KR101294359B1 - 양단 고정형 압전박막 구조체 - Google Patents

양단 고정형 압전박막 구조체 Download PDF

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Abstract

본 발명은 양단 고정형 압전박막 구조체에 관한 것으로서, 일측 끝단이 고정되고 타측 끝단은 받쳐지지 않는 상태의 외팔보로 구성된 압전체(110); 및 압전체(110)의 일측으로부터 소정거리 이격된 상부에 구비되는 양단지지형 빔(120);을 포함한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 압전체의 고정단 끝부분에 써스팬드구조의 양단지지형 빔을 설치하여 압전방식으로 진동에너지를 변환함으로써, 압전소자의 발전효율을 증대시키고, 버클링에서 포스트 버클링이 발생되지 않음에 따라 압전소자의 발전효율을 증대시키는 효과가 있다.

Description

양단 고정형 압전박막 구조체{PIEZOELECTRIC FILM STRUCTURE BODY OF BOTH ENDS FIXED TYPE}
본 발명은 양단 고정형 압전박막 구조체에 관한 것으로 더욱 상세하게는, 캔틸레버구조에 압전재료를 부착한 구조가 아닌, 써스팬드구조의 양단 지지형 빔을 구성하여 압전소자의 발전효율을 증대시키는 기술에 관한 것이다.
일반적으로 압전방식의 발전소자는 주로 캔틸레버구조의 특정부위에 압전소재를 부착한 캔틸레버 타입의 압전소자로 구성된다.
대한민국 공개특허 제10-2007-0026149호(캔틸레버 및 검사장치)에는 검사장치에 고정되는 기초부와, 기초부로부터 돌출하여 형성된 빔부와, 상기빔부의 선단에 고정된 탐침을 가지는 캔틸레버에 있어서, 탐침은, 카본 나노튜브이고, 탐침은 캔틸레버의 사용시에 시료가 고정되는 방향으로 돌출하는 상태에서 적어도 2방향으로부터 금속층에 의하여 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 캔틸레버의 구조가 개시되어 있다.
그러나, 이러한 캔틸레버 구조의 경우, 응력분포의 불균일성 등으로 일부 에너지 손실이 발생하는 문제점이 있으며, 고주파수를 필요로 하기 때문에 주변의 진동원의 사용이 어렵다는 단점이 있다.
이에 따라 본 발명에서는 캔틸레버구조에 압전재료를 부착한 구조가 아닌, 써스팬드구조의 양단 지지형 빔을 구성하여 압전소자의 발전효율을 증대시키는 기술을 제안한다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 압전체의 고정단 끝부분에 써스팬드구조의 양단지지형 빔을 설치하여 압전방식으로 진동에너지를 변환함으로써, 압전소자의 발전효율을 증대시키는데 그 목적이 있다.
이러한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 양단 고정형 압전박막 구조체는, 일측 끝단이 고정되고 타측 끝단은 받쳐지지 않는 상태의 외팔보로 구성된 압전체(110); 및 압전체(110)의 일측으로부터 소정거리 이격된 상부에 구비되는 양단지지형 빔(120);을 포함한다.
또한, 압전체(110)는, 외팔보로 구성되어 스틸, 플라스틱, PDMS(polydimethylsiloxane) 또는 실리콘 중에 어느 하나의 재질로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 양단지지형 빔(120)은, 압전체(110)의 일측으로부터 소정거리 이격된 상단에 양단을 지지하는 지지부(121); 및 지지부(121) 각각을 연결하도록 그 상측에 구비된 빔(122);을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 양단지지형 빔(120)은, 압전체(110)로부터 기계적 충격을 인가받아 기계에너지를 전기에너지로 변환하되, 전기에너지로의 변환을 응력에 비례하여 변환시키 위해 압전재료로 구성되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 압전재료는, 탈탄산 리튬, 니오브산 리륨, PZT(지르코산 티탄산연)계 세라믹스, 티탄산 바륨, 불소수지폴리머(Polyviny-lidene Fluoride, PVDF) 또는 PMN-PT 중에 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 압전체의 고정단 끝부분에 써스팬드구조의 양단지지형 빔을 설치하여 압전방식으로 진동에너지를 변환함으로써, 압전소자의 발전효율을 증대시키는 효과가 있다.
그리고, 본 발명에 따르면, 버클링에서 포스트 버클링이 발생되지 않음에 따라 압전소자의 발전효율을 증대시키는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 양단 고정형 압전박막 구조체를 도시한 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 양단 고정형 압전박막 구조체의 진동발생 예를 도시한 도면.
도 3은 본 발명에 따른 양단 고정형 압전박막 구조체와 종래의 캔틸레버를 도시한 도면.
도 4는 본 발명에 따른 양단 고정형 압전박막 구조체와 종래의 캔틸레버의 발전량을 도시한 도면.
도 5는 본 발명에 따른 양단 고정형 압전박막 구조체를 어레이로 구성한 것을 도시한 도면.
본 발명의 구체적인 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에 관련된 공지 기능 및 그 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 구체적인 설명을 생략하였음에 유의해야 할 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 양단 고정형 압전박막 구조체(100)는, 일측 끝단이 고정되고 타측 끝단은 받쳐지지 않는 상태의 외팔보로 구성된 압전체(110) 및 상기 압전체(110)의 일측으로부터 소정거리 이격된 상부에 구비되는 양단지지형 빔(120)을 포함하여 구성된다.
