KR101682961B1 - 압전 전력 발생 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 압전 전력 발생 장치에 관한 것으로서, 특히 압전 소자의 15 모드의 발전을 가능하게 하는 구조를 포함한 압전 전력 발생 장치에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 압전 전력 발생 장치는, 구조물의 상면에 순서대로 적층된 제 1 탄성 부재; 압전 소자; 및 제 2 탄성 부재를 포함하고, 상기 압전 소자는, 압전체; 상기 압전체의 윗면과 아랫면에 서로 동일한 형태로 투영되도록 상하 방향으로 중첩되어 배치된 한 쌍의 제 1 전극 패턴들; 및 상기 압전체의 윗면과 아랫면에 서로 동일한 형태로 투영되도록 상하 방향으로 중첩되어 배치되며 상기 제 1 전극 패턴들 각각과 서로 맞물리는(interdigited) 형태로 배치된 제 2 전극 패턴들을 포함하고, 상기 제 1 탄성 부재 및 상기 제 2 탄성 부재는 긴 막대 형태를 가지며 한쪽 끝은 상기 구조물의 상면에 부착되어 있고 나머지 끝은 상기 구조물에 의해 지지되지 아니하도록 배치되며, 상기 제 1 탄성 부재와 상기 제 2 탄성 부재의 구조물에 의해 지지되지 아니하는 끝이 각각 상기 구조물로부터 멀어지는 방향은 서로 상이하고, 상기 제 1 탄성 부재 및 상기 제 2 탄성 부재의 구조물에 의해 지지되지 아니한 끝단에는 질량체가 부착되어 있으며, 상기 제 1 탄성 부재 및 상기 제 2 탄성 부재 중 어느 하나 이상의 상기 구조물에 지지되지 않는 부분의 윗면 및 아랫면 중 어느 하나 이상에, 추가적인 압전 소자가 배치되고, 상기 구조물의 진동 및 질량체에 의한 진동 에너지를 이용해 상기 압전 소자에 의한 에너지 하베스팅이 이루어진다.
한편, 본 발명은 압전 전략 발생 장치를 청구하고 있으나, 실시예에 따라 액츄에이터 (actuator)로도 이용 가능할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 압전 전력 발생 장치는, 구조물의 상면에 순서대로 적층된 제 1 탄성 부재; 압전 소자; 및 제 2 탄성 부재를 포함하고, 상기 압전 소자는, 압전체; 상기 압전체의 윗면과 아랫면에 서로 동일한 형태로 투영되도록 상하 방향으로 중첩되어 배치된 한 쌍의 제 1 전극 패턴들; 및 상기 압전체의 윗면과 아랫면에 서로 동일한 형태로 투영되도록 상하 방향으로 중첩되어 배치되며 상기 제 1 전극 패턴들 각각과 서로 맞물리는(interdigited) 형태로 배치된 제 2 전극 패턴들을 포함하고, 상기 제 1 탄성 부재 및 상기 제 2 탄성 부재는 긴 막대 형태를 가지며 한쪽 끝은 상기 구조물의 상면에 부착되어 있고 나머지 끝은 상기 구조물에 의해 지지되지 아니하도록 배치되며, 상기 제 1 탄성 부재와 상기 제 2 탄성 부재의 구조물에 의해 지지되지 아니하는 끝이 각각 상기 구조물로부터 멀어지는 방향은 서로 상이하고, 상기 제 1 탄성 부재 및 상기 제 2 탄성 부재의 구조물에 의해 지지되지 아니한 끝단에는 질량체가 부착되어 있으며, 상기 제 1 탄성 부재 및 상기 제 2 탄성 부재 중 어느 하나 이상의 상기 구조물에 지지되지 않는 부분의 윗면 및 아랫면 중 어느 하나 이상에, 추가적인 압전 소자가 배치되고, 상기 구조물의 진동 및 질량체에 의한 진동 에너지를 이용해 상기 압전 소자에 의한 에너지 하베스팅이 이루어진다.
한편, 본 발명은 압전 전략 발생 장치를 청구하고 있으나, 실시예에 따라 액츄에이터 (actuator)로도 이용 가능할 수 있다.
Description
본 발명은 압전 전력 발생 장치에 관한 것으로서, 특히 압전 소자의 15 모드 및 33 모드의 발전을 함께 가능하게 하는 구조를 포함한 압전 전력 발생 장치에 관한 것이다.
에너지 하베스팅(energy harvesting)은 예를 들어 태양광 에너지를 전기 에너지로 변환하는 것과 같이, A 에너지를 이와 상이한 성질을 갖는 B 에너지로 변환하는 것을 의미한다.
이중 압전 에너지 하베스팅은 외부로부터 기계적 변형을 가하면 전기분극이 나타나는 현상을 이용한 압전 재료(piezoelectric materials)를 매개체로 하여 외부의 기계적 에너지를 압전 재료의 변형에 의하여 전기 에너지로 변환시키는 것을 말한다.
