KR20190108453A - 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기를 개시한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기는 고분자 튜브; 상기 고분자 튜브의 내부에 설치되어 상기 고분자 튜브의 내부에서 이동하는 진동자; 및 상기 고분자 튜브의 외부에 코팅된 전극을 포함하고, 상기 고분자 튜브는 외부와 차단되어 밀폐된 구조이며, 상기 전극은 상기 고분자 튜브의 외부에 적어도 한 쌍(pair) 이상의 전극쌍(pair-electrode)으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명의 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 자유롭게 움직이는 진동자, 밀폐된 튜브 및 외부에 코팅된 공동 전극으로 구성되어, 진동자의 움직임을 통하여 마찰 전기를 생성하는 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
생활 주변이나 산업현장에서 볼 수 있는 대부분의 물품이나 장치는 전기를 동력원으로 하고 있고, 사회의 고도화에 따라 그 수요가 증가되고 있다.
이에 따라, 화석에너지를 이용한 화력발전, 핵융합 및 핵분열을 이용한 원자력발전과 같이 다양한 발전시설에 대한 시설투자가 지속적으로 증가되고 있고, 최근에는 에너지자원의 고갈로 인해 태양광발전, 풍력발전, 조력발전과 같은 다양한 대체 발전시설에 투자와 개발이 활발하게 진행되고 있다.
특히, 최근에는 에너지 하베스트(energy harvest)라는 개념으로 일상 생활에서 버려지는 에너지를 회수하는 시스템에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 최근에는 인간 주변의 움직임으로부터 소량의 전기를 수확하는 방법으로 2개의 다른 물체가 마찰될 때 발생하는 전자를 포획하는 기술이 연구되고 있다.
최근에 마찰 전기 나노발전기는 높은 에너지 전환 효율, 낮은 제조 단가 비용 및 뛰어난 접근성 때문에 역학에너지 하베스팅에 대해 유망한 대체 후보로 뽑히고 있다. 기계적 진동, 인체의 움직임, 바람, 소리 및 파도와 같은 에너지원들도 마찰 전기 나노발전기에 응용되고 있다.
도 1 내지 도 4는 종래의 마찰 전기 나노발전기를 도시한 개략도이다.
일반적인 마찰 전기 나노발전기는 서로 다른 전하 극성을 갖는 제1 표면과 제2 표면을 가지고, 제1 표면과 제2 표면이 접촉할 때에 각 표면의 전하 극성 차이에 의한 정전기 생성을 통하여 마찰 전기를 생성할 수 있다.
도 1에 도시된 종래의 마찰 전기 나노발전기(100)는 지그재그(zig-zag) 형태의 구조체(110)에 제1 전하 극성을 갖는 제1 표면(120)과 제2 전하 극성을 갖는 제2 표면(130)을 형성하고, 지그재그 형태의 구조체에 화살표 방향으로 압력을 가하면 제1 표면(120)과 제2 표면(130)이 서로 맞닿게 되고, 이 때 마찰 전기가 생성된다.
도 2에 도시된 종래의 마찰 전기 나노발전기(200)는 격자 구조의 구조체(210)에 제1 전하 극성을 갖는 제1 표면(220)과 제2 전하 극성을 갖는 제2 표면(230)을 형성하고, 격자 구조의 구조체에 화살표 방향으로 압력을 가하면 제1 표면(220)과 제2 표면(230)이 서로 맞닿게 되고, 이 때 마찰 전기가 생성된다.
도 3에 도시된 종래의 마찰 전기 나노발전기(300)는 본체부와 돌출부를 가져, 본체부의 길이 방향으로 왕복운동 할 수 있는 핑거(finger) 형태의 제1 구조체(310)와, 고정체(350)에 의해 고정되어 있는 핑거 형태의 제2 구조체(330)를 갖는다.
도 3에 도시된 마찰 전기 나노발전기(300)는 제1 구조체(310)의 돌출부에 제1 전하 극성을 갖는 제1 표면(320)을 형성하고, 제2 구조체(330)의 돌출부에 제2 전하 극성을 갖는 제2 표면(340)을 형성한 후 제1 구조체(310)의 돌출부와 제2 구조체(340)의 돌출부를 서로 엇갈리도록 배치한 구조를 가져, 제1 구조체(310)가 일 방향으로 왕복운동 시 제1 구조체(310)의 제1 표면(320)과 제2 구조체(330)의 제2 표면(340)이 서로 맞닿게 되고, 이 때 마찰 전기가 생성된다.
도 4에 도시된 종래의 마찰 전기 나노발전기(400)는 본체부와 돌출부를 가져, 돌출부의 길이 방향으로 왕복운동 할 수 있는 핑거(finger) 형태의 제1 구조체(410)와, 고정되어 있는 핑거 형태의 제2 구조체(430)를 갖는다.
도 4에 도시된 마찰 전기 나노발전기(400)는 제1 구조체(410)의 돌출부에 제1 전하 극성을 갖는 제1 표면(420)을 형성하고, 제2 구조체(430)의 돌출부에 제2 전하 극성을 갖는 제2 표면(440)을 형성한 후 제1 구조체(410)의 돌출부와 제2 구조체(440)의 돌출부를 서로 엇갈리도록 배치하되, 제1 구조체(410)의 돌출부와 제2 구조체(440)의 돌출부가 실질적으로 접촉되어 있는 구조를 갖는다.
이때, 제1 구조체(410)가 돌출부의 길이 방향으로 왕복운동 시 제1 구조체(410)의 제1 표면(420)과 제2 구조체(430)의 제2 표면(440)이 서로 맞닿은 채로 슬라이딩(sliding) 되고, 이때 마찰 전기가 생성된다.
전술한 종래의 마찰 전기 나노발전기들은 각각 다른 구조를 가지고 있지만, 서로 다른 전하 극성을 갖는 제1 표면과 제2 표면을 가지고, 제1 표면과 제2 표면이 접촉할 때에 각 표면의 전하 극성 차이에 의한 정전기 생성을 통하여 마찰 전기를 생성한다는 마찰 전기 생성 방법에 대하여는 동일하다.
마찰 전기 나노발전기에 대한 응용에서 가장 중요한 이슈는 충분한 출력 전력을 수집하는 것이다. 순간출력전력을 극대화하기 위한 방법으로 여러 개의 소자를 통합할 수 있다. 하지만, 현재까지 알려진 마찰 전기 나노발전기는 구조적으로 여러 개의 소자의 통합이 어려운 단점이 있다.
