KR101881666B1 - 저장된 대전 전하를 이용한 에너지 발전 소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 저장된 대전 전하를 이용한 에너지 발전 소자에 관한 것으로서, 커패시터부에 전압을 인가하여 전하를 주입하고 이를 이용하여 정전 에너지 발전 및 마찰전기 에너지 발전을 하는 에너지 발전 소자에 관한 것이다.
본 발명은 저장된 대전 전하를 이용하여 기존 물리 에너지를 전기 에너지로 변환하는데 이용된 표면 대전 전하 양을 향상시킨다.

Description

저장된 대전 전하를 이용한 에너지 발전 소자 {ENERGY GENERATOR USING STORED CHARGE}
본 발명은 저장된 대전 전하를 이용한 에너지 발전 소자에 관한 것으로서, 커패시터부에 전압을 인가하여 전하를 주입하고 이를 이용하여 정전 에너지 발전 및 마찰전기 에너지 발전을 하는 에너지 발전 소자에 관한 것이다.
기존의 마찰전기 에너지 발전 소자의 경우, 마찰에 의해 보편적으로 생성되는 마찰대전 전하를 이용한 에너지 발전을 한다. 이는 약 수십~수백 uC/m2 정도이며, 이에 따른 출력 한계가 정해진다.
또한, 기존의 일렉트렛 에너지 발전 소자의 경우 표면에 주입된 이온/전자를 이용한 에너지 발전을 한다. 이는 약 수~수십 mC/m2 정도이며, 위보다 높게 주입할 경우 주입된 전자의 유지 시간이 감소하는 물리적인 한계가 있다. 특히 이러한 대전전하 개선의 경우 유전체 위주로 개발이 되었으며, 도체의 경우는 개발이 되지 않았다.
본 발명은 저장된 대전 전하를 이용하여 기존 물리 에너지를 전기 에너지로 변환하는데 이용된 표면 대전 전하 양을 향상 시킨다.
본 발명의 일 실시예에 따른 저장된 대전 전하를 이용한 에너지 발전 소자는, 하부 전극; 부도체; 및 상부 전극이 적층된 구조의 커패시터부; 및 상기 커패시터부의 상부 전극 위에 배치된 전극을 포함하는 발전소자부를 포함하고, 상기 커패시터부에는 전압을 인가하여 전하를 주입시키며, 상기 발전소자부가 상기 커패시터부 위에서 서로 간의 간격을 변화시키며 이동함에 따라 정전 에너지가 발생된다.
상기 부도체는 절연체 또는 유전체를 포함한다.
상기 커패시터부는 상기 발전소자부와 대향하는 면 이외의 나머지 면들이 절연층으로 둘러싸여 있을 수 있다.
상기 발전소자부의 전극에는 에너지 수집 장치가 연결되어 있을 수 있다.
상기 커패시터부 방전을 차단하기 위해 상기 하부 전극 및 상기 상부 전극에 연결된 다이오드를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 추가적인 실시예에 따른 저장된 대전 전하를 이용한 에너지 발전 소자는, 하부 전극; 부도체; 및 상부 전극이 적층된 구조의 2개의 커패시터부; 및 상기 2개의 커패시터부 사이에 배치된 전극을 포함하는 발전소자부를 포함하고, 상기 커패시터부에는 전압을 인가하여 전하를 주입시키며, 상기 발전소자부가 상기 2개의 커패시터부 사이에서 서로 간의 간격을 변화시키며 이동함에 따라 정전 에너지가 발생된다.
상기 부도체는 절연체 또는 유전체를 포함한다.
상기 커패시터부는 상기 발전소자부와 대향하는 면 이외의 나머지 면들이 절연층으로 둘러싸여 있을 수 있다.
상기 발전소자부의 전극에는 에너지 수집 장치가 연결되어 있을 수 있다.
상기 커패시터부 방전을 차단하기 위해 상기 하부 전극 및 상기 상부 전극에 연결된 다이오드를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 추가적인 실시예에 따른 저장된 대전 전하를 이용한 에너지 발전 소자는, 하부 전극; 부도체; 및 상부 전극이 적층된 구조의 커패시터부; 및 상기 커패시터부의 상부 전극 위에 배치되며, 마찰대전체층; 및 상기 마찰대전체층 상의 전극을 포함하는 발전소자부를 포함하고, 상기 커패시터부에는 전압을 인가하여 전하를 주입시키며, 상기 발전소자부가 이동하여 상기 커패시터부와 접촉 및 비접촉을 이룸에 따라 마찰전기 에너지가 발생된다.
