KR102603974B1 - Magneto-mechano-piezoelectric and electromagnetic induction hybrid energy harvester for driving a high power consumption - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 고출력 하이브리드 자기-기계-전기 발전기에 관한 것으로, 특히 컨틸레버에 연결된 자석의 움직임을 통해 높은 에너지를 발생시킬 수 있는 하베스터와 관련된 고출력 하이브리드 자기-기계-전기 발전기에 관한 것이다. 본 발명은, 일면에 제1 전극이 형성된 제1 보호층과 타면에 제2 전극이 형성된 제2 보호층을 구비하고 상기 제1 전극 및 제2 전극 사이에 적어도 하나 이상의 압전 섬유로 이루어지는 압전 섬유층을 포함하는 복합체(SFC:Single crystal Fiber Composite); 상기 복합체의 일면에 접하며 상기 복합체의 길이 방향으로 배열된 컨틸레버; 및 상기 컨틸레버 단부에 배치되며 상기 컨틸레버의 움직임으로 전자기가 유도되는 원형의 전자기 유도 코일을 포함하고, 상기 컨틸레버 단부에 자석이 배치되고 상기 컨틸레버가 움직일 때 상기 자석이 상기 전자기 유도 코일 내부에서 진동하며 상기 전자기 유도 코일에 전자기를 유도시켜 하베스팅되는 것을 특징으로 하는 고출력 하이브리드 자기-기계-전기 발전기를 제공한다.The present invention relates to a high output hybrid magneto-mechanical-electric generator, and in particular to a high output hybrid magneto-mechanical-electric generator associated with a harvester capable of generating high energy through the movement of a magnet connected to a cantilever. The present invention provides a piezoelectric fiber layer comprising a first protective layer with a first electrode formed on one side and a second protective layer with a second electrode formed on the other side and made of at least one piezoelectric fiber between the first electrode and the second electrode. A composite containing (SFC: Single crystal Fiber Composite); a contilever in contact with one surface of the composite and arranged in the longitudinal direction of the composite; and a circular electromagnetic induction coil disposed at an end of the contilever and in which electromagnetism is induced by movement of the contilever, wherein a magnet is disposed at an end of the contilever and when the contilever moves, the magnet vibrates inside the electromagnetic induction coil. Provided is a high-output hybrid magneto-mechanical-electric generator characterized in that harvesting is achieved by inducing electromagnetism in an electromagnetic induction coil.
Description
본 발명은, 고출력 하이브리드 자기-기계-전기 발전기에 관한 것으로, 특히 컨틸레버에 연결된 자석의 움직임을 통해 높은 에너지를 발생시킬 수 있는 하베스터와 관련된 고출력 하이브리드 자기-기계-전기 발전기에 관한 것이다.The present invention relates to a high output hybrid magneto-mechanical-electric generator, and in particular to a high output hybrid magneto-mechanical-electric generator associated with a harvester capable of generating high energy through the movement of a magnet connected to a cantilever.
지난 수십 년에 걸쳐 휴대용 컴퓨터, 모바일 통신장치, 그리고 초고감도 소형센서 기술은 전세계적으로 발전을 거듭하고 있다. 다양한 기술적 노력들은 마이크로/나노 크기의 작동기(actuators), 센서, 그리고 무선 전송기와 같은 초소형 전자기기의 기능에서 혁신적인 발전이 이루어져 왔으며, 따라서 보다 효율적이고 안전한 방식으로 생화학적 유해요소 탐지, 실시간 건강 모니터링, 무선 전송, 그리고 보안 시스템 등이 우리 일상 생활과 밀접하게 설치 작동하고 있다.Over the past several decades, portable computers, mobile communication devices, and ultra-sensitive small sensor technologies have continued to develop around the world. Various technological efforts have led to innovative advancements in the functionality of ultra-small electronic devices such as micro/nano-scale actuators, sensors, and wireless transmitters, thereby enabling the detection of biochemical hazards, real-time health monitoring, etc. in a more efficient and safer manner. Wireless transmission and security systems are installed and operating closely in our daily lives.
