WO2011016592A1 - 발판형 압전 발전기용 유니트 및 이를 포함하는 압전 발전기 시스템 - Google Patents

발판형 압전 발전기용 유니트 및 이를 포함하는 압전 발전기 시스템 Download PDF

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WO2011016592A1
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piezoelectric
unit
piezoelectric generator
electrode
substrate
Prior art date
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PCT/KR2009/004406
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Inventor
한우석
백종후
이영진
정영훈
김창일
박신서
Original Assignee
한국세라믹기술원
(주)센불
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Publication date
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/18—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H10N30/30—Piezoelectric or electrostrictive devices with mechanical input and electrical output, e.g. functioning as generators or sensors
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    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S310/00—Electrical generator or motor structure
    • Y10S310/80—Piezoelectric polymers, e.g. PVDF

Definitions

  • the present invention relates to a scaffold-type piezoelectric generator unit and a piezoelectric generator system including the same.
  • a piezoelectric power generation unit that generates electricity while the piezoelectric layer is bent by the pressure applied to the piezoelectric layer is manufactured, and a generator system combining the same.
  • the present invention relates to a technology that can be easily used in electronic components, including various switches used in real life.
  • Piezoelectric materials have various applications as conversion media for converting mechanical energy into electrical energy.
  • a large number of ceramic materials including inorganic and organic materials are known as materials causing piezoelectric phenomenon.
  • a piezoelectric body generates a voltage by a force (pressure or vibration) applied to the piezoelectric body, and a device using a voltage generated according to the magnitude of the applied force is called a piezoelectric generator.
  • a piezoelectric layer may be provided on the front and rear surfaces of a substrate having elastic force, and the piezoelectric layer may be protected.
  • a cushion layer to form a unit piezoelectric part
  • one or more unit piezoelectric parts to improve the power generation efficiency by using a substrate and a mat-shaped member that can protect the substrate, the external vibration and shock is piezoelectric
  • the present invention is to provide a piezoelectric generator system that can be conveniently used in real life by manufacturing the piezoelectric generator unit in the form of scaffolding.
  • a piezoelectric layer is formed on at least one surface of an elastic substrate, and a unit piezoelectric unit having a cushion layer formed on both sides of the elastic substrate, and at least one unit piezoelectric unit is disposed.
  • At least one piezoelectric generator unit including an electrode substrate, an insulating substrate supporting the electrode substrate, and at least one rectification for converting an AC power generated by the piezoelectric layer deformation of the piezoelectric generator unit into a DC power source.
  • an elastic mat portion covering the circuit portion and the piezoelectric generator unit.
  • the piezoelectric generator unit may further include a first electrode connected to the piezoelectric layer and a second electrode connected to the elastic substrate, wherein a first electrode adjacent to the first electrode is connected by a wire pattern, And a second electrode adjacent to the second electrode, wherein the elastic substrate is formed of a metal or a conductive plastic material, and is bent by a pressure or vibration applied to the unit piezoelectric part to deform the piezoelectric layer.
  • the piezoelectric layer may include Pb (Zr, Ti) O 3 + Pb (Zn, Nb) O 3 , Pb (Zr, Ti ) O 3 + Pb (Ni, Nb) O 3 , Pb (Zr, Ti) O 3 + PVDF polymer, Pb (Zr, Ti) O 3 + silicon polymer and Pb (Zr, Ti) O 3 + epoxy polymer
  • the piezoelectric layer may include (Na, K) NbO 3 or (Na, K, Li) Nb.
  • the electrode substrate comprises a copper plate
  • the insulating substrate is characterized in that it comprises a PVC (Polyvinyl Chloride) or a wooden board
  • the piezoelectric generator system Is characterized in that it further comprises a power storage unit connected to the rectifier circuit unit, the piezoelectric generator system is connected to the switches or sensors for starting the electronic products, the switches are one of a light switch, automatic door switch and chime bell switch Including the above, the sensor is characterized in that it comprises an escalator motion sensor or a moving walk motion sensor.
  • the piezoelectric generator unit is an elastic substrate having a piezoelectric layer formed on at least one surface, a first cushion layer formed on the upper portion of the elastic substrate and a second formed on the lower portion of the elastic substrate.
  • a unit piezoelectric unit including a cushion layer, an electrode substrate on which at least one unit piezoelectric unit is disposed, and an insulating substrate supporting a lower portion of the electrode substrate.
  • the present invention improves the structure of the piezoelectric generator unit, while effectively transmitting external vibration and shock to the piezoelectric body while preventing excessive shock from being transmitted to the piezoelectric body, thereby preventing the piezoelectric body from being damaged, and at the same time maintaining electrical connection of the rectifier circuit unit. To improve the durability of the piezoelectric generator system, and to improve the power generation efficiency.
  • the piezoelectric generator system according to the present invention has a relatively simple internal structure and is easy to manufacture, and can be freely adjusted in size according to the situation, and its application range is wide.
  • the piezoelectric generator system according to the present invention can be simply installed in the form of laying the mat can be utilized in a variety of fields associated with various switches, and provides an effect of reducing the installation cost and electricity bill.
  • FIG. 1 is an exploded cross-sectional view showing a piezoelectric generator unit according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is a perspective view of a piezoelectric generator unit according to the present invention.
  • Figure 3 is a plan view schematically showing a piezoelectric generator system according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 4 is a cross-sectional view showing a piezoelectric generator system according to an embodiment of the present invention.
