KR101971076B1 - 마찰 전기를 이용한 발전기 - Google Patents

마찰 전기를 이용한 발전기 Download PDF

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    • H02N1/04—Friction generators

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Abstract

본 발명은 마찰 전기를 이용한 발전기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 전기 음성도가 상이한 제1 및 제2 대전 물질층을 각각 제1 및 제2 전극의 상측면과 하측면에 코팅하고, 제1 및 제2 전극 사이에 형성된 공간에 대전 입자를 유동시켜 발생하는 마찰 전기를 이용하여 전기를 발전하는 마찰 전기를 이용한 발전기에 관한 것이다.

Description

마찰 전기를 이용한 발전기{Generator using triboelectic}
본 발명은 마찰 전기를 이용한 발전기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 전기 음성도가 상이한 제1 및 제2 대전 물질층을 각각 제1 및 제2 전극의 상측면과 하측면에 코팅하고, 제1 및 제2 전극 사이에 형성된 공간에 대전 입자를 유동시켜 발생하는 마찰 전기를 이용하여 전기를 발전하는 마찰 전기를 이용한 발전기에 관한 것이다.
마찰에 의해 발생하는 정전기 현상을 이용하여 에너지를 수확하는 마찰 기 발전은 두 물질이 접촉했을 때와 떨어졌을 때 발생하는 정전기에 의한 대전(帶電) 차이로 에너지가 발생한다.
기존의 태양전지, 풍력, 연료전지 등과 같은 친환경 에너지와 달리 주변에 존재하는 미세진동이나 인간의 움직임으로부터 발생된 소모성의 운동 에너지를 전기 에너지로 무한히 추출할 수 있는 새로운 개념의 친환경 에너지 발전이라 할 수 있다. 이와 같이, 주위 환경에서 발생하나 소모되어 버리는 에너지(Ambient Energy)를 전기 에너지로 변환하는 친환경 기술이 최근 주목을 받고 있다.
또한, 대전 특성을 이용한 에너지 변환 방식은 소형 및 경량화가 가능하며 나노 기술과의 융합을 통하여 획기적인 기술 도약을 이끌 새로운 기술로 파급효과가 큰 기술로 평가받고 있는 실정이다.
하지만, 마찰 전기 발전 기술은 긴 수명, 낮은 유지보수비용, 적은 폐기비용과 오염 등의 장점을 가짐에도 불구하고 에너지 효율 및 가격 면에서 아직 실용화에 장벽을 가진다.
도 1은 종래의 마찰전기 발생장치의 구성도이다. 도 1을 참조하면, 종래의 마찰전기 발생장치(1000)는 제1 접촉 충전 레이어(1100)와 제1 접촉 충전 레이어(1100)에 대향하도록 배치된 제2 접촉 충전 레이어(1200)를 포함하도록 구성된다.
또한, 제1 접촉 충전 레이어(1100)는 텍스처 표면(Textured Surface)을 가진 하부면(1140)과 제1 도전 전극층(1160)이 배치된 상부면(1120)을 포함하고, 제2 접촉 충전 레이어(1200)는 텍스처 표면을 가지는 상부면(1220)과 제2 도전 전극층(1260)이 배치된 하부면(1240)을 포함한다.
이러한 종래의 마찰전기 발생장치(1000)는 제1 접촉 충전 레이어(1100) 또는 제2 접촉 충전 레이어(1200) 중 적어도 어느 하나에 외부의 힘이 가해져, 제1 접촉 충전 레이어(1100)의 하부면(1140)과 제2 접촉 충전 레이어(1200)의 상부면(1220) 사이의 접촉변화를 통해 전기를 발생한다.
그러나, 종래의 마찰전기 발생장치(1000)는 마찰전기 발생을 위해서 접촉과 비접촉을 지속적으로 반복해야하며, 이를 위해서는 외부의 힘이 가해지는 경우, 제1 접촉 충전 레이어(1100) 및 제2 접촉 충전 레이어(1200) 간에 간격을 좁히거나 늘릴 수 있는 별도의 탄성 지지 구조를 필요로 하는 문제점이 있다.
