KR20150139282A - 하이브리드 에너지 발생 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이종(異種)의 에너지 발생 수단들을 결합하여 하이브리드 에너지를 생성하는 에너지 발생 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 하이브리드 에너지 발생 장치는, 압전 물질을 포함하는 적어도 하나의 압전부를 구비한 제 1 층 및 정전 물질을 포함하는 적어도 하나의 정전부를 구비한 제 2 층을 포함하고, 제 1 층에 가해지는 외력에 의한 압력에 따라 압전부는 압전 에너지를 생성하고, 외력에 의한 제 1 층과 제 2 층의 접촉 및 분리에 따라 정전부는 정전 에너지를 생성하는 하이브리드 에너지 발생 장치.
본 발명에 따른 하이브리드 에너지 발생 장치는, 압전 물질을 포함하는 적어도 하나의 압전부를 구비한 제 1 층 및 정전 물질을 포함하는 적어도 하나의 정전부를 구비한 제 2 층을 포함하고, 제 1 층에 가해지는 외력에 의한 압력에 따라 압전부는 압전 에너지를 생성하고, 외력에 의한 제 1 층과 제 2 층의 접촉 및 분리에 따라 정전부는 정전 에너지를 생성하는 하이브리드 에너지 발생 장치.
Description
본 발명은 하이브리드 에너지 발생 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 이종(異種)의 에너지 발생 수단들을 결합하여 하이브리드 에너지를 생성하는 에너지 발생 장치에 관한 것이다.
정보통신 기술이 발달함에 따라, 이동중에 이용할 수 있는 모바일 기기 및 신체에 밀착 착용가능한 웨어러블(wearable) 기기에 대한 관심이 증가하고 있다. 이러한 모바일 기기 및 웨어러블 기기에 있어, 주요한 기술적 과제는 기기를 이용하는 데 소요되는 전기 에너지를 어떻게 공급받을 것인지에 관한 것이다.
에너지 발생 수단의 예로서, 대한민국 공개특허공보 제10-2011-0072033호(이하, 선행기술)는 벌크형 압전체를 이용한 압전 발전을 통해 전기 에너지를 생성하는 방법을 제시하고 있다. 그러나, 선행기술은 압전 발전을 위해 항상 특정 주파수로 진동하는 진동체를 필요로 하므로, 일상 생활에서 사용가능한 휴대용 발전 수단으로서는 적합하지 않고, 나아가 그 출력 또한 크지 않은 문제점이 있다.
에너지 발생 수단의 다른 예로서, 일반적으로 정전 제너레이터 또는 정전 에너지 하베스터로 불리는 정전 에너지 발생 장치가 있다. 이러한 정전 에너지 발생 장치는 사용되는 정전물질에 따라 상대적으로 큰 전압을 얻을 수 있으나, 전압에 비해 전류 출력이 작은 문제점이 있다. 특히, 정전 제너레이터 중 슬라이딩 구동 방식의 제너레이터는 반복 사용에 따른 마모로 인해 그 출력 에너지가 저하되는 한계를 가진다. 더군다나, 정전 에너지 발생 장치는 충분한 에너지 출력을 얻기 위해서는 구조적으로 그 크기가 커질 수밖에 없어, 모바일 기기에 적용하기 어려운 문제점이 있다.
이에, 모바일 기기 및 웨어러블 기기에도 일반적으로 적용 가능하면서, 비교적 큰 출력의 에너지 및 전류를 얻을 수 있으며, 마모의 문제에서도 자유로운 에너지 발생 장치가 요구된다. 나아가, 그러한 에너지 발생 장치가 플렉서블(flexible)한 형태로 구현이 가능하다면, 그 적용범위가 비약적으로 향상될 수 있을 것이다.
본 발명의 목적은 모바일 기기 및 웨어러블 기기에 적용가능하면서, 랜덤한 진동 또는 압력에 대해서도 효과적으로 에너지를 생성할 수 있는 에너지 발생 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 상대적으로 큰 출력의 전압 및 전류를 얻을 수 있는 에너지 발생 장치를 제공하는 데 있다
본 발명의 또 다른 목적은 반복 사용에 따른 마모의 문제에서 상대적으로 자유롭고 플렉서블하면서 소형/경량화가 가능한 에너지 발생 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 실시 예들에 따른 하이브리드 에너지 발생 장치는, 압전 물질을 포함하는 적어도 하나의 압전부를 구비한 제 1 층; 및 정전 물질을 포함하는 적어도 하나의 정전부를 구비한 제 2 층을 포함하고, 상기 제 1 층에 가해지는 외력에 의한 압력에 따라 상기 압전부는 압전 에너지를 생성하고, 상기 외력에 의한 상기 제 1 층과 상기 제 2 층의 접촉 및 분리에 따라 상기 정전부는 정전 에너지를 생성한다.
