KR102026429B1 - 접촉 대전 발전기 - Google Patents

접촉 대전 발전기 Download PDF

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KR102026429B1 KR1020180051141A KR20180051141A KR102026429B1 KR 102026429 B1 KR102026429 B1 KR 102026429B1 KR 1020180051141 A KR1020180051141 A KR 1020180051141A KR 20180051141 A KR20180051141 A KR 20180051141A KR 102026429 B1 KR102026429 B1 KR 102026429B1
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김태환
전영표
이은정
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한양대학교 산학협력단
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02N1/00—Electrostatic generators or motors using a solid moving electrostatic charge carrier
    • H02N1/04—Friction generators

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  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
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Abstract

정전 유도 작용을 통해 전류를 생산하는 접촉 대전 발전기에 관한 것이다. 접촉 대전 발전기는 제1 전극 필름 및 제2 전극 필름을 포함한다. 제1 전극 필름은 수직 방향으로 배치되며, 복수로 구비되어 상호 이격된다. 제2 전극 필름은 제1 전극 필름의 사이마다 수직 방향으로 배치되고, 초박막형으로 형성되어 수평방향으로 작용하는 풍력에 의해 진동하여 제1 전극 필름과 접촉되며 정전유도 작용으로 인한 전류를 발생시킨다.

Description

접촉 대전 발전기{Triboelectric energy harvester}
본 발명은 정전 유도 작용을 통해 전류를 생산하는 접촉 대전 발전기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 초박막 형태의 제2 전극 필름이 풍속에 의해 진동하며 제1 전극 필름과 반복적으로 접촉됨으로써 정전 유도 작용으로 인한 전류를 생산하는 접촉 대전 발전기에 관한 것이다.
최근 유한한 화석에너지에 의한 에너지 가격 상승과 환경 문제에 대한 대처 방안으로써, 친환경 에너지 자원 개발이 크게 요구되고 있다. 이에 따라, 환경의 훼손을 줄이면서도 기존의 화석에너지를 대체하여 안정적으로 공급할 수 있는 새로운 신재생에너지 자원 개발에 대한 연구와, 기존 에너지 효율 향상 및 에너지 저감 기술에 대한 연구가 상당히 집중 받고 있다.
전술한 문제의 대처 방안으로써 풍력발전기는 각광받고 있는 에너지원 중의 하나이다. 그러나, 풍력발전기는 블레이드를 지지하기 위한 탑의 높이와 규모로 인해 초기 투자비용 및 설치면적을 많이 차지하는 문제가 있었다.
특히 터빈에 의한 소음과 설치 면적이 큰 공간적 한계로 인해 도심 지역에는 설치하기가 어렵고 해상이나 목축지에 설치하게 되는데, 이는 전기를 주로 소비하는 도심 지역과는 거리가 멀리 떨어져 있기 때문에 별도의 에너지 저장 및 공급 시설이 더 필요한 문제가 있었다.
본 발명의 과제는 제1 전극 필름 및 제2 전극 필름 사이의 정전유도 작용을 통해 전기 에너지를 생산함으로써 소음 및 오염물질이 발생하지 않으며, 터빈이나 탑과 같은 고가의 장치를 필요로 하지 않아 설치 공간을 많이 차지하지 않으면서도 저렴한 비용으로 제작 가능한 접촉 대전 발전기를 제공함에 있다.
상기의 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 접촉 대전 발전기는 제1 전극 필름 및 제2 전극 필름을 포함한다. 제1 전극 필름은 수직 방향으로 배치되며, 복수로 구비되어 상호 이격된다. 제2 전극 필름은 제1 전극 필름의 사이마다 수직 방향으로 배치되고, 초박막형으로 형성되어 수평방향으로 작용하는 풍력에 의해 진동하여 제1 전극 필름과 접촉되며 정전유도 작용으로 인한 전류를 발생시킨다.
일 실시예에 따르면, 풍력이 작용하는 방향으로 개구가 형성된 케이스를 더 포함하며, 케이스의 내측 상부에는 제2 전극 필름의 상단이 고정되고, 케이스의 내측 하부에는 제1 전극 필름의 하단이 고정된다.
일 실시예에 따르면, 제1 전극 필름은 제1 전극층과, 제1 전극층의 일면에 형성되며, 제2 전극 필름과의 접촉에 의해 음전하 또는 양전하로 대전되는 제1 마찰층을 포함한다.
