KR101850959B1 - Vortex Induced Vibration을 이용하는 슬라이딩 타입 마찰대전 에너지 하베스터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 서로 마주보는 마찰대전수단을 실린더의 길이방향으로 부착시킨 상태로 유동 내에 위치시켜, 유동에 의해 발생되는 와류를 이용하여 마찰대전수단의 변형을 유발시키고, 이를 통해 대전면이 슬라이딩 되도록 구성하여 바람 에너지를 하베스팅하는 장치에 대한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 유동에 대향하여 가로 놓이는 기둥 형상의 와동 유발 몸체(Vortex Generating Body); 상기 와동 유발 몸체에 부착되는 전극이 패터닝된 마찰대전수단(Triboelectric Mean);를 포함하되, 상기 마찰대전수단은 한 쌍 구비되어 서로 맞대어 위치하며, 상기 와동 유발 몸체의 주위에 발생되는 와동에 의해 서로 대전면이 슬라이딩되면서 유도전류를 발생시키는 것을 특징으로 하는 Vortex Induced Vibration을 이용하는 슬라이딩 타입 마찰대전 에너지 하베스터를 제공한다.

Description

Vortex Induced Vibration을 이용하는 슬라이딩 타입 마찰대전 에너지 하베스터{Sliding Type Triboelectric Energy Harvester Using Vortex Induced Vibration}

본 발명은 서로 마주보는 마찰대전수단을 실린더의 길이방향으로 부착시킨 상태로 유동 내에 위치시켜, 유동에 의해 발생되는 와류를 이용하여 마찰대전수단의 변형을 유발시키고, 이를 통해 대전면이 슬라이딩 되도록 구성하여 바람 에너지를 하베스팅하는 장치에 대한 것이다.

마찰대전 에너지 하베스터(Triboelectric Energy Harvester)는 마찰접촉에 의한 접촉표면 대전 및 정전유도 현상을 이용하여 역학적 에너지를 유용한 전기에너지로 변환하는 장치이다.

기존 마찰대전을 이용한 바람 에너지 하베스터의 구조는 크게 3가지로 풍력발전기와 같은 풍차 구조를 활용하는 하베스터, 관 내부에 깃발과 같은 형태로 한 면이 고정된 필름을 진동시키는 형태의 하베스터, 스프링으로 연결된 두 개의 얇은 평판을 이용하는 하베스터 등이 있다.

풍차 구조의 하베스터는 면에 평행한 다양한 방향의 바람에 대응해 에너지를 수확할 수 있으나, 회전하는 요소를 포함해 구조가 복잡하며 전극 형성이 어렵고 소자가 차지하는 부피가 크다는 단점이 있다.

관과 필름을 이용하는 하베스터는 상대적으로 구조는 단순하지만, 에너지를 수확할 수 있는 바람의 방향에 제한이 있고 대면적 제작 및 어레이 형태의 제작이 어려운 한계가 있다.

마지막으로 스프링으로 연결된 평판을 이용하는 하베스터는 투명 소재를 사용해 투명하게 제작되나, 구동에 큰 힘이 필요하고 하베스터의 설치 방향에 제약이 있다.

이하 설명하는 본 발명의 실시예들은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 구조가 단순하며 대면적 제작이 용이한 마찰대전 바람 에너지 하베스터를 제공하기 위함이다.

아울러, 다양한 방향의 바람에 대응해 에너지 수확이 가능한 마찰대전 에너지 하베스터를 제공하기 위함이다.

특히 기존 하베스터와 달리 마찰면이 슬라이딩(Sliding)되어 수확되는 에너지의 출력을 높이기 위한 하베스터를 제공하고자 한다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 위에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기한 과제를 해결하기 위하여 본 발명에서는, 유동에 대향하여 가로 놓이는 기둥 형상의 와동 유발 몸체(Vortex Generating Body); 상기 와동 유발 몸체에 부착되는 전극이 패터닝된 마찰대전수단(Triboelectric Mean);을 포함하되, 상기 마찰대전수단은 한 쌍 구비되어 서로 맞대어 위치하며, 상기 와동 유발 몸체의 주위에 발생되는 와동에 의해 대전면이 슬라이딩되면서 유도전류를 발생시키는 것을 특징으로 하는 Vortex Induced Vibration을 이용하는 슬라이딩 타입 마찰대전 에너지 하베스터를 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면 여기서 상기 마찰대전수단은 바람에 의하여 변형가능한 곡면을 포함하도록 형성된 유연(flexible) 재질로 형성될 수 있다.

