KR101813731B1 - 에너지 획득 방법 및 장치 - Google Patents

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무라타 일렉트로닉스 오와이
도요타 지도샤 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명에 따른 장치(100)는 진동 및/또는 변형력으로부터 에너지를 획득 하며, 커패시터 부재(102a, 102b) 및 압전 소자(105)를 모두 사용한다. 작동 원리는 외평면(out-of-plane) 커패시터식 에너지 획득 방식으로서, 커패시터 부재를 위한 바이어스 전압은 압전 소자(105)에 의해 생성된다. 본 장치에서는 획득 에너지를 극대화하고 반접촉 모드(semi-contact mode)에서 동작하도록 커패시터판(102a, 102b) 사이에 얇은 유전체 막(104)이 개재된다. 반접촉 모드에 의해서 회로 단락이 방지된다. 예를 들어, 본 발명을 바퀴 등에 적용할 경우에, 바퀴의 매 타격시 또는 매 회전시마다 커패시터가 닫혔다 열렸다 하는데, 이는 에너지 획득 장치의 기계적 공진 주파수와는 무관하다.

Description

에너지 획득 방법 및 장치 {METHOD AND DEVICE FOR ENERGY HARVESTING}
본 발명은 진동, 변형력, 회전 및/또는 타격으로부터 에너지를 획득하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
지난 수십년 동안에, 예컨대 무선 센서에 전원을 공급할 필요성에 의해 주변 환경으로부터 에너지를 획득하는(energy harvesting) 연구 활동이 촉발되었다. 무선 통신에 있어서 전선을 통해 전력을 공급하거나, 작동 시간이 한정되어 있으며 무겁고 부피가 큰 배터리를 사용한다면, 무선 통신 기능을 온전히 이용하는 것이라고 할 수 없을 것이다.
에너지 획득 메커니즘은 주변 환경 및 응용분야에 따라 달라진다. 다양한 에너지원이 제안되었는바, 빛, 열(온도 변화), 변형력(strain), 진동, 전자기장, 동역학, 공기 흐름, 압력 변화 등을 들 수 있다.
에너지 획득에 대해 연구가 가장 많이 이루어져 있는 응용분야 중 하나는, 예를 들어, 자동차 타이어 공기압 모니터링 시스템(TPMS, car tyre pressure monitoring system)이다. 이 분야에서는 이미 배터리에 의해 구동되는 장치가 사용되고 있지만, 이 TPMS 시스템에도 에너지 획득 장치를 이용할 수 있다면 시스템 가동 시간이 길어지게 될 것이다. 현재 TPMS에 필요한 전력 수준은 100μW 정도인데, 이는 기존에 발표된 대표적인 최신 기술 장치에서 필요한 전력 수준보다 적어도 10배 이상 큰 수준이다. 그러나 에너지 획득 장치에 의해 얻어지는 전력 수준은 증가하는 반면에, 응용장치에서 요구하는 전력 수준은 지속적으로 감소하고 있다. 따라서 언젠가는 이들 수준이 서로 만나게 될 것이다.
에너지 획득 장치에 관련된 선행기술이 몇가지 알려져 있다. 예를 들어, 미국공개특허 2007/0125176 A1에는 서로 다른 다양한 진동 주파수에 응답할 수 있도록 서로 다른 주파수에서 각각 공진하는 다수의 부품으로써 제작한 초소형 전자-기계(micro electro-mechanical) 구조를 갖는 에너지 획득 장치(energy harvesting device)를 개시하고 있다. 압전 재료를 이용하여 진동을 전압으로 변환하여, 이 구조의 적어도 일부분의 양단에서 전압차를 얻게 된다.
또한, WO 2007044443은 트랜스듀서에 의해서 타이어의 회전에 의한 압력 변화가 전기 에너지로 변환되는, 타이어 압력에 기반한 에너지 획득 장치를 이용한 타이어 모니터링 시스템에서의 전자소자에 전력을 공급하는 방법을 개시하고 있다. 이 트랜스듀서의 케이스(외함) 표면에 도전층(1112)을 코팅하는데, 이 케이스에 아주 얇은(대략 100nm) 유전체 박막(1114)을 코팅하여 도전성 막이 절대로 상기 도전층과 전기적으로 접촉되지 않도록 한다.
