KR101973684B1 - 음향 에너지 수확 장치 - Google Patents

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KR101973684B1 KR1020180027110A KR20180027110A KR101973684B1 KR 101973684 B1 KR101973684 B1 KR 101973684B1 KR 1020180027110 A KR1020180027110 A KR 1020180027110A KR 20180027110 A KR20180027110 A KR 20180027110A KR 101973684 B1 KR101973684 B1 KR 101973684B1
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김재은
한태만
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대구가톨릭대학교산학협력단
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Abstract

본 발명의 목적은 에너지 수확 효율이 향상된 음향 에너지 수확 장치를 제공하는 것이다. 이를 위하여 본 발명에서는, 음파의 진행 경로를 진행 방향에 대해 좌우로 1회 이상 꺾이도록 만드는 지그재그형 모듈을 하나 이상 포함하는 음압 증폭 구조물; 상기 음압 증폭 구조물에 대향하여 배치되고 상기 음악 증폭 구조물과 함께 음향 공동을 형성하고 관통부가 형성된 대향 벽체; 상기 음압 증폭 구조물과 상기 대향 벽체 사이에 형성되는 음향 공동의 둘레를 폐쇄하는 측면 벽체; 및 상기 대향 벽체에 형성된 관통부를 덮도록 배치되어서 음향 강체를 형성하고 일측면은 상기 대향 벽체와 함께 상기 음향 공동을 형성하고 타측면은 외기에 노출되도록 배치되어서 음향 공동의 음압과 대기압 사이의 압력 차에 의해 진동하고 진동 에너지로부터 전력을 생산하는 압전 에너지 변환 구조물을 포함하는 음향 에너지 수확 장치를 제공한다.

Description

음향 에너지 수확 장치{Acoustic Energy Harvesting Device}
본 발명은 음향 에너지 수확 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 음압 증폭을 통해 수확되는 전기 에너지의 전력 밀도를 대폭 증가시킨 음향 에너지 수확 장치에 관한 것이다.
전기·전자 기술의 발달과 더불어 VLSI{Very Large Scale Integration}등의 저전력 전자 소자 기술이 급속도로 발달하게 되었다. 이러한 기술의 발전은 다양한 전기장치들을 소형화{miniaturization}하고 이러한 장치들이 마이크로 와트(μW)의 저전력 상황에서 작동하는 것을 가능하게 하였다. 특히, 건물이나 교량의 환경 진단 센서, 선박이나 항공기와 같은 기계 구조물의 안전 진단 센서, 가정 자동화 시스템의 센서 그리고 다양한 종류의 센서의 소형화는 이러한 구조물들에 처음부터 센서들을 삽입하고 무선 네트워크(wireless sensor network)로 구성하여 보다 효과적이고 상시적인 센서의 작동을 가능하게 하였다. 이러한 무선 센서 네트워크의 상시 감시 체제는 각 센서 노드(sensor node)의 전력공급 체계를 요구한다. 이러한 전력 공급방법으로 배터리를 이용할 수 있으나, 이러한 배터리는 그 작동 수명이 짧다는 단점을 지닌다. 무선 센서 네트워크의 센서들은 구조물에 삽입되어야 하기 때문에 배터리를 교체하는 것은 불가능하거나 매우 비효율적이다. 이러한 문제를 해결하는 방법으로 주변의 에너지원으로부터 전력을 생산 공급하는 에너지 수확(energy harvesting) 방법이 개발되어 왔다. 에너지 수확(하베스팅) 방법 중 널리 알려진 것으로는 태양 전지(solar cell)를 이용하여 태양 에너지로부터 전력을 생산하는 방법, 제백 효과(Seeback effect)를 이용하여 열에너지로부터 전력을 발생시키는 방법, 그리고 전자기유도현상(Faraday's law of electromagnetic induction) 또는 압전 현상(piezoelectric effect)이나 자기 변형 현상(magnetostriction effect)을 이용하여 진동 에너지로부터 전력을 생산하는 방법 등이 있다.
도 1에는 종래의 압전 현상을 이용하는 에너지 수확 장치의 구동 원리를 보여주는 도면이 도시되어 있다.
