KR20200083028A

KR20200083028A - 커패시터 구조를 이용한 마찰대전 발전기

Info

Publication number: KR20200083028A
Application number: KR1020180174233A
Authority: KR
Inventors: 백정민; 이재원; 이진표; 양우정
Original assignee: 울산과학기술원
Priority date: 2018-12-31
Filing date: 2018-12-31
Publication date: 2020-07-08

Abstract

본 발명은, 서로 이격되는 제1 전극 및 제2 전극; 상기 제2 전극과 마주보는 상기 제1 전극의 일 면에 배치되는 제1 대전체; 상기 제1 대전체와 상기 제2 전극의 사이에 배치되고, 상기 제1 대전체와의 접촉에 의해 양전하로 대전되는 제2 대전체; 상기 제2 대전체의 움직임에 따라 상기 제2 대전체와 단속적으로 연결되는 전하 저장소(charge reservoir); 상기 제2 전극에 대하여 상기 제2 대전체의 반대 편에 배치되고, 상기 제2 전극과 이격되는 제3 전극; 상기 제2 전극과 상기 제3 전극의 사이에 배치되는 유전체(dielectric material);를 포함하는 마찰대전 발전기를 제공한다.

Description

커패시터 구조를 이용한 마찰대전 발전기{Triboelectric generator using capacitor structure}

본 발명의 실시예들은 마찰대전 발전기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 커패시터 구조를 이용함으로써 감소된 고유 임피던스를 가지는 마찰대전 발전기에 관한 것이다.

최근, 에너지로 인한 환경 오염 문제와 기존의 화석 연료 고갈 문제 등으로 인해, 친환경 대체 에너지에 관한 연구가 많이 이루어지고 있으며, 그 중에서도 에너지 하베스팅(Energy harvesting)이 많은 관심을 받고 있다. 에너지 하베스팅 기술은, 자연에서 버려지는 에너지를 유용한 전기 에너지로 변환하여 이용하는 기술로, 예를 들면, 주변에 존재하는 태양광, 온도 변화 등을 에너지원으로 이용하거나, 바람, 진동, 인간의 움직임으로부터 발생되는 기계적 에너지 등을 이용하여 전기를 생산하는 기술이다. 이러한 에너지 하베스팅 기술은 소형 전자 기기에 전원을 공급하기 위한 방법으로 제시되고 있다.

소형 에너지 하베스팅 방법에는 태양광을 이용한 태양발전, 기계적인 에너지를 이용한 압전발전 및 정전발전, 기계적인 운동과 전자기적 현상을 이용한 발전 및 용량성(capacitive) 발전, 폐열을 이용한 열전발전 등이 있다. 각각의 방법은 장단점을 가지고 있으며 주어진 자연환경에 적합한 방법이 선택되어 적용될 수 있다.

예를 들면, 태양발전의 경우 에너지량은 크지만 흐린 날이나 실내에서는 사용할 수 없는 단점이 있으며, 열전(thermoelectric) 재료를 이용한 에너지 하베스팅 방식은 에너지 하베스팅 장치의 안과 밖의 온도 차가 커야만 효과를 볼 수 있다는 단점이 있다.

이에 반해, 마찰전기(triboelectricity)에 기반한 에너지 하베스팅의 경우, 열, 태양 등 다른 미소에너지 생산 방식에 비해 시간적, 공간적 제약이 없다는 장점이 있다. 구체적으로, 마찰대전 발전 방식은, 기후에 관계없이 실내외의 기계진동을 이용할 수 있으며, 풍력, 파도, 인간의 움직임, 자동차의 엔진 등 주변의 모든 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있는 장점으로 인해 최근 많은 연구가 진행되고 있다. 또한 마찰대전 발전 방식은, 다른 미소 에너지 생산 방식 보다 에너지 변환 효율이 높아서 작은 기계적 힘에 의해서도 높은 출력을 얻을 수 있다.

