KR20120091718A

KR20120091718A - 무전원 압전 발전시스템

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Publication number: KR20120091718A
Application number: KR1020110011650A
Authority: KR
Inventors: 안상호; 이정렬
Original assignee: 안상호; 이정렬
Priority date: 2011-02-09
Filing date: 2011-02-09
Publication date: 2012-08-20

Abstract

본 발명은 무전원 압전 발전시스템에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무전원 압전 발전시스템은, 탄성 스프링을 가지는 적어도 하나의 태엽을 포함하고, 상기 태엽의 스프링의 동작에 의하여 기계적 탄성에너지를 발생시키는 동력발생부; 상기 동력발생부로부터의 기계적 탄성에너지에 의하여 회전되어 주기적 강제진동을 발생시키는 적어도 하나의 회전로터를 포함하는 진동발생부; 상기 진동발생부로부터의 주기적 강제진동에 의하여 전력을 발생시키는 적어도 하나의 압전소자가 적층되어 형성되는 전력발생부; 상기 전력발생부에 의하여 발생된 전력을 외부의 전력공급없이 증폭하거나 변환하는 전력증폭및변환부; 및 상기 전력증폭및변환부에 의하여 증폭되거나 변환된 전력을 이용하여 상기 구성들의 동작을 감시 및 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

무전원 압전 발전시스템 {Self power generator using PZT element without external power supplying}

본 발명은 신재생에너지 기술개발분야에서 압전소자(PZT)를 이용한 에너지 수확(energy harvesting) 방식의 단점인 낮은 에너지 수확효율, 대용량 배터리의 필요성, 전력공급의 항상성과 지속성, 응용분야의 제한 등의 문제점을 개선한 무전원 압전 발전시스템에 관한 것이다.

최근 신재생에너지 기술개발의 한 분야로서 태양광 발전, 풍력발전, 바이오에너지 등과 더불어 압전소자를 이용한 발전시스템에 대한 연구가 활발히 이루어져 왔다. 이러한 결과로 현재까지 차량통행에 의한 교각 및 도로의 진동, 철도레일의 진동, 차량 엔진과 선박, 항공기 엔진 등의 내연기관으로부터 발생되는 진동, 보행운동에 의한 진동, 빗방울의 자유낙하 운동에너지를 이용한 진동, 수상에서 파력(wave force)을 이용한 진동 등 다양한 종류의 에너지원을 이용한 자가발전시스템(self power generator)들이 발표된 바 있다. 그러나, 비주기적으로 발생되는 외부 에너지로부터 압전소자를 이용하여 에너지를 수확(energy harvesting)하는 이러한 전통적인 압전소자 발전방식은 상용 전원을 이용하여 전력을 공급하는 것과 비교할 때 압전소자의 전력생산 효율 문제와 더불어 크게 3가지 관점에서 그 응용이 매우 제한적이다.

첫 번째로는 압전소자의 전력생성 효율의 문제이다. 일반적으로 압전소자는 고유한 공진주파수를 가지고 있음으로 인해 외부 에너지원으로부터 발생되는 진동이나 압력의 발생주기와 강도에 따라 출력되는 전력응답이 상이한 소자이다. 따라서 압전소자의 고유 공진주파수와 일치하지 않는 무작위의 외부 진동이나 압력에 대해서는 전력응답이 극히 미미하기 때문에 매우 낮은 전력발생효율을 갖는다. 이에 대해 현재 나노소자와의 결합을 이용한 압전효과의 효율 개선과 더불어 교류(AC) 출력이 아닌 직류(DC) 출력 특성을 갖는 압전소자 등 많은 연구개발이 이루어지고 있으나, 이에 대한 현재 기술수준은 상용화가 가능한 기술수준과는 격차가 큰 실정이다.

두 번째로는 압전소자를 이용한 기존의 에너지 수확방식에서는 압전소자로부터 전력을 획득하기 위하여 전적으로 외부 에너지원에 의존하기 때문에 이용 가능한 외부 에너지원이 없는 환경에서는 압전소자를 이용하는 발전기의 설치 및 운용에 큰 제약이 따른다는 문제점이 있다.

세 번째로는 도로주변, 교각주변 및 내연기관 주변 등 비주기적인 외부 에너지원이 존재하는 경우에도 에너지 발생이 불연속적이며, 압전소자의 최대효율을 보장하는 고유의 진동주파수에 해당되는 주기적이고 연속적인 외부 에너지의 발생을 기대할 수 없기 때문에 필연적으로 매우 낮은 전기적 출력을 가지며, 따라서 필수적으로 오랜 시간 동안 이를 수확(harvesting)하기 위한 대용량의 배터리가 요구된다는 문제점이 있다.

또한, 배터리를 이용하는 경우에도 에너지 수확에 필요한 시간과 축적된 에너지의 소모속도는 현저한 차이가 있으므로 상용전원을 이용하는 경우와 같은 지속성(continuity)과 항상성(constancy)이 유지되기 어렵다는 문제점이 있다. 나아가, 이는 압전소자의 낮은 전력생성 효율을 고려하여 비교적 소규모 전력을 필요로 하는 응용분야에서조차 압전소자를 이용한 발전방식의 보편적 적용을 어렵게 만드는 결정적인 단점으로 작용한다.

한편, 만약 압전소자를 이용한 기존의 에너지 수확방식의 이러한 단점을 해소하여 외부 에너지원에 의존하지 않고 압전소자를 최적의 조건에서 구동할 수 있는 자체적인 진동원(vibration source)을 이용하여 압전소자의 발전효율을 극대화하고, 최초 생성된 소규모 전력을 별도의 외부전력 공급(external power supply) 없이 상용 전자기기를 구동할 수 있는 전력레벨로 확대재생산 할 수 있는 전력증폭 및 전력변환 메커니즘이 구현된다면, 이는 기존의 에너지 수확방식에 비해 월등한 에너지 생성 효율을 바탕으로 하여 응용영역의 확장을 통해 다양한 전자기기에 독립적인 전력공급원으로 활용함으로써 매우 효율적인 신재생에너지 생성수단으로써 혁신적인 에너지 절감효과를 기대할 수 있을 것이다. 이와 더불어 궁극적으로는 동작전력을 요구하는 개별적인 전자기기들이 필요한 전력을 자체적으로 생산하게 되므로, 대용량의 발전, 송전, 변전, 분전 등의 절차로 이어지는 막대한 비용이 소모되는 전통적인 전력생성 및 전력공급 패러다임을 근본적으로 변화시킬 수 있을 것이다.

따라서, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 외부에너지원의 존재여부에 따라 활용될 수 있는 응용영역이 매우 제한적인 기존의 에너지 수확(energy harvesting) 방식의 압전소자(PZT) 발전시스템과 달리, 발전기 내부에 압전소자를 구동할 수 있는 주기적 강제진동을 일으키는 기계적 동력장치를 내장하여 다양한 종류의 전자기기 내부에 장착하여 개별적인 전자기기의 독립적인 전력공급원(power source)으로 활용될 수 있는 무전원 압전 발전시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 외부전력공급 없이 독립적으로 동작하여 표준 상용전원을 이용하는 것과 대등한 수준의 즉각적이고 지속적으로 부하(load)가 요구하는 일정한 정격전력을 생산하여 전자기기를 구동할 수 있는 항상성을 제공할 수 있는 무전원 압전 발전시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은, 다양한 전자기기 구동을 위해 요구되는 전력용량에 따라 매우 용이하게 출력전력의 용량 확장을 가능하게 하여 다양한 종류의 전자기기 구동을 위한 독립적인 전력공급원으로서 광범위한 응용이 가능한 무전원 압전 발전시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 무전원 압전 발전시스템은, 탄성 스프링을 가지는 적어도 하나의 태엽을 포함하고, 상기 태엽의 스프링의 동작에 의하여 기계적 탄성에너지를 발생시키는 동력발생부; 상기 동력발생부로부터의 기계적 탄성에너지에 의하여 회전되어 주기적 강제진동을 발생시키는 적어도 하나의 회전로터(rotor)를 포함하는 진동발생부; 상기 진동발생부로부터의 주기적 강제진동에 의하여 전력을 발생시키는 적어도 하나의 압전소자가 적층되어 형성되는 전력발생부; 상기 전력발생부에 의하여 발생된 전력을 외부의 전력공급 없이 증폭하거나 변환하는 전력증폭및변환부; 및 상기 전력증폭및변환부에 의하여 증폭되거나 변환된 전력을 이용하여 상기 구성들의 동작을 감시 및 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 동력발생부는, 상기 태엽이 풀릴 때 발생하는 기계적 탄성에너지를 전달받아 회전하는 제1 기어; 미리 설정된 기어 비(gear ratio)에 따라 회전되어 일정한 레벨의 압전소자의 전기적 출력을 유도할 수 있는 토크(torque)를 전달하는 제2 기어; 상기 제2 기어에 맞물려 회전되도록 회전로터에 설치되는 캔틸레버(cantilever); 및 상기 제2 기어의 동력 전달의 주기를 제어하는 앵커(anchor)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 앵커는 템포 조절기어(tempo gear)를 포함하여 상기 태엽이 풀리는 주기를 제어할 수 있는 것을 특징으로 한다.

