KR102135676B1 - 압전 에너지 하베스터 및 이를 구비하는 모바일 기기 - Google Patents

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Abstract

압전 에너지 하베스터 및 이를 구비하는 모바일 기기가 개시된다. 개시된 압전 에너지 하베스터는, 커버 프레임과, 상기 커버 프레임 내부에 마련되는 질량체와, 상기 커버 프레임의 측벽과 상기 질량체 사이에 마련되어 상기 커버 프레임과 상기 질량체의 상대적인 움직임에 따라 변형됨으로써 전기에너지를 발생시키는 것으로 일단이 상기 커버 프레임의 측벽에 고정되며 타단은 고정되지 않는 적어도 하나의 압전 변환기를 포함한다.

Description

압전 에너지 하베스터 및 이를 구비하는 모바일 기기{Piezoelectric energy harvester and mobile device having the same}
압전 에너지 하베스터에 관한 것으로, 상세하게는 질량체(mass)를 이용하여 전기에너지를 발생시키는 압전 에너지 하베스터 및 이를 구비하는 모바일 기기에 관한 것이다.
압전 에너지 하베스팅(piezoeletric energy harvesting) 기술은 주변에서 발생되는 기계적 에너지(예를 들면, 진동, 충격, 소리 등)를 압전 소재를 이용하여 전기에너지로 변환시키고, 이렇게 변환된 전기에너지를 저장하는 친환경 에너지 기술이다. 대표적인 압전 에너지 하베스터의 예로는 캔틸레버(cantilever) 구조의 에너지 하비스터를 들 수 있으며, 캔틸레버 구조의 압전 에너지 하베스터에서는 탄성체가 진동하면서 압전 소자를 변형시킴으로써 전기에너지를 발생시키게 된다. 이러한 캔틸레버 구조의 압전 에너지 하베스터에서는 높은 파워를 얻기 위해서 공진 모드를 이용하거나 질량체를 이용할 수 있다. 이외에도 작은 기계적 에너지에 의해서도 큰 전기에너지를 수확할 수 있는 압전 에너지 하베스터에 관한 많은 연구들이 진행되어 왔다. 한편, 압전 에너지 하베스터는 연속적인 외부의 기계적 에너지가 유입되지 않을 경우에는 전력원으로 사용될 수 없기 때문에 변환된 전기에너지를 저장할 배터리 또는 캐퍼시터 등과 같은 저장장치가 필요하다.
예시적인 실시예는 질량체(mass)를 이용하여 전기에너지를 발생시키는 압전 에너지 하베스터 및 이를 구비하는 모바일 기기를 제공한다.
일 측면에 있어서,
커버 프레임;
상기 커버 프레임 내부에 마련되는 질량체(mass); 및
상기 커버 프레임의 측벽과 상기 질량체의 사이에 마련되어 상기 커버 프레임과 상기 질량체의 상대적인 움직임에 따라 변형됨으로써 전기에너지를 발생시키는 것으로, 일단이 상기 커버 프레임의 측벽에 고정되며 타단은 고정되지 않는 적어도 하나의 압전 변환기(piezoelectric transducer);를 포함하는 압전 에너지 하베스터가 제공된다.
상기 압전 변환기는 빔(beam) 형상을 가질 수 있다. 상기 커버 프레임과 상기 질량체의 상대적인 움직임이 없는 경우, 상기 압전 변환기의 타단은 상기 질량체와 접촉하거나 상기 질량체에 인접하여 이격되게 마련될 수 있다. 이 경우, 상기 압전 변환기의 타단은 변형되지 않은 상태로 마련되거나 또는 상기 질량체와 접촉하여 변형된 상태로 마련될 수 있다.
상기 질량체는 에너지 저장장치 또는 모바일 기기를 포함할 수 있다. 상기 압전 변환기에 의해 발생된 전기에너지는 상기 에너지 저장장치 또는 상기 모바일 기기에 공급되거나, 상기 커버 프레임 상에 마련되는 모바일 기기 본체에 공급될 수 있다. 상기 커버 프레임에는 상기 압전 변환기에 의해 발생된 전기에너지를 정류 및/또는 저장하기 위한 회로가 마련될 수 있다.
상기 커버 프레임의 상부벽 및 하부벽 중 적어도 하나에 상기 커버 프레임과 상기 질량체 사이의 마찰을 줄여주는 적어도 하나의 마찰방지 가이드가 돌출되게 마련될 수 있다.
상기 압전 변환기는 기판과, 상기 기판 상에 순차적으로 적층되는 제1 전극, 압전층 및 제2 전극을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 압전 변환기는 상기 기판 및 상기 제2 전극을 덮도록 형성되는 절연층을 더 포함할 수 있다. 상기 기판은 탄성 재질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 기판은 SUS, Cu, FR4, Brass, Fe 및 W 으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 금속을 포함할 수 있다. 상기 압전층은 무기물 또는 유기물을 포함할 수 있다.
상기 압전 변환기는 기판과, 상기 기판의 제1면 상에 순차적으로 적층되는 제1 전극, 제1 압전층 및 제2 전극과, 상기 기판의 제2면 상에 순차적으로 적층되는 제3 전극, 제2 압전층 및 제4 전극을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 압전 변환기는 상기 제2 전극 및 상기 제4 전극을 덮도록 마련되는 절연층을 더 포함할 수 있다.