도 5는 종래의 마찰 전기 나노발전기를 다수개 통합한 네트워크를 도식화 한 것이다.
하나의 마찰 전기 나노발전기(510)는 전기적 네트워크(520)를 통하여 서로 연결(500)되어 있고, 이 때 하나의 마찰 전기 나노발전기(510)을 단독으로 쓸 때에 비하여 출력 전압을 상승시킬 수 있다.
하지만, 종래의 마찰 전기 나노발전기들은, 다수의 마찰 전기 나노발전기를 통합하기 용이하지 않고, 다수의 마찰 전기 나노발전기를 통합하여 출력 전력을 극대화 하더라도 임계 진동 진폭 또한 증가하게 되어, 일상 생활에서 끊임없이 발생되는 비교적 작은 진폭을 갖는 진동의 에너지는 효율적으로 하베스팅할 수 없다.
더하여, 종래의 마찰 전기 나노발전기는 다수의 발전기 유닛을 전기적 네트워크를 통해 통합하여 시스템을 한 번 구성하게 되면, 후속적으로 장치 구조를 쉽게 변경할 수 없게 되어 전체적인 출력 전압 및 전류를 사용자의 필요에 따라 용이하게 변경할 수 없게 된다는 단점이 있다.
순간 출력 전력을 극대화하기 위해 여러 소자를 통합한 종류의 마찰 전기 나노발전기가 개발되었지만, 발전기의 성능 측면에서 여전히 개선의 여지가 많이 남아있다. 수직으로 적층된 마찰 전기 나노발전기의 경우, 수직으로 적층된 소자의 수가 증가하면 임계 진동 진폭도 증가한다. 따라서 진폭이 비교적 작은 진동의 에너지를 효율적으로 하베스팅할 수가 없다.
또한, 통합된 여러 소자로 구성되는 마찰 전기 나노발전기의 경우, 시스템이 한번 제작되면 장치 구조를 변경할 수 없다. 결과적으로 통합 구조의 마찰 전기 나노발전기는 선택적으로 통합되어 전체 출력 전압 및 전류를 변화시킬 수 없다.
마찰 전기 나노발전기에 대한 대부분의 연구는 다양한 형태의 진동에너지가 주변 환경에 존재하기 때문에 광대역 주파수를 가진 진동으로부터 에너지를 효과적으로 수집할 수 있는 소자 능력에 초점을 맞추어 왔다. 주목할 점은 진동 진폭이 증가하면 진동에너지가 증가한다는 것이다. 주변에 존재하는 진동은 일반적으로 넓은 진폭 스펙트럼에 분산되어 있어 효율적인 에너지 하베스팅을 위해 시연된 대부분의 마찰 전기 나노발전기들은 비실용적으로 제작된다.
따라서, 진동에너지 대 전기 변환 효율(vibration energy-to-electricity conversion efficiency)이 높고 실제 응용 분야에서 사용될 수 있는 마찰 전기 나노발전기를 개발하기 위해서는 진폭이 광대역인 진동으로부터 에너지를 효율적으로 수집할 수 있어야 한다.
본 발명의 일 실시예들은 광대역 진폭의 진동에너지를 효율적으로 수집하고 높은 전기 출력을 달성하기 위한 선택적 통합이 가능한 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기 및 그 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 실시예들은 1 차원, 2 차원 및 3 차원 구조로 사용자 임의대로 편리하게 구조를 변형하기 용이하고, 전극쌍의 개수 또한 자유롭게 변경할 수 있어 광대역 진폭의 진동에서 에너지를 효율적으로 수집할 수 있는 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기 및 그 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 실시예들은 높은 휴대성, 낮은 비용, 간단한 공정 방법, 높은 통합성 및 다양한 종류의 역학에너지를 저장할 수 있는 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기 및 그 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 실시예들은 신체의 움직임과 연관된 에너지, 음파에너지, 풍력에너지와 같은 다양한 종류의 에너지를 수집할 수 있는 마찰 전기 나노발전기 및 그 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 실시예들은 전기 발전기, 휴대형 자가 발전형 전자 기기 및 플렉서블/웨어러블 의료기기에 응용 가능한 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기 및 그 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기는 고분자 튜브; 상기 고분자 튜브의 내부에 설치되어 상기 고분자 튜브의 내부에서 이동하는 진동자; 및 상기 고분자 튜브의 외부에 코팅된 전극을 포함하고, 상기 고분자 튜브는 외부와 차단되어 밀폐된 구조이며, 상기 전극은 상기 고분자 튜브의 외부에 적어도 한 쌍(pair) 이상의 전극쌍(pair-electrode)으로 구성된다.
상기 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기는, 외력에 응답하여 발생하는 상기 진동자의 진동 시에 상기 진동자 및 상기 고분자 튜브의 접촉에 의해 발생하는 정전기 유도(electrostatic induction)를 통하여 마찰 전기를 생성할 수 있다.
상기 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기는, 상기 전극쌍을 구성하는 두 개의 전극 간 간격이 클수록 높은 진동 진폭을 갖는 마찰 전기를 생성하는 것을 특징으로 한다.
상기 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기는 상기 전극쌍을 구성하는 상기 전극을 전기적으로 연결하는 전극 연결부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 진동자는 상기 고분자 튜브 대비 작은 직경을 가지고, 상기 진동자가 상기 고분자 튜브 내에서 움직이는 것을 특징으로 한다.
상기 진동자는 추가 정전하(additional static charge)를 포함하여 상기 고분자 튜브의 내부에 설치되는 것을 특징으로 한다.
상기 추가 정전하는 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidenefluoride, PVDF), 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE), 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS), 폴리비닐클로라이드(polyvinylchloride, PVC), 폴리이미드(polyimide, PI), 폴리술폰(polysulfone, PSF), 폴리에테르술폰(polyethersilfon, PES), 폴리아크릴로니트릴(PAN) 및 폴리프로필렌(polypropylene, PP) 중 적어도 하나로 구성되는 용기 내에 상기 진동자의 진동(shake)에 의해 상기 진동자 내에 포함되는 것을 특징으로 한다.
