KR102085846B1 - Non-resonant high power hybrid energy harvester - Google Patents

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KR102085846B1
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살라우딘
조현옥
박재영
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광운대학교 산학협력단
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Abstract

비공진형 고출력 하이브리드 에너지 하베스터가 개시된다. 일 실시 예에 따른 하이브리드 에너지 하베스터는, 외부 케이스와, 다수의 자석이 할바흐 배열된 할바흐 어레이를 포함하고, 외부 진동에 의해 외부 케이스의 내부에서 자유 운동하는 내부 구조물과, 내부 구조물 내에서 할바흐 어레이의 자속의 세기가 집중되는 영역에 위치하는 보빈 및 보빈에 감기는 코일을 포함하며, 외부 진동 시 형성된 할바흐 어레이의 자속에 의해 코일을 통해 전기 에너지를 발생하는 전자기 발전기와, 외부 케이스 및 내부 구조물 사이에 형성된 마찰대전물질이 외부 진동으로 인해 마찰을 통해 전기 에너지를 발생하는 마찰전기 발전기를 포함한다.A non-resonant high power hybrid energy harvester is disclosed. The hybrid energy harvester according to an embodiment includes an outer case, a Halbach array in which a plurality of magnets are arranged by Halbach, an internal structure freely moving inside the external case by external vibration, and an internal structure. An electromagnetic generator including an bobbin and a coil wound around the bobbin positioned in a region where the intensity of magnetic flux of the bach array is concentrated, and generating electrical energy through the coil by the magnetic flux of the Halbach array formed during external vibration; The triboelectric charge material formed between the inner structure includes a triboelectric generator that generates electrical energy through friction due to external vibration.

Figure R1020180078849
Figure R1020180078849

Description

비공진형 고출력 하이브리드 에너지 하베스터 {Non-resonant high power hybrid energy harvester}Non-resonant high power hybrid energy harvester

본 발명은 에너지 하베스터 기술에 관한 것이다.The present invention relates to energy harvester technology.

휴대용 전자기기가 급속히 성장함에 따라 잠재적인 애플리케이션을 위해 내장형 에너지 하베스터를 개발하고, 마침내 외부 전원 없이 휴대형 전자기기의 자체 충전 기능을 실현하려는 시도가 새로이 시도되고 있다. 그런데 소형의 에너지 하베스터들로 생산된 전기 에너지는 휴대용 전자기기에 지속 가능할 만큼 전력을 공급하기에 충분하지 않을 뿐만 아니라, 저주파 진동의 작은 힘의 작동 조건에서는 더욱더 낮은 수준의 출력을 수확한다. 기계적 진동으로부터 에너지를 얻기 위해 가장 일반적으로 사용되는 기술은 전자기, 마찰전기, 정전기 및 압전 메커니즘이 있다.As portable electronics grow rapidly, new attempts are being made to develop embedded energy harvesters for potential applications and finally realize the self-charging capabilities of portable electronics without external power. The electrical energy produced by small energy harvesters is not enough to power sustainable portable electronics, but harvests even lower levels of power under low-power oscillating, low-power operating conditions. The most commonly used techniques for obtaining energy from mechanical vibrations are electromagnetic, triboelectric, electrostatic and piezoelectric mechanisms.

한국 공개특허 10-2016-0135445 (2016년11월28일 공개)Korean Patent Publication No. 10-2016-0135445 published on 28 November 2016 한국 등록특허 10-1729149 (2017년04월17일 등록)Korea Patent Registration 10-1729149 (registered April 17, 2017)

일 실시 예에 따라, 별도의 공진 주파수를 가지지 않고, 10Hz 미만의 저 주파수에서도 고효율로 에너지를 수확할 수 있는 비공진형 고출력 하이브리드 에너지 하베스터를 제안한다.According to an embodiment, there is proposed a non-resonant high power hybrid energy harvester capable of harvesting energy with high efficiency even at a low frequency of less than 10 Hz without having a separate resonance frequency.

일 실시 예에 따른 하이브리드 에너지 하베스터는, 외부 케이스와, 다수의 자석이 할바흐 배열된 할바흐 어레이를 포함하고, 외부 진동에 의해 외부 케이스의 내부에서 자유 운동하는 내부 구조물과, 내부 구조물 내에서 할바흐 어레이의 자속의 세기가 집중되는 영역에 위치하는 보빈 및 보빈에 감기는 코일을 포함하며, 외부 진동 시 형성된 할바흐 어레이의 자속에 의해 코일을 통해 전기 에너지를 발생하는 전자기 발전기와, 외부 케이스 및 내부 구조물 사이에 형성된 마찰대전물질이 외부 진동으로 인해 마찰을 통해 전기 에너지를 발생하는 마찰전기 발전기를 포함한다.The hybrid energy harvester according to an embodiment includes an outer case, a Halbach array in which a plurality of magnets are arranged by Halbach, an internal structure freely moving inside the external case by external vibration, and an internal structure. An electromagnetic generator including an bobbin and a coil wound around the bobbin positioned in a region where the intensity of magnetic flux of the bach array is concentrated, and generating electrical energy through the coil by the magnetic flux of the Halbach array formed during external vibration; The triboelectric charge material formed between the inner structure includes a triboelectric generator that generates electrical energy through friction due to external vibration.

하이브리드 에너지 하베스터는, 외부 진동으로 인해 할바흐 어레이가 자유 운동 내에서 자유롭게 진동하기 시작함에 따라 하나의 진동 동작으로 코일 및 마찰대전물질에 각각 상대 변위(relative displacement)를 일으키고, 전자기 발전기는 코일의 상대 변위에 의해 전기 에너지를 발생시키며, 동시에 마찰전기 발전기는 마찰대전물질의 상대 변위에 의해 마찰전기 에너지를 발생할 수 있다.Hybrid energy harvesters produce relative displacements in the coil and triboelectric charge material in one oscillating motion as the Halbach array begins to oscillate freely in free motion due to external vibrations, and the electromagnetic generator produces a relative displacement of the coil. The electrical energy is generated by the displacement, and at the same time, the triboelectric generator may generate the triboelectric energy by the relative displacement of the triboelectric charge material.

하이브리드 에너지 하베스터는, 소정의 입력 주파수까지는 출력 전력이 증가하다 그 이상의 입력 주파수에서는 일정한 출력 전력을 제공하는 비공진 특성을 가질 수 있다.The hybrid energy harvester may have a non-resonant characteristic of providing a constant output power at an input frequency higher than the predetermined input frequency.