상기 커버 프레임과 상기 질량체의 상대적인 움직임에 따라 상기 압전 변환기들이 변형됨으로써 발생되는 전기에너지의 양은 압전 변환기들의 개수, 상기 압전 변환기들 각각의 면적 및 두께, 상기 압전 변환기들 사이의 간격 및 상기 커버 프레임의 측벽과 상기 질량체 사이의 간격 중 적어도 하나에 따라 조절될 수 있다. 상기 압전 변환기들 각각의 두께는 대략 100㎛ ~ 500㎛ 정도가 될 수 있다. 그리고, 상기 커버 프레임의 측벽과 상기 질량체 사이의 간격은 0.5mm ~ 5mm 정도가 될 수 있다.
다른 측면에 있어서,
커버 프레임;
상기 커버 프레임 상에 마련되는 모바일 기기 본체;
상기 커버 프레임 내부에 마련되는 질량체; 및
상기 커버 프레임의 측벽과 상기 질량체의 사이에 마련되어 상기 커버 프레임과 상기 질량체의 상대적인 움직임에 따라 변형됨으로써 전기에너지를 발생시키는 것으로, 일단이 상기 커버 프레임의 측벽에 고정되며 타단은 고정되지 않는 적어도 하나의 압전 변환기를 포함하는 모바일 기기가 제공된다.
예시적인 실시예들에 따른 압전 에너지 하베스터에서는 커버 프레임의 측벽과 질량체 사이에 복수의 압전 변환기들을 마련하고, 외부의 진동이나 충격 등에 의해 발생되는 압전 변환기들의 변형에 의해 전기에너지를 얻을 수 있다. 또한, 압전 변환기들은 탄성적인 특성을 가지고 있으므로, 외부의 충격이 압전 에너지 하베스터에 가해지게 되면 압전 변환기들이 고유 진동수로 진동함으로써 전기에너지를 발생시키는 시간을 증대시킬 수 있다. 이러한 압전 에너지 하베스터는 배터리를 사용하는 대부분의 휴대용 전자기기에 적용되어 배터리를 충전시킬 수 있고, 배터리를 질량체로 이용하기 때문에 그 구조가 간단하고 휴대성이 용이하다. 그리고, 특별한 외부의 입력(input) 조건이 없이 몸에 휴대하는 것만으로도 사람의 보행이나 자동차의 작은 진동을 이용하여 항시 발전이 가능하며, 배터리가 방전된 비상 상황 시에 배터리를 충전할 수 있는 기회를 제공할 수도 있다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터의 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 압전 에너지 하베스터의 평면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 압전 에너지 하베스터의 내부를 도시한 평면도이다.
도 4는 도 3에 도시된 압전 에너지 하베스터의 내부를 도시한 일부 사시도이다.
도 5는 도 1에 도시된 압전 변환기의 사시도이다.
도 6은 일반적인 캔틸레버 구조의 압전 에너지 하베스터를 예시적으로 도시한 것이다.
도 7은 도 5에 도시된 압전 변환기의 단면도를 도시한 것이다.
도 8은 도 5에 도시된 압전 변환기의 변형예를 도시한 단면도이다.
도 9는 도 5에 도시된 압전 변환기의 다른 변형예를 도시한 단면도이다.
도 10은 도 2의 Ⅹ-Ⅹ'선을 따라 본 단면도이다.
도 11은 도 10의 A부분을 확대하여 도시한 것이다.
도 12a 및 도 12b는 도 1 내지 도 4에 도시된 압전 에너지 하베스터의 동작 과정을 설명하기 위한 것이다.
도 13은 다른 예시적인 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터를 도시한 것이다.
도 14는 다른 예시적인 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터의 내부를 도시한 평면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세히 설명한다. 아래에 예시되는 실시예는 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니며, 본 발명을 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다. 또한, 소정의 물질층이 기판이나 다른 층 상에 존재한다고 설명될 때, 그 물질층은 기판이나 다른 층에 직접 접하면서 존재할 수도 있고, 그 사이에 다른 제3의 층이 존재할 수도 있다. 그리고, 아래의 실시예에서 각 층을 이루는 물질은 예시적인 것이므로, 이외에 다른 물질이 사용될 수도 있다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터(100)의 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 압전 에너지 하베스터(100)의 평면도이다. 그리고, 도 3은 도 1에 도시된 압전 에너지 하베스터(100)의 내부를 도시한 평면도이고, 도 4는 도 3에 도시된 압전 에너지 하베스터(100)의 내부를 도시한 일부 사시도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 압전 에너지 하베스터(100)는 커버 프레임(cover frame,110)과, 커버 프레임(110)의 내부에 마련되는 질량체(M)와, 질량체(M)와 커버 프레임(110) 사이에 마련되는 복수의 압전 변환기(piezoelectric transducer,120)를 포함한다. 상기 커버 프레임(110)의 외부(예를 들면, 상부)에 모바일 기기 본체(200)가 마련됨으로써 상기 압전 에너지 하베스터(100)와 모바일 기기 본체(200)가 모바일 기기를 구성할 수 있다.