  • the piezoelectric generator unit includes an elastic substrate having characteristics that are bent by pressure or vibration applied to a surface and restoring force against the bending, a piezoelectric layer formed on each of the first or second surfaces of the elastic substrate; And a cushion layer for protecting the piezoelectric layer and the elastic substrate, an electrode substrate capable of coupling a plurality of sandwich unit piezoelectric parts including the cushion layer, and an insulating substrate capable of supporting the electrode substrate.
  • the piezoelectric generator unit is provided in a form in which one or a plurality is assembled between two elastic mats, and is installed at a portion where a scaffold is required.
  • FIG. 1 is an exploded cross-sectional view showing a piezoelectric generator unit according to an embodiment of the present invention.
  • the piezoelectric generator unit 200 includes a unit piezoelectric unit 160, an electrode substrate 110, and an insulating substrate 100.
  • the unit piezoelectric unit 160 may include an elastic substrate 130, a piezoelectric layer 140, and cushion layers 120 and 150.
  • unit piezoelectric unit 160 will be described first as follows.
  • the unit piezoelectric unit 160 includes piezoelectric layers 140 on both surfaces of the elastic substrate 130.
  • the piezoelectric layer 140 may be provided on both sides of the elastic substrate 130, or may be provided only on one side of both sides. It is an embodiment of the normal state is provided only on one side, it may be provided on both sides when high efficiency is required.
  • the elastic substrate 130 is made of a metal or a conductive plastic material, and bent by the pressure or vibration applied to the elastic substrate 130 to apply a deformation to the piezoelectric layer 140 to generate a voltage, the pressure When the vibration is released or restored to its original form, it is provided to maintain a normal state.
  • the elastic substrate 130 is preferably formed of a substrate having good conductivity and good elasticity, but preferably provided with a thin copper plate.
  • the planar shape of the elastic substrate 130 may be a polygon, such as a triangle, a square, but is preferably provided in a circular shape.
  • the piezoelectric layer 140 includes Pb (Zr, Ti) O 3 + Pb (Zn, Nb) O 3 , Pb (Zr, Ti) O 3 + Pb (Ni, Nb) O 3 , Pb (Zr, Ti) O 3 It can be provided using a ceramic material consisting of one or more of + PDFDF polymer, Pb (Zr, Ti) O 3 + silicon polymer, Pb (Zr, Ti) O 3 + epoxy polymer and lead-free piezoelectric ceramics, (Na, K) It may also be provided with a material containing NbO 3- based or (Na, K, Li) NbO 3- based lead-free ceramics, any other material having an excellent piezoelectric function.
  • the elastic substrate 130 also serves as an electrode for collecting power generated in the piezoelectric layer 140 in addition to the function of maintaining the shape of the piezoelectric layer 140, the piezoelectric layer 140 for the connection of the electrode and the electrode.
  • the planar shape of the elastic substrate 130 is preferably to be provided in the form included in the plane.
  • the first cushion layer 150 is formed on the upper portion of the elastic substrate 130, the second cushion layer below the elastic substrate 130. 120 is formed.
  • the cushion layer is provided with a urethane type sponge layer formed of a rubber or synthetic resin formed of natural rubber.
  • the first cushion layer 150 and the second cushion layer 120 are formed in the same form as the elastic substrate 130 to completely cover the piezoelectric layer 140. It is desirable to be in the form possible. That is, it is preferable to make a cross section into a sandwich form, and to make a three-dimensional cylinder form.
  • the lower second cushion layer 120 is formed to have the same shape as the elastic substrate 130.
  • the first cushion layer 150 on the upper portion of the piezoelectric layer 140 may be formed to have a predetermined size smaller than that of the piezoelectric layer 140.
  • the planar shape of the first cushion layer 150 should be smaller than that of the piezoelectric layer 140 because an electrode should be connected to the piezoelectric layer 140.
  • the cross section becomes a triangular shape, and the three-dimensional shape is preferably formed in a cone shape.
  • the present embodiment has been described mainly the shape of the horn having a circular plane, it is possible to use all of the pyramid-shaped surface that can be usefully used depending on the situation, such as square pyramid, pentagonal pyramid.
  • the element formed up to the first and second cushion layers 150 and 120 such that the cylindrical shape or the conical shape is completed as described above is called the unit piezoelectric part 160.
  • the respective components of the unit piezoelectric unit 160 are separated from each other, the components are actually provided in a combined state.
  • a plurality of unit piezoelectric units 160 may be used to further improve power generation efficiency, and as illustrated in FIG. 1, the unit piezoelectric units 160 may be arranged in a two-row structure, for a piezoelectric generator. It is preferable to form the unit unit 200.
  • an insulating substrate 100 made of a material including a PVC or a wood plate material is formed under the unit piezoelectric unit 160.
  • the insulating substrate 100 may be formed by combining the two kinds of substrates, or may be combined with a metal substrate for strength reinforcement.
  • the electrode substrate 110 is provided between the insulating substrate 100 and the unit piezoelectric unit 160 so that the unit piezoelectric units 160 placed in plural can be easily connected in parallel.
  • the electrode substrate 110 may be connected to an electrode connected to the piezoelectric layer 140, or may be connected to an electrode connected to the elastic substrate 130. However, for parallel connection of the unit piezoelectric unit 160, it should be connected to only one material consistently.
  • the piezoelectric generator unit 200 according to the present invention may be formed.
  • the perspective view of the piezoelectric generator unit according to an embodiment of the present invention will be described in order to find out a specific form thereof. Shall be.
  • FIG. 2 is a perspective view showing a piezoelectric generator unit according to the present invention.
