KR20100049730A - 압전소자를 이용한 자가발전 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 압전소자를 이용한 자가발전 장치에 관한 것으로서, 상부프레임과 하부프레임이 결합되어 형성된 몸체부와, 상기 하부프레임의 내측 하단에서 소정의 간격을 두고 외팔보 형태로 설치되어 물리적인 진동을 전기에너지로 변환시키는 압전소자부와, 상기 압전소자부와 소정의 간격을 두고 전기적으로 연결되어 변환된 전기에너지를 정류한 후 저장하는 구동회로부와, 상기 구동회로부와 전기적으로 연결되어 상기 상부프레임의 상부면 일측에 형성되는 부하접속부를 포함하여 이루어지되, 상기 압전소자부는 전극이 형성된 압전소자가 지지기판을 사이에 두고 복층으로 형성되며, 다수개의 압전소자부가 같은 수평선상에서 교차로 배열되는 것을 특징으로 한다.

상기와 같이 구성되고 작용하는 본 발명의 압전소자를 이용한 자가발전 장치는 다수개의 압전소자부가 같은 수평선상에서 교차로 배열되어 생성되는 전기의 양을 증대시킬 수 있으므로 전원 공급이 어려워 자가발전을 필요로 하는 바다의 부표, 도로위의 중앙선 반사경, 철탑의 항공 표시등, 무선 센서 등 실생활에서 실용 가능한 장점이 있다.

압전소자, 압전기 현상, PZT, 구동회로, 부하, 자가발전소자

Description

압전소자를 이용한 자가발전 장치{SELF-POWERED DEVICE USING PIEZOELECTRIC ELEMENT}

본 발명은 압전소자를 이용한 자가발전 장치에 관한 것으로서, 외력에 의해 자연스럽게 발생하는 물리적인 진동을 압전기 현상을 이용하여 전기에너지로 변환시키는 압전소자를 이용한 자가발전 장치에 관한 것이다.

일반적으로 압전소자(Piezoelectirc element)는 압전기(壓電氣) 현상을 나타내는 소자로서, 피에조 전기소자라고도 하며, 상기 압전기 현상은 어떤 종류의 결정판(結晶板)에 일정한 방향에서 압력을 가하면 판의 양면에 외력(外力)에 비례하는 양 ·음의 전하(電荷)가 나타나는 현상이다.

무기물 및 유기물을 포함하는 많은 수의 재료가 압전기 현상을 일으키는 재료로서 알려저 있으며, PZT(납 지르코 - 티타네이트, lead zirco - titanate)와 같은 압전 세라믹은 현재 실용적 용도로 활용 가능한 재료이다.

이와 같이 압전소자는 상기와 같은 재료를 이용하여 전기를 발생시키도록 구성된 것으로서, 수정, 전기석, 로셸염 등이 일찍부터 압전소자로서 이용되었으며 근래에 개발된 티탄산바륨, 인산이수소암모늄, 타르타르산에틸렌디아민 등의 인공 결정도 압전성이 뛰어나다.

상기와 같은 재료로 이루어지는 압전소자는 외력 즉, 물리적 에너지를 전기적 에너지로 변환시키는 소자로서 다양한 응용분야를 갖는다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 종래의 압전소자를 이용한 자가발전 장치에 관하여 설명하도록 한다.

도 1은 종래기술에 따른 압전소자를 이용한 자가발전 장치를 도시하는 개략도이다.

도 1을 참조하면, 종래의 압전소자를 이용한 자가발전 장치는, 아크릴 또는 그와 유사한 재질로 형성된 지지기판(60)과, 상기 지지기판(60)에 결합되어 물리적인 진동을 전기에너지로 변환시키는 압전소자(40)와, 상기 지지기판(60)의 양쪽 단부에 설치되어 상기 지지기판(60)을 고정하는 경질금속 재질의 홀더(80)와, 외력에 의해 상기 압전소자(40)와 충돌하여 상기 압전소자(40)에 물리적인 진동을 발생시키는 질량체(20)를 포함하여 이루어진다.

상기와 같이 구성되고 작용하는 종래의 압전소자를 이용한 자가발전 장치는, 상기 질량체(20)가 외부의 힘에 의해 장치 내를 자유운동을 하면서 무작위로 상기 압전소자(40)와 충돌하게 되는데, 이때 상기 압전소자(40)에 진동이 발생하여 전기에너지가 발생하게 되는 것이다.

