KR20200005297A - Wrist-wearable type energy harvester and fabricating method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 에너지 하베스터 기술에 관한 것이다.The present invention relates to energy harvester technology.
스마트 착용형 기기는 IoT 산업의 영역을 확대하고 있으며, 손목에 착용할 수 있는 스마트 밴드와 시계는 신체 혹은 건강을 모니터링하는 IoT 기기의 가장 일반적인 예로 삼을 수 있다. 하지만, 이러한 모든 스마트 기기는 교체 가능하거나 충전 가능한 배터리가 필요하다. 이러한 배터리를 사용하는 데에는 배터리의 수명 제한, 교체의 불편함, 환경 위해요소, 배터리의 크기, 유지 비용 소모 등의 단점이 있다.Smart wearable devices are expanding the reach of the IoT industry, and smart bands and watches that can be worn on the wrist are the most common examples of IoT devices that monitor the body or health. However, all these smart devices need replaceable or rechargeable batteries. The use of such a battery has disadvantages such as limited life of the battery, inconvenience of replacement, environmental hazards, size of the battery, and cost of maintenance.
따라서, 착용형 전자기기의 배터리 의존도를 줄이기 위해서는 IoT 기기 혹은 헬스케어 모니터링 센서 등의 전력 공급을 위한 현실적으로 유용하고 효율적인 착용형 에너지 하베스터가 필수적이다.Therefore, in order to reduce the battery dependency of the wearable electronic device, a practically useful and efficient wearable energy harvester for power supply of an IoT device or a healthcare monitoring sensor is essential.
일 실시 예에 따라, 사용자의 손목에 착용하여 가볍고 저렴하며 조작하기 용이하고, 인체의 자연스러운 스윙 동작을 통해 인체의 생체학적 역학 에너지를 전기 에너지로 변환하는 자체 구동을 통해 전자기기에 전원을 공급할 수 있는 손목 착용형 에너지 하베스터 및 그 제조방법을 제안한다.According to an embodiment of the present disclosure, the electronic device may be powered by an electronic device through a self-driving device that is light, inexpensive, and easy to operate, and converts the body's biomechanical energy into electrical energy through a natural swinging motion of the human body. We propose a wrist wearable energy harvester and a method of manufacturing the same.
일 실시 예에 따른 손목 착용형 에너지 하베스터는, 속이 빈 곡선 튜브의 적어도 일부를 구성하는 본체와, 곡선 튜브의 내부에서 이동하는 자석과, 본체의 외부에 형성되며 본체 내 자석의 이동에 따라 대전되는 금속 전극과, 금속 전극의 외부에 형성되거나 금속 전극과 이격을 두고 본체의 외부에 형성되며 본체 내 자석의 이동에 따라 전류가 유도되는 코일과, 본체와 결합하여 곡선 튜브를 구성하는 하우징을 포함하고, 본체와 자석 및 금속 전극으로 마찰전기 발전기를 구성하며, 본체와 자석 및 코일로 전자기 발전기를 구성한다.Wrist-worn energy harvester according to an embodiment, the main body constituting at least a portion of the hollow curved tube, a magnet moving in the interior of the curved tube, and formed on the outside of the main body is charged in accordance with the movement of the magnet in the body A metal electrode, a coil formed on the outside of the metal electrode or spaced apart from the metal electrode, and formed on the outside of the main body and inducing current according to the movement of the magnet in the main body, and a housing constituting the curved tube in combination with the main body; The main body, the magnet and the metal electrode constitute a triboelectric generator, and the main body, the magnet and the coil constitute an electromagnetic generator.
손목 착용형 에너지 하베스터는 이동 중에 사람의 팔을 휘두르는 스윙동작에 의한 저주파수의 생체 역학적 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있다.Wrist-worn energy harvesters can convert low-frequency biomechanical energy into electrical energy by swinging a person's arm while moving.
자석은 곡선 튜브 내에서 자유롭게 롤링하는 구형의 마그네틱 볼이고, 마찰전기 발전기는 본체 내의 자석의 롤링에 의한 금속 전극의 접촉 대전 및 정전기 유도에 기반하여 마찰전기 에너지를 생성하며, 전자기 발전기는 본체 내의 자석의 롤링에 의한 코일의 전자기 유도에 기반하여 전자기 에너지를 생성할 수 있다.The magnet is a spherical magnetic ball that freely rolls in a curved tube, the triboelectric generator generates triboelectric energy based on the contact charging and electrostatic induction of the metal electrode by the rolling of the magnet in the body, and the electromagnetic generator generates the magnet in the body Electromagnetic energy may be generated based on electromagnetic induction of the coil by rolling of.
본체는 마찰대전물질로 구성될 수 있다. 본체는 본체 내부에 마찰대전물질로 구성된 폴리머 박막(polymer thin film)이 삽입되어, 본체의 마찰대전물질과 내부에 삽입된 폴리머 박막으로 구성된 복합 마찰대전 층을 형성할 수 있다. 폴리머 박막은 자석과 본체 간의 유효접촉면적을 증가시키기 위해 폴리머 박막의 표면에 나노 구조를 가질 수 있다. 본체는 3D 프린팅 방식, 사출 방식, 압출 방식 중 어느 하나를 통해 제조될 수 있다.The body may be composed of a triboelectric charge material. The main body may have a polymer thin film composed of a triboelectric charge material inserted into the main body to form a composite triboelectric charge layer composed of the triboelectric charge material of the main body and the polymer thin film inserted therein. The polymer thin film may have a nanostructure on the surface of the polymer thin film to increase the effective contact area between the magnet and the body. The body may be manufactured through any one of a 3D printing method, an injection method, and an extrusion method.
