KR20210026720A - Triboelectric nanogenerator utilizing triboelectrification and ion-enhanced field emission - Google Patents

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KR20210026720A
KR20210026720A KR1020190107914A KR20190107914A KR20210026720A KR 20210026720 A KR20210026720 A KR 20210026720A KR 1020190107914 A KR1020190107914 A KR 1020190107914A KR 20190107914 A KR20190107914 A KR 20190107914A KR 20210026720 A KR20210026720 A KR 20210026720A
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이상민
정지훈
허덕재
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중앙대학교 산학협력단
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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02NELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N1/00Electrostatic generators or motors using a solid moving electrostatic charge carrier
    • H02N1/04Friction generators

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  • Electrostatic Separation (AREA)
  • Electrostatic Charge, Transfer And Separation In Electrography (AREA)

Abstract

The present invention relates to an electrostatic device which enables energy harvesting by triboelectrification and field emission. According to the present invention, the electrostatic device which enables energy harvesting by the triboelectrification and field emission includes: a pair of electrodes spaced apart from each other to form a potential difference; an electrified body disposed between the pair of electrodes, made of a material capable of triboelectrification, and causing triboelectrification with any one of the pair of electrodes; a conductor disposed under the electrified body at a position not in contact with the other one of the pair of electrodes, and including a field emission part exposed to the outside of the electrified body to enable field emission by contact and separation with any one electrode; and an insulating layer disposed between the other electrode and the conductor.

Description

마찰대전 및 전계방출에 의한 에너지 수확을 가능하게 하는 정전 소자{Triboelectric nanogenerator utilizing triboelectrification and ion-enhanced field emission } Electrostatic device enabling energy harvesting by triboelectric charging and field emission {Triboelectric nanogenerator utilizing triboelectrification and ion-enhanced field emission}

본 발명은 마찰대전 및 전계방출에 의한 에너지 수확을 가능하게 하는 정전 소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 마찰대전 뿐만 아니라 전계방출에 의한 에너지 수확을 가능하게 하여 에너지 수확 효율을 높일 수 있도록, 구조가 개선된 마찰대전 및 전계방출에 의한 에너지 수확을 가능하게 하는 정전 소자에 관한 것이다. The present invention relates to an electrostatic device that enables energy harvesting by triboelectric charging and electric field emission, and more particularly, to enable energy harvesting by electric field emission as well as triboelectric charging, so that energy harvesting efficiency can be increased. It relates to an electrostatic device that enables energy harvesting by improved triboelectric charging and field emission.

정전 소자(triboelectric nanogenerator)는 마찰대전에 의해 에너지를 수확할 수 있게 하는 것으로, 전자기 유도 기반 발전기(electromagnetic generator)에 비해 소형, 경량 등의 장점을 가지고 있어 휴대형 전자기기에 적합성을 보이며, 에너지 하베스팅 분야에서 전 세계의 주목을 받고 있는 소자이다.Triboelectric nanogenerators allow energy to be harvested by triboelectric charging. Compared to electromagnetic induction generators, triboelectric nanogenerators have advantages such as small size and light weight, making them suitable for portable electronic devices, and energy harvesting. It is a device that is attracting worldwide attention in the field.

일반적으로 정전 소자는 두 전극 사이 표면 전하를 띄는 유전체가 존재하는 구조로 이루어지고, 공기의 항복 현상에 의한 출력 제한 등 실제 사용에 적용되기 힘든 한계점들이 시사되고 있다.In general, electrostatic devices have a structure in which a dielectric having a surface charge exists between two electrodes, and limitations that are difficult to be applied to practical use, such as limiting output due to air breakdown, have been suggested.

정전 소자의 전기적 출력을 증가시키기 위해 유전 재료를 변화시켜 표면 전하를 높이거나 마이크로/나노 구조를 통해 재료 표면적을 증가시켜 전기적 출력을 증가시키려는 노력이 계속되고 있지만, 표면 전하가 높을 경우 공기의 항복 현상에 의해 출력이 제한되는 단점이 존재한다.Efforts to increase the electrical output by changing the dielectric material to increase the surface charge or by increasing the surface area of the material through micro/nano structures in order to increase the electrical output of the electrostatic device are continuing, but the breakdown of air when the surface charge is high There is a disadvantage in that the output is limited by.