상기 동력발생부는, 상기 태엽이 풀릴 때 발생하는 기계적 탄성에너지를 전달받아 회전하는 제1 기어; 및 상기 제1 기어의 회전력이 회전로터에 전달되도록 상기 제1 기어의 외주연과 상기 회전로터의 회전축에 연결되어 구동되는 벨트풀리(belt pulley)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 회전로터는 그 회전시 발생되는 강제진동의 주기를 조절하기 위하여 복수 개의 캔틸레버를 설치할 수 있는 것을 특징으로 한다.

상기 전력발생부는, 회전축을 중심으로 실린더 형상을 가지도록 형성된 원통형 몸체; 상기 원통형 몸체의 내부에 다단으로 적층되어 있는 적어도 하나의 압전소자; 및 상기 원통형 몸체의 외주연에 상기 압전소자에 연결되도록 설치되어 전기에너지를 외부로 전달하는 전극(electrode);을 포함하고, 상기 회전축 상에는 회전로터가 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.

상기 동력발생부의 제1 기어와 상기 전력발생부의 구동기어 사이에는 상기 제1 기어 및 구동기어에 맞물려 회전하는 주기어가 설치될 수 있고, 상기 구동기어의 각각에는 전력발생부가 설치될 수 있는 것을 특징으로 한다.

상기 주기어는 상기 제1 기어와 벨트풀리로 연결되어 있는 것을 특징으로 한다.

상기 제1 기어와 상기 주기어사이에는 상기 제1 기어 및 구동기어에 맞물려 회전되어 상기 주기어에 동력을 전달하는 동력전달기어가 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.

상기 전력증폭및변환부는, 상기 전력발생부에 의하여 발생된 교류전력을 정류하는 정류부; 및 상기 정류부에 의하여 정류된 직류전력을 원하는 직류동작전압으로 승압하는 승압부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 전력증폭및변환부는 상기 승압부에 연결되는 스타터(starter) IC와 DC-DC 컨버터(DC-DC converter)를 더 포함할 수 있고, 상기 스타터 IC는 상기 승압부로부터 출력된 전류를 증폭하고, 이를 일정한 단위전력으로 하여 상기 DC-DC 컨버터로 공급하며, 상기 DC-DC 컨버터는 상기 단위전력의 전력변환을 수행하는 것을 특징으로 한다.

상기 전력발생부는 복수 개로 구비되어 각각 병렬로 연결될 수 있고, 상기 전력증폭및변환부는 상기 전력발생부의 각각에 연결되는 복수 개의 스타터 IC들과 DC-DC 컨버터들을 포함할 수 있고, 상기 복수 개의 스타터 IC들은 각각의 승압부로부터 출력된 전류를 증폭하고, 이를 하나의 단위전력으로 하여 상기 복수 개의 DC-DC 컨버터들로 각각 공급하며, 상기 복수 개의 DC-DC 컨버터들은 상기 단위전력들을 전기적으로 중첩(superposition)하여 상기 중첩된 단위전력들의 전력변환을 수행하여 대용량 전력소자에 공급할 수 있는 것을 특징으로 한다.

상기 대용량 전력소자는 power MOSFET(metal oxide semiconductor field effect transistor)소자, IGBT(insulated gate bipolar transistor)소자, SEPIC(single-ended primery-inductor converter) 소자 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

상기 제어부는, 선형 액츄에이터(linear actuator); 상기 선형 액츄에이터에 장착되어 상기 태엽을 감기 위하여 구동되는 전동모터; 및 상기 선형 엑츄에이터 및 전동모터의 구동을 제어하고, 상기 동력발생부, 진동발생부, 전력발생부 및 전력증폭및변환부의 동작을 감시 및 제어하는 마이크로컨트롤러를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 제어부는, 복수 개의 태엽유닛; 상기 복수 개의 태엽유닛의 일측에 장착되어 상기 태엽유닛의 태엽을 감기 위하여 구동되는 복수 개의 전동모터; 상기 복수 개의 태엽유닛의 타측에 장착되어 상기 복수 개의 전동모터의 구동을 온오프(on/off)하는 복수 개의 스위치; 및 상기 복수 개의 스위치의 온오프를 제어할 수 있는 마이크로컨트롤러를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 외부에너지원의 존재여부에 따라 활용될 수 있는 응용영역이 매우 제한적인 기존의 에너지 수확(energy harvesting) 방식의 압전소자(PZT) 발전시스템과 달리, 발전기 내부에 압전소자를 구동할 수 있는 주기적 강제진동을 일으키는 기계적 동력장치를 내장하여 다양한 종류의 전자기기 내부에 장착하여 전자기기의 전력공급원으로 활용될 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 무전원(without external power supply) 으로 동작하여 표준 상용전원을 이용하는 것과 대등한 수준의 즉각적이고 지속적으로 일정한 출력전력으로 전자기기를 구동할 수 있는 항상성을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 다양한 전자기기 구동을 위해 요구되는 전력용량에 따라 매우 용이하게 출력전력의 용량 확장을 가능하게 하여 다양한 종류의 전자기기 구동을 위한 독립적인 전력공급원으로서 광범위한 응용이 가능한 무전원 압전 발전시스템을 제공할 수 있다.

이상과 같은 본 발명에 대한 해결하고자 하는 과제, 과제 해결 수단, 효과 외의 구체적인 사항들은 다음에 기재할 실시예 및 도면들에 포함되어 있다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무전원 압전 발전시스템의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 무전원 압전 발전시스템을 보다 상세하게 설명하기 위한 블록도이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 무전원 압전 발전시스템의 동력발생부를 나타내는 도면이다
도 4a 내지 4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 무전원 압전 발전시스템의 전력발생부를 나타내는 도면이다.
도 5a 내지 5d는 본 발명의 일 실시예에 따른 무전원 압전 발전시스템의 전력증폭및변환부를 나타내는 도면이다
도 6a 및 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 무전원 압전 발전시스템의 제어부를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 무전원 압전 발전시스템의 동작을 설명하기 위한 순서도이다.

이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 다만, 첨부된 도면은 본 발명의 내용을 보다 쉽게 개시하기 위하여 설명되는 것일 뿐, 본 발명의 범위가 첨부된 도면의 범위로 한정되는 것이 아님은 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 알 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무전원 압전 발전시스템의 구성을 나타내는 블록도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 무전원 압전 발전시스템을 보다 상세하게 설명하기 위한 블록도이며, 도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 무전원 압전 발전시스템의 동력발생부를 나타내는 도면이고, 도 4a 내지 4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 무전원 압전 발전시스템의 전력발생부를 나타내는 도면이며, 도 5a 내지 5d는 본 발명의 일 실시예에 따른 무전원 압전 발전시스템의 전력증폭및변환부를 나타내는 도면이고, 도 6a 및 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 무전원 압전 발전시스템의 제어부를 나타내는 도면이다.

도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 무전원 압전 발전시스템은, 동력발생부(100), 진동발생부(200), 전력발생부(300), 전력증폭및변환부(400) 및 제어부(500)를 포함한다. 이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 무전원 압전 시스템은, 상기 동력발생부(100)인 최초 수동으로 감겨진 주 태엽(main winder)이 풀리면서 상기 주 태엽의 기계적 탄성에너지가 치차(gear) 등을 이용한 기계적 동력전달 장치(120)를 통하여 상기 전력발생부(300)인 압전소자 적층모듈(310)에 주기적 강제진동을 유발하기 위하여 상기 진동발생부(200)인 회전로터(210)를 구동시킨다.

이러한 회전로터(210)의 회전에 따라 회전로터(210) 주변에 실린더 형태로 배치된 압전소자 적층모듈(PZT condensing module)(310)에 압전소자(330)의 최대 전력출력을 유발하는 공진주파수와 일치하는 주기적 강제진동을 인가하게 되고, 이에 따라 상기 압전소자(330)로부터 발생된 단위전력이 다양한 전력소자의 조합으로 구성된 전력증폭및변환부(400)에 따라 적절한 전력레벨로 치환된다. 이 과정에 의해 획득된 전력을 상기 제어부(500)에 공급하여 상기 제어부(500)가 기동하게 되며, 상기 제어부(500)의 기동 후 실제 부하에 전력을 공급하기 위한 전력생성절차가 시작된다. 이 경우, 예비태엽은 전력생성과 내부장치의 동작의 지속성과 안정성을 유지하기 위한 것으로써, 주 태엽의 동력이 소진(expired)되기 전에 제어부(500)에 의해 기계적 동력발생원이 주 태엽에서 예비태엽으로 전환된다. 또한, 이러한 주 태엽과 예비태엽의 동력 스위칭(switching)은 제어부(500)의 제어 하에 시스템 동작의 지속성과 전력생성의 항상성을 유지하기 위하여 지속적으로 반복되며, 내부전력공급 목적이 아닌 외부 전자기기에 전력을 공급하기 위한 목적의 전력생산용 태엽모듈도 2개가 하나의 쌍(pair)을 이루어 동일한 방식으로 동력 스위칭이 이루어진다.