상기 고분자 튜브는 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE), 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS), 폴리비닐클로라이드(polyvinylchloride, PVC), 폴리이미드(polyimide, PI) 및 폴리프로필렌(polypropylene, PP) 중 적어도 하나로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 진동자는 전도성 물질로 형성되고, 상기 전도성 물질은 금속, 전도성 옥사이드 물질, 전도성 폴리머 및 전도성 유기 물질 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기는, 상기 고분자 튜브, 상기 고분자 튜브 내부에 설치되어 상기 고분자 튜브의 내부에서 이동하는 진동자 및 상기 고분자 튜브의 외부에 코팅된 전극으로 구성되는 적어도 두 개 이상의 나노발전기 유닛(unit)을 포함하고, 상기 적어도 두 개 이상의 나노발전기 유닛의 각각의 전극이 서로 접촉되어 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 한다.
상기 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기는, 상기 적어도 두 개 이상의 상기 나노발전기 유닛이 상기 고분자 튜브의 길이 방향으로 연결되는 것을 특징으로 한다.
상기 진동자는 원기둥(cylinder) 형태 및 구(sphere) 형태 중 적어도 하나의 형태를 포함할 수 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예들의 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기에 따르면 광대역 진폭의 진동에너지를 효율적으로 수집하고 높은 전기 출력을 달성하기 위해 선택적 통합이 가능하다.
또한, 본 발명의 일 실시예들의 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기에 따르면 1 차원, 2 차원 및 3 차원 구조로 사용자 임의대로 편리하게 구조를 변형하기 용이하고, 전극쌍의 개수 또한 자유롭게 변경할 수 있어 광대역 진폭의 진동에서 에너지를 효율적으로 수집할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예들의 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기에 따르면 높은 휴대성, 낮은 비용, 간단한 공정 방법, 높은 통합성 및 다양한 종류의 역학에너지를 저장할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예들의 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기에 따르면 신체의 움직임과 연관된 에너지, 음파에너지, 풍력에너지와 같은 다양한 종류의 에너지를 수집할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예들의 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기에 따르면 전기 발전기, 휴대형 자가 발전형 전자 기기 및 플렉서블/웨어러블 의료기기에 응용이 가능하다.
도 1 내지 도 4는 종래의 마찰 전기 나노발전기를 도시한 개략도이다.
도 5는 종래의 마찰 전기 나노발전기를 다수개 통합한 네트워크를 도식화 한 것이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 유닛의 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기를 도시한 입체도 및 단면도이다.
도 8a 내지 도 8c는 본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기의 동작을 설명하기 위해 도시한 것이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기의 제조 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기의 실제 크기와 중량을 도시한 이미지이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기의 진동자 추가 정전하 도입 공정에서, 추가 정전하 도입 공정 시간 대비 단락 전류의 값을 도시한 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기의 작동 사이클 수에 따른 피크 전압을 도시한 그래프이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기의 외부 부하 저항에 따른 피크 전력을 도시한 그래프이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기의 진동 주파수 별 동일 시간 동안의 출력 전압을 도시한 그래프이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기의 동일 시간 동안 주파수 별 전기 에너지량을 도시한 그래프이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기의 외부 습도 조건에 따른 출력 전압을 도시한 것이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 유닛의 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기를 2차원 평면 구조로 통합한 본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기 2차원 통합 구조체를 도시한 것이다.
도 18은 도 17에서 도시한 본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기 2차원 통합 구조체에 대하여 단일 유닛의 수에 따른 출력 전압을 도시한 그래프이다.
도 19는 도 17에서 도시한 본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기 2차원 통합 구조체에 대하여 단일 유닛의 수에 따른 피크 전력을 도시한 그래프이다.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 유닛의 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기를 1차원 선형 구조로 통합한 본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기 1차원 통합 구조체를 도시한 것이다.
도 21은 도 20에서 도시한 본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기 1차원 통합 구조체에 대하여 단일 유닛의 수에 따른 출력 전압을 도시한 그래프이다.
도 22는 도 20에서 도시한 본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기 1차원 통합 구조체에 대하여 단일 유닛의 수에 따른 피크 전력을 도시한 그래프이다.
도 23은 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 유닛의 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기를 3차원 입체 구조로 통합한 3차원 통합 구조체를 도시한 것이다.
도 24는 본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기 3차원 통합 구조체의 출력 전압을 도시한 그래프와, 이를 이용하여 작동시킨 발광다이오드를 도시한 것이다.
도 25는 도 23의 본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기 3차원 통합 구조체를 이용하여 220 μF의 커패시터(capacitor)를 충전 할 때의 시간에 따른 출력 전압을 도시한 그래프이다.
도 26은 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기를 도시한 것이다.
도 27은 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 마찰 전기 생성 원리를 도시한 것이다.
도 28은 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 시간당 출력 전압을 도시한 그래프이다.
도 29는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 전극쌍 수에 따른 전기 에너지 값을 도시한 그래프이다.
도 30은 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기를 통합한 개략도와 그에 따른 출력 전압을 도시한 그래프이다.
도 31은 본 발명의 다른 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기 2차원 통합 구조체에 대하여 단일 유닛의 수에 따른 피크 전력을 도시한 그래프이다.
도 32는 종래의 수직 접촉-분리 모드(vertical contact-separation mode)를 갖는 마찰 전기 나노발전기의 진동 진폭에 대한 전압 출력의 의존성을 도시한 그래프이다.
도 33은 본 발명의 다른 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기 중 두 개의 전극쌍을 갖는 마찰 전기 나노발전기의 진동 진폭에 대한 전압 출력의 의존성을 도시한 그래프이다.
도 34는 본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기 다수개와, 본 발명의 다른 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기를 통합하여 하나의 마찰 전기 나노발전기 시스템을 구성한 것을 도시하는 개략도이다.
도 35는 도 34에서 도시한 혼합형 마찰 전기 나노발전기의 진동 진폭에 대한 전압 출력의 의존성을 도시한 그래프이다.
도 5는 종래의 마찰 전기 나노발전기를 다수개 통합한 네트워크를 도식화 한 것이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 유닛의 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기를 도시한 입체도 및 단면도이다.
도 8a 내지 도 8c는 본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기의 동작을 설명하기 위해 도시한 것이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기의 제조 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기의 실제 크기와 중량을 도시한 이미지이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기의 진동자 추가 정전하 도입 공정에서, 추가 정전하 도입 공정 시간 대비 단락 전류의 값을 도시한 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기의 작동 사이클 수에 따른 피크 전압을 도시한 그래프이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기의 외부 부하 저항에 따른 피크 전력을 도시한 그래프이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기의 진동 주파수 별 동일 시간 동안의 출력 전압을 도시한 그래프이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기의 동일 시간 동안 주파수 별 전기 에너지량을 도시한 그래프이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기의 외부 습도 조건에 따른 출력 전압을 도시한 것이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 유닛의 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기를 2차원 평면 구조로 통합한 본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기 2차원 통합 구조체를 도시한 것이다.
