KR20220037686A - 물의 전하 분리를 이용한 에너지 하베스팅 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 물의 전하 분리를 이용한 에너지 하베스팅 장치에 관한 것이다. 본 발명에 의한 물의 전하 분리를 이용한 에너지 하베스팅 장치는, 마찰대전이 가능한 재질로 이루어지고, 물이 수용되는 수용공간이 형성되어 있는 케이스; 및 상기 케이스와 마찰대전에 의해 분리된 물 이온의 전하를 외부로 이동시킬 수 있도록, 상기 수용공간에 설치되고 전위차 형성을 위한 서브 전극과 전기적으로 연결되는 메인 전극;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

물의 전하 분리를 이용한 에너지 하베스팅 장치{Energy harvesting apparatuis using water charge separation}

본 발명은 물의 전하 분리를 이용한 에너지 하베스팅 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 물의 이온들 간 전하 분리 후 한 쪽으로 전하가 모이게 되는 현상을 이용하여 에너지를 수확할 수 있도록, 구조가 개선된 물의 전하 분리를 이용한 에너지 하베스팅 장치에 관한 것이다.

최근 친환경 에너지 정책에 따라 태양광, 풍력 등 대체에너지 개발이 요구되고 있는 실정이다. 이러한 대체에너지에 관한 연구개발은 태양광이나 풍력과 같이 전문가들에 의해 이루어지고 있으나, 근자에는 일상 생활에서 누구나 쉽게 활용할 수 있는 제품을 활용하여 에너지를 수확할 수 있는 기술들이 개발되고 있는 실정이다.

특히, 액체 상태의 물은 절연체 케이스 내부에서 움직일 때, 케이스의 표면전하에 따라 물 내부의 이온들 간 전하 분리가 발생하여 한쪽으로 (+) 또는 (-) 전하가 모이게 되는 특성이 있기 때문에, 물을 활용한 에너지 수확은 큰 비용을 들이지 않고도 주변에서 쉽게 입수 가능한 물을 이용하여 누구나 쉽게 에너지를 수확할 수 있는 점에서 활용성이 매우 우수하다.

대한민국 등록특허공보 등록번호 제10-1724900호 대한민국 등록특허공보 등록번호 제10-1737523호

본 발명은 상기와 같은 필요성에 의해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 절연체 내부에서 유동하는 물의 이온들 간 전하 분리 현상에 기초하여 에너지를 수확할 수 있게 하는 물의 전하 분리를 이용한 에너지 하베스팅 장치를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 물의 전하 분리를 이용한 에너지 수확 뿐만 아니라, 마찰대전에 의한 에너지 수확도 가능하게 하는 물의 전하 분리를 이용한 에너지 하베스팅 장치를 제공하고자 하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 물의 전하 분리를 이용한 에너지 하베스팅 장치는, 마찰대전이 가능한 재질로 이루어지고, 물이 수용되는 수용공간이 형성되어 있는 케이스; 및 상기 케이스와 마찰대전에 의해 분리된 물 이온의 전하를 외부로 이동시킬 수 있도록, 상기 수용공간에 설치되고 전위차 형성을 위한 서브 전극과 전기적으로 연결되는 메인 전극;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 메인 전극은 상기 수용공간에 수용된 물과 접촉 가능하게 배치되는 것이 바람직하다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 마찰대전이 가능한 재질로 이루어지고, 물이 수용되는 수용공간이 형성되어 있는 케이스; 상기 케이스와 마찰대전에 의해 분리된 물 이온의 전하를 직접 접촉 방식에 의해 이동시킬 수 있도록, 상기 수용공간에 수용된 물과 접촉 가능하게 배치된 도체; 및 상기 케이스의 외부에 마련되어서 상기 케이스와 전기적으로 연결되는 전극;을 포함하여 이루어지는 것도 가능하다.

