KR20160053913A

KR20160053913A - 슬라이드 마찰식 발전기, 발전 방법 및 벡터 변위 센서

Info

Publication number: KR20160053913A
Application number: KR1020167003465A
Authority: KR
Inventors: 정린 왕; 야 양; 훌링 장
Original assignee: 베이징 인스티튜트 오브 나노에너지 앤드 나노시스템즈
Priority date: 2013-07-11
Filing date: 2014-02-19
Publication date: 2016-05-13
Also published as: WO2015003497A1; EP3021476A1; EP3021476A4; JP2016526870A; KR101821585B1; CN104283453B; CN104283453A; EP3021476B1; JP6356791B2

Abstract

슬라이드 마찰식 발전기, 발전 방법 및 슬라이드 마찰식 발전기를 이용하는 벡터 변위 센서를 제공한다. 발전기는, 하면에 제1도전층(200)이 설치되는 마찰층(100); 및 마찰층(100)의 상면과 대향되게 설치되는 제2도전층(300); 을 포함하며, 제1도전층(200)은 등전위(400)에 전기적으로 연결되고, 마찰층(100)의 상면과 제2도전층(300)의 하면이 외력의 작용하에 상대적으로 슬라이드함과 동시에 마찰하는 면적이 슬라이드 과정에서 변화할 경우, 제1도전층(200)과 등전위(400) 사이에는 전기적 신호가 출력된다. 벡터 변위 센서에 있어서, 마찰층은 복수의 마찰유닛으로 구성되고, 마찰유닛 각각의 하면에는 등전위에 전기적으로 연결된 제1마찰유닛이 하나씩 대응되게 설치되며, 제2도전층이 마찰유닛 상에서 슬라이드할 경우, 제1도전유닛과 등전위 사이에서 출력되는 전기적 신호에 의하여 제2도전층의 위치, 이동방향 및 이동거리를 탐지할 수 있으며, 센서에 전원을 별도로 제공할 필요가 없다.

Description

슬라이드 마찰식 발전기, 발전 방법 및 벡터 변위 센서{SLIDING-FRICTION POWER GENERATOR, POWER GENERATION METHOD AND VECTOR DISPLACEMENT SENSOR}

본 발명은 발전기에 관한 것으로, 특히 역학적 에너지를 전기적 에너지로 전환하는 슬라이드 마찰식 발전기, 발전 방법 및 상기 슬라이드 마찰식 발전기를 이용하는 벡터 변위 센서에 관한 것이다.

슬라이드 마찰 대전식 발전기는 두가지 종류의 마찰 대전 재료가 서로 마찰하여 발생하는 표면전하의 이동을 이용하여 발전한다. 하지만, 이미 널리 알려진 모든 슬라이드 마찰식 발전기는 모두 도전성 금속이 마찰대전 박막 재료의 표면에 전극층으로 증착되는데 의하여 외부로 전기적 에너지를 출력하는 것이다. 이러한 구조의 슬라이드 마찰식 발전기는 구조가 복잡하여 장치의 제조 비용을 증가시킬 뿐만 아니라, 생성된 전기적 에너지를 출력함에 있어서 두 개의 전극층을 필요로 한다. 따라서, 종래의 슬라이드 마찰식 발전기의 구조는 그 발전 및 응용을 크게 제한하고 있다.

본 발명에서는 외력의 역학적 에너지를 전기적 에너지로 전환할 수 있는 구조가 간단한 단극 슬라이드 마찰식 발전기를 제공한다.

상술한 목적을 실현하기 위하여, 본 발명에서는 슬라이드 마찰식 발전기를 제공하는데, 상기 슬라이드 마찰식 발전기는,

하면에 제1도전층이 접촉되게 설치되는 마찰층;

상기 마찰층의 상측에 설치된 제2도전층; 을 포함하며,

상기 제1도전층은 등전위에 전기적으로 연결되고,

상기 제2도전층의 하면과 상기 마찰층의 상면은 대향되게 설치되며,

상기 마찰층의 상면과 상기 제2도전층의 하면이 상대적으로 슬라이드하여 마찰이 발생함과 동시에 마찰하는 면적이 슬라이드 과정에서 변화할 경우, 상기 제1도전층과 상기 등전위 사이에는 전기적 신호가 출력된다.

바람직하게는, 상기 마찰층의 상면을 형성하는 재료와 상기 제2도전층의 하면을 형성하는 재료는 대전열에서 나열 순서에 차이가 있다.

바람직하게는, 상기 제1도전층은 전력 공급을 필요로 하는 외부회로를 경유하여 지면 또는 등전위 회로에 연결된다.

바람직하게는, 상기 제1도전층은 외부 부하를 경유하여 등전위에 전기적으로 연결된다.

바람직하게는, 상기 제2도전층의 하면과 상기 마찰층의 상면은 접촉되게 설치된다.

바람직하게는, 외력을 받지 않을 경우 상기 제2도전층과 상기 마찰층은 접촉하지 않고, 외력을 받을 경우 상기 제2도전층의 하면과 상기 마찰층의 상면은 접촉한다.

바람직하게는, 상기 마찰층의 상면을 형성하는 재료는 절연체로부터 선택된다.

바람직하게는, 상기 절연체 재료는 폴리머 재료로부터 선택된다.

바람직하게는, 상기 폴리머 재료는, 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate), 나일론, 폴리비닐알코올, 폴리에스테르, 폴리이소부틸렌, 폴리우레탄 탄성 스펀지, PET(Poly ethylene terephthalate), 폴리비닐 부티랄(polyvinyl butyral), 폴리클로로프렌, 천연고무, 폴리아크릴로니트릴, 폴리디페놀카보네이트, 염화폴리에테르(polyetherchloride), 폴리염화비닐리덴, 폴리스티렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리이미드, 폴리염화비닐, PDMS(polydimethylsiloxane), 폴리테트라플루오로에틸렌으로부터 선택된다.

바람직하게는, 상기 마찰층의 두께는 100nm~5mm이다.

바람직하게는, 상기 제2도전층의 하면을 형성하는 재료는, 금속, ITO(Indium Tin Oxide) 또는 유기물 도체로부터 선택된다.

바람직하게는, 상기 금속은, 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 구리(Cu), 티타늄(Ti), 크롬(Cr) 또는 셀렌(Se) 및 상기 금속으로 형성된 합금으로부터 선택되고; 상기 유기물 도체는 폴리피롤, 폴리페닐렌설파이드 (poly phenylene sulfide), 폴리프탈로시아닌계화합물, 폴리아닐린 및/또는 폴리티오펜으로부터 선택된다.

바람직하게는, 상기 제2도전층은 박막 재료로 형성된다.

바람직하게는, 상기 제2도전층의 두께는 10nm~5mm이다.

바람직하게는, 상기 제2도전층의 하면 및/또는 마찰층의 상면의 전부 또는 일부에는, 나노, 미크론(micron) 또는 서브미크론(sub-micron) 레벨의 미세 구조가 분포되어 있고, 상기 미세 구조는, 나노와이어, 나노튜브, 나노입자, 나노로드, 나노꽃, 나노홈, 미크론(micron)홈, 나노뿔, 미크론(micron)뿔, 나노스피어 및 미크론(micron)스피어의 구조 및 상술한 구조로 형성되는 어레이 또는 나노재료의 장식 또는 도포층이다.

바람직하게는, 상기 제2도전층의 하면 및/또는 마찰층의 상면은 화학수식을 통하여 형성된다.

바람직하게는, 상기 제2도전층의 하면 및/또는 마찰층의 상면에서, 대전열에서 “+”로 대전되기 쉬운 재료의 표면에 전자를 쉽게 잃는 작용기를 도입하거나, 대전열에서 “-”로 대전되기 쉬운 재료의 표면에 전자를 쉽게 얻는 작용기를 도입한다.

바람직하게는, 상기 제2도전층의 하면 및/또는 마찰층의 상면에서, 대전열에서 “+”로 대전되기 쉬운 재료의 표면에 양전하를 도입하고, 대전열에서 “-”로 대전되기 쉬운 재료의 표면에 음전하를 도입한다.

바람직하게는, 상기 제2도전층의 하면은 평탄한 면 또는 곡면이고, 및/또는, 상기 마찰층의 상면은 평탄한 면 또는 곡면이다.

바람직하게는, 상기 제2도전층의 하면과 상기 마찰층의 상면은 서로 보완하는 면이다.

바람직하게는, 상기 마찰층의 상면은 요철 구조의 평탄하지 않는 면이고, 상기 제2도전층의 하면은 요철 구조의 평탄하지 않는 면이다.

바람직하게는, 상기 제2도전층 및/또는 마찰층은 연질 재료 또는 경질 재료로 형성된다.

바람직하게는, 상기 제2도전층 및/또는 마찰층은 탄성 재료로 형성된다.

바람직하게는, 상기 제1도전층의 하면이 설치된 제1기판; 및/또는, 상기 제2도전층의 상면이 설치된 제2기판을 더 포함한다.

바람직하게는, 상기 마찰층은 복수의 마찰유닛으로 구성되고, 상기 복수의 마찰유닛의 상면들로 상기 마찰층의 상면을 형성한다.

바람직하게는, 상기 제2도전층의 하면은 인접하는 두 개의 마찰유닛의 상면들과 동시에 접촉 및 마찰하지 않는다.

바람직하게는, 상기 마찰유닛은 긴 막대기 형상이거나 정사각형 블록 형상이다.

바람직하게는, 상기 복수의 마찰유닛은 미리 설정된 패턴에 따라 배열된다.

바람직하게는, 상기 제1도전층은 복수의 제1도전유닛으로 구성되고, 상기 복수의 제1도전유닛과 상기 복수의 마찰유닛은 1:1로 대응되며; 상기 제1도전유닛 각각은 등전위에 전기적으로 연결된다.

바람직하게는, 상기 제2도전층은 복수의 제2도전유닛으로 구성되고, 상기 복수의 제2도전유닛의 하면들로 상기 제2도전층의 하면을 형성한다.

바람직하게는, 복수의 상기 제2도전유닛의 하면들은 동일한 평면에 위치하고, 복수의 상기 마찰유닛의 상면들은 동일한 평면에 위치한다.

바람직하게는, 복수의 상기 제2도전유닛의 하면 및 복수의 상기 마찰유닛의 상면들은 동일한 곡면에 속한다.

또한, 본 발명에서는 상술한 발전기를 포함하는 벡터 변위 센서를 제공하는데, 여기서, 상기 도전유닛 각각과 등전위 사이에는, 상기 전기적 신호를 검출하기 위한 검출 장치가 연결되고; 상기 제2도전층의 하면과 상기 마찰유닛의 상면이 슬라이드하여 마찰하며 또한 마찰하는 면적이 변화 할 경우, 상기 전기적 신호를 검출한 검출 장치의 위치에 의하여 상기 제2도전층의 위치를 결정할 수 있거나, 선차순으로 전기적 신호를 검출한 검출 장치의 위치에 의하여 상기 제2도전층의 슬라이드 거리, 슬라이드 방향 또는 슬라이드 속도를 결정할 수 있다.

바람직하게는, 상기 검출 장치는 전류 검출 장치 또는 전압 검출 장치이고, 상기 전기적 신호는 전류 신호 또는 전압 신호이다. 또는, 상기 검출 장치는 발광소자 또는 발성(發聲)소자이고, 상기 발광소자 또는 발성소자는 상기 전기적 신호가 검출되면 광신호 또는 소리신호를 출력한다.

