KR101830385B1 - 광대역 압전 에너지 하베스터 - Google Patents

광대역 압전 에너지 하베스터 Download PDF

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KR101830385B1
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유홍희
정신우
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한양대학교 산학협력단
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/18—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators
    • H02N2/186—Vibration harvesters

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  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 압전 에너지 하베스터는 일단이 고정단에 고정되어 진동하는 진동부, 상기 진동부의 일면에 형성되고, 상기 진동부의 진동에 의해 전기 에너지를 발생시키는 압전부, 및 상기 진동부의 양단에 연결되고, 정적 평형 상태에서 상기 진동부를 절곡된 형상으로 유지시키기 위한 탄성부를 포함한다.

Description

광대역 압전 에너지 하베스터{BROADBAND PIEZOELECTRIC ENERGY HARVESTER}
본 발명은 광대역 압전 에너지 하베스터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 외팔보가 정적 평형 상태에서 위 또는 아래로 굽어짐으로써 쌍안정의 압전 에너지 하베스터 시스템을 구현할 수 있는 기술에 관한 것이다.
에너지 하베스팅(Energy Harvesting) 기술은 기차의 진동, 진공 펌프의 진동, 기계모터의 진동, 사람의 동작에 의한 진동 등의 버려지는 기계적 에너지와 같은 자연에서 버려지고 있는 진동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 기술을 의미한다.
에너지 하베스터의 대표적인 예로서 압전 재료를 이용하여 에너지를 수확하는 압전 에너지 하베스터를 들 수 있으며, 이는 외부의 진동에 의해 압전 재료가 변형되어 전기 에너지를 발생시키는 구성을 갖는다.
압전 하베스팅 기술은 의료, 군사 분야 및 빌딩 자동화를 위한 무선 센서 네트워크 등의 분야에 응용하기 위해 많은 연구가 시도되고 있다. 무선 센서 네트워크의 센서 노드에는 상시적인 전력 공급이 필요한데, 여기에 외부 진동을 이용하여 전력을 생산하는 압전 하베스팅 기술을 적용하는 것이다.
대부분의 압전 에너지 하베스터는 하베스터의 공진 주파수가 외부의 가진 주파수와 일치할 때 최대 전력을 발생시키는 공진형 시스템을 갖는다.
이러한 진동 기반의 압전 에너지 하베스터는 보통 외팔보의 형태를 갖고 있다. 보통은 외팔보의 공진 주파수를 외부의 가진 주파수와 일치시키기 위해 외팔보의 끝에 질량 덩어리를 설치한다.
그러나, 이러한 구조의 하베스터는 가진 주파수가 바뀌면 출력이 급격하게 떨어지는 단점을 갖는다.
따라서, 압전 에너지 하베스터가 다양한 주파수 영역에서 반응하여 전력을 생산할 수 있는 기술의 개발이 필요한 실정이다.
관련 선행기술로는 대한민국 등록특허공보 제10-1640085호(발명의 명칭: 에너지 하베스터, 그 압전층 분할 방법 및 특성 해석 방법, 공고일자: 2016년 7월 18일)가 있다.
본 발명의 일 실시예는 스프링을 이용하여 압전 에너지 하베스터의 구조를 개선함으로써 보다 넓은 주파수 영역에서 전력을 생산할 수 있는 광대역 압전 에너지 하베스터를 제공한다.