또한, 추가 부품과 회로들은 부피를 증가시킬 뿐만 아니라 높은 표면 전하로 인한 기존 회로의 손상 및 오작동을 막기 위한 특별한 패키징 솔루션을 필요로 하며 소자의 제작 단가를 증가시키므로 에너지 하베스팅의 대표적인 적용 산업으로 지목되는 휴대형 기기/독립 센서 등에 적용하기 힘든 단점이 존재한다.In addition, additional components and circuits not only increase the volume, but also require a special packaging solution to prevent damage and malfunction of existing circuits due to high surface charge, and increase the manufacturing cost of devices, making them a representative application industry for energy harvesting. There is a drawback that is difficult to apply to portable devices/independent sensors.

따라서, 부품 규격의 확대나 특별한 패키징 솔루션에 의하지 않고 기존 구조를 크게 변경시키지 않으면서도 에너지 수확 효율을 높일 수 있게 하는 정전 소자 개발이 요구되고 있는 실정이다. Therefore, there is a demand for developing electrostatic devices that can increase energy harvesting efficiency without significantly changing the existing structure without expanding the component standard or by a special packaging solution.

대한민국 등록특허공보 등록번호 제10-1398708호Republic of Korea Patent Publication Registration No. 10-1398708 일본공개특허 공표번호 제2017-518512호Japanese Published Patent Publication No. 2017-518512

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 간소한 구성에 의해서도 마찰대전 뿐만 아니라 전계방출에 의한 에너지 수확을 가능하게 하는 정전 소자를 제공하고자 하는 것이다. The present invention has been conceived to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide an electrostatic device capable of harvesting energy by electric field emission as well as frictional charging by a simple configuration.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 마찰대전 및 전계방출에 의한 에너지 수확을 가능하게 하는 정전 소자는, 전위차 형성을 위해 서로 이격된 위치에 배치되는 한 쌍의 전극들; 상기 한 쌍의 전극들 사이에 배치되고, 마찰대전이 가능한 재질로 이루어지며, 상기 한 쌍의 전극들 중 어느 하나와 마찰대전을 일으키는 대전체; 상기 대전체 하측의, 상기 한 쌍의 전극들 중 다른 하나와 접촉되지 않는 위치에 배치되고, 상기 어느 하나의 전극과의 접촉 및 분리에 의한 전계방출이 가능하도록, 상기 대전체 외부로 노출되는 전계방출부를 포함하는 도체; 및 상기 다른 하나의 전극과 도체 사이에 배치되는 절연층;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다. An electrostatic element capable of harvesting energy by frictional charging and electric field emission according to the present invention for achieving the above object comprises: a pair of electrodes disposed at positions spaced apart from each other to form a potential difference; A charger disposed between the pair of electrodes, made of a material capable of frictional charging, and causing a frictional charge with any one of the pair of electrodes; An electric field exposed to the outside of the charger so that the electric field is disposed below the charger and is not in contact with the other of the pair of electrodes, and discharges the electric field by contacting and separating the electrode A conductor comprising a discharge portion; And an insulating layer disposed between the other electrode and the conductor.

상기 대전체는, 상기 도체의 전계방출부의 외부노출을 가능하게 하는 노출공을 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다. It is preferable that the electric charge body includes an exposed hole that enables external exposure of the field emission portion of the conductor.

상기 대전체는, 상기 노출공이 형성되어 있는 제1대전부와, 상기 절연층에 해당하여 상기 제1대전부와 일체로 형성되는 제2대전부를 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.It is preferable that the charger includes a first charging portion in which the exposed hole is formed, and a second charging portion corresponding to the insulating layer and integrally formed with the first charging portion.

본 발명은, 상기 어느 하나의 전극과 마찰대전을 일으키는 상기 대전체의 대전면은, 동일 평면상에 위치한 복수의 요소들이 동시에 상기 어느 하나의 전극과 접촉될 수 있도록, 상기 노출공이 형성되어 있는 복수의 융기부들과 그 융기부들 사이사이에 형성된 단차홈부들을 포함하여 이루어질 수 있다. In the present invention, the charging surface of the charger causing frictional charging with any one electrode is a plurality of exposed holes formed so that a plurality of elements located on the same plane can be in contact with the one electrode at the same time. It may be formed by including the raised portions and stepped grooves formed between the raised portions.