바람직하게는, 상기 도전유닛 각각과 등전위 사이에는 분압저항이 더 포함되고, 상기 분압저항과 상기 검출 장치는 병렬 또는 직렬로 연결된다.

바람직하게는, 상기 발전기는 16개의 마찰유닛을 포함하고, 상기 16개의 마찰유닛은 4개씩 하나의 그룹을 형성하여, 4개의 방향에 분포되어 "+"형 구조를 형성하며, 각 그룹 중의 4개의 마찰유닛은 평행되게 등간격으로 배열된다.

바람직하게는, 상기 16개의 마찰유닛은 긴 막대기 형상의 폴리테트라플루오로에틸렌 박막이고, 상기 마찰유닛의 폭은 10mm, 길이는 2.5cm이며, 마찰유닛 사이의 간격은 2mm이다.

또한, 본 발명에서는 발전 방법을 제공하는데, 상기 발전 방법은,

부하를 경유하여 등전위에 연결되는 제1도전층이 하면에 설치된 마찰층을 준비하는 단계; 및

제2도전층과 상기 마찰층의 상면이 상대적으로 슬라이드하여 마찰이 발생하며 또한 마찰하는 면적에 변화가 있을 경우, 상기 부하에는 전류가 흐르는 단계; 를 포함한다.

본 발명은 종래 기술에 비하여 아래와 같은 유익한 효과를 가진다.

1, 최초로 단극에 의한 슬라이드 마찰식 발전기를 제조하여, 표면에 제1도전층이 설치된 마찰층과 제2도전층(예를 들면 폴리머와 금속 재료)만을 사용하여, 제1도전층을 등전위에 전기적으로 연결하기만 하면, 발전기를 제조할 수 있다. 본 발명의 슬라이드 마찰식 발전기는, 마찰층과 제2도전층을 구성하는 재료 사이의 슬라이드 마찰을 이용하면 외부로 전기적 에너지를 출력할 수 있는 바, 구조가 간단한 단극 슬라이드 마찰식 발전기이다.

2, 본 발명의 슬라이드 마찰식 발전기의 제1도전층(또는 제1도전유닛)은 등전위에 전기적으로 연결되어야 되지만, 제2도전층은 그 어떤 연결도 필요로 하지 않는 바, 제2도전층과 마찰층 사이에서 상대적으로 슬라이드하여 마찰할 수 있고 또한 마찰과정에서 마찰하는 면적의 변화만 있다면, 제1도전층(또는 제1도전유닛)과 등전위 사이에 연결된 부하에 전력을 공급할 수 있다. 이러한 구조의 발전기는 이동하는 물체에 널리 응용될 수 있으며, 이동 과정에서의 상호적인 마찰을 전기적 에너지로 전환, 예를 들면 자동차 바퀴와 지면 사이의 마찰에 의하여 생성되는 역학적 에너지를 수집할 수 있다. 또한, 터치 스크린 등 분야에 응용될 수도 있다.

3, 본 발명의 슬라이드 마찰식 발전기의 각 부분은 모두 연질 재료 또는 탄성 재료로 이루어 질 수 있다. 따라서, 연질 기기와 결합하여 사용할 수 있다.

4, 본 발명에서는 슬라이드 마찰식 발전기를 이용하는 벡터 변위 센서를 제공하는데, 이는 자체 구동 센서로 마찰층이 복수의 마찰유닛으로 구성된 발전기를 사용하는데, 제2도전층이 마찰유닛의 상면을 슬라이드하거나 이동할 경우, 마찰유닛에 대응되는 제1도전유닛과 등전위 사이에 연결된 검출 장치는 전기적 신호를 검출할 수 있으며, 센서에 전원을 제공하지 않아도 된다. 또한, 주로 물체가 이동하는 과정에서 선차순으로 트리거되는 마찰유닛과 제2도전층 사이에서 슬라이드 마찰에 의한 전기적 신호를 이용하여 이동하는 물체의 이동방향, 이동거리와 이동속도를 추적할 수 있으며, 물체의 위치에 대한 위치결정(positioning)을 실현할 수 있다. 본 발명의 벡터 변위 센서는 별도로 전원을 제공하지 않아도 되는 바, 소형 장치, 예를 들면 터치 스크린 등에 응용될 수 있는 외에, 특히 전원을 교체하기 어려운 환경에 적합하다.

5, 본 발명의 슬라이드 마찰식 발전기 및 이를 이용하는 벡터 변위 센서에서는, 마찰층 또는 마찰유닛을 형성하는 재료로 절연 재료를 사용하여 재료의 선택 범위가 넓은 바, 환경에 영향을 주지 않는 재료를 넓은 범위에서 선택할 수 있어 응용 범위가 넓은 에너지 수집 장치이기도 하다.

첨부도면을 통하여, 본 발명의 상술한 목적 및 기타 목적, 특징 및 이점들은 더욱 선명해 질 것이다. 모든 첨부 도면에 있어서, 동일한 부호는 동일한 부분을 표시한다. 도면은 실제 사이즈에 기초하여 등비례로 확대 또는 축소한 것이 아니라, 본 발명의 주제를 표시하려는데 그 목적이 있다.
도 1은, 본 발명의 슬라이드 마찰식 발전기의 전형적인 구조도이다.
도 2는, 본 발명의 슬라이드 마찰식 발전기의 발전 원리를 나타내는 도면이다.
도 3은, 제1도전층의 하면이 제1기판 상에 설치되고, 제2도전층의 상면이 제2기판 상에 설치된 발전기의 구조도이다.
도 4는, 마찰층의 상면과 제2도전층의 하면이 굴곡 표면인 발전기의 구조도이다.
도 5는, 마찰층의 상면과 제2도전층의 하면이 요철 구조의 평탄하지 않는 면인 발전기 구조도이다.
도 6은, 마찰층이 복수의 마찰유닛으로 구성된 발전기의 발전 과정을 나타내는 도면이다.
도 7은, 마찰층이 복수의 마찰유닛으로 구성되고, 제1도전층이 복수의 제1도전유닛으로 구성된 발전기의 발전 과정을 나타내는 도면이다.
도 8은, 제2도전층이 복수의 제2도전유닛으로 구성된 발전기의 구조도이다.
도 9는, 복수의 제2도전유닛의 하면 및 복수의 마찰유닛의 상면들이 동일한 곡면에 속하는 발전기의 구조도이다.
도 10은 벡터 변위 센서의 일 구체적 실시예를 나타내는 도면이다.

이하, 본 발명의 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예의 기술방안을 명확하고 완정하게 설명한다. 물론, 여기에서 설명하는 실시예는 본 발명의 일부 실시예일 뿐, 모든 실시예는 아니다. 통상의 기술자들이 본 발명의 실시예에 기초하여 쉽게 얻을 수 있는 모든 기타 실시예도 본 발명의 보호범위에 포함된다.

또한, 본 발명에 관하여, 도면을 참조하면서 상세하게 설명하나, 본 발명의 실시예를 상세하게 설명할 경우 상기 도면은 설명의 편의를 위한 예시일 뿐, 본 발명의 보호범위를 한정하는 것은 아니다.

종래의 슬라이드 마찰식 발전기는, 두가지 마찰 대전 재료가 서로 마찰하여 표면전하의 이동이 발생함으로 인하여 역학적 에너지를 전기적 에너지로 전환하는 현상을 이용하여 발전하는 것이다. 이러한 구조는 발전기의 구조를 복잡하게 할 뿐만 아니라, 생성되는 전기적 에너지를 출력함에 있어서 반드시 두 개의 전극층을 필요하므로, 마찰식 발전기의 응용을 제한한다. 본 발명에서는 단극 슬라이드 마찰식 발전기를 제공하는데, 대전열에서 나열 순서에 차이가 있는 도전 재료와 마찰 대전 재료 사이의 마찰에 의하여 표면전하를 발생하고, 마찰 대전 재료의 전극층을 등전위에 전기적으로 연결하여, 전극층과 등전위 사이에 연결된 부하 또는 외부회로로 전력을 공급하는 것이다.

본 발명의 "대전열(帶電列)"은, 재료를 전하에 대한 흡인 정도에 따라 나열한 것으로, 두 재료가 서로 마찰하는 순간 마찰하는 면에서 음전하가 대전열 중의 "+"로 대전되기 쉬운 재료의 표면으로부터, 대전열 중의 ?-"로 대전되기 쉬운 재료의 표면으로 이동하는 것을 말한다. 예를 들면, 고분자 재료인 폴리테트라플루오로에틸렌(Teflon)이 금속 재료인 알루미늄 포일과 접촉할 시, 알루미늄 포일은 양전하를 띠게 되므로 전자를 얻는 능력이 비교적 약하다. 그리고 고분자 재료인 폴리테트라플루오로에틸렌(Teflon)은 음전하를 띠게 되므로 전자를 얻는 능력이 비교적 강하다. 폴리머 나일론이 알루미늄 포일과 접촉할 시, 폴리머 나일론 표면은 양전하를 띠게 되므로 전자를 얻는 능력이 비교적 약하다. 그리고 알루미늄 포일은 음전하를 띠므로 전자를 얻는 능력이 비교적 강하다. 현재, 전하 이동의 원리를 완정하게 해석할 수 있는 통일된 이론은 없다. 일반적으로, 이러한 전하의 이동은 재료 표면의 일함수에 관련되는 것으로, 전자 또는 이온의 접촉면에서의 이동에 의하여 전하의 이동을 실현하는 것으로 간주한다. 대전열은 단지 경험에 의하여 통계된 결과로서, 두 물체가 대전열에서 멀리 떨어질 수록 접촉할 경우에 발생되는 전하의 “+”, “-” 성질이 대전열에 부합될 확률이 커진다. 또한, 실제적인 결과는 재료 표면의 거칠기, 환경의 습도 및 상대적 마찰의 유무 등과 같은 여러 요소의 영향을 받는다.

본 발명에 기재된 “접촉전하”는, 대전열에 있어서 순서에 차이가 있는 두가지 종류의 재료가 접촉마찰하여 분리된 후 그 표면이 가지는 전하를 말하는데, 일반적으로 이러한 전하는 재료의 표면에만 분포되며, 분포되는 최대 깊이는 약 10nm이다. 접촉전하의 부호는, 순전하(net charge)의 부호이다. 다시 말하면, “+”접촉전하를 가지는 재료는, 표면의 일부 영역에 음전하가 집중된 영역이 존재할 수 있으나 표면전체의 순전하의 부호는 “+”이다.

아래, 첨부 도면과 결합하여 본 발명의 슬라이드 마찰식 발전기의 구체적인 실시형태를 상세히 설명하기로 한다.

본 실시예의 슬라이드 마찰식 발전기의 전형적인 구조는 도 1에 표시한 바와 같다. 발전기는, 마찰층(100); 마찰층(100)의 상측에 설치된 제2도전층(300); 및 마찰층(100)의 하면에 접촉되게 설치된, 등전위(400)에 전기적으로 연결된 제1도전층(200); 을 포함한다. 제2도전층(300)의 하면과 마찰층(100)의 상면은 대향되게 설치된다. 마찰층(100)의 상면과 제2도전층(300)의 하면이 상대적으로 슬라이드하여 마찰이 발생함과 동시에 마찰하는 면적이 슬라이드하는 과정에서 변화할 경우, 제1도전층(200)과 등전위(400) 사이에는 전기적 신호가 출력된다. 제1도전층(200)과 등전위(400) 사이에 부하 또는 전력 공급을 필요로 하는 외부회로(500)가 연결된다면, 부하 또는 외부회로(500)에는 전류가 흐르게 된다. 제1도전층(200)은, 마찰층의 하면에 설치된 전극층으로서, 본 발명의 발전기의 전극으로 작용한다.