이러한 에너지 하베스팅 기술은 이동통신기기나 휴대폰 등에서 별도의 전력을 사용하지 아니하고 전기를 발생시키는데 이용되고 있다.
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.
압전체는 극성물질로서 분극방향과, 압전체 양면에 형성된 전극방향, 그리고 압전체가 변형되는 방향과 같이 3가지 독립된 방향에 따라 기본 진동모드가 존재한다. 압전 발전기에서 사용되는 압전체의 기본 진동모드는 대표적으로 다음과 같은 3가지 '31 모드', '33 모드', '15 모드'가 있다.
종래의 압전 발전기는 대부분 31 모드 또는 33 모드만을 이용하고 있었으나, 이와 같이 한가지 모드로만 이용할 경우 발전량을 향상시키는데 제한되므로, 본 발명에서는 15 모드를 이용하는 구조를 제시함으로써 발전량을 향상시키고자 한다.
또한, 15 모드는 31 모드나 33 모드에 비해 압전 전하 계수(piezoelectric charge d coefficient) 및 압전 커플링 팩터(piezoelectric coupling factor)가 훨씬 높기 때문에 15 모드를 이용한 구조가 발전량 측면에서 훨씬 유리하다.
본 발명은 종래 기술의 압전 전력 발생 장치에서 이용하지 않았던 15 모드를 이용한 구조를 제시함으로써 전력 발생 장치의 발전량을 향상시키고자 함을 그 목적으로 한다. 특히, 본 발명에서는 15모드와 33모드를 함께 이용함으로써 더욱 전력 발생 장치의 발전량을 향상시키고자 한다.
본 발명의 압전 전력 발생 장치는 15 모드를 응용한 압전 전력 발생 장치로서 15 모드를 이용함으로써 발전량 측면에서 유리하다. 한편, 본 발명의 압전 전력 발생 장치에서는 15 모드만을 포함하는 것은 아니고, 다른 모드도 포함할 수 있음은 당연하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 압전 전력 발생 장치는, 구조물의 상면에 순서대로 적층된 제 1 탄성 부재; 압전 소자; 및 제 2 탄성 부재를 포함하고, 상기 압전 소자는, 압전체; 상기 압전체의 윗면과 아랫면에 서로 동일한 형태로 투영되도록 상하 방향으로 중첩되어 배치된 한 쌍의 제 1 전극 패턴들; 및 상기 압전체의 윗면과 아랫면에 서로 동일한 형태로 투영되도록 상하 방향으로 중첩되어 배치되며 상기 제 1 전극 패턴들 각각과 서로 맞물리는(interdigited) 형태로 배치된 제 2 전극 패턴들을 포함하고, 상기 제 1 탄성 부재 및 상기 제 2 탄성 부재는 긴 막대 형태를 가지며 한쪽 끝은 상기 구조물의 상면에 부착되어 있고 나머지 끝은 상기 구조물에 의해 지지되지 아니하도록 배치되며, 상기 제 1 탄성 부재와 상기 제 2 탄성 부재의 구조물에 의해 지지되지 아니하는 끝이 각각 상기 구조물로부터 멀어지는 방향은 서로 상이하고, 상기 제 1 탄성 부재 및 상기 제 2 탄성 부재의 구조물에 의해 지지되지 아니한 끝단에는 질량체가 부착되어 있으며, 상기 제 1 탄성 부재 및 상기 제 2 탄성 부재 중 어느 하나 이상의 상기 구조물에 지지되지 않는 부분의 윗면 및 아랫면 중 어느 하나 이상에, 추가적인 압전 소자가 배치되고, 상기 구조물의 진동 및 질량체에 의한 진동 에너지를 이용해 상기 압전 소자에 의한 에너지 하베스팅이 이루어진다.
상기 추가적인 압전 소자는, 압전체; 상기 압전체의 윗면과 아랫면에 서로 동일한 형태로 투영되도록 상하 방향으로 중첩되어 배치된 한 쌍의 제 1 전극 패턴들; 및 상기 압전체의 윗면과 아랫면에 서로 동일한 형태로 투영되도록 상하 방향으로 중첩되어 배치되며 상기 제 1 전극 패턴들 각각과 서로 맞물리는 형태로 배치된 제 2 전극 패턴들을 포함한다.
상기 제 1 전극 패턴들 및 상기 제 2 전극 패턴들은, 상면에 배치된 제 1 전극 패턴 및 제 2 전극 패턴과 하면에 배치된 제 1 전극 패턴 및 제 2 전극 패턴의 극성이 상이하다.
