WO2020040536A1 - Electric power generation element using triboelectrification - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a power generation device using triboelectric charging, and more particularly, to generate power by using alternating alternating magnetic fields using the principle of triboelectric charging in which static electricity is generated by friction between two objects facing each other. It is about.
- Such energy harvesting technology uses a permanent magnet or magnetostrictive material to induce mechanical deformation or motion by using a magnetic force or magnetostrictive effect in an alternating magnetic field, and converts it into electrical energy using a piezoelectric effect. It is becoming.
- piezoelectric elements that are essential for power generation using such piezoelectric effects are difficult to commercialize because they are very expensive and require a long time in manufacturing.
- 1 is a view showing the principle of power generation by triboelectric charging.
- the triboelectric power generation device shown in FIG. 1 attaches a polyimide film and a polymethyl methacrylate (PMMA) film named 'CAPTON' to a conductor electrode plate and faces them to each other, thereby being spaced apart from each other. From (I) to the state (II) in which both films are brought close to each other by an external force, a negative charge is charged to the polyimide film and a positive charge is charged to the PMMA film by the charging phenomenon, and the two objects start to be separated from each other from the proximity state.
- (III) when current is generated by the flow of charge through an external conductor to balance the charge, and when proximity is started again in a spaced state (IV), the accumulated charge disappears while the accumulated state disappears. Current is generated in the opposite direction.
- the inventors of the present invention generate several mW of power suitable for supplying devices that operate adjacent to a small alternating magnetic field formed around a wire through which commercial AC power flows and that consume small levels of power, such as sensor devices.
- the power generation device according to the present invention described below has been devised.
- the first charging member is fixed to the frame and the second charging member is fixed to the substrate so that the first and second charging members are charged by causing displacement on the surface facing the first charging member as the substrate vibrates by the bending force. And electric charges are generated between the first and second charging members by conducting wires connecting the first and second charging members to each other.
- the bending load is alternating and the substrate vibrates, the substrate and the permanent magnet vibrate at alternating frequencies of the alternating magnetic field, whereby the second charging member fixed to the substrate approaches the first charging member fixed to the frame.
- the displacement is repeatedly largely generated between the surfaces facing each other between the first charging member and the second charging member, which are spaced from the contact.
- the first charging member and the second charging member are connected to an external electronic device and electrically connected to each other through an external electronic device to generate alternating current, that is, alternating current therebetween.
- the power generating element can be configured at low cost and simple.
- the power generation device according to the present invention is required for an electronic device requiring power from the power generation device even when the displacement between the two members that are frictionally charged is not large. To provide power.
- the bending force applied by the permanent magnet in accordance with the alternating magnetic field may be altered so that the resonance of the central portion is maximized and the free end portion is minimized in the substrate.
- the electric power generating element can obtain the maximum electric power.
- the substrate is controlled by adjusting any one or more of the thickness, width, length from the fixed end to the position where the permanent magnet is attached, and elastic modulus and mass of the permanent magnet according to the frequency of the magnetic field. In this case, the resonance of the center portion is maximized and the free end portion is minimized.
- the first charging member is made of a thin film of metal that is positively charged
- the second charging member is made of a resin panel that is charged with negative charge
- the second charging member is electrically connected to the back surface of the surface facing the first charging member.
- a thin film made of a conductive material is attached to the thin film, and a conductive wire can be connected to the thin film.
- 6 and 7 are graphs showing the resonance mode of the substrate and the voltage of the power generated according to the power generation device according to the comparative example and the embodiment of the present invention, respectively.
- FIG. 8 is a view illustrating a process of forming fine irregularities in a PFA film of a power generating device according to an embodiment of the present invention.
- Both ends of the aluminum foil 11 are fixed to a frame (not shown), and the PFA film 12 is attached to the substrate 13, and is disposed in a substantially parallel state without an external force applied thereto.
- the power generating element 10 having the above configuration is operated in a state schematically shown in FIG. 3.
- the substrate 13 is vibrated by an alternating load applied by the permanent magnet 16, which is a mass attached to the free end 132, with the fixed end 131 as a point.
- the conductors 17 and 18 are connected to the aluminum foil 11 and the PFA film 12, respectively, and the conductors 17 and 18 are connected to the sensor element 30 to supply an alternating current. Done.
- the resonant state appears in three modes as the frequency increases, and moves in a rotational manner around the fixed end 131 of the substrate, as shown in (a), sequentially from the lower frequencies as the frequency increases.
- a first bending resonance mode in which the free end 131 to which the permanent magnet 16 is attached has a maximum amplitude
- a torsion resonance mode in which the substrate 13 twists and resonates with respect to the longitudinal axis as shown in (b).
- the maximum amplitude appears in the central portion of the substrate 13 and the free end 132 exhibits a second bending resonance mode with little displacement.
- the second bending resonance mode in which the center of the substrate vibrates up and down when the alternating magnetic field of 143.2 Hz is applied to the power generating device of the present embodiment is generated, and the maximum power is generated in the resonance mode.
