KR20180029019A - 경사 기반 마찰발전기 - Google Patents

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KR20180029019A
KR20180029019A KR1020180027694A KR20180027694A KR20180029019A KR 20180029019 A KR20180029019 A KR 20180029019A KR 1020180027694 A KR1020180027694 A KR 1020180027694A KR 20180027694 A KR20180027694 A KR 20180027694A KR 20180029019 A KR20180029019 A KR 20180029019A
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백정민
김경남
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울산과학기술원
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    • H—ELECTRICITY
    • 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

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  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

본 발명의 일 실시예는 제1기판, 제1기판과 접하는 제1면 및 제1기판과 비스듬한 제2면을 가지며, 제1기판 상에 배치된 경사부, 경사부 상에 배치된 제1전극, 제1전극 상에 배치된 제1대전체, 제1기판에 대향하도록 배치된 제2기판; 및 제2기판의 제1기판에 대향하는 면과 접촉하며, 외력의 인가 여부에 따라 제1대전체와 접하거나 제1대전체와 이격되는 제2대전체를 포함하는 경사 기반 마찰발전기를 제공한다.

Description

경사 기반 마찰발전기{SLOPE BASED TRIBOELECTRIC NANOGENERATOR}
두 물질이 서로 맞붙어 있을 때, 물질의 각 표면에는 마찰에 의한 전하가 생성된다. 두 물질이 아래 위로 이격이 되면 서로 반대로 대전되어 생기는 장의 균형을 맞추기 위해 위, 아래의 전극 간에 전류가 흐르게 된다. 본 발명은 이러한 원리를 이용한 마찰발전기(Triboelectric nanogenerator)에 관한 것이다.
기존의 화석 연료의 고갈과 환경 오염 문제로 인해 전 세계적으로 에너지 부족 현상이 발생되고 있다. 따라서, 이러한 문제를 극복하기 위해서 친환경 대체 에너지에 관한 연구가 많이 이루어졌고, 그 중에서도 에너지 하베스팅(Energy harvesting)이 많은 관심을 받고 있다. 자연에서 버려지는 에너지를 유용한 전기에너지로 변환하여 이용하는 에너지 하베스팅은 소형전자기기의 전원공급 문제를 근본적으로 해결할 수 있는 방법으로 제시되고 있다. 소형 에너지 하베스팅 방법에는 태양광을 이용한 태양발전, 기계적인 에너지를 이용한 압전발전 및 정전발전, 기계적인 운동과 전자기적현상을 이용한 발전 및 용량성(capacitive) 발전, 폐열을 이용한 열전발전 등이 있다. 각각의 방법은 장단점을 가지고 있으며 주어진 자연환경에 적합한 방법이 선택되어 적용될 수 있다.
예를 들면, 태양발전의 경우 생성되는 에너지양은 크지만 흐린 날이나 실내에서는 사용할 수 없는 단점이 있다. 열전 재료를 이용해 에너지를 하베스팅하는 방식은 에너지 하베스팅 장치의 안과 밖의 온도차가 커야만 효과를 볼 수 있다는 문제점이 있다. 또한 전자기적 현상을 이용한 발전 방식은 발전기 제작에 따른 소요 비용이 크다는 단점을 가지고 있다.
반면, 정전마찰(triboelectric)기반 에너지 하베스팅은, 대부분의 물질에서 정전기의 효과를 볼 수 있기 때문에 물질적인 제한 없이 기존의 압전 소자보다 더 높은 출력을 예상할 수 있다. 또한 기후에 관계없이 실내외의 기계진동을 이용할 수 있고, 풍력, 바다의 파도 등 다양한 형태의 기계적 에너지를 전기에너지로 변환할 수 있는 장점으로 인해 최근 많은 연구가 진행되고 있다.