도 1에 도시된 것과 같이, 종래의 에너지 수확 장치(10)는 구조물(1)에 직접 연결되는 캔틸레버 형태의 탄성부재(3), 이 탄성부재(3)에 부착된 압전 소자(4), 그리고, 선택적으로 탄성부재의 자유단 측에 배치된 질량체(2)를 포함한다.
구조물이 진동함에 따라 상기 탄성부재가 진동하면서 압전 소자를 변형시키고 이러한 변형이 분극(polarization)을 일으키고 결국 전력을 발생시키게 된다.
종래의 진동 에너지 수확 장치는 진동이 발생하는 구조물에 부착하여 진동 에너지를 전기 에너지로 변환한다.
종래의 진동 에너지 수확 장치에서의 진동은 기계적 진동을 활용하는 것이 주류를 이루었으나, 음향에 의한 음압 차이를 이용하는 방법도 에너지 수확을 위해 연구되고 있다.
음향 에너지 수확 장치는 음압 차이로 인한 순수 힘에 의해 압전 현상 등을 이용한 에너지 변환 구조물이 가진되고 전기가 출력된다. 음향(소리) 에너지를 전기 에너지로 변환하기 위해서는 압전 구조물을 직접 이용하지 않고, 가해지는 음압을 증가하기 위한 별도의 구조물을 사용한다. 기존의 음향 에너지 수확 장치는 진동 에너지 수확에서도 일반적으로 사용되는 에너지 변환 수단인 압전 또는 전자기 유도 현상을 이용하되, 헬름홀츠 공명기(Horowitz SB, Sheplak M, Cattafesta LN and Nishida T (2006) A MEMS acoustic energy harvester. Journal of Micromechanics and Microengineering 16: S174-S181) 등으로 공명 현상을 이용하여 음압을 증가시켜 에너지 수확량을 증가시키기 위한 노력을 한 예 등이 있다. 그러나 종래의 방법을 통해서는 압전 기반의 음향 에너지 수확 장치의 경우 100 dB의 입력 음파에 대해 발생 전력 밀도가 겨우 1μW/cm3이하로 매우 적어서 실제의 활용을 위해서는 전력 밀도를 더욱 증가시킬 방안을 모색할 필요성이 매우 크다.
대한민국 특허출원 제2016-57123호 대한민국 특허출원 제2016-78614호
Horowitz SB, Sheplak M, Cattafesta LN and Nishida T (2006) A MEMS acoustic energy harvester. Journal of Micromechanics and Microengineering 16: S174-S181
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 에너지 수확 효율이 향상된 음향 에너지 수확 장치를 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는,
음파의 진행 경로를 진행 방향에 대해 좌우로 1회 이상 꺾이도록 만드는 지그재그형 모듈을 하나 이상 포함하는 음압 증폭 구조물;
상기 음압 증폭 구조물에 대향하여 배치되고 상기 음악 증폭 구조물과 함께 음향 공동을 형성하고 관통부가 형성된 음향 강체 역할을 하는 대향 벽체;
상기 음압 증폭 구조물과 상기 대향 벽체 사이에 형성되는 음향 공동의 둘레를 폐쇄하는 음향 강체 역할을 하는 측면 벽체; 및
상기 대향 벽체에 형성된 관통부를 덮도록 배치되어서 대향 벽체가 충분한 음향 강체 역할을 하도록 하되, 일측면은 상기 대향 벽체와 함께 상기 음향 공동을 형성하고 타측면은 외기에 노출되도록 배치되어서 음향 공동의 음압과 대기압 사이의 압력 차에 의해 진동하고 진동 에너지로부터 전력을 생산하는 압전 에너지 변환 구조물을 포함하는 음향 에너지 수확 장치를 제공한다.
여기서, 상기 압전 에너지 변환 구조물은, 고정단, 연장 보 및 압전 소자를 포함하고, 상기 연장 보는 상기 고정단에 일단이 고정된 상태로 타측으로 연장되어 있고, 상기 압전소자는 상기 연장 보의 표면에 부착되어 상기 연장 보의 변형에 따라 함께 변형되면서 전력을 발생시키는 것일 수 있다.
