KR101317335B1 - 전력 발생 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 자기변형물질 레이어와 압전물질 레이어가 적층되어 형성되는 복합 구조물, 및 내부에 소정 공간을 갖는 케이스와 상기 케이스 내에 이동 가능하게 배치되는 영구자석을 포함하며, 상기 복합 구조물의 일측에 배치되는 자기장 변조부를 포함하는 전력 발생 장치에 관한 것으로, 본 발명에 의한 전력발생 장치는 물질 외부 진동이 작을 때에도 진동 주파수에 관계없이 지속적으로 자기장을 변화시켜 IC를 구동시킬 수 있고, 외부에서 별도로 자기장을 제공하지 않아도 실제 사용하기 충분한 전력을 발생시킬 수 있다.
Description
본 발명은 전력 발생 장치에 관한 것으로, 특히, 자기장의 변화에 따라 변형하는 자기변형물질과 압전물질 레이어를 이용하여 전력을 생성하는 전력 발생 장치에 관한 것이다.
IT-NT 및 IT-BT 융합기술의 발달로 의료 분야에서 정보통신에 이르는 다양한 디바이스들이 출현하고 있으나 유한한 에너지 용량의 1차 전지와 유선을 통한 충전형 2차전지의 성능이 한계에 이른 상황이다. 따라서, 사용 시간 및 수명이 극대화되면서도 전선으로부터 자유로운 인간친화적인 독립 전원 기술이 요구되고 있다. 주변 환경에서 필요한 에너지를 끌어쓸 수 있는 대표적인 청정 에너지 시스템이고, 배터리 전력에 대한 필요성을 감소시키거나 대체할 수 있다는 기대감으로 에너지 하베스팅(Energy Harvesting) 기술이 각광을 받고 있다.
이와 같은 에너지 하베스팅 기술은 온도차(thermal energy), 빛의 방사(Light energy), 전자기장(electromagnetic energy), 진동에너지(vibrational energy) 등 사용된 에너지 종류에 따라 여러가지 기술을 포괄할 수 있고, 매크로 및 마이크로 에너지 하베스팅으로 분류된다.
유비쿼터스 정보화 시대에는 휴대형 정보기기 등이 필수적인 기기가 될 것인데 여기에 사용되는 전력 에너지원은 소형ㆍ집적화된 기술이 필수적이다.
이 중, MPG(Piezoelectric Micro Power Generator) 기술은 압전효과를 이용한 마이크로 동력변환 기술에 관한 것이다. 압전재료는 재료가 외부에서의 힘 또는 스트레스를 받아 휘거나 구부러지면 전기에너지가 발생하는 것인데, 여기서 외부의 스트레스를 주는 방법에는 도 5에 도시된 바와 같이 압전재료(1)를 박막의 캔틸레버(cantilever)를 제작한 다음에 끝에다가 mass(3)를 만든 다음 상하에 영구자석(2)을 두어 진동을 발생시키거나, 방사선 물질을 이용하여 압전 박막빔 캔틸레버가 진동을 일으키도록 하는 것이다.
MPG 기술 중 스티븐슨 대학(Stevens Institute of Technology)의 Vinod R Challa 등이, “A Vibration Energy Harvesting Device with Bidirectional RF Tunability,”Smart Mater. Struct., Vol.17, 2008, pp.1-10에 발표한 특성은 22~32 Hz에서 240~280μW의 출력을 얻고 있다.
진동에 의한 에너지 하베스터는 외부 진동의 주파수가 소자의 공진 주파수가 일치하는 경우 변위의 증폭이 발생하여 가장 큰 전기 에너지를 발생시킬 수 있지만, 공진 주파수와 일치하지 않을 경우 발전 효율이 현저히 낮아 IC를 구동하기 위한 전력으로는 충분하지 않고, 유효 전력을 생성할 수 있는 주파수 대역폭이 극히 좁아 실제 IT, BT 분야에 적용할 수 없는 문제점이 있다.
