KR102218429B1 - 마찰 전기 발전기 - Google Patents

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홍대웅
정재화
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    • H02N1/04—Friction generators

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Abstract

본 발명은 마찰 전기 발전기에 관한 것으로, 본 발명에 따른 마찰 전기 발전기는 제1전극, 상기 제1전극과 이격되게 배치되는 제2전극, 상기 제1전극 및 상기 제2전극 사이 공간을 외부와 차폐시키는 차폐부재, 및 상기 제1전극과 상기 제2전극을 접촉 또는 분리시키는 외력을 제공하는 외력제공부를 포함하고, 상기 제2전극은, 상기 제1전극 및 상기 제2전극 사이에 배치되고, 상기 제1전극과 접촉 및 분리를 반복하여 상기 제1전극과 상기 제2전극간 전위차를 발생시키는 유전체층을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

마찰 전기 발전기 {TRIBOELECTRIC GENERATOR}
본 발명은 마찰 전기 발전기에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 마찰 대전 전하 밀도의 한계 극복 장치가 구비된 마찰 전기 발전기에 관한 것이다.
최근 에너지를 하베스팅(harvesting)하는 기술이 각광을 받고 있다.
에너지 하베스팅 소자들은 주변 환경에 존재하는 바람이나 진동, 또는 인간의 움직임으로부터 발생되는 기계적 에너지 등을 전기 에너지로 변환하여 추출할 수 있는 새로운 친환경 에너지 발전소자라 할 수 있다.
마찰 전기 발전기(Triboelectric Generator)는 두 물체 간의 마찰 시 나타나는 전하 이동 현상을 이용하여 전기 에너지를 발생시키는 에너지 하베스팅 소자이다.
일반적으로, 마찰 전기 발전 기술은 외부로부터의 압력 또는 진동에 의해, 서로 다른 유전체 사이의 계면에서의 마찰 또는 유전체와 금속 사이의 계면에서의 마찰이 발생하도록 하고, 이러한 마찰에 의해 유도된 전위차로부터 정전기 유도 현상에 의해 전하의 흐름 즉, 전류를 발생시키는 기술이다.
상기한 마찰 전기 발전 기술은 기존의 압전 발전 기술 대비 출력 전압이 수십 배의 출력을 제공할 수 있는 것으로, 알루미늄, 구리 등과 같이 가격이 저렴한 금속과 PDMS, PTFE, PI등과 같은 일반적인 유전체를 사용함으로써 제작 비용이 적어 경제적인 장점을 갖고 있다.
또한, 마찰 전기 발전기는 에너지 변환 효율이 높아서 외부의 작은 힘에 의해서도 비교적 높은 출력을 얻을 수 있다.
또한, 상기 마찰 전기 발전기는 열이나 태양을 이용한 에너지 하베스팅 소자들에 비해서 시간적, 공간적 제약이 없으며, 물질의 변형에 의해 전기에너지를 발생시키는 압전 소재를 이용한 에너지 하베스팅 소자에 비해 지속적으로 전기에너지를 발생시킬 수도 있다.
마찰 전기 발전기는 접촉면 표면에 발생하는 마찰 대전 전하 밀도가 높을수록 출력 전압, 전류가 커지게 된다.
대전 전하 밀도의 최대 값은 상기 접촉면이 분리될 때, 대기의 상태에 영향을 받을 수 있다.
구체적으로, 상기 마찰 대전 전하 밀도는 "Paschen's Law"에 따라 에어 브레이크다운(Air Breakdown)이 발생하기 전까지의 전하 밀도 수준으로 한정된다.
에어 브레이크다운이 발생하면 마찰 대전에 의해 접촉면에 발생한 전하가 공기층을 뚫고 방전되기 때문에 표면 전하 밀도가 증가하지 못하고 일정수준에 한정되는 현상이 발생한다.
대한민국 공개특허 제10-2018-0058065는 마찰전기 발전기에 관한 것으로, 상세하게는 강유전 물질층 및 강유전 물질층에 마련된 보호층을 포함하는 마찰전기 발전기에 관한 것이다.
그러나, 상기 대한민국 공개특허 제10-2018-0058065는 상기 강유전 물질층에 대전된 전하의 확산을 방지하기 위하여 보호층을 구비하였으나, 마찰 대전 전하 밀도의 전하 밀도 수준을 한정하도록 하는 에어 브레이크다운을 방지하기 위한 별도의 구성 및 장치가 구비되어 있지 않아, 대전 전하 밀도가 대기의 상태에 영향을 받고 이에 전하 밀도 수준이 한정되도록 구성되어 있다.
따라서, 마찰 대전에 의한 접촉면에 전하가 공기 중으로 방전되어 표면 전하 밀도를 일정 수준 이상 증대시키지 못하도록 하는 에어 브레이크다운의 영향을 최소화하거나 차단할 수 있도록 하여 마찰 대전 전하 밀도의 한계를 높이기 위한 한계 극복 장치가 구비된 마찰 전기 발전기의 개발이 요구되고 있다.