일 실시예에 따르면, 제2 전극 필름은 제1 전극 필름과 마주하게 배치된 제2 전극층과, 제2 전극층의 일면에 형성되며, 제1 마찰층과의 접촉에 의해 양전하로 대전되는 제2 마찰층을 포함한다.
일 실시예에 따르면, 제1 마찰층은 Teflon, Silicone, PVC, Polythyylene, polyurethance, Saran, Celluloid, Polyester, Rayon 중 선택된 하나를 포함한다.
일 실시예에 따르면, 제1 전극층 및 제2 전극층은 각각 제1 기판 및 제2 기판 상에 마련된다.
일 실시예에 따르면, 제2 기판은 투명 고분자 소재로 형성되며, 상기 투명 고분자 소재는 PET, PEN, PC, PES, PI 중 선택된 하나를 포함한다.
일 실시예에 따르면, 제2 마찰층은 유기물질로 형성되며, 상기 유기물질은 NPB, β-NPB, TPD, Spiro-TPD, Spiro-NPB, DMFL-TPD, DMFL-NPB, DPFL-TPD, DPFL-NPB, α-NPD, Spiro-TAD, BPAPF, NPAPF, NPBAPF, Spiro-2NPB, PAPB, 2,2'-Spiro-DBP, Spiro-BPA, TAPC, Spiro-TTB, β-TNB, HMTPD, α,β-TNB, α-TNB, β- NPP, PEDOT 중 선택된 하나를 포함한다.
일 실시예에 따르면, 제2 마찰층 및 제2 전극층은 제2 기판 상에 진공 증착되어 형성된다.
일 실시예에 따르면, 제1 전극층 및 제2 전극층은 Al, Au, Ag, Cu, Pt, W, Ni, Zn, Ti, Zr, Hf, Cd, Pd 중 선택된 적어도 하나를 포함한다.
일 실시예에 따르면, 제1 전극층 및 제2 전극층은 금속 산화물로 형성되며, 상기 금속 산화물은 TO, Al-doped ZnO (AZO), Ga-doped ZnO (GZO), In,Ga-doped ZnO (IGZO), Mg-doped ZnO (MZO), Mo-doped ZnO, Al-doped MgO, Ga-doped MgO, F-doped SnO2, Nb-doped TiO2. CuAlO2 중 선택된 적어도 하나를 포함한다.
일 실시예에 따르면, 제1 전극층 및 제2 전극층은 그래핀, SW-CNT, DW-CNT, MW-CNT, C60 중 선택된 적어도 하나를 포함한다.
일 실시예에 따르면, 제2 전극 필름은 유연성(flexible)을 갖는 재질로 형성된다.
일 실시예에 따르면, 제2 전극 필름은 5㎛ 내지 50㎛ 크기의 두께로 형성된다.
일 실시예에 따르면, 제2 전극 필름은 50㎛ 크기의 두께로 형성된다.
본 발명에 따른 접촉 대전 발전기는 케이스와, 제1 전극 필름, 및 제2 전극 필름을 포함한다. 케이스는 일면에 개구가 형성된다. 제1 전극 필름은 케이스 내에 일방향으로 길게 형성되며, 복수로 구비되어 상호 이격 배치되고, 바람이 불어도 휘어지지 않는 강성이 있는 재질로 형성된다. 제2 전극 필름은 케이스 내에 상기 제1 전극 필름과 나란하게 연장되도록 배치되되 제1 전극 필름의 사이마다 배치되고, 유연한 재질의 초박막형으로 형성되어 일면으로부터 수직 방향으로 작용하는 풍력에 의해 진동하여 제1 전극 필름과 접촉된다. 제1 전극 필름 및 제2 전극 필름 사이에는 정전유도 작용으로 인한 전류를 발생한다.
일 실시예에 따르면, 제1 전극 필름 및 제2 전극 필름은 케이스의 내측 하부 및 상부에 각각 수직 방향으로 배치된다.
일 실시예에 따르면, 상기 제1 전극 필름은 제1 전극층과, 제1 전극층의 일면에 형성되며, 제2 전극 필름과의 접촉에 의해 음전하 또는 양전하로 대전되는 제1 마찰층을 포함한다. 그리고, 상기 제2 전극 필름은 제1 전극 필름과 마주하게 배치된 제2 전극층과, 제2 전극층의 일면에 형성되며, 제1 마찰층과의 접촉에 의해 상기 제1 마찰층 반대 극성으로 대전되는 제2 마찰층을 포함한다.