상기 커버 프레임(110)은 그 내부에 질량체(M)를 수용할 수 있는 공간이 마련되어 있다. 상기 커버 프레임(110) 내부에 마련된 공간은 질량체(M)가 움직일 수 있도록 질량체(M)의 부피보다 큰 부피를 가질 수 있다. 상기 질량체(M)는 후술하는 바와 같이 커버 프레임(110) 내에서 움직임으로써 압전 변환기들(120)을 변형시켜 전기에너지를 발생시키는 역할을 한다. 이러한 질량체(M)로는 예를 들면, 배터리 등과 같은 에너지 저장장치가 사용될 수 있다. 한편, 도 1 내지 도 4에는 커버 프레임(110) 및 질량체(M)가 사각형 형태를 가지는 경우가 예시적으로 설명되었으며, 이외에도 커버 프레임(110)과 질량체(M)는 원형, 다각형 등 다양한 형상을 가질 수 있다.
커버 프레임(110)의 측벽과 질량체(M)는 소정 간격(도 12의 d)으로 이격되게 마련될 수 있다. 예를 들면, 상기 커버 프레임(110)의 측벽과 상기 질량체(M) 사이의 간격은 대략 0.5mm ~ 5mm (구체적인 예시로는 대략 2mm) 정도가 될 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 압전 에너지 하베스터(101)의 크기, 압전 변환기들(120)의 개수 및 크기 등에 따라 커버 프레임(110)의 측벽과 질량체(M) 사이의 간격은 다양하게 변형될 수 있다. 이러한 커버 프레임(110)의 측벽과 질량체(M) 사이에는 압전 변환기들(120)이 마련되어 있다. 압전 변환기들(120)은 커버 프레임(110)과 질량체(M) 사이의 상대적인 움직임에 의해 변형됨으로써 전기에너지를 발생시킬 수 있다. 상기 압전 변환기들(120) 각각은 그 일단이 커버 프레임(110)의 측벽에 고정되며 그 타단은 고정되지 않은 캔틸레버(cantilever) 구조를 가지고 있다. 이를 위해 상기 커버 프레임의 측벽들(110)에는 압전 변환기들(120)의 일단들이 끼워지는 삽입 홈들(110a)이 형성되어 있으며, 이러한 삽입 홈들(110a)에 압전 변환기들(120)의 일단들이 끼워짐으로써 고정될 수 있다.
후술하는 바와 같이, 외부의 기계적인 에너지가 가해지지 않은 상태에서는 압전 변환기들(120)의 타단들은 변형되지 않은 상태로 질량체(M)와 접촉하여 마련되거나 하거나 또는 질량체(M)와 인접하여 이격되게 마련될 수 있다. 한편, 외부의 기계적인 에너지가 가해지지 않은 상태에서 도 13에 도시된 바와 같이, 압전 변환기들(120)의 타단들이 미리 변형된 상태로 질량체(M)와 접촉하도록 마련될 수도 있다. 그리고, 외부의 기계적인 에너지가 압전 에너지 하베스터(100)에 가해져 커버 프레임(110)과 질량체(M) 사이의 상대적인 움직임이 발생하게 되면, 커버 프레임(110)의 측벽과 질량체(M) 사이의 간격이 변화하게 되고 이에 따라 압전 변환기들(120)이 변형됨으로써 전기에너지를 발생시킬 수 있다. 도 3 및 도 4에는 커버 프레임(110)의 측벽들 각각에 3개의 압전 변환기들(120)이 일방향으로 서로 나란하게 경사지게 배치되는 경우가 예시적으로 도시되어 있다. 하지만, 이에 한정되지는 않으며, 상기 압전 변환기들(120)의 개수 및 그 배치 형태는 다양하게 변형될 수 있다. 한편, 커버 프레임(110)의 측벽과 질량체(M) 사이에 하나의 압전 변환기만 마련되는 것도 가능하다.
도 5는 도 1에 도시된 압전 변환기(120)의 사시도이다. 도 5를 참조하면, 압전 변환기(120)는 빔 형태를 가지고 있다. 이러한 빔 형태의 압전 변환기(120)에서, 압전 변환기(120)의 폭(w), 길이(ℓ) 및 두께(t)에 따라 압전 변환기(120)로부터 발생되는 전기에너지의 양을 조절할 수 있다. 상기 압전 변환기(120)는 예를 들면, 대략 100㎛ ~ 500㎛ (구체적인 예시로는 대략 300㎛ 정도)의 두께를 가질 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 6은 일반적인 캔틸레버 구조의 압전 에너지 하베스터를 예시적으로 도시한 것이다. 도 6에는 도 5에 도시된 압전 변환기(120)의 일단이 지지체(150)에 고정된 상태에서 질량체(M)의 움직임에 의해 압전 변환기(120)가 휘어짐으로써 전기에너지가 발생되는 모습이 도시되어 있다. 도 6을 참조하면, 압전 변환기(120)의 일단은 지지체(150)에 의해 고정되어 있고, 압전 변환기(120)의 타단은 고정되어 있지 않아 상하로 움직일 수 있다. 이러한 압전 변환기(120)의 타단에는 질량체가 마련될 수 있다. 이러한 캔틸레버 구조의 압전 에너지 하베스터에서 질량체(M)가 소정 방향, 예를 들면 아래 방향으로 움직이게 되면 빔 형태의 압전 변환기(120)가 휘어지게 된다. 이때, 압전 변환기(120)의 상부면 쪽은 인장 변형이 일어나고 압전 변환기의 하부면 쪽은 압축 변형이 일어남으로써 압전 변환기(120)의 상부면와 하부면 사이에는 전압이 유도될 수 있다. 본 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터(100)에서는 커버 프레임(110)을 도 6에 도시된 지지체(150)로 사용하고, 커버 프레임(110)의 내부에 움직일 수 있도록 마련되는 질량체(M)를 도 6에 도시된 질량체(M)로 사용한다.