실시 예로서, 상기 제 1 층과 상기 제 2 층의 서로 마주보는 면들은 상기 외력이 가해지기 전에는 상기 면들의 적어도 일부 영역들이 서로 분리되도록 유지되고, 상기 외력이 가해진 후에 상기 외력에 의해 상기 적어도 일부 영역들이 서로 접촉될 수 있다.
실시 예로서, 상기 외력을 상기 제 1 층에 분산 전달하고, 상기 외력이 사라진 후 상기 제 1 층과 상기 제 2 층을 분리시키는 복원력을 제공하는 기판; 상기 압전부; 상기 압전부에 의해 생성되는 상기 압전 에너지를 외부로 출력하기 위한 제 1 전극; 및 상기 압전부에 의해 생성되는 상기 압전 에너지를 외부로 출력하기 위한 상기 제 1 전극과는 상이한 제 2 전극을 포함할 수 있다.
실시 예로서, 상기 기판은 상기 외력이 가해질 때의 상기 제 1 층과 상기 제 2 층의 접촉 및 상기 외력이 사라질 때의 상기 제 1 층과 상기 제 2 층의 분리가 용이하도록, 아치형 구조, 스프링 삽입형 구조, 캔틸레버형 구조 또는 샌드위치형 구조 중 어느 한 구조를 가질 수 있다.
실시 예로서, 상기 제 2 전극은 상기 정전 에너지를 발생하기 위해 상기 정전부의 정전 물질과는 상이한 다른 정전 물질을 포함할 수 있다.
실시 예로서, 상기 제 2 층은 상기 정전부에 의해 생성되는 상기 정전 에너지를 외부로 출력하기 위한 제 3 전극을 더 포함할 수 있다.
실시 예로서, 상기 제 1 층 또는 상기 제 2 층은 상기 압전부와는 상이한 다른 압전부 또는 상기 정전부와는 상이한 다른 정전부를 더 포함할 수 있다.
실시 예로서, 상기 압전부에 의해 생성되는 상기 압전 에너지 또는 상기 정전부에 의해 생성되는 상기 정전 에너지를 정류하여 출력하기 위한 정류부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예들에 따른 에너지 발생 장치는 그 구조가 간단하고 상대적으로 소형이며 크기에 비해 높은 에너지 출력을 발생하므로 모바일 기기 및 웨어러블 기기에 적용하기에 적합하다.
또한, 압전 발전 수단과 정전 발전 수단을 함께 이용하여, 압전 및 정전 에너지를 동시에 획득하므로 상대적으로 큰 출력의 에너지 및 전류를 얻을 수 있고, 랜덤한 진동이나 압력에 대해서도 효과적으로 압전 및 정전 발전이 가능한 장점이 있다.
나아가, 본 발명의 실시 예들에 따른 에너지 발생 장치는 그 구조상 구성요소들간에 마찰이 발생하지 않아 마모의 문제에서 상대적으로 자유롭고, 플렉서블하면서 소형/경량화가 가능하므로 휴대폰, 시계 등 휴대용 전자기기 외에도 의료용 어플리케이션까지 광범위하게 적용가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 하이브리드 에너지 발생 장치의 구성을 개략적으로 도시하는 도면들이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 하이브리드 에너지 발생 장치에 누르는 힘을 가하여 상부와 하부를 접촉시켰을 때의, 각 층들의 대전상태 및 그때의 에너지 출력을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 3은 도 2에서 가했던 누르는 힘이 사라져 상부와 하부가 다시 떨어졌을 때의, 각 층들의 대전상태 및 그때의 에너지 출력을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 하이브리드 에너지 발생 장치를 1회 눌렀다 떼는 한 주기동안 발생하는 에너지 출력을 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 하이브리드 에너지 발생 장치에 정류 회로를 부가한 예를 도시하는 회로도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 하이브리드 에너지 발생 장치의 정류된 압전 전압 출력, 정전 전압 출력 및 하이브리드 전압 출력을 도시하는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 하이브리드 에너지 발생 장치의 정류된 압전 전류 출력, 정전 전류 출력 및 하이브리드 전류 출력을 도시하는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 하이브리드 에너지 발생 장치에 누르는 힘을 가하여 상부와 하부를 접촉시켰을 때의, 각 층들의 대전상태 및 그때의 에너지 출력을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 3은 도 2에서 가했던 누르는 힘이 사라져 상부와 하부가 다시 떨어졌을 때의, 각 층들의 대전상태 및 그때의 에너지 출력을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 하이브리드 에너지 발생 장치를 1회 눌렀다 떼는 한 주기동안 발생하는 에너지 출력을 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 하이브리드 에너지 발생 장치에 정류 회로를 부가한 예를 도시하는 회로도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 하이브리드 에너지 발생 장치의 정류된 압전 전압 출력, 정전 전압 출력 및 하이브리드 전압 출력을 도시하는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 하이브리드 에너지 발생 장치의 정류된 압전 전류 출력, 정전 전류 출력 및 하이브리드 전류 출력을 도시하는 그래프이다.
