KR20090108201A - 압력에 의한 미세 자가발전의 효율증대 패키징 구조 및이를 이용한 결빙감지 장치 - Google Patents

압력에 의한 미세 자가발전의 효율증대 패키징 구조 및이를 이용한 결빙감지 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 발전 효율이 향상된 압전소자를 이용한 미세 자가발전 패키징 구조와 이를 이용한 결빙감지 장치에 관한 것으로, 외부 자극에 의하여 눌려져서 미세 전원을 발생시키는 압전소자(10)와, 강성의 변형유도체(deformer)로서 외부에서 압력이 작용되면, 변형유도체의 강체작용에 의하여 압전소자 전체가 눌려져 동일한 압력에 대하여 효율을 극대화시키는 역할을 수행하는 핑거조인트형 변형률유도체(31)와, 고무, 폴리우레탄 등으로 상기 압전소자를 외부 자극으로부터 보호하고, 외부 압력을 압전소자로 전달하는 역할을 수행하는 패키징 외장재(23)로 구성됨을 특징으로 하는 발전 효율이 향상된 압전소자를 이용한 미세 자가발전 패키징 구조가 제공된다.
자가발전, 에너지 하비스팅, 압전소자, piezo

Description

압력에 의한 미세 자가발전의 효율증대 패키징 구조 및 이를 이용한 결빙감지 장치{PACKAGING STRUCTURE WITH PIEZZO AND ICING DETECTING APPARATUR}
본 발명은 압전소자를 이용한 미세 자가발전 장치와 이를 이용한 결빙감지 장치에 관한 것으로, 특히 도로, 철도, 보도, 계단 등과 같이 외부압력에 의한 에너지를 압전소자에 의하여 미세 자가발전(Micro Energy Harvesting)시 효율을 증대시킬 수 있을 뿐만 아니라, 포장체 등에 매설시 표면의 균열, 중차량 통행시 단선되는 것을 최소화할 수 있는 압전소자를 이용한 미세 자가발전 장치와 이를 이용한 결빙감지 장치에 관한 것이다.
도로에 매설되는 압전소자는 도 1에서와 같이 속도감지, 차량무게 측정을 위한 센서용으로 주로 활용되고 있으며, 외부압력에 의한 자가발전용으로는 그 효율이 크지 않기 때문에 일반적으로 많이 사용되지 않고 있다.
도 1은 기존의 교통정보 수집을 위하여 센서로서 도로면에 매설된 압전소자의 매설 단면도를 나타낸 것이고, 도 2는 포장의 일반적인 손상유형으로 소성변형과 피로균열을 나타낸 것이다.
일반적으로 센서로서 도로(11)에 매설되는 압전소자(10)는 도로에 컷팅 후 홈 내부에 압전소자 고정대(12)에 의하여 고정되고 폴리우레탄 등의 도로 채움재(13)에 의하여 충진된다. 도로에 매설되는 압전소자는 도 1에서와 같이 속도감지, 차량무게 측정을 위한 센서용으로 주로 활용되고 있으며, 외부압력에 의한 자가발전용으로는 그 효율이 크지 않기 때문에 일반적으로 많이 사용되지 않았다.
최근 압전소자의 효율증대 및 미세 자가발전을 이용한 센서 네트워크 등의 구동을 위하여 압전소자를 도로, 철도, 보도, 계단 등에 매설하여 자가발전하고자 하는 연구가 일부 시도되고 있으나, 도로는 도 2에서와 같이 장기적으로 사용 시 포장층에 소성변형(311) 또는 피로균열(312) 등이 발생되어, 도 1에서와 같이 압전소자를 바로 매설하거나 MFC(Multi layer Fiber Composite)와 같이 압전소자를 적층하여 포장층에 매설시 단선되거나 손상이 쉽게 발생되는 단점이 있다.
또한 고무제, 강재 등으로 압전소자 외부를 보강하여 내구성을 증대시켜다 하더라도 도 3에서와 같이 압전소자(10)를 단층 또는 적층하여 직선으로 바로 매설하는 경우에는 차량통과 또는 외부압력이 가해질 경우 압력이 접하는 일부 구간에서만 발전이 되기 때문에 효율이 상대적으로 낮은 단점이 있었다.