한국공개특허 제10- 2013-0049531호
본 발명의 목적은, 전기 음성도가 상이한 제1 및 제2 대전 물질층을 각각 제1 및 제2 전극의 상측면과 하측면에 코팅하고, 제1 및 제2 전극 사이에 형성된 공간에 대전 입자를 유동시켜 발생하는 마찰 전기를 이용하여 전기를 발전하는 마찰 전기를 이용한 발전기를 제공하고자 한다.
본 발명에 따른 마찰 전기를 이용한 발전기는, 제1 전극; 상기 제1 전극의 상부에 간격을 두고 위치하는 제2 전극; 상기 제1 전극의 상측면에 위치하는 제1 대전 물질층; 상기 제2 전극의 하측면에 위치하는 제2 대전 물질층; 및 상기 제1 또는 제2 대전 물질층과 접촉 및 비접촉을 반복하여 마찰 전기(Triboelectric)를 발생시키는 대전 입자;를 포함하여 구성된다.
바람직하게는, 상기 마찰 전기를 이용한 발전기는 상기 제1 및 제2 대전 물질층의 양끝단 사이에 위치하여 상기 제1 및 제2 대전 물질층 간을 절연시키는 절연체;를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 절연체는, 상기 제1 및 제2 대전 물질층을 지지하여 공간을 형성할 수 있다.
바람직하게는, 상기 대전 입자는, 상기 공간 내에서 상기 제1 또는 제2 대전 물질층과 접촉 및 비접촉을 반복할 수 있다.
바람직하게는, 상기 제1 대전 물질층은, 전기 음성도가 상기 제2 대전 물질층의 전기 음성도 보다 클 수 있다.
바람직하게는, 상기 대전 입자는, 전기 음성도가 상기 제1 대전 물질층의 전기 음성도 보다 작고 상기 제2 대전 물질층의 전기 음성도 보다 클 수 있다.
바람직하게는, 상기 대전 입자는, 입자 크기가 1㎛ 내지 1nm일 수 있다.
바람직하게는, 상기 제1 및 제2 전극 및 상기 제1 및 제2 대전 물질층은, 형태가 판(Plate)형, 반구(Hemisphere)형 및 반원통(Semicylinder)형 중 하나일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기를 이용한 발전기는 전기 음성도가 상이한 제1 및 제2 대전 물질층을 각각 제1 및 제2 전극의 상측면과 하측면에 코팅하고, 제1 및 제2 전극 사이에 형성된 공간에 대전 입자를 유동시킴으로써, 주변의 미세진동이나 움직임으로부터 발생된 소모성의 운동 에너지로 전기를 발전할 수 있는 효과를 가진다.
도 1은 종래의 마찰전기 발생장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기를 이용한 발전기의 내부를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기를 이용한 발전기의 제1 및 제2 대전 물질층과 대전 입자 간에 마찰로 인한 대전 현상을 구체적으로 도시한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기를 이용한 발전기의 내부를 개략적으로 도시한 도면이다.
본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능, 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위하여 과장될 수 있다.
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.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기를 이용한 발전기(100)의 내부를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기를 이용한 발전기(100)의 제1 대전 물질층(130) 및 제2 대전 물질층(140)과 대전 입자(150) 간에 마찰로 인한 대전 현상을 구체적으로 도시한 그래프이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기를 이용한 발전기(100)는 제1 전극(110), 제2 전극(120), 제1 대전 물질층(130), 제2 대전 물질층(140), 대전 입자(150) 및 절연체(160)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기를 이용한 발전기(100)는 휴대형 전자기기 또는 교통 수단에 설치 또는 연결되어 휴대형 전자기기 사용자의 움직임이나 미세 진동으로부터 상하 및 좌우 운동될 수 있다.
