KR20160148755A - 부유 진동자를 이용하는 마찰 대전/전자기 유도 혼성 발전기 및 그 동작 방법 - Google Patents

부유 진동자를 이용하는 마찰 대전/전자기 유도 혼성 발전기 및 그 동작 방법 Download PDF

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KR20160148755A KR1020150084934A KR20150084934A KR20160148755A KR 20160148755 A KR20160148755 A KR 20160148755A KR 1020150084934 A KR1020150084934 A KR 1020150084934A KR 20150084934 A KR20150084934 A KR 20150084934A KR 20160148755 A KR20160148755 A KR 20160148755A
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Abstract

부유 진동자를 이용하는 마찰 대전/전자기 유도 혼성 발전기(triboelectric/electromagnetic hybrid energy harvester)는 케이스; 및 상기 케이스 내부에 삽입되어 상하 진동을 하는 부유 진동자를 포함하고, 상기 케이스는 상기 부유 진동자와 접촉하도록 상기 케이스 측벽 표면에 형성되는 적어도 하나의 케이스 전극; 및 상기 케이스 측벽 외부에 형성되는 적어도 하나의 코일을 포함하며, 상기 부유 진동자는 진동자 자석; 및 상기 케이스와 접촉하도록 상기 부유 진동자의 표면에 형성되는 대전 물질을 포함한다.

Description

부유 진동자를 이용하는 마찰 대전/전자기 유도 혼성 발전기 및 그 동작 방법{TRIBOELECTRIC/ELECTROMAGNETIC HYBRID ENERGY HARVESTER USING FLOATING OSCILLATOR AND OPERTATION METHOD THEREOF}
본 발명은 부유 진동자(floating oscillator)를 이용하는 에너지 하베스터(energy harvester) 및 그 동작 방법에 대한 기술로서, 보다 구체적으로 케이스 내부에 삽입되는 자석 기반 부유 진동자가 상하 진동됨에 응답하여, 마찰 대전(triboelectric) 유도 전류 및 전자기(electromagnetic) 유도 전류를 동시에 생성하는 혼성 발전기(hybrid energy harvester)에 관한 기술이다.
에너지 하베스팅(energy harvesting)은 주위 환경에서 사용되지 못하고 버려지는 에너지를 사용처가 높은 전기 에너지로 변환하는 기술로서, 에너지 변환 방식이 친환경적이고, 사용되지 못하는 에너지를 재활용 한다는 점에서 효율적이다. 이에, 에너지 하베스팅은 웨어러블 장치(wearable device) 및 무선 센서 네트워크(wireless sensor network) 등의 발전에 힘입어, 기존의 배터리를 대체 및 보완하기 위한 미래 에너지 소자로 주목 받고 있다.
특히, 에너지 하베스팅의 다양한 에너지원 중에서도 물리적 에너지인 운동 에너지는 양이 풍부하고 사람의 움직임, 주위의 진동, 바람 또는 소리와 같은 다양한 형태로 어디에서나 찾을 수 있기 때문에, 활용 가치가 높다. 이와 같은, 운동 에너지를 수확하기 위해 사용되는 방식으로는 코일과 자석의 상대적인 움직임을 이용하여 전자기 유도 전류를 생산하는 전자기 유도 방식이 있다.
또한, 운동 에너지를 수확하는 방식으로 마찰 대전 방식 역시 이용된다. 마찰 대전 방식을 이용하는 마찰 대전 발전기는 2012년에 제안되어 최근 활발히 연구되는 운동 에너지 수확 방식으로, 서로 다른 두 대전 물질들이 서로 접촉할 때 생기는 강한 표면 전하(정전기)에 기반한다. 구체적으로, 마찰 대전 발전기는 물질 최적화 또는 표면 구조 최적화 등을 통해 표면 전하를 극대화 시킨 다음, 표면 전하가 물리적인 움직임이 생길 때 정전식 유도를 발생시켜 마찰 대전 유도 전류를 생산한다.
그러나, 기존의 운동 에너지를 수확하기 위한 방식으로는 코일 안에서 생기는 자석의 움직임을 이용하는 전자기 유도 방식 및 표면의 지속적 마찰을 이용하는 마찰 대전 방식이 그 메커니즘과 동작 방식이 상이하게 다르기 때문에, 서로 다른 목적과 응용처에서 각각 단독적으로 이용되어 왔다.
따라서, 본 명세서에서는 마찰 대전 방식 및 전자기 유도 방식의 두 가지 방식을 동시에 활용하여, 물리적 에너지를 수확할 수 있는 혼성 발전기 및 그 동작 방법에 관한 기술을 제안한다.
본 발명의 실시예들은 마찰 대전 방식과 전자기 유도 방식을 동시에 활용하는 혼성 발전기 및 그 동작 방법을 제공한다.
또한, 본 발명의 실시예들은 부유 진동자의 표면에 형성되는 대전 물질과 케이스 측벽 표면에 형성되는 적어도 하나의 케이스 전극을 슬라이딩 방식으로 마찰함으로써, 적어도 하나의 케이스 전극 상에서 마찰 대전 유도 전류를 생성하는 혼성 발전기 및 그 동작 방법을 제공한다.
