KR102141074B1 - 넓은 동작 주파수 범위를 가지는 자기 결합으로 배열된 압전 에너지 하베스터 - Google Patents

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Abstract

넓은 동작 주파수 범위를 가지는 자기 결합으로 배열된 압전 에너지 하베스터가 제공된다. 자기 결합으로 배열된 압전 에너지 하베스터는 서로 다른 고유 진동수를 가지며, 일 방향을 따라 배열된 복수의 압전 빔; 상기 복수의 압전 빔의 일단을 고정하는 고정 부재; 및 상기 복수의 압전 빔이 자력에 의해 서로 결합되도록 상기 복수의 압전 빔 각각에 대응하여 연결된 복수의 자성 질량체를 포함한다.

Description

넓은 동작 주파수 범위를 가지는 자기 결합으로 배열된 압전 에너지 하베스터{Piezoelectric energy harvester arranged in a magnetic coupling having a wide operating frequency range}
본 발명은 넓은 동작 주파수 범위를 갖는 공진형 압전 에너지 하베스터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 서로 다른 고유 진동수 가지는 압전 에너지 하베스터를 순차적으로 배열하고, 이를 자성 질량체의 자기력에 의해서 서로 결합되게 구성하여, 넓은 공진 주파수 범위와 향상된 발전량을 가지며, 주변 진동뿐만 아니라 전력선 주변에 생성되는 자기장으로부터 전기 에너지를 생성할 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 국가과학시술연구회의 관리 하에 국가과학기술연구회(미래부)의 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. 특히 최근 저전력 센서 및 트랜스미터들이 개발됨에 따라, 이러한 에너지 하베스터가 배터리나 전원선 연결이 필요 없는 IoT 센서의 독립전원으로 크게 각광을 받고 있다.
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, 고유 진동수가 고정되고, 범위가 좁은 종래의 압전 에너지 하베스터 장치는 진동원의 주파수 범위가 넓거나, 자동차나 비행기의 엔진처럼 진동 주파수가 지속적으로 변하는 환경에 적용되는 데 한계가 있다.
한국등록특허 10-1190451
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 고안된 것으로서, 서로 다른 고유 진동수를 가지고 배열된 압전 빔들을, 자력에 의해서 서로 결합되도록 구성하여, 하나의 주파수에서 압전 빔이 동작 시 이웃한 압전 빔들이 함께 작동하게 만들어, 향상된 에너지 출력 및 넓은 동작 주파수 대역폭을 가질 수 있는 압전 에너지 하베스터를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터는 서로 다른 고유 진동수를 가지며, 일 방향을 따라 배열된 복수의 압전 빔; 상기 복수의 압전 빔의 일단을 고정하는 고정 부재; 및 상기 복수의 압전 빔이 자력에 의해 서로 결합되도록 상기 복수의 압전 빔 각각에 대응하여 연결된 복수의 자성 질량체를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 복수의 압전 빔은 외부 입력 주파수와 대응하는 고유 진동수를 가지는 하나의 압전 빔이 공진하여 동작하는 경우, 상기 자기결합에 의해 나머지 압전 빔도 함께 동작할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 일 방향은 수평 방향이며, 상기 복수의 압전 빔은 상기 수평 방향을 따라 나열된 구조일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 일 방향은 수직 방향이며, 상기 복수의 압전 빔은 상기 수직 방향을 따라 스택(stack)된 구조일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 복수의 자성 질량체는 대응하는 상기 복수의 압전 빔의 타단에 연결되고, 상기 복수의 자성 질량체 각각은 전력선 주변의 자기장의 진동수 변화에 의해 진동하여 상기 압전 빔의 전기 에너지 생성을 유도할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 압전 빔은 기판, 상기 기판으로부터 굽힘 모멘트를 전달받는 압전 단위 소자를 포함하고, 상기 압전 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 Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PZN-PT), [Pb(Mg1/3Nb2/3)O3]-[PbTiO3](PMN-PT), (NaxK1-x)NbO3(NKN)과 같은 결정 소재, PVDF, PVDF-TrFE과 같은 폴리머 소재, ZnO, CdS, AlN과 같은 박막 소재 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 압전 빔은 상기 압전 단위 소자 상에 위치하여 상기 압전 단위 소자를 보호하는 보호 기판을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터는 압전 빔이 자성 질량체들의 자력에 의해 서로 결합되어 있어, 하나의 압전 빔이 동작 시 주변의 압전 빔을 함께 진동시킴으로써, 본 발명의 압전 에너지 하베스터는 넓은 주파수 대역에서 동작함과 동시에 향상된 전기 에너지 생산이 가능하다.