나아가 상기 전극의 패턴 방향은 상기 와동 유발 몸체의 길이방향으로 형성됨을 특징으로 할 수 있다.

구체적으로 상기 전극은 적어도 일부가 "ㄷ"자 형상으로 형성될 수 있다.

일 실시예에 따르면 상기 마찰대전수단은 와동 유발 몸체의 길이방향을 따라 일단이 고정부착될 수 있으며,

상기 와동 유발 몸체는 상기 유동의 방향에 대응하여 회전하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면 에너지 수확 효율을 극대화 하기 위해 상기 전극의 패턴 폭 또는 패턴 간 간격이 일정하지 않게 형성하는 것을 특징으로 한다.

실시예에 따라 패턴 간의 간격은 상기 와동 유발 몸체에서 먼 곳에서 더 확대되는 것이 바람직하며,

상기 와동 유발 몸체에서 멀어짐으로써 전극의 폭이 더 커지는 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면 상기 마찰대전수단이 리지드(rigid)한 대전판인 것을 특징으로 하는 Vortex Induced Vibration을 이용하는 슬라이딩 타입 마찰대전 에너지 하베스터를 제공한다.

여기서 상기 한 쌍의 마찰대전수단은 와동 유발 몸체와 연결되는 지지부재에 의해 각각의 일단이 고정부착되는 것을 특징으로 할 수 있으며,

상기 지지부재는 유동의 흐름에 따라 형상 가변되어 상기 한 쌍의 마찰대전수단을 슬라이딩 시키는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 마찰대전 에너지 하베스터는 하베스터 구조가 단순하며 대면적 제작이 용이한 장점이 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 마찰대전 에너지 하베스터는 다양한 방향의 바람에 대응하여 에너지를 수확하는 것이 가능하다.

특히 본 명세서에서 개시하는 발명은 마찰대전 에너지 하베스터로서 마찰면이 슬라이딩되는 구조를 채택함으로써 종래의 에너지 하베스터에서 출력이 상쇄될 수 있는 단점을 최소화하여 에너지 수확효율을 향상시킨 장점이 있다.

또한, 본 명세서에서 개시하는 바에 따르면 전극의 패턴을 다양화시킨 실시예를 제공하므로, 에너지 하베스터의 수확효율을 높이는 효과적인 방안들이 제안된다.

예컨대 전극의 일부를 "ㄷ"자 또는 "ㄹ"자 형태가 되도록 제작하거나 실시예에 따라 마찰대전수단의 두께를 달리 설정하여 휨강성(Bending Stiffness)의 조절이 용이하다.

본 발명의 효과는 위에서 언급한 효과에 한정되지 않으며, 이하 후술하는 실시예의 설명 부분에서 명확하게 확인될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰대전 에너지 하베스터를 나타내는 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰대전수단을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 와동 유발 몸체가 유동의 방향에 대향하여 회전하는 모습을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 서로 다른 한 쌍의 마찰대전수단이 가까워질 때와 멀어질 때의 유도되는 전류 변화의 모습을 나타내는 도면이다.
도 5는 유연 폴리머 필름을 사용할 때 발생할 수 있는 문제점을 나타내는 도면이다.
도 6은 유연 폴리머 필름을 사용할 때 발생할 수 있는 다른 문제점을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극의 불균일 패턴을 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰대전수단의 슬라이딩 거리 조절을 위한 예시들을 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰대전 에너지 하베스터를 나타내는 개념도이다.
도 10은 본 발명의 와동 유발 몸체의 다양한 실시예를 나타내는 도면이다.

