KR101864956B1 - 탄성 코일링 타입 마찰대전 발전기 및 그 발전기가 채용된 필기구 - Google Patents

Abstract

본 발명은 탄성 코일링 타입 마찰대전 발전기에 관한 것이다. 본 발명에 의한 탄성 코일링 타입 마찰대전 발전기는, 중심축선을 따라 길게 형성되고, 내부에 공간이 형성되어 있는 케이스; 상기 케이스에, 상기 중심축선을 기준으로 하여 상대회전 가능하게 설치되는 회전체; 및 상기 케이스와 회전체 사이에 나선형으로 코일링된 상태로 배치되고, 양단이 각각 상기 케이스와 회전체에 연결되며, 회전 운동에너지를 탄성 위치에너지로 저장할 수 있도록 탄성력을 가진 재질로 이루어지며, 서로 간격을 두고 마주하게 배치된 요소들 간의 접촉 및 분리에 의해 마찰대전이 발생하게 되는 대전체;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

탄성 코일링 타입 마찰대전 발전기 및 그 발전기가 채용된 필기구{Elasticity coiling type triboelectrification generator and Writing articles comprising the generator}

본 발명은 탄성 코일링 타입 마찰대전 발전기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 회전 운동에너지를 탄성 위치에너지로 저장하여 두고, 그 저장된 에너지를 이용한 회전 동작 과정에서 에너지 수확이 이루어질 수 있도록, 구조가 개선된 탄성 코일링 타입 마찰대전 발전기에 관한 것이다.

석탄 및 석유 등 화석 에너지를 이용할 수 있게 된 이후, 기술의 개발에 의해 에너지 수요가 급증하게 되면서, 화석 에너지의 고갈에 대한 염려가 증가하고 있다. 더군다나 에너지 자립도가 낮은 나라들은, 대부분의 화석 에너지를 수입에 의존하고 있어, 국가의 경제 발전에 저해요소로 작용하고 있다.

이에 따라서, 빛, 열, 진동 등의 주변 환경에서 버려지는 에너지를 수확하여, 전기 에너지로 생산 및 이용하는 에너지 하베스팅(Energy Harvesting) 기술에 관한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 에너지 하베스팅 기술은, 온도, 빛, 전자기장, 마찰 등 다양한 형태로 소모되고 있는 에너지를 전기 에너지로 변환하는 방식으로 연구되고 있다.

이 중, 기계적인 운동에서 버려지는 에너지를 마찰전기 기반의 에너지 수확 원리를 이용하여 전기 에너지로 수확하는 기술 역시 연구가 활발하게 이루어지고 있다.

근자에는 IT 기술의 비약적인 발전으로 산업에서 활용되는 제품보다는 개인 유저가 활용할 수 있는 제품들이 더욱 다양해지고 있어서, 산업에서 활용되는 에너지 수확 기술보다는 일상생활에서 쉽게 이용이 가능한 제품을 활용한 에너지 수확 기술의 개발이 더욱 활발하게 요구되고 있는 실정이다.

특히, 일상생활에서 흔히 사용되는 제품 중, 회전 운동에너지를 탄성 위치에너지로 저장할 수 있는 제품인 경우에는, 비교적 복잡하지 않은 구조로 설계가 가능하기 때문에, 그 활용도가 더욱 높아질 것이다.

본 발명은 상기와 같은 필요성에 의해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 회전 운동에너지를 일시적으로 탄성 위치에너지로 저장하여 두고 그 저장된 에너지를 이용한 회전력에 의해 에너지 수확을 가능하게 하는 탄성 코일링 타입 마찰대전 발전기를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 실생활에서 쉽게 활용되는 제품을 이용하여 에너지를 수확할 수 있게 하는 탄성 코일링 타입 마찰대전 발전기를 제공하고자 하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 탄성 코일링 타입 마찰대전 발전기는, 중심축선을 따라 길게 형성되고, 내부에 공간이 형성되어 있는 케이스; 상기 케이스에, 상기 중심축선을 기준으로 하여 상대회전 가능하게 설치되는 회전체; 및

