KR20200089776A - 바퀴 부착형 압전 이용 발광 장치 - Google Patents

바퀴 부착형 압전 이용 발광 장치 Download PDF

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Abstract

바퀴가 1 회전할 때 적어도 한 번 바퀴와 지면 사이에 놓여 압력을 받도록 설치되며 압력에 의한 발전이 가능한 압전소자를 내장하는 압전부, 압전부의 압전소자와 연결되어 전력을 공급하는 전력선을 구비하는 연결부, 바퀴 측면에 설치되어 전력선으로부터 전력을 공급받아 바퀴 측방으로 빛을 내는 조명부를 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 바퀴 부착형 압전 이용 발광 장치가 개시된다. 이런 발광 장치는 스노우 체인과 일체로 형성되거나, 자전거나 오토바이의 바퀴의 인식등을 포함하도록 구성될 수 있다.
본 발명에 따르면 차량과 자전거와 같은 이동수단의 바퀴에 설치하여 이동수단의 위치 및 진행을 더 잘 나타내어 교통안전에 도움이 될 수 있고, 장식의 기능을 강조하여 이동수단의 외관 미감을 증진시킬 수 있다.

Description

바퀴 부착형 압전 이용 발광 장치{light emitting apparatus for wheel of vehicle using Piezoelectric element}
본 발명은 발광장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 차량 등의 바퀴에 부착될 수 있으며, 바퀴의 진행시 작용하는 압력에 의한 압전 현상을 이용하여 전력을 공급할 수 있는 발광 장치에 관한 것이다.
차량의 조명은 주로 차량에 설치된 배터리에 의해 공급되지만, 배터리로 대개 충방전이 가능한 2차 전지를 사용하고, 이런 2차 전지의 충전에는 결과적으로 차량 엔진의 동력을 사용하는 경우가 대부분이다. 엔진의 동력을 충전에 사용하기 위해 발전 수단이 필요한데, 이런 발전 수단은 매우 다양한 형태로 구성될 수 있다.
차량의 조명은 어두운 환경에서 실내를 밝히는 조명, 차량 진로를 밝히는 헤드라이트와 같은 조명, 차량의 신호를 위한 깜박이등과 같은 조명이 있고, 외부에 차량의 존재를 알리는 안개등과 같은 조명도 있다. 이 외에도 차량 사용자의 개성을 표현하거나 광고를 위한 장식등도 사용될 수 있다. 물론, 이때 장식등은 차량의 존재와 진행 상태를 알리는 기능도 겸하여 이루어질 수 있다.
어두운 곳에서 차량 일부에서 빛을 발생시키는 발광 수단으로, 전기에 의한 조명은 아니지만, 차량 바퀴의 측면 테두리에 형광물질을 칠하거나 첨부하는 것을 생각할 수 있고, 차량 바퀴에 차량 엠블럼 형태의 조명을 설치하는 것도 생각할 수 있다.
그런데 바퀴의 경우, 우천이나 부분적 침수 환경에 노출될 수 있고, 회전하는 특성상 차량 본체에 설치된 배터리에서 전기를 공급하는 것은 상당히 번거로운 일이 될 수 있다.
또한, 바퀴는 자체가 회전을 하는 부분이므로 이런 회전을 이용하여 전기를 만들 수 있으므로 바퀴 자체에 바퀴 회전을 이용한 발전수단을 설치할 수 있다. 구성이 조금 다르지만 자전거 바퀴 주변에 소형 발전기를 설치하고 타이어 표면과 접촉시켜 바퀴가 회전하면 발전기의 회전자가 회전하여 발전을 하고 이를 이용하여 자전거 전조등을 밝히는 예를 생각할 수 있다.
자전거의 경우, 어두운 환경에서 교통사고를 방지하거나 장식 등을 위하여 자신의 존재를 알리는 조명을 바퀴살에 설치하는 경우가 있는데, 이는 조명 자체에 작은 배터리를 내장하는 형태를 많이 사용한다. 이런 형태는 배터리를 수시로 교체해야 하며 차량 헤드라이트에 비해 광도가 매우 떨어져 헤드라이트 조명하에서는 잘 보이지 않는다는 단점도 존재한다.
한편, 차량은 결빙이나 강설에 대비하여 눈이 덮이거나 얼음이 언 지면을 운행할 때 마찰이 약해져 잘 미끌어지지 문제에 대비하기 위해 차량 바퀴에 마찰력을 높이는 화학물질을 스프레이 형태로 분사하여 사용하거나, 스노우 타이어, 스파이크 타이어를 사용하거나, 체인을 감아서 사용하게 된다.
체인은 바퀴가 회전하면서 바퀴 표면의 설치된 위치가 지면에 닿을 때 바퀴 표면과 지면 사이에 끼어 차량 중량에 의한 압력을 받게 되며, 마찰력은 수직항력에 마찰계수를 곱한 값인데, 평지에서 수직항력은 대개 압력과 같게 되며 체인은 미끌어지기 어렵게 하는 저항체로 작용하여 실질적으로 마찰계수를 증가시키는 역할을 한다. 체인은 여러 가지 형태로 발전되고 있지만 자체로서 바퀴의 매끈한 원형에 다소 이질적으로 결합되어 미감상 악영향을 줄 수 있으며, 미끌어짐 방지라는 역할 외에 별다른 이점은 주지 못하고 있는 실정이다.
