KR101885024B1 - 진자 운동 타입 마찰대전 에너지 하베스팅 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 진자 운동 타입 마찰대전 에너지 하베스팅 장치에 관한 것이다. 본 발명에 의한 진자 운동 타입 마찰대전 에너지 하베스팅 장치는, 외력이 가해진 경우 진자운동과 같이 중심축을 기준으로 하여 반대방향으로 반복적으로 기울어지는 동작을 할 수 있도록 반구 형상으로 이루어지는 프레임부와, 상기 프레임부의 일면에 대전이 가능한 재질로 형성되는 제1대전부를 포함하는 반구형 프레임; 상기 반구형 프레임의 상대적인 진자 운동의 상대물에 해당하는 것으로, 상기 제1대전부와 접촉 및 분리가 이루어지고 상기 제1대전부와 반대의 극성으로 대전이 이루어지는 제2대전부를 포함하는 접촉 플레이트; 및 상기 반구형 프레임의 내부에 배치되어 상기 반구형 프레임의 반복적인 진자 운동을 가능하게 하는 무게추;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

진자 운동 타입 마찰대전 에너지 하베스팅 장치{Pendulum movement type energy harvesting apparatus using triboelectrification}

본 발명은 진자 운동 타입 마찰대전 에너지 하베스팅 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 마찰대전을 위한 한 번의 입력이 인가된 경우에 관성에 의한 진자 운동으로 반복적인 에너지 출력을 얻을 수 있도록, 구조가 개선된 진자 운동 타입 마찰대전 에너지 하베스팅 장치에 관한 것이다.

우리가 사용하는 에너지는 다양한 매커니즘을 통해 적합한 형태로 변형되어 사용되어 진다. 그러나, 에너지 변형과정 중 에너지 손실은 필연적으로 발생하며, 이는 에너지 효율의 감소로 이어진다. 손실되는 에너지의 효율적인 활용을 통해 에너지의 효율성을 증대시키는 방법은 다각도로 연구되고 있다. 어디에서나 존재하고 지속 가능한 자원인 기계적 에너지를 수확하는 대표적인 발전 소자로는 압전 소자, 전자기 발전 소자, 마찰대전 발전 소자 등이 있는데 특히 마찰대전 발전 소자는 활용성, 경제성, 높은 효율성 등의 이유로 각광 받고 있다.

마찰전기를 이용한 에너지 하베스팅은 서로 다른 극성을 가진 두 개의 물질을 반복적으로 접촉시켜 일종의 정전기 유도에 의한 전위차를 이용하여 에너지를 수확하는 기술이다.

현재 기계적 에너지를 수확하기 위해 다양한 마찰대전 물질과 설계를 활용한 여러 가지 마찰대전 발전 소자가 제시되고 있지만, 지속적인 출력을 위해 input 역시 지속적으로 필요하다는 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 지속적이지 않은 한 번의 입력으로 관성에 의한 반복적인 진자 운동을 가능하게 함으로써 반복적인 마찰대전을 통해 에너지 수확을 가능하게 하는 진자 운동 타입 마찰대전 에너지 하베스팅 장치를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 반복적인 마찰대전을 통한 자가발전에 의해 물체에 가해진 가속도를 측정할 수 있게 하는 자기발전 가속도 센서를 제공하고자 하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 진자 운동 타입 마찰대전 에너지 하베스팅 장치는, 외력이 가해진 경우 진자운동과 같이 중심축을 기준으로 하여 반대방향으로 반복적으로 기울어지는 동작을 할 수 있도록 반구 형상으로 이루어지는 프레임부와, 상기 프레임부의 일면에 대전이 가능한 재질로 형성되는 제1대전부를 포함하는 반구형 프레임; 상기 반구형 프레임의 상대적인 진자 운동의 상대물에 해당하는 것으로, 상기 제1대전부와 접촉 및 분리가 이루어지고 상기 제1대전부와 반대의 극성으로 대전이 이루어지는 제2대전부를 포함하는 접촉 플레이트; 및 상기 반구형 프레임의 내부에 배치되어 상기 반구형 프레임의 반복적인 진자 운동을 가능하게 하는 무게추;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 반구형 프레임의 진자 운동시에 그 반구형 프레임에 탄성력을 가할 수 있도록, 상기 반구형 프레임과 접촉 플레이트 사이에 배치되는 탄성체;를 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.

