KR101417846B1 - 압력 발전기 모듈 및 이를 이용한 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 압전 발전기 모듈 및 이를 이용한 시스템에 관한 것으로서, 이러한 발전기 모듈에 의해 발생된 전력을 수집하여 이용할 수 있게 된다.
본 발명에 따르면 압전 발전기 모듈이 개시되고, 이러한 압전 발전기 모듈은, 탄성기판; 상기 탄성기판의 상면에 놓이며, 상기 탄성기판의 상면으로부터 수직하고, 서로 면에 수직하도록 연결되어 상기 탄성 기판과 함께 박스형 구조를 이루며, 상기 탄성기판의 가장자리 영역에 배치되어, 상기 압전 발전기 모듈의 테두리를 형성하는 접속패널들; 상기 탄성기판의 상면에 놓이며, 상기 접속패널들 내측 중앙부에 배치되고, 상부전극 및 하부전극을 갖는 압전체; 및 사방의 측면부가 상기 접속패널들 내측에 삽입되어, 상기 압전체를 덮어 보호하는 커버를 포함하고, 상기 탄성 기판은 상기 압전체를 지지하며 압전체의 형상 변형 및 복원을 보조하고, 상기 압전체는 상기 커버로부터 전달되는 압력에 의해 형상 변형 및 복원되면서 전력을 발생시킬 수 있다.

Description

압력 발전기 모듈 및 이를 이용한 시스템{PIEZOELECTRIC GENERATOR MODULE AND GENERATOR SYSTEM USING THE SAME}
본 발명은 압전 발전기 모듈 및 이를 이용한 시스템에 관한 것으로서, 이러한 발전기 모듈에 의해 발생된 전력을 수집하여 이용할 수 있게 된다.
압전물질은 기계적 에너지를 전기에너지로 변환시키는 변환매체로서 다양한 응용분야를 갖는다. 현재 무기물 및 유기물을 포함하는 많은 수의 세라믹스 재료가 압전 현상을 일으키는 재료로서 알려져 있다.
압전체는 그 압전체에 가해지는 힘(압력 또는 진동)에 의해 전압을 발생시키며, 그 인가된 힘의 크기에 따라 발생되는 전압을 이용하는 장치를 압전 발전기라 한다.
이러한 압전 발전기는 현재 그 이용 용도가 계속되어 확장되고 있는 추세이다.
현재 미술관이나 건물 내의 장식품 등에 조명이 필요한 경우, 별도의 전력 공급부가 존재해야 하며, 이를 통해 전원이 공급되는 방식으로 이용되고 있는데, 이러한 조명을 켜기 위한 전원을 건물 바닥에 설치된 바닥재로부터 얻을 수 있다면, 에너지 측면에서 매우 효율적이 될 것이다.
이러한 바닥재로 이용되는 압전 발전기의 구조는 전력을 발생시켜 수집할 수 있는 특별한 구조가 필요하며, 본 발명은 이러한 구조적 특징에 관한 것이다.
또한, 이러한 바닥재로 압전 발전기를 이용할 경우, 다수의 발전 모듈, 즉 압전체를 포함하는 모듈을 다수 배열하여, 다수의 모듈이 서로 병렬 연결되도록 구성하여야 하는데, 종래에는 다수의 모듈을 서로 병렬 연결하기 위해 각 모듈을 전선으로 연결하는 등, 그 병렬 연결 방식이 매우 번거러운 문제점이 있다. 이러한 문제점을 해결하는 것이 효율적 측면에서 매우 바람직하며, 본 발명은 이를 구조적 특징에 의해 해결하였다.
본 발명에 따르면 압전 발전기 모듈이 개시되고, 이러한 압전 발전기 모듈은, 탄성기판; 상기 탄성기판의 상면에 놓이며, 상기 탄성기판의 상면으로부터 수직하고, 서로 면에 수직하도록 연결되어 상기 탄성 기판과 함께 박스형 구조를 이루며, 상기 탄성기판의 가장자리 영역에 배치되어, 상기 압전 발전기 모듈의 테두리를 형성하는 접속패널들; 상기 탄성기판의 상면에 놓이며, 상기 접속패널들 내측 중앙부에 배치되고, 상부전극 및 하부전극을 갖는 압전체; 및 사방의 측면부가 상기 접속패널들 내측에 삽입되어, 상기 압전체를 덮어 보호하는 커버를 포함하고, 상기 탄성 기판은 상기 압전체를 지지하며 압전체의 형상 변형 및 복원을 보조하고, 상기 압전체는 상기 커버로부터 전달되는 압력에 의해 형상 변형 및 복원되면서 전력을 발생시킬 수 있다.
이러한 압전체 모듈은 일 예로, 상기 탄성 기판의 평면 모양은 사각 형상이고, 상기 접속패널들은 상기 탄성 기판의 사각 형상의 가장자리 영역을 따라 배열되어 평면 형상이 사각 형상인 박스형태의 구조를 이룰 수 있으며, 상기 접속패널들 및 상기 탄성 기판은 상기 압전체와 전기적으로 접속되어, 상기 압전체로부터 발생되는 전력을 수집할 수 있다.
