KR101978495B1 - 충격 방식 압전 마이크로 발전기 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 충격 방식 압전 마이크로 발전기를 개시한다. 그의 발전기는, 개구부(Cavity)를 갖고, 상기 개구부에 인접하여 적어도 하나의 스톱(Stop) 영역을 갖는 베이스(Base)와, 상기 베이스에 고정되는 프레임(Frame)과, 상기 프레임에서 상기 개구부 상부로 연장되는 복수개의 제 1 진동 빔(Beam)들과, 상기 제 1 진동 빔들의 제 1 팁(Tip)들 사이에 연결되고 상기 스톱 영역 상으로 연장되는 충격 빔과, 상기 충격 빔에서 상기 개구부 상의 상기 제 1 진동 빔들 사이로 연장되며 제 2 팁을 가지는 제 2 진동 빔을 포함하는 진동 바디(Body)와, 상기 제 2 진동 빔에서부터 상기 충격 빔의 상부 또는 하부까지 배치되고, 상기 진동 바디와 상기 스톱 영역의 충격으로부터 상기 충격 빔 및 상기 제 2 진동 빔의 휘어짐에 따른 전력을 생성하는 압전 소자를 포함한다.
Description
본 발명은 자체적으로 전력을 발생하는 압전 발전기에 관한 것으로, 상세하게는 충격 방식 압전 마이크로 발전기에 관한 것이다.
일상 생활이나 생산 환경에 널리 사용되는 휴대용 전자기기들은 전원으로서 전지나 고정된 전원을 포함할 수 있다. 특히, 전지는 충전 또는 수명에 따라 주기적으로 교체가 요구된다. 전지의 교체 시에 정비 비용이 발생하고, 전지 폐기 시에는 환경 오염 등의 문제점들이 발생된다. 따라서, 최근에는 배터리나 고정 전원 등을 포함하는 전원을 대신하여 자체적으로 전력을 생성하고 동작하는 자급 전원형(Self-Powered) 전자기기의 필요성이 증대되고 있다. 특히, 센서 등의 감지 및 감시기기가 무선화 및 저전력화로 발전됨에 따라 주변 환경으로부터 전기 에너지를 회수 또는 수확하는 에너지 하베스팅(Energy Harvesting) 원리로써 전력을 공급할 수 있는 마이크로 발전기(Micro Power Generator)의 개발이 요구되고 있다. 이는 모듈 형태나 일체형으로 전자기기에 사용되어 독립 전원 또는 비상 전원으로서의 역할을 수행할 수 있다.
에너지 하베스팅에 의한 마이크로 발전은 환경 에너지가 항상 존재하는 곳, 예를 들면 차량, 모터, 철도, 항공, 도로, 교량, 공조, 자동화 라인 등에 사용할 경우 기술적, 경제적으로 큰 효과를 볼 수 있다. 예를 들어, 자동차 타이어의 공기압 상태를 실시간으로 모니터링 하는 무선 센서 모듈인 타이어 공기압 감지시스템(TPMS: Tire Pressure Monitoring System)을 마이크로 발전기와 함께 설치될 수 있다. 이때 마이크로 발전기는 타이어에서 발생하는 기계적 에너지를 전기 에너지로 변화시켜 외부 전원 공급 장치가 없어도 차량용 무선 센서 모듈에 전원을 제공할 수 있다.