여기서, 상기 대향 벽체의 관통부의 일측에 상기 고정단이 배치되며, 상기 관통부 상에 상기 연장 보가 배치되어서 상기 음압 증폭 구조물과 대향 벽체와 측면 벽체가 형성하는 음향 공동 내에 증폭된 음압과 에너지 변환 구조물의 타측에 작용하는 대기압의 차이에 의해 상기 연장 보가 진동하여서 상기 압전소자에 의해 전기 에너지를 수확할 수 있는 것일 수 있다.
여기서, 상기 대향 벽체와 상기 음압 증폭 구조물은 서로 평행하게 배치되고, 상기 연장 보는 연직 방향 또는 수평방향으로 배치되며 양단이 상기 대향 벽체에 고정되어서, 상기 연장 보의 중심점을 기준으로 상기 음향 공동에서의 음압 분포가 대칭적으로 분포하는 것일 수 있다.
또는 여기서, 상기 대향 벽체와 상기 음압 증폭 구조물은 서로 평행하게 배치되고, 상기 연장 보는 연직 방향으로 연장되도록 배치되며 일단이 상기 대향 벽체에 고정되어서, 상기 연장 보의 연장방향에 나란한 중심선을 기준으로 상기 음향 공동에서의 음압 분포가 대칭적으로 분포하는 것일 수 있다.
여기서, 상기 연장 보는 폭과 길이에 비해 두께가 얇게 형성된 판재로 만들어지고, 상기 연장 보의 고정된 양단의 중앙 지점에는 질량체가 부착되며, 상기 연장 보의 일면 또는 양면에 상기 압전소자가 부착된 것일 수 있다.
여기서, 상기 대향 벽체에 형성된 상기 관통부의 테두리와 상기 연장 보 사이에는 상기 연장 보의 미세 진동 중에 상기 연장 보와 상기 관통부의 테두리가 서로 간섭하지 않도록 간극이 형성된 것일 수 있다.
본 발명에 의하면, 음압 증폭 구조물을 사용하면서 그 증폭된 음압을 가장 효과적으로 이용하여 에너지를 수확할 수 있게 된다.
도 1은 진동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 종래의 압전 에너지 수확 장치의 구성을 개략적으로 보여주는 도면.
도 2는 본 발명에 따른 음향 에너지 수확 장치의 구성을 개략적으로 보여주는 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 음향 에너지 수확 장치에 사용될 수 있는 지그재그형 모듈을 포함하는 음압 증폭 구조물의 구성을 보여주는 단면도.
도 4는 본 발명의 음향 에너지 수확 장치의 일 실시예의 구성을 개략적으로 보여주는 부분 절개 사시도.
도 5는 도 4에 도시된 본 발명의 음향 에너지 수확 장치의 일 실시예의 높이 방향 중앙부를 자른 단면도.
도 6은 도 4의 View A 방향에서 바라본 대향 벽체와 압전 에너지 수확 모듈의 측면도.
도 7은 도 4의 View B 방향에서 바라본 대향 벽체와 압전 에너지 수확 모듈의 측면도.
도 8은 도 4에 도시된 본 발명의 음향 에너지 수확 장치의 일 실시예의 분해도.
도 9는 음압 증폭 구조물을 사용하고 대향 벽체에 압전 에너지 변환 구조물을 설치한 본 발명의 음향 에너지 수확 장치의 경우(위의 그래프)와, 음압 증폭 구조물을 사용하지 않은 경우(아래 그래프)의 출력 전압을 주파수에 따라 보여주는 그래프.
도 10은 음압 증폭 구조물을 사용하고 대향 벽체에 압전 에너지 변환 구조물을 설치한 본 발명의 음향 에너지 수확 장치의 경우(위의 그래프)와, 음압 증폭 구조물을 사용하지 않은 경우(아래 그래프)의 출력 전력을 주파수에 따라 보여주는 그래프.
도 11은 비교예의 음향 에너지 수확 장치의 구성을 보여주는 단면도.