- the power generating element is constructed at a frequency of 60 Hz, which is the frequency of commercial AC power. It was confirmed that resonance occurs in accordance with the second bending resonance mode and maximum power was generated.
Abstract
The present invention relates to an electric power generation element for generating electric power from a magnetic field formed by an AC power source flowing through an electric power cable, the electric power generation element comprising: a permanent magnet which is placed in a magnetic field and receives a magnetic force that changes in direction according to the alternation of the magnetic field; a board which has one end formed as a free end portion to which the permanent magnet is attached, and has the other end formed as a fixed end portion, the board having a predetermined elasticity and receiving a bending force that is due to the magnetic force exerted on the permanent magnet; first and second charging members which have mutually facing surfaces and are tribo-electrified to different polarities through the mutual displacement of the facing surfaces; and a frame for supporting the permanent magnet, the board, and the first and second charging members. The first charging member is fixed to the frame, and the second charging member is fixed to the board. As the board vibrates due to the bending force, displacement of the surface facing the first charging member occurs, such that the first and second charging members are electrically charged, and electric charges flow between the first and second charging members through a conductive wire connecting the first and second charging members, thereby generating electric power.
Description
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.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a power generation device using triboelectric charging, and more particularly, to generate power by using alternating alternating magnetic fields using the principle of triboelectric charging in which static electricity is generated by friction between two objects facing each other. It is about.
사물 인터넷을 구현하는 데 있어서 산재되어 설치되는 센서 소자 등의 요소에 지속적으로 전력을 공급하는 것의 중요성이 매우 크다.In the implementation of the Internet of Things, it is very important to continuously supply power to elements such as sensor elements scattered and installed.
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.In particular, when wireless sensor nodes are installed in various facilities such as factories, roads, buildings, ports, and the like and receive various measurement signals therefrom, the power necessary for the operation of the sensor nodes is often provided through a battery. The replacement of is not only time consuming and expensive, but battery replacement may not be possible if the sensor node is placed in a location that is inaccessible to humans.
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.If an electronic device, such as a wireless sensor node, needs to be powered from a nearby power line, then branching the wire from the power line and having a module for converting current and voltage suitable for the operation of the electronic device This can be very costly and adds significantly to the size and cost of the device.
따라서, 사물 인터넷 구현에 필요한 센서 등의 전자 장치에 주변 환경에서 에너지를 수확하여 전력을 공급하는 에너지 하베스팅(harvesting) 기술의 중요성이 증대되고 있다.Accordingly, the importance of energy harvesting technology for harvesting and supplying energy to an electronic device such as a sensor required for implementing the IoT is being increased.
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.Such energy harvesting technology uses a permanent magnet or magnetostrictive material to induce mechanical deformation or motion by using a magnetic force or magnetostrictive effect in an alternating magnetic field, and converts it into electrical energy using a piezoelectric effect. It is becoming.
그러나, 이러한 압전 효과를 이용한 전력 생성에 필수적인 압전 소자는 제작에 많은 시간과 비용이 소요되어 매우 고가이므로 상용화하기 어렵다.However, piezoelectric elements that are essential for power generation using such piezoelectric effects are difficult to commercialize because they are very expensive and require a long time in manufacturing.
본 발명은 교류 전류의 전력선에 형성되는 교류 자기장으로부터 전력을 생성할 수 있는 전력 생성 소자를 제공하려는 것이다.An object of the present invention is to provide a power generating element capable of generating electric power from an alternating magnetic field formed on a power line of alternating current.
특히, 본 발명은 마찰 대전 특성을 활용하여 비교적 간단한 구성을 가지면서 저렴하게 제조할 수 있는 전력 생성 소자를 제공하려는 것이다.In particular, the present invention is to provide a power generation device that can be manufactured at a low cost while having a relatively simple configuration utilizing the triboelectric charging characteristics.
또한, 본 발명은 마찰 대전 특성을 활용하여 최대의 전력을 생성할 수 있는 전력 생성 소자를 제공하려는 것이다.In addition, the present invention is to provide a power generation device that can generate the maximum power by utilizing the triboelectric charging characteristics.
본 발명의 발명자는 교류 자기장 하에서 전력을 생성하는 효과적인 수단으로서 마찰 전기 특성을 활용하는 데 주목하였다.The inventors of the present invention have noted the use of triboelectric properties as an effective means of generating power under alternating magnetic fields.
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.By placing two materials charged by mutual displacement between two objects placed close together and displacing the materials mutually by using force applied from the outside, the static electricity generated between the materials is transferred through the conductor attached to the materials. Research has been conducted on a triboelectric power generation device that generates power by induction to the outside.
도 1은 마찰 대전에 의한 전력 생성의 원리를 보여주는 도면이다.1 is a view showing the principle of power generation by triboelectric charging.
