KR20150134677A - 다층구조로 적층된 압전소자를 이용한 발전장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 압전소자와 캔틸레버를 포함하는 캔틸레버 조립체를 다층으로 적층하여 공간 대비 발전 효율을 높일 수 있는 다층구조로 적층된 압전소자를 이용한 발전장치에 관한 것으로서, 일단이 고정부에 고정되고, 탄성을 가지며 상하로 일정간격 이격되어 배치되는 다수의 캔틸레버, 각 캔틸레버 사이에 배치되고, 상단 캔틸레버의 상면 및 하단 캔틸레버의 하면에 배치되어 진동에 의해 전류를 발생하는 압전소자, 상기 캔틸레버의 타단에 결합되고, 일정 중량을 가지는 진동추, 상기 압전소자와 상기 캔틸레버를 결합하는 본딩재 및 상기 상단 캔틸레버의 상면에 부착되는 압전소자와 상기 하단 캔틸레버의 하면에 부착되는 압전소자의 표면에 형성된 열가소성 재질의 코팅재를 포함하고, 외력에 의해 상기 진동추가 상기 캔틸레버를 진동시키고, 상기 압전소자는 상기 캔틸레버의 상하방향의 진동에 의해 전류를 발생시키는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 압전소자와 캔틸레버를 포함하는 캔틸레버 조립체를 다층으로 적층하여 공간 대비 발전 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 압전소자와 캔틸레버를 포함하는 캔틸레버 조립체를 다층으로 적층하여 공간 대비 발전 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.
Description
본 발명은 다층구조로 적층된 압전소자를 이용한 발전장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 압전소자와 캔틸레버를 포함하는 캔틸레버 조립체를 다층으로 적층하여 공간 대비 발전 효율을 높일 수 있는 다층구조로 적층된 압전소자를 이용한 발전장치에 관한 것이다.
최근, 전기통신기술의 발달로 다양한 종류의 전자 장치들이 등장하고 있다. 예를 들어, 휴대용 전자기기들과 같은 전자 장치는 사용자 중심의 유비쿼트스(Ubiquitous) 컴퓨팅을 구현함에 따라, 그 수요가 폭발적으로 증가하는 추세에 있다. 휴대용 전자기기들은 배터리와 같은 휴대 전원을 포함할 수 있고, 배터리 기술은 일회성을 갖거나 주기적인 충전이 필요하므로 그 한계가 있다. 이로 인해 전자 장치에 있어서, 에너지 하베스팅의 필요성이 대두되고 있다.
이러한 에너지 하베스팅(energy harvesting)은 자연에서 버려지고 있는 진동 에너지, 즉 기차의 진동, 진공 펌프의 진동, 기계모터의 진동, 자동차 엔진의 진동, 사람의 동작에 의한 진동 등의 버려지는 기계적인 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있는 기술을 의미한다. 압전 에너지 하베스팅 소자는 주변 진동의 주파수와 그들의 공진 주파수가 일치하는 경우, 변위의 증폭이 발생하여 공진 주파수에서 가장 큰 전기 에너지가 발생한다.
한편, 압전 현상이란 어떤 종류의 결정판(結晶板)에 일정한 방향에서 압력을 가하면 판의 양면에 외력에 비례하는 양, 음의 전하가 나타나는 현상으로, 결정판에는 고유의 진동이 있고, 탄성진동과 전기진동이 일치하면 압전소자와 결합되어 더욱 강한 진동이 일어난다.
기본적으로 압전소자를 이용한 발전장치는 캔틸레버(cantilever)가 구조물에 설치되어 구조물의 진동 에너지를 전기 에너지의 형태로 활용하도록 하는 장치이다. 캔틸레버에 외부 진동이 작용하면 상기 캔틸레버는 변형을 일으키게 되는데, 이때의 변형력을 전기 에너지로 변환시킬 수 있는 것이면 어떤 것이라도 적용될 수 있다.
예를 들어, 압전(piezoelectric) 소자, 정전기(electrostatic), 전자기(electromagnetic), 자기변형(magnetostriction) 등의 원리를 이용한 형태가 사용될 수 있다.
상기 압전소자는 변형에 의해 전류를 발생시키는 기능을 하는 부재로서, 압전 현상을 나타내는 소자이며, 피에조 전기소자라고도 한다.
