KR102125405B1 - 넓은 동작 주파수 범위를 갖는 자가 공진 조절 압전 에너지 하베스터 - Google Patents

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Abstract

자가 공진 조절 압전 에너지 하베스터가 제공된다. 자가 공진 조절 압전 에너지 하베스터는 수평 방향을 따라 연장된 압전 빔, 상기 압전 빔의 양단을 고정하는 고정 부재 및 상기 압전 빔을 따라 이동이 가능하도록 상기 압전 빔에 연결된 질량체를 포함하되, 상기 질량체는 상기 압전 빔이 통과되는 관통홀을 포함하고, 상기 관통홀을 통해 상기 이동을 수행한다. 자가 공진 조절 압전 에너지 하베스터의 질량체는 지속적으로 공진 위치를 찾아가는 원리에 기인하여, 압전 빔의 발생 변위를 최대로 유도하고 압전 에너지 하베스터의 전기 생산 능력을 극대화시킬 수 있다.

Description

넓은 동작 주파수 범위를 갖는 자가 공진 조절 압전 에너지 하베스터{Self-resonance tuning piezoelectric energy harvester with broadband operation frequency}
본 발명은 넓은 동작 주파수 범위를 갖는 공진형 압전 에너지 하베스터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 장치에 인가되는 추가적인 에너지 공급 혹은 압전 구조체의 변경 없이, 외부 진동의 주파수와 장치의 고유 진동수가 일치하도록 유격을 갖는 질량체가 스스로 찾아가게 함으로써, 진동의 주파수가 가변적인 환경에서도 공명현상이 지속적으로 유지할 수 있는 압전 에너지 하베스터에 관한 것이다.
[국가지원 연구개발에 대한 설명]
본 연구는 한국에너지기술평가원의 관리 하에 산업통산자원부의 산업기술혁신사업(에너지기술개발사업)의 "스마트 센서의 독립전원을 위한 에너지 하베스팅 소재 및 모델 개발에 관한 연구"(과제 고유번호: 20182010106361)의 지원에 의하여 이루어진 것이다.
본 연구는 국가과학기술연구회의 관리 하에 과학기술정보통신부의 창의형 융합연구사업의 "압전/정전/전기화학 기반 하이브리드 에너지 하베스팅 소재 및 소자 개발에 관한 연구"(과제 고유번호: CAP-17-04-KRISS)의 지원에 의하여 이루어진 것이다.
국내 전력수요는 매년 증가하여 전력소비량이 급증하는 여름 및 겨울철에 블랙아웃 위기를 초래하고 있는 상황으로, 미래 에너지자원의 안정적 확보 및 전력수요 증대에 대응하기 위한 노력이 전 세계적으로 이루어지고 있고, 신 재생 에너지에 대한 관심도 또한 폭발적으로 증가하고 있는 추세이며, 특히, 태양광, 풍력, 파력, 열, 운동 에너지 등을 전기적 에너지로 전환하는 에너지 하베스팅(energy harvesting) 기술에 대한 개발이 가속화되고 있는 상황이다.
여러 에너지 하베스팅 기술 중 압전 에너지 하베스터는 외부 환경으로부터 압전 소재의 물리적인 변형을 유도, 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 장치이며, 주위의 버려지는 충격, 압력, 진동 등의 에너지를 전기 에너지로 활용할 수 있는 일종의 에너지 발생 장치이다.
진동을 이용한 압전 에너지 하베스터의 경우, 장치의 고유 진동수를 발생되는 변위가 최대가 되는 공진 주파수에 맞춰서 구조를 설계해야 한다. 하지만 이 경우, 공진 주파수가 장치의 고정된 고유 진동수를 벗어나게 되면, 발생 변위가 크게 감소하여 압전 출력이 크게 감소하게 된다. 따라서, 구조체의 비선형적인 공진 특성을 이용하거나, 액추에이터 혹은 구조체 크기를 조절하여 고유 진동수를 변화시키는 방법 등이 종래 사용되고 있지만, 공진 주파수 이외의 주파수 대역에서는 발생되는 변위가 크게 감소하고, 외부의 추가적인 공급을 필요로 하기 때문에 에너지 측면에서 효율적이지 못하다.