일 예로, 상기 탄성 기판은 금속 또는 전도성 플라스틱 재질로 이루어질 수 있다. 상기 탄성 기판이 금속 재질인 경우, 상기 압전체는 상기 탄성 기판의 상면에 접착제로서 접착되고, 이때 상기 압전체의 하부전극 및 상기 탄성 기판 사이에는 전도체가 위치하여 상기 압전체 및 상기 탄성 기판이 서로 전기적 접속되며, 상기 접착제는 상기 전도체가 위치하는 영역에는 도포되지 않을 수 있다.
다른 예로, 상기 탄성 기판은 비전도성 재질로 구성될 수 있고, 상기 탄성 기판이 비전도성 재질인 경우, 예를 들면, 탄성 기판(200)은 비전도성 폴리머 재질로 이루어질 수 있으며, 상기 비전도성 폴리머는 PVDF 폴리머, 실리콘 폴리머 및 에폭시 폴리머 중 하나 이상을 포함할 수 있으며, 상기 탄성 기판의 상면 및 측면에는 제1 전극층이 형성되며, 상기 전도체는 상기 압전체의 하부전극 및 상기 제1 전극층 사이에 위치할 수 있다.
상기 접지패널들은 예를 들면, 전도성재질 또는 비전도성 재질로 구성될 수 있다. 상기 접지패널들이 전도성재질인 경우, 전선을 통해 상기 압전체의 상부전극과 전기적으로 접속될 수 있다. 상기 접지패널들이 비전도성 재질인 경우, 상기 접지패널들의 외면에는 제2 전극층이 형성될 수 있고, 상기 제2 전극층은 전선 또는 와이어와 같은 전도성 재질을 가진 연결체를 통해 상기 압전체의 상부전극과 전기적으로 접속될 수 있다.
또한 상기 접지패널들은 중앙에 형성되는 개구부를 포함하고, 상기 개구부는 상기 접지패널들의 중앙의 하측 일부로만 절개되어 형성될 수 있다. 이때, 상기 제2 전극층은 상기 접지패널들의 외면에서 상기 개구부 위치의 상측 영역으로만 형성될 수 있다.
상기 개구부는 상기 탄성 기판이 비전도성 재질로 형성되는 경우 상기 탄성 기판에 제1 전극층을 형성하기 위한 구성일 수 있고, 상기 제1 전극층은 상기 탄성 기판의 상면 및 측면에서 상기 개구부의 인접한 영역에만 형성되고, 이때 상기 제1 전극층은 상기 개구부를 통해 전극이 도포되어 형성될 수 있다.
상기 커버는 상기 전선이 삽입될 수 있는 슬릿을 포함하며, 상기 슬릿은 상기 커버의 측면부에 형성될 수 있다. 이에 의해 상기 전선의 간섭 없이 상기 커버를 상기 접속패널들의 내측에 결합할 수 있다. 이때, 상기 커버는 상기 접속패널들의 내측에 결합된 상태에서, 상기 커버 사방의 측면부가 상기 압전체 및 상기 접속패널들과 이격될 수 있다.
상기 커버 사방의 측면부가 상기 압전체 및 상기 접속패널들과 이격되면 상기 커버는 유동이 발생할 수 있는데, 이를 방지하기 위하여, 예를 들면, 상기 탄성 기판은 상면에 형성되는 결합홈을 포함하고, 상기 결합홈은 상기 탄성 기판의 상면에서 상기 압전체 및 상기 접속패널들 사이에 위치하며, 따라서 상기 커버는 상기 결합홈에 하단부가 결합되어, 상기 커버의 유동 없이 상기 커버의 측면부가 상기 압전체 및 상기 접속패널들과 이격된 상태로 유지될 수 있다.
일 예로, 상기 커버는 상기 탄성 기판으로 전달되는 압력이 완화될 수 있도록 상기 탄성 기판의 강도보다 강한 강도를 가질 수 있다.
일 예로, 상기 압전체는 압전성 재료이면 가능하며, 대표적으로 압전 세라믹스, 압전 성질을 나타내는 폴리머 등이 이용될 수 있으며, 바람직하게는 Pb(Zr,Ti)O3＋Pb(Zn,Nb)O3, Pb(Zr,Ti)O3＋Pb(Ni,Nb)O3, (Na, K)NbO3계 및 (Na, K, Li) NbO3계 무연 세라믹스 중 하나 이상으로 구성되는 물질로 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 압전 발전기 모듈은 다수가 종방향 및 횡방향으로 배열되어, 상기 제1 전극층 및 상기 제2 전극층이 서로 병렬 연결될 수 있다.
상기 압전 발전기 모듈은 다수가 종방향 및 횡방향으로 배열될 때, 서로 이웃하는 각각의 압전 발전기 모듈은 상기 접지패널들의 측면부에 위치하는 제2 전극층 및 상기 탄성 기판의 측면부에 위치하는 제1 전극층이 서로 접촉되어 전기적으로 접속될 수 있다.