상기 도체는 상기 케이스를 감싸는 형태로 그 케이스에 결합되고, 상기 도체와 전극 사이에는 절연체가 배치되며, 상기 케이스는, 상기 도체의 일부가 상기 수용공간 내측에 수용된 물과 접촉될 수 있도록, 상기 도체를 물에 노출시켜 이온 분리된 전하를 직접 접촉 방식으로 이동시킬 수 있게 하는 노출홈부를 포함하여 이루어져서, 상기 전하와 도체 간의 직접 접촉 방식에 의한 전하 이동 뿐만 아니라, 상기 케이스와 물 간의 마찰대전에 의해 대전된 전하를 정전기 유도 방식으로 상기 전극 측에 이동시켜 에너지를 수확할 수 있도록 구성되는 것이 바람직하다.

상술한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 물의 전하 분리를 이용한 에너지 하베스팅 장치는, 절연체인 케이스 내부에서 유동하는 물의 이온들 간 전하 분리 현상에 기초하여 에너지를 수확할 수 있게 함으로써, 주변에서 쉽게 입수할 수 있는 재료인 물을 누구나 쉽게 전력 획득수단으로 사용할 수 있게 하는 효과를 도출한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 물의 전하 분리를 이용한 에너지 하베스팅 장치의 구조를 보인 절개도.
도 2 내지 도 4는 본 발명 일실시예의 물의 유동 특성에 따른 에너지 수확 원리를 설명하기 위한 도면들.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 물의 전하 분리를 이용한 에너지 하베스팅 장치의 단면도.
도 6 내지 도 8은 본 발명 다른 실시예의 물의 유동 특성에 따른 에너지 수확 원리를 설명하기 위한 도면들.

이하의 설명에서 본 발명에 대한 이해를 명확히 하기 위하여, 본 발명의 특징에 대한 공지의 기술에 대한 설명은 생략하기로 한다. 이하의 실시예는 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.

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.

이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 물의 전하 분리를 이용한 에너지 하베스팅 장치를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 물의 전하 분리를 이용한 에너지 하베스팅 장치의 구조를 보인 절개도이고, 도 2 내지 도 4는 본 발명 일실시예의 물의 유동 특성에 따른 에너지 수확 원리를 설명하기 위한 도면들이다.

도 1에 잘 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 물의 전하 분리를 이용한 에너지 하베스팅 장치는, 물의 이온들 간 전하 분리 후 한 쪽으로 전하가 모이게 되는 현상을 이용하여 에너지를 수확할 수 있게 하는 것으로, 케이스(1)와 메인 전극(2)을 포함하여 이루어진다.

상기 케이스(1)는 마찰대전이 가능한 재질로 이루어지고, 물이 수용되는 수용공간이 형성되어 있어서 주변에서 쉽게 입수할 수 있을 물을, 본 실시예와 같은 에너지 수확의 용도로 활용할 수 있게 한다.

여기서, 상기 케이스(1)는 예컨대 (-)로 대전되기 쉬운 물질 (PTFE, Polyimide 등) 뿐만 아니라, (+)로 대전되기 쉬운 물질(Nylon, Polypropylene 등)과 같이, 물과 마찰대전을 일으키는 다양한 재질로 형성될 수 있음은 물론이다.

상기 메인 전극(2)은, 상기 수용공간에 설치되고 전위차 형성을 위한 서브 전극과 전기적으로 연결되어서 상기 케이스(1)와 마찰대전에 의해 분리된 물 이온의 전하를 외부로 이동시킬 수 있게 한다.

상기 서브 전극은 상기 메인 전극(2)과의 전위차 형성을 위한 접지 전극을 의미하는 것으로 케이스(1)로부터 이격된 임의의 위치에 형성되게 구현할 수 있음은 물론이나, 케이스(1) 자체에 마련되게 하는 것도 가능하다.

이러한 구성을 가지는 본 실시예는, 도 1의 (a)와 같이 물이 케이스(1) 내부에서 움직일 때, 케이스(1)의 표면 전하에 따라 물 내부의 이온들 간 전하 분리가 발생하여 한쪽으로 (+) 또는 (-) 전하가 모이게 되고, 이렇게 모인 이온이 도 1의 (b)와 같이 한꺼번에 메인 전극(2)에 직접 닿게 되어 메인 전극(2) 내부의 자유 전자가 한 번에 이동하게 됨에 따라 높은 출력이 발생하게 된다.