  • an electrode substrate 310 is formed on an insulating substrate 300 having a rectangular shape and a piezoelectric layer 340 is formed on the piezoelectric generator unit 400 according to the present invention.
  • the piezoelectric part 360 is disposed.
  • the piezoelectric layer 340 may be formed only on the upper portion of the elastic substrate 330 and may be formed on both sides thereof.
  • the piezoelectric layer 340 formed on the lower surface of the elastic substrate 330 may be the second cushion layer 320.
  • the elastic substrate 330 and the second cushion layer 320 are provided to be connected to each other.
  • the first cushion layer 350 has a smaller size than the piezoelectric layer 340 in consideration of electrode connection.
  • the rectangular insulating board 300 is preferably provided to have a size that can be used as a foot support, the unit piezoelectric unit is provided in a circular size of the size that can be arranged in two rows on the electrode substrate 310. It is desirable to.
  • the unit piezoelectric unit may be used in three rows or four rows depending on the situation, it is preferable to adjust the number in consideration of the power efficiency of the place to be used.
  • unit piezoelectric units 360 paired with each other between the columns may be arranged in parallel, or may be arranged in a zigzag form in order to obtain maximum efficiency in consideration of the available area.
  • the piezoelectric layer 340 and the piezoelectric layer 340 are connected in parallel to form a first electrode 370, the elastic substrate 330 and the electrode substrate 310 is connected to the second electrode 380.
  • the first electrode 370 is connected to the first electrode by the wire pattern as shown in Figure 2
  • the second electrode 380 is connected to the second electrode by the wire pattern.
  • the piezoelectric layer 340 and the electrode substrate 310 may be connected to each other in the opposite shape, and the elastic substrate 330 and the elastic substrate 330 may be connected to each other.
  • FIG. 3 is a plan view schematically showing a piezoelectric generator system according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 3 illustrates a stepped piezoelectric generator system in one embodiment according to the present invention, using the piezoelectric generator unit 400 described in Figure 2, the footrest to be generated by the stepping on the weight of the person It shows a system manufactured in the form.
  • the rectifier circuit unit 410 is connected to each piezoelectric generator unit 400.
  • the voltage output from the piezoelectric generator unit 400 becomes an AC voltage, and thus, a rectifying circuit unit 410 is required to convert the DC voltage.
  • the rectifier circuit unit 410 also serves to store the converted voltage.
  • the rectifier circuit unit 410 may be provided integrally with the piezoelectric generator unit 400, but because of the high risk of damage when a continuous pressure is applied to the scaffold, it is spaced apart from the piezoelectric generator unit 400 It is desirable to be provided.
  • an elastic mat 420 is formed to cover the upper and lower portions of the piezoelectric generator unit 400 and the rectifier circuit unit 410.
  • the elastic mat 420 is preferably made of a material capable of efficiently applying pressure to the piezoelectric generator unit 400 while protecting the entire piezoelectric generator unit 400 and the rectifier circuit unit 410.
  • rubber may be used, and the upper part of the rubber may be coated with a cloth in the form of a fabric to prevent slippage, and the interior effect may be emphasized.
  • the rectifier circuit unit 410 is connected to the required electronic component 450.
  • the electronic component 450 may be connected to all of at least one of a light switch, an automatic door switch, a chime bell switch, an escalator motion sensor, and a moving walk motion sensor at the entrance where the footrest is used, in consideration of the shape of the footrest.
  • the example is mainly used for switches or sensors, the piezoelectric generator system according to the invention according to the number of the piezoelectric generator unit 400 Since the voltage can be increased freely, it can be directly connected to a light or automatic door.
  • the piezoelectric generator system installed in a portion having a large amount of entrance and exit may further include a power storage unit, which may be used for various types of electronic components.
  • a power storage unit which may be used for various types of electronic components.
  • the use of LED lamps with relatively low power consumption in the case of lights can maximize the effect of the piezoelectric generator system.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing a piezoelectric generator system according to an embodiment of the present invention.
  • first and second elastic mats 420 are formed on the upper and upper portions of the piezoelectric generator unit 400 shown in FIG. 2, and on the lower portions of the piezoelectric generator units 400, the second elastic mats 430. ) Is provided.
  • the second elastic mat 430 does not necessarily need to be made of a rubber material as described above, and PVC or a wooden board may be used, such as an insulating board of the piezoelectric generator unit 400.
  • the second elastic mat 430 may be provided in a form that can be embedded in the ground, in this case, the second elastic mat 430 may be provided in a form further comprising a protrusion for fixing to the lower portion.
  • the inside of the second elastic mat 430 may be provided in a form further comprising a groove for fixing the piezoelectric generator unit 400 well.
  • the outer periphery of the second elastic mat 430 is provided in a form further comprising a protrusion that can block the separation interval with the first elastic mat 420, foreign matter does not enter the piezoelectric generator unit 400. You can do that.
  • the piezoelectric generator unit and the piezoelectric generator system using the same effectively transmit external vibrations and shocks to the piezoelectric layer, and at the same time, maintain electrical connection of the rectifier circuit part, thereby maintaining durability of the piezoelectric generator system.
  • the power generation efficiency can be freely improved depending on the area of the insulating substrate used for the piezoelectric generator unit and the number of uses.
  • the structure is relatively simple, it can be manufactured in various sizes and can be utilized in various fields.
  • the piezoelectric generator system according to the present invention when installed in an area with a lot of people coming and going, it is possible to build a system for supplying electric power to switches used for electric lights, automatic doors, escalators and moving walks.
  • a power storage unit if the voltage is sufficiently stored can be used as a power that can directly operate the electronic components.

