KR101979148B1 - 에너지 생성부 및 에너지 저장부가 일체화된 에너지 생성 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 에너지 생성부 및 에너지 저장부가 일체화된 에너지 생성 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 외부 운동 에너지를 이용하여 에너지 발전 및 저장을 하며, 에너지 저장체에 저장되는 전압에 의해 발전소자의 발전 출력이 향상된다. 향상된 발전소자의 발전 출력에 의해 에너지 저장체의 저장 효율을 더욱 증가 된다. 또한, 에너지 발전 및 저장 시스템을 일체화 하여 에너지 발전 부피밀도를 향상 시킬 수 있다.

Description

에너지 생성부 및 에너지 저장부가 일체화된 에너지 생성 시스템 {ENERGY GENERATING SYSTEM WITH ENERGY GENERATOR AND ENERGY STORAGE INTEGRATED}

본 발명은 에너지 생성부 및 에너지 저장부가 일체화된 에너지 생성 시스템에 관한 것이다.

기존의 에너지 발전 및 저장 시스템의 경우 각각 독립되어 있기 때문에, 상호간의 영향을 주지 않았다. 또한, 각각 다른 부품으로 사용되어왔기 때문에 발전 소자 및 저장 시스템의 부피 효율이 떨어진다는 단점이 있었다. 즉, 종래 기술의 경우 에너지 발전 및 저장 시스템을 각각 따로 구성하여 비효율적으로 공간 사용을 하였다.

정리하면 종래 기술의 경우 에너지 생성부와 에너지 저장부가 별도의 독립적인 구성을 형성하고 있고, 서로 간에 영향이 전혀 없는 형태를 이루고 있었으며, 따라서 설치 부피도 크다는 단점을 갖고 있었다.

본 발명은 에너지 발전 및 저장 시스템을 일체화시켜 에너지 발전 및 저장 부피 효율을 향상시키며, 에너지 발전 시스템과 저장 시스템의 상호 선순환을 이용한 에너지 발전, 저장의 효율 향상을 시키는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 생성부 및 에너지 저장부가 일체화된 에너지 생성 시스템은, 제 1 전극이 일면에 배치된 제 1 마찰 대전체; 상기 제 1 마찰 대전체와 대향하도록 배치된 제 2 마찰 대전체; 상기 제 2 마찰 대전체의 상기 제 1 마찰 대전체와 대향하는 면의 반대면에 배치되며 상기 제 2 마찰 대전체의 면적의 일부분에 배치된 제 2 전극; 상기 제 2 전극과 동일 평면 상에 배치되며, 상기 제 2 마찰 대전체의 면적의 나머지 부분에 배치되고, 상기 제 2 전극과 절연되어 있는 제 3 전극; 상기 제 2 전극 및 제 3 전극의 상기 제 2 마찰 대전체와 접하는 면의 반대면에 배치된, 에너지 저장부; 및 상기 에너지 저장부의 상기 제 2 전극 및 제 3 전극과 접하는 면의 반대면에 배치된 제 4 전극을 포함하고, 상기 제 2 마찰 대전체는 상기 제 1 마찰 대전체와 대전 특성이 상이한 물질로 이루어지며, 상기 제 1 마찰 대전체와 상기 제 2 마찰 대전체는 에너지 생성부를 이루고, 상기 제 1 마찰 대전체와 상기 제 2 마찰 대전체가 대향하는 방향과 평행한 방향을 따라 접촉 상태 및 비접촉 상태를 이룸에 따라 마찰 전기가 발생되고, 발생된 마찰 전기는 정류기를 통해 각각 제 3 전극 및 제 4 전극으로 전달되어 상기 에너지 저장부에서 저장되면서 제 3 전극 및 제 4 전극 간에 전위차를 생성하며, 생성된 전위차에 의해, 상기 에너지 생성부의 발전 출력이 향상된다.

상기 제 1 전극 및 상기 제2 전극에는 각각 인출부가 연결되어 있으며, 상기 인출부를 통해 정류기로 연결되고, 상기 제 3 전극 및 상기 제 4 전극에는 각각 인출부가 연결되어 있으며, 상기 인출부를 통해 정류기로 연결된다.

상기 제 2 전극이 차지하는 면적과 상기 제 3 전극이 차지하는 면적이 동일한 것이 바람직하다.

