KR20180018906A - 유체를 이용한 마찰전기 기반의 발전소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유체를 이용한 마찰전기 기반의 발전소자에 관한 것으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 발전소자는 전도성 물질로 형성되고, 일단에 개구부가 형성된 케이스; 케이스의 내부에 배치되고, 케이스와 일정한 간격의 이격공간을 가지며, 일단에서 타단으로 관통홀이 형성된 튜브; 케이스 및 튜브 사이에 존재하는 이격 공간 및 관통홀을 따라 이동하는 전도성 유체방울; 및 전도성 유체 방울 및 튜브와의 마찰에 의해 발생되는 전기를 저장하는 축전부를 포함하되, 튜브는 개구부로부터 이격된 거리에 따라 제 1 영역, 제 2 영역, 및 제 3 영역으로 구분되며, 제 1영역 및 상기 제 2 영역의 중심에 형성된 전극; 및 제 2 영역에 형성된 전극과 접촉되는 관통홀 방향의 내주면 및 케이스 방향의 외주면에 형성된 비전도성 물질층을 포함하고, 제 1 영역에 형성된 전극과 접촉되는 관통홀 방향의 내주면 및 케이스 방향의 외주면과 제 3 영역은 전도성 물질로 형성되는 것을 특징으로 한다.

Description

유체를 이용한 마찰전기 기반의 발전소자{TRIBOELECTRIC GENERATING DEVICE USING FLUID DROPLETS}

본 발명은 유체를 이용한 마찰전기 기반의 발전소자에 관한 것이다.

각종 전자기기의 사용이 증가하면서, 전자기기에 사용되는 전력원인 전지를 대체하기 위한 새로운 발전소자에 관한 연구들이 계속되고 있다.

특히, 마찰전기를 이용한 발전소자는 주변의 모든 기계적인 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 최근 연구결과에 의하면 두 물질의 접촉에 의해 발생되는 마찰 전기를 이용하여 고효율의 에너지를 수확할 수 있음이 증명되었다.

일반적으로, 마찰전기는 두 개의 서로 다른 물체가 접촉하였을 때, 각각의 물질에서 전하들이 편극되어 전하가 상대를 향하여 병행하는 전기 이중층을 형성하게 된다. 이후, 물체가 분리되면 전지 이중 층의 전하 분리가 일어나 두 물체는 각각 극성이 다른 전하가 발생하게 되며, 대부분의 물질에서 정전기 효과를 볼 수 있기 때문에 물질에 제한이 없다는 장점이 있다.

그러나, 종래의 마찰전기를 이용한 발전소자들은 대부분 고체부재 간의 직접적인 마찰에 의해 전기를 생산하는 방식이 주류를 이루고 있으며, 이러한 발전소자의 경우, 고체 부재들 사이의 마모로 인하여 수명이 줄어드는 단점이 존재한다.

이와 관련하여 대한민국 공개특허 제10-2016-0066938호(발명의 명칭: 마찰대전 발전소자)는 제 1 전극; 제 1 전극 상에 형성된 제 1 대전층; 및 제 1 대전층 상에 배치된 제 2 전극;을 포함하는 마찰대전 발전소자로서, 제 1 대전층 및 제 2 전극은, 제 1 대전층과 제 2 전극 사이의 계면이 마찰 계면을 형성하도록 배열되며, 제 1 대전층은, 강유전성 폴리머 매트릭스 및 강유전성 폴리머 매트릭스에 분산된 강유전성 무기입자를 포함하는 마찰대전 발전소자를 개시하고 있다.

대한민국 공개특허 제10-2016-0066938호

본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 유체를 이용한 마찰전기 기반의 발전소자를 제공하고자 한다.

구체적으로, 마찰 부재 간의 마찰에 의한 마모를 방지하고 발전 소자의 수명을 향상시킬 수 있는 마찰전기 기반의 발전소자를 제공하고자 한다.

한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 발전소자는 전도성 물질로 형성되고, 일단에 개구부가 형성된 케이스; 케이스의 내부에 배치되고, 케이스와 일정한 간격의 이격공간을 가지며, 일단에서 타단으로 관통홀이 형성된 튜브; 케이스 및 튜브 사이에 존재하는 이격 공간 및 관통홀을 따라 이동하는 전도성 유체방울; 및 전도성 유체 방울 및 튜브와의 마찰에 의해 발생되는 전기를 저장하는 축전부를 포함하되, 튜브는 개구부로부터 이격된 거리에 따라 제 1 영역, 제 2 영역, 및 제 3 영역으로 구분되며, 제 1 영역 및 상기 제 2 영역의 중심에 형성된 전극; 및 제 2 영역에 형성된 전극과 접촉되는 관통홀 방향의 내주면 및 케이스 방향의 외주면에 형성된 비전도성 물질층을 포함하고, 제 1 영역에 형성된 전극과 접촉되는 관통홀 방향의 내주면 및 케이스 방향의 외주면과 제 3 영역은 전도성 물질로 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 발전소자는 본 발명의 일 실시예에 따른 발전소자는 전도성 물질로 형성되고, 일단에 개구부가 형성된 케이스; 케이스의 내부에 배치되고, 케이스와 일정한 간격의 이격공간을 가지며, 일단에서 타단으로 관통홀이 형성된 튜브; 케이스 및 튜브 사이에 존재하는 이격 공간 및 관통홀을 따라 이동하는 비전도성 유체방울; 및 전도성 유체 방울 및 튜브와의 마찰에 의해 발생되는 전기를 저장하는 축전부를 포함하되, 튜브는 개구부로부터 이격된 거리에 따라 제 1 영역, 제 2 영역, 및 제 3 영역으로 구분되며, 제 1 영역 및 상기 제 2 영역의 중심에 형성된 전극; 및 제 2 영역에 형성된 전극과 접촉되는 관통홀 방향의 내주면 및 케이스 방향의 외주면에 형성된 비전도성 물질층을 포함하고, 제 1 영역에 형성된 전극과 접촉되는 관통홀 방향의 내주면 및 케이스 방향의 외주면과 제 3 영역은 전도성 물질로 형성되는 것을 특징으로 한다.