한편, 화석연료의 고갈에 따라 이를 대체할 수 있는 에너지 자원의 개발에 관심이 집중되고 있다. 화석연료를 대체할 수 있는 자연에너지원으로는 풍력, 태양력, 조력 등 다양한 것이 있으며, 이러한 자연에너지원으로부터 전기를 얻기 위한 수단의 하나로 압전소자를 이용한 발전장치가 있다. 이러한 압전발전장치는 압전물질을 이용한 것으로, 압전물질은 기계적 에너지를 전기에너지로 변환하는 변환기로서 다양한 응용분야에 사용되고 있다.
압전소자를 이용한 발전장치는 다른 발전 방식보다 작은 진동을 전기 에너지로 변환하는데 용이할 뿐만 아니라 에너지의 변환 효율 또한 높은 장점을 갖는다. 또한, 압전소자를 이용한 발전장치는 태양광이 없는 어두운 곳이나 밤에도 발전을 할 수 있는 이점을 가지고 있다. 따라서, 항상 진동이 있거나, 압력이나 힘이 작용하는 곳, 그리고 물의 흐름이 있거나 바람이 부는 곳에서도 사용될 수 있다.
이러한 압전물질을 이용한 발전장치는 통상적으로 얇은 판체 형상의 압전소자에 외부에서 기계적인 변형을 주어 전기를 발생시키는 것으로 진동판에 얇은 압전소자를 설치하여 진동판이 외부의 힘에 의해 진동되어 압전소자가 기계적 변형을 일으키게 함으로써 전기가 발생하게 하는 것이다.
도 1은 종래의 압전소자(12)를 이용한 발전장치(10)의 구성을 보여주는 구성도이다. 도 1에 도시된 것과 같이, 종래의 압전소자(12)를 이용한 발전장치(10)는 구조물(16)에 직접 연결되는 캔틸레버 형태의 탄성부재(11), 이 탄성부재(11)에 부착된 압전 소자(12), 그리고, 선택적으로 탄성부재(11)의 자유단 측에 배치된 질량체(14)를 포함한다.
구조물(16)이 진동함에 따라 상기 탄성부재(11)가 진동하면서 압전 소자(12)를 변형시키고 이러한 변형이 분극(polarization)을 일으키고 결국 전력을 발생시키게 된다.
압전 소자에서 발생하는 전압은 교류(AC) 형태로 출력된다. 교류 전압은 직류(DC) 전압으로 변환되어 사용될 수 있다. 직류 전압은 수퍼커패시터나 배터리를 충전하거나, 집적 회로(IC) 등의 구동에 사용된다. 그러나, 주변 환경에서 발생하는 미세 진동으로부터 얻어지는 전기 에너지는 그 크기가 매우 작아 집적 회로를 구동하기 위한 전력으로는 충분하지 않고, 수퍼커패시터나 배터리를 충전하는데도 시간이 오래 걸린다.
따라서, 압전소자를 이용한 발전장치에서 압전소자의 개수 증가에 비례하는 출력 전력을 발생시켜 출력 전류를 크게 하여 수퍼커패시터나 배터리를 빠르게 충전할 수 있고, 좁은 공간에서 사용되면서, 구동에 필요한 충분한 전력을 생산하기 위한 기술개발의 필요성이 제기되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 개발된 것으로서, 압전소자 및 이를 기계적으로 변형가능하게 지지하는 캔틸레버로 구성된 캔틸레버 조립체를 다층으로 적층하여 공간 대비 발전 효율을 향상시킨 다층구조로 적층된 압전소자를 이용한 발전장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위해, 본 발명은 일단이 고정부에 고정되고, 탄성을 가지며 상하로 일정간격 이격되어 배치되는 다수의 캔틸레버, 각 캔틸레버 사이에 배치되고, 상단 캔틸레버의 상면 및 하단 캔틸레버의 하면에 배치되어 진동에 의해 전류를 발생하는 압전소자, 상기 캔틸레버의 타단에 결합되고, 일정 중량을 가지는 진동추, 상기 압전소자와 상기 캔틸레버를 결합하는 본딩재 및 상기 상단 캔틸레버의 상면에 부착되는 압전소자와 상기 하단 캔틸레버의 하면에 부착되는 압전소자의 표면에 형성된 열가소성 재질의 코팅재를 포함하고, 외력에 의해 상기 진동추가 상기 캔틸레버를 진동시키고, 상기 압전소자는 상기 캔틸레버의 상하방향의 진동에 의해 전류를 발생시키는 것을 특징으로 하는 다층구조로 적층된 압전소자를 이용한 발전장치를 제안한다.
