KR101871602B1 - 마찰전기 에너지 발생 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 마찰전기 에너지 발생 장치에 관한 것으로서, 마찰전기 에너지 발생 장치에서 높은 출력을 유지하기 위해 내마모성이 강하며 높은 마찰 대전 특성을 나타내는 물질을 이용한 마찰전기 에너지 발생 장치에 관한 것이다.
본 발명은 기존의 마찰전기 에너지 발생장치에 사용되는 PTFE 물질 보다 금속과의 마찰에서 더 많은 마찰대전 전하량을 발생시키며 기계적 내마모성이 뛰어나 지속적인 마찰이 일어나는 마찰전기 에너지 발생장치에서 더 적합한 수지 계열의 물질을 이용하여 더욱 높은 출력을 안정적으로 발생 시킬 수 있는 마찰전기 에너지 발생 장치를 제공한다.

Description

마찰전기 에너지 발생 장치 {TRIBOELECTRIC ENERGY GENERATOR}

본 발명은 마찰전기 에너지 발생 장치에 관한 것으로서, 마찰전기 에너지 발생 장치에서 높은 출력을 유지하기 위해 내마모성이 강하며 높은 마찰 대전 특성을 나타내는 물질을 이용한 마찰전기 에너지 발생 장치에 관한 것이다.

기존의 마찰전기 에너지 발생장치에 주로 사용되는 물질로는 대전열(triboelectric series)에서 네거티브(negative) 쪽에 위치한 플루오르폴리머(fluoropolmer)계열의 PTFE 물질이 가장 많이 사용되어 왔다. 그 이유는 포지티브(positive) 쪽에 위치한 금속 물질들과의 마찰에서 많은 마찰대전 전하량을 만들어 출력이 높기 때문이었다.

하지만 PTFE 물질의 경우, 마찰대전에서 높은 출력을 발생시키지만 내마모성이 약해 상대 마찰물질인 금속과의 지속적인 마찰에서 쉽게 마모되어지며 마모된 PTFE 입자들이 상대 마찰물질인 금속에 전사되어 출력 감소의 원인이 되어 안정적으로 고출력을 만들어 내기 힘들다는 문제점을 갖고 있다.

또한, 기존의 높은 출력을 가지는 물질이더라도 기계적 내마모성이 좋지 않은 물질들의 경우에는 지속적인 마찰이 일어나야 하는 마찰전기 에너지 발생장치에서 안정적으로 소자 구동이 지속적으로 되기 어려움이 있었으며, 이는 푸싱타입 뿐만 아니라 슬라이딩이나 로테이션 타입의 마찰전기 에너지 발생장치에서는 그러한 문제점이 더욱 크게 발생하였다.

게다가 마찰물질로써 포지티브 쪽에서 많이 사용되는 폴리머로는 나일론이 있지만 금속과의 대전열에서의 차이도 크지 않아 출력이 낮은 문제가 있었다.

본 발명은 금속 물질과의 마찰에서 PTFE 물질 만큼의 많은 대전 전하량을 발생시키며 동시에 기계적 내마모성이 높아 안정적으로 고출력이 가능한 수지 계열의 물질을 이용한 에너지 발생 장치를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 에너지 발생 장치는, 금속으로 이루어지며 제 1 전극 역할을 하는 제 1 마찰 대전체; 상기 제 1 마찰 대전체와 대향하도록 배치된 제 2 마찰 대전체; 및 상기 제 2 마찰 대전체의 상기 제 1 마찰 대전체와 대향하는 면의 반대면에 배치된 제 2 전극을 포함하고, 상기 제 2 마찰 대전체는 상기 금속보다 대전열(triboelectric series) 상에서 포지티브(positive) 영역에 배치되는 수지(resin)이며, 상기 제 1 마찰 대전체와 상기 제 2 마찰 대전체가 대향하는 방향과 평행한 방향을 따라 접촉 상태 및 비접촉 상태를 이룸에 따라 마찰 전기가 발생된다.

상기 수지는 알킬기로 수식되어 있고, 상기 알킬기는 수소 원자를 많이 갖는 작용기가 이용될수록 마찰 전기 출력값이 향상된다.

상기 금속은 납, 알루미늄, 철, 구리, 은, 금, 플라티늄 중 어느 하나이다.

상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극에 각각 연결된 인출부를 추가로 포함하고, 상기 인출부에는 에너지 저장부가 연결되어 있으며, 상기 인출부와 상기 에너지 저장부 사이에는 정류 다이오드가 연결되어 있다.

본 발명의 추가적인 실시예에 따른 마찰전기 에너지 발생 장치는, 금속으로 이루어지며 제 1 전극 역할을 하는 제 1 마찰 대전체; 상기 제 1 마찰 대전체와 대향하며 접촉하도록 배치된 제 2 마찰 대전체; 및 상기 제 2 마찰 대전체의 상기 제 1 마찰 대전체와 대향하는 면의 반대면에 배치된 제 2 전극을 포함하고, 상기 제 2 마찰 대전체는 상기 금속보다 대전열 상에서 포지티브 영역에 배치되는 수지이며, 상기 제 1 마찰 대전체가 상기 제 2 마찰 대전체와 접촉 상태에서 슬라이딩에 의해 비접촉 상태가 됨에 따라 마찰 전기가 발생된다.

