KR102611198B1 - A Fully Functional Universal Self-Chargeable Power Module and fabricating method - Google Patents

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광운대학교 산학협력단
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Abstract

자가전원 범용 전력 모듈 및 그 제조방법이 개시된다. 일 실시 예에 따른 자가전원 범용 전력 모듈은 전자기 발전기 및 마찰전기 나노 발전기가 혼합된 형태의 하이브리드 에너지 하베스터와, 상기 하이브리드 에너지 하베스터를 통해 획득된 전력을 배터리에 충전시키는 배터리 충전 회로와, 전력이 저장되는 배터리와, 배터리에 저장된 전력을 부하에 공급하는 전력 송신부를 포함한다.A self-powered general-purpose power module and its manufacturing method are disclosed. A self-powered general-purpose power module according to an embodiment includes a hybrid energy harvester in the form of a mixture of an electromagnetic generator and a triboelectric nanogenerator, a battery charging circuit that charges the battery with power obtained through the hybrid energy harvester, and power storage. It includes a battery and a power transmitter that supplies power stored in the battery to the load.

Description

자가전원 범용 전력 모듈 및 그 제조 방법 {A Fully Functional Universal Self-Chargeable Power Module and fabricating method}{A Fully Functional Universal Self-Chargeable Power Module and fabricating method}

본 발명은 에너지 하베스팅(Energy harvesting) 기술에 관한 것이다.The present invention relates to energy harvesting technology.

다양한 센서들을 포함하는 다기능 휴대용 전자기기들이 사용되고 있으며, 이들은 소형, 경량, 이동성 및 내구성을 갖춘 전원들이 필요하다. 교체 및 충전식 전기 화학 배터리는 이러한 장치에 전원을 공급하기에 적합하지만, 수명 제한이 있어 교체 또는 재충전이 필요하고, 배터리 폐기로 인한 환경오염을 야기할 수 있다. 이에 따라, 이러한 배터리를 대체하여 스마트 폰, 이어버드, 피트니스 장치 등과 같은 휴대용/웨어러블 전자기기 자가 충전, 배터리 대체 전원 공급 장치, 자가전원 센서 및 각종 IoT 등 다양한 분야에 에너지 하베스팅 기술을 활용하기 위해 많은 관심 및 연구가 이루어지고 있다. 하지만, 기존 에너지 하베스터 장치를 작게 유지하면서 높은 출력 전력을 달성하는 것은 여전히 도전 과제로 남아있다.Multifunctional portable electronic devices containing various sensors are being used, and they require power sources that are small, lightweight, portable, and durable. Replaceable and rechargeable electrochemical batteries are suitable for powering these devices, but they have a limited lifespan, require replacement or recharging, and can cause environmental pollution due to battery disposal. Accordingly, energy harvesting technology can be utilized in various fields such as self-charging of portable/wearable electronic devices such as smart phones, earbuds, fitness devices, etc. by replacing these batteries, battery replacement power supplies, self-powered sensors, and various IoT. There is a lot of interest and research being done. However, achieving high output power while keeping existing energy harvester devices small remains a challenge.

일 실시 예에 따라, 소형화가 가능하고 전력을 고출력으로 출력할 수 있는 자가전원 범용 전력 모듈을 제안한다.According to one embodiment, a self-powered general-purpose power module that can be miniaturized and output power at high output is proposed.

일 실시 예에 따른 자가전원 범용 전력 모듈은, 전자기 발전기 및 마찰전기 나노 발전기가 혼합된 형태의 하이브리드 에너지 하베스터와, 상기 하이브리드 에너지 하베스터를 통해 획득된 전력을 배터리에 충전시키는 배터리 충전 회로와, 전력이 저장되는 배터리와, 상기 배터리에 저장된 전력을 부하에 공급하는 전력 송신부를 포함한다.A self-powered universal power module according to an embodiment includes a hybrid energy harvester in the form of a mixture of an electromagnetic generator and a triboelectric nanogenerator, a battery charging circuit that charges the battery with power obtained through the hybrid energy harvester, and power It includes a stored battery and a power transmitter that supplies power stored in the battery to a load.

전자기 발전기는, 초기 상태에는 중앙에 고정되고 외부 진동이 가해지면 자유롭게 움직이는 자석과, 수직 축 방향으로 상기 자석을 거는 비자성 스프링과, 상기 자석에 감기는 코일을 포함할 수 있다.The electromagnetic generator may include a magnet that is fixed at the center in an initial state and moves freely when external vibration is applied, a non-magnetic spring that hangs the magnet in a vertical axis direction, and a coil wound around the magnet.

전자기 발전기는, 코일의 자속 결합을 향상시키기 위해 코일을 감싸는 연자성 재료 기반의 자속 집광기를 더 포함할 수 있다.The electromagnetic generator may further include a magnetic flux concentrator based on a soft magnetic material surrounding the coil to improve magnetic flux coupling of the coil.

하이브리드 에너지 하베스터는, 상부 섹션에 형성되는 단일의 스프링과, 하부 섹션에 형성되는 복수 개의 스페이서 스프링을 포함할 수 있다.The hybrid energy harvester may include a single spring formed in the upper section and a plurality of spacer springs formed in the lower section.