상기 부도체는 절연체 또는 유전체를 포함한다.
상기 커패시터부는 상기 발전소자부와 대향하는 면 이외의 나머지 면들이 절연층으로 둘러싸여 있을 수 있다.
상기 발전소자부의 전극에는 에너지 수집 장치가 연결되어 있을 수 있다.
상기 마찰대전체층은 부도체이다.
상기 커패시터부 방전을 차단하기 위해 상기 하부 전극 및 상기 상부 전극에 연결된 다이오드를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 추가적인 실시예에 따른 저장된 대전 전하를 이용한 에너지 발전 소자는, 하부 전극; 부도체; 및 상부 전극이 적층된 구조를 갖는 복수의 커패시터부들; 및 상기 커패시터부들의 상부 전극 위에 배치된 전극을 포함하는 발전소자부를 포함하고, 상기 복수의 커패시터부들을 서로 옆으로 나란히 배치되며, 상기 커패시터부들에는 전압을 인가하여 전하를 주입시키며, 상기 발전소자부가 상기 커패시터부들 위에서 이동함에 따라 정전 에너지가 발생된다.
상기 부도체는 절연체 또는 유전체를 포함한다.
상기 커패시터부는 상기 발전소자부와 대향하는 면 이외의 나머지 면들이 절연층으로 둘러싸여 있을 수 있다.
상기 발전소자부의 전극에는 에너지 수집 장치가 연결되어 있을 수 있다.
상기 커패시터부들의 방전을 차단하기 위해 상기 하부 전극 및 상기 상부 전극에 각각 연결된 다이오드들을 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 추가적인 실시예에 따른 저장된 대전 전하를 이용한 에너지 발전 소자는, 하부 전극; 부도체; 및 상부 전극이 적층된 구조를 갖는 복수의 커패시터부들; 및 상기 커패시터부의 상부 전극 위에 배치되며, 마찰대전체층; 및 상기 마찰대전체층 상의 전극을 포함하는 발전소자부를 포함하고, 상기 복수의 커패시터부들을 서로 옆으로 나란히 배치되며, 상기 커패시터부들에는 전압을 인가하여 전하를 주입시키며, 상기 발전소자부가 상기 커패시터부들 상에서 이동함에 따라 복수의 커패시터부들과 접촉 및 비접촉을 이룸에 따라 마찰전기 에너지가 발생된다.
상기 부도체는 절연체 또는 유전체를 포함한다.
상기 커패시터부는 상기 발전소자부와 대향하는 면 이외의 나머지 면들이 절연층으로 둘러싸여 있을 수 있다.
상기 발전소자부의 전극에는 에너지 수집 장치가 연결되어 있을 수 있다.
상기 마찰대전체층은 부도체이다.
상기 커패시터부들의 방전을 차단하기 위해 상기 하부 전극 및 상기 상부 전극에 각각 연결된 다이오드들을 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 추가적인 실시예에 따른 저장된 대전 전하를 이용한 에너지 발전 소자는, 하부 전극; 부도체; 및 상부 전극이 적층된 구조의 커패시터부; 및 상기 커패시터부의 상부 및 하부에 각각 배치된 전극을 포함하는 2개의 발전소자부를 포함하고, 상기 커패시터부에는 전압을 인가하여 전하를 주입시키며, 상기 커패시터부가 상기 2개의 발전소자부 사이에서 서로 간의 간격을 변화시키며 이동함에 따라 정전 에너지가 발생된다.
본 발명의 추가적인 실시예에 따른 저장된 대전 전하를 이용한 에너지 발전 소자는, 하부 전극; 부도체; 및 상부 전극이 적층된 구조의 커패시터부; 및 상기 커패시터부의 상부 및 하부에 각각 배치되며, 마찰대전층; 및 전극을 포함하는 2개의 발전소자부를 포함하고, 상기 2개의 발전소자부의 각각의 마찰대전층은 상기 커패시터부를 향하고 있으며, 상기 커패시터부에는 전압을 인가하여 전하를 주입시키고, 상기 커패시터부가 상기 2개의 발전소자부와 접촉 및 비접촉을 이룸에 따라 마찰전기 에너지가 발생된다.