한국등록특허 10-1190451
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 고안된 것으로서, 외부의 가변적인 진동이 가해질 때, 이동형 질량체가 압전빔의 공진이 발생하는 위치로 스스로 이동하기 때문에 넓은 동작 주파수 대역폭을 특징으로 하며, 또한 공진을 지속적으로 유지하여 추가적인 공급 없이 압전 출력 효율을 극대화한 자가 공진 조절 압전 에너지 하베스터를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자가 공진 조절 압전 에너지 하베스터는 수평 방향을 따라 연장된 압전 빔; 상기 압전 빔의 양단을 고정하는 고정 부재; 및 상기 압전 빔을 따라 이동이 가능하도록 상기 압전 빔에 연결된 질량체를 포함하되, 상기 질량체는 상기 압전 빔이 통과되는 관통홀을 포함하고, 상기 관통홀을 통해 상기 이동을 수행한다.
일 실시예에서, 상기 질량체는 상기 압전 빔과 연결된 위치에 따라 공진 주파수가 상이하며, 상기 질량체는 상기 압전 빔에 제공되는 입력 주파수와 공진 가능한 압전 빔의 위치로 이동할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 관통홀은 압전 빔이 통과되는 공간 외에 여유 공간을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 질량체가 상기 공진 가능한 압전 빔의 위치로 이동할수록 압전 빔의 발생 변위는 증가하고, 상기 발생 변위가 상기 여유 공간보다 커짐에 따라 상기 질량체는 상기 공진 가능한 압전 빔의 위치에 고정될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 압전 빔에서 측정되는 시간에 따른 출력 특성은 사인파 형태로 나타나며, 상기 사인파는 양의 출력이 최대로 나타나는 지점에서 변곡점을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 압전 빔은 기판, 상기 기판으로부터 굽힘 모멘트를 전달받는 압전 에너지 하베스터 단위 소자를 포함하고, 상기 압전 에너지 하베스터 단위 소자는 제1 전극, 상기 제1 전극 상에 위치하는 압전 물질, 상기 압전 물질상에 위치하는 제2 전극을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 압전 물질은 PZT, Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PZN-PT), [Pb(Mg1/3Nb2/3)O3]-[PbTiO3](PMN-PT), (NaxK1-x)NbO3(NKN), BaTiO3, ZnO, CdS 및 AlN으로 구성된 그룹에서 선택된 하나의 압전 단결정, 상기 그룹에서 선택된 적어도 하나 이상의 물질로 구성된 Macrofiber composite(MFC), 2-2 composite 등의 압전 혼합물, 또는 PVDF, PVDF-TrFE 등의 폴리머 압전재료를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터는 압전빔(Piezoelectric Beam)과 질량체로 구성되어 간단한 구조를 가지며, 질량체는 외부 진동에 대응하여 공진이 발생하는 압전빔 상의 위치로 이동하여 고정될 수 있다. 따라서, 본 발명의 압전 빔은 사용자의 개입을 최소화함과 동시에 넓은 주파수 대역에서 효율적으로 전기 에너지 생산이 가능하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터는 가변적인 진동이 가해지는 환경은 어디든 적용이 가능하며, 미래의 스마트 팩토리 구현을 위한 저전력 센서의 전원 공급원으로 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 빔의 구조를 나타낸 개략도이다.
도 3은 도 1의 압전 빔에서 질량체의 위치 변화에 따른 공진 주파수의 특성을 도시한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 질량체의 단면도이다.
도 5는 질량체가 수평 이동한 압전 에너지 하베스터를 나타낸 개략도이다.
도 6은 시간에 따른 압전 빔의 출력 특성을 도시한 그래프이다.
도 7a은 본 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터의 출력 특성을 확대하여 나타낸 그래프이다.
도 7b는 종래 구조의 압전 에너지 하베스터의 출력 특성을 확대하여 나타낸 그래프이다.
도 8은 고정형 질량체와 이동형 질량체의 입력 주파수 대역 폭에 따른 최대 출력 특성을 비교한 그래프이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당 업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예와 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로 기술된 것이 아니며, 본 발명의 범위는 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 관례 또는 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 명세서의 설명 부분에서 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 명세서에서 사용되는 용어는, 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가지는 실질적인 의미와 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 해석되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터의 개략도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 빔의 구조를 나타낸 개략도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 압전 에너지 하베스터(10)는 압전 빔(100), 질량체(110) 및 고정 부재(120)를 포함한다.
