KR20230161008A - Triboelectric nanogenerator using film capacitor and operating method thereof - Google Patents

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KR20230161008A
KR20230161008A KR1020220060326A KR20220060326A KR20230161008A KR 20230161008 A KR20230161008 A KR 20230161008A KR 1020220060326 A KR1020220060326 A KR 1020220060326A KR 20220060326 A KR20220060326 A KR 20220060326A KR 20230161008 A KR20230161008 A KR 20230161008A
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이상민
정세훈
정지훈
차경환
송명환
이준석
허덕재
김동창
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중앙대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 필름캐패시터를 이용한 마찰대전 발전기 및 그 작동방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 원주방향으로 일측단에 위치되는 양전하대전부와, 타측단에 위치되는 음전하대전부와, 상기 양전하대전부와 상기 음전하대전부 사이 양단 각각에 연결되는 전극부를 갖는 외부실린더; 외면이 상기 외부실린더의 내면 각각에 접촉되며 회전가능하도록 위치되고, 상기 외부실린더의 길이방향 중심축을 기준으로 서로 대향된 위치로 배치되는 내부실린더; 상기 내부실린더 외면에 구비되는 필름캐패시터; 및 상기 내부 실린더 각각이 상기 외부 실린더 내면과 접촉되며 회전되도록 하는 회전인가부재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 필름캐패시터를 이용한 마찰대전 발전기에 관한 것이다. The present invention relates to a triboelectric generator using a film capacitor and a method of operating the same. More specifically, the present invention relates to a positively charged portion located at one end in the circumferential direction, a negatively charged portion located at the other end, and the positively charged portion an external cylinder having electrode portions connected to both ends between the negatively charged parts; an inner cylinder whose outer surface is in contact with each of the inner surfaces of the outer cylinder and is rotatable, and which are disposed at opposing positions with respect to the longitudinal central axis of the outer cylinder; a film capacitor provided on the outer surface of the inner cylinder; and a rotation applying member that causes each of the inner cylinders to rotate while being in contact with the inner surface of the outer cylinder.

Description

필름캐패시터를 이용한 마찰대전 발전기 및 그 작동방법{Triboelectric nanogenerator using film capacitor and operating method thereof}Triboelectric nanogenerator using film capacitor and operating method thereof}

본 발명은 필름캐패시터를 이용한 마찰대전 발전기 및 그 작동방법에 관한 것이다. The present invention relates to a triboelectric generator using a film capacitor and a method of operating the same.

TENG(triboelectric nanogenerator)는 마찰 대전과 정전기 유도의 조합을 기반으로 주변의 기계적 에너지를 전기로 변환할 수 있는 에너지 수확 방법이다. TENG는 저비용, 심플한 디자인, 가벼운 무게, 높은 적용성으로 각광받고 있으며 미래의 친환경 전력원으로 활용될 가능성이 있다. 다양한 장점에도 불구하고 종래 TENG는 몇 마이크로에서 밀리 암페어 정도의 저전류 출력만 생성할 수 있었다. 이는 이러한 TENG 및 잠재적인 활용에 대한 주요 제한 사항에 해당한다. 이에 따라 접점분리, 진동, 전자스위치 등의 스위치를 전원으로 사용하는 TENG용 에너지관리시스템(EMS)이 연구되고 있다. EMS 회로(다양한 스위치 포함)는 기계적 움직임으로 인해 전하를 축적할 수 있으며 충전된 에너지를 즉시 방출할 수 있으므로 TENG에서 생산한 전기 에너지의 활용도를 높일 수 있다. 또한 직렬 병렬 스위치 커패시터, 유도 변압기 및 인덕터와 같은 변환기를 포함함으로써 EMS 회로는 TENG의 고전압 및 저전류 출력을 더 낮은 전압 및 더 높은 전류출력에서 전기 출력으로 효과적으로 변환할 수 있다. TENG (triboelectric nanogenerator) is an energy harvesting method that can convert ambient mechanical energy into electricity based on a combination of triboelectric charging and electrostatic induction. TENG is attracting attention due to its low cost, simple design, light weight, and high applicability, and has the potential to be used as an eco-friendly power source in the future. Despite their various advantages, conventional TENGs can only generate low current outputs of a few micros to milliamps. This represents a major limitation to these TENGs and their potential uses. Accordingly, energy management systems (EMS) for TENGs that use switches such as contact separation, vibration, and electronic switches as power sources are being studied. EMS circuits (including various switches) can accumulate electric charges due to mechanical movement and immediately release the charged energy, thereby increasing the utilization of electrical energy produced by TENGs. Additionally, by including converters such as series-parallel switched capacitors, inductive transformers, and inductors, the EMS circuit can effectively convert the high-voltage and low-current output of the TENG into electrical output at lower voltage and higher current output.

그러나 EMS 회로가 TENG에서 생성된 전기 출력을 효과적으로 변환할 수 있음에도 불구하고 기존 전자 장치는 더 높은 전력을 요구하므로 TENG는 고압 또는 회전 속도로 과도한 기계적 입력이 있는 환경에서 작동해야 한다. 이 고속 기계적 입력은 장치의 전체 효율성을 감소시키고 마찰 손상을 일으킬 수 있으며, 이는 TENG가 재료 사이의 마찰을 필요로 하기 때문에 전기 출력을 상당히 저하시킬 수 있다.However, even though EMS circuits can effectively convert the electrical output generated by TENGs, conventional electronics require higher power, so TENGs must operate in environments with excessive mechanical inputs at high pressures or rotational speeds. This high-speed mechanical input can reduce the overall efficiency of the device and cause friction damage, which can significantly reduce electrical output because the TENG requires friction between materials.

또한 EMS 회로는 전류 출력이 제한된 TENG 장치용으로 설계되었으므로 EMS 회로에는 전자 장치에 연결될 수 있도록 커패시터 및 정류기와 같은 수많은 전자 부품이 포함되어야 한다. 결국 기존 전자 장치의 전력 수준을 일치시키기 위해 TENG에 사용되는 EMS 회로가 복잡하고 이러한 다양한 구성 요소를 발전기에 연결하기 때문에 전기 손실이 예상된다. 따라서 낮은 기계적 입력으로도 적절한 전력을 생산할 수 있고 EMS 회로의 손실을 줄여 1차 전원으로 사용할 수 있는 전기 부품을 포함한 혁신적인 TENG의 개발이 필요하다.Additionally, since the EMS circuit is designed for TENG devices with limited current output, the EMS circuit must include numerous electronic components such as capacitors and rectifiers to enable connection to electronic devices. Ultimately, electrical losses are expected because the EMS circuits used in TENGs are complex to match the power levels of existing electronics and connect these various components to a generator. Therefore, there is a need to develop innovative TENGs that include electrical components that can produce adequate power even with low mechanical input and can be used as a primary power source by reducing losses in the EMS circuit.

일본 등록특허 JP 5994347Japanese registered patent JP 5994347 대한민국 등록특허 10-1984865Republic of Korea registered patent 10-1984865 대한민국 공개특허 10-2021-0018836Republic of Korea Open Patent 10-2021-0018836 대한민국 등록특허 10-2384264Republic of Korea registered patent 10-2384264

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 실시예에 따르면, 장치 내부에서 회전하는 필름 커패시터 기반 전하 캐리어 실린더를 사용하여 높은 출력을 생성할 수 있는 필름 커패시터 기반 전하 캐리어 TENG(FCC-TENG)를 제공하는데 그 목적이 있다. Therefore, the present invention was developed to solve the above-described conventional problems. According to an embodiment of the present invention, a film capacitor-based charge carrier cylinder that rotates inside the device can be used to generate high output. The purpose is to provide a charge carrier TENG (FCC-TENG).

본 발명의 실시예에 따르면, 필름 커패시터가 실린더 주위를 감싸고 전하 캐리어 역할을 하기 때문에 FCC-TENG는 약 5000V 및 10A에서 상당히 높은 피크 개방 회로 전압(VOC) 및 피크 폐쇄 회로 전류(ICC) 출력을 생성할 수 있는 필름캐패시터를 이용한 마찰대전 발전기 및 그 작동방법을 제공하는데 그 목적이 있다. According to an embodiment of the invention, the FCC-TENG produces significantly higher peak open circuit voltage (VOC) and peak closed circuit current (ICC) output at approximately 5000 V and 10 A because the film capacitor wraps around the cylinder and acts as a charge carrier. The purpose is to provide a triboelectric generator using a film capacitor and its operating method.

또한 본 발명의 실시예에 따르면, 필름 캐패시터 기반 실린더 각각이 회전하면서 전하 수집 전극과 접촉하며, FCC-TENG 내부의 회전하는 필름 커패시터와 롤링 모션으로 인해 마찰력과 마모를 효과적으로 줄일 수 있고, 필름 커패시터는 외부 커패시터 또는 정류기 없이 스파크 스위치로 작동할 수 있는, 필름캐패시터를 이용한 마찰대전 발전기 및 그 작동방법을 제공하는데 그 목적이 있다. In addition, according to an embodiment of the present invention, each of the film capacitor-based cylinders rotates and comes into contact with the charge collection electrode, and friction and wear can be effectively reduced due to the rotating film capacitor and rolling motion inside the FCC-TENG, and the film capacitor The purpose is to provide a triboelectric generator using a film capacitor and a method of operating the same, which can be operated as a spark switch without an external capacitor or rectifier.

그리고 본 발명의 실시예에 따르면, 외부 장치를 직접 연결하여 사용할 수 있으며 간단한 EMS 회로를 사용하여 쉽게 최적화할 수 있고 또한 여러 전원 공급 회로에 사용할 수 있으며 결과적으로 FCC-TENG는 12개의 상용 5W 발광 다이오드(LED)를 켜고 전기 장치에 지속적으로 전원을 공급할 수 있으며 리튬 이온 배터리(LIB)를 충전할 수 있는, 필름캐패시터를 이용한 마찰대전 발전기 및 그 작동방법을 제공하는데 그 목적이 있다. And according to an embodiment of the present invention, external devices can be directly connected and used, can be easily optimized using a simple EMS circuit, and can also be used in multiple power supply circuits. As a result, FCC-TENG can be used with 12 commercial 5W light emitting diodes. The purpose is to provide a triboelectric generator using a film capacitor and its operating method, which can turn on (LED), continuously supply power to electric devices, and charge a lithium-ion battery (LIB).

한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.Meanwhile, the technical problems to be achieved in the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned will be clearly apparent to those skilled in the art from the description below. It will be understandable.

본 발명의 제1목적은 마찰대전 발전기로서, 원주방향으로 일측단에 위치되는 양전하대전부와, 타측단에 위치되는 음전하대전부와, 상기 양전하대전부와 상기 음전하대전부 사이 양단 각각에 연결되는 전극부를 갖는 외부실린더; 외면이 상기 외부실린더의 내면 각각에 접촉되며 회전가능하도록 위치되고, 상기 외부실린더의 길이방향 중심축을 기준으로 서로 대향된 위치로 배치되는 내부실린더; 상기 내부실린더 외면에 구비되는 필름캐패시터; 및 상기 내부 실린더 각각이 상기 외부 실린더 내면과 접촉되며 회전되도록 하는 회전인가부재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 필름캐패시터를 이용한 마찰대전 발전기로서 달성될 수 있다. The first object of the present invention is a triboelectric generator, which includes a positively charged portion located at one end in the circumferential direction, a negatively charged portion located at the other end, and each end connected between the positively charged portion and the negatively charged portion. An external cylinder having an electrode portion; an inner cylinder whose outer surface is in contact with each of the inner surfaces of the outer cylinder and is rotatable, and which are disposed at opposing positions with respect to the longitudinal central axis of the outer cylinder; A film capacitor provided on the outer surface of the inner cylinder; and a rotation applying member that causes each of the inner cylinders to rotate while being in contact with the inner surface of the outer cylinder. It can be achieved as a triboelectric generator using a film capacitor.

그리고 상기 필름캐패시터는 상기 내부실린더 외면에 구비되는 제1전극층, 상기 제1전극층 외면에 구비되는 폴리머필름, 상기 폴리머필름에 외면에 구비되는 제2전극층을 포함하며, 상기 음전하대전부에 마찰되어 회전되는 내부실린더의 필름캐패시터는 양전하를 축적하고, 상기 양전하대전부에 마찰되어 회전되는 내부실린더의 필름캐패시터는 음전하를 축적하는 것을 특징으로 할 수 있다. And the film capacitor includes a first electrode layer provided on the outer surface of the inner cylinder, a polymer film provided on the outer surface of the first electrode layer, and a second electrode layer provided on the outer surface of the polymer film, and rotates by rubbing against the negatively charged portion. The film capacitor of the inner cylinder may accumulate positive charges, and the film capacitor of the inner cylinder that rotates by rubbing against the positively charged portion may accumulate negative charges.

또한 상기 양전하가 축적된 필름캐패시터와 상기 음전하가 축적된 필름캐패시터가 상기 전극부에 접촉될 때, 전위차에 의해 전력을 생산하는 것을 특징으로 할 수 있다. In addition, when the film capacitor in which the positive charge is accumulated and the film capacitor in which the negative charge is accumulated are in contact with the electrode part, power may be produced by a potential difference.

그리고 양단의 전극부는 서로 대향된 위치에 구비되어 상기 양전하가 축적된 필름캐패시터와 상기 음전하가 축적된 필름캐패시터가 양단의 전극부 각각에 동시에 접촉되며, 상기 양단의 전극부에 연결되는 스파크 갭을 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. And the electrode portions at both ends are provided at opposite positions, so that the film capacitor in which the positive charge is accumulated and the film capacitor in which the negative charge is accumulated are simultaneously in contact with each of the electrode portions at both ends, and a spark gap connected to the electrode portion at both ends is further formed. It may be characterized as including.

