KR102104079B1 - 자가전력 장난감 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자가전력 장난감에 대한 것으로, 제1지지층 상에 위치하는 제1전극; 상기 제1전극 상에 위치하는 전하획득층을 포함하는 제1구조체; 제2지지층 상에 위치하는 제2전극을 포함하는 제2구조체; 및 서로 적어도 일부가 마주하는 상기 제1구조체의 전하획득층과 상기 제2구조체의 제2전극 사이의 간격(Gap);을 포함하는 발전유닛과, 상기 발전유닛과 전기적으로 연결되는 표시유닛을 포함하며, 상기 간격은, 상기 제1구조체, 제2구조체, 또는 이들 모두에 직접 또는 간접적으로 가해지는 외력에 의하여 제거되고 상기 외력이 제거되는 것에 의하여 다시 형성되며, 상기 표시유닛은 상기 간격의 제거와 형성에 의해 상기 발전유닛에서 발생하는 전력으로 구동된다.

Description

자가전력 장난감{SELF-POWERED CHILD'S TOY}

본 발명은 내부에 마찰대전 나노발전을 활용하는 발전유닛에서 발생하는 전력으로 표시장치 등이 구동되는 자가전력 장난감에 관한 것이다.

스마트폰, 비디오게임, 가상현실 게임 등의 발명은, 다양한 분야에서 전환점을 가져왔다. 미국 소아과협회는, 미국 내에서 97 %의 4세 이하 아이들이 모바일 장치에 어느정도 영향을 받고 있다고 보고한 바 있다. 이러한 시나리오는 아이들과 전통적인 장난감 사이에 일종의 장벽을 만든다. 다양한 종류의 쌍방향 장난감이 시판 중이다. 그러나, 이러한 쌍방향 장난감들은 작동에 별도의 전력원이 요구된다. 이들의 가장 큰 문제점 중 하나는 아이들이 이들을 가지고 놀기 위해서는 베터리를 자주 교체하여야 한다는 점이다.

전 세계적으로 다양한 연구자들이 에너지 회수, 에너지 저장과 같은 분야에서 연구하며 전력과 관련된 문제들을 해결하고자 하며, 몇몇 연구자들은 안정성, 신뢰성 그리고 친환경성을 갖는 에너지 문제 해결에 연구를 집중하고 있다. 현재의 니즈를 만족시킬 수 있는 현실적인 대안으로, 전자발전기, 압전 나노발전기, 그리고 마찰대전 나노발전기 등과 같이 생체역학적 에너지를 회수하는 장치들이 제시되고 있다. 최근, TENG(triboelectric nanogenerator)는 효율적인 생체역학적 에너지 회수 장치의 측면에서 연구자들의 주목을 받고 있다. Z. L. Wang은 진동, 바람, 물 등과 같은 서로 다른 소스에서 TENG의 에너지 회수 능력에 대해 언급하고 있다(S. Wang, S. Niu, J. Yang, L. Lin, Z. L. Wang and W. E. T. Al, 2014.; Z. L. Wang, J. Chen, L. Lin, J. Ha, B.-S. Lee, Y. Park, C. Choong, J.-B. Kim, Z. L. Wang, H.-Y. Kim, J.-J. Park and U. I. Chung, Energy Environ. Sci ., 2015, 8, 2250-2282.; Z. L. Wang, Faraday Discuss., 2014, 176, 447-58.). 여러 연구자들이 TENG와 이를 응용과 관련해 다양하고 새로운 연구를 진행하고 있다. 그러나, 아직까지 TENG의 상업화에 대한 연구는 미미한 것으로 보인다. 이의 상업화에 대한 연구가 미미한 이유로는, 에너지 전환 효율의 문제, 에너지 저장의 문제, 환경적 요인들, 장치 패키징의 문제와 같은 다양한 요인들이 있을 수 있다. 이에 본 발명의 발명자들은, 에너지의 저장 보다는 생체역학적 에너지를 TENG를 이용하여 회수하는 것에 초점을 맞추어 응용 제품 개발에 대한 연구를 계속하였고, 본 발명을 완성하였다.

전술한 배경기술은 발명자가 본 발명의 도출을 위해 보유하고 있었거나, 본 발명의 도출 과정에서 습득한 기술 정보로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에게 공개된 공지기술이라 할 수는 없다.

