WO2014193182A1 - 마찰전기 발생장치 - Google Patents

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WO2014193182A1
WO2014193182A1 PCT/KR2014/004820 KR2014004820W WO2014193182A1 WO 2014193182 A1 WO2014193182 A1 WO 2014193182A1 KR 2014004820 W KR2014004820 W KR 2014004820W WO 2014193182 A1 WO2014193182 A1 WO 2014193182A1
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electrode
layer
charging layer
triboelectric generator
triboelectric
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PCT/KR2014/004820
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English (en)
French (fr)
Inventor
권순형
Original Assignee
전자부품연구원
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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N1/00—Electrostatic generators or motors using a solid moving electrostatic charge carrier
    • H02N1/04—Friction generators

Definitions

  • the present invention relates to a triboelectric generator, and more particularly, to a triboelectric generator using a phenomenon that triboelectric occurs by the change of contact surface.
  • the device that converts ambient energy into electrical energy still has barriers to practical use in terms of energy efficiency, size and price, despite the advantages of long life, low maintenance costs, low disposal costs and pollution. .
  • the conventional triboelectric generator 100 is configured to include a first contact charge layer 110 and a second contact charge layer 120 disposed to face the first contact charge layer 110. do.
  • the first contact fill layer 110 includes a lower surface 114 having a textured surface and an upper surface 112 on which the first conductive electrode layer 116 is disposed.
  • the second contact fill layer 120 includes an upper surface 122 having a textured surface and a lower surface 124 on which the second conductive electrode layer 126 is disposed.
  • the first contact filling layer 110 is made of a material made of polyethylene terephthalate (PET), poly (methyl methacrylate) (PMMA), a conductor, a metal, an alloy, or a combination thereof. That is, the first contact fill layer 110 is composed of a material having a relatively low negative triboelectric series rating.
  • the second contact filling layer 120 is made of a material made of poly-oxydiphenylene-pyromellitimide (PMDA-ODA), polydimethylsiloxane (PDMS), conductor, metal, alloy, or a combination thereof, such as polyide. That is, the second contact fill layer 120 is made of a material having a relatively high negative triboelectric series rating.
  • PMDA-ODA poly-oxydiphenylene-pyromellitimide
  • PDMS polydimethylsiloxane
  • conductor metal, alloy, or a combination thereof, such as polyide. That is, the second contact fill layer 120 is made of a material having a relatively high negative triboelectric series rating.
  • an external force is applied to at least one of the first contact charging layer 110 and the second contact charging layer 120, so that the lower surface ( 114 generates electrical power through a change in contact between the top surface 122 of the second contact filling layer 120.
  • An object of the present invention can generate a repetitive triboelectricity even if there is no separate support structure having a restoring force by having a layer that performs the function of a charging layer (charging layer) for the insulation between the electrodes and the generation of triboelectricity.
  • the present invention provides a triboelectric generator.
  • First and second electrodes disposed to face each other at intervals to achieve the above object; And a filling layer disposed between the first electrode and the second electrode and made of a flexible insulating material having a restoring force to maintain the gap, wherein the gap is narrowed by an external force and widened by the restoring force.
  • the triboelectric generator is characterized in that the friction surface is generated by changing the contact surface of the first electrode or the second electrode and the filling layer.
  • the charging layer is separated from the first electrode and the second electrode.
  • the charging layer is disposed on one surface facing the second electrode of the first electrode, and one end of the charging layer is connected to one end of the second electrode, and the other end of the charging layer and the second electrode are connected to each other.
  • the other end of the electrode is spaced apart, and the contact surface between the charging layer and the second electrode is increased by the external force.
  • the filling layer is characterized in that both ends are connected.
  • At least one of one surface of the charging layer, one surface in contact with the charging layer of the first electrode, or one surface in contact with the charging layer of the second electrode is formed with a structure for increasing the size of the surface area. do.
  • the first electrode is disposed on a substrate, and the triboelectricity is generated by changing a contact surface between the substrate or the second electrode and the filling layer.
  • the substrate is a flexible substrate having both ends connected thereto, and the second electrode and the filling layer are positioned in an inner space formed by connecting both ends of the flexible substrate.
  • the second electrode is disposed on one surface of the charge layer, and the charge layer is characterized in that both ends are connected.
  • the triboelectric generator is connected in plural and an array is connected such that a change in contact surface occurs in each triboelectric generator by the same external force.
  • the material constituting the filling layer is a material having a negative value than the material constituting the first electrode and the second electrode in a triboelectric series.
  • the filling layer is characterized by consisting of synthetic polymers, chloropolymers, fluoropolymers or combinations thereof.
