KR102528431B1 - Energy harvester - Google Patents
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Abstract
본 발명은 에너지 수확 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 상판과 하판의 이중구조로 형성되고, 상판과 하판을 연결하는 고정단에 의해 저주파에 해당하는 소음 및 진동에너지의 수확이 가능한 에너지 수확 장치에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 수확 장치는, 하판, 상기 하판과 마주보도록 배치된 상판 및 양 말단이 상기 상판 및 상기 하판에 각각 연결되어 상기 상판 및 상기 하판을 고정시키는 복수의 고정단을 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 상판과 하판을 고정시키는 고정단을 형성함으로써, 극저주파 대역에 밴드 갭(band gap)을 형성할 수 있으며, 상판에 파동 집속부를 형성함으로써 극저주파 대역에 형성된 밴드 갭에 브랜치를 생성하여 저주파를 이용하여 에너지를 수확할 수 있다는 이점이 있다.The present invention relates to an energy harvesting device, and more particularly, to an energy harvesting device formed of a dual structure of an upper plate and a lower plate and capable of harvesting noise and vibration energy corresponding to a low frequency by a fixed end connecting the upper plate and the lower plate. it's about
An energy harvesting device according to an embodiment of the present invention includes a lower plate, an upper plate disposed to face the lower plate, and a plurality of fixing ends having both ends connected to the upper plate and the lower plate, respectively, to fix the upper plate and the lower plate. can do.
According to the present invention, by forming a fixed end for fixing the upper and lower plates, a band gap can be formed in the ultra-low frequency band, and by forming a wave concentrating portion on the upper plate, branches are formed in the band gap formed in the ultra-low frequency band. It has the advantage of being able to harvest energy using low frequencies.
Description
본 발명은 에너지 수확 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 상판과 하판의 이중구조로 형성되고, 상판과 하판을 연결하는 고정단에 의해 저주파에 해당하는 소음 및 진동에너지의 수확이 가능한 에너지 수확 장치에 관한 것이다.The present invention relates to an energy harvesting device, and more particularly, to an energy harvesting device formed of a dual structure of an upper plate and a lower plate and capable of harvesting noise and vibration energy corresponding to a low frequency by a fixed end connecting the upper plate and the lower plate. it's about
에너지 하베스팅(Energy havesting) 기술은 주변 환경을 이용하여 에너지를 얻는 분야로, 주변의 에너지를 회로 구동에 이용 가능한 전기 에너지로 변환하는 기술이다. 이러한 기술은 배터리 없이 또는 별도의 전원을 이용한 배터리 충전 없이 회로가 동작하도록 함으로써 다양한 센서 및 이를 이용한 통신 소자 등의 전원 또는 보조 전원으로 이용될 수 있어 그 응용 범위가 상당히 넓은 특징이 있다.Energy harvesting (Energy havesting) technology is a field that obtains energy by using the surrounding environment, a technology that converts the surrounding energy into electrical energy usable for driving a circuit. This technology allows the circuit to operate without a battery or without battery charging using a separate power source, so that it can be used as a power source or auxiliary power source for various sensors and communication devices using the same, and thus has a fairly wide range of applications.
에너지 하베스팅 기술로는 태양 전지(Solar cell)를 이용하여 자연 환경의 빛으로부터 에너지를 얻는 방법이 가장 널리 알려져 있다. 그러나 태양 전지의 경우 얻을 수 있는 에너지의 효율이 매우 낮고, 필요한 면적이 크기 때문에 적용할 수 있는 분야가 한정적이라는 문제점이 있다.As an energy harvesting technology, a method of obtaining energy from light in a natural environment using a solar cell is most widely known. However, in the case of a solar cell, there is a problem in that the efficiency of obtainable energy is very low and the fields to which it can be applied are limited because the required area is large.
이러한 문제점을 해결하기 위해 최근에는 진동(Vibration)이나 온도 차이 등을 이용하여 에너지를 얻는 방법, 밀리미터(mm) 크기의 안테나를 이용하여 전자기파 신호를 수신하여 에너지를 얻는 방법 등 다양한 방법을 통해 에너지를 얻고자 하는 연구가 진행되고 있다.In order to solve this problem, recently, energy is obtained through various methods, such as a method of obtaining energy using vibration or temperature difference, and a method of obtaining energy by receiving an electromagnetic wave signal using a millimeter (mm) antenna. Research to obtain is in progress.
