KR101163514B1 - 전단모드 압전에너지 수확장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전단모드 압전소자에서 전기 에너지를 획득할 수 있는 전단모드 압전에너지 수확장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 수직방향의 압력을 수평방향으로 전환시켜 전단모드 압전소자로부터 전기 에너지를 획득하도록 하는 전단모드 압전에너지 수확장치에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 전단모드 압전에너지 수확장치는, 전단모드로 동작하는 압전소자; 및 상기 압전소자의 상면 및 하면에 각각 부착되며, 수직방향의 압력을 수평방향으로 전환하여 상기 압전소자로 전달하는 상부 및 하부 금속체를 포함하되, 상기 상부 금속체는 수직방향의 압력을 상기 압전소자의 상면의 일측 수평방향으로 전달하고, 상기 하부 금속체는 수직방향의 압력을 상기 압전소자의 하면의 타측 수평방향으로 전달하는 것을 특징으로 한다.

Description

전단모드 압전에너지 수확장치{APPARATUS FOR GATHERING PIEZO ELECTRICITY OF SHEAR MODE}
본 발명은 전단모드 압전소자에서 전기 에너지를 획득할 수 있는 전단모드 압전에너지 수확장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 수직방향의 압력을 수평방향으로 전환시켜 전단모드 압전소자로부터 전기 에너지를 획득하도록 하는 전단모드 압전에너지 수확장치에 관한 것이다.
최근 들어 환경문제와 에너지 절감 문제에 대해 정부의 강력한 정책 아래 관련 산업체에서 많은 관심을 기울이고 있으며, 신 재생에너지에 대한 연구개발에 대해 전 세계적으로 큰 관심이 집중되고 있다. 따라서, 풍력, 태양 및 지열 에너지 등의 여러 분야에서 많은 연구 및 투자가 이루어지고 있다.
이러한 신 재생에너지 중에서 산업현장의 설비 진동 또는 대형 구조물의 진동을 전기에너지로 바꾸기 위한 많은 시도가 이루어지고 있다. 자기력을 이용하거나 압전 특성을 이용한 에너지 수확소자들이 바로 그것이다.
특히, 압전에너지 수확소자는 자기에너지 수확소자에 비해 효율이 높고, 제조가 간단하기 때문에 많이 응용되고 있다. 이들에 의해 수확되는 에너지는 용량이 큰 에너지라기보다는 모바일 기기나 현장에 설치된 센서의 구동에 사용되는 적은 용량의 에너지 수확을 목표로 하는 것이 대부분이다.
이러한 압전에너지 수확소자는 여러 종류가 있으나, 효율이 높고 가장 널리 사용되고 있는 것은 메탈-세라믹 에너지 수확소자이다.
도 1(a)은 종래의 경방향(radial)모드 압전에너지 수확장치(10)의 구성을 도시하는 도면이다. 종래의 경방향모드 압전에너지 수확장치(10)에서 압전소자(11)는 경방향모드로 동작을 하며, 두 개의 압전소자(11)가 상, 하로 부착될 수 있다. 경방향모드 압전소자(11)는 수평방향으로 압력이 주어지면 수직방향으로 분극이 발생한다. 상부 및 하부 압전소자(11)의 상하면에 각각 부착된 금속체(12)에 대해 수직방향으로 압력이 가해지면, 금속체(12)는 이를 수평방향으로 전환하여 압전소자(11)로 전달한다. 수평방향 압력으로 인해, 상부 압전소자의 상,하면, 하부 압전소자의 상,하면에 각각 (+), (-)전하가 발생한다. 도 1(b)는 종래의 경방향모드 압전에너지 수확장치(10)의 압전소자(11)를 도시하는 평면도이다. 상부 및 하부 금속체(12)에 대해 수직방향으로 압력이 가해지면, 도 1(b)의 화살표와 같이 수평방향으로 압력이 전달된다.
도 2는 종래의 가로방향(transverse)모드 압전에너지 수확장치(20)를 도시하는 도면이다. 가로방향모드 압전소자(21)는 수평방향의 압력이 주어졌을 때, 수직방향으로 분극이 발생한다. 종래의 가로방향모드 압전에너지 수확장치(20)는 종래의 경방향모드 압전에너지 수확장치(10)와 마찬가지로 상부 및 하부 금속체(22)가 수직방향의 압력을 수평방향으로 전환하여 압전소자(21)로 전달하고, 압전소자(21)는 이 압력에 의해 수평방향으로 전하를 발생시킨다.
종래의 경방향모드 및 가로방향모드 압전소자에 비해 전단모드 압전소자의 효율이 뛰어남에도 이에 대한 에너지 수확장치가 존재하지 않아 이에 대한 기술적 해결이 요구되었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 에너지 변환효율이 높은 전단모드 압전소자로부터 전기에너지를 획득하여 에너지 절감 문제를 해결하는데 효과적인 전단모드 압전에너지 수확장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전단모드 압전에너지 수확장치는,
전단모드로 동작하는 압전소자; 및 상기 압전소자의 상면 및 하면에 각각 부착되며, 수직방향의 압력을 수평방향으로 전환하여 상기 압전소자로 전달하는 상부 및 하부 금속체를 포함하되, 상기 상부 금속체는 수직방향의 압력을 상기 압전소자의 상면의 일측 수평방향으로 전달하고, 상기 하부 금속체는 수직방향의 압력을 상기 압전소자의 하면의 타측 수평방향으로 전달하는 것을 특징으로 한다.
