KR101090053B1 - 압전 발전기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 외력에 의한 기계적 에너지로부터 전기적 에너지로 변환시키는 효율을 증대시킬 수 있는 압전 발전기를 제공하기 위한 것으로, 이를 위해 본 발명은 내측 둘레를 따라 중심부를 향하는 적어도 하나 이상의 스포크(spoke)가 형성된 제1 지지부재와, 상기 스포크 상부에 형성된 제1 전극과, 상기 제1 전극 상부에 형성된 압전체와, 상기 압전체 상부에 형성된 제2 전극과, 상기 제2 전극 및 상기 중심부와 중첩되도록 상기 제2 전극 상부에 형성된 제2 지지부재를 포함하는 압전 발전기를 제공한다.

압전 발전기, 압전 세라믹

Description

압전 발전기{PIEZOELECTRIC POWER GENERATOR}

본 발명은 압전 발전기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 외력에 의한 기계적 에너지로부터 전기적 에너지로 변환시키는 효율을 증대시킬 수 있는 압전 발전기에 관한 것이다.

정보통신 기술의 발달에 힘입어 이동통신기기 또는 휴대용 단말기 등이 널리 사용되고 있다. 이와 같은 기기들은 대부분 건전지나 충전지로부터 전원을 공급받도록 구성된다. 이때, 전원공급수단으로 충전지를 사용하는 경우에는 충전지를 충전하기 위한 전력이 요구되는데, 전력선이 가까이 있다면 충전지를 충전하는데 어려움이 없으나, 산속이나 오지와 같은 장소에서는 충전지를 충전할 수 없는 문제점이 있다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 별도의 전력선 없이도 충전지를 충전할 수 있는 발전기가 다양한 구조로 제안되고 있다. 별도의 전력을 사용하지 아니하고 전기를 발생시키는 대표적인 방법으로는 압전체를 이용하는 방법과 자석 및 코일을 이용하는 방법이 있다. 자석 및 코일을 이용하는 방법은 자석 또는 코일을 회전시키는데 외적인 힘, 즉 외력이 많이 요구되기 때문에 최근 들어서는 비교적 외력이 적게 요구되는 압전체를 이용하여 전기를 발생시키는 발전기 개발이 점차 활성화되고 있다.

일반적으로 압전체에 외부에서 특정 방향으로 힘을 가하면 내부에서 발생하는 응력에 대응하여 압전체의 제1 전극에는 정(+)전하, 압전체의 제2 전극에는 부(-)전하가 유기되어 제1 및 제2 전극 간에 전압이 발생되는데, 이러한 현상을 압전 정효과라 한다. 이와 반대로, 압전체에 외부로부터 전압을 걸어주면 압전체는 기계적 왜곡현상을 일으키게 되는데, 이러한 현상을 압전 역효과라 한다. 즉, 압전체는 기계적인 힘(응력)을 전기적인 신호(전압)로, 또는 전기적 신호를 기계적인 힘으로 변환시키는 것으로 이와 같은 성질을 갖는 물질로는 현재 세라믹을 재료로 하는 압전 세라믹(piezoelectric ceramics)이 가장 많이 사용되고 있다. 이와 같은 압전 세라믹을 이용하여 전기를 발생시키는 발전기가 다양한 구조로 개발되고 있다.

그러나, 압전 세라믹을 이용하여 발전기를 구현하기 위해서는 압전 세라믹의 물성적인 특성에 기인한 문제점을 고려해야만 한다. 압전 세라믹은 외력에 의해 쉽게 깨지는 특성이 있는데, 이러한 특성 때문에 외력에 의한 변형이 일어날 때 깨지지 않도록 탄력이 좋은 금속, 예를 들어 알루미늄, 구리, 황동, 스테인레스 스틸 등이나 플라스틱(폴리머) 등과 접합되어 일체화된 형태로 사용된다. 즉, 세라믹 재료는 깨지기 쉬운 취성(brittle) 특성이 있으므로 세라믹-금속 접합 복합체 또는 세라믹-폴리머 접합 복합체 구조로 구성하여 인성(toughness)을 갖도록 하면 복합체는 잘 깨지지 않으면서 외력에 기인한 에너지를 흡수하고 저장하는 것이 용이 해진다.

