KR20200021845A - 마찰 대전을 이용한 전력 생성 소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전력선에 흐르는 교류 전원에 의해 형성되는 자기장으로부터 전력을 생성하는 전력 생성 소자에 관한 것으로서, 자기장에 놓여 자기장의 교번에 따라 방향이 전환되는 자기력을 받는 영구 자석; 일단이 자유 단부로 형성되고 타단은 고정 단부로 형성되며, 자유 단부에 영구 자석이 부착되고, 소정의 탄성을 가지고 영구 자석이 받는 자기력에 의한 굽힘력을 받는 기판; 상호 대면하는 표면을 가지며, 대면하는 표면의 상호 변위에 의해 극성이 서로 다르게 마찰 대전되는 제1 및 제2 대전 부재; 및 영구 자석, 기판, 제1 및 제2 대전 부재이 지지되는 프레임을 포함하고, 제1 대전 부재는 프레임에 고정되고 제2 대전 부재는 기판에 고정되어, 굽힘력에 의해 기판이 진동함에 따라 제1 대전 부재와 대면하는 표면에 변위가 발생함으로써 제1 및 제2 대전 부재가 대전되고, 제1 및 제2 대전 부재를 상호 접속하여 주는 도선에 의해 제1 및 제2 대전 부재 사이에 전하가 흐름으로써 전력이 생성되도록 구성되는 것이다.

Description

마찰 대전을 이용한 전력 생성 소자{DEVICE FOR GENERATION OF ELECTRICITY USING TRIBOELECTIC}

본 발명은 마찰 대전을 이용한 전력 생성 소자에 관한 것으로서, 구체적으로는 서로 대면하는 두 물체 사이의 마찰에 의해 정전기가 생성되는 마찰 대전의 원리를 이용하여 교번하는 교류 자기장에 의해 놓여 전력을 생성하는 소자에 관한 것이다.

사물 인터넷을 구현하는 데 있어서 산재되어 설치되는 센서 소자 등의 요소에 지속적으로 전력을 공급하는 것의 중요성이 매우 크다.

특히, 공장, 도로, 건물, 항만 등의 각종 시설물에서 무선 센서 노드를 설치하고 이로부터 각종 계측 신호를 수신하는 경우에, 센서 노드의 작동에 필수적인 전력의 공급은 배터리를 통하여 이루어지는 경우가 많지만, 배터리의 교체는 시간과 비용이 상당히 소모될 뿐만 아니라, 센서 노드가 사람이 접근하기 어려운 위치에 배치된 경우에는 배터리 교체가 불가능할 수도 있다.

무선 센서 노드와 같이 전력 공급을 필요로 하는 전자 장치가 주변의 전력선으로부터 전력을 공급받도록 하는 경우에는 전력선으로부터 전선을 분기하고 전자 장치의 작동에 적합한 전류 및 전압의 변환을 위한 모듈을 갖추도록 하는 것은 많은 비용을 소모하게 하며 장치의 크기와 가격을 크게 증대시키는 요인이 된다.

따라서, 사물 인터넷 구현에 필요한 센서 등의 전자 장치에 주변 환경에서 에너지를 수확하여 전력을 공급하는 에너지 하베스팅(harvesting) 기술의 중요성이 증대되고 있다.

그러한 에너지 하베스팅 기술로서는 영구 자석이나 자왜 소재를 활용하여 교류 자기장에서의 자기력 또는 자왜 효과를 이용하여 기계적인 변형이나 운동을 유발하고, 이를 압전 효과를 이용하여 전기 에너지로 변환하는 기술이 연구 및 개발되고 있다.

그러나, 이러한 압전 효과를 이용한 전력 생성에 필수적인 압전 소자는 제작에 많은 시간과 비용이 소요되어 매우 고가이므로 상용화하기 어렵다.

미국 공개특허공보 US2017/0359001 A1

본 발명은 교류 전류의 전력선에 형성되는 교류 자기장으로부터 전력을 생성할 수 있는 전력 생성 소자를 제공하려는 것이다.

특히, 본 발명은 마찰 대전 특성을 활용하여 비교적 간단한 구성을 가지면서 저렴하게 제조할 수 있는 전력 생성 소자를 제공하려는 것이다.

또한, 본 발명은 마찰 대전 특성을 활용하여 최대의 전력을 생성할 수 있는 전력 생성 소자를 제공하려는 것이다.

본 발명의 발명자는 교류 자기장 하에서 전력을 생성하는 효과적인 수단으로서 마찰 전기 특성을 활용하는 데 주목하였다.

