KR20130010760A - 압전소자를 이용한 전력발생장치 - Google Patents

Abstract

계단을 이용한 압전소자를 이용한 전력발생장치가 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 압전소자를 이용한 전력발생장치는 디딤판 상부에 설치되고 외부에서 가해진 충격 또는 압력에 의해 진동하는 진동판; 상기 진동판의 하측에 구비되고 상기 진동판을 탄성적으로 지지하는 지지부재가 구비된 받침판; 상기 진동판의 하측과 고정되는 고정구와, 상기 고정구와 연결되고 상면에 압전소자가 구비된 외팔보 형태의 압전모듈; 일단이 상기 압전모듈에 고정되고 타단이 상기 진동판의 하면을 향해 연장된 스프링과, 상기 스프링의 상단에 구비된 제1 자석과, 상기 진동판의 하면에 고정되고 상기 제1 자석과 대응되는 위치에 구비된 제2 자석을 포함하는 진동발생부; 상기 압전소자에서 발생된 전기에너지를 변환하는 변환부; 상기 변환부에서 출력되는 전원을 저장하는 축전지; 및 상기 수직판에 구비되고 상기 계단을 사용하는 사용자의 접근을 감지하는 감지부를 포함한다.

Description

압전소자를 이용한 전력발생장치{Generation using Piezoelectric Elements}

본 발명은 전력발생장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 계단을 사용하는다수의 사용자가 디딤판을 밝으면서 하측으로 가해지는 물리적인 충격 또는 압력에 의해 전기가 생산되는 압전소자의 고유한 특성을 통해 전력으로 변환하여 사용할 수 있는 압전소자를 이용한 전력발생장치에 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 물리적인 외력을 가하면 판의 양면에 외력(外力)에 비례하는 양과 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 인공결정도 압전성이 뛰어나며 이와 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 한국공개특허 10-2011-0017708호에 개시된 압전소자를 이용한 자가발전 장치를 도시하는 개략도이다.

첨부된 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 중량체(20)를 포함하여 이루어진다.

상기와 같이 구성된 종래의 압전소자를 이용한 자가발전 장치는, 상기 중량체(20)가 외부에서 가해진 물리적인 충격에 의해 상기 압전소자(40)와 충돌되고 상기 압전소자(40)에 진동이 가해지면서 전기에너지가 발생하게 되는 것이다.

그러나, 상기 중량체(20)가 상기 압전소자(40)에 충돌하기 위해서는 일정한 세기의 외력이 발생하여야 하나 도 1에 개시된 구성으로는 지지기판(60)의 연속적인 진동을 유발하기 어려운 문제점이 유발되고 이로 인해 상기 압전소자(40)를 통해 실제로 생성되는 전기의 양은 매우 적어 실용적인 용도로 사용할 수 없는 문제점이 있었다.

본 발명의 실시예들은 다수의 인원이 통행하는 지하도 또는 지하철역에 구비된 계단에 압전소자를 이용한 전력발생장치를 설치하여 친환경적인 에너지원을 확보하고 이를 통한 대체 에너지의 한 분야를 달성하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 디딤판 상부에 설치되고 외부에서 가해진 충격 또는 압력에 의해 진동하는 진동판; 상기 진동판의 하측에 구비되고 상기 진동판을 탄성적으로 지지하는 지지부재가 구비된 받침판; 상기 진동판의 하측과 고정되는 고정구와, 상기 고정구와 연결되고 상면에 압전소자가 구비된 외팔보 형태의 압전모듈; 일단이 상기 압전모듈에 고정되고 타단이 상기 진동판의 하면을 향해 연장된 스프링과, 상기 스프링의 상단에 구비된 제1 자석과, 상기 진동판의 하면에 고정되고 상기 제1 자석과 대응되는 위치에 구비된 제2 자석을 포함하는 진동발생부; 상기 압전소자에서 발생된 전기에너지를 변환하는 변환부; 상기 변환부에서 출력되는 전원을 저장하는 축전지; 및 상기 수직판에 구비되고 상기 계단을 사용하는 사용자의 접근을 감지하는 감지부를 포함한다.

