KR102604228B1 - 무전원 모션 감지 장치 - Google Patents
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Abstract
무전원 모션 감지 장치가 개시된다. 일 실시 예에 따른 무전원 모션 감지 장치는 외부 전원이 필요 없는 무전원으로서 자석의 자기 반발을 이용하여 소정의 동작 파라미터를 감지하는 모션 감지 센서와, 전자기 발전기 및 마찰전기 나노 발전기가 혼합된 형태로서 물체의 움직임으로부터 수확되는 고출력의 전기 에너지를 이용하여 상기 모션 감시 센서를 통해 감지된 정보를 무선으로 전송하기 위한 전력을 제공하는 하이브리드 나노 발전기를 포함한다.
Description
본 발명은 에너지 하베스팅(Energy harvesting) 및 모션 감지 기술에 관한 것이다.
모션 센서(Motion Sensor)는 물체의 움직임에서 발생하는 기계적 진동을 이용하여 물체의 위치와 움직임과 관련된 중요한 정보들을 감지 및 제어하는 데에 사용된다. 또한 모션 센서는 자체 밸런싱 로봇, 자율 주행 차량 및 드론 등과 같은 대부분의 실시간 어플리케이션에서 핵심 구성 요소이다.
모션 센서를 동작하기 위해 외부 전원(배터리)을 사용하면 장치의 부피, 무게, 복잡성이 크게 증가할 수 있으며 동시에 배터리 방전 시 장치의 기능 장애가 발생할 수 있다. 이러한 상황에서 모션 감지 플랫폼의 지속 가능한 작동을 위한 가장 확실한 방법으로, 위치 정확도 감지와 높은 에너지 변환 효율을 가진 자체 구동 모션 감지 장치가 필요하다. 외부 전력이 필요 없는 마찰 전기 기반의 자가 동력 모션 센서가 높은 정확도 및 감도로 개발되고 있으며, 압전, 전자기 및 하이브리드 기술 또한 모션을 감지하는 데에 큰 잠재력을 지니고 있다. 마찰 전기 기반의 자가 동력 모션 센서는 낮은 출력 전력의 한계를 가지고 있어, 지금까지 베터리 없이 완전한 자가 동력 모션 감지 장치를 실현하는 것은 매우 어렵다.
일 실시 예에 따라, 마찰전기 기술과 다른 에너지 수확 기술을 통합하여 모션 감지 및 통신 시스템의 지속 가능한 동작을 위한 전력 공급을 최대화하는 동시에 임의의 모션을 완벽히 감지할 수 있는 새로운 구조의 모션 감지 장치를 제안한다.
특히, 전자기 및 마찰전기 기반의 하이브리드 나노 발전기가 포함된 4측의 자가 동력 모션 감지 센서를 사용하여 임의의 동작 파라미터들(가속도, 주파수, 방향, 기울기, 회전각 및 각속도)을 동시에 감지할 수 있는 무전원 모션 감지 장치를 제안한다.
일 실시 예에 따른 무전원 모션 감지 장치는, 외부 전원이 필요 없는 무전원으로서, 자석의 자기 반발을 이용하여 소정의 동작 파라미터를 감지하는 모션 감지 센서; 와, 전자기 발전기 및 마찰전기 나노 발전기가 혼합된 형태로서, 물체의 움직임으로부터 수확되는 고출력의 전기 에너지를 이용하여 상기 모션 감시 센서를 통해 감지된 정보를 무선으로 전송하기 위한 전력을 제공하는 하이브리드 나노 발전기; 를 포함한다.
무전원 모션 감지 장치는, 속이 빈 원통형 디스크와, 원통형 디스크의 적어도 하나의 측면에 부착된 자석 고정 파트와, 원통형 디스크의 적어도 하나의 또 다른 측면에 부착된 센싱 파트를 포함하는 본체; 와, 상기 원통형 디스크의 내부에 위치하며, 초기 상태에는 중앙에 고정되고 외부 진동이 가해지면 자유롭게 움직이는 중앙 자석; 과, 원통형 디스크의 외측 상부 및 하부에 형성되어 중앙 자석의 이동에 따라 전류가 유도되는 코일로 구성된 전자기 발전기; 와, 중앙 자석의 하부에 부착된 제1 마찰대전 물질; 과, 제1 마찰대전 물질의 하부에 형성된 제2 마찰대전 물질; 과, 제2 마찰대전 물질 하부에 형성된 적어도 하나의 전극으로 구성된 마찰전기 나노 발전기; 와, 상기 원통형 디스크의 자석 고정 파트에 위치하는 적어도 하나의 고정형 자석; 및 외부 진동이 가해지면 상기 센싱 파트의 외측 부분에 부착된 강자성 필름이 본체 내부의 중앙 자석과의 인력으로 센싱 파트의 내측 부분 및 외측 부분에 부착된 두 마찰대전 물질의 접촉 및 분리를 통해 움직임을 감지하는 적어도 하나의 모션 감지 센서; 를 포함할 수 있다.