전술한 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 전도성 유체를 이용한 마찰전기 기반의 발전 소자를 제공할 수 있다.

구체적으로, 전도성 유체를 이용함으로써, 마찰 부재 간의 마찰에 의한 마모를 방지하고 발전 소자의 수명을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유체를 이용한 마찰전기 기반의 발전소자를 도시한 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유체를 이용한 마찰전기 기반의 발전소자에서 전도성 튜브 내부의 구성을 도시하고 있다.
도 3은 도 1의 I-I’ 선을 따라 절단한 단면도이다.
도 4는 도 1의 II-II’ 선을 따라 절단한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 유체를 이용한 마찰전기 기반의 발전소자에서 유체방울 및 비전도성 물질층이 대전되는 과정을 상세히 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 유체를 이용한 마찰전기 기반의 발전소자에서 대전된 비전도성 물질층에 유체방울이 닿았을 때 발전되는 과정을 상세히 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 다이오드가 설치된 유체를 이용한 마찰전기 기반의 발전소자의 회로를 도시하고 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 유체를 이용한 마찰전기 기반의 발전소자의 회로의 발전 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 유체를 이용한 마찰전기 기반의 발전소자를 도시하고 있다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰전기 기반의 발전소자의 측면도를 도시하고 있다.
도 11 은 도 9의 I-I’ 선을 따라 절단한 단면도이다.
도 12는 도 10의 II-II’ 선을 따라 절단한 단면도이다.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 유체를 이용한 마찰전기 기반의 발전 소자에 적용되는 유체방울의 일례를 도시하고 있다.
도 14 및 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 유체를 이용한 마찰전기 기반의 발전소자에서 유체방울 및 비전도성 물질층이 대전되는 과정을 상세히 설명하기 위한 도면이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미하며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

본 명세서에 있어서 '부(部)'란, 하드웨어에 의해 실현되는 유닛(unit), 소프트웨어에 의해 실현되는 유닛, 양방을 이용하여 실현되는 유닛을 포함한다. 또한, 1 개의 유닛이 2 개 이상의 하드웨어를 이용하여 실현되어도 되고, 2 개 이상의 유닛이 1 개의 하드웨어에 의해 실현되어도 된다.

본 명세서에 있어서 단말 또는 디바이스가 수행하는 것으로 기술된 동작이나 기능 중 일부는 해당 단말 또는 디바이스와 연결된 서버에서 대신 수행될 수도 있다. 이와 마찬가지로, 서버가 수행하는 것으로 기술된 동작이나 기능 중 일부도 해당 서버와 연결된 단말 또는 디바이스에서 수행될 수도 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유체를 이용한 마찰전기 기반의 발전소자를 도시한 모식도이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유체를 이용한 마찰전기 기반의 발전소자에서 전도성 튜브 내부의 구성을 도시하고 있다.

도 3은 도 1의 I-I’ 선을 따라 절단한 단면도이며, 도 4는 도 1의 II-II’ 선을 따라 절단한 단면도이다.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 유체를 이용한 마찰전기 방식의 발전소자는 전도성 튜브(100), 전극(200), 및 유체방울(300), 축전부(500)를 포함한다.

전도성 튜브(100)는 전도성 물질로 형성된다. 도 1에서 전도성 튜브는 원기둥 형상으로 도시되어 있으나, 전도성 튜브(100)는 유체방울(300)이 이동되는 통로가 되는 것으로서 원기둥 형상에 제한 되는 것은 아니다.

전극(200)은 전류가 흐를 수 있는 전도성 물질로 형성될 수 있다. 전도성 물질은 알루미늄(Al), 금(Au), 백금(Pt), 니켈(Ni)등의 금속, 그래핀(graphene), 은(Ag) 나노와이어(nanowire) 또는 필름(film), 금속 그리드(metal grid), 또는 인듐-주석 산화물(indium tin oxide, ITO) 중 하나를 포함하는 투명 전극 혹은 이들의 조합으로 이루어진 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

전극(200)은 전극 외주면의 일 영역을 감싸도록 형성된 비전도성 물질층(210)을 포함한다. 한편, 비전도성 물질층(210)은 전극(200)의 표면에 적층 또는 증착된 것일 수 있다. 이때, 전극(200)은 전도성 튜브(100)의 외부로 관통되도록 형성될 수 있다.

