KR101338392B1 - 압전 소자를 가지는 하이브리드 발전기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 내부에 적어도 2 이상의 수직 격벽(111)이 소정의 간격으로 이격되어 형성되고, 상부가 개방된 하우징(110); 상기 수직 격벽(111)의 일면에 형성되는 하부 전극(120); 상기 하부 전극(120)의 일면에 부착되는 압전 소자(130); 상기 압전 소자(130)의 일면에 부착되는 고분자 막(140); 상기 고분자 막(140)의 일면에 부착되는 상부 전극(150); 및 상기 수직 격벽(111)의 이면에 형성되는 금속 기판(160)을 포함하는 압전 소자를 가지는 하이브리드 발전기를 제공한다.

Description

압전 소자를 가지는 하이브리드 발전기{Hybrid Generator Having Piezoelectric Element}
본 발명은 압전 소자를 가지는 하이브리드 발전기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기계적 충격 강도가 우수하고, 압전 및 정전 방식을 사용하여 높은 전력을 생산 가능한 압전 소자를 가지는 하이브리드 발전기에 관한 것이다.
압전 소자(Piezoelectric element)는 외부로부터 인가되는 기계적 압력에 의하여 전압이 발생하고, 전압을 인가하면 기계적 변형이 생기는 압전 효과를 가지는 소자를 의미한다. 압전 소자는 외력을 가하면 전기 분극이 발생하여 전위차가 생기고, 반대로 전압을 가하면 변형이 생기는 성질을 가지기 때문에 스피커, 방송기기, 초음파 탐지기, 원거리 통신회로 등의 다양한 분야에 사용되고 있다.
최근 정보통신산업이 발달함에 따라 무선휴대장치의 사용이 급증하고 관련부품이 점차 소형화되고 있다. 이와 더불어 배터리 소모량을 줄이거나 배터리 없이 주위 외부 환경으로부터 얻을 수 있는 열, 진동, 태양광으로부터 전기에너지를 얻을 수 있는 자가 발전 소자에 대한 많은 연구 및 개발이 이루어지고 있다. 특히, 외부 환경으로부터 발생되는 진동 및 소음으로부터 전기에너지를 획득하고 이를 센서와 통신단에 전기를 공급하는 진동형 자가 발전 소자에 대하여 많은 연구가 진행중이고, 이러한 진동형 소자 중 압전 소자를 이용하여 외부 진동을 전기에너지로 변환하는 연구가 주목받고 있다.
이러한 연구의 일환으로, 대한민국 공개특허 특2000-0046065호 "휴대폰의 진동장치"는 통전성질을 갖는 판형 탄성체, 상기 탄성체에 설치되어 전류가 인가되면 고유 진동을 일으키는 판형 압전 소자, 상기 탄성체의 단에 설치되어 상기 압전 소자의 진동량을 배가시키는 진동자 및 상기 탄성체와 압전소자를 지지하는 베이스로 구성되어짐을 특징으로 하는 휴대용 단말기의 진동장치를 개시하고 있다.
이러한 압전형 진동 자가발전 장치의 구조와 관련하여, 도 1은 종래의 압전형 진동 자가발전장치의 모습을 개략적으로 나타낸 구성도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 압전형 진동 자가발전장치는 캔티레버(Cantilever) 형태로 구성된 것으로, 직사각형 형상의 압전소자(1)와 상기 압전소자(1)에 결합되는 무게추(4)를 포함하여 구성된다. 화살표와 같이 외부로부터 상하 진동이 발생하면 진동이 무게추(4)에 전달되어 압전소자(1)의 말단이 수축과 팽창을 반복하고, 이에 따라 압전소자(1)의 상단(2) 및 하단(3)으로부터 전기에너지가 발생한다. 이러한 전기에너지는 주로 교류이므로 이를 정류할 수 있는 다이오드 브릿지 회로(5)를 거쳐 저장용 캐패시터 또는 전지(6)에 상기 획득된 전기에너지를 저장한다. 따라서, 저장된 에너지는 센서 전원 또는 통신단 등에 필요한 에너지의 공급원으로 사용될 수 있다.