근접하여 배치되는 두 물체 사이의 상호 변위에 의해 대전되는 2개의 소재를 대면하여 배치하고 외부로부터 가해지는 힘을 이용하여 소재를 상호 변위시킴으로써 소재들 사이에 발생하는 정전기를 소재에 부착되는 전도체를 통하여 외부로 유도하여 전력을 생성하는 마찰 대전 방식의 전력 생성 소자에 대한 연구가 진행되고 있다.

도 1은 마찰 대전에 의한 전력 생성의 원리를 보여주는 도면이다.

도 1에 도시한 마찰 전기에 의한 전력 생성 소자는 'CAPTON'이라는 상표명의 폴리이미드 필름과 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 필름을 도전체 전극판에 부착하고 양자를 대면시켜, 상호 이격된 초기 상태(Ⅰ)으로부터 외력에 의하여 양 필름이 근접되는 상태(Ⅱ)로 되면, 대전 현상에 의해 폴리이미드 필름에는 음전하가, PMMA 필름에는 양전하가 대전되고, 근접 상태로부터 두 물체가 서로 이격을 개시하는 상태(Ⅲ)에서는 전하의 균형을 맞추기 위한 외부 도선을 통한 전하의 흐름에 의해 전류가 발생하고, 이격된 상태(Ⅳ)에서 다시 근접이 개시될 때(Ⅴ)에는 축적되었던 전하가 사라지면서 상태 Ⅲ과는 반대 방향의 전류가 생성된다.

이와 같이 대전되는 2개의 물체를 근접 및 이격시키고 두 물체 사이에 도선을 배치함으로써 근접과 이격의 반복 동작에 의해 서로 반대 방향의 전류가 흐르는 교류 전류가 생성된다.

이와 같은 마찰 대전에 의한 전류 생성에 관한 연구는 주로 웨어러블 기기와 같이 큰 외력이 작용하는 환경에 대전 소재를 배치하는 것이어서, 상용 교류 전력에 의해 생성되는 매우 약한 크기의 자기장 하에서 작동하는 소자로서 적용하기에는 적합하지 않다.

본 발명의 발명자는 상용 교류 전원이 흐르는 전선 주변에 형성되는 작은 크기의 교류 자기장에 인접 배치되어 작동하고 센서 소자와 같이 작은 수준의 전력을 소모하는 소자에 공급하기에 적합한 수 mW 수준의 전력을 생성할 수 있는 소자에 대한 연구를 지속한 결과, 이하에서 설명하는 본 발명에 따른 전력 생성 소자를 안출하기에 이르렀다.

본 발명은 전력선에 흐르는 교류 전원에 의해 형성되는 자기장으로부터 전력을 생성하는 전력 생성 소자에 관한 것으로서,

자기장에 놓여 자기장의 교번에 따라 방향이 전환되는 자기력을 받는 영구 자석; 일단이 자유 단부로 형성되고 타단은 고정 단부로 형성되며, 자유 단부에 영구 자석이 부착되고, 소정의 탄성을 가지고 영구 자석이 받는 자기력에 의한 굽힘력을 받는 기판; 상호 대면하는 표면을 가지며, 대면하는 표면의 상호 변위에 의해 극성이 서로 다르게 마찰 대전되는 제1 및 제2 대전 부재; 및 영구 자석, 기판, 제1 및 제2 대전 부재이 지지되는 프레임을 포함하고,

제1 대전 부재는 프레임에 고정되고 제2 대전 부재는 기판에 고정되어, 굽힘력에 의해 기판이 진동함에 따라 제1 대전 부재와 대면하는 표면에 변위가 발생함으로써 제1 및 제2 대전 부재가 대전되고, 제1 및 제2 대전 부재를 상호 접속하여 주는 도선에 의해 제1 및 제2 대전 부재 사이에 전하가 흐름으로써 전력이 생성되도록 구성되는 것이다.

이러한 구성의 전력 생성 장치에서 영구 자석은 교류 전원이 흐르는 전력선 주변에 형성되는 교류 자기장에 놓이며, 기판은 표면이 교류 자기장에 수직하게 놓인다.

이에 따라 영구 자석은 방향이 교번하는 자기력에 의해 방향이 교번되는 수직 하중을 기판에 가하게 되고, 기판은 고정 단부를 지지점으로 하여 자유 단부가 굽힘 하중을 받는다.

굽힘 하중이 교번하여 기판이 진동을 하며, 기판과 영구 자석은 교류 자기장의 교번하는 주파수에 맞추어 진동을 하고, 이에 따라 기판에 고정되는 제2 대전 부재가 프레임에 고정된 제1 대전 부재에 대해 근접 또는 접촉과 이격되는, 제1 대전 부재와 제2 대전 부재 사이의 서로 대면하는 표면 사이에 변위가 반복적으로 크게 발생하게 된다.

