KR20100138007A - 압전 발전기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 외력에 의한 기계적 에너지로부터 전기적 에너지로 변환시키는 효율을 증대시킬 수 있는 압전 발전기를 제공하기 위한 것으로, 이를 위해 본 발명은 받침부재와, 상기 받침부재의 상부에 거치되고, 외력에 의해 변형되어 전기를 발생시키는 압전체와, 상기 압전체의 상부에서 수직방향으로 이동하면서 상기 압전체에 외력을 가해 변형시키는 진동부재와, 상기 진동부재와 대응되도록 위치되고, 상기 진동부재에 의해 상기 압전체가 한계치 이상으로 휘어져 파괴되는 것을 방지하기 위하여 상기 압전체를 지지하는 지지부재를 제공하는 압전 발전기를 제공한다.

압전 발전기, 압전 세라믹, 31 모드, 33 모드

Description

압전 발전기{PIEZOELECTRIC POWER GENERATOR}

본 발명은 압전 발전기에 관한 것으로서, 특히, 외력에 의한 기계적 에너지로부터 전기적 에너지로 변환시키는 효율을 증대시킬 수 있는 압전 발전기에 관한 것이다.

정보통신 기술의 발달에 힘입어 이동통신기기 또는 휴대용 단말기 등이 널리 사용되고 있다. 이와 같은 기기들은 대부분 건전지나 충전지로부터 전원을 공급받도록 구성된다. 이때, 전원공급수단으로 충전지를 사용하는 경우에는 충전지를 충전하기 위한 전력이 요구되는데, 전력선이 가까이 있다면 충전지를 충전하는데 어려움이 없으나, 산속이나 오지와 같은 장소에서는 충전지를 충전할 수 없는 문제점이 있다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 별도의 전력선 없이도 충전지를 충전할 수 있는 발전기가 다양한 구조로 제안되고 있다. 별도의 전력을 사용하지 아니하고 전기를 발생시키는 대표적인 방법으로는 압전체를 이용하는 방법과 자석 및 코일을 이용하는 방법이 있다. 자석 및 코일을 이용하는 방법은 자석 또는 코일을 회전시키는데 외적인 힘, 즉 외력이 많이 요구되기 때문에 최근 들어서는 비교적 외력이 적게 요구되는 압전체를 이용하여 전기를 발생시키는 발전기 개발이 점차 활성화되고 있다.

일반적으로 압전체에 외부에서 특정 방향으로 힘을 가하면 내부에서 발생하는 응력에 대응하여 압전체의 제1 전극에는 정(+)전하, 압전체의 제2 전극에는 부(-)전하가 유기되어 제1 및 제2 전극 간에 전압이 발생되는데, 이러한 현상을 압전 정효과라 한다. 이와 반대로, 압전체에 외부로부터 전압을 걸어주면 압전체는 기계적 왜곡현상을 일으키게 되는데, 이러한 현상을 압전 역효과라 한다. 즉, 압전체는 기계적인 힘(응력)을 전기적인 신호(전압)로, 또는 전기적 신호를 기계적인 힘으로 변환시키는 것으로 이와 같은 성질을 갖는 물질로는 현재 세라믹을 재료로 하는 압전 세라믹(piezoelectric ceramics)이 가장 많이 사용되고 있다. 이와 같은 압전 세라믹을 이용하여 전기를 발생시키는 발전기가 다양한 구조로 개발되고 있다.

압전체는 극성물질로서 분극방향과, 압전체 양면에 형성된 전극방향, 그리고 압전체가 변형되는 방향과 같이 3가지 독립된 방향에 따라 기본 진동 모드가 존재한다. 압전 발전기에서 사용되는 압전체의 기본 진동 모드는 3가지로 '31 모드', '33 모드', '15 모드'가 있다. 여기서, 앞 숫자는 전기적 방향, 뒤 숫자는 기계적 변위방향을 나타낸다. 또한, 본 발명과 관련된 '31 모드'와 '33 모드'에 대해서만 설명하기로 한다.

