KR101899385B1 - 마찰 발전 장치 및 이의 제조 방법 - Google Patents

마찰 발전 장치 및 이의 제조 방법 Download PDF

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KR101899385B1
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최덕현
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김욱
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경희대학교 산학협력단
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N1/00—Electrostatic generators or motors using a solid moving electrostatic charge carrier
    • H02N1/04—Friction generators

Abstract

복수의 마찰 발전기를 포함하는 마찰 발전 장치로서, 상기 마찰 발전기들은
하부 대전층을 포함하는 하부 기판, 상부 대전층을 포함하는 상부 기판, 그리고 상기 하부 기판과 상기 상부 기판 사이에 배치되고, 상기 상부 대전층과 상기 하부 대전층이 접촉하거나 분리되도록 하는 탄성을 갖는 스페이서를 각각 포함하고, 상기 복수의 마찰 발전기들은 서로 다른 주파수 영역의 진동 에너지를 이용하여 전기 에너지를 발생한다.

Description

마찰 발전 장치 및 이의 제조 방법{TRIBOELECTRIC ENERGY HARVESTER AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 마찰 발전 장치 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
에너지 하베스팅 기술은 크게 태양광, 온도 변화 등을 에너지원으로 이용해서 전기를 생산하는 기술이다. 이들 기술은 공통적으로 에너지원이 불규칙하며 주변 환경에 의해 에너지 효율이 크게 달라진다는 문제점이 있다.
예를 들어, 빛을 이용하여 에너지를 하베스팅 하는 경우 에너지 하베스팅 장치가 반드시 빛에 노출되어야 하기 때문에 에너지 하베스팅 장치가 건물 내부에 있을 경우에는 효율이 낮아지는 문제점을 가지고 있다. 열전(Thermoelectric) 재료를 이용해 에너지를 하베스팅 하는 경우 에너지 하베스팅 장치의 안과 밖의 온도 차이가 커야만 효과를 볼 수 있기 때문에 실제로 그 온도차가 크지 않은 경우는 효율적으로 활용되기 어렵다.
이에 반해 정전기는 압전과 같이 인간의 움직임, 자동차의 엔진 등 주변의 모든 기계적인 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있다는 장점을 가지고 있다.
특히, 최근 연구 결과에 의하면 압전과 더불어 두 물질의 접촉에 의해 발생 되는 마찰 전기를 이용하는 정전기 발전 소자는 고효율의 출력을 가지며 외부 환경에 의한 영향이 적어 다양한 연구가 지속 되고 있다.
일반적으로 정전 발전 장치는 특정 영역의 진동 에너지를 이용하여 전기 에너지를 생산하게 된다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 다양한 주파수 대역의 진동에 대해 높은 에너지 변환 효율을 얻을 수 있는 정전 발전 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 복수의 마찰 발전기를 포함하는 마찰 발전 장치로서, 상기 마찰 발전기들은 하부 대전층을 포함하는 하부 기판, 상부 대전층을 포함하는 상부 기판, 그리고 상기 하부 기판과 상기 상부 기판 사이에 배치되고, 상기 상부 대전층과 상기 하부 대전층이 접촉하거나 분리되도록 하는 탄성을 갖는 스페이서를 각각 포함하고, 상기 복수의 마찰 발전기들은 서로 다른 주파수 영역의 진동 에너지를 이용하여 전기 에너지를 발생한다.
상기 복수의 마찰 발전기는 상기 상부 기판이 자유단이고, 상기 하부 기판이 고정단일 수 있다.
상기 복수의 마찰 발전기는 상기 상부 기판의 질량, 그리고 상기 스페이서의 탄성 계수 중 적어도 하나 이상이 서로 다른 값을 가질 수 있다.
상기 복수의 마찰 발전기는 상기 하부 기판이 자유단이고, 상기 상부 기판이 고정단일 수 있다.
