KR20180007438A - 구슬을 이용하는 압전 하베스팅 장치 - Google Patents

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황성주
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Abstract

여러 방향에서 발생하는 힘 또는 진동을 전기 에너지로 변환할 수 있는 구슬을 이용하는 압전 하베스팅 장치가 개시된다. 개시된 구슬을 이용하는 압전 하베스팅 장치는 외팔보 타입의 플레이트; 상기 플레이트의 일면에 형성된 압전 소자; 상기 플레이트와 수직으로 결합되는 레일부; 및 상기 플레이트와 상기 레일부 사이에 위치하는 자석을 포함하며, 상기 레일부는 상기 자석에 붙는 구슬의 이동 경로를 제공한다.

Description

구슬을 이용하는 압전 하베스팅 장치{ENERGY HARVESTING APPARATUS USING BALL}
본 발명은 구슬을 이용하는 압전 하베스팅 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 여러 방향에서 발생하는 힘 또는 진동을 전기 에너지로 변환할 수 있는 구슬을 이용하는 압전 하베스팅 장치에 관한 것이다.
근래에는 에너지 자원의 부족에 따라 다양한 에너지 생산 방법들이 연구되고 있는데, 특히, 최근에는 에너지 하베스트(energy harvest)라는 개념으로 일상 생활에서 버려지는 에너지를 회수하는 시스템에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
에너지 하베스트는 진동, 빛, 열, 전자파 등 일상 생활에서 버려지는 에너지를 모아 사용 가능한 전기 에너지로 변환하는 기술을 의미하는데, 이러한 에너지 하베스트는 매우 다양한 분야에서 활발한 연구가 진행되고 있다.
이러한 에너지 하베스팅 기술의 한 종류로서, 압전 소자를 이용한 기술이 개발되고 있는데, 이는 반복적으로 전달되는 외부 압력이나 진동을 전기 에너지로 변환하는 기술이다.
압전 소자를 이용한 에너지 하베스팅 장치로서, 캔틸레버(외팔보) 타입의 에너지 하베스팅 장치가 있다. 캔틸레버 타입의 에너지 하베스팅 장치는 한 방향, 예를 들어 z축으로 발생하는 진동 에너지를 전기 에너지로 변환한다. 종래의 캔틸레버 타입의 에너지 하베스팅 장치는 한 방향으로 발생하는 진동 에너지를 제외한 다른 방향에서 발생하는 진동 에너지 또는 힘을 전기 에너지로 변환하지 못하여 발전 효율이 떨어지는 문제가 있다.
관련 선행문헌으로 대한민국 공개특허 제2016-0004891호가 있다.
본 발명은 여러 방향에서 발생하는 힘 또는 진동을 전기 에너지로 변환할 수 있는 구슬을 이용하는 압전 하베스팅 장치를 제공하기 위한 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 외팔보 타입의 플레이트; 상기 플레이트의 일면에 형성된 압전 소자; 상기 플레이트와 수직으로 결합되는 레일부; 및 상기 플레이트와 상기 레일부 사이에 위치하는 자석을 포함하며, 상기 레일부는 상기 자석에 붙는 구슬의 이동 경로를 제공하는 구슬을 이용하는 에너지 하베스팅 장치를 제공한다.
또한 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 외팔보 타입의 플레이트; 상기 플레이트 일면에 형성된 압전 소자; 및 상기 플레이트와 수직으로 결합되며, 자석에 붙는 구슬의 이동 경로를 제공하는 레일부를 포함하며, 상기 자석은 상기 이동 경로 상에 위치하는 구슬을 이용하는 에너지 하베스팅 장치를 제공한다.