  • the first electrode or the second electrode is inorganic, including at least one of ITO, IGO, chromium, aluminum, Indium Zinc Oxide (IZO), Indium Gallium Zinc Oxide (IGZO), ZnO, ZnO2 or TiO2 Electrode or a metal electrode containing at least one of platinum, gold, silver, aluminum, iron or copper, or PEDOT (polyethylenedioxythiophene), carbon nanotube (CNT), graphene (graphene), polyacetylene ( more than 10% It is an organic electrode containing at least one of iron alloy, SUS 304, SUS 316, SUS 316L, Co-Cr alloy, Ti alloy, Nitin (Ni-Ti) or polyparaphenylenevinylene (polyparaphenylenevinylene) It is done.
  • the present invention has the effect of generating a repetitive triboelectricity even if there is no separate support structure having a restoring force by having a layer that performs the function of a charging layer (charging layer) for the insulation between the electrodes and the generation of triboelectricity. There is.
  • 1 is a block diagram of a conventional triboelectric generator
  • FIG. 2 is a block diagram of a triboelectric generator according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a view for explaining the generation of triboelectricity by the triboelectric generator according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 4 is a block diagram of a triboelectric generator according to another embodiment of the present invention.
  • Figure 5 is a block diagram of a triboelectric generator according to another embodiment of the present invention.
  • Figure 6 is a block diagram of a triboelectric generator according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a configuration diagram of a triboelectric generator according to another embodiment of the present invention.
  • Figure 8 is a view showing the data measured the amount of electricity generated using the triboelectric generator according to an embodiment of the present invention.
  • 9a and 9b are divided into triboelectric series of materials that can be used in the triboelectric generator according to an embodiment of the present invention.
  • 10a to 10d is a view showing a surface structure used in the triboelectric generator according to another embodiment of the present invention.
  • the triboelectric generator according to an embodiment of the present invention includes a first electrode 210, a second electrode 220, and a charging layer 230.
  • the first electrode 210 and the second electrode 220 are positioned to face each other at intervals.
  • the first electrode 210 and the second electrode 220 are supported by the charging layer 230 and configured to be spaced apart from each other.
  • the first electrode 210 or the second electrode 220 is ITO, IGO, chromium, aluminum, Indium Zinc Oxide (IZO), Indium Gallium Zinc Oxide (IGZO), ZnO, ZnO 2 Or an inorganic electrode including at least one of TiO 2 or a metal electrode including at least one of platinum, gold, silver, aluminum, iron, or copper, or PEDOT (polyethylenedioxythiophene) or carbon nanotube (CNT).
  • Graphene polyacetylene, polythiophene (PT), polypyrrole, polyparaphenylene (PPV), polyaniline, polysulfuritride ), At least one of stainless steel, iron alloy containing 10% or more of chromium, SUS 304, SUS 316, SUS 316L, Co-Cr alloy, Ti alloy, Ni-Ti, or polyparaphenylenevinylene It may be an organic electrode including any one.
  • the first electrode 210 and the second electrode 220 are made of a material located in a positive direction than the material forming the charge layer 230 on the triboelectric series (triboelectric series) It is composed.
  • the filling layer 230 is positioned between the first electrode 210 and the second electrode 220, and is a flexible insulating material having a restoring force to maintain a gap between the first electrode 210 and the second electrode 220. Is done.
  • the gap between the first electrode 210 and the second electrode 220 is narrowed, and accordingly, the first electrode 210 or the second electrode 220.
  • the contact surface becomes wider.
  • the distance between the first electrode 210 and the second electrode 220 is widened by the restoring force, and thus the first electrode 210 or the second electrode 220 and the charging layer ( 230) the contact surface is reduced.
  • triboelectric electricity is generated between the first electrode 210 and the second electrode 220.
  • the triboelectricity is generated because the positive or negative values are respectively charged depending on the relative positional difference in the triboelectric series between the materials.
  • the charging layer 230 is positioned to be separated from the first electrode 210 and the second electrode 220.
  • the charging layer 230 is not fixed to the first electrode 210 and the second electrode 220.
  • the triboelectric charge is generated even when the change of the distance due to external force is not large but the charging layer 230 is movable. By allowing it to be generated there is an effect that triboelectricity can be generated by various types of external force.
  • 9A and 9B are diagrams illustrating materials which may be used in the triboelectric generator according to an embodiment of the present invention, divided into triboelectric series.
  • 9A and 9B biopolymers, synthetic polymers, and chlorine having negative values compared to those of aluminum, steel, copper, and gold, which are general materials forming the first electrode 210 or the second electrode 220.
  • the filling layer 230 is formed of polymers or fluoropolymers, the filling layer 230 is charged with a negative value by contact, and the first electrode 210 or the second electrode 220 is charged with a positive value, thereby rubbing. It is easy to generate electricity.