아래에서 설명하는 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 당업자가 용이하게 이해할 수 있도록 제공되는 것으로 이에 의해 본 발명이 한정되지 않는다. 또한, 첨부된 도면에 표현된 사항들은 본 발명의 실시 예들을 쉽게 설명하기 위해 도식화된 도면으로 실제로 구현되는 형태와 상이할 수 있다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 연결되어 있다거나 접속되어 있다고 언급될 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 한다.

그리고 여기서의 "연결"이란 일 부재와 타 부재의 직접적인 연결, 간접적인 연결을 포함하며, 접착, 부착, 체결, 접합, 결합 등 모든 물리적인 연결을 의미할 수 있다. 또한, 단순히 물리적인 연결뿐만 아니라 도전성 부재 간의 전기적인 연결도 의미할 수 있음을 유의해야 한다.

이하에서 사용하는 '제1, 제2' 등과 같은 표현은 복수의 구성들을 구분하기 위한 용도로만 사용된 표현으로써, 구성들 사이의 순서나 기타 특징들을 한정하지 않는다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 표현하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. "포함한다" 또는 "가진다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 의미하기 위한 것으로, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들이 부가될 수 있는 것으로 해석될 수 있다.

본 명세서에서는 마찰대전 에너지 하베스터에 대한 여러가지 실시예를 개시하지만, 마찰대전수단이 플렉서블(Flexible)한 소재인지 또는 리지드(Rigid)한 소재인지에 따라 크게 두 가지의 실시예로 구분된다.

먼저 마찰대전수단이 플렉서블(Flexible)한 소재일 때 몇 가지 실시예에 대하여 설명한다. 도 1 내지 도 6을 참조로 본 발명에 따른 Vortex Induced Vibration 마찰대전 에너지 하베스터 및 그 구동원리를 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰대전 에너지 하베스터를 나타내는 개념도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰대전수단을 나타내는 도면이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 와동 유발 몸체가 유동의 방향에 대향하여 회전하는 모습을 나타내는 도면이다.

도면에서 z축은 와동 유발 몸체의 길이방향과 평행한 방향을, x축은 와동 유발 몸체의 길이방향과 수직한 방향을, y축은 x축과 z축 모두에 수직한 방향을 나타낸다.

본 발명의 일 실시예에 따른 마찰대전 에너지 하베스터는 유동에 대향하여 가로 놓이는 기둥 형상의 와동 유발 몸체(Vortex Generating Body, 100); 상기 와동 유발 몸체에 부착되는 전극이 패터닝된 마찰대전수단(Triboelectric Mean, 200);를 포함하되, 상기 마찰대전수단(200)은 한 쌍 구비되어 서로 마주보며, 상기 와동 유발 몸체(100)의 주위에 발생되는 와동에 의해 대전면이 슬라이딩되는 구조를 개시한다.

여기서 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰대전 에너지 하베스터는 도 1에 도시된 바와 같이 상기 마찰대전수단의 단면이 가변될 수 있는 유연 재질로 형성되는 것을 특징으로 한다. 여기서 유연 재질은 플라스틱 필름 또는 폴리머 소재 등으로 이루어지되, 예를들어 폴리머 소재인 경우는 PVC(Polyvinyl Chloride), PET(Polyethylene Terephathalate resin), PE(Polyethylene), EVA(Ethylene Vinyl Acetate), PDMS(Polydimethylsiloxane), PI(Polyimide), Nylon, Teflon 으로 이루어진 군에서 어느 하나 또는 이들의 군의 조합 중에서 선택되는 것을 특징으로 할 수 있다. 편의상 이하의 설명에서는 유연 재질로서 폴리머(Polymer)를 그 예시로 설명하기로 한다.

구체적으로 도 1(a)는 에너지 하베스터의 기본 구성을 나타내는 사시도를, 도 1(b)는 Vortex Induced Vibration(VIV)의 원리를 나타낸다. 그리고 도 2(a)는 서로 다른 한 쌍의 마찰대전수단에 패터닝된 전극을 나타내고, 도 2(b)는 도 2(a)의 단면을 나타내고, 도 2(c)는 도 2(a)의 서로 다른 마찰대전수단을 접촉하였을 때 모습을 나타내며, 도 2(d)는 도 2(c)의 서로 다른 마찰대전수단이 접촉된 상태에서 슬라이딩된 모습을 나탄댄다.