국내특허공개번호 제10-2001-0103857호, 2001.11.24 공개, 유도기전력을 이용한 자가동력 블럭완구 국내특허공개번호 제10-2014-0065557호, 2014.05.30 공개, 압전소자를 이용한 운동량 측정 매트

본 발명의 목적은 내부에 마찰대전 나노발전을 활용하는 발전유닛에서 발생하는 전력으로 표시장치 등이 구동되는 자가전력 장난감을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 자가전력 장난감은, 제1지지층 상에 위치하는 제1전극; 상기 제1전극 상에 위치하는 전하획득층을 포함하는 제1구조체; 제2지지층 상에 위치하는 제2전극을 포함하는 제2구조체; 및 서로 적어도 일부가 마주하는 상기 제1구조체의 전하획득층과 상기 제2구조체의 제2전극 사이의 간격(Gap);을 포함하는 발전유닛과, 상기 발전유닛과 전기적으로 연결되는 표시유닛을 포함하며, 상기 간격은, 상기 제1구조체, 제2구조체, 또는 이들 모두에 직접 또는 간접적으로 가해지는 외력에 의하여 제거되고 상기 외력이 제거되는 것에 의하여 다시 형성되며, 상기 표시유닛은 상기 간격의 제거와 형성에 의해 상기 발전유닛에서 발생하는 전력으로 구동된다.

상기 전하획득층은, 폴리에스터, PDMS(polydimethylsiloxane) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다.

상기 표시유닛은, 디스플레이장치 또는 음향발생장치을 포함할 수 있다.

상기 자가전력 장난감은 내부에 빈 공간을 갖도록 폐곡면(閉曲面)으로 형성된 하우징을 포함할 수 있으며, 상기 제1지지층은 상기 폐곡면의 내면 중 일부와 일체를 이루거나 상기 일부 상에 위치하고, 상기 제2지지층은 상기 제1지지층과 대향하는 위치인 상기 폐곡면의 내면 중 타부와 일체를 이루거나 상기 타부 상에 위치하며, 상기 하우징의 일부 또는 전부는 탄성을 갖는 것일 수 있다.

상기 자가전력 장난감은 상기 제1지지층이 제1플레이트 상에 위치하거나 제1플레이트와 일체를 이루고, 상기 제2지지층이 제2플레이트상에 위치하거나 제2플레이트와 일체를 이루며, 상기 제1플레이트와 상기 제2플레이트는 상기 전하획득층과 상기 제2전극이 서로 간격을 두고 마주보도록 위치하는 것이며 적어도 일부에 상기 제1플레이트와 상기 제2플레이트를 체결하는 체결구조를 통해 서로 연결되어 상기 외력에 의해 상기 간격이 제거 또는 형성되는 것일 수 있다.

상기 체결구조는 탄성부재를 더 포함하여 상기 외력에 의하여 제거된 간격을 다시 형성시킬 수 있다.

상기 발전유닛은 80 내지 120 KΩ의 로드저항을 갖는 것일 수 있다.

상기 자가전력 장난감은 정류회로와 커패시터를 포함하는 에너지저장유닛을 더 포함할 수 있다.

차세대 장난감으로, 사용자와 상호작용하며 즐길 수 있는 방식의 장난감 디자인이 제시되고 있다. 이들 중 일부는 전력을 사용하며, 보통은 자주 교체가 필요한 배터리를 적용한다. 최근에는 마찰대전 나노발전(Triboelectric Nano- generator, TENG)이라는 혁신적인 생체역학적 에너지 회수 방법이 소개되어 에너지 회수에 있어서 친환경적인 접근법으로 평가 받고 있다. 본 발명의 발명자들은 TENG 장치를 상업화시키는 방법으로써, 생체적합성 TENG을 전통적인 장난감에 적용하여 배터리의 적용이 없는 장난감에 대한 발명을 완성했다. 내구성이 있고, 친환경적이며, 비용 효율적인 방법으로 생체역학적인 에너지를 전환하는 방법을 활용하여, 전통적인 장난감을 스마트 토이로 바꾸는 것을 시도하고 성공하였다. 이러한 접근의 예로, 클래핑 토이를 스마트 클래핑 토이(SCT-TENG)로 오리 장난감을 스마트 오리 장난감(SDT-TENG)으로 변형하는 것을 제시한다. SCT-TENG와 SDT-TENG 모두는 활성 층과 상부 전극층 사이의 접촉과 분리(contact/ separation, CS) 모드에 기초한다. 시험적으로 제조한 샘플에서, SCT-TENG와 SDT-TENG는 출력 전압으로 65 V_p-p와 260 V_{p -p}을 각각 나타냈다. 본 발명의 발명자들은 단순 내부 회로를 장난감 내부에 제조하고 자가전력 토이로써 흔들거나 누르는 동작에 따라 LED가 점등되도록 하였다.

본 명세서 전체에서, “제1”, “제2” 또는 “A”, “B”와 같은 용어는 동일한 용어를 서로 구별하기 위하여 사용된다.

본 명세서에서, A 상에 B가 위치한다는 의미는 A 상에 B가 위치하거나 그 사이에 다른 층이 위치하면서 A 상에 B가 위치하거나 할 수 있다는 것을 의미하며 A의 표면에 맞닿게 B가 위치하는 것으로 한정되어 해석되지 않는다.