WO 2007044443은 또한, 딱딱한 케이스(1110)를 이용하여, 이 케이스(1110)와 탄성막(1120) 사이에 공극(에어갭)을 사이에 둔 가변 커패시터를 형성하되, 탄성막의 크기를 변화시킴으로써 가변 커패시터를 형성하는 것이 아니라 탄성막과 케이스 사이의 간격을 변화시켜서 가변 커패시터를 형성하는, 압력 기반 에너지 획득 장치인 가변 커패시터 트랜스듀서를 개시하고 있다. 여기서 탄성막의 표면은 도전성을 갖고 있어야 한다.
또한, WO 2007121092 A1은 주위의 진동으로부터 에너지 획득이 가능한 압전 발전기를 개시한다. 이 발전기는, 상부 전극과, 하부 전극과 유전체 층 위에 형성된 압전층 및 유전체 층과, 압전층 위에 형성된 최종 질량체를 갖는 압전 패널을 지지하는 유전체 프레임을 포함하고 있다. 최종 질량체의 무게에 의해서 압전패널이 프레임 내에서 움직이며(진동하며) 이에 의해 전력이 생성된다. 이 발전기는 MEMS 공정을 이용해 형성하는 것이 바람직하다.
그러나 공지의 선행기술들은 몇가지 단점을 갖고 있다. 예를 들어 에너지 획득 장치의 대부분은 특정 공진 주파수에 대해서만 효율적으로 동작한다. 더욱이, 일반적으로, 다양한 진동 주파수에 반응하도록 고안된 장치에는 서로 다른 주파수에서 각각 공진하는 다수의 부품이 포함되어야 하는바, 이들 다수의 부품을 포함하는 장치를 제조한다는 것은 매우 복잡한 일이다. 또한 정전용량(커패시턴스)에 기반한 에너지 획득 장치를 제대로 기동(시동)시키기 위해서는 바이어스 전압용 배터리가 필요하다. 또한 공지의 많은 획득 장치들은 설계 한도를 넘는 진동에 대해서는 취약한 문제가 있다.
본 발명의 목적은 에너지 획득 장치의 특정 주파수에 대한 기계적 공진 주파수를 제한하지 않고도 에너지 획득량을 극대화한다는 점에서, 공지의 선행 기술이 갖는 단점을 극복하거나 최소한 완화하기 위한 것이다. 또한 본 발명은 에너지 획득 장치의 제조 공정을 용이하게 하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적은 독립 청구항에 개시된 특징에 의해서 실현된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 에너지 획득 장치(harvesting device) 내의 에너지 획득 모듈에, 두 개의 커패시터판을 실질적으로 평행하게 설치하여 그 사이에 간극(gap)이 형성되도록 한다. 제1커패시터판은 진동, 변형력, 회전 및/또는 타격에 의해 제2커패시터판에 대해 실질적으로 수직으로 (앞뒤로) 움직일 수 있도록 설치된다. 이로써, 두 커패시터판 사이의 간극이 늘었다 줄었다 한다. 바람직하게는, 이 간극은, 진동, 변형력, 회전 및/또는 타격이 인가되는 동안에 최대 및 최소가 되는 것이 좋다. 이러한 전후 움직임에 의해서 커패시터판 사이의 커패시턴스, 즉, 정전용량이 변화되어, 전력이 생성되어 출력된다. 본 발명에 따른 에너지 획득 방식의 동작원리는, 판의 움직임이 실질적으로 커패시터판의 수직 방향으로 일어나기 때문에, 외평면(out-of-plane) 정전용량(커패시턴스) 방식을 기반으로 한다.
또한, 상기 커패시터판 사이에는 얇은 유전체 막(dielectric film)을 개재시켜 획득 에너지량을 최대로 하고 있다(또한, 반접촉 모드(semi-contact mode)에서 에너지 획득 작용을 할 수 있게 한다). 또한, 본 발명에 따른 에너지 획득 장치에서는, 커패시터 방식 에너지 획득 모듈의 동작에 필요한 바이어스 전압을 진동 및/또는 변형력으로부터 생성하기 위한 압전 소자(piezoelectric element)가 포함된다.
일실시예에서, 상기 압전 소자는 진동 및/또는 변형력으로부터 바이어스 전압 뿐 아니라, 전력을 생성하여 출력하는 데도 사용된다. 이로써 전력이 커패시터 및 압전 소자 모두에서 생성되므로 본 에너지 획득 장치의 효율이 향상된다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 커패시터판에 스프링 부재(spring element)가 연결된다. 이 스프링 부재는 한 커패시터판이 다른 커패시터판에 상대적으로 앞뒤로 주기적 진동(oscillation)할 수 있게 한다. 예를 들어서, 타격에 의해서 커패시터판이 평형상태로부터 편위되면, 스프링 부재는 바람직하게, 이 커패시터판을 원래 자리로 되돌려 보내는 작용을 번갈아 하게 된다. 스프링 부재의 탄성 계수는 주기적 진동하는 커패시터판의 진폭이 최대가 되도록, 그리고 본 발명에 따른 장치에 진동, 변형력, 회전 및/또는 타격이 가해지는 동안에 상기 간극이 최소 및 최대가 되도록 선택한다.
