KR20160099347A

KR20160099347A - 마찰전기 발생장치

Info

Publication number: KR20160099347A
Application number: KR1020150021702A
Authority: KR
Inventors: 박종진; 변도영
Original assignee: 전남대학교산학협력단; 성균관대학교산학협력단
Priority date: 2015-02-12
Filing date: 2015-02-12
Publication date: 2016-08-22

Abstract

본 발명은 구동축에 결합되어 자유회전되도록 설치된 회전체; 상기 회전체의 회전에 의해 회전하는 회전 전극; 상기 회전 전극과 이격되어 그의 외곽에 형성된 마찰 전극 고정대; 상기 마찰 전극 고정대의 내측에 일정한 간격으로 주기적으로 형성되고, 표면에 다수의 미세 돌기 구조체가 형성되어 있는 마찰 전극; 및 상기 회전 전극의 끝단 표면에 마찰전기발생층을 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰전기 발생장치에 관한 것이다.

Description

마찰전기 발생장치{TRIBOELECTRIC GENERATOR}

본 발명은 마찰전기 발생장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 풍력 등과 같은 주위 에너지를 이용하여 마찰전기를 발생시키는 마찰전기 발생장치에 관한 것이다.

최근 세계적으로 환경 이슈가 부각되고 화석연료의 고갈에 따른 에너지 위기를 맞이하면서 다양한 대체 에너지원 개발에 많은 노력을 기울이고 있다. 이러한 추세의 일환으로 주위 환경에서 발생하지만, 소모되어 버리는 주위 에너지(ambient energy)를 전기 에너지로 변환하는 에너지 발생장치와 관련된 기술이 최근 주목을 받고 있다.

이러한 장치 가운데 하나가 마찰전기 발생장치로, 마찰전기 발생장치는 서로 다른 마찰전기 극성을 가진 두 물질이 접촉하게 되면 전하 이동이 일어나는 원리를 응용한 것이다. 보다 상세하게 설명하면, 기계적인 힘에 의해 접촉면이 맞닿거나 떨어지게 되는데 이때 접촉면에 쌍극자층과 전압강하가 생겨나고 이로 인해 한쪽 물체의 전자가 다른 물체로 이동하게 되어 전기가 생산된다. 여기서 전자의 이동 방향은 두 물체의 상대적인 성질에 따라 결정된다.

이러한 주위 에너지(ambient energy)를 전기 에너지로 변환하는 장치들은 긴 수명, 낮은 유지보수비용, 적은 폐기 비용과 오염 등의 장점을 가짐에도 불구하고 에너지 효율, 크기 및 설비 가격 면에서 아직 실용화에 많은 장애를 가지고 있다. 특히 마찰전기 발생장치는 서로 다른 마찰전기 극성을 갖는 두 물질을 별도의 기계적인 힘에 의해서 서로 접촉과 분리를 반복해야 되기 때문에 효율과 운용비용 면에서 비경제적인 한계가 있다.

본 발명은 상술한 종래 기술의 문제를 해소하기 위한 것으로, 본 발명의 하나의 목적은 풍력 등의 주위 에너지를 회전체로 전달하여, 회전체의 회전 시 두 개의 대전된 물질 사이에서 생기는 마찰전기 에너지를 전기 에너지로 변환시켜 전기를 발생시킬 수 있는, 마찰전기 발생장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 풍력, 수력과 같은 주위 에너지를 이용함으로써 운용비용을 절감하고 마찰 표면에서의 표면적을 증대시킴으로써 효율을 더욱 더 향상시킬 수 있는 마찰전기 발생장치를 제공하는 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하나의 양상은

구동축에 결합되어 자유회전되도록 설치된 회전체;

상기 회전체의 회전에 의해 회전하는 회전 전극;

상기 회전 전극과 이격되어 그의 외곽에 형성된 마찰 전극 고정대;

상기 마찰 전극 고정대의 내측에 일정한 간격으로 주기적으로 형성되고, 표면에 다수의 미세 돌기 구조체가 형성되어 있는 마찰 전극; 및

상기 회전 전극의 끝단 표면에 마찰전기발생층을 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰전기 발생장치에 관한 것이다.