상기 동력발생부(100)는 탄성 스프링을 가지는 적어도 하나의 태엽(미도시)을 포함하고, 상기 태엽의 스프링의 동작에 의하여 기계적 탄성에너지를 발생시킨다. 여기서, 스프링(spring)의 탄성에너지를 이용한 태엽(110)은 기계식 고급 수제시계 등과 같은 기기에 널리 사용되고 있는 신뢰성 있고 안정적인 기계식 동력기관으로서, 시계에 적용되는 예를 들면, 고급 수제시계에 동력을 제공하기 위해 사용되는 태엽동력기관은 우수한 기계적 탄성을 갖는 특수한 합금을 이용하여 제작되어 다양한 종류의 동력전달기어(transmission gear)와 조합되어 태엽이 풀리는 힘을 1/10초 간격으로 나눌 수 있을 정도로 매우 정밀한 동력제어가 가능하며, 태엽 스프링은 손목시계와 같은 작은 크기의 태엽용량(winder barrel size)만으로도 평균적으로 72시간(3일), 길게는 240시간(10일) 분량의 탄성에너지 저장(power reserve)이 가능하다.

이러한 정밀한 시계태엽과 동력전달구조를 근간으로 하여 본 발명의 응용목적에 맞게 태엽의 용량과 동력전달계통의 구성요소, 발생 가능한 토크 등이 조정된 형태로 본 발명에 도입된 동력발생부(100)는, 도 3a에 도시된 바와 같이, 상기 태엽이 풀릴 때 발생하는 기계적 탄성에너지를 전달받아 회전하는 제1 기어(110); 미리 설정된 기어 비(gear ratio)에 따라 회전되어 일정한 레벨의 압전소자의 전기적 출력을 유도할 수 있는 토크를 전달하는 제2 기어(120); 상기 제2 기어(120)에 맞물려 회전되도록 회전로터(220)에 설치되는 캔틸레버(140); 및 상기 제2 기어(120)의 동력 전달의 주기를 제어하는 앵커(130)를 포함한다.

여기서, 상기 앵커(130)는 템포 조절기어(tempo gear)(미도시)를 포함하여 상기 태엽이 풀리는 주기를 제어할 수 있다. 상기 앵커(130)는 상기 제2 기어와 맞물려 있는 T자형 기구로서 태엽동력이 풀리는 주기를 제어하며, 상기 회전로터(220)가 유발하는 토크에도 영향을 준다. 이 주기의 조정에 의해 회전로터(220)가 압전소자(330)를 강제 진동시키는 주기를 일정하게 조정할 수 있으며, 이를 통해 크기가 고정된 단위 압전소자(330)의 최대 전력출력을 이끌어내는 고유 공진주파수와 일치하는 강제진동을 유발할 수 있다. 일반적으로 상용화된 압전소자의 고유 공진주파수는 압전소자를 구성하는 물질의 종류와 적층방식 등에 따라 다르지만 대체로 수십 Hz 이상의 고속이다. 이러한 압전소자의 공진주파수 응답특성은 압전소자의 표면에 일정한 질량을 갖는 추가물(addendum)을 장착하여 일정한 범위 내에서 하향 조정될 수 있는데, 이때는 원래의 고유 공진주파수에서 보장되는 최대출력전력 레벨을 다소 희생하는 대신 공진 주파수특성을 하향 조정하여 비교적 넓은 주파수범위에 걸쳐 상향 조정된 평균 전력응답을 얻을 수 있다. 이러한 방법과 상기 템포 조절기어와 앵커(130), 회전로터(220)에 장착된 캔틸레버의 개수를 조정하는 방법을 목적에 맞게 적절히 조합하여 비선형적인 요소가 강한 태엽 스프링의 기계적 탄성에너지를 균일하게 제어함과 동시에, 상기 압전소자의 최대 전력응답 조건과 일치하는 주기적 강제진동을 일으킬 수 있게 된다.

한편, 상기 동력발생부(100)는, 도 3b에 도시된 바와 같이, 상기 태엽이 풀릴 때 발생하는 기계적 탄성에너지를 전달받아 회전하는 제1 기어(110); 및 상기 제1 기어(110)의 회전력이 회전로터(220)에 전달되도록 상기 제1 기어(110)의 외주연과 상기 회전로터(220)의 회전축에 연결되어 구동되는 벨트풀리(150)를 포함한다. 여기서, 상기 회전로터(220)는 그 회전시 발생되는 강제진동의 주기를 조절하기 위하여 복수 개의 캔틸레버를 설치할 수 있다. 도 3b는 비선형적 요소를 내포하고 있는 기계적 탄성에너지를 기계적 요소만을 이용하여 일정하게 규격화 할 수 있는 기계적 연결을 보인 것으로서, 회전로터(220)가 장착되어 있는 원형의 축은 헤어스프링(hair spring)의 일종이다. 이를 통해, 회전로터(220)의 토크와 복원력을 강화시키는 역할을 하는 고탄성 스프링으로써 탄성계수가 높은 합금을 이용하여 회전로터(220)의 토크 발생강도를 일정한 범위 내에서 조정할 수 있다.

한편, 본 발명에서는 도 3b에 도시된 바와 같이, 동력전달 계통에 기어를 이용하는 대신 벨트풀리(belt pulley)(150)를 사용할 수 있다. 이는 기어를 이용한 동력전달계통에 비해 구현이 단순하며 비용이 적게 드는 장점이 있다. 또한, 상기 제1 기어(110)와 회전로터(220) 축 기어 사이의 기어 비를 조정하여 중간단계의 기계적 요소를 생략하여 1 대 1로 직접 연결하는 것이 가능하며, 헤어스프링 위에 장착된 회전로터(220)와 달리 회전로터(220)를 한 방향으로만 360도 회전 시켜 구동하는 것이 가능하므로, 회전로터(220)의 날개 엽(cantilever)의 개수를 증가시키면 날개 엽의 개수에 따라 회전로터(220)의 1회전 동안 압전소자(330)를 강제 진동하는 주기를 증가시킬 수 있다. 이를 통해 앵커(130) 길이의 조정과 더불어 강제진동 주기를 일정한도 내에서 세밀하게 조정이 가능하므로, 압전소자(330)의 최대 전력출력을 유발하는 고유 공진주파수와 일치하는 강제진동을 생성하기가 더욱 용이하다.

상기 진동발생부(200)는 상기 동력발생부(100)로부터의 기계적 탄성에너지에 의하여 회전되어 주기적 강제진동을 발생시키는 적어도 하나의 회전로터(220)를 포함한다.

상기 전력발생부(300)는 상기 진동발생부(200)로부터의 주기적 강제진동에 의하여 전력을 발생시키는 적어도 하나의 압전소자(330)가 적층되어 형성되어 있다.

한편, 상용 압전소자들의 외부진동이나 압력에 대한 전력출력의 민감도(sensitivity)는 사용되는 매질과 적층 방식에 따라 다소간의 성능 차이는 존재하지만 공통적으로 전압출력에 비해 전류출력이 현저히 낮은 특성을 가진다. 현재까지 상용화된 압전소자들은 평균적으로 1cm² 당 1g의 진동이나 압력이 인가되었을 때 수십 mV~ 수 V 사이의 출력전압과 수백 nC~수μC(coulomb) 정도의 출력전하량을 갖는다.

또한, 압전소자는 구성물질의 종류와 분자결합의 형태에 따라 고유한 공진주파수를 갖는데, 이와 일치하는 주기적인 외부진동이나 압력이 인가되었을 경우는 동일한 토크에 대해서 평균값의 5배 정도를 상회하는 전력이 생성된다, 일반적으로 압전소자는 출력전압에 비해 출력전하량이 현저히 낮은 특성 때문에, 전력특성을 모두 활용하지 못하고 기존에는 주로 전압출력만을 이용한 센서(sensor)로서만 활용되어진 바, 이러한 낮은 출력전하량으로 인해 에너지 수확(Energy harvesting) 시스템에 적용하는 경우에는 산발적으로 발생되는 미세전하를 대용량의 배터리를 이용하여 오랜 시간 동안 축적하는 형식으로 외부 에너지원이 존재하는 환경에 국한하여 매우 제한적인 영역에서 활용되어 왔다.

