KR100956076B1 - 나선형 구조를 가지는 고효율 압전 에너지 하베스터 - Google Patents

나선형 구조를 가지는 고효율 압전 에너지 하베스터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고에너지 변환효율을 가지며, 200Hz 이하의 낮은 고유 진동수를 가지는 압전 에너지 하베스터(harvester)에 관한 것이다. 본 발명의 압전 에너지 하베스터는, 탄성체 역할을 하는 기판; 전기적인 에너지 인출을 위하여 상기 기판에 증착되는 제1 전극; 상기 제1 전극에 증착되며 기계적인 에너지를 상기 전기적인 에너지로 변환하되, 나선형 구조를 포함하여 외부진동원과 공진 가능한 고유진동수를 갖는 압전소자; 및 상기 전기적인 에너지 인출을 위하여 상기 압전소자에 증착되는 제2 전극을 포함한다.
압전 소자, 하베스터, 나선형 구조

Description

나선형 구조를 가지는 고효율 압전 에너지 하베스터{HIGH EFFICIENCY PIEZOELECTRIC ENERGY HARVESTER WHICH HAVING SPIRAL STRUCTURE}
본 발명은 압전 에너지 하베스터(harvester)에 관한 것으로, 특히 고에너지 변환효율을 가지며 200Hz 이하의 낮은 고유 진동수를 가지는 압전 에너지 하베스터(harvester)에 관한 것이다.
압전 에너지 하베스팅(energy harvesting)이란, 자연에서 버려지고 있는 진동에너지, 즉 기차의 진동, 진공 펌프의 진동, 기계모터의 진동, 자동차 엔진의 진동, 사람의 동작에 의한 진동 등의 버려지는 기계적인 에너지를 압전 소자를 이용하여, 전기적인 에너지로 변환하여 이용하는 것을 말한다. 유비쿼터스 센서네트워크를 구축하려면 많은 개수의 센서를 넓은 면적에 분포시켜야 하는데, 각 센서에 전선을 연결하여 전원 공급하거나 배터리를 교환 충전하는데 많은 설치비용과 유지비용이 필요하다. 따라서 주변의 에너지를 이용하여 센서를 독립적으로 구동할 수 있는 에너지 하베스팅 기술이 유비쿼터스(Ubiquitous) 센서네트워크(Sensornetwork)를 구축하는데 반드시 필요하다. 특히 진동에너지를 이용하는 압전 에너지 하베스팅은 날씨나 실내·외 같은 시간과 장소에 구애 받지 않을 뿐 아 니라 에너지 변환 효율이 높아 많은 관심을 받고 있다. 도 1은 일반적인 캔틸레버 형태의 압전 에너지 하베스터를 보이는 예시도이다. 캔틸레버 형태의 압전 에너지 하베스터(100)는 기판(101), 압전 소자(102) 및 표준질량(103)을 포함한다. 그리고, 압전 소자(102)의 상, 하부에 전극(미도시)이 연결된다. 현재까지 연구가 이루어진 압전 에너지 하베스팅 소자는 주로 캔틸레버(외팔보) 형태의 압전 에너지 하베스터(100)가 대부분이었다. 그러나 이러한 일반적인 캔틸레버 형태의 압전 에너지 하베스터(100)는 센서, 박막형 충전 밧데리, 압전 에너지 하베스터 등을 하나의 칩에 구현하는 시스템온칩(System-on-chip;SOC)을 위해서, MEMS (Microelectromechanical Systems)를 이용하여 초소형으로 제작하게 될 경우, 작은 캔틸레버의 사이즈로 인해서 소자의 고유 진동수가 수백 헤르츠(Hz) 이상으로 매우 커지게 된다. [Sensor and Actuators A 122 (2005) 16-22; 13.9 kHz, CHIN.PHYS.LETT. 23, 3 (2006) 732-734; 609 Hz] 이 경우 우리 주변에서 사용할 수 있는 진동에너지원들의 진동수가 대부분 200 Hz 이하임을 볼 때, 주파수 조절(frequency tuning)을 통해 일반적인 캔틸레버 형태의 압전 에너지 하베스터(100)가 주위진동과 공진을 하는 것이 불가능하다는 문제점이 있다. 뿐만 아니라, 에너지 변환 효율은 압전상수에 비례하므로, 전계 방향과 변위 방향이 수직인 31모드의 압전상수 d31을 사용하는 일반적인 형태의 압전 에너지 하베스터(100)는, 31모드와
Figure 112008069468410-pat00001
의 관계인 압전상수 d33 값을 이용하는 33모드를 이용하는 것에 비해 낮은 에너지 변환 효율을 갖는 문제점이 있다.
본 발명은 고에너지 변환효율을 가지며 200Hz 이하의 낮은 고유 진동수를 가지는 압전 에너지 하베스터(harvester)를 제공한다.
본 발명의 압전 에너지 하베스터는, 탄성체 역할을 하는 기판; 전기적인 에너지 인출을 위하여 상기 기판에 증착되는 제1 전극; 상기 제1 전극에 증착되며 기계적인 에너지를 상기 전기적인 에너지로 변환하되, 나선형 구조를 포함하여 외부진동원과 공진 가능한 고유진동수를 갖는 압전소자; 및 상기 전기적인 에너지 인출을 위하여 상기 압전소자에 증착되는 제2 전극을 포함한다.
본 발명에 의한 압전 에너지 하베스터는, 나선형의 스프링 형태로 제작되어 고유 진동수를 낮출 수 있으며, 기존의 일반적인 캔틸레버 구조에 비해 유효 면적을 크게 증가 시킬 수 있다. 또한 에너지 변환 효율을 크게 향상 시킬 수 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면과 함께 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명의 권리범위는 하기한 바람직한 실시예에 한정되는 것은 아니다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터(harvester)를 보이는 예시도이다. 압전 에너지 하베스터는 탄성체 역할을 하는 기판(201), 제1 전극(202), 제2 전극(204), 제1,2 전극 사이의 압전소자(203)로 구성되어 있으며, 압전소자(203)는 기계적인 압력이 가해졌을 때 제1 및 제2 전극(202, 204)과 수직 방향으로 분극이 일어나서 전압을 발생시킨다. 압전 에너지 하베스터를 초소형의 MEMS(Microelectromechanical Systems)로 제작할 경우 기판(201)은 규소(Si) 또는 질화규소(SiN)를 사용하며, 제1,2 전극(202, 204)은 은(Ag) 또는 백금(Pt)을 사용하고, 압전소자(203)로는 주로 PZT 계열의 세라믹(Ceramic) 후막(thick film)이나 박막(thin film)을 사용한다. 아울러, 기판(201)은 스프링강, 구리, 황동, 청동, 글래스 파이버 강화 플라스틱(FRP) 중 어느 하나로 형성될 수 있다.
