KR20170030674A

KR20170030674A - 탄성튜브형 에너지 수확 장치

Info

Publication number: KR20170030674A
Application number: KR1020150127461A
Authority: KR
Inventors: 이상민; 정지훈; 이수경
Original assignee: 중앙대학교 산학협력단
Priority date: 2015-09-09
Filing date: 2015-09-09
Publication date: 2017-03-20
Also published as: KR101730253B1

Abstract

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 탄성튜브형 에너지 수확 장치는, 내측에 공간이 형성되도록 환 형상으로 이루어지고, 서로 마주하는 내면 사이의 내경이 점점 커지는 구조를 가지며, 탄성을 가진 재질로 형성되는 제1탄성튜브; 상기 제1탄성튜브와 연결되고, 그 제1탄성튜브와는 반대로 서로 마주하는 내면 사이의 내경이 점점 커지게 형성되며, 상기 제1탄성튜브와 연결된 부분을 축으로 하여 그 제1탄성튜브에 대한 접근 및 이격이 반복될 수 있도록 탄성을 가진 재질로 형성되는 제2탄성튜브; 및 상기 제1탄성튜브와 제2탄성튜브 간의 접근 및 이격이 반복되는 과정에서 마찰대전에 의한 에너지 수확이 가능하도록, 상기 제1탄성튜브와 제2탄성튜브들 중 적어도 하나에 마련되고, 외부 환경과의 상호 영향을 작게 할 수 있도록 상기 적어도 하나의 내면에 마련되는 메인대전체;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

탄성튜브형 에너지 수확 장치{Elastic tube type energy harvesting apparatus}

본 발명은 탄성튜브형 에너지 수확 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 좁은 공간에서도 마찰대전을 위한 마찰면적을 상대적으로 크게 확보할 수 있고, 주변 부품 등 다양한 외부환경과의 상호 영향을 작게 할 수 있도록, 구조가 개선된 탄성튜브형 에너지 수확 장치에 관한 것이다.

최근 세계적으로 화석연료의 무분별한 사용으로 인한 에너지 고갈, 온실가스 배출에 의한 환경오염, 인체에 대한 유해성 문제가 심각한 사회적 이슈로 제기되고 있다. 때문에, 전세계적으로 화석연료만큼 전기에너지로의 변환효율이 높을 뿐만 아니라, 친환경적이고 지속가능한 대체에너지를 찾으려는 연구가 활발히 진행되고 있다. 뿐만 아니라, 에너지 자립도가 3%미만인 우리나라는 대부분의 시스템이 화석연료에 의존하고 있기 때문에 대체에너지의 개발이 더욱 더 시급한 실정이다.

이러한 배경에서 빛, 열, 진동 등의 주변 환경에서 버려지는 에너지를 수확하는 에너지 하베스팅(Energy Harvesting) 기술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있는데, 에너지 하베스팅 기술에는 단일 원리가 아닌 온도차에 의한 에너지 수확, 빛에너지의 수확, 전자기장 변화에 의한 에너지 수확, 마찰전기로 인한 정전기 유도현상에 의한 에너지 수확 등 여러 가지 원리가 사용되고 있다. 이와 같은 기계적 에너지를 수확하는 방법 중 마찰전기를 이용한 에너지 하베스팅은 압전, 열전 에너지 하베스팅보다 큰 에너지를 생산하는 것으로 보고되었다.

마찰대전 나노발전기에서 마찰대전 재료 사이의 수직 접촉-분리 방법을 통해 발전하는 나노발전기뿐만 아니라 수평 접촉-분리 방법 (Sliding) 및 단일 전극 (Single-Electrode)에 의한 방법 등 다양한 방식을 통한 나노발전기의 개발이 이루어지고 있다.

도 1 및 도 2에 잘 도시된 바와 같이, 기존에 소개되어온 대부분의 수직 접촉-분리 방식의 마찰대전 나노발전기는 마찰면간의 접촉과 분리를 위해 스프링(101)이나 스페이서를 사용하였다. 지금까지 나노발전기의 효율을 높이기 위한 다양한 연구가 진행되어 왔지만, 정작 마찰면 안에서 스프링과 스페이서를 위한 면적은 마찰면간의 접촉과 분리를 위해서 필수 불가결한 것으로 인식되어 왔다.

