KR101366066B1 - 압전 하베스팅 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 실시예에 따른 압전 하베스팅 시스템은, 압전 물질로 제조되는 압전체; 및 압전체가 장착되며, 일측이 고정부에 의해 고정되는 금속 플레이트;를 포함하며, 압전체 및 금속 플레이트 중 적어도 어느 하나는 고정부에 의해 고정된 부분에서 멀어질수록 두께가 얇아지는 형상을 가질 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 금속 플레이트를 타격하여 집중 하중을 가하더라도 금속 플레이트 또는 압전체의 형상에 의해 집중 하중을 골고루 분산시킬 수 있으며, 따라서 금속 플레이트에 부착된 압전체에 균일한 힘을 가할 수 있어 전기에너지의 발생 효율을 증가시킬 수 있다.
Description
압전 하베스팅 시스템이 개시된다. 보다 상세하게는, 금속 플레이트를 타격하여 집중 하중을 가하더라도 금속 플레이트 또는 압전체의 형상에 의해 집중 하중을 골고루 분산시킬 수 있으며, 따라서 금속 플레이트에 부착된 압전체에 균일한 힘을 가할 수 있어 전기에너지의 발생 효율을 증가시킬 수 있는 압전 하베스팅 시스템이 개시된다.
최근 자연의 에너지 사용 비중이 꾸준히 늘어나고 있으며 발전량의 크기도 점점 대형화되고 있어 이를 위한 발전 시스템의 용량도 점점 늘어나고 있다. 일반적인 신재생의 에너지 발전, 태양광이나 풍력 발전의 경우 불규칙한 자연에너지로 인하여 발전량이 안정적이지 못하고 사람들로부터 멀리 떨어진 곳에 설치하여야 되는 문제가 있어 추가적인 발전 시스템이 고려되고 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 여러 형태의 분산전원으로서 초전도 발전 시스템이 고려되고 있으나, 신재생 에너지의 발전 효율 등을 고려할 때, 압전 발전 시스템의 개발이 진행 중이다.
한편, 최근 신재생 에너지 중에서도 비교적 미세한 에너지에서 재생 에너지로 사용할 수 있는 압전 에너지 하베스팅이 연구되고, 또한 산업화에 많은 관심이 모아지고 있다.
압전 에너지 하베스팅에 있어서 압전체에 걸리는 힘을 이용하여 전기에너지를 생성할 수 있는데, 이 때 압전체 발전량을 증가시키기 위해서는 압전체에 걸리는 힘을 균일하게 분산시키는 것이 좋다. 따라서 이에 대한 연구가 요구된다.
본 발명의 실시예에 따른 목적은, 금속 플레이트를 타격하여 집중 하중을 가하더라도 금속 플레이트 또는 압전체의 형상에 의해 집중 하중을 골고루 분산시킬 수 있으며, 따라서 금속 플레이트에 부착된 압전체에 균일한 힘을 가할 수 있어 전기에너지의 발생 효율을 증가시킬 수 있는 압전 하베스팅 시스템을 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 실시예에 따른 다른 목적은, 금속 플레이트에 집중 하중이 발생되는 것을 방지할 수 있어 금속 플레이트에 변형이 발생되거나 파손되는 것을 방지할 수 있고, 집중 하중을 방지함으로써 종래에 비해 상대적으로 큰 힘으로 타격을 가할 수 있어 전기에너지 발생량을 증대시킬 수 있는 압전 하베스팅 시스템을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 다른 목적은, 발전량의 크기는 유지하면서 압전체 또는 금속 플레이트의 크기를 줄일 수 있기 때문에 경량화 및 비용 감소를 구현할 수 있는 압전 하베스팅 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 압전 하베스팅 시스템은, 압전 물질로 제조되는 압전체; 및 상기 압전체가 장착되며, 일측이 고정부에 의해 고정되는 금속 플레이트;를 포함하며, 상기 압전체 및 상기 금속 플레이트 중 적어도 어느 하나는 상기 고정부에 의해 고정된 부분에서 멀어질수록 두께가 얇아지는 형상을 가질 수 있으며, 이러한 구성에 의해서, 금속 플레이트를 타격하여 집중 하중을 가하더라도 금속 플레이트 또는 압전체의 형상에 의해 집중 하중을 골고루 분산시킬 수 있으며, 따라서 금속 플레이트에 부착된 압전체에 균일한 힘을 가할 수 있어 전기에너지의 발생 효율을 증가시킬 수 있다.
일측에 의하면, 상기 금속 플레이트는 상기 고정부에 일측이 결합되는 외팔보 타입으로 마련되며, 상기 금속 플레이트는 상기 고정부에 고정된 고정단으로부터 자유단 방향으로 갈수록 두께가 작아지는 형상을 가질 수 있다.