금속 전극은 본체의 외부에 깍지낀 형태로 다수 개가 쌍을 이루어 형성되는 다중 링 형태를 가질 수 있다. 코일은 하우징으로부터 개방된 본체의 양끝 단에 위치할 수 있다. 손목 착용형 에너지 하베스터는 자속을 집중시키기 위해 코일과 본체 사이에 형성되는 페라이트 박막을 더 포함할 수 있다.The metal electrode may have a multi-ring shape in which a plurality of metal electrodes are formed in pairs in the shape of the outer surface of the main body. The coil may be located at both ends of the body open from the housing. The wrist worn energy harvester may further include a ferrite thin film formed between the coil and the body to focus the magnetic flux.
다른 실시 예에 따른 손목 착용형 에너지 하베스터 제조방법은, 속이 빈 곡선 튜브의 적어도 일부를 구성하는 본체를 구성하는 단계와, 본체에 자석을 삽입하는 단계와, 본체의 외부에 금속 전극을 형성하는 단계와, 금속 전극의 외부 또는 금속 전극과 이격을 두고 본체의 외부에 코일을 형성하는 단계와, 본체와 하우징을 결합하여 곡선 튜브를 조립하는 단계를 포함한다.According to another embodiment of the present invention, a method for manufacturing a wrist-worn energy harvester includes: constructing a main body constituting at least a portion of a hollow curved tube, inserting a magnet into the main body, and forming a metal electrode outside the main body. And forming a coil outside the metal electrode or spaced apart from the metal electrode, and assembling a curved tube by combining the body and the housing.
본체를 구성하는 단계는, 3D 프린팅 방식을 통해 구성할 수 있다. 손목 착용형 에너지 하베스터 제조방법은, 본체 내부에 마찰대전물질로 구성된 폴리머 박막을 삽입하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이때, 자석과 본체 간의 유효접촉면적을 증가시키기 위해 폴리머 박막의 표면에 나노 구조를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.The step of configuring the main body can be configured through a 3D printing method. The wrist wearable energy harvester manufacturing method may further include inserting a polymer thin film made of a triboelectric charge material into the body. In this case, the method may further include forming a nanostructure on the surface of the polymer thin film to increase the effective contact area between the magnet and the main body.
일 실시 예에 따른 손목 착용형 에너지 하베스터는 가볍고 저렴하며 조작하기 용이하다. 사람의 손목에 착용하여 이동 중에 사람의 팔을 휘두르는 동작을 통해 전기 에너지를 발생하므로 사람의 자연스런 동작을 통해 수집된 생체 역학적 에너지를 전기 에너지로 전환할 수 있다. 또한, 전자기와 마찰전기 등과 같은 에너지 생성방식을 혼합한 하이브리드 구조를 가짐에 따라 한 번의 스윙 동작으로부터 더 많은 전기 에너지를 생산할 수 있다.Wrist wearable energy harvester according to an embodiment is light, inexpensive and easy to operate. Electric energy is generated by swinging a person's arm while moving on the wrist and converting the biomechanical energy collected through a person's natural motion into electrical energy. In addition, by having a hybrid structure in which energy generation methods such as electromagnetic and triboelectricity are mixed, more electric energy can be produced from one swing operation.
나아가, 손목 착용형 에너지 하베스터를 통해 출력되는 전기 에너지는 보행 속도에 비례하는데, 정상 속도로 걷는 것과 같은 저주파에서도 탁월한 성능을 발휘한다. 또한, 비틀림과 같은 다른 팔 동작으로부터 에너지를 수집하여 부하를 구동할 수 있는 충분한 전력을 공급할 수 있다.Furthermore, the electrical energy output through the wrist-worn energy harvester is proportional to the walking speed, which is excellent even at low frequencies such as walking at a normal speed. It can also collect energy from other arm movements, such as torsion, to provide sufficient power to drive the load.
일 실시 예에 따른 손목 착용형 에너지 하베스터는 3D 프린팅 재료가 에너지 하베스팅 재료로 사용되기 때문에 3D 프린팅 기술로 완벽한 착용형 에너지 하베스터를 제조할 수 있다. 또한, 운동 중에 착용자의 손목과 함께 에너지 하베스터를 흔들 필요가 있으므로, 몸의 신진 대사를 제외하고는 스윙 팔에 외부 에너지가 필요하지 않다는 것을 확인하기 위해 경량이고 편안함이 요구된다. 따라서, 소형 디자인 및 경량 재료의 능력은 3D 프린팅 에너지 하베스터의 실현 가능성을 향상시키는 데 도움이 된다. 3D 프린팅 기술은 쉽고, 시간을 절약하고, 비용 효과적이고, 위험이 적고, 지속 가능한 완벽한 착용형 에너지 하베스터 제조를 위한 유망한 방법이 될 수 있다.The wrist wearable energy harvester according to an embodiment may manufacture a perfect wearable energy harvester using 3D printing technology because the 3D printing material is used as the energy harvesting material. In addition, since the energy harvester needs to be shaken with the wearer's wrist during exercise, lightweight and comfort are required to ensure that no external energy is required in the swinging arm except for the body's metabolism. Thus, the compact design and the ability of lightweight materials help to improve the feasibility of 3D printing energy harvesters. 3D printing technology can be a promising way to make a complete wearable energy harvester that is easy, time-saving, cost effective, low risk, and sustainable.
