KR101921416B1 - 브로드 밴드 폭을 이용하는 압전 에너지 하베스터 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 브로드 밴드 폭을 이용하는 압전 에너지 하베스터에 관한 것으로서, 특히 2개 이상의 압전 시트를 이용하면서 소재를 달리하여 이러한 브로드 밴드 폭을 출력을 나타내는 압전 에너지 하베스터에 관한 것이다.
본 발명의 에너지 하베스터에 따르면, 높은 전압 출력 값을 나타내는 진동 주파수 범위를 브로드 밴드 폭으로 증가시켜 안정적으로 에너지 하베스팅을 실현할 수 있다. 또한, 이러한 에너지 하베스터는, 에너지가 필요한 장치, 예를 들어, 무선 센서가 설치된 한정된 공간 내에서도 전압 출력 값을 최대화할 수 있다.
본 발명의 압전 소자는 액츄에이터(actuator), 센서 또는 에너지 하베스터 등에 이용하는 것이다.

Description

브로드 밴드 폭을 이용하는 압전 에너지 하베스터 {PIEZOELECTRIC ENERGY HARVESTOR USING BROAD BAND WIDTH}
본 발명은 브로드 밴드 폭을 이용하는 압전 에너지 하베스터에 관한 것으로서, 특히 압전 재료 시트 구조체로서 위아래로 적층된 2개의 압전 재료 시트를 이용하면서 2개의 소재의 성능지수(DFOM: Dimensionless Figure of Merit) 특성이 상이한 것을 이용함으로써 브로드 밴드 폭을 출력을 나타내는 압전 에너지 하베스터에 관한 것이다.
최근에, 사물 인터넷(Internet of Things, IoT) 기술이 발전함에 따라, 자동화 시스템에서의 센서의 사용 또한 증가하고 있다. 일례로, 화력 발전소에서 석탄 공급 장치에 센서가 부착되고, 석탄 공급 장치의 온도, 습도, 회전 속도 등의 상태를 실시간으로 관제실에서 모니터링 할 수 있다. 이러한 센서는 무선으로 구비되는데, 이의 작동을 위한 센서에 대한 전력 제공의 방법으로 에너지 하베스팅(Energy Harvesting) 기술을 적용하는 것에 대한 관심이 높아지고 있다.
에너지 하베스팅은 진동, 열, 온도 변화 및 빛 등 우리 주변 자연환경에 존재하는 여러 형태의 활용되지 않고 있는 미소 에너지 자원을 유용한 전기 에너지로 변환시키는 기술이다. 진동을 전기 에너지로 변환하는 에너지 하베스팅에서는, 일반적으로 좁은 진동 주파수 범위 내에 의해서만 전압 출력이 나타나기 때문에 진동 주파수에 대한 전압 출력 값의 관계에서 반치폭이 좁은 피크 형태로 나타난다. 도 2에서 Normal에 해당하는 것처럼 반치폭이 좁은 피크로 나타나는 것이다.
그러나 장치의 구동에 의해 발생되는 진동이 항상 일정하게 발생하는 것은 아니어서 진동 주파수 범위가 조금만 벗어나도 얻을 수 있는 전압 출력 값이 급격하게 낮아지게 되어 안정적인 에너지 하베스팅이 어렵게 된다. 이러한 불안정한 에너지 하베스팅에 의해서는 센서의 작동 신뢰성이 현저하게 낮아지는 문제가 있다.
본 발명의 일 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서 높은 전압 출력 값을 나타내는 진동 주파수 범위가 브로드 밴드 형태로 나타나도록 증가시켜 안정적으로 에너지 하베스팅을 할 수 있는 에너지 하베스터를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 브로드 밴드 폭을 이용하는 압전 에너지 하베스터는, 탄성 기재; 상기 탄성 기재의 제1 단부가 공중에 배치되도록 상기 제1 단부와 마주하는 타단인 제2 단부를 지지하는 지지체; 및 상기 탄성 기재의 상면 및 하면 중 어느 하나 이상에 배치된 압전 재료 시트 구조체를 포함하고, 상기 압전 재료 시트 구조체는, 2개의 압전 재료 시트; 상기 압전 재료 시트의 각각의 윗면 및 아랫면에 평면 전극층이 배치되며, 상기 2개의 압전 재료 시트 중 제 1 압전 재료 시트는 하기 수식의 DFOM 값이 on-resonance 인자에 의해 도미넌트한 소재가 이용되고, 제 2 압전 재료 시트는 하기 수식의 DFOM 값이 off-resonance 인자에 의해 도미넌트한 소재가 이용되며,
DFOM = (k31 2·Qm/s11 E)on-resonance·(d31·g31/tanδ)off-resonance
상기 탄성 기재가 진동함에 따라, 상기 압전 재료 시트 구조체의 기계적 변형이 일어나고 이에 의해 압전 효과에 의한 전력 수집이 가능하고, 이 경우 상기 제 1 압전 재료 시트 및 상기 제 2 압전 재료 시트에 의해 브로드 밴드 폭을 갖는 출력값을 나타낸다.