제1 대전 부재와 제2 대전 부재는 외부의 전자 장치와 연결되어 외부의 전자 장치를 통하여 상호 전기적으로 접속되어 이들 사이에 교번하는 전류, 즉 교류가 생성된다.

이와 같이, 본 발명의 구성과 작용에 따르면, 마찰 대전하는 2개의 부재를 서로 대면하게 배치하고 하나의 부재를 교류 자기장에 의해 영구 자석이 받는 굽힘력에 의해 공진하는 외팔보 형태의 기판에 부착함으로써, 교류 전력을 생성하게 된다.

마찰 대전하는 부재나 영구 자석 및 기판은 자왜 소재나 압전 소재에 비해 값싸게 입수할 수 있는 소재이므로 전력 생성 소자를 저렴하고 간단하게 구성할 수 있다.

또한, 이러한 본 발명의 전력 생성 소자는 전원선이 있는 위치라면 전원선에 분기선을 설치하는 일이나 전원선 또는 그 밖의 주변 시설을 변경하는 일이 없이 간단하게 설치되어 전력을 수확할 수 있다.

특히, 본 발명에 따른 전력 생성 소자는 웨어러블 기기에 이용되는 전력 생성 소자와는 달리 마찰 대전되는 2개의 부재 사이의 변위가 크지 않게 구성하여도 전력 생성 소자로부터의 전력을 필요로 하는 전자 장치에 소요되는 전력을 공급할 수 있게 된다.

본 발명의 부가적 특징으로서, 자기장의 교번에 따라 영구 자석이 가하는 굽힘력의 방향이 교번되면서 기판에서 중심부의 변형이 최대로 되고 자유단부의 변형이 최소로 되는 공진을 하도록 구성할 수 있다.

이러한 구성에 따르면, 영구 자석이 가하는 굽힘력에 의해 기판이 공진을 하되, 길이 방향 중심부가 최대로 변형되고 양 단부의 변형이 최소로 되는 공진을 하게 되어, 제1 대전 부재와 제2 대전 부재 사이의 상호 변위가 최대로 된다.

이와 같이 제1 대전 부재와 제2 대전 부재 사이의 상호 변위가 최대로 되는 경우에 전력 생성 소자에서는 최대의 전력을 얻을 수 있게 된다.

한편, 본 발명의 전력 생성 소자에서, 기판의 두께, 폭, 고정 단부로부터 영구 자석이 부착되는 위치까지의 길이, 및 탄성 계수와 영구 자석의 질량 중의 어느 하나 이상을 자기장의 주파수에 따라 조절함으로써 기판에서 중심부의 변형이 최대로 되고 자유단부의 변형이 최소로 되는 공진이 일어나도록 할 수 있다.

따라서, 본 발명의 전력 생성 소자를 배치하는 위치에 있는 전력선의 주파수에 맞추어 기판이나 영구 자석의 크기나 질량 또는 탄성 계수를 조절하는 간단하고 저렴한 방법으로 최대의 전력을 얻을 수 있다.

본 발명의 실시 양태의 하나로서,

제1 대전 부재는 양전하로 대전되는 금속제의 박막으로 이루어지고, 제2 대전 부재는 음전하로 대전되는 수지제의 패널로 이루어지며, 제2 대전 부재에는 제1 대전 부재와 대면하는 표면의 이면에 전기 전도성 재질의 박막이 부착되어 이 박막에 도선이 접속되는 것으로 구성할 수 있다.

이와 같이 구성하면 저렴한 소재로 전력 생성 소자를 구성할 수 있다.

본 발명의 다른 실시 양태로서, 앞의 실시 양태와는 역으로, 제1 대전 부재는 음전하로 대전되는 수지제의 패널로 이루어지며 제2 대전 부재는 양전하로 대전되는 금속제의 박막으로 이루어지는 것으로 구성할 수도 있다.

한편, 본 발명의 부가적 특징으로서,

제1 대전 부재 또는 제2 대전 부재는 음전하로 대전되는 수지제의 패널로 이루어지며, 제1 대전 부재와 대면하는 표면에는 미세 요철이 형성되는 것으로 구성할 수 있다.

미세 요철에 의해 정전하가 축적되는 대전 표면이 확장됨으로써 더 큰 전력을 얻을 수 있다.

또한, 이러한 미세 요철은 수용성 분말을 제1 대전 부재와 대면하는 표면에 분사한 후에 수용성 분말을 물에 용해시켜 형성될 수 있다. 따라서, 매우 간단한 방법으로 매우 미세한 요철 구조를 형성할 수 있다.

