KR102144700B1 - 도전성 다공레이어부가 삽입된 마찰대전 발전기 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 도전성 다공레이어부가 삽입된 마찰대전 발전기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 양전하를 띄는 도전성 재료로 구성된 판상 형상의 제 1 전극구조체, 상기 제 1 전극구조체의 하단에 판상 형상으로 배치되고, 음전하를 띄는 도전성 재료로 구성되어 상기 제 1 전극구조체와 마찰대전 방식으로 접촉되어 전기를 발생시키는 제 2 전극구조체 및 상기 제 1 전극구조체 및 상기 제 2 전극구조체의 사이의 공간을 채우도록 배치되고, 가압에 의해 압축되도록 다공성구조 형성된 다공레이어부를 포함한다.
Description
본 발명은 마찰대전 발전기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 전극구조체 사이에 다공레이어부가 구비되어 전극구조체 간의 접촉간격 없이도 전기를 생산할 수 있는 도전성 다공레이어부가 삽입된 마찰대전 발전기에 관한 것이다.
석탄 및 석유 등 화석 에너지를 이용할 수 있게 된 이후, 기술의 개발에 의해 에너지 수요가 급증하게 되면서, 화석 에너지의 고갈에 대한 염려가 증가하고 있다. 더군다나 에너지 자립도가 낮은 나라들은 대부분의 화석 에너지를 수입에 의존하고 있어, 국가의 경제 발전에 저해요소로 작용하고 있다.
이에 따라서, 빛, 열, 진동 등의 주변 환경에서 버려지는 에너지를 수확하여 전기 에너지로 생산 및 이용하는 에너지 하베스팅(Energy Harvesting) 기술에 관한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 에너지 하베스팅 기술은 온도, 빛, 전자기장, 마찰 등 다양한 형태로 소모되고 있는 에너지를 전기 에너지로 변환하는 방식으로 연구되고 있다.
이 중, 기계적인 운동에서 버려지는 에너지를 마찰 대전 기반의 에너지 수확 원리를 이용하여 전기 에너지로 수확하는 기술 역시 연구가 활발하게 이루어지고 있다.
마찰 대전 기술은 접촉에 의해 양전하 또는 음전하로 대전되는 물질들을 서로 마찰시킴으로써 변화되는 출력 값을 이용하여 전기 에너지를 생성하는 방식으로 연구되어 왔다.
하지만, 이러한 마찰 대전 기술은 전기를 생성하기 위해 양전하 또는 음전하로 대전되는 물질의 접촉을 위한 간격이 필요하고, 또한, 양전하 또는 음전하로 대전되는 물질의 소재가 딱딱한 재질로 이루어짐에 따라 유연성이 부족하여 적용가능한 분야가 제한되는 등의 문제가 발생되었다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 제 1 전극구조체 및 제 2 전극구조체 사이에 압축가능한 다공레이어부가 구비되거나, 상기 제 1 전극구조체 및 상기 다공레이어부가 동일한 소재로 구성되어 전기를 생산하기 위한 접촉간격이 필요하지 않은 도전성 다공레이어부가 삽입된 마찰대전 발전기를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 도전성 다공레이어부가 삽입된 마찰대전 발전기는 양전하를 띄는 도전성 재료로 구성된 판상 형상의 제 1 전극구조체, 상기 제 1 전극구조체의 하단에 판상 형상으로 배치되고, 음전하를 띄는 도전성 재료로 구성되어 상기 제 1 전극구조체와 마찰대전 방식으로 접촉되어 전기를 발생시키는 제 2 전극구조체 및 상기 제 1 전극구조체 및 상기 제 2 전극구조체의 사이의 공간을 채우도록 배치되고, 가압에 의해 압축되도록 다공성구조 형성된 다공레이어부를 제공한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제 1 전극구조체는 금속 소재로 구성된 판상형상의 제 1 도전층 및 상기 제 1 도전층의 하단에 구비되고, 양전하를 띄는 도전성 재료로 구성된 제 1 전하층을 포함하는 것도 가능하다.
삭제
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제 2 전극구조체는 금속 소재로 구성된 판상형상의 제 2 도전층 및 상기 제 2 도전층의 상단에 구비되고, 음전하를 띄는 도전성 재료로 구성된 제 2 전하층을 포함하는 것도 가능하다.
삭제
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 다공레이어부는 상기 제 1 전극구조체 및 상기 제 2 전극구조체의 사이에서 다공성구조로 소량의 전류가 흐르고, 가압에 의해 다공성구조가 압축되어 보다 높은 전류가 발생되는 것일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 다공레이어부는 소재의 특성에 따라 다양한 형상으로 제조가능한 것일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 다공레이어부는 스펀지 구조로 구성된 것도 가능하다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 다공레이어부는 도전성을 갖도록 도전성 파우더와 혼합되거나 외부에 코팅된 것도 가능하다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 도전성 파우더는 탄소나노튜브, 은나노와이어, 알루미늄, 구리, 금 중 적어도 하나 이상의 소재로 구성된 것도 가능하다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 도전성 다공레이어부가 삽입된 마찰대전 발전기가 외력을 감지하는 센서에 적용되는 마찰대전 발전기가 적용된 센서일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 도전성 다공레이어부가 삽입된 마찰대전 발전기는 외력에 의해 발생된 전기를 통해 신체에 장착된 장치를 구동하는 웨어러블 장치용 마찰대전 발전기일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 도전성 다공레이어부가 삽입된 마찰대전 발전기는 제 1 전극구조체 및 제 2 전극구조체 사이에 압축가능한 다공레이어부가 구비되거나, 상기 제 1 전극구조체 및 상기 다공레이어부가 동일한 소재로 구성되어 전기를 생산하기 위한 접촉간격이 불필요한 효과가 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 도전성 다공레이어부가 삽입된 마찰대전 발전기의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 또 하나의 실시예에 따른 도전성 다공레이어부가 삽입된 마찰대전 발전기의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 또 하나의 실시예에 따른 도전성 다공레이어부가 삽입된 마찰대전 발전기의 단면도 및 부분확대도이다.
도 4는 3의 도전성 다공레이어부가 삽입된 마찰대전 발전기의 사시도 및 측면도이다.
도5는 본 발명의 또 하나의 실시예에 따른 일체형 전극구조체가 구비된 마찰대전 발전기의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 또 하나의 실시예에 따른 다공레이어부의 제조단계를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 또 하나의 실시예에 따른 도전성 다공레이어부가 삽입된 마찰대전 발전기의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 또 하나의 실시예에 따른 도전성 다공레이어부가 삽입된 마찰대전 발전기의 단면도 및 부분확대도이다.
도 4는 3의 도전성 다공레이어부가 삽입된 마찰대전 발전기의 사시도 및 측면도이다.
