摩擦发电装置的电信号分析方法与流程

1.本技术要求于2019年12月17日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请10-2019-0168478的优先权和权益，其全部内容通过引用并入本文。
2.本发明涉及一种摩擦发电装置的电信号分析方法，更具体地，涉及这样一种摩擦发电装置的电信号分析方法，其能够通过使用能够评估摩擦发电装置的性能的多种分析方法来客观地且等同地评估发电装置之间的性能。


背景技术：

3.摩擦发电装置通常使用摩擦电效应，其中当具有不同摩擦电极性的两种材料彼此接触时发生电荷转移，并且最近，存在能够通过诸如人类物理运动或机械振动的各种能源以高效率产生电的方法的增长趋势。如上所述，随着摩擦发电装置性能的提高，一些能够比较和评估这些发电装置性能的协议也是已知的，并且只要通过这些协议进行的装置之间的性能比较是平稳的，就可以确定这些协议在本领域中是非常有用的。
4.然而，在现有协议中，由于评估摩擦发电装置的方法彼此不同或不标准化，因此不能在客观和等同条件下实现装置之间的性能评估，结果，存在难以比较和对比摩擦发电装置之间的性能的问题。因此，需要开发能够通过标准化用于评估摩擦发电装置的性能的方法来评估在客观和等效条件下的装置之间的性能的新型分析协议。


技术实现要素：

5.技术问题
6.因此，本发明的目的是提供一种摩擦发电装置的电信号分析方法，其能够通过使用能够评估摩擦发电装置的性能的多种分析方法来客观地且等同地评估发电装置之间的性能。
7.技术方案
8.为了实现上述目的，本发明提供一种摩擦发电装置的电信号分析方法，所述摩擦发电装置的电信号分析方法包括通过以下协议a)至协议d)中的至少一个来分析所述摩擦发电装置的电信号：
9.协议a)，其分析通过以一定周期向中心施加力以使所述摩擦发电装置弯曲而产生的电信号；
10.协议b)，其分析通过向至少一端施加力以使所述摩擦发电装置弯曲而产生的电信号；
11.协议c)，其分析通过以一定周期敲击所述摩擦发电装置或在一定限度内引起所述摩擦发电装置振动而不转换所述摩擦发电装置的形状而产生的电信号；以及
12.协议d)，其分析通过震动以预定距离与所述摩擦发电装置间隔开的电感器而产生的电信号。
13.有利效果
14.根据本发明，摩擦发电装置的电信号分析方法的优点在于，通过使用能够评估摩擦发电装置的性能的多种分析方法，客观地且等同地评估发电装置之间的性能。
附图说明
15.图1至图5是根据本发明的实施方式的使用协议a)至协议d)测量的摩擦发电装置的电信号的图。
16.图6是根据比较例的使用手测量的摩擦发电装置的电信号的图。
具体实施方式
17.在下文中，将详细描述本发明。
18.一种摩擦发电装置的电信号分析方法包括通过以下协议a)至协议d)中的至少一个来分析所述摩擦发电装置的电信号：
19.协议a)，其分析通过以一定周期向中心施加力以使所述摩擦发电装置弯曲而产生的电信号；
20.协议b)，其分析通过向至少一端施加力以使所述摩擦发电装置弯曲而产生的电信号；
21.协议c)，其分析通过以一定周期敲击所述摩擦发电装置或在一定限度内引起所述摩擦发电装置振动而不转换所述摩擦发电装置的形状而产生的电信号；以及
22.协议d)，其分析通过震动以预定距离与所述摩擦发电装置间隔开的电感器而产生的电信号。
23.如上所述，用于评估摩擦发电装置性能的一些现有协议是已知的。然而，由于评估这些摩擦发电装置的方法彼此不同或不标准化，因此不能在客观和等同条件下实现装置之间的性能评估，结果，存在难以比较和对比摩擦发电装置之间的性能的问题。因此，需要开发能够通过标准化用于评估摩擦发电装置的性能的方法来评估在客观和等效条件下的装置之间的性能的新型分析协议。