그리고 도로에 있어 노면의 결빙상태는 매우 중요한 정보이며, 안개와 더불어 대형 교통사고의 주요 원인이 되고 있다. 그리나, 기존 도로의 결빙상태를 감지하는 결빙센서의 경우에는 도로에 온도계와 습도계를 매설하고 특정온도 및 습도가 설정값 이상인 경우 도로가 결빙된 것으로 판단하고 있어 노면의 결빙을 직접적으로 판단하기 어려운 단점이 있었다.
상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 본 발명은 압력에 의한 미세 자가발전의 효율증대 패키징 구조 및 이를 이용한 결빙감지 장치를 제공함에 있어, 포장체의 인장압축응력, 피로균열, 소성변형에 의해서 포장체가 국부적으로 파손되더라도 압전소자의 단선에 의한 손상이 방지됨을 특징으로 하며; 동일한 압력에 대해서 압전소자에 의하여 발생되는 발전효율을 증대시킬 수 있음을 특징으로 하는 압력에 의한 미세 자가발전의 효율증대 패키징 구조를 제공함에 그 목적이 있다.
또한 결빙감지 장치는 기존의 온도 및 습도의 계측을 통한 간접적인 산정방식이 아닌, 노면의 결빙 여부를 직접적으로 측정할 수 있는 결빙감지 장치를 제공함에 또한 그 목적이 있다.
본 발명의 상기 목적은 압전소자를 포장체 내부에 삽입시 스프링 형태인 나선식으로 꼬여서 설치하여, 포장체의 인장압축응력, 피로균열, 소성변형에 의해서 포장체가 국부적으로 파손되더라도 스프링 모양으로 꼬인 만큼의 여유길이를 확보함으로써, 압전소자의 단선에 의한 손상을 방지할 수 있고; 압전소자를 강성 변형유도체(deformer) 내부에 설치한 후 포장체에 매설함으로 변형유도체(deformer) 일부에 압력이 가해지더라도 전체 강성 변형유도체가 같이 눌려져 압전소자에 전해지는 압력이 커지게 되어, 동일한 압력에 대해서 압전소자에 의하여 발생되는 발전효 율을 증대시킬 수 있는 효율증대 패키징 구조를 제공함으로서 달성 가능하다.
바림직하게는 상기 변형유도체(deformer)는 압전소자를 위아래 적어도 일방향에서 눌러 발전 효율을 증대시킬 수 있는 핑거조인트(Finger Joint) 형식이거나 격자식으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한 이를 이용한 결빙감지장치는 도로에 컷팅을 하여 홈을 설치한 후 하단으로부터 일부 구간까지만 압전소자를 설치하고 상부 홈의 일부는 비워둔 상태로 둔다. 비 또는 눈에 의하여 상기 홈에는 물이 채워지는데, 온도가 낮지 않아 결빙되지 않을 경우에는 차량통행에 의하여 압전소자에 압력이 전달되지 않으나, 온도가 낮아 노면이 결빙되면 홈 상부로 스며든 물도 동시에 결빙됨으로서 차량통행 등과 같은 외부압력은 얼음을 통화여 압전소자에 전달되고 이렇게 전달된 외부압력에 의하여 도로의 결빙을 감지할 수 있음 뿐만 아니라 이렇게 발생된 미세전력을 이용하여 무선계측시스템을 구동함으로서 도로의 결빙을 감지할 수 있는 결빙감지장치를 제공함으로서 달성 가능하다.
상술한 바와 같은 압력에 의한 미세 자가발전의 효율증대 패키징 구조를 제공함으로써, 포장체의 인장압축응력, 피로균열, 소성변형에 의해서 포장체가 국부적으로 파손되더라도 압전소자의 단선에 의한 손상없이 내구성이 매우 뛰어난 패키징 구조를 제공할 수 있으며, 압전소자를 변형유도체 내에 설치함으로서 동일한 압력에 대해서 압전소자에 의하여 발생되는 발전효율을 극대화시킬 수 있다.
뿐만 아니라, 이를 이용함으로서 결빙된 도로면에 가해지는 압력을 이용하여 자가발전된 미세한 전력을 이용함으로서 자가발전 결빙방지 시스템을 제공할 수 있음을 특징으로 한다.
