KR101659283B1 - 전기 에너지 발생 장치 - Google Patents

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KR101659283B1
KR101659283B1 KR1020150003159A KR20150003159A KR101659283B1 KR 101659283 B1 KR101659283 B1 KR 101659283B1 KR 1020150003159 A KR1020150003159 A KR 1020150003159A KR 20150003159 A KR20150003159 A KR 20150003159A KR 101659283 B1 KR101659283 B1 KR 101659283B1
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이상구
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/18—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators

Abstract

본 발명에 따르면, 적어도 2 이상의 표면을 갖는 압전체; 상기 압전체의 표면 중 적어도 한쪽 면에 위치하며 압전체에 변위를 전달하는 탄성체; 및 상기 탄성체가 위치하는 면에 대응되는 다른 표면에는 압전체의 변위를 수용할 수 있는 수단이 구비된, 전기 에너지 발생 장치가 제공된다.

Description

전기 에너지 발생 장치{Electric Energy Generating Device}
본 발명은 전기 에너지 발생 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 스프링을 이용하여 압전체를 진동시킴으로써 전기 에너지를 얻을 수 있는 전기 에너지 발생 장치에 관한 것이다.
전기 에너지의 획득은 다양한 방식으로 이루어질 수 있다. 기존의 전기 생산 방식으로는 통상적인 화력 발전 및 원자력 발전을 예로 들 수 있으며, 신 재생에너지 분야의 전기 생산 방식으로는 풍력, 수력, 조력, 지열, 태양열 및 태양광을 이용한 발전을 예로 들 수 있다. 이러한 유형의 발전은 대부분 대규모로 이루어지며, 전력망(electrical grid)을 통해서 전기가 공급됨으로써 일상 생활에서 전기를 사용할 수 있다.
한편, 일상 생활에서 사용되는 다양한 전자 기기들 중 일부는 배터리를 통해서 전기 에너지를 이용할 수 있도록 구성된다. 그러나 배터리 생산에 필요한 물질은 인체에 유해하므로 배터리 생산 및 폐기 과정에서 많은 문제점을 야기하며, 배터리의 사용 중에도 배터리의 방전 이후에 배터리를 충전하거나 배터리를 교체하는 작업은 상대적으로 매우 번거롭다는 문제점이 있다.
위와 같은 종래 기술의 문제점을 고려하여, 에너지 하베스팅(energy harvesting)은 최근 매우 중요한 기술 분야로 인식되어 활발한 연구가 진행되고 있다. 특히, 모바일(mobile) 환경에서의 전자 기기 사용이 일상 생활에서 중요한 부분을 차지하는 추세에 따라서, 기계적 에너지를 수확하여 전기 에너지로 변환/저장하는 기술은 보다 효율적인 에너지 변환을 가능하게 하는 소자/재료/구조 등을 필요로 하고 있다. 특히 배터리 부피에 따른 전자 기기 구조의 제약을 극복하고, 또한 방전된 배터리의 충전 문제 및 폐기될 배터리의 교체 문제를 다른 방식으로 해결하여야 할 필요성이 존재한다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 압전체를 구비한 전기 에너지 발생 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 스프링을 이용하여 압전체를 진동시키는 전기 에너지 발생 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 배터리를 이용하지 않으면서 사용자가 단순히 누르는 동작만으로 필요한 전기 에너지를 얻을 수 있는 전기 에너지 발생 장치를 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면,
적어도 2 이상의 표면을 갖는 압전체;
상기 압전체의 표면 중 적어도 한쪽 면에 위치하며 압전체에 변위를 전달하는 탄성체; 및
상기 탄성체가 위치하는 면에 대응되는 다른 표면에는 압전체의 변위를 수용할 수 있는 수단이 구비된 전기 에너지 발생 장치가 제공된다.
일 구현예에 따르면, 상기 탄성체에 힘을 전달하기 위한 가압수단을 더 구비하며,
상기 압전체는 제 1 표면에 구비된 제 1 전극 및 대향하는 제 2 표면에 구비된 제 2 전극을 가지는 압전물질층으로 이루어져 있고,
상기 압전체는 기판의 일면 또는 양면에 구비된 것일 수 있다.