센싱 파트는, 간극이 있는 호(arc) 또는 보우(bow) 모양일 수 있다.
마찰전기 나노 발전기의 적어도 하나의 전극은, 적어도 두 쌍의 대칭을 이루는 부채꼴 모양일 수 있다.
무전원 모션 감지 장치는, 본체의 원통형 디스크의 내부에서 중앙 자석이 적어도 하나의 고정형 자석 간의 반발력으로 인해 중심에 위치하다가, 본체의 원통형 디스크의 내부에서 중앙 자석이 이동하면 원통형 디스크의 외측 상부 및 하부에 형성된 코일에 전류가 흐르고, 강자성 필름과 중앙 자석의 인력으로 인해 중앙 자석이 당겨지고, 이로 인해 센싱 파트의 내측 및 외측 부분에 부착된 두 마찰대전 물질의 접촉 및 분리가 발생하고, 두 마찰대전 물질의 접촉 및 분리를 통해 전압이 발생할 수 있다.
무전원 모션 감지 장치는, 속이 빈 원통형 디스크와, 원통형 디스크의 적어도 하나의 측면에 부착된 속이 빈 기둥을 포함하는 본체; 와, 상기 원통형 디스크의 내부에 위치하며, 초기 상태에는 중앙에 고정되고 외부 진동이 가해지면 자유롭게 움직이는 중앙 자석; 과, 상기 원통형 디스크의 외측 상부 및 하부에 형성되어 중앙 자석의 이동에 따라 전류가 유도되는 코일로 구성된 전자기 발전기; 와, 중앙 자석의 하부에 부착된 제1 마찰대전 물질; 과, 제1 마찰대전 물질의 하부에 형성된 제2 마찰대전 물질; 과, 제2 마찰대전 물질 하부에 형성된 적어도 하나의 전극으로 구성된 마찰전기 나노 발전기; 와, 상기 원통형 디스크의 적어도 하나의 측면에 부착되고 적어도 일부가 음각 처리된 기둥; 과, 상기 기둥의 내부의 끝 자유단에 위치한 고정형 끝단 자석; 과, 외부 진동이 가해지면 상기 기둥의 내부에서 1축 방향으로 움직이는 이동형 끝단 자석; 및 상기 기둥 외부에 형성된 코일에 유도되는 전기를 통해 움직임을 감지하는 적어도 하나의 모션 감지 센서; 를 포함할 수 있다.
마찰전기 나노 발전기의 적어도 하나의 전극은, 적어도 두 쌍의 대칭을 이루는 부채꼴 모양일 수 있다.
무전원 모션 감지 장치는, 본체의 원통형 디스크의 내부에서 중앙 자석이 중심에 위치하다가 이동하면, 원통형 디스크의 각 측면 기둥의 이동형 끝단 자석이 함께 이동하고, 본체의 중앙 자석의 이동으로 인한 자기 선속의 변화를 통해 상기 원통형 디스크의 외측 상부 및 하부에 형성된 코일에 전류가 흐르고 각 측면 기둥의 이동형 끝단 자석의 이동을 통하여 모션 감지 센서의 코일에도 전류가 흐를 수 있다.
모션 감지 센서는, 선형 이동 모션, 임의 모션 및 회전 모션 중 적어도 하나를 포함한 다중 모션 조건에서 모션 파라미터를 감지할 수 있다. 임의의 모션은 가속도, 주파수, 방향, 기울기, 회전각 및 각속도 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
무전원 모션 감지 장치는, 모션 감지 센서에서 획득된 전기 신호를 처리하는 신호처리 회로와, 모션 감시 센서를 통해 감지된 정보를 무선으로 전송하는 통신 모듈 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따른 무전원 모션 감지 장치는 내장된 전자기 및 마찰전기 하이브리드 나노 발전기를 통하여 외부 전원이 필요 없이 임의의 모션 감지 및 무선 전송이 가능하다.
무전원 모션 감지 장치는 가속도, 주파수, 방향, 기울기, 회전각 및 각속도 등의 임의로 발생하는 움직임 파라미터들을 동시에 감지할 수 있고, 물체의 움직임으로부터 수확되는 고출력의 전기 에너지를 이용하여 전송할 수 있다.