특히, 진동에 의한 운동에너지를 전기에너지로 전환하는 진동형 에너지 하베스팅 기술이 적극적으로 개발되고 있다. 이와 관련하여, 대한민국 등록특허 제10-1053257호(2011.08.01. 에너지 하베스터)는 주파수 대역폭에 다수의 고유 진동수가 포함되도록 조절하여 전력 출력을 증강시킬 수 있는 에너지 하베스터를 개시하고 있다.In particular, a vibration-type energy harvesting technology that converts kinetic energy due to vibration into electrical energy is being actively developed. In this regard, Korean Patent Registration No. 10-1053257 (August 1, 2011, energy harvester) discloses an energy harvester capable of enhancing power output by adjusting a frequency bandwidth to include a plurality of natural frequencies.
그러나, 여전히 종래의 진동형 에너지 하베스팅 기술은 저주파수를 갖는 진동의 경우 낮은 효율을 갖는다는 문제점이 있다.However, there is still a problem in that the conventional vibration-type energy harvesting technology has low efficiency in the case of vibration having a low frequency.
상기 전술한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 상판과 하판을 고정시키는 고정단을 통해 극저주파 대역에서 밴드갭(Band gap)을 갖는 에너지 수확 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.In order to solve the above problems, an object of the present invention is to provide an energy harvesting device having a band gap in an extremely low frequency band through a fixed end for fixing the upper and lower plates.
본 발명의 일 실시 예로써, 에너지 수확 장치가 제공된다.As an embodiment of the present invention, an energy harvesting device is provided.
본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 수확 장치는, 상판; 및 일 말단이 상기 상판에 연결되어 상기 상판을 고정시키는 복수의 고정단을 포함할 수 있다.An energy harvesting device according to an embodiment of the present invention includes a top plate; and a plurality of fixing ends having one end connected to the top plate to fix the top plate.
본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 수확 장치는, 상기 상판과 마주보도록 배치되는 하판을 더 포함하고, 상기 고정단은 상기 하판 방향으로 연장 형성되어, 상기 상판과 상기 하판을 고정시키는 것을 특징으로 할 수 있다.The energy harvesting device according to an embodiment of the present invention may further include a lower plate disposed to face the upper plate, and the fixing end extending in the direction of the lower plate to fix the upper plate and the lower plate. can
본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 수확 장치는, 상기 상판과 마주보도록 배치되는 최상판을 더 포함하고, 상기 고정단은 상기 최상판 방향으로 연장 형성되어, 상기 상판과 상기 최상판을 고정시키는 것을 특징으로 할 수 있다.The energy harvesting device according to an embodiment of the present invention further includes a top plate disposed to face the top plate, and the fixing end extends in the direction of the top plate to fix the top plate and the top plate. can be characterized.
본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 수확 장치는, 상기 상판의 일부와 상기 고정단의 일부로 구성된 복수의 단위체가 주기적으로 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.The energy harvesting device according to an embodiment of the present invention may be characterized in that a plurality of unit units composed of a part of the top plate and a part of the fixed end are formed periodically.
본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 수확 장치는, 상기 각각의 단위체에는 일정 주파수 범위 내에서 밴드 갭(band gap)이 생성되는 것을 특징으로 할 수 있다.The energy harvesting device according to an embodiment of the present invention may be characterized in that a band gap is generated in each of the unit units within a certain frequency range.
본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 수확 장치에서, 상기 상판은, 상기 상판으로 입사되는 파동이 집속되는 파동 집속부를 더 포함할 수 있다.In the energy harvesting device according to an embodiment of the present invention, the upper plate may further include a wave concentrating unit in which waves incident to the upper plate are focused.
본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 수확 장치에서, 상기 파동 집속부는, 상기 상판과 다른 형상을 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.In the energy harvesting device according to an embodiment of the present invention, the wave collecting unit may have a shape different from that of the upper plate.
본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 수확 장치는, 상기 파동 집속부에 배치되어 상기 파동을 이용하여 전압을 발생시키는 에너지 변환 소자를 더 포함할 수 있다.The energy harvesting device according to an embodiment of the present invention may further include an energy conversion element disposed in the wave collecting unit to generate a voltage using the wave.
본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 수확 장치에서, 상기 상판은, 음향자 결정인 것을 특징으로 할 수 있다.In the energy harvesting device according to an embodiment of the present invention, the upper plate may be a phonon crystal.
본 발명에 따르면, 상판과 하판을 고정시키는 고정단을 형성함으로써, 극저주파 대역에 밴드 갭(band gap)을 형성할 수 있다는 이점이 있다.According to the present invention, by forming a fixed end for fixing the upper and lower plates, there is an advantage in that a band gap can be formed in the ultra-low frequency band.