압전 마이크로 발전기는 주변 환경에서 발생하는 진동, 충격, 회전력, 관성력, 압력 및 유체 흐름 등의 물리적 에너지를 전기 에너지로 변화시킬 수 있다. 주로, 압전 마이크로 발전기의 에너지 변환 기능 물질은 압전 물질(Piezoelectric Material)을 사용하고 있다. 압전 물질은 그 자체의 스트레인(Strain) 변화가 있을 때 전하(Electrical Charge)를 생성할 수 있다. 따라서 전극을 사용하여 이를 포집함으로써 전기 에너지를 발생시킬 수 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 간단한 구조를 가지고, 높은 효율로 전기 에너지를 발생시키고, 높은 신뢰성을 갖는 충격 방식 압전 마이크로 발전기를 제공하는 데 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 충격 방식 압전 마이크로 발전기는, 개구부(Cavity)를 갖고, 상기 개구부에 인접하여 적어도 하나의 스톱(Stop) 영역을 갖는 베이스(Base); 상기 베이스에 고정되는 프레임(Frame); 상기 프레임에서 상기 개구부 상부로 연장되는 복수개의 제 1 진동 빔(Beam)들과, 상기 제 1 진동 빔들의 제 1 팁(Tip)들 사이에 연결되고 상기 스톱 영역 상으로 연장되는 충격 빔과, 상기 충격 빔에서 상기 개구부 상의 상기 제 1 진동 빔들 사이로 연장되며 제 2 팁을 가지는 제 2 진동 빔을 포함하는 진동 바디(Body); 및 상기 제 2 진동 빔에서부터 상기 충격 빔의 상부 또는 하부까지 배치되고, 상기 진동 바디와 상기 스톱 영역의 충격으로부터 상기 충격 빔 및 상기 제 2 진동 빔의 휘어짐에 따른 전력을 생성하는 압전 소자를 포함한다.
상기 프레임은 상기 베이스의 상기 개구부를 둘러싸는 고리 모양 또는 링 모양을 가질 수 있다.
상기 베이스의 상기 스톱 영역은 상기 고리 모양 또는 상기 링 모양의 상기 프레임 내부에 배치될 수 있다.
상기 스톱 영역은 상기 진동 바디의 상기 충격 빔 양측 말단에 중첩되어 상기 충격 빔의 아래에 배치될 수 있다.
상기 스톱 영역은 상기 복수개의 제 1 진동 빔들 사이의 아래 또는 상기 충격 빔의 아래에 배치될 수 있다.
상기 스톱 영역은 상기 개구부를 가로지르게 배치될 수 있다.
상기 압전 소자는 상기 제 2 진동 빔의 일부분의 상부 또는 하부에 배치되어 상기 제 2 진동 빔의 휘어짐에 따른 전력을 생성할 수 있다.
상기 압전 소자는 상기 충격 빔의 일부분의 상부 또는 하부에 배치되어 상기 충격 빔의 휘어짐에 따른 전력을 생성할 수 있다.
상기 압전 소자는 압전 유니몰프(Unimorph), 압전 바이몰프(Bimorph) 또는 압전 멀티몰프(Multimorph)를 포함할 수 있다.
상기 압전 유니몰프는 상기 제 2 진동 빔 또는 상기 충격 빔 상에 배치된 하부 전극; 상기 하부 전극 상에 배치된 압전체; 및 상기 압전체 상에 배치된 상부 전극을 포함할 수 있다.
상기 압전체는 무기 물질, 유기 물질 및 그 혼합 물질 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 압전 소자의 상기 상부 전극 및 상기 하부 전극 또는 상기 프레임에 전기적으로 연결되는 적어도 하나의 배선; 및 상기 배선에 전기적으로 연결되어 상기 베이스에 배치된 적어도 하나의 패드(Pad)를 더 포함할 수 있다.
상기 하부 전극은 접착제 또는 증착막에 의해 상기 진동 바디에 고정될 수 있다.
상기 접착제는 전도성 또는 절연성 에폭시를 포함할 수 있다.
상기 압전 소자에 인접하여 상기 진동 바디의 상기 제 2 진동 빔의 상기 제 2 팁에 고정되어 상기 진동 바디의 감응 주파수를 조절하는 질량체(Mass)를 더 포함할 수 있다.
