KR101867086B1 - 유연 압전 하베스팅 장치 - Google Patents

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강윤성
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Abstract

본 발명은 유연 압전 하베스팅 장치에 관한 것으로서, 다방향에서 입력되는 힘에 의해 발생하는 기계적 에너지를 전기에너지로 효과적인 변환이 가능하도록 하는 구조를 갖는 유연 압전 하베스터 및 이를 이용한 자력구동형 인체 동작 감지 원리에 관한 내용을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 중공의 공간이 형성되는 프레임; 상기 프레임의 상부에 배치되는 필름; 상기 필름의 상면에 위치하는 돌출부; 및 상기 필름에 위치하고, 상기 돌출부를 사이에 두고 양 측에 배치되는 제1전극부와 제2전극부를 포함하는 하베스팅 장치를 제공한다.

Description

유연 압전 하베스팅 장치{Flexible Piezo-electric Harvesting Device}
본 발명은 유연 압전 하베스팅 장치에 관한 것으로서, 다방향에서 입력되는 힘에 의해 발생하는 기계적 에너지를 전기에너지로 효과적인 변환이 가능하도록 하는 구조를 갖는 유연 압전 하베스터 및 이를 이용한 자력구동형 인체 동작 감지 원리에 관한 내용을 포함한다.
에너지 하베스팅 (Energy Harvesting) 이란 우리 주변의 에너지를 활용하여 전기에너지를 생산하는 기술을 말한다. 최근에는 인체의 움직임으로 발생하는 에너지를 활용하기 위한 연구들이 많이 진행되고 있으며, 웨어러블 전자기기의 수요가 늘어나면서 에너지 하베스팅 장치(Energy Harvesting Device)가 이들에 전력 공급을 보조하기 위한 대안으로 활발히 연구되고 있다.
인체의 움직임은 주위 환경에 관계없이 지속적으로 발생하는 특징이 있기 때문에 하베스팅의 소스(source)로 적합하지만, 움직임이 일정하지 않고 임의의 동작이 수반되는 특징이 있다. 종래 알려진 하베스팅 장치들은 보통 일정한 방향의 움직임에 대해서 전자기 유도 등의 방식을 이용하여 기계적 에너지를 전기에너지로 변환하였으므로, 인체의 이러한 불규칙적인 움직임은 하베스팅 장치의 효율저하의 원인으로 인식되고 있었다.
종래 관절의 굽힘, 근육의 스트레칭 및 인체 부위 간 접촉 등을 이용한 다양한 인체에너지 하베스팅 장치들이 연구된바는 있으나, 주로 단방향의 움직임에 대해서만 하베스팅이 발생하는 한계점을 가지고 있다.
대한민국 등록특허 10-1216425에는 인체-환경간 온도차를 이용하여 에너지를 하베스팅하는 시스템이 개시되기도 하였으나, 이는 열전소재의 구비 및 의복 외측 및 내측의 온도차가 확연할 때만 하베스팅이 될 수 있다는 점에서 한계점을 가진다.
아울러 종래의 하베스팅 장치들은 주로 압저항형이나 정전용량형 센서 등을 기반으로 하여 대상의 움직임을 감지하는 방식을 주로 취하였는 바, 통상 외부의 전력 공급원을 이용하여 일정한 전력을 공급해주는 상황에서만 정상적인 동작이 이루어지는 문제점이 있었다. 이 경우 하베스팅 작용과정에서 오히려 압저항 센서 또는 정전용량 센서에 전력을 소모하여 하베스팅 효율이 저해되는 경우가 발생한다.
대한민국 등록특허 10-1216425
본 발명의 상기 문제점을 해결하기 위하여 안출된 발명으로서, 종래기술에서의 센서의 기능을 이하 본 발명에서 개시하는 발명에 따른 유연 압전 하베스터를 이용하여 대체할 경우, 별도의 전력 공급원이 필요하지 않고, 감지 대상의 입력만으로 독립적인 출력 전기 신호가 발생하는 특징이 있기 때문에 자력구동형 센서로서 활용이 가능한 장점이 있다.