또한, 본 발명의 실시예들은 부유 진동자에 포함되는 진동자 자석을 상하로 움직임으로써, 케이스 측벽 외부에 형성되는 적어도 하나의 코일 상에 전자기 유도 전류를 생성하는 혼성 발전기 및 그 동작 방법을 제공한다.
또한, 본 발명의 실시예들은 케이스의 상하 양끝에 형성되는 케이스 자석 및 부유 진동자에 포함되는 진동자 자석을 이용함으로써, 부유 진동자가 케이스 내부에서 상하 진동되도록 유도하는 혼성 발전기 및 그 동작 방법을 제공한다.
본 발명의 일실시예에 따른 부유 진동자를 이용하는 마찰 대전/전자기 유도 혼성 발전기(triboelectric/electromagnetic hybrid energy harvester)는 케이스; 및 상기 케이스 내부에 삽입되어 상하 진동을 하는 부유 진동자를 포함하고, 상기 케이스는 상기 부유 진동자와 접촉하도록 상기 케이스 측벽 표면에 형성되는 적어도 하나의 케이스 전극; 및 상기 케이스 측벽 외부에 형성되는 적어도 하나의 코일을 포함하며, 상기 부유 진동자는 진동자 자석; 및 상기 케이스와 접촉하도록 상기 부유 진동자의 표면에 형성되는 대전 물질을 포함한다.
상기 케이스는 상기 케이스 내부에서 상기 부유 진동자의 상하 진동이 유도되도록 상기 케이스의 상하 양끝에 형성되는 케이스 자석을 더 포함할 수 있다.
상기 케이스 자석 및 상기 진동자 자석 각각의 극성은 상기 케이스 자석과 상기 진동자 자석 사이에 반발력이 발생되도록 설정될 수 있다.
상기 케이스는 상기 케이스 내부의 공기를 상기 케이스 외부로 배출하거나, 상기 케이스 외부의 공기를 상기 케이스 내부로 유입시키는 적어도 하나의 통기 구멍을 더 포함할 수 있다.
상기 케이스 내부에는 불활성 기체가 충입될 수 있다.
상기 케이스 내부의 압력은 미리 설정된 압력값을 갖도록 적응적으로 조절될 수 있다.
상기 적어도 하나의 케이스 전극은 상기 대전 물질과 슬라이딩 방식으로 마찰하여 마찰 대전 유도 전류를 생성하도록 미리 설정된 전도율 이상의 고전도율을 갖는 금속, 옥사이드 물질, 폴리머, 유기 물질, 유전체 물질, 전도성 물질 또는 반도체 물질 중 적어도 하나로 형성될 수 있다.
상기 적어도 하나의 코일은 상기 진동자 자석이 상하로 움직임에 따라 전자기 유도 전류를 생성하도록 미리 설정된 미리 설정된 전도율 이상의 고전도율을 갖는 금속, 옥사이드 물질, 폴리머, 유기 물질, 유전체 물질, 전도성 물질 또는 반도체 물질 중 적어도 하나로 형성될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 케이스 내부에 삽입되어 상하 진동을 하는 부유 진동자를 이용하는 마찰 대전/전자기 유도 혼성 발전기(triboelectric/electromagnetic hybrid energy harvester)의 동작 방법은 상기 케이스 및 상기 부유 진동자에 외력이 작용됨에 응답하여, 상기 부유 진동자를 상하 진동시키는 단계; 및 상기 부유 진동자가 상하 진동됨에 응답하여, 마찰 대전 유도 전류 및 전자기 유도 전류를 생성하는 단계를 포함하고, 상기 마찰 대전 유도 전류 및 상기 전자기 유도 전류를 생성하는 단계는 적어도 하나의 케이스 전극-상기 부유 진동자와 접촉하도록 상기 케이스 측벽 표면에 형성됨-과 대전 물질-상기 케이스와 접촉하도록 상기 부유 진동자의 표면에 형성됨-을 슬라이딩 방식으로 마찰하여 상기 적어도 하나의 케이스 전극 상에서 상기 마찰 대전 유도 전류를 생성하는 단계; 및 상기 부유 진동자에 포함되는 진동자 자석이 상하로 움직임에 따라, 상기 케이스 측벽 외부에 형성되는 적어도 하나의 코일 상에 상기 전자기 유도 전류를 생성하는 단계를 포함한다.
상기 부유 진동자를 상하 진동시키는 단계는 상기 케이스의 상하 양끝에 형성되는 케이스 자석과 상기 진동자 자석 사이의 반발력을 이용하여 상기 부유 진동자의 상하 진동을 유도하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들은 마찰 대전 방식과 전자기 유도 방식을 동시에 활용하는 혼성 발전기 및 그 동작 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들은 부유 진동자의 표면에 형성되는 대전 물질과 케이스 측벽 표면에 형성되는 적어도 하나의 케이스 전극을 슬라이딩 방식으로 마찰함으로써, 적어도 하나의 케이스 전극 상에서 마찰 대전 유도 전류를 생성하는 혼성 발전기 및 그 동작 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들은 부유 진동자에 포함되는 진동자 자석을 상하로 움직임으로써, 케이스 측벽 외부에 형성되는 적어도 하나의 코일 상에 전자기 유도 전류를 생성하는 혼성 발전기 및 그 동작 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들은 케이스의 상하 양끝에 형성되는 케이스 자석 및 부유 진동자에 포함되는 진동자 자석을 이용함으로써, 부유 진동자가 케이스 내부에서 상하 진동되도록 유도하는 혼성 발전기 및 그 동작 방법을 제공할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예들은 하나의 발전기에서 마찰 대전 방식 및 전자기 유도 방식의 두 가지 방식을 동시에 이용함으로써, 발전 효율이 개선된 발전기 및 그 동작 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 마찰 대전/전자기 유도 혼성 발전기를 나타낸 도면이다.
