KR102009497B1 - 초음파를 이용한 마찰전기 에너지 발전소자 및 이의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 초음파를 이용한 마찰전기 에너지 발전소자에 관한 것이고, 또한 이러한 초음파를 이용한 마찰전기 에너지 발전소자의 제조 방법에 관한 것이다. 이러한 초음파를 이용한 마찰전기 에너지 발전소자는 체내에 삽입된 전자 기기의 연속적 구동을 가능하게 하도록 할 수 있다.
본 발명의 초음파를 이용한 마찰전기 에너지 발전소자에 따르면 체외에서 인가된 초음파로 인한 진동에 장기간 안정한 소자 특성을 보여줌으로써 장기간 체내 에너지 발전이 가능함에 따라 여러 분야에서의 커다란 파급력을 가져올 것이라 예상된다.
본 발명의 초음파를 이용한 마찰전기 에너지 발전소자에 따르면 체외에서 인가된 초음파로 인한 진동에 장기간 안정한 소자 특성을 보여줌으로써 장기간 체내 에너지 발전이 가능함에 따라 여러 분야에서의 커다란 파급력을 가져올 것이라 예상된다.
Description
본 발명은 초음파를 이용한 마찰전기 에너지 발전소자에 관한 것이고, 또한 이러한 초음파를 이용한 마찰전기 에너지 발전소자의 제조 방법에 관한 것이다. 이러한 초음파를 이용한 마찰전기 에너지 발전소자는 체내에 삽입된 전자 기기의 연속적 구동을 가능하게 하도록 할 수 있다.
기존의 평면형태의 필름을 기반으로 초음파에 의한 진동으로 마찰전기를 발전시키는 소자는, 장기간 구동 시에 안정성이 취약하다는 한계가 있었다.
초음파의 기계적 에너지를 전송시켜 체내에서 구동되는 소자의 특성상, 장기간 구동시에 소자의 구동 안정성이 매우 중요한 이슈이다. 이러한 종래의 기술의 취약점을 극복할 수 있는 기술을 개발하면, 배터리 교체의 불편함을 덜어줄 초음파 발전 기술의 취지에 부합하며 이를 응용한 다양한 헬스케어와 관련한 기술 구현의 한계를 극복할 수 있다.
종래 기술의 초음파를 이용한 마찰전기 에너지 발전 소자는 도 1의 좌측 모습과 같이 평면 형태의 소자 형태를 갖고 있으며, 이 경우 필름 상에 초음파가 인가되었을 때 균일한 스트레인(변형; strain)이 발생되지 아니하여 마찰에 의한 발전 효율이 낮다는 문제점이 있다.
본 발명은 초음파를 이용한 마찰전기 에너지 발전소자를 제공하고자 하며, 이러한 초음파를 이용한 마찰전기 에너지 발전소자를 이용해 신체 외부에서의 초음파 전송에 의하여 신체 내부의 마찰전기 에너지 발전을 안정적으로 장기간 이룸을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 초음파를 이용한 마찰전기 에너지 발전소자는, 제 1 마찰 부재; 및 상기 제 1 마찰 부재 상에 배치되며 측단면으로 볼 때 사인파 형태로 굴곡진 제 2 마찰 부재를 포함하고, 상기 제 1 마찰 부재와 상기 제 2 마찰 부재의 재질은 서로 상이한 마찰 대전 특성을 갖는 재질로 이루어져 있으며, 외부에서 인가된 초음파에 의해 상기 제 2 마찰 부재에서 사인파의 꼭지점에 해당하는 부분은 상기 제 1 마찰 부재와 주기적으로 접촉 및 비접촉을 이루며, 이에 의해 마찰 전기 에너지가 발생된다.
상기 제 1 마찰 부재는 금속 재질로 이루어지고, 상기 제 2 마찰 부재는 폴리머 재질로 이루어진다. 상기 제 2 마찰 부재는 열가소성 폴리머가 이용된다.
상기 에너지 발전 소자의 외부는 패키징(packaging) 되어 있다.