상기 복수의 마찰 발전기는 상기 하부 기판의 질량, 그리고 상기 스페이서의 탄성 계수 중 적어도 하나 이상이 서로 다른 값을 가질 수 있다.
상기 복수의 마찰 발전기는 수평 방향으로 나란히 배치되고, 상기 하부 기판을 서로 공유할 수 있다.
상기 복수의 마찰 발전기는 수직 방향으로 적층될 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 복수의 마찰 발전기를 포함하는 마찰 발전 장치를 제조하는 방법으로서, 서로 다른 주파수 영역의 진동 에너지를 이용하여 전기 에너지를 발생하는 복수의 마찰 발전기를 각각 형성하는 단계, 그리고 상기 복수의 마찰 발전기를 배열하는 단계를 포함하고, 상기 복수의 마찰 발전기를 각각 형성하는 단계는 하부 대전층을 포함하는 하부 기판 위에 스페이서를 배치하는 단계, 그리고 상기 스페이서 위에 상부 대전층을 포함하는 상부 기판을 배치하는 단계를 포함한다.
상기 복수의 마찰 발전기는 상기 상부 기판이 자유단이고, 상기 하부 기판이 고정단일 수 있다.
상기 복수의 마찰 발전기는 상기 상부 기판의 질량, 그리고 상기 스페이서의 탄성 계수 중 적어도 하나 이상이 서로 다른 값을 가질 수 있다.
상기 복수의 마찰 발전기는 상기 하부 기판이 자유단이고, 상기 상부 기판이 고정단일 수 있다.
상기 복수의 마찰 발전기는 상기 하부 기판의 질량, 그리고 상기 스페이서의 탄성 계수 중 적어도 하나 이상이 서로 다른 값을 가질 수 있다.
상기 복수의 마찰 발전기를 배열하는 단계는 상기 복수의 마찰 발전기를 수평 방향으로 나란히 배치되도록 배열할 수 있다.
상기 복수의 마찰 발전기를 배열하는 단계는 상기 복수의 마찰 발전기를 수직 방향으로 적층할 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 정전 발전 장치는 다양한 영역의 진동 에너지를 활용하여 전기 에너지를 생산할 수 있어 높은 에너지 변환 효율을 가질 수 있다.
도 1은 일반적인 마찰 발전 장치를 나타내는 도면이다.
도 2는 일반적인 마찰 발전 장치의 가용 진동 범위를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 마찰 발전 장치를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 마찰 발전 장치의 가용 진동 범위를 나타내는 도면이다.
도 5는 마찰 발전기의 구조를 나타내는 도면이다.
도 6은 수학식 9에 따라 획득된 공진 설계 그래프이다.
도 7은 자유단의 변위와 대전층 사이의 간격을 고려한 공진 설계 그래프이다.
도 8a 내지 도 8c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 발전 장치의 구조를 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 한 실시예에 따른 마찰 발전 장치의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 한 실시예에 따른 마찰 발전 장치를 제조하는 방법의 흐름도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 하나의 실시예에 따른 마찰 발전 장치 및 이를 제조하는 방법에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1은 일반적인 마찰 발전 장치를 나타내는 도면이고, 도 2는 일반적인 마찰 발전 장치의 가용 진동 범위를 나타내는 도면이다.
일반적으로, 마찰 발전 장치는 상부 기판(11), 하부 기판(12), 그리고 스페이서(13)를 포함하는 단일 마찰 발전기(100')로 구성된다. 상부 기판(11) 또는 하부 기판(12) 중 적어도 하나의 표면에는 대전층(14, 15)이 형성되어 있다.
스페이서(13)는 상부 기판(11)과 하부 기판(12) 사이에 배치되며, 상부 기판(11)과 하부 기판(12)이 접촉하거나 분리되도록 하는 탄성을 갖는 스프링으로 구성될 수 있다.
