KR102143686B1 - Rf 신호를 이용하는 에너지 하베스팅 장치 - Google Patents
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Abstract
RF 신호에 의해 변형이 발생하는 자왜 소자를 이용하여 전기 에너지를 생성할 수 있는 에너지 하베스팅 장치가 개시된다. RF 신호를 이용하는 에너지 하베스팅 장치는 기판; 및 상기 기판 상에 고정된 적어도 하나의 압전 하베스터를 포함하며, 상기 압전 하베스터는 압전 소재 레이어; 및 상기 압전 소재 레이어 상에 위치하는 자왜 소재 레이어를 포함한다.
Description
본 발명은 RF 신호를 이용하는 에너지 하베스팅 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 RF 신호에 의해 변형이 발생하는 자왜 소자를 이용하여 전기 에너지를 생성하는 에너지 하베스팅 장치에 관한 것이다.
근래에는 에너지 자원의 부족에 따라 다양한 에너지 생산 방법들이 연구되고 있는데, 특히, 최근에는 에너지 하베스트(energy harvest)라는 개념으로 일상 생활에서 버려지는 에너지를 회수하는 시스템에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
에너지 하베스트는 진동, 빛, 열, 전자파 등 일상 생활에서 버려지는 에너지를 모아 사용 가능한 전기 에너지로 변환하는 기술을 의미하는데, 이러한 에너지 하베스트는 매우 다양한 분야에서 활발한 연구가 진행되고 있다.
이러한 에너지 하베스팅 기술의 한 종류로서, 압전 소재를 이용한 기술이 개발되고 있는데, 이는 반복적으로 전달되는 외부 압력을 전기 에너지로 변환하는 기술이다. 압전 소재는 기계적인 힘을 받았을 때 전기 에너지를 발생시키거나, 또는 전기적 에너지를 받았을 때 기계적인 변형을 일으킬 수 있는 소자로서, 수정, 세라믹(납-지르코니아-티타늄), AIN, LiNbO3, LiTaO3, ZnO, GaN 등과 같은 물질이 이용될 수 있다.
관련 선행문헌으로 대한민국 공개특허 제2016-0076700호 및 대한민국 등록특허 제10-1768811호가 있다.
본 발명은 RF 신호에 의해 변형이 발생하는 자왜 소자를 이용하여 전기 에너지를 생성할 수 있는 에너지 하베스팅 장치를 제공하기 위한 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 기판; 및 상기 기판 상에 고정된 적어도 하나의 압전 하베스터를 포함하며, 상기 압전 하베스터는 압전 소재 레이어; 및 상기 압전 소재 레이어 상에 위치하는 자왜 소재 레이어를 포함하는 RF 신호를 이용하는 에너지 하베스팅 장치를 제공한다.
또한 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 적어도 하나의 관통 홀을 포함하는 기판; 상기 기판에 포함되며, 일부가 상기 관통 홀 방향으로 돌출된 메탈 라인; 및 상기 관통 홀 각각에 위치하며, 상기 메탈 라인과 결합되는 적어도 하나의 압전 하베스터를 포함하는 RF 신호를 이용하는 에너지 하베스팅 장치를 제공한다.
본 발명에 따르면, RF 신호의 자기장에 의해 변형될 수 있는 자왜 소자와 압전 소재가 결합된 압전 하베스터를 이용함으로써, RF 신호를 이용해 전기 에너지를 생성할 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, 공진 주파수가 서로 다른 압전 하베스터를 이용함으로써, 다양한 주파수의 RF 신호에 대해 전기 에너지를 생성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 RF 신호를 이용하는 에너지 하베스팅 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 압전 하베스터를 도시하는 도면이다.
도 3은 두께 미끄러짐 진동 모드를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 RF 신호를 이용하는 에너지 하베스팅 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 압전 하베스터와 메탈 라인의 결합 예시를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 압전 하베스터를 도시하는 도면이다.
도 3은 두께 미끄러짐 진동 모드를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 RF 신호를 이용하는 에너지 하베스팅 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 압전 하베스터와 메탈 라인의 결합 예시를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
자왜(magnetostrictive) 소재란, 외부 자기장에 의해 변형(strain)이 발생하는 소재를 말한다. 자왜 소재로서, Ni, Fe 등의 강자성 금속, 페라이트계 세라믹스, 자왜 합금, 자성 형상기억 합금(magnetic shape memory alloy, MSMA) 등이 있다.
무선 통신 등에 이용되는 RF 신호는 전자기파 신호이며, 이러한 전자기파는 전기장과 자기장으로 이루어지는 파동이기 때문에, RF 신호의 자기장에 의해 자왜 소재의 변형이 발생할 수 있다.