상기 제 1 마찰 부재와 상기 제 2 마찰 부재 사이에는 스페이서(spacer)가 배치되어 있을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 초음파를 이용한 마찰전기 에너지 발전소자의 제조 방법은, 제 1 마찰 부재를 준비하는 단계; 및 제 2 마찰 부재를 준비하고 상기 제 1 마찰 부재 상에 배치하는 단계를 포함하고, 상기 제 2 마찰 부재는 측단면으로 볼 때 사인파 형태로 굴곡진 형태를 가지며, 상기 제 2 마찰 부재의 준비는, 제 1 금속 메쉬를 준비하는 단계; 상기 금속 메쉬 위에 제 2 마찰 부재 물질을 배치시키는 단계; 제 2 금속 메쉬를 제 2 마찰 부재 물질 위에 배치시키는 단계; 및 상기 제 1 금속 메쉬/제 2 마찰 부재 물질/상기 제 2 금속 메쉬로 이루어진 구조체를 핫 플레이트 위에 위치시키고 열을 인가하는 단계를 포함하는, 상기 제 1 마찰 부재와 상기 제 2 마찰 부재의 재질은 서로 상이한 마찰 대전 특성을 갖는 재질로 이루어져 있으며, 외부에서 인가된 초음파에 의해 상기 제 2 마찰 부재에서 사인파의 꼭지점에 해당하는 부분은 상기 제 1 마찰 부재와 주기적으로 접촉 및 비접촉을 이루며, 이에 의해 마찰 전기 에너지가 발생된다.
상기 제 1 마찰 부재는 금속 재질로 이루어지고, 상기 제 2 마찰 부재는 폴리머 재질로 이루어진다. 상기 제 2 마찰 부재는 열가소성 폴리머가 이용된다.
상기 에너지 발전 소자의 외부는 패키징(packaging) 되어 있다.
상기 제 1 마찰 부재와 상기 제 2 마찰 부재 사이에 스페이서를 배치하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
기존의 평면형태의 필름을 기반으로 제작된 초음파 기반 발전소자는 장기간 구동 안정성이 확보되지 않았지만, 본 발명의 초음파를 이용한 마찰전기 에너지 발전소자에 따르면 체외에서 인가된 초음파로 인한 진동에 장기간 안정한 소자 특성을 보여줌으로써 장기간 체내 에너지 발전이 가능함에 따라 여러 분야에서의 커다란 파급력을 가져올 것이라 예상된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파를 이용한 마찰전기 에너지 발전소자의 측단면도를 도시한다.
도 2 및 도 3은 종래 기술에 따른 초음파를 이용한 마찰전기 에너지 발전소자와 본 발명에 따른 초음파를 이용한 마찰전기 에너지 발전소자의 비교도를 도시한다.
도 4는 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 초음파를 이용한 마찰전기 에너지 발전소자를 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파를 이용한 마찰전기 에너지 발전소자의 COMSOL 시뮬레이션을 도시한다.
도 6은 종래 기술에 따른 초음파를 이용한 마찰전기 에너지 발전소자와 본 발명에 따른 초음파를 이용한 마찰전기 에너지 발전소자의 기간별 출력 특성을 실험적으로 확인한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파를 이용한 마찰전기 에너지 발전소자의 제조 방법을 도시한다.
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.
도 2 및 도 3은 종래 기술에 따른 초음파를 이용한 마찰전기 에너지 발전소자와 본 발명에 따른 초음파를 이용한 마찰전기 에너지 발전소자의 비교도를 도시한다.
도 4는 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 초음파를 이용한 마찰전기 에너지 발전소자를 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파를 이용한 마찰전기 에너지 발전소자의 COMSOL 시뮬레이션을 도시한다.
도 6은 종래 기술에 따른 초음파를 이용한 마찰전기 에너지 발전소자와 본 발명에 따른 초음파를 이용한 마찰전기 에너지 발전소자의 기간별 출력 특성을 실험적으로 확인한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파를 이용한 마찰전기 에너지 발전소자의 제조 방법을 도시한다.
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 발명은 초음파를 이용한 마찰전기 에너지 발전소자에 관한 것이고, 또한 이러한 초음파를 이용한 마찰전기 에너지 발전소자의 제조 방법에 관한 것이다. 이러한 초음파를 이용한 마찰전기 에너지 발전소자는 체내에 삽입된 전자 기기의 장기적으로 안정적인 구동을 가능하게 하도록 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파를 이용한 마찰전기 에너지 발전소자의 측단면도를 도시한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 초음파를 이용한 마찰전기 에너지 발전소자는, 제 1 마찰 부재(10) 및 제 2 마찰 부재(20)를 포함한다.
