KR20220122075A - 대전 발생 기구와 마찰전기 발전 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 각면이 서로 접촉하거나 이격이 이루어지며 마찰 전기가 발생되도록 하는 대전 발생 기구를 제공하고, 대전 발생 기구를 회전시키면서 대전 발생 기구의 각면의 접촉과 이격이 연속적으로 이루어져 마찰전기가 지속적으로 발생되도록 하고, 발생된 마찰 전기를 수집하여 출력하는 마찰전기 발전 장치를 제공한다.
본 발명은 전극과 대전 발생 박막의 접촉과 이격에 의해 마찰전기가 발생되므로, 기존의 슬라이딩 왕복 운동에 의해 마찰전기를 발생시키는 발전기보다 긴 수명을 유지하는 효과가 있다.

Description

대전 발생 기구와 마찰전기 발전 장치{Apparatus for electrification and Triboelectric generator}

본 발명은 대전 발생 기구와 마찰전기 발전 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 각 면이 서로 접하거나 이격되며 마찰 전기가 발생되도록 하는 대전 발생 기구와 대전 발생 기구를 회전시키며 대전 발생 기구에서 발생되는 마찰 전기를 수집하여 출력하는 마찰전기 발전 장치에 관한 것이다.

석탄 및 석유 등 화석 에너지를 이용할 수 있게 된 이후, 기술의 개발에 의해 에너지 수요가 급증하게 되면서, 화석 에너지의 고갈에 대한 염려가 증가하고 있다. 더군다나 에너지 자립도가 낮은 나라들은 대부분의 화석 에너지를 수입에 의존하고 있어, 국가의 경제 발전에 저해요소로 작용하고 있다.

이를 극복하기 위하여 다양한 방법이 연구되고 있다.

여기서, 화석 에너지를 사용하지 않으면서, 에너지를 생산하는 방법으로서 에너지 하베스팅(energy harvesting)이 제시되고 있다.

에너지 하베스팅(energy harvesting)은 주변 환경에 존재하는 바람이나 진동, 또는 인간의 움직임으로부터 발생되는 기계적 에너지 등을 전기 에너지로 변환하여 추출할 수 있는 친환경 에너지 발전 방식이라 할 수 있다.

에너지 하베스팅(energy harvesting)의 일환으로 기계적인 운동에서 버려지는 에너지를 마찰 대전 기반의 에너지 수확 원리를 이용하여 전기 에너지로 수확하는 기술에 대한 연구가 이루어지고 있다.

하지만, 이러한 마찰 대전 기술은 마찰을 지속적으로 일으키기 어려운 문제점이 있다.

공개특허 2016-0148755호를 참조하면, 관 형상의 케이스 내부에서 부유 진동자가 왕복 운동하며 마찰 전기가 발생되도록 하지만, 사용이 증가하면 진동자와 케이스가 마모되어 마찰 전기가 발생되지 않는 등, 지속적인 발전이 어려운 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 각 면이 서로 접촉하거나 이격이 이루어지며 마찰 전기가 발생되도록 하는 대전 발생 기구를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 대전 발생 기구를 회전시키면서 대전 발생 기구의 각면의 접촉과 이격이 연속적으로 이루어져 마찰전기가 지속적으로 발생되도록 하고, 발생된 마찰 전기를 수집하여 출력하는 마찰전기 발전 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 대전 현상이 발생되는 대전 발생 기구로서, 서로 인접하여 배치되고, 양측단이 플렉시블(flexible)한 제1 연결 부재를 통하여 인접하는 플레이트에 서로 연결되는 제1 내지 제4 플레이트로 각각 구성되고, 서로 직교하는 X, Y, Z 축 상에 배치되는 제1 내지 제6 단위 대전부를 포함하는 대전 발생 기구를 제공한다.

상기 제1 내지 제4 플레이트는, 절연체를 포함할 수 있다.

상기 X, Y, Z 축의 직교점을 향하여 배치되는 상기 제1 내지 제6 단위 대전부의 일단은 이웃하는 단위 대전부와 플렉시블(flexible)한 제2 연결 부재로 연결될 수 있다.

상기 제1 및 제2 연결 부재는, 폴리에스터(polyester)를 포함할 수 있다.

상기 제1 및 제2 단위 대전부는, 상기 X 축 상에서 상기 X, Y, Z 축의 직교점 양측으로 일정 거리 이격되어 배치되고, 상기 제3 및 제4 단위 대전부는 Y 축 상에 일정 거리 이격되어 배치되되, 상기 X, Y, Z 축의 직교점 양측으로 배치되고, 상기 제5 및 제6 단위 대전부는 Z 축 상에 일정 거리 이격되어 배치되되, 상기 X, Y, Z 축의 직교점 양측으로 배치될 수 있다.

상기 제1 단위 대전부와 상기 제2 단위 대전부의 외주면으로는 전극이 배치될 수 있다.

상기 전극은 알루미늄(Al) 또는 구리(Cu)를 포함할 수 있다.

상기 제3 내지 제6 단위 대전부의 외주면 중, 일단이 상기 제1 및 제2 단위 대전부와 연결되는 플레이트의 외주면 상에는 대전 발생 박막이 배치할 수 있다.

상기 대전 발생 박막은, 폴리머(polymer)를 포함할 수 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 제1항 내지 제9항에 기재된 대전 발생 기구를 회전시키며 마찰 전기를 발생시키고, 발생된 상기 마찰 전기를 수집하여 출력하는 마찰전기 발전 장치로서, 상기 대전 발생 기구를 회전시키는 회전부; 를 포함하는 마찰전기 발전 장치를 제공한다.