본 발명의 일 실시예는 외팔보(진동부)가 정적 평형 상태에서 위 또는 아래로 굽어짐으로써 쌍안정의 압전 에너지 하베스터 시스템을 구현할 수 있는 광대역 압전 에너지 하베스터를 제공한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제(들)로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제(들)은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 압전 에너지 하베스터는 일단이 고정단에 고정되어 진동하는 진동부, 상기 진동부의 일면에 형성되고, 상기 진동부의 진동에 의해 전기 에너지를 발생시키는 압전부, 및 상기 진동부의 양단에 연결되고, 정적 평형 상태에서 상기 진동부를 절곡된 형상으로 유지시키기 위한 탄성부를 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 정적 평형 상태는 상기 고정단으로부터 상기 진동부의 끝단을 따라 상향 절곡되는 제1 정적 평형 상태, 및 상기 고정단으로부터 상기 진동부의 끝단을 따라 하향 절곡되는 제2 정적 평형 상태를 포함함으로써 쌍안정 시스템을 구현할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 압전 에너지 하베스터는 상기 진동부의 타단에 형성되고, 상기 진동부와 상기 탄성부를 연결시키기 위한 연결 구조물을 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 진동부는 타단에 질량체를 구비할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 압전부는 상기 진동부의 상부면 또는 하부면에 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 연결 구조물은 상기 진동부의 양측을 향해 연장되어 형성되고, 상기 탄성부는 일단이 상기 고정단에 연결되고 타단이 상기 연결 구조물의 양단 각각에 연결되어, 상기 진동부를 사이에 두고 서로 평행하게 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 탄성부는 양 끝단에 갈고리 형상의 걸림부를 구비하고, 상기 고정단 및 상기 연결 구조물은 상기 탄성부와 연결되는 위치에 소정의 크기를 가지는 걸림홀을 구비하고, 상기 탄성부는 상기 걸림부가 상기 걸림홀에 걸림으로써 상기 고정단 및 상기 연결 구조물에 연결될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 고정단은 상기 탄성부의 일단과 연결되는 위치에 형성되어 상기 탄성부의 일단이 상기 고정단에 연결되는 연결 위치를 조절하기 위한 제1 연결 부재를 구비할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 제1 연결 부재는 길이 방향을 따라 소정의 간격으로 형성된 복수의 체결 홀을 구비하고, 상기 연결 위치는 상기 복수의 체결 홀 중 하나와 상기 고정단이 볼트 체결됨에 따라 가변될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 진동부의 절곡 크기는 상기 연결 위치에 따라 가변될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 연결 구조물은 상기 탄성부의 타단과 연결되는 위치에 형성되어 상기 탄성부의 타단이 상기 연결 구조물에 연결되는 연결 위치를 조절하기 위한 제2 연결 부재를 구비할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 제2 연결 부재는 길이 방향을 따라 소정의 간격으로 형성된 복수의 체결 홀을 구비하고, 상기 연결 위치는 상기 복수의 체결 홀 중 하나와 상기 연결 구조물이 볼트 체결됨에 따라 가변될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 진동부의 절곡 크기는 상기 연결 위치에 따라 가변될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 탄성부는 스프링으로 구현될 수 있다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 첨부 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 스프링을 이용하여 압전 에너지 하베스터의 구조를 개선함으로써 보다 넓은 주파수 영역에서 전력을 생산할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 외팔보(진동부)가 정적 평형 상태에서 위 또는 아래로 굽어짐으로써 쌍안정의 압전 에너지 하베스터 시스템을 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 압전 에너지 하베스터를 설명하기 위해 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1의 측면 모식도이다.
도 3은 도 1의 상면 모식도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 있어서, 탄성부의 일단이 고정단에 연결되는 연결 위치와 탄성부의 타단이 연결 구조물에 연결되는 연결 위치를 설명하기 위해 도시한 상면 모식도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 있어서, 일반적인 압전 에너지 하베스터 시스템과의 비교에 따른 압전 에너지 하베스터의 전력을 주파수 영역에서 수치해석한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 있어서, 일반적인 압전 에너지 하베스터 시스템과의 비교에 따른 압전 에너지 하베스터의 전압을 주파수 영역에서 수치해석한 그래프이다.
본 발명의 이점 및/또는 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 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 구성요소를 지칭한다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 압전 에너지 하베스터를 설명하기 위해 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1의 모식도이고, 도 3은 도 1의 모식도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 압전 에너지 하베스터는 진동부(110), 압전부(120), 및 탄성부(130)를 포함한다.
