KR20180104447A - 강자성 분말 기반의 접촉 대전 방식과 전자기 유도 방식을 이용한 하이브리드 발전기 및 그 동작 방법 - Google Patents

강자성 분말 기반의 접촉 대전 방식과 전자기 유도 방식을 이용한 하이브리드 발전기 및 그 동작 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 의한 강자성 분말 기반 접촉 대전 방식과 전자기 유도 방식을 이용한 하이브리드 발전기 및 그 동작 방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 발전기는 외부의 물리적 자극에 의해 대전되는 분말이 내부에 수용되는 밀폐 용기; 상기 밀폐 용기의 측면 상단을 둘러싸도록 배치되는 제1 전극; 상기 밀폐 용기의 측면 하단을 둘러싸도록 배치되는 제2 전극; 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 각각의 일부를 둘러싸도록 배치되는 코일; 및 상기 밀폐 용기의 하단에 배치되는 자석을 포함한다.

Description

강자성 분말 기반의 접촉 대전 방식과 전자기 유도 방식을 이용한 하이브리드 발전기 및 그 동작 방법{HYBRID GENERATOR USING TRIBOELECTRIC TYPE AND ELECTROMAGNETIC TYPE BASED ON FERROMAGNETIC NANOPARTICLE AND OPERATING METHOD THEREOF}
본 발명은 접촉 대전 발전기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 강자성 분말 기반의 접촉 대전 방식과 전자기 유도 방식을 이용한 하이브리드 발전기 및 그 동작 방법에 관한 것이다.
최근 휴대용 전자기기, 더 나아가 웨어러블 전자기기의 발전이 이루어짐에 따라 배터리와 같은 외부 전력 공급원을 사용하지 않고 주변 환경에서 직접 에너지를 얻어 사용하는 자가 발전 시스템(self-powered system)의 중요성이 대두되고 있다.
근래에 주변 환경에서 에너지를 얻는 방법으로 접촉 대전(contact-electrification) 현상과 정전기 유도(electrostatic induction)에 기반한 접촉 대전 발전기(triboelectric generator)가 제안되었다. 접촉 대전 발전기는 서로 다른 두 표면이 접촉할 때 한 쪽 표면에는 양전하가, 다른 표면에는 음전하가 유도되고 이 두 표면이 분리될 때 앞서 유도된 전하에 의해 전위차가 생겨서 평형상태에 도달하기 위해 두 표면에 연결된 전극 사이에 전류가 흐르는 원리를 이용한다.
마찰 대전 발전기의 개념은 굉장히 매력적이지만, 접촉 대전에 필요한 두 대전체는 일반적으로 고체 평면 구조를 가지기 때문에 지속적인 접촉 분리에 의해 내구력이 저하되는 단점이 있고, 평면의 특성상 전기 에너지로 전환 가능한 진동 방향이 한 방향으로 한정될 수 밖에 없다 등의 단점이 있다.
이러한 단점을 극복하기 위한 다양한 방법이 제시되었는데, 특히, 공개특허공보 제10-2017-0008449에서는 접촉 대전에 필요한 두 대전체로 고체 평면 구조 대신 고분자 분말을 이용한 접촉 대전 발전기를 제안하고 있다.
기존의 고체 평면 대신 고분자 분말을 이용하는 방법은 접촉 대전 발전기의 내구성을 크게 개선하고 다양한 방향의 진동을 전기 에너지로 변환할 수 있다는 장점이 있지만, 만족할 만한 발전 효율을 보여주지는 못하고 있다. 따라서, 발전 효율을 더욱 높이기 위한 다양한 방법이 필요한 상황이다.
공개특허공보 제10-2017-0008449, 공개일자 2017.01.24.
이러한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 외부의 물리적 자극에 대전되는 분말을 수용하는 용기 측면을 둘러싸는 두 개의 전극과 그 두 개의 전극을 둘러싸는 코일을 구비하여, 분말의 움직임에 따라 두 개의 전극 간에 접촉 대전 유도 전류를 발생시키면서 코일에 전자기 유도 전류를 발생시키도록 한 하이브리드 발전기 및 그 동작 방법을 제공하는데 있다.
