KR101135878B1 - 미세압전진동자와 열전소자를 포함하는 하이브리드 구조의 에너지 하베스팅 시스템 및 이를 제조하는 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 미세압전진동자와 열전소자를 포함하는 하이브리드 구조의 에너지 하베스팅 시스템 및 이를 제조하는 방법에 관한 것으로, 바람과 같은 외부 에너지에 의해서 진동하며 전력을 발생시키는 복수개의 압전진동자와, 상기 복수개의 압전진동자가 고정되며, 상기 압전진동자에서 발생된 전력을 채집하는 인쇄회로기판과, 상기 인쇄회로기판의 하부에 결합되며, 상기 인쇄회로기판에서 발생되는 열 또는 태양열과 같은 외부열에 의해서 전력을 발생시키는 열전기판 및 상기 열전기판의 하부에 부착되어 상기 인쇄회로기판 및 상기 열전기판을 보호하는 베이스 기판을 포함하는 하이브리드 구조의 에너지 하베스팅 시스템을 제공함으로써, 작은 사이즈를 갖는 시스템에서도, 미세바람을 이용하여 원하는 전력을 얻을 수 있도록 하는 발명에 관한 것이다.
Description
본 발명은 하이브리드 구조의 에너지 하베스팅 시스템 및 이를 제조하는 방법에 관한 것으로, 바람 및 태양광과 같은 외부 에너지에 의하여 미세전력을 용이하게 채집할 수 있도록 미세압전진동자와 열전소자를 결합한 신개념의 하이브리드 에너지 하베스팅 기술에 관한 것이다.
일반적으로 에너지 재생시스템은 풍력 발전과 태양광 발전을 주로 사용하고 있다.
도 1 및 도 2는 종래 기술에 따른 에너지 재생시스템을 나타낸 사진들로, 도 1은 풍력 발전 시스템을 나타낸 것이고, 도 2는 태양광 발전 시스템을 나타낸 것이다.
여기서, 먼저 풍력 발전 시스템을 살펴보면 거대한 프로펠러와 이 프로펠러에서 생성되는 전기를 포집하기 위한 복잡한 시스템 시설이 요구된다. 따라서, 그 시설비 및 가동비가 매우 많이 들어간다.
또한 풍력 발전기는 바람이 많고 바람의 세기가 큰 곳에 설치하여야 하는 등 여러 제한이 많고, 매우 큰 면적을 차지하며 그 소음이 매우 커 주택가 또는 적은 규모의 발전을 원하는 곳에는 설치할 수 없다.
다음으로, 태양광 발전 시스템은 풍력에 비하여 소음 문제를 해결할 수 있으나, 시설비 및 가동비가 많이 소모되는 문제가 있다.
한편, 멤스(Microelectro Mechanical System; MEMS)를 포함한 마이크로 시스템에는 마이크로 펌프, 마이크로 프로세서 등을 포함하여 마이크로 센서, 마이크로 액츄에이터 등 전기를 필요로 하는 소자들이 많이 집적되어 있다.
이러한 소자들을 구동하는데 필요한 전압과 전류는 상기 풍력이나 태양광과 같은 매크로 시스템(macro system)의 소모량에 비해 아주 적은 양이다.
따라서, 상기 풍력 발전 시스템이나, 태양광 발전 시스템의 규모를 축소시켜서 사용하여야 하지만, 미세한 사이즈의 시스템의 경우 발전이 거의 일어나지 않으므로, 사용이 불가능한 문제가 있다.
