KR20210107187A - 정전 발전기 - Google Patents

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KR20210107187A
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최덕현
황희재
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경희대학교 산학협력단
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Abstract

정전유도 작용을 이용하여 전기를 생산할 수 있는 정전 발전기에 관한 것이다. 정전 발전기는 외력에 의하여 탄성 변형되는 태엽 스프링; 상기 태엽 스프링과 회전 축으로 연결되고, 상기 태엽 스프링에 작용하는 외력이 제거됨에 따라 발생하는 상기 태엽 스프링의 복원력에 의하여 회전하는 복수의 기어; 상기 기어와 연동하여 회전하는 샤프트; 적어도 하나 이상 구비되어 상기 샤프트에 연결된 회전 디스크; 및 적어도 하나 이상 구비되어 상기 회전 디스크로부터 이격 배치되고, 상기 회전 디스크가 회전함에 따라 발생하는 정전유도 작용으로 인해 전기를 발생시키는 고정 디스크;를 포함할 수 있다.

Description

정전 발전기{ELECTROSTATIC INDUCTIVE GENERATOR}
본 발명은 정전유도 작용을 이용하여 전기를 생산할 수 있는 정전 발전기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 태엽 스프링의 인장 및 수축을 이용하는 풀백(Pull back) 구조를 적용하여 회전 디스크를 회전시킴으로써 정전유도 작용으로 인해 고정디스크에서 전기를 획득할 수 있는 정전 발전기에 관한 것이다.
최근 유한한 화석에너지에 의한 에너지 가격 상승과 환경 문제에 대한 대처 방안으로써, 친환경 에너지 자원 개발이 크게 요구되고 있다. 이에 따라, 환경의 훼손을 줄이면서도 기존의 화석에너지를 대체하여 안정적으로 공급할 수 있는 새로운 신재생에너지 자원 개발에 대한 연구와, 기존 에너지 효율 향상 및 에너지 저감 기술에 대한 연구가 집중 받고 있다.
전술한 문제의 대처 방안으로써 정전유도 작용을 이용하여 전기를 생산할 수 있는 정전 발전기는 각광받고 있는 에너지원 중의 하나이다. 그러나 이러한 종래의 정전 발전기는 전기를 생산 및 저장하기 위한 구조가 복잡하여 제품의 크기가 커지는 문제가 있었다.
또한, 대부분 풍력을 이용하여 정전 발전을 유도하므로, 정전 발전기에서 생산되는 주파수를 제어할 수 없어 생산되는 전기량을 예측할 수 없다는 문제가 있다.
등록특허공보 10-2026429(2019.09.23 등록)
본 발명의 과제는 태엽 스프링의 인장 및 수축을 이용하는 풀백(Pull back) 구조를 적용하여 회전 디스크를 회전시킴으로써, 정전유도 작용으로 인해 고정디스크에서 전기를 획득할 수 있는 정전 발전기를 제공함에 있다.
또한, 회전 디스크의 주파수를 조절함으로써 고정 디스크에서 생산되는 전기량을 예측할 수 있는 정전 발전기를 제공함에 있다.
또한, 정류회로를 통해 DC 형태의 출력을 획득함으로써 제품의 구조가 단순하고, 소형으로 제작할 수 있는 정전 발전기를 제공함에 있다.
상기의 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 정전 발전기는 정전유도 작용을 이용하여 전기를 생산할 수 있는 정전 발전기에 관한 것이다. 정전 발전기는 외력에 의하여 탄성 변형되는 태엽 스프링; 상기 태엽 스프링과 회전 축으로 연결되고, 상기 태엽 스프링에 작용하는 외력이 제거됨에 따라 발생하는 상기 태엽 스프링의 복원력에 의하여 회전하는 복수의 기어; 상기 기어와 연동하여 회전하는 샤프트; 적어도 하나 이상 구비되어 상기 샤프트에 연결된 회전 디스크; 및 적어도 하나 이상 구비되어 상기 회전 디스크로부터 이격 배치되고, 상기 회전 디스크가 회전함에 따라 발생하는 정전유도 작용으로 인해 전기를 발생시키는 고정 디스크;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 태엽 스프링의 토크, 상기 기어들 사이의 총기어비, 상기 회전 디스크의 관성 모멘트, 회전 디스크 및 고정 디스크 상의 패턴 수 중 적어도 하나를 조절하여 상기 회전 디스크의 주파수 제어가 가능한 정전 발전기가 제공될 수 있다.
또한, 상기 태엽 스프링에 외력을 가하여 상기 태엽 스프링이 감기거나 풀릴 수 있도록 상기 태엽 스프링에 연결된 동력 전달부를 포함하는 정전 발전기가 제공될 수 있다.
또한, 상기 회전 디스크는 제1 기판과, 상기 제1 기판의 일면 또는 양면에 제공되고, 제1 양전하 대전체 및 제1 음전하 대전체를 구비한 제1 대전체를 포함하는 정전 발전기가 제공될 수 있다.
또한, 상기 태엽 스프링에 외력이 작용하여 상기 태엽 스프링이 인장될 때에는 상기 기어들은 상호 치합되고, 상기 태엽 스프링에 작용하는 외력이 해제되어 상기 태엽 스프링이 복원될 때에는 상기 기어들 중 상기 샹프트에 연결된 기어가 분리되어, 상기 태엽 스프링의 복원력이 모두 전달된 후에도 상기 샤프트는 회동이 가능한 정전 발전기가 제공될 수 있다.
또한, 상기 태엽 스프링은 제1 회전 축에 의하여 지지부재에 회전 가능하게 지지되고, 상기 지지부재의 측면에는 상기 태엽 스프링의 인출 방향으로 길게 형성된 가이드 홀이 형성되며, 상기 기어는 상기 제1 회전 축에 의해 상기 태엽 스프링에 연결된 제1 기어와, 상기 가이드 홀에 삽입된 제2 회전 축에 연결되고, 상기 제1 기어와 치합되는 제2 기어와, 상기 제2 회전 축에 연결되어 상기 제2 기어와 연동되는 제3 기어와, 상기 제3 기어와 치합되고, 상기 샤프트에 연결되는 제4 기어를 포함하는 정전 발전기가 제공될 수 있다.