상기 제 1 탄성 부재와 상기 제 2 탄성 부재의 구조물에 의해 지지되지 아니하는 끝이 각각 상기 구조물로부터 멀어지는 방향이 정반대 방향이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 압전 전력 발생 장치는, 구조물의 상면에 순서대로 적층된 제 1 탄성 부재; 압전 소자; 및 제 2 탄성 부재를 포함하고, 상기 압전 소자는, 압전체; 상기 압전체의 윗면과 아랫면에 서로 동일한 형태로 투영되도록 상하 방향으로 중첩되어 배치된 한 쌍의 제 1 전극 패턴들; 상기 압전체의 윗면과 아랫면에 서로 동일한 형태로 투영되도록 상하 방향으로 중첩되어 배치되며 상기 제 1 전극 패턴들 각각과 서로 맞물리는(interdigited) 형태로 배치된 제 2 전극 패턴들; 및 상기 압전체의 윗면과 아랫면에 서로 동일한 형태로 투영되도록 상하 방향으로 중첩되어 배치되며, 상기 제 1 패턴들 및 상기 제 2 패턴들과 서로 연결되지 아니한 채로 서로 맞물리게 배치된 상기 제 1 패턴들 및 상기 제 2 패턴들의 공간 사이로 지그재그 형태로 연장되어 배치되어 있는 제 3 전극 패턴들을 포함하고, 상기 제 1 탄성 부재 및 상기 제 2 탄성 부재는 긴 막대 형태를 가지며 한쪽 끝은 상기 구조물의 상면에 부착되어 있고 나머지 끝은 상기 구조물에 의해 지지되지 아니하도록 배치되며, 상기 제 1 탄성 부재와 상기 제 2 탄성 부재의 구조물에 의해 지지되지 아니하는 끝이 각각 상기 구조물로부터 멀어지는 방향은 서로 상이하고, 상기 제 1 탄성 부재 및 상기 제 2 탄성 부재의 구조물에 의해 지지되지 아니한 끝단에는 질량체가 부착되어 있으며, 상기 제 1 탄성 부재 및 상기 제 2 탄성 부재 중 어느 하나 이상의 상기 구조물에 지지되지 않는 부분의 윗면 및 아랫면 중 어느 하나 이상에, 추가적인 압전 소자가 배치되고, 상기 구조물의 진동 및 질량체에 의한 진동 에너지를 이용해 상기 압전 소자에 의한 에너지 하베스팅이 이루어진다.
상기 추가적인 압전 소자는, 압전체; 상기 압전체의 윗면과 아랫면에 서로 동일한 형태로 투영되도록 상하 방향으로 중첩되어 배치된 한 쌍의 제 1 전극 패턴들; 및 상기 압전체의 윗면과 아랫면에 서로 동일한 형태로 투영되도록 상하 방향으로 중첩되어 배치되며 상기 제 1 전극 패턴들 각각과 서로 맞물리는 형태로 배치된 제 2 전극 패턴들을 포함한다.
상기 제 1 전극 패턴들, 상기 제 2 전극 패턴들; 및 상기 제 3 전극 패턴들은, 상면에 배치된 제 1 전극 패턴, 제 2 전극 패턴 및 제 3 전극 패턴과 하면에 배치된 제 1 전극 패턴, 제 2 전극 패턴 및 제 3 전극 패턴의 극성이 상이하다.
상기 제 1 탄성 부재와 상기 제 2 탄성 부재의 구조물에 의해 지지되지 아니하는 끝이 각각 상기 구조물로부터 멀어지는 방향이 정반대 방향이다.
본 발명에 따르면, 15 모드를 이용한 압전 에너지 발전이 가능하므로 전력 발생 장치의 발전량이 크다는 장점을 갖는다.
또한, 15모드와 함께 기존의 33 모드를 함께 이용함으로써 발전량을 추가적으로 증가시킬 수 있다는 장점을 갖는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 전력 발생 장치의 측면도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 소자의 모식도를 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 소자의 폴링시의 모식도를 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 소자의 구동시의 모식도를 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 소자의 15모드 구동시의 쉬어 스트레스의 방향을 나타낸다.
도 6은 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 압전 소자의 폴링시의 모식도를 도시한다.
도 7은 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 압전 소자의 구동시의 모식도를 도시한다.
도 8은 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 압전 소자의 15모드 구동시의 쉬어 스트레스의 방향을 나타낸다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 압전 전력 발생 장치의 측면도를 도시한다.
다양한 실시예들이 이제 도면을 참조하여 설명되며, 전체 도면에서 걸쳐 유사한 도면번호는 유사한 엘리먼트를 나타내기 위해서 사용된다. 설명을 위해 본 명세서에서, 다양한 설명들이 본 발명의 이해를 제공하기 위해서 제시된다. 그러나 이러한 실시예들은 이러한 특정 설명 없이도 실행될 수 있음이 명백하다. 다른 예들에서, 공지된 구조 및 장치들은 실시예들의 설명을 용이하게 하기 위해서 블록 다이아그램 형태로 제시된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 소자의 모식도를 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 소자의 폴링시의 모식도를 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 소자의 구동시의 모식도를 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 소자의 15모드 구동시의 쉬어 스트레스의 방향을 나타낸다.
도 6은 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 압전 소자의 폴링시의 모식도를 도시한다.