도 18은 도 17에서 도시한 본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기 2차원 통합 구조체에 대하여 단일 유닛의 수에 따른 출력 전압을 도시한 그래프이다.
도 19는 도 17에서 도시한 본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기 2차원 통합 구조체에 대하여 단일 유닛의 수에 따른 피크 전력을 도시한 그래프이다.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 유닛의 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기를 1차원 선형 구조로 통합한 본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기 1차원 통합 구조체를 도시한 것이다.
도 21은 도 20에서 도시한 본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기 1차원 통합 구조체에 대하여 단일 유닛의 수에 따른 출력 전압을 도시한 그래프이다.
도 22는 도 20에서 도시한 본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기 1차원 통합 구조체에 대하여 단일 유닛의 수에 따른 피크 전력을 도시한 그래프이다.
도 23은 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 유닛의 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기를 3차원 입체 구조로 통합한 3차원 통합 구조체를 도시한 것이다.
도 24는 본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기 3차원 통합 구조체의 출력 전압을 도시한 그래프와, 이를 이용하여 작동시킨 발광다이오드를 도시한 것이다.
도 25는 도 23의 본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기 3차원 통합 구조체를 이용하여 220 μF의 커패시터(capacitor)를 충전 할 때의 시간에 따른 출력 전압을 도시한 그래프이다.
도 26은 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기를 도시한 것이다.
도 27은 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 마찰 전기 생성 원리를 도시한 것이다.
도 28은 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 시간당 출력 전압을 도시한 그래프이다.
도 29는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 전극쌍 수에 따른 전기 에너지 값을 도시한 그래프이다.
도 30은 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기를 통합한 개략도와 그에 따른 출력 전압을 도시한 그래프이다.
도 31은 본 발명의 다른 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기 2차원 통합 구조체에 대하여 단일 유닛의 수에 따른 피크 전력을 도시한 그래프이다.
도 32는 종래의 수직 접촉-분리 모드(vertical contact-separation mode)를 갖는 마찰 전기 나노발전기의 진동 진폭에 대한 전압 출력의 의존성을 도시한 그래프이다.
도 33은 본 발명의 다른 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기 중 두 개의 전극쌍을 갖는 마찰 전기 나노발전기의 진동 진폭에 대한 전압 출력의 의존성을 도시한 그래프이다.
도 34는 본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기 다수개와, 본 발명의 다른 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기를 통합하여 하나의 마찰 전기 나노발전기 시스템을 구성한 것을 도시하는 개략도이다.
도 35는 도 34에서 도시한 혼합형 마찰 전기 나노발전기의 진동 진폭에 대한 전압 출력의 의존성을 도시한 그래프이다.
이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 일 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본 명세서에서 사용되는 "실시예", "예", "측면", "예시" 등은 기술된 임의의 양상(aspect) 또는 설계가 다른 양상 또는 설계들보다 양호하다거나, 이점이 있는 것으로 해석되어야 하는 것은 아니다.
또한, '또는' 이라는 용어는 배타적 논리합 'exclusive or'이기보다는 포함적인 논리합 'inclusive or'를 의미한다. 즉, 달리 언급되지 않는 한 또는 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 'x가 a 또는 b를 이용한다'라는 표현은 포함적인 자연 순열들(natural inclusive permutations) 중 어느 하나를 의미한다.
또한, 본 명세서 및 청구항들에서 사용되는 단수 표현("a" 또는 "an")은, 달리 언급하지 않는 한 또는 단수 형태에 관한 것이라고 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 일반적으로 "하나 이상"을 의미하는 것으로 해석되어야 한다.
아래 설명에서 사용되는 용어는, 연관되는 기술 분야에서 일반적이고 보편적인 것으로 선택되었으나, 기술의 발달 및/또는 변화, 관례, 기술자의 선호 등에 따라 다른 용어가 있을 수 있다. 따라서, 아래 설명에서 사용되는 용어는 기술적 사상을 한정하는 것으로 이해되어서는 안 되며, 실시예들을 설명하기 위한 예시적 용어로 이해되어야 한다.
또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 설명 부분에서 상세한 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 아래 설명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가지는 의미와 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 이해되어야 한다.
한편, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성 요소들은 용어들에 의하여 한정되지 않는다. 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
또한, 막, 층, 영역, 구성 요청 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 할 때, 다른 부분의 바로 위에 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 막, 층, 영역, 구성 요소 등이 개재되어 있는 경우도 포함한다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
한편, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고, 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 일 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
이하, 본 발명의 일 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 유닛의 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기를 도시한 입체도 및 단면도이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기(600)는 고분자 튜브(610), 진동자(620) 및 전극(630, 640)을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기(600)는 외력에 응답하여 발생하는 진동자(620)의 진동 시에 진동자(620) 및 고분자 튜브(610)의 접촉에 의해 발생하는 정전기 유도(electrostatic induction)를 통하여 마찰 전기를 생성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기(600)의 고분자 튜브(610)는 내부가 비어있는 원기둥 형태이며, 원기둥 내부가 외부 환경과 차단된 밀폐된 구조를 갖는다.
고분자 튜브(610)가 외부 환경과 차단된 밀폐된 구조를 가지면, 외부 습도의 영향을 최소화 할 수 있다. 습도는 마찰 전기 나노발전기의 성능에 중요한 영향을 미치는 요소이고, 본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기(600)의 고분자 튜브(610)는 밀폐된 구조를 갖고, 외부 습도 변화에 따른 영향을 최소화할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기(600)의 성능 신뢰성을 높일 수 있다.
고분자 튜브(610)의 재료는 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE), 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS), 폴리비닐클로라이드(polyvinylchloride, PVC), 폴리이미드(polyimide, PI) 및 폴리프로필렌(polypropylene, PP) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기(600)의 진동자(620)는 고분자 튜브(610)의 내부에 설치되어 고분자 튜브(610)의 내부에서 이동한다.
예를 들어, 진동자(620)는 고분자 튜브(610) 대비 작은 직경을 가져, 고분자 튜브(610) 내부에서 자유롭게 움직일 수 있다.