또한 본 발명에 따른 압전 발전기 시스템은, 이러한 압전 발전기 모듈을 복수개 포함하고, 상기 각각의 압전 발전기 모듈로부터 발생되는 전력을 한곳으로 모으는 전력 발생부; 각각의 압전 발전기 모듈의 압전체의 변형에 의해 발생되어 모인 상기 전력 발생부의 교류 전력을 직류 전력으로 변환시키는 정류뷰; 및 상기 정류부로부터 나오는 직류 전력을 저장하는 충전부를 포함할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 압전 발전기 모듈의 구성을 나타낸 분리 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 압전 발전기 모듈의 결합 사시도이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 압전 발전기 모듈의 발전 원리를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 4는 도 1에 도시된 압전 발전기 모듈의 결합 단면도이다.
도 5는 도 1에 도시된 압전 발전기 모듈의 평면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 압전 발전기 모듈 다수가 매트릭스 형태로 병렬 연결된 상태를 나타낸 사시도이다.
도 7은 본 발명에 따른 압전 발전기 모듈의 설치 모습을 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 8은 본 발명에 따른 압전 발전기 시스템의 시스템 구성을 나타낸 블록도이다.
다양한 실시예들이 이제 도면을 참조하여 설명되며, 전체 도면에서 걸쳐 유사한 도면번호는 유사한 엘리먼트를 나타내기 위해서 사용된다. 설명을 위해 본 명세서에서, 다양한 설명들이 본 발명의 이해를 제공하기 위해서 제시된다. 그러나 이러한 실시예들은 이러한 특정 설명 없이도 실행될 수 있음이 명백하다. 다른 예들에서, 공지된 구조 및 장치들은 실시예들의 설명을 용이하게 하기 위해서 블록 다이아그램 형태로 제시된다.
하기 설명은 본 발명의 실시예에 대한 기본적인 이해를 제공하기 위해서 하나 이상의 실시예들의 간략화된 설명을 제공한다. 본 섹션은 모든 가능한 실시예들에 대한 포괄적인 개요는 아니며, 모든 엘리먼트들 중 핵심 엘리먼트를 식별하거나, 모든 실시예의 범위를 커버하고자 할 의도도 아니다. 그 유일한 목적은 후에 제시되는 상세한 설명에 대한 도입부로서 간략화된 형태로 하나 이상의 실시예들의 개념을 제공하기 위함이다.
도 1은 본 발명에 따른 압전 발전기 모듈의 구성을 나타낸 분리 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 압전 발전기 모듈의 결합 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 압전 발전기 모듈은, 압전체(100); 탄성 기판(200); 접속패널(300)들; 커버(400)를 포함할 수 있다. 그리고 외부와의 절연을 위한 상판(510) 및 하부 절연판(520)을 포함할 수 있다.
압전체(100)는 압전 발전기 모듈에 압력이 인가되면 커버(400)를 통해 압력을 전달받게 되고, 압력이 인가된 부분이 눌러지게 되면서 압전체(100)의 형상이 변경되며, 이때 전력이 발생할 수 있다. 이러한 압전체(100)는 그 상면 및 하면 각각에 상부전극(110) 및 하부전극(120)이 마련될 수 있다. 일 예로, 압전체(100)는 그 소재로서, Pb(Zr,Ti)O3＋Pb(Zn,Nb)O3, Pb(Zr,Ti)O3＋Pb(Ni,Nb)O3, (Na, K)NbO3계 및 (Na, K, Li) NbO3계 무연 세라믹스 중 하나 이상으로 구성되는 물질로 이루어질 수 있다. 상부전극(110) 및 하부전극(120)에 의해 압전체(100)가 탄성 기판(200) 및 접속패널(300)들과 전기적으로 접속되는 구조 및 배치에 대한 설명은 후술된다.
탄성 기판(200)은 압전체(100)가 형상 변형 및 복원하는데 도움을 주어, 압전체(100)에서 발전이 원활하게 이루어지도록 조절할 수 있다. 이를 위해, 탄성 기판(200)은 탄성(elasticity), 강도(rigid), 유연성(flexible)을 모두 갖는 재료가 이용되는 것이 바람직하다. 예를 들면, 탄성 기판(200)은 탄성, 강도, 유연성을 모두 갖는 금속 또는 전도성 플라스틱 재질로 이루어질 수 있다. 금속 재료로서는, 예를 들면, 스테인레스(SUS)가 이용될 수 있으며, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다. 탄성 기판(200)의 형상은, 후술하는 것처럼 매트릭스 형태로 병렬 연결을 시키기 위해 사각형인 것이 바람직하며, 평면 형상은 직사각형 또는 정사각형 형상일 수 있으며 특별히 이에 한정되는 것은 아니다. 탄성 기판(200)이 전도성을 갖는 재질로 이루어지는 경우, 탄성 기판(200)은 전도성을 가지므로 그 자체로 압전체(100)에서 발생되는 전력을 수집하는 전극 역할도 동시에 수행할 수 있다.