다만, 본 발명의 목적은 상기 목적들로 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 한 관점에 따른 하이브리드 발전기는 외부의 물리적 자극에 의해 대전되는 분말이 내부에 수용되는 밀폐 용기; 상기 밀폐 용기의 측면 상단을 둘러싸도록 배치되는 제1 전극; 상기 밀폐 용기의 측면 하단을 둘러싸도록 배치되는 제2 전극; 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 각각의 일부를 둘러싸도록 배치되는 코일; 및 상기 밀폐 용기의 하단에 배치되는 자석을 포함할 수 있다.
또한, 상기 외부의 물리적 자극에 의해 상기 밀폐 용기 내 분말이 움직임에 따라 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 간에 접촉 대전 유도 전류가 발생되면서 상기 코일에 전자기 유도 전류가 발생될 수 있다.
또한, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 각각은 적어도 일부분이 절단되어 연속적으로 연결되지 않도록 형성될 수 있다.
또한, 상기 분말은 강자성을 갖는 강자성체 분말일 수 있다.
또한, 상기 분말은 강자성을 갖는 강자성체 분말에 접촉 대전을 통해 전기적으로 음성이 되는 성질을 갖는 고분자가 코팅된 중합체일 수 있다.
또한, 상기 분말은 상기 밀폐 용기의 내부 체적의 1/4 이하가 되도록 수용될 수 있다.
본 발명의 다른 한 관점에 따른 외부의 물리적 자극에 의해 대전되는 분말이 내부에 수용되는 밀폐 용기, 상기 밀폐 용기의 측면 상단과 측면 하단 각각을 둘러싸도록 배치되는 제1 전극과 제2 전극, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 각각의 일부를 둘러싸도록 배치되는 코일을 포함하는 하이브리드 발전기의 동작 방법은 상기 외부의 물리적 자극이 인가됨에 따라 상기 밀폐 용기 내부에 수용된 분말을 진동시키는 단계; 상기 분말의 움직임에 따른 마찰로 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 간에 형성된 전위차로 인해 접촉 대전 유도 전류를 발생시키는 단계; 및 상기 분말의 움직임에 따라 상기 코일에 자기 선속의 변화가 일어나 상기 코일의 양단에 형성된 전위차로 인해 전자기 유도 전류를 발생시키는 단계를 포함할 수 있다.
이처럼 본 발명은 외부의 물리적 자극에 대전되는 분말을 수용하는 용기 측면을 둘러싸는 두 개의 전극과 그 두 개의 전극을 둘러싸는 코일을 구비하여, 분말의 움직임에 따라 두 개의 전극 간에 접촉 대전 유도 전류를 발생시키면서 코일에 전자기 유도 전류를 발생시키도록 함으로써, 발전 효율을 크게 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 자성 분말을 이용하여 접촉 대전 유도 전류와 전자기 유도 전류를 동시에 발생시키기 때문에, 다양한 환경에서 안정적으로 동작시킬 수 있다.
다만, 본 발명의 효과는 상기 효과들로 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.
도 1a 내지 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 발전기의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2a 내지 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 3a 내지 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 발전기의 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 4a 내지 도 4b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 발전기의 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 발전기의 동작 방법을 나타내는 도면이다.
도 6a 내지 도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 분말의 코팅 전과 후의 효율을 보여주는 도면이다.
도 7a 내지 도 7b는 외부 저항을 연결하여 일률을 측정한 결과를 보여주는 도면이다.
도 8a 내지 도 8d는 다양한 환경에서 출력 효율을 보여주는 도면이다.
