KR20180024160A - 마찰전기 발생장치 - Google Patents

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KR20180024160A
KR20180024160A KR1020160109813A KR20160109813A KR20180024160A KR 20180024160 A KR20180024160 A KR 20180024160A KR 1020160109813 A KR1020160109813 A KR 1020160109813A KR 20160109813 A KR20160109813 A KR 20160109813A KR 20180024160 A KR20180024160 A KR 20180024160A
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박종진
박상기
류호청
박성웅
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(주)비에이에너지랩
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N1/00—Electrostatic generators or motors using a solid moving electrostatic charge carrier
    • H02N1/04—Friction generators
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J5/00—Manufacture of articles or shaped materials containing macromolecular substances
    • C08J5/04—Reinforcing macromolecular compounds with loose or coherent fibrous material

Abstract

본 발명은 구동축에 결합되어 자유회전되도록 설치된 회전체; 상기 회전체의 끝단에 연결하여 형성된 상기 회전체의 회전에 의해 회전하는 마이크로 패턴된 1차원 마찰 부재; 상기 회전체와 이격되어 그의 외곽에 형성된 마찰 전극 고정대; 상기 마찰 전극 고정대의 내면에 형성되는 상기 1차원 마찰 부재와 동일하거나 상이한 마찰 물질로 구성되는 마찰층; 및 상기 마찰층의 표면 또는 내측에 형성된 마찰 전극을 포함하고, 상기 마찰층의 표면 또는 상기 마찰 전극의 표면에는 다수의 미세 돌기 구조체가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 저속의 바람에 의해서도 우수한 효율로 전기를 생산할 수 있는 마찰전기 발생장치에 관한 것이다.

Description

마찰전기 발생장치{TRIBOELECTRIC GENERATOR}
본 발명은 마찰전기 발생장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 터널 내의 차량의 주행풍과 같은 저속의 풍력을 이용하여 마찰전기를 발생시킬 수 있는 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.
이러한 주위 에너지를 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. 마찰전기 발생장치의 일례로 바람에 의해 작동하는 회전 마찰전기 발생장치(Rotary Triboelectric Nanogenerator Based on a Hybridized Mechanism for Harvesting Wind Energy)가 시도되고 있으나, 이러한 장치는 회전체와 회전 전극이 별개로 형성되어 에너지 손실이 많이 발생할 수밖에 없고, 마찰전기 극성을 갖는 2차원 면 형태의 두 물질을 별도의 기계적인 힘에 의해서 서로 접촉과 분리를 반복해야 되기 때문에 회전에 대한 저항이 커서, 낮은 풍속에서는 적용시키기 어려운 한계가 있다.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제를 해소하기 위한 것으로, 본 발명의 하나의 목적은 낮은 풍속의 풍력을 이용하여 마찰전기 에너지를 전기 에너지로 변환시켜 전기를 발생시킬 수 있는, 회전 마찰전기 발생장치를 제공하는 것이다.
특히, 마찰전기 발생장치의 회전체의 2차원의 회전 마찰면을 마이크로 패턴을 가지는 1차원의 마찰 부재로 대체함으로서 회전에 대한 저항을 낮추고 에너지 효율을 향상시켜 터널 내의 차량의 주행풍과 같은 일상생활에서 발생하는 낮은 풍속의 풍력에 의해서도 작동이 가능한 마찰전기 발생장치를 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하나의 양상은
구동축에 결합되어 자유회전되도록 설치된 회전체;
상기 회전체의 끝단에 연결하여 형성된 상기 회전체의 회전에 의해 회전하는 마이크로 패턴된 1차원 마찰 부재;
상기 회전체와 이격되어 그의 외곽에 형성된 마찰 전극 고정대;
상기 마찰 전극 고정대의 내면에 형성되는 상기 1차원 마찰 부재와 동일하거나 상이한 마찰 물질로 구성되는 마찰층; 및
상기 마찰층의 표면 또는 내측에 형성된 마찰 전극을 포함하고,
상기 마찰층의 표면 또는 상기 마찰 전극의 표면에는 다수의 미세 돌기 구조체가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 마찰전기 발생장치에 관한 것이다.