상기 탄성 기재의 상기 제 1 단부에 배치된 질량체를 추가로 포함할 수 있다.
상기 DFOM 값이 on-resonance 인자에 의해 도미넌트한 소재는 DFOM 값이 1000 이상이고, 상기 DFOM 값이 off-resonance 인자에 의해 도미넌트한 소재는 DFOM 값이 300 이하인 것이 바람직하다.
상기 압전 재료 시트 구조체가 복수개 적층되어 있을 수 있다.
본 발명의 추가적인 실시예에 따른 브로드 밴드 폭을 이용하는 압전 에너지 하베스터는, 탄성 기재; 상기 탄성 기재의 제1 단부가 공중에 배치되도록 상기 제1 단부와 마주하는 타단인 제2 단부를 지지하는 지지체; 및 상기 탄성 기재의 상면 및 하면 중 어느 하나 이상에 배치된 압전 재료 시트 구조체를 포함하고, 상기 압전 재료 시트 구조체는, 2개의 압전 재료 시트; 상기 압전 재료 시트의 각각의 윗면 및 아랫면에 전극 패턴들이 배치되며, 상기 압전 재료 시트의 각각의 윗면 및 아랫면에 배치된 상기 전극 패턴들은 각각 제 1 전극 패턴 및 제 2 전극 패턴으로 이루어져 있으며, 상기 제 1 전극 패턴 및 제 2 전극 패턴은 전기적으로 절연되어 있고, 각각 서로 맞물리는(interdigitated) 전극 패턴을 형성하는 복수의 전극을 포함하고, 상기 전극 패턴들은 상하 방향으로 서로 동일한 형태로 투영되도록 배치되고, 상기 2개의 압전 재료 시트 중 제 1 압전 재료 시트는 하기 수식의 DFOM 값이 on-resonance 인자에 의해 도미넌트한 소재가 이용되고, 제 2 압전 재료 시트는 하기 수식의 DFOM 값이 off-resonance 인자에 의해 도미넌트한 소재가 이용되며,
DFOM = (k33 2·Qm/s33 E)on-resonance·(d33·g33/tanδ)off-resonance
상기 탄성 기재가 진동함에 따라, 상기 압전 재료 시트 구조체의 기계적 변형이 일어나고 이에 의해 압전 효과에 의한 전력 수집이 가능하고, 이 경우 상기 제 1 압전 재료 시트 및 상기 제 2 압전 재료 시트에 의해 브로드 밴드 폭을 갖는 출력값을 나타낸다.
상기 탄성 기재의 상기 제 1 단부에 배치된 질량체를 추가로 포함할 수 있다.
상기 전극 패턴들은, 상기 탄성 기재의 길이 방향을 따라 연장된 몸체 전극과 그 몸체 전극으로부터 상기 탄성 기재의 길이 방향과 수직한 방향으로 분기되고 서로 이격된 복수의 서브 전극들을 포함하고, 상기 제 1 전극 패턴의 서브 전극들과 상기 제 2 전극 패턴의 서브 전극들은 서로 이격된 채 맞물린 형태를 갖는다.
상기 압전 재료 시트 구조체의 경우 상기 압전 재료 시트 구조체가 상기 탄성 기재와 맞닿는 부분에는 전극이 직접 상기 탄성 기재와 맞닿지 않도록 하기 위한 추가적인 압전 재료 시트층을 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2 전극 패턴들은 상기 압전 재료 시트층 내부에 임베디드(embedded)되어 있을 수 있다.
상기 DFOM 값이 on-resonance 인자에 의해 도미넌트한 소재는 DFOM 값이 1000 이상이고, 상기 DFOM 값이 off-resonance 인자에 의해 도미넌트한 소재는 DFOM 값이 300 이하인 것이 바람직하다.
상기 압전 재료 시트 구조체가 복수개 적층되어 있을 수 있다.
상기에서 설명한 본 발명의 에너지 하베스터에 따르면, 높은 전압 출력 값을 나타내는 진동 주파수 범위를 브로드 밴드 폭으로 증가시켜 안정적으로 에너지 하베스팅을 실현할 수 있다. 또한, 이러한 에너지 하베스터는, 에너지가 필요한 장치, 예를 들어, 무선 센서가 설치된 한정된 공간 내에서도 전압 출력 값을 최대화할 수 있다. 본 발명의 에너지 하베스터에 따르면, 도 2에서 보는 것처럼 broadband 형태의 밴드 폭이 나타날 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터의 구조를 도시한다.