마찰층(100)과 제2도전층(200)을 형성하는 재료는 대전열에서 나열 순서에 차이가 있으며, 외력의 작용하에 서로 마찰시킴과 동시에 접촉하는 면적을 변화시킬 때, 전극층(200)과 등전위(300) 사이에 연결된 부하 또는 외부회로(400)를 위한 전원을 제공할 수 있다. 이하 도 1의 구조를 예로, 본 발명의 발전기의 동작 원리, 발전기 각 부분의 구조, 재료 등 정보를 상세하게 설명한다.

본 발명의 발전기의 동작 원리는 도 2에 도시한 바와 같다. 마찰층(100)과 제2도전층(300)을 구성하는 재료는 대전열에서 나열 순서에 차이가 있으므로, 양자가 전자를 얻는 능력에는 차이가 있다. 마찰층(100)이 전자를 얻는 능력이 강하고 제2도전층(300)이 전자를 쉽게 잃는 경우를 예로 하면, 도 2(a)에 도시된 바와 같이, 제2도전층(300)의 하면과 마찰층(100)의 상면이 접촉할 경우, 마찰층(100)의 상면은 음전하를 띠고, 제2도전층(300)은 양전하를 띠게 된다. 외력(F)의 작용 하에, 마찰층(100)과 제2도전층(300)을 상대적으로 슬라이드하게 함과 동시에 접촉하는 면적을 변화시키면, 마찰층(100)과 제2도전층(300)의 표면전하의 평형이 파괴되어, 마찰층(100) 상의 여유의 음전하는 제1도전층(200) 상의 전자에 대해 배척력을 가지며, 따라서 도 2(b)에 도시된 바와 같이, 전자는 제1도전층(200)으로부터 등전위(400)로 흐르게 되어, 제1도전층(200)과 등전위 사이에 연결된 부하 또는 외부회로에 전류가 흐르도록 한다. 마찰층(100)과 제2도전층(200)이 완전히 분리된 후, 마찰층(100)과 제1전극층(200)의 전체적인 양전하 및 음전하는 다시 평형을 이루어, 전자의 이동이 발생하지 않으며, 도 2(c)에 도시된 바와 같이, 제2도전층(300)의 하면에는 양전하가 존재하지 않는다. 역방향의 외력(F)의 작용 하에, 마찰층(100)과 제2도전층(200)을 상대적으로 슬라이드하게 함과 동시에, 마찰층(100)의 상면과 제2도전층(300)의 하면이 서로 마찰하게 하며 접촉하는 면적을 변화시키면, 도 2(d)에 도시된 바와 같이, 제2도전층(300) 상의 양전하가 제1도전층(200) 상의 양전하에 대한 배척 작용으로 인하여, 전자가 등전위(400)로부터 제1도전층(200)로 이동하게 되며, 제1도전층(200)과 등전위 사이에 연결된 부하 또는 외부회로에 전류를 출력하게 된다. 마찰층(100)과 제2도전층(300)이 완전히 접촉한 후, 마찰층(100)과 제2도전층(200)의 양전하 및 음전하는 다시 평형을 이루게 된다. 이때, 도 2(a)에 도시된 바와 같이, 외부회로에는 전자의 이동이 존재하지 않는 바, 제1도전층(200)과 등전위 사이에서는 전류의 출력을 관찰할 수 없게 된다. 상기한 과정들을 반복하여 펄스 전류를 형성할 수 있다.

종래의 두 가지 마찰 대전 재료의 마찰에 의하여 전기적 신호를 생성하여 출력하는 발전기에 있어서, 마찰 대전 재료들의 표면에는 두 가지 마찰 대전 재료가 서로 마찰하여 표면 전하의 평형이 파괴되어 전위차가 형성될 경우, 전하를 전송하기 위한 전극층이 각각 증착되어야 했다. 때문에 본 발명의 슬라이드 마찰식 발전기와 종래의 슬라이드 마찰식 발전기의 서로 다른 점은, 마찰층의 하면에 제1도전층(전극층)을 설치하고, 다른 하나의 마찰재료층은 도전 재료 (제2도전층)로부터 선택하며, 제1도전층과 등전위(지면 또는 동일한 전위)를 전기적으로 연결하고, 부하 또는 외부회로를 제1도전층과 등전위 사이에 연결하기만 하면 완성된다. 따라서, 발전기가 생성하는 전기적 에너지의 출력은, 제1도전층과 제2도전층 사이에서 진행되지 않아도 된다. 본 발명의 발전기는, 제조 과정을 간단화 할 수 있을 뿐만 아니라 널리 응용될 수 있는 역학적 에너지를 전기적 에너지로 전환시키는 슬라이드 마찰식 발전기이다.

상술한 발전 원리로부터 알 수 있듯이, 마찰층(100)과 제2도전층(300)의 대전열에서의 나열 순서의 차이는, 출력가능한 전기적 신호를 생성하는 관건적 요소이다. 본 발명에서, 마찰층을 구성하는 재료는 절연체 재료로부터 선택하고, 제2도전층의 하면 또는 전부를 도전 재료로 구성하는 것이 바람직하다. 마찰층으로서의 절연체 재료는, 폴리머 절연 재료인 것이 바람직하다. 아래의 폴리머 재료는 모두 본 발명의 마찰층(100)으로 사용될 수 있으며, 배열된 순서에 따라 전자를 얻는 능력이 점차적으로 강해진다. 상기 폴리머 재료로는, 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate), 나일론, 폴리비닐알코올, 폴리에스테르, 폴리이소부틸렌, 폴리우레탄 탄성 스펀지, PET(Poly ethylene terephthalate), 폴리비닐 부티랄(polyvinyl butyral), 폴리클로로프렌, 천연고무, 폴리아크릴로니트릴, 폴리디페놀카보네이트, 염화폴리에테르(polyetherchloride), 폴리염화비닐리덴, 폴리스티렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리이미드, 폴리염화비닐, 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리테트라플루오로에틸렌이다. 본 명세서의 지면 상의 제한으로, 사용 가능한 모든 재료를 예시할 수 없으므로, 여기서는 참고로 몇가지 구체적인 폴리머 재료만을 예시한다. 물론, 이러한 구제척인 재료는 본 발명의 보호범위를 한정할 수 있는 요소들이 아니다. 통상의 기술자들은 본 발명의 시사 하에 이러한 재료의 마찰 대전 특성에 기초하여 유사한 기타 재료들을 용이하게 선택할 수 있을 것이다.

실험을 통하여, 마찰층(100)을 형성하는 재료와 제2도전층(300)의 하면을 형성하는 재료 사이의 전자를 얻는 능력의 차이가 클수록, 슬라이드 마찰식 발전기가 출력하는 전기적 신호는 더욱 강하다는 것을 발견하였다. 따라서, 상기 열거한 순서에 따라 간단한 대비실험을 결합하여 적합한 폴리머 재료를 마찰층(100)으로 선택하면 최적의 전기적 신호 출력 특성을 얻을 수 있을 것이다.

발전기에서 제2도전층(300)은 단지 마찰층(100)과 마찰하는 마찰 표면을 제공할 뿐, 전극층으로서 사용되지는 않는다. 따라서, 제2도전층(300)은 전부가 도전 재료로 형성될 수도 있고, 하면의 얇은 층 만이 도전 재료로 형성될 수도 있다. 예를 들면, 절연체 재료의 표면에 도전 박막을 형성하여 제2도전층(300)으로 상용할 수도 있다. 제2도전층(200)은 평판, 시트 또는 박막일 수 있는데, 여기서 박막의 두께는 10nm~5mm 범위에 있을 수 있으며, 바람직하게는 100nm~500μm 범위에 있을 수 있다. 금속 박막층은, 종래의 마그네트론 스퍼터링, 증착, 프린팅 등 기술을 사용하여 제조할 수 있다.

마찰층(100)의 두께는 본 발명의 실시에 대하여 큰 영향을 주지 않는다. 본 발명의 바람직한 마찰층은 박막으로, 두께의 가능한 범위는 100nm~5mm이고, 더욱 바람직하게는 1μm-2mm이며, 더욱 바람직하게는 10μm-800μm이고, 더더욱 바람직하게는 20μm-500μm로서, 이러한 범위내의 두께는 본 발명의 모든 기술방안에 전부 적용된다. 마찰층(100)의 하면에 설치된 제1도전층(200)은, 본 발명의 발전기의 전극층으로서, 마찰층(100)의 표면전하가 이루는 전기장의 평형이 파괴될 경우, 부하 또는 전력 공급을 필요로 하는 외부회로를 경유하여 등전위(400)와의 사이에서 전자를 수송하여, 마찰층(100)의 전하가 평형을 이루도록 할 수 있다. 제1전극층(200) 또는 제2전극층(300)으로 선택되어 사용되는 도전 재료는, 금속, ITO(Indium Tin Oxide) 또는 유기물 도체일 수 있는 바, 자주 사용되는 금속은, 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 구리(Cu), 티타늄(Ti), 크롬(Cr) 또는 셀렌(Se) 및 상기 금속으로 형성된 합금을 포함한다. 유기물 도체는 일반적으로 도전 고분자로서, 폴리피롤, 폴리페닐렌설파이드 (poly phenylene sulfide), 폴리프탈로시아닌계화합물, 폴리아닐린 및/또는 폴리티오펜을 포함한다. 제1전극층(200)은 전극층이므로, 마찰층(100)과 양호하게 접촉하여야 하는 바, 종래의 마그네트론 스퍼터링, 증착, 프린팅 등 기술을 사용하여 마찰층의 하면에 제1전극층을 형성할 수 있다. 물론, 비교적 두꺼운 제1전극층(100), 예를 들면 Cu 또는 Al 포일을 사용하여, 그 표면에 마찰층을 이루는 재료를 형성함으로써, 제1전극층과 마찰층의 양호한 접촉을 실현할 수도 있다.

도 3을 참조하면, 제1도전층(200)과 마찰층(100)의 두께가 비교적 얇은 발전기에 있어서, 제1전극층(200)의 하면에 제1기판(600)을 설치하여 발전기의 강도를 증강시킬 수도 있다. 마찬가지로, 제2도전층(300)의 두께가 비교적 얇은 경우(예를 들면, 도전 박막 재료를 사용), 제2도전층(300)의 상면에 제2기판(700)을 설치하여 제2도전층(300)의 기계적 강도를 증강시킬 수도 있다. 제1기판과 제1도전층의 결합, 제2기판과 제2도전층의 결합은 흔히 사용되는 방법을 사용할 수 있다. 예를 들면, 접착 또는 종래의 마그네트론 스퍼터링, 증착, 프린팅 등 기술을 사용하여, 기판의 표면에 도전 재료층을 형성할 수 있다. 물론 제1도전층 또는 제2도전층의 두께가 비교적 두꺼울 경우에도, 발전기는 제1기판 또는 제2기판을 포함할 수 있는데, 이로써 도전층들을 기판 상에 설치하여 도전층들을 지지하거나 제1 또는 제2도전층을 기타 장치와 격리시킬 수 있다.

