KR101072302B1 - self-generating mat - Google Patents
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Abstract
본 발명은 매트에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 외력에 의한 운동 에너지를 이용하는 자가발전 매트에 관한 것이다. The present invention relates to a mat, and more particularly to a self-powered mat using kinetic energy by external force.
본 발명에 따른 자가발전 매트는, 매트 본체; 매트 본체의 상부에 형성되며, 외력에 의해 수축과 팽창을 반복하는 탄성 유체백; 탄성 유체백과 연결관으로 연결되며, 탄성 유체백의 수축과 팽창에 따라 내재된 유체의 압력을 변화시키는 유체 실린더; 유체의 압력 변화에 따른 왕복 운동으로 판상의 복수 압전소자를 변형시켜 전기 에너지를 발생시키는 압전 피스톤; 및 압전 피스톤과 연결되며, 전기 에너지를 매트 본체의 외부로 출력하는 출력 단자를 포함한다.Self-powered mat according to the present invention, the mat body; An elastic fluid bag formed on an upper portion of the mat body and repeating contraction and expansion by an external force; A fluid cylinder connected to the elastic fluid bag and a connection pipe, the fluid cylinder changing a pressure of an embedded fluid according to contraction and expansion of the elastic fluid bag; A piezoelectric piston for generating electrical energy by deforming a plurality of plate-shaped piezoelectric elements in a reciprocating motion according to a pressure change of a fluid; And an output terminal connected to the piezoelectric piston and outputting electrical energy to the outside of the mat body.
본 발명은 완충 작용 등을 충분히 행함과 아울러, 자가발전 매트의 에너지 변환 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다. 또한, 외력으로부터 자가발전 매트의 파손을 방지할 수 있는 효과가 있다. 또한, 자가발전 매트의 생산 공정을 간단히 할 수 있고, 생산 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.The present invention has an effect of sufficiently performing a buffering action and the like and improving the energy conversion efficiency of the self-powered mat. In addition, there is an effect that can prevent damage to the self-powered mat from the external force. In addition, it is possible to simplify the production process of the self-powered mat, there is an effect that can reduce the production cost.
자가발전 매트, 탄성 유체백, 압전 피스톤, 이차 전지 Self-powered mat, elastic fluid bag, piezoelectric piston, secondary battery
Description
본 발명은 매트에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 외력에 의한 운동 에너지를 이용하는 자가발전 매트에 관한 것이다.The present invention relates to a mat, and more particularly to a self-powered mat using kinetic energy by external force.
최근, 일반 가정이나 상점, 음식점 등의 출입문에 깔개로 사용되는 출입구용 매트, 체조, 유도 등 운동을 할 때 위험을 방지하기 위해 사용되는 운동용 매트, 그 밖의 유치원 안전 매트, 플로어(floor) 매트, 런너(runner) 매트 등 수요자의 다양한 욕구에 의해 다양한 종류의 매트가 제조되고 있으며, 또한 특수한 기능을 갖는 특수 매트 역시 다양하게 출시되고 있다. 이와 같이, 매트는 단순히 깔개로서의 수단에서 점차 벗어나 여러 가지 기능을 구비한 하나의 장치로 발전하고 있다. 예를 들어, 난방을 위한 난방용 매트, 요철이 형성되어 지압 효과를 얻는 지압용 매트, 보행자의 외력을 감지하여 이를 다양한 목적에 이용하는 감지용 매트 등은 각 용도에 맞게 그 기능성을 부각시킨 매트로써, 점차 이러한 기능성 매트들의 생산량이 증대되는 추세에 있다.Recently, entrance mats used as rugs for entrances to general homes, shops and restaurants, exercise mats used to prevent danger when exercising, such as gymnastics and judo, other kindergarten safety mats and floor mats Various kinds of mats are manufactured according to various needs of consumers, such as runner mats, and special mats having special functions are also variously released. As such, the mat is gradually evolving from simply acting as a rug to a device having a variety of functions. For example, a heating mat for heating, an acupressure mat that is formed with unevenness to obtain acupressure effect, and a sensing mat that detects an external force of a pedestrian and uses it for various purposes are mats that highlight their functionality for each purpose. Increasingly, the yield of these functional mats is increasing.
