KR101957990B1 - 접촉 대전 발전기 및 이를 포함하는 타이어 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 대전 발전기는 외력에 의해 형상이 변하는 복수의 기공을 포함하는 제1 대전 물질, 제1 대전 물질 내에 삽입된 절연층, 절연층에 의해 둘러싸인 제2 대전 물질 및 제1 대전 물질과 제2 대전 물질을 연결하는 배선부를 포함하고, 기공의 형상이 변하여 제1 대전 물질과 절연층이 접촉하는 면적이 달라지는 경우 배선부를 통해 제1 대전 물질과 제2 대전 물질 간에 전하가 이동한다.
Description
본 발명은 접촉 대전 발전기 및 이를 포함하는 타이어에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 타이어가 회전함에 따라 지면으로부터 작용하는 수직 항력에 의해 형태가 변형되는 특징을 이용하여 자체적으로 전기 에너지를 생산하는 접촉 대전 발전기 및 이를 포함하는 타이어에 관한 것이다.
최근 타이어의 성능과 안정성 향상을 위해 내부에 각종 센서를 탑재한 타이어의 개발이 진행 되고 있다. 이러한 타이어 내부의 센서들이 구동되기 위해서는 타이어 내부에 소형 배터리가 탑재되거나 외부 전원을 통해 전력이 공급되어야 한다. 이때 배터리는 정기적인 교체를 요하기 때문에 타이어를 정기적으로 바퀴에서 분리하여 건전지를 교체해야 하는 불편함이 존재한다. 또한 소형 배터리는 질량이 커짐에 따라 타이어의 질량 분포를 불균일하게 하므로 주행의 안정성을 저하시키는 문제도 존재한다.
한편, 자동차, 모터 사이클, 자전거 등의 타이어에는 차체의 무게에 의해 지면으로부터 수직 항력이 작용하며, 타이어가 회전함에 따라 지면과 맞닿은 부분에서 타이어의 압축과 복원이 반복하여 발생한다. 본 발명의 실시예는 이러한 현상을 이용하여 상술한 문제를 해결하고자 한다.
본 발명의 실시예에서 해결하고자 하는 과제는 타이어와 지면이 맞닿은 부분에 수직 항력이 작용하며, 타이어가 회전함에 따라 지면과 맞닿은 부분에서 타이어의 압축과 복원이 반복하여 발생하는 현상을 이용하여 자체적으로 전기 에너지를 생산하는 접촉 대전 발전기를 제공하고자 한다.
또한 다수의 기공을 포함하는 스펀지 형태의 물질을 접촉 대전 발전기의 구성으로 하여 타이어에서 발생하는 소음을 제거하는 기술을 제공하고자 한다.
다만, 본 발명의 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 이하에서 설명할 내용으로부터 통상의 기술자에게 자명한 범위 내에서 다양한 기술적 과제가 도출될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 대전 발전기는 외력에 의해 형상이 변하는 복수의 기공을 포함하는 제1 대전 물질, 상기 제1 대전 물질 내에 삽입된 절연층, 상기 절연층에 의해 둘러싸인 제2 대전 물질 및 상기 제1 대전 물질과 상기 제2 대전 물질을 연결하는 배선부를 포함하고, 상기 기공의 형상이 변하여 상기 제1 대전 물질과 상기 절연층이 접촉하는 면적이 달라지는 경우, 상기 배선부를 통해 상기 제1 대전 물질과 상기 제2 대전 물질 간에 전하가 이동할 수 있다.
이때 상기 제1 대전 물질은 폴리머(polymer)일 수 있고, 실리콘 고무 및 PDMS(Polydimethylsiloxane) 중 적어도 어느 하나로 이루어질 수 있다.
또한 상기 제1 대전 물질은 전도성을 띄는 카본 블랙, 카본나노튜브 및 탄화규소 중 적어도 어느 하나의 물질을 포함할 수 있다.
더불어 상기 제2 대전 물질은 전도성을 띄는 금속을 포함할 수 있고, 와이어, 메시(mesh) 및 판 중 적어도 어느 하나의 형태를 가질 수 있다.
아울러 상기 절연층은 폴리테트라 플루오로에틸렌(PTFE)을 포함할 수 있다.
한편 상기 배선부는 상기 제1 대전 물질과 상기 제2 대전 물질 간에 이동하는 전하를 일 방향으로 정류하는 정류기를 포함할 수 있다.
이때 상기 배선부는 상기 정류기가 정류한 상기 전하를 이용하는 부하 또는 배터리를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 대전 발전기를 포함하는 타이어는 타이어부, 상기 타이어부의 내측에 마련되고 외력에 의해 형상이 변하는 복수의 기공을 포함하는 제1 대전 물질, 상기 제1 대전 물질 내에 삽입된 절연층, 상기 절연층에 의해 둘러싸인 제2 대전 물질 및 상기 제1 대전 물질과 상기 제2 대전 물질을 연결하는 배선부를 포함하고, 상기 타이어부가 회전하면서 상기 타이어부에 수직 항력이 작용하는 지점이 변함에 따라 상기 기공의 형상이 변하여 상기 제1 대전 물질과 상기 절연층이 접촉하는 면적이 달라지는 경우, 상기 배선부를 통해 상기 제1 대전 물질과 상기 제2 대전 물질 간에 전하가 이동할 수 있다.