도 2a는 본 발명의 일실시예에 따른 마찰 대전/전자기 유도 혼성 발전기 중 마찰 대전 발전기에 해당하는 부분만 나타낸 단면도이다.
도 2b은 본 발명의 다른 일실시예에 따른 마찰 대전/전자기 유도 혼성 발전기 중 마찰 대전 발전기에 해당하는 부분만 나타낸 단면도이다.
도 3a는 본 발명의 일실시예에 따른 마찰 대전/전자기 유도 혼성 발전기 중 전자기 유도 발전기에 해당하는 부분만 나타낸 단면도이다.
도 3b는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 마찰 대전/전자기 유도 혼성 발전기 중 전자기 유도 발전기에 해당하는 부분만 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 마찰 대전/전자기 유도 혼성 발전기의 마찰 대전 동작을 나타낸 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 마찰 대전/전자기 유도 혼성 발전기의 전자기 유도 동작을 나타낸 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 마찰 대전/전자기 유도 혼성 발전기의 동작 방법을 나타낸 플로우 차트이다.
이하, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 또한, 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 마찰 대전/전자기 유도 혼성 발전기를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 마찰 대전/전자기 유도 혼성 발전기(100)는 케이스(110) 및 케이스(110) 내부에 삽입되어 상하 진동을 하는 부유 진동자(120)를 포함한다.
케이스(110)는 케이스(110)의 틀을 이루는 외판(111), 부유 진동자(120)와 접촉하도록 케이스(110)의 측벽 표면에 형성되는 적어도 하나의 케이스 전극(112) 및 케이스(110) 측벽 외부에 형성되는 적어도 하나의 코일(113)을 포함한다. 여기서, 케이스(110)의 틀을 이루는 외판(111)은 케이스(110)의 형태를 지지하도록 아크릴, 옥사이드 물질 또는 플라스틱 중 적어도 하나로 형성될 수 있다.
이 때, 적어도 하나의 케이스 전극(112)은 부유 진동자(120)에 포함되는 대전 물질(121)과 슬라이딩 방식으로 마찰하여 마찰 대전 유도 전류를 생성하도록(예컨대, 대전 물질(121)과 마찰되는 전극의 역할을 수행하도록) 미리 설정된 전도율 이상의 고전도율을 갖는 금속, 옥사이드 물질, 폴리머, 유기 물질, 유전체 물질, 전도성 물질 또는 반도체 물질 중 적어도 하나로 형성될 수 있다. 도면에는 적어도 하나의 케이스 전극(112)이 두 개인 경우로 도시하였으나, 하나로 형성될 수도 있다. 이에 대한 상세한 설명은 도 2b를 참조하여 기재하기로 한다.
적어도 하나의 코일(113)은 부유 진동자(120)에 포함되는 진동자 자석(122)이 상하로 움직임에 따라 전자기 유도 전류를 생성하도록(예컨대, 고전도성을 유지하도록) 미리 설정된 전도율 이상의 고전도율을 갖는 금속, 옥사이드 물질, 폴리머, 유기 물질, 유전체 물질, 전도성 물질 또는 반도체 물질 중 적어도 하나로 형성될 수 있다. 도면에는 적어도 하나의 코일(113)이 두 개인 경우로 도시하였으나, 하나로 형성될 수도 있다. 이에 대한 상세한 설명은 도 3b를 참조하여 기재하기로 한다.
또한, 케이스(110)는 케이스(110) 내부에서 부유 진동자(120)의 상하 진동이 유도되도록 케이스(110)의 상하 양끝에 형성되는 케이스 자석(114)을 더 포함할 수 있다. 여기서, 케이스 자석(114)은 부유 진동자(120)에 포함되는 진동자 자석(122)과 반발력이 발생되도록 극성이 설정될 수 있다. 예를 들어, 케이스 자석(114)은 도면과 같이 진동자 자석(122)을 향해 각각 N극 및 S극이 마주보도록 설정될 수 있다.
도면에는 도시되지 않았지만, 케이스(110)는 케이스(110) 내부의 공기를 케이스(110) 외부로 배출하거나, 케이스(110) 외부의 공기를 케이스(110) 내부로 유입시키는 적어도 하나의 통기 구멍을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 적어도 하나의 통기 구멍은 케이스(110)의 상하 양끝에 형성될 수 있다.
이 때, 케이스(110) 내부의 압력은 부유 진동자(120)의 상하 진동이 원활하도록 미리 설정된 압력값을 갖도록 적응적으로 조절될 수 있다. 예를 들어, 케이스(110) 내부의 압력은 적어도 하나의 통기 구멍에 의해 미리 설정된 압력값을 갖도록 적응적으로 조절될 수 있다.
또한, 케이스(110) 내부에는 화학적으로 불활발한 헬륨, 네온, 아르곤, 크립콘, 제논 또는 라돈 등과 같은 불활성 기체가 충입될 수도 있다.
