KR102311348B1 - 압전 에너지 하베스팅 장치를 활용한 자가발전 스마트폰 케이스 - Google Patents

압전 에너지 하베스팅 장치를 활용한 자가발전 스마트폰 케이스 Download PDF

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Abstract

압전 에너지 하베스팅 장치를 활용한 자가발전 스마트폰 케이스가 개시된다. 상기 압전 에너지 하베스팅 장치를 활용한 자가발전 스마트폰 케이스는, 후면 케이스면, 회로기판, 무선충전패드, 및 전면 케이스면이 순차적으로 적층되고; 상기 회로기판은, 케이스에 스마트폰이 끼워졌을 때를 기준으로 스마트폰의 상단 화면부에 해당하는 부분에 배치된 정류 다이오드를 포함하고, 케이스에 스마트폰이 끼워졌을 때를 기준으로 스마트폰의 하단 터치부에 해당하는 부분에 배치된 하나 이상의 압전 소자 모듈을 포함하며, 상기 압전 소자 모듈은 양극; 압전층; 및 음극을 포함하는 압전 소자이다.

Description

압전 에너지 하베스팅 장치를 활용한 자가발전 스마트폰 케이스 {Self-powered mobile phone case using piezoelectric energy harvesting device}
본 발명은 압전 에너지 하베스팅 장치를 활용한 자가발전 스마트폰 케이스에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 얇은 PVDF 복합체를 병렬로 적층한 압전 소자를 스마트폰 케이스의 하단 터치부에 부착하는 자가발전 스마트폰 케이스에 관한 것이다.
This study was supported by Korea Electric Power Corporation (Grant number: R19XO01-36)
최근, 스마트폰은 전화나 메시지는 물론 웹 서핑, 게임, 동영상 감상, 문서 열람 등의 편리하고 다양한 기능을 많이 가지고 있어, 현대인이라면 누구나 소지하고 장시간 사용하는 일상생활의 필수품이 되었다. 이처럼 스마트폰의 사용 시간이 증가하면서 더욱 많은 전기에너지를 필요로 하게 되었지만, 이를 해결하기 위해 스마트폰 배터리의 용량을 늘리는 것은, 현재까지 개발된 리튬 이온 배터리의 기술적 한계 및 스마트폰의 중량 증가로 인해 그 한계가 명확한 해결 방법이다. 또한, 항상 스마트폰 충전 장치를 소지하거나 예비 배터리를 소지하는 것은 외출 시 추가적인 물품을 휴대해야 한다는 불편함이 있고, 이에 더하여, 상기 충전 장치를 연결할 콘센트를 찾아야 하는 문제 및 예비 배터리를 미리 충전시켜서 준비해두어야 한다는 문제가 존재한다. 따라서, 상기와 같은 문제를 해결하기 위해서는 장소의 구애를 받지 않고 스마트폰을 무선 충전할 수 있는 방법을 찾는 것이 중요하다.
한편, 생활에 필요한 대부분의 에너지가 화석 연료에 의존하기 때문에 지구온난화 등의 환경오염 문제가 갈수록 우려되는 상황이며, 이를 해결하기 위해 환경을 오염시키지 않는 친환경 차세대 에너지원에 대한 개발이 시급히 요구되고 있다. 상기에서 언급된 것으로부터 알 수 있듯이, 스마트폰의 사용량은 전세계적으로 폭증하는 추세이며 따라서 스마트폰의 사용에 필요한 전기에너지 역시 증가하고 있다.
스마트폰에 전기에너지를 친환경적으로 공급하기 위해, 스마트폰 케이스에 bulk형 세라믹 압전소자를 적용하는 것이 종래의 기술로 공개되어 있다. 압전소자란, 외부의 물리적 힘에 의한 압력이 전압을 발생시키는 압전 효과에 의해 이를 전기에너지로 전환하는 소자를 의미한다. 상기의 압전소자는 스마트폰을 사용하며 발생하는 터치압과 스마트폰을 휴대하였을 때 발생되는 진동으로 낭비되고 있는 기계적 에너지를 전기에너지로 전환할 수 있고, 이로 인하여 자연스럽게 스마트폰을 충전시킬 수 있어 매우 친환경적이며 자원 효율성이 뛰어나다.