일 실시예에 따르면, 제2 마찰층 및 제2 전극층은 상기 제2 기판 상에 진공 증착되어 형성된다.
본 발명에 따르면, 제1 전극 필름 및 제2 전극 필름 사이의 정전유도 작용을 통해 전기 에너지를 생산하므로, 소음 및 오염물질이 발생하지 않아 전기를 소모하는 도심 지역에 직접 설치할 수 있게 된다.
또한, 터빈이나 탑과 같은 고가의 장치를 필요로 하지 않으므로, 종래의 풍력 발전기와 비교하여 설치 공간을 많이 차지하지 않으면서도 저렴한 비용으로 전기 에너지를 생산할 수 있게 된다.
또한, 종래의 풍력 발전기와 비교할 때 제조 공정이 간단하고 무게가 가벼워 공정 비용이 줄어들고 휴대가 가능하며, 모양과 형태의 다양한 변경이 가능하여 활용도가 높은 장점이 있다.
아울러, 제1 전극 필름 및 제2 전극 필름의 개수를 적절히 조절하면 획득하고자 하는 전기 에너지의 용량을 증감시킬 수 있으므로, 소형 전력원으로 사용될 수 있을 뿐 아니라 고출력 발전에도 적용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 대전 발전기의 사시도.
도 2는 도 1에 도시된 접촉 대전 발전기의 동작을 설명하기 위한 도면.
도 3은 도 1에 도시된 접촉 대전 발전기의 제1 마찰층 및 제2 마찰층의 접촉 및 분리에 따른 표면 전하의 변화를 나타낸 도면.
도 4는 도 1에 도시된 접촉 대전 발전기에 의한 전압 형성 그래프.
도 5는 도 1에 있어서, 다른 실시예에 따른 제1 전극 필름과 제2 전극 필름을 도시한 도면.
이하 첨부된 도면을 참조하여, 바람직한 실시예에 따른 접촉 대전 발전기에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 동일한 구성에 대해서는 동일부호를 사용하며, 반복되는 설명, 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 대전 발전기의 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 접촉 대전 발전기의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 그리고, 도 3은 도 1에 도시된 접촉 대전 발전기의 제1 마찰층 및 제2 마찰층의 접촉 및 분리에 따른 표면 전하의 변화를 나타낸 도면이고, 도 4는 도 1에 도시된 접촉 대전 발전기에 의한 전압 형성 그래프이다.
도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 접촉 대전 발전기(100)는 제1 전극 필름(110)과, 제2 전극 필름(120)를 포함한다. 여기서, 접촉 대전 발전기(100)란 주변 환경에 존재하는 기계적 에너지를 정전 유도 작용을 통해 전기 에너지로 변환하는 장치로, 본 실시예에서는 기계적 에너지를 풍력으로만 설명하였으나, 이밖에도 파력, 인간의 움직임 등으로부터 발생되는 기계적 에너지 모두를 의미할 수 있다.
제1 전극 필름(110)은 복수로 구비되어 상호 이격 배치될 수 있다. 이때, 제1 전극 필름(110)은 수직 방향으로 배치될 수 있다. 여기서 수직 방향이라 함은 지면으로부터 상하 방향, 즉 Z축 방향을 의미한다.
제1 전극 필름(110)은 바람이 불더라도 흔들리지 않는 강성이 있는 재질로 형성될 수 있고, 이에 따라 제1 전극 필름(110)은 케이스(130) 내부에 바람이 불더라도 저면에서 수직으로 연장되는 상태를 유지할 수 있다.
제1 전극 필름(110)에서 강성이 있는 재질로 형성되는 것은 후술하는 제1 전극층(111) 또는 제1 기판(113) 가운데 적어도 하나이다. 제1 전극 필름(110)에 제1 기판(113)이 포함되지 않는 경우에는 제1 전극층(111)이 강성이 있는 재질로 형성되고, 제1 전극 필름(110)에 강성이 있는 제1 기판(113)이 포함되는 경우에는 제1 기판(113)에 제1 전극층(111)이 도포 내지 형성되면 되므로, 제1 전극층(111)이 반드시 강성이 있는 재질로 형성될 필요는 없다.
구체적으로, 제1 전극 필름(110)은 제1 전극층(111)과, 제1 마찰층(112)을 포함한다.
제1 전극층(111)은 지면으로부터 수직 방향으로 배치될 수 있으며, 전기전도성이 우수한 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 전극층(111)은 Al, Au, Ag, Cu, Pt, W, Ni, Zn, Ti, Zr, Hf, Cd, Pd 중 선택된 적어도 하나를 포함하는 금속으로 형성될 수 있다.
