KR101740787B1 - 압전 에너지 하베스터 및 이를 포함하는 무선 스위치 - Google Patents

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정인화
박종흠
김희욱
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터는 누름판과 압전체 사이에 압력 전달부를 구비하여 압전체에 균일한 압력을 전달함으로써 균일한 에너지를 발생시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 스위치는 상기 압전 에너지 하베스터에서 발생된 전압을 구동 전원으로 사용하여 외부 전자기기에 RF 통신 신호를 전달할 수 있다.

Description

압전 에너지 하베스터 및 이를 포함하는 무선 스위치{Piezo-electric energy harvester and wireless switch including the same}
본 발명은 압전 에너지 하베스터 및 이를 포함하는 무선 스위치에 관한 것이다.
일반적으로, 조명의 점멸은 스위치를 통해 이루어지게 되며, 스위치는 사용자가 도달 가능한 위치에 구비되어야 하므로 통상적으로 건축물의 벽면에 위치하게 된다. 따라서, 스위치에 인가되는 전원 라인은 건축물의 벽면의 내부에 형성된다.
조명을 점멸시킬 때, 사용자는 스위치가 구비된 벽면까지 직접 이동한 후에 수동으로 스위치를 조작하여 조명을 점등시키거나 소등시키게 되는데, 이러한 방식은 조작의 불편함이 있으며, 야간에 소등 후에는 주변의 식별이 어려워 스위치를 조작하는데 불편함이 있다.
따라서, 이러한 수동 조작의 불편함을 해소하고 편리하게 조명을 점멸시키기 위하여 무선 스위치 장치가 요구된다.
이러한 무선 스위치 장치는 사용자가 리모컨 등의 송신부를 조작하면, 리모컨에서 조명 제어 신호가 무선으로 송신되고, 벽면 등에 구비된 수신부에서 무선 신호를 수신하며, 이를 통해 조명을 점등시키거나 소등시키게 된다.
이러한 무선 스위치 장치는 리모컨 등의 송신부에 배터리 등을 내장하게 되므로 주기적으로 배터리를 교체해주어야 하는 불편함이 따른다.
본 발명의 일 실시예에 따른 목적은, 무선 스위치에 구비된 송신 모듈에 구동 전원을 제공하는 압전 에너지 하베스터 및 이를 포함하는 무선 스위치를 제공하는 것이다.
또한, 압전 에너지 하베스터에 구비된 압전소자에 균일한 압력을 전달할 수 있는 압전 에너지 하베스터 및 이를 포함하는 무선 스위치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터는 누름판과 압전체 사이에 압력 전달부를 구비하여 압전체에 균일한 압력을 전달함으로써 균일한 에너지를 발생시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 스위치는 상기 압전 에너지 하베스터에서 발생된 전압을 구동 전원으로 사용하여 외부 전자기기에 RF 통신 신호를 전달할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터는 무선 스위치에 구비된 송신 모듈에 구동 전원을 제공할 수 있으며, 이에 따라 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터를 포함하는 무선 스위치는 별도의 배터리를 내장하지 않고도 조명의 점멸 신호를 송신할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터 및 이를 포함하는 무선 스위치는 압전소자에 균일한 압력을 전달할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 스위치의 평면도이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 스위치의 개략 구성도이고,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터의 단면도이고,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터가 작동되는 모습을 도시한 단면도이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시예에 제한되지 아니하고, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 구성요소를 추가, 변경 또는 삭제 등을 통하여, 퇴보적인 다른 발명이나 본 발명 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본원 발명 사상의 범위 내에 포함된다고 할 것이다.
아울러, 명세서 전체에서, 어떤 구성이 다른 구성과 '연결'되어 있다 함은 이들 구성들이 '직접적으로 연결'되어 있는 경우뿐만 아니라, 다른 구성을 사이에 두고 '간접적으로 연결'되어 있는 경우도 포함하는 것을 의미한다. 또한, 어떤 구성요소를 '포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
또한, 각 실시예의 도면에 나타나는 동일한 사상의 범위 내의 기능이 동일한 구성요소는 동일한 참조부호를 사용하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 스위치의 평면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 스위치의 개략 구성도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 스위치는 압전 에너지 하베스터(100), 정류기(200), 캐패시터(300), 전력 조정부(400) 및 송신 모듈(500)을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무선 스위치는 상기 압전 에너지 하베스터(100)에서 발생된 전력을 구동 전원으로 사용할 수 있다.