도5는 본 발명의 또 하나의 실시예에 따른 일체형 전극구조체가 구비된 마찰대전 발전기의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 또 하나의 실시예에 따른 다공레이어부의 제조단계를 도시한 도면이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 도전성 다공레이어부가 삽입된 마찰대전 발전기의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 도전성 다공레이어부가 삽입된 마찰대전 발전기(100)는 마찰대전시 양전하를 띄는 도전성 재료로 구성된 판상 형상의 제 1 전극구조체(110), 제 1 전극구조체(110)의 하단에 판상 형상으로 배치되고, 마찰대전시 음전하를 띄는 도전성 재료로 구성되어 상기 제 1 전극구조체(110)와 마찰대전 방식으로 접촉되어 전기를 발생시키는 제 2 전극구조체(120), 상기 제 1 전극구조체(110) 및 상기 제 2 전극구조체(120)의 사이에 공간을 채우도록 배치되고, 가압에 의해 압축되도록 다공성구조 형성된 다공레이어부(130)를 제공한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 도전성 다공레이어부가 삽입된 마찰대전 발전기(100)는 마찰대전시 양전하를 띄는 도전성 재료로 구성된 판상 형상의 제 1 전극구조체(110)를 포함한다.
보다 상세하게는, 상기 제 1 전극구조체(110)는 판상형상으로 형성되고, 마찰대전시 양전하를 띄는 도전성 재료로 구성되어 전기를 생산하도록 구비된다.
또한, 제 1 전극구조체(110)의 하단에 판상 형상으로 배치되고, 마찰대전시 음전하를 띄는 도전성 재료로 구성되어 상기 제 1 전극구조체(110)와 마찰대전 방식으로 접촉되어 전기를 발생시키는 제 2 전극구조체(120)가 구비된다.
보다 상세하게는, 상기 제 2 전극구조체(120)는 판상형상으로 형성되어 상기 제 1 전극구조체(110)의 하단에 배치되고, 상기 제 1 전극구조체(110)와 마찰에 의해서 전기를 생산하게 된다.
즉, 상기 제 1 전극구조체(110)는 양전자를 띄고 상기 제 2 전극구조체(120)는 음하를 띄는 도전성 재료로 구성되어 외력(P)에 의해 마찰됨으로써, 전기를 생산할 수 있다.
따라서, 상기 제 1 전극구조체(110) 및 상기 제 2 전극구조체(120)는 외부로부터의 진동에너지와 같이 외력에 의해서 접촉됨으로 인해 마찰이 발생되고 이러한 마찰대전 효과에 의해서 단순한 구조로 에너지를 수집할 수 있으며, 상기 제 1 전극구조체(110) 및 상기 제 2 전극구조체(120)는 각각 외부로 연결된 인출선이 결합되어 있으므로, 상기 인출선을 통해 발생된 전기를 외부로 전달하거나 저장할 수 있다.
또한, 제 1 전극구조체(110) 및 제 2 전극구조체(120)의 사이에 공간을 채우도록 배치되고, 가압에 의해 압축되도록 다공성구조 형성된 다공레이어부(130)가 구비된다.
보다 상세하게는, 상기 다공레이어부(130)는 상기 제 1 전극구조체(110) 및 상기 제 2 전극구조체(120)의 사이에 배치되고, 가압 시 압축되거나 가압해제시 본래의 형상으로 복원되는 다공성구조로 형성된다.
즉, 상기 다공레이어부(130)는 상기 제 1 전극구조체(110) 및 상기 제 2 전극구조체(120)의 사이에 빈 공간이 없도록 배치되고, 가압 시 압축되거나 가압해제시 본래의 형상으로 복원되도록 탄성이 있는 소재로 구성되어 외력이 작용되면 압축되어 전기를 생산하고 외력이 해제되면 본래의 형상으로 복원된다.
한편, 상기 제 1 전극구조체(110)는 상단에 양전하를 띄고, 상기 제 2 전극구조체(120)는 하단에 음전하를 띄는 구성으로 기재되어 있으나, 이는 설명 및 이해의 편의를 위한 표현으로 제 1 전극구조체(110)가 하단에 배치되어 음전하를 띄거나 제 2 전극구조체(120)가 상단에 배치되어 양전하를 띄는 구성도 가능함은 물론이다.
또한, 제 1 전극구조체(110)는 제2 전극구조체와 마찰대전시 양전하를 띄는 나일론, 쿼츠, 실크, 코튼, 알루미늄 중 어느 하나로 구성되거나 코팅된 것일 수 있다.
보다 상세하게는, 상기 제 1 전극구조체(110)는 제 1 도전층(111) 및 제 1 전하층(112)으로 구성되고, 상기 제 1 도전층(111)은 금속으로 구성되며 상기 제 1 전하층(112)은 마찰대전시 양전하를 띄는 나일론, 쿼츠, 실크, 코튼, 알루미늄 중 어느 하나로 구성되거나 상기 제 1 도전층(111)에 코팅될 수 있다.
또한, 제1 전극구조체(110)와 마찰대전시 음전하를 띄는 도전성 재료는 제 2 전극구조체(120)에 테프론, 실리콘러버, 폴리에스테르, 폴리에틸렌 테레프타레이트 중 어느 하나로 구성되거나 코팅된 것일 수 있다.
보다 상세하게는, 상기 제 2전극구조체(120)는 제 2 도전층(121) 및 제 1 전하층(122)으로 구성되고, 상기 제 2 도전층(121)은 금속으로 구성되며 상기 제 2 전하층(122)은 마찰대전시 음전하를 띄는 테프론, 실리콘러버, 폴리에스테르, 폴리에틸렌 테레프타레이트 중 어느 하나로 구성되거나 상기 제 2 도전층(121)에 코팅될 수 있다.
또한, 다공레이어부(130)는 상기 제 1 전극구조체(110) 및 상기 제 2 전극구조체(120)의 사이에서 다공성구조로 소량의 전류가 흐르고, 가압에 의해 다공성구조가 압축되어 보다 높은 전류가 발생될 수 있다.
보다 상세하게는, 상기 다공레이어부(130)는 상기 제 1 전극구조체(110) 및 상기 제 2 전극구조체(120)의 사이에 공간을 채우도록 배치되고, 다공성구조로 인해 상기 제 1 전극구조체(110) 및 상기 제 2 전극구조체(120)에 배치되어 적은 접촉면적으로 인해 소량의 전류가 흐르며, 외력에 의한 가압으로 상기 다공레이어부(130)가 압축되면 상기 제 1 전극구조체(110) 및 상기 제 2 전극구조체(120)와의 접촉면적이 증가되어 마찰대전으로 인해 보다 높은 전류가 발생된다.
즉, 상기 다공레이어부(130)는 가압 시 압력에 의해 마찰력이 증가되고, 접촉면이 증가되므로, 보다 높은 전류가 발생되고, 가압이 해제되면 마찰력이 감소되므로 제 1 전극구조체(110) 및 상기 제 2 전극구조체(120)의 사이에서 흐르는 전류가 낮아진다.