로봇, 드론, 자율주행 자동차, 스마트 가전, 게임기, VR/AR 등 실시간 모션 감지 기능이 필요한 기기 및 인체에 부착하여 폭 넓게 사용될 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무전원 모션 감지 장치의 개념을 도시한 도면,
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무전원 모션 감지 장치의 단면을 도시한 도면,
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무전원 모션 감지 장치를 분해한 도면,
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 제1 마찰대전 물질의 나노 표면을 도시한 도면,
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 제2 마찰대전 물질의 나노 표면을 도시한 도면,
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전자기 발전기(EMG) 및 모션 감지 센서의 동작 원리를 설명하기 위한 도면,
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 마찰전기 나노 발전기(TENG)의 동작 원리를 설명하기 위한 도면,
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무전원 모션 감지 장치의 선형(Linear) 모션 감지 동작 예시를 도시한 도면,
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무전원 모션 감지 장치의 임의 모션 감지 동작 예시를 도시한 도면,
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무전원 모션 감지 장치의 회전 모션 감지 동작 예시를 도시한 도면,
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무전원 모션 감지 장치의 전력 출력 예시를 도시한 도면,
도 12a 및 도 12b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무전원 모션 감지 장치의 센싱 파형 예시를 도시한 도면,
도 13은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무전원 모션 감지 장치의 적용 예시를 도시한 도면이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무전원 모션 감지 장치의 단면을 도시한 도면,
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무전원 모션 감지 장치를 분해한 도면,
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 제1 마찰대전 물질의 나노 표면을 도시한 도면,
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 제2 마찰대전 물질의 나노 표면을 도시한 도면,
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전자기 발전기(EMG) 및 모션 감지 센서의 동작 원리를 설명하기 위한 도면,
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 마찰전기 나노 발전기(TENG)의 동작 원리를 설명하기 위한 도면,
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무전원 모션 감지 장치의 선형(Linear) 모션 감지 동작 예시를 도시한 도면,
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무전원 모션 감지 장치의 임의 모션 감지 동작 예시를 도시한 도면,
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무전원 모션 감지 장치의 회전 모션 감지 동작 예시를 도시한 도면,
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무전원 모션 감지 장치의 전력 출력 예시를 도시한 도면,
도 12a 및 도 12b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무전원 모션 감지 장치의 센싱 파형 예시를 도시한 도면,
도 13은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무전원 모션 감지 장치의 적용 예시를 도시한 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 발명의 실시 예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이며, 후술되는 용어들은 본 발명의 실시 예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세하게 설명한다. 그러나 다음에 예시하는 본 발명의 실시 예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시 예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시 예는 이 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공된다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무전원 모션 감지 장치의 개념을 도시한 도면이다.
보다 세부적으로, 도 1a는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 제1 무전원 모션 감지 장치(1)의 개념을 도시한 도면이고, 도 1b는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 제2 무전원 모션 감지 장치(2)의 개념을 도시한 도면이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 본 발명은 자기 반발 지원 자가 동력 모션 센서가 하이브리드 나노 발전기와 통합된(Magnetic Repulsion assisted Self-powered Motion Sensor is integrated with a Hybrid NanoGenerator: MRSMS-HNG) 배터리가 필요 없는 무전원 임의 모션 감지 장치(a battery-less arbitrary motion sensing apparatus)(1, 2)를 제안한다.
무전원 모션 감지 장치(1, 2)는 임의의 방향을 따라 움직이는 물체의 운동 파라미터를 효율적으로 감지하고 동시에 저주파(<5Hz) 진동을 유용한 전기로 변환할 수 있다. 모션 감지 장치(1, 2)는 전자기 발전기(ElectroMagnetic Generator: EMG, 이하 'EMG'라 칭함)- 마찰전기 나노 발전기(Triboelectric NanoGenerator: TENG, 이하 'TENG'라 칭함) 하이브리드 나노 발전기용 중앙 자석과, 다수 개의 모션 감지 센서용 측면 자석(예를 들어, 4 개)을 포함한다. 모든 자석이 동일한 자화 방향으로 정렬되기 때문에 중앙 자석의 이동으로 인한 반발력이 측면 자석을 작동시켜 자체 구동식 임의 모션 감지를 달성한다. 도 1a 및 도 1b의 S1~S4가 측면의 4개의 모션 감지 센서에 해당한다.
무전원 모션 감지 장치(1, 2)는 단일 장치에서 자기 반발 기반 자체 구동 모션 센서와 하이브리드 나노 발전기를 사용한다. 4개의 EMG 구성 요소가 4 개의 자체 전원 모션 센서로 사용될 수 있으며, 배터리가 필요 없는 임의 모션 감지 시스템을 실현하기 위해 TENG 가 단일 장치에 통합되어 모션 감지 및 에너지 수확, 두 가지 중요한 목표를 달성하고자 한다. 자기 반발 효과에 기반한 전자기 변환 기술이 임의의 진동 및 동작 파라미터를 감지하는 데 사용된다. EMG 및 TENG 구성 요소의 하이브리드 조합은 각각 EMG 및 TENG 시스템의 고전류 및 고전압 특성의 장점을 포함하도록 구현되었다. 하이브리드 나노 발전기는 블루투스 등의 무선통신을 통해 모션 센서 데이터를 처리하고 스마트 폰 등의 다른 장치로 무선으로 전송하기 위한 전력 수요를 충족한다. 무전원 모션 감지 장치(1, 2)는 저파수에서 병진(선형), 틸팅 및 회전 운동(피치, 롤 및 요 축 등을 따라)과 같은 다양한 유형의 운동이 가능하다. 무전원 모션 감지 장치(1, 2)는 하이브리드 나노 발전기와 자가 전력 임의 모션 감지 센서를 단일 장치로 통합하여 구현함에 따라, 다양한 무선 동작 제어 애플리케이션을 위해 제공될 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무전원 모션 감지 장치의 단면을 도시한 도면이다.