도 1은 마찰 대전 원리에 따른 전력 생성 소자의 개략적인 구성과 동작을 설명하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전력 생성 소자의 구성을 나타내는 사시도이다.본 발명의 하나의 실시예에 따른 전력 생성 소자
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전력 생성 소자가 작동하는 상태를 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전력 생성 소자에서 전력이 생성되는 원리를 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 전력 생성 소자에서 기판의 공진 모드를 보여주는 도면이다.
도 6 및 도 7은 각각 본 발명의 비교예 및 실시예에 따른 전력 생성 소자에서 기판의 공진 모드 및 그에 따라 생성되는 전력의 전압을 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전력 생성 소자의 PFA 필름에 미세 요철을 형성하는 공정을 보여주는 도면이다.
도 9는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전력 생성 소자에서 PFA 필름의 미세 요철 유무에 따른 전력의 전압과 전류의 차이를 비교하여 보여주는 그래프이다.

이하, 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용으로서, 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전력 생성 소자의 구성과 그 작용을 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전력 생성 소자의 구성을 도식적으로 나타낸 것인데, 이 도면을 참조하여 전력 생성 소자의 구성을 설명한다.

본 실시예의 전력 생성 소자(10)는 접촉에 의해 대전되는 제1 대전 부재로서 15 ㎛ 두께의 알루미늄 포일(11), 제2 대전 부재로서 테프론 수지인 50 ㎛ 두께의 PFA(Perfluoroalkozy alkane) 필름(12)을 마련하였다. PFA 필름(12)은 알루미늄 포일(11)과 대향하는 대전 표면(121)에 나노 스케일의 미세 요철이 형성되어 있어서 표면적이 확대되어 있다.

PFA 필름(12)은 기판(13)에 지지되는데, 기판(13)은 300㎛ 두께의 티타튬(Ti) 소재의 패널로 형성되고, 기판(13)의 일단은 프레임(미도시)에 일측 단부가 고정되어 고정 단부(131)로 되고 타측 단부는 고정되지 않은 자유 단부(132)로 되어, 기판(13) 전체로서 외팔보(Cantilever beam)를 이루고 있다.

기판(13)과 PFA 필름(12) 사이에는 도전 전극으로서 두께 100 nm의 금 박막층(14)이 PFA 필름(12)의 이면에 스퍼터링에 의해 형성되어 있고, 금 박막층(14)과 기판(13) 사이에는 접착층(15)이 마련되어, PFA 필름(12)과 금 박막층(14)을 기판(13)에 고정 부착하고 있다.

한편, 기판(13)의 자유 단부(132)에는 영구 자석(16)으로서 각각 1.5 g의 질량을 갖는 네오디뮴(Neodymium, Nd) 자석 7개가 기판의 양면에 고정되어 있다. 네오디뮴 자석은 희토류 자석의 일종으로, 네오디뮴(Nd)과 철(Fe) 및 붕소(B)를 2:14:1의 비율로 분말 야금법으로 합금하여 만들어지는 것이다.

알루미늄 포일(11)은 프레임(미도시)에 양단이 고정되어 있고, PFA 필름(12)은 기판(13)에 부착되어 있으며, 외력이 가해지지 않은 상태에서 대체로 서로 평행한 상태로 배치되어 있다.

한편, 알루미늄 포일(11)과 PFA 필름(12), 금 박막층(14) 및 접착층(15)은 모두 폭 20 mm, 길이 50 mm로 형성된 것이며, 기판(13)은 20 mm 폭과 80 mm 길이로 형성되어, 길이 방향 양단부(131, 132)에는 PFA 필름(12), 금 박막층(14) 및 접착층(15)이 부착되지 않은 상태이다.

이상에서 한정하는 각 박막이나 필름의 크기와 폭, 두께 및 영구 자석의 질량은 영구 자석(16)이 143.2 Hz의 교류 자기장 하에 놓인 경우에 후술하는 본 실시예에서 한정하는 공진 조건을 만족하도록 설정된 수치인데, 이는 하나의 예시일 뿐이고 교류 자기장의 크기와 주파수 조건 등에 맞추어 본 실시예에서 한정하는 공진 조건을 만족하도록 기판의 두께, 길이, 폭 및 탄성계수와 영구 자석의 질량이 조정될 수 있다.

또한, 본 실시예에서는 상호 변위에 의해 대전하는 제1 대전 부재와 제2 대전 부재로서 각각 알루미늄 포일(11)과 PFA 필름(12)을 이용하고 있는데, 알루미늄 포일과 테프론 수지는 값싸게 이용할 수 있는 소재이므로 이들 소재를 이용한 전력 생성 소자의 원가를 크게 낮출 수 있으며, 후술하겠지만, 테프론 수지는 간단한 방식의 가공을 통하여 그 대전 표면적을 확대시켜서 전력 생성 소자에서 생성하는 전력을 증대시킬 수 있다는 장점이 있다.