비전도성 물질층(210)은 PMMA(poly-methylmethacrylate), PDMS(Polydimethylsiloxane)과 같은 고분자 물질 또는 플라스틱 중 어느 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

비전도성 물질층(210)은 유체방울(300)과 마찰하였을 때, 서로 다른 극성으로 대전되는 물질로 형성될 수 있다. 일례로, 유체방울(300)이 양(+)의 전하로 대전되는 경우, 유체방울(300)과 접촉되는 비전도성 물질층(210)의 표면은 음(-)의 전하로 대전될 수 있다. 또는 유체방울(300)이 음(-)의 전하로 대전되는 경우, 유체방울(300)과 접촉되는 비전도성 물질층(210)의 표면은 양(+)의 전하로 대전될 수 있다. 따라서, 유체방울(300) 및 비전도성 물질층(210)은 마찰되었을 때, 양의 전하 또는 음의 전하로 더욱 잘 대전되는 물질들로 형성될 수 있다.

한편, 전극(200)의 양 끝단은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, ‘v’자 형상으로 형성될 수 있다. 이에 따라, 유체방울(300)이 전도성 튜브(100) 내에서 이동될 때, ‘v’ 자 형상으로 형성된 전극(200)에 의해, 유체방울(300)은 더욱 잘 슬라이스 될 수 있다.

유체방울(300)은 전도성 물질 또는 비전도성 물질로 형성된다. 일례로 유체방울(300)은 액체 또는 기체일 수 있으며, 응집력이 있는 물질일 수 있다. 유체방울(300)이 액체일 경우, 유체방울(300)은 물(H₂O), 정제수(DI water), 또는 수은(Hg)일 수 있으나 이제 제한되는 것은 아니다.

유체방울(300)은 전도성 튜브(100) 내의 일단에서 타단으로 이동하며, 전극(200)에 의해 제 1 유체방울 및 제 2 유체방울로 나뉘게 된다.

다시 말해, 유체방울(300)은 전도성 튜브(100) 내를 이동하고, 전극(100)이 배치된 위치에서, 전극(100)에 의해 제 1 유체방울(310) 및 제 2 유체방울(320)로 분리된다.

이때, 전극(100)은 전도성 튜브(100) 내에서 가운데 위치하기 때문에, 제 1 유체방울(310) 및 제 2 유체방울(320)은 동일한 중량으로 나뉘며, 동일한 속도로 이동될 수 있다.

일례로 제 1 유체방울(310)은 전극(100)의 상면 및 전도성 튜브(100) 내의 상부면(110)을 따라 이동되며, 제 2 유체방울(320)은 전극(100)의 하면 및 전도성 튜브(100)의 하부면(120)을 따라 이동될 수 있다.

또한, 유체방울(300)이 전극과 맞닿는 순간, 유체방울(300)과 전극(200) 외주면에 형성된 비전도성 물질층(210)의 표면에는 마찰에 의해 음 또는 양의 전하로 대전되며, 대전된 음의 전하 및 양의 전하는 전기적으로 평형을 이룬다. 이 후, 유체방울(300)이 이동하게 되면, 전하의 불균형이 발생되며, 전하의 평형 상태를 유지하기 위해, 음의 전하(전자)의 이동이 일어나고, 이에 따라 전기가 발생된다.

축전부(500)는 발생된 전기를 저장한다. 이때, 상술한 전도성 튜브(100), 전극(200) 및 축전부(500)는 도선(400)에 의해 연결될 수 있다. 여기서 도선(400)은 전극(200)과 마찬가지로 전도성 물질로 형성되며, 전자가 이동하는 통로를 제공한다.

이하 도 5 내지 6을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 유체를 이용한 마찰전기 기반의 발전소자의 발전방법에 대해서 더욱 상세히 설명하도록 한다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 유체를 이용한 마찰전기 기반의 발전소자에서 유체방울 및 비전도성 물질층이 대전되는 과정을 상세히 설명하기 위한 도면이다.

도 5의 (a) 내지 (f)를 참조하면, 유체방울(300)이 전도성 튜브(100)의 일단에서 타단으로 이동하는 중에, 전극(200)의 비전도성 물질층(210)과 닿게 되면, 도 5의 (a)와 같이 제 1 유체방울(310) 및 제 2 유체방울(320)으로 나뉘게 되며, 음 또는 양의 전하로 대전된다. 도 5에서는 유체방울(300)은 양의 전하로, 비전도성 물질층(210)의 표면은 음의 전하로 대전되는 것으로 도시하였으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 유체방울(300)이 음의 전하로 비전도성 물질층(210)이 양의 전하로 대전될 수도 있다.

이어서, 도 5의 (b)를 참조하면, 유체방울(300)이 제 1 유체방울(310) 및 제 2 유체방울(320)으로 완전히 분리되었을 때, 제 1 유체방울(310) 및 제 2 유체방울(320)의 양의 전하는 비전도성 물질층(210)의 상면 및 하면에 형성된 음의 전하와 전기적 평형을 이루게 된다.

이후, 도 5의 (c) 내지 (e)와 같이, 제 1 유체방울(310) 및 제 2 유체방울(320)이 전도성 튜브(100)의 타단 방향으로 더 이동하게 되어 다시 합쳐지게 되면, 제 1 유체방울(310) 및 제 2 유체방울(320)과 평을 이루고 있던 비전도성 물질층(210)에 형성된 음의 전하의 양이 상대적으로 더 많아지게 되어 전기적으로 불균형 상태가 되고, 전자는 평형상태를 유지하기 위해, 도선을 통해 전자가 이동되며, 이에 따라 비전도성 물질층(210)과 맞닿은 전극의 표면에 양의 전하가 유도되게 된다.

