KR20180045417A - 에너지 하베스팅 장치 - Google Patents

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최덕현
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경희대학교 산학협력단
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    • H02N1/00—Electrostatic generators or motors using a solid moving electrostatic charge carrier
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치는, 실린더, 상기 실린더 내에서 제1 방향으로 이동 가능한 피스톤 및 상기 피스톤 내부에 형성된 공간에 위치하여 전기를 생성하는 트리보 소자를 포함하는 에너지 하베스팅 장치로서, 상기 트리보 소자는, 상기 공간 내에 위치하며, 상기 제1 방향을 따라 이동 가능한 몸체, 상기 몸체의 상면 및 하면 중 적어도 하나 이상에 배치되는 제1 대전체 및 상기 제1 대전체와 서로 마주보며, 상기 공간의 상부 및 하부 중 적어도 하나에 배치되는 제2 대전체를 포함하며, 상기 제1 대전체 및 상기 제2 대전체가 서로 접촉 가능하다.

Description

에너지 하베스팅 장치{ENERGY HARVESTER}
본 발명은 에너지 하베스팅 장치에 관한 것이다.
최근 화석 연료의 고갈 문제로 전기의 사용량이 점차 증가하고 있으며 이로 인해 발전량의 부족으로 에너지 부족현상이 점차 심각해져 가고 있다.
이에 부족한 에너지 자원을 효율적으로 활용하기 위해 개발되기 시작된 '에너지 하베스팅(Energy harvesting)'기술은 최근의 에너지 문제와 맞물려 주목을 받고 있다.
특히, 에너지 하베스팅 기술은 학계와 산업계 전반에 걸친 지대한 관심과 집중적인 연구개발로 과거의 기술 수준과는 비교할 수 없을 정도로 하루가 다르게 급성장하고 있는 상황이다.
에너지 하베스팅이란 '수확한다'라는 뜻을 가진 영어 단어'harvesting'의 의미처럼 전통적인 수력, 화력, 풍력, 조력 발전 기술과는 달리 주변에서 버려지는 에너지를 수확해 사용 가능한 전기에너지로 변환하여 이용하는 시스템을 말한다.
에너지 하베스팅 기술은 기존 전자 기기 등의 에너지 효율을 크게 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 궁극적으로는 추가적인 에너지 공급 없이 주변의 에너지를 이용하여 전자 기기를 독립적으로 구동 가능하도록 하는 기술로, 앞으로 폭넓은 분야에 적용이 가능할 것으로 예상되며, 이 산업이 스마트그리드 및 유비쿼터스의 발전과 맞물려 에너지 산업에서 커다란 비중을 차지할 것으로 예상된다.
에너지 하베스팅은 현재 선진국을 중심으로 정책적 보급이 촉진되고 있다. 에너지 하베스팅 기술 중에서도 가장 기술개발이 활발한 분야는 압전 하베스팅(Piezoelectric harvesting)과 정전 하베스팅(Triboelectric harvesting) 기술이다.
압전이란 압력이나 진동과 같은 일상적인 동작만으로도 전력을 얻을 수 있는 것을 말한다. 그동안 압전 하베스팅 기술은 낮은 출력 때문에 경제성이 낮다고 인식되어 왔다. 그러나, 최근 들어 초절전 반도체 기술들이 비약적으로 발전하면서, 에너지 하베스팅 분야에 획기적인 기여를 할 것으로 전망되고 있다.
신발에 장착한 압전 발전기가 단위체적당 330μW를 출력한다는 분석결과에서 보듯, 압전 하베스팅 기술은 이미 마이크로와트(μW)급의 파워 출력이 가능하다는 것을 증명하고 있다. 수년 안에 밀리와트(mW)급의 압전 에너지 하베스팅 기술로 향상될 것으로 보인다.
정전 하베스팅 기술 역시도 주변의 버려지는 각종 진동 즉, 바람, 소리, 심장박동, 축회전 등과 같은 기계적 에너지를 전기적 에너지로 전환시킴으로써 전력을 생산해낼 수 있다. 겨울철에 가벼운 신체 접촉만으로도 정전기가 발생하는 원리가 쉬운 예이다. 서로 다른 성질의 두 대전체를 서로 마찰시켜 전하의 이동을 이끌어낼 수 있고 간단한 와이어 연결을 통해 전류를 흐르게 할 수 있다.
