KR20230144358A

KR20230144358A - Triboelectric generator with circuit driving stability using impedance matching

Info

Publication number: KR20230144358A
Application number: KR1020220043510A
Authority: KR
Inventors: 김영준; 김상우; 황준하; 정영욱
Original assignee: 성균관대학교산학협력단
Priority date: 2022-04-07
Filing date: 2022-04-07
Publication date: 2023-10-16

Abstract

본 발명은 초음파 기반 마찰전기 에너지 발전 소자와 회로 간의 임피던스 매칭을 통해 회로의 구동 안정성을 확보할 수 있는 기술에 관한 것이다. 본 발명은 초음파 기반 마찰전기 에너지 발전 소자의 에너지 전달 효율을 높이기 위하여, 전력관리 회로를 안정적으로 구동하기 위한 발전 소자와 회로 간의 임피던스 매칭 기술을 제안함으로써 종래기술이 가지고 있는 한계를 극복하고 나아가 새로운 방식을 제시하고자 한다.The present invention relates to a technology that can secure the driving stability of a circuit through impedance matching between an ultrasonic-based triboelectric energy generation device and a circuit. The present invention overcomes the limitations of the prior art by proposing an impedance matching technology between the power generation device and the circuit to stably drive the power management circuit in order to increase the energy transfer efficiency of the ultrasonic-based triboelectric energy generation device and further develops a new method. I would like to present .

Description

Triboelectric generator that ensures circuit driving stability using impedance matching {TRIBOELECTRIC GENERATOR WITH CIRCUIT DRIVING STABILITY USING IMPEDANCE MATCHING}

본 발명은 임피던스 매칭을 이용한 회로의 구동 안정성을 확보하는 마찰전기 발전소자에 관한 것이다. 구체적으로 본 발명은 초음파 기반 마찰전기 에너지 발전 소자와 회로 간의 임피던스 매칭을 통해 회로의 구동 안정성을 확보할 수 있는 기술에 관한 것이다.The present invention relates to a triboelectric power plant element that ensures driving stability of a circuit using impedance matching. Specifically, the present invention relates to a technology that can secure the driving stability of a circuit through impedance matching between an ultrasonic-based triboelectric energy generation device and a circuit.

최근 인체에 무해한 초음파를 활용해 체내에서 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환하는 무선 전력 전송 기술이 주목받고 있고 인체삽입형 의료기기를 충전하기 위한 초음파 기반 마찰전기 에너지 발전 소자가 개발되었다.Recently, wireless power transmission technology that converts mechanical energy into electrical energy within the body using harmless ultrasonic waves has been attracting attention, and ultrasonic-based triboelectric energy generation devices have been developed to charge implantable medical devices.

하지만 초음파 기반 마찰전기 에너지 발전 소자는 교류(AC) 형태의 매우 높은 출력 임피던스 특성에 의해 전자제품이나 에너지 저장 장치에 직접 연결할 시 낮은 에너지 전달 효율을 보인다. 따라서, 에너지 전달 효율을 높이기 위해 정류, 직류(DC) 변환, 주파수 변환 등의 전력관리 기능을 가진 회로와의 결합이 필수적이다. 하지만 기존 초음파 기반 마찰전기 에너지 발전 소자는 400 kΩ 이상의 매우 높은 출력 임피던스를 가지므로 회로와의 임피던스 차이로 인해 회로를 정상적으로 구동시키기 어렵다는 문제가 있다.However, ultrasonic-based triboelectric energy generation devices show low energy transfer efficiency when directly connected to electronic products or energy storage devices due to their very high output impedance characteristics in the form of alternating current (AC). Therefore, in order to increase energy transfer efficiency, it is essential to combine it with a circuit with power management functions such as rectification, direct current (DC) conversion, and frequency conversion. However, existing ultrasonic-based triboelectric energy generation devices have a very high output impedance of 400 kΩ or more, so there is a problem in that it is difficult to drive the circuit normally due to the impedance difference with the circuit.

상기 서술된 종래기술의 문제점에 따라 전력관리 회로의 구동 안정성 확보를 위한 초음파 기반 마찰전기 에너지 발전 소자와 회로 간의 임피던스 매칭 기술이 필요하다.According to the problems of the prior art described above, there is a need for an impedance matching technology between an ultrasonic-based triboelectric energy generation device and the circuit to ensure the operation stability of the power management circuit.

본 발명은 초음파 기반 마찰전기 에너지 발전 소자의 에너지 전달 효율을 높이기 위하여, 전력관리 회로를 안정적으로 구동하기 위한 발전 소자와 회로 간의 임피던스 매칭 기술을 제안함으로써 종래기술이 가지고 있는 한계를 극복하고 나아가 새로운 방식을 제시하고자 한다.The present invention overcomes the limitations of the prior art by proposing an impedance matching technology between the power generation device and the circuit to stably drive the power management circuit in order to increase the energy transfer efficiency of the ultrasonic-based triboelectric energy generation device and further develops a new method. I would like to present .

구체적으로 소재의 고유 유전상수를 증가시켜 소자의 정전용량을 높이거나 또는 발전 소자의 마찰면적을 증가시켜 소자의 정전용량을 높임으로써 초음파 기반 마찰전기 에너지 발전 소자의 출력 임피던스를 낮출 수 있는 기술을 제시하고자 한다.Specifically, we present a technology that can lower the output impedance of an ultrasonic-based triboelectric energy generation device by increasing the electrostatic capacity of the device by increasing the intrinsic dielectric constant of the material or by increasing the friction area of the power generation device. I want to do it.

본 발명의 일 실시예에 따른 임피던스 매칭을 이용한 회로의 구동 안정성을 확보하는 마찰전기 발전소자는, 마찰전기 발전소자 및 전력 관리 회로를 포함하고, 상기 마찰전기 발전소자는, 전도성 물질로 이루어져 제 1 전극 역할을 수행하는 제 1 마찰 대전체층; 상기 제 1 마찰 대전체층의 마찰면과 서로 대향하며 이격되어 배치되며 고유전율 세라믹 물질이 고유전율 고분자 물질에 임베딩된 고율전율 나노 복합체로 이루어진 제 2 마찰 대전체층; 상기 제 1 마찰 대전체층 및 상기 제 2 마찰 대전체층의 일부 또는 전부를 둘러싸는 외벽부를 포함하고, 초음파가 인가되는 경우 상기 제 1 마찰 대전체층 및 상기 제 2 마찰 대전체층은 서로 접촉 및 비접촉을 반복하여 마찰 전기를 발생시키며, 상기 고유전율 나노 복합체를 통해 상기 마찰전기 발전소자와 상기 전력 관리 회로와의 임피던스 매칭을 통해 회로의 구동 안정성이 확보된다.A triboelectric generator that ensures driving stability of a circuit using impedance matching according to an embodiment of the present invention includes a triboelectric generator and a power management circuit, and the triboelectric generator is made of a conductive material and serves as a first electrode. A first friction electrified layer that performs; a second friction charge layer disposed opposite and spaced apart from the friction surface of the first friction charge layer and made of a high dielectric constant nanocomposite in which a high dielectric constant ceramic material is embedded in a high dielectric constant polymer material; and an outer wall portion surrounding part or all of the first friction charge layer and the second friction charge layer, and when ultrasonic waves are applied, the first friction charge layer and the second friction charge layer repeat contact and non-contact with each other. Thus, triboelectricity is generated, and the driving stability of the circuit is secured through impedance matching between the triboelectric generator and the power management circuit through the high dielectric constant nanocomposite.

상기 고유전율 세라믹 물질은 Cu₃Ti₄O₁₂, CaCu₃Ti₄O₁₂, La_2/3Cu₃Ti₄O₁₂, Sm_2/3Cu₃Ti₄O₁₂, Dy_2/3Cu₃Ti₄O₁₂, Y_2/3Cu₃Ti₄O₁₂, Bi_2/3Cu₃Ti₄O₁₂, BiCu₃Ti₃FeO₁₂, LaCu₃Ti₃FeO₁₂, NdCu₃Ti₃FeO₁₂, SmCu₃Ti₃FeO₁₂, GdCu₃Ti₃FeO₁₂ 및 YCu₃Ti₃FeO₁₂를 포함한다.The high dielectric constant ceramic material is Cu ₃ Ti ₄ O ₁₂ , CaCu ₃ Ti ₄ O ₁₂ , La _2/3 Cu ₃ Ti ₄ O ₁₂ , Sm _2/3 Cu ₃ Ti ₄ O ₁₂ , Dy _2/3 Cu ₃ Ti ₄ O ₁₂ , Y _2/3 Cu ₃ Ti ₄ O ₁₂ , Bi _2/3 Cu ₃ Ti ₄ O ₁₂ , BiCu ₃ Ti ₃ FeO ₁₂ , LaCu ₃ Ti ₃ FeO ₁₂ , NdCu ₃ Ti ₃ FeO ₁₂ , SmCu ₃ Ti ₃ FeO ₁₂ , GdCu ₃ Ti ₃ FeO ₁₂ and YCu ₃ Ti ₃ FeO ₁₂ .