이후, 도 5의 (f)를 참조하면, 유체방울이 전극(200)을 지나간 이후, 비전도성 물질은 대전된 상태를 유지한다. 따라서, 도 6에 도시된 바와 같이, 유체방울(300)이 다시 전극에 닿았을 때, 전류는 반대방향으로 다시 흐르게 된다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 유체를 이용한 마찰전기 기반의 발전소자에서 대전된 비전도성 물질층에 유체방울이 닿았을 때 발전되는 과정을 상세히 설명하기 위한 도면이다.

도 6을 참조하면, 한번 대전된 비전도성 물질층(210)은 대전된 상태를 유지하며, 이후, 유체방울(300)이 닿았을 때, 전하의 불균형으로 인한 전하의 이동에 따라 전류가 흐르게 된다. 따라서, 전도성 튜브(300)을 고리 형상으로 제조하여 유체방울(300)을 한 방향으로 회전시키거나 또는 전도성 튜브(300)의 일단에서 타단으로 또는 타단에서 일단으로 왕복으로 이동시킴으로써, 전기를 발생시킬 수 있다.

이때, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 도선(400)의 중간에 회로적으로 다이오드를 설치함으로써, 전류가 어느 방향으로 흐르던지, 발생된 전기가 축전부(500)에 계속해서 축전되도록 할 수 있다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 다이오드가 설치된 유체를 이용한 마찰전기 기반의 발전소자의 회로를 도시하고 있다.

도 7을 참조하면, 유체를 이용한 마찰전기 기반의 발전소자의 회로에 복수 개의 다이오드(610 내지 640)를 설치하여 유체방울(300)이 어느 방향으로 이동하던지 전류를 한방향으로 흐르도록 할 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에서, 유체를 이용한 마찰전기 기반의 발전소자는 유체방울(300)을 이동시키기 위한 동력을 제공하는 가압부(미도시 됨)를 더 포함할 수 있다.

가압부는 유체방울(300)이 이동할 수 있도록 전도성 튜브(100)내로 압력을 가하며, 이에 따라 유체방울(300)은 전도성 튜브(100) 내의 일단에서 타단 또는 타단에서 일단으로 이동할 수 있다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 유체를 이용한 마찰전기 기반의 발전소자의 회로의 발전 방법을 설명하기 위한 순서도이다.

도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 유체를 이용한 마찰전기 기반의 발전소자는, 유체방울이 전도성 튜브내의 일단에서 타단으로 이동됨에 따라, 전극 외주면에 형성된 비전도성 물질층 및 유체방울이 마찰에 의하여 음의 전하 또는 양의 전하로 대전되는 단계(S110); 비전도성 물질층 및 유체방울에 형성된 전하가 전기적으로 평형을 이루는 단계(S120); 유체방울이 이동함에 따라 비전도성 물질층 및 유체방울에 형성된 전하의 불균형을 유도하여 전기를 발생시키는 단계(S130); 및 유체방울이 반복 이동됨에 따라, 대전된 비전도성 물질층 및 유체방울의 마찰에 의하여 전기가 발생되는 단계(S140)를 포함한다.

먼저, 유체방울이 전도성 튜브내의 일단에서 타단으로 이동됨에 따라, 전극 외주면에 형성된 비전도성 물질 및 유체방울은 음의 전하 또는 양의 전하로 대전되게 된다. 한편, 유체방울(300)의 경우, 형상의 변형이 자유롭기 때문에, 비전도성 물질의 표면에 굴곡을 형성하는 방법으로 표면적을 넓히는 경우, 대전되는 전하의 양을 증가시킬 수도 있다(S110).

이어서, 비전도성 물질 및 유체방울에 형성된 전하는 전기적으로 평형을 이루게 된다(S120).

다음으로, 계속해서 유체방울이 이동함에 따라, 비전도성 물질층(210) 및 유체방울(300)에 형성된 전하량에 불균형이 유도되며, 안정 상태 즉, 전기적인 평형 상태를 이루기 위해 전자가 이동되어 전기가 발생된다(S130).

이후, 대전된 비전도성 물질층(210)은 대전상태를 유지하게 된다. 따라서, 유체방울(300)이 반복 이동됨에 따라, 대전된 비전도성 물질층(210) 및 유체방울(300)의 마찰에 의하여 반복적으로 전기가 발생되게 된다(S140).

도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 유체를 이용한 마찰전기 기반의 발전소자를 도시하고 있다.

도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰전기 기반의 발전소자의 측면도를 도시하고 있다.

도 11 은 도 9의 I-I’ 선을 따라 절단한 단면도이다.

도 12는 도 10의 II-II’ 선을 따라 절단한 단면도이다.

도 9 내지 도 12를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 유체를 이용한 마찰전기 기반의 발전소자는 케이스(100a), 전도성 튜브(100b), 유체방울(300a), 및 축전부(500a)를 포함한다. 이때, 본 발명의 다른 실시예에 따른 유체를 이용한 마찰전기 기반의 발전소자는 도 9에 도시된 바와 같이, 전도성 튜브(200b)를 복수개 포함할 수 있으며, 케이스(100a)가 복수의 전도성 튜브(200b)를 감싸도록 형성될 수도 있다.

케이스(100a)는 일단에 개구부가 형성되며, 전도성 물질로 형성된다. 도 9에서 전도성 튜브는 원기둥 형상으로 도시되어 있으나, 케이스(100a)는 유체방울(300a)이 이동되는 통로가 되는 것으로서, 원기둥 형상에 제한되는 것은 아니다.