한편, 전 세계적으로 화석 연료 사용에 따른 환경오염 문제, 에너지 고갈 문제 등이 심각하게 대두되면서, 현재 대체 에너지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 대체 에너지로는 풍력 에너지, 수력 에너지, 태양 에너지, 바이오 에너지 등이 각광받고 있다. 대체 에너지들은 깨끗하고 고갈될 염려가 없을 뿐 아니라 무공해 재생이 가능하다는 장점이 있다. 반면 에너지 밀도가 너무 낮아 많은 양의 에너지를 필요로 하는 곳에서는 실용성이 적고, 태양열이나 풍력은 기후에 영향을 받기 때문에 보조 발전 시설이 필요하며, 다른 대체 에너지들도 효율성이나 경제성이 적다는 단점을 가지고 있다. 따라서, 세계 각국에서는 화석 연료와 원자력을 대체할 수 있고, 환경과 인체에 해를 입히지 않으면서도 장기간에 걸쳐 대량으로 사용할 수 있는 대체 에너지 개발에 노력하고 있다.On the other hand, due to the serious problems of environmental pollution and energy depletion due to the use of fossil fuels, research on alternative energy is being actively conducted. Alternative energy sources are wind energy, hydro energy, solar energy, and bio energy. Alternative energies have the advantage of being clean and free of depletion, as well as pollution-free renewables. On the other hand, the energy density is so low that it is not practical in places where a large amount of energy is required, and because solar or wind are affected by the climate, an auxiliary power generation facility is required, and other alternative energies are less efficient or economical. Have. Therefore, countries around the world are trying to develop alternative energy that can replace fossil fuels and nuclear power and can be used in large quantities over a long period without harming the environment or human body.
상술한 최근 기술 동향들을 근간으로 하여, 매트에 가해지는 외력에 의한 운동 에너지를 전기 에너지 등으로 변환하는 자가발전 매트의 개발이 급속도로 증가하고 있는 추세이다. Based on the recent technical trends described above, the development of self-powered mats for converting kinetic energy from external forces applied to the mat into electrical energy is rapidly increasing.
하지만, 자가발전 매트들은, 매트의 기본 기능인 완충 작용을 충분히 행함과 아울러, 보행자의 보행 등의 운동 에너지를 다른 에너지로 변환시킬 때 변환되는 에너지를 일상에 충분히 사용할 수 있을 만큼 에너지 변환 효율이 효과적이어야 하며, 별도의 자가발전 장치가 추가적으로 구비되기 때문에 이 자가발전 장치가 반복되는 외력을 충분히 견딜 수 있을 만큼 견고해야 하며, 실제로 생산하는데 문제가 없도록 생산 비용이 적절하고, 생산 공정이 간단해야 하는 주요한 과제를 안고 있다.However, the self-powered mats must be effective enough to sufficiently perform the buffer function, which is the basic function of the mat, and to use the energy converted when converting kinetic energy such as pedestrian walking into other energy in daily life. In addition, since the additional self-powered device is additionally provided, the self-powered device must be robust enough to withstand repeated external force, and the main problem that the production cost is appropriate and the production process is simple so that there is no problem in production. Is holding.
본 발명은 상기의 과제를 해결하기 위해서 안출된 것으로, 매트의 기본 기능인 완충 작용을 충분히 행함과 아울러, 본 발명은 에너지 변환 효율을 향상시킬 수 있는 자가발전 매트를 제공하는데 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and it is an object of the present invention to provide a self-powered mat capable of sufficiently performing a buffer function, which is a basic function of the mat, and improving the energy conversion efficiency.
또한, 본 발명은 반복되는 외력을 충분히 견딜 수 있는 자가발전 매트를 제공하는데 그 목적이 있다.It is also an object of the present invention to provide a self-powered mat that can withstand repeated external forces sufficiently.
또한, 본 발명은 생산 공정을 간단히 할 수 있고, 생산 비용을 절감할 수 있는 자가발전 매트를 제공하는데 그 목적이 있다.It is also an object of the present invention to provide a self-powered mat that can simplify the production process and reduce the production cost.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 여기에 언급되지 않은 본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The problem to be solved by the present invention is not limited to the above-mentioned problem, another problem to be solved by the present invention not mentioned here is those skilled in the art from the following description. Will be clearly understood.
본 발명에 따른 자가발전 매트는, 매트 본체; 매트 본체의 상부에 형성되며, 외력에 의해 수축과 팽창을 반복하는 탄성 유체백; 탄성 유체백과 연결관으로 연결되며, 탄성 유체백의 수축과 팽창에 따라 내재된 유체의 압력을 변화시키는 유체 실린더; 유체의 압력 변화에 따른 왕복 운동으로 판상의 복수 압전소자를 변형시켜 전기 에너지를 발생시키는 압전 피스톤; 및 압전 피스톤과 연결되며, 전기 에너지를 매트 본체의 외부로 출력하는 출력 단자를 포함한다.Self-powered mat according to the present invention, the mat body; An elastic fluid bag formed on an upper portion of the mat body and repeating contraction and expansion by an external force; A fluid cylinder connected to the elastic fluid bag and a connection pipe, the fluid cylinder changing a pressure of an embedded fluid according to contraction and expansion of the elastic fluid bag; A piezoelectric piston for generating electrical energy by deforming a plurality of plate-shaped piezoelectric elements in a reciprocating motion according to a pressure change of a fluid; And an output terminal connected to the piezoelectric piston and outputting electrical energy to the outside of the mat body.
본 발명의 매트 본체에는, 탄성 유체백, 유체 실린더 및 압전 피스톤을 하나의 발전 세트로 하여 복수의 발전 세트가 형성되는 것을 특징으로 한다.The mat main body of the present invention is characterized in that a plurality of power generation sets are formed using an elastic fluid bag, a fluid cylinder, and a piezoelectric piston as one power generation set.