이때 상기 배선부는 상기 타이어부의 중심축에서 상기 타이어부의 어느 외면을 연결하는 반지름 상에 위치하는 상기 제2 대전 물질의 각각과 상기 제1 대전 물질 간에 이동하는 전하를 일 방향으로 정류하는 정류기를 포함할 수 있다.
또한 상기 배선부는 상기 정류기가 정류한 상기 전하를 이용하는 부하 또는 배터리를 더 포함할 수 있다. ,
이때 상기 제1 대전 물질은 폴리머(polymer)일 수 있고, 상기 제1 대전 물질은 실리콘 고무 및 PDMS(Polydimethylsiloxane) 중 적어도 어느 하나로 이루어질 수 있다.
또한 상기 제1 대전 물질은 전도성을 띄는 카본 블랙, 카본나노튜브 및 탄화규소 중 적어도 어느 하나의 물질을 포함할 수 있다.
더불어 상기 제2 대전 물질은 전도성을 띄는 금속을 포함할 수 있다. 이때 상기 제2 대전 물질은 와이어, 메시(mesh) 및 판 중 적어도 어느 하나의 형태를 가질 수 있다.
아울러 상기 절연층은 폴리테트라 플루오로에틸렌(PTFE)을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 대전 발전기는 외력에 의해 형상이 변하는 복수의 기공을 포함하는 절연 물질, 상기 절연 물질에 삽입되는 대전 물질 및 상기 대전 물질을 접지에 연결하는 배선부를 포함하고, 상기 기공의 형상이 변하여 상기 대전 물질과 상기 절연 물질이 접촉하는 면적이 달라지는 경우, 상기 배선부를 통해 상기 대전 물질과 상기 접지 간에 전하가 이동할 수 있다.
이때 상기 절연 물질은 폴리머(polymer)일 수 있고, 이때 상기 절연 물질은 실리콘 고무 및 PDMS(Polydimethylsiloxane) 중 적어도 하나로 이루어질 수 있다.
또한 상기 대전 물질은 전도성을 띄는 금속을 포함할 수 있고, 이때 상기 대전 물질은 와이어, 메시(mesh) 및 판 중 적어도 어느 하나의 형태를 가질 수 있다.
아울러 상기 배선부는 상기 대전 물질과 상기 접지 간에 이동하는 전하를 일 방향으로 정류하는 정류기를 포함할 수 있다.
또한 상기 배선부는 상기 정류기가 정류한 상기 전하를 이용하는 부하 또는 배터리를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 대전 발전기를 포함하는 타이어는 타이어부, 상기 타이어부의 내측에 마련되고 외력에 의해 형상이 변하는 복수의 기공을 포함하는 절연 물질, 상기 절연 물질에 삽입되는 대전 물질 및 상기 대전 물질을 접지에 연결하는 배선부를 포함하고, 상기 타이어부가 회전하면서 상기 타이어부에 수직 항력이 작용하는 지점이 변함에 따라 상기 기공의 형상이 변하여 상기 대전 물질과 상기 절연 물질이 접촉하는 면적이 달라지는 경우, 상기 배선부를 통해 상기 대전 물질과 상기 접지 간에 전하가 이동할 수 있다.
이때 상기 배선부는 상기 타이어부의 중심축에서 상기 타이어부의 어느 외면을 연결하는 반지름 상에 위치하는 상기 대전 물질의 각각과 상기 접지 간에 이동하는 전하를 일 방향으로 정류하는 정류기를 포함할 수 있다.
또한 상기 배선부는 상기 정류기가 정류한 상기 전하를 이용하는 부하 또는 배터리를 더 포함할 수 있다.
더불어 상기 절연 물질은 폴리머(polymer)일 수 있고, 상기 절연 물질은 실리콘 고무 및 PDMS(Polydimethylsiloxane) 중 적어도 하나로 이루어질 수 있다.
아울러 상기 대전 물질은 전도성을 띄는 금속일 수 있고, 상기 대전 물질은 와이어, 메시(mesh) 및 판 중 적어도 어느 하나의 형태를 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 타이어가 회전함에 따라 타이어에 압축과 복원이 지속적으로 발생하는 현상을 이용하여 자체적으로 전기 에너지를 생산할 수 있으므로, 타이어 내부의 센서들을 배터리 없이 구동하거나 타이어 내부에 탑재된 배터리를 외부 전원 없이 스스로 충전하도록 할 수 있다. 이에 따라, 타이어에 IoT 등의 기술을 손쉽게 접목할 수 있으며 친환경적 방법으로 에너지를 생산함으로써 환경오염을 억제할 수 있다.