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Abstract

본 발명은 발판형 압전 발전기용 유니트 및 이를 포함하는 압전 발전기 시스템에 관한 것으로, 탄성기판의 적어도 한 면에 압전층이 형성되고, 상기 탄성기판의 양면에 쿠션층이 형성되어 있는 단위 압전부와, 상기 단위 압전부가 하나 이상 배치되는 전극기판과, 상기 전극기판을 지지하는 절연기판을 포함하는 적어도 하나의 압전 발전기용 유니트와, 상기 압전 발전기용 유니트의 상기 압전층 변형에 의해 발생하는 교류 전원을 직류 전원으로 변환시키는 적어도 하나의 정류회로부 및 상기 압전 발전기용 유니트를 커버하는 탄성 매트부를 포함하는 압전 발전기 시스템을 제공하는 발명에 관한 것이다.

Description

발판형 압전 발전기용 유니트 및 이를 포함하는 압전 발전기 시스템
본 발명은 발판형 압전 발전기용 유니트 및 이를 포함하는 압전 발전기 시스템에 관한 것으로, 압전층에 가해지는 압력에 의해 압전층이 휘어지면서 전기를 발생시키는 압전 발전용 유니트를 제조하고 이들을 조합한 발전기 시스템을 구축하여 실생활에서 사용되는 각종 스위치를 포함하여, 전자부품에도 용이하게 사용할 수 있도록 하는 기술에 관한 것이다.
압전물질은 기계적 에너지를 전기에너지로 변환시키는 변환매체로서 다양한 응용분야를 갖는다. 현재 무기물 및 유기물을 포함하는 많은 수의 세라믹스 재료가 압전 현상을 일으키는 재료로서 알려져 있다.
압전체는 그 압전체에 가해지는 힘(압력 또는 진동)에 의해 전압을 발생시키며, 그 인가된 힘의 크기에 따라 발생되는 전압을 이용하는 장치를 압전 발전기라 한다.
이와 같은 압전체를 이용하여 압전발전기를 제작하는데 있어서는, 외부의 충격 또는 진동을 압전체에 손실 없이 효과적으로 전달하는 것이 중요하다.
또한, 과도한 충격이 압전체에 전달되어 압전체가 파손될 수 있으므로, 외부의 기계적 에너지는 효과적으로 압전체에 전달하면서도 충격에 의한 파손은 방지할 수 있는 구조가 요구된다.
특히, 세라믹으로 된 압전체의 경우에는 취성이 강하므로 기계적 에너지를 효과적으로 전달하면서도 동시에 과도한 외력으로부터 압전체의 파손을 방지할 수 있는 하우징이 필요하다.
한편, 외부로부터 전달된 기계적에너지를 압전체에 의해 전기에너지로 변환하여 사용하기 위해서는 압전체에 부착되거나 압전체에 연결된 전극을 통하여 외부의 회로와 전기적으로 연결되어야 한다.
그러데, 압전발전기에 사용되는 압전체에 지속적인 진동과 충격이 전달되면 압전체와 전극간의 전기적 접속이 끊어 지는 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 이러한 진동과 충격에도 불구하고 압전체에 대해 전기적 접속을 유지할 수 있는 압전 발전기용 유니트 또는 그 시스템이 개발되어야 하나, 아직까지 괄목할 만한 성과가 없는 실정이다.
본 발명은 상기의 필요성을 감안하여 안출된 것으로, 기계에너지를 전기에너지로 변환하는 압전 발전기 시스템을 구축하는데 있어서, 탄성력을 가지는 기판의 전/후면에 압전층을 구비시키고, 압전층을 보호할 수 있는 쿠션층을 형성하여 단위 압전부로 형성하고, 단위 압전부를 하나 이상 집결시켜 발전 효율을 향상시킬 수 있도록 하는 기판 및 기판을 보호할 수 있는 매트 형태의 부재를 사용함으로써, 외부의 진동과 충격을 압전체 효과적으로 전달하면서도 과도한 충격으로 인해 압전체가 파손되는 것을 방지하고 외부회로와 압전체와의 전기적인 접속이 유지될 수 있는 구조를 가진 압전 발전기용 유니트를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
아울러, 본 발명에서는 압전 발전기용 유니트를 발판 형태로 제조함으로써, 실 생활에서 편리하게 사용할 수 있는 압전 발전기 시스템을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명의 일실시예에 따른 압전 발전기 시스템은 탄성기판의 적어도 한 면에 압전층이 형성되고, 상기 탄성기판의 양면에 쿠션층이 형성되어 있는 단위 압전부와, 상기 단위 압전부가 하나 이상 배치되는 전극기판과, 상기 전극기판을 지지하는 절연기판을 포함하는 적어도 하나의 압전 발전기용 유니트와, 상기 압전 발전기용 유니트의 상기 압전층 변형에 의해 발생하는 교류 전원을 직류 전원으로 변환시키는 적어도 하나의 정류회로부 및 상기 압전 발전기용 유니트를 커버하는 탄성 매트부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 압전 발전기용 유니트는 상기 압전층에 연결되는 제 1 전극과 상기 탄성기판에 연결되는 제 2 전극을 더 포함하되, 전선 패턴에 의해 상기 제 1 전극과 인접한 제 1 전극이 연결되고, 상기 제 2 전극과 인접한 제 2전극이 연결되는 것을 특징으로 하고, 상기 탄성기판은 금속 또는 전도성 플라스틱 재질로 형성되며, 상기 단위 압전부에 가해지는 압력이나 진동에 의해 휘어지면서 상기 압전층의 형태를 변형시키고, 상기 압력이나 진동 해제 시 상기 압전층이 본래의 형태로 복원되도록 하는 것을 특징으로 하고, 상기 압전층은 Pb(Zr,Ti)O3＋Pb(Zn,Nb)O3, Pb(Zr,Ti)O3＋Pb(Ni,Nb)O3, Pb(Zr,Ti)O3＋PVDF 폴리머, Pb(Zr,Ti)O3＋실리콘 폴리머 및 Pb(Zr,Ti)O3+에폭시 폴리머 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하고, 상기 압전층은 (Na, K)NbO3계 또는 (Na, K, Li) NbO3계 무연 세라믹스를 포함하는 것을 특징으로 하고, 상기 전극기판은 동판을 포함하는 것을 특징으로 하고, 상기 절연기판은 PVC(Polyvinyl Chloride) 또는 나무판을 포함하는 것을 특징으로 하고, 상기 압전 발전기 시스템은 상기 정류회로부와 연결되는 축전부를 더 포함하는 것을 특징으로 하고, 상기 압전 발전기 시스템은 전자제품 시동을 위한 스위치류 또는 센서류와 연결되며, 상기 스위치류는 전등스위치, 자동문 스위치 및 차임 벨 스위치 중 하나 이상을 포함하고, 상기 센서류는 에스컬레이터 동작 센서 또는 무빙 워크 동작 센서를 포함하는 것을 특징으로 한다.
