KR101380538B1 - 압축력을 이용한 압전 하베스팅 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 압축력을 이용한 압전 하베스팅 시스템은, 압전 물질로 마련되는 압전체; 및 상기 압전체가 부착되는 고정체; 를 포함하며, 상기 압전체는 상기 고정체가 압축되는 일면에 부착되어 상기 고정체에 압축력이 가해지는 경우 상기 압전체에 압축력이 가해짐으로써 전기에너지를 생성할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 하중 및 타격에 의해 발생되는 외력 중 압축력이 걸리고 이를 이용하여 전기에너지를 생성할 수 있다.

Description

압축력을 이용한 압전 하베스팅 시스템{PIEZOELECTRIC HARVESTING SYSTEM USING COMPRESSIVE FORCE}
압축력을 이용한 압전 하베스팅 시스템이 개시된다. 보다 상세하게는, 압전체에 걸리는 외력을 주로 압축력으로 사용하여 압전체의 손상을 방지하는 동시에 압전체에 충분한 압축력을 가함으로써 발전량을 비약적으로 증대시킬 수 있는 압축력을 이용한 압전 하베스팅 시스템이 개시된다.
최근 자연의 에너지 사용 비중이 꾸준히 늘어나고 있으며 발전량의 크기도 점점 대형화되고 있어 이를 위한 발전 시스템의 용량도 점점 늘어나고 있다. 일반적인 신재생의 에너지 발전, 태양광이나 풍력 발전의 경우 불규칙한 자연에너지로 인하여 발전량이 안정적이지 못하고 사람들로부터 멀리 떨어진 곳에 설치하여야 되는 문제가 있어 추가적인 발전 시스템이 고려되고 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 여러 형태의 분산전원으로서 초전도 발전 시스템이 고려되고 있으나, 신재생 에너지의 발전 효율 등을 고려할 때, 압전 발전 시스템의 개발이 진행 중이다.
한편, 최근 신재생 에너지 중에서도 비교적 미세한 에너지에서 재생 에너지로 사용할 수 있는 압전 에너지 하베스팅이 연구되고, 또한 산업화에 많은 관심이 모아지고 있다.
일반적으로 압전체를 이용한 시스템은, 압전체 본체의 인성이 비교적 작기 때문에(인성이 낮은 물질은 인장 응력에 대해 매우 약함) 지금까지 사용한 타격 혹은 진동을 이용하는 압전 시스템, 즉 압전체에 인장 응력이 걸리는 시스템은 비교적 짧은 사용시간에 손상될 뿐만 아니라 압전체에 걸리는 인장 응력이 작기 때문에 충분한 발전량을 얻을 수 없다는 단점이 있었다.
본 발명의 실시예에 따른 목적은, 하중 및 타격에 의해 발생되는 외력 중 압축력이 걸리고 이를 이용하여 전기에너지를 생성할 수 있는 압전 하베스팅 시스템을 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 실시예에 따른 다른 목적은, 인장력에 약한 성질의 압전체에 주로 압축력을 가해줌으로써 압전체의 손상을 방지할 수 있는 압전 하베스팅 시스템을 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 실시예에 따른 다른 목적은, 압전체에 압축력을 걸어 줌으로써 압전체가 가지는 높은 압축 응력 특성을 이용할 수 있으며, 이를 통해 압전체 자체에 높은 압축력을 가할 수 있어 압전 결정에 큰 힘이 걸리는 높은 반발력과 내력을 창출할 수 있으며 그 결과 압전체에서 높은 발전량을 얻을 수 있는 압전 하베스팅 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 압축력을 이용한 압전 하베스팅 시스템은, 압전 물질로 마련되는 압전체; 및 상기 압전체가 부착되는 고정체; 를 포함하며, 상기 압전체는 상기 고정체가 압축되는 일면에 부착되어 상기 고정체에 압축력이 가해지는 경우 상기 압전체에 압축력이 가해짐으로써 전기에너지를 생성할 수 있다.
일측에 의하면, 상기 고정체가 외팔보 타입으로 장착되는 고정지지대를 더 포함하며, 상기 압전체가 미부착된 상기 고정체의 일 영역을 타격함으로써 상기 고정체에 압축력을 가할 수 있다.
일측에 의하면, 상기 고정체의 타면에 부착되어 상기 고정체가 압축력을 받은 후 복원되는 과정에서 인장되는 것을 방지하는 인장 방지체를 더 포함할 수 있다.
일측에 의하면, 상기 압전체의 일면에 코팅 처리되어 상기 압전체가 벗겨지는 것을 방지하는 코팅제를 더 포함할 수 있다.