상기 베이스의 상부에서 상기 진동 바디의 이동거리를 제한하거나 보호 용도로 상기 진동 바디를 덮는 덮개인 리드(Lid)를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 충격 방식 압전 마이크로 발전기는, 베이스, 프레임, 진동 바디, 압전 소자, 및 질량체를 포함할 수 있다. 베이스는 진동 바디를 아래로 노출시키는 개구부와 상기 개구부에 인접하는 스톱 영역을 가질 수 있다. 프레임은 개구부의 둘레에 진동 바디를 고정할 수 있다. 진동 바디는 프레임에서 개구부 상부로 연장되는 복수개의 제 1 진동 빔들과, 제 1 진동 빔들의 제 1 팁들 사이에 연결되고 스톱 영역 상으로 연장되는 충격 빔과, 충격 빔에서 개구부 상의 제 1 진동 빔들 사이로 연장되며 제 2 팁을 가지는 제 2 진동 빔을 포함할 수 있다. 제 1 진동 빔들, 충격 빔, 제 2 진동 빔은 개구부 내에서 접힌(Folded) 구조를 가질 수 있다. 압전 소자는 제 2 진동 빔 및 충격 빔의 상부 또는 하부에 배치될 수 있다. 질량체는 압전 소자에 인접하여 제 2 진동 빔의 말단인 제 2 팁에 고정되어 진동 바디의 감응 주파수를 조절할 수 있다. 압전 소자는 접힌 구조를 가진 진동 바디와 스톱 영역의 충격에 의해 높은 전기 에너지를 출력할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 충격 방식 압전 마이크로 발전기는, 간단한 구조를 가지고, 높은 효율로 전기 에너지를 발생시키고, 높은 신뢰성을 가질 수 있다.
도 1a는 본 발명의 실시예에 따른 충격 방식 압전 마이크로 발전기의 평면도이다.
도 1b는 도 1a의 단면도이다.
도 2a 내지 도 2c는 도 1의 베이스에서 스톱 영역의 배치 형태를 나타내는 평면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 충격 방식 압전 마이크로 발전기에서 발생하는 출력 전압의 파형 패턴을 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 충격 방식 압전 마이크로 발전기에서 Z축 방향 외부 진동의 인가 가속도를 변화시켰을 때, 공진점의 전기 에너지 출력 특성을 발생 전력 및 출력 전압으로 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 충격 방식 압전 마이크로 발전기(100)에 1,500G/0.5 ㎳의 Shock 테스트를 실시한 후의 특성 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 1b는 도 1a의 단면도이다.
도 2a 내지 도 2c는 도 1의 베이스에서 스톱 영역의 배치 형태를 나타내는 평면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 충격 방식 압전 마이크로 발전기에서 발생하는 출력 전압의 파형 패턴을 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 충격 방식 압전 마이크로 발전기에서 Z축 방향 외부 진동의 인가 가속도를 변화시켰을 때, 공진점의 전기 에너지 출력 특성을 발생 전력 및 출력 전압으로 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 충격 방식 압전 마이크로 발전기(100)에 1,500G/0.5 ㎳의 Shock 테스트를 실시한 후의 특성 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.
그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 및 청구범위 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우 뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
도 1a는 본 발명의 실시예에 따른 충격 방식 압전 마이크로 발전기(100)의 평면도이고, 도 1b는 도 1a의 단면도이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 충격 방식 압전 마이크로 발전기(100)는, 크게, 진동 바디(120), 압전 소자(140), 질량체(180), 프레임(130), 베이스(260)를 포함할 수 있다.