도 7은 도 5에 도시된 압전 변환기(120)의 단면도를 도시한 것이다.
도 7을 참조하면, 압전 변환기(120)는 유니모프(unimorph) 구조를 가지고 있다. 구체적으로, 상기 압전 변환기(120)는 기판(125)과, 상기 기판(125) 상에 순차적으로 적층되는 제1 전극(121), 압전층(123) 및 제2 전극(122)을 포함한다. 여기서, 상기 기판(125)은 탄성 재질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 기판(125)은 SUS, Cu, FR4, Brass, Fe 및 W 으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 금속을 포함할 수 있다. 그러나, 이는 단지 예시적인 것으로, 상기 기판(125)은 다른 다양한 물질을 포함할 수 있다. 이와 같이, 기판(125)이 탄성 재질을 포함하게 되면, 압전 변환기(120)는 탄성적인 특성을 가질 수 있다. 그리고, 상기 제1 및 제2 전극(121,122)은 도전성 물질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 및 제2 전극(121,122)은 Ag, Al, Cu 또는 Au 등과 같은 금속을 포함할 수 있다. 또한, 상기 제1 및 제2 전극(121,122)은 그래핀(graphene), CNT(Carbon NanoTube), ITO(Indium Tin Oxide) 또는 전도성 폴리머 등을 포함할 수도 있으며, 이외에 다른 다양한 도전성 물질을 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2 전극(121,122) 사이에는 변형에 의해 전기에너지를 발생시킬 수 있는 압전층(123)이 마련되어 있다. 이러한 압전층(123)은 무기물 또는 유기물을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 압전층(123)은 PZT, ZnO, SnO, PVDF 또는 P(VDF-FrFE) 등을 포함할 수 있으며, 이외에도 다양한 물질을 포함할 수 있다. 상기와 같은 구조에서, 외부의 힘에 의해 압전층(!23)이 휘어서 변형이 발생하게 되면 상기 제1 및 제2 전극(121,122) 사이에 전압이 유도됨으로써 전기에너지가 발생될 수 있다. 또한, 외부의 충격이 상기 압전 변환기(120)에 가해지는 경우, 압전 변환기(120)의 탄성적인 특성에 의해 압전 변환기(120)가 고유 진동수로 진동함으로써 전기에너지를 발생시키는 시간을 증대시킬 수 있다.
도 8은 도 5에 도시된 압전 변환기의 변형예(120')를 도시한 단면도이다.
도 8을 참조하면, 압전 변환기(120')는 바이모프(bimorph) 구조를 가지고 있다. 구체적으로, 압전 변환기(120')는 기판(125)과, 상기 기판(125)의 제1면 상에 순차적으로 적층되는 제1 전극(121a), 제1 압전층(123a) 및 제2 전극(122a)과, 상기 기판(125)의 제2면 상에 순차적으로 적층되는 제3 전극(121b), 제2 압전층(123b) 및 제4 전극(122b)을 포함한다. 여기서, 상기 기판(125)은 전술한 바와 같이, 탄성 재질을 포함할 수 있으며, 상기 압전 변환기(120')는 탄성적인 특성을 가질 수 있다. 상기 제1, 제2, 제3 및 제4 전극(121a,122a,121b,122b)은 도전성 물질을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 압전층(123a,123b)은 무기물 또는 유기물을 포함할 수 있다. 이와 같은 바이모프 구조의 압전 변환기(120')에서 전극들(121a,122a,121b,122b)은 서로 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있다.
상기와 같은 구조에서, 외부의 힘에 의해 제1 및 제2 압전층(123a,123b)이 휘어서 변형이 발생하게 되면 상기 제1 및 제2 전극(121a,122a) 사이와 상기 제3 및 제4 전극(121a,122b) 사이에는 각각 전압이 유도됨으로써 전기에너지가 발생될 수 있다. 또한, 외부의 충격이 상기 압전 변환기(120')에 가해지는 경우, 압전 변환기(120')의 탄성적인 특성에 의해 압전 변환기(120')가 고유 진동수로 진동함으로써 전기에너지를 발생시키는 시간을 증대시킬 수 있다.