상기 케이스와 회전체 사이에 나선형으로 코일링된 상태로 배치되고, 양단이 각각 상기 케이스와 회전체에 연결되며, 회전 운동에너지를 탄성 위치에너지로 저장할 수 있도록 탄성력을 가진 재질로 이루어지며, 서로 간격을 두고 마주하게 배치된 요소들 간의 접촉 및 분리에 의해 마찰대전이 발생하게 되는 대전체;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 필기구는, 상기 탄성 코일링 타입 마찰대전 발전기를 포함하고, 상기 회전체는, 통 형상으로 이루어져서 내부에 판서 가능한 잉크를 수용시키고 상기 대전체의 일단이 연결되는 카트리지부와, 상기 카트리지부의 끝단에 연결되는 촉부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 탄성 코일링 타입 마찰대전 발전기는, 통 형상의 케이스, 그 케이스에 회전 가능하게 설치되는 회전체 및 회전체의 회전에 따라 탄성 위치 에너지 저장을 가능하게 하는 대전체를 이용하여 에너지 수확을 할 수 있도록 구성됨으로써, 누구나 쉽게 간단한 구조로 설계가 가능하여 에너지 수확의 활용도를 높일 수 있게 하는 장점과, 일상생활에서 흔히 사용되는 필기구와 같은 생활용품을 이용한 구조 구현이 가능하게 됨에 따라, 사용자들이 생활 속에서도 쉽게 에너지를 수확할 수 있게 하여 휴대폰 배터리 충전 등의 용도로 활용할 수 있게 하는 장점을 기대할 수 있게 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 탄성 코일링 타입 마찰대전 발전기의 분리 사시도.
도 2는 본 발명 일실시예의 사시도.
도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ 단면도.
도 4는 본 발명 일실시예의 동작 과정을 설명하기 위한 도면.
도 5는 본 발명의 다른 실시예의 단면도.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예의 단면도.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 탄성 코일링 타입 마찰대전 발전기를 포함하여 이루어지는 필기구의 측면도.

이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 탄성 코일링 타입 마찰대전 발전기를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 탄성 코일링 타입 마찰대전 발전기의 분리 사시도이고, 도 2는 본 발명 일실시예의 사시도이며, 도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ 단면도이며, 도 4는 본 발명 일실시예의 동작 과정을 설명하기 위한 도면이다.

도 1 및 도 2에 잘 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 탄성 코일링 타입 마찰대전 발전기는, 케이스(10)와 회전체(20)와 대전체(30)를 포함하여 이루어진다.

상기 케이스(10)는, 중심축선을 따라 길게 형성되고, 내부에 상기 회전체(20)가 수용될 수 있는 공간이 형성되어 있다.

상기 회전체(20)는, 상기 케이스(10)의 중심축선 상에 배치되고, 그 케이스(10)에 대해 상대회전 가능하게 설치된다.

상기 대전체(30)는, 도 3에 잘 도시된 바와 같이, 상기 케이스(10)와 회전체(20) 사이에 나선형으로 코일링된 상태로 배치되고, 양단이 각각 상기 케이스(10)와 회전체(20)에 연결된다.

이러한 대전체(30)는, 회전 운동에너지를 탄성 위치에너지로 저장할 수 있도록, 예컨대 태엽(스파이럴 스프링)과 같이 탄성력을 가진 재질로 이루어지며, 도 4의 (a) 및 (b)에 잘 도시된 바와 같이, 서로 간격을 두고 마주하게 배치된 요소들 간의 접촉 및 분리에 의해 마찰대전이 이루어지게 된다.

상기 대전체(30)는, 마찰대전이 이루어질 수 있도록, 그 대전체(30) 자체를 탄성력이 있으면서 대전이 가능한 재질로 형성시킬 수 있음은 물론이고, 탄성을 가지는 탄성체에 대전이 가능한 대전물질이 결합됨으로써 구현되는 것도 가능하다.