상기 대전 발생 기구에 연결되어, 발생된 상기 마찰전기를 정류하여 출력하는 정류부와, 상기 정류부에서 정류되어 출력되는 전원을 충전하는 충전부와, 상기 정류부와 상기 충전부의 동작 중 발광하며, 상기 정류부와 상기 충전부의 동작을 표시하는 발광 표시부를 더 포함할 수 있다.

상기 회전부는, 구동회전축을 회전시키는 회전구동부와, 상기 구동회전축의 일단에 형성되어 상기 구동회전축의 회전에 따라 회전하는 회전판과, 상기 회전판의 일측면에 돌출 형성되어, 상기 대전 발생 기구의 일측면과 연결되는 연결축과, 상기 연결축과 이격되어 배치되며, 상기 대전 발생 기구의 타측면과 연결되는 고정축과, 상기 고정축을 지지하는 고정축지지부를 포함하는 마찰전기 발전장치.

상기 고정축 지지부와 일정 거리 이격되어 배치되고, 상기 구동회전축을 지지하는 구동회전축 지지부를 더 포함할 수 있다.

상기 구동회전축 지지부와 상기 고정축 지지부는, 일정 직경을 갖는 원판 형태로 이루어질 수 있다.

일정 직경과 길이를 갖는 원통 형상으로, 양단으로는 상기 구동회전축 지지부와 상기 고정축 지지부가 각각 배치되고, 내측으로 상기 대전 발생 기구 배치 공간을 제공하는 케이스를 더 포함할 수 있다.

상기 연결축은, 상기 회전판의 중심에서 일정 거리 이격된 위치에서, 상기 회전판에 대하여 수직으로 배치될 수 있다.

상기 회전부에 의해 회전하는 상기 대전 발생 기구는, 상기 고정축에 상기 제1 단위 대전부의 일측면이 연결되고, 상기 연결축에 상기 제2 단위 대전부의 일측면이 연결되며, 상기 X, Y, Z 축의 직교점을 향하는 상기 제1 및 제2 단위 대전부의 단부는 상기 직교점 상에 배치될 수 있다.

상기 회전판의 회전이 진행되면, 상기 제3 및 제4 단위 대전부의 상기 제1 내지 제4 플레이트의 내주면은 서로 이격되며, 상기 제3 및 제4 단위 대전부 외주의 상기 대전 발생 박막은 상기 제1 및 제2 단위 대전부 외주의 상기 전극과 접하고, 상기 제5 및 제6 단위 대전부는 서로 이웃하는 한 쌍의 플레이트의 내주면이 서로 접하며, 상기 제3 및 제4 단위 대전부의 서로 이웃하는 한 쌍의 플레이트의 내주면이 서로 접하면, 상기 제5 및 제6 단위 대전부 외주의 상기 대전 발생 박막은 상기 제1 및 제2 단위 대전부 외주의 상기 전극과 접하고, 상기 제5 및 제6 단위 대전부는 상기 제1 내지 제4 플레이트의 내주면은 서로 이격될 수 있다.

상기와 같은 본 발명에 따른 대전 발생 기구에 의하면, 전극과 대전 발생 박막이 배치되는 각 면이 서로 접촉하거나 이격이 이루어지면서 대전 현상에 의해 소정의 마찰 전기가 발생될 수 있다.

또한, 본 발명은 전극과 대전 발생 박막에 의해 마찰 전기를 발생시키는 대전 발생 기구를 외부의 구동력을 인가하여 연속적으로 회전시킴으로써 대전 발생 기구의 전극과 대전 발생 박막의 접촉과 이격이 연속적으로 이루어져 마찰전기가 지속적으로 발생되도록 하고, 발생된 마찰 전기를 수집하여 출력할 수 있다.

또한, 본 발명은 전극과 대전 발생 박막의 접촉과 이격에 의해 마찰전기가 발생되므로, 기존의 슬라이딩 왕복 운동에 의해 마찰전기를 발생시키는 발전기보다 긴 수명을 유지하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 대전 발생 기구의 구성을 나타내는 사시도이다.
도 2는 본 발명에서 사용하는 제1 단위 대전부의 구성의 일 예를 나타내는 전개도이다.
도 3은 본 발명에서 사용하는 제1 단위 대전부의 구성의 일 예를 나타내는 사시도이다.
도 4는 도 1의 A 부분의 상세도면이다.
도 5는 도 1의 B 부분의 상세도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전 장치의 구성을 나타내는 사시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전 장치의 구성을 나타내는 측면도이다.
도 8은 본 발명에서 사용하는 회전부의 구성을 나타내는 측면도이다.
도 9는 발명에서 사용하는 정류부와 충전부의 연결 관계를 나타내는 도면이다.
도 10 내지 도 14는 본 발명에서 사용하는 대전 발생 기구의 동작을 설명하는 도면이다.
도 15는 전극과 대전 발생 박막에서 마찰 전기 발생을 나타내는 도면이다.
도 16은 본 발명에서 사용하는 대전 발생 박막의 변화를 나타내는 도면이다.
도 17은 본 발명에서 사용하는 대전 발생 박막과 전극에서 출력되는 전압과 전류의 변화를 나타내는 그래프이다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 대전 발생 기구의 구성을 나타내는 사시도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 대전 발생 기구(100)는 제1 내지 제6 단위 대전부(110, 120, 130, 140, 150, 160)를 포함한다.

도면을 참조하여, 제1 내지 제6 단위 대전부(110, 120, 130, 140, 150, 160)의 구성을 설명하기로 한다.

여기서, 제1 내지 제6 단위 대전부(110, 120, 130, 140, 150, 160)에 구성에 대해서는 제1 단위 대전부(110)를 예로 들어 설명하고, 차이가 있는 부분은 별도로 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명에서 사용하는 제1 단위 대전부의 구성을 나타내는 전개도이다.