제1기판(600)과 제2기판(700)의 재료의 선택에는 특별한 요구가 없는 바, 도체, 절연체 또는 반도체일 수 있다. 예를 들면, 알루미눔 판 또는 실리콘 웨이퍼일 수 있다. 제1기판(600)과 제2기판(700)은 연질 기판일 수도 있고, 경질 기판 예를 들면 고무 또는 유리판일 수도 있다.

발전기의 출력 성능을 향상시키기 위하여, 상기 마찰층(100)의 상면, 및/또는, 상기 제2도전층(300)의 하면에, 전부 또는 일부 영역에 나노, 미크론(micron) 또는 서브미크론(sub-micron) 레벨의 미세 구조가 분포되어, 마찰층(100)과 제2도전층(300)의 유효 접촉 면적을 증가시켜, 양자의 표면전하의 밀도를 향상시키는 것이 바람직하다. 상기 미세 구조는 바람직하게는 나노와이어, 나노튜브, 나노입자, 나노로드(nano-rods), 나노꽃, 나노홈, 미크론(micron)홈, 나노뿔, 미크론(micron)뿔, 나노스피어 및 미크론(micron)스피어의 구조 및 상술한 구조로 형성되는 어레이이다. 특히 나노와이어, 나노튜브 또는 나노로드로 이루어진 나노 어레이가 바람직하며, 포토리소그래피, 플라즈마 에칭 등 방법으로 제조된 와이어 형상, 정육면체 또는 사각뿔 형상의 어레이일 수 있다. 어레이 중의 유닛 각각의 사이즈는 나노미터로부터 마이크로미터 레벨의 크기인데, 구체적인 마이크로-나노 구조의 유닛의 사이즈와 형상은 본 발명의 범위를 제한하지 않는다. 마찰층(100)의 상면, 및/또는, 제2도전층(300)의 하면에, 나노재료의 장식 또는 도포층의 방식을 통하여, 표면의 미세 구조를 얻을 수도 있다.

상기한 마찰층(또는 제2도전층)의 표면에 물리적 수식을 실시하는 방법 외에, 서로 마찰하는 마찰층(100) 및/또는 제2도전층(300)의 표면에 화학수식을 실시하여, 접촉 순간의 전하의 이동량을 더욱 향상시켜, 접촉전하의 밀도 및 발전기의 출력 전력을 향상시킬 수도 있다. 화학수식은 또한 아래와 같은 두 가지 방법으로 나뉜다.

일 방법으로는, 서로 마찰하는 마찰층(100)과 제2도전층(300)에 대하여, 대전열에서 “+”로 대전되기 쉬운 재료의 표면에 전자를 쉽게 잃는 작용기(다시말하면, 강한 전자공여기)를 도입하거나, 대전열에서 “-”로 대전되기 쉬운 재료의 표면에 전자를 쉽게 얻는 작용기(강한 전자흡인기)를 도입함으로써, 서로 슬라이드할 때의 전하의 이동량을 더욱 향상시켜, 마찰 전하의 밀도 및 발전기의 출력 전력을 향상시키는 방법이다. 강한 전자공여기는, 아미노기, 하이드록실기, 알콕실기(alkoxyl group) 등을 포함한다. 강한 전자흡인기는, 아실기, 카복실기, 니트로기, 술폰기 등을 포함한다. 작용기의 도입은, 플라즈마에 의한 표면 수식 등 일반적인 방법을 사용할 수 있다. 예를 들면, 산소와 질소의 혼합가스를 소정의 전력하에서 플라즈마를 형성시킴으로써, 아미노기를 마찰층 재료의 표면으로 도입할 수 있다.

다른 일 방법으로는, 서로 마찰하는 마찰층(100)과 제2도전층(300)에 대하여, 대전열에서 “+”로 대전되기 쉬운 재료의 표면에 양전하를 도입하고, “-”로 대전되기 쉬운 재료의 표면에 음전하를 도입하는 방법이다. 구체적으로는 화학결합을 통하여 실현할 수 있다. 예를 들면, PDMS(polydimethylsiloxane) 마찰층의 표면에 졸-겔 법(sol-gel)을 이용하여 TEOS(tetraethyl orthosilicate)를 수식하여, 음전하를 가지도록 할 수 있다. 또는, 금박막층에 대하여 금-유황 결합을 통하여 표면에 CTAB(hexadecyltrimethylammonium bromide)가 함유된 금 나노입자를 수식할 수도 있다. CTAB(hexadecyltrimethylammonium bromide)가 양이온이므로, 마찰층 전체가 양전하를 띠게 된다. 통상의 기술자들은, 마찰층 또는 전극층을 구성하는 재료의 전자를 잃고 얻는 성질 및 표면 화학결합의 종류에 의하여, 적합한 수식 재료를 선택하여 결합시킴으로써, 본 발명의 목적을 달성할 수 있다. 따라서, 이러한 변형도 본 발명의 보호범위 내에 속한다.

본 발명의 앞부분에서 설명한, 제1도전층(200)이 등전위(400)에 전기적으로 연결되는 것은 본 발명의 관건적 요소이다. 상기 등전위(400)는 대량의 전하를 제공할 수 있는 장치이다. 상기 등전위는, 지면 또는 등전위 회로일 수 있고, 상술한 “전기적 연결”은, 제1도전층(200)이 부하 또는 전력 공급을 필요로 하는 외부회로를 경유하여 등전위에 연결되는 것 일 수 있다. 제2도전층과 마찰층이 서로 마찰하여 제2도전층의 표면과 마찰층의 표면의 전체적인 전하의 평형이 파괴될 경우, 등전위(400)의 전하는 부하 또는 외부회로를 경유하여 제1도전층으로 전송될 수 있다. 다시 말하면, 상기 전기적 신호는 상기 부하 또는 전력 공급을 필요로 하는 외부회로로 입력된다. 본 발명에서, 제1도전층(200)은, 직접 부하를 경유하여 등전위에 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 제1도전층(200)은 전력 공급을 필요로 하는 외부회로를 경유하여 등전위에 전기적으로 연결될 수도 있으며, 부하와 외부회로가 제1도전층(200)과 등전위(400) 사이에 병렬 연결되는 방식을 사용할 수도 있다. 상기 외부회로는 간단한 저항일 수도 있고, 비교적 복잡한 회로일 수도 있는 바, 여기서는, 등전위와 전극층을 전기적으로 연결할 수 있고 저항의 값이 제로가 아니기만 하면 되는바, 그에 대해 특별히 한정하지 않는다. 상술한 전력 공급을 필요로 하는 외부회로는 조명 설비 등 전기기구일 수 있다.

본 발명의 발전기에서, 마찰층(100) 또는 제2도전층(300)은 연질 재료로 형성될 수도 있고, 경질 재료로 형성될 수도 있다. 재료의 경도가 양자 사이에서 슬라이드하여 마찰하는 효과에 영향주지 않으므로, 마찰하는 면이 평탄한 면을 유지해야 할 경우에는 도 3에서 기판을 추가한 실시예와 같이 기타 부재의 지지에 의해 이루어 질 수도 있다. 따라서, 통상의 기술자들은 실제 수요에 따라 마찰층(100)과 제2도전층(300)을 형성하는 재료의 경도를 선택할 수 있다. 연질 재료를 사용하여 제조된 발전기의 우점은, 유연하고 얇은 마찰층 또는 제2도전층이 작은 외력의 작용 하에도 변형을 일으킬 수 있다는 것이다. 이러한 변형은 마찰하는 재료층들(마찰층(100)과 제2도전층(200))의 상대적 변위를 일으켜, 슬라이드 마찰을 통하여 외부로 전기적 신호를 출력할 수 있다. 연질 재료의 사용은 본 발명의 나노발전기가 바이오와 의학 분야에서 널리 응용되도록 한다. 사용하는 과정에서는 또한 극박(ultrathin)형의 유연하고 탄성을 가지고 및/또는, 투명한 고분자 재료를 베이스로 하여 봉지함으로써 사용자가 편리하게 사용하도록 할 수 있을뿐만 아니라 강도를 향상시킬 수 있다. 본 발명에 개시된 모든 구조는 모두 대응되게 극히 유연하고 탄성을 가지는 재료로 형성될 수 있으며, 이로써 연질의 슬라이드 마찰식 발전기를 형성할 수 있다. 또한, 제1도전층(200)도 연질 재료로 구성될 수 있는데 이로써 발전기 전체가 연질의 장치를 이루게 된다.

본 발명의 발전기의 가장 전형적인 구조에 있어서, 마찰층(100)의 상면과 제2도전층(300)의 하면은 대향하여 접촉되게 설치되어, 외력의 작용 여부를 막론하고 늘 면접촉을 유지하며, 외력이 작용할 경우 접촉면에 접하는 상대적인 슬라이드 마찰을 발생하게 된다. 마찰층(100)의 상면과 제2도전층(300)의 하면의 사이즈 및 상대적 변위량을 제어함으로써, 상대적으로 슬라이드하여 마찰하는 과정에서 마찰하는 면적의 변화를 아주 쉽게 실현할 수 있다.

본 발명의 기타 실시예에 있어서, 마찰층(100)과 제2도전층(300)은, 외력이 작용하지 않을 경우 접촉되지 않게 설치될 수 있다. 다시 말하면, 외력의 작용하에서만 마찰층(100)의 상면과 제2도전층(300)의 하면이 서로 접촉할 수 있으며 이때 접촉면에 접하는 상대적인 슬라이드 마찰이 발생되기만 하면 된다. 때문에 외력이 작용하지 않을 경우, 마찰층(100)과 제2도전층(300)은 완전히 분리될 수 있다. 이러한 설계는, 간헐적으로 발전해야 하는 조건을 만족시킬 수 있으며, 마찰하는 과정에 접촉 마찰과 슬라이드 마찰이 동시에 존재할 수 있다. 상기한 목적을 실현하는 기술 수단에는 여러가지가 있는데, 본 기술 분야에서 거리를 제어하는 흔히 사용되는 부재를 사용할 수 있다. 예를 들면, 제1도전층(200)의 하면과 제2도전층(300)의 상면이 각각 절연 스프링 등 부재와 연결될 수 있다. 여기서, 사용되는 스프링은 마찰층(100)과 제2도전층(200) 사이의 상대적인 슬라이드를 제한하여서는 안된다는 점에 주의하여야 한다. 이렇게 설계된 발전기는 기타 제품과 결합하여 사용될 수 있으며, 마찰층(100)과 제2도전층(200)을 각각 기타 제품의 서로 이격된 두 개의 부재에 연결할 수 있다. 그리고 이 두 개 부재 사이의 간헐적인 접촉(또는 가까이 다가가는 현상)과 상대적인 슬라이드를 이용하여 발전기를 동작시켜, 간헐적으로 발전하도록 할 수 있다.

