KR101025562B1 - 소리 또는 진동에너지를 이용한 발전모듈과 발전방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수 제곱센티미터의 소형 사이즈로부터 수십 제곱미터 크기의 대형 사이즈에 이르기까지 다양한 크기로 제작할 수 있을 뿐 아니라, 이중 패널 구조를 채용하여 소리 에너지의 활용도를 높임으로써 고수확 발전을 행할 수 있고, 유비쿼터스 무선센서용 전원 및 휴대전화기, PMP 등 소형 모바일 기기의 보조전원장치나 가정, 사무실, 공장, 도로 등의 보조 발전장치로 응용할 수 있는 발전모듈에 관한 것이다.

본 발명에 따른 발전모듈은 프레임과, 상기 프레임에 이격하여 고정되는 기판과, 상기 프레임에 부착되며 음파를 상기 프레임과 기판의 사이로 유입시키는 다수개의 절개부가 형성된 진동 막과, 상기 진동 막에 대향하여 상기 기판에 고정되는 복수 개의 코일과, 상기 코일의 내부에서 진동할 수 있도록 상기 진동 막 상에 고정되는 복수 개의 자석을 포함하여, 소리 또는 진동에너지를 통해 전기를 생산하는 것을 특징으로 한다.

소리, 진동, 발전, 이중 패널 구조

Description

소리 또는 진동에너지를 이용한 발전모듈과 발전방법 {GENERATOR MODULE USING ACOUSTIC ENERGY OR VIBRATION ENERGY}

본 발명은 소리 또는 진동을 에너지원으로 하여 전기 에너지를 생산할 수 있는 발전모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수 제곱센티미터의 소형 사이즈로부터 수십 제곱미터 크기의 대형 사이즈까지 다양한 크기로 제작할 수 있어 휴대전화기, PMP와 같은 소형 모바일 기기의 보조전원장치에서 가정, 사무실, 공장, 도로 등의 보조전원장치에 이르기까지 다양한 형태로의 응용이 가능하고, 이중 패널 구조를 채용하여 소리 에너지의 활용도를 높임으로써 고수확 발전이 가능한 발전모듈에 관한 것이다.

현재 가장 널리 사용되고 있는 발전방법으로는 화력발전, 수력발전, 원자력발전 등이 있으며, 근래에는 태양력발전, 풍력발전, 파력발전 및 조력발전과 같이 자연환경에 존재하는 각종 에너지원을 활용하여 친환경적인 에너지를 창출하고자 하는 다양한 시도가 행해지고 있다.

한편, 인간의 생활환경에는 수송기관에 의한 소음과 진동, 공장 등에 설치된 기계음, 인간의 대화음 등 다양한 형태의 소리나 진동이 발생하고 있는데, 이와 같 은 소리나 진동도 에너지원으로 활용하고자 하는 다양한 시도가 행해지고 있다.

이와 관련하여, 한국등록특허 제10-0880240호에는, 지하철이나 비행장 또는 터널 등의 소음을 집음하여 공명통을 통해 공명시키고, 공진기를 공진시켜 공진에 의한 운동에너지를 전기에너지로 변환시키도록 한 음파 공명 발전기가 개시되어 있다. 그런데 이러한 공명 발전기는 지하철과 같은 큰 소리가 발생하는 제한적인 장소에만 사용될 뿐 아니라, 소음과 함께 발생하는 진동을 에너지원으로 활용할 수 없는 한계가 있다.

또한, 게임, 동영상 등을 휴대전화, PMP와 같은 모바일 기기를 통해 즐기는 것이 일반화되면서 충전지의 사용시간을 늘리는 것이 중요한 과제가 되고 있는데, 모바일 기기를 사용하면서 발생하는 소리 또는 진동 에너지를 모바일 기기의 충전용으로 이용하기 위한 다양한 형태의 마이크로 발전모듈 들이 최근 개발되고 있다.