　마찰에 의한 전력 생성 방식은 두 대전체의 마찰 시 나타나는 물질 간 전하 이동 현상에 의한 것으로 다른 미소 에너지의 전력 변환 시스템 보다 에너지 변환 효율이 높아 작은 외부 응력에 의해서도 높은 출력을 얻을 수 있다. 또한, 열, 태양 등 다른 미소에너지 생산방식에 비해 시간적, 공간적 제약이 없다. 또한 물질 내부의 변형(strain)에 의해 에너지를 생산하는 기존 압전(piezoelectric) 소재를 이용한 에너지 하베스팅 기술에서의 근본적인 문제인 피로도(fatigue)현상이 없어 지속적인 에너지 생산에도 매우 유리하다.
한국 등록특허 제10-1611126호 (2016.04.08.)
기존의 마찰발전기의 경우, 두 대전체 및 두 대전체를 각각 지지하는 기판이 평행한 구조를 가지고 있다. 하지만 사람의 걸음걸이 등과 같이, 기판과 수직이 아닌 비스듬한 방향으로 인가하는 외력이 지배적으로 작용하는 경우, 두 대전체의 서로 마주보는 면이 외력에 의해 전체적으로 동시에 접하는 것이 아니라 한 쪽 끝에서 다른 쪽 끝으로의 순차적으로 접하게 된다. 이 경우, 두 대전체가 맞닿는 표면에서의 전하 분포가 균일하지 않아 출력 소자 내에서 출력 특성이 급격히 저하되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 출력을 향상시킨 마찰발전기를 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 따른 경사 기반 마찰발전기는 제1기판, 제1기판과 접하는 제1면 및 제1기판과 비스듬한 제2면을 가지며, 제1기판 상에 배치된 경사부, 경사부 상에 배치된 제1전극, 제1전극 상에 배치된 제1대전체, 제1기판에 대향하도록 배치된 제2기판 및 제2기판의 제1기판에 대향하는 면과 접촉하며, 외력의 인가 여부에 따라 제1대전체와 접하거나 제1대전체와 이격되는 제2대전체를 포함한다.
상기 제1대전체와 상기 제2대전체가 이격된 상태에서, 상기 제1대전체와 상기 제2대전체 사이의 거리는 일 방향을 따라 점차적으로 증가할 수 있다.
외력이 인가되어 상기 제1대전체와 상기 제2대전체가 접할 때, 상기 제2대전체와 상기 제1기판 사이의 각도 및 상기 제2기판과 상기 제1기판 사이의 각도는 및 상기 제1면과 상기 제2면 사이의 각도와 동일할 수 있다.
상기 경사 기반 마찰발전기는, 상기 경사부의 높이가 낮은 쪽에, 상기 제1기판과 상기 제2기판 사이에 배치된 탄성구조체를 더 포함할 수 있다.
상기 제1대전체는, 상기 제2대전체에 대향하는 면에 배치된 요철을 포함할 수 있다.
상기 제2대전체는, 상기 제1대전체에 대향하는 면에 배치된 요철을 포함할 수 있다.
상기 제1기판 및 상기 제2기판은 아크릴, 폴리에스테르(PET; polyester), 폴리에테르설폰(PES; Polyether sulfone), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN; polyethylene　naphthalate), 캡톤(Kapton), 유리(Glass)를 포함하는 그룹에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 경사부는, 폴리젖산수지(PLA; polylactic acid), 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌수지(ABS; Acrylonitrile-Butadiene-Styrene), 폴리디메틸실록산(PDMS; Polydimethylsiloxane), 고무를 포함하는 그룹에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 제1대전체와 상기 제2대전체는 서로 다른 물질로 구성되며, 상기 제1대전체의 일함수와 상기 제2대전체의 일함수는 서로 다를 수 있다.
상기 제1대전체는 외력에 의해 상기 제2대전체와 접촉시 음으로 대전될 수 있다.
상기 제1대전체는 유기 폴리머 또는 무기 폴리머를 포함할 수 있다.
상기 제2대전체는 외력에 의해 상기 제1대전체와 접촉시 양으로 대전될 수 있다.