본 발명의 추가적인 실시예에 따른 에너지 생성부 및 에너지 저장부가 일체화된 에너지 생성 시스템은, 금속으로 이루어지며 제 1 전극 역할을 하는 제 1 마찰 대전체; 상기 제 1 마찰 대전체와 대향하도록 배치된 제 2 마찰 대전체; 상기 제 2 마찰 대전체의 상기 제 1 마찰 대전체와 대향하는 면의 반대면에 배치되며 상기 제 2 마찰 대전체의 면적의 일부분에 배치된 제 2 전극; 상기 제 2 전극과 동일 평면 상에 배치되며, 상기 제 2 마찰 대전체의 면적의 나머지 부분에 배치되고, 상기 제 2 전극과 절연되어 있는 제 3 전극; 상기 제 2 전극 및 제 3 전극의 상기 제 2 마찰 대전체와 접하는 면의 반대면에 배치된, 에너지 저장부; 및 상기 에너지 저장부의 상기 제 2 전극 및 제 3 전극과 접하는 면의 반대면에 배치된 제 4 전극을 포함하고, 상기 제 2 마찰 대전체는 상기 제 1 마찰 대전체와 대전 특성이 상이한 물질로 이루어지며, 상기 제 1 마찰 대전체와 상기 제 2 마찰 대전체는 에너지 생성부를 이루고, 상기 제 1 마찰 대전체와 상기 제 2 마찰 대전체가 대향하는 방향과 평행한 방향을 따라 접촉 상태 및 비접촉 상태를 이룸에 따라 마찰 전기가 발생되고, 발생된 마찰 전기는 정류기를 통해 각각 제 3 전극 및 제 4 전극으로 전달되어 상기 에너지 저장부에서 저장되면서 제 3 전극 및 제 4 전극 간에 전위차를 생성하며, 생성된 전위차에 의해, 상기 에너지 생성부의 발전 출력이 향상된다.

상기 제 1 전극 및 상기 제2 전극에는 각각 인출부가 연결되어 있으며, 상기 인출부를 통해 정류기로 연결되고, 상기 제 3 전극 및 상기 제 4 전극에는 각각 인출부가 연결되어 있으며, 상기 인출부를 통해 정류기로 연결된다.

상기 제 2 전극이 차지하는 면적과 상기 제 3 전극이 차지하는 면적이 동일한 것이 바람직하다.

본 발명의 추가적인 실시예에 따른 에너지 생성부 및 에너지 저장부가 일체화된 에너지 생성 시스템은, 제 1 전극이 일면에 배치된 제 1 마찰 대전체; 상기 제 1 마찰 대전체와 대향하도록 배치된 제 2 마찰 대전체; 상기 제 2 마찰 대전체의 상기 제 1 마찰 대전체와 대향하는 면의 반대면에 배치되며 상기 제 2 마찰 대전체의 면적의 일부분에 배치된 제 2 전극; 상기 제 2 전극과 동일 평면 상에 배치되며, 상기 제 2 마찰 대전체의 면적의 나머지 부분에 배치되고, 상기 제 2 전극과 절연되어 있는 제 3 전극; 상기 제 2 전극 및 제 3 전극의 상기 제 2 마찰 대전체와 접하는 면의 반대면에 배치된, 에너지 저장부; 및 상기 에너지 저장부의 상기 제 2 전극 및 제 3 전극과 접하는 면의 반대면에 배치된 제 4 전극을 포함하고, 상기 제 2 전극 및 상기 제 3 전극은 각각 일 방향으로 연장된 연결 전극 및 상기 연결 전극으로부터 수직한 방향으로 분기된 다수의 서브 전극들로 이루어진 전극 패턴을 이루며, 상기 제 2 전극의 연결 전극 및 상기 제 3 전극의 연결 전극은 서로 평행하고, 상기 제 2 전극의 전극 패턴의 다수의 서브 전극들과 상기 제 3 전극의 다수의 서브 전극들은 서로 맞물리도록(interdigitated) 배치되어 있으며, 상기 제 2 마찰 대전체는 상기 제 1 마찰 대전체와 대전 특성이 상이한 물질로 이루어지며, 상기 제 1 마찰 대전체와 상기 제 2 마찰 대전체는 에너지 생성부를 이루고, 상기 제 1 마찰 대전체와 상기 제 2 마찰 대전체가 대향하는 방향과 평행한 방향을 따라 접촉 상태 및 비접촉 상태를 이룸에 따라 마찰 전기가 발생되고, 발생된 마찰 전기는 정류기를 통해 각각 제 3 전극 및 제 4 전극으로 전달되어 상기 에너지 저장부에서 저장되면서 제 3 전극 및 제 4 전극 간에 전위차를 생성하며, 생성된 전위차에 의해, 상기 에너지 생성부의 발전 출력이 향상된다.

상기 제 1 전극 및 상기 제2 전극에는 각각 인출부가 연결되어 있으며, 상기 인출부를 통해 정류기로 연결되고, 상기 제 3 전극 및 상기 제 4 전극에는 각각 인출부가 연결되어 있으며, 상기 인출부를 통해 정류기로 연결된다.

상기 제 2 전극이 차지하는 면적과 상기 제 3 전극이 차지하는 면적이 동일한 것이 바람직하다.