또한, 상기 태엽 스프링이 복원될 때 상기 제2 회전 축은 상기 가이드 홀 내에서 상기 제1 기어 측으로 이동하고, 상기 제3 기어는 상기 제4 기어로부터 분리되어 상기 제4 기어만 회전하는 정전 발전기가 제공될 수 있다.
또한, 상기 제1 양전하 대전체 및 제1 음전하 대전체체는 복수로 구비되고, 상기 제1 기판의 일면에 교대로 배치되는 정전 발전기가 제공될 수 있다.
또한, 상기 고정 디스크는 제2 기판과, 상기 제2 기판의 일면에 제공되고, 제2 양전하 대전체 및 제2 음전하 대전체체를 구비한 제2 대전체와, 상기 제2 대전체의 일면에 제공되어 상기 회전 디스크와 마주하게 배치되는 유전체층을 포함하는 정전 발전기가 제공될 수 있다.
또한, 상기 제2 양전하 대전체 및 제2 음전하 대전체체는 복수로 구비되고, 상기 제2 기판의 일면에 교대로 배치되는 정전 발전기가 제공될 수 있다.
또한, 상기 고정 디스크로부터 발생된 교류전류를 직류전류로 변환하여 외부 기기로 전송할 수 있는 정류회로를 포함하는 정전 발전기가 제공될 수 있다.
또한, 상기 고정 디스크로부터 발생된 전기를 저장할 수 있는 배터리를 포함하는 정전 발전기가 제공될 수 있다.
본 발명에 따른 정전 발전기는 외력에 의하여 탄성 변형되는 태엽 스프링; 상기 태엽 스프링과 회전 축으로 연결되고, 상기 태엽 스프링에 작용하는 외력이 제거됨에 따라 발생하는 상기 태엽 스프링의 복원력에 의하여 회전하는 복수의 기어; 상기 기어와 연동하여 회전하는 샤프트; 적어도 하나 이상 구비되어 상기 샤프트에 연결된 회전 디스크; 및 적어도 하나 이상 구비되어 상기 회전 디스크로부터 이격 배치되고, 상기 회전 디스크가 회전함에 따라 발생하는 정전유도 작용으로 인해 전기를 발생시키는 고정 디스크;를 포함하고, 상기 회전 디스크의 주파수는 하기 수학식을 통해 획득 가능할 수 있다.
Figure pat00001
Itotal : 회전 디스크의 관성 모멘트
Ng : 총기어비
Tspring : 태엽 스프링의 토크
Np : 고정 디스크 및 회전 디스크 상의 패턴 수
본 발명에 따른 정전 발전기는 외력에 의하여 탄성 변형되는 태엽 스프링; 상기 태엽 스프링과 회전 축으로 연결되고, 상기 태엽 스프링에 작용하는 외력이 제거됨에 따라 발생하는 상기 태엽 스프링의 복원력에 의하여 회전하는 복수의 기어; 상기 기어와 연동하여 회전하는 샤프트; 상기 샤프트의 양측 단부에 제공되는 캠부재; 상기 캠부재의 하부에 이격 배치되는 제1 디스크; 및 상기 제1 디스크 상에 탄성 지지되고, 상기 캠부재에 의하여 상기 제1 디스크와 선택적으로 접촉되며 정전유도 작용으로 인한 전기를 발생시키는 제2 디스크;를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 회전 디스크의 주파수를 원하는 크기로 제어할 수 있으므로, 회전 디스크의 구동 시간 및 회전량에 따른 고정 디스크의 전류량을 예측하여 원하는 전기 생산량을 획득할 수 있다.
또한, 정류회로만을 통해 DC 형태의 출력을 획득할 수 있으므로, 구조가 단순하여 제품을 소형으로 제작할 수 있다는 장점이 있다.
아울러, 정전 발전기를 통하여 출력된 에너지의 저장이 가능하므로, 전력 공급을 필요로 하는 전자 기기의 전력 공급원으로 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 정전 발전기의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 기어 및 샤프트를 발췌하여 도시한 도면이다.
도 3(a)는 도 1의 태엽 스프링에 외력이 가해진 상태를 나타낸 측면도이고, 도 3(b)는 도 1의 태엽 스프링에 외력이 제거된 상태를 나타낸 측면도이다.
도 4는 도 1에 도시된 회전 디스크의 회전 각에 따른 회전 디스크 및 고정 디스크의 표면 전하의 변화를 나타낸 도면이다.
도 5는 도 1의 정전 발전기에 연결된 배터리 및 정류회로를 도시한 도면이다.
도 6(a)는 도 1의 동력 전달부를 한번 당겼을 때의 출력 전압을 나타낸 그래프이고, 도 6(b)는 도 1의 동력 전달부를 여러 번 당겼을 때의 출력 전압을 나타낸 그래프이고, 도 6(c)는 도 6(b)에서의 출력 전압 중 0.05초 동안의 전압을 발췌하여 확대한 그래프이고, 도 6(d)는 도 6(b)에서 출력된 교류전류를 정류 회로를 통해 직류전류로 변환하여 나타낸 그래프이다.
도 7은 도 1의 회전 디스크의 개수에 따른 회전 디스크의 구동 시간 및 회전 디스크의 질량에 따른 회전 디스크의 rpm을 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 정전 발전기의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 9는 도 8의 정전 발전기를 이용하여 커패시턴스를 충전한 상태를 나타낸 그래프이다.
도 10은 도 1의 회전 디스크의 다양한 실시예를 나타낸 도면이다.
도 11은 도 1의 고정 디스크의 다양한 실시예를 나타낸 도면이다.