즉, 외부 진동이 작을 때에도 진동 주파수에 관계없이 지속적으로 자기장을 변화시켜 IC를 구동시킬 수 있고, 외부에서 별도로 자기장을 제공하지 않아도 실제 사용하기 충분한 전력을 발생시킬 수 있는 전력 발생 장치의 제공이 요구되고 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 일 측면은 자기변형물질 레이어와 압전물질 레이어가 적층되어 형성되는 복합 구조물, 및 내부에 소정 공간을 갖는 케이스와 상기 케이스 내에 이동 가능하게 배치되는 영구자석을 포함하며 상기 복합 구조물의 일측에 배치되는 자기장 변조부를 포함하는 전력 발생 장치를 제공한다.
상기 복합 구조물은 캔틸레버, 다이어프램, 또는 브리지 구조 중 선택된 어느 하나의 구조로 형성되고, 상기 압전물질 레이어는 복수의 상기 자기변형물질 레이어 사이에 적층되고, 상기 압전물질 레이어는 리드 지르코네이트 티타네이트(PZT), PVDF, 또는 P(VDF-TrFE) 중 선택된 어느 하나를 포함하고, 상기 압전물질 레이어에 통전 가능하게 연결되어 상기 압전물질 레이어에서 생성된 유도 기전력을 출력하는 출력부를 추가로 포함하고, 상기 자기변형물질 레이어는 자기 형상 기억 합금을 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 영구자석은 구형상, 다면체, 또는 진동 및 변위의 생성이 용이한 형상 중에서 선택된 어느 하나인 것이 바람직하다. 상기 영구자석은 스프링을 통해 상기 케이스의 내벽에 연결되는 것이 바람직하다. 상기 영구자석의 표면 또는 상기 케이스의 내면에 윤활제가 도포되는 것이 바람직하다.
한편, 상기 자기장 변조부의 상기 케이스의 내벽은 상기 영구자석에 탄성력을 가하는 탄성체를 포함하거나, 상기 자기장 변조부의 상기 케이스의 내벽에는 상기 영구자석에 탄성력을 가할 수 있도록 소정 위치에 하나 이상의 탄성체가 설치되고, 상기 영구자석이 접촉하여 이동하는 상기 케이스의 바닥면에 다수개의 요철부가 형성될 수 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 다른 측면은, 자기변형물질 레이어와 압전물질 레이어가 적층되어 형성되는 복합 구조물, 및 상기 복합 구조물의 일 적층면에는 N극이, 타 적층면에는 S극이 위치하는 영구자석을 포함하고, 상기 영구자석의 상기 N 극과 상기 S극은 상기 복합 구조물을 사이에 두고 상기 복합 구조물의 표면을 따라 이동하는 전력 발생 장치를 제공한다.
상기 복합 구조물은 상기 자기변형물질 레이어 사이에 상기 압전물질 레이어가 적층된 박막을 소정 형상으로 절단하여 형성되고, 상기 절단된 박막의 하나 이상의 절단면이 고정되고, 상기 영구자석의 상기 N극과 상기 S극은 각각 탄성체에 연결되어 상기 복합 구조물의 표면을 따라 진동하는 것이 바람직하다.
상기 영구자석은 상기 N극과 상기 S극이 서로 연결되는 것이 바람직하다.
상기 복합 구조물은 일 절단면이 바닥에 고정되고, 상기 N극과 상기 S극 각각은 상하 모두 중력 방향으로 진동하는 탄성체에 연결되어 상기 복합 구조물의 상기 표면을 따라 상하로 진동하는 것이 바람직하다.