실시예에 따라서는 진동자(620)는 원기둥(cylinder) 형태 및 구(sphere) 형태 중 적어도 하나의 형태를 포함할 수 있고, 금속, 전도성 옥사이드 물질, 전도성 폴리머 및 전도성 유기 물질 중 적어도 하나의 전도성 재료로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기(600)의 진동자(620)는 추가 정전하(additional static charge)를 포함하여 고분자 튜브(610)의 내부에 설치될 수 있다.
추가 정전하는 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidenefluoride, PVDF), 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE), 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS), 폴리비닐클로라이드(polyvinylchloride, PVC), 폴리이미드(polyimide, PI), 폴리술폰(polysulfone, PSF), 폴리에테르술폰(polyethersilfon, PES), 폴리아크릴로니트릴(PAN) 및 폴리프로필렌(polypropylene, PP) 중 적어도 하나로 구성되는 용기 내에 상기 진동자의 진동(shake)에 의해 상기 진동자 내에 포함될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기(600)의 진동자(620)는 고분자 튜브(610)와 서로 다른 정전기적 극성을 가질 수 있다.
도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 고분자 튜브(610)는 음의 정전기적 극성을 가질 수 있고, 진동자(620)는 양의 정전기적 극성을 가질 수 있는 것으로 도시되어 있지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기(600)의 전극(630, 640)은 고분자 튜브(610)의 외부에 코팅된다.
예를 들어, 본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기(600)의 전극은, 제1 전극(630)과 제2 전극(640)의 두 개의 전극으로 형성될 수 있고, 제1 전극(630)과 제2 전극(640)은 고분자 튜브(610)의 외부 표면에 코팅되어 형성될 수 있다.
또한, 제1 전극(630)과 제2 전극(640)은 서로 이격되어 형성될 수 있고, 제1 전극(630)과 제2 전극(640)은 하나의 전극쌍(pair-electrode)을 구성하며, 고분자 튜브(610) 내부의 진동자(620)가 이동함에 따라 제1 전극(630)과 제2 전극(640) 간에 전하 이동이 발생하게 된다. 이에 대한 내용은 후술할 도 9에서 보다 상세히 설명하도록 한다.
추가적으로, 전극쌍을 구성하는 두 개의 전극 간 간격이 클수록 상대적으로 높은 진동 진폭의 에너지를 수확하여 마찰 전기를 생성할 수 있다.
제1 전극(630)과 제2 전극(640)은 금속 재료를 포함하는 전도성 재료로 형성될 수 있다. 고분자 상에 용이하게 코팅할 수 있는 전도성 재료라면, 특별히 그 종류가 제한되지 않는다.
본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기(600)는 전극쌍을 구성하는 제1 전극(630)과 제2 전극(640)을 서로 전기적으로 연결하는 전극 연결부(650)를 더 포함할 수 있다.
전극 연결부(650)는 금속 재료를 포함하는 전도성 재료로 형성될 수 있으나, 특별히 그 종류가 제한되지 않는다.
도 8a 내지 도 8c는 본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기의 동작을 설명하기 위해 도시한 것이다.
도 8a 내지 도 8c에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기(600)는 진동자(620)의 단계적인 움직임을 통해 마찰 전기를 생성할 수 있다.
도 8a 내지 도 8c에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기 (600)의 고분자 튜브(610)는 음의 정전기적 극성을 가질 수 있고, 진동자(620)는 양의 정전기적 극성을 가질 수 있다.
도 8a를 참조하면, 고분자 튜브(610) 내부의 진동자(620)가 제1 전극(630)이 형성된 부분에 위치하고 있고, 제1 전극(630)은 양의 정전기적 극성을 갖는 진동자(620)에 대응하여 음전하가 모여있는 상태를 가질 수 있다.
또한, 제2 전극(640)은 음의 정전기적 특성을 갖는 고분자 튜브(610)에 대응하여 양전하가 모여있는 상태를 가질 수 있다.
도 8b를 참조하면, 고분자 튜브(610) 내부의 진동자(620)가 제2 전극(640)이 형성된 부분을 향하여 이동하고 있고, 양의 정전기적 특성을 갖는 진동자(620)의 이동에 따라, 제1 전극(630)에 모여있던 음전하가 전극 연결부(650)를 통하여 제2 전극(640)으로 이동할 수 있다.
도 8c를 참조하면, 고분자 튜브(610) 내부의 진동자(620)가 제2 전극(640)이 형성된 부분까지 도달하여 제2 전극(640)이 형성된 부분에 위치하고 있고, 제2 전극(640)은 양의 정전기적 극성을 갖는 진동자(620)에 대응하여 음전하가 모여있는 상태를 가질 수 있다.
전술한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기(600)는 도 8a의 진동자(620)의 위치에서 도 8c의 진동자(620)의 위치로의 단계적인 위치 변화를 통하여 마찰 전기가 생성될 수 있고, 그 역을 통해서도 마찰 전기가 생성될 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기의 제조 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기의 제조방법은 고분자 튜브를 준비하는 단계(S110), 고분자 튜브에 전극 물질을 코팅하는 단계(S120), 진동자에 추가적인 정전하를 도입하는 단계(S130) 및 고분자 튜브 내부에 진동자 배치 후 고분자 튜브를 밀폐하는 단계(S140)를 포함한다.
고분자 튜브를 준비하는 단계(S110) 는 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE), 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS), 폴리비닐클로라이드(polyvinylchloride, PVC), 폴리이미드(polyimide, PI) 및 폴리프로필렌(polypropylene, PP) 중 적어도 하나의 재료를 이용하여 내부에 빈 공간을 갖는 원통형의 튜브를 형성하는 단계일 수 있다.
원통형의 튜브 구조의 양쪽 평면부는 고분자가 형성되지 않고 열려 있는 파이프(pipe) 형태일 수 있다.
고분자 튜브에 전극 물질을 코팅하는 단계(S120)는 고분자 튜브의 표면에 서로 이격된 제1 전극과 제2 전극을 코팅하는 단계일 수 있다.
전극 물질은 전술한 바와 같이 금속 재료를 포함하는 전도성 재료로 형성될 수 있으며, 전극 물질의 코팅 공정은 고분자 상에 용이하게 전도성 물질을 코팅할 수 있는 공정이라면 특별히 그 종류가 제한되지 않는다.