하이브리드 에너지 하베스터는, 상부 섹션 및 하부 섹션에 각각 형성되는 면 스프링을 포함할 수 있다. 면 스프링은 비자성 지그재그 형태일 수 있다.The hybrid energy harvester may include face springs formed in the upper section and the lower section, respectively. The face spring may be in the form of a non-magnetic zigzag.

마찰전기 나노 발전기는 슬라이딩 방식의 마찰전기 나노 발전기이고, 자석에 부착되는 제1 마찰대전물질과, 자석을 수용하는 하우징의 튜브 내부 벽에 부착되는 제2 마찰대전물질을 포함할 수 있다.The triboelectric nanogenerator is a sliding triboelectric nanogenerator and may include a first triboelectric material attached to a magnet and a second triboelectric material attached to the inner wall of the tube of the housing that accommodates the magnet.

마찰전기 나노 발전기는 접촉-분리 방식의 마찰전기 나노 발전기이고, 하우징 구조체의 내부의 상단 면 및 하단 면에 각각 전극을 부착하는 두 마찰대전물질을 포함할 수 있다.The triboelectric nanogenerator is a contact-separation type triboelectric nanogenerator, and may include two triboelectric materials that attach electrodes to the top and bottom surfaces of the inside of the housing structure, respectively.

마찰전기 나노 발전기는 슬라이딩 방식의 마찰전기 나노 발전기 및 접촉-분리 방식의 마찰전기 나노 발전기를 혼합하여 사용하며, 상기 슬라이딩 방식의 마찰전기 나노 발전기는 자석에 부착되는 제1 마찰대전물질과, 자석을 수용하는 하우징의 튜브 내부 벽에 부착되는 제2 마찰대전물질을 포함하고, 상기 접촉-분리 방식의 마찰전기 나노 발전기는 하우징 구조체의 내부의 상단 면 및 하단 면에 각각 전극을 부착하는 두 마찰대전물질을 포함할 수 있다.The triboelectric nanogenerator uses a combination of a sliding type triboelectric nanogenerator and a contact-separation type triboelectric nanogenerator, and the sliding type triboelectric nanogenerator uses a first triboelectric material attached to a magnet and a magnet. It includes a second triboelectric material attached to the inner wall of the tube of the housing, and the contact-separation type triboelectric nanogenerator includes two triboelectric materials attaching electrodes to the upper and lower surfaces of the inside of the housing structure, respectively. may include.

마찰전기 나노 발전기는 부 섹션 및 하부 섹션에 각각 스프링 구조체를 가진 접촉-분리 방식 마찰전기 나노 발전기이며, 상기 스프링 구조체의 마주보는 면에 각각 증착 되는 두 마찰대전물질을 포함할 수 있다.The triboelectric nanogenerator is a contact-separation type triboelectric nanogenerator with spring structures in a subsection and a lower section, respectively, and may include two triboelectric materials deposited on opposite sides of the spring structures, respectively.

마찰전기 나노 발전기는, 진동이나 움직임을 감지할 수 있는 자가전원 센서를 겸할 수 있다.Triboelectric nanogenerators can also serve as self-powered sensors that can detect vibration or movement.

다른 실시 예에 따른 자가전원 범용 전력 모듈은, 전자기 발전기와, 상기 전자기 발전기를 통해 획득된 전력을 배터리에 충전시키는 배터리 충전 회로와, 전력이 저장되는 배터리와, 상기 배터리에 저장된 전력을 부하에 공급하는 전력 송신부를 포함한다.A self-powered universal power module according to another embodiment includes an electromagnetic generator, a battery charging circuit that charges a battery with power obtained through the electromagnetic generator, a battery that stores power, and supplies power stored in the battery to a load. It includes a power transmitter that does.

자가전원 범용 전력 모듈 제조방법은, 수직 축 방향으로 자석을 비자성 스프링으로 걸고 코일로 자석을 감싸 전자기 발전기를 제조하는 단계와, 제1 마찰대전물질을 자석의 외부에 부착하고, 제2 마찰대전물질을 자석을 감싸는 하우징의 튜브의 내부 벽에 부착하여 슬라이딩 방식의 마찰전기 나노 발전기를 포함하는 상부 섹션을 제조하는 단계와, 하우징 구조체에 복수의 스페이서 스프링을 위치시키고 하우징 구조체 내부의 상단 면 및 하단 면에 각각 마찰대전물질을 부착하여 접촉-분리 방식 마찰전기 나노 발전기를 포함하는 하부 섹션을 제조하는 단계를 포함할 수 있다.The method of manufacturing a self-powered universal power module includes the steps of manufacturing an electromagnetic generator by hanging a magnet with a non-magnetic spring in the vertical axis direction and wrapping the magnet with a coil, attaching a first triboelectric charge material to the outside of the magnet, and attaching a second triboelectric charge material. Manufacturing an upper section containing a sliding triboelectric nanogenerator by attaching a material to the inner wall of the tube of the housing surrounding the magnet, positioning a plurality of spacer springs on the housing structure, and attaching a plurality of spacer springs to the upper and lower surfaces inside the housing structure. It may include manufacturing a lower section containing a contact-separation type triboelectric nanogenerator by attaching a triboelectric charge material to each surface.

