KR102572034B1 - 압전 직류 발전기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 압전효과를 이용하여 직류를 발전하기 위한 장치를 개시한다.
일 예로서, 제 1 전극; 상기 제 1 전극의 제 1 면에 형성된 분극된 압전물질층; 상기 압전물질층의 상기 제 1 전극과 반대되는 면에 위치하고, 상기 압전물질층을 가압하면서 상기 압전물질층을 따라 이동가능하도록 결합된 제 2 전극을 포함하는 압전 직류 발전기가 개시된다.

Description

압전 직류 발전기{Piezoelectric Direct Current Generator}
본 발명은 압전효과를 이용하여 직류를 발전하기 위한 원리 및 장치에 관한 것이다.
산업혁명 이후로 교류가 직류에 비해 원거리 전송에 효율적이기 때문에 발전기는 전자기유도 현상을 이용하여 기계적 회전으로부터 전기를 생성하는 교류발전기 형태로만 발전되어 왔다. 그러나 교류는 전자기기를 구동하거나 배터리를 충전하기 위해서는 필수적으로 직류로 변환해야 하기 때문에, 정류회로를 통해 변환하는 과정에서 많은 출력 손실이 발생한다. 따라서 소규모나 미소에너지 발전에 있어서는 직류로 바로 발전해서 사용하는 것이 훨씬 효율적이다. 그러나 현재까지 회전운동 등의 기계적 에너지로 부터 바로 직류를 발전할 수 있는 효율성 있는 직류 발전기에 대한 연구는 거의 전무한 실정이다.
최근, 4차 산업혁명시대에 접어들면서, IoT 센서를 구동하기 위한 에너지 하베스팅 기술에 대한 요구가 크게 증가하고 있으며, 이와 더불어 소규모의 현장발전(On-site generation)이 가능한 독립전원의 개발에 대한 요구 또한 크게 증가되고 있다. 따라서 소규모/미소 에너지 발전에 있어, 활용성과 효율성을 증가시키기 위해서 직류 발전기의 개발이 크게 요구되고 있다.
본 발명의 목적은 압전효과를 이용하여 기계적 에너지로부터 바로 직류를 생성시킬 수 있는 압전 직류 발전기 원리 및 장치를 제공하는 것이다.
본 특허에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제(초음파주파수 영역대)에 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 압전 직류 발전기는 제 1 전극; 상기 제 1 전극의 제 1 면에 형성된 분극된 압전물질층; 상기 압전물질층의 상기 제 1 전극과 반대되는 면에 위치하고, 상기 압전물질층을 가압하면서 상기 압전물질층을 따라 이동가능하도록 결합된 제 2 전극을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제 2 전극은 상기 압전물질층에 비해 작은 면적을 갖도록 구비될 수 있다.
그리고 상기 제 2 전극은 적어도 일부의 면적이 상기 압전물질층과 접촉하도록 위치할 수 있다.
또한, 상기 압전물질층과 제 2 전극의 사이에 형성된 내마모층을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제 2 전극은 복수로 구비될 수 있다.
또한, 상기 제 2 전극의 각각은 상기 압전물질층의 서로 다른 영역을 가압하면서 이동하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 제 2 전극의 각각은 상기 압전물질층의 상면에 수직한 방향의 축을 기준으로 상기 상면에서 회전하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 제 2 전극은 상기 축을 기준으로 기설정된 각도로 배열된 다수의 휠을 구비한 회전부를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 회전부의 테두리에서 결합되는 링 형상의 테두리부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 회전부의 다수의 휠은 동일한 각속도로 상기 상면을 따라 회전할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 압전효과를 이용하여 기계적 에너지로부터 직접적으로 직류를 발전할 수 있다. 따라서 본 발명의 에너지 발전원리 및 장치를 적용하면 정류회로를 거쳐서 직류 변환하는 과정에서 발생하는 손실이 없기 때문에 소규모 또는 미소에너지 발전에서 훨씬 효율적으로 직류를 발전할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 압전 직류 발전기는 전류의 (+, -) 방향이 압전재료의 분극 방향에 따라서 결정되기 때문에, 발전기의 회전이나 상부전극의 움직이는 방향과 상관없이 동일 극성의 연속적인 직류 발전이 가능한 장점을 가진다. 이로 인해 응용 범위가 신재생 에너지/환경/전기자동차/IoT 등 산업전반에 걸쳐 무궁무진할 것으로 판단되며, 본 연구가 성공 시 산업 경제적 파급효과가 상당할 것으로 예상된다.