본 발명의 복수의 압전 피스톤은 하나의 출력 단자와 연결되는 것을 특징으로 한다.A plurality of piezoelectric piston of the present invention is characterized in that connected to one output terminal.
본 발명의 압전 피스톤은, 유체 실린더에 간격을 두고 고정되며, 중심 부분이 천공된 상기 판상의 복수 압전소자와, 외주면에 간격을 두고 형성되는 복수의 돌출판이, 압전소자의 중심 부분을 왕복하며 접촉하여 압전소자를 변형시키는 왕복 로드와, 압전소자 각각에 연결되며, 전기에너지를 정류하는 정류 회로칩을 포함하는 것을 특징으로 한다.The piezoelectric piston of the present invention is fixed to the fluid cylinder at intervals, and the plurality of plate-like piezoelectric elements having a center portion drilled therebetween, and the plurality of protruding plates formed at intervals on the outer circumferential surface reciprocate the center portion of the piezoelectric element. And a rectifying circuit chip connected to each of the piezoelectric elements, the rectifying circuit chip rectifying electrical energy.
본 발명의 압전소자는 PZT와 PVDF를 혼합한 단층의 압전체를 사용하는 것을 특징으로 한다.The piezoelectric element of the present invention is characterized by using a single layer piezoelectric material mixed with PZT and PVDF.
본 발명은 압전 피스톤과 출력 단자 사이에 형성되며, 전기 에너지를 저장하는 이차 전지를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.The present invention is formed between the piezoelectric piston and the output terminal, characterized in that it further comprises a secondary battery for storing electrical energy.
본 발명의 이차 전지는 매트 본체로부터 탈착되는 것을 특징으로 한다.The secondary battery of the present invention is characterized by being detached from the mat body.
상기 과제 해결 수단에 의해, 본 발명은 자가발전 매트는 완충 작용을 충분히 행함과 아울러, 에너지 변환 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.According to the above-mentioned problem solving means, the present invention has the effect that the self-powered mat can sufficiently perform the buffering action and improve the energy conversion efficiency.
또한, 본 발명은 반복되는 외력으로부터 자가발전 매트의 파손을 방지할 수 있는 효과가 있다.In addition, the present invention has the effect of preventing damage to the self-powered mat from repeated external force.
또한, 본 발명은 자가발전 매트의 생산 공정을 간단히 할 수 있고, 생산 비 용을 절감할 수 있는 효과가 있다.In addition, the present invention can simplify the production process of the self-powered mat, there is an effect that can reduce the production cost.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail the present invention.
<제1 실시예><First Embodiment>
도 1 및 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 자가발전 매트를 설명하기 위한 도면이다. 구체적으로, 도 1은 자가발전 매트의 평면을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 2는 자가발전 매트의 측면을 개략적으로 나타낸 도면이다. 실질적으로 자가발전 매트의 외관에는 주요 구성 요소들이 드러나지 않으나, 본 발명의 제1 실시예에 따른 자가발전 매트를 잘 설명하기 위해 주요 구성 요소를 매트 본체(110) 상에 도시하였다. 도 1과 도 2의 주요 구성 요소의 배치 구조가 일부 상이한 점 또한, 상기의 이유에 바탕을 둔다.1 and 2 are views for explaining a self-powered mat according to a first embodiment of the present invention. Specifically, FIG. 1 is a view schematically showing a plane of a self-powered mat, and FIG. 2 is a view schematically showing a side of a self-powered mat. Substantially, the main components are not revealed in the appearance of the self-powered mat, but the main components are shown on the
