KR20220119871A - Smart-home-applicable triboelectric nanogenerator capable of harvesting, sensing and storing mechanical energy in a smart home and power management apparatus and motion detecting apparatus using the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 기계 에너지를 수확, 감지 및 저장할 수 있는 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기 및 이를 이용한 전력 관리 장치 및 모션 감지 장치에 관한 것으로, 구체적으로, 가정에서 일반적으로 사용할 수 있는 폐 플라스틱 및 전자 폐기물을 활용하여 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기를 설계하고, 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기를 이용하여 기계 에너지를 수확하며, 휴대용 전자 장치에 수확된 기계 에너지를 직접 적용할 뿐만 아니라 도난 방지를 위한 모션을 센싱하고, 충전 가능한 배터리를 충전하는 기술에 관한 것이다.The present invention relates to a triboelectric nano-generator applicable to a smart home capable of harvesting, sensing and storing mechanical energy, and a power management device and a motion sensing device using the same, and specifically, to waste plastic and electronic waste that can be generally used at home to design smart home applicable triboelectric nanogenerators, harvest mechanical energy using smart home applicable triboelectric nanogenerators, directly apply harvested mechanical energy to portable electronic devices, It relates to a technology for sensing motion and charging a rechargeable battery.
전자 장치의 광범위한 사용으로 인해 전기 수요가 증가하고 있고, 이러한 수요를 충족하기 위해 여러 청정하고 지속 가능한 에너지원에 대한 연구는 지속적으로 이루어지고 있다.Electricity demand is increasing due to the widespread use of electronic devices, and research on various clean and sustainable energy sources is continuously being made to meet this demand.
풍부하고 자유롭게 사용할 수있는 에너지는 기계, 풍력, 태양열, 화학 및 열 형태로 존재하고, 기계적 운동과 진동은 거의 항상 편재한다.Abundant and freely available energy exists in mechanical, wind, solar, chemical and thermal forms, and mechanical motion and vibration are almost always omnipresent.
우리의 생활 환경에서 기계적 에너지를 추출하는 몇 가지 방법이 설명되었다. 연구그룹중 하나인 Z. L. Wang 그룹의 생활 환경과 일상적인 인간 활동에서 기계 에너지를 효과적으로 수확 할 수 있는 나노 발전기 개발에 이어 연구는 기술의 유연성, 지속 가능성, 생분해 성, 비용 효율성 및 제조 용이성을 개선하는 데 초점을 맞추어서 진행하고 있다.Several methods of extracting mechanical energy from our living environment have been described. Following the development of nanogenerators capable of effectively harvesting mechanical energy from the living environment and daily human activities of the Z. L. Wang group, one of the research groups, the research is focused on improving the technology's flexibility, sustainability, biodegradability, cost-effectiveness and ease of manufacture. We are focusing on the
마찰 전기 나노 발전기(triboelectric nanogenerator, TENG)는 높은 변환 효율, 비용 효율성, 환경 친화적 인 기능 및 광범위한 적용 가능성으로 인해 유망한 접근 방식을 나타내고 있다.Triboelectric nanogenerators (TENGs) represent a promising approach due to their high conversion efficiency, cost-effectiveness, environmentally friendly features and wide applicability.
그러나, 마찰 전기 재료가 부족하기 때문에 실용적인 마찰 전기 나노 발전기를 찾기 어려운 실정이다.However, it is difficult to find a practical triboelectric nanogenerator due to the lack of triboelectric materials.
마찰 전기 나노 발전기는 기계적 에너지를 마찰 전기로 변환하기 때문에 결과적으로 출력되는 전력은 기존의 휴대용 및 모바일 전자 장치를 구동하기에 충분하다.Since triboelectric nanogenerators convert mechanical energy into triboelectricity, the resulting power output is sufficient to drive conventional portable and mobile electronic devices.
모바일 전자 장치 개발자의 주요 과제는 지속적이고 지속적인 서비스를 제공하기에 충분한 에너지 저장 용량이 부족하다는 것이고, 장기간 사용하기 때문에 빈번하고 정기적 인 재충전이나 불편한 배터리 교체가 필요하다.A major challenge for developers of mobile electronic devices is the lack of sufficient energy storage capacity to provide continuous and continuous service, requiring frequent and regular recharging or inconvenient battery replacement due to prolonged use.
나노 발전기와 에너지 저장 시스템을 통합하면 이 문제를 해결할 수 있고 자가 전력 에너지 저장 시스템을 만들 수 있다.Integrating nanogenerators with energy storage systems can solve this problem and create self-powered energy storage systems.
대부분의 가정 환경에서 풍부한 청정 또는 낭비된 기계 에너지를 사용할 수 있기 때문에 사용 가능한 기계 에너지를 수확, 저장 및 사용할 수 있는 나노 발전기가 인기있는 기술로 분류할 수 있다.Because abundant clean or wasted mechanical energy is available in most home environments, nanogenerators that can harvest, store and use usable mechanical energy can be classified as a popular technology.
이러한 마찰 전기 나노 발전기는 가벼운 무게, 높은 전력 밀도, 저렴한 비용 및 제조 용이성을 포함한 다양한 이점을 제공한다.These triboelectric nanogenerators offer a variety of advantages including light weight, high power density, low cost and ease of manufacture.
그러나 이전에 설명한 대부분의 마찰 전기 나노 발전기는 지속 가능하고 환경 영향이 적은 합성 공정과 호환되지 않는 금속 산화물, 합성 고분자 및 금속으로 제조되었으며 일반적으로 제한된 수량으로 만 제공되는 재료가 필요하다.However, most triboelectric nanogenerators previously described are made from metal oxides, synthetic polymers and metals that are incompatible with sustainable and low-impact synthetic processes and require materials that are usually only available in limited quantities.
한편, 수확된 기계 에너지를 직접 사용하거나 리튬 이온(Li-ion) 배터리에 저장하여 자동화된 가정을 위한 자가 전력 에너지 저장 시스템을 구축하는 연구도 필요하다.Meanwhile, research is also needed to build a self-powered energy storage system for an automated home by using harvested mechanical energy directly or storing it in a lithium-ion (Li-ion) battery.
이전 연구에서 설명한 대부분의 마찰 전기 나노 발전기는 외부 부하 저항 하에서 전기 출력 효율을 최대화하도록 설계되었으며 마찰 전기 나노 발전기를 사용하여 축전 장치를 충전하려는 시도는 거의 없었다.Most triboelectric nanogenerators described in previous studies are designed to maximize electrical output efficiency under external load resistance, and few attempts have been made to charge capacitors using triboelectric nanogenerators.
주변 기계 및 생체 역학 에너지의 무작위성으로 인해 마찰 전기 나노 발전기의 교류(AC) 출력은 불규칙 할 수 있으며 안정적인 직류(DC)가 필요한 기존 전자 장치의 직접 구동에 적합하지 않을 수 있다.Due to the randomness of the surrounding mechanical and biomechanical energies, the alternating current (AC) output of triboelectric nanogenerators may be irregular and may not be suitable for direct drive of conventional electronic devices that require stable direct current (DC).
초기 솔루션은 정류기를 사용하는 배터리 및 슈퍼 커패시터와 같은 에너지 저장 장치와의 직접 통합에 중점을 두었지만 마찰 전기 나노 발전기와 에너지 저장 장치 간의 상당한 임피던스 차이로 인해 고전압 AC 출력 전력에서 저장된 전기 에너지로의 변환 효율이 낮았다.Initial solutions focused on direct integration with energy storage devices such as batteries and supercapacitors using rectifiers, but due to the significant impedance differences between triboelectric nanogenerators and energy storage devices, the conversion of high voltage AC output power to stored electrical energy efficiency was low.
또한, 높은 임피던스는 전압을 최소화하고 전류를 높이기 위해 기존 변압기를 사용하는 것을 선호하며 종종 큰 에너지 손실 및 펄스를 포함하는 문제점이 존재한다.In addition, high impedance favors the use of conventional transformers to minimize voltage and increase current, and there are problems that often include large energy losses and pulses.
본 발명은 폐 플라스틱으로 지지 기판 및 스펀지를 형성하고, 지지 기판 사이에 양극 마찰 재료로 순면 섬유(pristine cotton fiber, PCF)를 이용하고, 양극 마찰 재료로 폴리테트라 플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE)를 이용하여 가정에서 사용 가능한 기계 에너지를 수확하는 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기를 제공하는 것을 목적으로 한다.In the present invention, a support substrate and a sponge are formed from waste plastic, pristine cotton fiber (PCF) is used as an anode friction material between the support substrates, and polytetrafluoroethylene (PTFE) is used as an anode friction material. An object of the present invention is to provide a triboelectric nanogenerator that can be applied to a smart home that harvests mechanical energy that can be used at home.
본 발명은 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기에서 생성된 교류 신호를 직류 신호로 효과적으로 변환하여 다양한 휴대용 전자 장치를 구동하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to effectively convert an AC signal generated by a triboelectric nano-generator applicable to a smart home into a DC signal to drive various portable electronic devices.
본 발명은 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기에서 생성된 교류 신호를 직류 신호로 효과적으로 변환하여 재 충전 가능한 리튬 이온 배터리를 효과적으로 충전하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to effectively convert an AC signal generated by a triboelectric nano-generator applicable to a smart home into a DC signal to effectively charge a rechargeable lithium-ion battery.
본 발명은 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기에서 생성된 전압 스파이크를 감지하여 스마트 홈의 다양한 부분 또는 위치에서 모션 또는 도난 방지 센서로 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기를 활용하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to utilize a triboelectric nanogenerator applicable to a smart home as a motion or anti-theft sensor in various parts or locations of a smart home by detecting a voltage spike generated by a triboelectric nanogenerator applicable to a smart home.
본 발명은 가정 내에서 다양한 위치에 배치된 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기로부터 기계적 에너지를 감지 및 수집하여 이를 리튬 이온 배터리에 효율적으로 저장하거나 가정의 휴대용 전자 제품에 전력을 공급하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to detect and collect mechanical energy from a triboelectric nano-generator that can be applied to a smart home disposed at various locations in the home and efficiently store it in a lithium-ion battery or to supply power to portable electronic products at home. .