도시되지는 아니하였지만, 제 1 마찰 부재(10)의 하부에는 기판이 배치될 수 있다. 기판은 인체에 무해한 폴리머로 이루어질 수 있고, 일 예로 테프론이 사용될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
제 1 마찰 부재(10)와 제 2 마찰 부재(20)의 재질은 서로 상이한 마찰 대전 특성을 갖는 재질로 이루어져 있으며, 이들은 대전열 상에서 대전 특성 차이가 큰 것일수록 바람직하다.
마찰전기 특성이 우수한 폴리머 필름(제 2 마찰 부재) 및 금속(제 1 마찰 부재)의 쌍(pair)을 고려하여 이용하는 것이 바람직하다. 왜냐하면 본 발명에서는 높은 어쿠스틱 임피던스 미스매칭(acoustic impedance mismatching) 특성을 이용하여 제 2 마찰 부재인 필름이 진동함으로써 마찰전기가 발생되는데, 이 경우 높은 어쿠스틱 임피던스 미스매칭이 이루어지려면 폴리머 필름 및 금속의 쌍이 바람직하기 때문이다.
다시 말하면, 초음파는 매질의 acoustic impedance 특성에 따라 전달되는 정도가 상이하고, 이러한 acoustic impedance 차이를 인위적으로 제어하여 부도체 특성의 필름(폴리머 필름)과 금속 간의 압력 변화를 발생이 가능할 것이다. 본 발명의 소자에서는 이러한 압력변화를 응용하여 초음파에 의한 필름의 위치 변이에 의한 캐패시턴스 값 변화를 전기에너지로 전환하여 체내에서 에너지 발전이 가능하게 된다.
제 2 마찰 부재(20)는 측단면으로 볼 때 사인파 형태로 굴곡진 형태를 갖는다. 도 1에서 보는 것처럼, 제 2 마찰 부재(20)는 측단면 형태가 사인파 형태의 굴곡진 형태를 갖고 있으며, 이에 의해 제 2 마찰 부재가 제 1 마찰 부재 상에 배치되었을 때 일부분(사인파 형태의 하부 꼭지점 부분)은 제 1 마찰 부재와 맞닿도록 배치된다. 이러한 사인파 형태의 굴곡진 형태의 제 2 마찰 부재는 열가소성 폴리머가 이용되는 것이 바람직한데, 이러한 열가소성 폴리머를 이용할 때 사인파 형태의 굴곡진 형태를 쉽게 제작할 수 있기 때문이다. 이 부분은 방법 발명의 설명시 추가적으로 설명하도록 하겠다.
본 발명에 따른 초음파를 이용한 마찰전기 에너지 발전소자는 제 2 마찰 부재가 사인파 형태로 굴곡진 형태를 갖고 있어, 평면 형태의 종래 기술에 따른 초음파를 이용한 마찰전기 에너지 발전소자와는 다르게 매우 높은 커패시턴스 특성을 나타내게 된다.
도 2 및 도 3은 종래 기술에 따른 초음파를 이용한 마찰전기 에너지 발전소자와 본 발명에 따른 초음파를 이용한 마찰전기 에너지 발전소자의 비교도를 도시한다.
도 2 및 도 3에서 좌측은 종래 기술에 따른 초음파를 이용한 마찰전기 에너지 발전소자의 모습이고, 우측은 본 발명에 따른 초음파를 이용한 마찰전기 에너지 발전소자의 모습이다. 본 발명의 실시예에 따른 초음파를 이용한 마찰전기 에너지 발전소자는, 외부에서 인가된 초음파에 의해 상기 제 2 마찰 부재에서 사인파의 꼭지점에 해당하는 부분은 상기 제 1 마찰 부재와 주기적으로 접촉 및 비접촉을 이루며, 이에 의해 마찰 전기 에너지가 발생된다.
도 2 및 3에서 보는 것처럼, 종래 기술에 따른 초음파를 이용한 마찰전기 에너지 발전소자의 경우 평평한 폴리머 필름이 배치되고, 이 경우 외부 초음파가 인가될 경우 진동이 유니폼(uniform)하지 아니하고, 어쿠스틱 임피던스 미스매치가 작으며 이에 의해 마찰 전기의 출력값이 작게 된다. 따라서, 구동 안정성이 확보되기 어려워 매우 불안정한 소자 출력을 나타내게 된다.
