KR20210133606A - 내구성이 향상된 압전 에너지 하베스터 - Google Patents

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Abstract

내구성이 향상된 압전 에너지 하베스터가 개시된다. 개시된 압전 에너지 하베스터는 기판; 상기 기판의 일면 또는 타면에 배치되는 압전 소자; 및 압전 에너지 하베스터가 설치된 설치면과, 상기 기판의 자유단을 연결하며, 상기 압전 소자를 압축시키는 탄성체를 포함한다.

Description

내구성이 향상된 압전 에너지 하베스터{PIEZOELECTRIC ENERGY HARVESTER WITH IMPROVED DURABILITY}
본 발명은 압전 에너지 하베스터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 내구성이 향상된 압전 에너지 하베스터에 관한 것이다.
근래에는 에너지 자원의 부족에 따라 다양한 에너지 생산 방법들이 연구되고 있는데, 특히, 최근에는 에너지 하베스팅(energy harvesting)이라는 개념으로 일상 생활에서 버려지는 에너지를 회수하는 시스템에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
에너지 하베스팅 기술은 진동, 빛, 열, 전자파 등 일상 생활에서 버려지는 에너지를 모아 사용 가능한 전기 에너지로 변환하는 기술을 의미하며, 매우 다양한 분야에서 활발한 연구가 진행되고 있다.
이러한 에너지 하베스팅 기술의 한 종류로서, 압전 소자를 이용한 기술이 개발되고 있는데, 이는 반복적으로 전달되는 외부 압력을 전기 에너지로 변환하는 기술이다. 압전체는 기계적인 힘을 받았을 때 전기 에너지를 발생시키거나, 또는 전기적 에너지를 받았을 때 기계적인 변형을 일으킬 수 있는 물질로서, 수정, 세라믹(납-지르코니아-티타늄), AIN, LiNbO3, LiTaO3, ZnO, GaN 등과 같은 물질이 이용될 수 있다. 또한 압전체는, 폴리머를 이용하여 필름 형태로 유연하게 제조될 수도 있다.
이러한 압전 소자는 압축되었을 때보다 인장되었을 때 보다 쉽게 파손된다. 다시 말해, 압전 소자의 파손이 방지될 수 있는 압축 허용 응력은 인장 허용 응력보다 크다. 따라서, 압전 소자의 인장을 억제하여 압전 소자의 파손을 방지하는 압전 에너지 하베스터 기술이 개발되고 있다.
관련 선행문헌으로 대한민국 등록특허 제10-1775273호 및 제10-1380559호가 있다.
본 발명은 내구성이 향상된 압전 에너지 하베스터를 제공하기 위한 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 기판; 상기 기판의 일면 또는 타면에 배치되는 압전 소자; 및 압전 에너지 하베스터가 설치된 설치면과, 상기 기판의 자유단을 연결하며, 상기 압전 소자를 압축시키는 탄성체를 포함하는 압전 에너지 하베스터가 제공된다.
또한 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 벽면에 일단이 고정되는 기판; 상기 기판의 일면에 배치되는 압전 소자; 및 상기 기판으로부터 미리 설정된 거리만큼 이격된 바닥면과, 상기 기판의 자유단을 연결하며, 상기 압전 소자를 압축시키는 탄성체가 제공된다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 압전 소자가 압축된 상태에서 하베스팅됨으로써, 인장에 따른 압전 소자의 파손이 줄어들 수 있다.
도 1은 일반적인 켄틸레버 타입의 압전 에너지 하베스터를 나타내는 도면이다.
도 2는 압전 소자의 응력을 나타내는 도면이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 압전 에너지 하베스터를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 압전 소자의 응력을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터를 설명하기 위한 도면이다.
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.
도 1은 일반적인 켄틸레버 타입의 압전 에너지 하베스터를 나타내는 도면이며, 도 2는 압전 소자의 응력을 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 기판(110)의 일단이, 압전 에너지 하베스터의 설치 위치(140)에 고정되고, 기판(110)의 타단은 개방된다. 그리고 기판(110)의 일면에, 그리고 기판(110)의 일단인 고정단과 기판의 타단인 자유단 사이에 압전 소자(120)가 배치되며, 자유단에 팁매스(tip mass, 130)가 결합된다. 외부 진동 등에 의해 기판(110)이 휘어지면 압전 소자(120) 역시 휘어지면서, 압전 소자(120)에서 전력이 생성된다.