도 1과 도 2를 함께 참조하면, 본 발명의 마찰대전수단(200)에 패터닝된 상기 전극(Electrode)의 패턴 방향은 상기 와동 유발 몸체(100)의 길이방향으로 형성될 수 있다. 본 발명의 핵심은 서로 마주보며(또는 맞대어) 형성된 한 쌍의 마찰대전수단이 슬라이딩(Sliding) 되면서 유도전류를 발생시키는 것이다. 전극의 패턴 방향이 상기 와동 유발 몸체(100)의 길이방향(z축과 평행)으로 형성되지 않고 예컨대, 전극의 패턴 방향이 와동 유발 몸체(100)의 길이방향과 직교하는 방향(x축과 평행한 방향)으로 형성되는 경우에는 슬라이딩에 의해 유도전류를 최대로 발생시킬 수 있는 마찰대전수단(200) 간의 접촉면적의 변화량이 작게 형성되므로 바람직하지 않다.

따라서, 도 1과 도 2에 도시된 바와 같이 마찰대전수단(200)의 전극의 패턴 방향은 와동 유발 몸체(100)의 길이방향(z축과 평행한 방향)으로 형성되는 것이 좋다. 나아가, 상기 전극은 적어도 일부가 "ㄷ"자 또는 "ㄹ"자 형상으로 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다. 도 2에서는 "ㄷ"자 형상으로 형성된 실시예를 도시한다. "ㄷ"자 또는 "ㄹ"자 형상이 연속적으로 형성되어 전극 패턴을 이루며 소정의 회로 및 축전지와 연결되고 전기적으로 도통한다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면 도 2(b)에 도시된 것처럼 상기 마찰대전수단에 패터닝된 전극은 슬라이딩이 되지 않은 초기 상태(default)에서 마주보는 다른 마찰대전수단에 패터닝된 전극과 엇갈려 배치될 수 있고, 도면에 도시된 것과 달리 교차되지 않고 반대측의 전극 패턴이 서로 겹쳐지게 배치될 수도 있다.

마찰대전수단(200)은 유발되는 와동에 따라 휘어지므로, 내구성 측면에서 휨강성(bend stiffness)의 적절한 조절이 중요한데, 휨강성은 마찰대전수단(200)을 구성하는 전극(electrode) 패턴과 전극 패턴의 베이스가 되는 필름부의 두께가 가장 큰 영향을 주는 파라미터로서 작용한다. 그런데 전극 패턴과 필름부의 두께 외에도 전극 패턴을 "ㄷ"자 또는 "ㄹ"자 형태로 형성하면 휨강성 조절에 있어서 전극 패턴의 영향을 줄일 수 있게 된다.

그리고 본 발명의 일 실시예에 따른 슬라이딩 타입 마찰대전 에너지 하베스터는 도 1과 도 2에 도시된 것처럼 마찰대전수단(200)이 와동 유발 몸체(100)의 후연(trailing edge)에 와동 유발 몸체(100)의 길이방향을 따라 일단이 고정부착될 수 있다. 이때 마찰대전수단(200)의 타단은 자유단이 되므로 타단과 근접한 부분은 슬라이딩 된다.

와동 유발 몸체(100)는 유동 방향에 대응해 스스로 회전할 수 있다. 여기서 회전 방향은 일 방향에 고정되지 않으며 필요에 따라 회전방향이 가변되면서 유동에 의해 제공되는 에너지를 수확한다.

여기서 본 발명 기둥 형상의 와동 유발 몸체(100)는 비록 도면에 단면이 원형인 기둥 형상이 도시되어 있으나, 이러한 형상에 한정되는 것은 아니다. 도면에 도시되진 않았으나, 삼각형, 사다리꼴 등 다각형 형상을 포함하여, 복수의 다각형 형상으로 이루어진 조립체가 해당될 수도 있다. 이에 대해서는 도 10을 참조로 더욱 상세히 후술한다.