기존에 물질 표면의 대전 전하의 양이 수십 uC/m2~mC/m2이였으나, 본 발명은 도체 표면 대전 전하의 양이 수mC/m2~수kC/m2로 증가시키고, 이에 따른 에너지 발전 효율을 극대화 한다.
도 1 및 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 저장된 대전 전하를 이용한 에너지 발전 소자를 도시한다.
도 3 및 4는 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 저장된 대전 전하를 이용한 에너지 발전 소자를 도시한다.
도 5 및 6은 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 저장된 대전 전하를 이용한 에너지 발전 소자를 도시한다.
도 7은 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 저장된 대전 전하를 이용한 에너지 발전 소자를 도시한다.
도 8은 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 저장된 대전 전하를 이용한 에너지 발전 소자를 도시한다.
도 9 및 10은 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 저장된 대전 전하를 이용한 에너지 발전 소자를 도시한다.
도 11은 본 발명의 저장된 대전 전하를 이용한 에너지 발전 소자의 실제 실험예 구조를 도시한다.
도 12 및 13은 도 11에서 도시된 실험예의 에너지 발생 그래프를 도시한다.
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 발명자가 제안하는 구조는 종래 기술에서 언급된 문제를 해결 할 수 있으며, 저장된 대전 전하를 이용하여 기존 물리 에너지를 전기 에너지로 변환하는데 이용된 표면 대전 전하 양을 향상 시킨다. 기존에 유전체 표면의 대전 전하의 양이 수십 uC/m2~mC/m2이였으나, 본 발명은 도체 표면 대전 전하의 양이 수mC/m2~수kC/m2로 증가시키고, 이에 따른 에너지 발전 효율을 극대화 한다. 이에 따라 표면 대전 전하에 의해 발전 성능이 결정되는 마찰대전 발전소자, 일렉트렛 발전 소자의 출력을 기하급수적으로 향상 시킨다.
본 연구에서 제안하는 캐패시터부를 이용한 에너지 발전소자의 경우 단상, 다상, 수직, 수평, 회전운동 등 기존에 알려진 발전 모드에 구해받지 않고 모두 적용이 가능하다.
이하에서는 구체적인 실시예들과 함께 본 발명의 내용에 대해 상세히 설명하도록 하겠다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 저장된 대전 전하를 이용한 에너지 발전 소자를 도시한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 저장된 대전 전하를 이용한 에너지 발전 소자는, 커패시터부(100); 및 발전소자부(200)를 포함한다.
커패시터부(100)는 하부 전극(11); 부도체(13); 및 상부 전극(15)을 포함한다.
하부 전극(11) 및 상부 전극(15)은 전극 물질로 이용 가능한 것이면 무엇이든 가능하며, 예시적으로 ITO가 이용될 수 있다.
부도체(13)는 하부 전극 및 상부 전극 사이에 배치된다. 부도체는 절연체 또는 유전체가 이용되며, PVDF, BST, PMN, LSNO, PFN, BTO, CCTO 등이 예시적으로 이용될 수 있다. 이러한 부도체에 전압을 인가하여 전극에 대전 전하를 집중 시키게 된다.
커패시터부(100)에는 전압을 인가하여 전하를 주입하고, 전극에 대전 전하를 집중시킨다. 또한, 하부 전극 및 상부 전극에는 커패시터부의 방전을 방지하는 다이오드를 추가로 포함할 수 있다. 다이오드는 도 1에서는 도시되지 않았으나, 이하의 다른 실시예의 도면에서 확인할 수 있다.
한편, 부도체의 두께는 다이오드가 방전을 막을 수 있는 허용 한계를 고려하여 약 5nm 내지 10nm의 두께로 이루어지는 것이 바람직하다. 만일 10nm 보다 더 두껍다면 방전을 막을 수 있는 다이오드의 설계가 매우 어렵기 때문이다. 또한, 5nm보다 얇게 만드는 것은 제조 비용이나 공정을 고려할 때 소모적이다.
발전소자부(200)는 커패시터부(100)의 상부 전극 위에 배치된다. 발전소자부는 도체인 전극으로 이루어져 있다.
발전소자부의 전극에는 에너지 수집 장치(30)가 연결될 수 있다. 에너지 수집 장치와 발전소자부 간에는 정류 다이오드(미도시)가 추가로 설치될 수 있다.