마찰전기 발전기는, 외부 케이스의 내부에 형성된 제1 마찰대전물질과 내부 구조물의 외부에 형성된 제2 마찰대전물질이 서로 마주보는 형태로 이격 배치되어 두 마찰대전물질 간의 결합 및 분리에 의해 마찰전기를 발생할 수 있다. 이때, 제1 마찰대전물질은 알루미늄(Al)-PTFE 나노 구조물이고, 제2 마찰대전물질은 알루미늄(Al) 나노 글라스이거나, 제1 마찰대전물질은 알루미늄(Al) 나노 글라스이고, 제2 마찰대전물질은 알루미늄(Al)-PTFE 나노 구조물일 수 있다.The triboelectric generator is disposed so that the first triboelectric charge material formed inside the outer case and the second triboelectric charge material formed on the outside of the inner structure face each other to separate the triboelectric charges by the coupling and separation between the two triboelectric charge materials. May occur. In this case, the first triboelectric charge material is an aluminum (Al) -PTFE nanostructure, the second triboelectric charge material is an aluminum (Al) nano glass, or the first triboelectric charge material is an aluminum (Al) nano glass, the second triboelectric charge The material may be an aluminum (Al) -PTFE nanostructure.

마찰전기 발전기는, 외부 케이스의 내부에 형성된 제1 마찰대전물질과 내부 구조물의 외부에 형성된 제2 마찰대전물질이 서로 마주보는 형태로 이격 배치되어 외부 진동 시 두 마찰대전물질 간의 결합 및 분리에 의해 마찰을 통해 전기를 발생하는 제1 마찰전기 발전기와, 외부 케이스의 내부에 형성된 제1 마찰대전물질과 내부 구조물의 외부에 형성된 제2 마찰대전물질이 서로 마주보는 형태로 결합 배치되어 외부 진동 시 두 마찰대전물질 간의 슬라이딩에 의해 마찰을 통해 전기를 발생하는 제2 마찰전기 발전기를 포함할 수 있다. 제1 마찰대전물질은 구리(Cu)-PTFE 나노 구조물이고, 제2 마찰대전물질은 알루미늄(Al) 나노 글라스이거나, 제1 마찰대전물질은 알루미늄(Al) 나노 글라스이고, 제2 마찰대전물질은 구리(Cu)-PTFE 나노 구조물일 수 있다.In the triboelectric generator, the first triboelectric charge material formed inside the outer case and the second triboelectric charge material formed on the outside of the inner structure are spaced apart from each other so that the triboelectric generator is coupled and separated during the external vibration. The first triboelectric generator, which generates electricity through friction, and the first triboelectric charge material formed inside the outer case and the second triboelectric charge material formed on the outside of the inner structure are disposed to face each other to form an external vibration. It may include a second triboelectric generator for generating electricity through friction by sliding between the triboelectric charge material. The first triboelectric charge material is a copper (Cu) -PTFE nanostructure, the second triboelectric charge material is aluminum (Al) nano glass, the first triboelectric charge material is aluminum (Al) nano glass, the second triboelectric charge material is It may be a copper (Cu) -PTFE nanostructure.

마찰전기 발전기는, 마찰대전물질이 내부 구조물의 외부 양 옆 또는 외부 위아래로 위치하거나, 외부 양 옆 및 외부 위아래 모두에 위치할 수 있다.In triboelectric generators, the triboelectric charge material may be located on the outside, on the outside, on the outside, or on the outside of the internal structure, or on both the outside and on the outside.

전자기 발전기는, 코일은 고정되어 움직이지 않고 할바흐 어레이가 움직임으로써 전기 에너지를 발생하거나, 할바흐 어레이는 고정되어 움직이지 않고 코일이 움직임으로써 전기 에너지를 발생할 수 있다.The electromagnetic generator may generate electrical energy by moving the Halbach array without moving the coil while being fixed, or by moving the coil without moving the Halbach array by generating the electric energy.

할바흐 어레이는, 코일을 중심으로 내부 구조물의 양쪽에 이중으로 할바흐 배열을 한 다수의 자석이 배치됨에 따라 양쪽에서 코일에 자속의 세기를 집중시킬 수 있다. 할바흐 어레이는, 코일이 보빈 전체를 감지 않고, 할바흐 어레이의 자속의 세기가 집중되는 영역에만 감김에 따라 자속의 집중을 강화시킬 수 있다.The Halbach array can concentrate the strength of the magnetic flux on the coil on both sides as a plurality of magnets arranged in double Halbach arrangement on both sides of the inner structure around the coil. The Halbach array can enhance the concentration of the magnetic flux as the coil is wound around only the region where the intensity of the magnetic flux of the Halbach array is concentrated without sensing the entire bobbin.

외부 진동은 인간의 신체 동작을 통해 발생하는 생체 역학 에너지일 수 있다. 외부 케이스는 3D 프린팅 방식을 통해 제조될 수 있다.External vibration may be biomechanical energy generated through human body motion. The outer case can be manufactured through 3D printing.

일 실시 예에 따른 하이브리드 에너지 하베스터는 별도의 공진 주파수를 가지지 않으며, 소정의 입력 주파수, 예를 들어 5Hz까지는 출력 전력이 증가하다 그 이상의 입력 주파수에서는 거의 일정한 출력 전력을 제공하는 비공진 특성을 가진다. 이러한 비공진 특성에 의해 소정의 입력 주파수, 예를 들어 5 Hz 이상부터는 다 비슷한 출력 전력을 내기 때문에 굳이 높은 입력 주파수를 인가할 필요 없이 5 Hz만 입력해도 고효율을 얻을 수 있게 된다.The hybrid energy harvester according to an embodiment does not have a separate resonant frequency, and the output power increases up to a predetermined input frequency, for example, 5 Hz. The hybrid energy harvester has a non-resonant characteristic of providing a substantially constant output power at an input frequency higher than that. This non-resonant characteristic produces a similar output power from a predetermined input frequency, for example, 5 Hz or more, so that high efficiency can be obtained by only inputting 5 Hz without having to apply a high input frequency.

또한, 이중 할바흐 배열을 사용하여 자속 밀도를 향상시킴으로써 고출력을 발생시키고, 전체 체적을 감소시킴으로써 인체동작과 같은 저주파수의 진동에서도 고효율을 가진다.In addition, by using the double Halbach arrangement to improve the magnetic flux density to generate a high output, by reducing the overall volume has a high efficiency even at low frequency vibration, such as human body motion.

나아가, 에너지 하베스터 안에 전자기 발전기(electromagnetic generator)와 마찰전기 발전기(Triboelectric generator)를 결합함에 따라 한 번의 진동 동작으로 더 많은 전기를 추출할 수 있으며, 휴대용 전자장치에 적용 시 전력 요구를 충족할 수 있다. 이때, 외부 진동은 인간의 자연스러운 신체 동작을 통해 발생하는 생체 역학 에너지로서, 이를 이용함에 따라 웨어러블 기기에 적용될 수 있다. 또한, 인간의 신체 동작은 10Hz 이하의 저주파수 특징을 가지고 있기 때문에, 저주파수에도 높은 출력전력을 생산할 수 있다.Furthermore, the combination of an electromagnetic generator and a triboelectric generator in an energy harvester allows the extraction of more electricity in a single oscillating operation and meets the power requirements of portable electronics. . At this time, the external vibration is a biomechanical energy generated through the natural human body movement, and can be applied to the wearable device by using the external vibration. In addition, since the human body motion has a low frequency characteristic of 10 Hz or less, high output power can be produced even at a low frequency.