이에 반해 우측의 본 발명에 따른 초음파를 이용한 마찰전기 에너지 발전소자의 경우, 단면이 사인파 형태의 굴곡진 형태를 가짐으로써 외부 초음파가 인가되었을때 리플렉션(reflection)의 정도가 굴곡에 따라 위치별로 상이하게 되고, 이에 의해 필름에 균일한 변형이 발생되어 진동이 유니폼하며, 또한 어쿠스틱 임피던스 미스매치가 높기 때문에 마찰전기 출력이 크게 된다. 따라서, 구동 안정성이 확보되어 매우 안정적인 소자 출력을 나타낼 수 있다. 도 2의 우측에서 보듯이, A 영역의 경우에는 위에서부터 차례대로 폴리머 필름/에어 영역(C 영역)/금속의 순으로 배치되고 그 옆의 B 영역의 경우에는 폴리머 필름/금속 순으로 배치되며 에어 영역은 없다. 따라서 초음파가 인가되었을 때 A 영역과 B 영역의 리플렉션이 상이하고, 이에 의해 상부의 폴리머 물질과 하부의 금속 물질 간의 상이한 압력을 형성시킴으로써 어쿠스틱 임피던스 미스매치가 일어난다. 이처럼 본 발명에서는 초음파에 의한 압력 차이를 분산시켜 장기간 안정성이 확보된 마찰 전기 발전 소자를 제공하고, 이를 이용해 인공 심박 조율기와 같이 장기간 전원이 필요한 신체 삽입형 의료 기기의 전원으로 활용이 가능할 것이다.
체외에서 인가된 초음파에 의한 체내 발전 기술의 목적은 인체삽입 전자기기의 연속적 구동을 위한 배터리 교체라는 환자의 불편함을 줄여주는 것이고, 따라서 주어진 초음파에 의한 체내 발전 소자의 장기적인 구동 안정성을 확보가 필요한 것이다.
한편, 본 발명의 제 1 마찰 부재 및 제 2 마찰 부재에는 각각 도시되지는 아니하였으나 전극이 배치될 수 있으며, 이러한 전극들은 인체에 무해한 금속 물질로 이루어지고, 예를 들어 금이 이용될 수 있다.
또한, 본 발명의 에너지 발전 소자의 외부는 패키징(packaging) 되어 있을 수 있으며, 일반적으로 패키징은 실리콘을 이용해 이루어진다.
도 4는 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 초음파를 이용한 마찰전기 에너지 발전소자를 도시한다. 도 4에서 보는 것처럼, 제 1 마찰 부재(10)와 제 2 마찰 부재(20) 사이에는 스페이서(spacer; 30)가 추가적으로 배치될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파를 이용한 마찰전기 에너지 발전소자의 COMSOL 시뮬레이션을 도시한다. 초음파 프로브로부터 약 0.5 cm 떨어져 위치한 Perfluoroalkoxy (PFA) 폴리머 필름에 20 kHz 의 초음파를 인가한 경우에 PFA 필름과 하부 금속간의 어쿠스틱 임피던스 미스매칭에 의한 압력발생과 이에 따른 거동특성을 계산하여 묘사한 것이다. 초음파에 의한 마찰전기 에너지 소자의 핵심 구동 메커니즘은 서로 다른 물질 간의 마찰에 의한 전기적 포텐셜 차이 생성 및 그에 따른 평형을 위한 전자의 흐름이며, 본 발명에 따르면 인위적인 어쿠스틱 임피던스 미스매칭을 통하여 상부의 폴리머 물질과 하부 금속 물질간의 상이한 압력을 형성시켜 압력 정도를 제어할 수 있고, 이는 최종적으로 발전되는 전력과 관계된다. 도 5에서 보는 것처럼 어쿠스틱 임피던스 미스매칭에 의한 압력 발생과 이에 따른 거동 특성이 패턴으로 나타남을 시뮬레이션 상에서 확인할 수 있었다. 도 5에서는 주어진 초음파로부터 발생된 폴리머 물질과 하부 금속 물질과의 acoustic impedance mismatching에 의해 인위적인 국부 압력 차이에 의해 진동 운동함이 묘사되어 있다. 소자 제작 시, 종래 기술에 따른 경우, 평면형태의 폴리머 물질로 소자 제작시에 폴리머 물질의 geometry는 고정되어 있기 때문에 도 5와 같이 z-axis로 연속적인 변위차이의 발생은 소자의 구동 안정성에 취약하다는 문제점을 갖고 있다.