이와 같이, 세라믹-금속 접합 복합체 또는 세라믹-폴리머 접합 복합체 구조로 구현된 압전 발전기를 유니모프(unimorph) 또는 바이모프(bimorph) 형태라 부르며 압전 발전기 구조 중 가장 일반화되어 있는 구조이다. 유니모프 또는 바이모프 형태의 압전 발전기는 외력에 의해 변형이 일어날 때 구부러지는 형태의 진동을 유발한다. 이러한 진동 형태는 압전체 입장에서 보면 '31 모드'(추후 설명하기로 함)가 되기 때문에 발생 전기량이 다른 모드에 비해 작은 값을 갖게 된다. 즉, 외부의 외력에 의한 기계적 에너지가 전기적 에너지로 변환되는 비율이 작은 값을 갖게 된다.

따라서, 본 발명은 상기한 종래기술에 따른 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 외력(진공, 바람 등과 같은 외부의 힘)에 의한 기계적 에너지로부터 전기적 에너지로 변환시키는 효율을 증대시킬 수 있는 압전 발전기를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 일 측면에 따른 본 발명은 내측 둘레를 따라 중심부를 향하는 적어도 하나 이상의 스포크(spoke)가 형성된 제1 지지부재와, 상기 스포크 상부에 형성된 제1 전극과, 상기 제1 전극 상부에 형성된 압전체와, 상기 압전체 상부에 형성된 제2 전극과, 상기 제2 전극 및 상기 중심부와 중첩되도록 상기 제2 전극 상부에 형성된 제2 지지부재를 포함하는 압전 발전기를 제공한다.

본 발명에 의하면, 외력에 의한 압전체의 변형이 '15 모드', 즉 전단변형을 일으키도록 압전 발전기를 제작함으로써 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 에너지 변환율을 크게 증대시킬 수 있으며, 이를 통해 단위 면적당 소형화가 가능하다.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예들을 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 또한, 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 도면부호(또는, 참조부호)로 표기된 부분은 동일 요소를 나타낸다.

압전체는 극성물질로서 분극방향과, 압전체 양면에 형성된 전극방향, 그리고 압전체가 변형되는 방향과 같이 3가지 독립된 방향에 따라 기본 진동 모드가 존재한다. 압전 발전기에서 사용되는 압전체의 기본 진동 모드는 3가지로 '31 모드', '33 모드', '15 모드'가 있다. 여기서, 앞 숫자는 전기적 방향, 뒤 숫자는 기계적 변위방향을 나타낸다.

도 1은 '31 모드'를 설명하기 위하여 도시한 모식도이고, 도 2는 '33 모드'를 설명하기 위하여 도시한 모식도며, 도 3은 '15 모드'를 설명하기 위하여 도시한 모식도이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 압전체의 전극이 상부와 하부에 배치되어 있다고 가정할 때, '31 모드'에서는 전계방향과 변위방향이 수직으로 형성되고, '33 모드'에서는 전계방향과 변위방향이 동일하게 형성되며, '15 모드'에서는 전계방향과 수직이나 분극방향이 변위방향과 평행한 전단변위(미끄럼)를 일으키는 것을 알 수 있다.

각 모드에서 기계적 에너지가 전기적 에너지로 변환될 때 에너지 변환율을 나타내는 인자는 여러 가지가 있다. 도 4는 일반적인 상업용 압전재료의 압전상수, 즉 상용 압전체의 특성값을 나타낸 표를 도시한 도면으로서, 'k'는 전기-기계 결합계수(electromechanical coupling factor), 'd'는 압전 변위 계수(piezoelectric strain constant), 'g'는 압전 전압 계수(voltage output coefficient)를 나타낸다.