그러나 기존의 세라믹 압전소자는, 충분한 출력전위를 위하여 bulk형을 채택하기 때문에 유연성이 떨어져 충격에 약하고 무거우며 성형이 어렵다. 또한, 에너지 발생 시간이 짧으며 음전극이 발생하는 등의 추가적인 문제가 있어, 세라믹 압전소자가 스마트폰 케이스에 적용되어도 원하는 정도의 충분한 효과가 나타나지 않는다. 따라서, 이러한 문제를 해결하기 위한 새로운 소재와 새로운 구조의 압전소자를 포함한 스마트폰 케이스의 개발이 필요한 실정이다.
본 발명의 일 목적은, 기존의 압전 소자를 적용한 스마트폰 케이스보다 내부저항이 적고 발생에너지는 향상된 우수한 자가발전 기능을 갖는 자가발전 스마트폰 케이스를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 목적은, 기존의 압전 소자에 비해 유연하고 내구성이 뛰어난 압전 소자를 갖는 자가발전 스마트폰 케이스를 제공하는 것이다.
일 측면으로서, 본 발명은, 후면 케이스면, 회로기판, 무선충전패드, 및 전면 케이스면이 순차적으로 적층되고; 상기 회로기판은, 케이스에 스마트폰이 끼워졌을 때를 기준으로 스마트폰의 상단 화면부에 해당하는 부분에 배치된 정류 다이오드를 포함하고, 케이스에 스마트폰이 끼워졌을 때를 기준으로 스마트폰의 하단 터치부에 해당하는 부분에 배치된 하나 이상의 압전 소자 모듈을 포함하며, 상기 압전 소자 모듈은 양극; 압전층; 및 음극을 포함하는 압전 소자인, 압전 에너지 하베스팅을 이용하는 자가 발전 스마트폰 케이스를 제공한다.
일 구현예로서, 본 발명은, 상기 압전 소자 모듈은 복수개의 압전 소자가 적층되어 있는 것을 특징으로 한다.
일 구현예로서, 본 발명은, 상기 복수개의 압전 소자가 적층되어 있는 경우, 복수개의 전극들이 같은 극성끼리 서로 직렬로 연결되어 있으며, 반대 극성을 갖는 복수개의 전극들과 서로 인터디지테이티트(interdigitated) 형태로 배치되는 것을 특징으로 한다.
일 구현예로서, 본 발명은, 상기 하나 이상의 압전 소자 모듈은 서로 병렬로 연결되어 있는 것을 특징으로 한다.
일 구현예로서, 본 발명은, 상기 하나 이상의 압전 소자 모듈은 상기 정류 다이오드를 통해 상기 무선충전패드와 연결되는 것을 특징으로 한다.
일 구현예로서, 본 발명은, 상기 압전층은 PVDF 폴리머 소재를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 구현예로서, 본 발명은, 상기 압전층은 200㎛ 이하의 두께인 것을 특징으로 한다.
일 구현예로서, 본 발명은, 상기 무선충전패드와 상기 회로기판의 두께의 합은 1cm 이하인 것을 특징으로 한다.
일 구현예로서, 본 발명은, 상기 회로기판의 빈 공간에 완충제를 추가로 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 얇은 압전 소자를 적층시키는 것에 의해 소자 내부의 저항을 감소시키고 발생 에너지를 향상시켜 보다 우수한 자가발전 기능을 갖는 스마트폰 케이스를 제공할 수 있다.
뿐만 아니라, 상기 압전 소자의 소재로 PVDF를 사용하여, 기존의 소재를 이용한 압전 소자보다 유연하고 내구성이 향상된 압전 소자를 갖는 스마트폰 케이스를 제공할 수 있다.
또한, 상기 압전 소자를, 케이스에 스마트폰이 끼워졌을 때를 기준으로, 터치로 인한 진동이 주로 발생하는 스마트폰의 하단 터치부에 해당하는 부분에 위치시킴으로써, 압전 소자가 스마트폰 케이스에 전체적으로 위치할 때에 비해 훨씬 효율적인 자가발전 기능을 갖는 스마트폰 케이스를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 스마트폰 케이스 내 회로기판의 구성을 나타내는 평면도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 스마트폰 케이스 내 무선충전패드의 평면도를 도시한다.
도 3은 본 발명의 스마트폰 케이스 내 압전 소자 모듈의 종단면도를 도시한다.
도 4는 본 발명의 스마트폰 케이스의 분해도를 도시한다.
도 5는 본 발명의 스마트폰 케이스 내 회로 구조를 도시한다.
도 6은 본 발명의 스마트폰 케이스 내 압전 소자의 예상 출력전압을 나타내는 그래프를 도시한다.