일측에 의하면, 고정체 및 압전체의 두께를 조절하여, 중립축(neutral axis)의 위치를 조정할 수 있으며, 그 결과, 압전체에 주로 압축 응력이 작용할 수 있으며, 이로 인해 인장 응력이 가해지는 종래의 압전 하베스팅 시스템에 비해 압전체 손상을 줄일 수 있고, 또한 높은 압축 응력이 걸림으로써 발전량을 비약적으로 증대시킬 수 있다.
일측에 의하면, 상기 고정체는 스테인리스 스틸(stainless steel)을 이용하여 플레이트(plate) 타입으로 제조될 수 있다.
일측에 의하면, 상기 고정체와 부착되는 상기 압전체의 일면의 반대측에 장착되어 상기 압전체에 가해지는 압축력을 견디도록 하는 크랙을 더 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 압전 하베스팅 시스템은, 고정체, 상기 고정체의 일면에 부착되며 압전 물질로 마련되는 압전체 및 상기 압전체가 미부착된 상기 고정체의 타면을 타격하는 타격부재를 포함하고, 상기 고정체는 상기 타격 방향 쪽으로 휘어질 수 있다. 또한, 상기 고정체의 타면에 부착되며, 상기 압전체가 상기 타격 방향의 반대 방향으로 휘어지는 정도를 감소시키기 위한 인장 방지체를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 하중 및 타격에 의해 발생되는 외력 중 압축력이 걸리고 이를 이용하여 전기에너지를 생성할 수 있다.
또한 본 발명의 실시예에 따르면, 인장력에 약한 성질의 압전체에 주로 압축력을 가해줌으로써 압전체의 손상을 방지할 수 있다.
또한 본 발명의 실시예에 따르면, 압전체에 압축력을 걸어 줌으로써 압전체가 가지는 높은 압축 응력 특성을 이용할 수 있으며, 이를 통해 압전체 자체에 높은 압축력을 가할 수 있어 압전 결정에 큰 힘이 걸리는 높은 반발력과 내력을 창출할 수 있으며 그 결과 압전체에서 높은 발전량을 얻을 수 있다.
또한 본 발명의 실시예에 따르면, 압축 응력을 사용했을 때 압전체 자체의 탄성력을 충분히 사용하므로 고정체에 걸리는 부담이 감소하여 고정체의 변형과 손상을 막을 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 압전체 자체의 탄성력을 이용하기 때문에 고정체에 걸리는 부담이 감소하여 고정체의 두께를 기존보다 얇게 하여 고정체의 재료비 및 무게를 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압축력을 이용한 압전 하베스팅 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 고정체 및 압전체의 결합 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 압전체가 코팅제에 의해 코팅되는 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 힘이 일 방향으로 작용하는 경우 압전체가 압축되는 상태를 도시한 도면이다.
도 5는 도 4의 힘 작용 방향과 반대 방향의 힘이 작용하는 경우 압전체가 압축되는 상태를 도시한 도면이다.
도 7은 하나의 압전체를 가지고 인장과 압축을 교대로 가할 때 회전수에 따른 발전량의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 7은 다른 압전체를 가지고 압축력을 이용한 발전의 최적화 실험을 수행함으로써 획득된 그래프이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 구성 및 적용에 관하여 상세히 설명한다. 이하의 설명은 특허 청구 가능한 본 발명의 여러 태양(aspects) 중 하나이며, 하기의 기술(description)은 본 발명에 대한 상세한 기술(detailed description)의 일부를 이룬다.
다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 관한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압축력을 이용한 압전 하베스팅 시스템을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 고정체 및 압전체의 결합 구조를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 3은 도 2에 도시된 압전체가 코팅제에 의해 코팅되는 구조를 설명하기 위한 도면이며, 도 4는 힘이 일 방향으로 작용하는 경우 압전체가 압축되는 상태를 도시한 도면이고, 도 5는 도 4의 힘 작용 방향과 반대 방향의 힘이 작용하는 경우 압전체가 압축되는 상태를 도시한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 압축력을 이용한 압전 하베스팅 시스템(100)은, 고정체(102)와, 고정체(102)의 일면에 부착되는 압전체(103)와, 고정체(102)의 일측을 고정시킴으로써 고정체(102)가 외팔보 타입이 되도록 하는 고정지지대(107)와, 고정체(102)의 타면에 장착되어 고정체(102)에 인장력이 발생되는 것을 저지하는 인장 방지체(105)를 포함할 수 있다. 여기서 압전체(103)의 일면에는 코팅제(104)가 코팅될 수 있다.