나아가, 신체 착용형 에너지 하베스터는 자체 구동을 통해 신체 착용형 IoT 장치 및 건강 모니터링 센서 등의 전자기기에 전원을 공급할 수 있다. 예를 들어, 사람의 걷고 뛰는 동안 사람의 손목의 자연 스윙 동작을 전기로 변환하여 상업적으로 사용 가능한 전자기기에 전원을 공급할 수 있다.Furthermore, the wearable energy harvester may power electronic devices such as a wearable IoT device and a health monitoring sensor through self-driving. For example, a person's wrist's natural swing movement can be converted into electricity while walking and running to power commercially available electronics.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 손목 착용형 에너지 하베스터의 개념을 도시한 도면,
도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 손목 착용형 에너지 하베스터의 외관을 도시한 도면,
도 3은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 손목 착용형 에너지 하베스터의 외관을 도시한 도면,
도 4는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 손목 착용형 에너지 하베스터의 제조 프로세스를 설명하기 위한 도면,
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 본체 내부에 부착되는 마찰대전물질의 나노구조를 도시한 도면,
도 6은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 손목 착용형 에너지 하베스터의 분해 모습을 도시한 도면이다.1 is a view showing the concept of a wrist worn energy harvester according to an embodiment of the present invention,
2 is a view illustrating an appearance of a wrist worn energy harvester according to a first embodiment of the present invention;
3 is a view illustrating an appearance of a wrist worn energy harvester according to a second embodiment of the present invention;
4 is a view for explaining a manufacturing process of the wrist-worn energy harvester according to the first embodiment of the present invention,
5 is a view showing a nanostructure of the triboelectric charge material attached to the inside of the main body according to an embodiment of the present invention,
6 is an exploded view of a wrist worn energy harvester according to a second embodiment of the present invention.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.Advantages and features of the present invention, and methods for achieving them will be apparent with reference to the embodiments described below in detail in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but may be implemented in various forms, and only the embodiments of the present invention make the disclosure of the present invention complete and the general knowledge in the technical field to which the present invention belongs. It is provided to fully convey the scope of the invention to those skilled in the art, and the present invention is defined only by the scope of the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout.
본 발명의 실시 예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이며, 후술되는 용어들은 본 발명의 실시 예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.In describing the embodiments of the present disclosure, when it is determined that a detailed description of a known function or configuration may unnecessarily obscure the subject matter of the present disclosure, the detailed description thereof will be omitted, and the following terms are used in the embodiments of the present disclosure. Terms are defined in consideration of the function of the may vary depending on the user or operator's intention or custom. Therefore, the definition should be made based on the contents throughout the specification.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세하게 설명한다. 그러나 다음에 예시하는 본 발명의 실시 예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시 예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시 예는 이 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공된다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, embodiments of the present invention illustrated in the following may be modified in many different forms, the scope of the present invention is not limited to the embodiments described in the following. Embodiments of the present invention are provided to more fully explain the present invention to those skilled in the art.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 손목 착용형 에너지 하베스터(이하, '에너지 하베스터'라 칭함)의 개념을 도시한 도면이다.1 is a view showing the concept of a wrist-worn energy harvester (hereinafter, referred to as "energy harvester") according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 일 실시 예에 따른 에너지 하베스터(1)는 사용자의 손목에 착용 가능하다. 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이 인체의 손목에 착용할 수 있는 곡선 튜브(curved tube) 형태의 팔찌이다. 이때, 에너지 하베스터(1)는 이동 중에 사용자가 손목을 흔드는 스윙 동작을 통해 생체 역학적 에너지를 획득하고, 획득된 생체 역학적 에너지를 전기 에너지로 전환 시킬 수 있다. 에너지 하베스터(1)는 자체 구동을 통해 신체 착용형 IoT 장치 및 건강 모니터링 센서 등과 같은 전자기기에 전원을 공급할 수 있다. 신체 착용형 IoT 장치의 예로는 착용식 스마트 밴드, 스마트 시계 등이 있고, 건강 모니터링 센서의 예로는 심박 센서 등이 있다. 에너지 하베스터(1)를 손목에 착용하여 스마트 밴드 혹은 스마트 시계에 응용할 수 있다. 이러한 신체 착용형 에너지 하베스터를 동작시키기 위한 에너지원으로는 평소에는 낭비되는 인체의 움직임으로부터 나오는 인체 에너지가 적합하다. 따라서, 생체 역학적 에너지를 사용 가능한 전기 에너지로 변환시킬 수 있는 에너지 하베스터(1)를 제안한다.Referring to FIG. 1, the
인체의 움직임에서는 상당한 에너지가 발생하지만 실제 적용시 기기 형태와 크기가 문제가 되기 때문에 이러한 방식으로 에너지를 수확하는 방식은 꽤 도전성이 있다. 더욱이 걷기와 달리기와 같은 자연스러운 인체의 움직임은 5Hz 미만의 저주파 대역에서 발생하기 때문에 에너지 하베스터 또한 유사한 주파수 대역에서 출력전력을 생산해 낼 수 있어야 한다. 일 실시 예에 따른 에너지 하베스터(1)는 높은 전력을 생산하기 어려운 환경에서 높은 출력을 이끌어내기 위해, 두 가지 이상의 기술을 합친 하이브리드 방식을 통해 에너지를 수확한다. 예를 들어, 전자기(electromagnetic) 및 마찰전기(triboelectric) 방식을 혼합한다. 이러한 에너지 수확 기술에서 전자기와 마찰전기 방식은 간단한 구조와 고성능의 장점을 가진다. 그러나 하이브리드 방식은 전자기 및 마찰전기에 국한되지는 않는다.Significant energy is generated by the movement of the human body, but the method of harvesting energy in this manner is quite conductive because the device shape and size are a problem in actual application. Moreover, since natural human movements such as walking and running occur in the low frequency band below 5 Hz, energy harvesters also need to be able to produce output power in similar frequency bands. The energy harvester 1 according to an embodiment harvests energy through a hybrid method in which two or more technologies are combined to derive high power in an environment in which it is difficult to produce high power. For example, electromagnetic and triboelectric schemes are mixed. In this energy harvesting technique, electromagnetic and triboelectric methods have the advantages of simple structure and high performance. But hybrids are not limited to electromagnetic and triboelectric.