본 발명은 고탄성의 미세 진동자를 마련하되, 진동자의 표면에 압전소자를 코팅함으로써, 미세바람에도 전력을 생성시킬 수 있는 하베스팅 시스템을 제공 하되, 태양열과 같은 자연 에너지에 의해서도 발전이 일어날 수 있는 열전기판을 상기 하베스팅 시스템에 결합함으로써, 에너지 발생 효율을 더 향상시킬 수 있고, 활용성을 더 넓힐 수 있는 하이브리드 구조의 에너지 하베스팅 시스템을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
아울러, 본 발명은 상기 진동자를 여러개의 배열로 형성시킴으로써, 수요자가 원하는 전력을 용이하게 채집할 수 있으며, 열전소자를 결합에 따른 복합적인 전력을 채집 시스템으로서, 자연 에너지로부터 용이하게 전력을 채집할 수 있도록 하는 하이브리드 구조의 에너지 하베스팅 시스템 제조 방법을 제공하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 구조의 에너지 하베스팅 시스템은 외부 에너지에 의해서 진동하며 전력을 발생시키는 복수개의 압전진동자와, 상기 복수개의 압전진동자가 고정되며, 상기 압전진동자에서 발생된 전력을 채집하는 인쇄회로기판과, 상기 인쇄회로기판의 하부에 결합되며, 상기 인쇄회로기판에서 발생되는 열 또는 외부열에 의해서 전력을 발생시키는 열전기판 및 상기 열전기판의 하부에 부착되어 상기 인쇄회로기판 및 상기 열전기판을 보호하는 베이스 기판을 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 압전진동자는 사각기둥 또는 원기둥 형태의 고탄성진동자와, 상기 고탄성진동자의 표면에 형성된 압전소자 및 상기 압전소자의 전력을 상기 인쇄회로기판에 전달하는 금속패드를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 고탄성진동자는 금속, 폴리머 및 세라믹 중 하나 이상의 소재로 이루어진 것을 특징으로 하고, 상기 압전소자는 PZT계, ZnO, 무연계 세라믹 및 이들을 포함하는 압전폴리머를 중 어느 하나인 것을 특징으로 하고, 상기 금속패드는 은(Ag), 구리(Cu), 금(Au) 및 알루미늄(Al) 중 하나 이상으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
다음으로, 상기 압전진동자는 길이 방향을 따라서 상기 인쇄회로기판에 수직 배열되거나, 수평 배열되는 것을 특징으로 하되, 상기 압전진동자가 상기 인쇄회로기판에 수평 배열되는 경우, 상기 인쇄회로기판은 상기 압전진동자의 진동을 위한 진동 공간을 포함하는 것을 특징으로 한다.
그 다음으로, 상기 압전진동자는 상기 인쇄회로기판에 매트릭스 어레이(Matrix Array) 구조로 배열되는 것을 특징으로 한다.
그 다음으로, 상기 인쇄회로기판은 플렉서블 인쇄회로기판인 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 플렉서블 인쇄회로기판은 폴리에틸렌(polyethylene; PE), 베이클라이트(bakelite), 네오프렌(neoprene), 나일론(nylon), 폴리 염화비닐(polyvinyl chloride; PVC), 폴리스티렌(polystyrene; PS), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 초고분자량 폴리에틸렌(ultra-high molecular weight polyethylene; UHMWPE), 에틸렌 비닐아세테이트(ethylene vinylacetate; EVA), 폴리비닐부틸랄(polyvinyl butyral; PVB), 폴리프로필렌(polypropylene; PP), 폴리사풀루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene), 폴리카보네이트(polycarbonate; PC), 폴리에틸렌 나프탈레이트(polyethylene naphthalate; PEN) 및 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate; PET) 중 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.
그 다음으로, 상기 열전기판은 금속 및 합성수지 중 하나 이상으로 이루어진 제1층상체와 반금속으로 이루어진 제2층상체의 적층 기판 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 금속은 철(Fe), 은(Ag), 구리(Cu), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 금(Au), 백금(Pt), 크롬(Cr), 코발트(Co), 희토류 원소, 아연(Zn), 인듐(In), 납(Pb) 및 주석(Sn) 중 하나 이상인 것을 특징으로 하고, 상기 합성수지는 반방향족 폴리아미드 수지, 폴리올레핀계 수지, 폴리비닐계 수지, 아크릴계 수지, 아크릴로니트릴계 수지, 폴리우레탄계 수지 및 불소계 수지 및 엔지니어링 플라스틱 수지 중 하나 이상인 것을 특징으로 하고, 상기 반금속은 비스무트(Bi), 안티몬(Sb), 텔루르(Te) 및 셀렌(Se) 중 하나 이상인 것을 특징으로 한다.