도1은 흥미를 끌기 위해 신발에 조명을 설치하는 아이디어 상품에서 조명에 전력을 공급하기 위해 신발창에 장착되는 압전 발전기의 일 예를 나타내는 사진이다. 여기서 압전소자로 피에조일렉트릭 스트라이프(Piezoelectric Stripe)가 사용되고, 에너지 하베스터(Energy Harvester)는 정류 등의 작용을 통해 압전소자에서 발생된 전압을 변환시켜 축전기 혹은 이차전지(Battery)에 인가하는 역할을 한다. 여기서 도시되지 않지만 이차전지는 조명등의 전기단자에 도선을 통해 연결된다.
이런 구성에서는 사용자가 보행이나 주행을 할 때 발로 딛는 압력을 이용하여 압전소자가 전력을 생산하고 이차전지는 생산된 전력을 저장하여 조명등에 공급한다.
이와 비슷한 원리로 도로 일부에 압전 발전 장치를 설치하고, 차량이 지날 때 가해지는 압력을 이용하여 전력을 생산하고 인근 가로등이나 신호등에 이용하는 아이디어가 개시된 바 있다.
한편, 차량은 헤드라이트와 같은 전방 조명, 후미등과 같은 후방 조명은 기본적으로 가지지만 측면 조명은 가지지 못하거나 미약한 경우가 많다. 깜박이등이나 비상등은 일상적이지 않아 측면에서 인식할 수단이 부족하며, 가로등이 없고 교통량이 매우 적은 시골길 등에서 실내등을 켜지 않고 단순 직진을 하는 경우 측방에서 차량을 인식할 수단이 부족할 수 있다.
대한민국 등록특허 제10-0583293호: 타이어 사이드월부 코팅용 폴리우레탄 발광 조성물
압전 에너지 하베스팅 기술과 3D 프린팅 기술의 이해 및 융합연구(김보연, 남산: CERAMIST 제18권 제4호 2015년12월 PP 5~12)
본 발명은 차량과 자전거와 같은 이동수단에서 바퀴에 설치하여 자신의 위치 및 진행을 더 잘 나타내어 교통 안전에 도움이 될 수 있는 발광 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 차량과 자전거와 같은 바퀴를 가진 이동수단에서 바퀴에 설치하여 자신의 개성을 표현하고, 장식 기능을 발휘할 수 있는 발광 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 차량 바퀴에 부착되는 체인에 결합되어 미관을 개선하고 장식 및 표시 기능을 높일 수 있으며, 별도의 전기 공급 라인 없이 자체적으로 전력을 조달할 수 있는 발광 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 발광 장치는 바퀴가 1 회전할 때 적어도 한 번 바퀴와 지면 사이에 놓여 압력을 받도록 결속되며 압력에 의한 발전이 가능한 압전소자를 내장하는 압전부, 압전부의 압전소자와 연결되어 전력을 공급하는 전력선을 구비하는 연결부, 바퀴 측면에 설치되어 전력선으로부터 전력을 공급받아 차량 측방으로 빛을 내는 조명부를 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 압전소자에서 생산된 전력을 저장하기 위한 이차전지가 더 구비될 수 있으며, 이런 경우 압전소자에서 생산된 전력을 효율적으로 배터리에 저장하기 위한 수단으로서 이들 사이에 설치되는 에너지 하베스터가 구비될 수 있다.
본 발명에서 발광 장치는 차량 스노우 체인에 결합된 형태로 이루어질 수 있다.
본 발명에서 발광 장치는 자전거나 오토바이 바퀴에 결속되는 것일 수 있다.
본 발명을 차량과 자전거와 같은 이동수단의 바퀴에 설치하면 이들 이동수단의 위치 및 진행을 더 잘 나타내어 교통안전에 도움이 될 수 있다.
본 발명을 차량과 자전거와 같은 이동수단의 바퀴에 설치하면 장식의 기능을 강조하여 이동수단의 외관 미감을 증진시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따라 차량 바퀴에 부착되는 스노우 체인에 결합되면 스노우 체인을 장착하는 것을 전제로 별다른 번거로움 없이 차량 미관을 개선하고 장식 및 표시 기능을 높일 수 있으며, 별도의 전기 공급 라인 없이 자체적으로 전력을 조달하면서 장식 및 표시 기능을 발휘할 수 있다.
도1은 신발에 설치된 조명에 전력을 공급하기 위해 신발창에 설치되는 압전 이용 발전 장치의 한 예를 나타내는 사진,
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 이용 발광 장치의 기본 구성을 개략적으로 나타내는 박스 다이어그램 형태의 구성 개념도,