일 실시 예에 따른 에너지 하베스터(1)는 신체에 착용 가능한 곡선형이고, 전자기와 마찰전기, 두 가지의 에너지 생산방식을 혼합했다는 점에서, 곡선형 착용형 하이브리드 전자기-마찰전기 나노 발전기(curve-shaped wearable hybridized electromagnetic-triboelectric nanogenerator: WHEM-TENG)로 칭할 수 있다. 에너지 하베스터(1)는 인체의 움직임에 의해 구동되는 완전히 밀폐된 경량의 저주파 에너지 수확기로 작동한다. 이를 위해, 에너지 하베스터(1)는 속이 빈(hollow) 곡선 튜브 형태이고, 곡선 튜브 내에서 자석이 이동한다. 자석은 곡선 튜브 내에서 자유롭게 구르는(rolling) 구형(spherical shape)의 마그네틱 볼(magnetic ball)일 수 있다. 에너지 하베스터(1)는 이동 중에 사람의 팔을 휘두르는 동작과, 마그네틱 볼의 자립형 롤링 모드를 통합한다. 에너지 하베스터(1)를 통한 출력 전기 에너지는 보행 속도에 비례하는데, 정상 속도로 걷는 것과 같은 저주파에서도 탁월한 성능을 발휘한다. 또한, 비틀림과 같은 다른 팔 동작으로부터 에너지를 수집하여 부하를 구동할 수 있는 충분한 전력을 공급할 수 있다. 이하, 후술되는 도면들을 참조로 하여 에너지 하베스터(1)의 실시 예들에 대해 구체적으로 설명한다.The
도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 에너지 하베스터의 외관을 도시한 도면이다.2 is a diagram illustrating an appearance of an energy harvester according to a first embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 에너지 하베스터(1)는 본체(10), 금속 전극(12), 코일(13) 및 하우징(14)을 포함하는 곡선 튜브 형태이며, 곡선 튜브 내부에서 이동하는 자석을 포함한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 일 실시 예에 따른 에너지 하베스터(1)는 곡선 튜브를 수직으로 각각 절단한 형태인 본체(10)와 하우징(14)을 결합하여 조립한 형태이다. 곡선 튜브의 반쪽인 본체(10)를 에너지 하베스터 용도로 사용하고, 곡선 튜브의 나머지 반쪽은 하우징(14)으로 사용한다. 반쪽 형태의 본체(10)와 반쪽 형태의 하우징(14)을 수평으로 결합하는 형태로 조립하여 곡선 튜브를 완성한다.Referring to FIG. 2, the
본체(10)는 속이 빈 구부러진 관 형태의 곡선 튜브의 적어도 일부를 구성한다. 본체(10)의 내부에서는 자석이 자유 이동한다. 자석은 구형의 마그네틱 볼일 수 있으며, NdFeB를 포함한 영구자석일 수 있다. 이하, 자석과 마그네틱 볼을 혼용하여 그 용어를 사용할 수 있다. 마그네틱 볼은 본체(10) 내부에서 진동 방식으로 움직인다. 이때, 마그네틱 볼과 본체(10) 사이에 마찰을 최소화하는 굴곡진 본체(10)를 통해 마그네틱 볼을 구른다.The
금속 전극(12)은 본체(10)의 외부에 형성되며, 본체(10) 내 자석의 이동에 따라 대전된다. 코일(13)은 금속 전극(12)의 외부에 형성되거나 금속 전극(12)과 이격을 두고 본체(10)의 외부에 형성되며, 본체(10) 내 자석의 이동에 따라 전류가 유도된다.The
일 실시 예에 따른 에너지 하베스터(1)는 전자기 발전기(electromagnetic generator: EMG, 이하 'EMG'라 칭함)와 마찰전기 발전기(triboelectric nanogenerator: TENG, 이하 'TENG'라 칭함)가 혼합된 구조이다. EMG는 곡선 튜브의 일부를 구성하는 본체(10)와, 본체(10) 내부에서 이동하는 자석과, 본체(10)의 외부에 감겨진 코일(13)로 구성된다. TENG는 EMG와 마찬가지로 곡선 튜브의 일부를 구성하는 본체(10)와, 본체(10)의 내부에 존재하는 자석을 포함하며, 본체(10)의 외부에 형성된 금속 전극(12)을 포함한다. 이때, 본체(10)는 마찰대전물질로 사용된다. 따라서 본체(10) 및 자석의 외부물질은 마찰대전물질로 제조될 수 있다. 또한, 본체(10) 내부에 TENG의 출력을 더욱 높이기 위한 마찰대전물질(11)이 부착될 수 있다. 마찰대전물질(11)은 예를 들어, PDMS(polydimethylsiloxane), PTFE(Polytetrafluoroethylene) 등과 같은 폴리머 박막(polymer thin film)이다. 마찰대전물질(11)은 후술되는 도 5에 도시된 바와 같이 나노구조를 가질 수 있다.The
본체(10)와 하우징(14)을 결합한 곡선 튜브는 TENG를 위한 마찰대전물질로 사용될 수 있는데, 예를 들어, 곡선 튜브는 ABS(acrylonitrile butadiene styrene)로 제조된 ABS 튜브이다. 본체(10)는 3D 프린팅 방식, 사출방식, 압출방식 등으로 제조될 수 있다. 특히, 3D 프린팅 방식의 경우, 제조 공정을 기존의 방법보다 빠르고, 쉽고 비용 효율적으로 만든다. 3D 프린팅 재료는 TENG를 위한 마찰대전물질로 사용될 수 있다.The curved tube combining the
3D 프린팅 재료가 에너지 하베스팅 재료로 사용되기 때문에 3D 프린팅 기술로 완벽한 착용형 에너지 하베스터를 제조할 수 있다. 또한, 운동 중에 착용자의 손목과 함께 에너지 하베스터(1)를 흔들 필요가 있으므로, 몸의 신진 대사를 제외하고는 스윙 팔에 외부 에너지가 필요하지 않다는 것을 확인하기 위해 경량이고 편안함이 요구된다. 따라서, 소형 디자인 및 경량 재료의 능력은 3D 프린팅 에너지 하베스터의 실현 가능성을 향상시키는 데 도움이 된다. 3D 프린팅 기술은 쉽고, 시간을 절약하고, 비용 효과적이고, 위험이 적고, 지속 가능한 완벽한 착용형 에너지 하베스터(1) 제조를 위한 유망한 방법이 될 수 있다.Since 3D printing materials are used as energy harvesting materials, 3D printing technology can produce a complete wearable energy harvester. In addition, since the
일 실시 예에 따른 금속 전극(12)은 본체(10)의 외부에 깍지 낀(interdigitated) 형태로 소정의 간격을 가지고 다수 개가 쌍을 이루어 형성되는 다중 링 형태를 가진다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 깍지 낀 형태의 2쌍(총 4개)으로 이루어진다. 금속 전극(12)으로 사용되는 금속은 알루미늄(Al), 금(Au) 등이 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The