그 다음으로, 상기 에너지 하베스팅 시스템은 상기 인쇄회로기판 및 상기 열전기판을 통하여 채집된 전력을 저장하는 배터리충전부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
아울러, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 구조의 에너지 하베스팅 시스템 제조 방법은 사각기둥 또는 원기둥 형태의 고탄성진동자 표면에 압전소자를 코팅하는 단계와, 상기 압전소자의 표면에 금속패드를 형성하여, 상기 고탄성진동자, 압전소자 및 금속패드의 적층 구조로 이루어지는 압전진동자를 형성하는 단계와, 복수개의 상기 압전진동자를 인쇄회로기판 상부에 수직 구조 또는 수평 구조로 배열하는 단계 및 상기 인쇄회로기판의 하부에 전력 발생을 보조하는 열전기판을 결합시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 압전진동자가 상기 인쇄회로기판에 수평 구조로 배열되는 경우, 상기 인쇄회로기판에는 상기 압전진동자의 진동을 위한 진동 공간을 더 형성하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 인쇄회로기판 및 상기 열전기판의 외부로 연결되며, 상기 인쇄회로기판 및 상기 열전기판을 통하여 채집된 전력을 저장하는 배터리충전부를 더 형성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 하이브리드 구조의 에너지 하베스팅 시스템은 미세한 고탄성의 압전진동자를 이용함으로써, 적은 외부 에너지를 받더라도 원하는 효율의 전력을 용이하게 얻을 수 있도록 하는 효과를 제공한다.
아울러, 본 발명은 태양열과 같은 자연 에너지에 의해서도 발전이 일어날 수 있는 열전기판을 상기 하베스팅 시스템에 결합함으로써, 에너지 발생 효율을 더 향상시킬 수 있고, 그 활용성을 더 넓힐 수 있는 효과를 제공한다.
아울러, 본 발명은 상기 압전진동자를 여러 개의 배열로 형성시킴으로써, 수요자가 원하는 전력을 용이하게 조절할 수 있는 편의적인 효과를 제공한다.
도 1 및 도 2는 종래 기술에 따른 에너지 재생시스템을 나타낸 사진들이다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 구조의 에너지 하베스팅 시스템을 제조하는 방법을 나타낸 개략도들이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 구조의 에너지 하베스팅 시스템을 개략적으로 나타낸 분해사시도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 하이브리드 구조의 에너지 하베스팅 시스템을 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 8은 본 발명에 따른 에너지 하베스팅 시스템의 진동자 성능을 나타낸 그래프이다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 구조의 에너지 하베스팅 시스템을 제조하는 방법을 나타낸 개략도들이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 구조의 에너지 하베스팅 시스템을 개략적으로 나타낸 분해사시도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 하이브리드 구조의 에너지 하베스팅 시스템을 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 8은 본 발명에 따른 에너지 하베스팅 시스템의 진동자 성능을 나타낸 그래프이다.
이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 미세압전진동자와 열전소자를 포함하는 하이브리드 구조의 에너지 하베스팅 시스템 및 이를 제조하는 방법에 대하여 상세히 설명하는 것으로 한다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 상세하게 후술되어 있는 실시예들 및 도면을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
도 3 내지 도 5은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 구조의 에너지 하베스팅 시스템을 제조하는 방법을 나타낸 개략도들이다.
먼저 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 압전진동자를 제조하는 단계로서, 사각기둥 형태의 고탄성진동자(100) 표면에 압전소자(110, 120)를 형성한다.
이때, 고탄성진동자(100)는 금속, 폴리머 및 세라믹 중 하나 이상의 소재로 이루어진 것을 이용하는 것이 바람직하며, 도시된 바와 같이 필름 형태로 형성된 것을 사용할 수 있다. 그 외에, 원기둥이나 오각이나, 육각기둥 형태 등 다양한 형태의 진동자를 사용할 수 있으며, 진동자의 단면 형상에 의해서 본 발명이 제한되는 것은 아니다. 즉, 본 발명에 따른 진동자는 바람과 같은 외부 에너지 의해서 형상이 변형되면서 압전소자(110, 120)에 장력이나 압축응력을 제공하고, 외부 에너지가 가해지지 않을 경우 탄성에 의해서 형상이 복원되면서 압전소자(110, 120)의 형상도 복원시키는 형태이면 어느 것이든 사용이 가능하다.
