KR20190007208A - 압전 에너지 하베스터 모듈 - Google Patents

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Abstract

압전 에너지 하베스터 모듈은, 바닥부 및 상기 바닥부의 외주면을 따라 상부로 형성되는 측벽부를 포함하는 하우징; 상기 바닥부와 대향하여 위치하고, 상기 하우징의 수납공간을 밀폐하는 덮개부; 일단이 상기 바닥부와 고정되고, 타 단이 상기 덮개부와 고정되는 적어도 하나 이상의 압전 에너지 하베스터 패널을 포함하되, 상기 하나 이상의 압전 에너지 하베스터 패널은 상기 하우징 내부에 수납되고, 일정한 곡률 반경으로 만곡된다. 상기 압전 에너지 하베스터 모듈은 그 구조가 간단하고, 외부 충격을 통해 압전 하베스터의 구조적 변형을 직접적으로 유도, 전기적 에너지로 변환시키므로, 고 변형 및 불특정 주파수를 갖는 충격으로부터 보다 효율적으로 에너지를 획득할 수 있다.

Description

압전 에너지 하베스터 모듈{Piezoelectric Energy Harvester Module}
본 발명은 압전 에너지 하베스터 모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 외부 충격을 단위 소자가 직접적으로 흡수할 수 있어 전기적 에너지 생산을 극대화할 수 있는 압전 에너지 하베스터 모듈에 관한 것이다.
[국가지원 연구개발에 대한 설명]
본 연구는 한국에너지기술평가원의 주관 하에 산업통상자원부의 에너지 수요관리 핵심기술개발(도로교통 미활용에너지 이용을 위한 압전 에너지 하베스터 개발 및 실증, 과제 고유번호: 145150927)의 지원에 의하여 이루어진 것이다.
국내 전력수요는 매년 증가하여 전력소비량이 급증하는 여름 및 겨울철에 블랙아웃 위기를 초래하고 있는 상황으로, 미래 에너지자원의 안정적 확보 및 전력수요 증대에 대응하기 위한 노력이 전 세계적으로 이루어지고 있고, 신재생 에너지에 대한 관심도 또한 폭발적으로 증가하고 있는 추세이며, 특히, 태양광, 풍력, 파력, 열, 운동 에너지 등을 전기적 에너지로 전환하는 에너지 하베스팅(energy harvesting) 기술에 대한 개발이 가속화되고 있는 상황이다.
여러 에너지 하베스팅 기술 중 압전 에너지 하베스터는 외부 환경으로부터 압전 소재의 물리적인 변형을 유도, 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 장치이며, 주위의 버려지는 충격, 압력, 진동 등의 에너지를 전기 에너지로 활용할 수 있는 일종의 에너지 발생 장치이다.
에너지 발생 수단의 예로서, 대한민국 등록특허 제10-1330179호(이하, 선행기술)는 압전 패널을 슬라이딩 방식으로 수납 케이스에 탑재함으로써, 패널 내 캔틸레버 형태의 압전 하베스터가 상호 간의 간섭 없이 배열할 수 있는 방법 및 구조를 제시하고 있다. 그러나 선행기술은 압전 발전을 위해 항상 특정 주파수로 진동하는 진동체가 필요하므로, 도로 및 교량 등의 사회 기반시설과 같은 실제 주변 환경에서 발생하는 충격 에너지를 변환하여, 상시로 전력을 공급하는 데에는 적합하지 않고, 나아가 고 변위 변형을 위한 구조적인 제한이 있어 에너지 변환 효율이 낮은 문제점이 있다.
등록특허 제10-1330179호
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 고 변위 변형을 갖는 충격을 직접적으로 흡수, 전기적 에너지로의 효율적 변환이 가능한 아치형 압전 에너지 하베스터 모듈을 제공하는 데 있다.
본 명세서의 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터 모듈은 바닥부 및 상기 바닥부의 외주면을 따라 상부로 형성되는 측벽부를 포함하는 하우징; 상기 바닥부와 대향하여 위치하고, 상기 하우징의 수납공간을 밀폐하는 덮개부; 및 일단이 상기 바닥부와 고정되고, 타 단이 상기 덮개부와 고정되는 적어도 하나 이상의 압전 에너지 하베스터 패널을 포함하되, 상기 하나 이상의 압전 에너지 하베스터 패널은 상기 하우징 내부에 수납되고, 일정한 곡률 반경으로 만곡된다.