아울러 본 발명에서는 인체의 움직임에 따라 다방향에서 입력되는 힘에 발생하는 기계적에너지를 전기에너지로 효과적으로 전환 및 수확하는 하베스팅 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 중공의 공간이 형성되는 프레임; 상기 프레임의 상부에 배치되는 필름; 상기 필름의 상면에 위치하는 돌출부; 및 상기 필름에 위치하고, 상기 돌출부를 사이에 두고 양 측에 배치되는 제1전극부와 제2전극부를 포함하며, 상기 필름은 상기 돌출부에 힘이 인가되는 경우 상방 또는 하방으로 굽힘되고, 상기 돌출부에 인가되는 힘에서 누르는 힘이 지배적으로 작용하는 경우 상기 돌출부를 기준으로 양측의 필름부분이 모두 하방으로 굽힘되고, 상기 돌출부에서 인가되는 힘에서 옆으로 미는 힘이 지배적으로 작용하는 경우 상기 돌출부를 기준으로 양측의 필름부분 중 어느 한쪽은 상방으로 굽힘되며 다른 한쪽은 하방으로 굽힘되는 것을 특징으로 하는 하베스팅 장치를 제공하고자 한다.
일 실시예에 따르면, 상기 필름은 유연 압전 폴리머 필름일 수 있다.
그리고 상기 제1전극부와 제2전극부는 상기 필름의 상면과 하면에서 각각 전극쌍 형태로 형성될 수 있다.
또한, 상기 돌출부와 상기 제1전극부 및 제2전극부는 소정의 간격을 두고 서로 평행하게 배열되는 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 필름에는 적어도 2개의 슬릿이 형성된다.
실시예에 따라 상기 슬릿은 상기 돌출부의 길이방향과 직교하는 방향으로 형성될 수 있다.
여기서, 상기 제1전극부와 제2전극부는 상기 돌출부에 작용하는 힘이 인가되는 경우 같은 방향 또는 반대 방향의 전류를 형성하는 것을 특징으로 할 수 있다.
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일 실시예에 따르면 상기 돌출부에 작용하는 기계적 힘을 전기에너지로 전환하도록 상기 제1전극부와 제2전극부와 연결되는 하베스팅 회로부를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 일 실시예에 따르면 상기 하베스팅 장치는 상기 프레임, 필름, 돌출부 및 제1전극부와 제2전극부를 포함하는 단일 하베스팅 셀로 구성되거나, 상기 단일 하베스팅 셀이 복수 개 구비되어 어레이 형태로서 구성될 수 있으며,
실시예에 따라 상기 단일 하베스팅 셀이 복수 개 구비되어 어레이 형태로서 구성되는 경우, 적어도 하나 이상의 단일 하베스팅 셀은 배열방향이 다른 하베스팅 셀들과 상이하게 배열될 수 있다.
그리고 상기 하베스팅 장치는 실시예에 따라 의류에 부착 또는 삽입되는 형태로 사용될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면 중공의 공간이 형성되는 프레임; 상기 프레임의 상부에 배치되는 필름; 상기 필름의 상면에 위치하는 돌출부; 및 상기 필름에 위치하고, 상기 돌출부를 사이에 두고 양 측에 배치되는 제1전극부와 제2전극부를 포함하되, 상기 프레임은 의류에 부착 또는 삽입되는 것을 특징으로 하는 하베스팅 장치와, 상기 하베스팅 장치로부터 인체 움직임에 따른 신호를 출력하는 출력부를 더 포함함으로써, 외부의 전력 공급 없이 인체의 동작을 감지하는 것을 특징으로 하는 자력 구동형 인체 동작 감지용 센서를 제공한다.
여기서도 상기 하베스팅 장치는 상기 프레임, 필름, 돌출부 및 제1전극부와 제2전극부를 포함하는 단일 하베스팅 셀로 구성되거나, 상기 단일 하베스팅 셀이 복수 개 구비되어 어레이 형태로서 구성될 수 있으며,
상기 단일 하베스팅 셀이 복수 개 구비되어 어레이 형태로서 구성되는 경우, 적어도 하나 이상의 단일 하베스팅 셀은 다른 하베스팅 셀들과 배열방향이 상이하게 배열되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 하베스팅 장치에 따르면 임의의 방향으로 발생하는 인체 움직임을 효과적으로 하베스팅하여 전기에너지를 발생시킬 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 하베스팅 장치에 따르면 별도의 전력 공급의 필요 없이도 임의의 방향으로 움직이는, 인체의 다양한 모션을 감지하고 움직임에 대한 구체적인 정보를 전기 신호나 직관적인 신호 등으로 출력함으로써 획득할 수 있다.
또한, 본 발명의 하베스팅 장치에 따르면 하베스터 및 전극, 배선 등을 어레이(array)화 함으로써 분석 가능한 움직임의 범위를 확장할 수 있게 된다.