상기 고유전율 고분자 물질은 PVDF, P(VDF-TrFE), P(VDF-TrFE-CFE), P(VDF-TrFE-CTFE), P(VDF-TFE), P(VDF-HFA), P(VDF-TFE-HFP)를 포함한다.The high dielectric constant polymer material is PVDF, P(VDF-TrFE), P(VDF-TrFE-CFE), P(VDF-TrFE-CTFE), P(VDF-TFE), P(VDF-HFA), P(VDF) -TFE-HFP).

상기 제 2 마찰 대전체층의 마찰면의 반대면에 제 2 전극을 추가로 포함한다.A second electrode is further included on the opposite side of the friction surface of the second friction charge layer.

본 발명의 일 실시예에 따른 임피던스 매칭을 이용한 회로의 구동 안정성을 확보하는 마찰전기 발전소자는, 마찰전기 발전소자 및 전력 관리 회로를 포함하고, 상기 마찰전기 발전소자는, 제 1 마찰 대전체층과 상기 제 1 마찰 대전체층 상의 제 1 전극; 상기 제 1 마찰 대전체층의 마찰면과 서로 대향하며 이격되어 배치되며 고유전율 세라믹 물질이 고유전율 고분자 물질에 임베딩된 고율전율 나노 복합체로 이루어진 제 2 마찰 대전체층; 상기 제 1 마찰 대전체층 및 상기 제 2 마찰 대전체층의 일부 또는 전부를 둘러싸는 외벽부를 포함하고, 초음파가 인가되는 경우 상기 제 1 마찰 대전체층 및 상기 제 2 마찰 대전체층은 서로 접촉 및 비접촉을 반복하여 마찰 전기를 발생시키며, 상기 고유전율 나노 복합체를 통해 상기 마찰전기 발전소자와 상기 전력 관리 회로와의 임피던스 매칭을 통해 회로의 구동 안정성이 확보된다.A triboelectric generator that ensures driving stability of a circuit using impedance matching according to an embodiment of the present invention includes a triboelectric generator and a power management circuit, and the triboelectric generator includes a first triboelectric charger layer and the first triboelectric generator. 1 first electrode on the triboelectric layer; a second friction charge layer disposed opposite and spaced apart from the friction surface of the first friction charge layer and made of a high dielectric constant nanocomposite in which a high dielectric constant ceramic material is embedded in a high dielectric constant polymer material; and an outer wall portion surrounding part or all of the first friction charge layer and the second friction charge layer, and when ultrasonic waves are applied, the first friction charge layer and the second friction charge layer repeat contact and non-contact with each other. Thus, triboelectricity is generated, and the driving stability of the circuit is secured through impedance matching between the triboelectric generator and the power management circuit through the high dielectric constant nanocomposite.

본 발명의 일 실시예에 따른 임피던스 매칭을 이용한 회로의 구동 안정성을 확보하는 마찰전기 발전소자는, 마찰전기 발전소자 및 전력 관리 회로를 포함하고, 상기 마찰전기 발전소자는, 전극 역할을 수행하는 제 1 마찰 대전체층; 및 상기 제 1 마찰 대전체층의 마찰면과 서로 대향하며 이격되어 배치된 제 2 마찰 대전체층이 배치된 구조가 둘 이상 적층된 적층형 구조를 포함하며, 상기 적층형 구조를 일부 또는 전부 둘러싸는 외벽부를 포함하고, 초음파가 인가되는 경우 상기 제 1 마찰 대전체층 및 상기 제 2 마찰 대전체층은 서로 접촉 및 비접촉을 반복하여 마찰 전기를 발생시키며, 상기 적층형 구조를 통해 상기 마찰전기 발전소자와 상기 전력 관리 회로와의 임피던스 매칭을 통해 회로의 구동 안정성이 확보된다.A triboelectric generator that secures the driving stability of a circuit using impedance matching according to an embodiment of the present invention includes a triboelectric generator and a power management circuit, and the triboelectric generator includes a first friction that serves as an electrode. Charged body layer; and a stacked structure in which two or more second friction-charged structures are arranged to face and be spaced apart from the friction surface of the first friction-charged material layer, and include an outer wall portion partially or entirely surrounding the layered structure. When ultrasonic waves are applied, the first triboelectric layer and the second triboelectric layer repeat contact and non-contact with each other to generate triboelectricity, and the triboelectric generator and the power management circuit are connected through the layered structure. The driving stability of the circuit is ensured through impedance matching.

상기 제 2 마찰 대전체층은 고유전율 고분자 물질로 이루어져 있으며, 상기 고유전율 고분자 물질은 PVDF, P(VDF-TrFE), P(VDF-TrFE-CFE), P(VDF-TrFE-CTFE), P(VDF-TFE), P(VDF-HFA), P(VDF-TFE-HFP)를 포함한다.The second friction charge layer is made of a high dielectric constant polymer material, and the high dielectric constant polymer material is PVDF, P(VDF-TrFE), P(VDF-TrFE-CFE), P(VDF-TrFE-CTFE), P( Includes VDF-TFE), P(VDF-HFA), and P(VDF-TFE-HFP).

본 발명의 일 실시예에 따른 임피던스 매칭을 이용한 회로의 구동 안정성을 확보하는 마찰전기 발전소자는, 마찰전기 발전소자 및 전력 관리 회로를 포함하고, 상기 마찰전기 발전소자는, 전극 역할을 수행하는 제 1 마찰 대전체층; 및 상기 제 1 마찰 대전체층의 마찰면과 서로 대향하며 이격되어 배치된 제 2 마찰 대전체층이 배치된 구조가 둘 이상 적층된 적층형 구조를 포함하며, 상기 적층형 구조를 일부 또는 전부 둘러싸는 외벽부를 포함하고, 상기 제 2 마찰 대전체층은 고유전율 세라믹 물질이 고유전율 고분자 물질에 임베딩된 고율전율 나노 복합체로 이루어져 있으며, 초음파가 인가되는 경우 상기 제 1 마찰 대전체층 및 상기 제 2 마찰 대전체층은 서로 접촉 및 비접촉을 반복하여 마찰 전기를 발생시키며, 상기 적층형 구조를 통해 상기 마찰전기 발전소자와 상기 전력 관리 회로와의 임피던스 매칭을 통해 회로의 구동 안정성이 확보된다.A triboelectric generator that secures the driving stability of a circuit using impedance matching according to an embodiment of the present invention includes a triboelectric generator and a power management circuit, and the triboelectric generator includes a first friction that serves as an electrode. Charged body layer; and a stacked structure in which two or more second friction-charged structures are arranged to face and be spaced apart from the friction surface of the first friction-charged material layer, and include an outer wall portion partially or entirely surrounding the layered structure. And, the second triboelectric layer is made of a high dielectric constant nanocomposite in which a high dielectric constant ceramic material is embedded in a high dielectric constant polymer material, and when ultrasonic waves are applied, the first triboelectric layer and the second triboelectric layer are in contact with each other. And triboelectricity is generated by repeating non-contact, and the driving stability of the circuit is ensured through impedance matching between the triboelectric generator and the power management circuit through the layered structure.

본 발명을 통해 초음파 기반 마찰전기 에너지 발전 소자로 전력관리 회로를 안정적으로 구동할 수 있는 기술을 확보할 수 있고, 이를 통해 초음파 기반 마찰전기 에너지 발전 소자의 에너지 전달 효율을 높임으로써 배터리 없이 실시간으로 전자기기를 구동할 수 있을 것으로 기대된다.Through the present invention, it is possible to secure a technology that can stably drive a power management circuit with an ultrasonic-based triboelectric energy generation device. This increases the energy transfer efficiency of the ultrasonic-based triboelectric energy generation device, enabling real-time electronic electronics without a battery. It is expected that the device will be able to operate.