상술한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 에너지 수확을 가능하게 하는 정전 소자는, 대전체와는 별개로 도체를 배치시키되 그 도체의 일부분이 대전체를 관통하여 공기 중으로 노출 및 전극과 직접 접촉되게 하여서, 마찰대전을 일으키는 기본 구성을 크게 변경시키지 않고도 마찰대전 뿐만 아니라 전계방출에 의한 에너지 수확을 가능하게 함에 따라, 간소한 구성에 의해서도 에너지 수확 효율을 향상시킬 수 있게 하는 효과를 가진다. In the electrostatic element that enables energy harvesting according to the present invention having the configuration as described above, a conductor is disposed separately from a charging body, but a part of the conductor passes through the charging body and is exposed to the air and is in direct contact with the electrode. Thus, energy harvesting by electric field emission as well as triboelectric charging is possible without significantly changing the basic configuration causing triboelectric charging, and thus energy harvesting efficiency can be improved even with a simple configuration.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 마찰대전 및 전계방출에 의한 에너지 수확을 가능하게 하는 정전 소자의 구조를 설명하기 위한 부분절개 분리사시도.
도 2는 본 발명 일실시예의 구성을 분리하여 보인 단면도.
도 3은 본 발명 일실시예에 채용된 전계방출 현상에 의한 전기적 출력 형태를 설명하기 위한 도면.
도 4는 본 발명 일실시예의 전계방출 원리를 설명하기 위한 도면.
도 5는 본 발명 일실시예의 전압 및 전류 출력 결과를 설명하기 위한 도면.
도 6은 본 발명 일실시예의 기존 정전 소자 대비 실효 출력을 비교하기 위한 도면.
도 7은 본 발명의 다른 실시예 마찰대전 및 전계방출에 의한 에너지 수확을 가능하게 하는 정전 소자의 부분절개 사시도.
1 is a partially cut-away perspective view for explaining the structure of an electrostatic element capable of harvesting energy by frictional charging and electric field emission according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a cross-sectional view showing a separate configuration of an embodiment of the present invention.
3 is a view for explaining an electrical output form by a field emission phenomenon employed in an embodiment of the present invention.
4 is a view for explaining the principle of field emission according to an embodiment of the present invention.
5 is a view for explaining the voltage and current output results according to an embodiment of the present invention.
6 is a view for comparing the effective output compared to the conventional electrostatic device according to an embodiment of the present invention.
7 is a partially cut-away perspective view of an electrostatic element enabling energy harvesting by triboelectric charging and electric field emission according to another embodiment of the present invention.

이하의 설명에서 본 발명에 대한 이해를 명확히 하기 위하여, 본 발명의 특징에 대한 공지의 기술에 대한 설명은 생략하기로 한다. 이하의 실시 예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 상세한 설명이며, 본 발명의 권리 범위를 제한하는 것이 아님은 당연할 것이다. 따라서, 본 발명과 동일한 기능을 수행하는 균등한 발명 역시 본 발명의 권리 범위에 속할 것이다.In the following description, in order to clarify an understanding of the present invention, a description of known techniques for features of the present invention will be omitted. The following embodiments are detailed descriptions to aid understanding of the present invention, and it will be natural that the scope of the present invention is not limited. Accordingly, an equivalent invention that performs the same function as the present invention will also fall within the scope of the present invention.

그리고, 이하의 설명에서 동일한 식별 기호는 동일한 구성을 의미하며, 불필요한 중복적인 설명 및 공지 기술에 대한 설명은 생략하기로 한다. 또한, 상기 발명의 배경이 되는 기술에 대한 기재 내용과 중복되는 이하의 본 발명의 각 실시예에 관한 설명 역시 생략하기로 한다.In addition, in the following description, the same identification symbols mean the same configuration, and unnecessary redundant descriptions and descriptions of known technologies will be omitted. In addition, the description of each of the embodiments of the present invention, which overlaps with the description of the technology behind the background of the present invention, will also be omitted.