본 발명에 따르면, 압전 소자가 형성된 외팔보 타입의 플레이트에 수직으로 결합된 레일부를 구슬이 이동하고, 구슬이 자석을 밀어내는 힘에 의해 에너지가 생성됨으로써, 상하 진동 뿐만 아니라 다양한 방향에서 발생하는 진동 또는 힘에 의해서도 에너지가 생성될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 구슬을 이용하는 에너지 하베스팅 장치의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 구슬을 이용하는 에너지 하베스팅 장치의 정면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 구슬을 이용하는 에너지 하베스팅 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 레일부를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 레일부를 설명하기 위한 도면으로서, 레일부의 단면도를 도시하고 있다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1 및 2는 본 발명의 일실시예에 따른 구슬을 이용하는 에너지 하베스팅 장치를 설명하기 위한 도면으로서, 도 1은 에너지 하베스팅 장치의 사시도이며, 도 2는 에너지 하베스팅 장치의 정면도이다.
도 1 및 2를 참조하면, 본 발명에 따른 에너지 하베스팅 장치는 플레이트(110), 압전 소자(120), 레일부(130) 및 자석(140)을 포함한다.
플레이트(110)는 고정부(111)에 의해 일단이 고정된 외팔보 타입이며, 평판 형상으로서 외부 진동에 의해 휘어질 수 있는 재질의 금속으로 제작될 수 있다.
압전 소자(120)는 플레이트(110)의 일면에 형성되며, 플레이트(110)의 상면 또는 하면에 형성될 수 있다. 압전 소자(120)는 플레이트(110)의 상면 또는 하면 전체를 덮도록 형성될 수도 있으나, 플레이트(110)의 상면 일부 영역에 레일부(130)가 결합되므로, 레일부(130) 결합 영역을 제외한 영역에 형성되는 것이 바람직하다.
레일부(130)는 플레이트(110)와 수직으로 결합되며, 자석(140)에 붙는 구슬(150)의 이동 경로를 제공한다. 레일부(130)는 일실시예로서 상부 벽이 제거된 직육면체의 관 형태일 수 있으며, 구슬(150)은 레일부(130)의 내벽에 접촉한 상태로 레일부(130)의 길이방향(화살표)으로 이동할 수 있다. 그리고 구슬(150)은 자석(140)에 붙는 금속인 철, 니켈, 코발트 등으로 제작될 수 있으며, 또는 자석(140)에 붙는 금속을 함유하는 다양한 재질로 제작될 수 있다.
플레이트(110)와 레일부(130) 사이에는 자석(140)이 위치한다. 자석(140)은 레일부(130)가 결합되는 플레이트(110)의 상부 영역에 위치하며, 실시예에 따라서, 플레이트(110) 또는 레일부(130)에 실장될 수도 있다. 즉, 자석(140)은 구슬(150)의 이동 경로 상에 위치한다. 자석(140)과 구슬(150)의 상호 작용에 의해 에너지가 생성되므로 플레이트(110)는 자석(140)의 자력이 통과하거나 또는 자석(140)에 붙는 재질로 제작되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 에너지 하베스팅 장치는 상하(Z축) 진동에 의해 플레이트(110)가 상하로 진동하며 휘어지고, 플레이트(110)가 휘어짐에 따라 압전 소자(120)에 인장력 및 압축력이 가해지면서 발전이 이루어질 수 있다.
게다가 본 발명에 따른 에너지 하베스팅 장치는 레일부(130)가 플레이트(110)와 수직 방향으로 결합되기 때문에, 레일부(130)의 길이 방향(y축)의 진동이나 힘을 이용하여 발전을 수행할 수 있다. 예를 들어, 레일부(130)의 길이 방향으로 진동이 발생할 경우, 구슬(150)이 레일부(130)를 왔다 갔다 이동하는데, 구슬(150)이 자석(140)과 붙었다가 구슬(150)이 이동하는 힘에 의해 자석(140)과 떨어지면서 플레이트(110)에 진동이 발생하고 따라서 압전 소자(120)에 의해 발전이 이루어질 수 있다.