본 발명의 또다른 실시예에서는 질량체(mass element)가 구비된다. 이 질량체는 한 커패시터판에 연결되어, 그 관성력에 의해서 이 커패시터판이 다른 커패시터판에 상대적으로 앞뒤로 주기적 진동하는 것을 보다 더 효과적으로 해 준다. 이 질량체의 질량은 주기적 진동하는 커패시터판의 진폭이 최대가 되도록, 그리고 본 발명에 따른 장치에 진동, 변형력, 회전 및/또는 타격이 가해지는 동안에 상기 간극이 최소 및 최대가 되도록 선택한다. 일반적으로, 질량체는 가능한한 무거운 것을 사용하는데, 그 이유는 질량체가 무거울수록 운동 에너지가 커지며, 따라서 진동에 의해서 획득되는 에너지량이 더 많아지기 때문이다. 이 질량체는 단독으로 사용할 수도 있고, 위에서 설명한 스프링 부재와 함께 사용할 수도 있음을 밝힌다.
또한 본 발명의 실시예에서, 커패시터판은 서로에 대해서 반접촉 모드로 운동한다. 다른 말로, 갭이 최소화되어 사실상 유전체 막에 의해서만 떨어져 있게 될 때 커패시터판이 최대한 가깝게 접근하게 된다. 유전체 막이나 범프(bump)가 기계적 스토퍼(stopper) 역할을 하게 되어, 커패시터판의 마모 및 단락을 방지하고, 사용 목적상의 한계치를 넘는 진동으로 인해 에너지 획득 장치의 구조물이 파괴되는 것을 방지할 수 있다. 유전체 막의 유전율이 높으면 스프링의 변위폭이 크지 않더라도 커패시터판이 열리고 닫힐 때의 정전용량 차를 극대화시킬 수 있다. 상기 유전체 막으로는, 예컨대, 실리콘 옥사이드, 알루미늄 옥사이드, 또는 DLC(다이아몬드상 탄소, diamond like carbon)를 사용할 수 있다. 일실시예에 의하면, 유전체 막의 두께는 최대 25nm인 것이 바람직하다. 스프링과 질량체를 설계할 때에는 에너지 획득 장치의 특정 정렬상태/위치에서(가능하면 장치를 고정해 놓은 상태에서, 그리고 최소한 정상적인 사용상태에서) 유전체 막을 통해서 전극들이 서로 접촉할 수 있도록 설계하는 것이 바람직하다. 예를 들어서, 에너지 획득 장치의 회전으로부터 에너지를 획득하는 것이 정상적인 사용상태인 것이라 가정하면, 에너지 획득 장치의 매 회전 시에 본 장치가 상기 위치(즉, 전극들이 서로 접촉하는 위치)에 있도록 구성해야 한다. 이로써, 전극들은 매 회전시마다 유전체 막에 접촉하게 되며, 이러한 로딩 주기(loading period) 동안에 높은/최대 정전용량을 얻게 되고, 작용 주기(work period) 동안에는 전극이 서로로부터 멀어질 때 높은/최대 에너지를 얻게 된다. 예를 들어, 진동을 이용하여 에너지를 획득하는 경우에는, 로딩 주기와 작용 주기가 진동 싸이클 동안에 상기와 같은 방식으로 반복되어서, 진동의 로딩 주기 시에 전극이 서로 접촉한다. 바이어스 전압은 로딩 주기 동안에 전극에 인가되는 것이 바람직하다.
본 발명은 바퀴나 타이어, 또는 가공 산업용 장비 및 파이프라인과 같은 진동 기계 및 장치 등과 같은, 주기적 진동(oscillation), 진동(vibration), 왕복운동(reciprocation), 회전(trun) 및/또는 타격(strike) 시스템에 적용할 수 있다.
본 발명에 따른 커패시터 방식 에너지 획득 장치는, 예컨대 마이크로시스템 기술 MST(micro system technology)를 이용하여 전자 부품의 형태로 집적화할 수 있다. 본 발명에 의해서 저전력 응용장치에 알맞은 소형의 집적형 에너지 획득 장치가 가능해진다.