본 명세서에서, 단수 표현은 특별한 설명이 없으면 문맥상 해석되는 단수 또는 복수를 포함하는 의미로 해석된다.

이하, 본 발명을 도면을 참고하여 보다 상세하게 설명한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 자가전력 장난감(900)은 제1지지층(110) 상에 위치하는 제1전극(120); 상기 제1전극(120) 상에 위치하는 전하획득층(130)을 포함하는 제1구조체(100); 제2지지층(210) 상에 위치하는 제2전극(220)을 포함하는 제2구조체(200); 및 서로 적어도 일부가 마주하는 상기 제1구조체(100)의 전하획득층(130)과 상기 제2구조체(200)의 제2전극(220) 사이의 간격(Gap, 300);을 포함하는 발전유닛(400)과, 상기 발전유닛(400)과 전기적으로 연결되는 표시유닛(500)을 포함한다.

상기 간격(300)은, 상기 제1구조체(100), 제2구조체(200), 또는 이들 모두에 직접 또는 간접적으로 가해지는 외력에 의하여 제거되고 상기 외력이 제거되는 것에 의하여 다시 형성되며, 상기 표시유닛(500)은 상기 간격(300)의 제거와 형성에 의해 상기 발전유닛(400)에서 발생하는 전력으로 구동된다.

상기 발전유닛(400)은 마찰대전 나노발전(Triboelectric Nano- generator, TENG)이 가능한 유닛으로, 특히 본 발명에서는 비교적 간단한 적층구조와 인체에 무해한 소재를 적용하여 아이들에게 제공 시 인체 유해성이 거의 없는 자가전력 장난감을 제공할 수 있다.

상기 전하획득층(130)은, 구체적으로 폴리에스터, PDMS (polydimethyl-siloxane, 폴리디메틸실록세인) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 포함할 수 있고, 좋게는 PDMS가 적용될 수 있다.

특히 전하획득층은, 표면처리를 하여 비표면적을 넓인 것이 적용되면 좋으며, 예를 들어, PDMS 층을 형성하는 과정에서 에칭된 표면 상에 반응용액을 스핀 코팅하여 제조하는 경우, 에칭된 표면의 모양에 대응되도록 PDMS 층의 표면이 불규칙한 돌기들이 형성된 것이 적용될 수 있으며, 이러한 경우 더 많은 전력을 수집할 수 있다.

상기 전하획득층(130)과 마주보는 제2전극(220) 상에는 전하제공층(미도시)이 더 포함될 수 있는데, 상기 전하제공층은 상기 전하획득층(130)과 간격을 사이에 두고 서로 마주보게 위치할 수 있다.

상기 전하제공층은 종이, 면, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다. 이러한 재료는 무게가 가볍고 장난감으로 활용 시 안정성이 우수하다는 장점도 갖는다.

상기 제1전극과 제2전극으로는 위의 마찰대전 나노발전기의 전극으로써 역할할 수 있는 것이라면 적용될 수 있고, 구체적으로 각각 구리 전극과 알루미늄 전극이 적용될 수 있다.

상기 제1지지층(110)과 상기 제2지지층(210)은 위에서 설명한 각 층들이 배치되는 것으로, 마찰대전 과정을 방해하지 않는 소재가 적용되는 것이 좋으며, 예를 들어 PET(polyethylene terephthalate) 필름이 적용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 이후 설명하는 하우징(600)이나 제1플레이트(700)/제2플레이트(800)가 상기 제1지지층과 제2지지층의 역할을 동시에 할 수도 있다.

상기 제1구조체(100)와 상기 제2구조체(200)는 각각 두께가 5 mm 이하일 수 있고, 3 mm 이하일 수 있으며, 0.01 내지 1 mm 일 수 있다. 후술하는 실시예에서 보인 것처럼 LCD 디스플레이에 표시가 되도록 전류를 공급하면서도 상당히 얇은 두께로 마찰대전 나노발전기의 구현이 가능하기에, 자가전력 장난감으로 활용도가 우수하다.

상기 표시유닛(500)은, 디스플레이장치 또는 음향발생장치을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 디스플레이장치는 LED, 또는 LCD일 수 있고, 단일 전구 형태이거나 패널 형일 수도 있다. 구체적으로 상기 음향발생장치는 미리 입력된 전자음, 단어, 음악 등의 소리를 발생시킬 수 있는 장치일 수 있다.

상기 발전유닛(400)은 80 내지 120 KΩ의 부하 저항을 갖는 것일 수 있다.