부유 진동자(120)는 케이스(110)와 접촉하도록 부유 진동자(120)의 표면에 형성되는 대전 물질(121) 및 진동자 자석(122)을 포함한다.
여기서, 대전 물질(121)은 적어도 하나의 케이스 전극(112)과 마찰하여 마찰 대전 유도 전류를 생성하도록 증가된 접촉 계면의 표면적을 갖는 폴리머, 금속, 유기 물질 또는 유전체 물질 등의 다양한 소재로 형성될 수 있다. 이에 대한 상세한 설명은 본 발명의 기술적 사상을 벗어나므로 생략하기로 한다.
진동자 자석(122)은 적어도 하나의 코일(113)에서 전자기 유도 전류가 생성되도록 부유 진동자(120)에 형성될 수 있다. 예를 들어, 진동자 자석(122)은 단일 자석으로 형성되거나, 복수 개의 조립식 적층형(stack) 자석들이 결합되어 형성될 수 있다.
또한, 진동자 자석(122)은 케이스(110) 내부에서 부유 진동자(120)의 상하 진동을 유도하기 위하여 케이스 자석(114)과 반발력이 발생되도록 극성이 설정될 수 있다. 예를 들어, 진동자 자석(122)은 도면과 같이 케이스 자석(114) 중 상부의 자석을 향해 N극이 마주보도록 설정되고, 하부의 자석을 향해 S극이 마주보도록 설정될 수 있다.
이 때, 대전 물질(121) 및 진동자 자석(122)은 부유 진동자(120) 상에 다양한 형태로 형성될 수 있다. 이에 대한 상세한 설명은 도 2a 및 2b를 참조하여 기재하기로 한다.
이와 같은 구조를 갖는 마찰 대전/전자기 유도 혼성 발전기(100)는 부유 진동자(120)가 케이스(110) 내부에서 상하 진동되는 경우, 대전 물질(121)과 적어도 하나의 케이스 전극(112) 사이의 지속적인 마찰로 인한 마찰 대전 유도 전류를 발생시키고, 진동자 자석(122)과 적어도 하나의 코일(113) 사이의 상대적 거리 변화에 따른 전자기 유도 전류를 발생시킴으로써, 동시에 마찰 대전 유도 전류 및 전자기 유도 전류를 생성할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일실시예에 따른 마찰 대전/전자기 유도 혼성 발전기(100)는 기존의 단밀 마찰 대전 발전기 및 단일 전자기 유도 발전기에 비해 발전 효율이 개선될 수 있다.
도 2a는 본 발명의 일실시예에 따른 마찰 대전/전자기 유도 혼성 발전기 중 마찰 대전 발전기에 해당하는 부분만 나타낸 단면도이다.
도 2a를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 마찰 대전/전자기 유도 혼성 발전기 중 마찰 대전 발전기에 해당하는 부분은 케이스(210) 및 케이스(210) 내부에 삽입되어 상하 진동을 하는 부유 진동자(220)를 포함한다.
케이스(210)는 케이스(210)의 틀을 이루는 외판(211) 및 부유 진동자(220)와 접촉하도록 케이스(210)의 측벽 표면에 형성되는 적어도 하나의 케이스 전극(212, 213)을 포함한다.
이 때, 적어도 하나의 케이스 전극(212, 213)은 부유 진동자(220)에 포함되는 대전 물질(221)과 슬라이딩 방식으로 마찰하여 마찰 대전 유도 전류를 생성하도록 두 개로 구성될 수 있다. 그러나, 이에 제한되거나 한정되지 않고, 적어도 하나의 케이스 전극(212, 213)은 하나로 형성될 수도 있다.
또한, 케이스(210)는 케이스(210) 내부에서 부유 진동자(220)의 상하 진동이 유도되도록 케이스(210)의 상하 양끝에 형성되는 케이스 자석(214)을 더 포함할 수 있다.
부유 진동자(220)는 케이스(210)와 접촉하도록 부유 진동자(220)의 표면에 형성되는 대전 물질(221) 및 진동자 자석(222)을 포함한다. 여기서, 대전 물질(221)은 적어도 하나의 케이스 전극(212, 213)과 마찰하여 마찰 대전 유도 전류를 생성하도록 부유 진동자(220)의 표면을 감싸도록 형성될 수 있다. 이 때, 진동자 자석(222)은 대전 물질(221)과 동일한 길이를 갖도록 부유 진동자(220)의 내부에 원통형으로 형성될 수 있다. 그러나, 이에 제한되거나 한정되지 않고, 대전 물질(221) 및 진동자 자석(222)은 부유 진동자(220) 상에 다양한 형태로 형성될 수 있다.
도 2b은 본 발명의 다른 일실시예에 따른 마찰 대전/전자기 유도 혼성 발전기 중 마찰 대전 발전기에 해당하는 부분만 나타낸 단면도이다.
도 2b를 참조하면, 본 발명의 다른 일실시예에 따른 마찰 대전/전자기 유도 혼성 발전기 중 마찰 대전 발전기에 해당하는 부분은 케이스(230) 및 케이스(230) 내부에 삽입되어 상하 진동을 하는 부유 진동자(240)를 포함한다.
케이스(230)는 케이스(230)의 틀을 이루는 외판(231) 및 부유 진동자(240)와 접촉하도록 케이스(230)의 측벽 표면에 형성되는 적어도 하나의 케이스 전극(232)을 포함한다.