또한 또한 다수의 기공을 포함하는 스펀지 형태의 물질을 접촉 대전 발전기의 구성으로 하므로 타이어에서 발생하는 소음을 효과적으로 차단할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 접촉 대전 발전기의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 접촉 대전 발전기가 작동하는 원리를 설명하기 위한 예시도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 접촉 대전 발전기를 포함하는 타이어의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 접촉 대전 발전기를 포함하는 타이어가 회전하는 모습을 나타내는 단면도이다.
도 5는 도 3에 도시된 본 발명의 제1 실시예에 따른 접촉 대전 발전기를 포함하는 타이어를 점선에 따라 자른 단면을 설명하기 위한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 접촉 대전 발전기를 포함하는 타이어의 배선부를 설명하기 위한 예시도이다.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 접촉 대전 발전기의 배선부가 정류기, 부하 및 배터리를 포함하는 구성을 설명하기 위한 예시도이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 접촉 대전 발전기의 구성도이다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 접촉 대전 발전기가 작동하는 원리를 설명하기 위한 예시도이다.
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 접촉 대전 발전기를 포함하는 타이어의 단면도이다.
도 11은 본 발명의 제2 실시예에 따른 접촉 대전 발전기를 포함하는 타이어가 회전하는 모습을 나타내는 단면도이다.
도 12는 도 10에 도시된 본 발명의 제2 실시예에 따른 접촉 대전 발전기를 포함하는 타이어의 점선에 따라 단면을 설명하기 위한 단면도이다.
도 13은 본 발명의 제2 실시예에 따른 접촉 대전 발전기를 포함하는 타이어의 배선부를 설명하기 위한 예시도이다.
도 14는 본 발명의 제2 실시예에 따른 접촉 대전 발전기의 배선부가 정류기, 부하 및 배터리를 포함하는 구성을 설명하기 위한 예시도이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 대전 발전기를 포함하는 타이어의 예시도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 접촉 대전 발전기가 작동하는 원리를 설명하기 위한 예시도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 접촉 대전 발전기를 포함하는 타이어의 단면도이다.
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도 5는 도 3에 도시된 본 발명의 제1 실시예에 따른 접촉 대전 발전기를 포함하는 타이어를 점선에 따라 자른 단면을 설명하기 위한 단면도이다.
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도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 접촉 대전 발전기의 배선부가 정류기, 부하 및 배터리를 포함하는 구성을 설명하기 위한 예시도이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 접촉 대전 발전기의 구성도이다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 접촉 대전 발전기가 작동하는 원리를 설명하기 위한 예시도이다.
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 접촉 대전 발전기를 포함하는 타이어의 단면도이다.
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도 12는 도 10에 도시된 본 발명의 제2 실시예에 따른 접촉 대전 발전기를 포함하는 타이어의 점선에 따라 단면을 설명하기 위한 단면도이다.
도 13은 본 발명의 제2 실시예에 따른 접촉 대전 발전기를 포함하는 타이어의 배선부를 설명하기 위한 예시도이다.
도 14는 본 발명의 제2 실시예에 따른 접촉 대전 발전기의 배선부가 정류기, 부하 및 배터리를 포함하는 구성을 설명하기 위한 예시도이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 대전 발전기를 포함하는 타이어의 예시도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명의 범주는 청구항에 의해 정의될 뿐이다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 실시예들을 설명함에 있어 실제로 필요한 경우 외에는 생략될 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도면에 표시되고 아래에 설명되는 기능 블록들은 가능한 구현의 예들일 뿐이다. 다른 구현들에서는 상세한 설명의 사상 및 범위를 벗어나지 않는 범위에서 다른 기능 블록들이 사용될 수 있다. 또한 본 발명의 하나 이상의 기능 블록이 개별 블록들로 표시되지만, 본 발명의 기능 블록들 중 하나 이상은 동일 기능을 실행하는 다양한 하드웨어 및 소프트웨어 구성들의 조합일 수 있다.
또한 어떤 구성 요소들을 포함한다는 표현은 개방형의 표현으로서 해당 구성 요소들이 존재하는 것을 단순히 지칭할 뿐이며, 추가적인 구성 요소들을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다.
나아가 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 연결되어 있다거나 접속되어 있다고 언급될 때에는, 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성 요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 한다.
또한 '제1, 제2' 등과 같은 표현은 복수의 구성들을 구분하기 위한 용도로만 사용된 표현으로써, 구성들 사이의 순서나 기타 특징들을 한정하지 않는다.
