WO2017074073A1 - 마찰 대전을 이용한 에너지 수확장치 - Google Patents

마찰 대전을 이용한 에너지 수확장치 Download PDF

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WO2017074073A1
WO2017074073A1 PCT/KR2016/012187 KR2016012187W WO2017074073A1 WO 2017074073 A1 WO2017074073 A1 WO 2017074073A1 KR 2016012187 W KR2016012187 W KR 2016012187W WO 2017074073 A1 WO2017074073 A1 WO 2017074073A1
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WO
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charging
sheet
charging sheet
housing
energy harvesting
Prior art date
Application number
PCT/KR2016/012187
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English (en)
French (fr)
Inventor
이상민
정지훈
이수경
문학성
용형석
김태훈
김반석
Original Assignee
중앙대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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    • 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 an energy harvesting apparatus using triboelectric charging, and more particularly, it is possible to maximize the triboelectric charging efficiency by generating a plurality of outputs by generating a triboelectric charge due to vertical contact and separation, sliding, and overlapping with a single input. It relates to an energy harvesting apparatus using a triboelectric charging having a structure capable of.
  • energy harvesting technology which is one of the representative clean energy systems that can use energy that is thrown away from the surrounding environment, has recently been in the spotlight.
  • the structure and performance of energy harvesting are also increasing depending on the type and environment of energy that can be harvested from the surroundings, such as light energy harvesting, energy harvesting due to electromagnetic field changes, and energy harvesting by triboelectric electricity.
  • the conventional energy harvesting device has a variety of methods, such as vertical contact and separation, sliding, superposition, and has been used to obtain one output through one input. There was a limit to raising.
  • the present invention provides an energy harvesting apparatus using a triboelectric charging having a structure capable of maximizing the frictional charging efficiency by generating a plurality of outputs by generating a triboelectric charge due to contact and separation, sliding, overlapping with a single input. will be.
  • an energy harvesting apparatus using triboelectric charging includes a housing formed in an accommodation space therein; A charging sheet accommodated to be dried in the housing; An elastic body provided inside the housing and providing an elastic force so that the charging sheet is rolled into the housing; And an electrode unit provided at the periphery of the charging sheet or the charging sheet and charging the charging sheet through friction in the process of pulling or drying the charging sheet.
  • the housing is formed in a cylindrical shape, the center may be provided with a rotating shaft to which the rear end of the charging sheet is connected.
  • An opening may be formed at one side of the housing to move the charging sheet into and out of the housing.
  • a holding part having a thickness thicker than that of the charging sheet may be formed at the front end of the charging sheet.
  • the charging sheet may be rolled up to receive several layers on the rotation shaft.
  • the charging sheet may be made of Teflon material.
  • the electrode unit may be provided on an inner wall of the housing.
  • the electrode unit may be provided on an outer surface of the rotation shaft.
  • the electrode unit may be formed in a pattern on the charging sheet.
  • the electrode unit may be provided on an inner wall of the housing and an outer surface of the rotating shaft.
  • FIG. 1 is a perspective view showing an energy harvesting apparatus using triboelectric charging according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an illustration showing harvesting triboelectric energy by the vertical contact and separation method.
  • 3 is an exemplary view showing harvesting triboelectric energy by a sliding method.
  • FIG. 4 is an illustration showing harvesting triboelectric energy by an overlapping manner.
  • FIG. 5 is a perspective view showing an energy harvesting apparatus using triboelectric charging according to another embodiment of the present invention.
  • Figure 6 is a perspective view showing an energy harvesting device using a triboelectric charging according to another embodiment of the present invention.
  • Figure 7 is a perspective view showing an energy harvesting apparatus using triboelectric charging according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a graph showing various output results of the energy harvesting apparatus using triboelectric charging.
  • 9 is an electrical output graph according to the movement change of the charging sheet.
  • 11 is a simulation result for grasping the influence of superposition of the charging sheet.
  • FIG. 12 is a graph showing a change in output according to the number of stacked sheets of a charging sheet.
  • 13 is a graph showing the voltage and current according to the position of the internal electrode.
  • first and second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.
  • FIG. 1 is a perspective view showing an energy harvesting apparatus using triboelectric charging according to an embodiment of the present invention
  • Figure 2 is an exemplary view showing harvesting triboelectric energy by a vertical contact and separation method
  • Figure 3 is a sliding method 4 is an exemplary view illustrating harvesting triboelectric energy
  • FIG. 4 is an exemplary view illustrating harvesting triboelectric energy by an overlapping method.
  • the energy harvesting apparatus using the triboelectric charging includes a housing 10 formed in the receiving space therein; A charging sheet 20 accommodated to be dried in the housing 10; An elastic body (30) provided inside the housing (10) and providing an elastic force so that the charging sheet (20) is rolled into the housing (10); And an electrode part 40 provided around the charging sheet 20 or the charging sheet 20 to charge the charging sheet 20 through friction in the process of pulling or drying the charging sheet 20. can do.
  • the housing 10 forms an exterior of the triboelectric harvesting device, and may be formed in a hollow cylindrical shape as shown in FIG. 1. This is merely an example of the housing 10, the housing 10 may have a variety of shapes, such as a rectangular shape, not a cylindrical shape, if the charging sheet 20 can be rolled into the inner receiving space It can be made in any form.
  • Opening 12 is formed at one side of the housing 10 to move the charging sheet 20 into and out of the housing 10.