아울러, 배터리의 교체, 충전 없이도 장수명 구동이 가능한 무선 헬스케어 시스템의 자력 구동형 인체 동작 감지기로도 활용 가능한 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하베스팅 장치를 나타내는 사시도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 하베스팅 장치를 나타내는 저면사시도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 하베스팅 장치의 단면과, 구동원리를 나타내는 개념도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 하베스팅 장치의 돌출부에 작용하는 힘의 인가방향에 따라 변형되는 필름 형태와, 필름 내부의 전하 대전상태를 나타내는 단면도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 하베스팅 장치에서, 돌출부에 다양한 방향으로 인가되는 힘에 대응하여 출력되는 전기신호의 양태를 나타내는 그래프.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 하베스팅 장치에서, 돌출부에 인가되는 힘과 출력되는 전기신호의 관계를 나타내는 그래프.
도 7은 일 실시예에 따른 단일 하베스팅 셀과, 복수 개의 하베스팅 셀이 어레이된 모습을 나타내는 도면.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 하베스팅 장치가 의류에 부착 또는 삽입되었을 때의 모습을 나타내는 도면.
도 9와 도10은 본 발명의 일 실시예에 따라 하베스팅 장치가 의류에 부착 또는 삽입된 상태에서, 인체의 모션에 따라 출력되는 전기신호를 나타내는 도면.
이하 설명하는 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 당업자가 용이하게 이해할 수 있도록 제공되는 것으로 이에 의해 본 발명이 한정되지는 않는다. 또한, 첨부된 도면에 표현된 사항들은 본 발명의 실시 예들을 쉽게 설명하기 위해 도식화된 도면으로 실제로 구현되는 형태와 상이할 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 연결되어 있거나 접속되어 있다고 언급될 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 한다. 또한 본 명세서 전체에서 어떤 부재가 다른 부재 “상에” 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
그리고 여기서의 "연결"이란 일 부재와 타 부재의 직접적인 연결, 간접적인 연결을 포함하며, 접착, 부착, 체결, 접합, 결합 등 모든 물리적인 및 전기적 연결을 의미할 수 있다.
또한 '제1, 제2' 등과 같은 표현은 복수의 구성들을 구분하기 위한 용도로만 사용된 표현으로써, 구성들 사이의 순서나 기타 특징들을 한정하지 않는다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 표현하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. "포함한다" 또는 "가진다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 의미하기 위한 것으로, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들이 부가될 수 있는 것으로 해석될 수 있다.
이하, 도1과 도2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 하베스팅 장치(10)에 대해 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하베스팅 장치를 나타내는 사시도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 하베스팅 장치를 나타내는 저면사시도이다.
도 1과 도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따르면 중공의 공간이 형성되는 프레임(100); 상기 프레임(100)의 상부에 배치되는 필름(101); 상기 필름(101)의 상면에 위치하는 돌출부(110); 및 상기 필름(101) 상에 위치하고, 상기 돌출부(110)를 사이에 두고 양 측에 배치되는 제1전극부(121)와 제2전극부(122)를 포함하는 하베스팅 장치를 제공한다.
본 발명의 일 특징으로서, 상기 필름(101)은 유연 압전 폴리머 필름으로 형성될 수 있다. 필름(101)은 유연한(flexible) 성질을 가지고, 필름(101)에 가해지는 압력에 의해 필름(101) 내부의 전하가 일방향 또는 타방향으로 자유롭게 대전될 수 있도록 압전(piezo-electric)물질로 형성된다. 여기서 필름(101)은 그 용어에서 알 수 있듯이 대체로 평면상 단면적에 비해 매우 얇은 두께를 가지는 것이 바람직하다.
특히 본 발명의 하베스팅 장치는 의류에 부착 또는 삽입되어 사용될 수 있으므로 우수한 내화학성 및 열 안정성 성질을 가져 세척에도 성능변화가 적은 PVDF(Polyvinylidene fluoride)를 사용하는 것이 좋다. PVDF는 트랜스(T) 또는 고쉬(G)로 연결된 사슬 형태의 구조에 따라 압전특성과 초전 특성을 가지므로, 상기 유연 폴리머 필름으로 적절한 재료가 된다.
프레임(100)은 상기 필름(101)의 하부를 지지하는 구성으로서, 대체로 필름(101)의 가장자리부분만 지지하도록 형성된다. 필름(101)의 전체구조에서 중앙부분은 프레임(100)에 의해 지지되지 않게 되므로, 필름(101) 상부를 누르는 동작에 의해 필름(101)은 프레임(100) 내측의 중공부 방향으로 눌려 변형될 수 있다. 여기서 프레임(100)은 장방형으로 도시되어 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 내측에 공간이 형성된 원형의 프레임도 가능하다. 아울러, 프레임(100) 소재의 일 예시로서는 실리콘과 경화제를 혼합하여 만든 PDMS(polydimethylsiloane)소재가 사용될 수 있다.