본원 발명자가 선출원하고 아직 공개되지 않은 「지자기 센서를 이용한 매립형 교통정보 측정 장치 (출원번호 10-2007-112504)」의 무선센서 네트워크와 같은 저전력 구동 시스템의 경우에는 미세한 전력에 의해서도 구동이 가능하고 압전소자의 효율이 지속적으로 증대되고 있기 때문에 도로, 철도, 보도, 계단 등과 같이 외부압력에 의한 에너지를 압전소자에 의하여 미세 자가발전하는 응용분야는 점차 확대될 것으로 예측된다.
본 발명의 압력에 의한 미세 자가발전의 효율증대 패키징 구조는 도 4에서와 같이 원형 중심봉(21)에 나선형으로 압전소자(20)를 설치하고 비닐, 박판 알루미늄 등과 같은 얇은 박리층(22)으로 압전소자를 씌운 후, 액체 상태의 고무, 폴리우레탄 등의 패키징 외장재(23)를 부어서 틀에 의하여 패키징을 제작함으로서 패키징 외장재가 고체화되어 일정 틀을 형성하게 되면, 얇은 박리층(22)에 의하여 원형 중심봉(21)과 나선형으로 감긴 압전소자(20)는 패키징 외장재(23)에 가해지는 압력은 그대로 전달되지만, 박리층(22)에 의하여 분리됨을 특징으로한다.
따라서, 도 5에서와 같이 포장체에 피로균열(312)이 발생되면, 도 5 (a)와 같이 종래 압전소자(10)는 포장체에 발생되는 균열에 의하여 손상이 발생되기 쉽지만, 본 발명의 나선형으로 감긴 압전소자(20)는 도 5 (b)에서와 같이 포장체에 균열이 발생된다 하더라도, 도 5 (c)에서와 같이 포장체와 일체거동을 하는 패키징 외장재(23)는 포장체와 동일하게 균열에 의하여 손상이 발생한다 하더라도, 패키징 외장재(23)와 박리층(22)에 의하여 분리되어 설치된 나선형으로 감긴 압전소자(20)는 스프링과 같이 여유량을 확보함으로서 쉽게 단선되지 않는 특징이 있다.
또한, 외부 압력에 의하여 효율을 증대시키기 위하여 변형유도체 내부에 압전소자를 설치함으로서, 동일한 압력에 대해서도 발전효율을 증대시킬 수 있다.
도 6은 강성의 핑거조인트형 변형유도체(deformer)(31) 내부에 압전소자(10)를 설치하고, 액체 상태의 고무, 폴리우레탄 등의 패키징 외장재(23)를 부어서 틀에 의하여 패키징을 제작함으로써 도 7 (a)와 같이 동일한 외부압력 작용 시 기존의 포장체에 단순히 매설된 압전소자의 경우에는 국부적으로 압력이 가해지는 부분에서만 압전소자에 의해서 에너지가 생성되는 반면, 도 7 (b)에서와 같이 압전소자(10) 상하부에 적어도 상부 또는 하부의 1개면에 핑거조인트형 변형유도체(31)를 설치하고 고무, 폴리우레탄 등의 패키징 외장재(23)로 외부를 보호함으로써, 동일한 압력이 가해졌을 경우, 강성의 핑거조인트형 변형유도체(31)에 의하여 압전소자(10) 전체가 눌려져 동일한 압력에 대하여 상대적으로 발전 효율이 증대되는 효과를 얻을 수 있음을 특징으로 한다.
또한 외부압력이 철도 레일, 보도, 계단 등과 같이 면방향으로 작용하는 경우에는 도 8에서와 같이 격자형 변형유도체(32)에 압전소자(10)를 상하로 엇갈리도록 꿰고 고무, 폴리우레탄 등의 패키징 외장재(23)로 보호함으로서 동일한 압력에 대하여 발전 효율이 증대되는 효과를 얻을 수 있음을 특징으로 한다.