[특허 문헌] KR 10-2018-0058065 (공개일자 10-2018-0058065)
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 에어 브레이크다운으로 인한 표면 대전 전하량의 한계를 극복할 수 있으며, 접촉-분리의 반복적인 운동이 실행되는 마찰 전기 발전기의 제1전극 및 제2전극의 접촉 동작을 대기압의 가압에 의해 실행될 수 있도록 하여 마찰 전기 발전기의 에너지를 고효율적으로 증대시킬 수 있도록 하는 마찰 전기 발전기를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 마찰 전기 발전기는 제1전극; 상기 제1전극과 이격되게 배치되는 제2전극; 상기 제1전극 및 상기 제2전극 사이 공간을 외부와 차폐시키는 차폐부재; 및 상기 제1전극과 상기 제2전극을 접촉 또는 분리시키는 외력을 제공하는 외력제공부;를 포함하고, 상기 제2전극은,상기 제1전극 및 상기 제2전극 사이에 배치되고, 상기 제1전극과 접촉 및 분리를 반복하여 상기 제1전극과 상기 제2전극간 전위차를 발생시키는 유전체층;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 마찰 전기 발전기는 상기 제1전극 및 상기 제2전극 사이 공간이 진공 상태로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 마찰 전기 발전기는 상기 제1전극 및 상기 제2전극이대기압이 외력으로 작용하여 접촉되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 마찰 전기 발전기는 상기 외력제공부가 연결봉의 회전운동에 의해 상기 제2전극과 연결된 일측단이 선형 슬라이딩 으로 움직여 상기 제1전극 및 상기 제2전극을 분리시키는 크랭크로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 마찰 전기 발전기는 상기 외력제공부가 과속방지턱 내부에 구비되어 상기 과속방지턱의 가압에 의해 상기 제1전극 및 상기 제2전극을 분리시키는 방지턱가압장치로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 마찰 전기 발전기는 상기 제1전극 및 상기 제2전극 사이 공간이 브레이크다운(Breakdown) 전압이 공기보다 높은 가스로 충전되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 마찰 전기 발전기는 상기 가스가 산소 또는 육불화황인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 마찰 전기 발전기는 상기 제1전극 및 상기 제2전극이상기 가스의 압력에 의해 분리되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 마찰 전기 발전기는 상기 외력제공부가 연결봉의 회전운동에 의해 상기 제2전극과 연결된 일측단이 선형 슬라이딩 으로 움직여 상기 제1전극 및 상기 제2전극을 접촉시키는 크랭크로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 마찰 전기 발전기는 상기 외력제공부가 과속방지턱 내부에 구비되어 상기 과속방지턱의 가압에 의해 상기 제1전극 및 상기 제2전극을 접촉시키는 방지턱가압장치로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 마찰 전기 발전기는 상기 차폐부재가 인장력 또는 탄성력을 갖는 것을 특징으로 한다.
아울러, 본 발명에 따른 마찰 전기 발전기 상기 제1전극 및 상기 제2전극과 전기적으로 연결되고, 상기 전위차로 인해 흐르는 전류가 충전되는 에너지저장장치;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또다른 실시예에 따른 마찰 전기 발전기는 제1전극; 상기 제1전극과 이격되게 배치되는 제2전극; 및 상기 제1전극 및 상기 제2전극 사이 공간을 외부와 차폐시키는 탄성의 다이어프램;을 포함하고, 상기 제2전극은 상기 제1전극 및 상기 제2전극 사이에 배치되고, 상기 제1전극과 접촉 및 분리를 반복하여 상기 제1전극과 상기 제2전극간 전위차를 발생시키는 유전체층;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명에 따른 마찰 전기 발전기에 의하면, 제1전극 및 제2전극 사이 공간을 진공 상태로 유지하기 위하여 차폐부재를 구비함으로써, 에어 브레이크다운으로 인해 마찰 대전 접촉면의 전하가 공기층으로 방전되어 표면 전하 밀도가 일정 수준 이상 증대되지 못하는 한계를 극복할 수 있는 효과가 있다.
또한, 마찰 대전 발전기의 접촉-분리의 반복적인 작동 시 외력에 의해 분리된 제1전극 및 제2전극이 별도의 구동장치를 구비하지 않고도 대기압의 가압만으로도 접촉될 수 있도록 구성되어 마찰 전기 발전기의 에너지를 고효율적으로 증대시킬 수 있도록 하는 효과가 있다.
또한, 상기 차폐부재가 밀폐력을 구비함으로써, 상기 제1전극 및 상기 제2전극 사이 공간을 진공 상태로 유지시키거나 저압의 가스가 충전된 상태로 유지시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 상기 차폐부재가 탄성력을 구비함으로써, 상기 제1전극 및 상기 제2전극의 접촉-분리의 반복적인 운동 중 유연하게 변형 및 복원이 가능하여 상기 마찰 대전 발전기의 접촉-분리 작동이 원활하게 실행될 수 있도록 하는 효과가 있다.