본 발명은, 상기 반구형 프레임에 결합되고, 상기 중심축을 기준으로 하여 양측에 마찰대전이 가능한 재질로 형성되는 한 쌍의 서브 대전부들을 포함하는 서브 프레임; 및 상기 서브 프레임의 중심에 힌지 결합되고, 상기 각 서브 대전부와 마주하는 위치에 배치되고 상기 반구형 프레임의 진자 운동시에 상기 각 서브 대전부와 반복적으로 접촉 및 분리되는 한 쌍의 마찰 대전부들을 포함하는 시소 프레임;을 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 접촉 플레이트는, 상기 반구형 프레임과의 사이에 환 형상의 공간을 형성시킬 수 있도록, 상기 반구형 프레임과 대응되는 구면 형상으로 이루어지는 것도 가능하다.

상기 무게추는, 자성을 띠는 물질로 이루어지고, 본 발명은 상기 무게추에 인력을 발생시킬 수 있도록, 상기 반구형 플레이트와 접촉 플레이트 사이에 배치되는 마그네틱;을 포함하여 이루어질 수 있음은 물론이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 자가발전 가속도 센서는, 외력이 가해진 경우 진자운동과 같이 중심축을 기준으로 하여 반대방향으로 반복적으로 기울어지는 동작을 할 수 있도록 반구 형상으로 이루어지는 프레임부와, 상기 프레임부의 일면에 대전이 가능한 재질로 형성되는 제1대전부를 포함하는 반구형 프레임;상기 반구형 프레임의 진자 운동시에 상기 제1대전부와 접촉 및 분리가 이루어지고, 상기 제1대전부와 반대의 극성으로 대전이 이루어지는 제2대전부를 포함하는 접촉 플레이트; 상기 반구형 프레임의 내부에 배치되어 상기 반구형 프레임의 반복적인 진자 운동을 가능하게 하는 무게추; 및 상기 반구형 프레임과 접촉 플레이트 간의 반복적인 접촉 및 분리에 따라 수확된 에너지를 이용하여, 상기 반구형 프레임에 작용한 가속도를 측정하기 위한 측정 수단;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 진자 운동 타입 마찰대전 에너지 하베스팅 장치는, 반구형 프레임 측에 제1대전부와 전극이 구비되게 하고, 그 반구형 프레임의 내부에 무게추를 배치하며, 반구형 프레임의 상대적인 진자 운동의 상대물인 접촉 플레이트 측에 상기 제1대전부와는 극성이 다른 제2대전부가 구비되게 함으로써, 한 번의 외력을 반구형 프레임에 가하는 것에 의해서도 상기 반구형 프레임의 접촉 플레이트에 대한 반복적인 진자 운동을 가능하게 하여, 제1대전부와 제2대전부 간의 반복적인 마찰대전에 의하여 에너지 수확 효율을 향상시킬 수 있는 장점을 기대할 수 있게 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 진자 운동 타입 마찰대전 에너지 하베스팅 장치의 사시도.
도 2는 본 발명 일실시예의 에너지 수확 원리를 설명하기 위한 도면.
도 3은 본 발명의 다른 실시예의 측면도.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예의 개략적인 단면도.

이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 진자 운동 타입 마찰대전 에너지 하베스팅 장치를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 진자 운동 타입 마찰대전 에너지 하베스팅 장치의 사시도이고, 도 2는 본 발명 일실시예의 에너지 수확 원리를 설명하기 위한 도면이다.

도 1에 잘 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 진자 운동 타입 마찰대전 에너지 하베스팅 장치는, 오뚝이와 같이 한 번의 입력으로 반복적인 진자 운동을 하면서 반복적인 마찰대전에 의한 에너지 수확을 하는 것으로, 반구형 프레임(10)과 접촉 플레이트(20)와 무게추(30)를 포함하여 이루어진다.

상기 반구형 프레임(10)은, 외력이 가해진 경우 진자운동과 같이 중심축을 기준으로 하여 반대방향으로 반복적으로 기울어지는 동작을 할 수 있도록 반구 형상으로 이루어지는 프레임부(12)와, 상기 프레임부(12)의 일면에 대전이 가능한 재질로 형성되는 제1대전부(14)를 포함하여 이루어진다.

상기 프레임부(12)는, 전위차 발생에 따른 에너지 수확이 가능하도록, 전극을 포함하여 이루어지는 것이 바람직하고, 상기 제1대전부(14)는, (+)로 대전되기 쉬운 물질 또는 (-)로 대전되기 쉬운 물질 등으로 다양하게 구현이 가능하나, 본 실시예에서는 (-)전하로 대전되기 쉬운 물질이 상기 프레임부(12)에 도포, 코팅 또는 접착 등의 방식으로 결합되도록 구현되었다.