  • the material forming the first electrode 210 or the second electrode 220 is made of a material having a more positive value in the triboelectric series, and the material forming the charging layer 230. You can use a material that is more negative than.
  • the filling layer 230 is made of a synthetic polymer, a chloropolymer, a fluoropolymer, or a combination thereof.
  • the triboelectric generator according to an embodiment of the present invention is a view for explaining the generation of friction electricity by the triboelectric generator according to an embodiment of the present invention. 3, in the initial state, the triboelectric generator according to the exemplary embodiment of the present invention has an amount of electrical energy generated between the first electrode 210 and the second electrode 220 is zero.
  • the gap between the first electrode 210 and the second electrode 220 is narrowed, and accordingly, the first electrode 210 or the second electrode ( The contact surface between 220 and the filling layer 230 changes. This change in contact surface charges the first electrode 210 or the second electrode 220 and the charging layer 230 with a specific charge.
  • the charge layer 230 is charged with a negative charge and the contact surface of the first electrode 210 and the second electrode 220 is negative.
  • An electrode having a larger change is charged with a positive charge to generate a triboelectric V1 between the first electrode 210 and the second electrode 220.
  • the change of contact surface is possible because the filling layer 230 is flexible.
  • the gap between the first electrode 210 and the second electrode 220 is widened, and accordingly, the first electrode 210 or the first electrode is increased.
  • the contact surface between the two electrodes 220 and the charging layer 230 is changed. This change in contact surface charges the first electrode 210 or the second electrode 220 and the charging layer 230 with a specific charge.
  • the triboelectricity V2 of the opposite magnitude as the case in which the external force is charged with the positive charge and the external force is applied instead of the electrode charged with the positive charge is applied to the first electrode 210. It occurs between the second electrode 220.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating data of measuring an amount of electricity generated by using a triboelectric generator according to an exemplary embodiment of the present invention. As shown in FIG. 8, when an external force is applied, a voltage of 15 V is generated, and when a restoring force is applied, a voltage of -5 V is generated.
  • the triboelectric generator according to an embodiment of the present invention has the effect of continuously generating triboelectricity according to the increase or decrease of external force without a support structure having a separate restoring force.
  • FIG. 4 is a block diagram of a triboelectric generator according to another embodiment of the present invention.
  • the charging layer 230 is disposed on one surface facing the second electrode 220 of the first electrode 210, and has one end of the charging layer 230. One end of the second electrode 220 is connected.
  • the contact surface between the charging layer 230 and the second electrode 220 increases, and thus the second electrode 220 is charged with a positive charge.
  • the charging layer 230 is charged with a negative charge.
  • the other end of the filling layer 230 is spaced apart from the other end of the second electrode 220, and thus, between the filling layer 230 and the second electrode 220.
  • the contact surface is reduced, whereby the first electrode 210 is charged with a positive charge and the charge layer 230 is charged with a negative charge.
  • FIG. 5 is a configuration diagram of a triboelectric generator according to another embodiment of the present invention.
  • the filling layer 230 is configured so that both ends are connected.
  • the size of the restoring force of the filling layer 230 may be greater.
  • Figure 6 is a block diagram of a triboelectric generator according to another embodiment of the present invention.
  • the first electrode 210 is disposed on the substrate 211, and the substrate 211 or the second electrode 220 and the charge layer 230 are formed. As the contact surface changes, triboelectric electricity is generated.
  • the substrate 211 is a flexible substrate connected at both ends, and the second electrode 220 and the charging layer 230 have the substrate 211 at both ends. It is located in the inner space formed by connecting the stage.
  • the second electrode 220 is disposed on one surface of the charging layer 230, and a structure in which both ends of the charging layer 230 are connected may be employed. Can be.
  • the second electrode 220 may be disposed outside the charging layer 230, and the first electrode 210 and the second electrode 220 do not contact each other. Because of this, it can have various forms of arrangement.
  • FIG. 7 is a block diagram of a triboelectric generator according to another embodiment of the present invention.
  • the triboelectric generator according to another embodiment of the present invention may be connected to a plurality of triboelectric generators having the structure described with reference to FIG. 6 by the same external force.
  • the triboelectric generator is configured to be connected to an array to generate triboelectricity according to a change in contact surface.
  • 10A to 10D are views illustrating a surface structure used in a triboelectric generator according to still another embodiment of the present invention.
  • 10A to 10D and according to an exemplary embodiment of the present invention, one surface of the charging layer 230, one surface of the first electrode 210 contacting the charging layer 230, or the second electrode 220 is charged. At least one of the surfaces in contact with the layer 230 is formed a structure for increasing the size of the surface area.