또한 상기 스파크 갭은 상기 양단의 전극부 각각에 연결되는 금속구와, 한 쌍의 금속구 사이공간의 에어갭을 포함하며, 상기 전위차가 공기항복전압을 초과하면 정전기 방전(ESD)되어 주기적으로 피크전력을 생산하는 것을 특징으로 할 수 있다. In addition, the spark gap includes a metal sphere connected to each of the electrode parts at both ends and an air gap in the space between the pair of metal spheres. When the potential difference exceeds the air breakdown voltage, electrostatic discharge (ESD) occurs and peak power is periodically generated. It can be characterized by producing.

그리고 상기 음전하대전부는 PTFE, 상기 양전하대전부는 나일론, 상기 폴리머필름은 폴리스틸렌으로 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다. Additionally, the negatively charged portion may be composed of PTFE, the positively charged portion may be composed of nylon, and the polymer film may be composed of polystyrene.

본 발명의 제2목적은 마찰대전 발전기의 작동방법으로서, 앞서 언급한 제1목적에 따른 마찰대전발전기의 회전인가부재를 통해 내부실린더 각각의 외면이 상기 외부실린더 내면과 마찰되며 회전되는 단계; 음전하대전부에 마찰되어 회전되는 내부실린더의 필름캐패시터는 양전하를 축적하고, 양전하대전부에 마찰되어 회전되는 내부실린더의 필름캐패시터는 음전하를 축적하는 단계; 및 양단의 전극부는 서로 대향된 위치에 구비되어 상기 양전하가 축적된 필름캐패시터와 상기 음전하가 축적된 필름캐패시터가 양단의 전극부 각각에 동시에 접촉되어, 전위차에 의해 전력을 생산하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 필름캐패시터를 이용한 마찰대전 발전기의 작동방법으로서 달성될 수 있다. A second object of the present invention is a method of operating a triboelectric generator, comprising the steps of rotating the outer surface of each inner cylinder against the inner surface of the outer cylinder through a rotation applying member of the triboelectric generator according to the first object mentioned above; The film capacitor of the inner cylinder, which is rotated by rubbing against the negatively charged part, accumulates positive charges, and the film capacitor of the inner cylinder, which is rotated by rubbing against the positively charged part, accumulates negative charges; And the electrode portions at both ends are provided at opposite positions, so that the film capacitor in which the positive charge is accumulated and the film capacitor in which the negative charge is accumulated are simultaneously contacted with each of the electrode portions at both ends, thereby producing power by a potential difference. This can be achieved as a method of operating a triboelectric generator using a film capacitor.

그리고 상기 스파크 갭은 상기 양단의 전극부 각각에 연결되는 금속구와, 한 쌍의 금속구 사이공간의 에어갭을 포함하며, 상기 전위차가 공기항복전압을 초과하면 정전기 방전(ESD)되어 주기적으로 피크전력을 생산하는 것을 특징으로 할 수 있다. And the spark gap includes a metal sphere connected to each of the electrode parts at both ends and an air gap in the space between the pair of metal spheres. When the potential difference exceeds the air breakdown voltage, electrostatic discharge (ESD) occurs and peak power is periodically generated. It can be characterized by producing.

본 발명의 제3목적은 마찰대전 발전기로서, 기판상에 구비되는 서로 특정간격 이격되어 배치되는 필름캐패시터; 및 평방향으로 일측단에 위치되는 양전하대전부와, 타측단에 상기 양전자대전부와 연결되는 음전하대전부를 갖는 대전물질부;를 포함하고, 상기 대전물질부를 상기 필름캐패시터에 접촉, 분리하는 경우, 상기 양전하대전부와 접촉, 분리되는 필름캐패시터는 음전하를 축적하고, 상기 음전하대전부와 접촉, 분리되는 필름캐패시터는 양전하는 축적하여 전위차에 의해 전력을 생산하는 것을 특징으로 하는 필름캐패시터를 이용한 마찰대전 발전기로서 달성될 수 있다. A third object of the present invention is a triboelectric generator, comprising: film capacitors provided on a substrate and spaced apart from each other at a specific interval; And a charged material portion having a positively charged portion located at one end in a horizontal direction and a negatively charged portion connected to the positive charged portion at the other end; When the charged material portion is contacted and separated from the film capacitor, Triboelectric charging using a film capacitor, characterized in that the film capacitor that is in contact with and separated from the positively charged part accumulates negative charges, and the film capacitor that is in contact with and separated from the negatively charged part accumulates positive charges and produces power by potential difference. This can be achieved as a generator.

본 발명의 제3목적에 있어서, 상기 필름캐패시터는, 상기 음전하대전부와 대향된 위치에 구비되는 제1필름캐패시터와, 상기 제1필름캐패시터와 특정간격 이격되며, 상기 양전하대전부와 대향된 위치에 구비되는 제2필름캐패시터를 포함하고, 상기 제1, 제2필름캐패시터 각각은, 상기 기판 외면에 구비되는 제1전극층, 상기 제1전극층 외면에 구비되는 폴리머필름, 상기 폴리머필름에 외면에 구비되는 제2전극층을 포함하며, 상기 음전하대전부에 접촉, 분리되는 제1필름캐패시터는 양전하를 축적하고, 상기 양전하대전부에 접촉, 분리되는 제2필름캐패시터는 음전하를 축적하는 것을 특징으로 할 수 있다. In the third object of the present invention, the film capacitor includes a first film capacitor provided at a position opposite to the negatively charged part, spaced apart from the first film capacitor at a specific distance, and located at a position opposite to the positive charge part. Includes a second film capacitor provided in, wherein each of the first and second film capacitors includes a first electrode layer provided on the outer surface of the substrate, a polymer film provided on the outer surface of the first electrode layer, and a polymer film provided on the outer surface of the polymer film. It may include a second electrode layer, wherein the first film capacitor in contact with and separated from the negatively charged portion accumulates positive charges, and the second film capacitor in contact with and separated from the positively charged portion accumulates negative charges. there is.

본 발명의 제3목적에 있어서, 상기 제1필름캐패시터와 상기 제2필름캐패시터 사이에 연결되는 스파크 갭을 더 포함하고, 상기 스파크 갭은 상기 제1, 제2필름캐패시터 각각에 연결되는 금속구와, 한 쌍의 금속구 사이공간의 에어갭을 포함하며, 상기 전위차가 공기항복전압을 초과하면 정전기 방전(ESD)되어 주기적으로 피크전력을 생산하는 것을 특징으로 할 수 있다. In the third object of the present invention, it further includes a spark gap connected between the first film capacitor and the second film capacitor, wherein the spark gap includes a metal sphere connected to each of the first and second film capacitors, It may include an air gap in the space between a pair of metal spheres, and may be characterized by electrostatic discharge (ESD) when the potential difference exceeds the air breakdown voltage to periodically produce peak power.

본 발명의 제4목적은 마찰대전 발전기로서, 기판상에 구비되는 필름캐패시터; 및 평방향으로 일측단에 위치되며 상기 필름캐패시터와 접촉되는 양전하대전부와, 타측단에 위치되며 상기 필름캐패시터와 접촉되는 음전하대전부와, 상기 음전하대전부와 상기 양전하대전부 사이에 구비되며 서로 특정간격 이격되는 한 쌍의 전극부를 갖는 대전물질부;를 포함하고, 상기 대전물질부 또는 상기 기판을 회전시키는 경우, 상기 양전하대전부와 접촉되어 마찰되는 필름캐패시터는 음전하를 축적하고, 상기 음전하대전부와 접촉되어 마찰되는 필름캐패시터는 양전하는 축적하는 것을 특징으로 하는 필름캐패시터를 이용한 마찰대전 발전기로서 달성될 수 있다. The fourth object of the present invention is a triboelectric generator, which includes a film capacitor provided on a substrate; and a positively charged portion located at one end in a horizontal direction and in contact with the film capacitor, a negatively charged portion located at the other end and in contact with the film capacitor, and provided between the negatively charged portion and the positive charged portion and each other. A charged material portion having a pair of electrode portions spaced apart at a specific interval; and when the charged material portion or the substrate is rotated, a film capacitor that is in contact with and rubs with the positively charged portion accumulates negative charges, and the negatively charged portion accumulates negative charges. A film capacitor that is in contact with a part and is rubbed can be achieved as a triboelectric generator using a film capacitor, which is characterized by accumulating positive charges.

본 발명의 제4목적에 있어서, 상기 양전하가 축적된 필름캐패시터와 상기 음전하가 축적된 필름캐패시터 각각이 상기 전극부에 접촉될 때, 전위차에 의해 전력을 생산하는 것을 특징으로 할 수 있다. In the fourth object of the present invention, when each of the film capacitor in which positive charges are accumulated and the film capacitor in which negative charges are accumulated is in contact with the electrode part, power may be produced by a potential difference.

본 발명의 제4목적에 있어서, 상기 한 쌍의 전극부 사이에 연결되는 스파크 갭을 더 포함하고, 상기 스파크 갭은 상기 한 쌍의 전극부 각각에 연결되는 금속구와, 한 쌍의 금속구 사이공간의 에어갭을 포함하며, 상기 전위차가 공기항복전압을 초과하면 정전기 방전(ESD)되어 주기적으로 피크전력을 생산하는 것을 특징으로 할 수 있다. In the fourth object of the present invention, it further includes a spark gap connected between the pair of electrode parts, wherein the spark gap includes a metal sphere connected to each of the pair of electrode parts and a space between the pair of metal spheres. It includes an air gap, and may be characterized in that when the potential difference exceeds the air breakdown voltage, electrostatic discharge (ESD) occurs and peak power is periodically produced.

본 발명의 제4목적에 있어서, 상기 필름캐패시터는, 상기 기판 외면에 구비되는 제1전극층, 상기 제1전극층 외면에 구비되는 폴리머필름, 상기 폴리머필름에 외면에 구비되는 제2전극층을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. In the fourth object of the present invention, the film capacitor includes a first electrode layer provided on the outer surface of the substrate, a polymer film provided on the outer surface of the first electrode layer, and a second electrode layer provided on the outer surface of the polymer film. It can be characterized.

본 발명의 제1, 제3, 제4목적에 있어서, 상기 필름캐패시터는 하단 평탄부와 상기 하단평단부 일측 끝단에 절곡연결되는 수직연결단과, 타측끝단이 상기 수직연결단의 상부 끝단과 연결되는 상단평단부를 갖는 전극부와, 하면은 상기 하단평단부에 접촉되고 상면은 또 다른 전극부의 상단평단부에 접촉되는 폴리머필름으로 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다. In the first, third, and fourth objects of the present invention, the film capacitor has a lower flat portion and a vertical connecting end bent and connected to one end of the lower flat end, and the other end is connected to the upper end of the vertical connecting end. It may be characterized by being composed of an electrode part having an upper flat end, a polymer film whose lower surface is in contact with the lower flat end and whose upper surface is in contact with the upper flat end of another electrode part.

본 발명의 실시예에 따른 필름 커패시터 기반 전하 캐리어 TENG(FCC-TENG)에 따르면, 장치 내부에서 회전하는 필름 커패시터 기반 전하 캐리어 실린더를 사용하여 높은 출력을 생성할 수 있는 효과를 갖는다. According to the film capacitor-based charge carrier TENG (FCC-TENG) according to an embodiment of the present invention, it is possible to generate high output by using a film capacitor-based charge carrier cylinder rotating inside the device.

본 발명의 실시예에 따른 필름캐패시터를 이용한 마찰대전 발전기 및 그 작동방법에 따르면, 필름 커패시터가 실린더 주위를 감싸고 전하 캐리어 역할을 하기 때문에 FCC-TENG는 약 5000V 및 10A에서 상당히 높은 피크 개방 회로 전압(VOC) 및 피크 폐쇄 회로 전류(ICC) 출력을 생성할 수 있는 효과를 갖는다. According to the triboelectric generator using a film capacitor and its operating method according to an embodiment of the present invention, since the film capacitor wraps around the cylinder and acts as a charge carrier, the FCC-TENG has a fairly high peak open circuit voltage (at about 5000V and 10A). VOC) and peak closed circuit current (ICC) output.

또한 본 발명의 실시예에 따른 필름캐패시터를 이용한 마찰대전 발전기 및 그 작동방법에 따르면, 필름 캐패시터 기반 실린더 각각이 회전하면서 전하 수집 전극과 접촉하며, FCC-TENG 내부의 회전하는 필름 커패시터와 롤링 모션으로 인해 마찰력과 마모를 효과적으로 줄일 수 있고, 필름 커패시터는 외부 커패시터 또는 정류기 없이 스파크 스위치로 작동할 수 있는 효과를 갖는다. In addition, according to the triboelectric generator using a film capacitor and its operating method according to an embodiment of the present invention, each film capacitor-based cylinder rotates and comes into contact with the charge collection electrode, and in a rolling motion with the rotating film capacitor inside the FCC-TENG. This effectively reduces friction and wear, and the film capacitor has the effect of operating as a spark switch without an external capacitor or rectifier.

그리고 본 발명의 실시예에 따른 필름캐패시터를 이용한 마찰대전 발전기 및 그 작동방법에 따르면, 외부 장치를 직접 연결하여 사용할 수 있으며 간단한 EMS 회로를 사용하여 쉽게 최적화할 수 있고 또한 여러 전원 공급 회로에 사용할 수 있으며 결과적으로 FCC-TENG는 12개의 상용 5W 발광 다이오드(LED)를 켜고 전기 장치에 지속적으로 전원을 공급할 수 있으며 리튬 이온 배터리(LIB)를 충전할 수 있는 효과를 갖는다. And according to the triboelectric generator using a film capacitor and its operating method according to an embodiment of the present invention, it can be used by directly connecting an external device, can be easily optimized using a simple EMS circuit, and can also be used in various power supply circuits. As a result, FCC-TENG can turn on 12 commercial 5W light-emitting diodes (LEDs), continuously power electrical devices, and charge a lithium-ion battery (LIB).