본 발명의 일실시예에 따른 일회용 폐 플라스틱을 이용한 마찰 전기 나노 발전기에 있어서, 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기는 양극 전극과 부착된 제1 물질층으로 형성되는 양극 마찰층, 음극 전극과 부착된 제2 물질층으로 형성되는 음극 마찰층, 상기 일회용 폐 플라스틱을 이용하여 형성되고, 상기 양극 마찰층과 결합되는 제1 지지 기판, 상기 일회용 폐 플라스틱을 이용하여 형성되고, 상기 음극 마찰층과 결합되는 제2 지지 기판 및 상기 제1 지지 기판의 네 모서리 부분에 위치하고, 상기 일회용 폐 플라스틱을 이용하여 다공성으로 형성되며, 상기 마찰 전기 나노 발전기에 작용되는 힘에 기반하여 상기 양극 마찰층과 상기 음극 마찰층의 이격 거리를 동적으로 조절하는 스펀지층을 포함하고, 상기 동적으로 조절되는 이격 거리에 따른 상기 양극 마찰층과 상기 음극 마찰층의 마찰에 기반하여 기계적 에너지를 수확할 수 있다.In the triboelectric nanogenerator using disposable waste plastic according to an embodiment of the present invention, the triboelectric nanogenerator applicable to a smart home is an anode friction layer formed of a first material layer attached to an anode electrode, and a cathode electrode attached to A cathode friction layer formed of a second material layer, a first support substrate formed using the disposable waste plastic and coupled to the anode friction layer, formed using the disposable waste plastic, and coupled to the cathode friction layer The second support substrate and the first support substrate are located at the four corners, are porous using the disposable waste plastic, and the anode friction layer and the cathode friction layer based on the force applied to the triboelectric nano generator and a sponge layer that dynamically adjusts the separation distance of , and mechanical energy can be harvested based on friction between the positive electrode friction layer and the negative electrode friction layer according to the dynamically controlled separation distance.
상기 제1 물질층은 면(cotton), 계란 껍질(egg peal), 셀룰로오스 종이(cellulose paper), 쌀 종이(rice paper) 및 양파 껍질(onion peal) 중 어느 하나로 형성될 수 있다.The first material layer may be formed of any one of cotton, egg shell, cellulose paper, rice paper, and onion peel.
상기 제2 물질층은 구리(Cu), 알루미늄(Al), 종이(paper), 캡톤(Kapton), PET(polyethylene terephthalate), 고무(rubber) 및 PTFE(Polytetrafluoroethylene) 중 어느 하나로 형성될 수 있다.The second material layer may be formed of any one of copper (Cu), aluminum (Al), paper, Kapton, polyethylene terephthalate (PET), rubber, and polytetrafluoroethylene (PTFE).
상기 제1 물질층의 두께는 686.5㎛ 내지 2.680mm로 형성될 수 있다.The first material layer may have a thickness of 686.5 μm to 2.680 mm.
상기 제1 물질층은 상기 두께가 감소할수록 기계적 에너지와 관련된 전압, 전류 및 전하 밀도가 증가될 수 있다.As the thickness of the first material layer decreases, voltage, current, and charge density related to mechanical energy may increase.
본 발명의 일실시예에 따른 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기는 포장지(plastic wrap)으로 이루어지고, 상기 마찰 전기 나노 발전기의 전체 면적을 포장(wrap)하여 상기 양극 마찰층, 상기 음극 마찰층, 상기 제1 지지 기판, 상기 제2 지지 기판 및 상기 스펀지층을 외부의 이물질로부터 보호하는 보호층을 더 포함할 수 있다.A triboelectric nano-generator applicable to a smart home according to an embodiment of the present invention is made of plastic wrap, and the entire area of the triboelectric nano-generator is wrapped to form the positive friction layer, the negative friction layer, A protective layer for protecting the first support substrate, the second support substrate, and the sponge layer from external foreign substances may be further included.
상기 보호층은 상기 양극 마찰층, 상기 음극 마찰층, 상기 제1 지지 기판, 상기 제2 지지 기판 및 상기 스펀지층을 외부의 온도, 수소이온지수 및 습도의 변화로부터 보호할 수 있다.The protective layer may protect the anode friction layer, the cathode friction layer, the first support substrate, the second support substrate, and the sponge layer from changes in external temperature, hydrogen ion index, and humidity.
상기 스펀지층은 외부의 힘이 가해지지 않을 경우 상기 다공성 내에 공기를 가두고, 상기 외부의 힘이 가해질 경우 상기 다공성에서 배출된 공기가 상기 보호층 내에서 순환시킬 수 있다.The sponge layer may contain air in the porosity when no external force is applied, and when the external force is applied, the air discharged from the porosity may circulate in the protective layer.
본 발명의 일실시예에 따르면 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기를 이용한 전력 관리 장치는 양극 전극과 부착된 제1 물질층으로 형성되는 양극 마찰층, 음극 전극과 부착된 제2 물질층으로 형성되는 음극 마찰층, 상기 일회용 폐 플라스틱을 이용하여 형성되고, 상기 양극 마찰층과 결합되는 제1 지지 기판, 상기 일회용 폐 플라스틱을 이용하여 형성되고, 상기 음극 마찰층과 결합되는 제2 지지 기판 및 상기 제1 지지 기판의 네 모서리 부분에 위치하고, 상기 일회용 폐 플라스틱을 이용하여 다공성으로 형성되며, 마찰 전기 나노 발전기에 작용되는 힘에 기반하여 상기 양극 마찰층과 상기 음극 마찰층의 이격 거리를 동적으로 조절하는 스펀지층을 포함하고, 상기 양극 마찰층과 상기 음극 마찰층의 마찰에 기반하여 기계적 에너지를 수확하는 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기 및 상기 수확된 기계적 에너지의 교류 전압을 직류 전압으로 변환하고, 상기 변환된 직류 전압을 입력 전압으로 배터리에 충전하거나 휴대용 전자 제품을 구동하는 전력 관리 회로를 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, a power management device using a triboelectric nano-generator applicable to a smart home is formed of an anode friction layer formed of a first material layer attached to an anode electrode, and a second material layer attached to a cathode electrode A cathode friction layer, a first support substrate formed using the disposable waste plastic and coupled to the anode friction layer, a second support substrate formed using the disposable waste plastic and coupled to the cathode friction layer, and the
상기 제1 물질층은 면(cotton), 계란 껍질(egg peal), 셀룰로오스 종이(cellulose paper), 쌀 종이(rice paper) 및 양파 껍질(onion peal) 중 어느 하나로 형성될 수 있다.The first material layer may be formed of any one of cotton, egg shell, cellulose paper, rice paper, and onion peel.
상기 제2 물질층은 구리(Cu), 알루미늄(Al), 종이(paper), 캡톤(Kapton), PET(polyethylene terephthalate), 고무(rubber) 및 PTFE(Polytetrafluoroethylene) 중 어느 하나로 형성될 수 있다.The second material layer may be formed of any one of copper (Cu), aluminum (Al), paper, Kapton, polyethylene terephthalate (PET), rubber, and polytetrafluoroethylene (PTFE).
본 발명의 일실시예에 따르면 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기를 이용한 모션 감지 장치는 양극 전극과 부착된 제1 물질층으로 형성되는 양극 마찰층, 음극 전극과 부착된 제2 물질층으로 형성되는 음극 마찰층, 상기 일회용 폐 플라스틱을 이용하여 형성되고, 상기 양극 마찰층과 결합되는 제1 지지 기판, 상기 일회용 폐 플라스틱을 이용하여 형성되고, 상기 음극 마찰층과 결합되는 제2 지지 기판 및 상기 제1 지지 기판의 네 모서리 부분에 위치하고, 상기 일회용 폐 플라스틱을 이용하여 다공성으로 형성되며, 마찰 전기 나노 발전기에 작용되는 힘에 기반하여 상기 양극 마찰층과 상기 음극 마찰층의 이격 거리를 동적으로 조절하는 스펀지층을 포함하고, 상기 양극 마찰층과 상기 음극 마찰층의 마찰에 기반하여 기계적 에너지를 수확하는 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기 및 상기 수확된 기계적 에너지의 스파이크 전압을 감지하여 상기 감지된 스파이크 전압과 관련된 움직임 활동을 추적하거나 감지하는 모션 감지 센서를 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, a motion sensing device using a triboelectric nanogenerator applicable to a smart home is formed of an anode friction layer formed of a first material layer attached to an anode electrode, and a second material layer attached to a cathode electrode. A cathode friction layer, a first support substrate formed using the disposable waste plastic and coupled to the anode friction layer, a second support substrate formed using the disposable waste plastic and coupled to the cathode friction layer, and the
상기 제1 물질층은 면(cotton), 계란 껍질(egg peal), 셀룰로오스 종이(cellulose paper), 쌀 종이(rice paper) 및 양파 껍질(onion peal) 중 어느 하나로 형성될 수 있다.The first material layer may be formed of any one of cotton, egg shell, cellulose paper, rice paper, and onion peel.
상기 제2 물질층은 구리(Cu), 알루미늄(Al), 종이(paper), 캡톤(Kapton), PET(polyethylene terephthalate), 고무(rubber) 및 PTFE(Polytetrafluoroethylene) 중 어느 하나로 형성될 수 있다.The second material layer may be formed of any one of copper (Cu), aluminum (Al), paper, Kapton, polyethylene terephthalate (PET), rubber, and polytetrafluoroethylene (PTFE).
상기 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기는 스마트홈 내 소파, 테이블, 바닥, 벽, 문의 경첩 중 적어도 하나의 위치에 부착되어 상기 스마트홈 내 움직임과 관련된 상기 기계적 에너지를 수확할 수 있다.The triboelectric nano-generator applicable to the smart home may be attached to at least one of a sofa, a table, a floor, a wall, and a door hinge in the smart home to harvest the mechanical energy related to the movement in the smart home.
본 발명은 폐 플라스틱으로 지지 기판 및 스펀지를 형성하고, 지지 기판 사이에 양극 마찰 재료로 순면 섬유(pristine cotton fiber, PCF)를 이용하고, 양극 마찰 재료로 폴리테트라 플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE)를 이용하여 가정에서 사용 가능한 기계 에너지를 수확하는 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기를 제공할 수 있다.In the present invention, a support substrate and a sponge are formed from waste plastic, pristine cotton fiber (PCF) is used as an anode friction material between the support substrates, and polytetrafluoroethylene (PTFE) is used as an anode friction material. Thus, it is possible to provide a triboelectric nanogenerator that can be applied to a smart home that harvests mechanical energy that can be used at home.