24.也就是说，四种电信号分析协议a至d是为了在装置之间进行一对一的性能评估，并且基于直接或间接地对摩擦发电装置施加物理效应并解释由物理效应产生的电信号的方法。另一方面，作为可以应用于根据本发明的摩擦发电装置的电信号分析方法的摩擦发电装置，没有限制，只要摩擦发电装置使用摩擦电效应，在该摩擦电效应中具有不同摩擦电极性的两种材料彼此接触，从而发生电荷转移。例如，可将从外部施加的所有物理动能转换为电能并可用于风力发电、潮汐发电和波浪发电的发电装置，甚至可将可检测物理运动或检测纹理、硬度或待施加以用作传感器的力的发电装置应用于本发明的电信号分析方法。另外，不言而喻，本技术人于2017年11月22日申请的韩国专利申请10-2017-0156387的摩擦发电装置也可以应用于本发明的电信号分析方法。
25.在下文中，将详细描述协议a)至协议d)。
26.1.协议a)
27.首先，a)的电信号分析协议是一种分析通过以预定的力和周期敲击和弯曲摩擦发电装置的中心而产生的电信号的方法。即，为了产生电信号，需要对如上所述的摩擦发电装置具有物理效应(即，通过用预定的力敲击装置使装置弯曲的物理效应)，并且为了测量和
分析产生的电信号，需要将信号分析装置连接到每个电极。信号分析装置没有特别限制，只要该装置是能够分析电信号的装置即可，并且可以包括例如图形采样万用表，如吉时利(keithley)dmm 7510。
28.此外，为了通过阻挡外部静电来测量更精确的电信号，即，为了感应法拉第笼效应，摩擦发电装置可以设置在由导电材料制成的基板内或被导体围绕。这里，基板的形式可以包括箱型、网型等，并且围绕装置的导体可以是板状导电金属，例如铝箔(另选地，包括铝箔)。
29.另外，当分析电信号时，可以设置一对杆(或棒)，用于以一定周期向摩擦发电装置的中心施加力，该对杆(或棒)以预定间隔与摩擦发电装置的上部和下部间隔开或结合。也就是说，该对杆中的一个杆可以定位在摩擦发电装置的上方向上，而另一个杆可以定位在摩擦发电装置的下方向上，其中该对杆与该装置间隔开一定距离或结合到该装置，并且需要定位在该装置中心的上方向和下方向上。
30.另一方面，对杆的尺寸和与装置的分离距离没有特别的限制，例如，杆的直径可以是5mm至20mm，并且在分离的情况下，每个杆可以与装置间隔开0.5mm至5mm。只要力可以通过杆施加到摩擦发电装置的中心，对杆的尺寸和与上述装置的分离距离没有特别的限制。没有特别的限制，只要杆的材料也可以通过向装置的中心施加力而使装置弯曲即可，但是考虑到装置在高速(大于3hz)下施加物理冲击时不应断裂，优选应用由以下要素组成的杆：其中碳棒插入到由硅制成的管中的复合材料；其中混合有塑料棒(例如，abs棒)、陶瓷和聚合物的塑料－陶瓷复合材料棒插入到由teflon(聚四氟乙烯)制成的管中的复合材料；或包含金属棒如铝的单体。
31.当分析电信号时，上述杆通过在摩擦发电装置的上部和下部以一定周期上下移动的同时向装置的中心施加力而使装置弯曲。例如，杆可以以1hz至20hz的周期上下移动1cm至5cm，并且当上下移动距离为2cm时，杆可以在上方向上移动1cm并且在下方向上移动1cm。另外，当分析电信号时，可以通过首先测量一组，然后在暂停几秒到几十秒之后测量几个附加组来保证可靠性。
32.2.协议b)
33.接下来，b)的电信号分析协议是一种分析通过保持摩擦发电装置的至少一端然后将该装置的中心弯曲成预定的曲面而产生的电信号的方法。即，为了产生电信号，需要对如上所述的摩擦发电装置施加物理效应(即，通过施加一定的力使装置弯曲的物理效应)，并且为了测量和分析产生的电信号，需要将信号分析装置连接到每个电极的一端(信号分析装置的描述遵循协议a中描述的那些)，这甚至可以等同地应用于下面将要描述的协议c)和协议d)。此外，为了通过阻挡外部静电更精确地测量电信号，可以使用能够引起法拉第笼效应的导电材料，并且这也遵循协议a)中描述的那些。