본 발명의 실시예들을 설명하기에 앞서, 접촉 대전 발전기는 주변 환경에서 발생하는 마찰 에너지를 통해 전기 에너지로 생산하는 에너지 하베스터의 한 종류이다. 일반적으로 접촉 대전 발전기는 서로 다른 두 대전 물질에서 전하의 불균형이 발생하는 경우, 전하의 평형을 맞추기 위해 어느 한 쪽의 대전 물질에서 다른 쪽의 대전 물질로 전하가 이동하는 성질을 이용하여 전기 에너지를 생산한다. 이하에서는 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대해 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 접촉 대전 발전기(100)의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 접촉 대전 발전기(100)는 제1 대전 물질(110), 제2 대전 물질(120), 절연층(121) 및 배선부(130)를 포함하며, 제1 대전 물질(110)의 형상이 외력에 의해 변형될 때 제1 대전 물질(110)과 접촉하고 있는 제2 대전 물질(120)의 절연층(121)과 전하의 불균형이 일어난다. 이에 따라, 전하의 평형을 이루기 위해 제1 대전 물질(110)과 제2 대전 물질(120)간에 전하가 배선부(130)를 통해 이동하는 현상을 이용하여 전기 에너지를 생성할 수 있다.
제1 대전 물질(110)은 외력에 의해 형상이 변하는 복수의 기공(111)을 포함할 수 있다. 이때 제1 대전 물질(110)은 탄성을 갖도록 예를 들면 실리콘 고무 및 PDMS(Polydimethylsiloxane) 등을 포함하는 폴리머(polymer)로 구성될 수 있다. 또한 제1 대전 물질(110)이 전도성을 갖도록 하기 위해 전도성을 띄는 카본 블랙, 카본나노튜브 및 탄화규소 등을 포함하도록 제조할 수 있다. 이러한 전도성을 지니는 폴리머의 제조 방법은 공지된 기술(중국 공개특허공보: 106612080 A)로서 자세한 설명은 생략한다.
또한 제1 대전 물질(110)은 다공성의 설탕 주형에 액상의 폴리머를 주입하여 경화시킨 후 주형이 되었던 설탕을 녹이는 방식으로 내부에 복수의 기공(111)을 갖도록 할 수 있다. 다만, 이러한 방법은 하나의 예시일 뿐 다양한 방법을 통해 제1 대전 물질(110)의 내부에 복수의 기공(111)을 포함하도록 제조할 수 있다.
이에 따라, 제1 대전 물질(110)은 복수의 기공(111)을 포함하기 때문에 흡음을 통하여 소음을 제거할 수 있다. 음파는 전파해갈 때 다른 물질과 마찰하면서 음파 에너지가 다른 물질로 전달되어 그 크기가 감쇄된다. 이때 음파가 다른 물질과 접촉하는 표면적이 넓을수록 음파 에너지의 감쇄가 크게 나타난다. 따라서 음파가 제1 대전 물질(110)을 통과하는 경우 제1 대전 물질(110)에 포함된 복수의 기공(111)에 의해 제1 대전 물질(11)은 음파와 넓은 범위로 접촉하면서 음파 에너지를 크게 감쇄시킬 수 있다.
절연층(121)은 제1 대전 물질(110) 내에 삽입되며, 제2 대전 물질(120)은 절연층(121)으로 둘러싸여 있다. 이때 제2 대전 물질(120)은 전도성을 띄는 금속일 수 있으며, 와이어, 메시(mesh) 및 판 등의 형태를 가질 수 있다. 또한 절연층(121)은 예를 들면, 폴리테트라 플루오로에틸렌(PTFE)을 포함할 수 있다. 한편, 제2 대전 물질(120)의 절연층(121)은 제1 대전 물질(110)에 존재하는 기공(111)에 의해 일부분만 제1 대전 물질(110)과 접촉하며 외력이 가해지지 않을 경우 제1 대전 물질(110)의 접촉면과 전하의 평형을 이루고 있다.
배선부(130)는 제1 대전 물질(110)과 제2 대전 물질(120)을 연결한다. 이때 배선부(130)는 제1 대전 물질(110)과 제2 대전 물질(120)간에 전하가 이동될 수 있도록 도선으로 제1 대전 물질(110)과 제2 대전 물질(120)을 연결할 수 있다. 이때 제1 대전 물질(110)에 작용하는 외력의 형태(압축력, 인장력 등)에 따라 제1 대전 물질(110)과 제2 대전 물질(120)간에 전하의 이동 방향이 달라지기 때문에, 배선부(130)는 도 7에 도시된 바와 같이 전하가 일정한 방향으로 이동하도록 정류하는 정류기(131)를 포함할 수 있고, 정류된 전하를 이용하는 부하(132) 또는 정류된 전하를 충전하는 배터리(133)를 포함할 수 있다. 이때 부하(132)는 각종 센서 등을 포함할 수 있다. 한편, 도 7에 도시된 정류기(131) 및 부하(132)의 연결 구조는 예시일 뿐으로 이에 한정되지 않는다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 접촉 대전 발전기(100)가 작동하는 원리를 설명하기 위한 예시도이다.
도 2를 참조하면, 제1 대전 물질(110)에 외력이 가해지지 않는 경우에는 제1 대전 물질(110)에 존재하는 기공(111)에 의해 제1 대전 물질(110)과 제2 대전 물질(120)의 절연층(121)은 서로 일부분만 접촉하고 있다.