상기 자가전력 장난감(900)은 내부에 빈 공간을 갖도록 폐곡면(閉曲面)으로 형성된 하우징(600)을 포함한다. 이때, 상기 제1지지층(110)은 상기 폐곡면의 내면 중 일부와 일체를 이루거나 상기 일부 상에 위치하고, 상기 제2지지층(210)은 상기 제1지지층(110)과 대향하는 위치인 상기 폐곡면의 내면 중 타부와 일체를 이루거나 상기 타부 상에 위치할 수 있다. 상기 간격(300)은 외력에 의해서 소멸되고 외력이 제거되거나 반대 방향의 외력을 가하는 방법으로 다시 간격(300)이 형성되는 과정으로 반복 동작할 수 있다. 이러한 간격의 소멸과 재생은 하우징(600) 자체의 탄성이나 제1구조체(100)와 제2구조체(200)를 연결하는 체결구조(750)에 포함되는 탄성부재에 의한 회복력에 기인하는 것일 수 있다.

상기 폐곡면을 갖는 하우징(600)은 하우징 내부와 외부의 공기압을 조절할 목적으로 일부 면에 공기가 통할 수 있는 구멍(미도시)이 형성된 것일 수 있다. 이때, 상기 구멍에는 액체나 과도한 수중기의 유입을 막기 위한 액체불투과성 처리가 되어있을 수 있다.

위에서 말하는 탄성부재는, 고무소재가 적용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 자가전력 장난감(900)은, 상기 제1지지층(110)이 제1플레이트(700) 상에 위치하거나 제1플레이트(700)와 일체를 이루고, 상기 제2지지층(210)이 제2플레이트(800) 상에 위치하거나 제2플레이트(800)와 일체를 이루며, 상기 제1플레이트(700)와 상기 제2플레이트(800)는 상기 전하획득층(130)과 상기 제2전극(220)이 서로 간격(300)을 두고 마주보도록 위치하는 것이며 적어도 일부에 상기 제1플레이트(700)와 상기 제2플레이트(800)를 체결하는 체결구조(750)를 통해 서로 연결되어 상기 외력에 의해 상기 간격(300)이 제거 또는 형성되는 것일 수 있다.

상기 체결구조(750)는 탄성부재를 더 포함하여 상기 외력에 의하여 제거된 간격(300)을 다시 형성시킬 수 있다.

위에서 말하는 탄성부재는, 고무소재 또는 스프링이 적용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 발전유닛(400)과 상기 표시유닛(500)은 전기적으로 연결되며, 그 사이에는 정류회로와 커패시터를 포함하는 에너지저장유닛(미도시)이 더 포함될 수 있다. 상기 전기적인 연결은 예를 들어 구리선과 같은 전선으로 물리적으로 직접 연결하는 등의 방법이 적용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 자가전력 장난감의 구동 방법을 설명한다.

적어도 두 개의 판 또는 내부에 공간을 갖는 하우징 내에 위치하는 발전유닛에 포함되는 제1구조체와 제2구조체는 외력에 의하여 그 사이의 간격이 줄어들고, 제1전극과 제2전극 사이에 전하의 흐름이 발생한다. 이렇게 발생한 전기 에너지는 표시유닛에 전달되고, 표시유닛은 빛 또는 소리와 같은 형태로 자가전력 장난감을 구동한다. 일반적으로 베터리와 같은 전력을 이용하는 자가전력 장난감과 달리, 외력으로 간격을 제거하고 재형성하는 반복적인 동작을 통해서 상기 표시유닛이 작동되며, 사용자와 상호작용 할 수 있다.

본 발명의 발명자들은 생체역학적인 에너지를 회수하는 혁신적인 접근법으로, 장난감에 적용한다. 본 발명의 일 예인 SCT-TENG과 SDT-TENG는 환경 친화적인 물질을 적용하고, 클래핑과 프레싱이라는 서로 다른 방식으로 작동하지만 유사한 작동 메커니즘으로 작동한다. TENG 장치들은 장기 작동 안정성과 상용 커패시터를 빠른 시간 안에 충전시키는 성능을 갖는다. 위에서 설명한 SCT-TENG과 SDT-TENG는 실시간 자가전력 토이 중 일 예에 해당한다. 이러한 접근은 베터리로 구동되는 전통적인 토이를 상호작용하는 스마트 토이로 바뀌도록 할 것이고 TENG 기반 소형 장치, 특히 베터리의 적용 없는 장난감 분야에서 빠른 상용화가 가능하도록 할 것이다.