도3a는 본 발명의 일 실시예를 이루는 스노우 체인형 압전이용 발광 장치를 나타내는 개념적 사시도,
도3b는 본 발명의 일 실시예와 유사한 스노우 체인형 압전 이용 발광 장치를 다른 방향 표현하여 도3a에서 보이지 않는 부분을 나타내는 개념적 사시도,
도4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전 이용 발광 장치의 기본 구성을 개략적으로 나타내는 박스 다이어그램 형태의 구성 개념도이다.
이하 도면을 참조하면서 구체적 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.
도2 및 도3a, 도3b를 함께 참조하여 본 발명 실시예인 스노우 체인형 압전 이용 발광 장치를 설명하면, 본 실시예는 개략적으로 스노우 체인의 외관을 가진다.
여기서 스노우 체인은 바퀴의 폭 방향으로 타이어(20) 바닥 표면을 가로지르도록 설치되는 복수의 타이어 횡단띠(120) 부분과 이 횡단띠의 양단 가운데 차량 기준 내측면에 있는 제1 단부(125)들을 고정하도록 바퀴 내측면쪽에 설치되는 환형띠(110) 부분과, 횡단띠 양단 가운데 차량 기준 외측면에 있는 제2 단부(123)들을 고정하도록 체결부(135) 복수 개가 환형으로 배열되도록 이루어진 외측판(130) 부분을 구비하여 이루어진다.
환형띠(110) 부분 일부에는 착탈이 가능한 착탈장치(110a)가 설치되고 자체가 신축성을 가져 스노우 체인을 바퀴에 설치할 때 착탈장치가 풀러진 상태로 스노우 체인을 바퀴에 쉽게 씌운 뒤 착탈장치를 잠그어 바퀴에 안정적으로 고정시킬 수 있다. 외측판은 바퀴의 휠(10)의 외측면을 상당 부분 커버하도록 설치된다.
각 체결부(135)는 횡단띠(120)의 제2 단부(123)에 있는 결속수단과 체결될 수 있도록 대응결속수단을 구비한다.
그러나, 일반 스노우 체인과 달리, 횡단띠(120) 각각에서 타이어 바닥과 접촉하는 부분인 도2의 압전부(220)에는 압전소자를 내장되어 있고, 횡단띠(120)의 제2 단부(123) 부분에 해당하는 도2의 연결부(223)에는 압전소자의 단자와 연결된 도선이 설치된다. 그리고, 외측판(130) 부분의 각 체결부(135)에는 대략 동전 크기의 원판형 LED 조명등(137)이 설치되어 도2의 조명부(237)를 이루고 있다.
횡단띠(120)의 제2 단부(123)와 외측판(130)의 체결부(135)가 물리적으로 체결, 고정될 때에 제2 단부(123)에 내장된 도선과 체결부(135)에 내장된 LED 조명등(137) 단자가 전기적으로 접속되도록 도선과 단자가 배치된다.
여기서, 압전소자에서 발생된 전력을 충전하는 충전기(이차전지)나 발생전류를 정류하기 위한 별도의 에너지 하베스터 회로나 전력을 저장하기 위한 배터리는 구비되지 않는다.
이런 구성에서는 바퀴의 타이어(20)에 스노우 체인이 설치되고 차량이 운행되면서 바퀴에 설치된 횡단띠 부분이 바퀴와 지면 사이에 놓이는 순간 해당 횡단띠(120) 부분에 내장된 압전소자에 차량 중량에 의한 압력이 작용하고, 압전현상에 의해 기전력이 유기된다.
유기된 기전력은 압전소자 단자에 연결되고 횡단띠 제2 단부(123)에 내장 설치되 도선에 의해 체결부(135)의 LED 조명등(137)에 바로 작용하게 되고, LED 조명등에 전류가 흐르면서 조명등이 빛을 내개 된다.
바퀴가 회전하면서 이 부분은 지면과 접촉하지 않게 되고 다음 번의 횡단띠(120) 부분이 바퀴와 지면 사이에 위치하여 압력을 받게 되면, 이 횡단띠에 내장된 압전소자에 의해 다음 체결부의 LED 조명등이 점등된다.
운행이 계속되는 동안 바퀴에 결합된 스노우 체인에서는 압전 이용 조명 장치에 의해 외측판(130)의 체결부(135)에 설치된 LED 조명등(137)이 순차적으로 점멸하게 되고, 차량 측방에서는 차량 진행방향으로 이동하면서 점멸하는 빛을 보게 된다.
도4는 본 발명의 조명 장치의 다른 실시예 구성을 개념적으로 나타내는 구성 개념도이다.
여기서는 도2의 구성에 더하여 압전소자를 가진 압전부(320)와 연결부(323)를 통해 연결된 조명부(337)에 조명등(337c) 외에 에너지 하베스터(337a) 부분과 배터리(이차전지: 337b) 부분이 더 구비된다. 일단 압전소자에서 발생된 기전력은 도선을 통해 에너지 하베스터(337a) 부분에 전달되고 다시 도선을 통해 배터리(337b) 부분으로 전달된다. 배터리 부분은 별도의 도선을 통해 조명등(337c)) 부분으로 연결된다.