다른 양상에서 본 발명은 구동축에 결합되어 자유회전되도록 설치된 회전체;

상기 회전체의 회전에 의해 회전하는, 블레이드 표면에 대전 필름이 코팅되어 구성되는 회전 전극;

상기 회전전극과 연결되고, 편평한 면을 갖는 마찰 전극 고정대;

상기 마찰 전극 고정대의 편평한 면에 일정한 간격으로 주기적으로 형성되고, 표면에 다수의 미세 돌기 구조체가 형성되어 있는 마찰 전극; 및

상기 회전 전극의 상기 마찰 전극과 면하는 쪽의 블레이드 면에 마련된 마찰전기발생층을 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰전기 발생장치에 관한 것이다.

상기 회전체와 상기 회전 전극은 일체로 형성될 수 있다.

마찰 전극의 표면에 형성되는 미세 돌기 구조체는 반구형, 피라미드형, 사각기둥형, 또는 다각 기둥 형상일 수 있다.

상기 미세 돌기 구조체는 나노닷(nanodot), 나노벨트(nanobelt), 나노리본(nanoribbon), 나노피라미드(nanopyramid), 나노웨이비(nanowavy), 또는 나노블록 형태일 수 있다.

다른 실시예에서, 본 발명의 마찰전기 발생장치는 회전 전극과 고정대 사이에, 고정대와 접하는 표면에 미세 돌기 구조체가 형성된 중간 회전체를 추가로 포함할 수 있다.

또 다른 실시예에서, 본 발명의 마찰전기 발생장치는 회전 전극과 고정대 사이에 중간 회전체를 포함하고, 상기 중간 회전체는 고정대와 접하는 표면에 미세 돌기 구조체가 형성되고, 상기 고정대는 중간 회전체와 접하는 표면에 미세 돌기 구조체를 포함할 수 있다.

본 발명의 다양한 실시예의 마찰전기 발생장치에 의하면, 풍력이나 수력과 같은 주위 에너지에 의해서 회전 전극을 회전시켜, 마찰전기 발생장치의 마찰 전극과 회전 전극 사이의 마찰에 의하여 전기에너지를 발생시킬 수 있다. 이렇게 발생된 전기에너지는 배터리에 저장되거나 연결된 전자기기에 공급될 수 있다.

또한 본 발명의 마찰전기 발생장치에 의하면 주위 에너지에 의해 마찰면을 이동시켜 운용비용이 절감되고, 마찰 전극의 표면에 형성된 마크로 또는 나노 미세 돌기 구조체에 의해서 마찰 표면적을 확대하여, 발전효율을 극대화할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발생장치의 분해사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발생장치의 마찰 전극의 미세 돌출 구조체의 다양한 예시도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰전기 발생장치의 개략사시도와 원내 확대도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마찰전기 발생장치의 개략사시도와 원내 확대도이다.
도 5는 본 발명의 마찰전기 발생장치에서 고정자의 위치 변화에 따른 장치의 구조를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마찰전기 발생장치의 개략사시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예의 마찰전기 발생장치에서 전압과 전류를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 마찰전기 발생장치의 응용예를 도시한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 예시적인 실시예들을 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다. 또한, 소정의 물질층이 기판이나 다른 층상에 존재한다고 설명될 때, 그 물질층은 기판이나 다른 층에 직접 접하면서 존재할 수도 있고, 그 사이에 다른 제3의 층이 존재할 수도 있다. 또한 아래의 실시예에서 각 구성요소를 이루는 물질은 예시적인 것이므로, 이외에 다른 재료가 사용될 수도 있다.

본 발명은 주위 에너지를 회전체(10)(rotor)를 이용하여 회전동력으로 변환할 경우 회전전극(20)의 끝단에 있는 마찰전기발생층(30)과 고정대(40)의 마찰전극(50)의 마찰로 발생되는 전압과 전류를 얻는 마찰전기 발생장치에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발생장치의 분해사시도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발생장치는 구동축에 결합되어 자유회전되도록 설치된 회전체(10); 상기 회전체의 회전에 의해 회전하는 회전 전극(20); 상기 회전 전극(20)의 외곽에 형성된 마찰 전극 고정대(40); 상기 마찰 전극 고정대의 내측에 일정한 간격으로 주기적으로 형성되고, 표면에 다수의 미세 돌기 구조체(55)가 형성되어 있는 마찰 전극(50); 및 상기 회전 전극(20)의 끝단 표면에 마련된 마찰전기발생층(30)을 포함한다.

