양의 대전체(HS)의 접촉 표면적을 늘리기 위해, (b)에 도시된 바와 같이, 음의 대전체 물질(121A)을 마이크로 패터닝 기법을 이용하여 패터닝할 수 있다. 이와 같은 패터닝을 통해 발생되는 마찰전기의 크기를 더욱 증가시킬 수 있다.
마이크로 패터닝 기법의 예로는, 전기 방사(electrospinning), 포토 리소그래피(photolithography), 캐스팅 방법(casting method), ICP RIE(inductively coupled plasma reactive ion etching) 등 다양한 방법이 사용될 수 있음은 물론이다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 플렉시블 기판과, 플렉시블 기판의 일면에 부착되는 음의 대전체 물질이 코팅된 제1 전극과, 플렉시블 기판의 일면에 부착되며 제1 전극으로부터 소정 간격 이격되게 배치된 제2 전극을 구비하는 플렉시블 전극부를 포함하며, 제1 전극의 표면에 코팅된 음의 대전체 물질은, 양의 대전체인 인체와 직접 접촉되도록 함으로써, 별도의 지지 구조 없이도 인체에 착용이 편리하며, 작은 움직임에도 전력을 생산할 수 있다.
상술한 본 발명의 일 실시 형태에서는 에너지 하베스팅이 적용되는 객체를 신발과 바지를 예로 들어 설명하고 있으나, 이는 발명의 이해를 돕기 위한 것으로, 본 발명의 기술적 사상은 다양한 의류에 다양한 형태로 적용 가능함에 유의하여야 한다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되지 아니한다. 첨부된 청구범위에 의해 권리범위를 한정하고자 하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
100: 웨어러블 에너지 발생 장치
110: 플렉시블 기판
121: 제1 전극
121A: 음의 대전체 물질
122: 제2 전극
130: 정류부
140: 접합부
HS: 인체의 피부

Claims (10)

  1. 플렉시블 기판: 및
    상기 플렉시블 기판의 일면에 부착되는 음의 대전체 물질이 코팅된 제1 전극과, 상기 플렉시블 기판의 일면에 부착되며 상기 제1 전극으로부터 소정 간격 이격되게 배치된 제2 전극을 구비하는 플렉시블 전극부를 포함하는 에너지 발생 장치로서,
    상기 에너지 발생 장치의 착용시 상기 제1 전극의 표면에 코팅된 음의 대전체 물질은, 외력이 인가되지 않은 상태에서도 양의 대전체인 인체의 피부에 직접 접촉되며,
    상기 에너지 발생 장치의 착용시 상기 제2 전극은, 외력이 인가되지 않은 상태에서도 상기 인체의 피부에 직접 접촉되도록 구성된 웨어러블 에너지 발생 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 웨어러블 에너지 발생 장치는,
    상기 인체의 근육 부위 및 관절 부위 중 적어도 하나에 착용되는 웨어러블 에너지 발생 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 웨어러블 에너지 발생 장치는,
    상기 인체의 근육 부위 및 관절 부위 중 적어도 하나가 움직일 때 상기 음의 대전체 물질과 상기 인체와의 접촉 부위의 마찰에 의해 전기를 발생시키는 웨어러블 에너지 발생 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극의 표면에 코팅되는 음의 대전체 물질의 표면적은,
    상기 제2 전극의 표면적보다 적어도 5배 이상 30배인 웨어러블 에너지 발생 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 음의 대전체 물질은,
    실리콘 러버(silicon rubber)인 웨어러블 에너지 발생 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 음의 대전체 물질의 표면은,
    마이크로 패터닝 기법을 이용하여 증가된 표면적을 가지는 웨어러블 에너지 발생 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은,
    도전성 섬유(conductive textile)로 구성된 웨어러블 에너지 발생 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 웨어러블 에너지 발생 장치는,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극과 연결된 정류부를 더 포함하는 웨어러블 에너지 발생 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 웨어러블 에너지 발생 장치는,
    상기 정류부에 연결된 에너지 저장 소자를 더 포함하는 웨어러블 에너지 발생 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 음의 대전체 물질은,
    제1 전극을 완전히 덮도록 코팅함으로써, 상기 제1 전극과 상기 인체의 피부가 직접 접촉되는 것을 방지하는 웨어러블 에너지 발생 장치.
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