압전 에너지 하베스터(harvester)는 주변의 진동원과 공진(resonance)을 할 때, 가장 큰 변위를 나타낸다. 압전 에너지 하베스터가 가장 큰 변위를 나타낼 때, 발생전압 또한 가장 큰 값을 갖는다. 즉, 공진영역에서 기계적 에너지에서 전기적 에너지로의 에너지 변환 효율이 가장 큰 값을 갖는다. 압전 에너지 하베스터와 외부진동원이 공진을 하기 위해서는 소자의 고유진동수를 외부진동의 진동수에 맞추어야 하며, 소자의 고유진동수는 소자의 크기(dimension)와 밀접한 관련이 있다. 우리 주변에서 얻을 수 있는 외부진동원의 진동수는 200 Hz 이하가 대부분인데, 초소형 압전 에너지 하베스터의 경우, 작은 사이즈 때문에 고유진동수를 200 Hz 이하로 만드는 데는 한계가 있다. 압전 에너지 하베스터의 고유진동수는 수학식 1을 만족하며 압전 에너지 하베스터 빔의 길이 및 빔과 표준질량(proof mass)의 무게에 반비례한다.
Figure 112008069468410-pat00002
상기 수학식 1에서 fnatural은 압전 에너지 하베스터의 고유진동수, E는 빔의 영률(Young's modulous), M은 표준질량(Proof mass), Mb는 빔의 무게, L은 빔의 길이를 나타낸다.
MEMS를 이용하여 초소형의 압전 에너지 하베스터를 제작할 경우, 무거운 표준질량을 압전 에너지 하베스터에 부착하게 되면 동작시에 압전 에너지 하베스터가 파손될 위험이 있으므로, 표준질량만으로 압전 에너지 하베스터의 고유진동수를 200 Hz이하로 낮추는 것은 불가능하다. 그러므로 압전 에너지 하베스터(300a, 300b, 400)를 도 3a, 3b 및 도 4에서 보이는 바와 같이 원형 나선구조나 다각형(예컨대, 삼각형, 사각형, 육각형, 팔각형 등) 나선구조로 제작함으로써, 제한된 사이즈 내에서 압전 에너지 하베스터 빔의 길이를 증가시켜 소자의 고유진동수를 200 Hz 이하로 감소시킬 수 있다.
압전 에너지 하베스터(300a, 300b, 400)의 에너지 변환 효율(electro-mechanical coupling factor)은 다음의 수학식 2를 만족한다.
Figure 112008069468410-pat00003
수학식 2에서 k는 전기기계결합계수(electro-mechanical coupling factor), d는 압전상수, Y는 영률(Young's modulous), K는 유전율, ε0는 자유공간의 유전율을 나타낸다.
압전 에너지 하베스터(300a, 300b, 400)는 일반적인 캔틸레버(100) 구조에서 사용되는 변위와 전계방향이 수직인 31모드의 압전상수 d31을 사용하는 것이 아니라 전단응력(shear stress)이 작용하는 비틀림 모드의 압전상수 d15를 사용하므로, 상기 나선형 스프링 구조의 압전 에너지 하베스터는
Figure 112008069468410-pat00004
관계임을 볼 때, 기존의 일반적인 캔틸레버 형태의 압전 에너지 하베스터(100)보다 더 높은 에너지 변환 효율을 가지는 압전 에너지 하베스터를 제조할 수 있다.
상기 압전 에너지 하베스터(300a, 300b, 400)는 일반적인 캔틸레버 형태의 압전 에너지 하베스터(100)가 동작하기 위해서 필요한 압전 에너지 하베스터 주변의 빈 영역인 비활성 영역(inactive region)을 최소화하고 유효면적(active region)을 높임으로써, 여러 개의 소자를 배열(array)시에 더 높은 에너지 밀도(density)를 갖는 압전 에너지 하베스터(300a, 300b, 400)를 제조할 수 있다.
도 3a, 3b, 4는 본 발명의 실시예에 따른 나선 스프링 타입의 압전 에너지 하베스터를 보이는 도면이다. 압전 에너지 하베스터(300a, 300b, 400)는 기 판(301a, 301b, 401), 압전소자(302a, 302b, 402) 및 표준질량(303a, 303b, 303c)을 포한한다. 압전소자(302a, 302b, 402)에는 상, 하부에 전극(미도시)이 연결된다. 압전 에너지 하베스터는 표준질량(303a, 303b, 403)을 압전소자(302a, 302b, 402) 끝단에 부착함으로써, 고유진동수를 낮출 수 있으며, 표준질량(303a, 303b, 403)의 무게에 따라 압전 에너지 하베스터의 고유진동수를 조절(tuning)할 수 있다. 그리고 표준질량의 무게에 따른 고유진동수는 다음의 수학식 3을 만족하며, 수학식 3을 이용하여 압전 에너지 하베스터의 고유진동수를 조절(tuning)할 수 있다.
Figure 112008069468410-pat00005
수학식 3에서 fn은 압전 에너지 하베스터의 고유진동수, f0는 표준질량을 붙이지 않았을 때 고유진동수, m은 표준질량(proof mass), α는 압전 에너지 하베스터의 종류에 따른 상수를 나타낸다.
본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 설정하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 설정 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
도 1은 일반적인 캔틸레버 타입의 압전 에너지 하베스터를 보이는 예시도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터를 보이는 예시도.
도 3a는 본 발명의 실시예에 따른 원형 나선 스프링 타입의 압전 에너지 하베스터의 아래방향으로 구동하는 모습을 보이는 도면.
도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 원형 나선 스프링 타입의 압전 에너지 하베스터의 윗방향으로 구동하는 모습을 보이는 도면.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 사각형 나선 스프링 타입의 압전 에너지 하베스터를 보이는 도면.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
100, 200, 300a, 300b, 400: 캔틸레버 형태의 압전 에너지 하베스터
101, 201, 301a, 301b: 기판
202, 204: 전극
102, 302a, 302b, 402: 압전소자
303a, 303b, 403: 표준질량