또는 본 발명에 따른 에너지 하베스팅 장치가 설치된 이동 수단이 기울어지거나 급출발 또는 급감속할 경우, 구슬(150)이 레일부(130)를 왔다 갔다 이동하며, 따라서 압전 소자(120)에 의해 발전이 이루어질 수 있다. 본 발명에 따른 에너지 하베스팅 장치가 이동 수단에 설치될 경우, 발전 효율이 높아질 수 있도록, 이동 수단의 주행 방향과 레일부가 평행하도록 이동 수단에 설치되는 것이 바람직하다.
한편, 레일부(130)는 구슬(150)이 이동하는 하우징 및 하우징의 양단에 결합되는 탄성체를 포함할 수 있다. 도 1 및 2에는 하우징의 양단이 개방된 형태로 도시되어 있는데, 하우징의 양단에 탄성체가 결합됨으로써 발전 효율이 높아질 수 있다. 하우징 양단으로 이동한 구슬(150)이 탄성체에 의해 이동 방향을 바꿔 이동하며, 탄성체의 탄성력에 의해 구슬(150)이 레일부(130)를 이동하는 횟수가 증가할 수 있으므로 발전 효율이 높아질 수 있다.
또한 도 1 및 2에는 하우징의 상부가 개방된 형태로 도시되어 있는데, 구슬(150)이 레일부(130)를 벗어나지 않도록 상부가 폐쇄된 도 4와 같은 관 형태일 수 있다. 이 때, 레일부(130)의 형태는 직사각형 관, 원형 관 등 구슬(150)이 이동할 수 있는 다양한 형태를 가질 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 구슬을 이용하는 에너지 하베스팅 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 1 및 2와 달리, 도 3에 도시된 에너지 하베스팅 장치는 복수개의 플레이트가 레일부에 결합된다. 그에 따라 사용되는 자석 또한 늘어난다.
즉, 본 발명에 따른 에너지 하베스팅 장치는 하나의 레일부에 복수개의 플레이트가 결합된 형태로 사용될 수 있다.
한편, 레일부는 상하(Z축) 진동에 의한 발전효율을 높이기 위해 플레이트의 자유단 부분에 결합되는 것이 바람직하다. 레일부의 질량에 의해 플레이트의 휘어지는 정도가 증가할 수 있는데, 레일부가 플레이트의 끝쪽에 위치할수록 휘어지는 정도가 증가할 수 있다.
결국, 본 발명에 따르면, 외팔보 타입의 플레이트에 수직으로 결합된 레일부를 구슬이 이동하고, 구슬이 자석을 밀어내는 힘에 의해 에너지가 생성됨으로써, 상하 진동 뿐만 아니라 다양한 방향에서 발생하는 진동 또는 힘에 의해서도 에너지가 생성될 수 있다.
본 발명에 따른 에너지 하베스팅 장치는 여러 방향에서 진동이 발생하는 이동 수단이나 바다 위의 부표 등에 적용될 경우, 발전 효율이 극대화될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 레일부를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명에 따른 레일부는 도 1 내지 3과\ 같이 일자형뿐만 아니라, 도 4에 도시된 바와 같이 링 형상으로 제조될 수 있다. 레일부(430)를 링 형상으로 제조함으로써, 적은 공간에서 보다 많은 플레이트를 레일부(430)에 결합시킬 수 있고, 따라서 하나의 레일부당 발전 효율이 높아질 수 있다.
도 34는 레일부(430)를 기준으로 하는 에너지 하베스팅 장치의 단면도로서, 압전 소자를 구비한 플레이트(410)는 레일부(430)의 외주면에 결합되며, 레일부(430) 내부를 구슬(450)이 이동한다.
링(ring) 형상의 레일부(430)를 이용하는 에너지 하베스팅 장치는 외팔보 타입인 플레이트(410)의 일단을 고정시키기 위한 고정부(411)가 결합되는 하우징(412)을 더 포함할 수 있다. 하우징(412) 역시 레일부(430)의 형상과 동일한 링 형상으로 제작될 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 레일부를 설명하기 위한 도면으로서, 레일부의 단면도를 도시하고 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 레일부(530)는 관 형상일 수 있으며, 자석(540)은 레일부(530)에 실장될 수 있다. 이 때 자석(540)은 도 5(a)와 같이, 레일부(530)의 벽에 실장되어 외부로 노출되지 않거나, 또는 구슬(550)과의 거리를 보다 가깝게 하기 위해 도 5(b)와 같이, 이동 경로 상에 오픈된 상태로 위치할 수 있다.