본 발명의 추가적인 실시예에 따른 에너지 생성부 및 에너지 저장부가 일체화된 에너지 생성 시스템은, 금속으로 이루어지며 제 1 전극 역할을 하는 제 1 마찰 대전체; 상기 제 1 마찰 대전체와 대향하도록 배치된 제 2 마찰 대전체; 상기 제 2 마찰 대전체의 상기 제 1 마찰 대전체와 대향하는 면의 반대면에 배치되며 상기 제 2 마찰 대전체의 면적의 일부분에 배치된 제 2 전극; 상기 제 2 전극과 동일 평면 상에 배치되며, 상기 제 2 마찰 대전체의 면적의 나머지 부분에 배치되고, 상기 제 2 전극과 절연되어 있는 제 3 전극; 상기 제 2 전극 및 제 3 전극의 상기 제 2 마찰 대전체와 접하는 면의 반대면에 배치된, 에너지 저장부; 및 상기 에너지 저장부의 상기 제 2 전극 및 제 3 전극과 접하는 면의 반대면에 배치된 제 4 전극을 포함하고, 상기 제 2 전극 및 상기 제 3 전극은 각각 일 방향으로 연장된 연결 전극 및 상기 연결 전극으로부터 수직한 방향으로 분기된 다수의 서브 전극들로 이루어진 전극 패턴을 이루며, 상기 제 2 전극의 연결 전극 및 상기 제 3 전극의 연결 전극은 서로 평행하고, 상기 제 2 전극의 전극 패턴의 다수의 서브 전극들과 상기 제 3 전극의 다수의 서브 전극들은 서로 맞물리도록(interdigitated) 배치되어 있으며, 상기 제 2 마찰 대전체는 상기 제 1 마찰 대전체와 대전 특성이 상이한 물질로 이루어지며, 상기 제 1 마찰 대전체와 상기 제 2 마찰 대전체는 에너지 생성부를 이루고, 상기 제 1 마찰 대전체와 상기 제 2 마찰 대전체가 대향하는 방향과 평행한 방향을 따라 접촉 상태 및 비접촉 상태를 이룸에 따라 마찰 전기가 발생되고, 발생된 마찰 전기는 정류기를 통해 각각 제 3 전극 및 제 4 전극으로 전달되어 상기 에너지 저장부에서 저장되면서 제 3 전극 및 제 4 전극 간에 전위차를 생성하며, 생성된 전위차에 의해, 상기 에너지 생성부의 발전 출력이 향상된다.

상기 제 1 전극 및 상기 제2 전극에는 각각 인출부가 연결되어 있으며, 상기 인출부를 통해 정류기로 연결되고, 상기 제 3 전극 및 상기 제 4 전극에는 각각 인출부가 연결되어 있으며, 상기 인출부를 통해 정류기로 연결된다.

상기 제 2 전극이 차지하는 면적과 상기 제 3 전극이 차지하는 면적이 동일한 것이 바람직하다.

본 발명은 기존과 다르게 에너지 발전 소자 및 에너지 저장 소자의 상호 선순환을 이용하여 에너지 발전 및 저장 효율을 향상시키는 새로운 시스템 구조를 제시한다. 따라서 동일한 소자 및 동일한 저장 용량을 갖는 시스템일지라도 더 효율적으로 사용할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 생성부 및 에너지 저장부가 일체화된 에너지 생성 시스템을 도시한다.
도 2는 비교예를 위한 종래 기술에 따른 소자의 모식도를 도시한다.
도 3은 각각 종래 기술에 따른 소자와 본 발명에 따른 소자에 대한 커패시터 전압 출력값을 도시한다.
도 4는 각각 종래 기술에 따른 소자와 본 발명에 따른 소자에 대한 전압 및 전류 값을 도시한다.
도 5는 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 에너지 생성부 및 에너지 저장부가 일체화된 에너지 생성 시스템을 도시한다.
도 6은 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 시스템에서 제 2 전극 및 제 3 전극의 배치 형태의 평면도를 도시한다.
도 7은 비교예를 위한 종래 기술에 따른 소자의 모식도를 도시한다.
도 8은 각각 종래 기술에 따른 소자와 본 발명에 따른 소자에 대한 커패시터 전압 출력값을 도시한다.
도 9는 각각 종래 기술에 따른 소자와 본 발명에 따른 소자에 대한 전압 및 전류 값을 도시한다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 소자와 종래 기술의 소자와의 에너지 저장 효율을 비교한 그래프이다.
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.

본 발명에 따르면, 외부 운동 에너지를 이용하여 에너지 발전 및 저장을 하며, 에너지 저장체에 저장되는 전압에 의해 발전소자의 발전 출력이 향상된다. 향상된 발전소자의 발전 출력에 의해 에너지 저장체의 저장 효율을 더욱 증가 된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 생성부 및 에너지 저장부가 일체화된 에너지 생성 시스템을 도시한다.

도 1에서 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 생성부 및 에너지 저장부가 일체화된 에너지 생성 시스템은, 제 1 전극(51); 제 1 마찰 대전체(10); 제 2 마찰 대전체(20); 제 2 전극(52); 제 3 전극(53); 에너지 저장부(30); 및 제 4 전극(54)을 포함한다.

제 1 전극(51)은 제 1 마찰 대전체(10)의 일면에 형성된다. 제 1 전극으로 이용되는 물질은 전극으로 이용 가능한 물질이면 어느 것이나 가능하며 이에 대한 특별한 제한은 없다.

제 1 마찰 대전체(10)의 일면에는 제 1 전극이 배치되며, 제 1 마찰 대전체는 제 2 마찰 대전체와 대향하도록 배치되어 있다. 일정 간격이 이격되어 있으며, 외부의 힘 등에 의해 제 1 마찰 대전체(10) 및 제 2 마찰 대전체(20)는 서로 접촉 상태 및 비접촉 상태를 이룰 수 있다.