아울러, 본 발명의 일실시예에 따른 압전 발전기용 유니트는 적어도 한 면에 압전층이 형성된 탄성기판과, 상기 탄성기판의 상부에 형성되는 제 1 쿠션층 및 상기 탄성기판의 하부에 형성되는 제 2 쿠션층을 포함하는 단위 압전부와, 상기 단위 압전부가 적어도 하나 이상 배치되는 전극기판 및 상기 전극기판의 하부를 지지하는 절연기판을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 압전 발전기용 유니트의 구조를 개선하여, 외부의 진동과 충격을 압전체에 효과적으로 전달하면서도 과도한 충격이 압전체에 전달되어 압전체가 파손되는 것을 방지하고, 동시에 정류회로부의 전기적인 접속이 유지되도록 함으로써, 압전 발전기 시스템의 내구성을 향상시킬 수 있고, 발전효율을 향상시킬 수 있도록 하는 효과를 제공한다.
아울러, 본 발명에 따른 압전 발전기 시스템은 내부 구조가 비교적 간단하여 제조가 용이하고, 상황에 맞게 크기를 자유로이 조절할 수 있으므로 그 적용 범위가 넓다.
또한, 본 발명에 따른 압전 발전기 시스템은 매트를 깔아 놓는 형태로 간단하게 설치할 수 있으므로 각종 스위치류와 관련된 다양한 분야에 활용가능하며, 설치 비용 및 전기요금을 절감시킬 수 있는 효과를 제공한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 압전 발전기용 유니트를 도시한 분해 단면도.
도 2는 본 발명에 따른 압전 발전기용 유니트를 도시한 사시도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 압전 발전기 시스템을 개략적으로 도시한 평면도.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 압전 발전기 시스템을 도시한 단면도.
본 발명에 따른 압전 발전기용 유니트는 면에 가해지는 압력 또는 진동에 의해 휘어지는 특성 및 그 휨에 대한 복원력을 가지는 탄성기판과, 상기 탄성기판의 제 1 면 또는 제 2 면에 각각 형성되는 압전층과, 상기 압전층 및 탄성기판을 보호할 수 있는 쿠션층과, 상기 쿠션층을 포함하는 샌드위치 형태의 단위 압전부를 여러 개 결합시킬 수 있는 전극기판과, 상기 전극기판을 지지할 수 있는 절연기판으로 이루어진다.
다음으로, 상기 압전 발전기용 유니트는 하나 또는 복수개가 모여 두 장의 탄성 매트 사이에 끼워지는 형태로 구비되어, 발판이 필요한 부분에 설치된다.
그 다음에는, 발판 주변의 전기 시설에 연결되어 전기 시설을 구동시키는 스위치 역할을 하거나, 전기 시설 구동을 위한 직접적인 전원으로 작용할 수 있는 발전 시스템이 될 수 있도록 한다.
이하에서는 본 발명에 따른 압전 발전기용 유니트 및 이를 포함하는 압전 발전기 시스템에 대한 도면 및 실시예를 들어 상세히 설명하는 것으로 한다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 압전 발전기용 유니트를 도시한 분해 단면도다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 압전 발전기용 유니트(200)는 단위 압전부(160) 전극기판(110) 및 절연기판(100)을 포함한다. 이때, 단위 압전부(160)는 탄성기판(130), 압전층(140) 및 쿠션층(120, 150)을 포함한다.
여기서, 먼저 단위 압전부(160)에 대하여 설명하면 다음과 같다.
단위 압전부(160)는 도 1에 도시된 바와 같이 탄성기판(130)을 중심으로 양면에 압전층(140)이 구비된다. 이때, 압전층(140)은 탄성기판(130)의 양면에 모두 구비될 수도 있고, 양면 중 어느 한 면에만 구비될 수도 있다. 어느 한 면에만 구비되는 것이 보통상태의 실시예가 되고, 고효율을 요구할 경우 양면에 구비될 수 있다.