마찰대전 발전 방식은, 두 대전체의 마찰 시 나타나는 물질 간 전하 이동 현상에 의한 것으로, 대부분의 물질에서 정전기 효과를 볼 수 있기 때문에 물질적인 제한 없이 기존의 압전 소자보다 더 높은 출력을 예상할 수 있다. 특히 물질 내부의 변형(strain)에 의해 에너지를 생산하는 방식인, 기존의 압전(piezoelectric) 소재를 이용한 에너지 하베스팅 방식과 달리, 마찰대전 발전 방식은, 피로도(fatigue)현상이 없어 지속적인 에너지 생산에도 매우 유리하다.

일반적으로 서로 다른 두 물체가 접촉을 하게 되면 각각의 물질에서 전하들이 편극 되어 전하가 상대를 향하여 병행하는 전기 이중 층을 형성하게 된다. 그 후 두 물체가 분리되면, 전기 이중 층의 전하 분리가 일어나, 두 물체에는 각각 극성이 다른 전하가 발생되는데, 마찰대전 발전 방식은 이러한 현상을 이용하는 것이다.

마찰대전 발전기에서 발생되는 출력을 에너지원으로 실제로 이용하려면, 마찰대전 발전기에서 출력되는 교류 전력을, 정류기(rectifier)를 통해 충전 가능한 직류 형태로 변환하고, 이를 충전기(예를 들면, 커패시터(capacitor))에 전기 에너지로 저장하여 활용하게 된다. 이 때, 충전 효율을 최대화하기 위해서는, 발전 소자의 임피던스와 충전 회로의 임피던스를 비슷하게 맞추어, 발전 소자의 출력이 부하(즉, 커패시터) 측으로 최대한 전달되도록 해야 한다. 그러나, 기존의 마찰대전 발전기의 고유 임피던스는 수 MΩ에서 수십 MΩ으로, 충전 회로와의 임피던스 매칭이 어려워 충전 효율이 낮은 문제점이 있었다.

마찰대전 발전기의 출력 전력은 외부 저항의 값에 따라 달라진다. 즉, 특정 저항에서 마찰대전 발전기의 출력 전력이 최대치가 되는데, 이 때의 저항을 이용하여 임피던스 매칭을 하게 된다. 하지만 기존의 마찰대전 발전기는 고유 임피던스 값이 매우 커서, 임피던스 매칭을 만족하는 회로를 구성하기에 어려움이 있었다. 이에 따라 마찰대전 발전기에서 발생되는 출력이 충전 회로를 거치는 과정에서 많은 에너지 손실이 있었다.

따라서, 마찰대전 발전기의 에너지 변환 효율을 증대시키기 위해, 마찰대전 발전기의 고유 임피던스를 낮추는 방안이 요구된다. 본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 마찰대전 발전기에 커패시터 구조를 적용함으로써 고유 임피던스가 감소된 마찰대전 발전기를 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 일 실시예에 따른 마찰대전 발전기는, 서로 이격되는 제1 전극 및 제2 전극; 상기 제2 전극과 마주보는 상기 제1 전극의 일 면에 배치되는 제1 대전체; 상기 제1 대전체와 상기 제2 전극의 사이에 배치되고, 상기 제1 대전체와의 접촉에 의해 양전하로 대전되는 제2 대전체; 상기 제2 대전체의 움직임에 따라 상기 제2 대전체와 단속적으로 연결되는 전하 저장소(charge reservoir); 상기 제2 전극에 대하여 상기 제2 대전체의 반대 편에 배치되고, 상기 제2 전극과 이격되는 제3 전극; 상기 제2 전극과 상기 제3 전극의 사이에 배치되는 유전체(dielectric material);를 포함할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 외력이 가해지면, 상기 제1 대전체의 음전하로 인해, 상기 제2 대전체의 제1 대전체와 마주보는 면이 양전하, 상기 제2 대전체의 반대 면이 음전하로 분리되고, 상기 분리된 음전하는 상기 제2 전극에 양전하를 유도하고, 상기 제2 전극에서 상기 제3 전극으로 전자가 이동함으로써 출력 전류를 발생시킬 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 외력이 해제(release)되면, 전하 평형으로 인해 상기 제3 전극에서 상기 제2 전극으로 전자가 이동함으로써 출력 전류를 발생시킬 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 전하 저장소는, 금속, 세라믹, 또는 폴리머 물질 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 유전체는 금속, 세라믹, 폴리머, 이온 젤 또는 복합체 물질 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 유전체는 상기 제2 전극과 상기 제3 전극 사이의 전하의 흐름을 막기 위해 상기 제2 전극과 상기 제3 전극 사이에 배치되며, 자체적으로 유도되는 분극 특성에 의해 상기 제2 전극에 축적되는 전하를 저장하게 할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 마찰대전 발전기는, 상기 제2 전극과 상기 제3 전극을 전기적으로 연결하는 경로를 통해 이동하는 전하를 이용하여 전기 에너지를 발생시킬 수 있다.