바람 또는 기타 외부의 압력에 의해 스페이서(13)가 압축되었다가 탄성에 의해 복원되면서 자유단인 상부 기판(11)이 고정단인 하부 기판(12)과 접촉하였다가 떨어지면서 상부 기판(11)과 하부 기판(12) 사이에 접촉 대전이 발생하여, 마찰 발전기에는 유도 전류가 발생한다.
본 발명의 한 실시예에서는 상부 기판(11)이 자유단이고, 하부 기판(12)이 고정단인 것을 그 예로 설명하고 있으나, 본 발명은 반드시 이에 한하는 것은 아니며, 하부 기판(12)이 바람 또는 외부 압력에 의해 위치가 변하는 자유단일 수도 있다.
도 2를 참고하면, 일반적인 마찰 발전 장치는 상부 기판(11)의 질량(m), 그리고 스페이서(13)의 탄성 계수(k)에 따라 결정되는 한정된 범위의 진동 에너지만을 이용하여 전기 에너지를 발생시킨다.
마찰 발전기(100)를 복수 개 적층된 마찰 발전 장치의 경우는 단일 마찰 발전기(100)를 사용하는 마찰 발전 장치에 비해 총 전기 에너지는 증가하지만 상부 기판(11)의 질량(m), 그리고 스페이서(13)의 탄성 계수(k)는 동일한 값을 가지기 때문에 여전히 동일한 진동 범위에서만 사용 가능하다는 문제점이 있다.
이에, 다양한 주파수 대역의 진동에 대해 높은 에너지 변환 효율을 얻을 수 있는 본 발명의 한 실시예에 따른 마찰 발전 장치에 대하여 이하에서 설명한다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 마찰 발전 장치를 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 마찰 발전 장치의 가용 진동 범위를 나타내는 도면이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 마찰 발전 장치(10)는 복수의 마찰 발전기(100a 내지 100d)를 포함할 수 있다. 본 실시예에서는 마찰 발전 장치(10)가 네 개의 마찰 발전기(100a 내지 100d)로 구성된 것을 그 예로 들어 설명하나 본 발명에 따른 마찰 발전 장치는 반드시 이에 한하는 것은 아니다.
각 마찰 발전기(100a 내지 100d)는 상부 기판(110a 내지 110d), 하부 기판(120a 내지 120d), 그리고 스페이서(130a 내지 130d)를 포함한다.
이때, 본 발명의 한 실시예에 따른 상부 기판(110a 내지 110d) 또는 하부 기판(120a 내지 120d) 중 적어도 어느 하나의 표면에는 대전층(140a 내지 140d, 150a 내지 150d)을 포함할 수 있다.
본 실시예에서는 상부 기판(110a 내지 110d)이 상부 대전층(140a 내지 140d)을, 하부 기판(120a 내지 120d)이 하부 대전층(150a 내지 150d)을 포함하는 것을 그 예로 설명한다.
대전층(140a 내지 140d, 150a 내지 150d)은 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 구리(Cu), 금(Au), 은(Ag) 또는 철(Fe) 중 적어도 하나로 형성된 금속, 고 전도율을 갖는 옥사이드 물질, 고 전도율을 갖는 폴리머, 고 전도율을 갖는 유기 물질, 고 전도율을 갖는 유전체 물질 또는 전도성을 갖는 물질이 도핑된 반도체 물질 중 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다.
대전층(140a 내지 140d, 150a 내지 150d)은 서로 다른 전도성을 갖는 물질로 구성된 다층 구조로 구성될 수 있으며, 대전층(140a 내지 140d, 150a 내지 150d)은 나노 또는 마이크로 크기의 직물 구조, 매쉬 구조, 기둥, 피라미드, 그리고 실린더의 구조체 중 적어도 하나의 형태를 가질 수 있다.
스페이서(130a 내지 130d)는 상부 기판(110a 내지 110d)과 하부 기판(120a 내지 120d) 사이에 배치되며, 상부 기판(110a 내지 110d)과 하부 기판(120a 내지 120d)이 접촉하거나 분리되도록 하는 탄성을 갖는 스프링으로 구성될 수 있다.