보다 세부적으로, 도 2a는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 제1 무전원 모션 감지 장치(1)의 단면을 도시한 도면이고, 도 2b는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 제2 무전원 모션 감지 장치(2)의 단면을 도시한 도면이다.
무전원 모션 감지 장치(1, 2)는 CAD(Computer-Aided Design) 소프트웨어를 사용하여 설계되고 3D 프린팅 기술을 사용하여 제작될 수 있다. 따라서, 전체 제조 프로세스가 훨씬 쉽고 비용 면에서 효율적이다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 무전원 모션 감지 장치(1, 2)는 폴리락트산(polylactic acid: PLA)을 사용하는 3D 프린팅 본체로 구성되어 있고, 각 면은 90°로 분리되어 있으며 가운데에 빈 원통형 공간이 있다. Cu, Al은 전극에 해당하고, Magnet은 자석에 해당하며, Positive, Negative는 마찰 대전 물질에 해당한다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무전원 모션 감지 장치를 분해한 도면이다.
보다 세부적으로, 도 3a는 본 발명의 제1 실시 예에 제1 무전원 모션 감지 장치(1)를 분해한 도면이고, 도 3b는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 제2 무전원 모션 감지 장치(2)를 분해한 도면이다.
도 3a를 참조하면, 제1 무전원 모션 감지 장치(1)는 상부 코일(Top Coil)(10), 상부 하우징(Top Housing)(11), 중앙 자석(Central Magnet)(12), 제1 마찰대전 물질(13), 제2 마찰대전 물질(14), 본체(15), 하부 하우징(Bottom Housing)(17), 하부 코일(Bottom Coil)(18)을 포함한다.
본체(15)는 속이 빈 원통형 디스크(163)에 부착된 자석 고정 파트(160) 및 센싱 파트(150)를 포함한다. 자석 고정 파트(160)는 원통형 디스크(163)의 측면(예를 들어, 4측)에 부착되고, 다수 개(예를 들어, 4개)의 고정형 자석(Fixed end magnets)(161)을 포함한다. 본체(15)는 3D 프린팅 방식, 사출 방식, 압출 방식 중 어느 하나를 통해 제조될 수 있다.
센싱 파트(150)는 원통형 디스크(163)의 또 다른 측면(예를 들어, 다른 4측)에 부착되고, 간극이 있는 호(arc) 또는 보우(bow) 모양을 가진다.
중앙 자석(12)은 원통형 디스크(163)의 내부에 위치하며, 외부 진동이 가해지면 자유롭게 이동한다.
전자기 발전기(EMG)는 원통형 디스크(163)의 외측 상부 및 하부에 각각 형성되어, 중앙 자석(12)의 이동에 따라 전류가 유도되는 코일(10, 18)을 포함한다. 코일(10, 18)은 감는 형태, 각 면에 평면형(Planar)으로 부착되는 형태 및 각 면에 나선형(Spiral)으로 부착되는 형태 중 어느 하나의 형태일 수 있다. 코일(10, 18) 주변에 부착되어 자속을 집중시켜 코일에 유도되는 전류의 양을 증가시키는 자속 집중재를 더 포함할 수 있다.
제1 마찰대전 물질(13)은 중앙 자석(12)의 하부에 부착되고, 제2 마찰대전 물질(14)이 제1 마찰대전 물질(13)의 하부에 형성된다. 제1 마찰대전 물질(13)과 제2 마찰대전 물질(14)은 서로 마찰되는 유효접촉면적을 증가시키기 위해서 표면에 나노 구조를 가질 수 있다. 도 3a에서는 제1 마찰대전 물질(13)이 Positive material이고, 제2 마찰대전 물질(14)이 Negative material이나, 그 반대도 가능하다.
마찰전기 나노 발전기(TENG)는 제2 마찰대전물질(14)의 하부에 적어도 두 쌍의 대칭을 이루는 부채꼴로 형성된 전극(Interdigitated electrodes)(162)을 포함한다.