한편, 센서나 배터리와 같은 분야에서는 지속적으로 향상되는 에너지 밀도에 비해 부피와 무게, 그리고 수명 등에서 여전히 기술적 한계를 보여주고 있다. 그러나 최근 기술적 발전은 각종 소형 전자기기의 작동 전력을 낮추는데 성공하여 현재는 마이크로 와트(μW)에서 밀리 와트(mW) 정도의 전력이 요구될 뿐이다. 따라서, 친환경적이고 산업적으로 실현 가능한 수준에서 전기 에너지를 효과적으로 발생시키는 기술에 대한 연구가 절실한 시점이라 할 수 있다. 이러한 맥락에서 마이크로/나노 수준의 재료 공학기술의 발전은 주변의 낭비되는 에너지를 수확하는(harvesting) ‘에너지 하베스팅 기술(energy harvesting technology)’을 발전시켰다. 이러한 에너지 하베스터 소자는 손쉬운 작동, 유연소재로의 적용 가능성, 소자 설계상의 유연성, 그리고 소형 전자기기 작동에 적합한 출력 성능 등을 근거로 여러 휴대용 착복가능한(wearable) 전자기기로의 응용이 가능한 이점이 있다.Meanwhile, fields such as sensors and batteries still show technical limitations in terms of volume, weight, and lifespan compared to continuously improving energy density. However, recent technological advancements have succeeded in lowering the operating power of various small electronic devices, so that only microwatts (μW) to milliwatts (mW) are currently required. Therefore, it can be said that research on technologies that effectively generate electrical energy at an environmentally friendly and industrially feasible level is urgently needed. In this context, the development of materials engineering technology at the micro/nano level has led to the development of ‘energy harvesting technology’ that harvests surrounding wasted energy. These energy harvester devices have the advantage of being applicable to various portable and wearable electronic devices based on easy operation, applicability to flexible materials, flexibility in device design, and output performance suitable for operation of small electronic devices. .
이와 관련, 종래의 한국공개특허 제10-2016-0092043호(자가-발전형 압전-표면 탄성파 방법)는 컨틸레버를 포함하는 스프링 어셈블리를 포함하는 방사성 동위원소-발전형 전류 임펄스 생성기, 및 전류 임펄스 생성기에 병렬 연결된 압전 표면 탄성파(P-SAW) 구조체를 포함하는 자가-발전형 디바이스를 개시하고 있다.In this regard, the conventional Korean Patent Publication No. 10-2016-0092043 (self-generated piezoelectric-surface acoustic wave method) includes a radioisotope-generated current impulse generator including a spring assembly including a contilever, and a current impulse generator. A self-powering device comprising a piezoelectric surface acoustic wave (P-SAW) structure connected in parallel is disclosed.
다만, 이러한 구조의 경우, 별도의 변위 센서를 구비해야만 하고, 변위 센서가 압전 에너지 하베스트 소자의진폭 변화에 영향을 주어 기계적 댐핑 변화를 야기할 수 있으며, 소자의 크기가 커지는 문제점이 있다.However, in the case of this structure, a separate displacement sensor must be provided, and the displacement sensor may affect the amplitude change of the piezoelectric energy harvesting element, causing a change in mechanical damping, and there is a problem in that the size of the element increases.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해, 압전 에너지 하베스트 소자로 구성된 복합체의 특성에 영향을 미치지 않으며, 전력 조절 회로의 구동에 필요한 전압을 얻을 수 있는 구조의 고출력 하이브리드 자기-기계-전기 발전기를 제공하는 것이다.In order to solve the above-described problems, the present invention provides a high-output hybrid magneto-mechanical-electric generator with a structure that can obtain the voltage required to drive a power control circuit without affecting the characteristics of the composite composed of piezoelectric energy harvesting elements. It is done.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 일면에 제1 전극이 형성된 제1 보호층과 타면에 제2 전극이 형성된 제2 보호층을 구비하고 상기 제1 전극 및 제2 전극 사이에 적어도 하나 이상의 압전 섬유로 이루어지는 압전 섬유층을 포함하는 복합체(SFC:Single crystal Fiber Composite); 상기 복합체의 일면에 접하며 상기 복합체의 길이 방향으로 배열된 컨틸레버; 및 상기 컨틸레버 단부에 배치되며 상기 컨틸레버의 움직임으로 전자기가 유도되는 원형의 전자기 유도 코일을 포함하고, 상기 컨틸레버 단부에 자석이 배치되고 상기 컨틸레버가 움직일 때 상기 자석이 상기 전자기 유도 코일 내부에서 진동하며 상기 전자기 유도 코일에 전자기를 유도시켜 하베스팅되는 것을 특징으로 하는 고출력 하이브리드 자기-기계-전기 발전기를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention includes a first protective layer with a first electrode formed on one side and a second protective layer with a second electrode formed on the other side, and at least one piezoelectric device between the first electrode and the second electrode. A composite containing a piezoelectric fiber layer made of fibers (SFC: Single crystal fiber composite); a contilever in contact with one surface of the composite and arranged in the longitudinal direction of the composite; and a circular electromagnetic induction coil disposed at an end of the contilever and in which electromagnetism is induced by movement of the contilever, wherein a magnet is disposed at an end of the contilever and when the contilever moves, the magnet vibrates inside the electromagnetic induction coil. Provided is a high-output hybrid magneto-mechanical-electric generator characterized in that harvesting is achieved by inducing electromagnetism in an electromagnetic induction coil.