상기 제2대전체는 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 백금(Pt), 금(Au) 및 인듐 틴 옥사이드(ITO; indium tin oxide) 를 포함하는 그룹에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 제1전극은 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 백금(Pt), 금(Au) 및 인듐 틴 옥사이드(ITO; indium tin oxide)를 포함하는 그룹에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
본 발명에 의하면, 경사부를 통해 두 대전체의 기울기를 조절함으로써, 기판에 비스듬한 방향으로의 외력이 지배적으로 작용하는 상황에서, 두 대전체의 표면이 전체적으로 균일하게 마찰이 일어나게 하여 높은 출력을 얻을 수 있다.
특히, 소형화가 가능해 사람의 걸음걸이를 이용할 수 있는 신발 및 깔창 등에 적용할 수 있어, 평범한 일상적인 생활에서도 고출력 에너지 생산이 가능하고, 에너지 수집에 따른 비용발생을 현저하게 절감시킬 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 일 실시예에 따른 경사 기반 마찰발전기의 단면도이다.
도 2는 도 1의 경사 기반 마찰발전기에 외력이 작용했을 때의 상태를 나타낸 단면도이다.
도 3은 다른 실시예에 따른 경사 기반 마찰발전기의 단면도이다.
도 4는 도 3의 경사 기반 마찰발전기에 외력이 작용했을 때의 상태를 나타낸 단면도이다.
도 5은 다른 실시예에 따른 경사 기반 마찰발전기의 단면도이다.
도 6는 도 5의 경사 기반 마찰발전기에 외력이 작용했을 때의 상태를 나타낸 단면도이다.
도 7은 여러 물질의 마찰전기 시리즈(triboelectric series)를 나타낸 도표이다.
도 8은 도 1의 경사 기반 마찰발전기의 작동원리를 설명하기 위한 개념도이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명의 효과 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
이하의 실시예에서, 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용된다.
이하의 실시예에서, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
이하의 실시예에서, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.
도면에서는 설명의 편의를 위하여 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 예컨대, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 일 실시예에 따른 경사 기반 마찰발전기의 단면도이다. 도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 경사 기반 마찰발전기는 제1기판(11), 경사부(20), 제1전극(30), 제1대전체(41), 제2기판(12) 및 제2대전체(42)를 포함한다.
제1기판(11)과 제2기판(12)은 서로 대향하도록 배치된다. 제1기판(11)과 제2기판(12)은, 경사 기반 마찰발전기에 외력이 작용하지 않는 상태에서는 평행하게 배치될 수 있다. 제1기판(11)은 서로 평행한 하면 및 상면을 포함하며, 제1기판(11)은 경사 기반 마찰발전기가 설치되는 대상체의 일면 상에 배치될 수 있다. 일 실시예에 따르면 제1기판(11) 및 제2기판(12)은 아크릴, 폴리에스테르(PET; polyester), 폴리에테르설폰(PES; Polyether sulfone), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN; polyethylene　naphthalate), 캡톤(Kapton) 및 유리(Glass)를 포함하는 그룹에서 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다.
제1기판(11) 상에 경사부(20)가 배치된다. 경사부(20)는 제1기판(11)과 접하는 제1면(S1) 및 제1기판(11)에 대하여 경사진 제2면(S2)을 가진다. 제1면(S1)과 제2면(S2)은 평행하지 않고 일정 각도를 유지하므로, 경사부(20)의 한쪽 끝은 다른 쪽 끝보다 높은 곳에 위치한다. 즉 단면도 상에서 경사부(20)는 마치 삼각형과 같은 형태를 취하게 된다. 일 실시예에 따른 경사부(20)는, 폴리젖산수지(PLA; polylactic acid), 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌수지(ABS; Acrylonitrile-Butadiene-Styrene), 폴리디메틸실록산(PDMS; Polydimethylsiloxane) 및 고무를 포함하는 그룹에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
경사부(20) 상에, 제1전극(30)이 배치된다. 제1전극(30)은 경사부(20) 상에 놓여 있으므로, 제1기판(11)과 소정의 각도로 기울어져 경사진 상태를 유지한다. 제1전극(30)은 전도성 물질을 포함한다. 일 실시예에 따르면 제1전극(30)은 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 백금(Pt), 금(Au) 및 인듐 틴 옥사이드(ITO; indium tin oxide)를 포함하는 그룹에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 제1전극(30)은 단층 또는 복수층으로 구성될 수 있다.