자석을 할바흐 배열하여 특정 부분에 자속을 집중시킬 수 있기 때문에 더 큰 효율을 낼 수 있다. 특히, 코일을 중심으로 양쪽에서 자석을 이중 할바흐 배열함으로써 자속을 더욱더 집중시켜서 출력전압 및 전력밀도(power density)를 높일 수 있다. 나아가, 자속이 강한 부분만 코일을 감고 나머지 부분은 코일을 감지 않음으로써, 코일로부터 발생하는 저항을 최소화하여 소모전력을 줄이고 발생하는 전력을 높일 수 있다.By placing the magnets on a Halbach, the magnetic flux can be concentrated in a specific area, resulting in greater efficiency. In particular, by arranging the double Halbach magnets on both sides of the coil, the magnetic flux can be more concentrated to increase the output voltage and power density. Furthermore, only the strong magnetic flux is wound around the coil and the rest of the coil is not detected, thereby minimizing the resistance generated from the coil, thereby reducing power consumption and increasing the generated power.

도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 하이브리드 하베스터의 구성을 도시한 도면,
도 2는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 하이브리드 하베스터의 구성을 도시한 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 할바흐 어레이의 FEM(finite element method) 시뮬레이션 결과를 도시한 도면,
도 4 내지 도 6은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 도 1의 하이브리드 하베스터를 이용한 시뮬레이션 결과를 도시한 도면들,
도 7 내지 도 9는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 도 2의 하이브리드 하베스터를 이용한 시뮬레이션 결과를 도시한 도면들이다.1 is a view showing the configuration of a hybrid harvester according to a first embodiment of the present invention,
2 is a view showing the configuration of a hybrid harvester according to a second embodiment of the present invention;
3 is a diagram illustrating a finite element method (FEM) simulation result of a Halbach array according to an embodiment of the present invention;
4 to 6 are diagrams showing simulation results using the hybrid harvester of FIG. 1 according to the first embodiment of the present invention;
7 to 9 are diagrams showing simulation results using the hybrid harvester of FIG. 2 according to the second embodiment of the present invention.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.Advantages and features of the present invention, and methods for achieving them will be apparent with reference to the embodiments described below in detail in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but may be implemented in various different forms, only the embodiments are to make the disclosure of the present invention complete, and the general knowledge in the technical field to which the present invention belongs. It is provided to fully convey the scope of the invention to those skilled in the art, and the present invention is defined only by the scope of the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout.

본 발명의 실시 예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이며, 후술되는 용어들은 본 발명의 실시 예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.In describing the embodiments of the present disclosure, when it is determined that a detailed description of a known function or configuration may unnecessarily obscure the subject matter of the present disclosure, the detailed description thereof will be omitted, and the following terms are used in the embodiments of the present disclosure. Terms are defined in consideration of the function of the may vary depending on the user or operator's intention or custom. Therefore, the definition should be made based on the contents throughout the specification.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세하게 설명한다. 그러나 다음에 예시하는 본 발명의 실시 예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시 예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시 예는 이 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공된다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, embodiments of the present invention illustrated in the following may be modified in many different forms, the scope of the present invention is not limited to the embodiments described in the following. Embodiments of the present invention are provided to more fully explain the present invention to those skilled in the art.

일 실시 예에 따른 하이브리드 에너지 하베스터(이하, '하이브리드 하베스터'라 칭함)는, 저주파수(예를 들어, 입력 주파수 5Hz)의 진동에 의한 자유운동 기반의 전자기 발전기(electromagnetic generator: EMG, 이하 'EMG'라 칭함) 및 마찰전기 발전기(triboelectric nanogenerator: TENG, 이하 'TENG'라 칭함)가 혼합된 구조이다. 마찰대전물질을 사용하면 마찰전기 효과로 인해 전류가 흐르는데, 이를 이용해서 TENG를 구현할 수 있다. 에너지 하베스터 안에 EMG와 TENG를 결합함에 따라 한 번의 외부 진동 동작으로 더 많은 전기를 생산할 수 있다. EMG는 자석들이 위아래로 할바흐 배열된 이중 할바흐 어레이(dual Halbach array)를 사용한다. EMG 및 TENG의 혼합 구조와 이중 할바흐 어레이 구조에 의해, 별도의 공진 주파수를 사용하지 않아도 되고 저주파수에서도 높은 출력전력을 생산할 수 있다. 외부 진동은 핸드쉐이킹, 걷기, 달리기, 자건거 타기 등과 같은 인간의 자연스러운 신체 동작을 통해 발생하는 생체 역학 에너지일 수 있다. 이 경우, 인간의 다양한 진동으로부터 고효율의 에너지를 수확할 수 있다. 또한, 인간의 신체 동작은 10Hz 이하의 저주파수에서 발생하기 때문에, 저주파수에도 높은 출력전력을 생산할 수 있다.Hybrid energy harvester according to an embodiment (hereinafter referred to as "hybrid harvester"), a free-movement-based electromagnetic generator (EMG, hereinafter 'EMG') by vibration of a low frequency (for example, the input frequency 5Hz) And triboelectric nanogenerator (TENG, hereinafter referred to as 'TENG'). The use of triboelectric charge materials allows current to flow due to triboelectric effects, which can be used to implement TENG. By combining EMG and TENG in an energy harvester, more electricity can be produced in one external vibration motion. EMG uses a dual Halbach array with magnets arranged up and down. The mixed structure of EMG and TENG and the double Halbach array structure eliminate the need for a separate resonant frequency and produce high output power even at low frequencies. The external vibration may be biomechanical energy generated through human's natural body movements such as handshaking, walking, running, riding a bicycle, and the like. In this case, high efficiency energy can be harvested from various vibrations of a human. In addition, since the human body motion occurs at a low frequency of 10 Hz or less, high output power can be produced even at a low frequency.

도 1은 접촉(contact) 및 분리(separation)에 의한 마찰에 의해 전기 에너지가 발생하는 접촉-분리 기반 TENG를 포함하는 구조를 도시한 것이고, 도 2는 접촉-분리 기반 TENG와 함께, 슬라이딩(sliding)에 의한 마찰에 의해 전기 에너지가 발생하는 슬라이딩 기반 TENG를 포함하는 구조를 도시한 것이다. 이하, 도 1 및 도 2를 참조로 하여 전술한 특징을 가진 하이브리드 하베스터 구조에 대해 상세히 후술한다.FIG. 1 shows a structure comprising a contact-separation based TENG where electrical energy is generated by friction by contact and separation, and FIG. 2 shows sliding with the contact-separation based TENG. Shows a structure including a sliding base TENG in which electrical energy is generated by friction by). Hereinafter, a hybrid harvester structure having the above-described features will be described in detail with reference to FIGS. 1 and 2.