후술하는 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시 예를 예시로서 도시하는 첨부 도면들을 참조한다. 상세한 설명의 실시 예들은 당업자가 본 명세서에 기재된 발명을 실시하기 위한 상세 설명을 개시하는 목적으로 제공된다.
본 명세서의 각 실시 예들은 서로 상이한 경우를 설명할 수 있으나, 그것이 각 실시 예들이 상호 배타적임을 의미하는 것은 아니다. 예를 들어, 상세한 설명의 일 실시 예와 관련하여 설명된 특정 형상, 구조 및 특성은 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시 예에서도 동일하게 구현될 수 있다. 또한, 여기서 개시되는 실시 예들의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 다양하게 변경될 수 있음이 이해되어야 한다.
한편, 여러 실시 예들에서 동일하거나 유사한 참조번호는 동일하거나 유사한 구성요소를 지칭한다. 첨부된 도면들에서 각 구성 요소들의 크기는 설명을 위하여 과장될 수 있으며, 실제 적용되는 크기와 같거나 유사할 필요는 없다.
본 발명에서는 압전 에너지와 정전 에너지를 동시에 획득할 수 있는 하이브리드(hybrid) 전기 에너지 발생 장치를 개시한다. 본 발명에 따른 하이브리드 에너지 발생 장치는 복수의 층들을 포함하며, 그 중 마주보는 두 층의 구성물질을 서로 다르게 함으로써 물리적인 힘에 의해 마주보는 두 층이 접촉/분리될 때 대전에 의한 정전 에너지가 출력되도록 하며, 복수의 층들 중 적어도 하나의 층에 압전 물질을 삽입하여 물리적인 힘이 가해질 때 압력에 의한 압전 에너지가 출력되도록 구성된다.
본 발명에 따른 하이브리드 에너지 발생 장치는 얇은 두께를 갖는 작은 형태로 구현가능하고, 플렉서블한 형태로도 구현이 가능하며, 압전 발전과 정전 발전이 결합된 하이브리드 방식의 발전을 하므로 크기에 비해 출력이 큰 장점을 갖는다. 나아가, 종전 압전 발전 방식과 달리 규칙적인 특정 주파수의 진동체를 요구하지 않고, 랜덤하고 불규칙한 외력에 의해서도 압전 발전이 가능하다.
이하에서는, 본 발명에 따른 하이브리드 에너지 발생 장치를 그 구체적인 실시 예와 함께 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 하이브리드 에너지 발생 장치의 구성을 개략적으로 도시하는 도면들이다. 도 1의 (a)는 에너지 발생 장치(100)의 사시도이고, 도 1의 (b)는 에너지 발생 장치(100)의 측면도이다. 도 1을 참조하면, 에너지 발생 장치(100)는 복수의 층들을 포함하고, 복수의 층들은 서로 분리된 적어도 두 개의 부분으로 구분된다.
에너지 발생 장치(100)의 일 부분(이하, 상부층)은 기판(110), 제 1 전극(120), 압전부(130) 및 제 2 전극(140)을 포함한다. 에너지 발생 장치(100)의 다른 부분(이하, 하부층)는 정전부(150) 및 제 3 전극(160)을 포함한다.
기판(110)은 에너지 발생 장치(100)에 가해지는 물리적인 힘이 에너지 발생 장치(100)의 상부층에 골고루 전달되게 함으로써, 외부의 물리적 힘(이하, 외력)이 압전부 전체에 효과적으로 전달되고. 상부층과 하부층의 마주보는 면들이 넓은 면적에 걸쳐 서로 잘 접촉될 수 있도록 한다. 또한, 기판(110)은 외력이 사라지면, 상부층과 하부층이 서로 분리된 초기상태로 에너지 발생 장치(100)를 복원시키는 복원력을 제공한다.
기판(110)은 탄성을 갖는 물체로 만들어질 수 있으며, 도 1에 도시된 것과 같이 아치형으로 구성될 수 있다. 이러한 아치형 구조의 기판(110)은 외력이 가해졌을 때 그에 따른 압력이 압전부에 효과적으로 전달되게 하고 제 2 전극(140)과 정전부(150)이 잘 접촉되게 하며, 외력이 사라졌을 때 상부층과 하부층이 쉽게 분리되도록 하는 물리적 구조를 제공한다.