상기 수지는 알킬기로 수식되어 있고, 상기 알킬기는 수소 원자를 많이 갖는 작용기가 이용될수록 마찰 전기 출력값이 향상된다.

상기 금속은 납, 알루미늄, 철, 구리, 은, 금, 플라티늄 중 어느 하나이다.

상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극에 각각 연결된 인출부를 추가로 포함하고, 상기 인출부에는 에너지 저장부가 연결되어 있으며, 상기 인출부와 상기 에너지 저장부 사이에는 정류 다이오드가 연결되어 있다.

본 발명의 추가적인 실시예에 따른 마찰전기 에너지 발생 장치는, 금속으로 이루어지며 제 1 전극 역할을 하는 제 1 마찰 대전체; 상기 제 1 마찰 대전체와 대향하며 접촉하도록 배치된 제 2 마찰 대전체; 상기 제 2 마찰 대전체의 상기 제 1 마찰 대전체와 대향하는 면의 반대면에 배치된 제 2 전극; 및 상기 제 2 마찰 대전체의 상기 제 1 마찰 대전체와 접촉한 면에서 서로 이격된 상태로 상기 제 2 마찰 대전체에 삽입되어 있는 상기 금속보다 대전열 상에서 포지티브 영역에 배치되는 하나 이상의 수지를 포함하고, 상기 제 1 마찰 대전체가 상기 제 2 마찰 대전체 및 상기 수지 상에서 슬라이딩에 의해 마찰 전기가 발생된다.

상기 수지는 알킬기로 수식되어 있고, 상기 알킬기는 수소 원자를 많이 갖는 작용기가 이용될수록 마찰 전기 출력값이 향상된다.

상기 금속은 납, 알루미늄, 철, 구리, 은, 금, 플라티늄 중 어느 하나이다.

본 발명의 추가적인 실시예에 따른 마찰전기 에너지 발생 장치는, 금속으로 이루어진 제 1 마찰 대전체; 상기 제 1 마찰 대전체와 접촉 상태로 배치된 제 2 마찰 대전체; 상기 제 2 마찰 대전체의 상기 제 1 마찰 대전체와 접촉한 면의 반대면에 배치된 전극들을 포함하고, 상기 제 2 마찰 대전체는 상기 금속보다 대전열 상에서 포지티브 영역에 배치되는 수지이며, 상기 제 1 마찰 대전체가 상기 제 2 마찰 대전체 상에서 이동함에 따라 마찰 전기가 발생된다.

상기 제 1 마찰 대전체는 상기 제 2 마찰 대전체 상에서 회전 운동한다.

상기 수지는 알킬기로 수식되어 있고, 상기 알킬기는 수소 원자를 많이 갖는 작용기가 이용될수록 마찰 전기 출력값이 향상된다.

상기 금속은 납, 알루미늄, 철, 구리, 은, 금, 플라티늄 중 어느 하나이다.

상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극에 각각 연결된 인출부를 추가로 포함하고, 상기 인출부에는 에너지 저장부가 연결되어 있으며, 상기 인출부와 상기 에너지 저장부 사이에는 정류 다이오드가 연결되어 있다.

본 발명의 추가적인 실시예에 따른 마찰전기 에너지 발생 장치는, 회전축; 금속으로 이루어지며 제 1 전극 역할을 하는 제 1 마찰 대전체로서, 회전축과 수직하게 배치되며 회전축과 연결된 부분으로부터 제 1 마찰 대전체의 회전축과 멀리 있는 끝단을 따라서 생략된 부분을 하나 이상 갖는 제 1 마찰 대전체; 상기 제 1 마찰 대전체의 형상과 상보적 형상을 가지며 상기 회전축을 따라 상기 제 1 마찰 대전체와 나란히 접촉하도록 배열된 제 2 마찰 대전체; 및 상기 제 2 마찰 대전체의 상기 제 1 마찰 대전체와 접촉한 면의 반대면에 배치된 제 2 전극을 포함하고, 상기 제 2 마찰 대전체는 상기 금속보다 대전열 상에서 포지티브 영역에 배치되는 수지이며, 상기 제 1 마찰 대전체가 상기 제 2 마찰 대전체 상에서 이동함에 따라 접촉 상태 및 비접촉 상태를 반복하면서 마찰 전기가 발생된다.

상기 수지는 알킬기로 수식되어 있고, 상기 알킬기는 수소 원자를 많이 갖는 작용기가 이용될수록 마찰 전기 출력값이 향상된다.

상기 금속은 납, 알루미늄, 철, 구리, 은, 금, 플라티늄 중 어느 하나이다.

상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극에 각각 연결된 인출부를 추가로 포함하고, 상기 인출부에는 에너지 저장부가 연결되어 있으며, 상기 인출부와 상기 에너지 저장부 사이에는 정류 다이오드가 연결되어 있다.

상기 제 1 마찰 대전체는 상기 제 2 마찰 대전체 상에서 회전 운동한다.

상기 제 1 마찰 대전체 및 상기 제 2 마찰 대전체가 회전축을 따라 복수개가 교번적으로 배치되어 있다.