본 발명의 마찰전기 발생장치에서 회전 전극(20)을 회전시키는 주위 에너지는 선형 에너지를 회전 에너지로 변환할 수 있는 풍력 또는 수력을 예로 들 수 있다. 상기 회전체(10)는 세라믹 베어링, 세라믹 하이브리드 베어링, 세라믹 코팅 베어링, 또는 금속베어링을 포함할 수 있다. 이러한 베어링에 의해서 회전전극(20)이 구동축에 대하여 원활하게 회전가능하게 된다. 본 발명에서 상기 회전체(10)와 상기 회전 전극(20)은 일체로 형성될 수도 있다.

본 발명의 마찰전기 발생장치에서 회전전극(20)은 프로펠러 또는 에어포일 형상의 단면을 갖는 날개인 블레이드로 구성된다. 상기 회전 전극(20)의 단면적은 가능한 한 에어 포일형, RAF 에어 포일형, 게팅겐 에어 포일형 등으로 대표되는 비행기에 사용되는 유선형의 에어 포일형으로 형성함이 바람직하다. 이러한 회전 전극(20)의 주변을 흐르는 공기 유동에 의하여 회전 전극(20)에 발생하는 공기 역학적 힘 중에서 양력을 이용하여 회전동력을 얻는다. 이러한 마찰전기 발생장치에서는 예를 들어, 지지대(11)에 설치된 상태에서 국지풍 또는 계절풍 등의 유입된 바람에 의해 회전 전극(20)이 회전하게 된다. 회전 전극(20)의 끝단에 형성된 마찰전기발생층(30)과 마찰 전극(50)은 소정의 간격을 두고 이격 형성되어 있고, 마찰전기발생층(30)과 마찰 전극(50)은 서로 반대되는 마찰전기 극성을 가진 재료로 구성되어, 회전 전극(20)의 회전에 따라서 마찰전기발생층(30)과 마찰전극(50)이 주기적으로 접촉되었다 분리되었다를 반복하면서 마찰 전기를 수확할 수 있게 된다.

상기 회전 전극(20)은 상술한 실시예에 의해 한정되지 않고 고정대(40)에 의해 형성되는 유로 내에서 풍력 등에 의해 발전을 위한 회전력을 얻을 수 있는 구조이면 어느 것이나 가능하다. 또한 상기 고정대(40)에는 회전축과 연결되어 이의 구동력에 의해 발전하는 축전장치(미도시)와, 상기 고정대(40)의 외주면에 고정대(40)를 바람이 부는 방향으로 회전될 수 있도록 지지하는 지지대(11)를 구비한다. 여기서 상기 고정대(40)는 반구 형상, 밴드형 형상, 원통 형상, 또는 코어-쉘(core-shell) 형상으로 구성될 수 있다.

상기 회전 전극(20)은 블레이드 표면에 코팅된 대전필름을 포함할 수 있다. 상기 회전 전극(20) 및 마찰 전극(50)은 무기전극, 금속전극, 전도성 폴리머, 그래핀, 또는 탄소나토튜브로 구성되는 전극일 수 있다. 예를 들어, 이러한 회전 전극(20) 및 마찰 전극(50)은 ITO, IGO, IZO(Indium Zinc Oxide), IGZO(Indium Gallium Zinc Oxide), ZnO, ZnO₂ 또는 TiO₂ 중 적어도 어느 하나를 포함하는 무기전극이거나 금, 은, 백금, 알루미늄, 철, 크롬, 알루미늄, 구리, 스테인레스 스틸, Co-Cr 합금, Ti 합금, 니티놀(Ni-Ti) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 금속전극, 이런 금속을 전기 도금한 텍스타일 전극이거나 폴리에틸렌디옥시티오펜, 탄소나노튜브, 그래핀(graphene), 폴리아세틸렌, 폴리티오펜, 폴리피롤, 폴리파라페닐렌, 폴리아닐린, 폴리설퍼니트리드, 또는 폴리파라페닐렌비닐렌 중 적어도 어느 하나를 포함하는 유기전극일 수 있다.

상기 회전 전극(20) 및 마찰전기발생층(30)은 예를 들면, 웨이퍼 또는 글라스 등과 같은 단단한 재질을 포함하거나 또는 플라스틱, 직물(textile), 섬유(fiber), 또는 금속 호일(metal foil) 등과 같은 유연한 재질을 포함할 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 이외에도 마찰전기발생층(30) 및 고정대(40)는 다양한 재질을 포함할 수 있다.