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.The triboelectric power generation device shown in FIG. 1 attaches a polyimide film and a polymethyl methacrylate (PMMA) film named 'CAPTON' to a conductor electrode plate and faces them to each other, thereby being spaced apart from each other. From (I) to the state (II) in which both films are brought close to each other by an external force, a negative charge is charged to the polyimide film and a positive charge is charged to the PMMA film by the charging phenomenon, and the two objects start to be separated from each other from the proximity state. In (III), when current is generated by the flow of charge through an external conductor to balance the charge, and when proximity is started again in a spaced state (IV), the accumulated charge disappears while the accumulated state disappears. Current is generated in the opposite direction.
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.As the two objects charged in this way are approached and spaced apart, and the conductors are disposed between the two objects, alternating currents in which currents in opposite directions flow through the close and spaced repetitive motions are generated.
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.The study on the generation of electric current by frictional charging is mainly to place the charging material in an environment where a large external force is applied, such as a wearable device, so that it can be applied as a device operating under a very weak magnetic field generated by commercial AC power. Inappropriate.
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.The inventors of the present invention generate several mW of power suitable for supplying devices that operate adjacent to a small alternating magnetic field formed around a wire through which commercial AC power flows and that consume small levels of power, such as sensor devices. As a result of continuing research into the device, the power generation device according to the present invention described below has been devised.
본 발명은 전력선에 흐르는 교류 전원에 의해 형성되는 자기장으로부터 전력을 생성하는 전력 생성 소자에 관한 것으로서, The present invention relates to a power generation device for generating power from a magnetic field formed by an AC power supply flowing in a power line,
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,A permanent magnet placed in a magnetic field and receiving a magnetic force which is changed in direction according to an alternating magnetic field; A substrate having one end formed at a free end and the other end formed at a fixed end, and having a permanent magnet attached to the free end, the substrate having a predetermined elasticity and receiving a bending force by a magnetic force received by the permanent magnet; First and second charging members having surfaces that face each other and whose friction polarity is different from each other by mutual displacement of the surfaces facing each other; And a frame on which the permanent magnet, the substrate, the first and second charging members are supported,
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.The first charging member is fixed to the frame and the second charging member is fixed to the substrate so that the first and second charging members are charged by causing displacement on the surface facing the first charging member as the substrate vibrates by the bending force. And electric charges are generated between the first and second charging members by conducting wires connecting the first and second charging members to each other.
이러한 구성의 전력 생성 장치에서 영구 자석은 교류 전원이 흐르는 전력선 주변에 형성되는 교류 자기장에 놓이며, 기판은 표면이 교류 자기장에 수직하게 놓인다.In the power generating device of this configuration, the permanent magnet is placed in an alternating magnetic field formed around the power line through which the alternating current flows, and the substrate is placed perpendicular to the alternating magnetic field.
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.As a result, the permanent magnet applies a vertical load in which the directions are alternated by the magnetic force in which the directions are alternated, and the substrate is subjected to the bending load by using the fixed end as a supporting point.
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.The bending load is alternating and the substrate vibrates, the substrate and the permanent magnet vibrate at alternating frequencies of the alternating magnetic field, whereby the second charging member fixed to the substrate approaches the first charging member fixed to the frame. Alternatively, the displacement is repeatedly largely generated between the surfaces facing each other between the first charging member and the second charging member, which are spaced from the contact.
제1 대전 부재와 제2 대전 부재는 외부의 전자 장치와 연결되어 외부의 전자 장치를 통하여 상호 전기적으로 접속되어 이들 사이에 교번하는 전류, 즉 교류가 생성된다.The first charging member and the second charging member are connected to an external electronic device and electrically connected to each other through an external electronic device to generate alternating current, that is, alternating current therebetween.
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.Thus, according to the configuration and operation of the present invention, by arranging two members to be frictionally charged facing each other and attaching one member to the cantilever-shaped substrate resonating by the bending force received by the permanent magnet by an alternating magnetic field, AC power is generated.
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. Since the triboelectrically charged member, the permanent magnet and the substrate can be obtained cheaper than the magnetostrictive material or the piezoelectric material, the power generating element can be configured at low cost and simple.
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.In addition, such a power generating device of the present invention can be harvested simply by installing a branch line in the power supply line without changing the power supply line or other surrounding facilities if the power supply line is located.
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.In particular, unlike the power generation device used in the wearable device, the power generation device according to the present invention is required for an electronic device requiring power from the power generation device even when the displacement between the two members that are frictionally charged is not large. To provide power.
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.As an additional feature of the present invention, the bending force applied by the permanent magnet in accordance with the alternating magnetic field may be altered so that the resonance of the central portion is maximized and the free end portion is minimized in the substrate.
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.According to this configuration, the substrate is resonated by the bending force applied by the permanent magnet, but the resonance is performed so that the central portion of the longitudinal direction is deformed to the maximum and the deformation of both ends is minimized. The mutual displacement of is maximized.
이와 같이 제1 대전 부재와 제2 대전 부재 사이의 상호 변위가 최대로 되는 경우에 전력 생성 소자에서는 최대의 전력을 얻을 수 있게 된다.Thus, when the mutual displacement between a 1st charging member and a 2nd charging member becomes the maximum, the electric power generating element can obtain the maximum electric power.