제1전극(30) 상에, 제1대전체(41)가 배치된다. 제1대전체(41) 역시 경사부(20) 상에 배치되어 있으므로, 제1기판(11)과 소정의 각도로 기울어져 경사진 상태를 유지한다.
제2기판(12)의 제1기판(11)에 대향하는 면(12S)과 접촉하도록 제2대전체(42)가 배치된다. 즉, 제1대전체(41)와 제2대전체(42)는 서로 마주보도록 배치되며, 제2대전체(42)는 외력의 인가 여부에 따라 제1대전체(41)와 접하거나 상기 제1대전체(41)와 이격된다. 즉 외력 작용시 제2대전체(42)는 제1대전체(41)와 접하게 되고, 외력이 작용하지 않을 때는 제2대전체(42)는 제1대전체(41)와 이격된다. 제1대전체(41)와 제2대전체(42)가 이격된 상태에서 제1대전체(41)와 제2대전체(42) 사이의 거리는 일 방향을 따라 점차적으로 증가할 수 있으며, 제1대전체(41)와 제2대전체(42)와 완전히 접한 상태에서 제1대전체(41)와 제2대전체(42)는 서로 평행하게 된다.
일 실시예에 따르면, 제1대전체(41)와 제2대전체(42)가 이격된 상태에서, 제1대전체(41)와 제2대전체(42) 사이의 거리는 일 방향을 따라 점차적으로 증가할 수 있다. 경사부(20) 상에 제1대전체(41)가 놓여있어, 제1기판(11)에 대해 제1대전체(41)는 비스듬하게, 제2대전체(42)는 평행하게 배치되어 있다. 따라서 제1대전체(41)와 제2대전체(42)는, 외력이 작용하지 않은 상태에서는 서로 비스듬하게 배치된다. 따라서 예컨대 도 1 상에서는, 제1대전체(41)와 제2대전체(42) 사이의 거리는 왼쪽에서 가장 작으며, 오른쪽 방향으로 갈수록 증가하게 된다.
도 2는 도 1의 경사 기반 마찰발전기에 외력이 작용했을 때의 상태를 나타낸 단면도이다. 일 실시예에 따르면, 외력이 인가되어 제1대전체(41)와 제2대전체(42)가 접할 때, 제2대전체(42)와 제1기판(11) 사이의 각도(θ2) 및 제2기판(12)과 제1기판(11) 사이의 각도(θ3)는 제1면(S1)과 제2면(S2) 사이의 각도(θ1)와 동일할 수 있다.
외력에 의해, 원래 서로 소정의 각도를 두고 이격되어 있던 제1대전체(41)와 제2대전체(42)는 면 전체적으로 접하게 된다. 이에 따라 제1전극(30), 제1대전체(41), 제2대전체(42) 및 제2기판(12)은 서로 실질적으로 평행하게 배치된다. 이 때 제1대전체(41), 제2대전체(42) 및 제2기판(12)은 모두 경사부(20) 상에 배치되므로, 외력이 작용한 상태에서 제1전극(30), 제1대전체(41), 제2대전체(42) 및 제2기판(12)은 모두 제1기판과 소정의 각도를 이루게 된다. 상기 각도는 경사부(20)의 제1면(S1)과 제2면(S2) 사이의 각도(θ1)와 같다.