전도성 튜브(100b)는 케이스(100a)의 내부에, 케이스(100a)와 균일한 이격 공간(30)을 가지도록 배치된다. 이때. 전도성 튜브(100b)는 일단에서 타단 방향으로 형성된 관통홀(40)을 포함한다.

또한, 전도성 튜브(100b)는 케이스(100a)의 개구부로부터 이격된 거리에 따라 제 1 영역, 제 2 영역, 및 제 3 영역으로 구분된다. 이때, 제 1 영역은 개구부로부터 가장 가까운 거리에 위치하는 영역이며, 제 3 영역은 개구부로부터 가장 먼 거리에 위치하는 영역이다. 즉, 제 2 영역은 제 1 영역 및 제 3 영역의 사이에 형성된다. 또한, 전도성 튜브(100b)는 제 1층(210a), 제 2층(200b), 및 제 3총(220a)의 세개의 층으로 형성될 수 있다. 이때, 제 1 층(210a)는 전도성 튜브(100b)의 가장 외부면을 형성하고, 제 3층(220a)은 전도성 튜브(100b)의 가장 내부면을 형성하는 층이며, 제 2 층(200b)는 제 1 층(210a) 및 제 3층(220a) 사이에 존재하며, 전극(200a)을 포함한다.

이때, 전도성 튜브(100b)의 제 1 영역 및 제 2 영역의 중심에는 전극(200a)이 형성된다. 이때, 전극(200a)는 전류가 흐를 수 있는 전도성 물질로 형성될 수 있다. 전도성 물질은 알루미늄(Al), 금(Au), 백금(Pt), 니켈(Ni)등의 금속, 그래핀(graphene), 은(Ag) 나노와이어(nanowire) 또는 필름(film), 금속 그리드(metal grid), 또는 인듐-주석 산화물(indium tin oxide, ITO) 중 하나를 포함하는 투명 전극 혹은 이들의 조합으로 이루어진 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

또한, 제 2 영역에는 전도성 튜브(100b)의 케이스 방향의 외주면을 따라 전극(200a)과 접촉되도록 제 1 비전도성 물질층(230a)이 형성되며, 전도성 튜브(100b)의 관통홀(40) 방향의 내주면을 따라 전극과 접촉되도록 제 2 비전도성 물질층(240a)이 형성된다.

아울러, 나머지 제 1 영역의 전극(200a)과 접촉되는 외주면, 내주면, 및 제 3 영역은 전도성 물질로 형성될 수 있다.

이때, 제 1 비전도성 물질층(230a) 및 제 2 비전도성 물질층(240a)는 PMMA(poly-methylmethacrylate), PDMS(Polydimethylsiloxane)과 같은 고분자 물질 또는 플라스틱 중 어느 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

제 1 비전도성 물질층(230a) 및 제 2 비전도성 물질층(240a)은 유체방울(300a)과 마찰하였을 때, 서로 다른 극성으로 대전되는 물질로 형성될 수 있다. 일례로, 유체방울(300a)이 양(+)의 전하로 대전되는 경우, 유체방울(300a)과 접촉되는 제 1 비전도성 물질층(230a) 및 제 2 비전도성 물질층(240a)의 표면은 음(-)의 전하로 대전될 수 있다. 또는 유체방울(300a)이 음(-)의 전하로 대전되는 경우, 유체방울(300a)과 접촉되는 제 1 비전도성 물질층(230a) 및 제 2 비전도성 물질층(240a)의 표면은 양(+)의 전하로 대전될 수 있다. 따라서, 제 1 비전도성 물질층(230a) 및 제 2 비전도성 물질층(240a)은 유체방울(300a) 과 마찰되었을때, 양의 전하 또는 음의 전하로 더욱 잘 대전되는 물질들로 형성될 수 있다.

유체방울(300a)은 전도성 물질 또는 비전도성 물질로 형성된다. 일례로 유체방울(300a)은 액체 또는 기체일 수 있으며, 응집력이 있는 물질일 수 있다. 유체방울(300a)이 액체일 경우, 유체방울(300)은 물(H2O) 또는 수은(Hg)일 수 있으나 이제 제한되는 것은 아니다.

이하, 도 13을 참조하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 유체방울을 더욱 상세히 설명하도록 한다.

도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 유체를 이용한 마찰전기 기반의 발전 소자에 적용되는 유체방울의 일례를 도시하고 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 유체를 이용한 마찰전기 기반의 발전소자에서, 유체방울(300a)은 개구부를 통해 케이스(100a) 및 전도성 튜브(100b) 사이의 이격 공간에 투입된다. 따라서, 투입된 유체방울(300a)은 도 13에 도시된 바와 같이, 유체방울(300a)의 중심으로부터, 내부 반경 (Rpc) 및 외부 반경(Roc)를 가지는 튜브형태일 수 있다. 이때, 유체방울(300a)의 내부 반경은 전도성 튜브(100b)의 외부 반경과 동일하다.