도 12는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 정전 발전기의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 13은 도 12에 도시된 캠부재의 구동에 따른 제1 디스크와 제2 디스크의 상태를 나타낸 도면이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여, 바람직한 실시예에 따른 정전 발전기에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 동일한 구성에 대해서는 동일부호를 사용하며, 반복되는 설명, 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 정전 발전기의 구성을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2는 도 1의 기어 및 샤프트를 발췌하여 도시한 도면이며, 도 3(a)는 도 1의 태엽 스프링에 외력이 가해진 상태를 나타낸 측면도이고, 도 3(b)는 도 1의 태엽 스프링에 외력이 제거된 상태를 나타낸 측면도이다. 그리고, 도 4는 도 1에 도시된 회전 디스크의 회전 각에 따른 회전 디스크 및 고정 디스크의 표면 전하의 변화를 나타낸 도면이고, 도 5는 도 1의 정전 발전기에 연결된 배터리 및 정류회로를 도시한 도면이다.
도 1 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 정전 발전기(100)는 태엽 스프링(110)과, 기어(120)와, 샤프트(130)와, 회전 디스크(140), 및 고정 디스크(150)를 포함할 수 있다.
태엽 스프링(110)은 외력에 의하여 탄성 변형될 수 있다. 예를 들어, 태엽 스프링(110)은 제1 회전 축(111)에 고정 및 권취될 수 있고, 제1 회전 축(111)이 지지부재(10)에 회전 가능하게 지지됨으로써 태엽 스프링(110)은 지면으로부터 이격되어 지지부재(10)에 지지될 수 있다.
태엽 스프링(110)은 동력 전달부(160)에 연결되어 탄성 변형되며 감기거나 풀릴 수 있다. 예를 들어, 동력 전달부(160)는 일정 길이를 갖는 줄로 형성될 수 있고, 이 줄이 제1 회전 축(111)에 권취됨으로써 줄을 당기면 태엽 스프링(110)은 감겨져 수축하게 되고, 줄을 놓으면 태엽 스프링(110)은 풀려져 인장될 수 있게 된다. 이때, 동력 전달부(160)의 파지가 용이하도록 동력 전달부(160)의 일단에는 손잡이(161)가 구비될 수 있다.
기어(120)는 복수로 구비되어 태엽 스프링(110)과 제1 회전 축(111)으로 연결되고, 태엽 스프링(110)에 작용하는 외력이 제거됨에 따라 발생하는 태엽 스프링(110)의 복원력에 의하여 회전할 수 있다.
예를 들어, 기어(120)는 제1 회전 축(111)에 의해 태엽 스프링(110)에 연결된 제1 기어(121)와, 제1 기어(121)와 치합되는 제2 기어(122)와, 제2 기어(122)와 제2 회전 축(125)으로 연결된 제3 기어(123)와, 제3 기어(123)와 치합되고, 후술되는 샤프트(130)에 연결되는 제4 기어(124)를 포함할 수 있다. 이에 따라, 태엽 스프링(110)의 복원력에 의하여 제1 기어(121)가 회전하면, 제2 기어(122)와 제3 기어(123) 및 제4 기어(124)는 이와 연동하여 회전하게 된다.
샤프트(130)는 기어(120)와 연동하여 회전할 수 있다. 예를 들어, 샤프트(130)는 별도의 지지부재(20)에 회전 가능하게 지지될 수 있고, 제4 기어(124)의 내부에 삽입 및 연결될 수 있다. 이에 따라, 샤프트(130)는 제4 기어(124)의 회전 운동과 연동하여 함께 회전할 수 있게 된다.
한편, 태엽 스프링(110)에 외력이 작용하여 태엽 스프링(110)이 인장될 때에는 기어(120)들은 상호 치합되고, 태엽 스프링(110)에 작용하는 외력이 해제되어 태엽 스프링(110)이 복원될 때에는 기어(120)들 중 샹프트(130)에 연결된 제4 기어(124)가 분리되어, 태엽 스프링(110)의 복원력이 모두 전달된 후에도 샤프트(130)는 회동이 가능할 수 있다.
구체적으로, 제1 회전 축(111)과, 제2 회전축(125), 및 샤프트(130)는 지지부재(10)에 회전 가능하게 지지될 수 있고, 제3 기어(123)는 태엽 스프링(110)에 외력이 가해져 태엽 스프링(110)이 인장된 경우에만 제4 기어(124)와 치합될 수 있다.
예를 들어, 지지부재(10)의 측면에는 태엽 스프링(110)의 인출 방향으로 길게 형성된 가이드 홀(10a)이 형성될 수 있고, 가이드 홀(10a)에는 제2 회전 축(125)이 삽입되어 있어, 태엽 스프링(110)이 인장되거나 수축될 때 제2 회전 축(125)은 가이드 홀(10a) 내에서 이동할 수 있다. 이에 따라, 태엽 스프링(110)에 외력이 가해져 인장된 경우에는 제2 회전 축(125)이 샤프트(130) 측으로 이동하게 되고, 제2 회전 축(125)에 연결된 제2 기어(122)와 제3 기어(123) 또한 샤프트(130) 측으로 이동하여 제3 기어(123)와 제4 기어(124)는 치합될 수 있다(도 3(a) 참조). 이 상태에서 태엽 스프링(110)에 외력이 제거되면 태엽 스프링(110)의 복원력에 의하여 샤프트(130)는 회전하게 된다.
이후 태엽 스프링(110)이 완전히 수축하여 샤프트(130)에 복원력이 모두 전달된 후에는 도 3(b)에 도시된 바와 같이 제2 회전 축(125)이 가이드 홀(10a) 내에서 제1 기어(121) 측으로 이동하므로, 제3 기어(123)는 제4 기어(124)로부터 분리된다. 따라서 태엽 스프링(110)의 복원력이 모두 전달된 후에는 태엽 스프링(110)에 연결된 제1 기어(121)와, 제 2기어(122), 및 제3 기어(123)는 회전하지 않고, 샤프트(130)와 연결된 제4 기어(124)만이 복원력에 의하여 지속적으로 회전하게 된다.
회전 디스크(140)는 적어도 하나 이상 구비되어 샤프트(130)에 연결될 수 있다. 예를 들어, 회전 디스크(140)는 샤프트(130)의 양측 단부에 각각 연결될 수 있다. 이와 같이 회전 디스크(140)가 샤프트(130)의 양측 단부에 연결됨에 따라, 회전 디스크(140)는 샤프트(130)와 연동하여 회전할 수 있게 된다. 이때, 회전 디스크(140)의 크기, 질량에 따라 샤프트(130)의 회전 속도와 시간은 조절 가능하다.