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.On the other hand, in the power generation device of the present invention, the substrate is controlled by adjusting any one or more of the thickness, width, length from the fixed end to the position where the permanent magnet is attached, and elastic modulus and mass of the permanent magnet according to the frequency of the magnetic field. In this case, the resonance of the center portion is maximized and the free end portion is minimized.
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.Therefore, maximum power can be obtained by a simple and inexpensive method of adjusting the size, mass or elastic modulus of the substrate or permanent magnet in accordance with the frequency of the power line at the position where the power generating element of the present invention is placed.
본 발명의 실시 양태의 하나로서, As one of the embodiments of the present invention,
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.The first charging member is made of a thin film of metal that is positively charged, the second charging member is made of a resin panel that is charged with negative charge, and the second charging member is electrically connected to the back surface of the surface facing the first charging member. A thin film made of a conductive material is attached to the thin film, and a conductive wire can be connected to the thin film.
이와 같이 구성하면 저렴한 소재로 전력 생성 소자를 구성할 수 있다.In this manner, the power generation device can be made of inexpensive materials.
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.As another embodiment of the present invention, in contrast to the previous embodiment, the first charging member is composed of a resin panel which is negatively charged and the second charging member is composed of a thin metal film that is positively charged. It may be.
한편, 본 발명의 부가적 특징으로서, On the other hand, as an additional feature of the present invention,
제1 대전 부재 또는 제2 대전 부재는 음전하로 대전되는 수지제의 패널로 이루어지며, 제1 대전 부재와 대면하는 표면에는 미세 요철이 형성되는 것으로 구성할 수 있다.The first charging member or the second charging member may be made of a panel made of a resin that is charged with negative charge, and may be configured to have fine unevenness formed on a surface facing the first charging member.
미세 요철에 의해 정전하가 축적되는 대전 표면이 확장됨으로써 더 큰 전력을 얻을 수 있다.As the charging surface on which the static charge is accumulated by the fine unevenness is expanded, more power can be obtained.
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.In addition, such fine unevenness may be formed by dissolving the water-soluble powder in water after spraying the water-soluble powder on the surface facing the first charging member. Therefore, a very fine concavo-convex structure can be formed by a very simple method.
도 1은 마찰 대전 원리에 따른 전력 생성 소자의 개략적인 구성과 동작을 설명하는 도면이다.1 is a view for explaining the schematic configuration and operation of the power generating device according to the triboelectric charging principle.
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전력 생성 소자의 구성을 나타내는 사시도이다.본 발명의 하나의 실시예에 따른 전력 생성 소자2 is a perspective view showing the configuration of a power generating device according to an embodiment of the present invention. Power generating device according to an embodiment of the present invention
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전력 생성 소자가 작동하는 상태를 보여주는 도면이다.3 is a diagram illustrating a state in which a power generating device operates according to an embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전력 생성 소자에서 전력이 생성되는 원리를 보여주는 도면이다.4 is a view showing the principle of generating power in the power generating device according to an embodiment of the present invention.
도 5는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 전력 생성 소자에서 기판의 공진 모드를 보여주는 도면이다.5 is a view showing a resonance mode of a substrate in a power generating device according to an embodiment and a comparative example of the present invention.
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.6 and 7 are graphs showing the resonance mode of the substrate and the voltage of the power generated according to the power generation device according to the comparative example and the embodiment of the present invention, respectively.
도 8은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전력 생성 소자의 PFA 필름에 미세 요철을 형성하는 공정을 보여주는 도면이다.FIG. 8 is a view illustrating a process of forming fine irregularities in a PFA film of a power generating device according to an embodiment of the present invention.
도 9는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전력 생성 소자에서 PFA 필름의 미세 요철 유무에 따른 전력의 전압과 전류의 차이를 비교하여 보여주는 그래프이다.9 is a graph showing a comparison of the difference between the voltage and the current of the power according to the presence or absence of fine unevenness of the PFA film in the power generating device according to an embodiment of the present invention.
이하, 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용으로서, 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전력 생성 소자의 구성과 그 작용을 설명한다.Hereinafter, the configuration and operation of the power generation device according to an embodiment of the present invention as a specific content for practicing the present invention.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전력 생성 소자의 구성을 도식적으로 나타낸 것인데, 이 도면을 참조하여 전력 생성 소자의 구성을 설명한다.2 is a diagram schematically illustrating a configuration of a power generation device according to an exemplary embodiment of the present invention, and the configuration of the power generation device will be described with reference to this drawing.
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.The power generating element 10 of this embodiment is a 15 μm thick aluminum foil 11 as a first charging member that is charged by contact and a 50 μm thick perfluoroalkozy alkane (PFA) film 12 that is a Teflon resin as a second charging member. ). In the PFA film 12, nanoscale fine irregularities are formed on the charging surface 121 facing the aluminum foil 11, and the surface area thereof is enlarged.