도 7은 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 압전 소자의 구동시의 모식도를 도시한다.
도 8은 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 압전 소자의 15모드 구동시의 쉬어 스트레스의 방향을 나타낸다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 압전 전력 발생 장치의 측면도를 도시한다.
다양한 실시예들이 이제 도면을 참조하여 설명되며, 전체 도면에서 걸쳐 유사한 도면번호는 유사한 엘리먼트를 나타내기 위해서 사용된다. 설명을 위해 본 명세서에서, 다양한 설명들이 본 발명의 이해를 제공하기 위해서 제시된다. 그러나 이러한 실시예들은 이러한 특정 설명 없이도 실행될 수 있음이 명백하다. 다른 예들에서, 공지된 구조 및 장치들은 실시예들의 설명을 용이하게 하기 위해서 블록 다이아그램 형태로 제시된다.
하기 설명은 본 발명의 실시예에 대한 기본적인 이해를 제공하기 위해서 하나 이상의 실시예들의 간략화된 설명을 제공한다. 본 섹션은 모든 가능한 실시예들에 대한 포괄적인 개요는 아니며, 모든 엘리먼트들 중 핵심 엘리먼트를 식별하거나, 모든 실시예의 범위를 커버하고자 할 의도도 아니다. 그 유일한 목적은 후에 제시되는 상세한 설명에 대한 도입부로서 간략화된 형태로 하나 이상의 실시예들의 개념을 제공하기 위함이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 압전 전력 발생 장치는, 구조물의 상면에 순서대로 적층된 제 1 탄성 부재; 압전 소자; 및 제 2 탄성 부재를 포함하고, 상기 압전 소자는, 압전체; 상기 압전체의 윗면과 아랫면에 서로 동일한 형태로 투영되도록 상하 방향으로 중첩되어 배치된 한 쌍의 제 1 전극 패턴들; 및 상기 압전체의 윗면과 아랫면에 서로 동일한 형태로 투영되도록 상하 방향으로 중첩되어 배치되며 상기 제 1 전극 패턴들 각각과 서로 맞물리는(interdigited) 형태로 배치된 제 2 전극 패턴들을 포함하고, 상기 제 1 탄성 부재 및 상기 제 2 탄성 부재는 긴 막대 형태를 가지며 한쪽 끝은 상기 구조물의 상면에 부착되어 있고 나머지 끝은 상기 구조물에 의해 지지되지 아니하도록 배치되며, 상기 제 1 탄성 부재와 상기 제 2 탄성 부재의 구조물에 의해 지지되지 아니하는 끝이 각각 상기 구조물로부터 멀어지는 방향은 서로 상이하고, 상기 제 1 탄성 부재 및 상기 제 2 탄성 부재의 구조물에 의해 지지되지 아니한 끝단에는 질량체가 부착되어 있으며, 상기 제 1 탄성 부재 및 상기 제 2 탄성 부재 중 어느 하나 이상의 상기 구조물에 지지되지 않는 부분의 윗면 및 아랫면 중 어느 하나 이상에, 추가적인 압전 소자가 배치되고, 상기 구조물의 진동 및 질량체에 의한 진동 에너지를 이용해 상기 압전 소자에 의한 에너지 하베스팅이 이루어진다.
이러한 본 발명의 압전 전력 발생 장치를 설명하기 위해 이하에서 순차적으로 내용을 설명하도록 하겠다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 전력 발생 장치의 측면도를 도시한다. 도 1에서 보는 것처럼, 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 전력 발생 장치는, 구조물(10)의 상면에 순서대로 적층된 제 1 탄성 부재(20); 압전 소자(40); 및 제 2 탄성 부재(30)를 포함하고, 도 1에서 도시된 것처럼 추가적인 압전 소자가 제 1 탄성 부재(20) 및 제 2 탄성 부재(30)에 배치될 수 있다.
구조물(10)은 캔틸레버 형태의 전력 발생 장치를 만들기 위해 제 1 탄성 부재(20); 압전 소자(40); 및 제 2 탄성 부재(30) 등을 지지하는 것으로서, 특별한 형상이나 재질에 제한은 없다.
제 1 탄성 부재(20) 및 제 2 탄성 부재(30)는 도 1에서 도시된 것처럼, 긴 막대 형태를 갖는다. 캔틸레버 형태가 되기 위해서 두 탄성 부재 모두 일 끝은 구조물의 상면에 부착되고, 나머지 끝은 구조물에 의해 지지되지 않고 외부로 허공에 위치한다. 이러한 외부로 허공에 위치한 끝에 질량체(25, 35)가 부착되며, 이에 의해 캔틸레버 형태의 전력 발생 장치가 만들어진다.
제 1 탄성 부재와 제 2 탄성 부재는 탄성력을 가진 재질이면 어떤 것이든 가능하며, 예를 들어 판스프링 등이 이용될 수 있다.