그러나, 상기 질량체(20)가 자유운동하여 상기 압전소자(40)에 충돌하기 위해서는 일정한 세기의 외력이 발생하여야 하는데, 일반적인 자연현상 및 인간의 일상생활에서 발생하는 외력은 상대적으로 극히 미약하기 때문에 실제로 생성되는 전 기의 양은 매우 적으므로 실용적인 용도로 사용할 수 없는 문제점이 있었다.

또한, 종래의 압전소자를 이용한 자가발전 장치는 일정한 외력이 주기적으로 작동하는 제품 내에 한정되어 사용되므로 그 사용범위가 자가발전이 적용되는 제품 하나에 제한되기 때문에 실생활에서 광범위하게 사용할 수 있는 자가발전 장치가 절실히 요구되고 있는 실정이다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서, 본 발명의 목적은 일반적인 자연현상 및 인간의 일상생활에서 발생하는 미약한 외력 및 자연 진동에서도 압전소자에 물리적인 진동을 발생시켜 실생활에서 실용 가능한 전기의 양을 생성할 수 있는 압전소자를 이용한 자가발전 장치를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 자가발전이 적용되는 제품 하나에 제한되지 않고 실생활에서 광범위하게 사용할 수 있는 압전소자를 이용한 자가발전 장치를 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 압전소자를 이용한 자가발전 장치는, 상부프레임과 하부프레임이 결합되어 형성된 몸체부와, 상기 하부프레임의 내측 하단에서 소정의 간격을 두고 외팔보 형태로 설치되어 물리적인 진동을 전기에너지로 변환시키는 압전소자부와, 상기 압전소자부와 소정의 간격을 두고 전기적으로 연결되어 변환된 전기에너지를 정류한 후 저장하는 구동회로부와, 상기 구동회로부와 전기적으로 연결되어 상기 상부프레임의 상부면 일측에 형성되는 부하접속부를 포함하여 이루어지되, 상기 압전소자부는 전극이 형성된 압전소자가 지지기판을 사이에 두고 복층으로 형성되며, 다수개의 압전소자부가 같은 수평선상에서 교차로 배열되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 하부프레임의 하부면 일측에는 상기 몸체부를 금속면에 부착시키 는 자석이 구비되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 상부프레임과 하부프레임의 결합면 일측에는 방수를 위한 실링용 고무링이 구비되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 압전소자부의 외측 끝단부에는 물리적인 진동을 증폭시키는 진동추가 구비되는 것을 특징으로 한다.

상기와 같이 구성되고 작용하는 본 발명의 압전소자를 이용한 자가발전 장치는 다수개의 압전소자부가 같은 수평선상에서 교차로 배열되어 생성되는 전기의 양을 증대시킬 수 있으므로 실생활에서 실용 가능한 장점이 있다.

또한, 상기 압전소자부의 외측 끝단에는 진동추가 구비되어 압전소자의 물리적인 진동을 증폭시킬 수 있으므로, 한번의 외력으로 인해 발생하는 진동의 횟수를 증대시킬 수 있는 장점이 있다.

또한, 상기 몸체부를 금속면에 고정시키는 자석 및 방수를 위한 실링용 고무링이 구비되고, 외부의 전자·전기 기기와 연결되는 부하접속부가 형성되어 있으므로 실생활에서 광범위하게 사용할 수 있는 장점이 있다.

이하 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대해 보다 상세히 설명하도록 한다.

본 발명의 특징 및 이점들은 첨부된 도면에 의거한 다음의 바람직한 실시 예에 대한 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.

이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

또한, 하기 설명에서 구체적인 회로의 구성소자 등과 같은 특정 사항들 없이도, 본 발명이 실시될 수 있음은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다 할 것이다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 압전소자를 이용한 자가발전 장치를 도시하는 측면도이다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 압전소자부를 확대 도시하는 측면도이다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 다수개의 압전소자부가 교차로 배열된 것을 확대 도시하는 평면도이다.

도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 외팔보 형태로 설치된 압전소자부가 진동하는 모습을 도시하는 개념도이다.