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.The PFA film 12 is supported on the substrate 13, and the substrate 13 is formed of a 300 μm thick titanium (Ti) material panel, and one end of the substrate 13 is one end of the frame (not shown). Is fixed to the fixed end 131 and the other end to the free end 132 which is not fixed to form a cantilever beam as a whole of the substrate 13.
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.Between the substrate 13 and the PFA film 12, a gold thin film layer 14 having a thickness of 100 nm is formed on the back surface of the PFA film 12 as a conductive electrode by sputtering, and the gold thin film layer 14 and the substrate 13 are formed. The adhesive layer 15 is provided in between, and the PFA film 12 and the gold thin film layer 14 are fixed to the board | substrate 13.
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.On the other hand, seven neodymium (Nd) magnets each having a mass of 1.5 g as the permanent magnet 16 are fixed to both sides of the substrate at the free end 132 of the substrate 13. Neodymium magnet is a kind of rare earth magnet, and is made by alloying neodymium (Nd), iron (Fe) and boron (B) by a powder metallurgy at a ratio of 2: 14: 1.
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.Both ends of the aluminum foil 11 are fixed to a frame (not shown), and the PFA film 12 is attached to the substrate 13, and is disposed in a substantially parallel state without an external force applied thereto.
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.Meanwhile, the aluminum foil 11, the PFA film 12, the gold thin film layer 14, and the adhesive layer 15 are all 20 mm wide and 50 mm long, and the substrate 13 is 20 mm wide and 80 mm long. The PFA film 12, the gold thin film layer 14, and the adhesive layer 15 are not attached to the longitudinal end portions 131 and 132.
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.The size, width, thickness, and mass of the permanent magnet of each thin film or film defined above are numerical values set to satisfy the resonance conditions defined in the following embodiment when the permanent magnet 16 is placed under an alternating magnetic field of 143.2 Hz. This is just one example, and the thickness, length, width and modulus of elasticity of the substrate and the mass of the permanent magnet may be adjusted to satisfy the resonance conditions defined in this embodiment in accordance with the magnitude and frequency conditions of the alternating magnetic field.
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.In addition, in the present embodiment, aluminum foil 11 and PFA film 12 are used as the first charging member and the second charging member respectively charged by mutual displacement, and aluminum foil and Teflon resin can be used at low cost. As a material, the cost of a power generating device using these materials can be greatly reduced, and as will be described later, Teflon resin has an advantage of increasing power generated by the power generating device by expanding its charging surface area through a simple process. .
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.However, the present invention is not limited to this material, and as a material to be charged with an anode, a metal thin film or panel other than aluminum, or a panel made of a material such as glass, mica or silica can be used. As the material to be charged, a resin material such as polyethylene (PE), polypropylene (PP), polyvinyl chloride (PVC), or PTEE (Polytetrafluorethylene) may be used.
또한, 본 실시예에서는 PFA 필름(12)에 금 박막층(14)을 형성하였지만, 금 이외의 다른 전기 전도성이 놓은 재료의 박막을 형성할 수도 있다.In the present embodiment, although the gold thin film layer 14 is formed on the PFA film 12, a thin film of a material having electrical conductivity other than gold may be formed.
이상과 같은 구성의 전력 생성 소자(10)는 도 3에 개략적으로 도시한 상태에 놓여서 작동하게 된다.The power generating element 10 having the above configuration is operated in a state schematically shown in FIG. 3.
먼저, 본 실시예의 전력 생성 소자(10)는 영구 자석(16)이 교류 자기장에 놓이게 된다.First, in the power generating element 10 of the present embodiment, the permanent magnet 16 is placed in an alternating magnetic field.
본 실시예의 전력 생성 소자(10)는 교류 전류가 흐르는 전력선(20) 주변에 배치된다. The power generating element 10 of this embodiment is disposed around the power line 20 through which an alternating current flows.
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. The alternating current (B) is formed around the power line by alternating current flowing through the power line (20), and the permanent magnet (16) of the power generating element (10) is placed in the alternating magnetic field (B). , So that the direction of the magnetic field B is perpendicular to the plane of the surface of the substrate 13.
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.Since the strength of the alternating magnetic field is inversely proportional to the distance from the power line 20, it is advantageous for the permanent magnet 16 to be disposed as close to the power line 20 as possible without interference with the power line 20.
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.According to this arrangement, the permanent magnets 16 are subjected to alternating magnetic fields by alternating magnetic fields, and the permanent magnets 16 are attached to the free ends of the substrates 13 constituting the cantilever, so that the substrate 13 Is subjected to a bending load acting in the direction perpendicular to the plane of the surface at its free end 132, which is alternating in direction as the alternating magnetic field changes.
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.Accordingly, the substrate 13 is vibrated by an alternating load applied by the permanent magnet 16, which is a mass attached to the free end 132, with the fixed end 131 as a point.
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.By vibrating movement, the PFA film 12 as the second charging member attached to the substrate 13 moves up and down, and is close to the aluminum foil 11 as the first charging member fixed at a predetermined position. And the spaced apart movement will be repeated.