이 때, 적어도 하나의 케이스 전극(232)은 부유 진동자(240)에 포함되는 대전 물질(241)과 슬라이딩 방식으로 마찰하여 마찰 대전 유도 전류를 생성하도록 한 개로 구성될 수 있다. 그러나, 이에 제한되거나 한정되지 않고, 적어도 하나의 케이스 전극(232)은 두 개로 형성될 수도 있다.
또한, 케이스(230)는 케이스(230) 내부에서 부유 진동자(240)의 상하 진동이 유도되도록 케이스(230)의 상하 양끝에 형성되는 케이스 자석(233)을 더 포함할 수 있다.
부유 진동자(240)는 케이스(230)와 접촉하도록 부유 진동자(240)의 표면에 형성되는 대전 물질(241) 및 진동자 자석(242)을 포함한다. 여기서, 대전 물질(241)은 적어도 하나의 케이스 전극(232)과 마찰하여 마찰 대전 유도 전류를 생성하도록 부유 진동자(240)의 몸통 전체에 형성될 수 있다. 이 때, 진동자 자석(242)은 부유 진동자(240)의 몸통 상하 양끝에 형성될 수 있다. 그러나, 이에 제한되거나 한정되지 않고, 대전 물질(241) 및 진동자 자석(242)은 부유 진동자(240) 상에 다양한 형태로 형성될 수 있다.
도 3a는 본 발명의 일실시예에 따른 마찰 대전/전자기 유도 혼성 발전기 중 전자기 유도 발전기에 해당하는 부분만 나타낸 단면도이다.
도 3a를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 마찰 대전/전자기 유도 혼성 발전기 중 전자기 유도 발전기에 해당하는 부분은 케이스(310) 및 케이스(310) 내부에 삽입되어 상하 진동을 하는 부유 진동자(320)를 포함한다.
케이스(310)는 케이스(310)의 틀을 이루는 외판(311) 및 케이스(310) 측벽 외부에 형성되는 적어도 하나의 코일(312, 313)을 포함한다. 또한, 케이스(310)는 케이스(310) 내부에서 부유 진동자(320)의 상하 진동이 유도되도록 케이스(310)의 상하 양끝에 형성되는 케이스 자석(314)을 더 포함할 수 있다.
이 때, 적어도 하나의 코일(312, 313)은 부유 진동자(320)에 포함되는 진동자 자석(321)이 상하로 움직임에 따라 전자기 유도 전류를 생성하도록 케이스(310)의 측면 외부의 상하 양끝단에 위치할 수 있다. 그러나, 이에 제한되거나 한정되지 않고, 적어도 하나의 코일(312, 313)은 하나로 형성될 수 있다. 이에 대한 상세한 설명은 아래에서 기재하기로 한다.
도 3b는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 마찰 대전/전자기 유도 혼성 발전기 중 전자기 유도 발전기에 해당하는 부분만 나타낸 단면도이다.
도 3b를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 마찰 대전/전자기 유도 혼성 발전기 중 전자기 유도 발전기에 해당하는 부분은 케이스(330) 및 케이스(330) 내부에 삽입되어 상하 진동을 하는 부유 진동자(340)를 포함한다.
케이스(330)는 케이스(330)의 틀을 이루는 외판(331) 및 케이스(330) 측벽 외부에 형성되는 적어도 하나의 코일(332)을 포함한다. 또한, 케이스(330)는 케이스(330) 내부에서 부유 진동자(340)의 상하 진동이 유도되도록 케이스(330)의 상하 양끝에 형성되는 케이스 자석(333)을 더 포함할 수 있다.
이 때, 적어도 하나의 코일(332)은 부유 진동자(340)에 포함되는 진동자 자석(341)이 상하로 움직임에 따라 전자기 유도 전류를 생성하도록 케이스(330)의 측면 외부의 중앙부에 위치할 수 있다. 그러나, 이에 제한되거나 한정되지 않고, 적어도 하나의 코일(332)의 개수 또는 형성 위치는 다양화될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 마찰 대전/전자기 유도 혼성 발전기의 마찰 대전 동작을 나타낸 단면도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 마찰 대전/전자기 유도 혼성 발전기의 마찰 대전 동작을 도 2a와 같이 적어도 하나의 케이스 전극(411, 412)이 두 개 구비되어 케이스(410)에 포함되고, 대전 물질(421)이 부유 진동자(420)의 표면을 감싸도록 형성되며, 진동자 자석(422)이 부유 진동자(420)의 내부에 원통형으로 형성되는 경우로 설명한다. 그러나, 이에 제한되거나 한정되지 않고, 마찰 대전 발전 동작은 도 2b와 같이 적어도 하나의 케이스 전극(411)이 하나로 형성되고, 대전 물질(421)이 부유 진동자(420)의 몸통 전체에 형성되며, 진동자 자석(422)이 부유 진동자(420)의 몸통 상하 양끝에 형성되는 경우에도 마찬가지로 적용 가능하다.