발명의 자가전력 장난감은 별도의 외부전력을 적용하지 않아도 사용자와 상호작용하며 표시장치를 구동할 수 있고, 생체역학적인 에너지를 회수하여 빛이나 소리와 같이 체험할 수 있는 에너지의 형태로 장난감을 구동시킬 수 있는 스마트 장난감을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에서 제조한 SCT-TENG과 관련해, (a) 외형을 보여주는 사진, (b) 표면 개질된 PDMS 필름과 알루미늄 바닥 전극을 보여주는 사진, (c) 알루미늄 상부전극의 사진, 그리고 (d) SCT-TENG의 개략도.
도 2는 본 발명의 실시예에서 제조한 SCT-TENG의 전기적 반응에 대한 그래프로, (a) 외부 움직임이 적용되는 동안 출력 전압과, (b) 외부 움직임에 따른 순환 안정성(cyclic stability)을 보여주며 삽입된 그래프는 내구성 시험의 마지막 부분에서 전압 신호의 확대 그래프, (c) 실재 핸드셰이킹 시 얻어지는 전압을 보여주는 그래프, (d) 외부 부하 저항의 측면에서 전압(붉은색)과 순간 최고 전력(푸른색) 사이의 관계를 보여주는 그래프.
도 3은 본 발명의 실시예에서 적용한 SCT-TENG의 접촉 분리 동작에서 메커니즘을 보여주는 개념도로, (a) 최초 위치는 하부 PDMS 필름과 알루미늄 전극이 상부 알루미늄 전극과 접촉한 상태이고, (b) SCT-TENG가 젖혀지는 동안 상부 전극이 분리되고 하부 전극 방향으로 전하가 이동하며, (c) 평형 상태가 된 후, (d) 상부 전극이 하부 전극 방향으로 이동하면서 상부 전극을 향해 전하가 이동하는 과정을 보여줌.
도 4는 본 발명에서 제조한 자가전력 SCT-TENG과 에너지 저장 성능을 보여주는 것으로, (a) 0.1㎌ 내지 0.3 ㎌의 시판 커패시터를 이용하여 측정한 충전 전압 곡선, (b) 커패시터에 저장된 전하, (c) 제조된 자가전력 스마트 크래핑 토이의 사진, 그리고 (d) SCT-TENG을 흔드는 동안에 LED가 빛나는 모습을 보여주는 사진.
도 5는 본 발명의 실시예에서 제조한 SDT-TENG에 대한 것으로 (a) 외관을 보여주는 사진과, (b) SDT-TENG의 구조를 설명하는 개념도.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 SDT-TENG의 전기적 반응을 보여주는 것으로, (a) 제어된 외부 움직임을 가하였을 때 SDT-TENG의 출력전압을 나타내는 그래프와, (b) 단락 전류를 보여주는 그래프, (c) 외부 움직임을 적용할 때 사이클 안정성을 보여주는 그래프로, 삽입된 그래프는 내구성 실험의 마지막 부분의 전압 신호를 확대한 그래프.
도 7은 본 발명의 일 실시예인 SDT-TENG의 자가 전력 장치의 전기적 반응을 보여주는 것으로, (a)는 전압(붉은색)과 순간 피크 전력(파랑)의 관계를 외부 부하 저항의 관점에서 보여주는 그래프이고, (b)는 0.1㎌ 내지 0.3 ㎌의 시판 커패시터를 이용하여 측정한 충전 전압 곡선, (c)는 제조된 자가전력 스마트 오리 장난감의 사진, (d)는 SDT-TENG을 누르는 동안 스마트 오리의 LED 눈이 빛나는 모습을 보여주는 사진.
도 8은 본 발명의 실시예인 SDT-TENG이 수직 방향의 접촉과 분리 과정에서의 메커니즘을 보여주는 개념도로, (a) 하부 전극과 PDMS 필름이 최초에 상부 전극과 접촉하고 있는 모습, (b) 외력이 사라지면서 SDT-TENG의 상부 전극이 분리되고 외부 회로로 전류가 흘러, (c) 평형 상태가 되고, (d)상부 전극이 하부 전극에 가까이 위치하게 되면서 상부 전극 쪽으로 전하의 흐름이 발생한다.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

<실험 방법>

페트리 접시의 표면 처리: ABS 폴리머로 제조된 페트리 접시는 에탄올과 탈염수로 세척 후 50 ℃의 따뜻한 오븐에서 한 시간 반 동안 건조하여 세척하였다. 이후, 페트리 접시는 120초 동안 아세톤(etchant, 부식액)이 든 비이커에 침지시켜 표면 에칭 처리를 진행한 후, 탈이온수와 에탄올로 세척하고 한 시간 동안 60 ℃의 공기 오븐에서 건조하여 표면 처리된 페트리 접시를 제조했다.