일 실시 예에 따른 코일(13)은 도 2에 도시된 바와 같이, 에너지 하베스터(1)의 본체(10)의 양쪽 단 부(corner)에 직렬로 연결된다. 코일(13)은 구리(Cu)로 제조될 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 실험에 의해 코일(13)의 수는 2개일 때 최적의 출력을 생성할 수 있고, 코일(13)의 위치는 본체(10)의 양쪽 단 부(corner)에 형성되도록 하여 중력으로 인한 팔의 스윙 속도 및 가속에 의해 자석의 속도를 최대화할 수 있다. 이를 위해, 2개의 코일(13)을 직렬로 연결하여 하우징(14)으로부터 개방된 본체(10)의 양쪽 끝에 감싼다.As shown in FIG. 2, the
도 2를 참조하면, EMG는 속이 빈 곡선 튜브의 일부를 구성하는 본체(10)와, 본체(10) 내에서 이동하는 구형의 마그네틱 볼을 포함하며, 두 개의 코일(13)을 직렬로 연결하여 본체(10)의 양쪽 끝에 감싼다. 유사하게, TENG는 마찰대전물질로서의 본체(10)와 마그네틱 볼 및 본체(10) 둘레에 감싸진 다중 링 형태의 금속 전극(12)으로 구성된다. 자석이 본체(10)를 따라 굴러 갈 때, 연속적인 깍지 낀 형태의 금속 전극(12) 사이에 교류 전류가 생성된다. 동시에, 마그네틱 볼이 본체(10) 둘레에 감겨진 코일(13)을 가로지르면 전류가 유도된다. TENG는 단일전극 기반 구조로 설계되었으므로, 움직이는 마그네틱 볼은 전기접촉이 필요하지 않으며 금속 전극(12)을 소정의 간격으로 본체(10)에 감쌀 수 있으므로 장치 설계 및 제작이 간단해진다.Referring to FIG. 2, the EMG includes a
도 3은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 에너지 하베스터의 외관을 도시한 도면이다.3 is a view illustrating an appearance of an energy harvester according to a second embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 에너지 하베스터(1)는 도 2의 에너지 하베스터(1)와 비교할 때, 곡선 튜브 형태의 본체와, 본체를 수용하는 곡선 튜브 형태의 하우징(14)으로 구성되어, 곡선 튜브 전체를 에너지 하베스터 용도로 사용한다. 도 3에서는 하우징(14) 내부의 본체를 보이기 위해 하우징(14)의 상부를 없애고 도시하였음을 유의한다. 도 3의 에너지 하베스터(1)는 2쌍의 금속 전극(12)과 4개의 코일(13)로 이루어진다.Referring to FIG. 3, the
도 4는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 에너지 하베스터의 제조 프로세스를 설명하기 위한 도면이다.4 is a view for explaining a manufacturing process of the energy harvester according to the first embodiment of the present invention.
도 2 및 도 4를 참조하면, 에너지 하베스터(1)는 본체(10), 본체(10)의 내부의 마찰대전물질(11), 본체(10)의 외측 일부분에 부착된 금속 전극(12), 금속 전극(12)의 외부를 감싸거나 금속 전극(12)과 이격을 두고 본체(10)의 외부를 감싸는 코일(13), 본체(10)와 결합하는 곡선 형태의 하우징(14)을 포함한다.2 and 4, the
에너지 하베스터(1)를 제조하기 위해, 우선, 속이 빈 곡선 튜브의 일부를 구성하는 본체(10)를 구성한다(410). 본체(10)는 마찰대전물질, 예를 들어 ABS를 가지고 제조될 수 있다. 본체(10)는 3차원 프린팅(3D printing) 방식으로 제조될 수 있다.In order to manufacture the
이어서, 본체(10) 내부에 마찰대전물질(11)을 삽입한다(420). 이때, 마찰대전물질(11)은 PTFE 폴리머일 수 있으며, 이 경우, ABS로 제조된 본체(10)는 PTFE 폴리머와 결합하여 복합 PTFE-ABS 마찰대전 층(composite PTFE-ABS triboelectric layer)을 형성한다. 복합 PTFE-ABS 마찰대전 층을 형성하기 위해, ABS 튜브를 축을 따라 두 부분으로 대칭적으로 절단하고, 에칭된 PTFE 필름을 양면 전도성 테이프를 사용하여 ABS 튜브의 내벽에 부착할 수 있다.Subsequently, the
PTFE 폴리머의 표면은 나노구조로 구성될 수 있다. 이 경우, 나노구조의 얇은 PTFE 박막을 ABS 튜브의 내벽에 부착하여 복합 PTFE-ABS 마찰대전 층을 형성한다. 나노구조는 복합 PTFE-ABS 마찰대전 층과 자석 사이의 전자 친화성의 차이를 증가시킴으로써 TENG의 출력전력 성능을 향상시킨다. 이를 위해, PTFE 필름의 표면을 나노구조로 추가 가공하게 된다. 예를 들어, PTFE 표면 위에 마스크로 증착하고, 유도 결합 플라즈마 반응성 식각(inductive coupled plasma reactive ion etching: ICP-RIE)을 수행하여 PTFE 막 표면에 나노구조를 형성한다. PTFE 필름을 식각함에 따라 나노구조의 균일한 분포를 얻을 수 있다.The surface of the PTFE polymer may be composed of nanostructures. In this case, a thin PTFE thin film of nanostructure is attached to the inner wall of the ABS tube to form a composite PTFE-ABS triboelectric charge layer. The nanostructure enhances TENG's output power performance by increasing the electron affinity difference between the composite PTFE-ABS triboelectric layer and the magnet. To this end, the surface of the PTFE film is further processed into nanostructures. For example, a mask is deposited on a PTFE surface and inductively coupled plasma reactive ion etching (ICP-RIE) is performed to form nanostructures on the PTFE film surface. As the PTFE film is etched, a uniform distribution of the nanostructures can be obtained.