따라서, 유체방울(300a)은 개구부 측의 이격 공간부터 케이스(100a) 타단의 이격 공간까지 이동한다. 한편, 유체방울(300a)은 유체의 특성상 그 형상이 유체를 담고 있는 외부 용기에 따라서 그 형상이 자유롭게 변화하는 특징을 가지고 있다. 따라서, 유체방울(300a)는 케이스(100a) 및 전도성 튜브(100b)의 타단 밑면에서 합쳐져서 전도성 튜브(100b) 내부의 관통홀(40)을 따라 이동할 수 있다. 따라서, 전도성 튜브(100b) 내부의 관통홀(40)을 따라 이동하는 유체방울(300b)은 원기둥 형상일 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 유체를 이용한 마찰전기 기반의 발전소자에서, 전도성 튜브(100b)의 관통홀(40)의 직경(20)은 케이스(100a) 및 전도성 튜브(100b)의 이격공간(30)의 직경(10)보다 크게 형성할 수 있다. 따라서, 케이스(100a) 및 전도성 튜브(100b)의 이격공간(30)을 이동하는 유체방울(300a)의 속도는 전도성 튜브(100b)의 관통홀(40)을 이동하는 유체방울(300b)의 속도와 동일할 수 있다.

유체방울(300a)은 전도성 튜브(100b)의 제 2 영역에 형성된 제 1 비전도성 물질층(230) 및 제 2 비전도성 물질층(240a)의 표면 마찰에 의해 음 또는 양의 전하로 대전된다. 이때, 대전된 음의 전하 및 양의 전하는 전기적으로 평형을 이룬다.

이후, 유체방울(300a)이 이동하게 되면, 전도성 튜브 내에 전하의 불균형이 발생되며, 전하의 평형 상태를 유지하기 위해, 음의 전하(전자)의 이동이 일어나고, 이에 따라 전기가 발생된다.

축전부(500a)는 발생된 전기를 저장한다. 이때, 상술한 전극(200a) 및 축전부(500a)는 도선(400a)에 의해 연결될 수 있다. 여기서 도선(400a)은 전극(200a)과 마찬가지로 전도성 물질로 형성되며, 전자가 이동하는 통로를 제공한다. 또한, 유체방울(300a)이 이동하는 통로인 케이스(100a) 및 전도성 튜브(100b)의 이격공간(30) 및 관통홀(40)에는 전도성 프로브(400a, 400b)를 더 포함한다. 이때, 전도성 프로브는 및 전극(200a)는 모두 도선에(400c) 의해 연결된다.

이하, 도 14 내지 도 15를 참조하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 유체를 이용한 마찰전기 기반의 발전소자의 발전방법에 대해서 더욱 상세히 설명하도록 한다.

도 14 및 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 유체를 이용한 마찰전기 기반의 발전소자에서 유체방울 및 비전도성 물질층이 대전되는 과정을 상세히 설명하기 위한 도면이다.

도 14 및 15의 (a) 내지 (j)를 참조하면, 먼저 유체방울(300a)이 개구부를 통해 케이스(100a) 및 전도성 튜브(100b)의 이격공간(30)에 투입되면, 전도성 프로브를 따라 이격공간(30)의 타단 방향으로 이동한다. 이때, 유체방울(300a) 및 이동하는 중에, 전극의 외주면으로 형성된 제 1 비전도성 물질층(210)과 닿게 되면, 도 14의 (a)와 같이 유체방울(300a) 및 제 1 비전도성 물질층(210)의 접촉면에 음 또는 양의 전하로 대전되게 된다. 한편, 도 14 및 15에서 유체방울(300a)은 양의 전하로, 제 1 비전도성 물질층(230a) 및 제 2 비전도성 물질층(240a)의 표면은 음의 전하로 대전되는 것으로 도시하였으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 유체방울(300)이 음의 전하로, 제 1 비전도성 물질층(230a) 및 제 2 비전도성 물질층(240a)이 양의 전하로 대전될 수도 있다.

이어서, 도 14의 (b)를 참조하면, 유체방울(300a)은 이격공간(30)의 타단 방향으로 계속해서 이동하게 되며, 유체방울(300a)의 양의 전하는 제 1 비전도성 물질층(230a)의 표면에 형성된 음의 전하와 전기적 평형을 이루게 된다.

이때, 제 1 비전도성 물질층(230a)는 대전된 이후, 대전된 전하의 극성을 유지하고 있기 때문에, 도 14의 (c)와 같이, 유체방울(300a)이 전도성 튜브(100b)의 타단 방향으로 더 이동하게 되면, 제 1 비전도성 물질층(230a)에 형성된 음의 전하의 양이 상대적으로 더 많아지게 되어 전기적인 불균형이 발생한다. 따라서, 전자는 평형상태를 유지하기 위해, 도선을 통해 전자가 이동되며, 이에 따라 제 1 비전도성 물질층(230a)과 맞닿은 전극(200a)의 표면에 양의 전하가 유도되게 된다.

이후, 도 14의 (d)에 도시된 바와 같이, 유체방울(300a)는 이격공간(30)의 타단에서 합쳐져서 관통홀(40)을 따라 이동할 수 있다. 또한, 동시에 개구부를 통해 새로운 유체방울(300c)을 연속적으로 투입시킬 수도 있다.

따라서 도 14의 (e)에 도시된 바와 같이, 관통홀(40)을 따라 이동하는 유체방울(300b)은 제 2 비전도성 물질층(240a)과 접촉하게 되고, 새롭게 투입된 유체방울(300c)는 제 1 비전도성 물질층(230a)와 접촉하게 되는 것을 확인할 수 있다. 이때, 제 1 비전도성 물질층(230a)은 음의 전하로 대전되어 있는 상태로 새로운 유체방울(300c)이 접촉되게 되면, 새로운 유체방울(300c)는 양의 전하로 대전되게 되고, 제 1 비전도성 물질층(230a)의 아래에 존재하는 전극(200a)에 유도되었던 양의 전하와 평형을 이루기 위해 전자가 도선을 통해 이동하게 되어 전류가 발생된다. 동시에, 관통홀(40)을 이동 중인 유체방울(300b)는 제 2 비전도성 물질층(240a)와 접촉하고 마찰에 의하여, 양의 전하로 대전되게 되며, 제 2 비전도성 물질층(240a)는 음의 전하로 대전되게 된다.