도 2 내지 도 4를 참조하여 물의 유동 특성에 따른 에너지 수확 원리 및 출력에 대해 설명하면 다음과 같다.

즉, 도 2의 (a)와 같이 물의 가장자리보다 중심의 움직임이 큰 경우에는 도 2의 (b)와 같이 상대적으로 중앙 부분에 (-)이온이 모이게 됨에 따라 도 2의 (c)와 같은 출력을 얻게 된다.

이와는 반대로, 도 3의 (a)와 같이 물의 중심보다 가장자리의 움직임이 큰 경우에는 도 3의 (b)와 같이 상대적으로 가장자리 부분에 (+)전하가 모이게 되고, 이 전하들이 가운데에 위치한 메인 전극(2)에 순간적으로 접촉됨에 따라, 도 3의 (c)와 같은 큰 출력을 얻게 된다.

그리고, 도 4의 (a)와 같이 물 표면에서 골고루 물 입자가 메인 전극(2) 측으로 튀어 오르는 경우에는 도 4의 (b)와 같이 이온 분리된 전하가 메인 전극(2) 측에 접근되는 과정에서 재결합이 이루어지는 경우에 발생하여 도 4의 (c)와 같이 상대적으로 작은 크기의 출력을 얻게 된다.

결국, 본 발명의 일실시예에 따른 물의 전하 분리를 이용한 에너지 하베스팅 장치는, 절연체인 케이스(1) 내부에서 유동하는 물의 이온들 간 전하 분리 현상에 기초하여 에너지를 수확할 수 있게 함으로써, 주변에서 쉽게 입수할 수 있는 재료인 물을 누구나 쉽게 전력 획득수단으로 사용할 수 있게 하는 장점을 가진다.

한편, 상기 메인 전극(2)은 상기 수용공간 내에 배치되어서 물의 이온 분리에 의해 형성된 전하가 직접적으로 접촉될 수 있게 하여, 에너지 수확 효율을 향상시킬 수 있게 하는 것이 바람직하다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 물의 전하 분리를 이용한 에너지 하베스팅 장치의 단면도이고, 도 6 내지 도 8은 본 발명 다른 실시예의 물의 유동 특성에 따른 에너지 수확 원리를 설명하기 위한 도면들이다.

본 실시예는 앞에서 설명한 실시예와는 달리 이온 분리된 전하와 직접 접촉에 의한 에너지 수확 뿐만 아니라 마찰대전에 의한 정전기 유도 방식에 의한 에너지 수확을 동시에 가능하게 하는 것으로, 케이스(10), 도체(20), 전극(30) 및 절연체(40)를 포함하여 이루어진다.

상기 케이스(10)는 앞에서 설명한 실시예와 마찬가지로, 마찰대전이 가능한 재질로 이루어지고 물(W)이 수용되는 수용공간이 형성되어 있다.

상기 도체(20)는 앞에서 설명한 실시예에 마련되어 있지 않은 구성인 것으로, 상기 수용공간에 수용된 물(W)과 접촉 가능하게 배치되어서 상기 케이스(10)와 마찰대전에 의해 분리된 물(W) 이온의 전하를 직접 접촉 방식에 의해 이동시킬 수 있게 한다.

상기 전극(30)은 상기 케이스(10)의 외부에 마련되어서 상기 케이스(10)의 내측에 마련된 전극층(12)을 통해 케이스(10)와 전기적으로 연결되어서, 마찰대전에 의한 에너지 수확을 가능하게 하고, 상기 절연체(40)는 상기 도체(20)와 전극(30) 사이에 배치된다.