이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 마찰대전 및 전계방출에 의한 에너지 수확을 가능하게 하는 정전 소자를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, an electrostatic element capable of harvesting energy by frictional charging and electric field emission according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 마찰대전 및 전계방출에 의한 에너지 수확을 가능하게 하는 정전 소자의 구조를 설명하기 위한 부분절개 분리사시도이고, 도 2는 본 발명 일실시예의 구성을 분리하여 보인 단면도이며, 도 3은 본 발명 일실시예의 전계방출 원리를 설명하기 위한 도면이며, 도 4는 본 발명 일실시예에 채용된 전계방출 현상에 의한 전기적 출력 형태를 설명하기 위한 도면이며, 도 5는 본 발명 일실시예의 전압 및 전류 출력 결과를 설명하기 위한 도면이며, 도 6은 본 발명 일실시예의 기존 정전 소자 대비 실효 출력을 비교하기 위한 도면이다. 1 is a partially cut-away perspective view for explaining the structure of an electrostatic element capable of harvesting energy by frictional charging and electric field emission according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a separate perspective view of an embodiment of the present invention. Fig. 3 is a cross-sectional view shown, and Fig. 3 is a view for explaining the principle of field emission according to an embodiment of the present invention, and Fig. 4 is a view for explaining an electrical output form by field emission phenomenon employed in an embodiment of the present invention, and Fig. 5 Is a view for explaining the voltage and current output results of an embodiment of the present invention, Figure 6 is a view for comparing the effective output compared to the conventional electrostatic element of the embodiment of the present invention.

도 1 및 도 2에 잘 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 마찰대전 및 전계방출에 의한 에너지 수확을 가능하게 하는 정전 소자(이하 '정전 소자'라 함)는, 마찰대전을 일으키는 구조를 활용하여 마찰대전 뿐만 아니라 전계방출에 의한 에너지 수확 효율을 향상시킬 수 있게 하는 것으로, 한 쌍의 전극(11)(12)들과 대전체(2)와 도체(3)와 절연층(4)을 포함하여 이루어진다. 1 and 2, an electrostatic element (hereinafter referred to as'electrostatic element') that enables energy harvesting by frictional charge and field emission according to an embodiment of the present invention, causes frictional charge. By utilizing the structure, it is possible to improve the energy harvesting efficiency by electric field emission as well as triboelectric charging. A pair of electrodes 11 and 12, a charger 2, a conductor 3, and an insulating layer 4 ).

상기 한 쌍의 전극(11)(12)은 전위차 형성을 위해 서로 이격된 위치에 배치되어서, 마찰대전 및 전계방출에 의한 전자의 이동을 가능하게 하여 에너지를 수확할 수 있게 한다.The pair of electrodes 11 and 12 are disposed at positions spaced apart from each other to form a potential difference, thereby enabling the movement of electrons by triboelectric charging and field emission, thereby harvesting energy.

상기 대전체(2)의 제1대전부(21)는 상기 한 쌍의 전극(11)(12)들 사이에 배치되고, 예컨대 (-)로 대전되기 쉬운 물질 (PTFE, Polyimide 등) 뿐만 아니라, (+)로 대전되기 쉬운 물질(Nylon, Polypropylene 등)과 같이 마찰대전이 가능한 재질로 이루어지며, 상기 한 쌍의 전극(11)(12)들 중 어느 하나(11)와 반복적으로 접촉 및 분리되어서 마찰대전을 일으킨다.The first charging portion 21 of the charger 2 is disposed between the pair of electrodes 11 and 12, and is not only a material that is easily charged with (-) (PTFE, Polyimide, etc.), It is made of a material capable of frictional charging, such as a material that is easily charged with (+) (Nylon, Polypropylene, etc.), and is repeatedly contacted and separated with any one of the pair of electrodes 11 and 12. It causes frictional warfare.