도 2를 참조하면, 제1 단위 대전부(110)는 소정 크기와 두께를 갖는 직사각형 형태로 이루어지고 서로 인접하여 일렬로 배치되는 제1 내지 제4 플레이트(112A, 112B, 112C, 112D)를 포함함을 알 수 있다.

여기서, 제1 내지 제4 플레이트(112A, 112B, 112C, 112D)의 크기와 형태는 서로 동일하다.

제1 내지 제4 플레이트(112A, 112B, 112C, 112D)는 종이와 같은 절연체를 포함한다. 제1 내지 제4 플레이트(112A, 112B, 112C, 112D)는 종이 이외에도 다양한 절연 재질을 이용하여 제작될 수 있다.

제1 내지 제4 플레이트(112A, 112B, 112C, 112D) 각각은 서로 이웃하는 플레이트와 소정의 길이, 폭 및 두께를 갖는 제1 연결 부재(111A)를 통해 연결된다.

여기서, 제1 연결 부재(111A)는 폴리에스터(polyester)와 같이 플렉시블(flexible)하고, 내구성이 강한 소재를 사용할 수 있다. 또한, 제1 연결 부재(111A)는 일면에 소정의 접착제가 도포된 테이프 형태로 이루어질 수 있다.

제1 연결 부재(111A)는 소정 방향으로 절곡되며, 제1 내지 제4 플레이트의 내주가 서로 접하거나 이격되도록 한다.

도 3은 본 발명에서 사용하는 제1 단위 대전부의 구성을 나타내는 사시도이다.

도 3을 참조하면, 제1 및 제4 플레이트(112A, 112B, 112C, 112D)의 단부를 서로 연결하면, 소정의 크기를 갖고 양측이 개방된 육면체 형상의 제1 단위 대전부(110)가 완성됨을 알 수 있다.

제1 단위 대전부(110)가 완성된 후, 제2 내지 제6 단위 대전부(120, 130, 140, 150, 160)도 동일한 방식으로 제작한다.

제1 내지 제6 단위 대전부(110, 120, 130, 140, 150, 160)는 다음과 같이 배치된다.

다시 도 1을 참조하기로 한다.

제1 내지 제6 단위 대전부(110, 120, 130, 140, 150, 160)는 서로 직교하는 X, Y, Z 축 상에 각각 배치된다.

여기서, 제1 단위 대전부(110) 및 제2 단위 대전부(120)는 X 축 상에 배치되되, X, Y, Z 축의 직교점 양측으로 서로 일정 거리 이격되어 배치된다.

제3 단위 대전부(130)와 제4 단위 대전부(140)는 Y 축 상에 배치되되, X, Y, Z 축의 직교점 양측으로 서로 일정 거리 이격되어 배치된다.

또한, 제5 단위 대전부(150)와 제6 단위 대전부(160)는 Z 축 상에 배치되되, X, Y, Z 축의 직교점 양측으로 서로 일정 거리 이격되어 배치된다.

제1 내지 제6 단위 대전부(110, 120, 130, 140, 150, 160)가 X, Y, Z 축상에 각각 배치된 후, X, Y, Z 축의 직교점을 향하여 배치되는 단위 대전부의 일단은 이웃하는 단위 대전부의 일단과 제2 연결 부재(111B)로 연결된다.

이를 보다 상세히 설명하기로 한다.

우선, 제1 단위 대전부(110)와 제2 단위 대전부(120)가 X 축상에서 서로 일정 거리 이격되어 배치된다.

여기서, 후술하는 제3 내지 제6 단위 대전부(130, 140, 150, 160)와의 연결에 대한 설명을 용이하게 하기 위해, 제1 단위 대전부(110)와 제2 단위 대전부(120) 각각은 제1 플레이트(112A, 122A)가 상부에 위치하도록 배치되는 것으로 상정하기로 한다.

그리고, 제3 내지 제6 단위 대전부(130, 140, 150, 160)는 Y축과 Z축 상에서 X, Y, Z 축의 직교점 양측으로 배치되도록 한다. 따라서, 제3 내지 제6 단위 대전부(130, 140, 150, 160)는 제1 단위 대전부(110)와 제2 단위 대전부(120) 사이의 이격 공간 상에 배치될 수 있다.

이때, 제3 내지 제6 단위 대전부(130, 140, 150, 160) 각각의 제1 플레이트(132A, 142A, 152A, 162A)는 제1 단위 대전부(110)를 향하도록 배치하고, 제3 플레이트는 제2 단위 대전부(120)를 향하도록 배치한다.

이후, 제3 내지 제6 단위 대전부(130, 140, 150, 160) 각각이 포함하는 제1 플레이트(132A, 142A, 152A, 162A)의 일단은 제1 단위 대전부(110)의 제1 내지 제4 플레이트(112A, 112B, 112C, 112D) 일단과 제2 연결부재(111B)에 의해 연결되도록 한다.

제2 연결부재(111B)는 제1 연결부재(111A)와 동일한 재질로 이루어질 수 있다.

제2 연결부재(111B)는 제2 단위 대전부(120)가 회전할 때, 소정 방향으로 절곡되며 단위 대전부의 이동이 이루어질 수 있도록 한다.

그리고, 제3 내지 제6 단위 대전부(130, 140, 150, 160) 각각이 포함하는 제3 플레이트(132C, 142C, 152C, 162C)의 일단은 제2 단위 대전부(110)의 제1 내지 제4 플레이트(122A, 122B, 122C, 122D) 일단과 제2 연결부재(111B)에 의해 연결되도록 하여, 대전 발생 기구(100)가 완성되도록 한다.