상술한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 탄성 코일링 타입 마찰대전 발전기는, 도 4의 (b)와 같이, 회전체(20)가 케이스(10)에 대해 일방향으로 회전되는 과정에서 그 회전체(20)의 회전 운동에너지가 상기 대전체(30)의 탄성 위치에너지로 저장됨과 동시에 그 대전체(30)의 서로 마주하는 요소들 간의 마찰대전이 이루어지게 되고, 이와는 반대로 도 4의 (a)와 같이, 상기 대전체(30)에 저장된 탄성 위치에너지에 의해 그 대전체(30)의 감김 상태가 풀리면서 서로 접촉되어 있던 요소들이 분리됨으로써, 전기적 평형을 이루기 위한 전자의 이동이 발생하여 결국 전기 에너지 수확을 가능하게 한다.

이러한 기능을 발휘하는 본 발명은, 통 형상의 케이스(10), 그 케이스(10)에 회전 가능하게 설치되는 회전체(20) 및 상기 회전체(20)의 회전에 따라 탄성 위치 에너지 저장을 가능하게 하는 대전체(30)를 이용하여 에너지 수확을 할 수 있도록 구성됨으로써, 누구나 쉽게 간단한 구조로 설계가 가능하여 에너지 수확의 활용도를 높일 수 있게 하는 장점과, 일상생활에서 흔히 사용되는 필기구와 같은 생활용품을 이용한 구조 구현이 가능하게 됨에 따라, 사용자들이 생활 속에서도 쉽게 에너지를 수확할 수 있게 하여 휴대폰 배터리 충전 등의 용도로 활용할 수 있게 하는 장점을 기대할 수 있게 한다.

본 실시예에 채용된 대전체(30)는, 나선형으로 감기는 코일링에 의해 서로 마주한 위치에 마련되고 각각 접촉 및 분리에 의해 다른 전하로 반복적인 대전이 이루어지는 제1,2대전부(32)(34)들을 포함하여 이루어진다.

상기 제1,2대전부(32)(34)들 중, 상기 케이스(10)에 대향하는 제1대전부(32)는, PTFE, PDMS 등과 같이 (-)로 대전되기 쉬운 재질로 이루어지고, 상기 회전체(20)에 대향하는 제2대전부(34)는, 제1대전부(32)와 비교했을 때 상대적으로 (+)로 대전되기 쉬운 재질로 이루어진다.

상기 전극(14)은, 전자의 이동을 가능하게 하는 전기장을 형성시킬 수 있도록, 상기 케이스(10)와 대전체(30) 중 적어도 어느 하나에 마련된다.

이러한 구성을 가지는 본 실시예는, 상기 전극(14)을 접지에 연결하는 방식으로 전기장을 형성시키고, 상기 제1,2대전부(32)(34)들에 의한 마찰대전에 의해 이동되는 전자가, 상기 제1,2대전부(32)(34)들 간의 접촉 및 분리에 따른 전기적 평형을 이루기 위해 상기 전극(14)을 통해 이동되게 함으로써, 전기 에너지의 수확을 가능하게 한다.

본 실시예에서 상기 전극(14)은, 상기 케이스(10) 측에 마련되어 있다.

즉, 상기 케이스(10)는, 절연 가능한 기판(12)과, 상기 기판(12)의 원주방향을 따라 간격을 두고 배치되고, 전기장을 형성시켜 주기 위한 복수의 전극(14)(외부전극)들을 포함하여 이루어진다.

상기 기판(12)은 상기 케이스(10)와 별개로 제작된 후 상기 전극(14)들과 함께 그 케이스(10)에 결합되도록 구성되는 것이 바람직하나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 상기 케이스(10) 자체에 기판(12)의 기능이 발휘되도록 구현될 수 있음은 물론이다.

이러한 구성을 가지는 본 실시예는, 상기 복수의 전극(14)들 중 서로 인접한 한 쌍의 전극(14)들을 연결시켜 주거나 각 전극(14)을 접지에 연결하는 방식으로 전기장을 형성시키고, 상기 제2대전부(34)와 전극(14) 간의 접촉 및 분리에 따라 전자가 전극(14)을 통해 이동되게 함으로써, 상기 대전체(30)에 별도로 마련될 수 있는 내부 전극부(33)와는 별개로 외부 전극(14)에 의한 전기 에너지의 수확을 가능하게 한다.

한편, 상기 대전체(30)에 내부 전극(14)부가 마련되어 있는 실시예는, 그 내부 전극부(33)가 상기 제1,2대전부(32)(34) 사이에 원주방향을 따라 간격을 두고 배열되도록 구성되는 것이 바람직하다.