일 실시예에서, 상기 하나 이상의 압전 에너지 하베스터 패널은 기판, 상기 기판으로부터 굽힘 모멘트를 전달받는 적어도 하나 이상의 압전 에너지 하베스터 단위 소자를 포함하고, 상기 하나 이상의 압전 에너지 하베스터 단위 소자 각각은 제1 전극, 상기 제1 전극 상에 위치하는 압전 물질, 상기 압전 물질상에 위치하는 제2 전극을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 하나 이상의 압전 에너지 하베스터 단위 소자는 상기 기판을 사이에 두고 대칭되어 위치하는 제1 압전 에너지 하베스터 단위 소자 및 제2 압전 에너지 하베스터 단위 소자를 포함하고, 상기 제1 압전 에너지 하베스터 단위 소자의 제1 전극은 상기 기판을 일면에 접하고 상기 제2 압전 에너지 하베스터 단위 소자의 제1 전극은 상기 기판의 타면에 접할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 기판은 천연고무, 합성 고무 또는 폴리머 등을 포함하는 탄성 기판이며, 상기 압전 물질은 PZT, BaTiO3 등과 같은 결정 소재, PVDF, PVDF-TrFE 등과 같은 폴리머 소재, ZnO, CdS, AlN 등과 같은 박막 소재 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 하나 이상의 압전 에너지 하베스터 패널은 이웃하는 패널 간에 동일한 거리를 형성하며 상기 하우징내에 나란히 위치할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 하나 이상의 압전 에너지 하베스터 패널은 상기 하우징을 수직 이등분하는 중심선을 기준으로 서로 대칭되도록 만곡된 제1 압전 에너지 하베스터 패널 유닛과 제2 압전 에너지 하베스터 패널 유닛을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 바닥부 및 상기 덮개부는 평판 형상이며, 상기 측벽부는 상기 바닥부로부터 수직으로 연결될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 하나 이상의 압전 에너지 하베스터 패널은 상기 측벽부와 이격되어 상기 하우징 내에 위치할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 하나 이상의 압전 에너지 하베스터 패널의 일단이 상기 바닥부와 접하는 지점 및 상기 하나 이상의 압전 에너지 하베스터의 타 단이 상기 덮개부와 접하는 지점은, 상기 바닥부와 상기 덮개부를 수직 관통하는 가상의 수직선 상에 위치할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 하나 이상의 압전 에너지 하베스터 패널은 외력으로부터 발생하는 압전 에너지를 정류하여 출력하는 정류 회로를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 아치형 압전 에너지 하베스터 모듈은 외부 충격을 통해 압전 하베스터의 구조적 변형을 직접적으로 유도, 전기적 에너지로 변환시킬 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 아치형 압전 에너지 하베스터 모듈은 도로 및 교량 등의 사회 기반시설에서 발생하는 충격 에너지를 변환하여, 상시적으로 전력을 공급할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터 모듈의 사시도이다.
도 2는 도 1의 압전 에너지 하베스터 모듈의 단면도이다.
도 3은 외력 작용에 따른 도 2의 압전 에너지 하베스터 모듈의 변형을 도시한 단면도이다.
도 4는 압전 에너지 하베스터 패널의 단면도이다.
도 5a, 도 5b는 외력에 따른 압전 에너지 하베스터 패널 각 층들의 대전 상태 및 전류의 이동 방향을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터 모듈의 출력을 도시한 그래프이다.
도 7은 압전 에너지 하베스터 패널에 연결된 정류 회로를 개략적으로 나타낸 회로도이다.
도 8은 종래의 수평 방향 변형과 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터 모듈의 수직 방향 변형에 따른 출력을 비교한 그래프이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당 업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예와 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로 기술된 것이 아니며, 본 발명의 범위는 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 관례 또는 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 명세서의 설명 부분에서 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 명세서에서 사용되는 용어는, 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가지는 실질적인 의미와 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 해석되어야 한다.
도 1은 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터 모듈의 사시도이며, 도 2는 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터 모듈의 단면도이고, 도 3은 외력 작용에 따른 도 2의 압전 에너지 하베스터 모듈의 변형을 도시한 단면도이다. 도 1 내지 도 3을 참조하면, 압전 하베스터 모듈(10)은 하우징(100), 하우징(100)에 수용되는 압전 에너지 하베스터 패널(110) 및 하우징(100)의 상부에 위치하여 하우징(100)의 수납공간을 밀폐하는 덮개부(120)을 포함한다.