아울러, 상기 제1전극 및 상기 제2전극 사이 공간에 저압의 가스를 충전함으로써, 충전된 가스의 압력에 의해 별도의 구성 및 장치 없이 상기 제1전극 및 상기 제2전극의 분리가 이루어 질 수 있도록 하여 마찰 전기 발전기의 에너지를 고효율적으로 증대시킬 수 있도록 하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 마찰 전기 발전기의 구동 원리를 나타내는 상태도이다.
도 2는 본 발명에 따른 마찰 전기 발전기의 전반적인 구성을 나타내는 제1구성도이다.
도 3은 본 발명에 따른 마찰 전기 발전기의 차폐부재가 밀폐막 및 탄성체로 구성된 형상을 도시한 제2구성도이다.
도 4는 본 발명에 따른 마찰 전기 발전기의 작동 상태를 나타내는 상태도이다.
도 5(a)는 본 발명에 따른 제1전극 및 제2전극의 접촉 상태에서 외력제공부의 크랭크 사용 상태를 나타내는 상태도이다.
도 5(b)는 본 발명에 따른 제1전극 및 제2전극의 분리 상태에서 외력제공부의 크랭크 사용 상태를 나타내는 상태도이다.
도 6(a)은 본 발명에 따른 외력제공부의 방지턱가압장치에 외력이 작용한 상태를 나타내는 상태도이다.
도 6(b)는 본 발명에 따른 외력제공부의 방지턱가압장치에 외력이 소멸된 상태를 나타내는 상태도이다.
도 7은 본 발명에 따른 마찰 전기 발전기의 에너지저장장치의 정류 및 저장회로를 나타내는 회로도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 설명한다. 우선, 도면들 중 동일한 구성요소 또는 부품들은 가능한 한 동일한 참조부호를 나타내고 있음에 유의해야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하게 하지 않기 위해 생략한다.
도 1은 본 발명에 따른 마찰 전기 발전기의 구동 원리를 나타내는 상태도이고, 도 2는 본 발명에 따른 마찰 전기 발전기의 전반적인 구성을 나타내는 제1구성도이다.
본 발명에 따른 마찰 전기 발전기(1)는 서로 다른 계면 사이에 발생하는 마찰에 의해 유도된 전위차로부터 정전기 유도 현상에 의해 전기 에너지를 발생시키는 에너지 하베스팅 소자이다.
따라서, 본 발명에 따른 마찰 전기 발전기(1)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 제1전극(100), 제2전극(200), 차폐부재(300) 및 외력제공부(400)를 포함할 수 있다.
상기 제1전극(100)은 상기 제2전극(200)과 이격되게 배치되는 것으로, 상기 제2전극(200)과의 접촉 및 분리에 의해 전위차가 발생하도록 구비된다.
따라서, 상기 제1전극(100)은 도전성 물질인 금속으로 구성됨이 보다 바람직하다.
또한, 상기 제1전극(100)은 단단한 (rigid) 특성을 가질 수 있으며, 상기 제1전극(100) 및 상기 제2전극(200) 중 하나 또는 둘 다 유연하고(flexible), 신축성이 있는(stretchable) 특성을 가질 수도 있다.
이 경우, 유연하고 신축성이 있는 전극은 예를 들면, 탄소나노튜브(CNT), 그래핀(graphene), Ag 나노와이어, 금속 및 금속 메쉬(metal mesh)로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 또는 둘 이상의 조합들을 포함할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 유연하고 신축성이 있는 전극은 도전성 섬유들이 직조되어(woven) 형성된 직물(fabric)의 형태를 가질 수도 있다.
상기 제2전극(200)은 상기 제1전극(100)과 이격되게 배치되는 것으로, 상기 제1전극(100)과의 접촉 및 분리에 의해 전위차가 발생하도록 구비된다.
또한, 상기 제2전극(200)은 상기 제1전극(100) 및 상기 제2전극(200) 간 전위차를 발생시키기 위한 유전체층(210)을 포함하여 구성될 수 있다.
따라서, 상기 제2전극(200)은 도전성 물질인 금속과 상기 금속 일측단에 포개져 배치되는 유전체층(210)을 포함할 수 있다.
상기 유전체층(210)은 상기 제1전극(100) 및 상기 제2전극(200) 사이에 배치되고, 상기 제1전극(100)과 접촉 및 분리를 반복하여 상기 제1전극(100)과 상기 제2전극(200) 간 전위차를 발생시키도록 한다.
구체적으로, 상기 유전체층(210)은 상기 제2전극(200)의 일면 중 상기 제1전극(100)과 마주보는 상면에 배치되어 상기 제1전극(100)과 접촉하여 전위차를 발생시키고 전기에너지를 생성하도록 한다.
따라서, 상기 유전체층(210)은 양전하(포지티브 폴링, positive poling) 및 음전하(네거티브 폴링, negative poling)가 모두 가능할 수 있다.
이 경우, 어떠한 극성의 폴링을 수행할지는 상기 제2전극(200)의 대전 특성, 즉, 유전체층(210)과의 관계에서 상대적으로 (+) 또는 (-)로 대전 가능한지에 따른 특성에 따라 결정될 수 있다.