자가전원 범용 전력 모듈 제조방법은, 코일로 자석을 감싸 전자기 발전기를 제조하는 단계와, 상기 전자기 발전기의 상부 및 하부에 각각 면 스프링을 부착하는 단계와, 상기 각 면 스프링의 마주보는 면에 다른 마찰대전물질을 부착하는 단계를 포함할 수 있다.A method of manufacturing a self-powered general-purpose power module includes the steps of manufacturing an electromagnetic generator by wrapping a magnet with a coil, attaching face springs to the upper and lower parts of the electromagnetic generator, and different friction on opposing surfaces of each face spring. It may include the step of attaching a charging material.

일 실시 예에 따른 자가전원 범용 전력 모듈은 실제 환경에서 응용 분야가 넓고 저장이 잘되는 자체 충전, 소형화, 휴대형, 고출력 및 지속 가능한 에너지 하베스팅이 가능하다.The self-powered general-purpose power module according to one embodiment has a wide range of applications in real environments and is capable of self-charging, miniaturization, portability, high output, and sustainable energy harvesting with good storage.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 자가전원 범용 전력 모듈의 구성을 도시한 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 S-TENG 및 C-TENG 기반 하이브리드 에너지 하베스터의 구조를 도시한 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 SP-TENG 기반 하이브리드 에너지 하베스터 구조를 도시한 도면,
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 S-TENG 및 C-TENG 기반 하이브리드 에너지 하베스터를 포함한 자가전원 범용 전력 모듈을 도시한 도면,
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 SP-TENG 기반 하이브리드 에너지 하베스터를 포함한 자가전원 범용 전력 모듈을 도시한 도면,
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 S-TENG 및 C-TENG 기반 하이브리드 에너지 하베스터를 포함한 자가전원 범용 전력 모듈의 다양한 실용화 응용 예시를 도시한 도면,
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 자가전원 범용 전력 모듈의 차량용 IoT 응용 예시를 도시한 도면,
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 하이브리드 에너지 하베스터의 EMG 및 S-TENG의 동작 원리를 도시한 도면,
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 C-TENG 및 SP-TENG의 동작 원리를 도시한 도면이다.
1 is a diagram showing the configuration of a self-powered general-purpose power module according to an embodiment of the present invention;
Figure 2 is a diagram showing the structure of a hybrid energy harvester based on S-TENG and C-TENG according to an embodiment of the present invention;
Figure 3 is a diagram showing the structure of a SP-TENG-based hybrid energy harvester according to an embodiment of the present invention;
Figure 4 is a diagram showing a self-powered general-purpose power module including a hybrid energy harvester based on S-TENG and C-TENG according to an embodiment of the present invention;
Figure 5 is a diagram showing a self-powered general-purpose power module including a SP-TENG-based hybrid energy harvester according to an embodiment of the present invention;
Figure 6 is a diagram illustrating various practical application examples of a self-powered general-purpose power module including an S-TENG and C-TENG based hybrid energy harvester according to an embodiment of the present invention;
Figure 7 is a diagram showing an example of a vehicle IoT application of a self-powered general-purpose power module according to an embodiment of the present invention;
Figure 8 is a diagram showing the operating principles of the EMG and S-TENG of the hybrid energy harvester according to an embodiment of the present invention;
Figure 9 is a diagram showing the operating principle of C-TENG and SP-TENG according to an embodiment of the present invention.

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.The advantages and features of the present invention and methods for achieving them will become clear by referring to the embodiments described in detail below along with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below and may be implemented in various different forms. The present embodiments are merely provided to ensure that the disclosure of the present invention is complete and to provide common knowledge in the technical field to which the present invention pertains. It is provided to fully inform those who have the scope of the invention, and the present invention is only defined by the scope of the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout the specification.

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.In describing the embodiments of the present invention, if it is judged that a detailed description of a known function or configuration may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description will be omitted, and the terms described below will be used in the embodiments of the present invention. These are terms defined in consideration of the function of , and may vary depending on the intention or custom of the user or operator. Therefore, the definition should be made based on the contents throughout this specification.

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.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the embodiments of the present invention illustrated below may be modified into various other forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments detailed below. Examples of the present invention are provided to more completely explain the present invention to those skilled in the art.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 자가전원 범용 전력 모듈의 구성을 도시한 도면이다.Figure 1 is a diagram showing the configuration of a self-powered general-purpose power module according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 자가전원 범용 전력 모듈(1)은 전자기 발전기(Electromagnetic Generator: EMG, 이하 'EMG'라 칭함)(21)와 마찰전기 나노 발전기(Triboelectric Nanogenerator: TENG, 이하 'TENG'이라 칭함)(22)를 결합한 하이브리드 에너지 하베스터(10), 전력 관리 회로(12), 배터리 충전 회로(14), 배터리(16) 및 전력 송신부(18)가 모두 포함하여 패키징 된 모듈이다.Referring to Figure 1, the self-powered general-purpose power module 1 includes an electromagnetic generator (EMG, hereinafter referred to as 'EMG') 21 and a triboelectric nanogenerator (TENG, hereinafter referred to as 'TENG'). ) (22) is a packaged module that includes a hybrid energy harvester (10), a power management circuit (12), a battery charging circuit (14), a battery (16), and a power transmission unit (18).

하이브리드 에너지 하베스터(10)는 EMG 및 TENG로 구성되며, 동시에 작동하여 한 번의 움직임으로 고출력의 전기를 생산할 수 있다.The hybrid energy harvester 10 consists of EMG and TENG, and can operate simultaneously to produce high-output electricity with a single movement.