이러한 압전소자를 이용한 기존의 에너지 수확방식의 가장 큰 단점은 불규칙하게 발생되는 외부 에너지원을 이용하기 때문에, 압전소자의 공진주파수 특성을 고려한 최적 동작조건이 갖추어지지 않아 최대효율을 발생시키기 어려움과 동시에 전력생성의 지속성과 항상성이 유지되지 않아 필연적으로 배터리를 요구한다는 점이다. 이러한 단점을 해소하기 위해서는 압전소자의 최대출력을 유발하기 위해 압전소자 고유의 공진주파수와 일치하는 외부진동이나 압력이 연속적으로 인가될 필요가 있으며, 이를 위해서는 주기적 강제진동을 유발할 수 있는 동력장치가 요구되며, 이러한 동력장치는 구동을 위해 별도의 전력공급이 요구되지 않아야 한다.

또한, 출력전력이 매우 낮은, 특히 출력전압에 비해 출력 전하량이 현저히 낮은 압전소자를 이용하여 상용 전자기기들을 구동할 정도의 전력레벨로 증폭하기 위해서는 개별적인 단위 압전소자의 출력전력 레벨을 이어받아 외부의 공급전력 없이 전력을 증폭하거나 전력변환을 수행하기 위한 회로가 필수적이며, 이러한 회로의 첫 단에 사용되는 전력소자는 압전소자의 출력전력만으로 구동이 가능해야 하고, 이 소자는 반드시 전력이득을 가져야 한다. 이는 외부 전력공급 없이 단지 압전소자의 미세한 출력전력만을 이용해서 가전기기 등의 실제 부하(load)를 구동시킬 수 있을 정도로 증폭하거나 적절한 전력변환이 가능한 발전기를 구현하기 위하여 매우 중요한 사항이 된다.

한편, 최근 휴대용 IT기기들의 기능이 다양화됨에 따라 전력소모가 점차 늘어나는 추세이며, 이에 따라 배터리의 사용시간이 줄어들게 되었다. 이에 따라 기기 내부에 사용되는 소자들의 소비전력을 줄이기 위한 기술개발이 지속적으로 이루어져 왔으며, 이러한 결과로 수 ㎂ 이하의 매우 낮은 소비전류를 갖는 전력소자들이 최근 상용화되었다.

이하 본 발명에서는 상기와 같이 최근 상용화된 저전력 IC들을 압전소자를 이용한 발전시스템에서 부하가 요구하는 전력으로 확장하기 위한 전력증폭 및 변환의 출발점의 의미로 스타터(starter) IC라 명명하기로 한다.

한편, 최근 출시된 이러한 전력소자들의 특성을 살펴보면, 반도체 소자의 전력소모의 주된 요인인 내부저항과 발열문제를 획기적으로 개선시킨 제품들로써, 동작전압은 0.25V까지 낮아졌으며 동작전류는 수백 nA~ 수 ㎂에 불과한데 비해 출력전류는 수십~수백mA까지 가능하다. 따라서 소자의 구동을 위해 요구되는 전력이 매우 낮고 이에 비해 출력전력은 높은 전력이득을 갖는 IC들을 최초 압전소자(310)의 미미한 출력으로부터 응용목적에 맞는 전력레벨로 확대재생산 하기 위한 회로적 연결의 최초 출발점이 되는 시동장치(starter)로 사용하고, 미세한 압전소자(310)의 출력전력만으로는 구동하기 어려운 상대적으로 큰 구동전류를 요구하는 최종 출력단의 범용 전력 IC들 중간에 용량별로 계층적 연결 구조를 통해 적절히 조합하면 상용화된 범용 전력용 IC 소자 기술수준이 허용하는 범위 내에서 별도의 외부전력 공급 없이 전력의 증폭과 변환이 가능하게 된다. 또한, 회로적인 고려를 통하여 이들의 단위 출력전력을 병렬로 연결하면 획득 가능한 최대출력전력의 용량 확장이 매우 용이하다.

또한, 본 발명에서의 전력발생부(300)는 상술한 압전소자 적층모듈(310)로서, 도 4a에 도시된 바와 같이, 회전축(321)을 중심으로 실린더 형상을 가지도록 형성된 원통형 몸체(320); 상기 원통형 몸체(320)의 내부에 다단으로 적층되어 있는 적어도 하나의 압전소자(330); 및 상기 원통형 몸체(320)의 외주연에 상기 압전소자(330)에 연결되도록 설치되어 전기에너지를 발생시키는 전극(340);을 포함한다. 여기서, 상기 회전축(321) 상에는 회전로터(220)가 설치되어 있다.

본 발명에서는 상기 전력발생부(300)를 단위면적당 가능한 많은 수의 규격화된 단위 압전소자(330)를 장착하여 일률적으로 주기적 강제진동을 고속으로 반복할 수 있는 가장 효율적인 구조인 원통형 구조로 형성한다. 여기서, 상기 단위 압전소자(330)는, 소비전력이 매우 낮은 스타터 IC들에 동작전력을 공급할 수 있을 정도의 전기적 출력을 낼 수 있는 소자로서, PZT(lead zrconatetitanate)세라믹과 PMN-PT(lead magnesium niobate-lead titanate) 단결정 등이 사용될 수 있다. 이러한 스타터 IC들을 구동할 수 있을 정도의 전기적 출력을 갖는 상용화 압전소자의 규격은 1cm²크기에 두께는 1mm를 넘지 않으므로, 도 4a와 같은 원통형 실린더 구조에 공간이 허용되는 한 많은 압전소자를 적층하여 형성한다. 또한, 이러한 단위 압전소자(330) 하나와 스타터 IC 사이에 수동소자로만 구성된 정류부와 승압부(DC multiplier) 및 정전압/정전류 회로를 구성하여 1 대 1 대응관계로 연결한 후 스타터 IC의 출력을 병렬연결하면, 압전소자 단위적층모듈(310) 하나의 전기적 출력은 압전소자 단위적층모듈에 적층된 압전소자의 개수에 비례하여 증가될 수 있다.

예를 들면, 압전소자 적층용 실린더, 즉 원통형 몸체(320)의 크기가 지름 5cm에 길이 10cm 라면 산술적으로 1cm²(면적) X 1mm(두께) 크기의 규격화된 압전소자(330)를 백여 개 이상 적층하는 것이 가능하다. 따라서, 비교적 작은 볼륨(volume)에 상당한 수의 규격화된 단위 압전소자(330)를 적층할 수 있고, 이를 통해 전력용량을 확장시킬 수 있게 된다. 또한, 상기 압전소자(330)로부터 최초 생성된 작은 구동전력이 공급되어 1 대 1 대응관계에 놓인 스타터 IC들이 동작되면, 이러한 상용 저전력IC 들의 출력전류는 수십~수백 mA에 이르기 때문에, 이보다 높은 출력을 갖는 상위의 범용 전력 IC들을 구동하기에 충분한 출력을 갖는다.

따라서, 수동소자로 이루어진 정류 및 승압회로, 정전압/정전류 회로를 거쳐 압전소자와 연결된 최초 스타터 IC의 병렬연결을 통해 전류용량을 확장하고, 이들을 일정한 단위출력을 형성하도록 그룹화하여 규격화한 후, 적절한 용량의 DC-DC 컨버터를 이용하여 전력변환을 수행하게 한다. 이러한 과정을 달성하고자 하는 전력용량에 따라 계층적으로 다단으로 적용하여 최종 단의 파워 MOSFET 또는 IGBT 소자들(도 5c의 610)을 구동하게 되면 결과적으로 단지 회로적인 고려와 적절한 소자의 조합만으로, 상기 압전소자(330)로부터 발생된 미세한 출력전력으로부터 최종 출력 단의 범용 전력용 IC의 출력에 이르기까지 수십~수백dB 이상의 전력증폭과 전력변환이 외부의 바이어스 전원 공급 없이 가능하게 할 수 있다.

결과적으로, 수 cm²크기에 불과한 규격화된 단위 압전소자 배열(array)에 대해 주기적 강제진동을 인가하여 상용 전자기기들을 구동할 수 있을 정도의 전력을 생산하는 무전원(without external power supply) 압전발전시스템을 구성할 수 있게 된다. 또한, 이러한 방식으로 구현된 발전시스템의 최대 출력전력 레벨은 상용화된 범용의 전력생성용 IC들이 생성 가능한 최대출력 전력에 따라 다양하게 구현될 수 있다. 이는 기존의 압전소자를 이용한 에너지 수확방식과 비교할 때, 일정한 기준 전력생성용량을 달성하기 위한 구현비용과 전력생성효율, 그리고 압전발전기의 응용 영역의 확장 등, 많은 장점을 갖게 된다.