본 발명에서 회전 전극(20)의 블레이드는 섬유강화 플라스틱(FRP, fiber reinforced plastic)으로 제작될 수 있고, 주로 사용되는 섬유는 세라믹 계열(glass or carbon)의 섬유가 사용될 수 있다. 주로 유리섬유를 강화한 GFRP(Glass FRP)나 탄소섬유 강화 플라스틱을 사용할 수 있는데, 탄소섬유 강화 플라스틱은 무게를 감소시키고 설치비용을 절감시킬 수 있다.

본 발명의 마찰전기 발생장치의 마찰 전극(50)의 표면에는 표면적을 증가시키기 위해서 미세돌기구조체(55)가 형성된다. 도 2는 본 발명의 일 실시예의 마찰전기 발생장치의 마찰 전극(50)의 표면에 형성되는 미세 돌기 구조체(55)의 다양한 예를 도시한 것이다. 이러한 미세 돌기 구조체(55)는 마이크로 구조체이거나 나노구조체일 수 있다. 도 2(a)-(d)에 도시된 바와 같이, 예를 들어, 상기 미세 돌기 구조체(55)는 반구형, 사각기둥 형상, 피라미드 형상, 다각 기둥 형상의 구조를 가질 수 있으나, 반드시 이러한 형태로 제한되는 것은 아니다. 상기 미세 돌기 구조체(55)는 높이가 100 nm ~1 cm이고, 미세 돌기 구조체들 사이의 간격은 100 nm~ 5 mm일 수 있다.

또한 상기 미세 돌기 구조체는 나노 구조체로 구성될 수 있는데, 예를 들어, 나노닷(nanodot), 나노벨트(nanobelt), 나노리본(nanoribbon), 나노피라미드(nanopyramid), 나노웨이비(nanowavy), 또는 나노블록 형태로 구성될 수 있다. 상기 마찰 전극(50)은 미세 돌기 구조체(55) 대신에 일정한 간격으로 나란히 배치된 와이어 또는 로드를 포함할 수 있다. 이러한 와이어 또는 로드는 나노와이어 또는 마이크로 와이어의 형상을 가질 수 있고, 그 직경이 대략 1 nm ~ 1 mm 정도가 될 수 있다.

본 발명에서 상기 미세 돌기 구조체(55)는 포토리소그래피(photolithography) 공정에 의한 패터닝(patterning), 플라즈마 에칭, 3D 프린팅, 박막 전사(thin film transfer), 코팅, 나노 임프린팅(nano-imprinting), 또는 직접 성장에 의한 방법 등 다양한 방법에 의해 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따르면, 마찰전기발생층(30) 및 마찰 전극(50)은 마찰전기 시리즈(triboelectric series) 상에서 서로 다른 극성을 갖는 재료로 구성된다.

본 발명의 마찰전기 발생장치는 회전 전극(20)의 회전에 의해 발생되는 기계적인 힘에 의해 다른 물질로 이루어진 마찰전기발생층(30)과 마찰전극(50)이 서로 마찰되거나 또는 이들 사이의 간격이 변화됨으로써 전기에너지를 발생시킨다. 상기 마찰전기발생층(30)은 제1 유전체 또는 금속을 포함할 수 있으며, 상기 마찰 전극(50)은 제1 유전체와 다른 제2유전체를 포함할 수 있다. 상기 마찰전기발생층(30)은 양(+)으로 대전되기 쉬운 물질로서, 예를 들면 폴리포름알데하이드, 에틸셀룰로스, 폴리아미드, 울, 실크, 종이, 면, 강철, 목재, 알루미늄, 니켈, 구리, 은, 또는 PVA 등을 포함할 수 있다. 그리고 상기 마찰 전극(50)은 음(-)으로 대전되기 쉬운 물질로서, 실리콘 코무, 테플론, 폴리디메틸실록산, 카프톤, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 또는 PVC 등을 포함할 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 마찰전기발생층(30)이 음(-)으로 대전되기 쉬운 물질을 포함하고, 상기 마찰 전극(50)이 양(+)으로 대전되기 쉬운 물질을 포함할 수도 있다. 또한, 상기 마찰전기발생층(30)과 상기 마찰 전극(50)은 서로 상대적 대전(charging) 정도의 차이가 큰 물질을 포함할 수도 있다. 상기 마찰전기발생층(30)과 상기 마찰 전극(50) 사이의 간격은 예를 들면 대략 0~10 mm 정도가 될 수 있으며, 구체적으로는 0~1 mm 정도가 될 수 있다. 그러나 반드시 이러한 범위로 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 마찰전기 발생장치에는 상기 회전체(10)와 상기 고정대(40) 사이의 간격을 유지하는 하나 이상의 스페이스 바(space bar)들(41)을 포함할 수 있다. 이러한 스페이스 바들(41)은 원주 둘레로 복수로 형성될 수 있다.