Landscapes

  • Electrostatic Charge, Transfer And Separation In Electrography (AREA)

Abstract

본 발명은 마찰전기 발생장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 접촉면 변화에 의해 마찰전기(triboelectric)가 발생하는 현상을 이용한 마찰전기 발생장치에 관한 것으로, 전극간의 절연 및 마찰전기 발생을 위한 충전 레이어(charging layer)의 기능을 수행하는 레이어를 형태 복원력을 가지도록 하여 복원력을 가지는 별도의 지지구조가 없더라도 반복적인 마찰전기를 발생시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

마찰전기 발생장치
본 발명은 마찰전기 발생장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 접촉면 변화에 의해 마찰전기(triboelectric)가 발생하는 현상을 이용한 마찰전기 발생장치에 관한 것이다.
주위 환경에서 발생하나 소모되어 버리는 에너지(ambient energy)를 전기 에너지로 변환하는 에너지 발생장치와 관련된 기술이 최근 주목을 받고 있다.
이러한 주위 에너지(ambient energy)를 전기 에너지로 변환하는 장치는 긴 수명, 낮은 유지보수비용, 적은 폐기비용과 오염 등의 장점을 가짐에도 불구하고 에너지 효율, 크기 및 가격 면에서 아직 실용화에 장벽을 가진다.
이러한 시장 요구를 만족시키기 위하여 등장한 종래의 마찰전기 발생장치는 미국 공개특허 "Triboelectric Generator"(공개번호 2013-0049531호)이다.
도 1은 종래의 마찰전기 발생장치의 구성도이다. 도 1을 참조하면, 종래의 마찰전기 발생장치(100)는 제1 접촉 충전 레이어(110)와 제1 접촉 충전 레이어(110)에 대향하도록 배치된 제2 접촉 충전 레이어(120)를 포함하도록 구성된다.
제1 접촉 충전 레이어(110)는 텍스처 표면(textured surface)을 가진 하부면(114)과 제1 도전 전극층(116)이 배치된 상부면(112)을 포함한다.
제2 접촉 충전 레이어(120)는 텍스처 표면textured surface)을 가지는 상부면(122)과 제2 도전 전극층(126)이 배치된 하부면(124)을 포함한다.
또한, 제1 접촉 충전 레이어(110)는 PET(polyethylene terephthalate), PMMA(poly(methyl methacrylate)), 도체(conductor), 금속, 합금 또는 이들의 조합으로 이루어진 물질로 구성된다. 즉, 제1 접촉 충전 레이어(110)는 상대적으로 음의(negative) 마찰전기 시리즈 등급(triboelectric series rating)이 낮은 물질로 구성된다.
제2 접촉 충전 레이어(120)는 폴리이드와 같은 PMDA-ODA(poly-oxydiphenylene-pyromellitimide), PDMS(polydimethylsiloxane), 도체(conductor), 금속, 합금 또는 이들의 조합으로 이루어진 물질로 구성된다. 즉, 제2 접촉 충전 레이어(120)는 상대적으로 음의(negative) 마찰전기 시리즈 등급(triboelectric series rating)이 높은 물질로 구성된다.
종래의 마찰전기 발생장치(100)는 제1 접촉 충전 레이어(110) 또는 제2 접촉 충전 레이어(120) 중 적어도 어느 하나에 외부의 힘이 가해져, 제1 접촉 충전 레이어(110)의 하부면(114)과 제2 접촉 충전 레이어(120)의 상부면(122) 사이의 접촉변화를 통해 전기를 발생한다.
그러나, 이러한 종래의 마찰전기 발생장치는 반복적인 마찰전기 발생을 위해서는 복원력을 가지는 별도의 지지구조를 필요로 하는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 전극간의 절연 및 마찰전기 발생을 위한 충전 레이어(charging layer)의 기능을 수행하는 레이어를 형태 복원력을 가지도록 하여 복원력을 가지는 별도의 지지구조가 없더라도 반복적인 마찰전기를 발생시킬 수 있는 마찰전기 발생장치를 제공함에 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 간격을 두고 대향하도록 위치하는 제1전극 및 제2전극; 및 상기 제1전극 및 상기 제2전극 사이에 위치하고, 상기 간격을 유지하는 복원력을 가진 플렉서블한 절연물질로 이루어진 충전 레이어;를 포함하되, 외력에 의해 상기 간격이 좁아지고, 상기 복원력에 의해 넓어지는 것에 의하여 상기 제1전극 또는 상기 제2전극과 상기 충전 레이어의 접촉면이 변화하여 마찰전기가 발생되는 것을 특징으로 하는 마찰전기 발생장치가 제공된다.