제 2 마찰 대전체(20)는 제 1 마찰 대전체(10)와 대향하고 있다. 상기 제 2 마찰 대전체는 상기 제 1 마찰 대전체와 대전 특성이 상이한 물질로 이루어지며, 상기 제 1 마찰 대전체와 상기 제 2 마찰 대전체는 에너지 생성부를 이룬다. 이 경우 대전열 상에서 서로 대전 특성이 차이가 클수록 마찰에 의한 마찰 전기 발생은 더욱 커질 수 있다.

제 2 전극(52)은 제 1 마찰 대전체와 대향하는 면의 반대면에 배치되며, 제 2 마찰 대전체의 면적 중 일부분에 배치된다. 도 1에서는 제 2 마찰 대전체의 면적 중 절반에 해당하는 부분에 배치되어 있다. 제 2 전극으로 이용되는 물질은 전극으로 이용 가능한 물질이면 어느 것이나 가능하며 이에 대한 특별한 제한은 없다.

제 3 전극(53)은 제 1 마찰 대전체와 대향하는 면의 반대면에 배치되며, 제 2 마찰 대전체의 면적 중 나머지 부분에 배치된다. 도 1에서는 제 2 마찰 대전체의 면적 중 제 2 전극이 배치된 나머지 부분의 절반에 해당하는 부분에 배치되어 있다. 제 2 전극이 차지하는 면적과 제 3 전극이 차지하는 면적이 동일한 것이 바람직하다.

제 3 전극으로 이용되는 물질은 전극으로 이용 가능한 물질이면 어느 것이나 가능하며 이에 대한 특별한 제한은 없다. 또한, 제 3 전극은 제 2 전극과 서로 절연되도록 배치되어야 한다. 이러한 절연을 위해 제 2 전극과 제 3 전극 간에는 이격이 존재할 수 있거나 또는 비전도성 물질(비전도성 접착제) 등이 그 사이에 배치될 수도 있다.

에너지 저장부(30)는 에너지 생성부에서 생성된 에너지를 저장하는 부분으로써 에너지 저장부로는 고유전 물질 혹은 고유전 물질이 혼합된 콤포짓 물질체를 이용하여도 가능하며, 유전체의 유전율에 따라 에너지 저장체로의 저장 용량에는 차이가 있다. 한편, 에너지 저장부는 제 2 전극 및 제 3 전극의 제 2 마찰 대전체와 접하는 면의 반대면에 배치되고, 제 3 전극 및 제 4 전극이 그 상하부에 배치되어 각각 전극을 이룬다.

제 4 전극(54)은 에너지 저장부의 제 2 전극 및 제 3 전극과 접하는 면의 반대면에 배치된다. 제 4 전극으로 이용되는 물질은 전극으로 이용 가능한 물질이면 어느 것이나 가능하며 이에 대한 특별한 제한은 없다.

본 발명의 에너지 생성부 및 에너지 저장부가 일체화된 에너지 생성 시스템에서는 제 1 마찰 대전체와 제 2 마찰 대전체가 대향하는 방향과 평행한 방향을 따라 접촉 상태 및 비접촉 상태를 이룸에 따라 마찰 전기가 발생되고, 발생된 마찰 전기는 정류기(40)를 통해 각각 제 3 전극 및 제 4 전극으로 전달되어 에너지 저장부(30)에서 저장되면서 제 3 전극 및 제 4 전극 간에 전위차를 생성하며, 생성된 전위차에 의해, 에너지 생성부의 발전 출력이 향상되게 된다.

즉, 본 발명은 에너지 발전 및 저장 시스템에서 발전 및 저장되는 에너지를 이용하여 상호 피드백을 통한 에너지 발전 및 저장 효율 향상을 가능하게 하는 시스템에 해당한다. 또한, 에너지 발전 및 저장 시스템을 일체화하여 에너지 발전 부피밀도를 향상시킬 수 있다.

한편, 본 발명의 일체형 소자에서 가지고 있는 저장 용량이 부족할 경우, 외부 저장체를 이용하여도 무방하다.

제 1 전극 및 제2 전극에는 각각 인출부가 연결되어 있으며, 이러한 인출부를 통해 정류기(40)로 연결된다. 제 3 전극 및 제 4 전극에는 각각 인출부가 연결되어 있으며, 인출부를 통해 정류기(40)로 연결된다.

도 1의 실시예에서 제 1 전극으로는 Al, 제 1 마찰 대전체로는 PFA, 제 2 마찰 대전체로는 Nylon 등을 이용하였으며, 이러한 도 1의 실시예와 비교하기 위해 동일한 조건으로 기존 형태의 소자(본 발명과 같이 일체형으로 이루어진 소자가 아니고 에너지 생성부와 에너지 저장부가 별도로 배치되어 있으며 서로 영향이 없음)와의 출력을 비교해 보았으며, 그 결과는 도 3 및 4와 같았다. 도 2는 비교예를 위한 종래 기술에 따른 소자의 모식도를 도시한다. 도 3은 각각 종래 기술에 따른 소자와 본 발명에 따른 소자에 대한 커패시터 전압 출력값을 도시한다. 도 4는 각각 종래 기술에 따른 소자와 본 발명에 따른 소자에 대한 전압 및 전류 값을 도시한다.