바람직하게, 상기 압전 섬유는, 압전 세라믹, 압전 단결정 또는 압전 폴리머 중 어느 하나로 형성될 수 있다.Preferably, the piezoelectric fiber may be formed of any one of piezoelectric ceramic, piezoelectric single crystal, or piezoelectric polymer.
바람직하게, 상기 제1 보호층 및 제2 보호층은, 폴리이미드(Polyimide, PI), 폴리에틸렌 나프탈레이트(Polyethylene napthalate, PEN), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Polyethylene terephthalate, PET) 또는 폴리카보네이트(polycarbonate, PC)로 이루어질 수 있다.Preferably, the first protective layer and the second protective layer are polyimide (PI), polyethylene napthalate (PEN), polyethylene terephthalate (PET), or polycarbonate (PC). It can be done with
또한 상기 컨틸레버를 수직으로 움직이도록 진동 구조체가 구비된 클램프를 더 포함할 수 있다.It may also further include a clamp provided with a vibration structure to move the contilever vertically.
실시 예에 따라, 상기 자석은, 상기 컨틸레버의 단부면을 기준으로 대칭된 N극 또는 S극을 더 포함하고, 상기 컨틸레버의 수직 운동에 의해 상기 전자기 유도 코일과의 거리가 변화될 수 있다.Depending on the embodiment, the magnet further includes an N pole or an S pole symmetrical with respect to the end surface of the contilever, and the distance from the electromagnetic induction coil may be changed by vertical movement of the contilever.
실시 예에 따라, 상기 N극 또는 S극은, 상기 컨틸레버의 수직 운동에 의해 상기 전자기 유도 코일과의 각각의 거리가 달라져 상기 전자기의 유도 방향을 변화시킬 수 있다.Depending on the embodiment, the distance of the N pole or the S pole from the electromagnetic induction coil may change due to the vertical movement of the contilever, thereby changing the direction of electromagnetic induction.
바람직하게, 상기 컨틸레버는, 상기 복합체의 고정된 질량(Tip mass)에 따라 공진 모드로 동작하며, 상기 공진 모드의 조절에 따라 상기 전자기의 유도 에너지 출력을 조절할 수 있다.Preferably, the contilever operates in a resonance mode according to a fixed mass (Tip mass) of the composite, and the electromagnetic induced energy output can be adjusted by adjusting the resonance mode.
전술한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따르면, 자석의 배치를 통해 코일의 자속 변화를 최대화 함으로써 에너지 변환 효율을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.According to the present invention having the above-described configuration, there is an advantage in that energy conversion efficiency can be improved by maximizing the change in magnetic flux of the coil through the arrangement of the magnet.
또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면 전자기 방식으로 생성된 전압과 압전 방식으로 생성된 전압을 동시에 수확하여, 하나의 진동 에너지원으로부터 더 큰 에너지 변환 효율을 얻을 수 있는 이점이 있다.In addition, according to another embodiment of the present invention, there is an advantage in that greater energy conversion efficiency can be obtained from a single vibration energy source by simultaneously harvesting the voltage generated by the electromagnetic method and the voltage generated by the piezoelectric method.
도 1은 본 발명의 고출력 하이브리드 자기-기계-전기 발전기를 나타낸다.
도 2는 본 발명을 헬름홀츠 코일에 배치하여 교류 자기장을 인가하고, 컨틸레버의 진동 모드와 생성되는 전류 또는 전압을 측정하는 모습을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따라 컨틸레버의 진동에 의해 컨틸레버가 아래위로 움직이고 압전 복합체 소자와 전자기 유도 코일에서의 에너지 발전 과정을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 2nd 굽힘 공진 주파수에서의 컨틸레버의 움직임에 따른 압전 복합체 소자와 전자기 유도 코일의 각 출력을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따라 동일한 질량 구조체(Tip mass)를 이용하여, 컨틸레버가 1st굽힘 공진모드와 2nd굽힘 공진모드로 동작할 때 압전 복합체 소자에서의 출력 데이터 비교 및 고정된 질량(Tip mass)의 고정된 공진모드에 따른 실험 데이터를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따라 동일한 질량 구조체(Tip mass)를 이용하여, 컨틸레버가 1st굽힘 공진모드와 2nd굽힘 공진모드로 동작할 때 압전 전자기 유도 코일에서의 출력 데이터 비교를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따라 1굽힘 공진모드와 2굽힘 공진모드에서 사용된 자석 Tip mass를 나타낸다.1 shows a high-power hybrid magneto-mechanical-electric generator of the present invention.
Figure 2 shows the present invention placed in a Helmholtz coil, applying an alternating magnetic field, and measuring the vibration mode of the cantilever and the generated current or voltage.
