KR20170049830A - Piezoelectric energy harvester - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 압전 에너지 하베스터에 관한 것으로서, 특히 외부 프레임에 연결된 진동판 상에 배치된 압전 소자를 이용해 대형 장치 등의 진동으로부터 에너지를 하베스팅하는 압전 에너지 하베스터에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a piezoelectric energy harvester, and more particularly, to a piezoelectric energy harvester for harvesting energy from vibration of a large apparatus or the like using a piezoelectric element disposed on a diaphragm connected to an outer frame.
압전물질은 기계적 에너지를 전기에너지로 혹은 전기에너지를 기계에너지로변환시키는 변환매체로서 다양한 응용분야를 갖는다. 현재 무기물 및 유기물을 포함하는 많은 수의 세라믹스 재료가 압전 현상을 일으키는 재료로서 알려져 있다.Piezoelectric materials have various applications as conversion media for converting mechanical energy into electrical energy or electrical energy into mechanical energy. BACKGROUND ART [0002] A large number of ceramic materials including inorganic and organic materials are known as materials that cause piezoelectric phenomena.
압전체는 그 압전체에 가해지는 힘(압력 또는 진동)에 의해 전압을 발생시키며, 그 인가된 힘의 크기에 따라 발생되는 전압을 이용하는 장치를 압전 발전기라 한다. 이러한 압전 발전기는 주기적인 진동이 있는 기계류, 건축물, 교량 등에 설치하거나 이동하는 차량과 사람의 하중의 변화를 이용하기 위하여 일반 도로 또는 주차장 등에 설치하기도 하며, 건물의 실내 바닥재로서 설치하기도 한다. 이러한 압전 발전기는 현재 그 이용 용도가 계속되어 확장되고 있는 추세이다.A piezoelectric body generates a voltage by a force (pressure or vibration) applied to the piezoelectric body, and a device using a voltage generated according to the magnitude of the applied force is referred to as a piezoelectric generator. Such a piezoelectric generator may be installed on an ordinary road, a parking lot, or the like as an indoor flooring of a building in order to utilize a change in the load of a vehicle or a person moving or installing the machine, the building, or the bridge having periodical vibration. These piezoelectric generators are currently being used for a wide range of applications.
한편, 진동하는 구조물 또는 진동하는 기계장치 등과 같이 전력 발전소의 변압기, 리액터 등의 경우 지속적으로 진동을 하고 있으며, 이러한 진동 에너지의 진동원에 간단히 부착하여 압전 에너지 하베스팅이 가능한 압전 에너지 하베스터에 대한 요구가 있다.On the other hand, in the case of transformers and reactors of electric power plants, such as vibrating structures or vibrating machinery, vibration is continuously applied, and the requirement for a piezoelectric energy harvester capable of simply attaching the vibration energy to the vibration source, .
본 발명은 진동하는 구조물 또는 진동하는 기계장치에 부착되어 진동을 이용한 압전 에너지 하베스터를 제공하고자 한다.The present invention seeks to provide a piezoelectric energy harvester which is attached to a vibrating structure or a vibrating mechanical device and uses vibration.
본 발명의 압전 하베스터는 최고의 에너지 하베스팅을 위한 구조 설계를 제공하고자 한다.The piezoelectric harvester of the present invention is intended to provide a structural design for maximum energy harvesting.
본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터는, 외부 프레임; 상기 외부 프레임에 연결된 진동판; 및 상기 진동판의 상면 및 하면 중 어느 하나 이상에 배치된 압전 소자를 포함하고, 상기 압전 소자는 피에조 파이버 컴포지트 구조체; 및 상기 피에조 파이버 컴포지트 구조체의 상면 및 하면 중 어느 하나 이상에 배치된 전극부를 포함하며, 상기 피에조 파이버 컴포지트 구조체는 복수의 압전 세라믹 로드가 서로 옆으로 나란히 배치되고, 나란히 배치된 상기 복수의 압전 세라믹 로드 사이에는 접착제가 배치되어 복수의 압전 세라믹 로드가 서로 연결된 형태이며, 상기 전극부는 한 쌍의 전극 패턴들로 이루어져 있으며, 한 쌍의 전극 패턴들은 서로 전기적으로 절연되어 있고, 각각 서로 맞물리는(interdigitated) 구조로 배치된다.A piezoelectric energy harvester according to an embodiment of the present invention includes an outer frame; A diaphragm connected to the outer frame; And a piezoelectric element disposed on at least one of an upper surface and a lower surface of the diaphragm, wherein the piezoelectric element comprises: a piezoelectric composite structure; And an electrode portion disposed on at least one of an upper surface and a lower surface of the piezoelectric fiber composite structure, wherein the piezoelectric fiber composite structure includes a plurality of piezoelectric ceramic rods arranged side by side to each other, and the plurality of piezoelectric ceramic rods And a plurality of piezoelectric ceramic rods are connected to each other, wherein the electrode part is formed of a pair of electrode patterns, the pair of electrode patterns are electrically insulated from each other, and are interdigitated with each other, Respectively.