질량체(25, 35)의 경우 재질 및 형태에 특별한 제한은 없다.
한편, 본 발명에서는 15 모드를 이용한 압전 에너지 발전이 가능하도록 하기 위해서 제 1 탄성 부재와 제 2 탄성 부재의 외부로 허공에 위치한 끝의 방향, 즉 구조물로부터 멀어지는 방향이 서로 상이해야 한다. 왜냐하면 제 1 탄성 부재(20) 및 제 2 탄성 부재(30) 사이에 배치되는 압전 소자(40)의 위 아래에 서로 상이한 방향으로 힘이 걸려야 쉬어 스트레스(shear stress)가 인가되어 15 모드를 이용한 압전 에너지 발전이 가능하기 때문이다.
본 발명의 압전 전력 발생 장치는 15 모드를 응용한 압전 전력 발생 장치로서 15 모드를 이용함으로써 발전량 측면에서 유리하다. 한편, 본 발명의 압전 전력 발생 장치에서는 15모드만을 포함하는 것은 아니고, 다른 모드도 포함할 수 있음은 당연하다.
이 경우 제 1 탄성 부재(20) 및 제 2 탄성 부재(30)의 멀어지는 방향이 서로 정반대로 되는 것이 가장 바람직한데, 이와 같이 서로 멀어지는 방향이 정반대인 경우 압전 소자의 위쪽에 걸리는 힘의 방향과 압전 소자의 아래쪽에 걸리는 힘의 방향이 정반대로 되어 가장 큰 쉬어 스트레스 효과를 얻을 수 있기 때문이다. 즉, 도 1에서와 같이 제 1 탄성부재(20)와 제 2 탄성부재(30)의 방향이 좌우로 서로 정반대로 멀어지는 경우, 위에서 설명한 것과 같은 구성을 포함한 본 발명에 따른 압전 전력 발생 장치는 구조물의 진동과 질량체에 의한 진동 에너지를 이용하여 최종적으로 압전 소자에 의한 에너지 하베스팅이 이루어지고, 이 경우 15모드를 이용한 에너지 하베스팅이 가능하게 된다.
압전 소자(40)는 제 1 탄성부재(20)와 제 2 탄성부재(30) 사이에 배치되며, 이러한 압전 소자(40)는 압전체; 상기 압전체의 윗면과 아랫면에 서로 동일한 형태로 투영되도록 상하 방향으로 중첩되어 배치된 한 쌍의 제 1 전극 패턴들; 및 상기 압전체의 윗면과 아랫면에 서로 동일한 형태로 투영되도록 상하 방향으로 중첩되어 배치되며 상기 제 1 전극 패턴들 각각과 서로 맞물리는(interdigited) 형태로 배치된 제 2 전극 패턴들을 포함한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 소자의 모식도를 도시하며, 도 2에서 보는 것처럼, 압전체(PZ) 및 전극 패턴들(110, 210, 120, 220)을 포함한다.
압전체(PZ)는 압전성을 갖는 재료로 형성된 것으로, 특별히 한정되지 않는다. 상기 압전 재료의 예로서는, 압전 세라믹, 세라믹/폴리머 복합체 등을 들 수 있다.
한 쌍의 제 1 전극 패턴들(110, 210)은 압전체의 윗면과 아랫면에 서로 동일한 형태로 투영되도록 상하 방향으로 중첩되어 배치된다.
한 쌍의 제 2 전극 패턴들(120, 220)은 압전체의 윗면과 아랫면에 서로 동일한 형태로 투영되도록 상하 방향으로 중첩되어 배치되며 상기 제 1 전극 패턴들 각각과 서로 맞물리는(interdigited) 형태로 배치된다.
동일 평면상에서, 서로 맞물리도록 배치된 제1 전극 패턴들(110, 210)과 제2 전극 패턴들(120, 220) 사이의 이격 영역이 압전체(PZ)의“압전 활성 영역”이 된다. 압전 활성 영역의 분극 방향에 대해서는 후술하기로 한다.
제1 전극 패턴들(110, 210)은 제1 방향(D1)으로 연장된 몸체 전극과 그 몸체 전극으로부터 제2 방향(D2)으로 분기되고 서로 이격된 복수의 서브 전극들을 포함한다. 제2 전극 패턴들(120, 220)도 동일하게 몸체 전극과 서브 전극들을 포함하며, 동일 평면 상에서 제2 전극 패턴들(120, 220)의 서브 전극들이 제1 전극 패턴들(110, 210)의 서브 전극들과 제1 방향(D1)을 따라 번갈아 배열된다.
압전체(PZ)는 한 쌍의 제1 전극 패턴들(110, 210) 사이에 개재되어 배치된다. 또한, 압전체(PZ)는 한 쌍의 제2 전극 패턴들(120, 220) 사이에 개재되어 배치된다. 즉, 압전체(PZ)의 제1 측면에 1개의 제1 전극 패턴(110) 및 1개의 제2 전극 패턴(120)이 형성되어 제1 전극 패턴(110)과 제2 전극 패턴(120)이 한 쌍을 이룰 수 있다.
