KR101051436B1

KR101051436B1 - 전단변형 모드 압전체를 이용한 압전발전기

Info

Publication number: KR101051436B1
Application number: KR1020100032494A
Authority: KR
Inventors: 이형규; 강형원; 한승호
Original assignee: 전자부품연구원
Priority date: 2010-04-09
Filing date: 2010-04-09
Publication date: 2011-07-22

Abstract

본 발명은 전단변형 모드 압전체를 이용한 압전발전기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 일면에 개구부가 형성된 외측 프레임; 상기 외측 프레임의 상기 개구부를 밀폐시키고 이동가능하게 결합되는 외력작용부; 외력전달시 상기 외력작용부의 하부면 중앙부와 접촉되는 접촉부, 상기 접촉부와 연결되고, 상기 외력작용부에 평행하게 형성된 압전체 고정부를 포함하는 외력전달부; 상기 압전체 고정부에 고정되는 상부면과, 상기 외측 프레임의 측부와 연결되며 외력작용부에 평행하게 형성된 지지부에 고정되는 하부면으로 구성되어 전단변형을 일으키는 압전체를 포함하는 압전발전기에 관한 것이다.

Description

전단변형 모드 압전체를 이용한 압전발전기{Piezo power generator using shear deformation mode piezoelectric body}

본 발명은 전기적 에너지를 얻을 수 있는 압전발전기에 관한 것으로, 전단변형되는 압전체를 포함하는 압전발전기에 관한 것이다.

압전 발전기는 외부의 기계적 에너지(바람, 기기의 진동, 인간의 동작 등)를 받아서 직접 전기를 만드는 압전 재료를 활용한 발전기이다. 이것은 압전체만으로는 깨지기 쉬운 재료이므로 외부 힘에 의한 변형을 일으킬 때 깨지지 않도록 탄력이 좋은 금속(알루미늄, 구리, 황동, 스테인레스 스틸 등)과 접합하여 일제화 시킨 형태로 만든다. 이렇게 만들어 진 압전-금속 접합체에 외부에서 힘을, 주기적 진동을 일으키도록 인가하면 교류 전기가 발생된다. 발생된 전기는 정류 회로를 거쳐 고용량 축전기나 배터리에 전기를 모아 차후에 활용할 수 있는 상태가 되도록 한다. 여기서 압전체는 극성물질로서 분극 방향과 압전체 양면에 형성된 전극 방향, 그리고 압전체가 변형되는 방향의 3가지 독립된 방향에 맞는 기본 진동 모드가 있다.

일반적으로 압전 발전기에서 적용되는 압전체의 기본 진동모드는 3가지로 31 모드, 33 모드, 15 모드가 이에 해당된다. (앞 숫자는 전기적 방향, 뒤 숫자는 기계적 변위 방향을 나타냄)

모든 압전체의 전극은 상부와 하부에 도포되어 있다고 할 때 31 모드는 전계가 형성되는 방향과 변위의 방향이 수직으로 형성되고, 33 모드에서는 전계 방향과 변위 방향이 동일하게 형성되며, 15 모드에서는 전계 방향에는 수직이나 분극 방향이 변위 방향과 평행하게 전단 변위(미끄럼)를 일으켜 전기에너지를 발생시킨다.

종래의 압전 발전기는 도 1a에 나와 있는 것과 같이 압전 세라믹에 금속판 구조물을 결합하거나 다른 기구물을 부착하여 복합화하는 방법으로 구성되어 있고, 도 1b에 나타낸 것과 같은 회로도와 연결하여 압전발전기에서 발생된 전기에너지를 저장 또는 사용하게 된다.

상기와 같은 구조를 가지는 이유는 세라믹 재료만으로는 깨지기 쉬운 취성(brittle)이 있으므로 세라믹-금속 접합 구조로 하여 인성(toughness)을 갖게 함으로써 외부 힘(진동, 바람)에 의한 에너지를 흡수하고 저장하기 쉽도록 하기 위함이다. 이와 같은 형태는 도 2에 나와 있는 것과 같이 유니모프 또는 바이모프 형태라 부르며 압전 발전기 구조 중 가장 일반화 되어 있는 구조이다. 상기 바이모프 구조를 보면, 진동을 전달시킬 수 있는 매스부(1), 지지대 기능을 하는 황동(2) 및 상기 황동의 한쪽 또는 양쪽 표면에 접착되어 있는 압전체(3)로 형성되어 있다.