본 발명에서는 대전열 상에서 금속보다 포지티브 위치에 배치되어 높은 마찰 대전특성을 가질 뿐만 아니라 기계적 안정성까지 우수한 수지 계열의 물질을 마찰 대전체로 이용함으로써 기계적 안정성과 높은 출력을 확보하였다.

또한, 본 발명의 수지 계열을 물질은 출력을 더 높이기 위해 작용기 제어를 통하여 더 높은 마찰 대전 특성을 가질 수 있었다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 에너지 발생 장치에 관한 도면이다.
도 2는 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 마찰전기 에너지 발생 장치에 관한 도면이다.
도 3은 도 2의 실시예의 작동 모습을 도시하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 마찰전기 에너지 발생 장치에 관한 도면이다.
도 5 및 6은 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 마찰전기 에너지 발생 장치에 관한 도면이다.
도 7은 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 마찰전기 에너지 발생 장치에 관한 도면이다.
도 8은 본 발명의 실험예에서 이용된 소자 구조에 대한 도면이다.
도 9 내지 10은 기존에 이용되던 PTFE 물질과 본 발명의 수지 계열의 물질에 대한 출력 평가를 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 실험예에 따른 수지 계열의 물질을 이용한 마찰 전기 에너지 발생 소자의 내구성 평가를 나타내는 도면이다.
도 12a 및 12b는 PTFE와 본 발명의 수지 계열의 물질에 대한 마모 저항 테스트(wear resistance test) 결과를 나타내는 표 및 그래프이다.
도 13는 본 발명의 실험예에서 알킬기의 작용기로 수식한 경우에 대한 출력값 차이를 도시한다.
도 14은 도 13의 실험예에 대한 KPFM 측정 결과를 도시한다.
도 15는 도 13의 실험예에 대한 FTIR 측정 결과를 도시한다.
도 16는 도 13의 실험예에 대한 마찰 전기 출력값을 비교한 그래프이다.
다양한 실시예들이 이제 도면을 참조하여 설명되며, 전체 도면에서 걸쳐 유사한 도면번호는 유사한 엘리먼트를 나타내기 위해서 사용된다. 설명을 위해 본 명세서에서, 다양한 설명들이 본 발명의 이해를 제공하기 위해서 제시된다. 그러나 이러한 실시예들은 이러한 특정 설명 없이도 실행될 수 있음이 명백하다. 다른 예들에서, 공지된 구조 및 장치들은 실시예들의 설명을 용이하게 하기 위해서 블록 다이아그램 형태로 제시된다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 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.

본 발명은 금속 물질과의 마찰에서 PTFE 물질 만큼의 많은 대전 전하량을 발생시키며 동시에 기계적 내마모성이 높아 안정적으로 고출력이 가능한 수지 계열의 물질을 이용한 에너지 발생 장치를 제공하고자 한다.

본 발명에 따르면, 기존의 마찰전기 에너지 발생장치에 사용되는 PTFE 물질 보다 금속과의 마찰에서 더 많은 마찰대전 전하량을 발생시키며 기계적 내마모성이 뛰어나 지속적인 마찰이 일어나는 마찰전기 에너지 발생장치에서 더 적합한 수지 계열의 물질을 이용하여 더욱 높은 출력을 안정적으로 발생 시킬 수 있는 마찰전기 에너지 발생 장치를 제공한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 에너지 발생 장치에 관한 도면이다. 도 1의 마찰전기 에너지 발생 장치는 푸싱 타입의 마찰전기 에너지 발생 장치를 나타낸다.

본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 에너지 발생 장치(100)는, 제 1 전극 역할을 하는 제 1 마찰 대전체(30); 제 2 마찰 대전체(20); 및 제 2 전극(13)을 포함한다.

제 1 마찰 대전체(30)는 금속으로 이루어져 있으며, 마찰 대전체 역할과 동시에 전극 역할을 한다.

이용 가능한 금속은 납, 알루미늄, 철, 구리, 은, 금, 플라티늄 중 어느 하나이다.

제 2 마찰 대전체(20)는 제 1 마찰 대전체(30)와 대향하도록 배치된다. 제 2 마찰 대전체(20)는 제 1 마찰 대전체(30)로 이용되는 금속보다 대전열(triboelectric series) 상에서 포지티브(positive) 영역에 배치되는 수지(resin)이다.

제 2 마찰 대전체로 이용되는 수지는 알킬기 작용기가 붙어 있어 알킬기로 수식되어 있다. 이러한 알킬기 작용기는 수소 원자를 많이 갖는 작용기가 이용될수록 마찰 전기 출력값이 향상된다. 왜냐하면 더 많은 숫자의 수소 원자를 갖는 작용기일수록 제 1 마찰대전체인 금속과의 마찰시 더 많은 마찰 대전량이 발생되게 되므로, 결국 더 높은 마찰전기 출력값을 얻을 수 있기 때문이다. 이용 가능한 알킬기의 예로는 메틸기, 에틸기, 프로필기, 부틸기, 펜틸기, 헥틸기가 있으며, 이러한 알킬기에 제한되는 것은 아니다. 이용된 알킬기에 따라 마찰전기 에너지 발전 소자의 마찰전기 출력값은 위에 나열된 순서대로 점점 더 높은 출력 값을 나타낼 것이다. 이 부분에 대해서는 이하의 실시예에서 실제 실험예와 함께 더욱 자세히 설명하도록 하겠다.