도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 하이브리드 하베스터의 구성을 도시한 도면이다.1 is a view showing the configuration of a hybrid harvester according to a first embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면 하이브리드 하베스터(1)는 외부 케이스(10)과 내부 구조물(20) 및 TENG를 포함한다. 내부 구조물(20)은 외부 케이스(10)의 내부에 위치하며, 할바흐 어레이(200) 및 EMG가 배치되며, 외부 케이스(10)와 내부 구조물(20) 사이의 공간에는 TENG가 배치된다. 할바흐 어레이(200)와 나사, 코일(32), TENG를 제외하면 모두 PLA 재질로 이루어질 수 있다.Referring to FIG. 1, the hybrid harvester 1 includes an outer case 10, an inner structure 20, and a TENG. The inner structure 20 is located inside the outer case 10, and the Halbach array 200 and the EMG are disposed, and the TENG is disposed in the space between the outer case 10 and the inner structure 20. All except for the Halbach array 200 and the screw, coil 32, TENG may be made of a PLA material.

외부 케이스(10)는 하이브리드 하베스터(1)의 하우징 역할을 하는데, 직육면체의 외형을 가질 수 있다. 외부 케이스(10)는 PLA 재질로 이루어질 수 있으며, 위아래 판(110)이 각각 위아래로 열리고 닫히는 구조를 가질 수 있다. 외부 케이스(10)의 위아래 판(110)의 양 옆으로 수직 형태의 2개의 고정판(100)을 대어서 고정할 수 있다. 외부 케이스(10)는 3D 프린팅 방식을 통해 제조될 수 있다. 3D 프린팅 방식의 경우, 금형을 이용한 인쇄 방식보다 제조 공정이 빠르고 쉬우며 비용 면에서 효율적이다.The outer case 10 serves as a housing of the hybrid harvester 1, and may have an outer shape of a rectangular parallelepiped. The outer case 10 may be made of a PLA material, and may have a structure in which the up and down plates 110 are opened and closed up and down, respectively. Two fixing plates 100 of vertical form may be fixed to both sides of the upper and lower plates 110 of the outer case 10. The outer case 10 may be manufactured through a 3D printing method. In the case of 3D printing, the manufacturing process is faster, easier and more cost-effective than printing using a mold.

내부 구조물(20)은 할바흐 배열된 자석들로 이루어진 할바흐 어레이(200)가 위치하고, 수직 형태의 2개의 이동판(240)을 통해 할바흐 어레이(200)를 고정시킨 직육면체 형태이다. 외부에서 진동 에너지가 발생하면 내부 구조물(20)이 운동하여 고효율로 전력을 생산한다.The internal structure 20 is a rectangular parallelepiped in which the Halbach array 200 made up of Halbach-arranged magnets is located, and the Halbach array 200 is fixed through two moving plates 240 of vertical form. When vibration energy is generated from the outside, the internal structure 20 moves to produce power with high efficiency.

할바흐 어레이(200)는 다수의 자석이 할바흐 배열을 하고 있다. 도 1에서는 3개의 블록자석이 할바흐 배열을 이루고 있다. 할바흐 어레이(200)는 도 1에 도시된 바와 같이, 위아래로 서로 마주보는 이중 할바흐 배열을 이룰 수 있다. 할바흐 어레이(200)의 양 끝 단에 이동판(240)이 각각 결합할 수 있다. 이동판(240)은 PLA를 재료로 3D 프린트를 이용해 제조될 수 있다. 이중 할바흐 배열된 자석들의 양 끝 단과 이동판(240) 사이에는 PLA 재질의 스페이서(230)가 각각 위치할 수 있다. 할바흐 어레이(200)를 구성하는 자석들은 영구자석일 수 있다. 영구자석으로 NdFeB 자석이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In the Halbach array 200, a plurality of magnets have a Halbach arrangement. In FIG. 1, three block magnets form a Halbach arrangement. Halbach array 200 may form a dual Halbach arrangement facing each other up and down, as shown in FIG. Moving plates 240 may be coupled to both ends of the Halbach array 200, respectively. The moving plate 240 may be manufactured using 3D printing using PLA as a material. The spacer 230 of PLA material may be positioned between both ends of the double Halbach magnets and the movable plate 240. The magnets constituting the Halbach array 200 may be permanent magnets. NdFeB magnet may be used as the permanent magnet, but is not limited thereto.

페러데이의 법칙은 자기장이 변화하면 전기장이 생기는 법칙이다. 전자기유도방식을 이용한 에너지 하베스터는 이러한 페러데이의 법칙을 이용한다. 할바흐 어레이(200)의 자석과 코일(32)을 놓고 둘 중 하나 또는 둘 다 움직이게 하면서 유도기전력을 발생시키는 것이다. 발생하는 유도기전력의 크기는 코일의 감은 수(n), 자속의 세기(B), 보빈의 길이(l), 자석이나 코일의 속도(v)와 비례한다(ε= nBlv). 일 실시 예에 따른 하이브리드 하베스터(1)는 할바흐 어레이(200)를 이용하여 이들 중 자속의 세기(B)를 높이는 데 중점을 두었다.Faraday's law is a law that generates an electric field when the magnetic field changes. Energy harvesters using electromagnetic induction use this Faraday's law. The magnet and coil 32 of the Halbach array 200 are placed and one or both of them move to generate induced electromotive force. The magnitude of the induced electromotive force is proportional to the number of turns of the coil ( n ), the intensity of the magnetic flux ( B ), the length of the bobbin ( l ), and the speed of the magnet or coil ( v ) ( ε = nBlv ). Hybrid harvester 1 according to an embodiment focused on increasing the intensity ( B ) of the magnetic flux among them using the Halbach array 200.

하이브리드 하베스터(1) 외부 진동으로 인해 할바흐 어레이(200)가 자유 운동 내에서 자유롭게 진동하기 시작함에 따라 하나의 진동 동작으로 EMG의 코일(32) 및 TENG의 마찰대전물질(40, 42)에 각각 상대 변위(relative displacement)를 일으킨다. 이때, EMG는 코일(32)의 상대 변위에 의해 전기 에너지를 발생시키며, 동시에 TENG는 마찰대전물질(40, 42)의 상대 변위에 의해 마찰전기 에너지를 발생시킨다.As the Halbach array 200 begins to vibrate freely within free motion due to external vibration of the hybrid harvester 1, the oscillating motion of the coil 32 of the EMG and the triboelectric charging materials 40 and 42 of the TENG are performed in one oscillation motion. It causes relative displacement. At this time, the EMG generates electrical energy by the relative displacement of the coil 32, and at the same time TENG generates triboelectric energy by the relative displacement of the triboelectric charging materials 40 and 42.