이어서, 본체(10)의 복합 PTFE-ABS 마찰대전 층의 내부에 자석을 삽입한다. 자석은 마그네틱 볼일 수 있고, 마그네틱 볼의 외부가 마찰대전물질로 코팅될 수 있다. 그리고 본체(10)의 외부 일부분에 TENG에서 발생하는 전력을 수확하기 위한 금속 전극을 배치한다(430). 예를 들어, 링 모양의 4개의 Al 박막을 일정한 간격으로 복합 PTFE-ABS 마찰대전 층에 감음에 따라, 본체(10) 외부에 깍지낀 형태의 금속 전극을 형성한다.Next, a magnet is inserted into the composite PTFE-ABS triboelectric charge layer of the
이어서, 본체(10)의 외측 일부분에 EMG를 위한 코일(13)을 배치한다(440). 예를 들어, 2개의 구리 코일을 고정된 간격으로 본체(10)의 복합 PTFE-ABS 마찰대전 층의 둘레에 감싼다. 이때, 절연 층이 금속 전극(12)과 코일(13) 사이에 배치될 수 있다. 이어서, 본체(10)와 하우징(14)을 결합하여 곡선 튜브를 조립한다(450).Subsequently, the
이하, 전술한 프로세스에 의해 제조된 에너지 하베스터(1)의 동작 메커니즘을 설명한다. 본체(10) 내부에서의 마그네틱 볼의 롤링은 볼의 속도에 비례하는 코일(13)에 전압을 유도한다. 마그네틱 볼이 더 높은 속도로 움직일 때, 코일(13)은 더 빠른 속도로 자기장 라인을 양분하여 유도된 EMF를 증가시킨다. 또한, 동일한 롤링 마그네틱 볼의 작용은 TENG를 활성화 시키며, 그 작동 원리는 롤링 접촉 대전 및 정전유도(rolling contact electrification and electrostatic induction)를 기반으로 하며, 결과적으로 깍지 낀 형태의 금속 전극(12)을 통해 전하를 전달한다.The operation mechanism of the
마그네틱 볼과 복합 PTFE-ABS 마찰대전 층에는 마그네틱 볼의 초기 위치에서 두 구성 요소가 모두 접촉할 때 양전하 및 음전하가 각각 표시된다. 복합 PTFE-ABS 마찰대전 층과 마그네틱 볼 사이의 마찰전기 극성의 차이가 크기 때문에, 복합 PTFE-ABS 마찰대전 층에는 마그네틱 볼에서 전자를 끌어당기고 음전하를 띄게 되고, 마그네틱 볼은 전자의 손실로 인해 등가적으로 양전하를 띄게 된다. 금속 전극(12) 위의 복합 PTFE-ABS 마찰대전 층 상의 양으로 대전 된 마그네틱 볼의 롤링은 전하 평형을 유지하기 위해 2개의 연속된 금속 전극(12) 사이에서 전하의 흐름을 초래한다. 결과적으로, 다수의 깍지낀 형태의 금속 전극(12) 위로 마그네틱 볼을 구르는 것은 외부 회로에 대한 마찰전기 출력으로서 교류를 생성한다.The magnetic ball and the composite PTFE-ABS triboelectric layer show positive and negative charges, respectively, when both components are in contact at the initial position of the magnetic ball. Due to the large difference in triboelectric polarity between the composite PTFE-ABS triboelectric layer and the magnetic ball, the composite PTFE-ABS triboelectric layer attracts electrons from the magnetic ball and becomes negatively charged. Positively charged. Rolling of the positively charged magnetic balls on the composite PTFE-ABS triboelectric layer on the
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 본체 내부에 부착되는 마찰대전물질의 나노구조를 도시한 도면이다.5 is a view showing a nanostructure of the triboelectric charge material attached to the inside of the main body according to an embodiment of the present invention.