또한, 상기 유전체층(210)은 PVDF, PVDF-TrFE, PZT, PTO, BTO, BFO, KNbO3, NaNbO3, GeTe, ZnO, ZnSnO3 및 GaN 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 상기 마찰 전기 발전기(1)는 접촉이 발생하면 제2전극(200)의 전하가 상기 유전체층(210)의 표면으로 이동하는 마찰 대전 현상이 발생하고, 이동된 전하가 유전체층(210) 표면에 고정된다.
이러한, 마찰대전에 의한 표면 전하 밀도는 금속 즉, 제1전극(100)과 상기 유전체층(210)을 구성하는 재질의 일함수, 이온화 경향, 화학적 포텐셜 등에 의해 결정될 수 있다.
또한, 상기 마찰 대전은 상기 제1전극(100) 및 상기 유전체층(210)의 접촉면에서 발생하는 에어 브레이크다운(Air Breakdown)이 발생하기 전까지 상승하게 된다.
상기한 마찰 대전이 발생한 후, 상기 제1전극(100) 및 제2전극(200)이 분리되며, 상기 제2전극(200)의 유전체층(210)에는 전하를 얻어 전하량이 많아지고, 상기 제1전극(100)에서는 상대적으로 전하를 잃어 전하량이 감소하게 되어, 제1,2전극(100, 200)간의 전위차가 발생하게 된다.
또한, 상기 제1전극(100) 및 상기 제2전극(200)의 개방회로 전압은 상기 제1전극(100) 및 상기 제2전극(200) 사이의 거리에 비례하게 나타날 수 있다.
또한, 마찰 대전된 상기 제1전극(100) 및 상기 제2전극(200)이 분리하게 되면, 상기 제2전극(200)의 유전체층(210)에 고정된 전하량만큼 상기 제2전극(200)의 자유전자들이 상기 제1전극(100)으로 이동하여 정전기적 평형 상태를 유지하게 된다.
반복적으로, 상기 제1전극(100) 및 상기 제2전극(200) 사이가 가까워져 접촉하게 되면, 상기 제2전극(200)에서 상기 제1전극(100)으로 이동되었던 자유전자들이 상기 제2전극(200)으로 복귀하게 된다.
이러한, 상기 제1전극(100) 및 상기 제2전극(200)의 접촉 및 분리운동에 의해 자유전자의 흐름 즉, 전류가 발생하게 된다.
도 4는 본 발명에 따른 마찰 전기 발전기의 작동 상태를 나타내는 상태도이다.
상기 차폐부재(300)는 도 4에 도시된 바와 같이 상기 제1전극(100) 및 상기 제2전극(200) 사이 공간을 외부와 차폐시키도록 구비된다.
구체적으로, 상기 차폐부재(300)는 상기 제1전극(100) 및 상기 제2전극(200) 사이 공간과 외부공간을 차단하도록 구비되는 막이거나, 내부 공간을 갖고 일정 부피를 갖는 용기 또는 부재일 수도 있다.
또한, 상기 차폐부재(300)는 상기 제1전극(100) 및 상기 제2전극(200) 사이 공간을 외부와 차단시킨 후 상기 제1전극(100) 및 상기 제2전극(200) 사이 공간의 공기를 외부로 유출시킬 경우 상기 제1,2전극(100, 200)사이 공간을 진공상태로 유지시킬 수 있도록 한다.
이 때, 내부 공간이 진공 상태인 상기 제1전극(100) 및 상기 제2전극(200)은 대기압이 외력으로 작용하여 접촉될 수 있어, 상기 제1전극(100) 및 상기 제2전극(200)의 마찰 대전에 필요한 접촉 작동을 별도의 구동장치 없이 실행할 수 있도록 한다.
따라서, 본 발명에 따른 마찰 전기 발전기(1)는 진공 상태로 인해 대기압의 가압으로 접촉 작동이 실행될 수 있도록 하여 에너지를 고효율적으로 증대시킬 수 있다.
또한, 상기 차폐부재(300)는 도시되지는 않았지만 상기 제1전극(100) 및 상기 제2전극(200) 사이 공간을 진공상태로 만들기 위해 상기 차폐부재(300) 일측에 공기를 유출시키는 진공 밸브(미도시)를 더 포함할 수 있으나, 이에 한정하지 않고 내부를 진공 상태로 형성할 수 있는 공지의 다른 수단이 적용 실시될 수도 있다.
한편, 상기 제1전극(100) 및 상기 제2전극(200) 사이 공간은 상기 차폐부재(300)에 의해 외부와 차단된 후 기설정된 저압의 가스를 유입시켜 저압의 가스가 충전될 수도 있다.
이 때, 상기 가스는 파셴의 법칙(Paschen's Low) 곡선에서 같은 압력과 거리일 때 브레이크 전압이 공기보다 높은 가스로 충전됨이 보다 바람직하다.
이러한 가스로는 산소 또는 육불화황(SF6)일 수 있으나, 브레이크 전압이 공기보다 높은 가스일 경우 제한 없이 사용 가능할 수 있다.