상기 대전체(2)와 어느 하나의 전극(11)을 서로 접촉 및 분리시키기 위한 마찰수단은 본 실시예가 적용되는 제품에 따라 다양하게 구현시킬 수 있음은 물론이다. 즉, 상기 마찰수단으로, 본 실시예가 보행자 또는 차량의 이동로 상에 배치되어서 그 이동체에 의한 반복적인 상하 진동이 발생하는 제품에 적용되는 경우에는, 상기 어느 하나의 전극(11)과 대전체(2) 사이에 스프링(도시되지 않음)과 같은 탄성체가 채용될 수도 있고, 상기 어느 하나의 전극(11)과 대전체(2) 간의 슬라이딩 동작에 의한 마찰대전이 발생하는 제품의 경우에는, 모터(도시되지 않음)와 같은 구동수단이 채용될 수 있음은 물론이다. It goes without saying that the friction means for contacting and separating the charger 2 and any one electrode 11 from each other may be implemented in various ways depending on the product to which the present embodiment is applied. That is, as the friction means, when the present embodiment is applied to a product that is disposed on a moving path of a pedestrian or a vehicle to generate repetitive vertical vibration by the moving object, the electrode 11 and the charger ( 2) An elastic body such as a spring (not shown) may be employed between the two, and in the case of a product in which frictional charge occurs due to a sliding operation between the electrode 11 and the charger 2, a motor ( Of course, a driving means such as (not shown) may be employed.

본 실시예는 이러한 마찰대전에 의한 에너지 수확과는 별개로, 전계방출에 의한 에너지 수확이 가능하도록, 종래의 마찰대전소자에는 채용되지 않은 도체(3)를 포함하여 이루어진다.This embodiment includes a conductor 3 that is not employed in a conventional triboelectric element so that energy can be harvested by field emission, apart from energy harvesting by such frictional charging.

즉, 상기 도체(3)는, 상기 대전체(2) 하측의, 상기 한 쌍의 전극(11)(12)들 중 다른 하나(12)와 접촉되지 않는 위치에 배치되고, 상기 대전체(2) 외부로 노출되는 전계방출부(31)를 포함하여서 상기 어느 하나의 전극(11)과의 접촉 및 분리에 의한 전계방출을 가능하게 한다. That is, the conductor 3 is disposed below the charger 2, at a position not in contact with the other one 12 of the pair of electrodes 11 and 12, and the charger 2 ) By including the field emission part 31 exposed to the outside, it enables electric field emission by contacting and separating any one of the electrodes 11 above.

이러한 전계방출부(31)는, 전자가 상기 대전체(2)의 제1대전부(21)와 전극(11) 간의 마찰대전에 의해 이동하는 것에 더하여 상기 전극(11)으로 직접 이동할 수 있도록 하여, 정전 소자의 출력을 증가시킬 수 있게 한다. This field emission part 31 allows electrons to move directly to the electrode 11 in addition to moving by frictional charging between the first charging part 21 and the electrode 11 of the charging body 2. , Makes it possible to increase the output of the electrostatic element.

즉, 기존 정전 소자는 전극과 전극 사이가 대전물질로 완전히 막혀 있어 대전 물질의 표면 전하가 너무 크면 공기의 항복현상에 의해 출력의 크기가 제한되고, 마이크로 크기의 이물질이 전극과 대전 물질 사이에 들어가 출력 발생을 방해할 수 있다. In other words, conventional electrostatic devices are completely blocked by a charged material between the electrode and the electrode, so if the surface charge of the charged material is too large, the size of the output is limited by the breakdown phenomenon of air, and micro-sized foreign matter enters between the electrode and the charged material. It may interfere with the generation of output.

그러나, 본 실시예는 상기 전계방출부(31)를 공기 중에 노출되게 하고 상기 어느 하나의 전극(11)에 직접 접촉될 수 있게 하여 전자가 직접 상기 어느 하나의 전극(11)으로 이동할 수 있게 구성됨으로써, 전자의 직접 이동을 통한 출력 증가를 가능하게 한다. However, in the present embodiment, the field emission part 31 is exposed to the air and the electrons can be directly contacted with the one electrode 11 so that the electrons can be moved directly to the one electrode 11. As a result, it is possible to increase the output through the direct movement of electrons.

