KR101183458B1 - 정전 방식 에너지 수집 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 의한 정전 방식 에너지 수집 장치는, 베이스와, 상기 베이스에 고정되어 있는 제1 평행판과, 상기 제1 평행판과 소정의 거리 이격된 평행 상태로 제공되고 외력이 가해지면 상기 제1 평행판에 대해서 평행한 상태를 유지하며 상기 베이스측을 향해 진동하는 제2 평행판을 포함하는 질량체를 포함한다.

Description

정전 방식 에너지 수집 장치{Capacitive Energy Scavenging Apparatus}
본 발명은 외부 진동을 전기 에너지로 변환하는 에너지 수집 장치에 관한 것으로서, 좀 더 구체적으로는 기판(베이스)에 수직으로 인가되는 진동을 전기 에너지로 변환하는 정전 방식의 멤즈 에너지 수집 장치에 관한 것이다.
정전방식 에너지 수집 장치는 축전기를 구성하는 두 개의 평행판의 위치 변화에 따라 발생하는 정전용량의 변화를 이용해서 기계적 진동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 기능을 가진다.
Shad Roudy외 2인의 논문 “A Study of low level vibrations as a power source for wireless sensor nodes”[Computer Communications, vol. 26, pp 1131-1144 (2003)]에 의하면, 종래의 정전방식 에너지 수집 장치는 In-plane overlap 방식과, In-plane gap closing 방식, 그리고 Out-of-plane gap closing 방식으로 분류된다. In-plane overlap 방식과 In-plane gap closing 방식에서는 진동하는 구조체가 베이스의 표면과 평행하게 진동하며, Out-of-plane gap closing 방식에서는 진동하는 구조체가 베이스의 표면에 대해서 수직으로 진동한다.
이중에서 Out-of-plane gap closing 방식은 높은 안정성과 높은 최대 정전용량이라는 장점에도 불구하고 큰 기계적 댐핑(mechanical damping)과, 평행판의 표면이 접촉할 수 있는 문제점이 있었다. 첫째 문제점은 진공 패키징을 하면 해결되지만 둘째 문제를 해결하기 위해 평행판 사이의 최소 이격 거리를 크게 떼어 놓으면 Out-of-plane gap closing 에너지 수집 장치의 효용성을 떨어뜨릴 수 밖에 없게 된다. 그리고 진공 패키징을 하게 되면 비용이 증대하고 수율이 낮아지는 단점이 수반된다.
이러한 이유로, 종래의 정전방식 에너지 수집 장치는 In-plane overlap 방식과 In-plane gap closing 방식에 제한되고 있었다.
본 발명은, 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하여 베이스에 대해서 수직으로 진동하는 평행판을 이용한 정전 방식 에너지 수집 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 의한 정전 방식 에너지 수집 장치는, 베이스와, 상기 베이스에 고정되어 있는 제1 평행판과, 상기 제1 평행판과 소정의 거리 이격된 평행 상태로 제공되고 외력이 가해지면 상기 제1 평행판에 대해서 평행한 상태를 유지하며 상기 베이스측을 향해 진동하는 제2 평행판을 포함하는 질량체를 포함한다.
본 발명의 제2 실시예에 의한 정전 방식 에너지 수집 장치에 의하면, 상기 제1 평행판 및 제2 평행판 중 적어도 어느 하나에 유전체막이 제공된다.
본 발명의 제3 실시예에 의한 정전 방식 에너지 수집 장치에 의하면, 상기 제1 평행판 및 제2 평행판의 높이가 동일하며, 평형 상태에서 상기 제1 평행판 및 제2 평행판은 상기 베이스로부터 같은 거리만큼 이격되어 배치된다.
본 발명의 제4 실시예에 의한 정전 방식 에너지 수집 장치에 의하면, 상기 제1 평행판 및 제2 평행판의 높이는 동일하며, 평형 상태에서 상기 제1 평행판 및 제2 평행판은 상기 베이스로부터 이격된 거리가 1/2 높이차를 가지도록 배치된다.