도 1의 실시예의 저장된 대전 전하를 이용한 에너지 발전 소자는, 발전소자부(200)가 커패시터부(100) 위에서 서로 간의 간격을 변화시키며 이동함에 따라 정전 에너지가 발생되게 된다. 즉, 커패시터부(100)가 발전소자부(200) 위에서 상하로 이동하게 되고, 이에 의해 커패시터부와 발전소자부의 거리 변화에 따라 정전 에너지가 발생되게 된다. 이러한 간격의 변화는 외부의 물리 에너지에 의해 구현될 수 있으며, 진동과 같은 외부 에너지에 의해서도 가능하다.
한편, 도 2에서와 같이 커패시터부(100)의 하부전극; 부도체; 상부전극 구조는 발전소자부(200)와 대향하는 면 이외의 나머지 면들이 절연층(17)으로 둘러싸여 있는 구조를 가질 수 있다. 이와 같이 절연층(17)으로 둘러쌈으로써 외부 환경에 의한 커패시터부의 방전을 막을 수 있다.
이하에서는 본 발명의 다른 실시예들을 도면과 함께 계속 설명하도록 할 것이며, 이미 설명한 내용과 중복되는 내용에 대해서는 생략하고 각 실시예별 특징 위주로 기술하도록 하겠다.
도 3 및 4는 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 저장된 대전 전하를 이용한 에너지 발전 소자를 도시한다. 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 저장된 대전 전하를 이용한 에너지 발전 소자는, 2개의 커패시터부(100, 300); 및 발전소자부(200)를 포함한다.
커패시터부(100, 300)는 각각 하부 전극; 부도체; 및 상부 전극이 적층된 구조를 이루고 있다. 부도체는 절연체 또는 유전체를 포함한다.
발전소자부(200)는 도체인 전극으로 이루어져 있으며 2개의 커패시터부(100, 300) 사이에 배치된다.
각각의 커패시터부(100, 300)에는 커패시터부 방전을 차단하기 위해 하부 전극 및 상부 전극에 연결된 다이오드를 각각 추가로 포함할 수 있다.
2개의 커패시터부에는 전압을 인가하여 전하를 주입시키고, 발전소자부가 2개의 커패시터부 사이에서 서로 간의 간격을 변화시키며 이동함에 따라 정전 에너지가 발생된다.
발전소자부의 전극에는 에너지 수집 장치가 연결되어 있을 수 있다.
한편, 도 4에서와 같이 각각의 커패시터부의 하부전극; 부도체; 상부전극 구조는 발전소자부(200)와 대향하는 면 이외의 나머지 면들이 절연층으로 둘러싸여 있는 구조를 가질 수 있다.
도 5 및 6은 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 저장된 대전 전하를 이용한 에너지 발전 소자를 도시한다. 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 저장된 대전 전하를 이용한 에너지 발전 소자는, 커패시터부(100); 및 발전소자부(200)를 포함한다.
커패시터부(100)는 하부전극; 부도체; 및 상부 전극이 적층된 구조를 갖는다. 커패시터부에는 전압을 인가하여 전하를 주입시키게 된다. 부도체는 절연체 또는 유전체를 포함한다.
발전소자부(200)는 커패시터부(100)의 상부 전극 위에 배치되며, 마찰대전체(23); 및 전극(21)을 포함한다. 도 5 및 6의 실시예의 경우에는 발전소자부(200)가 마찰대전체층(23)을 포함하고 있고, 이에 의해 마찰대전체층(23)이 커패시터부(100)의 상부 전극(15)과 접촉 및 비접촉을 반복하게 되고, 이에 의해 마찰전기 에너지가 발생되게 된다.
마찰대전체층(23)은 부도체로 이루어져 있으며, 이러한 마찰대전체층(23)은 트리보일렉트릭 시리즈 상에서 상부 전극 물질과 대전 전하 차이가 큰 물질을 이용하는 것이 바람직하다.
발전소자부의 전극에는 에너지 수집 장치가 연결되어 있을 수 있다.
또한, 커패시터부 방전을 차단하기 위해 하부 전극 및 상부 전극에 연결된 다이오드를 추가로 포함할 수 있다.
도 5 및 6의 실시예에서는 발전소자부(200)가 커패시터부(100)와 직접 접촉 및 비접촉을 하게 됨으로써 마찰에 의한 마찰 전기를 발생시켜 에너지를 발전하게 된다.
도 6에서와 같이 커패시터부의 하부전극; 부도체; 상부전극 구조는 발전소자부(200)와 대향하는 면 이외의 나머지 면들이 절연층으로 둘러싸여 있는 구조를 가질 수 있다.