도 6은 종래 기술에 따른 초음파를 이용한 마찰전기 에너지 발전소자와 본 발명에 따른 초음파를 이용한 마찰전기 에너지 발전소자의 기간별 출력 특성을 실험적으로 확인한 도면이다. 도 6에서 보는 것처럼, 동일한 조건의 초음파를 각각 평면형태와 패턴형태의 필름에 인가하였을 때 시간별로 출력 특성을 비교하였다. 상업적으로 시판되고 있는 심박동기의 배터리를 완전 충전시키기 위해서는 위 소자의 출력으로 약 3~4시간의 충전시간이 필요하다. 평면형태의 필름 기반 초음파 소자를 제작하고, 1 주일 이후에 구동 시에 15 분 만에 출력이 약 100% 이상 감소하였다. 이와 다르게, 패턴형태의 필름 기반 초음파 소자를 동일하게 제작하고, 1주일 이후에 구동 시에 4시간 가량 구동시에도 출력의 감소폭이 10% 미만으로 미비한 수준이었다.
지금까지 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파를 이용한 마찰전기 에너지 발전소자에 대해서 설명하였으며, 이하에서는 이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파를 이용한 마찰전기 에너지 발전소자의 제조 방법에 대해 설명하도록 하겠다. 위에서 설명한 내용과 중복되는 내용에 대해서는 반복 설명을 생략하고, 방법 부분에 대한 특징에 초점을 맞추어 설명하도록 하겠다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파를 이용한 마찰전기 에너지 발전소자의 제조 방법을 도시한다.
도 7에서 도시된 것처럼, 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파를 이용한 마찰전기 에너지 발전소자의 제조 방법은, 제 1 마찰 부재를 준비하는 단계; 및 제 2 마찰 부재를 준비하고 상기 제 1 마찰 부재 상에 배치하는 단계를 포함한다.
제 1 마찰 부재는 금속 재질로 이루어진 것이 이용된다.
제 2 마찰 부재는 측단면으로 볼 때 사인파 형태로 굴곡진 형태를 갖고 있다. 따라서 제 2 마찰 부재는 이러한 굴곡진 형태를 갖도록 준비되어야 하며, 그 준비 방법은 다음과 같다. 제 2 마찰 부재의 준비 방법은, 제 1 금속 메쉬를 준비하는 단계; 상기 금속 메쉬 위에 제 2 마찰 부재 물질을 배치시키는 단계; 제 2 금속 메쉬를 제 2 마찰 부재 물질 위에 배치시키는 단계; 및 상기 제 1 금속 메쉬/제 2 마찰 부재 물질/상기 제 2 금속 메쉬로 이루어진 구조체를 핫 플레이트 위에 위치시키고 열을 인가하는 단계를 포함한다.
제 2 마찰 부재는 폴리머 재질로 이루어지고, 바람직하게 열가소성 폴리머가 이용된다. 도 7의 실시예에서는 열가소성 폴리머로서 perfluoroalkoxy alkane (PFA)를 이용하였다. 도 7에서처럼, 제 1 금속 메쉬/제 2 마찰 부재 물질/상기 제 2 금속 메쉬로 이루어진 구조체를 핫 플레이트 위에 위치시키고 225 내지 240℃의 열을 15-20분 정도 인가하며 이 경우 구조물 상단에 약 1kg의 무게추를 위치시켜 위치를 고정시키는 것이 바람직하다. 이에 의해 제 2 마찰 부재를 준비하고, 준비된 제 2 마찰 부재를 제 1 마찰 부재 상에 배치시킨다.
상기 제 1 마찰 부재와 상기 제 2 마찰 부재의 재질은 서로 상이한 마찰 대전 특성을 갖는 재질로 이루어져 있으며, 외부에서 인가된 초음파에 의해 상기 제 2 마찰 부재에서 사인파의 꼭지점에 해당하는 부분은 상기 제 1 마찰 부재와 주기적으로 접촉 및 비접촉을 이루며, 이에 의해 마찰 전기 에너지가 발생된다.
한편, 상기 에너지 발전 소자의 외부는 패키징 되어 있으며, 이러한 패키징은 실리콘을 이용해 패키징될 수 있다.
또한, 상기 제 1 마찰 부재와 상기 제 2 마찰 부재 사이에 스페이서를 배치하는 단계를 추가로 포함할 수도 있다.