이때 제1 대전 물질(110)이 외력에 의해 압축되는 경우에 제1 대전 물질(110)의 기공(111)의 크기가 줄어들면서 제1 대전 물질(110)과 제2 대전 물질(120)의 절연층(121)이 접촉하는 면적이 상대적으로 커지게 된다. 이에 따라 제1 대전 물질(110)과 제2 대전 물질(120)의 절연층(121)간에 전하의 불균형이 발생하므로 전하의 평형을 이루기 위해 제1 대전 물질(110)로부터 제2 대전 물질(120)로 전하가 이동하게 된다.
이후, 제1 대전 물질(110)에 작용하는 외력이 제거되어 제1 대전 물질(110)의 형태가 복원되면, 기공(111)이 다시 원래 크기로 돌아오면서 다시 전하의 불균형이 발생하므로, 전하의 평형을 이루기 위해 제2 대전 물질(120)로부터 제1 대전 물질(110)로 전하가 이동하게 된다.
이와 같이, 제1 대전 물질(110)에 외력이 작용하거나 제거됨에 따라, 제1 대전 물질(110)과 제2 대전 물질(120)간에 전하가 이동하면서 전류가 흐르게 된다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 접촉 대전 발전기를 포함하는 타이어(10)의 단면도이다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 접촉 대전 발전기를 포함하는 타이어(10)는 타이어부(11) 및 접촉 대전 발전기(100)를 포함하며, 접촉 대전 발전기(100)의 제1 대전 물질(110)은 타이어부(11)의 내측에 마련될 수 있다. 이때 타이어부(11)와 지면이 맞닿은 부분에 수직 항력이 작용하며, 타이어부(11)가 회전함에 따라 지면과 맞닿은 부분에서 타이어부(11)의 압축과 복원이 반복하여 발생한다. 이에 따라, 제1 대전 물질(110)의 기공(111)의 크기가 변하여 제1 대전 물질(110)과 절연층(121)이 접촉하는 면적이 달라지면 전하의 불균형이 일어나므로 배선부(130)를 통해 제1 대전 물질(110)과 제2 대전 물질(120)간에 전하가 이동될 수 있다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 접촉 대전 발전기(100)를 포함하는 타이어(10)가 회전하는 모습을 나타내는 단면도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 타이어부(11)가 시계 방향으로 회전하는 경우 타이어부(11)가 지면에 접촉하기 시작하는 부분에 마련된 제2 대전 물질(120a)의 절연층(121) 주변의 제1 대전 물질(110)은 기공(111)의 크기가 줄어들면서, 제1 대전 물질(110)이 절연층(121)과 접촉하는 표면적이 증가하므로 제2 대전 물질(120a)에서 제1 대전 물질(110)로 전하가 이동한다.
또한 타이어부(11)가 지면에 접촉하였다가 떨어지기 시작하는 부분에 마련된 제2 대전 물질(120b)의 절연층(121) 주변의 제1 대전 물질(110)은 기공(111)의 크기가 복원되면서 제1 대전 물질(110)이 절연층(121)과 접촉하는 표면적이 감소하므로 제1 대전 물질(110)에서 제2 대전 물질(120b)로 전하가 이동한다.
한편, 제2 대전 물질(120a) 또는 제2 대전 물질(120b)과 같이, 타이어부(11)의 중심축(12)에서 타이어부(11)의 어느 외면을 연결하는 반지름 상에 같이 위치하는 제2 대전 물질(120)들에는 동일한 방향에서 외력이 작용하기 때문에 전하의 이동방향이 같으므로, 도 5에 도시된 바와 같이 타이어부(11)의 중심축(12)에서 타이어부(11)의 어느 외면을 연결하는 반지름 상에 같이 위치하는 제2 대전 물질(120)들을 함께 정류기(131)에 연결할 수 있다.
도 6는 본 발명의 제1 실시예에 따른 접촉 대전 발전기를 포함하는 타이어(10)의 배선부(130)를 설명하기 위한 예시도이다.
도 6을 참조하면, 타이어부(11)의 중심축(12)에서 타이어부(11)의 어느 외면을 연결하는 반지름 상에 같이 위치하는 제2 대전 물질(120)들을 함께 하나의 정류기(131)에 연결할 수 있으며, 각각의 정류기(131)에 연결된 제2 대전 물질(120)들로부터 이동하는 전하는 방향이 다르더라도, 각각의 정류기(131)를 통과한 전하들은 같은 방향으로 이동하므로 정류기(131)에 연결된 부하(132) 또는 배터리(133)는 일정한 방향으로 흐르는 전류를 이용할 수 있다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 접촉 대전 발전기(200)의 구성도이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 접촉 대전 발전기(200)는 절연 물질(210), 대전 물질(220) 및 배선부(230)를 포함한다. 이때 절연 물질(210)의 형상이 외력에 의해 변형되면 절연 물질(210)과 접촉하고 있는 대전 물질(220)의 표면에서 전하의 불균형이 일어난다. 이에 따라, 전하의 평형을 이루기 위해 대전 물질(220)과 접지간에 전하가 배선부(230)를 통해 이동하는 현상을 이용하여 전기 에너지를 생성할 수 있다.