즉, 마찰 전기를 이용한 발전기(100)는 주변의 미세진동이나 움직임으로부터 발생된 소모성의 운동 에너지를 마찰 전기로 발전시킬 수 있다.
제1 전극(110)의 상부에는 제2 전극(120)이 간격을 두고 위치할 수 있다.
이를 통해, 제1 전극(110) 및 제2 전극(120)의 사이에는 공간이 형성될 수 있다. 제1 전극(110) 및 제2 전극(120) 사이에 형성된 공간에는 후술되는 제1 대전 물질층(130), 제2 대전 물질층(140), 대전 입자(150) 및 절연체(160)가 위치할 수 있다.
제1 전극(110) 및 제2 전극(120)은 ITO, IGO, 크롬, 알루미늄, IZO(Indium Zinc Oxide), IGZO(Indium Gallium Zinc Oxide), ZnO, ZnO2 또는 TiO2 중 적어도 어느 하나를 포함하는 무기전극이거나 백금, 금, 은, 알루미늄, 철 또는 구리 중 적어도 어느 하나를 포함하는 금속전극이거나 페돗(PEDOT, polyethylenedioxythiophene), 탄소나노튜브(CNT, Carbon nano tube), 그래핀(graphene), 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리티오펜(Polythiophene, PT), 폴리피롤(Polypyrrole), 폴리파라페닐렌(polyparaphenylene, PPV), 폴리아닐린(Polyaniline), 폴리설퍼니트리드(poly sulfur nitride), 스테인레스 스틸, 크롬을 10%이상 함유한 철합금, SUS 304, SUS 316, SUS 316L, Co-Cr 합금, Ti 합금, 니티놀(Ni-Ti) 또는 폴리파라페닐렌비닐렌(polyparaphenylenevinylene) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 유기전극일 수 있다.
일 실시예에서, 제1 전극(110) 및 제2 전극(120)은 전극(Electrode) 역할을 수행하는한 전극의 종류 및 재질이 한정되지 않음을 유의한다.
또한, 일 실시예에서, 제1 전극(110) 및 제2 전극(120)의 형태는 판(Plate)형으로 형성될 수 있다.
제1 대전 물질층(130)은 제1 전극(110)의 상측면에 위치할 수 있다. 보다 구체적으로, 제1 대전 물질층(130)은 제1 전극(110)의 상측 표면에 코팅되어 형성될 수 있다.
이때, 제1 대전 물질층(130)은 제1 전극(110)의 형태에 대응하여 판형일 수 있다.
제1 대전 물질층(130)은 전기 음성도가 후술되는 제2 대전 물질층(140)의 전기 음성도 보다 클 수 있다. 즉, 마찰 전기 시리즈(Triboelectric Series) 상에서 제1 대전 물질층(130)을 구성하는 물질의 위치는 제2 대전 물질층(140)을 구성하는 물질의 위치 보다 더 음의 값에 가까이 위치할 수 있다.
이를 위하여, 제1 대전 물질층(130)을 구성하는 물질은 공지된 마찰 전기 시리즈를 참고하여 선택될 수 있다.
제2 대전 물질층(140)은 제2 전극(120)의 하측면에 위치할 수 있다. 보다 구체적으로, 제2 대전 물질층(140)은 제2 전극(120)의 하측 표면에 코팅되어 형성될 수 있다.
이때, 제2 대전 물질층(140)은 제2 전극(120)의 형태에 대응하여 판형일 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 제2 대전 물질층(140)은 전기 음성도가 제1 대전 물질층(130)의 전기 음성도 보다 작을 수 있다. 즉, 마찰 전기 시리즈 상에서 제2 대전 물질층(140)을 구성하는 물질의 위치는 제1 대전 물질층(130)을 구성하는 물질의 위치 보다 더 양의 값에 가까이 위치할 수 있다.
이를 위하여, 제2 대전 물질층(140)을 구성하는 물질은 공지된 마찰 전기 시리즈를 참고하여 선택될 수 있다.