하지만, 스프링과 스페이서가 차지하는 면적은 마찰이 일어날 수 있는 면적을 감소시키고, 이는 결과적으로 효율의 저하를 초래한다. 마찰대전에 의한 에너지 수확 효율을 높이기 위한 기존의 연구는 새로운 메커니즘(구조)이나 재료의 개발에 초점이 맞추어져 있었다. 때문에, 스프링과 스페이서가 차지하는 면적을, 마찰면적의 손실이라기보다는 당연하게 여겨져 왔다. 하지만, 이러한 고정관념에서 탈피하여 스프링과 스페이서 대신 마찰면적을 크게 확보할 있는 제품을 고안해 냄으로써, 에너지 수확의 효율을 높일 수 있는 제품개발이 필요하게 된 것이다.

뿐만 아니라, 기존의 마찰대전 발전소자는 습도, 화학물질의 유무, 주변 전자기기 등 다양한 외부 환경에 영향을 받는다. 또한, 마찰대전 나노발전기는 마찰대전의 원리를 통해 전기를 생산하는 발전기이기 때문에, 스파크와 같이 정전기가 방전되는 정전 방전(electrostatic discharge) 현상이 일어날 수 있다. 하지만, 이러한 문제점들을 해결할 수 있는 형태의 제품을 고안해 냄으로서, 마찰대전 나노발전기의 실 사용적인 측면에서 현실성 있는 해결 방안이 필요하게 된 것이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 좁은 공간에서도 마찰대전을 위한 마찰면적을 크게 확보할 수 있게 하고 습도나 주변 부품 등 외부환경과의 상호 영향이 서로 작게 미칠 수 있게 하는 탄성튜브형 에너지 수확 장치를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명은, 상기 제1탄성튜브와 제2탄성튜브와 함께 내측 공간을 형성시키고, 그 제1탄성튜브와 제2탄성튜브들 중 어느 하나에 연결되는 상부캡과 하부캡을 포함하여 이루어지고, 상기 상부캡과 하부캡의 마주하는 내면들 중 적어도 하나에 마련되고, 그 상부캡과 하부캡이 서로 접근되는 과정에서 대향하는 부분과 접촉이 이루어지게 되는 서브대전체;를 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.

본 발명은, 상기 상부캡과 하부캡 간의 접근 이후 원래의 위치로 복원되는 과정에서 상기 제1,2탄성튜브와는 별개로 탄성력을 줄 수 있도록, 상기 상부캡 및 하부캡 중 적어도 어느 하나와 상기 서브대전체 사이에 마련되는 탄성체;를 더 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.

본 발명은, 상기 제1탄성튜브와 제2탄성튜브의 내면에 각각 상기 메인대전체가 마련되는 구조를 가질 수 있으며, 상기 제1탄성튜브와 제2탄성튜브가 서로 접근되는 경우에 상기 각 메인대전체와 동시에 접촉이 이루어지게 하여 에너지 수확 효율을 높일 수 있도록, 상기 제1탄성튜브와 제2탄성튜브 사이에 마련되는 전극;을 더 포함하여 이루어지는 것도 가능하다.

상술한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 탄성튜브형 에너지 수확 장치는, 기존의 스프링 타입에 의해 한 쌍의 대전체들을 서로 마찰시키는 방식과는 달리, 한 쌍의 탄성튜브들이 스프링을 대체하도록 함으로써, 스프링 및 스페이서 등에 의해 필수적으로 초래되는 마찰면적의 축소를 방지할 수 있게 되고, 결국 탄성튜브들이 마찰을 위한 탄성력을 제공할 뿐만 아니라 자체적으로 마찰을 일으키게 됨에 따라, 좁은 공간에서도 마찰대전을 위한 마찰면적을 상대적으로 크게 확보할 수 있게 하는 장점을 가진다.