다수 개(예를 들어, 4개)의 모션 감지 센서(153)는 외부 진동이 가해지면 센싱 파트(150)의 외측 부분에 부착된 강자성 필름(Ferromagnetic Film)(154)이 본체 내부의 중앙 자석(12)과의 인력으로 센싱 파트(150)의 내측 부분 및 외측 부분에 부착된 두 마찰대전물질(155, 156)의 접촉 및 분리를 통해 전압이 유도된다. 이때, 중앙 자석(12)의 초기 상태는 중앙 자석(12)과, 본체(15)의 원통형 디스크(163)의 4측에 부착된 고정형 자석(161) 간의 반발력으로 인해 중심에 위치한다. 고정형 자석(161)은 원기둥 형일 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 중앙 자석(12) 및 고정형 자석(161)은 NdFeB 등의 자력이 강한 영구자석으로 제조될 수 있다.
모션 감지 센서(153)는 선형 이동 모션, 임의 모션 및 회전 모션 중 적어도 하나를 포함한 다중 모션 조건에서 모션 파라미터를 감지할 수 있다. 임의의 모션은 가속도, 주파수, 방향, 기울기, 회전각 및 각속도 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
제1 무전원 모션 감지 장치(1)는 본체(15)의 원통형 디스크(163) 내부에서 움직이는 중앙 자석(12)으로 인한 전자기 발전기(EMG) 및 마찰전기 나노 발전기(TENG)가 통합된 하이브리드 나노 발전기를 통해 발생하는 전력으로 신호처리 회로 및 통신 모듈을 구동할 수 있다. 신호처리 회로는 하이브리드 나노 발전기가 4개의 모션 감지 센서(153)에서 획득된 전기 신호를 처리한다. 통신 모듈은 모션 감시 센서를 통해 감지된 정보를 무선으로 전송한다. 신호처리 회로와 통신 모듈은 제1 무전원 모션 감지 장치(1)에 내장되거나 외부에 부착될 수 있다.
도 3b를 참조하면, 제2 무전원 모션 감지 장치(2)는 상부 코일(Top Coil)(20), 상부 하우징(Upper Housing)(21), 중앙 자석(Central Magnet)(22), 제1 마찰대전 물질(23), 제2 마찰대전 물질(24), 본체(25), 하부 코일(Bottom Coil)(26)을 포함한다.
본체(25)는 속이 빈 원통형 디스크(251)와 원통형 디스크(251)의 측면(예를 들어, 4측)에 부착된 기둥(252)을 포함한다. 본체(25)는 3D 프린팅 방식, 사출 방식, 압출 방식 중 어느 하나를 통해 제조될 수 있다.
중앙 자석(22)은 원통형 디스크(251)의 내부에 위치하며, 외부 진동이 가해지면 자유롭게 이동한다.
전자기 발전기(EMG)는 원통형 디스크(251)의 외측 상부 및 하부에 각각 형성되어 중앙 자석(22)의 이동에 따라 전류가 유도되는 코일(20, 26)을 포함한다. 코일(20, 26)은 감는 형태, 각 면에 평면형(Planar)으로 부착되는 형태 및 각 면에 나선형(Spiral)으로 부착되는 형태 중 어느 하나의 형태일 수 있다. 코일(20, 26) 주변에 부착되어 자속을 집중시켜 코일에 유도되는 전류의 양을 증가시키는 자속 집중재를 더 포함할 수 있다.
제1 마찰대전 물질(23)은 중앙 자석(22)의 하부에 부착되고, 제2 마찰대전 물질(24)은제1 마찰대전 물질(23)의 하부에 형성된다. 제1 마찰대전 물질(23)과 제2 마찰대전 물질(24)은 서로 마찰되는 유효접촉면적을 증가시키기 위해서 표면에 나노 구조를 가질 수 있다. 도 3b에서는 제1 마찰대전 물질(23)이 Positive material이고, 제2 마찰대전 물질(24)이 Negative material이나, 그 반대도 가능하다.
마찰전기 나노 발전기(TENG)는 제2 마찰대전 물질(24)의 하부에 적어도 두 쌍의 대칭을 이루는 부채꼴로 형성된 전극(Interdigitated Electrode)(253)을 포함한다.
고정형 끝단 자석(Fixed end magnet)(254)은 원통형 디스크(251)의 4측에 부착된 일부가 음각 처리된 기둥(252) 내부의 끝 자유단에 위치한다. 원기둥 형일 수 있으나, 형태는 변형 가능하다. 이동형 끝단 자석(Moving end magnet)(255)은 기둥(252)의 내부에서 외부 진동이 가해지면 1축 방향으로 이동한다. 중앙 자석(22), 고정형 끝단 자석 (254) 및 이동형 끝단 자석(255)은 NdFeB 등의 자력이 강한 영구자석으로 제조될 수 있다.