도 7은 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 저장된 대전 전하를 이용한 에너지 발전 소자를 도시한다. 위의 도 1 내지 6의 실시예가 푸싱 타입에 의한 에너지 발전 소자에 관한 것이라면, 도 7 및 도 8은 슬라이딩 또는 로테이팅 타입에 의한 에너지 발전 소자에 관한 것이다.
도 7에서 도시된 실시예에 따른 저장된 대전 전하를 이용한 에너지 발전 소자는, 복수의 커패시터부(100, 100') 및 발전소자부(200)를 포함한다.
커패시터부(100, 100')는 하부 전극; 부도체; 및 상부 전극이 적층된 구조를 포함한다. 커패시터부들(100, 100')에는 전압을 인가하여 전하를 주입시킨다. 부도체는 절연체 또는 유전체를 포함한다.
또한, 커패시터부들의 방전을 차단하기 위해 하부 전극 및 상부 전극에 각각 연결된 다이오드들(40, 40')을 추가로 포함할 수 있다. 이러한 다이오드에 의해 커패시터의 충전 이후 인가 전압 차단시 발생될 수 있는 커패시터의 방전을 막을 수 있게 된다.
커패시터부(100, 100')는 복수개 존재할 수 있으며, 도 7에서는 예시적으로 2개가 도시되어 있다. 이러한 커패시터부는 서로 옆으로 나란히 배치될 수 있다.
발전소자부(200)는 도체인 전극으로 이루어져 있고 커패시터부(100, 100') 위에 배치되어 있다. 발전소자부의 전극에는 에너지 수집 장치가 연결되어 있을 수 있다.
도 7의 실시예에 따른 저장된 대전 전하를 이용한 에너지 발전 소자는 도 7에서 보는 것처럼, 발전소자부(200)가 커패시터부들(100, 100') 위에서 이동함에 따라 정전 에너지가 발생되게 된다.
한편, 도시되지는 아니하였지만, 커패시터부의 하부전극; 부도체; 상부전극 구조는 발전소자부(200)와 대향하는 면 이외의 나머지 면들이 절연층으로 둘러싸여 있는 구조를 가질 수 있다.
도 8은 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 저장된 대전 전하를 이용한 에너지 발전 소자를 도시한다.
도 8에서 도시된 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 저장된 대전 전하를 이용한 에너지 발전 소자는, 복수의 커패시터부(100, 100') 및 발전소자부(200)를 포함한다.
커패시터부(100, 100')는 하부 전극; 부도체; 및 상부 전극이 적층된 구조를 포함한다. 커패시터부들(100, 100')에는 전압을 인가하여 전하를 주입시킨다. 부도체는 절연체 또는 유전체를 포함한다.
또한, 커패시터부들의 방전을 차단하기 위해 하부 전극 및 상부 전극에 각각 연결된 다이오드들(40, 40')을 추가로 포함할 수 있다.
커패시터부(100, 100')는 복수개 존재할 수 있으며, 도 7에서는 예시적으로 2개가 도시되어 있다. 이러한 커패시터부는 서로 옆으로 나란히 배치될 수 있다.
발전소자부(200)는 커패시터부의 상부 전극 위에 배치되며, 마찰대전체층(23); 및 마찰대전체층 상의 전극(21)을 포함한다. 발전소자부의 전극에는 에너지 수집 장치가 연결되어 있을 수 있다. 마찰대전체층(23)은 부도체로 이루어져 있으며, 이러한 마찰대전체층(23)은 트리보일렉트릭 시리즈 상에서 상부 전극 물질과 대전 전하 차이가 큰 물질을 이용하는 것이 바람직하다.
도 8의 실시예에 따른 저장된 대전 전하를 이용한 에너지 발전 소자는 도 8에서 보는 것처럼, 발전소자부(200)가 커패시터부들(100, 100') 상에서 접촉한 채로 이동함에 따라 복수의 커패시터부들과 접촉 및 비접촉을 이룸에 따라 마찰전기 에너지가 발생되게 된다.
한편, 도시되지는 아니하였지만, 커패시터부의 하부전극; 부도체; 상부전극 구조는 발전소자부(200)와 대향하는 면 이외의 나머지 면들이 절연층으로 둘러싸여 있는 구조를 가질 수 있다.