  • the opening 12 is formed by cutting a portion of the hollow cylindrical wall, and the charging sheet 20 passes through the opening 12 while being pulled or dried.
  • the charging sheet 20 serves to harvest electrical energy by frictional charging with the electrode portion 40 in the pulling or drying process.
  • the charging sheet 20 may be made of a material that is easily charged with a negative electrode, and may be made of, for example, a Teflon material.
  • the charging sheet 20 may be made of a material such as polydimethysiloxane (PDMS), polyvinyl chloride (PVC), polyimide (polyimide), etc., which is easily charged to the negative electrode.
  • PDMS polydimethysiloxane
  • PVC polyvinyl chloride
  • polyimide polyimide
  • the charging sheet 20 may be any sheet as long as it is a sheet of a material that can be rolled into the interior of the housing 10.
  • the rear end of the charging sheet 20 (the innermost end) may be a housing. It is connected to the rotary shaft 14 provided in the inner center of the (10). Therefore, the charging sheet 20 is wound on the rotating shaft 14 while being rolled up by the elastic force of the elastic body 30.
  • the front end portion (end portion of the outermost) of the charging sheet 20 is formed with a gripping portion 22 having a thickness thicker than the charging sheet 20 so as to pull the charging sheet 20 well.
  • the grip portion 22 may have various shapes such as a circular shape and a rectangular shape when viewed in cross section.
  • the elastic body 30 is provided on the rotating shaft 14 to provide an elastic force so that the charging sheet 20 is rolled into the housing 10.
  • the elastic body 30 accumulates elastic energy and when the charging sheet 20 is released, the charging sheet 20 is rolled into the housing 10. Provide elastic force to enter.
  • the charging sheet 20 generates electrical energy through frictional charging with the electrode portion 40.
  • the elastic body 30 uses a spring, any one can be employed as long as it can apply an elastic force to the charging sheet 20.
  • An electrode portion 40 is provided on an inner wall of the housing 10.
  • the electrode portion 40 serves to harvest electrical energy through the triboelectric charging with the charging sheet 10.
  • the electrode portion 40 is provided on the inner wall of the housing 10 so as to be adjacent to the portion where the charging sheet 20 is moved, and there is a slight gap between the charging sheet 20 and the electrode portion 40 so that the charging sheet ( 20 is repeated contact and separation with the electrode portion 40 up and down during the drying process.
  • the vertical contact and separation method described above may occur in the process of fluttering the electrode unit 40 by the strong elastic force in the process of the charging sheet 20 is rolled into the interior of the housing 10.
  • the sliding method is the same principle as the vertical contact and separation method, but the difference is that the area change between the charging sheet 20 and the electrode portion 40 occurs in the horizontal direction instead of the vertical direction. have. That is, when the charging sheet 20 contacts the electrode section 40 with the maximum area as shown in (a), the surface of the electrode section 40 has a polarity opposite to that of the charging sheet 20. Then, when the contact area with the electrode portion 40 is changed while the charging sheet 20 moves in the horizontal direction, the range of the electrostatic induction effect is changed, so that the electrode portion 40 and the electrode portion 40 to maintain an equilibrium state. Electric current is generated between the grounds by electron movement.
  • the sliding method described above may occur in a process in which the charging sheet 20 sweeps the electrode portion 40 by a predetermined distance while the charging sheet 20 is curled and dried.
  • the superposition method harvests electrical energy on a principle different from the above-described upper and lower contact and separation methods and the sliding method.
  • the amount of charged charges increases due to the overlapping effect of the stacking of the charging sheet 20 in several layers, and thus the extent and degree of influence of the electrostatic induction phenomenon gradually increase, and thus the surface of the electrode portion 40 is increased.
  • the current is generated due to the difference in charged charge.
  • a change in the amount of charge charged in the electrode portion 40 occurs due to the effect of the overlap caused by the stacking of the charging sheet 20 gradually over a certain distance.
  • the degree of the electrostatic induction effect increases, so that a current is generated through the electron movement between the electrode portion 40 and the ground according to the change of the potential difference.
  • the overlapping method described above may be generated by the charging sheet 20 which is overlapped in several layers when viewed in cross section in the process of the charging sheet 20 being dried.
  • the energy harvesting apparatus using the triboelectric charging according to the present invention can generate three outputs because all three power generation methods can be generated by a single input (pull), and a configuration necessary for triboelectric charging inside the housing 10 can be obtained.
  • the proper placement of the elements provides the advantage of excellent space utilization.
  • FIG. 5 is a perspective view showing an energy harvesting apparatus using a triboelectric charging according to another embodiment of the present invention
  • Figure 6 is a perspective view showing an energy harvesting apparatus using a triboelectric charging according to another embodiment of the present invention
  • Figure 7 A perspective view of an energy harvesting apparatus using triboelectric charging according to another embodiment of the present invention.
  • 5 to 7 have a configuration that is mostly similar to the embodiment shown in FIG. 1, but there are differences in the position of the electrode portion 40 and the configuration of the charging sheet 20.
  • the electrode part 40 is provided on the outer surface of the rotation shaft 14 rather than the inner wall of the housing 10. According to such a structure, as the charging sheet 20 is rolled up, contact occurs, and in particular, there is an effect of generating electrical energy through an overlapping method.
  • the electrode sheet 40 is patterned on the charging sheet 20. According to such a structure, as the charging sheet 20 is rolled up, the vertical contact and separation, sliding, and overlapping methods with each electrode portion 40 simultaneously act to generate electrical energy by multiple outputs.
