KR102080400B1 - 타이어를 활용한 마찰대전 발전 유닛 - Google Patents

Abstract

본 발명은 타이어를 활용한 마찰대전 발전 유닛에 관한 것으로, 상기 타이어와 지면 간의 마찰대전에 의한 에너지를 수확할 수 있도록, 상기 타이어와 인너 튜브 사이에 배치되는 전극; 및 상기 전극과 인너 튜브 사이에 배치되는 대전체;를 포함하여 이루어진다.

Description

타이어를 활용한 마찰대전 발전 유닛{Triboelectrification generator using tire}

본 발명은 타이어를 활용한 마찰대전 발전 유닛에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전기 에너지 발전 시 마찰로 인한 손상을 최소화할 수 있고, 높은 출력을 지속적으로 발생시킬 수 있도록, 구조가 개선된 타이어를 활용한 마찰대전 발전 유닛에 관한 것이다.

최근 화석에너지의 고갈과 환경오염에 대한 문제가 이슈화되면서, 화석에너지의 사용을 줄이는 방안을 내놓고 있으며 친환경 에너지를 개발하려는 노력이 이루어지고 있다. 이러한 배경으로, 주변 환경에서 버려지는 에너지를 활용할 수 있게 하는 에너지 하베스팅 기술이 최근 각광을 받고 있다.

에너지 하베스팅 기술 중 마찰전기를 이용한 마찰대전 발전 기술이 널리 소개되고 있으며, 효율 향상을 위한 기술개발이 이루어지고 있다. 이러한 마찰대전 발전 기술은 서로 다른 극성을 가진 두 개의 물질을, 슬라이딩 방식이나 상하 접촉 및 분리 방식 등의 직접 마찰을 통해 에너지를 발생시키고 출력을 얻는다.

직접적인 마찰에 의해 에너지를 수확하는 기존의 마찰대전 발전 장치는, 지속적인 마찰을 기반으로 전기 에너지를 생성하기 때문에 마모에 의한 손상으로 내구성이 약하고 방수 및 방진 특성이 약하여 장치 수명이 짧고 높은 출력을 지속적으로 발생시키기 어려운 문제점을 가진다.

종래기술로는 한국공개특허 제10-2016-0066938호(2016.06.13) ‘마찰대전 발전소자’가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 전극의 마모와 손상을 방지할 수 있도록 하여 내구성을 높일 수 있고, 방수 및 방진 특성을 향상시켜 장치 수명을 연장할 수 있으며 지속적으로 높은 에너지 출력을 가능하게 할 수 있는 타이어를 활용한 마찰대전 발전 유닛을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 해결과제는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 타이어를 활용한 마찰대전 발전 유닛은, 상기 타이어와 지면 간의 마찰대전에 의한 에너지를 수확할 수 있도록, 상기 타이어와 인너 튜브 사이에 배치되는 전극; 및 상기 전극과 인너 튜브 사이에 배치되는 대전체;를 포함하여 이루어진다.

상기 대전체는 상기 전극에 흐르는 전류가 상기 인너 튜브 측으로 분산되는 것을 방지할 수 있도록, 절연이 가능한 소재로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 대전체는 PTFE 소재로 이루어질 수 있다.

상기 전극과 대전체는 원주방향을 따라 등간격으로 복수개 배열되는 것이 바람직하다.

본 발명은 상기 타이어와 인너 튜브 사이에 배치되고, 상기 대전체와 전극이 순차적으로 결합되어 있는 베이스부재;를 더 포함하여 이루어질 수 있다.

상술한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 타이어를 활용한 마찰대전 발전 유닛은, 전극이 타이어와 인너 튜브 사이에 배치되어 타이어와 지면 간의 마찰대전에 의한 전기 에너지를 수확할 수 있게 하고, 대전체가 전극 및 인너 튜브 사이에 배치되어 그 전기 에너지를 인너 튜브 측으로 방전되지 않게 함으로써, 전극 간의 상하 접촉이나 슬라이딩에 의한 마찰이 아닌 회전에 의한 에너지 수확을 가능하게 하여 마모에 의한 손상을 방지하고 내구성을 높이며, 방수 및 방진 특성을 향상시켜 장치 수명을 연장하고, 지속적으로 높은 에너지 출력을 발생시키는 효과를 가진다.

본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 타이어를 활용한 마찰대전 발전 유닛이 자전거 타이어에 적용된 상태를 도시한 도면.
도 3은 도 1의 Ⅲ-Ⅲ 단면도.
도 4는 본 발명 일실시예에 의한 마찰대전 상태를 설명하기 위한 상태도.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 타이어를 활용한 마찰대전 발전 유닛을 설명하기 위한 도면.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 타이어를 활용한 마찰대전 발전 유닛을 설명하기 위한 도면.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 채용된 베이스부재를 설명하기 위한 도면.
도 8은 도 7의 Ⅷ-Ⅷ 단면도.

본 발명은 타이어를 활용한 마찰대전 발전 유닛에 관한 것으로, 자동차 타이어 자전거 타이어, 손수레(hand truck) 타이어 등 다양한 타이어에 접목되어, 지면과 타이어 간의 정전기장으로 발생된 전위차를 통해 전기 에너지를 수확할 수 있도록 한다.