따라서, 상기 다공레이어부(130)는 상기 제 1 전극구조체(110) 및 상기 제 2 전극구조체(120) 간의 공간을 채우므로, 완충작용에 의해 반복적인 외력에 의해 상기 제 1 전극구조체(110) 및 상기 제 2 전극구조체(120)가 파손되는 것을 방지할 수 있고, 지속적으로 전기를 생산할 수 있다.
이때, 상기 다공레이어부(130)는 비전도성 소재로 구성될 수 있다.
보다 상세하게는, 상기 다공레이어부(130)는 비전도성 소재로 상기 제 1 전극구조체(110) 및 상기 제 2 전극구조체(120)의 사이에 구비될 수 있고, 가압에 의해 압축되면 다공성 구조로 인해 상기 제 1 전극구조체(110) 및 상기 제 2 전극구조체(120)가 접촉되면서 전기가 발생될 수 있다.
즉, 상기 다공레이어부(130)는 비전도성으로 비가압시 상기 제 1 전극구조체(110) 및 상기 제 2 전극구조체(120)를 분리시키고, 외력에 의해 가압되면 압축되며 다공성구조로 인해 상기 제 1 전극구조체(110) 및 상기 제 2 전극구조체(120)가 접촉가능하게 되고 이를 통해 전기가 발생하게 된다.
또한, 다공레이어부(130)는 가압 시 압축되고, 가압해제 시 형상복원되도록 폴리우레탄, 폴리디메틸실록산, 실리콘러버, 에코플렉스, 테프론 중 어느 하나로 구성된 것일 수 있다.
보다 상세하게는, 상기 다공레이어부(130)는 상기 제 1 전극구조체(110) 및 상기 제 2 전극구조체(120)의 사이에 배치되고, 외력에 의해 압축되거나 외력의 해제시 본래의 형상으로 복원되도록 폴리우레탄, 폴리디메틸실록산, 실리콘러버, 에코플렉스, 테프론으로 구성될 수 있다.
따라서, 상기 다공레이어부(130)는 압축 또는 형상복원을 반복하여 지속적인 외력에 의해 전기를 생산할 수 있다.
또한, 다공레이어부(130)는 도전성을 갖도록 도전성 파우더와 혼합되거나 외부에 코팅된 것일 수 있다.
보다 상세하게는, 상기 다공레이어부(130)는 상기 제 1 전극구조체(110) 및 상기 제 2 전극구조체(120)가 접촉되어 전기를 생산할 수 있도록 도전성 파우더와 혼합되어 제조되거나 외부에 상기 도전성 파우더가 코팅될 수 있다.
상기 도전성 파우더는 탄소나노튜브, 은나노와이어, 알루미늄, 구리, 금 중 적어도 하나 이상의 소재로 구성될 수 있고, 폴리우레탄, 폴리디메틸실록산, 실리콘러버, 에코플렉스, 테프론 소재와 도전성 파우더로 탄소나노튜브, 은나노와이어, 알루미늄, 구리, 금 중 적어도 하나 이상의 소재가 추가되어 상기 다공레이어부(130)를 제조할 수 있다.
도 2는 본 발명의 또 하나의 실시예에 따른 도전성 다공레이어부가 삽입된 마찰대전 발전기의 단면도이다.
도 2를 참조하면, 제 1 전극구조체(210)와 다공레이어부(230)는 마찰대전시 양전하를 띄는 동일한 소재의 다공성 구조로 구성될 수 있다.
보다 상세하게는, 상기 제 1 전극구조체(210)와 상기 다공레이어부(230)는 상기 제 2 전극구조체(220)와 접촉되어 전기를 생산하도록 동일한 소재로 구성될 수 있고, 폴리우레탄, 폴리디메틸실록산, 실리콘러버, 에코플렉스, 테프론 소재와 도전성 파우더로 탄소나노튜브, 은나노와이어, 알루미늄, 구리, 금 중 적어도 하나 이상의 소재를 통해 하나의 레이어로 제작하여 전기를 생산하는 것도 가능하다.
또한, 상기 제 1 전극구조체(210)는 마찰대전시 양전하를 띄는 도전성 재료는 나일론, 쿼츠, 실크, 코튼, 알루미늄 중 어느 하나와 혼합되거나 코팅되어 구성되고, 상기 다공레이어부(230)는 상기 양전하를 띄는 도전성 재료가 함께 혼합될 수 있고, 비전도성으로 구성될 수 있다.
이때, 상기 제 2 전극구조체(220)는 제 2 도전층(221) 및 제 2 전하층(222)으로 구성되고, 상기 제 2 도전층(221)은 상기 제 1 전극구조체(210) 및 상기 다공레이어부(230)와 동일한 소재로 구성될 수 있고, 폴리우레탄, 폴리디메틸실록산, 실리콘러버, 에코플렉스, 테프론 소재와 도전성 파우더로 탄소나노튜브, 은나노와이어, 알루미늄, 구리, 금 중 적어도 하나 이상의 소재로 구성될 수 있고, 상기 전하층(222)은 마찰대전시 음전하를 띄는 도전성 재료인 테프론, 실리콘러버, 에코플렉스, 폴리우레탄, 폴리에스테르, 폴리에틸렌 테레프타레이트 중 어느 하나로 구성되어 상기 제 2 도전층(221)이 음전하를 띄도록 배치된다.
도 3은 본 발명의 또 하나의 실시예에 따른 도전성 다공레이어부가 삽입된 마찰대전 발전기의 단면도 및 부분확대도이고, 도 4는 3의 마찰대전 발전기의 사시도 및 측면도이다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 상기 제 1 전극구조체(210)와 상기 다공레이어부(230)는 압축성있는 하나의 전극구조체인 혼합전극구조체(310)로 구성되고, 상기 제 2 전극구조체(320)와 접촉에 의해서 전기를 생산할 수 있다.
따라서, 추가적인 구성없이 상기 제 1 전극구조체(210)와 상기 다공레이어부(230)를 혼합전극구조체(310)로 구성하고, 이와 대면되도록 제 2 전극구조체(320)를 구성함으로써, 단순한 구조를 달성하고, 원가절감 및 제작의 효율성을 달성할 수 있다.
즉, 상기 혼합전극구조체(310)는 다공성 구조를 이루도록 폴리우레탄, 폴리디메틸실록산, 실리콘러버, 에코플렉스, 테프론 소재로 구성되고, 도전성 파우더로 탄소나노튜브, 은나노와이어, 알루미늄, 구리, 금 중 적어도 하나 이상의 소재가 혼합되거나 코팅되어 구성되며, 상기 제 2 전극구조체(320)와 외력에 의해 가압되어 전기가 발생되도록 마찰대전시 양전하를 띄는 도전성 재료는 나일론, 쿼츠, 실크, 코튼, 알루미늄 중 어느 하나가 혼합되거나 코팅되어 구성될 수 있다.