회전 디스크(140)는 제1 기판(141)과, 제1 기판(141)의 일면 또는 양면에 제공되는 제1 대전체(142)를 포함할 수 있다.
제1 기판(141)은 회전 디스크(140)의 외관을 형성하는 것으로서, 절연체로 형성될 수 있다. 이러한 제1 기판(141)은 원형이나 삼각형, 사각형 등과 같이 다각형의 판 형상으로 형성될 수 있다.
제1 대전체(142)는 제1 양전하 대전체(41) 및 제1 음전하 대전체(42)를 포함할 수 있다. 이러한 제1 양전하 대전체(41) 및 제1 음전하 대전체(42)는 복수로 구비되어 제1 기판(141)의 일면에 교대로 배치될 수 있다.
제1 양전하 대전체(41)는 양의 정전기력 특성이 우수한 소재로 형성될 수 있다. 일례로, 제1 양전하 대전체(41)는 유기물질 또는 전도체로 형성될 수 있으며, 유기물질은 NPB, β-NPB, TPD, Spiro-TPD, Spiro-NPB, DMFL-TPD, DMFL-NPB, DPFL-TPD, DPFL-NPB, α-NPD, Spiro-TAD, BPAPF, NPAPF, NPBAPF, Spiro-2NPB, PAPB, 2,2'-Spiro-DBP, Spiro-BPA, TAPC, Spiro-TTB, β-TNB, HMTPD, α,β-TNB, α-TNB, β- NPP, PEDOT 중 선택된 하나를 포함할 수 있고, 전도체는 알루미늄, 구리, 니켈 중 선택된 하나를 포함할 수 있다.
제1 음전하 대전체(42)는 음의 정전기력 특성이 우수한 소재로 형성될 수 있다. 일례로, 제1 음전하 대전체(42)는 PTFE, PVC, Silicone, Polyethylene, polyurethane, Saran, Celluloid, Polyester, Rayon 중 선택된 하나를 포함하여 형성될 수 있다.
이러한 제1 양전하 대전체(41) 및 제1 음전하 대전체(42)는 예시된 바에 한정되지 않으며, 주변 물질에 따라 상대적으로 양전하 음전하로 대전되는 것이라면 어느 것이나 적용 가능하다.
고정 디스크(150)는 적어도 하나 이상 구비되어 회전 디스크(140)로부터 이격 배치될 수 있고, 회전 디스크(140)가 회전함에 따라 발생하는 정전유도 작용으로 인해 전기를 발생시킬 수 있다. 예를 들어, 고정 디스크(150)는 1개 구비되어 지지부재(30)에 회전 가능하게 지지될 수 있고, 회전 디스크(140)로부터 0.5mm ~ 3mm의 크기로 이격 배치될 수 있다. 이는 이격된 거리가 0.5mm 미만인 경우 회전 디스크(140)의 회전시 측면이 고정 디스크(150)에 부딪혀 회전 운동이 원활히 이루어지지 못하고, 3mm를 초과하는 경우 회전 디스크(140)와의 거리가 너무 멀어서 정전유도 작용이 이루어지지 못할 수 있기 때문이다.
고정 디스크(150)는 제2 기판(151)과, 제2 대전체(152)와, 유전체층(153)을 포함할 수 있다.
제2 기판(151)은 고정 디스크(150)의 외관을 형성하는 것으로서, 절연체로 형성될 수 있다. 이러한 제2 기판(151)은 원형이나 삼각형, 사각형 등과 같이 다각형의 판 형상으로 형성될 수 있다.
제2 대전체(152)는 제2 기판(151)의 일면에 제공되고, 제2 양전하 대전체(51) 및 제2 음전하 대전체체(52)를 포함할 수 있다. 이러한 제2 양전하 대전체(51) 및 제2 음전하 대전체체(52)는 복수로 구비되어 제2 기판(151)의 일면에 교대로 배치될 수 있다.
제2 양전하 대전체(51)는 양의 정전기력 특성이 우수한 소재로 형성될 수 있다. 일례로, 제2 양전하 대전체(51)는 유기물질 또는 전도체로 형성될 수 있으며, 유기물질은 NPB, β-NPB, TPD, Spiro-TPD, Spiro-NPB, DMFL-TPD, DMFL-NPB, DPFL-TPD, DPFL-NPB, α-NPD, Spiro-TAD, BPAPF, NPAPF, NPBAPF, Spiro-2NPB, PAPB, 2,2'-Spiro-DBP, Spiro-BPA, TAPC, Spiro-TTB, β-TNB, HMTPD, α,β-TNB, α-TNB, β- NPP, PEDOT 중 선택된 하나를 포함할 수 있고, 전도체는 알루미늄, 구리, 니켈 중 선택된 하나를 포함할 수 있다.
제2 음전하 대전체체(52)는 음의 정전기력 특성이 우수한 소재로 형성될 수 있다. 일례로, 제2 음전하 대전체체(52)는 PTFE, PVC, Silicone, Polyethylene, polyurethane, Saran, Celluloid, Polyester, Rayon 중 선택된 하나를 포함하여 형성될 수 있다.
유전체층(153)은 정전기 작용을 전달하는 매질 역할을 하는 것으로서, 제2 대전체(152)의 일면에 제공되어 회전 디스크(140)와 마주하게 배치될 수 있다. 이러한 유전체층(153)은 비전도체로 형성될 수 있다.
이와 같이, 고정 디스크(150) 및 회전 디스크(140)가 양전한 대전체 및 음전하 대전체를 구비하도록 형성됨에 따라, 회전 디스크(140)의 회전시 고정 디스크(150)와 회전 디스크(140) 사이에서는 정전유도 작용이 발생하고, 이러한 정전유도 작용으로 인하여 고정 디스크(150)에서는 전기가 발생될 수 있다.