또한, 본 발명에 의한 탄성튜브형 에너지 수확 장치는, 마찰대전을 일으키는 대전체를 탄성튜브들에 의해 거의 밀폐(공기 출입이 가능한 정도의 밀폐)된 공간 내에 위치되게 하는 구조를 가짐으로써, 습도나 화학물질 또는 주변 부품 등 다양한 외부 환경에 의한 영향을 최소화시킬 수 있으며, 마찰대전시 상기 메인대전체와 외부 물체 간의 간섭으로 스파크와 같이 정전기가 방전(정전 방전; electrostatic discharge)되는 현상을 억제시킬 수 있는 장점을 가진다.

도 1 및 도 2는 본 발명과 대비되는 종래기술에 의한 에너지 수확 장치의 개략적인 단면도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 탄성튜브형 에너지 수확 장치의 부분절개 사시도.
도 4는 본 발명 일실시예의 단면도.
도 5는 본 발명 일실시예의 원리를 설명하기 위한 개념도.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄성튜브형 에너지 수확 장치의 단면도.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 탄성튜브형 에너지 수확 장치의 단면도.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 탄성튜브형 에너지 수확 장치의 단면도.

이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 탄성튜브형 에너지 수확 장치를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 탄성튜브형 에너지 수확 장치의 부분절개 사시도이고, 도 4는 본 발명 일실시예의 단면도이며, 도 5는 본 발명 일실시예의 원리를 설명하기 위한 개념도이다.

이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 탄성튜브형 에너지 수확 장치는, 상하 운동에 따른 수직 접촉-분리 방식으로 마찰대전을 일으키고 탄성을 가진 튜브(or 벨로우즈) 형태로 제작되는 것으로, 제1탄성튜브(11)와 제2탄성튜브(12)와 메인대전체(13)를 포함하여 이루어진다.

상기 제1탄성튜브(11)는, 내측에 공간이 형성되도록 환 형상으로 이루어지고, 서로 마주하는 내면 사이의 내경이 점점 커지는 구조를 가지며, 탄성변형 후 복원이 가능하도록 고무 또는 합성수지와 같은 탄성변형 가능한 재질로 이루어진다.

상기 제2탄성튜브(12)는, 상기 제1탄성튜브(11)와 동일한 재질로 형성되고, 그 제1탄성튜브(11)와 연결되되 서로 마주하는 내면 사이의 내경이 점점 커지게 형성된다.

상기 제1탄성튜브(11)와 제2탄성튜브(12)는, 재료 자체의 탄성력 때문에, 외력이 작용하여 서로 접근하게 되고, 접근된 이후 그 외력이 해제된 상태에서도 원래의 위치로 복원될 수 있게 된다.

이와 같이, 본 실시예에 의하면, 기존의 스프링과 스페이서 대신 재료 자체적으로 탄성을 가진 탄성 튜브(11)(12)를 사용하여 탄성 튜브(11)(12)가 압축, 이완될 때 골에서 생기는 접촉면간의 접촉과 분리를 통해 탄성 튜브(11)(12) 자체 내에서 에너지 수확을 얻을 수 있도록 하였다.

상기 제1탄성튜브(11)와 제2탄성튜브(12)는, 각각 별개로 형성되어서 서로 연결되는 구조를 가지는 것도 가능하나, 제작의 편리성 및 탄성력 보유의 원활함 등의 이유로 일체로 형성되는 것이 바람직하다.

상기 메인대전체(13)는, 상기 제1탄성튜브(11)와 제2탄성튜브(12)들 중 적어도 하나에 마련되는 것으로, (+)로 대전되기 쉬운 물질 또는 (-)로 대전되기 쉬운 물질 등으로 다양하게 구현이 가능하나, 본 실시예에서는 도 4에 잘 도시된 바와 같이 제2탄성튜브(12)에 (-)전하로 대전되기 쉬운 물질이 도포, 코팅 또는 접착 등의 방식으로 결합되도록 구현되었다.