한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.Meanwhile, the effects that can be obtained from the present invention are not limited to the effects mentioned above, and other effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below. You will be able to.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 필름캐패시터를 이용한 마찰대전 발전기의 사시도,
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 필름캐패시터를 이용한 마찰대전 발전기의 작동방법의 흐름도,
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 필름캐패시터를 이용한 마찰대전 발전기의 단면도,
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 필름캐패시터를 이용한 마찰대전 발전기에서 발생한 전기 출력전압 및 전류 그래프,
도 5a는 본 발명의 제3실시예에 따라 필름캐패시터가 부착된 기판 사진,
도 5b는 도 5a에서 필름캐패시터 상면에 대전물질부가 접촉된 상태의 사진,
도 6은 본 발명의 제3실시예에 따라 발생한 전기 출력 전압 및 전류 그래프,
도 7a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 필름캐패시터 구조의 사시도,
도 7b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 필름캐패시터 구조의 단면도,
도 8은 본 발명의 제1실시예에 따른 필름 커패시터 기반 전하 캐리어 마찰전기 나노발전기(FCC-TENG)의 (a) 사시도 및 (b) FCC 실린더의 개략도 (c) 스파크 갭에서 정전기 방전(ESD) 발생(스케일 바: 5mm) (d) VOC 및 (e) ICC 출력. (f) FCC-TENG에 의해 작동될 수 있는 회로ㄷ,
도 9는 FCC-TENG의 작동 메커니즘 및 출력으로 (a) PTFE와 나일론에 롤링하여 전하를 축적할 수 있는 FCC의 개략도 (b) FCC에서 전극으로의 ESD 생성의 장시간 노출(30초 동안) 사진(축척 막대: 1cm) (c) FCC에서 스파크 갭으로의 전하 이동 개략도 (d) FCC-TENG 사진(스케일 바: 2cm) 스파크 갭 없는 경우와 있는경우 (e) VOC 및 (f) ICC 출력
도 10은 (a) 다른 스파크 갭 거리에서의 ESD(스케일 바: 5mm). (b) FCC 전자 전달 및 (c) 스파크 갭의 전위차에 대한 개략도 (d) 서로 다른 스파크 갭 거리에서 FCC-TENG의 VOC (e) 0.5mm 및 3mm의 스파크 갭 거리에서 ICC 출력 (f) 0.5mm 및 3mm의 스파크 갭 거리에서 FCC-TENG에 의한 다른 피크 주파수 (g) 서로 다른 스파크 갭 거리에서 FCC-TENG의 VRMS,
도 11은 (a) VOC 및 (b) 서로 다른 회전 속도에서 FCC-TENG의 VRMS 플롯 (c) 100rpm(분당 회전수)과 1000rpm(축척 막대: 4mm)의 회전 속도로 스파크 갭 사이의 ESD 사진 (d) FCC-TENG의 단면 (e) 외부 실린더의 총 표면적에 대한 전극 면적의 다른 비율을 기반한 FCC-TENG의 VOC 및 VRMS (g) 마찰 전기 재료가 사용되는 위치를 보여주는 FCC-TENG의 개략도, (h) 한 재료를 PTFE로 고정 (i) 나일론으로 고정하고 반대쪽 재료를 변경할 때 FCC-TENG의 VRMS
도 12는 FCC-TENG에 에너지 관리 시스템(EMS)을 연결한 것으로, (a) VRMS, (b) IRMS, (c) 외부 부하의 함수로서의 FCC-TENG의 RMS 전력 (d) EMS가 있는 FCC-TENG의 회로도 및 (e) 사진(축척 막대: 4cm) (f) 변압기 권선비에 대한 상용 커패시터(100μF) 충전 속도의 의존성 (g) 커패시턴스의 함수로서 커패시터의 저장된 에너지 (f) EMS와 함께 FCC-TENG를 사용한 고용량 커패시터의 충전 그래프.
도 13은 FCC-TENG의 응용 프로그램으로 (a) 직접 연결, 에너지 공급 회로(ESC) 및 배터리 충전 회로와 같은 다양한 전기 회로의 회로도 (b) 12 × 5W 발광 다이오드(LED) 및 (c) FCC에 직접 연결된 병렬 연결된 300개 LED (d) 1mF 커패시터를 사용하는 ESC가 있는 FCC-TENG 및 (e) 온습도계에 전원을 공급하여 얻은 충전/방전 그래프 (f) 라디오를 켜고 라디오를 켜기 위한 배터리 충전 회로가 있는 FCC-TENG (g) 60분 동안 FCC-TENG 작동을 기준으로 한 90mAh 용량의 리튬 이온 배터리 충전 그래프이다.
The following drawings attached to this specification illustrate preferred embodiments of the present invention, and serve to further understand the technical idea of the present invention along with the detailed description of the invention, so the present invention is limited only to the matters described in such drawings. It should not be interpreted as such.
1 is a perspective view of a triboelectric generator using a film capacitor according to a first embodiment of the present invention;
Figure 2 is a flow chart of the operating method of the triboelectric generator using a film capacitor according to the first embodiment of the present invention;
Figure 3 is a cross-sectional view of a triboelectric generator using a film capacitor according to a second embodiment of the present invention;
Figure 4 is a graph of the electrical output voltage and current generated from the triboelectric generator using a film capacitor according to the second embodiment of the present invention;
Figure 5a is a photograph of a substrate with a film capacitor attached according to a third embodiment of the present invention;
Figure 5b is a photograph of the charging material portion in contact with the upper surface of the film capacitor in Figure 5a;
Figure 6 is a graph of electrical output voltage and current generated according to the third embodiment of the present invention;
Figure 7a is a perspective view of a film capacitor structure according to another embodiment of the present invention;
Figure 7b is a cross-sectional view of a film capacitor structure according to another embodiment of the present invention;
Figure 8 shows (a) a perspective view and (b) a schematic diagram of the FCC cylinder of a film capacitor-based charge carrier triboelectric nanogenerator (FCC-TENG) according to the first embodiment of the present invention, and (c) electrostatic discharge (ESD) in the spark gap. Generation (scale bar: 5 mm) (d) VOC and (e) ICC output. (f) Circuits operable by FCC-TENG;
Figure 9 shows (a) a schematic diagram of an FCC capable of accumulating charges by rolling on PTFE and nylon with the working mechanism and output of the FCC-TENG (b) a long-exposure (for 30 seconds) photograph of the ESD generation from the FCC to the electrode ( Scale bar: 1 cm) (c) Schematic diagram of charge transfer from FCC to spark gap (d) FCC-TENG photo (scale bar: 2 cm) (e) VOC and (f) ICC output without and with spark gap.
Figure 10 shows (a) ESD at different spark gap distances (scale bar: 5 mm). Schematic diagram of (b) FCC electron transfer and (c) potential difference in spark gap (d) VOC of FCC-TENG at different spark gap distances (e) ICC output at spark gap distances of 0.5 mm and 3 mm (f) 0.5 mm and different peak frequencies (g) by FCC-TENG at a spark gap distance of 3 mm. VRMS of FCC-TENG at different spark gap distances,
Figure 11 shows (a) VOC and (b) VRMS plots of the FCC-TENG at different rotational speeds (c) ESD pictures between the spark gap at rotational speeds of 100 rpm (revolutions per minute) and 1000 rpm (scale bar: 4 mm). d) Cross-section of the FCC-TENG (e) VOC and VRMS of the FCC-TENG based on different ratios of the electrode area to the total surface area of the outer cylinder (g) Schematic diagram of the FCC-TENG showing where triboelectric materials are used, ( h) VRMS of FCC-TENG when fixing one material with PTFE (i) fixing with nylon and changing the opposite material
Figure 12 shows the connection of an energy management system (EMS) to an FCC-TENG: (a) VRMS, (b) IRMS, (c) RMS power of FCC-TENG as a function of external load (d) FCC-TENG with EMS Schematic diagram and (e) photograph of the TENG (scale bar: 4 cm) (f) dependence of the charging rate of a commercial capacitor (100 μF) on the transformer turns ratio (g) stored energy of the capacitor as a function of capacitance (f) FCC-TENG with EMS Charging graph of a high capacity capacitor using .
Figure 13 shows the application of FCC-TENG to (a) a schematic diagram of various electrical circuits such as direct connection, energy supply circuit (ESC) and battery charging circuit, (b) 12 × 5 W light emitting diode (LED) and (c) FCC. 300 LEDs connected in parallel directly connected (d) FCC-TENG with ESC using 1 mF capacitor and (e) charge/discharge graph obtained by powering a thermo-hygrometer (f) battery charging circuit to turn on the radio and turn it on FCC-TENG (g) Charging graph for a 90mAh capacity lithium-ion battery based on FCC-TENG operation for 60 minutes.

이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.The above objects, other objects, features and advantages of the present invention will be easily understood through the following preferred embodiments related to the attached drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided so that the disclosed content will be thorough and complete and so that the spirit of the present invention can be sufficiently conveyed to those skilled in the art.

본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.In this specification, when an element is referred to as being on another element, it means that it may be formed directly on the other element or that a third element may be interposed between them. Also, in the drawings, the thickness of components is exaggerated for effective explanation of technical content.

본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서 도면에서 예시된 영역들은 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.Embodiments described herein will be explained with reference to cross-sectional views and/or plan views, which are ideal illustrations of the present invention. In the drawings, the thicknesses of films and regions are exaggerated for effective explanation of technical content. Therefore, the shape of the illustration may be changed depending on manufacturing technology and/or tolerance. Accordingly, embodiments of the present invention are not limited to the specific form shown, but also include changes in form produced according to the manufacturing process. For example, an area shown as a right angle may be rounded or have a shape with a predetermined curvature. Accordingly, the regions illustrated in the drawings have properties, and the shapes of the regions illustrated in the drawings are intended to illustrate a specific shape of the region of the device and are not intended to limit the scope of the invention. In various embodiments of the present specification, terms such as first and second are used to describe various components, but these components should not be limited by these terms. These terms are merely used to distinguish one component from another. Embodiments described and illustrated herein also include complementary embodiments thereof.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.The terminology used herein is for describing embodiments and is not intended to limit the invention. As used herein, singular forms also include plural forms, unless specifically stated otherwise in the context. As used in the specification, 'comprises' and/or 'comprising' does not exclude the presence or addition of one or more other elements.

아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는데 있어 별 이유 없이 혼돈이 오는 것을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.In describing specific embodiments below, various specific details have been written to explain the invention in more detail and to aid understanding. However, a reader with sufficient knowledge in the field to understand the present invention can recognize that it can be used without these various specific details. In some cases, it is mentioned in advance that when describing the invention, parts that are commonly known but are not significantly related to the invention are not described in order to prevent confusion without any reason in explaining the invention.

이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 필름캐패시터를 이용한 마찰대전 발전기 및 그 작동방법에 대해 설명하도록 한다. Hereinafter, a triboelectric generator using a film capacitor according to an embodiment of the present invention and its operating method will be described.

먼저, 도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 필름캐패시터를 이용한 마찰대전 발전기의 사시도를 도시한 것이다. 그리고 도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 필름캐패시터를 이용한 마찰대전 발전기의 작동방법의 흐름도를 도시한 것이다. First, Figure 1 shows a perspective view of a triboelectric generator using a film capacitor according to the first embodiment of the present invention. And Figure 2 shows a flow chart of the operating method of the triboelectric generator using a film capacitor according to the first embodiment of the present invention.

본 발명의 제1실시예에 따른 필름캐패시터를 이용한 마찰대전 발전기(100)는 전체적으로 외부실린더(10), 복수의 내부실린더(20), 내부실린더(20) 외면에 구비되는 필름캐패시터(30), 회전인가부재(80) 등을 포함하여 구성된다. The triboelectric generator 100 using a film capacitor according to the first embodiment of the present invention includes an external cylinder 10, a plurality of internal cylinders 20, a film capacitor 30 provided on the outer surface of the internal cylinder 20, It is composed of a rotation applying member 80, etc.

외부실린더(10)는 음전하대전부(3), 전극부(4), 양전하대전부(2)를 포함하여 구성된다. 즉, 음전하대전부(3), 전극부(4), 양전하대전부(2), 전극부(4)가 원주방향으로 순차적으로 연결되어 실린더 형태를 갖게 된다. The external cylinder 10 includes a negatively charged portion (3), an electrode portion (4), and a positively charged portion (2). That is, the negatively charged portion 3, the electrode portion 4, the positively charged portion 2, and the electrode portion 4 are sequentially connected in the circumferential direction to have a cylindrical shape.

도 1에 도시된 바와 같이, 원주방향으로 일측단에 위치되며 호형태의 단면으로 구성되는 양전하대전부(2)와, 타측단에 위치되며 호형태의 단면으로 구성되는 음전하대전부(3)가 서로 대향된 위치로 배치된다. 그리고 양전하대전부(2)와 음전하대전부(3) 사이 양단 각각에 전극부(4)가 연결된 형태를 갖는다. As shown in Figure 1, a positively charged portion (2) located at one end in the circumferential direction and composed of an arc-shaped cross section, and a negatively charged portion (3) located at the other end and composed of an arc-shaped cross section. They are placed in positions opposite to each other. And, the electrode portion 4 is connected to both ends between the positively charged portion 2 and the negatively charged portion 3.

본 발명의 실시예에 따른 내부실린더(20)는 외면이 외부실린더(10)의 내면 각각에 접촉되며 회전가능하도록 위치되고, 외부실린더(10)의 길이방향 중심축을 기준으로 서로 대향된 위치로 배치된다. The inner cylinder 20 according to an embodiment of the present invention is positioned so that its outer surface is in contact with each of the inner surfaces of the outer cylinder 10 and is rotatable, and is arranged in opposing positions with respect to the longitudinal central axis of the outer cylinder 10. do.