도 9는 상기의 효율증대 압전소자 패키징을 이용한 결빙감지 장치에 대한 것으로, 포장체에 줄컷팅을 하여 홈을 설치한 후 하단으로부터 일부 구간까지만 본 발명의 효율증대 압전소자 패키징(33)을 설치하고 상부 홈의 일부는 비워둔 상태로 둔다. 비 또는 눈에 의하여 상기 홈에는 물이 채워지는데, 온도가 낮지 않아 결빙되지 않을 경우에는 차량통행에 의하여 압전소자에 압력이 전달되지 않으나, 온도가 낮아 노면이 결빙되면 홈 상부로 스며든 물도 동시에 결빙되어 단단한 결빙체(34)가 됨으로서 차량통행 등과 같은 외부압력은 결빙체(34)를 통화여 본 발명의 효율증대 압전소자 패키징(33)에 전달되고, 이렇게 전달된 외부압력에 의하여 도로의 결빙을 감지할 수 있음 뿐만 아니라 이렇게 발생된 미세전력을 이용하여 무선 센서 네트워크 시스템을 구동함으로서 도로의 결빙을 감지할 수 있는 결빙감지장치를 제공할 수 있음을 특징으로 한다.
상기에 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 도면에 의해 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 고안이 속하는 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 있 어 명백할 것이다.
도 1은 종래 센서로서 도로면에 매설된 압전소자의 단면도.
도 2는 아스팔트 포장의 일반적인 손상유형으로 소성변형과 피로균열을 나타낸 것.
도 3은 종래 압전소자를 단층 또는 적층하여 포장체에 매설하는 방식으로 차량 통행에 의하여 미세 발전하는 일 실시예도.
도 4는 본 발명의 내구성이 향상된 압전소자를 이용한 미세 발전 패키징 구조도.
도 5는 포장체에 손상이 발생된 경우 내구성이 향상된 압전소자를 이용한 미세 발전 패키징 구조도의 단점을 설명하기 위한 설명도.
도 6은 본 발명의 핑거조인트형 변형유도체를 이용하여 발전효율이 향상된 압전소자 미세 발전 패키징 구조도.
도 7은 본 발명의 핑거조인트형 변형유도체를 이용하여 발전효율이 향상된 압전소자 미세 발전 패키징의 장점을 설명하기 위한 설명도.
도 8은 본 발명의 격자형 변형유도체를 이용하여 발전효율이 향상된 압전소자 미세 발전 패키징 구조도.
도 9는 본 발명의 효율증대 압전소자 패키징을 이용한 자가발전 결빙감지 장치의 구조도.
***** 도면 상의 주요 기호에 대한 간략한 설명 *****
10 : 압전소자 11 : 도로
12 : 압전소자 고정대 13 : 도로 채움재
20 : 나선형으로 감겨진 압전소자 21 : 중심봉
22 : 박리층 23 : 패키징 외장재
31 : 핑거 조인트형 변형유도체(deformer)
32 : 격자형 변형유도체(deformer)
33 : 본 발명의 효율증대 피에조 패키징
34 : 결빙체 35 : 빈공간 홈
101 : 타이어 102 : 자동차
300 : 아스팔트층 304 : 보조기층
305 : 노상 311 : 소성변형
312 : 피로균열

Claims (5)

  1. 도로 등에 설치되어 가해지는 외부 외부압력과 압전소자를 이용하여 내구성이 향상된 미세 자가발전 패키징 구조로서,
    압전소자를 원형으로 감을 수 있도록 바(bar) 역할을 하며, 외부 압력에 의하여 압전소자가 눌려서 미세 발전(Micro Energy Harvesting)이 가능하도록 하는 원형 중심봉(21)과; 원형 중심봉에 스프링과 같이 나선형으로 감겨져 외부 압력에 의하여 미세 발전이 되는 압전소자(20)와; 나선형으로 감져진 압전소자 외부에 비닐, 박판 알루미늄 등과 같이 감져져 압전소자와 패키징 외장재를 분리시키는 역할을 하는 얇은 박리층(22)과; 고무, 폴리우레탄 등으로 상기 압전소자를 외부 자극으로부터 보호하고, 외부 압력을 압전소자로 전달하는 역할을 수행하는 패키징 외장재(23)로 구성됨을 특징으로 하는 내구성이 향상된 압전소자를 이용한 미세 자가발전 패키징 구조.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 얇은 박리층(22)은 스프링과 같이 원형으로 감겨진 압전소자(20)와 패키징 외장재(23) 중간에 설치되어 두 층을 분리함으로서, 포장체(11)에 피로균열(312) 등과 같이 손상이 발생되어, 패키징 외장재(23)가 손상되더라도, 패키징 외장재(23)와 박리층(22)에 의하여 분리되어 설치된 나선형으로 감긴 압전소자(20) 는 스프링과 같이 여유량을 확보함으로서 쉽게 단선되지 않음을 특징으로 하는 내구성이 향상된 압전소자를 이용한 미세 자가발전 패키징 구조.