상기 압전물질 레이어에 통전 가능하게 연결되어 상기 압전물질 레이어에서 생성된 유도 기전력을 출력하는 출력부를 추가로 포함하고, 상기 압전물질 레이어는 리드 지르코네이트 티타네이트(PZT), PVDF, 또는 P(VDF-TrFE) 중 선택된 어느 하나를 포함하고, 상기 자기변형물질 레이어는 자기 형상 기억 합금을 포함하는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 의하면, 자기변형물질 레이어와 압전물질 레이어가 적층되어 형성되는 복합 구조물, 내부에 소정 공간을 갖는 케이스와 상기 케이스 내에 이동 가능하게 배치되는 구형상의 영구자석을 포함하며, 상기 복합 구조물의 일측에 배치되는 자기장 변조부, 및 상기 압전물질 레이어에 연결되어 상기 압전물질 레이어에서 생성되는 유도기전력을 저장하는 커패시터를 포함하는 배터리를 제공한다.
본 발명에 따르면, 외부 진동이 작을 때에도 진동 주파수에 관계없이 지속적으로 자기장을 변화시켜 IC를 구동시킬 수 있고, 외부에서 별도로 자기장을 제공하지 않아도 실제 사용하기 충분한 전력을 발생시킬 수 있다.
도 1 내지 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 발생 장치를 개략적으로 나타낸 도면이고,
도 5 는 종래의 진동 에너지 하베스터 소자를 나타낸 도면이다.
도 5 는 종래의 진동 에너지 하베스터 소자를 나타낸 도면이다.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예의 상세한 설명이 첨부된 도면들을 참조하여 설명될 것이다. 도면들 중 참조번호 및 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 동일한 참조번호들 및 부호들로 나타내고 있음에 유의 하여야 한다.
하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
도 1 내지 4는 본 발명에 따른 전력 발생 장치의 실시예들을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도시되는 바와 같이 전력발생 장치는 복합 구조물(10,100)과 복합구조물에 영향을 미치는 자기장을 변조시키는 자기장 변조부(20,200)를 포함한다.
이하, 도 1 내지 3에 도시된 실시예들을 설명한 후, 도 4의 실시예를 설명하기로 한다.
도 1 내지 3에 도시되는 바와 같이, 복합 구조물(10)은 복수의 자기변형물질 레이어(12) 사이에 압전물질 레이어(11)가 배치되도록 적층된 박막 형상이 바람직하다. 도면에서는 2개의 자기변형물질 레이어(12) 사이에 하나의 압전물질 레이어(11)가 배치된 실시예가 도시되어 있으나, 하나의 자기변형물질 레이어(12)와 하나의 압전물질 레이어(11)가 적층되는 형태나, 복수의 레이어(11,12)들이 교번적으로 적층되는 형태 역시 가능하다.
상기 복합 구조물(10)은 빔 형상으로 도 1 또는 3에 도시되는 바와 같이 양 단부가 고정된 브리지(bridge) 구조 또는 도 2에 도시되는 바와 같이 일 단부가 고정된 캔틸레버(cantilever) 구조로 형성할 수 있고, 도시되지 않았지만 복합 구조물(10)은 다이어프램(diaphragm) 구조로 형성될 수도 있다.
자기변형물질 레이어(12)는 자기장의 변화에 따라 기계적 변형이 일어나는 물질로 형성된 레이어로서, magnetostrictive material, 자기 형상 기억 합금(Magnetic shape memory alloy, Ferromagnetic shape memory alloy), soft magnetic material을 포함할 수 있다. 자기 형상 기억 합금에는 Ni-Mn-Ga, Ni-Mn-In-Co, Ni-Fe-Ga-Co 합금, MSM-polymer 화합물이 있고, Goodfellow사의 MA018010 Magnetic Shape Memory Alloy (Ni50/Mn28/Ga22), AdaptaMat. Ltd사의 δMSMA™ 등을 사용할 수 있다.
압전물질 레이어(11)는 기계적 힘을 받아 신축되면 전압을 일으키는 물질로, 함께 적층된 자기변형물질 레이어(12)의 기계적 변형에 따라 함께 변형되어 전압을 일으키는 것으로, 리드 지르코네이트 티타네이트(PZT), PVDF, 또는 P(VDF-TrFE)를 포함할 수 있다.