전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.

상술한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 마찰대전 발전기의 고유 임피던스를 감소시킴으로써 충전 회로와의 원활한 임피던스 매칭을 실현할 수 있다.

또한, 이로 인해 마찰대전 발전기를 이용한 충전에 있어서, 에너지 변환 효율, 즉 충전 효율을 향상시킬 수 있다.

물론 이러한 효과들에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰대전 발전기를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 2a 내지 도 2f는 도 1에 도시된 마찰대전 발전기의 첫 번째 사이클 작동 매커니즘을 설명하기 위한 도면들이다.
도 3a 내지 도 3f는 도 1에 도시된 마찰대전 발전기의 두 번째 사이클 작동 매커니즘을 설명하기 위한 도면들이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰대전 발전기에 의하여, 저항에 따라 출력되는 전력의 그래프를 개략적으로 도시한 도면이다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예들을 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고, 상세한 설명에 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.

본 명세서에서 사용되는 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

이하의 실시예에서, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

이하의 실시예에서, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.

이하의 실시예에서, '위', '아래', '상면', '하면', '상부', '하부' 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소와 다른 구성 요소의 상대적 위치 관계를 지시하는 것이다.

어떤 실시예가 달리 구현 가능한 경우에 특정한 공정 순서는 설명되는 순서와 다르게 수행될 수도 있다. 예를 들어, 연속하여 설명되는 두 공정이 실질적으로 동시에 수행될 수도 있고, 설명되는 순서와 반대의 순서로 수행될 수도 있다.

도면에서는 설명의 편의를 위하여 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 예컨대, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 예를 들어, 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대 또는 축소하여 나타내었다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 실질적으로 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰대전 발전기를 개략적으로 도시한 사시도이다.

도 1을 참조하면, 마찰대전 발전기(100)는, 제1 전극(110), 제2 전극(120), 제3 전극(130)과, 제1 전극(110)의 일 면에 마련되는 제1 대전체(111)와, 제1 대전체(111)와 제2 전극(120) 사이에 마련되는 제2 대전체(112)와, 제2 전극(120)과 제3 전극(130) 사이에 마련되는 유전체(123)와, 제2 대전체(112)와 단속적으로 연결되는 전하 저장소(171)를 포함한다.

제2 전극(120) 및 제3 전극(130)은 캐패시터 구조를 형성하며, 유전체(dielectric material)(123)는 커패시터 분리막(capacitor separator) 역할을 한다.

제1 기판(101) 및 제2 기판(102)이 서로 이격되게 마련되어 있다. 제1 및 제2 기판(101, 102)은, 단단한 재질 또는 유연한 재질을 포함할 수 있다. 제1 기판(101)의 하면에는 제1 전극(110)이 마련되어 있으며, 제2 기판(102)의 상면에는 제3 전극(130)이 마련되고, 제3 전극(130)의 상면에는 차례로 유전체(123), 제2 전극(120)이 마련되어 있다. 제1, 제2 및 제3 전극(110, 120, 130)은 전기전도성이 우수한 물질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 제1, 제2 및 제3 전극(110, 120, 130)은 그래핀, 탄소나노튜브, ITO, 금속, 및 전도성 폴리머로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다. 여기서, 금속은 예를 들면, Ag, Al, Cu, Au, Ni, Cr 및 Pt으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있지만 이에 한정되지는 않는다. 이러한 제1, 제2 및 제3 전극(110, 120, 130)은 단층 구조 또는 복수의 층 구조를 가질 수 있다.