이때, 출력을 높이기 위해서 고려해야 할 부분으로, 두 대전체 간 접촉 면적이 넓을수록, 접촉 빈도가 빠를수록, 접촉 강도가 강할수록 높은 출력을 이끌어 낼 수 있다고 한다. 최근, 최대 출력을 24%의 효율에서 1.5W(19 mW/㎠)까지 이끌어내었다는 연구 결과에서 보듯이 정전 하베스팅 분야에서도 기술개발이 활발하게 이루어지고 있다.
특히, 전술한 두 가지의 에너지 하베스팅 시스템은 발전 과정 중에 다른 어떤 폐기물이나 이산화탄소나 전자노이즈와 같은 환경을 오염시키는 요소가 발생하지 않으며 환경 측면에서 바람직한 대체 에너지 기술로 조명받고 있다.
하지만, 현재의 에너지 하베스팅 시스템은 내구성과 발전의 연속성, 공간 활용, 그리고 발전 효율 측면에서 여전히 많은 개선이 필요한 실정이다.
상기한 바와 같은 기술적 배경을 바탕으로, 본 발명은 기계적 회전 및 진동을 이용하여 전기 에너지를 생산할 수 있는 에너지 하베스팅 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치는, 실린더, 상기 실린더 내에서 제1 방향으로 이동 가능한 피스톤 및 상기 피스톤 내부에 형성된 공간에 위치하여 전기를 생성하는 트리보 소자를 포함하는 에너지 하베스팅 장치로서, 상기 트리보 소자는, 상기 공간 내에 위치하며, 상기 제1 방향을 따라 이동 가능한 몸체, 상기 몸체의 상면 및 하면 중 적어도 하나 이상에 배치되는 제1 대전체 및 상기 제1 대전체와 서로 마주보며, 상기 공간의 상부 및 하부 중 적어도 하나에 배치되는 제2 대전체를 포함하며, 상기 제1 대전체 및 상기 제2 대전체가 서로 접촉 가능하다.
상기 트리보 소자는, 상기 몸체의 외주면에 배치되어, 상기 외주면을 둘러싸는 제3 대전체 및 상기 공간 내에 배치되며, 상기 제3 대전체가 내부를 이동할 수 있는 관 형상을 갖는 제4 대전체를 더 포함하며, 상기 제3 대전체는 상기 제4 대전체 내부를 따라 슬라이딩할 수 있다.
상기 제3 대전체는, 상기 몸체의 외주면에 배치되는 제1 관형 몸체 및 상기 제1 관형 몸체에 서로 이격되어 배치되는 복수의 제1 정전띠를 포함하며, 상기 제1 관형 몸체 및 제1 정전띠 중 어느 하나는 도체이며, 다른 하나는 부도체일 수 있다.
상기 제4 대전체는, 제2 관형 몸체 및 상기 제2 관형 몸체에 서로 이격되어 배치되는 복수의 제2 정전띠를 포함하며, 상기 제2 관형 몸체 및 제2 정전띠 중 어느 하나는 도체이며, 다른 하나는 부도체일 수 있다.
상기 복수의 제2 정전띠 각각은 상기 제2 관형 몸체의 내주면을 둘러쌀 수 있다.
상기 제1 대전체와 상기 제3 대전체는 서로 절연될 수 있다.
상기 제1 대전체와 상기 제2 대전체 사이에 배치되는 충격 흡수 부재를 더 포함할 수 있다.
상기 충격 흡수 부재는 탄성체일 수 있다.
상기 탄성체는 코일 스프링을 포함할 수 있다.
상기 제1 대전체는 원형 형상의 단면을 갖는 판형 부재일 수 있다.
상기 몸체는 원기둥 또는 다각기둥 형상일 수 있다.
서로 마주보는 상기 제3 대전체 및 상기 제4 대전체의 표면 중 적어도 하나에는 테프론이 도포되 수 있다.
상기 피스톤 하부에 결합되며, 외부로부터 전달되는 회전 운동을 상기 피스톤의 직선 운동으로 변환하는 커넥팅 로드를 더 포함할 수 있다.