그러나, 본 발명은 이러한 소재에 한정되지 않고, 양극으로 대전되는 소재로서, 알루미늄 외의 다른 금속 박막이나 패널 또는 유리, 마이카(Mica), 실리카(Silica) 등의 소재의 패널을 이용할 수 있고, 음극으로 대전되는 소재로서 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리비닐클로라이드(PVC) 또는 PTEE(Polytetrafluorethylene) 등의 수지 소재를 이용할 수도 있다.

또한, 본 실시예에서는 PFA 필름(12)에 금 박막층(14)을 형성하였지만, 금 이외의 다른 전기 전도성이 놓은 재료의 박막을 형성할 수도 있다.

이상과 같은 구성의 전력 생성 소자(10)는 도 3에 개략적으로 도시한 상태에 놓여서 작동하게 된다.

먼저, 본 실시예의 전력 생성 소자(10)는 영구 자석(16)이 교류 자기장에 놓이게 된다.

본 실시예의 전력 생성 소자(10)는 교류 전류가 흐르는 전력선(20) 주변에 배치된다.

전력선(20)에 흐르는 교류 전류에 의해 전력선 주변에는 자기장의 방향이 교번되는 교류 자기장(B)이 형성되며, 전력 생성 소자(10)의 영구 자석(16)이 교류 자기장(B)에 놓이되, 자기장(B)의 방향이 기판(13)의 표면의 평면에 수직하게 되도록 배치된다.

교류 자기장의 세기는 전력선(20)으로부터의 거리에 반비례하므로, 영구 자석(16)은 전력선(20)과 간섭이 없는 범위에서 최대한 전력선(20)에 근접하여 배치되는 것이 유리하다.

이러한 배치에 따라, 영구 자석(16)은 교번하는 자기장에 의해 방향이 교번하는 자기력을 받게 되며, 영구 자석(16)은 외팔보를 구성하는 기판(13)의 자유 단부에 부착되므로, 기판(13)은 그 자유 단부(132)에서 표면의 평면에 대해 수직 방향으로 작용하는 굽힘 하중을 받게 되며, 이러한 굽힘 하중은 교류 자기장의 변동에 따라 방향이 교번된다.

이에 따라 기판(13)은 고정 단부(131)를 지점으로 하고 자유 단부(132)에 부착된 질량체인 영구 자석(16)이 인가하는 교번 하중에 의해 진동 운동을 하게 된다.

이러한 진동 운동에 의해 기판(13)에 부착되어 있는 제2 대전 부재로서의 PFA 필름(12)는 상하로 운동을 하게 되고, 일정 위치에 고정되어 있는 제1 대전 부재로서의 알루미늄 포일(11)에 대하여 근접 및 이격되는 운동을 반복하게 된다.

이와 같은 알루미늄 포일(11)과 PFA 필름(12)의 근접 및 이격에 의해 교류 전력이 생성되는데, 그 원리는 도 1을 참조하여 설명한 바와 같으며, 도 4에 전력 생성의 원리를 도식적으로 도시하였다.

도 4를 참조하여 본 실시예의 전력 생성 소자에서 전류가 생성되는 원리를 살펴본다.

알루미늄 포일(11)과 PFA 필름(12)이 상호 이격된 초기 상태(ⅰ)에서, 기판(13)의 진동에 의해 PFA 필름(12)이 알루미늄 포일(11)에 근접하면(상태 ⅱ)로 되면, 대전 현상에 의해 알루미늄 포일(11)에는 양전하가, PFA 필름(12)에는 음전하가 대전된다.

근접 상태(ⅱ)로부터 PFA 필름(12)이 이격되기 시작하면(상태 ⅲ), 전하의 균형을 맞추기 위한 외부 도선을 통한 전하의 흐름에 의해 전류가 발생하고, 이격된 상태(ⅳ)에서 다시 근접하기 시작하면(상태 ⅴ), 축적되었던 전하가 사라지면서 상태 ⅲ과는 반대 방향의 전류가 생성된다.

이와 같이 본 실시예의 전력 생성 소자(10)에서도 마찰 대전에 의한 전류 생성의 원리에 따라 교류 전류가 생성된다.

다시 도 3을 참조하면, 알루미늄 포일(11)과 PFA 필름(12)에는 각각 도선(17, 18)이 연결되어 있고, 이 도선(17, 18)은 센서 소자(30)에 연결되어 교류 전류을 공급하게 된다.

알루미늄 포일(11)에는 도선(17)이 직접 연결되고 PFA 필름(12)에는 금 박막층(14)을 통하여 도선(18)이 연결되어 알루미늄 포일(11)과 PFA 필름(12) 사이의 전하의 이동 통로, 즉 전류가 흐르는 통로가 된다.