  • the electrode part 40 is provided in the inner wall of the housing 10, and the outer surface of the rotating shaft 14, respectively, and the electrode part 40 is also patterned also in the charging sheet 20.
  • FIG. Therefore, there is an effect of generating electrical energy by multiple outputs at each electrode portion 40 by one input (pull).
  • FIG. 8 is a graph showing various output results of the energy harvesting apparatus using triboelectric charging. Referring to this, the voltage measured in each experiment is different from the output range of 0 ⁇ 25V, as shown in Figure 8, it can be seen that the shape of the waveform in which the voltage is measured are all similar. Therefore, through the analysis of the waveform, the principle according to the various output results, and the analysis of the factors affecting the output and the experiment to improve the output.
  • 9 is an electrical output graph according to the change of movement of the charging sheet.
  • the charging sheet 20 was released from the moment of pulling, and the moment of drying was measured as a cycle.
  • the waveform can be divided into three parts.
  • the pull sheet 20 when the pull sheet 20 is pulled between 0 and 0.6 seconds, a pulling section in which the voltage is measured in an alternating current form, and then the movement generated when the charge sheet 20 is dried when the charge sheet 20 is placed thereafter.
  • a release section by.
  • the charging sheet 20 is wound by the elastic energy accumulated on the elastic body 30 by the rotating shaft 14, and the charging sheet 20 is rolled up and overlapped between 0.7 to 0.95 seconds, thereby generating a potential difference.
  • AC electrical energy is generated, and between 1.0 and 1.2 seconds, the charging sheet 20 can be fluttered and dried (Stacking + Fluttering) to generate larger AC electrical energy.
  • 11 is a simulation result for grasping the influence of superposition of the charging sheet.
  • the electric potential is changed according to the change in the number of layers of the substance that is likely to be charged with negative (-) when the vertical contact separation between the material that is likely to be charged with the virtual (-) and the virtual electrode part 40 is performed. Determine if there is a change in energy yield.
  • the surface charge amount of the material that is easily charged at one layer was set to ⁇ 1 ⁇ C / m 2
  • the surface charge amount of the electrode part 40 was set to 1 ⁇ C / m 2 .
  • the surface charge amount of the electrode part 40 was changed to 2 ⁇ C / m 2 in order to balance the electrical equilibrium.
  • (1) to (2) of FIG. 12 show a potential difference caused by contact separation of one layer of easy-to-charge material with the electrode portion 40, and (3) to (4) processes of two-ply easy to charge.
  • the potential difference resulting from contact separation of the material with the electrode portion 40 is shown. As shown in the above figure, it can be seen that the potential difference occurs more in the process of (3) to (4) than in the process of (1) to (2).
  • FIG. 12 is a graph showing a change in output depending on the number of stacked sheets of the charging sheet.
  • the triboelectric charging is performed in a manner of vertical contact-separation through a shaker in the form of a single electrode. The voltage according to the effect was measured.
  • 13 is a graph showing the voltage and current according to the position of the internal electrode.
  • the above results are the most basic energy harvesting device can improve performance depending on whether the electrode portion 40 and the charging sheet 20 is patterned.
  • a plurality of electrode units 40 are attached to the inside of the energy harvesting apparatus, and the electrical output according to the position is measured and shown in FIG.
  • the electrical energy can be harvested from all of the interior of the energy harvesting device, in the case of the electrode portion 40 in position (1) due to the flutter of the charging sheet 20 and the electrode portion 40 Contact separation and sliding movements result in high voltage values.
  • the electrode portion 40 at the position (2) it can be seen that the flutter of the charging sheet 20 has some influence.
  • the electrode portions 40 in positions (3) and (4) the flutter of the charging sheet 20 is relatively far from each other so that the electrical energy is mostly harvested based on the principle of overlapping. Therefore, when harvesting the electrical energy in the energy harvesting device, it is possible to produce electrical energy anywhere in the interior, by connecting it can improve the efficiency.
  • the electrical energy was harvested only by the effect of overlapping, except for the section in which the charging sheet 20 fluttered inside.
  • the electrode part 40 is patterned on the charged material and connected to the inside, the charged material and the electrode part 40 are alternately passed over the electrode part 40, so that a greater number of alternating electrical energy is caused by the frictional charging effect. Can be generated.

Landscapes

  • Electrostatic Separation (AREA)
  • Elimination Of Static Electricity (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)

Abstract

본 발명은 마찰 대전을 이용한 에너지 수확장치에 관한 것이다. 본 발명은 내부에 수용공간에 형성되는 하우징; 상기 하우징의 내부에 말리도록 수용되는 대전 시트; 상기 하우징의 내부에 구비되고, 상기 대전 시트가 상기 하우징의 내부로 말리도록 탄성력을 제공하는 탄성체; 및 상기 대전 시트 또는 대전 시트의 주변에 구비되고, 상기 대전 시트가 당겨지거나 말리는 과정에서 마찰을 통해 상기 대전 시트를 대전시키는 전극부를 포함할 수 있다.

Description

마찰 대전을 이용한 에너지 수확장치
본 발명은 마찰 대전을 이용한 에너지 수확장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 한 번의 입력으로 상하 접촉 및 분리, 슬라이딩, 중첩에 따른 마찰대전을 발생시켜 다중의 출력을 낼 수 있어 마찰대전 효율을 극대화할 수 있는 구조를 가진 마찰 대전을 이용한 에너지 수확장치에 관한 것이다.