상기한 바와 같은 에너지 하베스팅 장치에 의하면, 기계적 회전 및 진동을 전기 에너지로 생산할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1의 에너지 하베스팅 장치가 내부에 배치된 피스톤을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 도 1의 제1 내지 제3 대전체의 결합 관계를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 피스톤 내부의 공간에 배치된 제2 대전체 및 제4 대전체를 나타낸 도면이다.
도 5는 도 1의 에너지 하베스팅 장치의 개략적인 단면도이다.
도 6은 도 1의 제4 대전체의 개략적인 단면도이다.
도 7은 피스톤에 연결된 커넥팅 로드를 나타낸 도면이다.
도 8 내지 도 11은 트리보 소자의 작동 과정을 설명한 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
또한, 명세서 전체에서, 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 의미한다. 또한, 명세서 전체에서, "~상에"라 함은 대상 부분의 위 또는 아래에 위치함을 의미하는 것이며, 반드시 중력 방향을 기준으로 상 측에 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.
이하, 도 1 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치를 개략적으로 나타낸 도면이며, 도 2는 도 1의 에너지 하베스팅 장치가 내부에 배치된 피스톤을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 3은 도 1의 제1 내지 제3 대전체의 결합 관계를 개략적으로 나타낸 도면이며, 도 4는 피스톤 내부의 공간에 배치된 제2 대전체 및 제4 대전체를 나타낸 도면이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 실시예의 에너지 하베스팅 장치는, 실린더(미도시), 피스톤(100), 트리보 소자 및 커넥팅 로드(830)를 포함할 수 있다. 본 실시예에서는, 트리보 소자가 왕복 직선 운동하는 피스톤(100) 내부에 배치되어, 피스톤(100)의 왕복 직선 운동에 의해 트리보 소자가 전기 에너지를 생산할 수 있다. 트리보 소자(tribo??electricity elemment)(일명, '트라이보 소자'라고도 함)는 정전기 현상을 이용하여 전기 에너지를 생산할 수 있다.
트리보 소자에서는 양전하 물질과 음전하 물질이 정전기 현상으로 인해 대전되는 현상을 이용하여 전기 에너지를 생산한다. 양전하 물질과 음전하 물질이 부딪혔다 떨어지게 되면, 양전하 물질에 있는 전자가 음전하 물질로 이동하게 된다. 그리고 다시 양전하 물질과 음전하 물질이 부딪히려고 하게 되면 전자는 음전하 물질에서 양전하 물질로 이동하게 된다. 이러한 전자의 흐름이 전류의 흐름이 되고 이를 정전 발전이라고 한다. 본 실시예의 트리보 소자가 정전기 현상을 이용하여 전기 에너지를 생산하는 과정에 대해서는 후술하기로 한다.
본 실시예에의 트리보 소자는, 몸체(370), 제1 대전체(310, 330), 제2 대전체(510, 530), 제3 대전체(350) 및 제4 대전체(550)를 포함할 수 있다. 본 실시예에서는, 피스톤(100)이 제1 방향(Z축)을 따라 운동할 때, 피스톤(100) 내부에 배치되는 몸체(370)가 제1 방향(Z축)을 따라 이동할 수 있다. 즉, 몸체(370)가 제1 방향(Z축)을 따라 상하 방향으로 왕복 운동할 수 있다.
이때, 몸체(370)의 상부 및 하부에 배치된 제1 대전체(310, 330)가, 피스톤(100) 내부에 제1 대전체(310, 330)와 마주보도록 배치된 제2 대전체(510, 530)와 접촉할 수 있다. 즉, 제1 대전체(310, 330) 및 제2 대전체(510, 530)가 서로 접촉 및 분리 과정을 반복함으로써 전기를 생성할 수 있다. 한편, 몸체(370)의 외주면에 배치된 제3 대전체(350)가 관 형상의 제4 대전체(550) 내부를 따라 슬라이딩할 수 있다. 제3 대전체(350)가 제4 대전체(550) 내부와 접촉하면서 제1 방향(Z축)을 따라 상하 방향으로 슬라이딩함으로써, 전기를 생성할 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 피스톤(100)은 실린더(미도시) 내부에서 제1 방향(Z축)을 따라 상하 방향으로 왕복 운동할 수 있다. 이때, 피스톤(100)과 실린더(미도시)는 내연기관 등에 사용되는 직선 운동을 회전 운동으로 변환하는 기구일 수 있다. 즉, 피스톤(100)은 실린더(미도시) 내부에서 직선 왕복 운동하는 기구일 수 있다.