Claims (9)

  1. 압전 에너지 하베스터에 있어서,
    탄성체 역할을 하는 기판;
    전기적인 에너지 인출을 위하여 상기 기판에 증착되는 제1 전극;
    상기 제1 전극에 증착되며 기계적인 에너지를 상기 전기적인 에너지로 변환하되, 나선형 구조를 포함하여 외부진동원과 공진 가능한 고유진동수를 갖는 압전소자; 및
    상기 전기적인 에너지 인출을 위하여 상기 압전소자에 증착되는 제2 전극을 포함하는 압전 에너지 하베스터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고유진동수 조절을 위한 표준질량을 더 포함하는,
    압전 에너지 하베스터.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 표준질량은,
    상기 압전소자의 끝단에 부착되는 것을 특징으로 하는,
    압전 에너지 하베스터.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 압전소자는,
    상기 제1 및 제2 전극과 수직 방향으로 분극된 것을 특징으로 하는,
    압전 에너지 하베스터.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 압전소자는,
    원형 또는 다각형 중 어느 한 형태의 나선 구조를 갖는 것을 특징으로 하는, 압전 에너지 하베스터.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 스프링강, 구리, 황동, 청동, 글래스 파이버 강화 플라스틱(FRP) 중 어느 하나인, 압전 에너지 하베스터.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 실리콘 웨이퍼 또는 질화 규소가 더 증착된 실리콘 웨이퍼 중 어느 하나를 포함하고,
    상기 압전소자는 상기 기판에 후막 또는 박막 형태로 증착되며,
    상기 제1, 2 전극은 은(Ag) 및 백금(Pt)을 포함하는, 압전 에너지 하베스터.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 압전 에너지 하베스터는,
    MEMS(Microelectromechanical Systems) 공정을 이용하여 나선형 스프링 구조체로 제작되는 것을 특징으로 하는, 압전 에너지 하베스터.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 압전 에너지 하베스터는,
    전단 응력이 작용하는 비틀림 모드의 압전 상수를 사용하는 것을 특징으로 하는, 압전 에너지 하베스터.
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