일측에 의하면, 상기 금속 플레이트의 상면은 수평하게 형성되고 상기 금속 플레이트의 하면은 상기 자유단 방향으로 갈수록 상방으로 경사지게 마련될 수 있다.
일측에 의하면, 상기 금속 플레이트의 상기 자유단에는 타격 지점이 위치하며, 상기 자유단의 두께는 상기 자유단과 연결되는 상기 금속 플레이트의 두께에 비해 상대적으로 두껍게 형성될 수 있다.
일측에 의하면, 상기 압전체는 상기 금속 플레이트가 결합되는 고정 부분에서 멀어질수록 두께가 감소되는 형상을 가질 수 있다.
일측에 의하면, 상기 압전체는 세라믹(ceramic) 소재 또는 폴리머(polymer) 소재 또는 세라믹, 폴리머가 조합된 소재로 제작되며, 상기 금속 플레이트는 스테인리스 스틸(stainless steel) 재질로 제작될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 금속 플레이트를 타격하여 집중 하중을 가하더라도 금속 플레이트 또는 압전체의 형상에 의해 집중 하중을 골고루 분산시킬 수 있으며, 따라서 금속 플레이트에 부착된 압전체에 균일한 힘을 가할 수 있어 전기에너지의 발생 효율을 증가시킬 수 있다.
또한 본 발명의 실시예에 따르면, 금속 플레이트에 집중 하중이 발생되는 것을 방지할 수 있어 금속 플레이트에 변형이 발생되거나 파손되는 것을 방지할 수 있고, 집중 하중을 방지함으로써 종래에 비해 상대적으로 큰 힘으로 타격을 가할 수 있어 전기에너지 발생량을 증대시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 발전량의 크기는 유지하면서 압전체 또는 금속 플레이트의 크기를 줄일 수 있기 때문에 경량화 및 비용 감소를 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 하베스팅 시스템의 개략적인 사시도이다.
도 2는 도 1의 압전 하베스팅 시스템을 일측에서 바라본 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전 하베스팅 시스템의 개략적인 사시도이다.
도 4는 도 3의 압전 하베스팅 시스템을 일측에서 바라본 도면이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 압전 하베스팅 시스템의 개략적인 사시도이다.
도 6은 도 5의 압전 하베스팅 시스템을 일측에서 바라본 도면이다.
도 2는 도 1의 압전 하베스팅 시스템을 일측에서 바라본 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전 하베스팅 시스템의 개략적인 사시도이다.
도 4는 도 3의 압전 하베스팅 시스템을 일측에서 바라본 도면이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 압전 하베스팅 시스템의 개략적인 사시도이다.
도 6은 도 5의 압전 하베스팅 시스템을 일측에서 바라본 도면이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 구성 및 적용에 관하여 상세히 설명한다. 이하의 설명은 특허 청구 가능한 본 발명의 여러 태양(aspects) 중 하나이며, 하기의 기술(description)은 본 발명에 대한 상세한 기술(detailed description)의 일부를 이룬다.
다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 관한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 하베스팅 시스템의 개략적인 사시도이고, 도 2는 도 1의 압전 하베스팅 시스템을 일측에서 바라본 도면이다.
이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 압전 하베스팅 시스템(100)은, 압전 물질로 이루어진 압전체(120)와, 압전체(120)가 일면에 장착되며 일측이 고정부(130)에 고정되는 금속 플레이트(110)를 포함할 수 있다. 여기서, 금속 플레이트(110)는 고정부(130)에 고정되는 고정단(111)으로부터 자유단(115)으로 갈수록 얇아지는 형상을 가짐으로써 본 시스템(100)에 외력이 가해지는 경우 외력이 균일하게 압전체(20)에 가해질 수 있다.
각각의 구성에 대해 설명하면, 먼저 본 실시예의 압전체(120)는, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 사각의 플레이트 형상을 가지며 금속 플레이트(110)의 상면에 부착된다. 이러한 압전체(120)는 금속 플레이트(110)의 일측에 위치하는 타격 지점(P1)을 타격하게 되면 금속 플레이트(110)의 상하 진동에 의해서 압전체(120) 역시 같이 진동하게 되며 이를 통해 전기에너지를 생성할 수 있다.
본 실시예의 압전체(120)는 기본적으로 발전량이 우수한 세라믹(ceramic) 압전소자를 비롯하여 물리적 유연성이 뛰어나 폴리머(polymer)나 폴리머와 세라믹이 혼합된 하이브리드 압전소자가 사용될 수 있다. 따라서 뛰어난 물리적 유연성으로 인해 내구성을 가지며 이에 따라 발전에 용이하다.