도 3 및 도 4에서 좌측은 종래 기술에 따른 소자에 대한 그래프이고, 우측은 본 발명에 따른 소자에 대한 그래프이다. 도 3 및 도 4에서 보는 것처럼, 에너지 생성 및 에너지 저장에 대한 일체형 시스템인 본 발명의 경우 종래 기술 대비 약 20% 이상의 에너지 저장 효율의 향상을 보였으며, 높은 충전 전압이나 낮은 충전 전압 영역 모든 곳에서 유사하게 효과를 나타내었다.

한편, 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 에너지 생성부 및 에너지 저장부가 일체화된 에너지 생성 시스템의 경우 제 1 마찰 대전체에 별도의 제 1 전극이 배치되지 아니하고, 제 1 마찰 대전체 자체가 금속으로 이루어지며 제 1 전극 역할을 할 수 있다. 이 경우 제 1 전극 역할을 하는 제 1 마찰 대전체로서는 전도성 금속 물질을 이용하며, 이용 가능한 금속의 예로는 납, 알루미늄, 철, 구리, 은, 금, 플라티늄 등이 있다.

도 5는 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 에너지 생성부 및 에너지 저장부가 일체화된 에너지 생성 시스템을 도시한다. 도 5의 실시예는 도 1의 실시예와 대부분이 동일하며, 제 2 전극 및 제 3 전극의 형태 및 배치가 상이하다. 이하에서는 위에서 설명한 내용과 중복되는 부분에 대해서는 생략하고, 상이한 부분을 중점적으로 설명하도록 하겠다.

본 발명의 추가적인 실시예에 따른 에너지 생성부 및 에너지 저장부가 일체화된 에너지 생성 시스템은, 제 1 전극(51)이 일면에 배치된 제 1 마찰 대전체(10); 제 1 마찰 대전체와 대향하도록 배치된 제 2 마찰 대전체(20); 상기 제 2 마찰 대전체의 상기 제 1 마찰 대전체와 대향하는 면의 반대면에 배치되며 상기 제 2 마찰 대전체의 면적의 일부분에 배치된 제 2 전극(52); 상기 제 2 전극과 동일 평면 상에 배치되며, 상기 제 2 마찰 대전체의 면적의 나머지 부분에 배치되고, 상기 제 2 전극과 절연되어 있는 제 3 전극(53); 상기 제 2 전극 및 제 3 전극의 상기 제 2 마찰 대전체와 접하는 면의 반대면에 배치된, 에너지 저장부(30); 및 상기 에너지 저장부의 상기 제 2 전극 및 제 3 전극과 접하는 면의 반대면에 배치된 제 4 전극(54)을 포함한다.

이 경우 제 2 전극(52) 및 제 3 전극(53)은 각각 일 방향으로 연장된 연결 전극 및 상기 연결 전극으로부터 수직한 방향으로 분기된 다수의 서브 전극들로 이루어진 전극 패턴을 이룬다. 도 6은 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 시스템에서 제 2 전극 및 제 3 전극의 배치 형태의 평면도를 도시한다. 도 6에서 보는 것처럼, 평면도로 봤을 때 제 2 전극(52)은 일 방향으로 연장된 연결 전극(52-1) 및 이러한 연결 전극으로부터 수직한 방향으로 분기된 다수의 서브 전극들(52-2)로 이루어진 전극 패턴을 이루고, 제 3 전극(53)은 일 방향으로 연장된 연결 전극(53-1) 및 이러한 연결 전극으로부터 수직한 방향으로 분기된 다수의 서브 전극들(53-2)로 이루어진다. 제 2 전극의 연결 전극(52-1) 및 제 3 전극의 연결 전극(53-1)은 서로 평행하고, 제 2 전극의 전극 패턴의 다수의 서브 전극들(52-2)과 제 3 전극의 다수의 서브 전극들(53-2)은 서로 맞물리도록(interdigitated) 배치되어 있다. 이 경우 제 2 전극과 제 3 전극은 서로 절연되어 있다. 도 6에서 제 2 전극과 제 3 전극 사이에 이격이 매우 큰 것처럼 도시되어 있으나, 실제로는 이격은 매우 작고 서로 절연체로 연결되어 있을 수도 있다.

한편, 제 2 전극이 차지하는 면적과 제 3 전극이 차지하는 면적이 동일한 것이 바람직하다.

제 2 마찰 대전체는 제 1 마찰 대전체와 대전 특성이 상이한 물질로 이루어지며, 제 1 마찰 대전체와 제 2 마찰 대전체는 에너지 생성부를 이룬다.