압전 빔(100)은 제1 방향(D1)을 따라 연장된 형태일 수 있다. 여기서, 제1 방향은 수평 방향을 의미한다. 압전 빔(100)은 양 말단이 고정 부재(120)에 의해 고정될 수 있다. 압전 빔(100)은 양 말단이 고정된 상태에서 제1 방향과 수직한 제2 방향(D2)으로 진동될 수 있다. 제2 방향은 압전 빔(100)의 연장 방향과 수직한 방향일 수 있고, 압전 빔(100)은 도 1에 도시된 바와 같이 상, 하로 진동될 수 있다. 압전 빔(100)은 상술한 진동에 의해 전압을 생성할 수 있다.
압전 빔(100)은 기판(S), 압전 에너지 하베스터 단위 소자(E)를 포함한다. 압전 에너지 하베스터 단위 소자(E)는 기판(S) 상에 위치할 수 있다. 몇몇 실시예에서 압전 에너지 하베스터 단위 소자는 복수 개로 구비될 수도 있다. 하나 이상의 압전 에너지 하베스터 단위 소자(E)는 기판(S)을 사이에 두고 대칭되어 위치하는 제1 압전 에너지 하베스터 단위 소자 및 제2 압전 에너지 하베스터 단위 소자로 구성될 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며 복수의 압전 에너지 하베스터 단위 소자(E)는 기판(S)상에 순차적으로 위치할 수도 있으며, 사용 환경 및 설계 목적 등에 따라 다양한 형태로 구현될 수 있다.
기판(S)은 금속 재질로 구성될 수 있으며, 고정 부재(120)에 연결될 수 있다. 기판(S)은 큰 종횡 비를 가지며, 진동 환경에 적합한 캔틸레버일 수 있다. 기판(S)은 소정의 곡률로 굽어질 수 있으며, 물리적인 힘을 압전 에너지 하베스터 단위 소자(E)로 분산할 수 있고, 초기 상태로 복원시키는 복원력을 제공할 수 있다. 기판(S)의 위치 변화에 따라 압전 에너지 하베스터 단위 소자(E)에 전압이 유도될 수 있다.
압전 에너지 하베스터 단위 소자(E)는 기판(S)상에 위치하며 기판(S)으로부터 굽힘 모멘트를 전달받을 수 있다. 하베스터 단위 소자(E)는 제1 전극(102), 압전 물질(104), 제2 전극(106)을 포함할 수 있다. 제1 전극(102), 압전 물질(104), 제2 전극(106)은 순차적으로 적층된 구조일 수 있으며, 기판(S)상에 제1 전극(102)이 위치할 수 있다.
제1 전극(102)은 압전 물질(104)이 압전 에너지를 발생할 때, 이를 외부로 전달하는 압전 전극일 수 있으며, 높은 전기전도성을 가지는 도전체를 포함할 수 있다. 제2 전극(106)은 압전 물질(104)상에 위치할 수 있고, 압전 물질(104)이 압전 에너지를 발생할 때, 이를 외부로 전달하는 압전 전극일 수 있고, 높은 전기전도성을 가진 도전체를 포함할 수 있다.
압전 물질(104)은 압전 효과를 기반으로 외력으로부터 전압을 발생시키는 물질을 포함할 수 있다. 압전 물질(104)로 전달된 응력에 의한 기계적 일그러짐에 의해 물질 내 유전 분극이 유발되어 압전 물질(104) 상하에 전위차가 발생할 수 있다. 압전 물질(104)의 상하에 위치한 제1 전극(102) 및 제2 전극(106)은 전위차가 형성될 수 있고, 이에 대응되는 크기의 전압이 발생할 수 있다.
압전 물질(104)은 PZT, Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PZN-PT), [Pb(Mg1/3Nb2/3)O3]-[PbTiO3](PMN-PT), (NaxK1-x)NbO3(NKN), BaTiO3, ZnO, CdS 및 AlN으로 구성된 그룹에서 선택된 하나의 압전 단결정을 포함할 수 있다. 또는 압전 물질(104)은 상기 그룹에서 선택된 적어도 하나 이상의 물질로 구성된 Macrofiber composite(MFC), 2-2 composite 등의 압전 혼합물을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 압전 물질(104)은 PVDF, PVDF-TrFE 등의 폴리머 압전재료일 수 있다.