석탄, 석유 등의 화석에너지 사용이 증가하게 되면서, 다양한 기술의 등장을 통해 에너지 수요가 급증하면서 화석에너지의 고갈이 예상되고 있다. 많은 화석에너지 사용으로 인해 에너지 고갈과 환경문제에 따른 미래에너지 자원 확보와 친환경적인 에너지 개발이 전 세계적으로 주요 과제로 대두되고 있다.
이러한 배경에서 주변 환경에서 버려지는 에너지를 끌어 쓸 수 있는 대표적인 청정에너지 시스템 중 하나인 에너지 하베스팅(Energy harvesting) 기술이 최근 각광을 받고 있다. 빛에너지의 수확, 전자기장 변화에 의한 에너지 수확, 마찰전기에 의한 에너지 수확 등 주변에서 수확할 수 있는 에너지의 형태 및 환경에 따라 에너지 하베스팅의 구조 및 성능도 증가하고 있다.
종래의 에너지 수확장치의 발전 방식은 상하 접촉 및 분리 방식, 슬라이딩 방식, 중첩 방식 등의 다양한 방법으로 이루어져 있으며 한 번의 입력을 통해 한 번의 출력을 얻는 방식을 이용하여 왔으나, 이러한 방식으로는 마찰대전 효율을 높이는 데에 한계가 있었다.
본 발명은 한 번의 입력으로 상하 접촉 및 분리, 슬라이딩, 중첩에 따른 마찰대전을 발생시켜 다중의 출력을 낼 수 있어 마찰대전 효율을 극대화할 수 있는 구조를 가진 마찰 대전을 이용한 에너지 수확장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명에 의한 마찰 대전을 이용한 에너지 수확장치는 내부에 수용공간에 형성되는 하우징; 상기 하우징의 내부에 말리도록 수용되는 대전 시트; 상기 하우징의 내부에 구비되고, 상기 대전 시트가 상기 하우징의 내부로 말리도록 탄성력을 제공하는 탄성체; 및 상기 대전 시트 또는 대전 시트의 주변에 구비되고, 상기 대전 시트가 당겨지거나 말리는 과정에서 마찰을 통해 상기 대전 시트를 대전시키는 전극부를 포함할 수 있다.
상기 하우징은 원통 형상으로 형성되고, 중앙에는 상기 대전 시트의 후단부가 연결되는 회전축이 구비될 수 있다.
상기 하우징의 일측에는 상기 대전 시트가 상기 하우징의 내외부로 이동되기 위한 개구부가 형성될 수 있다.
상기 대전 시트의 선단에는 상기 대전 시트보다 두꺼운 두께를 가진 파지부가 형성될 수 있다.
상기 대전 시트는 상기 회전축에 여러 층을 형성하도록 말려져 수용될 수 있다.
상기 대전 시트는 테프론(Teflon) 재질로 만들어질 수 있다.
상기 전극부는 상기 하우징의 내벽에 구비될 수 있다.
상기 전극부는 상기 회전축의 외면에 구비될 수 있다.
상기 전극부는 상기 대전 시트에 패턴으로 형성될 수 있다.
상기 전극부는 상기 하우징의 내벽 및 상기 회전축의 외면에 구비될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 한 번의 입력으로 상하 접촉 및 분리, 슬라이딩, 중첩에 따른 마찰대전을 발생시켜 다중의 출력을 낼 수 있어 마찰대전 효율을 극대화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 대전을 이용한 에너지 수확장치를 보인 사시도.
도 2는 상하 접촉 및 분리 방식에 의해 마찰전기 에너지를 수확하는 것을 보인 예시도.
도 3은 슬라이딩 방식에 의해 마찰전기 에너지를 수확하는 것을 보인 예시도.
도 4는 중첩 방식에 의해 마찰전기 에너지를 수확하는 것을 보인 예시도.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 대전을 이용한 에너지 수확장치를 보인 사시도.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마찰 대전을 이용한 에너지 수확장치를 보인 사시도.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마찰 대전을 이용한 에너지 수확장치를 보인 사시도.
도 8은 마찰 대전을 이용한 에너지 수확장치의 다양한 출력 결과를 보인 그래프.
도 9는 대전 시트의 움직임 변화에 따른 전기적 출력 그래프.
도 10은 대전 시트의 움직임 분석을 위한 고속 촬영 사진.
도 11은 대전 시트의 중첩의 영향을 파악하기 위한 시뮬레이션 결과.
도 12는 대전 시트의 적층수에 따른 출력 변화를 보인 그래프.
도 13은 내부 전극부의 위치에 따른 전압 및 전류를 보인 그래프.
도 14는 전극부의 패터닝을 통해 전기에너지 수확량이 향상된 것으로 보인 그래프.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명에 의한 마찰 대전을 이용한 에너지 수확장치의 일 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 대전을 이용한 에너지 수확장치를 보인 사시도이고, 도 2는 상하 접촉 및 분리 방식에 의해 마찰전기 에너지를 수확하는 것을 보인 예시도이며, 도 3은 슬라이딩 방식에 의해 마찰전기 에너지를 수확하는 것을 보인 예시도이고, 도 4는 중첩 방식에 의해 마찰전기 에너지를 수확하는 것을 보인 예시도이다.