제2 전극(120)과 마주보는 제1 전극(110)의 하면에 접하도록 제1 대전체(111)가 배치되며, 이러한 제1 대전체(111)는, 음전하 대전체일 수 있다. 제1 대전체(111)는, 후술되는 제2 대전체(112)와의 접촉에 의해 음전하로 대전되는 것으로, 전기전도도가 낮은 물질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 제1 대전체(111)는 polytetrafluoroethylene(PTFE, Teflon), polydimethylsiloxane(PDMS), polyvinyl chloride(PVC), polyimide(Kapton), polypropylene(PP), polyethylene(PE) 또는 polystyrene(PS) 등을 포함할 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며 제1 대전체(111)는 제2 대전체(112)와의 접촉에 의해 음전하로 대전될 수 있는 다양한 물질을 포함할 수 있다. 다양한 실시예들에서, 제1 대전체(111)는, 예를 들면, 금속, 세라믹, 또는 폴리머 물질 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

제1 대전체(111)와 제2 전극(120) 사이에는 제2 대전체(112)가 마련되어 있으며, 이러한 제2 대전체(112)는 양전하 대전체가 될 수 있다. 제2 대전체(112)는, 마찰대전 발전기(100)에 외력이 가해지지 않은 상태에서는 제1 대전체(111) 및 제2 전극(120)과 이격되도록 설치될 수 있다. 제2 대전체(112)는 제1 대전체(111)와의 접촉에 의해 양전하로 대전되며, 전기전도도가 높은 도전성 물질을 포함할 수 있다. 이는 제2 대전체(112)와 전하 저장소(171) 사이에 전하 이동을 용이하게 할 수 있게 하기 위함이다. 제2 대전체(112)는 예를 들면, Al, Cu, Ag, Au, 또는 steel 등을 포함할 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 제2 대전체(112)는 제1 대전체(111)와의 접촉에 의해 양전하로 대전될 수 있는 다양한 도전성 물질을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 대전체(111, 112) 중 적어도 하나는 그 표면의 대전 특성을 조절하기 위해 p형 도펀트 또는 n형 도펀트로 도핑될 수 있다.

제2 대전체(112)의 움직임에 따라 제2 대전체(112)가 전하 저장소(171)와 단속적으로 접촉되도록 전하 저장소(171)가 배치될 수 있다. 그리고, 제2 대전체(112)가 전하 저장소(171)와 접촉될 때에, 제2 대전체(112)는 전하 저장소(171)와 전기적으로 연결될 수 있다. 전하 저장소(171)는, 예를 들면, 금속, 세라믹, 또는 폴리머 물질 중 적어도 하나를 포함하도록 형성될 수 있다.

제3 전극(130)은, 제2 전극(120)과 커패시터 구조를 이루기 위한 커패시터 전극 역할을 한다. 유전체(123)는, 커패시터 분리막(capacitor separator)으로써, 제2 전극(120)과 제3 전극(130) 사이의 직접적인 전하 흐름을 막기 위해, 제2 전극(120)과 제3 전극(130) 사이에 배치된다. 유전체(123)는, 예를 들면, 금속, 세라믹, 폴리머, 이온 젤, 또는 복합체 물질 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 유전체(123)는, 자체적으로 유도되는 분극 특성에 의해, 제2 전극(120)에 축적되는 전하를 저장해줄 수 있다.

제1 기판(101)과 제2 대전체(112) 사이에는 적어도 하나의 제1 탄성 지지부(141)가 마련될 수 있으며, 제2 대전체(112)와 제2 기판(102) 사이에는 적어도 하나의 제2 탄성 지지부(142)가 마련될 수 있다. 제1 탄성 지지부(141)는 제2 탄성 지지부(142) 보다 작은 탄성 계수(modulus of elasticity)을 가질 수 있다.

도 2a 내지 도 2f는 도 1에 도시된 마찰대전 발전기(100)의 첫 번째 사이클 작동 매커니즘을 설명하기 위한 도면들이다. 도 2a는, 마찰대전 발전기(100)의 단면도에 상응한다.

도 2a는, 마찰대전 발전기(100)에 외력이 작용하지 않은 상태를 도시한다.