상기 진동부(110)는 일단이 고정단(10)에 고정된 외팔보의 형태로 구현된다.
상기 진동부(110)는 상기 고정단(10)으로부터 입력된 진동에 의해 보 전체가 진동할 수 있다. 이때, 상기 진동부(110)는 입력된 진동에 따라 진동 신호를 출력하게 되며, 이러한 진동 신호는 후술하는 압전부(120)에 변형을 일으켜 전기 에너지를 생산할 수 있다.
상기 진동부(110)는 움직임이 발생하지 않고 정지해 있는 상태인 정적 평형 상태에서 위 또는 아래 방향으로 굽어질 수 있는데, 이는 기존의 하베스팅 시스템과 매우 다른 동적 특성을 가질 수 있다.
구체적으로, 상기 정적 평형 상태는 상기 고정단(10)으로부터 상기 진동부(110)의 끝단을 따라 상향 절곡되는 제1 정적 평형 상태 및 상기 고정단(10)으로부터 상기 진동부(110)의 끝단을 따라 하향 절곡되는 제2 정적 평형 상태를 포함할 수 있다.
즉, 본 발명의 압전 에너지 하베스터는 하나의 정적 평형 위치가 아닌, 두 개의 정적 평형 위치를 가짐으로써, 쌍안정(Bi-stable) 시스템을 구현할 수 있다.
기존의 압전 에너지 하베스터는 자석을 사용하여 쌍안정 시스템을 구현하는 것이 일반적이다.
그러나, 이러한 경우, 자석으로부터 발생된 전자기장에 의해 압전 에너지 하베스터와 함께 필수적으로 존재해야 하는 센서나 기타 전자회로에 악영향을 줄 수 있다.
반면에, 본 발명의 압전 에너지 하베스터는 자석을 이용하지 않고 기계 부품 중 매우 보편적인 부품 중의 하나인 스프링을 사용하기 때문에 전자기장의 영향을 주지 않는 환경에서 쌍안정 시스템을 안정적으로 구현할 수 있다.
상기 진동부(110)는 소정의 두께 및 길이를 가지는 사각 플레이트 형태로 구현될 수 있으나, 필요에 따라 원형, 다각형 등의 다양한 형태로 제작이 가능하다.
상기 진동부(110)는 금속 재질, 예컨대 스테인리스 스틸(stainless steel) 재질로 마련될 수 있다. 따라서, 상기 진동부(110)는 외력이 가해지는 경우 압축되는 방향으로 변형될 수 있으며, 외력이 사라지는 경우 다시 원래의 상태로 복귀할 수 있다.
뿐만 아니라, 상기 진동부(110)는 내구성이 강하여 변형 발생을 최소화할 수 있다.
한편, 상기 진동부(110)는 타단에 질량체(112)를 구비할 수 있다.
상기 질량체(112)는 일정한 질량 및 부피를 가지고 진동부(110)에 장착됨으로써, 진동부(110)가 진동되는 정도인 진동 세기를 조정할 수 있다.
다시 말해, 상기 질량체(112)가 진동부(110)의 타단에 구비됨으로써 진동부(110)의 고유 진동수를 진동부(110)로 입력되는 진동의 주파수와 일치시킬 수 있다.
상기 압전부(120)는 압전 재료를 사용한 압전층으로서, 상기 진동부(110)의 일면에 형성된다.
본 실시예에서는, 상기 압전부(120)가 상기 진동부(110)의 상부면에 형성되어 있는데, 이에 한정되지 않고 하부면에 형성될 수도 있다.
이때, 상기 압전부(120)는 상기 진동부(110)의 일면에서 고정단(10)과 가깝게 배치될 수 있다.