도 5와 같이 자석(540)이 위치할 경우, 자석이 플레이트 상에 위치하는 경우와 비교하여, 보다 자석(540)과 구슬(550)의 거리가 가까워질 수 있으며, 레일부(530)가 플레이트와 직접 접촉함으로써 레일부(530)를 플레이트에 고정시키기 유리하다.
한편, 실시예나 사용환경에 따라 에너지 하베스팅 장치에 다양한 질량의 구슬이 사용될 수 있는데, 이동 경로 상에 설치되는 자석의 크기 또는 자력을 결정할 때, 구슬의 질량을 고려하는 것이 바람직하다. 즉, 이동 경로 상에 설치되는 자석의 크기 또는 자력은 구슬의 질량에 따라 결정되는 것이 바람직하다.
예컨대, 구슬의 질량이 클수록 보다 큰 자석이나 보다 강력한 자력의 자석을 이용하는 것이 바람직하다.
또한 도 1 내지 5에서는 구슬을 이용하는 경우가 일실시예로 설명되었는데, 여기서 구슬은, 구 형태로 레일부를 이동할 수 있는 공 등을 모두 포함하는 개념이다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (10)

  1. 외팔보 타입의 플레이트;
    상기 플레이트의 일면에 형성된 압전 소자;
    상기 플레이트와 수직으로 결합되는 레일부; 및
    상기 플레이트와 상기 레일부 사이에 위치하는 자석을 포함하며,
    상기 레일부는 상기 자석에 붙는 구슬의 이동 경로를 제공하는
    구슬을 이용하는 에너지 하베스팅 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 레일부는
    상기 구슬이 이동하는 하우징; 및
    상기 하우징의 양단에 결합되는 탄성체
    를 포함하는 구슬을 이용하는 에너지 하베스팅 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 레일부는
    상기 플레이트의 자유단 부분에 결합되는
    구슬을 이용하는 에너지 하베스팅 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 레일부는
    링 형상인
    구슬을 이용하는 에너지 하베스팅 장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 레일부의 외주면에는
    상기 압전 소자가 형성된 외팔보 타입의 복수의 플레이트가 수직으로 결합되며,
    상기 레일부와 상기 복수의 플레이트 각각 사이에 복수의 자석이 위치하는
    구슬을 이용하는 에너지 하베스팅 장치.
  6. 외팔보 타입의 플레이트;
    상기 플레이트 일면에 형성된 압전 소자; 및
    상기 플레이트와 수직으로 결합되며, 자석에 붙는 구슬의 이동 경로를 제공하는 레일부를 포함하며,
    상기 자석은 상기 이동 경로 상에 위치하는
    구슬을 이용하는 에너지 하베스팅 장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 자석은
    상기 레일부에 실장되거나 또는 상기 이동 경로 상에 오픈된 상태로 위치하는
    구슬을 이용하는 에너지 하베스팅 장치.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 에너지 하베스팅 장치는
    이동 수단의 주행 방향과 상기 레일부가 평행하도록, 상기 이동 수단에 설치되는
    구슬을 이용하는 에너지 하베스팅 장치.
  9. 제 6항에 있어서,
    상기 이동 경로 상에 설치되는 자석의 크기 또는 자력은
    상기 구슬의 질량에 따라 결정되는
    구슬을 이용하는 에너지 하베스팅 장치.
  10. 제 6항에 있어서,
    상기 레일부는
    상기 플레이트의 자유단 부분에 결합되는
    구슬을 이용하는 에너지 하베스팅 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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