이에 도시된 바에 따르면, 본 발명에 의한 마찰 대전을 이용한 에너지 수확장치는 내부에 수용공간에 형성되는 하우징(10); 상기 하우징(10)의 내부에 말리도록 수용되는 대전 시트(20); 상기 하우징(10)의 내부에 구비되고, 상기 대전 시트(20)가 상기 하우징(10)의 내부로 말리도록 탄성력을 제공하는 탄성체(30); 및 상기 대전 시트(20) 또는 대전 시트(20)의 주변에 구비되고, 상기 대전 시트(20)가 당겨지거나 말리는 과정에서 마찰을 통해 상기 대전 시트(20)를 대전시키는 전극부(40)를 포함할 수 있다.
하우징(10)은 마찰 대전 수확장치의 외관을 형성하는 것으로서, 도 1에 도시된 바와 같이 중공의 원통 형상으로 형성될 수 있다. 이는 하우징(10)의 일 예를 제시한 것에 불과하고, 하우징(10)은 원통 형상이 아니라 사각 형상 등 다양한 형상을 가질 수 있으며, 내부 수용공간으로 대전 시트(20)가 말려들어갈 수 있는 형태라면 어떠한 형태로든 만들어질 수 있다.
하우징(10)의 일측에는 대전 시트(20)가 하우징(10)의 내외부로 이동되기 위한 개구부(12)가 형성된다. 개구부(12)는 중공의 원통 벽면 일부를 절개한 형태로 형성되며, 대전 시트(20)는 당겨지거나 말리면서 개구부(12)를 통과하게 된다.
대전 시트(20)는 당겨지거나 말리는 과정에서 전극부(40)와의 마찰 대전에 의해 전기에너지를 수확하는 역할을 한다. 대전 시트(20)는 (-)극으로 대전되기 쉬운 물질을 사용할 수 있는데, 예를 들어, 테프론(Teflon) 재질로 만들어질 수 있다. 이외에도 대전 시트(20)는 (-)극으로 대전되기 쉬운 폴리디메틸실록산(PDMS: polydimethysiloxane), 폴리염화비닐(PVC: Polyvinyl Chloride), 폴리이미드 (polyimide) 등의 재질로 만들어질 수 있다.
대전 시트(20)는 상술한 바와 같이 하우징(10)의 내부로 잘 말려들어갈 수 있는 재질의 시트라면 어떠한 시트라도 사용될 수 있으며, 대전 시트(20)의 후단부(가장 안쪽에 위치한 단부)는 하우징(10)의 내부 중앙에 구비된 회전축(14)에 연결된다. 따라서, 대전 시트(20)는 탄성체(30)의 탄성력에 의해 말려들어가면서 회전축(14)에 감기게 된다.
한편, 대전 시트(20)의 선단부(가장 바깥에 위치한 단부)에는 대전 시트(20)를 잘 잡아당길 수 있도록 대전 시트(20)보다 두꺼운 두께를 가진 파지부(22)가 형성된다. 파지부(22)는 단면으로 보았을 때, 원형, 사각형 형상 등 다양한 형상을 가질 수 있다.
탄성체(30)는 회전축(14)에 구비되어 대전 시트(20)가 하우징(10)의 내부로 말리도록 탄성력을 제공하는 역할을 한다. 사용자가 대전 시트(20)를 하우징(10)의 외부로 당기게 되면 탄성체(30)는 탄성에너지를 축적하였다가 대전 시트(20)를 놓게 되면 대전 시트(20)가 하우징(10)의 내부로 말려들어가도록 탄성력을 제공한다. 이때, 대전 시트(20)는 전극부(40)와의 마찰 대전을 통해 전기에너지를 발생시키게 된다. 대전 시트(20)가 전극부(40)와 마찰 대전을 하는 방식에 대해서는 이하에서 보다 상세하게 설명하기로 한다. 본 실시예에서 탄성체(30)는 태엽 스프링을 사용하는데, 대전 시트(20)에 탄성력을 가할 수 있다면 어떠한 것이라도 채용될 수 있다.
하우징(10)의 내벽에는 전극부(40)가 구비된다. 전극부(40)는 대전 시트(10)와 마찰 대전을 통해 전기에너지를 수확하도록 하는 역할을 한다. 전극부(40)는 대전 시트(20)가 이동되는 부분에 인접하도록 하우징(10)의 내벽에 구비되며, 대전 시트(20)와 전극부(40) 사이에는 약간의 간격이 존재하여 대전 시트(20)는 말리는 과정에서 전극부(40)와 상하로 접촉 및 분리를 반복하게 된다.
이하에서는 도 2 내지 도 4를 참조하여 본 발명에 의한 마찰 대전을 이용한 에너지 수확장치가 마찰전기 에너지를 수확하는 것을 설명한다.
도 2(상하 접촉 및 분리 방식)를 참조하면, (a)와 같이 대전 시트(20)가 전극부(40)와 가까워지면 전극부(40)가 정전기 유도 현상에 의해 대전 시트(20)와 반대 극성인 (+)극을 띄게 된다. 이때, (b)와 같이 전극부(40)와 그라운드 사이에 전자의 이동이 생기며 이에 따라 전류가 발생한다. 이후, 대전 시트(20)와 전극부(40)가 접촉하면 (c)와 같이 평형 상태를 유지하다가 대전 시트(20)와 전극부(40)가 (d)와 같이 서로 멀어지면 전극부(40)가 다시 평형 상태로 돌아가기 위해 접촉시와는 반대방향으로 전극부(40)와 그라운드 사이에 전자의 이동에 따라 전류가 발생한다.