또한, 본 발명은 일단이 고정부에 고정되고, 탄성을 가지며 상하로 일정간격 이격되어 배치되는 2개의 캔틸레버, 상기 캔틸레버 사이에 배치되는 금속 기판, 상단 캔틸레버의 상면과 하단 캔틸레버의 하면에 배치되어 진동에 의해 전류를 발생하는 압전소자, 상기 캔틸레버의 타단에 결합되고, 일정 중량을 가지는 진동추, 상기 압전소자와 상기 캔틸레버를 결합하는 본딩재, 상기 캔틸레버와 상기 금속 기판을 결합하는 SUS 본딩재 및 상기 상단 캔틸레버의 상면에 부착되는 압전소자와 상기 하단 캔틸레버의 하면에 부착되는 압전소자의 표면에 형성된 열가소성 재질의 코팅재를 포함하고, 외력에 의해 상기 진동추가 상기 캔틸레버를 진동시키고, 상기 압전소자는 상기 캔틸레버의 상하방향의 진동에 의해 전류를 발생시키는 것을 특징으로 하는 다층구조로 적층된 압전소자를 이용한 발전장치를 제안한다.
또한, 본 발명은 일단이 고정부에 고정되고, 탄성을 가지며 상하로 일정간격 이격되어 배치되는 다수의 캔틸레버, 각 캔틸레버 내부에 설치되어 진동에 의해 전류를 발생하는 압전소자 및 상기 캔틸레버의 타단에 결합되고, 일정 중량을 가지는 진동추를 포함하고, 외력에 의해 상기 진동추가 상기 캔틸레버를 진동시키고, 상기 압전소자는 상기 캔틸레버의 상하방향의 진동에 의해 전류를 발생시키는 것을 특징으로 하는 다층구조로 적층된 압전소자를 이용한 발전장치를 제안한다.
또한, 본 발명은 상기 캔틸레버가 스프링강, 구리, 황동, 청동 및 섬유강화플라스틱(FIBER REINFORCED PLASTICS: FRP) 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 다층구조로 적층된 압전소자를 이용한 발전장치를 제안한다.
또한, 본 발명은 상기 금속 기판이 티타늄 또는 티타늄의 합금 SUS(STEEL SPECIAL USE STAINLESS) 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 다층구조로 적층된 압전소자를 이용한 발전장치를 제안한다.
또한, 본 발명은 최상단 캔틸레버의 상면 및 최하단 캔틸레버의 하면에 부착되는 상기 압전소자들이 유리섬유강화플라스틱(GFRP: glass fiber reinforced plastic) 또는 탄소섬유강화플라스틱(CFRP: carbon fiber reinforced plastic)으로 코팅되는 것을 특징으로 하는 다층구조로 적층된 압전소자를 이용한 발전장치를 제안한다.
또한, 본 발명은 상기 캔틸레버가 판재형태로 이루어지는 것을 특징으로 하는 다층구조로 적층된 압전소자를 이용한 발전장치를 제안한다.
또한, 본 발명은 상기 압전소자가 탈탄산 리튬, 니오브산 리튬, 지르코산 티탄산연계 세라믹스, 티탄산 바륨, 인산이수소암모늄, 타르타르산에틸렌디아민, 불소수지 폴리머 및 PMN-PT 중 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 다층구조로 적층된 압전소자를 이용한 발전장치를 제안한다.
본 발명의 다층구조로 적층된 압전소자를 이용한 발전장치를 구성하는 복수의 캔틸레버 조립체는 크기와 형태가 동일하기 때문에 대량 생산 방식으로 제조하는 데에 적합한 효과가 있다.