EMG는 할바흐 어레이(200)의 할바흐 배열로 인해 자속이 집중되는 곳에 위치한 보빈(30)과 보빈(30)에 감기는 코일(32)을 포함한다. 외부 진동이 하이브리드 하베스터(1)에 전달되는 경우, 할바흐 어레이(200)가 진동하고 진동이 EMG의 코일(32)과 작용하여 전기 에너지를 발생할 수 있다. 외부 케이스(10)의 위아래 판(110)이 닫히면서 EMG의 보빈(30)이 움직이지 않도록 고정할 수 있다. 보빈(30) 고정을 위해, 외부 케이스(10)에 홈이 있어서 그 홈에 보빈(30)을 맞추고 체결할 수 있다. 이때 보빈(30)이 고정되어 진동에도 보빈(30)은 움직이지 않을 수 있다.The EMG includes a bobbin 30 and a coil 32 wound around the bobbin 30 where the magnetic flux is concentrated due to the Halbach array of the Halbach array 200. When external vibration is transmitted to the hybrid harvester 1, the Halbach array 200 may vibrate and the vibration may act on the coil 32 of the EMG to generate electrical energy. While the upper and lower plates 110 of the outer case 10 are closed, the bobbin 30 of the EMG may be fixed so as not to move. In order to fix the bobbin 30, there is a groove in the outer case 10 so that the bobbin 30 can be fitted and fastened to the groove. At this time, the bobbin 30 is fixed so that the bobbin 30 may not move even when vibrated.

EMG는 진동의 가속도가 커질수록 생성되는 출력전압이 더 높아질 수 있다. 일 예로, 코일(32)은 고정되어 움직이지 않고, 할바흐 어레이(200)가 움직임으로써 전기 에너지를 발생할 수 있다. 다른 예로, 할바흐 어레이(200)는 고정되어 움직이지 않고 코일(32)이 움직임으로써 전기 에너지를 발생할 수도 있다. 코일(32)은 보빈(30) 전체를 감지 않고 분리되어 감겨 있을 수 있다. 다수의 자석이 할바흐 배열되어 있어 코일(32)이 있는 쪽으로 자속이 집중되며, 자속이 집중되는 부분에만 코일(32)을 배치됨으로써 자속 집중의 강도를 높여 저주파에서도 고효율의 에너지 하베스팅이 가능하다.The greater the acceleration of vibration, the higher the output voltage generated. For example, the coil 32 is fixed and does not move, and the Halbach array 200 may move to generate electrical energy. As another example, the Halbach array 200 may generate electrical energy by moving the coil 32 without being fixed and moving. The coil 32 may be wound separately without sensing the entire bobbin 30. Since a plurality of magnets are arranged in Halbach, the magnetic flux is concentrated toward the coil 32, and the coil 32 is disposed only at the portion where the magnetic flux is concentrated, thereby increasing the intensity of the magnetic flux concentration and enabling high-efficiency energy harvesting even at low frequencies. .

TENG는 외부 케이스(10) 및 내부 구조물(20) 사이에 형성된 마찰대전물질들이 외부 진동으로 인해 마찰을 통해 전기 에너지를 발생시킨다. 일 실시 예에 따른 TENG는 도 1에 도시된 바와 같이, 외부 케이스(10)의 내부에 형성된 제1 마찰대전물질(42)과 내부 구조물(20)의 외부에 형성된 제2 마찰대전물질(40)이 서로 마주보는 형태로 이격 배치되어, 두 마찰대전물질(40, 42) 간의 접촉 및 분리에 의해 마찰전기를 발생한다. 진동이 있을 때 할바흐 어레이(200)를 포함한 내부 구조물(20)이 외부 케이스(10) 벽에 부딪혀 접촉 및 분리가 반복되면서 전기 에너지가 발생하는 구조이다. 제1 마찰대전물질(42)은 알루미늄(Al)-PTFE 나노 구조물(nano structure)이고, 제2 마찰대전물질(40)은 알루미늄(Al) 나노 글라스(nano glass)일 수 있다. 또는 제1 마찰대전물질(42)은 알루미늄(Al) 나노 글라스이고, 제2 마찰대전물질(40)은 알루미늄(Al)-PTFE 나노 구조물일 수 있다. 제1 마찰대전물질(42)인 알루미늄(Al)-PTFE 나노 구조물은 알루미늄(Al)에 얇은 PTFE 필름을 부착한 것으로, 제2 마찰대전물질(40)과의 전자친화성 차이를 증가시킴으로써 나노 발전기의 출력 성능을 증가시킨다. 나노 구조물은 나노 와이어(nano wire) 구조일 수 있다. 도 1에서는 마찰대전물질(40, 42)이 외부 케이스(10) 및 내부 구조물(20)의 양 옆에 배치되어 마찰전기 효과(triboelectric effect)를 내지만, 마찰대전물질(40, 42)은 양 옆뿐만 아니라, 위아래로, 또는 양 옆 및 위아래 모두 위치할 수 있다.TENG generates electrical energy through friction due to external vibration of frictional charge materials formed between the outer case 10 and the inner structure 20. As shown in FIG. 1, the TENG according to an embodiment of the present disclosure may include a first triboelectric charge material 42 formed inside the outer case 10 and a second triboelectric charge material 40 formed outside the inner structure 20. The spacers are spaced apart from each other so as to generate triboelectricity by contact and separation between the two triboelectric charging materials 40 and 42. When there is a vibration, the inner structure 20 including the Halbach array 200 hits the wall of the outer case 10 and the contact and disconnection are repeated, thereby generating electrical energy. The first triboelectric charge material 42 may be an aluminum (Al) -PTFE nano structure, and the second triboelectric charge material 40 may be an aluminum (Al) nano glass. Alternatively, the first triboelectric charge material 42 may be aluminum (Al) nanoglass, and the second triboelectric charge material 40 may be an aluminum (Al) -PTFE nanostructure. The aluminum (Al) -PTFE nanostructure, which is the first triboelectric charge material 42, is a thin PTFE film attached to aluminum (Al), and increases the electron affinity with the second triboelectric charge material 40, thereby increasing the nanogenerator. To increase the output performance. The nano structure may be a nano wire structure. In FIG. 1, triboelectric materials 40 and 42 are disposed on both sides of the outer case 10 and the inner structure 20 to produce a triboelectric effect, while triboelectric materials 40 and 42 are both. In addition to the side, it can be located up and down, or both sides and up and down.