제1 전극 패턴들(110, 210)과 제2 전극 패턴들(120, 220)은 금속 증착(deposition) 후 식각(etching) 공정이나, 직접 레이저 플레이팅, 스크린 프린팅, 잉크젯 프린팅 또는 스퍼터링에 의해서 압전체(PZ) 상에 형성될 수 있다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 소자의 제작 이후의 폴링 및 구동시의 모습을 도시한다.
도 3에서 보는 것처럼, 폴링시에는 제 1 전극 패턴(110, 210)과 제 2 전극 패턴(120, 220)에 서로 상이한 전압을 걸어서, 즉 어느 하나의 패턴은 (+) 전압을 걸고 나머지 하나의 패턴에는 (-) 전압을 걸어서 폴링을 시키게 된다. 폴링 이후의 압전 소자의 폴링 방향은 측면도에서 보는 것처럼 화살표 방향을 따라서 분극된다. 다시 말하면, 분극시 제 1 전극 패턴들 및 제 2 전극 패턴들의 전압 극성이 상이하게 걸어준다.
다음으로 분극 이후 전력 발생 장치로 이용시, 전극 패턴의 전압 극성은 제 1 전극 패턴과 제 2 전극 패턴이 서로 상이한 것이 아니고, 압전 소자의 상면 및 하면에 배치된 전극 패턴의 전압 특성이 상이하도록 만들어준다. 즉, 상면에 배치된 제 1 전극 패턴 및 제 2 전극 패턴과 하면에 배치된 제 1 전극 패턴 및 제 2 전극 패턴의 극성이 상이하게 배치된다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 소자의 15모드 구동시의 쉬어 스트레스의 방향을 나타낸다. 도 5에서 보는 것처럼 압전 소자의 윗면과 아랫면에 걸리는 힘의 방향이 서로 반대가 되고 이에 의해 쉬어 스트레스(shear stress)가 인가되며 이 경우 15 모드를 이용한 압전 에너지 하베스팅이 가능하게 된다.
도 1에서 도시된 추가적인 압전 소자는 33 모드로 발전한다.
이러한 추가적인 압전 소자는, 압전체; 상기 압전체의 윗면과 아랫면에 서로 동일한 형태로 투영되도록 상하 방향으로 중첩되어 배치된 한 쌍의 제 1 전극 패턴들; 및 상기 압전체의 윗면과 아랫면에 서로 동일한 형태로 투영되도록 상하 방향으로 중첩되어 배치되며 상기 제 1 전극 패턴들 각각과 서로 맞물리는 형태로 배치된 제 2 전극 패턴들을 포함한다. 이러한 전극 패턴들은 위에서 설명한 내용과 동일하다.
제 1 전극 패턴들 및 제 2 전극 패턴들의 분극시 전압 극성이 상이하고, 구동시에는 상면에 배치된 제 1 전극 패턴 및 제 2 전극 패턴과 하면에 배치된 제 1 전극 패턴 및 제 2 전극 패턴의 극성이 상이하게 한다.
본 발명의 추가적인 실시예에 따른 압전 전력 발생 장치는, 구조물의 상면에 순서대로 적층된 제 1 탄성 부재; 압전 소자; 및 제 2 탄성 부재를 포함하고, 상기 압전 소자는, 압전체; 상기 압전체의 윗면과 아랫면에 서로 동일한 형태로 투영되도록 상하 방향으로 중첩되어 배치된 한 쌍의 제 1 전극 패턴들; 상기 압전체의 윗면과 아랫면에 서로 동일한 형태로 투영되도록 상하 방향으로 중첩되어 배치되며 상기 제 1 전극 패턴들 각각과 서로 맞물리는(interdigited) 형태로 배치된 제 2 전극 패턴들; 및 상기 압전체의 윗면과 아랫면에 서로 동일한 형태로 투영되도록 상하 방향으로 중첩되어 배치되며, 상기 제 1 패턴들 및 상기 제 2 패턴들과 서로 연결되지 아니한 채로 서로 맞물리게 배치된 상기 제 1 패턴들 및 상기 제 2 패턴들의 공간 사이로 지그재그 형태로 연장되어 배치되어 있는 제 3 전극 패턴들을 포함하고, 상기 제 1 탄성 부재 및 상기 제 2 탄성 부재는 긴 막대 형태를 가지며 한쪽 끝은 상기 구조물의 상면에 부착되어 있고 나머지 끝은 상기 구조물에 의해 지지되지 아니하도록 배치되며, 상기 제 1 탄성 부재와 상기 제 2 탄성 부재의 구조물에 의해 지지되지 아니하는 끝이 각각 상기 구조물로부터 멀어지는 방향은 서로 상이하고, 상기 제 1 탄성 부재 및 상기 제 2 탄성 부재의 구조물에 의해 지지되지 아니한 끝단에는 질량체가 부착되어 있으며, 상기 제 1 탄성 부재 및 상기 제 2 탄성 부재 중 어느 하나 이상의 상기 구조물에 지지되지 않는 부분의 윗면 및 아랫면 중 어느 하나 이상에, 추가적인 압전 소자가 배치되고, 상기 구조물의 진동 및 질량체에 의한 진동 에너지를 이용해 상기 압전 소자에 의한 에너지 하베스팅이 이루어진다.