제 2 전극(13)은 제 2 마찰 대전체의 상기 제 1 마찰 대전체와 대향하는 면의 반대면에 배치된다. 제 2 전극(13)으로 이용되는 물질은 전극으로 이용 가능한 물질이면 어느것이나 가능하며 이에 대한 특별한 제한은 없다.

도 1에서 도시된 실시예의 마찰전기 에너지 발전 소자는 푸싱 타입(pushing type)에 해당하는 소자로서, 제 1 마찰 대전체(30)와 제 2 마찰 대전체(20)가 대향하는 방향과 평행한 방향을 따라 접촉 상태 및 비접촉 상태를 이룸에 따라 마찰 전기가 발생된다.

한편, 2개의 전극에 각각 연결된 인출부(41, 42)를 추가로 포함할 수 있으며, 이러한 인출부에는 에너지 저장부(60)가 연결되어 있다. 한편, 인출부와 상기 에너지 저장부 사이에는 정류 다이오드(51, 52)가 연결되어 있을 수 있다.

도 1에서 보는 인출부에는 축전지와 같은 에너지 저장부(60)가 연결되어 있다. 인출부와 에너지 저장부 사이에는 정류 다이오드(51, 52)가 연결될 수 있다. 인출선에는 부하가 연결될 수도 있으며, 이에 의해 직접 전구에 불을 밝힐 수도 있다. 한편, 다이오드는 정류 다이오드로서 어느 한쪽 방향으로만 전류가 흐르도록 하는 역할을 하며, 이에 의해 전류가 반대로 흘러 축전지 등(60)이 방전되는 것을 방지한다.

도 2는 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 마찰전기 에너지 발생 장치에 관한 도면이다. 도 2에서 도시된 것처럼, 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 마찰전기 에너지 발생 장치는, 제 1 전극 역할을 하는 제 1 마찰 대전체(30); 제 2 마찰 대전체(20) 및 제 2 전극(13)을 포함한다. 도 1의 실시예에서 설명한 부분과 중복되는 부분에 대해서는 자세한 설명을 생략하도록 하고 본 실시예의 특징 위주로 이하에서 설명하도록 하겠다.

제 1 마찰 대전체(30)는 금속으로 이루어지며 제 1 전극 역할을 동시에 수행한다. 금속은 납, 알루미늄, 철, 구리, 은, 금, 플라티늄 중 어느 하나이다.

제 2 마찰 대전체(20)는 제 1 마찰 대전체와 대향하도록 배치되며 서로 접촉을 이룬 상태에 있다. 제 2 마찰 대전체(20)는 제 1 마찰 대전체(30)인 금속보다 대전열 상에서 포지티브 영역에 배치되는 수지이다. 수지는 알킬기로 수식되어 있는 것이 바람직하고, 알킬기는 수소 원자를 많이 갖는 작용기가 이용될수록 마찰 전기 출력값이 향상된다.

제 2 마찰 대전체(20)의 제 1 마찰 대전체(30)와 대향하는 면의 반대면에는 제 2 전극(13)이 배치된다.

본 실시예의 경우 도 3에서 도시된 것처럼, 제 1 마찰 대전체가 제 2 마찰 대전체와 접촉 상태에서 슬라이딩에 의해 비접촉 상태가 됨에 따라 마찰 전기가 발생된다.

한편, 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극에 각각 연결된 인출부를 추가로 포함할 수 있고, 인출부에는 에너지 저장부가 연결되어 있을 수 있으며, 인출부와 에너지 저장부 사이에는 정류 다이오드가 연결되어 있을 수 있다.

도 4는 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 마찰전기 에너지 발생 장치에 관한 도면이다. 도 4에서 도시된 것처럼, 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 마찰전기 에너지 발생 장치는, 제 1 전극 역할을 하는 제 1 마찰 대전체(30); 제 2 마찰 대전체(20); 제 2 전극(13); 및 제 2 마찰 대전체에 삽입되어 있는 금속보다 대전열 상에서 포지티브 영역에 배치되는 하나 이상의 수지(25)를 포함한다. 위의 실시예에서 설명한 부분과 중복되는 부분에 대해서는 자세한 설명을 생략하도록 하고 본 실시예의 특징 위주로 이하에서 설명하도록 하겠다.

제 1 마찰 대전체(30)는 금속으로 이루어지며 제 1 전극 역할을 동시에 수행한다. 금속은 납, 알루미늄, 철, 구리, 은, 금, 플라티늄 중 어느 하나이다.

제 2 마찰 대전체(20)는 제 1 마찰 대전체와 대향하도록 배치되며 서로 접촉을 이룬 상태에 있다. 제 2 마찰 대전체는 금속과 대전열 상에서 대전 특성 차이가 큰 물질로 이루어지는 것이 바람직하며, 금속과의 관계에서 포지티브 영역에 배치된 것도 가능하고 네거티브 영역에 배치된 것도 가능할 수 있다.

수지(25)는 도 4에서 도시된 것처럼, 제 2 마찰 대전체에 삽입되어 있는 금속 보다 대전열 상에서 포지티브 영역에 배치되는 하나 이상의 수지이다. 수지(25)는 알킬기로 수식되어 있는 것이 바람직하고, 알킬기는 수소 원자를 많이 갖는 작용기가 이용될수록 마찰 전기 출력값이 향상된다.