전하 저장소(171)는, 제2 대전체(112)의 움직임에 따라 제2 대전체(112)와 단속적으로 접촉되도록 마련될 수 있다. 일 예를 들면, 전하 저장소(171)는, 제2 대전체(112)의 움직임에 따라 제2 대전체(112)와 단속적으로 접촉하도록 배치된 도전성 부재를 포함(예를 들면, 전기적으로 연결)할 수 있다. 상기 도전성 부재는 예를 들면, 상기 도전성 부재의 움직임을 탄성적으로 지지하는 탄성 부재와 연결될 수 있다. 다만 이는 예시적 및 개념적인 설명일 수 있으며, 본 발명의 전하 저장소(171)는 반드시 이러한 형태로 설치되지 않을 수 있다.

또한, 제1 부하(161)는, 제2 전극(120)과 제3 전극(130) 사이의 전자 흐름을 검출할 수 있다.

도 2b는, 마찰대전 발전기(100)에 외력이 작용하여, 제1 대전체(111)와 제2 대전체(112)가 접촉된 상태를 도시한다. 제1 탄성 지지부(141)의 탄성 계수가 제2 탄성 지지부(142)의 탄성 계수 보다 작으므로, 제1 기판(101)에 누르는 힘이 가해지면 먼저 제1 기판(101)과 제2 대전체(112) 사이의 간격이 좁아짐으로써 제1 대전체(111)와 제2 대전체(112)가 접촉하게 된다. 제1 및 제2 대전체(111, 112)는 각각 음전하 대전체 및 양전하 대전체이므로, 제1 대전체(111)의 접촉면은 음전하로 대전되며, 제2 대전체(112)의 접촉면은 양전하로 대전된다. 이후 제1 기판(101)에 누르는 힘이 지속적으로 가해지면 제1 및 제2 대전체(111, 112)가 접촉된 상태에서 제2 대전체(112)가 제2 전극(120) 쪽으로 이동하게 된다.

도 2c는, 제1 및 제2 대전체(111, 112)가 접촉된 상태에서 제1 기판(101)에 누르는 힘이 지속적으로 가해져, 제2 대전체(112)가 전하 저장소(171)와 연결된 상태를 도시한다. 예를 들면, 제2 대전체(112)는 전하 저장소(171)과 전기적으로 연결된 도전성 부재와 접촉될 수 있다. 한편, 이 상태에서는 제1 및 제2 대전체(111, 112)가 서로 전하 평형을 이루고 있으므로 제2 대전체(112)와 전하 저장소(171) 사이에 전하 이동은 이루어지지 않는다.

도 2d는, 제1 및 제2 대전체(111, 112)가 접촉된 상태 및 제2 대전체(112)가 전하 저장소(171)와 연결된 상태에서, 제1 기판(101)에 누르는 힘이 지속적으로 가해져, 제2 대전체(112)가 제2 전극(120)과 접촉하게 된 상태를 도시한다. 예를 들면 제2 대전체(112)는 전하 저장소(171)와 연결된 도전성 부재와 접촉을 유지할 수 있고, 전하 평형을 이루고 있으므로, 제2 대전체(112)와 전하 저장소(171) 사이에 전하 이동은 이루어지지 않는다.

도 2e는, 제1 기판(101)에 가해진 힘이 릴리즈(release)되어, 제2 대전체(112)는 제2 전극(120)으로부터 이격되고 제1 대전체(111)는 제2 대전체(112)로부터 이격되는 상태를 도시한다. 이 때, 제2 대전체(112)는 전하 저장소(171)의 도전성 부재와 접촉하고 있으므로, 제2 대전체(112) 내부에 전하 평형을 이루기 위해 전하 저장소(171)에서 제2 대전체(112)로 전자가 이동함으로써, 전하 저장소(171)와 제2 대전체(112) 사이에 전류가 흐르게 된다.

도 2f는, 제1 기판(101)의 릴리즈가 계속되어 제2 대전체(112)가 전하 저장소(171)로부터 떨어지고, 마찰대전 발전기(100)가 초기 상태로 돌아가간 상태를 도시한다. 이 상태에서 제1 대전체(111)는 음전하 상태를 유지하게 된다. 제2 대전체(112)는 내부의 양전하 및 음전하들이 이동하여 중성(neutral)을 유지하게 된다.