Figure 3 shows the process of energy generation in the piezoelectric composite element and the electromagnetic induction coil in which the contilever moves up and down due to vibration of the contilever according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 shows the respective outputs of the piezoelectric composite element and the electromagnetic induction coil according to the movement of the contilever at the 2nd bending resonance frequency according to an embodiment of the present invention.
Figure 5 shows a comparison of output data from the piezoelectric composite element and the fixed mass when the contilever operates in the 1st bending resonance mode and the 2nd bending resonance mode using the same mass structure (Tip mass) according to an embodiment of the present invention. It shows experimental data according to the fixed resonance mode of (Tip mass).
Figure 6 shows a comparison of output data from the piezoelectric electromagnetic induction coil when the contilever operates in the 1st bending resonance mode and the 2nd bending resonance mode using the same mass structure (Tip mass) according to an embodiment of the present invention.
Figure 7 shows the magnet tip mass used in one-bending resonance mode and two-bending resonance mode according to an embodiment of the present invention.
본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.The terms used in this specification will be briefly explained, 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 are general terms that are currently widely used as much as possible while considering the function in the present invention, but this may vary depending on the intention or precedent of a person working in the art, the emergence of new technology, etc. In addition, in certain cases, there are terms arbitrarily selected by the applicant, and in this case, the meaning will be described in detail in the description of the relevant invention. Therefore, the terms used in the present invention should be defined based on the meaning of the term and the overall content of the present invention, rather than 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 구성을 사이에 두고" 연결되어 있는 경우도 포함한다.When it is said that a part "includes" a certain element throughout the specification, this means that, unless specifically stated to the contrary, it does not exclude other elements but may further include other elements. In addition, terms such as "... unit" and "module" used in the specification refer to a unit that processes at least one function or operation, which may be implemented as hardware or software, or as 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 cases where it is "directly connected," but also cases where it is connected "with another component in between."
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.Below, with reference to the attached drawings, embodiments of the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily implement the present invention. However, the present invention may be implemented in many different forms and is not limited to the embodiments described herein. In order to clearly explain the present invention in the drawings, parts that are not related to the description are omitted, and similar parts are given similar reference numerals throughout the specification.
도 1은 본 발명의 고출력 하이브리드 자기-기계-전기 발전기를 나타낸다.1 shows a high-power hybrid magneto-mechanical-electric generator of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명은 복합체(SFC:Single crystal Fiber Composite); 컨틸레버, 전자기 유도 코일, 자석질량체, 그리고 클램프를 포함할 수 있다.Referring to Figure 1, the present invention is a composite (SFC: Single crystal fiber composite); It may include contilevers, electromagnetic induction coils, magnetic masses, and clamps.
복합체는, 일면에 제1 전극이 형성된 제1 보호층과 타면에 제2 전극이 형성된 제2 보호층을 구비하고 상기 제1 전극 및 제2 전극 사이에 적어도 하나 이상의 압전 섬유로 이루어질 수 있다.The composite may include a first protective layer with a first electrode formed on one side and a second protective layer with a second electrode formed on the other side, and may be made of at least one piezoelectric fiber between the first electrode and the second electrode.
압전 섬유는, 압전 세라믹, 압전 단결정 또는 압전 폴리머 중 어느 하나로 형성될 수 있고, 제1 보호층 및 제2 보호층은, 폴리이미드(Polyimide, PI), 폴리에틸렌 나프탈레이트(Polyethylene napthalate, PEN), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Polyethylene terephthalate, PET) 또는 폴리카보네이트(polycarbonate, PC)로 이루어질 수 있다.The piezoelectric fiber may be formed of any one of a piezoelectric ceramic, a piezoelectric single crystal, or a piezoelectric polymer, and the first and second protective layers may be made of polyimide (PI), polyethylene napthalate (PEN), or polyethylene. It may be made of polyethylene terephthalate (PET) or polycarbonate (PC).
컨틸레버는 상기 복합체의 일면에 접하며 상기 복합체의 길이 방향으로 배열될 수 있으며, 전자기 유도 코일은 상기 컨틸레버 단부에 배치되며 상기 컨틸레버의 움직임으로 전자기가 유도될 수 있는 특징이 있다.The contilever is in contact with one surface of the composite and can be arranged in the longitudinal direction of the composite, and the electromagnetic induction coil is disposed at the end of the contilever and has the feature that electromagnetism can be induced by the movement of the contilever.
본 발명은, 컨틸레버 단부에 자석이 배치되고 컨틸레버가 움직일 때 자석이 전자기 유도 코일 내부 또는 외부에서 진동하며 전자기 유도 코일에 전자기를 유도시켜 하베스팅 할 수 있다.In the present invention, a magnet is placed at the end of a contilever, and when the contilever moves, the magnet oscillates inside or outside the electromagnetic induction coil and induces electromagnetism in the electromagnetic induction coil for harvesting.