또한, 상기 가스는 낮은 압력의 가스로써 이러한 저압의 가스가 충전되게 될 경우 진공 상태일 경우와 유사한 출력 성능 향상이 가능할 수 있다.
이 때, 상기 상기 제1전극(100) 및 상기 제2전극(200)은 충전된 가스의 압력에 의해 분리 작동이 실행될 수 있어, 상기 분리 작동을 별도의 구동 장치를 구비하지 않아도 실행할 수 있도록 한다.
따라서, 본 발명에 따른 마찰 전기 발전기(1)는 상기 제1전극(100) 및 상기 제2전극(200) 사이 공간을 저압의 가스가 충전된 상태로 유지하여 상기 가스의 압력에 의해 분리 작동이 실행될 수 있도록 함으로써 에너지를 고효율적으로 증대시킬 수 있도록 하는 효과가 있다.
따라서, 상기 차폐부재(300)는 밀폐력이 구비되어야 할 뿐 아니라 상기 제1전극(100) 및 상기 제2전극(200)의 접촉-분리 작동에서도 유연하게 변형 및 복원이 가능하도록 인장력 또는 탄성력을 구비함이 보다 바람직하다.
이에. 본 발명에 따른 상기 차폐부재(300)는 상기한 밀폐력 및 탄성력을 모두 구비한 공지의 재질로 구성될 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 마찰 전기 발전기의 차폐부재가 밀폐막 및 탄성체로 구성된 형상을 도시한 제2구성도이다.
한편, 상기 차폐부재(300)는 도 3에 도시된 바와 같이 밀폐력을 구비한 밀폐막(310)과 상기 밀폐막(310) 일측에 구비된 탄성체(320)로 형성될 수도 있다.
이 때, 상기 밀폐막(310)은 유연한 재질로 구성되고, 접촉-분리 작동에 따라 변형이 가능한 고무 또는 비닐 재질임이 보다 바람직하다.
또한, 상기 탄성체(320)는 상기 밀폐막(310)과 이웃하는 일측에 적어도 하나 이상 구비되어 외력 사용량을 저감시킬 수 있도록 한다.
따라서, 상기 탄성체(320)는 도시된 바와 같은 복원력을 지닌 스프링과 같은 형상으로 구성됨이 보다 바람직하다.
또한, 상기 탄성체(320)는 탄성력을 지닌 공지의 다양한 형태가 적용 실시될 수도 있다.
따라서, 상기한 바와 같이 상기 차폐부재(300)는 상기 제1전극(100) 및 상기 제2전극(200) 사이 공간을 진공 상태 또는 저압의 가스가 충전된 상태를 유지하도록 하여 대기압 상태에서 에어 브레이크다운(Air Breakdown)의 영향으로 발생하는 마찰 전기 발전기의 출력 성능 한계를 극복하여 마찰 대전 전하 밀도의 출력 성능 향상이 가능하도록 한다.
이는, 대기압 상태일 때 보다 진공 상태일 때의 항복 전압(Breakdown Voltage)이 크기 때문에 진공 상태가 대기압 상태일 때 보다 표면 전하 밀도가 높아 브레이크다운(Breakdown)이 발생하지 않기 때문이다.
또한, 상기 브레이크다운은 전하의 방전을 의미하는 것으로, 결과적으로 마찰 대전에 의해 발생하는 표면 전하 밀도가 진공 상태일 경우가 대기압 상태일 경우보다 현저하게 높게 나타난다.
상기 외력제공부(400)는 상기 제1전극(100)과 상기 제2전극(200)을 접촉 또는 분리시키는 외력을 제공하도록 한다.
구체적으로, 상기 외력제공부(400)는 상기 제1전극(100)과 상기 제2전극(200) 사이 공간이 진공 상태일 경우, 상기 제1전극(100)과 상기 제2전극(200)을 분리시키고, 상기 제1,2전극(100, 200) 사이 공간이 가스가 충전된 상태인 경우, 상기 제1전극(100)과 상기 제2전극(200)을 접촉시키는 외력을 제공하도록 한다.
따라서, 상기 외력제공부(400)는 상기 제1,2전극(100, 200)의 접촉-분리시 상기 차폐부재가 포함하고 있는 인장력 또는 탄성력과는 별개로 상기 제1,2전극(100, 200)을 분리시키거나 접촉시키는 복원력을 제공하기 위하여 구비될 수 있다.
이에, 상기 외력제공부(400)는 상기 제1전극(100) 및 상기 제2전극(200) 사이 공간이 진공 상태일 경우, 대기압이 외력으로 작용하여 접촉된 상기 제1전극(100) 및 상기 제2전극(200)을 분리시킬 수 있도록 한다.
이 때, 상기 외력제공부(400)는 연결봉(411)의 회전 운동에 의해 상기 제2전극(200)과 연결된 일측단이 선형 슬라이딩으로 움직여 상기 제1전극(100) 및 상기 제2전극(200)을 분리시키는 크랭크(410)일 수 있다.