본 실시예에 채용된 상기 전계방출부(31)는 이온강화 전계방출(Ion-enhanced field emission) 원리에 의한 것으로, 도 3과 같은 출력 형태를 가진다. 즉, 이온강화 전계방출은 기존 정전 소자와 달리 높은 전압, 전류 출력이 금속의 전계방출부(31)와 전극(11) 간의 접촉시 순간적으로 발생한다. The field emission part 31 employed in this embodiment is based on the principle of ion-enhanced field emission, and has an output type as shown in FIG. 3. That is, the ion-enhanced field emission is instantaneously generated when a high voltage and current output is in contact between the field emission part 31 and the electrode 11 of the metal unlike the conventional electrostatic element.

이온강화 전계 방출 현상은 금속 외부 이온으로 인해 금속의 일함수가 낮춰져서 전기장의 세기가 약하더라도 외부로 전자가 방출될 수 있는 현상을 의미한다. 즉, 도 4에 잘 도시된 바와 같이, 상기 전계방출부(31)로부터 튀어나온 전자는 전기장에 의해 빠른 속도로 이동하게 되며, 공기 중 다른 분자들을 이온화 시키면서 위 전극(11)으로 이동한다.The ion-enhanced field emission phenomenon refers to a phenomenon in which electrons can be emitted to the outside even if the strength of the electric field is weak because the work function of the metal is lowered due to ions outside the metal. That is, as well shown in FIG. 4, electrons protruding from the field emission part 31 move at a high speed by the electric field, and move to the upper electrode 11 while ionizing other molecules in the air.

이러한 이온강화 전계방출 원리가 적용된 본 실시예에 의한 정전 소자는, 도 5에 잘 도시된 바와 같이, 종래의 정전 소자와는 달리 전자가 직접 이동하는 매커니즘을 통해 전압 뿐만 아니라 전류가 매우 높게 측정된다. In the electrostatic device according to the present embodiment to which the principle of ion-enhanced field emission is applied, unlike the conventional electrostatic device, unlike the conventional electrostatic device, not only the voltage but also the current is measured very high through a mechanism in which electrons move directly. .

또한, 본 실시예에 의한 정전 소자의 실효 출력은, 직류 전압과 같은 에너지를 가지는 교류 전압의 측정치로서, 도 6에 잘 도시된 바와 같이, 같은 입력 에너지가 주어졌을 때 기존 정전소자에 비해 약 6.3배 크게 발생되었다. In addition, the effective output of the electrostatic element according to the present embodiment is a measurement value of an AC voltage having the same energy as the DC voltage, and as well as shown in FIG. 6, when the same input energy is given, the effective output is about 6.3 compared to the conventional electrostatic element. The ship was largely generated.

이와 같이, 본 발명의 일실시예 따른 마찰대전 및 전계방출에 의한 에너지 수확을 가능하게 하는 정전 소자는, 대전체(2)와는 별개로 도체(3)를 배치시키되 그 도체(3)의 일부분이 대전체(2)를 관통하여 공기 중으로 노출 및 전극(11)과 직접 접촉되게 하여서, 마찰대전을 일으키는 기본 구성을 크게 변경시키지 않고도 마찰대전 뿐만 아니라 전계방출에 의한 에너지 수확을 가능하게 함에 따라, 간소한 구성에 의해서도 에너지 수확 효율을 향상시킬 수 있게 하는 효과를 가진다. As described above, in the electrostatic element that enables energy harvesting by frictional charging and electric field emission according to an embodiment of the present invention, the conductor 3 is arranged separately from the charging body 2, but a part of the conductor 3 is By passing through the charger 2, exposing it to the air and making it in direct contact with the electrode 11, it is possible to harvest energy by electric field emission as well as frictional charge without significantly changing the basic configuration that causes frictional charge. Even one configuration has the effect of improving energy harvesting efficiency.

한편, 상기 절연층(22, 본 실시예에서는 제2대전부라 칭하기도 함)은, 상기 다른 하나의 전극(12)과 도체(3) 사이에 배치되어서 상기 전극(12)과 도체(3)를 서로 절연시키는 역할을 한다. On the other hand, the insulating layer 22 (also referred to as a second charging portion in this embodiment) is disposed between the other electrode 12 and the conductor 3 to connect the electrode 12 and the conductor 3 It serves to insulate each other.