센서 소자(30)는 본 실시예의 전력 생성 소자(10)에 의해 생성되는 전력에 의해 작동되는 것이며, 전력 생성 소자(10)로부터의 교류 전류를 그 용도에 맞추어 정류하는 정류 모듈 및 이차전지 또는 콘덴서와 같은 축전 소자를 갖추어 전력 생성 소자(10)에서 생성된 전력을 저장하고 센서 소자(30)에서 필요로 하는 전압과 전류로 변환하여 사용하게 된다.

이러한 센서 소자(30)는 와이파이 모듈과 같은 무선 통신 수단을 갖추고 사람이 접근할 수 없으나 전력선(20)이 배치된 위치에 마련됨으로써 전력 생성 소자(10)로부터의 교류 전류를 이용하여 작동하여 원격지에 있는 서버나 관리자의 스마트폰(40)과 같은 정보 기기에 측정한 정보를 송신하게 된다.

한편, 본 실시예의 전력 생성 소자(10)에 대하여 최대의 전력을 생성할 수 있는 조건에 대하여 실험하였다.

본 실시예의 전력 생성 소자(10)를 헬름홀츠 코일에 배치하여 교류 자기장을 인가하고, 기판의 진동 모드와 생성되는 전류의 전압을 측정하였다.

헬름홀츠 코일은 지름 140 mm을 가지고 7 Oe의 자기 세기를 가지는 교류 자기장을 인가하도록 하였으며, 전력 생성 소자의 영구 자석(10)이 헬름홀츠 코일의 교류 자기장에 놓이도록 배치하여, 교류 자기장의 교번 주파수를 0으로부터 계속 증가시키면서 기판(13)의 진동 모드와 전력 생성 소자에서 생성되는 전력의 전압을 측정하였다.

도 5은 헬름홀츠 코일의 자기장의 주파수에 따라 기판(13)에서 나타나는 공진 상태들을 도시하고 있다.

공진 상태는 주파수의 증가에 따라 3가지 모드로 나타나는데, 주파수 증가에 따라 낮은 주파수로부터 순차로, (a)에 도시한 바와 같은, 기판의 고정 단부(131)를 중심으로 하여 회동하는 형태로 거동하며 영구 자석(16)이 부착된 자유 단부(131)가 최대 진폭을 가지는 첫 번째 굽힘 공진 모드, (b)에 도시한 바와 같은, 기판(13)이 길이 방향의 축선에 대하여 비틀림 공진하는 비틀림 공진 모드, (c)에 도시한 바와 같은, 기판(13)의 중앙 부분에서 최대 진폭이 나타나고 자유 단부(132)는 변위가 거의 없는 두 번째 굽힘 공진 모드가 나타난다.

도 6은 첫 번째 굽힘 공진 모드에서의 변위와 생성되는 전압을 나타내는데, 첫 번째 공진 모드는 헬름홀츠 코일에서 15 Hz의 교류 자기장을 인가하였을 때 발생하며, 최대 130 V의 피크투피크(peak to peak) 개방전압을 갖는 전류가 생성되었다.

도 7은 두 번째 굽힘 공진 모드에서의 변위와 생성되는 전압을 나타내는데, 두 번째 공진 모드는 헬름홀츠 코일에서 143.2 Hz의 교류 자기장을 인가하였을 때 발생하며, 최대 703 V의 피크투피크 개방전압을 갖는 전력이 생성되었다.

도 6에서 보듯이 비틀림 공진 모드는 기판(13)의 상하 변위가 거의 없으므로, 전류가 생성되지 않았다.

동일한 가진력이 주어졌을 때, 공진이 일어나는 조건에서 진폭이 최대로 되고, 본 실시예에 따른 전력 생성 소자에서 근접과 이격의 변위가 있는 제2 대전 부재가 부착되는 기판이 그 자유 단부의 영구 자석이 받는 상하로 방향이 교번되는 자기력에 의해 굽힘 진동이 발생하는 경우에 공진에 의해 최대 변위가 발생하고, 그러한 최대 변위에 의해 제1 대전 부재와 제2 대전 부재 사이의 변위가 최대로 되면서 생성되는 전력의 전압이 최대로 될 수 있다.

특히, 앞에서 설명한 실험 결과에서와 같이, 공진은 여러가지 모드로 발생하며, 기판(13)의 중심부에 공진에 따른 최대 변위가 발생하고 기판의 양 단부는 변위가 발생하지 않는 공진 조건에서 최대의 전력 생성이 가능하다는 것을 밝혀냈다.

