KR20100061119A - 진동자 압전 발전장치 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 공기의 유동과 같은 외력에 의해 탄성적으로 진동하면서 전기를 생산할 수 있는 고효율 저비용의 진동자 압전 발전장치 및 그 제조방법에 관한 것으로, 본 발명의 진동자 압전 발전장치는, 전력채집회로가 형성되어 있는 회로기판과; 상기 회로기판에 장착되며 공기의 유동에 의해 탄성적으로 진동하는 바아형태로 된 복수개의 진동체와, 상기 진동체의 외면에 도포되어 진동체의 진동에 의해 전기를 발생시키는 압전층과, 상기 압전층의 외면에 도포되어 압전층에서 형성된 전기를 상기 회로기판의 전력채집회로로 전달하는 도전층으로 구성된 것을 특징으로 한다. 이러한 본 발명에 따르면, 제작비용이 저렴하며, 설치 공간의 한계성이 거의 없고, 공기의 유동에 의해 진동자가 진동하면서 발전이 이루어지도록 하여 외부에서 인위적인 압력을 가하지 않고도 발전이 이루어질 수 있으며 청정한 에너지를 생산할 수 있는 저비용 고효율의 진동자 압전 발전장치를 얻을 수 있다.
압전, 진동자, 산화아연, 발전장치
Description
본 발명은 진동자 압전 발전장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 공기의 유동과 같은 외력에 의해 탄성적으로 진동하면서 전기를 생산할 수 있는 고효율 저비용의 진동자 압전 발전장치 및 그 제조방법에 관한 것이다.
근래들어 석유 자원의 소비가 급증함에 따라 원유가가 꾸준히 오르고, 석유자원의 고갈이 우려되는 상황이 도래하면서 연료 효율성이 높고 대체할만한 에너지 개발 쪽에 관심이 실리게 되었다. 이에 따라 수많은 기업과 국가 연구기관들이 태양열 발전이나 풍력발전, 조력발전, 다양한 방식의 대체에너지를 개발하고 있다.
그러나, 종래의 태양열 발전은 설치 방향이 한정되고, 초기 설치 비용이 클 뿐만 아니라 일조 시간에 큰 영향을 받는 한계가 있다. 또한, 풍력발전의 경우, 사무실, 가정 등 일반 건물에 보급이 불가능할 뿐만 아니라 특정 지역에 한정된 설치된 가능하고, 초기 투자 비용이 크며, 소음 발생 등 유지 관리 비용도 많이 소요되는 문제가 있다.
최근들어 압전세라믹과 같은 압전소자를 이용하여 소형의 전자제품 등을 충 전할 수 있는 압전형 발전장치들이 개발되고 있으나, 이러한 압전형 발전장치들은 모두 외부에서 사람 또는 기구로 지속적인 압력이나 충격을 가해주어야만 발전이 이루어지는 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 제작비용이 저렴하며, 설치 공간의 한계성이 거의 없고, 공기의 유동에 의해 진동자가 진동하면서 발전이 이루어지도록 하여 외부에서 인위적인 압력을 가하지 않고도 발전이 이루어질 수 있으며 청정한 에너지를 생산할 수 있는 저비용 고효율의 진동자 압전 발전장치를 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 한 관점에 따르면, 전력채집회로가 형성되어 있는 회로기판과; 상기 회로기판에 장착되며 공기의 유동에 의해 탄성적으로 진동하는 바아형태로 된 복수개의 진동체와, 상기 진동체의 외면에 도포되어 진동체의 진동에 의해 전기를 발생시키는 압전층과, 상기 압전층의 외면에 도포되어 압전층에서 형성된 전기를 상기 회로기판의 전력채집회로로 전달하는 도전층으로 구성된 진동자를 포함하여 구성된 진동자 압전 발전장치가 제공된다.
본 발명의 다른 한 관점에 따르면, 고탄성 소재의 판재를 준비하는 제1단계; 상기 판재의 외면에 압전층과 도전층을 차례로 도포하는 제2단계; 리소그래피(Lithography) 공정을 통해 상기 판재를 복수개의 바아형태의 진동자 패턴으로 성형하는 제3단계; 상기 성형된 진동자 패턴의 일단부를 회로기판에 장착하는 제4단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 진동자 압전 발전장치의 제조방법이 제공된다.