마찰 발전 장치(10)는 바람 또는 기타 외부의 압력에 의해 스페이서(130a 내지 130d)가 압축되었다가 탄성에 의해 복원되면서 자유단인 상부 기판(110a 내지 110d)이 고정단인 하부 기판(120a 내지 120d)과 접촉하였다가 떨어지면서 상부 기판(110a 내지 110d)과 하부 기판(120a 내지 120d) 사이에 접촉 대전이 발생하여, 마찰 발전기(100a 내지 100d)에는 유도 전류가 발생한다.
본 실시예에서는 마찰 발전 장치(10)는 서로 다른 주파수 대역의 진동 에너지에 반응하여 전기 에너지로 변환하는 복수의 마찰 발전기(100a 내지 100d)를 포함할 수 있다.
즉, 본 실시예에 따른 각 마찰 발전기(100a 내지 100d)의 상부 기판(110a 내지 110d)의 질량(m1, m2, m3, m4), 스페이서(130a 내지 130d)의 탄성 계수(k1, k2, k3, k4) 중 적어도 하나 이상이 서로 다른 값을 갖도록 설계될 수 있다.
이때, 본 발명의 한 실시예에 따른 마찰 발전 장치(10)는 범용적인 진동 에너지를 이용하기 위한 상부 기판(110a 내지 110d)의 질량(m1, m2, m3, m4), 스페이서(130a 내지 130d)의 탄성 계수(k1, k2, k3, k4), 하부 대전층(150a 내지 150d)과 상부 대전 층(140a 내지 140d)의 거리를 포함하는 구체적인 설계 사항에 대해서는 도 5를 참고로 하여 설명한다.
도 4를 참고하면 본 발명의 한 실시예에 따른 마찰 발전 장치(10)는 서로 다른 영역의 진동 에너지를 이용하여 전기 에너지를 발생시키는 마찰 발전기(100a 내지 100d)가 적층하여 구성됨으로써, 넓은 범위의 진동 에너지를 활용하여 전기 에너지를 발생시킬 수 있다.
이하에서는 도 5 내지 도 7을 참고로 하여 본 발명의 한 실시예에 따른 마찰 발전 장치(10)의 각 마찰 발전기의 설계 수식을 상세히 설명하도록 한다.
도 5는 마찰 발전기의 구조를 나타내는 도면이다.
도 5를 참고로 하면, 먼저 마찰 발전기(100)는 힘의 평형 방정식에 따라 수학식 1과 같이 자유단인 상부 기판(110) 전체의 질량(m)과 중력(g)을 곱한 값이 스페이서(130)의 탄성 계수(k)와 상부 기판(110)의 변위(x)를 곱한 값과 같다.
Figure 112016096995201-pat00001
스페이서(130)의 길이(l)는 수학식 2와 같이 상부 대전층(140)과 하부 대전층(150)의 간격(d0) 상부 대전층 두께(td), 하부 대전층 두께(ts), 상부 기판(110)의 변위(s)에 의해 결정된다.
Figure 112016096995201-pat00002
수학식 1을 x에 대하여 정리하고, 수학식 2에 대입하면 수학식 3과 같은 관계식을 얻을 수 있다.
Figure 112016096995201-pat00003
한편, 상부 기판(110)의 기구학적 고유 진동수(fn), 스페이서(130) 탄성 계수(k) 및 상부 기판(110)의 질량(m)의 관계식으로부터 수학식 4와 같은 결과를 얻을 수 있다.
Figure 112016096995201-pat00004
수학식 4를 m/k에 대하여 정리하고 수학식 3에 대입하면 수학식 5와 같이 마찰 발전 장치의 설계에 반영할 스페이서(130)의 길이(l)를 계산할 수 있다.
