KR20200137288A - 출력 전달 효율성을 높이는 마찰전기 발전 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 출력 전달 효율성을 높이는 마찰전기 발전 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 출력 전달 효율성을 높이는 마찰전기 발전 장치는 하우징 및 하우징에 배치되어 마찰에 의해 양전하 및 음전하의 이동에 따라 + 위치극 및 -위치극이 배치되는 발전 소자를 포함하고, 발전 소자의 + 위치극 및 - 위치극은 상호 반발력에 의한 에너지 손실을 최소화하기 위해 평면상에서 기설정 각도의 이격을 두고 배치되고, 각 전송로와 연결되는 것을 특징으로 한다.

Description

출력 전달 효율성을 높이는 마찰전기 발전 장치{TRIBOELECTRIC GENERATOR FOR INCREASING EFFICIENCY OF DELIVERING POWER}

본 발명은 출력 전달 효율성을 높이는 마찰전기 발전 장치에 관한 것이다.

종래 기술에 따른 에너지 하베스팅 발전 플랫폼에서 마찰 진동방식의 나노 제너레이터들은 형상은 상이하지만, 구조는 다층, 수직 구조의 발전 방식을 제안하고 있는데, 전자의 전위차로 인한 이동속도가 전자의 진동 속도보다 상대적으로 느리게 되어, 발생된 에너지 전달이 늦춰지게 되어 전체 발생 전력의 손실이 발생되는 문제점이 있다.

또한, 종래 기술에 따르면 발전량에 비해 좁은 전송로에 의해, 전달 효율성이 낮은 문제점이 있다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 수직 다층 나노 소자가 적용된 마찰전기 발전 장치의 발전 소자 전극의 위치와 개수를 최적화함에 따라, 발전 출력 전달의 효율성을 높이는 것이 가능한 마찰전기 발전 장치를 제안하는데 그 목적이 있다.

본 발명에 따른 출력 전달 효율성을 높이는 마찰전기 발전 장치는 하우징 및 하우징에 배치되어 마찰에 의해 양전하 및 음전하의 이동에 따라 + 위치극 및 -위치극이 배치되는 발전 소자를 포함하고, 발전 소자의 + 위치극 및 - 위치극은 상호 반발력에 의한 에너지 손실을 최소화하기 위해 평면상에서 기설정 각도의 이격을 두고 배치되고, 각 전송로와 연결되는 것을 특징으로 한다.

+ 위치극 및 - 위치극이 1쌍인 경우, 상호 간에 180도 이격되어 배치된다.

발전 소자의 지름 및 발전 에너지의 총합이 기설정 조건을 만족하는 경우, + 위치극 및 - 위치극의 개수가 증가되어 배치되고, 기설정 조건은 [수학식 1]에 따라, 발전 소자의 지름(l)이 기설정 길이(5cm) 이상이고, 발전 에너지의 총합이 1층 발전 소자에 의한 발전 에너지의 기설정 배수(2배) 이상인 것을 특징으로 한다.

[수학식 1]

(Te: 발전플랫폼의 전체 에너지, t: 발전소자, e: 발전 에너지, l: 발전 소자의 지름)

복수 개의 상기 +위치극 및 -위치극 중, 가장 인접한 상이한 위치극 간의 간격은 90도 이상 이격된다.

전송로는 발전 소자의 지름(l)이 기설정 길이(3cm) 이상인 경우, 발전 소자의 층의 개수에 비례하여 구비되며, [수학식 2]에 따라 기설정된 개수의 상기 발전 소자의 +위치극 및 -위치극과 각각 연결되는 것을 특징으로 한다.

[수학식 2]

(p: 하나의 전송로에 연결되는 발전 소자 층의 개수, l: 발전 소자의 지름, n: 발전 소자 층의 개수)

본 발명에 따르면, 수직 다층 나노 발전소자의 발전량에 따른 +극, -극의 위치와 개수를 최적화함으로써, 2층 이상의 수직 계열에 TENG(Triboelectric Nanogenerator)의 발전량을 향상시키는 것이 가능한 효과가 있다.

본 발명에 따르면, 수직 다층 나노 발전소자의 면적, 레이어(layer) 수, 전력 발전량에 따른 전극 위치를 최적화함으로써, 발전 소자의 최대 발전량을 변환하고 소스 장치에 원활히 전달하는 것이 가능한 효과가 있다.