그러나, 상기 종래기술에 따른 압전형 진동 자가발전장치는 구조가 단순하고, 제작이 용이하다는 장점은 있으나, 통상적으로 압전 소자의 두께가 100~1,000 ㎛이므로 기계적 충격에 매우 취약하다는 단점이 있었다. 또한, 이러한 문제점에 의하여 사용할 수 있는 무게추(4)의 질량 범위도 매우 제한적이고, 큰 진동을 일으키기 위한 공진 주파수 영역도 매우 작아 높은 전력을 얻기 어려우며, 소형으로 제작하기가 어려워 상용성에 많은 문제점이 있었다.
이에 본 발명자들은 상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여, 기계적 충격 강도가 우수하고, 소형으로 제작될 수 있으며, 압전 및 정전 방식을 사용하여 높은 전력을 생산 가능한 압전 소자를 가지는 하이브리드 발전기를 개발하기에 이르렀다.
본 발명의 목적은 기계적 충격 강도가 우수한 압전 소자를 가지는 하이브리드 발전기를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 소형으로 제작될 수 있는 압전 소자를 가지는 하이브리드 발전기를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 압전 및 정전 방식을 사용하여 높은 전력을 생산 가능한 압전 소자를 가지는 하이브리드 발전기를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 상기 및 기타 목적들은 하기 설명되는 본 발명에 의하여 모두 달성될 수 있다.
본 발명에 따른 압전 소자를 가지는 하이브리드 발전기는, 내부에 적어도 2 이상의 수직 격벽(111)이 소정의 간격으로 이격되어 형성되고, 상부가 개방된 하우징(110); 상기 수직 격벽(111)의 일면에 형성되는 하부 전극(120); 상기 하부 전극(120)의 일면에 부착되는 압전 소자(130); 상기 압전 소자(130)의 일면에 부착되는 고분자 막(140); 상기 고분자 막(140)의 일면에 부착되는 상부 전극(150); 및 상기 수직 격벽(111)의 이면에 형성되는 금속 기판(160);을 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 수직 격벽에 형성된 금속 기판(160)은 상기 수직 격벽에 소정의 간격으로 이격되어 형성된 다른 수직 격벽의 상부 전극과 소정의 간격으로 이격되어 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 하우징(110)은 고분자 화합물로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 압전 소자(130)는 티탄산 바륨(BaTiO3), 티탄산연(PbTiO3) 및 티탄산지르콘산연(PbTiO3-PbZrO3)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 한다.
상기 고분자 막(140)은 에폭시(Epoxy) 막으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 고분자 막(140)은 폴리비닐리덴디플루오리드(Polyvinylidenedifluoride)막, 또는 내피온(Nafion)막을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 하부 전극(120)의 항복 강도는 압전 소자(130)의 항복 강도보다 더 큰 것을 특징으로 한다.
본 발명은 기계적 충격 강도가 우수하고, 소형으로 제작될 수 있으며, 압전 및 정전 방식을 사용하여 높은 전력을 생산 가능한 압전 소자를 가지는 하이브리드 발전기를 제공하는 발명의 효과를 가진다.
도 1은 종래의 압전형 진동 자가발전장치의 모습을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 압전 소자를 가지는 하이브리드 발전기의 모습을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 압전 소자를 가지는 하이브리드 발전기의 모습을 개략적으로 나타낸 확대 단면도이다.
도 4 (A)는 압력을 인가하기 전 본 발명에 따른 압전 소자를 가지는 하이브리드 발전기에 직류 전압을 인가한 모습을 개략적으로 나타낸 설명도이고, (B)는 압력을 인가한 후 본 발명에 따른 압전 소자를 가지는 하이브리드 발전기에서 발생되는 압전 및 정전 효과를 보여주는 설명도이다.
본 발명의 상기와 같은 목적, 특징 및 다른 장점들은 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명함으로써 더욱 명백해질 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 압전 소자를 가지는 하이브리드 발전기를 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 압전 소자를 가지는 하이브리드 발전기의 모습을 개략적으로 나타낸 단면도이고, 도 3은 본 발명에 따른 압전 소자를 가지는 하이브리드 발전기의 모습을 개략적으로 나타낸 확대 단면도이다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 압전 소자를 가지는 하이브리드 발전기는 내부에 수직 격벽(111)이 형성된 하우징(110), 하부 전극(120), 압전 소자(130), 고분자 막(140), 상부 전극(150) 및 금속 기판(160)을 포함하여 구성된다.