상기 무선 스위치는 사용자의 조작이 용이한 부분에 설치될 수 있다.
일 예로, 상기 무선 스위치는 벽면 등에 설치될 수 있다. 상기 무선 스위치는 상기 송신 모듈(500)에 의해 원거리에 배치된 장치를 조작하는 제어 신호를 송출할 수 있다.
일 예로, 상기 무선 스위치는 사용자의 스위칭 동작에 따라 각기 다른 무선 신호를 송출하여, 천장에 배치된 조명 장치의 ON/OFF를 제어할 수 있다.
그러나, 상기 무선 스위치에 의해 제어되는 원거리 장치가 조명 장치로 한정되는 것은 아니며, 상기 무선 스위치는 천장에 배치된 공기 조화기, 음향기기 등을 제어할 수 있다.
도 1에 도시된 ON 버튼 및 OFF 버튼은 상기 압전 에너지 하베스터(100)에서 전력을 발생시키도록 사용자가 누를 수 있는 구조로 제공될 수 있다.
예를 들어, 상기 ON 버튼 및 OFF 버튼은 상기 압전 에너지 하베스터(100)의 구성 중 제1 탄성부(141)일 수 있다.
상기 압전 에너지 하베스터(100)는 상기 무선 스위치의 작동에 필요한 구동 에너지를 제공한다. 일 예로, 상기 압전 에너지 하베스터(100)는 송신 모듈(500)의 작동에 필요한 전력을 제공할 수 있다.
상기 압전 에너지 하베스터(100)에서 발생된 전력은 상기 정류기(200)를 거쳐 상기 캐패시터(300)에 저장된다.
상기 캐패시터(300)로부터 공급되는 전력은 상기 전력 조정부(400)를 통해 기설정된 전압 값을 가지는 전력으로 변환되어 상기 송신 모듈(500)에 전달된다.
상기 송신 모듈(500)에서는 상기 전력 조정부(400)로부터 입력받은 전력을 통해 통신 신호를 발생시키게 되고, 상기 통신 신호는 외부 전자기기의 수신 모듈로 전달되게 된다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 스위치는 상기 압전 에너지 하베스터(100)에서 발생된 에너지를 상기 송신 모듈(500)의 구동 전원으로 사용함으로써, 상기 외부 조명 장치에 ON/OFF 신호를 전달할 수 있게 된다.
따라서, 가정 내의 조명 등에 스위치를 연결하기 위하여 기구적으로 복잡한 구성을 취하지 않아도 되고, 간편하게 무선 제어 시스템을 구축할 수 있다.
또한, 전원의 연결이 어렵거나 복잡한 장소에도 용이하게 상기 무선 스위치를 배치할 수 있으므로, 간편하게 무선 제어 시스템을 구축할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 스위치는 별도의 배터리를 내장하지 않고도 조명의 점멸 신호를 송신할 수 있다.
이하에서는, 도 3 및 도 4를 참조하여 상기 송신 모듈(500)의 구동 전원으로 사용되는 에너지를 발생시키는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터(100)의 구성에 대하여 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터의 단면도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터가 작동되는 모습을 도시한 단면도이다.
먼저, 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터(100)는, 플레이트(110), 상기 플레이트(110)에 구비되는 압전소자(120), 상기 압전소자(120)와 이격되게 배치되는 누름판(130) 및 상기 누름판(130)과 상기 압전소자(120) 사이에 구비되는 압력 전달부(140)를 포함한다.
상기 플레이트(110)는 판 상으로 형성되고 탄성 변형이 가능한 재질로 제공된다.
상기 플레이트(110)의 일면에는 상기 압전소자(120)가 배치된다. 상기 압전소자(120)는 압전체(121), 상기 압전체(121)의 일면에 구비되는 제1 전극(123) 및 상기 압전체(121)의 타면에 구비되는 제2 전극(125)을 포함한다.
또한, 상기 플레이트(110)는 지지부에 의해 지지될 수 있다.
예를 들어, 상기 지지부는 상기 플레이트(110)의 양쪽 끝단에 배치되어 상기 플레이트(110)를 지지할 수 있다.
따라서, 상기 플레이트(110)는 상기 지지부에 의해 지지된 상태로 상기 압전 소자(120)와 함께 탄성 변형될 수 있다.