전술한 바와 같이, 'k'는 전기-기계 결합 계수로서, 외부에서 인가된 기계적 에너지가 전기적 에너지로 변환되는 분율의 제곱근 값을 의미한다. 따라서, 'k 값'의 절대값이 클수록 압전 에너지 변환율이 크다는 것을 의미한다. 도 4에 도시된 표에서 보면 알 수 있듯이 각종 진동 모드에 대한 'k 값'을 살펴보면 '15 모드'에서 변환율이 가장 큰 값을 갖고, '31 모드'에서 가장 작은 값을 갖는 것을 알 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시예에 따른 압전 발전기용 구조체는 외력에 기인하여 압전체의 변형이 '15 모드', 즉 전단변형(shear strain)을 일으키도록 제작된다. 즉, 외력에 기인하여 압전체를 전계 형성 방향으로 전단변위를 일으키는 구조로 제작하여 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 에너지 변환율을 크게 증대시킨다.

이하, 구체적인 실시예들을 통해 본 발명의 압전 발전기에 대해 설명하기로 한다.

실시예1

도 5는 본 발명의 실시예1에 따른 압전 발전기를 설명하기 위하여 위에서 바 라본 평면도이고, 도 6은 도 5에 도시된 압전 발전기를 정면에서 바라본 정면도이다.

도 5 및 도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예1에 따른 압전 발전기는 내측(110a) 둘레를 따라 중심부(122, 도7참조)를 향하는 적어도 하나 이상의 스포크(spoke)(110b, 도7참조)가 형성된 제1 지지부재(110)와, 스포크(110b) 상부에 순차적으로 적층된 제1 전극(112), 압전체(114) 및 제2 전극(116)과, 제2 전극(116) 상부에 제2 전극(116) 및 중심부(122)와 중첩되도록 형성된 제2 지지부재(118)를 포함한다.

도 7 내지 도 9는 본 발명의 실시예1에 따른 압전 발전기의 제조방법을 설명하기 위하여 도시한 공정 단면도이다. 각 도면에서 (a)는 평면도, (b)는 정면도이다.

도 7은 본 발명의 실시예1에 따른 압전 발전기의 하부층으로서 제1 지지부재(110)를 도시하였다. 제1 지지부재(110)는 탄성이 있는 금속 또는 폴리머 소재로 이루어지며 원형형태에 중심부(122)로 3개의 돌기가 돌출되어 스포크 형상을 구성한다.

도 8은 본 발명의 실시예1에 따른 압전 발전기의 중간층으로서 제1 지지부재(110)의 스포크(110b) 상부에 제1 전극(112), 압전체(114) 및 제2 전극(116)이 순차적으로 적층된 구조를 도시하였다. 압전체(114)의 양면(전면과 배면)에 제1 및 제2 전극(112, 116)이 각각 형성된다. 압전체(114)는 제1 전극(112)을 통해 제1 지지부재(110)에 부착된다. 도 8에서, 화살표(120)는 압전체(114)의 분극방향을 표시 한다. 분극방향은 압전체(114)의 양쪽 전극면과 수직방향이 아닌 평행한 방향으로 형성된다.

도 9는 본 발명의 실시예1에 따른 압전 발전기의 상부층으로서 제2 지지부재(118)를 도시하였다. 제2 지지부재(118)는 압전체(114) 상부, 바람직하게는 제2 전극(116)의 상부에 제2 전극(116) 및 제1 지지부재(110)의 중심부(122)와 중첩되도록 형성된다. 제2 지지부재(118)는 중심부(122)에서 바깥방향, 즉 상기 제1 지지부재(110)의 내측(110a) 방향으로 확장된 구조를 갖는다. 이러한 제2 지지부재(118)는 제1 지지부재(110)와 마찬가지로 탄성이 있는 금속 또는 폴리머 소재로 이루어진다.