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.AC power is generated by the proximity and the separation of the aluminum foil 11 and the PFA film 12 as described above with reference to FIG. 1, and FIG. 4 schematically illustrates the principle of power generation. .
도 4를 참조하여 본 실시예의 전력 생성 소자에서 전류가 생성되는 원리를 살펴본다. Referring to Figure 4 looks at the principle that the current is generated in the power generating device of this embodiment.
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 ii로 되면, 대전 현상에 의해 알루미늄 포일(11)에는 양전하가, PFA 필름(12)에는 음전하가 대전된다.In the initial state (i) in which the aluminum foil 11 and the PFA film 12 are spaced apart from each other, when the PFA film 12 approaches the aluminum foil 11 by vibration of the substrate 13 (state ii, Due to the charging phenomenon, the positive charge is charged to the aluminum foil 11, and the negative charge is charged to the PFA film 12.
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 iii는 반대 방향의 전류가 생성된다.When the PFA film 12 begins to be spaced apart from the proximity state (ii) (state iii, a current is generated by the flow of charge through an external conductor to balance the charge, and close again in the spaced state (iv) At the start (state v), the accumulated charge disappears and state iii produces current in the opposite direction.
이와 같이 본 실시예의 전력 생성 소자(10)에서도 마찰 대전에 의한 전류 생성의 원리에 따라 교류 전류가 생성된다.In this manner, in the power generating element 10 of the present embodiment, an alternating current is generated according to the principle of current generation by triboelectric charging.
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.Referring back to FIG. 3, the conductors 17 and 18 are connected to the aluminum foil 11 and the PFA film 12, respectively, and the conductors 17 and 18 are connected to the sensor element 30 to supply an alternating current. Done.
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.The conductive wire 17 is directly connected to the aluminum foil 11, and the conductive wire 18 is connected to the PFA film 12 through the gold thin film layer 14 to transfer charges between the aluminum foil 11 and the PFA film 12. It becomes a passage, that is, a passage through which an electric current flows.
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.The sensor element 30 is operated by the power generated by the power generating element 10 of the present embodiment, and rectification module and secondary battery or capacitor for rectifying the alternating current from the power generating element 10 according to its use. Equipped with a power storage element such as to store the power generated by the power generating element 10 and converts it to the voltage and current required by the sensor element 30 to be used.
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.The sensor element 30 is provided with a wireless communication means such as a Wi-Fi module, but is not accessible to a person, but is provided at a position where the power line 20 is disposed to operate by using an alternating current from the power generating element 10 to a remote location. The measured information is transmitted to an information device such as a server 40 or an administrator's smartphone 40.
한편, 본 실시예의 전력 생성 소자(10)에 대하여 최대의 전력을 생성할 수 있는 조건에 대하여 실험하였다.On the other hand, the power generation device 10 of the present embodiment was tested for the conditions that can generate the maximum power.
본 실시예의 전력 생성 소자(10)를 헬름홀츠 코일에 배치하여 교류 자기장을 인가하고, 기판의 진동 모드와 생성되는 전류의 전압을 측정하였다.The power generating element 10 of this embodiment was placed in a Helmholtz coil to apply an alternating magnetic field, and the vibration mode of the substrate and the voltage of the generated current were measured.
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.The Helmholtz coil is applied with an alternating magnetic field having a diameter of 140 mm and a magnetic strength of 7 Oe. The permanent magnet 10 of the power generating element is arranged so that the alternating frequency of the alternating magnetic field is zero. The vibration mode of the substrate 13 and the voltage of the power generated by the power generating element were measured while increasing from.
도 5은 헬름홀츠 코일의 자기장의 주파수에 따라 기판(13)에서 나타나는 공진 상태들을 도시하고 있다.FIG. 5 shows the resonance states appearing in the substrate 13 according to the frequency of the magnetic field of the Helmholtz coil.
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.The resonant state appears in three modes as the frequency increases, and moves in a rotational manner around the fixed end 131 of the substrate, as shown in (a), sequentially from the lower frequencies as the frequency increases. A first bending resonance mode in which the free end 131 to which the permanent magnet 16 is attached has a maximum amplitude, a torsion resonance mode in which the substrate 13 twists and resonates with respect to the longitudinal axis as shown in (b). As shown in (c), the maximum amplitude appears in the central portion of the substrate 13 and the free end 132 exhibits a second bending resonance mode with little displacement.
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.FIG. 6 shows the displacement and generated voltage in the first bend resonance mode, which occurs when a 15 Hz alternating magnetic field is applied in a Helmholtz coil and opens up to 130 V peak to peak. A current with a voltage was generated.
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.FIG. 7 shows the displacement and generated voltage in the second bend resonance mode, which occurs when an alternating magnetic field of 143.2 Hz is applied in a Helmholtz coil, with power having a peak-to-peak open voltage of up to 703 V. FIG. Generated.