EMG(21)는 자유이동 하는 자석과 자석 이동 시 전류가 유도되는 코일을 포함하여, 외부 진동 시 전기 에너지를 발생한다. 외부 진동은 핸드 쉐이킹, 걷기, 달리기, 자건거 타기 등과 같은 인간의 자연스러운 신체 동작을 통해 발생하는 생체 역학 에너지일 수 있다. 이 경우, 인간의 다양한 진동으로부터 고효율의 에너지를 수확할 수 있다. 인간의 신체 동작은 10Hz 이하의 저주파수에서 발생하기 때문에, 저주파수에도 높은 출력전력을 생산할 수 있다.The EMG (21) includes a freely moving magnet and a coil that induces current when the magnet moves, and generates electrical energy when external vibration occurs. External vibration may be biomechanical energy generated through natural human body movements such as hand shaking, walking, running, riding a bicycle, etc. In this case, highly efficient energy can be harvested from various human vibrations. Because human body movements occur at low frequencies below 10Hz, high output power can be produced even at low frequencies.

EMG(21)는 연자성 재료의 자속 집광기를 추가적으로 사용하여 출력을 향상시킬 수 있다.The EMG 21 can improve output by additionally using a magnetic flux concentrator made of soft magnetic material.

TENG(22)는 두 마찰대전물질의 접촉-분리 또는 슬라이딩을 통해 외부 진동 시 전기 에너지를 발생한다. TENG(22)는 접촉-분리 방식의 TENG(이하, 'C-TENG'이라 칭함) 또는 슬라이딩 방식 TENG(이하, 'S-TENG'이라 칭함)일 수 있다. C-TENG 및 S-TENG을 혼합한 형태도 가능하다. TENG(22)는 스프링 구조를 가진 접촉-분리 방식 TENG(이하, 'SP-TENG'이라 칭함)일 수 있다. 스프링은 탄성 충격을 발생한다. TENG(22)는 마찰대전물질의 표면을 나노 구조로 제조하여 출력 성능을 향상시킬 수 있다.TENG (22) generates electrical energy during external vibration through contact-separation or sliding of two triboelectric materials. The TENG 22 may be a contact-separation type TENG (hereinafter referred to as 'C-TENG') or a sliding type TENG (hereinafter referred to as 'S-TENG'). A mixed form of C-TENG and S-TENG is also possible. The TENG 22 may be a contact-separation type TENG (hereinafter referred to as 'SP-TENG') with a spring structure. Springs generate elastic shock. TENG 22 can improve output performance by manufacturing the surface of the triboelectric material into a nanostructure.

TENG(22)는 전력을 공급할 뿐만 아니라, 진동이나 움직임을 감지할 수 있는 자가전원 센서를 겸할 수 있다.The TENG (22) not only supplies power, but can also serve as a self-powered sensor that can detect vibration or movement.

하이브리드 에너지 하베스터(10)는 스프링 질량 시스템(Spring-mass system)을 포함하는데, 작동 주파수 대역폭을 넓히고 출력을 높이기 위하여 다중 스프링 질량 시스템을 통한 기계적 결합을 사용한다. 스프링의 소재는 비자성 소재 혹은 플라스틱을 사용할 수 있다. S-TENG 및 C-TENG의 비자성 스프링과, 스프링 구조의 SP-TENG를 포함한 모든 스프링 구조체는 하이브리드 에너지 하베스터(10)에 다중 스프링 질량 시스템을 제공하여, 작동 주파수 대역폭을 넓히고 상부 스프링의 복귀 속도를 증가시킬 수 있다.The hybrid energy harvester 10 includes a spring-mass system, which uses mechanical coupling through multiple spring-mass systems to widen the operating frequency bandwidth and increase output. The material of the spring can be non-magnetic material or plastic. All spring structures, including the non-magnetic springs of the S-TENG and C-TENG, and the spring-structured SP-TENG, provide the hybrid energy harvester 10 with a multi-spring mass system, widening the operating frequency bandwidth and the return speed of the upper spring. can increase.

하이브리드 에너지 하베스터(10)의 본체는 3D 사출 방식 및 압출 방식을 포함한 3D 프린팅, 기계가공을 통해 제조될 수 있다. The main body of the hybrid energy harvester 10 can be manufactured through 3D printing and machining, including 3D injection and extrusion methods.

자가전원 범용 전력 모듈(1)은 배터리 충전 회로(14)가 하이브리드 에너지 하베스터(10)를 통해 얻은 전력을 배터리(16)에 저장하고, 배터리(16)에 저장된 전력을 전력 송신부(18)를 통해 부하에 공급한다. 전력 송신부(18)는 USB 콘센트일 수 있다. 부하는 전자기기, 센서 등일 수 있다. 전력 관리 회로(12)는 하이브리드 에너지 하베스터에서 발생하는 전력을 관리한다.The self-powered universal power module 1 stores the power obtained by the battery charging circuit 14 through the hybrid energy harvester 10 in the battery 16, and transmits the power stored in the battery 16 through the power transmitter 18. supply to the load. The power transmitter 18 may be a USB outlet. Loads may be electronic devices, sensors, etc. The power management circuit 12 manages power generated from the hybrid energy harvester.