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 자가발전 매트는 매트 본체(110), 탄성 유체백(120), 유체 실린더(130), 압전 피스톤(140) 및 출력 단자(150)를 포함한다.1 and 2, the self-powered mat according to the first embodiment of the present invention is a
매트 본체(110)는 매트의 외형을 형성한다. 즉, 매트 본체(110)는 일반적인 매트로서의 기능을 수행한다. 예를 들어, 본 발명의 제1 실시예에 따른 자가발전 매트는 일반 가정이나 상점, 음식점 등의 출입문에 깔개로 사용되는 출입구용 매트, 체조, 유도 등 운동을 할 때 위험을 방지하기 위해 사용되는 운동용 매트, 그 밖의 유치원 안전 매트, 플로어 매트, 런너 매트 등으로 사용되며, 매트의 기본 기능인 완충 작용 등을 행한다.The
탄성 유체백(120)은 탄성을 갖는 재질로 이루어지는 주머니로서, 유체를 출입시키는 출입구(121)가 형성되어 있다. 탄성 유체백(120)은 평상시에 도 2와 같은 형상을 유지하며, 유체를 내포한다. 여기서, 유체는 공기, 물, 오일 등 필요에 따라 어느 것을 사용하여도 무방하다. 외력이 가해지는 경우, 탄성 유체백(120)은 수축하여 형상이 변형되고, 내부의 유체를 출입구(121)로 배출시킨다. 가해지는 외력이 차단되는 경우, 탄성 유체백(120)은 탄성에 의해 팽창하여 평상시 형상으로 복원되고, 출입구(121)로 유체가 흡입된다.The
탄성 유체백(120)은 매트 본체(110)의 상부에 형성되며, 출입구(121)는 연결관(132)을 통해 유체 실린더(130)에 연결된다. 이에 따라, 보행 등에 의해 가해지는 외력에 의해 수축과 팽창을 반복하며, 탄성 유체백(120)의 내부 유체를 출입시킨다. 구체적으로, 수축시 출입구(121)로 유체를 배출하고, 팽창시 출입구(121)로 유체를 흡입한다. 이로써, 탄성 유체백(120)은 수축과 팽창 동작을 통하여 보행 등의 운동 에너지를 유체 흐르게 하는 에너지, 즉 유체압 에너지로 변환한다.The
유체 실린더(130)는 유체의 이동에 따라 형상이 변하지 않는 경화성 재질로 이루어지는 실린더로서, 유체를 출입시키는 출입구(131)가 형성되어 있다. 유체 실린더(130)는 유체와 압전 피스톤(140)을 내포한다. The
유체 실린더(130)의 출입구(131)는 연결관(132)을 통해 탄성 유체백(120)에 연결되어, 탄성 유체백(120)의 수축과 팽창에 따라 내재된 유체의 압력을 변화시킨다. 구체적으로, 탄성 유체백(120) 수축시 출입구(131)로 유체가 흡입되어 유체 실린더(130)의 전방에 대한 유체압이 상대적으로 증가하고, 탄성 유체백(120) 팽창시 출입구(131)로 유체가 배출되어 유체 실린더(130)의 후방에 대한 유체압이 상대적으로 증가한다.The
압전 피스톤(140)은 운동 에너지로부터 전기 에너지를 생성하기 위해 판상의 복수 압전소자(141)를 포함한다. 압전 피스톤(140)은 유체 실린더(130)에 내재되어 유체의 압력 변화에 따라 왕복 운동을 한다. 구체적으로, 유체 실린더(130)의 전방에 대한 유체압이 상대적으로 증가할 때, 압전 피스톤(140)은 전방으로 이동하고, 유체 실린더(130)의 후방에 대한 유체압이 상대적으로 증가할 때, 압전 피스톤(140)은 후방으로 이동한다. 이에 따라, 압전소자(141)가 변형하고, 압전소자(141)의 변형에 의해 전기 에너지가 발생한다. 본 발명의 자가발전 매트의 에너지 변환 효율을 더욱더 향상시키기 위한 압전 피스톤(140)의 구성, 특징, 동작 특성 등에 관한 보다 상세한 설명은, 다음의 도 3 및 도 4을 참조하여, 후술하기로 한다.The
출력 단자(150)는 전기 회로에서 전기 에너지를 출력하는 단자으로서, 압전 피스톤(140)과 연결되며, 압전 피스톤(140)에서 발생되는 전기 에너지를 매트 본체(110)의 외부로 출력한다. 출력 단자(150)에는 상점 또는 음식점의 출입구 등에 설치되는 LED 전광판을 연결하여 LED 전광판의 전원으로 직접사용하거나, MP3, 핸드폰 등 휴대용 전자기기를 연결하여 충전하는 것이 가능하다. 휴대용 전자기기는 3V 내외의 전압을 요구하므로, 출력 단자(150)에 전압값을 조절하는 어댑터(adapter) 회로를 구비한다.The
한편, 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 매트 본 체(110)는 그 면적이 충분히 넓은 경우, 탄성 유체백(120), 유체 실린더(130) 및 압전 피스톤(140)을 하나의 발전 세트로 하여 복수개의 발전 세트를 형성하는 것이 가능하다. 아울러, 복수의 압전 피스톤(140)을 하나의 출력 단자(150)와 연결하여, 각각의 압전 피스톤(140)에서 생성되는 전기 에너지를 합성함으로써, 에너지 변환 효율을 향상시킬 수 있다.On the other hand, as shown in Figure 1, when the
이와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 자가발전 매트는 압전 피스톤(140)을 통해 보행 등의 운동 에너지를 변환하여 생성된 전기 에너지를 외부로 출력하여 사용함으로써, 별도의 연료와 환경오염 없이, 생성된 전기 에너지를 사용할 수 있다.As such, the self-powered mat according to the first embodiment of the present invention outputs and uses electrical energy generated by converting kinetic energy, such as walking, through the
또한, 탄성 유체백(120)이 수축과 팽창 동작으로 매트의 쿠션 기능을 제공함에 따라, 본 발명의 제1 실시예에 따른 자가발전 매트는, 출입구용 매트, 운동용 매트, 그 밖의 유치원 안전 매트, 플로어 매트, 런너 매트 등으로 사용되며, 매트의 기본 기능인 완충 작용 등을 행할 수 있다.In addition, as the