본 발명의 추가적인 실시예에 따른 에너지 생성부 및 에너지 저장부가 일체화된 에너지 생성 시스템은, 상기 제 1 마찰 대전체와 상기 제 2 마찰 대전체가 대향하는 방향과 평행한 방향을 따라 접촉 상태 및 비접촉 상태를 이룸에 따라 마찰 전기가 발생되고, 발생된 마찰 전기는 정류기를 통해 각각 제 3 전극 및 제 4 전극으로 전달되어 상기 에너지 저장부에서 저장되면서 제 3 전극 및 제 4 전극 간에 전위차를 생성하며, 생성된 전위차에 의해, 상기 에너지 생성부의 발전 출력이 향상된다.

제 1 전극 및 제2 전극에는 각각 인출부가 연결되어 있으며, 이러한 인출부를 통해 정류기(40)로 연결된다. 제 3 전극 및 제 4 전극에는 각각 인출부가 연결되어 있으며, 인출부를 통해 정류기(40)로 연결된다.

도 7은 비교예를 위한 종래 기술에 따른 소자의 모식도를 도시한다. 도 8은 각각 종래 기술에 따른 소자와 본 발명에 따른 소자에 대한 커패시터 전압 출력값을 도시한다. 도 9는 각각 종래 기술에 따른 소자와 본 발명에 따른 소자에 대한 전압 및 전류 값을 도시한다.

도 8 및 도 9에서 좌측은 종래 기술에 따른 소자에 대한 그래프이고, 우측은 본 발명에 따른 소자에 대한 그래프이다. 도 8 및 도 9에서 보는 것처럼, 에너지 생성 및 에너지 저장에 대한 일체형 시스템인 본 발명의 경우 종래 기술 대비 약 20% 이상의 에너지 저장 효율의 향상을 보였으며, 높은 충전 전압이나 낮은 충전 전압 영역 모든 곳에서 유사하게 효과를 나타내었다. 또한, 도 5의 실시예의 소자는 도 1의 실시예의 소자 대비 약 40% 이상의 효율 향상을 이루었다. 이를 통해, 에너지 발전 및 저장 일체형 시스템의 경우, 종래 기술의 소자의 경우보다 약 20% 이상의 에너지 저장 효율 향상을 보였으며, 또한, 에너지 발전 및 저장체의 전극 설계에 따라 상이한 거동을 하기 때문에 효과적으로 에너지 저장체 및 발전체의 전극 설계를 해야 함을 알 수 있었다. 즉, 도 1의 실시예와 같은 단순 구조와 도 5의 실시예와 같은 복합구조 일 때 40% 이상 효율 차이가 발생함을 확인하였다. 따라서, 전극 구조체의 경우 발전소자의 전극과 저장 소자의 전극이 최대한 복잡하게, 밀접하게 구성되어야 한다.

도 10은 본 발명의 실시예에 따른 소자와 종래 기술의 소자와의 에너지 저장 효율을 비교한 그래프로서, 약 20% 이상의 에너지 저장 효율 차이가 남을 알 수 있었다.

한편, 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 에너지 생성부 및 에너지 저장부가 일체화된 에너지 생성 시스템의 경우 제 1 마찰 대전체에 별도의 제 1 전극이 배치되지 아니하고, 제 1 마찰 대전체 자체가 금속으로 이루어지며 제 1 전극 역할을 할 수 있다. 이 경우 제 1 전극 역할을 하는 제 1 마찰 대전체로서는 전도성 금속 물질을 이용하며, 이용 가능한 금속의 예로는 납, 알루미늄, 철, 구리, 은, 금, 플라티늄 등이 있다.

본 발명에 따르면, 외부 운동 에너지를 이용하여 에너지 발전(생성) 및 저장을 하며, 에너지 저장부에 저장되는 전압에 의해 에너지 생성부의 발전 출력이 향상된다. 향상된 에너지 생성부의 발전 출력에 의해 에너지 저장부의 저장 효율 또한 더욱 증가 된다.

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.

Claims (16)

1. 제 1 전극이 일면에 배치된 제 1 마찰 대전체;
   상기 제 1 마찰 대전체와 대향하도록 배치된 제 2 마찰 대전체;
   상기 제 2 마찰 대전체의 상기 제 1 마찰 대전체와 대향하는 면의 반대면에 배치되며 상기 제 2 마찰 대전체의 면적의 일부분에 배치된 제 2 전극;
   상기 제 2 전극과 동일 평면 상에 배치되며, 상기 제 2 마찰 대전체의 면적의 나머지 부분에 배치되고, 상기 제 2 전극과 절연되어 있는 제 3 전극;
   상기 제 2 전극 및 제 3 전극의 상기 제 2 마찰 대전체와 접하는 면의 반대면에 배치된, 에너지 저장부; 및
   상기 에너지 저장부의 상기 제 2 전극 및 제 3 전극과 접하는 면의 반대면에 배치된 제 4 전극을 포함하고,
   상기 제 2 마찰 대전체는 상기 제 1 마찰 대전체와 대전 특성이 상이한 물질로 이루어지며, 상기 제 1 마찰 대전체와 상기 제 2 마찰 대전체는 에너지 생성부를 이루고,
   상기 제 1 마찰 대전체와 상기 제 2 마찰 대전체가 대향하는 방향과 평행한 방향을 따라 접촉 상태 및 비접촉 상태를 이룸에 따라 마찰 전기가 발생되고, 발생된 마찰 전기는 정류기를 통해 각각 제 3 전극 및 제 4 전극으로 전달되어 상기 에너지 저장부에서 저장되면서 제 3 전극 및 제 4 전극 간에 전위차를 생성하며, 상기 제 3 전극 및 제 4 전극 간에 생성된 전위차에 의해 상기 에너지 생성부의 발전 출력이 향상되는,
   에너지 생성부 및 에너지 저장부가 일체화된 에너지 생성 시스템.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 1 전극 및 상기 제2 전극에는 각각 인출부가 연결되어 있으며, 상기 인출부를 통해 정류기로 연결되는,
   에너지 생성부 및 에너지 저장부가 일체화된 에너지 생성 시스템.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 3 전극 및 상기 제 4 전극에는 각각 인출부가 연결되어 있으며, 상기 인출부를 통해 정류기로 연결되는,
   에너지 생성부 및 에너지 저장부가 일체화된 에너지 생성 시스템.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 2 전극이 차지하는 면적과 상기 제 3 전극이 차지하는 면적이 동일한,
   에너지 생성부 및 에너지 저장부가 일체화된 에너지 생성 시스템.
   