도 9는 본 발명에서 제안하는 방식과 기존 방식들의 효율을 비교하는 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 발전기의 실제 동작을 보여주는 도면이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하, 첨부되는 도면을 참조하여 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 강자성 분말 기반 접촉 대전 방식과 전자기 유도 방식을 이용한 하이브리드 발전기 및 그 동작 방법을 설명한다.
본 발명에서는 외부의 물리적 자극에 대전되는 분말을 수용하는 용기 측면을 둘러싸는 두 개의 전극과 그 두 개의 전극을 둘러싸는 코일을 구비하여, 분말의 움직임에 따라 두 개의 전극 간에 접촉 대전 유도 전류를 발생시키면서 코일에 전자기 유도 전류를 발생시키도록 한 새로운 형태의 하이브리드 발전기를 제안한다.
여기서, 접촉 대전 발전기는 접촉 대전 현상과 정전기 유도에 기반한 발전기로서, 서로 다른 두 표면이 접촉할 때 한 쪽 표면에는 양전하가, 다른 표면에는 음전하가 유도되고 이 두 표면이 분리될 때 앞서 유도된 전하에 의해 전위차가 생겨서 평형상태에 도달하기 위해 두 표면에 연결된 전극 사이에 전류가 흐르는 원리를 이용한다.
도 1a 내지 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 발전기의 구성을 나타내는 도면이다.
도 1a 내지 도 1b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 발전기는 밀폐 용기(110), 제1 전극(120), 제2 전극(130), 코일(140), 자석(150)을 포함할 수 있다.
밀폐 용기(110)는 외부의 물리적 자극에 의해 대전되는 분말(10)이 내부에 수용될 수 있다. 여기서 밀폐 용기(110)는 수평 단면이 원형인 원기둥 형상으로 설명하고 있지만 반드시 이에 한정되지 않고 수평 단면이 다양한 형태로 형성될 수 있는데, 예컨대, 수평 단면이 원형 또는 다각형 구조일 수 있다.
밀폐 용기(110)는 상대적으로 낮은 전기 전도도를 갖는 재질 또는 절연 재질 예컨대, 압축 아크릴이나 PVC(Polyvinyl chloride) 등과 같은 재질로 형성될 수 있다.
여기서 분말(10)은 Fe, Fe2O3, Fe3O4 등과 같이 강자성을 갖는 강자성체 분말이 사용될 수 있다. 분말(10)은 또한 상기 강자성체 분말에 마찰 대전을 통해 전기적으로 음성이 되는 성질을 갖는 물질 예컨대, trichloro (1H, 1H, 2H, 2H-perfluorooctle) silane (FOTS) 등과 같이 플루오르기를 갖는 고분자 또는 기타 고분자가 코팅된 중합체(polymer)일 수 있다.
이때, 분말에 고분자가 코팅되면, 자성을 띄는 분말 입자와 입자 사이의 간격이 멀어지기 때문에 분말 입자 간의 상호 작용이 줄어들어 더 자유로운 운동을 할 수 있다는 이점이 있다.
이렇게 밀폐 용기(110)에 수용된 분말(10)은 접촉 대전의 효율을 극대화하기 위해 나노미터 또는 마이크로미터 크기의 가루 형태를 가질 수 있다.
분말(10)의 양은 접촉 대전과 전자기 유도를 동시에 발생시킬 수 있을 만큼 충분하되, 분말(10)의 움직임에 제약이 생길 정도로 많지는 않도록 밀폐 용기(110)의 내부 체적의 1/4 이하인 것이 바람직하고, 특히, 1/5 ~ 1/4 이내인 것이 더 바람직하다.
이러한 분말은 외부의 물리적 자극에 의해 밀폐 용기(100)와의 접촉을 통해 접촉 대전 현상이 발생하게 됨에 따라 음(-) 전하로 대전될 수 있다.
여기서 외부의 물리적 자극이란 물리적 에너지 또는 역학적 에너지로 정의될 수 있는데, 예컨대, 밀폐 용기에 수용된 분말을 밀폐 용기의 중심축을 기준으로 수평 방향 또는 수직 방향으로 진동시키는 역학적 진동 에너지일 수 있다.