일 구현예에 따르면, 상기 탄성체는 가압수단에 의해 인가되는 힘(F)에 의한 탄성체의 변위를 x 라고 할 때 k= ΔF/Δx 로 정의되는 순간 스프링 상수 k와 관련하여, 변위 x1, x2 및 x3 가 x1 < x2 < x3 일 때
변위 0 < x < x1 일 때 순간 스프링 상수 k1,
변위 x1 < x < x2 일 때 순간 스프링 상수 k2, 및
변위 x2 < x < x3 일 때 순간 스프링 상수 k3 이
k1>0, k2≤0, k3>0 인 조건을 만족하는 탄성 특성을 갖는 것일 수 있다.
일 구현예에 따르면, 상기 기판은 상기 압전체를 지지하는 역할을 하되, 상기 탄성체로부터 전달되는 변위에 의한 압전체의 변위를 실질적으로 제한하지 않는 재질 및 구조를 갖는 것일 수 있다.
일 구현예에 따르면, 상기 압전체는 압전단결정 또는 압전물질로 이루어질 수 있다.
일 구현예에 따르면, 상기 압전체는 d33, d15 또는 d31 모드의 압전 특성을 갖는 것일 수 있다.
다른 구현예에 따르면, 별도의 탄성체 없이 상기 기판이 상기 탄성체의 역할을 수행하고, 상기 기판은 상기 가압수단에 의해 생성되는 캔틸레버식 변위를 압전체에 전달하는 구조를 갖는 것일 수 있다.
다른 구현예에 따르면, 전술한 전기 에너지 발생 장치를 단위 발전체로 하여, 복수개의 단위 발전체가 직렬 또는 병렬 구조로 집합된 구조를 가질 수 있다.
본 발명에 따르면, 압전체에 직접적으로 기계적인 힘을 가하더라도 전기 에너지를 얻을 수 없는 종래 기술의 문제점이 본 발명에 의해 해결된다. 즉, 사람이 버튼을 누르는 동작과 같은 형태로 힘이 인가될 때, 전압의 상승 속도가 너무 낮아서 압전체로부터 발생된 전기 에너지가 누설 전류 등으로 모두 소모되는 문제점이 해결되며, 압전체의 변위의 크기가 제한되고 전압의 증가가 단순하게 일 방향으로 제한되는 문제점이 해결된다.
본 발명에서는 사용자가 기계적으로 버튼을 누르는 동작만으로 충분한 전기 에너지를 발생시킬 수 있도록 압전체 및 스프링을 이용하는 새로운 구조를 채용함으로써 전기 에너지를 얻을 수 있는 장점이 있다. 또한 본 발명에서는 인가되는 힘을 비선형의 힘-변위 특성을 가지는 스프링에 저장한 후에, 압전체에 짧은 시간동안 힘을 전달하는 구조를 채용함으로써, 압전체가 더 큰 변위로 진동하게 할 수 있다. 또한 압전체의 진동으로 인한 전류는 교류 성분으로써 얻어질 수 있으며, 단순한 가압으로 인한 압전체의 전기 에너지 보다 훨씬 더 큰 전기 에너지를 발생시킬 수 있다.
도 1 내지 도 2 는 탄성체의 변위와 상기 탄성체에 인가되는 힘의 관계를 개략적으로 나타내는 그래프이다.
도 3 내지 도 5 는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 전기 에너지 발생 장치의 에 대한 개략적인 분해 사시도이다.
도 6 은 본 발명의 다른 구현예에 다른 전기 에너지 발생 장치의 개략적인 단면도이다.
도 7a 및 도 7b 는 전기 에너지 발생 장치에서 발생되는 전기 에너지의 전압을 측정하기 위하여 전기 에너지 발생 장치를 실험 장치에 거치된 상태를 개략적으로 도시한 것이다.
도 8 은 도 7a 및 도 7b 에 도시된 전기 에너지 발생 장치의 시험 결과를 나타내는 시간에 따른 전압의 그래프이다.
도 9a 및 9b 는 본 발명에 따른 장치를 핸드폰 홈버튼에 적용한 모습과 실험과정을 보여주는 사진이다.