상기 상부 및 하부 금속체는, 상기 상부 및 하부 금속체의 일단 방향으로 치우쳐 꺽여있고, 상기 일단이 상기 압전소자의 상면 및 하면과 각각 평행하게 접하며, 상기 상부 및 하부 금속체의 타단은 상기 압전소자의 상면 및 하면과 각각 일정한 각도를 이루는 것을 특징으로 한다.
상기 전단모드 압전에너지 수확장치는, 상기 상부 및 하부 금속체의 타단과 이에 각각 접하는 상기 압전소자의 상면 및 하면 사이에 구비되어, 상기 상부 및 하부 금속체와 상기 압전소자를 각각 고정하는 상부 및 하부 고정쐐기를 더 포함할 수 있다.
상기와 같은 구성으로 인해, 상부 및 하부 금속체가 압전소자의 상면 및 하면의 한쪽 수평방향으로만 압력을 전달하여 전단모드 압전소자로부터 전기에너지를 획득할 수 있다.
또한, 경방향모드 및 가로방향모드 압전소자보다 에너지 효율이 뛰어난 전단모드 압전소자를 이용함으로써, 에너지 문제를 해결하는데 효과적이다.
도 1(a)는 종래의 경방향모드 압전에너지 수확장치의 구성을 도시하는 도면이다.
도 1(b)는 종래의 경방향모드 압전에너지 수확장치의 압전소자에서 압력의 방향을 도시하는 평면도이다.
도 2는 종래의 가로방향모드 압전에너지 수확장치의 구성을 도시하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전단모드 압전에너지 수확장치의 구성을 도시하는 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전단모드 압전에너지 수확장치의 구성을 도시하는 정면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 예시적인 실시예를 통해 본 발명을 상세히 설명하기로 하며, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지의 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략될 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전단모드 압전에너지 수확장치(100)의 구성을 도시하는 사시도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전단모드 압전에너지 수확장치(100)는 전단모드의 압전소자(110), 상부 및 하부 금속체(120) 및, 상부 및 하부 고정쐐기(130)를 포함한다.
전단모드 압전소자(110)는 수평방향의 압력이 존재하는 경우, 수평방향으로 분극을 발생시키는 압전소자(110)이다. 압전소자(110)의 상면 및 하면에는 전극이 구비될 수 있다.
상부 및 하부 금속체(120)는 각각 압전소자(110)의 상면 및 하면에 위치된다. 상부 및 하부 금속체(120)는 수직방향의 압력을 수평방향으로 전환하여 압전소자(110)로 전달한다. 그러나, 압전소자(110)가 전단모드로 동작을 하여야 하기 때문에, 상부 금속체(120)는 수직방향의 압력을 압전소자(110)의 상면의 일측 수평방향으로만 전달하고, 하부 금속체(120)는 수직방향의 압력을 압전소자(110)의 하면의 타측 수평방향으로만 전달한다.
상부 및 하부 금속체(120)가 압전소자(110)의 상면 및 하면의 한쪽 방향으로만 압력을 전달하기 위해, 상부 및 하부 금속체(120)는 상부 및 하부 금속체(120)의 일단 방향으로 치우쳐서 꺽여있다. 또한, 상부 및 하부 금속체(120)의 일단이 압전소자(110)의 상면 및 하면과 각각 평행하게 접하고, 타단은 압전소자(110)의 상면 및 하면과 각각 일정한 각도를 이룸으로써, 상부 및 하부 금속체(120)의 일단 방향으로만 압력을 전달할 수 있다. 즉, 상부 금속체(120)와 하부 금속체(120)는 180도 회전 대칭을 이루는 형상을 가진다.
상부 및 하부 금속체(120)를 압전소자(110)에 고정시키기 위해 상부 및 하부 고정쐐기(130)가 구비된다. 상부 및 하부 고정쐐기(130)는, 압전소자(110)의 상면 및 하면에 대해 각각 일정한 각도를 이루는 상부 및 하부 금속체(120)의 타단과 이에 각각 접하는 압전소자(110)의 상면 및 하면 사이에 구비되어 이들을 고정시킨다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전단모드 압전에너지 수확장치(100)의 구성을 도시하는 정면도이다.
도 4를 참조하면, 수직방향의 압력이 가해졌을 때, 압전소자(110)의 상면 및 하면과 각각 평행하게 접하는 상부 및 하부 금속체(120)의 일단 방향으로 압력이 전달된다. 이에 의해, 도 4에서 점선으로 도시된 바와 같이, 압전소자(110)는 평행사변형 형상이 되도록 압력을 받고, 수평방향의 분극을 발생시킨다. 압전소자(110)의 양 측면에 외부 전극을 부착시키면, 압전소자(110)의 전기에너지를 획득할 수 있다.
이상, 본 발명을 상기 실시예를 들어 설명하였으나, 본 발명은 이에 제한되는 것이 아니다. 당업자라면 본 발명의 취지 및 범위를 벗어나지 않고 수정, 변경을 할 수 있으며 이러한 수정과 변경 또한 본 발명에 속하는 것임을 알 수 있을 것이다.
10: 종래의 경방향모드 압전에너지 수확장치
11: 경방향모드 압전소자
12: 상부 및 하부 금속체
20: 종래의 가로방향모드 압전에너지 수확장치
21: 가로방향모드 압전소자
22: 상부 및 하부 금속체
100: 전단모드 압전에너지 수확장치
110: 전단모드 압전소자
120: 상부 및 하부 금속체
130: 상부 및 하부 고정쐐기