한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 직류 발전기를 간략하게 도시한 사시도이다.
도 2a 내지 도 2f는 도 1에 따른 압전 직류 발전기의 동작 메커니즘을 순차적으로 도시한 모식도이다.
도 3은 도 2a 내지 도 2f에 따른 동작 메커니즘과 대응하는 실험적 결과를 보여주는 그래프이다.
도 4는 도 1에 따른 압전 직류 발전기에서 상부 전극의 길이 변화에 따른 동작 실시예를 간략하게 도시한 사시도 및 실험조건 표이다.
도 5a는 도 4에 따른 상부 전극의 길이 변화에 따른 출력 전압의 변화를 시간에 따라 도시한 그래프이다.
도 5b는 도 4에 따른 상부 전극의 길이 변화에 따른 출력 전압의 변화를 도시한 그래프이다.
도 6은 도 1에 따른 압전 직류 발전기에서 상부 전극의 이동 속도에 따른 동작 실시예를 간략하게 도시한 사시도 및 실험조건표이다.
도 7a는 도 6에 따른 상부 전극의 이동 속도에 따른 출력 전압의 변화를 시간에 따라 도시한 그래프이다.
도 7b는 도 6에 따른 상부 전극의 이동 속도에 따른 출력 전압의 변화를 도시한 그래프이다.도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전 직류 발전기를 간략하게 도시한 사시도이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 압전 직류 발전기를 간략하게 도시한 사시도이다.
도 10는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 압전 직류 발전기를 간략하게 도시한 사시도이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 게재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서 도면에서 예시된 영역들은 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는데 있어 별 이유 없이 혼돈이 오는 것을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 압전효과를 이용한 직류 발전장치로, 한쪽 면의 전극이 제거된 분극된 압전물질 위에 일정한 넓이를 갖는 이동이 가능한 상부전극을 일정한 압력을 가하면서 이동시킴으로써, 기계적 에너지로부터 정류회로를 거치지 않고 곧바로 직류를 발전시킬 수 있는 발전장치에 대한 구성, 기능 및 그 작동 메커니즘에 대해 설명하도록 한다.
도 1는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전효과를 이용한 직류 발전장치를 도시한 사시도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 직류 발전기(100)는 하부전극(110), 하부전극(110) 상부에 배치되는 분극된 압전물질층(120), 압전물질층(120)의 상부에 배치되여 움직일 수 있는 상부 전극(130)을 포함할 수 있다.
예시적으로, 하부 전극(110)은 압전물질층(120)과 결합되어 전면으로 도포되어 있을 수 있다. 압전물질층(120)은 소정의 두께를 갖는 사각형의 판상(plate shape)으로 형성될 수 있고, 또는 회전운동으로부터 발전을 위해 원형으로 형성될 수도 있다. 상부전극(130)은 압전물질층(120)과 분리되어 상부에 위치하여 압전물질층(120)의 상면을 따라 전후좌우 전방향으로 휩쓸면서 이동할 수 있다. 이를 위해 상부전극(130)은 하부전극(110) 및 압전물질층(120)보다 작은 크기로 형성될 수 있다. 상부전극(130)은 압전물질층(120)에 기전력을 발생시키기 위해 압전물질층(120)의 두께방향으로 일정한 압력을 가하면서 이동할 수 있다. 또한, 하부 전극(110)과 상부 전극(130)은 전기적으로 연결될 수 있다.
도 1에서 상부 전극(130)이 상부에 배치된 것을 예로 하여 설명하였으나, 발전장치의 설치 위치에 따라 상부 전극(130)이 하측에 배치될 수도 있다. 즉, 상부 전극(130) 및 하부 전극(110)이라는 용어는 편의상 도면의 방향을 기준으로 상대적인 위치를 설명하기 위한 명칭일 뿐, 절대적인 위치 관계를 한정하는 명칭은 아니다.