또한, 본 발명에 따른 압전소자(110, 120)는 상기와 같은 고탄성진도자(100)의 단면에만 코팅될 수도 있으며, 압전 효율을 향상시키기 위하여 고탄성진동자(100)의 양면 또는 네 면에 모두 형성될 수 있다.
이때, 압전소자(110, 120)를 구성하는 물질로는 PZT계, ZnO, 무연계 세라믹 및 이들 중 하나 이상을 포함하는 압전폴리머로 이루어진 물질을 사용할 수 있다.
그 구체적인 예로는 Pb(Zr,Ti)O3＋Pb(Zn,Nb)O3, Pb(Zr,Ti)O3＋Pb(Ni,Nb)O3, Pb(Zr,Ti)O3＋PVDF 폴리머, Pb(Zr,Ti)O3＋실리콘 폴리머 및 Pb(Zr,Ti)O3+에폭시 폴리머 중 하나 이상을 포함하는 물질로 형성될 수 있으며, (Na, K)NbO3계 또는 (Na, K, Li)NbO3계 무연 세라믹스를 포함하는 물질들 등 다양한 소재의 압전소자(110, 120)가 사용될 수 있다.
다음으로, 압전소자(110, 120)의 표면에는 압전소자에 형성되는 전력을 외부 회로로 전달하는 금속패드(130, 140)를 형성 한다. 이때, 금속패드(130, 140)는 은(Ag), 구리(Cu), 금(Au) 및 알루미늄(Al) 중 하나 이상의 소재로 형성하며, 하기에서 설명되는 인쇄회로기판과 직접 연결되므로, 인쇄회로기판과 인접한 압전소자(110, 120)의 부분에 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 복수개의 압전진동자가 형성되는 경우, 하기 도 7에서와 같이 각 진동자에 포함된 압전소자들을 한 번에 연결하는 형태로 형성될 수도 있다.
다음으로 도 4는 본 발명에 따른 바 타입(Bar-type)의 압전진동자(150)를 도시한 것이다.
이와 같은 압전진동자(150)는 하기 도 5에서와 같이 인쇄회로기판(200) 상부에 고정된다. 이때, 압전진동자(150)는 길이 방향을 따라서 인쇄회로기판(150)에 수직으로 고정되도록 배열되거나, 하기 도 6에서와 같이 수평이 되도록 배열된다.
즉, 도시된 사시도를 기준으로 할 때 도 5의 압전진동자(150)는 수평으로 불어오는 바람에 의해서 진동되도록 하는 구조를 갖고, 도 6의 압전진동자(170)는 수직으로 불어오는 바람에 의해서 진동이되도록 하는 구조를 갖는 것이다.
이때, 도 6의 압전진동자(170)가 고정되는 인쇄회로기판(230)에는 상,하 방향으로 진동이 용이하게 일어나도록 하는 진동 공간(180)을 더 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 압전진동자(150, 170)들이 고정되는 인쇄회로기판(200, 230)은 진동이 보다 잘 일어나도록 하기 위하여, 플렉서블(Flexible)한 소재들로 사용될 수 있다.
이와 같은 플렉서블 인쇄회로기판은 폴리에틸렌(polyethylene; PE), 베이클라이트(bakelite), 네오프렌(neoprene), 나일론(nylon), 폴리 염화비닐(polyvinyl chloride; PVC), 폴리스티렌(polystyrene; PS), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 초고분자량 폴리에틸렌(ultra-high molecular weight polyethylene; UHMWPE), 에틸렌 비닐아세테이트(ethylene vinylacetate; EVA), 폴리비닐부틸랄(polyvinyl butyral; PVB), 폴리프로필렌(polypropylene; PP), 폴리사풀루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene), 폴리카보네이트(polycarbonate; PC), 폴리에틸렌 나프탈레이트(polyethylene naphthalate; PEN) 및 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate; PET) 중 선택된 하나 이상을 포함하는 소재들로 형성된 기판을 사용할 수 있다.
