KR20220053810A - 압전 전력 발생 장치 - Google Patents

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KR20220053810A
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Abstract

본 발명은 전기 분극이 교차되게 폴링처리되며 상기 전기 분극에 의해 전류를 발생시키는 복수개의 폴리비닐플로라이드(PVDF) 필름; 각각의 폴리비닐플로라이드(PVDF) 필름의 양면에 형성되는 금속 전극; 복수개가 이격되게 구비되는 상기 폴리비닐플로라이드(PVDF) 필름 사이에 구비되어 상기 복수개의 폴리비닐플로라이드(PVDF) 필름을 병렬연결하며, 상기 복수개의 폴리비닐플로라이드(PVDF) 필름에서 발생된 전류를 수집하는 복수개의 전기전도성 접착제; 및 복수개의 폴리비닐플로라이드(PVDF) 필름 중 일측 끝단에 위치하는 폴리비닐플로라이드(PVDF) 필름에 밀착되어 상기 복수개의 폴리비닐플로라이드(PVDF) 필름과 전기전도성 접착제를 지지하는 지지대를 포함하는 압전 전력 발생 장치를 제공한다.
따라서, 폴리비닐플로라이드(PVDF) 필름의 저온에서의 압전성을 이용하고, 인접한 폴리비닐플로라이드(PVDF) 필름에 형성되는 전기 분극의 양극과 양극, 음극과 음극이 인접하게 배치됨으로써 발생된 전하를 폴리비닐플로라이드(PVDF) 필름 사이에 구비되는 전기전도성 접착제로 수집하여 전력을 생산할 수 있다.

Description

압전 전력 발생 장치{Piezoelectric power generator}
본 발명은 압전 전력 발생 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 미세한 역학적 진동을 이용하여 전력을 생산할 수 있는 압전 전력 발생 장치에 관한 것이다.
압력 발전은 특정 고체 물질에서 보이는 압전 현상을 이용하여, 외부의 역학적 진동에너지를 전기에너지로 변환하는 기술이다. 기존 태양전지, 풍력, 연료전지 등과 달리 우리 주변에 존재하는 낮은 주파수의 다양한 진동으로부터 발생된 소모성 기계적 에너지를 전기에너지로 무한히 추출할 수 있다. 전통적으로 사용되어온 진동자(캔티리버) 방식의 압력 발전은 수백 ~ 수천 Hz의 역학적 진동에는 효율적이나 수십 Hz 이하의 낮은 역학적 진동에는 효율이 급격히 감소하는 문제가 있다. 기계적 에너지를 전기 에너지로 추출하는 기술에는 마찰 발전 또한 있으나, 마찰 발전은 습도, 먼지, 자외선 등 주변 환경의 영향에 매우 민감한 단점이 있다.
인체의 움직임, 바람 등 낮은 주파수의 역학적 진동을 이용하여 전기에너지로 변환하는 압력 전기 발전에 관한 연구가 최근 들어 활발히 진행되고 있다.
현재까지 발표된 논문 중 거친 환경에서 압전에 의한 에너지 수확 관련 대표적인 연구 결과는 강유전체 PZT 필름을 이용하여 고온(~100℃), 고습도(RH=70%), pH(13)의 환경에서 역학적 에너지 수확에 성공한 예가 있다.[Y. J. Ko, ACS Appl Mater. Interfaces 8, 6504 (2016)]
거친 환경에서 압전에 의한 에너지 수확 관련 특허는 거의 없으나, 압전 관련 대표적 선행기술로는 한국 등록특허 제10-1308908호(2013. 9. 10. 등록)가 있다.