기존의 평면형태의 필름을 기반으로 제작된 초음파 기반 발전소자는 장기간 구동 안정성이 확보되지 않았지만, 본 발명의 초음파를 이용한 마찰전기 에너지 발전소자에 따르면 체외에서 인가된 초음파로 인한 진동에 장기간 안정한 소자 특성을 보여줌으로써 장기간 체내 에너지 발전이 가능함에 따라 여러 분야에서의 커다란 파급력을 가져올 것이라 예상된다.
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 (13)
- 제 1 마찰 부재; 및
상기 제 1 마찰 부재 상에 배치되며 측단면으로 볼 때 밸리(valley) 및 피크(peak)를 포함하는 굴곡진 형태의 제 2 마찰 부재를 포함하고,
상기 제 1 마찰 부재와 상기 제 2 마찰 부재의 재질은 서로 상이한 마찰 대전 특성을 갖는 재질로 이루어져 있으며,
상기 제 2 마찰 부재의 측단면이 밸리 및 피크를 포함하는 굴곡진 형태를 갖기 때문에 외부에서 초음파가 인가되었을 때 리플렉션(reflection)의 정도가 굴곡에 따라 위치별로 상이하게 발생됨으로써 균일한 변형이 발생되어 진동이 유니폼하게 되고, 이에 의해 제 2 마찰 부재에서 피크에 해당하는 부분은 상기 제 1 마찰 부재와 주기적으로 접촉 및 비접촉을 이루며 마찰 전기 에너지가 발생되는,
초음파를 이용한 마찰전기 에너지 발전소자.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 마찰 부재는 금속 재질로 이루어진,
초음파를 이용한 마찰전기 에너지 발전소자.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 마찰 부재는 폴리머 재질로 이루어진,
초음파를 이용한 마찰전기 에너지 발전소자.
- 제 3 항에 있어서,
상기 제 2 마찰 부재는 열가소성 폴리머인,
초음파를 이용한 마찰전기 에너지 발전소자.
- 제 1 항에 있어서,
상기 에너지 발전 소자의 외부는 패키징(packaging) 되어 있는,
초음파를 이용한 마찰전기 에너지 발전소자.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 마찰 부재와 상기 제 2 마찰 부재 사이에는 스페이서(spacer)가 배치되어 있는,
초음파를 이용한 마찰전기 에너지 발전소자.
- 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 따른 초음파를 이용한 마찰전기 에너지 발전소자를 포함한, 체내 삽입 전자 기기.
- 제 1 마찰 부재를 준비하는 단계; 및
제 2 마찰 부재를 준비하고 상기 제 1 마찰 부재 상에 배치하는 단계를 포함하고,
상기 제 2 마찰 부재는 측단면으로 볼 때 밸리 및 피크를 포함하는 굴곡진 형태를 가지며,
상기 제 2 마찰 부재의 준비는,
제 1 금속 메쉬를 준비하는 단계;
상기 제 1 금속 메쉬 위에 제 2 마찰 부재 물질을 배치시키는 단계;
제 2 금속 메쉬를 제 2 마찰 부재 물질 위에 배치시키는 단계; 및
상기 제 1 금속 메쉬/제 2 마찰 부재 물질/상기 제 2 금속 메쉬로 이루어진 구조체를 핫 플레이트 위에 위치시키고 열을 인가하는 단계를 포함하는,
상기 제 1 마찰 부재와 상기 제 2 마찰 부재의 재질은 서로 상이한 마찰 대전 특성을 갖는 재질로 이루어져 있으며,
상기 제 2 마찰 부재의 측단면이 밸리 및 피크를 포함하는 굴곡진 형태를 갖기 때문에 외부에서 초음파가 인가되었을 때 리플렉션(reflection)의 정도가 굴곡에 따라 위치별로 상이하게 발생됨으로써 균일한 변형이 발생되어 진동이 유니폼하게 되고, 이에 의해 제 2 마찰 부재에서 피크에 해당하는 부분은 상기 제 1 마찰 부재와 주기적으로 접촉 및 비접촉을 이루며 마찰 전기 에너지가 발생되는,
초음파를 이용한 마찰전기 에너지 발전소자의 제조 방법.
- 제 8 항에 있어서,
상기 제 1 마찰 부재는 금속 재질로 이루어진,
초음파를 이용한 마찰전기 에너지 발전소자의 제조 방법.