탄성재질의 기판(110)이 기판의 일면 방향(111)으로 휘어질 경우, 압전 소자(120)가 압축되며, 기판(110)이 기판의 타면 방향(112)으로 휘어질 경우, 압전 소자(120)는 인장된다. 그리고 이러한 압축 및 인장에 따라 발생하는 압축 응력 및 인장 응력은 시간 흐름(t)에 따라 도 2에 도시된 그래프와 같이, 발생할 수 있다. 도 2에서 y축으로 증가하는 방향은 압축 응력이 증가하는 방향이며, y축으로 감소하는 방향은 인장 응력이 증가하는 방향이다.
기판(110) 및 압전 소자(120)가 휘어지는 정도가 커질수록, 압전 소자(120)에서 발생하는 압축 응력 및 인장 응력은 증가한다. 도 2(a)와 같이 압전 소자(120)에 응력이 발생하는 상태에서, 압전 소자(120)가 더욱 휘어지면, 도 2(b)와 같이 응력이 발생할 수 있다.
압전 소자의 재료 특성상, 압전 소자가 파손되지 않는 인장 허용 응력(201)은 압축 허용 응력(202)보다 작으며, 따라서, 도 2(b)와 같이 압전 소자(120)의 압축 응력은 압축 허용 응력(202)을 초과하지 않더라도, 인장 응력이 인장 허용 응력(201)을 초과하게 되어, 압전 소자(120)가 파손될 수 있다.
본 발명은 인장 응력에 의한 압전 소자의 파손을 방지하고 압전 소자의 내구성을 향상시키기 위해, 압전 소자의 인장 허용 응력이 증가된 것과 동일한 효과를 제공할 수 있는 압전 에너지 하베스터를 제안한다.
그리고 본 발명의 일실시예는 이를 위해 압전 소자의 인장 변위를 제한함이 없이, 압전 에너지 하베스터의 압전 소자가 압축된 상태에서 에너지를 하베스팅하도록 함으로써, 인장 허용 응력이 증가된 것과 동일한 효과를 제공할 수 있다.
이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 압전 에너지 하베스터를 설명하기 위한 도면이며, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 압전 소자의 응력을 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 압전 에너지 하베스터는 기판(310), 압전 소자(320) 및 탄성체(350)를 포함한다. 그리고 실시예에 따라서, 기판(310)의 자유단에 결합되는 팁매스를 더 포함할 수 있다.
기판(310)의 일면(313) 또는 타면(314)에 압전 소자(320)가 배치된다.
탄성체(350)는 압전 에너지 하베스터가 설치된 설치면(340)과, 기판(310)의 자유단을 연결하며, 압전 소자(320)를 압축시킨다. 탄성체(350)는 다양한 방식으로 기판(310) 및 설치면(340)에 고정되어, 설치면(310)과 기판(340)을 연결할 수 있으며, 일실시예로서 기판(310) 및 설치면(340)에 형성된 홈에 삽입되어 고정되거나, 기판(310) 및 설치면(340)에 돌출된 돌출부에 감겨진 상태로 고정될 수 있다.
탄성체(350)는 일실시예로서 용수철이나 탄성 재질의 케이블일 수 있다. 그리고 탄성체(350)의 길이는, 탄성체(350)가 설치되지 않은 상태에서의, 설치면(340)에서 탄성체(350)가 고정되는 고정 지점과 기판(310)에서 탄성체(350)가 고정되는 고정 지점 사이의 직선 거리보다 짧을 수 있다. 따라서, 설치면(340)과 수직으로 배치된 기판(310)은 탄성체(350)에 의해 기판의 일면 방향(311)으로 휘어지며, 이 경우 기판의 일면(313)에 배치된 압전 소자(320)는 외력이 인가되지 않는 상태에서 압축 상태를 유지할 수 있다.