이와 같은 본 발명에 따르면, 압전효과를 일으키는 미세한 진동자들이 공기의 유동에 의해 진동하면서 전력을 생산할 수 있다. 따라서, 진동자 압전 발전장치를 공기가 유동하는 건물이나 실외의 임의의 공간에 설치하여 발전을 할 수 있으므로 설치 공간의 제약이 거의 없다.
또한, 미세한 진동자를 반도체 제조공정을 이용하여 만들 수 있으므로 제작 비용이 저렴하고, 소형화가 용이하여 도시형이나 분산형, 개인형 등의 독립전원으로서 활용이 가능하다.
이와 더불어, 거의 무한한 청정 에너지를 제공할 수 있으며, 폐공기를 활용하여 진동자를 진동시킬 수도 있으므로 자원 재활용 효과도 얻을 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 진동자 압전 발전장치 및 그 제조방법의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 1 내지 도 4는 본 발명에 따른 진동자 압전 발전장치의 일 실시예의 형태를 나타낸 것으로, 도 1과 도 2에 도시된 것과 같이, 본 발명에 따른 진동자 압전 발전장치는 전력채집회로가 형성되어 있는 인쇄회로기판(PCB : Printed Circuit Board)(20)와, 상기 인쇄회로기판(20)에 전기적으로 접속되도록 장착되어 공기 유동에 의해 탄성적으로 진동하면서 전력을 발생시키는 복수개의 고탄력 진동자 어레이(100)로 구성된다.
상기 진동자 어레이(100)는 마치 빗과 같이 기다란 바아 형태를 갖는 복수개 의 진동자(10)들이 연결부(15)에 의해 일방향 또는 n×m 매트릭스 배열로 일체로 연결된 구조로 이루어진다. 물론, 이 실시예에서 진동자(10)는 직육면체 또는 원통형 바아형태로 이루어진 것을 예시하고 있지만, 이와 다른 형태,예를 들어 외측단으로 갈수록 폭이 넓어지는 바아형태 등 다양한 형태로 이루어질 수 있을 것이다.
상기 진동자 어레이(100)의 진동자(10)들은 도 3에 도시된 것과 같이, 상기 인쇄회로기판(20)에 장착되는 고탄성 소재로 된 진동체(11)와, 상기 진동체(11)의 외면에 도포되어 진동체(11)의 진동에 의해 전기를 발생시키는 압전층(12)(piezoelectric layer)과, 상기 압전층(12)의 외면에 도포되어 압전층(12)에서 형성된 전기를 상기 인쇄회로기판(20)의 전력채집회로로 전달하는 도전층(13)으로 구성된다.
상기 진동체(11)는 니켈-티타늄 합금(Ni-Ti Alloy)과 같은 고탄성의 형상기억합금 또는 비정질재료(amorphous)로 만들어진다.
그리고, 상기 압전층(12)은 외부에서 변형이 가해지면 미세전기를 발생시키는 압전효과를 갖는 산화아연(ZnO)으로 이루어지는 것이 바람직하다. 또한, 상기 도전층(13)은 전도성이 우수한 구리(Cu)를 이용하여 만들어질 수 있으나, 이외에도 다양한 도전성 재료가 이용될 수 있다.
상기 압전층(12)과 도전층(13)은 진동체(11)의 일면에만 형성될 수도 있지만, 전력 생산 효율을 극대화시키기 위해서 진동체(11)의 양면에 형성되는 것이 바람직하다. 아래의 제조방법에 대한 설명에서 자세히 설명하겠지만, 상기 압전층(12)과 도전층(13)은 스퍼터링(sputtering) 공정에 의해 진동체(11)의 외면에 증 착될 수 있다.
한편, 상기 진동자 어레이(100)는 그의 연결부(15)가 상기 인쇄회로기판(20)에 형성되는 홈(미도시)에 삽입되면서 세워진 상태로 장착되는데, 이 때, 상기 진동자 어레이(100)의 진동체(11) 끝단은 인쇄회로기판(20)의 음극을 이루는 바닥금속판(22)에 접속되고, 도전층(13)은 인쇄회로기판(20)의 양극을 이루는 상부금속패턴(21)에 접속된다. 다만, 도전층의 종류 및 진동체 구조에 따라 진동체의 양극과 음극은 바뀌는 것은 가능하므로, 상기 구조는 예시적인 경우로 하여 설명한다.