- 제 8 항에 있어서,
상기 제 2 마찰 부재는 폴리머 재질로 이루어진,
초음파를 이용한 마찰전기 에너지 발전소자의 제조 방법.
- 제 10 항에 있어서,
상기 제 2 마찰 부재는 열가소성 폴리머인,
초음파를 이용한 마찰전기 에너지 발전소자의 제조 방법.
- 제 8 항에 있어서,
상기 에너지 발전 소자의 외부는 패키징 되어 있는,
초음파를 이용한 마찰전기 에너지 발전소자의 제조 방법.
- 제 8 항에 있어서,
상기 제 1 마찰 부재와 상기 제 2 마찰 부재 사이에 스페이서를 배치하는 단계를 추가로 포함하는,
초음파를 이용한 마찰전기 에너지 발전소자의 제조 방법.
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Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20210073212A (ko) * | 2019-12-10 | 2021-06-18 | 성균관대학교산학협력단 | 초음파 기반 마찰전기 에너지 발전 소자를 이용한 종양 세포의 증식 억제 방법 |
| CN113491832A (zh) * | 2020-03-18 | 2021-10-12 | 宇能全球 | 利用超声波医疗仪器的体内插入仪器的无线充电系统 |
| KR20230061687A (ko) * | 2021-10-29 | 2023-05-09 | 성균관대학교산학협력단 | 플라즈마 에칭을 이용하여 셀프갭이 형성되어 있는 초음파 마찰전기 발전소자 |
| KR20230144271A (ko) | 2022-04-07 | 2023-10-16 | 성균관대학교산학협력단 | 초음파 구동 마찰전기 발전소자를 포함한 구조체 및 이를 이용한 신경 자극 플랫폼 |
| KR20240176492A (ko) * | 2023-06-16 | 2024-12-24 | 경희대학교 산학협력단 | 마찰전기 나노발전기 및 이의 제조 방법 |
-
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- 2018-03-19 KR KR1020180031624A patent/KR102009497B1/ko active IP Right Grant
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| "High performance sound driven triboelectric nanogenerator for harvesting noise energy", Nuanyang Cuia, Nano Energy(2015) 15 (2015.05.15. 공개)* * |
| "Recent Advances in Nanogenerator-Driven Self-Powered Implantable Biomedical Devices",M. A. Parvez Mahmud, Adv. Energy Mater. 2017, 1701210 (2017.09.18. 공개)* * |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20210073212A (ko) * | 2019-12-10 | 2021-06-18 | 성균관대학교산학협력단 | 초음파 기반 마찰전기 에너지 발전 소자를 이용한 종양 세포의 증식 억제 방법 |
| KR102370774B1 (ko) * | 2019-12-10 | 2022-03-03 | 성균관대학교산학협력단 | 초음파 기반 마찰전기 에너지 발전 소자를 이용한 종양 세포의 증식 억제 방법 |
| CN113491832A (zh) * | 2020-03-18 | 2021-10-12 | 宇能全球 | 利用超声波医疗仪器的体内插入仪器的无线充电系统 |
| CN113491832B (zh) * | 2020-03-18 | 2024-10-11 | 宇能全球 | 利用超声波医疗仪器的体内插入仪器的无线充电系统 |
| KR20230061687A (ko) * | 2021-10-29 | 2023-05-09 | 성균관대학교산학협력단 | 플라즈마 에칭을 이용하여 셀프갭이 형성되어 있는 초음파 마찰전기 발전소자 |
| KR102629627B1 (ko) | 2021-10-29 | 2024-01-24 | 성균관대학교산학협력단 | 플라즈마 에칭을 이용하여 셀프갭이 형성되어 있는 초음파 마찰전기 발전소자 |
| KR20230144271A (ko) | 2022-04-07 | 2023-10-16 | 성균관대학교산학협력단 | 초음파 구동 마찰전기 발전소자를 포함한 구조체 및 이를 이용한 신경 자극 플랫폼 |
| KR20240176492A (ko) * | 2023-06-16 | 2024-12-24 | 경희대학교 산학협력단 | 마찰전기 나노발전기 및 이의 제조 방법 |
| KR102757153B1 (ko) * | 2023-06-16 | 2025-01-21 | 경희대학교 산학협력단 | 마찰전기 나노발전기 및 이의 제조 방법 |
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