또한, 본 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터는 주변 진동뿐만 아니라 전력선 주변에 생성되는 자기장으로부터 전기 에너지를 생성할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터는 가변적인 진동이나 넓은 주파수 범위의 진동이 가해지는 환경은 어디든 적용이 가능하며, 미래의 유비쿼터스 센서 네트워크(USN) 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 에너지 하베스터의 정면도이다.
도 4는 복수의 자성 질량체 사이에 형성된 자력을 도시한 그래프이다.
도 5는 자기 결합된 복수의 압전 빔을 포함하는 압전 에너지 하베스터에 일정 크기의 외부 입력 진동수를 제공하고, 시간에 따른 출력 전압을 도시한 그래프이다.
도 6은 본 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터에 일정 크기의 입력 가속도를 가지는 진동을 제공하고, 진동수 변화에 따른 전압의 출력 특성을 도시한 그래프이다.
도 7은 본 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터와 전력선 주변에서 생성되는 자기장과의 관계를 나타낸 모식도이다.
도 8은 본 실시예에 따른 자기결합으로 배열된 압전 에너지 하베스터에 일정 크기의 자기장을 제공하고, 진동수 변화에 따른 전압의 출력 특성을 도시한 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 3은 도 1의 압전 에너지 하베스터의 정면도이다. 도 4는 복수의 자성 질량체 사이에 형성된 자력을 도시한 그래프이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 압전 에너지 하베스터(10)는 복수의 압전 빔(110), 복수의 자성 질량체(120) 및 고정 부재(130)을 포함한다.
복수의 압전 빔(110)은 제1 방향(D1)을 따라 연장된 형태일 수 있다. 또한, 복수의 압전 빔(110)은 제1 방향(D1)과 수직인 제2 방향(D2)을 따라 나란히 배열될 수 있다. 복수의 압전 빔(110)의 배열 간격은 동일할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 여기서 제2 방향(D2)은 도 1에 도시된 바와 같은 수평 방향으로, 복수의 압전 빔(110)은 평면에 나열(array)된 구조일 수 있다. 다만, 복수의 압전 빔(110)의 개수 및 배열 방향은 도 1에 도시된 것에 한정되는 것은 아니며, 제2 방향(D2)은 수직 방향일 수도 있고, 복수의 압전 빔(110)은 수직 방향으로 스택(stack)된 구조일 수도 있다.
복수의 압전 빔(110)은 나란히 배열된 상태에서 일단이 고정 부재(130)에 고정될 수 있다. 복수의 압전 빔(110)은 일단이 고정 부재(130)에 고정된 상태에서 수직 방향을 따라 진동될 수 있다. 복수의 압전 빔(110)은 상, 하 진동에 의해 전압을 생성할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 복수의 압전 빔(110) 각각은 기판(S), 압전 단위 소자(E) 및 보호 기판(P)을 포함한다. 압전 단위 소자(E)는 기판(S) 상에 위치할 수 있다. 몇몇 실시예에서 압전 단위 소자는 복수 개로 구비될 수도 있다. 하나 이상의 압전 단위 소자(E)는 기판(S)을 사이에 두고 대칭되어 위치하는 제1 압전 단위 소자(E1) 및 제2 압전 단위 소자(E2)로 구성될 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며 복수의 압전 단위 소자(E)는 기판(S)상에 순차적으로 위치할 수도 있으며, 사용 환경 및 설계 목적 등에 따라 다양한 형태로 구현될 수 있다. 본 실시 예에서, 압전 빔(110)이 공진 주파수에 의해 큰 변위가 발생하는 점을 감안할 때, 압전 빔(110)은 기계적 강도가 우수하며, 2개의 보호 기판(P)을 사용한 2-2 컴파짓 구조(2-2 composite structure)로 구성될 수 있다.