도 3a 내지 도 3f는 도 1에 도시된 마찰대전 발전기(100)의 두 번째 사이클 작동 매커니즘을 설명하기 위한 도면들이다.

도 3a는, 도 2f와 동일한 상태로서, 제1 대전체(111)는 음전하 상태를 유지하고, 제2 대전체(112)는 중성을 유지하고 있다.

도 3b는 마찰대전 발전기(100)에 외력(누르는 힘)이 가해져, 제1 대전체(111)와 제2 대전체(112)가 접촉된 상태를 도시한다. 제1 기판(101)에 누르는 힘이 가해지면 먼저 제1 기판(101)과 제2 대전체(112) 사이의 간격이 좁아짐으로써 제1 대전체(111)와 제2 대전체(112)가 접촉하게 된다. 이와 같이, 음전하로 대전된 제1 대전체(111)가 도전성 물질인 제2 대전체(112)와 접촉하게 되면 제2 대전체(112)의 접촉면(상면)은 양전하로 대전되고, 제2 대전체(112)의 접촉면과 반대면(하면)은 음전하로 대전된다.

이후 제1 기판(101)에 누르는 힘이 지속적으로 가해지면 제1 및 제2 대전체(111, 112)가 접촉된 상태에서 제2 대전체(112)가 제2 전극(120) 쪽으로 접근하게 된다. 제2 대전체(112)와 제2 전극(120)이 가까워지면 제2 대전체(112)의 하면에 있던 음전하가 정전 유도(electrostatic induction) 현상에 의해 제2 전극(120)에 양전하를 유도하게 된다. 이에 따라, 제2 전극(120)에서 제3 전극(130)(즉, 커패시터 전극)으로 전자가 이동함으로써 제1 부하(161)에 전류가 흐르게 된다. 이로 인해 마찰대전 발전기(100)에서는 출력 전류가 발생하게 된다.

도 3c는, 제1 및 제2 대전체(111, 112)가 접촉된 상태에서 제1 기판(101)에 누르는 힘이 지속적으로 가해져, 제2 대전체(112)가 전하 저장소(171)와 접촉된 상태를 도시한다. 이 때, 제1 대전체(111) 및 제2 대전체(112)가 서로 전하 평형을 이루기 위해 제2 대전체(112)에서 전하 저장소(171)로 전자가 이동하게 되고, 이에 따라 전류가 흐르게 된다.

도 3d는, 제1 및 제2 대전체(111, 112)가 접촉된 상태 및 제2 대전체(112)가 전하 저장소(171)와 접촉된 상태에서, 제1 기판(101)에 누르는 힘이 지속적으로 가해져, 제2 대전체(112)가 제2 전극(120)과 접촉하게 된 상태를 도시한다. 제2 대전체(112)는 전하 저장소(171)와 접촉을 유지하고 있으나, 전하 평형을 이루고 있으므로, 제2 대전체(112)와 전하 저장소(171) 사이에 전하 이동은 이루어지지 않는다.

도 3e는, 제1 기판(101)에 가해진 힘이 릴리즈(release)되어, 제2 대전체(112)는 제2 전극(120)으로부터 이격되고 제1 대전체(111)는 제2 대전체(112)로부터 이격되는 상태를 도시한다. 이 때, 제2 대전체(112)는 전하 저장소(171)와는 연결되어 있으므로, 제2 대전체(112) 내부에 전하 평형을 이루기 위해 전하 저장소(171)에서 제2 대전체(112)로 전자가 이동함으로써, 전하 저장소(171)와 제2 대전체(112) 사이에 전류가 흐르게 된다.

또한, 이후 제2 대전체(112)가 제2 전극(120)으로부터 멀어지면서 제2 대전체(112)가 중성을 이루게 됨에 따라, 제2 전극에 양전하를 유도하였던 정전 유도 효과가 해제될 수 있다. 따라서, 다시 원래대로 전하 평형을 이루기 위해, 제3 전극(130)에서 제2 전극(120)으로 전자가 이동함으로써 제1 부하(161)에 전류가 흐르게 된다. 이로 인해 마찰대전 발전기(100)에서는 출력 전류가 발생하게 된다.