그 일 예로, 도 5a에 도시된 바와 같이, 전극이 형성된 하부 기판에 산화아연(ZnO)의 나노 와이어를 수직으로 배열하고, 상부 기판에는 상기 나노 와이어를 변형시킴과 동시에 전극으로 활용할 수 있는 백금(Pt)으로 이루어진 나노 구조물을 수직으로 배열한 한 마이크로 발전모듈이 알려져 있다. 이 발전모듈은 도 5b에 도시된 바와 같이, 기판에 소리 또는 진동이 가해질 때, 상부 기판의 변형에 의해 상기 백금(Pt) 돌기에 움직임이 발생하고 백금 돌기는 하부의 나노 와이어를 변형시킴으로써 나노 와이어에 압전현상을 일으켜 전기에너지를 발생하도록 되어 있다. 그런데 이 방법의 경우, 소리 보다는 손가락에 의한 압력과 같은 기계적 힘을 이용하는데 적합한 방식일 뿐 아니라, 나노 와이어를 대면적으로 정렬시키는데 따른 기 술적 어려움을 고려할 때, 가정, 사무실, 공장 등의 보조 발전 장치에는 적합하지 않은 방법이다.

또한, 도 6에 도시된 바와 같이, 상,하부 웨이퍼의 중앙에 사각형의 홀(hole)을 형성한 후, 상부 웨이퍼의 구멍 주위에 전기 도금을 통해 구리 플래너코일(planer coil)을 형성하고, 하부 웨이퍼에는 사각형 홀에 걸쳐지는 서스펜션 플레이트(suspension plate)을 형성한 후, 상기 서스펜션 플레이트 상에 영구자석을 부착시켜, 상기 서스펜션 플레이트가 인간의 음성이나 전자기기의 스피커를 통해 방출되는 음파에 의해 진동할 때, 상기 플래너 코일에 기전력이 유도되도록 하여 발전하는 방법도 제안되고 있다. 그런데 이 방식은 발전모듈의 초소형화에는 적합하나 서스펜션 플레이트가 특정 주파수에서만 증폭하기 때문에 소리 에너지의 활용도가 떨어져 고수확 발전이 어려운 문제점이 있다.

본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 수제곱 센티미터의 소형 사이즈로부터 수십 제곱미터에 이르는 대형 사이즈까지 다양한 크기로 제작할 수 있는 소리와 진동을 이용한 발전모듈을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.

또한, 본 발명의 다른 과제는, 이중 패널 구조를 구비하여 고수확 발전이 가능하면서 동시에 흡음이 가능하여 발전과 흡음이 동시에 이루어질 수 있어 방음 또는 흡음 패널로도 사용할 수 있는 발전모듈을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 또 다른 과제는 낮은 음압에서도 발전을 할 수 있는 광대역 주파수 진동이 가능한 발전모듈을 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 수단으로 본 발명은, 소리 또는 진동에너지를 이용하여 전기에너지를 생성하는 발전모듈로서, 프레임과, 상기 프레임에 이격하여 고정되는 기판과, 상기 프레임에 부착되며 음파를 프레임과 기판의 사이로 유입시키는 다수개의 절개부가 형성된 진동 막과, 상기 진동 막에 대향하여 상기 기판에 고정되는 복수 개의 코일과, 상기 코일의 내부에서 진동할 수 있도록 상기 진동 막 상에 고정되는 복수 개의 자석을 포함하는 것을 특징으로 하는 발전모듈을 제공한다.

본 발명에 따른 발전모듈은 주요 구성인 프레임, 진동막, 코일 등은 에칭, 마이크로프린팅, 전기주조 등의 방법에 의해 제조할 수 있기 때문에, 초소형의 크기에서부터 대형의 크기까지 다양한 크기로 제조할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 발전모듈은 진동 막과 이격되게 배치된 기판이 이중 패널 구조를 형성하며, 진동 막에 형성된 다수의 절개부를 통해 진동 막과 기판의 사이에 도입된 음파가 기판에 의해 반사되어 진동 막을 진동시키면서 감쇄되도록 되어 있기 때문에, 진동이 증가하여 고수확 발전이 가능할 뿐 아니라, 진동 막의 진동 과정에서 흡음이 자연적으로 이루어지기 때문에, 차음 내지 흡음수단으로도 사용할 수 있다.

또한, 상기 기판에는 상기 복수 개의 코일에 유도된 기전력을 축전지에 충전시키기 위한 회로가 형성되어 있을 수 있으며, 이와 같이 음파를 반사시키기 위한 기판에 회로를 형성하게 되면, 발전모듈의 부피를 줄일 수 있어 특히 소형 모바일 기기에 적용이 편리해진다. 또한, 상기 기판은 PCB(Printed Circuit Board) 기판으로 이루어지는 것이 바람직하다.