본 발명은 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기에서 생성된 교류 신호를 직류 신호로 효과적으로 변환하여 다양한 휴대용 전자 장치를 구동할 수 있다.The present invention can drive various portable electronic devices by effectively converting an AC signal generated by a triboelectric nano-generator applicable to a smart home into a DC signal.
본 발명은 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기에서 생성된 교류 신호를 직류 신호로 효과적으로 변환하여 재 충전 가능한 리튬 이온 배터리를 효과적으로 충전할 수 있다.The present invention can effectively charge a rechargeable lithium-ion battery by effectively converting an AC signal generated by a triboelectric nano-generator applicable to a smart home into a DC signal.
본 발명은 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기에서 생성된 전압 스파이크를 감지하여 스마트 홈의 다양한 부분 또는 위치에서 모션 또는 도난 방지 센서로 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기를 활용할 수 있다.The present invention can utilize the smart home applicable triboelectric nanogenerator as a motion or anti-theft sensor in various parts or locations of the smart home by detecting the voltage spike generated by the triboelectric nanogenerator applicable to the smart home.
본 발명은 가정 내에서 다양한 위치에 배치된 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기로부터 기계적 에너지를 감지 및 수집하여 이를 리튬 이온 배터리에 효율적으로 저장하거나 가정의 휴대용 전자 제품에 전력을 공급할 수 있다.The present invention can detect and collect mechanical energy from triboelectric nano-generators applicable to smart homes arranged at various locations in the home and efficiently store it in a lithium-ion battery or supply power to portable electronic products at home.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일실시예에 따른 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기를 설명하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기의 제조 방법을 설명하는 도면이다.
도 3a는 본 발명의 일실시예에 따른 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기의 양극 마찰 재료의 전자 현미경 이미지를 설명하는 도면이다.
도 3b는 본 발명의 일실시예에 따른 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기의 지지 기판 형성 재료를 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기가 기계적 에너지 수확하는 동작을 설명하는 도면이다.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 일실시예에 따른 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기의 마찰 전기 재료의 전기적 특성을 설명하는 도면이다.
도 6a 내지 도 6e는 본 발명의 일실시예에 따른 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기의 유전체 재료 두께 변화에 따른 전기 출력 성능을 설명하는 도면이다.
도 7a 내지 도 7d는 본 발명의 일실시예에 따른 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기의 전기 출력 효율과 다양한 외부 압축 조건에서의 내구성을 설명하는 도면이다.
도 8a 내지 도 8c는 본 발명의 일실시예에 따른 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기에 대한 환경 변화에서의 내구성을 설명하는 도면이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기를 이용한 전력 관리 장치를 설명하는 도면이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기에 의해 생성된 에너지를 이용하여 휴대용 전자 장치를 구동한 실시예를 설명하는 도면이다.
도 11 내지 도 12b는 본 발명의 일실시예에 따른 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기가 스마트 홈에서 모션 또는 도난 방지 센서로 적용되는 실시예를 설명하는 도면이다.1A and 1B are diagrams for explaining a triboelectric nano-generator applicable to a smart home according to an embodiment of the present invention.
2 is a view for explaining a method of manufacturing a triboelectric nano-generator applicable to a smart home according to an embodiment of the present invention.
3A is a view for explaining an electron microscope image of the anode friction material of a triboelectric nano-generator applicable to a smart home according to an embodiment of the present invention.
3B is a view for explaining a material for forming a support substrate of a triboelectric nano-generator applicable to a smart home according to an embodiment of the present invention.
4 is a view for explaining an operation of harvesting mechanical energy by a triboelectric nano-generator applicable to a smart home according to an embodiment of the present invention.
5A to 5D are diagrams for explaining the electrical characteristics of the triboelectric material of the triboelectric nano-generator applicable to a smart home according to an embodiment of the present invention.
6A to 6E are diagrams illustrating electrical output performance according to a change in dielectric material thickness of a triboelectric nano-generator applicable to a smart home according to an embodiment of the present invention.
7A to 7D are diagrams for explaining the electrical output efficiency and durability under various external compression conditions of a triboelectric nano-generator applicable to a smart home according to an embodiment of the present invention.
8A to 8C are diagrams illustrating durability in environmental changes for a triboelectric nano-generator applicable to a smart home according to an embodiment of the present invention.
9 is a view for explaining a power management device using a triboelectric nano-generator applicable to a smart home according to an embodiment of the present invention.
10 is a view for explaining an embodiment of driving a portable electronic device using energy generated by a triboelectric nano-generator applicable to a smart home according to an embodiment of the present invention.
11 to 12B are diagrams for explaining an embodiment in which a triboelectric nano-generator applicable to a smart home according to an embodiment of the present invention is applied as a motion or anti-theft sensor in a smart home.
이하, 본 문서의 다양한 실시 예들이 첨부된 도면을 참조하여 기재된다.Hereinafter, various embodiments of the present document will be described with reference to the accompanying drawings.
실시 예 및 이에 사용된 용어들은 본 문서에 기재된 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 해당 실시 예의 다양한 변경, 균등물, 및/또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Examples and terms used therein are not intended to limit the technology described in this document to specific embodiments, and should be understood to include various modifications, equivalents, and/or substitutions of the embodiments.
하기에서 다양한 실시 예들을 설명에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.In the following, when it is determined that a detailed description of a known function or configuration related to various embodiments may unnecessarily obscure the gist of the present invention, a detailed description thereof will be omitted.
그리고 후술되는 용어들은 다양한 실시 예들에서의 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 addition, terms to be described later are terms defined in consideration of functions in various embodiments, which may vary according to intentions or customs of users and operators. Therefore, the definition should be made based on the content throughout this specification.
도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다.In connection with the description of the drawings, like reference numerals may be used for like components.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.The singular expression may include the plural expression unless the context clearly dictates otherwise.
본 문서에서, "A 또는 B" 또는 "A 및/또는 B 중 적어도 하나" 등의 표현은 함께 나열된 항목들의 모든 가능한 조합을 포함할 수 있다.In this document, expressions such as “A or B” or “at least one of A and/or B” may include all possible combinations of items listed together.
"제1," "제2," "첫째," 또는 "둘째," 등의 표현들은 해당 구성요소들을, 순서 또는 중요도에 상관없이 수식할 수 있고, 한 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위해 사용될 뿐 해당 구성요소들을 한정하지 않는다.Expressions such as "first," "second," "first," or "second," can modify the corresponding elements, regardless of order or importance, and to distinguish one element from another element. It is used only and does not limit the corresponding components.
어떤(예: 제1) 구성요소가 다른(예: 제2) 구성요소에 "(기능적으로 또는 통신적으로) 연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 상기 어떤 구성요소가 상기 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나, 다른 구성요소(예: 제3 구성요소)를 통하여 연결될 수 있다.When an (eg, first) component is referred to as being “connected (functionally or communicatively)” or “connected” to another (eg, second) component, that component is It may be directly connected to the component or may be connected through another component (eg, a third component).
본 명세서에서, "~하도록 구성된(또는 설정된)(configured to)"은 상황에 따라, 예를 들면, 하드웨어적 또는 소프트웨어적으로 "~에 적합한," "~하는 능력을 가지는," "~하도록 변경된," "~하도록 만들어진," "~를 할 수 있는," 또는 "~하도록 설계된"과 상호 호환적으로(interchangeably) 사용될 수 있다.As used herein, "configured to (or configured to)" according to the context, for example, hardware or software "suitable for," "having the ability to," "modified to ," "made to," "capable of," or "designed to," may be used interchangeably.
어떤 상황에서는, "~하도록 구성된 장치"라는 표현은, 그 장치가 다른 장치 또는 부품들과 함께 "~할 수 있는" 것을 의미할 수 있다.In some contexts, the expression “a device configured to” may mean that the device is “capable of” with other devices or components.
예를 들면, 문구 "A, B, 및 C를 수행하도록 구성된(또는 설정된) 프로세서"는 해당 동작을 수행하기 위한 전용 프로세서(예: 임베디드 프로세서), 또는 메모리 장치에 저장된 하나 이상의 소프트웨어 프로그램들을 실행함으로써, 해당 동작들을 수행할 수 있는 범용 프로세서(예: CPU 또는 application processor)를 의미할 수 있다.For example, the phrase “a processor configured (or configured to perform) A, B, and C” refers to a dedicated processor (eg, an embedded processor) for performing the operations, or by executing one or more software programs stored in a memory device. , may refer to a general-purpose processor (eg, a CPU or an application processor) capable of performing corresponding operations.
또한, '또는' 이라는 용어는 배타적 논리합 'exclusive or' 이기보다는 포함적인 논리합 'inclusive or' 를 의미한다.Also, the term 'or' means 'inclusive or' rather than 'exclusive or'.
즉, 달리 언급되지 않는 한 또는 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 'x가 a 또는 b를 이용한다' 라는 표현은 포함적인 자연 순열들(natural inclusive permutations) 중 어느 하나를 의미한다.That is, unless stated otherwise or clear from context, the expression 'x employs a or b' means any one of natural inclusive permutations.
이하 사용되는 '..부', '..기' 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어, 또는, 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.Terms such as '.. unit' and '.. group' used below mean a unit for processing at least one function or operation, which may be implemented as hardware or software, or a combination of hardware and software.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일실시예에 따른 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기를 설명하는 도면이다.1A and 1B are diagrams for explaining a triboelectric nano-generator applicable to a smart home according to an embodiment of the present invention.
도 1a는 본 발명의 일실시예에 따른 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기의 구성요소를 예시한다.1A illustrates the components of a triboelectric nano-generator applicable to a smart home according to an embodiment of the present invention.