한편, 개구부를 통해 투입되는 유체방울(300a, 300C)의 속도는 일정할 수 있으며, 이격 공간을 이동 중인 유체방울(300a, 300b) 및 관통홀(40)을 이동 중인 유체방울(300b)의 이동 속도는 같도록 설정될 수 있다. 따라서, 도 14의 (f)에 도시되 바와 같이, 새롭게 투입된 유체방울(300c)이 제 1 비전도성 물질층(230a)과 접촉될 때, 관통홀(40)을 이동 중인 유체방울(300b)는 제 2 비전도성 물질층(340a)과 접촉될 수 있으며, 각각은 음 또는 양의 전하들로 대전되며, 모든 전하가 전기적으로 평형상태 일 수 있다.

그러나, 도 15의 (g)를 참조하면, 계속해서 유체방울(300a, 300b)이 이동함에 따라 전하의 불균형으로 인한 전자의 이동을 야기시키게 되며, 이에 따라 전류가 흘러 전기가 발생되게 된다.

마찬가지로, 제 2 비전도성 물질층(240a)은 도 15의 (h)에 도시된 바와 같이 유체방울(240b)와 접촉되어 음의 전하로 대전되게 되면, 일정 시간동안 대전된 극성을 유지한다.

따라서, 도 15의 (i) 및 (j)를 살펴보면, 앞서 설명한 바와 같이 미리 대전된 제 1 비전도성 물질층(230a) 및 제 2 비전도성 물질층(240a)에 새롭게 투입된 유체방울(300d) 및 유체방울(300c)이 각각 접촉되었을 때, 전하의 불균형이 발생하고 이에 따라 전류가 반대 방향으로 다시 흐르게 된다.

이때, 본 발명의 다른 실시예에 따른 유체를 이용한 마찰전기 기반의 발전소자는 본 발명의 일 실시예에서 설명한 바와 같이, 도선(400a)의 중간에 회로적으로 다이오드를 설치함으로써, 전류가 어느 방향으로 흐르던지, 전류를 한방향으로 흐르게 하여, 발생된 전기가 축전부(500a)에 계속해서 축전되도록 할 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 실시예에서, 유체를 이용한 마찰전기 기반의 발전소자는 유체방울(300a 내지 300d)을 이동시키기 위한 동력을 제공하는 가압부(미도시 됨)를 더 포함할 수 있다.

가압부는 유체방울(300a 내지 300d)이 이동할 수 있도록 전도성 튜브(100b)내로 압력을 가하며, 이에 따라 유체방울(300a 내지 300d)은 전도성 튜브(100a) 내의 일단에서 타단 또는 타단에서 일단으로 이동할 수 있다.

전술한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 유체방울을 이용한 마찰전기 방식의 발전기를 제공할 수 있다.

구체적으로, 유체를 이용함으로써, 마찰 부재 간의 마찰에 의한 마모를 방지하고 발전 소자의 수명을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 상술한 바와 같이, 본발명의 다른 실시예에 따르면, 유체방울과 제 1 비전도성 물질층 및 제 2 비전도성 물질층과의 접촉 면적을 증가시켜, 더 많은 전하를 유도시킬 수 있으며, 이에 따라 더 많은 양의 전기를 발생시키는 것이 가능하다. 따라서, 발전 소자의 효율이 증대되는 효과가 있다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100, 100b: 전도성 튜브
100a: 케이스
200, 200a: 전극
210, 230a, 240a: 비전도성 물질층
300, 300a 내지 300d: 유체방울
310: 제 1 유체방울
320: 제 2 유체방울
400, 400a: 도선
500, 500a: 축전부
610, 620, 630, 및 640: 다이오드

Claims (28)