한편, 제1 내지 제6 단위 대전부(110, 120, 130, 140, 150, 160)의 외주면 상으로는 다음과 같이 전극(114)과 대전 발생 박막(116)이 배치된다.

도 4는 도 1의 A 부분의 상세도면으로, 제1 단위 대전부(110)의 외주면에 전극이 배치됨을 도시하고 있다.

도 4를 참조하면, 제1 단위 대전부(110)의 제1 내지 제4 플레이트(112A, 112B, 112C, 112D) 외주에는 전극(114)이 배치됨을 알 수 있다.

제2 단위 대전부(120)의 외주에도 제1 단위 대전부(110)와 동일한 방식으로 전극(114)이 배치될 수 있다.

여기서, 전극(114)은 알루미늄(Al) 또는 구리(Cu)를 포함한다. 전극(114)은 단위 대전부를 구성하는 플레이트의 크기와 형태에 대응한다.

여기서, 전극(114)의 가로와 세로 길이는 사용자의 필요에 따라 다양하게 설정될 수 있지만, 세로 길이는 4cm인 것으로 상정하기로 한다.

이때, 전극(114)은 일면에 접착제가 도포된 소정의 박막 테이프 형태로 이루어져 단위 대전부에 대한 부착이 용이하게 이루어질 수 있도록 한다. 또한, 전극(114)에는 소정의 전선(미도시)에 의해 후술하는 정류부(280)와 연결될 수 있다.

도 5는 도 1의 B 부분의 상세도면이다.

도 5를 참조하면, 제4 단위 대전부(140)가 포함하는 제1 내지 제4 플레이트 중, 제3 플레이트(142C)의 외측으로는 대전 발생 박막(116)이 배치됨을 알 수 있다.

상기와 같이, 대전 발생 박막(116)은 제3 내지 제6 단위 대전부(130, 140, 150, 160) 각각이 포함하는 제1 내지 제4 플레이트 중 제1 및 제2 단위 대전부(110, 120)의 제1 플레이트(112A, 122A)에 연결되는 제1 및 제3 플레이트(132A, 142A, 152A, 162A, 132C, 142C, 152C, 162C)의 외주면 상에 배치된다.

대전 발생 박막(116)은 단위 대전부를 구성하는 각각의 플레이트의 크기와 형태에 대응하고, 소정의 두께를 갖는다.

여기서, 대전 발생 박막(116)의 가로와 세로 길이는 사용자의 필요에 따라 다양하게 설정될 수 있지만, 세로 길이는 3cm인 것으로 상정하기로 한다.

또한, 대전 발생 박막(116)은 폴리머(polymer)를 포함하는 것이 바람직하다. 폴리머는 한 종류 또는 수 종류의 구성 단위가 서로에게 많은 수의 화학결합으로 중합되어 연결되어 있는 분자로 되어 있는 화합물로서, 염화비닐, 나일론, 테플론 등을 포함한다.

대전 발생 박막(116)은 일면에 접착제가 도포된 소정의 박막 테이프 형태로 이루어져 단위 대전부에 대한 부착이 용이하게 이루어질 수 있도록 한다.

전극(114)과 대전 발생 박막(116)이 서로 접촉과 이격되면 대전 현상에 의해 소정의 마찰 전기가 발생할 수 있다.

이후의 설명에서는 별도의 설명이 없어도, 제1 단위 대전부(110)와 제2 단위 대전부(120)의 외주에는 전극이 배치되고, 제3 내지 제6 단위 대전부(130, 140, 150, 160)가 포함하는 제1 및 제3 플레이트 외주에는 대전 발생 박막이 배치되는 것으로 이해되어야 한다.

상기한 대전 발생 기구(100)는 다음의 마찰전기 발전장치(200)에 의해 연속적으로 회전되며 소정의 마찰전기를 발생시킬 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전 장치의 구성을 나타내는 사시도이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전 장치의 구성을 나타내는 측면도이다. 또한, 도 8은 본 발명에서 사용하는 회전부의 구성을 나타내는 측면도이다.

도 6 내지 도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전 장치(200)는 대전 발생 기구(100)와 회전부(210)를 포함한다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발전 장치(200)는 정류부(280), 충전부(BAT), 발광부(L), 출력부(290) 및 선택 스위치(SW)를 더 포함한다.

대전 발생 기구(100)는 이전의 실시예에서 설명한 대전 발생 기구와 동일하므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

회전부(210)는 대전 발생 기구(100)가 소정의 속도로 연속적으로 회전하며, 대전 발생 기구(100)의 외주면 상에 배치된 전극과 대전 발생 박막이 서로 접하거나 이격되면서 소정의 마찰 전기가 발생되도록 한다.

회전부(210)는 구동 회전축(2120), 회전 구동부(2100), 회전판(2300), 연결축(2400), 고정축(2500) 및 고정축지지부(2600)를 포함한다.

구동 회전축(2120)은 소정의 길이와 직경을 갖는 로드 형태로 이루어진다.

구동 회전축(2120)은 후술하는 구동 회전축 지지부(2200)의 중앙을 관통하여 배치된다.

여기서, 구동 회전축 지지부(2200)는 소정의 직경을 갖는 원판 형태로 이루어져, 구동 회전축(2120)을 지지한다.

회전 구동부(2100)는 외부에서 인가되는 구동력을 이용하여 소정의 속도로 회전한다. 여기서, 회전 구동부(2100)는 풍력 기구, 소수력 터빈 등에서 출력되는 구동력을 인가받아 회전할 수 있다. 또한, 회전 구동부(2100)는 소정의 내연 기관에서 출력되는 구동력을 인가받아 회전할 수 있다.