상기 누름판(130)은 상기 압전소자(120)와 이격되게 배치되고, 상기 누름판(130)에는 상기 누름판(130)을 관통하는 관통홀(미도시)이 구비되며, 상기 관통홀(미도시)에는 상기 압력 전달부(140)가 삽입 배치된다.
예를 들어, 상기 압력 전달부(140)의 일측이 상기 관통홀(미도시)에 삽입 배치되며, 상기 압력 전달부(140)의 타측은 상기 압전소자(120)의 일면과 접촉하도록 배치된다.
상기 압력 전달부(140)는 상부와 하부가 개방된 형상이고 내부 공간을 구비하는 몸체부(143), 상기 몸체부(143)의 상부를 밀폐하는 제1 탄성부(141) 및 상기 몸체부(143)의 하부를 밀폐하는 제2 탄성부(145)를 포함한다.
상기 몸체부(143)의 일측이 상기 관통홀(미도시)에 삽입 배치되고, 타측은 상기 압전소자(120)의 일면과 접촉하도록 배치된다.
여기서, 상기 몸체부(143)는 상부와 하부의 면적이 서로 다르게 구성된다.
예를 들어, 상기 몸체부(143)는 상부와 하부의 면적이 서로 다른 원뿔 형상일 수 있다. 그러나, 상기 몸체부(143)의 형상은 원뿔 형상으로 한정되지 않으며, 상부의 면적과 하부의 면적이 다르다면 그 형상에는 제한이 없다.
또한, 상기 몸체부(143)의 상부의 면적은 상기 몸체부(143)의 하부의 면적보다 클 수 있다.
상기 제1 탄성부(141)는 상기 몸체부(143)의 상부에 배치되며 상기 몸체부(143)의 상부를 밀폐한다.
또한, 상기 제2 탄성부(145)는 상기 몸체부(143)의 하부에 배치되며 상기 몸체부(143)의 하부를 밀폐한다.
따라서, 상기 몸체부(143)의 내부 공간은 상기 제1 탄성부(141)와 상기 제2 탄성부(145)에 의하여 밀페되게 된다.
상기 제1 탄성부(141)와 상기 제2 탄성부(145)에 의해 밀폐되는 상기 몸체부(143)의 내부 공간에는 유체(C)가 채워진다.
여기서, 상기 몸체부(143)의 내부 공간에 채워지는 상기 유체(C)는 비압축성 유체일 수 있다.
상기 유체(C)는 상기 제1 탄성부(141)에 압력이 가해질 경우, 상기 제1 탄성부(141)에 가해지는 압력을 상기 제2 탄성부(145)로 전달하는 기능을 할 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 탄성부(141)에 압력이 가해지면(예를 들면, 사용자가 상기 제1 탄성부(141)를 누르는 압력), 상기 제1 탄성부(141)는 상기 압력이 가해지는 방향으로 변위가 발생하고, 상기 압력은 상기 유체(C)를 통해 상기 제2 탄성부(145)에 전달된다.
이에 따라, 상기 제2 탄성부(145)를 통해 상기 제2 탄성부(145)와 접촉하고 있는 상기 압전소자(120)의 일면에도 압력이 가해지게 되고, 상기 압전소자(120)에 변위가 발생하게 된다.
여기서, 상기 제1 탄성부(141)에 압력이 가해지지 않을 경우에는 상기 압전소자(120)에 변위가 발생하지 않도록 구성하는 것이 바람직하다.
따라서, 상기 제2 탄성부(145) 및 상기 유체(C)의 자중에 의하여는 상기 제2 탄성부(145)가 상기 압전소자(120)를 향하는 방향으로 변위되지 않도록 구성되는 것이 바람직하다.
한편, 앞서 설명한 바와 달리 상기 몸체부(143)에 유체가 아닌 고체가 채워지는 것도 가능하다.
이 경우에는, 상기 제1 탄성부(141)에 가해지는 압력을 상기 제2 탄성부(145)에 전달할 수 있도록 상기 고체는 탄성력을 구비하도록 함이 바람직하다.
상기 압전소자(120)에 변위가 발생하면, 이에 따라 전위차가 나타나는 압전효과가 발생하게 된다.
예를 들어, 사용자가 상기 누름판(130)에 구비된 상기 제1 탄성부(141)를 누르면, 상기 제1 탄성부(141)에 변위가 발생한다.