도 2는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 하이브리드 하베스터의 구성을 도시한 도면이다.2 is a diagram illustrating a configuration of a hybrid harvester according to a second embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면 하이브리드 하베스터는 하나의 EMG와 두 개의 TENG를 포함한다. EMG는 도 1의 구조와 유사하다. TENG1은 두 마찰대전물질 간의 결합 및 분리에 의한 마찰을 통해 전기를 발생하는 구조이고, TENG2는 마찰대전물질의 슬라이딩에 의한 마찰을 통해 전기를 발생하는 구조이다. 예를 들어, TENG1은 외부 케이스의 내부에 형성된 제1 마찰대전물질(52)과 내부 구조물의 외부에 형성된 제2 마찰대전물질(50)이 서로 마주보는 형태로 이격 배치되어 외부 진동 시 두 마찰대전물질(50, 52) 간의 결합 및 분리에 의해 마찰을 통해 전기를 발생한다. 제1 마찰대전물질(52)은 일 면에 구리(Cu)가 결합한 Cu-PTFE 나노 구조물이고, 제2 마찰대전물질(50)은 알루미늄(Al) 나노 글라스일 수 있다. 다른 예로, 외부 케이스의 내부에 제2 마찰대전물질(50)이 형성되고, 내부 구조물의 외부에 제1 마찰대전물질(52)이 형성될 수도 있다. 제1 마찰대전물질(52)인 Cu-PTFE 나노 구조물은 구리(Cu)에 얇은 PTFE 필름을 부착한 것으로, 제2 마찰대전물질(50)과의 전자친화성 차이를 증가시킴으로써 나노 발전기의 출력 성능을 증가시킨다. 나노 구조물은 나노 와이어 구조일 수 있다.2, the hybrid harvester includes one EMG and two TENGs. EMG is similar to the structure of FIG. 1. TENG1 is a structure that generates electricity through friction by the coupling and separation between the two triboelectric charging materials, TENG2 is a structure that generates electricity through the friction of the sliding friction material. For example, TENG1 is spaced apart from each other in a form in which the first frictional charge material 52 formed inside the outer case and the second frictional charge material 50 formed on the outside of the inner structure face each other so that two frictional charges may be caused during external vibration. Electricity is generated through friction by the coupling and separation between the materials 50 and 52. The first triboelectric charge material 52 may be a Cu-PTFE nanostructure in which copper (Cu) is bonded to one surface thereof, and the second triboelectric charge material 50 may be aluminum (Al) nanoglass. As another example, the second triboelectric charge material 50 may be formed inside the outer case, and the first triboelectric charge material 52 may be formed outside the inner structure. Cu-PTFE nanostructure, which is the first triboelectric charge material 52, is a thin PTFE film attached to copper (Cu), and the output performance of the nanogenerator is increased by increasing the electron affinity difference with the second triboelectric charge material 50. To increase. The nanostructures may be nanowire structures.

TENG2는 외부 케이스의 내부에 형성된 제1 마찰대전물질(52)과 내부 구조물의 외부에 형성된 제2 마찰대전물질(50)이 서로 마주보는 형태로 결합 배치되어 외부 진동 시 두 마찰대전물질(50, 52) 간의 슬라이딩에 의해 마찰을 통해 전기를 발생한다. 이때, 제1 마찰대전물질(52)은 일 면에 구리(Cu)가 결합한 Cu-PTFE 나노 구조물이고, 제2 마찰대전물질(50)은 알루미늄(Al) 나노 글라스일 수 있다. 다른 예로, 외부 케이스의 내부에 제2 마찰대전물질(50)이 형성되고, 내부 구조물의 외부에 제1 마찰대전물질(52)이 형성될 수도 있다.TENG2 is disposed in a form in which the first triboelectric charge material 52 formed inside the outer case and the second triboelectric charge material 50 formed on the outside of the inner structure face each other so that the two triboelectric charge materials 50, 52) Generate electricity through friction by sliding between them. In this case, the first triboelectric charge material 52 may be a Cu-PTFE nanostructure in which copper (Cu) is bonded to one surface thereof, and the second triboelectric charge material 50 may be aluminum (Al) nanoglass. As another example, the second triboelectric charge material 50 may be formed inside the outer case, and the first triboelectric charge material 52 may be formed outside the inner structure.

도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 할바흐 어레이의 FEM(finite element method) 시뮬레이션 결과를 도시한 도면이다.FIG. 3 is a diagram illustrating a finite element method (FEM) simulation result of a Halbach array according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, 자석을 위아래 위중으로 할바흐 배열하여서 코일이 있는 쪽으로 자속이 집중되는 것을 알 수 있다. 이에 따라, 자속이 집중되는 부분에만 코일을 배치한다.Referring to Figure 3, it can be seen that the magnetic flux is concentrated toward the coil by arranging the magnets up and down and up and down. Accordingly, the coil is disposed only at the portion where the magnetic flux is concentrated.

도 4 내지 도 6은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 도 1의 하이브리드 하베스터를 이용한 시뮬레이션 결과를 도시한 도면들이다.4 to 6 are diagrams showing simulation results using the hybrid harvester of FIG. 1 according to the first embodiment of the present invention.

세부적으로, 도 4는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 하이브리드 하베스터를 손을 이용해 입력을 줬을 때의 출력 파형을 도시한 도면이다.In detail, FIG. 4 is a diagram illustrating an output waveform when the hybrid harvester according to the first exemplary embodiment of the present invention is input using a hand.

도 4를 참조하면, 입력 주파수 5Hz, 0.5g의 최고가속도(acceleration)일 때에 EMG는 도 4 (a)와 같이 2.05 Vp -p가, TENG는 도 4 (b)와 같이 146 Vp -p의 전압이 발생하는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 4, when the input frequency 5Hz and 0.5g of the highest acceleration (acceleration), the EMG is 2.05 V p -p as shown in Figure 4 (a), TENG is 146 V p -p as shown in Figure 4 (b) It can be seen that the voltage of.

도 5는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 입력 주파수에 따른 출력 전압을 도시한 도면이다.5 is a diagram illustrating an output voltage according to an input frequency according to the first embodiment of the present invention.

도 5를 참조하면, 제1 실시 예에 따른 하이브리드 하베스터는 소정의 입력 주파수까지는 출력 전력이 증가하다가, 그 이상의 입력 주파수부터는 거의 일정한 출력 전력을 보이는 비공진 특성을 가진다. 예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이, 입력 주파수가 5Hz에 도달할 때까지 출력 전압이 높아졌다가, 5Hz 이상부터는 출력 전압이 거의 일정하게 유지된다. 입력 주파수 5Hz, 가속도 0.5 g에서 EMG와 TENG에서 각각 2.9 Vp -p와 176 Vp -p의 출력전압이 발생하는 것을 알 수 있다. Referring to FIG. 5, the hybrid harvester according to the first exemplary embodiment has a non-resonant characteristic in which the output power increases up to a predetermined input frequency and shows a substantially constant output power from a higher input frequency. For example, as shown in Fig. 5, the output voltage increases until the input frequency reaches 5 Hz, and then the output voltage remains substantially constant from 5 Hz or more. It can be seen that the output voltage of 2.9 V p -p and 176 V p -p occurs at EMG and TENG at input frequency 5Hz and acceleration 0.5g, respectively.