기판(S)은 금속 재질로 구성될 수 있으며, 고정 부재(130)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 단위 소자(E)로 분산할 수 있고, 초기 상태로 복원시키는 복원력을 제공할 수 있다. 기판(S)의 위치 변화에 따라 압전 단위 소자(E)에 전압이 유도될 수 있다.
보호 기판(P)은 압전 단위 소자(E)의 상부에 위치하여, 외부로부터 압전 단위 소자(E)를 보호할 수 있다. 보호 기판(P)에 의해서 압전 단위 소자(E)의 강성이 향상될 수 있으며, 큰 변위에도 파손되는 것이 방지될 수 있다. 보호 기판(P)은 금속 재질로 구성될 수 있으며, 보호 기판(P)의 두께는 압전 단위 소자(E)나 기판(S)보다 얇을 수 있다.
여기서, 압전 빔(110)은 상술한 구성들을 통해 다양한 강성 및 두께로 준비될 수 있으나, 중심축(neutral axis)이 압전 단위 소자(E)에 형성될 경우, 전위차 감쇄에 의해서 생성 전압이 감소될 수도 있기에, 압전 빔(110)의 중심축(neutral axis)은 기판(S)에 형성되도록 준비될 수 있다.
압전 단위 소자(E)는 기판(S)과 보호 기판(P) 사이에 위치하여, 기판(S) 및 보호 기판(P)으로부터 굽힘 모멘트를 전달받을 수 있다. 압전 단위 소자(E)는 제1 전극, 압전 물질, 제2 전극을 포함할 수 있다. 제1 전극, 압전 물질, 제2 전극은 순차적으로 적층된 구조일 수 있다.
제1 전극은 압전 물질이 압전 에너지를 발생할 때, 이를 외부로 전달하는 압전 전극일 수 있으며, 높은 전기전도성을 가지는 도전체를 포함할 수 있다. 제2 전극은 압전 물질 상에 위치할 수 있고, 압전 물질이 압전 에너지를 발생할 때, 이를 외부로 전달하는 압전 전극일 수 있고, 높은 전기전도성을 가진 도전체를 포함할 수 있다.
압전 물질은 압전 효과를 기반으로 외력으로부터 전압을 발생시키는 물질을 포함할 수 있다. 압전 물질로 전달된 응력에 의한 기계적 일그러짐에 의해 물질 내 유전 분극이 유발되어 압전 물질 상하에 전위차가 발생할 수 있다. 압전 물질의 상하에 위치한 제1 전극 및 제2 전극은 전위차가 형성될 수 있고, 이에 대응되는 크기의 전압이 발생할 수 있다.
압전 물질은 PZT, BaTiO3, PVDF, PVDF-TrFE, ZnO, CdS 및 AlN으로 구성된 그룹에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 즉, 압전 물질은 Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PZN-PT), [Pb(Mg1/3Nb2/3)O3]-[PbTiO3](PMN-PT), (NaxK1-x)NbO3(NKN) 등과 같은 결정 소재, PVDF, PVDF-TrFE 등과 같은 폴리머 소재, ZnO, CdS, AlN 등과 같은 박막 소재 중 적어도 하나를 포함할 수 있고, 박막 형태 및 폴리머(polymer) 기반의 필름 구조, 나노/마이크로 구조체 물질과 폴리머의 혼합체 등 다양한 형태로 구성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터(10)는 기판(S)에 소정의 입력 주파수로 진동을 제공할 수 있는 진동 발생 부재(미도시) 및 압전 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.