한편, 도 1의 자가전원 범용 전력 모듈(1)은 EMG(21)와 TENG(22)를 결합한 하이브리드 에너지 하베스터(10)를 도시하고 있으나, TENG(22)가 없는 EMG(21)만 있는 구성도 가능하다. 이 경우, EMG(21)가 단독으로 전력을 공급하는 역할을 한다.Meanwhile, the self-powered general-purpose power module 1 in FIG. 1 shows a hybrid energy harvester 10 combining the EMG 21 and the TENG 22, but is also configured to have only the EMG 21 without the TENG 22. possible. In this case, the EMG 21 serves to supply power alone.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 S-TENG 및 C-TENG 기반 하이브리드 에너지 하베스터의 구조를 도시한 도면이다.Figure 2 is a diagram showing the structure of a hybrid energy harvester based on S-TENG and C-TENG according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, EMG(21)는 수직 축 방향으로 자석(210)을 비자성 스프링(212)으로 걸고, 코일(214a, 214b)을 자석(210)의 위치에 맞게 몸체 주위에 감는다. 예를 들어, 자석(210)의 위와 아래에 해당하는 위치에 두 개의 코일(214a, 214b)을 몸체에 감아 EMG를 구성한다. 자석(210)은 원통형일 수 있으나, 형태는 이에 한정되지는 않는다.Referring to FIG. 2, the EMG 21 hangs a magnet 210 with a non-magnetic spring 212 in the vertical axis direction and winds coils 214a and 214b around the body according to the position of the magnet 210. For example, EMG is configured by wrapping two coils 214a and 214b around the body at positions corresponding to the top and bottom of the magnet 210. The magnet 210 may be cylindrical, but its shape is not limited thereto.

처음에 자석(210)은 두 개의 코일(214a, 214b) 중간에 위치하여 자석(210)의 상단 및 하단 극이 코일(214a, 214b)의 중앙에 위치하도록 한다. 코일(214a, 214b)의 이러한 정렬은 자속 밀도가 축 방향으로 자화된 자석(210)의 극에서 더 높기 때문에 코일(214a, 214b)에서 더 많은 자속을 연결하는 데 도움이 된다.Initially, the magnet 210 is located in the middle of the two coils 214a and 214b so that the upper and lower poles of the magnet 210 are located in the center of the coils 214a and 214b. This alignment of coils 214a, 214b helps couple more magnetic flux in coils 214a, 214b because the magnetic flux density is higher at the axially magnetized poles of magnet 210.

코일(214a, 214b)은 자석(210)의 상단과 하단 위치에 맞게 위치할 수 있으며, 이를 통해 자속 밀도가 축 방향 자석(210)의 극에서 더 높기 때문에 코일(214a, 214b)에서 더 많은 자속 변화를 유도할 수 있다. 두 코일(214a, 214b) 간 간격은 전체 코일의 저항을 최소화하며, 이에 따른 magnetic pole은 단일 코일에 미치는 영향을 끼칠 수 있다.Coils 214a, 214b can be positioned to match the top and bottom positions of magnet 210, which allows more magnetic flux in coils 214a, 214b because the magnetic flux density is higher at the poles of axial magnet 210. It can induce change. The gap between the two coils 214a and 214b minimizes the resistance of the entire coil, and the resulting magnetic pole can have an effect on a single coil.

S-TENG(22a)은 전극이 부착된 제1 마찰대전물질(220a, 220b)을 자석(210)의 상단 및 하단 가장자리에 부착한다. 이어서, 3D 프린팅된 하우징의 튜브 내부 벽에 제2 마찰대전물질을 전극(222)과 함께 부착한다.The S-TENG (22a) attaches first triboelectric materials (220a, 220b) to which electrodes are attached to the upper and lower edges of the magnet (210). Next, a second triboelectric material is attached along with the electrode 222 to the inner wall of the tube of the 3D printed housing.

C-TENG(22b)은 3D 하우징에 복수의 스페이서 스프링(230)을 위치시켜 C-TENG 구조체를 이격 시킨다. 이어서, C-TENG 구조체 내부 상단 및 하단 면에 각 마찰대전물질(231, 232)을 부착한다.The C-TENG (22b) separates the C-TENG structures by placing a plurality of spacer springs 230 in the 3D housing. Next, each triboelectric material (231, 232) is attached to the inner top and bottom surfaces of the C-TENG structure.

하이브리드 에너지 하베스터는 EMG(21), S-TENG(22a) 및 C-TENG(22b)이 혼합된 형태일 수 있다. S-TENG(22a) 및 C-TENG(22b)을 혼합하여 사용하는 경우, S-TENG(22a)을 구성하는 두 마찰대전물질 중 하나의 마찰대전물질은 EMG(21)를 구성하는 자석(210)의 측면에 부착되며, 다른 하나의 마찰대전물질에 맞물린 전극(222)을 부착할 수 있다.The hybrid energy harvester may be a mixture of EMG (21), S-TENG (22a), and C-TENG (22b). When using a mixture of S-TENG (22a) and C-TENG (22b), one of the two triboelectric materials constituting the S-TENG (22a) is the magnet (210) constituting the EMG (21). ) is attached to the side of the electrode, and an electrode 222 engaged with another triboelectric material can be attached.

스프링 구조체는 플라스틱 소재 혹은 스테인리스 스틸을 포함한 비자성 금속 및 합금을 포함할 수 있다.The spring structure may include plastic materials or non-magnetic metals and alloys, including stainless steel.