또한, 상기 프레임은 높은 탄성과 강도를 가져야 하며, 동시에 미세한 가공이 가능해야 하므로, 금속으로 제조되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 프레임은 격자 구조를 형성하며, 격자 구조의 교차점에 상기 진동 막이 부착되게 할 수 있다.

또한, 인간의 음성이나 이에 의해 반사된 음성과 같이 낮은 음압의 진동 주파수에서 진동하기 위해서는, 상기 진동 막의 두께는 100㎛ 이하인 것이 바람직하며, 상기 격자의 크기도 한 변의 길이가 1mm ~ 20mm인 것이 바람직하다.

또한, 진동 막을 구성하는 재료로는 가능한 한 진동 상태를 유지하는데 유리한 재료를 사용하는 것이 바람직한데, 주파수 영역과 음압에 따라 가공성과 탄성율과 감쇠율을 고려한 바람직한 예로는 Ni, Cu, Al 등의 금속박막이나 고분자막 등을 들 수 있다.

한편, 코일 내부를 진동하는 자석에 의해 유도되는 기전력은 하기 식 1과 같다.

[식 1]

(여기서, N : 코일의 권선수, B : 자속밀도, A: 코일의 내부 단면적)

즉, 자속밀도가 큰 자석을 사용할수록 유도 기전력이 커지며, 낮은 음압 하에서 상기 자석을 진동시키기 위해서는 자석의 무게가 적어야 하므로, 고자속밀도의 NdFeB 합금 또는 SmCo 합금 등이 바람직하며, 자석의 무게는 1mg 이하, 보다 바람직하게는 0.2mg 이하로 유지한다.

또한, 상기 코일은 전주주조(electroforming)법에 의해 상기 PCB 기판에 바텀-업 (bottom-up) 방식으로 형성될 수 있다.

또한, 본 발명은, 소리 에너지를 이용하여 전기에너지를 생성하는 발전방법으로서, 프레임과, 상기 프레임에 이격하여 고정되는 기판과, 상기 프레임에 부착되며 음파를 프레임과 기판의 사이로 유입시키는 다수개의 절개부가 형성된 진동 막과, 상기 진동 막에 대향하여 상기 기판에 고정되는 복수 개의 코일과, 상기 코 일의 내부에서 진동할 수 있도록 상기 진동 막 상에 고정되는 복수 개의 자석을 포함하여, 상기 진동 막과 기판이 이중 패널 구조를 형성하여, 상기 진동 막과 기판 사이의 공간을 통해 유입된 음파가 상기 이중 패널 구조를 통해 반사 또는 공명하도록 한 것을 특징으로 하는 발전방법을 제공한다.

본 발명에 따른 마이크로 발전모듈은 유비쿼터스 무선센서용 전원이나 휴대전화와 같은 소형 모바일 기기의 보충전원으로부터 대형의 발전패널까지 다양한 크기에 응용할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 마이크로 발전모듈은 이중 패널 구조를 형성하여 진동막을 통해 도입된 음파가 기판에 의해 공명하도록 되어 있을 뿐 아니라, 기판에 부착된 미세 코일 내부를 마이크로 자석이 이동하도록 하게 되어 다양한 주파수 대역에서 발전할 수 있기 때문에, 종래에 비해 고수확 발전이 가능하다.

본 발명의 실시예들을 설명하기 위해 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함하는 의미이다. 그리고 "포함한다"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및 /또는 성분을 구체화하며 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외하는 것은 아니다.

이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 마이크로 발전모듈 및 이 발전모듈을 이용한 발전방법을 상세하게 설명하겠지만 본 발명이 하기의 실시예에 제한되는 것은 아니다. 따라서 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변경할 수 있음은 자명하다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 발전모듈의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 발전모듈의 측단면도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 다수의 발전모듈로 이루어진 발전모듈의 개념도이다.

상기 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 발전모듈(1)은 크게 수mm 크기의 격자가 형성되어 있는 마이크로 프레임(10)과, 상기 마이크로 프레임(10)과 이격해 배치되는 PCB 기판(20)과, 상기 프레임(10)에 부착되는 진동 막(30)과, 상기 PCB 기판(20)에 고정되는 코일(40)과, 상기 진동 막(30)에 고정되는 자석(50)으로 이루어진다.