따라서, 본 발명에서는 주기적 강제진동을 인가하는 동력발생부(100) 및 진동발생부(200)와 무전원으로 전력을 확대재생산하는 전력발생부(300) 및 전력증폭및변환부(400)를 탑재한 기기를 적용하여 수~수십cm³의 체적에 킬로와트(kW) 급의 전력생산이 가능함과 동시에 소형의 모듈구현이 가능함으로써, 기존의 비효율적인 에너지 수확 시스템을 대체할 수 있을 뿐만 아니라, 휴대용 전자기기 등 소형의 전자기기에서부터 대형 냉장고, 에어컨 등 비교적 소비전력이 큰 전자기기에 이르기까지 다양한 종류와 크기를 갖는 전자제품에 구동전력을 공급하는 독립적인 전력공급원으로써 직접적인 실장이 가능하다.

만약, 특정 전자기기 구동을 위해 요구되는 전력레벨을 생성할 수 있는 단일 칩으로 이루어진 상용 전력용 IC 소자가 부재하는 경우는 이보다 낮은 출력을 갖는 단일 칩으로 이루어진 전력용 IC 출력을 회로적인 고려를 통해 병렬 연결하여 획득 가능한 최대출력전력의 용량증대가 용이하므로 산술적으로는 수십 KW 이상의 대전력 출력을 위한 회로의 조합도 가능하다.

또한, 도 4b에 도시된 바와 같이, 상기 동력발생부(100)의 제1 기어(110)와 상기 전력발생부(300)의 구동기어(112) 사이에는 상기 제1 기어(110) 및 구동기어(112)에 맞물려 회전하는 주기어(113)가 설치될 수 있고, 상기 구동기어(112)의 각각에는 전력발생부(300)가 설치될 수 있다. 여기서, 상기 주기어(113)는 상기 제1 기어(110)와 벨트풀리(150)로 연결되어 있다.

또한, 도 4c에 도시된 바와 같이, 상기 제1 기어(110)와 상기 주기어(113)사이에는 상기 제1 기어(110) 및 구동기어(112)에 맞물려 회전되어 상기 주기어(113)에 동력을 전달하는 동력전달기어(160)가 설치되어 있다.

도 4b는 벨트풀리(belt pulley)(150)를 이용하여 복수개의 단위모듈을 하나의 구동축으로 구동하는 방식을 보인 것이며, 도 4c는 벨트풀리(150) 대신 동력전달기어(160)를 삽입하여 구동하는 방식을 보인 것이다. 이러한 도 4b와 4c의 차이는 확장모듈을 구동하는 동력전달이 어떤 방식으로 이루어지는가 하는 점에 있다. 다만, 본 발명에서의 발전시스템을 적용하는 대상이 되는 전자기기가 이동이 잦거나 진동이 심한 외부 환경에서 운용되는 기기인 경우는 안정성을 위해서 동력전달이 기어에 의해서 이루어지도록 하는 것이 보다 유리하며, 고정된 전자기기에 응용하는 경우에는 비용과 구현의 난이도 측면에서 벨트와 벨트풀리를 이용한 동력전달방식이 보다 효과적이다 할 것이다.

한편, 상기 전력발생부(300)는 복수 개로 구비되어 병렬로 연결될 수 있고, 이때, 도 5c 및 도 5d에 도시된 바와 같이, 후술하는 전력증폭및변환부(400)가 상기 전력발생부(300)의 각각에 연결되는 복수 개의 DC-DC컨버터를 포함하는 전력증폭및변환부(400)로부터 출력되는 전력을 대용량 전력소자(610)에 공급할 수 있다. 즉, 배터리를 사용하지 않는 종류의 전자기기는 기기의 종류만큼이나 다양한 소비전력을 갖고 있기 때문에, 주기적 강제진동에 의해 구동되는 압전소자의 출력전력을 이용하여 이들을 구동하기 위한 전력증폭및변환부(400)의 구성은 다양한 소자의 조합과 회로적인 고려가 필요하다. 그러나, 최초로 압전소자의 출력전력만으로 구동될 수 있는 낮은 소비전력과 높은 전력이득을 갖는 스타터 IC가 사용되어야 이후의 전력변환이 가능하다는 것은 공통적으로 적용된다.

도 5c 및 5d에 도시된 바와 같이, 상기 전력증폭및변환부(400)는 배터리를 사용하지 않고 상용전원으로 구동되는 전자기기들에 필요한 전력을 공급하기 위해 최초 압전소자(330)로부터 출력된 전력을 이용하여 기기가 요구하는 전력레벨로 확대재생산하는 계층적 구조를 가질 수 있다. 도 5c의 구조는 도 5d에 보인 규격화된 전력생성 단위 UNIT의 조합(310)을 이용하여 상용 전력소자의 조합과 회로적 고려를 통하여 용량별로 단계적으로 확대재생산 되는 계층적 구조를 가지고 있는데, 이는 최초 압전소자(311a)로부터 출력된 미세전력으로 동작되는 낮은 소비전력을 갖는 스타터 IC(311d)들의 출력을 중첩하여 하나의 단위전력을 형성하고, 이러한 단위전력을 상위 레벨의 전력으로 변환하기 위하여 DC-DC 컨버터(400)를 사용하여, 상기 DC-DC 컨버터(400)에 의해 변환된 출력을 또 다시 병렬로 중첩하여 같은 방식으로 상위 레벨의 전력으로 변환하는 방식으로 이루어진 전력증폭 및 변환구조를 의미한다.

또한, 전력증폭 및 변환의 최종단은 구동하기 위한 부하의 종류와 용량 및 성격에 따라 다양한 소자들이 위치할 수 있지만, 확장 가능한 최대전력용량의 관점에서 살펴보면 최종 출력 단의 전력용 소자들은 POWER MOSFET이나 IGBT 소자들(610)과 같은 대용량 소자들이 사용된다. 이들의 최대출력은 현재 상용기술수준으로 수 KV의 고내압과 수백 A에 이르는 대용량을 가진다.

그러나, 본 발명에서는 상기 대용량 소자들의 종류를 한정하는 것은 아니며, 현재 기술수준으로 달성 가능한 최대전력용량의 한계를 가늠하기 위한 예시적 성격으로 명시한 것이다.

상기 전력증폭및변환부(400)는 상기 전력발생부(300)에 의하여 발생된 전력을 증폭하거나 변환한다.

한편, 본 발명에 사용되는 외부전력공급이 요구되지 않는 전력증폭 및 전력변환 기능을 하는 전력증폭및변환부(400)는 응용목적과 요구되는 전력용량에 따라 구체적으로는 다음과 같이 구분되어 구성될 수 있다.

첫 번째는 배터리를 사용하는 전자기기에 응용하는 경우이다. 배터리를 이용하는 전자기기는 단일 배터리(single battery) 시스템과 멀티 배터리(multi battery) 시스템으로 구분될 수 있으며, 이에 따른 구동전력이 다르므로 본 발명의 전력증폭및변환부는 이에 맞게 구분되어 구성되어야 한다. 최근 각종 전자기기에 사용되는 배터리는 리튬이온(Lithium ion)/리튬폴리머(Lithium polymer) 배터리가 일반적이므로, 이를 사용하는 전자기기를 기준으로 고려할 때 단일 리튬이온 배터리를 충전하기 위해 요구되는 TTA(Telecommunication Technology Association) 표준 정격은 4.3V/750mA로 규정되어 있다. 이러한 정격출력을 갖는 상용 배터리 충전 전용 IC들 중에서 현재까지 가장 낮은 구동전력 수준은 5V/450nA 정도이다.

전술한 바와 같이 본 발명에서 고려하고 있는 규격화된 단위 압전소자의 전기적 출력은 이러한 배터리 충전 전용 IC들을 구동하기 위한 전류출력조건은 만족하기 때문에, 단위 압전소자의 출력으로 이들을 구동하기 위해서는 단지 전압의 승압만이 요구된다. 압전소자의 출력 중에서 전압의 승압은 능동소자를 사용하지 않고도 다이오드와 콘덴서를 다단으로 연결하여 매우 용이하게 원하는 수준까지 승압이 가능하다. DC 멀티플라이어(multiplier)라고 지칭되는 이러한 목적의 회로는 코크로프트 왈톤(cockroft-walton) 멀티플라이어 구조 등이 잘 알려져 있다.

따라서, 도 5a에서 도시한 바와 같이, 단위 압전소자의 교류(AC) 출력에 대해 정류와 동시에 DC 멀티플라이어 회로를 이용하여 적절한 수준으로 전압을 승압하고 별도의 제너 다이오드(zener diode)를 이용하여 CC(constant current)와 CV(constant voltage)가 유지되도록 정전압/정전류 회로를 구성하면 주기적 강제진동에 의해 구동되는 단위 압전소자의 전기적 출력만으로 외부 전력공급 없이 단일 배터리 충전 전용 IC들을 안정적으로 직접 구동할 수 있는 전력레벨을 달성하는 것이 가능하다.