본 발명의 이점 및 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 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
도 2에는 본 발명에 따른 음향 에너지 수확 장치의 구성을 개략적으로 보여주는 구성도가 도시되어 있다.
도 2에 도시된 것과 같이, 본 발명에 따른 음향 에너지 수확 장치는 음압을 증폭하고 이를 통해 증폭된 음압에 의해 구조물의 변형률을 증가시켜 향상된 전기 출력을 얻을 수 있는 압전 에너지 변환 구조물을 포함한다.
도 3에는 본 발명에 따른 음향 에너지 수확 장치에 사용될 수 있는 지그재그형 모듈을 포함하는 음압 증폭 구조물의 구성의 일례를 보여주는 단면도가 도시되어 있다.
도 3에 도시된 것과 같이, 본 발명에 사용되는 음압 증폭 구조물은 복수의 지그재그형 모듈이 음파의 진행 방향에 교차하는 방향으로 배치되어 이루어질 수 있다. 각각의 지그재그형 모듈은 지그재그형으로 형성되는 음파의 진행 경로로 인해 음파의 진행 속도를 늦추고 입구에서의 파동 반사율을 증가시키는 특성을 가지므로, 그 결과 등가 굴절률 및 음향 임피던스가 커지게 된다. 등가 굴절률이 커짐으로 인해 파장의 크기 대비 작은 크기 및 낮은 공진 주파수로 제작 가능해지고, 임피던스가 커짐으로 인해 지그재그형 모듈을 통과하는 매질의 운동 속도가 낮아지는 대신 음압이 커지는 효과가 생긴다.
도 4에는 본 발명의 음향 에너지 수확 장치의 일 실시예의 구성을 개략적으로 보여주는 부분 절개 사시도가 도시되어 있고, 도 5에는 도 4에 도시된 본 발명의 음향 에너지 수확 장치의 구성을 2차원적으로 보여주는 도면이 도시되어 있으며, 도 6에는 도 4의 View A 방향에서 바라본 대향 벽체와 압전 에너지 수확 모듈의 측면도가 도시되어 있고, 도 7에는 도 4의 View B 방향에서 바라본 대향 벽체와 압전 에너지 수확 모듈의 측면도가 도시되어 있으며, 도 8에는 도 4에 도시된 본 발명의 음향 에너지 수확 장치의 일 실시예의 분해 사시도가 도시되어 있다.
도 4 내지 도 8에 도시된 것과 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 에너지 수확 장치(100)는, 음압 증폭 구조물(110)(110), 대향 벽체(120)(120), 측면 벽체(140)(140) 및 압전 에너지 변환 구조물(130)(130)을 포함한다.
상기 음압 증폭 구조물(110)은 음파의 진행 경로를 진행 방향에 대해 좌우로 1회 이상 꺾이도록 만드는 지그재그형 모듈(111)을 하나 이상 포함한다.
상기 대향 벽체(120)는 상기 음압 증폭 구조물(110)에 대향하여 배치되고 상기 음악 증폭 구조물과 함께 음향 공동(160)을 형성하고 관통부(125)가 형성되어 있다.
상기 측면 벽체(140)는 상기 음압 증폭 구조물(110)과 상기 대향 벽체(120) 사이에 형성되는 음향 공동(160)의 둘레를 폐쇄한다. 육면체 형상의 음향 공동을 형성한다고 할 때 측 방향을 폐쇄하는 부재와 상하 방향을 폐쇄하는 부재가 구체적인 형상에 있어서 차이가 있을 수 있으나 여기서는 모두 측면 벽체로 통칭하고 동일한 부재번호를 사용하기로 한다. 특히 본 발명의 음압 증폭 구조물(110)과 함께 사용되는 경우에는 음파의 음압이 증폭되기 위해서는 음향 공동(160)을 형성하는 벽체들이 음향 강체의 역할을 하도록 만들어지는 것이 더욱 효율적이다.