이하, 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 또는 “함유”한다고 할 때, 이는 특별히 달리 정의되지 않는 한, 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있으며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명이 개시하는 압전 에너지 하베스팅 장치를 활용한 자가발전 스마트폰 케이스를, 본 발명의 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
본 발명은, 후면 케이스면(40), 회로기판(10), 무선충전패드(20), 및 전면 케이스면(30)이 순차적으로 적층된다. 이들의 적층 구조는 본 발명의 도 4에 도시되어 있다.
이 중, 상기 후면 케이스면(40)은, 케이스에 스마트폰이 끼워졌을 때를 기준으로 스마트폰에 직접 닿지 않고 바깥쪽으로 향해있는 면을 의미하고, 상기 전면 케이스면(30)은, 케이스에 스마트폰이 끼워졌을 때를 기준으로 스마트폰에 직접 닿는 안쪽으로 향해있는 면을 의미한다.
상기 후면 케이스면(40)은, 순차적으로 적층된 회로기판(10), 무선충전패드(20), 및 전면 케이스면(30)을 포함할 수 있도록 후면 케이스면(40)의 가장자리를 따라 측벽이 존재하는 오목한 형태를 가질 수 있다.
또한, 부피가 작고 가벼운 스마트폰 케이스를 구현하기 위해, 상기 무선충전패드(20)와 상기 회로기판(10)의 두께의 합은 1cm 이하인 것이 바람직하다.
추가로, 본 발명의 스마트폰 케이스의 후면 케이스면(40) 및 전면 케이스면(30)은 바람직하게는 우레탄 소재를 기반으로 제작될 수 있다.
도 1은 본 발명의 스마트폰 케이스 내 회로기판(10)의 구성을 나타내는 평면도를 도시한다.
상기 회로기판(10)은, 케이스에 스마트폰이 끼워졌을 때를 기준으로 스마트폰의 상단 화면부에 해당하는 부분에 배치된 정류 다이오드(2)를 포함하고, 케이스에 스마트폰이 끼워졌을 때를 기준으로 스마트폰의 하단 터치부에 해당하는 부분에 배치된 하나 이상의 압전 소자 모듈(3)을 포함한다.
본 발명에서는, 가장 많은 터치가 요구되는 스마트폰의 하단 터치부와 대응되는 회로기판(10) 상에 압전 소자 모듈(3)을 배치하여, 본 발명의 스마트폰 케이스의 압전 효과를 추가로 향상시킨다. 반대로, 정류 다이오드(2) 회로는 비교적으로 적은 터치가 요구되는 스마트폰의 상단 화면부와 대응되는 회로기판(10) 상에 배치하여 상기 압전 소자 모듈(3)과 연결한다.
또한, 상기 회로기판(10)은, 회로기판(10)의 빈 공간에 완충제(6)를 추가로 포함할 수 있다. 이는, 회로에 주어지는 충격을 완화시켜주어 회로가 손상을 입지 않게 방지하고, 스마트폰 케이스 내의 빈 공간을 채워 스마트폰 케이스가 평평할 수 있도록 도와주는 역할을 한다. 또한, 스마트폰 자체에 가해지는 외적 충격 역시 완화시킬 수 있어, 스마트폰 케이스가 본연의 기능에 충실할 수 있도록 도와주는 역할을 한다. 상기 완충제(6)로는 물리에너지를 흡수하는 물질, 예컨대 스펀지 등이 사용될 수 있다.
상기 압전 소자 모듈(3)은 양극(31); 압전층(33); 및 음극(32)을 포함하는 압전 소자이고, 이는 도 3에 종단면도로 도시되어있다.
일반적으로, 압전 소자가 압전 기능을 하기 위해서는 압전층(33), 및 압전층(33)의 상부와 하부에 위치하는 양극(31) 및 음극(32)이 필요하다. 도 3에서 도시된 양극 및 음극은 일 실시예에 불과하며, (31)이 음극이고 (32)가 양극으로 배치되어도 무방하다. 상기 압전 소자에 외력이 가해지면 상기 압전층(33) 결정의 전기분극에 의해 압전층(33)의 결정 양면에 전위차가 생긴다. 상기 전위차에 의해 상기 압전층(33)의 상부와 하부에 위치하는 전극은 + 또는 -로 전압이 인가되고, 이를 압전 효과라 한다. 이 때문에 압전 소자에 전류가 발생하여 정류 다이오드(2)로 흐르게 되고, 이는 무선충전패드(20)에 연결되어 스마트폰을 충전하는데 사용된다. 여기서 상기 정류 다이오드(2)는 안정적인 직류 전원을 발생시켜, 에너지 발생 시간이 짧고 음전극이 발생하는 압전 소자의 단점을 해결할 수 있다. 상기 정류 다이오드(2)를 포함하는 회로 구조는 도 5에 도시되어있다.