복수의 압전 빔(110)은 각각은 서로 다른 고유 진동수를 가질 수 있다. 복수의 압전 빔(110)의 고유 진동수(
Figure 112019003358463-pat00001
)는 하기와 같은 수학식 1로 정의될 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112019003358463-pat00002
,
(여기서,
Figure 112019003358463-pat00003
: 등가 질량(equivalent mass),
Figure 112019003358463-pat00004
: 등가 스프링 상수(equivalent spring constant),
Figure 112019003358463-pat00005
: 압전 빔의 길이,
Figure 112019003358463-pat00006
: 압전 빔의 탄성 계수,
Figure 112019003358463-pat00007
: 압전 빔 단면의 관성 모멘트로서,
Figure 112019003358463-pat00008
: 압전 빔 단위 길이당 질량,
Figure 112019003358463-pat00009
: 검증 질량의 무게이고,
Figure 112019003358463-pat00010
가 성립되며, b는 압전 빔 단면의 너비(breadth), d는 압전 빔 단면의 두께(depth)를 의미한다.)
본 실시예에 따른 복수의 압전 빔(110)은 서로 다른 고유 진동수를 가지기 위해 길이가 서로 상이할 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 복수의 압전 빔(110)은 제1 ~ 제5 압전 빔(110_1 ~ 110_5)으로 구성될 수 있으며, 제1 ~ 제5 압전 빔(110_1 ~ 110_5)의 길이는 서로 상이할 수 있다. 제1 압전 빔(110_1)의 길이가 가장 길 수 있으며, 제5 압전 빔(110_5)의 길이가 가장 짧을 수 있다.
다른 실시예에서, 복수의 압전 빔(110)은 서로 다른 고유 진동수를 가지기 위해 압전 빔 단위 길이당 질량, 압전 빔의 두께가 서로 상이할 수도 있다. 또한, 복수의 압전 빔(110)이 아닌 자성 질량체(120)의 무게가 서로 상이할 수도 있다.
복수의 자성 질량체(120)는 복수의 압전 빔(110)과 각각 대응되어 연결될 수 있다. 복수의 자성 질량체(120)는 제1 ~ 제5 자성 질량체(120_1 ~ 120_5)로 구성될 수 있으며, 제1 ~ 제5 자성 질량체(120_1 ~ 120_5)는 각각 제1 ~ 제5 압전 빔(110_1 ~ 110_5)에 대응하여 연결될 수 있다. 상술한 복수의 자성 질량체(120) 및 복수의 압전 빔(110)의 개수 및 구성은 예시적인 것으로 본 발명의 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다.
복수의 자성 질량체(120)는 복수의 압전 빔(110)의 변형량을 확대할 수 있으며, 이에 따라 압전 에너지 하베스터(10)에서 발생되는 전기 생산량을 증가시킬 수 있다. 자성 질량체(120)는 압전 빔(110)의 타단에 위치할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 자성 질량체(120)는 압전 빔(110)의 변위를 극대화할 수 있는 압전 빔(110) 상의 위치에서 압전 빔(110)과 결합될 수 있다. 압전 에너지 하베스터(10)에는 외부로부터 입력 주파수가 제공될 수 있으며, 입력 주파수에 의해 압전 빔(110)은 진동될 수 있다. 외부의 입력 주파수가 압전 빔(110)의 고유 진동수 범위인 경우, 압전 빔(110)은 자성 질량체(120)와 연결된 상태에서 외부에서 제공된 입력 주파수와 공진할 수 있으며, 압전 빔(110)의 발생 변위는 보다 확대되어 보다 많은 전압이 생성될 수 있다.