즉, 도 4(a)에 도시된 바와 같이 회전 디스크(140)의 회전각이 0°인 경우에는 제1 양전하 대전체(41) 및 제1 음전하 대전체(42)를 구비한 회전 디스크(140)와, 제2 양전하 대전체(51) 및 제2 음전하 대전체체(52)를 구비한 고정 디스크(150)가 마주보게 배치되고, 이 상태에서는 제1 양전하 대전체(41) 및 제2 양전하 대전체(51)는 양극으로 대전되고 제1 음전하 대전체(42) 및 제2 음전하 대전체체(52)는 음극으로 대전될 수 있다. 이 상태에서 도 4(b)와 같이 회전 디스크(140)가 22.5° 회전하게 되면 제2 양전하 대전체(51)의 전자가 제2 음전하 대전체체(52)로 이동하여 전류가 흐르게 된다. 그리고, 도 4(c)에 도시된 바와 같이 회전 디스크(140)가 45° 회전하게 되면 제1 양전하 대전체(41)와 제2 양전하 대전체(51), 및 제2 음전하 대전체체(52)와 제2 음전하 대전체체(52)가 서로 마주보는 상태가 되므로 전자의 이동은 중지되고, 도 4(d)에 도시된 바와 같이 회전 디스크(140)가 67.5° 회전하게 되면 제2 양전하 대전체(51)의 전자가 다시 제2 음전하 대전체체(52)로 이동하여 전류가 흐르게 된다.
이러한 과정을 거쳐 획득한 전류는 도 5에 도시된 배터리(170)에 저장되어 전자기기의 에너지원으로 사용될 수 있다. 이때, 고정 디스크(150)로부터 발생된 전류는 교류전류이므로, 고정 디스크(150)와 배터리(170) 사이에 교류전류를 직류전류로 변환하여 외부 기기로 전송할 수 있는 정류회로(180)가 더 설치될 수 있다.
본 발명에 따르면, 정전 발전기(100)의 고정 디스크(150)에서 발생하는 전류의 주파수는 제어가 가능해질 수 있다. 이러한 주파수의 제어는 태엽 스프링(110)의 토크(Tspring), 기어(120)들 사이의 총기어비(Ng), 회전 디스크(140)의 관성 모멘트(Itotal), 회전 디스크(140) 및 고정 디스크(150) 상의 패턴 수 중 적어도 하나를 조절하여 가능하다.
이는 하기 식을 통하여 알 수 있다.
먼저, 태엽 스프링(110)에 의해서 발생되는 토크(Tspring)는 아래의 식과 같다.
Figure pat00002
여기서, E는 태엽 스프링(110)의 탄성계수, N은 태엽 스프링(110)의 감은 횟수, L은 태엽 스프링(110)의 전체 길이, t는 태엽 스프링(110)의 두께, b는 태엽 스프링(110)의 폭이다.
그리고, 회전 디스크(140)의 주파수(HZ)는 아래의 식으로 구해질 수 있다.
Figure pat00003
T: 토크 (To operate this system)
Figure pat00004
Ng: 총 기어비
Tdisc = Tgear (same shaft)
Figure pat00005
I: 관성 모멘트 α: 각가속도
Figure pat00006
Figure pat00007
Figure pat00008
M: 회전 디스크의 디스크 질량 R: 회전 디스크의 반경
m: 샤프트의 질량 l: 샤프트 길이 N: 회전 디스크의 수
Figure pat00009
ω: 각속도 θ: 회전 각
Figure pat00010
Figure pat00011
Figure pat00012
Np: 고정 디스크 및 회전 디스크 상의 패턴 수
여기서, 고정 디스크 및 회전 디스크 상의 패턴 수는 회전 디스크(140) 및 고정 디스크(150)에 구비된 제1 대전체(142) 및 제2 대전체(152)를 구성하는 성분의 개수를 의미할 수 있다. 예를 들어, 도 10(a) 및 도 11(a)에 도시된 바와 같이 회전 디스크(140)의 제1 대전체(142)와 고정 디스크(150)의 제2 대전체(152)가 Al과 Acryl로 구성된 경우 패턴 수는 2개일 수 있다. 그리고, 도 10(b) 및 도 11(b)에 도시된 바와 같이 회전 디스크(140)의 제1 대전체(142)와 고정 디스크(150)의 제2 대전체(152)가 Al과, Acryl, 및 PTFE로 구성된 경우 패턴 수는 3개일 수 있다.
이와 같이, 회전 디스크(140)의 주파수는 태엽 스프링(110)의 토크(Tspring), 기어(120)들 사이의 총기어비(Ng), 회전 디스크(140)의 질량(M), 샤프트(130) 질량(m), 회전 디스크(140)의 반지름(R), 샤트프의 길이(l), 회전 디스크(140)의 수(N)를 포함하는 회전 디스크(140)의 관성 모멘트(Itotal)에 의하여 영향을 받을 수 있으므로, 태엽 스프링(110)의 토크(Tspring)와, 회전 디스크(140)의 관성 모멘트(Itotal)와, 총기어비(Ng), 및 회전 디스크(140) 및 고정 디스크(150) 상의 패턴 수를 조절하면 회전 디스크(140)의 주파수 제어가 가능해진다.
따라서, 회전 디스크(140)의 주파수를 원하는 크기로 제어하면, 회전 디스크(140)의 구동 시간 및 회전량에 따른 고정 디스크(150)의 전류량을 예측하여 원하는 전기 생산량을 획득할 수 있다.
도 6(a)는 도 1의 동력 전달부(160)를 한번 당겼을 때의 출력 전압을 나타낸 그래프이고, 도 6(b)는 도 1의 동력 전달부(160)를 여러 번 당겼을 때의 출력 전압을 나타낸 그래프이고, 도 6(c)는 도 6(b)에서의 출력 전압 중 0.05초 동안의 전압을 발췌하여 확대한 그래프이고, 도 6(d)는 도 6(b)에서 출력된 교류전류를 정류 회로를 통해 직류전류로 변환하여 나타낸 그래프이다.