그리고 내부실린더(20) 외면 각각에 필름캐패시터(30)가 구비된다. 이러한 필름캐패시터(30)는 내부실린더(20) 외면에 구비되는 제1전극층(31), 제1전극층(31) 외면에 구비되는 폴리머필름(32), 폴리머필름(32)에 외면에 구비되는 제2전극층(33)을 포함하여 구성된다. And a film capacitor 30 is provided on each outer surface of the inner cylinder 20. This film capacitor 30 includes a first electrode layer 31 provided on the outer surface of the inner cylinder 20, a polymer film 32 provided on the outer surface of the first electrode layer 31, and a first electrode layer 32 provided on the outer surface of the polymer film 32. It is composed of two electrode layers (33).

실시예에서 음전하대전부(3)는 PTFE, 양전하대전부(2)는 나일론, 폴리머필름(32)은 폴리스틸렌, 내부실린더(20)는 PMMA로 구성될 수 있다. In an embodiment, the negatively charged part 3 may be made of PTFE, the positively charged part 2 may be made of nylon, the polymer film 32 may be made of polystyrene, and the inner cylinder 20 may be made of PMMA.

또한 회전인가부재(80)는 내부 실린더(20) 각각이 외부 실린더(10) 내면과 접촉되며 회전되도록 한다. 즉, 회전인가부재(80)에 의해 각각의 내부실린더(20)는 외부실린더(10)의 길이방향 중심축으로 기준으로 공전하면서 동시에 외면이 외부실린더(10) 내면과 접촉, 마찰되면서 공전방향과 반대방향으로 각각 자전운동을 하게 된다. Additionally, the rotation applying member 80 allows each of the inner cylinders 20 to rotate while contacting the inner surface of the outer cylinder 10. That is, by the rotation applying member 80, each inner cylinder 20 rotates with respect to the longitudinal central axis of the outer cylinder 10, and at the same time, the outer surface contacts and rubs with the inner surface of the outer cylinder 10, thereby rotating in the direction of rotation. Each rotates in the opposite direction.

구체적으로 회전인가부재(80)는 도 1에 도시된 바와 같이, 중심회전축(81), 연결부재(82), 베어링수납부(83), 베어링(84), 내부실린더 연결회전축(45)을 포함하여 구성될 수 있다. Specifically, as shown in FIG. 1, the rotation applying member 80 includes a central rotating shaft 81, a connecting member 82, a bearing storage portion 83, a bearing 84, and an internal cylinder connecting rotating shaft 45. It can be configured as follows.

내부실린더 연결회전축(85)은 내부실린더 각각의 전방면 중심점에서 돌출된 형태로 구성되며 연결회전축(85) 각각은 베어링 수납부(83) 중앙에 위치되게 된다. 그리고 베어링 수납부(83)와 연결회전축(85) 사이에는 베어링(84)이 구비되게 된다. 그리고 이러한 베어링 수납부(83) 각각은 연결부재(82)에 의해 중심회전축(81)과 연결된 구조는 갖는다. The inner cylinder connection rotation shaft 85 is configured to protrude from the center point of the front surface of each inner cylinder, and each connection rotation shaft 85 is located at the center of the bearing storage portion 83. And a bearing 84 is provided between the bearing storage portion 83 and the connecting rotation shaft 85. And each of these bearing storage parts 83 has a structure connected to the central rotation axis 81 by a connecting member 82.

따라서 외부 힘에 의해 중심회전축(81)을 회전하게 되면 각각의 내부실린더(20)는 외부실린더(10)의 길이방향 중심축으로 기준으로 공전하면서 동시에 외면이 외부실린더(10) 내면과 접촉, 마찰되면서 공전방향과 반대방향으로 각각 자전운동을 하게 된다(S1). Therefore, when the central rotation axis 81 is rotated by an external force, each inner cylinder 20 rotates around the longitudinal central axis of the outer cylinder 10, and at the same time, the outer surface contacts the inner surface of the outer cylinder 10, causing friction. As it does so, it rotates in the direction opposite to its orbital direction (S1).

이러한 운동에 의해 음전하대전부(3)에 마찰되어 회전되는 내부실린더(20)의 필름캐패시터(30)는 양전하를 축적하고, 양전하대전부(2)에 마찰되어 회전되는 내부실린더(20)의 필름캐패시터(30)는 음전하를 축적하게 된다(S2). Due to this movement, the film capacitor 30 of the inner cylinder 20, which is rotated by rubbing against the negatively charged part 3, accumulates positive charge, and the film of the inner cylinder 20, which is rubbed and rotated by the positively charged part 2, accumulates positive charge. The capacitor 30 accumulates negative charges (S2).

그리고 양전하가 축적된 필름캐패시터(30)와 음전하가 축적된 필름캐패시터(30)가 전극부(4)에 접촉될 때(S3), 전위차에 의해 전력을 생산하게 된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 양단의 전극부(4)는 서로 대향된 위치에 구비되어 양전하가 축적된 필름캐패시터(30)와 음전하가 축적된 필름캐패시터(30)가 양단의 전극부(4) 각각에 동시에 접촉되게 된다. And when the film capacitor 30 with accumulated positive charges and the film capacitor 30 with accumulated negative charges come into contact with the electrode part 4 (S3), power is produced by the potential difference. As shown in FIG. 1, the electrode portions 4 at both ends are provided at opposite positions, and the film capacitor 30 with accumulated positive charges and the film capacitor 30 with accumulated negative charges are connected to the electrode portions 4 at both ends. Each is touched at the same time.

또한 양단의 전극부(4)에 연결되는 스파크 갭(50)을 포함할 수 있다. 이러한 스파크 갭(50)은 양단의 전극부(4) 각각에 연결되는 금속구(51)와, 한 쌍의 금속구(51) 사이공간인 에어갭(52)을 포함하여 구성될 수 있다. It may also include a spark gap 50 connected to the electrode portions 4 at both ends. This spark gap 50 may include a metal sphere 51 connected to each of the electrode parts 4 at both ends, and an air gap 52 that is a space between the pair of metal spheres 51.

따라서 양전하가 축적된 필름캐패시터(30)와 음전하가 축적된 필름캐패시터(30)가 양단의 전극부(4) 각각에 동시에 접촉하게 될 때 마다, 한 쌍의 금속구(51) 각각에서는 양전하와 음전하를 축적하여(S4) 그 사이에서 전위차가 발생되게 되며, 이러한 전위차가 공기항복전압을 초과하면 정전기 방전(ESD)되어 주기적으로 피크전력을 생산하게 된다(S5). Therefore, whenever the film capacitor 30 in which positive charges are accumulated and the film capacitor 30 in which negative charges are accumulated simultaneously contact each of the electrode portions 4 at both ends, positive and negative charges are generated in each of the pair of metal spheres 51. is accumulated (S4) and a potential difference is generated between them, and when this potential difference exceeds the air breakdown voltage, electrostatic discharge (ESD) occurs and peak power is periodically produced (S5).

도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 필름캐패시터를 이용한 마찰대전 발전기의 단면도를 도시한 것이다. 그리고 도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 필름캐패시터를 이용한 마찰대전 발전기에서 발생한 전기 출력전압 및 전류 그래프를 도시한 것이다. Figure 3 shows a cross-sectional view of a triboelectric generator using a film capacitor according to a second embodiment of the present invention. And Figure 4 shows a graph of the electrical output voltage and current generated from the triboelectric generator using a film capacitor according to the second embodiment of the present invention.

본 발명의 제2실시예에 따른 필름캐패시터를 이용한 마찰대전 발전기는 접촉 분리 입력에 의한 플레이트 타입 마찰대전발전기의 형태를 갖는다. The triboelectric generator using a film capacitor according to the second embodiment of the present invention has the form of a plate-type triboelectric generator with contact separation input.

본 발명의 제2실시예에서는 기판(1)상에 구비되는 서로 특정간격 이격되어 배치되는 필름캐패시터(30)와, 평방향으로 일측단에 위치되는 양전하대전부(2)와, 타측단에 양전자대전부(2)와 연결되는 음전하대전부(3)를 갖는 대전물질부를 포함하여 구성된다. 따라서 대전물질부를 필름캐패시터(30)에 접촉, 분리하는 경우, 양전하대전부(2)와 접촉, 분리되는 필름캐패시터(30)는 음전하를 축적하고, 음전하대전부(3)와 접촉, 분리되는 필름캐패시터(30)는 양전하는 축적하여 전위차에 의해 전력을 생산하게 된다. In the second embodiment of the present invention, a film capacitor 30 is provided on the substrate 1 and disposed at a specific distance from each other, a positively charged portion 2 is located at one end in a horizontal direction, and a positive electron is disposed at the other end. It is comprised of a charged material portion having a negatively charged charging portion (3) connected to the charging portion (2). Therefore, when the charged material portion is contacted and separated from the film capacitor 30, the film capacitor 30 that is in contact with and separated from the positively charged portion (2) accumulates negative charges, and the film that is in contact with and separated from the negatively charged portion (3) The capacitor 30 accumulates positive charges and produces power by potential difference.

이러한 필름캐패시터(30)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 음전하대전부(3)와 대향된 위치에 구비되는 제1필름캐패시터(60)와, 제1필름캐패시터(60)와 특정간격 이격되며 양전하대전부(2)와 대향된 위치에 구비되는 제2필름캐패시터(70)를 포함하여 구성된다. As shown in FIG. 3, this film capacitor 30 is spaced a certain distance from the first film capacitor 60, which is provided in a position opposite to the negatively charged part 3, and It is configured to include a second film capacitor (70) provided at a position opposite to the positively charged part (2).

또한 제1, 제2필름캐패시터(60,70) 각각은, 기판(1) 외면에 구비되는 제1전극층(31), 제1전극층(31) 외면에 구비되는 폴리머필름(32), 폴리머필름(32)에 외면에 구비되는 제2전극층(33)을 포함한다. 음전하대전부(3)는 PTFE, 양전하대전부(2)는 나일론, 폴리머필름(32)은 폴리스틸렌으로 구성될 수 있다. In addition, each of the first and second film capacitors 60 and 70 includes a first electrode layer 31 provided on the outer surface of the substrate 1, a polymer film 32 provided on the outer surface of the first electrode layer 31, and a polymer film ( 32) includes a second electrode layer 33 provided on the outer surface. The negatively charged part 3 may be made of PTFE, the positively charged part 2 may be made of nylon, and the polymer film 32 may be made of polystyrene.

따라서 음전하대전부(3)에 접촉, 분리되는 제1필름캐패시터(60)는 양전하를 축적하고, 양전하대전부(2)에 접촉, 분리되는 제2필름캐패시터(70)는 음전하를 축적하게 된다. Accordingly, the first film capacitor 60, which is in contact with and separated from the negatively charged part 3, accumulates positive charges, and the second film capacitor 70, which is in contact with and separated from the positively charged part 2, accumulates negative charges.

또한 도 3에 도시된 바와 같이, 제1필름캐패시터(60)와 제2필름캐패시터(70) 사이에 연결되는 스파크 갭(50)을 포함할 수 있다. 이러한 스파크 갭(50)은 제1, 제2필름캐패시터(60, 70) 각각에 연결되는 금속구(51)와, 한 쌍의 금속구(51) 사이공간의 에어갭(52)을 포함한다. 따라서 전위차가 공기항복전압을 초과하면 정전기 방전(ESD)되어 주기적으로 피크전력을 생산할 수 있게 된다. Additionally, as shown in FIG. 3, it may include a spark gap 50 connected between the first film capacitor 60 and the second film capacitor 70. This spark gap 50 includes metal spheres 51 connected to each of the first and second film capacitors 60 and 70, and an air gap 52 in the space between the pair of metal spheres 51. Therefore, when the potential difference exceeds the air breakdown voltage, electrostatic discharge (ESD) occurs, allowing peak power to be produced periodically.

즉, 서로 분리된 두 필름캐패시터를 기반에 위치시키고 위쪽 평면인 대전물질부 중에 한쪽에는 음으로 대전되기 쉬운 물질을 위치시키고 다른 한쪽에는 양으로 대전되기 쉬운 물질을 위치시킨 후 두 평면을 접촉-분리시키는 경우 출력이 발생한다. 이때 두 필름 캐패시터의 아래쪽 전극인 제1전극층들을 연결시키되 그 사이에 스파크 갭을 연결하게 되면 발생하는 출력이 증폭된다. 도 4에 도시된 바와 같이, 발생하는 출력은 아래와 같으며 피크 개회로 전압이 최대 700 V, 피크 폐회로 전류이 최대 1.38 A가 발생하였다.In other words, place two film capacitors separated from each other on the base, place a material that is easily negatively charged on one side of the charged material portion, which is the upper plane, and place a material that is easily positively charged on the other side, and then contact and separate the two planes. If ordered, output is generated. At this time, when the first electrode layers, which are the lower electrodes of the two film capacitors, are connected and a spark gap is connected between them, the generated output is amplified. As shown in Figure 4, the generated output is as follows, with a peak open-circuit voltage of up to 700 V and a peak closed-circuit current of up to 1.38 A.

도 5a는 본 발명의 제3실시예에 따라 필름캐패시터가 부착된 기판 사진을 도시한 것이다. 그리고 도 5b는 도 5a에서 필름캐패시터 상면에 대전물질부가 접촉된 상태의 사진을 도시한 것이다. 도 6은 본 발명의 제3실시예에 따라 발생한 전기 출력 전압 및 전류 그래프를 도시한 것이다. Figure 5a shows a photograph of a substrate with a film capacitor attached according to a third embodiment of the present invention. And FIG. 5B shows a photograph of the charging material portion in contact with the upper surface of the film capacitor in FIG. 5A. Figure 6 shows a graph of the electrical output voltage and current generated according to the third embodiment of the present invention.