다른 예로, 탄성 기판(200)은 탄성, 강도, 유연성을 모두 갖는 비전도성 재질로 이루어질 수도 있다. 예를 들면, 탄성 기판(200)은 비전도성 폴리머 재질로 이루어질 수 있으며, 상기 비전도성 폴리머는 PVDF 폴리머, 실리콘 폴리머 및 에폭시 폴리머 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 비전도성 폴리머는 탄성 기판(200)이 비전도성 재질로 이루어지는 경우의 예시적인 형태일 뿐, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다. 탄성 기판(200)이 비전도성 재질로 이루어지는 경우, 탄성 기판(200)은 압전체(100)와의 전기적인 접속을 위하여, 탄성 기판(200)의 상면 및 측면에 제1 전극층(610)이 형성될 수 있다.
이러한 탄성 기판(200)은 앞서 설명한 바와 같이 압전체(100)가 형상 변형 및 복원하는데 도움을 주는바, 그 작용 원리는 다음과 같다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 발전기 모듈의 발전 원리를 개략적으로 도시한 단면도이다. 도 3a는 압전체에 압력이 가해지지 않은 상태이거나, 압력이 해제된 상태를 나타내며, 도 3b는 압전체에 압력이 가해진 상태를 나타낸다.
도 3a와 같이 압전체(100)에 압력이 가해지지 않은 상태이거나, 압력이 해제된 상태인 경우에는 압전체(100)에서 전력이 발생되지 않으며, 이때, 압전체(100) 및 탄성 기판(200)은 전달되는 압력이 없으므로 형상 변형이 이루어지지 않는다.
도 3b는 압전체(100)에 압력이 가해진 상태로서, 압전체(100)에 압력이 가해지면 압전체(100)의 모양이 U자 형태 또는 U자를 거꾸로 뒤집어 놓은 모자 형태로 변형되고, 이때 형태가 변형된 압전체(100)에서 전력이 발생한다. 정확히는 본 발명에서 압전체에 압력이 가해진다는 의미는 커버에 의해 탄성 기판에 압력이 가해지고, 탄성 기판에 부착된 압전체가 탄성 기판의 변형에 의해 함께 변형되는 것이다. 탄성 기판(200)이 변형되면서 압전체(100)의 형상 역시 변형되고, 이때 탄성 기판(200)은 어느 정도 강도를 가지므로 압전체(100)의 변형이 무리하게 진행되는 것을 방지할 수 있다. 이후 압전체(100)에 가해지는 압력이 해제되는 경우, 탄성 기판(200)은 압전체(100)를 통한 후속의 발전을 위해서 압전체(100)를 본래의 형상으로 복원시키게 된다. 이와 같이 탄성 기판(200)은 압전체(100)의 무리한 변형에 의한 파괴를 막아주며, 후속 발전을 위해 압전체(100)의 형상 복원을 도울 수 있다.
한편, 탄성 기판(200)의 상면에는 압전체(100)가 놓이며, 탄성 기판(200)과 압전체(100)는 전기적으로 접속될 수 있다. 압전체(100)를 탄성 기판(200)의 상면에 고정하기 위하여, 압전체(100)는 접착제(2)로서 탄성 기판(200)에 고정될 수 있다. 일 예로, 상기 접착제는 에폭시 접착제일 수 있으며, 접착제 종류는 특별히 제한되지 않는다.
압전체(100)가 접착제로서 탄성 기판(200)에 고정될 때, 접착제로 인해 압전체(100)의 하부전극(120) 및 탄성 기판(200)이 서로 절연될 수 있으나, 압전체(100) 및 탄성 기판(200)의 전기적인 접속을 위하여 압전체(100) 및 탄성 기판(200)의 사이에는 전도체(3)가 구비될 수 있고, 상기 전도체에 의해 압전체(100) 및 탄성 기판(200)이 전기적으로 접속될 수 있다. 예를 들면, 탄성 기판(200)이 금속 재질인 경우, 상기 전도체는 압전체(100)의 하부전극(120) 및 탄성 기판(200)의 상면 사이에 위치할 수 있고, 탄성 기판(200)이 비전도성 재질인 경우, 상기 전도체는 압전체(100)의 하부전극(120) 및 탄성 기판(200)의 상면에 위치하는 제1 전극층(610) 사이에 위치할 수 있다. 일 예로, 상기 전도체는 와이어 또는 금속판일 수 있다.
접속패널(300)들은 탄성 기판(200)의 상면에 배치될 수 있고, 접착제(예를 들면, 에폭시 접착제)로서 탄성 기판(200)의 상면에 부착 및 고정될 수 있다. 접속패널(300)들의 배치구조는, 예를 들면, 탄성 기판(200)의 가장자리 영역에 배치될 수 있고, 탄성 기판(200)의 가장자리 영역에서 탄성 기판(200)의 상면으로부터 수직하게 연장될 수 있고, 각 접속패널(300)은 서로 면에 수직하도록 연결될 수 있다. 일 예로, 접속패널(300)들은 일체형으로 형성될 수도 있고, 접속패널(300)들이 서로 접합되는 형태로 형성될 수도 있다. 이와 같이 배치되는 접속패널(300)들은 탄성 기판(200)과 함께 박스형 구조를 형성할 수 있으며, 압전 발전기 모듈의 테두리를 형성할 수 있다. 한편, 접속 패널들은 바람직하게는 병렬 연결을 위해 사각형 형태로 이루어지며, 이 경우 직사각형 정사각형 형태가 될 수 있다. 이때, 압전체(100)는 탄성 기판(200)의 상면에 놓이며, 접속패널(300)들의 내측에 수용될 수 있다.