또한, 본 발명은 외부의 진동에 의해 진동 및 변형되는 캔틸레버의 변형이 진동추에 의해 연장되게 함으로써 압전소자의 기계적 변형이 지속되고, 그로 인해 압전소자로부터 발생되는 전기의 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 압전소자와 캔틸레버를 포함하는 캔틸레버 조립체를 다층으로 적층하여 공간 대비 발전 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 압전소자를 이용한 발전장치의 구성을 보여주는 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 다층구조로 적층된 압전소자를 이용한 발전장치의 일례의 측면을 나타내는 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 다층구조로 적층된 압전소자를 이용한 발전장치의 일례의 상면을 나타내는 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 다층구조로 적층된 압전소자를 이용한 발전장치의 다른 일례의 측면을 나타내는 단면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 다층구조로 적층된 압전소자를 이용한 발전장치의 또 다른 일례의 측면을 나타내는 단면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 매립된 압전소자가 적층된 발전장치의 일례의 측면을 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 다층구조로 적층된 압전소자를 이용한 발전장치의 일례의 측면을 나타내는 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 다층구조로 적층된 압전소자를 이용한 발전장치의 일례의 상면을 나타내는 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 다층구조로 적층된 압전소자를 이용한 발전장치의 다른 일례의 측면을 나타내는 단면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 다층구조로 적층된 압전소자를 이용한 발전장치의 또 다른 일례의 측면을 나타내는 단면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 매립된 압전소자가 적층된 발전장치의 일례의 측면을 나타내는 단면도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예의 상세한 설명은 첨부된 도면들을 참조하여 설명할 것이다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
본 발명의 개념에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 2에는 본 발명에 따른 다층구조로 적층된 압전소자(22)를 이용한 발전장치(20)의 일례의 측면을 나타내는 단면도가 도시되어 있으며, 도 3에는 본 발명에 따른 다층구조로 적층된 압전소자(22)를 이용한 발전장치(20)의 일례의 상면을 나타내는 단면도가 도시되어 있다.
본 발명에 따른 다층구조로 적층된 압전소자(22)를 이용한 발전장치(20)는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 일단이 고정부(27)에 고정되고, 탄성을 가지며 상하로 일정간격 이격되어 배치되는 다수의 캔틸레버(cantilever)(21), 각 캔틸레버(21) 사이에 배치되고, 상단 캔틸레버(21)의 상면 및 하단 캔틸레버(21)의 하면에 배치되어 진동에 의해 전류를 발생하는 압전소자(22), 상기 캔틸레버(21)의 타단에 결합되고, 일정 중량을 가지는 진동추(25), 상기 압전소자(22)와 상기 캔틸레버(21)를 결합하는 본딩재(24) 및 상기 상단 캔틸레버(21)의 상면에 부착되는 압전소자(22)와 상기 하단 캔틸레버(21)의 하면에 부착되는 압전소자(22)의 표면에 형성된 열가소성 재질의 코팅재(23)를 포함하고, 외력에 의해 상기 진동추(25)가 상기 캔틸레버(21)를 진동시키고, 상기 압전소자(22)는 상기 캔틸레버(21)의 상하방향의 진동에 의해 전류를 발생시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 다층구조로 적층된 압전소자(22)를 이용한 발전장치(20)는 캔틸레버 조립체(예를 들어, 캔틸레버, 진동추 및 압전소자로 구성됨)가 외부의 진동에 의해 벤딩 방향으로 진동할 때, 상기 압전소자(22)도 상기 캔틸레버 조립체와 함께 벤딩 방향으로 진동하면서 반복적으로 미세 변형을 일으킨다.
압전소자(22)는 변형을 일으키면 전류를 발생하는 성질을 가지므로, 캔틸레버 조립체의 진동에 의해 압전소자(22)는 전류를 발생시키고, 캔틸레버(21)의 타단에 진동추(25)를 설치하여 캔틸레버(21)의 진동시간을 장시간 지속시킴으로써 압전소자(22)의 발전효율을 더욱 상승시킬 수 있다.
복수의 캔틸레버 조립체는 크기와 형태가 동일하기 때문에 대량 생산 방식으로 제조하는 데에 적합하고, 압전소자(22)와 캔틸레버(21)를 포함하는 캔틸레버 조립체를 다층으로 적층하여 공간 대비 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 캔틸레버(21)는 스프링강, 구리, 황동, 청동 및 섬유강화플라스틱(FIBER REINFORCED PLASTICS: FRP) 중 어느 하나의 재질로 이루어지는 것이 바람직하고, 파이버 강화 플라스틱으로 이루어지는 것이 보다 바람직하다.
또한, 상기 이격된 캔틸레버(21) 사이에 배치되는 상기 압전소자(22)는 본딩재(24)로 서로 결합되고, 상기 본딩재(24)는 전도성을 가지는 접착제가 사용될 수 있으며, 이를 위해 실버페이스트를 포함하는 것이 바람직하게 이용될 수 있다.