상기 인쇄회로기판(20)에 구비되는 전력채집회로는 표준 인터페이스 회로를 이용하여 구성할 수도 있지만, 도 4에 도시된 것과 SSHI(Synchronized Switching Harvesting with Inductor) 회로를 이용하여 구성할 수도 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 진동자 압전 발전장치는 공기가 유동하는 임의의 장소, 예컨데 건물의 외벽이나 지붕, 송풍유로, 풍력발전기의 날개, 송풍팬의 날개, 야외 공간 등에 장착되어, 공기의 유동에 의해 상기 진동자(10)가 탄성적으로 진동하면서 전력을 생산한다.
즉, 공기의 유동에 의해 상기 진동자(10)가 외력을 받게 되면, 진동자(10)의 고탄성 진동체(11)가 탄성적으로 진동하게 되고, 이러한 진동자(10)의 진동에 따라 압전층(12)에서 미세한 전기가 발생하게 된다. 상기 압전층(12)에서 발생된 전기는 도전층(13)을 통해서 인쇄회로기판(20)으로 흘러들어가 전력채집회로의 커패시터에 저장된다.
이와 같이 본 발명의 진동자 압전 발전장치는 진동자(10)의 진동에 의해 전 력을 생산하므로 진동자(10)의 고유진동수가 높을 수록 많은 전력을 생산할 수 있다. 진동자(10)의 고유진동수[Hz]는 진동자(10)의 길이대 직경의 비율, 즉 가로세로비(Aspect Ratio)(L/D)에 반비례한다.
아래 표는 진동자(10)의 크기에 따른 출력전력량을 나타낸다.
| AR(L/D) | 50 | 100 | 200 | 365 | 545 | 943 | 1635 |
| L(mm) | 5.0 | 10.0 | 20.0 | 36.5 | 54.5 | 94.3 | 163.5 |
| 고유진동수 [Hz] | 53000 | 13000 | 3300 | 1000 | 450 | 150 | 50 |
| Cap (C0) | 1.70E-07 | 1.70E-07 | 1.70E-07 | 1.70E-07 | |||
| Ropt | 2.94E+04 | 9.80E+03 | 3.27E+03 | 1.61E+03 | |||
| alpha | 4.14E-03 | 4.14E-03 | 4.14E-03 | 4.14E-03 | |||
| Displacement amplitude |
7.71E-04 | 4.54E-04 | 2.57E-04 | 1.80E-04 | |||
| Output Power(mW) |
1개 진동자 당 1~3 mW |
||||||
한편, 상기 진동자(10)의 진동 효율을 크게 하기 위하여, 도 5와 도 6에 도시된 것과 같이 각 진동자 어레이(100)의 진동자(10)의 외측 단부를 폴리머(polymer) 소재의 날개(30)로 일체로 연결할 수도 있다. 또한, 도면에 도시하지는 않았으나, 각각의 진동자(10)의 외면에 외측방향으로 돌출된 형태의 날개를 형성할 수도 있을 것이다.
상기 진동자(10)에 형성되는 날개(30)는 전면(全面)이 완전히 폐쇄된 형태로 이루어질 수도 있지만, 도 6에 도시된 것과 같이 다공성으로 이루어질 수도 있다.
다음으로, 도 7과 도 8을 참조하여 본 발명의 진동자 압전 발전장치를 제조하는 방법에 대해 설명한다.
먼저, 니켈-티타늄 합금(Ni-Ti Alloy) 또는 비정질재료(amorphous)의 시이 트(sheet)를 제조하고, 이 시이트를 2개의 롤러 사이를 통과시켜 압착시킴으로써 미세조직이 변화된 고탄성 판재를 준비한다(단계 S1).
그리고, 상기 고탄성 판재(11A)의 일면 또는 양면에 스퍼터(sputter)로 산화아연(ZnO)으로 된 압전층(12)과 구리(Cu)로 된 도전층(13)을 차례로 증착시킨다(S2). 이해를 돕기 위해 이와 같이 고탄성 판재(11A)에 압전층(12)과 도전층(13)의 증착이 완성된 판재를 진동자 모재(100A)로 명하여 설명한다.
이어서, 리소그래피(Lithogrphy) 공정을 통하여 상기 진동자 모재(100A)에 진동자 어레이(100)를 패터닝함으로써 도 1 및 도 2에 도시된 것과 같은 형태의 진동자 어레이(100)를 제작한다(S3). 이 때, 이후에 진동자 어레이(100)를 인쇄회로기판(20)에 장착할 때 진동자 어레이(100)의 진동체(11) 끝부분을 전극으로 활용하기 위하여 상기 진동자 어레이(100)의 구리(Cu) 도전층(13)의 일단부, 즉 인쇄회로기판(20)에 부착되는 연결부(15)의 끝단부를 에칭하여 제거한다(단계 S4).