하우징(100)은 압전 에너지 하베스터 패널(110)을 수납하며, 압전 에너지 하베스터 패널(110)이 효율적으로 벤딩될 수 있는 구성을 포함할 수 있다. 하우징(100)은 금속 재질, 예를 들어 알루미늄(Aluminum), 두랄루민(Duralumin), 스테인레스 스틸(Stainless Steel), 구리, 철, 아연 등의 재질로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
하우징(100)은 바닥부(130) 및 바닥부(130)의 끝단으로부터 절곡되어 수납공간을 형성하는 측벽부(140)를 포함할 수 있다. 바닥부(130)는 압전 에너지 하베스터 패널(110)의 일단이 연결될 수 있고, 연결된 압전 에너지 하베스터 패널(110)를 고정하는 기능을 수행할 수 있다. 바닥부(130)는 도 1에 도시된 바와 같이, 동일한 높이를 가지는 판상형일 수 있으며, 직사각형의 형상을 가질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 다른 실시예에서의 바닥부(130)는 정사각형 또는 마름모 형상일 수도 있으며, 압전 하베스터 모듈(10)이 설치되는 환경에 따라 변형될 수 있다.
측벽부(140)는 바닥부(130)로부터 절곡되어 하우징(100)의 내부 공간과 외부 공간을 구획 지을 수 있고, 상기 구획된 하우징(100)의 내부 공간은 수납공간일 수 있다. 측벽부(140)는 바닥부(130)의 외주면을 따라 상부로 형성될 수 있다. 도 1에 도시된바 와 같이, 측벽부(140)는 바닥부(130) 및 덮개부(120)와 수직한 구조일 수 있다. 측벽부(140)는 덮개부(120)의 이동 방향을 가이드하는 기능을 할 수 있다. 일 실시예에서 측벽부(140)는 덮개부(120)의 하우징(100)내의 상, 하 이동만을 가이드할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
압전 에너지 하베스터 패널(110)은 하우징(100)의 수납 공간에 위치할 수 있다. 압전 에너지 하베스터 패널(110)은 일단이 바닥부(130)와 연결되고, 타 단이 덮개부(120)와 연결될 수 있다. 압전 에너지 하베스터 패널(110)은 양 말단이 바닥부(130)와 덮개부(120)에 고정된 상태일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터 모듈(10)은 압전 에너지 하베스터 패널(110)의 일단과 바닥부(130)의 결합 및 압전 에너지 하베스터 패널(110)의 타 단과 덮개부(120)의 결합을 보다 고정할 수 있는 고정 부재(140), 고정 부재(140)와 하우징(100)을 연결하는 제1 연결 부재(132), 고정 부재(140)와 덮개부(120)를 연결하는 제2 연결 부재(122)를 더 포함할 수도 있다. 도 1에 도시된 바와 같이 고정 부재는 압전 에너지 하베스터 패널(110)을 관통하는 환봉 형상일 수 있으나, 이는 예시적인 구성으로 이에 한정되는 것은 아니다.
압전 에너지 하베스터 패널(110)은 평행한 상태로 서로 대향되어 위치하는 바닥부(130)와 덮개부(120) 사이에 전체적으로 수직한 형태로 위치할 수 있다. 여기서, 압전 에너지 하베스터 패널(110)은 소정의 곡률 반경을 가지도록 굽어진 형태일 수 있다. 압전 에너지 하베스터 패널(100)은 일정한 곡률 반경으로 만곡된 상태일 수 있다. 또한, 압전 에너지 하베스터 패널(100)의 일단과 바닥부(130)와 연결된 지점과 압전 에너지 하베스터 패널(100)의 타 단이 덮개부(120)이 연결된 지점은 하나의 수직 선상에 위치할 수 있다. 압전 에너지 하베스터 패널(110)은 소정의 곡률 반경을 가지는 아치 형상일 수 있고, 아치형의 압전 에너지 하베스터 패널(110)은 아치의 정점을 통과하고 바닥부(130)와 평행한 가상의 수평선을 기준으로 상부와 하부가 대칭되는 형상일 수 있다.
압전 에너지 하베스터 패널(110)은 바닥부(130) 방향으로 작용하는 외력에 따라 보다 굽어질 수 있는 가요성과 본래의 형태로 복원될 수 있는 탄성을 가진 패널일 수 있다. 본 발명의 압전 에너지 하베스터 패널(110)은 하부 방향으로 작용하는 외력에 대응하여 굽어진 방향을 따라 벤딩되었다가 탄성력에 따라 복원될 수 있다. 즉, 본 발명의 압전 에너지 하베스터 패널(110)이 초기 상태에서 굽어진 형상을 가지는 것은 하부 방향으로 작용하는 외력에 따라, 벤딩되는 방향을 가이드하고 보다 용이하게 벤딩되기 위한 것일 수 있다. 아치형의 압전 에너지 하베스터 패널(110)은 아치의 정점을 기준으로 벤딩되었다가 복원될 수 있다.