다수 개의 모션 감지 센서는 이동형 끝단 자석(255)의 이동에 따라 전류가 유도되는 음각 처리된 부분에 형성된 코일(Moving sensing coil)(256)을 포함한다. 이때 본체(25)의 중앙 자석(22) 및 4측에 부착된 기둥(252) 내부의 이동형 끝단 자석(255)의 초기 상태는 중앙 자석(22)과, 이동형 끝단 자석(255) 및 고정형 끝단 자석(254) 간의 반발력으로 각각의 자리에 위치하게 된다.
모션 감지 센서는 선형 이동 모션, 임의 모션 및 회전 모션 중 적어도 하나를 포함한 다중 모션 조건에서 모션 파라미터를 감지할 수 있다. 임의의 모션은 가속도, 주파수, 방향, 기울기, 회전각 및 각속도 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본체(25)의 원통형 디스크(251) 내부에서 움직이는 중앙 자석(22)으로 인한 전자기 및 마찰전기 하이브리드 나노 발전기를 통해 발생하는 전력으로 신호처리 회로 및 통신 모듈을 구동할 수 있다. 신호처리 회로는 4개의 모션 감지 센서에서 획득된 전기 신호를 처리한다. 통신 모듈은 모션 감시 센서를 통해 감지된 정보를 무선으로 전송한다. 신호처리 회로와 통신 모듈은 제1 무전원 모션 감지 장치(2)에 내장되거나 외부에 부착될 수 있다.
제2 무전원 모션 감지 장치(2)는 전자기 발전기(EMG)와 마찰전기 나노 발전기(TENG)가 통합된 하이브리드 나노 발전기를 통해 진동에 의한 기계적 진동 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 제1 마찰대전 물질의 나노 표면을 도시한 도면이고, 도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 제2 마찰대전 물질의 나노 표면을 도시한 도면이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 제1 마찰대전 물질(13 or 23) 및 제2 마찰대전 물질(14 or 24)는 서로 다른 극성을 띄는 양성(positive) 마찰대전 물질 또는 음성(negative) 마찰대전 물질로 형성될 수 있다. 양성 마찰대전 물질은 나일론, 실크, 알루미늄(Al) 등으로 형성될 수 있다. 음성 마찰대전 물질은 PTFE, PVDF, PVC, PDMS, 실리콘 등으로 형성될 수 있다. 양성 마찰대전 물질 또는 음성 마찰대전 물질은 표면 마이크로 구조 및 표면 나노 구조가 형성될 수 있다. 표면 마이크로 구조 및 표면 나노 구조는 ICP-RIE, 전기 방사 등의 공정기술로 형성되며, 마찰대전 접촉 면적을 증가시켜 마찰대전 효과를 극대화할 수 있다.
도 4 및 도 5는 각각 Al 필름(두께 130 ㎛) 표면에 형성된 나노 조도 구조와 PTFE 필름(두께 50 ㎛) 표면 위에 형성된 나노 와이어 구조의 전계 방출 주사 전자 현미경(FE-SEM) 이미지를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전자기 발전기(EMG) 및 모션 감지 센서의 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.
보다 세부적으로, 도 6a는 본 발명의 제1 실시 예에 제1 무전원 모션 감지 장치(1) 내 전자기 발전기(EMG) 및 모션 감지 센서의 동작 원리를 도시한 도면이고, 도 6b는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 제2 무전원 모션 감지 장치(2) 내 전자기 발전기(EMG) 및 모션 감지 센서의 동작 원리를 도시한 도면이다.
도 6a를 참조하면, 제1 무전원 모션 감지 장치(1)는 속이 빈 원통형 디스크 내부에서 중앙 자석(12)이 고정형 자석(161) 간의 반발력으로 인해 중심에 위치하다가, 움직이면 본체의 상, 하부에 부착된 코일(10, 18)에 전류가 흐른다. 이때, 원통형 디스크의 각 측면에 부착된 초기 간극이 있는 호 또는 보우 모양의 센싱 파트 외측에 위치한 강자성 필름과 중앙 자석(12)의 인력으로 인해 중앙 자석(12)이 당겨지고, 이로 인해 센싱 파트의 내측 및 외측 부분에 부착된 두 마찰대전 물질의 접촉 및 분리가 발생하고, 두 마찰대전 물질의 접촉 및 분리를 통해 전압이 발생한다.
도 6b를 참조하면, 제2 무전원 모션 감지 장치(2)는 본체(25)의 속이 빈 원통형 디스크(261)의 내부에서 중앙 자석(22)이 중심에 위치하다가 이동하면, 원통형 디스크(261)의 각 측면에 부착된 속이 빈 기둥(252)의 이동형 끝단 자석(255)이 함께 이동하게 된다. 이때, 본체(25)의 중앙 자석(22)의 이동으로 인한 자기 선속의 변화를 통해 본체(25)의 상, 하부에 부착된 코일(20, 26)에 전류가 흐르게 된다. 또한 각 측면 기둥(252)의 이동형 끝단 자석(255)의 이동을 통하여 모션 감지 센서의 코일(256)에도 전류가 흐르게 된다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 마찰전기 나노 발전기(TENG)의 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 7을 참조하면, 본체 내부의 중앙 자석이 움직이면서 그 하부에 부착된 제1 마찰대전 물질과 그 하부에 형성된 제2 마찰대전 물질의 슬라이딩 이동 마찰을 통해 제2 마찰대전 물질의 하부에 부착된 적어도 두 쌍의 대칭을 이루는 부채꼴 형태의 전극에 전류가 흐르게 된다.