도 1a를 참고하면, 본 발명의 일실시예에 따른 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기(100)는 양극 전극과 부착된 제1 물질층으로 형성되는 양극 마찰층(101) 음극 전극(105)과 부착된 제2 물질층(104)으로 형성되는 음극 마찰층, 제1 지지 기판(102), 스펀지층(103), 제2 지지 기판(106)을 포함한다.Referring to FIG. 1A , a triboelectric nano-
본 발명의 일실시예에 따르면 양극 마찰층(101)은 제1 물질층과 양극 전극이 결합된 구조로, 제1 물질층은 면(cotton), 계란 껍질(egg peal), 셀룰로오스 종이(cellulose paper), 쌀 종이(rice paper) 및 양파 껍질(onion peal) 중 어느 하나로 형성될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the
본 발명의 일실시예에 따르면 제1 물질층은 바람직하게는 기계적 에너지 수확량이 가장 우수한 면(cotton)으로 형성될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the first material layer may be preferably formed of cotton having the highest mechanical energy yield.
예를 들어, 양극 전극은 알루미늄(Al)으로 형성될 수 있다.For example, the anode electrode may be formed of aluminum (Al).
일례로, 제1 물질층의 두께는 686.5㎛ 내지 2.680mm로 형성되고, 두께가 감소할수록 기계적 에너지와 관련된 전압, 전류 및 전하 밀도를 증가시킬 수 있다.For example, the first material layer may have a thickness of 686.5 μm to 2.680 mm, and as the thickness decreases, voltage, current, and charge density related to mechanical energy may increase.
본 발명의 일실시예에 따르면 제1 지지 기판(102)은 일회용 폐 플라스틱을 이용하여 형성되고, 양극 마찰층(101)과 결합되고, 양극 마찰층(101)이 외부에 노출되는 것을 방지할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the
예를 들어, 제1 지지 기판(102)은 일회용 폐 플라스틱을 재활용하여 형성된 플라스틱 기판일 수 있다.For example, the
본 발명의 일실시예에 따르면 스펀지층(103)은 제1 지지 기판(102)의 네 모서리 부분에 위치하고, 일회용 폐 플라스틱을 이용하여 다공성으로 형성되며, 외부로부터 인가되는 힘에 기반하여 양극 마찰층(101)과 음극 마찰층의 이격 거리를 동적으로 조절할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the
예를 들어, 스펀지층(103)은 제1 지지 기판(102)의 네 모서리 부분에 위치함에 따라 효율적으로 압축력을 생성할 수 있고, 제1 지지 기판(102)에 압축력의 영향을 최소화할 수 있다.For example, as the
일례로, 스펀지층(103)은 외부의 힘이 가해지지 않을 경우 다공성 내에 공기를 가두고, 외부의 힘이 가해질 경우 다공성에서 배출된 공기가 내부 순환되도록 공기를 순환시킬 수 있다.For example, the
예를 들어, 다공성은 스펀지층(103)을 구성하는 다수의 모공(pore)에 해당될 수 있다.For example, the porosity may correspond to a plurality of pores constituting the
본 발명의 일실시예에 따르면 음극 마찰층은 음극 전극(105)과 부착된 제2 물질층(104)으로 형성된다.According to an embodiment of the present invention, the negative electrode friction layer is formed of the
일례로, 제2 물질층(104)은 구리(Cu), 알루미늄(Al), 종이(paper), 캡톤(Kapton), PET(polyethylene terephthalate), 고무(rubber) 및 PTFE(Polytetrafluoroethylene) 중 어느 하나로 형성될 수 있다.For example, the
예를 들어, 음극 전극은 알루미늄(Al)으로 형성될 수 있다.For example, the cathode electrode may be formed of aluminum (Al).
본 발명의 일실시예에 따르면 제2 물질층(104)은 바람직하게는 기계적 에너지 수확량이 가장 우수한 PTFE(Polytetrafluoroethylene)으로 형성될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the
본 발명의 일실시예에 따르면 제2 지지 기판(106)은 일회용 폐 플라스틱을 이용하여 형성되고, 음극 마찰층과 결합되고, 음극 마찰층이 외부에 노출되는 것을 방지할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the
본 발명의 일실시예에 따른 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기(100)는 동적으로 조절되는 이격 거리에 따른 양극 마찰층(101)과 음극 마찰층의 마찰에 기반하여 기계적 에너지를 수확할 수 있다.Smart home applicable triboelectric nano-
예를 들어, 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기(100)는 걷기, 달리기, 점프, 서기, 문 열고 닫기, 의자에 앉기와 같이 일반적인 가정에서 일상적인 인간 활동에 따른 기계적 활동과 관련된 기계적 에너지를 수확할 수 있다.For example, the
따라서, 본 발명은 폐 플라스틱으로 지지 기판 및 스펀지를 형성하고, 지지 기판 사이에 양극 마찰 재료로 순면 섬유(pristine cotton fiber, PCF)를 이용하고, 양극 마찰 재료로 폴리테트라 플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE)를 이용하여 가정에서 사용 가능한 기계 에너지를 수확하는 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기를 제공할 수 있다.Therefore, in the present invention, a support substrate and a sponge are formed from waste plastic, pristine cotton fiber (PCF) is used as an anode friction material between the support substrates, and polytetrafluoroethylene (PTFE) is used as an anode friction material. It is possible to provide a triboelectric nanogenerator that can be applied to a smart home that harvests mechanical energy that can be used at home.
도 1b는 본 발명의 일실시예에 따른 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기를 외부로부터 보호하는 보호층을 보충 설명한다.1B is a supplementary explanation of a protective layer that protects the triboelectric nano-generator applicable to a smart home according to an embodiment of the present invention from the outside.
도 1b를 참고하면, 도 1a에서 설명된 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기(110)의 외부는 보호층(111)에 의해 포장되어 있다.Referring to FIG. 1B , the outside of the triboelectric nano-
본 발명의 일실시예에 따르면 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기(110)는 포장지(plastic wrap)으로 이루어지고, 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기(110)의 전체 면적을 포장(wrap)하여 양극 마찰층, 음극 마찰층, 제1 지지 기판, 제2 지지 기판 및 스펀지층을 외부의 이물질로부터 보호하는 보호층(111)을 더 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the triboelectric nano-
일례로, 보호층(111)은 양극 마찰층, 음극 마찰층, 제1 지지 기판, 제2 지지 기판 및 스펀지층을 외부의 온도(temperature), 수소이온지수(pH) 및 습도(humidity)의 변화로부터 보호할 수 있다.As an example, the
즉, 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기(110)는 보호층(111)에 기반하여 온도(temperature), 수소이온지수(pH) 및 습도(humidity)의 변화와 관계 없이 효율적으로 기계적 에너지를 수확할 수 있다.That is, the triboelectric nano-
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기의 제조 방법을 설명하는 도면이다.2 is a view for explaining a method of manufacturing a triboelectric nano-generator applicable to a smart home according to an embodiment of the present invention.
도 2를 참고하면, 본 발명의 일실시예에 따른 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기의 제조 방법은 단계(S201)에서 목화 기반 순면(pristine cotton fiber, PCF)를 준비한다.Referring to FIG. 2 , in the method of manufacturing a triboelectric nanogenerator applicable to a smart home according to an embodiment of the present invention, in step S201, a cotton-based pristine cotton fiber (PCF) is prepared.
단계(S202)에서 본 발명의 일실시예에 따른 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기의 제조 방법은 목화 기반 순면(pristine cotton fiber, PCF)을 핫 프레싱(hot pressing) 기구를 이용하여 열 압축하여 목화 기반 순면(pristine cotton fiber, PCF)의 두께를 줄인다.In step S202, the method for manufacturing a triboelectric nanogenerator applicable to a smart home according to an embodiment of the present invention is performed by thermally compressing cotton-based pristine cotton fiber (PCF) using a hot pressing mechanism to obtain cotton. Reduce the thickness of the base pristine cotton fiber (PCF).
단계(S203)에서 본 발명의 일실시예에 따른 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기의 제조 방법은 단계(S202)에 기반하여 목화 기반 순면(pristine cotton fiber, PCF)이 압축된 패브릭 면 필름(fabric cotton film)을 형성한다.In step S203, the method of manufacturing a triboelectric nanogenerator applicable to a smart home according to an embodiment of the present invention is a fabric cotton film in which a cotton-based pristine cotton fiber (PCF) is compressed based on the step S202. cotton film).
단계(S204)에서 본 발명의 일실시예에 따른 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기의 제조 방법은 패브릭 면 필름(fabric cotton film)을 양극 전극에 붙여(stuck)서 양극 마찰층을 형성한다.In step S204, the method of manufacturing a triboelectric nanogenerator applicable to a smart home according to an embodiment of the present invention forms a positive friction layer by sticking a fabric cotton film to the positive electrode.
예를 들어, 패브릭 면 필름의 치수는 2cm x 2cm로 형성될 수 있고, 양극 전극은 패브릭 면 필름에 의해 생성된 전하를 수집하는 전도 매체 역할을 수행할 수 있다.For example, the dimensions of the fabric cotton film may be formed to be 2 cm x 2 cm, and the positive electrode may serve as a conductive medium to collect the electric charge generated by the fabric cotton film.
단계(S205)에서 본 발명의 일실시예에 따른 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기의 제조 방법은 양극 마찰층을 제1 지지 기판 상에 위치시킨다.In step S205, in the method of manufacturing a triboelectric nanogenerator applicable to a smart home according to an embodiment of the present invention, an anode friction layer is placed on the first support substrate.
여기서, 제1 지지 기판은 일회용 폐 플라스틱을 이용하여 형성된다.Here, the first support substrate is formed using disposable waste plastic.
예를 들어, 일회용 폐 플라스틱은 가정용 플라스틱 폐기물일 수 있다.For example, the disposable waste plastic may be household plastic waste.
단계(S206)에서 본 발명의 일실시예에 따른 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기의 제조 방법은 제1 지지 기판 상에 스펀지층을 형성하고, PTFE층과 음극 전극을 붙여 음극 마찰층을 형성하고, 음극 마찰층을 제2 지지 기판에 결합한다.In step S206, the method of manufacturing a triboelectric nanogenerator applicable to a smart home according to an embodiment of the present invention forms a sponge layer on a first support substrate, attaches a PTFE layer and a cathode electrode to form a cathode friction layer, , bonding the cathode friction layer to the second support substrate.
여기서, 스펀지층 및 제2 지지 기판은 일회용 폐 플라스틱을 이용하여 형성된다.Here, the sponge layer and the second support substrate are formed using disposable waste plastic.