하우징(110)은 내부에 적어도 2 이상의 수직 격벽(111)이 소정의 간격으로 이격되어 형성되고, 상부가 개방되는 형태로 구성된다. 하우징(110)은 본 발명의 압전 소자를 가지는 하이브리드 발전기의 외장에 해당하기 때문에 그 소재와 관련하여 내구성 및 절연성이 우수한 고분자 화합물로 구성하는 것이 바람직하다. 또한, 수직 격벽(111)은 하우징(110)의 몸체 내부에 형성된 것으로, 적어도 2 이상의 수직 격벽(111)이 소정의 간격으로 이격되도록 배치하는 것이 바람직하고, 수직 격벽(111)의 수는 요구되는 전체 전력량 및 적용되는 물품의 종류를 고려하여 선택될 수 있다.
하부 전극(120)은 수직 격벽(111)의 일면에 형성되는 것으로, 금속으로 구성된 판 형상의 부재로 이루어지는 것이 바람직하다.
압전 소자(130)는 하부 전극(120)의 일면에 부착되는 것으로, 세라믹 소재의 압전 소자를 사용하고, 바람직하게는 티탄산 바륨(BaTiO3), 티탄산연(PbTiO3) 및 티탄산지르콘산연(PbTiO3-PbZrO3)으로 이루어지는 군으로부터 선택될 수 있다.
고분자 막(140)은 압전 소자(130)의 일면에 부착되는 것으로, 고분자 중 접착성, 내후성 및 내부식성이 우수한 에폭시(Epoxy) 소재로 이루어지는 것이 바람직하다. 또한, 상기 고분자 막(140)은 본 발명의 압전 소자를 가지는 하이브리드 발전기의 전체 전력량을 향상시키기 위하여 폴리비닐리덴디플루오리드(Polyvinylidenedifluoride: PVDF)막, 또는 내피온(Nafion)막을 더 포함하도록 구성될 수 있다. 폴리비닐리덴디플루오리드(PVDF)는 압전 효과가 우수하고, 내피온(Nafion)은 하기 화학식 1의 구조를 가지는 불소 수지계의 카티온 교환막으로, 프로톤 전도성이 존재하므로 본 발명의 고분자 막(140)에 결합되어 유용하게 사용될 수 있다.
화학식 1
Figure 112012106346939-pat00001
상부 전극(150)은 고분자 막(140)의 일면에 부착되는 것으로, 금속으로 구성된 판 형상의 부재로 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 금속 기판(160)은 하부 전극(120), 압전 소자(130), 고분자 막(140) 및 상부 전극(150)이 형성된 수직 격벽(111)의 면의 이면에 형성되는 것으로, 금속으로 구성된 판 형상의 부재로 이루어진다. 여기서, 수직 격벽(111)에 형성된 금속 기판(160)은 상기 수직 격벽(111)에 소정의 간격으로 이격되어 형성된 다른 수직 격벽의 상부 전극과 소정의 간격으로 이격되어 형성되고, 바람직하게는 외부에서 압력이 인가될 경우 수직 격벽(111)이 휘어지는 정도를 고려하여 최대 변형 각도에 따라 상부 전극(150)과 금속 기판(160)이 접촉하지 않는 충분한 거리로 이격되도록 배치한다.
본 발명의 압전 소자를 가지는 하이브리드 발전기는 외부 압력에 의해 하부 전극(120), 압전 소자(130), 고분자 막(140), 상부 전극(150) 및 금속 기판(160)에 변형이 발생하여도 압전 소자(130) 및 고분자 막(140)의 결합에 의해 압전 소자(130)의 파손 위험이 적고, 수직 격벽(111)을 포함하는 하우징(110)에 의한 완충 작용에 의하여 전체적으로 기계적 충격 강도가 우수하다는 이점을 갖는다.
도 4 (A)는 압력을 인가하기 전 본 발명에 따른 압전 소자를 가지는 하이브리드 발전기에 직류 전압을 인가한 모습을 개략적으로 나타낸 설명도이고, (B)는 압력을 인가한 후 본 발명에 따른 압전 소자를 가지는 하이브리드 발전기에서 발생되는 압전 및 정전 효과를 보여주는 설명도이다.