본 발명의 마찰전기 발생장치의 동작에 대해서 설명한다. 본 발명의 마찰전기 발생장치에서는, 회전체(10)가 에어포일 형상의 단면을 갖는 날개인 블레이드로 구성되어, 이 블레이드의 주변을 흐르는 공기 유동에 의하여 블레이드에 발생하는 공기 역학적 힘 중에서 양력을 이용하여 회전동력을 얻는다.

마찰전기발생층(30)을 회전 전극(20) 및 마찰 전극(50)을 구성하는 재료인 알루미늄, 철, 구리, 금 등에 비하여 음의 값을 가지는 폴리머류, 합성 고분자류, 불소계 폴리머로 구성하게 되면, 회전 전극(20)의 회전에 의해서 접촉에 의하여 마찰전기발생층(30)은 음의 값으로, 마찰전기발생층(30) 및 마찰 전극(50)은 양의 값으로 대전되어 마찰전기를 발생시키는데 용이하다.

상기와 같은 구조의 마찰전기 발생장치에서, 회전 전극(20)이 풍력 등의 주위 에너지에 의해서 중심축 둘레로 회전하게 되면, 마찰전기발생층(30)과 마찰 전극(50)이 서로 마찰되거나 마찰전기발생층(30)과 마찰 전극(50)의 간격이 변화하게 되며, 이 경우 마찰전기발생층(30)과 마찰 전극(50)에 전하 밀도(charge density)의 차이가 발생하게 됨에 따라 한 쪽 물체의 전자가 다른 물체로 이동하게 되어 회전 전극(20)과 마찰 전극(50) 사이에는 전기에너지가 발생될 수 있다.

본 발명에서는 회전 전극의 블레이드 말단에 대전필름을 붙여 공기역학적 마찰을 최대화하면서 저항력을 최소화한 회전력으로 변환하여 마찰 전극과 마찰을 하여 마찰전기를 발생시킨다. 마찰 전극(50)은 표면에 의해 마이크로 표면 구조 또는 나노 표면 구조의 미세 돌기 구조체를 형성하기 때문에, 표면적이 증가되어 전기에너지를 보다 효율적으로 발생시킬 수 있다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예의 마찰전기 발생장치의 개략사시도이다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에서, 본 발명의 마찰전기 발생장치는 상기 회전체(10)와 상기 고정대(40) 사이에 고정대와 접하는 외측 표면에 미세 돌기 구조체(65)가 형성된 중간 회전체(60)를 추가로 포함할 수 있다. 이러한 실시예의 마찰전기 발생장치에서는 고정대(40)와 중간 회전체(60) 사이의 마찰면에서도 전하 밀도의 차이가 발생하여 전기 에너지가 추가로 발생될 수 있다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예의 마찰전기 발생장치는 상기 회전체(10)와 상기 고정대(40) 사이에 중간 회전체(60)를 추가로 포함하고, 상기 중간회전체(60)의 고정대(40)와 접하는 면에 미세 돌기 구조체(65)가 형성되고, 상기 고정대(40)의 중간회전체(60)와 접하는 내측 표면에 미세 돌기 구조체(45)가 형성된다. 이러한 실시예의 마찰전기 발생장치에서는 마찰전기발생층(30)과 마찰전극(50) 사이에서 전하 밀도의 차이가 발생하게 됨에 따라 회전 전극(20)과 마찰 전극(50) 사이에는 전기에너지가 발생될 수 있고, 또 고정대(40)와 중간회전체(60) 사이에 전하 밀도의 차이가 발생하게 됨에 따라 중간회전체(60)와 고정대(40) 사이에서도 전기에너지가 발생될 수 있다. 이러한 실시예에서 상기 중간 회전체(60)는 상기 회전전극(20)과 동일한 방향으로 회전하거나 상이한 방향으로 회전되도록 구성될 수 있다.