도 2는 브로드 밴드 형태의 진동 주파수를 설명하기 위한 주파수-출력 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 재료 시트 구조체를 설명하기 위한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 재료 시트 구조체의 측단면도이다.
도 5는 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 압전 재료 시트 구조체를 설명하기 위한 사시도이다.
도 6은 도 5의 I-I라인을 따라 절단한 단면도이다.
도 7 및 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 재료 시트 구조체의 작동 모습을 도시한다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 재료 시트 구조체의 추가적인 실시예를 도시한다.
다양한 실시예들이 이제 도면을 참조하여 설명되며, 전체 도면에서 걸쳐 유사한 도면번호는 유사한 엘리먼트를 나타내기 위해서 사용된다. 설명을 위해 본 명세서에서, 다양한 설명들이 본 발명의 이해를 제공하기 위해서 제시된다. 그러나 이러한 실시예들은 이러한 특정 설명 없이도 실행될 수 있음이 명백하다. 다른 예들에서, 공지된 구조 및 장치들은 실시예들의 설명을 용이하게 하기 위해서 블록 다이아그램 형태로 제시된다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터의 구조를 도시한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터는, 탄성 기재(10); 지지체(20); 및 압전 재료 시트 구조체(30)를 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터는 추가적으로 질량체(40)를 추가로 포함할 수 있다.
탄성 기재(10)는 길이 방향(x 방향)으로 연장된 길이를 갖는다. 탄성 기재(10)는 탄성력을 갖는 재질이면 특별히 한정되지 않고 사용될 수 있고, 예를 들어, 판-스프링, SUS, 알루미늄, 세라믹 필름 등이 이용될 수 있다. 탄성 기재의 제 1 단부(질량체가 배치되는 단부)는 공중에 배치되고, 나머지 타단인 제 2 단부는 지지체(20)에 의해 지지된다.
지지체(20)는 탄성 기재(10)의 제 1 단부가 공중에 배치되도록 제 1 단부와 마주하는 타단인 제 2 단부를 지지하는 구조물이다. 지지체(20) 상에 탄성 기재(10)의 제 2 단부가 배치되어 고정되고, 제 1 단부는 공중에 배치되어 중력에 의해 상하 방향(Y방향)으로 운동을 할 수 있다.
질량체(40)는 탄성 기재(10)의 상면 및 하면 중 적어도 어느 하나의 면에 배치되되, 탄성 기재(10)의 제1 단부 측에 배치된다. 도 1에서는 질량체(40)가 탄성 기재(10)의 하면에 배치된 것을 일례로 도시하여 설명한다. 도시되지는 아니하였으나, 질량체(40)는 상면에 배치될 수도 있고, 2개가 상면 및 하면에 각각 배치될 수도 있다. 질량체(40)는 탄성 기재(10)의 제1 단부에서 탄성 기재의 평면 상에서 x 방향과 수직된 방향을 따라 연장된 막대형일 수도 있다. 도 1에 도시한 것과 달리, 도트형의 질량체(140)가 제1 단부에 다수개가 배열되어 구비될 수도 있다.
질량체(140)가 탄성 기재(111)의 제1 단부에 배치되어 있고 제2 단부는 지지체(200)에 고정되어 있기 때문에 에너지 하베스터(301)가 구비된 장치의 구동에 의한 진동과 질량체(140)에 의해서 탄성 기재(111)가 상하방향으로 진동함에 따라 에너지 하베스팅이 가능하게 된다. 질량체는 소정의 무게를 갖고 있기만 하면 되고, 재질이나 형태에는 특별한 제한이 없다.
압전 재료 시트 구조체(30)는 탄성 기재(10)의 상면 및 하면 중 어느 하나 이상에 배치된다. 압전 재료 시트 구조체(30)는 탄성 기재의 상면 및 하면 중 어느 곳에나 배치가 가능하며, 전체 영역에 걸쳐서 배치될 수도 있다. 압전 재료 시트 구조체(30)는 2개의 압전 재료 시트를 포함한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 재료 시트 구조체를 설명하기 위한 사시도이다. 본 발명에서 압전 재료 시트 구조체는 2개의 압전 재료 시트가 서로 위아래로 적층되어 있고, 상기 2개의 압전 재료 시트의 각각의 윗면 및 아랫면에 평면 전극층이 배치된다.
이 경우 압전체의 폴링 방향은 도 4에서 도시되는 것처럼 수직 방향으로 폴링이 이루어지게 되며, 도 4의 폴링 방향은 일 예시일 뿐 반대 방향으로 폴링이 될 수도 있다.