여기서, 회전 구동부(2100)는 소정의 직경을 갖는 원판 형태로 이루어질 수 있다. 회전 구동부(2100)의 중심으로는 구동 회전축(2120)의 일단이 연결된다. 따라서, 회전 구동부(2100)가 소정의 속도로 회전하면, 회전 구동부(2100)의 회전은 구동 회전축(2120)을 통해 후술하는 회전판(2300)으로 전달된다.

회전판(2300)은 소정의 직경을 갖는 원판 형태로 이루어지고, 중심으로는 구동 회전축(2120)의 타단이 연결된다.

따라서, 회전 구동부(2100)와 회전판(2300)은 구동 회전축 지지부(2200)의 양측에 서로 평행하게 배치될 수 있다.

여기서, 회전판(2300)의 직경은 회전 구동부(2100)의 직경과 동일하게 형성될 수 있다.

연결축(2400)은 소정의 길이를 갖는 로드 형태로서, 회전판(2300)의 일측면에 돌출 형성된다. 여기서, 연결축(2400)은 회전판(2300)의 중심에서 소정 거리 이격된 위치에서 후술하는 고정축지지부(2600)를 향하여 수직으로 돌출 형성된다.

연결축(2400)의 단부는 대전 발생 기구(100)의 일측면과 연결되어, 회전 구동부(2100)의 회전에 따라 대전 발생 기구(100)가 회전하도록 한다.

본 실시예에서, 연결축(2400)의 단부에는 소정의 베어링(2420)이 배치되고, 베어링(2420)은 제2 단위 대전부(120)의 내측으로 삽입된다. 여기서, 베어링(2420)의 외주는 제2 단위 대전부(120)의 내주면과 접하여, 대전 발생 기구(100)의 회전 시 회전이 용이하게 이루어지도록 한다.

고정축(2500)은 소정의 길이를 갖는 사각 로드 형태로 이루어진다. 고정축(2500)은 소정의 고정축 지지부(2600)에 의해 지지된다. 즉, 고정축 지지부(2600)는 도면에 도시되어 있는 바와 같이 소정의 직경을 갖는 원판 형태로서, 고정축(2500)은 고정축 지지부(2600)의 중심에서 회전판(2300)을 향하여 배치된다. 이때, 고정축(2500)은 고정축 지지부(2600)의 표면에 대하여 수직으로 배치된다.

여기서, 고정축 지지부(2600)의 직경은 구동 회전축 지지부(2200)의 직경과 동일하게 형성될 수 있다.

고정축(2500)의 단부는 대전 발생 기구(100)의 타측면과 연결되어, 회전 구동부(2100)에 의해 회전하는 대전 발생 기구(100)의 회전 중심축으로서 작용한다. 여기서, 고정축(2500)과 대전 발생 기구(100)의 연결을 용이하게 하기 위해, 고정축(2500)은 제1 단위 대전부(110)의 내측 형상에 대응하는 사각 로드 형태로 이루어지는 것이 바람직하다.

고정축 지지부(2600)는 회전판(2300)과 소정 거리 이격되어 배치되고, 이에 따라 고정축(2500)은 연결축(2400)과 소정 거리 이격되어 배치된다. 여기서, 고정축(2500)은 연결축(2400)과 평행하게 배치된다.

고정축 지지부(2600)의 후술하는 발광부(L)와 출력부(290)가 배치될 수 있다.

대전 발생 기구(100)에 대한 외부의 영향을 감소시키기 위하여, 대전 발생 기구(100)의 배치 공간을 제공하는 케이스(2700)가 배치된다.

케이스(2700)는 소정의 직경과 길이를 갖는 원통 형상으로, 양단으로는 구동회전축 지지부(2200)와 고정축 지지부(2600)가 각각 배치된다.

케이스(2700)의 내측으로는 대전 발생 기구(100)가 배치되어 회전하는 공간을 제공하고, 외부의 습기, 외력 등에 의해 대전 발생 기구(100)가 손상받는 것을 방지한다.

도면에 의하면, 케이스(2700)는 투명하게 구성되는 것으로 도시되어 있으나, 이는 케이스(2700) 내측으로 배치되는 구성 요소의 연결 관계를 나타내기 위한 것으로서, 대전 발생 기구(100)가 배치되는 공간을 제공한다면, 케이스(2700)는 다양한 재질로 이루어질 수 있다.

도 9는 발명에서 사용하는 정류부와 충전부의 연결 관계를 나타내는 도면이다.

도 9를 참조하면, 정류부(280)는 제1 단위 대전부(110)와 제2 단위 대전부(120) 상에 배치된 전극(114)에 연결되어, 전극(114)에서 발생된 마찰 전기를 정류하고 출력한 후, 충전부(BAT)에 충전됨을 알 수 있다. 여기서, 정류부(280)는 각각의 전극(114)에 대응하여 배치되고, 정류부(280)에서 전원이 출력됨을 표시하는 LED가 연결되는 것이 바람직하다.

한편, 사용자에 의해 조작되는 선택 스위치(SW)가 배치될 수 있다. 사용자는 선택 스위치(SW)를 조작하여 정류부(280)에서 출력되는 전원이 LED, 충전부(BAT) 또는 출력부(290) 중 선택된 어느 하나로 출력될 수 있도록 한다. 여기서, 출력부(290)는 소정의 USB 포트를 포함한다.

상기와 같이 구성된 회전부(210)에는 대전 발생 기구(100)가 연결된 후, 회전 동작할 수 있다.

대전 발생 기구(100)의 연결에 대해 살펴보기로 한다.

도 10 내지 도 14는 본 발명에서 사용하는 대전 발생 기구의 동작을 설명하는 도면이다.