도 5는 고정대위에 설치되는 전극의 위치를 달리하여 만든 마찰발생장치를 나타낸 도면이다. 고정대는 도 5의 좌측 도면에 도시된 바와 같이 일반적으로는 블레이드 보다 크지만, 도 5의 우측 도면에 도시된 바와 같이, 마찰전극 고정대를 회전 전극보다 작게 만들어 회전전극 밑면에서 마찰전기를 발생시킬 수도 있다. 이러한 경우에 마찰되는 표면적을 최대화하기 위해서 회전전극의 마찰전기발생층이 마찰전극과 닿는 면을 선의 형태가 아닌 소정의 폭을 갖는 면으로 구성할 수 있다. 이러한 실시예에서 마찰 전극의 위치를 회전 전극의 블레이드 아래로 여러 개를 배치하여 복수의 마찰 전극으로 한 개의 회전 전극의 블레이드에서 마찰발생 전기를 발생시킬 수 있다.

도 6은 본 발명의 또 다른 실시예의 마찰전기 발생장치의 개략사시도이다. 도 6을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예의 마찰전기 발생장치는 구동축에 결합되어 자유회전되도록 설치된 회전체(10); 상기 회전체(10)의 회전에 의해 회전하는, 블레이드의 표면에 대전 필름이 코팅되어 구성되는 회전 전극(20); 상기 회전 전극과 연결되고 편평한 면을 갖는 마찰 전극 고정대(40); 상기 마찰 전극 고정대(40)의 편평한 면(42)에 일정한 간격으로 주기적으로 형성되고, 표면에 다수의 미세 돌기 구조체(55‘가 형성되어 있는 마찰 전극(50); 및 상기 회전 전극(20)의 상기 마찰 전극 고정대(40)의 마찰전극(50)과 접하는 블레이드 면에 마련된 마찰전기발생층(30’을 포함한다. 이와 같이 회전전극의 블레이드의 마찰전기발생층(30‘와 고정대(40)의 편평한 면(42) 사이의 마찰을 이용해서 정전기를 회수할 경우 마찰 표면적이 확대되어 발전 효율을 향상시킬 수 있다. 이 때 상기 회전전극의 블레이드의 길이(l)는 상기 고정대의 반경(r) 보다 더 클 수 있다.

도 7은 본 발명의 일 실시예의 풍력을 이용한 마찰전기 발생장치의 전압과 전류 발생을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다. 도 1에 도시된 바와 같은 마찰전기 발생장치를 제작하여 회전체의 회전을 평가하고, 공기유동 특성(레이놀즈수)에 따른 마찰전기의 생성을 평가하였다. 도 7에 도시된 바와 같이 풍력에 의해서 회전 전극이 회전될 경우 120~150 볼트의 전압이 발생되었다.

본 발명의 다른 양상은 본 발명의 마찰전기 발생장치에 의해서 구동되는 전자 기기에 관한 것이다. 본 발명의 마찰전기 발생장치는 도 8에 도시된 바와 같이, 풍력과 같은 주위 에너지를 이용하여 전기 에너지를 수확할 수 있기 때문에, 마이크로 전류를 이용한 의료기기, 블루투스 무선통신 기기, 이동 수송기의 라이트 및 지시등, 도로표지판의 야간 조명, 옥외광고판, 레저용, 캠핑용 조명 등에 다양하게 응용될 수 있다. 본 발명의 마찰전기 발생장치에서 주위 에너지 (예를 들어, 바람, 물의 흐름, 전자기적인 진동 등)에 의해 회전 전극이 회전되면, 마찰전기발생층에서 마찰에 의해 전기에너지를 발생시키고, 이렇게 발생된 전기에너지는 연결된 전자기기에 공급되거나 또는 배터리에 저장될 수 있다. 이때 마찰전기 발생장치는 전자기기의 표면이나 그 내부, 또는 외부에 마련될 수 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상술한 구체적인 실시예들에 한정되지 아니하며, 본 발명의 요지 및 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명이 다양하게 변형 및 변경 실시될 수 있다는 것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하므로, 이러한 다양한 변경 및 변형 실시예들도 본 발명의 보호범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.