본 실시예에서는, 피스톤(100) 내부에는 빈 공간이 형성될 수 있다. 피스톤(100) 내부의 공간에는, 몸체(370), 제1 대전체(310, 330), 제2 대전체(510, 530), 제3 대전체(350) 및 제4 대전체(550)가 배치될 수 있다. 이때, 상기 빈 공간은 원기둥 형상을 가질 수 있다.
몸체(370)는 피스톤(100)의 상기 공간을 따라 제1 방향(Z축)을 따라 상하 방향으로 왕복 운동할 수 있다. 이때, 몸체(370)는 원기둥 형상을 가질 수 있다. 몸체(370)는 상기 원기둥 형상의 공간에 대응되는 형상으로 상기 공간 내부를 따라 이동할 수 있다.
이때, 몸체(370)의 상부 및 하부에는 제1 대전체(310, 330)가 배치될 수 있다. 여기에서, 몸체(370)의 상부 및 하부는, 원기둥 형상인 몸체(370)의 상면 및 하면을 나타낸다. 즉, 제1 대전체(310, 330)는 한 쌍으로 배치되어, 각각 몸체(370)의 상면 및 하면에 배치될 수 있다. 본 실시예에서는, 제1 대전체(310, 330)가 한 쌍으로 배치되나, 이에 한정되지 않고, 제1 대전체(310, 330)는 상면 및 하면 중 하나에만 배치될 수도 있다.
제1 대전체(310, 330)는 몸체(370)의 단면 형상에 대응되는 형상을 가질 수 있다. 구체적으로, 제1 대전체(310, 330)는 원형 형상의 단면을 갖는 판형 부재일 수 있다. 이때, 제1 대전체(310, 330)의 직경은 몸체(370)의 직경과 같거나 작을 수 있다.
본 실시예에서는, 피스톤(100) 내부의 공간에는 제2 대전체(510, 530)가 배치될 수 있다. 제2 대전체(510, 530)는 피스톤(100)의 공간의 상부 및 하부에 배치될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 제2 대전체(510)는 공간의 상부에 위치하고, 제2 대전체(530)는 공간의 하부에 위치할 수 있다.
이때, 제2 대전체(510)는 제1 대전체(310)와 서로 마주보도록 배치될 수 있다. 그리고, 제2 대전체(530)는 제1 대전체(330)와 서로 마주보도록 배치될 수 있다.
제2 대전체(510, 530)는 제1 대전체(310, 330)와 대응되는 형상을 가질 수 있다. 제2 대전체(510, 530)는 제1 대전체(310, 330)와 마찬가지로 원형 형상의 단면을 갖는 판형 부재일 수 있다. 이때, 제2 대전체(510, 530)의 면적은 제1 대전체(310, 330)의 면적과 동일할 수 있다.
본 실시예에서는, 몸체(370)가 제1 방향(Z축)을 따라 상하 방향으로 왕복 운동함에 따라, 제1 대전체(310)가 제2 대전체(510)와 접촉하거나 분리될 수 있다. 제1 대전체(310)와 제2 대전체(510)가 서로 붙었다가 떨어지는 과정이 반복될 수 있다. 이와 같이, 제1 대전체(310)와 제2 대전체(510)가 서로 접촉 및 분리 과정을 반복함으로써, 제1 대전체(310)와 제2 대전체(510)가 서로 대전(帶電)되면서 전기 에너지를 생산할 수 있다.
또한, 몸체(370) 하부에 배치된 제1 대전체(330)와 제2 대전체(530)도 서로 접촉 및 분리 과정을 반복할 수 있다. 즉, 제1 대전체(330)와 제2 대전체(530)가 서로 접촉 및 분리 과정을 반복함으로써, 제1 대전체(330)와 제2 대전체(530)가 서로 대전(帶電)되면서 전기 에너지를 생산할 수 있다.