상기 압전부(120)는 상기 진동부(110)의 진동에 의해 전기 에너지를 발생시킨다. 이를 위해, 상기 압전부(120)는 발전량이 우수한 세라믹(ceramic) 압전소자를 비롯하여 물리적 유연성이 뛰어난 폴리머(polymer)나 세라믹 및 폴리머가 혼합된 하이브리드 압전소자가 사용될 수 있다.
따라서, 상기 압전부(120)는 뛰어난 물리적 유연성으로 인해 우수한 내구성을 가질 수 있을 뿐만 아니라 에너지 발전에도 매우 유용하게 사용될 수 있다.
참고로, 상기 압전부(120)로 사용되는 압전소자의 종류 및 재질이 이에 한정되는 것은 아니며, 외력에 의해 충분한 발전량을 발생시킬 수 있다면 다른 종류나 재질이 사용될 수 있음은 당연하다.
상기 탄성부(130)는 탄성력을 가지는 스프링으로서, 상기 진동부(110)의 양단에 연결된다. 참고로, 상기 탄성부(130)는 스프링 이외에 탄성력을 가지는 어떠한 부재로도 구현 가능하다.
상기 탄성부(130)의 일단이 진동부(110)의 일단에 연결될 수 있고, 상기 탄성부(130)의 타단이 진동부(110)의 타단에 연결될 수 있다.
이를 위해, 상기 진동부(110)의 타단에는 진동부(110)와 탄성부(130)를 연결시키기 위한 연결 구조물(20)이 형성될 수 있다.
즉, 상기 연결 구조물(20)에 의해 진동부(110)의 타단과 탄성부(130)의 타단이 연결될 수 있다.
여기서, 상기 연결 구조물(20)은 상기 진동부(110)의 양측을 향해 연장되어 형성될 수 있다. 다시 말해, 상기 연결 구조물(20)은 상기 진동부(110)의 길이 방향과 수직인 방향을 향해 연장되어 형성될 수 있다.
이때, 상기 탄성부(130)는 일단이 고정단(10)에 연결되고, 타단이 연결 구조물(20) 양단 각각에 연결될 수 있다.
여기서, 상기 탄성부(130)는 진동부(110)를 기준으로 서로 대향되게 형성되되, 서로 평행하게 형성될 수 있다.
이에 따라, 진동부(110)를 사이에 두고 총 두 개의 탄성부(130)가 각각 고정단(10) 및 연결 구조물(20)에 연결될 수 있다.
참고로, 고정단(10) 및 연결 구조물(20)의 길이가 충분히 길게 구현되는 경우, 복수의 탄성부(130)가 고정단(10) 및 연결 구조물(20) 사이에 연결될 수도 있다.
이하에서는, 상기 탄성부(130)가 고정단(10) 및 연결 구조물(20)에 연결되는 두 가지 실시예에 관하여 구체적으로 설명하고자 한다.
일 실시예로, 상기 탄성부(130)는 별도의 부재가 사용되지 않고 고정단(10) 및 연결 구조물(20)에 연결될 수 있다.
이를 위해, 상기 탄성부(130)는 양 끝단에 갈고리 형상의 걸림부(132)를 구비할 수 있다.
또한, 상기 고정단(10) 및 상기 연결 구조물(20)은 탄성부(130)와 연결되는 위치에 소정의 크기를 가지는 걸림홀(15)을 구비할 수 있다.
이로 인해, 상기 탄성부(130)는 걸림부(132)가 걸림홀(15)에 걸림으로써 고정단(10) 및 연결 구조물(20)에 연결될 수 있다.
이때, 도면에 도시되지는 않았지만, 상기 걸림부(132)가 걸림홀(15)의 둘레에 구비된 걸림턱에 끼워짐으로써 상기 탄성부(130)가 고정단(10) 및 연결 구조물(20)에 연결될 수 있다.
다른 실시예로, 상기 탄성부(130)는 별도의 부재가 사용되어 고정단(10) 및 연결 구조물(20)에 연결될 수 있다.