다음으로 본 발명의 마찰대전 에너지 하베스터의 구동원리에 대해 더욱 상세히 살펴본다.

마찰대전수단(200)이 유연 폴리머와 같은 재질일 때, 도 1에 도시된 바와 같이 와동 유발 몸체(100)의 정면으로 유동(ex, 바람)이 형성되면 Vortex Shedding에 의해 와동 유발 몸체(100)의 뒤편에 반복적인 Vortex가 형성되고 이를 통해 마찰대전수단(200)이 진동하게 된다.

여기서 마찰대전수단(200)이 반복적으로 진동할 수 있도록 함으로써 지속적인 에너지 수확이 가능한 마찰대전 에너지 하베스터를 제작한다. 여기서 '에너지 수확'이라함은 와동 유발 유체력을 이용하여 역학적 에너지를 발생시키는 것을 의미하며, 발생된 역학적 에너지는 종국에는 전기적 에너지로서 활용할 수 있게 된다.

도 2(b)를 다시 참조하면 마찰대전수단(200)의 단면형상이 도시되는데, 본 발명의 일 실시예에 따르면 서로 다른 한 쌍의 마찰대전수단(200)에서 상호 대향하는 내표면에 IDE(Interdigital Electrode)가 패터닝되고, 폴리머 필름의 적어도 어느 한쪽에는 Parylene 등의 소재로 이루어진 유전체층이 형성될 수 있다. 마찰대전수단(200)이 슬라이딩(Sliding)되면 접촉면에서 전기음성도 차이에 의한 전자 이동 및 정전유도 현상에 의해 에너지가 수확되는 원리를 가진다.

나아가 도 4 내지 도 6을 참조로 본 발명의 슬라이딩 타입 마찰대전 에너지 하베스터의 장점에 대해 더욱 강조한다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 서로 다른 한 쌍의 마찰대전수단이 가까워질 때와 멀어질 때의 유도되는 전류 변화의 모습을 나타내는 도면이다. 도 5는 유연 폴리머 필름을 사용할 때 발생할 수 있는 문제점을 나타내는 도면이다. 도 6은 유연 폴리머 필름을 사용할 때 발생할 수 있는 다른 문제점을 나타내는 도면이다.

서로 다른 마찰대전수단(200)이 마련되어 있을 때, 도 4(a)에 도시된 바와 같이 두 마찰대전수단의 거리 변화가 없다면 유도되는 전류의 크기는 0에 가깝다. 그런데 두 마찰대전수단의 거리가 서로 접촉하도록 좁혀지거나 또는 분리되어 멀어짐으로써 변화된다면 유도되는 전류가 발생하게 된다. 이때 두 마찰대전수단의 거리 변화가 접촉하는 방향일 때와 분리될 때의 방향일 때 전류 변화의 방향은 서로 달리 형성된다.

한 쌍의 마찰대전수단을 사용하여 에너지 하베스터를 제작할 때의 문제점은 먼저 도 5에 도시된 바와 같이 유연 폴리머 필름 전체 면적 대비 좁은 접촉부분(전체 접촉 가능한 A, B, C 면 중 A 면 또는 B 면만 접촉)을 가질 경우 낮은 출력이 발생할 수 있으며, 도 6에 도시된 바와 같이 유연 폴리머 필름이 일 부분(A)에서 접촉할 때 다른 부분(C)에서 분리되는 현상이 동시에 발생할 경우에는 도 4에 도시한 바와 같이 유도되는 전류의 흐름이 반대가 되어 에너지 출력이 상쇄되는 문제점이 발생할 수 있다. 이러한 문제점은 에너지 하베스터의 마찰대전수단을 접촉형(Contact type)으로 사용할 때 발생하는 문제점이며, 근본적으로 대전면의 '접촉'과 '분리' 현상이 동시에 발생하게 되는 원인에서 기인한다.

