KR101135402B1 - 전단변형 모드 압전체를 이용한 압전발전기 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전단변형 모드 압전체를 이용한 압전발전기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 일면에 개구부가 형성된 외측 프레임; 상기 외측 프레임의 상기 개구부를 밀폐시키도록 결합되며, 외력전달면에 수직한 방향으로 형성된 제 1 외력전달축 및 제 2 외력전달축을 포함하는 외력전달부; 압전체의 상부면에 고정된 상부축 및 압전체의 하부면에 고정된 하부축을 포함하여 외력에 의해 전단변형이 발생되는 압전구조물; 및 상기 제 1 외력전달축 및 상기 상부축과 맞물리게 결합되어 작동되는 제 1 기어부와 상기 제 2 외력전달축 및 상기 하부축과 맞물리게 결합되어 작동되는 제 2 기어부를 포함하는 기어부를 포함하는 압전발전기에 관한 것이다.
Description
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 일제화시킨 형태로 만든다. 이렇게 만들어진 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 밀폐시키도록 결합되며, 외력전달면에 수직한 방향으로 형성된 제 1 외력전달축 및 제 2 외력전달축을 포함하는 외력전달부; 압전체의 상부면에 고정된 상부축 및 압전체의 하부면에 고정된 하부축을 포함하여 외력에 의해 전단변형이 발생되는 압전구조물; 및 상기 제 1 외력전달축 및 상기 상부축과 맞물리게 결합되어 작동되는 제 1 기어부와 상기 제 2 외력전달축 및 상기 하부축과 맞물리게 결합되어 작동되는 제 2 기어부를 포함하는 압전발전기를 제공한다.
상기 압전체의 상부면 및 하부면에는 각각 전극이 형성되고, 상기 제 1 기어부 및 상기 제 2 기어부는 각각 외측 프레임에 고정되도록 기어축을 포함하고, 각각 상기 압전체에 결합된 상부축 및 하부축과 동시에 맞물리게 위치하고, 상기 외력전달부의 제 1 및 제 2 외력전달축도 각각 상기 제 1 기어부 및 제 2 기어부와 맞물리게 위치하여 외력을 전달하되, 상기 압전체에 전단응력이 발생하도록 상기 상부축 및 하부축이 서로 반대 방향으로 진행되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 외측프레임 개구부의 반대면에는 외력작용시 상기 외력전달부의 제 1 및 제 2 외력전달축의 말단부와 접촉되는 탄성체가 형성되어, 외력전달부에 외력이 제거된 후, 상기 외력전달부의 위치가 복원되거나, 상기 외력전달면과 상기 외측프레임의 개구부 반대면 사이에 상기 각각의 면과 접촉되어 있는 탄성체를 고정시켜 외력이 제거된 후에 외력전달부가 원위치로 복원되는 것을 특징으로 한다.
상기 탄성체는 탄성을 가지는 와이어 또는 스프링인 것이 바람직하고, 상기 탄성체는 상기 외측 프레임의 내부공간의 각 모서리에 형성되거나, 각각의 외력전달축에 대응되는 곳에 형성될 수 있다.
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 본 발명의 일 실시예에 따른 압전발전기를 측면에서 바라본 단면도이다.
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 본 발명의 일 실시예에 따른 압전발전기를 측면에서 바라본 단면도이다.
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 압전발전기를 측면에서 바라본 단면도이다.
본 발명에 따른 압전발전기(100)는 일면에 개구부가 형성된 외측 프레임(10); 상기 외측 프레임(10)의 상기 개구부를 밀폐시키도록 결합되며, 외력전달면(12)에 수직한 방향으로 형성된 제 1 외력전달축(13-1) 및 제 2 외력전달축(13-2)을 포함하는 외력전달부; 압전체(14)의 상부면에 고정된 상부축(15) 및 압전체(14)의 하부면에 고정된 하부축(16)을 포함하여 외력에 의해 전단변형이 발생되는 압전구조물(11); 및 상기 제 1 외력전달축(13-1) 및 상기 상부축(15)과 맞물리게 결합되어 작동되는 제 1 기어부(20-1)와 상기 제 2 외력전달축(13-2) 및 상기 하부축(16)과 맞물리게 결합되어 작동되는 제 2 기어부(20-2)를 포함하는 기어부로 구성된다.