도 3f는, 상술한 바와 같이 제1 기판(101)의 릴리즈가 계속되어 제2 대전체(112)가 전하 저장소(171)(예를 들면 전하 저장소(171)와 연결된 도전성 부재)로부터 떨어지고, 마찰대전 발전기(100)가 초기 상태로 돌아가간 상태를 도시한다. 제1 대전체(111)는 음전하 상태를 유지하고, 제2 대전체(112)는 내부의 양전하 및 음전하들이 이동하여 중성(neutral)을 유지하게 된다. 이후 마찰대전 발전기(100)에 외력이 반복적으로 가해지면 마찰대전 발전기(100)는 전술한 두 번째 사이클을 반복적으로 수행하게 된다.

이상과 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰대전 발전기(100)에서는, 제1 기판(101)을 누름으로써 제2 전극(120)과 제3 전극(130) 사이에서 전기에너지가 발생될 수 있다. 마찰대전 발전기(100)는, 반복적인 외력 작용에 의해 제2 전극(120)과 제3 전극(130) 사이에서 반복적인 전하 이동 및 교류 출력을 발생시킬 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰대전 발전기(100)에 의하여, 저항에 따라 출력되는 전력의 그래프를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 4는, 기준 마찰대전 발전기(400)와 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰대전 발전기(100)에서 각각 저항에 따라서 출력되는 전력을 도시한다.

기준 마찰대전 발전기(400)는, 유전체(123) 및 제3 전극(130)을 포함하지 않으며, 제2 기판(102)의 상면에 제2 전극(120)이 배치된다. 기준 마찰대전 발전기(400)는, 제1 기판(101), 제1 전극(110), 제1 대전체(111), 제2 대전체(112), 제2 전극(120), 및 제2 기판(102)으로만 이루어질 수 있다. 기준 마찰대전 발전기(400)에서는, 제1 전극(110)과 제2 전극(120) 사이가 부하를 통해 전기적으로 연결될 수 있다.

기준 마찰대전 발전기(400)는, 제1 전극(110)과 제2 전극(120) 사이의 전하 이동을 이용하여 전기 에너지를 발생시키는 반면, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰대전 발전기(100)는 제2 전극(120)과 제3 전극(130) 사이의 전하 이동을 이용하여 전기 에너지를 발생시킨다.

기준 마찰대전 발전기(400)에서는, 제1 전극(110)과 제2 전극(120)을 연결하는 도선에 배치된 저항으로 제1 전극(110)과 제2 전극(120) 사이의 전하 흐름을 검출할 수 있고, 제1 전극(110) 및 제2 전극(120) 사이의 출력 전압 및 흐르는 출력 전류를 검출할 수 있다. 도 4의 기준 마찰대전 발전기(400)의 그래프를 참조하면, 최대 전력이 출력되는 저항 값이, 약 1 MΩ인 것을 볼 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 마찰대전 발전기(100)는 기준 마찰대전 발전기(400)와 달리 유전체(123) 및 제3 전극(130)을 포함한다. 마찰대전 발전기(100)는, 제2 전극(120)과 제3 전극(130)을 연결하는 도선에 배치된 저항(예: 제1 부하(161))을 이용하여 제2 전극(120)과 제3 전극(130) 사이의 흐름을 검출할 수 있고, 제2 전극(120)과 제3 전극(130) 사이의 출력 전압 및 흐르는 출력 전류를 검출할 수 있다. 도 4의 마찰대전 발전기(100)의 그래프를 참조하면, 최대 전력이 출력되는 저항 값이, 약 0.2 MΩ인 것을 볼 수 있다. 다만 이는 일 예시일 뿐이며, 이에 한정되는 것은 아니다.

다시 말하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰대전 발전기(100)에서 최대 전력이 출력되게 하는 임피던스의 크기(예: 약 0.2 MΩ)가, 기준 마찰대전 발전기(400)에서 최대 전력이 출력되게 하는 임피던스의 크기(예: 약 1 MΩ)보다 감소될 수 있다.