본 실시예에서는, 몸체(370)의 상부 및 하부에서, 제1 대전체(310)와 제2 대전체(510)가 서로 마주보고, 또한 제1 대전체(330)와 제2 대전체(530)가 서로 마주볼 수 있다. 따라서, 몸체(370)의 상부 및 하부에서 동시에 전기 에너지를 생산할 수 있다.
한편, 도 3 내지 도 5를 참조하면, 몸체(370)의 외주면에는 제3 대전체(350)가 배치될 수 있다. 제3 대전체(350)는 몸체(370)의 외주면을 둘러싸도록 배치될 수 있다. 그리고, 제3 대전체(350)의 둘레에는 제4 대전체(550)가 배치될 수 있다. 제4 대전체(550)는 관형 부재로서, 제3 대전체(350)가 제4 대전체(550) 내부에 배치될 수 있다.
제3 대전체(350)는 제1 관형 몸체(353)와 복수의 제1 정전띠(351)를 포함할 수 있다. 제1 관형 몸체(353)는 관형 형상을 갖는 구조로서, 몸체(370)의 외주면에 배치될 수 있다.
복수의 제1 정전띠(351)는 제1 관형 몸체(353)의 외주면에 배치될 수 있다. 복수의 제1 정전띠(351) 각각은 제1 관형 몸체(553)의 외주면을 따라 둘러싸도록 배열될 수 있다. 이때, 복수의 제1 정전띠(351)는 제1 방향(Z축)을 따라 서로 이격되어 배열될 수 있다.
본 실시예에서는, 제1 관형 몸체(353)는 부도체로 이루어지고, 복수의 제1 정전띠(351)는 도체로 이루어질 수 있다. 그러나, 이에 한정되지 않고, 반대로 제1 관형 몸체(353)는 도체로 이루어지고, 복수의 제1 정전띠(351)는 부도체로 이루어질 수도 있다.
이때, 복수의 제1 정전띠(351)가 서로 이격되어 배열됨으로서, 제1 관형 몸체(353)의 외주면을 따라 제1 방향(Z축)으로 이동할 때, 도체 및 부도체가 반복되어 배열될 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 제3 대전체(350)는 제4 대전체(550) 내부에 배치되어, 제3 대전체(350)가 제4 대전체(550) 내주면을 따라 슬라이딩할 수 있다. 본 실시예에서는, 제3 대전체(350)의 외주면과 제4 대전체(550)의 내주면은 서로 접촉할 수 있다. 즉, 제3 대전체(350)와 제4 대전체(550)는 서로 접촉한 채로, 제4 대전체(550) 내부에서 제3 대전체(350)가 제1 방향(Z축)을 따라 상하 방향으로 왕복 직선 운동할 수 있다.
이때, 제3 대전체(350)의 외주면과 제4 대전체(550)의 내주면에는 테프론이 도포될 수 있다. 제3 대전체(350)의 외주면과 제4 대전체(550)의 내주면이 서로 슬라이딩함에 따라, 제3 대전체(350)의 외주면과 제4 대전체(550)의 내주면에는 마찰력이 발생할 수 있다. 이때, 도포된 테프론에 의해, 마찰력의 발생을 감소시킬 수 있다.
도 6을 참조하면, 제4 대전체(550)는 제2 관형 몸체(553)와 복수의 제2 정전띠(551)를 포함할 수 있다. 제2 관형 몸체(553)는 관형 형상을 갖는 구조로서, 피스톤(100) 내부의 공간에 배치될 수 있다.
복수의 제2 정전띠(551)는 제2 관형 몸체(553)의 내주면에 배치될 수 있다. 복수의 제2 정전띠(551) 각각은 제2 관형 몸체(553)의 내주면을 따라 둘러싸도록 배열될 수 있다. 이때, 복수의 제2 정전띠(551)는 제1 방향(Z축)을 따라 서로 이격되어 배열될 수 있다.