진동 바디(120)는 외부 환경에 감응하여 기계적인 운동을 발생시킬 수 있다. 진동 바디(120)는 프레임(130)에서 개구부(210) 상부로 연장되는 복수개의 제 1 진동 빔들(121)과, 상기 제 1 진동 빔들(121)의 제 1 팁들 사이에 연결되고 스톱 영역(220) 상으로 연장되는 충격 빔(123)과, 상기 충격 빔(123)에서 상기 개구부(210) 상의 상기 제 1 진동 빔들(121) 사이로 연장되는 제 2 진동 빔(122)을 포함할 수있다. 제 1 진동 빔들(121)은 제 1 길이(L1) 및 제 1 선폭(a)을 가질 수 있다. 제 2 진동 빔(122)은 제 2 길이(L2)와, 제 2 선폭(b)을 가질 수 있다. 제 1 길이(L1)는 제 2 길이(L2)보다 길다. 충격 빔(123)은 제 3 길이(L3) 및 제 3 선폭(c)를 가질 수 있다. 제 1 진동 빔들(121), 충격 빔(123), 및 제 2 진동 빔(122)은 전체적으로 접힌(Folded) 모양으로 연결될 수 있다. 제 2 진동 빔(122)이 움직일 때 제 1 진동 빔들(121) 및 충격 빔(123)도 함께 연동되어 움직이게 된다. 접힌 모양의 제 1 진동 빔들(121), 충격 빔(123) 및 제 2 진동 빔(122)은 좁은 면적 내에서도 그들의 전체 길이가 증가되는 효과를 가질 수 있다. 따라서 진동 바디(120)는 외부의 낮은 진동 주파수에 대해서도 감응할 수 있게 된다. 제 1 내지 제 3 길이(L1, L2, L3)와, 제 1 내지 제 3 선폭(a, b, c) 및 두께(t)를 조절함에 의해 진동 감응 주파수를 보다 정밀히 조절할 수 있다.
진동 바디(120)와 프레임(130)은 FR4, FR5, Polyimide, PET, PDMS(Polydimethylsiloxane), 세라믹, 유리, 금속, 금속 합금, 플라스틱, 실리콘 등의 무기물계 재료나 유기물계 재료, 또는 그 혼합 물질 중 적어도 하나로 구성된다. 진동 바디(120)와 프레임(130)은 약 10~1,000㎛ 의 두께(t)를 가질 수 있다.
압전 소자(140)는 제 2 진동 빔(122)과 충격 빔(123)의 상부 또는 하부에 배치된 압전 유니몰프, 압전 바이몰프, 또는 압전 멀티몰프를 포함할 수 있다. 압전 유니몰프의 압전 소자(140)는 하부 전극(150)과 상기 하부 전극(150) 상의 압전체(160)와, 상기 압전체(160) 상의 상부 전극(170)을 포함할 수 있다. 압전 멀티몰프는 진동 바디(120)의 상부뿐만 아니라 하부에 배치될 수 있다. 하부 전극(150)과 진동 바디(120)는 접착제(110) 또는 증착막에 의해 연결될 수 있다. 접착제(110)는 전도성 또는 절연성 에폭시를 포함할 수 있다. 하부 전극(150)은 진동 바디(120)와의 접촉으로 이에 연결된 프레임(130)과 전기적으로 연결될 수 있다. 하부 전극(150) 및 상부 전극(170)들은 니켈(Ni), 은(Ag), 알루미늄(Al), 또는 금(Au)과 같은 금속을 포함할 수 있다. 하부 전극(150) 및 상부 전극(170)은 약 0.3~10㎛ 정도의 두께를 가질 수 있다.
압전체(160)는 진동 바디(120)의 기계적 변화를 전기적 에너지로 변환시킬 수 있다. 압전체(160)는 PZT, PZN-PT, PMN-PT, PMN-PZT, BaTiO3, 또는 PbTiO3 등의 세라믹과, AlN과 같은 금속 질화물과, ZnO와 같은 금속 산화물과, PVDF와 같은 유기물과, 나노 선(Nano Wire), 또는 나노 튜브(Nano Tube) 등의 나노 물질 등을 포함할 수 있다. 압전체(160)는 약 1~500㎛ 정도의 두께를 가질 수 있다.
질량체(180)는 압전체(160)에 인접하는 제 2 진동 빔(122)의 말단인 제 2 팁에 배치될 수 있다. 제 2 진동 빔(122)과 질량체(180)는 접착제(110) 또는 증착막에 의해 고정될 수 있다. 질량체(180)는 텅스텐과 같은 고밀도의 금속이나 그 혼합물을 포함할 수 있다. 또한, 무기물계 재료나 유기물계 재료, 또는 그 혼합 물질 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
압전 마이크로 발전기(100)는 질량체(180)의 질량 조절에 의해 감응 주파수가 조절될 수 있다.