절연 물질(210)은 외력에 의해 형상이 변하는 복수의 기공(211)을 포함할 수 있다. 이때 절연 물질(210)은 탄성을 갖도록 예를 들면 실리콘 고무 및 PDMS(Polydimethylsiloxane) 등을 포함하는 폴리머(polymer)로 구성될 수 있다.
또한 절연 물질(210)은 다공성의 설탕 주형에 액상의 폴리머를 주입하여 경화시킨 후 주형이 되었던 설탕을 녹이는 방식으로 내부에 복수의 기공(211)을 갖도록 할 수 있다. 다만, 이러한 방법은 하나의 예시일 뿐 다양한 방법을 통해 절연 물질(210)의 내부에 복수의 기공(211)을 포함하도록 제조할 수 있다.
이에 따라, 절연 물질(210)은 복수의 기공(211)을 포함하기 때문에 흡음을 통하여 소음을 제거할 수 있다. 음파는 전파해갈 때 다른 물질과 마찰하면서 음파 에너지가 다른 물질로 전달되어 그 크기가 감쇄된다. 이때 음파가 다른 물질과 접촉하는 표면적이 넓을수록 음파 에너지의 감쇄가 크게 나타난다. 따라서 음파가 절연 물질(210)을 통과하는 경우 절연 물질(210)에 포함된 복수의 기공(211)에 의해 절연 물질(210)은 음파와 넓은 범위로 접촉하면서 음파 에너지를 크게 감쇄시킬 수 있다.
대전 물질(220)은 절연 물질(210)에 삽입된다. 이때 대전 물질(220)은 전도성을 띄는 금속일 수 있으며, 와이어, 메시(mesh) 및 판 등의 형태를 가질 수 있다. 한편, 대전 물질(220)은 절연 물질(210)에 존재하는 기공(211)에 의해 일부분만 절연 물질(210)과 접촉하며 외력이 가해지지 않을 경우 절연 물질(210)의 접촉면과 전하의 평형을 이루고 있다.
배선부(230)는 대전 물질(220)과 접지를 연결한다. 이때 배선부(230)는 대전 물질(220)과 접지간에 전하가 이동될 수 있도록 도선으로 대전 물질(220)과 접지를 연결할 수 있다. 이때 절연 물질(210)에 작용하는 외력의 형태(압축력, 인장력 등)에 따라 대전 물질(220)과 접지간에 전하의 이동 방향이 달라지기 때문에, 배선부(230)는 도 14에 도시된 바와 같이 전하가 일정한 방향으로 이동하도록 정류하는 정류기(231)를 포함할 수 있고, 정류된 전하를 이용하는 부하(232) 또는 정류된 전하를 충전하는 배터리(233)를 포함할 수 있다. 이때 부하(232)는 각종 센서 등을 포함할 수 있다. 한편, 도 14에 도시된 정류기(231) 및 부하(232)의 연결 구조는 예시일 뿐으로 이에 한정되지 않는다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 접촉 대전 발전기(200)가 작동하는 원리를 설명하기 위한 예시도이다.
도 9를 참조하면, 절연 물질(210)에 외력이 가해지지 않는 경우에는 절연 물질(210)에 존재하는 기공(211)에 의해 절연 물질(210)과 대전 물질(220)은 서로 일부분만 접촉하고 있다.
이때 절연 물질(210)이 외력에 의해 압축되는 경우에 절연 물질(210)의 기공(211)의 크기가 줄어들면서 절연 물질(210)과 대전 물질(220)이 접촉하는 면적이 상대적으로 커지게 된다. 이에 따라 절연 물질(210)과 대전 물질(220)간에 전하의 불균형이 발생하므로 전하의 평형을 이루기 위해 접지에서 대전 물질(220)로 전하가 이동하게 된다.
이후, 절연 물질(210)에 작용하는 외력이 제거되어 절연 물질(210)의 형태가 복원되면, 기공(211)이 다시 원래 크기로 돌아오면서 다시 전하의 불균형이 발생하므로, 전하의 평형을 이루기 위해 대전 물질(220)로부터 접지로 전하가 이동하게 된다.
이와 같이, 절연 물질(210)에 외력이 작용하거나 제거됨에 따라, 대전 물질(220)과 접지간에 전하가 이동하면서 전류가 흐르게 된다.
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 접촉 대전 발전기를 포함하는 타이어(20)의 단면도이다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 접촉 대전 발전기를 포함하는 타이어(20)는 타이어부(21) 및 접촉 대전 발전기(200)를 포함하며, 접촉 대전 발전기(200)의 절연 물질(210)은 타이어부(21)의 내측에 마련될 수 있다. 이때 타이어부(21)와 지면이 맞닿은 부분에 수직 항력이 작용하며, 타이어부(21)가 회전함에 따라 지면과 맞닿은 부분에서 타이어부(21)의 압축과 복원이 반복하여 발생한다. 이에 따라, 절연 물질(210)의 기공(211)의 크기가 변하여 절연 물질(210)과 대전 물질(220)이 접촉하는 면적이 달라지면 전하의 불균형이 일어나므로 배선부(230)를 통해 대전 물질(220)과 접지간에 전하가 이동될 수 있다.