또한, 스펀지층은 다공성의 구조를 가지고 있으며, 제1 지지 기판의 네 모서리에 위치하여 외부로부터 인가되는 힘에 의해서 양극 마찰층과 음극 마찰층의 이격 거리를 동적으로 조절하는 역할을 수행한다.In addition, the sponge layer has a porous structure and is located at the four corners of the first support substrate to dynamically adjust the separation distance between the anode friction layer and the cathode friction layer by a force applied from the outside.
단계(S207)에서 본 발명의 일실시예에 따른 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기의 제조 방법은 단계(S206)에서 모양을 이룬 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기의 외부를 포장지(plastic wrap)으로 포장하여 양극 마찰층, 음극 마찰층, 제1 지지 기판, 제2 지지 기판 및 스펀지층을 보호하는 보호층을 형성한다.In the manufacturing method of the smart home applicable triboelectric nanogenerator according to an embodiment of the present invention in step S207, the outside of the smart home applicable triboelectric nanogenerator formed in the shape in step S206 is made of plastic wrap. Packaging to form a protective layer for protecting the anode friction layer, the cathode friction layer, the first support substrate, the second support substrate, and the sponge layer.
예를 들어, 보호층은 스펀지층이 외부의 힘이 가해질 때 다공성에서 배출하는 공기가 보호층 내에서 순환할 수 있도록 지원할 수 있다.For example, the protective layer may support air discharged from the porosity to circulate within the protective layer when the sponge layer is subjected to an external force.
예를 들어, 보호층은 플라스틱 식품 포장지뿐 만 아니라 산업 및 전자 제품, 소비재 및 기타 재료를 포장하기 위한 비닐 포장재가 이용될 수 있다.For example, the protective layer may be used in plastic food packaging as well as plastic packaging for packaging industrial and electronic products, consumer goods and other materials.
예를 들어, 보호층은 물리적 장벽과, 열 밀봉, 고온/ 저온 저항성, 내유성, 탄력성 등을 제공할 수 있다.For example, the protective layer may provide a physical barrier, heat seal, high/low temperature resistance, oil resistance, elasticity, and the like.
도 3a는 본 발명의 일실시예에 따른 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기의 양극 마찰 재료의 전자 현미경 이미지를 설명하는 도면이다.3A is a view for explaining an electron microscope image of the anode friction material of a triboelectric nano-generator applicable to a smart home according to an embodiment of the present invention.
도 3a를 참고하면, 전자 현미경 이미지(300)는 상술한 단계(S201)에서 준비된 목화 기반 순면(pristine cotton fiber, PCF)를 예시하고, 전자 현미경 이미지(301)는 단계(S204)에서 준비된 패브릭 면 필름(fabric cotton film)을 나타낸다.Referring to FIG. 3A , the
전자 현미경 이미지(300)와 전자 현미경 이미지(301)를 비교하면, 두께가 감소하였고, 섬유를 이루는 조직의 밀도가 높아짐을 확인할 수 있다.Comparing the
도 3b는 본 발명의 일실시예에 따른 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기의 지지 기판 형성 재료를 설명하는 도면이다.3B is a view for explaining a material for forming a support substrate of a triboelectric nano-generator applicable to a smart home according to an embodiment of the present invention.
도 3b를 참고하면, 가정 내에서 배출되는 일회용 플라스틱 폐기물(310)이고, 일회용 플라스틱 폐기물(310)을 재 가공하여 지지 기판(311)을 형성할 수 있다.Referring to FIG. 3B , it is the disposable
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기가 기계적 에너지 수확하는 동작을 설명하는 도면이다.4 is a view for explaining an operation of harvesting mechanical energy by a triboelectric nano-generator applicable to a smart home according to an embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기의 동작 메커니즘을 예시한다.4 illustrates an operating mechanism of a triboelectric nanogenerator applicable to a smart home according to an embodiment of the present invention.
단계(S401)과 같이 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기에 외력이 가해지면 두 개의 대전 된 마찰 전기 물질이 서로 접촉한다.As in step S401, when an external force is applied to the triboelectric nanogenerator applicable to the smart home, the two charged triboelectric materials come into contact with each other.
따라서 제1 물질층에 해당하는 PCF에서 양전하가 생성되고 제2 물질층에 해당하는 PTFE에서 음전하가 생성될 수 있다.Accordingly, positive charges may be generated in the PCF corresponding to the first material layer and negative charges may be generated in the PTFE corresponding to the second material layer.
단계(S402)에서 적용된 힘이 제거되면 외부 회로를 통해 두 마찰 전기 재료 사이에 전하가 전달되어 정전기 전위차가 발생하여 양의 전기 신호가 생성될 수 있다.When the force applied in step S402 is removed, an electric charge may be transferred between the two triboelectric materials through an external circuit to generate an electrostatic potential difference, thereby generating a positive electric signal.
단계(S403)에서와 같이 두 마찰 전기 층이 완전히 분리되었을 때, 정전기의 전위차가 "0" 인 평형 상태가 관찰될 수 있다.When the two triboelectric layers are completely separated as in step S403, an equilibrium state in which the electric potential difference is “0” can be observed.
그러나 단계(S404)와 같이 외력이 다시 가해진 후 두 마찰 전기 물질이 서로 접근하기 시작하여 음의 신호 형태로 역 전위차가 발생될 수 있다.However, after the external force is applied again as in step S404, the two triboelectric materials start to approach each other, and a reverse potential difference may be generated in the form of a negative signal.
결과적으로, 단계(S401) 내지 단계(S404)를 참고하면, 마찰 전기 재료의 규칙적인 접촉 및 분리 동작은 기계적 에너지 수확으로 이어지고, 기계적 에너지 수확은 교류 및 전압을 발생시킬 수 있다.As a result, referring to steps S401 to S404, regular contact and separation operations of the triboelectric material lead to mechanical energy harvesting, and the mechanical energy harvesting may generate alternating current and voltage.
본 발명의 일실시예에 따르면 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기의 전기적 성능은 물질의 마찰 전하에 크게 의존하고, 마찰 전기 재료의 선택은 마찰 전기 나노 발전기에서 허용 가능한 성능을 보장하는 데 중요한 역할을 한다.According to an embodiment of the present invention, the electrical performance of the triboelectric nanogenerator applicable to the smart home is highly dependent on the triboelectric charge of the material, and the selection of the triboelectric material plays an important role in ensuring acceptable performance in the triboelectric nanogenerator. do.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 일실시예에 따른 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기의 마찰 전기 재료의 전기적 특성을 설명하는 도면이다.5A to 5D are diagrams for explaining the electrical characteristics of the triboelectric material of the triboelectric nanogenerator applicable to a smart home according to an embodiment of the present invention.
도 5a는 본 발명의 일실시예에 따른 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기의 양극 마찰층을 형성하는 제1 물질층의 형성 재료의 일함수(work function)를 예시한다.5A illustrates a work function of a material forming a first material layer forming a positive friction layer of a triboelectric nano-generator applicable to a smart home according to an embodiment of the present invention.
도 5a의 그래프(500)는 마찰 전기 물질로 면, 계란 껍질, 셀룰로오스 종이, 쌀종이, 양파 껍질을 예시하고, 일함수를 함께 보여준다.The
그래프(500)에 따르면 제1 물질층을 형성하기 위한 재료로 면이 가장 우수한 성능을 나타내는 것을 확인할 수 있다.According to the
도 5b 내지 도 5d는 본 발명의 일실시예에 따른 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기의 음극 마찰층을 형성하는 제2 물질층의 형성 재료의 전기적 성능 변화를 음전하의 변화에 기반하여 예시한다.5B to 5D illustrate changes in the electrical performance of the forming material of the second material layer forming the cathode friction layer of the triboelectric nanogenerator applicable to a smart home according to an embodiment of the present invention based on the change in negative charge.
도 5b 내지 도 5d는 본 발명의 일실시예에 따른 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기의 음극 마찰층을 형성하는 제2 물질층이 구리(Cu), 알루미늄(Al), 종이, 캡톤, PET, 고무 및 PTFE로 각각 형성되었을 시의 전기적 성능을 나타낸다.5b to 5d show that the second material layer forming the negative friction layer of the triboelectric nanogenerator applicable to the smart home according to an embodiment of the present invention is copper (Cu), aluminum (Al), paper, Kapton, PET, It shows the electrical performance when formed from rubber and PTFE, respectively.
도 5b의 그래프(510)를 참고하면, 음전하와 관련하여 전압의 상승은 PTFE가 가장 우수한 것을 확인할 수 있다.Referring to the
도 5c의 그래프(520)를 참고하면, 음전하와 관련하여 전류의 상승은 PTFE가 가장 우수한 것을 확인할 수 있다.Referring to the
도 5d의 그래프(530)를 참고하면, 음전하와 관련하여 전하밀도의 상승은 PTFE가 가장 우수한 것을 확인할 수 있다.Referring to the
도 5a 내지 도 5d를 참고하면, 양극 마찰층을 형성하는 제1 물질층은 면을 이용하고, 음극 마찰층을 형성하는 제2 물질층은 PTFE를 마찰 전기 쌍으로 사용할 경우 가장 우수한 성능을 제공할 수 있다.5A to 5D, when the first material layer forming the positive friction layer uses cotton, and the second material layer forming the negative friction layer uses PTFE as a triboelectric pair, the best performance will be provided. can
도 6a 내지 도 6e는 본 발명의 일실시예에 따른 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기의 유전체 재료 두께 변화에 따른 전기 출력 성능을 설명하는 도면이다.6A to 6E are diagrams illustrating electrical output performance according to a change in dielectric material thickness of a triboelectric nano-generator applicable to a smart home according to an embodiment of the present invention.