상기 진동판은, 상기 압전 소자의 상기 압전 세라믹 로드의 길이 방향으로만 상기 외부 프레임에 연결되어 있다.The diaphragm is connected to the outer frame only in the longitudinal direction of the piezoelectric ceramic rod of the piezoelectric element.
상기 압전 세라믹 로드는, 복수의 압전 세라믹 템플레이트 및 세라믹 파우더를 포함하고, 상기 압전 세라믹 템플레이트는 길이 방향으로 정렬된 것이 바람직하다.Preferably, the piezoelectric ceramic rod includes a plurality of piezoelectric ceramic templates and ceramic powder, and the piezoelectric ceramic template is longitudinally aligned.
본 발명의 추가적인 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터는, 외부 프레임; 상기 외부 프레임에 연결된 진동판; 및 상기 진동판의 상면 및 하면 중 어느 하나 이상에 배치된 압전 소자를 포함하고, 상기 압전 소자는 피에조 파이버 컴포지트 구조체; 및 상기 피에조 파이버 컴포지트 구조체의 상면 및 하면 중 어느 하나 이상에 배치된 전극부를 포함하며, 상기 피에조 파이버 컴포지트 구조체는, 복수의 압전 세라믹이 길이 방향으로 사이에 연결 패턴을 두고 연결되어 있는 압전 세라믹 로드를 복수개 포함하고, 상기 복수의 압전 세라믹 로드가 서로 옆으로 나란히 배치되어 길이 방향에 수직한 방향을 따라서 각각 압전 세라믹 및 연결 패턴이 나란히 배치되어 있으며, 나란히 배치된 상기 복수의 압전 세라믹 로드 사이에는 접착제가 배치되어 복수의 압전 세라믹 로드가 서로 연결되어 있고, 상기 전극부는 한 쌍의 전극 패턴들로 이루어져 있으며, 한 쌍의 전극 패턴들은 서로 전기적으로 절연되어 있고, 각각 서로 맞물리는(interdigitated) 구조로 배치된다.A piezoelectric energy harvester according to a further embodiment of the present invention comprises: an outer frame; A diaphragm connected to the outer frame; And a piezoelectric element disposed on at least one of an upper surface and a lower surface of the diaphragm, wherein the piezoelectric element comprises: a piezoelectric composite structure; And an electrode portion disposed on at least one of an upper surface and a lower surface of the piezoelectric fiber composite structure, wherein the piezoelectric composite structure has a piezoelectric ceramic composite structure in which a plurality of piezoelectric ceramics are connected in a longitudinal direction with a connection pattern interposed therebetween Wherein a plurality of piezoelectric ceramic rods are arranged side by side so that piezoelectric ceramics and connection patterns are arranged side by side in a direction perpendicular to the longitudinal direction and between the plurality of piezoelectric ceramic rods arranged side by side, And the plurality of piezoelectric ceramic rods are connected to each other. The electrode portion is composed of a pair of electrode patterns, and the pair of electrode patterns are electrically insulated from each other and are arranged in interdigitated structures .
상기 진동판은, 상기 압전 소자의 상기 압전 세라믹 로드의 길이 방향으로만 상기 외부 프레임에 연결되어 있다.The diaphragm is connected to the outer frame only in the longitudinal direction of the piezoelectric ceramic rod of the piezoelectric element.
상기 압전 세라믹 로드는, 복수의 압전 세라믹 템플레이트 및 세라믹 파우더를 포함하고, 상기 압전 세라믹 템플레이트는 길이 방향으로 정렬된 것이 바람직하다.Preferably, the piezoelectric ceramic rod includes a plurality of piezoelectric ceramic templates and ceramic powder, and the piezoelectric ceramic template is longitudinally aligned.
본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터는 진동에 의한 에너지 하베스팅을 최대화하도록 설계된 구조를 갖고 있다.The piezoelectric energy harvester according to an embodiment of the present invention has a structure designed to maximize energy harvesting by vibration.
이러한 하베스터를 진동 구조물 등에 부착함으로써 진동하는 구조물로부터 에너지의 수확이 가능하다.By attaching such a harvester to a vibrating structure or the like, energy can be harvested from the vibrating structure.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터에 대한 평면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터에 대한 측단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 소자의 구조를 도시한다.