클램프는 상기 컨틸레버를 수직으로 움직이도록 진동 구조체를 내부에 구비할 수 있으며, 진동 구조체는 도시되지 않았으나 클램프 내부에 평판형 형상의 컨틸레버를 수직으로 운동시킬 수 있는 구조로 형성될 수 있다.The clamp may have a vibration structure inside the clamp to move the contilever vertically. The vibration structure, not shown, may be formed inside the clamp to allow the flat contilever to move vertically.
본 발명에 따른 복합체는 압전 섬유 함유 복합체(SFC:Single crystal Fiber Composite)의 일례로서, 일면에 제1 전극이 형성된 제1 보호층과 타면에 제2 전극이 형성된 제2 보호층을 구비할 수 있다.The composite according to the present invention is an example of a piezoelectric fiber-containing composite (SFC: Single crystal fiber composite), and may include a first protective layer with a first electrode formed on one side and a second protective layer with a second electrode formed on the other side. .
이 경우, 복합체는 단결정 압전 소재로 이루어지고 단결정의 방향은 복합체의 두께 방향과 일치할 수 있으며 복합체에 포함된 압전 섬유를 이루는 단결정 압전 소재는 페로브스카이트(Peroveskite) 결정구조(RMO3) 또는 복합 페로브스카이트 구조를 가지는 것이 바람직하다.In this case, the composite is made of a single crystal piezoelectric material, the direction of the single crystal may coincide with the thickness direction of the composite, and the single crystal piezoelectric material that makes up the piezoelectric fiber contained in the composite has a perovskite crystal structure (RMO3) or a composite It is desirable to have a perovskite structure.
그리고, 제1 전극 및 제2 전극의 재질은 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au), 알루미늄(Al) 등의 전극 소재가 사용될 수 있으며, 이에 한정되지 않고 제한 없이 사용 가능하다. 또한, 그 형상에 있어서는 도 1에 도시된 복합체의 전극(Electrode)과 같이 전면 전극의 형상을 가질 수 있음을 물론, 우수한 압전 특성 및 자기전기 특성을 구현할 수 있다.In addition, the materials of the first and second electrodes may be copper (Cu), silver (Ag), gold (Au), aluminum (Al), etc., but are not limited thereto and can be used without limitation. In addition, in terms of its shape, it can have the shape of a front electrode like the electrode of the composite shown in FIG. 1, and can also realize excellent piezoelectric and magnetoelectric properties.
도 2는 본 발명을 헬름홀츠 코일에 배치하여 교류 자기장을 인가하고, 복합체의 진동 모드와 생성되는 전류 또는 전압을 측정하는 모습을 나타낸다.Figure 2 shows the present invention placed in a Helmholtz coil, applying an alternating magnetic field, and measuring the vibration mode of the composite and the generated current or voltage.
도 2를 참조하면, 본 발명의 자석(Magnet)은 전자기 유도 코일의 내부 또는 외부에서 진동이 가능한데, 전자기 유도 코일은 헬름홀츠 코일(Helmholtz coil)의 일례로서 교류 자기장을 인가하고, 기판의 진동 모드와 생성되는 전류 또는 전압을 측정할 수 있다.Referring to FIG. 2, the magnet of the present invention can vibrate inside or outside the electromagnetic induction coil. The electromagnetic induction coil is an example of a Helmholtz coil, which applies an alternating magnetic field and combines the vibration mode and the vibration mode of the substrate. The generated current or voltage can be measured.
자석은, 상기 컨틸레버의 단부면을 기준으로 대칭된 N극 또는 S극을 더 포함하고, 상기 컨틸레버의 수직 운동에 의해 상기 전자기 유도 코일과의 거리가 변화될 수 있다.The magnet further includes an N or S pole symmetrical with respect to the end surface of the contilever, and the distance from the electromagnetic induction coil can be changed by vertical movement of the contilever.
또한, N극 또는 S극은, 컨틸레버의 수직 운동에 의해 전자기 유도 코일과의 각각의 거리가 달라져 상기 전자기의 유도 방향을 변화시킬 수 있다.In addition, the distance of the N pole or the S pole from the electromagnetic induction coil may change due to the vertical movement of the contilever, thereby changing the direction of electromagnetic induction.