본 발명에 따르면, 4층 이상의 수직 계열의 마찰기반 발전 장치의 발전 출력을 기존 대비 30% 이상 향상시키는 효과가 있다.

본 발명의 효과는 이상에서 언급한 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1및 도 2는 종래 기술에 따른 수직 다층 나노 발전소자를 이용한 발전 장치 및 +극, -극의 위치를 도시한다.
도 3은 종래 기술에 따른 수직 다층 나노 발전 소자를 이용한 발전 장치의 배선을 도시한다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 마찰전기 발전 장치의 +극, -극의 배치를 도시한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 마찰전기 발전 장치의 +극, -극의 위치와 발전 소자의 직경을 도시한다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 마찰전기 발전 장치의 수직 마찰 소자 간의 연결 및 배선을 도시한다.

본 발명의 전술한 목적 및 그 이외의 목적과 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.

그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 이하의 실시예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 목적, 구성 및 효과를 용이하게 알려주기 위해 제공되는 것일 뿐으로서, 본 발명의 권리범위는 청구항의 기재에 의해 정의된다.

한편, 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 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자가 하나 이상의 다른 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가됨을 배제하지 않는다.

이하에서는, 당업자의 이해를 돕기 위하여 본 발명이 제안된 배경에 대하여 먼저 서술하고, 본 발명의 실시예에 대하여 서술하기로 한다.

모션 에너지를 포집하여 전기를 생산하는 나노 발전 기술이 제안되었으며, 마찰전기 나노 발전기(TENG, Tribioelectric Generator)라 명명된 기술은 신체의 움직임에 의한 진동, 마찰, 파장 에너지를 가용에너지로 전환시킨다.

종래 기술에 따른 임플란트, 에너지 하베스팅 발전 플랫폼의 발전소자는 발전소자는 양전하(+)와 음전하(-)로 구성되며, 2개의 층에서 마찰 전류로 인한 전하간의 충돌로 인한 교환이 발생됨에 따라 발전에너지가 발생된다.

이러한 발전소자들을 다층, 수직으로 배열하게 되면 1개 층(layer)의 경우보다 발전 에너지가 증가하게 되는데, 2층의 경우 1.8배, 3층의 경우 평균 2.4배, 4층의 경우에는 3배 등으로, 정비례 증가가 이루어지지 않으며, 8층의 경우 약 6배 정도의 등비례 출력으로 발전량 증가가 크게 감소한다.

이러한 현상을 야기시키는 원인은 2가지로 파악되는데, 첫번째 원인으로는 각층에서 고주파, 마찰로 인한 발생에너지인 전자의 진동속도는 빛의 이동 속도에 도달하는 반면, 전자의 전위차로 인한 이동속도는 그보다 상대적으로 느리기 때문이다.

이러한 전하의 충격과 이동에 따라 지속적으로 에너지가 발생된다는 장점도 있으나, 발생된 에너지의 전달이 상대적으로 늦춰지게 되며, 이는 전체 발생 전력의 손실로 이어진다.

두 번째 원인은 전송로에 관한 것인데, 마찰 소재의 발달로 인해 과거보다 단위면적당 발생에너지가 크게 증가하게 되어, 이를 전달하는 전송로가 좁아지게 되는 것이 그 원인이다.

최근 1, 2년전의 관련 논문을 참조하면, 나노 발전소자는 1층 또는 1층에 다층판을 붙이는 형태로 구성되며, 발생 에너지는 +, -로 가닥을 통해 전달할 수 있을 정도의 전압 200~400V및 수십nA수준의 전류로, 발전량이 낮았다.

하지만, 전압는 큰 변화가 없는 반면 전류가 10uA 내외로 증가함에 따라, +, -를 통한 전달의 효율성이 낮아지게 된 것이다.

종래 기술에 따르면 기준전위(0V)를 기준으로 +, -로 접지하여 연결하게 되는데, 이는 전위 전달 범위가 좁아 전하 이동속도에 영향을 주고, 발전량에 비해 낮은 수준의 연결로 인해 출력 전달의 손실이 발생되는 문제점이 있다.