또한, 상기 도 5 및 도 6에서와 같은 본 발명의 인쇄회로기판(200, 230)에는 교류형태로 발생하는 압전소자의 전압을 직류형태로 변환시키는 정류회로부와, 정류회로에서 출력되는 전압을 일시적으로 저장하는 캐패시터부 또는 배터리충전부를 포함한다. 이와 같은 회로 장치들은 일반적으로 인쇄회로기판(200, 230)에 내장된 형태가 대부분이나, 본 발명에서와 같이 미세한 크기로 적용되는 경우에는 그 용량에 한계가 있을 수 있으므로, 인쇄회로기판의 외부에 별도로 연결되는 형태로도 형성될 수 있다.
따라서, 본 발명에서는 압전 발전을 위해 운용되는 별도의 장치들이 도시되거나 설명이 생략된 것에 의해서 제한되지 않는다.
아울러, 본 발명에 따른 인쇄회로기판(200, 230)에는 하부에 결합되는 열전기판(210, 240)에 열을 전달하기 위한 수단이 더 형성될 수 있다.
예를 들면, 인쇄회로기판(200, 230) 내에서 발생되는 자체 열을 하부의 열전기판(210, 240)에 전달하는 방열 인쇄회로 패턴이나, 써멀비아(Thermal Via)등을 더 포함할 수 있다. 그리고 또한 상기 방열 인쇄회로 패턴이나 써멀비아의 경우 인쇄회로기판의 상부와 연결되어 인쇄회로기판의 상부에 전달되는 태양열을 하부의 열전기판에 전달하는 역할도 수행하여, 열전 효율을 더 향상시킬 수 있다.
여기서, 본 발명에 따른 열전기판(210, 240)은 제벡효과(Seebeck Effect)를 이용하는 통상의 열전모듈(Thermoelectric module)을 이용할 수 있다.
이와 같은 열전 모듈은 금속 및 합성수지 중 하나 이상으로 이루어진 제1층상체와 반금속으로 이루어진 제2층상체의 적층 기판 구조로 형성하는 것이 바람직하다.
이때, 상기 금속은 철(Fe), 은(Ag), 구리(Cu), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 금(Au), 백금(Pt), 크롬(Cr), 코발트(Co), 희토류 원소, 아연(Zn), 인듐(In), 납(Pb) 및 주석(Sn) 중 하나 이상인 것을 사용할 수 있다.
다음으로, 합성수지는 반방향족 폴리아미드 수지, 폴리올레핀계 수지, 폴리비닐계 수지, 아크릴계 수지, 아크릴로니트릴계 수지, 폴리우레탄계 수지 및 불소계 수지 및 엔지니어링 플라스틱 수지 중 하나 이상인 것을 사용할 수 있다.
이때, 보다 구체적으로는 12-나일론, 6-나일론, 6,6-나일론, 4,6-나일론, 6,12-나일론, 비결정성 폴리아미드, 반방향족 폴리아미드와 같은 폴리아미드계 수지. 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 폴리올레핀계 수지. 폴리염화비닐, 폴리초산비닐, 폴리염화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 에틸렌-초산비닐 공중합체 등의 폴리비닐계 수지와, 에틸렌-에틸아크릴레이트 공중합체, 폴리메타크릴산 메틸 등의 아크릴계 수지. 폴리아크릴니트릴, 아크릴니트릴/부타디엔/스티렌 공중합체 등의 아크릴로니트릴계 수지. 폴리우레탄계 수지. 폴리테트라플루오로에틸렌 등의 불소계 수지와, 폴리아세탈, 폴리카보네이트, 폴리이미드, 폴리술폰, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리아릴레이트, 폴리페닐렌옥시드, 폴리에테르술폰, 폴리페닐술피드, 폴리아미드이미드, 폴리옥시벤질렌, 폴리에테르케톤 등의 엔지니어링 플라스틱이라 불리는 합성 수지와, 전방향족 폴리에스테르 등의 액정 수지를 포함하는 열가소성 수지. 폴리아세틸렌 등의 도전성 폴리머. 에폭시 수지, 페놀 수지, 에폭시 변성 폴리에스테르 수지, 실리콘 수지, 열경화 아크릴 수지 등의 열경화성 수지와, 니트릴 고무, 부타디엔-스티렌 고무, 부틸 고무, 니트릴 고무, 우레탄 고무, 폴리아미드 에라스토머 등의 에라스토머 등이 사용될 수 있다.