상기 지지부재는 상기 받침판의 각 모서리 위치에 배치되는 코일 스프링과, 상기 코일 스프링이 삽입되는 삽입봉을 포함한다.

상기 압전모듈은 고정구에 의해 연결되고 일정 두께를 가지며 연장된 제1 자유단; 상기 제1 자유단의 단부에서 외측으로 갈수록 두께와 증가 되고 중량체가 구비된 제2 자유단을 포함한다.

본 발명의 실시예들은 다수의 사용자가 이용하는 계단을 통해 환경 오염이 발생되지 않는 친환경적인 전기에너지를 생산하고 이를 실생활에 손쉽게 이용할 수 있어서 대체에너지로의 활용성이 향상될 수 있다.

본 발명의 실시예들은 외부에서 가해진 외력에 의해 진동횟수가 자동으로 증가 되므로 효율이 향상된 압전소자를 이용한 전력발생장치를 사용할 수 있다.

도 1은 종래의 압전소자를 이용한 자가 발전장치를 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 압전소자를 이용한 전력발생장치가 설치된 계단을 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 압전소자를 이용한 전력발생장치의 분해 사시도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 압전소자를 이용한 전력발생장치의 결합 사시도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 압전소자를 이용한 전력발생장치의 종 단면도.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 압전소자를 이용한 전력발생장치의 작동 상태도.

본 발명의 일 실시예에 따른 압전소자를 이용한 전력발생장치의 구성에 대해 도면을 참조하여 설명한다.

첨부된 도 2 내지 도 3을 참조하면, 압전소자를 이용한 전력발생장치(1)는 계단(10)의 디딤판(12)에 설치되는 진동판(100)과, 상기 진동판(100)의 하측에 구비된 받침판(200)과, 상기 진동판(100)의 하측에 배치되고 압전소자(320)가 구비된 압전모듈(300)과, 상기 압전모듈(300)에 구비된 진동발생부(400)와, 상기 압전소자(320)에서 발생된 전기에너지를 변환하는 변환부(500)와, 상기 변환부(500)에서 출력된 전원을 저장하는 축전지(600)와, 상기 계단(10)을 사용하는 사용자의 접근을 감지하는 감지부(700) 및 상기 진동판(100)의 상면에 구비된 탄성 패드(800)를 포함한다. 또한 받침판(200)의 하측에 충격을 흡수하기 위해 별도의 탄성 패드가 구비될 수 있다.

계단(10)은 디딤판(12)과 수직판(14)의 조합으로 구성되고, 상기 디딤판(12)과 수직판(14)은 통상의 계단 규격으로 이루어지며 진동판(100)은 상기 디딤판(12)의 상부에 설치된다.

진동판(100)은 계단(10)을 사용하는 사용자의 발에 의해 물리적으로 가압 되거나 충격이 전달되며 본 실시예에서는 설명의 편의를 위해 직사각형 형상으로 한정하여 설명하나 상기 형상으로 반드시 한정하지 않으며 사용자의 발 형상과 유사하게 이루어지거나, 다른 형상으로 이루어질 수 있음을 밝혀둔다.

진동판(100)은 사용자에 의해 물리적으로 가압되어 후술할 압전모듈(300)을 상하 방향으로 흔들어주기 위해 구비되고 하측에 구비된 받침판(200)과 함께 설치된다. 상기 진동판(100)은 후술할 삽입봉(214)의 상단이 삽입되는 홀(101)을 더 포함한다.

받침판(200)은 상기 진동판(100)과 대응되는 크기 및 형상으로 이루어지고 상기 진동판(100)을 탄성적으로 지지하는 지지부재(210)가 각 모서리 위치에 구비된다. 지지부재(210)는 상면에 상기 진동판(100)을 향해 소정의 길이를 가지고 연장된 삽입봉(214)이 구비되고, 상기 삽입봉(214)에 삽입되는 코일 스프링(212)을 포함한다.