또한, 상판에 파동 집속부를 형성함으로써 극저주파 대역에 형성된 밴드 갭에 브랜치를 생성하여 저주파를 이용하여 에너지를 수확할 수 있다는 이점이 있다.In addition, there is an advantage in that energy can be harvested using a low frequency by generating a branch in a band gap formed in an extremely low frequency band by forming a wave concentrating part on the upper plate.
본 개시에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급된 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 개시가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.Effects obtainable in the present disclosure are not limited to the effects mentioned above, and other effects not mentioned may be clearly understood by those skilled in the art from the description below. will be.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 수확 장치의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 다른 일 실시 예에 따른 에너지 수확 장치의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 수확 장치의 단위체의 예시도이다.
도 4는 종래 고정단이 없는 에너지 수확 장치에서 생성되는 밴드 갭을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 고정단이 있는 에너지 수확 장치에서 생성되는 밴드 갭을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 일 실시 예에 따른 에너지 수확 장치의 분해도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 수확 장치의 파동 집속부의 원리를 설명하기 위한 도면이다.1 is a perspective view of an energy harvesting device according to an embodiment of the present invention.
2 is a perspective view of an energy harvesting device according to another embodiment of the present invention.
3 is an exemplary view of a unit body of an energy harvesting device according to an embodiment of the present invention.
4 is a diagram for explaining a band gap generated in a conventional energy harvesting device without a fixed end.
5 is a diagram for explaining a band gap generated in an energy harvesting device having a fixed end according to an embodiment of the present invention.
6 is an exploded view of an energy harvesting device according to another embodiment of the present invention.
7 is a diagram for explaining the principle of a wave concentrating unit of an energy harvesting device according to an embodiment of the present invention.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시 예를 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.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily practice with reference to the accompanying drawings. However, the present invention may be implemented in many different forms and is not limited to the embodiments described herein. And in order to clearly explain the present invention in the drawings, parts irrelevant to the description are omitted, and similar reference numerals are attached to similar parts throughout the specification.
본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.The terms used in this specification will be briefly described, and the present invention will be described in detail.
본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.The terms used in the present invention have been selected from general terms that are currently widely used as much as possible while considering the functions in the present invention, but these may vary depending on the intention of a person skilled in the art or precedent, the emergence of new technologies, and the like. In addition, in a specific case, there is also a term arbitrarily selected by the applicant, and in this case, the meaning will be described in detail in the description of the invention. Therefore, the term used in the present invention should be defined based on the meaning of the term and the overall content of the present invention, not simply the name of the term.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "~부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. 또한, 명세서 전체에서 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, "그 중간에 다른 소자를 사이에 두고"연결되어 있는 경우도 포함한다.When it is said that a certain part "includes" a certain component throughout the specification, it means that it may further include other components, not excluding other components unless otherwise stated. In addition, terms such as “~unit” and “module” described in the specification refer to a unit that processes at least one function or operation, and may be implemented as hardware or software or a combination of hardware and software. In addition, when a part is said to be "connected" to another part throughout the specification, this includes not only the case of being "directly connected" but also the case of being connected "through another element therebetween".
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 수확 장치의 사시도이다.1 is a perspective view of an energy harvesting device according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 수확 장치는 상판(100) 및 고정단(310)을 포함하여 구성되거나, 상판(100), 하판(200) 및 고정단(310)을 포함하여 구성될 수 있다.Referring to FIG. 1 , an energy harvesting device according to an embodiment of the present invention includes an
상판(100) 및 하판(200)은 단일의 금속층으로 이루어지거나 복수의 금속층으로 이루어질 수 있다.The
또한, 상판(100) 및 하판(200)은 스테인리스강을 사용하여 제작됨이 바람직할 것이나, 이에 한정되지 않고 구리(Cu), 아연(Zn), 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al), 철(Fe), 주석(Sn), 니켈(Ni) 또는 청동 중 어느 하나 이상의 물질로 제작될 수도 있을 것이다.In addition, it is preferable that the
실시 예에 따라, 상기 하판(200)은 상기 상판(100)과 마주보도록 배치될 수 있다.Depending on the embodiment, the
실시 예에 따라, 상기 상판(100)은, 음향자 결정일 수 있다.Depending on the embodiment, the
이때, 음향자 결정(Phononic crystal)은 단위 셀(unit cell)을 주기적으로 배열시킨 공학적 인공물을 뜻하며, 자연계에 존재하지 않는 파동 특이현상을 가진 것을 의미한다. 음향자 결정을 이용하면 탄성파의 전파방향을 제어할 수 있다.At this time, the phononic crystal refers to an engineered artifact in which unit cells are periodically arranged, and means to have a wave singular phenomenon that does not exist in the natural world. The propagation direction of elastic waves can be controlled by using a phonon crystal.