일반적으로 압전 재료로는, 단결정, 예컨대, 수정, 탈탄산 리튬 또는 니오브산 리튬; 또는 세라믹, 예컨대 지르콘 티탄산염, 및 티탄산 바륨 등이 사용되며, 본 발명의 압전층(33)은 압전성 고분자인 PVDF 폴리머 소재를 포함한다.
한편, 압전층(33)의 압전 재료는 폴링(poling)이 되어 있으며, 본 발명과 같은 장치에서는 기계적 힘이 압전층(33)의 위아래로 인가되는 경우에 해당하므로 압전층(33)은 d33 방향으로 폴링되어 있는 것이 압전 효과를 극대화시킬 수 있다.
종래의 압전 소자는 유연성이 부족하여 내구성 향상에 어려움이 있었으나, PVDF 폴리머 소재를 추가하는 것에 의해 압전 소자에 유연성을 부가할 수 있다. 상기 PVDF(polyvinylidene fluoride, 폴리플루오르화비닐리덴) 폴리머 소재는 압전 특성을 갖는 유기 고분자 소재이지만 기존의 bulk 타입 압전 소자와 비교하여 낮은 출력값을 보인다. 그러나, 상기 PVDF를 200㎛ 이하의 박층으로 제조한 뒤 이를 적층하게 되면, 고출력 에너지를 발생시키는 압전 소자를 제조할 수 있다. 따라서, 기존의 일반 세라믹보다 얇은 두께로 더욱 우수한 출력의 압전 소자를 만들 수 있다. 또한, 상기 PVDF 압전 소자는 두께가 얇기 때문에 기존의 일반 세라믹 소재 압전 소자보다 현저히 가볍고 내구성도 뛰어나다. 이러한 PVDF 소재를 이용하여 제조한 본 발명의 압전층(33)은 200㎛ 이하의 두께가 바람직하다.
도 3에 나타난 것처럼, 압전 소자 내 압전층(33)은 양극(31) 및 음극(32) 사이에 위치하며, 상기 압전 소자 내 전극들은 같은 극성끼리 음전선(4) 또는 양전선(5)으로 서로 직렬로 연결되어 있으며, 반대 극성을 갖는 복수개의 전극들과 서로 인터디지테이티트(interdigitated) 형태로 배치될 수 있다. 상기 인터디지테이티트(interdigitated) 형태는 일정한 간격과 두께를 갖는 빗살 무늬 구조가, 마주보며 깍지형으로 배치된 형태를 의미한다. 본 발명의 압전 소자 모듈(3)은 이러한 복수개의 압전 소자가 적층되어 있는 특징적인 형태이다.
본 발명은, 하나 이상의 위와 같은 압전 소자 모듈(3)이 서로 병렬로 연결되어 있고, 각 압전 소자 모듈(3)의 같은 극성끼리 음전선(4), 또는 양전선(5)으로 병렬 연결되어 정류 다이오드(2)와 연결된다. 최종적으로, 상기 하나 이상의 압전 소자 모듈(3)은 상기 정류 다이오드(2)를 통해 무선충전패드(20) (도 2에 도시됨)와 연결되어 스마트폰에 전력을 공급할 수 있다. 도 4에 나타낸 것과 같이, 상기 무선충전패드(20)를, 압전 소자가 부착된 회로기판(10)의 상부에 적층하였다. 이 때, 상기 무선충전패드(20)를 얇게 설계하여 압전 에너지를 발생시키는데 불편함이 없게 하고 평면으로 제작하여 케이스 디자인에 방해를 주지 않게 하였다.
도 6은 본 발명의 스마트폰 케이스 내 압전 소자의 예상 출력전압을 나타내는 그래프를 도시한다. 도 6에서 확인할 수 있는 것처럼, 본 발명에서 설명한 스마트폰 케이스를 제작하여 압전 소자의 출력 전압을 측정해보면 도 6과 같은 출력 전압이 측정되며, 이를 이용해 스마트폰의 무선 충전이 가능할 것으로 기대된다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명했지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
1: 에너지충전장치
2: 정류 다이오드
3: 압전 소자 모듈
31: 양극
32: 음극
33: 압전층
4: 음전선
5: 양전선
6: 완충제
10: 회로기판
20: 무선충전패드
30: 전면 케이스면
40: 후면 케이스면