종래 압전 발전기는 유니모프나 바이모프 형태로 외력에 의해 변형이 일어날 때 구부러지는(bending) 형태의 진동을 일으킨다. 이러한 진동 형태는 압전체 입장에서 보면 31 모드가 되기 때문에 발생 전기량이 다른 모드에 비해 작은 값을 갖게 된다. 즉 외부의 외력에 의한 에너지(기계적)가 전기적 에너지로 변환되는 비율이 작은 값을 갖게 된다. 전력밀도가 큰 발전기를 만들기 위해서는 압전체의 진동 모드를 전단변형(미끄럼진동) 모드(15모드)로 선택하는 것, 즉 더 큰 전기적 에너지를 만들 수 있도록 전계 형성 방향에 전단 변위(shear strain)를 일으킬 수 있는 구조로 만드는 것이 바람직하며, 이에 대한 연구개발이 필요하다.

본 발명은 상기한 바와 같이, 전단변형 모드를 가지는 압전체를 이용하고, 전계 형성방향에 전단변위를 일으킬 수 있는 구조를 가지는 압전발전기를 제공한다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,

일면에 개구부가 형성된 외측 프레임; 상기 외측 프레임의 상기 개구부를 밀폐시키고 이동가능하게 결합되는 외력작용부; 외력전달시 상기 외력작용부의 하부면 중앙부와 접촉되는 접촉부, 상기 접촉부와 연결되고, 상기 외력작용부에 평행하게 형성된 압전체 고정부를 포함하는 외력전달부; 상기 압전체 고정부에 고정되는 상부면과, 상기 외측 프레임의 측부와 연결되며 외력작용부에 평행하게 형성된 지지부에 고정되는 하부면으로 구성되어 전단변형을 일으키는 압전체를 포함하는 압전발전기를 제공한다.

상기 압전체는 중앙부가 원형으로 비어있는 원판형태인 것을 특징으로 하고, 이에 대응되는 방식으로 상기 압전체 고정부는 압전체 하부면의 원판 형태에 대응되게 심벌즈(cymbals) 형상을 가지고, 상기 지지부는 외측 프레임의 측부와 연결되며, 외력작용부에 평행하게 형성되어 압전체 하부면에 고정된 것을 특징으로 한다.

상기 압전체의 상부면 및 하부면에는 각각 전극이 형성되어 있고, 상기 외력전달부 및 지지부는 탄력적으로 원위치로 복원되는 탄성체 재질로 제작되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 전계 형성 방향에 전단 변위(shear strain)를 일으킬 수 있는 구조를 가지는 압전체를 통하여 기존의 다른 모드의 압전체를 포함하는 압전 발전기에 비해 훨씬 더 큰 전기적 에너지를 만들어 낼 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 복수개의 압전구조물을 연결시켜 압전 발전기를 구성할 수 있어, 획득된 전기량을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1a는 종래의 압전 발전기를 나타내는 사시도이다.
도 1b는 압전발전기에서 발생하는 전기에너지를 저장 또는 활용하는 것을 나타내는 회로도이다.
도 2는 바이모프 압전발전기를 나타내는 사시도이다.
도 3a 내지 3c는 본 발명에 따른 압전 발전기에 적용된 압전체의 기본 진동 모드를 설명하기 위한 개략적인 모식도이다.
도 4a 및 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전발전기의 내부구조를 나타내는 단면도이다.
도 5는 상기 압전발전기의 상부면을 나타내는 사시도이다.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 3a 내지 3c는 본 발명에 따른 압전 발전기에 적용된 압전체의 기본 진동 모드를 설명하기 위한 개략적인 모식도로서, 본 발명의 압전 발전기는 전계 방향과 수직한 분극 방향을 갖고, 분극 방향이 변위 방향과 평행한 압전체를 적용한 것이다.

즉, 이 압전체는 도 3a와 같이, 변형이 발생되기 전 'A1' 상태에서 변형이 발생되면 'A2'상태가 되어 압전체의 상부와 하부가 상호 반대 방향으로 변형됨으로, 전단 변형을 일으키는 기본 진동 모드를 갖는다.