도 5를 참조하면, 본체 내부에 부착되는 마찰대전물질은 나노구조가 형성될 수 있다. 나노구조는 나노 와이어(nano-wire) 구조일 수 있다. 에너지 하베스터의 출력 성능의 관점에서, 현재의 3D 프린팅 기술에는 몇 가지 한계가 있다. 예를 들어, ABS로 만든 3D 프린팅 에너지 하베스터에 의해 생성된 전압은 그리 높지 않으며, PTFE와 같은 더 나은 마찰전기 출력 성능을 제공하는 재료는 현재 사용할 수 없다. 이 문제를 해결하기 위해 나노 와이어 구조의 얇은 PTFE 박막을 ABS 튜브의 내벽에 부착하여 복합 PTFE-ABS 마찰대전 층을 형성한다. 이러한 나노구조는 복합 PTFE-ABS 마찰대전 층과 자석 사이의 전자 친화성의 차이를 증가시킴으로써 나노 발전기의 출력전력 성능을 향상시킨다. 이를 위해, 도 4에 도시된 바와 같이, PTFE 필름의 표면을 나노 와이어와 같은 나노구조로 추가 가공하게 된다. 나노구조는 자석과 복합 PTFE-ABS 마찰대전 층 사이의 유효접촉면적을 증가시켜 높은 마찰전기 전하 이동을 유발한다.Referring to FIG. 5, the triboelectric charge material attached to the inside of the main body may have a nanostructure. The nanostructure may be a nano-wire structure. In terms of the output performance of energy harvesters, there are some limitations with current 3D printing techniques. For example, the voltage generated by a 3D printing energy harvester made of ABS is not very high, and materials that provide better triboelectric output performance, such as PTFE, are currently unavailable. To solve this problem, a thin PTFE thin film of nanowire structure is attached to the inner wall of ABS tube to form a composite PTFE-ABS triboelectric charge layer. This nanostructure improves the output power performance of the nanogenerator by increasing the electron affinity difference between the composite PTFE-ABS triboelectric charge layer and the magnet. To this end, as shown in FIG. 4, the surface of the PTFE film is further processed into nanostructures such as nanowires. The nanostructure increases the effective contact area between the magnet and the composite PTFE-ABS triboelectric layer, resulting in high triboelectric charge transfer.
도 6은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 에너지 하베스터의 분해 모습을 도시한 도면이다.6 is an exploded view illustrating an energy harvester according to a second embodiment of the present invention.
도 3 및 도 6을 참조하면, 에너지 하베스터(1)는 곡선 튜브 형태의 본체(10), 본체(10) 내부에 삽입되는 마찰대전물질(11), 외부가 마찰대전물질로 코팅된 구 형태의 자석(15), 본체(10) 외측의 일부분에 부착된 금속 전극(12), 본체(10) 외측 일부분에 부착된 페라이트 박막(Ferrite thin film)(16), 페라이트 박막(16)의 외측에 감겨진 코일(13), 본체(10)를 수용하는 곡선 튜브 형태의 하우징(14)을 포함한다. 도 6에서는 내부를 보이기 위해 곡선 튜브 형태의 본체(10) 및 하우징(14)의 상부를 각각 제거하고 도시하였음을 유의한다.3 and 6, the
도 6에 도시된 바와 같이 에너지 하베스터(1)는 곡선 튜브 전 부분을 에너지 하베스터 용도로 사용할 수 있다. 본체(10)와 하우징(14)은 마찰대전물질, 예를 들어 ABS를 가지고 제조될 수 있다. 이때, 3차원 프린팅(3D printing) 방식으로 제조될 수 있다. 본체(10) 내부에는 마찰대전물질(11)을 부착할 수 있다. 마찰대전물질(11)은 PTFE 폴리머일 수 있으며, 이 경우, ABS로 제조된 본체(10)는 PTFE 폴리머와 결합하여 복합 PTFE-ABS 마찰대전 층을 형성할 수 있다. PTFE 폴리머의 표면은 나노구조로 구성될 수 있다. 이 경우, 나노구조의 얇은 PTFE 박막을 ABS 튜브의 내벽에 부착하여 복합 PTFE-ABS 마찰대전 층을 형성하게 된다. 나노구조는 복합 PTFE-ABS 마찰대전 층과 자석 사이의 전자 친화성의 차이를 증가시킴으로써 나노 발전기의 출력전력 성능을 향상시킨다.As shown in FIG. 6, the
본체(10)의 복합 PTFE-ABS 마찰대전 층 내부에는 자석(15)이 삽입된다. 자석(15)은 본체(10) 내에서 롤링하는 마그네틱 볼일 수 있고, 외부가 마찰대전물질로 코팅될 수 있다. 그리고 본체(10)의 외부 일부분에 TENG에서 발생하는 전력을 수확하기 위한 금속 전극(12)이 배치된다. 예를 들어, 4개의 Al 전극을 일정한 간격으로 본체(10)의 복합 PTFE-ABS 마찰대전 층에 부착에 따라, 깍지낀 형태의 금속 전극(12)을 형성한다.The
본체(10)의 외측 일부분에 EMG를 위한 코일(13)을 배치한다. 예를 들어, 4개의 구리 코일을 고정된 간격으로 본체(10)의 복합 PTFE-ABS 마찰대전 층의 둘레에 감싼다. 이때, 절연 층이 금속 전극(12)과 코일(13) 사이에 배치될 수 있다. 코일(13)과 본체(10) 사이에는 자속(magnetic flux)를 집중시키기 위한 페라이트 박막(16)이 존재할 수 있다. 자속을 집중시키면 EMG의 출력을 향상시킬 수 있다.The
이제까지 본 발명에 대하여 그 실시 예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.So far, the present invention has been described with reference to the embodiments. Those skilled in the art will appreciate that the present invention can be implemented in a modified form without departing from the essential features of the present invention. Therefore, the disclosed embodiments should be considered in descriptive sense only and not for purposes of limitation. The scope of the present invention is shown in the claims rather than the foregoing description, and all differences within the scope will be construed as being included in the present invention.
Claims (14)
곡선 튜브의 내부에서 이동하는 자석;
본체의 외부에 형성되며, 본체 내 자석의 이동에 따라 대전되는 금속 전극;
금속 전극의 외부에 형성되거나 금속 전극과 이격을 두고 본체의 외부에 형성되며, 본체 내 자석의 이동에 따라 전류가 유도되는 코일; 및
본체와 결합하여 곡선 튜브를 구성하는 하우징; 을 포함하고,
본체와 자석 및 금속 전극으로 마찰전기 발전기를 구성하며, 본체와 자석 및 코일로 전자기 발전기를 구성하는 것을 특징으로 하는 손목 착용형 에너지 하베스터.A body constituting at least a portion of the hollow curved tube;
A magnet moving inside the curved tube;
A metal electrode formed outside the main body and charged as the magnet moves in the main body;
A coil formed on the outside of the metal electrode or spaced apart from the metal electrode, the coil being induced in accordance with the movement of the magnet in the body; And
A housing coupled to the main body to form a curved tube; Including,
A triboelectric generator comprising a body, a magnet and a metal electrode, and an electromagnetic generator comprising the body, a magnet and a coil.