상기 고정단(310)은 일 말단이 상기 상판(100)에 연결되어 상기 상판(100)을 고정시킬 수 있다. 또한, 실시 예에 따라, 상기 고정단(310)은 하판(200) 방향으로 연장 형성되어, 상판(100)과 하판(200)을 고정시킬 수도 있다.One end of the
실시 예에 따라, 상기 고정단(310)은 철 소재의 용수철 형상을 갖는 탄성체로 구성될 수 있다. 그러나, 이에 한정되지 않으며, 고무, 실리콘 또는 라텍스 소재의 재질로 이루어 지거나 나선(spiral), 볼(ball), 기둥(pillar) 또는 스펀지(sponge) 형상을 가질 수도 있을 것이다.Depending on the embodiment, the
고정단(310)의 소재 및 형상과 관련하여서는 상판(100)과 하판(200)을 고정시켜 밴드 갭을 극저주파 대역으로 이동시킬 수 있는 것이면 다양한 변형이 가능하다.Regarding the material and shape of the fixed
밴드 갭이 생성되는 원리 및 고정단(310, 320)에 의한 밴드 갭의 극저주파 대역으로의 이동과 관련하여서는 이하 도 4 및 도 5를 참조하여 설명하기로 한다.The principle of generating the band gap and the movement of the band gap to the ultra-low frequency band by the
도 2는 본 발명의 다른 일 실시 예에 따른 에너지 수확 장치의 사시도이다.2 is a perspective view of an energy harvesting device according to another embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 수확 장치는, 최상판(400)을 더 포함하여 구성될 수 있다.Referring to FIG. 2 , the energy harvesting device according to an embodiment of the present invention may further include a
상기 최상판(400)은 상판(100)과 마주보도록 배치되며, 이때, 고정단(320)은 최상판(400) 방향으로 연장 형성되어 상판(100)과 최상판(400)을 고정시킨다.The
이때, 최상판(400)은 단일의 금속층으로 이루어지거나 복수의 금속층으로 이루어질 수 있으며, 스테인리스강을 사용하여 제작됨이 바람직할 것이나, 이에 한정되지 않고 구리(Cu), 아연(Zn), 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al), 철(Fe), 주석(Sn), 니켈(Ni) 또는 청동 중 어느 하나 이상의 물질로 제작될 수도 있다.At this time, the
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 수확 장치의 단위체의 예시도이다.3 is an exemplary view of a unit body of an energy harvesting device according to an embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 수확 장치는 상판(100)의 일부와 고정단(310, 320)의 일부로 구성된 복수의 단위체가 주기적으로 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다. 이때, 복수의 단위체가 주기적으로 형성된다는 것은 복수의 단위체가 연속적으로 형성되는 것을 포함하는 의미이다.Referring to FIG. 3 , the energy harvesting device according to an embodiment of the present invention may be characterized in that a plurality of unit units composed of a part of the
예를 들어, 도 3(a)에 도시된 바와 같이 하나의 단위체는 내부에 원형의 홀이 형성된 상판(100)의 일부와 기둥 형상을 갖는 고정단(310, 320)의 1/4이 단위체의 각 모서리에 형성된 것으로 특정될 수 있다.For example, as shown in FIG. 3(a), in one unit body, a portion of the
또는, 도 3(b)에 도시된 바와 같이 내부에 원형의 홀이 없는 상판(100)의 일부와 기둥 형상을 갖는 고정단(310, 320)의 1/4이 단위체의 각 모서리에 형성된 것으로 하나의 단위체가 특정될 수 있다.Alternatively, as shown in FIG. 3 (b), a portion of the
실시 예에 따라, 도 3(c)에 도시된 바와 같이 내부에 원형의 홀이 없는 상판(100)의 일부와 기둥 형상을 갖는 고정단(310, 320)이 단위체의 중앙에 형성된 것으로 하나의 단위체가 특정될 수도 있을 것이다.According to the embodiment, as shown in FIG. 3(c), a part of the
본 발명에 따른 에너지 수확 장치를 구성하는 하나의 단위체의 형상과 관련하여, 전술한 도 3(a) 내지 도 3(c)의 형상들은 예시적인 것으로 이해되어야 하며, 이에 한정되는 것은 아니다.Regarding the shape of one unit constituting the energy harvesting device according to the present invention, the shapes of FIGS. 3(a) to 3(c) described above should be understood as illustrative, but not limited thereto.
실시 예에 따라, 각각의 단위체에는 일정 주파수 범위 내에서 밴드 갭(band gap)이 생성될 수 있다.Depending on the embodiment, a band gap may be generated in each unit within a certain frequency range.