여기서, 본 발명의 복수의 압전 빔(110)은 연결된 복수의 자성 질량체(120) 사이에 형성된 자기장에 의해 서로 결합될 수 있다. 자성 질량체(120)는 네오디늄(Nd)을 포함하는 강자성 물질로 구성될 수 있다. 즉, 복수의 자성 질량체(120)는 자력에 의해서 상호 영향을 끼칠 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 이웃하는 제1 ~ 제5 자성 질량체(120_1 ~ 120_5)는 서로 동일한 극성을 가지도록 배열될 수 있다. 제1 ~ 제5 자성 질량체(120_1 ~ 120_5)는 상호간에 발생하는 척력 또는 인력에 의해 도 3에 도시된 바와 같이, 높이가 서로 상이할 수 있다. 다른 실시예에서 복수의 자성 질량체(120)는 이웃하는 자성 질량체의 극성이 서로 상이하도록 구성될 수도 있다. 제1 ~ 제5 자성 질량체(120_1 ~ 120_5)는 자력에 의해서 상호 결합(coupling)되어 있으며, 하나의 압전 빔(110)이 진동하더라도 자성 질량체 간의 결합에 의해 다른 압전 빔(110)도 함께 움직일 수 있다. 또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 복수의 압전 빔(110)이 수평 방향으로 배열되지 않고, 수직 방향으로 위치하는 스택 구조이더라도 자성 질량체(120)에 의한 압전 빔(110) 사이의 상호 결합은 동일하게 발생할 수 있다.
도 4는 제1 자성 질량체(120_1)와 나머지 자성 질량체(120_2 ~ 120_5) 사이에 형성되는 자기장에 의한 힘의 크기를 거리에 따라 도시한 그래프이다. F21은 제1 자성 질량체(120_1)와 제2 자성 질량체(120_2) 사이에 형성된 자력의 크기에 해당하며, F31, F41, F51, 은 제1 자성 질량체(120_1)와 제3 자성 질량체(120_3) 사이, 제1 자성 질량체(120_1)와 제4 자성 질량체(120_4) 사이, 제1 자성 질량체(120_1)와 제5 자성 질량체(120_5) 사이에 각각 형성된 자력의 크기에 해당한다. 도 4에 도시된 바와 같이, F21이 크게 형성된 것을 확인할 수 있다. 즉, 적어도 이웃하는 자성 질량체 사이에는 강한 상호 결합(coupling)이 발생할 수 있으며, 이러한 상호 결합에 의해 상호간의 동작의 종속 관계가 형성될 수 있다.
따라서, 외부 입력 진동수에 대응하는 고유 진동수를 가지는 하나의 압전 빔(110)만이 공진하여 동작하는 경우, 자기결합에 의해 나머지 압전 빔(110)도 함께 동작될 수 있다. 이에 따라, 압전 에너지 하베스터(10)의 발생 변위는 보다 확대되어 보다 많은 전력이 생성될 수 있다. 또한, 복수의 압전 빔(110)은 서로 다른 고유 진동수를 가지는 바, 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터(10)는 동작 주파수 대역폭이 확대되어 보다 많은 전력을 생성할 수 있다.
도 5는 자기 결합된 복수의 압전 빔을 포함하는 압전 에너지 하베스터에 일정 크기의 외부 입력 진동수를 제공하고, 시간에 따른 출력 전압을 도시한 그래프이다. 도 5(a)는 52.5 Hz, 도 5(b)는 60.5 Hz, 도 5(c)는 70 Hz, 도 5(d)는 78 Hz에 해당하는 외부 입력 진동수를 압전 에너지 하베스터에 제공하였다.
도 5(a)에 도시된 바와 같이, 외부 입력 진동이 52.5 Hz 때 제1 압전 빔(110_1)이 공진 상태에 있으며, 가장 큰 출력 전압을 나타낸다. 여기서, 제1 압전 빔(110_1)과 달리 제2 내지 제5 압전 빔(110_2 ~ 110_5)은 비공진 상태이기 때문에 출력 전압이 거의 없어야 하나, 복수의 자성 질량체(120)의 자기력에 의해 상호 결합된 제2 내지 제5 압전 빔(110_2 ~ 110_5)은 준공진 상태로 진동을 하고 출력 전압이 생성되는 것을 확인할 수 있다. 또한, 상술한 자성 질량체 간의 자기력의 세기에 따라 공진 상태인 제1 압전 빔(110_1)과 가장 가까이 위치한 제2 압전 빔(110_2)이 가장 영향을 많이 받아 발생 전압이 크게 생성되는 것을 알 수 있다.