진동자에 추가 정전하를 도입하는 단계(S130)는 원기둥(cylinder) 형태 및 구(sphere) 형태 중 적어도 하나의 형태를 갖는 전도성 진동자를 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidenefluoride, PVDF), 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE), 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS), 폴리비닐클로라이드(polyvinylchloride, PVC), 폴리이미드(polyimide, PI), 폴리술폰(polysulfone, PSF), 폴리에테르술폰(polyethersilfon, PES), 폴리아크릴로니트릴(PAN) 및 폴리프로필렌(polypropylene, PP) 중 적어도 하나를 포함하는 용기 내에 넣은 후 상기 용기를 진동시켜 진동자 표면에 추가적인 정전하를 도입하는 단계일 수 있다.
진동자에 추가 정전하를 도입하는 단계(S130)는 진동자에 복잡한 공정 없이 용이하게 진동자 표면에 추가 정전하를 도입할 수 있다.
고분자 튜브 내부에 진동자 배치 후 고분자 튜브를 밀폐하는 단계(S140)는 진동자에 추가 정전하를 도입하는 단계(S130)를 통하여 표면에 추가 정전하가 도입된 진동자를 튜브 내에 위치시키고 튜브를 밀폐하는 단계일 수 있다.
진동자를 설치한 채로 튜브를 밀폐하게 되면 전술한 바와 같이 마찰 전기 나노발전기의 성능에 중요한 영향을 미치는 외부 습도의 영향을 최소화 할 수 있게 된다.
추가적으로, 진동자에 추가적인 정전하를 도입하는 단계(S130)를 통하여 진동자 표면에 도입된 추가 정전하가 오랜 시간동안 보존이 가능하게 된다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기의 실제 크기와 중량을 도시한 이미지이다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기(600)는 23 mm의 길이 및 0.7308 g의 중량을 가질 수 있다.
마찰 전기 나노발전기는 일상생활에서 끊임없이 발생되는 작은 진동에 의한 에너지를 효과적으로 수집하는데 그 의의가 있고, 이를 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기(600)는 작은 크기와 가벼운 무게를 모두 구현하였다.
또한, 후술할 다수의 마찰 전기 나노발전기(600)를 통합할 때에도 작은 크기와 가벼운 무게가 통합의 용이성을 제공할 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기의 추가 정전하를 도입하는 공정 시간에 대비한 단락 전류의 값을 도시한 그래프이다.
도 11을 참조하면, 진동자(620)에 추가 정전하를 도입할 경우, 공정 시간 0초 내지 60초의 구간에서는 공정 시간이 증가할수록 단락 전류의 값 또한 증가하는 모습을 보이다가, 공정 시간이 120초가 되면 오히려 단락 전류의 값이 소폭 감소하는 것을 확인할 수 있다.
도 11에 도시된 바와 같이, 60초의 추가적인 정전하 도입 공정만으로 충분한 추가적인 정전하가 도입되어 본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기의 특성을 높일 수 있다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기의 동작 사이클 수에 따른 피크 전압을 도시한 그래프이다.
도 12를 참조하면, 도 10의 본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기를 제작 후 최초 100사이클(cycle) 동안 일정한 피크 전압 값을 갖는 것을 확인할 수 있다.
그 후, 본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기를 3개월 동안 10,000사이클 이상을 작동시켰을 경우에도, 제작 직후의 피크 전압 값과 거의 동일한 피크 전압 값을 가지는 것을 확인할 수 있다.
이는, 본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기의 높은 내구성을 보여준다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기의 외부 부하 저항에 따른 피크 전력을 도시한 그래프이다.
도 13을 참조하면, 도 13에 도시된 피크 전력은 5.0 Hz의 진동 주파수 조건에서 측정된 것으로, 도 10의 본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기는 7.5 MΩ의 외부 부하 저항에서 약 2.6 μW의 최대 피크 전력에 도달하는 것을 확인할 수 있다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기의 진동 주파수 별 동일 시간 동안의 출력 전압을 도시한 그래프이다.
도 14를 참조하면, 도 14의 출력 전압은 7.5 MΩ의 외부 부하 저항 조건에서 측정된 것으로, 도 10의 본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기는 진동 주파수가 증가함에 따라 출력 전압이 증가하는 것을 확인할 수 있다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기의 동일 시간 동안 주파수 별 전기 에너지량을 도시한 그래프이다.
도 15를 참조하면, 도 10의 본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기의 동일 시간 동안 전기 에너지량은 진동 주파수가 높을수록 높게 측정된 것을 확인할 수 있다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기의 외부 습도 조건에 따른 출력 전압을 도시한 것이다.
도 16을 참조하면, 도 10의 본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기는 22% 내지 96%의 외부의 습도 조건에 영향을 받지 않고 일정한 출력 전압을 생성하는 것을 확인할 수 있다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 유닛의 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기를 2차원 평면 구조로 통합한 본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기의 2차원 통합 구조체를 도시한 것이다.
도 17을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기(600)의 2차원 통합 구조체는 전술한 바 있는 고분자 튜브, 고분자 튜브 내부에 설치되어 고분자 튜브의 내부에서 이동하는 진동자 및 고분자 튜브의 외부에 코팅된 전극으로 구성되는 적어도 두 개 이상의 나노발전기 유닛을 포함한다. 또한, 상기 적어도 두 개 이상의 상기 나노발전기 유닛의 각각의 전극이 서로 접촉되어 전기적으로 연결된다.
두 개의 전극이 외부에 노출되어 있는 구조를 갖는 본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기(600) 다수개를 서로 전극이 맞닿도록 배치하는 것 만으로 전기적으로 병렬 연결이 가능하게 된다.
2차원 통합 구조체는 본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기(600)가 단순한 구조를 가지므로 사용자의 필요에 따라 용이하게 결합 하거나 분해할 수 있다.
도 18은 도 17에서 도시한 본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기의 2차원 통합 구조체에 대하여 나노발전기 유닛의 수에 따른 출력 전압을 도시한 그래프이다.
도 18을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기의 2차원 통합 구조체를 구성하는 나노발전기 유닛의 수가 증가할수록 2차원 통합 구조체의 출력 전압 또한 비례하여 증가하는 것을 확인할 수 있다.
도 19는 도 17에서 도시한 본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기의 2차원 통합 구조체에 대하여 나노발전기 유닛의 수에 따른 피크 전력을 도시한 그래프이다.