제 1 전극(120)은 기판(110)과 압전부(130) 사이에 위치하며, 외력에 의해 압전부(130)이 압전 에너지를 발생할 때 이를 외부로 출력시키는 압전 전극으로서 기능한다. 제 1 전극(120)은 전기전도성이 높고 전기 저항이 작은 도전체로 구성될 수 있다.
압전부(130)은 외력이 가해질 때 압전효과에 의해 전압을 발생시키는 압전물질을 포함한다. 기판(110)에 외력이 가해지면, 외력은 기판(110)을 통해 압전부(130) 전체로 분산 전달되고, 전달된 외력에 의한 기계적 일그러짐에 의해 압전물질에 유전 분극이 유발되어 압전부(130)의 상하에 전위차가 발생한다. 압전물질에 외력이 가해져 발생하는 압전 현상에 대해서는 당해 기술분야에 널리 알려져 있으므로, 여기서는 그에 대한 더 상세한 설명은 생략한다.
실시 예로서, 압전부(130)의 압전물질은 PVDF, PZT, ZnO, 또는 BaTiO3 등을 포함할 수 있다.
실시 예로서, 압전부(130)의 압전물질은 필름 구조, 폴리머(polymer) 혼합 구조 또는 나노/마이크로 구조와 같은 다양한 형태의 구조로 구성될 수 있다.
제 2 전극(140)은 압전부(130)의 아래쪽에 위치하며, 외력에 의해 압전부(130)이 압전 에너지를 발생할 때 이를 외부로 출력시키는 압전 전극으로서 기능한다. 제 2 전극(140)은 압전부(130)을 사이에 두고 제 1 전극(120)의 반대편에 배치된 형태로 구성될 수 있다. 제 2 전극(140)도 제 1 전극(120)과 유사하게 전기전도성이 높고 전기 저항이 작은 도전체로 구성될 수 있다.
한편, 제 2 전극(140)은 압전 전극의 기능 외에도, 하부층의 정전부(150)과의 접촉 및 분리를 통해 발생되는 정전 에너지를 외부로 출력시키는 정전 전극으로서도 기능할 수 있다. 이를 위해, 제 2 전극(140)은 하부층의 정전부(150)과의 접촉 및 분리시 정전 에너지를 유발하는 정전물질을 포함할 수 있다.
실시 예로서, 제 2 전극(140)이 포함하는 정전물질은 나일론, 유리, 골드, 실크, 알루미늄, 아크릴, 테프론, 백금, 실리콘 또는 고무 등과 같은 다양한 정전물질을 포함할 수 있다.
실시 예로서, 제 2 전극(140)이 정전부(150)과 접촉 및 분리될 때 발생되는 정전 에너지를 증가시키기 위해, 제 2 전극(140)의 표면상에는 다른 정전물질이 더 증착될 수 있다.
실시 예로서, 제 2 전극(140)이 포함하는 또는 제 2 전극(140)의 표면에 증착되는 정전물질은 나노/마이크로 구조체의 형태로 제 2 전극(140) 또는 그 표면에 삽입될 수 있다.
정전부(150)은 제 2 전극(140)과의 접촉 및 분리를 통해 정전 에너지를 생성하는 층이다. 정전부(150)은 나일론, 유리, 골드, 실크, 알루미늄, 아크릴, 테프론, 백금, 실리콘 또는 고무 등과 같은 정전물질을 포함하되, 다만, 제 2 전극(140)과의 접촉을 통해 전기적으로 대전될 수 있도록, 포함하는 정전물질의 종류는 제 2 전극(140)과 상이하게 구성된다. 예를 들어, 제 2 전극(140)이 정전물질로서 유리를 포함하면, 정전부(150)은 그보다 정전기 대전 순위가 낮은 아크릴을 정전물질로서 포함할 수 있다.
제 3 전극(160)은 정전부(150) 아래에 위치하며, 제 2 전극(140)과의 접촉 및 분리로 인해 정전부(150)에 쌓인 정전 에너지를 외부로 출력하는 정전 전극으로서 기능한다.