상기 제1 탄성부(141)에 변위가 발생하면, 상기 몸체부(143)의 내부 공간에 채워진 상기 유체(C)의 체적에 변화가 발생하고, 이에 따라 상기 제2 탄성부(145)에도 압력이 가해지게 된다.
또한, 상기 제2 탄성부(145)는 상기 압전소자(120)의 일면과 접촉하고 있으므로, 상기 제2 탄성부(145)에 가해지는 압력이 상기 압전소자(120)에도 전달되게 된다.
또한, 상기 제2 탄성부(145)를 통해 상기 압전소자(120)에 압력이 가해지게 되면, 이에 따라 상기 압전소자(120)에 변위가 발생하게 된다.
상기 압전소자(120)에 변위가 발생하면, 상기 압전소자(120)에 전기적 분극이 일어나게 된다.
이에 따라, 상기 압전체(121)의 일면에 구비된 상기 제1 전극(123) 및 상기 제2 전극(125)에서 전압이 발생되며, 이를 통해 발생된 출력 전류가 상기 송신 모듈(500)의 구동 전원으로 사용되게 된다.
상기 압전체(121)는 티탄산 지르콘산 연(Lead zirconate titanate), 티탄산바륨(BaTiO₃), 티탄산연(PbTiO₃), 니오브산리튬(LiNbO₃) 또는 수정(SiO₂) 등으로 형성될 수 있다.
상기 제2 전극(125)은 전위차의 발생을 위해 구비되며, 상기 제1 전극(123)에 대응되도록 상기 압전체(121)의 타면에 구비된다.
한편, 상기 제1 탄성부(141)에 상기 힘이 작용하는 경우 상기 압력 전달부(140)에 의하여 상기 힘이 상기 압전소자(120)에 균일하게 전달될 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 상기 제1 탄성부(141)에 가해지는 압력을 P1, 상기 제1 탄성부(141)의 면적을 A1, 상기 제2 탄성부(145)에 가해지는 압력을 P2, 상기 제2 탄성부(145)의 면적을 A2라 하면, 상기 제2 탄성부(145)에 가해지는 압력은 다음의 수학식 1과 같이 계산될 수 있다.
Figure 112015039261281-pat00001
여기서, n은 1 ≤ n ≤ 2 범위일 수 있다.
따라서, 상기 제1 탄성부(141)의 면적(A1)이 상기 제2 탄성부(145)의 면적(A2)보다 크게 형성되면, 상기 제2 탄성부(145)에 가해지는 압력(P2)은 상기 제1 탄성부(141)에 가해지는 압력(P1)보다 커지게 된다.
즉, P2 > P1 이 만족될 수 있다.
상기 제1 탄성부(141)에 가해지는 압력(P1)보다 큰 압력(P2)이 상기 제2 탄성부(145)에 가해지게 되면, 상기 제2 탄성부(145)와 상기 압전소자(120)의 일면이 접촉하고 있으므로, 상기 제2 탄성부(145)에 가해지는 압력(P2)이 상기 압전소자(120)에도 가해지게 된다.
따라서, 상기 제1 탄성부(141)에 가해지는 압력(P1)보다 더 큰 압력(P2)이 상기 압전소자(120)에 가해질 수 있다.
즉, 사용자가 상기 제1 탄성부(141)를 누를 때, 상기 제1 탄성부(141)에 상대적으로 작은 압력(P1)이 가해지더라도 상기 압전소자(120)에는 상대적으로 큰 압력(P2)이 전달될 수 있다.
따라서, 사용자가 상기 제1 탄성부(141)를 누를 때, 상기 제1 탄성부(141)에 상대적으로 작은 압력(P1)이 가해지더라도 상기 압전소자(120)의 변위량을 증가시킬 수 있으므로, 결과적으로 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터(100)에서 발생되는 전력량을 증가시킬 수 있다.
한편, 상기 압전소자(120)의 일면 중 상기 제2 탄성부(145)와 접촉하는 부분에는 균일한 압력이 전달될 수 있다.
상기 제1 탄성부(141)에 가해지는 압력이 상기 몸체부(143)의 내부 공간에 채워진 상기 유체(C)에 의하여 상기 제2 탄성부(145)에 전달되므로, 상기 압전소자(120)의 일면 중 상기 제2 탄성부(145)와 접촉하는 부분에는 균일한 압력이 전달되게 된다.
여기서, 상기 압전소자(120)의 일면이 전체적으로 상기 제2 탄성부(145)와 접촉할 경우에는, 상기 압전소자(120)의 일면에 전체적으로 균일한 압력(P2)이 전달될 수 있다.