본 발명에서, 마찰층(100)의 상면 또는 제2도전층(300)의 하면은 평탄한 면일 수도 있고 (도 1 및 도 3을 참조), 곡면일 수도 있다. 곡면 구조의 마찰층(100)의 하면 또는 전극층(200)의 상면도 마찬가지로 상대적으로 슬라이드하여 마찰할 수 있다. 바람직하게는, 마찰층의 하면과 도전층의 상면이 동시에 평탄한 면 또는 곡면 구조를 가지도록 하여, 양자 사이의 밀착 접촉을 확보할 수 있다. 도 4를 참조하면, 마찰층(110)은 전체적으로 원호형 구조이고 특히 마찰층(110)의 상면이 원호형이며, 제2도전층(310)도 전체적으로 원호형 구조이고 특히 제2도전층(310)의 하면이 원호형이며, 마찰층(110)의 하면에 설치된 제1도전층(210)은 부하 또는 외부회로(510)를 경유하여 지면에 연결된다. 외력(F)의 작용 하에, 마찰층(110)의 상면과 제2도전층(310)의 하면이 접촉면에 접하는 상대적인 슬라이드 마찰을 발생하며 또한 마찰하는 면적이 변화 할 경우, 제1도전층(210)과 지면 사이에 연결된 부하(510)에는 전류가 흐른다. 바람직하게는, 마찰층(110)의 상면과 제2도전층(310)의 하면은 서로 보완하는 형상의 곡면, 예를 들면 곡률이 동일한 곡면일 수 있다. 이로써, 제2도전층(310)과 마찰층(110) 사이의 접촉면적이 최대치에 도달하도록 확보하여, 외력(F)의 작용 하에 마찰층(110)의 상면과 제2도전층(310)의 하면이 접촉면에 접하는 상대적인 슬라이드 마찰을 발생할 경우, 비교적 큰 출력 전류를 생성할 수 있다.

도 1 및 도 4에 도시된 실시예에서, 마찰층의 상면과 제2도전층의 하면은 모두 매끈하고 평탄한 면이다. 하지만 이러한 구조는, 마찰층과 제2도전층의 상대적 슬라이드 공간이 클 것을 요구하며, 마찰층과 제2도전층의 사이즈 차이가 비교적 클 경우에 마찰층과 제2도전층이 마찰하는 과정에서 접촉면적에 변화가 있어야 한다는 요구를 만족시키지 못한다. 따라서, 본 발명의 발전기에 있어서, 마찰층의 상면과 제2도전층의 하면은 평탄하지 않는 면으로 제조될 수도 있으며, 마찰층과 전극층이 서로 슬라이드할 때 마찰층의 하면과 전극층의 상면은 완전히 접촉하는 것이 아니다. 도 5를 참조하면, 마찰층(120)의 상면은 요철 구조의 평탄하지 않는 면이고, 제2도전층(320)의 하면도 요철 구조의 평탄하지 않는 면이며, 마찰층(120)의 하면에 설치된 제1도전층(220)은 부하(520)를 경유하여 등전위(420)에 연결되어 있다. 외력의 작용하에 마찰층(120)과 제2도전층(220)이 상대적으로 슬라이드하며 접촉하는 면적에 변화가 있을 경우, 제1도전층(220)과 등전위(420) 사이에 연결된 부하(520)에는 펄스 전류가 흐르게 된다. 본 실시예는, 마찰층의 상면 또는 제2도전층의 하면이 비교적 작은 경우에도 적용될 수 있는데, 마찰층의 상면과 제2도전층의 하면은 평탄하지 않는 면으로 제조되어, 외력의 작용하에 마찰층의 상면과 제2도전층의 하면이 서로 마찰을 발생할 경우 마찰하는 면적이 변화하여야 한다는 요구를 만족시킴으로써, 외력의 역학적 에너지를 전기적 에너지로 전환시킬 수 있다.

본 발명에서는, 슬라이드하는 과정에서 접촉면적의 최대값이 나타날 수 있도록 마찰층의 상면과 제2도전층의 하면의 사이즈가 상당한 것이 바람직하다. 또한, 마찰층의 상면과 제2도전층의 하면은 면적과 형상이 완전히 동일한 것이 더욱 바람직하다.

본 발명의 기타 실시예에서, 마찰층은 복수의 마찰유닛으로 구성되는데, 복수의 마찰유닛의 상면들로 마찰층의 상면을 형성할 수 있다. 상기 마찰유닛의 상면과 상기 제2도전층의 하면 사이에 상대적인 슬라이드가 발생함과 동시에 마찰하는 면적이 슬라이드하는 과정에서 변화 할 경우, 상기 제1도전층과 상기 등전위 사이에는 전기적 신호가 출력된다. 여기서, 모든 마찰유닛의 하면들은 제1도전층 상에 설치된다. 도 6을 참조하면, 마찰층은 마찰유닛(131, 132, 133 및 134)으로 구성되고, 마찰유닛(131, 132, 133 및 134) 각각의 상면들로 전극층의 상면을 구성하며, 마찰유닛(1131, 132, 133 및 134) 각각의 하면들은 제1도전층(230) 상에 설치되고, 제1도전층(230)은 저항(530)을 경유하여 지면에 연결되며, 제2도전층(330)의 사이즈는 마찰유닛의 사이즈보다 작을 수도 있고 클 수도 있다. 바람직하게는, 제2도전층의 하면은 인접하는 두 개의 마찰유닛의 상면들과 동시에 접촉 및 마찰하지 않는다. 여기서, 제2도전층(330)의 사이즈와 마찰유닛의 사이즈가 상당한 경우를 예로, 발전기의 동작과정을 설명하기로 한다. 도 6(a) 내지 도 6(e)를 참조하면, 초기상태에서 제2도전층(330)의 하면과 마찰유닛(131)의 상면(마찰층의 상면)은 접촉하며 상대적으로 슬라이드할 수 있으나, 마찰유닛(132, 133 및 134)과는 접촉하지 않는다. 마찰유닛의 재료와 제2도전층의 재료가 대전열에서 나열 순서에 차이가 있으므로, 도 6(a)에 도시된 바와 같이, 제2도전층(330)의 하면은 양전하를 띠고 마찰유닛(131)의 상면은 음전하를 띤다. 외력(F)의 작용 하에, 도 6(b)에 도시된 바와 같이, 제2도전층(330)이 마찰유닛(131)에 대하여 오른쪽으로 슬라이드하며 또한 제2도전층(330)과 마찰유닛(131) 사이의 접촉면적에 변화가 발생하면, 전자는 제1도전층(230)으로부터 지면으로 이동하여 제1도전층(230)과 지면 사이에 연결된 저항(530)에 전류가 흐르도록 한다. 제1도전층과 지면 사이에 검출 장치가 연결되어 있다면, 상기 검출 장치는 도 6(c)에 도시된 바와 같이 제2도전층(330)이 마찰유닛(131)을 완전히 떠날 때까지 계속하여 슬라이드하는 과정에 펄스 전기적 신호를 검출할 수 있으며, 제2도전층(330)이 마찰유닛(131)을 완전히 떠나면 저항(530)에는 전류가 흐르지 않는다. 제2도전층(330)이 마찰유닛(131)에 대하여 계속하여 오른쪽으로 슬라이드하여 하면이 마찰유닛(132)의 상면과 접촉하며 또한 마찰유닛(132)의 상면과의 접촉면적이 최대일 경우에, 도 6(d)에 도시된 바와 같이, 제2도전층(330)의 하면은 양전하를 띠고, 마찰유닛(132)의 상면은 음전하를 띠게 된다. 제2도전층(330)이 마찰유닛(132)에 대하여 계속하여 오른쪽으로 슬라이드하여 마찰하며 또한 제2도전층(330)과 마찰유닛(132) 사이의 접촉면적에 변화가 발생하면, 도 6(e)에 도시된 바와 같이, 전자는 제1도전층(230)으로부터 지면으로 이동하여, 제1도전층(230)과 지면 사이에 연결된 저항(530)에 다시 전류가 흐르도록 한다. 제2도전층(330)이 계속하여 오른쪽으로 이동할 경우, 상술한 과정을 중복하게 되므로, 저항에는 펄스 전류가 흐르게 된다. 이러한 구조의 발전기는, 마찰층이 고정되고 제2도전층이 이동하는 물체에 설치되어 발전하는 상황에 사용될 수 있다. 예를 들면, 도로에 복수의 마찰유닛을 설치하고, 모든 마찰유닛의 하면들을 제1도전층 상에 설치하며, 제1도전층이 부하 등을 경유하여 등전위에 연결되고, 제2도전층이 차량에 설치된다면, 차량이 운행하는 과정에서 제2도전층은 마찰유닛과 상대적으로 슬라이드하여 마찰하므로 부하 등을 위해 전기적 신호를 제공할 수 있다. 본 실시예의 발전기는 터치 스크린에도 적용될 수 있는데, 터치하는 부위의 위치결정과 이동 탐지에 사용될 수 있다.

상기 실시예에서, 마찰유닛의 형상은 임의의 형상일 수 있는데, 복수의 마찰유닛 각각의 형상 및 사이즈가 동일한 것이 바람직한 바, 예를 들면 모두 긴 막대기 형상이거나 정사각형 블록 형상일 수 있다. 복수의 마찰유닛들은 임의의 방식에 따라 배열될 수 있으나, 미리 설정된 패턴에 따라 배열되는 것이 바람직하다. 미리 설정된 패턴은, 정사각형, 구형, 링형, “+”자형 등 실제 수요되는 패턴일 수 있다. 예를 들면, “+”자형의 4개 방향에 따라 배열될 수 있다. 기타 실시예에서, 바람직하게는, 상기 마찰층의 하면은 인접하는 두 개의 서브 전극의 상면과 동시에 접촉 및 마찰하지 않는다.