구체적으로, 압전체(110)는 외팔보로 구성되어 스틸, 플라스틱, PDMS(polydimethylsiloxane) 또는 실리콘 중에 어느 하나의 재질로 구성될 수 있으며, 특정 재질에 국한되지 않는다.
또한, 압전체(110)는 기계적 변위가 발생될 수 있는 모든 부위에 적용이 가능하며, 내부 응력 인장력 또는 압축력이 발생되는 어느 하나의 기계적 구조물이며, 이 구조물은 캔틸레버(cantilever)를 포함할 수 있다.
또한, 양단지지형 빔(120)은 상기 압전체(110)의 일측으로부터 소정거리 이격된 상단에 양단을 지지하는 지지부(121)를 구성하고, 지지부(121) 각각을 연결하도록 그 상측에 구비된 빔(122)으로 구성된다.
이때, 빔(122)은 지지부(121) 각각과 연결되되, 그 중심부가 상측을 향해 소정길이 돌출되어 평평하게 또는 라운드지게 구성될 수 있다.
또한, 양단지지형 빔(120)은 압전체(110)로부터 기계적 충격을 인가받아 기계에너지를 전기에너지로 변환하되, 전기에너지로의 변환을 응력에 비례하여 변환시키 위해 압전재료로 구성된다.
이때, 압전재료는 탈탄산 리튬, 니오브산 리륨, PZT(지르코산 티탄산연)계 세라믹스, 티탄산 바륨, 불소수지폴리머(Polyviny-lidene Fluoride, PVDF) 또는 PMN-PT 중에 어느 하나로 구성될 수 있으나, 본 발명이 이에 국한되는 것은 아니다.
또한, 본 발명에 따른 압전체(110)는 상측으로 구동하는 경우, 양단지지형 빔(120)이 양쪽으로 받는 큰 축 응력에 따라 발생되는 버클링 또는 포스트 버클링 현상에 의해 에너지 변환이 이루어지게 된다.
여기서, 버클링이란, 빔의 불안정성을 유발하는 임계점을 의미하며, 포스트 버클링은 버클링이 발생한 이후 과정을 의미한다.
또한, 버클링 현상이 일어날 때 양단지지형 빔(120)에 최대의 응력이 발생하게 되며, 양단지지형 빔(120)을 압전재료로 구성함으로써, 최대의 에너지 효율이 발생하게 된다.
이에 따라, 본 발명에 따른 양단 고정형 압전박막 구조체(100)의 압전체(110)는 특정 부위에 압전재료를 접합한 샌드위치 구조에 비하여 2배에 가까운 높은 발전량을 가지게 된다.
또한, 단순히 피크 출력전압이 높은 구조체가 아닌 에너지 밀도가 높은 구조체인바, 주변의 진동에너지를 효율적으로 전기에너지로 전환하여 별전효율을 증대시킬 수 있다.
아울러, 다양한 길이를 갖는 구조체의 Array로 단일 공진형 피크를 가지는 발전소자의 경우보다, 외부 진동 주파수에 대해 감응하는 주파수 대역을 높일 수 있고, 출력 향상도 기해할 수 있으며, 어레이로 제작한 구조체는 낮은 주파수 대역에서 구동이 가능함으로써, 특별한 진동원이 아닌 주변 진동원의 이용에 용이함에 따라 에너지 전환 효율의 기대치를 향상시킬 수 있다.
그리고, 본 발명에 따른 양단 고정형 압전박막 구조체(100)는 단순히 피크출력전압이 높은 구조체가 아닌, 에너지 밀도가 높은 구조체로 제작되어 포스트버클링 발생을 억제하는 구조를 갖는다.
본 발명의 압전체(110)는 그 하부 끝단에 mass를 집적한 구조로 구성되며, 이 구조는 mass가 압전체(110)의 구동 시 상부에 대한 변위를 감소시키는 기능을 수행함으로써, 포스트버클링 발생을 억제하게 되고, 이에 따라 에너지 발전효율을 증대시키게 된다.
한편, 도 2를 참조하여 본 발명에 따른 양단 고정형 압전박막 구조체(100)의 진동발생 예에 대해 살피면 아래와 같다.
도 2에 도시된 바와 같이, 양단지지형 빔(120)이 집적화된 압전체(110)를 진동원으로 구동시 인가된 쇼크의 증폭에 따라 출력파형이 변화를 가지게 되며, 버클링이 발생하기 전에는 일정한 싸인파를 갖는 출력파형을 나타내지만, 계속하여 쇼크를 증폭할 경우 버클링 임계점에서 출력이 증폭되는 것을 확인할 수 있다.
또한, 이 임계점 이후부터 포스트버클링 현상에 의해 파형이 변화하는 것을 알 수 있다.
즉, 포스트 버클링구조는 높은 피크 출력전압을 나타내지만 에너지 밀도가 낮음으로 인해, 발전효율 측면에서는 에너지 하베스팅에 적합하지 않은 것을 알 수 있다.
그리고, 도 3 내지 도 5를 참조하여 본 발명에 따른 양단 고정형 압전박막 구조체(100)의 포스트버클링 현상 억제를 위한 실험결과를 살피면 아래와 같다.
먼저, 도 3에 도시된 바와 같이, 스틸, 플라스틱, PDMS 또는 실리콘 등 다양한 재질의 압전체(110)의 동일한 위치 상단에 양단지지형 빔(120)을 구성하고, 하단에는 샌드위치의 집적화한 구조체를 구성하였다.
실험결과, 도 4에 도시된 바와 같이, 종래의 단순 캔틸레버의 특정부위에 압전재료를 적합한 샌드위치 구조에 비해 2배에 가까운 높은 발전량을 도출하였다.
또한, 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 양단 고정형 압전박막 구조체(100)의 길이에 변화를 주어 다양한 공진주파수를 갖는 구조체 어레이를 제작하여 주변에서 발생하는 진동원의 에너지 변환율 도출을 위한 실험을 수행하였다.
실험결과, 다양한 주파수 대역에서 우수한 에너지 효율 도출결과를 확인하였고, 에너지 발전 효율 테스트 결과 종래의 구조체에 비해 우수한 발전효율을 갖는 것이 증명되었다.
이상으로 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것이 아니며, 기술적 사상의 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등 물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
100: 양단 고정형 압전박막 구조체
110: 압전체 120: 양단지지형 빔
121: 지지부 122: 빔