도 4 (A) 및 (B)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 압전 소자를 가지는 하이브리드 발전기는 하부 전극(120), 압전 소자(130), 고분자 막(140) 및 상부 전극(150)이 순차적으로 형성 내지 부착되고, 금속 기판(160)은 상기 상부 전극(150)에 대하여 소정의 간격으로 이격되어 형성된다. 여기서, 상부 전극(150)과 금속 기판(160)에 직류 전압을 인가하게 되면, 상부 전극(150)과 금속 기판(160)에 각각 전류가 발생한다.
그 후, 화살표 방향으로 압력을 인가하게 되면, 하부 전극(120), 압전 소자(130), 고분자 막(140) 및 상부 전극(150)은 벤딩(Bending)에 의하여 상부 전극(150)과 금속 기판(160)의 간격이 좁아지게 되면서 상부 전극(150)과 금속 기판(160) 사이에서 교류 전압 및 전류가 발생하게 된다. 또한, 압전 소자(130) 내부에서도 상기 벤딩에 의하여 교류 전압 및 전류가 발생한다. 즉, 상부 전극(150)과 금속 기판(160)의 사이에서 정전 방식의 발전이 이루어지고, 압전 소자(130)에 의해 압전에 의한 발전이 이루어진다. 이 과정에서 본 발명의 압전 소자를 가지는 하이브리드 발전기의 내구성 및 안전성을 향상시키기 위하여 하부 전극(120)의 항복 강도가 압전 소자(130)의 항복 강도보다 더 크게 구성하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 압전 소자를 가지는 하이브리드 발전기는 구조가 단순하고, 소형으로 구성할 수 있으며, 수직 격벽 내부에 형성되는 세라믹 소재의 압전 소자와 고분자 막을 동시에 사용하기 때문에 안전성 및 전력량이 우수하여 패드, 신발 뒷굽 등 외부 압력을 발생시키는 일상 용품의 부품으로 사용할 경우 유용한 하이브리드 발전기로 사용될 수 있다는 이점을 갖는다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하고, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
110: 하우징 111: 수직 격벽
120: 하부 전극 130: 압전 소자
140: 고분자 막 150: 상부 전극
160: 금속 기판

Claims (7)

  1. 내부에 적어도 2 이상의 수직 격벽(111)이 소정의 간격으로 이격되어 형성되고, 상부가 개방된 하우징(110);
    상기 수직 격벽(111)의 일면에 형성되는 하부 전극(120);
    상기 하부 전극(120)의 일면에 부착되는 압전 소자(130);
    상기 압전 소자(130)의 일면에 부착되는 고분자 막(140);
    상기 고분자 막(140)의 일면에 부착되는 상부 전극(150); 및
    상기 수직 격벽(111)의 이면에 형성되는 금속 기판(160);을 포함하고,
    상기 금속 기판(160)은 상기 수직 격벽에 소정의 간격으로 이격되어 형성된 다른 수직 격벽의 상부 전극과 소정의 간격으로 이격되어 형성되는 것을 특징으로 하는 압전 소자를 가지는 하이브리드 발전기.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 하우징(110)은 고분자 화합물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 압전 소자를 가지는 하이브리드 발전기.
  4. 제1항에 있어서, 상기 압전 소자(130)는 티탄산 바륨(BaTiO3), 티탄산연(PbTiO3) 및 티탄산지르콘산연(PbTiO3-PbZrO3)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 압전 소자를 가지는 하이브리드 발전기.
  5. 제1항에 있어서, 상기 고분자 막(140)은 에폭시(Epoxy) 막으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 압전 소자를 가지는 하이브리드 발전기.
  6. 제5항에 있어서, 상기 고분자 막(140)은 폴리비닐리덴디플루오리드(Polyvinylidenedifluoride)막, 또는 내피온(Nafion)막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 소자를 가지는 하이브리드 발전기.
  7. 제1항에 있어서, 상기 하부 전극(120)의 항복 강도는 압전 소자(130)의 항복 강도보다 더 큰 것을 특징으로 하는 압전 소자를 가지는 하이브리드 발전기.
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