도 1및 도 2는 종래 기술에 따른 수직 다층 나노 발전소자를 이용한 발전 장치 및 +, -의 위치극(3, 4)을 도시한다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 종래 기술에 따른 수직 다층 나노 발전소자를 이용한 발전 장치는 하우징(1) 및 산화막이 깔려있는 발전 소자(2)를 포함하고, 두 개의 판이 충돌함에 따라, 양전하 및 음전하가 마찰에 의해 다수 이동하게 되는데, 이 때 양전하 및 음전하는 특정 방향으로 이동하게 된다.

음전하가 많은 곳은 양전하를 밀어내며 -전위로 바뀌고, 양전하가 많은 곳은 음전하를 밀어내며 +전위로 바뀌게 된다.

이러한 전하의 변화에서 +전위와 -전위가 상호 가까운 곳에 있을 경우, 반발력에 의해 상호 밀어내면서, 발생되는 에너지의 손실로 이어지게 된다.

도 3은 종래 기술에 따른 수직 다층 나노 발전 소자를 이용한 발전 장치의 배선을 도시한다.

도 3을 참조하면, 4층 이상의 소자 일 때, 각 위치극을 연결하는 배선을 도시하는데, 이는 비유하자면 고속도로 4차선이 필요한 상황에서 1차선의 배선만을 만들어(5: +극 전송로, 6: -극 전송로), 전력이 1개의 차선(전송로)으로만 흘러가므로, 전송로는 저항처럼 작용하게 되고 발생 전력의 손실로 이어지게 된다.

개별 발생 마찰 소자 층마다 전송로를 만들어 전력을 전달하는 경우에는 내구성 문제로 성능이 저하되고, 도 3에 도시한 바와 같이 전송로의 개수가 적은 경우 효율성이 감소되는 문제점이 있다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 다층 나노 발전소자의 구조적 연결 구조를 제안하여, 인체 임플란트 기반의 에너지 하베스팅 소자의 에너지 수집 효율을 늘리는 것이 가능한 마찰전기 발전 장치를 제공한다.

본 발명에 따르면, 전술한 2가지 문제점에 따른 발생 전력의 손실을 줄이고, 전자 에너지를 보다 빠르게 전달하는 것이 가능한 효과가 있다.

도 4 및 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 마찰전기 발전 장치의 +극, -극의 배치를 도시한다.

전하의 변화에서 +전위와 -전위가 상호 가깝게 위치하는 경우, 상호 반발력에 의해 밀어내면서, 발생되는 에너지의 손실이 발생되는 바, 본 발명의 실시예에 따르면 이러한 손실을 최소화하기 위해, 도 4에 도시한 바와 같이, 하우징(10) 내 발전 소자(20)에 대한 + 위치극(30) 및 - 위치극(40)은 상호 180도 이격되어 배치되며, 이 경우 발전 출력은 도 2 대비, 30% 향상됨을 확인할 수 있다.

도 5는 복수의 극(30a, 30b: +위치극, 40a, 40b: -위치극)이 필요한 경우를 도시하는 것으로, 본 발명의 실시예에 따르면 전술한 반발력에 의한 에너지 손실을 방지하기 위해, 위치극 상호간의 간격을 최소 90도보다 큰 간격으로 배치하여 높은 전력을 확보한다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 마찰전기 발전 장치의 +극, -극의 위치와 발전 소자의 직경(l)을 도시한다.

이는 도 5를 참조하여 전술한 바와 같이, + 위치극과 -위치극이 다수가 되는 경우(30a, 30b: +위치극, 40a, 40b: -위치극)이다.

아래 수학식 1과 같이, 발전 소자(20, t)의 지름(l)이 기설정 길이(예: 5cm) 이상이고, 수직 마찰 발전 소자에 의한 발전 에너지(e)의 총합이 1층 소자의 기설정 배수(예: 2배)이상이 될 때부터, 다수의 +위치극 및 -위치극이 증가하도록 배치한다.

이는 발전 소자가 도 5에 도시한 수평방향으로 그 크기가 커지는 경우(즉, 지름이 기설정 길이 이상인 경우), 다수의 + 및 - 위치극이 배치되는 것이다.

(Te: 발전플랫폼의 전체 에너지, t: 발전소자, e: 발전 에너지, l: 발전 소자의 지름)

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 마찰전기 발전 장치의 수직 마찰 소자 간의 연결 및 배선을 도시한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 종래 기술의 문제점(개별 발생 마찰 소자 층마다 전송로를 만들어 전달하는 경우 내구성 문제로 성능이 저하됨, 전송로의 개수가 적은 경우 효율성이 감소됨)을 해결하기 위해, 도 6을 참조한 설명에서 수학식 1을 만족하는 조건과 더불어, 아래 수학식 2에 따라, 층의 개수에 따른 전송로(50a, 50b: +극 전송로, 60a, 60b: -극 전송로)의 개수(p)를 다음과 같이 제안하며, 하나의 전송로에 연결되는 수직 마찰 소자의 개수를 정의한다.