위 구성과 같이, 에너지 발생 장치(100)는 상부층과 하부층로 구분되며, 초기 상태에서 기판(110)의 아치형 구조에 의해 상부층과 하부층은 서로 분리되어 있다. 한편, 여기서는 기판(110)이 아치형 구조를 갖는 것으로 도시되었으나, 이는 예시적인 것으로서 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않는다. 기판(110)의 구조는 외력이 가해졌을 때 상부층과 하부층사이의 접촉 및 분리가 용이하고, 삽입된 압전부(130)에 더 큰 스트레인(strain)이 가해질 수 있는 구조이면 어느것이나 가능하다. 예를 들어, 기판(110)은 아치형, 스프링삽입형, 캔틸레버형, 또는 샌드위치형 등 다양한 구조를 갖도록 구성될 수 있다. 한편, 여기서는 기판(110)이 상부층에만 형성되는 것으로 예시되었으나, 다른 변형 가능한 실시 예에서는, 다른 기판이 하부층에도 형성될 수 있다.
그리고, 분리된 초기상태에서 기판(110)에 외력이 가해지면, 상부의 제 2 전극(140)과 하부층의 정전부(150)은 서로 맞붙게 되고, 그 과정에서 외력에 의한 압력이 압전부(130)로 전달되어 압전물질에 스트레인을 가한다. 그리고, 스트레인에 의해 압전물질에는 유전 분극이 발생하여 압전부(130)의 상하에 전위차가 발생하게 된다. 압전부(130)에 발생된 전위차는 압전부(130)에 인접하여 위치한 제 1 전극(120) 및 제 2 전극(140)을 통해 외부로 압전 에너지로서 외부로 출력될 수 있다.
한편, 상부의 제 2 전극(140)과 하부의 정전부(150)는 외력이 사라지면 다시 분리되게 되는데, 제 2 전극(140)과 정전부(150)는 서로 다른 정전물질로 구성되기 때문에 이러한 접촉 및 분리 과정에서 서로 다른 극성의 전위로 대전된다. 그리고 이러한 대전에 따른 정전 에너지는 제 2 전극(140)과 제 3 전극(160)에 의해 외부로 출력된다.
즉, 본 발명에 따른 에너지 발생 장치(100)는 외력에 의해 압전물질은 압전 에너지를 생성하고 정전물질은 정전 에너지를 생성하는 등, 한 번의 외력이 가해졌다 사라지는 한 주기 동안 압전 에너지와 정전 에너지가 모두 생성되는 하이브리드형 에너지 생성 메카니즘을 구현한다.
한편, 여기서는 에너지 발생 장치(100)가 상부층과 하부층의 두 부분으로 분리된 것으로 예시되었지만, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니며, 에너지 발생 장치(100)는 그것들과 분리된 또 다른 제 3 의 층을 함께 구비할 수 있다. 나아가, 다른 변형가능한 다른 실시 예들에서는, 더 많은 수의 압전부 및 정전부를 에너지 발생 장치의 각 층들에 삽입 또는 사용하여, 발생되는 에너지 출력이 더 향상되도록 할 수도 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 하이브리드 에너지 발생 장치에 누르는 힘을 가하여 상부와 하부를 접촉시켰을 때의, 각 층들의 대전상태 및 그때의 에너지 출력을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 2를 참조하면, 도 1의 초기 상태에서 기판(110)에 외력이 가해져 상부층과 하부층이 서로 접촉된 상태가 도시되며, 이때 에너지 발생 장치(100)는 외부로 하이브리드 에너지(10)를 출력한다.
먼저, 초기 상태에서 외력이 가해지면, 압전부(130)에는 압전물질의 유전 분극에 의한 전위차가 생성되고, 이는 제 1 전극(120)에는 플러스 전위를 제 2 기판(140)에는 마이너스 전위를 야기한다. 제 1 전극(120) 및 제 2 전극(140) 사이에 발생된 전위차는 배선(11)을 통해 압전 에너지로서 출력된다.
한편, 외력에 의해 상부층과 하부층이 접촉되면, 제 3 전극(160)에는 플러스 전위가 유도되고, 제 2 전극(140)과 제 3 전극(160) 사이에 발생된 전위차는 배선(12)을 통해 정전 에너지로서 출력된다.
도 3은 도 2에서 가했던 누르는 힘이 사라져 상부와 하부가 다시 떨어졌을 때의, 각 층들의 대전상태 및 그때의 에너지 출력을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 3을 참조하면, 도 2의 접촉 상태에서 기판(110)에 가해진 외력이 사라져 상부층과 하부층이 서로 분리된 상태가 도시된다.
먼저, 접촉 상태에서 외력이 사라지면, 에너지 발생 장치(100)의 상부층과 하부층은 다시 분리되며, 분리되는 순간부터 제 1 전극(120)과 제 2 전극(140) 사이에서는 압전 에너지가, 그리고 제 2 전극(140)과 제 3 전극(160) 사이에서는 정전 에너지가 도 2와는 반대 방향으로 하이브리드 에너지(10)로서 출력된다.