대전 입자(150)는 제1 전극(110) 및 제2 전극(120) 사이의 공간에 위치하여 마찰 전기를 이용한 발전기(100)의 움직임에 따라 유동할 수 있다.
이에 따라, 대전 입자(150)는 제1 대전 물질층(130) 또는 제2 대전 물질층(140)과 접촉 및 비접촉을 반복하여 마찰 전기(Triboelectric)를 발생시킬 수 있다.
이를 위하여, 대전 입자(150)는 전기 음성도가 제1 대전 물질층(130)의 전기 음성도 보다 작고 상기 제2 대전 물질층(140)의 전기 음성도 보다 클 수 있다. 즉, 마찰 전기 시리즈 상에서 대전 입자(150)을 구성하는 물질의 위치는 제1 대전 물질층(130)을 구성하는 물질의 위치와 제2 대전 물질층(140)을 구성하는 물질의 위치 사이에 위치할 수 있다.
이를 위하여, 대전 입자(150)를 구성하는 물질은 공지된 마찰 전기 시리즈를 참고하여 선택될 수 있다.
이때, 대전 입자(150)는 입자 크기가 1㎛ 내지 1nm인 복수의 입자일 수 있다.
또한, 대전 입자(150)는 제1 대전 물질층(130) 및 제2 대전 물질층(140)과의 마찰 계수가 높도록 표면에 요철이 형성될 수 있다.
도 2의 A 및 B를 확대하여 도시한 도 3을 참조하면, 복수의 대전 입자(150) 중에서 어느 하나의 대전 입자(150a)가 제1 대전 물질층(130)과 접촉 및 비접촉을 반복하여 마찰하는 경우, 전기 음성도가 제1 대전 물질층(130) 보다 더 작은 대전 입자(150a)는 양전하로 대전될 수 있고 제1 대전 물질층(130)은 음전하로 대전될 수 있다.
또한, 복수의 대전 입자(150) 중에서 어느 하나의 대전 입자(150b)가 제2 대전 물질층(140)과 접촉 및 비접촉을 반복하여 마찰하는 경우, 전기 음성도가 제2 대전 물질층(140) 보다 더 큰 대전 입자(150b)는 음전하로 대전될 수 있고 제2 대전 물질층(140)은 양전하로 대전될 수 있다.
이에 따라, 제1 전극(110) 및 제2 전극(120) 간에는 전위차가 발생하고, 제1 대전 물질층(130)과 접촉된 제1 전극(110)에서 제2 대전 물질층(140)과 접촉된 제2 전극(120)으로 전하가 이동하여 전류가 흐름으로써, 마찰 전기를 이용한 발전기(100)는 주변의 미세진동이나 움직임으로부터 발생된 소모성의 운동 에너지를 마찰 전기로 발전시킬 수 있다.
절연체(160)는 제1 대전 물질층(130) 및 제2 대전 물질층(140)의 양끝단 사이에 위치하여 제1 대전 물질층(130) 및 제2 대전 물질층(140) 간을 전기적으로 절연시킬 수 있다.
또한, 절연체(160)는 제1 대전 물질층(130) 및 제2 대전 물질층(140)의 양끝단을 지지하여 제1 전극(110) 및 제2 전극(120) 사이에 형성된 공간 내부의 대전 입자(150)가 외부로 유출되는 것을 방지할 수 있다.
이때, 절연체(160)는 제1 대전 물질층(130) 및 제2 대전 물질층(140) 간을 전기적으로 절연시키는한 그 소재의 종류는 한정되지 않음을 유의한다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기를 이용한 발전기(200)의 내부를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 다른 실시예에 따른 마찰 전기를 이용한 발전기(200)는 제1 전극(210), 제2 전극(220), 제1 대전 물질층(230), 제2 대전 물질층(240), 대전 입자(250) 및 절연체(260)를 포함하여 구성될 수 있다.