그런데 본 발명에서는 접촉형이 아닌 슬라이딩 타입(Sliding Type)의 마찰대전 에너지 하베스터를 이용하므로 마찰면의 '접촉'과 '분리'가 동시에 일어나지 않게 되어 위와 같은 근본적인 문제점을 해소할 수 있다.

아울러 본 발명에 따르면 슬라이딩 타입(Sliding Type) 마찰대전 에너지 하베스터의 에너지 수확효율을 높이기 위해 다음과 같은 다양한 실시예들을 개시한다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극의 불균일 패턴을 나타내는 도면이다. 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰대전수단의 슬라이딩 거리 조절을 위한 예시들을 나타내는 도면이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 슬라이딩 타입 마찰대전 에너지 하베스터는 도 7(a)에 도시된 바와 같이 전극의 패턴 폭 또는 간격이 균일한 것이 아닌, 도 7(b)에 도시된 바와 같이 전극의 패턴 폭 또는 간격이 불균일한 것을 채택할 수 있다. 전극의 패턴 폭 또는 패턴 간의 간격이 일정하지 않게 형성되면 마찰대전수단의 슬라이딩 시에 보다 급격한 전류 변화를 유도할 수 있는 장점이 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 패턴 간의 간격이 상기 와동 유발 몸체에서 먼 곳에서(자유단 측에서) 더 확대되도록 하는 것이 슬라이딩 시의 유도 전류 변화를 극대화 시키는데 보다 바람직하다.

전극의 패턴 폭이 균일(t1=t2)한 실시예보다도, 전극의 패턴 폭(t1'<t2')이 균일하지 않으며 자유단 측에서 폭이 더 큰 것이 에너지 수확 효율을 높이는 측면에서 유리하다. 만약 이와 반대로 전극의 패턴 폭이 고정단 측에서 더 큰 경우에는 도 6(b)에 도시된 바와 같이 전극의 '접촉'과 '분리'가 동시에 발생하는 경우가 발생할 수 있으므로 바람직하지 않다

동일한 원리로서 상기 전극의 간격 또한 도 7에 도시된 바와 같이 와동 유발 몸체에서 멀어짐으로써(자유단 측에서) 더 커지도록 형성하는 것이 바람직하다.

경우에 따라선 도 2와 같이 마찰대전수단(200)의 전면에 전극을 형성하지 않고 슬라이딩이 발생하는 일정 영역 부근에만 국부적으로 형성하여 에너지 하베스터제조비용의 절감을 꾀할 수도 있을 것이다.

한편, 도 8에는 본 발명의 슬라이딩 거리 조절을 위한 다양한 예시가 개시된다.

도 8(a)를 참조하면, 마찰대전수단(200)의 크기를 조절하는 방식으로 슬라이딩되는 거리를 조절한다. 마찰대전수단의 두께(d1, d2)가 두꺼울수록 유연성이 저하되어 슬라이딩되는 거리가 짧아지며, 두께가 얇을수록 유연성이 확대되어 슬라이딩되는 거리가 커진다. 이때 한 쌍의 마찰대전수단 각 두께는 서로 상이할 수 있다.

도 8(b)를 참조하면 필름 간 갭(G)을 형성하여 슬라이딩되는 거리를 조절한다. 여기서 필름 간 갭(G)이 형성된 부분은 와동 유발 몸체(100)와 고정되는 부분을 의미한다. 여기서 더 나아가 도 8(c)에 도시된 바와 같이 한 쌍의 마찰대전수단(200)이 접촉하는 면 사이에 앵커(anchor, 300)를 게재하여 슬라이딩되는 거리를 조절할 수도 있다.

슬라이딩되는 거리에 따라 수확될 수 있는 에너지의 양이 결정되므로 위와 같은 예시들은 중요한 의의를 갖는다.