그 다음으로, 반금속은 비스무트(Bi), 안티몬(Sb), 텔루르(Te) 및 셀렌(Se) 중 하나 이상의 물질들이 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 압전기판(210, 240)은 상기 물질들을 이용하여 최상의 열전효율을 얻을 수 있도록 하는데, 이와 같은 열전모듈을 이용하면 상술한 압전진동자(150, 170)를 이용한 하베스팅 시스템 구조를 더 간단하게 형성할 수 있다.
또한, 압전진동자(150, 170)로는 얻을 수 없는 보조 전력을 공급함으로써, 하베스팅 시스템의 신뢰성을 더 향상시킬 수 있다.
즉, 바람이나 진동이 없는 지역에서도 태양열과 같은 자연 에너지를 이용할 수 있으므로 더 다양한 활용성을 제공할 수 있으며, 다양한 크기의 하베스팅 시스템을 제공할 수 있다.
그리고 본 발명에서의 경우, 열전기판에서 생산되는 전력을 정류하거나 저장하는 회로는 상기 인쇄회로기판에 사용되는 회로 또는 장치들을 그대로 공유할 수 있으므로, 하베스팅 시스템의 구조를 간소화 하면서도 최대의 전력 생산 구조를 얻을 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 하이브리드 에너지 하베스팅 시스템은 인쇄회로기판(200, 230)에 수직 또는 수평 배열되는 압전진동자(150, 170)와, 인쇄회로기판(200, 230)의 하부에 결합되는 열전기판(210, 240)을 포함하는 구조로 형성할 수 있다.
이때, 인쇄회로기판(200, 230) 및 열전기판(210, 240)의 보호를 위하여 열전기판(210, 240)의 하부에 베이스 기판(220, 250)을 더 형성할 수 있다.
이와 같은 베이스 기판(220, 250)은 단순하게 열전기판(210, 240)의 표면을 덮는 형태로 형성될 수도 있고, 인쇄회로기판(200, 230) 및 열전기판(210, 240)의 측면 전체를 몰딩하는 형태로도 형성할 수 있다.
이때, 베이스 기판(220, 250)에 의해서 몰딩되는 단위에 따라서 하나의 단위 하베스팅 시스템 유닛으로 분류될 수 있는데, 본 발명에서는 하기 도 7에서와 같이 단위 하베스팅 시스템 유닛에 포함되는 압전진동자들의 개수에 따라서 전력 생산량을 용이하게 조절할 수 있다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 하이브리드 구조의 에너지 하베스팅 시스템을 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 7을 참조하면, 인쇄회로기판 및 열전기판을 포함하는 단위 하베스팅 시스템 기판(400) 상부에, 막대 형태의 압전진동자(350)들이 매트릭스 어레이(Matrix Array) 구조로 배열된 것을 볼 수 있다.
이때, 본 발명에 따른 단위 하베스팅 시스템 구조의 사이즈 관계에 대한 일례를 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 단위 하베스팅 시스템 기판(400)의 폭(W) 및 길이(L)는 각각 5 ~ 20mm의 크기로 형성될 수 있으며, 압전진동자(350)의 평면 면적에 대한 폭(X) 및 길이(Y)는 각각 0.1 ~ 1mm의 크기로 형성될 수 있다.
여기서, 압전진동자(350)가 원기둥 형태로 형성되는 경우에는 그 직경이 0.1 ~ 1mm의 크기로 형성될 수 있으며, 그 길이는 15 ~ 25mm의 크기로 형성하는 것이 바람직하다.
그리고, 상기와 같은 매트릭스 어레이 구조로 압전진동자(350)를 배열하는 경우 각 압전진동자(350) 사이의 간격(S)을 0.1 ~ 1mm로 형성하는 것이 바람직하다.