도 4는 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 압전 소자의 구조를 도시한다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압전 세라믹 로드의 내부 모습의 모식도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터의 진동 모습의 측단면도이다.
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. 1 is a plan view of a piezoelectric energy harvester according to an embodiment of the present invention.
2 is a side cross-sectional view of a piezoelectric energy harvester according to an embodiment of the present invention.
3 shows a structure of a piezoelectric element according to an embodiment of the present invention.
4 shows a structure of a piezoelectric element according to a further embodiment of the present invention.
5 is a schematic view of an inner appearance of a piezoelectric ceramic rod according to a preferred embodiment of the present invention.
6 is a side cross-sectional view of a vibration state of a piezoelectric energy harvester according to an embodiment of the present invention.
Various embodiments are now described with reference to the drawings, wherein like reference numerals are used throughout the drawings to refer to like elements. For purposes of explanation, various descriptions are set forth herein to provide an understanding of the present invention. It is evident, however, that such embodiments may be practiced without these specific details. In other instances, well-known structures and devices are shown in block diagram form in order to facilitate describing the embodiments.
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.The following description provides a simplified description of one or more embodiments in order to provide a basic understanding of embodiments of the invention. This section is not a comprehensive overview of all possible embodiments and is not intended to identify key elements or to cover the scope of all embodiments of all elements. Its sole purpose is to present the concept of one or more embodiments in a simplified form as a prelude to the more detailed description that is presented later.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터에 대한 평면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터에 대한 측단면도이다.FIG. 1 is a plan view of a piezoelectric energy harvester according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a side sectional view of a piezoelectric energy harvester according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터는, 외부 프레임(10); 상기 외부 프레임에 연결된 진동판(20); 및 상기 진동판의 상면 및 하면 중 어느 하나 이상에 배치된 압전 소자(30)를 포함한다.A piezoelectric energy harvester according to an embodiment of the present invention includes an
외부 프레임(10)은 압전 에너지 하베스터의 지지체로서, 외부 프레임은 진동하는 구조물 등에 부착이 가능하도록 접착면을 갖고 있을 수 있거나 또는 자성 물질 등으로 이루어져 구조물의 외부에 부착될 수도 있다. 도 1에서와 같이 외부 프레임은 예시적으로 사각형 형상의 고리 형태로 이루어져 있을 수 있다.The
진동판(20)은 외부 프레임(10)에 연결되어 있으며, 이러한 진동판에 의해 본 발명의 압전 에너지 하베스터가 진동 구조물 등에 부착되었을 때 구조물은 고정되어 있으나 진동판은 상대적으로 휘어짐이 가능하게 되므로 이를 이용해 에너지를 수확할 수 있게 된다.The
진동판(20)은 도 1에서 보는 것처럼 압전 소자(30)의 압전 세라믹 로드의 길이 방향으로만 외부 프레임(10)에 연결되도록 배치된다. 즉, 도 1에서는 압전 세라믹 로드가 A 방향을 따라서 옆으로 나란히 정렬되어 있으므로, 진동판은 A 방향을 따라서 외부 프레임(10)에 연결되어 있음을 확인할 수 있다. 이와 같이 진동판이 압전 소자의 압전 세라믹 로드의 길이 방향을 따라서만 외부 프레임에 연결됨으로써, 진동 구조물 등의 진동에 의해 진동판은 A 방향을 따라서 진동에 의해 휘어짐 등의 변형을 갖게 되고, 이에 의해 압전 세라믹 로드는 길이 방향을 따라서 휘어지게 되어 압전 효과의 효율이 매우 높게 얻어진다.The
진동판은 폴리이미드계 수지(polyimide-based resin), 폴리우레탄계 수지(polyurethane-based resin) 또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트 수지(polyethylene terephthalate resin) 등으로 형성될 수 있다.The diaphragm may be formed of a polyimide-based resin, a polyurethane-based resin, or a polyethylene terephthalate resin.
압전 소자(30)는 진동판(20)의 상면 및 하면 중 어느 하나 이상에 배치될 수 있다. 도 2에서 보는 것처럼 진동판의 상면 및 하면에 모두 배치될 수도 있으며, 어느 한 면에만 배치되어도 무방하다.The
압전 소자(30)는 피에조 파이버 컴포지트 구조체; 및 피에조 파이버 컴포지트 구조체의 상면 및 하면 중 어느 하나 이상에 배치된 전극부를 포함한다. 이러한 압전 소자에 대해서는 도 3에서 자세히 도시되어 있다.The
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 소자의 구조를 도시한다.3 shows a structure of a piezoelectric element according to an embodiment of the present invention.