한국 등록특허 제10-1308908호는 PZT, ZnO 소재를 적층 구조로 다수 개를 형성하고, 압전 진동자를 이용하여 발전 효율을 높인 디바이스에 관한 것이다
그러나, 북극, 남극과 같은 극저온, 저압 그리고 강한 자외선이 내리 쬐는 거친 환경에서 다양한 역학적 진동을 이용하여 전기를 생산하는 연구는 극히 미미한 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 필요성에 부합하기 위한 것으로, 거친 환경으로 이동이 용이하도록 경량이면서 반복적인 역학적 진동, 온도의 변화, 압력의 변화에 의해 손상되지 않으면서 극저온과 저압, 자외선이 강한 환경에서 주변의 역학적 진동을 이용하여 전기를 안정적으로 생산할 수 있는 압전 전력 발생 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 전기 분극이 교차되게 폴링처리되며 상기 전기 분극에 의해 전류를 발생시키는 복수개의 폴리비닐플로라이드(PVDF) 필름; 각각의 폴리비닐플로라이드(PVDF) 필름의 양면에 형성되는 금속 전극; 복수개가 이격되게 구비되는 상기 폴리비닐플로라이드(PVDF) 필름 사이에 구비되어 상기 복수개의 폴리비닐플로라이드(PVDF) 필름을 병렬 연결하며, 상기 복수개의 폴리비닐플로라이드(PVDF) 필름에서 발생된 전류를 수집하는 복수개의 전기전도성 접착제; 및 복수개의 폴리비닐플로라이드(PVDF) 필름 중 일측 끝단에 위치하는 폴리비닐플로라이드(PVDF) 필름에 밀착되어 상기 복수개의 폴리비닐플로라이드(PVDF) 필름과 전기전도성 접착제를 지지하는 지지대를 포함하는 압전 전력 발생 장치를 제공한다.
본 발명에 따른 압전 전력 발생 장치는 상기 복수개의 전기전도성 접착제와 연결되며 상기 복수개의 폴리비닐플로라이드(PVDF) 필름에서 발생된 전류가 충전되는 배터리와, 상기 복수개의 전기전도성 접착제와 상기 배터리 사이에 구비되어 상기 복수개의 폴리비닐플로라이드(PVDF) 필름에서 발생된 교류 전류를 직류 전류로 전환하는 정류기를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 압전 전력 발생 장치에 있어서, 이격되게 구비되는 복수개의 폴리비닐플로라이드(PVDF) 필름은 상기 전기 분극의 폴링방향이 교차되게 적층될 수 있으며, 복수개의 폴리비닐플로라이드(PVDF) 필름에서 서로 인접하게 배치되는 폴리비닐플로라이드(PVDF) 필름의 전기 분극은 양극과 양극, 음극과 음극이 인접하게 배치될 수 있다.
상기 금속 전극이 양면에 형성된 복수개의 폴리비닐플로라이드(PVDF) 필름은 5층 이상 10층 이내로 적층될 수 있으며, 상기 복수개의 폴리비닐플로라이드(PVDF) 필름과 상기 복수개의 전기전도성 접착제가 적층된 크기는 1×1×0.025㎤ 이내일 수 있고, 상기 지지대는 폴리이미드 필름(Polyimide Film)일 수 있다.
본 발명에 따른 압전 전력 발생 장치는 폴리비닐플로라이드(PVDF) 필름의 저온에서의 압전성을 이용하고, 인접한 폴리비닐플로라이드(PVDF) 필름에 형성되는 전기 분극의 양극과 양극, 음극과 음극이 인접하게 배치됨으로써 발생된 전하를 폴리비닐플로라이드(PVDF) 필름 사이에 구비되는 전기전도성 접착제로 수집하여 전력을 생산할 수 있다.
또한, 폴리비닐플로라이드(PVDF) 필름의 양면에 금속 전극이 형성됨으로써 자외선을 차단할 수 있어 폴리비닐플로라이드(PVDF) 필름이 광분해되는 것을 차단할 있으며, 폴리비닐플로라이드(PVDF) 필름이 저온에서도 유연성을 잃지 않고, 열전도도가 낮기 때문에 반복적인 역학적 진동, 온도의 변화, 압력에 변화에도 손상되는 것이 방지된다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 압전 전력 발생 장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 압전 전력 발생 장치의 측면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 폴리비닐플로라이드(PVDF) 필름의 온도에 따른 측정된 압전 계수를 도시한 그래프이다.
도 4는 저온에서 상기 폴리비닐플로라이드(PVDF) 필름의 유연성을 검증한 데이터이다.
도 5는 본 발명에 따른 압전 전력 발생 장치에 동일한 힘이 작용 시, 저압(10 Torr)에서 온도에 따른 측정된 전력을 도시한 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따른 압전 전력 발생 장치에 의해 발생된 전압과 전류를 도시한 그래프이다.
도 7은 전기 분극이 일측방향으로 구비된 압전 전력 발생 장치에 의해 발생된 전압과 전류를 도시한 그래프이다.