상기와 같이 외력이 작용하여 제1대전체(41)와 제2대전체(42)가 면 전체적으로 접할 때, 제1대전체(41)와 제2대전체(42)가 서로 마찰하는데, 이로 인해 제1대전체(41)와 제2대전체(42)는 서로 다른 극성으로 대전된다. 예컨대 제1대전체(41)는 음전하로, 제2대전체(42)는 양전하로 대전될 수 있다. 이 때 제1대전체(41)와 제2대전체(42)는 서로 다른 물질로 구성된다. 이 때 제1대전체(41)와 제2대전체(42) 사이에 전자가 이동하는 것이므로, 하나가 +Q [C]로 대전되면 다른 하나는 극성이 반대이고 크기는 같은 -Q [C]로 대전된다.
특히 도 2와 같이 경사부(20)의 제2면(S2)과 수직한 외력이 작용하는 경우, 제1대전체(41)와 제2대전체(42) 사이의 마찰력이 최대가 되므로 제1대전체(41)와 제2대전체(42)에 대전된 전하량의 크기가 최대가 된다.
경사 기반 마찰발전기에 반복적으로 일정한 방향의 외력이 작용하는 상황이라면, 상기 외력의 방향을 미리 예측할 수 있으므로, 경사부(20)의 제2면(S2)과 상기 외력의 방향이 수직하도록 경사부(20)를 설계할 수 있다. 예컨대, 사람이 걸을 때 발이 신발에 일정한 힘을 가하게 되는데, 이 때 힘의 방향은 지면에 대한 수직성분과 수평성분을 모두 포함하게 된다. 사람마다 걸음걸이는 거의 일정하므로, 사람이 걸을 때 발이 신발에 가하는 힘의 방향 역시 거의 일정하고, 따라서 상기 힘의 방향과 경사부(20)의 제2면(S2)이 수직하도록 경사부(20)를 배치하는 경우 제1대전체(41)와 제2대전체(42)에 대전된 전하량의 크기를 최대로 할 수 있다.
이와는 달리, 경사부(20)가 없어 제1대전체(41)와 제2대전체(42)가 맞닿는 면과 수직하지 않은 외력이 작용하는 경우, 제1대전체(41)와 제2대전체(42)가 맞닿는 면이 전체적으로 동시에 접하는 것이 아니라 한 쪽 끝에서 다른 쪽 끝으로의 순차적인 마찰이 일어나게 된다. 이 경우, 제1대전체(41)와 제2대전체(42) 표면에서의 전하 분포가 균일하지 않아, 출력 소자 내에서 출력 특성이 급격히 저하되는 문제점이 있다.
본 발명에 따르면, 경사부(20)를 통해 제1대전체(41) 및 제2대전체(42)의 기울기를 조절함으로써, 제1기판(11)에 비스듬한 방향으로의 외력이 지배적으로 작용하는 상황에서, 제1대전체(41) 및 제2대전체(42)가 맞닿는 면 전체적으로 균일하게 마찰이 일어나게 하여 높은 출력을 얻을 수 있다.
특히, 경사 기반 마찰발전기는 소형화가 가능해 사람의 걸음걸이를 이용할 수 있는 신발 및 깔창 등에 적용할 수 있어, 평범한 일상적인 생활에서도 고출력 에너지 생산이 가능하고, 에너지 수집에 따른 비용발생을 현저하게 절감시킬 수 있다.
일 실시예에 따른 경사 기반 마찰발전기는, 경사부(20)의 높이가 낮은 쪽에 제1기판(11)과 제2기판(12) 사이에 배치된 탄성구조체(50)를 더 포함할 수 있다.