여기서, 하우징(100)은 적어도 하나 이상의 압전 에너지 하베스터 패널(110)을 포함할 수 있다. 각 에너지 하베스터 패널(110)은 동일한 곡률 반경을 가질 수 있으며, 각 에너지 하베스터 패널(110)에 외력이 동일하게 작용하는 경우 동일한 정도로 휘어질 수 있다. 복수의 압전 에너지 하베스터 패널(110)은 서로 이웃하는 패널 간에 동일한 거리를 형성하며, 나란히 하우징(100) 내에 위치할 수 있다. 복수의 압전 에너지 하베스터 패널(110)은 상술한 외력에 따라 벤딩될 때, 서로 간의 부딪힘이 발생하지 않을 정도로 서로 이격되어 위치할 수 있다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 복수의 압전 에너지 하베스터 패널(110)은 하우징(100)의 중심부를 수직 관통하는 가상의 선을 기준으로 서로 대칭되도록 굽어진 형태일 수 있다. 즉, 복수의 압전 에너지 하베스터 패널(100)은 하우징(100)을 수직 이등분하는 중심선을 기준으로 대칭되도록 만곡된 제1 압전 에너지 하베스터 패널 유닛과 제2 압전 에너지 하베스터 패널 유닛으로 구분될 수 있다. 상기 제1 압전 에너지 하베스터 패널 유닛과 상기 제2 압전 에너지 하베스터 패널 유닛은 상기 중심선으로부터 동일한 위치에 위치할 수 있다. 제1 압전 에너지 하베스터 패널 유닛에 포함된 압전 에너지 하베스터 패널 유닛의 개수와 제2 압전 에너지 하베스터 패널 유닛에 포함된 압전 에너지 하베스터 패널 유닛의 개수는 동일할 수 있다. 하우징(100)내에 대칭되도록 배치된 복수의 압전 에너지 하베스터 패널(110)은 제한된 공간 내에서 압전 에너지 하베스터 패널(110) 간의 접촉이 보다 최소화될 수 있고, 상부에서 제공되는 외력을 균등하게 받을 수 있어 전력 생성이 보다 효율적일 수 있다. 다만, 복수의 압전 에너지 하베스터 패널(110)의 이러한 배치 구조는 예시적인 것으로 복수의 압전 에너지 하베스터 패널(110)은 압전 에너지 하베스터 모듈(10)의 사용 환경에 적합한 개수 및 배치로 구성될 수 있다.
압전 에너지 하베스터 패널(110)은 벤딩시 일단과 타 단이 고정된 상태로 중심부가 측벽부(140)를 향해 수평 이동할 수 있다. 즉, 아치형의 압전 에너지 하베스터 패널(110)은 아치의 중심부가 측벽부(140)를 향해 수평 이동될 수 있다. 압전 에너지 하베스터 패널(110)은 상술한 벤딩시 측벽부(140)과의 부딪힘을 방지하기 위해 측벽부(140)과 소정 거리 이격되어 위치할 수 있다.
외력에 따른 제1 굽힘 모멘트 및 복원에 따라 발생되는 제2 굽힘 모멘트에 의한 응력은 압전 에너지 하베스터 패널(110)로 분산될 수 있으며, 압전 에너지 하베스터 패널(110)은 응력 분산에 따른 유전 분극으로 일정량의 전류를 생성할 수 있다. 압전 에너지 하베스터 패널(110)의 구체적인 구조 및 전류 생성에 대한 자세한 설명은 후술하도록 한다.
덮개부(120)는 도 3에 도시한 바와 같이 바닥부(130) 방향으로 작용하는 외력에 따라 바닥부(130)를 향해 이동될 수 있다. 여기서 외력은 압전 에너지 하베스터 모듈이 설치되는 환경에 의해 자연스럽게 발생하는 외력일 수 있으며, 특정되지 않은 강도로 랜덤하게 발생될 수 있는 힘일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 몇몇 실시예에서, 상기 외력은 일정 크기의 힘이 반복적으로 작용되는 힘일 수도 있다.