베이스(260)는 FR4, FR5, Polyimide, PET, PDMS, 세라믹, 유리, 금속, 금속 합금, 플라스틱, 실리콘 등의 무기물계 재료나 유기물계 재료, 또는 그 혼합 물질 중 적어도 하나로 구성된다. 베이스(260)와 프레임(130)은 접착제(110) 또는 증착막에 의해 결합될 수 있다. 프레임(130)은 베이스(260)의 개구부(210)를 둘러싸는 고리 모양 또는 링 모양을 가질 수 있다.
진동 바디(120)는 프레임(130)에 의해 베이스(260)에 고정될 수 있다. 베이스(260)는 개구부(210)와 상기 개구부(210)에 인접하는 스톱 영역(220)을 가질 수 있다. 상기 스톱 영역(220)은 프레임(130) 내부의 아래에 배치될 수 있다.
개구부(210)의 선폭(W)는 제 1 진동 빔(121)의 제 1 길이(L1)와 충격 빔(123)의 제 3 길이(L3)를 합친 것보다 크다. 개구부(210)는 진동 바디(120)의 진동을 가능하게 할 수 있다. 베이스(260)의 높이(h)는 진동 바디(120)의 최대 변위를 제한할 수 있다.
베이스(260)의 스톱 영역(220)에 진동 바디(120)의 제 2 진동 빔(122) 및 충격 빔(123), 또는 제 2 진동 빔(122), 또는 충격 빔(123)이 충돌될 수 있다. 스톱 영역(220)은 진동 바디(120)에 충격 스트레인을 야기시켜 전기 에너지의 발생량을 증폭시킬 수 있다. 그의 기본 원리는 주변 환경에 의해 진동 바디(120)에서 제 2 진동 빔(122)의 일단인 제 2 팁이나 그 상에 결합된 질량체(180)가 상, 하로 ±△의 진폭으로 진동될 수 있다. 이때 충격 빔(123) 또는 타단 쪽의 제 2 진동 빔(122) 부분은 스톱 영역(220)으로 인해 진동 폭이 축소되어 상, 하로 ±δ의 진폭으로 미소하게 진동될 수 있다. 따라서 압전체(160)는 인가된 충격 스트레인에 의해 높은 전기 에너지를 출력할 수 있다. 즉, 스톱 영역(220)을 사용하여 진동 바디(120)의 일부에 진동 유발 충격(Vibration Induced Impact)을 인위적으로 야기시킴으로써, 전기 에너지 발생 출력을 높일 수 있다.
또한, 압전체(160)의 일부분이 진동 바디(120)의 충격 빔(123)이나 제 2 진동 빔(122)을 매개로 스톱 영역(220)에 단순하게 놓이는 자유 지지단(Free Supported End) 구조를 만들 수 있다. 그러므로 압전체(160)는 높은 충격과 같은 가혹한 운용조건을 감내하여 안정적으로 전기 에너지를 출력할 수 있다.
베이스(260)의 가장자리 상에 패드들(230)이 배치될 수 있다. 패드(230)는 압전 소자(140)의 상부 전극(170)으로부터 인출되는 배선(240)에 연결될 수 있다. 패드(230)는 압전 소자(140)의 하부 전극(150)과 전기적으로 도통된 프레임(130)에 배선(250)을 통하여 전기적으로 연결될 수 있다.
베이스(260)에는 진동 바디(120)의 이동거리를 제한하거나 보호 용도로 그 상부에서 진동 바디(120)를 덮는 덮개인 리드(Lid)(미도시)와 추가적으로 결합될 수 있다.
도 2a 내지 도 2c는 도 1의 베이스(260)에서 스톱 영역(220)의 배치 형태를 나타내는 평면도이다.