상기 2개의 압전 재료 시트 중 제 1 압전 재료 시트는 하기 수식의 DFOM 값이 on-resonance 인자에 의해 도미넌트한 소재가 이용되고, 제 2 압전 재료 시트는 하기 수식의 DFOM 값이 off-resonance 인자에 의해 도미넌트한 소재가 이용되며,
DFOM = (k31 2·Qm/s11 E)on-resonance·(d31·g31/tanδ)off-resonance
상기 탄성 기재가 진동함에 따라, 상기 압전 재료 시트 구조체의 기계적 변형이 일어나고 이에 의해 압전 효과에 의한 전력 수집이 가능하고, 이 경우 상기 제 1 압전 재료 시트 및 상기 제 2 압전 재료 시트에 의해 브로드 밴드 폭을 갖는 출력값을 나타낸다.
본 발명의 명세서에서 2개의 압전 재료 시트의 소재를 달리한다는 것은, DFOM(dimensonless figure of merit) 값에 있어서 on-resonance 인자가 도미넌트(dominant)한 소재와 off-resonance 인자가 도미넌트한 소재를 각각 이용한다는 의미이며 자세한 설명은 아래와 같다.
상기 두 개의 압전 재료 시트 중 제 1 압전 재료 시트는 하기 수식의 DFOM 값이 on-resonance 인자에 의해 도미넌트한 소재가 이용되고, 제 2 압전 재료 시트는 하기 수식의 DFOM 값이 off-resonance 인자에 의해 도미넌트한 소재가 이용된다. 이러한 제 1 압전 재료 시트 및 제 2 압전 재료 시트의 특성은 서로 반대로 될 수도 있음은 당업자에게 자명하다.
DFOM = (k31 2·Qm/s11 E)on-resonance·(d31·g31/tanδ)off-resonance
DFOM: dimensionless figure of merit
k31: transversal electromechanical coupling factor
Qm: mechanical quality factor
s11 E: elastic compliance at the constant field condition
d31: transversal piezoelectric strain constant
g31: transversal piezoelectric voltage constant
tanδ: dielectric loss factor
압전 에너지 하베스터의 설계 중 압전 재료 시트의 선택에 있어서 압전 재료의 특성에 따른 선택은 매우 중요하다. 왜냐하면 진동을 이용한 에너지 하베스팅의 가장 중요한 포인트는 입력된 기계적 에너지를 전기적 에너지로 최대한 변경하는 것이며, 이 경우 그 에너지 변환에 있어서 압전 재료 시트의 소재의 선택이 중요하기 때문이다.
종래 기술 및 해결하고자 하는 과제에서 언급한 것처럼, 본 발명의 일 목적은 높은 전압 출력 값을 나타내는 진동 주파수 범위가 브로드 밴드 형태로 나타나도록 증가시켜 안정적으로 에너지 하베스팅을 할 수 있는 에너지 하베스터를 제공하는 것이다.
이러한 브로드 밴드 폭의 에너지 출력값을 얻기 위해서는 공진 주파수를 타겟팅한 소재 이외에 진동이 공진 주파수에 맞춰지지 아니한 경우에도 일정 크기 이상의 출력값을 나타낼 수 있는 추가적인 압전 재료 시트의 소재를 선택하여 이를 공진 주파수를 타겟팅한 압전 재료 시트의 소재와 적층하여 압전 재료 시트 구조체를 제작함으로써 브로드 밴드 폭의 출력값을 얻을 수 있게 된다.
압전 재료 시트의 소재의 특성과 관련하여, 공진 주파수에 맞추어진 경우에는 압전체의 변형이 가장 큰 상태이고 변형이 크기 때문에 버려지는 기계적 에너지를 최소화하는 것이 중요하며, 이러한 공진 주파수에서는 위의 수식에서 on-resonance 인자 중 Qm 인자가 도미넌트한 인자가 된다. 즉, 공진에서는 변형이 크기 때문에 기계적으로 얼마나 로스(loss)가 적은지가 중요하며 결국, Qm이 도미넌트한 인자가 되고, 궁극적으로 on-resonance 인자가 도미넌트한 소재가 이용되어야 한다. 일반적으로 이러한 소재를 하드 압전 소재(hard piezoelectric material)라고 일컬으며, DFOM값이 일반적으로 1000 이상인 소재를 의미한다.
한편, 공진 주파수가 아닌 진동 상태에서는 압전체의 변형이 크지 않기 때문에 압전 에너지 하베스터의 특성 중 위에서 설명한 Qm 인자가 도미넌트한 인자가 되지 아니하며, 커패시터가 저장할 수 있는 에너지가 더 중요한 팩터로 작용하게 된다. 즉, 커패시터에서 전기적 로스(loss)가 적은 것이 더욱 중요하며, 이 경우에는 1/tanδ 인자가 도미넌트한 인자가 되며, 궁극적으로 off-resonance 인자가 도미넌트한 소재가 이용되어야 한다. 일반적으로 이러한 소재를 소프트 압전 소재(soft piezoelectric material)라고 일컬으며, DFOM값이 일반적으로 300 이하인 소재를 의미한다.