도 6(a)를 참조하면 동력 전달부(160)를 한번 당겼을 때는 최대 약 200V의 출력 전압이 발생하고, 도 6(b)를 참조하면 동력 전달부(160)를 여러 번 당겼을 때는 약 200V의 출력 전압이 안정적으로 발생하는 것을 확인할 수 있다. 그리고, 도 6(c)를 참조하면 0.05초 동안 8.75개의 피크(peak)가 발생되며, 도 6(d)를 참조하면 고정 디스크(150)로부터 발생된 교류전류를 정류 회로를 통해 직류전류로 변환하면 DC형태의 지속적인 출력이 발생하는 것을 확인할 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 정전 발전기(100)는 정류회로(180)만을 통해 DC 형태의 출력을 획득할 수 있으므로, 구조가 단순하여 제품을 소형으로 제작할 수 있다는 장점이 있다.
도 7은 도 1의 회전 디스크의 개수에 따른 회전 디스크의 구동 시간 및 회전 디스크의 질량에 따른 회전 디스크의 rpm을 나타낸 그래프이다.
도 7을 참조하면, 8g의 회전 디스크(140)가 1개일 때에는 약 24초 동안 구동하고, 2개일 때에는 약 30초 동안 구동하고, 3개일 때에는 약 48초 동안 구동하고, 4개일 때에는 약 55초 동안 구동하는 것을 확인할 수 있다. 이러한 결과를 통해 회전 디스크(140)의 개수가 증가할수록 구동 시간 또한 증가하는 것을 알 수 있다. 따라서, 회전 디스크(140)의 개수를 적절히 조절하면, 회전 디스크(140)의 구동 시간을 늘릴 수 있다.
또한, 회전 디스크(140)가 1개일 때와 4개일 때를 비교하면, 회전 디스크(140)의 구동 시간은 약 0.5배가 되는 것을 확인할 수 있다. 그리고, 회전 디스크(140)의 질량이 8g에서 32g으로 4배 증가하였을 때를 비교하면, 회전 디스크(140)의 rpm은 약 2배가 되는 것을 확인할 수 있다.
이러한 결과를 통하여 회전 디스크(140)의 개수(관성 모멘트)가 증가하면 회전 속도는 감소하지만 구동 시간은 증가하고, 회전 디스크(140)의 개수가 감소하면 회전 속도는 증가하지만 구동 시간은 감소하는 것을 알 수 있다. 따라서, 회전 디스크(140)의 개수 및 질량을 적절히 조절하면, 회전 디스크(140)의 출력 에너지를 최대로 형성할 수 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 정전 발전기의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 9는 도 8의 정전 발전기를 이용하여 커패시턴스를 충전한 상태를 나타낸 그래프이다. 본 실시예에서는 앞서 설명한 실시예와의 차이점을 중심으로 설명하기로 한다.
도 8 내지 도 9를 참조하면, 정전 발전기(200)는 2개의 회전 디스크(140)가 샤프트(130)의 양단에 각각 구비되고, 4개의 고정 디스크(150)가 회전 디스크(140)의 양측에 각각 구비될 수 있다. 이 상태에서 동력 전달부(160)를 당기면 회전 디스크(140)가 회전하여 고정 디스크(150)에서는 교류전류가 발생하게 된다. 이렇게 발생된 교류전류를 정류회로(180)를 통해 직류 전류로 변환하여 커패시턴스에 220μF을 충전하면, 40초 동안 약 2.5V 수준까지 충전할 수 있음을 알 수 있다.
이와 같이, 정전 발전기(200)를 통하여 출력된 에너지는 저장이 가능하므로, 전력 공급을 필요로 하는 전자 기기의 전력 공급원으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 손목 시계 타입의 웨어러블 장치에 구비되어 전력을 공급할 수 있고, 손가락의 수축 및 이완을 필요로 하는 손가락 운동 기구에 적용되어 횟수를 카운트하거나 사용자의 심박수 체크시 센서에 전력을 공급할 수 있다.
도 10은 도 1의 회전 디스크의 다양한 실시예를 나타낸 도면이고, 도 11은 도 1의 고정 디스크의 다양한 실시예를 나타낸 도면이다.
도 10 내지 도 11을 참조하면, 회전 디스크(140) 및 고정 디스크(150)의 제1 대전체(142) 및 제2 대전체(152)가 다양한 패턴을 갖도록 형성될 수 있다.
예를 들어, 회전 디스크(140)의 제1 대전체(142)는 도 11(a) 내지 도 11(i)와 같이 Acryl에 의하여 부채꼴 형상으로 구획될 수 있고, 구획된 공간에 Al 및 PTFE 중 적어도 하나를 배치시킴으로써 형성될 수 있다. 만약 도 11(b), 10(e), 10(h)와 같이 구획된 공간에 Al 및 PTFE가 모두 배치되는 경우, Al 및 PTFE는 교대로 배치될 수 있다.
고정 디스크(150)의 제2 대전체(152)는 도 11(a) 내지 도 11(o)와 같이 Acryl에 의하여 부채꼴 형상으로 구획될 수 있고, 구획된 공간에 Al 및 PTFE 중 적어도 하나를 배치시킴으로써 형성될 수 있다. 만약 구획된 공간에 Al 및 PTFE가 모두 배치되는 경우, 제1 대전체(142)와 마찬가지로 Al 및 PTFE는 교대로 배치될 수 있다.
도 12는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 정전 발전기의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 13은 도 12에 도시된 캠부재의 구동에 따른 제1 디스크와 제2 디스크의 상태를 나타낸 도면이다. 본 실시예에서는 앞서 설명한 실시예와의 차이점을 중심으로 설명하기로 한다.
도 12 내지 도 13을 참조하면, 정전 발전기(300)는 태엽 스프링(310)과, 기어(320)와, 샤프트(330)와, 캠부재(340)와, 제1 디스크(350), 및 제2 디스크(360)를 포함할 수 있다.
태엽 스프링(310)은 외력에 의하여 탄성 변형될 수 있다.
기어(320)는 복수로 마련되어 태엽 스프링(310)과 회전 축으로 연결되고, 태엽 스프링(310)에 작용하는 외력이 제거됨에 따라 발생하는 태엽 스프링(310)의 복원력에 의하여 회전할 수 있다.