제1 전극(120)은 밀폐 용기(110)의 측면 상단을 둘러싸도록 형성되고, 제2 전극(130)은 밀폐 용기(110)의 측면 하단을 둘러싸도록 형성될 수 있다. 이때, 제1 전극(120)과 제2 전극(130)은 일정 거리만큼 이격되어 배치될 수 있다.
이러한 제1 전극(120)과 제2 전극(130)은 금(Au), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 니켈(Ni) 등의 금속으로 형성되거나 ITO(Indium Tin Oxide)를 포함하는 산화물일 수 있다.
또한 도시되지 않았지만 제1 전극(120)과 제2 전극(130) 간에 배선이 연결되어 접촉 대전에 의한 유도 전류가 흐를 수 있는 회로가 구성될 수 있다.
도 2a 내지 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 2a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극, 즉, 제1 전극(120)과 제2 전극(130)에는 맴돌이 전류(eddy current)가 발생할 수 있어, 각각 일부분이 절단되어 연속적으로 연결되지 않는 형상 예컨대, C자 형상으로 형성될 수 있다.
여기서, 맴돌이 전류는 와전류 또는 푸코 전류(Foucault current)라고도 하며, 시간적으로 변화하는 자기장 내에 놓인 도체 내부에 전자기유도에 의해 발생하는 소용돌이 모양의 전류를 말한다. 이러한 맴돌이전류로 인해 줄열(Joule’s heat)이 발생하고 이 줄열은 곧 전력의 손실이 된다.
본 발명에서는 제1 전극(120)과 제2 전극(130)의 일부분이 절단되어 연속적으로 연결되지 않은 C자 형상으로 형성되어 있지만, 반드시 이에 한정되지 않고 다수의 부분이 절단되어 연속적으로 연결되지 않은 형상으로 형성될 수도 있다.
도 2b를 참조하면, 두 부분이 절단되는 경우, 제1 전극(120)과 제2 전극(130) 각각은 물리적으로 분리된 2개의 서브 전극 (120a, 120b), (130a, 130b)으로 분할될 수도 있다.
코일(140)은 밀폐 용기(110)의 측면 중앙을 둘러싸도록 형성되되, 제1 전극(120)과 제2 전극(130) 각각의 일부를 둘러싸도록 배치될 수 있다. 즉, 코일(140)은 제1 전극(120)의 하단과 제2 전극(130)의 상단을 둘러싸도록 배치될 수 있다.
코일(140)은 제1 전극(120), 제2 전극(130) 각각과 절연이 유지되어 누전이 일어나지 않도록 형성되는데, 예컨대, 절연 처리된 구리(Cu) 선으로 형성될 수 있다.
이러한 코일(140)은 높은 전도율을 갖는 금속이나 산화물, 유기물, 유전체, 기타 전도성 물질이나 반도체 물질로 형성될 수 있다.
자석(150)은 밀폐 용기(110)의 하단에 배치될 수 있다. 이때, 자석(150)은 밀폐 용기(110)에 수용된 분말(10)의 자기 모멘트(magnetic moment)의 방향을 동일한 방향으로 정렬시킬 수 있는 충분한 세기를 갖는 것이 바람직하다.
도 3a 내지 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 발전기의 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.
여기서는 하이브리드 발전기를 수평 방향으로 진동시키는 경우를 설명한다.
도 3a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 발전기의 접촉 대전 발전 과정을 볼 수 있는데, 먼저 밀폐 용기에 외력 또는 외부의 물리적 자극이 없는 기준 상태에서는 밀폐 용기에 수용된 분말의 전하들이 음(-) 전하로 존재하고 제1 전극과 제2 전극의 전하들이 양(+) 전하로 존재할 수 있다(30).
이렇게 외부의 물리적 자극이 없는 기준 상태에서는 유도 전류가 발생되지 않는다.