여기서, (+)로 대전되기 쉬운 물질에는 폴리머, 금속 등이 있고, (-)로 대전되기 쉬운 물질에는 폴리머, PDMS, Teflon 등이 있으며, 마찰대전이란 서로 다른 재료를 마찰할 때 접촉면에서의 상호 간섭에 의해 반대 부호의 전하가 기계적으로 나뉘는 것을 의미한다. 전기적 극성(대전성)이 서로 반대인 물질을 마찰시킬수록 마찰대전 효과가 더 잘 일어난다.

상기 접촉 플레이트(20)는, 상기 반구형 프레임(10)의 상대적인 진자 운동의 상대물에 해당하는 것으로, 상기 반구형 프레임(10)의 원활한 진자 운동을 위해 어느 한 위치에 고정설치되는 것이 바람직하나, 예컨대 물 위에 떠 있는 것과 같이 어느 한 위치에 고정되지 않을 수 있음은 물론이다.

이러한 접촉 플레이트(20)는, 상기 제1대전부(14)와 접촉 및 분리가 이루어지고 상기 제1대전부(14)와 반대의 극성으로 대전이 이루어지는 제2대전부(22)를 포함하여 이루어진다.

상기 무게추(30)는, 상기 반구형 프레임(10)의 반복적인 진자 운동이 가능하도록, 상기 반구형 프레임(10)의 내부에 배치되고 일정 중량을 가지는 중량체이다.

이러한 구성을 가지는 본 실시예에 의한 에너지 수확 원리를 도 2를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

즉, 도 2의 (a)와 같이, 상기 반구형 프레임(10)에 마련된 프레임부(12)의 전극은, 그 반구형 프레임(10)의 (-)로 대전되어 있는 제1대전부(14)와 전기적 평형을 이루고 있다. 이 때, 상기 반구형 프레임(10)에 외력이 작용하게 되면, 도 2의 (b)와 같이, 반구형 프레임(10)의 제1대전부(14)와 접촉 플레이트(20)의 제2대전부(22) 간의 전기적 평형이 이루어지면서 전자가 접촉 플레이트(20)에서 반구형 프레임(10) 측으로 흐르게 된다. 그런 다음, 도 2의 (c)와 같이, 반구형 프레임(10) 구조(오뚝이)의 특성인 원래 형상으로 돌아가려는 성질에 의하여 기울어졌던 구조가 다시 제자리로 서게 되고, 전자는 다시 반구형 프레임(10)의 전극에서 (+) 대전물질이 있는 접촉 플레이트(20) 측으로 흐르게 되며, 도 2의 (d)와 같이, 시간에 따라 각기 다른 위치에서 접촉과 분리가 발생하여 전기적 평형이 깨지게 되고, 반구형 프레임(10)과 접촉 플레이트(20) 간의 전위차가 반복적으로 발생하면서, 교류 형태의 전류가 생성된다.

이와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 진자 운동 타입 마찰대전 에너지 하베스팅 장치는, 반구형 프레임(10) 측에 제1대전부(14)와 전극이 구비되게 하고, 그 반구형 프레임(10)의 내부에 무게추(30)를 배치하며, 상기 반구형 프레임(10)의 상대적인 진자 운동의 상대물인 접촉 플레이트(20) 측에 상기 제1대전부(14)와는 극성이 다른 제2대전부(22)가 구비되게 함으로써, 한 번의 외력을 반구형 프레임(10)에 가하는 것에 의해서도 상기 반구형 프레임(10)의 접촉 플레이트(20)에 대한 반복적인 진자 운동을 가능하게 하여, 상기 제1대전부(14)와 제2대전부(22) 간의 반복적인 마찰대전을 통한 에너지 수확 효율을 향상시킬 수 있는 효과를 가진다.

본 실시예는, 상기 반구형 프레임(10)과 접촉 플레이트(20) 사이에 배치되는 탄성체(40)를 포함하여 이루어져서, 상기 반구형 프레임(10)의 진자 운동시에 그 반구형 프레임(10)에 탄성력을 가할 수 있게 된다. 이러한 구성을 가지는 본 실시예는, 진자 운동의 속도 향상 및 지속적인 진자 운동을 가능하게 하여 더욱 향상된 에너지 수확 효율을 기대할 수 있게 한다.