또한, 제 2 전극구조체(320)는 제 2 도전층(321) 및 제 2 전하층(322)으로 구성되고, 상기 제 2 도전층(321)은 상기 혼합전극구조체(310) 및 상기 다공레이어부(330)와 동일한 소재로 구성될 수 있고, 폴리우레탄, 폴리디메틸실록산, 실리콘러버, 에코플렉스, 테프론 소재와 도전성 파우더로 탄소나노튜브, 은나노와이어, 알루미늄, 구리, 금 중 적어도 하나 이상의 소재로 구성될 수 있으며, 상기 전하층(322)은 마찰대전시 음전하를 띄는 도전성 재료인 테프론, 실리콘러버, 에코플렉스, 폴리우레탄, 폴리에스테르, 폴리에틸렌 테레프타레이트 중 어느 하나로 구성되어 상기 제 2 도전층(321)이 음전하를 띄도록 배치된다.
또한, 혼합전극구조체(310)의 하면은 굴곡진 형상으로 요철이 형성되고, 이와 대면되는 상기 제 2 도전층(321) 및 제 2 전하층(322)도 굴곡진 형상으로 요철이 형성될 수 있다.
보다 상세하게는, 상기 혼합전극구조체(310)는 상기 제 2 전극구조체(320)와의 접촉면적을 늘려 전기의 생산성을 높이도록 상기 혼합전극구조체(310)와 상기 제 2 전하층(322)가 대면되는 면은 굴곡진 형상으로 요철이 형성되고, 이와 대응되어 상기 제 2 도전층(321)의 상면도 굴곡진 형상으로 요철이 형성되므로, 접촉면적을 증가시키고, 요철로 인해 증가된 마찰력으로 인해 발생되는 전기의 생산량도 증가시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 도전성 다공레이어부가 삽입된 마찰대전 발전기는 외력을 감지하는 센서에 적용되는 마찰대전 발전기가 적용된 센서일 수 있다.
보다 상세하게는, 상기 마찰대전 발전기가 적용된 센서는 외력에 따라 전기를 발생시키는 마찰대전 발전기를 적용하여 외력의 작용시 발생되는 전기를 신호로 변환하여 전달함으로써 센서로 활용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 도전성 다공레이어부가 삽입된 마찰대전 발전기는 외력에 의해 발생된 전기를 통해 신체에 장착된 장치를 구동하는 웨어러블 장치용 마찰대전 발전기일 수 있다.
보다 상세하게는, 상기 도전성 다공레이어부가 삽입된 마찰대전 발전기는 외력에 따라 전기를 발생시키고, 이를 통해 신체에 장착된 웨어러블 장치에 전력을 공급할 수 있다.
따라서, 간단한 구조만으로 웨어러블 장치를 구동시키는 웨어러블 장치용 마찰대전 발전기로 활용가능하다.
도5는 본 발명의 또 하나의 실시예에 따른 일체형 전극구조체가 구비된 마찰대전 발전기의 단면도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 일체형 전극구조체가 구비된 마찰대전 발전기(400)는 제 1 전극구조체(410) 및 상기 제 1 전극구조체(410)의 하단에 구비된 음전하레이어(421)에 의해 감싸진 제 2 전극구조체(420)로 구성된다.
보다 상세하게는, 상기 제 1 전극구조체(410)는 마찰대전시 양전하를 띄는 도전성 재료로 구성되고, 외부와 전기적으로 연결되도록 다공의 판상 형상으로 구성되어 외력에 의한 가압시 압축되거나 가압해제시 형상복원되도록 탄성이 있는 소재인 폴리우레탄, 폴리디메틸실록산, 실리콘러버, 에코플렉스, 테프론 중 적어도 하나 이상의 소재를 이용하여 다공성 구조로 구성될 수 있다.
또한, 상기 제 1 전극구조체(410)는 도전성을 갖도록 도전성 파우더인 탄소나노튜브, 은나노와이어, 알루미늄, 구리, 금 중 적어도 하나 이상의 소재로 혼합되거나 외부에 코팅되어 구성되고, 마찰대전시 양전하를 띄는 도전성 재료인 나일론, 쿼츠, 실크, 코튼, 알루미늄 중 어느 하나와 혼합되거나 외부에 코팅되어 구성될 수 있다.
이때, 상기 제 1 전극구체의 하단에는 음전하레이어(421)에 의해 감싸진 제 2 전극구조체(420)가 구비되고, 상기 제 2 전극구조체(420)는 음전하레이어(421) 및 제조가 단순하고, 쉽게 휘어질 수 있도록 메탈울(422)로 구성된다. 또한, 상기 메탈울(422)은 음전하를 띄는 폴리머로 구성되고, 바람직하게는 실리콘 루버에 의해 제조되는 것이다.
즉, 상기 제 2 전극구조체(420)는 요구되는 형상으로 형성된 메탈울(422)을 용기에 담고 용해된 실리콘 루버를 주입하여 상온에서 경화시킨다. 따라서, 상기 제 2 전극구조체(420)는 내부에는 메탈울(422)로 구성되고 상기 메탈울(422)을 감싸는 실리콘 루버로 제조된다.
결과적으로, 상단에는 양전하를 띄는 제 1 전극구조체(410)가 구비되고, 하단에는 음전하를 띄는 제 2 전극구조체(420)가 구비되어 외력에 의해 다공이 형성된 제 1 전극구조체(410)가 압축되어 표면적이 증가되며 마찰대전 방식에 의해서 전기가 발생된다.
또한, 상기 메탈울(422)은 가는 선형상의 금속을 뭉쳐서 가공한 것으로, 상기 메탈울(422)은 하나의 선으로 가공되어 뭉쳐지는 것으로 형상으로 부피 및 형상에 따라서 선의 길이를 조절하여 제조하는 것으로 부피가 큰 것은 선의 길이를 길게하고 부피가 작은 것은 선의 길이를 짧게하여 제조할 수 있으며, 상기 선의 굵기를 제어하여 상기 메탈울(422)의 표면적으로 조절할 수 있고, 표면적에 따라서, 발생되는 전기의 생산량을 변화시킬 수 있다.
즉, 표면적이 많은 경우 많은 전기를 생산할 수 있고, 표면적이 적은 경우 적은 전기가 생산된다. 따라서, 상기 메탈울(422)의 길이 및 굵기를 제어하여 생산되는 전기의 양을 조절하게 된다.
도 6는 본 발명의 또 하나의 실시예에 따른 다공레이어부의 제조단계를 도시한 도면이다.
도 1 및 도 6를 참조하면, 상기 다공레이어부(130)는 폴리우레탄, 폴리디메틸실록산, 실리콘러버, 에코플렉스, 테프론 등을 사용하여 다공성 레이어의 구조물질을 이루고, 상기 다공성 레이어의 구조물질이 도전성을 갖도록 도전성 파우더인 탄소나노튜브, 은나노와이어, 알루미늄, 구리, 금 중 적어도 하나 이상의 소재를 혼합 또는 코팅한다.