외부의 물리적 자극, 즉, 수평 방향으로 진동이 발생하는 경우, 밀폐 용기가 기준점에서 제1 진동 방향으로 이동하면, 관성에 의해 밀폐 용기에 수용된 분말들이 이동하여 접촉 대전에 의해 제1 전극과 제2 전극 사이에 전위차가 발생하게 되고 제1 전극의 음(-) 전하들이 제2 전극으로 이동함에 따라 접촉 대전 유도 전류가 발생할 수 있다(31). 여기서, 제1 진동 방향은 밀폐 용기의 좌측으로 향하는 방향을 말한다.
밀폐 용기가 제1 진동 방향에서 기준점으로 이동하면, 관성에 의해 밀폐 용기에 수용된 분말이 이동하여 접촉 대전에 의해 제2 전극의 음(-) 전하들이 제1 전극으로 이동함에 따라 접촉 대전 유도 전류가 발생할 수 있다(32).
밀폐 용기가 기준점에서 제2 진동 방향으로 이동하면, 관성에 의해 밀폐 용기에 수용된 분말들이 이동하여 접촉 대전에 의해 제1 전극의 음(-) 전하들이 제2 전극으로 이동함에 따라 접촉 대전 유도 전류가 발생할 수 있다(33). 여기서, 제2 진동 방향은 밀폐 용기의 우측으로 향하는 방향을 말한다.
밀폐 용기가 제2 진동 방향에서 기준점으로 이동하면, 관성에 의해 밀폐 용기에 수용된 분말이 이동하여 접촉 대전에 의해 제2 전극의 양(-) 전하들이 제1 전극으로 이동함에 따라 접촉 대전 유도 전류가 발생할 수 있다(34).
상기 (31)~(34)와 같이 반복적인 외부의 물리적 자극이 발생하는 경우 분말이 이동함에 따라 제1 전극과 제2 전극 사이에 전위차가 발생하여 전자가 이동함으로써 제1 전극과 제2 전극 간에 접촉 대전 유도 전류가 지속적으로 발생할 수 있다.
도 3b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 발전기의 전자기 유도 발전 과정을 볼 수 있는데, 먼저 밀폐 용기에 외력 또는 외부의 물리적 자극이 없는 기준 상태에서는 밀폐 용기에 수용된 분말의 전하들이 음(-) 전하로 존재하고 제1 전극과 제2 전극의 전하들이 양(+) 전하로 존재할 수 있다(35).
이렇게 외부의 물리적 자극이 없는 기준 상태에서는 유도 전류가 발생되지 않는다.
외부의 물리적 자극, 즉, 수평 방향으로 진동이 발생하는 경우, 밀폐 용기가 기준점에서 제1 진동 방향으로 이동하면, 관성에 의해 밀폐 용기에 수용된 분말들이 이동하여 코일 양단에 전위차가 생겨 전자기 유도 전류가 생성될 수 있다(36).
밀폐 용기가 제1 진동 방향에서 기준점으로 이동하면, 관성에 의해 밀폐 용기에 수용된 분말이 이동하여 코일 양단에 전위차가 생겨 전자기 유도 전류가 생성될 수 있다(37).
밀폐 용기가 기준점에서 제2 진동 방향으로 이동하면, 관성에 의해 밀폐 용기에 수용된 분말들이 이동하여 코일 양단에 전위차가 생겨 전자기 유도 전류가 생성될 수 있다(38).
밀폐 용기가 제2 진동 방향에서 기준점으로 이동하면, 관성에 의해 밀폐 용기에 수용된 분말이 이동하여 코일의 양단에 전위차가 생겨 전자기 유도 전류가 생성될 수 있다(39).
상기 (36)~(39)와 같이 반복적인 외부의 물리적 자극이 발생하는 경우 분말이 이동함에 따라 코일 양단에 전위차가 발생하여 전자기 유도 전류가 지속적으로 발생할 수 있다.