Figure 112016096995201-pat00005
여기에 마찰 발전 장치 자유단인 상부 기판(110)의 고유 진동수(fn)와 외부 진동수(fin)가 일치하는 수학식 6의 공진 조건을 적용하여, 수학식 4 및 수학식 5로부터 수학식 7과 수학식 8로 정리할 수 있다.
Figure 112016096995201-pat00006
Figure 112016096995201-pat00007
Figure 112016096995201-pat00008
수학식 7을 스페이서(130)의 탄성 계수 k에 대하여 정리하면 수학식 9를 얻을 수 있다.
Figure 112016096995201-pat00009
본 발명의 한 실시예에 따른 마찰 발전 장치(10)는 수학식 9의 공진 설계 수식을 이용하여 각 마찰 발전기(100a 내지 100d)의 상부 기판 질량(m1, m2, m3, m4) 및 스페이서(130a 내지 130d)의 탄성 계수(k1, k2, k3, k4)를 제어할 수 있다. 그리고 상부 대전층(140a 내지 140d)과 하부 대전층(150a 내지 150d) 사이의 간격(d0)을 설정하고 공진 설계를 하는 경우 수학식 8을 이용하여 적합한 스페이서(130)의 길이(l)를 선택할 수 있다.
도 6은 수학식 9에 따라 획득된 공진 설계도이다. 도 6의 공진 설계도에 따라 다양한 주파수 대역의 진동에 대해 전기 에너지를 획득할 수 있는 자유단의 질량 및 스페이서(130a 내지 130d)의 탄성 계수(k1, k2, k3, k4)를 설정할 수 있다.
이때, 자유단인 상부 기판(110a 내지 110d)의 질량(m)은 동일한 값으로 설계하고, 각 마찰 발전기(100a 내지 100d)의 스페이서 탄성 계수(k1, k2, k3, k4)를 다르게 변형하여 다양한 주파수 대역의 진동에 대해 전기 에너지를 획득할 수 있도록 설계할 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 마찰 발전 장치(10)는 스페이서 탄성 계수(k1, k2, k3, k4)는 동일한 값으로 설계하고, 각 마찰 발전기(100a 내지 100d)의 상부 기판(110a 내지 110d)의 질량(m1, m2, m3, m4)을 다르게 변형하여 설계하거나, 스페이서 탄성 계수(k1, k2, k3, k4)와 상부 기판(110a 내지 110d)의 질량(m1, m2, m3, m4) 모두 다양하게 변형하여 설계함으로써, 다양한 주파수 대역의 진동에 대해 전기 에너지를 획득할 수 있도록 설계할 수도 있다.
한편, 도 7은 상부 기판(110a 내지 110d)의 변위, 그리고 대전층 사이의 간격(d0)을 고려한 공진 설계 그래프이다.
마찰 발전 장치(10)는 대전층 사이의 간격(d0)에 따라 발생하는 전기 에너지의 크기가 달라질 수 있기 때문에 최대 전기 에너지 효율을 얻을 수 있도록 설정된 대전층 사이의 간격에 따른 스페이서(130a 내지 130d)의 길이를 설계할 수 있다.
도 8a 내지 도 8c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 발전 장치의 구조를 나타낸 도면이다.
도 8a는 수평 나열형 구조로서, 마찰 발전 장치(10)는 복수의 마찰 발전기(100a 내지 100d)가 수평 방향으로 배치된 구조를 갖는다.
이때, 복수의 마찰 발전기(100a 내지 100d)는 하부 기판(120)을 공유할 수 있으며, 자유단인 상부 기판(110a 내지 110d)의 질량 또는 스페이서(130a 내지 130d)의 탄성 계수를 제어함으로써 각 마찰 발전기가 다른 진동에서 구동하도록 유도할 수 있다.
도 8b는 피라미드 형 구조로서, 마찰 발전 장치는 복수의 마찰 발전기가 수직 방향으로 배치되어 공간 활용 정도가 개선된 구조를 갖는다.