상기 외측 프레임(10)은 본 발명에 따른 압전발전기(100)의 하나의 단위를 형성하는데, 일정한 공간을 구비하고 하여 외력전달부(12), 압전구조물(14) 및 이들과 연결되는 구조를 가지는 기어부(20-1, 20-2)를 포함한다. 이와 같은 단위 압전발전기(100)를 두 개 이상 결합하여 복수개의 압전발전기를 구비하는 것도 가능하다.
외측 프레임(10)의 일면은 개구부가 형성되어 있고, 상기 개구부에는 외력전달면(12)이 위치하게 된다. 상기 외력전달면(12)은 주로 사람이 지나다니는 바닥면에 위치하여, 외력은 주로 인체의 하중에 의해 발생하게 된다. 상기 외력전달부(11)는 제 1 외력전달축(13-1) 및 제 2 외력전달축(13-2)으로 구성되는데, 상기 각각의 외력전달축(13-1, 13-2)은 후술할 기어부(20-1, 20-2)와 맞물리게 위치되어, 상부에서 지면에 수직한 방향으로 외력을 기어부에 전달시키는 기능을 한다.
또한, 도 4a를 참조하면, 상기 외력전달부(11)가 하중을 받아 일정변위로 아래방향으로 이동한 뒤, 원래 위치로 복원되도록 하기 위해 외력전달면(12)과 외측 프레임(10)의 하부면(17) 사이에는 상기 각각의 면과 접촉되어 일정거리를 유지하도록 탄성체(18)가 구비되는데, 도 4b와 같이 상기 탄성체(18)는 상기 제 1 및 제 2 외력전달축(13-1, 13-2)이 일정한 변위까지 이동시킨 후, 다시 원위치로 복귀시키도록 외측 프레임의 하부면(17)에 수직으로 형성될 수 있다.
상기 탄성체(18)는 탄성을 가지는 와이어 또는 스프링을 사용하는 것이 바람직하고, 도 4a와 같이 상기 외측 프레임(10)의 내부공간의 각 모서리에 형성되거나, 도 4b와 같이 상기 제 1 및 제 2 외력전달축(13-1, 13-2)에 대응하도록 외측 프레임의 하부면(17)에 수직으로 형성될 수 있다.
다음으로, 압전발전기를 구성하는 압전체에 대해서 설명한다.
상기 압전체(14)의 상부면 및 하부면에는 각각 전극이 도포되어 있고, 전극이 도포된 상부면 및 하부면에는 각각 고정된 상부축(15) 및 하부축(16)이 접착되어, 이와 같은 구조를 통하여 외력에 의해 전단변형이 발생될 수 있다.
이하, 전단변형을 하여 전기에너지를 발생시키는 압전체의 구동원리에 대해서 설명한다.
도 5에 나와 있는 것과 같이, 중앙부에 축(19)을 가지는 제 1 기어부(20-1) 및 제 2 기어부(20-2)가 상기 축을 통해서 외측 프레임(10)의 외벽에 고정되고, 외력전달부(11)의 제 1 외력전달축(13-1)이 외력전달면(12)에 수직한 방향으로 연장되어 제 1 기어부(20-1)의 우측 측면에서 맞물리게 형성된다. 이 때, 상기 압전체(14)의 상부면에 고정되어 있는 상부축(15)은 상기 제 1 기어부(20-1)의 상단부에 맞물리게 위치하여 상기 외력전달면(12)으로부터 작용된 외력으로 인해 제 1 외력전달축(13-1)은 하부 방향으로 이동하면서 상기 제 1 기어부(20-1)를 시계방향으로 회전시키게 되고, 이에 따라 상기 압전체(14)의 상부축(15)을 우측 방향으로 이동하는 힘을 전달하게 된다.
또한, 같은 원리로 외력전달부(11)의 제 2 외력전달축(13-2)이 외력전달면(12)에 수직한 방향으로 연장되어 제 2 기어부(20-2)의 우측측면에서 맞물리게 형성되고, 상기 압전체(14)의 하부면에 고정되어 있는 하부축(16)은 상기 제 2 기어부(20-2)의 하단부에 맞물리게 위치하여 상기 외력전달면(12)으로부터 작용된 외력으로 인해 제 2 외력전달축(13-2)은 하부 방향으로 이동하면서 상기 제 2 기어부(20-2)를 시계방향으로 회전시키게 되고, 이에 따라 상기 압전체(14)의 하부축(16)을 좌측 방향으로 이동하는 힘을 전달하게 된다.