이러한 전송로의 개수는 수직으로 배열되는 발전 소자의 지름이 기설정된 길이(예: 30mm)보다 클 경우에만 해당된다.

즉, 도 7에 도시한 바와 같이, 마찰 소자 층의 개수가 4인 경우, 하나의 전송로에 해당하는 소자 층의 개수는 2가 되며, +극 전송로(50a, 50b) 2개, -극 전송로(60a, 60b) 2개가 연결된다.

마찰 소자 층의 개수가 6인 경우에는, [수학식 2]에 따라, +극 전송로와 -극 전송로는 각각 3개가 연결된다.

본 발명의 실시예에 따르면, 수직 다층 나노소자의 최대 발전 출력 전달을 위한 전극의 위치 및 개수를 최적화한다.

이 때, 전극의 위치는 +위치극과 -위치극이 1쌍으로 구비되는 경우 상호 180도 이격되고, 발전 소자의 지름 및 그에 따른 발전 에너지의 총합이 기설정 조건을 만족하는 경우 +위치극 및 -위치극의 개수를 복수 개 구비하는 것으로 정의하여, 상호 반발력에 따른 전력 손실을 최소화하는 효과가 있다.

또한, 전술한 기설정 조건과 더불어, 하나의 전송로에 연결되는 마찰 소자 층의 개수를 최적화하여, 전송로에 의한 에너지 손실을 최소화하는 효과가 있다.

이제까지 본 발명의 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 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.

Claims (6)

1. 하우징; 및
   상기 하우징에 배치되어 마찰에 의해 양전하 및 음전하의 이동에 따라 + 위치극 및 -위치극이 배치되는 발전 소자를 포함하고,
   상기 발전 소자의 + 위치극 및 - 위치극은 상호 반발력에 의한 에너지 손실을 최소화하기 위해 평면상에서 기설정 각도의 이격을 두고 배치되고, 각 전송로와 연결되며, 1쌍의 상기 + 위치극 및 - 위치극은 상호 간의 180도 이격을 두어 배치되는 것
   을 특징으로 하는 출력 전달 효율성을 높이는 마찰전기 발전 장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 발전 소자의 지름 및 발전 에너지의 총합이 기설정 조건을 만족하는 경우, 상기 + 위치극 및 - 위치극의 개수가 증가되어 배치되는 것
   을 특징으로 하는 출력 전달 효율성을 높이는 마찰전기 발전 장치.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 기설정 조건은 [수학식 1]에 따라,
   [수학식 1]
   

   

   
   (Te: 발전플랫폼의 전체 에너지, t: 발전소자, e: 발전 에너지, l: 발전 소자의 지름)
   상기 발전 소자의 지름이 기설정 길이 이상이고, 발전 에너지의 총합이 1층 발전 소자에 의한 발전 에너지의 기설정 배수 이상인 것
   인 출력 전달 효율성을 높이는 마찰전기 발전 장치.
   
4. 제2항에 있어서,
   상기 + 위치극 및 - 위치극의 개수가 증가되어 배치되는 경우, 복수 개의 상기 +위치극 및 -위치극 중, 가장 인접한 상이한 위치극 간의 간격은 90도 이상 이격되는 것
   인 출력 전달 효율성을 높이는 마찰전기 발전 장치.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 전송로는 수직 배열되는 상기 발전 소자의 지름이 기설정 길이 이상인 경우, 상기 발전 소자의 층의 개수에 비례하여 구비되는 것
   인 출력 전달 효율성을 높이는 마찰전기 발전 장치.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 전송로는 [수학식 2]에 따라 기설정된 개수의 상기 발전 소자의 +위치극 및 -위치극과 각각 연결되는 것
   [수학식 2]
   

   

   
   (p: 하나의 전송로에 연결되는 발전 소자 층의 개수, l: 발전 소자의 지름, n: 발전 소자 층의 개수)
   인 출력 전달 효율성을 높이는 마찰전기 발전 장치.

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