또한, 압전체(120)의 압전소자 종류로는 PVDF의 사용이 기본적이고, 바륨 티타네이트, PZT 결정 또는 PZT 섬유를 포함할 수 있다. 그 외에 NKN계, BZT-BCT계, BNT계, BSNN, BNBN계 등의 무연(Lead-free) 압전소재, PLZT, P(VDF-TrFE), 수정, 전기석, 로셸염, 티탄산바륨, 인산이수소암모늄, 타르타르산에틸렌디아민 등을 사용할 수 있다.
다만, 압전체(120)의 종류 및 재질이 이에 한정되는 것은 아니며, 외력에 의해 충분한 발전량을 발생시킬 수 있다면 다른 재질 등이 사용될 수 있음은 당연하다.
한편, 본 실시예의 금속 플레이트(110)는 그 상면에 압전체(120)가 장착되는 구성으로서 일측이 고정부(130)에 고정되는 구조를 갖는다. 즉, 외팔보 구조를 가짐으로써 고정되지 않은 부분, 즉 자유단(115)에 외력을 가하는 경우 고정단(111)을 기준으로 자유단(115)이 상하로 진동함으로써 그 진동을 압전체(120)에 제공할 수 있다.
이러한 금속 플레이트(110)는 스테인리스 스틸(stainless steel)과 같이 내구성을 구비한 재질로 마련됨으로써 반복적으로 타격이 가해지더라도 균열이 발생되거나 휘는 것 등을 최소화할 수 있다. 다만, 금속 플레이트(110)의 재질이 이에 한정되지는 않는다.
그러나, 종래의 금속 플레이트의 경우 일반적으로 평평한 형상을 가짐으로써 외력이 가해지는 경우 집중 하중이 가해지고 아울러 타격 지점에서 멀어질수록 모멘트 힘이 커지기 때문에 결과적으로 변형되는 부분뿐만 아니라 발전하는 부분이 국소적이었으며 또한 변형이 국소적인 부분에서 발생되기 때문에 압전체에 손상이 발생될 수 있었다.
하지만, 본 실시예의 금속 플레이트(110)의 경우, 도 1 및 도 2에 도시된 것처럼, 고정부(130)에 고정된 고정단(111)으로부터 자유단(115) 방향으로 갈수록 그 두께가 얇아지는 형상을 갖는다. 즉, 압전체(120)가 부착되는 상면은 수평하게 마려되되 하면은 자유단(115) 방향으로 갈수로 상방으로 경사지게 마련됨으로써 금속 플레이트(110)의 형상은 자유단 방향으로 갈수록 전체적으로 얇아질 수 있다.
따라서, 금속 플레이트(110)의 타격 지점(P1)을 타격하는 경우 발생되는 모멘트 힘이 타격 지점(P1)으로부터 멀어지는 경우 더 크게 발생되는 것이 아니라 압전체(120)가 부착된 금속 플레이트(110)의 전 영역에 걸쳐 모멘트 힘이 균일하게 분산되어 압전체(120) 전면에 대하여 균일한 힘이 가해지며 따라서 발전량을 증대시킬 수 있다.
한편 본 실시예의 금속 플레이트(110)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 타격 지점(P1)이 위치하는 자유단(115) 부분은 인접한 다른 부분에 비해 상대적으로 두꺼운 두께를 갖는다. 보다 구체적으로 설명하면, 금속 플레이트(110)는 고정단(111)에서 자유단(115) 방향으로 갈수록 전체적인 두께가 얇아지지만 자유단(115)에 이르러서는 그 두께가 증가하는 부분이 있다. 이는 외력에 의해 타격되는 타격 지점(P1)이 위치하는 자유단(115) 부분을 강화함으로서 금속 플레이트(10)의 내구성을 강화하기 위함이다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 금속 플레이트(110)를 타격하여 집중 하중을 가하더라도 금속 플레이트(110)의 형상에 의해 집중 하중을 골고루 분산시킬 수 있으며, 따라서 금속 플레이트(110)에 부착된 압전체(120)에 균일한 힘을 가할 수 있어 전기에너지의 발생 효율을 증가시킬 수 있다.
아울러, 금속 플레이트(110)에 집중 하중이 발생되는 것을 방지할 수 있어 금속 플레이트(110)에 변형이 발생되거나 파손되는 것을 방지할 수 있고, 집중 하중을 방지함으로써 종래에 비해 상대적으로 큰 힘으로 타격을 가함으로써 전기에너지 발생량을 증대시킬 수 있는 장점도 있다.