도 3을 참조하면, 제1기판(11)과 제2기판(12) 사이에는, 제1기판(11)의 가장자리와 제2기판(12)의 가장자리를 연결하는 탄성구조체(50)가 배치된다. 탄성구조체(50)는 제1기판(11)과 제2기판(12) 사이의 거리가 먼 가장자리 영역에 배치될 수 있다. 즉, 경사부(20)에서 높이가 낮은 측에 탄성구조체(50)가 배치된다. 도 3에서는 예시적으로 탄성구조체(50)가 제1기판(11)과 제2기판(12)에 각각 접촉하는 형태로, 그 모양은 스프링(spring) 형태인 것으로 도시되어 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
도 4를 참조하면, 제2기판(12)에 외력이 작용하는 경우, 제1대전체(41)와 제2대전체(42)가 서로 접하게 된다. 이 때, 탄성구조체(50)의 길이가 짧아진 상태가 되었으므로, 탄성구조체(50)는 경사 기반 마찰발전기의 상태를 도 3의 상태로 되돌리려는 복원력을 제2기판(12)에 작용시킨다. 따라서 외력이 작용하지 않게 되면, 탄성구조체(50)의 복원력에 의해 경사 기반 마찰발전기는 도 2의 상태에서 도 1의 상태로 가게 된다.
도 5를 참조하면, 일 실시예에 따른 경사 기반 마찰발전기에 포함된 제1대전체(41)는 제2대전체(42)에 대향하는 면에 배치된 요철을 포함할 수 있다. 또한, 제2대전체(42)는 제1대전체(41)에 대향하는 면에 배치된 요철을 포함할 수 있다. 단면도 상에서 제1대전체(41)의 윗면, 즉 제2대전체(42)와 대향하는 면에 제1대전체의 요철(41P)이, 제2대전체(42)의 아랫면, 즉 제1대전체(41)와 대향하는 면에 제2대전체의 요철(42P)이 각각 배치되어 있다. 도 8을 참조하면, 외력이 작용하여 제1대전체(41)와 제2대전체(42)가 접촉할 때, 제1대전체의 요철(41P) 및 제2대전체의 요철(42P)은 제1대전체(41)와 제2대전체(42)가 맞닿는 면의 표면적을 증가시켜, 더 많은 양의 전하가 대전될 수 있도록 한다. 상기 요철들은 예컨대 피라미드 형태, 원뿔 형태 등 다양한 모양일 수 있다.
이하, 도 7을 참조하여 제1대전체(41), 제2대전체(42) 및 제1전극(30)에 포함되는 물질에 관해 설명한다. 도 7은 여러 물질의 마찰전기 시리즈(triboelectric series)를 나타낸 도표이다. 마찰전기 시리즈에서 위쪽, 즉 양(positive)의 방향에 위치한 물체는, 이보다 더 아래쪽, 즉 음(negative)의 방향에 있는 물체와 마찰시켰을 때 양으로 대전(positively charged)된다. 반대로 마찰전기 시리즈에서 아래쪽에 위치한 물체는, 이보다 더 위쪽에 있는 물체와 마찰시켰을 때 음으로 대전(negatively charged)된다. 예컨대 종이와 은(Silver)을 마찰시키는 경우, 마찰전기 시리즈 상에서 종이가 은보다 더 위쪽에 있으므로, 종이는 양으로, 은(silver)은 음으로 대전된다. 이와 같은 성질은, 원자로부터 전자를 떼어내는 데 필요한 에너지의 양인 '일함수(work function)'의 차이 때문인 것으로 알려져 있다. 즉 일함수가 낮은 물질일수록 마찰전기 시리즈에서 위쪽에 있고, 일함수가 큰 물질일수록 마찰전기 시리즈에서 아래쪽에 있다.
일 실시예에 따르면, 제1대전체(41)와 제2대전체(42)는 서로 다른 일함수를 가질 수 있다. 이 때 제1대전체(41)에 포함되는 물질은 제2대전체(42)에 포함되는 물질보다 큰 일함수를 가질 수 있다. 이 경우, 제1대전체(41)는 외력에 의해 제2대전체(42)와 접촉시 음으로 대전될 수 있다. 이 때 제1대전체(41)는 유기 폴리머 또는 무기 폴리머를 포함할 수 있다. 상기 유기 폴리머는 예컨대 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA; Polymethyl methacrylate), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET; Polyethylene terephthalate), 폴리에테르에테르케톤(PEEK; Polyether ether ketone), 폴리스타이렌(PS; polystyrene), 폴리에틸렌(PE; polyethylene), 환형올레핀공중합체(COC; cyclic olefin copolymer), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE; Polytetrafluoroethylene)을 포함할 수 있고, 상기 무기 폴리머는 예컨대 폴리디메틸실록산(PDMS; Polydimethylsiloxane), 유기변성세라믹(ORMOCER; organically modified ceramics)을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제2대전체(42)는 외력에 의해 제1대전체(41)와 접촉시 양으로 대전될 수 있다. 이 때 제2대전체(42)는 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 백금(Pt), 금(Au) 및 인듐 틴 옥사이드(ITO; indium tin oxide) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 제2대전체(42)는 단층 또는 복수의 층으로 구성될 수 있다.