즉, 상기 압전체(14)는 전계방향과 수직한 분극방향을 가지고, 분극방향이 변위방향과 평행하게 작용하는 압전체로서, 압전체의 상부 및 하부가 상호 반대방향으로 변형됨으로써 전단변형을 일으키는 기본 진동모드를 가지게 된다. 이는 통상의 압전체모드인 '31모드'와 '33모드'로 작동되는 압전체에 비해서 훨씬 높은 전기에너지를 발생할 수 있게 한다.
또한, 본 발명에 따른 압전구조물을 복수개로 연결하여 압전발전기를 구성할 수 있어, 획득된 전기량을 증가시킬 수 있는 장점이 있다.
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: 압전 구조물 12: 외력 전달면
13-1: 제 1 외력전달축 13-2: 제 2 외력전달축
14: 압전체 15: 상부축
16: 하부축 17: 외측 프레임 하부면
18: 탄성체 19: 기어부 축
20-1: 제 1 기어부 20-2: 제 2 기어부
100: 압전 발전기
3: 압전체 10: 외측 프레임
11: 압전 구조물 12: 외력 전달면
13-1: 제 1 외력전달축 13-2: 제 2 외력전달축
14: 압전체 15: 상부축
16: 하부축 17: 외측 프레임 하부면
18: 탄성체 19: 기어부 축
20-1: 제 1 기어부 20-2: 제 2 기어부
100: 압전 발전기
Claims (8)
- 일면에 개구부가 형성된 외측 프레임;
상기 외측 프레임의 상기 개구부를 밀폐시키도록 결합되며, 외력전달면에 수직한 방향으로 형성된 제 1 외력전달축 및 제 2 외력전달축을 포함하는 외력전달부;
압전체의 상부면에 고정된 상부축 및 압전체의 하부면에 고정된 하부축을 포함하여 외력에 의해 전단변형이 발생되는 압전구조물; 및
상기 제 1 외력전달축 및 상기 상부축과 맞물리게 결합되어 작동되는 제 1 기어부와 상기 제 2 외력전달축 및 상기 하부축과 맞물리게 결합되어 작동되는 제 2 기어부를 포함하는 기어부를 포함하는 압전발전기.
- 청구항 1에 있어서,
상기 압전체의 상부면 및 하부면에는 각각 전극이 형성된 것을 특징으로 하는 압전발전기.
- 청구항 1에 있어서,
상기 상기 제 1 기어부 및 상기 제 2 기어부는 각각 상기 압전체에 결합된 상부축 및 하부축과 동시에 맞물리게 위치하고, 상기 외력전달부의 제 1 및 제 2 외력전달축도 각각 상기 제 1 기어부 및 제 2 기어부와 맞물리게 위치하여 외력을 전달하되, 상기 압전체에 전단응력이 발생하도록 상기 상부축 및 하부축이 서로 반대 방향으로 진행되는 것을 특징으로 하는 압전발전기.
- 청구항 1에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 기어부는 각각 외측 프레임에 고정되도록 기어축을 포함하는 것을 특징으로 하는 압전발전기.
- 청구항 1에 있어서,
상기 외측프레임 개구부의 반대면에는 외력작용시 상기 외력전달부의 제 1 및 제 2 외력전달축의 말단부와 접촉되는 탄성체가 형성되어, 외력전달부에 외력이 제거된 후, 상기 외력전달부의 위치가 복원되는 것을 특징으로 하는 압전발전기.
- 청구항 1에 있어서,
상기 외력전달면과 상기 외측프레임의 개구부 반대면 사이에 탄성체를 고정시켜 외력이 제거된 후에 외력전달부가 원위치로 복원되는 것을 특징으로 하는 압전발전기.
- 청구항 5 또는 6에 있어서,
상기 탄성체는 탄성을 가지는 와이어 또는 스프링인 것을 특징으로 하는 압전발전기.
- 청구항 6에 있어서,
상기 탄성체는 상기 외측 프레임의 내부공간의 각 모서리에 형성된 것을 특징으로 하는 압전발전기.
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