도 19를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기의 2차원 통합 구조체를 구성하는 나노발전기 유닛의 수가 증가할수록 통합 구조체의 피크 전력은 지수함수적으로(exponentially) 증가하는 것을 확인할 수 있다.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 유닛의 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기를 1차원 선형 구조로 통합한 본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기의 1차원 통합 구조체를 도시한 것이다.
도 20을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기의 1차원 통합 구조체는, 나노발전기 유닛이(600)이 직렬 연결 방향으로 연결되는 것을 확인할 수 있다.
도 17의 본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기 2차원 통합 구조체는 구조적으로는 직렬 연결 방향으로 연결되지만, 전기적으로는 병렬 연결되어 있는 것을 확인할 수 있다.
도 21은 도 20에서 도시한 본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기의 1차원 통합 구조체에 대하여 나노발전기 유닛의 수에 따른 출력 전압을 도시한 그래프이다.
도 21을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기의 1차원 통합 구조체를 구성하는 나노발전기 유닛의 수가 증가할수록 통합 구조체의 출력 전압 또한 비례하여 증가하는 것을 확인할 수 있다.
도 22는 도 20에서 도시한 본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기의 1차원 통합 구조체에 대하여 나노발전기 유닛의 수에 따른 피크 전력을 도시한 그래프이다.
도 22를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기의 1차원 통합 구조체를 구성하는 나노발전기 유닛의 수가 증가할수록 통합 구조체의 피크 전력은 지수함수적으로(exponentially) 증가하는 것을 확인할 수 있다.
도 23은 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 유닛의 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기를 3차원 입체 구조로 통합한 3차원 통합 구조체를 도시한 것이다.
도 23을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기의 3차원 통합 구조체는, 도 17에서 도시한 본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기의 2차원 통합 구조체와 도 20에서 도시한 본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기의 1차원 통합 구조체를 통합하여 3차원 입체 구조를 형성한 것을 알 수 있다.
도 24는 본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기의 3차원 통합 구조체의 출력 전압을 도시한 그래프와, 이를 이용하여 작동시킨 발광다이오드를 도시한 것이다.
도 25는 도 23의 본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기의 3차원 통합 구조체를 이용하여 220 μF의 커패시터(capacitor)를 충전 할 때의 시간에 따른 출력 전압을 도시한 그래프이다.
사용자의 손목에 도 24에서 도시한 본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기 3차원 통합 구조체를 착용 후 달리기(running) 운동 시, 커패시터는 7분 후에 1.45 V로 충전되고, 2.3 ⅹ 10-4 J의 전기 에너지를 수확할 수 있었다.
도 26은 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기를 도시한 것이다.
도 26을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기(700)는 고분자 튜브(710), 진동자(720), 제1 전극(730), 제2 전극(740) 및 제1 전극(730)과 제2 전극(740)을 연결하는 전극 연결부(750)를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기(700)는, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기와 유사한 구조를 가지고 있지만, 고분자 튜브(710)의 길이가 더 길고 전극의 개수가 2개를 초과하여 2개 이상의 전극쌍이 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기(700)의 전극은 전술한 제1 전극(730)과 제2 전극(740)에 더하여 추가적인 전극이 형성될 수 있으며, 추가적인 전극의 수는 제한되지 않는다.
전술한 바와 같이, 도 6에서 설명한 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기(600)와, 도 26에서 설명한 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기(700)는 전극의 개수에 차이가 있고, 전극의 개수가 늘어남에 따라 전극쌍 또한 늘어나는 차이점이 있다.
도 27은 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 마찰 전기 생성 원리를 도시한 것이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기(700)의 기본적인 마찰 전기 생성 원리는, 도 9에서 설명한 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기(600)의 마찰 전기 생성 원리와 동일하므로, 도 9의 설명을 참조하도록 한다.
다만, 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기(700)는 진동자(720)가 한 쌍의 전극쌍을 지나간 후 초기 위치로 돌아오는 것이 아닌, 진행 방향 상에 배치된 또 다른 전극쌍에서 추가적으로 마찰 전기를 생성할 수 있는 점에서 차이가 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기(700)는 여러 간격의 전극쌍을 구성할 수 있기 때문에, 전극쌍의 전극간 간격에 의한 서로 다른 진동 진폭의 에너지 수확을 용이하게 할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기 (700)의 연속적인 마찰 전기 생성은 후술할 도 28의 그래프에서 더욱 상세히 설명하도록 한다.
도 28은 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 시간당 출력 전압을 도시한 그래프이다.
도 28의 그래프 중 좌측 하단의 확대 그래프를 참조하면, 진동자가 각 전극쌍을 지나갈 때 마다 출력 전압이 형성되는 것을 확인할 수 있고, 각각의 전극쌍은 단독으로 작동하는 것을 알 수 있다.
또한, 도 28의 그래프 중 우측 하단의 확대 그래프는 진동자가 초기 위치로 돌아올 때의 출력 전압을 확대한 그래프로서, 시간을 기준으로 마지막 전극쌍부터 최초의 전극쌍까지 차례대로 출력 전압이 형성되는 것을 확인할 수 있다.
도 29는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기의 전극쌍 수에 따른 전기 에너지 값을 도시한 그래프이다.
도 29를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기는 전극쌍의 수가 증가할수록 전기 에너지 값 또한 비례하여 증가하는 것을 확인할 수 있다.
도 30은 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기를 통합한 개략도와 그에 따른 출력 전압을 도시한 그래프이다.
도 30을 참조하면 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기 2차원 통합 구조와 같은 형태로 통합될 수 있고, 출력 전압 역시 통합되는 유닛 수에 비례하여 증가하는 것을 확인할 수 있다.
도 31은 본 발명의 다른 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기 2차원 통합 구조체에 대하여 단일 유닛의 수에 따른 피크 전력을 도시한 그래프이다.
도 31을 참조하면, 통합 구조체를 구성하는 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기의 유닛 수가 증가할수록 통합 구조체의 피크 전력은 지수함수적으로(exponentially) 증가하는 것을 확인할 수 있다.
도 32는 종래의 수직 접촉-분리 모드(vertical contact-separation mode)를 갖는 마찰 전기 나노발전기의 진동 진폭에 대한 전압 출력의 의존성을 도시한 그래프이다.
도 32를 참조하면, 접촉부 간의 간격이 좁아질수록, 즉 진동 진폭이 작아질수록 출력 전압이 급격하게 낮아져서 1 cm 이내의 접촉부 간 간격을 갖는 경우, 출력 전압이 거의 발생되지 않는 것을 확인할 수 있다.