우선, 케이스(410) 및 부유 진동자(420)에 외력이 작용되기 이전인 기준 상태에서는, (a)와 같이 마찰 대전/전자기 유도 혼성 발전기에 포함되는 케이스(410)의 적어도 하나의 케이스 전극(411, 412) 및 부유 진동자(420)의 대전 물질(421)에 전하들이 (+) 전하 및 (-) 전하 각각의 상태로 나뉘어 존재할 수 있다. 예를 들어, 기준 상태에서 적어도 하나의 케이스 전극(411, 412) 및 대전 물질(421) 각각의 전하들은 크기가 같고 극성은 반대인 채로 쌍극자 상태로 존재할 수 있다. 이 때, 적어도 하나의 케이스 전극(411, 412) 및 대전 물질(421)이 각각 갖는 전하의 종류 및 양은 적어도 하나의 케이스 전극(411, 412) 및 대전 물질(421)을 형성하는 물질의 특성에 따라 적응적으로 변경될 수 있다.
우선, 케이스(410) 및 부유 진동자(420)에 외력이 작용되면, 마찰 대전/전자기 유도 혼성 발전기는 케이스(410) 및 케이스(410) 내부에 삽입되는 부유 진동자(420)에 외력이 작용됨에 응답하여, 부유 진동자(420)를 상하 진동시킨다.
그 후, 마찰 대전/전자기 유도 혼성 발전기는 부유 진동자(420)가 상하 진동됨에 응답하여, 마찰 대전 유도 전류를 생성한다. 구체적으로, 마찰 대전/전자기 유도 혼성 발전기 중 마찰 대전 발전기에 해당하는 부분은 적어도 하나의 케이스 전극(411, 412)과 대전 물질(421)을 슬라이딩 방식으로 마찰하여, 적어도 하나의 케이스 전극(411, 412) 중 상부 케이스 전극(411)과 하부 케이스 전극(412) 상에서 마찰 대전 유도 전류를 생성할 수 있다.
이 때, 마찰 대전/전자기 유도 혼성 발전기는 케이스(410)의 상하 양끝에 형성되는 케이스 자석(413)과 부유 진동자(420)에 포함되는 진동자 자석(422) 사이의 반발력을 이용하여 케이스(410) 내부에서 부유 진동자(420)의 상하 진동을 유도함으로써, 부유 진동자(420)의 상하 진동을 지속적으로 유지할 수 있다.
예를 들어, (b)와 같이 부유 진동자(420)가 외력에 의해 위로 올라간 상태에서, 대전 물질(421)에 고정된 (-) 전하 중 극소수만 여전히 하부 케이스 전극(412)과 쌍극자 상태를 이루며, 나머지 대부분의 전하들은 상부 케이스 전극(411)과 거리가 상대적으로 가까워 상부 케이스 전극(411)에 대부분의 유도 전하를 불러들인다. 이러한 경우, 하부 케이스 전극(412)에서 상부 케이스 전극(411)으로 전하의 일부가 이동하게 되므로, 유도 전류가 생성될 수 있다.
이어서, 부유 진동자(420)가 점점 위로 올라감에 따라, 케이스 자석(413)과 진동자 자석(422) 사이의 반발력으로 인해 이동 방향과 반대 방향인 아래 방향으로 힘을 받게 됨으로써, 부유 진동자(420)는 위로 이동하다가 특정 지점에서 멈춘 이후 다시 아래로 이동하게 된다. 이러한 과정에서 부유 진동자(420)는 (c)와 같이 다시 기준 상태로 돌아올 수 있다. 이 때, 상부 케이스 전극(411)에 집중되었던 (+) 유도 전하는 기준 상태의 전하를 유지하기 위하여 일부가 하부 케이스 전극(412)에 돌아가게 되기 때문에, (a)와 반대 방향으로 유도 전류가 생성될 수 있다. 즉, 상부 케이스 전극(411)에서 하부 케이스 전극(412)으로 유도 전류가 생성될 수 있다.
그 다음, 아래를 향해 이동하는 부유 진동자(420)는 관성에 의해 더 아래로 이동하게 되어 (d)와 같은 상태가 될 수 있다. 이 과정에서 대전 물질(421)에 고정된 (-) 전하 중 극소수만 여전히 상부 케이스 전극(411)과 쌍극자 상태를 이루며, 나머지 대부분의 전하들은 하부 케이스 전극(412)과 거리가 상대적으로 가까워 하부 케이스 전극(412)에 대부분의 유도 전하를 불러들인다. 이러한 경우 상부 케이스 전극(411)에서 하부 케이스 전극(412)으로 유도 전류가 생성될 수 있다.
그 후, 마찬가지로 케이스 자석(413)과 진동자 자석(422) 사이의 반발력으로 인해 (a)의 상태로 돌아가게 된다. 이와 같은 동작들이 케이스 자석(413)과 진동자 자석(422) 사이의 반발력으로 인해 반복적으로 수행될 수 있다. 따라서, 반복적이고 지속적인 상하 진동을 통해 효율적으로 마찰 대전 전류가 생성할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 마찰 대전/전자기 유도 혼성 발전기의 전자기 유도 동작을 나타낸 단면도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 마찰 대전/전자기 유도 혼성 발전기의 전자기 유도 동작을 도 3a와 같이 적어도 하나의 코일(511, 512)이 두 개 구비되어 케이스(510)의 측면 외부의 상하 양끝단에 위치하고, 진동자 자석(521)이 부유 진동자(520)의 내부에 원통형으로 형성되는 경우로 설명한다. 그러나, 이에 제한되거나 한정되지 않고, 전자기 유도 동작은 도 3b와 같이 적어도 하나의 코일(511)이 하나로 형성되고, 진동자 자석(521)이 부유 진동자(520)의 몸통 상하 양끝에 형성되는 경우에도 마찬가지로 적용 가능하다.