본 발명은 공지된 선행기술에 비해 확실한 장점을 제공한다. 즉, 예컨대 반접촉 모드에 의해 에너지가 최대로 획득되며 얇은 유전체 막을 이용하므로 정전 용량의 변화가 최대화된다. 또한 커패시터 방식 에너지 획득 장치에 필요한 바이어스 전압을 생성하기 위하여 압전 소자를 사용하기 때문에 커패시터 방식 에너지 획득 장치의 기능 활성화를 위한 별도의 배터리가 필요치 않다. 또한, 매 타격시마다 커패시터판 사이의 간극이 열렸다 닫혔다 하기 때문에, 본 발명에 따른 에너지 획득 장치는, 구성요소의 기계적 공진 주파수와 무관하다. 또한, 큰 가속시에 가동 부품을 보호하는 스토퍼가 내장되어 있기 때문에 에너지 획득 장치 구조의 내구성이 강하다. 또한 커패시터판 사이에 있는 박막에 의해서 커패시터판의 마모 및 단락이 방지되며, 사용 목적상 한계를 초과하는 진동에 의해서도 에너지 획득 장치의 구조가 파괴되는 것이 방지된다. 또한, 현존하는 방법이나 수단, 가령, SOI(silicon on insulator) 기법이나, MEMS(microelectromechanical system) 기술 등을 이용할 수 있기 때문에, 간단하고 쉽고 경제적으로 본 발명에 따른 에너지 획득 장치를 제작할 수 있다.
또한, 본 발명의 에너지 획득 장치는 다양한 종류의 전자소자에 집적할 수 있다. 본 발명의 에너지 획득 장치에 의해 기존의 배터리 및 전원이 대체되기 때문에, 에너지 획득 장치에서 배터리를 교환하거나/교환하고 전원을 공급할 필요가 없어진다. 특히, 본 에너지 획득 장치는 무선 응용장치에 전력을 공급하는 데 이상적이다. 또한, 예컨대 MEMS를 이용하게 되면, 에너지 획득 장치 제작이 단순하고 경제적이 되며, 동시에 소규모 제작이 가능해진다.
이하, 본 발명을 첨부 도면에 따라 실시예를 참조하여 자세히 설명한다.
도 1A, 1B는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 진동, 변형력, 회전 및/또는 타격으로부터 에너지를 획득하는 장치를 예시적으로 나타낸다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 에너지 획득 장치의 스프링 및/또는 질량체 구조를 예시한다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 에너지 획득 장치의 플립칩(flip-chip) 장착 방식을 예시한다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 에너지 획득 장치의 스위칭 다이어그램을 예시한다.
도 1A, 1B는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 진동(vibration), 변형력(strain), 회전(turn) 및/또는 타격(strike)으로부터 에너지를 획득하는 예시적인 장치(100)의 작동 원리를 보여주는 것으로서, 도 1A는 장치가 열린 위치에 있는 것을 나타내고, 도 1B는 장치가 닫힌 위치에 있는 것을 나타낸다.
본 발명에 따른 장치(100)는 서로 거의 평행한 두 개의 커패시터판(102a, 102b)으로 구성된 커패시터 방식 에너지 획득 모듈로 구성하는 것이 바람직하다. 커패시터판 중 적어도 하나(102a)는 진동, 변형력, 회전 및/또는 타격에 의해 다른 커패시터판(102b)에 거의 수직으로 움직일 수 있도록 설치하고, 두 판 사이에는 가변 간극(103)이 형성되도록 한다. 이 간극의 거리가 변화함에 따라 커패시터판(102a, 102b) 사이의 정전 용량도 변하며, 따라서 전력 출력단에 전기 에너지가 생성된다. 예를 들어, 장치(100)를 바퀴에 설치할 경우에, 바퀴의 회전에 의해 일어나는 매번의 타격이나 회전에 의해 커패시터가 닫혔다 열렸다 하게 되는데, 이 작용은 에너지 획득장치의 기계적인 공진 주파수와는 무관하다.
또한 본 발명에 따른 장치에 있어서는, 획득 에너지를 극대화하고 반접촉 모드(semi-contact mode)로 에너지 획득 동작을 수행할 수 있도록 커패시터판(102a)과 커패시터판(102b) 사이에 얇은 유전체 층 또는 유전체 막(104)을 개재시키는 것이 바람직하다. 반접촉 모드란 커패시터판이 그 사이에 있는 얇은 유전체 막에 의해서만 분리되는 것을 의미하며, 앞에서 설명한 바 있다. 유전체 막(104)의 두께 d2는 최대 25nm인 것이 바람직하지만, 이와 다르게 선정할 수도 있다. 그러나 유전체 막이 얇을수록 커패시터판이 더 근접해서 움직일 수 있기 때문에 보다 더 강력한 에너지 획득 작용을 할 수 있게 된다(추후에 설명함).