본 발명에서 상기 1차원 마찰 부재는 천연섬유 또는 합성섬유이고,
상기 천연섬유는 종자모섬유(면화, 케이폭면, 판야), 인피섬유(아마, 저마, 황마, 대마), 엽맥섬유(마닐라마, 사이잘마, 뉴질랜드마), 과실섬유(코이어), 견(가잠견, 야잠견), 수모섬유(양모, 산양모, 낙타모, 토끼털), 우모로 구성되는 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들의 혼합섬유로 이루어진 천연섬유사이고, 상기 합성섬유는 폴리아미드계, 폴리에스테르계, 폴리이미드계, 폴리아미드이미드계, 폴리에스테르이미드계, 폴리설폰계, 폴리에테르설폰계, 설폰화 폴리설폰계, 폴리비닐리덴플루오라이드계, 폴리아크릴로니트릴계, 레이온계, 아세테이트계, 트리아세테이트계, 아크릴계, 폴리우레탄계, 및 폴리올레핀계 섬유 또는 섬유 다발로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 사용할 수 있다.
상기 마찰층은 천연섬유 또는 합성섬유로 구성되거나, 폴리디메틸실록산 (PDMS), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 폴리비닐클로라이드(PVC), 폴리이미드, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리우레탄으로 구성되는 군에서 선택되는 폴리머로 구성될 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.
본 발명의 다양한 실시예의 마찰전기 발생장치에 의하면, 풍력이나 수력과 같은 주위 에너지에 의해서 회전 전극을 회전시켜, 마찰전기 발생장치의 1차원 마찰 부재와 마찰층 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 회전체를 회전시켜 운용비용이 절감되고, 1차원의 마찰 부재를 사용하여 회전저항이 작기 때문에 남실바람 이하(~3m/s)의 낮은 풍속에서도 작동이 가능하다.
상술한 본원발명은 터널 내부에서 차량에 의해 발생되는 주행풍을 이용하여 발전을 수행하고, 주행풍을 이용한 발전에 의해 생산된 전기에너지를 이용하여 터널 내의 전자장치들을 구동시킴으로써 전자장치 구동을 위한 비용을 절감시키고, 단전 시에도 차량의 주행풍에 의해 발전을 수행하여 24시간 구동해야 하는 터널 내의 전등, 환풍기 등의 전자장치들을 안정적으로 구동시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발생장치의 분해사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발생장치의 개략사시도와 원내 확대도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발생장치의 1차원 마찰 부재의 마이크로 패턴의 SEM 현미경 사진이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발생장치의 1차원 마찰부재 또는 마찰 전극상의 미세 돌출 구조체의 다양한 예시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발생장치가 설치된 터널의 단면개략도이다.
도 6a-b는 본 발명의 마찰전기 발생장치에서 1차원 마찰부재와 2차원 마찰부재를 적용한 경우의 전압을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 예시적인 실시예들을 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 각 구성 요소의 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 풍력 또는 수력과 같은 주위 에너지를 회전체(10)(rotor)를 이용하여 회전동력으로 변환할 경우 회전체(10)의 끝단에 연결되어 형성되어 있는 1차원 마찰부재(20)와 고정자(stator)인 고정대(40)에 부착된 마찰층(30) 사이의 마찰에 의해서 발생하는 표면전하의 유도 현상에 의해서 전극과 그라운드 사이의 전하 밀도가 달라져 전기 에너지로 수확할 수 있는 시스템이다.