또한, 제1 전극층(111)은 금속 산화물로 형성될 수 있다. 일례로 금속 산화물은 TO, Al-doped ZnO (AZO), Ga-doped ZnO (GZO), In,Ga-doped ZnO (IGZO), Mg-doped ZnO (MZO), Mo-doped ZnO, Al-doped MgO, Ga-doped MgO, F-doped SnO2, Nb-doped TiO2. CuAlO2 중 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 제1 전극층(111)은 그래핀, SW-CNT, DW-CNT, MW-CNT, C60 중 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이러한 제1 전극층(111)은 단층 구조 또는 복수 층의 구조를 가질 수 있다.
제1 마찰층(112)은 제1 전극층(111)의 일면에 형성되며, 제2 전극 필름(120)과의 접촉에 의해 음전하로 대전될 수 있다. 이러한 제1 마찰층(112)은 음의 정전기력 특성이 우수한 소재로 형성될 수 있다. 일례로, 제1 마찰층(112)은 Teflon, Silicone, PVC, Polythyylene, polyurethance, Saran, Celluloid, Polyester, Rayon 중 선택된 하나를 포함하여 형성될 수 있다.
본 실시예에는 제1 마찰층(112)이 제2 전극 필름(120)과의 접촉에 의해 음전하로 대전되는 것으로 예시되었지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 제1 마찰층(112)은 제2 전극 필름(120)의 접촉에 의해 양전하로 대전될 수도 있다.
제2 전극 필름(120)은 제1 전극 필름(110)의 사이마다 수직 방향으로 배치될 수 있으며, 각각의 제1 전극 필름(110)은 이에 대응되는 제2 전극 필름(120)을 구비하고, 제2 전극 필름(120)은 제1 전극 필름(110)의 개수와 동일한 개수로 형성될 수 있다. 즉, 제2 전극 필름(120)은 복수로 구비되어 제1 전극 필름(110)과 교차하도록 배치될 수 있다. 이러한 제2 전극 필름(120)은 유연성(flexible)을 갖는 초박막형으로 형성될 수 있다. 제2 전극 필름(120)이 유연한 재질로 형성됨에 따라 케이스(130) 내부로 바람이 불어 들어오는 경우 제2 전극 필름(120)은 상단이 케이스(130) 내부에 고정된 상태로 펄럭거리면서 흔들릴 수 있다.
제2 전극 필름(120)은 풍력에 의해 일정한 움직임을 가질 수 있는 두께를 선택적으로 사용할 수 있다. 이때, 제2 전극 필름(120)의 두께는 사용되는 소재에 따라 달라 질 수 있다. 이는 제2 전극 필름(120)의 두께가 너무 얇을 경우에는 가공이 어렵고 그 위에 전극 형성이 어려워 지기 때문에 제작에 비용이 높아지게 되고 풍력에 의해 접촉-분리 동작에 어려움이 발생할 수 있기 때문이다. 그리고 제2 전극 필름(120)의 두께가 두꺼울 경우에는 유연성이 좋지 않기 때문에 풍력에 의한 원활한 움직임을 가질 수 없다. 예를 들어, 후술할 제2 기판(123)은 고분자 소재인 polyethersulfone(PES)로 형성될 수 있고, 이러한 제2 기판(123)의 두께를 5㎛ ~ 50㎛의 크기, 구체적으로는 50㎛의 크기의 두께로 형성하는 것이 바람직하다. 제2 전극 필름(120)의 두께는 후술할 제2 기판(123)에 의하여 정해지며, 후술할 제2 전극층(121) 및 제2 마찰층(122)은 제2 기판(123)에 증착되는 물질로서 그 두께가 nm 단위라서 무시할 정도라고 할 수 있다.
이처럼 제2 전극 필름(120)이 유연성(flexible)을 갖는 초박막형으로 형성됨에 따라, 도 2와 같이 수평방향으로 작용하는 풍력에 의해 진동하여 제1 전극 필름(110)과 접촉되며 정전유도 작용으로 인한 전류를 발생할 수 있게 된다.
구체적으로, 제2 전극 필름(120)은 제2 전극층(121)과, 제2 마찰층(122), 제2 기판(123)을 포함할 수 있다.