무전원 모션 감지 장치(1, 2)는 도 6의 전자기 발전기(EMG)와 도 7의 마찰전기 나노 발전기(TENG)에서 발생하는 전력을 이용하여 신호처리 회로 및 통신 모듈을 구동함에 따라 모션 감지 센서에서 획득한 전기적 신호를 처리할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무전원 모션 감지 장치의 선형(Linear) 모션 감지 동작 예시를 도시한 도면이다.
도 8을 참조하면, 선형 모션 감지를 위한 여기(excitation)의 장치 위치와 각 자체 구동식 모션 감지 센서 S1-S4에 대한 지정된 축(x, y, z축)을 알 수 있다. 무전원 모션 감지 장치(2)의 각 측면의 코일은 모션 감지 센서를 나타낸다. 도 8에서, 실험 및 데모를 위해 모션 감지 센서 S1 및 S3은 X-X'축 방향으로 표시되고, 모션 감지 센서 S2 및 S4는 Y-Y'축 방향으로 표시된다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무전원 모션 감지 장치의 임의 모션 감지 동작 예시를 도시한 도면이다.
도 9를 참조하면, 임의의 모션 감지 애플리케이션에서 일반적으로 고려되는 다양한 축을 알 수 있다. 이때, 무전원 모션 감지 장치(1, 2)의 중앙 자석은 중심에서 각 축 방향으로 개별적으로 선형으로 앞뒤로 움직인다. X축 동작 방향 감지의 경우, 무전원 모션 감지 장치(1, 2)는 X축을 향해 선형으로 여기 되었다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무전원 모션 감지 장치의 회전 모션 감지 동작 예시를 도시한 도면이다.
도 10을 참조하면, 무전원 모션 감지 장치(1, 2)의 위치 및 회전 방향을 알 수 있다. 이때, 각 모션 감지 센서의 출력 전압 피크를 고려하여 회전 각도, 각속도, 가속도 및 각 변위를 측정할 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무전원 모션 감지 장치의 전력 출력 예시를 도시한 도면이다.
보다 세부적으로, (a)는 전자기 발전기(EMG) 및 마찰전기 나노 발전기(TENG)의 출력 파워를 도시한 도면이고, (b)는 전자기 발전기(EMG), 마찰전기 나노 발전기(TENG) 및 하이브리드 나노 발전기(Hybrid)의 커패시터 충전 그래프를 도시한 도면이다.
커패시터 충전 테스트는 EMG, TENG 전용 및 하이브리드(Hybrid)의 정류된 출력을 470mF 커패시터에 연결하여 개별적으로 수행되었다. 5 초 이내 여기에서 하이브리드 나노 발전기(Hybrid)는 커패시터를 3.8V로 충전했는데, 이는 TENG의 경우보다 4.85 배, EMG의 경우보다 1.225 배 높은 수치이다.
하이브리드 나노 발전기(Hybrid)에서 TENG 시스템의 장점은 EMG보다 낮은 출력 전력에도 불구하고 하이브리드 나노 발전기(Hybrid)의 충전 성능 향상으로도 확인할 수 있다.
도 11의 (b)에서 확인할 수 있듯이 EMG는 커패시터를 2.5V로 충전하는 데 0.612초가 필요한 반면, 하이브리드 나노 발전기(Hybrid)는 동일한 값에 도달하는 데 0.4 초만 필요하므로 충전 시간이 34.64 % 단축된다.
도 12a 및 도 12b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무전원 모션 감지 장치의 센싱 파형 예시를 도시한 도면이다.
보다 세부적으로 도 12a는 4축 방향 선형 움직임 센싱 파형을 도시한 도면이고, 도 12b는 회전 움직임 및 각속도 센싱 파형을 도시한 도면이다.
중앙 자석은 중심에서 각 축 방향으로 개별적으로 선형으로 앞뒤로 움직인다. X 축 동작 방향 감지의 경우 무전원 모션 감지 장치(2)는 X 축을 향해 선형으로 여기 되었고 4개의 모션 감지 센서 모두의 출력이 4 개의 프로브를 사용하여 오실로스코프에 동시에 기록되었다. 출력 전압 파형에서 모션 감지 센서 S1은 높은 출력 전압을 생성하는 반면 다른 모든 모션 감지 센서 S2-S4는 낮은 출력 전압을 생성한다. 선형 동작 방향 감지를 위한 모든 모션 감지 센서 S1-S4의 출력 전압 파형은 도 12a에 도시되어 있다.