이하, 도 8을 참조하여 경사 기반 마찰발전기의 작동원리를 설명한다.
도 8의 (a)를 참조하면, 외력이 작용하지 않은 상태, 즉 도 1 또는 도 3 같은 상태에서, 경사 마찰발전기의 제1전극(30)과 제2대전체(42)에 회로가 연결되어 있다. 제2대전체(42)는 전극과 같은 역할을 수행하므로, 전도성 물질을 포함하는 것이 바람직하다. 이 상태에서는 당연히 회로에 전류가 흐르지 않는다.
도 8의 (b)는, 외력이 작용하여 제1대전체(41)와 제2대전체(42)가 서로 평행하게 접한 상태를 나타낸 그림이다. 이 때 제1대전체(41)와 제2대전체(42)가 서로 맞닿는 면의 마찰에 의해, 한쪽은 양전하로, 다른 한쪽은 음전하로 각각 대전된다. 도 8에서는 예시적으로 제1대전체(41)가 음전하로, 제2대전체(42)가 양전하로 대전된 상태를 나타내었다. 이 때, 제1대전체(41)와 제2대전체(42)가 각각 맞닿는 면의 넓이가 실질적으로 같고, 대전된 전하량의 크기가 서로 같으므로, 제1대전체(41)와 면전하밀도 및 제2대전체(42)의 면전하밀도가 같은 크기를 가지게 된다. 예컨대, 제1대전체(41)가 -σ0[C/m2]의 면전하밀도를 가지도록 대전된 경우, 제2대전체(42)는 +σ0 [C/m2]의 면전하밀도를 가지도록 대전된다.
도 8의 (c)는, 탄성구조체(50)에 의해 복원력이 작용하여, 제1대전체(41)와 제2대전체(42)가 다시 이격된 상태를 나타낸 그림이다. 이와 같은 상태에서 (d)의 전기적 평형 상태에 도달하기까지, 제1전극(30)과 제2대전체(42) 사이에 전하가 이동하므로 회로에 전류(I)가 흐르게 된다.
도 8의 (d)는, 경사 기반 마찰발전기가 전기적 평형에 도달한 상태를 나타낸 그림이다. 즉 (b)에서와는 달리 (c), (d)는 제1대전체(41)와 제2대전체(42)가 이격된 상태에서의 전기적 평행 상태에 도달하기 위해 제1전극(30)과 제2대전체(42) 사이에 전하가 이동한다. 예컨대 새로운 전기적 상태에서는, 제2대전체(42)는 σ0-Δσ [C/m2], 제1대전체(41)는 -σ0 [C/m2], 제1전극(30)은 Δσ[C/m2]의 면전하밀도를 가지도록 대전될 수 있다.
도 8의 (e)는, 다시 경사 기반 마찰발전기에 외력이 작용한 상태를 나타낸 그림이다. 이와 같은 상태에서 (b)의 전기적 평형 상태에 도달하기까지, 제1전극(30)과 제2대전체(42) 사이에 전하가 이동하므로 회로가 전류(I)가 흐르게 된다. 이 때의 전류의 방향은 (c)에서의 전류의 방향과 반대가 된다. 다시 (b)의 전기적 평형 상태에 도달하면 전류는 더 이상 흐르지 않게 된다. 평형 상태에서, 제1대전체(41)는 -σ0 [C/m2]의 면전하밀도를, 제2대전체(42)는 +σ0 [C/m2]의 면전하밀도를 가지도록 각각 대전된다.