돌출부(110)는 필름(101)의 중앙측에 배치되어, 소정의 높이로 형성된 구성요소로서, 특히 일방향으로 긴 막대형상을 갖는 것이 바람직하다. 아울러, 도 1에 도시된 바와 같이 돌출부(110)는 반도체 공정에서 형성되는 통상의 범프(bump)형상을 가질 수 있다.
본 발명의 하베스팅 장치에서, 돌출부(110)의 형상은 장방형의 형태로 형성될 수 있다. 다만, 다방향에서 작용하는 힘을 잘 식별할 수 있는 구성이면, 상기 실시예를 제외하고 다른 다양한 단면형상을 갖을 수도 있음을 유의해야 한다. 예컨대, 도 1에 도시된 것과 달리 단면이 장방형이 아닌 사다리꼴로 형성되거나 단면이 오각형 이상의 다각형으로 만들어질 수도 있으며, 그 단면이 알파벳 H를 옆으로 뉘인 형태를 갖도록 만들어질 수도 있다.
돌본 발명에서 전극부는 제1전극부(121), 제2전극부(122)로 구분된다. 제1전극부(121), 제2전극부(122)는 상기 돌출부(110)를 기준으로 양 측에 소정의 간격만큼 이격되어 배치되는 것을 특징으로 한다.
여기서 제1전극부(121)와 제2전극부(122)는 각각 상기 돌출부(110)의 길이방향과 평행한 방향으로 길게 연장되어 형성된 박막형태의 전극으로서, 상기 돌출부(110)와 평행을 이루도록 배열될 수 있다. 제1전극부(121)와 제2전극부(122)는 Ag와 같은 소재로 이루어질 수 있으며 통상의 전극의 역할을 하는데, 본 하베스팅 장치의 일 실시예에 따라 상기 필름(101)이 구부러지는 것처럼 전극부도 다소 구부러져 그 형상이 가변될 수도 있다.
한편, 상기 필름(101)에는 도 1과 도 2에 도시된 바와 같이 적어도 2개 이상의 슬릿이 형성될 수 있다. 슬릿은 대략 필름(101)의 일단부에서 타단부까지 길게 파여진 중공의 공간을 의미하며, 필름(101) 제조 과정에서 커팅(cutting) 이나 쉐도우 마스크(shadow mask)를 통한 플라즈마 식각 (plasma etching) 작업 등에 의해 형성될 수 있다.
일 실시예에 따르면 슬릿 또한 제1 슬릿(131)과 제2슬릿(132)으로 구분되어, 상기 돌출부(110)를 사이에 두고 양 측에 소정의 거리만큼 이격되어 형성될 수 있다. 여기서 슬릿은 전극부의 형성방향과 달리 상기 돌출부의 길이방향과 직교하는 방향으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
필름(101)에 적어도 2개 이상의 슬릿을 형성함으로써 유연 필름(101)의 두께방향 변위를 증대시킬 수 있어, 그에 따른 기계적 에너지의 전기적 에너지로의 전환량을 증대시킬 수 있게 된다.
이하, 도 3 내지 도 6을 참조로, 제1전극부, 제2전극부에 대한 더욱 상세한 설명과 본 발명 하베스팅 장치의 작동원리에 대해 서술하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 하베스팅 장치의 단면과, 구동원리를 나타내는 개념도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 하베스팅 장치의 돌출부에 작용하는 힘의 인가방향에 따라 변형되는 필름 형태와, 필름 내부의 전하 대전상태를 나타내는 단면도이다. 여기서 도 3과 도 4는 도 1을 A-A’방향으로 자른 단면의 모습을 나타낸다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 하베스팅 장치에서, 돌출부에 다양한 방향으로 인가되는 힘에 대응하여 출력되는 전기신호의 양태를 나타내는 그래프이며, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 하베스팅 장치에서, 돌출부에 인가되는 힘과 출력되는 전기신호의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 3과 도 4를 참조하면, 상기 제1전극부(121)와 제2전극부(122)는 상기 필름(101)의 상면과 하면에 각각 전극쌍 형태로 형성될 수 있다. 즉 제1전극부(121)는 상기 필름(101) 상면에 위치하는 제1-1전극부(121a)와 상기 필름(101) 하면에 위치하는 제1-2전극부(121b)를 포함할 수 있고, 이와 마찬가지로 제2전극부(122)는 상기 필름(101) 상면에 위치하는 제2-1전극부(122a)와 상기 필름(101) 하면에 위치하는 제2-2전극부(122b)를 포함할 수 있다. 그리고 상기 제1-1전극부(121a)와 제1-2전극부(121b), 상기 제2-1전극부(122a)와 제2-2전극부(122b)는 상호간에 전기적으로 연결된다.