10: 회전체
20: 회전 전극
30: 마찰전기발생층
40: 고정대
45: 미세 돌기 구조체
41: 스페이스 바
50: 마찰 전극
55: 미세 돌기 구조체
60: 중간 회전체
65: 미세 돌기 구조체

Claims

구동축에 결합되어 자유회전되도록 설치된 회전체;
상기 회전체의 회전에 의해 회전하는 회전 전극;
상기 회전 전극과 이격되어 그의 외곽에 형성된 마찰 전극 고정대;
상기 마찰 전극 고정대의 내측에 일정한 간격으로 주기적으로 형성되고, 표면에 다수의 미세 돌기 구조체가 형성되어 있는 마찰 전극; 및
상기 회전 전극의 끝단 표면에 마련된 마찰전기발생층을 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰전기 발생장치.
제1항에 있어서, 상기 회전 전극은 블레이드 표면에 대전 필름이 코팅된 것임을 특징으로 하는 마찰전기 발생장치.
제2항에 있어서, 상기 블레이드는 에어포일, 또는 프로펠러 형상인 것을 특징으로 하는 마찰전기 발생장치.
제1항에 있어서, 상기 고정대는 반구 형상, 밴드형 형상, 원통 형상, 또는 코어-쉘 형상인 것을 특징으로 하는 마찰전기 발생장치.
제1항에 있어서, 상기 미세 돌기 구조체는 반구형 형상, 사각기둥 형상, 피라미드 형상, 또는 다각 기둥 형상인 것을 특징으로 하는 마찰전기 발생장치.
제1항에 있어서, 상기 미세 돌기 구조체는 나노닷(nanodot), 나노벨트(nanobelt), 나노리본(nanoribbon), 나노피라미드(nanopyramid), 나노웨이비(nanowavy), 또는 나노블록 형태인 것을 특징으로 하는 마찰전기 발생장치.
제1항에 있어서, 상기 미세 돌기 구조체는 높이가 100 nm ~1 cm이고, 미세 돌기 구조체들 사이의 간격이 100 nm~ 5 mm인 것을 특징으로 하는 마찰전기 발생장치.
제1항에 있어서, 상기 마찰전기발생층은 종이, 플라스틱, 직물, 섬유, 유리, 웨이퍼 또는 금속 호일을 포함하는 마찰전기 발생장치.
제1항에 있어서, 상기 회전 전극은 섬유강화 플라스틱(fiber reinforced plastic), 유리섬유 강화 플라스틱(glass fiber reinforced plastics), 또는 탄소섬유 강화 플라스틱(carbon fiber reinforced plastics)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 마찰전기 발생장치.
제1항에 있어서, 상기 마찰 전극 및 회전 전극은 무기전극, 금속전극, 전도성 폴리머, 그래핀, 또는 탄소나토튜브로 구성되는 전극인 것을 특징으로 하는 마찰전기 발생장치.
제1항에 있어서, 상기 장치는 상기 회전체와 상기 고정대 사이의 간격을 유지하는 하나 이상의 스페이스 바(space bar)들을 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰전기 발생장치.
제1항에 있어서, 상기 회전체는 세라믹 베어링, 세라믹 하이브리드 베어링, 세라믹 코팅 베어링, 또는 금속베어링을 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰전기 발생장치.
제1항에 있어서, 상기 마찰전기 발생장치가 상기 회전체와 상기 고정대 사이에, 상기 고정대와 접하는 외측 표면에 미세 돌기 구조체가 형성된 중간 회전체를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰전기 발생장치.
제13항에 있어서, 상기 마찰전기 발생장치의 상기 고정대의 상기 중간회전체와 접하는 내측 표면에 미세 돌기 구조체가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 마찰전기 발생장치.
제13항에 있어서, 상기 중간 회전체는 상기 회전체와 동일한 방향으로 회전하거나 상이한 방향으로 회전되도록 구성된 것을 특징으로 하는 마찰전기 발생장치.
구동축에 결합되어 자유회전되도록 설치된 회전체;
상기 회전체의 회전에 의해 회전하는, 블레이드 표면에 대전 필름이 코팅되어 구성되는 회전 전극;
상기 회전전극과 연결되고, 편평한 면을 갖는 마찰 전극 고정대;
상기 마찰 전극 고정대의 편평한 면에 일정한 간격으로 주기적으로 형성되고, 표면에 다수의 미세 돌기 구조체가 형성되어 있는 마찰 전극; 및
상기 회전 전극의 상기 마찰 전극과 면하는 쪽의 블레이드 면에 마련된 마찰전기발생층을 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰전기 발생장치.
제16항에 있어서, 상기 회전전극의 블레이드의 길이(l)가 상기 고정대의 반경(r) 보다 크도록 구성된 것을 특징으로 하는 마찰전기 발생장치.
제1항 내지 제17항 중 어느 하나의 마찰전기 발생장치에 의해서 구동되는 전자 기기.