즉 외력이 주기적으로 인가되는 상황이라면, 경사 기반 마찰발전기는 (a)상태에서 시작하여 (b)-(c)-(d)-(e) 상태가 반복되며 전력을 생산하는 발전기로 기능하게 된다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
11: 제1기판 12: 제2기판
20: 경사부 30: 제1전극
41: 제1대전체 42: 제2대전체
41P, 42P: 요철 50: 탄성구조체

Claims (13)

  1. 제1기판;
    상기 제1기판과 접하는 제1면 및 상기 제1기판에 대하여 경사진 제2면을 가지며, 상기 제1기판 상에 배치된 경사부;
    상기 경사부의 상기 제2면 상에 배치된 제1전극;
    상기 제1전극 상에 배치된 제1대전체;
    상기 제1기판에 대향하도록 배치된 제2기판; 및
    상기 제2기판의 상기 제1기판에 대향하는 면과 접촉하며, 외력의 인가 여부에 따라 상기 제1대전체와 접하거나 상기 제1대전체와 이격되는 제2대전체;를 포함하고,
    외력이 인가되어 상기 제1대전체와 상기 제2대전체가 접할 때,
    상기 경사부에 의해, 상기 제1대전체와 상기 제2대전체의 마찰면은 상기 제1기판에 대하여 경사지고,
    상기 제2대전체와 상기 제1기판 사이의 각도 및 상기 제2기판과 상기 제1기판 사이의 각도는 상기 제1면과 상기 제2면 사이의 각도와 동일한, 경사 기반 마찰발전기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1대전체와 상기 제2대전체가 이격된 상태에서, 상기 제1대전체와 상기 제2대전체 사이의 거리는 일 방향을 따라 점차적으로 증가하는, 경사 기반 마찰발전기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1기판과 상기 제2기판 사이에 배치되며, 상기 제1기판의 가장자리와 상기 제2기판의 가장자리를 연결하는 탄성구조체를 더 포함하는, 경사 기반 마찰발전기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1대전체는, 상기 제2대전체에 대향하는 면에 배치된 요철을 포함하는, 경사 기반 마찰발전기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2대전체는, 상기 제1대전체에 대향하는 면에 배치된 요철을 포함하는, 경사 기반 마찰발전기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1기판 및 상기 제2기판은 각각 아크릴, 폴리에스테르(PET; polyester), 폴리에테르설폰(PES; Polyether sulfone), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN; polyethylene　naphthalate), 캡톤(Kapton) 및 유리(Glass)를 포함하는 그룹에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는, 경사 기반 마찰발전기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 경사부는, 폴리젖산수지(PLA; polylactic acid), 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌수지(ABS; Acrylonitrile-Butadiene-Styrene), 폴리디메틸실록산(PDMS; Polydimethylsiloxane) 및 고무를 포함하는 그룹에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는, 경사 기반 마찰발전기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1대전체와 상기 제2대전체는 서로 다른 물질로 구성되며, 상기 제1대전체의 일함수와 상기 제2대전체의 일함수는 서로 다른, 경사 기반 마찰발전기.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1대전체는 외력에 의해 상기 제2대전체와 접촉시 음으로 대전되는, 경사 기반 마찰발전기.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1대전체는 유기 폴리머 또는 무기 폴리머를 포함하는, 경사 기반 마찰발전기.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 제2대전체는 외력에 의해 상기 제1대전체와 접촉시 양으로 대전되는, 경사 기반 마찰발전기.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제2대전체는 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 백금(Pt), 금(Au) 및 인듐 틴 옥사이드(ITO; indium tin oxide)를 포함하는 그룹에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는, 경사 기반 마찰발전기.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제1전극은 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 백금(Pt), 금(Au) 및 인듐 틴 옥사이드(ITO; indium tin oxide)를 포함하는 그룹에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는, 경사 기반 마찰발전기.
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