본 실시예에 채용된 도체(20)는 물(W)과 접촉될 수 있는 구조인 것으로 족하나, 케이스(10) 내부보다는 상기 케이스(10)를 감싸는 형태로 그 케이스(10)에 결합되도록 구성되어서 제조 효율을 높일 수 있게 하는 것이 바람직하고, 상기 도체(20)와 전극(30) 사이에는 절연체(40)가 배치되는 것이 바람직하다.

상기 케이스(10)는, 상기 도체(20)의 일부가 상기 수용공간 내측에 수용된 물(W)과 접촉될 수 있도록, 상기 도체(20)를 물(W)에 노출시켜 이온 분리된 전하를 직접 접촉 방식으로 이동시킬 수 있게 하는 노출홈부(11)를 포함하여 이루어진다.

이러한 구성을 가지는 본 실시예는, 도 6과 같이 케이스(10)에 수용된 물(W)이 도체(20)에 직접 접촉되지 않고 케이스(10)의 우측 가장자리에만 몰려 있는 경우에는 케이스(10)와 물(W) 간의 마찰대전에 의한 정전기 유도 방식으로 에너지를 수확할 수 있게 되고, 도 7과 같이 케이스(10)에 수용된 물(W)이 케이스(10)의 가운데 부분을 통해 도체(20)에만 접촉되는 경우에는 이온 분리된 전하가 직접 도체(20)를 통해 이동하여 에너지를 수확할 수 있게 되며, 도 8과 같이 물(W)이 케이스(10)의 우측 가장자리와 도체(20)에 동시에 접촉되는 경우에는 상기 전하와 도체(20) 간의 직접 접촉 방식에 의한 전하 이동 뿐만 아니라, 상기 케이스(10)와 물(W) 간의 마찰대전에 의해 대전된 전하를 정전기 유도 방식으로 상기 전극(30) 측에 이동시켜 에너지를 수확할 수 있게 됨으로써, 에너지 수확 효율을 더욱 향상시킬 수 있는 장점을 기대할 수 있게 한다.

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.

1:케이스 2:메인 전극

Claims (4)

1. 마찰대전이 가능한 재질로 이루어지고, 물이 수용되는 수용공간이 형성되어 있는 케이스; 및
   상기 케이스와 마찰대전에 의해 분리된 물 이온의 전하를 외부로 이동시킬 수 있도록, 상기 수용공간에 설치되고 전위차 형성을 위한 서브 전극과 전기적으로 연결되는 메인 전극;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 물의 전하 분리를 이용한 에너지 하베스팅 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 메인 전극은 상기 수용공간에 수용된 물과 접촉 가능하게 배치되는 것을 특징으로 하는 물의 전하 분리를 이용한 에너지 하베스팅 장치.
3. 마찰대전이 가능한 재질로 이루어지고, 물이 수용되는 수용공간이 형성되어 있는 케이스;
   상기 케이스와 마찰대전에 의해 분리된 물 이온의 전하를 직접 접촉 방식에 의해 이동시킬 수 있도록, 상기 수용공간에 수용된 물과 접촉 가능하게 배치된 도체; 및
   상기 케이스의 외부에 마련되어서 상기 케이스와 전기적으로 연결되는 전극;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 물의 전하 분리를 이용한 에너지 하베스팅 장치.
4. 제3항에 있어서,
   상기 도체는 상기 케이스를 감싸는 형태로 그 케이스에 결합되고,
   상기 도체와 전극 사이에는 절연체가 배치되며,
   상기 케이스는, 상기 도체의 일부가 상기 수용공간 내측에 수용된 물과 접촉될 수 있도록, 상기 도체를 물에 노출시켜 이온 분리된 전하를 직접 접촉 방식으로 이동시킬 수 있게 하는 노출홈부를 포함하여 이루어져서, 상기 전하와 도체 간의 직접 접촉 방식에 의한 전하 이동 뿐만 아니라, 상기 케이스와 물 간의 마찰대전에 의해 대전된 전하를 정전기 유도 방식으로 상기 전극 측에 이동시켜 에너지를 수확할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 물의 전하 분리를 이용한 에너지 하베스팅 장치.

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