본 발명의 마찰전기 발생장치에서는 회전체(10)가 마찰층(30)과 소정의 간격을 두고 이격 형성되어 있고, 1차원 마찰 부재(20)는 마찰층과 계속 접촉된 상태로 회전한다. 1차원 마찰부재(20)와 마찰층(30)은 서로 반대되는 마찰전기 극성을 가진 재료로 구성되어, 회전체(10)의 회전에 따라서 1차원 마찰부재(20)와 마찰층(30)이 주기적으로 접촉되었다 분리 되었다를 반복하면서 마찰 전기를 수확할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발생장치의 분해사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발생장치의 개략사시도와 원내 확대도이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발생장치는 구동축에 결합되어 자유회전되도록 설치된 회전체(10); 상기 회전체(10)의 끝단에 연결하여 형성된 상기 회전체의 회전에 의해 회전하는 마이크로 패턴된 1차원 마찰 부재(20); 상기 회전체(10)와 이격되어 그의 외곽에 형성된 마찰 전극 고정대(40); 상기 마찰 전극 고정대(40)의 내면에 형성되는 상기 1차원 마찰 부재(20)와 동일하거나 상이한 마찰 물질로 구성되는 마찰층(30); 및 상기 마찰층(30)의 표면 또는 내측에 형성된 마찰 전극(50)을 포함하고, 상기 마찰층(30)의 표면 또는 상기 마찰 전극(50)의 표면에는 다수의 미세 돌기 구조체(55)가 형성되어 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 1차원 마찰부재(20)와 마찰층(30)은 서로 동일하거나 상이한 재료로 구성되고, 마찰전기 시리즈(triboelectric series) 상에서 서로 다른 극성을 갖는 재료로 구성된다. 예컨대, 동일하게 합성섬유로 구성되는 경우에 마찰전기 시리즈(triboelectric series) 상에서 서로 다른 극성을 갖는 합성섬유 재료로 구성된다.
본 발명의 마찰전기 발생장치는 회전체(10)의 회전에 의해 발생되는 기계적인 힘에 의해 1차원 마찰부재(20)와 마찰층(30)이 서로 마찰되거나 또는 이들 사이의 간격이 변화됨으로써 전기에너지를 발생시킨다. 상기 1차원 마찰부재(20)는 제1 유전체 또는 금속을 포함할 수 있으며, 상기 마찰층(30)은 제1 유전체와 다른 제2 유전체를 포함할 수 있다. 상기 1차원 마찰부재(20)는 양(+)으로 대전되기 쉬운 물질로서, 예를 들면 천연섬유 또는 합성섬유로 구성될 수 있다. 상기 천연섬유는 종자모섬유(면화, 케이폭면, 판야), 인피섬유(아마, 저마, 황마, 대마), 엽맥섬유(마닐라마, 사이잘마, 뉴질랜드마), 과실섬유(코이어), 견(가잠견, 야잠견), 수모섬유(양모, 산양모, 낙타모, 토끼털), 우모로 구성되는 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들의 혼합섬유로 이루어진 천연섬유사이고, 상기 합성섬유는 폴리아미드계, 폴리에스테르계, 폴리이미드계, 폴리아미드이미드계, 폴리에스테르이미드계, 폴리설폰계, 폴리에테르설폰계, 설폰화 폴리설폰계, 폴리비닐리덴플루오라이드계, 폴리아크릴로니트릴계, 레이온계, 아세테이트계, 트리아세테이트계, 아크릴계, 폴리우레탄계, 및 폴리올레핀계 섬유로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 사용할 수 있다. 상기 1차원 마찰 부재(20)를 구성하는 섬유 또는 섬유 다발의 구체적인 예로는 DynamicTM, DynamicTM-creo, Spandex (lycra, elastane), 旭化成섬유® 선플레이, 旭化成섬유® 임팩트, 니케® 아로스트레치, 三菱레이온® 소아나, 帝人파이버® 테비아, KB세이렌® 에스판시오네 FF, KB세이렌® 에라스코트, KB세이렌® 미노우브, KB세이렌® 라펫시, KB세이렌® 구라샘 ES, KB세이렌® 에스판시오네, 쿠라보® Dow XLA, 도레이® 바디조이, 도레이® 트린티, 도레이® 파카나, 도레이® 사라카라홑, KB 세이렌® 에스팬티, KB세이렌® 시데리아, 쿠라레® 에바, 쿠라레® 푸루네, 시키보® 유니파왈, 帝人파이버® 스페이실, 도요보® 브레스에어, 도레이® T-400 파이버 , 도레이® 핏티, 도레이® 비텔, 도레이® 푸루에라, 유니티카® 제트텐, 유니타카® 페오스, 쿠라레® 스판텔 등을 예로 들 수 있는데, 반드시 이들로 한정되는 것은 아니고, 1차원 형태의 섬유 재료라면 고정대의 마찰 물질과 마찰대전 서열 차이를 고려하여 임의로 선택하여 사용할 수 있다.