마찬가지로, 도 5(b)에서 외부 입력 진동이 60.5 Hz 때 제2 압전 빔(110_2)이 공진 상태에 있어 가장 큰 출력 전압을 나타내고, 도 5(c)에서 외부 입력 진동이 70 Hz 때 제3 압전 빔(110_3)이 공진 상태에 있어 가장 큰 출력 전압을 나타내며, 도 5(d)에서 외부 입력 진동이 78 Hz 때 제5 압전 빔(110_5)이 공진 상태에 있어 가장 큰 출력 전압을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 또한, 공진 상태가 아닌 다른 압전 빔에서도 전압이 출력되는 것을 확인할 수 있다.
도 6은 본 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터에 일정 크기의 입력 가속도를 가지는 진동을 제공하고, 진동수 변화에 따른 전압의 출력 특성을 도시한 그래프이다. 진동수 변화에 따라 공진하는 압전 빔이 달라지는 바, 진동수 변화에 따라 자기결합으로 배열된 복수의 압전 빔 중 주로 전력을 생성하는 압전 빔이 변화되는 것을 확인할 수 있다. 또한, 각각의 압전 빔은 주 공진 주파수 외 다른 주파수에서도 전력을 생성하는 것을 확인할 수 있다. 즉, 각각의 압전 빔은 주 공진 주파수 외 다중의 공진 주파수를 가진다. 그리고 자성 질량체(120)들의 자기결합으로 인해 각 에너지 하베스터의 공진 주파수 범위가 넓어졌으며, 이로 인해 전체 배열된 압전 에너지 하베스터의 공진 주파수 범위가 35 Hz이상으로 넓어졌음을 확인할 수 있다. 이러한 부분은 종래 구조의 압전 에너지 하베스터의 좁은 공진 주파수 범위와 비교해 확연히 넓어 졌음을 확인할 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터(10)는 주변 진동뿐만 아니라 전력선 주변에 생성되는 자기장으로부터 전기 에너지를 생성할 수 있다.
도 7은 본 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터와 전력선 주변에서 생성되는 자기장과의 관계를 나타낸 모식도이다. 즉, 도 7은 본 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터(10)가 주변 진동뿐만 아니라 전력선 주변에 생성되는 자기장으로부터 전기 에너지를 생성할 수 있음을 보여주는 모식도이다. 압전 에너지 하베스터(10)가 도 3에 도시된 바와 같이 전력선 주변에 위치하는 경우, 복수의 자성 질량체(120)는 하기 수학식 2와 같은 자기력 모멘트 식에 따라 외부 자기장에 의해 자기력을 받게 된다.
[수학식 2]
Figure 112019003358463-pat00011
(
Figure 112019003358463-pat00012
: 자성 질량체에 유도되는 자기력의 모멘트,
Figure 112019003358463-pat00013
: 자성 질량체의 부피,
Figure 112019003358463-pat00014
: 에너지 하베스터에 가해지는 자기장,
Figure 112019003358463-pat00015
: 자성 질량체의 잔류 자기 분극)
또한, 전력선 주변의 자기장의 진동수 변화에 의해 자성 질량체(120)가 진동하게 되고, 이러한 진동에 따른 압전 물질의 변형에 의해 전기 에너지가 생성될 수 있다.
도 8은 본 실시예에 따른 자기결합으로 배열된 압전 에너지 하베스터를 전력선 주변에 위치하고, 자기장의 진동수 변화에 따른 전압의 출력 특성을 도시한 그래프이다. 도 6에 도시된 진동 입력 조건과 마찬가지로, 자기장 변화에 따라서도 배열된 압전 빔 중 대응하여 진동하는 압전 빔이 달라지는 것을 확인할 수 있다. 또한, 각각의 압전 빔은 주 공진 주파수 외에 다중의 공진 주파수를 가질 수 있으며, 자성 질량체(120)들의 자기결합으로 인해 각 에너지 하베스터의 공진 주파수 범위가 확장되는 것을 확인할 수 있다. 도 6과 도 8을 비교하였을 때, 출력 전압의 그래프 모양이 일정 부분 상이할 것을 확인할 수 있는 데, 진동 조건에서는 변위가 압전 빔의 일단에 해당하는 고정 부위에서 시작되는 반면 자기 조건에서는 변위가 압전 빔의 타단에 위치한 자성 질량체(120)로부터 시작되기 때문이다.