이때, 적층된 마찰 발전기의 상부 기판이 상부로 갈수록 면적이 비례하여 증가하고, 이에 따라 질량 또한 비례하여 증가하는 구조를 갖는다.
스페이서(130)가 동일한 탄성 계수를 갖는 경우 상부 기판의 질량 증가로 인하여 최상부에 위치한 마찰 발전기는 상대적으로 낮은 주파수 대역의 진동 에너지에서, 하부에 위치한 마찰 발전기는 상대적으로 높은 주파수 대역의 진동 에너지에서 구동하게 된다.
도 8c는 또 다른 수직 적층형 구조로서, 복수의 마찰 발전기가 수직 방향으로 배치되어 공간 활용 정도가 개선된 구조를 갖는다.
자유단인 상부 기판의 질량 또는 스페이서의 탄성 계수를 제어함으로써 각 소자가 다른 진동에서 구동하도록 유도할 수 있다.
도 9는 본 발명의 한 실시예에 따른 마찰 발전 장치의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 마찰 발전 장치는 네 개의 마찰 발전기가 수직 방향으로 적층된 구조를 갖는다.
본 실시예에서 마찰 발전 장치는 각 마찰 발전기의 대전층 간 거리는 1mm, 이며, 자유단인 상부 기판의 질량은 6.4g로 고정한 값으로 설정하였다. 이때, 마찰 발전기가 각각 20Hz, 28Hz, 33Hz, 그리고 39Hz의 공진 주파수를 갖도록 탄성 계수(k)가 100, 196, 294, 그리고 392 N/m인 스페이서(130a 내지 130d)를 이용하였다.
도 9에 도시된 마찰 발전 장치에 인가하는 진동 에너지의 주파수의 가변에 따라 마찰 발전 장치에서 생성되는 전압 및 전류를 측정한 그래프를 참고하면, 특정 주파수 대역의 진동 에너지에서만 전기 에너지가 생성되는 것이 아니라, 다양한 영역의 주파수 대역의 진동 에너지에서 대해 전기 에너지가 발생하는 결과를 확인할 수 있다.
이에 따라, 본 실시예에 따른 마찰 발전 장치는 다양한 영역의 주파수를 갖는 외력에 대해 높은 전력 효율을 나타낼 수 있다.
도 10은 본 발명의 한 실시예에 따른 마찰 발전 장치를 제조하는 방법의 흐름도이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 마찰 발전 장치는 복수의 마찰 발전기(100a 내지 100d)를 각각 형성하고, 복수의 마찰 발전기(100a 내지 100d)를 배치함으로써, 마찰 발전 장치를 제조할 수 있다.
도 10을 참고하면, 이때 복수의 마찰 발전기를 형성하는 과정은 먼저, 외부에서 유입되는 입력 주파수 대역을 파악(S110)하고, 입력 주파수 대역을 이용하여 수학식 9를 통하여 마찰 발전 장치 구동 시 요구되는 스페이서(130a 내지 130d)의 탄성 계수, 그리고 기판의 질량(m) 중 어느 하나 이상의 변수를 설정한다(S120).
그 다음, 설계자의 편의에 따라 대전층(140a 내지 140d, 150a 내지 150d)의 종류, 대전층(140a 내지 140d, 150a 내지 150d) 간의 간격, 대전층(140a 내지 140d, 150a 내지 150d)의 두께를 설정(S130)하며, 수학식 5에 기반하여 최종 스페이서(130a 내지 130d)의 길이를 도출한다(S140).
이후, 결정된 요소를 결합하여, 각각의 마찰 발전기(100a 내지 100d)를 설계한다(S150).
예를 들어 적어도 하나의 표면에 대전층(140a 내지 140d, 150a 내지 150d)을 포함하는 상부 기판(110a 내지 110d), 그리고 하부 기판(120a 내지 120d)을 형성할 수 있다.