도 6a 내지 도 6e는 본 발명의 일실시예에 따른 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기의 전기적 성능이 유전체층의 두께에 따라 전하 밀도, 마찰 재료층의 유전 상수에 비례하고, 마찰 전기층의 두께에 반비례하는 특징을 예시한다.6A to 6E show that the electrical performance of a triboelectric nano-generator applicable to a smart home according to an embodiment of the present invention is proportional to the charge density and the dielectric constant of the friction material layer according to the thickness of the dielectric layer, and is proportional to the thickness of the triboelectric layer. Illustrated features that are inversely proportional.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 일실시예에 따른 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기의 양극 마찰층을 형성하는 제1 물질층을 이루는 면의 두께를 686.5㎛ 내지 2.680mm로 변경하면서, 전압, 전류 및 전하 밀도의 변화의 측정 결과를 예시하고, 도 6d는 유전체층의 두께에 대한 시간 함수로서 표면 전하 밀도의 이론적 변화를 예시하고, 도 6e는 전류의 이론적 변동 또는 시간과 d의 함수로 3차원으로 최대 전류를 예시한다.6a to 6c show a voltage, a voltage, Illustrating the measurement results of the change in current and charge density, Fig. 6D illustrates the theoretical change in surface charge density as a function of time with respect to the thickness of the dielectric layer, and Fig. 6E illustrates the theoretical change in electric current or three-dimensional as a function of time and d exemplifies the maximum current.
도 6a의 그래프(600), 도 6b의 그래프(610) 및 도 6c의 그래프(620)를 참고하면, 제1 물질층을 이루는 면의 두께는 얇을수록 전압, 전류 및 전하 밀도가 클 수 있다.Referring to the
한편, 도 6d의 그래프(630)를 참고하더라도, 유전체층의 두께가 얇을수록 전하 밀도가 클 수 있다.Meanwhile, referring to the
도 6e의 그래프(640)와 관련하여 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기의 지배 방정식은 하기 수학식 1 및 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.With respect to the
[수학식 1][Equation 1]
수학식 1에서 CTENG는 두 전극 사이의 커패시턴스에서 발생하는 TENG의 커패시턴스를 나타낼 수 있고, VOC는 TENG의 개방 회로 전압을 나타낼 수 있다.In
[수학식 2][Equation 2]
수학식 2는 단락전류(ISC)를 유도하기 위한 방정식으로 시간(t)로 미분한 방정식이며, 유전체 재료의 두께가 감소함에 따라 전하 밀도가 증가하고, 수학식 2의 변수를 활용하면 그래프(640)를 나타낼 수 있다.
그래프(640)를 참고하면, d0의 증가에 따라 단락전류가 극적으로 감소하여 그래프(620)의 실험적으로 측정 된 결과와 잘 일치함을 나타낸다.Referring to the
도 7a 내지 도 7d는 본 발명의 일실시예에 따른 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기의 전기 출력 효율과 다양한 외부 압축 조건에서의 내구성을 설명하는 도면이다.7A to 7D are diagrams for explaining the electrical output efficiency and durability under various external compression conditions of a triboelectric nano-generator applicable to a smart home according to an embodiment of the present invention.
도 7a는 압축력과 주파수의 변화에 따른 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기의 전기 출력 효율에 대하여 압축력을 1N 내지 4N으로 하고, 주파수를 5Hz로 하여 전압, 전류 및 전하 밀도 곡선을 예시한다. 여기서, 압축력은 힘에 해당한다.7A illustrates voltage, current, and charge density curves with a compression force of 1N to 4N and a frequency of 5Hz with respect to the electrical output efficiency of a triboelectric nanogenerator applicable to a smart home according to a change in compression force and frequency. Here, the compressive force corresponds to the force.
도 7a를 참고하면, 그래프(700)는 전압의 변화를 나타내고, 그래프(701)는 전류의 변화를 나타내며, 그래프(702)는 전하 밀도의 변화를 나타낸다.Referring to FIG. 7A , a
그래프(700) 내지 그래프(702)를 참고하면, 압축력이 증가할 수 록 전압, 전류 및 전하 밀도가 증가한다.Referring to the
도 7b는 압축력과 주파수의 변화에 따른 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기의 전기 출력 효율에 대하여 압축력을 4N으로 하고, 주파수를 1Hz 내지 5Hz로 하여 전압, 전류 및 전하 밀도 곡선을 예시한다. 여기서, 압축력은 힘에 해당한다.7B illustrates voltage, current, and charge density curves with a compression force of 4N and a frequency of 1 Hz to 5 Hz with respect to the electrical output efficiency of a triboelectric nano-generator applicable to a smart home according to a change in compression force and frequency. Here, the compressive force corresponds to the force.
도 7b를 참고하면, 그래프(710)는 전압의 변화를 나타내고, 그래프(711)는 전류의 변화를 나타내며, 그래프(712)는 전하 밀도의 변화를 나타낸다.Referring to FIG. 7B , a
그래프(710) 내지 그래프(712)를 참고하면, 주파수가 증가할 수 록 전압, 전류 및 전하 밀도가 증가한다.Referring to the
도 7c는 압축력을 4N으로 하고, 주파수를 5Hz로 하여 부하저항 변화에 따른 파워 밀도의 변화를 예시한다.7C illustrates a change in power density according to a change in load resistance with a compression force of 4N and a frequency of 5 Hz.
도 7c의 그래프(720)를 참고하면, 본 발명의 일실시예에 따른 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기는 탁월한 전기 효율성, 안정성 및 견고성을 함께 나타낸다.Referring to the
도 7d는 도 7c의 실험 결과를 반복 측정한 테스트 결과를 예시한다.7D illustrates a test result obtained by repeatedly measuring the experimental result of FIG. 7C.
도 7d의 그래프(730)를 참고하면, 제1 사이클(731)은 초기 상태를 나타내고, 제2 사이클(732)은 1800 사이클 이후를 나타내며, 제3 사이클(733)은 3600 사이클 이후를 나타내고, 제4 사이클(734)은 5400 사이클 이후를 나타내며, 제5 사이클(735)은 7200 사이클 이후를 나타내고, 제6 사이클(736)은 9000 사이클 이후를 나타낸다.Referring to the
즉, 그래프(730)은 9000 사이클 이상 동안 각각 4N 및 5Hz의 압축력과 주파수 하에서 TENG 출력 전압을 표시한다.That is,
특히 긴 사이클링 테스트 후 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기의 전기 출력 효율이 일정하여 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기가 일상 생활에서 기계 에너지를 수확 할 수 있음을 나타낸다.In particular, after a long cycling test, the electrical output efficiency of the smart home applicable triboelectric nanogenerator was constant, indicating that the smart home applicable triboelectric nanogenerator can harvest mechanical energy in daily life.
도 8a 내지 도 8c는 본 발명의 일실시예에 따른 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기에 대한 환경 변화에서의 내구성을 설명하는 도면이다.8A to 8C are diagrams illustrating durability in environmental changes for a triboelectric nano-generator applicable to a smart home according to an embodiment of the present invention.
도 8a는 본 발명의 일실시예에 따른 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기와 관련된 습도 변화에 따른 전압 변화를 예시한다.8A illustrates a voltage change according to a change in humidity related to a triboelectric nano-generator applicable to a smart home according to an embodiment of the present invention.
도 8b는 본 발명의 일실시예에 따른 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기와 관련된 pH 변화에 따른 전압 변화를 예시한다.8B illustrates a voltage change according to a pH change associated with a triboelectric nano-generator applicable to a smart home according to an embodiment of the present invention.
도 8c는 본 발명의 일실시예에 따른 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기와 관련된 온도 변화에 따른 전압 변화를 예시한다.8C illustrates a voltage change according to a temperature change associated with a triboelectric nano-generator applicable to a smart home according to an embodiment of the present invention.
도 8a의 그래프(800) 내지 그래프(804)를 참고하면, 습도가 33%이하에서 72% 이하로 변경되는 동안의 전압 변화를 예시하는데, 습도가 증가할 수 록 전압의 감소는 일부 존재하나, 습도의 영향이 크지 않음을 확인할 수 있다.Referring to the
도 8b의 그래프(810)은 pH의 변화를 나타내고, 그래프(811)는 pH 변화에 따른 전압의 변화를 예시한다.A
그래프(810)과 그래프(811)를 참고하면, pH의 변화와 전압의 변화는 무관함을 확인할 수 있다.Referring to the
도 8c의 그래프(820)는 온도의 변화를 나타내고, 그래프(821)는 온도 변화에 따른 전압의 변화를 예시한다.A
그래프(820)과 그래프(821)를 참고하면, 온도의 변화와 전압의 변화는 무관함을 확인할 수 있다.Referring to the
따라서, 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기의 보호층이 양극 마찰층, 음극 마찰층, 제1 지지 기판, 제2 지지 기판 및 스펀지층을 외부의 온도, 수소이온지수 및 습도의 변화로부터 보호함을 확인할 수 있다.Therefore, the protective layer of the triboelectric nanogenerator applicable to the smart home protects the anode friction layer, the cathode friction layer, the first support substrate, the second support substrate and the sponge layer from changes in external temperature, hydrogen ion index and humidity. can be checked
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기를 이용한 전력 관리 장치를 설명하는 도면이다.9 is a view for explaining a power management device using a triboelectric nano-generator applicable to a smart home according to an embodiment of the present invention.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기를 이용한 전력 관리 장치의 구성 요소를 예시한다.9 illustrates components of a power management device using a triboelectric nano-generator applicable to a smart home according to an embodiment of the present invention.