본 실시예에서는, 제2 관형 몸체(553)는 부도체로 이루어지고, 복수의 제2 정전띠(551)는 도체로 이루어질 수 있다. 그러나, 이에 한정되지 않고, 반대로 제2 관형 몸체(553)는 도체로 이루어지고, 복수의 제2 정전띠(551)는 부도체로 이루어질 수도 있다.
이때, 복수의 제2 정전띠(551)가 서로 이격되어 배열됨으로서, 제2 관형 몸체(553)의 내주면을 따라 제1 방향(Z축)으로 이동할 때, 도체 및 부도체가 반복되어 배열될 수 있다.
결국, 제3 대전체(350)가 제4 대전체(550) 내부에서, 제1 방향(Z축)을 따라 상하 방향으로 왕복 직선 운동하면, 제3 대전체(350)와 제4 대전체(550)가 서로 대전(帶電)되면서 전기 에너지를 생산할 수 있다.
따라서, 본 실시예에서는, 몸체(370)의 상부 및 하부에서, 제1 대전체(310, 330) 및 제2 대전체(510, 530)에 의해 전기 에너지를 생산할 수 있고, 동시에 제3 대전체(350)와 제4 대전체(550)가 서로 대전(帶電)되면서 전기 에너지를 생산할 수 있다.
다시 도 5를 참조하면, 본 실시예의 트리보 소자는, 서로 마주보는 제1 대전체(310, 330) 및 제2 대전체(510, 530) 사이에 충격 흡수 부재(700)가 배치될 수 있다. 이때, 충격 흡수 부재(700)는 코일 스프링을 포함할 수 있다.
충격 흡수 부재(700)는 제1 대전체(310, 330) 및 제2 대전체(510, 530)가 서로 접촉할 때 제1 대전체(310, 330) 및 제2 대전체(510, 530)에 발생하는 충격을 흡수할 수 있다. 이에 의해, 제1 대전체(310, 330) 및 제2 대전체(510, 530)가 파손되는 것을 방지할 수 있다.
제1 대전체(310)와 제2 대전체(510) 사이에 충격 흡수 부재(710)가 배치되고, 제1 대전체(330)와 제2 대전체(530) 사이에 충격 흡수 부재(730)가 배치될 수 있다.
한편, 도 1 및 도 7을 참조하면, 피스톤(100) 하부에는 커넥팅 로드(830)가 결합될 수 있다. 커넥팅 로드(830)는 외부로부터 전달된 회전 운동을 직선 왕복 운동으로 변환할 수 있다. 또는, 커넥팅 로드(830)는 피스톤(100)에서 발생된 직선 왕복 운동을 회전 운동으로 변환할 수 있다.
이때, 커넥팅 로드(830)의 일측 단부는 연결핀(810)에 의해 피스톤(100) 하부에 결합되고, 커넥팅 로드(830)의 타측 단부는 크랭크축(850)에 결합될 수 있다.
하기에서는, 도 8 내지 도 11을 참조하여, 본 실시예의 트리보 소자에 의해 전기 에너지가 생성되는 과정을 설명하기로 한다.
도 8 내지 도 11은 트리보 소자의 작동 과정을 설명한 도면이다.
도 8을 참조하면, 몸체(370)는 피스톤(100) 내의 공간의 중앙에 위치하게 된다. 이때, 몸체(370)의 상부 및 하부에 배치된 제1 대전체(310, 330)는 제2 대전체(510, 530)와 서로 분리되어 있다. 다음으로, 도 9에 도시된 바와 같이, 몸체(370)가 제1 방향(Z축)을 따라 위로 이동하면, 제1 대전체(310)와 제2 대전체(510)이 서로 접촉하게 된다. 이때, 제1 대전체(330)와 제2 대전체(530)는 서로 분리된다.
그리고 나서, 도 10에 도시된 바와 같이, 몸체(370)가 다시 제1 방향(Z축)을 따라 아래로 이동하면, 몸체(370)가 피스톤(100) 내의 공간의 중앙에 위치하게 되고, 제1 대전체(310)와 제2 대전체(510)는 서로 분리될 수 있다.
한편, 도 11에 도시된 바와 같이, 몸체(370)가 제1 방향(Z축)을 따라 아래로 이동하면, 제1 대전체(330)와 제2 대전체(530)가 서로 접촉하게 된다. 이때, 제1 대전체(310)와 제2 대전체(510)는 서로 분리된다.