이때 상부 기판(110a 내지 110d), 그리고 하부 기판(120a 내지 120d)의 일면에 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 구리(Cu), 금(Au), 은(Ag) 또는 철(Fe) 중 적어도 하나로 형성된 금속, 고 전도율을 갖는 옥사이드 물질, 고 전도율을 갖는 폴리머, 고 전도율을 갖는 유기 물질, 고 전도율을 갖는 유전체 물질 또는 전도성을 갖는 물질이 도핑된 반도체 물질 중 적어도 하나의 물질을 갖는 대전층(140a 내지 140d, 150a 내지 150d)을 배치할 수 있다.
그리고 대전층(140a 내지 140d, 150a 내지 150d)은 서로 다른 전도성을 갖는 물질로 구성된 다층 구조를 갖도록 배치할 수 있고, 마이크로 패터닝(micro patterning), 식각, 그리고 임프린팅(imprinting) 방식 중 어느 하나 이상의 방식을 이용하여 대전층(140a 내지 140d, 150a 내지 150d) 표면이 나노 또는 마이크로 크기의 직물 구조, 매쉬 구조, 기둥, 피라미드, 그리고 실린더의 구조체 중 적어도 하나의 형태를 갖도록 형성할 수 있다.
또한 하부 기판(120a 내지 120d)의 대전층(150a 내지 150d)과 상부 기판(110a 내지 110d)의 대전층(140a 내지 140d)이 마주보며 이격하도록 스페이서(130a 내지 130d)를 배치할 수 있다.
스페이서(130a 내지 130d)는 상부 기판(110a 내지 110d)과 하부 기판(120a 내지 120d)이 접촉하거나 분리되도록 하는 탄성을 갖는 스프링으로 구성될 수 있으며, 상기 스페이서(130a 내지 130d)의 길이는 수학식 5에 의하여 결정될 수 있다.
이때, 각 마찰 발전기(100a 내지 100d)의 상부 기판(110a 내지 110d)의 질량(m1, m2, m3, m4), 스페이서(130a 내지 130d)의 탄성 계수(k1, k2, k3, k4) 중 적어도 하나 이상이 서로 다른 값을 가져 서로 다른 주파수 대역의 진동 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 마찰 발전 장치(10)는 자유단인 상부 기판(110a 내지 110d)의 질량(m)은 동일한 값으로 설계하고, 각 마찰 발전기(100a 내지 100d)의 스페이서 탄성 계수(k1, k2, k3, k4)를 다르게 변형하여 다양한 주파수 대역의 진동에 대해 전기 에너지를 획득할 수 있도록 설계할 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 마찰 발전 장치(10)는 스페이서 탄성 계수(k1, k2, k3, k4)는 동일한 값으로 설계하고, 각 마찰 발전기(100a 내지 100d)의 상부 기판(110a 내지 110d)의 질량(m1, m2, m3, m4)을 다르게 변형하여 설계하거나, 스페이서 탄성 계수(k1, k2, k3, k4)와 상부 기판(110a 내지 110d)의 질량(m1, m2, m3, m4) 모두 다양하게 변형하여 설계함으로써, 다양한 주파수 대역의 진동에 대해 전기 에너지를 획득할 수 있도록 설계할 수도 있다.
그 후, 복수의 마찰 발전기를 배치함으로써, 마찰 발전기(10)를 형성할 수 있다.
이때, 본 발명의 한 실시예에 따르면, 복수의 마찰 발전기(100a 내지 100d)를 수직 방향으로 적층 되도록 배치하여 공간 활용 정도를 개선할 수 있다. 한편, 다른 실시예에 따른 마찰 발전 장치(10)는 복수의 마찰 발전기(100a 내지 100d)를 수평 방향으로 배열할 수도 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (16)

  1. 복수의 마찰 발전기를 포함하는 마찰 발전 장치로서,
    상기 마찰 발전기들은
    하부 대전층을 포함하는 하부 기판,
    상부 대전층을 포함하는 상부 기판, 그리고
    상기 하부 기판과 상기 상부 기판 사이에 배치되고, 상기 상부 대전층과 상기 하부 대전층이 접촉하거나 분리되도록 하는 탄성을 갖는 스페이서를 각각 포함하고,
    상기 복수의 마찰 발전기들은 상기 하부 기판을 서로 공유하고, 상기 상부 기판의 면적이 좁은 순서대로 수직 방향으로 적층되고, 서로 다른 주파수 영역의 진동 에너지를 이용하여 전기 에너지를 발생하고, 상기 스페이서의 길이는 해당 마찰 발전기에 인가되는 진동 에너지의 주파수 영역에 따라 결정되는 마찰 발전 장치.