상기 삽입봉(214)은 진동판(100)을 가압하는 사용자의 무게에 안정적으로 지지할 수 있도록 스틸로 이루어지는 것이 바람직하나 상기 재질로 반드시 한정하지 않는다. 코일 스프링(212)은 소정의 텐션이 유지되며 받침판(200)의 각 모서리 위치를 제외한 측면에도 설치될 수 있다.

코일 스프링(212)은 상단이 상기 진동판(100)의 하면에 밀착되고, 하단은 상기 받침판(200)의 상면과 밀착된다.

압전모듈(300)은 외팔보 형태로 이루어지고 압전소자를 이용한 전력발생장치(1) 내부에 압전소자(320)가 횡으로 2개 또는 N개가 설치될 수 있으며 일정 두께를 가지고 연장된 제1 자유단(330)과, 상기 제1 자유단(330)의 단부에서 외측으로 갈수록 두께가 증가되고 중량체(W)가 구비된 제2 자유단(340)을 포함한다.

압전소자(320)는 물리적 진동에 의해 양면에 동일한 비율의 양전하와 음전하가 발생하는 판 형상의 압전세라믹(미도시)으로 구성되고, 상기 압전세라믹의 양면에 각각 접합되어 압전모듈(300)의 진동에 의해 발생된 양전하와 음전하가 이동되는 상부전극과 하부전극을 포함한다.

압전세라믹은 PZT(PbTiO3와 PbZrO3의 고용체)가 일반적으로 사용되며, 이러한 세라믹으로 형성된 압전세라믹의 경우 900~1350℃에서 고온 소성한 것으로, 넓은 범위의 조성비 및 첨가물을 선택할 수 있고, 다결정성을 띄므로 구조에 따라서 압전 상수를 변경할 수 있는 장점이 있기 때문에 현재까지 널리 사용되고 있다.

상기 압전세라믹의 단점을 보완하기 위해 상대적으로 연성이 있는 금속판을 상기 압전세라믹의 양면에 접합시키는 것이 바람직하며, 상기 금속판은 일반적으로 가격이 저렴하고 가공이 편리한 금속 소재인 알루미늄, 구리, 철, 스테인리스 등 당업자에 의해 적절히 선택될 수 있다.

제1 자유단(330)은 판(Plate) 형태로 이루어지고 적어도 2개 이상의 압전소자(320)가 설치될 수 있는 길이로 이루어지며 압전소자를 이용한 전력발생장치(1) 내부에서 상, 하 방향으로의 이동이 보다 용이하게 이루어지도록 길이 방향으로 소정의 텐션력이 유지될 수 있다. 상기 제1 자유단(330)은 판 스프링이 사용되거나 상기 판 스프링과 같이 탄성력이 유지되는 판이 사용된다.

제2 자유단(340)은 제1 자유단(330)의 단부에 구비되고 진동판(100)에 가해진 진동에 의해 상기 압전모듈(300)이 상, 하 방향으로 이동되는 이동력을 부여하며 이를 위해 소정의 중량체(W)가 내부에 구비된다. 상기 중량체(W)는 제1 자유단(330)의 휨 정도를 고려하여 지나치게 과도한 중량으로 이루어진 중량체를 설치하지 않는 것이 바람직하다. 본 실시예에서는 상기 중량체(W)의 중량에 대해 특별히 한정하지 않으며 계단(10)의 크기 및 형태에 따라 진동판(100)의 크기와 압전패널(300)의 전체 크기도 함께 변동되고 제2 자유단(340)에 설치된 중량체(W)의 무게도 변동될 수 있다.

압전모듈(300)은 고정구(310)를 매개로 상기 진동판(100)의 하측에 고정되고, 상기 압전모듈(300)과 연결된 고정구(310)의 고정을 위해 진동판(100)의 상면에 별도의 고정 홀이 형성된다.

진동 발생부(400)는 압전패널(300)에 구비된 스프링(410)과, 상기 스프링(410)의 상단에 구비된 제1 자석(420)과, 상기 진동판(100)의 하면에 고정된 제2 자석(430)을 포함한다.