이와 같이 제작된 진동자 어레이(100)를 바로 인쇄회로기판(20)에 장착시킬 경우 도 1 내지 도 3에 도시된 것과 같은 구조의 진동자 압전 발전장치를 만들 수 있다(단계 S6). 하지만, 도 5와 도 6에 도시된 것과 같이 진동자 어레이(100)의 외측 단부에 폴리머로 된 날개(30)를 형성하고자 할 경우, 진동자 어레이(100)의 진동자(10) 외측 단부를 폴리머 용액에 딥코팅(dip coating)한 다음, 급속 냉각/건조(rapid cooling and drying) 시킴으로써 폴리머 소재의 날개(30)를 제작한다(단계 S5).
그리고, 완성된 진동자 어레이(100)를 인쇄회로기판(20)에 세워서 전기적으 로 연결되도록 장착한다(단계 S6). 이 때, 전술한 것과 같이 진동자 어레이(100)의 고탄성 진동체(11) 끝부분은 인쇄회로기판(20)의 음극인 바닥금속판(22)에 접속되고, 도전층(13)은 인쇄회로기판(20)의 양극인 상부금속패턴(21)에 접속된다.
한편, 전술한 실시예에서는 복수개의 진동자(10)들이 일렬 또는 n × m 매트릭스 배열을 갖는 어레이 구조로 제작되어 인쇄회로기판(20)에 장착되지만, 이와 다르게 진동자(10)를 단일 개체로 제작한 다음 인쇄회로기판(20)에 장착할 수도 있을 것이다.
전술한 바와 같이 본 발명의 진동자 압전 발전장치는 많은 수의 고탄력 진동자(10)들이 탄성적으로 진동하면서 전력을 생산하므로, 외부에서 사람 또는 기계가 인위적인 힘을 가하지 않고도 공기의 유동에 의해서 많은 전력을 생산할 수 있다. 따라서, 설치 공간에 제약이 거의 없으며, 청정하고 무한한 에너지를 생산할 수 있다.
또한, 반도체 공정을 응용하여 진동자(10) 또는 진동자 어레이(100)를 용이하게 제작할 수 있고, 제작된 진동자(10) 또는 진동자 어레이(100)를 인쇄회로기판(20)에 조립하는 간단한 작업에 의해 진동자 압전 발전장치의 제작이 가능하므로 모듈화가 용이하여 원하는 발전용량에 따른 발전장치의 설계가 용이하며, 저렴한 비용으로 제작할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 진동자 압전 발전장치의 일 실시예를 나타낸 정면도
도 2는 도 1의 진동자 압전 발전장치의 측면에서 본 종단면도
도 3은 도 1의 진동자 압전 발전장치의 평면도
도 4는 도 1의 진동자 압전 발전장치의 인쇄회로기판에 구성되는 전력채집회로의 일 실시예를 나타낸 회로도
도 5는 도 1과 유사한 도면으로, 본 발명에 따른 진동자 압전 발전장치의 다른 실시예를 나타낸 정면도
도 6은 도 5의 진동자 압전 발전장치의 측면에서 본 종단면도
도 7은 본 발명에 따른 진동자 압전 발전장치의 제조방법의 일 실시예를 나타낸 순서도
도 8은 도 7의 제조방법을 도식화하여 나타낸 모식도
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 진동자 11 : 진동체
12 : 압전층 13 : 도전층
20 : 인쇄회로기판 21 : 상부금속패턴
22 : 바닥금속판 30 : 날개
100 : 진동자 어레이
Claims (18)
- 전력채집회로가 형성되어 있는 회로기판과;상기 회로기판에 장착되며 공기의 유동에 의해 탄성적으로 진동하는 바아형태로 된 복수개의 진동체와, 상기 진동체의 외면에 도포되어 진동체의 진동에 의해 전기를 발생시키는 압전층과, 상기 압전층의 외면에 도포되어 압전층에서 형성된 전기를 상기 회로기판의 전력채집회로로 전달하는 도전층으로 구성된 진동자를 포함하여 구성된 진동자 압전 발전장치.