34.同时，当分析电信号时，可以设置一对杆(或棒)，用于以一定周期向摩擦发电装置施加力，该对杆(或棒)以预定间隔与摩擦发电装置的一端的上部和下部间隔开或结合。也就是说，该对杆中的一个杆可以定位在摩擦发电装置的上方向上，而另一个杆可以定位在摩擦发电装置的下方向上，同时与该装置间隔开一定距离或结合到该装置。
35.当分析电信号时，如上所述的杆在摩擦发电装置的上部和下部以一定周期上下移动，因此，杆通过向装置的一端施加力而引起装置上下弯曲(即，当力施加到装置的一端而
另一端固定时，装置上下弯曲)。例如，杆可以以1hz至20hz的周期上下移动1cm至5cm，并且如果上下移动距离是4cm，则杆可以与装置一起上下移动2cm。另外，当分析电信号时，可以通过首先测量一组，然后在暂停几秒到几十秒之后测量几个附加组来保证可靠性。
36.此外，在协议b)中，该对杆可以设置成与该装置的两端中的每一端而不是其一端的上部和下部间隔开预定距离或结合到该上部和下部。在这种情况下，该装置通过两端彼此的对称运动而弯曲(即，处于折叠状态)，并且分析从这种形式产生的电信号。
37.3.协议c)
38.随后，c)的电信号分析协议是一种分析通过在按压摩擦发电装置的同时以预定的力和周期敲击和振动该装置而不改变其形状而产生的电信号的方法。即，为了产生电信号，需要如上所述在摩擦发电装置上施加物理效应(即，以预定的力敲击或振动该装置的物理效应)，并且为了测量和分析所产生的电信号，需要将信号分析装置连接到每个电极。此外，为了通过阻挡外部静电更精确地测量电信号，可以使用能够引起法拉第笼效应的导电材料。
39.由于协议c)需要在将摩擦发电装置的形状保持为圆形的同时对电信号进行分析，因此在此，需要先于通过将高强度板放置在装置的上部和下部上并随后将其按压来固定装置的形状的过程。在执行这种处理之后，有必要分析通过以一定周期和力敲击位于装置的上部和下部的板中的至少一个而引起振动或通过刮擦表面而产生的电信号。板的材料可以包括例如铁、不锈钢、黄铜和铝合金，其可以通过按压来固定该装置，并且其强度可以为0.001kgf至100kgf。此外，按压力可以足够固定，使得装置的形状不改变，因此，对按压力没有特别限制。此外，产生电信号所需的力或刮擦程度也不受限制，使得力或刮擦程度可根据情况适当地变化。另外，当分析电信号时，可以通过首先测量一组，然后在暂停几秒到几十秒之后测量几个附加组来保证可靠性。
40.4.协议d)
41.最后，d)的电信号分析协议是一种分析通过以一定周期震动与摩擦发电装置间隔开一定距离的电感器而产生的电信号的方法。协议d)是非接触电信号分析方法，其不弯曲、敲击或刮擦摩擦发电装置，与前述协议a)至协议c)不同。因此，在上述协议d)中，不使用可能引起法拉第笼效应的导电材料来捕获装置的运动。此外，使用与每个电极相连的信号分析装置来测量和分析所产生的电信号与上述协议a)至协议c)相同。
42.更具体地，电感器可设置在距装置几微米到几十米的距离处，并且可通过在平行于装置的评估表面的平面上沿各种方向或形状以一定周期(例如，1hz到20hz)震动来产生电信号。电感器没有特别限制，只要电感器是能够从摩擦发电装置发电的构件即可，例如人的手、金属棒、由pe制成的塑料棒、发束和布。另外，作为震动电感器的方向或方法，可以基于装置的平面例示出水平方向、竖直方向、对角线方向和圆形，但是没有特别限制，只要该方向或方法是可以从摩擦发电装置发电的方向或方法即可。另外，当分析电信号时，可以通过首先测量一组，然后在暂停几秒到几十秒之后测量几个附加组来保证可靠性。
43.本发明的实施方式
44.在下文中，将参考具体示例更详细地描述本发明。以下示例用于说明本发明，本发明不限于以下示例。
45.[示例1]摩擦发电装置的电信号分析－协议a
[0046]