상기 본딩재(24)는 실버페이스트, 에틸렌-아세트산(Ethylenevinylacetate), 파라핀 왁스(Paraffine wax), 스테아르산(Stearic acid), 폴리비닐알코올(Polyvinyl alchole), 폴리비닐부티랄(Polyvinyl butyral)과 같은 화합물로 구성될 수 있다.
또한, 최상단 캔틸레버(21)의 상면 및 최하단 캔틸레버(21)의 하면에 부착되는 상기 압전소자들(22)은 유리섬유강화플라스틱(GFRP: glass fiber reinforced plastic) 또는 탄소섬유강화플라스틱(CFRP: carbon fiber reinforced plastic)으로 코팅되어 내충격성, 내식성 및 내마모성 등이 향상된다.
섬유강화플라스틱의 특성은 뛰어난 기계적 특성, 내식성 및 우수한 성형성의 특성을 토대로 새로운 구조용 재료 및 기능재료로 주목을 받고 있다. 구체적으로 유리섬유강화플라스틱 및 탄소섬유강화플라스틱은 유리 및 카본 섬유로 강화된 플라스틱계 복합재료로, 가볍고, 내구성, 내충격성, 내마모성 등이 우수하며, 녹슬지 않고, 열전도율이 낮으며, 가공하기 쉽다는 것이다.
이러한 우수한 특성을 지닌 유리섬유강화플라스틱 또는 탄소섬유강화플라스틱으로 코팅된 압전소자는 내구성, 내충격성, 내식성 및 내마모성 등이 향상되어 압전소자의 변형을 방지하여 파손이 방지되는 효과가 있다.
압전 소자(22)를 사용하는 본 실시예에서는 캔틸레버 조립체가 압전효과를 가진 재료로 이루어진 압전소자(22)를 포함한다면 어떠한 구조를 취하든 무방하나, 다만 미세진동에도 충분히 반응하여 전력유도를 최대한 끌어낼 수 있도록 두께에 비해 폭이 넓고, 폭에 비해 길이가 긴 캔틸레버 형태가 바람직하다 할 수 있다. 또한, 캔틸레버(21)에 발생되는 응력이 클수록 압전효과에 의해 전력유도를 최대한 끌어낼 수 있다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 압전 소자(22)에서 발생되는 전류를 극대화하기 위해 압전 소자(22)가 캔틸레버(21)의 상하면에 각각 부착될 수 있다. 또한, 상기 캔틸레버(21)는 캔틸레버(21)의 상하면에 압전소자(22)가 부착될 수 있도록 판재형태로 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 캔틸레버 조립체에는 캔틸레버 조립체에 발생된 변형이 보다 오래 지속되게 하기 위한 수단으로 진동추(25)가 설치된 것을 특징으로 한다. 상기 진동추(25)는 체적에 비해 무게가 큰 것이 공간을 적게 차지하면서도 질량을 추가하는 효과를 극대화할 수 있으므로, 비중이 큰 황동이나 텅스텐으로 만들어지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 진동추(25)는 외부의 진동에 의해 캔틸레버 조립체가 진동하면 진동추(25)가 진동하고, 이렇게 진동하는 진동추(25)는 관성에 의해 수차 진동하여 캔틸레버 조립체의 진동시간을 보다 지속시킬 수 있는 것이다.
상기 캔틸레버 조립체에 부착되는 진동추(25)는 착탈가능한 방식이라면 어떤 형태로도 가능하겠지만, 특히 캔틸레버 조립체의 상하면을 가압하는 형태로 제작하는 것이 간결하면서도 제작에 용이한 구조이다. 이러한 진동추(25)의 크기나 무게 등은 캔틸레버 조립체의 탄성 등을 고려하여 조절될 수 있다.
또한, 본 발명의 상기 캔틸레버 조립체는 고정부(27)에 스크류 또는 볼트 등의 체결부재(26)에 의해 고정될 수 있다.
상기 캔틸레버 조립체가 외부의 진동에 의해 진동하면 기계에너지가 전기에너지로 변환되되, 전기에너지로의 변환을 응력에 비례하여 변환시키기 위해 압전소자(22)로 구성되고, 이러한 압전소자(22)를 이용하여 전기에너지로 발전하기 때문에 다양한 분야에서 활용되고 있다.