이런 구성을 도3a의 구성과 결합하여 생각하려면 앞선 실시예에 비교할 때 외측판(130)의 체결부(135)에 LED 조명등(137) 외에 에너지 하베스터 부분과 배터리 부분이 더 구비된다고 전제할 수 있다.
이런 구성에서 압전 이용 조명 장치의 작용을 살펴보면, 압전 소자의 기능은 앞선 실시예와 같다고 볼 수 있고, 압전 소자의 단자와 연결된 에너지 하베스터 부분은 이 부분에 포함된 회로 구성에 따라 정류, 변압 등의 변환과정이 이루어질 수 있다. 따라서 에너지 하베스터 부분은 압전소자에서 발생된 기전력을 변환시켜 배터리에 인가하는 기능을 하게 된다. 이런 변환은 배터리 충전 효율을 높이기 위해 사용될 수 있다.
에너지 하베스터 부분에 대해서는 기존의 압전 에너지 하베스팅 기술과 관련하여 이미 알려진 기술들을 사용할 수 있으며 여기서는 그에 대한 더 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
이런 구성에서는 결국 압전소자에서 발생된 전력이 일단 배터리에 저장된다. 배터리는 별도의 도선을 통해 LED 조명등과 연결되어 있고, 따라서 배터리에서는 지속적으로 LED 조명등에 전력을 공급하여 점멸 상태가 아닌 계속적 점등 상태를 유지할 수 있다.
이런 발광 장치를 가진 스노우 체인을 차량 바퀴에 장착하는 경우, 차량 측면에서는 다수의 LED 조명이 바퀴 회전에 따라 일종의 사이클로이드 궤적을 그리면서 차량 진행방향으로 이동하며 발광하는 것을 볼 수 있다.
이상의 실시예에서는 차량의 스노우 체인에 결합된 형태로 사용되는 압전 이용 발광 장치를 설명하고 있지만 이런 구성은 모든 바퀴를 가진 이동수단에 확장하여 설치될 수 있다.
가령, 기존 오토바이나 자전거 바퀴살에 설치되는 인식등에 전지를 내장하는 대신에 횡단띠형 압전 발전기를 설치하여 전기를 공급하는 구성을 생각할 수 있다. 물론, 이때 횡단띠형 압전 발전기에서 압전 소자는 앞선 예들과 유사하게 자전거 튜브 표면에 바퀴를 폭방향으로 가로지르는 횡단띠에 내장되도록 설치하고 압전소자와 인식등은 연결도선을 통해 연결된다.
이런 실시예에 따르면 전지를 주기적으로 교체하지 않아도 야간 인식 및 장식용으로 유용하게 사용할 수 있다. 그리고, 인식등에 배터리 및 하베스터 회로를 함께 구비하는 경우, 평소에 배터리에 전력을 저장하고 야간에만 회로의 스위치를 켜서 인식등으로 사용함으로써 전력 효율을 높일 수 있다.
한편, 본 발명에서 압전소자와 조명등은 반드시 도선으로 연결될 필요는 없으며, 장소적 이격이 있는 경우, 회전하는 바퀴에서의 설치상의 어려움을 고려하여 무선 전력 이송을 채택하는 것도 가능하다. 물론, 이를 위해 압전소자와 조명등 혹은 에너지 하베스터 부분에 무선 전력을 발송, 수신할 수 있는 송출장치 및 수신 장치가 필요하게 된다.
이런 개념을 확장하면 반드시 압전소자의 전력을 받아 발광장치를 가동할 필요가 없이 차량 배터리를 이용하여 전력을 전달하는 구성도 가능하며, 이를 위해 기존의 전력 송신 수단으로 블루투스 통신과 같은 무선 전력 송신 수단을 사용할 수 있다.
또한, 배터리를 사용하는 경우 별도의 스위치 없이도 조명등의 발광 동작 개시를 위해 차량 움직임을 감지하여 조명등을 점등시키는 센서 스위치를 채택하는 구성을 고려할 수 있다.
이상과 같은 본 발명에 따르면 야간 혹은 폭설시 측면에서 차량 식별을 용이하게 하는 효과를 가져 교통 안전에 도움이 될 수 있고, 옥외 가로등과 같은 불빛이 부족한 환경에서 야간, 야외 주차시 바퀴쪽에서 불빛이 나오므로 사이드 미러를 통해 공간 획인을 하면서 주차에 도움을 줄 수 있다
또한, 차량을 개성있게 꾸미는 사람이 많은 시대에 데코레이션 용으로 본 발명을 사용할 수도 있다.
이상에서는 한정된 실시예를 통해 본 발명을 설명하고 있으나, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위해 예시적으로 설명된 것일 뿐 본원 발명은 이들 특정의 실시예에 한정되지 아니한다.
따라서, 당해 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명을 토대로 다양한 변경이나 응용예를 실시할 수 있을 것이며 이러한 변형례나 응용예는 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.
10: 휠 20: 타이어
110: 환형띠 110a: 착탈장치
120: 횡단띠 123: 제2 단부
125: 제1 단부 130: 외측판
135: 체결부 137: 조명등
220, 320: 압전부 223, 323: 연결부
237, 337: 조명부