마찰대전물질은 제1 마찰대전물질과 제2 마찰대전물질을 포함한다. 제1 마찰대전물질이 음성(Negative)이고 제2 마찰대전물질이 양성(Positive)이거나, 제1 마찰대전물질이 양성(Positive)이고 제2 마찰대전물질이 음성(Negative)일 수 있다. 각 마찰대전물질은, 표면 마이크로 구조 및 표면 나노 구조가 형성될 수 있다. 각 마찰대전물질에 사용되는 전극은 도전성 물질(금(Au), Ag(은), Pt(백금), 구리(Cu), 알루미늄(Al) 등) 및 전도성 고분자를 포함할 수 있다.The tribocharged material includes a first tribocharged material and a second tribocharged material. The first tribocharged material may be negative and the second tribocharged material may be positive, or the first tribocharged material may be positive and the second tribocharged material may be negative. Each triboelectric material can have surface microstructures and surface nanostructures formed. The electrode used for each triboelectric material may include a conductive material (gold (Au), Ag (silver), Pt (platinum), copper (Cu), aluminum (Al), etc.) and a conductive polymer.

이하, EMG, S-TENG, C-TENG 제조방법에 대해 후술한다.Hereinafter, the manufacturing methods of EMG, S-TENG, and C-TENG will be described later.

우선, 3D 프린터를 사용하여 하이브리드 에너지 하베스터, 전력 관리 회로, 배터리 충전 회로, 배터리 및 전력 송신부를 포함한 몸체 및 하우징을 제조한다.First, a 3D printer is used to manufacture the body and housing including the hybrid energy harvester, power management circuit, battery charging circuit, battery, and power transmitter.

EMG 제조 방법에 따르면, 수직 축 방향으로 원통형 자석을 비자성 스프링으로 걸고 코일을 원통형 자석의 위치에 맞게 몸체 주위에 감는다. 예를 들어, 원통형 자석의 위와 아래에 해당하는 위치에 두 개의 코일을 몸체에 감아 EMG를 구성한다. 처음에 자석은 두 개의 코일 중간에 위치하여 자석의 상단 및 하단 극이 코일의 중앙에 위치하도록 한다. 코일의 이러한 정렬은 자속 밀도가 축 방향으로 자화된 자석의 극에서 더 높기 때문에 코일에서 더 많은 자속을 연결하는 데 도움이 된다.According to the EMG manufacturing method, a cylindrical magnet is hung with a non-magnetic spring in the vertical axis direction and a coil is wound around the body according to the position of the cylindrical magnet. For example, EMG is constructed by wrapping two coils around the body at positions corresponding to the top and bottom of a cylindrical magnet. Initially, the magnet is positioned in the middle of the two coils so that the top and bottom poles of the magnet are located in the center of the coil. This alignment of the coils helps couple more magnetic flux in the coil because the magnetic flux density is higher at the axially magnetized poles of the magnet.

이어서, 코일의 자속 결합을 향상시키기 위한 연자성 재료 기반 자속 집광기를 제조한다. 자속 집광기 제조 방법의 예를 들면, elastomer와 curing agent를 10:1의 무게 비율로 섞어 Polydimethylsiloxane(PDMS) 혼합물을 제조한다. FeSiCr 파우더를 PDMS 혼합물에 섞어 PDMS/FeSiCr 혼합물을 획득한다. 이어서, 획득된 PDMS/FeSiCr 혼합물을 스핀 코팅하고 오븐을 사용하여 경화시킨다.Next, a magnetic flux concentrator based on soft magnetic material is manufactured to improve the magnetic flux coupling of the coil. As an example of a magnetic flux concentrator manufacturing method, a polydimethylsiloxane (PDMS) mixture is produced by mixing elastomer and curing agent at a weight ratio of 10:1. Mix FeSiCr powder into the PDMS mixture to obtain a PDMS/FeSiCr mixture. The obtained PDMS/FeSiCr mixture is then spin-coated and cured using an oven.

이어서, 제조된 자속 집광기를 몸체 및 하우징 사이에서 코일을 감싼다.Next, the manufactured magnetic flux concentrator is wrapped with a coil between the body and the housing.

S-TENG 제조 방법에 따르면, 전극이 부착된 제1 마찰대전물질을 원통형 자석의 상단 및 하단 가장자리에 부착한다. 이어서, 3D 프린팅된 하우징의 튜브 내부 벽에 제2 마찰대전물질을 전극과 함께 부착한다.According to the S-TENG manufacturing method, the first triboelectric material to which electrodes are attached is attached to the top and bottom edges of the cylindrical magnet. Next, a second triboelectric material is attached along with an electrode to the inner wall of the tube of the 3D printed housing.

C-TENG 제조 방법에 따르면, 3D 하우징에 복수의 스페이서 스프링을 위치시켜 C-TENG 구조체를 이격 시킨다. 이어서, C-TENG 구조체 내부 상단 및 하단 면에 각 마찰대전물질을 부착한다.According to the C-TENG manufacturing method, the C-TENG structures are spaced apart by placing a plurality of spacer springs in the 3D housing. Next, each triboelectric material is attached to the inner top and bottom surfaces of the C-TENG structure.