바람직하게는, 상기 충전 레이어는 상기 제1전극 및 상기 제2전극과 분리된 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 충전 레이어는 상기 제1전극의 상기 제2전극을 바라보는 일면에 배치되고, 상기 충전레이어의 일단과 상기 제2전극의 일단이 연결되되, 상기 충전레이어의 타단과 상기 제2전극의 타단은 이격되고, 상기 외력에 의해 상기 충전레이어와 상기 제2전극 간의 접촉면이 증가하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 충전 레이어는 양끝단이 연결된 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 충전 레이어의 일면, 상기 제1전극의 상기 충전 레이어와 접하는 일면 또는 상기 제2전극의 상기 충전 레이어와 접하는 일면 중 적어도 어느 하나는 표면적의 크기를 증가시키는 구조체가 형성된 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제1전극은 기판 상에 배치되고, 상기 마찰전기는 상기 기판 또는 상기 제2전극과 상기 충전 레이어의 접촉면이 변화하여 발생되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 기판은 양끝단이 연결된 플렉서블 기판이고, 상기 제2전극 및 상기 충전 레이어는 상기 플렉서블 기판의 양끝단이 연결되어 형성된 내부 공간에 위치하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제2전극은 상기 충전 레이어의 일면에 배치되고, 상기 충전 레이어는 양끝단이 연결된 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 마찰전기 발생장치가 복수로 연결되고, 동일한 외력에 의하여 각 마찰전기 발생장치에서 접촉면 변화가 발생하도록 어레이(array) 연결된 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 충전 레이어를 이루는 물질은 상기 제1전극 및 상기 제2전극을 이루는 물질과 마찰전기 시리즈(triboelectric series)에서 보다 음의 값을 가지는 물질인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 충전 레이어는 합성 고분자(synthetic polymer), 염소중합체(chloropolymer), 불소중합체(fluorpolymer) 또는 이의 조합으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제1전극 또는 상기 제2전극은 ITO, IGO, 크롬, 알루미늄, IZO(Indium Zinc Oxide), IGZO(Indium Gallium Zinc Oxide), ZnO, ZnO2 또는 TiO2 중 적어도 어느 하나를 포함하는 무기전극이거나 백금, 금, 은, 알루미늄, 철 또는 구리 중 적어도 어느 하나를 포함하는 금속전극이거나 페돗(PEDOT, polyethylenedioxythiophene), 탄소나노튜브(CNT, Carbon nano tube), 그래핀(graphene), 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리티오펜(Polythiophene, PT), 폴리피롤(Polypyrrole), 폴리파라페닐렌(polyparaphenylene, PPV), 폴리아닐린(Polyaniline), 폴리설퍼니트리드(poly sulfur nitride), 스테인레스 스틸, 크롬을 10%이상 함유한 철합금, SUS 304, SUS 316, SUS 316L, Co-Cr 합금, Ti 합금, 니티놀(Ni-Ti) 또는 폴리파라페닐렌비닐렌(polyparaphenylenevinylene) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 유기전극인 것을 특징으로 한다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명은 전극간의 절연 및 마찰전기 발생을 위한 충전 레이어(charging layer)의 기능을 수행하는 레이어를 형태 복원력을 가지도록 하여 복원력을 가지는 별도의 지지구조가 없더라도 반복적인 마찰전기를 발생시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 마찰전기 발생장치의 구성도
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발생장치의 구성도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발생장치에 의해 마찰전기 발생하는 것을 설명하기 위한 도면.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰전기 발생장치의 구성도.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마찰전기 발생장치의 구성도.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마찰전기 발생장치의 구성도.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마찰전기 발생장치의 구성도.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발생장치를 이용하여 발생된 전기량을 측정한 데이터를 나타낸 도.
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발생장치에 이용될 수 있는 물질을 마찰전기 시리즈(triboelectric series)로 구분하여 나타낸 도.
도 10a 내지 도 10d는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마찰전기 발생장치에서 이용되는 표면구조를 나타낸 도.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발생장치의 구성도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발생장치는 제1전극(210), 제2전극(220) 및 충전 레이어(230)로 구성된다.
제1전극(210) 및 제2전극(220)은 서로 간격을 두고 대향하도록 위치한다.