접속패널(300)들은 전도성 재질(예를 들면, 금속)로 형성될 수도 있고, 비금속 재질로 형성될 수도 있다. 접속패널(300)들이 전도성 재질로 형성되고, 탄성 기판(200) 역시 전도성 재질인 금속 재질로 형성되는 경우, 접속패널(300)들의 하부면에는 탄성 기판(200)과의 절연을 위한 절연층(미도시)이 형성될 수 있다. 그러나 접속패널(300)들은 금속 재질의 탄성 기판(200)과의 효과적인 절연을 위하여 비금속재질, 예를 들면, 비전도성 플라스틱 재질로 형성되는 것이 바람직하다.
접속패널(300)들이 전도성 재질이거나 비전도성 재질인 경우 모두, 압전체(100)와 전기적으로 접속될 수 있다. 압전체(100)와의 전기적인 접속을 위하여 압전체(100) 및 접속패널(300)들에는 전선이 연결될 수 있다. 접속패널(300)들이 전도성 재질인 경우, 상기 전선은 압전체(100)의 상부전극(110)과 접속패널(300)들의 상면 또는 내면에 연결될 수 있으나, 접속패널(300)들이 비전도성 재질인 경우, 상기 전선을 압전체(100)의 상부전극(110)과 접속패널(300)들에 연결하는 것으로는 전기적인 접속이 불가능하다. 따라서, 접속패널(300)들이 비전도성 재질인 경우에는 접속패널(300)들의 외면에 제2 전극층(620)이 형성될 수 있다.
도 4는 도 1에 도시된 압전 발전기 모듈의 결합 단면도이고, 도 5는 도 1에 도시된 압전 발전기 모듈의 평면도이다. 도 4 및 도 5는 도 1 및 도 2와 함께 본 발명에 따른 압전 발전기 모듈을 나타내는 도면들로서, 이들 모두는 탄성 기판 및 접속패널들이 비전도성 재질로 구성되는 경우의 구조를 나타내는 도면들이다.
위 도면들을 참조하면, 접속패널(300)들이 비전도성 재질인 경우에는 접속패널(300)들의 외면에 제2 전극층(620)이 형성되는바, 제2 전극층(620)은 접속패널(300)들의 상면 및 측면 외측에 형성될 수 있고, 제2 전극층(620)은 압전체(100)의 상부전극(110)과 전선 연결되어, 접속패널(300)들 및 압전체(100)가 서로 전기적으로 접속될 수 있다. 제 2 전극층은 측면 외측에 형성됨으로써 압전 발전기 모듈이 병렬 연결될 때 압전 발전기 모듈의 측면 외측에 형성된 제 2 전극층들끼리 서로 연결될 수 있게 된다.
앞서 논의된 바와 같이, 탄성 기판(200)이 비전도성 재질인 경우, 탄성 기판(200)에는 제1 전극층(610)이 형성될 수 있는데, 접속패널(300)들이 탄성 기판(200)의 상면에 배치된 상태에서 탄성 기판(200)에 제1 전극층(610)을 용이하게 형성하기 위하여, 접속패널(300)들은 개구부(310)를 포함할 수 있다. 개구부(310)는 접지패널(300)들의 중앙의 하측 일부로만 절개되어 형성될 수 있으며, 제2 전극층(620)은 개구부(310) 위치보다 상측 영역으로만 형성될 수 있다. 이러한 형태는 도 1 및 도 2, 도 4를 통해 잘 나타나 있다.
이러한 개구부(310)를 통해 탄성 기판(200)의 제1 전극층(610)을 형성할 수 있다. 즉, 개구부(310)를 통해 탄성 기판(200)의 상면 및 측면에 전극을 도포하여 제1 전극층(610)을 형성할 수 있다. 따라서, 접속패널(300)들이 탄성 기판(200)의 상면에 배치된 상태에서 탄성 기판(200)에 제1 전극층(610)을 용이하게 형성할 수 있으며, 이때 제1 전극층(610)은 개구부(310)의 인접한 영역에 형성되며, 개구부(310)를 통해 탄성 기판의 상부면 및 측면에 서로 연결되어 형성될 수 있다. 이와 같이 측면에까지 제 1 전극층이 연장됨으로써 제 2 전극층과 마찬가지로 압전 발전기 모듈이 매트릭스 형태로 연결될 때 제 1 전극층끼리 서로 병렬 연결이 가능하게 된다.