이하에서는, 본 발명의 일실시예에 따른 타이어를 활용한 마찰대전 발전 유닛을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 타이어를 활용한 마찰대전 발전 유닛이 자전거 타이어에 적용된 상태를 도시한 도면이고, 도 3은 도 1의 Ⅲ-Ⅲ 단면도이며, 도 4는 본 발명 일실시예에 의한 마찰대전 상태를 설명하기 위한 상태도이다.

이들 도면에 도시된 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 타이어를 활용한 마찰대전 발전 유닛은, 전극(100) 및 대전체(200)를 포함하여 이루어진다.

상기 전극(100)은 타이어(T1)와 인너 튜브(T2) 사이에 배치됨으로써, 타이어와 지면(G) 간의 마찰에 의한 전기 에너지를 수확할 수 있게 한다. 상기 전극(100)은 타이어(T1)의 회전 시 그 타이어와 지면(G)간의 접촉 및 분리로 인해, 상기 타이어(T1) 표면에서 발생된 정전기장에 의해 생성된 전위차를 통해 에너지를 수확할 수 있게 한다.

즉, 타이어(T1)는 ‘+’전하의 지면을 회전하며 ‘-’전하로 대전되고, 이때 타이어 표면에 정전기장을 발생시킨다. 상기 전극(100)은 상기 정전기장에 의해 영향을 받게 되고 이때 생성되는 전위차로 에너지를 수확할 수 있게 한다. 여기서 타이어(T1)는 부틸 고무(Butyl Rubber)가 주성분이기 때문에 마찰대전을 통해 지면으로부터 전자를 가져오려는 성향을 크게 갖는다.

상기 전극(100)은 인너 튜브(T2)에 마련된 대전체(200)에, 접착, 도포 또는 코팅 방식 등 다양한 방식으로 구비될 수 있으며, 복수로 이루어져 서로 간격을 형성하며 그 대전체(200)에 형성될 수 있다. 상기 전극(100)은 알루미늄과 같은 금속소재로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 대전체(200)는 전극(100)과 인너 튜브(T2) 사이에 배치됨으로써, 상기 전극(100)을 통해 수확한 전기 에너지가, 타이어(T1)의 카본 블랙(Carbon Black) 소재 인해 방전되는 것을 방지한다. 상기 대전체(200)는 내약품성이 뛰어나며 온도가 상승될 때 특성이 변하지 않는 소재로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 대전체(200)는 전극을 통해 획득된 전류가, 인너 튜브(T2)를 타고 퍼지는 것을 차단하고 에너지 저장 유닛(미도시) 측으로 전선을 타고 흘러갈 수 있도록 할 수 있으며 전기 에너지 생성 효율을 증대시킬 수 있다.

본 실시예에 의한 마찰대전 발생은 도 4를 참조하여 설명할 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 타이어(T1)는 ‘+’전하를 띤 지면(G)에서 회전되어 그 지면(G)에 접촉될 때 ‘-’전하로 대전된다(도 4의 (a), (b)). 이때, 전극(100)은 타이어 표면에서 발생하는 정전기에 의한 전위차로 에너지를 수확한다.

이후, 타이어(T1)가 지면(G)에서 접촉 해제될 때, 전극(100)과 인너 튜브(T2) 사이에 마련된 대전체(200)는 전극을 통해 수확된 전기 에너지가 인너 튜브(T2) 측으로 퍼지는 것을 차단하고, 전극과 연결된 전선으로 수확된 전기 에너지가 흘러가도록 함으로써, 전기 에너지를 수확 및 저장할 수 있게 한다(도 4의 (c)).

상술한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명의 일실시예에 따른 타이어를 활용한 마찰대전 발전 유닛은, 전극(100)이 타이어(T1)와 인너 튜브(T2) 사이에 배치되어 타이어와 지면 간의 마찰대전에 의한 전기 에너지를 수확할 수 있게 하고, 대전체(200)가 전극 및 인너 튜브 사이에 배치되어 그 전기 에너지를 인너 튜브 측으로 방전되지 않게 함으로써, 상하 접촉이나 슬라이딩에 의한 마찰이 아닌 회전에 의한 마찰대전으로 에너지 수확을 가능하게 하여 마모에 의한 손상을 방지하고 내구성을 높이며, 방수 및 방진 특성을 향상시켜 장치 수명을 길게 하고, 지속적으로 높은 에너지 출력을 발생시키는 효과를 가진다.

한편, 상기 대전체(200)는 절연이 가능한 소재로 이루질 수 있음으로써, 상기 전극(100)에 흐르는 전류(전기 에너지)가 인너 튜브 측으로 분산되는 것을 방지할 수 있다. 상기 대전체(200)는 전기특성이 우수하고 내후성이 좋고 마모계수가 작은 소재인 PTFE(Polytetrafluoroethylene), Polyimide 등의 소재로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 대전체(200)는 PTFE나 Polyimide 소재로 이루어지며 전극과 인너 튜브 사이에 배치되어 전기 에너지의 분산을 방지시킴으로써, 정전용량에 따라 대전체 표면에 정전기를 함유하게 되고 대전된 타이어와 더불어 전체 대전 전하량을 증대시키는 효과를 도출한다.