일반적인 에너지 하베스터는 공진 구간에서 가장 효율이 높게 나와서 공진 주파수를 입력해야 하지만, 일 실시 예에 따른 하이브리드 하베스터는 소정의 주파수만 넘어가면 일정한 효율을 얻는다. 즉, 소정의 입력 주파수, 예를 들어 5 Hz 이상부터는 다 비슷한 출력 전력을 내기 때문에 구지 높은 입력 주파수를 인가할 필요 없이 5 Hz만 입력해도 고효율을 얻을 수 있다.In general, the energy harvester needs to input the resonance frequency because the efficiency is the highest in the resonance section, but the hybrid harvester according to the exemplary embodiment obtains a constant efficiency when only a predetermined frequency is crossed. That is, since a similar input power is output from a predetermined input frequency, for example, 5 Hz or more, high efficiency can be obtained by inputting only 5 Hz without applying a high input frequency.

도 6은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 부하 저항값에 따른 하이브리드 하베스터의 출력 전류 및 전력 결과를 도시한 도면이다.6 is a diagram illustrating output current and power results of a hybrid harvester according to a load resistance value according to a first embodiment of the present invention.

도 6을 참조하면, 최대 전류값은 2.15 mA이고, 700 ohm의 부하저항을 달았을 때 3.1 mW의 전력이 발생하는 것을 알 수 있다. 이때의 전력밀도(power density)는 193W/m3이다.Referring to FIG. 6, the maximum current value is 2.15 mA, and when the load resistance of 700 ohm is applied, power of 3.1 mW is generated. At this time, the power density (power density) is 193W / m 3 .

도 7 내지 도 9는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 도 2의 하이브리드 하베스터를 이용한 시뮬레이션 결과를 도시한 도면들이다.7 to 9 are diagrams showing simulation results using the hybrid harvester of FIG. 2 according to the second embodiment of the present invention.

세부적으로, 도 7은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 하이브리드 하베스터를 손을 이용해 입력을 줬을 때의 출력 파형을 도시한 도면이다.In detail, FIG. 7 illustrates an output waveform when a hybrid harvester according to a second exemplary embodiment of the present invention is input using a hand.

도 7을 참조하면, 입력 주파수 6Hz, 1g의 최고가속도일 때에 EMG에서는 도 7 (a)와 같이 3.55 Vp -p가, 접촉-분리 기반 TENG에서는 도 7 (b)와 같이 196 Vp -p가, 슬라이딩 기반 TENG에서는 도 7 (c)와 같이 120Vp -p의 전압이 발생하는 것을 알 수 있었다.Referring to FIG. 7, at the highest acceleration of the input frequency of 6 Hz and 1 g, 3.55 V p -p is shown in FIG. 7A in EMG and 196 V p -p is shown in FIG. 7B in contact-separation based TENG. In the sliding-based TENG, it can be seen that a voltage of 120 V p -p is generated as shown in FIG.

도 8은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 입력 주파수에 따른 출력전압을 도시한 도면이다.8 is a diagram illustrating an output voltage according to an input frequency according to a second embodiment of the present invention.

도 8을 참조하면, EMG는 입력 주파수가 7Hz에 도달할 때까지 출력전압이 높아졌다가, 7Hz 이상부터는 거의 일정하게 유지된다. 접촉-분리 기반 TENG에서는 6Hz에 도달할 때까지 출력전압이 높아졌다가, 6Hz 이상부터는 거의 일정하게 유지된다. 슬라이딩 기반 TENG에서는 5Hz에 도달할 때까지 출력전압이 높아졌다가, 5Hz 이상부터는 거의 일정하게 유지된다. 각 모드와 가속도에 따라서 차이가 있지만, 10Hz 미만의 작은 입력 주파수에서도 높은 효율로 동작하는 것을 알 수 있다. 전술한 바와 같이, 도 5를 참조로 전술한 제1 실시 예에 따른 하이브리드 하베스터의 비공진 특성과 마찬가지로 제2 실시 예에 따른 하이브리드 하베스터 역시 비공진 특성을 가져 고효율로 동작할 수 있음을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 8, the EMG increases its output voltage until the input frequency reaches 7 Hz, and remains substantially constant from 7 Hz and above. In contact-separation-based TENG, the output voltage increases until it reaches 6 Hz, but remains nearly constant above 6 Hz. In sliding-based TENG, the output voltage increases until it reaches 5 Hz, but remains nearly constant above 5 Hz. Although different in each mode and acceleration, it can be seen that it operates with high efficiency even at a small input frequency of less than 10 Hz. As described above, similarly to the non-resonant characteristic of the hybrid harvester according to the first embodiment described above with reference to FIG. 5, it can be seen that the hybrid harvester according to the second embodiment may also operate with high efficiency due to the non-resonant characteristic. .

도 9는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 부하 저항값에 따른 하이브리드 하베스터의 출력 전력, 전력밀도 결과를 도시한 도면이다.FIG. 9 is a diagram illustrating output power and power density results of a hybrid harvester based on a load resistance value according to a second embodiment of the present invention.

도 9를 참조하면, 1.1 kohm의 부하저항을 달았을 때 5.41 mW의 전력이 발생하고 395.4 W/m3의 전력밀도를 가지는 것을 알 수 있다.9, it can be seen that when a load resistance of 1.1 kohm is applied, power of 5.41 mW is generated and power density of 395.4 W / m 3 is obtained.

이제까지 본 발명에 대하여 그 실시 예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.So far, the present invention has been described with reference to the embodiments. Those skilled in the art will appreciate that the present invention can be implemented in a modified form without departing from the essential features of the present invention. Therefore, the disclosed embodiments should be considered in descriptive sense only and not for purposes of limitation. The scope of the present invention is shown in the claims rather than the foregoing description, and all differences within the scope will be construed as being included in the present invention.

Claims (13)