또한, 상기 압전소자(22)는 탈탄산 리튬, 니오브산 리튬, 지르코산 티탄산연계 세라믹스, 티탄산 바륨, 인산이수소암모늄, 타르타르산에틸렌디아민, 불소수지 폴리머 및 PMN-PT 중 어느 하나로 구성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 상기 압전소자(22)는 탈탄산 리튬, 니오브산 리튬, 지르코산 티탄산연계 세라믹스, 티탄산 바륨, 인산이수소암모늄, 타르타르산에틸렌디아민, 불소수지 폴리머 및 PMN-PT 중 어느 하나의 얇은 판(진동편)에 일정한 방향에서 압력을 가하면, 판의 양면에 외력에 비례하는 양, 음의 전하가 나타나 압전효과에 의하여 진동되면서 안정된 주파수를 공급한다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 다층구조로 적층된 압전소자(22)를 이용한 발전장치(20)를 구성하는 복수의 캔틸레버 조립체는 크기와 형태가 동일하기 때문에 대량 생산 방식으로 제조하는 데에 적합하고, 외부의 진동에 의해 진동 및 변형되는 캔틸레버(21)의 변형이 진동추(25)에 의해 연장되게 함으로써 압전소자(22)의 기계적 변형이 지속되며, 그로 인해 압전소자(22)로부터 발생되는 전기의 효율을 높일 수 있는 것이다.
또한, 본 발명은 압전소자(22)와 캔틸레버(21)를 포함하는 캔틸레버 조립체를 다층으로 적층하여 압전소자(22)의 개수 증가에 비례하여 출력전력이 증가하게 되고, 이로 인해 공간 대비 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
도 4에는 본 발명에 따른 다층구조로 적층된 압전소자(32)를 이용한 발전장치(30)의 다른 일례의 측면을 나타내는 단면도가 도시되어 있으며, 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 다층구조로 적층된 압전소자(32)를 이용한 발전장치(30)는 일단이 고정부(37)에 고정되고, 탄성을 가지며 상하로 일정간격 이격되어 배치되는 다수의 캔틸레버(31), 각 캔틸레버(31) 사이에 배치되고, 상단 캔틸레버(31)의 상면 및 하단 캔틸레버(31)의 하면에 배치되어 진동에 의해 전류를 발생하는 압전소자(32), 상기 캔틸레버(31)의 타단에 결합되고, 일정 중량을 가지는 진동추(35), 상기 압전소자(32)와 상기 캔틸레버(31)를 결합하는 본딩재(34) 및 상기 상단 캔틸레버(31)의 상면에 부착되는 압전소자(32)와 상기 하단 캔틸레버(31)의 하면에 부착되는 압전소자(32)의 표면에 형성된 열가소성 재질의 코팅재(33)를 포함하고, 외력에 의해 상기 진동추(35)가 상기 캔틸레버(31)를 진동시키고, 상기 압전소자(32)는 상기 캔틸레버(31)의 상하방향의 진동에 의해 전류를 발생시키는 것을 특징으로 한다.
도 5에는 본 발명에 따른 다층구조로 적층된 압전소자(42)를 이용한 발전장치(40)의 또 다른 일례의 측면을 나타내는 단면도가 도시되어 있으며, 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 다층구조로 적층된 압전소자(42)를 이용한 발전장치(40)는 일단이 고정부(47)에 고정되고, 탄성을 가지며 상하로 일정간격 이격되어 배치되는 2개의 캔틸레버(41), 상기 캔틸레버(41) 사이에 금속 기판(48)이 배치되고, 상단 캔틸레버(41)의 상면 및 하단 캔틸레버(41)의 하면에 배치되어 진동에 의해 전류를 발생하는 압전소자(42), 상기 캔틸레버(41)의 타단에 결합되고, 일정 중량을 가지는 진동추(45), 상기 압전소자(42)와 상기 캔틸레버(41)를 결합하는 본딩재(44) 및 상기 상단 캔틸레버(41)의 상면에 부착되는 압전소자(42)와 상기 하단 캔틸레버(41)의 하면에 부착되는 압전소자(42)의 표면에 형성된 열가소성 재질의 코팅재(43)를 포함하고, 외력에 의해 상기 진동추(45)가 상기 캔틸레버(41)를 진동시키고, 상기 압전소자(42)는 상기 캔틸레버(41)의 상하방향의 진동에 의해 전류를 발생시키는 것을 특징으로 한다.