또한, 본 발명의 제1 실시예에서는, 순간적인 외력으로 유체압을 급격히 상승시켜 압전 피스톤(140)을 왕복 운동시킨 점, 왕복 운동으로 복수의 압전소자(141)를 계속적으로 전후 방향으로 변형시킨 점, 복수의 발전 세트에서 발생되는 전기 에너지를 합성하여 사용한 점, 유체를 외력의 전달 수단으로 사용하여 마찰력 등의 손실을 줄인 점 등에서 손실을 최소화하고, 유체압을 이용하여 대부분의 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하는데 사용함으로써, 자가발전 매트의 에너지 변환 효율을 향상시킬 수 있다.In addition, in the first embodiment of the present invention, the pressure of the
또한, 탄성 유체백(120)을 매트 본체(110)의 상부에 형성함으로써, 보행 등의 반복되는 외력에 의한 충격을 탄성 유체백(120)의 수축 동작으로 흡수할 수 있다. 또한, 압전 피스톤(140)은 유체 실린더(130)에 내재함과 아울러, 외력이 비교적 약한 매트 본체(110)의 일방(예컨대, 매트 본체의 변방 또는 탄성 유체백(120)의 하방)에 형성함으로써, 외력으로부터 보호할 수 있다. 이에 따라, 반복되는 외력에 의해 자가발전 매트가 파손되는 것을 방지할 수 있다.In addition, by forming the
또한, 상기의 기능부들이 매트 본체(110) 내부에만 형성되며, 비교적 그 구성이 간단함으로써, 자가발전 매트의 생산 공정을 간단히 할 수 있으며, 생산 비용을 절감할 수 있다. In addition, the above-described functional parts are formed only inside the
도 3 및 도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 압전 피스톤을 설명하기 위한 도면이다. 구체적으로, 도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 압전 피스톤을 나타낸 도면으로, 도 3의 (a)는 압전 피스톤을 유체 실린더의 전방에서 본 도면이고, 도 3의 (b)는 압전 피스톤의 단면을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 압전 피스톤을 포함하는 자가발전 매트의 전체 회로 구성을 나타낸 도면이다.3 and 4 are diagrams for explaining the piezoelectric piston according to the first embodiment of the present invention. Specifically, Figure 3 is a view showing a piezoelectric piston according to a first embodiment of the present invention, Figure 3 (a) is a view of the piezoelectric piston from the front of the fluid cylinder, Figure 3 (b) is a piezoelectric piston Figure is a schematic cross-sectional view of. 4 is a view showing the overall circuit configuration of a self-powered mat including a piezoelectric piston according to a first embodiment of the present invention.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 압전 피스톤(140)은 압전소자(141), 왕복 로드(142) 및 정류 회로칩(143)을 포함한다.3 and 4, the
압전소자(141)는 중심 부분이 천공된 판상을 이루며, 복수개가 유체 실린더(130)에 전후 방향으로 간격을 두고 고정된다. 압전소자(141)에 사용되는 압전체는 형상의 변화에 의해 전기 에너지를 발생시키는 가요성 재질의 압전체로서, 바람 직하게는 PZT(Lead zirconate titanate; ‘압전 세라믹’이라고도 함)와 PVDF(Polyvinylidene fluoride; ‘폴리비닐덴 플로라이드’라고도 함)를 혼합한 단층의 압전체를 사용한다. The
PZT와 PVDF는 모두 압전 효과를 일으키는 물질로서, PZT는 경화성을 가지는 압전 세라믹이고, PVDF는 가요성을 가지는 압전성 고분자 물질이다. PZT는 경화성이기 때문에 압력이 가해지는 방향의 힘의 크기에 대해서만 전기 에너지의 기전력 크기가 좌우되어 일정 압력 이상에서만 기전력을 발생시키는 단점을 가지지만, 동일 압력에 대해 PVDF와 비교하여 상대적으로 큰 기전력의 전기 에너지를 발생시키는 장점을 가진다. PVDF는 동일 압력에 대해 PZT와 비교하여 상대적으로 작은 기전력의 전기 에너지를 발생시키는 단점을 가지지만, 가요성이기 때문에 미세한 압력에서도 전방향으로 변형하여 전기 에너지를 발생시키는 장점을 가진다. PZT and PVDF are both piezoelectric effects, PZT is a curable piezoelectric ceramic, and PVDF is a flexible piezoelectric polymer material. PZT has the disadvantage of generating electromotive force only above a certain pressure because the electromotive force of electric energy depends only on the magnitude of the force in the direction in which pressure is applied, but PZT has a relatively large electromotive force compared to PVDF for the same pressure. Has the advantage of generating electrical energy. PVDF has the disadvantage of generating electrical energy of relatively small electromotive force compared to PZT for the same pressure, but because of its flexibility, it has the advantage of generating electrical energy by deforming in all directions even at a minute pressure.