도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고유전율 소재를 이용한 임피던스 매칭을 이용한 회로의 구동 안정성을 확보하는 마찰전기 발전소자의 개략도이다.
도 3은 고유전율 나노복합체를 마찰물질로 사용하여 낮은 출력 임피던스 특성을 갖는 초음파 기반 마찰전기 에너지 발전 소자 구조 및 작동원리를 도시한다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 고유전율 소재를 이용한 임피던스 매칭을 이용한 회로의 구동 안정성을 확보하는 마찰전기 발전소자의 개략도이다.
도 6은 본 발명의 전력관리 회로의 실제 사진과 입력 및 출력의 펄스 형태, 주파수에 대한 데이터에 대한 것이다.
도 7은 함수 발생기를 사용해 회로에 전압을 공급했을 때, 출력 임피던스에 따라 회로에 인가된 전압을 측정한 데이터를 도시한다.
도 8은 나노복합체 내 고유전율 세라믹 함량에 따른 출력 임피던스 결과를 도시한다.
도 9는 기존 초음파 기반 마찰전기 에너지 발전 소자의 회로 통과 후 전기적 출력과 회로와의 임피던스 매칭된 초음파 기반 마찰전기 에너지 발전 소자의 회로 통과 후 전기적 출력을 비교한 그래프이다.
도 10은 적층 구조로 면적 증가를 통해 낮은 출력 임피던스 특성을 갖는 초음파 기반 마찰전기 에너지 발전 소자 구조 및 작동 원리를 도시한다.
도 11은 전력관리 회로의 실제 사진과 입력 및 출력의 펄스 형태, 주파수에 대한 데이터를 도시한다.
도 12는 함수 발생기를 사용해 회로에 전압을 공급했을 때, 출력 임피던스에 따라 회로에 인가된 전압을 측정한 데이터를 도시한다.
도 13은 적층형 구조에서 정전용량이 증가하는 원리에 관한 도면이다.
도 14는 초음파 기반 마찰전기 에너지 발전 소자의 활성 영역(Active area)에 따른 출력 임피던스를 계산한 것이다.
도 15는 기존 초음파 기반 마찰전기 에너지 발전 소자의 회로 통과 후 전기적 출력과 회로와의 임피던스 매칭된 초음파 기반 마찰전기 에너지 발전 소자의 회로 통과 후 전기적 출력 그래프를 비교한 도면이다.
다양한 실시예들이 이제 도면을 참조하여 설명되며, 전체 도면에서 걸쳐 유사한 도면번호는 유사한 엘리먼트를 나타내기 위해서 사용된다. 설명을 위해 본 명세서에서, 다양한 설명들이 본 발명의 이해를 제공하기 위해서 제시된다. 그러나 이러한 실시예들은 이러한 특정 설명 없이도 실행될 수 있음이 명백하다. 다른 예들에서, 공지된 구조 및 장치들은 실시예들의 설명을 용이하게 하기 위해서 블록 다이아그램 형태로 제시된다. 1 and 2 are schematic diagrams of a triboelectric power generator that ensures driving stability of a circuit using impedance matching using a high dielectric constant material according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 shows the structure and operating principle of an ultrasonic-based triboelectric energy generation device with low output impedance characteristics using a high-dielectric constant nanocomposite as a friction material.
Figures 4 and 5 are schematic diagrams of a triboelectric generator that ensures driving stability of a circuit using impedance matching using a high dielectric constant material according to an additional embodiment of the present invention.
Figure 6 shows an actual photo of the power management circuit of the present invention and data on the pulse shape and frequency of input and output.
Figure 7 shows data measuring the voltage applied to the circuit according to the output impedance when voltage is supplied to the circuit using a function generator.
Figure 8 shows output impedance results according to the content of high dielectric constant ceramic in the nanocomposite.
Figure 9 is a graph comparing the electrical output after passing through the circuit of an existing ultrasonic-based triboelectric energy generation device and the electrical output after passing through the circuit of an ultrasonic-based triboelectric energy generation device whose impedance is matched to the circuit.
FIG. 10 shows the structure and operating principle of an ultrasonic-based triboelectric energy generation device with low output impedance characteristics through increased area through a laminated structure.
Figure 11 shows an actual photo of the power management circuit and data on the pulse shape and frequency of input and output.
Figure 12 shows data measuring the voltage applied to the circuit according to the output impedance when voltage is supplied to the circuit using a function generator.
Figure 13 is a diagram showing the principle of increasing capacitance in a stacked structure.
Figure 14 calculates the output impedance according to the active area of the ultrasonic-based triboelectric energy generation device.
Figure 15 is a graph comparing the electrical output after passing through the circuit of an existing ultrasonic-based triboelectric energy generation device and the electrical output after passing through the circuit of an ultrasonic-based triboelectric energy generation device with impedance matching with the circuit.
Various embodiments are now described with reference to the drawings, wherein like reference numerals are used to indicate like elements throughout the drawings. In this specification, for purposes of explanation, various descriptions are presented to provide a better understanding of the invention. However, it will be clear that these embodiments may be practiced without these specific descriptions. In other instances, well-known structures and devices are presented in block diagram form to facilitate describing the embodiments.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings. Since the present invention can be subject to various changes and have various forms, specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the text. However, this is not intended to limit the present invention to a specific disclosed form, and should be understood to include all changes, equivalents, and substitutes included in the spirit and technical scope of the present invention. While describing each drawing, similar reference numerals are used for similar components.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used in this application are only used to describe specific embodiments and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this application, terms such as “comprise” or “have” are intended to designate the presence of features, steps, operations, components, parts, or combinations thereof described in the specification, but are not intended to indicate the presence of one or more other features or steps. , it should be understood that it does not exclude in advance the possibility of the existence or addition of operations, components, parts, or combinations thereof.

본 발명은 초음파 기반 마찰전기 에너지 발전 소자와 회로 간의 임피던스 매칭을 통해 회로의 구동 안정성을 확보할 수 있는 기술에 관한 것이다. 본 발명은 소재의 고유 유전상수를 증가시켜 소자의 정전용량을 높이거나 또는 발전 소자의 마찰면적을 증가시켜 소자의 정전용량을 높임으로써 초음파 기반 마찰전기 에너지 발전 소자의 출력 임피던스를 낮출 수 있는 기술을 제시한다.The present invention relates to a technology that can secure the driving stability of a circuit through impedance matching between an ultrasonic-based triboelectric energy generation device and a circuit. The present invention provides a technology that can lower the output impedance of an ultrasonic-based triboelectric energy generation device by increasing the electrostatic capacity of the device by increasing the intrinsic dielectric constant of the material or by increasing the friction area of the power generation device. present.

초음파 기반 마찰전기 에너지 발전 소자의 출력 임피던스를 낮추기 위해선 발전 소자의 정전용량을 높여야 한다. 발전 소자의 정전용량은 소재 유전상수 증가, 마찰면적 증가, 마찰물질의 두께 감소 세 가지 전략을 통해 증가시킬 수 있다. 하지만 마찰물질의 두께가 감소하면 발전 소자의 구동 안정성이 감소할 수 있으므로 발전 소자의 크기와 구동 안정성을 유지하면서 정전용량을 증가시킬 수 있는 소재 유전상수 증가 및/또는 마찰 면적을 증가를 통해 발전 소자의 출력 임피던스를 낮추고자 한다. In order to lower the output impedance of an ultrasonic-based triboelectric energy power generation device, the capacitance of the power generation device must be increased. The capacitance of a power generation device can be increased through three strategies: increasing the dielectric constant of the material, increasing the friction area, and reducing the thickness of the friction material. However, if the thickness of the friction material decreases, the driving stability of the power generation device may decrease, so the power generation device can be increased by increasing the material dielectric constant and/or increasing the friction area, which can increase capacitance while maintaining the size and driving stability of the power generation device. We want to lower the output impedance of

이하에서는 차례대로 먼저 소재의 유전 상수 증가 내용을 먼저 설명하고 이후 마찰 면적 증가 내용을 설명하겠으며, 마지막으로 유전 상수 증가 및 마찰 면적 증가 모두를 포함한 내용을 설명하도록 하겠다.Below, we will first explain the increase in the dielectric constant of the material, followed by the increase in friction area, and finally explain the content including both the increase in dielectric constant and the increase in friction area.