즉, 기준 마찰대전 발전기(400)의 최대 전력 상황에서는, 출력 전압이 높은 반면, 출력 전류의 크기는 낮았다. 반면 마찰대전 발전기(100)의 최대 전력 상황에서, 출력 전압은 감소되더라도 출력 전류의 크기를 극대화시킴으로써, 임피던스를 감소시킬 수 있다.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰대전 발전기(100)는 감소된 고유 임피던스를 이용하여 충전 회로와의 임피던스 매칭을 실현시킬 수 있다. 따라서 높은 고유 임피던스로 인해 임피던스 매칭이 어렵던 기준 마찰대전 발전기(400)보다, 마찰대전 발전기(100)의 충전 효율이 향상될 수 있다.

이는, 커패시터 소자의 자체 특성인 빠른 방전 속도에 의한 효과일 수 있다. 일반적인 커패시터 소자는 방전 속도가 빨라, 큰 전류를 발생시킬 수 있다. 따라서, 제2 전극(120), 유전체(123), 및 제3 전극(130)으로 이루어진 커패시터 구조를 마찰대전 발전기(100)에 적용하고, 제2 전극(120)과 제3 전극(130) 사이의 전하 이동을 충전에 이용함으로써, 임피던스를 낮추고, 충전 효율을 높일 수 있다.

이와 같이 본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 하여 설명하였으나, 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 예를 들면, 제1 대전체가 양전하 대전체이고 제2 대전체가 음전하 대전체일 수도 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

100: 마찰대전 발전기 101: 제1 기판
102: 제2 기판 110: 제1 전극
120: 제2 전극 123: 유전체
130: 제3 전극
111: 제1 대전체(음전하 대전체)
112: 제2 대전체(양전하 대전체)
141: 제1 탄성 지지부
142: 제2 탄성 지지부
161: 제1 부하
171: 전하 저장소

Claims

서로 이격되는 제1 전극 및 제2 전극;
상기 제2 전극과 마주보는 상기 제1 전극의 일 면에 배치되는 제1 대전체;
상기 제1 대전체와 상기 제2 전극의 사이에 배치되고, 상기 제1 대전체와의 접촉에 의해 양전하로 대전되는 제2 대전체;
상기 제2 대전체의 움직임에 따라 상기 제2 대전체와 단속적으로 연결되는 전하 저장소(charge reservoir);
상기 제2 전극에 대하여 상기 제2 대전체의 반대 편에 배치되고, 상기 제2 전극과 이격되는 제3 전극;
상기 제2 전극과 상기 제3 전극의 사이에 배치되는 유전체(dielectric material);를 포함하는 마찰대전 발전기.
제 1 항에 있어서,
외력이 가해지면, 상기 제1 대전체의 음전하로 인해, 상기 제2 대전체의 제1 대전체와 마주보는 면이 양전하, 상기 제2 대전체의 반대 면이 음전하로 분리되고,
상기 분리된 음전하는 상기 제2 전극에 양전하를 유도하고,
상기 제2 전극에서 상기 제3 전극으로 전자가 이동함으로써 출력 전류를 발생시키는 마찰대전 발전기.
제 2 항에 있어서,
상기 외력이 해제(release)되면, 전하 평형으로 인해 상기 제3 전극에서 상기 제2 전극으로 전자가 이동함으로써 출력 전류를 발생시키는 마찰대전 발전기.
제 3 항에 있어서,
상기 전하 저장소는, 금속, 세라믹, 또는 폴리머 물질 중 적어도 하나를 포함하고,
상기 유전체는 금속, 세라믹, 폴리머, 이온 젤 또는 복합체 물질 중 적어도 하나를 포함하는 마찰대전 발전기.
제 3 항에 있어서,
상기 유전체는 상기 제2 전극과 상기 제3 전극 사이의 전하의 흐름을 막기 위해 상기 제2 전극과 상기 제3 전극 사이에 배치되며, 자체적으로 유도되는 분극 특성에 의해 상기 제2 전극에 축적되는 전하를 저장하게 하는 마찰대전 발전기.
제 3 항에 있어서,
상기 제2 전극과 상기 제3 전극을 전기적으로 연결하는 경로를 통해 이동하는 전하를 이용하여 전기 에너지를 발생시키는 마찰대전 발전기.