상기 압전 에너지 변환 구조물(130)은 상기 대향 벽체(120)에 형성된 관통부(125)를 덮도록 배치되어서 일측면은 상기 대향 벽체(120)와 함께 상기 음향 공동(160)을 형성하고 타측면은 외기에 노출되도록 배치되어서 음향 공동(160)의 음압과 대기압 사이의 압력 차에 의해 진동하고 진동 에너지로부터 전력을 생산한다.
구체적인 실시예로서, 상기 압전 에너지 변환 구조물(130)은, 고정단(131), 연장 보(132) 및 압전소자(133)를 포함할 수 있다.
상기 연장 보(132)는 상기 고정단(131)에 일단이 고정된 상태로 타측으로 연장되어 있고, 상기 압전소자(133)는 상기 연장 보(132)의 표면에 부착되어 상기 연장 보(132)의 변형에 따라 함께 변형되면서 전력을 발생시킬 수 있다. 보다 바람직하게는 상기 연장 보(132)는 폭과 길이에 비해 두께가 얇게 형성된 판재로 만들어지고, 상기 연장 보(132)의 고정된 양단의 중앙 지점에는 질량체(134)가 부착되며, 상기 연장 보(132)의 양면에 상기 압전소자(133)가 부착될 수 있다.
상기 연장 보(132)와 대향 벽체(120)의 관계를 도면에 도시된 실시예를 기준으로 보다 상세히 살펴보면, 상기 대향 벽체(120)의 관통부(125)의 일측에 연장 보(132)의 고정단(131)이 배치되고, 상기 관통부(125) 상에 상기 연장 보(132)가 배치되어서 상기 음압 증폭 구조물(110)을 통과한 음파의 증폭된 음압 및 에너지 변환 구조물의 타측면의 대기압과의 차이에 의해 상기 연장 보(132)가 진동하게 된다. 도면에 도시된 것과 같이, 상기 대향 벽체(120)와 상기 음압 증폭 구조물(110)은 서로 평행하게 배치되고, 상기 연장 보(132)는 연직 방향 또는 수평방향으로 배치되며 양단이 상기 대향 벽체(120)에 고정되어서, 상기 연장 보(132)의 중심점을 기준으로 상기 음향 공동(160)에서의 음압 분포가 대칭적으로 분포하게 하는 것이 연장 보(132)에 부착된 압전소자(133)들을 효과적으로 가진하게 되는 구조를 만드는데 보다 바람직하다.
물론, 도면에 도시된 실시예 외에도 상기 연장 보(132)가 일단만 고정된 형태도 사용될 수 있고, 이 경우에도 연장 보(132)를 중심으로 음압이 대칭적으로 분포하는 구성을 취할 수 있다. 예를 들어, 상기 대향 벽체(120)와 상기 음압 증폭 구조물(110)은 서로 평행하게 배치되고, 상기 연장 보(132)는 연직 방향으로 연장되도록 배치되며 일단이 상기 대향 벽체(120)에 고정된 경우 대칭적인 음압 분포를 구현할 수 있다.
한편, 상기 대향 벽체(120)에 형성된 상기 관통부(125)의 테두리와 상기 연장 보(132) 사이에는 상기 연장 보(132)의 미세 진동 중에 상기 연장 보(132)와 상기 관통부(125)의 테두리가 서로 간섭하지 않아 진동을 방해하지 않도록 간극(126)이 형성된 것이 바람직하다. 진동을 위해 생성된 간극(126)은 대향 벽체(120)의 음향 강체 특성을 변화시키지 않을 정도면 충분하다. 음향학적으로 음향 강체란 간단히 설명하여 파동이 통과됨이 없이 전부 반사되는 경계면을 의미한다.
도 9에는 음압 증폭 구조물(110)을 사용하고 대향 벽체(120)에 압전 에너지 변환 구조물(130)을 설치한 본 발명의 음향 에너지 수확 장치의 경우(위의 그래프)와, 음압 증폭 구조물(110)을 사용하지 않은 경우(아래 그래프)의 출력 전압을 주파수에 따라 보여주는 그래프가 도시되어 있고, 도 10에는 음압 증폭 구조물(110)을 사용하고 대향 벽체(120)에 압전 에너지 변환 구조물(130)을 설치한 본 발명의 음향 에너지 수확 장치의 경우(위의 그래프)와, 음압 증폭 구조물(110)을 사용하지 않은 경우(아래 그래프)의 출력 전력을 주파수에 따라 보여주는 그래프가 도시되어 있다.