그리고, 본 실시예는, 대전체(30)와 회전체(20) 간의 결합 및 대전체(30)와 케이스(10) 간의 결합을 용이하게 수행할 수 있게 하는 구조가 채택되었다.

즉, 상기 대전체(30)의 양단은, 각각 상기 회전체(20)와 케이스(10)에 끼움결합되는 끼움리브(36)(38)를 포함하여 이루어지고, 상기 회전체(20)와 케이스(10)는, 각각 상기 대전체(30)의 끼움리브(36)(38)를 수용하기 위한 끼움홈(22)(12a)을 포함하여 이루어진다. 상기 끼움홈(12a)은, 상기 케이스(10)를 형성하는 기판(12)의, 상기 전극(14)들 사이의 틈새에 해당하는 부분에 마련된다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예의 단면도이다.

이 도면에 도시된 실시예는, 일단은 상기 대전체(50)와 케이스(40) 간의 연결부 측에 함께 연결되고, 타단은 상기 대전체(50)와 케이스(40) 사이의 공간에 구속되지 않게 놓여지는 금속판(60)을 포함하여 이루어진다.

상기 금속판(60)은, 라이덴 병의 원리를 이용하여 출력을 증대시킬 수 있도록, 상기 케이스(40)와 대전체(50) 사이에 개재된다. 여기서, 라이덴 병은 정전기를 축전시켜 번개와 같은 고출력의 에너지를 저장하는 방식이다.

이러한 구성을 가지는 본 실시예는, 도 5의 (b)와 같이 금속판(60)이 대전체(50)와 함께 말리는 경우에는 그 금속판(60)과 케이스(40) 간의 접촉이 이루어지지 않게 하고, 도 5의 (a)와 같이 상기 대전체(50)의 탄성력에 의해 금속판(60)의 말림 상태에 해제되는 경우에 그 금속판(60)이 케이스(40)의 외부전극에 순간적으로 접촉되게 구성됨으로써, 금속판(60)이 말린 상태에 있는 경우에 그 금속판(60)에는 대전체(50)와 반대되는 극성을 띄는 전하가 유도되고 그 유도되는 전하를 그대로 유지하고 있게 된다.

이후 상기 대전체(50)에 가해진 외력을 제거하여 대전체(50)의 탄성력에 의해 금속판(60)의 말림 상태가 해제되면, 금속판(60) 내부에 전하는 그 금속판(60)이 외부전극과 접촉할 때까지 지속적으로 증가하게 되고 외부전극과 접촉을 하는 순간 유도된 전하가 한 번에 외부전극으로 흐르게 됨으로써 큰 출력을 얻을 수 있게 된다.

도 6은 본 발명의 또 다른 실시예의 단면도이다.

이 도면에 도시된 실시예는, 도 5에 도시된 실시예와 마찬가지로, 금속판을 포함하여 이루어지나, 그 금속판의 연결 구조에 있어서 앞에서 설명한 실시예와 차이점이 있다.

즉, 본 실시예에 채용된 금속판(80)은, 일단이 상기 케이스에 연결되고 타단이 상기 대전체(70)에 연결되는 구조를 가진다.

이러한 구성을 가지는 본 실시예는, 상기 대전체(70)의 일부분을 표면 처리, 가공 등에 의한 단계를 거처 금속판(80)의 기능이 발휘되게 구현함으로써, 금속판을 별개로 제작한 후 연결하는 타입과 비교할 때, 제품의 조립성을 개선시킬 수 있는 장점을 도출한다.

한편, 상술한 바와 같은 실시예들에 의해 구현되는 탄성 코일링 타입 마찰대전 발전기는, 도 7에 잘 도시된 바와 같이, 일상생활에서 흔히 사용되는 필기구와 같은 제품에 적용될 수 있음은 물론이다.

즉, 상기 탄성 코일링 타입 마찰대전 발전기의 일 구성요소인 회전체(90)는, 필기구의 구성을 이루는 요소인 카트리지부(92)와 촉부(94)를 포함하여 이루어지는 것도 가능하다.