제2 전극층(121)은 제1 전극 필름(110)과 마주하게 배치될 수 있다. 즉, 제2 전극층(121)은 지면으로부터 수직 방향으로 배치되어 제1 전극층(111)과 교차로 배치될 수 있다. 이러한 제2 전극층(121)은 제1 전극층(111)과 마찬가지로 전기전도성이 우수한 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제2 전극층(121)은 Al, Au, Ag, Cu, Pt, W, Ni, Zn, Ti, Zr, Hf, Cd, Pd 중 선택된 적어도 하나를 포함하는 금속으로 형성될 수 있다.
또한, 제2 전극층(121)은 금속 산화물로 형성될 수 있다. 일례로 금속 산화물은 TO, Al-doped ZnO (AZO), Ga-doped ZnO (GZO), In,Ga-doped ZnO (IGZO), Mg-doped ZnO (MZO), Mo-doped ZnO, Al-doped MgO, Ga-doped MgO, F-doped SnO2, Nb-doped TiO2. CuAlO2 중 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 제2 전극층(121)은 그래핀, SW-CNT, DW-CNT, MW-CNT, C60 중 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이러한 제1 전극층(111)은 단층 구조 또는 복수 층의 구조를 가질 수 있다.
제2 마찰층(122)은 제2 전극층(121)의 일면에 형성되며, 제1 마찰층(112)과의 접촉에 의해 양전하로 대전될 수 있다. 이러한 제2 마찰층(122)은 양의 정전기력 특성이 우수한 소재로 형성될 수 있다. 일례로 제2 마찰층(122)은 유기물질로 형성될 수 있으며, 유기물질은 NPB, β-NPB, TPD, Spiro-TPD, Spiro-NPB, DMFL-TPD, DMFL-NPB, DPFL-TPD, DPFL-NPB, α-NPD, Spiro-TAD, BPAPF, NPAPF, NPBAPF, Spiro-2NPB, PAPB, 2,2'-Spiro-DBP, Spiro-BPA, TAPC, Spiro-TTB, β-TNB, HMTPD, α,β-TNB, α-TNB, β- NPP, PEDOT 중 선택된 하나를 포함할 수 있다.
본 실시예에는 제2 마찰층(122)이 제1 전극 필름(110)과의 접촉에 의해 양전하로 대전되는 것으로 예시되었지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 제2 마찰층(122)은 제1 전극 필름(110)의 접촉에 의해 음전하로 대전될 수도 있다.
제2 전극층(121)은 제2 기판(123)에 진공 증착의 방법으로 형성될 수 있다. 이것은 제2 기판(123)이 5㎛ ~ 50㎛의 초박막으로 형성됨에 따라 이러한 매우 얇은 형상의 제2 기판(123)에 제2 전극층(121)을 형성하기 위해서는 진공 증착 방법이 가정 효과적이기 때문이다. 제2 마찰층(122)은 제2 전극층(121) 상에 진공 증착되어 형성될 수 있으며, 이는 위의 제2 전극층(121)을 제2 기판(123)에 증착하는 경우와 마찬가지로 이러한 매우 얇은 형상의 제2 기판(123)에 제2 마찰층(122)을 형성하기 위해서는 진공 증착 방법이 가정 효과적이기 때문이다.
한편, 접촉 대전 발전기(100)는 풍력이 작용하는 방향으로 개구가 형성된 케이스(130)를 더 포함할 수 있다.
이처럼 케이스(130)가 구비됨에 따라, 제1 전극 필름(110) 및 제2 전극 필름(120)은 케이스(130) 내에 지지될 수 있게 된다. 구체적으로, 케이스(130)의 내측 상부에는 제2 전극 필름(120)의 상단이 고정되고, 케이스(130)의 내측 하부에는 제1 전극 필름(110)의 하단이 고정될 수 있다. 반대로, 케이스(130)의 내측 상부에 제1 전극 필름(110)이 고정되고 하부에 제2 전극 필름(120)이 고정되는 것도 가능하기는 하나, 제2 전극 필름(120)이 초박막 형태로 형성되어 있어 케이스(130)의 하부에 고정시킬 경우 지지력이 약해 휘어질 우려가 있으므로, 제2 전극 필름(120)은 케이스(130)의 상부에 고정되는 것이 바람직하다.
그리고, 제2 전극 필름(120)의 하측 일면과 마주하는 면에 케이스(130)의 개구가 형성되어 있어, 바람이 개구를 통해 입사되면, 제2 전극 필름(120)에 바람이 수직으로 압력을 가하고, 제2 전극 필름(120)의 하부가 휘어져 진동하며 제1 전극 필름(110)과 접촉 및 분리하게 된다. 이러한 제2 전극 필름(120)에 대한 진동의 세기는 풍속의 크기에 따라 달라질 수 있다.