상기 대전체(2)는, 상기 도체(3)의 전계방출부(31)의 외부노출을 가능하게 하는 노출공(21a)을 포함하여 이루어져서, 상기 전계방출부(31)가 전극(11)에 직접 접촉되게 한다. The charger 2 includes an exposed hole 21a that allows the field emission part 31 of the conductor 3 to be exposed to the outside, so that the field emission part 31 is attached to the electrode 11. Make direct contact.

상기 대전체(2)는, 앞에서 설명한 절연층(22)과 별개로 성형될 수 있음은 물론이나, 본 실시예에서는 그 대전체(2)의 일부가 절연 기능을 발휘할 수 있는 구성이 채택되었다. The charger 2 may be formed separately from the insulating layer 22 described above, but in the present embodiment, a configuration in which a part of the charger 2 can exhibit an insulating function is adopted.

즉, 상기 대전체(2)는, 상기 전계방출공을 노출시키기 위한 노출공(21a)이 형성되어 있는 제1대전부(21)와, 상기 절연층에 해당하여 상기 제1대전부(21)와 일체로 형성되는 제2대전부(22)를 포함하여 이루어진다. That is, the charger 2 includes a first charging portion 21 having an exposed hole 21a for exposing the field emission hole, and the first charging portion 21 corresponding to the insulating layer. It comprises a second charging portion 22 formed integrally with.

이러한 구성을 가지는 본 실시예는, 도체(3)를 금형 내에 인서트한 상태에서 대전체(2)를 그 도체(3)와 함께 사출시키는 이중사출 방식으로 대전체(2)의 제작을 가능하게 하여 제품의 성형 효율 및 구조적 안정성을 향상시킬 수 있는 장점을 기대할 수 있게 한다. This embodiment having such a configuration makes it possible to manufacture the charger 2 in a double injection method in which the charger 2 is injected together with the conductor 3 while the conductor 3 is inserted into the mold. It makes it possible to expect advantages that can improve the molding efficiency and structural stability of the product.

이하에서는 도 7을 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰대전 및 전계방출에 의한 에너지 수확을 가능하게 하는 정전 소자를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, an electrostatic element that enables energy harvesting by frictional charging and field emission according to another embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIG. 7.

도 7은 본 발명의 다른 실시예 마찰대전 및 전계방출에 의한 에너지 수확을 가능하게 하는 정전 소자의 부분절개 사시도이다. 7 is a partially cut-away perspective view of an electrostatic element enabling energy harvesting by triboelectric charging and electric field emission according to another embodiment of the present invention.

이 도면에 도시된 실시예는, 마찰대전과 전계방출에 의한 전자의 이동이 한 번의 마찰에 의해서도 복수 포인트(or region)에서 발생할 수 있도록 하는 구조가 채택되었다.In the embodiment shown in this figure, a structure is adopted so that movement of electrons due to frictional charging and electric field emission can occur at multiple points (or regions) even by a single friction.

즉, 본 실시예에 채용된 대전체(100)의 대전면은, 동일 평면상에 위치한 복수의 요소들이 동시에 상기 어느 하나의 전극과 접촉될 수 있도록, 노출공이 형성되어 있는 복수의 융기부(101)들과 그 융기부(101)들 사이사이에 형성된 단차홈부(102)들을 포함하여 이루어진다.That is, the charging surface of the charger 100 employed in the present embodiment is a plurality of raised portions 101 in which exposed holes are formed so that a plurality of elements located on the same plane can be in contact with any one of the electrodes at the same time. And the stepped grooves 102 formed between the ridges and the raised portions 101.

이러한 구성을 가지는 본 실시예는 상기 어느 하나의 전극과 대전체(100) 간의 한 번의 마찰동작에 의해서도 복수의 융기부(101)들에서 동시에 전자 이동이 발생됨에 따라, 에너지 수확 효율을 더욱 높일 수 있는 장점을 가진다. In the present embodiment having such a configuration, as electron movement occurs simultaneously in the plurality of raised portions 101 by one frictional operation between any one electrode and the charger 100, energy harvesting efficiency can be further improved. Has an advantage.