도 8은 전기 분극이 교차되게 구비되나 폴리비닐플로라이드(PVDF) 필름 사이에 전기전도성 접착제가 구비되지 않은 압전 전력 발생 장치에 의해 발생된 전압과 전류를 도시한 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 압전 전력 발생 장치(100)는 복수개의 폴리비닐플로라이드(PVDF) 필름(1100)과, 금속 전극(1200)과, 복수개의 전기전도성 접착제(1300)와, 지지대(1400)를 포함하고, 배터리(1500)와, 정류기(1600)를 더 포함할 수 있다.
상기 복수개의 폴리비닐플로라이드(PVDF) 필름(1100)은 사각형상을 가지고, 각각의 폴리비닐플로라이드(PVDF) 필름(1100)은 전기 분극이 교차되게 폴링처리된다. 상기 폴리비닐플로라이드(PVDF) 필름(1100)이 폴링처리 시 상기 폴리비닐플로라이드(PVDF) 필름(1100)의 일측면에는 양극의 전기 분극이 배치되고 타측면에는 음극의 전기 분극이 배치되게 된다. 상기 폴리비닐플로라이드(PVDF) 필름(1100)을 폴링처리하는 공정을 대략적으로 설명하면, 상기 폴리비닐플로라이드(PVDF) 필름(1100)에 높은 전압을 가하면 상기 폴리비닐플로라이드(PVDF) 필름(1100)의 내부 분극의 방향이 바뀌어 전기 분극의 방향이 규칙적으로 배열되게 된다. 상기 복수개의 폴리비닐플로라이드(PVDF) 필름(1100)은 교차되게 폴링처리된 전기 분극에 의해 전류를 발생시키게 된다.
상기 폴리비닐플로라이드(PVDF) 필름(1100)은 저온에서도 유연성을 잃지 않으면서 높은 압전 계수를 가지는 것이 바람직하다. 도 3에는 상기 폴리비닐플로라이드(PVDF) 필름(1100)은 온도에 따른 압전 계수를 측정한 데이터 그래프가 도시되어 있고, 도 4에는 저온에서 상기 폴리비닐플로라이드(PVDF) 필름(1100)의 유연성을 검증한 데이터가 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, 상기 폴리비닐플로라이드(PVDF) 필름(1100)의 압전 계수는 온도가 내려감에 따라 작아지지만, -73℃(200K) 이상에서는 상당히 크다는 것을 확인할 수 있다. 상기 폴리비닐플로라이드(PVDF) 필름(1100)의 유연성을 확인하기 위해 도 4에 도시된 바와 같이 폴리비닐플로라이드(PVDF) 필름(1100)의 양 끝에 금속 전극(1200)을 붙이고 구부렸을 때의 저항을 측정하였으며, 25℃(300K)와 -73℃(200K) 모두에서 저항이 급격히 감소되는 것을 확인하였고, 이로써 저온에서의 유연성을 확인할 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 각각의 폴리비닐플로라이드(PVDF) 필름(1100)의 양면에는 금속 전극(1200)이 형성되며, 상기 금속 전극(1200)은 상기 폴리비닐플로라이드(PVDF) 필름(1100)의 양면에 코팅처리 되는 것이 바람직하다. 상기 금속 전극(1200)은 상기 폴리비닐플로라이드(PVDF) 필름(1100)과 동일한 형상을 가지며, 상기 금속 전극(1200)으로는 알루미늄 재질을 가지는 전극이 사용되는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니며 유연성을 가지면서 극성을 가지는 금속이 사용될 수 있다.
상기 금속 전극(1200)이 양면에 형성된 상기 폴리비닐플로라이드(PVDF) 필름(1100)은 복수개가 이격되게 구비되고, 이격되게 구비되는 복수개의 폴리비닐플로라이드(PVDF) 필름(1100)의 사이에는 복수개의 전기전도성 접착제(1300)가 구비된다.
상기 복수개의 전기전도성 접착제(1300)는 복수개의 상기 폴리비닐플로라이드(PVDF) 필름(1100)을 병렬연결하며, 상기 복수개의 폴리비닐플로라이드(PVDF) 필름(1100)에서 발생된 전류를 수집하는 역할을 하고, 이격되게 구비되는 복수개의 전기전도성 접착제(1300)는 연결부재에 의해 연결된다.