제 2 마찰 대전체(20)의 제 1 마찰 대전체(30)와 대향하는 면의 반대면에는 제 2 전극(13)이 배치된다.

본 실시예의 경우 도 4에서 도시된 것처럼, 제 1 마찰 대전체가 제 2 마찰 대전체와 접촉 상태에서 슬라이딩에 의해 제 2 마찰 대전체 물질(20) 및 수지 물질(25)과 각각 접촉 및 비접촉이 발생됨에 따라 마찰 전기가 발생된다. 이에 의해 제 1 마찰 대전체가 제 2 마찰 대전체 및 수지 물질 상에서 슬라이딩 함에 의해 연속적으로 마찰전기 에너지가 발생될 수 있다.

한편, 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극에 각각 연결된 인출부를 추가로 포함할 수 있고, 인출부에는 에너지 저장부가 연결되어 있을 수 있으며, 인출부와 에너지 저장부 사이에는 정류 다이오드가 연결되어 있을 수 있다.

도 5 및 6은 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 마찰전기 에너지 발생 장치에 관한 도면이다. 도 5 및 6에서 도시된 것처럼, 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 마찰전기 에너지 발생 장치는, 제 1 마찰 대전체(30); 제 2 마찰 대전체(20) 및 전극들(11, 13)을 포함한다. 위의 실시예에서 설명한 부분과 중복되는 부분에 대해서는 자세한 설명을 생략하도록 하고 본 실시예의 특징 위주로 이하에서 설명하도록 하겠다.

제 1 마찰 대전체(30)는 금속으로 이루어지며, 납, 알루미늄, 철, 구리, 은, 금, 플라티늄 중 어느 하나이다.

제 2 마찰 대전체(20)는 제 1 마찰 대전체와 대향하도록 배치되며 서로 접촉을 이룬 상태에 있다. 제 2 마찰 대전체(20)는 제 1 마찰 대전체(30)인 금속보다 대전열 상에서 포지티브 영역에 배치되는 수지이다. 수지는 알킬기로 수식되어 있는 것이 바람직하고, 알킬기는 수소 원자를 많이 갖는 작용기가 이용될수록 마찰 전기 출력값이 향상된다.

제 2 마찰 대전체(20)의 제 1 마찰 대전체(30)와 대향하는 면의 반대면에는 전극들(11, 13)이 배치된다.

도 5 및 6의 실시예에서는 제 1 마찰 대전체(30) 및 전극들(11, 13)을 감싸고 있는 제 2 마찰 대전체(20)인 수지 물질이 이미 충분히 마찰 대전이 되어 있는 상태에서 제 1 마찰 대전체의 움직임에 따라 두 개의 전극(11, 13)의 포텐셜 변화에 따른 전하의 움직임이 나타나게 되는 것이며, 이는 도 6에서 더욱 자세히 도시되어 있다.

정리하면, 본 실시예의 경우 도 5 및 6에서 도시된 것처럼, 제 1 마찰 대전체가 제 2 마찰 대전체와 접촉 상태에서 이동함에 따라 마찰 전기가 발생된다. 이 경우 제 1 마찰 대전체는 제 2 마찰 대전체 상에서 회전 운동에 의한 로테이션(rotation)이 이루어질 수 있다.

한편, 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극에 각각 연결된 인출부를 추가로 포함할 수 있고, 인출부에는 에너지 저장부가 연결되어 있을 수 있으며, 인출부와 에너지 저장부 사이에는 정류 다이오드가 연결되어 있을 수 있다.

도 7은 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 마찰 전기 에너지 발전 소자를 도시한다. 도 7에서 도시된 것처럼, 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 마찰전기 에너지 발생 장치는, 회전축(90); 제 1 마찰 대전체(30); 제 2 마찰 대전체(20) 및 제 2 전극(13)을 포함한다. 위의 실시예에서 설명한 부분과 중복되는 부분에 대해서는 자세한 설명을 생략하도록 하고 본 실시예의 특징 위주로 이하에서 설명하도록 하겠다.

제 1 마찰 대전체는 금속으로 이루어지며 동시에 제 1 전극 역할을 한다. 제 1 마찰 대전체(30)는 납, 알루미늄, 철, 구리, 은, 금, 플라티늄 중 어느 하나이다. 제 1 마찰 대전체(30)는 도 7에서 보는 것처럼 회전축(90)과 수직하게 배치되며 회전축과 연결된 부분으로부터 제 1 마찰 대전체의 회전축과 멀리 있는 끝단을 따라서 생략된 부분을 하나 이상 갖는다. 즉, 도 7에서 도시된 것처럼 복수개의 날개들과 같은 형상을 가질 수 있다. 이러한 제 1 마찰 대전체는 다양한 다양한 형상일 수 있으며, 특별하게는 원형 또는 다각형 형상으로 일정한 간격을 이루면서 생략된 부분을 갖는 것이 바람직하다.