이상의 실험 결과는 본 실시예의 전력 생성 소자에 143.2 Hz의 교류 자기장을 인가하였을 때 기판의 중심부가 상하로 진동하는 두 번째의 굽힘 공진 모드가 나타나고 이러한 공진 모드에서 최대의 전력이 생성되는 것을 확인한 것이지만, 본 실시예의 변형예로서, 기판의 길이를 95 mm로 하고 영구 자석을 총12개를 부착하고 다른 조건은 실시예와 동일하게 하여 전력 생성 소자를 구성한 경우에는 상용 교류 전력의 주파수인 60 Hz에서 두 번째의 굽힘 공진 모드에 따른 공진이 발생하고 최대의 전력이 발생하는 것을 확인하였다.

또한, 이와 같이 구성된 변형예의 전력 생성 소자를 상용 교류 전원선에 인전시켜서 전력의 생성 여부에 대한 실험을 수행하였다.

이 실험에서는 전압 220 V 및 주파수 60 Hz의 상용 전원이 공급되는 전원선에 저항체를 연결하여 각각 5.0 A 및 9.2 A의 전류가 흐르도록 하고, 전원선의 중심과 본 발명의 변형례의 전력 생성 소자의 영구 자석이 14 mm 이격되도록 배치하였다.

5.0 A의 전류가 흐르는 경우에는. 영구 자석이 배치된 위치에서는 최대 1.3 Oe 크기의 교류 자기장이 형성된 것으로 계산되며, 전력 생성 소자에서 두 번째의 굽힘 공진 모드에 따른 공진이 발생하였고, 주파수 60 Hz, 151 V의 피크투피크 개방전압, 11.7 μA의 단락전류를 갖는 전력이 생성되었다.

또한, 9.2 A의 전류가 흐르는 경우에는. 영구 자석이 배치된 위치에서는 최대 0.7 Oe 크기의 교류 자기장이 형성된 것으로 계산되며, 전력 생성 소자에서 두 번째의 굽힘 공진 모드에 따른 공진이 발생하였고, 주파수 60 Hz, 330 V의 피크투피크 개방전압, 23 μA의 단락전류를 갖는 전력이 생성되었다.

본 발명에 따른 구성을 갖는 전력 생성 소자가 기판의 길이 방향 중심이 상하로 진동하는 공진 모드를 가지도록 하는 조건은 전력 생성 소자를 구성하는 기판이나 제1 및 제2 대전 소자의 크기와 두께, 탄성 계수 및 영구 자석의 질량에 따라 달라질 수 있으며, 그러한 두 번째의 공진 모드가 일어나는 조건은 본 명세서에서 교시하는 바에 따라 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 반복 실험을 통하여 설정할 수 있다.

한편, 마찰 대전의 원리에 따르면, 상호 접촉과 이격이라는 상호 변위에 따라 대전하는 두 물체는 그 대향하는 표면적에 따라 대전 전하량이 높아지면서 생성되는 전류의 전압이 높아질 수 있다.

본 실시예의 전력 생성 소자(10)에서 PFA 필름(12)은 알루미늄 포일(11)과 대향하는 대전 표면(121)에 나노 스케일의 미세 요철이 형성되어 있어서, 표면적이 극대화된 것이다.

도 8은 본 실시예의 전력 생성 소자(10)에서 PFA 필름(12)의 표면에 나노 스케일의 미세 요철을 형성하는 공정을 개략적으로 표시한 것이다.

먼저, 소재가 되는 가공되지 않은 PFA 필름(12')을 마련하고, 일측 표면에 분사장치(1)에 의해 고압 가스로 나노 수준의 입자 크기를 갖는 염화나트륨 분말(2)을 고속으로 분사한다 (공정 A).

분사되는 염화나트륨 분말은 PFA 필름(12')의 표면에 충돌하여 튕겨져 나가기도 하지만, 상당수의 분말이 PFA 필름(12')의 표면에 박혀 있는 상태로 된다.

이러한 공정에 이어, 염화나트륨 분말이 박혀 있는 PFA 필름(12')을 물에 담가 둔다(공정 B). 이에 따라 수용성인 염화나트륨 분말이 물에 용해되어 PFA 필름(12')으로부터 분리된다.

이어서 PFA 필름(12)을 물에서 꺼내어 건조하면 (C)에 도시한 것과 같이 대전 표면(121)에 미세한 요철 구조가 형성된 상태로 된다. 도면에서는 요철을 표시하기 위하여 과장되게 크게 도시하였지만, 요철의 크기는 염화나트륨 분말의 입자 크기에 따르며, 나노 스케일의 염화나트륨 분말을 사용하는 경우에는 표면에 나노 스케일의 요철을 갖는 PFA 필름을 얻는다.

반면, 본 실시예에서는 염화나트륨 분말을 PFA 필름에 분사하였지만, 염화나트륨 분말 외에 염화칼륨이나 다른 수용성의 분말을 이용할 수도 있다.