상기 전기전도성 접착제(1300)는 이격되게 구비되는 폴리비닐플로라이드(PVDF) 필름(1100) 사이에 기계적 결합을 제공하면서 전기를 전도한다. 통상적으로, 전기전도성 접착제의 제형은 전기전도성 금속 충전제로 충전된 중합체 수지로 제조되며, 상기 수지는 일반적으로 2개의 기재 사이에 기계적 결합을 제공하는 한편, 전기전도성 충전제는 일반적으로 바람직한 전기적 상호연결을 제공한다. 상기 전기전도성 접착제(1300)로는 은 페이스트가 사용되는 것이 바람직하며, 상기 전도성 접착제(1300)는 각각 양극과 음극으로 연결된다.
상기 전기전도성 접착제(1300)에 의해 전기적으로 상호 연결되며, 이격되게 구비되는 복수개의 폴리비닐플로라이드(PVDF) 필름(1100)은 전기 분극의 폴링방향이 교차되게 적층되는 것이 바람직하다. 이격되게 구비되는 복수개의 폴리비닐플로라이드(PVDF) 필름(1100)에서 서로 인접하게 배치되는 폴리비닐플로라이드(PVDF) 필름(1100)의 전기 분극은 양극과 양극, 음극과 음극이 서로 인접하게 배치된다.
상기 금속 전극(1200)이 양면에 코팅되는 복수개의 폴리비닐플로라이드(PVDF) 필름(1100)은 5층 이상 10층 이내로 적층되는 것이 바람직하며, 적층되는 복수개의 폴리비닐플로라이드(PVDF) 필름(1100) 사이에는 복수개의 전기전도성 접착제(1300)가 구비되어 복수개의 폴리비닐플로라이드(PVDF) 필름(1100)을 전기적으로 상호 연결한다.
상기 금속 전극(1200)이 양면에 형성되는 복수개의 폴리비닐플로라이드(PVDF) 필름(1100)과 복수개의 전기전도성 접착제(1300)가 적층된 크기는 1×1×0.025㎤이고, 무게는 0.08㎏인 것이 바람직하다.
상기 금속 전극(1200)이 양면에 형성되는 복수개의 폴리비닐플로라이드(PVDF) 필름(1100)과 복수개의 전기전도성 접착제(1300)가 적층된 크기가 크고, 그 무게가 무겁게 되면 거친 환경으로 이동이 용이하지 않게 된다.
상기 복수개의 폴리비닐플로라이드(PVDF) 필름(1100) 중 일측 끝단에 위치하는 폴리비닐플로라이드(PVDF) 필름(1100)에는 지지대(1400)가 밀착되며, 상기 지지대(1400)는 적층된 상기 복수개의 폴리비닐플로라이드(PVDF) 필름(1100)과 전기전도성 접착제(1300)를 지지하는 역할을 하고, 상기 지지대(1400)로는 폴리이미드 필름(Polyimide Film)이 사용되는 것이 바람직하다.
상기 지지대(1400)가 폴리이미드 필름(Polyimide Film)이 사용됨으로써 경량이면서 저온에서도 유연성을 잃지 않게 되고, 반복적인 진동, 온도의 변화에도 손상되는 것이 방지되게 된다.
도 5에는 본 발명에 따른 압전 전력 발생 장치에 동일한 힘이 저압(10 Torr)에서 작용 시 온도에 따른 측정된 전력 그래프가 도시되어 있다. 도 5를 참조하면, 온도가 올라감에 따라 전력이 커지는 것을 확인할 수 있고, -73℃(200K)의 저온에서도 9.6㎻의 큰 파워를 출력하는 것을 확인할 수 있다.
도 6, 도 7, 도 8에는 본 발명에 따른 압전 전력 발생 장치와 전기 분극이 일측 방향으로 구비되는 압전 전력 발생 장치 및 전기 분극은 교차되게 구비되나, 전기전도성 접착제가 구비되지 않은 압전 전력 발생 장치에 동일한 압력이 가해질 때 발생된 전압과 전류 그래프가 도시되어 있으며, 상기 복수개의 폴리비닐플로라이드(PVDF) 필름(1100) 사이에 복수개의 전기전도성 접착제(1300)가 구비되고 전기 분극 방향이 교차되게 구비된 경우에는 전기 분극이 교차되게 않고 일측 방향으로 구비된 경우와 비교해보았을 때 전류의 크기는 4.6배, 전압의 크기는 5.2배 높은 것을 확인할 수 있고, 전도성 접착제(1300)가 구비되지 않은 경우와 비교해보았을 때 전류의 크기는 20.6배, 전압의 크기는 3.8배 높은 것을 확인할 수 있다.