  2. 제1항에서,
    상기 복수의 마찰 발전기는
    상기 상부 기판이 자유단이고, 상기 하부 기판이 고정단인 마찰 발전 장치.
  3. 제2항에서,
    상기 복수의 마찰 발전기는
    상기 상부 기판의 질량, 그리고 상기 스페이서의 탄성 계수 중 적어도 하나 이상이 서로 다른 값을 갖는 마찰 발전 장치.
  4. 제1항에서,
    상기 복수의 마찰 발전기는
    상기 하부 기판이 자유단이고, 상기 상부 기판이 고정단인 마찰 발전 장치.
  5. 제4항에서,
    상기 복수의 마찰 발전기는
    상기 하부 기판의 질량, 그리고 상기 스페이서의 탄성 계수 중 적어도 하나 이상이 서로 다른 값을 갖는 마찰 발전 장치.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 복수의 마찰 발전기를 포함하는 마찰 발전 장치를 제조하는 방법으로서,
    서로 다른 주파수 영역의 진동 에너지를 이용하여 전기 에너지를 발생하는 복수의 마찰 발전기를 각각 형성하는 단계, 그리고
    상기 복수의 마찰 발전기를 배열하는 단계를 포함하고,
    상기 복수의 마찰 발전기를 각각 형성하는 단계는
    하부 대전층을 포함하는 하부 기판 위에 스페이서를 배치하는 단계, 그리고
    상기 스페이서 위에 상부 대전층을 포함하고, 서로 다른 면적을 가진 상부 기판을 각각 배치하는 단계를 포함하고,
    상기 스페이서의 길이는 해당 마찰 발전기에 인가되는 진동 에너지의 주파수 영역에 따라 결정되며,
    상기 복수의 마찰 발전기를 각각 배열하는 단계는
    상기 복수의 마찰 발전기가 상기 하부 기판을 공유하고, 상기 상부 기판의 면적이 좁은 순서대로 수직 방향으로 적층되도록 배열하는 마찰 발전 장치의 제조 방법.
  9. 제8항에서,
    상기 복수의 마찰 발전기는
    상기 상부 기판이 자유단이고, 상기 하부 기판이 고정단인 마찰 발전 장치의 제조 방법.
  10. 제9항에서,
    상기 복수의 마찰 발전기는
    상기 상부 기판의 질량, 그리고 상기 스페이서의 탄성 계수 중 적어도 하나 이상이 서로 다른 값을 갖는 마찰 발전 장치의 제조 방법.
  11. 제8항에서,
    상기 복수의 마찰 발전기는
    상기 하부 기판이 자유단이고, 상기 상부 기판이 고정단인 마찰 발전 장치의 제조 방법.
  12. 제8항에서,
    상기 복수의 마찰 발전기는
    상기 하부 기판의 질량, 그리고 상기 스페이서의 탄성 계수 중 적어도 하나 이상이 서로 다른 값을 갖는 마찰 발전 장치의 제조 방법.
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 제1항에서,
    상기 스페이서의 길이는 상기 주파수 영역에 반비례하여 결정되는 마찰 발전 장치.
  16. 제8항에서,
    상기 스페이서의 길이는 상기 주파수 영역에 반비례하여 결정되는 마찰 발전 장치의 제조 방법.
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