Claims (9)

  1. 후면 케이스면, 회로기판, 무선충전패드, 및 전면 케이스면이 순차적으로 적층되고;
    상기 회로기판은,
    케이스에 스마트폰이 끼워졌을 때를 기준으로 스마트폰의 상단 화면부에 해당하는 부분에 배치된 정류 다이오드를 포함하고,
    케이스에 스마트폰이 끼워졌을 때를 기준으로 스마트폰의 하단 터치부에 해당하는 부분에 배치된 하나 이상의 압전 소자 모듈을 포함하며,
    상기 압전 소자 모듈은 양극; 압전층; 및 음극을 포함하는 압전 소자인,
    압전 에너지 하베스팅을 이용한 자가 발전 스마트폰 케이스.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 압전 소자 모듈은 복수개의 압전 소자가 적층되어 있는,
    압전 에너지 하베스팅을 이용한 자가 발전 스마트폰 케이스.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 복수개의 압전 소자가 적층되어 있는 경우, 복수개의 전극들이 같은 극성끼리 서로 직렬로 연결되어 있으며, 반대 극성을 갖는 복수개의 전극들과 서로 인터디지테이티트(interdigitated) 형태로 배치되는,
    압전 에너지 하베스팅을 이용한 자가 발전 스마트폰 케이스.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 압전 소자 모듈은 서로 병렬로 연결되어 있는,
    압전 에너지 하베스팅을 이용한 자가 발전 스마트폰 케이스.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 압전 소자 모듈은 상기 정류 다이오드를 통해 상기 무선충전패드와 연결되는,
    압전 에너지 하베스팅을 이용한 자가 발전 스마트폰 케이스.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 압전층은 PVDF 폴리머 소재를 포함하는,
    압전 에너지 하베스팅을 이용한 자가 발전 스마트폰 케이스.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 압전층은 200㎛ 이하의 두께인,
    압전 에너지 하베스팅을 이용한 자가 발전 스마트폰 케이스.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 무선충전패드와 상기 회로기판의 두께의 합은 1cm 이하인,
    압전 에너지 하베스팅을 이용한 자가 발전 스마트폰 케이스.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 회로기판의 빈 공간에 완충제를 추가로 포함하는,
    압전 에너지 하베스팅을 이용한 자가 발전 스마트폰 케이스.
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KR1020200153269A KR102311348B1 (ko) 2020-11-17 2020-11-17 압전 에너지 하베스팅 장치를 활용한 자가발전 스마트폰 케이스

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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101022136B1 (ko) * 2009-10-29 2011-03-17 홍익대학교 산학협력단 압전 에너지 수확을 위한 공진형 자려 부스트 컨버터 회로
KR101554109B1 (ko) * 2014-08-21 2015-09-18 동양대학교 산학협력단 무선충전과 자가발전을 겸비한 모바일용 보호케이스
KR20150137043A (ko) * 2015-03-23 2015-12-08 김정훈 실시간 진동 피드백을 제공하는 휴대단말용 보호케이스

Patent Citations (3)

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