도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고유전율 소재를 이용한 임피던스 매칭을 이용한 회로의 구동 안정성을 확보하는 마찰전기 발전소자의 개략도이다.1 and 2 are schematic diagrams of a triboelectric power generator that ensures driving stability of a circuit using impedance matching using a high dielectric constant material according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 일 실시예에 따른 임피던스 매칭을 이용한 회로의 구동 안정성을 확보하는 마찰전기 발전소자는 마찰전기 발전소자 및 전력 관리 회로를 포함한다.A triboelectric generator that ensures driving stability of a circuit using impedance matching according to an embodiment of the present invention includes a triboelectric generator and a power management circuit.

전력 관리 회로는 주파수 변환 회로를 의미하며, 회로는 크게 '전력 관리 모듈'과 '펄스 발생 모듈'로 구성되어있다. '전력 관리 모듈'은 정류기와 전압조정기로 구성되어 있고 20 kHz의 교류신호가 들어왔을 때 직류 형태로 변환해주는 역할을 수행한다. '펄스 발생 모듈'은 발진기와 저손실 리니어 레귤레이터로 구성되어 있고 '전력 관리 모듈'로부터 받은 직류 신호를 펄스형태로 변환해주는 역할을 수행함 '펄스 발생 모듈'의 축전기가 충전 및 방전 되면서 2 Hz의 전기적 펄스 신호가 출력된다.The power management circuit refers to a frequency conversion circuit, and the circuit largely consists of a ‘power management module’ and a ‘pulse generation module’. The 'power management module' consists of a rectifier and a voltage regulator and performs the role of converting a 20 kHz alternating current signal into direct current. The 'pulse generation module' is composed of an oscillator and a low-loss linear regulator and plays the role of converting the direct current signal received from the 'power management module' into pulse form. As the capacitor of the 'pulse generation module' is charged and discharged, an electrical pulse of 2 Hz is generated. A signal is output.

도 1을 살펴보면, 마찰전기 발전소자는, 전도성 물질로 이루어져 제 1 전극 역할을 수행하는 제 1 마찰 대전체층(10); 상기 제 1 마찰 대전체층의 마찰면과 서로 대향하며 이격되어 배치되며 고유전율 세라믹 물질이 고유전율 고분자 물질에 임베딩된 고율전율 나노 복합체로 이루어진 제 2 마찰 대전체층(20); 및 상기 제 1 마찰 대전체층 및 상기 제 2 마찰 대전체층의 일부 또는 전부를 둘러싸는 외벽부를 포함한다. 이 경우 제 1 마찰 대전체층과 제 2 마찰 대전체층의 위치는 무관함은 당업자에게 자명하다.Referring to Figure 1, the triboelectric generator includes a first triboelectric layer 10 made of a conductive material and serving as a first electrode; a second triboelectric layer (20) disposed opposite to and spaced apart from the friction surface of the first triboelectric layer and made of a high dielectric constant nanocomposite in which a high dielectric constant ceramic material is embedded in a high dielectric constant polymer material; and an outer wall portion surrounding part or all of the first friction charge layer and the second friction charge layer. In this case, it is obvious to those skilled in the art that the positions of the first friction charge layer and the second friction charge layer are irrelevant.

초음파가 인가되는 경우 상기 제 1 마찰 대전체층 및 상기 제 2 마찰 대전체층은 서로 접촉 및 비접촉을 반복하여 마찰 전기를 발생시키며, 고유전율 나노 복합체를 통해 상기 마찰전기 발전소자와 상기 전력 관리 회로와의 임피던스 매칭을 통해 회로의 구동 안정성이 확보될 수 있다.When ultrasonic waves are applied, the first triboelectric layer and the second triboelectric layer repeatedly contact and non-contact each other to generate triboelectricity, and the triboelectric generator and the power management circuit are connected through a high dielectric constant nanocomposite. The driving stability of the circuit can be ensured through impedance matching.

고유전율 세라믹 물질이 고유전율 고분자 물질에 임베딩 된 나노복합체를 초음파 기반 마찰전기 에너지 발전 소자의 마찰물질로 쓸 경우, 소재의 고유 유전상수를 증가시킴으로써 발전 소자의 정전용량을 증가시켜 출력 임피던스를 낮출 수 있다. 고유전율 나노복합체를 통해 회로와의 임피던스 매칭이 확보된 초음파 기반 마찰전기 에너지 발전 소자는 전력관리 회로를 안정적으로 구동할 수 있으므로 정류, 직류(DC) 변환, 주파수 변환 등의 전력관리를 통해 에너지 전달 효율을 증가시킬 수 있다.When a nanocomposite in which a high dielectric constant ceramic material is embedded in a high dielectric constant polymer material is used as a friction material for an ultrasonic-based triboelectric energy generation device, the output impedance can be lowered by increasing the capacitance of the power generation device by increasing the material's intrinsic dielectric constant. there is. The ultrasonic-based triboelectric energy generation device, which has impedance matching with the circuit through a high-dielectric constant nanocomposite, can stably drive the power management circuit, thereby transferring energy through power management such as rectification, direct current (DC) conversion, and frequency conversion. Efficiency can be increased.

제 2 마찰 대전체층(20)은 고유전율 세라믹 물질로이 고유전율 고분자 물질에 임베딩된 형태의 복합체, 즉 고유전율 나노 복합체로 이루어진다. 고유전율 세라믹 물질은 Cu₃Ti₄O₁₂, CaCu₃Ti₄O₁₂, La_2/3Cu₃Ti₄O₁₂, Sm_2/3Cu₃Ti₄O₁₂, Dy_2/3Cu₃Ti₄O₁₂, Y_2/3Cu₃Ti₄O₁₂, Bi_2/3Cu₃Ti₄O₁₂, BiCu₃Ti₃FeO₁₂, LaCu₃Ti₃FeO₁₂, NdCu₃Ti₃FeO₁₂, SmCu₃Ti₃FeO₁₂, GdCu₃Ti₃FeO₁₂ 및 YCu₃Ti₃FeO₁₂를 포함하고, 고유전율 고분자 물질은 PVDF, P(VDF-TrFE), P(VDF-TrFE-CFE), P(VDF-TrFE-CTFE), P(VDF-TFE), P(VDF-HFA), P(VDF-TFE-HFP)를 포함한다.The second triboelectric layer 20 is made of a high dielectric constant ceramic material embedded in a high dielectric constant polymer material, that is, a high dielectric constant nanocomposite. High dielectric constant ceramic materials include Cu ₃ Ti ₄ O ₁₂ , CaCu ₃ Ti ₄ O ₁₂ , La _2/3 Cu ₃ Ti ₄ O ₁₂ , Sm _2/3 Cu ₃ Ti ₄ O ₁₂ , Dy _2/3 Cu ₃ Ti ₄ O ₁₂ , Y _2/3 Cu ₃ Ti ₄ O ₁₂ , Bi _2/3 Cu ₃ Ti ₄ O ₁₂ , BiCu ₃ Ti ₃ FeO ₁₂ , LaCu ₃ Ti ₃ FeO ₁₂ , NdCu ₃ Ti ₃ FeO ₁₂ , SmCu ₃ Ti ₃ FeO ₁₂ , GdCu ₃ Ti ₃ FeO ₁₂ and YCu ₃ Ti ₃ FeO ₁₂ , and the high dielectric constant polymer materials include PVDF, P(VDF-TrFE), P(VDF-TrFE-CFE), and P(VDF-TrFE-CTFE). , P(VDF-TFE), P(VDF-HFA), and P(VDF-TFE-HFP).

또한, 도 2에서 보는 것처럼 제 2 마찰 대전체층(20)의 마찰면(제 1 마찰 대전체층과 대향하는 면)의 반대면에 제 2 전극(25)을 추가로 포함할 수 있다. In addition, as shown in FIG. 2, a second electrode 25 may be additionally included on the opposite side of the friction surface of the second friction charge layer 20 (the surface facing the first friction charge layer).

외벽부(30)는 제 1 마찰 대전체층과 제 2 마찰 대전체층을 도 1 및 도 2와 같이 전부 둘러쌀 수도 있고, 도 3과 같이 일부분만 둘러쌀 수도 있다. 이러한 외벽부는 탄성체로 이루어질 수 있으며, 예를 들어 PDMS, ecoflex, dragon skin, silbione, polyurethane를 포함할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.The outer wall portion 30 may completely surround the first friction charge layer and the second friction charge layer as shown in FIGS. 1 and 2, or may surround only a portion of the first friction charge layer as shown in FIG. 3. This outer wall may be made of an elastic material, and may include, but is not limited to, PDMS, ecoflex, dragon skin, silbione, and polyurethane.