도 3은 본 발명의 1차원 마찰부재(20)의 마이크로 패턴의 SEM 사진을 나타낸 것이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 1차원 마찰 부재(20)는 상기 회전체(10)를 구성하는 블레이드 단부에 연결되어 형성되는 천연섬유 성장과정에서 생성되는 다양한 형태의 큐티클이거나 합성섬유 제조과정에서 만들어지는 임의이 형상의 패턴일 수 있다. 이러한 1차원 마찰 부재(20)는 소정의 두께를 갖는 만곡된 와이어 형상을 가질 수 있다.
상기 마찰층(30)은 음(-)으로 대전되기 쉬운 물질로서, 천연섬유 또는 합성섬유로 구성되거나, 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리테트라플루오로에틸렌 (PTFE), 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 폴리비닐클로라이드(PVC), 폴리이미드, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리우레탄으 로 구성되는 군에서 선택되는 폴리머로 구성될 수 있다. 그러나 반드시 이들로 한정되는 것은 아니며, 상기 1차원 마찰부재(20)가 음(-)으로 대전되기 쉬운 물질을 포함하고, 상기 마찰층(30)이 양(+)으로 대전되기 쉬운 물질을 포함할 수도 있다. 또한, 상기 1차원 마찰부재(20)와 상기 마찰층(30)은 서로 상대적 대전(charging) 정도의 차이가 큰 물질을 포함할 수도 있다. 상기 1차원 마찰부재(20)와 상기 마찰층(30) 사이의 간격(ℓ)은 예를 들면 대략 0.1~10 mm 정도가 될 수 있으며, 구체적으로는 0.1~1 mm 정도가 될 수 있다. 그러나 반드시 이러한 범위로 한정되는 것은 아니다.
마찰층(30)은 1차원 마찰부재(20)와 접촉 또는 비접촉될 수 있도록 하기 위하여 하나 이상의 마찰전극(50)들이 고정대(40)의 내부 둘레를 따라 서로 이격되어 배치될 수 있다. 이러한 배치를 통하여 1차원 마찰부재(20)들은 마찰전극(50)들과 접촉 또는 비접촉 상태를 반복할 수 있다. 마찰전극(50)들과 1차원 마찰부재(20)들이 서로 접촉 및 비접촉 상태를 반복함으로써 마찰되는 경우에는 마찰전극(50)들과 1차원 마찰부재(20)들은 서로 반대의 전하를 갖도록 대전되게 되고 이러한 대전에 의하여 마찰전기가 발생되게 된다.
본 발명의 마찰전기 발생장치에서 회전체(10)를 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 회전체(10)가 구동축에 대하여 원활하게 회전가능하게 된다.
본 발명의 마찰전기 발생장치에서 회전체(10)는 프로펠러 또는 에어포일 형상의 단면을 갖는 날개인 블레이드로 구성된다. 상기 회전체(10)의 단면적은 가능한 한 에어 포일형, RAF 에어 포일형, 게팅겐 에어 포일형 등으로 대표되는 비행기에 사용되는 유선형의 에어 포일형으로 형성함이 바람직하다. 이러한 회전체(10)의 주변을 흐르는 공기 유동에 의하여 회전체(10)에 발생하는 공기 역학적 힘 중에서 양력을 이용하여 회전동력을 얻는다. 이러한 마찰전기 발생장치에서는 예를 들어, 국지풍 또는 계절풍 등의 바람 또는 터널 내의 차량의 주행풍에 의해 회전체(10)가 회전하게 된다.
본 발명에서 회전체(10)의 블레이드는 섬유강화 플라스틱(FRP, Fiber Reinforced Plastic)으로 제작될 수 있고, 주로 사용되는 섬유는 유리섬유 또는 탄소섬유와 같은 세라믹계의 섬유가 사용될 수 있다. 주로 유리섬유를 강화한 GFRP (Glass Fiber Reinforced Plastic)나 탄소섬유 강화 플라스틱을 사용할 수 있는데, 탄소섬유 강화 플라스틱은 무게를 감소시키고 설치비용을 절감시킬 수 있다.