Claims (4)

  1. 바퀴가 1 회전할 때 적어도 한 번 바퀴와 지면 사이에 놓여 압력을 받도록 설치되며 압력에 의한 발전이 가능한 압전소자를 내장하는 압전부,
    상기 압전부의 압전소자와 연결되어 전력을 공급하는 전력선을 구비하는 연결부,
    바퀴 측면에 설치되어 상기 전력선으로부터 전력을 공급받아 바퀴 측방으로 빛을 내는 조명부를 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 바퀴 부착형 압전 이용 발광 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 연결부 혹은 상기 조명부에는 상기 압전소자에서 생산된 전력을 저장하기 위한 이차전지 및 상기 압전소자에서 생산된 전력을 효율적으로 상기 이차전지에 저장하기 위한 수단으로서 상기 압전소자와 상기 이차전지 사이에 설치되는 에너지 하베스터가 구비되는 것을 특징으로 하는 바퀴 부착형 압전 이용 발광 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 압전부는 스노우 체인에서 바퀴 폭 방향으로 타이어 바닥 표면을 가로지르도록 설치되는 복수의 타이어 횡단띠 부분에 설치되고,
    상기 조명부는 상기 스노우 체인에서 바퀴 외측면에 설치되어 상기 횡단띠 일 단부와 결속되는 외측판 부분에 설치되고,
    상기 상기 횡단띠 일 단부가 상기 연결부의 역할을 하도록 하여
    상기 스노우 체인과 일체형으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 바퀴 부착형 압전 이용 발광 장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 조명부는 오토바이나 자전거의 바퀴살이나 림에 설치되는 인식등을 구비하여 이루어지고,
    상기 압전부는 오토바이나 자전거의 튜브 표면에 바퀴를 폭방향으로 가로지르도록 설치되는 횡단띠에 내장된 압전소자를 구비하여 이루어지고,
    상기 연결부는 상기 압전소자와 상기 인식등을 연결하는 도선을 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 바퀴 부착형 압전 이용 발광 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR100583293B1 (ko) 2004-03-23 2006-05-24 한국타이어 주식회사 타이어 사이드월부 코팅용 폴리우레탄 발광 조성물

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Title
압전 에너지 하베스팅 기술과 3D 프린팅 기술의 이해 및 융합연구(김보연, 남산: CERAMIST 제18권 제4호 2015년12월 PP 5~12)

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