도 9에 도시된 것과 같이, 음압 증폭 구조물(110) 없이 압전 변환 구조물만에 의한 출력 전압은 100dB의 음파의 입력 시에 0.4V 정도로 매우 낮게 측정되었으나, 본 발명의 음압 증폭 구조물(110)을 활용한 예에서는 1.4V로 3배 이상 큰 전압 출력을 얻을 수 있었다.
도 10에 도시된 것과 같이, 음압 증폭 구조물(110) 없이 압전 변환 구조물만에 의한 출력 전력은 100dB의 음파의 입력 시에 0.2μW 정도로 매우 낮았으나, 본 발명의 음압 증폭 구조물(110)을 활용한 예에서는 7.3μW로 35배 이상 큰 전력 출력을 얻을 수 있었다. 즉, 음압 증폭 구조물(110)을 사용하는지 여부에 따라 입력 음압 수준 100 dB에 대해, 무부하 출력 전압은 3배 이상, 발생 전력은 35배 이상 증가됨을 확인할 수 있다.
<비교예>
본 발명에 따른 음향 에너지 수확 장치의 성능을 설명하기 위해 비교예의 구조를 고려한다.
도 11에는 비교예의 음향 에너지 수확 장치의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이 도시되어 있다.
도 11에 도시된 비교예가 본 발명의 실시예와 상이한 점은 압전 에너지 변환 구조물(130)의 위치가 음향 공동(160)의 중앙부라는 것과, 음향 공동(160)의 대향 벽체(120)를 대신하여 그 위치에 음압 증폭 구조물(110)이 하나 더 설치된다는 점이다.
도 11에 도시된 것과 같이 지그재그형 모듈(111)이 연달아 배치된 구조물을 입구 측과 출구 측에 각각 배치하면, 그 사이에 형성된 공동에서 음압이 증폭된다. 이 음압이 증폭되는 현상에 주목하여 그 곳에 압전 에너지 변환 구조물(130)을 설치하면 입사 음파의 음압 대비 증폭된 음압에 의해 보다 증가된 전기 출력을 갖는 음향 에너지 수확이 가능하리라는 예측에 따라 제안된 것이다. 그러나 이러한 구조는 음향 공동(160) 내부의 증가된 음압을 충분히 사용하지 못하는 구조이다. 즉, 이 구조에서 음향 공동(160) 내부의 음압은 증가되었으나 압전 에너지 변환 구조물(130)에 작용하는 가진력은 음압 차이로 인한 순수 힘이므로 음향 공동(160) 내부에서의 압전 에너지 변환 구조물(130) 전후의 음압 차이가 작다는 문제점이 있어 입력 음파 대비 음압의 증폭 비율을 고려할 때 그에 상응하는 전력의 증가가 이루어지지 않는다.
이에 비해 본 발명에서는 도 11의 비교예에 대비하여 압전 에너지 변환 구조물(130)의 양면 중 일면은 음향 공동(160) 내측에 위치하고 타면은 외기에 접하여서 양면에 작용하는 음압 차이가 최대가 된다.
한편, 비교예와 같이 음압 증폭 구조물을 서로 마주하도록 배치하면 일측의 음압 증폭 구조물을 통과한 음파는 음향 공동에 밀집되면서 페브리-페로 공진 현상에 의해 특정 주파수의 음파의 보강 간섭에 의해 증폭된다. 즉, 비교예의 음압 증폭 구조는 근사적으로 1/2 파장 음압 증폭 구조라고 할 수 있다.
이와 달리 본 발명의 경우에는 대향 벽체(120)의 설치로 인해 음향 공동(160)이 비교예와 달리 공진 시 1/4 파장의 정재파가 형성되어 대향 벽체(120)에 최대 음압이 형성된다. 따라서 대향 벽체(120)에 압전 에너지 변환 구조물(130)을 설치하면 순수 가진 외력이 증가하게 된다. 또한, 본 발명의 1/4 파장 음압 증폭 구조에서는 비교예의 1/2 파장 음압 증폭 구조물에 비해 공진 주파수는 낮아지고, 음압 증폭률도 커지게 된다.