제 1 플레이트는 생략된 부분을 포함할 수 있는데, 본 발명에서 생략된 부분이란 제 1 마찰 대전체의 전체 형상을 기준으로(예를 들어 원형일 경우 원형 플레이트, 5각형일 경우 5각형 플레이트) 그 전체 형상에서 일부분이 생략되었음을 의미하며, 생략된 부분은 샤프트와 플레이트가 연결된 부분으로부터 플레이트의 끝단을 따라서 생략된 부분을 갖는다.

제 2 마찰 대전체는 제 1 마찰 대전체의 형상과 상보적 형상을 가지며 회전축을 따라 제 1 마찰 대전체와 나란히 접촉하도록 배열된다. 즉, 제 2 마찰 대전체는 제 1 마찰 대전체에서 생략된 부분에 해당하는 형상을 갖는 플레이트이다. 따라서, 제 1 마찰 대전체와 제 2 마찰 대전체를 겹쳐 놓았을때 하나의 완전한 형태의 플레이트 형상을 가질 수 있다. 이 경우 제 2 마찰 대전체는 고정되어 움직이지 아니하도록 배치될 수 있다.

제 2 마찰 대전체(20)는 제 1 마찰 대전체(30)인 금속보다 대전열 상에서 포지티브 영역에 배치되는 수지이다. 수지는 알킬기로 수식되어 있는 것이 바람직하고, 알킬기는 수소 원자를 많이 갖는 작용기가 이용될수록 마찰 전기 출력값이 향상된다.

한편, 이러한 제 1 마찰 대전체와 제 2 마찰 대전체는 회전축을 따라서 복수개가 교번적으로 배치될 수도 있다.

제 2 마찰 대전체(20)의 제 1 마찰 대전체(30)와 대향하는 면의 반대면에는 제 2 전극(13)이 배치된다.

한편, 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극에 각각 연결된 인출부를 추가로 포함할 수 있고, 인출부에는 에너지 저장부가 연결되어 있을 수 있으며, 인출부와 에너지 저장부 사이에는 정류 다이오드가 연결되어 있을 수 있다.

본 실시예에서 제 1 마찰 대전체가 제 2 마찰 대전체 상에서 이동함에 따라 접촉 상태 및 비접촉 상태를 반복하면서 마찰 전기가 발생되며, 이러한 이동은 회전 운동으로 이루어지는 것이 바람직하다.

위에서 차례대로 푸싱 타입, 슬라이딩 타입, 로테이션 타입의 실시예에 대해 각각 설명하였다. 이하에서는 본 발명에서와 같이 금속 및 금속보다 대전열 상에서 포지티브 영역에 배치되는 수지의 마찰에 의한 마찰 전기 에너지 발전 소자의 특징인 높은 출력 및 내구성 향상에 대해 실제 실험예와 함께 추가적으로 설명하도록 하겠다.

도 8은 본 발명의 실험예에서 이용된 소자 구조에 대한 도면이다. 도 8에서 보는 것처럼 회전 타입의 소자를 이용하였고, 제 1 마찰 대전체로는 구리(Cu)를 이용하였으며, 제 2 마찰 대전체로는 멜라민 수지를 이용하였다. 실시예에서는 멜라민 수지를 이용하였으나, 위에서 언급한 것처럼, 금속보다 대전열 상에서 포지티브 영역에 배치되는 수지들이 이용될 수 있으며, phenol resin, urea resin,　xylene resin, polyester resin, epoxy resin와 같은 것들이 이용 가능하다.

도 9 내지 10은 기존에 이용되던 PTFE 물질과 본 발명의 수지 계열의 물질에 대한 출력 평가를 나타내는 도면이다. PTFE물질과 본 발명의 수지 물질과의 로테이션 모드에서의 마찰전기 에너지 출력 전압 평가, 출력 전류 평가 및 출력 안정성 평가 결과를 나타내는 것이다.

종래 기술에서 언급한 것처럼, PTFE 물질의 경우 마찰대전에서 높은 출력을 발생시키지만 내마모성이 약해 상대 마찰물질인 금속과의 지속적인 마찰에서 쉽게 마모되어지며 마모된 PTFE 입자들이 상대 마찰물질인 금속에 전사되어 출력 감소의 원인이 되어 안정적으로 고출력을 만들어 내기 힘들다는 문제점을 갖고 있다.

도 9 및 10에서 볼 수 있는 것처럼, 기존에 이용되던 PTFE 물질과 비교할 때 시간에 따른 전압 및 전류의 출력값이 PTFE의 경우는 지속적으로 떨어지지만, 본 발명의 수지 계열의 물질에 대해서는 출력값이 일정하게 유지됨을 알 수 있었다. 이를 통해 출력값이 향상되고, 내마모성도 유지됨을 확인할 수 있었다.

도 11은 본 발명의 실험예에 따른 수지 계열의 물질을 이용한 마찰 전기 에너지 발생 소자의 내구성 평가를 나타내는 도면이다. 도 11은 본 발명의 수지 물질을 이용하여 90분 이상 지속적인 로테이션 모드의 마찰전기 에너지 소자를 구동한 경우의 내구성 평가 결과이다. 도 11에서 보는 것처럼 전압이 거의 일정하게 유지됨을 확인하였으며, 따라서 내구성이 매우 뛰어남을 확인할 수 있었다.