스프링(410)은 고정구(310)의 외측으로 소정 거리만큼 이격된 위치에 복수개가 구비되고 진동판(100)을 향해 연장 형성되며 상단에 제1 자석(420)이 구비된다.

제2 자석(430)은 진동판(100)의 하측에 구비되고 상기 제1 자석(420)과 대응되는 위치에 동일한 개수로 이루어지며 상기 제1 자석(420)과 동일한 극성으로 이루어진다. 예를 들어 상기 제1 자석(420)이 N극일 경우에 제2 자석도 N극의 극성을 갖는 자석이 사용된다. 이와 같이 동일 극성을 갖는 자석을 사용하는 이유는 진동판(100)에 가해진 외력에 의해 압전모듈(300)이 상, 하 방향으로 진동이 발생될 때 상기 제1 자석(420)과 제2 자석(430)이 동일 극성 간에 작용하는 척력에 의해 압전모듈(300)에서의 진동 발생을 보다 오래 지속시키기 위해서이며 작은 외력에 의해서도 압전모듈(300)의 작동을 도모하기 위해서이다.

또한 압전모듈(300)이 상하 방향으로 이동될 때 제1 자석(420)이 제2 자석(430)과 접촉될 경우에는 스프링(410)에 의한 탄성력에 의해 압전모듈(300)을 하측 방향으로 이동시키려는 탄성력이 더해지고 상기 압전모듈(300) 전체는 보다 오랫동안 진동이 지속 될 수 있다.

제1 내지 제2 자석(420,430)은 접촉에 의한 파손 및 노이즈 발생을 방지하기 위해 외측에 커버(미도시)가 구비될 수 있으며 상기 커버는 고무 또는 우레탄이 사용될 수 있다.

변환부(500)는 압전소자(320)에서 발생된 교류를 직류로 변환시키기 위해 구비되고 상기 압전소자(320)에서 발생된 교류를 정류기(미도시)를 통해 정류하여 일정 전압의 직류 전압으로 변환하기 위해 구비된다.

축전지(600)는 상기 변환부(500)에서 출력된 전원을 저장하기 위해 구비되고 다수개의 콘덴서 또는 수퍼 콘덴서가 선택적으로 사용될 수 있다.

감지부(700)는 사용자가 계단(10) 근처로 접근할 경우에 이를 감지하여 상기 계단(10)에 구비된 조명의 온 또는 오프 작동을 위해 구비되고, 일 예로 적외선 센서가 사용될 수 있다.

첨부된 도 4 내지 도 5를 참조하면, 압전소자를 이용한 전력발생장치(1)는 진동판(100)이 디딤판(12)의 길이와 대응되는 길이로 이루어지거나, 상기 디딤판(12) 전체 길이의 1/2의 길이로 이루어질 수 있다. 또한 진동판(100)의 상면에 탄성 패드(800)가 구비되어 있어서 외부에서 가해진 물리적 충격에 의한 압전소자를 이용한 전력발생장치(1)의 파손을 예방한다.

압전모듈(300)은 진동판(100)의 길이 방향을 따라 다수개가 연속으로 이격 배치되며, 본 실시예에서 도시하지는 않았으나 세로 방향으로 복수개가 구비되는 구성으로 이루어지는 것도 가능함을 밝혀둔다.

압전모듈(300)은 외부에서 외력이 가해지기 이전에는 압전소자를 이용한 전력발생장치(1)의 내부에 수평 상태로 유지되며 스프링(410)에 구비된 제1 자석(420)과, 진동판(100)에 수비된 제2 자석(430) 간에도 척력이 발생되지 않은 상태가 유지된다.

이와 같이 구성되는 본 발명의 일 실시예에 의한 압전소자를 이용한 전력발생장치의 사용상태에 대해 도면을 참조하여 설명한다.

첨부된 도 6을 참조하면, 사용자(미도시)는 계단(10)(도 8 참조)을 이용하여 상층 또는 하층으로 이동할 수 있으며, 상기 사용자가 계단(10)에 구비된 디딤판(12)을 밝음과 동시에 상기 진동판(100)에 가해진 물리적인 충격에 의해 코일 스프링(212)이 탄성 압축되고 상기 진동판(100)이 상하로 이동되면서 발생된 진동이 압전모듈(300)에 전달된다.