이상에서 설명한 상하 접촉 및 분리 방식은 대전 시트(20)가 하우징(10)의 내부로 말리는 과정에서 강한 탄성력에 의해 전극부(40)를 펄럭이면서 치는 과정에서 발생할 수 있다.
도 3(슬라이딩 방식)을 참조하면, 슬라이딩 방식은 상하 접촉 및 분리 방식과 같은 원리이지만 대전 시트(20)와 전극부(40) 사이의 면적 변화가 수직방향이 아닌 수평방향으로 일어나는 점에서 차이가 있다. 즉, 대전 시트(20)가 전극부(40)와 (a)와 같이 최대 면적으로 접촉할 때에는 전극부(40)의 표면은 대전 시트(20)와 반대의 극성을 띠게 된다. 이후, 대전 시트(20)가 수평방향으로 이동하면서 전극부(40)와의 접촉 면적이 변하게 되면 정전기 유도 효과의 범위가 달라지므로 전극부(40)는 평형 상태를 유지하기 위해 전극부(40)와 그라운드 사이에는 전자이동을 통해 전류가 발생한다.
다음으로, (c)와 같이 대전 시트(20)가 전극부(40)에 영향을 미치지 않는 범위로 완전히 떨어진 경우에는 전극부(40)의 표면은 대전된 전하가 없는 상태를 유지하게 된다. 이후, 다시 대전 시트(20)가 수평방향으로 이동하여 전극부(40)와의 접촉 면적이 커지게 되면 전극부(40)는 반대극성을 띄기 위해 그라운드로부터 전자의 이동을 통해 반대방향으로 전류가 발생한다.
이상에서 설명한 슬라이딩 방식은 대전 시트(20)가 펄럭이면서 말리는 과정에서 대전 시트(20)가 전극부(40)를 일정 거리만큼 쓸면서 가는 과정에서 발생할 수 있다.
도 4(중첩 방식)를 참조하면, 중첩 방식은 상술한 상하 접촉 및 분리 방식, 슬라이딩 방식과는 다른 원리로 전기에너지를 수확한다. 중첩 방식은 대전 시트(20)가 여러 층으로 쌓이는 중첩의 영향에 의해 대전된 전하의 양이 많아져 정전기 유도 현상의 영향 범위와 정도가 점차 커지게 되고, 이에 따라 전극부(40)의 표면에 대전되는 전하의 차이로 인해 전류가 발생한다. (a), (b), (c)의 경우 대전 시트(20)가 일정거리를 두고 점차 한층씩 쌓여가며 생기는 중첩의 영향에 의해 전극부(40)에 대전된 전하량의 변화가 발생한다. 충분히 대전된 대전 시트(20)가 쌓일 경우 정전기 유도 효과의 정도가 커지게 되므로 그 전위차의 변화에 따라 전극부(40)와 그라운드 사이에 전자이동을 통해 전류가 발생한다.
이후, (d)와 같이 어느 정도 이상의 대전 시트(20)의 적층수가 많아지면 적층된 대전 시트(20)의 극성에 따른 영향이 전극부(40)의 표면까지 미치는 정도가 미미해지므로 전극부(40)가 대전되는 양은 수렴하게 된다.
이상에서 설명한 중첩 방식은 대전 시트(20)가 말리는 과정에서 단면으로 보았을 때 여러 겹으로 중첩되는 대전 시트(20)에 의해 발생할 수 있다.
본 발명에 의한 마찰 대전을 이용한 에너지 수확장치는 한 번의 입력(당김)으로 3가지의 발전 방식을 모두 발생시킬 수 있기 때문에 다중의 출력을 낼 수 있고, 하우징(10) 내부에 마찰 대전에 필요한 구성요소들을 적절하게 배치시킴으로써 뛰어난 공간 활용성을 발휘하는 장점이 있다.
다음으로, 이하에서는 본 발명에 의한 마찰 대전을 이용한 에너지 수확장치의 다른 실시예에 대해서 살펴보기로 한다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰 대전을 이용한 에너지 수확장치를 보인 사시도이고, 도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마찰 대전을 이용한 에너지 수확장치를 보인 사시도이며, 도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마찰 대전을 이용한 에너지 수확장치를 보인 사시도이다.
도 5 내지 도 7에 도시된 실시예는 도 1에 도시된 실시예와 대부분 유사한 구성을 가지나 전극부(40)의 위치, 대전 시트(20)의 구성 등에서 차이가 있다.
먼저, 도 5를 참조하면, 전극부(40)는 하우징(10)의 내벽이 아닌 회전축(14)의 외면에 구비된다. 이와 같은 구조에 의하면, 대전 시트(20)가 말려 들어가면서 접촉이 일어나게 되고, 특히 중첩 방식을 통하여 전기에너지를 발생시키는 효과가 있다.
도 6을 참조하면, 대전 시트(20)에 전극부(40)이 패턴이 되어 있는 형태를 가진다. 이와 같은 구조에 의하면, 대전 시트(20)가 말려 들어가면서 각 전극부(40)와의 상하 접촉 및 분리, 슬라이딩 및 중첩 방식이 동시에 작용함으로써 다중 출력에 의해 전기에너지를 발생시키는 효과가 있다.
도 7을 참조하면, 위에서 설명한 모든 형태의 구조를 포함하고 있다. 즉, 하우징(10)의 내벽 및 회전축(14)의 외면에 전극부(40)가 각각 구비되고, 대전 시트(20)에도 전극부(40)가 패턴되어 있다. 따라서, 한 번의 입력(당김)에 의해 각각의 전극부(40)에서 다중 출력에 의해 전기에너지를 발생시키는 효과가 있다.