도 4는 종래 고정단(310, 320)이 없는 에너지 수확 장치에서 생성되는 밴드 갭을 설명하기 위한 도면이고, 도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 고정단(310, 320)이 있는 에너지 수확 장치에서 생성되는 밴드 갭을 설명하기 위한 도면이다.4 is a diagram for explaining a band gap generated in a conventional energy harvesting device without fixed ends 310 and 320, and FIG. 5 is an energy harvesting device with fixed ends 310 and 320 according to an embodiment of the present invention. It is a diagram for explaining the band gap generated in the device.
밴드 갭(band gap)은 특정 주파수 대역의 파동을 통과시키지 않는 음향자결정의 대표적인 파동 특이현상 중 하나로서, 띠틈, 띠 간격 또는 에너지 틈이라고 불리며, 반도체, 절연체의 띠 구조에서 전자에 점유된 가장 높은 에너지 띠의 맨 위부터 가장 낮은 공간 띠의 바닥까지 사이의 에너지 준위나 그 에너지 차이를 의미한다.The band gap is one of the typical wave singular phenomena of acoustic crystals that do not allow waves of a specific frequency band to pass through. The energy level or energy difference between the top of the higher energy band and the bottom of the lowest space band.
도 4(a)는 고정단(310, 320)이 없는 에너지 수확 장치에서 각각의 단위체가 스프링으로 연결된 모습을 간략히 도식화한 것이다FIG. 4(a) is a schematic diagram of a state in which each unit unit is connected by a spring in an energy harvesting device without fixed ends 310 and 320.
상기 상판(100)의 구조를 무한한 질량-스프링 체인으로 가정할 경우, n번째 단위체에 대한 운동방정식은 하기 수학식 1과 같다.If the structure of the
여기서, 은 질량, 은 스프링 상수, , , 은 각각 n-1번째, n번째, n+1번째 단위체의 변위를 의미한다.here, silver mass, is the spring constant, , , Means the displacement of the n-1th, nth, and n+1th units, respectively.
상기 상판(100)은 동일한 형태의 단위체가 반복되는 구조이기 때문에, 블로흐 정리(Bloch wave)에 따르면 각 단위체의 파동함수는 하기 수학식 2와 같이 표현할 수 있다.Since the
여기서, 는 초기 파동이 입사할 때의 진폭, 와 는 각각 파동의 주파수 및 파수, 는 시간, 는 단위체 사이의 간격이다.here, is the amplitude at which the initial wave is incident, and are the frequency and wavenumber of the wave respectively, time, is the spacing between the units.
수학 식 2에서 n-1번째, n+1번째 단위체의 파동함수는 하기 수학식 3과 같이 n번째 단위체의 파동함수로 나타낼 수 있다.The wave functions of the n-1th and n+1th units in
수학식 2의 n번째 단위체의 파동함수와 수학식 3의 n-1번째, n+1번째 단위체의 파동함수를 수학식 1의 운동 방정식에 대입하고, 식을 정리하면 하기 수학식 4와 같은 파동분산 식을 도출할 수 잇다.Substituting the wave function of the n-th unit body in
상기 수학식 3을 정규화를 위해 로 나누고, 각 단위체의 고유진동수를()를 으로 정의하고, 는 로 정의하면 하기 수학식 5가 도출된다.In order to normalize Equation 3 above, Divided by , and the natural frequency of each unit ( )cast defined as, Is When defined as Equation 5 below is derived.
도 4(c)는 수학 식 4의 를 0부터 까지 변형시키면서 대응되는 를 그린 그래프이다.Figure 4 (c) is the expression of Equation 4 from 0 Corresponding while transforming to is a graph drawn by
수학식 4에서 가 0일 때는 이고, 가 일때는 이 된다. 즉, 도 3(a)에 도시된 바와 같이 고정단(310, 320)이 없는 구조를 갖는 에너지 수확장치에서는 주파수가 2.0보다 큰 파동이 입사한 경우 파동이 진행할 수 없는 밴드갭이 형성된다.in Equation 4 is 0 ego, go at times becomes That is, in the energy harvesting device having a structure without fixed ends 310 and 320 as shown in FIG. 3 (a), when a wave having a frequency greater than 2.0 is incident, a band gap is formed in which the wave cannot propagate.
도 5(a)는 도 4(a)의 고정단(310, 320)이 없는 에너지 수확 장치에서 각각의 단위체가 고정단(310, 320)과 스프링으로 추가적으로 연결된 모습을 간략히 도식화한 것이다.FIG. 5(a) is a schematic diagram of a state in which each unit unit is additionally connected to the fixed ends 310 and 320 by a spring in the energy harvesting device without the fixed ends 310 and 320 of FIG. 4(a).