도 11은 본 발명의 제2 실시예에 따른 접촉 대전 발전기(200)를 포함하는 타이어(20)가 회전하는 모습을 나타내는 단면도이다.
도 11에 도시된 바와 같이, 타이어 (20)가 시계 방향으로 회전하는 경우 타이어부(21)가 지면에 접촉하기 시작하는 부분에 마련된 대전 물질(220a) 주변의 절연 물질(210)은 기공(211)의 크기가 줄어들면서, 절연 물질(210)과 대전 물질(220a)이 접촉하는 표면적이 증가하므로 접지에서 대전 물질(220a)로 전하가 이동한다.
또한 타이어부(21)가 지면에 접촉하였다가 떨어지기 시작하는 부분에 마련된 대전 물질(220b) 주변의 절연 물질(210)은 기공(211)의 크기가 복원되면서, 절연 물질(210)과 대전 물질(220b)이 접촉하는 표면적이 감소하므로 대전 물질(220b)에서 접지로 전하가 이동한다.
한편, 대전 물질(220a) 또는 대전 물질(220b)과 같이, 타이어부(21)의 중심축(22)에서 타이어부(21)의 어느 외면을 연결하는 반지름 상에 같이 위치하는 대전 물질(220)들에는 동일한 방향에서 외력이 작용하기 때문에 전하의 이동방향이 같으므로, 도 12에 도시된 바와 같이 타이어부(21)의 중심축(22)에서 타이어부(21)의 어느 외면을 연결하는 반지름 상에 같이 위치하는 제2 대전 물질(220)들을 함께 정류기(231)에 연결할 수 있다.
도 13은 본 발명의 제2 실시예에 따른 접촉 대전 발전기를 포함하는 타이어(20)의 배선부(230)를 설명하기 위한 예시도이다.
도 13을 참조하면, 타이어부(21)의 중심축(22)에서 타이어부(21)의 어느 외면을 연결하는 반지름 상에 같이 위치하는 대전 물질(220)들을 함께 하나의 정류기(231)에 연결할 수 있으며, 각각의 정류기(231)에 연결된 대전 물질(220)들로부터 이동하는 전하는 방향이 다르더라도, 각각의 정류기(231)를 통과한 전하들은 같은 방향으로 이동하므로 정류기(231)에 연결된 부하(232) 또는 배터리(233)는 일정한 방향으로 흐르는 전류를 이용할 수 있다.
상술한 실시예에 따르면, 타이어(11, 21)가 회전함에 따라 타이어(11, 21)에 압축과 복원이 지속적으로 발생하는 현상을 이용하여 자체적으로 전기 에너지를 생산할 수 있으므로, 타이어(11, 21) 내부의 센서들을 배터리 없이 구동하거나 타이어 내부에 탑재된 배터리를 외부 전원 없이 스스로 충전하도록 할 수 있다. 이에 따라, 타이어(11, 21)에 IoT 등의 기술을 손쉽게 접목할 수 있으며 친환경적 방법으로 에너지를 생산함으로써 환경오염을 억제할 수 있다.
또한 또한 다수의 기공(111, 211)을 포함하는 스펀지 형태의 물질(110, 210)을 접촉 대전 발전기(100, 200)의 구성으로 하므로 타이어(11, 21)에서 발생하는 소음을 효과적으로 차단할 수 있다.