도 5는 도 1에 있어서, 다른 실시예에 따른 제1 전극 필름과 제2 전극 필름을 도시한 도면이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 전극층(111) 및 제2 전극층(121)은 각각 제1 기판(113) 및 제2 기판(123) 상에 마련될 수 있다.
즉, 제1 전극 필름(110)은 제1 기판(113)과, 제1 기판(113) 상에 형성된 제1 전극층(111)과, 제1 전극층(111) 상에 형성된 제1 마찰층(112)으로 형성될 수 있다. 이러한 제1 기판(113)은 사각 기판의 형태로 형성될 수 있으며, 실리콘 웨이퍼 또는 글라스 등과 같이 강도가 좋은 소재로 형성될 수 있다.
그리고, 제2 전극 필름(120)은 제2 기판(123)과, 제2 기판(123) 상에 형성된 제2 전극층(121)과, 제2 전극층(121) 상에 형성된 제2 마찰층(122)으로 형성될 수 있다. 이러한 제2 기판(123)은 탄성이 좋은 투명 고분자 소재로 형성될 수 있으며, 일례로 제2 기판(123)은 PET, PEN, PC, PES, PI 중 선택된 하나로 형성될 수 있다.
구체적으로, 제2 전극 필름(120)은 제2 기판(123) 상에 증착된 제2 전극층(121)과, 제2 전극층(121) 상에 증착된 제2 마찰층(122)을 포함할 수 있다. 여기서, 제2 전극층(121)과 제2 마찰층(122)은 nm 단위로 형성되므로, 제2 전극 필름(120)의 두께는 제2 기판(123)의 두께에 의해 결정될 수 있는 것은 상술한 바와 같다.
이처럼 제1 기판(113)이 강도가 좋은 소재로 형성되고 제2 기판(123)이 유연한 소재로 형성됨에 따라, 접촉 대전 발전기(100)로 풍속이 가해질 경우 제2 전극 필름(120)만 진동하며 일단이 이동하게 된다. 이에 따라, 풍속이 가해질 때 제1 전극 필름(110) 및 제2 전극 필름(120) 모두가 같은 방향으로 이동하여 접촉성이 저하되는 것을 미연에 방지할 수 있게 된다.
도 1 내지 도 5를 참조하여, 접촉 대전 발전기(100)의 동작을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 케이스(130)로 바람이 들어오면 케이스(130)의 내측 상부에 상단이 고정된 제2 전극 필름(120)의 하부는 바람이 들어오는 방향으로 진동하게 된다. 이때, 바람은 제2 전극 필름(120)의 일면과 수직되는 방향으로 가해질 수 있다. 즉 제2 전극 필름(120)이 Z축 방향으로 배치되어 있으므로, 제2 전극 필름(120)의 일면이 X축 방향으로 배치된 경우 바람은 X축 방향으로 가해지고, 제2 전극 필름(120)의 일면이 Y축 방향으로 배치된 경우 바람은 Y축 방향으로 가해질 수 있다. 이러한 바람의 방향은 케이스(130)의 개구 방향을 통해 조절할 수 있게 된다.
이처럼 바람에 의해 제2 전극 필름(120)의 하부가 휘어져 진동함에 따라, 도 2에 도시된 바와 같이 제2 전극 필름(120)은 이격 배치된 제1 전극 필름(110)에 접촉 및 분리 동작을 반복하게 된다. 이때, 제1 마찰층(112)과 제2 마찰층(122)은 서로 마주보도록 형성되어, 제2 전극 필름(120)의 진동시 제1 마찰층(112)과 제2 마찰층(122)의 일면이 접촉되는 것이 바람직하다.
이처럼 음의 정전력이 강한 제1 마찰층(112)과 양의 정전력이 강한 제2 마찰층(122)이 접촉됨에 따라, 도 3(a)에 도시된 바와 같이 음의 정전력이 강한 제1 마찰층(112)은 음극으로 대전되고 양의 정전력이 강한 제2 마찰층(122)은 양극으로 대전된다. 그리고, 도 3(b)에 도시된 바와 같이 대전된 경계면이 분리되는 순간 제1 마찰층(112) 및 제2 마찰층(122)은 평형상태를 이루기 위해 양 쪽 전극이 전하를 띄게 되면서 전기가 형성된다. 이후 도 3(c)에 도시된 바와 같이 평형을 이룬 제1 마찰층(112) 및 제2 마찰층(122)이 다시 접촉되면 이전의 상태로 돌아가게 되고, 이때 다시 이전 분리 동작에서 형성된 전기와 반대 방향으로 전기가 형성되어 흐르게 된다(도 3(d) 참조).