그리고, 도 3b의 압전체는 전계 방향과 평행한 분극 방향을 갖고, 분극 방향이 변위 방향과 수직한 기본 진동 모드를 갖게 되어, 'B1' 상태에서 'B2'상태로 전계 방향과 분극 방향에 수직한 변형이 발생된다.

또한, 도 3c의 압전체는 전계 방향, 분극 방향과 변위 방향이 평행한 기본 진동모드를 갖는 압전체로, 'C1' 상태에서 'C2'상태로 전계 방향과 분극 방향에 평행한 변형이 발생된다.

통상적인 상업 압전체의 특성값에서, 도 3b과 도 3c에서 설명된 압전체의 기본진동 모드는 '31모드'와 '33모드'로 본 발명에 적용된 압전체의 기본 진동 모드인 '15모드'보다 기계적 에너지가 전기적 에너지로 변환할 때 작은 값을 갖게 된다. 그러므로, 본 발명의 압전 발전기에서 도 3a와 같은 압전체를 사용하는 경우에는 획득된 전기적 에너지가 더 커지게 된다.

각 모드에서 기계적 에너지가 전기적 에너지로 변환할 때의 에너지 변환율을 나타내는 인자는 여러 가지가 있으며 일반적으로 이용되고 있는 상용 압전체의 특성값을 하기 표 1에 나타내었다.

Material	d₃₃	d₃₁	d₁₅	g₃₃	g₃₁	g₁₅
PZT-4	289	-123	496	25.1	-10.7	38.0
PZT-5A	374	-171	584	24.9	-11.4	38.0
PZT-5H	593	-274	741	19.7	-9.1	28.8
PZT-6A	189	-80	-	20.4	-8.6	-
PZT-6B	71	-27	130	17.4	-6.6	31.0
PZT-7A	150	-60	362	39.8	-15.9	48.8
PZT-8	225	-97	330	25.4	-10.9	29.0
PZT-2	152	-60	440	38.2	-15.1	50.1
BaTiO₃	190	-78	260	12.6	-5.2	20.2

d : piezoelectric strain constant (압전변위계수)

g : voltage output coefficient (압전전압계수)

도 4a 및 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전발전기의 내부구조를 나타내는 단면도이고, 도 5는 상기 압전발전기의 상부면을 나타내는 사시도이다.

본 발명에 따른 압전발전기(100)는 외측프레임(10), 외력작용부(20), 외력전달부(30), 지지부(40) 및 압전체(50)로 구성된다.

상기 압전체(50)는 중앙부가 원형으로 비어 있는 원판형태로 되어 있으며, 이에 대응되게 압전체 고정부(31)는 상기 압전체 상부면의 원판 형태에 대응되도록 심벌즈(cymbals)와 유사한 형상을 가진다. 또한, 상기 압전체 고정부(31)와 대응되는 지지부(40)가 형성되는데, 상기 지지부(40)는 도 4a와 같이 외측 프레임의 측부(11)에 고정되어 외력작용부(20)에 평행하게 형성되거나, 도 4b와 같이 외력작용부(20)에 평행하게 형성되고 외측 프레임 바닥면에 지지되는 구조를 통하여, 압전체 하부면을 고정시켜 하부방향으로 작용되는 외력의 방향과 수직인 압전체 중심쪽으로 압전체를 변형시키는 결과를 가져온다.

상기 외측 프레임(10)은 일면에 개구부가 형성되어 있고, 상기 개구부를 밀폐시키고 이동가능하게 결합되는 외력작용부(20)가 형성되어 있다. 상기 외력작용부(20)에 외력이 작용되면 하부 방향으로 이동하는데, 상기 외력작용부(20)의 하부에는 탄성체 재질로 구성된 외력전달부(30)가 형성되어 있어 다시 상부 방향인 원위치로 복원되게 한다.

상기 외력전달부(31)는 상기 외력작용부(20)의 하부면 중앙부와 접촉되는 접촉부(32), 상기 접촉부(32)와 연결되고, 상기 외력작용부(20)에 평행하게 형성된 압전체 고정부(31)를 포함한다. 상기 압전체 고정부(31)에는 압전체(50)의 상부면과 접착되어 있는데, 이와 같이 압전체 상부면을 고정시키는 구조로 구성되어 상기 외력작용부(20)에서 작용하는 힘에 의해 상기 압전체 고정부(31)는 압전체(50)를 외력의 방향과 수직인 외측 프레임 방향으로 압전체를 변형시키는 결과를 가져온다.