다음으로, 이하에서는 상술한 구조를 가지는 마찰 대전을 이용한 에너지 수확장치를 가지고 실험한 결과에 대해서 설명하기로 한다.
도 8은 마찰 대전을 이용한 에너지 수확장치의 다양한 출력 결과를 보인 그래프이다. 이를 참조하면, 매 실험마다 측정되는 전압은 도 8에서 확인할 수 있듯이 0~25V로 출력 범위가 다르지만, 전압이 측정되는 파형의 모양이 모두 비슷하다는 것을 알 수 있다. 따라서, 파형의 분석을 통해 다양한 출력결과에 따른 원리를 알아보고, 출력에 영향을 미치는 인자의 분석과 출력 향상에 대한 실험을 진행하였다.
도 9는 대전 시트의 움직임 변화에 따른 전기적 출력 그래프이다.
이를 참조하면, 다양한 출력 결과에 따른 원리를 알아보기 위해, 대전 시트(20)를 당기는 순간부터 놓은 뒤, 말리는 순간을 한 사이클로 하여 전압을 측정하였다. 도 9에서 확인할 수 있듯이 파형은 3개 부분으로 나눌 수 있다.
우선 0~0.6초 사이에 대전 시트(20)를 잡아당길 때 전압이 교류형태로 측정되는 풀링(Pulling) 구간과 그 이후에 대전 시트(20)를 놓을 때 대전 시트(20)가 말리면서 발생한 운동에 의한 릴리싱(Releasing) 구간이 있다. 릴리싱 구간은 회전축(14)에 의해 탄성체(30)에 축적된 탄성에너지로 대전 시트(20)가 감기며 0.7~0.95초 사이에서는 대전 시트(20)가 말리며 중첩이 되면서(Stacking) 전위차가 발생함에 따른 교류 전기에너지가 생성되고, 1.0~1.2초 사이에서는 대전 시트(20)가 펄럭이면서 말리며(Stacking + Fluttering) 더 큰 교류 전기에너지를 생성할 수 있다.
도 10은 대전 시트의 움직임 분석을 위한 고속 촬영 사진이다.
이를 참조하면, 도 10의 (a)에서 보이듯이 풀링(Pulling) 운동에서는 대전 시트(20)의 양쪽에 하중이 걸리기 때문에 대전 시트(20)의 움직임이 제한되어 회전축(14)에 붙어서 회전하는 것을 볼 수 있다. 이후 대전 시트(20)를 놓을 때, (b)에서 볼 수 있듯이 대전 시트(20)가 말리는 릴리싱(Releasing) 운동에서 두 가지 움직임을 확인할 수 있었다.
초기에는 탄성에너지에 의해 회전축(14)이 회전을 하게 되며 이에 부착된 대전 시트(20)가 정지한 상태에서 운동을 하여 회전축(14)에 붙으며 말리게 되는 스택킹(Stacking: (b)-(1),(2)) 현상과, 이후 탄성에너지가 거의 소모가 되는 시점에서 말려오는 대전 시트(20)는 관성의 법칙에 의해 회전축(14)의 회전속도보다 대전 시트(20)가 운동하는 속도가 빨라지게 되어 내부에서 펄럭이는 운동을 하게 되는 스택킹 + 플러터링(Stacking + Fluttering: (b)-(3),(4),(5)) 현상을 볼 수 있으며 이때 고속의 수직 접촉 분리와 슬라이딩으로 인해 도 9에서 보이듯이 전압의 급격한 증가가 일어나게 된다.
이와 같이 풀링 구간과 릴리싱 구간 초기에서는 대전 시트(20)과 전극부(40) 사이의 상대적인 거리 변화가 일어나지 않지만 당겨진 대전 시트(20)가 말리면서 생기는 중첩 영향에 따른 전기에너지가 발생하게 된다. 이러한 중첩의 영향에 따른 정도를 파악하고 비교, 분석하기 위해 도 11 및 12에서와 같이 프로그램 시뮬레이션과 실험을 진행하였다.
도 11은 대전 시트의 중첩의 영향을 파악하기 위한 시뮬레이션 결과이다.
중첩의 영향을 파악하기 위해서 우선 시뮬레이션 프로그램에서 가상의 (-)로 대전되기 쉬운 물질과 가상의 전극부(40)의 상하 접촉 분리시 전위차가 (-)로 대전되기 쉬운 물질의 층수 변화에 따라 전기에너지 수확량의 변화가 있는지 파악을 하였다. 전기적 평형을 맞추기 위해 한 겹 일때는 대전되기 쉬운 물질의 표면 전하량을 -1 μC/m2 으로 설정하였고, 전극부(40)의 표면 전하량을 1 μC/m2 으로 설정하였다. 두 겹 일때는 마찬가지로 전기적 평형을 맞추기 위해 전극부(40)의 표면 전하량을 2 μC/m2 로 변형하여 설정하였다. 도 12의 (1)~(2)과정은 한 겹의 대전되기 쉬운 물질을 전극부(40)와 접촉 분리하여 생기는 전위차를 나타내었고, (3)~(4)과정은 두 겹의 대전되기 쉬운 물질을 전극부(40)와 접촉 분리하여 생기는 전위차를 나타낸 것이다. 위의 도면에서 보듯이 (1)~(2)의 과정보다 (3)~(4)의 과정이 더 많은 전위차가 생기는 것을 파악할 수 있다.