도 9를 참고하면, 본 발명의 일실시예에 따른 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기를 이용한 전력 관리 장치(900)는 마찰전기나노발전기(910), 전력 관리 회로(920) 및 배터리(930)를 포함한다. 여기서, 배터리(930)는 휴대용 전자 제품으로 대체될 수 있다.Referring to FIG. 9 , a
본 발명의 일실시예에 따르면 마찰전기나노발전기(910)는 도 1a 및 도 1b에서 설명된 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기에 해당될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the triboelectric nano-
일례로, 전력 관리 회로(920)는 마찰전기나노발전기(910)에서 수확된 기계적 에너지의 교류 전압을 직류 전압으로 변환하고, 변환된 직류 전압을 입력 전압으로 배터리(930)를 충전하거나 휴대용 전자 제품을 구동할 수 있다.For example, the
본 발명의 일실시예에 따르면 전력 관리 회로(920)는 네거티브 전압 컨버터(921)(negative voltage convertor, NVC), 벅 컨버터(922) 및 디지털 제어기(923) 및 리미터(924)를 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the
네거티브 전압 컨버터(921)는 마찰전기나노발전기(900)의 고전압 입력을 직류 전압으로 변환한다. 예를 들어, 직류 전압은 약 100V 이하일 수 있다.The
벅 컨버터(922)는 입력 전력 추출을 최적화하여 배터리(930)를 효율적으로 충전하는 역할을 수행한다.The
본 발명의 일실시예에 따른 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기를 이용한 전력 관리 장치(900)는 마찰전기나노발전기(910)가 전력 관리 회로(920)의 네거티브 전압컨버터(921)와 연결되고, 네거티브 전압컨버터(921)로부터 변환된 직류 전압이 벅컨버터(922)에 전달되고, 벅컨버터(922)로부터의 출력이 디지털 제어기(923)와 리미터(924)를 거쳐서 배터리(930)에 충전된다.In the
디지털 제어기(923)의 동작은 스위칭 트랜지스터에 대한 펄스 신호의 온-타임을 제어하고이에 따라 펄스 신호가 낮으면 스위칭 트랜지스터가 꺼지는 동작이 이루어질 수 있다.The operation of the
또한 디지털 제어기(923)는 저항 및 스위치를 포함하는데, 저항을 통해 입력 전압이 증가할 경우 스위치 구성이 켜지고, 펄스 신호가 반전될 경우 스위치가 꺼지도록 제어할 수 있다.In addition, the
디지털 제어기(923)는 0.18μm 상보적인 금속 산화물 반도체 공정으로 구현할 수 있으며, 이는 저전력 소비의 이점을 제공할 수 있다. 예를 들어 디지털 제어기(923)는 디지털 최대 전력 점 추적(Maximum Power Point Track, MPPT) 제어기로 지칭될 수 있다.The
본 발명의 일실시예에 따르면 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기를 이용한 전력 관리 장치(900)는 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기(910)가 획득한 기계적 에너지를 전력 관리 회로(920)를 통해 배터리(930)에 충전하기 적합한 전압으로 변환함에 따라 재 충전 가능한 배터리(930)를 충전할 수 있다. 예를 들어, 배터리(930)는 리튬 이온 배터리를 포함한다.According to an embodiment of the present invention, the
따라서, 본 발명은 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기에서 생성된 교류 신호를 직류 신호로 효과적으로 변환하여 재 충전 가능한 리튬 이온 배터리를 효과적으로 충전할 수 있다.Therefore, the present invention can effectively charge a rechargeable lithium-ion battery by effectively converting an AC signal generated by a triboelectric nano-generator applicable to a smart home into a DC signal.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기에 의해 생성된 에너지를 이용하여 휴대용 전자 장치를 구동한 실시예를 설명하는 도면이다.10 is a view for explaining an embodiment of driving a portable electronic device using energy generated by a triboelectric nano-generator applicable to a smart home according to an embodiment of the present invention.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기가 효율적으로 자체 전원을 공급하는 전원 공급원으로 동작할 수 있음을 예시한다.10 illustrates that the triboelectric nano-generator applicable to a smart home according to an embodiment of the present invention can operate as a power supply source that efficiently supplies its own power.
도 10을 참고하면, 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기는 전력 관리 회로를 통해 발광 다이오드에 직접 연결되고, 발광 다이오드는 전력 관리 회로에 의한 전력 공급에 따라 이미지(1000)에서 점등된 이미지(1001)로 전환될 수 있다.Referring to FIG. 10 , a triboelectric nano-generator applicable to a smart home is directly connected to a light emitting diode through a power management circuit, and the light emitting diode is lit in an
구체적으로, 본 발명의 일실시예에 따른 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기를 이용한 전력 관리 장치는 청색 및 녹색 발광 다이오드(LED)에 직접 연결하여 "ECO HOME"을 표현할 수 있다.Specifically, a power management device using a triboelectric nano-generator applicable to a smart home according to an embodiment of the present invention may express "ECO HOME" by directly connecting to blue and green light emitting diodes (LEDs).
이는 전원 공급 장치가 없는 직렬 연결 LED를 표시하고, 본 발명의 일실시예에 따른 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기를 이용한 전력 관리 장치가 높은 전기 효율이 저전력 요구 사항으로 휴대용 전자 제품을 직접 지원한다는 것을 분명히 보여준다.This indicates that a series-connected LED without a power supply is displayed, and that the power management device using a triboelectric nanogenerator applicable to a smart home according to an embodiment of the present invention directly supports portable electronic products with high electrical efficiency and low power requirements. clearly show that
즉, 본 발명은 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기에서 생성된 교류 신호를 직류 신호로 효과적으로 변환하여 다양한 휴대용 전자 장치를 구동할 수 있다.That is, the present invention can drive various portable electronic devices by effectively converting an AC signal generated by a triboelectric nano-generator applicable to a smart home into a DC signal.
또한, 본 발명은 가정 내에서 다양한 위치에 배치된 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기로부터 기계적 에너지를 감지 및 수집하여 이를 리튬 이온 배터리에 효율적으로 저장하거나 가정의 휴대용 전자 제품에 전력을 공급할 수 있다.In addition, the present invention can detect and collect mechanical energy from a triboelectric nano-generator applicable to a smart home disposed at various locations in the home, and efficiently store it in a lithium-ion battery or supply power to portable electronic products at home.
도 11 내지 도 12b는 본 발명의 일실시예에 따른 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기가 스마트 홈에서 모션 또는 도난 방지 센서로 적용되는 실시예를 설명하는 도면이다.11 to 12B are diagrams for explaining an embodiment in which a triboelectric nano-generator applicable to a smart home according to an embodiment of the present invention is applied as a motion or anti-theft sensor in a smart home.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기를 이용한 모션 감지 장치가 위치할 수 있는 스마트 홈 장소(1100)를 예시한다.11 illustrates a
도 11을 참고하면, 스마트 홈 장소(1100)는 스마트홈 내 소파(1101), 소파(1104), 테이블(1102), 바닥(1103), 벽(1105), 문의 경첩 등에 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기가 위치할 수 있음을 예시한다.Referring to FIG. 11 , the
본 발명의 일실시예에 따른 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기를 이용한 모션 감지 장치에서 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기는 스마트홈 내 소파, 테이블, 바닥, 벽, 문의 경첩 중 적어도 하나의 위치에 부착되어 스마트홈 내 움직임과 관련된 기계적 에너지를 수확할 수 있다.In the motion sensing device using the triboelectric nanogenerator applicable to the smart home according to an embodiment of the present invention, the triboelectric nanogenerator applicable to the smart home is located in at least one of a sofa, a table, a floor, a wall, and a door hinge in a smart home. It can be attached to harvest the mechanical energy associated with movement within the smart home.
또한, 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기를 이용한 모션 감지 장치는 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기와 모션 감지 센서로 이루어지는데, 모션 감지 센서는 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기에서 수확된 기계적 에너지의 스파이크 전압의 변화를 감지하여 감지된 스파이크 전압과 관련된 움직임 활동을 추적하거나 감지할 수 있다.In addition, a motion sensing device using a triboelectric nanogenerator applicable to a smart home consists of a triboelectric nanogenerator applicable to a smart home and a motion sensing sensor. Changes in the spike voltage can be detected to track or detect movement activity related to the detected spike voltage.
따라서, 본 발명은 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기에서 생성된 전압 스파이크를 감지하여 스마트 홈의 다양한 부분 또는 위치에서 모션 또는 도난 방지 센서로 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기를 활용할 수 있다.Therefore, the present invention can utilize the smart home applicable triboelectric nanogenerator as a motion or anti-theft sensor in various parts or locations of the smart home by detecting the voltage spike generated by the smart home applicable triboelectric nanogenerator.
도 12a는 본 발명의 일실시예에 따른 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기를 이용한 모션 감지 장치의 회로도를 예시한다.12A illustrates a circuit diagram of a motion sensing device using a triboelectric nano-generator applicable to a smart home according to an embodiment of the present invention.
도 12a를 참고하면, 회로도(1200)는 불확실한 동작으로 인해 TENG가 스파이크 전압을 유도하면 트랜지스터 T1이 켜진다.Referring to FIG. 12A , a circuit diagram 1200 shows that transistor T 1 is turned on when TENG induces a spike voltage due to uncertain operation.
트랜지스터가 켜져있는 동안 커패시터 C1은 T2의 게이트 전압이 T2를 켜기에 충분할 때까지 충전된다.While the transistor is on, capacitor C 1 charges until the gate voltage of T 2 is sufficient to turn on T 2 .
마지막으로 알람 신호를 생성 한 T3, T2, C2 및 R5를 통해 진동 루프가 시작된다.Finally, the oscillation loop begins with T 3 , T 2 , C 2 and R 5 which generated the alarm signal.
한편, C1도 R3을 통해 방전되어 T2의 게이트 전압이 저하되었다.Meanwhile, C 1 was also discharged through R 3 , and the gate voltage of T 2 was lowered.
이 상태로 인해 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기에 의해 움직임이 다시 감지되지 않는 한 잠시 후 경보 신호가 중지되는 동작을 수행할 수 있다.Due to this condition, the alarm signal stops after a while unless motion is detected again by the smart home applicable triboelectric nanogenerator.
도 12b는 본 발명의 일실시예에 따른 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기를 이용한 모션 감지 장치의 회로도와 관련된 실제 구현 이미지(1210)를 예시한다.12B illustrates an
상술한 구체적인 실시 예들에서, 발명에 포함되는 구성 요소는 제시된 구체적인 실시 예에 따라 단수 또는 복수로 표현되었다.In the above-described specific embodiments, elements included in the invention are expressed in the singular or plural according to the specific embodiments presented.
그러나, 단수 또는 복수의 표현은 설명의 편의를 위해 제시한 상황에 적합하게 선택된 것으로서, 상술한 실시 예들이 단수 또는 복수의 구성 요소에 제한되는 것은 아니며, 복수로 표현된 구성 요소라 하더라도 단수로 구성되거나, 단수로 표현된 구성 요소라 하더라도 복수로 구성될 수 있다.However, the singular or plural expression is appropriately selected for the situation presented for convenience of description, and the above-described embodiments are not limited to the singular or plural component, and even if the component is expressed in plural, it is composed of a singular or , even a component expressed in a singular may be composed of a plural.
한편 발명의 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 다양한 실시 예들이 내포하는 기술적 사상의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다.On the other hand, although specific embodiments have been described in the description of the invention, various modifications are possible without departing from the scope of the technical idea contained in the various embodiments.