다만, 본 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터는 자기결합으로 배열된 압전 빔을 이용하여 외부에서 제공되는 넓은 영역의 입력 진동수에 공진이 가능한 바, 자기결합이 없이 배열된 종래의 구조 대비하여 넓은 입력 진동수의 범위에서 높은 출력을 제공할 수 있다. 또한 자성을 가지는 질량체를 사용함으로써, 전기력선 주변에 생성되는 자기장으로부터 넓은 입력 주파수 범위에서 높은 출력을 제공할 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
110: 압전 빔
120: 자성 질량체
130: 고정부재

Claims (8)

  1. 제1 방향을 따라 서로 다른 길이로 연장되어 서로 다른 고유 진동수를 가지며, 상기 제1 방향과 수직인 제2 방향을 따라 나란히 배열된 복수의 압전 빔;
    상기 복수의 압전 빔의 일단을 고정하는 고정 부재; 및
    상기 복수의 압전 빔이 자력에 의해 서로 결합되도록 상기 복수의 압전 빔 각각에 대응하여 연결된 복수의 자성 질량체를 포함하고,
    상기 복수의 자석 질량체는 대응하는 압전 빔의 타단에 연결되며,
    상기 복수의 자석 질량체는 상기 제1 방향을 따라 서로 오버랩되지 않는 것을 특징으로 하는 자기결합으로 배열된 압전 에너지 하베스터.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 복수의 압전 빔은 외부 입력 주파수와 대응하는 고유 진동수를 가지는 하나의 압전 빔이 공진하여 동작하는 경우, 상기 자기결합에 의해 나머지 압전 빔도 함께 동작하는 것을 특징으로 하는 자기결합으로 배열된 압전 에너지 하베스터.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 복수의 자성 질량체 각각은 전력선 주변의 자기장의 진동수 변화에 의해 진동하여 상기 압전 빔의 전기 에너지 생성을 유도하는 것을 특징으로 자기결합으로 배열된 압전 에너지 하베스터.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 압전 빔은 기판, 상기 기판으로부터 굽힘 모멘트를 전달받는 압전 단위 소자를 포함하고,
    상기 압전 단위 소자는 제1 전극, 상기 제1 전극 상에 위치하는 압전 물질, 상기 압전 물질상에 위치하는 제2 전극을 포함하는 자기결합으로 배열된 압전 에너지 하베스터.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 압전 물질은 Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PZN-PT), [Pb(Mg1/3Nb2/3)O3]-[PbTiO3](PMN-PT), (NaxK1-x)NbO3(NKN)과 같은 결정 소재, PVDF, PVDF-TrFE과 같은 폴리머 소재, ZnO, CdS, AlN과 같은 박막 소재 중 적어도 하나를 포함하는 자기결합으로 배열된 압전 에너지 하베스터.
  8. 제6 항에 있어서,
    상기 압전 빔은 상기 압전 단위 소자 상에 위치하여 상기 압전 단위 소자를 보호하는 보호 기판을 더 포함하는 자기결합으로 배열된 압전 에너지 하베스터.
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KR101561614B1 (ko) * 2014-01-23 2015-10-19 대구가톨릭대학교산학협력단 2축 진동 에너지 수확장치

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"Design and development of a broadband magnet-induced dual-cantilever piezoelectric energy harvester",Wei-Jiun Su, J. of Intell. Material Systems and Strutures (2013.08.01. 공개)*
"Enhanced performance of magnetoelectric energy harvester based on compound magnetic coupling effect",Jinchi Han, J. of Applied Phy. (2015.04.08. 공개)*

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