도 33은 본 발명의 다른 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기 중 두 개의 전극쌍을 갖는 마찰 전기 나노발전기의 진동 진폭에 대한 전압 출력의 의존성을 도시한 그래프이다.
도 33을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기는 진동 진폭이 작아지더라도, 각각의 전극쌍의 간격 조절에 의하여 작은 진동 진폭 또한 효율적으로 수확할 수 있는 것을 확인할 수 있다.
도 34는 본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기 다수개와, 본 발명의 다른 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기를 통합하여 하나의 마찰 전기 나노발전기 시스템을 구성한 것을 도시하는 개략도이다.
도 34를 참조하면, 본 발명의 일 실시예 및 다른 실시예에 따른 마찰 전기 나노발전기를 혼합하여 하나의 시스템, 즉 혼합형 마찰 전기 나노발전기로 구성할 수 있는 것을 확인할 수 있다.
도 35는 도 34에서 도시한 혼합형 마찰 전기 나노발전기의 진동 진폭에 대한 전압 출력의 의존성을 도시한 그래프이다.
도 35를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기와, 본 발명의 다른 실시예에 따른 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기가 서로 다른 진동 진폭에서도 유효한 출력 전압을 생성하는 것을 확인할 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시 예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
100,200,300,400,510: 종래의 마찰 전기 나노발전기
110,210,310,330,410,430: 구조체
120,220,320,420: 제1 표면 130,230,340,440: 제2 표면
500: 종래의 마찰 전기 나노발전기 통합체
520: 전기적 네트워크
600,700: 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기
610,710: 고분자 튜브 620,720: 진동자
630,730: 제1 전극 640,740: 제2 전극
650,750: 전극 연결부
110,210,310,330,410,430: 구조체
120,220,320,420: 제1 표면 130,230,340,440: 제2 표면
500: 종래의 마찰 전기 나노발전기 통합체
520: 전기적 네트워크
600,700: 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기
610,710: 고분자 튜브 620,720: 진동자
630,730: 제1 전극 640,740: 제2 전극
650,750: 전극 연결부
Claims (12)
- 고분자 튜브;
상기 고분자 튜브의 내부에 설치되어 상기 고분자 튜브의 내부에서 이동하는 진동자; 및
상기 고분자 튜브의 외부에 코팅된 전극
을 포함하고,
상기 고분자 튜브는 외부와 차단되어 밀폐된 구조이며,
상기 전극은 상기 고분자 튜브의 외부에 적어도 한 쌍(pair) 이상의 전극쌍(pair-electrode)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기.
- 제1항에 있어서,
상기 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기는,
외력에 응답하여 발생하는 상기 진동자의 진동 시에 상기 진동자 및 상기 고분자 튜브의 접촉에 의해 발생하는 정전기 유도(electrostatic induction)를 통하여 마찰 전기를 생성하는 것을 특징으로 하는 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기.
- 제1항 또는 제3항에 있어서,
상기 전극쌍을 구성하는 두 개의 전극 간 간격이 클수록 높은 진동 진폭을 갖는 마찰 전기를 생성하는 것을 특징으로 하는 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기.
- 제1항에 있어서,
상기 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기는,
상기 전극쌍을 구성하는 상기 전극을 전기적으로 연결하는 전극 연결부
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기.
- 제1항에 있어서,
상기 진동자는 상기 고분자 튜브 대비 작은 직경을 가지고, 상기 진동자가 상기 고분자 튜브 내에서 움직이는 것을 특징으로 하는 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기.
- 제1항에 있어서,
상기 진동자는 추가 정전하(additional static charge)를 포함하여 상기 고분자 튜브의 내부에 설치되는 것을 특징으로 하는 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기.
- 제3항에 있어서,
상기 추가 정전하는 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidenefluoride, PVDF), 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE), 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS), 폴리비닐클로라이드(polyvinylchloride, PVC), 폴리이미드(polyimide, PI), 폴리술폰(polysulfone, PSF), 폴리에테르술폰(polyethersilfon, PES), 폴리아크릴로니트릴(PAN) 및 폴리프로필렌(polypropylene, PP) 중 적어도 하나로 구성되는 용기 내에 상기 진동자의 진동(shake)에 의해 상기 진동자 내에 포함되는 것을 특징으로 하는 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 고분자 튜브는 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE), 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS), 폴리비닐클로라이드(polyvinylchloride, PVC), 폴리이미드(polyimide, PI) 및 폴리프로필렌(polypropylene, PP) 중 적어도 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기.
- 제1항에 있어서,
상기 진동자는 전도성 물질로 형성되고,
상기 전도성 물질은 금속, 전도성 옥사이드 물질, 전도성 폴리머 및 전도성 유기 물질 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기.
- 제1항에 있어서,
상기 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기는,
상기 고분자 튜브, 상기 고분자 튜브 내부에 설치되어 상기 고분자 튜브의 내부에서 이동하는 진동자 및 상기 고분자 튜브의 외부에 코팅된 전극으로 구성되는 적어도 두 개 이상의 나노발전기 유닛(unit)을 포함하고,
상기 적어도 두 개 이상의 나노발전기 유닛의 각각의 전극이 서로 접촉되어 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기.
- 제10항에 있어서,
상기 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기는,
상기 적어도 두 개 이상의 상기 나노발전기 유닛이 상기 고분자 튜브의 길이 방향으로 연결되는 것을 특징으로 하는 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기.
- 제1항에 있어서,
상기 진동자는 원기둥(cylinder) 형태 및 구(sphere) 형태 중 적어도 하나의 형태를 포함할 수 있는 것을 특징으로 하는 캡슐 구조의 마찰 전기 나노발전기.
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| KR20180029759 | 2018-03-14 | ||
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112461291A (zh) * | 2020-11-11 | 2021-03-09 | 大连海事大学 | 一种模块化拼接式自供能装置及海洋生物传感器系统 |
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| "Surface-charge engineering for high-performance triboelectric nanogenerator based on identical electrification materials", Xiao YanWei, Nano Energy 10 (2014.09.11.)* * |
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|---|---|---|---|---|
| CN112461291A (zh) * | 2020-11-11 | 2021-03-09 | 大连海事大学 | 一种模块化拼接式自供能装置及海洋生物传感器系统 |
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