외부 케이스;
다수의 자석이 할바흐 배열된 할바흐 어레이를 포함하고, 외부 진동에 의해 외부 케이스의 내부에서 자유 운동하는 내부 구조물;
내부 구조물 내에서 할바흐 어레이의 자속의 세기가 집중되는 영역에 위치하는 보빈 및 보빈에 감기는 코일을 포함하며, 외부 진동 시 형성된 할바흐 어레이의 자속에 의해 코일을 통해 전기 에너지를 발생하는 전자기 발전기; 및
외부 케이스 및 내부 구조물 사이에 형성된 마찰대전물질이 외부 진동으로 인해 마찰을 통해 전기 에너지를 발생하는 마찰전기 발전기; 를 포함하며,
상기 마찰전기 발전기는
두 마찰대전물질 간의 결합 및 분리에 의해 마찰을 통해 전기를 발생하는 제1 마찰전기 발전기; 및
두 마찰대전물질 간의 슬라이딩에 의해 마찰을 통해 전기를 발생하는 제2 마찰전기 발전기;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 에너지 하베스터.Outer case;
An internal structure in which a plurality of magnets include a Halbach array in which Halbach is arranged, and freely moving inside the outer case by external vibration;
An electromagnetic generator including bobbins and coils wound around bobbins located in the region where the intensity of the magnetic flux of the Halbach array is concentrated in the internal structure, and generating electrical energy through the coil by the magnetic flux of the Halbach array formed during external vibration. ; And
A triboelectric generator, wherein the triboelectric charge material formed between the outer case and the inner structure generates electrical energy through friction due to external vibration; Including;
The triboelectric generator is
A first triboelectric generator that generates electricity through friction by coupling and separating two triboelectric charging materials; And
A second triboelectric generator that generates electricity through friction by sliding between two triboelectric charge materials;
Hybrid energy harvester comprising a. 제 1 항에 있어서, 상기 하이브리드 에너지 하베스터는
외부 진동으로 인해 상기 할바흐 어레이가 자유 운동 내에서 자유롭게 진동하기 시작함에 따라 하나의 진동 동작으로 코일 및 마찰대전물질에 각각 상대 변위(relative displacement)를 일으키고,
상기 전자기 발전기는 코일의 상대 변위에 의해 전기 에너지를 발생시키며, 동시에 상기 마찰전기 발전기는 마찰대전물질의 상대 변위에 의해 마찰전기 에너지를 발생하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 에너지 하베스터.The method of claim 1, wherein the hybrid energy harvester
As the Halbach array starts to vibrate freely in free motion due to external vibration, one vibration action causes relative displacement to the coil and the triboelectric charge material, respectively.
The electromagnetic generator generates electrical energy by the relative displacement of the coil, and at the same time the triboelectric generator generates triboelectric energy by the relative displacement of the triboelectric charge material hybrid energy harvester. 제 1 항에 있어서, 상기 하이브리드 에너지 하베스터는
소정의 입력 주파수까지는 출력 전력이 증가하다 그 이상의 입력 주파수에서는 일정한 출력 전력을 제공하는 비공진 특성을 가지는 것을 특징으로 하는 하이브리드 에너지 하베스터.The method of claim 1, wherein the hybrid energy harvester
The output power increases up to a predetermined input frequency. A hybrid energy harvester characterized by a non-resonant characteristic that provides a constant output power at a higher input frequency. 삭제delete 삭제delete 제 1 항에 있어서 제1 마찰전기 발전기는
외부 케이스의 내부에 형성된 제1 마찰대전물질과 내부 구조물의 외부에 형성된 제2 마찰대전물질이 서로 마주보는 형태로 이격 배치되어 외부 진동 시 두 마찰대전물질 간의 결합 및 분리에 의해 마찰을 통해 전기를 발생하고,
제2 마찰전기 발전기는
외부 케이스의 내부에 형성된 제1 마찰대전물질과 내부 구조물의 외부에 형성된 제2 마찰대전물질이 서로 마주보는 형태로 결합 배치되어 외부 진동 시 두 마찰대전물질 간의 슬라이딩에 의해 마찰을 통해 전기를 발생하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 에너지 하베스터.The method of claim 1 wherein the first triboelectric generator
The first triboelectric charge material formed inside the outer case and the second triboelectric charge material formed on the outside of the inner structure are spaced apart from each other in the form of facing away from each other. Occurs,
The second triboelectric generator
The first frictional charge material formed inside the outer case and the second frictional charge material formed on the outside of the inner structure are disposed to face each other to generate electricity through friction by sliding between the two frictional charge materials during external vibration. Hybrid energy harvester, characterized in that. 제 6 항에 있어서,
제1 마찰대전물질은 구리(Cu)-PTFE 나노 구조물이고, 제2 마찰대전물질은 알루미늄(Al) 나노 글라스이거나,
제1 마찰대전물질은 알루미늄(Al) 나노 글라스이고, 제2 마찰대전물질은 구리(Cu)-PTFE 나노 구조물인 것을 특징으로 하는 하이브리드 에너지 하베스터.The method of claim 6,
The first triboelectric charge material is a copper (Cu) -PTFE nanostructure, the second triboelectric charge material is aluminum (Al) nano glass,
The first triboelectric charge material is aluminum (Al) nanoglass, the second triboelectric charge material is a copper (Cu) -PTFE nanostructures, characterized in that the hybrid energy harvester. 제 1 항에 있어서 상기 마찰전기 발전기는
마찰대전물질이 내부 구조물의 외부 양 옆 또는 외부 위아래로 위치하거나, 외부 양 옆 및 외부 위아래 모두에 위치하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 에너지 하베스터.The triboelectric generator of claim 1, wherein
A hybrid energy harvester, characterized in that the triboelectric charge material is located on the outside of the outer structure, above or below the outer structure, or on both sides of the outside and above and below the outer structure. 제 1 항에 있어서, 상기 전자기 발전기는
코일은 고정되어 움직이지 않고 할바흐 어레이가 움직임으로써 전기 에너지를 발생하거나, 할바흐 어레이는 고정되어 움직이지 않고 코일이 움직임으로써 전기 에너지를 발생하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 에너지 하베스터.The method of claim 1, wherein the electromagnetic generator
The hybrid energy harvester, wherein the coil is fixed and does not move to generate electric energy by moving the Halbach array, or the Halbach array is fixed and does not move to generate electric energy by moving the coil. 제 1 항에 있어서, 상기 할바흐 어레이는
코일을 중심으로 내부 구조물의 양쪽에 이중으로 할바흐 배열을 한 다수의 자석이 배치됨에 따라 양쪽에서 코일에 자속의 세기를 집중시키는 것을 특징으로 하는 하이브리드 에너지 하베스터.The method of claim 1, wherein the Halbach array is
Hybrid energy harvester characterized in that the concentration of the magnetic flux in the coil on both sides as a plurality of magnets arranged in a double Halbach arrangement on both sides of the internal structure around the coil. 제 1 항에 있어서, 상기 할바흐 어레이는
코일이 보빈 전체를 감지 않고, 할바흐 어레이의 자속의 세기가 집중되는 영역에만 감김에 따라 자속의 집중을 강화시키는 것을 특징으로 하는 하이브리드 에너지 하베스터.The method of claim 1, wherein the Halbach array is
Hybrid energy harvester, characterized in that the coil is wound around only the region where the intensity of the magnetic flux of the Halbach array is concentrated without sensing the entire bobbin. 제 1 항에 있어서,
외부 진동은 인간의 신체 동작을 통해 발생하는 생체 역학 에너지인 것을 특징으로 하는 하이브리드 에너지 하베스터.The method of claim 1,
External vibration is a hybrid energy harvester, characterized in that the biomechanical energy generated through human body motion. 제 1 항에 있어서, 상기 외부 케이스는
3D 프린팅 방식을 통해 제조되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 에너지 하베스터.The method of claim 1, wherein the outer case
Hybrid energy harvester, characterized in that produced by the 3D printing method.
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