또한, 상기 외력제공부(400)는 과속방지턱 내부에 구비되어 상기 과속방지턱에 작용하는 외력에 의해 상기 제1전극(100) 및 상기 제2전극(200)을 분리시키는 방지턱가압장치(420)로 구성될 수도 있다.
도 5(a)는 본 발명에 따른 제1전극 및 제2전극의 접촉 상태에서 외력제공부의 크랭크 사용 상태를 나타내는 상태도이고, 도 5(b)는 본 발명에 따른 제1전극 및 제2전극의 분리 상태에서 외력제공부의 크랭크 사용 상태를 나타내는 상태도이다.
상기 크랭크(410)은 도 5(a) 및 도 5(b)에 도시된 바와 같이 왕복엔진에서 피스톤의 직선운동을 커넥팅로드를 통해 회전운동으로 변환시켜주는 기구로서, 본 발명에 따른 상기 크랭크(410)는 도시된 바와 같이 선형 슬라이딩으로 움직이는 일측단이 상기 제2전극(200)과 연결되어 연결봉(411)의 회전 운동에 의해 상기 제2전극(200)을 하방으로 가압하여 상기 제1전극(100)과 상기 제2전극(200)이 분리될 수 있도록 한다.
이 때, 상기 크랭크(410)는 상기 마찰 전기 발전기(1)에서 생성되어 상기 커패시터(600)에 저장된 전기 에너지를 출력하여 구동될 수 있다.
또한, 상기 크랭크(410)는 공지의 것을 사용할 수 있으며, 따라서 상기 크랭크(410)의 자세한 설명은 생략하도록 한다.
도 6(a)은 본 발명에 따른 외력제공부의 방지턱가압장치에 외력이 작용한 상태를 나타내는 상태도이고, 도 6(b)는 본 발명에 따른 외력제공부의 방지턱가압장치에 외력이 소멸된 상태를 나타내는 상태도이다.
상기 방지턱가압장치(420)는 도 6(a) 및 도 6(b)에 도시된 바와 같이 과속방지턱 내부에 구비되어 상기 과속방지턱 상단면을 이동하는 차량에 의한 외력으로 상기 제1전극(100) 및 상기 제2전극(200)이 분리될 수 있도록 구성된다.
따라서, 상기 방지턱가압장치(420)는 일단이 상기 방지턱 상단부와 연결되고 타단이 상기 마찰 전기 발전기(1)의 제1전극(100)과 연결되는 제1지지대(421) 및 일단이 상기 방지턱 상단부와 연결되고 타단이 상기 마찰 전기 발전기(1)의 제2전극(200)와 연결되는 제2지지대(422)를 포함하고, 상기 제1지지대(421) 및 상기 제2지지대(422)는 중심축(423)에 의해 교차 결합되도록 구성될 수 있다.
또한, 외부 물체에 의한 방지턱 가압시, 상기 제1지지대(421) 및 상기 제2지지대(422)의 타단은 서로를 미는 방향의 힘이 작용하여 상기 제1전극(100) 및 상기 제2전극(200)이 분리되도록 구성된다.
따라서, 상기 방지턱가압장치(420)는 별도의 동력을 사용하지 않더라도 상기한 접촉 작동이 이루어질 수 있도록 하여 마찰 전기 발전기(1)의 효율성을 증대시키는 효과가 있다.
한편, 상기 외력제공부(400)는 상기 제1전극(100) 및 상기 제2전극(200) 사이 공간을 저압의 가스로 충전된 상태일 경우, 충전된 가스의 압력에 의해 분리된 상기 제1전극(100) 및 상기 제2전극(200)을 접촉시킬 수 있도록 한다.
이 때, 상기 외력제공부(400)는 연결봉(411)의 회전 운동에 의해 상기 제2전극(200)과 연결된 일측단이 선형 슬라이딩으로 움직여 상기 제1전극(100) 및 상기 제2전극(200)을 접촉시키는 크랭크(410)일 수 있다.
또한, 상기 외력제공부(400)는 과속방지턱 내부에 구비되어 상기 과속방지턱의 가압에 의해 상기 제1전극(100) 및 상기 제2전극(200)을 접촉시키는 방지턱가압장치(420)로 구성될 수도 있다.
상기 크랭크(410)은 왕복엔진에서 피스톤의 직선운동을 커넥팅로드를 통해 회전운동으로 변환시켜주는 기구로서, 본 발명에 따른 상기 크랭크(410)는 선형 슬라이딩으로 움직이는 일측단이 상기 제2전극(200)과 연결되어 연결봉(411)의 회전 운동에 의해 상기 제2전극(200)을 상방향으로 가압함으로써 상기 제1전극(100)과 상기 제2전극(200)이 접촉되도록 한다.
이 때, 상기 크랭크(410)는 상기 마찰 전기 발전기(1)에서 생성되어 상기 커패시터(600)에 저장된 전기 에너지를 출력하여 구동될 수 있다.
또한, 상기 크랭크(410)는 공지의 것을 사용할 수 있으며, 따라서 상기 크랭크(410)의 자세한 설명은 생략하도록 한다.