케이스(510) 및 부유 진동자(520)에 외력이 작용하기 이전인 기준 상태에서 적어도 하나의 코일(511, 512)-상부 코일(511) 및 하부 코일(512)-에는 유도 전류가 생성되지 않는다.
우선, (a)와 같이 케이스(510) 및 부유 진동자(520)에 외력이 작용되면, 마찰 대전/전자기 유도 혼성 발전기는 케이스(510) 및 케이스(510) 내부에 삽입되는 부유 진동자(520)에 외력이 작용됨에 응답하여, 부유 진동자(520)를 상하 진동시킨다.
그 후, 마찰 대전/전자기 유도 혼성 발전기는 부유 진동자(520)가 상하 진동됨에 응답하여, 전자기 유도 전류를 생성한다. 구체적으로, 마찰 대전/전자기 유도 혼성 발전기 중 전자기 유도 발전기에 해당하는 부분은 진동자 자석(521)이 상하로 움직임에 응답하여 상부 코일(511) 및 하부 코일(512)에서 자속의 변화를 방해하려는 방향으로 전자기 유도 전류가 생성되는 렌즈의 법칙을 이용하여, 전자기 유도 전류를 생성할 수 있다.
이 때, 마찰 대전/전자기 유도 혼성 발전기는 케이스(510)의 상하 양끝에 형성되는 케이스 자석(513)과 부유 진동자(520)에 포함되는 진동자 자석(521) 사이의 반발력을 이용하여 케이스(510) 내부에서 부유 진동자(520)의 상하 진동을 유도함으로써, 부유 진동자(520)의 상하 진동을 지속적으로 유지할 수 있다.
예를 들어, (a)에서 (b)가 되는 상황과 같이 부유 진동자(520)가 외력에 의해 위로 올라가는 과정에서, 자속의 변화 방향은 위쪽 방향을 향하게 되어 상부 코일(511) 및 하부 코일(512)에는 반시계 방향으로 유도 전류가 생성될 수 있다.
이어서, 부유 진동자(520)가 점점 위로 올라감에 따라, 케이스 자석(513)과 진동자 자석(521) 간의 반발력으로 인해 이동 방향과 반대 방향인 아래 방향으로 힘을 받게 됨으로써, 부유 진동자(520)는 위로 이동하다가 특정 지점에서 멈춰 (b)의 상태가 된다. 자석이 이동하지 않는 이 순간에 유도 전류는 생성되지 않는다.
그 다음, 자석의 반발력으로 인해 부유 진동자(200)는 (b)의 상태에서 (c)의 상태가 되며 다시 아래로 이동하게 된다. 이 과정에서 자속의 변화 방향은 아래쪽 방향을 향하게 되어 코일(131, 132)에는 시계 방향으로 유도 전류가 생성될 수 있다.
그 다음, 아래를 향해 이동하는 부유 진동자(520)는 관성에 의해 더 아래로 이동하게 되어 (d)와 같은 상태가 될 수 있다. 이 때, 마찬가지로 케이스 자석(513)과 진동자 자석(521) 사이의 반발력으로 인해 이동 방향과 반대 방향인 위 방향으로 힘을 받게 됨으로써, 부유 진동자(520)는 아래로 이동하다가 특정 지점에 멈춰 (d)의 상태가 된다. 자석이 이동하지 않는 이 순간 유도 전류는 생성되지 않는다.
그 후, 마찬가지로 케이스 자석(513)과 진동자 자석(521) 사이의 반발력으로 인해 부유 진동자(520)는 위 방향으로 이동하여 (a)의 상태로 돌아가게 된다. 이와 같은 동작들이 케이스 자석(513)과 진동자 자석(521) 사이의 반발력으로 인해 반복적으로 수행될 수 있다. 따라서, 반복적이고 지속적인 상하 진동을 통해 효율적으로 전자기 유도 전류가 생성될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 마찰 대전/전자기 유도 혼성 발전기의 동작 방법을 나타낸 플로우 차트이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 마찰 대전/전자기 유도 혼성 발전기는 케이스 및 부유 진동자-케이스 내부에 삽입되어 상하 진동을 함-에 외력이 작용됨에 응답하여, 부유 진동자를 상하 진동시킨다(610).
따라서, 마찰 대전/전자기 유도 혼성 발전기는 부유 진동자가 상하 진동됨에 응답하여, 마찰 대전 유도 전류 및 전자기 유도 전류를 생성한다(620).
구체적으로, 마찰 대전/전자기 유도 혼성 발전기는 적어도 하나의 케이스 전극-부유 진동자와 접촉하도록 케이스 측벽 표면에 형성됨-과 대전 물질-케이스와 접촉하도록 부유 진동자의 표면에 형성됨-을 슬라이딩 방식으로 마찰하여 적어도 하나의 케이스 전극 상에서 마찰 대전 유도 전류를 생성하고, 부유 진동자에 포함되는 진동자 자석이 상하로 움직임에 따라 케이스 측벽 외부에 형성되는 적어도 하나의 코일 상에 전자기 유도 전류를 생성한다.