본 발명에 의하면, 베이스에 수평이 아닌 방향으로 가해지는 진동을 이용하여 전기 에너지를 발생시키는데 있어서, 질량체와 바닥면 사이의 공기 저항이 적은 구조를 형성함으로써 제작 비용을 절감하고 에너지 변환 효율을 높이는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 의한 정전 방식 에너지 수집 장치의 측면도.
도 2는 본 발명에 의한 정전 방식 에너지 수집 장치의 평면도.
도 3은 유전체막을 평행판에 증착한 경우를 설명하기 위한 도면.
도 4는 본 발명의 제1 평행판과 제2 평행판이 평형 상태에서 베이스로부터 같은 거리만큼 이격되어 배치될 때 외부 진동에 의한 발생 에너지를 설명하기 위한 도면.
도 5는 본 발명의 제1 평행판과 제2 평행판이 평형 상태에서 베이스로부터 이격된 거리가 1/2 높이차를 가지도록 배치될 때 외부 진동에 의한 발생 에너지를 설명하기 위한 도면.
이하에서는 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 양호한 실시예에 대해서 설명한다.
도 1에는 본 발명에 의한 에너지 수집 장치(1)의 측면도가 도시되어 있고, 도 2에는 본 발명에 의한 에너지 수집 장치(1)의 위에서 본 평면도가 도시되어 있다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 에너지 수집 장치(1)는, 베이스(10)와, 베이스(10)에 고정되어 있는 지지대(20)와, 베이스(10)에 고정되어 있는 제1 평행판(50)과, 제2 평행판(60)을 포함하는 질량체(40)를 포함한다. 질량체(40)는 지지대(20)에 스프링(30)에 의해 연결되어 있다. 제1 평행판(50)과 제2 평행판(60)은 복수 개 제공되는 것이 바람직하다. 지지대(20)는 베이스(10)와 일체로 형성될 수도 있고, 별체로 제공되어 베이스(10)에 고정될 수도 있다.
제1 평행판(50)은 도전성 소재이며, 베이스(10)에 대해서 바람직하게는 도 1에 도시된 바와 같이 수직으로 기립하여 고정된다. 제2 평행판(60)도 도전성 소재이며, 제1 평행판(50)과 소정의 거리 이격된 평행 상태로 제공되며, 질량체(40)가 외력에 의해 진동하면 제1 평행판(50)에 대해서 평행하게 진동하도록 배치되어 있다. 도 2의 평면도에서 확인할 수 있는 바와 같이, 제1 평행판(50)과 제2 평행판(60)은 서로의 사이에 배치된다.
질량체(40)에 외력이 가해지면 질량체(40)가 진동할 수 있도록 스프링(30)이 탄성을 제공한다.
본 명세서에서는 제1 평행판(50)이 베이스(10)에 대해서 수직으로 기립하여 고정되는 실시예에 대해서 설명하지만, 제1 평행판(50)과 제2 평행판(60)이 서로에 대해서 평행하게 이격되고, 제2 평행판(60)이 베이스(10)에 대해서 진동하되, 제1 평행판(50)에 대한 평행 상태를 유지하며 진동할 수만 있으면 어떠한 배향(Orientation)이어도 무방하다.
질량체(40)가 X 방향으로 진동하도록 외력이 가해지면, 제1 평행판(50)과 제2 평행판(60)이 서로 마주보며 중첩되는 면적이 변화한다. 서로 마주보며 중첩되는 면적을 A, 두 개의 평행판(50, 60) 거리를 d, 공기의 유전율을 ε0라고 하면, 서로 마주보는 두 평행판(50, 60)으로 이루어진 축전기의 정전용량 C는 다음의 수학식으로 정의된다.
Figure 112011012704460-pat00001
제1 및 제2 평행판(50, 60)이 서로 마주보며 겹쳐지는 면적의 변화량을 ΔA라고 하면 정전용량 ΔC는 다음 수학식으로 표현된다.