두 번째로는 멀티 배터리 시스템에 응용하는 경우이다. 노트북과 같은 대표적인 멀티 배터리 시스템의 경우 60W 소비전력 기준에 대한 노트북 충전기의 TTA 표준정격은 19V/3A 이다. 따라서, 멀티 배터리 시스템에 적용하기 위한 본 발명의 전력증폭및변환부는 이러한 요구조건에 맞도록 구성되어야 한다. 19V/3A 표준정격을 만족하는 정격출력을 갖는 멀티 배터리 시스템 충전용 IC들 역시 이미 잘 상용화되어 있으며, 이들의 구동전력은 30V/60mA 수준이다. 단일 배터리 충전 IC들과는 달리 이러한 멀티 배터리 충전 IC들은 상대적으로 높은 구동 전력을 요구하는데, 이들을 구동하기 위해 요구되는 수십 mA 급의 전류는 앞서 기술한 단일 배터리 충전 IC의 구동전류 레벨과 달리 압전소자의 출력만으로는 직접적으로 달성할 수 없는 수준이므로 단일 배터리 시스템과는 다른 전력증폭및변환 회로가 적용되어야 한다.

이를 위하여 단일 배터리 충전 IC와 적절한 용량의 DC-DC 컨버터의 조합은 이러한 목적을 위한 효과적인 해결책을 제공한다. 멀티 배터리 시스템 충전 IC를 구동하기 위한 전류증폭및변환 회로의 구성은 전술한 바와 같이 먼저 단일 배터리 시스템 충전 전용 IC를 구동하기 위한 회로를 동일하게 구성한 후, 단일 배터리 충전 IC의 출력을 적절한 용량의 DC-DC 컨버터를 이용하여 멀티 배터리 시스템 충전 IC 구동을 위한 전력레벨로 변환하는 방법을 통해 용이하게 구현될 수 있다. 즉, 도 5b를 참조하면, 상용화 단일 배터리 충전 IC의 정격출력인 4.3V/750mA 출력을 입력으로 하여 30V/60mA 출력을 갖는 DC-DC 부스터(booster) 컨버터를 이용하면 멀티 배터리 충전 IC 구동을 위한 전력으로 전력변환이 이루어질 수 있다. 이러한 목적의 상용화된 스위칭(switching) 방식의 DC-DC 부스터 컨버터는 입력전력에 대해 98%의 효율로 전력변환이 가능하며, 스위칭 방식의 특성 상 전력변환 시 손실이 매우 적고 변환하고자 하는 전력변환 레벨이 매우 세밀하고 다양하게 제어될 수 있으며, Fly-back 등 다양한 방식을 이용한 소자들이 상용화되어 있다.

세 번째로는 배터리를 사용하지 않는 전자기기에 응용하는 경우이다. 배터리를 사용하지 않는 전자기기는 기기의 종류만큼이나 다양한 레벨의 구동전력이 존재한다. 따라서, 이러한 전자기기들에 응용할 목적의 전력증폭및변환회로는 부하의 용량에 따른 전력증폭 및 변환이 자유롭게 이루어질 수 있어야 함과 동시에 서로 다른 전자기기의 개별적 정격용량에 따른 개별적 회로설계의 번거로움과 복잡함을 피하고 전력 증폭 및 변환절차의 일관성이 유지될 수 있도록 용량확장이 용이한 계층적(hierarchical) 구조를 가져야 한다. 이러한 목적을 위해 본 발명에 적용되는 배터리를 사용하지 않는 전자기기 구동을 위한 전력증폭및변환회로는 최초 압전소자의 단위출력을 이용하여 수동회로로 구성된 승압회로와 CC/CV 특성을 갖는 정전압/정전류 회로를 거쳐 스타터 IC를 구동시킨 후, 보다 상위의 전력으로 변환하기 위해서는 스타터 IC의 병렬연결을 통하여 1차적으로 전류용량을 확장한 후 DC-DC 컨버터를 이용하여 한 단계 상위레벨의 전력으로 전력변환을 수행하는 방식을 사용한다.

이보다 상위의 전력용량의 달성을 위해서는 동일한 방법으로 이러한 DC-DC 컨버터의 출력을 병렬 연결하여 전류용량을 확장한 후 다시 상위의 전력으로 변환하기 위해 적절한 용량의 DC-DC 컨버터를 이용하여 전력변환을 수행한다. 도 5c를 참조하면, 이러한 전력증폭 및 변환 절차는 목적하는 전력레벨을 달성할 때까지 각 단계마다 단위출력의 병렬연결과 DC-DC 컨버터를 이용한 전력변환이 하위레벨에서 상위레벨로 계층적 구조를 가지고 반복된다. 그리고 이러한 전력변환의 최종 단에는 궁극적으로 현재 기술수준으로 단일 소자로는 최대용량을 갖는 POWER MOSFET이나 IGBT 소자 등이 위치하게 되며, 이들 소자의 전력용량은 수 KV의 내압과 수백A에 이른다.

상술한 바와 같은 3가지의 경우의 다양한 시스템에 적용한 전력증폭및변환부(400)에 대하여 도 5a 내지 5c를 참조로 하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.

상기 전력증폭및변환부(400)는, 도 5a에 도시된 바와 같이, 상기 전력발생부(300)에 의하여 발생된 교류전력을 정류하는 정류부(410, Rectifier); 및 상기 정류부(410, Rectifier)에 의하여 정류된 직류전력을 부하가 요구하는 직류동작전압으로 승압하는 승압부(410, DC voltage multiplier), 그리고 정전압/정전류 회로를 포함할 수 있다. 또한, 상기 전력증폭및변환부(400)는 압전소자의 미세한 전기적 출력으로부터 실제 부하를 구동하기 위한 전력증폭 및 변환의 출발점이 되는 스타터 IC(420)를 더 포함할 수 있다. 이러한 스타터 IC(420)는 매우 낮은 소비전력과 높은 전류이득을 가지고 기능적으로 전류증폭기능을 수행하는 역할을 수행한다. 또한, 상기 스타터 IC(420)는 전류용량을 확장하기 위하여 다수 개가 병렬 연결될 수 있다. 나아가, 상기 스타터 IC(420)의 후단에는 전력변환을 위해서 DC-DC 컨버터를 연결할 수 있고, 전자기기가 요구하는 정격전력이 더 높을 경우 이에 대응되는 전력용량으로 확장하기 위하여 다수 개의 DC-DC 컨버터를 병렬 연결할 수 있게 된다. 또한, 더 큰 정격전력을 가지는 전자기기일 경우에는 이에 맞는 전력레벨에 도달할 때까지 이러한 회로 구성을 반복하여 연결할 수 있다.

한편, 본 발명에서 스타터 IC라 명명된 저전력 IC들을 동작시키기 위한 구동전력은 수 볼트(V)의 전압에 전류는 수백 nA~수㎂ 정도에 불과한데 비해 출력전류는 수백mA 수준으로 높은 전류이득을 갖는다. 이러한 스타터 IC들을 구동하기 위한 전력은 본 발명에서의 주기적 강제진동을 이용하는 규격화된 단위 압전소자 하나 또는 몇 개의 조합으로 생성되는 출력전력을 다이오드와 콘덴서 만을 이용한 정류 및 승압 과정만을 거쳐 생성할 수 있다.

또한, 압전소자의 최대응답을 유발하는 공진주파수와 일치하는 주기적 강제진동에 의해 상용화 압전소자로부터 ~수V의 출력전압과 수백 nC~ 수 μC(coulomb) 정도의 전하가 생성되면, 정류부와 승압부는 최초 압전소자에 의해 생성된 교류(AC)전력을 정류(rectifying)하고, 스타터 IC 구동을 위해 요구되는 직류(DC) 동작전압(bias voltage)으로 승압(up conversion)한다. 이러한 과정은 다이오드와 콘덴서만을 이용하여 구성된 수동회로(passive circuit)이기 때문에, 별도의 외부 전원이 요구되지 않으며, 회로적 고려를 통하여 다단(multi-stage)으로 연결하면 전압 자체는 수십 KV 이상까지도 승압이 가능하다. 이와 같이 교류(AC)전원으로부터 다이오드와 콘덴서만을 이용하여 원하는 직류(DC)전압으로 승압하는 회로는 설계방식에 따라 다양한 형태가 존재하며, 대표적으로 코크로프트 왈톤(cockcroft-walton multiplier) 구조 등이 있다.

단, 이러한 승압부에서의 전압승압은 용이한 반면 전류 증폭은 이루어지지 않으며, 최초 압전소자에 의해 생성된 미세 전류는 다이오드와 콘덴서의 미세한 내부저항에 의해 오히려 약간의 감쇠를 겪는다. 만약 규격화된 단위 압전소자 하나의 전류출력이 전압 승압과정에서 발생되는 감쇠로 인해 이러한 저전력 IC 소자들조차 구동하기 부족한 전류용량일 경우에는 압전소자의 길이를 늘이거나 규격화된 단위 압전소자의 병렬연결을 통해 이를 해결할 수 있다.