커버(400)는 압전체(100) 및 접속패널(300)들 사이에 결합되어 압전체(100)를 덮어 보호할 수 있다. 일 예로, 커버(400)는 압전체(100)를 덮을 수 있도록, 상면부(400a), 상면부(400a)로부터 하측 방향으로 수직하게 연장되는 측면부(400b)를 포함할 수 있고, 저면부는 개방될 수 있다. 커버(400)는 측면부(400b)가 압전체(100) 및 접속패널(300)들 사이에 결합되어 접속패널(300)들 내측에 결합될 수 있다. 커버의 형상 역시 사각형인 것이 바람직하다.
이때, 압전체(100) 및 접속패널(300)들의 전기적 접속을 위한 전선(1)의 간섭이 발생할 수 있는데, 이를 방지하기 위하여, 커버(400)의 측면부(400b)에는 측면부(400b) 하단으로부터 상면부(400a)를 향하여 수직하게 연장되는 슬릿(410)이 형성될 수 있다. 슬릿(410)은 전선(1)을 수용할 수 있는 폭을 가질 수 있고, 커버(400)가 접속패널(300)들의 내측에 결합될 때 슬릿(410)의 내측으로 전선(1)이 삽입될 수 있다. 도면에서는 슬릿이 2개가 형성되어 있고 전선이 2개가 보이지만, 이는 일예에 불과하며 1개인 것도 무방하며 그 개수는 제한이 없다.
또한, 커버(400)가 접속패널(300)들의 내측에 결합될 때, 커버의 사방의 측면부는 압전체(100) 및 접속패널(300)들과 이격되어야 한다. 커버(400)의 측면부(400b)가 압전체(100) 및 접속패널(300)들과 이격되면 압전 발전기 모듈에 압력이 가해질 때, 커버(400)의 상면부(400a)로 인가되는 압력에 의해 커버(400)의 측면부(400b)가 압전체(100) 또는 접속패널(300)들 측으로 휘어지면서 변형 및 복원될 수 있는 공간이 확보될 수 있다. 커버(400)의 측면부(400b)가 변형되면 커버(400)의 상면부(400a)가 압전체(100)측으로 눌리므로 커버(400)에 인가되는 압력이 압전체(100)로 전달될 수 있다. 만약, 커버(400)의 측면부(400b)가 압전체(100) 및 접속패널(300)들에 맞물려 있는 경우, 커버(400)의 측면부(400b)의 변형 및 복원이 이루어질 수 없고, 이에 의해 커버(400)를 통해 압전체(100)에 압력이 전달될 수 없으므로 커버(400)의 측면부(400b)가 변형될 수 있는 공간의 확보는 반드시 요구된다.
커버(400)의 측면부가 압전체(100) 및 접속패널(300)들과 이격된 상태로 결합되는 경우, 커버(400)를 지지할 수 있는 영역이 없으면 커버(400)는 접속패널(300)들 내측에서 유동될 수 있다. 이를 방지하여 커버(400)가 압전체(100) 및 접속패널(300)들과 이격된 상태로 유동없이 결합되기 위하여, 탄성 기판(200)의 상면에는 커버(400)의 측면부(400b)의 하단이 삽입되어 결합될 수 있는 결합홈(210)이 형성될 수 있다. 결합홈(210)은 탄성 기판(200)의 상면에서 압전체(100) 및 접속패널(300)들의 사이에 위치할 수 있다. 따라서, 커버(400)의 측면부의 하단이 결합홈(210)에 결합되면 커버(400)는 유동없이 압전체(100) 및 접속패널(300)들의 사이에 위치할 수 있다.
이러한 커버(400)는 압전 발전기 모듈에 압력이 가해질 때, 커버(400)로 인가되는 압력에 의해 커버(400)가 과도하게 변형되지 않으면서, 압력에 의해 탄성 기판(200)이 과도하게 눌려서 탄성 기판(200)의 형태가 훼손되는 것을 방지하기 위하여, 탄성 기판(200)으로 전달되는 압력이 어느 정도 완화될 수 있도록 탄성 기판(200)의 강도보다 높은 강도를 갖는 재질로 형성되는 것이 바람직하다.
상판(510)은 커버(400), 접속패널(300)들을 덮도록 그 위에 위치하게 되는데, 이러한 상판(510)은 통상적인 건물 바닥의 재질로 이루어질 수 있으며, 나무, 모노륨, 고무 재질 등이 이용될될 수 있으며, 상판의 형상이나 크기에 대해서는 특별한 제한은 없다. 한편, 본 발명에 따른 압전 발전기 모듈은 건물의 실내 바닥 등에 설치될 것이므로, 이러한 상판의 재질은 건물의 바닥재 재질로 이루어지는 것이 더욱 바람직할 것이다.
한편, 도시되지는 아니하였지만, 이러한 상판(510) 하부에는 완충 스프링이 더 설치될 수 있고, 이러한 완충 스프링에 의해 더욱 진동이 용이하게 발생할 수 있도록 함으로써 더욱 발전이 원활히 이루어질 수 있다.