본 발명의 실시 예에 따라 전력, 전압, 전류 또는 전자기 유도 등은 소자에서 스위칭을 위해 출력되는 전원 소스로서 코일에서 유도되는 유도 기전력과 동등한 개념으로 사용될 수 있고, 전자기 유도 코일 또한 헬름홀츠 코일과 동등한 개념으로 사용될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, power, voltage, current, or electromagnetic induction can be used as a power source output for switching from a device and can be used as an equivalent concept to the induced electromotive force induced in a coil, and an electromagnetic induction coil can also be used as an equivalent concept to a Helmholtz coil. It can be used as
컨틸레버 단부의 자석은 전력 또는 전자기를 생성하기 위해, 헬름홀츠 코일에 배치할 수 있고, 교류 자기장을 인가하여 컨틸레버의 진동 모드에 따라 전류 또는 전압을 생성할 수 있다.The magnet at the end of the contilever can be placed in a Helmholtz coil to generate power or electromagnetism, and an alternating magnetic field can be applied to generate a current or voltage depending on the vibration mode of the contilever.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따라 컨틸레버의 동작에 의해 전자기 유도 코일에서의 전자기 유도 과정을 나타낸다.Figure 3 shows the electromagnetic induction process in an electromagnetic induction coil by the operation of a contilever according to an embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 시계 방향으로 ⅰ)부터 ⅳ)까지의 과정을 거쳐 전자기를 유도할 수 있다.Referring to FIG. 3, electromagnetism can be induced through processes from i) to iv) in a clockwise direction.
이 경우 컨틸레버는, 상기 복합체의 고정된 질량(Tip mass)에 따라 공진 모드로 동작하며, 상기 공진 모드의 조절에 따라 상기 전자기의 유도 에너지 출력을 조절할 수 있다.In this case, the contilever operates in a resonance mode according to the fixed mass (Tip mass) of the composite, and the electromagnetic induced energy output can be adjusted by adjusting the resonance mode.
이 경우 N극 또는 S극은, 상기 컨틸레버의 수직 운동에 의해 상기 전자기 유도 코일과의 각각의 거리가 달라져 상기 전자기의 유도 방향을 변화시킬 수 있다.In this case, the distance of the N pole or the S pole from the electromagnetic induction coil may change due to the vertical movement of the contilever, thereby changing the direction of electromagnetic induction.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 고출력 하이브리드 자기-기계-전기 발전기는 자석을 통해 전자기 유도 코일의 자속 변화량을 증가시키며, 이를 통해 에너지 변환 효율을 높일 수 있다. Meanwhile, the high-output hybrid magneto-mechanical-electric generator according to an embodiment of the present invention increases the amount of change in magnetic flux of the electromagnetic induction coil through a magnet, thereby increasing energy conversion efficiency.
본 실험 예에 따라, 자석을 전자기 유도 코일(헬름홀츠 코일)의 교류 자기장에 놓이도록 배치하여, 교류 자기장의 교번 주파수를 증가시키면서 아래 [수학식1]과 같이 전압을 측정할 수 있다.According to this experimental example, the magnet is placed in the alternating magnetic field of the electromagnetic induction coil (Helmholtz coil), and the alternating frequency of the alternating magnetic field can be increased while the voltage can be measured as shown in [Equation 1] below.
[수학식 1][Equation 1]
(여기서, 는 전자기 유도 코일의 양단에 생성되는 전압을 나타내고, 는 전자기 유도 코일의 자속, 는 시간, 은 코일의 턴 수를 의미)(here, represents the voltage generated at both ends of the electromagnetic induction coil, is the magnetic flux of the electromagnetic induction coil, is the time, means the number of turns of the coil)
실시 예에 따라 컨틸레버가 상향 진동(Bending upward)하는 경우 진동 에너지가 하베스팅되고, 하향 진동(Bending downward)하는 경우 진동 에너지 하베스팅 될 수 있다.Depending on the embodiment, vibration energy may be harvested when the contilever is oscillating upward (bending upward), and vibration energy may be harvested when the contilever is oscillating downward (bending downward).
컨틸레버가 상향 진동하는 경우, 자석에 의해 코일 속의 자속 밀도가 증가한다. 컨틸레버가 상향 진동하는 경우에는 자속 밀도가 극대화 되고, 컨틸레버가 하향 진동하는 경우에는 자속 밀도가 극소화 된다. 이에 따라, 시간에 따른 코일 내의 자속의 변화가 최대화 된다. 이 경우 위의 [수학식 1]과 같이, 시간에 따른 자속의 변화를 최대화 함으로써 본 발명의 실시예에 따라 최대의 전력(전압)을 얻을 수 있다.When the contilever oscillates upward, the magnetic flux density in the coil increases due to the magnet. When the contilever oscillates upward, the magnetic flux density is maximized, and when the contilever oscillates downward, the magnetic flux density is minimized. Accordingly, the change in magnetic flux within the coil over time is maximized. In this case, as shown in [Equation 1] above, the maximum power (voltage) can be obtained according to an embodiment of the present invention by maximizing the change in magnetic flux over time.