첨부된 도면을 참조하면, 본 발명의 압전소자를 이용한 자가발전 장치는, 상부프레임(220)과 하부프레임(240)이 결합되어 형성된 몸체부(200)와, 상기 하부프레임(240)의 내측 하단에서 소정의 간격을 두고 외팔보 형태로 설치되어 물리적인 진동을 전기에너지로 변환시키는 압전소자부(400)와, 상기 압전소자부(400)와 소정의 간격을 두고 전기적으로 연결되어 변환된 전기에너지를 정류한 후 저장하는 구동회로부(600)와, 상기 구동회로부(600)와 전기적으로 연결되어 상기 상부프레 임(220)의 상부면 일측에 형성되는 부하접속부(800)를 포함하여 이루어진다.

상기 몸체부(200)는 다양한 형상으로 제작될 수 있는데, 내부에 부품들의 배치 및 장착이 용이하도록 사각형상으로 제작되는 것이 일반적이며, 사용자가 장치를 사용함에 있어서 편의성을 제공할 수 있도록 상기 몸체부(200)의 외부면에는 저전력으로 구동되는 액정화면과 LED 및 구동버튼이 형성되어도 무방하다.

상기 하부프레임(240)의 하부면 일측에는 상기 몸체부(200)를 금속면에 부착시키는 자석(300)이 구비되는 것이 바람직하며, 자동차가 주행할 때나 진동이 주기적으로 발생하는 금속물에 언제든지 탈부착 시킬 수 있으므로 휴대성이 용이하고 실생활에서 광범위하게 사용할 수가 있다. 여기서 상기 자석(300) 대신에 지그를 사용하여도 무방하며 진동원에 용이하게 탈부착이 가능하기만 하면 된다.

상기 상부프레임(220)과 하부프레임(240)의 결합면 일측에는 방수를 위한 실링용 고무링(700)이 구비되는 것이 바람직하며, 비가 올 때나 물놀이를 할 때에도 고장의 염려없이 자가발전으로 활용할 수가 있다.

상기 압전소자부(400)는 전극이 형성된 압전소자(420)가 지지기판(410)을 사이에 두고 복층으로 형성되는 것이 바람직하며, 1개의 지지기판(410)에 2개의 압전소자(420)가 동시에 형성되므로 1개의 지지기판에 1개의 압전소자로 이루어지는 종래의 자가발전 장치보다 효율을 2배 이상 향상시킬 수가 있다.

그리고, 도 4를 참조하면 알 수 있듯이, 다수개의 압전소자부(400)가 같은 수평선상에서 교차 배열되어 병렬로 연결되는 것이 바람직하며, 한번의 외력으로 인해 다수개의 압전소자부(400)가 동시에 진동되므로 생성되는 전기의 양을 증대시 켜 실생활에서 실용 가능하게 활용할 수 있다.

상기 압전소자(420)는 물리적 진동에 의해 양면에 동일한 비율의 양전하와 음전하가 발생하는 판 형상의 압전세라믹(422)과, 상기 압전세라믹(422)의 양면에 각각 접합되어 진동에 의해 발생된 양전하와 음전하가 흘러나오는 상부전극(426) 및 하부전극(424)으로 이루어진다.

상기 압전세라믹(422)은 PZT(PbTiO₃와 PbZrO₃의 고용체)가 일반적으로 사용되며, 이러한 세라믹으로 형성된 상기 압전세라믹(422)의 경우 900~1350℃에서 고온 소성한 것으로, 사이즈의 정밀성이 떨어지고, 파손되기 쉬우며, 두께가 두꺼운 단점이 있으나, 넓은 범위의 조성비 및 첨가물을 선택할 수 있고, 다결정성을 띄므로 구조에 따라서 압전 상수를 변경할 수 있는 장점이 있기 때문에 현재까지 널리 사용되고 있다.

이러한 세라믹으로 형성된 상기 압전세라믹(422)의 단점을 보완하기 위해, 상대적으로 연성이 있는 금속판을 상기 압전세라믹(422)의 양면에 접합시키는 것이 바람직하며, 상기 금속판은 일반적으로 가격이 저렴하고 가공이 편리한 금속 소재인 알루미늄, 구리, 철, 스테인리스 등 당업자에 의해 적절히 선택될 수 있음은 물론이다.

또한, 상기 압전소자부(400)의 외측 끝단에는 물리적인 진동을 증폭시키는 진동추(500)가 구비되는 것이 바람직하며, 한번의 외력으로 인해 발생하는 진동의 횟수를 증대시킬 수 있으므로 상대적으로 적은 횟수의 외력에서도 소정량의 전기를 확보할 수가 있다.