덮개부(120)가 바닥부(130) 방향으로 이동함에 따라 압전 에너지 하베스터 패널(110)에는 상술한 바와 굽힘 모멘트가 발생할 수 있다. 즉, 덮개부(120)는 압전 에너지 하베스터 패널(110)에 외력을 전달하여 굽힘 모멘트를 유발시키는 구성일 수 있다. 덮개부(120)는 바닥부(130)로 수직 방향으로 작용되는 외력을 균일하게 복수의 압전 에너지 하베스터 패널(110)에 전달하기 위해 평판 형상일 수 있다. 덮개부(120)는 측벽부(140)가 형성하는 공간보다 더 클 수 있으며, 도 1에 도시된 바와 같이 하부 방향으로 돌출된 제2 연결부재(122)가 측벽부(140)가 형성하는 공간에 대응되어 상하 이동을 가이드할 수도 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 몇몇 실시예에서 덮개부(120)는 측벽부(140)가 형성하는 공간에 대응되는 크기일 수 있고, 하우징(100) 내부 공간으로 상하 이동이 가능할 수도 있다. 상부 방향 및 하부 방향으로만 이동이 제한된 덮개부(120)는 복수의 압전 에너지 하베스터 패널(110)에 외력을 골고루 전달할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 압전 에너지 하베스터 모듈은 압전 에너지 하베스터 패널을 전체적으로 수직 방향으로 위치시키고 상부에서 제공되는 외력을 효율적으로 전달, 이를 벤딩시킬 수 있는 구조를 포함한다. 이하에서는, 전술한 실시예들에 따른 압전 에너지 하베스터 패널의 세부적인 구조 및 전류 생성에 대하여 설명하도록 한다.
도 4는 압전 에너지 하베스터 패널의 측면도이며, 도 5a, 도 5b는 외력에 따른 압전 에너지 하베스터 패널 각 층들의 대전 상태 및 전류의 이동 방향을 개략적으로 도시한 단면도이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터 모듈의 출력을 도시한 그래프이며, 도 7은 압전 에너지 하베스터 패널에 연결된 정류 회로를 개략적으로 나타낸 회로도이고, 도 8은 종래의 수평 방향 변형과 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터 모듈의 수직 방향 변형에 따른 출력을 비교한 그래프이다.
도 4 내지 도 8을 참조하면, 압전 에너지 하베스터 패널(110)은 기판(S), 적어도 하나 이상의 압전 에너지 하베스터 단위 소자(E)를 포함한다. 즉, 도 4에 도시한 바와 같이 기판(S)을 중심으로 압전 에너지 하베스터 단위 소자(E)들이 위, 아래로 위치한 형태일 수 있으나, 이는 예시적인 것으로 사용 환경 및 설계 목적 등에 따라 다양한 형태로 구현될 수 있다.
기판(S)은 압전 에너지 하베스터 패널(100)에 가해지는 물리적인 힘을 압전 에너지 하베스터 단위 소자(E)로 분산할 수 있다. 기판(S)은 소정의 곡률로 굽어진 상태일 수 있다. 기판(S)은 탄성 물질을 포함하며 외력이 사라지면 초기 상태의 곡률로 복원시키는 복원력을 제공할 수 있다. 기판(S)은 천연고무, 합성 고무 또는 폴리머 등을 포함하는 탄성 기판일 수 있다.
압전 에너지 하베스터 단위 소자(E)는 기판(S)상에 위치하며 기판(S)과 함께 소정의 곡률로 굽어진 상태일 수 있다. 압전 에너지 하베스터 단위 소자(E)는 기판(S)으로부터 굽힘 모멘트를 전달받을 수 있다. 하베스터 단위 소자(E)는 제1 전극(112), 압전 물질(114), 제2 전극(116)을 포함할 수 있다. 제1 전극(112), 압전 물질(114), 제2 전극(116)은 순차적으로 적층된 구조일 수 있으며, 기판(S)상에 제1 전극(112)이 위치할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 압전 에너지 하베스터 단위 소자(E)는 복수일 수 있고, 기판(S)을 사이에 두고 대칭되어 위치할 수 있다. 즉, 하나 이상의 압전 에너지 하베스터 단위 소자(E)는 기판(S)을 사이에 두고 대칭되어 위치하는 제1 압전 에너지 하베스터 단위 소자 및 제2 압전 에너지 하베스터 단위 소자를 포함하고, 상기 제1 압전 에너지 하베스터 단위 소자의 제1 전극은 기판(S)의 일면에 접하고 상기 제2 압전 에너지 하베스터 단위 소자의 제1 전극은 기판(S)의 타면에 접할 수 있다.