상기 회전체(10)는 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(10)와, 상기 고정대(40)의 외주면에 고정대 (40)를 바람이 부는 방향으로 회전될 수 있도록 지지하는 지지대(미도시)를 구비할 수 있다. 여기서 상기 고정대(40)는 반구 형상, 밴드형 형상, 원통 형상, 또는 코어-쉘 (core-shell) 형상으로 구성될 수 있다.
고정대에 부착된 마찰전극(50)은 무기전극, 금속전극, 전도성 폴리머, 그래핀, 또는 탄소나토튜브로 구성되는 전극일 수 있다. 예를 들어, 이 마찰전극(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 폴리파라페닐렌 비닐렌 중 적어도 어느 하나를 포함하는 유기전극일 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 이외에도 마찰 부재 및 고정대는 다양한 재질을 포함할 수 있다. 마찰전극(50)은 마찰층(30)의 상부나 하부에 적층되는 외에, 마찰층(30)의 내부에 형성될 수도 있다. 예를 들어, 마찰전극(50)은 마찰층(30) 상에 수평 방향으로 나란한 별도의 층으로 구성되거나 마찰 부재의 내측에 형성될 수도 있다.
본 발명의 마찰전기 발생장치의 마찰층의 표면 또는 마찰 전극(50)의 표면에는 표면적을 증가시키기 위해서 미세돌기구조체(55)가 형성된다. 이러한 미세돌기구조체(55)는 상기 마찰층 또는 마찰전극의 전체 면에 형성되고나 일정한 간격으로 이격되게 형성될 수 있다. 도 4a-4d는 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 4a-도 4d에 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 미세돌기 구조체 (55)는 높이가 100 nm ~1 cm이고, 미세 돌기 구조체들(55) 사이의 간격은 100 nm~ 5 mm일 수 있다.
또한 상기 미세 돌기 구조체(55)는 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, 나노임프린팅(nano-imprinting), 또는 직접 성장에 의한 방법 등 다양한 방법에 의해 형성될 수 있다.
본 발명의 마찰전기 발생장치는 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.
1차원 마찰부재(20)를 마찰 전극(50)을 구성하는 재료인 알루미늄, 철, 구리, 금 등에 비하여 음의 값을 가지는 1차원 구조의 천연섬유 또는 합성섬유로 구성하게 되면, 회전체(10)의 회전에 의해서 접촉에 의하여 1차원 마찰부재(20)는 음의 값으로, 마찰층(30)은 양의 값으로 대전되어 마찰전기를 발생시키는데 용이하다.
상기와 같은 구조의 마찰전기 발생장치에서, 회전체(10)가 풍력, 차량의 주행력 등의 주위 에너지에 의해서 중심축 둘레로 회전하게 되면, 1차원 마찰부재(20)와 마찰층(30)이 서로 마찰되거나 1차원 마찰부재(20)가 회전할 때 마찰전극(50)과의 거리가 가까워지고 멀어지는 과정에서 마찰전극(50)의 전하 밀도의 차이가 발생하여 전자가 마찰전극과 그라운드 사이에서 이동하게 된다. 이 경우 1차원 마찰부재(20)와 마찰층(30)에 전하 밀도(charge density)의 차이가 발생하게 됨에 따라 한 쪽 물체의 전자가 다른 물체로 이동하게 되어 회전체(10)와 마찰층(30) 사이에는 전기에너지가 생성되고, 마찰 전극(50)을 통해서 생성된 전기를 수확하게 된다.
본 발명에서는 2차원의 마찰면을 1차원의 마찰 부재로 대체함으로써 저항력을 최소화한 회전력으로 변환하여 마찰전기를 발생시킨다. 또한 마찰 전극(50)은 표면에 의해 마이크로 표면 구조 또는 나노 표면 구조의 미세 돌기 구조체(55)를 형성하기 때문에, 표면적이 증가되어 전기에너지를 보다 효율적으로 발생시킬 수 있다.
본 발명의 다른 양상은 본 발명의 마찰전기 발생장치에 의해서 구동되는 전자 기기에 관한 것이다. 본 발명의 마찰전기 발생장치는 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 회전체가 회전되면, 1차원 마찰부재에서 마찰에 의해 전기에너지를 발생시키고, 이렇게 발생된 전기에너지는 연결된 전자기기에 공급되거나 또는 축전기(10)에 저장될 수 있다. 이때 마찰전기 발생장치는 전자기기의 표면이나 그 내부, 또는 외부에 마련될 수 있다.