하부 전극(110)은 압전물질층(120)과 평행하게 배치되며, 물리적 또는 화학적으로 압전물질층에 결합될 수 있다. 하부 전극(110)은 도전막의 일종인 Ag 전극으로 형성될 수 있다. 하부 전극(110)은 전극 역할을 수행할 수 있다면 다른 금속이나 금속 산화물로 대체될 수 있다.
압전물질층(120)은 하부 전극(110)의 상부에 평행하게 배치되며, 높은 온도(약 120℃ 이하)에서 고전계(3.5 kV/mm)를 가하는 폴링(Poling) 공정을 통해, 위 또는 아래 한 방향으로 분극(Polarization) 특성을 가진다. 폴링(Poling)공정을 위해 압전물질층(120) 양면에 도포된 전극이 폴링(Poling)공정이 끝난 후에 한쪽 면만 제거될 수 있다. 또한, 한쪽 면만 전극이 도포된 압전물질층(120)을 코로나(Corona) 폴링법을 이용하여 분극(Polarization)을 할 수도 있다. 코로나(Corona) 폴링법은 한쪽 면의 전극만 접촉하고 다른 쪽 면은 접촉없이 떨어져 있는 상태에서 높은 전계(1~수kV)를 가해서 압전물질층(120)에 분극(Polarization)을 형성하는 방법을 의미한다. 이 방법을 활용하면 폴링공정 후에 한쪽 면의 전극을 제거하는 수고를 피할 수 있다.
압전물질층(120)은 하부 전극과 크기가 같거나 더 작은 크기로 형성될 수 있다.
압전물질층(120)은 Pb 계열의 페로브스카이트 (Perovskite) 구조를 가지는 압전 세라믹으로 형성될 수 있으며, 압전물질층(120)은 기계적 에너지로부터 기전력을 발생시키는 역할을 한다.
Pb 계열의 페로브스카이트 (Perovskite) 구조를 가지는 압전 세라믹은 PbTiO3, PZT[Pb(Zr, Ti)O3], PMN-PT[Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3)], PZN-PT[Pb(Zr1/3Nb2/3)O3-PbTiO3)], PMN-PZT[Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-Pb(Zr,Ti)O3], PNN-PZT[Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-Pb(Zr,Ti)O3], PZN-PZT[Pb(Zr1/3Nb2/3)O3-Pb(Zr,Ti)O3] 등의 단일상, 2 상분계(Binary) 또는 3 상분계(Ternary)의 압전 특성이 큰 조성이 될 수 있다.
Pb 계열의 페로브스카이트 (Perovskite) 구조를 가지는 압전 세라믹 이외에, NKN[(Na, K)NbO3], BaTiO3와 같은 무연 압전 세라믹과 PVDF(Polyvinylidene Fluoride), P(VDF-TrFE)[poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene)]와 같은 압전 폴리머 등 다양한 압전재료를 압전물질층(120)의 소재로 사용할 수 있다.
상기 압전 세라믹은 다결정, 단결정, 결정립 배향(Templated Grain Growth, TGG) 형태의 결정립 구조를 가질 수 있다. 결정립 배향 구조의 압전 세라믹은 특성값을 향상시키기 위해서 결정립(Grain)을 단결정처럼 한쪽 방향으로 배향(Align)시켜 성장시킨 다결정을 의미한다.
상부전극(130)은 압전물질층(120)의 상부에 평행하게 배치되며, 압전물질층(120)과 분리되어 있다. 상부 전극(130)은 압전물질층(120) 보다 작은 크기로 형성될 수 있다. 그러므로 상부전극(130)은 압전물질층 위를 좌우로 이동할 수 있다. 상부전극(130)이 이동할 때 압전물질층(120)에 기전력을 형성하기 위해서 압전물질층(120)에 대해 일정한 압력을 가하는 것이 바람직하다. 또한, 후술할 바와 같이, 상부 전극(130)은 좌우뿐 만아니라 회전하는 형태로도 만들어질 수 있다(도 9 참조). 상부 전극(130)은 도전막의 일종인 ITO(Indium tin oxide) 전극으로 형성될 수 있다. 또한, 하부 전극(110) 역시 전극 역할을 수행할 수 있다면 다른 금속이나 금속 산화물로 대체될 수 있다.