컨틸레버의 단부에 자석이 배치됨으로써, 교류 주파수의 크기에 따라 컨틸레버 자체의 제1굽힘 진동이 있을 수 있고, 또는 제2굽힘 진동이 생성될 수 있다. 즉, 컨틸레버 자체의 진동 뿐만 아니라 이 진동을 통해 컨틸레버 단부의 자석이 움직일 수 있고, 단부 자석의 제2굽힘 진동 모드에 의해 진동 시 자석의 움직임 속도가 빨라져 전자기 유도 코일의 시간당 자속 변화량을 더욱 증가시킬 수 있다.By placing a magnet at the end of the contilever, there may be a first bending vibration of the contilever itself, or a second bending vibration may be generated depending on the magnitude of the alternating current frequency. In other words, not only the vibration of the contilever itself, but also the magnet at the end of the contilever can move through this vibration, and the second bending vibration mode of the end magnet increases the movement speed of the magnet during vibration, further increasing the amount of magnetic flux change per hour of the electromagnetic induction coil. You can.
본 발명의 실시 예에 따라, 제1굽힘 공진 모드보다 제2굽힘공진 모드에서 압전 복합체 및 전자기 유도 코일 모두 월등히 높은 전기 에너지 출력이 나올 수 있다. 따라서 기존의 모든 압전 기반 컨틸레버의 경우 제1 굽힘공진 모드를 사용하는 반면에 본 발명의 실시 예는 제2 굽힘공진 모드를 사용한다.According to an embodiment of the present invention, both the piezoelectric composite and the electromagnetic induction coil can produce significantly higher electrical energy output in the second bending resonance mode than in the first bending resonance mode. Therefore, while all existing piezoelectric-based contilevers use the first bending resonance mode, the embodiment of the present invention uses the second bending resonance mode.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 2nd 굽힘 공명 주파수에서의 컨틸레버 진동에 의한 압전 복합체 및 전자기 유도 코일에서의 전기에너지 출력을 나타낸다. 7 Oe의 교류자기장 조건에서 각각의 개방 출력전압, 단락 출력전류, RMS 파워를 측정하였다.Figure 4 shows the electrical energy output from the piezoelectric composite and the electromagnetic induction coil due to contilever vibration at the 2nd bending resonance frequency according to an embodiment of the present invention. Open-circuit output voltage, short-circuit output current, and RMS power were measured under alternating magnetic field conditions of 7 Oe.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따라 1 Oe의 교류자기장 조건에서 1st굽힘공명 모드와 2nd굽힘공명 모드에 따른 압전 복합체의 개방 출력전압, 단락 출력전류, RMS 파워를 나타낸다. Figure 5 shows the open-circuit output voltage, short-circuit output current, and RMS power of the piezoelectric composite according to the 1st bending resonance mode and the 2nd bending resonance mode under an alternating magnetic field condition of 1 Oe according to an embodiment of the present invention.
개방 출력전압의 경우 1st굽힙공명 모드에서 2nd굽힘공명 모드보다 높은 값을 보여 주었다. 단락 출력전류의 경우 2nd굽힘공명 모드에서 1st굽힘공명 모드 보다 높은 값을 보여 주었다. 가장 중요한 RMS 파워의 경우 2nd굽힘공명 모드에서 1st굽힘공명 모드 보다 약 2.3배 큰 값을 나타내고 있어, 제 2nd굽힘공명 모드에서 압전 복합체 하베스팅을 하는 것이 유리함을 알 수 있다.In the case of open output voltage, the 1st bending resonance mode showed a higher value than the 2nd bending resonance mode. In the case of short-circuit output current, the 2 nd bending resonance mode showed a higher value than the 1 st bending resonance mode. In the case of the most important RMS power, the 2nd bending resonance mode shows a value about 2.3 times greater than the 1st bending resonance mode, indicating that it is advantageous to perform piezoelectric composite harvesting in the 2nd bending resonance mode.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따라 1 Oe의 교류자기장 조건에서 1st굽힘공명 모드와 2nd굽힘공명 모드에 따른 전자기 유도 코일에서의 개방 출력전압, 단락 출력전류, RMS 파워를 나타낸다. Figure 6 shows the open-circuit output voltage, short-circuit output current, and RMS power in the electromagnetic induction coil according to the 1st bending resonance mode and the 2nd bending resonance mode under an alternating magnetic field condition of 1 Oe according to an embodiment of the present invention.
개방 출력전압의 경우 2nd굽힘공명 모드에서 1st굽힘공명 모드 보다 높은 값을 보여 주었다. 단락 출력전류의 경우 2nd굽힘공명 모드에서 1st굽힘공명 모드 보다 높은 값을 보여 주었다. In the case of open output voltage, the 2 nd bending resonance mode showed a higher value than the 1 st bending resonance mode. In the case of short-circuit output current, the 2 nd bending resonance mode showed a higher value than the 1 st bending resonance mode.