본 실시예의 고정체(102)는 평평한 플레이트(plate) 타입으로 마련되어 고정지지대에 외팔보 타입으로 장착될 수 있고, 이러한 고정체(102)의 일면, 본 실시예의 경우 하면에 압전체(103)가 부착될 수 있다.
본 실시예의 압전체(103)는 기본적으로 발전량이 우수한 세라믹(ceramic) 압전소자를 비롯하여 물리적 유연성이 뛰어나 폴리머(polymer)나 폴리머와 세라믹이 혼합된 하이브리드 압전소자가 사용될 수 있다. 따라서 뛰어난 물리적 유연성으로 인해 내구성을 가지며 이에 따라 발전에 용이하다.
또한, 압전체(103)의 압전소자 종류로는 PVDF의 사용이 기본적이고, 바륨 티타네이트, PZT 결정 또는 PZT 섬유를 포함할 수 있다. 그 외에 NKN계, BZT-BCT계, BNT계, BSNN, BNBN계 등의 무연(Lead-free) 압전소재, PLZT, P(VDF-TrFE), 수정, 전기석, 로셸염, 티탄산바륨, 인산이수소암모늄, 타르타르산에틸렌디아민 등을 사용할 수 있다.
다만, 압전체(103)의 종류 및 재질이 이에 한정되는 것은 아니며, 외력에 의해 충분한 발전량을 발생시킬 수 있다면 다른 재질 등이 사용될 수 있음은 당연하다.
이러한 압전체(103)는 고정체(102)의 양면 중 외력이 가해지는 경우 압축되는 일면에 부착될 수 있으며, 이를 통해 고정체(102)에 외력이 가해져서 고정체(102)가 변형되는 경우, 즉, 고정체(102)의 일면이 내측으로 벤딩되는 경우 압전체(102)도 함께 압축될 수 있다.
여기서, 고정체(102)는 금속 재질, 예를 들면 스테인리스 스틸(stainless steel) 재질로 제작될 수 있다. 이러한 재질로 인해, 고정체(102)에 타격이 가해지는 경우 고정체(102)는 압축되는 방향으로 변형될 수 있으며, 외력이 없어지는 경우 다시 원래의 상태로 복귀할 수 있다. 또한 내구성이 강하여 변형 발생을 최소화할 수 있다. 다만, 고정체(102)의 재질이 이에 한정되는 것은 아니다.
본 실시예의 고정체(102)의 넓이는 압전체(103)의 넓이보다 넓게 형성되며, 이를 통해 고정체(102)의 일면에 가해지는 타격에 의해서 압전체(103)에 변형이 발생될 뿐만 아니라 외력에 의한 타격 면적을 더욱 극대화할 수 있다.
한편, 본 실시예의 압전체(103)에는, 도 3에 도시된 바와 같이, 압전체(103)의 벗겨짐을 방지하기 위하여 코팅제(104)가 코팅 처리될 수 있다. 본 실시예의 코팅제(104)는 연성이 좋고, 최대한 얇게 코팅될 수 있는 코팅 물질로 마련된다. 이는, 코팅제(104)의 연성이 나쁜 경우, 압전체(103)에 작용해야 하는 압축 응력을 코팅제(104)가 흡수하여 압전체(103)에 작은 힘이 걸리게 되고 따라서 발전량이 저하될 수 있기 때문이다. 또한 코팅제(104)가 두껍게 사용될 경우 압전체(103)에 압축력이 아닌 인장력이 작용되어 발전량 저하뿐만 아니라 내구성 또한 감소할 수 있기 때문이다.
압전 하베스팅 시스템(100)은 압전체(103)가 미부착된 고정체(102)의 타면을 타격하는 타격부재(미도시)를 더 포함할 수 있고, 고정체(102)는 타격 방향 쪽으로 휘어질 수 있다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 본 실시예에서, 압전체(103)는 압축력이 주로 작용하도록 형성된다. 이는 고정체(102) 및 압전체(103)의 두께를 조절하여, 중립축(A1, A2, neutral axis)의 위치조정을 통해 구현될 수 있다.
그 결과, 압전체(103)에 주로 압축력이 작용할 수 있으며, 이로 인해 인장력이 주로 가해지는 종래의 압전 하베스팅 시스템에 비해 압전체(103) 손상을 줄일 수 있고, 또한 높은 압축 응력이 걸림으로써 발전량을 비약적으로 증대시킬 수 있다.