다만, 이에 한정되는 것은 아니며 복수의 압전 에너지 하베스터 단위 소자(E)는 기판(S)상에 순차적으로 위치할 수도 있다.
제1 전극(112)은 압전 물질(114)이 압전 에너지를 발생할 때, 이를 외부로 전달하는 압전 전극일 수 있으며, 높은 전기전도성을 가지는 도전체를 포함할 수 있다. 제2 전극(116)은 압전 물질(114)상에 위치할 수 있고, 압전 물질(114)이 압전 에너지를 발생할 때, 이를 외부로 전달하는 압전 전극일 수 있고, 높은 전기전도성을 가진 도전체를 포함할 수 있다.
압전 물질(114)은 압전 효과를 기반으로 외력으로부터 전압을 발생시키는 물질을 포함할 수 있다. 압전 에너지 하베스터 패널(100)에 외력이 가해지면 기판(S)을 통해 압전 물질(114) 전체로 응력 분산이 발생할 수 있다. 압전 물질(114)로 전달된 응력에 의한 기계적 일그러짐에 의해 물질 내 유전 분극이 유발되어 압전 물질(114) 상하에 전위차가 발생할 수 있다. 압전 물질(114)의 상하에 위치한 제1 전극(112) 및 제2 전극(116)은 전위차가 형성될 수 있고, 이에 대응되는 크기의 전류가 발생할 수 있다.
압전 물질(114)은 PZT, BaTiO3 등과 같은 결정 소재, PVDF, PVDF-TrFE 등과 같은 폴리머 소재, ZnO, CdS, AlN 등과 같은 박막 소재 중 적어도 하나를 포함할 수 있고, 박막 형태 및 폴리머(polymer) 기반의 필름 구조, 나노/마이크로 구조체 물질과 폴리머의 혼합체 등 다양한 형태로 구성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 압전 에너지 하베스터 패널(100)이 가요성을 가지는 점을 감안하여 압전 물질(114)은 가요성 PVDF 폴리머 기반의 필름 구조일 수 있다.
도 5a는 압전 에너지 하베스터 패널(110)에 외력이 가해진 상태이며, 도 5b는 압전 에너지 하베스터 패널(110)에 가해진 외력이 사라진 상태를 개략적으로 도시한다.
도 5a의 압전 에너지 하베스터 패널(110)은 초기 상태 대비보다 굽어진 상태일 수 있다. 외력이 가해짐에 따라 압전 물질(114)의 양쪽 표면에는 유전 분극에 의한 전하가 생성될 수 있다. 제1 전극(112)에는 플러스 전위, 제2 전극(116)에는 마이너스 전위가 유도될 수 있으나, 이는 압전 물질의 폴링(poling) 방향에 따라 바뀔 수 있는 것으로, 이에 한정되는 것은 아니다. 외부 외력이 사라진 경우, 도 5b와 같이 기판(S)의 복원력에 의해 압전 에너지 하베스터 패널(110)은 초기 곡률 상태로 되돌아갈 수 있다. 탄성 물질을 포함하는 기판(S)은 초기 상태의 곡률로 복원시키는 복원력을 제공할 수 있으며, 이러한 복원력은 외력이 가해지는 방향과 반대 방향의 굽힘 모멘트를 압전 물질(114)에 제공할 수 있다. 이러한 반대 방향의 굽힘 모멘트에 의해 압전 물질(114)은 도 5a와 반대되는 극성을 제1 전극(112)과 제2 전극(116)에 유도할 수 있다. 즉, 제1 전극(112)에는 마이너스 전위를 제2 전극(116)에는 플러스 전위를 각각 유도할 수 있다.
도 6은 상술한 과정을 그래프로 도시한 것으로, 외력으로부터 유도되는 압전 에너지 하베스터 모듈(100)의 출력을, 외력의 인가 및 제거로부터 압전 에너지의 플러스 방향 출력과 마이너스 방향 출력을 구분하여 도시한다.
물리적인 외력이 가해지지 않은 초기 상태(A)에서는 압전 에너지가 발생되지 않으며, 압전 에너지의 플러스 방향 출력과 마이너스 방향 출력은 0일 수 있다. 압전 에너지 하베스터 모듈(100)에 물리적인 외력이 가해지는 동안, 외력으로부터 굽어진 압전 에너지 하베스터 패널(110)의 압전 에너지 출력은 증가하며, 하베스터 모듈(100)이 최대 외력을 전달받는 순간(B) 압전 에너지의 플러스 방향 출력은 피크(peak) 값에 도달하고, 압전 에너지의 플러스 방향 출력은 점차 감소할 수 있다.