우선, 사용자는 대전 발생 기구(100)의 일측면 즉, 제1 단위 대전부(110)의 일측이 고정축(2500)에 연결되어, 대전 발생 기구(100)의 회전 중심을 이루도록 한다.

그리고, 사용자는 제2 단위 대전부(120)를 Z축 상으로 이동시키면, 제5 및 제6 단위 대전부(150, 160) 양측의 제2 연결부재(111B)가 접혀지며 X, Y, Z 축의 직교점을 향하는 제1 및 제2 단위 대전부(110, 120)의 단부가 직교점 상에서 Z축 상의 동일 위치에 도달하게 되어, 제2 단위 대전부(120)가 제1 단위 대전부(110) 보다 높게 위치되고, 제2 단위 대전부(120)는 연결축(2400)과 평행한 위치에 배치된다. 이후, 연결축(2400)을 제2 단위 대전부(120)의 내측으로 삽입되도록 하여 대전 발생 기구(100)가 회전할 수 있도록 한다.

이후의 도면에서 도면상에는 도시되어 있지 않아도, 제1 단위 대전부(110)와 제2 단위 대전부(120) 각각에는 고정축(2500)과 연결축(2400)이 연결되는 것으로 이해되어야 한다.

여기서, 제5 단위 대전부(150)의 제1 플레이트 상의 대전 발생 박막은 제1 단위 대전부(110)의 제1 플레이트 상의 전극과 접하게 되고, 제2 단위 대전부(120)의 제3 플레이트(122C) 상의 전극은 제6 단위 대전부(160)의 제3 플레이트(162C) 상의 대전 발생 박막과 접하게 된다.

또한, 제3 단위 대전부(130)의 제2 및 제3 플레이트(132B, 132C)의 내주면은 서로 접하고, 제1 및 제4 플레이트(132A, 132D)의 내주면도 서로 접하게 되어, 대전 발생 기구(100)는 도 10에 도시된 형태로 이루어진다.

이후, 회전판(2300)을 회전시키면, 대전 발생 기구(100)는 도 11에 도시된 형태를 이루게 된다.

즉, 도 10에 도시된 제2 단위 대전부(120)가 시계 방향으로 회전하여 도 11에 도시된 형태를 이루면, 제1 단위 대전부(110)와 제5 단위 대전부(150)의 접촉 그리고 제2 단위 대전부(120)와 제6 단위 대전부(160)의 접촉은 유지되지만, 제3 단위 대전부(130)와 제4 단위 대전부(140)가 포함하는 플레이트들은 모두 이격된다.

그리고, 제4 단위 대전부(140)의 제3 플레이트(142C) 상의 대전 발생 박막은 제2 단위 대전부(120)의 제2 플레이트(122B) 외주상의 전극과 접촉하고, 제3 단위 대전부(130)의 제1 플레이트 상의 대전 발생 박막은 제1 단위 대전부(110)의 제2 플레이트 외주 상의 전극과 접한다.

이후, 제2 단위 대전부(120)의 회전이 계속 이루어지면 대전 발생 기구(100)는 도 12에 도시된 형태를 이루게 된다.

즉, 제1 단위 대전부(110)와 제5 단위 대전부(150) 그리고, 제2 단위 대전부(120)와 제4 단위 대전부(140)는 동일한 높이로 배치되고, 제1 단위 대전부(110)와 제3 단위 대전부(130)의 접촉 상태와 제2 단위 대전부(120)와 제4 단위 대전부(140)의 접촉 상태는 유지된다. 그리고, 제5 단위 대전부(150)의 대전 발생 박막은 제1 단위 대전부(110)의 전극과 이격되고, 제5 단위 대전부(150)의 제1 및 제2 플레이트(152A, 152B)의 내주면이 서로 접촉하고, 제3 및 제4 플레이트(152C, 152D)의 내주면도 서로 접한다. 또한, 제6 단위 대전부(160)의 대전 발생 박막은 제2 단위 대전부(120)의 전극과 이격되고, 제6 단위 대전부(160)의 제1 및 제2 플레이트(162A, 162B)의 내주면이 서로 접촉하고, 제3 및 제4 플레이트(162C, 162D)의 내주면도 서로 접촉한다.

도 13을 참조하면, 제2 단위 대전부(120)는 회전하지만, 제1 단위 대전부(110)와 제3 단위 대전부(130)의 접촉 그리고 제2 단위 대전부(120)와 제4 단위 대전부(140)의 접촉은 유지된다.

또한, 제5 단위 대전부(150)의 플레이트들은 서로 이격되고, 제5 단위 대전부(150)의 제3 플레이트(152C) 외주의 대전 발생 박막은 제2 단위 대전부(120)의 제1 플레이트(122A) 외주의 전극과 접촉한다.

또한, 제6 단위 대전부(160)의 플레이트들은 서로 이격되고, 제6 단위 대전부(160)의 제1 플레이트(162A) 외주의 대전 발생 박막은 제1 단위 대전부(110)의 제3 플레이트(112C) 외주의 전극과 접촉한다.

도 14를 참조하면, 제2 단위 대전부(120)는 계속 회전하여, Z 축 상에서 제2 단위 대전부(120)는 제1 단위 대전부(110) 보다 낮은 위치에 도달하게 된다.

그리고, 제2 단위 대전부(120)의 전극과 제5 단위 대전부(150)의 대전 발생 박막의 접촉은 유지되고, 제2 단위 대전부(120)의 전극과 제4 단위 대전부(140)의 대전 발생 박막은 서로 이격된다.

또한, 제1 단위 대전부(110)의 전극과 제6 단위 대전부(160)의 대전 발생 박막의 접촉은 유지되고, 제1 단위 대전부(110)의 전극과 제3 단위 대전부(130)의 대전 발생 박막은 서로 이격된다.