여기서, (+)로 대전되기 쉬운 물질에는 폴리머, 금속 등이 있고, (-)로 대전되기 쉬운 물질에는 폴리머, PDMS, Teflon 등이 있으며, 마찰대전이란 서로 다른 재료를 마찰할 때 접촉면에서의 상호 간섭에 의해 반대 부호의 전하가 기계적으로 나뉘는 것을 의미한다. 전기적 극성(대전성)이 서로 반대인 물질을 마찰시킬수록 마찰대전 효과가 더 잘 일어난다.

마찰대전 나노발전기는 마찰면을 나노 구조와 같은 미세구조로 형성시킴으로써, 겉보기 면적은 같더라도 재료가 맞닿을 때 실접촉면적이 증가되게 하는 에너지 수확 장치이다.

마찰대전 효과가 잘 일어날 수 있도록 하기 위해서는 위에서 언급했듯이 전기적 극성(대전성)이 서로 반대인 물질을 마찰시켜서 마찰대전 효과가 발생하는 빈도를 증가시키는 방법도 있지만, 본 발명에서와 같이 마찰이 발생하는 면적 자체를 증가시켜서 마찰대전 효과가 발생하는 밀도를 증가시키는 방법도 있다.

(-)로 대전되기 쉬운 PDMS에 micro/nano구조를 형성시키기 위해서는 nanohole구조를 지닌 양극산화 알루미늄에 HDFS코팅을 한 뒤, PDMS을 바르고 건조시킨 후 떼어내면 nanowire구조를 지닌 PDMS를 얻을 수 있다. 또한 sandblasting을통해 micro구조를 형성시킨 알루미늄을 양극산화한 뒤, PDMS로 복제하면 micro구조와 nano구조가 동시에 있는 PDMS를 얻을 수 있다.

이와 같이, 기존의 국내외 연구 그룹에서는 마찰대전 물질로 (+) 또는 (-)로 대전되기 쉬운 고분자 재료를 사용하고 있고, 이 표면 위에 나노와이어 등의 나노구조를 생성시켜 같은 면적대비 접촉면적을 극대화시킴으로써, 마찰대전 나노발전기의 출력 증가 및 응용에 초점을 두고 연구를 진행하여 왔다.

그러나, 재료적 측면에서만 접근하여 나노구조를 통해 접촉면적을 증가시킴으로써 출력을 향상시키는 것에는 한계가 있다. 더 큰 에너지 수확을 얻기 위한 고효율의 나노발전기의 개발을 위해서는 나노구조를 통한 접촉면적의 증가 뿐만 아니라, 실제 마찰면의 면적 자체도 증가해야만 한다.

상술한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명의 일실시예에서는, 스프링 대신 한 쌍의 탄성튜브(11)(12)들을 사용함으로써 마찰이 일어나는 면적 자체의 증가를 도모했다. 또한, 재료 자체적으로 탄성을 가진 한 쌍의 탄성튜브(11)(12)들이 스프링을 대신하여 마찰대전을 위한 상하운동의 동력원을 제공함과 동시에, 상기 한 쌍의 탄성튜브(11)(12)들의 골에서 발생하는 접촉면 간의 접촉과 분리를 통한 마찰을 이용하여 추가적인 에너지 수확을 얻을 수 있도록 하였다.

이상, 본 발명의 일실시예에 대하여 도 3 내지 도 4를 참조하여 설명하였다. 도면 중 미설명부호 16,17은, 각각 제1탄성튜브(11)와 제2탄성튜브(12)에 의해 형성된 내부 공간을 폐쇄시킬 수 있도록, 제1탄성튜브(11)와 제2탄성튜브(12)들 중 어느 하나에 연결되는 상부캡과 하부캡이며, 14,15는 마찰대전에 의하여 에너지를 수확하기 위한 전극이다.

도 5에 잘 도시된 바와 같이, 상하 접촉-분리 방식을 통한 전기에너지 수확 원리는 처음 대전되는 물질인 상기 메인대전체(13)가 전극(15)과 맞닿게 되면 그 메인대전체(13) 표면의 전자가 전극(15)으로 이동하게 되어 대전된다(도 5의 (a)참조).