도 3에서 보는 것처럼, 압전 소자는 피에조 파이버 컴포지트 구조체(PZ); 및 상기 피에조 파이버 컴포지트 구조체의 상면 및 하면 중 어느 하나 이상에 배치된 전극부를 포함한다. 도 3에서는 양면에 모두 전극부가 배치된 모습을 도시하고 있다.As shown in FIG. 3, the piezoelectric device includes a piezo-composited structure (PZ); And an electrode portion disposed on at least one of an upper surface and a lower surface of the piezoelectric composite structure. In Fig. 3, the electrode portions are arranged on both surfaces.
상기 피에조 파이버 컴포지트 구조체는 복수의 압전 세라믹 로드가 서로 옆으로 나란히 배치되고, 나란히 배치된 상기 복수의 압전 세라믹 로드 사이에는 접착제가 배치되어 복수의 압전 세라믹 로드가 서로 연결된 형태를 갖는다.The piezoelectric fiber composite structure has a structure in which a plurality of piezoelectric ceramic rods are arranged side by side and an adhesive is disposed between the plurality of piezoelectric ceramic rods arranged side by side so that a plurality of piezoelectric ceramic rods are connected to each other.
상기 전극부는 한 쌍의 전극 패턴들로 이루어져 있으며, 한 쌍의 전극 패턴들은 서로 전기적으로 절연되어 있고, 각각 서로 맞물리는(interdigitated) 구조로 배치된다.The electrode unit is composed of a pair of electrode patterns, and the pair of electrode patterns are electrically insulated from each other and arranged in an interdigitated structure.
도 3을 참조하면, 압전 액츄에이터는 압전체(PZ) 및 전극 패턴들(210, 220, 310, 320)을 포함한다.Referring to FIG. 3, the piezoelectric actuator includes a piezoelectric body PZ and
압전체(PZ)는 압전성을 갖는 재료로 형성된 것으로, 특별히 한정되지 않는다. 상기 압전 재료의 예로서는, 압전 세라믹, 세라믹/폴리머 복합체 등을 들 수 있다.The piezoelectric body PZ is formed of a material having piezoelectricity, and is not particularly limited. Examples of the piezoelectric material include piezoelectric ceramics and ceramic / polymer composites.
이하에서는, 설명의 편의를 위해, 압전체(PZ)의 상면에 배치된 전극 패턴들(210, 220)을 제1 상부 전극 패턴(210) 및 제2 상부 전극 패턴(220)으로 구분하여 지칭하고, 하면에 배치된 전극 패턴들(310, 320)을 제1 하부 전극 패턴(310) 및 제2 하부 전극 패턴(320)으로 구분하여 지칭하여 설명하기로 한다. 이때, “상부” 및 “하부”는 양면을 구분하기 위해서 사용한 것뿐이며, 상부 및 하부는 서로 바뀔 수 있다.Hereinafter, the
제1 및 제2 상부 전극 패턴들(210, 220)은 압전체(PZ)의 상면에 서로 맞물리는(interdigitated) 형태로 배치된다. The first and second
제1 상부 전극 패턴(210)은 제1 방향(D1)으로 연장된 몸체 전극과 그 몸체 전극으로부터 제2 방향(D2)으로 분기되고 서로 이격된 복수의 서브 전극들(211, 212, 213)을 포함한다. 또한, 제2 상부 전극 패턴(220)도 몸체 전극 및 복수의 서브 전극들(221, 222)을 포함한다. 제1 상부 전극 패턴(210)의 서브 전극들(211, 212, 213)의 이격 영역에 제2 상부 전극 패턴(220)의 서브 전극들(221, 222)이 배치됨으로써 제1 및 제2 상부 전극 패턴들(210, 220)이 서로 맞물린 구조로 배치될 수 있다.The first
제1 및 제2 하부 전극 패턴들(310, 320)은 압전체(PZ)의 하면에서 서로 맞물리는 형태로 배치된다. The first and second
제1 하부 전극 패턴(310)은 몸체 전극 및 복수의 서브 전극들(311, 312, 313)을 포함하고, 제2 하부 전극 패턴(320) 또한 몸체 전극 및 복수의 서브 전극들(321, 322)을 포함한다. 제1 및 제2 하부 전극 패턴들(310, 320)은 제1 및 제2 상부 전극 패턴들(210, 220)과 투영된 형태로 마주하도록 배치된다. 즉, 제1 하부 전극 패턴(310)은 제1 상부 전극 패턴(210)과 마주하고, 제2 하부 전극 패턴(320)은 제2 상부 전극 패턴(220)과 마주하여 배치된다.The first
제1 및 제2 상부 전극 패턴들(210, 220)과 제1 및 제2 하부 전극 패턴들(310, 320)은 금속 증착(deposition) 후 식각(etching) 공정이나, 직접 레이저 플레이팅, 스크린 프린팅, 잉크젯 프린팅 또는 스퍼터링에 의해서 압전체(PZ) 상에 형성될 수 있다.The first and second