본 발명의 제1 실시예에 따른 압전체는 상기 두 물질을 혼합함으로써, 경화성을 배제하여 미세한 압력에도 기전력을 발생시킬 수 있고, 혼합되는 PZT를 통하여 PVDF만의 전기 에너지 발생 효율을 충분히 극복할 수 있다. 이로써, 본 발명의 제1 실시예에서는 자가발전 매트의 에너지 변환 효율을 더욱더 향상시킬 수 있다. 압전체는, PZT 분말과 PVDF 분말을 혼합하여 용융한 후 이를 분극 처리한 단층의 혼합 압전체를 형상, 두께 등의 필요에 따라 소성 가공하여 제조한다. In the piezoelectric body according to the first embodiment of the present invention, by mixing the two materials, it is possible to generate electromotive force even at a minute pressure by removing the curability, and can sufficiently overcome the electrical energy generation efficiency of PVDF only through the mixed PZT. Thus, in the first embodiment of the present invention, the energy conversion efficiency of the self-powered mat can be further improved. The piezoelectric material is produced by mixing and melting PZT powder and PVDF powder, and then plastically processing the mixed piezoelectric material of a single layer obtained by polarization treatment as necessary, such as shape and thickness.
한편, 압전소자(141)는 상기의 압전체를 사용함과 아울러, 은(Ag)과 같은 전도성 재질의 전극이 판상 압전체의 상면과 하면 각각에 후막 형상으로 코팅되어 있다. 전극은 외력에 의해 압전체가 변형될 때 발생되는 전기 에너지를 압전소 자(141)의 외부로 출력한다. 또한, 압전소자(141)는 압전체와 전극을 외부로부터 절연하고, 보호하기 위해 고분자 보호막이 코팅되어 있다. 바람직하게는, 고분자 보호막의 재료로서 PVDF를 사용함으로써, 압전체와의 결합도를 높일 수 있다.On the other hand, the
왕복 로드(rod)(142)는 그 외주면에 복수의 돌출판(144)이 전후 방향으로 간격을 두고 형성되어 있으며, 왕복 로드(142)의 후단에는 유체압을 받아 왕복 로드(142)를 이동시키는 유체압판(145)이 형성되어 있다. 왕복 로드(142)는 압전소자(141)의 천공된 중심 부분을 왕복하며, 이때 왕복 로드(142)의 돌출판(144)이 압전소자(141)와 접촉하여 압전소자(141)를 변형시킨다. The
구체적으로, 왕복 로드(142)가 유체 실린더(130)의 전방으로 이동할 때, 하나의 돌출판(144)은 하나의 압전소자(141)의 중심 부분에 부딪치고, 돌출판(144)이 전방으로 이동함에 따라, 가요성을 가지는 압전소자(141)는 전방으로 휘어지게 된다. 압전소자(141)가 충분히 휘어진 후 서로 이탈하여, 압전소자(141)는 탄성에 의해 전후 방향으로 진동하고, 돌출판(144)는 계속 전방으로 진행하여 다음의 압전소자(141)와 부딪친다. 결국, 왕복 로드(142)가 유체 실린더(130)의 전방으로 이동함에 따라, 돌출판(144) 각각은 복수의 압전소자(141) 모두와 접촉하게 되며, 복수의 압전소자(141) 각각은 계속해서 휘어지고, 진동함에 따라 그 형상이 지속적으로 변형된다. Specifically, when the
또한, 왕복 로드(142)가 유체 실린더(130)의 후방으로 이동할 때, 하나의 돌출판(144)은 하나의 압전소자(141)의 중심 부분에 부딪치고, 돌출판(144)이 후방으로 이동함에 따라, 가요성을 가지는 압전소자(141)는 후방으로 휘어지게 된다. 압 전소자(141)가 충분히 휘어진 후 서로 이탈하여, 압전소자(141)는 탄성에 의해 전후 방향으로 진동하고, 돌출판(144)는 계속 후방으로 진행하여 다음의 압전소자(141)와 부딪친다. 결국, 왕복 로드(142)가 유체 실린더(130)의 후방으로 이동함에 따라, 돌출판(144) 각각은 복수의 압전소자(141) 모두와 접촉하게 되며, 복수의 압전소자(141) 각각은 계속해서 휘어지고, 진동함에 따라 그 형상이 지속적으로 변형된다. 따라서, 압전 피스톤(140)은 왕복 운동으로, 압전소자(141)를 지속적으로 변형시킴으로써, 자가발전 매트의 에너지 변환 효율을 보다 향상시킬 수 있다. In addition, when the