首先，制备摩擦发电装置，其中电极位于基于作为中心的摩擦发电层的上表面和下表面上，然后将电信号分析装置dmm 7510(吉时利，keithley，美国)连接到每个电极，然后用铝箔围绕该装置。接下来，基于装置的纵向中心，在上方向和下方向中的每个方向上以1mm的间隔提供一个杆(8mm直径的硅制管，其中插入5mm直径的碳棒)，然后以1hz至12hz的周期上下移动1cm(移动2cm的总距离)，并且通过向装置的中心施加力使装置弯曲。此时，通过首先根据如上所述的杆的运动执行一组力传递来测量电信号，然后，为了提高可靠性，在暂停几秒到几十秒之后执行另外几组之后测量电信号。
[0047]
[示例2]摩擦发电装置的电信号分析－协议b-1
[0048]
将杆(8mm直径的硅制管，其中插入5mm直径的碳棒)以1mm的间隔设置在装置的任一端而不是中心的上方向和下方向中的每个方向上，并且将电信号分析装置dmm 7510(吉时利，keithley，美国)连接并固定到相同方向上的每个电极的一端。此后，除了通过以1hz至12hz的周期上下移动杆2cm(移动4cm的总距离)仅向装置的一端施加力使装置上下弯曲之外，以与示例1相同的方式测量装置的电信号。
[0049]
[示例3]摩擦发电装置的电信号分析－协议b-2
[0050]
除了在装置的两端而不是装置的一端的上部和下部中的每一个处设置杆并且通过向装置的两端施加力使装置对称地弯曲之外，以与示例2相同的方式测量装置的电信号。
[0051]
[示例4]摩擦发电装置的电信号分析－协议c
[0052]
除了作为应用由铁制成的板而不是杆的示例之外，将两个板分别放置在装置的上部和下部，然后用2kg的重量按压以固定装置，使得装置的形状不改变，并且此后，通过以1hz至10hz的周期用1kg的力敲击一个板来产生电信号。以与示例1相同的方式测量装置的电信号。
[0053]
[示例5]摩擦发电装置的电信号分析－协议d
[0054]
作为非接触电信号分析方法，首先，将电信号分析装置dmm 7510(吉时利，keithley，美国)连接到摩擦发电装置的每个电极，将pe塑料棒(电感器)定位在距装置10cm的距离处，然后通过在平行于装置的评估表面的平面上沿水平方向以1hz至10hz震动塑料棒来产生电信号。此后，通过首先执行一组来测量通过这种电感器产生的电信号，然后，为了提高可靠性，在暂停几秒到几十秒之后执行另外几组之后测量电信号。
[0055]
[比较例1]摩擦发电装置的电信号分析
[0056]
制备摩擦发电装置，其中电极基于作为中心的摩擦发电层位于上表面和下表面上，然后测量通过用手以一定周期震动该装置而产生的电信号。
[0057]
[示例1至示例5和比较例1]摩擦发电装置的电信号分析的评估
[0058]
通过图形采样万用表dmm 7510(吉时利，keithley，美国)确认在示例1至示例5和比较例1的每一个中测量的电信号(即，确认根据施加到装置的刺激的电压/电流的变化)。图1至图5是根据本发明的实施方式的使用协议a)至协议d)测量的摩擦发电装置的电信号的图，图6是根据比较例的使用手测量的摩擦发电装置的电信号的图。具体地，图1是在示例1(协议a)中测量的装置的电信号的图，图2是在示例2(协议b-1)中测量的装置的电信号的图，图3是在示例3(协议b-2)中测量的装置的电信号的图，图4是在示例4(协议c)中测量的装置的电信号的图，图5是示例5(协议d)的装置的电信号的图。
[0059]
作为通过如上所述的每种信号分析方法确认装置的电信号的结果，在使用示例1
至示例5的协议的情况下，如图1至图5所示，根据施加到装置的冲击/变化立即发电，并且电压/电流的变化量没有显著差异，因此，非常类似地测量装置的性能。另一方面，在通过简单地用手震动来测量的比较例1的情况下，电信号的时间间隔和强度根据施加到装置的冲击/变化而不规则地产生，因此，与使用示例1至示例5的协议的情况相比，难以客观地且等同地评估装置的性能。