본 발명의 제3실시예에 따른 필름캐패시터를 이용한 마찰대전 발전기(100)는 도 5a에 도시된 바와 같이, 원판형태의 기판(1)상에 필름캐패시터(30)가 구비된다. As shown in FIG. 5A, the triboelectric generator 100 using a film capacitor according to the third embodiment of the present invention is provided with a film capacitor 30 on a disk-shaped substrate 1.

그리고 대전물질부는 필름캐패시터(30)와 접촉되게 되고, 회전인가부를 통해 대전물질부 또는 기판을 회전시켜 서로마찰이 발생되도록 구성된다. Then, the charged material portion comes into contact with the film capacitor 30, and the charged material portion or the substrate is rotated through the rotation application portion to generate mutual friction.

대전물질부는 평면방향으로 일측단에 위치되며 필름캐패시터(30)와 접촉되는 양전하대전부(2)와, 타측단에 위치되며 필름캐패시터(30)와 접촉되는 음전하대전부(3)와, 음전하대전부(3)와 양전하대전부(2) 사이에 구비되며 서로 특정간격 이격되는 한 쌍의 전극부(4)를 갖는 형태로 구성될 수 있다. 즉, 원판형 기판(1) 상에 부착된 필름캐패시터(30)의 일측에 반원형태의 음전하대전부(3)가 접촉되고, 타측에 반원형태의 양전하대전부(2)가 접촉되도록 구성될 수 있고, 이러한 반원형태의 음전하대전부(3)와 양전하대전부(2) 사이에 서로 분리된 2개의 전극부(4)가 연결된 형태를 갖는다. The charged material portion includes a positively charged portion (2) located at one end in a planar direction and in contact with the film capacitor 30, a negatively charged portion (3) located at the other end and in contact with the film capacitor 30, and a negatively charged portion It may be configured to have a pair of electrode portions (4) provided between the portion (3) and the positively charged portion (2) and spaced apart from each other at a specific interval. That is, the semicircular negatively charged portion 3 may be in contact with one side of the film capacitor 30 attached to the disc-shaped substrate 1, and the semicircular positively charged portion 2 may be in contact with the other side. There is a shape in which two separate electrode parts 4 are connected between the semicircular negatively charged part 3 and the positive charged part 2.

그리고 대전물질부 또는 기판을 회전시키는 경우, 양전하대전부(2)와 접촉되어 마찰되는 필름캐패시터(30)는 음전하를 축적하고, 음전하대전부(3)와 접촉되어 마찰되는 필름캐패시터(30)는 양전하는 축적하게 된다. And when the charged material portion or the substrate is rotated, the film capacitor 30 that contacts and rubs with the positively charged portion (2) accumulates negative charges, and the film capacitor (30) that contacts and rubs with the negatively charged portion (3) accumulates negative charges. Positive charges accumulate.

그리고 양전하가 축적된 필름캐패시터(30)와 음전하가 축적된 필름캐패시터(30) 각각이 전극부(4)에 접촉될 때, 전위차에 의해 전력을 생산할 수 있게 된다. And when the film capacitor 30 with accumulated positive charges and the film capacitor 30 with accumulated negative charges each come into contact with the electrode unit 4, power can be produced by the potential difference.

또한 이러한 한 쌍의 전극부(4) 사이에 스파크 갭(50)이 연결될 수 있다. 이러한 스파크 갭(50)은 한 쌍의 전극부(4) 각각에 연결되는 금속구(51)와, 한 쌍의 금속구(51) 사이공간의 에어갭(52)을 포함하며, 전위차가 공기항복전압을 초과하면 정전기 방전(ESD)되어 주기적으로 피크전력을 생산하게 된다. Additionally, a spark gap 50 may be connected between this pair of electrode portions 4. This spark gap 50 includes a metal sphere 51 connected to each of the pair of electrode parts 4, and an air gap 52 in the space between the pair of metal spheres 51, and the potential difference is the air gap. If the voltage is exceeded, electrostatic discharge (ESD) occurs and peak power is periodically produced.

도 7a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 필름캐패시터 구조의 사시도, 도 7b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 필름캐패시터 구조의 단면도를 도시한 것이다. FIG. 7A is a perspective view of a film capacitor structure according to another embodiment of the present invention, and FIG. 7B is a cross-sectional view of a film capacitor structure according to another embodiment of the present invention.

이러한 또 다른 실시예에 따른 필름캐패시터 구조는 계단형 전극부(40)와 폴리머필름(32)으로 구성되며, 계단형 전극부(40)는 하단평탄부(41)와 하단평단부(41) 일측 끝단에 절곡연결되는 수직연결단(42)과, 타측끝단이 수직연결단(42)의 상부 끝단과 연결되는 상단평단부(43)를 갖는 형태를 갖는다. 그리고 폴리머필름(32)의 하면은 하단평단부(41)에 접촉되고 상면은 또 다른 전극부의 상단평단부(43)에 접촉되게 된다. The film capacitor structure according to this other embodiment is composed of a stepped electrode portion 40 and a polymer film 32, and the stepped electrode portion 40 is located on one side of the lower flat portion 41 and the lower flat end portion 41. It has a form having a vertical connecting end 42 bent at the end, and an upper flat end 43 whose other end is connected to the upper end of the vertical connecting end 42. And the lower surface of the polymer film 32 is in contact with the lower flat end 41, and the upper surface is in contact with the upper flat end 43 of another electrode part.

즉, 또 다른 실시예에 따른 필름캐패시터 구조는 도 7a 및 도 7b에 도시된 바와 같이, 필름캐패시터 내부의 한 폴리머 필름의 한쪽 면에 닿아 있는 전극이 다른 한 폴리머 필름의 한쪽 면을 똑같이 닿아 있게 만듦으로써, 일반적인 필름캐패시터 구조와 달리 한쪽 면만으로도 전자의 축적 효과가 발생하여 이를 마찰대전 발전기에 활용할 경우 마찰대전으로 인한 발전량을 향상시킬 수 있다.That is, the film capacitor structure according to another embodiment makes the electrode touching one side of one polymer film inside the film capacitor equally touch one side of the other polymer film, as shown in FIGS. 7A and 7B. As a result, unlike the general film capacitor structure, an electron accumulation effect occurs on only one side, and when used in a triboelectric generator, the amount of power generation due to triboelectricity can be improved.

이하에서는 앞서 언급한 본 발명의 제1실시예에 따른 필름캐패시터를 이용한 마찰대전 발전기(FCC-TENG)에 따른 실제 제작예와 실험예 및 그 결과에 대해 설명하도록 한다. 이하에서 언급하는 것은 하나의 바람직한 실험예로서, 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니며 권리범위는 청구범위에 의해 해석되어야 할 것이다. Hereinafter, actual manufacturing and experimental examples and results of the triboelectric charge generator (FCC-TENG) using a film capacitor according to the first embodiment of the present invention mentioned above will be described. What is mentioned below is a preferred experimental example, and the scope of rights is not limited thereto and the scope of rights should be interpreted in accordance with the claims.

본 발명의 제1실시예에 따른 FCC-TENG는 도 8a에 도시된 바와 같이, 외부 실린더, 4개의 FCC 실린더, 베어링이 있는 다른 4개의 FCC 실린더 사이의 조인트 및 스파크 갭의 네 부분으로 구성된다. 외부 실린더는 유전체부(폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 양전하유도부(나일론) 및 전극부(알루미늄)로 구성된다. 또한, FCC 실린더는 도 8c에 도시된 바와 같이, 제1전극층-폴리머필름(유전체필름(폴리스티렌))-제2전극층이 PMMA(폴리메틸 메타크릴레이트) 기판 실린더를 덮고 있는 필름 커패시터 구조를 기반으로 한다.The FCC-TENG according to the first embodiment of the present invention is composed of four parts, as shown in Figure 8a, an outer cylinder, four FCC cylinders, a joint between the other four FCC cylinders with bearings, and a spark gap. The outer cylinder is composed of a dielectric part (polytetrafluoroethylene (PTFE)), a positive charge inducing part (nylon), and an electrode part (aluminum). In addition, as shown in Figure 8c, the FCC cylinder has a first electrode layer - polymer film ( Dielectric film (polystyrene) - based on a film capacitor structure where the second electrode layer covers a PMMA (polymethyl methacrylate) substrate cylinder.

입력 회전에 의해 조인트가 회전하면 4개의 내부 실린더도 외부 실린더 내면에 접촉하면서 외부 실린더 내에서 개별적으로 회전한다. 필름캐패시터 기반 내부 실린더(이하 FCC)가 PTFE 또는 나일론 표면에 접촉하면 FCC 내부의 폴리스티렌 필름이 PTFE 또는 나일론의 표면 전하에 의해 분극되어 FCC에 전하가 축적된다. 대각선으로 위치한 두 개의 FCC가 외부 실린더의 내부 표면에 부착된 전하 수집 전극과 동시에 접촉하면 모든 FCC가 축적된 전하를 스파크 갭으로 방출한다. 이로 인해 스파크 갭에서 큰 전위차가 발생하여 도 8c와 같이 정전기 방전(ESD)이 발생한다. 도 8d 및 도 8e에 도시된 바와 같이, ESD로 인해 FCC-TENG는 각각 최대 5000V 및 15A의 하이 피크 VOC 및 ICC 출력을 생성할 수 있음을 알 수 있다. FCC-TENG는 고전력 출력을 생성할 수 있으므로 다양한 회로의 전원으로 쉽게 활용할 수 있다. 도 8f와 같이 FCC-TENG는 외부 장치 또는 간단한 EMS에 직접 연결할 수 있으며 다양한 전자 장치에 직접 에너지를 공급하거나 배터리를 충전할 수 있다.When the joint rotates due to input rotation, the four inner cylinders also rotate individually within the outer cylinder while contacting the inner surface of the outer cylinder. When the film capacitor-based inner cylinder (hereinafter referred to as FCC) contacts the surface of PTFE or nylon, the polystyrene film inside the FCC is polarized by the surface charge of PTFE or nylon, causing charges to accumulate in the FCC. When two diagonally positioned FCCs simultaneously contact a charge collection electrode attached to the inner surface of the outer cylinder, all FCCs release their accumulated charge into the spark gap. This causes a large potential difference in the spark gap, resulting in electrostatic discharge (ESD) as shown in Figure 8c. As shown in Figures 8d and 8e, it can be seen that due to ESD, the FCC-TENG can generate high peak VOC and ICC outputs of up to 5000V and 15A, respectively. FCC-TENG can generate high-power output, so it can be easily used as a power source for various circuits. As shown in Figure 8f, the FCC-TENG can be directly connected to an external device or a simple EMS and can directly supply energy to various electronic devices or charge a battery.

도 9a 내지 도 9c는 FCC-TENG의 작동 메커니즘을 보여준다. FCC가 나일론 위에서 굴러갈 때 나일론 표면의 양의 표면 전하는 FCC의 외부 표면에서 음의 전하를 유도한다(도 9a-i). 동시에 양전하는 전기장에 의해 FCC 내부의 유전막을 분극화한다. 따라서 FCC 제2전극층(외부전극층) 내부의 전하는 나일론 표면의 양전하와 FCC 내부의 분극된 유전막에 의해 분극된다. 이 효과를 기반으로 FCC는 나일론 표면에서 롤링하여 음전하를 축적할 수 있다. 반대 전하를 가진 동일한 메커니즘에 따르면 FCC는 PTFE 표면과 접촉할 때 양전하를 축적할 수 있다. FCC가 PTFE 표면에서 구르면 PTFE의 음의 표면 전하는 외부 FCC 표면에서 양전하를 유도하고 유전체 필름을 분극화하게 된다(도 9a-ii). 필름이 편광되면 FCC는 PTFE 표면에서 구르면서 외부 표면에 양전하를 축적할 수 있습니다. 따라서 FCC가 나일론과 같은 양전하를 띤 물질을 구르면 FCC가 표면에 음전하를 축적할 수 있고, PTFE와 같은 음전하를 띤 물질을 FCC가 구르면 FCC가 양전하를 축적할 수 있다.Figures 9a to 9c show the working mechanism of FCC-TENG. When the FCC rolls on nylon, the positive surface charge on the nylon surface induces a negative charge on the outer surface of the FCC (Figure 9a-i). At the same time, the positive charge polarizes the dielectric film inside the FCC by the electric field. Therefore, the charge inside the FCC second electrode layer (external electrode layer) is polarized by the positive charge on the nylon surface and the polarized dielectric film inside the FCC. Based on this effect, FCC can accumulate negative charges by rolling on the nylon surface. Following the same mechanism with opposite charges, FCC can accumulate a positive charge when in contact with a PTFE surface. When the FCC rolls on the PTFE surface, the negative surface charge of the PTFE induces a positive charge on the outer FCC surface and polarizes the dielectric film (Figure 9a-ii). When the film is polarized, the FCC can roll on the PTFE surface and accumulate a positive charge on the outer surface. Therefore, when FCC rolls a positively charged material such as nylon, the FCC can accumulate negative charges on the surface, and when the FCC rolls a negatively charged material such as PTFE, the FCC can accumulate positive charges.