압전 물질(104)은 박막 형태 및 폴리머(polymer) 기반의 필름 구조, 나노/마이크로 구조체 물질과 폴리머의 혼합체 등 다양한 형태로 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 본 실시예에서, 압전 빔(100)이 공진 주파수에 의해 큰 변위가 발생하는 점을 감안할 때, 기계적 강도가 우수하며, 유연한 가요성 PVDF 폴리머 기반의 필름 구조로 압전 물질(104)은 구성될 수 있다.
압전 에너지 하베스터(10)는 기판(S)에 소정의 입력 주파수로 진동을 제공할 수 있는 진동 발생 부재(미도시) 및 압전 에너지 하베스터 단위 소자(E)에서 생성된 전압을 정류하고 축적할 수 있는 에너지 저장 회로(미도시), 압전 에너지 하베스터(10)의 각 구성을 수납하는 하우징(미도시)을 더 포함할 수 있다.
질량체(110)는 압전 빔(100)을 따라 이동이 가능하도록 압전 빔(100)에 연결된다. 질량체(110)는 밀도가 기판(S)보다 큰 금속 재질로 구성될 수 있으며, 압전 빔(100)의 최대 변형량을 확대하여, 압전 에너지 하베스터(10)에서 발생되는 전기 생산량을 증가시킬 수 있다. 압전 에너지 하베스터(10)에는 외부로부터 입력 주파수가 제공될 수 있으며, 입력 주파수에 의해 압전 빔(100)은 진동될 수 있다. 압전 빔(100)과 연결된 상태에서 질량체(110)는 외부에서 제공된 입력 주파수와 공진할 수 있으며, 질량체(110)가 외부의 입력 주파수와 공진하는 경우, 압전 빔(100)의 발생 변위는 보다 확대되어 보다 많은 전압이 생성될 수 있다. 다만, 질량체(110)는 압전 빔(100)과 연결된 위치에 따라 공진 가능한 주파수가 상이할 수 있다.
도 3은 도 1의 압전 빔에서 질량체의 위치 변화에 따른 공진 주파수의 특성을 도시한 그래프이다. 압전 빔(100)을 제2 방향으로 이등분 하는 가상의 선을 압전 빔의 중심이라고 정의할 때, 상기 압전 빔의 중심에서 고정 부재(120)를 향해 멀어질수록 질량체(110)의 공진 주파수는 증가할 수 있다. 기계 진동학 이론에 따르면 공진 주파수는 진동 시스템의 질량과 스프링 상수에 의존한다. 전체 구조의 질량은 일정하지만 압전 빔의 중심에서 멀어질수록 스프링 상수가 커지기 때문에 질량체(110)가 공진하게 되는 공진 주파수의 크기는 커지게 된다. 이러한 특성은 도 3에 도시된 바와 같이 실험에 따라 측정된 데이터 및 유한요소법에 의한 계산에 의한 데이터에서 동일하게 나타난다. 압전 빔의 중심을 기준으로 좌, 우로 멀어질수록 공진 주파수가 증가하는 것을 알 수 있으며, 이는 대칭적인 형태로 측정 및 계산되었다.
여기서, 본 실시예에 따른 질량체(110)는 외부에서 제공되는 입력 주파수와 공진될 수 있는 압전 빔(100)의 위치로 스스로 이동될 수 있으며, 공진이 발생되는 위치에 고정되어 압전 빔(100)의 진동을 유도하여 많은 전압을 생성할 수 있다. 질량체(110)는 압전 빔(100)의 중심을 기준으로 왼쪽 방향으로 이동하거나, 오른쪽 방향으로 이동할 수 있다. 질량체(110)는 압전 빔(100)이 통과되는 관통홀(H)을 포함하고, 관통홀(H)을 통해 위치 이동을 수행할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터(10)는 질량체(110)의 위치 이동에 의해 자가 공진 조절이 가능한 자가 공진 조절 압전 에너지 하베스터일 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 질량체의 단면도이며, 도 5는 질량체가 수평 이동한 압전 에너지 하베스터를 나타낸 개략도이고, 도 6은 시간에 따른 압전 빔의 출력 특성을 도시한 그래프이다.