이때, 상기 실시예에 대한 압전 성능을 시험한 결과 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.
도 8은 본 발명에 따른 에너지 하베스팅 시스템의 진동자 성능을 나타낸 그래프로서, 보다 구체적으로는 0.1mm 의 직경을 갖는 KCF사의 VPH100 모델 압전진동자를 이용하여 진동수를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
이때, 전력을 발생할 수 있는 진동수는 50 ~ 53,000Hz 이며, 이에 해당되는 압전진동자의 길이는 15 ~ 25mm에서 결정됨을 확인하였다.
아울러, 상기 압전진동자를 이용하면 1개의 진동자당 1 ~ 3mW의 전력이 발생함을 확인하였다.
따라서, 상기 도 7에서 설명한 바와 같은 압전 진동자를 100mm2의 면적에 매트릭스 어레이로 625개(25*25) 배열하여 집적화 할 경우 우수한 효율을 내는 하베스트 시스템을 구축할 수 있었다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 하이브리드 구조의 에너지 하베스팅 시스템은 미세한 고탄성의 압전진동자를 이용함으로써, 적은 외부 에너지를 받더라도 원하는 전력량을 쉽게 확보할 수 있다.
아울러, 본 발명은 바람의 영향이 적은 경우, 태양열과 같은 자연 에너지에 의해서도 발전이 일어날 수 있는 열전기판을 결합함으로써, 에너지 발생 효율을 더 향상시킬 수 있고, 그 활용성을 더 넓힐 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
100 : 고탄성진동자
110, 120 : 압전소자
130, 140, 340 : 금속패드
150, 170, 350 : 압전진동자
180 : 진동 공간
200, 230 : 인쇄회로기판
210, 240 : 열전기판
220, 250 : 베이스 기판
400 : 단위 하베스팅 시스템 기판
110, 120 : 압전소자
130, 140, 340 : 금속패드
150, 170, 350 : 압전진동자
180 : 진동 공간
200, 230 : 인쇄회로기판
210, 240 : 열전기판
220, 250 : 베이스 기판
400 : 단위 하베스팅 시스템 기판
Claims (18)
- 외부 에너지에 의해서 진동하며 전력을 발생시키는 복수개의 압전진동자;
상기 복수개의 압전진동자가 고정되며, 상기 압전진동자에서 발생된 전력을 채집하는 인쇄회로기판;
상기 인쇄회로기판의 하부에 결합되며, 상기 인쇄회로기판에서 발생되는 열 또는 외부열에 의해서 전력을 발생시키는 열전기판; 및
상기 열전기판의 하부에 부착되어 상기 인쇄회로기판 및 상기 열전기판을 보호하는 베이스 기판을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 구조의 에너지 하베스팅 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 압전진동자는
사각기둥 또는 원기둥 형태의 고탄성진동자;
상기 고탄성진동자의 표면에 형성된 압전소자; 및
상기 압전소자의 전력을 상기 인쇄회로기판에 전달하는 금속패드를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 구조의 에너지 하베스팅 시스템.
- 제2항에 있어서,
상기 고탄성진동자는
금속, 폴리머 및 세라믹 중 하나 이상의 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 하이브리드 구조의 에너지 하베스팅 시스템.
- 제2항에 있어서,
상기 압전소자는
PZT계, ZnO, 무연계 세라믹 및 이들을 포함하는 압전폴리머를 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 하이브리드 구조의 에너지 하베스팅 시스템.
- 제2항에 있어서,
상기 금속패드는
은(Ag), 구리(Cu), 금(Au) 및 알루미늄(Al) 중 하나 이상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 하이브리드 구조의 에너지 하베스팅 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 압전진동자는
길이 방향을 따라서 상기 인쇄회로기판에 수직 배열되거나, 수평 배열되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 구조의 에너지 하베스팅 시스템.