위의 실시예에서 설명한 내용과 중복되는 내용에 대해서는 생략하고, 이하에서는 추가적인 실시예에서 새롭게 추가된 특징들을 위주로 설명하도록 하겠다.
본 발명의 추가적인 실시에에 따른 압전 전력 발생 장치는 도 9에서 도시되어 있다.
본 발명의 추가적인 실시예에 따른 압전 전력 발생 장치는, 제 1 탄성 부재 및 제 2 탄성 부재 사이에 배치된 압전 소자의 구조가 15 모드의 전기적 출력값을 높이기 위해 전극 패턴을 추가로 배치하여 전하량을 늘여주는 구조를 가질 수 있으며, 이는 도 6 내지 8에서 도시된다.
도 6 및 7은 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 압전 소자의 폴링시의 모식도 및 구동시의 모식도를 도시한다. 도 8은 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 압전 소자의 15모드 구동시의 쉬어 스트레스의 방향을 나타낸다.
도 6 및 7에서 보는 것처럼, 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 압전 소자는, 압전체(PZ); 압전체의 윗면과 아랫면에 서로 동일한 형태로 투영되도록 상하 방향으로 중첩되어 배치된 한 쌍의 제 1 전극 패턴들; 압전체의 윗면과 아랫면에 서로 동일한 형태로 투영되도록 상하 방향으로 중첩되어 배치되며 제 1 전극 패턴들 각각과 서로 맞물리는(interdigited) 형태로 배치된 제 2 전극 패턴들; 및 압전체의 윗면과 아랫면에 서로 동일한 형태로 투영되도록 상하 방향으로 중첩되어 배치되며, 제 1 패턴들 및 제 2 패턴들과 서로 연결되지 아니한 채로 서로 맞물리게 배치된 제 1 패턴들 및 제 2 패턴들의 공간 사이로 지그재그 형태로 연장되어 배치되어 있는 제 3 전극 패턴들을 포함한다.
도 6 내지 8의 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 압전 소자는 제 1 및 제 2 전극 패턴 이외에 제 3 전극 패턴을 추가로 포함하며, 이러한 제 3 전극 패턴은 제 1 패턴들 및 제 2 패턴들과 서로 연결되지 아니한 채로 서로 맞물리게 배치된 제 1 패턴들 및 제 2 패턴들의 공간 사이로 지그재그 형태로 연장되어 배치된다.
제 3 전극 패턴이 추가적으로 배치됨으로 인하여, 15 모드로 압전 에너지 하베스팅이 일어날 때 15 모드의 전기적 출력값을 높일 수 있게 된다.
이 경우 역시 폴링시에는 도 6에서 처럼 제 1 전극 패턴과 제 2 전극 패턴에 상이한 전압 극성을 통해 폴링하고, 그 이후 구동시에는 도 7에서 처럼 압전 소자의 상면에 배치된 제 1 전극 패턴, 제 2 전극 패턴 및 제 3 전극 패턴과 하면에 배치된 제 1 전극 패턴, 제 2 전극 패턴 및 제 3 전극 패턴의 극성이 상이하도록 한다.
도 8은 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 압전 소자의 15모드 구동시의 쉬어 스트레스의 방향을 나타낸다. 도 8에서 보는 것처럼 압전 소자의 윗면과 아랫면에 걸리는 힘의 방향이 서로 반대가 되고 이에 의해 쉬어 스트레스(shear stress)가 인가되며 이 경우 15 모드를 이용한 압전 에너지 하베스팅이 가능하게 된다.
도 9에서 보는 것처럼 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 압전 전력 발생 장치는, 15 모드와 33 모드를 병합하기 위해, 제 1 탄성 부재 및 제 2 탄성 부재 중 어느 하나 이상에 이러한 탄성 부재들이 구조물에 지지되지 않는 부분의 윗면 및 아랫면 중 어느 하나 이상에 추가적인 압전 소자가 배치된다.
이러한 추가적인 압전 소자는, 압전체; 상기 압전체의 윗면과 아랫면에 서로 동일한 형태로 투영되도록 상하 방향으로 중첩되어 배치된 한 쌍의 제 1 전극 패턴들; 및 상기 압전체의 윗면과 아랫면에 서로 동일한 형태로 투영되도록 상하 방향으로 중첩되어 배치되며 상기 제 1 전극 패턴들 각각과 서로 맞물리는 형태로 배치된 제 2 전극 패턴들을 포함한다. 이러한 전극 패턴들은 위에서 설명한 내용과 동일하다.