또한 본 발명에 따른 장치(100)에는 적어도 하나의 압전 소자(105)가 포함된다. 압전 소자로는 압전 필름을 이용하는 것이 바람직하다. 압전 소자가 도 1에서는 제자리에 있지만, 탄성 구조체(106)가 진동 및/또는 응력에 의해 휘어지면 그에 따라 함께 휘면서 전압이 발생된다. 이 전압은, 본 발명에 따른 장치에 사용되는 커패시터 방식 에너지 획득 모듈의 바이어스 전압으로서 사용된다. 커패시터 방식 에너지 획득 장치를 기동시키기 위해서는 바이어스 전압이 필요하기 때문이다. 또한 압전 소자(105)는 바이어스 전압 뿐만 아니라, 진동 및/또는 변형력으로부터 전력(전기 에너지)을 생성하기 위한 용도로도 사용할 수 있다.
도 1A, 1B에 도시한 것과 같은 탄성 스프링 부재를 이용하여 이 구조체(160)의 적어도 일부를 형성할 수 있다. 또한, 다른 방식으로 커패시터판(102a, 102b)이 주기적 진동(oscillate)하게 할 수도 있다. 그러나 본 발명에 따르면, 적어도 하나의 커패시터판(102a)에 스프링 부재(106)을 연결하여, 이 스프링 부재가 커패시터판(102a)을 다른 커패시터판(102b)에 상대적으로 앞뒤로 주기적 진동(oscillate)시킬 수 있게 한다. 스프링 부재(106)의 탄성 계수는, 본 발명에 따른 장치(100)에 진동, 변형력, 회전 및/또는 타격이 가해지는 동안에 간극(103)이 최소 및 최대가 되도록 선택한다.
아울러, 질량체(107)가 적어도 하나의 커패시터판(102a)에 결합되는데, 이 질량체(107)는, 커패시터판(102a)이 다른 커패시터판(102b)에 상대적으로 앞뒤로 더 효과적으로 주기적 진동(oscillate)할 수 있게 하는 역할을 한다. 이 질량체의 질량은, 가능한한 본 발명에 따른 장치(100)에 진동, 변형력, 회전 및/또는 타격을 가하는 동안에 간극(103)이 최소 및 최대가 되도록 선택한다. 일반적으로 이 질량체는, 질량체가 부착된 가동 커패시터판(102a)의 운동 에너지를 최대로 하여 획득 에너지가 최대가 되도록 가능한한 큰 것으로 선택한다. 본 발명에 따른 장치(100)는 정전용량의 변화를 통해서 운동 에너지로부터 전기 에너지를 얻기 때문이다.
본 발명에 따른 장치에서 커패시터판(102a, 102b)의 변위 x의 함수인 정전용량 C는 아래 수학식 1과 같다. 수학식 1에서
Figure 112012034007269-pct00001
는 진공의 유전율이고,
Figure 112012034007269-pct00002
는 유전체(104)의 상대 유전율이고, A는 커패시터판(102a, 102b)의 면적이다.
Figure 112012034007269-pct00003
지속충전 모드(constant charge mode)에서 가변 커패시터에 한 주기당 축적되는 에너지는 수학식 2와 같다.
Figure 112012034007269-pct00004
기생(parasitic) 정전용량을 무시하고
Figure 112012034007269-pct00005
로 가정하면, 수학식 2는 수학식 3과 같이 된다.
Figure 112012034007269-pct00006
수학식 3에서, Cmax가 최대로 될 때 획득 에너지가 최대가 되는 것을 쉽게 알 수 있다. 여기서 유전체 층(104)의 두께(d2)가 가능한 한 얇은 경우에 C가 최대로 된다. 이 두께는 제조 공차에 의해서, 그리고 유전체 재료의 전기 강복(이는 사용되는 바이어스 전압에 의해서도 달라짐)에 의해서 제한된다.