따라서, 이러한 상기 다공레이어부(130)를 제조하기 위해서 a) 단계에서, 도전성파우더와 설탕을 혼합하고, b)단계에서, 상기 혼합된 분말을 몰드에 넣어 일정한 형상을 유지시키고, c) 단계에서, 일정한 형상을 갖는 혼합된 분말의 형상을 고정하도록 다공성 레이어의 구조물질을 혼합하고, d)단계에서, 물에 용해시켜 다공레이어부의 제조를 끝내게 된다.
결과적으로, 상기와 같은 제조공정을 통해 상기 다공레이어부(130)는 제 1 전극구조체(110) 및 제 2 전극구조체(120) 사이에 압축가능하도록 배치되거나, 상기 제 1 전극구조체(110)와 하나의 전극구조체로 제조되어 상기 제 2 전극구조체(120)와 접촉되어 마찰대전에 의해 전기를 생산할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 도전성 다공레이어부가 삽입된 마찰대전 발전기의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 도전성 다공레이어부가 삽입된 마찰대전 발전기(100)는 마찰대전시 양전하를 띄는 도전성 재료로 구성된 판상 형상의 제 1 전극구조체(110), 제 1 전극구조체(110)의 하단에 판상 형상으로 배치되고, 마찰대전시 음전하를 띄는 도전성 재료로 구성되어 상기 제 1 전극구조체(110)와 마찰대전 방식으로 접촉되어 전기를 발생시키는 제 2 전극구조체(120), 상기 제 1 전극구조체(110) 및 상기 제 2 전극구조체(120)의 사이에 공간을 채우도록 배치되고, 가압에 의해 압축되도록 다공성구조 형성된 다공레이어부(130)를 제공한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 도전성 다공레이어부가 삽입된 마찰대전 발전기(100)는 마찰대전시 양전하를 띄는 도전성 재료로 구성된 판상 형상의 제 1 전극구조체(110)를 포함한다.
보다 상세하게는, 상기 제 1 전극구조체(110)는 판상형상으로 형성되고, 마찰대전시 양전하를 띄는 도전성 재료로 구성되어 전기를 생산하도록 구비된다.
또한, 제 1 전극구조체(110)의 하단에 판상 형상으로 배치되고, 마찰대전시 음전하를 띄는 도전성 재료로 구성되어 상기 제 1 전극구조체(110)와 마찰대전 방식으로 접촉되어 전기를 발생시키는 제 2 전극구조체(120)가 구비된다.
보다 상세하게는, 상기 제 2 전극구조체(120)는 판상형상으로 형성되어 상기 제 1 전극구조체(110)의 하단에 배치되고, 상기 제 1 전극구조체(110)와 마찰에 의해서 전기를 생산하게 된다.
즉, 상기 제 1 전극구조체(110)는 양전자를 띄고 상기 제 2 전극구조체(120)는 음하를 띄는 도전성 재료로 구성되어 외력(P)에 의해 마찰됨으로써, 전기를 생산할 수 있다.
따라서, 상기 제 1 전극구조체(110) 및 상기 제 2 전극구조체(120)는 외부로부터의 진동에너지와 같이 외력에 의해서 접촉됨으로 인해 마찰이 발생되고 이러한 마찰대전 효과에 의해서 단순한 구조로 에너지를 수집할 수 있으며, 상기 제 1 전극구조체(110) 및 상기 제 2 전극구조체(120)는 각각 외부로 연결된 인출선이 결합되어 있으므로, 상기 인출선을 통해 발생된 전기를 외부로 전달하거나 저장할 수 있다.
또한, 제 1 전극구조체(110) 및 제 2 전극구조체(120)의 사이에 공간을 채우도록 배치되고, 가압에 의해 압축되도록 다공성구조 형성된 다공레이어부(130)가 구비된다.
보다 상세하게는, 상기 다공레이어부(130)는 상기 제 1 전극구조체(110) 및 상기 제 2 전극구조체(120)의 사이에 배치되고, 가압 시 압축되거나 가압해제시 본래의 형상으로 복원되는 다공성구조로 형성된다.
즉, 상기 다공레이어부(130)는 상기 제 1 전극구조체(110) 및 상기 제 2 전극구조체(120)의 사이에 빈 공간이 없도록 배치되고, 가압 시 압축되거나 가압해제시 본래의 형상으로 복원되도록 탄성이 있는 소재로 구성되어 외력이 작용되면 압축되어 전기를 생산하고 외력이 해제되면 본래의 형상으로 복원된다.
한편, 상기 제 1 전극구조체(110)는 상단에 양전하를 띄고, 상기 제 2 전극구조체(120)는 하단에 음전하를 띄는 구성으로 기재되어 있으나, 이는 설명 및 이해의 편의를 위한 표현으로 제 1 전극구조체(110)가 하단에 배치되어 음전하를 띄거나 제 2 전극구조체(120)가 상단에 배치되어 양전하를 띄는 구성도 가능함은 물론이다.
또한, 제 1 전극구조체(110)는 제2 전극구조체와 마찰대전시 양전하를 띄는 나일론, 쿼츠, 실크, 코튼, 알루미늄 중 어느 하나로 구성되거나 코팅된 것일 수 있다.
보다 상세하게는, 상기 제 1 전극구조체(110)는 제 1 도전층(111) 및 제 1 전하층(112)으로 구성되고, 상기 제 1 도전층(111)은 금속으로 구성되며 상기 제 1 전하층(112)은 마찰대전시 양전하를 띄는 나일론, 쿼츠, 실크, 코튼, 알루미늄 중 어느 하나로 구성되거나 상기 제 1 도전층(111)에 코팅될 수 있다.
또한, 제1 전극구조체(110)와 마찰대전시 음전하를 띄는 도전성 재료는 제 2 전극구조체(120)에 테프론, 실리콘러버, 폴리에스테르, 폴리에틸렌 테레프타레이트 중 어느 하나로 구성되거나 코팅된 것일 수 있다.
보다 상세하게는, 상기 제 2전극구조체(120)는 제 2 도전층(121) 및 제 1 전하층(122)으로 구성되고, 상기 제 2 도전층(121)은 금속으로 구성되며 상기 제 2 전하층(122)은 마찰대전시 음전하를 띄는 테프론, 실리콘러버, 폴리에스테르, 폴리에틸렌 테레프타레이트 중 어느 하나로 구성되거나 상기 제 2 도전층(121)에 코팅될 수 있다.
또한, 다공레이어부(130)는 상기 제 1 전극구조체(110) 및 상기 제 2 전극구조체(120)의 사이에서 다공성구조로 소량의 전류가 흐르고, 가압에 의해 다공성구조가 압축되어 보다 높은 전류가 발생될 수 있다.