FCC에 축적된 전하는 FCC가 외부 실린더의 집전 전극과 접촉할 때 방전될 수 있다(도 9c의 E1 및 E2). 외부 실린더가 도 9a와 같이 설계되었으므로 시계 방향 회전 입력이 제공될 때 음으로 대전된 FCC(도 9a-i)는 E1에 접촉하고 양으로 대전된 FCC(도 9a-ii)는 E2에 동시에 접촉한다. FCC 각각이 E1과 E2에 접촉할 때, 양으로 대전된 FCC는 E1을 통해 스파크 갭으로 양전하를 방출하고, 음으로 대전된 FCC는 E2를 통해 스파크 갭으로 음전하를 방출한다. 이 프로세스는 도 9b와 같이 ESD의 생성으로 이어지며, FCC가 E1 및 E2에 접촉하기 전에 FCC가 축적된 전하를 E1 및 E2로 방출할 수 있기 때문이다. 전하가 스파크 갭으로 전달되면 스파크 갭 사이에 큰 전위차가 발생한다(도 9c). 이러한 큰 전위차로 인해 ESD가 에어 갭 내에서 발생하여 결국 높은 피크 출력을 생성한다.The charge accumulated in the FCC can be discharged when the FCC contacts the current collecting electrode of the outer cylinder (E1 and E2 in Figure 9c). Since the outer cylinder is designed as in Fig. 9a, when a clockwise rotation input is provided, the negatively charged FCC (Fig. 9a-i) contacts E1 and the positively charged FCC (Fig. 9a-ii) simultaneously contacts E2. . When each FCC touches E1 and E2, the positively charged FCC releases positive charge into the spark gap through E1, and the negatively charged FCC releases negative charge into the spark gap through E2. This process leads to the creation of ESD, as shown in Figure 9b, because the FCC can release the accumulated charge to E1 and E2 before the FCC contacts E1 and E2. When charge is transferred to the spark gap, a large potential difference occurs between the spark gaps (Figure 9c). This large potential difference causes ESD to occur within the air gap, ultimately producing high peak output.

도 9d는 본 발명의 제1실시예에 따른 FCC-TENG의 사진을 보여준다. FCC-TENG는 PTFE와 나일론의 표면 전하를 생성하는 전하 펌프 역할을 하는 FCC 사이에 폴리이미드 필름을 포함한다. 분당 200회전(RPM)으로 회전할 때 FCC-TENG는 각각 최대 5000V 및 15A의 높은 피크 VOC 및 ICC 값을 생성할 수 있다(도 9e 및 2f). 또한 도 9e 및 2f에서 볼 수 있듯이 FCC-TENG는 스파크 갭이 없는 경우보다 훨씬 높은 출력을 생성할 수 있습니다. 스파크 갭이 있는 FCC-TENG는 높은 전기 출력으로 이어지는 큰 전위차를 유발할 수 있다. 그러나 스파크 갭이 없더라도 FCC-TENG는 약 200V와 동일한 최대 VOC 출력을 생성할 수 있다. 이 값은 스파크 갭이 있는 FCC-TENG의 VOC 출력에 비해 상당히 낮다. 이는 스파크 갭이 FCC-TENG로 높은 출력을 생성하는 데 중요한 역할을 한다는 것을 나타낸다.Figure 9d shows a photograph of the FCC-TENG according to the first embodiment of the present invention. FCC-TENG contains a polyimide film between PTFE and FCC, which acts as a charge pump to generate the surface charge of nylon. When rotating at 200 revolutions per minute (RPM), the FCC-TENG can produce high peak VOC and ICC values of up to 5000 V and 15 A, respectively (Figures 9e and 2f). Additionally, as can be seen in Figures 9e and 2f, the FCC-TENG can produce much higher power than without a spark gap. FCC-TENG with a spark gap can induce large potential differences leading to high electrical output. However, even without a spark gap, FCC-TENG can produce a maximum VOC output equal to approximately 200V. This value is significantly lower compared to the VOC output of an FCC-TENG with a spark gap. This indicates that the spark gap plays an important role in generating high output power with FCC-TENG.

스파크 갭의 역할을 명확히 하려면 다양한 갭 거리에서 FCC-TENG의 출력을 분석해야 한다. 도 10a는 0.5mm, 1mm, 2mm 및 3mm의 갭 거리에서 스파크 갭에서의 ESD 사진을 보여준다. 도 10b와 같이 FCC-TENG는 스파크 갭의 각 부분에 양전하와 음전하를 방출한다. 스파크 갭의 두 금속구가 연결되면(도 10c-i), 스파크 갭에서 전위차가 없기 때문에 FCC 내부에 축적된 전하는 스스로 제거된다. 간격 거리를 늘리면 유전체 역할을 하는 공기로 인해 금속구에 더 많은 전하가 축적될 수 있다(도 10c-ii-iv). 스파크 갭 사이의 전위차가 공기 항복 전압보다 높으면 ESD가 발생한다. 파센의 법칙에 따르면 항복 전압(VB)은 다음과 같이 나타낼 수 있다.To clarify the role of the spark gap, the output of the FCC-TENG should be analyzed at various gap distances. Figure 10a shows ESD pictures in the spark gap at gap distances of 0.5 mm, 1 mm, 2 mm and 3 mm. As shown in Figure 10b, FCC-TENG emits positive and negative charges to each part of the spark gap. When the two metal spheres in the spark gap are connected (Figure 10c-i), the charge accumulated inside the FCC is removed by itself because there is no potential difference in the spark gap. Increasing the gap distance allows more charges to accumulate on the metal sphere due to air acting as a dielectric (Figure 10c-ii-iv). ESD occurs when the potential difference between the spark gap is higher than the air breakdown voltage. According to Paschen's law, the breakdown voltage (VB) can be expressed as follows.

[수학식 1][Equation 1]

여기서 A, B 및 γse는 상수이고, p는 압력이다. d는 간격 거리이다. FCC-TENG가 동일한 주변 실내 압력 조건에서 작동한다는 점을 고려하면 두 금속구 사이의 공기 파괴 전압은 간격 거리에 의해 결정된다. 따라서 갭 거리가 증가함에 따라 항복 전압이 증가한다. 결과적으로 FCC-TENG는 스파크 갭 거리가 증가할 때 더 높은 피크 출력을 생성할 수 있다. 도 10d는 15% ~ 20% 범위의 상대 습도(RH)에서 서로 다른 간격 거리에서 측정된 FCC-TENG의 VOC를 보여준다. 스파크 갭이 연결되면 FCC-TENG는 거의 200V에 해당하는 VOC 출력만 생성할 수 있다. 그러나 0.5mm, 1mm, 2mm, 3mm 및 4mm의 갭 거리가 활용될 때 FCC-TENG는 각각 872V, 1624V, 3151V, 4254V 및 6295V의 평균 피크 VOC 출력을 생성한다. 피크 VOC 결과는 갭 거리에 따라 선형 증가를 나타내며 갭 거리로 나눈 피크 전압의 값은 약 1.6kV/mm이다. 따라서 이 결과는 스파크 갭이 있는 FCC-TENG가 공기의 항복 전압과 유사한 피크 VOC 출력을 생성할 수 있음을 나타낸다. 또한 도 10e와 같이 스파크 갭이 3mm인 FCC-TENG의 ICC가 스파크 갭이 0.5mm인 FCC-TENG의 ICC가 더 높으며 이는 스파크 갭 거리에 따라 전체 전력 출력이 증가함을 나타낸다.where A, B and γ se are constants and p is the pressure. d is the spacing distance. Considering that the FCC-TENG operates under the same ambient room pressure conditions, the air breakdown voltage between two metal spheres is determined by the gap distance. Therefore, as the gap distance increases, the breakdown voltage increases. As a result, FCC-TENG can produce higher peak power when the spark gap distance increases. Figure 10d shows the VOC of the FCC-TENG measured at different spacing distances at relative humidity (RH) ranging from 15% to 20%. When the spark gap is connected, the FCC-TENG can only produce a VOC output equivalent to nearly 200V. However, when gap distances of 0.5mm, 1mm, 2mm, 3mm, and 4mm are utilized, FCC-TENG produces average peak VOC outputs of 872V, 1624V, 3151V, 4254V, and 6295V, respectively. The peak VOC results show a linear increase with gap distance, with a value of peak voltage divided by gap distance of approximately 1.6 kV/mm. Therefore, these results indicate that an FCC-TENG with a spark gap can produce a peak VOC output similar to the breakdown voltage of air. Additionally, as shown in Figure 10e, the ICC of the FCC-TENG with a spark gap of 3 mm is higher than that of the FCC-TENG with a spark gap of 0.5 mm, indicating that the total power output increases with the spark gap distance.

도 10f와 같이 FCC-TENG는 작은 스파크 갭 거리로 낮은 피크 VOC를 생성할 수 있지만 갭 거리를 줄임으로써 피크 전압의 주파수가 증가한다. 100RPM의 동일한 회전 입력에서 스파크 갭이 0.5mm 및 3mm인 FCC-TENG는 각각 약 1000V의 46Hz 피크 VOC 출력과 약 3200V의 6Hz 피크 VOC 출력을 생성한다. 스파크 갭의 짧은 거리에서 항복 전압이 감소함에 따라 FCC에 축적된 전하가 스파크 갭을 통해 쉽게 전달되어 스파크 주파수가 증가할 수 있다. 피크 출력의 주파수는 스파크 갭의 먼 거리에서 감소하지만 스파크 갭 거리가 0mm에서 2mm로 증가할 때 RMS(제곱 평균 제곱근) 전압(VRMS)이 증가한다(도 10g). 스파크 갭 거리가 3mm일 때 VRMS는 스파크 갭 거리 2mm로 유도된 VRMS와 유사하다. 또한, 스파크 갭 거리가 4mm일 때 스파크의 주파수가 상당히 감소하여 VRMS가 감소한다. 이온화 에너지와 같은 스파크에 의해 전기 에너지 손실이 발생하므로 ESD 발생 시 전기 에너지가 감소할 수 있다. ESD로 인해 손실되는 전기 에너지는 에너지 손실량에 영향을 미치는 스파크 갭의 거리와 손실 빈도에 영향을 미치는 ESD의 주파수에 비례한다. 스파크 갭 거리가 감소할 때 스파크의 주파수가 증가한다는 점을 감안할 때, 스파크 갭의 거리와 ESD 주파수 사이에는 트레이드오프가 있다. 갭 거리가 증가함에 따라 낮은 주파수로 인해 RMS 전압이 증가하여 출력 손실이 절약된다. 그럼에도 불구하고 스파크 갭 거리가 4mm 이상 증가하면 갭 거리로 인한 전기 손실이 더 낮은 주파수에 의해 절약된 손실을 초과하여 더 낮은 FCC-TENG 출력을 생성한다.As shown in Figure 10f, FCC-TENG can produce low peak VOC with a small spark gap distance, but the frequency of peak voltage increases by reducing the gap distance. At the same rotational input of 100 RPM, the FCC-TENG with a spark gap of 0.5 mm and 3 mm produces a 46 Hz peak VOC output of approximately 1000 V and a 6 Hz peak VOC output of approximately 3200 V, respectively. As the breakdown voltage decreases at a short distance in the spark gap, the charge accumulated in the FCC can easily be transferred through the spark gap, increasing the spark frequency. The frequency of peak power decreases at greater distances in the spark gap, but the root mean square (RMS) voltage (VRMS) increases as the spark gap distance increases from 0 to 2 mm (Figure 10g). When the spark gap distance is 3 mm, the VRMS is similar to the VRMS induced with a spark gap distance of 2 mm. Additionally, when the spark gap distance is 4 mm, the frequency of the spark decreases significantly, resulting in a decrease in VRMS. Since electrical energy loss occurs due to sparks such as ionization energy, electrical energy may decrease when ESD occurs. The electrical energy lost due to ESD is proportional to the distance of the spark gap, which affects the amount of energy lost, and the frequency of the ESD, which affects the frequency of loss. Given that the frequency of sparks increases as the spark gap distance decreases, there is a trade-off between spark gap distance and ESD frequency. As the gap distance increases, the RMS voltage increases due to lower frequencies, saving power losses. Nevertheless, as the spark gap distance increases beyond 4 mm, the electrical losses due to the gap distance exceed the losses saved by the lower frequency, producing a lower FCC-TENG output.

3mm의 스파크 갭에서 FCC-TENG의 VOC 및 VRMS는 입력 회전 속도가 1000RPM으로 증가함에 따라 각각 최대 4000V 및 300V까지 증가한다(도 11a 및 11b). 회전 과정에서 100RPM 및 1000RPM의 회전 속도는 그림 4c와 같이 스파크 갭에서 정전기 방전을 생성한다. 100RPM의 입력과 비교하여 1000RPM의 입력은 높은 VRMS 출력에 기여한다. At a spark gap of 3 mm, the VOC and VRMS of the FCC-TENG increase up to 4000 V and 300 V, respectively, as the input rotation speed increases to 1000 RPM (Figures 11a and 11b). During the rotation process, rotation speeds of 100 RPM and 1000 RPM generate electrostatic discharge in the spark gap, as shown in Figure 4c. Compared to an input of 100 RPM, an input of 1000 RPM contributes to a higher VRMS output.

도 11d는 FCC-TENG의 단면을 보여준다. 여기서 L1은 전극부의 호 길이를 나타내고 L2는 나일론과 PTFE의 호 길이를 나타냅니다. 도 11e에서 볼 수 있듯이 FCC-TENG의 VOC 출력은 각 유전물질의 표면 전하량에 대한 제한으로 인해 내부 유전 물질의 표면적(L2 영역)에 크게 영향을 받는다. 표면전하의 양은 유전물질의 표면적에 비례하므로 전극의 면적(L1의 면적)이 증가할수록 생성되는 전압 피크의 수는 감소한다. 도 11f는 전극 면적 비율의 함수로 FCC-TENG의 VRMS의 변화를 보여준다. 전극부 면적 비율이 80%를 초과하면 급격히 감소하여 피크 수도 급격히 감소함을 보여준다. 이것은 FCC-TENG 작업 중 전위차가 FCC-TENG 내부의 유전체 물질의 표면 전위에 의해 생성됨을 나타낸다.Figure 11d shows a cross-section of the FCC-TENG. Here, L1 represents the arc length of the electrode part and L2 represents the arc length of nylon and PTFE. As can be seen in Figure 11e, the VOC output of the FCC-TENG is greatly affected by the surface area (L2 region) of the internal dielectric material due to the limitation on the surface charge amount of each dielectric material. Since the amount of surface charge is proportional to the surface area of the dielectric material, as the area of the electrode (area of L1) increases, the number of voltage peaks generated decreases. Figure 11f shows the change in VRMS of the FCC-TENG as a function of electrode area ratio. When the electrode area ratio exceeds 80%, it decreases rapidly, showing that the number of peaks also decreases rapidly. This indicates that the potential difference during FCC-TENG operation is generated by the surface potential of the dielectric material inside the FCC-TENG.