이상 본 발명의 일실시예에 따른 타이어를 활용한 마찰대전 발전 유닛을 설명하였다. 이하에서는 도 5를 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 타이어를 활용한 마찰대전 발전 유닛을 설명하기로 한다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 타이어를 활용한 마찰대전 발전 유닛을 설명하기 위한 도면이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 실시예는 앞서 설명한 실시예와 대부분의 구성이 유사하나 전극(100)의 구조에 있어서, 차이점이 있다.

본 실시예에 채용된 전극(100)은 상기 대전체(200)에서 간격을 형성하며 복수로 마련되게 패터닝됨으로써, 타이어(T1)가 지면(G)에서 회전 시 높은 주파수의 전기적 출력을 발생시킬 수 있게 하는 장점을 도출한다.

즉, 상기 전극(100)은 인너 튜브(T2)에 간격을 형성하며 복수로 마련되고 각각 연결되는 구조로 이루어져 굴곡진 형태를 가짐에 따라, 같은 입력 에너지에도 더 큰 출력을 발생시켜 마찰대전 발생 효율을 증가시킬 수 있다. 여기서, 상기 전극(100)은 다양한 방식으로 대전체(200)에 형성될 수 있으며 다양한 전도성 소재로 이루어질 수 있다.

이상 본 발명의 다른 실시예에 따른 타이어를 활용한 마찰대전 발전 유닛을 설명하였다. 이하에서는 도 6 내지 도 8을 참조하여 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 타이어를 활용한 마찰대전 발전 유닛을 설명하기로 한다.

도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 타이어를 활용한 마찰대전 발전 유닛을 설명하기 위한 도면이고, 도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 채용된 베이스부재를 설명하기 위한 도면이며, 도 8은 도 7의 Ⅷ-Ⅷ 단면도이다.

이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 실시예는 앞서 설명한 실시예와 대부분의 구성이 유사하나 전극(100) 및 대전체(200)의 구조에 있어서 차이점이 있고, 베이스부재(300)를 더 포함하여 이루어진다는 점에서 차이점이 있다.

즉, 본 실시예에 채용된 전극(100) 및 대전체(200)는 인너 튜브(T2)의 원주방향을 따라 등간격으로 복수개 배열됨으로써, 타이어(T1)가 회전되는 동안에 지면(G)과 지속적으로 마찰대전을 발생시켜 전체 대전 전하량을 증대시키고, 전기 에너지 수확 효율을 높이는 효과를 도출한다.

상기 베이스부재(300)는, 타이어(T1)와 인너 튜브(T2) 사이에 배치되며, 상기 타이어(T1) 형태와 대응되고 인너 튜브(T2)에 끼워진 상태로 타이어(T1) 내부에 삽입되는 튜브 형태로 이루어지고, 타이어(T1)의 내면과 접하는 외측 표면에 상기 전극(100)과 대전체(200)를 순차적으로 여러 개 구비한다.

상기 베이스부재(300)는 전극(100)과 대전체(200)를 등간격으로 복수개 구비하고 인너 튜브(T2)와 착탈되게 체결될 수 있음으로써, 기존의 자동차 타이어나 자전거 타이어 등에 전극(100) 및 대전체(200)를 용이하게 설치할 수 있고, 일반적인 타이어를 이용해 마찰대전 발생을 가능하게 하여 용이하게 전기 에너지 수확을 가능하게 하는 효과를 도출한다.

이상, 본 발명에 대한 바람직한 실시예들을 설명하였으나 본 발명은 위에서 설명된 실시예들에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며 본 발명이 속하는 기술분야에서 다양한 변형과 개발을 할 수 있음은 자명하다.

T1: 타이어 T2: 인너 튜브
G: 지면 100: 전극
200: 대전체 300: 베이스부재

Claims (5)

1. 타이어와 지면 간의 마찰대전에 의한 에너지를 수확할 수 있도록, 타이어와 인너 튜브 사이에 배치되는 전극; 및
   상기 전극과 인너 튜브 사이에 배치되는 대전체;를 포함하고,
   상기 전극과 대전체는 원주방향을 따라 등간격으로 복수개 배열되고,
   상기 전극은, 대전체에서 간격을 형성하며 복수로 마련되어 각각 연결되는 구조로 이루어져 굴곡진 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 타이어를 활용한 마찰대전 발전 유닛.
2. 제1항에 있어서,
   상기 대전체는 상기 전극에 흐르는 전류가 상기 인너 튜브 측으로 분산되는 것을 방지할 수 있도록, 절연이 가능한 소재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 타이어를 활용한 마찰대전 발전 유닛.
3. 제2항에 있어서,
   상기 대전체는 PTFE 소재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 타이어를 활용한 마찰대전 발전 유닛.
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 타이어와 인너 튜브 사이에 배치되고, 상기 대전체와 전극이 순차적으로 결합되어 있는 베이스부재;를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 타이어를 활용한 마찰대전 발전 유닛.

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