도 9는 본 실시예에 따른 전력 생성 소자(10)에서 PFA 필름으로서 앞서 설명한 공정에 의해 나노 스케일의 미세 요철을 형성한 것과 형성하지 않은 것을 사용한 구성에 대하여 전압과 전류를 보여주는 그래프이다.

이 그래프를 통하여 알 수 있듯이, PFA 필름(12)에 나노 스케일의 미세 요철이 형성된 구성에서는 미세 요철이 없는 경우에 비해 생성되는 전력의 전압과 전류가 매우 증대된 것을 확인할 수 있다.

한편, 본 실시예에서는 PFA 필름에 미세 요철 구조를 형성하여 대전 면적을 확대하였지만, PFA 필름과 마주하는 반대 극성의 대전 소재인 알루미늄 박막에도 전술한 공정이나 그 밖의 방법을 이용하여 미세 요철을 형성하는 경우에 더 높은 전력 생성 효과를 얻을 수 있다.

이상과 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 이러한 실시예는 예시적인 것일 뿐이고, 당업자라면 청구범위에 기재된 범위 내에서 다양한 수정과 변경 및 구성 요소의 부가가 가능하고, 그러한 수정, 변경 및 구성 요소가 부가된 구성은 본 발명의 범위에 속하는 것이다.

10: 전력 생성 소자 11: 알루미늄 포일
12: PFA 필름 13: 기판
14: 금 박막층 15: 접착층

Claims (7)

1. 전력선에 흐르는 교류 전원에 의해 형성되는 자기장으로부터 전력을 생성하는 전력 생성 소자로서,
   자기장에 놓여 자기장의 교번에 따라 방향이 전환되는 자기력을 받는 영구 자석;
   일단이 자유 단부로 형성되고 타단은 고정 단부로 형성되며, 자유 단부에 영구 자석이 부착되고, 소정의 탄성을 가지고 영구 자석이 받는 자기력에 의한 굽힘력을 받는 기판;
   상호 대면하는 표면을 가지며, 대면하는 표면의 상호 변위에 의해 극성이 서로 다르게 마찰 대전되는 제1 및 제2 대전 부재; 및
   영구 자석, 기판, 제1 및 제2 대전 부재이 지지되는 프레임
   을 포함하고,
   제1 대전 부재는 프레임에 고정되고 제2 대전 부재는 기판에 고정되어, 굽힘력에 의해 기판이 진동함에 따라 제1 대전 부재와 대면하는 표면에 변위가 발생함으로써 제1 및 제2 대전 부재가 대전되고, 제1 및 제2 대전 부재를 상호 접속하여 주는 도선에 의해 제1 및 제2 대전 부재 사이에 전하가 흐름으로써 전력이 생성되는 것인, 전력 생성 장치.
2. 청구항 1에 있어서,
   제1 대전 부재는 양전하로 대전되는 금속제 박막으로 이루어지고, 제2 대전 부재는 음전하로 대전되는 수지제의 패널로 이루어지며, 제2 대전 부재에는 제1 대전 부재와 대면하는 표면의 이면에 전기 전도성 재질의 박막이 부착되어 이 박막에 도선이 접속되는 것인, 전력 생성 장치.
3. 청구항 1에 있어서,
   제1 대전 부재는 음전하로 대전되는 수지제의 패널로 이루어지며, 제1 대전 부재에는 제2 대전 부재와 대면하는 표면의 이면에 전기 전도성 재질의 박막이 부착되어 이 박막에 도선이 접속되며, 제2 대전 부재는 양전하로 대전되는 금속제의 박막으로 이루어지는 것인, 전력 생성 장치.
4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 하나의 청구항에 있어서,
   제1 대전 부재 또는 제2 대전 부재는 음전하로 대전되는 수지제의 패널로 이루어지며, 제1 대전 부재와 대면하는 표면에는 미세 요철이 형성되는 것인, 전력 생성 장치.
5. 청구항 4에 있어서,
   미세 요철은 수용성 분말을 제1 대전 부재와 대면하는 표면에 분사한 후에 수용성 분말을 물에 용해시켜 형성되는 것인, 전력 생성 장치.
6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 하나의 청구항에 있어서,
   자기장의 교번에 따라 영구 자석이 가하는 굽힘력의 방향이 교번되면서 기판에서 중심부의 변형이 최대로 되고 자유단부의 변형이 최소로 되는 공진을 하도록 구성되는 것인, 전력 생성 장치.
7. 청구항 6에 있어서,
   기판의 두께, 폭, 고정 단부로부터 영구 자석이 부착되는 위치까지의 길이, 및 탄성 계수와 영구 자석의 질량 중의 어느 하나 이상은 자기장의 주파수에 따라 기판에서 중심부의 변형이 최대로 되고 자유단부의 변형이 최소로 되는 공진을 하도록 맞추어지는 것인, 전력 생성 장치.

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