결국 정리하면, 에너지 하베스터 측면에서 공진 조건에서는 하드 압전 소재가 중요하고, 공진에서 벗어난 경우, 즉 비공진 주파수에서는 소프트 압전 소재가 중요하다.
본 발명에서는 기계적 진동이 항상 공진 주파수에서만 일어나는 것이 아니고, 공진 주파수에서는 샤프한 피크의 출력만이 나타나게 되는바, 브로드 밴드 폭을 나타내는 피크 출력이 나타나도록 압전 에너지 하베스터를 제작하여, 이를 통해 공진 주파수가 벗어난 경우에도 일정한 크기 이상의 출력을 얻을 수 있는 압전 에너지 하베스터를 제공하고자 한다. 이를 위해 2개의 압전 재료 시트를 적층하는 구조를 이용함과 동시에 2개의 압전 재료 시트의 소재를 위에서 설명한 것과 같이 하드 압전 소재(on-resonance 인자가 도미넌트한 소재)와 소프트 압전 소재(off-resonance 인자가 도미넌트한 소재)를 함께 이용하였다.
본 발명에서는 이러한 두 종류의 소재로 이루어진 압전 재료 시트를 적층한 압전 재료 시트 구조체를 이용함으로써, 탄성 기재가 진동함에 따라, 압전 재료 시트 구조체의 기계적 변형이 일어나고 이에 의해 압전 효과에 의한 전력 수집이 가능하고, 이 경우 제 1 압전 재료 시트 및 제 2 압전 재료 시트에 의해 브로드 밴드 폭을 갖는 출력값을 나타내게 된다.
또한, 위에서 설명한 압전 재료 시트 구조체(2개의 압전 재료 시트로 이루어지며 2개의 압전 재료 시트는 DFOM의 관점에서 서로 상이한 재질로 이루어짐)는 복수개가 적층되어 있을 수 있다. 이를 통해 더 큰 출력값을 얻을 수 있을 것이다.
도 5는 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 압전 재료 시트 구조체를 설명하기 위한 사시도이다. 본 발명에서 압전 재료 시트 구조체는 2개의 압전 재료 시트가 서로 위아래로 적층되어 있고, 상기 2개의 압전 재료 시트의 각각의 윗면 및 아랫면에 전극 패턴들이 배치되며, 상기 압전 재료 시트의 윗면 및 아랫면에 배치된 상기 전극 패턴들은 각각 제 1 전극 패턴 및 제 2 전극 패턴으로 이루어져 있으며, 상기 제 1 전극 패턴 및 제 2 전극 패턴은 전기적으로 절연되어 있고, 각각 서로 맞물리는(interdigitated) 전극 패턴을 형성하는 복수의 전극을 포함하고, 상기 전극 패턴들은 상하 방향으로 서로 동일한 형태로 투영되도록 배치되는 구조를 갖는다.
이 경우 제 1 압전 재료 시트의 윗면에 배치된 전극 패턴과 제 2 압전 재료 시트의 아랫면에 배치된 전극 패턴은 동일한 전극 패턴이 된다.
도 5 및 6의 실시예에서는 압전 재료 시트가 2개이고 전극 패턴이 각각 아래 위에 배치되어 총 3개의 전극 패턴이 배치된 실시예를 개시하고 있으며, 이하에서는 이러한 실시예를 기초로 설명하도록 하겠다.
도 5에서 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 재료 시트 구조체는, 두 개의 압전 재료 시트가 서로 위아래로 겹쳐 있고, 상기 두 개의 압전 재료 시트의 윗면, 아랫면, 그리고 사이에 전극 패턴들이 배치되며, 상기 전극 패턴들은 제 1 전극 패턴 및 제 2 전극 패턴으로 이루어져 있으며, 상기 제 1 전극 패턴 및 제 2 전극 패턴은 전기적으로 절연되어 있고, 각각 서로 맞물리는(interdigitated) 전극 패턴을 형성하는 복수의 전극을 포함하고, 상기 전극 패턴들은 상하 방향으로 서로 동일한 형태로 투영되도록 배치된다.
도 5를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 재료 구조체는 두 개의 압전 재료 시트(PZ1, PZ2), 전극 패턴들(110, 120, 210, 220, 310, 320)을 포함한다.
두 개의 압전 재료 시트(PZ1, PZ2)는 압전성을 갖는 재료로 형성된 것으로, 압전 재료의 예로서는, 압전 세라믹, 세라믹/폴리머 복합체 등을 들 수 있다. 본 발명에서는 2개의 압전 재료 시트(PZ1, PZ2)의 소재를 달리하는 것이 특징이며 이에 대해서 자세히 설명하도록 하겠다.