상기 방지턱가압장치(420)는 과속방지턱 내부에 구비되어 상기 과속방지턱 상단면을 이동하는 차량에 의해 상기 과속방지턱에 가압되는 외력으로 상기 제1전극(100) 및 상기 제2전극(200)이 접촉될 수 있도록 한다.
따라서, 상기 방지턱가압장치(420)는 상기한 바와 같은 제1지지대(421) 및 제2지지대(422)로 구성될 수 있다.
이 때, 방지턱에 가해진 압력 소멸시, 상기 제1지지대(421) 및 상기 제2지지대(422)의 타단은 서로를 당기는 방향의 힘이 작용하여 상기 제1전극(100) 및 상기 제2전극(200)이 접촉될 수 있도록 한다.
따라서, 상기 방지턱가압장치(420)는 별도의 동력을 사용하지 않더라도 상기한 접촉 작동이 이루어질 수 있도록 하여 마찰 전기 발전기(1)의 효율성을 증대시킬 수 있는 효과가 있다.
이에, 상기 외력제공부(400)는 상기 제1,2전극(100, 200) 사이 공간이 진공 상태일 경우, 상기 제1전극(100) 및 상기 제2전극(200)을 분리시키고, 상기 제1,2전극(100, 200) 사이 공간이 가스로 충전된 상태일 경우, 상기 제1전극(100) 및 상기 제2전극(200)을 접촉시키도록 외력을 작용할 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 마찰 전기 발전기의 에너지저장장치의 정류 및 저장회로를 나타내는 회로도이다.
상기 에너지저장장치(500)는 도 7에 도시된 바와 같이 상기 제1전극(100) 및 상기 제2전극(200)과 전기적으로 연결되고, 상기 전위차로 인해 흐르는 전류가 충전되도록 구비된다.
구체적으로, 상기 에너지저장장치(500)는 상기 제1전극(100) 및 상기 제2전극(200)의 반복된 접촉-분리 과정에서 상기 제1전극(100)과 상기 제2전극(200)간에 흐르는 전류에 의해 충전되도록 구비되는 것으로, 상기 마찰 전기 발전기(1)에서 생성된 교류 형태의 전류를 충전 가능한 형태로 변환시킨 후 정류된 전기를 충전하도록 한다.
또한, 상기 에너지저장장치(500)는 생성된 전원을 충전하거나 충전된 전원을 출력할 수도 있다.
따라서, 상기 에너지저장장치(500)는 전기 에너지를 충전하거나 충전된 전기에너지를 출력할 수 있는 공지의 것이라면 제한 없이 적용 실시할 수 있다.
본 발명의 또다른 실시예에 따른 마찰 전기 발전기는 제1전극, 상기 제1전극과 이격되게 배치되는 제2전극 및 상기 제1전극 및 상기 제2전극 사이 공간을 외부와 차폐시키는 탄성의 다이어프램을 포함하고, 상기 제2전극은 상기 제1전극 및 상기 제2전극 사이에 배치되고, 상기 제1전극과 접촉 및 분리를 반복하여 상기 제1전극과 상기 제2전극간 전위차를 발생시키는 유전체층을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 다이어프램은 상기 제1전극 및 상기 제2전극 사이 공간을 외부와 차폐시키도록 구비되는 것으로, 밀폐력 및 탄성력을 모두 포함하여 구성된다.
따라서, 상기 다이어프램은 상기 제1전극(100) 및 상기 제2전극(200) 사이 공간을 진공 상태 및 가스 충전 상태로 유지하기 위한 밀폐력을 구비하여 상기 진공 또는 가스 충전 상태가 유지될 수 있도록 한다.
또한, 상기 다이어프램은 탄성력을 구비하여 접촉-분리의 반복적인 운동 중 유연하게 변형 및 복원이 가능하여 상기 마찰 전기 발전기의 접촉-분리 작동이 원활하게 실행될 수 있도록 한다.
또한, 상기 다이어프램의 탄성력은 상기 제1,2전극 사이 공간이 진공상태일 경우, 대기압에 의해 접촉되었던 제1전극 및 제2전극을 분리시키는 복원력으로 작용하여 상기 마찰 전기 발전기 구동에 필요한 에너지를 절감시켜 상기 발전기를 고효율적으로 증대시킬 수 있도록 한다.
또한, 상기 다이어프램의 탄성력은 상기 제1,2전극 사이 공간이 가스로 충전된 경우, 상기 가스의 압력에 의해 분리된 상기 제1전극 및 제2전극을 접촉시키는 복원력으로 작용하여 상기 마찰 전기 발전기 구동에 필요한 에너지를 절감시켜 상기 발전기를 고효율적으로 증대시킬 수 있도록 한다.
또한, 본 발명의 또다른 실시예에 따른 마찰 전기 발전기는 상기 제1전극, 제2전극, 및 유전체층의 구성이 본 발명의 일 실시예와 동일하게 구성되고, 이에 상기 제1전극, 제2전극 및 유전체층의 자세한 설명은 생략하도록 한다.