Claims (5)

  1. 일측 끝단이 고정되고 타측 끝단은 받쳐지지 않는 상태의 외팔보로 구성된 압전체(110); 및
    상기 압전체(110)의 일측으로부터 소정거리 이격된 상부에 구비되는 양단지지형 빔(120);을 포함하는 것을 특징으로 하는 양단 고정형 압전박막 구조체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 압전체(110)는,
    외팔보로 구성되어 스틸, 플라스틱, PDMS(polydimethylsiloxane) 또는 실리콘 중에 어느 하나의 재질로 구성되는 것을 특징으로 하는 양단 고정형 압전박막 구조체.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 양단지지형 빔(120)은,
    상기 압전체(110)의 일측으로부터 소정거리 이격된 상단에 양단을 지지하는 지지부(121); 및
    상기 지지부(121) 각각을 연결하도록 그 상측에 구비된 빔(122);을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 양단 고정형 압전박막 구조체.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 양단지지형 빔(120)은,
    상기 압전체(110)로부터 기계적 충격을 인가받아 기계에너지를 전기에너지로 변환하되,
    전기에너지로의 변환을 응력에 비례하여 변환시키 위해 압전재료로 구성되는 것을 특징으로 하는 양단 고정형 압전박막 구조체.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 압전재료는,
    탈탄산 리튬, 니오브산 리륨, PZT(지르코산 티탄산연)계 세라믹스, 티탄산 바륨, 불소수지폴리머(Polyviny-lidene Fluoride, PVDF) 또는 PMN-PT 중에 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 양단 고정형 압전박막 구조체.
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