도 1 내지 도 3에서는 에너지 발생 장치(100)의 구조 및 그것들을 구성하는 각 층들의 기능, 에너지 발생 장치(100)가 압전 에너지 및 정전 에너지를 포괄하는 하이브리드 에너지를 생성하는 메카니즘, 그리고, 외력이 가해졌다 사라지는 한 주기 동안의 압전 에너지 및 정전 에너지의 발생 형태 등에 대해 설명하였다.
여기서 설명된 구성에 따른 에너지 발생 장치(100)는 그 구조가 간단하고 상대적으로 소형이며 크기에 비해 높은 에너지 출력을 발생하므로 모바일 기기 및 웨어러블 기기에 적용하기에 적합할 수 있다. 또한, 압전 발전 수단과 정전 발전 수단을 함께 이용하여, 압전 및 정전 에너지를 동시에 획득하므로 상대적으로 큰 출력의 에너지 및 전류를 얻을 수 있고, 특별한 주파수의 진동체를 요구하지 않아 랜덤한 진동이나 압력에 대해서도 효과적으로 압전 및 정전 발전이 가능한 장점이 있다.
나아가, 본 발명의 실시 예들에 따른 에너지 발생 장치는 그 구조상 마모의 문제에서 상대적으로 자유롭고, 플렉서블한 형태로 구현이 가능하므로 휴대폰, 시계 등 휴대용 전자기기 외에도 의료용 어플리케이션에도 광범위하게 적용될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 하이브리드 에너지 발생 장치를 1회 눌렀다 떼는 한 주기동안 발생하는 에너지 출력을 나타내는 그래프이다. 도 4를 참조하면, 그래프(1000)에는 압전 에너지 출력(1020)과 정전 에너지 출력(1010)이 구분되어 도시된다.
물리적 외력이 가해지지 않은 초기상태(A)에서는 압전 에너지와 정전 에너지가 모두 발생되지 않으며, 압전 에너지 출력(1020)과 정전 에너지 출력(1010)도 0이 된다.
물리적인 외력이 가해지는 동안(1001) 압전에너지는 서서히 증가한다. 그 후 외력에 의해 에너지 발생 장치(100)의 상부충과 하부층이 완전히 접촉된 순간(B) 압전 에너지 출력(1020) 및 정전 에너지 출력(1010)은 피크(peak) 값에 도달하고, 그 후 정전 에너지 출력(1010) 및 압전 에너지 출력(1020)은 감소한다. 이때, 정전 에너지 출력(1010)에 비해 압전 에너지 출력(1020)은 비교적 완만하게 변화하는 경향을 보인다.
그리고, 물리적인 외력이 사라지면(1002), 에너지 발생 장치(100)의 상부층과 하부층은 서로 분리되기 시작하고, 정전 에너지 출력(1010)과 압전 에너지 출력(1020)은 앞서와 부호를 바꾸어 증가한다. 그리고, 상부층과 하부층이 완전히 분리되는 순간 정전 에너지 출력(1010)은 피크 값에 도달하고 이후 감소하여 초기상태로 다시 복귀한 후에는(D) 0으로 되돌아간다. 한편, 압전 에너지 출력(1020)은 정전 에너지 출력(1010)과 달리 상부층과 하부층이 서로 분리되기 시작한 이후 지속적으로 증가하다가, 초기상태로 다시 복귀한 순간에 피크 값에 도달하고 이후 서서히 감소하여 0으로 되돌아간다.
이와 같이, 물리적인 외력이 가해지고 사라지는 한 주기 동안, 정전 에너지 출력(1010) 및 압전 에너지 출력(1020)은 순방향으로(예를 들어, 플러스 방향) 그리고 역방향으로(예를 들어, 마이너스 방향) 증가했다 감소하는 한 주기의 순환을 하게 된다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 하이브리드 에너지 발생 장치에 정류 회로를 부가한 예를 도시하는 회로도이다. 앞서 도 4에서 살펴본 바와 같이, 외력이 가해졌다 사라지는 한 주기 동안 압전 에너지 및 정전 에너지는 각각 부호를 바꾸어 증감하므로, 이러한 교류형태의 출력을 직류로 변환하기 위한 정류 회로(200)가 에너지 발생 장치(100)에 더 부가될 수 있다.
정류 회로(200)는 정류 다이오드(210)를 포함하는 두 개의 정류부 및, 출력단자(220)를 포함한다. 정류부들은 도 5에 도시된 바와 같이 에너지 발생 장치(100)의 제 1 전극(120), 제 2 전극(140), 제 3 전극(160), 또는 출력 단자(200)에 연결된다. 구체적으로, 각 정류부들은 공통 전극으로서 제 2 전극(140)과 연결되며, 정류부들 중 하나는 제 1 전극(120)에 그리고 다른 하나는 제 3 전극(160)에 연결된다.