이와 같이, 몸체(370)가 제1 방향(Z축)을 따라 상하 방향으로 왕복 운동하게 되면, 제1 대전체(310, 330) 및 제2 대전체(510, 530)가 서로 접촉 및 분리되는 과정을 반복하게 되어 전기 에너지를 생산할 수 있다.
그리고, 몸체(370)가 제1 방향(Z축)을 따라 상하 방향으로 왕복 운동하면, 제3 대전체(350)가 제4 대전체(550) 내주면을 따라 슬라이딩하기 때문에, 제3 대전체(350)와 제4 대전체(550)가 서로 대전(帶電)되면서 전기 에너지를 생산할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 한정된 실시예와 도면을 통하여 설명되었으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재된 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
100 피스톤
310, 330 제1 대전체
350 제3 대전체
510, 530 제2 대전체
550 제4 대전체
551 제2 정전띠
553 제2 관형 몸체
700 충격 흡수 부재
810 연결핀
830 커넥팅 로드
850 크랭크축

Claims (13)

  1. 실린더;
    상기 실린더 내에서 제1 방향으로 이동 가능한 피스톤; 및
    상기 피스톤 내부에 형성된 공간에 위치하여 전기를 생성하는 트리보 소자를 포함하는 에너지 하베스팅 장치로서,
    상기 트리보 소자는,
    상기 공간 내에 위치하며, 상기 제1 방향을 따라 이동 가능한 몸체;
    상기 몸체의 상면 및 하면 중 적어도 하나 이상에 배치되는 제1 대전체; 및
    상기 제1 대전체와 서로 마주보며, 상기 공간의 상부 및 하부 중 적어도 하나에 배치되는 제2 대전체를 포함하며,
    상기 제1 대전체 및 상기 제2 대전체가 서로 접촉 가능한, 에너지 하베스팅 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 트리보 소자는,
    상기 몸체의 외주면에 배치되어, 상기 외주면을 둘러싸는 제3 대전체 및
    상기 공간 내에 배치되며, 상기 제3 대전체가 내부를 이동할 수 있는 관 형상을 갖는 제4 대전체를 더 포함하며,
    상기 제3 대전체는 상기 제4 대전체 내부를 따라 슬라이딩할 수 있는, 에너지 하베스팅 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제3 대전체는, 상기 몸체의 외주면에 배치되는 제1 관형 몸체 및 상기 제1 관형 몸체에 서로 이격되어 배치되는 복수의 제1 정전띠를 포함하며,
    상기 제1 관형 몸체 및 제1 정전띠 중 어느 하나는 도체이며, 다른 하나는 부도체인, 에너지 하베스팅 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 제4 대전체는, 제2 관형 몸체 및 상기 제2 관형 몸체에 서로 이격되어 배치되는 복수의 제2 정전띠를 포함하며,
    상기 제2 관형 몸체 및 제2 정전띠 중 어느 하나는 도체이며, 다른 하나는 부도체인, 에너지 하베스팅 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 복수의 제2 정전띠 각각은 상기 제2 관형 몸체의 내주면을 둘러싸는, 에너지 하베스팅 장치.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 대전체와 상기 제3 대전체는 서로 절연된, 에너지 하베스팅 장치.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 대전체와 상기 제2 대전체 사이에 배치되는 충격 흡수 부재를 더 포함하는, 에너지 하베스팅 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 충격 흡수 부재는 탄성체인, 에너지 하베스팅 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 탄성체는 코일 스프링을 포함하는, 에너지 하베스팅 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 대전체는 원형 형상의 단면을 갖는 판형 부재인, 에너지 하베스팅 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 몸체는 원기둥 또는 다각기둥 형상인, 에너지 하베스팅 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    서로 마주보는 상기 제3 대전체 및 상기 제4 대전체의 표면 중 적어도 하나에는 테프론이 도포된, 에너지 하베스팅 장치.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 피스톤 하부에 결합되며, 외부로부터 전달되는 회전 운동을 상기 피스톤의 직선 운동으로 변환하는 커넥팅 로드를 더 포함하는, 에너지 하베스팅 장치.
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