압전 소자(320)는 탄성체(350)에 의해 압축 상태를 유지하는 것이므로, 외력에 의해 탄성체(350)가 연장 및 수축되면서 압전 소자(350)는 압축 및 인장될 수 있다. 다시 말해, 압전 소자(320)는 도 3과 같이, 압축 상태를 유지한 상태에서도 외력에 의해 휘어질 수 있다. 이 경우, 도 5에 도시된 같이, 압전 소자(320)에 초기 압축 응력(503)이 발생한 상태에서, 압전 소자가 휘어짐에 따른 압축 응력 및 인장 응력이 발생하므로, 초기 압축 응력(503)만큼 인장 허용 응력이 증가된 것과 같은 효과가 발휘될 수 있다. 따라서, 도 2(b)와 같은 압축 응력 및 인장 응력이 발생하는 환경에서, 압전 소자(320)의 인장 응력은 도 5에 도시된 바와 같이, 인장 허용 응력(201)을 초과하지 않으며, 따라서 압전 소자(320)의 파손이 방지될 수 있다.
다시 도 3으로 돌아가, 도 3에 도시된 바와 같이, 기판(310)이 설치면(340)과 수직이 되도록 고정된 경우, 탄성체(350)는 기판과 수직한 설치면(340)과 기판(310)의 자유단을 연결한다. 또는 도 4에 도시된 바와 같이, 기판(310)의 고정단이 별도의 지지부(460)에 수직으로 고정되고, 지지부(460)가 기판(310)과 평행한 설치면(440)에 설치될 경우, 탄성체(350)는 기판(310)과 평행한 설치면(440)과, 기판(310)의 자유단을 연결할 수 있다.
만일, 도 4에 도시된 바와 같이, 기판(310)이 탄성체(350)에 의해 기판의 타면 방향(312)으로 휘어지도록, 탄성체(350)가 기판(310) 및 설치면(440)에 연결된 경우, 압전 소자(320)는 기판의 타면(314)에 배치됨으로써, 외력이 인가되지 않는 상태에서도 압축 상태를 유지할 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터를 설명하기 위한 도면이다.
전술된 실시예와 달리, 도 6에 도시된 실시예에서, 기판(310)의 일단은 벽면(641)에 고정되며, 탄성체(350)는 기판(310)으로부터 미리 설정된 거리만큼 이격된 바닥면(642)과, 기판(310)의 자유단을 연결한다. 바닥면(642)은 벽면(641)과 수직하며 기판(310)과는 수평한 관계일 수 있다.
압전 소자(320)는 바닥면(642)과 마주보는 기판의 타면(314)에 배치되며, 탄성체(350)에 의해, 기판의 타면 방향(312)으로 휘어지는 기판(310)에 의해 압전 소자(320)는 압축될 수 있다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 일실시예에 따른 압전 에너지 하베스터는 기판, 압전 소자, 탄성체 뿐만 아니라 탄성체(350)의 길이를 조절하는 길이 조절부(770)를 더 포함할 수 있다.
압전 에너지 하베스터가 사용되는 환경에 따라서, 초기 압축 응력이 조절될 필요가 있으며, 본 발명의 일실시예는 길이 조절부(770)를 이용하여 탄성체(350)의 길이를 조절함으로써, 압전 소자의 압축 정도를 조절하고, 압전 소자에서 발생하는 초기 압축 응력을 조절할 수 있다.
예컨대, 외력에 의한 압전 소자의 압축 및 인장 응력이 매우 큰 환경에서 압전 에너지 하베스터가 사용되는 경우에는 인장 응력에 의해 압전 소자가 파손된 가능성이 높으므로, 탄성체의 길이를 줄여 초기 압축 응력을 증가시킴으로써 파손 가능성을 줄일 수 있다. 반대로 외력에 의한 압전 소자의 압축 및 인장 응력이 작은 환경에서 압전 에너지 하베스터가 사용되는 경우에는 인장 응력에 의해 압전 소자가 파손된 가능성이 적으므로, 탄성체의 길이를 늘려 초기 압축 응력을 감소시킴으로써 발전 효율을 높일 수 있다.