본 발명의 명세서에서 2개의 압전 재료 시트의 소재를 달리한다는 것은, DFOM(dimensonless figure of merit) 값에 있어서 on-resonance 인자가 도미넌트(dominant)한 소재와 off-resonance 인자가 도미넌트한 소재를 각각 이용한다는 의미이며 자세한 설명은 아래와 같다.
상기 두 개의 압전 재료 시트 중 제 1 압전 재료 시트는 하기 수식의 DFOM 값이 on-resonance 인자에 의해 도미넌트한 소재가 이용되고, 제 2 압전 재료 시트는 하기 수식의 DFOM 값이 off-resonance 인자에 의해 도미넌트한 소재가 이용된다. 이러한 제 1 압전 재료 시트 및 제 2 압전 재료 시트의 특성은 서로 반대로 될 수도 있음은 당업자에게 자명하다.
DFOM = (k33 2·Qm/s33 E)on-resonance·(d33·g33/tanδ)off-resonance
DFOM: dimensionless figure of merit
k33: longitudinal electromechanical coupling factor
Qm: mechanical quality factor
s33 E: elastic compliance at the constant field condition
d33: longitudinal piezoelectric strain constant
g33: longitudinal piezoelectric voltage constant
tanδ: dielectric loss factor
도 5의 실시예의 경우 압전 재료 시트의 폴링 방향이 도 3의 실시예와 상이하다. 도 3의 경우에는 평면 전극층을 이용해 수직 방향으로 폴링을 시켰다면, 도 5에서는 전극 패턴을 이용해 길이 방향을 따라 폴링을 시켰다. 따라서 위의 수식에서 방향 값이 서로 상이하고, 이에 의해 transversal 또는 longitudinal로 다르게 명명된다.
압전 에너지 하베스터의 설계 중 압전 재료 시트의 선택에 있어서 압전 재료의 특성에 따른 선택은 매우 중요하며, 이 부분에 대해서는 도 3의 실시예에서 이미 자세히 설명하였는바, 중복 설명은 생략하도록 하겠다.
도 5에서 동일 평면상에서, 서로 맞물리도록 배치된 제1 전극 패턴들(110, 210, 310)과 제2 전극 패턴들(120, 220, 320) 사이의 이격 영역이 제1 및 제2 압전 재료 시트(PZ1, PZ2)의 압전 활성 영역이 된다.
제1 전극 패턴들(110, 210, 310)은 제1 방향(D1)으로 연장된 몸체 전극과 그 몸체 전극으로부터 제2 방향(D2)으로 분기되고 서로 이격된 복수의 서브 전극들을 포함한다. 제2 전극 패턴들(120, 220, 320)도 동일하게 몸체 전극과 서브 전극들을 포함하며, 동일 평면 상에서 제2 전극 패턴들(120, 220, 320)의 서브 전극들이 제1 전극 패턴들(110, 210, 310)의 서브 전극들과 제1 방향(D1)을 따라 번갈아 배열된다.
제1 압전 재료 시트(PZ1)는 한 쌍의 전극 패턴들(110, 120) 및 한 쌍의 전극 패턴들(210, 220) 사이에 배치되고, 제 2 압전 재료 시트(PZ2)는 한 쌍의 전극 패턴들(210, 220) 및 한 쌍의 전극 패턴들(310, 320) 사이에 배치된다.
한편 도 6에서는 두 압전 재료 시트(PZ1, PZ2)가 서로 이격된 것처럼 도시되었으나, 이는 두 개의 압전 재료 시트를 설명하기 위해 편의상 이격된 것처럼 도시된 것이며, 실제로는 두 개의 압전 재료 시트가 겹쳐져서 적층된 형태로 되어 있으며, 이격 공간은 존재하지 아니할 수 있다. 도 6은 도 5의 I-I라인을 따라 절단한 단면도이다. 도 6에서 분극 방향이 서로 반대인 것처럼 도시되어 있으나, 이러한 분극 방향은 도 6의 모습을 일 예시에 불과하다.
한편, 도 6과 같이 두 압전 재료 시트의 압전 활성 영역의 분극 방향이 서로 반대인 압전 재료 시트 구조체의 경우, 도 7과 같은 휘어짐에 의해 탄성 기재(10)가 휘어짐에 의해 탄성 기재에서 가장 가까운 제 1 압전 재료 시트(PZ1)의 기계적 변형이 크게 일어나게 되고, 다음으로 제 2 압전 재료 시트(PZ2)의 기계적 변형이 제 1 압전 재료 시트(PZ1)보다는 작게 일어나게 된다. 또한, 도 8과 같은 휘어짐에 의해 탄성 기재에서 가까운 제 1 압전 재료 시트(PZ1)의 기계적 변형이 작게 일어나고, 다음으로 제 2 압전 재료 시트(PZ2)의 기계적 변형이 제 1 압전 재료 시트(PZ1)보다는 크게 일어나게 된다.