본 발명에 따른 PZC 방식 에너지 획득 장치(100)는 현재의 최신 기술을 크게 향상시킬 것이다. 시뮬레이션 결과, 에너지 획득 장치의 전력은 10Hz 주파수 및 100 m/s2 의 가속도에서 12μW이다. 일반적으로, 현재의 10μW 급 에너지 획득 장치는 kHz 범위에서 동작하거나(공진 주파수 모드), 그 크기가 크다(non-MEMS 또는 MEMS). 낮은 주파수에서 동작하는 MEMS 에너지 획득 장치는 일반적으로 나노와트 수준의 에너지를 획득한다. PZC 방식 에너지 획득 장치는, 낮은 주파수 및 소형 에너지 획득 장치 분야에서 현재의 최신 기술을 크게 향상시킬 것이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 에너지 획득 장치(100)의 예시적인 스프링 및/또는 질량체 구성(200)의 평면도이다. 가동 커패시터판을 최대한 앞뒤로 움직일 수 있도록, 중앙부에 질량체(107)를 배치하는 것이 바람직하다. 스프링 구조체(106)는 도 2에 나타낸 것과 같은데, 예를 들어, 스프링 부재를 하우징의 가장자리에 부착함으로써 중앙부에 대해서(따라서 가동 커패시터판에 대해서) 최대한 앞뒤로 움직일 수 있도록 할 수 있다.
실시예에 따르면, 진동 및/또는 응력에 의해서 앞뒤로 휘는 스프링 부재(106)에 의해 압전 소자(105)가 휨으로써 앞에서 설명한 것과 같이 전압을 발생할 수 있도록, 압전 소자(105)는 스프링 부재(106)에 부착한다.
커패시터판은 본 발명에 따른 장치의 하우징 및 주변 환경과 전기 절연시키는 것이 바람직하다.
도 3은 본 발명에 따른 에너지 획득 장치(100)의 플립칩(flip-chip) 장착 방식을 예시적으로 나타내는 것이다. 플립칩 장착 방식은 장치의 위와 아래를 뒤집어 실장하는 것으로, 보다 많은 검증질량(proof mass)을 제공할 수 있도록 하는 방식이다. 이러한 실장방식에 의해서 별도의 질량체(107)를 본 발명에 따른 장치의 상부에 있는 칩 위에 보다 더 쉽게 부착할 수 있다. 본 명세서의 다른 곳에서 기술한 바와 같이, 본 발명에 따른 장치(100)는 예를 들어 주기적 진동(oscillation) 또는 진동(vibration) 구조체(302)에 장착 요소(301)을 통해 장착할 수 있다.
도 3에 나타낸 장치(100)의 구성요소와 특징을 나타내는 참조번호는 다른 도면에 나타낸 동일한 구성요소의 참조번호와 동일하다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 에너지 획득 장치(100)의 스위칭 다이어그램(400)을 예시한다. 여기서 C(x)는 본 발명에 따른 장치에서의 가동 커패시터판에 의해 변화하는 정전용량을 나타낸다. 본 발명에 따른 에너지 획득 장치(100)에서는, 정전용량의 변화로부터 전력이 발생하고, 발생된 전력은 본 발명에 따른 장치(100)의 출력단에 연결된, 예컨대, 전자기기 RL로 전달된다. 커패시터판으로 구성된 정전용량 모듈은 스위치 SW2를 통해 출력단에 연결되는 것이 바람직하다.
또한 바이어스 전압을 생성하기 위해 사용하는 압전 소자(105)는, 정전용량을 이용한 에너지 획득 기능을 촉발시키기 위해(정전용량 모듈을 기동하기 위해서는 바이어스 전압이 필요함) 본 발명에 따른 장치(100)의 커패시터 모듈에 연결되어 있다. 압전 소자(105)는 스위치 SW1을 통해 커패시터 모듈로 연결되는 것이 바람직하다.
압전 소자(105)가 바이어스 전압 이외에도 전력을 생성하여 전자기기 RL로 보내도록 사용할 수 있는데, 이 때의 압전 소자(105)도 역시 스위치 SW2를 통해 전력 출력단에 연결되는 것이 바람직하다.
본 발명에 대해서 이상의 실시예를 참조하여 설명하였고, 본 발명의 몇 가지 장점을 밝혔다. 본 발명은 이들 실시예에 국한되지 않고 본 발명의 사상 및 첨부한 특허청구범위의 정신과 범위 내에서 도출 가능한 모든 실시예를 다 포함하는 것이 명백하다.