도 1a 및 도 2a를 참조하면, 스톱 영역(220)은 진동 바디(120)의 충격 빔(123)의 양측 말단에 중첩되어 충격 빔(123)의 아래에 위치할 수 있다. 스톱 영역(220)은 베이스(260)의 개구부(210) 모서리에 배치될 수 있다.
도 1a 및 도 2 b를 참조하면, 스톱 영역(220)은 복수개의 제 1 진동 빔들(121) 사이의 아래 또는 충격 빔(123)의 아래에 배치될 수 있다.
도 1a 및 도 2 c를 참조하면, 스톱 영역(220)은 개구부(210)를 가로지르게 배치될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 스톱 영역(220)은 특정한 형상에만 한정되는 것이 아니라 이의 변형 및 응용이 가능하다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 충격 방식 압전 마이크로 발전기(100)에서 발생하는 출력 전압의 파형 패턴을 나타낸 그래프이다.
외부 환경을 모사하기 위하여 충격 방식 압전 마이크로 발전기(100)에 가진 시스템을 사용하여 인위적으로 Z축 방향으로 51.8㎐ 의 Sine 파형 진동을 인가하였다.
도 3을 참조하면, 충격 방식 압전 마이크로 발전기(100)는 불규칙적인 파형 패턴의 출력 전압(Vpp)을 출력한다. 즉, 압전 소자(140)는 진동 바디(120)가 스톱 영역(220)에 충돌될 때마다 주기적으로 높은 전기 에너지를 발생시키고 있다. 여기서, 질량체(180)는 베이스(260)의 위 아래 방향에 대해 주파수 51.8㎐ 로 진동되며, 진동 바디(120)는 50㎛ 의 두께를 갖는다. 압전 소자(140)의 압전체(160)는 127㎛ 두께의 PZT를 포함할 수 있다. 본 발명의 실시 예에 따른 충격 방식 압전 마이크로 발전기(100)는 진동 유발 충격에 의해 일반적인 단순 공진형 압전 마이크로 발전기보다 조밀하고 지속적인 출력 전압을 발생시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 충격 방식 압전 마이크로 발전기(100)에서 Z축 방향 외부 진동의 인가 가속도를 변화시켰을 때, 공진점의 전기 에너지 출력 특성을 발생 전력 및 출력 전압으로 나타낸 그래프이다.
측정에 사용된 충격 방식 압전 마이크로 발전기(100)의 전체 면적은 20x20㎜ 이고, 진동 바디(120)는 약 13x12㎜ 정도의 면적을 갖고, 50㎛ 정도의 두께를 가질 수 있다. 압전체(160)는 37㎟의 면적을 가지며, 질량체(180)는 0.62g 정도의 무게를 가질 수 있다. 발전기(100)의 베이스(260)의 상부에서 진동 바디(120)를 덮는 뚜껑인 리드(Lid)(미도시)를 제작하여 결합함으로써 진동 바디(120)의 최대 이동거리를 ±1㎜로 제한하였다. 외부에 연결된 부하저항은 RL=2.98㏀ 이며, 공진 주파수는 50.2~64㎐ 범위이다. 여기에서 1G=9.8㎨ 이다.
도 4를 참조하면, 공진점에서의 발생 전력은 인가 가속도에 따라 로그 선형성을 보이며, 특히 1.4G/62.3㎐ 의 가진 조건에서 발생 전력은 최대/평균=1.81㎽/1.09㎽, 1.58G/64Hz 인가 조건에서 2.53㎽/1.19㎽ 로 약 1㎽ 이상의 큰 값을 보인다. 따라서 충격 방식 압전 마이크로 발전기(100)는 소형의 구조로도 통상의 센서 모듈에서 요구하는 최소 전력 이상의 전력을 제공할 수 있어 전원 운용면에서 여유를 확보할 수 있다.