그리고, 물리적인 외력이 사라지면, 압전 에너지 하베스터 패널(110)은 본래의 곡률로 되돌아가기 시작하고, 역방향 굽힘 모멘트로 인해 부호가 반대로 압전 에너지 마이너스 방향 출력이 나타난다. 그리고 역방향 굽힘 모멘트가 최대가 되는 순간(C) 압전 에너지 마이너스 방향 출력은 피크 값에 도달하고 이후 감소하여 초기 상태(D)로 돌아갈 수 있다.
이와 같이, 물리적인 외력이 가해지고 사라지는 한 주기 동안, 압전 에너지 출력은 플러스 방향으로 증가했다 감소하고, 마이너스 방향으로 증가했다 감소하는 한 주기의 순환을 할 수 있다. 도 6에서는 물리적인 외력이 가해질 때 플러스 방향 출력, 외력이 사라질 때 마이너스 방향 출력으로 도시하였으나, 이는 예시적인 것으로 회로 구성 방법 및 압전 물질(114)의 폴링 방향에 따라 달라질 수 있다.
또한, 도 6에 도시된 1mm, 2mm, 10mm는 외부 외력에 따라 변화하는 압전 에너지 하베스터 패널(110)의 수직 방향으로의 높이 변화를 나타내며, 이는 곧 압전 에너지 하베스터 패널(110)에 수직 방향으로 작용되는 외력의 크기를 나타낸다. 즉, 외력 증가로부터 발생하는 고변위 변형은 압전 에너지 하베스터 패널(110)에 보다 큰 굽힘 모멘트를 유도하며, 압전 모듈(100)의 높은 출력을 유도하는 것을 확인할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터 패널(110)에 정류 회로를 부가한 예를 도시하는 회로도이다. 도 6에서 살펴본 바와 같이, 물리적인 외력이 가해지고 사라지는 한 주기 동안 압전 에너지는 교류 형태의 출력으로 나타나므로, 이를 직류로 변환하기 위한 정류 회로(300)가 압전 에너지 하베스터 패널(110)에 추가될 수 있다.
정류 회로(300)는 4개의 정류 다이오드를 포함하는 정류부(310) 및 출력 단자(320)을 포함한다. 정류부(310)는 압전 에너지 하베스터 패널(110)의 제1 전극(112) 및 제2 전극(116)에 연결될 수 있다. 출력 단자(320)은 직류로 변환된 전류를 외부로 제공할 수 있다. 상술한 바와 같이, 압전 에너지 하베스터 패널(110)은 복수 개일 수 있고, 이들은 병렬연결 되어 정류 회로(300)와 연결될 수 있으며, 하나의 공통 출력 단자를 통해 외부로 출력될 수 있다. 즉, 복수의 압전 에너지 하베스터 패널(110)은 각각 전류를 생성할 수 있으며, 병렬연결을 통해 이러한 전류는 공통 출력 단자에 스케일 업(Scale-up)되어 공통 출력 단자를 통해 외부에 제공될 수 있다. 여기서 도시된 정류 회로(300)는 사용 가능한 정류 회로의 일 예시에 해당하며, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
도 8은 동일한 수의 압전 에너지 하베스터 패널을 동일한 공간에 종래와 같이 수평 방향으로 위치시킨 구조와 본 발명과 같이 수직 방향으로 위치시킨 구조의 출력을 비교한 그래프이다. 본 발명의 압전 에너지 하베스터 패널(110)은 전체적으로 수직 방향으로 위치하기에 외력을 직접적으로 흡수할 수 있어, 동일 변위 조건에서 수평 방향으로 배치된 종래 기술대비 높은 스트레스가 유도될 수 있고, 이에 따라 전력 생산을 효율적으로 할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 압전 에너지 하베스터 모듈(10)은 외부 충격을 하부로 균등하게 제공하여 복수의 압전 에너지 하베스터 패널(110)에 일정한 방향 굽힘 모멘트를 함께 유도할 수 있으며, 복수의 압전 에너지 하베스터 패널(110)은 단순한 구조로 병렬연결 되어 함께 출력될 수 있는바, 압전 에너지 하베스터 모듈(10) 공간 내 복수의 압전 에너지 하베스터 패널(110)을 운용하는 데 효율적이고, 보다 전력 생산을 효율적으로 할 수 있는 장점을 제공할 수 있다.