보다 상세하게는, 상기 다공레이어부(130)는 상기 제 1 전극구조체(110) 및 상기 제 2 전극구조체(120)의 사이에 공간을 채우도록 배치되고, 다공성구조로 인해 상기 제 1 전극구조체(110) 및 상기 제 2 전극구조체(120)에 배치되어 적은 접촉면적으로 인해 소량의 전류가 흐르며, 외력에 의한 가압으로 상기 다공레이어부(130)가 압축되면 상기 제 1 전극구조체(110) 및 상기 제 2 전극구조체(120)와의 접촉면적이 증가되어 마찰대전으로 인해 보다 높은 전류가 발생된다.
즉, 상기 다공레이어부(130)는 가압 시 압력에 의해 마찰력이 증가되고, 접촉면이 증가되므로, 보다 높은 전류가 발생되고, 가압이 해제되면 마찰력이 감소되므로 제 1 전극구조체(110) 및 상기 제 2 전극구조체(120)의 사이에서 흐르는 전류가 낮아진다.
따라서, 상기 다공레이어부(130)는 상기 제 1 전극구조체(110) 및 상기 제 2 전극구조체(120) 간의 공간을 채우므로, 완충작용에 의해 반복적인 외력에 의해 상기 제 1 전극구조체(110) 및 상기 제 2 전극구조체(120)가 파손되는 것을 방지할 수 있고, 지속적으로 전기를 생산할 수 있다.
이때, 상기 다공레이어부(130)는 비전도성 소재로 구성될 수 있다.
보다 상세하게는, 상기 다공레이어부(130)는 비전도성 소재로 상기 제 1 전극구조체(110) 및 상기 제 2 전극구조체(120)의 사이에 구비될 수 있고, 가압에 의해 압축되면 다공성 구조로 인해 상기 제 1 전극구조체(110) 및 상기 제 2 전극구조체(120)가 접촉되면서 전기가 발생될 수 있다.
즉, 상기 다공레이어부(130)는 비전도성으로 비가압시 상기 제 1 전극구조체(110) 및 상기 제 2 전극구조체(120)를 분리시키고, 외력에 의해 가압되면 압축되며 다공성구조로 인해 상기 제 1 전극구조체(110) 및 상기 제 2 전극구조체(120)가 접촉가능하게 되고 이를 통해 전기가 발생하게 된다.
또한, 다공레이어부(130)는 가압 시 압축되고, 가압해제 시 형상복원되도록 폴리우레탄, 폴리디메틸실록산, 실리콘러버, 에코플렉스, 테프론 중 어느 하나로 구성된 것일 수 있다.
보다 상세하게는, 상기 다공레이어부(130)는 상기 제 1 전극구조체(110) 및 상기 제 2 전극구조체(120)의 사이에 배치되고, 외력에 의해 압축되거나 외력의 해제시 본래의 형상으로 복원되도록 폴리우레탄, 폴리디메틸실록산, 실리콘러버, 에코플렉스, 테프론으로 구성될 수 있다.
따라서, 상기 다공레이어부(130)는 압축 또는 형상복원을 반복하여 지속적인 외력에 의해 전기를 생산할 수 있다.
또한, 다공레이어부(130)는 도전성을 갖도록 도전성 파우더와 혼합되거나 외부에 코팅된 것일 수 있다.
보다 상세하게는, 상기 다공레이어부(130)는 상기 제 1 전극구조체(110) 및 상기 제 2 전극구조체(120)가 접촉되어 전기를 생산할 수 있도록 도전성 파우더와 혼합되어 제조되거나 외부에 상기 도전성 파우더가 코팅될 수 있다.
상기 도전성 파우더는 탄소나노튜브, 은나노와이어, 알루미늄, 구리, 금 중 적어도 하나 이상의 소재로 구성될 수 있고, 폴리우레탄, 폴리디메틸실록산, 실리콘러버, 에코플렉스, 테프론 소재와 도전성 파우더로 탄소나노튜브, 은나노와이어, 알루미늄, 구리, 금 중 적어도 하나 이상의 소재가 추가되어 상기 다공레이어부(130)를 제조할 수 있다.
도 2는 본 발명의 또 하나의 실시예에 따른 도전성 다공레이어부가 삽입된 마찰대전 발전기의 단면도이다.
도 2를 참조하면, 제 1 전극구조체(210)와 다공레이어부(230)는 마찰대전시 양전하를 띄는 동일한 소재의 다공성 구조로 구성될 수 있다.
보다 상세하게는, 상기 제 1 전극구조체(210)와 상기 다공레이어부(230)는 상기 제 2 전극구조체(220)와 접촉되어 전기를 생산하도록 동일한 소재로 구성될 수 있고, 폴리우레탄, 폴리디메틸실록산, 실리콘러버, 에코플렉스, 테프론 소재와 도전성 파우더로 탄소나노튜브, 은나노와이어, 알루미늄, 구리, 금 중 적어도 하나 이상의 소재를 통해 하나의 레이어로 제작하여 전기를 생산하는 것도 가능하다.
또한, 상기 제 1 전극구조체(210)는 마찰대전시 양전하를 띄는 도전성 재료는 나일론, 쿼츠, 실크, 코튼, 알루미늄 중 어느 하나와 혼합되거나 코팅되어 구성되고, 상기 다공레이어부(230)는 상기 양전하를 띄는 도전성 재료가 함께 혼합될 수 있고, 비전도성으로 구성될 수 있다.
이때, 상기 제 2 전극구조체(220)는 제 2 도전층(221) 및 제 2 전하층(222)으로 구성되고, 상기 제 2 도전층(221)은 상기 제 1 전극구조체(210) 및 상기 다공레이어부(230)와 동일한 소재로 구성될 수 있고, 폴리우레탄, 폴리디메틸실록산, 실리콘러버, 에코플렉스, 테프론 소재와 도전성 파우더로 탄소나노튜브, 은나노와이어, 알루미늄, 구리, 금 중 적어도 하나 이상의 소재로 구성될 수 있고, 상기 전하층(222)은 마찰대전시 음전하를 띄는 도전성 재료인 테프론, 실리콘러버, 에코플렉스, 폴리우레탄, 폴리에스테르, 폴리에틸렌 테레프타레이트 중 어느 하나로 구성되어 상기 제 2 도전층(221)이 음전하를 띄도록 배치된다.
도 3은 본 발명의 또 하나의 실시예에 따른 도전성 다공레이어부가 삽입된 마찰대전 발전기의 단면도 및 부분확대도이고, 도 4는 3의 마찰대전 발전기의 사시도 및 측면도이다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 상기 제 1 전극구조체(210)와 상기 다공레이어부(230)는 압축성있는 하나의 전극구조체인 혼합전극구조체(310)로 구성되고, 상기 제 2 전극구조체(320)와 접촉에 의해서 전기를 생산할 수 있다.
따라서, 추가적인 구성없이 상기 제 1 전극구조체(210)와 상기 다공레이어부(230)를 혼합전극구조체(310)로 구성하고, 이와 대면되도록 제 2 전극구조체(320)를 구성함으로써, 단순한 구조를 달성하고, 원가절감 및 제작의 효율성을 달성할 수 있다.