상기와 같은 본 발명에 따른 마찰 전기 발전기에 의하면, 제1전극 및 제2전극 사이 공간을 진공 상태로 유지하기 위한 차폐부재를 구비함으로써, 에어 브레이크다운으로 인해 마찰 대전 접촉면의 전하가 공기층으로 방전되어 표면 전하 밀도가 일정 수준 이상 증대되지 못하는 한계를 극복할 수 있다.
또한, 마찰 대전 발전기의 접촉-분리의 반복적인 작동 시 외력에 의해 분리된 제1전극 및 제2전극이 별도의 구동장치를 구비하지 않고도 대기압의 가압만으로도 접촉될 수 있도록 구성되어 마찰 전기 발전기의 에너지를 고효율적으로 증대시킬 수 있다
또한, 상기 차폐부재가 밀폐력을 구비함으로써, 상기 제1전극 및 상기 제2전극 사이 공간을 진공 상태로 유지시키거나 저압의 가스가 충전된 상태로 유지시킬 수 있다.
또한, 상기 차폐부재가 탄성력을 구비함으로써, 상기 제1전극 및 상기 제2전극의 접촉-분리의 반복적인 운동 중 유연하게 변형 및 복원이 가능하여 상기 마찰 대전 발전기의 접촉-분리 작동이 원활하게 실행될 수 있도록 한다.
아울러, 상기 제1전극 및 상기 제2전극 사이 공간에 저압의 가스를 충전함으로써, 충전된 가스의 압력에 의해 별도의 구성 및 장치 없이 상기 제1전극 및 상기 제2전극의 분리가 이루어 질 수 있도록 하여 마찰 전기 발전기의 에너지를 고효율적으로 증대시킬 수 있도록 한다.
이상에 설명한 본 명세서 및 청구범위에 사용되는 용어 및 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 본 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 도면 및 실시 예에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것이 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
1 : 마찰 전기 발전기 100 : 제1전극
200 : 제2전극 210 : 유전체층
300 : 차폐부재 310 : 밀폐막
320 : 탄성체 400 : 외력제공부
410 : 크랭크 411 : 연결봉
420 : 방지턱가압장치 421 : 제1지지대
422 : 제2지지대 423 : 중심축
500 : 에너지저장장치

Claims (13)

  1. 제1전극;
    상기 제1전극과 이격되게 배치되는 제2전극;
    상기 제1전극 및 상기 제2전극 사이 공간을 외부와 차폐시키는 차폐부재; 및
    상기 제1전극과 상기 제2전극을 접촉 또는 분리시키는 외력을 제공하는 외력제공부;를 포함하고,
    상기 제2전극은,
    상기 제1전극 및 상기 제2전극 사이에 배치되고, 상기 제1전극과 접촉 및 분리를 반복하여 상기 제1전극과 상기 제2전극간 전위차를 발생시키는 유전체층을 포함하고,
    상기 제1전극과 상기 제2전극 사이 공간은 진공상태로 구성되어 상기 제1전극과 상기 제2전극은 대기압에 의해 접촉되고 상기 외력제공부에 의해 분리되거나,
    상기 제1전극과 상기 제2전극 사이 공간은 브레이크다운(Breakdown) 전압이 공기보다 높은 가스로 충전되어 상기 제1전극과 상기 제2전극은 상기 가스의 압력에 의해 분리되고 상기 외력제공부에 의해 접촉되는 것을 특징으로 하는 마찰 전기 발전기.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 외력제공부는,
    연결봉의 회전운동에 의해 상기 제2전극과 연결된 일측단이 선형 슬라이딩 으로 움직여 상기 제1전극 및 상기 제2전극을 분리시키는 크랭크로 구성되는 것을 특징으로 하는 마찰 전기 발전기.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 외력제공부는,
    과속방지턱 내부에 구비되어 상기 과속방지턱의 가압에 의해 상기 제1전극 및 상기 제2전극을 분리시키는 방지턱가압장치로 구성되는 것을 특징으로 하는 마찰 전기 발전기.
  6. 삭제
  7. 제 1항에 있어서.
    상기 가스는,
    산소 또는 육불화황인 것을 특징으로 하는 마찰 전기 발전기.
  8. 삭제
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 외력제공부는,
    연결봉의 회전운동에 의해 상기 제2전극과 연결된 일측단이 선형 슬라이딩 으로 움직여 상기 제1전극 및 상기 제2전극을 접촉시키는 크랭크로 구성되는 것을 특징으로 하는 마찰 전기 발전기.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 외력제공부는,
    과속방지턱 내부에 구비되어 상기 과속방지턱의 가압에 의해 상기 제1전극 및 상기 제2전극을 접촉시키는 방지턱가압장치로 구성되는 것을 특징으로 하는 마찰 전기 발전기.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 차폐부재는,
    인장력 또는 탄성력을 갖는 것을 특징으로 하는 마찰 전기 발전기.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 제1전극 및 상기 제2전극과 전기적으로 연결되고, 상기 전위차로 인해 흐르는 전류가 충전되는 에너지저장장치;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰 전기 발전기.
  13. 삭제
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