제1 및 제2 상부 전극 패턴들(210, 220) 상부에는 제1 베이스 필름(P1)이 배치될 수 있고, 제1 및 제2 하부 전극 패턴들(310, 320)은 제2 베이스 필름(P2)에 의해 커버될 수 있다. 제1 및 제2 베이스 필름들(P1, P2)은 폴리이미드계 수지(polyimide-based resin), 폴리우레탄계 수지(polyurethane-based resin) 또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트 수지(polyethylene terephthalate resin) 등으로 형성될 수 있다. 도 3에서는 제1 및 제2 베이스 필름들(P1, P2)을 도시하였으나, 이들은 생략될 수 있다.The first base film P1 may be disposed on the first and second
도 4는 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 압전 소자의 구조를 도시한다. 도 3에서 설명한 부분과 동일한 부분은 중복 설명을 생략하고, 도 4의 특이한 점에 대해서만 설명하도록 하겠다.4 shows a structure of a piezoelectric element according to a further embodiment of the present invention. The same parts as those described in FIG. 3 will not be described in detail, and only the specific points in FIG. 4 will be described.
도 4에서 도시된 압전 소자는 피에조 파이버 컴포지트 구조체(PZ); 및 전극 패턴들을 포함한다. 전극 패턴들은 도 3에서 설명한 것과 동일하며, 도 4에서는 피에조 파이버 컴포지트 구조체의 특징을 더욱 잘 설명하기 위해 전극 패턴들은 생략되었다.The piezoelectric element shown in Fig. 4 includes a piezo-composited structure (PZ); And electrode patterns. The electrode patterns are the same as those described in FIG. 3, and the electrode patterns are omitted in FIG. 4 in order to better explain the characteristics of the piezoelectric composite structure.
도 4의 피에조 파이버 컴포지트 구조체(PZ)는 복수의 압전 세라믹이 길이 방향으로 사이에 연결 패턴을 두고 연결되어 있는 압전 세라믹 로드를 복수개 포함하고, 상기 복수의 압전 세라믹 로드가 서로 옆으로 나란히 배치되어 길이 방향에 수직한 방향을 따라서 각각 압전 세라믹 및 연결 패턴이 나란히 배치되어 있으며, 나란히 배치된 상기 복수의 압전 세라믹 로드 사이에는 접착제가 배치되어 복수의 압전 세라믹 로드가 서로 연결되어 있다.The piezoelectric ceramic composite structure (PZ) of FIG. 4 includes a plurality of piezoelectric ceramic rods in which a plurality of piezoelectric ceramics are connected in a longitudinal direction with a connection pattern interposed therebetween, and the plurality of piezoelectric ceramic rods are arranged side by side, And a plurality of piezoelectric ceramic rods are connected to each other with an adhesive disposed between the plurality of piezoelectric ceramic rods arranged side by side.
도 4를 참조하면, 압전체(PZ)는 파이버 컴포지트 구조체일 수 있다. 압전체(PZ)는 복수개의 압전 세라믹 로드들(110, 120, 130)을 포함한다. 압전 세라믹 로드들(110, 120, 130)은 제2 방향(D2)으로 일렬로 연결되고, 접착제(90)를 통해서 서로 연결되어 하나의 구조체가 될 수 있다. 도 8에서는 3개의 압전 세라믹 로드들(110, 120, 130)이 배열된 것을 일례로 도시하였으나, 압전 세라믹 로드의 개수에는 제한이 없다.Referring to FIG. 4, the piezoelectric body PZ may be a fiber composite structure. The piezoelectric body PZ includes a plurality of piezoelectric
압전 세라믹 로드들(110, 120, 130) 각각은 복수의 압전 세라믹들(101, 102, 103, 104, 105)과 복수의 연결 패턴들(81, 82, 83, 84)을 포함한다. 압전 세라믹들(101, 102, 103, 104, 105)은 제1 방향(D1)을 따라 일렬로 배치되고, 압전 세라믹들(101, 102, 103, 104, 105) 사이에 연결 패턴들(81, 82, 83, 84)이 각각 배치될 수 있다. 즉, 압전 세라믹들(101, 102, 103, 104, 105)과 연결 패턴들(81, 82, 83, 84)은 제1 방향(D1)을 따라 번갈아 배치될 수 있다. 즉, 제1 방향(D1)을 따라 절단한 단면을 볼 때, 압전 세라믹들(101, 102, 103, 104, 105)이 연결 패턴들(81, 82, 83, 84)을 사이에 두고 연결되어 있는 구조를 가질 수 있다. 연결 패턴들(81, 82, 83, 84)은 접착제로서, 압전 세라믹들(101, 102, 103, 104, 105)을 서로 연결시킬 수 있다. 압전 세라믹들(101, 102, 103, 104, 105)이 연결 패턴들(81, 82, 83, 84)로 연결된 구조를 가짐으로써 유연성이 향상될 수 있다. 일례로, 연결 패턴들(81, 82, 83, 84)은 압전 세라믹들을 연결하는 연결부로서, 절연 물질로 형성되어 압전 세라믹들(101, 102, 103, 104, 105)을 연결시키고, 예를 들어, 에폭시 수지일 수 있다.Each of the piezoelectric