이를 위해, 상기 고정단(10)은 탄성부(130)의 일단과 연결되는 위치에 형성되는 제1 연결 부재(12)를 구비할 수 있다.
상기 제1 연결 부재(12)는 고정단(10)의 길이 방향과 수직인 방향, 즉 진동부(110)의 길이 방향으로 고정단(10)에 결합될 수 있다.
구체적으로, 도 4 및 도 5를 참조하면, 상기 제1 연결 부재(12)는 길이 방향을 따라 소정의 간격으로 형성된 복수의 체결 홀(12a)을 구비할 수 있다. 참고로, 도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 있어서, 탄성부(130)의 일단이 고정단(10)에 연결되는 연결 위치를 설명하기 위해 도시한 상면 모식도이다.
이때, 상기 고정단(10)은 상기 체결 홀(12a)과 대응되는 크기의 삽입 홀(미도시)을 구비할 수 있다.
여기서, 체결 홀(12a) 및 삽입 홀은 상기 제1 연결 부재(12)가 상기 고정단(10)에 결합되기 위한 수단으로서 사용될 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 연결 부재(12)는 복수의 체결 홀(12a) 중 하나와 삽입 홀이 볼트 체결됨으로써 고정단(10)에 결합될 수 있다.
참고로, 상기 제1 연결 부재(12)는 볼트 체결 이외에 일반적으로 이용 가능한 여러 가지 체결 방식 중 하나를 통해 고정단(10)에 결합될 수 있다.
본 실시예에서는, 상기 제1 연결 부재(12)를 이용하여 탄성부(130)의 일단이 상기 고정단(10)에 연결되는 연결 위치를 조절할 수 있다.
이때, 상기 연결 위치는 복수의 체결 홀(12a) 중 하나와 상기 고정단(10)이 볼트 체결됨에 따라 가변될 수 있다.
예컨대, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 고정단(10)이 탄성부(130)와 먼 위치에 형성된 체결 홀(12a)과 볼트 체결됨에 따라, 상기 탄성부(130)는 고정단(10)으로부터 멀리 위치한 상태로 제1 연결 부재(12)를 통해 고정단(10)에 연결될 수 있다. 이에 따라, 상기 진동부(110)의 절곡 크기는 작아질 수 있다.
이와 반대로, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 고정단(10)이 탄성부(130)와 가까운 위치에 형성된 체결 홀(12a)과 볼트 체결됨에 따라, 상기 탄성부(130)는 고정단(10)으로부터 가까이 위치한 상태로 제1 연결 부재(12)를 통해 고정단(10)에 연결될 수 있다. 이에 따라, 상기 진동부(110)의 절곡 크기는 커질 수 있다.
즉, 진동부(110)의 절곡 크기는 탄성부(130)의 일단이 고정단(10)에 연결되는 연결 위치에 따라 가변됨을 알 수 있다.
한편, 상기 연결 구조물(20)은 탄성부(130)의 타단과 연결되는 위치에 형성되는 제2 연결 부재(22)를 구비할 수 있다.
상기 제2 연결 부재(22)는 연결 구조물(20)의 길이 방향과 수직인 방향, 즉 진동부(110)의 길이 방향으로 연결 구조물(20)에 결합될 수 있다.
구체적으로, 도 4 및 도 5를 참조하면, 상기 제2 연결 부재(22)는 길이 방향을 따라 소정의 간격으로 형성된 복수의 체결 홀(22a)을 구비할 수 있다. 참고로, 도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 있어서, 탄성부의 타단이 연결 구조물에 연결되는 연결 위치를 설명하기 위해 도시한 상면 모식도이다.
이때, 상기 연결 구조물(20)은 상기 체결 홀(22a)과 대응되는 크기의 삽입 홀(미도시)을 구비할 수 있다.
여기서, 체결 홀(22a) 및 삽입 홀은 상기 제2 연결 부재(22)가 상기 연결 구조물(20)에 결합되기 위한 수단으로서 사용될 수 있다.