이에 본 발명은, 자왜 소재와 압전 소재를 이용하여 RF 신호로부터 전기 에너지를 생성할 수 있는 에너지 하베스팅 장치를 제안한다. 자왜 소자와 압전 소재가 결합된 소재를 자전기(Magnetoelectric) 소재라고 하며, 본 발명은 RF 신호에 의해 변형이 발생하는 자전기 소재를 이용하여 전기 에너지를 생성한다.
압전 소재의 분극 방향에 따라서, 전기 에너지를 생성하는 압전 소재의 진동 모드가 달라지기 때문에, 본 발명에 따른 에너지 하베스팅 장치는 압전 소재의 진동 모드에 따른 다양한 실시예를 제안한다.
이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 RF 신호를 이용하는 에너지 하베스팅 장치를 설명하기 위한 도면이며, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 압전 하베스터를 도시하는 도면이다. 그리고 도 3은 두께 미끄러짐 진동 모드를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면 본 발명에 따른 에너지 하베스팅 장치는 기판(110) 및 기판(110) 상에 고정된 적어도 하나의 압전 하베스터(121 내지 124)를 포함한다. 그리고 도 2를 참조하면, 압전 하베스터(121 내지 124)는 압전 소재로 이루어진 압전 소재 레이어(210) 및 압전 소재 레이어(210) 상에 위치하며 자왜 소재로 이루어진 자왜 소재 레이어(220)를 포함한다. 그리고 압전 하베스터(121 내지 124) 각각은 압전 소재 레이어(210) 및 자왜 소재 레이어(220) 사이에 위치하는 제1전극 레이어(230)와, 기판(110) 및 압전 소재 레이어(210) 사이에 위치하는 제2전극 레이어(240)를 포함할 수 있다.
압전 하베스터(121 내지 124)는 절연체인 접착제를 통해 기판 상에 고정될 수 있으며, 일예로서 실리콘 겔이 접착제로 이용될 수 있다. 후술되지만, 본 실시예에서는 두께 미끄러짐(thickness shear) 진동 모드의 압전 소재가 이용되기 때문에, 압전 하베스터(120)가 기판 상에 고정되는 것이 바람직하다.
기판에는 메탈 라인(130)이 형성될 수 있으며, 실시예에서 따라서 메탈 라인은 PCB 기판과 같이, 기판 상에 형성되거나 또는 기판 내부에 형성될 수 있다. 이러한 메탈 라인(130)은 제1 및 제2전극 레이어(230, 240)와 전기적으로 연결될 수 있다. 도면에 도시되지는 않았지만, 압전 소재 레이어(210)에서 생성된 전기 에너지는 전극 레이어(230, 240) 및 메탈 라인(130)을 통해 베터리 등으로 제공될 수 있다.
전술된 바와 같이, 자왜 소재는 자기장에 의해 변형되며 자왜 소재의 변형은 압전 소재에게 외부 압력으로 작용할 수 있다. 따라서, RF 신호의 자기장에 의해 자왜 소재가 변형됨으로써, 압전 하베스터는 전기 에너지를 생성할 수 있다.
일실시예에 따르면, 압전 소재 레이어(210)의 압전 소재는 두께 미끄러짐 진동 모드에서 전기 에너지를 생성할 수 있다. 압전 소재의 진동 모드는 압전 소재의 분극 방향에 따라서 달라질 수 있으며, 두께 미끄러짐 진동 모드, 두께(thickness) 방향 진동 모드, 길이(length) 방향 진동 모드 등이 존재한다.
도 3을 참조하면, 두께 미끄러짐 진동 모드란 압전 소재의 두께 방향(310) 상단에서 외부 압력(320, 330)이 작용하여, 압전 소재가 고정면(111)에서 미끄러지듯 뒤틀리며 진동하는 모드이다. 따라서, 압전 하베스터는 기판 상에 고정되는 것이 바람직하다.
한편, 도 1에는 4개의 압전 하베스터가 이용되는 경우가 도시되어 있으나, 이용되는 압전 하베스터의 개수는 실시예에 따라서 달라질 수 있다. 그리고 압전 하베스터(121 내지 124)의 공진 주파수는 서로 다를 수 있다. 압전 소재는 압전 소재의 공진 주파수에서 최대 효율로 전기 에너지를 생성할 수 있는데, 공진 주파수는 압전 소재의 종류나 두께, 크기 등에 따라 달라지기 때문에, 압전 하베스터(121 내지 124)의 크기나 두께, 또는 이용되는 소재 등은 서로 다를 수 있다. 예컨대, 압전 하베스터의 두께가 얇을수록 공진 주파수는 높아진다.