도 12a 및 12b는 PTFE와 본 발명의 수지 계열의 물질에 대한 마모 저항 테스트(wear resistance test) 결과를 나타내는 표 및 그래프이다. 테스트는 RPM 300으로 테스트가 이루어졌으며 각 사이클 별로 마모율(wear rate)을 측정하였다. 도 12a 및 12b에서 볼 수 있는 것처럼, PTFE의 경우 사이클이 지남에 따라 마모율이 급격히 증가하였으나, 본 발명의 수지는 마모율이 거의 일정하게 유지됨을 확인할 수 있었다.

도 13는 본 발명의 실험예에서 알킬기의 작용기로 수식한 경우에 대한 출력값 차이를 도시한다. 위에서 언급한 것처럼, 본 발명에서 제 2 마찰 대전체로 이용되는 수지는 알킬기 작용기가 붙어 있어 알킬기로 수식될 수 있고, 이러한 알킬기 작용기는 수소 원자를 많이 갖는 작용기가 이용될수록 마찰 전기 출력값이 향상된다.

도 13에서 보는 것처럼, 수소 원자를 많이 갖는 알킬기로 수식될수록 출력값이 향상됨을 확인할 수 있었다.

도 14은 도 13의 실험예에 대한 KPFM 측정 결과를 도시하고, 도 15는 도 13의 실험예에 대한 FTIR 측정 결과를 도시한다.

도 16는 도 13의 실험예에 대한 마찰 전기 출력값을 비교한 그래프이다. 도 16에서 보는 것처럼, 제 2 마찰 대전체로 이용되는 수지는 알킬기 작용기가 붙어 있어 알킬기로 수식될 수 있고, 이러한 알킬기 작용기는 수소 원자를 많이 갖는 작용기가 이용될수록 마찰 전기 출력값이 향상됨을 확인할 수 있었다.

제시된 실시예들에 대한 설명은 임의의 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 이용하거나 또는 실시할 수 있도록 제공된다. 이러한 실시예들에 대한 다양한 변형들은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이며, 여기에 정의된 일반적인 원리들은 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 그리하여, 본 발명은 여기에 제시된 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 여기에 제시된 원리들 및 신규한 특징들과 일관되는 최광의의 범위에서 해석되어야 할 것이다.

Claims (35)

1. 금속으로 이루어지며 제 1 전극 역할을 하는 제 1 마찰 대전체;
   상기 제 1 마찰 대전체와 대향하도록 배치된 제 2 마찰 대전체; 및
   상기 제 2 마찰 대전체의 상기 제 1 마찰 대전체와 대향하는 면의 반대면에 배치된 제 2 전극을 포함하고,
   상기 제 2 마찰 대전체는 상기 금속보다 대전열(triboelectric series) 상에서 포지티브(positive) 영역에 배치되는 수지(resin)이며,
   상기 제 1 마찰 대전체와 상기 제 2 마찰 대전체가 대향하는 방향과 평행한 방향을 따라 접촉 상태 및 비접촉 상태를 이룸에 따라 마찰 전기가 발생되며,
   상기 수지는 알킬기로 수식되어 있고,
   상기 알킬기는 수소 원자를 많이 갖는 작용기가 이용될수록 마찰 전기 출력값이 향상되는,
   마찰전기 에너지 발생 장치.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 금속은 납, 알루미늄, 철, 구리, 은, 금, 플라티늄 중 어느 하나인,
   마찰전기 에너지 발생 장치.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극에 각각 연결된 인출부를 추가로 포함하고,
   상기 인출부에는 에너지 저장부가 연결되어 있으며,
   상기 인출부와 상기 에너지 저장부 사이에는 정류 다이오드가 연결되어 있는,
   마찰전기 에너지 발생 장치.
   
6. 삭제
7. 삭제
8. 금속으로 이루어지며 제 1 전극 역할을 하는 제 1 마찰 대전체;
   상기 제 1 마찰 대전체와 대향하며 접촉하도록 배치된 제 2 마찰 대전체; 및
   상기 제 2 마찰 대전체의 상기 제 1 마찰 대전체와 대향하는 면의 반대면에 배치된 제 2 전극을 포함하고,
   상기 제 2 마찰 대전체는 상기 금속보다 대전열 상에서 포지티브 영역에 배치되는 수지이며,
   상기 제 1 마찰 대전체가 상기 제 2 마찰 대전체와 접촉 상태에서 슬라이딩에 의해 비접촉 상태가 됨에 따라 마찰 전기가 발생되고,
   상기 수지는 알킬기로 수식되어 있고,
   상기 알킬기는 수소 원자를 많이 갖는 작용기가 이용될수록 마찰 전기 출력값이 향상되는,
   마찰전기 에너지 발생 장치.
   
9. 삭제
10. 삭제
11. 제 8 항에 있어서,
    상기 금속은 납, 알루미늄, 철, 구리, 은, 금, 플라티늄 중 어느 하나인,
    마찰전기 에너지 발생 장치.
    
12. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극에 각각 연결된 인출부를 추가로 포함하고,
    상기 인출부에는 에너지 저장부가 연결되어 있으며,
    상기 인출부와 상기 에너지 저장부 사이에는 정류 다이오드가 연결되어 있는,
    마찰전기 에너지 발생 장치.
    