상기 몸체부(143)의 내부 공간에 채워진 상기 유체(C)에 의하여 상기 제2 탄성부(145)와 접촉하고 있는 상기 압전소자(120)의 일면에는 전체적으로 균일한 압력이 전달될 수 있는 것이다.
이와 같이, 상기 압력 전달부(140)를 통해 상기 압전소자(120)에 압력이 전달되며, 상기 압전소자(120)의 변위에 의해 발생된 전력은 상기 송신 모듈(500)에 전달되어 상기 송신 모듈(500)의 구동 전원으로 사용될 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 스위치는 별도의 배터리를 내장하지 않고도 외부 전자기기에 통신 신호를 송신할 수 있게 된다.
이상의 실시예를 통해, 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터는 무선 스위치에 구비된 송신 모듈에 구동 전원을 제공할 수 있으며, 이에 따라 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터를 포함하는 무선 스위치는 별도의 배터리를 내장하지 않고도 조명의 점멸 신호를 송신할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터 및 이를 포함하는 무선 스위치는 압전소자에 균일한 압력을 전달할 수 있다.
상기에서는 본 발명에 따른 실시예를 기준으로 본 발명의 구성과 특징을 설명하였으나 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 사상과 범위내에서 다양하게 변경 또는 변형할 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자에게 명백한 것이며, 따라서 이와 같은 변경 또는 변형은 첨부된 특허청구범위에 속함을 밝혀둔다.
100: 압전 에너지 하베스터
200: 정류기
300: 캐패시터
400: 전력 조정부
500: 송신 모듈
110: 플레이트
120: 압전소자
121: 압전체
123: 제1 전극
125: 제2 전극
130: 누름판
140: 압력 전달부
141: 제1 탄성부
143: 몸체부
145: 제2 탄성부

Claims (13)

  1. 플레이트;
    상기 플레이트의 일면에 배치되는 압전소자;
    상기 압전소자와 이격되게 배치되는 누름판; 및
    상기 누름판과 상기 압전소자 사이에 구비되는 압력 전달부;를 포함하고,
    상기 압력 전달부는,
    상부와 하부가 개방된 형상이고, 내부 공간을 구비하며, 상기 압전소자 측으로 갈수록 단면적이 감소하는 형태의 몸체부;
    상기 몸체부의 상부를 밀폐하는 제1 탄성부; 및
    상기 몸체부의 하부를 밀폐하는 제2 탄성부;를 포함하고,
    상기 제1 탄성부에 압력이 가해질 경우, 상기 제2 탄성부와 접촉하는 상기 압전소자에 더 큰 압력이 작용할 수 있도록 상기 제2 탄성부의 면적은 상기 제1 탄성부의 면적보다 작은 압전 에너지 하베스터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 누름판에는 상기 누름판을 관통하는 관통홀이 형성되고, 상기 압력 전달부는 일측이 상기 관통홀에 삽입 배치되며, 상기 압력 전달부의 타측이 상기 압전소자와 접촉하도록 배치되는 압전 에너지 하베스터.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 몸체부는 상부와 하부의 면적이 다르게 형성된 압전 에너지 하베스터.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 몸체부는 원뿔 형상인 압전 에너지 하베스터.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 몸체부의 내부 공간은 유체로 채워진 압전 에너지 하베스터.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 유체는 비압축성 유체인 압전 에너지 하베스터.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 몸체부의 내부 공간은 탄성력을 가지는 고체로 채워진 압전 에너지 하베스터.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 탄성부는 상기 누름판을 관통하는 관통홀에 삽입되고, 상기 제2 탄성부는 상기 압전소자와 접촉하는 압전 에너지 하베스터.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 탄성부의 면적과 상기 제2 탄성부의 면적은 서로 다른 압전 에너지 하베스터.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 제1 탄성부의 면적은 상기 제2 탄성부의 면적보다 큰 압전 에너지 하베스터.
  12. 삭제
  13. 제1항 내지 제2항 및 제4항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 압전 에너지 하베스터; 및
    상기 압전 에너지 하베스터에서 발생된 전력을 구동전원으로 하여 전기 신호를 송출하도록 구성된 송신 모듈;을 포함하는 무선 스위치.
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JP2011097687A (ja) * 2009-10-28 2011-05-12 Kyocera Corp 発電部材およびこれを用いた発電装置
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