하부 절연판(520)은 탄성 기판(200)의 하부에서 탄성 기판(200)을 커버하고 절연시키도록 설치되며, 이러한 하부 절연판은 PVC(polyvinyl chloride) 또는 나무판 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.
도 6은 본 발명에 따른 압전 발전기 모듈 다수가 매트릭스 형태로 병렬 연결된 상태를 나타낸 사시도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 압전 발전기 모듈은 다수가 종방향 및 횡방향으로 배열되어, 매트릭스 형태를 이루면서 병렬로 연결이 가능하다. 이러한 매트릭스 형태의 병렬 연결을 위해 탄성 기판, 압전체, 접속 패널, 커버 모두 그 평면 형상이 직사각형 또는 정사각형인 것이 바람직하며, 제 1 전극과 제 2 전극은 모두 모듈의 측면 외부로 사방으로 각각 동일한 위치에 노출됨으로써 모듈과 모듈을 서로 매트릭스 형태로 배치함에 의해 손쉽게 병렬 연결이 가능하게 된다.
즉, 다수의 압전 발전기 모듈이 종방향 및 횡방향으로 다수 배열될 때, 탄성 기판(200) 및 접속 패널(300)들이 비전도성 재질로 이루어지는 경우, 서로 이웃하는 각각의 압전 발전기 모듈은 접속 패널(300)들의 측면에 위치하는 제2 전극층(620) 및 탄성 기판(200)의 측면에 위치하는 제1 전극층(610)이 서로 접촉되어 전기적으로 접속될 수 있다. 탄성 기판(200) 및 접속 패널(300)들이 전도성 재질로 이루어지는 경우에는, 서로 이웃하는 각각의 압전 발전기 모듈은 탄성 기판 및 접속 패널들의 측면이 서로 접촉되어 전기적으로 접속될 수 있다. 이와 같이 다수의 압전 발전기 모듈이 매트릭스 형태로 배열 및 병렬 연결되는 경우, 상판(510) 및 하부 절연판(520)은 다수 배열된 압전 발전기 모듈을 모두 커버할 수 있는 크기로 구비될 수 있다.
이러한 다수의 압전 발전기 모듈의 매트릭스 형태의 병렬 연결은, 각 압전 발전기 모듈의 서로 인접하는 면과 면이 접촉할 수 있는 형태(예를 들면, 사각의 박스 형태)로 탄성 기판(200) 및 접속패널(300)들이 배치됨에 따라 가능해질 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따른 압전 발전기 모듈 다수가 매트릭스 형태로 조합 및 연결되면, 이동 하중을 이용하여 발전을 하게 되며, 건물의 바닥 등에 발판 형태로 설치되어 이용될 수 있다. 도 7은 본 발명에 따른 압전 발전기 모듈의 설치 모습을 개략적으로 도시한 사시도이다. 도 7에서처럼 바닥부에 본 발명에 따른 압전 발전기 모듈 다수를 매트릭스 형태로 구성하고, 건물 바닥의 블록으로 삽입하여 설치하면, 이러한 블록을 사람이 밟거나 하는 등에 의해 하중이 블록에 인가되었을 때 전력이 발생되게 되며, 이러한 전력을 이용해 건물 측벽에 설치된 그림 등의 주위에 조명(예를 들면, LED 조명)이 들어오게 할 수 있다.
도 8은 본 발명에 따른 압전 발전기 시스템의 시스템 구성을 나타낸 블록도이다.
도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 압전 발전기 시스템은, 압전 발전기 모듈을 복수개 포함하고 각각의 압전 발전기 모듈로부터 발생되는 전력을 한곳으로 모으는 전력 발생부; 압전 발전기 모듈의 압전체의 변형에 의해 발생되어 모인 전력 발생부의 교류 전력을 직류 전력으로 변환시키는 정류부; 및 정류부로부터 나오는 직류 전력을 저장하는 충전부를 포함한다.
전력 발생부는 하중을 이용해 전력을 발생시키는 압전 발전기 모듈을 포함하고 이들에 의해 발생된 전력을 수집할 수 있다.
정류부는 전력 발생부에서 수집된 교류 전력을 한곳으로 모아서 직류 전력으로 변환시키는 구성이다.
충전부는 정류부를 통해 발생되는 전력을 충전시키는 부분으로써, 배터리와 같은 구성을 포함한다. 이러한 충전부는 전력을 직접 연결하여 사용할 수 있는 전원 공급부를 포함할 수도 있다.
이러한 충전부(또는 전원 공급부)는 전력이 필요한 전자 부품에 연결이 되는데, 이러한 전자 부품의 예로서 도 8에서는 LED 조명부를 예시하고 있다. 이러한 조명부 이외에 전등, 차임벨, 자동문, 신호등 및 센서 등과 같은 다양한 전자 부품이 연결되어 이용될 수 있다.