도 10은 도 9a 및 9b 의 장치를 이용하여 실험한 결과를 나타낸다.
본 발명에서는 사용자가 제공하는 외력을 스프링과 같은 탄성체에 축적하고, 상대적으로 짧은 시간 동안 축적된 힘을 방출하여 압전체를 진동시킴으로써 전기 에너지를 생산한다.
상기 탄성체는 변위에 대한 힘의 관계가 비선형적으로 이루어지는 스프링, 예를 들어 버클링 스프링과 같은 것이다. 탄성체는 인가된 외력을 변위로 축적시킨 후에, 특정 변위를 넘어가게 되면 축적된 외력을 짧은 시간 동안 압전체에 전달할 수 있다. 압전체는 외력이 인가되었을 때 및, 상기 외력이 제거되었을 때 각각 짧은 시간 동안 변위를 일으켜서 진동하게 되며, 그러한 압전체의 진동은 전기 에너지를 발생시키기에 충분한 정도로 이루어진다.
본 발명에 있어서, 탄성체는 가압수단에 의해 인가되는 힘(F)에 의한 탄성체의 변위를 x 라고 할 때 k= ΔF/Δx 로 정의되는 순간 스프링 상수 k와 관련하여 다음과 같은 특성을 갖는다.
변위 x1, x2 및 x3 가 x1 < x2 < x3 일 때
변위 0 < x < x1 일 때 순간 스프링 상수 k1,
변위 x1 < x < x2 일 때 순간 스프링 상수 k2, 및
변위 x2 < x < x3 일 때 순간 스프링 상수 k3 이
k1>0, k2≤0, k3>0 인 조건을 만족한다.
도 1 및 도 2는 상기와 같은 탄성 특성을 도식화 하여 설명한 것이다.
탄성체를 가압수단으로 눌렀을 때의 변위를 깊이 x 라고 하면 초기 깊이는 0이고 스냅-스루-버클링(snap-through-bucking)이 일어날 때의 깊이를 x1이라고 할 수 있다. 탄성체의 최대 변위, 즉 바닥에 닿을 때의 깊이를 x3 라고 할 수 있다.
즉 도 1에서와 같이 가압수단으로 눌렀을 때 처음에는 깊이가 깊어지기 위해 힘이 증가해야 하지만 일정 깊이(x1)에 도달하면 힘이 증가하지 않아도 저절로 깊이가 깊어지다가(x1와 x2 사이) 다시 힘이 증가해야 깊이가 깊어지는 영역(x2와 x3 사이)이 나타난다. 이때 x2 와 x3 사이에서 x1 에서의 힘과 동일한 크기의 힘을 가지는 깊이를 x2' 이라고 정의하고, 가압수단에 걸리는 누르는 힘을 증가시키면서 깊이를 측정하면 도 2에서와 같이 깊이 x1 에 도달하는 순간 힘이 증가하지 않아도 깊이 x2' 까지 눌러지게 된다.
상기와 같은 탄성 특성을 갖는 탄성체로는 버클링 스프링, 스냅-스루-버클링 스프링, 디스크 스프링, 돔 스프링 등을 예로 들 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 경우에 따라서는 기판 자체가 탄성체의 역할을 수행할 수 있다. 별도의 탄성체 없이 상기 기판이 상기 탄성체의 역할을 수행하고, 상기 기판은 상기 가압수단에 의해 생성되는 캔틸레버식 변위를 압전체에 전달하는 구조를 갖는 것일 수 있다.
이하, 본 발명을 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 보다 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 전기 에너지 발생 장치는, 적어도 2 이상의 표면을 갖는 압전체; 상기 압전체의 표면 중 적어도 한쪽 면에 위치하며 압전체에 변위를 전달하는 탄성체; 및 상기 탄성체가 위치하는 면에 대응되는 다른 표면에는 압전체의 변위를 수용할 수 있는 수단이 구비된다.
상기 압전체에 전달되는 탄성체의 변위는 탄성체에 힘을 전달하기 위한 가압수단에 의해 생성될 수 있다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 압전체를 구비한 전기 에너지 발생 장치의 개략적인 분해 사시도이다. 이는 본 발명의 예시일 뿐이므로 본 발명이 이러한 구조에 한정되는 것은 아니며 본 발명의 범위 내에서 다양한 변형이 가능함은 물론이다.