또한, 상부 전극(130)과 압전물질층(120) 사이에 마모를 방지하기 위한 전기전도가 가능한 내마모층(미도시)이 별도로 형성될 수 있다. 직류 발전기의 출력은 상부 전극(130)이 압전물질층(20)의 상부를 휩쓸고 지나간 면적에 비례하기 때문에, 상부 전극(130)이 이동하는 방향과 수직한 방향에서긴 형태를 가지는 것이 바람직하다.
또한, 상부 전극과 하부 전극은 전선으로 연결될 수 있다(도 1 참조). 압전 직류 발전 장치는 전선 또는 상부/하부전극 사이를 기전력에 직류가 지날 수 있는 도통장치를 포함하여 구성된다. 도 2a 내지 도 2f는 도 1에 따른 압전 직류 발전기의 동작 메커니즘을 순차적으로 도시한 모식도이다.
먼저, 도 2a 내지 도 2b를 참조하면, 한쪽 면의 전극이 제거된 분극을 가지는 압전물질층(120)의 상면에 일정한 압력을 가하면서 상부 전극(130)을 이동시키게 된다.
또한, 도 2c 및 도 2d를 참조하면, 상부 전극(130)이 움직이면서 해제된(Released) -ΔP’ 기전력은 전극을 지나침에 따라 영향을 주지 못하고, 움직임에 의해 새로 생성된 ΔP’ 기전력에 의해서만 전극의 자유전자가 영향을 받아 전류가 상부 전극에서 하부 전극으로 한쪽 방향으로만 흐르게 된다. 그리고 이러한 원리에 의해 기계적 운동으로부터 직류 전기가 생성되게 된다.
한편, 도 2e와 같이, 상기 상부 전극(130)의 움직임을 멈추게 되면 새로 생성된 기전력이 없기 때문에 전류는 흐르지 않게 된다. 그리고 나서 도 2f와 같이, 상부 전극(130)에 가해진 압력을 해제하게 되면 압전물질층(120)이 원래 위치로 해제되면서 생성된 -ΔP 기전력에 의해서 반대 방향으로 전류가 흐르게 된다.
도 3은 도 2a 내지 도 2f에 따른 동작 메커니즘과 대응하는 실험적 결과를 보여주는 그래프이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 직류 발전기(100)의 동작 원리가 실험 결과와 일치함을 확인할 수 있다. 예를 들어, 도 3의 그래프에서 상부 전극(130)이 압전물질층(120)을 가압하거나, 가압한 상태에서 이동할 때 양의 전압이 생성됨을 확인할 수 있다. 또한, 도 3에서, 상부 전극(130)이 움직임을 멈춘 이후 압력을 해제하는 때 음의 전압이 생성됨을 확인할 수 있다.
도 4는 도 1에 따른 압전 직류 발전기에서 상부 전극의 길이 변화에 따른 동작 실시예를 간략하게 도시한 사시도 및 실험조건 표이다. 도 5a는 도 4에 따른 상부 전극의 길이 변화에 따른 출력 전압의 변화를 시간에 따라 도시한 그래프이다. 도 5b는 도 4에 따른 상부 전극의 길이 변화에 따른 출력 전압의 변화를 도시한 그래프이다.
도 4는 Ag 전면으로 구성된 하부 전극(110)의 상부에 200 ㎛ 두께 PZT로 압전물질층(120)을 형성하고, 압전물질층(120)의 위를 1cm 너비의 알루미늄으로 구성된 상부 전극(130)으로 20 N의 압력을 가하면서 2.7 cm/s 속도로 휩쓸고 지나가는 시험 과정을 도시한 것으로, 이 때 상부 전극(130)의 길이(x)에 따라 얻은 전압을 비교한 것이다.
이 때, 도 5a를 참조하면, 상기 상부 전극(130)의 길이(x) 변화에 상관없이 직류 전압이 발생됨을 확인할 수 있다.