1. 전도성 물질로 형성되고, 일단에 개구부가 형성된 케이스;
   상기 케이스의 내부에 배치되고, 상기 케이스와 일정한 간격의 이격공간을 가지며, 상기 일단에서 타단으로 관통홀이 형성된 튜브;
   상기 케이스 및 상기 튜브 사이에 존재하는 이격 공간 및 상기 관통홀을 따라 이동하는 전도성 유체방울; 및
   상기 전도성 유체 방울 및 상기 튜브와의 마찰에 의해 발생되는 전기를 저장하는 축전부를 포함하되,
   상기 튜브는
   개구부로부터 이격된 거리에 따라 제 1 영역, 제 2 영역, 및 제 3 영역으로 구분되며,
   상기 제 1 영역 및 상기 제 2 영역의 중심에 형성된 전극; 및
   상기 제 2 영역에 형성된 전극과 접촉되는 관통홀 방향의 내주면 및 상기 케이스 방향의 외주면에 형성된 비전도성 물질층을 포함하고,
   상기 제 1 영역에 형성된 전극과 접촉되는 관통홀 방향의 내주면 및 케이스 방향의 외주면과 상기 제 3 영역은 전도성 물질로 형성되는 것인,
   발전 소자.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 전도성 유체방울은 물(H2O) 또는 수은(Hg)인 것인, 발전소자.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 케이스는 원기둥형상으로 형성된 것인, 발전소자.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 비전도성 물질층은 PMMA(poly-methylmethacrylate), PDMS(Polydimethylsiloxane) 및 플라스틱 중 어느 하나를 포함하는 것인, 발전소자.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 비전도성 유체방울은 내부 반경(Rpc) 및 외부 반경(Roc)를 가지는 도우넛 형상으로 형성된 것인, 발전소자.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 전도성 튜브의 외경의 반경은 상기 전도성 유체방울의 내부 반경과 동일한 것인, 발전소자.
7. 제 5 항에 있어서,
   상기 전도성 유체방울은 상기 개구부를 통해 투입되는 것인, 발전소자.
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 관통홀의 반경은 상기 이격공간의 직경과 동일하도록 형성된 것인, 발전소자.
9. 제 1 항에 있어서,
   상기 전도성 유체방울은 일정한 속도로 이동하는 것인, 발전소자.
10. 제 1 항에 있어서,
    상기 전도성 유체방울을 이동시키는 압력 공급장치를 더 포함하는 것인, 발전소자.
11. 제 1 항에 있어서,
    상기 전도성 프로브, 상기 전극 및 상기 축전부를 연결하는 도선을 더 포함하는 것인, 발전소자.
12. 제 11 항에 있어서,
    상기 이격공간 및 상기 관통홀의 중앙에는 전도성 프로브를 더 포함하며, 상기 전도성 프로브는 상기 도선과 연결된 것인, 발전소자.
13. 제 1 항에 있어서,
    상기 발생되는 전기를 한 방향으로 흐르게 하는 하나 이상의 다이오드를 더 포함하는 것인, 발전소자.
14. 제 1 항에 있어서,
    상기 비전도성 물질층의 표면은
    상기 전도성 유체방울과 마찰되는 표면적을 넓히기 위한 복수의 굴곡을 포함하는 것인, 발전소자.
15. 전도성 물질로 형성되고, 일단에 개구부가 형성된 케이스;
    상기 케이스의 내부에 배치되고, 상기 케이스와 일정한 간격의 이격공간을 가지며, 상기 일단에서 타단으로 관통홀이 형성된 튜브;
    상기 케이스 및 상기 튜브 사이에 존재하는 이격 공간 및 상기 관통홀을 따라 이동하는 비전도성 유체방울; 및
    상기 비전도성 유체 방울 및 상기 튜브와의 마찰에 의해 발생되는 전기를 저장하는 축전부를 포함하되,
    상기 튜브는
    개구부로부터 이격된 거리에 따라 제 1 영역, 제 2 영역, 및 제 3 영역으로 구분되며,
    상기 제 1 영역 및 상기 제 2 영역의 중심에 형성된 전극; 및
    상기 제 2 영역에 형성된 전극과 접촉되는 관통홀 방향의 내주면 및 상기 케이스 방향의 외주면에 형성된 비전도성 물질층을 포함하고,
    상기 제 1 영역에 형성된 전극과 접촉되는 관통홀 방향의 내주면 및 케이스 방향의 외주면과 상기 제 3 영역은 전도성 물질로 형성되는 것인,
    발전 소자.
16. 제 15 항에 있어서,
    상기 비전도성 유체방울은 정제수(DI water) 또는 공기인 것인, 발전소자.
17. 제 15 항에 있어서,
    상기 케이스는 원기둥형상으로 형성된 것인, 발전소자.
18. 제 15 항에 있어서,
    상기 비전도성 물질층은 PMMA(poly-methylmethacrylate), PDMS(Polydimethylsiloxane) 및 플라스틱 중 어느 하나를 포함하는 것인, 발전소자.
19. 제 15 항에 있어서,
    상기 비전도성 유체방울은 내부 반경(Rpc) 및 외부 반경(Roc)를 가지는 도우넛 형상으로 형성된 것인, 발전소자.
20. 제 19 항에 있어서,
    상기 전도성 튜브의 외경의 반경은 상기 비전도성 유체방울의 내부 반경과 동일한 것인, 발전소자.
21. 제 19 항에 있어서,
    상기 비전도성 유체방울은 상기 개구부를 통해 투입되는 것인, 발전소자.
22. 제 15 항에 있어서,
    상기 관통홀의 반경은 상기 이격공간의 직경과 동일하도록 형성된 것인, 발전소자.
23. 제 15 항에 있어서,
    상기 비전도성 유체방울은 일정한 속도로 이동하는 것인, 발전소자.
24. 제 15 항에 있어서,
    상기 비전도성 유체방울을 이동시키는 압력 공급장치를 더 포함하는 것인, 발전소자.
25. 제 15 항에 있어서,
    상기 전도성 프로브, 상기 전극 및 상기 축전부를 연결하는 도선을 더 포함하는 것인, 발전소자.
26. 제 25 항에 있어서,
    상기 이격공간 및 상기 관통홀의 중앙에는 전도성 프로브를 더 포함하며, 상기 전도성 프로브는 상기 도선과 연결된 것인, 발전소자.
27. 제 15 항에 있어서,
    상기 발생되는 전기를 한 방향으로 흐르게 하는 하나 이상의 다이오드를 더 포함하는 것인, 발전소자.
28. 제 15 항에 있어서,
    상기 비전도성 물질층의 표면은
    상기 비전도성 유체방울과 마찰되는 표면적을 넓히기 위한 복수의 굴곡을 포함하는 것인, 발전소자.

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