제 1 전극 패턴들 및 제 2 전극 패턴들의 분극시 전압 극성이 상이하고, 구동시에는 상면에 배치된 제 1 전극 패턴 및 제 2 전극 패턴과 하면에 배치된 제 1 전극 패턴 및 제 2 전극 패턴의 극성이 상이하게 한다.
이와 같은 도 9에서 도시된 실시예와 같은 압전 전력 발생 장치를 이용하여 15모드에 33 모드를 병합한, 복합 모드를 이용한 압전 캔틸레버 전력 발생 장치를 구현할 수 있다.
제시된 실시예들에 대한 설명은 임의의 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 이용하거나 또는 실시할 수 있도록 제공된다. 이러한 실시예들에 대한 다양한 변형들은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이며, 여기에 정의된 일반적인 원리들은 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 그리하여, 본 발명은 여기에 제시된 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 여기에 제시된 원리들 및 신규한 특징들과 일관되는 최광의의 범위에서 해석되어야 할 것이다.
Claims (8)
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- 구조물의 상면에 순서대로 적층된 제 1 탄성 부재; 압전 소자; 및 제 2 탄성 부재를 포함하고,
상기 압전 소자는, 압전체; 상기 압전체의 윗면과 아랫면에 서로 동일한 형태로 투영되도록 상하 방향으로 중첩되어 배치된 한 쌍의 제 1 전극 패턴들; 상기 압전체의 윗면과 아랫면에 서로 동일한 형태로 투영되도록 상하 방향으로 중첩되어 배치되며 상기 제 1 전극 패턴들 각각과 서로 맞물리는(interdigited) 형태로 배치된 제 2 전극 패턴들; 및 상기 압전체의 윗면과 아랫면에 서로 동일한 형태로 투영되도록 상하 방향으로 중첩되어 배치되며, 상기 제 1 패턴들 및 상기 제 2 패턴들과 서로 연결되지 아니한 채로 서로 맞물리게 배치된 상기 제 1 패턴들 및 상기 제 2 패턴들의 공간 사이로 지그재그 형태로 연장되어 배치되어 있는 제 3 전극 패턴들을 포함하고,
상기 제 1 탄성 부재 및 상기 제 2 탄성 부재는 긴 막대 형태를 가지며 한쪽 끝은 상기 구조물의 상면에 부착되어 있고 나머지 끝은 상기 구조물에 의해 지지되지 아니하도록 배치되며,
상기 제 1 탄성 부재와 상기 제 2 탄성 부재의 구조물에 의해 지지되지 아니하는 끝이 각각 상기 구조물로부터 멀어지는 방향은 서로 상이하고,
상기 제 1 탄성 부재 및 상기 제 2 탄성 부재의 구조물에 의해 지지되지 아니한 끝단에는 질량체가 부착되어 있으며,
상기 제 1 탄성 부재 및 상기 제 2 탄성 부재 중 어느 하나 이상의 상기 구조물에 지지되지 않는 부분의 윗면 및 아랫면 중 어느 하나 이상에, 추가적인 압전 소자가 배치되고,
상기 구조물의 진동 및 질량체에 의한 진동 에너지를 이용해 상기 압전 소자에 의한 에너지 하베스팅이 이루어지는,
압전 전력 발생 장치.
- 제 5 항에 있어서,
상기 추가적인 압전 소자는,
압전체;
상기 압전체의 윗면과 아랫면에 서로 동일한 형태로 투영되도록 상하 방향으로 중첩되어 배치된 추가적인 압전 소자의 한 쌍의 제 1 전극 패턴들; 및
상기 압전체의 윗면과 아랫면에 서로 동일한 형태로 투영되도록 상하 방향으로 중첩되어 배치되며 상기 추가적인 압전 소자의 제 1 전극 패턴들 각각과 서로 맞물리는 형태로 배치된 추가적인 압전 소자의 제 2 전극 패턴들을 포함하는,
압전 전력 발생 장치.
- 제 5 항에 있어서,
상기 제 1 전극 패턴들, 상기 제 2 전극 패턴들; 및 상기 제 3 전극 패턴들은, 상면에 배치된 제 1 전극 패턴, 제 2 전극 패턴 및 제 3 전극 패턴과 하면에 배치된 제 1 전극 패턴, 제 2 전극 패턴 및 제 3 전극 패턴의 극성이 상이한,
압전 전력 발생 장치.
- 제 5 항에 있어서,
상기 제 1 탄성 부재와 상기 제 2 탄성 부재의 구조물에 의해 지지되지 아니하는 끝이 각각 상기 구조물로부터 멀어지는 방향이 정반대 방향인,
압전 전력 발생 장치.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20210007857A (ko) * | 2019-07-09 | 2021-01-20 | 금오공과대학교 산학협력단 | 압전 복합체, 그 제조방법, 및 이를 포함하는 자기전기 적층형 구조체 |
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