도 4 및 도 5에 도시된 것처럼, 압전체(103)에 작용하는 힘(F)의 방향에 따라 중립축(A1, A2)은 압전체(103)의 상단 또는 하단이 되도록 설정될 수 있다.
즉, 도 4의 압전 하베스팅 시스템 상태 및 도 5의 압전 하베스팅 시스템에 각각 걸리는 힘(F)의 크기에 따라 중립축(A1, A2)이 이동하기 때문에 각각의 상황에 따라 압전체(103)의 두께 및 고정체(102)의 두께를 조절하여 제자리에 중립축(A1, A2)이 오게 할 수 있다. 이 때, 힘(F)의 방향이 하방을 향할 때(도 4 참조) 압전체(103) 하단에, 힘(F)의 방향이 상방을 향할 때(도 5 참조) 압전체(103) 상단에 중립축(A1, A2)이 오도록 설정할 수 있다.
중립축(A1, A2)을 조정하기 위하여 고정체(102)의 두께 및 압전체(103)의 두께를 조절하는 경우, 고정체(102)의 두께를 얇게 할수록 해당 시스템이 진동 시 마이너스 방향의 운동에 의해 압전체(103)에 균열이 생길 우려가 있으므로, 이러한 우려가 발생되지 않도록 고정체(102)의 두께가 설정될 수 있다.
또한, 각 중립축(A1, A2)과 고정체(102)와 압전체(103)가 만나는 부분의 차이를 작게 할수록, 고정체(102)로부터 압전체(103)로의 압축력 전달 효율을 향상시킬 수 있어 발전량을 크게 할 수 있다. 즉, 도 4 및 도 5에 도시된 것처럼, 고정체(102)와 압전체(103)가 만나는 접선 부분(B1, B2)과, 중립축(A1, A2) 사이의 델타(Δ) 값이 작아지도록 고정체(102)의 두께를 설정하고 압전체(103)를 고정체(102)에 부착함으로써 압전체(103)에 외력 발생 시 전기 발생량을 증대시킬 수 있다.
또한, 도시하지는 않았지만, 고정체(102)와 부착된 압전체(103)의 일 면의 반대측에 위치하는 압전체(103)의 타 면에는 크랙이 형성될 수 있다. 구체적으로, 크랙은 압전체(103)에 가해지는 압축력에 수직한 방향으로 형성될 수 있다. 이러한 크랙은 압전체(103)가 압축력에 더욱 잘 견디도록 하는 기능을 할 수 있다. 인장력을 받는 경우와는 달리, 본 실시예에 따른 압전체(103)는 압축 변형되므로 크랙이 있더라도 높은 발전량을 얻을 수 있다.
한편, 도 1을 참조하면, 본 실시예의 압전체(103)와 대향되는 고정체(102)의 일면에 인장 방지체(105)가 부착될 수 있다. 여기서 인장 방지체(105)는 압전체(103)가 변형되는 것을 방지할 수 있다. 예를 들면, 압전체(103)를 압축 방향(타격 방향)으로 가압하는 경우 펴지면서 위로 휘어질 수 있는데, 이 때 압축 방향과 반대 방향으로 압전체(103) 및 고정체(102)가 휘는 것을 방지체(105)가 방지함으로써 변형으로 인하여 압전체(103)에 인장력이 가해지는 것을 방지할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 하중 및 타격에 의해 발생되는 외력 중 압축력이 걸리고 이를 이용하여 전기에너지를 생성할 수 있고, 인장력에 약한 성질의 압전체(103)에 주로 압축력을 가해줌으로써 압전체(103)의 손상을 방지할 수 있으며, 압전체(103)에 압축력을 걸어 줌으로써 압전체(103)가 가지는 높은 압축 응력 특성을 이용할 수 있으며, 이를 통해 압전체(103) 자체에 높은 압축력을 가할 수 있어 압전 결정에 큰 힘이 걸리는 높은 반발력과 내력을 창출할 수 있으며 그 결과 압전체(103)에서 높은 발전량을 얻을 수 있는 장점이 있다.
또한, 압축력을 사용했을 때 압전체(103) 자체의 탄성력을 충분히 사용하므로 고정체(102)에 걸리는 부담이 감소하여 고정체(102)의 변형과 손상을 막을 수 있고, 또한, 압전체(103) 자체의 탄성력을 이용하기 때문에 고정체(102)에 걸리는 부담이 감소하여 고정체(102)의 두께를 기존보다 얇게 하여 고정체(102)의 재료비 및 무게를 줄일 수 있는 장점도 있다.