상기 금속기판(48)의 강성이 상기 캔틸레버(41)의 강성보다 상대적으로 크기 때문에 상기 캔틸레버(41) 사이에 포함되는 상기 금속기판(48)은 멀티 적층 기판의 강성을 보강하는 효과를 가져올 수 있다. 반면, 캔틸레버로만 적층하여 강성을 키울 수는 있지만, 이 경우 전체적인 두께가 두꺼워질 수 있고, 비용이 증가할 수 있기 때문에 상기 캔틸레버(41) 사이에 상기 얇은 금속기판(48)을 추가하여 강성을 증가시키는 것이 바람직하다.
또한, 상기 금속 기판(48)은 티타늄 또는 티타늄의 합금 SUS(STEEL SPECIAL USE STAINLESS) 중 어느 하나로 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 이격된 캔틸레버(41) 사이에 배치된 상기 금속 기판(48)은 SUS 본딩재(49)로 서로 결합되고, 상기 SUS 본딩재(49)는 전도성을 가지는 접착제가 사용될 수 있으며, 이를 위해 실버페이스트를 포함하는 것이 바람직하게 이용될 수 있다.
상기 SUS 본딩재(49)는 실버페이스트, 에틸렌-아세트산(Ethylenevinylacetate), 파라핀 왁스(Paraffine wax), 스테아르산(Stearic acid), 폴리비닐알코올(Polyvinyl alchole), 폴리비닐부티랄(Polyvinyl butyral)과 같은 화합물로 구성될 수 있다.
또한, 상기 금속기판(48)에 홈을 내어 표면조도(surface roughness)를 향상시킴으로써, 부착성능을 높일 수 있다.
도 6에는 본 발명에 따른 매립된 압전소자(52)가 적층된 발전장치(50)의 일례의 측면을 나타내는 단면도가 도시되어 있으며, 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 매립된 압전소자(52)가 적층된 발전장치(50)는 일단이 고정부(55)에 고정되고, 탄성을 가지며 상하로 일정간격 이격되어 배치되는 다수의 캔틸레버(51), 각 캔틸레버(51) 타단 내부에 설치되어 진동에 의해 전류를 발생하는 압전소자(52) 및 상기 캔틸레버(51)의 타단에 결합되고, 일정 중량을 가지는 진동추(53)를 포함하고, 외력에 의해 상기 진동추(53)가 상기 캔틸레버(51)를 진동시키고, 상기 압전소자(52)는 상기 캔틸레버(51)의 상하방향의 진동에 의해 전류를 발생시키는 것을 특징으로 한다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 다층구조로 적층된 압전소자를 이용한 발전장치를 구성하는 복수의 캔틸레버 조립체는 크기와 형태가 동일하기 때문에 대량 생산 방식으로 제조하는 데에 적합하고, 외부의 진동에 의해 진동 및 변형되는 캔틸레버의 변형이 진동추에 의해 연장되게 함으로써 압전소자의 기계적 변형이 지속되며, 그로 인해 압전소자로부터 발생되는 전기의 효율을 높일 수 있는 것이다.
또한, 본 발명은 압전소자와 캔틸레버를 포함하는 캔틸레버 조립체를 다층으로 적층하여 압전소자의 개수 증가에 비례하여 출력전력이 증가하게 되고, 이로 인해 공간 대비 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
상기 본 발명의 내용은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
20,30,40,50: 발전장치
21,31,41,51: 캔틸레버
22,32,42,52: 압전소자
23,33,43: FRP 코팅층
24,34,44: 본딩재
25,35,45,53: 진동추
26,36,46,54: 체결부재
27,37,47,55: 고정부
48: 금속 기판
49: SUS 본딩재
21,31,41,51: 캔틸레버
22,32,42,52: 압전소자
23,33,43: FRP 코팅층
24,34,44: 본딩재
25,35,45,53: 진동추
26,36,46,54: 체결부재
27,37,47,55: 고정부
48: 금속 기판
49: SUS 본딩재
Claims (8)
- 일단이 고정부에 고정되고, 탄성을 가지며 상하로 일정간격 이격되어 배치되는 다수의 캔틸레버(cantilever);
각 캔틸레버 사이에 배치되고, 상단 캔틸레버의 상면 및 하단 캔틸레버의 하면에 배치되어 진동에 의해 전류를 발생하는 압전소자;
상기 캔틸레버의 타단에 결합되고, 일정 중량을 가지는 진동추;
상기 압전소자와 상기 캔틸레버를 결합하는 본딩재; 및
상기 상단 캔틸레버의 상면에 부착되는 압전소자 및 상기 하단 캔틸레버의 하면에 부착되는 압전소자의 표면에 형성된 열가소성 재질의 코팅재;를 포함하고,
외력에 의해 상기 진동추가 상기 캔틸레버를 진동시키고, 상기 압전소자는 상기 캔틸레버의 상하방향의 진동에 의해 전류를 발생시키는 것을 특징으로 하는 다층구조로 적층된 압전소자를 이용한 발전장치.