구체적으로 도 3 내지 도 5는 탄성체로서 디스크 스프링을 사용한 경우를 예시하나, 이에 한정되지 않으며, 본 발명에 따른 탄성체는 도 1 및 도 2 와 관련하여 앞서 설명한 것과 같은 탄성을 갖는 재질이라면 제한없이 사용할 수 있다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 전기 에너지 발생 장치는 기판(10)과, 상기 기판(10)의 상부에 배치되고 제 1 표면에 구비된 제 1 전극(12a) 및 대향하는 제 2 표면에 구비된 제 2 전극(12b)을 가지는 압전체(11)와, 상기 압전체(11)를 가압할 수 있도록 상기 압전체(11)의 상부에 배치된 가압 수단(15)과, 상기 압전체(11)와 상기 가압 수단(15) 사이에 배치된 스프링(13)을 구비한다. 그리고 압전체가 위치하는 기판의 다른 면에는 스프링의 변위에 의해 전달되는 압전체의 변위를 수용하기 위한 수단(16,17,18)이 구비되어 있다.
상기 탄성체가 전달하는 변위를 수용할 수 있는 수단으로서 도 3은 고무나 발포폼과 같은 탄성재질시트(16), 도 4는 공간을 제공할 수 있는 링 형상 구조물(17), 도 5는 압전체 또는 압전체가 형성된 기판을 다른 구조물로부터 소정 간격으로 이격시켜 공간을 형성할 수 있도록 하는 2개 이상의 기둥구조물(18)을 도시한다. 이외에도 다양한 변형이 가능할 수 있다.
압전체(11)는 기판(10)의 제 1 표면상에 지지되어 있다. 도시된 것처럼 압전체가 기판의 일면에만 형성될 수도 있지만, 이에 한정되지 않으며 압전체를 기판의 양면에 형성하는 것도 가능하다.
상기 기판(10)은 상기 압전체를 지지하는 역할을 하되, 상기 탄성체로부터 전달되는 변위에 의한 압전체의 변위를 실질적으로 제한하지 않는 재질 및 구조를 갖는 것이 바람직하다. 예를 들면, 동판, 알루미늄판과 같이 두께가 얇아서 휘정거릴 수 있는 재질이 바람직하다.
바람직한 실시예에 따르면, 기판(10)에는 제 1 표면 및 대향하는 제 2 표면에 각각 절연층(10a, 10b)이 형성될 수 있다.
압전체(11)는 압전단결정 또는 압전 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어 납을 함유하거나 함유하지 않는 압전단결정 또는 압전세라믹, 또는 압전폴리머 등으로 이루어질 수 있다. 압전 단결정은 일정한 구조를 가지는 미세한 입자가 규칙적으로 배열된 구조를 가진다.
상기 압전체는 d33, d15 또는 d31 모드의 압전 특성을 갖는 것일 수 있다.
구체적으로 예를 들면, 압전 단결정은 릴랙서(relaxor)인 마그네슘 니오브산연(PMN)과 압전체인 티탄산연(PT)의 고용체 단결정일 수 있다. 가속도 센서에서 단결정을 압전 재료로 사용할 경우에, 통상적인 압전 재료와 비교하여, 압전 왜(歪)가 3배 이상으로 나타나고, 전기 기계 결합 계수도 크며, 또한 뛰어난 압전 특성을 나타낸다. 대안으로서, 공지된 압전 재료의 일 예인 압전 세라믹, 예를 들어 PZT(lead zirconate titanate) 세라믹을 이용할 수 있다.
압전체(11)의 제 1 표면에는 제 1 전극(12a)이 형성되고 대향하는 제 2 표면에는 제 2 전극(12b)이 형성된다. 상기 전극(12a,12b)은 도시되지 않은 배선을 통해 회로 기판(미도시)의 단자에 연결된다. 압전체(11)가 이후에 설명되는 바와 같이 진동하게 되면 전기 에너지가 발생되고, 압전체(11)로부터 발생된 전기 에너지는 배선을 통해 회로 기판상의 전자 장치로 공급될 수 있다.