그리고, 제2 단위 대전부(120)의 제1 플레이트(122A) 외주 상의 전극은 제5 단위 대전부(150)의 제3 플레이트(152C) 외주의 대전 발생 박막과 접하고, 제1 단위 대전부(110)의 제3 플레이트(112C) 외주의 전극은 제6 단위 대전부(160)의 제3 플레이트(162C) 외주의 대전 발생 박막과 접한다.

또한, 제3 단위 대전부(130)의 제1 및 제4 플레이트(132A, 132D) 그리고 제2 및 제3 플레이트(132B, 132C)의 내주면이 서로 접한다.

상기와 같이, 연결축(240)에 연결된 제2 단위 대전부(120)가 회전하면, 제1 및 제2 단위 대전부(110, 120) 외주에 배치된 전극과 제3 내지 제6 단위 대전부(130, 140, 150, 160) 외주에 배치된 대전 발생 박막이 서로 접하고, 이격이 반복되는 과정에서 전류가 발생된다.

제2 단위 대전부(120)가 계속적으로 회전하며 다시 도 10에 도시된 형상을 이룬다.

도 15는 전극과 대전 발생 박막에서 마찰 전기 발생을 나타내는 도면이다.

도 15를 참조하여, 전극과 대전 발생 박막에서의 마찰 전기 발생을 설명하기로 한다.

도 15의 (A)와 (B)를 참조하면, 전극(114)과 대전 발생 박막(116)이 서로 접하고 있을 때, 제1 및 제2 단위 대전부(110, 120)이 포함하는 전극(114)는 양(+) 전하를 포함하고, 제3 내지 제6 단위 대전부(130, 140, 150, 160)이 포함하는 대전 발생 박막(116)은 음(-) 전하를 포함함을 알 수 있다.

도 15의 (C)와 (D)를 참조하면, 전극(114)과 대전 발생 박막(116)이 서로 이격되면 제1 및 제2 단위 대전부(110, 120)이 포함하는 전극(114)의 양(+) 전하는 외부로 출력됨을 알 수 있다.

여기서, 출력되는 양(+) 전하는 정류부(280)로 입력될 수 있다.

도 15의 (E)를 참조하면, 전극(114)으로는 다시 양(+) 전하로 채워진다.

상기와 같이, 대전 발생 기구(100)가 1회 회전하면 제1 및 제2 단위 대전부(110, 120)은 각각은 네 번의 접촉과 네 번의 이격이 이루어지고, 접촉과 이격 발생시 각각 마찰 전기가 발생함을 알 수 있다.

발생된 마찰 전기는 전극(114)에 연결된 전선을 통해 정류부(280)로 입력된 후 소정의 직류로서 출력된 후, 사용자의 선택 스위치(SW) 조작에 따라 발광부(L)를 발광 동작시키거나, 충전부(BAT)에 충전시킬 수 있다. 또한, USB 포트를 포함하는 출력부(290)를 통해 외부로 출력될 수 있다.

도 16은 본 발명에서 사용하는 대전 발생 박막의 변화를 나타내는 도면이다.

도 16을 참조하면, 사용자에 의해 회전부(210)가 200 rpm 으로 8시간, 16시간, 24시간 동안 회전시켰을 경우, 대전 발생 박막 표면의 마모가 거의 발생하지 않았음을 알 수 있다.

도 17은 본 발명에서 사용하는 대전 발생 박막과 전극에서 출력되는 전압과 전류의 변화를 나타내는 그래프이다.

도 17을 참조하면, 대전 발생 박막과 전극이 서로 접촉 및 이격이 여러 시간 동안 반복되어도 대전 발생 박막과 전극에서 발생되는 마찰 전기의 전압과 전류는 일정함을 알 수 있다.

상기와 같이 구성된 대전 발생 기구에 의하면, 전극과 대전 발생 박막이 배치되는 각 면이 서로 접촉하거나 이격이 이루어지면서 대전 현상에 의해 소정의 마찰 전기가 발생될 수 있다.

또한, 상기와 같이 구성된 마찰전기 발전 장치는, 전극과 대전 발생 박막에 의해 마찰 전기를 발생시키는 대전 발생 기구를 외부의 구동력을 인가하여 연속적으로 회전시킴으로써 대전 발생 기구의 전극과 대전 발생 박막의 접촉과 이격이 연속적으로 이루어져 마찰전기가 지속적으로 발생되도록 하고, 발생된 마찰 전기를 수집하여 출력할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 마찰전기 발전 장치는 전극과 대전 발생 박막의 접촉과 이격에 의해 마찰전기가 발생되므로, 기존의 슬라이딩 왕복 운동에 의해 마찰전기를 발생시키는 발전기보다 긴 수명을 유지하는 효과가 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

100 : 대전 발생 기구
110, 120, 130, 140, 150, 160: 제1 내지 제6 단위 대전부
200: 마찰전기 발전 장치
210: 회전부
2120: 구동 회전축 2100: 회전 구동부
2300: 회전판 2400: 연결축
2500: 고정축 2600: 고정축지지부
280: 정류부 290: 출력부
BAT: 충전부 L: 발광부

Claims (18)