제1전극(210)과 제2전극(220)은 충전 레이어(230)에 의해 지지되어 간격을 두도록 구성된다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 제1전극(210) 또는 제2전극(220)은 ITO, IGO, 크롬, 알루미늄, IZO(Indium Zinc Oxide), IGZO(Indium Gallium Zinc Oxide), ZnO, ZnO2 또는 TiO2 중 적어도 어느 하나를 포함하는 무기전극이거나 백금, 금, 은, 알루미늄, 철 또는 구리 중 적어도 어느 하나를 포함하는 금속전극이거나 페돗(PEDOT, polyethylenedioxythiophene), 탄소나노튜브(CNT, Carbon nano tube), 그래핀(graphene), 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리티오펜(Polythiophene, PT), 폴리피롤(Polypyrrole), 폴리파라페닐렌(polyparaphenylene, PPV), 폴리아닐린(Polyaniline), 폴리설퍼니트리드(poly sulfur nitride), 스테인레스 스틸, 크롬을 10%이상 함유한 철합금, SUS 304, SUS 316, SUS 316L, Co-Cr 합금, Ti 합금, 니티놀(Ni-Ti) 또는 폴리파라페닐렌비닐렌(polyparaphenylenevinylene) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 유기전극일 수 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따르면, 제1전극(210) 및 제2전극(220)은 마찰전기 시리즈(triboelectric series) 상에서 충전 레이어(230)를 이루는 물질보다 양의 방향에 위치한 물질로 구성된다.
충전 레이어(230)는 제1전극(210) 및 제2전극(220) 사이에 위치하고, 제1전극(210)과 제2전극(220) 사이의 간격을 유지하는 복원력을 가진 플렉서블한 절연물질로 이루어진다.
또한, 충전 레이어(230)는 외력이 복원력보다 크게 작용하면 제1전극(210)과 제2전극(220) 사이의 간격이 좁아지고, 이에 따라 제1전극(210) 또는 제2전극(220)과 접촉면이 넓어진다.
이후, 외력이 복원력보다 작아지면, 복원력에 의하여 제1전극(210)과 제2전극(220) 사이의 간격이 넓어지고 이에 따라 제1전극(210) 또는 제2전극(220)과 충전 레이어(230)의 접촉면이 줄어든다.
이러한 접촉면의 변화에 따라 제1전극(210)과 제2전극(220) 사이에서 마찰전기가 발생한다.
이는 충전 레이어(230)가 제1전극(210) 또는 제2전극(220)과 접촉면이 변화함에 따라, 충전 레이어(230)를 이루는 물질과 제1전극(210) 또는 제2전극(220)을 이루는 물질 간의 마찰전기 시리즈(triboelectric series)에서의 상대적 위치 차이에 따라 각각 양의 값 또는 음의 값으로 대전되는 까닭에 마찰전기가 발생된다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 충전 레이어(230)는 제1전극(210) 및 제2전극(220)과 분리되도록 위치한다.
즉, 충전 레이어(230)는 제1전극(210) 및 제2전극(220)에 고정되지 않는데, 이를 통해 외력에 의한 간격변화가 크지 않으나 충전 레이어(230)의 이동이 가능한 경우에도 마찰전기를 발생될 수 있도록 하여 다양한 형태의 외력에 의해 마찰전기가 발생될 수 있는 효과가 있다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발생장치에 이용될 수 있는 물질을 마찰전기 시리즈(triboelectric series)로 구분하여 나타낸 도이다. 도 9a 및 도 9b를 참조하면, 제1전극(210) 또는 제2전극(220)을 이루는 일반적인 물질인 알루미늄, 스틸, 구리, 금 등에 비하여 음의 값을 가지는 바이오폴리머류, 합성 고분자류, 염소중합체류 또는 불소중합체류로 충전 레이어(230)를 구성하면 접촉에 의하여 충전 레이어(230)는 음의 값으로, 제1전극(210) 또는 제2전극(220)은 양의 값으로 대전되어 마찰전기를 발생시키는데 용이하다.
보다 큰 값의 마찰전기를 발생시키기 위해서는 제1전극(210) 또는 제2전극(220)을 이루는 물질을 마찰전기 시리즈에서 보다 양의 값을 가지는 물질을 이용하고, 충전 레이어(230)를 이루는 물질은 보다 음의 값을 가지는 물질을 이용하면 된다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 충전 레이어(230)는 합성 고분자(synthetic polymer), 염소중합체(chloropolymer), 불소중합체(fluorpolymer) 또는 이의 조합으로 이루어진다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발생장치에 의해 마찰전기 발생하는 것을 설명하기 위한 도면이다. 도 3을 참조하면, 초기 상태에서 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발생장치는 제1전극(210)과 제2전극(220) 사이에서 발생되는 전기에너지의 양은 0이다.
이 때, 외력이 충전 레이어(230)가 가지는 복원력보다 커서 작용되면, 제1전극(210)과 제2전극(220) 사이의 간격이 좁아지고 이에 따라 제1전극(210) 또는 제2전극(220)과 충전 레이어(230) 사이의 접촉면이 변화한다. 이러한 접촉면 변화는 제1전극(210) 또는 제2전극(220)과 충전 레이어(230)를 특정 전하로 대전시킨다.