FCC-TENG의 출력은 사용된 유전체 재료의 표면 전하에 영향을 받기 때문에 전기 출력은 유전체 재료를 기반으로 측정되었다(도 11g). FCC-TENG(M1)의 한 면이 대표적인 음전하 물질 중 하나인 PTFE(도 11h)로 고정되었을 때 FCC-TENG의 VRMS는 다른 한 면과 유사하게 1V 미만의 값을 산출했다. FCC-TENG(M2)의 또한 PTFE였다. M2의 재료가 상대적으로 양전하를 띤 재료인 폴리스티렌, 종이 및 나일론인 경우 더 높은 VRMS 값을 얻게 된다. FCC-TENG의 한 면이 나일론으로 고정된 경우(도 11i), FCC-TENG의 다른 면에 양전하 물질이 있을 때 FCC-TENG는 낮은 VRMS를 산출하는 반면, PTFE가 다른 면에 사용될 때 더 높은 VRMS 값이 생성되었다. 이것은 두 표면 전하 사이의 전위차가 증가함에 따라 FCC-TENG가 더 높은 전기 출력을 생성한다는 것을 나타낸다.Since the output of the FCC-TENG is affected by the surface charge of the dielectric material used, the electrical output was measured based on the dielectric material (Figure 11g). When one side of the FCC-TENG (M1) was fixed with PTFE (Figure 11h), one of the representative negatively charged materials, the VRMS of the FCC-TENG yielded a value of less than 1 V, similar to the other side. FCC-TENG(M2) was also PTFE. Higher VRMS values are obtained if the materials in M2 are relatively positively charged materials such as polystyrene, paper, and nylon. When one side of the FCC-TENG is fixed with nylon (Figure 11i), the FCC-TENG yields low VRMS when there is a positively charged material on the other side of the FCC-TENG, whereas higher VRMS is achieved when PTFE is used on the other side. A value has been created. This indicates that the FCC-TENG produces higher electrical output as the potential difference between the two surface charges increases.

도 12a 및 12b는 10~100MΩ의 외부 부하에 따른 FCC-TENG의 전기 출력을 보여준다. 도 12a와 같이 VRMS는 부하 저항이 증가함에 따라 증가한다. 도 12a의 삽입도에서 볼 수 있듯이 VOC 피크는 VRMS와 유사한 방식으로 증가한다. 반대로 RMS 전류(IRMS)는 부하 저항이 500Ω에 도달할 때까지 감소하고 부하 저항이 100MΩ까지 증가하더라도 비교적 일정하게 유지된다(도 12b). 이 결과는 기존 TENG에서 얻은 전기 출력 결과와 모순된다. 그러나 금속 대 금속 접촉 또는 ESD를 사용하는 TENG에 대해 유사한 결과가 보고되었다. 기존 문헌으로 볼 때 이러한 결과는 전극 사이의 ESD에 기인한 것으로 보이지만, 이러한 전류 출력의 정확한 원인을 분석하기 위해서는 추가적인 연구가 필요하다. 외부 부하가 증가한 경우에도 유지된 IRMS 값으로 인해 FCC-TENG에서 생성된 RMS 전력은 외부 부하가 100MΩ일 때 최대 380mW까지 증가했다.Figures 12a and 12b show the electrical output of the FCC-TENG with an external load of 10 to 100 MΩ. As shown in Figure 12a, VRMS increases as the load resistance increases. As can be seen in the inset of Figure 12a, the VOC peak increases in a similar manner to VRMS. Conversely, the RMS current (IRMS) decreases until the load resistance reaches 500 Ω and remains relatively constant even as the load resistance increases to 100 MΩ (Figure 12b). This result contradicts the electrical output results obtained from conventional TENGs. However, similar results have been reported for TENGs using metal-to-metal contact or ESD. Based on existing literature, these results appear to be due to ESD between electrodes, but additional research is needed to analyze the exact cause of this current output. With IRMS values maintained even when the external load increased, the RMS power generated by the FCC-TENG increased up to 380 mW when the external load was 100 MΩ.

생성된 에너지를 효과적으로 저장하기 위해 FCC-TENG를 변압기와 정류기로 구성된 간단한 EMS에 연결할 수 있다(도 12d). 도 12e는 스파크 갭, 변압기 및 정류기와 연결된 FCC-TENG의 사진을 보여준다. 생성된 전력은 기존 커패시터 또는 LIB 배터리에 저장할 수 있다. EMS의 인덕턴스는 변압기 내부의 코일 수와 관련이 있으므로 코일 수에 따라 FCC-TENG의 충전 시간을 비교했다(그림 5f). 3000 turn(100μF, 1차 권선, N1)으로 EMS에 연결된 커패시터를 FCC-TENG로 충전했다. 2차 권선(N2)의 권선 수가 120회까지 증가함에 따라 FCC-TENG의 충전 속도도 증가했다. 도 12g는 5초 동안 다른 커패시터에 저장된 에너지를 보여준. 총 에너지 W는 다음과 같이 설명할 수 있다.To effectively store the generated energy, the FCC-TENG can be connected to a simple EMS consisting of a transformer and a rectifier (Figure 12d). Figure 12e shows a photograph of the FCC-TENG connected to the spark gap, transformer and rectifier. The generated power can be stored in conventional capacitors or LIB batteries. Since the inductance of the EMS is related to the number of coils inside the transformer, the charging time of the FCC-TENG was compared according to the number of coils (Figure 5f). The capacitor connected to the EMS was charged with FCC-TENG at 3000 turns (100 μF, primary winding, N1). As the number of turns of the secondary winding (N2) increased to 120, the charging speed of the FCC-TENG also increased. Figure 12g shows the energy stored in another capacitor over 5 seconds. The total energy W can be explained as follows.

[수학식 2][Equation 2]

여기서 C는 커패시턴스이고 V는 커패시터의 전압이다. 이 방정식에 따르면 FCC-TENG는 22μF 커패시터에 최대 1.28mJ의 에너지를 저장할 수 있다. 커패시터의 더 높은 커패시턴스가 연결되면 저장된 에너지가 감소한다. 이 결과는 TENG의 임피던스와 일치하는 최적의 부하 커패시턴스가 최대 에너지를 저장할 수 있다. 저장된 에너지는 최적의 부하 커패시턴스보다 낮지만 저장된 에너지는 다양한 기존 전자 장치에 활용될 수 있다. FCC-TENG 출력을 기반으로 도 12h와 같이 mFD(밀리패럿) 커패시터도 충전할 수 있다. FCC-TENG는 40초 동안 작동할 때 10mF 커패시터를 1V로 충전할 수 있었다.Where C is the capacitance and V is the voltage across the capacitor. According to this equation, FCC-TENG can store up to 1.28mJ of energy in a 22μF capacitor. As the higher capacitance of the capacitor is connected, the stored energy decreases. This result shows that the optimal load capacitance matching the impedance of the TENG can store the maximum energy. Although the stored energy is lower than the optimal load capacitance, the stored energy can be utilized in a variety of conventional electronic devices. Based on the FCC-TENG output, the mFD (millifarad) capacitor can also be charged as shown in Figure 12h. The FCC-TENG was able to charge a 10mF capacitor to 1V when operated for 40 seconds.

FCC-TENG는 낮은 입력으로 고전력 출력을 생성하므로 손으로 조작할 수 있다. 또한 FCC-TENG의 고출력으로 인해 도 13a와 같은 세 가지 유형의 회로와 같은 다양한 전기 회로에 연결될 때 주 전원으로 사용할 수 있다. 그림 6a-i는 FCC-TENG가 다른 회로 및 구성 요소 없이 사용할 수 있는 외부 장치에 직접 연결된 경우의 회로도를 나타낸다. 그림 6b와 6c는 직렬로 연결된 12개의 상업용 5W LED 램프와 병렬로 연결된 300개의 LED를 밝히는 데 사용되는 FCC-TENG의 사진을 보여준다. 이 LED는 스파크 갭에서 ESD가 발생할 때 켜졌다. 또한 FCC-TENG는 기존 전자 장치 및 배터리 충전 회로에 에너지를 공급할 수 있는 EMS에 연결할 수 있다. 도 13a-ii 및 iii, 도 13d는 액정 장치 화면이 있는 상업용 센서에 전원을 공급하기 위해 에너지 공급 회로(ESC)에 연결된 FCC-TENG를 보여준다. 도 13e에서 볼 수 있듯이 ESC를 사용하여 1mF 커패시터를 20초 안에 1.72V로 충전했다. 충전된 커패시터는 커패시터를 충전하는 데 걸리는 시간보다 긴 33초 동안 상용 온습도계에 전원을 공급할 수 있었다. 도 13a-iii는 배터리 충전 회로의 회로도를 보여주고 도 13f는 배터리 충전 회로로 라디오를 켜는 데 사용되는 실험 설정을 보여준다. 도 13g에서 볼 수 있듯이 90mAh 용량의 LIB는 60분 작동 후 2.84V에서 2.94V로 충전할 수 있다. 또한 이 충전된 배터리로 최대 90초 동안 라디오에 전원을 공급할 수 있었다.The FCC-TENG produces a high-power output from low input and can be operated by hand. Additionally, due to the high output power of FCC-TENG, it can be used as a main power source when connected to various electrical circuits, such as the three types of circuits shown in Figure 13a. Figure 6a-i shows the circuit diagram when the FCC-TENG is directly connected to an external device, which can be used without other circuits and components. Figures 6b and 6c show photographs of an FCC-TENG used to illuminate 12 commercial 5W LED lamps connected in series and 300 LEDs connected in parallel. This LED lights up when an ESD occurs in the spark gap. Additionally, the FCC-TENG can be connected to an EMS that can energize existing electronic devices and battery charging circuits. Figures 13a-ii and iii and Figure 13d show the FCC-TENG connected to an energy supply circuit (ESC) to power a commercial sensor with a liquid crystal device screen. As shown in Figure 13e, the ESC was used to charge a 1mF capacitor to 1.72V in 20 seconds. The charged capacitor was able to power a commercial thermohygrometer for 33 seconds, which is longer than it takes to charge the capacitor. Figures 13a-iii show the circuit diagram of the battery charging circuit and Figure 13f shows the experimental setup used to turn on the radio with the battery charging circuit. As can be seen in Figure 13g, a LIB with a capacity of 90 mAh can be charged from 2.84 V to 2.94 V after 60 minutes of operation. Additionally, this charged battery could power the radio for up to 90 seconds.

또한, 상기와 같이 설명된 장치 및 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.In addition, the apparatus and method described above are not limited to the configuration and method of the above-described embodiments, but all or part of each embodiment can be selectively combined so that various modifications can be made. It may be composed.

1:기판
2:양전하대전부
3:음전하대전부
4:전극부
10:외부실린더
20:내부실린더
30:필름캐패시터
31:제1전극층
32:폴리머필름
33:제2전극층
40:계단형전극층
41:하단평단부
42:수직연결단
43:상단평단부
50:스파크 갭
51:금속구
52:에어갭
60:제1필름캐패시터
70:제2필름캐패시터
80:회전인가부재
81:중심회전축
82:연결부재
83:베어링수납부
84:베어링
85:내부실린더 연결 회전축
100:필름캐패시터를 이용한 마찰대전 발전기
1:Substrate
2:Positively charged
3: All negative charge
4: Electrode part
10: External cylinder
20: Internal cylinder
30:Film capacitor
31: first electrode layer
32: Polymer film
33: Second electrode layer
40: Stepped electrode layer
41: Bottom flat end
42: Vertical connection end
43: Upper flat end
50:Spark gap
51:Metal ball
52: air gap
60: First film capacitor
70: Second film capacitor
80: Rotation application member
81:Central rotation axis
82: Connection member
83: Bearing storage unit
84:Bearing
85: Internal cylinder connection rotation axis
100: Triboelectric generator using film capacitor

Claims (16)