고정단(310, 320)이 있는 에너지 수확장치에서도 마찬가지로 상판(100)의 구조를 무한한 질량-스프링 체인으로 가정할 경우, n번째 단위체에 대한 운동방정식은 하기 수학식 6과 같다.Similarly, in the energy harvesting device having the fixed ends 310 and 320, when the structure of the
도 3(b) 및 도 4(b)를 참조하면, 고정단(310, 320)이 있는 에너지 수확장치에서의 운동방정식은 고정단(310, 320)이 없는 에너지 수확장치에서의 운동방정식과 다른 부분은 동일하고, 고정단(310, 320)과 연결된 스프링() 효과가 추가적으로 나타나는 점에서 차이점을 갖는다.3(b) and 4(b), the equation of motion in the energy harvesting device with fixed ends 310 and 320 is different from the equation of motion in the energy harvesting device without fixed ends 310 and 320. The parts are the same, and the springs connected to the fixed ends 310 and 320 ( ) has a difference in that the effect appears additionally.
고정단(310, 320)이 있는 에너지 수확 장치에서도 동일한 구조가 반복되므로 블로흐 정리에 따르면 각 단위체의 파동함수는 하기 수학식 7과 같이 표현할 수 있다.Since the same structure is repeated in the energy harvesting device having the fixed ends 310 and 320, according to Bloch's theorem, the wave function of each unit body can be expressed as Equation 7 below.
마찬가지로 수학식 7의 각 단위체의 파동함수를 수학식 6의 운동방정식에 대입하고, 정리하면 하기 수학 식8의 파동 분산식을 도출할 수 있다.Similarly, by substituting the wave function of each unit in Equation 7 into the equation of motion of Equation 6, and arranging, the wave dispersion equation of Equation 8 below can be derived.
수학식 8을 정규화를 시키면 하기 수학식 9와 같은 파동분산식이 나타난다.When Equation 8 is normalized, the wave dispersion equation shown in Equation 9 below appears.
여기서, 은 를 나타낸다.here, silver indicates
즉, 고정단(310, 320)이 없는 에너지 수확 장치와 비교했을 때 고정단(310, 320)이 있는 에너지 수확 장치의 파동분산식은 동일한 파수 에 대해 의 값이 만큼 증가한다.That is, compared to the energy harvesting device without the fixed ends 310 and 320, the wave dispersion equation of the energy harvesting device with the fixed ends 310 and 320 has the same wave number. About the value of increase as much as
도 5(c)는 수학식 9에 를 0부터 까지 변형시키면서 대응되는 를 그래프로 도시한 것이다.5(c) shows Equation 9 from 0 Corresponding while transforming to is shown graphically.
수학식 9에서 가 0일 때는 이고, 가 일때는 이 되므로, 도 4(c)에 도시된 바와 같이 고정단(310, 320)이 있는 에너지 수확장치에서는 밴드 갭이 만큼 평행이동하여 극저주파 대역에 밴드 갭이 생성되는 것이다.in Equation 9 is 0 ego, go at times Therefore, as shown in FIG. 4 (c), in the energy harvesting device having fixed ends 310 and 320, the band gap is By moving in parallel by the amount of time, a band gap is created in the ultra-low frequency band.
즉, 고정단(310, 320)이 없는 경우에는 통과대역(pass band)이 이고, 차단대역(stop band)이 인 반면, 고정단(310, 320)이 있는 경우에는 통과대역이 이고 차단대역이 , 이다.That is, when there are no fixed ends 310 and 320, the pass band is , and the stop band is On the other hand, when there are fixed
도 6은 본 발명의 다른 일 실시 예에 따른 에너지 수확 장치의 분해도이다.6 is an exploded view of an energy harvesting device according to another embodiment of the present invention.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 수확 장치에서, 상기 상판(100)은, 상기 상판(100)으로 입사되는 파동이 집속되는 파동 집속부(110)를 더 포함할 수 있다.Referring to FIG. 6 , in the energy harvesting device according to an embodiment of the present invention, the
실시 예에 따라, 상기 파동 집속부(110)는 상판(100)과 다른 형상을 가질 수 있다. 즉, 파동 집속부(110)는 상판(100)을 구성하는 복수의 단위체들 중 다른 형상을 갖는 어느 하나의 단위체를 의미하는 것일 수 있다.Depending on the embodiment, the
예를 들어, 도 6(a)에 도시된 바와 같이 파동 집속부(110)는 고정단(310, 320)에 의해 하판(200) 또는 최상판(400)과 고정되지 않는 형상을 가짐으로써, 고정단(310, 320)에 의해 하판(200) 또는 최상판(400)과 고정된 상판(100)과 다른 형상을 갖는 것일 수 있다.For example, as shown in FIG. 6 (a), the
또는, 도 6(b)에 도시된 바와 같이 내부에 원형의 홀이 형성된 복수의 단위체가 주기적으로 형성된 상판(100)에 있어서, 파동 집속부(110)의 형상을 내부에 원형의 홀이 형성되지 않은 단위체로 형성함으로써 상판(100)의 형상과 차이점을 갖도록 할 수 있을 것이다.Alternatively, as shown in FIG. 6(b), in the
본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 수확 장치는 에너지 변환 소자(Energy conversion device)를 더 포함하여 구성될 수 있다.An energy harvesting device according to an embodiment of the present invention may further include an energy conversion device.