PDMS 필름의 제조: PDMS 단량체와 가교제(10:1의 중량비, Dow Corning USA)의 혼합액은 15분 동안 자석 교반기로 혼합한 후 표면 처리된 페트리 접시로 옮겼으며, 20초 동안 700 rpm으로 스핀 코팅되었다. 이 후, 40분 동안 70 ℃ 에서 열처리하여 큐어링 했다. 이후, 구리 전극(12 × 30 mm)과 알루미늄 전극(12 × 30 mm)을 극간 미세한 간격을 두고 배치되었다. 마지막으로, PET(polyethylene terephthalate) 시트는 지지층으로 바닥에 붙여 SP-TENG가 제조되었다.

SCT - TENG (smart clapping toy- triboelectric nanogenerator ) 제작: PDMS 필름 조각을 클래핑 토이(clapping toy) 형태로 자른 후 알루미늄 전극과 함께 부착했다. 다른 알루미늄 전극 층은 확성 층의 반대 면에 부착했다. 얇은 구리 전극을 이용하여 전기적인 외부 연결 구조를 형성했다.

SDT - TENG (mart duck toy- triboelectric nanogenerator ) 제작: 표면 처리된 PDMS 필름(30 mm × 50 mm)을 재단하여 평평한 면이 Al 전극에 접하도록 하고, 표면 처리된 PDMS 필름이 윗면으로 오도록 토이의 바닥 안쪽 면에 접착했다. 알루미늄 전극의 다른 층은 동일한 면적을 갖도록 재단한 후 토이의 윗 부분의 안쪽 면에 부착했다. 외부 전기 연결은 얇은 구리 와이어를 이용하여 형성하였다.

자가전력 SCT - TENG 및 SDT - TENG의 제조: SCT-TENG와 SDT- TENG의 전기적 출력은 DC 시그널(Direct Current signal)로 브리지 정류회로를 통해 변환되고, 출력은 LED 회로로 연결되었다.

전기적 특성 등의 측정: 전기적 신호들을 측정하기 위해, 리니어 모터(LinMot, Inc.)를 적용하여 제어된 움직임을 적용했다. 출력 전압과 단락 전류는 전자식 전압계(Keithley 6514)를 사용하여 측정되었다. 전기적 특성 측정 전에, 장치 등에 잔여수분 등을 제거하기 위해 30분 동안 70 ℃의 공기 오븐에서 건조 처리한 후 실험이 진행되었다. 측정 신호에서 외부 노이즈를 막기 위해, 모든 전기 측정은 패러데이 케이지 안에서 수행되었다.

<실험 결과>

아이들에게 친근한 스마트 토이를 만들기 위해서는 생체적합성의 친환경적인 재료를 적용하는 것이 필수적이다. 따라서, SCT-TENG과 SDT-TENG은 생체적합성 소재인 PDMS과 알루미늄 전극을 이용하였다. 그리고, 이를 이용하여 자가전력 장치를 작동시킬 수 있는 생체역학적인 에너지를 회수할 수 있도록 하였다.

도 1의 (a)는 시판 클래핑 토이를 활용하여 제조한 SCT-TENG의 사진이고, (b) 표면 개질된 PDMS 필름과 알루미늄 바닥 전극을 보여주는 사진, (c) 알루미늄 상부전극의 사진이다. 이때, PDMS 필름과 두 전극은 토이의 얼굴 형태를 갖도록 디자인되어 제조되었고, 이는 토이의 얼굴 부분의 안쪽 면에 설치될 수 있도록 하였다. 도 1의 (d)에는 SCT-TENG의 개념도를 나타냈고, 이때 PDMS 필름은 활성 층으로 역할하고, Al은 접촉 물질과 전극을 수집하는 전극의 역할을 동시에 수행한다. 지지층으로, PET 시트가 적용되어 토이의 안쪽 면에 접착되었다. SCT-TENG의 전기적 성능을 체계적으로 연구하기 위하여, 컴퓨터 제어 선형 모터가 사용되었다. 이 외부 움직임을 이용하여, 상부 전극과 하부 전극 사이의 접촉과 분리 환경을 만들었다. 도 2의 (a)는 SCT-TENG의 전기적 반응을 관찰한 결과로, 외부 움직임을 1 m/s로 적용하였을 때에 출력 전압이 30 V이 달하는 것으로 나타났다. 상용화를 위해서는 SCT-TENG의 장 기간 작동에 대한 내구성 증명이 필수적이므로, 순환안정성 실험을 100초 동안 실행했다. 도 2의 (b)는 안정성 테스트 동안 얻어진 전압 신호를 보여주며, SCT-TENG의 성능이 일정하고 안정적이라는 점을 보여준다. SCT-TENG의 실시간 에너지 회수 능력을 확인하기 위하여, 장치를 손으로 흔드는 방법을 적용했다. 도 2의 (c)는 실시간 에너지 회수에 따른 출력 전압과 전류를 보여주는 것으로, 전압이 30 V에, 그리고 전류는 1 ㎂에 달하는 값이 나타났다. 이러한 우수한 실험 결과는 SCT-TENG이 생체역학적인 에너지를 회수하는 잠재력 큰 장치라는 것을 보여주는 결과이다. 외부 회로에 장치를 통합하기 위해서 최적 로드 부하를 확인하는 것은 중요한 요소이다. 따라서, 최대 전력과 매칭되는 부하를 확인하기 위하여 부하 저항 분석을 실시했다. 도 2의 (c)는 외부 부하 저항 대비 전압을 보여주는 그래프이다. 이를 참조하면, 175 ㎼의 최대 피크 전력이 100 ㏀의 로드 저항에서 얻어졌다.