본 발명에 따르면 필름(101)은 상기 돌출부(110)에 힘이 인가되는 경우 상방 또는 하방으로 굽힘되도록 형성한다. 보다 상세하게는 상기 돌출부(110)에 인가되는 힘에서 누르는 힘이 지배적으로 작용하는 경우 상기 돌출부(110)를 기준으로 양측의 필름부분이 모두 하방으로 굽힘되고, 상기 돌출부(110)에 인가되는 힘에서 옆으로 미는 힘이 지배적으로 작용하는 경우에는 상기 돌출부(110)를 기준으로 양측의 필름부분 중 어느 한쪽은 상방으로 굽힘되며 다른 한쪽은 하방으로 굽힘될 수 있다. 도 3과 도 4에서 돌출부(110)의 위에 표시된 화살표는 돌출부(110)에 작용하는 지배적인 힘을 벡터형태로서 표시한 것이다. 이와 같이 본 발명의 하베스팅 장치(10)를 구성함으로써, 하베스팅 장치(10)에 누름힘이 작용하는 경우뿐만 아니라 옆으로 미는 힘이 작용하는 경우와 같이 다방향의 힘에 대해서 대응 가능하다. 그리고 도면에 도시된 바와 같이 상기 제1전극부(121)와 제2전극부(122)는 상기 돌출부(110)에 힘이 인가되는 경우 같은 방향 또는 반대 방향의 전류를 형성하게 된다.
구체적으로, 돌출부(110)에 0°, 45°, 90°방향에서 힘이 인가되는 상황을 가정한다. 도 3을 다시 참조한다. 그리고 아래의 설명에서 0°, 45°, 90°실시예는 일 예시에 불과한 것임을 유의해야 한다.
0°, 45°방향의 힘에서는 누르는 힘이 지배적이므로, 돌출부(110)를 기준으로 필름(101)의 좌측의 상면은 인장(tensile)되고 좌측의 하면은 압축(compressive)된다. 그리고 필름(101)의 우측은 좌측의 상면과 동일하게 인장(tensile)되고 우측의 하면은 압축(compressive)된다. 이때, 필름(101) 내부에는 압전효과에 의해 필름(101)의 상부표면 가까이에 양의 전하가 대전되고, 하부표면 가까이에는 음의 전하가 대전된다. 이로써, 제1전극부(121)와 제2전극부(122)에서는 필름(101) 상면에 배치된 전극에서 필름(101) 하면에 배치된 전극으로 전류가 흐른다. 0°, 45°방향의 힘에서 필름(101) 내부에는 전체적으로 일 방향의 스트레인(strain)이 발생하므로 전류가 일 방향으로 흐른다.
90°방향의 힘에서는 옆으로 미는 힘이 지배적이므로, 돌출부(110)를 기준으로 필름(101)의 좌측의 상면은 인장(tensile)되고 좌측의 하면은 압축(compressive)될 때, 우측의 상면은 우측과 반대로 압축(compressive)되고 타 측의 하면이 인장(tensile)된다. 이때, 필름(101) 내부에는 압전효과에 의해 돌출부(110)를 기준으로 필름(101) 좌측의 상부표면에 양의 전하가 대전되고, 좌측의 하부표면에는 음의 전하가 대전되며, 우측의 상부표면에 음의 전하가 대전되고, 우측의 하부표면에는 양의 전하가 대전된다. 이로써, 제1전극부(121)에서는 필름(101) 상면에 배치된 전극에서 필름(101) 하면에 배치된 전극으로 전류가 흐르고, 이와 달리 제2전극부(122)에서는 필름(101) 하면에 배치된 전극에서 필름(101) 상면에 배치된 전극으로 전류가 흐른다. 90° 방향의 힘에서 필름(101) 내부에는 돌출부(110)를 기준으로 필름(101)의 좌측부분에 발생하는 스트레인(starin)의 방향과 필름(101)의 우측부분에 발생하는 스트레인(strain)의 방향이 상이하게 형성된다. 따라서 반대편의 전극쌍에서 흐르는 전류의 방향은 서로 다르다. 참고로 미는 힘이 위 실시예와 반대방향에서 작용할 때, 여기서 우측과 좌측의 양상은 서로 반대된다.