제1 압전 세라믹 로드(110)의 연결 패턴들(81, 82, 83, 84) 각각은 제2 압전 세라믹 로드(120)의 연결 패턴들(81, 82, 83, 84) 각각과 접촉하여 접착제(90)에 의해서 연결되고, 제2 압전 세라믹 로드(120)의 연결 패턴들(81, 82, 83, 84) 각각은 제3 압전 세라믹 로드(130)의 연결 패턴들(81, 82, 83, 84) 각각과 접촉하여 접착제(90)에 의해서 연결될 수 있다. 제1, 제2 및 제3 압전 세라믹 로드들(110, 120, 130)의 연결 패턴들(81, 82, 83, 84)이 서로 상기 제2 방향(D2)으로 나란히 배치되고, 제1, 제2 및 제3 압전 세라믹 로드들(110, 120, 130)의 압전 세라믹들(101, 102, 103, 104, 105)이 서로 나란히 배치될 수 있다.Each of the
위에서 설명한 것처럼, 진동판은 압전 소자(30)의 압전 세라믹 로드의 길이 방향을 따라서만 외부 프레임(10)에 연결되도록 배치되며, 이에 의해 진동판의 변형에 따라 압전 세라믹 로드는 길이 방향을 따라 변형되게 되어 압전 효율이 매우 높아진다. 이때 압전 효율을 추가적으로 높이기 위해서, 압전 세라믹 로드는 다음과 같이 제작된 형태의 것을 이용함이 바람직하다.As described above, the diaphragm is arranged to be connected to the
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압전 세라믹 로드의 내부 모습의 모식도이다. 도 5에서 보는 것처럼, 압전 세라믹 로드는, 복수의 압전 세라믹 템플레이트(A) 및 세라믹 파우더(B)를 포함한다. 이 경우 압전 세라믹 템플레이트는 압전 세라믹 로드의 길이 방향을 따라서 정렬되어 있는 것이 바람직하다. 이와 같이 압전 세라믹 로드의 길이 방향을 따라 정렬된 압전 세라믹 템플레이트를 포함한 압전 세라믹 로드를 이용함으로써 압전 세라믹 로드의 길이 방향을 따른 변형이 일어났을 때 높은 압전 효율을 얻을 수 있기 때문이다.5 is a schematic view of an inner appearance of a piezoelectric ceramic rod according to a preferred embodiment of the present invention. As shown in Fig. 5, the piezoelectric ceramic rod includes a plurality of piezoelectric ceramic templates (A) and ceramic powder (B). In this case, the piezoelectric ceramic template is preferably aligned along the longitudinal direction of the piezoelectric ceramic rod. This is because a piezoelectric ceramic rod including a piezoelectric ceramic template aligned along the longitudinal direction of the piezoelectric ceramic rod can be used to obtain a high piezoelectric efficiency when deformation along the longitudinal direction of the piezoelectric ceramic rod occurs.
이와 같이 복수의 압전 세라믹 템플레이트가 압전 세라믹 로드의 길이 방향을 따라 정렬되도록 하기 위해서는 압전 세라믹 템플레이트, 세라믹 파우더 및 첨가제(바인더, 용매 등)를 포함한 슬러리를 TGG 방법(Templated Grain Growth Method) 또는 RTGG 방법(Reactive Templated Grain Growth Method)을 이용하여 제작되는 것이 바람직하다. 이러한 TGG 또는 RTGG 방법을 이용해 압전 세라믹 템플레이트는 길이 방향으로 정렬된 압전 세라믹 로드를 얻을 수 있다.In order to align the plurality of piezoelectric ceramic templates along the longitudinal direction of the piezoelectric ceramic rod, a slurry containing a piezoelectric ceramic template, a ceramic powder, and an additive (binder, solvent, etc.) is subjected to a TGG method (Templated Grain Growth Method) or an RTGG method Reactive Templated Grain Growth Method). Using this TGG or RTGG method, a piezoelectric ceramic template can obtain a longitudinally aligned piezoelectric ceramic rod.