도 4 및 도 5는 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 고유전율 소재를 이용한 임피던스 매칭을 이용한 회로의 구동 안정성을 확보하는 마찰전기 발전소자의 개략도이다. 제 1 마찰 대전체층이 전도성 물질로써 제 1 전극 역할을 동시에 수행하는 도 1 및 도 2와 다르게 도 4 및 도 5의 실시예는 제 1 마찰 대전체층이 전도성 물질이 아니고 별도의 제 1 전극(15)을 추가로 포함하고 있다는 점이다. 그 이외에는 모든 내용이 도 1 및 도 2의 실시예와 동일 유사하므로 반복 설명은 생략하도록 하겠다.Figures 4 and 5 are schematic diagrams of a triboelectric generator that ensures driving stability of a circuit using impedance matching using a high dielectric constant material according to an additional embodiment of the present invention. Unlike FIGS. 1 and 2 in which the first triboelectric layer is a conductive material and simultaneously serves as the first electrode, in the embodiment of FIGS. 4 and 5, the first triboelectric layer is not a conductive material but a separate first electrode (15). ) is additionally included. Other than that, all contents are similar to the embodiments of FIGS. 1 and 2, so repeated descriptions will be omitted.

본 발명의 추가적인 실시예에 따른 임피던스 매칭을 이용한 회로의 구동 안정성을 확보하는 마찰전기 발전소자는, 마찰전기 발전소자 및 전력 관리 회로를 포함하고, 상기 마찰전기 발전소자는, 제 1 마찰 대전체층(10)과 상기 제 1 마찰 대전체층 상의 제 1 전극(15); 상기 제 1 마찰 대전체층의 마찰면과 서로 대향하며 이격되어 배치되며 고유전율 세라믹 물질이 고유전율 고분자 물질에 임베딩된 고율전율 나노 복합체로 이루어진 제 2 마찰 대전체층(20); 상기 제 1 마찰 대전체층 및 상기 제 2 마찰 대전체층의 일부 또는 전부를 둘러싸는 외벽부(30)를 포함하고, 초음파가 인가되는 경우 상기 제 1 마찰 대전체층 및 상기 제 2 마찰 대전체층은 서로 접촉 및 비접촉을 반복하여 마찰 전기를 발생시키며, 상기 고유전율 나노 복합체를 통해 상기 마찰전기 발전소자와 상기 전력 관리 회로와의 임피던스 매칭을 통해 회로의 구동 안정성이 확보된다.A triboelectric generator that ensures driving stability of a circuit using impedance matching according to an additional embodiment of the present invention includes a triboelectric generator and a power management circuit, and the triboelectric generator includes a first triboelectric charger layer (10). and a first electrode 15 on the first triboelectric layer; a second triboelectric layer (20) disposed opposite to and spaced apart from the friction surface of the first triboelectric layer and made of a high dielectric constant nanocomposite in which a high dielectric constant ceramic material is embedded in a high dielectric constant polymer material; It includes an outer wall portion 30 surrounding part or all of the first friction charge layer and the second friction charge layer, and when ultrasonic waves are applied, the first friction charge layer and the second friction charge layer contact each other. And triboelectricity is generated by repeating non-contact, and the driving stability of the circuit is ensured through impedance matching between the triboelectric generator and the power management circuit through the high dielectric constant nanocomposite.

제 2 마찰 대전체층(20)은 고유전율 세라믹 물질이 고유전율 고분자 물질에 임베딩된 형태의 복합체, 즉 고유전율 나노 복합체로 이루어진다. 고유전율 세라믹 물질은 Cu₃Ti₄O₁₂, CaCu₃Ti₄O₁₂, La_2/3Cu₃Ti₄O₁₂, Sm_2/3Cu₃Ti₄O₁₂, Dy_2/3Cu₃Ti₄O₁₂, Y_2/3Cu₃Ti₄O₁₂, Bi_2/3Cu₃Ti₄O₁₂, BiCu₃Ti₃FeO₁₂, LaCu₃Ti₃FeO₁₂, NdCu₃Ti₃FeO₁₂, SmCu₃Ti₃FeO₁₂, GdCu₃Ti₃FeO₁₂ 및 YCu₃Ti₃FeO₁₂를 포함하고, 고유전율 고분자 물질은 PVDF, P(VDF-TrFE), P(VDF-TrFE-CFE), P(VDF-TrFE-CTFE), P(VDF-TFE), P(VDF-HFA), P(VDF-TFE-HFP)를 포함한다.The second triboelectric layer 20 is made of a composite in which a high dielectric constant ceramic material is embedded in a high dielectric constant polymer material, that is, a high dielectric constant nanocomposite. High dielectric constant ceramic materials include Cu ₃ Ti ₄ O ₁₂ , CaCu ₃ Ti ₄ O ₁₂ , La _2/3 Cu ₃ Ti ₄ O ₁₂ , Sm _2/3 Cu ₃ Ti ₄ O ₁₂ , Dy _2/3 Cu ₃ Ti ₄ O ₁₂ , Y _2/3 Cu ₃ Ti ₄ O ₁₂ , Bi _2/3 Cu ₃ Ti ₄ O ₁₂ , BiCu ₃ Ti ₃ FeO ₁₂ , LaCu ₃ Ti ₃ FeO ₁₂ , NdCu ₃ Ti ₃ FeO ₁₂ , SmCu ₃ Ti ₃ FeO ₁₂ , GdCu ₃ Ti ₃ FeO ₁₂ and YCu ₃ Ti ₃ FeO ₁₂ , and the high dielectric constant polymer materials include PVDF, P(VDF-TrFE), P(VDF-TrFE-CFE), and P(VDF-TrFE-CTFE). , P(VDF-TFE), P(VDF-HFA), and P(VDF-TFE-HFP).

외벽부(30)는 제 1 마찰 대전체층과 제 2 마찰 대전체층을 도 4 및 도 5와 같이 전부 둘러쌀 수도 있고, 도 3과 같이 일부분만 둘러쌀 수도 있다.The outer wall portion 30 may completely surround the first friction charge layer and the second friction charge layer as shown in FIGS. 4 and 5, or may surround only a portion of the first friction charge layer as shown in FIG. 3.

고유전율 나노복합체를 마찰물질로 사용하여 낮은 출력 임피던스 특성을 나타내는 마찰전기 발전소자의 기술적 타당성을 오실로스코프를 통해 전력관리 회로를 통과한 전기적 출력을 측정함으로써 실험적으로 증명하였다.The technical feasibility of a triboelectric generator with low output impedance characteristics using a high-dielectric constant nanocomposite as a friction material was experimentally proven by measuring the electrical output passing through the power management circuit using an oscilloscope.

도 3은 고유전율 나노복합체를 마찰물질로 사용하여 낮은 출력 임피던스 특성을 갖는 초음파 기반 마찰전기 에너지 발전 소자 구조 및 작동원리를 도시한다. 도 3의 경우 금(gold)으로 이루어진 제 1 전극(10); 고유전율 나노 복합체(20); 외벽부(30); 및 초음파 발생기(50)를 포함하며, 외벽부(30)는 내부 부품을 일부만 감싸는 형태로 배치되어 있다. (40)은 기판을 도시하며 생략 가능하다.Figure 3 shows the structure and operating principle of an ultrasonic-based triboelectric energy generation device with low output impedance characteristics using a high-dielectric constant nanocomposite as a friction material. In the case of Figure 3, the first electrode 10 made of gold; High dielectric constant nanocomposite (20); Outer wall portion (30); and an ultrasonic generator 50, and the outer wall portion 30 is arranged to partially surround the internal components. (40) shows the substrate and can be omitted.

도 6은 본 발명의 전력관리 회로의 실제 사진과 입력 및 출력의 펄스 형태, 주파수에 대한 데이터에 대한 것이다. 이러한 회로는 배터리 없이 실시간으로 전자기기를 구동하기 위한 회로로 20kHz 교류(AC) 형태의 전기적 출력이 입력되었을 때 2Hz, 1ms의 펄스폭을 가지는 펄스 형태의 전기적 출력으로 변환한다. Figure 6 shows an actual photo of the power management circuit of the present invention and data on the pulse shape and frequency of input and output. This circuit is for driving electronic devices in real time without a battery, and when electrical output in the form of 20 kHz alternating current (AC) is input, it is converted into electrical output in the form of a pulse with a pulse width of 2 Hz and 1 ms.