탄성체로서 예시된 디스크 스프링(13)은 전체적으로 구(救)의 일부 또는 돔(dome)의 형상을 가지고, 저부가 개방되고 최상부에는 개구가 형성되어 있다. 도면에 도시되지 않은 다른 예에서 상기 개구는 폐쇄될 수 있다. 탄성체는 도 3 내지 도 5에 도시된 것과 같은 형상에 국한되지 않으며, 앞서 도 1 및 도 2에 대하여 설명한 바와 같은 탄성을 갖는 것이라면 제한 없이 사용할 수 있다.
탄성체의 변위와 힘의 관계는 탄성체에 인접하여 배치된 압전체를 진동시킬 수 있다. 환언하면, 탄성체의 변위가 압전체의 변위를 생성시킬 수 있다.
스냅-스루-버클링이 발생하는 깊이(x1)에 진입할 정도로 탄성체를 누른 이후에 힘을 제거하면, 역으로 스프링 상수가 음수인 반전 영역(x1-x2)과 스프링 상수가 양수인 비례 영역(x2-x3)을 통과하여야만 원위치로 복원될 수 있다. 이때, 도 1 에 도시된 바와 같이 반전 영역의 끝에서 힘을 제거하는 순간의 힘의 크기는, 비례 영역에서의 최대 힘의 크기보다 작다. 따라서 탄성체를 누르는 경우를 가정하면 비례 영역에서는 힘이 반대 방향이 되어 밀어내는 양상이 되며, 따라서 탄성체하부에 배치된 압전체가 자유 진동의 형태로 운동하게 하는 힘을 발생시킬 수 있다.
따라서 본원 발명에서는 스프링 상수가 k가 음(-)의 영역을 가질 수 있는 탄성체를 이용하게 된다.
다시 도 3 내지 도 5를 참조하면, 스프링(13)의 상부에 스프링(13)을 누를 수 있는 가압 수단(15)으로서 버튼이 배치된다. 상기 버튼은 사용자가 스프링(13)을 누를 수 있게 하는 그 어떤 형상이라도 가질 수 있다. 버튼과 같은 가압 수단(15)의 저부에는 스프링(13)의 상부에 형성된 개구에 삽입될 수 있는 돌출부가 형성될 수 있다. 버튼의 저부 표면에는 절연층(14)이 형성됨으로써 스프링(13)과 버튼 사이에 전기적인 절연이 이루어진다.
도 3 내지 도 5 에 도시된 바와 같이 구성된 전기 에너지 발생 장치에서, 사용자는 버튼과 같은 가압 수단(15)을 누름으로써 스프링(13)을 변형시킬 수 있다. 스프링(13)을 누르는 힘을 제거하면, 스프링(13)은 도 1 및 도 2 를 참조로 설명된 바와 같은 변위와 힘의 관계를 통해 원래 상태로 복원하게 되는데, 스프링(13)의 가압 및 복원 과정에서 압전체(11)를 진동시킨다. 압전체(11)의 진동은 전기 에너지를 발생시키며, 그렇게 발생된 전기 에너지는 전극(12a,12b)에 연결된 배선을 통해 공급될 수 있다.
도 3 내지 도 5에서는 가압수단과 압전체 사이에 탄성체가 위치하는 경우를 도시하였으나, 이에 한정되지 않으며 가압수단과 탄성체 사이에 압전체가 위치하도록 설계 하는 것도 가능하다. 어느 경우든지 탄성체의 변위가 압전체에 전달되어 압전체가 변위를 가질 수만 있다면, 즉 진동할 수 있다면 본 발명에 따른 전기 에너지 발생 장치를 구현 할 수 있다.
도 6에 도시된 구현예에 따르면, 별도의 탄성체 없이 상기 기판이 상기 탄성체의 역할을 수행하고, 상기 기판은 상기 가압수단에 의해 생성되는 캔틸레버식 변위를 압전체에 전달하는 구조를 갖는 것일 수 있다.