마지막으로 도 9를 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 Vortex Induced Vibration을 이용하는 슬라이딩 타입 마찰대전 에너지 하베스터에 대해 설명하기로 한다. 도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰대전 에너지 하베스터를 나타내는 개념도이다. 구체적으로 도 9(a)는 측면도를, 도 9(b)는 도 9(a)를 평면에서 자른 수평단면도를, 그리고 도 9(c)와 도 9(d)는 유동의 흐름에 따라 지지부재가 가변되어 마찰대전수단을 슬라이딩시키는 것을 도시한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 슬라이딩 타입 마찰대전 에너지 하베스터 또한 전술한 실시예와 마찬가지로 와동 유발 몸체(100), 한 쌍의 마찰대전수단(200), 그리고 이 한 쌍의 마찰대전수단(200)이 슬라이딩 되는 구조를 갖는다.

그런데 여기서 마찰대전수단(200)은 리지드(rigid)한 대전판인 것을 특징으로 한다.

마찰대전수단(200)이 유연하지 않기 때문에 본 실시예에서는 한 쌍의 마찰대전수단과 와동 유발 몸체를 연결하는 지지부재(400)가 필요하다. 여기서 한 쌍의 마찰대전수단(200)은 지지부재(400)에 의해 각각의 일단이 고정부착된다.

지지부재(400)의 역할이 중요한데, 상기 지지부재는 유동의 흐름에 따라 형상 가변되어 상기 한 쌍의 마찰대전수단(200')을 슬라이딩시킨다. 이러한 메커니즘은 전술한 실시예(ex 유연 재질의 마찰대전수단)와 상이한 매커니즘을 갖는다.

상기한 기능을 발휘할 수 있는 것이면 본 실시예의 지지부재(400)의 형상은 도면에 도시된 바에 국한되지 않는다. 다만, 한 쌍의 마찰대전수단에 각각 독립적으로 연결될 수 있도록 지지부재(400) 또한 한 쌍 마련됨이 바람직하며, 이에 따라 도 1의 실시예와 달리 와동 유발 몸체(100)도 지지부재(400)를 안정적으로 고정하고 지지판의 역할을 할 수 있도록 비교적 넓은 판형으로 제조됨이 바람직하다.

나아가 전술한 유연 재질 마찰대전수단(200)에서는 마찰대전수단 자체가 와동에 의해 휘어지므로 에너지 수확 효율을 높이기 위해서 전극 패턴을 불균일하게 형성하는 것이 바람직하였으나, 본 실시예에서는 마찰대전수단(200')이 와동에 의해 휘어지지 않으므로 오히려 패턴된 전극이 균일하였을 때 효율이 더 좋다는 점에서 다른 특징을 갖는다.

한편, 도 10은 본 발명의 와동 유발 몸체의 다양한 실시예를 나타내는 도면이다.

와동 유발 몸체(100)는 앞에서 살펴본 실시예 이외에도 도면에 도시된 바와 같이 여러가지 형태로 제조될 수 있다. 단 이때 마찰대전수단(200)을 슬라이딩 시키기 위한 충분한 와동이 형성될 수 있도록 하여야 하므로, 와동 유발 몸체(100)의 크기는 과도한 치수로 성형되지 않아야 한다.

상기한 바와 같이 본 발명의 여러 실시예에 따른 마찰대전 에너지 하베스터는 하베스터 구조가 단순하며 대면적 제작이 용이한 장점이 있다. 본 발명에 따른 마찰대전 에너지 하베스터는 다양한 방향의 바람에 대응하여 에너지를 수확하는 것이 가능하다.

특히 본 명세서에서 개시하는 발명은 마찰대전 에너지 하베스터로서 마찰면이 슬라이딩되는 구조를 채택함으로써 종래의 에너지 하베스터에서 출력이 상쇄될 수 있는 단점을 최소화하여 에너지 수확 효율을 향상시킨 장점이 있다.

또한, 본 명세서에서 개시하는 바에 따르면 전극 형상의 패턴을 다양화 시킨 실시예를 제공하므로, 에너지 하베스터의 수확효율을 높이는 효과적인 방안들이 제안되었다.

예컨대 전극 형상의 일부를 "ㄷ"자 또는 "ㄹ"자 형태가 되도록 제작하거나 실시예에 따라 마찰대전수단의 두께를 달리 설정함으로써 휨강성(Bending Stiffness)의 조절도 용이하게 할 수 있다.