따라서, 본 발명에 따른 에너지 하베스팅 장치는 서로 다른 주파수의 RF 신호에 대해서 전기 에너지를 생성할 수 있다. 실제 환경에서 다양한 주파수의 RF 신호가 이용되고 있으므로, 본 발명에 따른 에너지 하베스팅 장치는 서로 다른 공진 주파수의 압전 하베스터를 이용함으로써, 에너지 하베스팅 효율을 증가시킬 수 있다.
예컨대, 본 발명에 따른 에너지 하베스팅 장치가 와이파이를 지원하는 이동 통신 단말기 주변에 위치할 경우, 에너지 하베스팅 장치 주변에 이동통신 주파수의 RF 신호와 와이파이 주파수의 RF 신호가 존재할 수 있다. 그리고 제1압전 하베스터(121)의 공진 주파수가 이동통신 주파수에 대응되고, 제2압전 하베스터(122)의 공진 주파수가 와이파이 주파수에 대응된다면, 본 발명에 따른 에너지 하베스팅 장치는 이동통신 RF 신호와 와이파이 RF 신호 모두를 이용해 전기 에너지를 생성할 수 있다.
이러한 방식으로 제1압전 하베스터(121), 제2압전 하베스터(122) 혹은 그 이상의 압전 하베스터가 사용될 경우, 출력 전압은 각 하베스터 단말에 정류회로 및 커패시터 등을 통하여 정류를 할 수 있으며, 커패시터에 저장되는 전기에너지는 다양한 활용처에 이용될 수 있다.
한편, 도 1 및 도 2에서는 원판(disk) 형상의 압전 하베스터가 일실시예로서 도시되어 있으나, 압전 하베스터는 실시예에 따라서 사각형판이나 링 형상으로도 제조될 수 있다.
결국 본 발명에 따르면, RF 신호의 자기장에 의해 변형될 수 있는 자왜 소자와 압전 소재가 결합된 압전 하베스터를 이용함으로써, RF 신호를 이용해 전기 에너지를 생성할 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 RF 신호를 이용하는 에너지 하베스팅 장치를 설명하기 위한 도면이며, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 압전 하베스터와 메탈 라인의 결합 예시를 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 에너지 하베스팅 장치는 기판(410), 메탈 라인(430) 및 적어도 하나의 압전 하베스터(421 내지 424)를 포함한다.
기판(410)은 적어도 하나의 관통 홀(411 내지 414)을 포함하며, 기판(410)에 포함되는 메탈 라인(430)의 일부는 기판(410)으로부터 관통 홀(411 내지 414) 방향으로 돌출된다. 압전 하베스터(421 내지 424)는 메탈 라인(430)과 결합되어 관통 홀(411 내지 414)에 위치한다.
도 1에서 설명된 에너지 하베스팅 장치와 달리, 도 4의 에너지 하베스팅 장치에서 압전 하베스터(421 내지 424)는 기판(410)의 일면에 고정되지 않으며, 기판의 관통 홀(411 내지 414) 각각에 위치한다. 그리고 압전 하베스터(421 내지 424)는 메탈 라인(430)에 의해 공중에서 지지된다.
압전 하베스터(421 내지 424)는 도 2에 도시된 바와 같이, 압전 소재 레이어 및 자왜 소재 레이어를 포함한다. 그리고 압전 소재 레이어의 일면 및 자왜 소재 레이어 사이에 위치하며, 메탈 라인과 결합되는 제1전극 레이어 및 압전 소재 레이어의 타면에 형성되며, 메탈 라인과 결합되는 제2전극 레이어를 포함한다.
다만, 도 4의 실시예에서 압전 소재 레이어(421 내지 424)에 포함되는 압전 소재는, 전술된 진동 모드와 달리, 두께 방향 진동 모드에서 전기 에너지를 생성할 수 있다. 두께 방향 진동 모드란, 도 5의 화살표와 같이, 압전 소재의 두께 방향으로 작용하는 외력에 의해 압전 소재가 전기 에너지를 생성하는 모드로서, 두께 미끄러짐 진동 모드와 달리 두께 방향 진동 모드에서는 압전 소재가 기판에 고정된 경우 효율적으로 전기 에너지를 생성할 수 없다.