예를 들어, 상기 제2 연결 부재(22)는 복수의 체결 홀(22a) 중 하나와 삽입 홀이 볼트 체결됨으로써 연결 구조물(20)에 결합될 수 있다.
본 실시예에서는, 상기 제2 연결 부재(22)를 이용하여 탄성부(130)의 타단이 상기 연결 구조물(20)에 연결되는 연결 위치를 조절할 수 있다.
이때, 상기 연결 위치는 복수의 체결 홀(22a) 중 하나와 상기 연결 구조물(20)이 볼트 체결됨에 따라 가변될 수 있다.
예컨대, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 연결 구조물(20)이 탄성부(130)와 가까운 위치에 형성된 체결 홀(22a)과 볼트 체결됨에 따라, 상기 탄성부(130)는 연결 구조물(20)로부터 가까이 위치한 상태로 제2 연결 부재(22)를 통해 연결 구조물(20)에 연결될 수 있다. 이에 따라, 상기 진동부(110)의 절곡 크기는 작아질 수 있다.
이와 반대로, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 연결 구조물(20)이 탄성부(130)와 먼 위치에 형성된 체결 홀(22a)과 볼트 체결됨에 따라, 상기 탄성부(130)는 연결 구조물(20)로부터 멀리 위치한 상태로 제2 연결 부재(22)를 통해 연결 구조물(20)에 연결될 수 있다. 이에 따라, 상기 진동부(110)의 절곡 크기는 커질 수 있다.
즉, 진동부(110)의 절곡 크기는 탄성부(130)의 타단이 연결 구조물(20)에 연결되는 연결 위치에 따라 가변됨을 알 수 있다.
이로써, 상기 탄성부(130)는 진동부(110)가 정적 평형 상태에서 위 또는 아래 방향으로 절곡 가능하도록 사용되는 수단으로서, 압전 에너지 하베스터를 쌍안정화 시킬 수 있다.
참고로, 도면에서는, 제1 연결 부재(12)와 제2 연결 부재(22)가 함께 구현되어 있지만, 이에 한정되지 않고, 제1 연결 부재(12)만 또는 제2 연결 부재(22)만 구현될 수도 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 있어서, 일반적인 압전 에너지 하베스터 시스템과의 비교에 따른 압전 에너지 하베스터의 전력을 주파수 영역에서 수치해석한 그래프이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 있어서, 일반적인 압전 에너지 하베스터 시스템과의 비교에 따른 압전 에너지 하베스터의 전압을 주파수 영역에서 수치해석한 그래프이다.
본 실시예에서는, 주파수 대역의 범위를 0-10 Hz로 설정하고, 자석을 이용한 일반적인 압전 에너지 하베스터 시스템과의 비교를 통해 본 발명의 압전 에너지 하베스터의 전력과 압전 에너지 하베스터의 전압을 해석하였다.
도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명인 스프링을 이용한 압전 에너지 하베스터를 이용한 경우, 일반적인 압전 에너지 하베스터를 이용한 경우보다 더 넓은 주파수 대역에서 전력 및 전압을 획득하였다.
이를 통해, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 스프링을 이용하여 하베스터를 동작시킴으로써 보다 넓은 입력 주파수 영역에서 유의미한 크기의 전력을 생산할 수 있음을 알 수 있다.