샤프트(330)는 기어(320)와 연동하여 회전할 수 있다.
캠(CAM)부재(340)는 샤프트(330)의 양측 단부에 제공될 수 있다. 예를 들어, 캠부재(340)는 한 쌍으로 구비되어 샤프트(330)의 일측 및 타측 단부에 각각 연결될 수 있고, '+'자 형상으로 제공되어 샤프트(330)와 연동하여 회전할 수 있다. 그리고, 각 단부에는 후술되는 제2 지지부재(361)와의 마찰을 억제하기 위하여 충격을 완충할 수 있는 소재로 형성되고, 곡률을 갖는 접촉면(341)이 제공될 수 있다.
제1 디스크(350)는 캠부재(340)의 하부에 이격 배치될 수 있고, 제1 지지부재(351) 상에 제공될 수 있다. 여기서, 제1 디스크(350)는 앞서 설명한 회전 디스크(140)와 동일한 구조 및 소재로 형성될 수 있다.
제2 디스크(360)는 제1 디스크(350) 상에 탄성 지지되고, 캠부재(340)에 의하여 제1 디스크(350)와 선택적으로 접촉되며 정전유도 작용으로 인한 전기를 발생시킬 수 있다. 예를 들어, 제2 디스크(360)는 제2 지지부재(361) 상에 제공될 수 있고, 제1 지지부재(351)와 제2 지지부재(361) 사이에 배치된 스프링(S)에 의하여 제1 디스크(350)와 이격된 상태를 유지할 수 있다. 여기서, 제2 디스크(360)는 앞서 설명한 고정 디스크(150)와 동일한 구조 및 소재로 형성될 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 정전 발전기(300)는 샤프트(330)의 양측에 캠부재(340)가 연결됨에 따라, 손잡이(371)를 파지하여 동력 전달부(370)를 당겼다 놓으면 태엽 스프링(310)의 복원력에 의하여 샤프트(330) 및 캠부재(340)가 회전하게 되고, 캠부재(340)의 회전 운동에 의하여 제1 디스크(350) 및 제2 디스크(360)는 선택적으로 접촉되며 정전유도 작용으로 인한 전기를 발생시킬 수 있게 된다.
즉, 도 13(a)에 도시된 바와 같이 스프링(S)에 의하여 상호 이격된 제1 디스크(350) 및 제2 디스크(360)는 캠부재(340)의 회전에 의하여 접촉면(341)이 제2 지지부재(361)에 접촉되어 제2 지지부재(361)를 제1 지지부재(351) 측으로 가압할 수 있다. 그러면 도 13(b)에 도시된 바와 같이 제2 디스크(360)가 제1 디스크(350)와 접촉하여 마찰에 의한 정전유도 작용으로 인한 전기를 발생시킬 수 있다. 다시 말하면, 캠부재(340)의 회전 구동과 연동하여 제1 디스크(350)와 제2 디스크(360)는 상호 접촉 및 비접촉을 반복하며 정전 발전할 수 있다.
이와 같이 캠부재(340)에 의하여 제1 디스크(350)와 제2 디스크(360)가 접촉되어 마찰에 의한 전기를 생산함에 따라 정전유도의 효율이 증가여 제2 디스크(360)에서 보다 많은 전기를 획득할 수 있다.
본 발명에 따르면, 정전 발전기(300) 제2 디스크(360)에서 발생하는 전류의 주파수는 제어가 가능해질 수 있다. 이러한 주파수의 제어는 태엽 스프링(310)의 토크(Tmainspring)와, 총 관성 모멘트(Itotal)와, 총기어비(Ng), 캠부재(340)의 노즈 개수를 중 적어도 하나를 조절하여 가능하다.
이는 하기 식을 통하여 알 수 있다.
먼저, 태엽 스프링(310)에 의해서 발생되는 토크(Tmainspring)는 아래의 식과 같다.
Figure pat00013
여기서, E는 태엽 스프링(310)의 탄성계수, N은 태엽 스프링(310)의 감은 횟수, L은 태엽 스프링(310)의 전체 길이, t는 태엽 스프링(310)의 두께, b는 태엽 스프링(310)의 폭이다.
그리고, 제2 디스크(360)의 주파수(HZ)는 아래의 식으로 구해질 수 있다.