도 6에서 보듯이 비틀림 공진 모드는 기판(13)의 상하 변위가 거의 없으므로, 전류가 생성되지 않았다.As shown in FIG. 6, in the torsion resonance mode, since there is little vertical displacement of the substrate 13, no current is generated.
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.When the same excitation force is given, the amplitude is maximized under the condition in which resonance occurs, and in the power generating element according to the present embodiment, the substrate to which the second charging member with displacement of proximity and separation is attached is a permanent magnet at its free end. When the bending vibration occurs due to the alternating magnetic force in the up and down direction, the maximum displacement occurs due to resonance, and the maximum displacement generates the maximum displacement between the first charging member and the second charging member. Can be maximized.
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.In particular, as in the experimental results described above, the resonance occurs in various modes, the maximum displacement due to the resonance occurs in the center of the substrate 13, both ends of the substrate generates a maximum power in the resonance condition that does not occur displacement It turns out that this is possible.
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.The above experimental results confirm that the second bending resonance mode in which the center of the substrate vibrates up and down when the alternating magnetic field of 143.2 Hz is applied to the power generating device of the present embodiment is generated, and the maximum power is generated in the resonance mode. As a variation of the present embodiment, when the substrate is set to 95 mm in length and a total of 12 permanent magnets are attached and other conditions are the same as in the embodiment, the power generating element is constructed at a frequency of 60 Hz, which is the frequency of commercial AC power. It was confirmed that resonance occurs in accordance with the second bending resonance mode and maximum power was generated.
또한, 이와 같이 구성된 변형예의 전력 생성 소자를 상용 교류 전원선에 인전시켜서 전력의 생성 여부에 대한 실험을 수행하였다.In addition, an experiment was performed to generate electric power by supplying the electric power generating element of the modified example configured as described above to a commercial AC power line.
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.In this experiment, a resistor is connected to a power line supplied with a commercial power source having a voltage of 220 V and a frequency of 60 Hz so that a current of 5.0 A and 9.2 A flows, respectively. The permanent magnets were placed 14 mm apart.
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.If a current of 5.0 A flows. At the position where the permanent magnet is placed, it is calculated that an alternating magnetic field having a maximum size of 1.3 Oe is formed, and a resonance occurs according to the second bending resonance mode in the power generating element, and the frequency-to-peak open-circuit voltage of 60 Hz, 151 V, 11.7 Power with a short circuit current of μA was generated.
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.In the case where a current of 9.2 A flows. At the position where the permanent magnets are placed, an AC magnetic field with a maximum size of 0.7 Oe was calculated, and a resonance occurred according to the second bending resonance mode in the power generating element, and a frequency-to-peak open-circuit voltage of 60 Hz, 330 V, 23 Power with a short circuit current of μA was generated.
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.The condition that the power generating element having the configuration according to the present invention has a resonance mode in which the longitudinal center of the substrate vibrates up and down is the size, thickness, elasticity of the substrate constituting the power generating element or the first and second charging elements. Depending on the modulus and the mass of the permanent magnet, the conditions under which such a second resonant mode occurs can be set by one of ordinary skill in the art as described herein through repeated experiments.
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.On the other hand, according to the principle of triboelectric charging, two objects charged according to mutual displacement such as mutual contact and separation can have a higher voltage of current generated as the amount of charged charge increases according to their opposing surface areas.
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.In the power generation device 10 of the present embodiment, the nano-scale fine irregularities are formed on the charging surface 121 facing the aluminum foil 11 so that the surface area is maximized.
도 8은 본 실시예의 전력 생성 소자(10)에서 PFA 필름(12)의 표면에 나노 스케일의 미세 요철을 형성하는 공정을 개략적으로 표시한 것이다.FIG. 8 schematically illustrates a process of forming nanoscale fine irregularities on the surface of the PFA film 12 in the power generating element 10 of the present embodiment.
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).First, an unprocessed PFA film 12 'serving as a raw material is prepared, and sodium chloride powder 2 having a nano particle size is sprayed at a high pressure gas on one surface by a high pressure gas at a high speed (process) A).
분사되는 염화나트륨 분말은 PFA 필름(12')의 표면에 충돌하여 튕겨져 나가기도 하지만, 상당수의 분말이 PFA 필름(12')의 표면에 박혀 있는 상태로 된다.Although the injected sodium chloride powder collides with the surface of the PFA film 12 'and bounces off, a large number of powders are embedded in the surface of the PFA film 12'.
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.Following this process, the PFA film 12 'containing the sodium chloride powder is immersed in water (step B). Thus, the water-soluble sodium chloride powder is dissolved in water and separated from the PFA film 12 '.
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.Subsequently, when the PFA film 12 is taken out of water and dried, a fine concavo-convex structure is formed on the charging surface 121 as shown in (C). Although the figure is exaggeratedly large to show the unevenness, the size of the unevenness depends on the particle size of the sodium chloride powder, and when using the nanoscale sodium chloride powder, a PFA film having nanoscale unevenness on the surface is obtained.