- 일단이 고정부에 고정되고, 탄성을 가지며 상하로 일정간격 이격되어 배치되는 2개의 캔틸레버;
상기 캔틸레버 사이에 배치되는 금속 기판;
상단 캔틸레버의 상면 및 하단 캔틸레버의 하면에 배치되어 진동에 의해 전류를 발생하는 압전소자;
상기 캔틸레버의 타단에 결합되고, 일정 중량을 가지는 진동추;
상기 압전소자와 상기 캔틸레버를 결합하는 본딩재;
상기 캔틸레버와 상기 금속 기판을 결합하는 SUS 본딩재; 및
상기 상단 캔틸레버의 상면에 부착되는 압전소자 및 상기 하단 캔틸레버의 하면에 부착되는 압전소자의 표면에 형성된 열가소성 재질의 코팅재;를 포함하고,
외력에 의해 상기 진동추가 상기 캔틸레버를 진동시키고, 상기 압전소자는 상기 캔틸레버의 상하방향의 진동에 의해 전류를 발생시키는 것을 특징으로 하는 다층구조로 적층된 압전소자를 이용한 발전장치.
- 일단이 고정부에 고정되고, 탄성을 가지며 상하로 일정간격 이격되어 배치되는 다수의 캔틸레버;
각 캔틸레버 내부에 설치되어 진동에 의해 전류를 발생하는 압전소자; 및
상기 캔틸레버의 타단에 결합되고, 일정 중량을 가지는 진동추;를 포함하고,
외력에 의해 상기 진동추가 상기 캔틸레버를 진동시키고, 상기 압전소자는 상기 캔틸레버의 상하방향의 진동에 의해 전류를 발생시키는 것을 특징으로 하는 다층구조로 적층된 압전소자를 이용한 발전장치.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한항에 있어서,
상기 캔틸레버는 스프링강, 구리, 황동, 청동 및 섬유강화플라스틱(FIBER REINFORCED PLASTICS: FRP) 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 다층구조로 적층된 압전소자를 이용한 발전장치.
- 제2항에 있어서,
상기 금속 기판은 티타늄 또는 티타늄의 합금 SUS(STEEL SPECIAL USE STAINLESS) 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 다층구조로 적층된 압전소자를 이용한 발전장치.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한항에 있어서,
최상단 캔틸레버의 상면 및 최하단 캔틸레버의 하면에 부착되는 상기 압전소자들은 유리섬유강화플라스틱(GFRP: glass fiber reinforced plastic) 또는 탄소섬유강화플라스틱(CFRP: carbon fiber reinforced plastic)으로 코팅되는 것을 특징으로 하는 다층구조로 적층된 압전소자를 이용한 발전장치.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한항에 있어서,
상기 캔틸레버는 판재형태로 이루어지는 것을 특징으로 하는 다층구조로 적층된 압전소자를 이용한 발전장치.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한항에 있어서,
상기 압전소자는 탈탄산 리튬, 니오브산 리튬, 지르코산 티탄산연계 세라믹스, 티탄산 바륨, 인산이수소암모늄, 타르타르산에틸렌디아민, 불소수지 폴리머 및 PMN-PT 중 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 다층구조로 적층된 압전소자를 이용한 발전장치.
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| KR1020140061750A KR20150134677A (ko) | 2014-05-22 | 2014-05-22 | 다층구조로 적층된 압전소자를 이용한 발전장치 |
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|---|---|---|---|
| KR1020140061750A KR20150134677A (ko) | 2014-05-22 | 2014-05-22 | 다층구조로 적층된 압전소자를 이용한 발전장치 |
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2014
- 2014-05-22 KR KR1020140061750A patent/KR20150134677A/ko active Application Filing
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