Figure pat00014
T: 토크 (To operate this system)
f: 캠부재 내에서의 마찰
Figure pat00015
Ng: 총 기어비
Figure pat00016
Figure pat00017
I: 관성 모멘트 α: 각가속도
Figure pat00018
Igear: 기어의 관성 모멘트 Icam: 캠부재의 관성 모멘트
Idisc: 제2 디스크의 관성 모멘트 N: 제2 디스크의 개수
Figure pat00019
M: 제2 디스크의 디스크 질량 r: 제2 디스크의 반경
Figure pat00020
ω: 각속도 θ: 회전 각
Figure pat00021
Figure pat00022
Figure pat00023
Nc: 캠부재의 노즈 개수
이와 같이, 제2 디스크(360)의 주파수는 태엽 스프링(310)의 토크(Tmainspring), 기어(320)들 사이의 총기어비(Ng), 기어(320)의 관성 모멘트와 캠부재(340)의 관성 모멘트와 제2 디스크(360)의 관성모멘트 및 제2 디스크(360)의 개수를 포함하는 정전 발전기(300)의 총 관성 모멘트(Itotal), 캠부재(340)의 노즈 개수에 의하여 영향을 받을 수 있으므로, 태엽 스프링(310)의 토크(Tmainspring)와, 총 관성 모멘트(Itotal)와, 총기어비(Ng), 및 캠부재(340)의 노즈 개수를 조절하면 제2 디스크(360)의 주파수 제어가 가능해진다. 따라서, 제2 디스크(360)의 주파수를 원하는 크기로 제어하면, 제1 디스크(350)와의 접촉 및 분리 횟수 및 구동 시간에 따른 제2 디스크(360)의 전류량을 예측하여 원하는 전기 생산량을 획득할 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
110: 태엽 스프링
120: 기어
130: 샤프트
140: 회전 디스크
150: 고정 디스크
160: 동력 전달부
170: 배터리
180: 정류회로

Claims (14)

  1. 외력에 의하여 탄성 변형되는 태엽 스프링;
    상기 태엽 스프링과 회전 축으로 연결되고, 상기 태엽 스프링에 작용하는 외력이 제거됨에 따라 발생하는 상기 태엽 스프링의 복원력에 의하여 회전하는 복수의 기어;
    상기 기어와 연동하여 회전하는 샤프트;
    적어도 하나 이상 구비되어 상기 샤프트에 연결된 회전 디스크; 및
    적어도 하나 이상 구비되어 상기 회전 디스크로부터 이격 배치되고, 상기 회전 디스크가 회전함에 따라 발생하는 정전유도 작용으로 인해 전기를 발생시키는 고정 디스크;
    를 포함하는 정전 발전기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 태엽 스프링의 토크, 상기 기어들 사이의 총기어비, 상기 회전 디스크의 관성 모멘트, 상기 회전 디스크 및 고정 디스크 상의 패턴 수 중 적어도 하나를 조절하여 상기 회전 디스크의 주파수 제어가 가능한 정전 발전기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 태엽 스프링에 외력을 가하여 상기 태엽 스프링이 감기거나 풀릴 수 있도록 상기 태엽 스프링에 연결된 동력 전달부를 포함하는 정전 발전기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 태엽 스프링에 외력이 작용하여 상기 태엽 스프링이 인장될 때에는 상기 기어들은 상호 치합되고, 상기 태엽 스프링에 작용하는 외력이 해제되어 상기 태엽 스프링이 복원될 때에는 상기 기어들 중 상기 샹프트에 연결된 기어가 분리되어, 상기 태엽 스프링의 복원력이 모두 전달된 후에도 상기 샤프트는 회동이 가능한 정전 발전기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 태엽 스프링은 제1 회전 축에 의하여 지지부재에 회전 가능하게 지지되고, 상기 지지부재의 측면에는 상기 태엽 스프링의 인출 방향으로 길게 형성된 가이드 홀이 형성되며,
    상기 기어는,
    상기 제1 회전 축에 의해 상기 태엽 스프링에 연결된 제1 기어와,
    상기 가이드 홀에 삽입된 제2 회전 축에 연결되고, 상기 제1 기어와 치합되는 제2 기어와,
    상기 제2 회전 축에 연결되어 상기 제2 기어와 연동되는 제3 기어와,
    상기 제3 기어와 치합되고, 상기 샤프트에 연결되는 제4 기어를 포함하는 정전 발전기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 태엽 스프링이 복원될 때 상기 제2 회전 축은 상기 가이드 홀 내에서 상기 제1 기어 측으로 이동하고, 상기 제3 기어는 상기 제4 기어로부터 분리되어 상기 제4 기어만 회전하는 정전 발전기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 회전 디스크는,
    제1 기판과,
    상기 제1 기판의 일면 또는 양면에 제공되고, 제1 양전하 대전체 및 제1 음전하 대전체를 구비한 제1 대전체를 포함하는 정전 발전기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 양전하 대전체 및 제1 음전하 대전체체는 복수로 구비되고, 상기 제1 기판의 일면에 교대로 배치되는 정전 발전기.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 고정 디스크는,
    제2 기판과,
    상기 제2 기판의 일면에 제공되고, 제2 양전하 대전체 및 제2 음전하 대전체체를 구비한 제2 대전체와,
    상기 제2 대전체의 일면에 제공되어 상기 회전 디스크와 마주하게 배치되는 유전체층을 포함하는 정전 발전기.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제2 양전하 대전체 및 제2 음전하 대전체체는 복수로 구비되고, 상기 제2 기판의 일면에 교대로 배치되는 정전 발전기.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 고정 디스크로부터 발생되는 교류전류를 직류전류로 변환하여 외부 기기로 전송할 수 있는 정류회로를 포함하는 정전 발전기.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 고정 디스크로부터 발생된 전기를 저장할 수 있는 배터리를 포함하는 정전 발전기.
  13. 외력에 의하여 탄성 변형되는 태엽 스프링;
    상기 태엽 스프링과 회전 축으로 연결되고, 상기 태엽 스프링에 작용하는 외력이 제거됨에 따라 발생하는 상기 태엽 스프링의 복원력에 의하여 회전하는 복수의 기어;
    상기 기어와 연동하여 회전하는 샤프트;
    적어도 하나 이상 구비되어 상기 샤프트에 연결된 회전 디스크; 및
    적어도 하나 이상 구비되어 상기 회전 디스크로부터 이격 배치되고, 상기 회전 디스크가 회전함에 따라 발생하는 정전유도 작용으로 인해 전기를 발생시키는 고정 디스크;를 포함하고,
    상기 회전 디스크의 주파수는 하기 수학식을 통해 획득 가능한 정전 발전기.
    Figure pat00024

    Itotal : 회전 디스크의 관성 모멘트
    Ng : 총기어비
    Tspring : 태엽 스프링의 토크
    Np : 고정 디스크 및 회전 디스크 상의 패턴 수
  14. 외력에 의하여 탄성 변형되는 태엽 스프링;
    상기 태엽 스프링과 회전 축으로 연결되고, 상기 태엽 스프링에 작용하는 외력이 제거됨에 따라 발생하는 상기 태엽 스프링의 복원력에 의하여 회전하는 복수의 기어;
    상기 기어와 연동하여 회전하는 샤프트;
    상기 샤프트의 양측 단부에 제공되는 캠부재;
    상기 캠부재의 하부에 이격 배치되는 제1 디스크; 및
    상기 제1 디스크 상에 탄성 지지되고, 상기 캠부재에 의하여 상기 제1 디스크와 선택적으로 접촉되며 정전유도 작용으로 인한 전기를 발생시키는 제2 디스크;
    를 포함하는 정전 발전기.
KR1020200020521A 2020-02-19 2020-02-19 정전 발전기 KR102396313B1 (ko)

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