도 9는 도 5에 도시된 압전 변환기의 다른 변형예(120")를 도시한 단면도이다. 도 9에 도시된 압전 변환기(120")는 도 7에 도시된 유니모프 구조의 압전 변환기(120)를 덮도록 절연층(124)이 형성된 구조를 가지고 있다. 이러한 절연층(124)은 기판(125)과 제2 전극(122)을 덮도록 마련될 수 있다. 상기 절연층(124)은 압전 변환기(120")를 보호하거나 또는 인접한 압전 변환들(120") 사이를 절연시키는 역할을 할 수 있다. 한편, 도면에는 도시되어 있지 않지만, 도 8에 도시된 바이모프 구조의 압전 변환기(120')를 덮도록 절연층이 형성되는 것도 가능하다. 여기서, 상기 절연층은 제2 전극 및 제4 전극(122a,122b)을 덮도록 마련될 수 있다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 커버 프레임(110) 상에는 회로(130)가 더 마련될 수 있다. 이러한 회로(130)는 압전 변환기들(120)에 의해 발생된 전기에너지를 정류시키는 정류 회로 및/또는 정류된 전기에너지를 저장하는 저장 회로를 포함할 수 있다. 상기 회로(120)는 예를 들면, 상기 커버 프레임(110) 측벽의 상면을 따라 마련될 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 회로는 커버 프레임(110)의 다른 부분에 마련되는 것도 가능하다. 커버 프레임(110) 내부에 마련된 질량체(M)가 에너지 저장장치로 사용되는 경우에는, 상기 압전 변환기들(120)로부터 발생되는 전기에너지는 회로를 통해 정류된 다음, 에너지 저장장치에 저장될 수 있다. 이렇게 에너지 저장장치에 저장된 전기에너지는 압전 에너지 하베스터(100)의 외부(예를 들면, 상부)에 마련되는 모바일 기기 본체(200)에 공급될 수 있다. 또한, 상기 압전 변환기들(120)로부터 발생되는 전기에너지는 회로(130)를 통해 모바일 기기 본체(200)에 직접 공급되는 것도 가능하다.
도 10은 도 2의 Ⅹ-Ⅹ'선을 따라 본 단면도이다. 그리고, 도 11은 도 10의 A 부분을 확대하여 도시한 것이다.
도 10 및 도 11을 참조하면, 상기 커버 프레임(100)의 상부벽 및 하부벽에 복수개의 마찰방지 가이드(110')가 형성되어 있다. 구체적으로, 상기 마찰방지 가이드들(100')은 커버 프레임(110)의 상부벽 내면 및 하부벽 내면으로부터 돌출되게 형성될 수 있다. 이러한 마찰방지 가이드들(110')은 커버 프레임(110)의 내부에서 질량체(M)를 지지함으로써 커버 프레임(110)과 질량체(M) 사이의 마찰을 줄여주는 역할을 한다. 즉, 상기 마찰방지 가이드들(110')은 커버 프레임(110)의 상부벽 및 하부벽으로부터 돌출되어 있으므로, 마찰방지 가이드들(110')만이 질량체(M)의 상하면에 접촉하게 된다. 이에 따라, 커버 프레임(110)과 질량체(M) 사이의 마찰이 최소화될 수 있으며, 질량체(M)의 상하 운동이 억제될 수 있다. 이와 같은 구조에서, 압전 에너지 하베스터(100)에 가해지는 외부의 진동이나 충격 등과 같은 기계적인 에너지의 대부분을 전기에너지로 변환시킬 수 있으므로, 보다 효율적으로 전기에저지를 발생시킬 수 있다. 한편, 도 1 및 도 2에서는 커버 프레임(110)의 상부벽 및 하부벽 각각에 4개의 마찰방지 가이드들(110')이 마련된 경우가 예시적으로 도시되어 있으며, 상기 마찰방지 가이드들(110')의 개수는 다양하게 변형이 가능하다. 또한 상기 마찰방지 가이드들(110')은 커버 프레임(110)의 상부벽 및 하부벽 중 어느 하나에만 마련될 수도 있다.
도 12a 및 도 12b는 도 1에 도시된 압전 에너지 하베스터(100)의 동작 과정을 설명하기 위한 것이다.
도 12a는 외부의 기계적인 에너지가 압전 에너지 하베스터(100)에 가해지지 않은 상태로서 커버 프레임(110)과 질량체(M) 사이의 상대적인 움직임이 없는 경우를 도시한 것이다. 도 12a를 참조하면, 커버 프레임(110)의 측벽과 질량체(M)는 일정한 간격으로 이격되어 있다. 예를 들면, 상기 커버 프레임(110)의 측벽과 상기 질량체(M) 사이의 간격은 대략 0.5mm ~ 5mm (구체적인 예시로는 대략 2mm) 정도가 될 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 압전 에너지 하베스터(100)의 크기, 압전 변환기들(120)의 개수 및 크기 등에 따라 커버 프레임(110)의 측벽과 질량체(M) 사이의 간격은 다양하게 변형될 수 있다.
커버 프레임(110)의 측벽과 질량체(M) 사이에는 압전 변환기들(120)이 마련되어 있다. 여기서, 상기 압전 변환기들(120)의 일단들(120a)은 커버 프레임(110)의 측벽에 고정되어 있다. 이를 위해 상기 커버 프레임(110)의 측벽들에는 압전 변환기들(120)의 일단들이 끼워져 고정되는 삽입 홈들(110a)이 형성되어 있다. 그리고, 상기 압전 변환기들(120)의 타단들(120b)은 고정되지 않은 상태로 움직일 수 있도록 마련되어 있다. 도 12a에 도시된 바와 같이, 외부의 기계적인 에너지가 압전 에너지 하베스터(100)에 가해지지 않은 상태에서는 압전 변환기들(120)은 변형되지 않은 상태를 유지할 수 있다. 상기 압전 변환기들(120)의 타단들(120b)은 질량체(M)의 측면에 접촉하도록 마련될 수 있다. 한편, 상기 압전 변환기들(120)의 타단들(120b)이 질량체(M)와 인접하여 이격되게 마련되는 것도 가능하다.