한편, 돌출판(144)의 중심에서부터 끝부분까지의 길이는 압전 피스톤(140)이 전후 방향으로 원활하게 이동할 수 있도록 하는 값을 상한치로 하고, 압전소자(141)와 접촉하여 휘게 할 수 있도록 하는 값을 하한치로 하여 설계하는 것이 바람직하다.On the other hand, the length from the center to the end of the protruding
정류 회로칩(143)은 교류를 직류로 정류하는 브릿지 정류 회로로서, 도 3에 도시된 바와 같이, 판상의 압전소자(141)의 외주연(外周緣)에 칩으로 형성되며, 판상의 압전소자(141) 각각에 연결된다. The
압전소자(141)는 전후 방향으로 휘어짐에 따라 서로 다른 극성의 전기 에너지를 발생시키므로, 압전소자(141)로부터 출력되는 전기에너지의 기전력은 양과 음을 교번하는 교류 전압 파형을 가지게 된다. 복수의 압전소자(141) 각각에서 출력되는 교류 전압 파형의 전기 에너지를 그대로 합성할 경우, 양의 극성을 갖는 전기 에너지와 음의 극성을 갖는 전기 에너지가 서로 상쇄되어, 출력 단자(150)로 전달되는 전기 에너지의 기전력이 충분하지 못할 우려가 있다. The
따라서, 본 발명의 제1 실시예에서는 복수의 정류 회로칩(143) 각각을 압전소자(141) 각각에 연결하여 압전소자(141)의 외부로 출력되는 전기 에너지를 하나의 극성, 바람직하게는 양의 극성만을 갖는 직류 전압 파형으로 정류한다. 이후, 각각의 정류 회로칩(143)으로부터 출력되는 전기 에너지를 합성하여, 출력 단자(150)를 통해 매트 본체(110)의 외부로 출력한다.Accordingly, in the first embodiment of the present invention, each of the plurality of
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 자가발전 매트의 동작 특성을 설명하기 위한 도면이다. 구체적으로, 도 5의 (a)는 탄성 유체백(120)이 수축되는 상태를 나타낸 것이고, 도 5의 (b)는 탄성 유체백(120)이 팽창되는 상태를 나타낸 것이다. 도 5에 도시되지 않은 자가발전 매트의 주요 구성 요소에 대해서는 도 1 내지 도 4를 참조하기로 한다. 5 is a view for explaining the operating characteristics of the self-powered mat according to the first embodiment of the present invention. Specifically, FIG. 5A illustrates a state in which the
도 5에서는, 외력이 가해져 탄성 유체백(120)이 수축하기 시작하는 시점을 사이클의 시작 시점으로 하고, 외력이 차단되어 탄성 유체백(120)이 최대한 팽창되는 시점을 사이클의 완료 시점으로 하여, 하나의 사이클에 대하여 설명하기로 한다.In FIG. 5, a time point at which the
먼저, 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이, 탄성 유체백(120)이 수축하기 시작하면, 유체는 탄성 유체백(120)의 출입구(121)를 통해 탄성 유체백(120)으로부터 배출되고, 연결관(132)을 통과하여 유체 실린더(130)의 출입구(131)를 통해 유체 실린더(130)로 흡입된다. 유체 실린더(130)에 유체가 계속적으로 흡입됨에 따라, 유체 실린더(130) 내에서는 전방을 향한 유체압이 상대적으로 증가하고, 압전 피스톤(140)은 전방으로 이동하게 되어 전기 에너지를 발생시킨다.First, as shown in FIG. 5A, when the
다음으로, 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이, 외력이 차단되어 탄성 유체백(120)의 탄성에 의해 팽창하기 시작하면, 유체는 유체 실린더(130)의 출입구(131)를 통해 유체 실린더(130)로부터 배출되고, 연결관(132)을 통과하여 탄성 유체백(120)의 출입구(121)를 통해 탄성 유체백(120)으로 흡입된다. 탄성 유체백(120)에 유체가 계속적으로 흡입됨에 따라, 유체 실린더(130) 내에서는 후방을 향한 유체압이 상대적으로 증가하고, 압전 피스톤(140)은 후방으로 이동하게 되어 전기 에너지를 발생시킨다.Next, as shown in (b) of FIG. 5, when the external force is blocked and begins to expand by the elasticity of the
이로써, 보행자의 운동 에너지로부터 전기 에너지를 생성하는 하나의 싸이클이 완료된다.This completes one cycle of generating electrical energy from the kinetic energy of the pedestrians.