일반적인 압전 마이크로 발전기는 탑재되는 모듈, 예를 들면 TPMS시스템과 같이 가혹한 외부 환경에 노출되어 사용되는 응용 분야가 많다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 충격 방식 압전 마이크로 발전기(100)에 극한 조건의 기계적인 Shock 를 인위적으로 인가함으로써 동작 신뢰성을 평가하였다. Lansmont사의 충격 시험 시스템을 이용한 기계적인 Shock 는 가속도 크기 1,500G 로 0.5 ㎳ 동안 Z축 방향으로 인가되었다. Shock 테스트를 실시한 충격 방식 압전 마이크로 발전기(100)의 전체 면적은 20x20㎜ 이고, 진동 바디(120)는 약 13x12㎜ 정도의 면적을 갖고, 100㎛ 정도의 두께를 가질 수 있다. 압전체(160)는 40㎟ 의 면적을 가지며, 질량체(180)는 0.62g 정도의 무게를 가질 수 있다. 발전기(100)의 베이스(260)의 상부에서 진동 바디(120)를 덮는 뚜껑인 리드(Lid)(미도시)를 제작하여 결합함으로써 진동 바디(120)의 최대 이동거리를 ±１㎜ 로 제한하였다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 충격 방식 압전 마이크로 발전기(100)에 1,500G/0.5 ㎳ 의 Shock 테스트를 실시한 후의 특성 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5를 참조하면, 외부 부하저항이 RL=6.72㏀ 일 때, 충격 방식 압전 마이크로 발전기(100)는 Z축 방향 인가 가속도 0.637G일 때 124.3㎐ 의 진동 감응 공진 주파수를 가질 수 있다. 이때 최대/평균 발생 전력은 767㎼/456㎼ 로 구해졌다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 충격 방식 압전 마이크로 발전기(100)는 가혹조건 인가 후에도 정상적인 공진 주파수와 출력 전압 및 전력을 발생할 수 있다.
충격 방식 압전 마이크로 발전기(100)는 소형의 간단한 구조로도 낮은 주파수 영역에서 감응하도록 설계된 대로의 특성을 보이고 있다. 그리고 진동 유발 충격에 의해 소형 구조로도 높은 전기 에너지 발생이 가능하여 일반 무선센서 모듈에서 요구하는 출력 수준을 만족시킬 수 있다. 또한, 가혹조건의 외부 충격 후에도 정상적인 전기 에너지 발생 특성이 나타나 높은 신뢰성을 확인할 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시 예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 압전 마이크로 발전기 110: 접착제
120: 진동 바디(Body) 121: 제 1 진동 빔(Beam)
122: 제 2 진동 빔 123: 충격 빔
130: 프레임(Frame) 140: 압전 소자
150: 하부 전극 160: 압전체
170: 상부 전극 180: 질량체(Mass)
210: 개구부(Cavity) 220: 스톱(Stop) 영역
230: 패드(Pad) 240, 250: 배선
260: 베이스(Base)
120: 진동 바디(Body) 121: 제 1 진동 빔(Beam)
122: 제 2 진동 빔 123: 충격 빔
130: 프레임(Frame) 140: 압전 소자
150: 하부 전극 160: 압전체
170: 상부 전극 180: 질량체(Mass)
210: 개구부(Cavity) 220: 스톱(Stop) 영역
230: 패드(Pad) 240, 250: 배선
260: 베이스(Base)
Claims (16)
- 개구부(cavity)와, 상기 개구부의 일측 외곽에 배치된 적어도 하나의 스톱 영역을 갖는 베이스;
상기 개구부 및 상기 스톱 영역의 외곽을 따라 상기 베이스 상에 고정되는 프레임;