이와 같은 과정을 반복하게 되면 접촉과 분리의 운동 에너지를 정전기력의 상태 변화로 일어나는 전기 에너지로 변환하여 전기를 형성할 수 있다. 이때 발생한 전기 에너지의 개로 전압(Open circuit voltage)은 도 4에 도시된 바와 같다. 이러한 과정에 의해 형성된 전기 에너지의 크기는 제1 전극층(111) 및 제2 전극층(121)이 접촉하면서 일으키는 정전기력과 밀접하게 연관된다. 즉, 제1 전극층(111) 및 제2 전극층(121)에 대한 개수에 따라 발생하는 전기 에너지의 크기를 증감시킬 수 있게 된다.
전술한 바와 같이, 접촉 대전 발전기(100)는 제1 전극 필름(110) 및 제2 전극 필름(120) 사이의 정전유도 작용을 통해 전기 에너지를 생산하므로, 소음 및 오염물질이 발생하지 않아 전기를 소모하는 도심 지역에 직접 설치할 수 있게 된다.
또한, 터빈이나 탑과 같은 고가의 장치를 필요로 하지 않으므로, 종래의 풍력 발전기와 비교하여 설치 공간을 많이 차지하지 않으면서도 저렴한 비용으로 전기 에너지를 생산할 수 있게 된다.
또한, 종래의 풍력 발전기와 비교할 때 제조 공정이 간단하고 무게가 가벼워 공정 비용이 줄어들고 휴대가 가능하며, 모양과 형태의 다양한 변경이 가능하여 활용도가 높은 장점이 있다.
아울러, 제1 전극 필름(110) 및 제2 전극 필름(120)의 개수를 적절히 조절하면 획득하고자 하는 전기 에너지의 용량을 증감시킬 수 있으므로, 소형 전력원으로 사용될 수 있을 뿐 아니라 고출력 발전에도 적용될 수 있고, 또는 바람을 감지하기 위한 센서에도 적용될 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
110.. 제1 전극 필름
111.. 제1 전극층
112.. 제1 마찰층
113.. 제1 기판
120.. 제2 전극 필름
121.. 제2 전극층
122.. 제2 마찰층
123.. 제2 기판
130.. 케이스

Claims (19)

  1. 일면에 바람이 유입되는 개구가 형성된 케이스;
    상기 케이스 내부에 상기 바람이 유입되는 방향에 대해 수직한 수직 방향으로 배치되며, 복수로 구비되어 상호 이격된 제1 전극 필름; 및
    상기 케이스 내부에 상기 제1 전극 필름과 교차하여 대면하도록 상기 복수의 제 1 전극 필름의 사이마다 상기 수직 방향으로 배치되고, 상기 개구를 통해 유입된 바람에 의해 수평방향으로 작용하는 풍력에 의해 진동하여 상기 복수의 제1 전극 필름과 각각 접촉 및 분리되며 정전유도 작용으로 인한 전류를 발생하는 초박막형 제2 전극 필름;
    을 포함하며,
    상기 복수의 제1 전극 필름은,
    제1 전극층; 및
    상기 제1 전극층의 일면에 형성되며, 상기 제2 전극 필름과의 접촉에 의해 음전하 또는 양전하로 대전되는 제1 마찰층;
    를 각각 포함하며,
    상기 복수의 제2 전극 필름은,
    상기 복수의 제1 전극 필름과 마주하게 배치된 제2 전극층; 및
    상기 제2 전극층의 일면에 형성되며, 상기 제1 마찰층과의 접촉에 의해 양전하 또는 음전하로 대전되는 제2 마찰층;
    을 각각 포함하되, 상기 제1 및 제2마찰층은 각각 서로 다른 재질로 형성되어 각각 서로 다른 극성을 제공하는 접촉 대전 발전기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 케이스의 내측 상부에는 상기 제2 전극 필름의 상단이 고정되고, 상기 케이스의 내측 하부에는 상기 제1 전극 필름의 하단이 고정된 접촉 대전 발전기.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 마찰층은 Teflon, Silicone, PVC, Polythyylene, polyurethance, Saran, Celluloid, Polyester, Rayon 중 선택된 하나를 포함하는 접촉 대전 발전기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극층 및 제2 전극층은 각각 제1 기판 및 제2 기판 상에 마련된 접촉 대전 발전기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제2 기판은 투명 고분자 소재로 형성되며,
    상기 투명 고분자 소재는 PET, PEN, PC, PES, PI 중 선택된 하나를 포함하는 접촉 대전 발전기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제2 마찰층은 유기물질로 형성되며,