상기 에너지 변환 소자는 파동 집속부(110)에 배치되어 파동을 이용하여 전압을 발생시킨다. 이때, 에너지 변환 소자란 응력에 의해 변형이 되면 전압이 발생하는 효과를 갖는 구성을 의미하며, 대표적인 예로 피에조 소자(piezo element: 압전소자)가 적용될 수 있다.The energy conversion element is disposed in the
피에조 소자가 사용되는 경우에는 상기 파동 집속부(110)의 일면에만 압전 소자가 배치되는 모노모프 형태가 사용될 수 있으며, 또는 양면에 압전 소자가 각각 배치되는 바이모프 형태가 사용될 수도 있다.When a piezo element is used, a monomorph type in which a piezoelectric element is disposed on only one side of the
또한, 실시 예에 따라 파동 집속부(110)는 상판(100)의 일 지점에만 형성되거나 복수 지점에 형성될 수 있다.Also, according to an embodiment, the
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 수확 장치의 파동 집속부(110)의 원리를 설명하기 위한 도면이다.7 is a diagram for explaining the principle of the
도 7(a)는 상판(100)을 형성하는 복수의 단위체의 형상이 모두 동일한 경우에 음향자결정에서 얻을 수 있는 주파수 대역이고, 도 6(b)는 상판(100)을 형성하는 복수의 단위체들 중 어느 하나의 형상이 상이한 경우에 음향자결정에서 얻을 수 있는 주파수 대역이다.FIG. 7(a) shows a frequency band that can be obtained from phononic crystals when the shapes of a plurality of units forming the
도 7(b)에 도시된 바와 같이, 상판(100)을 구성하는 단위체들 중 어느 하나의 단위체의 형상을 다르게 설계할 경우(즉, 상판(100)에 파동 집속부(110)가 형성된 경우) 단위체들 간의 주기성이 국부적으로 파괴되므로 밴드 갭 내에 브랜치(branch)(i.e. 결함밴드(defect band))가 생성된다.As shown in FIG. 7(b), when the shape of any one of the units constituting the
이때, 브랜치에 상응하는 주파수를 갖는 파동을 상판(100)으로 인가하면, 파동 집속부(110)가 파동 에너지가 파동 집속부(110) 부근에 국부화 되므로, 궁극적으로 에너지 수확 성능이 향상된다.At this time, when a wave having a frequency corresponding to the branch is applied to the
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.The above description of the present invention is for illustrative purposes, and those skilled in the art can understand that it can be easily modified into other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. will be. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive. For example, each component described as a single type may be implemented in a distributed manner, and similarly, components described as distributed may be implemented in a combined form.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present invention is indicated by the following claims rather than the detailed description above, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and equivalent concepts should be construed as being included in the scope of the present invention. do.
100: 상판
110: 파동 집속부
200: 하판
310, 320: 고정단
400: 최상판100: top plate
110: wave focusing unit
200: lower plate
310, 320: fixed end
400: top plate
Claims (13)
일 말단이 상기 상판에 연결되어 상기 상판을 고정시키는 복수의 고정단을 포함하고,
상기 상판의 일부와 상기 고정단의 일부로 구성된 복수의 단위체가 주기적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 에너지 수확 장치.
top plate; and
One end is connected to the top plate to include a plurality of fixing ends for fixing the top plate,
An energy harvesting device, characterized in that a plurality of units composed of a part of the upper plate and a part of the fixed end are formed periodically.
상기 상판과 마주보도록 배치되는 하판을 더 포함하고,
상기 고정단은 상기 하판 방향으로 연장 형성되어, 상기 상판과 상기 하판을 고정시키는 것을 특징으로 하는 에너지 수확 장치.