이후 평형 상태를 유지하다가 대전된 물질(13)과 전극(15)의 거리가 멀어지면서 정전기 유도 현상에 의한 물질의 극성이 전극에 미치는 영향의 변화로 전극이 다시 평형상태로 돌아가기 위해 대전물질의 전극(15)에서 반대편 전극(14)으로 자유전자가 이동하게 된다(도 5의 (b)참조). 완전히 영향범위에서 벗어나게 되면 평형상태(도 5의 (c)참조)가 되고, 다시 외력으로 인해 두 전극(14)(15)이 가까워지면 반대 방향으로 두 전극(14)(15) 사이의 전자의 이동이 생기며 전류가 생긴다(도 5의 (d)참조). 따라서, 발전소자의 두 전극(14)(15)이 접촉과 분리를 반복할 때마다 전류가 교류형태로 흐르게 된다.

한편, 본 발명의 일실시예에 채용된 메인대전체(13)는, 상기 제2탄성튜브(12)의 내면에 마련됨으로써, 상기 제1탄성튜브(11)와 제2탄성튜브(12)에 의해 거의 밀폐(공기 출입이 가능한 정도의 밀폐)된 공간 내에 위치된다. 이와 같이 되면, 습도나 화학물질 또는 주변 부품 등 다양한 외부 환경에 의한 영향을 최소화시킬 수 있으며, 마찰대전시 상기 메인대전체(13)와 외부 물체 간의 간섭으로 스파크와 같이 정전기가 방전(정전 방전; electrostatic discharge)되는 현상을 억제시킬 수 있게 된다.

이하에서는 본 발명의 다른 실시예들에 대해 설명하기로 한다.

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄성튜브형 에너지 수확 장치의 단면도이다.

이 도면에 도시된 실시예는, 제1탄성튜브(21)와 제2탄성튜브(22)와 함께 공기의 출입만이 가능할 정도의 밀폐된 공간을 형성시키는 상부캡(26)과 하부캡(27)들 중, 적어도 하나에 마련된 서브대전체(261)를 포함하여 이루어진다.

본 실시예에서 상기 서브대전체(261)는, 상기 상부캡(26)과 하부캡(27)들 중 어느 하나, 즉 상부캡(26)에 마련되어 있고, 상기 하부캡(27)의 대향하는 위치에 마련된 전극(272)과 접촉 및 분리됨으로써 마찰대전을 일으키게 된다.

이와 같이, 본 실시예는 상기 제1탄성튜브(21)와 제2탄성튜브(22) 간의 마찰대전에 더하여, 그 탄성튜브(21)(22)들 간의 상하운동시 함께 움직이는 상부캡(26)과 하부캡(27)을 활용한 마찰대전을 가능하게 하여, 에너지 수확 효율을 더욱 높일 수 있게 하는 장점을 도출한다.

도면 중 미설명 부호 262는 마찰대전에 의하여 에너지를 수확하기 위한 전극이다.

도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 탄성튜브형 에너지 수확 장치의 단면도이다.

이 도면에 도시된 실시예는, 상부캡(36)과 하부캡(37)들 중 적어도 하나(36)와 서브대전체(361) 사이에 마련되는 탄성체(363)(373)를 포함하여 이루어진다.

상기 탄성체(363)(373)는, 고무나 스폰지와 같이 탄성을 가진 재질로 형성됨으로써, 상기 상부캡(36)과 하부캡(37) 간의 접근 이후 원래의 위치로 복원되는 과정에서 제1,2탄성튜브(31)(32)와는 별개로 탄성력을 부여하는 역할을 한다.

이러한 탄성체(363)(373)를 포함하여 이루어지는 본 실시예는, 상기 상부캡(36)에 마련된 서브대전체(361)가 메인대전체와는 별개로 마련됨으로써 에너지 수확 효율을 높일 수 있음은 물론, 상기 탄성체(363)(373)의 완충 작용으로 인하여 상기 상부캡(36)과 하부캡(37)을 서로 밀착하여 접촉할 수 있도록 설계할 수 있어서, 반응효율을 더욱 높일 수 있게 하는 장점을 도출한다.