가장 중요한 RMS 파워의 경우 2nd굽힘공명 주파수에서 1st굽힘공명 모드 보다 약 2배 큰 값을 나타내고 있어, 제 2nd굽힘공명 모드 분위기에서 전자기 유도 하베스팅을 하는 것이 유리함을 알 수 있다. In the case of the most important RMS power, the 2nd bending resonance frequency shows a value that is approximately twice as large as that of the 1st bending resonance mode, indicating that it is advantageous to perform electromagnetic induction harvesting in the 2nd bending resonance mode atmosphere.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따라 실험에 사용된 자석질량체의 형태, 부착위치, 무게를 나타낸다. 참고로 컨틸레버에 부착된 자석질량체의 위치 및 무게에 따라 공진주파수의 크기 및 발전되는 에너지의 크기가 달라지는 특성을 가지고 있다.Figure 7 shows the shape, attachment position, and weight of the magnetic mass used in the experiment according to an embodiment of the present invention. For reference, the size of the resonance frequency and the amount of energy generated vary depending on the position and weight of the magnetic mass attached to the contilever.
이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리 범위는 설명한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태에 의하여 정해져야 한다.Although the present invention has been described in detail through representative embodiments above, those skilled in the art will understand that various modifications can be made to the above-described embodiments without departing from the scope of the present invention. will be. Therefore, the scope of rights of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be determined not only by the claims described later, but also by all changes or modified forms derived from the claims and the concept of equivalents.
Claims (7)
상기 복합체의 일면에 접하며 상기 복합체의 길이 방향으로 배열된 컨틸레버;
상기 컨틸레버의 단부로 배치되고, 상기 컨틸레버를 중심으로 상하 대칭되도록 N극 및 S극이 형성되는 자석;
상기 N극 및 S극과 대향하도록 배치되고, 상기 컨틸레버의 움직임으로 전자기가 유도되는 원형의 전자기 유도 코일; 및
상기 컨틸레버의 단부에 연결되고, 상기 컨틸레버가 수직으로 움직이도록 진동 구조체가 구비된 클램프를 포함하고,
상기 자석으로 교류 자기장이 인가되어 수직 방향으로 움직임에 따라, 상기 컨틸레버는, 상향 진동(bending upward) 및 하향 진동(bending downward)에 따라 상기 자석의 N극 및 S극과 상기 전자기 유도 코일간 거리가 변화하여 상기 전자기 유도 코일에 전자기를 유도시켜 하베스팅하되,
상기 복합체의 고정된 질량(Tip mass)에 따라 공진 모드로 동작하며, 상기 컨틸레버 자체의 제1 굽힘 진동에 의한 제1 공진 모드 및, 상기 컨틸레버 자체의 진동을 통해 컨틸레버 단부의 자석이 움직이고 상기 자석의 제2 굽힘 진동에 의한 자석의 움직임이 가속되는 제2 공진 모드 중, 제2 공진 모드에 의한 전기 에너지를 하베스팅하는 고출력 하이브리드 자기-기계-전기 발전기.
A piezoelectric fiber layer comprising a first protective layer with a first electrode formed on one side and a second protective layer with a second electrode formed on the other side, and made of at least one piezoelectric fiber formed of a piezoelectric polymer between the first electrode and the second electrode. A composite containing (SFC: Single crystal Fiber Composite);
a contilever in contact with one surface of the composite and arranged in the longitudinal direction of the composite;
a magnet disposed at an end of the contilever and having an N pole and an S pole formed to be vertically symmetrical about the contilever;
a circular electromagnetic induction coil disposed to face the N and S poles and in which electromagnetism is induced by movement of the contilever; and
A clamp connected to an end of the contilever and provided with a vibration structure to allow the contilever to move vertically,
As an alternating magnetic field is applied to the magnet and moves in the vertical direction, the contilever oscillates upward and oscillates downward, thereby increasing the distance between the N and S poles of the magnet and the electromagnetic induction coil. Change and harvest by inducing electromagnetism in the electromagnetic induction coil,
It operates in a resonance mode according to the fixed mass (Tip mass) of the composite, and the magnet at the end of the contilever moves through the first resonance mode and the vibration of the contilever itself and the first bending vibration of the contilever itself. A high-output hybrid magneto-mechanical-electric generator that harvests electrical energy by the second resonance mode among the second resonance modes in which the movement of the magnet due to the second bending vibration is accelerated.
상기 제1 보호층 및 제2 보호층은,
폴리이미드(Polyimide, PI), 폴리에틸렌 나프탈레이트(Polyethylene napthalate, PEN), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Polyethylene terephthalate, PET) 또는 폴리카보네이트(polycarbonate, PC)로 이루어진 것을 특징으로 하는 고출력 하이브리드 자기-기계-전기 발전기.
According to claim 1,
The first protective layer and the second protective layer are,
A high-output hybrid magneto-mechanical-electrical generator characterized by being made of polyimide (PI), polyethylene napthalate (PEN), polyethylene terephthalate (PET), or polycarbonate (PC).
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