본 발명의 또 다른 양상은 본 발명의 마찰전기 발생장치를 포함하는 터널내의 자가발전장치에 관한 것이다. 도 5는 본 발명의 마찰전기 발생장치가 터널 내부에 설치된 상태의 개략사시도이다. 도 5를 참조하면, 본 발명은 터널 내부에 설치되어 터널 내부에서 일정 속도 이상으로 주행하는 차량에 의해 발생되는 약한 주행풍을 이용하여 발전을 수행하고, 이렇게 하여 수확한 전기를 이용하여 전등이나 환풍기와 같은 터널 내부의 전자장치를 구동할 수 있다. 또한 터널 내부에서 도 1에 도시된 바와 같은 에어포일, 또는 프로펠러 형상의 회전체를 갖는 환풍기가 많이 설치되어 있는데, 이러한 환풍기에 본 발명의 기술을 적용할 경우 환풍기를 자가발전에 의해 안정적으로 24시간 동안 작동시킬 수 있다.
도 6a-b는 회전체에 2차원 마찰 물질이 부착된 마찰전기 발생장치(도 6a의 전압과 1차원 마찰 부재가 부착된 마찰전기 발생장치의 전압(도 6b)을 비교하여 나타낸 그래프이다. 도 6a를 참조하면, 2차원의 마찰 부재가 부착된 마찰전기 발생장치는 3.5 m/s 이상의 풍속에서 충분히 큰 전기 에너지를 생성할 수 있다. 이에 비해 본 발명과 같이 2차원의 마찰면을 마이크로 패턴된 1차원의 마찰 부재로 대체하여 사용할 경우에는, 2차원의 마찰면을 이용한 경우에 비해서 낮은 회전 저항, 마찰 발전 효율의 증가 때문에 3.5 m/s 이하의 낮은 풍속에서도 전기 에너지 생산 효율이 증가하는 것을 확인할 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.
본 발명의 다양한 실시예의 마찰전기 발생장치는 자연에서 발생하는 풍력을 이용한 발전 시스템에 적용되거나, 환풍기 , 냉각기 등의 팬 형태의 회전체에 적용하여 에너지 효율을 증가시킬 수 있고, 그 밖에 마이크로 전류를 이용한 의료기기, 블루투스 무선통신 기기, 이동 수송기의 라이트 및 지시등, 도로표지판의 야간 조명, 옥외광고판, 레저용, 캠핑용 조명 등에 다양하게 응용될 수 있다.
한편, 본 발명의 다양한 실시예의 마찰전기 발생장치는 터널과 같은 압력 차이에 의해서 공기가 유입되고 나가는 공간에 적용될 수 있다. 즉, 본 발명의 마찰전기 발생장치는 터널 내부에서 일정 속도 이상으로 주행하는 차량에 의해 발생되는 약한 주행풍을 이용하여 발전을 수행하고, 주행풍을 이용한 발전에 의해 생산된 전기에너지를 이용하여 터널 내의 환풍기를 구동시키거나 조명을 킴으로써 이들을 구동하기 위한 상용전원에 의해 공급되는 전기에너지의 사용을 감소시키게 됨으로써, 전자장치의 구동을 위한 비용을 절감시킬 수 있도록 하는 효과를 제공한다. 또한, 본원발명은 외부의 상용전원의 단전 시에도 약한 차량의 주행풍에 의해 회전체를 구동시키고, 이에 의해 전원을 생성하고, 이렇게 생성된 전원을 다시 터널 내부에 설치된 24시간 동안 구동되어야 하는 전기장치에 공급함으로써 전력유지비용을 현저히 절감하고, 안전성을 향상시킬 수 있다.