도 12b는 외부의 기계적인 에너지가 압전 에너지 하베스터(100)에 가해진 상태로서 커버 프레임(110)과 질량체(M) 사이의 상대적인 움직임이 발생된 경우를 도시한 것이다. 도 12b를 참조하면, 외부의 진동이나 충격 등과 같은 기계적인 에너지가 압전 에너지 하베스터(100)에 가해지게 되면 커버 프레임(110)과 질량체(M) 사이에는 상대적인 움직임이 발생하게 되고, 커버 프레임(110)과 질량체(M) 사이의 간격이 변화될 수 있다. 즉, 상기 질량체(M)가 커버 프레임(110)의 측벽 쪽으로 이동함으로써 커버 프레임(110)과 질량체(M) 사이의 간격이 좁아지게 된다. 이에 따라, 커버 프레임(110)과 질량체(M) 사이에 마련된 압전 변환기들(120)이 변형됨으로써 전기에너지가 발생될 수 있다. 이 경우, 상기 압전 변환기들(120)의 고정되지 않은 타단들(120b)은 질량체(M)의 측면 상에서 움직일 수 있다. 한편, 상기 압전 변환기들(120)의 타단들(120b)이 질량체(M)의 측면 상에서 움직이지 않고 압전 변환기들(120)이 변형되는 것도 가능하다. 또한, 상기 압전 변환기들(120)이 탄성적인 특성을 가지고 있으므로, 외부의 충격이 압전 에너지 하베스터(100)에 가해지게 되면 압전 변환기(120)가 고유 진동수로 진동함으로써 전기에너지를 발생시키는 시간을 증대시킬 수 있다. 이와 같이, 압전 변환기들(120)이 변형됨에 따라 전기에너지가 발생하게 되고, 이렇게 발생된 전기에너지는 커버 프레임(110) 상에 마련된 회로(130)를 통해 질량체(M)에 저장되거나 또는 압전 에너지 하베스터(100)의 외부에 마련된 모바일 기기 본체(200)로 공급될 수 있다.
상기 압전 변환기들(120)이 변형됨으로써 발생되는 전기에너지의 양은 압전 변환기들(120)의 개수, 상기 압전 변환기들(120) 각각의 면적 및 두께, 압전 변환기들(120) 사이의 간격, 및 상기 커버 프레임(110)의 측벽과 상기 질량체(M) 사이의 간격 중 적어도 하나에 따라 조절될 수 있다. 예를 들면, 압전 변환기들(120) 사이의 간격이 좁아지게 되면 압전 변환기들(120)의 개수를 증가시킬 수 있으므로 전기에너지의 발생량을 증대시킬 수 있고, 상기 압전 변환기들(120) 각각의 크기가 클수록 전기에너지의 발생량을 증대시킬 수 있다. 또한, 상기 커버 프레임(110)의 측벽과 질량체(M) 사이의 간격을 크게 하면 압전 변환기들(120)의 변형량을 증가시킬 수 있으므로 전기에너지의 발생량을 증대시킬 수 있다.
이상과 같이, 본 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터(100)에서는 커버 프레임(110)의 측벽과 질량체(M) 사이에 복수의 압전 변환기들(120)을 마련하고, 상기 압전 변환기들(120)의 변형에 의해 전기에너지를 발생시킨다. 여기서, 상기 압전 변환기들(120) 각각은 그 일단(120a)이 커버 프레임(110)의 측벽에 고정되며 그 타단(120b)은 고정되지 않은 캔틸레버(cantilever) 구조를 가지고 있다. 이러한 압전 변환기들(120)은 커버 프레임(110)과 질량체(M) 사이의 상대적인 움직임에 의해 변형됨으로써 전기에너지를 발생시킬 수 있다. 즉, 외부의 진동이나 충격 등과 같은 기계적인 에너지가 압전 에너지 하베스터(100)에 가해지게 되면 상기 커버 프레임(110)과 질량체(M) 사이에 상대적인 움직임이 발생하게 된다. 이에 따라, 커버 프레임(110)의 측벽과 질량체(M) 사이의 간격이 변화하면서 압전 변환기들(120)이 휘어지는 변형이 발생되게 되고, 전기에너지가 발생될 수 있다. 또한, 압전 변환기들(120)이 탄성적인 특성을 가지고 있으므로, 외부의 충격이 압전 에너지 하베스터(100)에 가해지게 되면 압전 변환기들(120)이 고유 진동수로 진동함으로써 전기에너지를 발생시키는 시간을 증대시킬 수 있다.
이러한 압전 에너지 하베스터(100)는 배터리를 사용하는 대부분의 휴대용 전자기기에 적용되어 배터리를 충전시킬 수 있고, 배터리를 질량체(M)로 이용하기 때문에 그 구조가 간단하고 휴대성이 용이하다. 그리고, 특별한 외부의 입력(input) 조건이 없이 몸에 휴대하는 것만으로도 사람의 보행이나 자동차의 작은 진동을 이용하여 항시 발전이 가능하며, 배터리가 방전된 비상 상황 시에 배터리를 충전할 수 있는 기회를 제공할 수도 있다.