압전 빔(100)의 외부로부터 입력 주파수가 제공되지 않은 상황에서 질량체(110)는 압전 빔(100)에 고정되지 않은 상태이다. 외부로부터 입력 주파수가 제공되어 압전 빔(100)에 진동이 발생하는 경우, 질량체(110)는 압전 빔(100)과 연결된 위치가 이동될 수 있고, 질량체(110)의 이동 범위는 압전 빔(100)이 연장된 길이, 고정 부재(120)에 의해 정의되는 공간으로 한정될 수 있다.
질량체(110)는 관통홀(H)을 포함하며, 관통홀(H)을 통해 압전 빔(100)과 연결될 수 있다. 관통홀(H)은 압전 빔(100)이 통과되는 공간 외에 여유 공간을 포함할 수 있다. 질량체(110)와 압전 빔(100)은 유격을 포함한 체 연결될 수 있으며, 여유 공간에 해당하는 유격을 통해 질량체(110)는 질량체(110)는 압전 빔(100)에 연결된 상태에서 압전 빔(100)을 따라 이동이 가능할 수 있다. 관통홀(H)의 수직 높이는 압전 빔(100)의 수직 두께보다 높을 수 있다. 관통홀(H)의 제2 방향에 따른 길이는 압전 빔(100)의 제2 방향에 따른 길이보다 길 수 있다. 예시적으로, 관통홀(H)의 수직 높이는 압전 빔(100)의 수직 두께의 약 3배일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 질량체(110)은 관통홀(H)의 여유 공간을 통해 압전 빔(100)과 연결을 유지한 체 압전 빔(100)을 연장 방향에 따라 이동되어 압전 빔(100)과 접촉된 위치가 변경될 수 있다. 이하에서, 질량체(110)의 이동을 본 발명의 압전 에너지 하베스터의 출력 특성과 함께 보다 상세히 설명하도록 한다.
도 6은 본 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터(10)에 일정 크기의 입력 주파수를 제공하고 시간에 따른 전압의 출력 특성을 도시한 그래프이다. 질량체(110)는 입력 주파수가 제공되는 초기에 압전 빔(100)의 중심에 위치할 수 있으며, 외부 진동원과 일치하는 압전 빔(100)의 공진 영역을 찾아 이동될 수 있다. 압전 에너지 하베스터(10)에 일정 크기의 입력 주파수가 제공되는 경우, 압전 빔(100)은 1차 공진과 같은 형상, 사인파로 진동될 수 있으며, 이러한 변위는 질량체(110)의 관통홀(H)의 여유 공간보다 작을 수 있다. 즉, 질량체(110)가 공진이 발생하는 압전 빔(100)의 위치로 이동하기 전까지 발생하는 변위는 질량체(110)의 관통홀(H)의 여유 공간보다 작을 수 있으며, 질량체(110)는 압전 빔(100)과 연결된 상태로 압전 빔(100)을 따라 이동이 가능할 수 있다. 진동이 일부 발생하는 상황에서 질량체(110)의 이동은 보다 용이할 수 있다.
다만, 질량체(110)가 공진이 가능한 압전 빔(100)의 위치로 점점 이동할 수록 압전 빔(100)의 발생 변위는 증가하고, 이러한 발생 변위는 질량체(110)의 관통홀(H)의 여유 공간 보다 커질 수 있다. 도 6의 그래프에서, 약 28초가 지난 이후부터 공진이 발생된 것으로 측정되었으나 출력되는 전압의 비공진 상태보다 확연히 증가한 것을 확인할 수 있다.
질량체(110)가 공진이 발생하는 압전 빔(100)의 위치로 이동함에 따라 증가된 압전 빔(100)의 발생 변위에 따라 질량체(110)는 공진이 발생하는 압전 빔(100)의 위치에 고정될 수 있다. 공진할 수 있는 압전 빔(100)의 위치로 이동한 질량체(110)가 공진 가능한 위치에 고정되어 압전 빔(100)의 변위를 확대함에 따라 압전 에너지 하베스터(10)는 높은 출력의 전압을 계속해서 생성할 수 있다. 도 6의 그래프에서, 약 41초가 지난 이후부터 생성되는 전압은 최대로 출력되며 최대 출력 전압은 계속해서 유지되는 것을 확인할 수 있다. 또한, 도 6의 그래프에서, 비공진에서 최대 출력 전압은 1.2V이지만 공진에서는 8.1V로 변위 확대로 인한 출력 전압 증가가 확연하게 나타나는 것을 알 수 있다.