일반적으로 충전 레이어(230)를 구성하는 물질이 마찰전기 시리즈 상에서 음의 값을 가지는 바, 충전 레이어(230)가 음의 전하로 대전되고 제1전극(210)과 제2전극(220) 중 접촉면 변화가 보다 큰 전극이 양의 전하로 대전되어 제1전극(210)과 제2전극(220) 사이에서 마찰전기(V1)가 발생한다.
접촉면의 변화는 충전 레이어(230)가 플렉서블하기 때문에 가능하다.
또한, 이후 외력이 줄어들어 충전 레이어(230)가 가지는 복원력이 외력보다 커서 작용되면, 제1전극(210)과 제2전극(220) 사이의 간격이 넓어지고 이에 따라 제1전극(210) 또는 제2전극(220)과 충전 레이어(230) 사이의 접촉면이 변화한다. 이러한 접촉면 변화는 제1전극(210) 또는 제2전극(220)과 충전 레이어(230)를 특정 전하로 대전시킨다.
외력이 작용한 경우와 반대로 외력이 작용하여 양의 전하로 대전된 전극이 아닌 전극이 양의 전하로 대전되어 외력이 작용한 경우와 반대 크기의 마찰전기(V2)가 제1전극(210)과 제2전극(220) 사이에서 발생한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발생장치를 이용하여 발생된 전기량을 측정한 데이터를 나타낸 도이다. 도 8에 도시된 바와 같이 외력이 작용한 경우 15V 크기의 전압이 발생하였고, 복원력이 작용한 경우 -5V 크기의 전압이 발생하였다.
이와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 발생장치는 별도의 복원력을 가지는 지지구조 없이 외력의 증감에 따라 지속적인 마찰전기 발생이 가능한 효과를 가진다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰전기 발생장치의 구성도이다. 도 4를 참조하고 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 충전 레이어(230)가 제1전극(210)의 제2전극(220)을 바라보는 일면에 배치되고, 충전 레이어(230)의 일단과 제2전극(220)의 일단이 연결된다.
즉, 도 4에서 외력이 작용하기 전의 구조와 같이 제1전극(210), 충전 레이어(230), 제2전극(220) 순의 적층 형태에서 일단은 연결되되, 타단은 이격된 구조를 가진다.
이 후, 외력이 충전 레이어(230)의 복원력보다 커서 작용되면, 충전 레이어(230)와 제2전극(220) 간의 접촉면이 증가하고, 이에 따라 제2전극(220)이 양의 전하로 대전되고 충전 레이어(230)는 음의 전하로 대전된다.
다시 외력이 충전 레이어(230)의 복원력보다 작아져 복원력이 작용되면, 충전 레이어(230)의 타단과 제2전극(220)의 타단이 이격되어 충전 레이어(230)와 제2전극(220) 간의 접촉면이 감소하고, 이에 따라 제1전극(210)이 양의 전하로 대전되고 충전 레이어(230)는 음의 전하로 대전된다.
도 3을 통해 설명한 바와 같이 반복적인 마찰전기 발생이 가능하다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마찰전기 발생장치의 구성도이다. 도 5를 참조하고 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 충전 레이어(230)는 양끝단이 연결되도록 구성된다.
이를 통해 충전 레이어(230)가 가지는 복원력의 크기가 보다 커질 수 있다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마찰전기 발생장치의 구성도이다. 도 6을 참조하고 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 제1전극(210)은 기판(211) 상에 배치되고, 이 기판(211) 또는 제2전극(220)과 충전 레이어(230)의 접촉면이 변화함에 따라 마찰전기가 발생한다.
본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따르면, 도 6에 도시된 바와 같이 기판(211)은 양끝단이 연결된 플렉서블한 기판이고, 제2전극(220)과 충전 레이어(230)는 기판(211)이 양끝단이 연결되어 형성된 내부 공간에 위치한다.
본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따르면, 도 6에 도시된 바와 같이 제2전극(220)이 충전 레이어(230)의 일면에 배치되고, 충전 레이어(230)의 양끝단이 연결된 구조가 채용될 수 있다.
바람직하게는, 도 6에 도시된 것과 다르게 제2전극(220)이 충전 레이어(230) 외곽에 배치될 수 있으며, 제1전극(210)과 제2전극(220)이 접촉하지 않는 형태이면 되기 때문에 다양한 형태의 배치를 가질 수 있다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마찰전기 발생장치의 구성도이다. 도 7을 참조하고 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마찰전기 발생장치는 도 6을 통해 설명한 구조의 마찰전기 발생장치를 복수로 연결하되, 동일한 외력에 의하여 각 마찰전기 발생장치에서 접촉면 변화에 따른 마찰전기 발생이 이루어지도록 어레이(array)로 연결되도록 구성된다.