도 13은 다른 예시적인 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터(100a)를 도시한 것이다. 도 13은 외부의 기계적인 에너지가 압전 에너지 하베스터(100a)에 가해지지 않은 상태로서 커버 프레임(110)과 질량체(M) 사이의 상대적인 움직임이 없는 경우를 도시한 것이다. 도 13을 참조하면, 커버 프레임(110)의 측벽과 질량체(M) 사이는 일정한 간격으로 이격되어 있으며, 커버 프레임(110)의 측벽과 질량체(M) 사이에 압전 변환기들(120)이 마련되어 있다. 전술한 바와 같이, 상기 압전 변환기들(120)의 일단들(120a)은 커버 프레임의 측벽에 고정되어 있다. 상기 커버 프레임(110)의 측벽들에는 압전 변환기들(120)의 일단들(120a)이 끼워지는 삽입 홈들(110a)이 형성되어 있다. 상기 압전 변환기들(120)의 타단들(120b)은 고정되지 않은 상태로 움직일 수 있도록 마련되어 있다. 본 실시예에서는, 외부의 기계적인 에너지가 압전 에너지 하베스터(100a)에 가해지지 않은 상태에서도 압전 변환기들(120)은 미리 변형된 상태를 유지하고 있다. 여기서, 상기 압전 변환기들(120)의 타단들(120b)은 변형된 상태로 질량체(M)와 접촉하도록 마련되어 있다.
도 13에 도시된 압전 에너지 하베스터(100a)에 외부의 진동이나 충격 등과 같은 기계적인 에너지를 가하게 되면, 커버 프레임(110)과 질량체(M) 사이에는 상대적인 움직임이 발생하게 됨으로써 커버 프레임(110)과 질량체(M) 사이의 간격이 변화될 수 있다. 이에 따라, 커버 프레임(110)과 질량체(M) 사이에 변형된 상태로 마련되어 있는 압전 변환기들(120)은 그 변형이 증가하거나 줄어들게 되고, 이에 따라 전기에너지가 발생될 수 있다. 본 실시예에서와 같이 압전 변환기들(120)을 미리 변형된 상태로 커버 프레임(110)의 측벽과 질량체(M) 사이에 마련하게 되면 외부의 진동 등에 대해 압전 변환기들(120)이 보다 효율적으로 반응함으로써 전기에너지의 발생량을 증대시킬 수 있다. 그리고, 커버 프레임(110)의 측벽과 질량체(M) 사이의 간격도 좁힐 수 있으므로 압전 에너지 하베스터(100a)를 소형화할 수 있다.
도 14은 다른 예시적인 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터(100b)의 내부를 도시한 평면도이다. 도 14에 도시된 압전 에너지 하베스터(100b)는 압전 변환기들(120)의 배치 형태만 제외하면 도 3에 도시된 압전 에너지 하베스터(100)와 동일하다. 도 3에 도시된 압전 에너지 하베스터(100)에서는 커버 프레임(110)의 측벽들 각각에 압전 변환기들(120)이 일방향으로 서로 나란하게 경사지게 배치되는 경우가 도시되어 있다. 도 14에 도시된 압전 에너지 하베스터(100b)에서는 커버 프레임(110)의 측벽들 각각에 압전 변환기들(120)이 서로 대칭으로 경사지게 배치되는 경우가 도시되어 있다. 도 14에 도시된 압전 변환기들(120)의 개수 및 배치형태는 단지 예시적인 것으로, 이외에도 상기 압전 변환기들(120)의 개수 및 배치 형태는 다양하게 변형될 수 있다.
이상에서는 질량체(M)가 배터리 등과 같은 에너지 저장장치가 되는 경우가 설명되었으나, 상기 질량체(M)가 모바일 기기로 사용되는 것도 가능하다. 이 경우, 커버 프레임(110)의 내부에 질량체(M)인 모바일 기기가 마련되어 있으므로, 상기 압전 변환기들(120)에 의해 발생되는 전기에너지는 모바일 기기의 에너지 저장장치에 저장되거나 또는 상기 모바일 기기의 본체에 직접 공급될 수 있다. 이상에서 예시적인 실시예들을 통하여 기술적 내용을 설명하였으나, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
100,100a,100b... 압전 에너지 하베스터
110... 커버 프레임 110a... 삽입 홈
110'... 마찰방지 가이드
120,120',120"... 압전 변환기
120a... 압전 변환기의 일단 120b... 압전 변환기의 타단
121,121a... 제1 전극 122,122a... 제2 전극
121b... 제3 전극 122b... 제4 전극
123... 압전층 123a... 제1 압전층
123b... 제2 압전층 124... 절연층
130... 회로 M... 질량체

Claims (26)

  1. 커버 프레임;
    상기 커버 프레임 내부에 마련되는 질량체(mass); 및
    상기 커버 프레임의 측벽과 상기 질량체의 사이에 마련되어 상기 커버 프레임과 상기 질량체의 상대적인 움직임에 따라 변형됨으로써 전기에너지를 발생시키는 것으로, 일단이 상기 커버 프레임의 측벽에 고정되며 타단은 상기 질량체에 대해 자유롭게 움직일 수 있도록 고정되지 않는 적어도 하나의 압전 변환기(piezoelectric transducer);를 포함하는 압전 에너지 하베스터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 압전 변환기는 빔(beam) 형상을 가지는 압전 에너지 하베스터.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 커버 프레임과 상기 질량체의 상대적인 움직임이 없는 경우, 상기 압전 변환기의 타단은 상기 질량체와 접촉하거나 상기 질량체에 인접하여 이격되게 마련되는 압전 에너지 하베스터.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 압전 변환기의 타단은 변형되지 않은 상태로 마련되거나 또는 상기 질량체와 접촉하여 변형된 상태로 마련되는 압전 에너지 하베스터.