- 제1항에 있어서, 상기 진동체들은 각각의 일단부가 동일한 소재의 연결부에 의해 일체로 연결되며, 상기 연결부가 회로기판에 전기적으로 접속되면서 장착되는 것을 특징으로 하는 진동자 압전 발전장치.
- 제1항에 있어서, 상기 복수개의 진동자의 외측 단부를 일체로 연결하면서 진동자의 일단부에 코팅된 날개를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 진동자 압전 발전장치.
- 제1항에 있어서, 상기 진동자에 부착되어 공기의 유동 저항을 증가시키는 날개를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 진동자 압전 발전장치.
- 제4항에 있어서, 상기 각각의 진동자의 날개들을 일체로 연결하는 날개연결부를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 진동자 압전 발전장치.
- 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 날개는 다공성의 폴리머 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 진동자 압전 발전장치.
- 제1항에 있어서, 상기 압전층과 도전층은 진동체의 양면에 도포된 것을 특징으로 하는 진동자 압전 발전장치.
- 제1항에 있어서, 상기 진동체는 니켈-티타늄 합금(Ni-Ti Alloy) 또는 비정질재료(amorphous) 로 이루어진 것을 특징으로 하는 진동자 압전 발전장치.
- 제1항에 있어서, 상기 압전층은 산화아연(ZnO)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 진동자 압전 발전장치.
- 제1항에 있어서, 상기 도전층은 구리(Cu)로 이루어진 것을 특징으로 하는 진동자 압전 발전장치.
- 고탄성 소재의 판재를 준비하는 제1단계;상기 판재의 외면에 압전층과 도전층을 차례로 도포하는 제2단계;리소그래피(Lithography) 공정을 통해 상기 판재를 복수개의 바아형태의 진동자 패턴으로 성형하는 제3단계;상기 성형된 진동자 패턴의 일단부를 회로기판에 장착하는 제4단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 진동자 압전 발전장치의 제조방법.
- 제11항에 있어서, 상기 제1단계에서 사용하는 고탄성 소재는 니켈-티타늄 합금(Ni-Ti Alloy) 또는 비정질재료(amorphous), 상기 제2단계에서 형성되는 압전층은 산화아연(ZnO)으로 이루어지고, 도전층은 구리(Cu)로 이루어진 것을 특징으로 하는 진동자 압전 발전장치의 제조방법.
- 제11항에 있어서, 상기 제1단계에서는 고탄성 소재의 판재를 2개의 롤(roll) 사이를 통과하여 압착시키면서 미세조직 또는 두께를 변화시키는 것을 특징으로 하는 진동자 압전 발전장치의 제조방법.
- 제11항에 있어서, 상기 제2단계에서 압전층과 도전층은 스퍼터(sputter) 증착에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 진동자 압전 발전장치의 제조방법.
- 제11항에 있어서, 상기 제3단계에서 형성되는 진동자 패턴은 바아형태로 된복수개의 진동자들이 서로 일정 간격으로 나란하게 배열된 상태에서 각각의 일단부들이 서로 일체로 연결된 형태를 가지며 진동자 어레이 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 진동자 압전 발전장치의 제조방법.
- 제11항에 있어서, 상기 제3단계에서 진동자 패턴을 형성한 후, 에칭 공정을 통해 진동자 패턴의 도전층의 끝단부를 제거하는 것을 특징으로 하는 진동자 압전 발전장치의 제조방법.
- 제11항에 있어서, 상기 제3단계를 수행한 후, 진동자 패턴의 진동자들의 외측 단부를 폴리머(polymer)로 서로 일체로 연결하는 것을 특징으로 하는 진동자 압전 발전장치의 제조방법.
- 제17항에 있어서, 상기 폴리머는 딥코팅(dip coating) 후 급속 냉각 및 건조(rapid cooling/drying) 방식으로 진동자들의 끝단부에 코팅되며 일체로 연결되는 것을 특징으로 하는 진동자 압전 발전장치의 제조방법.
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|---|---|---|---|
| KR1020080120013A KR20100061119A (ko) | 2008-11-28 | 2008-11-28 | 진동자 압전 발전장치 및 그 제조방법 |
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ID=42361948
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107547005A (zh) * | 2017-09-14 | 2018-01-05 | 苏州迈客荣自动化技术有限公司 | 一种新型压电陶瓷致动器 |
-
2008
- 2008-11-28 KR KR1020080120013A patent/KR20100061119A/ko not_active Application Discontinuation
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