도 12는 대전 시트의 적층수에 따른 출력 변화를 보인 그래프이다.
이를 참조하면, (-)로 대전되기 쉬운 대전 시트(20)의 표면을 각각 대전시킨 뒤 층수를 달리하여 중첩시킨 후 단일전극 형태로 가진기(shaker)를 통해 상하 접촉-분리하는 방식으로 마찰대전 효과에 따른 전압을 측정하였다.
실험 결과, 대전 시트(20)의 층수가 증가함에 따라 측정되는 전압이 증가하는 경향을 볼 수 있다. 이는 상대적으로 (-)로 대전되기 쉬운 대전 시트(20)가 중첩됨에 따라 그에 따른 표면 대전 전하량이 중첩되며, 전극에 미치는 정전기 유도 효과의 정도가 커지면서 그에 따른 전위차가 증가하기 때문이다.
도 13은 내부 전극부의 위치에 따른 전압 및 전류를 보인 그래프이다.
앞에서의 결과들은 가장 기본적인 형태의 에너지 수확장치로서 전극부(40)와 대전 시트(20)의 패터닝 여부에 따라 성능을 향상시킬 수 있다. 우선 본 에너지 수확장치의 내부에 다중의 전극부(40)를 부착하여 위치에 따른 전기적 출력을 측정하여 도 13에 도시하였다.
도 13에서 확인할 수 있듯이 본 에너지 수확장치의 내부 모두에서 전기에너지를 수확할 수 있으며, (1)번 위치의 전극부(40)의 경우 대전 시트(20)의 펄럭임으로 인해 전극부(40)와 접촉 분리, 슬라이딩 운동이 일어나면서 높은 전압 값을 보인다. 또한, (2)번 위치의 전극부(40)의 경우도 대전 시트(20)의 펄럭임이 어느 정도 영향을 끼치는 것을 볼 수 있다. (3) 및 (4)번 위치의 전극부(40)의 경우 대전 시트(20)의 펄럭임이 영향을 주기에는 상대적으로 거리가 많이 떨어져 있어 전기에너지를 대부분 중첩의 원리로 수확하게 된다. 따라서, 본 에너지 수확장치에서 전기에너지를 수확할 때, 내부의 어떠한 곳에서도 전기에너지를 생산할 수 있으며, 이를 연결함으로써 효율을 향상시킬 수 있다.
도 14는 전극부의 패터닝을 통해 전기에너지 수확량이 향상된 것으로 보인 그래프이다.
이를 참조하면, 대전물질에 전극부(40) 패터닝을 통해 수확되는 전기에너지 수확량을 높일 수 있다. 기본적인 형태에서 대전 시트(20)가 내부에서 펄럭임 운동을 하는 구간을 제외하고는 중첩의 효과로만 전기에너지를 수확하였다. 하지만 대전물질에 전극부(40) 패터닝을 하여 이를 내부와 연결하게 되면 전극부(40) 위로 대전물질과 전극부(40)가 번갈아가며 통과하게 되어 마찰대전 효과로 인해 더 많은 수의 교류 전기에너지가 생성될 수 있다.
상기에서는 본 발명의 특정의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (10)

  1. 내부에 수용공간에 형성되는 하우징;
    상기 하우징의 내부에 말리도록 수용되는 대전 시트;
    상기 하우징의 내부에 구비되고, 상기 대전 시트가 상기 하우징의 내부로 말리도록 탄성력을 제공하는 탄성체; 및
    상기 대전 시트 또는 대전 시트의 주변에 구비되고, 상기 대전 시트가 당겨지거나 말리는 과정에서 마찰을 통해 상기 대전 시트를 대전시키는 전극부를 포함하는 마찰 대전을 이용한 에너지 수확장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 하우징은 원통 형상으로 형성되고, 중앙에는 상기 대전 시트의 후단부가 연결되는 회전축이 구비되는 것을 특징으로 하는 마찰 대전을 이용한 에너지 수확장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 하우징의 일측에는 상기 대전 시트가 상기 하우징의 내외부로 이동되기 위한 개구부가 형성되는 것을 특징으로 하는 마찰 대전을 이용한 에너지 수확장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 대전 시트의 선단에는 상기 대전 시트보다 두꺼운 두께를 가진 파지부가 형성되는 것을 특징으로 하는 마찰 대전을 이용한 에너지 수확장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 대전 시트는 상기 회전축에 여러 층을 형성하도록 말려져 수용되는 것을 특징으로 하는 마찰 대전을 이용한 에너지 수확장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 대전 시트는 테프론(Teflon) 재질로 만들어지는 것을 특징으로 하는 마찰 대전을 이용한 에너지 수확장치.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 전극부는 상기 하우징의 내벽에 구비되는 것을 특징으로 하는 마찰 대전을 이용한 에너지 수확장치.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 전극부는 상기 회전축의 외면에 구비되는 것을 특징으로 하는 마찰 대전을 이용한 에너지 수확장치.
  9. 제 2 항에 있어서,
    상기 전극부는 상기 대전 시트에 패턴으로 형성되는 것을 특징으로 하는 마찰 대전을 이용한 에너지 수확장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 전극부는 상기 하우징의 내벽 및 상기 회전축의 외면에 구비되는 것을 특징으로 하는 마찰 대전을 이용한 에너지 수확장치.
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