이하에서는 도 3을 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 대해 상세히 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예의 측면도이다. 이 도면에 도시된 실시예는, 상기 반구형 프레임(10)에 결합되는 서브 프레임(100)과, 상기 서브 프레임(100)에 연결되는 시소 프레임(200)을 포함하여 이루어진다.

상기 서브 프레임(100)은, 상기 반구형 프레임(10)에 결합되고, 상기 중심축을 기준으로 하여 양측에 마찰대전이 가능한 재질로 형성되는 한 쌍의 서브 대전부(110)들을 구비한다.

상기 시소 프레임(200)은, 상기 시소 프레임(200)의 중심에 회전 가능하게 연결되고, 상기 서브 대전부(110)와는 다른 극성으로 대전이 이루어지는 한 쌍의 마찰 대전부(210)들을 구비한다. 상기 각 마찰 대전부(210)는, 상기 각 서브 대전부(110)와 마주하는 위치에 배치되고, 상기 각 서브 대전부(110)와 반복적으로 접촉 및 분리됨으로써 마찰대전을 일으켜 에너지 수확을 가능하게 한다.

이러한 구성을 가지는 본 실시예는, 상기 반구형 프레임(10)에 외력이 가해진 경우 그 반구형 프레임(10)과 접촉 플레이트 간의 반복적인 접촉 및 분리에 따른 에너지 수확을 가능하게 함과 동시에, 상기 시소 프레임(200)이 반복적으로 상기 서브 프레임(100)에 대해 시소 운동을 함으로써 서브 프레임(100)과 시소 프레임(200) 간의 반복적인 접촉 및 분리에 따른 추가적인 에너지 수확을 가능하게 함으로써, 마찰대전에 의한 에너지 수확 효율을 더욱 향상시킬 수 있는 장점을 도출한다.

상기 시소 프레임(200)은, 도 3의 확대 부분에 잘 도시된 바와 같이, 상기 서브 대전부(110)와 반복적인 접촉이 이루어지는 마찰 대전부(210)와, 그 마찰 대전부(210)와 이격된 위치에 마련되고 상기 서브 프레임(100)의 중심에 회전 가능하게 연결되는 서브 연결부(220)와, 상기 마찰 대전부(210)와 서브 연결부(220) 사이에 배치되는 탄성체(230)를 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.

이러한 구성을 가지는 본 실시예는, 상기 서브 대전부(110)와 마찰 대전부(210) 간의 접촉 이후에 상기 탄성체(230)에 의한 탄성력이 상기 서브 연결부(220) 측에 가해지게 됨으로써, 상기 시소 프레임(200)의 시소 운동의 속도 향상 및 지속적이고 반복적인 시소 운동을 가능하게 하여 에너지 수확 효율을 더욱 극대화시킬 수 있는 장점을 도출한다.

도 4는 본 발명의 또 다른 실시예의 개략적인 단면도이다.

이 도면에 도시된 실시예에 채용된 접촉 플레이트(300)는, 반구형 프레임(400)과의 사이에 환 형상의 공간(A)을 형성시킬 수 있도록, 상기 반구형 프레임(400)과 대응되는 구면 형상을 가진다.

이러한 구성을 가지는 본 실시예는, 일상생활에서 쉽게 접할 수 있는 물을 이용하여 반구형 프레임(400)에 지속적인 입력을 가할 수 있도록 구성됨으로써, 물을 이용한 에너지 수확을 가능하게 함은 물론, 반대로 본 실시예를 통해 수확된 에너지 데이터를 통해 조류의 역학적 특성을 분석할 수 있게 하는 장점을 기대할 수 있게 한다.

한편, 상기 무게추는, 단순한 중량체일 수 있음은 물론이나, 자성을 띠는 물질로 이루어지는 것도 가능하다. 상기 무게추가 자성을 띠는 물질로 구성되는 경우라면, 상기 반구형 플레이트와 접촉 플레이트 사이에 마그네틱(미도시)이 배치되는 것이 바람직하다. 이러한 구성을 가지는 실시예에 의하면, 상기 마그네틱과 무게추 간의 인력에 의해 반구형 프레임의 반복적이고 더욱 지속적인 진자 운동이 기대된다 할 것이다.

위에서 설명한 실시예들은, 반구형 프레임과 접촉 플레이트를 이용한 에너지 수확을 특징으로 하여 설명하였으나, 위에서 설명한 실시예들을 이용하여 자가발전 가속도 센서 구현도 가능하다.