10: 회전체
20: 1차원 마찰부재
30: 마찰층
40: 고정대
41: 스페이스 바
50: 마찰 전극
55: 미세 돌기 구조체

Claims (17)

  1. 구동축에 결합되어 자유회전되도록 설치된 회전체;
    상기 회전체의 끝단에 연결하여 형성된 상기 회전체의 회전에 의해 회전하는 마이크로 패턴된 1차원 마찰 부재;
    상기 회전체와 이격되어 그의 외곽에 형성된 마찰 전극 고정대;
    상기 마찰 전극 고정대의 내면에 형성되는 상기 1차원 마찰 부재와 동일하거나 상이한 마찰 물질로 구성되는 마찰층; 및
    상기 마찰층의 표면 또는 내측에 형성된 마찰 전극을 포함하고,
    상기 마찰층의 표면 또는 상기 마찰 전극의 표면에는 다수의 미세 돌기 구조체가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 마찰전기 발생장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 1차원 마찰 부재는 천연섬유 또는 합성섬유이고, 상기 천연섬유는 종자모섬유(면화, 케이폭면, 판야), 인피섬유(아마, 저마, 황마, 대마), 엽맥섬유(마닐라마, 사이잘마, 뉴질랜드마), 과실섬유(코이어), 견(가잠견, 야잠견), 수모섬유(양모, 산양모, 낙타모, 토끼털), 우모로 구성되는 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들의 혼합섬유로 이루어진 천연섬유사이고, 상기 합성섬유는 폴리아미드계, 폴리에스테르계, 폴리이미드계, 폴리아미드이미드계, 폴리에스테르이미드계, 폴리설폰계, 폴리에테르설폰계, 설폰화 폴리설폰계, 폴리비닐리덴플루오라이드계, 폴리아크릴로니트릴계, 레이온계, 아세테이트계, 트리아세테이트계, 아크릴계, 폴리우레탄계, 및 폴리올레핀계 섬유 또는 섬유 다발로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 마찰전기 발생장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 1차원 마찰 부재는 천연섬유 성장과정 또는 합성섬유 제조과정에서 생성되는 큐티클인 것을 특징으로 하는 마찰전기 발생장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 마찰층은 천연섬유 또는 합성섬유로 구성되거나, 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리비닐리덴플루오라이드 (PVDF), 폴리비닐클로라이드(PVC), 폴리이미드, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리우레탄으로 구성되는 군에서 선택되는 폴리머로 구성되는 것을 특징으로 하는 마찰전기 발생장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 미세돌기구조체는 상기 마찰층 또는 마찰 전극의 전체 면에 형성되거나 일정한 간격으로 이격되게 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 마찰전기 발생장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 회전체는 에어포일, 또는 프로펠러 형상의 블레이드를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰전기 발생장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 고정대는 반구 형상, 밴드형 형상, 원통 형상, 또는 코어-쉘 형상인 것을 특징으로 하는 마찰전기 발생장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 미세 돌기 구조체는 반구형 형상, 사각기둥 형상, 피라미드 형상, 또는 다각 기둥 형상인 것을 특징으로 하는 마찰전기 발생장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 미세 돌기 구조체는 나노닷(nanodot), 나노벨트(nanobelt), 나노리본(nanoribbon), 나노피라미드(nanopyramid), 나노웨이비(nanowavy), 또는 나노블록 형태인 것을 특징으로 하는 마찰전기 발생장치.
  10. 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.
  11. 제1항에 있어서, 상기 회전체는 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.
  12. 제1항에 있어서, 상기 마찰 전극은 무기전극, 금속전극, 전도성 폴리머, 그래핀, 또는 탄소나토튜브로 구성되는 전극인 것을 특징으로 하는 마찰전기 발생장치.
  13. 제1항에 있어서, 상기 장치는 상기 회전체와 상기 고정대 사이의 간격을 유지하는 하나 이상의 스페이스 바(space bar)들을 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰전기 발생장치.
  14. 제1항에 있어서, 상기 회전체는 세라믹 베어링, 세라믹 하이브리드 베어링, 세라믹 코팅 베어링, 또는 금속베어링을 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰전기 발생장치.
  15. 제1항에 있어서, 상기 마찰전기 발생장치는 3 m/s 이하의 낮은 풍속에서도 마찰 전기를 수확할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 마찰전기 발생장치.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 하나의 항의 마찰전기 발생장치에 의해서 구동되는 전자 기기.
  17. 제1항 내지 제15항 중 어느 하나의 항의 마찰전기 발생장치에 의해서 구동되는 터널 내의 자가발전장치.

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