즉, 본 발명에서는 배터리를 사용하지 않고 마찰전기 발전소자의 출력을 바로 주파수 변환이 가능하게 하는 전력 관리 회로를 포함하는데, 신경 치료시 20kHz 이하의 전기적 출력이 입력되어야 하므로 마찰전기 발전소자의 출력 임피던스를 낮추기 위해서 커패시턴스를 늘이기 위해 고유전율 나노복합체를 이용한 것이다.That is, the present invention includes a power management circuit that enables direct frequency conversion of the output of the triboelectric generator without using a battery. Since an electrical output of 20 kHz or less must be input during nerve treatment, it is necessary to lower the output impedance of the triboelectric generator. To increase the capacitance, a high dielectric constant nanocomposite was used.

도 7은 함수 발생기를 사용해 회로에 전압을 공급했을 때, 출력 임피던스에 따라 회로에 인가된 전압을 측정한 데이터를 도시한다. 출력 임피던스가 5 kΩ 이상일 때는 아무리 높은 전압을 공급해도 회로가 구동되지 않았고 1 kΩ, 2.2 kΩ 일 때 회로가 정상 작동하는 것을 확인하였다.Figure 7 shows data measuring the voltage applied to the circuit according to the output impedance when voltage is supplied to the circuit using a function generator. When the output impedance was 5 kΩ or higher, the circuit did not operate no matter how high the voltage was supplied. It was confirmed that the circuit operated normally when the output impedance was 1 kΩ and 2.2 kΩ.

도 8은 나노복합체 내 고유전율 세라믹 함량에 따른 출력 임피던스 결과를 도시한다. 고유전율 세라믹 물질이 고유전율 고분자 물질에 임베딩 된 나노복합체의 고유전율 세라믹 함량에 따른 출력 임피던스를 계산한 것으로 함량이 2wt% 이상일 때 출력 임피던스가 2kΩ 이하로 감소하는 것을 확인하였다. 이러한 결과를 통해서 고유전율 세라믹 함량이 2wt% 이상일 경우에 출력 임피던스 범위가 2kΩ 이하로 감소하여 회로가 정상 작동할 수 있다는 임계적인 의의를 확인하였다.Figure 8 shows output impedance results according to the content of high dielectric constant ceramic in the nanocomposite. The output impedance was calculated according to the high dielectric constant ceramic content of the nanocomposite in which a high dielectric constant ceramic material was embedded in a high dielectric constant polymer material. It was confirmed that the output impedance decreased to 2 kΩ or less when the content was more than 2 wt%. These results confirmed the critical significance that when the high dielectric constant ceramic content is more than 2wt%, the output impedance range is reduced to 2kΩ or less and the circuit can operate normally.

도 9는 기존 초음파 기반 마찰전기 에너지 발전 소자의 회로 통과 후 전기적 출력과 회로와의 임피던스 매칭된 초음파 기반 마찰전기 에너지 발전 소자의 회로 통과 후 전기적 출력을 비교한 그래프이다. 도 9는 20kHz의 주파수를 갖는 초음파를 0.5W/cm²의 세기로 인가하였을 때, 발전하는 전력의 회로 통과 후 전압을 측정한 데이터로서, 기존 고분자를 마찰물질로 한 초음파 기반 마찰전기 에너지 발전 소자의 경우, 회로와의 임피던스 차이로 인해 회로에 정상적으로 발전 소자의 출력이 입력되지 않아 펄스 형태의 출력으로 변환되지 못하였다. 반면, 고유전율 나노복합체를 통해 회로와의 임피던스 매칭이 확보된 초음파 기반 마찰전기 에너지 발전 소자는 회로를 정상적으로 구동하여 회로 설계에 따라 1.2V 전압, 1ms 펄스폭, 2Hz 주파수의 펄스 형태 전기적 출력을 발전하는 것으로 확인하였다.Figure 9 is a graph comparing the electrical output after passing through the circuit of an existing ultrasonic-based triboelectric energy generation device and the electrical output after passing through the circuit of an ultrasonic-based triboelectric energy generation device whose impedance is matched to the circuit. Figure 9 is data measuring the voltage after passing through the circuit of the power generated when ultrasonic waves with a frequency of 20 kHz are applied at an intensity of 0.5 W/cm ² , showing an ultrasonic-based triboelectric energy generation device using an existing polymer as a friction material. In the case of , the output of the power generation element was not normally input to the circuit due to the impedance difference with the circuit, and thus could not be converted into a pulse-type output. On the other hand, the ultrasonic-based triboelectric energy generation device, which secures impedance matching with the circuit through a high-dielectric constant nanocomposite, drives the circuit normally and generates electrical output in the form of a pulse of 1.2V voltage, 1ms pulse width, and 2Hz frequency according to the circuit design. It was confirmed that it does.

본 발명의 추가적인 실시예에 따른 임피던스 매칭을 이용한 회로의 구동 안정성을 확보하는 마찰전기 발전소자는 마찰 면적을 증가시키는 구조를 이용하고 있으며, 이는 도 10에서 볼 수 있다.The triboelectric generator that secures the driving stability of the circuit using impedance matching according to an additional embodiment of the present invention uses a structure that increases the friction area, which can be seen in FIG. 10.

본 발명의 추가적인 실시예에 따른 임피던스 매칭을 이용한 회로의 구동 안정성을 확보하는 마찰전기 발전소자는, 마찰전기 발전소자 및 전력 관리 회로(도 10에서는 미도시)를 포함하고, 상기 마찰전기 발전소자는, 전극 역할을 수행하는 제 1 마찰 대전체층(11, 12, 13, 14...); 및 상기 제 1 마찰 대전체층의 마찰면과 서로 대향하며 이격되어 배치된 제 2 마찰 대전체층(21, 22, 23, 24...)이 배치된 구조가 둘 이상 적층된 적층형 구조를 포함하며, 상기 적층형 구조를 일부 또는 전부 둘러싸는 외벽부(30)를 포함한다.The triboelectric generator that ensures the driving stability of the circuit using impedance matching according to an additional embodiment of the present invention includes a triboelectric generator and a power management circuit (not shown in FIG. 10), and the triboelectric generator includes an electrode. A first friction-charged layer (11, 12, 13, 14...) performing a role; and a stacked structure in which two or more second friction-charged layers (21, 22, 23, 24...) are arranged to face and be spaced apart from the friction surface of the first friction-charged layer, It includes an outer wall portion 30 partially or fully surrounding the stacked structure.

도 10에서 보는 것처럼 전극 역할을 하는 제 1 마찰 대전체층(11, 12, 13)과 제 2 마찰 대전체층(21, 22, 23)이 배치되는데, 이 경우 (11)과 (21)이 서로 마찰 접촉하도록 마찰면이 대향하고 있고 이들 사이에 이격되어 있으며, 마찬가지로 (12) 및 (22), (13) 및 (23), (14) 및 (24)이 동일한 구조를 이룬다. 즉, 하나의 제 1 마찰 대전체층과 하나의 제 2 마찰 대전체층이 하나의 마찰전기 발전 구조를 이루고, 이러한 구조가 위아래로 둘 이상 적층된 적층형 구조를 나타낸다. 도 10에서는 예시적으로 4개의 구조가 적층되어 있다. 이러한 적층 구조에 의해 각각의 마찰전기 발전 소자는 병렬 연결 구조를 이루게 되고 결국 마찰 면적에 해당하는 활성 영역(active area)이 4배가 되는 효과를 나타낸다.As shown in Figure 10, first frictionally charged layers (11, 12, 13) and second frictionally charged layers (21, 22, 23), which serve as electrodes, are disposed. In this case, (11) and (21) rub against each other. The friction surfaces are opposed to each other and spaced apart to make contact, and similarly (12) and (22), (13) and (23), (14) and (24) form the same structure. That is, one first friction-charged material layer and one second friction-charged material layer form one triboelectric power generation structure, and this structure represents a stacked structure in which two or more of these structures are stacked top and bottom. In Figure 10, four structures are exemplarily stacked. Due to this laminated structure, each triboelectric power generation element forms a parallel connection structure, resulting in the effect of quadrupling the active area corresponding to the friction area.