Figure 112011012704460-pat00002
구동 초기에 외부에서 전원을 연결하여 제1 평행판(50)과 제2 평행판(60)에 각각 +Q와 -Q의 전하를 충전한 후 전원을 제거하면, 각 평행판에 남아 있는 전하량은 일정하게 유지된다. 따라서, 질량체(40) 진동에 의한 축전기의 정전용량 변화 ΔC로 인한 전압 변화 ΔV는 다음 수학식에 의해서 표현된다.
Figure 112011012704460-pat00003
이러한 반복적인 전압 변화를 이용하여 전기에너지를 만들어 낸다.
본 발명과 같은 구조의 정전방식 에너지 수집 장치에서는 제1 평행판(50)과 제2 평행판(60)의 높이를 크게 함으로써 발생하는 에너지를 더 크게 할 수 있으며, 종래 방식의 Out-of-plane gap closing 방식과 비교했을 때 단위 면적당 발생하는 에너지를 더 크게 증대시킬 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 다른 실시예에서는, 발생하는 전기 에너지를 증가시키기 위해 제1 평행판(50)과 제2 평행판(60) 중 적어도 어느 한쪽에 유전체막을 증착한다. 도 3을 참조한 이하의 설명에서는 양쪽 평행판 모두에 유전체막을 같은 두께로 증착한 실시예에 대해서 설명한다.
도 3(b)와 같이 유전체막(70)을 제1 평행판(50)과 제2 평행판(60)에 각각 동일한 두께(dd)로 증착하면, 유전체막(70)의 두께 dd 및 이격거리 da와 유전체막(70)이 증착되기 이전의 거리 d와의 관계는 다음 수학식과 같다.
Figure 112011012704460-pat00004
증착된 유전체(70)막의 유전 상수를 εd라고 하면, 제1 평행판(50)과 제2 평행판(60) 사이의 정전용량 Cd는 다음 수학식과 같다.
Figure 112011012704460-pat00005
유전체막(70)의 유전상수 ε0는 항상 1보다 큰 값이므로 유전체(70)가 증착된 구조에서의 정전용량 Cd는 유전체막(70)이 없는 경우의 정전용량 C보다 큰 값을 가지게 된다. 결국, 동일한 전압을 인가하였을 때에 유전체막이 있는 구조에서 더 많은 전하를 저장할 수 있으므로 같은 진동 에너지를 가했을 때에 더 많은 전기 에너지를 발생시킬 수 있게 된다.
본 발명의 또 다른 실시예에서는 도 4에 도시된 바와 같이 제1 평행판(50)과 제2 평행판(60)의 높이를 같게 만들고, 평형 상태에서 베이스(10)로부터 같은 거리만큼 이격되어 배치되도록 한다. 즉 이러한 평형 상태에서 가장 높은 정전용량을 가지도록 구성한다. 이 구조에서는 제1 평행판(50)과 제2 평행판(60)이 최대한 멀어지게 할 수 있으므로 제2 평행판(60)이 진동하는 동안에도 공기 저항의 영향을 최소화할 수 있어 에너지 변환 효율이 최대가 되도록 할 수 있다.
도 4(a)에는 도 4(b)와 같이 외부 진동이 가해질 때 제1 평행판(50)과 제2 평행판(60)의 상대적인 위치 변화가 도시되어 있다. 도 4(c)에는 이러한 상대적 위치 변화가 그래프로 도시되어 있다. 발생하는 전기 에너지는 전압의 제곱에 비례하므로 도 4(d)의 그래프로 표시되는 에너지가 발생한다. 따라서 에너지의 변화는 외부에서 가해지는 진동 에너지 주파수의 두 배에 해당하는 주파수를 가진다.
이 실시예에서 최대의 전기 에너지를 얻기 위해서는 정전용량의 변화를 최대로 해야 하는데, 이를 위해서는 제1 평행판(50)과 제2 평행판(60)이 서로 마주보며 겹쳐지는 면적이 최대 또는 최소가 되도록 구동되어야 한다. 도 4(a)에 나타난 것과 같이 평형 상태에서 제1 평행판(50)과 제2 평행판(60)의 높이가 같은 경우, 제2 평행판(60)은 높이의 3배에 해당하는 운동 거리를 가져야 한다. 이처럼 큰 진폭으로 진동시키려면 외부에서 큰 가속도가 가해져야 하므로 가속도가 낮은 범위에서는 최대 효율을 얻기가 어려워진다.