도 9는 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 저장된 대전 전하를 이용한 에너지 발전 소자로서, 도 3과 반대로 2개의 발전소자부(200, 200')가 위 아래로 2개 배치된다. 발전소자부(200, 200')는 도체인 전극으로 이루어지며, 각각의 전극에는 에너지 수집부가 연결될 수 있다. 발전소자부 사이에 커패시터부(100)가 배치되며 이러한 커패시터부가 상하로 이동함에 따라 각각의 발전 소자부와의 간격의 변화에 따른 정전 에너지를 발생시키는 구조를 갖고 있다.
도 10은 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 저장된 대전 전하를 이용한 에너지 발전 소자로서, 도 9의 실시예와 동일하나 발전소자부(200, 200')가 마찰대전체; 및 전극으로 이루어지고, 각각의 마찰대전체는 커패시터부(100)를 향해 배치된다. 이에 의해 커패시터부(100)가 위아래로 움직임에 따라 발전소자부의 마찰대전체와 각각 접촉 및 비접촉을 이루게 되고 이에 따라 마찰전기 에너지가 발생되는 구조를 갖고 있다.
이하에서는 구체적인 실험예와 함께 본 발명의 내용을 추가적으로 설명하도록 하겠다.
도 11은 본 발명의 저장된 대전 전하를 이용한 에너지 발전 소자의 실제 실험예 구조를 도시한다.
먼저 캐패시터부 제작하였으며, 커패시터부(100)는 다음과 같이 제작되었다. ITO/Glass 위에 P(VDF-TrFE) 20%를 1000rpm 30초 동안 spin coating을 한 후, 70℃에서 20분 동안 건조를 시킨다. 이후 140℃ 오븐 속에 2시간 동안 열처리를 하여 P(VDF-TrFE)를 베타페이즈로 형성시킨다. 마지막으로 P(VDF-TrFE)위에 Ag전극을 증착한다.
다음으로 발전소자부(200)를 제작하였으며, 발전소자부의 제작은 다음과 같이 진행되었다. 아크릴 위에 Al 테이프를 붙이고, 그 위에 PTFE를 붙여 마찰층 및 전극간의 쇼트를 방지하는 층으로 이용하였다.
발생되는 에너지의 측정은 다음과 같이 측정하였다. 먼저 고전압을 인가 할 수 있는 파워 서플라이에 캐패시터부 상하부 전극을 연결한다. 상부 Ag에 (+)전압을, 하부 ITO에 (-)전압을 인가하도록 연결한다. 다음으로, Single electrode 발전을 하기 위해 연결된 발전소자부를 파워서플라이가 연결되어있는 캐패시터부에 위에 위치한다.
도 12 및 13은 도 11에서 도시된 실험예의 에너지 발생 그래프를 도시한다.
도 12는 수직운동을 시킴에 있어 PTFE가 Ag전극에 닿게 하면서, 캐패시터부 전압을 0V에서 500V까지 증가시켜 가면서 발전양을 측정한 결과를 도시한다. 도 12는 마찰 대전을 이용한 발전 소자의 모습에 해당할 수 있으며, 하부 캐패시터 충전 전압에 따른 마찰전기 발전. 충전 전압이 증가함에 따라 금속에 존재하는 대전전하양이 비례하여 증가하기 때문에 충전 전압에 따라 발전 전압이 비례하여 증가한다. 하부 캐패시터를 방전시킬 경우 초기 0V와 동일한 출력을 보여줌으로서 이를 증명한다.
도 13은 수직운동을 시킴에 있어 PTFE가 Ag전극에 닿지 않게 하면서, 캐패시터부 전압을 0V에서 500V까지 증가시켜 가면서 발전양을 측정한 결과를 도시한다. 도 13은 일렉트렛을 이용한 발전 소자의 모습에 해당할 수 있으며, 충전 전압이 증가함에 따라 금속에 존재하는 대전전하양이 비례하여 증가하기 때문에 충전 전압에 따라 발전 전압이 비례하여 증가한다. 하부 캐패시터를 방전시킬 경우 초기 0V와 동일한 출력을 보여줌으로서 이를 증명한다.