상기 마이크로 프레임(10)은 장방형으로 이루어져 있으며, 도 1에 도시된 바와 같이, 내부는 2mm × 2mm 크기의 격자가 형성되어 있다. 상기 마이크로 프레임(10)은 상기 진동 막(30)과 진동 막(30)에 부착되는 자석(50)의 하중을 지지하면서 강성을 유지할 수 있어야 하기 때문에, 탄성과 강도가 높은 소재로 제조되어야 한다. 상기 마이크로 프레임(10)에 적합한 소재로는 철계 합금, 니켈계 합금 등이 있다.

상기 마이크로 프레임(10)의 네 모서리에는 상기 PCB 기판(20)에 고정하기 위한 고정핀(11)이 형성되어 있다. 또한, 상기 마이크로 프레임(10)은 에칭, 마이크로프린팅, 전주주조 등 프레임으로 사용될 재료에 맞추어 다양한 방법으로 제조 될 수 있다.

상기 PCB 기판(20)은 상기 프레임과 동일하게 장방형으로 형성되며, 네 모서리 부분에는 상기 고정핀(11)을 수용하기 위한 체결홈(21)이 각각 형성되어 있다. 또한 PCB 기판(20)의 내부에는 상기 코일(40)의 양 단부와 연결되는 홀(미도시)이 다수 개 형성되어 있으며, 또한 기판의 상면에는 상기 코일(40)에 유도된 기전력을 정류하여 축전지에 축전할 수 있도록 하는 회로(22)가 형성되어 있다. 이러한 PCB 기판(20)은 도 1 및 2에 도시된 바와 같이 상기 마이크로 프레임(10)에 대해 소정 거리 이격해 고정된다.

상기 진동 막(30)은 도 3에 도시된 바와 같이, 절개부(31)에 의해 구획되는 정사각형의 진동 막 유닛(32)과 사각형의 모서리 부분에 돌출 형성된 고정부(33)가 형성되며, 상기 고정부(33)는 이웃하는 고정부의 돌출부와 연결되어 있다. 상기 진동 막(30)은 탄성계수가 높고 두께가 얇을수록 넓은 대역의 진동 주파수에 반응하여 진동을 할 수 있기 때문에, 두께는 100㎛ 이하로 하고 진동 막 유닛(32)의 한 변의 길이 1.5mm 이하로 하는 것이 바람직하다.

또한, 이러한 진동 막(30)은 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 마이크로 프레임(10)을 구성하는 격자의 교차점(12)에 솔더 볼(60)을 위치시킨 후 상기 진동 막의 고정부(33)를 상기 솔더 볼(60) 상에 고정시키는 방식으로, 마이크로 프레임(10)에 부착된다.

상기 코일(40)은 도 1 및 2에 도시된 바와 같이, PCB 기판(20)의 회로에 연결된 일단이 PCB 기판(20)에서 하방으로 돌출되어 사각형의 나선형상을 이루면서 코일을 형성한 후 타단이 상기 PCB 기판(20)의 기판의 상방으로 연장되어 PCB 기판(20)의 회로에 연결되게 되어 있다. 이와 같은 코일의 높이는 진동 막의 진동 거리를 고려할 때, 1mm 이하인 것이 바람직하다. 또한, 상기 코일(40)은 전주도금(electroforming)을 통해 회로가 형성된 PCB 기판 상에 바텀-업 방식으로 형성할 수 있다.

상기 자석(50)은 자속밀도가 높을수록 유도 기전력이 많이 발생하기 때문에 고자속밀도를 나타내는 NdFB 합금을 사용한다. 또한, 상기 자석(50)의 무게가 무거울수록 진동될 수 있는 진동 주파수 영역이 제한되므로, 다양한 주파수의 진동에도 자석(50)이 움직이도록 자석의 무게는 0.2mg으로 하였으며, 크기는 0.7 × 0.7 × 0.5mm 이하로 유지하는 것이 바람직하다.