이와 같이 2개의 압전 재료 시트들이 배치되는 경우, 상기 압전 재료 시트들의 압전 활성 영역의 분극 방향이 서로 반대인 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 압전 재료 시트 구조체의 경우 압전 재료 시트 구조체가 탄성 기재와 맞닿는 부분에는 전극이 직접 탄성 기재와 맞닿지 않도록 하기 위한 추가적인 압전 재료 시트층을 포함하는 것이 바람직하다.
도 9는 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 압전 재료 시트 구조체의 단면도를 도시한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 재료 시트 구조체는 그 하면에 하부 전극이 직접 탄성 기재(10)와 맞닿지 않도록 하기 위한 추가적인 압전 재료 시트층(AL)을 포함할 수 있다.
탄성 기재에 하부 전극이 직접 맞닿아 부착되는 경우에는 탄성 기재의 변형이 일어날 경우 스트레인이 직접 압전 재료 시트에 전달되는 것이 아니라 전극에 전달된 이후 압전 재료 시트에 전달되는 부분이 발생되므로 스트레인의 효과가 압전 재료 시트에 극대화되지 못하는 문제점이 있다. 이를 해결하기 위해 추가적인 압전 재료 시트층(AL)을 포함하고 이를 통해 탄성 기재의 스트레인이 압전 재료 시트에 직접 전달되도록 하는 것이 바람직하다.
도 9에서는 압전 재료 시트 구조체의 압전 재료 시트(PZ1)와 추가적인 압전 재료 시트층(AL)이 서로 분리되어 있는 것처럼 도시되었으나, 이는 설명을 위해 편의상 도시된 것일 뿐이며, 실제 이용에 있어서는 적층을 한 후 소결에 의해 제작되므로 하나의 구조체로 이용되게 된다.
한편, 제1 및 제2 전극 패턴들은 상기 압전 재료 시트층 내부에 임베디드(embedded)되어 있을 수 있다. 본 발명에 따른 압전 에너지 하베스터는 IDE 전극 패턴이 형성된 압전체 필름이 복수개가 적층된 압전체가 적층된 구조를 이용하여 높은 전력 출력값을 구현함과 동시에, 적층된 구조에서 전극을 구조 내에 임베딩(embedding) 함으로써 폴링 효과를 극대화하는 구조를 제공하여 큰 에너지의 수확을 가능하게 하고자 한다.
또한, 위에서 설명한 압전 재료 시트 구조체(2개의 압전 재료 시트로 이루어지며 2개의 압전 재료 시트는 DFOM의 관점에서 서로 상이한 재질로 이루어짐)는 복수개가 적층되어 있을 수 있다. 이를 통해 더 큰 출력값을 얻을 수 있을 것이다.
제시된 실시예들에 대한 설명은 임의의 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 이용하거나 또는 실시할 수 있도록 제공된다. 이러한 실시예들에 대한 다양한 변형들은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이며, 여기에 정의된 일반적인 원리들은 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 그리하여, 본 발명은 여기에 제시된 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 여기에 제시된 원리들 및 신규한 특징들과 일관되는 최광의의 범위에서 해석되어야 할 것이다.

Claims (11)

  1. 탄성 기재;
    상기 탄성 기재의 제1 단부가 공중에 배치되도록 상기 제1 단부와 마주하는 타단인 제2 단부를 지지하는 지지체; 및
    상기 탄성 기재의 상면 및 하면 중 어느 하나 이상에 배치된 압전 재료 시트 구조체를 포함하고,
    상기 압전 재료 시트 구조체는,
    2개의 압전 재료 시트;
    상기 압전 재료 시트의 각각의 윗면 및 아랫면에 평면 전극층이 배치되며,
    상기 2개의 압전 재료 시트 중 제 1 압전 재료 시트는 하기 수식의 DFOM 값이 on-resonance 인자에 의해 도미넌트한 소재가 이용되고, 제 2 압전 재료 시트는 하기 수식의 DFOM 값이 off-resonance 인자에 의해 도미넌트한 소재가 이용되며,
    DFOM = (k31 2·Qm/s11 E)on-resonance·(d31·g31/tanδ)off-resonance
    DFOM: dimensionless figure of merit
    k31: transversal electromechanical coupling factor
    Qm: mechanical quality factor
    s11 E: elastic compliance at the constant field condition
    d31: transversal piezoelectric strain constant
    g31: transversal piezoelectric voltage constant
    tanδ: dielectric loss factor
    상기 탄성 기재가 진동함에 따라, 상기 압전 재료 시트 구조체의 기계적 변형이 일어나고 이에 의해 압전 효과에 의한 전력 수집이 가능하고, 이 경우 상기 제 1 압전 재료 시트 및 상기 제 2 압전 재료 시트에 의해 브로드 밴드 폭을 갖는 출력값을 나타내며,
    상기 DFOM 값이 on-resonance 인자에 의해 도미넌트한 소재는 DFOM 값이 1000 이상이고, 상기 DFOM 값이 off-resonance 인자에 의해 도미넌트한 소재는 DFOM 값이 300 이하인,
    브로드 밴드 폭을 이용하는 압전 에너지 하베스터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄성 기재의 상기 제 1 단부에 배치된 질량체를 추가로 포함하는,
    브로드 밴드 폭을 이용하는 압전 에너지 하베스터.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 압전 재료 시트 구조체가 복수개 적층되어 있는,
    브로드 밴드 폭을 이용하는 압전 에너지 하베스터.