구체적으로, 도 6은 캔틸레버식 변위를 압전체에 전달하는 장치에 대한 개략적인 단면도이다. 버튼(15)의 기둥(24)에 돌출부(26)가 형성되어 있고, 기판(23)의 일면 또는 양면에 압전체(21)가 형성되어 있다. 기판(23)은 중심에 개구가 형성된 원형 기판일 수도 있고, 스프링 보드 형태의 복수개의 사각형 기판이 버튼의 기둥을 중심으로 대칭되도록 배치된 구조일 수 도 있다.
도 6에 도시된 구조에서는 버튼(25)을 누르면 돌출부(26)가 기판(23)의 내측 단부를 아래 방향으로 누르고 버튼(25)을 더 누르면 돌출부(26) 더 내려가면서 기판(23)을 상방향으로 튕기게 되면서 기판(23) 상에 형성된 압전체(21)가 진동 하도록 하는 것이다. 이 경우는 기판(23)이 탄성체의 역할을 동시에 수행한다.
돌출부(26)가 캔틸레버 기판(23) 에 접촉하기 전에는 바닥 스프링(27)의 스프링 상수(즉 k4) 만 적용되다가, 돌출부(26)가 기판(23)에 접촉하면 스프링 상수가 커지게 되고(즉 k5), 계속 그 상태로 있다가 기판(23)이 많이 휘어져서 튕겨지는 경우 다시 처음의 스프링 상수(k4)로 돌아간다. 즉 튕기는 순간 전후로 보면 스프링 상수가 큰 k5 (돌출부에 의한 캔틸레버 기판 스프링 영향과 바닥 스프링 영향의 합)에서 작은 k4 로의 전이가 일어나게 되고 이 때 가압수단을 누르는 중 푹 꺼지는 현상이 나타난다.
한편, 또 다른 구현예에 따르면, 본 발명에 따른 전기 에너지 발생 장치를 단위 발전체로 하여, 복수개의 단위 발전체가 직렬 또는 병렬 구조로 집합된 구조를 가지도록 할 수 있다.
도 7a 및 도 7b 는 전기 에너지 발생 장치에서 발생되는 전기 에너지의 전압을 측정하기 위한 실험 장치에 전기 에너지 발생 장치가 거치된 상태를 개략적으로 도시한 것이다. 도 7a 는 본 발명에 따라서 탄성체를 구비한 전기 에너지 발생 장치인 반면에, 도 7b 는 탄성체가 없는 전기 에너지 발생 장치이다.
도 7a 를 참조하면, 지지대(40)에 의해 금속판(30)이 지지되고, 상기 금속 판(30) 위에 압전체(31), 탄성체 (33) 및 가압 수단(35)이 배치되어 있다. 금속판(30)은 절연층(30a,30b)을 통해 지지대(40)에 접촉하고, 압전체(31)의 상부 표면에는 전극(32a)이 형성되어 있다. 가압 수단(35)과 탄성체 (33) 사이에는 절연층이 배치된다.
압전체(31)는 전체적으로 대략 1 cm x 0.5 cm x 0.1 mm 의 치수를 가지는 직육면체로서 구성되고, 스프링(33)의 저면의 직경은 대략 0.6 cm 이었다. 도 7b 를 참조하면, 탄성체(33)가 구비되지 않은 점을 제외하고, 도 7a 에 도시된 전기 에너지 발생 장치와 동일하다. 즉, 금속판(31)이 지지대(40)에 지지되고, 상기 금속판(31)의 상부에 압전체(31) 및 가압 수단(35)이 배치된다.
도 8은 도 7a 및 도 7b 에 도시된 전기 에너지 발생 장치의 실험 결과를 나타내는 시간에 따른 전압의 그래프이다.
도면을 참조하면, 탄성체 (33)를 가진 전기 에너지 발생 장치에서 발생된 전압은 도 8 의 상부에서 표시된 반면에, 탄성체 (33)가 없는 전기 에너지 발생 장치에서 발생된 전압은 도 8 의 하부에 표시되어 있다.