여기서는 편의상 접촉 대전 발전 과정과 전자기 유도 발전 과정을 구분하여 설명하고 있지만, 실제 접촉 대전 발전과 전자기 유도 발전은 동시에 이루어진다.
도 4a 내지 도 4b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 발전기의 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.
여기서는 하이브리드 발전기를 수직 방향으로 진동시키는 경우를 설명한다.
도 4a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 발전기의 접촉 대전 발전 과정을 볼 수 있는데(40~44), 앞서 설명한 도 3a의 발전 과정과 동일한 원리로 동작하고 진동 방향만이 다르기 때문에 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 4b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 발전기의 전자기 유도 발전 과정을 볼 수 있는데(45~49), 앞서 설명한 도 3b의 발전 과정과 동일한 원리로 동작하고 진동 방향만이 다르기 때문에 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 발전기의 동작 방법을 나타내는 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 발전기는 외부의 물리적 자극이 인가됨에 따라 상기 밀폐 용기 내부에 수용된 분말을 진동시킬 수 있다(S510).
다음으로, 하이브리드 발전기는 분말의 움직임에 따라 분말이 제1 전극, 제2 전극에 주기적으로 마찰됨으로써 접촉 대전에 의해 제1 전극과 제2 전극 간에 전위차가 형성될 수 있다(S520).
이렇게 형성된 전위차로 인해 접촉 대전 유도 전류가 발생될 수 있다(S522).
이와 동시에, 하이브리드 발전기는 분말의 움직임에 따라 분말이 코일에 주기적인 자기 선속의 변화를 만듦으로써 전자기 유도에 의해 코일의 양단에 전위차가 형성될 수 있다(S530).
이렇게 형성된 전위차로 인해 전자기 유도 전류가 발생될 수 있다(S532).
도 6a 내지 도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 분말의 코팅 전과 후의 효율을 보여주는 도면이다.
도 6a를 참조하면, 접촉 대전 방식인 경우 수평 방향 또는 수직 방향으로 진동하는 경우, 분말의 코팅 전과 후의 시간에 따른 전압(VOC . TENG), 전류(ISC . TENG)를 측정한 결과를 보여주고 있다.
도 6b를 참조하면, 전자기 유도 방식인 경우 수평 방향 또는 수직 방향으로 진동하는 경우, 분말의 코팅 전과 후의 시간에 따른 전압(VOC . EMG), 전류(ISC . EMG)를 측정한 결과를 보여주고 있다.
두 방식 모두 분말의 코팅 후 측정된 전압과 전류가 월등히 향상되었음을 알 수 있다. 즉, 자성 분말보다 고분자 코팅된 자성 분말이 더 효율적임을 알 수 있다.
도 7a 내지 도 7b는 외부 저항을 연결하여 일률을 측정한 결과를 보여주는 도면이다.
도 7a 내지 도 7b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따라 구현된 하이브리드 발전기에 외부 저항을 연결하여 외부 저항의 크기에 따라 측정된 전류(사각 박스)와 전력(검정색 원)을 보여주고 있다.
특히, 도 7a를 보면, 높은 외부 저항이 연결된 경우에는 접촉 대전 방식을 통한 발전이 효율적임을 알 수 있고, 도 7b를 보면, 작은 외부 저항이 연결된 경우에는 전자기 유도 방식을 통한 발전이 효율적임을 알 수 있다.
도 8a 내지 도 8d는 다양한 환경에서 출력 효율을 보여주는 도면이다.
도 8a 내지 도 8d를 참조하면, 진동 세기(vertical force), 진동 주기(vibration frequency), 상대 습도(relative humidity), 시간(time)에 따른 출력 효율을 보여주고 있다.
예컨대, 도 8a와 도 8b를 보면 다양한 진폭과 주파수의 진동에서도 효과적으로 에너지를 수확함을 알 수 있고, 도 8c를 보면 상대 습도의 영향을 크게 받지 않음을 알 수 있으며, 도 8d를 보면 내구도가 뛰어남을 알 수 있다.