    상기 유기물질은 NPB, β-NPB, TPD, Spiro-TPD, Spiro-NPB, DMFL-TPD, DMFL-NPB, DPFL-TPD, DPFL-NPB, α-NPD, Spiro-TAD, BPAPF, NPAPF, NPBAPF, Spiro-2NPB, PAPB, 2,2'-Spiro-DBP, Spiro-BPA, TAPC, Spiro-TTB, β-TNB, HMTPD, α,β-TNB, α-TNB, β- NPP, PEDOT 중 선택된 하나를 포함하는 접촉 대전 발전기.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제2 마찰층 및 상기 제2 전극층은 상기 제2 기판 상에 진공 증착되어 형성된 접촉 대전 발전기.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극층 및 제2 전극층은,
    Al, Au, Ag, Cu, Pt, W, Ni, Zn, Ti, Zr, Hf, Cd, Pd 중 선택된 적어도 하나를 포함하는 금속으로 형성된 접촉 대전 발전기.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극층 및 제2 전극층은 금속 산화물로 형성되며,
    상기 금속 산화물은 TO, Al-doped ZnO (AZO), Ga-doped ZnO (GZO), In,Ga-doped ZnO (IGZO), Mg-doped ZnO (MZO), Mo-doped ZnO, Al-doped MgO, Ga-doped MgO, F-doped SnO2, Nb-doped TiO2. CuAlO2 중 선택된 적어도 하나를 포함하는 접촉 대전 발전기.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극층 및 제2 전극층은 그래핀, SW-CNT, DW-CNT, MW-CNT, C60 중 선택된 적어도 하나를 포함하는 접촉 대전 발전기.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제2 전극 필름은 유연성(flexible)을 갖는 재질로 형성되는 접촉 대전 발전기.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 제2 전극 필름은 5㎛ ~ 50㎛ 크기의 두께로 형성된 접촉 대전 발전기.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제2 전극 필름은 50㎛ 크기의 두께로 형성된 접촉 대전 발전기.
  16. 일면에 바람이 유입되는 개구가 형성된 케이스;
    상기 케이스 내에 일방향으로 길게 형성되며, 복수로 구비되어 상호 이격되고, 바람이 불어도 휘어지지 않는 강성이 있는 재질로 형성되는 제1 전극 필름; 및
    상기 케이스 내에 상기 제1 전극 필름과 나란하게 연장되도록 배치되되 상기 제1 전극 필름 필름과 교차하여 대면하도록 상기 복수의 제1전극 필름의 사이마다 배치되고, 일면으로부터 수직 방향으로 작용하는 풍력에 의해 진동하여 상기 복수의 제1 전극 필름과 각각 접촉 및 분리되며 유연한 재질로 형성되는 초박막형 제2 전극 필름;
    을 포함하고,
    상기 제1 전극 필름 및 상기 제2 전극 필름 사이에 정전유도 작용으로 인한 전류를 발생하며,
    상기 복수의 제1 전극 필름은,
    제1 전극층; 및
    상기 제1 전극층의 일면에 형성되며, 상기 제2 전극 필름과의 접촉에 의해 음전하 또는 양전하로 대전되는 제1 마찰층;
    를 각각 포함하며,
    상기 복수의 제2 전극 필름은,
    상기 복수의 제1 전극 필름과 마주하게 배치된 제2 전극층; 및
    상기 제2 전극층의 일면에 형성되며, 상기 제1 마찰층과의 접촉에 의해 양전하 또는 음전하로 대전되는 제2 마찰층;
    을 각각 포함하되,
    상기 제1 및 제2마찰층은 각각 서로 다른 재질로 형성되어 각각 서로 다른 극성을 제공하는 접촉 대전 발전기.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제1 전극 필름 및 상기 제2 전극 필름은 상기 케이스의 내측 하부 및 상부에 각각 수직 방향으로 배치된 접촉 대전 발전기.
  18. 삭제
  19. 제16항에 있어서,
    상기 제2 마찰층 및 상기 제2 전극층은 기판 상에 진공 증착되어 형성된 접촉 대전 발전기.
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