이때, 다른 실시예에 따른 마찰 전기를 이용한 발전기(200)의 제1 전극(210), 제2 전극(220), 제1 대전 물질층(230), 제2 대전 물질층(240), 대전 입자(250) 및 절연체(260)는 상술된 일 실시예에 따른 마찰 전기를 이용한 발전기(100)의 제1 전극(110), 제2 전극(120), 제1 대전 물질층(130), 제2 대전 물질층(140), 대전 입자(150) 및 절연체(160)와 기능이 동일하므로 반복되는 설명은 생략하기로 한다.
다른 실시예에 따른 마찰 전기를 이용한 발전기(200)의 제1 전극(210) 및 제1 대전 물질층(230)은 형태가 하측 방향으로 볼록한 반구(Hemisphere)형 또는 반원통(Semicylinder)형일 수 있다. 이에 대응하여, 제2 전극(220) 및 제2 대전 물질층(240)은 형태가 상측 방향으로 볼록한 반구형 또는 반원통형일 수 있다.
이에 따라, 마찰 전기를 이용한 발전기(200)는 구 또는 원통형 형상일 수 있으며 제1 전극(210) 및 제2 전극(220) 사이에는 구 또는 원통 형상의 공간이 형성될 수 있다.
다른 실시예에 따른 마찰 전기를 이용한 발전기(200)는 휴대형 전자기기 또는 교통 수단에 설치 또는 연결되어 휴대형 전자기기 사용자의 움직임이나 미세 진동에 따라 회전(Rolling) 운동될 수 있다.
일 실시예에 따른 마찰 전기를 이용한 발전기(100)는 직육면체 형상으로 외부 움직임에 따라 상하 및 좌우로만 운동될 수 있으나, 다른 실시예에 따른 마찰 전기를 이용한 발전기(200)는 회전 운동됨에 따라 제1 전극(210) 또는 제1 대전 물질층(230)와 대전 입자(250) 간에 마찰이 증가하여 마찰 전기로 인한 발전 효율이 상승할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100, 200 : 마찰 전기를 이용한 발전기
110, 210 : 제1 전극
120, 220 : 제2 전극
130, 230 : 제1 대전 물질층
140, 240 : 제2 대전 물질층
150, 250 : 대전 입자
160, 260 : 절연체

Claims (8)

  1. 제1 전극;
    상기 제1 전극의 상부에 간격을 두고 위치하는 제2 전극;
    상기 제1 전극의 상측면에 위치하는 제1 대전 물질층;
    상기 제2 전극의 하측면에 위치하는 제2 대전 물질층; 및
    상기 제1 또는 제2 대전 물질층과 접촉 및 비접촉을 반복하여 마찰 전기(Triboelectric)를 발생시키는 대전 입자;를 포함하고,
    상기 대전 입자는,
    전기 음성도가 상기 제1 대전 물질층의 전기 음성도 보다 작고 상기 제2 대전 물질층의 전기 음성도보다 큰 것을 특징으로 하는,
    마찰 전기를 이용한 발전기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 대전 물질층의 양끝단 사이에 위치하여 상기 제1 및 제2 대전 물질층 간을 절연시키는 절연체;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    마찰 전기를 이용한 발전기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 절연체는,
    상기 제1 및 제2 대전 물질층을 지지하여 공간을 형성하는 것을 특징으로 하는,
    마찰 전기를 이용한 발전기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 대전 입자는,
    상기 공간 내에서 상기 제1 또는 제2 대전 물질층과 접촉 및 비접촉을 반복하는 것을 특징으로 하는,
    마찰 전기를 이용한 발전기.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 대전 입자는,
    입자 크기가 1㎛ 내지 1nm인 것을 특징으로 하는,
    마찰 전기를 이용한 발전기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전극 및 상기 제1 및 제2 대전 물질층은,
    형태가 판(Plate)형, 반구(Hemisphere)형 및 반원통(Semicylinder)형 중 하나인 것을 특징으로 하는,
    마찰 전기를 이용한 발전기.
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