도면 중 미설명 부호 362,372는 마찰대전에 의하여 에너지를 수확하기 위한 전극이다.

도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 탄성튜브형 에너지 수확 장치의 단면도이다.

이 도면에 도시된 실시예는, 제1탄성튜브(41)와 제2탄성튜브(42)의 내면에 각각 메인대전체(43)가 마련되고, 상기 제1탄성튜브(41)와 제2탄성튜브(42)의 사이에 전극(45)이 마련되게 함으로써, 상기 제1탄성튜브(41)와 제2탄성튜브(42)가 서로 접근 및 분리되는 경우에 상기 각 메인대전체(43)와 동시에 접촉이 이루어지게 하여, 상기 제1탄성튜브(41)와 제2탄성튜브(42) 간의 1회 접근 및 분리 동작시에 2번의 마찰대전을 일으키는 하는 장점을 도출한다.

이상, 본 발명에 대한 바람직한 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 위에서 설명된 실시예들에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며 본 발명 속하는 기술분야에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있음은 자명하다.

11:제1탄성튜브 12:제2탄성튜브
13:메인대전체 14,15:전극
16:상부캡 17:하부캡

Claims

내측에 공간이 형성되도록 환 형상으로 이루어지고, 서로 마주하는 내면 사이의 내경이 점점 커지는 구조를 가지며, 탄성을 가진 재질로 형성되는 제1탄성튜브;
상기 제1탄성튜브와 연결되고, 그 제1탄성튜브와는 반대로 서로 마주하는 내면 사이의 내경이 점점 커지게 형성되며, 상기 제1탄성튜브와 연결된 부분을 축으로 하여 그 제1탄성튜브에 대한 접근 및 이격이 반복될 수 있도록 탄성을 가진 재질로 형성되는 제2탄성튜브; 및
상기 제1탄성튜브와 제2탄성튜브 간의 접근 및 이격이 반복되는 과정에서 마찰대전에 의한 에너지 수확이 가능하도록, 상기 제1탄성튜브와 제2탄성튜브들 중 적어도 하나에 마련되고, 외부 환경과의 상호 영향을 작게 할 수 있도록 상기 적어도 하나의 내면에 마련되는 메인대전체;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄성튜브형 에너지 수확 장치.
제1항에 있어서,
상기 제1탄성튜브와 제2탄성튜브와 함께 내측 공간을 형성시키고, 그 제1탄성튜브와 제2탄성튜브들 중 어느 하나에 연결되는 상부캡과 하부캡을 포함하여 이루어지고,
상기 상부캡과 하부캡의 마주하는 내면들 중 적어도 하나에 마련되고, 그 상부캡과 하부캡이 서로 접근되는 과정에서 대향하는 부분과 접촉이 이루어지게 되는 서브대전체;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄성튜브형 에너지 수확 장치.
제2항에 있어서,
상기 상부캡과 하부캡 간의 접근 이후 원래의 위치로 복원되는 과정에서 상기 제1,2탄성튜브와는 별개로 탄성력을 줄 수 있도록, 상기 상부캡 및 하부캡 중 적어도 어느 하나와 상기 서브대전체 사이에 마련되는 탄성체;를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄성튜브형 에너지 수확 장치..
제1항에 있어서,
상기 제1탄성튜브와 제2탄성튜브의 내면에는 각각 상기 메인대전체가 마련되고,
상기 제1탄성튜브와 제2탄성튜브가 서로 접근되는 경우에 상기 각 메인대전체와 동시에 접촉이 이루어지게 하여 에너지 수확 효율을 높일 수 있도록, 상기 제1탄성튜브와 제2탄성튜브 사이에 마련되는 전극;을 더 포함하여 이루어지는 것을 징으로 하는 탄성튜브형 에너지 수확 장치.