도 1은 '31 모드'를 설명하기 위하여 도시한 도면이고, 도 2는 '33 모드'를 설명하기 위하여 도시한 도면이다. 도 1 및 도 2에서, 압전체의 전극이 상부와 하부에 배치되어 있다고 가정할 때, '31 모드'에서는 전계방향과 변위방향이 수직방향으로 형성되고, '33 모드'에서는 전계방향과 변위방향이 동일하게 수평방향으로 형성된다.

그러나, 종래의 압전 발전기는 '31 모드' 또는 '33 모드'와 같이 하나의 진동 모드만을 사용하고 있는데, 이와 같이, 압전 발전기에서 '31 모드' 또는 '33 모드'와 같이 하나의 진동 모드만을 사용하여 발전을 하는 경우에는 어느 한계점 이상에서는 인가되는 힘이 무의미(에너지 변환이 발생되지 않음)해지거나 압전체가 파손될 수 있다. 그 이유는 '31 모드'의 경우 압전체의 하부 또는 상부에 금속판을 부착시켜 모프(morph) 형태로 많이 제작되고 있는데, 이러한 구조에서는 압전체가 옆으로 늘어나려고 하나 금속판에 부착되어 있으므로 전체적인 모양이 휘게 되기 때문이다.

따라서, 본 발명은 상기한 종래기술에 따른 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 단일 진동 모드에서보다 외력에 의한 기계적 에너지로부터 전기적 에너지로 변환시키는 효율을 증대시킬 수 있는 압전 발전기를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 일 측면에 따른 본 발명은 받침부재와, 상기 받침부재의 상부에 거치되고, 외력에 의해 변형되어 전기를 발생시키는 압전체와, 상기 압전체의 상부에서 수직방향으로 이동하면서 상기 압전체에 외력을 가해 변형시키는 진동부재와, 상기 진동부재와 대응되도록 위치되고, 상기 진동부재에 의해 상기 압전체가 한계치 이상으로 휘어져 파괴되는 것을 방지하기 위하여 상기 압전체를 지지하는 지지부재를 제공하는 압전 발전기를 제공한다.

본 발명에 의하면, 2개의 진동모드(31 모드와 33 모드)를 동시에 구현함으로써 단일 진동 모드에서보다 외력에 의한 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 에너지 변환율을 크게 증대시킬 수 있으며, 이를 통해 단위 면적당 소형화가 가능하다.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 또한, 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 도면부호(또는, 참조부호)로 표기된 부분은 동일 요소를 나타낸다.

실시예

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 압전 발전기를 설명하기 위하여 정면에서 바라본 정면도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 압전 발전기는 받침부재(110)와, 받침부재(110)의 상부에 거치되고, 진동부재(140)에 기인한 외력에 의해 변형되어 전기를 발생시키는 압전체(130)와, 압전체(130)의 상부에서 수직방향으로 이동하면서 압전체(130)에 외력을 가해 변형시키는 진동부재(140)와, 진동부재(140)에 의해 압전체(130)가 한계치 이상으로 휘어져 파괴되는 것을 방지하는 지지부재(120)를 포함한다.

지지부재(120)는 중심부에 돌출된 돌기부(120a)를 구비한다. 돌기부(120a)는 진동부재(140)의 중심부에 형성된 돌기부(140a)와 대응되도록 형성된다. 또한, 돌기부(120a)는 상부면이 일정 곡률을 갖고 오목하게 들어간 만곡선 형태로 형성된다.

진동부재(140)는 중심부에 돌출된 돌기부(140a)를 구비한다. 돌기부(140a)는 지지부재(120)의 돌기부(120a)와 대응되도록 형성된다. 또한, 돌기부(140a)는 돌기부(120a)와 대응되도록 상부면이 일정 곡률을 갖고 볼록하게 돌출된 만곡선 형태로 형성된다.

받침부재(110)는 지지부재(120)의 중심부에 형성된 돌기부(120a)의 외측부에 체결되거나, 일체형으로 형성될 수 있으며, 지지부재(120)의 돌기부(120a)보다 높게 형성된다.