따라서, 본 발명에 따른 에너지 하베스팅 장치는, 관통 홀(411 내지 414)에 위치하며, 기판(410)의 일면과 결합되어 고정되지 않는 압전 하베스터(421 내지 424)를 이용한다. 압전 하베스터(421 내지 424)가 관통 홀(411 내지 414)에 위치할 경우, 두께 방향의 장애물이 존재하지 않으므로, 압전 하베스터(421 내지 424)는 보다 효율적으로 전기 에너지를 생성할 수 있다.
도 5를 참조하면, 메탈 라인은 압전 하베스터(421)가 기울어지지 않고 기판(410)과 평행하게 공중에서 지지될 수 있도록 압전 하베스터(421)의 전극 레이어와 결합될 수 있다. 일실시예에 따르면, 도 5(a)에 도시된 바와 같이, 메탈 라인(431, 432)들은 기판(410)으로부터 일부가 돌출되고, 제1메탈 라인(431)은 기판(410)의 일면에 형성되며, 제2메탈 라인(432)은 기판(410) 내부에 형성될 수 있다. 제1메탈 라인(431)은 제2전극 레이어와 결합되어 전기적으로 연결되며, 제2메탈 라인(432)은 제1전극 레이어와 결합되어 전기적으로 연결된다.
또는 도 5(b)에 도시된 바와 같이, 다른 실시예에 따르면, 제1메탈 라인(431)은 기판(410)의 일면에 형성되며, 제2메탈 라인(432)은 기판(410)의 타면에 형성될 수 있다. 제1메탈 라인(431)은 제2전극 레이어와 결합되어 전기적으로 연결되며, 제2메탈 라인(432)은 제1전극 레이어와 결합되어 전기적으로 연결된다.
압전 하베스터(421)가 기판(410)과 평행하게 공중에서 지지될 수 있도록, 메탈 라인, 압전 하베스터 및 기판의 두께는 다양하게 설계될 수 있다. 또한 압전 하베스터(421)의 무게를 지지해야하는 메탈 라인의 내구성을 향상시키기 위해, 실리콘 겔과 같은 물질이 코팅된 메탈 라인이 이용될 수 있다.
또한 전술된 바와 같이, 압전 하베스터 각각의 공진 주파수는 서로 다를 수 있으며, 압전 하베스터는 원판 형상 뿐만 아니라, 사각형판이나 링 형상으로도 제조될 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
Claims (12)
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- 적어도 하나의 관통 홀을 포함하는 기판;
상기 기판에 포함되며, 일부가 상기 관통 홀 방향으로 돌출된 메탈 라인; 및
상기 관통 홀 각각에 위치하며, 상기 메탈 라인과 결합되어 상기 메탈 라인에 의해 지지되는 적어도 하나의 압전 하베스터
를 포함하는 RF 신호를 이용하는 에너지 하베스팅 장치.
- 제 6항에 있어서,
상기 압전 하베스터는
압전 소재 레이어;
자왜 소재 레이어;
상기 압전 소재 레이어의 일면 및 상기 자왜 소재 레이어 사이에 위치하며, 상기 메탈 라인과 결합되는 제1전극 레이어; 및
상기 압전 소재 레이어의 타면에 형성되며, 상기 메탈 라인과 결합되는 제2전극 레이어
를 포함하는 RF 신호를 이용하는 에너지 하베스팅 장치.
- 제 7항에 있어서,
상기 압전 소재는
두께(thickness) 방향 진동 모드로 에너지 하베스팅을 수행하는
RF 신호를 이용하는 에너지 하베스팅 장치.
- 제 8항에 있어서,
상기 압전 하베스터는
원판, 사각형판 또는 링 형상인
RF 신호를 이용하는 에너지 하베스팅 장치.
- 제 6항에 있어서,
제1메탈 라인은 상기 기판의 일면에 형성되며,
제2메탈 라인은 상기 기판 내부에 형성되는
RF 신호를 이용하는 에너지 하베스팅 장치.
- 제 6항에 있어서,
제1메탈 라인은 상기 기판의 일면에 형성되며,
제2메탈 라인은 상기 기판의 타면에 형성되는
RF 신호를 이용하는 에너지 하베스팅 장치.
- 제 6항에 있어서,
상기 압전 하베스터 각각의 공진 주파수는
서로 다른 공진 주파수인
RF 신호를 이용하는 에너지 하베스팅 장치.
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| KR101758017B1 (ko) * | 2016-05-20 | 2017-07-13 | 소스트 주식회사 | 피에조 멤스 마이크로폰 및 그 제조방법 |
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2018
- 2018-04-25 KR KR1020180047849A patent/KR102143686B1/ko active IP Right Grant
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