도 9는 본 발명에서 제안하는 방식과 기존 방식들의 효율을 비교하는 도면이다.
도 9를 참조하면, 제안하는 방식(①)과 기존 방식들(②, ③, ④)를 통한 전자장 세기를 비교한 결과를 보면 제안하는 방식이 더 효율적으로 에너지를 수확할 수 있음을 보여주고 있다.
여기서, 기존 방식(②)는 접촉 대전 방식을 이용하는 발전기이고, 기존 방식(③)은 전자기 유도 방식을 이용하는 발전기이며, 기존 방식(④)는 접촉 대전 방식과 전자기 유도 방식 각각을 독립적으로 운용하는 발전기를 말한다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 발전기의 실제 동작을 보여주는 도면이다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따라 제작된 하이브리드 발전기에 전자 기기를 연결하고 물리적 자극을 가하여 구동시킬 수 있음을 보여주고 있다.
이상에서 실시예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
또한, 이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 발전기
110: 밀폐 용기
120: 제1 전극
130: 제2 전극
140: 코일
150: 자석

Claims (10)

  1. 외부의 물리적 자극에 의해 대전되는 분말이 내부에 수용되는 밀폐 용기;
    상기 밀폐 용기의 측면 상단을 둘러싸도록 배치되는 제1 전극;
    상기 밀폐 용기의 측면 하단을 둘러싸도록 배치되는 제2 전극;
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 각각의 일부를 둘러싸도록 배치되는 코일; 및
    상기 밀폐 용기의 하단에 배치되는 자석;을 포함하는, 하이브리드 발전기.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 외부의 물리적 자극에 의해 상기 밀폐 용기 내 분말이 움직임에 따라 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 간에 접촉 대전 유도 전류가 발생되면서 상기 코일에 전자기 유도 전류가 발생되는, 하이브리드 발전기.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 각각은 적어도 일부분이 절단되어 연속적으로 연결되지 않도록 형성되는, 하이브리드 발전기.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 분말은 강자성을 갖는 강자성체 분말인, 하이브리드 발전기.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 분말은 강자성을 갖는 강자성체 분말에 접촉 대전을 통해 전기적으로 음성이 되는 성질을 갖는 고분자가 코팅된 중합체인, 하이브리드 발전기.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 분말은 상기 밀폐 용기의 내부 체적의 1/4 이하가 되도록 수용되는, 하이브리드 발전기.
  7. 외부의 물리적 자극에 의해 대전되는 분말이 내부에 수용되는 밀폐 용기, 상기 밀폐 용기의 측면 상단과 측면 하단 각각을 둘러싸도록 배치되는 제1 전극과 제2 전극, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 각각의 일부를 둘러싸도록 배치되는 코일을 포함하는 하이브리드 발전기의 동작 방법에 있어서,
    상기 외부의 물리적 자극이 인가됨에 따라 상기 밀폐 용기 내부에 수용된 분말을 진동시키는 단계;
    상기 분말의 움직임에 따른 마찰로 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 간에 형성된 전위차로 인해 접촉 대전 유도 전류를 발생시키는 단계; 및
    상기 분말의 움직임에 따라 상기 코일에 자기 선속의 변화가 일어나 상기 코일의 양단에 형성된 전위차로 인해 전자기 유도 전류를 발생시키는 단계;를 포함하는, 하이브리드 발전기의 동작 방법.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 각각은 적어도 일부분이 절단되어 연속적으로 연결되지 않도록 형성되는, 하이브리드 발전기의 동작 방법.
  9. 제7 항에 있어서,
    상기 분말은 강자성을 갖는 강자성체 분말인, 하이브리드 발전기의 동작 방법.
  10. 제7 항에 있어서,
    상기 분말은 강자성을 갖는 강자성체 분말에 마찰 대전을 통해 전기적으로 음성이 되는 성질을 갖는 고분자가 코팅된 중합체인, 하이브리드 발전기의 동작 방법.
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