즉, 상기 혼합전극구조체(310)는 다공성 구조를 이루도록 폴리우레탄, 폴리디메틸실록산, 실리콘러버, 에코플렉스, 테프론 소재로 구성되고, 도전성 파우더로 탄소나노튜브, 은나노와이어, 알루미늄, 구리, 금 중 적어도 하나 이상의 소재가 혼합되거나 코팅되어 구성되며, 상기 제 2 전극구조체(320)와 외력에 의해 가압되어 전기가 발생되도록 마찰대전시 양전하를 띄는 도전성 재료는 나일론, 쿼츠, 실크, 코튼, 알루미늄 중 어느 하나가 혼합되거나 코팅되어 구성될 수 있다.
또한, 제 2 전극구조체(320)는 제 2 도전층(321) 및 제 2 전하층(322)으로 구성되고, 상기 제 2 도전층(321)은 상기 혼합전극구조체(310) 및 상기 다공레이어부(330)와 동일한 소재로 구성될 수 있고, 폴리우레탄, 폴리디메틸실록산, 실리콘러버, 에코플렉스, 테프론 소재와 도전성 파우더로 탄소나노튜브, 은나노와이어, 알루미늄, 구리, 금 중 적어도 하나 이상의 소재로 구성될 수 있으며, 상기 전하층(322)은 마찰대전시 음전하를 띄는 도전성 재료인 테프론, 실리콘러버, 에코플렉스, 폴리우레탄, 폴리에스테르, 폴리에틸렌 테레프타레이트 중 어느 하나로 구성되어 상기 제 2 도전층(321)이 음전하를 띄도록 배치된다.
또한, 혼합전극구조체(310)의 하면은 굴곡진 형상으로 요철이 형성되고, 이와 대면되는 상기 제 2 도전층(321) 및 제 2 전하층(322)도 굴곡진 형상으로 요철이 형성될 수 있다.
보다 상세하게는, 상기 혼합전극구조체(310)는 상기 제 2 전극구조체(320)와의 접촉면적을 늘려 전기의 생산성을 높이도록 상기 혼합전극구조체(310)와 상기 제 2 전하층(322)가 대면되는 면은 굴곡진 형상으로 요철이 형성되고, 이와 대응되어 상기 제 2 도전층(321)의 상면도 굴곡진 형상으로 요철이 형성되므로, 접촉면적을 증가시키고, 요철로 인해 증가된 마찰력으로 인해 발생되는 전기의 생산량도 증가시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 도전성 다공레이어부가 삽입된 마찰대전 발전기는 외력을 감지하는 센서에 적용되는 마찰대전 발전기가 적용된 센서일 수 있다.
보다 상세하게는, 상기 마찰대전 발전기가 적용된 센서는 외력에 따라 전기를 발생시키는 마찰대전 발전기를 적용하여 외력의 작용시 발생되는 전기를 신호로 변환하여 전달함으로써 센서로 활용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 도전성 다공레이어부가 삽입된 마찰대전 발전기는 외력에 의해 발생된 전기를 통해 신체에 장착된 장치를 구동하는 웨어러블 장치용 마찰대전 발전기일 수 있다.
보다 상세하게는, 상기 도전성 다공레이어부가 삽입된 마찰대전 발전기는 외력에 따라 전기를 발생시키고, 이를 통해 신체에 장착된 웨어러블 장치에 전력을 공급할 수 있다.
따라서, 간단한 구조만으로 웨어러블 장치를 구동시키는 웨어러블 장치용 마찰대전 발전기로 활용가능하다.
도5는 본 발명의 또 하나의 실시예에 따른 일체형 전극구조체가 구비된 마찰대전 발전기의 단면도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 일체형 전극구조체가 구비된 마찰대전 발전기(400)는 제 1 전극구조체(410) 및 상기 제 1 전극구조체(410)의 하단에 구비된 음전하레이어(421)에 의해 감싸진 제 2 전극구조체(420)로 구성된다.
보다 상세하게는, 상기 제 1 전극구조체(410)는 마찰대전시 양전하를 띄는 도전성 재료로 구성되고, 외부와 전기적으로 연결되도록 다공의 판상 형상으로 구성되어 외력에 의한 가압시 압축되거나 가압해제시 형상복원되도록 탄성이 있는 소재인 폴리우레탄, 폴리디메틸실록산, 실리콘러버, 에코플렉스, 테프론 중 적어도 하나 이상의 소재를 이용하여 다공성 구조로 구성될 수 있다.
또한, 상기 제 1 전극구조체(410)는 도전성을 갖도록 도전성 파우더인 탄소나노튜브, 은나노와이어, 알루미늄, 구리, 금 중 적어도 하나 이상의 소재로 혼합되거나 외부에 코팅되어 구성되고, 마찰대전시 양전하를 띄는 도전성 재료인 나일론, 쿼츠, 실크, 코튼, 알루미늄 중 어느 하나와 혼합되거나 외부에 코팅되어 구성될 수 있다.
이때, 상기 제 1 전극구체의 하단에는 음전하레이어(421)에 의해 감싸진 제 2 전극구조체(420)가 구비되고, 상기 제 2 전극구조체(420)는 음전하레이어(421) 및 제조가 단순하고, 쉽게 휘어질 수 있도록 메탈울(422)로 구성된다. 또한, 상기 메탈울(422)은 음전하를 띄는 폴리머로 구성되고, 바람직하게는 실리콘 루버에 의해 제조되는 것이다.
즉, 상기 제 2 전극구조체(420)는 요구되는 형상으로 형성된 메탈울(422)을 용기에 담고 용해된 실리콘 루버를 주입하여 상온에서 경화시킨다. 따라서, 상기 제 2 전극구조체(420)는 내부에는 메탈울(422)로 구성되고 상기 메탈울(422)을 감싸는 실리콘 루버로 제조된다.
결과적으로, 상단에는 양전하를 띄는 제 1 전극구조체(410)가 구비되고, 하단에는 음전하를 띄는 제 2 전극구조체(420)가 구비되어 외력에 의해 다공이 형성된 제 1 전극구조체(410)가 압축되어 표면적이 증가되며 마찰대전 방식에 의해서 전기가 발생된다.
또한, 상기 메탈울(422)은 가는 선형상의 금속을 뭉쳐서 가공한 것으로, 상기 메탈울(422)은 하나의 선으로 가공되어 뭉쳐지는 것으로 형상으로 부피 및 형상에 따라서 선의 길이를 조절하여 제조하는 것으로 부피가 큰 것은 선의 길이를 길게하고 부피가 작은 것은 선의 길이를 짧게하여 제조할 수 있으며, 상기 선의 굵기를 제어하여 상기 메탈울(422)의 표면적으로 조절할 수 있고, 표면적에 따라서, 발생되는 전기의 생산량을 변화시킬 수 있다.