According to claim 1,
Further comprising a lower plate disposed to face the upper plate,
The energy harvesting device, characterized in that the fixing end extends in the direction of the lower plate to fix the upper plate and the lower plate.
상기 상판과 마주보도록 배치되는 최상판을 더 포함하고,
상기 고정단은 상기 최상판 방향으로 연장 형성되어, 상기 상판과 상기 최상판을 고정시키는 것을 특징으로 하는 에너지 수확 장치.
According to claim 1,
Further comprising a top plate disposed to face the top plate,
The energy harvesting device, characterized in that the fixing end extends in the direction of the top plate to fix the top plate and the top plate.
상기 각각의 단위체에는 일정 주파수 범위 내에서 밴드 갭(band gap)이 생성되는 것을 특징으로 하는 에너지 수확 장치.
According to any one of claims 1 to 3,
Energy harvesting device, characterized in that a band gap is generated in each unit within a certain frequency range.
일 말단이 상기 상판에 연결되어 상기 상판을 고정시키는 복수의 고정단을 포함하며,
상기 상판은,
상기 상판으로 입사되는 파동이 집속되는 파동 집속부를 더 포함하는 에너지 수확 장치.
top plate; and
One end is connected to the top plate and includes a plurality of fixing ends for fixing the top plate,
The top plate,
The energy harvesting device further comprises a wave concentrating unit in which the waves incident on the upper plate are focused.
상기 상판과 마주보도록 배치되는 하판을 더 포함하고,
상기 고정단은 상기 하판 방향으로 연장 형성되어, 상기 상판과 상기 하판을 고정시키는 것을 특징으로 하는 에너지 수확 장치.
According to claim 6,
Further comprising a lower plate disposed to face the upper plate,
The energy harvesting device, characterized in that the fixing end extends in the direction of the lower plate to fix the upper plate and the lower plate.
상기 상판과 마주보도록 배치되는 최상판을 더 포함하고,
상기 고정단은 상기 최상판 방향으로 연장 형성되어, 상기 상판과 상기 최상판을 고정시키는 것을 특징으로 하는, 에너지 수확 장치.
According to claim 6,
Further comprising a top plate disposed to face the top plate,
The energy harvesting device, characterized in that the fixing end extends in the direction of the top plate to fix the top plate and the top plate.
상기 파동 집속부는,
상기 상판을 구성하는 단위체와 다른 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 에너지 수확 장치.
According to any one of claims 6 to 8,
The wave collecting unit,
Energy harvesting device characterized in that it has a different shape from the unit constituting the upper plate.
상기 파동 집속부에 배치되어 상기 파동을 이용하여 전압을 발생시키는 에너지 변환 소자를 더 포함하는 에너지 수확 장치.
According to any one of claims 6 to 8
The energy harvesting device further includes an energy conversion element disposed in the wave concentrating unit to generate a voltage using the wave.
일 말단이 상기 상판에 연결되어 상기 상판을 고정시키는 복수의 고정단을 포함하며,
상기 상판은,
음향자 결정인 것을 특징으로 하는 에너지 수확 장치.
top plate; and
One end is connected to the top plate and includes a plurality of fixing ends for fixing the top plate,
The top plate,
An energy harvesting device characterized in that it is a sonic crystal.
상기 상판과 마주보도록 배치되는 하판을 더 포함하고,
상기 고정단은 상기 하판 방향으로 연장 형성되어, 상기 상판과 상기 하판을 고정시키는 것을 특징으로 하는 에너지 수확 장치.
According to claim 11,
Further comprising a lower plate disposed to face the upper plate,
The energy harvesting device, characterized in that the fixing end extends in the direction of the lower plate to fix the upper plate and the lower plate.
상기 상판과 마주보도록 배치되는 최상판을 더 포함하고,
상기 고정단은 상기 최상판 방향으로 연장 형성되어, 상기 상판과 상기 최상판을 고정시키는 것을 특징으로 하는 에너지 수확 장치.
According to claim 11,
Further comprising a top plate disposed to face the top plate,
The energy harvesting device, characterized in that the fixing end extends in the direction of the top plate to fix the top plate and the top plate.
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- 2021-05-07 KR KR1020210058960A patent/KR102528431B1/en active IP Right Grant
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR102217914B1 (en) | 2019-10-23 | 2021-02-18 | 서울대학교산학협력단 | Defect-based Broadband Energy Harvester |
CN113067498A (en) | 2021-03-01 | 2021-07-02 | 同济大学 | Multilayer plate energy harvesting structure based on defect state acoustic metamaterial |
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