자기장 변조부(20)는 복합 구조물(10)에 자기장을 미칠 수 있도록 복합 구조물(10)에 근접하여 배치되며, 케이스(22)와 케이스(22)의 내부 공간에 배치되는 영구자석(21)을 포함한다.
케이스(22)는 영구자석(21)이 접촉하여 이동하는 바닥면이 도 1 및 도 2에 도시되는 바와 같이 편평하게 형성되거나, 도 3에 도시되는 바와 같이 복수의 요부와 철부가 반복되는 굴곡 형상으로 형성될 수 있다. 도 3에 도시되는 바와 같이 바닥면이 굴곡있게 형성되면 영구자석(21)의 변위가 커져 자기장의 변화량도 커지게 된다.
케이스(22)는 내벽이 영구자석(21)이 부딪칠 경우 탄성력을 가할 수 있도록 탄성체로 형성하거나, 케이스(22)의 내벽에 고무 또는 스프링과 같은 복수의 탄성체(23)를 설치하여 부딪치는 영구자석(21)에 탄성력을 가할 수 있다. 또한, 도시되지 않았지만 스프링이 영구자석(21)에 연결되어 직접 영구자석에 탄성력을 전달할 수도 있다.
영구자석(21)은 구, 다면체, 또는 판 형상 등 진동 및 변위 생성이 용이한 형상 중에서 선택할 수 있고, 구조적으로 불안정하여 작은 진동으로도 케이스(22) 안에서 변위를 발생시켜 자기장을 변조시킨다. 도 1 내지 도 3에 도시된 영구자석은 N극과 S극이 각각 하나씩 있지만 N 극과 S극이 복수 개 포함될 수도 있다.
한편, 케이스(22)의 내면 또는 영구자석(21)의 표면에는 윤활제가 도포되어 더욱 변위가 용이하도록 할 수 있다.
상기와 같이 구성된 전력 발생 장치의 작동은 다음과 같다.
먼저, 작은 진동으로도 구조적으로 불안정한 영구자석(21)은 케이스(22) 내부의 공간에서 변위하게 되고, 케이스(22) 내부의 벽면에 부딪칠 경우, 탄성체(23)에 의해 탄성력을 전달받아 변위가 더욱 커지게 된다. 영구자석(21)의 위치 변화량이 커질수록 자기장의 변화량도 커지고 이에 따라 자기장 변조부(20)로부터 자기장의 영향을 받는 자기변형물질 레이어(12)에 기계적 변형이 일어난다. 자기변형물질 레이어(12)에 기계적 변형이 일어날 경우 함께 적층된 압전물질 레이어(11)도 함께 기계적 변형이 일어나게 되어 압전물질 레이어(11)에서 전력이 발생하게 된다. 발생된 전력은 출력부를 통해 출력하고, 커패시터 등에 저장될 수 있다.
도 4를 참조하여 본 발명의 다른 실시예를 설명하기로 한다.
본 발명의 다른 실시예는 자기장 변조부가 도 1 내지 3에 도시된 바와 같이 구형 영구자석을 포함하지 않고, 복합 구조물의 양 적층면을 따라 영구자석의 N극과 S극이 진동하면서 자기장을 변조하는 실시예이다.
즉, 도 4에 도시되는 바와 같이, 자기장 변조부(200)는 복합 구조물(100)의 일 적층면에 근접하여 영구자석(210)의 N극(211)이 위치하고, 타 적층면에 근접하여 영구자석의 S극(212)이 위치하며, N극(211)과 S극(212)은 상하로 스프링이나 고무 등으로 형성되는 탄성체(221,222)가 연결되어 N극(211)과 S극(212)이 진동하며 위치가 변경뒤어 N극과 S극 사이에 위치하는 복합 구조물(100)에 미치는 자기장을 변화시킨다.