이동 중에 사람의 팔을 휘두르는 스윙동작에 의한 저주파수의 생체 역학적 에너지를 전기 에너지로 변환하는 것을 특징으로 하는 손목 착용형 에너지 하베스터.The method of claim 1, wherein the wrist wearable energy harvester
Wrist-worn energy harvester, characterized by converting low-frequency biomechanical energy into electrical energy by swinging a human arm while moving.
자석은 곡선 튜브 내에서 자유롭게 롤링하는 구형의 마그네틱 볼이고,
마찰전기 발전기는 본체 내의 자석의 롤링에 의한 금속 전극의 접촉 대전 및 정전기 유도에 기반하여 마찰전기 에너지를 생성하며,
전자기 발전기는 본체 내의 자석의 롤링에 의한 코일의 전자기 유도에 기반하여 전자기 에너지를 생성하는 것을 특징으로 하는 손목 착용형 에너지 하베스터.The method of claim 1,
The magnet is a spherical magnetic ball that freely rolls in a curved tube,
The triboelectric generator generates triboelectric energy based on contact charging and electrostatic induction of the metal electrode by rolling of the magnet in the body,
The electromagnetic generator is a wrist worn energy harvester, characterized in that for generating electromagnetic energy based on the electromagnetic induction of the coil by the rolling of the magnet in the body.
마찰대전물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 손목 착용형 에너지 하베스터.The method of claim 1, wherein the body is
Wrist wearable energy harvester, characterized in that consisting of a triboelectric charge material.
본체 내부에 마찰대전물질로 구성된 폴리머 박막(polymer thin film)이 삽입되어, 본체의 마찰대전물질과 내부에 삽입된 폴리머 박막으로 구성된 복합 마찰대전 층을 형성하는 것을 특징으로 하는 손목 착용형 에너지 하베스터.The method of claim 4, wherein the body is
A wrist wearable energy harvester, characterized in that a polymer thin film composed of a triboelectric charge material is inserted into a body to form a composite triboelectric charge layer composed of a triboelectric charge material of a body and a polymer thin film inserted therein.
자석과 본체 간의 유효접촉면적을 증가시키기 위해 폴리머 박막의 표면에 나노 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 손목 착용형 에너지 하베스터.The method of claim 5, wherein the polymer thin film
Wrist wearable energy harvester, characterized in that the nano-structure on the surface of the polymer thin film to increase the effective contact area between the magnet and the body.
3D 프린팅 방식, 사출 방식, 압출 방식 중 어느 하나를 통해 제조되는 것을 특징으로 하는 손목 착용형 에너지 하베스터.The method of claim 1 wherein the body is
Wrist wearable energy harvester, characterized in that produced by any one of 3D printing method, injection method, extrusion method.
본체의 외부에 깍지낀 형태로 다수 개가 쌍을 이루어 형성되는 다중 링 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 손목 착용형 에너지 하베스터.The method of claim 1, wherein the metal electrode
Wrist-worn energy harvester, characterized in that it has a multi-ring form that is formed in pairs in the form of a pod on the outside of the main body.
하우징으로부터 개방된 본체의 양끝 단에 위치하는 것을 특징으로 하는 손목 착용형 에너지 하베스터.The coil of claim 1 wherein the coil is
Wrist-worn energy harvester, characterized in that located at both ends of the body opened from the housing.
자속을 집중시키기 위해 코일과 본체 사이에 형성되는 페라이트 박막;
을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 손목 착용형 에너지 하베스터.2. The wrist wearable energy harvester of claim 1,
A ferrite thin film formed between the coil and the main body to concentrate the magnetic flux;
Wrist wearable energy harvester, characterized in that it further comprises.
본체에 자석을 삽입하는 단계;
본체의 외부에 금속 전극을 형성하는 단계;
금속 전극의 외부 또는 금속 전극과 이격을 두고 본체의 외부에 코일을 형성하는 단계; 및
본체와 하우징을 결합하여 곡선 튜브를 조립하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 손목 착용형 에너지 하베스터 제조방법.Constructing a body constituting at least a portion of the hollow curved tube;
Inserting a magnet into the body;
Forming a metal electrode on the outside of the main body;
Forming a coil outside of the metal electrode or outside of the body at a distance from the metal electrode; And
Assembling the curved tube by combining the body and the housing;
Wrist wearable energy harvester manufacturing method comprising a.
3D 프린팅 방식을 통해 구성하는 것을 특징으로 하는 손목 착용형 에너지 하베스터 제조방법.12. The method of claim 11, wherein constructing the body
Wrist wearable energy harvester manufacturing method characterized in that configured through the 3D printing method.
본체 내부에 마찰대전물질로 구성된 폴리머 박막을 삽입하는 단계;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 손목 착용형 에너지 하베스터 제조방법.The method of claim 11, wherein the wrist wearable energy harvester manufacturing method
Inserting a polymer thin film made of a triboelectric charge material into the body;
Wrist wearable energy harvester manufacturing method characterized in that it further comprises.
자석과 본체 간의 유효접촉면적을 증가시키기 위해 폴리머 박막의 표면에 나노 구조를 형성하는 단계;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 손목 착용형 에너지 하베스터 제조방법.The method of claim 13, wherein the wrist wearable energy harvester manufacturing method
Forming a nanostructure on the surface of the polymer thin film to increase the effective contact area between the magnet and the body;
Wrist wearable energy harvester manufacturing method characterized in that it further comprises.
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E601 | Decision to refuse application |