탄성체(350)는 길이 조절부(770)에 감겨진 상태로 설치면과 기판(310)을 연결할 수 있으며, 길이 조절부(770)는 기판(310)에 형성된 홈에 결합될 수 있다. 길이 조절부(770)와 홈에는 나사산이 형성될 수 있으며, 탄성체(350)가 감겨진 길이 조절부(770)의 회전 방향에 따라서 탄성체(350)의 길이는 연장 또는 단축될 수 있다.
일실시예로서, 길이 조절부(770)가 시계 방향으로 회전하며, 회전 변위가 증가할수록, 길이 조절부(770)는 기판 방향으로 삽입되고 탄성체(350)의 길이는 길어질 수 있다. 반대로 길이 조절부(770)가 반시계 방향으로 회전하며, 회전 변위가 증가할수, 길이 조절부(770)의 기판(310)으로부터의 돌출 길이가 증가하면서 탄성체(350)의 길이는 짧아질 수 있다.
한편, 탄성체의 길이가 지나치게 짧아질 경우, 탄성체의 탄성력이 상실될 수 있으므로 이를 방지하기 위해, 본 발명의 일실시예는 길이 조절부(770)의 회전 변위를 미리 설정된 범위 내에서 제한하는 회전 변위 제한부(780)를 더 포함할 수 있다. 회전 변위 제한부(780)는 길이 조절부(770)가 회전에 의해 돌출되는 정도를 제한하여, 탄성체(350)의 길이가 지나치게 짧아지는 것을 방지한다. 회전 변위 제한부(780)는 일실시예로서, 길이 조절부(770)가 설치된 기판(310)의 자유단에 설치되며 "ㄱ" 형상일 수 있다.
도 7에는 길이 조절부(770)가 기판(310)에 설치된 실시예가 도시되어 있으나, 실시예에 따라서 길이 조절부(770)는 설치면에 배치될 수도 있다.
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. 압전 에너지 하베스터에 있어서,
    기판;
    상기 기판의 일면 또는 타면에 배치되는 압전 소자; 및
    상기 압전 에너지 하베스터가 설치된 설치면과, 상기 기판의 자유단을 연결하며, 상기 압전 소자를 압축시키는 탄성체
    를 포함하는 압전 에너지 하베스터.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 압전 소자는
    상기 기판이 상기 탄성체에 의해 상기 기판의 일면 방향으로 휘어지는 경우, 상기 일면에 배치되며,
    상기 기판이 상기 탄성체에 의해 상기 기판의 타면 방향으로 휘어지는 경우, 상기 타면에 배치되는
    압전 에너지 하베스터.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 탄성체는
    상기 기판과 수직한 설치면과, 상기 자유단을 연결하는
    압전 에너지 하베스터.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 기판과 평행한 설치면과, 상기 자유단을 연결하는
    압전 에너지 하베스터.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 탄성체의 길이를 조절하는 길이 조절부
    를 더 포함하는 압전 에너지 하베스터.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 탄성체의 길이는
    상기 탄성체가 감겨진 상기 길이 조절부의 회전 방향에 따라서 연장 또는 단축되는
    압전 에너지 하베스터.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 길이 조절부의 회전 변위를 미리 설정된 범위 내에서 제한하는 회전 변위 제한부
    를 더 포함하는 압전 에너지 하베스터.
  8. 압전 에너지 하베스터에 있어서,
    벽면에 일단이 고정되는 기판;
    상기 기판의 일면에 배치되는 압전 소자; 및
    상기 기판으로부터 미리 설정된 거리만큼 이격된 바닥면과, 상기 기판의 자유단을 연결하며, 상기 압전 소자를 압축시키는 탄성체
    를 포함하는 압전 에너지 하베스터.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 기판은
    상기 탄성체에 의해, 상기 기판의 일면 방향으로 휘어지는
    압전 에너지 하베스터.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 탄성체의 길이를 조절하는 길이 조절부
    를 더 포함하는 압전 에너지 하베스터.
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