그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니되며 후술하는 청구범위뿐만 아니라 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be defined by the claims described below as well as the claims and equivalents.
Claims (15)
양극 전극과 부착된 제1 물질층으로 형성되는 양극 마찰층;
음극 전극과 부착된 제2 물질층으로 형성되는 음극 마찰층;
상기 일회용 폐 플라스틱을 이용하여 형성되고, 상기 양극 마찰층과 결합되는 제1 지지 기판;
상기 일회용 폐 플라스틱을 이용하여 형성되고, 상기 음극 마찰층과 결합되는 제2 지지 기판; 및
상기 제1 지지 기판의 네 모서리 부분에 위치하고, 상기 일회용 폐 플라스틱을 이용하여 다공성으로 형성되며, 상기 마찰 전기 나노 발전기에 작용되는 힘에 기반하여 상기 양극 마찰층과 상기 음극 마찰층의 이격 거리를 동적으로 조절하는 스펀지층을 포함하고,
상기 동적으로 조절되는 이격 거리에 따른 상기 양극 마찰층과 상기 음극 마찰층의 마찰에 기반하여 기계적 에너지를 수확하는 것을 특징으로 하는
스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기.In a triboelectric nanogenerator (TENG) using disposable waste plastic,
an anode friction layer formed of a first material layer attached to the anode electrode;
a cathode friction layer formed of a second material layer attached to the cathode electrode;
a first support substrate formed using the disposable waste plastic and coupled to the anode friction layer;
a second support substrate formed using the disposable waste plastic and coupled to the cathode friction layer; and
It is located at the four corners of the first support substrate, is formed porous using the disposable waste plastic, and dynamically adjusts the separation distance between the anode friction layer and the cathode friction layer based on the force applied to the triboelectric nano-generator. Including a sponge layer to control,
Harvesting mechanical energy based on friction between the anode friction layer and the cathode friction layer according to the dynamically controlled separation distance
Smart home applicable triboelectric nanogenerator.
상기 제1 물질층은 면(cotton), 계란 껍질(egg peal), 셀룰로오스 종이(cellulose paper), 쌀 종이(rice paper) 및 양파 껍질(onion peal) 중 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는
스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기.According to claim 1,
The first material layer is characterized in that it is formed of any one of cotton, egg shell, cellulose paper, rice paper, and onion peel.
Smart home applicable triboelectric nanogenerator.
상기 제2 물질층은 구리(Cu), 알루미늄(Al), 종이(paper), 캡톤(Kapton), PET(polyethylene terephthalate), 고무(rubber) 및 PTFE(Polytetrafluoroethylene) 중 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는
스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기.According to claim 1,
wherein the second material layer is formed of any one of copper (Cu), aluminum (Al), paper, Kapton, PET (polyethylene terephthalate), rubber, and PTFE (Polytetrafluoroethylene)
Smart home applicable triboelectric nanogenerator.
상기 제1 물질층의 두께는 686.5㎛ 내지 2.680mm로 형성되는 것을 특징으로 하는
스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기.According to claim 1,
The thickness of the first material layer is characterized in that formed to be 686.5㎛ to 2.680mm
Smart home applicable triboelectric nanogenerator.
상기 제1 물질층은 상기 두께가 감소할수록 기계적 에너지와 관련된 전압, 전류 및 전하 밀도가 증가되는 것을 특징으로 하는
스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기.5. The method of claim 4,
The first material layer is characterized in that as the thickness decreases, the voltage, current and charge density related to mechanical energy increase.
Smart home applicable triboelectric nanogenerator.
포장지(plastic wrap)으로 이루어지고, 상기 마찰 전기 나노 발전기의 전체 면적을 포장(wrap)하여 상기 양극 마찰층, 상기 음극 마찰층, 상기 제1 지지 기판, 상기 제2 지지 기판 및 상기 스펀지층을 외부의 이물질로부터 보호하는 보호층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는
스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기.According to claim 1,
It is made of plastic wrap, and wraps the entire area of the triboelectric nanogenerator to remove the anode friction layer, the cathode friction layer, the first support substrate, the second support substrate and the sponge layer from the outside. Characterized in that it further comprises a protective layer to protect from foreign substances of
Smart home applicable triboelectric nanogenerator.
상기 보호층은 상기 양극 마찰층, 상기 음극 마찰층, 상기 제1 지지 기판, 상기 제2 지지 기판 및 상기 스펀지층을 외부의 온도, 수소이온지수 및 습도의 변화로부터 보호하는 것을 특징으로 하는
스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기.7. The method of claim 6,
The protective layer protects the anode friction layer, the cathode friction layer, the first support substrate, the second support substrate and the sponge layer from changes in external temperature, hydrogen ion index and humidity.
Smart home applicable triboelectric nanogenerator.
상기 스펀지층은 외부의 힘이 가해지지 않을 경우 상기 다공성 내에 공기를 가두고, 상기 외부의 힘이 가해질 경우 상기 다공성에서 배출된 공기가 상기 보호층 내에서 순환시키는 것을 특징으로 하는
스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기.8. The method of claim 7,
The sponge layer traps air in the porosity when no external force is applied, and when the external force is applied, the air discharged from the porosity circulates in the protective layer
Smart home applicable triboelectric nanogenerator.
상기 수확된 기계적 에너지의 교류 전압을 직류 전압으로 변환하고, 상기 변환된 직류 전압을 입력 전압으로 배터리에 충전하거나 휴대용 전자 제품을 구동하는 전력 관리 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는
스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기를 이용한 전력 관리 장치.A positive electrode friction layer formed of a first material layer adhered to the positive electrode electrode, a negative electrode friction layer formed of a second material layer adhered to the negative electrode electrode, a first formed using disposable waste plastic and combined with the positive electrode friction layer A support substrate, a second support substrate formed using the disposable waste plastic, and a second support substrate coupled to the cathode friction layer, and located at four corners of the first support substrate, formed in a porous manner using the disposable waste plastic, friction A sponge layer for dynamically adjusting the separation distance between the anode friction layer and the cathode friction layer based on the force applied to the electric nano-generator, and mechanical energy based on the friction between the anode friction layer and the cathode friction layer Harvesting Smart Home Applicable Triboelectric Nano Generator; and
and a power management circuit that converts the AC voltage of the harvested mechanical energy into a DC voltage, and charges the converted DC voltage into a battery as an input voltage or drives a portable electronic product
Power management device using triboelectric nanogenerator applicable to smart home.
상기 제1 물질층은 면(cotton), 계란 껍질(egg peal), 셀룰로오스 종이(cellulose paper), 쌀 종이(rice paper) 및 양파 껍질(onion peal) 중 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는
스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기를 이용한 전력 관리 장치.10. The method of claim 9,
The first material layer is characterized in that it is formed of any one of cotton, egg shell, cellulose paper, rice paper, and onion peel.
Power management device using triboelectric nanogenerator applicable to smart home.
상기 제2 물질층은 구리(Cu), 알루미늄(Al), 종이(paper), 캡톤(Kapton), PET(polyethylene terephthalate), 고무(rubber) 및 PTFE(Polytetrafluoroethylene) 중 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는
스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기를 이용한 전력 관리 장치.10. The method of claim 9,
wherein the second material layer is formed of any one of copper (Cu), aluminum (Al), paper, Kapton, PET (polyethylene terephthalate), rubber, and PTFE (Polytetrafluoroethylene)
Power management device using triboelectric nanogenerator applicable to smart home.
상기 수확된 기계적 에너지의 스파이크 전압을 감지하여 상기 감지된 스파이크 전압과 관련된 움직임 활동을 추적하거나 감지하는 모션 감지 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는
스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기를 이용한 모션 감지 장치.A positive electrode friction layer formed of a first material layer attached to the positive electrode electrode, a negative electrode friction layer formed of a second material layer attached to the negative electrode electrode, a first formed using disposable waste plastic, and combined with the positive electrode friction layer A support substrate, a second support substrate formed by using the disposable waste plastic, and a second support substrate coupled to the cathode friction layer, and located at four corners of the first support substrate, formed porous using the disposable waste plastic, friction A sponge layer for dynamically adjusting the separation distance between the anode friction layer and the cathode friction layer based on the force applied to the electric nano-generator, and mechanical energy based on the friction between the anode friction layer and the cathode friction layer Harvesting Smart Home Applicable Triboelectric Nano Generator; and
and a motion detection sensor detecting a spike voltage of the harvested mechanical energy to track or detect a movement activity related to the sensed spike voltage.
Motion sensing device using triboelectric nanogenerator applicable to smart home.
상기 제1 물질층은 면(cotton), 계란 껍질(egg peal), 셀룰로오스 종이(cellulose paper), 쌀 종이(rice paper) 및 양파 껍질(onion peal) 중 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는
스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기를 이용한 모션 감지 장치.13. The method of claim 12,
The first material layer is characterized in that it is formed of any one of cotton, egg shell, cellulose paper, rice paper, and onion peel.
Motion sensing device using triboelectric nanogenerator applicable to smart home.
상기 제2 물질층은 구리(Cu), 알루미늄(Al), 종이(paper), 캡톤(Kapton), PET(polyethylene terephthalate), 고무(rubber) 및 PTFE(Polytetrafluoroethylene) 중 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는
스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기를 이용한 모션 감지 장치.13. The method of claim 12,
wherein the second material layer is formed of any one of copper (Cu), aluminum (Al), paper, Kapton, PET (polyethylene terephthalate), rubber, and PTFE (Polytetrafluoroethylene)
Motion sensing device using triboelectric nanogenerator applicable to smart home.
상기 스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기는 스마트홈 내 소파, 테이블, 바닥, 벽, 문의 경첩 중 적어도 하나의 위치에 부착되어 상기 스마트홈 내 움직임과 관련된 상기 기계적 에너지를 수확하는 것을 특징으로 하는
스마트 홈 적용 가능한 마찰 전기 나노 발전기를 이용한 모션 감지 장치.
13. The method of claim 12,
The triboelectric nanogenerator applicable to the smart home is attached to at least one of a sofa, a table, a floor, a wall, and a hinge of a door in the smart home to harvest the mechanical energy related to the movement in the smart home
Motion sensing device using triboelectric nanogenerator applicable to smart home.
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| KR102577660B1 (en) | 2023-09-12 |
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