반면, 본 실시예에서는 염화나트륨 분말을 PFA 필름에 분사하였지만, 염화나트륨 분말 외에 염화칼륨이나 다른 수용성의 분말을 이용할 수도 있다.On the other hand, although sodium chloride powder was sprayed onto the PFA film in this embodiment, potassium chloride or other water-soluble powders may be used in addition to the sodium chloride powder.
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.FIG. 9 is a graph showing voltage and current with respect to a configuration in which the power generation device 10 according to the present embodiment is formed with or without nanoscale fine irregularities by the above-described process as the PFA film.
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.As can be seen from this graph, it can be seen that in the configuration in which nanoscale fine irregularities are formed on the PFA film 12, the voltage and current of generated power are greatly increased as compared with the case where there is no fine irregularities.
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.On the other hand, in the present embodiment, the charging area was enlarged by forming a fine concavo-convex structure on the PFA film. In this case, a higher power generation effect can be obtained.
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.Although embodiments of the present invention have been described above with reference to the accompanying drawings, these embodiments are merely exemplary, and various modifications and changes and additions of components are possible by those skilled in the art within the scope of the claims, and such modifications are possible. Configurations with additions, changes, and components are within the scope of the present invention.
Claims (7)
- 전력선에 흐르는 교류 전원에 의해 형성되는 자기장으로부터 전력을 생성하는 전력 생성 소자로서, A power generating element for generating electric power from a magnetic field formed by an AC power supply flowing in a power line,자기장에 놓여 자기장의 교번에 따라 방향이 전환되는 자기력을 받는 영구 자석;A permanent magnet placed in a magnetic field and receiving a magnetic force which is changed in direction according to an alternating magnetic field;일단이 자유 단부로 형성되고 타단은 고정 단부로 형성되며, 자유 단부에 영구 자석이 부착되고, 소정의 탄성을 가지고 영구 자석이 받는 자기력에 의한 굽힘력을 받는 기판;A substrate having one end formed at a free end and the other end formed at a fixed end, and having a permanent magnet attached to the free end, the substrate having a predetermined elasticity and receiving a bending force by a magnetic force received by the permanent magnet;상호 대면하는 표면을 가지며, 대면하는 표면의 상호 변위에 의해 극성이 서로 다르게 마찰 대전되는 제1 및 제2 대전 부재; 및First and second charging members having surfaces that face each other and whose friction polarity is different from each other by mutual displacement of the surfaces facing each other; And영구 자석, 기판, 제1 및 제2 대전 부재이 지지되는 프레임Frame on which permanent magnet, substrate, first and second charging members are supported을 포함하고,Including,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.The first charging member is fixed to the frame and the second charging member is fixed to the substrate so that the first and second charging members are charged by causing displacement on the surface facing the first charging member as the substrate vibrates by the bending force. And electric power is generated by electric charge flowing between the first and second charging members by a conducting wire interconnecting the first and second charging members.
- 청구항 1에 있어서, The method according to claim 1,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.The first charging member is made of a thin metal film that is positively charged, the second charging member is made of a resin panel that is charged with negative charge, and the second charging member is electrically conductive on the back surface of the surface facing the first charging member. A power generating device, wherein a thin film of material is attached to which a conductive wire is connected.
- 청구항 1에 있어서, The method according to claim 1,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.The first charging member is made of a resin panel which is charged with negative charge, and a thin film of an electrically conductive material is attached to the first charging member on the rear surface of the surface facing the second charging member, and the conductor is connected to the thin film. 2 The charging member is a power generating device comprising a thin film made of metal charged with positive charge.
- 청구항 1에 있어서, The method according to claim 1,제1 대전 부재 또는 제2 대전 부재는 음전하로 대전되는 수지제의 패널로 이루어지며, 제1 대전 부재와 대면하는 표면에는 미세 요철이 형성되는 것인, 전력 생성 장치.The first charging member or the second charging member is made of a panel made of a resin that is charged with negative charge, and the electric power generating device, fine unevenness is formed on the surface facing the first charging member.
- 청구항 4에 있어서, The method according to claim 4,미세 요철은 수용성 분말을 제1 대전 부재와 대면하는 표면에 분사한 후에 수용성 분말을 물에 용해시켜 형성되는 것인, 전력 생성 장치.The fine unevenness is formed by dissolving the water-soluble powder in water after spraying the water-soluble powder on the surface facing the first charging member.
- 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1,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.The alternating direction of the bending force exerted by the permanent magnets in accordance with the alternating magnetic field is configured to make the resonance of the central portion in the substrate to maximize the deformation and the deformation of the free end to the minimum.
- 청구항 6에 있어서,The method according to claim 6,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.At least one of the thickness, width of the substrate, the length from the fixed end to the position where the permanent magnet is attached, and the modulus of elasticity and the mass of the permanent magnet has a maximum deformation at the center of the substrate and a deformation at the free end according to the frequency of the magnetic field. And a power generating device which is adapted to make this minimum resonance.
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