나아가, 본 발명의 실시예들에 따른 압전 에너지 하베스터 모듈(10)은 외력으로부터 굽힘 모멘트 발생 후, 스스로 본래의 형태로 복귀함으로써 스프링의 역할을 대신할 수 있으며, 이는 구조적으로 고내구성을 가지는 이점이 있다.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터 모듈(10)은 도로 및 교량 등의 사회 기반시설에서 발생하는 충격 에너지를 변환하여, 상시적으로 전력을 공급할 수 있다.
이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만 본 발명은 이러한 실시예들 또는 도면에 의해 한정되는 것으로 해석되어서는 안 되며, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10: 하베스터 모듈
100: 하우징
110: 하베스터 패널
112: 제1 전극
114: 압전 물질
116: 제2 전극
120: 덮개부
130: 바닥부
140: 측벽부

Claims (10)

  1. 바닥부 및 상기 바닥부의 외주면을 따라 상부로 형성되는 측벽부를 포함하는 하우징;
    상기 바닥부와 대향하여 위치하고, 상기 하우징의 수납공간을 밀폐하는 덮개부; 및
    일단이 상기 바닥부와 고정되고, 타 단이 상기 덮개부와 고정되는 적어도 하나 이상의 압전 에너지 하베스터 패널을 포함하되,
    상기 하나 이상의 압전 에너지 하베스터 패널은 상기 하우징 내부에 수납되고, 일정한 곡률 반경으로 만곡된 압전 에너지 하베스터 모듈.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 압전 에너지 하베스터 패널은 기판, 상기 기판으로부터 굽힘 모멘트를 전달받는 적어도 하나 이상의 압전 에너지 하베스터 단위 소자를 포함하고,
    상기 하나 이상의 압전 에너지 하베스터 단위 소자 각각은 제1 전극, 상기 제1 전극 상에 위치하는 압전 물질, 상기 압전 물질상에 위치하는 제2 전극을 포함하는 압전 에너지 하베스터 모듈.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 압전 에너지 하베스터 단위 소자는 상기 기판을 사이에 두고 대칭되어 위치하는 제1 압전 에너지 하베스터 단위 소자 및 제2 압전 에너지 하베스터 단위 소자를 포함하고,
    상기 제1 압전 에너지 하베스터 단위 소자의 제1 전극은 상기 기판의 일면에 접하고 상기 제2 압전 에너지 하베스터 단위 소자의 제1 전극은 상기 기판의 타면에 접하는 압전 에너지 하베스터 모듈.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 기판은 천연고무, 합성 고무 또는 폴리머 등을 포함하는 탄성 기판이며,
    상기 압전 물질은 PZT, BaTiO3 등과 같은 결정 소재, PVDF, PVDF-TrFE 등과 같은 폴리머 소재, ZnO, CdS, AlN 등과 같은 박막 소재 중 적어도 하나 이상을 포함하는 압전 에너지 하베스터 모듈.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 압전 에너지 하베스터 패널은 이웃하는 패널 간에 동일한 거리를 형성하며 상기 하우징내에 나란히 위치하는 압전 에너지 하베스터 모듈.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 압전 에너지 하베스터 패널은 상기 하우징을 수직 이등분하는 중심선을 기준으로 서로 대칭되도록 만곡된 제1 압전 에너지 하베스터 패널 유닛과 제2 압전 에너지 하베스터 패널 유닛을 포함하는 압전 에너지 하베스터 모듈.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 바닥부 및 상기 덮개부는 평판 형상이며,
    상기 측벽부는 상기 바닥부로부터 수직으로 연결되는 압전 에너지 하베스터 모듈.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 압전 에너지 하베스터 패널은 상기 측벽부와 이격되어 상기 하우징 내에 위치하는 압전 에너지 하베스터 모듈.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 압전 에너지 하베스터 패널의 일단이 상기 바닥부와 접하는 지점 및 상기 하나 이상의 압전 에너지 하베스터의 타 단이 상기 덮개부와 접하는 지점은,
    상기 바닥부와 상기 덮개부를 수직 관통하는 가상의 수직선 상에 위치하는 압전 에너지 하베스터 모듈.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 압전 에너지 하베스터 패널은 외력으로부터 발생하는 압전 에너지를 정류하여 출력하는 정류 회로를 더 포함하는 압전 에너지 하베스터 모듈.
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