여기서, 탄성기판(130)은 금속 또는 전도성 플라스틱 재질로 이루어지며, 탄성기판(130)에 가해지는 압력이나 진동에 의해 휘어지면서 압전층(140)에 변형을 가하여 전압이 발생될 수 있도록 하고, 압력이나 진동 해제 시 본래의 형태로 복원되어 평상의 상태를 유지할 수 있도록 구비된다.
따라서, 탄성기판(130)은 전도성이 좋으면서 탄성도 좋은 기판으로 형성되는 것이 바람직한데, 얇은 동판으로 구비되도록 하는 것이 바람직하다. 또한, 탄성기판(130)의 평면 형태는 삼각형, 사각형 등 다각형이면 모두 가능하나 원형으로 구비되는 경우가 바람직하다.
아울러, 압전층(140)은 Pb(Zr,Ti)O3＋Pb(Zn,Nb)O3, Pb(Zr,Ti)O3＋Pb(Ni,Nb)O3, Pb(Zr,Ti)O3＋PVDF 폴리머, Pb(Zr,Ti)O3＋실리콘 폴리머, Pb(Zr,Ti)O3+에폭시 폴리머 및 무연 압전 세라믹스 중 하나 이상으로 이루어지는 세라믹 물질을 사용하여 구비될 수 있으며, (Na, K)NbO3계 또는 (Na, K, Li) NbO3계 무연 세라믹스를 포함하는 물질로도 구비될 수 있으며, 그 외에 우수한 압전 기능을 가지는 물질이면 무엇이든 가능하다. 이때, 탄성기판(130)은 압전층(140)의 형상을 유지시키는 기능 이외에 압전층(140)에서 발생하는 전력을 수집하는 전극 역할도 하게 되므로, 전극과 전극의 연결을 위해서 압전층(140)의 평면형태가 탄성기판(130)의 평면 내부에 포함되는 형태로 구비되도록 하는 것이 바람직하다.
다음에는, 탄성기판(130) 및 압전층(140)을 보호하기 위한 것으로, 탄성기판(130)의 상부에 제 1 쿠션층(150)이 형성되고, 탄성기판(130) 하부에 제 2 쿠션층(120)이 형성된다. 이때, 쿠션층은 천연고무로 형성된 라버형 또는 합성수지로 형성되는 우레탄형 스펀지층으로 구비되도록 하는 것이 바람직하다.
여기서, 압전층(140)을 완벽하게 보호하기 위해서는 탄성기판(130)과 동일한 형태로 제 1 쿠션층(150)과 제 2 쿠션층(120)이 형성되도록 하여 압전층(140)을 완전히 커버할 수 있는 형태가 되도록 하는 것이 바람직하다. 즉, 단면은 샌드위치 형태가 되고, 입체적으로는 원기둥 형태가 되도록 하는 것이 바람직하다.
그러나, 이 경우 후속 공정에서 설명할 전극의 연결이 불편해 질 수 있으므로, 도 1에 도시된 바와 같이, 하부의 제 2 쿠션층(120)은 탄성기판(130)과 동일한 형태를 가지도록 형성하고, 압전층(140) 상부의 제 1 쿠션층(150)은 압전층(140)의 형태보다 소정 크기 작은 형태가 되도록 하는 것이 바람직하다. 이때, 압전층(140) 보다 제 1 쿠션층(150)의 평면 형태가 더 작아야 하는 이유는 압전층(140)에도 전극이 연결되어야 하기 때문이다.
이와 같이 상부 크기가 더 작은 쿠션층 형태를 가질 경우 단면이 삼각형 형태가 되고, 입체 형태는 원뿔 형태로 형성되는 것이 바람직하다. 그리고, 본 실시예에서는 주로 원형 평면을 가지는 뿔 형태를 설명하였으나, 사각형뿔, 오각형뿔 등 상황에 따라서 유용하게 사용될 수 있는 각뿔 형태면 모두 사용 가능하다.
상기한 바와 같이, 상기와 같이 원기둥 형태 또는 원뿔 형태가 완성되도록 제 1 및 제 2 쿠션층(150, 120)까지 형성된 소자를 단위 압전부(160)라 한다.
그리고, 도시된 바에 의하면 단위 압전부(160)의 각 구성들이 서로 떨어져 있으나, 실제로는 각 구성들이 결합된 상태로 구비되어 있다.
아울러, 본 발명에서는 단위 압전부(160)를 복수 개 사용하여 발전 효율을 더 향상시킬 수 있도록 하며, 도 1에 도시된 바와 같이 단위 압전부(160)를 2열 구조로 배치하여, 압전 발전기용 단위 유니트(200)를 형성하는 것이 바람직하다.
이때, 압전 발전기용 단위 유니트(200)를 지지하기 위하여, 단위 압전부(160) 하부에는 PVC 또는 나무판 재질을 포함하는 물질로 이루어지는 절연기판(100)을 형성한다. 이때, 절연기판(100)은 상기 두 종류의 기판이 결합되어 형성될 수도 있고, 강도 보강을 위한 금속 기판 등과 결합될 수도 있다.
그 다음으로, 복수개로 놓여지는 단위 압전부(160)가 용이하게 병렬 연결이 될 수 있도록 하기 위하여, 절연기판(100) 및 단위 압전부(160) 사이에 전극기판(110)이 구비된다.
전극기판(110)은 압전층(140)과 연결되는 전극과 연결될 수 있고, 탄성기판(130)과 연결되는 전극에 연결될 수도 있다. 다만, 단위 압전부(160)의 병렬 연결을 위하여, 일관성 있게 하나의 소재와만 연결되어야 한다.