이러한 적층형 구조를 통해 소자의 크기는 유지하면서 활성 영역을 증가시킴으로써 발전 소자의 정전용량을 증가시켜 출력 임피던스를 낮출 수 있다. 적층형 구조를 통해 회로와의 임피던스 매칭이 확보된 초음파 기반 마찰전기 에너지 발전 소자는 전력관리 회로를 안정적으로 구동할 수 있으므로 정류, 직류(DC) 변환, 주파수 변환 등의 전력관리를 통해 에너지 전달 효율을 증가시킬 수 있다.Through this stacked structure, the active area can be increased while maintaining the size of the device, thereby increasing the capacitance of the power generation device and lowering the output impedance. The ultrasonic-based triboelectric energy generation device, which secures impedance matching with the circuit through a layered structure, can stably drive the power management circuit, improving energy transfer efficiency through power management such as rectification, direct current (DC) conversion, and frequency conversion. can be increased.

이러한 소자에서 초음파가 인가되는 경우 상기 제 1 마찰 대전체층 및 상기 제 2 마찰 대전체층은 서로 접촉 및 비접촉을 반복하여 마찰 전기를 발생시키며, 상기 적층형 구조를 통해 상기 마찰전기 발전소자와 상기 전력 관리 회로와의 임피던스 매칭을 통해 회로의 구동 안정성이 확보된다.When ultrasonic waves are applied to this device, the first triboelectric layer and the second triboelectric layer repeatedly contact and non-contact each other to generate triboelectricity, and the triboelectric generator and the power management circuit through the layered structure. The driving stability of the circuit is ensured through impedance matching.

도 10은 적층 구조로 면적 증가를 통해 낮은 출력 임피던스 특성을 갖는 초음파 기반 마찰전기 에너지 발전 소자 구조 및 작동 원리를 도시한다. 도 10과 같은 소자를 준비하였고, 본 발명의 기술적인 타당성을 오실로스코프를 통해 전력관리 회로를 통과한 전기적 출력을 측정함으로써 실험적으로 증명하였다.FIG. 10 shows the structure and operating principle of an ultrasonic-based triboelectric energy generation device with low output impedance characteristics through increased area through a laminated structure. A device as shown in Figure 10 was prepared, and the technical feasibility of the present invention was experimentally proven by measuring the electrical output passing through the power management circuit through an oscilloscope.

도 11은 전력관리 회로의 실제 사진과 입력 및 출력의 펄스 형태, 주파수에 대한 데이터를 도시한다. 위의 회로는 배터리 없이 실시간으로 전자기기를 구동하기 위한 회로로 20kHz 교류(AC) 형태의 전기적 출력이 입력되었을 때 2Hz, 1ms의 펄스폭을 가지는 펄스 형태의 전기적 출력으로 변환한다.Figure 11 shows an actual photo of the power management circuit and data on the pulse shape and frequency of input and output. The above circuit is a circuit for driving electronic devices in real time without a battery. When electrical output in the form of 20 kHz alternating current (AC) is input, it is converted into electrical output in the form of a pulse with a pulse width of 2 Hz and 1 ms.

도 12는 함수 발생기를 사용해 회로에 전압을 공급했을 때, 출력 임피던스에 따라 회로에 인가된 전압을 측정한 데이터를 도시한다. 출력 임피던스가 5 kΩ 이상일 때는 아무리 높은 전압을 공급해도 회로가 구동되지 않았고 1 kΩ, 2.2 kΩ 일 때 회로가 정상 작동하는 것을 확인하였다.Figure 12 shows data measuring the voltage applied to the circuit according to the output impedance when voltage is supplied to the circuit using a function generator. When the output impedance was 5 kΩ or higher, the circuit did not operate no matter how high the voltage was supplied. It was confirmed that the circuit operated normally when the output impedance was 1 kΩ and 2.2 kΩ.

도 13은 적층형 구조에서 정전용량이 증가하는 원리에 관한 도면이다. 적층형 구조에서는 초음파 기반 마찰전기 에너지 발전 소자 4개가 병렬구조로 연결된 구조로 축전기 4개가 병렬로 연결된 것으로 볼 수 있다. 따라서 4배의 Active area를 가지는 단층 구조의 발전 소자와 동일한 크기의 정전용량을 가진다.Figure 13 is a diagram showing the principle of increasing capacitance in a stacked structure. In the stacked structure, four ultrasonic-based triboelectric energy generation elements are connected in parallel, and four capacitors can be seen as connected in parallel. Therefore, it has the same capacitance as a single-layer power generation device with an active area four times greater.

도 14는 초음파 기반 마찰전기 에너지 발전 소자의 활성 영역(Active area)에 따른 출력 임피던스를 계산한 것이다. 활성 영역이 5 cm²이상일 때 출력 임피던스가 2 kΩ 이하로 감소하는 것을 확인하였다.Figure 14 calculates the output impedance according to the active area of the ultrasonic-based triboelectric energy generation device. It was confirmed that the output impedance decreased to 2 kΩ or less when the active area was 5 cm ² or more.

도 15는 기존 초음파 기반 마찰전기 에너지 발전 소자의 회로 통과 후 전기적 출력과 회로와의 임피던스 매칭된 초음파 기반 마찰전기 에너지 발전 소자의 회로 통과 후 전기적 출력 그래프를 비교한 도면이다. 도 15는 20kHz의 주파수를 갖는 초음파를 0.5W/cm²의 세기로 인가하였을 때, 발전하는 전력의 회로 통과 후 전압을 측정한 데이터로서, 기존 고분자를 마찰물질로 한 초음파 기반 마찰전기 에너지 발전 소자의 경우, 회로와의 임피던스 차이로 인해 회로에 정상적으로 발전 소자의 출력이 입력되지 않아 펄스 형태의 출력으로 변환되지 못하였다. 반면, 적층형 구조를 통해 회로와의 임피던스 매칭이 확보된 초음파 기반 마찰전기 에너지 발전 소자는 회로를 정상적으로 구동하여 회로 설계에 따라 1.2V 전압, 1ms 펄스폭, 2Hz 주파수의 펄스 형태 전기적 출력을 발전하는 것으로 확인하였다.Figure 15 is a diagram comparing the electrical output after passing through the circuit of an existing ultrasonic-based triboelectric energy generation device and the electrical output after passing through the circuit of an ultrasonic-based triboelectric energy generation device with impedance matching with the circuit. Figure 15 is data measuring the voltage after passing through the circuit of the power generated when ultrasonic waves with a frequency of 20 kHz are applied at an intensity of 0.5 W/cm ² , showing an ultrasonic-based triboelectric energy generation device using an existing polymer as a friction material. In the case of , the output of the power generation element was not normally input to the circuit due to the impedance difference with the circuit, and thus could not be converted into a pulse-type output. On the other hand, ultrasonic-based triboelectric energy generation devices, which ensure impedance matching with the circuit through a layered structure, drive the circuit normally and generate electrical output in the form of a pulse with a voltage of 1.2V, a pulse width of 1ms, and a frequency of 2Hz, depending on the circuit design. Confirmed.

마지막으로 유전 상수 증가 및 마찰 면적 증가 모두를 포함한 내용을 이하에서 설명하도록 하겠다. 구체적인 구성들은 위에서 이미 설명한 내용과 중복되므로 반복 설명은 생략하도록 하겠다.Finally, both the increase in dielectric constant and the increase in friction area will be explained below. Since the specific configurations overlap with what has already been explained above, repeated explanations will be omitted.

본 발명의 또 다른 추가적인 실시예에 따른 임피던스 매칭을 이용한 회로의 구동 안정성을 확보하는 마찰전기 발전소자는, 마찰전기 발전소자 및 전력 관리 회로를 포함하고, 상기 마찰전기 발전소자는, 전극 역할을 수행하는 제 1 마찰 대전체층; 및 상기 제 1 마찰 대전체층의 마찰면과 서로 대향하며 이격되어 배치된 제 2 마찰 대전체층이 배치된 구조가 둘 이상 적층된 적층형 구조를 포함하며, 상기 적층형 구조를 일부 또는 전부 둘러싸는 외벽부를 포함하고, 상기 제 2 마찰 대전체층은 고유전율 세라믹 물질이 고유전율 고분자 물질에 임베딩된 고율전율 나노 복합체로 이루어져 있으며, 초음파가 인가되는 경우 상기 제 1 마찰 대전체층 및 상기 제 2 마찰 대전체층은 서로 접촉 및 비접촉을 반복하여 마찰 전기를 발생시키며, 상기 적층형 구조를 통해 상기 마찰전기 발전소자와 상기 전력 관리 회로와의 임피던스 매칭을 통해 회로의 구동 안정성이 확보된다. A triboelectric generator that ensures driving stability of a circuit using impedance matching according to another additional embodiment of the present invention includes a triboelectric generator and a power management circuit, and the triboelectric generator includes an electrode that serves as an electrode. 1 friction charge layer; and a stacked structure in which two or more second friction-charged structures are arranged to face and be spaced apart from the friction surface of the first friction-charged material layer, and include an outer wall portion partially or entirely surrounding the layered structure. And, the second triboelectric layer is made of a high dielectric constant nanocomposite in which a high dielectric constant ceramic material is embedded in a high dielectric constant polymer material, and when ultrasonic waves are applied, the first triboelectric layer and the second triboelectric layer are in contact with each other. And triboelectricity is generated by repeating non-contact, and the driving stability of the circuit is ensured through impedance matching between the triboelectric generator and the power management circuit through the layered structure.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although the present invention has been described above with reference to preferred embodiments, those skilled in the art can make various modifications and changes to the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention as set forth in the following patent claims. You will understand that it is possible.