Claims (17)

  1. - 평행한 두 개의 커패시터판(102a, 102b)을 포함하되, 적어도 하나의 커패시터판(102a)은 진동, 변형력, 회전 또는 타격에 의해 다른 커패시터판(102b)에 대해 수직으로 움직일 수 있도록 설치됨으로써, 두 커패시터판 사이에 가변 간극(103)이 형성되고 커패시터판(102a, 102b) 사이의 정전 용량이 변화되어 전력이 생성되어 출력되는, 커패시터 방식 에너지 획득 모듈과;
    - 상기 커패시터판(102a,102b) 사이에 배치되는 얇은 유전체 막(104), 및
    - 상기 커패시터 방식 에너지 획득 모듈에 필요한 바이어스 전압을 진동 또는 변형력으로부터 생성하기 위한 압전 소자(105);를 포함하는 진동, 변형력, 회전 또는 타격으로부터 에너지를 획득하는 장치(100)에 있어서,
    상기 커패시터판(102a, 102b) 중 적어도 하나의 움직임은 진동이고,
    상기 간극은 최대 및 최소에 도달되고,
    상기 커패시터판(102b)은 반접촉 모드(semi-contact mode)로 운동하고,
    유전체 막(104)이 커패시터판 사이에 개재되고,
    상기 커패시터판의 적어도 하나는 스프링 부재(106)로 구성하여, 이 스프링 부재가 상기 커패시터판(102a)을 다른 커패시터판(102b)에 상대적으로 앞뒤로 주기적 진동시킬 수 있도록 하며, 상기 스프링 부재(106)의 탄성 계수는, 상기 장치(100)에 진동, 변형력, 회전 또는 타격이 가해지는 동안에 상기 간극(103)이 최소 및 최대가 되도록 선택되는, 진동, 변형력, 회전 또는 타격으로부터 에너지를 획득하는 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 유전체 막의 두께는 최대 25nm인, 진동, 변형력, 회전 또는 타격으로부터 에너지를 획득하는 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 압전 소자(105)는 또한, 진동 또는 변형력으로부터 전력을 생성하여 출력하는, 진동, 변형력, 회전 또는 타격으로부터 에너지를 획득하는 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 커패시터판(102a, 102b) 사이의 간극(103)은, 진동, 변형력, 회전 또는 타격이 상기 장치(100)에 인가되는 동안에 계속해서 최소가 되었다 최대가 되었다 하는, 진동, 변형력, 회전 또는 타격으로부터 에너지를 획득하는 장치.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서, 상기 커패시터판(102a, 102b) 중 적어도 하나에 질량체(107)가 연계되어, 어느 한 커패시터판이 다른 커패시터판에 상대적으로 앞뒤로 주기적 진동할 수 있도록 하며, 이 질량체의 질량은 상기 장치(100)에 진동, 변형력, 회전 또는 타격이 가해지는 동안에 상기 간극(103)이 최소 및 최대가 되도록 선택되는, 진동, 변형력, 회전 또는 타격으로부터 에너지를 획득하는 장치.
  7. 두 개의 커패시터판 중 적어도 하나가 다른 커패시터판에 상대적으로 수직인 방향으로 진동, 변형력, 회전 또는 타격에 의해 움직이도록 서로 평행하도록 마련되는 두 개의 커패시터판을 포함하는 커패시터 방식 에너지 획득 모듈과;
    두 커패시터판 사이에 가변 간극(103)이 형성되고 커패시터판 사이의 정전 용량이 변화되어 전력이 생성되어 출력되도록 하고,
    - 상기 커패시터판(102a, 102b) 사이에 개재되는 얇은 유전체 막(104); 및
    - 상기 커패시터 방식 에너지 획득 모듈에 필요한 바이어스 전압을 진동 또는 변형력으로부터 생성하는 압전 소자(105);
    를 포함하는 진동, 변형력, 회전 또는 타격으로부터 에너지를 획득하는 장치(100)에 있어서,
    상기 커패시터판(102a, 102b)은 반접촉 모드(semi-contact mode)로 상대 커패시터판에 대해서 움직이도록 설치되고,
    상기 커패시터판(102a, 102b)은 얇은 유전체 막(1041)에 의해서만 분리되는 것을 특징으로 하는 진동, 변형력, 회전 또는 타격으로부터 에너지를 획득하는 장치.