- 제6항에 있어서,
상기 압전진동자가 상기 인쇄회로기판에 수평 배열되는 경우,
상기 인쇄회로기판은 상기 압전진동자의 진동을 위한 진동 공간을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 구조의 에너지 하베스팅 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 압전진동자는
상기 인쇄회로기판에 매트릭스 어레이(Matrix Array) 구조로 배열되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 구조의 에너지 하베스팅 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 인쇄회로기판은
플렉서블 인쇄회로기판인 것을 특징으로 하는 하이브리드 구조의 에너지 하베스팅 시스템.
- 제9항에 있어서,
상기 플렉서블 인쇄회로기판은
폴리에틸렌(polyethylene; PE), 베이클라이트(bakelite), 네오프렌(neoprene), 나일론(nylon), 폴리 염화비닐(polyvinyl chloride; PVC), 폴리스티렌(polystyrene; PS), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 초고분자량 폴리에틸렌(ultra-high molecular weight polyethylene; UHMWPE), 에틸렌 비닐아세테이트(ethylene vinylacetate; EVA), 폴리비닐부틸랄(polyvinyl butyral; PVB), 폴리프로필렌(polypropylene; PP), 폴리사풀루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene), 폴리카보네이트(polycarbonate; PC), 폴리에틸렌 나프탈레이트(polyethylene naphthalate; PEN) 및 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate; PET) 중 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 구조의 에너지 하베스팅 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 열전기판은
금속 및 합성수지 중 하나 이상으로 이루어진 제1층상체와 반금속으로 이루어진 제2층상체의 적층 기판 것을 특징으로 하는 하이브리드 구조의 에너지 하베스팅 시스템.
- 제11항에 있어서,
상기 금속은
철(Fe), 은(Ag), 구리(Cu), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 금(Au), 백금(Pt), 크롬(Cr), 코발트(Co), 희토류 원소, 아연(Zn), 인듐(In), 납(Pb) 및 주석(Sn) 중 하나 이상인 것을 특징으로 하는 하이브리드 구조의 에너지 하베스팅 시스템.
- 제11항에 있어서,
상기 합성수지는
반방향족 폴리아미드 수지, 폴리올레핀계 수지, 폴리비닐계 수지, 아크릴계 수지, 아크릴로니트릴계 수지, 폴리우레탄계 수지 및 불소계 수지 및 엔지니어링 플라스틱 수지 중 하나 이상인 것을 특징으로 하는 하이브리드 구조의 에너지 하베스팅 시스템.
- 제11항에 있어서,
상기 반금속은
비스무트(Bi), 안티몬(Sb), 텔루르(Te) 및 셀렌(Se) 중 하나 이상인 것을 특징으로 하는 하이브리드 구조의 에너지 하베스팅 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 에너지 하베스팅 시스템은
상기 인쇄회로기판 및 상기 열전기판을 통하여 채집된 전력을 저장하는 배터리충전부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 구조의 에너지 하베스팅 시스템.
- 사각기둥 또는 원기둥 형태의 고탄성진동자 표면에 압전소자를 코팅하는 단계;
상기 압전소자의 표면에 금속패드를 형성하여, 상기 고탄성진동자, 압전소자 및 금속패드의 적층 구조로 이루어지는 압전진동자를 형성하는 단계;
복수개의 상기 압전진동자를 인쇄회로기판 상부에 수직 구조 또는 수평 구조로 배열하는 단계; 및
상기 인쇄회로기판의 하부에 전력 발생을 보조하는 열전기판을 결합시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 구조의 에너지 하베스팅 시스템 제조 방법.
- 제16항에 있어서,
상기 압전진동자가 상기 인쇄회로기판에 수평 구조로 배열되는 경우,
상기 인쇄회로기판에는 상기 압전진동자의 진동을 위한 진동 공간을 더 형성하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 구조의 에너지 하베스팅 시스템 제조 방법.
- 제16항에 있어서,
상기 인쇄회로기판 및 상기 열전기판의 외부로 연결되며,
상기 인쇄회로기판 및 상기 열전기판을 통하여 채집된 전력을 저장하는 배터리충전부를 더 형성하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 구조의 에너지 하베스팅 시스템 제조 방법.
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| US7479727B1 (en) | 2005-07-20 | 2009-01-20 | Winston Grace | Apparatus and method for pyroelectric and piezoelectric power generation and thermoelectric heat transfer |
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