본 발명의 발전기에서, 제1도전층도 복수의 제1도전유닛으로 구성되고, 상기 복수의 제1도전유닛과 상기 복수의 마찰유닛은 1:1로 대응될 수 있다. 다시 말하면, 마찰유닛 각각의 하면에는 제1도전유닛이 하나씩 접촉되게 설치될 수 있다. 상기 제1도전유닛 각각은 등전위에 전기적으로 연결된다. 이하, 구체적인 실시예를 결합하여 발전기의 동작과정을 설명한다. 도 7을 참조하면, 제1도전층은 제1도전유닛(231, 232, 233 및 234)으로 구성되고, 각각 마찰층을 구성하는 마찰유닛(131, 132, 133 및 134)과 1:1로 대응되며, 제1도전유닛들은 각각 저항(530)을 경유하여 지면에 연결된다. 제1도전유닛 각각과 저항 사이에 출력단(A1, A2, A3 및 A4)을 인출할 수도 있다. 상기 출력단은 검출 장치를 연결하여 그에 대응되는 제1도전유닛과 지면 사이에 전기적 신호가 있는지를 검출하기 위한 것이다. 초기상태에서 제2도전층(330)의 하면은 마찰유닛(131)의 상면과 접촉하며 상대적으로 슬라이드할 수 있으나, 마찰유닛(132, 133 및 134)과는 접촉하지 않는다. 마찰유닛의 재료와 제2도전층의 재료가 대전열에서 나열 순서에 차이가 있으므로, 도 7(a)에 도시된 바와 같이, 제2도전층(330)의 하면은 양전하를 띠고, 마찰유닛(131)의 상면은 음전하를 띤다. 외력(F)의 작용 하에, 제2도전층(330)이 마찰유닛(131)에 대하여 오른쪽으로 슬라이드하며 또한 제2도전층(330)과 마찰유닛(131)의 접촉면적이 변화하면, 도 7(b)에 도시된 바와 같이, 전자는 제1도전유닛(231)으로부터 지면으로 흘러, 제1도전유닛(231)과 지면 사이에 연결된 저항(530)에 전류가 흐르도록 한다. 제1도전유닛(231)과 지면 사이에서 인출된 출력단(A1)이 검출 장치에 연결되어 펄스 전기적 신호를 검출할 수 있다. 도 7(c)에 도시된 바와 같이, 제2도전층(330)이 마찰유닛(131)과 완전히 분리된 후 계속하여 슬라이드할 경우, 저항(530)에는 전류가 흐르지 않는다. 제2도전층(330)이 마찰유닛(131)에 대하여 계속하여 오른쪽으로 슬라이드하여 마찰을 발생할 경우, 제2도전층(330)의 하면과 마찰유닛(132)의 상면이 접촉하며 슬라이드하는 과정에서 제2도전층(330)의 하면은 양전하를 띠고, 마찰유닛(132)의 상면은 음전하를 띤다. 제2도전층(330)의 하면과 마찰유닛(132)의 상면 사이의 접촉면적이 최대로 될 때, 제2도전층(330)의 하면의 양전하와 마찰유닛(132)의 상면의 음전하가 서로 평형되므로, 도 7(d)에 도시된 바와 같이 마찰유닛(132)의 하면에 설치된 제1도전유닛(232)과 지면 사이에는 전하의 이동이 발생하지 않는다. 제2도전층(330)이 마찰유닛(132)에 대하여 계속하여 오른쪽으로 슬라이드하며 제2도전층(330)과 마찰유닛(132)의 접촉면적을 변화시킬 경우, 제1도전유닛(232)에는 정전 유도로 인하여 양전하가 생성되어, 제1도전유닛(232)과 지면 사이에 연결된 저항(530)에는 전류가 흐르게 되는데, 전류는 도 7(b)에 도시된 바와 유사하게 제1도전유닛(232)으로부터 지면으로 흐른다. 본 실시예에서, 기판(630)은 반도체 또는 절연체일 수 있으며, 절연체는 유기 유리 등 절연기판인 것이 바람직하다. 이러한 구조의 발전기는, 마찰층이 고정되고 제2도전층이 이동하는 물체에 설치되어 발전하는 상황에 응용될 수 있다. 예를 들면, 도로에 복수의 마찰유닛을 설치하고, 마찰유닛의 하면에 제1도전유닛을 설치하고, 제1도전유닛 각각은 부하 등을 경유하여 등전위에 연결되고, 제2도전층이 차량에 설치된다면, 차량이 운행하는 과정에서 제2도전층은 마찰유닛과 상대적으로 슬라이드하여 마찰함으로써, 부하 등을 위해 전기적 신호를 제공할 수 있다. 본 실시예의 발전기는 터치 스크린에 적용되어 터치하는 부위의 위치결정과 이동 탐지에 사용될 수도 있다.

상기 실시예에서, 마찰유닛의 형상은 임의의 형상일 수 있는데, 복수의 마찰유닛의 형상 및 사이즈가 동일한 것이 바람직한 바, 예를 들면 모두 긴 막대기 형상 또는 정사각형 막대기 형상일 수 있다. 복수의 마찰유닛은 임의의 방식에 따라 배열될 수 있으나, 미리 설정된 패턴에 따라 배열되는 것이 바람직하다. 미리 설정된 패턴은, 정사각형, 구형, 링형, “+”자형 등과 같은 실제 수요되는 패턴일 수 있다. 예를 들면, “+”자형의 4개 방향에 따라 배열할 수 있다. 기타 실시예에서, 바람직하게는, 상기 제2도전층의 하면은 인접하는 두 개의 마찰유닛의 상면과 동시에 접촉 및 마찰하지 않는다.

마찬가지로, 본 실시예에서, 제2도전층이 복수의 제2도전유닛으로 구성되고, 복수의 제2도전유닛의 하면들로 제2도전층의 하면을 형성하며, 마찰유닛의 상면과 제2도전유닛의 하면은 접촉되게 설치되어 상대적으로 슬라이드할 수 있고, 제1도전층은 전체가 복수의 마찰유닛의 하면에 접촉되게 설치될 수도 있다. 물론, 제1도전층도 복수의 제1도전유닛으로 구성되고, 복수의 제1도전유닛과 마찰유닛이 1:1로 대응되어 마찰유닛 각각의 하면에 접촉되게 설치되며, 제1도전층 또는 각 제1도전유닛은 저항을 경유하여 지면에 연결될 수도 있는 바, 그 동작 원리는 도 6 또는 도 7과 유사하므로, 여기서는 그 상세한 설명을 생략한다. 도 8을 참조하면, 마찰층은 복수의 마찰유닛(131, 132, 133 및 134)으로 구성되고, 복수의 마찰유닛들은 제1도전층(230) 상에 설치되며, 복수의 마찰유닛의 상면들로 마찰층의 상면을 형성하고 있다. 제2도전층은 복수의 제2도전유닛(331, 332, 333 및 334)으로 구성되고, 복수의 제2도전유닛의 하면들로 제2도전층의 하면을 형성하며, 복수의 제2도전유닛의 상면들은 제2기판(730) 상에 설치되고, 제2기판(730)은 제2도전층의 하면과 마찰층의 상면이 접촉하여 상대적으로 슬라이드할 수 있도록 복수의 제2도전유닛을 지지하기 위한 것이다. 이러한 구조의 발전기에는, 복수의 발전기 유닛으로 형성된 발전기 그룹이 형성되어, 제2기판(730)이 복수의 제2도전유닛과 복수의 마찰유닛의 상대적인 슬라이드를 발생하도록 할 경우, 제1도전층(230)과 지면 사이에 연결된 저항(530)에는 전류가 흐르게 된다. 실제 응용에 있어서는, 복수의 제2도전유닛 사이 및 복수의 마찰유닛 사이의 간격을 제어하여, 더욱 많은 마찰유닛과 제2도전유닛이 상대적으로 슬라이드하여 마찰이 발생하도록 하므로써, 접촉면적을 최대로 할 수 있다.

도 8에는, 복수의 제2도전유닛으로 형성된 제2도전층의 하면이 평탄한 면이고 복수의 마찰유닛으로 형성된 마찰층의 상면도 평탄한 면인 경우 만이 도시되었다. 실제 응용에 있에서는, 제2기판(730) 및 제1도전층(230)을 기타 구조로 설계하여, 복수의 제2도전유닛의 하면을 곡면(예를 들면 원기둥 면, 각기둥 면 등)에 위치시킴과 동시에, 복수의 마찰유닛의 상면을 동일한 곡면에 위치시킬 수 있다. 다시 말하면, 복수의 제2도전유닛의 하면 및 복수의 마찰유닛의 상면은 모두 동일한 곡면에 속한다. 이하, 복수의 제2도전유닛의 하면이 원기둥 면에 위치하는 경우를 예로, 본 실시예의 발전기 구조를 설명하기로 한다. 도 9는 발전기의 단면을 도시하는 도면으로, 제2기판(730)은 원기둥인데, 복수의 제2도전유닛(331, 332, 333 및 334)은 제2기판(730)의 원기둥 면 상에 균일하게 분포되어 있으며, 복수의 제2도전유닛의 하면 (다시 말하면, 제2기판(730)에서 멀리 떨어진 표면)도 동일한 원기둥 면 상에 위치한다. 제1도전층(230)은 원통형의 구조를 가지고, 복수의 마찰유닛(131, 132, 133 및 134)의 하면들은 원통형의 제1도전층(230)의 내면에 접촉되게 설치되며, 복수의 마찰유닛의 상면들도 복수의 제2도전유닛의 하면들이 위치하는 원기둥 면에 위치한다. 제1도전층(230)은 저항(530)을 경유하여 지면에 전기적으로 연결된다. 이러한 구조의 발전기에서, 복수의 제2도전유닛의 하면들과 복수의 마찰유닛의 상면들은 모두 동일한 원기둥 면 상에 위치하며, 제1도전층(230)을 통해 이동하는 복수의 마찰유닛과 제2기판(730)을 통해 이동하는 복수의 제2도전유닛이, 화살 방향에 따라 슬라이드하여 마찰함과 동시에 마찰하는 면적이 변화할 경우, 저항(530)에는 교류 전류가 흐르게 된다. 저항의 양단에 출력단을 인출하여 부하에 연결한다면, 부하에 전력을 공급할 수 있다.

복수의 마찰유닛으로 마찰층을 구성하는 발전기는, 외력의 역학적 에너지를 전기적 에너지로 전환할 수 있을 뿐만 아니라, 이동하는 물체의 슬라이드 위치 또는 슬라이드 거리 등의 탐지에도 사용될 수 있다. 실제 응용에 있어서, 복수의 마찰유닛으로 구성된 마찰층을 정지(또는 상대적 정지) 표면으로 하고, 제2도전층을 이동하는 물체로 하며, 마찰유닛 각각의 하면에 제1도전유닛을 하나씩 접촉되게 설치하고, 제1도전유닛 각각을 테스트 설비를 통해 지면에 연결한다. 이동하는 물체가 마찰층의 표면을 슬라이드하여 마찰유닛과 제2도전층 사이에서 상대적인 마찰이 발생함과 동시에 접촉면적이 변화할 경우, 제1도전유닛에 연결된 테스트 설비는 전기적 신호를 검출할 수 있다. 이로부터, 이동하는 물체의 위치를 결정할 수 있다. 또한, 두 개의 테스트 설비에 의해 선후적으로 검출된 테스트 신호를 이용하여 이동하는 물체의 이동방향도 결정할 수 있다. 도 7에 도시된 바와 같이, 제1도전유닛 각각과 저항(530) 사이에서, 접촉 장치를 연결하기 위한 출력단(A1, A2, A3 및 A4)을 각각 인출한다. 이동하는 물체(330)(제2도전층)의 사이즈가 비교적 작은데, 이동하는 물체(330)가 하나의 마찰유닛과만 접촉하는 것이 바람직하다. 이동하는 물체(330)는 마찰유닛(131)과 접촉하였으나 상대적으로 슬라이드하지 않을 경우, 출력단(A1)에서는 전기적 신호(도 7(a)에 도시된 바와 같이)를 검출할 수 없다. 이동하는 물체(330)가 마찰유닛에 대하여 오른쪽으로 슬라이드함과 동시에 접촉면적에 변화가 있을 경우, 출력단(A1)에서는 전기적 신호를 검출할 수 있다(도 7(b)에 도시된 바와 같이). 이동하는 물체가 마찰유닛(131)을 완전히 떠나면 출력단(A1)에서는 전기적 신호를 검출하지 못한다. 이동하는 물체(330)가 계속하여 오른쪽으로 슬라이드하여, 마찰유닛(132)과의 접촉면적이 최대로 된 다음, 접촉면적에 또 변화가 있을 경우, 출력단(A2)에서 이동하는 물체와 마찰유닛(132) 사이의 접촉면적이 변화하지 않을 때 까지 전기적 신호를 검출할 수 있다. 출력단(A1 및 A2)에 연결된 검출 설비의 검출신호에 대응되는 마찰유닛의 위치에 의해, 이동하는 물체의 슬라이드 위치, 슬라이드 방향 및 슬라이드 거리를 결정할 수 있다. 따라서, 본 발명의 슬라이드 마찰식 발전기는, 물체가 이동하는 방향과 변위에 대해 정확하게 위치결정을 진행할 수 있는 바, 이동하는 물체를 탐지하는 벡터 변위 센서이다.