지금까지 본 발명에 따른 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허 청구의 범위뿐 아니라 이 특허 청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
10 : 고정단
12 : 제1 연결 부재
12a, 22a : 체결 홀
15 : 걸림홀
20 : 연결 구조물
22 : 제2 연결 부재
110 : 진동부
112 : 질량체
120 : 압전부
130 : 탄성부
132 : 걸림부

Claims (14)

  1. 일단이 고정단에 고정되어 진동하는 진동부;
    상기 진동부의 일면에 형성되고, 상기 진동부의 진동에 의해 전기 에너지를 발생시키는 압전부; 및
    상기 진동부의 양단에 연결되고, 정적 평형 상태에서 상기 진동부를 절곡된 형상으로 유지시키기 위한 탄성부
    를 포함하고,
    상기 정적 평형 상태는
    상기 고정단으로부터 상기 진동부의 끝단을 따라 상향 절곡되는 제1 정적 평형 상태; 및
    상기 고정단으로부터 상기 진동부의 끝단을 따라 하향 절곡되는 제2 정적 평형 상태
    를 포함함으로써 쌍안정 시스템을 구현하는 것을 특징으로 하는 광대역 압전 에너지 하베스터.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 진동부의 타단에 형성되고, 상기 진동부와 상기 탄성부를 연결시키기 위한 연결 구조물
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광대역 압전 에너지 하베스터.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 진동부는
    타단에 질량체를 구비하는 것을 특징으로 하는 광대역 압전 에너지 하베스터.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 압전부는
    상기 진동부의 상부면 또는 하부면에 형성되는 것을 특징으로 하는 광대역 압전 에너지 하베스터.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 연결 구조물은
    상기 진동부의 양측을 향해 연장되어 형성되고,
    상기 탄성부는
    일단이 상기 고정단에 연결되고 타단이 상기 연결 구조물의 양단 각각에 연결되어, 상기 진동부를 사이에 두고 서로 평행하게 형성되는 것을 특징으로 하는 광대역 압전 에너지 하베스터.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 탄성부는
    양 끝단에 갈고리 형상의 걸림부를 구비하고,
    상기 고정단 및 상기 연결 구조물은
    상기 탄성부와 연결되는 위치에 소정의 크기를 가지는 걸림홀을 구비하고,
    상기 탄성부는
    상기 걸림부가 상기 걸림홀에 걸림으로써 상기 고정단 및 상기 연결 구조물에 연결되는 것을 특징으로 하는 광대역 압전 에너지 하베스터.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 고정단은
    상기 탄성부의 일단과 연결되는 위치에 형성되어 상기 탄성부의 일단이 상기 고정단에 연결되는 연결 위치를 조절하기 위한 제1 연결 부재를 구비하는 것을 특징으로 하는 광대역 압전 에너지 하베스터.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 연결 부재는
    길이 방향을 따라 소정의 간격으로 형성된 복수의 체결 홀을 구비하고,
    상기 연결 위치는
    상기 복수의 체결 홀 중 하나와 상기 고정단이 볼트 체결됨에 따라 가변되는 것을 특징으로 하는 광대역 압전 에너지 하베스터.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 진동부의 절곡 크기는
    상기 연결 위치에 따라 가변되는 것을 특징으로 하는 광대역 압전 에너지 하베스터.
  11. 제6항에 있어서,
    상기 연결 구조물은
    상기 탄성부의 타단과 연결되는 위치에 형성되어 상기 탄성부의 타단이 상기 연결 구조물에 연결되는 연결 위치를 조절하기 위한 제2 연결 부재를 구비하는 것을 특징으로 하는 광대역 압전 에너지 하베스터.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제2 연결 부재는
    길이 방향을 따라 소정의 간격으로 형성된 복수의 체결 홀을 구비하고,
    상기 연결 위치는
    상기 복수의 체결 홀 중 하나와 상기 연결 구조물이 볼트 체결됨에 따라 가변되는 것을 특징으로 하는 광대역 압전 에너지 하베스터.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 진동부의 절곡 크기는
    상기 연결 위치에 따라 가변되는 것을 특징으로 하는 광대역 압전 에너지 하베스터.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 탄성부는
    스프링으로 구현되는 것을 특징으로 하는 광대역 압전 에너지 하베스터.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2021221253A1 (ko) * 2020-04-29 2021-11-04 한양대학교 산학협력단 내구성이 향상된 압전 에너지 하베스터

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