도 7a은 본 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터의 출력 특성을 확대하여 나타낸 그래프이며, 도 7b는 종래 구조의 압전 에너지 하베스터의 출력 특성을 확대하여 나타낸 그래프이다.
시간에 따른 압전 에너지 하베스터의 출력, 압전 빔에서 측정되는 시간에 따른 출력 특성은 사인파 형태로 나타나며, 압전 빔(100)의 공진이 1차 모드로 발생한 것임을 확인할 수 있다. 본 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터의 질량체(110)의 관통홀(H)은 압전 빔(100)이 통과하는 영역 외에 여유 공간, 즉 유격을 포함하고 있는 바, 사인파의 양의 출력이 최대로 나타나는 지점에서 변곡점(도 7a의 그래프에서 원으로 표시된 부분)이 나타난다. 이러한 부분은 종래 구조의 압전 에너지 하베스터의 출력 특성에서는 확인되지 않는다.
상술한 바와 같이, 질량체(110)가 공진하는 공진 주파수는 연결된 압전 빔(100)의 위치에 따라 상이할 수 있고, 압전 빔(100)에 제공되는 입력 주파수는 압전 에너지 하베스터(10)에 위치되는 공간 및 환경에 따라 상이할 수 있다. 다만, 본 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터(10)는 외부에서 제공되는 입력 주파수와 공진하는 압전 빔(100)의 위치로 질량체(100)가 스스로 이동될 수 있으며, 해당 위치에 계속 머무르면서 높은 출력 전압의 생성을 유도할 수 있다. 즉, 본 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터(10)는 외부에서 제공되는 입력 주파수에 공진이 가능한 위치로 질량체(110)가 이동되어 변위를 확대할 수 있는 바, 질량체가 고정된 종래 구조 대비하여 넓은 입력 주파수의 범위에서 높은 출력을 제공할 수 있다.
도 8은 고정형 질량체와 이동형 질량체의 입력 주파수 대역 폭에 따른 최대 출력 특성을 비교한 그래프이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 고정형 질량체의 경우 특정 주파수에서만 최대 출력을 나타낼 수 있다. 즉, 특정 주파수에 공진할 수 있는 위치로 고정형 질량체는 고정될 수 있으며, 외부에서 제공되는 주파수가 변경되는 경우 위치가 고정되어 있는 바 공진이 불가능하다. 이와 달리, 본 발명의 이동형 질량체(110)는 고정된 주파수가 아닌 넓은 주파수 대역에서 높은 출력을 제공할 수 있다. 즉, 본 발명의 이동형 질량체(110)는 지속적으로 공진 위치를 찾아가는 원리에 기인하여, 압전 빔(100)의 발생 변위를 최대로 유도하고 압전 에너지 하베스터(10)의 전기 생산 능력을 극대화시킬 수 있다.
따라서 에너지 측면에서 효율적이며, 넓은 동작 주파수 대역폭을 갖기 때문에 실생활에서 가변적인 진동이 가해지는 환경은 어디든 적용이 가능하며, 미래의 스마트 팩토리 구현을 위한 다양한 센서의 전원을 공급할 수 있다.
이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만 본 발명은 이러한 실시예들 또는 도면에 의해 한정되는 것으로 해석되어서는 안 되며, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10: 압전 에너지 하베스터
100: 압전 빔
110: 질량체

Claims (7)

  1. 수평 방향을 따라 연장된 압전 빔;
    상기 압전 빔의 양단을 고정하는 고정 부재; 및
    상기 압전 빔을 따라 이동이 가능하도록 상기 압전 빔에 연결된 질량체를 포함하되,
    상기 질량체는 상기 압전 빔이 통과되는 관통홀을 포함하고, 상기 관통홀을 통해 상기 이동을 수행하고,
    상기 질량체는 상기 압전 빔과 연결된 위치에 따라 공진 주파수가 상이하며,
    상기 질량체는 상기 압전 빔에 제공되는 입력 주파수와 공진 가능한 압전 빔의 위치로 이동하고,
    상기 관통홀은 압전 빔이 통과되는 공간 외에 여유 공간을 더 포함하는 자가 공진 조절 압전 에너지 하베스터.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 질량체가 상기 공진 가능한 압전 빔의 위치로 이동할수록 압전 빔의 발생 변위는 증가하고,
    상기 발생 변위가 상기 여유 공간보다 커짐에 따라 상기 질량체는 상기 공진 가능한 압전 빔의 위치에 고정되는 자가 공진 조절 압전 에너지 하베스터.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 압전 빔에서 측정되는 시간에 따른 출력 특성은 사인파 형태로 나타나며,
    상기 사인파는 양의 출력이 최대로 나타나는 지점에서 변곡점을 포함하는 자가 공진 조절 압전 에너지 하베스터.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 압전 빔은 기판, 상기 기판으로부터 굽힘 모멘트를 전달받는 압전 에너지 하베스터 단위 소자를 포함하고,