상기 구동회로부(600)에는 도시하고 있지는 않으나, 정류소자, 충전소자, 제어소자 등이 포함되어, 상기 압전소자부(400)에서 생성된 교류를 직류로 변환시켜 저장하고, 상기 몸체부(200)에 형성되는 액정화면과 LED 및 구동버튼을 제어시킬 수 있다.

상기와 같이 구성되고 작용하는 구동회로부(600)는 해당 기술분야에 숙련된 사람이라면 상세한 설명 없이도 충분히 이해 가능하고, 회로의 구성이 당업자에 의해 다양하게 변형될 수 있으므로 상세한 설명은 생략하도록 한다.

상기 부하접속부(800)는 몸체부(200) 외부에 전원단자를 내어 자가 발전으로 생산된 전력을 사용할 수 있는 환경인 바다의 부표, 도로위의 중앙선 반사경, 철탑의 항공 표시등, 무선 센서 등에 연결되어 발생된 전기가 공급되어 작동되며, 당업자의 선택에 따라 1개 또는 그 이상이 형성될 수 있을 것이다.

전술한 내용은 후술할 발명의 특허청구범위를 더욱 잘 이해할 수 있도록 본 발명의 특징과 기술적 장점을 다소 폭넓게 상술하였다. 상술한 본 발명의 개념과 특정 실시 예는 본 발명과 유사 목적을 수행하기 위한 다른 구조의 설계나 수정의 기본으로서 즉시 사용될 수 있음이 해당 기술분야의 숙련된 사람들에 의해 인식되어야 한다. 또한, 상기에서 기술된 실시 예는 본 발명에 따른 하나의 실시 예일 뿐이며, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술적 사상의 범위에서 다양한 수정 및 변경이 가능할 것이다. 이러한 다양한 수정 및 변경 또한 본 발명의 기술적 사상의 범위 내라면 하기에서 기술되는 본 발명의 청구범위 에 속한다 할 것이다.

도 1은 종래기술에 따른 압전소자를 이용한 자가발전 장치를 도시하는 개략도.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 압전소자를 이용한 자가발전 장치를 도시하는 측면도.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 압전소자부를 확대 도시하는 측면도.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 다수개의 압전소자부가 교차로 배열된 것을 확대 도시하는 평면도.

도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 외팔보 형태로 설치된 압전소자부가 진동하는 모습을 도시하는 개념도.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

10: 전선 20: 질량체

40: 압전소자 60: 지지기판

80: 홀더

200: 몸체부 220: 상부프레임

240: 하부프레임 300: 자석

400: 압전소자부 410: 지지기판

420: 압전소자 422: 압전세라믹

424: 하부전극 426: 상부전극

430: 하부병렬단자 440: 상부병렬단자

500: 진동추 600: 구동회로부

700: 실링용 고무링 800: 부하접속부

Claims (4)

1. 상부프레임(220)과 하부프레임(240)이 결합되어 형성된 몸체부(200);

   상기 하부프레임(240)의 내측 하단에서 소정의 간격을 두고 외팔보 형태로 설치되어 물리적인 진동을 전기에너지로 변환시키는 압전소자부(400);

   상기 압전소자부(400)와 소정의 간격을 두고 전기적으로 연결되어 변환된 전기에너지를 정류한 후 저장하는 구동회로부(600); 및

   상기 구동회로부(600)와 전기적으로 연결되어 상기 상부프레임(220)의 상부면 일측에 형성되는 부하접속부(800);를 포함하여 이루어지되,

   상기 압전소자부(400)는 전극이 형성된 압전소자(420)가 지지기판(410)을 사이에 두고 복층으로 형성되며, 다수개의 압전소자부(400)가 같은 수평선상에서 교차로 배열되는 것을 특징으로 하는 압전소자를 이용한 자가발전 장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 하부프레임(240)의 하부면 일측에는 상기 몸체부(200)를 금속면에 부착시키는 자석(300)이 구비되는 것을 특징으로 하는 압전소자를 이용한 자가발전 장치.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 상부프레임(220)과 하부프레임(240)의 결합면 일측에는 방수를 위한 실 링용 고무링(700)이 구비되는 것을 특징으로 하는 압전소자를 이용한 자가발전 장치.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 압전소자부(400)의 외측 끝단부에는 물리적인 진동을 증폭시키는 진동추(500)가 구비되는 것을 특징으로 하는 압전소자를 이용한 자가발전 장치.

Images