도 8 에서 알 수 있는 바와 같이, 탄성체 (33)를 구비하는 경우에는 가압 수단(35)을 누름에 따라서 절대값이 최대 3 볼트 이상인 전압이 발생하며, 상기 전압은 스프링을 누르는 힘이 인가되는 경우 및 누르는 힘을 제거하는 경우에 한번씩 자유 진동의 형태로 발생한다는 점을 이해할 수 있다. 이에 반해, 탄성체 (33)가 없는 경우에는 전압의 절대값의 크기가 0.5 볼트 미만으로 미미하다. 도 8 에서 60Hz 정도로 약 0.2-0.3 볼트 크기의 물결 모양은 실험 장치에 전원 인가시 자연적으로 발생하는 미세한 진동에 의해 백그라운드 노이즈로 나오는 신호이며 가압장치를 눌러서 나오는 신호와는 무관하다.
도 9a 및 9b는 본 발명에 따른 전기 에너지 발생 장치를 핸드폰 홈버튼에 장착하여 실험한 과정 및 결과를 보여준다. 도 10은 도 9a 및 9b의 실험 장치에서 홈버튼을 반복적으로 눌러서 전압 발생을 측정한 결과인데, 100회 반복 및 1000회 반복에도 약 8V 의 전압이 일정하게 발생하는 것을 확인할 수 있다.
본 발명에 따른 전기 에너지 발생 장치는 다양한 방식으로 적용될 수 있다. 예를 들어, 무전원 리모콘, 무전원 키보드, 무전원 도어락(door lock), 퍼스널 키패드(personal keypad)로 이용될 수 있다. 전기 에너지 발생 장치를 무전원 리모콘에 적용할 경우, 별도의 배터리를 구비하지 않더라도, 리모콘에서 사용자가 버튼을 누르는 동작만으로 전기 에너지가 발생하고, 상기 전기 에너지를 이용하여 적외선 신호를 발생시킬 수 있다. 또한 컴퓨터와 유선으로 연결되지 않은 무선 키보드에서도 사용자는 키보드상의 타이핑 작용만으로 전기 에너지를 발생시키고, 상기 전기 에너지를 이용하여 키보드 신호를 컴퓨터 본체로 송신할 수 있다.
10. 기판
11.21. 압전체
13.23. 탄성체
15.25. 가압수단

Claims (8)

  1. 적어도 2 이상의 표면을 갖는 압전체;
    상기 압전체의 표면 중 적어도 한쪽 면에 위치하며 압전체에 변위를 전달하는 탄성체; 및
    상기 탄성체가 위치하는 면에 대응되는 다른 표면에는 압전체의 변위를 수용할 수 있는 수단이 구비되며,
    상기 탄성체는 가압수단에 의해 인가되는 힘(F)에 의한 탄성체의 변위를 x 라고 할 때 k= ΔF/Δx 로 정의되는 순간 스프링 상수 k와 관련하여,
    변위 x1, x2 및 x3 가 x1 < x2 < x3 일 때
    변위 0 < x < x1 일 때 순간 스프링 상수 k1,
    변위 x1 < x < x2 일 때 순간 스프링 상수 k2, 및
    변위 x2 < x < x3 일 때 순간 스프링 상수 k3 이
    k1>0, k2≤0, k3>0 인 조건을 만족하는 탄성 특성을 갖는 것인 전기 에너지 발생 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 탄성체에 힘을 전달하기 위한 가압수단을 더 구비하며,
    상기 압전체는 제 1 표면에 구비된 제 1 전극 및 대향하는 제 2 표면에 구비된 제 2 전극을 가지는 압전물질층으로 이루어져 있고,
    상기 압전체는 기판의 일면 또는 양면에 구비된 것인 전기 에너지 발생 장치.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 압전체는 압전단결정 또는 압전물질로 이루어진 것인 전기 에너지 발생 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 압전체는 d33, d15 또는 d31 모드의 압전 특성을 갖는 것인 전기 에너지 발생 장치.
  7. 제2항에 있어서,
    별도의 탄성체 없이 상기 기판이 상기 탄성체의 역할을 수행하고,
    상기 기판은 상기 가압수단에 의해 생성되는 캔틸레버식 변위를 압전체에 전달하는 구조를 갖는 것인 전기 에너지 발생 장치.
  8. 제1항, 제2항 및 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항의 전기 에너지 발생 장치를 단위 발전체로 하여, 복수개의 단위 발전체가 직렬 또는 병렬 구조로 집합된 구조인 것인 전기 에너지 발생 장치.
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