본 발명의 발명자는 표면 대전전하 수백 uC/m2을 갖는 발전 소자를 이용하여, 이를 수천 uC/m2를 갖는 발전 소자로 개량 시 약 2배 이상의 발전 효율이 증가함을 확인하였다. 또한, PVDF (최고 표면대전 전하: 8.125mC/m2)를 이용하여 실험을 검증 하였으나, 높은 유전 상수 및 절연파괴 전압을 갖는 세라믹 물질 (ex, BTO 1um 캐패시터)를 이용할 경우 BTO의 dielectric constant=7000, BTO의 breakdown voltage=1.2kV/um이며 1.2kV 충전한 1 um의 BTO의 경우 C= 100 uF, Q=12 C, =7.5 kC/m2 의 높은 표면 대전전하를 예측할 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.

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  11. 하부 전극; 부도체; 및 상부 전극이 적층된 구조의 커패시터부; 및
    상기 커패시터부의 상부 전극 위에 배치되며, 마찰대전체층; 및 상기 마찰대전체층 상의 전극을 포함하는 발전소자부를 포함하고,
    상기 커패시터부에 지속적으로 전압이 인가되어 전하가 주입되며,
    상기 발전소자부가 이동하여 상기 커패시터부와 접촉 및 비접촉을 이룸에 따라 마찰전기 에너지가 발생되는,
    저장된 대전 전하를 이용한 에너지 발전 소자.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 부도체는 절연체 또는 유전체를 포함하는,
    저장된 대전 전하를 이용한 에너지 발전 소자.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 커패시터부는 상기 발전소자부와 대향하는 면 이외의 나머지 면들이 절연층으로 둘러싸여 있는,
    저장된 대전 전하를 이용한 에너지 발전 소자.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 발전소자부의 전극에는 에너지 수집 장치가 연결되어 있는,
    저장된 대전 전하를 이용한 에너지 발전 소자.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 마찰대전체층은 부도체인,
    저장된 대전 전하를 이용한 에너지 발전 소자.
  16. 제 11 항에 있어서,
    상기 커패시터부 방전을 차단하기 위해 상기 하부 전극 및 상기 상부 전극에 연결된 다이오드를 추가로 포함하는,
    저장된 대전 전하를 이용한 에너지 발전 소자.
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  22. 하부 전극; 부도체; 및 상부 전극이 적층된 구조를 갖는 복수의 커패시터부들; 및
    상기 커패시터부의 상부 전극 위에 배치되며, 마찰대전체층; 및 상기 마찰대전체층 상의 전극을 포함하는 발전소자부를 포함하고,
    상기 복수의 커패시터부들을 서로 옆으로 나란히 배치되며,
    상기 커패시터부들에 지속적으로 전압이 인가되어 전하가 주입되며,
    상기 발전소자부가 상기 커패시터부들 상에서 이동함에 따라 복수의 커패시터부들과 접촉 및 비접촉을 이룸에 따라 마찰전기 에너지가 발생되는,
    저장된 대전 전하를 이용한 에너지 발전 소자.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 부도체는 절연체 또는 유전체를 포함하는,
    저장된 대전 전하를 이용한 에너지 발전 소자.
  24. 제 22 항에 있어서,
    상기 커패시터부는 상기 발전소자부와 대향하는 면 이외의 나머지 면들이 절연층으로 둘러싸여 있는,
    저장된 대전 전하를 이용한 에너지 발전 소자.
  25. 제 22 항에 있어서,
    상기 발전소자부의 전극에는 에너지 수집 장치가 연결되어 있는,
    저장된 대전 전하를 이용한 에너지 발전 소자.
  26. 제 22 항에 있어서,
    상기 마찰대전체층은 부도체인,
    저장된 대전 전하를 이용한 에너지 발전 소자.
  27. 제 22 항에 있어서,
    상기 커패시터부들의 방전을 차단하기 위해 상기 하부 전극 및 상기 상부 전극에 각각 연결된 다이오드들을 추가로 포함하는,
    저장된 대전 전하를 이용한 에너지 발전 소자.
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  29. 하부 전극; 부도체; 및 상부 전극이 적층된 구조의 커패시터부; 및
    상기 커패시터부의 상부 및 하부에 각각 배치되며, 마찰대전층; 및 전극을 포함하는 2개의 발전소자부를 포함하고,
    상기 2개의 발전소자부의 각각의 마찰대전층은 상기 커패시터부를 향하고 있으며,
    상기 커패시터부에 지속적으로 전압이 인가되어 전하가 주입되며,
    상기 커패시터부가 상기 2개의 발전소자부와 접촉 및 비접촉을 이룸에 따라 마찰전기 에너지가 발생되는,
    저장된 대전 전하를 이용한 에너지 발전 소자.
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