도 2에서 보면 진동판은 진동 구조물의 진동에 의해 진동하게 되며 이에 의해 진동판 및 압전 소자는 함께 위 아래로 진동하면서 휘어지게 된다. 이 경우 진동 구조물 등에 압전 소자가 닿지 않게 하기 위해 압전 소자 또는 진동판(압전 소자가 하부에 부착되지 아니하는 경우에는 진동판이 구조물과 닿지 않게 함)의 높이(h)의 제어가 필요하며, 이를 위해서는 외부 프레임(10)의 높이(H)를 함께 제어해야 한다.2, the diaphragm vibrates due to the vibration of the vibrating structure, whereby the diaphragm and the piezoelectric element are bent while oscillating up and down together. In this case, it is necessary to control the height (h) of the piezoelectric element or the diaphragm (to prevent the diaphragm from contacting the structure when the piezoelectric element is not attached to the lower portion) in order to prevent the piezoelectric element from contacting the vibrating structure, The height H of the
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터의 진동 모습의 측단면도이다. 도 6에서 보는 것처럼 진동판의 휘어짐에 따라 압전 소자의 휘어짐이 발생되고, 이에 의해 압전 효과를 얻을 수 있게 된다.6 is a side cross-sectional view of a vibration state of a piezoelectric energy harvester according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 6, the piezoelectric element is warped according to the warp of the diaphragm, so that a piezoelectric effect can be obtained.
한편, 도 1에서 보는 것처럼, 전극부에는 인출선(50)이 각각 (+) 및 (-)로 연결되어 있다. 인출선에는 에너지 저장부가 연결될 수 있다. 또한, 인출선과 에너지 저장부 사이에는 정류 다이오드가 연결될 수 있다.Meanwhile, as shown in FIG. 1, lead
인출부에는 부하가 연결될 수도 있으며, 이에 의해 직접 전구에 불을 밝힐 수도 있다. 다이오드는 정류 다이오드로서 어느 한쪽 방향으로만 전류가 흐르도록 하는 역할을 하며, 이에 의해 전류가 반대로 흘러 축전지 등이 방전되는 것을 방지한다.A load may be connected to the drawer, thereby directly lighting the bulb. The diode serves as a rectifying diode to allow a current to flow only in one direction, thereby preventing current from flowing in reverse and discharging the capacitor or the like.
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. The description of the disclosed embodiments is provided to enable any person skilled in the art to make or use the present invention. Various modifications to these embodiments will be readily apparent to those skilled in the art, and the generic principles defined herein may be applied to other embodiments without departing from the scope of the invention. Thus, the present invention is not intended to be limited to the embodiments shown herein but is to be accorded the widest scope consistent with the principles and novel features presented herein.
Claims (7)
상기 외부 프레임에 연결된 진동판; 및
상기 진동판의 상면 및 하면 중 어느 하나 이상에 배치된 압전 소자를 포함하고,
상기 압전 소자는 피에조 파이버 컴포지트 구조체; 및 상기 피에조 파이버 컴포지트 구조체의 상면 및 하면 중 어느 하나 이상에 배치된 전극부를 포함하며,
상기 피에조 파이버 컴포지트 구조체는 복수의 압전 세라믹 로드가 서로 옆으로 나란히 배치되고, 나란히 배치된 상기 복수의 압전 세라믹 로드 사이에는 접착제가 배치되어 복수의 압전 세라믹 로드가 서로 연결된 형태이며,
상기 전극부는 한 쌍의 전극 패턴들로 이루어져 있으며, 한 쌍의 전극 패턴들은 서로 전기적으로 절연되어 있고, 각각 서로 맞물리는(interdigitated) 구조로 배치된,
압전 에너지 하베스터.
An outer frame;
A diaphragm connected to the outer frame; And
And a piezoelectric element disposed on at least one of an upper surface and a lower surface of the diaphragm,
Wherein the piezoelectric element comprises: a piezo fiber composite structure; And an electrode portion disposed on at least one of an upper surface and a lower surface of the piezoelectric composite structure,
Wherein the piezoelectric fiber composite structure includes a plurality of piezoelectric ceramic rods arranged side by side and an adhesive disposed between the plurality of piezoelectric ceramic rods arranged side by side so that a plurality of piezoelectric ceramic rods are connected to each other,
Wherein the electrode portion is formed of a pair of electrode patterns, the pair of electrode patterns are electrically insulated from each other, and are arranged in an interdigitated structure,
Piezoelectric energy harvester.