이와 같이, 본 발명에 따른 압전 발전기용 유니트(200)가 형성될 수 있으며, 이하에서는 그 구체적인 형태를 알아보기 위하여, 본 발명의 일실시예에 따른 압전 발전기용 유니트에 대한 사시도를 예로 들어 설명하는 것으로 한다.
도 2는 본 발명에 따른 압전 발전기용 유니트를 도시한 사시도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 압전 발전기용 유니트(400)로 직사각형 형태의 절연기판(300) 상부에, 전극기판(310)이 형성되고, 그 상부에 압전층(340)을 포함하는 단위 압전부(360)가 배치된다. 이때, 압전층(340)은 탄성기판(330)의 상부에만 형성될 수 있으며, 양면에도 형성될 수 있는데, 탄성기판(330)의 하부면에 형성된 압전층(340)은 제 2 쿠션층(320)에 뭍히는 형태가 되므로, 탄성기판(330)과 제 2 쿠션층(320)은 접속되는 형태로 구비된다.
그리고, 제 1 쿠션층(350)층은 전극 연결을 고려하여, 압전층(340) 보다 작은 크기로 구비된다.
아울러, 직사각형 형태의 절연기판(300)은 발 받침으로 사용될 수 있는 정도의 크기를 가지도록 구비되는 것이 바람직하며, 단위 압전부는 전극기판(310) 상부에 2열로 배치될 수 있는 크기의 원형으로 구비되도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 단위 압전부는 상황에 따라서 3열 또는 4열 등으로 사용될 수 있으며, 사용될 곳의 전원 효율을 고려하여 그 수를 조절하는 것이 바람직하다.
아울러, 열과 열 사이에서 서로 쌍을 이루는 단위 압전부(360)는 평행하게 배치되도록 할 수도 있고, 가용 면적을 고려하여 최대한의 효율을 얻을 수 있도록 지그재그 형태로 배치되도록 할 수 있다.
다음으로, 압전층(340)과 압전층(340)끼리 병렬 연결되도록 하여 제 1 전극(370)을 형성하고, 탄성기판(330)과 전극기판(310)이 연결되도록 하여 제 2 전극(380)을 형성한다. 이때, 제 1 전극(370)은 제 1 전극끼리 도 2에 도시된 바와 같은 전선 패턴에 의해 연결되며, 제 2 전극(380)은 제 2 전극끼리 전선 패턴에 의해 연결된다. 아울러, 반대 형태로 압전층(340)과 전극기판(310)이 연결되도록 할 수 있고, 탄성기판(330)과 탄성기판(330)이 연결되도록 할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 압전 발전기 시스템을 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 일실시예로 발판 형태의 압전 발전기 시스템을 도시한 것으로, 상기 도 2에서 설명한 압전 발전기용 유니트(400)을 이용하고, 사람의 밟고 서는 무게에 의해서 발전이 이루어지도록 발판 형태로 제조한 시스템을 나타낸 것이다.
압전 발전기용 유니트(400) 두 세트를 보통 사람의 어깨 넓이 정도로 배치 시킨 후, 각각의 압전 발전기용 유니트(400)에 정류회로부(410)를 연결한다.
상기 도 2에 도시된 구조와 같이 전극이 연결되는 경우 압전 발전기용 유니트(400)에서 출력되는 전압은 교류 전압이 되므로, 이를 직류 전압으로 변환시키는 정류회로부(410)가 필요하다.
아울러, 정류회로부(410)에는 변환된 전압을 축전시키는 역할도 수행되도록 하는 것이 바람직하다. 이때, 정류회로부(410)는 압전 발전기용 유니트(400)와 일체형으로 구비되도록 할 수 있으나, 발판에 지속적인 압력이 가해질 경우 손상될 위험이 높으므로, 압전 발전기용 유니트(400)와 이격 된 형태로 구비되도록 하는 것이 바람직하다.
다음에는, 압전 발전기용 유니트(400)와 정류회로부(410) 상부 및 하부를 커버하는 탄성매트(420)를 형성한다. 이때, 탄성매트(420)는 전체 압전 발전기용 유니트(400) 및 정류회로부(410)를 보호하면서, 압전 발전기용 유니트(400)에 압력을 효율적으로 가할 수 있는 재질의 것으로 사용하는 것이 바람직하다. 대표적인 실시예로 고무를 사용할 수 있으며, 고무 상부에는 직물 형태의 천을 덧대어 미끄럼을 방지할 수 있도록 하고, 인테리어적인 효과를 부각시킬 수도 있다.
그 다음에는, 정류회로부(410)를 필요한 전자부품(450)과 연결한다.
여기서, 전자부품(450)은 발판의 형태를 고려할 때, 발판이 사용되는 입구의 전등스위치, 자동문 스위치, 차임 벨 스위치, 에스컬레이터 동작 센서 및 무빙워크 동작 센서 중 하나 이상에 모두 연결될 수 있다. 이때, 압전 발전기용 유니트(400)에서 발생하는 전압의 크기를 고려하여 주로 스위치류 또는 센서류에 사용하는 예를 들었으나, 본 발명에 따른 압전 발전기 시스템은 압전 발전기용 유니트(400)의 개수에 따라서 자유롭게 전압을 증가시킬 수 있으므로, 전등 또는 자동문에 직접 연결하여 사용할 수 있다.
아울러, 출입량이 많은 부분에 설치된 압전 발전기 시스템에는 축전부를 더 포함시킴으로써, 다양한 형태의 전자부품에 사용할 수 있다. 특히 출입량이 많은 부분에서, 전등의 경우 소비전력이 비교적 작은 LED 전등을 사용할 경우 압전 발전기 시스템의 효과가 극대화 될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 압전 발전기 시스템을 도시한 단면도이다.