13. 삭제
14. 삭제
15. 금속으로 이루어지며 제 1 전극 역할을 하는 제 1 마찰 대전체;
    상기 제 1 마찰 대전체와 대향하며 접촉하도록 배치된 제 2 마찰 대전체;
    상기 제 2 마찰 대전체의 상기 제 1 마찰 대전체와 대향하는 면의 반대면에 배치된 제 2 전극; 및
    상기 제 2 마찰 대전체의 상기 제 1 마찰 대전체와 접촉한 면에서 서로 이격된 상태로 상기 제 2 마찰 대전체에 삽입되어 있는 상기 금속보다 대전열 상에서 포지티브 영역에 배치되는 하나 이상의 수지를 포함하고,
    상기 제 1 마찰 대전체가 상기 제 2 마찰 대전체 및 상기 수지 상에서 슬라이딩에 의해 마찰 전기가 발생되고,
    상기 수지는 알킬기로 수식되어 있고,
    상기 알킬기는 수소 원자를 많이 갖는 작용기가 이용될수록 마찰 전기 출력값이 향상되는,
    마찰전기 에너지 발생 장치.
    
16. 삭제
17. 삭제
18. 제 15 항에 있어서,
    상기 금속은 납, 알루미늄, 철, 구리, 은, 금, 플라티늄 중 어느 하나인,
    마찰전기 에너지 발생 장치.
    
19. 금속으로 이루어진 제 1 마찰 대전체;
    상기 제 1 마찰 대전체와 접촉 상태로 배치된 제 2 마찰 대전체;
    상기 제 2 마찰 대전체의 상기 제 1 마찰 대전체와 접촉한 면의 반대면에 배치된 전극들을 포함하고,
    상기 제 2 마찰 대전체는 상기 금속보다 대전열 상에서 포지티브 영역에 배치되는 수지이며,
    상기 제 1 마찰 대전체가 상기 제 2 마찰 대전체 상에서 이동함에 따라 마찰 전기가 발생되고,
    상기 제 1 마찰 대전체는 상기 제 2 마찰 대전체 상에서 회전 운동하며,
    상기 수지는 알킬기로 수식되어 있고,
    상기 알킬기는 수소 원자를 많이 갖는 작용기가 이용될수록 마찰 전기 출력값이 향상되는,
    마찰전기 에너지 발생 장치.
    
20. 삭제
21. 삭제
22. 삭제
23. 제 19 항에 있어서,
    상기 금속은 납, 알루미늄, 철, 구리, 은, 금, 플라티늄 중 어느 하나인,
    마찰전기 에너지 발생 장치.
    
24. 제 19 항에 있어서,
    상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극에 각각 연결된 인출부를 추가로 포함하고,
    상기 인출부에는 에너지 저장부가 연결되어 있으며,
    상기 인출부와 상기 에너지 저장부 사이에는 정류 다이오드가 연결되어 있는,
    마찰전기 에너지 발생 장치.
    
25. 삭제
26. 삭제
27. 회전축;
    금속으로 이루어지며 제 1 전극 역할을 하는 제 1 마찰 대전체로서, 회전축과 수직하게 배치되며 회전축과 연결된 부분으로부터 제 1 마찰 대전체의 회전축과 멀리 있는 끝단을 따라서 생략된 부분을 하나 이상 갖는 제 1 마찰 대전체;
    상기 제 1 마찰 대전체의 형상과 상보적 형상을 가지며 상기 회전축을 따라 상기 제 1 마찰 대전체와 나란히 접촉하도록 배열된 제 2 마찰 대전체; 및
    상기 제 2 마찰 대전체의 상기 제 1 마찰 대전체와 접촉한 면의 반대면에 배치된 제 2 전극을 포함하고,
    상기 제 2 마찰 대전체는 상기 금속보다 대전열 상에서 포지티브 영역에 배치되는 수지이며,
    상기 제 1 마찰 대전체가 상기 제 2 마찰 대전체 상에서 이동함에 따라 접촉 상태 및 비접촉 상태를 반복하면서 마찰 전기가 발생되고,
    상기 수지는 알킬기로 수식되어 있고,
    상기 알킬기는 수소 원자를 많이 갖는 작용기가 이용될수록 마찰 전기 출력값이 향상되는,
    마찰전기 에너지 발생 장치.
    
28. 삭제
29. 삭제
30. 제 27 항에 있어서,
    상기 금속은 납, 알루미늄, 철, 구리, 은, 금, 플라티늄 중 어느 하나인,
    마찰전기 에너지 발생 장치.
    
31. 제 27 항에 있어서,
    상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극에 각각 연결된 인출부를 추가로 포함하고,
    상기 인출부에는 에너지 저장부가 연결되어 있으며,
    상기 인출부와 상기 에너지 저장부 사이에는 정류 다이오드가 연결되어 있는,
    마찰전기 에너지 발생 장치.
    
32. 삭제
33. 삭제
34. 제 27 항에 있어서,
    상기 제 1 마찰 대전체는 상기 제 2 마찰 대전체 상에서 회전 운동하는,
    마찰전기 에너지 발생 장치.
    
35. 제 27 항에 있어서,
    상기 제 1 마찰 대전체 및 상기 제 2 마찰 대전체가 회전축을 따라 복수개가 교번적으로 배치되어 있는,
    마찰전기 에너지 발생 장치.

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