본 발명의 실시예에 따른 압전 발전기를 구현하는데 있어서, 받침부재(110)와 지지부재(120)의 돌기부(120a) 간의 단차, 그리고 지지부재(120)의 돌기부(120a)의 상부면의 곡률은 압전체(130)에 한계치 이상의 외력이 가해지는 경우 압전체(130)가 파괴되지 않고 휘어진 상태로 유지될 수 있는 범위 내에서 결정되도록 한다.

또한, 지지부재(120)의 돌기부(120a)는 진동부재(140)가 수직방향으로 이동하여 압전체(130)에 외력이 가해질 때 진동부재(140)의 돌기부(140a)와의 밀착력을 증대시켜 압전체(130)의 상하부에서 안정적으로 압전체(130)를 압착할 수 있도록 설계되어야 한다. 이를 위해, 지지부재(120)에 형성된 돌기부(120a)의 오목부의 곡률과 진동부재(140)에 형성된 돌기부(140a)의 볼록부의 곡률은 동일하게 형성하는 것이 바람직하다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 압전 발전기의 구동특성을 설명하기 위하여 도시한 도면이다.

도 4를 참조하면, 먼저, (a) 내지 (c)에서와 같이 화살표 방향(수직방향)으로 외력이 진동부재(140)에 가해지면, 진동부재(140)는 수직방향으로 이동하여 압전체(130)를 수직방향으로 가압한다. 이에 따라, 압전체(130)는 수직방향으로 가해지는 외력에 의해 '31 모드'로 동작하여 전기를 발생시킨다. 이후, 진동부재(140)에 의한 외력이 압전체(130)가 휠 수 있는 한계치 이상을 넘어설 경우 압전체(130)는 지지부재(120)의 돌기부(120a)에 의해 지지되어 압전체(130)가 휘어진 상태를 유지하면서, 지속적으로 '31 모드'로 동작하여 전기를 발생시키고, 어느 시점에서는 (d)와 같이 '33 모드'로 동작하게 된다. 즉, '31 모드'에서 동작하다가 어느 시점에서 '33 모드'로 모드가 추가된다. 따라서, 종래기술에서와 같이 '31 모드' 또는 '33 모드'와 같이 하나의 진동 모드에서만 동작하는 것보다 발전량을 증대시킬 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 기술적 사상은 바람직한 실시예에서 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 이처럼 이 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예들이 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

도 1은 압전 발전기의 '31 모드'를 설명하기 위해 도시한 모식도.

도 2는 압전 발전기의 '33 모드'를 설명하기 위해 도시한 모식도.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 압전 발전기를 정면에서 바라본 정면도.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 압전 발전기의 구동특성을 설명하기 위하여 도시한 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

110 : 받침부재

120 : 지지부재

120a : 돌기부

130 : 압전체

140 : 진동부재

140a : 돌기부

Claims (8)

1. 받침부재;

   상기 받침부재의 상부에 거치되고, 외력에 의해 변형되어 전기를 발생시키는 압전체;

   상기 압전체의 상부에서 수직방향으로 이동하면서 상기 압전체에 외력을 가해 변형시키는 진동부재; 및

   상기 진동부재와 대응되도록 위치되고, 상기 진동부재에 의해 상기 압전체가 한계치 이상으로 휘어져 파괴되는 것을 방지하기 위하여 상기 압전체를 지지하는 지지부재

   를 포함하는 압전 발전기.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 지지부재는 중심부가 돌출된 돌기부를 구비하는 압전 발전기.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 돌기부는 상부면이 일정 곡률을 갖고 오목하게 들어간 만곡선 형태로 형성된 압전 발전기.
4. 제 2 항에 있어서,

   상기 진동부재는 중심부가 돌출된 돌기부를 구비하는 압전 발전기.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 진동부재의 돌기부는 일정 곡률을 갖고 볼록하게 나온 만곡선 형태로 형성된 압전 발전기.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 진동부재의 돌기부는 상부면이 상기 지지부재의 돌기부의 상부면과 동일한 곡률을 갖도록 형성된 압전 발전기.
7. 제 4 항에 있어서,

   상기 진동부재의 돌기부는 상기 지지부재의 돌기부와 대응되도록 형성된 압전 발전기.
8. 제 1 항에 있어서,

   상기 압전체는 '31 모드'와 '33 모드'에서 동작하는 압전 발전기.

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