도면에는 도시되지 않았지만, 이 때, 마찰 대전/전자기 유도 혼성 발전기는 케이스의 상하 양끝에 형성되는 케이스 자석과 진동자 자석 사이의 반발력을 이용하여 부유 진동자의 상하 진동을 유도할 수 있다.
또한, 도면에는 도시되지 않았지만, 마찰 대전/전자기 유도 혼성 발전기는 케이스 내부의 공기를 케이스 외부로 배출하거나, 케이스 외부의 공기를 케이스 내부로 유입시키는 적어도 하나의 통기 구멍을 이용하여, 케이스 내부의 압력을 미리 설정된 압력값을 갖도록 적응적으로 조절할 수 있다. 여기서, 케이스 내부에는 불활성 기체가 충입될 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (10)

  1. 부유 진동자를 이용하는 마찰 대전/전자기 유도 혼성 발전기(triboelectric/electromagnetic hybrid energy harvester)에 있어서,
    케이스; 및
    상기 케이스 내부에 삽입되어 상하 진동을 하는 부유 진동자
    를 포함하고,
    상기 케이스는
    상기 부유 진동자와 접촉하도록 상기 케이스 측벽 표면에 형성되는 적어도 하나의 케이스 전극; 및
    상기 케이스 측벽 외부에 형성되는 적어도 하나의 코일
    을 포함하며,
    상기 부유 진동자는
    진동자 자석; 및
    상기 케이스와 접촉하도록 상기 부유 진동자의 표면에 형성되는 대전 물질
    을 포함하는 마찰 대전/전자기 유도 혼성 발전기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 케이스는
    상기 케이스 내부에서 상기 부유 진동자의 상하 진동이 유도되도록 상기 케이스의 상하 양끝에 형성되는 케이스 자석
    을 더 포함하는 마찰 대전/전자기 유도 혼성 발전기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 케이스 자석 및 상기 진동자 자석 각각의 극성은
    상기 케이스 자석과 상기 진동자 자석 사이에 반발력이 발생되도록 설정되는, 마찰 대전/전자기 유도 혼성 발전기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 케이스는
    상기 케이스 내부의 공기를 상기 케이스 외부로 배출하거나, 상기 케이스 외부의 공기를 상기 케이스 내부로 유입시키는 적어도 하나의 통기 구멍
    을 더 포함하는 마찰 대전/전자기 유도 혼성 발전기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 케이스 내부에는
    불활성 기체가 충입되는, 마찰 대전/전자기 유도 혼성 발전기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 케이스 내부의 압력은
    미리 설정된 압력값을 갖도록 적응적으로 조절되는, 마찰 대전/전자기 유도 혼성 발전기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 케이스 전극은
    상기 대전 물질과 슬라이딩 방식으로 마찰하여 마찰 대전 유도 전류를 생성하도록 미리 설정된 전도율 이상의 고전도율을 갖는 금속, 옥사이드 물질, 폴리머, 유기 물질, 유전체 물질, 전도성 물질 또는 반도체 물질 중 적어도 하나로 형성되는, 마찰 대전/전자기 유도 혼성 발전기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 코일은
    상기 진동자 자석이 상하로 움직임에 따라 전자기 유도 전류를 생성하도록 미리 설정된 미리 설정된 전도율 이상의 고전도율을 갖는 금속, 옥사이드 물질, 폴리머, 유기 물질, 유전체 물질, 전도성 물질 또는 반도체 물질 중 적어도 하나로 형성되는, 마찰 대전/전자기 유도 혼성 발전기.
  9. 케이스 내부에 삽입되어 상하 진동을 하는 부유 진동자를 이용하는 마찰 대전/전자기 유도 혼성 발전기(triboelectric/electromagnetic hybrid energy harvester)의 동작 방법에 있어서,
    상기 케이스 및 상기 부유 진동자에 외력이 작용됨에 응답하여, 상기 부유 진동자를 상하 진동시키는 단계; 및
    상기 부유 진동자가 상하 진동됨에 응답하여, 마찰 대전 유도 전류 및 전자기 유도 전류를 생성하는 단계
    를 포함하고,
    상기 마찰 대전 유도 전류 및 상기 전자기 유도 전류를 생성하는 단계는
    적어도 하나의 케이스 전극-상기 부유 진동자와 접촉하도록 상기 케이스 측벽 표면에 형성됨-과 대전 물질-상기 케이스와 접촉하도록 상기 부유 진동자의 표면에 형성됨-을 슬라이딩 방식으로 마찰하여 상기 적어도 하나의 케이스 전극 상에서 상기 마찰 대전 유도 전류를 생성하는 단계; 및
    4[상기 부유 진동자에 포함되는 진동자 자석이 상하로 움직임에 따라, 상기 케이스 측벽 외부에 형성되는 적어도 하나의 코일 상에 상기 전자기 유도 전류를 생성하는 단계
    를 포함하는 마찰 대전/전자기 유도 혼성 발전기의 동작 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 부유 진동자를 상하 진동시키는 단계는
    상기 케이스의 상하 양끝에 형성되는 케이스 자석과 상기 진동자 자석 사이의 반발력을 이용하여 상기 부유 진동자의 상하 진동을 유도하는 단계
    를 포함하는 마찰 대전/전자기 유도 혼성 발전기의 동작 방법.
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