변위센서는, 전위차계 소자를 통하여 기계적 변위를 그와 선형 함수관계 또는 임의의 함수관계를 이루는 저항 또는 전압으로 전환하여 출력한다. 벡터 변위 센서는 변위센서를 기초로 발전하여 온 것으로, 물체가 이동하는 방향을 결정할 수 있을 뿐만 아니라, 물체가 이동하는 위치도 결정할 수 있다. 종래의 벡터 변위 센서는, 주로 저항 변화식 센서 및 자왜식 센서에 의하여 변위에 대한 정확한 위치결정을 진행하였다. 하지만 외부 전원으로부터의 전력 공급은, 이러한 센서가 정상적으로 동작함에 있어서 필수적인 것으로, 이러한 외부 전력을 통해 전력을 공급받는 벡터 변위 센서는, 악 조건 환경에서 사용할 때 메인터넌스가 쉽지 않을 뿐만 아니라, 미래의 에너지 위기에서 널리 이용되기 어려웠다. 본 발명의 발전기를 이용하는 벡터 변위 센서는, 외부 전원으로부터의 전력 공급을 필요로 하지 않는 바, 자체 구동 변위센서로서, 구조가 간단하고 제조 비용이 저렴할 뿐만 아니라, 변위센서의 외부 전원에 대한 의존을 근본적으로 해결할 수 있어서, 장기적으로 안정적으로 동작할 수 있다.

구체적으로, 상술한 슬라이드 마찰식 발전기의 동작 원리에 의하면, 본 발명에서는 벡터 변위 센서를 제공한다. 상기 벡터 변위 센서는, 상술한 복수의 마찰유닛으로 마찰층을 구성하고 복수의 제1도전유닛으로 제1도전층을 구성하는 슬라이드 마찰식 발전기를 포함한다. 여기서, 상기 마찰유닛 각각의 하면에는 상기 제1도전유닛이 하나씩 접촉되게 설치되고, 상기 제1도전유닛 각각과 등전위 사이에는 상기 전기적 신호를 검출하기 위한 검출 장치가 연결되어 있다. 상기 마찰층의 상면과 상기 제2도전층의 하면이 슬라이드하여 마찰하며 또한 마찰하는 면적이 변화 할 경우, 상기 전기적 신호를 검출한 검출 장치의 위치에 따라 상기 제2도전층의 위치를 결정할 수 있거나, 전기적 신호를 선후적으로 검출한 검출 장치의 위치에 따라 상기 제2도전층의 슬라이드 거리, 슬라이드 방향 또는 슬라이드 속도를 결정할 수 있다. 상기 복수의 마찰유닛 및 그에 대응되는 제1도전유닛을 기판의 표면에 배열 설치하여, 복수의 마찰유닛을 고정할 수 있다. 제1도전유닛 각각과 등전위 사이에는 각각 검출 장치가 연결된다. 제1도전유닛과 등전위 사이에 전류가 흐를 경우, 제1도전유닛과 마찰유닛이 1:1로 대응되므로, 검출 장치는 전류신호를 생성하는 마찰유닛의 위치를 기록할 수 있다. 따라서, 제2도전층과 서로 슬라이드하여 마찰하는 마찰유닛의 위치를 결정할 수 있으므로, 제2도전층의 위치도 결정할 수 있다. 제2도전층이 두 개의 마찰유닛과 선차순으로 슬라이드하여 마찰할 경우, 대응되게 두 개의 검출 장치가 선후적으로 전기적 신호를 검출하게 된다. 전기적 신호를 선후적으로 검출한 검출 장치의 위치, 거리 및 시간에 의하여, 제2도전층의 이동거리, 이동방향 및 이동속도를 결정하여, 이동하는 물체(제2도전층)의 변위를 감지할 수 있다. 복수의 검출 장치는 검출 시스템을 구성할 수 있다. 검출 시스템에서 검출 장치와 마찰유닛 사이의 위치 대응 관계를 미리 설정할 수 있다.

본 발명의 벡터 변위 센서에서, 검출 장치는 상기 제1도전유닛과 상기 등전위 사이에 전류가 흐를 경우 전류 또는 전압 신호를 출력하기 위한 전류 검출 장치 또는 전압 검출 장치일 수 있다. 기타 실시예에서, 검출 장치는 전원을 입력하면 소리, 광 등 신호를 발생할 수 있는 발광소자 또는 발성소자일 수 있다. 예를 들면, 상기 검출 장치는 버저 또는 LED 전등일 수 있으며, 발광소자 또는 발성소자는 상기 전기적 신호를 수신할 때 광신호 또는 소리신호를 출력할 수 있다.

본 발명의 벡터 변위 센서는, 컴퓨터 시스템에 연결될 수도 있다. 컴퓨터 시스템은, 검출 장치 각각과 복수의 마찰유닛 사이의 대응되는 위치관계, 각 검출 장치가 전기적 신호를 검출하는 시간을 기록하며, 이러한 기록 정보에 의하여 상기 마찰층의 슬라이드 거리, 슬라이드 방향 또는 슬라이드 속도를 용이하게 계산할 수 있다.

또한, 본 발명의 벡터 변위 센서는, 제1도전유닛 각각과 등전위 사이에 분압저항을 연결할 수도 있다. 분압저항은, 제1도전유닛과 등전위 사이의 전류 또는 전압을 조절할 수 있다. 구체적으로 분압저항은 검출 장치와 병렬 또는 직렬로 연결될 수 있다.

구체적으로, 분압저항을 경유하여 각 제1도전유닛을 동일한 등전위(예를 들면 지면)에 각각 연결할 수 있다. 제1도전유닛 각각과 분압저항 사이에 검출 장치를 연결한다. 이동하는 물체에 설치된 제2도전층의 하면과 마찰유닛의 상면이 슬라이드하여 마찰하며 마찰하는 면적이 변화 할 경우, 검출 장치, 제1도전유닛 및 마찰유닛이 1:1로 대응되므로, 검출신호를 검출한 검출 장치에 의하여 이동하는 물체의 위치를 감지할 수 있다.

또한, 본 발명에서는 발전 방법을 제공한다. 상기 발전 방법은,

부하를 경유하여 등전위에 연결된 제1도전층이 하면에 설치된 마찰층을 준비하는 단계; 및

제2도전층과 상기 마찰층의 상면이 상대적으로 슬라이드하여 마찰이 발생하며 마찰하는 면적에 변화가 있을 경우, 상기 부하에는 전류가 흐르는 단계; 를 포함한다.

여기서, 상기 마찰층의 재료와 제2도전층의 재료는 대전열에서 나열 순서에 차이가 있다. 사용되는 마찰층, 제1도전층 및 제2도전층을 형성하는 재료와 구조는, 본 발명에 개시된 발전기 중의 마찰층, 제1도전층 및 제2도전층과 동일한 재료와 구조를 사용할 수 있으므로, 여기서는 중복된 설명을 생략한다.

실시예 1: 슬라이드 마찰식 발전기의 제조

길이 10cm × 폭 5cm × 두께 100μm인 PDMS 박막을 절단하여 마찰층으로 하고, PDMS 박막의 하면에 금막을 증착하여 제1도전층으로 하며, 구리 도선으로 금막을 연결하는 한편, 저항의 일단에 연결한다. 저항의 타단은 접지시킨다. 테이프로 길이 10cm × 폭 5cm × 두께 25μm인 알루미늄 포일을, 동일한 크기의 유기 유리의 기판 상에 고정시켜 제2도전층으로 한다. 알루미늄 포일을 PDMS 박막과 대향시켜 접촉되게 배치한다. 외력의 작용 하에, PDMS 박막과 알루미늄 포일이 상대적으로 슬라이드하며 마찰하는 면적이 변화하면, 저항의 양단에 연결된 전압계에는 대응되게 전기적 신호가 출력된다. 이는, 외력의 역학적 에너지를 전기적 에너지를 전환하여 발전할 수 있다는 것을 의미한다.

실시예 2: 슬라이드 마찰식 발전기에 의한 벡터 변위 센서의 제조

레이저를 이용하여 길이 10cm × 폭 10cm × 두께 1.59mm인 유기 유리를 절단하여, 발전기를 이용하는 센서의 기판 재료로 한다. 마그네트론 스퍼터링 방법을 이용하여, 기판의 상면에 알루미눔 막대기형 전극을 16개 형성하여 제1도전유닛으로 한다. 제1도전유닛의 폭은 10mm이고, 길이는 3cm이다. 제1도전유닛 사이의 간격은 2mm이다. 16개의 제1도전유닛은 4개씩 하나의 그룹을 형성하여, 4개의 방향에 분포되어 "+"형 구조를 이룬다. 도 10에 도시된 바와 같이, 각 그룹 중의 4개의 제1도전유닛은 평행되게 등간격으로 배열된다. 도전성 접착제를 사용하여 각 제1도전유닛 상에 폴리테트라플루오로에틸렌 박막을 접착하여 마찰유닛으로 한다. 마찰유닛의 폭은 10mm이고, 길이는 2.5cm이며, 두께는 200μm이다. 인접하는 마찰유닛 사이의 간격은 2mm이다. 16개의 마찰유닛도, 4개씩 하나의 그룹을 형성하여, 4개의 방향에 각각 분포되어 "+"형 구조를 이룬다. 각 그룹 중의 4개의 마찰유닛은 평행되게 등간격으로 배열된다. 구리 도선으로 제1도전유닛 각각을 분압저항(R)의 일단에 연결한다. 분압저항의 타단은 접지시킨다. 각 제1도전유닛과 분압저항 사이에 하나의 출력단(01……15, 16)을 인출한다. 구체적인 연결 회로는 도 10에 도시된 바와 같다. 출력단은 전기적 신호를 수집하기 위한 것이다. 16개의 출력단은 각각 검출 장치에 연결되는데, 검출 장치를 통하여 16개의 제1도전유닛이 출력하는 신호를 실시간으로 수집한다. 길이 2cm × 폭 2cm × 두께 1mm인 알루미늄 시트를 절단하여 제2도전층으로 하며, 복수의 막대기형 전극으로 형성된 패턴의 중앙의 빈 자리에 배치한다. 제2도전층이 어느 방향으로 슬라이드하든지, 폴리테트라플루오로에틸렌의 마찰유닛과 상대적으로 슬라이드하며 또한 접촉면적이 변화하므로, 출력단에서 외부로 전기적 신호를 출력하게 된다. 또한, 제2도전층을 포함하는 물체가 센서상에서 이동할 경우, 서로 다른 마찰유닛이 선차순으로 제2도전층과 접촉하므로, 서로 다른 제1도전유닛이 외부로 전기적 신호를 출력하도록 한다. 출력되는 신호들에 대한 분석을 통하여, 물체가 어느 방향으로 이동하였는지, 이동한 위치를 알 수 있다.

상기한 실시예들로부터 알 수 있듯이, 출력단에서 출력되는 신호들을 수집하므로써, 물체가 이동하는 방향과 위치에 대한 위치결정을 실현할 수 있다. 해당 벡터 변위 센서는, 단극식 슬라이드 마찰식 발전기를 직접 트리거 센서로 사용하므로 외부로부터의 전력 공급을 필요로 하지 않는 바, 에너지를 효과적으로 절약할 수 있고, 긴 시간 동안 안정적으로 동작할 수 있다. 또한, 본 발명에서 제공하는 벡터 변위 센서는, 복수의 마찰유닛을 수요되는 형상으로 설정할 수 있을 뿐만 아니라 폭 넓게 설치할 수 있어, 야외 등 전원을 사용하기 어려운 환경 속에서도 간편하게 사용할 수 있다.