1. 대전 현상이 발생되는 대전 발생 기구로서,
   서로 인접하여 배치되고, 양측단이 플렉시블(flexible)한 제1 연결 부재를 통하여 인접하는 플레이트에 서로 연결되는 제1 내지 제4 플레이트로 각각 구성되고, 서로 직교하는 X, Y, Z 축 상에 배치되는 제1 내지 제6 단위 대전부를 포함하는 대전 발생 기구.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 내지 제4 플레이트는,
   절연체를 포함하는 대전 발생 기구.
3. 제2항에 있어서,
   상기 X, Y, Z 축의 직교점을 향하여 배치되는 상기 제1 내지 제6 단위 대전부의 일단은 이웃하는 단위 대전부와 플렉시블(flexible)한 제2 연결 부재로 연결되는 대전 발생 기구.
4. 제3항에 있어서,
   상기 제1 및 제2 연결 부재는,
   폴리에스터(polyester)를 포함하는 대전 발생 기구.
5. 제3항에 있어서,
   상기 제1 및 제2 단위 대전부는,
   상기 X 축 상에서 상기 X, Y, Z 축의 직교점 양측으로 일정 거리 이격되어 배치되고,
   상기 제3 및 제4 단위 대전부는 Y 축 상에 일정 거리 이격되어 배치되되, 상기 X, Y, Z 축의 직교점 양측으로 배치되고,
   상기 제5 및 제6 단위 대전부는 Z 축 상에 일정 거리 이격되어 배치되되, 상기 X, Y, Z 축의 직교점 양측으로 배치되는 대전 발생 기구.
6. 제5항에 있어서,
   상기 제1 단위 대전부와 상기 제2 단위 대전부의 외주면으로는 전극이 배치되는 대전 발생 기구.
7. 제5항에 있어서,
   상기 전극은 알루미늄(Al) 또는 구리(Cu)를 포함하는 대전 발생 기구.
8. 제6항에 있어서,
   상기 제3 내지 제6 단위 대전부의 외주면 중,
   일단이 상기 제1 및 제2 단위 대전부와 연결되는 플레이트의 외주면 상에는 대전 발생 박막이 배치되는 대전 발생 기구.
9. 제8항에 있어서,
   상기 대전 발생 박막은,
   폴리머(polymer)를 포함하는 대전 발생 기구.
10. 제1항 내지 제9항에 기재된 대전 발생 기구를 회전시키며 마찰 전기를 발생시키고, 발생된 상기 마찰 전기를 수집하여 출력하는 마찰전기 발전 장치로서,
    상기 대전 발생 기구를 회전시키는 회전부; 를 포함하는 마찰전기 발전 장치.
11. 제10항에 있어서,
    상기 대전 발생 기구에 연결되어, 발생된 상기 마찰전기를 정류하여 출력하는 정류부와,
    상기 정류부에서 정류되어 출력되는 전원을 충전하는 충전부와,
    상기 정류부와 상기 충전부의 동작 중 발광하며, 상기 정류부와 상기 충전부의 동작을 표시하는 발광 표시부를 더 포함하는 마찰전기 발전 장치.
12. 제10항에 있어서,
    상기 회전부는,
    구동회전축을 회전시키는 회전구동부;
    상기 구동회전축의 일단에 형성되어 상기 구동회전축의 회전에 따라 회전하는 회전판;
    상기 회전판의 일측면에 돌출 형성되어, 상기 대전 발생 기구의 일측면과 연결되는 연결축;
    상기 연결축과 이격되어 배치되며, 상기 대전 발생 기구의 타측면과 연결되는 고정축;
    상기 고정축을 지지하는 고정축지지부를 포함하는 마찰전기 발전장치.
13. 제12항에 있어서,
    상기 고정축 지지부와 일정 거리 이격되어 배치되고, 상기 구동회전축을 지지하는 구동회전축 지지부를 더 포함하는 마찰전기 발전장치.
14. 제13항에 있어서,
    상기 구동회전축 지지부와 상기 고정축 지지부는,
    일정 직경을 갖는 원판 형태로 이루어지는 마찰전기 발전장치.
15. 제14항에 있어서,
    일정 직경과 길이를 갖는 원통 형상으로, 양단으로는 상기 구동회전축 지지부와 상기 고정축 지지부가 각각 배치되고, 내측으로 상기 대전 발생 기구 배치 공간을 제공하는 케이스를 더 포함하는 마찰전기 발전장치.
16. 제12항에 있어서,
    상기 연결축은,
    상기 회전판의 중심에서 일정 거리 이격된 위치에서, 상기 회전판에 대하여 수직으로 배치되는 마찰전기 발전장치.
17. 제12항에 있어서,
    상기 회전부에 의해 회전하는 상기 대전 발생 기구는,
    상기 고정축에 상기 제1 단위 대전부의 일측면이 연결되고,
    상기 연결축에 상기 제2 단위 대전부의 일측면이 연결되며,
    상기 X, Y, Z 축의 직교점을 향하는 상기 제1 및 제2 단위 대전부의 단부는 상기 직교점 상에 배치되는 마찰전기 발전 장치.
18. 제17항에 있어서,
    상기 회전판의 회전이 진행되면,
    상기 제3 및 제4 단위 대전부의 상기 제1 내지 제4 플레이트의 내주면은 서로 이격되며, 상기 제3 및 제4 단위 대전부 외주의 상기 대전 발생 박막은 상기 제1 및 제2 단위 대전부 외주의 상기 전극과 접하고, 상기 제5 및 제6 단위 대전부는 서로 이웃하는 한 쌍의 플레이트의 내주면이 서로 접하며,
    상기 제3 및 제4 단위 대전부의 서로 이웃하는 한 쌍의 플레이트의 내주면이 서로 접하면,
    상기 제5 및 제6 단위 대전부 외주의 상기 대전 발생 박막은 상기 제1 및 제2 단위 대전부 외주의 상기 전극과 접하고,
    상기 제5 및 제6 단위 대전부는 상기 제1 내지 제4 플레이트의 내주면은 서로 이격되는 마찰전기 발전 장치.

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