<제2 실시예>Second Embodiment
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 자가발전 매트를 설명하기 위한 도면이다.6 is a view for explaining a self-powered mat according to a second embodiment of the present invention.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 자가발전 매트는 매트 본체(610), 탄성 유체백(620), 유체 실린더(630), 압전 피스톤(640), 출력 단자(650) 및 이차 전지(660)를 포함한다.As shown in FIG. 6, the self-powered mat according to the second embodiment of the present invention includes a
본 발명의 제2 실시예에 따른 자가발전 매트의 매트 본체(610), 탄성 유체백(620), 유체 실린더(630), 압전 피스톤(640) 및 출력 단자(650)는, 발명의 제1 실시예에 따른 자가발전 매트의 매트 본체(110), 탄성 유체백(120), 유체 실린더(130), 압전 피스톤(140) 및 출력 단자(150)와 동일 또는 유사한 구성, 기능 및 동작 특성을 가지므로, 이에 관한 구체적인 설명은 도 1 내지 도 5를 참조하여 설 명한 본 발명의 제1 실시예를 참고하기로 하고, 이하에서는 생략하기로 한다.The
이차 전지(660)는 전기 에너지를 화학 에너지로 바꾸어 저장해 두었다가 필요한 때에 전기로 재생하는 일종의 축전지이다. 이차 전지(660)는 압전 피스톤(640)과 출력 단자(650) 사이에 형성되며, 압전 피스톤(640)에서 발생되는 전기 에너지를 저장한다. 이에 따라, 본 발명의 제2 실시예에서는 전기 에너지를 저장해 두었다가 필요한 때에 사용하는 것이 가능하다. 예컨대, 보행을 통해 이차 전지(660)에 전기 에너지가 충분히 저장되어 있다면, 보행을 하지 않는 경우라도 전기 에너지를 사용할 수 있다. 또한, 보행 중 외력에 의해 생성되는 전기 에너지량이 사용하기에 충분하지 않는 경우라도 이차 전지(660)를 통하여 미리 충전된 전기 에너지를 사용할 수 있다.The
또한, 본 발명의 제2 실시예의 변형예로서 이차 전지(660)를 매트 본체(610)에서 탈착 가능하게끔 형성한다. 이에 따라, 이차 전지(660)를 필요에 따라 언제든지 매트 본체(610)에서 분리하고, 매트 본체(610)에 결합할 수 있다. 예컨대, 이차 전지(660)를 복수개 구비하여 보행 등을 통해 이차 전지(660)가 완충되면, 다른 이차 전지(660)로 교체하여 충전할 수 있다. 또한, 매트 본체(610)의 전기 에너지를 사용하고자 하는 전기기기가 출력 단자(650)에 직접 연결하기 곤란한 경우, 이차 전지(660)를 매트 본체(610)로부터 분리하여 상기의 전기기기에 직접 연결하여 사용할 수 있다. 또한, 이차 전지(660)는 형상, 전압 레벨, 전류 레벨 등에 호환성을 가짐으로써, 전기기기들의 충전지 자체로 사용하는 것도 가능하다.In addition, as a modification of the second embodiment of the present invention, the
이와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 자가발전 매트는 압전 피스톤(640) 을 통해 보행 등의 운동 에너지를 변환하여 생성된 전기 에너지를 외부로 출력하여 사용함으로써, 별도의 연료와 환경오염 없이, 생성된 전기 에너지를 사용할 수 있다. 또한, 완충 작용 등을 충분히 행함과 아울러, 자가발전 매트의 에너지 변환 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 반복되는 외력에 의해 자가발전 매트가 파손되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 자가발전 매트의 생산 공정을 간단히 할 수 있으며, 생산 비용을 절감할 수 있다.As such, the self-powered mat according to the second embodiment of the present invention outputs and uses the electrical energy generated by converting kinetic energy such as walking through the
이와 같이, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. As described above, it is to be understood that the technical structure of the present invention can be embodied in other specific forms without departing from the spirit and essential characteristics of the present invention.
그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타나며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.Therefore, the above-described embodiments are to be understood as illustrative and not restrictive in all respects, and the scope of the present invention is indicated by the following claims rather than the detailed description, and the meaning and scope of the claims and their All changes or modifications derived from an equivalent concept should be construed as being included in the scope of the present invention.
도 1 및 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 자가발전 매트를 설명하기 위한 도면이다.1 and 2 are views for explaining a self-powered mat according to a first embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 압전 피스톤을 나타낸 도면이다.3 is a diagram illustrating a piezoelectric piston according to a first embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 압전 피스톤을 포함하는 자가발전 매트의 전체 회로 구성을 나타낸 도면이다.4 is a view showing the overall circuit configuration of a self-powered mat including a piezoelectric piston according to a first embodiment of the present invention.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 자가발전 매트의 동작 특성을 설명하기 위한 도면이다.5 is a view for explaining the operating characteristics of the self-powered mat according to the first embodiment of the present invention.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 자가발전 매트를 설명하기 위한 도면이다.6 is a view for explaining a self-powered mat according to a second embodiment of the present invention.
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉<Explanation of symbols for main parts of drawing>
110, 610 : 매트 본체110, 610: mat body
120. 620 : 탄성 유체백120. 620: Elastic fluid bag
121, 131 : 출입구121, 131: doorway
130, 630 : 유체 실린더130, 630: fluid cylinder
132 : 연결관132 connector
140, 640 : 압전 피스톤140, 640: piezoelectric piston
141 : 압전소자141: piezoelectric element
142 : 왕복 로드142: reciprocating rod
143 : 정류 회로칩143: rectifier circuit chip
144 : 돌출판144: protrusion plate
145 : 유체압판145: fluid pressure plate
150, 650 : 출력 단자150, 650: Output terminal
660 : 이차 전지660: secondary battery
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