  8. 다른 커패시터판에 상대적으로 수직인 방향으로 진동, 변형력, 회전 또는 타격에 의해 움직이는 커패시터 방식 에너지 획득 모듈 내에서 서로 평행하도록 두 개의 커패시터판을 마련하는 단계(arranging);
    두 커패시터판 사이에 가변 간극(103)이 형성되고 커패시터판 사이의 정전 용량이 변화되어 전력이 생성되어 출력되도록 하고,
    - 상기 커패시터판(102a, 102b) 사이에 개재되는 얇은 유전체 막(104)을 이용하는 단계;
    - 압전 소자(105)에 의해, 상기 커패시터 방식 에너지 획득 모듈에 필요한 바이어스 전압을 진동 또는 변형력으로부터 생성하는 단계를 포함하는 진동, 변형력, 회전 또는 타격으로부터 에너지를 획득하는 방법에 있어서,
    상기 커패시터판(102a, 102b) 중 적어도 하나의 움직임은 진동이고,
    상기 간극은 최대 및 최소에 도달되고,
    상기 커패시터판(102b)은 반접촉 모드(semi-contact mode)로 운동하고,
    유전체 막(104)이 커패시터판 사이에 개재되고,
    상기 커패시터판(102a, 102b) 사이의 간극(103)은, 진동, 변형력, 회전 또는 타격이 가해지는 동안에 계속해서 최소가 되었다 최대가 되었다 하는, 진동, 변형력, 회전 또는 타격으로부터 에너지를 획득하는 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 압전 소자(105)는 또한, 진동 또는 변형력으로부터 전력을 생성하여 출력하는, 진동, 변형력, 회전 또는 타격으로부터 에너지를 획득하는 방법.
  10. 삭제
  11. 제8항에 있어서, 상기 적어도 하나의 커패시터판(102a)을 스프링 부재(106)로 구성하여, 이 스프링 부재가 상기 커패시터판(102a)을 다른 커패시터판(102b)에 상대적으로 앞뒤로 주기로 진동시킬 수 있도록 하며, 상기 스프링 부재(106)의 탄성 계수는, 진동, 변형력, 회전 또는 타격이 가해지는 동안에 상기 간극(103)이 최소 및 최대가 되도록 선택되는, 진동, 변형력, 회전 또는 타격으로부터 에너지를 획득하는 방법.
  12. 제8항에 있어서, 상기 커패시터판(102a, 102b) 중 적어도 하나에 질량체(107)가 연계되어, 어느 한 커패시터판이 다른 커패시터판에 상대적으로 앞뒤로 주기적 진동할 수 있도록 하며, 이 질량체의 질량은 진동, 변형력, 회전 또는 타격이 가해지는 동안에 상기 간극(103)이 최소 및 최대가 되도록 선택되는, 진동, 변형력, 회전 또는 타격으로부터 에너지를 획득하는 방법.
  13. 제8항에 있어서, 상기 커패시터판(102a, 102b)은 그 사이에 있는 얇은 유전체 막(104)에 의해서만 분리되는 반접촉 모드(semi-contact mode)로 상대 커패시터판에 대해서 움직이는, 진동, 변형력, 회전 또는 타격으로부터 에너지를 획득하는 방법.
  14. 상기 제1항에 따른 장치(100)를 포함하는 시스템(300).
  15. 제14항에 있어서, 상기 시스템은 바퀴, 타이어, 및 파이프라인, 또는 기타 가공 산업 설비에 사용되는 발진, 진동, 왕복운동, 회전 또는 타격 시스템(302)인 시스템.
  16. 상기 제1항에 따른 장치(100)를 제조하는 방법으로서,
    - 커패시터 방식 에너지 획득 모듈 내에 두 개의 커패시터판(102a, 102b)을 평행하게 설치하고, 진동, 변형력, 회전 또는 타격에 의해 상기 적어도 하나의 커패시터판(102a)이 다른 커패시터판(102b)에 상대적으로 수직으로 움직이도록 하여, 두 커패시터판 사이에 가변 간극(103)이 형성되고 커패시터판 사이의 정전 용량이 변화되어 전력이 생성되어 출력되도록 하고,
    - 상기 커패시터판(102a, 102b) 사이에 얇은 유전체 막(104)을 개재시키고,
    - 상기 커패시터 방식 에너지 획득 모듈에 필요한 바이어스 전압을 진동 또는 변형력으로부터 생성하기 위하여 압전 소자(105)를 설치하는, 진동, 변형력, 회전 또는 타격으로부터 에너지를 획득하는 장치를 제조하는 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 커패시터판(102a, 102b) 중 적어도 하나에 스프링 부재(106) 또는 질량체(107)를 연결하여, 이 스프링 또는 질량체가 상기 커패시터판을 다른 커패시터판에 상대적으로 앞뒤로 왕복운동시킬 수 있도록 하며, 상기 스프링 부재(106)의 탄성 계수 또는 상기 질량체(107)의 질량은, 장치(100)에 진동, 변형력, 회전 또는 타격이 가해지는 동안에 상기 간극(103)이 최소 및 최대가 되도록 선택하는 것이 추가로 포함되는, 진동, 변형력, 회전 또는 타격으로부터 에너지를 획득하는 장치를 제조하는 방법.
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