또한, 도 5a 및 도 5b를 참조하면, 상부 전극(130)의 길이(x)가 길수록 더 높은 전압이 유도됨을 알 수 있다. 또한, 출력 전압의 크기는 상부 전극의 길이(x)에 거의 비례하여 증가함을 확인할 수 있다. 다시 말해, 상부 전극(130)이 휩쓸고 지나간 면적이 더 클수록 더 큰 출력을 발생시킴을 알 수 있다. (상부 전극이 휩쓸고 지나간 면적이 더 클수록 유도된 ΔP’ 기전력이 더 커지기 때문에 출력 전압이 더 커짐)
도 6은 도 1에 따른 압전 직류 발전기에서 상부 전극의 이동 속도에 따른 동작 실시예를 간략하게 도시한 사시도 및 실험조건표이다. 도 7a는 도 6에 따른 상부 전극의 이동 속도에 따른 출력 전압의 변화를 시간에 따라 도시한 그래프이다. 도 7b는 도 6에 따른 상부 전극의 이동 속도에 따른 출력 전압의 변화를 도시한 그래프이다.도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전 직류 발전기를 간략하게 도시한 사시도이다.
보다 자세하게는 Ag 전면으로 구성된 하부 전극(110)의 상부에 200 ㎛ 두께 PZT로 압전물질층(120)을 형성하고, 압전물질층(120)의 위를 1 cm x 2 cm 넓이의 알루미늄으로 구성된 상부 전극(130)으로 20 N의 압력을 가하면서 1.5 cm/s, 2.7 cm/s, 4.5 cm/s, 10.5 cm/s 속도로 휩쓸고 지나가는 시험 과정을 도시한 것으로, 이 때 상부 전극(130)의 이동 속도(y)에 따라 얻은 전압을 비교한 것이다. 도 7a 및 도 7b를 참조하면, 상부 전극(130)의 속도(y)가 증가할수록 더 높은 전압이 유도됨을 알 수 있다. 또한, 출력 전압의 크기는 상부 전극(130)의 속도(y)에 거의 비례하여 증가함을 확인할 수 있다. 즉, 앞의 시험 결과와 마찬가지로 상부 전극(130)이 시간당 휩쓸고 지나간 면적이 더 클수록 더 큰 출력을 발생시킴을 알 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 압전 직류 발전기(100)의 출력은 상부 전극(130)이 압전물질층(120)의 상부에 대해 시간당 휩쓸고 지나간 면적에 따라 증가함을 알 수 있다.
이하에서는 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전 직류 발전기의 구성을 설명하도록 한다.
앞선 실시예와 동일하거나 유사한 형태 및 기능을 갖는 구성에는 동일한 도면 부호를 붙였으며, 이하에서는 앞선 실시예와의 차이점을 위주로 설명하도록 한다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전 직류 발전기를 간략하게 도시한 사시도이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전 직류 발전기(200)는 하부 전극(110), 압전물질층(120) 및 상부 전극(230)을 포함할 수 있다.
상부 전극(230)은 압전물질층(120)의 상부에 형성된다. 상부 전극(230)은 하나가 아니라 출력 증가시키기 위해 다수가 배치될 수 있으며, 다수의 상부 전극(230)은 전기적으로 상호 연결될 수 있다.
이러한 구조에 따르면, 한번 상부 전극(230)을 압전물질층(120)의 상부에서 이동시킬 때, 상부 전극(230)이 이동하는 전체 면적을 상부 전극(230)의 개수에 비례하여 증가시키는 것이 가능하다. 따라서, 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전 직류 발전기(200)는 일 실시예에 따른 압전 직류 발전기(100)에 비해 발전 효율을 높일 수 있다.
이하에서는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 압전 직류 발전기의 구성을 설명하도록 한다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 압전 직류 발전기를 간략하게 도시한 사시도이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 압전 직류 발전기(300)는 하부 전극(310), 압전물질층(320) 및 상부 전극(330)을 포함할 수 있다.
여기서, 하부 전극(310)과 압전물질층(320)은 원형의 판상으로 형성될 수 있고, 형상을 제외한 나머지 구성은 앞서 설명한 일 실시예에서와 동일하게 형성될 수 있다.
한편, 상부 전극(330)은 도 9에서 점선으로 표시된 축을 기준으로, 압전물질층(320)의 상면에서 회전 운동을 할 수 있다. 이 때에도 역시 상부 전극(330)은 압전물질층(320)의 상면을 일정한 압력으로 누른 상태에서 회전할 수 있다. 또한, 상부 전극(330)은 축을 기준으로 일정 각도마다 배치된 다수의 휠로 구성된 회전부(331)과 회전부(331)의 가장자리를 고정하는 원형의 테두리부(332)를 구비할 수 있다. 따라서, 상부 전극(330)이 압전물질층(320)의 상면에서 회전함에 따라 회전부(331)를 구성하는 다수의 휠들이 압전물질층(320)을 상면에서 동일한 각속도로 이동하게 된다. 따라서, 한번의 회전 동작을 통해, 회전부(331)를 구성하는 다수의 휠들이 동시에 압전물질층(320)의 상면을 가압하면서 이동하게 되므로, 생성되는 에너지의 효율을 높일 수 있다.