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 질량체는 에너지 저장장치 또는 모바일 기기를 포함하는 압전 에너지 하베스터.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 압전 변환기에 의해 발생된 전기에너지는 상기 에너지 저장장치 또는 상기 모바일 기기에 공급되거나, 상기 커버 프레임 상에 마련되는 모바일 기기 본체에 공급되는 압전 에너지 하베스터.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 커버 프레임에는 상기 압전 변환기에 의해 발생된 전기에너지를 정류 및/또는 저장하기 위한 회로가 마련되는 압전 에너지 하베스터.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 커버 프레임의 상부벽 및 하부벽 중 적어도 하나에 돌출되게 마련되어 상기 커버 프레임과 상기 질량체 사이의 마찰을 줄여주는 적어도 하나의 마찰방지 가이드를 포함하는 압전 에너지 하베스터.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 압전 변환기는 기판과, 상기 기판 상에 순차적으로 적층되는 제1 전극, 압전층 및 제2 전극을 포함하는 압전 에너지 하베스터.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 압전 변환기는 상기 기판 및 상기 제2 전극을 덮도록 형성되는 절연층을 더 포함하는 압전 에너지 하베스터.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 기판은 탄성 재질을 포함하는 압전 에너지 하베스터.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 기판은 SUS, Cu, FR4, Brass, Fe 및 W 으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 금속을 포함하는 압전 에너지 하베스터.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 압전층은 무기물 또는 유기물을 포함하는 압전 에너지 하베스터.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 압전 변환기는 기판과, 상기 기판의 제1면 상에 순차적으로 적층되는 제1 전극, 제1 압전층 및 제2 전극과, 상기 기판의 제2면 상에 순차적으로 적층되는 제3 전극, 제2 압전층 및 제4 전극을 포함하는 압전 에너지 하베스터.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 압전 변환기는 상기 제2 전극 및 상기 제4 전극을 덮도록 마련되는 절연층을 더 포함하는 압전 에너지 하베스터.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 커버 프레임과 상기 질량체의 상대적인 움직임에 따라 상기 압전 변환기들이 변형됨으로써 발생되는 전기에너지의 양은 상기 압전 변환기들의 개수, 상기 압전 변환기들 각각의 면적 및 두께, 상기 압전 변환기들 사이의 간격 및 상기 커버 프레임의 측벽과 상기 질량체 사이의 간격 중 적어도 하나에 따라 조절되는 압전 에너지 하베스터.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 압전 변환기들 각각의 두께는 100㎛ ~ 500㎛ 인 압전 에너지 하베스터.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 커버 프레임의 측벽과 상기 질량체 사이의 간격은 0.5mm ~ 5mm 인 압전 에너지 하베스터.
  19. 커버 프레임;
    상기 커버 프레임 상에 마련되는 모바일 기기 본체;
    상기 커버 프레임 내부에 마련되는 질량체; 및
    상기 커버 프레임의 측벽과 상기 질량체의 사이에 마련되어 상기 커버 프레임과 상기 질량체의 상대적인 움직임에 따라 변형됨으로써 전기에너지를 발생시키는 것으로, 일단이 상기 커버 프레임의 측벽에 고정되며 타단은 상기 질량체에 대해 자유롭게 움직일 수 있도록 고정되지 않는 적어도 하나의 압전 변환기를 포함하는 모바일 기기.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 질량체는 에너지 저장장치를 포함하는 모바일 기기.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 압전 변환기에 의해 발생된 전기에너지는 상기 에너지 저장장치에 저장되거나 상기 모바일 기기 본체에 공급되는 모바일 기기.
  22. 제 19 항에 있어서,
    상기 커버 프레임에는 상기 압전 변환기에 의해 발생된 전기에너지를 정류 및/또는 저장하기 위한 회로가 마련되는 모바일 기기.
  23. 제 19 항에 있어서,
    상기 커버 프레임의 상부벽 및 하부벽 중 적어도 하나에 돌출되게 마련되어 상기 커버 프레임과 상기 질량체 사이의 마찰을 줄여주는 적어도 하나의 마찰방지 가이드를 포함하는 모바일 기기.
  24. 제 19 항에 있어서,
    상기 압전 변환기는 빔 형상을 가지는 모바일 기기.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 커버 프레임과 상기 질량체의 상대적인 움직임이 없는 경우, 상기 압전 변환기의 타단은 상기 질량체와 접촉하거나 상기 질량체에 인접하여 이격되게 마련되는 모바일 기기.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 압전 변환기의 타단은 변형되지 않은 상태로 마련되거나 또는 상기 질량체와 접촉하여 이미 변형된 상태로 마련되는 모바일 기기.


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