도 5를 살펴보면 다양한 방향으로 입력되는 힘에 의한 전기 에너지 발생 양태가 도시되는데, 파란색과 빨간색으로 도시된 각 전극쌍의 신호는 0°, 45°방향에서 힘이 인가될 때, 거의 동일한 상(phase)에서 출력되나, 90°방향의 힘에서는 상이한 상(phase)에서 출력됨을 확인할 수 있다.
위 내용을 살펴보면, 돌출부(110)에 지배적으로 작용하는 힘의 방향에 따라 필름(101) 대전되는 전하의 방향이 달라지고, 회로 구성의 전류의 통전방향이 가변될 수 있다.
본 발명 하베스팅 장치의 전류 통전방향을 분석하면, 다방향으로 입력되는 힘을 식별가능하게 된다. 또한 필름(101)의 상방 또는 굽힘 동작에 따른 필름 내부 분극현상을 매개로 기계적에너지를 전기에너지로 전환할 수 있게 된다.
나아가, 본 발명의 하베스팅 장치에는 상기 돌출부(110)에 작용하는 기계적 힘을 전기에너지로 전환하도록 상기 제1전극부(121) 및 제2전극부(122)와 전기적으로 연결되는 하베스팅 회로부(200)를 더 포함할 수 있다. 하베스팅 회로부(200)에 커패시터 또는 인덕터로 구성된 하베스팅 회로를 구성할 수 있으며, 실시예에 따라 회로부에는 배터리를 더 포함할 수 있다. 수확된 전기에너지를 배터리에 저장하고, 필요할 때 미리 저장된 전기에너지를 적소에 활용할 수 있을 것이다.
실시예에 따라 상기 하베스팅 장치와, 하베스팅 회로를 대용량으로 제작할 수도 있겠으나, 바람직하게는 소용량으로 제작하여 일시적으로 전기에너지가 필요한 상황 또는 긴급한 상황에서 전기를 생성하기 위한 요소로 활용할 수 있다.
그리고 도 6에는 본 발명 하베스팅 장치에 터치를 가했을 때의 전기신호(전압형태)의 양태가 도시된다. 도 6(a)를 참조하면 일정시간 간격으로 터치했을 때마다 소정 크기의 전압이 발생하며, 도 6(b)를 참조하면 입력 힘의 크기에 따라 출력되는 전압 크기가 비례적으로 증가함을 알 수 있다.
하베스팅 장치에 출력되는 전기신호의 상(phase)과 빈도 등을 파악하면 힘이 가해지는 방향과 횟수 등을 추정할 수 있다. 양 전극쌍의 출력이 같은 방향으로 발생하면 필름(101)에 수직한 방향으로 힘이 작용함을 추정할 수 있고, 양 전극쌍의 출력이 반대 방향으로 발생하면 필름(101)에 수평한 방향으로 힘이 작용함을 추정할 수 있다.
다음으로 도 7 내지 도 10을 참조하여, 본 발명의 하베스팅 장치의 적용 례에 대해 간단히 설명하기로 한다.
도 7은 일 실시예에 따른 단일 하베스팅 셀과, 복수 개의 하베스팅 셀이 어레이된 모습을 나타낸다.
본 발명의 하베스팅 장치(10)는 일 실시예에 따라 프레임(100), 필름(101), 돌출부(110) 및 제1전극부(121)와 제2전극부(122)를 포함하는 단일 하베스팅 셀로 구성될 수 있으며, 다른 실시예에 따라 단일 하베스팅 셀이 복수 개 구비되어 어레이 형태로서 구성될 수 있다. 도 7(a)는 단일 하베스팅 셀을, 도 7(b)와 도7(c)는 여러 개의 하베스팅 셀이 어레이 형태로 구성된 것을 도시한다. 복수 개의 하베스팅 셀로 구성되는 경우 당연히 전기에너지의 생산량 및/또는 저장량은 증대된다.