도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 SP-TENG 기반 하이브리드 에너지 하베스터 구조를 도시한 도면이다.Figure 3 is a diagram showing the structure of a SP-TENG-based hybrid energy harvester according to an embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, SP-TENG 기반 하이브리드 에너지 하베스터는 EMG, SP-TENG, 배터리 충전 회로(14), 배터리(16), 전력 송신부(18)를 포함하며, EMG는 자석(210) 및 코일을 포함하며, SP-TENG은 EMG의 상부 및 하부에 각각 형성되는 스프링 구조체(30a, 30b)와, 전극(34)을 포함한다. 스프링 구조체(30a, 30b)는 비자성 지그재그 형태의 면 스프링일 수 있고, 스프링 구조체(30a, 30b)의 마주보는 면에 두 마찰대전물질(31, 32)을 증착하여 SP-TENG를 제조할 수 있다. 스프링 구조체(30a, 30b)는 플라스틱 소재 혹은 스테인리스 스틸을 포함한 비자성 금속 및 합금을 포함할 수 있다. Referring to Figure 3, the SP-TENG based hybrid energy harvester includes an EMG, SP-TENG, a battery charging circuit 14, a battery 16, and a power transmitter 18, and the EMG uses a magnet 210 and a coil. The SP-TENG includes spring structures 30a and 30b formed at the top and bottom of the EMG, respectively, and electrodes 34. The spring structures (30a, 30b) may be non-magnetic zigzag-shaped surface springs, and an SP-TENG can be manufactured by depositing two triboelectric materials (31, 32) on opposing surfaces of the spring structures (30a, 30b). there is. The spring structures 30a and 30b may include plastic materials or non-magnetic metals and alloys including stainless steel.

SP-TENG 제조 방법에 따르면, 3D 프린팅을 이용하여 다층의 스프링 구조체(30)를 제조한다. 이어서, 3D 프린팅 된 스프링 구조체(30)의 각 마주보는 면에 서로 다른 마찰대전물질(31, 32)을 부착한다.According to the SP-TENG manufacturing method, a multi-layer spring structure 30 is manufactured using 3D printing. Next, different triboelectric materials 31 and 32 are attached to each opposing surface of the 3D printed spring structure 30.

도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 S-TENG 및 C-TENG 기반 하이브리드 에너지 하베스터를 포함한 자가전원 범용 전력 모듈을 도시한 도면이다.Figure 4 is a diagram illustrating a self-powered general-purpose power module including a hybrid energy harvester based on S-TENG and C-TENG according to an embodiment of the present invention.

도 4는 보다 세부적으로, EMG, S-TENG 및 C-TENG이 혼합된 형태이다.In more detail, Figure 4 shows a mixture of EMG, S-TENG, and C-TENG.

도 1 및 도 4를 참조하면, 자가전원 범용 전력 모듈(1)은, 하이브리드 에너지 하베스터(10), 배터리 충전 회로(14), 배터리(16), 전력 송신부(18)를 포함하며, 하이브리드 에너지 하베스터(10)는 EMG, S-TENG 및 C-TENG이 혼합된 형태일 수 있다. 예를 들어, 하이브리드 에너지 하베스터(10)는 자석(Magnet)(210), 비 자성 스프링(Non-magnetic spring)(212), 스페이서 스프링(230), 코일(Coil/Cu)(214a, 214b), 제1 마찰대전물질(220a, 220b), 제2 마찰대전물질(224), 제1 전극(222), 제2 전극(233), 제3 전극(234), 제3 마찰대전물질(231), 제4 마찰대전물질(232)을 포함할 수 있다.1 and 4, the self-powered general-purpose power module 1 includes a hybrid energy harvester 10, a battery charging circuit 14, a battery 16, and a power transmitter 18, and the hybrid energy harvester (10) may be a mixture of EMG, S-TENG, and C-TENG. For example, the hybrid energy harvester 10 includes a magnet (210), a non-magnetic spring (212), a spacer spring (230), a coil (Coil/Cu) (214a, 214b), First triboelectric material (220a, 220b), second triboelectric material (224), first electrode (222), second electrode (233), third electrode (234), third triboelectric material (231), It may include a fourth triboelectric charge material (232).

이때, 자석(210) 및 코일(214a, 214b)이 EMG(21)를 구성할 수 있다. 제1 마찰대전물질(220a, 220b), 제2 마찰대전물질(224), 비 자성 스프링(212)이 S-TENG(22a)를 구성할 수 있다. 제3 마찰대전물질(231) 및 제4 마찰대전물질(232)이 C-TENG(22b)를 구성할 수 있다. 마찰대전물질을 사용하면 마찰전기 효과로 인해 전류가 흐르는데, 이를 이용해서 전력을 발생할 수 있다.At this time, the magnet 210 and the coils 214a and 214b may constitute the EMG 21. The first triboelectric material (220a, 220b), the second triboelectric material (224), and the non-magnetic spring 212 may constitute the S-TENG (22a). The third triboelectrically charged material 231 and the fourth triboelectrically charged material 232 may constitute the C-TENG (22b). When triboelectric materials are used, current flows due to the triboelectric effect, which can be used to generate power.

자가전원 범용 전력 모듈(1)의 상단 섹션에는 EMG(21) 및 S-TENG(22a)이 위치한다.The EMG (21) and S-TENG (22a) are located in the upper section of the self-powered universal power module (1).