Claims (3)

  1. 전단모드로 동작하는 압전소자; 및
    상기 압전소자의 상면 및 하면에 각각 부착되며, 수직방향의 압력을 수평방향으로 전환하여 상기 압전소자로 전달하는 상부 및 하부 금속체를 포함하되,
    상기 상부 금속체는 수직방향의 압력을 상기 압전소자의 상면의 일측 수평방향으로 전달하고, 상기 하부 금속체는 수직방향의 압력을 상기 압전소자의 하면의 타측 수평방향으로 전달하고,
    상기 상부 및 하부 금속체는, 상기 상부 및 하부 금속체의 일단 방향으로 치우쳐 꺽여있고, 상기 일단이 상기 압전소자의 상면 및 하면과 각각 평행하게 접하며, 상기 상부 및 하부 금속체의 타단은 상기 압전소자의 상면 및 하면과 각각 일정한 각도를 이루는 것을 특징으로 하는 전단모드 압전에너지 수확장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 전단모드 압전에너지 수확장치는,
    상기 상부 및 하부 금속체의 타단과 이에 각각 접하는 상기 압전소자의 상면 및 하면 사이에 구비되어, 상기 상부 및 하부 금속체와 상기 압전소자를 각각 고정하는 상부 및 하부 고정쐐기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전단모드 압전에너지 수확장치.

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