나아가 복수 개의 하베스팅 셀에 있어서, 도 7(c)에 도시된 바와 같이 적어도 하나 이상의 단일 하베스팅셀의 배열방향이 다른 하베스팅 셀들과 상이하도록 배열(이하 '교차배열구조'라 명한다)하였을 때, 앞서 설명한 하베스팅 셀에서 x방향과 y방향에서 인가되는 힘의 dimension에 대한 정보를 획득할 수 있었다면, 도 7(c)에서 도시된 교차배열구조에서는 z방향 dimension 정보를 추가적으로 획득할 수 있게 된다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 하베스팅 장치가 의류에 부착 또는 삽입되었을 때의 모습을 나타낸다. 그리고 도 9와 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 하베스팅 장치가 의류에 부착 또는 삽입된 상태에서, 인체의 모션에 따라 출력되는 전기신호를 나타낸다.
구체적으로 사용자가 하베스팅 장치가 부착된 의류를 착용하였을 때, 도 8(a)와 도 9(a)에 도시된 바와 같이 팔을 벌렸다가 오므리는 동작에서 하베스팅 장치를 프레싱하게 되면, 하베스팅 장치의 돌출부에는 수직 힘(누르는 힘)이 가해진다. 이때, 양 전극쌍에서 출력되는 전기신호는 같은 상(phase)으로 출력되는 것을 확인할 수 있다.
도 8(b)와 도 10(b)에 도시된 바와 같이 사용자가 팔을 앞뒤로 움직이면서 하베스팅 장치를 스치는 동작을 수행하면, 하베스팅 장치의 돌출부에는 수평 힘(옆으로 미는 힘)이 가해지고, 양 전극쌍에서의 전기신호가 출력되는 신호는 대략 반대의 상(phase)이 됨을 확인할 수 있다.
도 9과 도 10의 전기신호 그래프에서 알 수 있듯이, 본 발명의 일 실시예에 따른 하베스터 장치를 이용하면 다양한 방향의 힘을 효과적으로 하베스팅하는데 쓰일 수 있을 뿐만 아니라, 인체 움직임에 따라 다른 크기 및 형태의 출력 전압을 발생시켜 인체 동작을 감지하는 데 이용 가능하다.
상기 내용을 종합하면, 본 발명의 하베스팅 장치는 돌출부(110)에 힘이 인가되었을 때 필름(101)에 형성되는 분극 작용의 원리를 이용하여, 별도의 전력 공급 없이도 전기에너지를 생성할 수 있을 뿐만 아니라, 다양한 방향의 인체 동작을 감지하여 움직임에 대한 구체적인 정보(크기, 방향, 빈도 등)를 제공하는 것이 가능하게 된다.
따라서 본 발명의 하베스팅 장치는 인체의 움직임을 알려주는 자력 구동형 인체 동작 감지기와 같이 최근 각광받는 무선 헬스케어 기술분야에 적극 활용될 수 있을 것이다.
예를 들어 상기 하베스팅 장치에 상기 하베스팅 장치로부터 인체 움직임에 따른 신호를 출력하는 출력부를 더 포함하여 자력 구동형 인체 동작 감지 센서를 형성할 수 있다. 여기서 인체 움직임에 따른 신호란 복수의 신호 형태를 의미할 수 있으며, 복수의 신호 형태는 각각 다른 크기와 형상을 갖는 것일 수 있다.
출력부에서 출력되는 정보는 하베스팅 장치에 통전되는 전류의 방향 및 그 크기에 대한 정보일 수 있다. 출력되는 신호는 도 5와 도 6에 도시된 그래프 형태일 수도 있으나, 이와 달리 사용자가 직관적으로 확인할 수 있는 형태도 가능하다. 예컨대, 출력부에는 전류의 움직임 및 크기에 따라 서로 다른 광량을 비춰주는 광소자(LED, LCD 등), 음향소자 등이 포함될 수 있다. 이 밖에 하베스팅 장치에 통전되는 전류의 방향 및 크기에 대한 정보를 출력하는 것이면 다른 실시예도 얼마든지 가능하다.