상기 프레임에 연결되고, 상기 개구부 및 상기 스톱 영역 상으로 연장되는 진동 바디; 및
상기 개구부 위의 상기 진동 바디 상에 배치되는 압전 소자를 포함하되,
상기 진동 바디는:
상기 개구부의 타측 외곽의 상기 프레임에서 상기 개구부의 상기 일측 외곽의 상기 스톱 영역 상부까지 제 1 방향으로 연장되는 복수개의 제 1 진동 빔들;
상기 스톱 영역 상의 상기 제 1 진동 빔들의 제 1 팁들 사이에 상기 제 1 방향과 교차하는 제 2 방향으로 연결되는 충격 빔; 및
상기 충격 빔에 연결되고, 상기 제 1 진동 빔들 사이에 상기 제 1 방향으로 연장되는 제 2 진동 빔을 포함하되,
상기 압전 소자는 상기 충격 빔과 상기 제 2 진동 빔 상에 배치되고, 상기 진동 바디와 상기 스톱 영역의 충격으로부터 상기 충격 빔과 상기 제 2 진동 빔의 휘어짐에 따른 전력을 생성하는 충격 방식 압전 마이크로 발전기. - 제 1 항에 있어서,
상기 프레임은 고리 모양 또는 링 모양을 갖는 충격 방식 압전 마이크로 발전기. - 제 2 항에 있어서,
상기 스톱 영역은 상기 프레임 내부의 상기 개구부의 상기 일측 외곽의 모서리들에 배치되는 충격 방식 압전 마이크로 발전기. - 제 3 항에 있어서,
상기 스톱 영역은 상기 제 2 방향의 상기 충격 빔의 양측 말단들 사이에 배치되는 충격 방식 압전 마이크로 발전기. - 제 3 항에 있어서,
상기 스톱 영역은 상기 개구부를 가로질러 상기 복수개의 제 1 진동 빔들과 상기 충격 빔의 아래에 배치되는 충격 방식 압전 마이크로 발전기. - 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 압전 소자는 상기 제 2 진동 빔의 휘어짐에 따른 전력을 생성하는 충격 방식 압전 마이크로 발전기. - 제 1 항에 있어서,
상기 압전 소자는 상기 충격 빔의 휘어짐에 따른 전력을 생성하는 충격 방식 압전 마이크로 발전기. - 제 1 항에 있어서,
상기 압전 소자는 압전 유니몰프(Unimorph), 압전 바이몰프(Bimorph), 또는 압전 멀티몰프(Multimorph)를 포함하는 충격 방식 압전 마이크로 발전기. - 제 9 항에 있어서,
상기 압전 유니몰프는 상기 제 2 진동 빔 및 상기 충격 빔 상에 배치된 하부 전극;
상기 하부 전극 상에 배치된 압전체; 및
상기 압전체 상에 배치된 상부 전극을 포함하는 충격 방식 압전 마이크로 발전기. - 제 10 항에 있어서,
상기 압전체는 무기 물질, 유기 물질 및 그 혼합 물질 중 적어도 하나를 포함하는 충격 방식 압전 마이크로 발전기. - 제 10 항에 있어서,
상기 압전 소자의 상기 상부 전극, 상기 하부 전극, 또는 상기 프레임에 전기적으로 연결되는 적어도 하나의 배선; 및
상기 배선에 전기적으로 연결되어 상기 베이스에 배치된 적어도 하나의 패드를 더 포함하는 충격 방식 압전 마이크로 발전기. - 제 10 항에 있어서,
상기 하부 전극은 접착제 또는 증착막에 의해 상기 진동 바디에 고정된 충격 방식 압전 마이크로 발전기. - 제 13 항에 있어서,
상기 접착제는 전도성 또는 절연성 에폭시를 포함하는 충격 방식 압전 마이크로 발전기. - 제 1 항에 있어서,
상기 압전 소자에 인접하여 상기 진동 바디의 상기 제 2 진동 빔의 제 2 팁에 고정되어 상기 진동 바디의 감응 주파수를 조절하는 질량체(Mass)를 더 포함하는 충격 방식 압전 마이크로 발전기. - 제 1 항에 있어서,
상기 베이스의 상부에서 상기 진동 바디의 이동거리를 제한하거나 보호 용도로 상기 진동 바디를 덮는 덮개인 리드(Lid)를 더 포함하는 충격 방식 압전 마이크로 발전기.
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