Claims

Includes a triboelectric power plant element and a power management circuit,
The triboelectric power plant,
A first triboelectric layer made of a conductive material and serving as a first electrode;
a second friction charge layer disposed opposite and spaced apart from the friction surface of the first friction charge layer and made of a high dielectric constant nanocomposite in which a high dielectric constant ceramic material is embedded in a high dielectric constant polymer material;
It includes an outer wall portion surrounding part or all of the first friction charge layer and the second friction charge layer,
When ultrasonic waves are applied, the first friction charge layer and the second friction charge layer repeat contact and non-contact with each other to generate triboelectricity,
The driving stability of the circuit is secured through impedance matching between the triboelectric generator and the power management circuit through the high dielectric constant nanocomposite,
A triboelectric generator that ensures circuit operation stability using impedance matching.

According to claim 1,
The high dielectric constant ceramic material is Cu ₃ Ti ₄ O ₁₂ , CaCu ₃ Ti ₄ O ₁₂ , La _2/3 Cu ₃ Ti ₄ O ₁₂ , Sm _2/3 Cu ₃ Ti ₄ O ₁₂ , Dy _2/3 Cu ₃ Ti ₄ O ₁₂ , Y _2/3 Cu ₃ Ti ₄ O ₁₂ , Bi _2/3 Cu ₃ Ti ₄ O ₁₂ , BiCu ₃ Ti ₃ FeO ₁₂ , LaCu ₃ Ti ₃ FeO ₁₂ , NdCu ₃ Ti ₃ FeO ₁₂ , SmCu ₃ Ti ₃ FeO ₁₂ , GdCu ₃ Ti ₃ FeO ₁₂ and YCu ₃ Ti ₃ FeO ₁₂ ,
A triboelectric generator that ensures circuit operation stability using impedance matching.

According to claim 1,
The high dielectric constant polymer material is PVDF, P(VDF-TrFE), P(VDF-TrFE-CFE), P(VDF-TrFE-CTFE), P(VDF-TFE), P(VDF-HFA), P(VDF) -TFE-HFP),
A triboelectric generator that ensures circuit operation stability using impedance matching.

According to claim 1,
Additionally comprising a second electrode on a surface opposite to the friction surface of the second friction charge layer,
A triboelectric generator that ensures circuit operation stability using impedance matching.

Includes a triboelectric power plant element and a power management circuit,
The triboelectric power plant,
a first friction charge layer and a first electrode on the first friction charge layer;
a second friction charge layer disposed opposite and spaced apart from the friction surface of the first friction charge layer and made of a high dielectric constant nanocomposite in which a high dielectric constant ceramic material is embedded in a high dielectric constant polymer material;
It includes an outer wall portion surrounding part or all of the first friction charge layer and the second friction charge layer,
When ultrasonic waves are applied, the first friction charge layer and the second friction charge layer repeat contact and non-contact with each other to generate triboelectricity,
The driving stability of the circuit is secured through impedance matching between the triboelectric generator and the power management circuit through the high dielectric constant nanocomposite,
A triboelectric generator that ensures circuit operation stability using impedance matching.

According to claim 5,
The high dielectric constant ceramic material is Cu ₃ Ti ₄ O ₁₂ , CaCu ₃ Ti ₄ O ₁₂ , La _2/3 Cu ₃ Ti ₄ O ₁₂ , Sm _2/3 Cu ₃ Ti ₄ O ₁₂ , Dy _2/3 Cu ₃ Ti ₄ O ₁₂ , Y _2/3 Cu ₃ Ti ₄ O ₁₂ , Bi _2/3 Cu ₃ Ti ₄ O ₁₂ , BiCu ₃ Ti ₃ FeO ₁₂ , LaCu ₃ Ti ₃ FeO ₁₂ , NdCu ₃ Ti ₃ FeO ₁₂ , SmCu ₃ Ti ₃ FeO ₁₂ , GdCu ₃ Ti ₃ FeO ₁₂ and YCu ₃ Ti ₃ FeO ₁₂ ,
A triboelectric generator that ensures circuit operation stability using impedance matching.

According to claim 5,
The high dielectric constant polymer material is PVDF, P(VDF-TrFE), P(VDF-TrFE-CFE), P(VDF-TrFE-CTFE), P(VDF-TFE), P(VDF-HFA), P(VDF) -TFE-HFP),
A triboelectric generator that ensures circuit operation stability using impedance matching.

According to claim 5,
Additionally comprising a second electrode on a surface opposite to the friction surface of the second friction charge layer,
A triboelectric generator that ensures circuit operation stability using impedance matching.

Includes a triboelectric power plant element and a power management circuit,
The triboelectric generator includes a first triboelectric charge layer that serves as an electrode; and a stacked structure in which two or more second friction-charged structures are arranged to face and be spaced apart from the friction surface of the first friction-charged material layer, and include an outer wall portion partially or entirely surrounding the layered structure. do,
When ultrasonic waves are applied, the first friction charge layer and the second friction charge layer repeat contact and non-contact with each other to generate triboelectricity,
Through the layered structure, the driving stability of the circuit is secured through impedance matching between the triboelectric power plant and the power management circuit,
A triboelectric generator that ensures circuit operation stability using impedance matching.

According to clause 9,
The second triboelectric layer is made of a high dielectric constant polymer material,
The high dielectric constant polymer material is PVDF, P(VDF-TrFE), P(VDF-TrFE-CFE), P(VDF-TrFE-CTFE), P(VDF-TFE), P(VDF-HFA), P(VDF) -TFE-HFP),
A triboelectric generator that ensures circuit operation stability using impedance matching.

Includes a triboelectric power plant element and a power management circuit,
The triboelectric generator includes a first triboelectric charge layer that serves as an electrode; and a stacked structure in which two or more second friction-charged structures are arranged to face and be spaced apart from the friction surface of the first friction-charged material layer, and include an outer wall portion partially or entirely surrounding the layered structure. do,
The second triboelectric layer is made of a high-permittivity nanocomposite in which a high-permittivity ceramic material is embedded in a high-permittivity polymer material,
When ultrasonic waves are applied, the first friction charge layer and the second friction charge layer repeat contact and non-contact with each other to generate triboelectricity,
Through the layered structure, the driving stability of the circuit is secured through impedance matching between the triboelectric power plant and the power management circuit,
A triboelectric generator that ensures circuit operation stability using impedance matching.

According to claim 11,
The high dielectric constant ceramic material is Cu ₃ Ti ₄ O ₁₂ , CaCu ₃ Ti ₄ O ₁₂ , La _2/3 Cu ₃ Ti ₄ O ₁₂ , Sm _2/3 Cu ₃ Ti ₄ O ₁₂ , Dy _2/3 Cu ₃ Ti ₄ O ₁₂ , Y _2/3 Cu ₃ Ti ₄ O ₁₂ , Bi _2/3 Cu ₃ Ti ₄ O ₁₂ , BiCu ₃ Ti ₃ FeO ₁₂ , LaCu ₃ Ti ₃ FeO ₁₂ , NdCu ₃ Ti ₃ FeO ₁₂ , SmCu ₃ Ti ₃ FeO ₁₂ , GdCu ₃ Ti ₃ FeO ₁₂ and YCu ₃ Ti ₃ FeO ₁₂ ,
A triboelectric generator that ensures circuit operation stability using impedance matching.

According to claim 11,
The high dielectric constant polymer material is PVDF, P(VDF-TrFE), P(VDF-TrFE-CFE), P(VDF-TrFE-CTFE), P(VDF-TFE), P(VDF-HFA), P(VDF) -TFE-HFP),
A triboelectric generator that ensures circuit operation stability using impedance matching.