본 명세서는 그 제시된 구체적인 용어에 의해 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 따라서, 이상에서 기술한 실시예를 참조하여 본 발명을 상세하게 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서도 본 발명의 일 실시예들에 대한 개조, 변경 및 변형을 가할 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 프레임
101 : 필름
110 : 돌출부
121, 122 : 전극부
131, 132 : 슬롯
200 : 하베스팅 회로부
210 : 리드선

Claims (16)

  1. 중공의 공간이 형성되는 프레임;
    상기 프레임의 상부에 배치되는 필름;
    상기 필름의 상면에 위치하는 돌출부; 및
    상기 필름에 위치하고, 상기 돌출부를 사이에 두고 양 측에 배치되는 제1전극부와 제2전극부를 포함하며,
    상기 필름은 상기 돌출부에 힘이 인가되는 경우 상방 또는 하방으로 굽힘되고,
    상기 돌출부에 인가되는 힘에서 누르는 힘이 지배적으로 작용하는 경우 상기 돌출부를 기준으로 양측의 필름부분이 모두 하방으로 굽힙되고,
    상기 돌출부에서 인가되는 힘에서 옆으로 미는 힘이 지배적으로 작용하는 경우 상기 돌출부를 기준으로 양측의 필름부분 중 어느 한쪽은 상방으로 굽힘되며 다른 한쪽은 하방으로 굽힘되는 것을 특징으로 하는 하베스팅 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 필름은 유연 압전 폴리머 필름으로 형성되는 것을 특징으로 하는 하베스팅 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1전극부와 제2전극부는 상기 필름의 상면과 하면에서 각각 전극쌍 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 하베스팅 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 돌출부와 상기 제1전극부 및 제2전극부는 소정의 간격을 두고 서로 평행하게 배열되는 것을 특징으로 하는 하베스팅 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 필름에는 적어도 2개의 슬릿이 형성되는 것을 특징으로 하는 하베스팅 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 슬릿은 상기 돌출부의 길이방향과 직교하는 방향으로 형성되는 것을 특징으로 하는 하베스팅 장치.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1전극부와 제2전극부는 상기 돌출부에 작용하는 힘이 인가되는 경우 같은 방향 또는 반대 방향의 전류를 형성하는 것을 특징으로 하는 하베스팅 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 돌출부에 작용하는 기계적 힘을 전기에너지로 전환하도록 상기 제1전극부와 제2전극부와 연결되는 하베스팅 회로부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하베스팅 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 하베스팅 장치는 상기 프레임, 필름, 돌출부 및 제1전극부와 제2전극부를 포함하는 단일 하베스팅 셀로 구성되거나,
    상기 단일 하베스팅 셀이 복수 개 구비되어 어레이 형태로서 구성되는 것을 특징으로 하는 하베스팅 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 단일 하베스팅 셀이 복수 개 구비되어 어레이 형태로서 구성되는 경우,
    적어도 하나 이상의 단일 하베스팅 셀은 다른 하베스팅 셀들과 배열방향이 상이하게 배열되는 것을 특징으로 하는 하베스팅 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 프레임은 의류에 부착 또는 삽입되는 것을 특징으로 하는 하베스팅 장치.
  14. 중공의 공간이 형성되는 프레임; 상기 프레임의 상부에 배치되는 필름; 상기 필름의 상면에 위치하는 돌출부; 및 상기 필름에 위치하고, 상기 돌출부를 사이에 두고 양 측에 배치되는 제1전극부와 제2전극부를 포함하고 상기 필름은 상기 돌출부에 힘이 인가되는 경우 상방 또는 하방으로 굽힘되고, 상기 돌출부에 인가되는 힘에서 누르는 힘이 지배적으로 작용하는 경우 상기 돌출부를 기준으로 양측의 필름부분이 모두 하방으로 굽힘되고, 상기 돌출부에서 인가되는 힘에서 옆으로 미는 힘이 지배적으로 작용하는 경우 상기 돌출부를 기준으로 양측의 필름부분 중 어느 한쪽은 상방으로 굽힘되며 다른 한쪽은 하방으로 굽힘되되, 상기 프레임은 의류에 부착 또는 삽입되는 것을 특징으로 하는 하베스팅 장치와,
    상기 하베스팅 장치로부터 인체 움직임에 따른 신호를 출력하는 출력부를 더 포함함으로써,
    외부의 전력 공급 없이 인체의 동작을 감지하는 것을 특징으로 하는 자력 구동형 인체 동작 감지용 센서.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 하베스팅 장치는 상기 프레임, 필름, 돌출부 및 제1전극부와 제2전극부를 포함하는 단일 하베스팅 셀로 구성되거나,
    상기 단일 하베스팅 셀이 복수 개 구비되어 어레이 형태로서 구성되는 것을 특징으로 하는 자력 구동형 인체 동작 감지용 센서.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 단일 하베스팅 셀이 복수 개 구비되어 어레이 형태로서 구성되는 경우,
    적어도 하나 이상의 단일 하베스팅 셀은 다른 하베스팅 셀들과 배열방향이 상이하게 배열되는 것을 특징으로 하는 자력 구동형 인체 동작 감지용 센서.




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KR101216425B1 (ko) 2010-04-02 2012-12-28 연세대학교 산학협력단 인체-환경간 온도차를 이용한 에너지 하베스팅 시스템
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