상술한 내용들은 본 발명의 비교적 바람직한 실시예 일 뿐, 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 통상의 기술자들은, 본 발명의 주지를 이탈하지 않는 범위 내에서, 상기 개시된 방법 및 기술내용에 기초하여 본 발명에 대하여 여러가지 변경 및 개선을 진행할 수도 있고, 동등하게 변화시킨 균등 실시예로 변경할 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 주지를 이탈하지 않는 한, 본 발명의 사상에 기초하여 상기 실시예에 대하여 진행한 간단한 수정, 균등한 변경 및 개선은 모두 본 발명의 기술방안이 보호하고자 하는 범위 내에 속한다.

Claims

하면에 제1도전층이 접촉되게 설치되는 마찰층; 및
상기 마찰층의 상측에 설치된 제2도전층; 을 포함하며,
상기 제1도전층은 등전위에 전기적으로 연결되고,
상기 제2도전층의 하면과 상기 마찰층의 상면은 대향되게 설치되며,
상기 마찰층의 상면과 상기 제2도전층의 하면이 상대적으로 슬라이드하여 마찰을 발생함과 동시에 마찰하는 면적이 슬라이드 과정에서 변화할 경우, 상기 제1도전층과 상기 등전위 사이에는 전기적 신호가 출력되는
것을 특징으로 하는 슬라이드 마찰식 발전기.
제1항에 있어서,
상기 마찰층의 상면을 형성하는 재료와 상기 제2도전층의 하면을 형성하는 재료는 대전열에서 나열 순서에 차이가 있는
것을 특징으로 하는 슬라이드 마찰식 발전기.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제1도전층은 전력 공급을 필요로 하는 외부회로를 경유하여 지면 또는 등전위 회로에 연결되는
것을 특징으로 하는 슬라이드 마찰식 발전기.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제1도전층은 부하를 경유하여 등전위에 전기적으로 연결되는
것을 특징으로 하는 슬라이드 마찰식 발전기.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제2도전층의 하면과 상기 마찰층의 상면은 접촉되게 설치되는
것을 특징으로 하는 슬라이드 마찰식 발전기.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
외력을 받지 않을 경우, 상기 제2도전층과 상기 마찰층은 접촉하지 않고,
외력을 받을 경우, 상기 제2도전층의 하면과 상기 마찰층의 상면은 접촉하는
것을 특징으로 하는 슬라이드 마찰식 발전기.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 마찰층의 상면을 형성하는 재료는 절연체인
것을 특징으로 하는 슬라이드 마찰식 발전기.
제7항에 있어서,
상기 절연체 재료는 폴리머 재료인
것을 특징으로 하는 슬라이드 마찰식 발전기.
제8항에 있어서,
상기 폴리머 재료는, 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate), 나일론, 폴리비닐알코올, 폴리에스테르, 폴리이소부틸렌, 폴리우레탄 탄성 스펀지, PET(Poly ethylene terephthalate), 폴리비닐 부티랄(polyvinyl butyral), 폴리클로로프렌, 천연고무, 폴리아크릴로니트릴, 폴리디페놀카보네이트, 염화폴리에테르, 폴리염화비닐리덴, 폴리스티렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리이미드, 폴리염화비닐, PDMS(polydimethylsiloxane), 폴리테트라플루오로에틸렌으로부터 선택되는
것을 특징으로 하는 슬라이드 마찰식 발전기.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 마찰층의 두께는 100nm~5mm 인
것을 특징으로 하는 슬라이드 마찰식 발전기.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제2도전층의 하면을 형성하는 재료는, 금속, ITO(Indium Tin Oxide) 또는 유기물 도체로부터 선택되는
것을 특징으로 하는 슬라이드 마찰식 발전기.
제11항에 있어서,
상기 금속은, 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 구리(Cu), 티타늄(Ti), 크롬(Cr) 또는 셀렌(Se) 및 상기 금속으로 형성된 합금으로부터 선택되고;
상기 유기물 도체는, 폴리피롤, 폴리페닐렌설파이드 (poly phenylene sulfide), 폴리프탈로시아닌계화합물, 폴리아닐린 및/또는 폴리티오펜으로부터 선택되는
것을 특징으로 하는 슬라이드 마찰식 발전기.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제2도전층은 박막 재료로 형성되는
것을 특징으로 하는 슬라이드 마찰식 발전기.
제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제2도전층의 두께는 10nm~5mm 인
것을 특징으로 하는 슬라이드 마찰식 발전기.
제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제2도전층의 하면 및/또는 상기 마찰층의 상면의 전부 또는 일부에는, 나노, 미크론(micron) 또는 서브미크론(sub-micron) 레벨의 미세 구조가 분포되어 있고,
상기 미세 구조는, 나노와이어, 나노튜브, 나노입자, 나노로드, 나노꽃, 나노홈, 미크론(micron)홈, 나노뿔, 미크론(micron)뿔, 나노스피어 및 미크론(micron)스피어의 구조 및 상술한 구조로 형성되는 어레이 또는 나노재료의 장식 또는 도포층인
것을 특징으로 하는 슬라이드 마찰식 발전기.
제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제2도전층의 하면 및/또는 상기 마찰층의 상면은 화학수식을 통하여 형성되는
것을 특징으로 하는 슬라이드 마찰식 발전기.
제16항에 있어서,
대전열에서 “+”로 대전되기 쉬운 재료의 표면에 전자를 쉽게 잃는 작용기를 도입하거나, 대전열에서 “-”로 대전되기 쉬운 재료의 표면에 전자를 쉽게 얻는 작용기를 도입하는
것을 특징으로 하는 슬라이드 마찰식 발전기.
제16항에 있어서,
대전열에서 “+”로 대전되기 쉬운 재료의 표면에 양전하를 도입하고, 대전열에서 “-”로 대전되기 쉬운 재료의 표면에 음전하를 도입하는
것을 특징으로 하는 슬라이드 마찰식 발전기.
제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제2도전층의 하면은 평탄한 면 또는 곡면이고; 및/또는,
상기 마찰층의 상면은 평탄한 면 또는 곡면인
것을 특징으로 하는 슬라이드 마찰식 발전기.
제19항에 있어서,
상기 제2도전층의 하면과 상기 마찰층의 상면은 서로 보완하는 면인
것을 특징으로 하는 슬라이드 마찰식 발전기.
제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 마찰층의 상면은 요철 구조의 평탄하지 않는 면이고,
상기 제2도전층의 하면은 요철 구조의 평탄하지 않는 면인
것을 특징으로 하는 슬라이드 마찰식 발전기.
제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제2도전층 및/또는 상기 마찰층은 연질 재료 또는 경질 재료로 형성되는
것을 특징으로 하는 슬라이드 마찰식 발전기.
제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제2도전층 및/또는 상기 마찰층은 탄성 재료로 형성되는
것을 특징으로 하는 슬라이드 마찰식 발전기.
제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1도전층의 하면이 설치되는 제1기판; 및/또는
상기 제2도전층의 상면이 설치되는 제2기판; 을 더 포함하는
것을 특징으로 하는 슬라이드 마찰식 발전기.
제1항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 마찰층은 복수의 마찰유닛으로 구성되고, 상기 복수의 마찰유닛의 상면들로 상기 마찰층의 상면을 형성하는
것을 특징으로 하는 슬라이드 마찰식 발전기.
제25항에 있어서,
상기 제2도전층의 하면은, 인접하는 두 개의 마찰유닛의 상면과 동시에 접촉 및 마찰하지 않는
것을 특징으로 하는 슬라이드 마찰식 발전기.
제25항 또는 제26항에 있어서,
상기 마찰유닛은 긴 막대기 형상이거나 정사각형 블록 형상인
것을 특징으로 하는 슬라이드 마찰식 발전기.
제25항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 복수의 마찰유닛은 미리 설정된 패턴에 따라 배열되는
것을 특징으로 하는 슬라이드 마찰식 발전기.
제25항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1도전층은 복수의 제1도전유닛으로 구성되고, 상기 복수의 제1도전유닛과 상기 복수의 마찰유닛은 1:1로 대응되며, 상기 제1도전유닛 각각은 등전위에 전기적으로 연결되는
것을 특징으로 하는 슬라이드 마찰식 발전기.
제25항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제2도전층은 복수의 제2도전유닛으로 구성되고, 상기 복수의 제2도전유닛의 하면들로 상기 제2도전층의 하면을 형성하는
것을 특징으로 하는 슬라이드 마찰식 발전기.
제30항에 있어서,
복수의 상기 제2도전유닛의 하면들은 동일한 평면에 위치하고,
복수의 상기 마찰유닛의 상면들은 동일한 평면에 위치하는
것을 특징으로 하는 슬라이드 마찰식 발전기.
제30항에 있어서,
복수의 상기 제2도전유닛의 하면 및 복수의 상기 마찰유닛의 상면들은 동일한 곡면에 속하는
것을 특징으로 하는 슬라이드 마찰식 발전기.
제29항의 상기 발전기를 포함하고,
상기 도전유닛 각각과 등전위 사이에는 상기 전기적 신호를 검출하기 위한 검출 장치가 연결되고;
상기 제2도전층의 하면과 상기 마찰유닛의 상면이 슬라이드하여 마찰하며 또한 마찰하는 면적이 변화 할 경우, 상기 전기적 신호를 검출한 검출 장치의 위치에 의하여 상기 제2도전층의 위치를 결정할 수 있거나, 선차순으로 전기적 신호를 검출한 검출 장치의 위치에 의하여 상기 제2도전층의 슬라이드 거리, 슬라이드 방향 또는 슬라이드 속도를 결정할 수 있는
것을 특징으로 하는 벡터 변위 센서.
제33항에 있어서,
상기 검출 장치는 전류 검출 장치 또는 전압 검출 장치이고, 상기 전기적 신호는 전류 신호 또는 전압 신호이이거나,
상기 검출 장치는 발광소자 또는 발성소자이고, 상기 발광소자 또는 발성소자에 의하여 상기 전기적 신호가 검출되었을 경우 광신호 또는 소리신호를 출력하는
것을 특징으로 하는 벡터 변위 센서.
제33항 또는 제34항에 있어서,
상기 도전유닛 각각과 등전위 사이에는 분압저항이 더 포함되며, 상기 분압저항과 상기 검출 장치는 병렬 또는 직렬로 연결되는
것을 특징으로 하는 벡터 변위 센서.
제33항 내지 제35항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 발전기는 16개의 마찰유닛을 포함하고, 상기 16개의 마찰유닛은 4개씩 하나의 그룹을 형성하여 4개의 방향에 분포되어 "+"형 구조를 형성하며, 각 그룹 중의 4개의 마찰유닛은 평행되게 등간격으로 배열되는
것을 특징으로 하는 벡터 변위 센서.
제36항에 있어서,
상기 16개의 마찰유닛은 긴 막대기 형상의 폴리테트라플루오로에틸렌 박막이고,
상기 마찰유닛의 폭은 10mm이고 길이는 2.5cm이며 마찰유닛 사이의 간격은 2mm인
것을 특징으로 하는 벡터 변위 센서.
부하를 경유하여 등전위에 연결되는 제1도전층이 하면에 설치된 마찰층을 준비하는 단계; 및
제2도전층과 상기 마찰층의 상면이 상대적으로 슬라이드하여 마찰이 발생하며 또한 마찰하는 면적에 변화가 있을 경우, 상기 부하에는 전류가 흐르는 단계; 를 포함하는
것을 특징으로 하는 발전 방법.