상기 카트리지부(92)는, 통 형상으로 이루어져서 내부에 판서 가능한 잉크를 수용시키고, 상기 대전체의 일단이 연결되는 부분이며, 상기 촉부(94)는, 상기 카트리지부(92)의 끝단에 연결되는 부분이다.

이러한 구성을 가지는 본 발명에 의한 필기구(1)는, 본래의 기능인 필기를 가능하게 함은 물론, 사용자가 필요에 따라 회전체(90)를 회전시킴으로써 에너지 수확을 가능하게 하여, 사용자들이 생활 속에서도 흔히 사용하는 제품을 이용하여 쉽게 에너지를 수확할 수 있게 하고, 수확된 에너지를 이용하여 휴대폰 배터리 충전 등의 용도로 활용할 수 있게 하는 장점을 기대할 수 있게 한다.

이상 본 발명의 다양한 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 실시예 및 본 명세서에 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 명확하게 나타내고 있는 것에 불과하며, 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것이 자명하다고 할 것이다.

10:케이스 12:기판
12a:끼움홈 14:전극
20:회전체 22:끼움홈
30:대전체 32:제1대전부
33:내부 전극부 34:제2대전부
36,38:끼움리브

Claims (8)

1. 중심축선을 따라 길게 형성되고, 내부에 공간이 형성되어 있는 케이스; 상기 케이스에, 상기 중심축선을 기준으로 하여 상대회전 가능하게 설치되는 회전체; 및 상기 케이스와 회전체 사이에 나선형으로 코일링된 상태로 배치되고, 양단이 각각 상기 케이스와 회전체에 연결되며, 회전 운동에너지를 탄성 위치에너지로 저장할 수 있도록 탄성력을 가진 재질로 이루어지며, 서로 간격을 두고 마주하게 배치된 요소들 간의 접촉 및 분리에 의해 마찰대전이 발생하게 되는 대전체;를 포함하여 이루어지고,
   상기 대전체는, 상기 코일링에 의해 서로 마주한 위치에 마련되고 각각 접촉 및 분리에 의해 다른 전하로 반복적인 대전이 이루어지는 제1,2대전부들을 포함하여 이루어지며,
   상기 케이스와 상기 대전체 중 적어도 하나는, 전기장을 형성시켜 주기 위한 전극을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄성 코일링 타입 마찰대전 발전기.
2. 제1항에 있어서,
   상기 대전체의 양단은, 각각 상기 회전체와 케이스에 끼움결합되는 끼움리브를 포함하여 이루어지고,
   상기 회전체와 케이스는, 각각 상기 대전체의 끼움리브를 수용하기 위한 끼움홈을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄성 코일링 타입 마찰대전 발전기.
3. 제2항에 있어서,
   상기 케이스는, 절연 가능한 재질의 기판과, 상기 기판의 원주방향을 따라 간격을 두고 배치되고, 전기장을 형성시켜 주기 위한 복수의 전극들을 포함하여 이루어지고,
   상기 끼움홈은, 상기 기판의, 상기 복수의 전극들 사이에 마련되는 부분에 형성되는 것을 특징으로 하는 탄성 코일링 타입 마찰대전 발전기.
4. 제1항에 있어서,
   일단은 상기 대전체와 케이스 간의 연결부 측에 함께 연결되고, 타단은 상기 대전체와 케이스 사이의 공간에 구속되지 않게 놓여지며, 상기 대전체의 코일링 동작시에 그 대전체와 함께 코일링되는 금속판;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄성 코일링 타입 마찰대전 발전기.
5. 제1항에 있어서,
   일단은 상기 케이스에 연결되고 타단은 상기 대전체에 연결됨으로써, 상기 대전체의 코일링 동작시에 그 대전체와 함께 코일링되는 금속판;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄성 코일링 타입 마찰대전 발전기.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 탄성 코일링 타입 마찰대전 발전기를 포함하고,
   상기 회전체는, 통 형상으로 이루어져서 내부에 판서 가능한 잉크를 수용시키고 상기 대전체의 일단이 연결되는 카트리지부와, 상기 카트리지부의 끝단에 연결되는 촉부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 필기구.
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