본 명세서는 그 제시된 구체적인 용어에 의해 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 따라서, 이상에서 기술한 실시예를 참조하여 본 발명을 상세하게 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서도 본 발명의 일 실시예들에 대한 개조, 변경 및 변형을 가할 수 있다.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100 : 와동 유발 몸체
200 : 마찰대전수단
300 : 앵커
400 : 지지부재

Claims (12)

1. 유동에 대향하여 가로 놓이는 기둥 형상의 와동 유발 몸체(Vortex Generating Body);
   상기 와동 유발 몸체에 부착되는 전극이 패터닝된 마찰대전수단(Triboelectric Mean);를 포함하되,
   상기 마찰대전수단은 한 쌍 구비되어 서로 맞대어 위치하며, 상기 와동 유발 몸체의 주위에 발생되는 와동에 의해 대전면이 슬라이딩되면서 유도전류를 발생시키는 것을 특징으로 하는 Vortex Induced Vibration을 이용하는 슬라이딩 타입 마찰대전 에너지 하베스터.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 마찰대전수단은 바람에 의하여 변형가능한 곡면을 포함하도록 형성된 유연(flexible) 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 Vortex Induced Vibration을 이용하는 슬라이딩 타입 마찰대전 에너지 하베스터.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 전극의 패턴 방향은 상기 와동 유발 몸체의 길이방향으로 형성되는 것을 특징으로 하는 Vortex Induced Vibration을 이용하는 슬라이딩 타입 마찰대전 에너지 하베스터.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 전극은 적어도 일부가 "ㄷ"자 또는 "ㄹ"자 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 Vortex Induced Vibration을 이용하는 슬라이딩 타입 마찰대전 에너지 하베스터.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 마찰대전수단은 와동 유발 몸체의 길이방향을 따라 일단이 고정부착되는 것을 특징으로 하는 Vortex Induced Vibration을 이용하는 슬라이딩 타입 마찰대전 에너지 하베스터.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 와동 유발 몸체는 상기 유동의 방향에 대응하여 회전하는 것을 특징으로 하는 Vortex Induced Vibration을 이용하는 슬라이딩 타입 마찰대전 에너지 하베스터.
   
7. 제2항에 있어서,
   상기 전극은 패턴 폭 또는 패턴 간의 간격이 일정하지 않게 형성되는 것을 특징으로 하는 Vortex Induced Vibration을 이용하는 슬라이딩 타입 마찰대전 에너지 하베스터.
   
8. 제7항에 있어서,
   상기 패턴 간의 간격은 상기 와동 유발 몸체에서 먼 곳에서 더 확대되도록 하는 것을 특징으로 하는 Vortex Induced Vibration을 이용하는 슬라이딩 타입 마찰대전 에너지 하베스터.
   
9. 제7항에 있어서,
   상기 와동 유발 몸체에서 멀어짐으로써 패터닝된 전극의 폭이 더 커지는 것을 특징으로 하는 Vortex Induced Vibration을 이용하는 슬라이딩 타입 마찰대전 에너지 하베스터.
   
10. 제1항에 있어서,
    상기 마찰대전수단은 리지드(rigid)한 대전판인 것을 특징으로 하는 Vortex Induced Vibration을 이용하는 슬라이딩 타입 마찰대전 에너지 하베스터.
    
11. 제10항에 있어서,
    상기 한 쌍의 마찰대전수단은 와동 유발 몸체와 연결되는 지지부재에 의해 각각의 일단이 고정부착되는 것을 특징으로 하는 Vortex Induced Vibration을 이용하는 슬라이딩 타입 마찰대전 에너지 하베스터.
    
12. 제11항에 있어서,
    상기 지지부재는 유동의 흐름에 따라 형상 가변되어 상기 한 쌍의 마찰대전수단을 슬라이딩시키는 것을 특징으로 하는 Vortex Induced Vibration을 이용하는 슬라이딩 타입 마찰대전 에너지 하베스터.
    
    
    
    
    
    

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