즉, 본 발명의 일실시예에 따른 자가발전 가속도 센서는, 예컨대 위에서 설명한 실시예들 중 제1실시예(도 1 및 도 2에 도시된 실시예)에 해당하는 구성에, 측정 수단을 더 포함하여 이루어져서, 수확된 에너지의 이용 및 분석을 통해 상기 반구형 프레임에 가해진 가속도를 측정할 수 있게 된다.

여기서, 상기 측정 수단은, 상기 반구형 프레임(10)과 접촉 플레이트(20) 간의 반복적인 접촉 및 분리에 따라 수확된 에너지를 전력으로 활용하고, 그 수확된 에너지 데이타를 분석하여 상기 반구형 프레임(10)에 작용한 가속도를 측정할 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:반구형 프레임 12:프레임부
14:제1대전부 20:접촉 플레이트
22:제2대전부 30:무게추
40:탄성체

Claims (6)

1. 외력이 가해진 경우 진자운동과 같이 중심축을 기준으로 하여 반대방향으로 반복적으로 기울어지는 동작을 할 수 있도록 반구 형상으로 이루어지는 프레임부와, 상기 프레임부의 일면에 대전이 가능한 재질로 형성되는 제1대전부를 포함하는 반구형 프레임;
   상기 반구형 프레임의 상대적인 진자 운동의 상대물에 해당하는 것으로, 상기 제1대전부와 접촉 및 분리가 이루어지고 상기 제1대전부와 반대의 극성으로 대전이 이루어지는 제2대전부를 포함하는 접촉 플레이트; 및
   상기 반구형 프레임의 내부에 배치되어 상기 반구형 프레임의 반복적인 진자 운동을 가능하게 하는 무게추;를 포함하여 이루어지고,
   상기 반구형 프레임의 진자 운동시에 그 반구형 프레임에 탄성력을 가할 수 있도록, 상기 반구형 프레임과 접촉 플레이트 사이에 배치되는 탄성체;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 진자 운동 타입 마찰대전 에너지 하베스팅 장치.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 반구형 프레임에 결합되고, 상기 중심축을 기준으로 하여 양측에 마찰대전이 가능한 재질로 형성되는 한 쌍의 서브 대전부들을 포함하는 서브 프레임; 및
   상기 서브 프레임의 중심에 힌지 결합되고, 상기 각 서브 대전부와 마주하는 위치에 배치되고 상기 반구형 프레임의 진자 운동시에 상기 각 서브 대전부와 반복적으로 접촉 및 분리되는 한 쌍의 마찰 대전부들을 포함하는 시소 프레임;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 진자 운동 타입 마찰대전 에너지 하베스팅 장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 접촉 플레이트는, 상기 반구형 프레임과의 사이에 환 형상의 공간을 형성시킬 수 있도록, 상기 반구형 프레임과 대응되는 구면 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 진자 운동 타입 마찰대전 에너지 하베스팅 장치.
5. 제1항에 있어서,
   상기 무게추는, 자성을 띠는 물질로 이루어지고,
   상기 무게추에 인력을 발생시킬 수 있도록, 상기 반구형 플레이트와 접촉 플레이트 사이에 배치되는 마그네틱;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 진자 운동 타입 마찰대전 에너지 하베스팅 장치.
6. 외력이 가해진 경우 진자운동과 같이 중심축을 기준으로 하여 반대방향으로 반복적으로 기울어지는 동작을 할 수 있도록 반구 형상으로 이루어지는 프레임부와, 상기 프레임부의 일면에 대전이 가능한 재질로 형성되는 제1대전부를 포함하는 반구형 프레임;
   상기 반구형 프레임의 진자 운동시에 상기 제1대전부와 접촉 및 분리가 이루어지고, 상기 제1대전부와 반대의 극성으로 대전이 이루어지는 제2대전부를 포함하는 접촉 플레이트;
   상기 반구형 프레임의 내부에 배치되어 상기 반구형 프레임의 반복적인 진자 운동을 가능하게 하는 무게추; 및
   상기 반구형 프레임과 접촉 플레이트 간의 반복적인 접촉 및 분리에 따라 수확된 에너지를 이용하여, 상기 반구형 프레임에 작용한 가속도를 측정하기 위한 측정 수단;을 포함하여 이루어지고,
   상기 반구형 프레임의 진자 운동시에 그 반구형 프레임에 탄성력을 가할 수 있도록, 상기 반구형 프레임과 접촉 플레이트 사이에 배치되는 탄성체;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 자가발전 가속도 센서.

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