SCT-TENG의 에너지 회수 메커니즘은 도 3에 나타냈고, 표면 개질된 PDMS 필름과 알루미늄 전극들 사이의 상호작용을 마찰대전 효과와 정전 유도와 함께 설명했다. 최초에는, 상부 알루미늄 전극이 도 3의 (a)에 나타난 것과 같이 PDMS 층과 접촉해 있다. 이후, 기계적인 움직임의 영향을 받아, 상부 층이 분리되고, 전극들 사이에 전하의 차이가 발생한다. 이 과정은, 외부에 연결된 회로에 상부 전극에서 하부전극 방향으로의 전하의 흐름을 유도하며(도 3의 (b) 참고), 도 3의 (c)에 보인 것처럼 평형 상태에 이르게 된다. 이러한 전하의 이동은 AC 신호의 첫 번째 반주기를 구상한다. 이후, 음의 반주기가 상부 층이 PDMS 필름에 가까워 지는 동안 얻어지며, 반대 방향의 전하의 흐름이 유도된다(도 3의 (d) 참고).

SCT-TENG의 충전 능력을 추정하기 위해서, AC 시그널은 브리지 정류회로(DF06G) 를 통해 DC 시그널로 변환되었고, 상용 커패시터에 연결되었다. 도 4의 (a)는 다양한 정전용량(0.1 ㎌ 내지 0.3 ㎌)을 갖는 커패시터를 이용하여 측정한 충전 전압 곡선을 보여준다. 이러한 전압 곡선은 단순한 DC 전력원으로써 SCT-TENG의 효율성을 보여준다. 또한, 각각의 커패시터에 저장된 에너지를 도 4의 (b)에 나타냈으며, 실시간 응용 장치로써 SCT-TENG의 우수한 성능을 확인시켜 주었다. 6 개의 LED가 도 4의 (c)에서 볼 수 있는 바와 같이 클래핑 토이의 각 부분에 설치되어 있고, SCT-TENG로부터의 AC 시그널은 DC 시그널로 변환되며, LED에 연결되었다. 따라서, SCT-TENG을 흔들면, 마찰대전과 정전유도에 의해 생체역학적이 에너지가 전기적 에너지로 변환되고, LED에 전원을 공급하게 된다(도 4의 (d) 참고). 이러한 실험 결과는 본 발명의 SCT-TENG가 자가젼력 토이로써 활용 가능성이 크다는 점을 보여주는 결과이다.

누르면 소리가 나는 일반적인 오리 장난감에 TENG를 삽입하여 스마트 토이로 만들었다. 즉, 일반적인 오리 형태의 장난감을 스마트 오리 장난감으로 바꾸었고, 생체역학적 에너지를 회수하여 LED를 밝힐 수 있도록 하였다. 도 5의 (a)는 SDT-TENG의 사진을 보여주는 것이로, TENG가 장난감의 내부에 매립되어 있다(도 5의 (b)의 개념도 참고). 이 때, PDMS 필름은 Al 전극에 접착한 후, 지지기재 상에 부착되었고, 이때 지지층은 장난감의 바닥면과 윗면을 활용했다. SDT-TENG의 전기적 특성을 확인하기 위해, 컴퓨터 제어 선형 모터로 일정한 외부 움직임을 만들어 적용했다. 도 6의 (a)와 (b)는 SDT-TENG의 전기적 반응을 보여주는 것으로, 출력 전압은 130 V, 단락 전류는 1 ㎂로 나타났다(외부 움직임 1 m/s 적용). 상업화를 위해서는 SDT-TENG의 내구성이 중요하기 때문에, 700 초 동안 작동하는 실험을 진행했고, 도 6의 (c)는 내구성 시험에서 얻어진 전압 신호를 보여주며, 무시할 정도의 변동은 있으나 SDT-TENG의 동작이 매우 안정적이라는 점을 보여준다. SDT-TENG의 에너지 회수 메커니즘은 도 8에 나타냈고, PDMS 필름과 알루미늄 전극 사이의 상호작용을 접촉 대전(contact electrification)과 정전 유도(electrostatic induction)의 조합 측면에서 설명하고 있다. 부하 저항 분석은 중요한 파라미터 중하나인데, 피크 전력과 매칭되는 부하를 찾기 위해 로드 저항 분석을 실시했다. 도 7의 (a)는 외부 부하 저항에 따른 전압을 보여주며, 10 ㏀의 부하 저항에서 245 ㎼의 최대 피크 전력을 나타냈다. SDT-TENG의 충전 능력을 조사하기 위해 정류된 DC 신호를 각기 다른 용량의 시판 커패시터(0.1 ㎌ 내지 0.33 ㎌)에 연결했다. 도 7의 (b)는 이 커패시터들을 통해 측정된 충전된 전압을 보여주며, 이러한 결과는 SDT-TENG가 전력원으로써 그리고 저 전력 소형 전자장치를 구동하는 능력에 대한 가능성을 보여준다. 자가 젼력 스마트 오리 장난감은 두 개의 LEDs를 오리의 눈 부분에 고정하여 제조했다(도 7의 (c) 참조). 그리고 SDT-TENG에서 발생하는 정류된 DC 신호를 단순 회로로 LED에 연결했다. 오리 장난감이 눌리면 SDT-TENG는 생체역학적 에너지를 전기적 에너지로 변환하고, 이 에너지가 LED가 켜지도록 한다(도 7의 (d) 참조). 이러한 실험은 SDT-TENG가 자가전력 토이 제조의 일 예가 될 수 있다는 점을 보여준다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (8)