  3. 도로, 철도, 보도, 계단 등에 설치되어 가해지는 외부 외부압력과 압전소자를 이용하여 효율성이 향상된 미세 자가발전 패키징 구조로서,
    외부 자극에 의하여 눌려져서 미세 전원을 발생시키는 압전소자(10)와; 강성의 변형유도체(deformer)로서 외부에서 압력이 작용되면, 변형유도체의 강체작용에 의하여 압전소자 전체가 눌려져 동일한 압력에 대하여 효율을 극대화시키는 역할을 수행하는 핑거조인트형 변형률유도체(31)와; 고무, 폴리우레탄 등으로 상기 압전소자를 외부 자극으로부터 보호하고, 외부 압력을 압전소자로 전달하는 역할을 수행하는 패키징 외장재(23)로 구성됨을 특징으로 하는 발전 효율이 향상된 압전소자를 이용한 미세 자가발전 패키징 구조.
  4. 도로, 철도, 보도, 계단 등과 같이 면방향으로 압력이 작용되고, 가해지는 외부 외부압력과 압전소자를 이용하여 효율성이 향상된 미세 자가발전 패키징 구조로서,
    외부 자극에 의하여 눌려져서 미세 전원을 발생시키는 압전소자(10)와; 압전소자가 상하로 엇갈리도록 꿰어져 외부 면하중이 작용시 압전소자에 벤딩을 최대화 하여 동일한 면압력에 대하여 발전효율을 극대화시키는 역할을 수행하는 격자형 변형률유도체(32)와; 고무, 폴리우레탄 등으로 상기 압전소자를 외부 자극으로부터 보호하고, 외부 압력을 압전소자로 전달하는 역할을 수행하는 패키징 외장재(23)로 구성됨을 특징으로 하는 발전 효율이 향상된 압전소자를 이용한 미세 자가발전 패키징 구조.
  5. 도로에 매설되어 노면의 결빙을 감지하는 장치로서,
    도로 포장체에 일부 폭만큼을 컷팅한 후 하단부는 효율증대 압전소자 패키징(33)을 설치하고, 향후 물이 채워지고 결빙되어 결빙체가(34)가 되면 효율증대 압전소자 패키징(33)에 압력을 전달하기 위하여 설치되는 빈공간 홈(35)과; 빈공간 홈(35)에 비 또는 눈에 의하여 물이 채워지는데, 온도가 낮지 않아 결빙되지 않을 경우에는 차량통행에 의하여 압전소자에 압력이 전달되지 않으나, 온도가 낮아 노면이 결빙되면 홈 상부로 스며든 물도 동시에 결빙되어 단단하게 되어 하부의 효율증대 압전소자 패키징(33)으로 압력을 전달하는 역할을 하는 결빙체(34)와; 도로가 결빙되지 않을 경우에는 압력이 전달되지 않아 센서로서 작동을 하지 않다가, 도로가 결빙되면 결빙체(34)에 의하여 압력이 전달되어 도로가 결빙됨을 감지하는 센서의 역할과 무선 측정시스템의 구동을 위한 미세 전원 발생 역할을 수행하는 효율증대 압전소자 패키징(33)과; 도로 결빙시만 차량 압력에 의하여 생성된 미세 전원에 의하여 결빙을 감지하여 무선으로 데이터를 전송하는 역할을 수행하는 데이터 무선 송신부와; 무선 송신부로부터 전송된 데이터를 수신하고 프로세싱하는 무선 수신부로 구성됨을 특징으로 하는 자가발전 결빙감지장치.
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KR1020080033498A KR20090108201A (ko) 2008-04-11 2008-04-11 압력에 의한 미세 자가발전의 효율증대 패키징 구조 및이를 이용한 결빙감지 장치

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101212997B1 (ko) * 2012-10-26 2013-01-03 주식회사 장원 압전소자를 이용한 도로 결빙 방지장치

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KR101212997B1 (ko) * 2012-10-26 2013-01-03 주식회사 장원 압전소자를 이용한 도로 결빙 방지장치

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