제 1 전극(120) 및 제 2 전극(140)에 연결된 정류부(도 5의 위쪽 정류부)는 에너지 발생 장치(100)에서 생성된 압전 에너지 출력을 정류하는 정류부이고, 제 2 전극(140) 및 제 3 전극(160)에 연결된 정류부(도 5의 아래쪽 정류부)는 에너지 발생 장치(100)에서 생성된 정전 에너지 출력을 정류하는 정류부이다. 각 정류부들에 의해 정류된 출력들은 서로 더해져 출력단자(220)를 통해 외부로 출력된다.
한편, 여기서 도시된 정류 회로(200)는 사용 가능한 정류 회로의 일 예를 든 것으로서, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 교류 에너지를 직류 에너지로 변환하는 회로라면 어떠한 것이라도, 도시된 정류 회로(200)를 대신하여 또는 그것에 추가하여 사용가능하다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 하이브리드 에너지 발생 장치의 정류된 압전 전압 출력, 정전 전압 출력 및 하이브리드 전압 출력을 도시하는 그래프이다.
도 6의 (a)에는 정전부(150)에 의해 발생되는 정전 에너지가 정류된 결과로서의 정전 전압 출력(1011) 및 압전부(130)에 의해 발생되는 압전 에너지가 정류된 결과로서의 압전 전압 출력(1021)을 도시한다. 여기서 정류된 정전 전압 출력(1011), 압전 전압 출력(1021)은 도 5에 도시된 정류부(200)에 의해 정류된 전압들일 수 있다.
도 6의 (b)에는 압전 전압 출력(1011) 및 정전 전압 출력(1021)을 병렬로 합성한 하이브리드 전압 출력(1031)이 도시된다.
도 6을 참조하면, 반복적으로 인가되는 외력에 의해, 정전 전압 출력(1011) 및 압전 전압 출력(1021)은 연속적인 피크 값들을 갖는 파형으로서 출력되며, 그것들을 합성한 결과인 하이브리드 전압 출력도 연속적인 피크 값들을 갖는 파형으로서 출력된다.
도면 7은 하이브리드 전기 에너지 발생장치에 물리적인 힘을 가하였을 때 정류 후 출력되는 정전 출력전류와 압전 출력전류를 조사하였고 도면 8은 두 개의 출력전압을 병렬로 연결한 하이브리드된 출력전류를 보여준다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 하이브리드 에너지 발생 장치의 정류된 압전 전류 출력, 정전 전류 출력 및 하이브리드 전류 출력을 도시하는 그래프이다.
도 7의 (a)에는 정전부(150)에 의해 발생되는 정전 에너지가 정류된 결과로서의 정전 전류 출력(1012) 및 압전부(130)에 의해 발생되는 압전 에너지가 정류된 결과로서의 압전 전류 출력(1022)을 도시한다. 여기서 정류된 정전 전류 출력(1012), 압전 전류 출력(1022)은 도 5에 도시된 정류부(200)에 의해 정류된 전류들일 수 있다.
도 7의 (b)에는 압전 전류 출력(1012) 및 정전 전류 출력(1022)을 병렬로 합성한 하이브리드 전류 출력(1032)이 도시된다.
도 7을 참조하면, 반복적으로 인가되는 외력에 의해, 정전 전류 출력(1012) 및 압전 전류 출력(1022)은 연속적인 피크 값들을 갖는 파형으로서 출력되며, 그것들을 합성한 결과인 하이브리드 전류 출력도 연속적인 피크 값들을 갖는 파형으로서 출력된다.
본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예를 들어 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한 각 실시 예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있다.
또한, 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 발명의 범위는 상술한 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허 청구범위에서 제시되는 바에 따라 정해져야 한다.