마찰대전 발전기로서,
원주방향으로 일측단에 위치되는 양전하대전부와, 타측단에 위치되는 음전하대전부와, 상기 양전하대전부와 상기 음전하대전부 사이 양단 각각에 연결되는 전극부를 갖는 외부실린더;
외면이 상기 외부실린더의 내면 각각에 접촉되며 회전가능하도록 위치되고, 상기 외부실린더의 길이방향 중심축을 기준으로 서로 대향된 위치로 배치되는 내부실린더;
상기 내부실린더 외면에 구비되는 필름캐패시터; 및
상기 내부 실린더 각각이 상기 외부 실린더 내면과 접촉되며 회전되도록 하는 회전인가부재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 필름캐패시터를 이용한 마찰대전 발전기.
As a triboelectric generator,
An external cylinder having a positively charged portion located at one end in the circumferential direction, a negatively charged portion located at the other end, and an electrode portion connected to both ends between the positive charge portion and the negative charge portion;
an inner cylinder whose outer surface is in contact with each of the inner surfaces of the outer cylinder and is rotatable, and which are disposed at opposing positions with respect to the longitudinal central axis of the outer cylinder;
A film capacitor provided on the outer surface of the inner cylinder; and
A triboelectric generator using a film capacitor, comprising a rotation applying member that causes each of the inner cylinders to rotate while being in contact with the inner surface of the outer cylinder.
제 1항에 있어서,
상기 필름캐패시터는 상기 내부실린더 외면에 구비되는 제1전극층, 상기 제1전극층 외면에 구비되는 폴리머필름, 상기 폴리머필름에 외면에 구비되는 제2전극층을 포함하며,
상기 음전하대전부에 마찰되어 회전되는 내부실린더의 필름캐패시터는 양전하를 축적하고, 상기 양전하대전부에 마찰되어 회전되는 내부실린더의 필름캐패시터는 음전하를 축적하는 것을 특징으로 하는 필름캐패시터를 이용한 마찰대전 발전기.
According to clause 1,
The film capacitor includes a first electrode layer provided on the outer surface of the inner cylinder, a polymer film provided on the outer surface of the first electrode layer, and a second electrode layer provided on the outer surface of the polymer film,
A triboelectric generator using a film capacitor, characterized in that the film capacitor of the inner cylinder, which is rotated by rubbing against the negatively charged part, accumulates positive charges, and the film capacitor of the inner cylinder, which is rotated by rubbing against the positively charged part, accumulates negative charges. .
제 2항에 있어서,
상기 양전하가 축적된 필름캐패시터와 상기 음전하가 축적된 필름캐패시터가 상기 전극부에 접촉될 때, 전위차에 의해 전력을 생산하는 것을 특징으로 하는 필름캐패시터를 이용한 마찰대전 발전기.
According to clause 2,
A triboelectric generator using a film capacitor, characterized in that power is produced by a potential difference when the film capacitor in which the positive charge is accumulated and the film capacitor in which the negative charge is accumulated are in contact with the electrode part.
제 3항에 있어서,
양단의 전극부는 서로 대향된 위치에 구비되어 상기 양전하가 축적된 필름캐패시터와 상기 음전하가 축적된 필름캐패시터가 양단의 전극부 각각에 동시에 접촉되며,
상기 양단의 전극부에 연결되는 스파크 갭을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 필름캐패시터를 이용한 마찰대전 발전기.
According to clause 3,
The electrode portions at both ends are provided at opposite positions, so that the film capacitor in which the positive charge is accumulated and the film capacitor in which the negative charge is accumulated are simultaneously in contact with each of the electrode portions at both ends,
A triboelectric generator using a film capacitor, further comprising a spark gap connected to the electrode portions at both ends.
제 4항에 있어서,
상기 스파크 갭은 상기 양단의 전극부 각각에 연결되는 금속구와, 한 쌍의 금속구 사이공간의 에어갭을 포함하며,
상기 전위차가 공기항복전압을 초과하면 정전기 방전(ESD)되어 주기적으로 피크전력을 생산하는 것을 특징으로 하는 필름캐패시터를 이용한 마찰대전 발전기.
According to clause 4,
The spark gap includes a metal sphere connected to each of the electrode portions at both ends and an air gap in the space between the pair of metal spheres,
A triboelectric generator using a film capacitor, characterized in that when the potential difference exceeds the air breakdown voltage, electrostatic discharge (ESD) occurs and peak power is periodically produced.
제 2항에 있어서,
상기 음전하대전부는 PTFE, 상기 양전하대전부는 나일론, 상기 폴리머필름은 폴리스틸렌으로 구성되는 것을 특징으로 하는 필름캐패시터를 이용한 마찰대전 발전기.
According to clause 2,
A triboelectric generator using a film capacitor, wherein the negatively charged part is made of PTFE, the positively charged part is made of nylon, and the polymer film is made of polystyrene.
마찰대전 발전기의 작동방법으로서,
제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 따른 마찰대전발전기의 회전인가부재를 통해 내부실린더 각각의 외면이 상기 외부실린더 내면과 마찰되며 회전되는 단계;
음전하대전부에 마찰되어 회전되는 내부실린더의 필름캐패시터는 양전하를 축적하고, 양전하대전부에 마찰되어 회전되는 내부실린더의 필름캐패시터는 음전하를 축적하는 단계; 및
양단의 전극부는 서로 대향된 위치에 구비되어 상기 양전하가 축적된 필름캐패시터와 상기 음전하가 축적된 필름캐패시터가 양단의 전극부 각각에 동시에 접촉되어, 전위차에 의해 전력을 생산하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 필름캐패시터를 이용한 마찰대전 발전기의 작동방법.
As a method of operating a triboelectric generator,
A step of rotating the outer surface of each inner cylinder against the inner surface of the outer cylinder through the rotation applying member of the triboelectric generator according to any one of claims 1 to 6;
The film capacitor of the inner cylinder, which is rotated by rubbing against the negatively charged part, accumulates positive charges, and the film capacitor of the inner cylinder, which is rotated by rubbing against the positively charged part, accumulates negative charges; and
The electrode portions at both ends are provided at opposite positions, and the film capacitor in which the positive charge is accumulated and the film capacitor in which the negative charge is accumulated are simultaneously brought into contact with each of the electrode portions at both ends, thereby producing power by a potential difference. A method of operating a triboelectric generator using a film capacitor.
제 7항에 있어서,
상기 스파크 갭은 상기 양단의 전극부 각각에 연결되는 금속구와, 한 쌍의 금속구 사이공간의 에어갭을 포함하며, 상기 전위차가 공기항복전압을 초과하면 정전기 방전(ESD)되어 주기적으로 피크전력을 생산하는 것을 특징으로 하는 필름캐패시터를 이용한 마찰대전 발전기의 작동방법.
According to clause 7,
The spark gap includes a metal sphere connected to each of the electrode parts at both ends and an air gap in the space between the pair of metal spheres. When the potential difference exceeds the air breakdown voltage, electrostatic discharge (ESD) occurs and peak power is periodically generated. A method of operating a triboelectric generator using a film capacitor, characterized in that the production.
마찰대전 발전기로서,
기판상에 구비되는 서로 특정간격 이격되어 배치되는 필름캐패시터; 및
평방향으로 일측단에 위치되는 양전하대전부와, 타측단에 상기 양전자대전부와 연결되는 음전하대전부를 갖는 대전물질부;를 포함하고,
상기 대전물질부를 상기 필름캐패시터에 접촉, 분리하는 경우, 상기 양전하대전부와 접촉, 분리되는 필름캐패시터는 음전하를 축적하고, 상기 음전하대전부와 접촉, 분리되는 필름캐패시터는 양전하는 축적하여 전위차에 의해 전력을 생산하는 것을 특징으로 하는 필름캐패시터를 이용한 마찰대전 발전기.
As a triboelectric generator,
Film capacitors provided on a substrate and spaced apart from each other at specific intervals; and
A charged material portion having a positively charged portion located at one end in a horizontal direction and a negatively charged portion connected to the positive charged portion at the other end,
When the charged material portion is brought into contact with and separated from the film capacitor, the film capacitor that is in contact with and separated from the positively charged portion accumulates negative charges, and the film capacitor that is in contact with and separated from the negatively charged portion accumulates positive charges, resulting in a potential difference. A triboelectric generator using a film capacitor that produces electricity.
제 9항에 있어서,
상기 필름캐패시터는,
상기 음전하대전부와 대향된 위치에 구비되는 제1필름캐패시터와, 상기 제1필름캐패시터와 특정간격 이격되며, 상기 양전하대전부와 대향된 위치에 구비되는 제2필름캐패시터를 포함하고,
상기 제1, 제2필름캐패시터 각각은, 상기 기판 외면에 구비되는 제1전극층, 상기 제1전극층 외면에 구비되는 폴리머필름, 상기 폴리머필름에 외면에 구비되는 제2전극층을 포함하며,
상기 음전하대전부에 접촉, 분리되는 제1필름캐패시터는 양전하를 축적하고, 상기 양전하대전부에 접촉, 분리되는 제2필름캐패시터는 음전하를 축적하는 것을 특징으로 하는 필름캐패시터를 이용한 마찰대전 발전기.
According to clause 9,
The film capacitor is,
A first film capacitor provided at a position opposite the negatively charged part, and a second film capacitor spaced apart from the first film capacitor at a specific distance and provided at a position opposite the positive charged part,
Each of the first and second film capacitors includes a first electrode layer provided on an outer surface of the substrate, a polymer film provided on an outer surface of the first electrode layer, and a second electrode layer provided on an outer surface of the polymer film,
A triboelectric generator using a film capacitor, characterized in that a first film capacitor that contacts and separates from the negatively charged portion accumulates positive charges, and a second film capacitor that contacts and separates from the positively charged portion accumulates negative charges.
제 10항에 있어서,
상기 제1필름캐패시터와 상기 제2필름캐패시터 사이에 연결되는 스파크 갭을 더 포함하고,
상기 스파크 갭은 상기 제1, 제2필름캐패시터 각각에 연결되는 금속구와, 한 쌍의 금속구 사이공간의 에어갭을 포함하며,
상기 전위차가 공기항복전압을 초과하면 정전기 방전(ESD)되어 주기적으로 피크전력을 생산하는 것을 특징으로 하는 필름캐패시터를 이용한 마찰대전 발전기.
According to clause 10,
Further comprising a spark gap connected between the first film capacitor and the second film capacitor,
The spark gap includes a metal sphere connected to each of the first and second film capacitors, and an air gap in the space between the pair of metal spheres,
A triboelectric generator using a film capacitor, characterized in that when the potential difference exceeds the air breakdown voltage, electrostatic discharge (ESD) occurs and peak power is periodically produced.
마찰대전 발전기로서,
기판상에 구비되는 필름캐패시터; 및
평방향으로 일측단에 위치되며 상기 필름캐패시터와 접촉되는 양전하대전부와, 타측단에 위치되며 상기 필름캐패시터와 접촉되는 음전하대전부와, 상기 음전하대전부와 상기 양전하대전부 사이에 구비되며 서로 특정간격 이격되는 한 쌍의 전극부를 갖는 대전물질부;를 포함하고,
상기 대전물질부 또는 상기 기판을 회전시키는 경우, 상기 양전하대전부와 접촉되어 마찰되는 필름캐패시터는 음전하를 축적하고, 상기 음전하대전부와 접촉되어 마찰되는 필름캐패시터는 양전하는 축적하는 것을 특징으로 하는 필름캐패시터를 이용한 마찰대전 발전기.
As a triboelectric generator,
A film capacitor provided on the substrate; and
A positively charged portion located at one end in a horizontal direction and in contact with the film capacitor, a negatively charged portion located at the other end and in contact with the film capacitor, and provided between the negatively charged portion and the positive charged portion, and having specific characteristics to each other. It includes a charging material portion having a pair of electrode portions spaced apart from each other,
When the charged material portion or the substrate is rotated, the film capacitor that is in contact with and rubbed against the positively charged portion accumulates negative charges, and the film capacitor that is in contact with and rubbed against the negatively charged portion accumulates positive charges. Triboelectric generator using a capacitor.
제 12항에 있어서,
상기 양전하가 축적된 필름캐패시터와 상기 음전하가 축적된 필름캐패시터 각각이 상기 전극부에 접촉될 때, 전위차에 의해 전력을 생산하는 것을 특징으로 하는 필름캐패시터를 이용한 마찰대전 발전기.
According to clause 12,
A triboelectric generator using a film capacitor, characterized in that power is produced by a potential difference when each of the film capacitor in which the positive charge is accumulated and the film capacitor in which the negative charge is accumulated is in contact with the electrode portion.
제 13항에 있어서,
상기 한 쌍의 전극부 사이에 연결되는 스파크 갭을 더 포함하고,
상기 스파크 갭은 상기 한 쌍의 전극부 각각에 연결되는 금속구와, 한 쌍의 금속구 사이공간의 에어갭을 포함하며,
상기 전위차가 공기항복전압을 초과하면 정전기 방전(ESD)되어 주기적으로 피크전력을 생산하는 것을 특징으로 하는 필름캐패시터를 이용한 마찰대전 발전기.
According to clause 13,
Further comprising a spark gap connected between the pair of electrode portions,
The spark gap includes a metal sphere connected to each of the pair of electrode parts and an air gap in the space between the pair of metal spheres,
A triboelectric generator using a film capacitor, characterized in that when the potential difference exceeds the air breakdown voltage, electrostatic discharge (ESD) occurs and peak power is periodically produced.
제 14항에 있어서,
상기 필름캐패시터는, 상기 기판 외면에 구비되는 제1전극층, 상기 제1전극층 외면에 구비되는 폴리머필름, 상기 폴리머필름에 외면에 구비되는 제2전극층을 포함하는 것을 특징으로 하는 필름캐패시터를 이용한 마찰대전 발전기.
According to clause 14,
The film capacitor is a triboelectric device using a film capacitor, characterized in that it includes a first electrode layer provided on the outer surface of the substrate, a polymer film provided on the outer surface of the first electrode layer, and a second electrode layer provided on the outer surface of the polymer film. generator.
제 1항, 제 9항 또는 제 12항에 있어서
상기 필름캐패시터는
하단 평탄부와 상기 하단평단부 일측 끝단에 절곡연결되는 수직연결단과, 타측끝단이 상기 수직연결단의 상부 끝단과 연결되는 상단평단부를 갖는 전극부와, 하면은 상기 하단평단부에 접촉되고 상면은 또 다른 전극부의 상단평단부에 접촉되는 폴리머필름으로 구성되는 것을 특징으로 하는 필름캐패시터를 이용한 마찰대전 발전기.

According to paragraph 1, 9 or 12
The film capacitor is
An electrode portion having a lower flat portion and a vertical connecting end bent and connected to one end of the lower flat end, and an upper flat end whose other end is connected to the upper end of the vertical connecting end, the lower surface contacting the lower flat end and the upper surface A triboelectric generator using a film capacitor, characterized in that it consists of a polymer film in contact with the upper flat end of another electrode part.

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