도 4를 참조하면, 상기 도 2에 도시된 압전 발전기용 유니트(400)의 상부 및 상부에 제 1 탄성 매트(420)가 형성되고, 압전 발전기용 유니트(400) 하부에는 제 2 탄성 매트(430)가 구비된다.
이때, 제 2 탄성 매트(430)는 반드시 상술한 바와 같은 고무 소재로 이루어질 필요는 없으며, 압전 발전기용 유니트(400)의 절연기판과 같이 PVC 또는 나무판이 사용될 수도 있다.
아울러, 제 2 탄성 매트(430)는 지면에 매립될 수 있는 형태로 구비될 수도 있으며, 이 경우 제 2 탄성 매트(430)는 하부에 고정을 위한 돌출부를 더 포함하는 형태로 구비될 수 있다.
또한, 제 2 탄성 매트(430)의 내측에는 압전 발전기용 유니트(400)가 잘 고정되도록 하기 위한 홈을 더 포함하는 형태로 구비될 수 있다. 그리고, 제 2 탄성 매트(430)의 외곽 둘레에는 제 1 탄성 매트(420)와의 이격 간격을 차단시켜줄 수 있는 돌출부를 더 포함하는 형태로 구비되어, 압전 발전기용 유니트(400) 내에 이물질이 들어가지 않도록 할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 압전 발전기용 유니트 및 이를 이용한 압전 발전기 시스템은 외부의 진동과 충격을 압전층에 효과적으로 전달하면서도 동시에 정류회로부의 전기적인 접속이 안정적으로 유지되도록 함으로써, 압전 발전기 시스템의 내구성을 향상시킬 수 있다. 또한, 압전 발전기용 유니트에 사용되는 절연기판의 면적이나, 사용 개수에 따라서 발전효율을 자유롭게 향상시킬 수 있다.
아울러, 그 구조가 비교적 간단하므로 다양한 크기로 제작될 수 있으며 다양한 분야에 활용될 수 있다. 특히, 사람들의 출입이 많은 지역에 본 발명에 따른 압전 발전기 시스템을 설치할 경우 그 주변에 사용되는 전등, 자동문, 에스컬레이터 및 무빙워크에 사용되는 스위치에 전력을 공급는 시스템을 구축할 수 있다. 또한, 축전부를 구비시켜, 전압을 충분히 저장할 경우 상기 전자부품들을 직접 운용할 수 있는 전력으로도 사용할 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (10)

  1. 탄성기판의 적어도 한 면에 압전층이 형성되고, 상기 탄성기판의 양면에 쿠션층이 형성되어 있는 단위 압전부와, 상기 단위 압전부가 하나 이상 배치되는 전극기판과, 상기 전극기판을 지지하는 절연기판을 포함하는 적어도 하나의 압전 발전기용 유니트;
    상기 압전 발전기용 유니트의 상기 압전층 변형에 의해 발생하는 교류 전원을 직류 전원으로 변환시키는 적어도 하나의 정류회로부; 및
    상기 압전 발전기용 유니트를 커버하는 탄성 매트부;를 포함하는 압전 발전기 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 압전 발전기용 유니트는 상기 압전층에 연결되는 제 1 전극과 상기 탄성기판에 연결되는 제 2 전극을 더 포함하되, 전선 패턴에 의해 상기 제 1 전극과 인접한 제 1 전극이 연결되고, 상기 제 2 전극과 인접한 제 2전극이 연결되는 것을 특징으로 하는 압전 발전기 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄성기판은 금속 또는 전도성 플라스틱 재질로 형성되며, 상기 단위 압전부에 가해지는 압력이나 진동에 의해 휘어지면서 상기 압전층의 형태를 변형시키고, 상기 압력이나 진동 해제 시 상기 압전층이 본래의 형태로 복원되도록 하는 것을 특징으로 하는 압전 발전기 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 압전층은 Pb(Zr,Ti)O3＋Pb(Zn,Nb)O3, Pb(Zr,Ti)O3＋Pb(Ni,Nb)O3, Pb(Zr,Ti)O3＋PVDF 폴리머, Pb(Zr,Ti)O3＋실리콘 폴리머 및 Pb(Zr,Ti)O3+에폭시 폴리머 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 발전기 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 압전층은 (Na, K)NbO3계 또는 (Na, K, Li) NbO3계 무연 세라믹스를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 발전기 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극기판은 동판을 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 발전기 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 절연기판은 PVC(Polyvinyl Chloride) 또는 나무판을 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 발전기 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 압전 발전기 시스템은 상기 정류회로부와 연결되는 축전부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 발전기 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 압전 발전기 시스템은 전자제품 시동을 위한 스위치류 또는 센서류와 연결되며, 상기 스위치류는 전등스위치, 자동문 스위치 및 차임 벨 스위치 중 하나 이상을 포함하고, 상기 센서류는 에스컬레이터 동작 센서 또는 무빙 워크 동작 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 발전기 시스템.
  10. 적어도 한 면에 압전층이 형성된 탄성기판과, 상기 탄성기판의 상부에 형성되는 제 1 쿠션층 및 상기 탄성기판의 하부에 형성되는 제 2 쿠션층을 포함하는 단위 압전부;
    상기 단위 압전부가 적어도 하나 이상 배치되는 전극기판; 및
    상기 전극기판의 하부를 지지하는 절연기판;을 포함하는 압전 발전기용 유니트.
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