도 10은 본 발명의 실시예1에 따른 압전 발전기의 구동특성을 설명하기 위하여 도시한 모식도이다. (a)는 변형이 없는 상태의 모식도이고, (b)는 중심부의 위에서 수직방향으로 외력이 가해져 아래방향으로 변형이 일어났을 때의 모식도이고, (c)는 (b)의 변형상태에서 정상상태로 복귀했을 때의 모식도이며, (d)는 중심부의 아래에서 수직방향으로 외력이 가해져 위방향으로 변형이 일어났을 때의 모식도이다.

도 10을 참조하면, 먼저, (a)와 같이 변형이 없는 상태에서 압전 발전기용 구조체의 중심부의 상부에서 수직방향으로 외력이 가해지면 (b)와 같이 변형이 일어난다. 이와 반대로, (c)와 같은 변형이 없는 상태에서 압전 발전기의 중심부의 하부에서 수직방향으로 외력이 가해지면 (d)와 같이 변형이 일어난다. 이때, 압전체(114)의 변형 형태가 전단변형으로 일어나게 되어 외부 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 효율을 증대시킬 수 있다. 이러한 전단변형이 일어나는 이유는 압전체(114)의 배면이 제1 전극(112)을 통해 제1 지지부재(110)에 고정되어 있는 반면, 압전체(114)의 전면은 제2 전극(116)을 통해 제2 지지부재(118)의 중심부에 고정되어 있기 때문이다. 이와 같이 외력에 의해 압전체(114)의 전면과 배면이 서로 반대 방향으로 잡아 당겨지게 되는 경우 압전체(114)에 전단변형이 일어나게 된다.

도 11에 도시된 바와 같이, 본 발명의 압전 발전기의 상부는 탄성부재(130)를 통해 고정 구조물(140)에 체결될 수도 있다. 이와 반대로, 도시되지는 않았지만 본 발명의 압전 발전기의 하부는 소정의 탄성부재를 통해 고정 구조물에 체결될 수도 있다. 이때, 탄성부재(130)는 코일 스프링 또는 판 스프링을 포함한다. 이와 같이, 본 발명의 압전 발전기의 중심부의 상부 또는 하부가 탄성부재를 통해 고정 구조물에 고정되어 있으면 외력에 의해 변형이 도 10과 같이 '(a)→(b)→(c)→(d)→(a)→(b)→(c)→(d)'의 형태로 반복 진동하면서 점진적으로 발전기에 전기 에너지가 형성된다.

실시예2

도 12는 본 발명의 실시예2에 따른 압전 발전기를 설명하기 위하여 도시한 평면도이다.

도 12를 참조하면, 본 발명의 실시예2에 따른 압전 발전기는 도 5에 도시된 실시예1과 유사한 구조를 갖는다. 다만, 제1 지지부재(210)의 내측 둘레로부터 연 장된 스포크의 개수가 다르다. 즉, 실시예1에서는 스포크가 4개로 구성되는데 반해, 실시예2에서는 3개로 구성된다. 이에 따라, 제1 지지부재(210)는 실시예1과 다른 구조를 가지며, 이에 대응하여 제2 지지부재(218) 또한 실시예1과 다른 구조를 갖는다. 그 이외는 구성은 실시예1과 동일함에 따라 그에 대한 설명은 생략하기로 한다.

실시예1 및 2에서 스포크는 제1 지지부재의 내측 둘레를 따라 등간격으로 형성된다. 예컨대, 실시예1에서는 스포크가 90°의 각도로 이격되어 형성되고, 실시예2에서는 스포크가 120°의 각도로 이격되어 형성된다. 즉, 스포크 간의 이격은 제1 지지부내의 내측 둘레에 형성되는 스포크의 개수에 따라 적절히 결정될 수 있다.

실시예3

도 13은 본 발명의 실시예3에 따른 압전 발전기를 설명하기 위하여 도시한 평면도이다.