  5. 탄성 기재;
    상기 탄성 기재의 제1 단부가 공중에 배치되도록 상기 제1 단부와 마주하는 타단인 제2 단부를 지지하는 지지체; 및
    상기 탄성 기재의 상면 및 하면 중 어느 하나 이상에 배치된 압전 재료 시트 구조체를 포함하고,
    상기 압전 재료 시트 구조체는,
    2개의 압전 재료 시트;
    상기 압전 재료 시트의 각각의 윗면 및 아랫면에 전극 패턴들이 배치되며,
    상기 압전 재료 시트의 각각의 윗면 및 아랫면에 배치된 상기 전극 패턴들은 각각 제 1 전극 패턴 및 제 2 전극 패턴으로 이루어져 있으며, 상기 제 1 전극 패턴 및 제 2 전극 패턴은 전기적으로 절연되어 있고, 각각 서로 맞물리는(interdigitated) 전극 패턴을 형성하는 복수의 전극을 포함하고, 상기 전극 패턴들은 상하 방향으로 서로 동일한 형태로 투영되도록 배치되고,
    상기 2개의 압전 재료 시트 중 제 1 압전 재료 시트는 하기 수식의 DFOM 값이 on-resonance 인자에 의해 도미넌트한 소재가 이용되고, 제 2 압전 재료 시트는 하기 수식의 DFOM 값이 off-resonance 인자에 의해 도미넌트한 소재가 이용되며,
    DFOM = (k33 2·Qm/s33 E)on-resonance·(d33·g33/tanδ)off-resonance
    DFOM: dimensionless figure of merit
    k33: longitudinal electromechanical coupling factor
    Qm: mechanical quality factor
    s33 E: elastic compliance at the constant field condition
    d33: longitudinal piezoelectric strain constant
    g33: longitudinal piezoelectric voltage constant
    tanδ: dielectric loss factor
    상기 탄성 기재가 진동함에 따라, 상기 압전 재료 시트 구조체의 기계적 변형이 일어나고 이에 의해 압전 효과에 의한 전력 수집이 가능하고, 이 경우 상기 제 1 압전 재료 시트 및 상기 제 2 압전 재료 시트에 의해 브로드 밴드 폭을 갖는 출력값을 나타내며,
    상기 DFOM 값이 on-resonance 인자에 의해 도미넌트한 소재는 DFOM 값이 1000 이상이고, 상기 DFOM 값이 off-resonance 인자에 의해 도미넌트한 소재는 DFOM 값이 300 이하인,
    브로드 밴드 폭을 이용하는 압전 에너지 하베스터.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 탄성 기재의 상기 제 1 단부에 배치된 질량체를 추가로 포함하는,
    브로드 밴드 폭을 이용하는 압전 에너지 하베스터.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 전극 패턴들은,
    상기 탄성 기재의 길이 방향을 따라 연장된 몸체 전극과 그 몸체 전극으로부터 상기 탄성 기재의 길이 방향과 수직한 방향으로 분기되고 서로 이격된 복수의 서브 전극들을 포함하고,
    상기 제 1 전극 패턴의 서브 전극들과 상기 제 2 전극 패턴의 서브 전극들은 서로 이격된 채 맞물린 형태를 갖는,
    브로드 밴드 폭을 이용하는 압전 에너지 하베스터.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 압전 재료 시트 구조체의 경우 상기 압전 재료 시트 구조체가 상기 탄성 기재와 맞닿는 부분에는 전극이 직접 상기 탄성 기재와 맞닿지 않도록 하기 위한 추가적인 압전 재료 시트층을 포함하는,
    브로드 밴드 폭을 이용하는 압전 에너지 하베스터.
  9. 제 5 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전극 패턴들은 상기 압전 재료 시트층 내부에 임베디드(embedded)되어 있는,
    브로드 밴드 폭을 이용하는 압전 에너지 하베스터.
  10. 삭제
  11. 제 5 항에 있어서,
    상기 압전 재료 시트 구조체가 복수개 적층되어 있는,
    브로드 밴드 폭을 이용하는 압전 에너지 하베스터.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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