    상기 압전 에너지 하베스터 단위 소자는 제1 전극, 상기 제1 전극 상에 위치하는 압전 물질, 상기 압전 물질상에 위치하는 제2 전극을 포함하는 자가 공진 조절 압전 에너지 하베스터.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 압전 물질은 PZT, Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PZN-PT), [Pb(Mg1/3Nb2/3)O3]-[PbTiO3](PMN-PT), (NaxK1-x)NbO3(NKN), BaTiO3, ZnO, CdS 및 AlN으로 구성된 그룹에서 선택된 하나의 압전 단결정, 상기 그룹에서 선택된 적어도 하나 이상의 물질로 구성된 Macrofiber composite(MFC), 2-2 composite 등의 압전 혼합물, 또는 PVDF, PVDF-TrFE 등의 폴리머 압전재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 자가 공진 조절 압전 에너지 하베스터.
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Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB201207045D0 (en) * 2012-04-23 2012-06-06 Hiwave Technologies Uk Ltd Transducers with improved impedance matching
GB2540406A (en) * 2015-07-16 2017-01-18 Cambridge Entpr Ltd Vibration-based energy harvester with strain optimised topology
FR3082073B1 (fr) * 2018-05-29 2021-02-19 Univ Savoie Mont Blanc Recuperateur d'energie vibratoire
US20210159816A1 (en) * 2019-11-22 2021-05-27 Rishi Gupta Self-tuning piezoelectric vibration energy harvester
US11527700B2 (en) 2019-12-20 2022-12-13 Vanguard International Semiconductor Singapore Pte. Ltd. Microphone device with single crystal piezoelectric film and method of forming the same
KR20210132414A (ko) * 2020-04-27 2021-11-04 한국과학기술연구원 광대역 주파수 범위를 갖는 자가공진조절 압전 에너지 하베스터
CN113783470A (zh) * 2021-08-17 2021-12-10 青岛海月辉科技有限公司 一种基于两端固定梁的磁场能量收集器

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7777396B2 (en) 2006-06-06 2010-08-17 Omnitek Partners Llc Impact powered devices
US7626316B2 (en) * 2007-09-28 2009-12-01 Robert Bosch Gmbh Passive self-tuning resonator system
US7812466B2 (en) * 2008-02-06 2010-10-12 Rosemount Inc. Adjustable resonance frequency vibration power harvester
KR101190451B1 (ko) 2011-04-06 2012-10-11 창원대학교 산학협력단 주파수 가변용 압전발전장치
NL2007609C2 (en) * 2011-10-18 2013-04-22 Univ Delft Tech Energy harvester.
US8866316B2 (en) * 2012-06-21 2014-10-21 General Electric Company Tunable vibration energy harvester and method
KR101301695B1 (ko) 2012-07-27 2013-08-30 대구가톨릭대학교산학협력단 에너지 수확장치
KR101501389B1 (ko) 2013-11-14 2015-03-12 울산대학교 산학협력단 공진주파수 조절이 가능한 에너지 하베스터
KR101729664B1 (ko) * 2015-07-07 2017-04-24 한양대학교 산학협력단 압전 에너지 하베스팅 시스템 및 상기 압전 에너지 하베스팅 시스템의 특성 해석 방법
CN108039835B (zh) * 2017-12-29 2019-08-30 西华师范大学 自调谐与非线性相结合的宽频振动能量采集器
US11508900B2 (en) * 2019-11-26 2022-11-22 The Chinese University Of Hong Kong Human joint energy harvesting apparatus and wearable electronic device comprising the same
CN112260583B (zh) * 2020-11-12 2021-07-09 南京邮电大学 一种应用于旋转环境的自调频振动能量收集装置

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Broadband Vibration Energy Harvesting Techniques(Springer Science+Business, lihua Tang et. al.,,2013.12.) 1부.*

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