즉, 표면적이 많은 경우 많은 전기를 생산할 수 있고, 표면적이 적은 경우 적은 전기가 생산된다. 따라서, 상기 메탈울(422)의 길이 및 굵기를 제어하여 생산되는 전기의 양을 조절하게 된다.
도 6는 본 발명의 또 하나의 실시예에 따른 다공레이어부의 제조단계를 도시한 도면이다.
도 1 및 도 6를 참조하면, 상기 다공레이어부(130)는 폴리우레탄, 폴리디메틸실록산, 실리콘러버, 에코플렉스, 테프론 등을 사용하여 다공성 레이어의 구조물질을 이루고, 상기 다공성 레이어의 구조물질이 도전성을 갖도록 도전성 파우더인 탄소나노튜브, 은나노와이어, 알루미늄, 구리, 금 중 적어도 하나 이상의 소재를 혼합 또는 코팅한다.
따라서, 이러한 상기 다공레이어부(130)를 제조하기 위해서 a) 단계에서, 도전성파우더와 설탕을 혼합하고, b)단계에서, 상기 혼합된 분말을 몰드에 넣어 일정한 형상을 유지시키고, c) 단계에서, 일정한 형상을 갖는 혼합된 분말의 형상을 고정하도록 다공성 레이어의 구조물질을 혼합하고, d)단계에서, 물에 용해시켜 다공레이어부의 제조를 끝내게 된다.
결과적으로, 상기와 같은 제조공정을 통해 상기 다공레이어부(130)는 제 1 전극구조체(110) 및 제 2 전극구조체(120) 사이에 압축가능하도록 배치되거나, 상기 제 1 전극구조체(110)와 하나의 전극구조체로 제조되어 상기 제 2 전극구조체(120)와 접촉되어 마찰대전에 의해 전기를 생산할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
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100, 200, 300, 400: 도전성 다공레이어부가 삽입된 마찰대전 발전기
110, 210, 410: 제 1 전극구조체
111: 제 1 도전층
112: 제 1 전하층
120, 220, 320: 제 2 전극구조체
121, 221, 321: 제 2 도전층
122, 222, 322: 제 2 전하층
130, 230: 다공레이어부
310: 혼합전극구조체
421: 음전하레이어
422: 메탈울
110, 210, 410: 제 1 전극구조체
111: 제 1 도전층
112: 제 1 전하층
120, 220, 320: 제 2 전극구조체
121, 221, 321: 제 2 도전층
122, 222, 322: 제 2 전하층
130, 230: 다공레이어부
310: 혼합전극구조체
421: 음전하레이어
422: 메탈울
Claims (12)
- 마찰대전시 양전하를 띄도록 마련된 도전성 재료로 구성되며, 판상 형상의 제 1 전극구조체;
상기 제1 전극구조체와 동일한 재료로 마련되며, 상기 제 1 전극구조체 및 제 2 전극구조체의 사이의 공간을 채우도록 배치되는 다공레이어부; 및
상기 제 1 전극구조체의 하단에 배치되고, 마찰대전시 음전하를 띄는 도전성 재료로 구성되며, 상기 제 1 전극구조체와 마찰대전 방식으로 접촉되어 전기를 발생시키는 폴리머로 구성된 메탈울을 갖는 제2 전극구조체를 포함하고,
상기 제1 전극구조체와 상기 다공레이어부는 압축성이 있는 하나의 전극구조체인 혼합전극구조체로 구성되어 상기 제2 전극구조체와의 접촉에 의해 전기가 생산되도록 마련되며,
상기 혼합전극구조체의 하면은 굴곡진 형상으로 요철이 형성되고, 이와 대면되는 상기 제2 전극구조체의 상면에도 이와 대응되는 굴곡진 형상의 요철이 형성되며,
상기 다공레이어부는 비전도성 소재로 마련되고, 가압에 의해 압축되면 다공성 구조로 인해 상기 제1 전극구조체 및 상기 제2 전극구조체가 직접 접촉되면서 마찰 대전이 이루어지도록 마련되며,
상기 제1 전극구조체는 마찰대전시 양전하를 띄는 나일론, 쿼츠, 실크, 코튼, 알루미늄 중 어느 하나로 구성되며,
상기 제 2 전극구조체는 기설정된 형상의 상기 메탈울을 용기에 담고 용해된 실리콘 루버를 주입한 다음 상온에서 경화시켜 형성되고, 상기 메탈울을 이루는 선형상의 금속의 길이와 굵기를 조절하여 상기 메탈울의 부피 및 표면적을 조절함으로써 전기의 생산량을 제어하도록 마련되며,
상기 제1 전극구조체 및 상기 제2 전극구조체는 상호 직접 접촉하여 마찰시 대전열의 차이에 의해 상호 반대 극성의 전하가 생성되어 발전이 이루어지도록 마련된 것을 특징으로 하는 도전성 다공레이어부가 삽입된 마찰대전 발전기. - 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 전극구조체는,
금속 소재로 구성된 판상형상의 제 1 도전층; 및
상기 제 1 도전층의 하단에 구비되고, 마찰대전시 양전하를 띄도록 마련된 제 1 전하층;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 도전성 다공레이어부가 삽입된 마찰대전 발전기. - 삭제
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- 삭제
- 제 1 항에 있어서, 상기 다공레이어부는 상기 제 1 전극구조체 및 상기 제 2 전극구조체의 사이에서 다공성구조로 소량의 전류가 흐르고, 가압에 의해 다공성구조가 압축되어 보다 높은 전류가 발생되는 것을 특징으로 하는 도전성 다공레이어부가 삽입된 마찰대전 발전기.
- 제 6 항에 있어서, 상기 다공레이어부는 소재의 특성에 따라 다양한 형상으로 제조가능한 것을 특징으로 하는 도전성 다공레이어부가 삽입된 마찰대전 발전기.
- 제 7 항에 있어서, 상기 다공레이어부는 스펀지 구조로 구성된 것을 특징으로 하는 도전성 다공레이어부가 삽입된 마찰대전 발전기.
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- 삭제
- 제 1 항에 따른, 상기 도전성 다공레이어부가 삽입된 마찰대전 발전기는 외력을 감지하는 센서에 적용되는 것을 특징으로 하는 마찰대전 발전기가 적용된 센서.
- 제 1 항에 따른, 상기 도전성 다공레이어부가 삽입된 마찰대전 발전기는 외력에 의해 발생된 전기를 통해 신체에 장착된 장치를 구동하는 것을 특징으로 하는 웨어러블 장치용 마찰대전 발전기.
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| "Progressive contact-separate triboelectric nanogenerator based on conductive polyurethane foam ...", Hemin Zhang, NANO ENERGY(2018) (2018.06.15. 공개) |
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|---|---|---|---|---|
| KR20220119871A (ko) | 2021-02-22 | 2022-08-30 | 경희대학교 산학협력단 | 기계 에너지를 수확, 감지 및 저장할 수 있는 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기 및 이를 이용한 전력 관리 장치 및 모션 감지 장치 |
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