영구자석(210)은 도시되는 바와 같이 N극과 S극이 연결되는 말굽자석 형상을 할 수 있다. 화살표 B는 자기장의 방향을 가리킨다.
복합 구조물(100)은 도 1 내지 3의 실시예와 같이 자기변형물질 레이어(120) 사이에 압전물질 레이어(110)가 적층된 박막을 소정 형상으로 절단하여 형성되고, 상기 절단된 박막의 하나 이상의 절단면이 고정된다. 도 4에 도시되는 바와 같이 박막의 절단된 일 단부를 바닥에 고정하는 캔틸레버 구조로 형성될 수 있고, 타 단부 역시 고정되는 브리지 구조로 형성될 수 있으며, 다이어프램 구조로 형성될 수도 있다.
상기와 같이 구성된 도 4의 실시예에 따른 전력 발생 장치의 동작은 다음과 같다.
즉, 자기 변조부(200)의 N극(211)과 S극(212) 사이에 복합 구조물(100)을 배치하면, 외부에서 전해지는 작은 진동에도 탄성체(221,222)에 각각 연결된 영구자석(210)의 N극(211)과 S극(212)은 복합 구조물(100)의 양 적층면을 따라 각각 변위하게 되고, N극(211)과 S극(212)의 변위에 따라, N극(211)과 S극(212) 사이에 위치하는 복합 구조물(100)에 미치는 자기장이 변화하게 된다. 자기장의 변화에 따라 자기장 변조부(200)로부터 자기장의 영향을 받는 자기변형물질 레이어(120)에 기계적 변형이 일어난다. 자기변형물질 레이어(120)에 기계적 변형이 일어날 경우 함께 적층된 압전물질 레이어(110)도 함께 기계적 변형이 일어나게 되어 압전물질 레이어(110)에서 전력이 발생하게 된다. 발생된 전력은 출력부를 통해 출력하고, 커패시터 등에 저장될 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 실시예는 압전물질 레이어(110)에 통전 가능하게 연결되어 압전물질 레이어에서 생성된 유도 기전력을 출력하는 출력부(미도시)를 추가로 포함할 수 있고, 다른 실시예에 의하면, 상기 출력부에 커패시터 등을 연결하여 배터리로 구성할 수 있다.
10, 100: 복합 구조물 11. 110: 압전물질 레이어
12, 120: 자기변형물질 레이어 20, 200: 자기 변조부
21: 영구자석 22: 케이스
23, 221,222: 탄성체
12, 120: 자기변형물질 레이어 20, 200: 자기 변조부
21: 영구자석 22: 케이스
23, 221,222: 탄성체
Claims (20)
- 자기변형물질 레이어와 압전물질 레이어가 적층되어 형성되는 복합 구조물; 및
내부에 소정 공간을 갖는 케이스와 상기 케이스 내에 이동 가능하게 배치되는 영구자석을 포함하며, 상기 복합 구조물의 일측에 배치되는 자기장 변조부를 포함하는 전력 발생 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 복합 구조물은 캔틸레버, 다이어프램, 또는 브리지 구조 중 선택된 어느 하나의 구조로 형성되는 전력 발생 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 압전물질 레이어는 복수의 상기 자기변형물질 레이어 사이에 적층되는 전력 발생 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 압전물질 레이어는 리드 지르코네이트 티타네이트(PZT), PVDF, 또는 P(VDF-TrFE) 중 선택된 어느 하나 인 전력 발생 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 압전물질 레이어에 통전 가능하게 연결되어 상기 압전물질 레이어에서 생성된 유도 기전력을 출력하는 출력부를 추가로 포함하는 전력 발생 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 자기변형물질 레이어는 자기 형상 기억 합금을 포함하는 전력 발생 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 자기장 변조부의 상기 케이스의 내벽은 상기 영구자석에 탄성력을 가하는 탄성체를 포함하는 전력 발생 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 자기장 변조부의 상기 케이스의 내벽에는 상기 영구자석에 