한편, 상기 전력증폭및변환부(400)는, 도 5b에 도시된 바와 같이, 상기 승압부(410) 및 전력소자(420)에 연결되어 상기 승압된 직류동작전압을 변환하는 컨버터(430)를 더 포함할 수 있다. 즉, 노트북 등과 같이 여러 개의 배터리 셀을 탑재한 기기에 대해서도 다양한 종류의 전용 충전 IC들이 이미 상용화되어 있으며, 이들을 구동하기 위한 구동전력 역시 이와 비슷한 방식으로 단일 배터리 셀 충전용 IC의 출력을 DC-DC 컨버터(430)를 이용하여 멀티 셀 충전용 IC(600')의 구동전력으로 변환함으로써 간단하게 구성할 수 있다. 일반적으로 멀티 셀(multi cell) 충전 IC들(600')은, 구동전류는 수십 mA 로 비교적 작은 반면, 구동전압은 30V정도로 단일 셀 충전 IC의 구동전압보다 높다.

따라서, 적절한 용량의 DC-DC 컨버터(booster converter)(430)를 사용하여 멀티 셀 충전 IC를 구동하기 위한 전력변환이 필요하다. 상기 DC-DC 컨버터(430)는 용량 별로 다양한 종류가 있으며, 스위칭 방식을 사용하는 상용 DC-DC 컨버터의 효율은 98% 정도로써, DC-DC 컨버터(430)는 주어진 입력전력의 2%정도만을 소비전력으로 사용하여 부하(load)에 맞도록 전압과 전류를 변환해주는 역할을 한다.

상기 제어부(500)는 상기 전력증폭및변환부(400)에 의하여 증폭되거나 변환된 전력을 이용하여 상기 구성들의 동작을 감시 및 제어한다.

이러한 제어부(500)는, 도 6a에 도시된 바와 같이, 선형 액츄에이터(linear actuator)(510); 상기 선형 액츄에이터(510)에 장착되어 상기 태엽을 감기 위하여 구동되는 전동모터(520); 상기 선형 액츄에이터(510)를 관통하는 구동축(540); 상기 선형 엑츄에이터(510) 및 전동모터(520)의 구동을 제어하는 마이크로컨트롤러(530)를 포함한다. 또한, 상기 마이크로컨트롤러(530)는 상기 동력발생부(100), 진동발생부(200), 전력발생부(300) 및 전력증폭및변환부(400)의 동작을 감시 및 제어한다.

여기서, 상기 선형 액츄에이터(510)는 2차원 위치제어가 가능한 전동식 또는 압전식 선형 액츄에이터(Piezo electric linear actuator)로서, 마이크로프로세서(530)의 위치제어에 따라 태엽 유닛(UNIT) 1부터 N까지의 직선거리를 왕복하면서 각 유닛과 연결된 구동기어가 위치한 지점까지 이동하여 태엽동력이 소진된 유닛의 구동기어와 맞물린 후, 소진된 태엽을 되감기 위해 전동모터(520)를 구동한다. 또한, 상기 선형 액츄에이터(510)에 장착된 마이크로프로세서(530)는 상기 선형 액츄에이터(510)와 모터 구동을 제어하는 역할 이외에도 시스템내의 각종 이벤트(event)를 감시하여 발생된 인터럽트(interrupt)를 처리하는 역할을 담당한다. 이러한 종류의 선형 액츄에이터(510)는 다양한 영역에 적용되어 일반적으로 사용되고 있으며, ㎛ 단위의 정밀도로 위치제어가 가능하다. 또한, 상기 선형 액츄에이터(510)는 소형경량의 모듈형태로 목적에 따라 주문형(customize) 제작이 용이하며 구동원리에 따라 압전식, 전동식, 유압식, 공압식 등으로 제작될 수 있다

상기 제어부(500)의 동작을 보다 구체적으로 설명하자면, 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 제어부(500)는 전력증폭및변환부(400)에 의해 전력을 공급받아 기동되고(S10), 제어부(500)의 마이크로프로세서는 ROM을 액세스(access)하여 미리 프로그래밍 된 정해진 순서에 따라 시스템 환경을 점검하게 된다. 그런 다음, 상기 제어부(500)는, 전력생성용 태엽 유닛 1~(N-2)과 내부 장치 구동을 위한 전력생산용 예비 태엽 유닛(N-1)을 순차적으로 되감은 후(S20), 태엽 고정용 선형 마이크로 액츄에이터(linear micro actuator)를 제어하여 태엽의 동력전달기어를 고정하게 된다.

이때, 본 시스템은 대기상태에 들어가게 된다. 또한, 상기 제어부(500)는 태엽유닛 1 ~ (N-1)의 기동준비를 마치면 미리 프로그래밍된 전력생성 용량에 따라 개별적인 전력생산용 태엽 모듈 유닛 1부터 (N-2)를 순차적 또는 일괄적으로 기동하여 외부기기에 전력을 공급하기 위한 전력생성절차(S30)를 수행한다. 여기서, 시스템의 동작감시는 전력생성 프로세스(process)(S41~S44)와 내부장치 구동용 프로세스(S45~S48)로 구분되어 실시된다.

이 두 프로세스의 동작 중에 발생하는 태엽동력의 소진여부, 태엽 고정 장치의 기동여부, 각 태엽모듈의 이상 유무 및 전력생성의 이상유무 등을 감시하고 제어하는 것은 시스템 동작의 안정성과 전력생성의 항상성을 유지하기 위하여 매우 중요한 요소이다. 이러한 부분에 대한 제어는 제어부(500)의 마이크로프로세서가 담당하며, 마이크로프로세서가 이러한 시스템 동작을 제어하기 위한 상태정보는 다음과 같은 방식으로 발생시킨다.

먼저, 태엽동력기관과 같은 기계적 요소에 대한 상태감시는 태엽기어의 회전 궤도에 압전필름과 같은 진동센서(미도시)를 설치하여 태엽기어가 회전할 때 발생되는 토크에 의해 전압을 발생하게 하고, 이 전압의 크기를 정규화(normalized) 하여 플립-플롭(flip-flop)을 이용한 래치(latch)(미도시)와 연동하여 이의 상태반전(toggle) 신호를 제어를 위한 상태정보로 활용한다. 태엽과 회전로터 등 기계적 구성요소의 다른 감시 방법으로는 전력발생부(300)에 적층되어 있는 전력생성용 단위 압전소자 하나를 별도로 상태감시용으로 할당할 수도 있다. 만약 태엽에 이상이 생기거나 회전로터에 이상이 발생하면 이들에 의해 구동되는 단위 압전소자에 강제진동이 전달되지 않으므로 결국 전력이 발생되지 않게 된다. 따라서 전력발생부(300) 에 포함된 단위 압전소자 하나의 출력을 감시하여 기계적 구성요소에 대한 동작감시정보를 획득할 수 있게 된다.

전력증폭 및 변환계통의 상태정보는 계층적 구조를 갖는 전력증폭및변환부(400)구조의 특정부분의 전력출력을 래치 등을 이용하여 감시하여 미리 정한 특정기준 값(threshold) 이상 또는 이하의 상태에 따라 전력증폭 및 변환 계통의 이상유무를 판단하는 상태정보로 사용한다. 이외에 안정적이고 원활한 시스템 동작을 유지하기 위해 감시와 제어가 필요하다고 판단되는 부분에 대해서도 전술한 바와 같은 방식을 이용하여 추가적인 감시 및 제어정보 발생 회로가 추가될 수 있다. 이외에도 시스템 외부에서 유지관리의 편의를 위해 상태감시용 LED 인디케이터(status indicator) 또는 액정디스플레이 장치가 사용자 인터페이스(user interface) 제공을 목적으로 설치되어 주제어장치의 기동과 동일한 방식으로 내부에서 전력을 공급받아 구동될 수도 있다.

한편, 상기 제어부(500)는, 도 6b에 도시된 바와 같이, 복수 개의 태엽유닛(510'); 상기 복수 개의 태엽유닛(510')의 일측에 장착되어 상기 태엽이 감기도록 구동되는 복수 개의 전동모터(520'); 상기 복수 개의 태엽유닛(510')의 타측에 장착되어 상기 복수 개의 전동모터(520')의 구동을 온오프하는 복수 개의 스위치(540'); 상기 복수 개의 태엽유닛(510')을 관통하여 상기 복수 개의 전동모터(520')의 회전에 의하여 상기 복수 개의 태엽유닛(510')을 길이방향으로 이동시키는 복수 개의 구동축(미도시); 및 상기 복수 개의 스위치(540')의 온오프를 제어할 수 있는 마이크로컨트롤러(530')를 포함할 수 있다.

또한, 상기 마이크로컨트롤러(530')는, 상기 동력발생부(100), 진동발생부(200), 전력발생부(300) 및 전력증폭및변환부(400)의 동작을 감시 및 제어할 수 있다. 또한, 이러한 제어부(500)는 1~N 개의 태엽 유닛(510')의 태엽을 감기 위하여 복수 개의 스위치(540')의 온오프를 제어하게 된다.