도 10a 내지 도 10d는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마찰전기 발생장치에서 이용되는 표면구조를 나타낸 도이다. 도 10a 내지 도 10d를 참조하고 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 충전 레이어(230)의 일면, 제1전극(210)의 충전 레이어(230)와 접하는 일면 또는 제2전극(220)의 충전 레이어(230)와 접하는 일면 중 적어도 어느 하나는 표면적의 크기를 증가시키는 구조체가 형성된다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예 및 응용예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 응용예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.
(부호의 설명)
210: 제1전극, 220: 제2전극
230: 충전 레이어

Claims (12)

  1. 간격을 두고 대향하도록 위치하는 제1전극 및 제2전극; 및
    상기 제1전극 및 상기 제2전극 사이에 위치하고, 상기 간격을 유지하는 복원력을 가진 플렉서블한 절연물질로 이루어진 충전 레이어;를 포함하되,
    외력에 의해 상기 간격이 좁아지고, 상기 복원력에 의해 넓어지는 것에 의하여 상기 제1전극 또는 상기 제2전극과 상기 충전 레이어의 접촉면이 변화하여 마찰전기가 발생되는 것을 특징으로 하는 마찰전기 발생장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 충전 레이어는 상기 제1전극 및 상기 제2전극과 분리된 것을 특징으로 하는 마찰전기 발생장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 충전 레이어는 상기 제1전극의 상기 제2전극을 바라보는 일면에 배치되고, 상기 충전레이어의 일단과 상기 제2전극의 일단이 연결되되,
    상기 충전레이어의 타단과 상기 제2전극의 타단은 이격되고, 상기 외력에 의해 상기 충전레이어와 상기 제2전극 간의 접촉면이 증가하는 것을 특징으로 하는 마찰전기 발생장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 충전 레이어는 양끝단이 연결된 것을 특징으로 하는 마찰전기 발생장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 충전 레이어의 일면, 상기 제1전극의 상기 충전 레이어와 접하는 일면 또는 상기 제2전극의 상기 충전 레이어와 접하는 일면 중 적어도 어느 하나는 표면적의 크기를 증가시키는 구조체가 형성된 것을 특징으로 하는 마찰전기 발생장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1전극은 기판 상에 배치되고,
    상기 마찰전기는 상기 기판 또는 상기 제2전극과 상기 충전 레이어의 접촉면이 변화하여 발생되는 것을 특징으로 하는 마찰전기 발생장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 기판은 양끝단이 연결된 플렉서블 기판이고, 상기 제2전극 및 상기 충전 레이어는 상기 플렉서블 기판의 양끝단이 연결되어 형성된 내부 공간에 위치하는 것을 특징으로 하는 마찰전기 발생장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제2전극은 상기 충전 레이어의 일면에 배치되고, 상기 충전 레이어는 양끝단이 연결된 것을 특징으로 하는 마찰전기 발생장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 마찰전기 발생장치가 복수로 연결되고, 동일한 외력에 의하여 각 마찰전기 발생장치에서 접촉면 변화가 발생하도록 어레이(array) 연결된 것을 특징으로 하는 마찰전기 발생장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 충전 레이어를 이루는 물질은 상기 제1전극 및 상기 제2전극을 이루는 물질과 마찰전기 시리즈(triboelectric series)에서 보다 음의 값을 가지는 물질인 것을 특징으로 하는 마찰전기 발생장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 충전 레이어는 합성 고분자(synthetic polymer), 염소중합체(chloropolymer), 불소중합체(fluorpolymer) 또는 이의 조합으로 이루어진 것을 특징으로 하는 마찰전기 발생장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제1전극 또는 상기 제2전극은 ITO, IGO, 크롬, 알루미늄, IZO(Indium Zinc Oxide), IGZO(Indium Gallium Zinc Oxide), ZnO, ZnO2 또는 TiO2 중 적어도 어느 하나를 포함하는 무기전극이거나 백금, 금, 은, 알루미늄, 철 또는 구리 중 적어도 어느 하나를 포함하는 금속전극이거나 페돗(PEDOT, polyethylenedioxythiophene), 탄소나노튜브(CNT, Carbon nano tube), 그래핀(graphene), 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리티오펜(Polythiophene, PT), 폴리피롤(Polypyrrole), 폴리파라페닐렌(polyparaphenylene, PPV), 폴리아닐린(Polyaniline), 폴리설퍼니트리드(poly sulfur nitride), 스테인레스 스틸, 크롬을 10%이상 함유한 철합금, SUS 304, SUS 316, SUS 316L, Co-Cr 합금, Ti 합금, 니티놀(Ni-Ti) 또는 폴리파라페닐렌비닐렌(polyparaphenylenevinylene) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 유기전극인 것을 특징으로 하는 마찰전기 발생장치.
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