도 13을 참조하면, 본 발명의 실시예3에 따른 압전 발전기는 도 5에 도시된 실시예1에 따른 압전 발전기와 유사한 구조를 갖는다. 다만, 실시예3에서는 제1 지지부재(310)의 단면 형상이 실시예1과 다르다. 즉, 실시예1에서는 제1 지지부재(110)가 원형 단면 구조를 갖는데 반해, 실시예3에서는 사각형 단면 구조를 갖는다. 그 이외는 구성은 실시예1과 동일함에 따라 그에 대한 설명은 생략하기로 한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 기술적 사상은 바람직한 실시예들에서 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예들은 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 특히, 본 발명의 실시예들에서는 제1 지지부재가 원형 단면 또는 사각형 단면 구조로 이루어진 것을 예로 들어 설명하였으나, 제1 지지부재의 단면 구조는 삼각형, 오각형, 육각형, 팔각형과 같이 다각형 단면을 갖는 구조도 가능하다. 또한, 제1 지지부재의 둘레를 따라 형성되는 스포크의 개수 또한 제한을 두지 않는다. 이처럼 이 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예들이 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

도 1은 압전 발전기의 '31 모드'를 설명하기 위해 도시한 모식도.

도 2는 압전 발전기의 '33 모드'를 설명하기 위해 도시한 모식도.

도 3은 압전 발전기의 '15 모드'를 설명하기 위해 도시한 모식도.

도 4는 상업용 압전재료의 압전상수를 도시한 표.

도 5는 본 발명의 실시예1에 따른 압전 발전기를 위에서 바라본 평면도.

도 6은 도 5에 도시된 압전 발전기를 정면에서 바라본 정면도.

도 7 내지 도 9는 본 발명의 실시예1에 따른 압전 발전기의 제조방법을 도시한 공정 단면도.

도 10은 본 발명의 실시예1에 따른 압전 발전기의 구동특성을 설명하기 위해 도시한 모식도.

도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전 발전기의 구동특성을 설명하기 위해 도시한 모식도.

도 12는 본 발명의 실시예2에 따른 압전 발전기를 위에서 바라본 평면도.

도 13은 본 발명의 실시예3에 따른 압전 발전기를 위에서 바라본 평면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

110, 210, 310 : 제1 지지부재

110a : 내측

110b : 스포크

112 : 제1 전극

114 : 압전체

116 : 제2 전극

118, 218, 318 : 제2 지지부재

120 : 분극방향

130 : 탄성부재

140 : 고정 구조물

Claims (12)

1. 원형 또는 다각형의 평면 구조의 내측 둘레를 따라 평면 구조의 중심부를 향하는 적어도 하나 이상의 스포크(spoke)가 형성된 제1 지지부재;

   상기 스포크 상부에 형성된 제1 전극;

   상기 제1 전극 상부에 형성된 압전체;

   상기 압전체 상부에 형성된 제2 전극; 및

   상기 제2 전극 및 상기 중심부와 중첩되도록 상기 제2 전극 상부에 형성된 제2 지지부재를 포함하고,

   상기 압전체의 배면은 제1 전극을 통해 제1 지지부재에 고정되고, 상기 압전체의 전면은 제2 전극을 통해 제2 지지부재에 고정되어, 상기 중심부로 외력이 가해지는 경우 압전체의 전면과 배면이 서로 반대방향으로 잡아 당겨져서 압전체의 전단변형이 발생되는 것을 특징으로 하는 압전 발전기.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 스포크는 등간격으로 형성된 압전 발전기.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 스포크는 3개 또는 4개인 압전 발전기.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 스포크는 90°각도로 이격 또는 120°각도로 이격되어 형성된 압전 발전기.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 제2 지지부재는 탄성부재를 통해 고정 구조물과 체결된 압전 발전기.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 탄성부재는 코일 스프링 또는 판 스프링을 포함하는 압전 발전기.
9. 제 1 항에 있어서,

   상기 제1 및 제2 지지부재는 금속 또는 폴리머로 이루어진 압전 발전기.
10. 제 1 항에 있어서,

    상기 스포크는 서로 이격되도록 형성된 압전 발전기.
11. 제 1 항에 있어서,

    상기 제2 지지부재는 상기 중심부에서 상기 제1 지지부재의 내측 방향으로 확장된 구조를 갖는 압전 발전기.
12. 삭제

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