따라서, 폴리비닐플로라이드(PVDF) 필름(1100)의 저온에서의 압전성을 이용하고, 인접한 폴리비닐플로라이드(PVDF) 필름(1100)에 형성되는 전기 분극의 양극과 양극, 음극과 음극이 인접하게 배치됨으로써 발생된 전하를 폴리비닐플로라이드(PVDF) 필름(1100) 사이에 구비되는 전기전도성 접착제(1300)로 수집하여 전력을 생산할 수 있다.
또한, 폴리비닐플로라이드(PVDF) 필름(1100)의 양면에 금속 전극(1200)이 형성됨으로써 자외선을 차단할 수 있어 폴리비닐플로라이드(PVDF) 필름(1100)이 광분해되는 것을 차단할 있으며, 폴리비닐플로라이드(PVDF) 필름(1100)이 저온에서도 유연성을 잃지 않고, 열전도도가 낮기 때문에 반복적인 역학적 진동, 온도의 변화, 압력에 변화에도 손상되는 것이 방지된다.
본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100 : 압전 전력 발생 장치 1100 : 폴리비닐플로라이드 필름
1110 : 전기 분극 1200 : 금속 전극
1300 : 전기전도성 접착제 1400 : 지지대
1500 : 배터리 1600 : 정류기

Claims (6)

  1. 전기 분극이 교차되게 폴링처리되며 상기 전기 분극에 의해 전류를 발생시키는 복수개의 폴리비닐플로라이드(PVDF) 필름;
    각각의 폴리비닐플로라이드(PVDF) 필름의 양면에 형성되는 금속 전극;
    복수개가 이격되게 구비되는 상기 폴리비닐플로라이드(PVDF) 필름 사이에 구비되어 상기 복수개의 폴리비닐플로라이드(PVDF) 필름을 병렬연결하며, 상기 복수개의 폴리비닐플로라이드(PVDF) 필름에서 발생된 전류를 수집하는 복수개의 전기전도성 접착제; 및
    복수개의 폴리비닐플로라이드(PVDF) 필름 중 일측 끝단에 위치하는 폴리비닐플로라이드(PVDF) 필름에 밀착되어 상기 복수개의 폴리비닐플로라이드(PVDF) 필름과 전기전도성 접착제를 지지하는 지지대를 포함하는 압전 전력 발생 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수개의 전기전도성 접착제와 연결되며 상기 복수개의 폴리비닐플로라이드(PVDF) 필름에서 발생된 전류가 충전되는 배터리와,
    상기 복수개의 전기전도성 접착제와 상기 배터리 사이에 구비되어 상기 복수개의 폴리비닐플로라이드(PVDF) 필름에서 발생된 교류 전류를 직류 전류로 전환하는 정류기를 더 포함하는 압전 전력 발생 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    이격되게 구비되는 복수개의 폴리비닐플로라이드(PVDF) 필름은 상기 전기 분극의 폴링방향이 교차되게 적층되는 것을 특징으로 하는 압전 전력 발생 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    복수개의 폴리비닐플로라이드(PVDF) 필름에서 서로 인접하게 배치되는 폴리비닐플로라이드(PVDF) 필름의 전기 분극은 양극과 양극, 음극과 음극이 인접하게 배치되는 것을 특징으로 하는 압전 전력 발생 장치.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 금속 전극이 양면에 형성된 복수개의 폴리비닐플로라이드(PVDF) 필름은 5층 이상 10층 이내로 적층되며,
    상기 복수개의 폴리비닐플로라이드(PVDF) 필름과 상기 복수개의 전기전도성 접착제가 적층된 크기는 1×1×0.025㎤ 이내인 것을 특징으로 하는 압전 전력 발생 장치.
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 지지대는 폴리이미드 필름(Polyimide Film)인 것을 특징으로 하는 압전 전력 발생 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Flexible piezoelectric polymer-based energy harvesting system for roadway applications, Inki Jung 외4, Applied Energy 197 (2017.04.17. 공개)* *
Parasitic Power Harvesting in Shoes, John Kymissis 외3, Physics and Media Group MIT Media Laboratory (1998.11.30. 공개)* *

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