5. 금속으로 이루어지며 제 1 전극 역할을 하는 제 1 마찰 대전체;
   상기 제 1 마찰 대전체와 대향하도록 배치된 제 2 마찰 대전체;
   상기 제 2 마찰 대전체의 상기 제 1 마찰 대전체와 대향하는 면의 반대면에 배치되며 상기 제 2 마찰 대전체의 면적의 일부분에 배치된 제 2 전극;
   상기 제 2 전극과 동일 평면 상에 배치되며, 상기 제 2 마찰 대전체의 면적의 나머지 부분에 배치되고, 상기 제 2 전극과 절연되어 있는 제 3 전극;
   상기 제 2 전극 및 제 3 전극의 상기 제 2 마찰 대전체와 접하는 면의 반대면에 배치된, 에너지 저장부; 및
   상기 에너지 저장부의 상기 제 2 전극 및 제 3 전극과 접하는 면의 반대면에 배치된 제 4 전극을 포함하고,
   상기 제 2 마찰 대전체는 상기 제 1 마찰 대전체와 대전 특성이 상이한 물질로 이루어지며, 상기 제 1 마찰 대전체와 상기 제 2 마찰 대전체는 에너지 생성부를 이루고,
   상기 제 1 마찰 대전체와 상기 제 2 마찰 대전체가 대향하는 방향과 평행한 방향을 따라 접촉 상태 및 비접촉 상태를 이룸에 따라 마찰 전기가 발생되고, 발생된 마찰 전기는 정류기를 통해 각각 제 3 전극 및 제 4 전극으로 전달되어 상기 에너지 저장부에서 저장되면서 제 3 전극 및 제 4 전극 간에 전위차를 생성하며, 상기 제 3 전극 및 제 4 전극 간에 생성된 전위차에 의해 상기 에너지 생성부의 발전 출력이 향상되는,
   에너지 생성부 및 에너지 저장부가 일체화된 에너지 생성 시스템.
   
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 제 1 전극 및 상기 제2 전극에는 각각 인출부가 연결되어 있으며, 상기 인출부를 통해 정류기로 연결되는,
   에너지 생성부 및 에너지 저장부가 일체화된 에너지 생성 시스템.
   
7. 제 5 항에 있어서,
   상기 제 3 전극 및 상기 제 4 전극에는 각각 인출부가 연결되어 있으며, 상기 인출부를 통해 정류기로 연결되는,
   에너지 생성부 및 에너지 저장부가 일체화된 에너지 생성 시스템.
   
8. 제 5 항에 있어서,
   상기 제 2 전극이 차지하는 면적과 상기 제 3 전극이 차지하는 면적이 동일한,
   에너지 생성부 및 에너지 저장부가 일체화된 에너지 생성 시스템.
   