또한, 외측 프레임의 측부(11)와 연결되며, 외력작용부(20)에 평행하게 형성된 지지부(40)가 형성된다.

도 4a를 참조하면, 상기 지지부(40)는 외측 프레임의 측부(11)에 고정되어 있으며, 압전체 하부면과 접착되어 있어 하부방향으로 작용되는 외력의 방향과 수직인 압전체 중심쪽으로 압전체를 변형시키는 결과를 가져온다. 한편, 도 4b에 나와 있는 것과 같이, 상기 지지부(40)의 내측 단부에서 외측 프레임의 바닥면까지 연장되게 형성시켜 압전체를 변형시킬 수도 있다. 상기 외력 전달부(31)로부터 전달된 외력은 상기 지지부(40)에 작용되어, 상기 지지부(40)는 압전체 중앙부를 향하여 기울어지는 경사를 가지게 되어 압전체 하부면에 대해서 힘을 발생시킨다.

상기와 같이 외력에 의해 원형의 압전체(50)의 상부면 및 하부면을 고정시키는 상기 압전체 고정부(31) 및 상기 지지부(40)는 탄력적으로 원위치로 복원되는 탄성체 재질로 구성되어 전단변형이 일어나는 것을 가능하게 한다.

상기 압전체(50)의 상부면 및 하부면에는 각각 전극이 형성되어 있고, 상기 압전체들의 전계방향에는 수직이나 분극방향이 변위방향과 평행하게 전단변형을 일으켜 전기에너지가 발생하게 된다.

본 발명은 상기에서 설명한 것과 같이, 상기 압전체는 전계방향과 수직한 분극방향을 가지고, 분극방향이 변위방향과 평행하게 작용하는 압전체로서, 압전체의 상부 및 하부가 상호 반대방향으로 변형됨으로써 전단변형을 일으키는 기본 진동모드를 가지게 된다. 이는 통상의 압전체 모드인 31모드 또는 33모드로 작동되는 압전체에 비해서 훨씬 높은 전기에너지를 발생할 수 있게 한다.

본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

1: 매스부 2: 황동 지지대
3: 압전체 10: 외측 프레임
11: 외측프레임 측부 20: 외력작용부
30: 외력전달부 31: 압전체 고정부
32: 접촉부 40: 지지부
50: 압전체

Claims

일면에 개구부가 형성된 외측 프레임;
상기 외측 프레임의 상기 개구부를 밀폐시키고 이동가능하게 결합되는 외력작용부;
외력전달시 상기 외력작용부의 하부면 중앙부와 접촉되는 접촉부, 상기 접촉부와 연결되고, 상기 외력작용부에 평행하게 형성된 압전체 고정부를 포함하는 외력전달부; 및
상기 압전체 고정부에 고정되는 상부면과, 상기 외측 프레임의 측부와 연결되며 외력작용부에 평행하게 형성된 지지부에 고정되는 하부면으로 구성되어 전단변형을 일으키는 압전체를 포함하는 압전발전기.
청구항 1에 있어서,
상기 압전체는 중앙부가 원형으로 비어있는 원판형태인 것을 특징으로 하는 압전발전기.
청구항 1에 있어서,
상기 압전체 고정부는 상기 압전체 상부면의 원판 형태에 대응되는 심벌즈(cymbals) 형상인 것을 특징으로 하는 압전발전기.
청구항 1에 있어서,
상기 지지부는 외측 프레임의 측부와 연결되며, 외력작용부에 평행하게 형성되어 압전체 하부면에 고정된 것을 특징으로 하는 압전발전기.
청구항 1에 있어서,
상기 압전체의 상부면 및 하부면에는 각각 전극이 형성된 것을 특징으로 하는 압전발전기.
청구항 1에 있어서,
상기 외력전달부 및 지지부는 탄력적으로 원위치로 복원되는 탄성체 재질로 제작되는 것을 특징으로 하는 압전발전기.