1. 생체역학적인 에너지를 회수할 수 있도록 한 스마트 토이에 관한 것으로,
   로드저항을 갖는 발전유닛 및 상기 발전유닛과 전기적으로 연결되는 표시유닛을 포함하며,
   상기 발전유닛은,
   제1지지층 상에 위치하는 제1전극, 상기 제1전극 상에 위치하는 전하획득층을 포함하는 제1구조체,
   제2지지층 상에 위치하고 상기 제1전극과 마주하는 제2전극을 포함하는 제2구조체,
   상기 제2전극 상에 배치되어 상기 전하획득층과 마주하며 종이, 면 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 포함하는 전하제공층 및
   상기 전하획득층과 상기 제2전극 사이에 형성되는 간격(Gap)
   을 포함하고,
   상기 간격은, 상기 제1구조체, 제2구조체, 또는 이들 모두에 직접 또는 간접적으로 가해지는 외력에 의하여 제거되고 상기 외력이 제거되는 것에 의하여 다시 형성되며, 상기 표시유닛은 상기 간격의 제거와 형성에 의해 상기 발전유닛에서 발생하는 전력으로 구동하고, 상기 전하획득층은, 폴리에스터, PDMS(polydimethylsiloxane) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 포함하고, 상기 전하획득층의 표면에는 전력을 수집할 수 있는 불규칙한 돌기들이 형성되어 있는
   자가전력 장난감.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 표시유닛은, 디스플레이장치 또는 음향발생장치를 포함하는, 자가전력 장난감.
4. 제1항에 있어서,
   상기 자가전력 장난감은 내부에 빈 공간을 갖도록 폐곡면(閉曲面)으로 형성된 하우징을 포함하고,
   상기 제1지지층은 상기 폐곡면의 내면 중 일부와 일체를 이루거나 상기 일부 상에 위치하고, 상기 제2지지층은 상기 제1지지층과 대향하는 위치인 상기 폐곡면의 내면 중 타부와 일체를 이루거나 상기 타부 상에 위치하며,
   상기 하우징의 일부 또는 전부는 탄성을 갖는 것인, 자가전력 장난감.
5. 제1항에 있어서,
   상기 자가전력 장난감은, 상기 제1지지층이 제1플레이트 상에 위치하거나 제1플레이트와 일체를 이루고, 상기 제2지지층이 제2플레이트상에 위치하거나 제2플레이트와 일체를 이루며, 상기 제1플레이트와 상기 제2플레이트는 상기 전하획득층과 상기 제2전극이 서로 간격을 두고 마주보도록 위치하는 것이며 적어도 일부에 상기 제1플레이트와 상기 제2플레이트를 체결하는 체결구조를 통해 서로 연결되어 상기 외력에 의해 상기 간격이 제거 또는 형성되는 것인, 자가전력 장난감.
6. 제5항에 있어서,
   상기 체결구조는 탄성부재를 더 포함하여 상기 외력에 의하여 제거된 간격을 다시 형성시키는 것인, 자가전력 장난감.
7. 제1항에 있어서,
   상기 발전유닛은 80 내지 120 KΩ의 로드저항을 갖는 것인, 자가전력 장난감.
8. 제1항에 있어서,
   상기 자가전력 장난감은 정류회로와 커패시터를 포함하는 에너지저장유닛을 더 포함하는, 자가전력 장난감.

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