이하에서는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 압전 직류 발전기의 구성을 설명하도록 한다.
도 10는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 압전 직류 발전기를 간략하게 도시한 사시도이다.
도 10를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 압전 직류 발전기(400)는 하부 전극(410), 압전물질층(420) 및 상부 전극(430)을 포함할 수 있다.
여기서, 하부 전극(410)과 압전물질층(420)은 원형의 판상으로 형성될 수 있고, 형상을 제외한 나머지 구성은 앞서 설명한 다른 실시예에서와 동일하게 형성될 수 있다.
한편, 상부 전극(430)은 도 10에서 점선으로 표시된 축을 기준으로, 압전물질층(420)의 상면에서 회전 운동을 할 수 있다. 이 때에도 역시 상부 전극(430)은 압전물질층(420)의 상면을 일정한 압력으로 누른 상태에서 회전할 수 있다. 또한, 상부 전극(430)은 축을 기준으로 일정 각도마다 배치된 적어도 하나의 휠을 구성하는 베어링을 포함하는 회전부(432)와 회전부(432)와 접촉하여 회전하는 휠 부(431)를 구비할 수 있다. 따라서, 상부 전극(430)이 압전물질층(420)의 상면에서 회전함에 따라 베어링을 포함하는 회전부(432)가 굴러가면서 압전물질층(420)을 상면을 마찰없이 이동하게 된다. 회전부(432)와 휠 부(431)는 금속과 같은 전도체로 구성되어 있고, 회전부(432)와 휠 부(431)는 금속 베어링에 의해 전기적으로 도통되어 있어 상기 실시예에서와 동일하게 상부전극 역할을 할 수 있다. 따라서, 한번의 회전 동작을 통해, 압전물질층(420)의 상면을 가압하면서도 마찰이 없이 이동하게 되므로, 상부 전극(430)과 압전물질층(420) 마찰에 의해 발생되는 마모 문제를 해결할 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 의한 압전 직류 발전기를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
100, 200, 300; 압전 직류 발전기 110, 310, 410; 하부 전극
120, 320, 420 압전물질층 130, 230, 330, 430; 상부 전극
331; 회전부 332; 테두리부
431: 휠 부 432: 회전부

Claims (11)

  1. 제 1 전극;
    상기 제 1 전극의 제 1 면에 형성된 분극된 압전물질층;
    상기 압전물질층의 상기 제 1 전극과 반대되는 면에 위치하고, 상기 압전물질층을 가압하면서 상기 압전물질층의 표면을 따라 이동가능하도록 결합된 제 2 전극을 포함하는 압전 직류 발전기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 전극은 상기 압전물질층에 비해 작은 면적을 갖도록 구비되는 압전 직류 발전기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 전극은 적어도 일부의 면적이 상기 압전물질층과 접촉하도록 위치되는 압전 직류 발전기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 압전물질층과 제 2 전극의 사이에 형성된 내마모층을 더 포함하는 압전 직류 발전기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 전극은 복수로 구비되는 압전 직류 발전기.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 2 전극의 각각은 상기 압전물질층의 서로 다른 영역을 가압하면서 이동하도록 구성된 압전 직류 발전기.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 2 전극의 각각은 상기 압전물질층의 상면에 수직한 방향의 축을 기준으로 상기 상면에서 회전하도록 구성된 압전 직류 발전기.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 2 전극은 상기 축을 기준으로 기설정된 각도로 배열된 다수의 휠을 구비한 회전부를 포함하여 구성된 압전 직류 발전기.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 회전부의 테두리에서 결합되는 링 형상의 테두리부를 더 포함하는 압전 직류 발전기.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 회전부의 다수의 휠은 동일한 각속도로 상기 상면을 따라 회전하는 압전 직류 발전기.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 회전부의 다수의 휠이 베어링을 포함하여 상기 상면을 따라 구르면서 회전하는 압전 직류 발전기.
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