탄성력을 가할 수 있도록 소정 위치에 하나 이상의 탄성체가 설치되는 전력 발생 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 영구자석이 접촉하여 이동하는 상기 케이스의 바닥면에 다수개의 요철부가 형성되는 전력 발생 장치. - 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 영구자석은 구형상, 다면체, 또는 진동 및 변위의 생성이 용이한 형상 중에서 선택된 어느 하나인 전력 발생 장치. - 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 영구자석은 스프링을 통해 상기 케이스의 내벽에 연결되는 전력 발생 장치. - 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 영구자석의 표면 또는 상기 케이스의 내면에 윤활제가 도포되는 전력 발생 장치. - 자기변형물질 레이어와 압전물질 레이어가 적층되어 형성되는 복합 구조물; 및
상기 복합 구조물의 일 적층면에는 N극이, 타 적층면에는 S극이 위치하는 영구자석을 포함하고,
상기 영구자석의 상기 N 극과 상기 S극은 상기 복합 구조물을 사이에 두고 상기 복합 구조물의 표면을 따라 이동하는 전력 발생 장치. - 제 13 항에 있어서,
상기 복합 구조물은 상기 자기변형물질 레이어 사이에 상기 압전물질 레이어가 적층된 박막을 소정 형상으로 절단하여 형성되고, 상기 절단된 박막의 하나 이상의 절단면이 고정되고,
상기 영구자석의 상기 N극과 상기 S극은 각각 탄성체에 연결되어 상기 복합 구조물의 표면을 따라 진동하는 전력 발생 장치. - 제 13 항에 있어서,
상기 영구자석은 상기 N극과 상기 S극이 서로 연결되는 전력 발생 장치. - 제 14 항에 있어서,
상기 복합 구조물은 일 절단면이 바닥에 고정되고,
상기 N극과 상기 S극 각각은 상하 모두 중력 방향으로 진동하는 탄성체에 연결되어 상기 복합 구조물의 상기 표면을 따라 상하로 진동하는 전력 발생 장치. - 제 13 항에 있어서,
상기 압전물질 레이어에 통전 가능하게 연결되어 상기 압전물질 레이어에서 생성된 유도 기전력을 출력하는 출력부를 추가로 포함하는 전력 발생 장치. - 제 13 항에 있어서,
상기 압전물질 레이어는 리드 지르코네이트 티타네이트(PZT), PVDF, 또는 P(VDF-TrFE) 중 선택된 어느 하나 인 전력 발생 장치. - 제 13 항에 있어서,
상기 자기변형물질 레이어는 자기 형상 기억 합금을 포함하는 전력 발생 장치. - 자기변형물질 레이어와 압전물질 레이어가 적층되어 형성되는 복합 구조물;
내부에 소정 공간을 갖는 케이스와 상기 케이스 내에 이동 가능하게 배치되는 영구자석을 포함하며, 상기 복합 구조물의 일측에 배치되는 자기장 변조부자기장 변조부자기장 변조부 연결되어 상기 압전물질 레이어에서 생성되는 유도기전력을 저장하는 커패시터를 포함하는 배터리.
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|---|---|---|---|
| KR1020120068478A KR101317335B1 (ko) | 2012-06-26 | 2012-06-26 | 전력 발생 장치 |
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| KR101317335B1 true KR101317335B1 (ko) | 2013-10-15 |
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101711789B1 (ko) | 2016-03-16 | 2017-03-02 | 충남대학교산학협력단 | 자기변형부재를 이용한 에너지 하베스팅 장치 |
| FR3056854A1 (fr) * | 2016-09-27 | 2018-03-30 | Enerbee | Generateur pour transformer un mouvement de translation d’un corps en une accumulation de charges electriques |
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