압전모듈(300)은 진동판(100)을 통해 전달된 진동에 의해 제1 자유단(330)과 연결된 제2 자유단(340)이 화살표 방향으로 왕복 이동되고 중량체(W)에 의해 진동이 증폭되면서 상기 진동판(100)을 통해 전달된 한 번의 외력으로 인해 발생된 진동의 횟수가 증대되고 압전소자(320)를 통한 지속적인 전기 발생이 이루어진다.

제2 자유단(340)은 상하 방향으로 이동될 때 중량체(W)의 이동 궤적에 따라 제1 자석(420)이 제2 자석(430)의 위치로 근접하여 상기 제2 자석(430)과 접촉될 수 있으나 동일한 극성으로 이루어진 상기 제1 자석(420)과 제2 자석(430)에 의해 상기 제2 자석(430)은 제1 자석(420)을 하측 방향으로 밀어 버리는 힘이 발생 된다.

그리고 제1 자석(420)이 제2 자석(430)과 밀착되는 경우에는 스프링(410)이 탄성 압축되면서 하측으로 이동되는 압전모듈(300)을 하측 방향으로 밀어내는 힘이 상기 압전모듈(300)이 외부에서 가해진 외력에 의해 상, 하 방향으로 이동되는 이동력에 더해지면서 상기 압전모듈(300)의 진동 횟수를 향상시키게 되고 이로 인한 압전소자(320)에서의 전기 발생량을 증가시키게 된다.

상기 압전소자(320)에서 발생된 전기는 변환부(500)로 전달되고, 상기 변환부(500)는 압전소자(320)에서 발생된 교류를 직류로 변환하여 변환된 직류는 축전지(600)에 저장되며 상기 계단(10)과 이웃한 측벽 또는 천정에 구비된 전등(2)에 전원이 공급되어 상기 계단(10)을 사용하는 사용자의 편리를 도모한다.

이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.

10 : 계단
100 : 진동판
200 : 받침판
210 : 지지부재
300 : 압전패널
310 : 고정구
320 : 압전소자
330, 340 : 제1,2 자유단
400 : 진동 발생부
420, 430 : 제1,2 자석

Claims (3)

1. 계단에 구비된 디딤판 상부에 설치되고 외부에서 가해진 충격 또는 압력에 의해 진동하는 진동판;
   상기 진동판의 하측에 구비되고 상기 진동판을 탄성적으로 지지하는 지지부재가 구비된 받침판;
   상기 진동판의 하측과 고정되는 고정구와, 상기 고정구와 연결되고 상면에 압전소자가 구비된 외팔보 형태의 압전모듈;
   일단이 상기 압전모듈에 고정되고 타단이 상기 진동판의 하면을 향해 연장된 스프링과, 상기 스프링의 상단에 구비된 제1 자석과, 상기 진동판의 하면에 고정되고 상기 제1 자석과 대응되는 위치에 구비된 제2 자석을 포함하는 진동 발생부;
   상기 압전소자에서 발생된 전기에너지를 변환하는 변환부;
   상기 변환부에서 출력되는 전원을 저장하는 축전지; 및
   상기 수직판에 구비되고 상기 계단을 사용하는 사용자의 접근을 감지하는 감지부를 포함하는 압전소자를 이용한 전력발생장치.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 지지부재는,
   상기 받침판의 각 모서리 위치에 배치되는 코일 스프링과, 상기 코일 스프링이 삽입되는 삽입봉을 포함하는 압전소자를 이용한 전력발생장치.
3. 제1 항에 있어서,
   상기 압전모듈은,
   고정구에 의해 연결되고 일정 두께를 가지며 연장된 제1 자유단;
   상기 제1 자유단의 단부에서 외측으로 갈수록 두께와 증가 되고 중량체가 구비된 제2 자유단을 포함하는 압전소자를 이용한 전력발생장치.

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