이와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10: 접촉 대전 발전기를 포함하는 타이어
11: 타이어부
12: 중심축
100: 접촉 대전 발전기
110: 제1 대전 물질
111: 기공
120: 제2 대전 물질
121: 절연층
130: 배선부
131: 정류기
132: 부하
133: 배터리
20: 접촉 대전 발전기를 포함하는 타이어
21: 타이어부
22: 중심축
200: 접촉 대전 발전기
210: 절연 물질
211: 기공
220: 대전 물질
230: 배선부
231: 정류기
232: 부하
233: 배터리
11: 타이어부
12: 중심축
100: 접촉 대전 발전기
110: 제1 대전 물질
111: 기공
120: 제2 대전 물질
121: 절연층
130: 배선부
131: 정류기
132: 부하
133: 배터리
20: 접촉 대전 발전기를 포함하는 타이어
21: 타이어부
22: 중심축
200: 접촉 대전 발전기
210: 절연 물질
211: 기공
220: 대전 물질
230: 배선부
231: 정류기
232: 부하
233: 배터리
Claims (32)
- 외력에 의해 형상이 변하는 복수의 기공을 내부에 포함하는 제1 대전 물질;
상기 제1 대전 물질 내에 삽입된 절연층;
상기 절연층에 의해 둘러싸인 제2 대전 물질; 및
상기 제1 대전 물질과 상기 제2 대전 물질을 연결하는 배선부를 포함하고,
상기 기공의 형상이 변하여 상기 제1 대전 물질과 상기 절연층이 접촉하는 면적이 달라지는 경우, 상기 배선부를 통해 상기 제1 대전 물질과 상기 제2 대전 물질 간에 전하가 이동하고,
상기 제1 대전 물질 및 상기 제2 대전 물질은 전도성을 가지는
접촉 대전 발전기. - 제1항에 있어서,
상기 제1 대전 물질은,
폴리머(polymer)인
접촉 대전 발전기. - 제2항에 있어서,
상기 제1 대전 물질은,
실리콘 고무 및 PDMS(Polydimethylsiloxane) 중 적어도 어느 하나로 이루어진
접촉 대전 발전기. - 제2항에 있어서,
상기 제1 대전 물질은,
전도성을 띄는 카본 블랙, 카본나노튜브 및 탄화규소 중 적어도 어느 하나의 물질을 포함하는
접촉 대전 발전기. - 제1항에 있어서,
상기 제2 대전 물질은,
전도성을 띄는 금속을 포함하는
접촉 대전 발전기. - 제1항에 있어서,
상기 제2 대전 물질은,
와이어, 메시(mesh) 및 판 중 적어도 어느 하나의 형태를 가지는
접촉 대전 발전기. - 제1항에 있어서,
상기 절연층은,
폴리테트라 플루오로에틸렌(PTFE)을 포함하는
접촉 대전 발전기. - 제1항에 있어서,
상기 배선부는,
상기 제1 대전 물질과 상기 제2 대전 물질 간에 이동하는 전하를 일 방향으로 정류하는 정류기를 포함하는
접촉 대전 발전기. - 제8항에 있어서,
상기 배선부는,
상기 정류기가 정류한 상기 전하를 이용하는 부하 또는 배터리를 더 포함하는
접촉 대전 발전기. - 타이어부;
상기 타이어부의 내측에 마련되고 외력에 의해 형상이 변하는 복수의 기공을 내부에 포함하는 제1 대전 물질;
상기 제1 대전 물질 내에 삽입된 절연층;
상기 절연층에 의해 둘러싸인 제2 대전 물질; 및
상기 제1 대전 물질과 상기 제2 대전 물질을 연결하는 배선부를 포함하고,
상기 타이어부가 회전하면서 상기 타이어부에 수직 항력이 작용하는 지점이 변함에 따라 상기 기공의 형상이 변하여 상기 제1 대전 물질과 상기 절연층이 접촉하는 면적이 달라지는 경우, 상기 배선부를 통해 상기 제1 대전 물질과 상기 제2 대전 물질 간에 전하가 이동하고,
상기 제1 대전 물질 및 상기 제2 대전 물질은 전도성을 가지는
접촉 대전 발전기를 포함하는 타이어. - 제10항에 있어서,
상기 배선부는,
상기 타이어부의 중심축에서 상기 타이어부의 어느 외면을 연결하는 반지름 상에 위치하는 상기 제2 대전 물질의 각각과 상기 제1 대전 물질 간에 이동하는 전하를 일 방향으로 정류하는 정류기를 포함하는
접촉 대전 발전기를 포함하는 타이어. - 제11항에 있어서,
상기 배선부는
상기 정류기가 정류한 상기 전하를 이용하는 부하 또는 배터리를 더 포함하는
접촉 대전 발전기를 포함하는 타이어. - 제10항에 있어서,
상기 제1 대전 물질은,
폴리머(polymer)인
접촉 대전 발전기를 포함하는 타이어. - 제13항에 있어서,
상기 제1 대전 물질은,
실리콘 고무 및 PDMS(Polydimethylsiloxane) 중 적어도 어느 하나로 이루어진
접촉 대전 발전기를 포함하는 타이어. - 제13항에 있어서,
상기 제1 대전 물질은,
전도성을 띄는 카본 블랙, 카본나노튜브 및 탄화규소 중 적어도 어느 하나의 물질을 포함하는
접촉 대전 발전기를 포함하는 타이어. - 제10항에 있어서,
상기 제2 대전 물질은,
전도성을 띄는 금속을 포함하는
접촉 대전 발전기를 포함하는 타이어. - 제10항에 있어서,
상기 제2 대전 물질은,
와이어, 메시(mesh) 및 판 중 적어도 어느 하나의 형태를 가지는
접촉 대전 발전기를 포함하는 타이어. - 제10항에 있어서,
상기 절연층은,
폴리테트라 플루오로에틸렌(PTFE)을 포함하는
접촉 대전 발전기를 포함하는 타이어. - 삭제
- 삭제
- 삭제
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| KR101557245B1 (ko) * | 2014-12-03 | 2015-10-21 | 성균관대학교산학협력단 | 타이어 코드지용 섬유를 이용한 정전기 에너지 발생장치 |
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2017
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