게다가, 발전량의 크기는 유지하면서 압전체(120) 또는 금속 플레이트(110)의 크기를 줄일 수 있기 때문에 경량화 및 비용 감소를 구현할 수 있는 장점도 있다.
한편, 이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전 하베스팅 시스템에 대해 설명하되 전술한 일 실시예의 시스템과 실질적으로 동일한 부분에 대해서는 그 설명을 생략하기로 한다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전 하베스팅 시스템의 개략적인 사시도이고, 도 4는 도 3의 압전 하베스팅 시스템을 일측에서 바라본 도면이다.
이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전 하베스팅 시스템(200)은, 압전체(220)와, 압전체(220)가 부착되며 외팔보 타입으로 고정부(230)에 고정되는 금속 플레이트(210)를 포함하되, 압전체(220) 및 금속 플레이트(210)의 형상에 있어서 전술한 일 실시예의 압전 하베스팅 시스템(100, 도 1 참조)과 차이가 있다.
본 실시예의 압전체(220)는, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 고정부(230)를 기준으로 고정부(230)에서 멀어질수록 두께가 얇아지는 형상을 가지며, 금속 플레이트(210)는 두께가 균일한 사각 플레이트 형상을 갖는다.
이러한 구성의 금속 플레이트(210)의 타격 지점(P2)을 타격하는 경우, 금속 플레이트(210)에 작용하는 모멘트 힘은 타격 지점(P2)으로부터 멀어질수록 커질 수 있지만, 압전체(220)의 두께가 타격 지점(P2)으로부터 멀어질수록 두꺼워짐으로써 압전체(220)에 가해지는 모멘트 힘은 균일하게 작용할 수 있으며, 따라서 압전체(220)의 진동에 따라 발생되는 전기에너지의 발전량을 증대시킬 수 있다.
이처럼, 본 실시예의 경우에도, 금속 플레이트(210)를 타격하여 집중 하중을 가하더라도 압전체(220)의 형상에 의해 집중 하중을 골고루 분산시킬 수 있으며, 따라서 압전체(220)에 균일한 힘을 가할 수 있어 전기에너지의 발생 효율을 증가시킬 수 있는 장점이 있다.
한편, 이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 압전 하베스팅 시스템에 대해 설명하되 전술한 실시예들의 시스템과 실질적으로 동일한 부분에 대해서는 그 설명을 생략하기로 한다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 압전 하베스팅 시스템의 개략적인 사시도이고, 도 6은 도 5의 압전 하베스팅 시스템을 일측에서 바라본 도면이다.
이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 압전 하베스팅 시스템(300)은, 압전체(320)와 금속 플레이트(310) 모두 고정부(330)로부터 멀어질수록 그 두께가 얇아지는 형상을 갖는다.
이러한 압전체(320)와 금속 플레이트(310)의 형상에 의해 금속 플레이트(310)의 타격 지점(P3)을 타격하는 경우 모멘트 힘이 금속 플레이트(310)에 균일하게 가해질 수 있고 아울러 압전체(320)에도 역시 균일한 힘이 가해질 수 있어 전기에너지의 발생 효율을 증가시킬 수 있다.
한편, 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
100 : 압전 하베스팅 시스템
110 : 금속 플레이트
120 : 압전체
130 : 고정부
110 : 금속 플레이트
120 : 압전체
130 : 고정부
Claims (6)
- 압전 물질로 제조되는 압전체; 및
상기 압전체가 장착되며, 일측이 고정부에 의해 고정되는 금속 플레이트;
를 포함하며,
상기 금속 플레이트는 상기 고정부에 고정된 고정단으로부터 자유단 방향으로 갈수록 두께가 작아지는 형상을 가지며,
상기 금속 플레이트의 상기 자유단에는 타격 지점이 위치하며, 상기 자유단의 두께는 상기 자유단과 연결되는 상기 금속 플레이트의 두께에 비해 상대적으로 두껍게 형성되는 압전 하베스팅 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 금속 플레이트는 상기 고정부에 일측이 결합되는 외팔보 타입으로 마련되는 압전 하베스팅 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 금속 플레이트의 상면은 수평하게 형성되고 상기 금속 플레이트의 하면은 상기 자유단 방향으로 갈수록 상방으로 경사지게 마련되는 압전 하베스팅 시스템.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 압전체는 상기 금속 플레이트가 결합되는 고정 부분에서 멀어질수록 두께가 감소되는 형상을 갖는 압전 하베스팅 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 압전체는 세라믹(ceramic) 소재 또는 폴리머(polymer) 소재 또는 세라믹, 폴리머가 조합된 소재로 제작되며,
상기 금속 플레이트는 스테인리스 스틸(stainless steel) 재질로 제작되는 압전 하베스팅 시스템.
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