지금까지 본 발명을 설명함에 있어, 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해짐이 자명하다.
100: 음향 에너지 수확 장치 110: 음압 증폭 구조물
111: 지그재그형 모듈 120: 대향 벽체
125: 관통부 126: 간극
130: 압전 에너지 변환 구조물 131: 고정단
132: 연장 보 133: 압전소자
134: 질량체 140: 측면 벽체
160: 음향 공동

Claims (7)

  1. 음파의 진행 경로를 진행 방향에 대해 좌우로 1회 이상 꺾이도록 만드는 지그재그형 모듈을 하나 이상 포함하는 음압 증폭 구조물;
    상기 음압 증폭 구조물에 대향하여 배치되고 상기 음압 증폭 구조물과 함께 음향 공동을 형성하고 관통부가 형성된 대향 벽체;
    상기 음압 증폭 구조물과 상기 대향 벽체 사이에 형성되는 음향 공동의 둘레를 폐쇄하는 측면 벽체; 및
    상기 대향 벽체에 형성된 관통부를 덮도록 배치되어서 음향 강체를 형성하고 일측면은 상기 대향 벽체와 함께 상기 음향 공동을 형성하고 타측면은 외기에 노출되도록 배치되어서 음향 공동의 음압과 대기압 사이의 압력 차에 의해 진동하고 진동 에너지로부터 전력을 생산하는 압전 에너지 변환 구조물을 포함하는 음향 에너지 수확 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 압전 에너지 변환 구조물은,
    고정단, 연장 보 및 압전 소자를 포함하고,
    상기 연장 보는 상기 고정단에 일단이 고정된 상태로 타측으로 연장되어 있고, 상기 압전소자는 상기 연장 보의 표면에 부착되어 상기 연장 보의 변형에 따라 함께 변형되면서 전력을 발생시키는 것을 특징으로 하는 음향 에너지 수확 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 대향 벽체의 관통부의 일측에 상기 고정단이 배치되며, 상기 관통부 상에 상기 연장 보가 배치되어서 대향 벽체를 음향 강체로 형성하고 공동 내에 증폭된 음압과 에너지 변환 구조물 타측의 대기압과의 차이에 의해 상기 연장 보가 진동하여서 상기 압전소자에 의해 전기 에너지를 수확할 수 있는 것을 특징으로 하는 음향 에너지 수확 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 대향 벽체와 상기 음압 증폭 구조물은 서로 평행하게 배치되고,
    상기 연장 보는 연직 방향 또는 수평방향으로 배치되며 양단이 상기 대향 벽체에 고정되어서,
    상기 연장 보의 중심점을 기준으로 상기 음향 공동에서의 음압 분포가 대칭적으로 분포하는 것을 특징으로 하는 음향 에너지 수확 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 대향 벽체와 상기 음압 증폭 구조물은 서로 평행하게 배치되고,
    상기 연장 보는 연직 방향으로 연장되도록 배치되며 일단이 상기 대향 벽체에 고정되어서,
    상기 연장 보의 연장방향에 나란한 중심선을 기준으로 상기 음향 공동에서의 음압 분포가 대칭적으로 분포하는 것을 특징으로 하는 음향 에너지 수확 장치.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 연장 보는 폭과 길이에 비해 두께가 얇게 형성된 판재로 만들어지고,
    상기 연장 보의 고정된 양단의 중앙 지점에는 질량체가 부착되며,
    상기 연장 보의 일면 또는 양면에 상기 압전소자가 부착된 것을 특징으로 하는 음향 에너지 수확 장치.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 대향 벽체에 형성된 상기 관통부의 테두리와 상기 연장 보 사이에는 상기 연장 보의 미세 진동 중에 상기 연장 보와 상기 관통부의 테두리가 서로 간섭하지 않도록 간극이 형성된 것을 특징으로 하는 음향 에너지 수확 장치.
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