이하에서는, 상기와 같은 구조를 갖는 발전모듈(1)의 작용효과에 대해 설명한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 측면에서 볼 때, 본 발명의 실시예에 따른 발전모듈(1)은 PCB 기판(20)과 진동 막(30)이 이중 패널 구조를 형성하고 있으며, 외부의 음파가 진동 막(30)을 향해 진행할 때, 일부는 진동 막(30)의 외부를 진동시키고 반사되어 다시 외부로 가며, 나머지 일부(도면상 점선 화살표)는 상기 진동 막(30)에 형성된 절개부(31)를 이중 패널 구조의 내부로 유입되어 상기 PCB 기판(20)에 의해 반사되어 완전히 감쇄될 때까지 진동 막(30)을 여러 번 진동시키며, 이 과정에서 공명 또는 감쇄가 일어나게 되어, 발전과 함께 자연적인 흡음이 이루어진다.

이와 같이 진동 막(30)이 진동하게 되면, 진동 막(30) 상에 부착된 자석(50)이 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 코일(40)의 내부에서 상,하로 진동하게 되며, 이와 같은 자석(40)의 자력변화에 대응하여 상기 코일(40)에는 유도 기전력이 발생한다.

그리고 발생한 유도 기전력은 상기 PCB 기판(20)에 형성된 정류회로 등을 거쳐 축전지(미도시)를 충전시킨다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 발전모듈의 사시도이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 발전모듈의 측단면도이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 발전모듈을 구성하는 진동 막의 형상을 나타낸 도면이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 발전모듈을 구성하는 진동 막을 프레임에 부착하는 과정을 나타내는 도면이다.

도 5는 ZnO 나노 와이어를 압전재료로 활용하여 소리 또는 진동을 에너지원으로 활용하는 종래의 마이크로 발전모듈의 개념도이다.

도 6은 영구자석과 평면 코일을 이용한 종래의 마이크로 발전모듈의 개념도이다.

Claims (11)

1. 소리 또는 진동에너지를 이용하여 전기에너지를 생성하는 발전모듈로서,

   프레임과,

   상기 프레임에 이격하여 고정되는 기판과,

   상기 프레임에 부착되며 음파를 상기 프레임과 기판의 사이로 유입시키는 다수개의 절개부가 형성된 진동 막과,

   상기 진동 막에 대향하여 상기 기판에 고정되는 복수 개의 코일과,

   상기 코일의 내부에서 진동할 수 있도록 상기 진동 막 상에 고정되는 복수 개의 자석을 포함하는 발전모듈.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 기판에는 상기 복수 개의 코일에 유도된 기전력을 축전지에 충전시키기 위한 회로가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 발전모듈.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 프레임은 격자 구조를 이루고 있고, 각 격자의 교차점에 상기 진동 막의 고정부가 부착되는 것을 특징으로 하는 발전모듈.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 기판은 PCB 기판인 것을 특징으로 하는 발전모듈.
5. 제 3 항에 있어서, 상기 격자는 한 변의 길이가 1mm ~ 20mm인 것을 특징으로 하는 발전모듈.
6. 제 3 항에 있어서, 상기 진동 막은 그 두께가 100㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 발전모듈.
7. 제 3 항에 있어서, 상기 진동 막은 금속박막, 고분자막, 금속이나 다이아몬드계(DLC) 성분이 코팅된 고분자막으로 이루어진 것을 특징으로 하는 발전모듈.
8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 자석은 NdFeB 합금 또는 SmCo합금으로 이루어진 것을 특징으로 하는 발전모듈.
9. 제 3 항에 있어서, 상기 자석은 그 무게가 1mg 이하인 것을 특징으로 하는 발전모듈.
10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 코일은 전주주조법에 의해 상기 기판에 형성되는 것을 특징으로 하는 발전모듈.
11. 소리 에너지를 이용하여 전기에너지를 생성하는 발전방법으로서,

    프레임과, 상기 프레임에 이격하여 고정되는 기판과, 상기 프레임에 부착되며 음파를 상기 프레임과 기판의 사이로 유입시키는 다수개의 절개부가 형성된 진동 막과, 상기 진동 막에 대향하여 상기 기판에 고정되는 복수 개의 코일과, 상기 코일의 내부에서 진동할 수 있도록 상기 진동 막 상에 고정되는 복수 개의 자석을 포함하여, 상기 진동 막과 기판이 이중 패널 구조를 형성하여,

    상기 진동 막과 기판 사이의 공간을 통해 유입된 음파가 상기 이중 패널 구조를 통해 반사 또는 공명하도록 한 것을 특징으로 하는 발전방법.

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