이상 본 발명의 다양한 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 실시예 및 본 명세서에 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 명확하게 나타내고 있는 것에 불과하며, 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것이 자명하다고 할 것이다. Various embodiments of the present invention have been described above, but the present embodiment and the accompanying drawings are merely illustrative of some of the technical ideas included in the present invention, and are included in the specification and drawings of the present invention. It will be apparent that all modified examples and specific embodiments that can be easily inferred by a person skilled in the art within the scope of the technical idea are included in the scope of the present invention.

11,12:전극 2:대전체
21:제1대전부 21a:노출공
22:제2대전부(절연층) 3:도체
31:전계방출부
11, 12: electrode 2: whole
21: All 1st War 21a: Exposed
22: All the second generation (insulation layer) 3: Conductor
31: field emission unit

Claims (4)

전위차 형성을 위해 서로 이격된 위치에 배치되는 한 쌍의 전극들;
상기 한 쌍의 전극들 사이에 배치되고, 마찰대전이 가능한 재질로 이루어지며, 상기 한 쌍의 전극들 중 어느 하나와 마찰대전을 일으키는 대전체;
상기 대전체 하측의, 상기 한 쌍의 전극들 중 다른 하나와 접촉되지 않는 위치에 배치되고, 상기 어느 하나의 전극과의 접촉 및 분리에 의한 전계방출이 가능하도록, 상기 대전체 외부로 노출되는 전계방출부를 포함하는 도체; 및
상기 다른 하나의 전극과 도체 사이에 배치되는 절연층;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 마찰대전 및 전계방출에 의한 에너지 수확을 가능하게 하는 정전 소자.
A pair of electrodes disposed at positions spaced apart from each other to form a potential difference;
A charger disposed between the pair of electrodes, made of a material capable of frictional charging, and causing a frictional charge with any one of the pair of electrodes;
An electric field exposed to the outside of the charger so that the electric field is disposed below the charger and is not in contact with the other of the pair of electrodes, and discharges an electric field by contacting and separating the electrode A conductor comprising a discharge portion; And
An electrostatic device capable of harvesting energy by triboelectric charging and electric field emission, comprising: an insulating layer disposed between the other electrode and the conductor.
제1항에 있어서,
상기 대전체는, 상기 도체의 전계방출부의 외부노출을 가능하게 하는 노출공을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 마찰대전 및 전계방출에 의한 에너지 수확을 가능하게 하는 정전 소자.
The method of claim 1,
The electrostatic element enabling energy harvesting by frictional charging and electric field emission, wherein the electric charge body comprises an exposed hole for allowing external exposure of the electric field emission part of the conductor.
제2항에 있어서,
상기 대전체는, 상기 노출공이 형성되어 있는 제1대전부와, 상기 절연층에 해당하여 상기 제1대전부와 일체로 형성되는 제2대전부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 마찰대전 및 전계방출에 의한 에너지 수확을 가능하게 하는 정전 소자.
The method of claim 2,
The charging unit includes a first charging unit in which the exposed hole is formed, and a second charging unit corresponding to the insulating layer and integrally formed with the first charging unit. An electrostatic element that enables energy harvesting.
제2항에 있어서,
상기 어느 하나의 전극과 마찰대전을 일으키는 상기 대전체의 대전면은, 동일 평면상에 위치한 복수의 요소들이 동시에 상기 어느 하나의 전극과 접촉될 수 있도록, 상기 노출공이 형성되어 있는 복수의 융기부들과 그 융기부들 사이사이에 형성된 단차홈부들을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 마찰대전 및 전계방출에 의한 에너지 수확을 가능하게 하는 정전 소자.
The method of claim 2,
The charging surface of the charger causing frictional charging with any one electrode is provided with a plurality of protrusions in which the exposed hole is formed so that a plurality of elements located on the same plane can contact the one electrode at the same time. An electrostatic element that enables energy harvesting by frictional charging and electric field emission, comprising: stepped grooves formed between the raised portions.
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Advanced Energy MaterialsVolume 9, Issue 37* *

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