한편, 이하에서는 도 6 및 도 7을 참조하여, 본 실시예처럼 압전체에 압축력이 가해지는 경우와 종래의 경우처럼 인장력이 가해지는 경우 회전수에 따른 발전량을 비교하기로 한다.
도 6은 하나의 압전체를 가지고 인장과 압축을 교대로 가할 때 회전수에 따른 발전량의 변화를 나타낸 그래프이다.
이에 도시된 것처럼, 인장력이 압전체에 가해지는 경우와 압축력이 압전체에 가해지는 경우 모두 400 내지 420 rpm에서 발전량이 최대로 나타남을 알 수 있다. 그런데, 인장력을 이용한 평균전력은 45mW 정도인 반면에, 압축력을 이용한 평균전력은 65mW 정도로 압축력을 이용한 본 실시예의 압전 하베스팅 시스템이 인장력을 이용한 시스템보다 더 높은 발전량을 얻을 수 있음을 알 수 있다.
또한, 인장력을 이용한 발전은 530rpm에서 멈추지만, 압축력을 이용한 발전은 650rpm이 넘어서도 계속 발전을 하면서 발전량이 점점 줄어듬을 도 6을 통해 알 수 있으며, 따라서 압축력을 이용한 압전 하베스팅 시스템이 인장력을 이용한 시스템보다 우수한 내구성을 구비함을 알 수 있다.
한편, 도 7은 다른 압전체를 가지고 압축력을 이용한 발전의 최적화 실험을 수행함으로써 획득된 그래프이다.
이에 도시된 것처럼, 본 실험의 경우 300rpm으로부터 회전수를 늘려갔고, 피크 파워를 지나 다시 전력량이 줄어드는 시점까지 실험을 수행하였다. 실험 결과, 대략 410rpm에서 피크 파워가 나타났고, 410rpm에서 평균전력 88mW, 최대전력 102mW 값을 나타냈다. 이 경우 도 6의 실험보다 상대적으로 많은 발전량이 나온 이유는 임피던스 매칭(부하에 최대로 전력을 전달할 수 있는 임피던스 값을 찾는 실험)을 추가적으로 했기 때문이며 이로 인해 더 많은 발전량을 얻을 수 있었다.
한편, 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
100 : 압전 하베스팅 시스템
102 : 고정체
103 : 압전체
104 : 코팅제
105 : 인장 방지체
107 : 고정지지대
A1, A2 : 중립축

Claims (9)

  1. 압전 물질로 마련되는 압전체;
    상기 압전체가 부착되는 고정체; 및
    상기 고정체의 타면에 부착되어 상기 고정체가 압축력을 받은 후 복원되는 과정에서 인장되는 것을 방지하는 인장 방지체;
    를 포함하며,
    상기 압전체는 상기 고정체가 압축되는 일면에 부착되어 상기 고정체에 압축력이 가해지는 경우 상기 압전체에 압축력이 가해짐으로써 전기에너지를 생성하는, 압축력을 이용한 압전 하베스팅 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고정체가 외팔보 타입으로 장착되는 고정지지대를 더 포함하며,
    상기 압전체가 미부착된 상기 고정체의 일 영역을 타격함으로써 상기 고정체 및 상기 압전체에 압축력을 가하는, 압축력을 이용한 압전 하베스팅 시스템.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 압전체의 일면에 코팅 처리되어 상기 압전체가 벗겨지는 것을 방지하는 코팅제를 더 포함하는, 압축력을 이용한 압전 하베스팅 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 압전체 및 상기 고정체의 두께 조절을 통해 상기 고정체의 중립축의 위치를 조절하는, 압축력을 이용한 압전 하베스팅 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 고정체는 스테인리스 스틸(stainless steel)을 이용하여 플레이트(plate) 타입으로 제조되는, 압축력을 이용한 압전 하베스팅 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 고정체와 부착되는 상기 압전체의 일면의 반대측에 장착되어 상기 압전체에 가해지는 압축력을 견디도록 하는 크랙을 더 포함하는, 압축력을 이용한 압전 하베스팅 시스템.
  8. 고정체;
    상기 고정체의 일면에 부착되며 압전 물질로 마련되는 압전체;
    상기 압전체가 미부착된 상기 고정체의 타면을 타격하는 타격부재; 및
    상기 고정체의 타면에 부착되며, 상기 압전체가 타격 방향의 반대 방향으로 휘어지는 정도를 감소시키기 위한 인장 방지체;
    를 포함하고,
    상기 고정체는 상기 타격 방향 쪽으로 휘어지는, 압축력을 이용한 압전 하베스팅 시스템.
  9. 삭제
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