이러한 문제를 해결하기 위한 실시예가 도 5에 도시되어 있다. 도 5(a)에 도시된 바와 같이 이 실시예에서는 제1 평행판(50)과 제2 평행판(60)의 높이가 같을 때, 평형 상태에서 제1 평행판(50)과 제2 평행판(60)은 베이스(10)로부터 이격된 거리가 1/2 높이차를 갖도록 배치된다.이 실시예에서는 평행판 높이의 2배에 해당하는 운동 거리만으로도 제1 평행판(50)과 제2 평행판(60)이 서로 마주보며 중첩되는 면적이 최대 또는 최소가 되도록 구동하여 최대의 에너지 효율을 얻을 수 있게 된다. 즉 도 5(b)와 같이 외부에서 진동 에너지가 가해질 때 제2 평행판(60)의 상대 위치는 도 5(c)와 같으며, 발생하는 전기 에너지는 도 5(d)의 그래프에 표시된 바와 같은 출력을 가진다. 이 실시예에 의하면, 전기 에너지의 변화가 외부에서 인가된 진동과 위상만 다르고 같은 주파수를 가지므로 직류로의 정류 과정이 상대적으로 간단해 지는 장점도 있다.
한편, 본 발명에서는 베이스(10)와 제2 평행판(60) 사이의 거리를 크게 해도 에너지 변환 효율에 있어서 불리하지 않으므로 종래 기술과 같은 문제점이 없다. 즉 댐핑 계수는 베이스(10)와 제2 평행판(60) 사이의 거리의 세제곱에 반비례하므로(Eung-Sam Kim외 2인의 논문 “Effect of Holes and Edges On the Squeeze Film Damping of Perforeated Micromechanical Structures” IEEE MEMS 1999), 예를 들어 종래 기술에 비해 베이스(10)와 진동하는 제2 평행판(60) 사이의 거리를 2배로 늘리면 댐핑 계수는 1/8 이하로 낮아지므로 진동 특성이 훨씬 더 좋아지는 장점이 있다.
이상 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 양호한 실시예에 대해서 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 후술하는 특허청구범위에 의해 정해지며 전술한 실시예 및/또는 첨부 도면에 제한되는 것으로 해석되어서는 아니된다. 그리고 특허청구범위에 기재된 발명의, 당업자에게 자명한 개량, 변경 및/또는 수정도 본 발명의 권리범위에 포함됨이 명백하게 이해되어야 한다.
10: 베이스
20: 지지대
30: 스프링
40: 질량체
50: 제1 평행판
60: 제2 평행판
70: 유전체막

Claims (4)

  1. 베이스와,
    상기 베이스에 고정되어 있는 제1 평행판과,
    상기 제1 평행판과 소정의 거리 이격된 평행 상태로 제공되고 외력이 가해지면 상기 제1 평행판에 대해서 평행한 상태를 유지하며 상기 베이스측을 향해 진동하는 제2 평행판을 포함하는 질량체를 포함하는,
    에너지 수집 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 평행판 및 제2 평행판 중 적어도 어느 하나에 유전체막이 제공되는,
    에너지 수집 장치.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 평행판 및 제2 평행판의 높이는 동일하며,
    평형 상태에서 상기 제1 평행판 및 제2 평행판은 상기 베이스로부터 같은 거리만큼 이격되어 배치되는,
    에너지 수집 장치.
  4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 평행판 및 제2 평행판의 높이는 동일하며,
    평형 상태에서 상기 제1 평행판 및 제2 평행판은 상기 베이스로부터 이격된 거리가 1/2 높이차를 가지도록 배치되는,
    에너지 수집 장치.
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