한편, 도 6a 및 6b에 도시된 두 종류의 주 제어부(500)는 본 발명에서 제안된 발전기를 적용하는 대상이 되는 전자기기의 크기와 종류 및 용도에 따라 적절히 선택될 수 있다. 만약, 구동대상이 되는 전자기기가 이동이 잦고 진동 등의 불안정한 외부환경에 노출되어 사용되는 산업용 전자기기라면 도 6a와 같이 태엽의 동력을 감는 모터(motor)가 구동축과 맞물려 고정된 형태의 제어부(500)가 동작의 안정성 면에서 유리하고, 가정이나 사무실 등 안정된 내부 환경에서 고정된 형태로 사용되는 전자기기 또는 소형의 휴대용 기기의 경우는 도 6b와 같은 제어부(500)의 형태가 기기의 소형화와 구현비용 면에서 유리하다.

따라서, 본 발명에 의하면, 외부에너지원의 존재여부에 따라 활용될 수 있는 응용영역이 매우 제한적인 기존의 에너지 수확(energy harvesting) 방식의 압전소자(PZT) 발전시스템과 달리, 발전기 내부에 압전소자를 구동할 수 있는 주기적 강제진동을 일으키는 기계적 동력장치를 내장하여 다양한 종류의 전자기기 내부에 장착하여 전자기기의 전력공급원(power source)으로 활용될 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 외부의 전력공급 없이 무전원(without external power supply)으로 동작하여 표준 상용전원을 이용하는 것과 대등한 수준의 즉각적이고 지속적으로 일정한 출력전력으로 전자기기를 구동할 수 있는 항상성을 제공할 수 있다. 또한, 본 발명에 의하면, 다양한 전자기기 구동을 위해 요구되는 전력용량에 따라 매우 용이하게 출력전력의 용량 확장을 가능하게 하여 다양한 종류의 전자기기 구동을 위한 독립적인 전력공급원(power source)으로서 광범위한 응용이 가능한 무전원 압전 발전시스템을 제공할 수 있다.

이와 같이, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타나며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100: 동력발생부 110: 태엽
112: 구동기어 113: 주기어
120:동력전달 장치 130: 앵커
140: 캔틸레버 150: 벨트풀리
200: 진동발생부 220: 회전로터
300: 전력발생부 320: 원통형 몸체
321: 회전축 400: 전력증폭및변환부
500: 제어부

Claims

탄성 스프링을 가지는 적어도 하나의 태엽을 포함하고, 상기 태엽의 스프링의 동작에 의하여 기계적 탄성에너지를 발생시키는 동력발생부;
상기 동력발생부로부터의 기계적 탄성에너지에 의하여 회전되어 주기적 강제진동을 발생시키는 적어도 하나의 회전로터를 포함하는 진동발생부;
상기 진동발생부로부터의 주기적 강제진동에 의하여 전력을 발생시키는 적어도 하나의 압전소자가 적층되어 형성되는 전력발생부;
상기 전력발생부에 의하여 발생된 전력을 외부의 전력공급 없이 증폭하거나 변환하는 전력증폭및변환부; 및
상기 전력증폭및변환부에 의하여 증폭되거나 변환된 전력을 이용하여 상기 구성요소들의 동작을 감시 및 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 무전원 압전 발전시스템.
제1항에 있어서,
상기 동력발생부는,
상기 태엽이 풀릴 때 발생하는 기계적 탄성에너지를 전달받아 회전하는 제1 기어;
미리 설정된 기어 비에 따라 회전되어 일정한 레벨의 압전소자의 전기적 출력을 유도할 수 있는 토크를 전달하는 제2 기어;
상기 제2 기어에 맞물려 회전되도록 회전로터에 설치되는 캔틸레버; 및
상기 제2 기어의 동력 전달의 주기를 제어하는 앵커를 포함하는 것을 특징으로 하는 무전원 압전 발전시스템.
제2항에 있어서,
상기 앵커는 템포 조절기어를 포함하여 상기 태엽이 풀리는 주기를 제어할 수 있는 것을 특징으로 하는 무전원 압전 발전시스템.
제1항에 있어서,
상기 동력발생부는,
상기 태엽이 풀릴 때 발생하는 기계적 탄성에너지를 전달받아 회전하는 제1 기어; 및
상기 제1 기어의 회전력이 회전로터에 전달되도록 상기 제1 기어의 외주연과 상기 회전로터의 회전축에 연결되어 구동되는 벨트풀리를 포함하는 것을 특징으로 하는 무전원 압전 발전시스템.
제4항에 있어서,
상기 회전로터는 그 회전시 발생되는 강제진동의 주기를 조절하기 위하여 복수 개의 캔틸레버를 설치할 수 있는 것을 특징으로 하는 무전원 압전 발전시스템.
제1항에 있어서,
상기 전력발생부는,
회전축을 중심으로 실린더 형상을 가지도록 형성된 원통형 몸체;
상기 원통형 몸체의 내부에 다단으로 적층되어 있는 적어도 하나의 압전소자; 및
상기 원통형 몸체의 외주연에 상기 압전소자에 연결되도록 설치되어 발생된 전기에너지를 외부로 전달하는 전극;을 포함하고,
상기 회전축 상에는 회전로터가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 무전원 압전 발전시스템.
제1항에 있어서,
상기 동력발생부의 제1 기어와 상기 전력발생부의 구동기어 사이에는 상기 제1 기어 및 구동기어에 맞물려 회전하는 주기어가 설치될 수 있고,
상기 구동기어의 각각에는 전력발생부가 설치될 수 있는 것을 특징으로 하는 무전원 압전 발전시스템.
제7항에 있어서,
상기 주기어는 상기 제1 기어와 벨트풀리로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 무전원 압전 발전시스템.
제7항에 있어서,
상기 제1 기어와 상기 주기어 사이에는 상기 제1 기어 및 구동기어에 맞물려 회전되어 상기 주기어에 동력을 전달하는 동력전달기어가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 무전원 압전 발전시스템.
제1항에 있어서,
상기 전력증폭및변환부는,
상기 전력발생부에 의하여 발생된 교류전력을 정류하는 정류부; 및
상기 정류부에 의하여 정류된 교류전력을 직류동작전압으로 승압하는 승압부를 포함하는 것을 특징으로 하는 무전원 압전 발전시스템.
제10항에 있어서,
상기 전력증폭및변환부는 상기 승압부에 연결되는 스타터 IC와 컨버터를 더 포함할 수 있고,
상기 스타터 IC는 상기 승압부로부터 출력된 전류를 증폭하고, 이를 일정한 단위전력으로 하여 상기 컨버터로 공급하며,
상기 컨버터는 상기 단위전력의 전력변환을 수행하는 것을 특징으로 하는 무전원 압전 발전시스템.
제11항에 있어서,
상기 전력발생부는 복수 개로 구비되어 각각 병렬로 연결될 수 있고,
상기 전력증폭및변환부는 상기 전력발생부의 각각에 연결되는 복수 개의 스타터 IC들과 컨버터들을 포함할 수 있고,
상기 복수 개의 스타터 IC들은 각각의 승압부로부터 출력된 전류를 증폭하고, 이를 하나의 단위전력으로 하여 상기 복수 개의 컨버터들로 각각 공급하며,
상기 복수 개의 컨버터들은 상기 단위전력들을 중첩하여 상기 중첩된 단위전력들의 전력변환을 수행하여 대용량 전력소자에 공급할 수 있는 것을 특징으로 하는 무전원 압전 발전시스템.
제12항에 있어서,
상기 대용량 전력소자는 전력 MOSFET소자, IGBT소자, SEPIC 소자중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 무전원 압전 발전시스템.
제1항에 있어서,
상기 제어부는,
선형 액츄에이터;
상기 선형 액츄에이터에 장착되어 상기 태엽을 감기 위하여 구동되는 전동모터; 및
상기 선형 엑츄에이터 및 전동모터의 구동을 제어하고, 상기 동력발생부, 진동발생부, 전력발생부 및 전력증폭및변환부의 동작을 감시 및 제어하는 마이크로컨트롤러를 포함하는 것을 특징으로 하는 무전원 압전 발전시스템.
제1항에 있어서,
상기 제어부는,
복수 개의 태엽유닛;
상기 복수 개의 태엽유닛의 일측에 장착되어 상기 태엽유닛의 태엽을 감기 위하여 구동되는 복수 개의 전동모터;
상기 복수 개의 태엽유닛의 타측에 장착되어 상기 복수 개의 전동모터의 구동을 온오프하는 복수 개의 스위치; 및
상기 복수 개의 스위치의 온오프를 제어할 수 있는 마이크로컨트롤러를 포함하는 것을 특징으로 하는 무전원 압전 발전시스템.