상기 진동판은,
상기 압전 소자의 상기 압전 세라믹 로드의 길이 방향으로만 상기 외부 프레임에 연결되어 있는,
압전 에너지 하베스터.
The method according to claim 1,
The diaphragm includes:
Wherein the piezoelectric ceramic rod is connected to the outer frame only in the longitudinal direction of the piezoelectric ceramic rod of the piezoelectric element,
Piezoelectric energy harvester.
상기 압전 세라믹 로드는,
복수의 압전 세라믹 템플레이트 및 세라믹 파우더를 포함하고,
상기 압전 세라믹 템플레이트는 길이 방향으로 정렬된 것을 특징으로 하는,
압전 에너지 하베스터.
The method according to claim 1,
In the piezoelectric ceramic rod,
A plurality of piezoelectric ceramic templates and a ceramic powder,
Characterized in that the piezoelectric ceramic template is longitudinally aligned.
Piezoelectric energy harvester.
상기 외부 프레임에 연결된 진동판; 및
상기 진동판의 상면 및 하면 중 어느 하나 이상에 배치된 압전 소자를 포함하고,
상기 압전 소자는 피에조 파이버 컴포지트 구조체; 및 상기 피에조 파이버 컴포지트 구조체의 상면 및 하면 중 어느 하나 이상에 배치된 전극부를 포함하며,
상기 파이버 파이버 컴포지트 구조체는,
복수의 압전 세라믹이 길이 방향으로 사이에 연결 패턴을 두고 연결되어 있는 압전 세라믹 로드를 복수개 포함하고,
상기 복수의 압전 세라믹 로드가 서로 옆으로 나란히 배치되어 길이 방향에 수직한 방향을 따라서 각각 압전 세라믹 및 연결 패턴이 나란히 배치되어 있으며,
나란히 배치된 상기 복수의 압전 세라믹 로드 사이에는 접착제가 배치되어 복수의 압전 세라믹 로드가 서로 연결되어 있고,
상기 전극부는 한 쌍의 전극 패턴들로 이루어져 있으며, 한 쌍의 전극 패턴들은 서로 전기적으로 절연되어 있고, 각각 서로 맞물리는(interdigitated) 구조로 배치된,
압전 에너지 하베스터.
An outer frame;
A diaphragm connected to the outer frame; And
And a piezoelectric element disposed on at least one of an upper surface and a lower surface of the diaphragm,
Wherein the piezoelectric element comprises: a piezo fiber composite structure; And an electrode portion disposed on at least one of an upper surface and a lower surface of the piezoelectric composite structure,
The fiber composite structure may further comprise:
A plurality of piezoelectric ceramic rods in which a plurality of piezoelectric ceramics are connected in a longitudinal direction with a connection pattern interposed therebetween,
The plurality of piezoelectric ceramic rods are arranged side by side so that the piezoelectric ceramics and the connection patterns are arranged side by side along a direction perpendicular to the longitudinal direction,
An adhesive is disposed between the plurality of piezoelectric ceramic rods arranged side by side so that a plurality of piezoelectric ceramic rods are connected to each other,
Wherein the electrode portion is formed of a pair of electrode patterns, the pair of electrode patterns are electrically insulated from each other, and are arranged in an interdigitated structure,
Piezoelectric energy harvester.
상기 진동판은,
상기 압전 소자의 상기 압전 세라믹 로드의 길이 방향으로만 상기 외부 프레임에 연결되어 있는,
압전 에너지 하베스터.
5. The method of claim 4,
The diaphragm includes:
Wherein the piezoelectric ceramic rod is connected to the outer frame only in the longitudinal direction of the piezoelectric ceramic rod of the piezoelectric element,
Piezoelectric energy harvester.
상기 압전 세라믹 로드는,
복수의 압전 세라믹 템플레이트 및 세라믹 파우더를 포함하고,
상기 압전 세라믹 템플레이트는 길이 방향으로 정렬된 것을 특징으로 하는,
압전 에너지 하베스터.
5. The method of claim 4,
In the piezoelectric ceramic rod,
A plurality of piezoelectric ceramic templates and a ceramic powder,
Characterized in that the piezoelectric ceramic template is longitudinally aligned.
Piezoelectric energy harvester.
상기 연결 패턴은 절연 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는,
압전 에너지 하베스터.5. The method of claim 4,
Characterized in that the connection pattern is made of an insulating material.
Piezoelectric energy harvester.
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