9. 제 1 전극이 일면에 배치된 제 1 마찰 대전체;
   상기 제 1 마찰 대전체와 대향하도록 배치된 제 2 마찰 대전체;
   상기 제 2 마찰 대전체의 상기 제 1 마찰 대전체와 대향하는 면의 반대면에 배치되며 상기 제 2 마찰 대전체의 면적의 일부분에 배치된 제 2 전극;
   상기 제 2 전극과 동일 평면 상에 배치되며, 상기 제 2 마찰 대전체의 면적의 나머지 부분에 배치되고, 상기 제 2 전극과 절연되어 있는 제 3 전극;
   상기 제 2 전극 및 제 3 전극의 상기 제 2 마찰 대전체와 접하는 면의 반대면에 배치된, 에너지 저장부; 및
   상기 에너지 저장부의 상기 제 2 전극 및 제 3 전극과 접하는 면의 반대면에 배치된 제 4 전극을 포함하고,
   상기 제 2 전극 및 상기 제 3 전극은 각각 일 방향으로 연장된 연결 전극 및 상기 연결 전극으로부터 수직한 방향으로 분기된 다수의 서브 전극들로 이루어진 전극 패턴을 이루며, 상기 제 2 전극의 연결 전극 및 상기 제 3 전극의 연결 전극은 서로 평행하고, 상기 제 2 전극의 전극 패턴의 다수의 서브 전극들과 상기 제 3 전극의 다수의 서브 전극들은 서로 맞물리도록(interdigitated) 배치되어 있으며,
   상기 제 2 마찰 대전체는 상기 제 1 마찰 대전체와 대전 특성이 상이한 물질로 이루어지며, 상기 제 1 마찰 대전체와 상기 제 2 마찰 대전체는 에너지 생성부를 이루고,
   상기 제 1 마찰 대전체와 상기 제 2 마찰 대전체가 대향하는 방향과 평행한 방향을 따라 접촉 상태 및 비접촉 상태를 이룸에 따라 마찰 전기가 발생되고, 발생된 마찰 전기는 정류기를 통해 각각 제 3 전극 및 제 4 전극으로 전달되어 상기 에너지 저장부에서 저장되면서 제 3 전극 및 제 4 전극 간에 전위차를 생성하며, 생성된 전위차에 의해, 상기 에너지 생성부의 발전 출력이 향상되는,
   에너지 생성부 및 에너지 저장부가 일체화된 에너지 생성 시스템.
   
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 전극 및 상기 제2 전극에는 각각 인출부가 연결되어 있으며, 상기 인출부를 통해 정류기로 연결되는,
    에너지 생성부 및 에너지 저장부가 일체화된 에너지 생성 시스템.
    
11. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 3 전극 및 상기 제 4 전극에는 각각 인출부가 연결되어 있으며, 상기 인출부를 통해 정류기로 연결되는,
    에너지 생성부 및 에너지 저장부가 일체화된 에너지 생성 시스템.
    
12. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 2 전극이 차지하는 면적과 상기 제 3 전극이 차지하는 면적이 동일한,
    에너지 생성부 및 에너지 저장부가 일체화된 에너지 생성 시스템.
    
13. 금속으로 이루어지며 제 1 전극 역할을 하는 제 1 마찰 대전체;
    상기 제 1 마찰 대전체와 대향하도록 배치된 제 2 마찰 대전체;
    상기 제 2 마찰 대전체의 상기 제 1 마찰 대전체와 대향하는 면의 반대면에 배치되며 상기 제 2 마찰 대전체의 면적의 일부분에 배치된 제 2 전극;
    상기 제 2 전극과 동일 평면 상에 배치되며, 상기 제 2 마찰 대전체의 면적의 나머지 부분에 배치되고, 상기 제 2 전극과 절연되어 있는 제 3 전극;
    상기 제 2 전극 및 제 3 전극의 상기 제 2 마찰 대전체와 접하는 면의 반대면에 배치된, 에너지 저장부; 및
    상기 에너지 저장부의 상기 제 2 전극 및 제 3 전극과 접하는 면의 반대면에 배치된 제 4 전극을 포함하고,
    상기 제 2 전극 및 상기 제 3 전극은 각각 일 방향으로 연장된 연결 전극 및 상기 연결 전극으로부터 수직한 방향으로 분기된 다수의 서브 전극들로 이루어진 전극 패턴을 이루며, 상기 제 2 전극의 연결 전극 및 상기 제 3 전극의 연결 전극은 서로 평행하고, 상기 제 2 전극의 전극 패턴의 다수의 서브 전극들과 상기 제 3 전극의 다수의 서브 전극들은 서로 맞물리도록(interdigitated) 배치되어 있으며,
    상기 제 2 마찰 대전체는 상기 제 1 마찰 대전체와 대전 특성이 상이한 물질로 이루어지며, 상기 제 1 마찰 대전체와 상기 제 2 마찰 대전체는 에너지 생성부를 이루고,
    상기 제 1 마찰 대전체와 상기 제 2 마찰 대전체가 대향하는 방향과 평행한 방향을 따라 접촉 상태 및 비접촉 상태를 이룸에 따라 마찰 전기가 발생되고, 발생된 마찰 전기는 정류기를 통해 각각 제 3 전극 및 제 4 전극으로 전달되어 상기 에너지 저장부에서 저장되면서 제 3 전극 및 제 4 전극 간에 전위차를 생성하며, 생성된 전위차에 의해, 상기 에너지 생성부의 발전 출력이 향상되는,
    에너지 생성부 및 에너지 저장부가 일체화된 에너지 생성 시스템.
    
14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 1 전극 및 상기 제2 전극에는 각각 인출부가 연결되어 있으며, 상기 인출부를 통해 정류기로 연결되는,
    에너지 생성부 및 에너지 저장부가 일체화된 에너지 생성 시스템.
    
15. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 3 전극 및 상기 제 4 전극에는 각각 인출부가 연결되어 있으며, 상기 인출부를 통해 정류기로 연결되는,
    에너지 생성부 및 에너지 저장부가 일체화된 에너지 생성 시스템.
    
16. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 2 전극이 차지하는 면적과 상기 제 3 전극이 차지하는 면적이 동일한,
    에너지 생성부 및 에너지 저장부가 일체화된 에너지 생성 시스템.

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