도 13은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무전원 모션 감지 장치의 적용 예시를 도시한 도면이다.
도 13을 참조하면, 일 실시 예에 따른 무전원 모션 감지 장치는 드론, 휴먼 로봇, 자율주행 자동차, 스마트 가전, 게임기, 피트니스, 스포츠, 스마트 기기, 웨어러블 기기, VR/AR 등 실시간 모션 감지 기능이 필요한 기기 및 인체에 부착하여 폭 넓게 사용될 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 실시 예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
Claims (11)
- 삭제
- 속이 빈 원통형 디스크와, 원통형 디스크의 적어도 하나의 측면에 부착된 자석 고정 파트와, 원통형 디스크의 적어도 하나의 또 다른 측면에 부착된 센싱 파트를 포함하는 본체;
상기 원통형 디스크의 내부에 위치하며, 초기 상태에는 중앙에 고정되고 외부 진동이 가해지면 자유롭게 움직이는 중앙 자석;
원통형 디스크의 외측 상부 및 하부에 형성되어 중앙 자석의 이동에 따라 전류가 유도되는 코일로 구성된 전자기 발전기;
중앙 자석의 하부에 부착된 제1 마찰대전 물질;
제1 마찰대전 물질의 하부에 형성된 제2 마찰대전 물질;
제2 마찰대전 물질 하부에 형성된 적어도 하나의 전극으로 구성된 마찰전기 나노 발전기;
상기 원통형 디스크의 자석 고정 파트에 위치하는 적어도 하나의 고정형 자석; 및
외부 진동이 가해지면 상기 센싱 파트의 외측 부분에 부착된 강자성 필름이 본체 내부의 중앙 자석과의 인력으로 센싱 파트의 내측 부분 및 외측 부분에 부착된 두 마찰대전 물질의 접촉 및 분리를 통해 움직임을 감지하는 적어도 하나의 모션 감지 센서;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 무전원 모션 감지 장치. - 제 2 항에 있어서, 센싱 파트는
간극이 있는 호(arc) 또는 보우(bow) 모양인 것을 특징으로 하는 무전원 모션 감지 장치. - 제 2 항에 있어서, 마찰전기 나노 발전기의 적어도 하나의 전극은
적어도 두 쌍의 대칭을 이루는 부채꼴 모양인 것을 특징으로 하는 무전원 모션 감지 장치. - 제 2 항에 있어서, 무전원 모션 감지 장치는
본체의 원통형 디스크의 내부에서 중앙 자석이 적어도 하나의 고정형 자석 간의 반발력으로 인해 중심에 위치하다가, 본체의 원통형 디스크의 내부에서 중앙 자석이 이동하면 원통형 디스크의 외측 상부 및 하부에 형성된 코일에 전류가 흐르고, 강자성 필름과 중앙 자석의 인력으로 인해 중앙 자석이 당겨지고, 이로 인해 센싱 파트의 내측 및 외측 부분에 부착된 두 마찰대전 물질의 접촉 및 분리가 발생하고, 두 마찰대전 물질의 접촉 및 분리를 통해 전압이 발생하는 것을 특징으로 하는 무전원 모션 감지 장치. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제 2 항에 있어서, 모션 감지 센서는
선형 이동 모션, 임의 모션 및 회전 모션 중 적어도 하나를 포함한 다중 모션 조건에서 모션 파라미터를 감지하는 것을 특징으로 하는 무전원 모션 감지 장치. - 제 9 항에 있어서,
임의의 모션은 가속도, 주파수, 방향, 기울기, 회전각 및 각속도 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 무전원 모션 감지 장치. - 제 2 항에 있어서, 무전원 모션 감지 장치는
모션 감지 센서에서 획득된 전기 신호를 처리하는 신호처리 회로; 및
상기 모션 감지 센서를 통해 감지된 정보를 무선으로 전송하는 통신 모듈;
중 적어도 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무전원 모션 감지 장치.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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-
2021
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Non-Patent Citations (3)
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|---|
| Huicong Liu et al.,Study of a Hybrid Generator Based on Triboelectric and Electromagnetic Mechanisms, IEEE Sensors Journal, vo.17, iss.12 (2017.6.15.) |
| Trilochan Bhatta et al., All-Direction In-Plane Magnetic Repulsion-Based Self-Powered Arbitrary Motion Sensor and Hybrid Nanogenerator, 2019 19th Intn'l Conf. on Micro & Nanotech(PowerMEMS)(2019.12.6)* |
| Yingchun Wu et al., Hybrid energy cell for harvesting mechanical energy from one motion using two approaches, Nano Energy, vo.11, pp.162-170 (2015.01.31.) |
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| Publication number | Publication date |
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| KR20230010484A (ko) | 2023-01-19 |
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