100: 하이브리드 에너지 발생 장치
110: 기판
120: 제 1 전극 130: 압전부
140: 제 2 전극 150: 정전부
160: 제 3 전극 10: 에너지 출력
11: 정전 전압 출력 12: 정전 전류 출력
21: 압전 전압 출력 22: 압전 전류 출력
31: 하이브리드 전압 출력 32: 하이브리드 전류 출력
200: 정류회로 210: 정류 다이오드
220: 출력 단자
120: 제 1 전극 130: 압전부
140: 제 2 전극 150: 정전부
160: 제 3 전극 10: 에너지 출력
11: 정전 전압 출력 12: 정전 전류 출력
21: 압전 전압 출력 22: 압전 전류 출력
31: 하이브리드 전압 출력 32: 하이브리드 전류 출력
200: 정류회로 210: 정류 다이오드
220: 출력 단자
Claims (13)
- 압전 물질을 포함하는 적어도 하나의 압전부를 구비한 제 1 층; 및
정전 물질을 포함하는 적어도 하나의 정전부를 구비한 제 2 층을 포함하고,
상기 제 1 층에 가해지는 외력에 의한 압력에 따라 상기 압전부는 압전 에너지를 생성하고, 상기 외력에 의한 상기 제 1 층과 상기 제 2 층의 접촉 및 분리에 따라 상기 정전부는 정전 에너지를 생성하는 하이브리드 에너지 발생 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 층과 상기 제 2 층의 서로 마주보는 면들은,
상기 외력이 가해지기 전에는 상기 면들의 적어도 일부 영역들이 서로 분리되도록 유지되고, 상기 외력이 가해진 후에 상기 외력에 의해 상기 적어도 일부 영역들이 서로 접촉되는 하이브리드 에너지 발생 장치.
- 제 1항에 있어서,
상기 정전 물질은 나일론, 유리, 골드, 실크, 알루미늄, 아크릴, 테프론, 백금, 실리콘 또는 고무 중 적어도 하나를 포함하는 하이브리드 에너지 발생 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 압전 물질은 PVDF, PZT, ZnO 또는 BaTiO3 중 적어도 하나를 포함하는 하이브리드 에너지 발생 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 압전 물질은 필름 구조, 폴리머(polymer) 혼합 구조 또는 나노/마이크로 구조 중 어느 하나의 형태로 상기 압전부에 포함되는 하이브리드 에너지 발생 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 층은,
상기 외력을 상기 제 1 층에 분산 전달하고, 상기 외력이 사라진 후 상기 제 1 층과 상기 제 2 층을 분리시키는 복원력을 제공하는 기판;
상기 압전부에 의해 생성되는 상기 압전 에너지를 외부로 출력하기 위한 제 1 전극; 및
상기 압전부에 의해 생성되는 상기 압전 에너지를 외부로 출력하기 위한 상기 제 1 전극과 같거나 상이한 제 2 전극을 더 포함하는 하이브리드 에너지 발생 장치.
- 제 6 항에 있어서,
상기 기판은 상기 외력이 가해질 때의 상기 제 1 층과 상기 제 2 층의 접촉 및 상기 외력이 사라질 때의 상기 제 1 층과 상기 제 2 층의 분리가 용이하도록, 아치형 구조, 스프링 삽입형 구조, 캔틸레버형 구조 또는 샌드위치형 구조 중 어느 한 구조를 갖는 하이브리드 에너지 발생 장치.
- 제 6 항에 있어서,
상기 제 2 전극은 상기 정전 에너지를 발생하기 위해 상기 정전부의 정전 물질과는 상이한 다른 정전 물질을 포함하는 하이브리드 에너지 발생 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 층은,
상기 정전부에 의해 생성되는 상기 정전 에너지를 외부로 출력하기 위한 제 3 전극을 더 포함하는 하이브리드 에너지 발생 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 층 또는 상기 제 2 층은 상기 압전부와는 상이한 다른 압전부를 더 포함하는 하이브리드 에너지 발생 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 층 또는 상기 제 2 층은 상기 정전부와는 상이한 다른 정전부를 더 포함하는 하이브리드 에너지 발생 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 압전부에 의해 생성되는 상기 압전 에너지를 정류하여 출력하기 위한 정류부를 더 포함하는 하이브리드 에너지 발생 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 정전부에 의해 생성되는 상기 정전 에너지를 정류하여 출력하기 위한 정류부를 더 포함하는 하이브리드 에너지 발생 장치.
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| KR1020140067694A KR101610738B1 (ko) | 2014-06-03 | 2014-06-03 | 하이브리드 에너지 발생 장치 |
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|---|---|---|---|---|
| KR20180022098A (ko) * | 2016-08-23 | 2018-03-06 | 삼성전자주식회사 | 표면 플라즈몬 공명을 이용한 마찰전기 발전기 |
| KR20180076734A (ko) * | 2016-12-28 | 2018-07-06 | 제주대학교 산학협력단 | 하이브리드 방식의 전력발전소자 및 이의 제조방법 |
| US20210218350A1 (en) * | 2018-06-11 | 2021-07-15 | The Johns Hopkins University | Flexible and hybrid energy harvesting device combining piezoelectric and electrostatic conversions |
-
2014
- 2014-06-03 KR KR1020140067694A patent/KR101610738B1/ko active IP Right Grant
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