본 발명에 따른 압전 발전기 모듈은, 압전 발전기 모듈이 다수로 배열될 때, 각 압전 발전기 모듈의 서로 인접하는 면과 면이 접촉할 수 있는 형태(예를 들면, 사각의 박스 형태)로 탄성 기판(200) 및 접속패널(300)들이 배치되는 구조를 가지므로 압전 발전기 모듈을 병렬로 연결하는 과정이 용이해질 수 있다. 즉, 압전 발전기 모듈을 병렬로 연결하기 위하여, 다수의 압전 발전기 모듈의 측면부들을 접촉시키면서 종방향 및 횡방향으로 나열하는 과정만으로 다수의 압전 발전기 모듈을 병렬로 연결할 수 있다.
따라서 본 발명에 따른 압전 발전기 모듈은, 다수의 압전 발전기 모듈을 병렬로 연결하는 과정이 간단하므로 블록 형태의 구성이 용이하고, 건물 내에 전력이 필요한 곳에 전력 공급을 위해 다수의 압전 발전기 모듈을 설치할 때, 현장에서 즉시 압전 발전기 모듈의 병렬 연결되는 개수를 조절하면서 대용량 또는 소용량으로 필요 전력에 맞는 압전 발전기 블록을 구성할 수 있다.

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  7. 압전 발전기 모듈로서,
    탄성기판;
    상기 탄성기판의 상면에 놓이며, 상기 탄성기판의 상면으로부터 수직하고, 서로 면에 수직하도록 연결되어 상기 탄성 기판과 함께 박스형 구조를 이루며, 상기 탄성기판의 가장자리 영역에 배치되어, 상기 압전 발전기 모듈의 테두리를 형성하는 접속패널들;
    상기 탄성기판의 상면에 놓이며, 상기 접속패널들 내측 중앙부에 배치되고, 상부전극 및 하부전극을 갖는 압전체; 및
    사방의 측면부가 상기 접속패널들 내측에 삽입되어, 상기 압전체를 덮어 보호하는 커버를 포함하고,
    상기 탄성 기판은 상기 압전체를 지지하며 압전체의 형상 변형 및 복원을 보조하고,
    상기 압전체는 상기 커버로부터 전달되는 압력에 의해 형상 변형 및 복원되면서 전력을 발생시키며,
    상기 접속패널들은 비전도성 재질로 이루어지며, 상기 접속패널들의 상면 및 외측면에 제2 전극층이 형성되어 있는,
    압전 발전기 모듈.
  8. 압전 발전기 모듈로서,
    탄성기판;
    상기 탄성기판의 상면에 놓이며, 상기 탄성기판의 상면으로부터 수직하고, 서로 면에 수직하도록 연결되어 상기 탄성 기판과 함께 박스형 구조를 이루며, 상기 탄성기판의 가장자리 영역에 배치되어, 상기 압전 발전기 모듈의 테두리를 형성하는 접속패널들;
    상기 탄성기판의 상면에 놓이며, 상기 접속패널들 내측 중앙부에 배치되고, 상부전극 및 하부전극을 갖는 압전체; 및
    사방의 측면부가 상기 접속패널들 내측에 삽입되어, 상기 압전체를 덮어 보호하는 커버를 포함하고,
    상기 탄성 기판은 상기 압전체를 지지하며 압전체의 형상 변형 및 복원을 보조하고,
    상기 압전체는 상기 커버로부터 전달되는 압력에 의해 형상 변형 및 복원되면서 전력을 발생시키며,
    상기 탄성 기판의 평면 모양은 사각 형상이고, 상기 접속패널들은 상기 탄성 기판의 사각 형상의 가장자리 영역을 따라 배열되어 평면 형상이 사각 형상인 박스형태의 구조를 이루고,
    상기 접속 패널들은 각 면의 중앙에 형성되는 개구부를 포함하고, 상기 개구부는 상기 접속 패널들의 중앙의 하측 일부로만 절개되어 형성되는,
    압전 발전기 모듈.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 탄성 기판이 비전도성 재질로 이루어진 경우 상기 탄성 기판의 상면 및 측면에는 제 1 전극층이 형성되며, 상기 압전체의 하부전극 및 상기 제 1 전극층 사이에 전도체가 배치되고,
    상기 접속패널들이 비전도성 재질로 이루어진 경우 상기 접속패널들의 상면 및 외측면에 제2 전극층이 형성되며,
    상기 제2 전극층은 상기 접속 패널들의 외면에서 상기 개구부 위치보다 상측 영역으로만 형성되는,
    압전 발전기 모듈.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 전극층은 상기 탄성 기판의 상면 및 측면에서 상기 개구부의 인접한 영역에만 형성되고, 이때 상기 제1 전극층은 상기 개구부를 통해 상기 탄성 기판의 상면과 측면에 연결되어 형성되어 있는,
    압전 발전기 모듈.
  11. 제7항 또는 제9항에 있어서,
    상기 제2 전극층은 상기 압전체의 상부전극과 전선 연결되어 전기적으로 접속되는,
    압전 발전기 모듈.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 커버는 상기 전선이 통과될 수 있는 슬릿을 포함하며, 상기 슬릿은 상기 커버의 측면부에 형성되어 있는,
    압전 발전기 모듈.
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