EMG(21)는 하이브리드 에너지 하베스터(10)의 출력을 향상시키기 위해, 코일(214) 주변에 부착되어 자속을 집중시켜 코일(214)에 전류의 양을 증가시키고 장치 외부로부터의 자기 효과를 감소시키는 자속 집광기(Flux Concentrator: FC)(216)를 더 포함할 수 있다. 자속 집광기(216)는 잔류 자속보다 코일(214) 내부에 더 높은 자속 밀도(Flux density)가 집중 될 수 있게 한다. 자속 집광기(216)는 코일(214)의 자속 면적을 증가시켜 코일(214) 쪽으로 자속 누출을 최대화 한다. 자속 집광기(216)는 EMG(21)의 발전 능력을 향상시킬 뿐 아니라 부유 자기장을 감소시킬 수 있다.In order to improve the output of the hybrid energy harvester 10, the EMG 21 is attached around the coil 214 and concentrates the magnetic flux to increase the amount of current in the coil 214 and reduce the magnetic effect from outside the device. It may further include a flux concentrator (FC) (216). The magnetic flux concentrator 216 allows a higher magnetic flux density to be concentrated inside the coil 214 than the residual magnetic flux. The magnetic flux concentrator 216 increases the magnetic flux area of the coil 214 to maximize magnetic flux leakage toward the coil 214. The magnetic flux concentrator 216 can not only improve the power generation ability of the EMG 21 but also reduce stray magnetic fields.

하이브리드 에너지 하베스터(10)는 작동 주파수 대역폭을 넓히고 고출력을 얻기 위해 다중 스프링 구조를 사용한다. 예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 한쪽에는 단일의 큰 스프링(212)이 위치하고, 반대쪽에는 복수 개(예를 들어, 4개)의 작은 스페이서 스프링(230)이 위치한다.The hybrid energy harvester 10 uses a multi-spring structure to widen the operating frequency bandwidth and obtain high output. For example, as shown in FIG. 4, a single large spring 212 is located on one side, and a plurality of (for example, four) small spacer springs 230 are located on the other side.

S-TENG(22a)의 경우 동일한 너비의 두 개의 제1 마찰대전물질(220a, 220b)이 자석(210)의 상단 및 하단 가장자리에 감겨 있다. 두 개의 제1 마찰대전물질(220a, 220b)은 나노 그래스(nono-glass) Al 스트립(strip)일 수 있다.In the case of the S-TENG (22a), two first triboelectric materials (220a, 220b) of the same width are wound around the upper and lower edges of the magnet (210). The two first triboelectric materials 220a and 220b may be nano-glass Al strips.

S-TENG(22a)의 자석(210) 외부에 형성되는 하우징 튜브의 내벽에는, 나노 구조의 표면을 가지고, 반대쪽 면에 전극(222)을 가진 얇은 제2 마찰대전물질(224)이 얇은 양면 접착 테이프를 사용하여 부착될 수 있다. 제2 마찰대전물질(224)은 PTFE 필름일 수 있다.On the inner wall of the housing tube formed outside the magnet 210 of the S-TENG (22a), a thin second triboelectric material 224, which has a nano-structured surface and an electrode 222 on the opposite side, is double-sidedly adhered. Can be attached using tape. The second triboelectric material 224 may be a PTFE film.

여기서, 제1 마찰대전물질(220a, 220b)은 양극의 마찰대전물질 뿐만 아니라 전극 역할을 하고, 제2 마찰대전물질(224)은 음극의 마찰대전물질 역할을 할 수 있다. 여기(Excitation) 동안 자석(210)이 이동함에 따라 제1 마찰대전물질(220a, 220b)이 제2 마찰대전물질(224)의 표면을 통해 미끄러지며 결국 서로 맞물린 전극을 통해 마찰전기 전압을 생성한다. 서로 맞물린 전극이 있는 이 한 쌍의 제1 마찰대전물질(220a, 220b)과 제2 마찰대전물질(224)이 S-TENG(22a)을 형성한다.Here, the first triboelectric material 220a and 220b may serve as an electrode as well as the triboelectric material of the positive electrode, and the second triboelectric material 224 may serve as the triboelectric material of the negative electrode. As the magnet 210 moves during excitation, the first triboelectric material 220a, 220b slides across the surface of the second triboelectric material 224, eventually generating a triboelectric voltage through the interlocked electrodes. . This pair of first triboelectric materials (220a, 220b) and second triboelectric materials (224) with electrodes interlocked with each other forms the S-TENG (22a).

자가전원 범용 전력 모듈(1)의 하단 섹션에는 C-TENG(22b)이 위치한다. C-TENG(22b)은, 제3 마찰대전물질(231)과 제4 마찰대전물질(232)의 전기방사 나노 섬유 매트가 복수 개의 스페이서 스프링(230)으로 분리된 상호 마찰대전물질 쌍으로 사용될 수 있다. 제3 마찰대전물질(231)은 나일론(Nylon)일 수 있고, 제4 마찰대전물질(232)은 PVDF일 수 있다.A C-TENG (22b) is located in the bottom section of the self-powered universal power module (1). C-TENG (22b) can be used as a mutual triboelectric material pair in which electrospun nanofiber mats of the third triboelectric material 231 and the fourth triboelectric material 232 are separated by a plurality of spacer springs 230. there is. The third triboelectric material 231 may be nylon, and the fourth triboelectric material 232 may be PVDF.

외부 진동에 의해 스프링(212)이 부착된 자석(210)이 움직이면 C-TENG(22b)의 상부 패널을 아래로 쳐서 누르게 된다. 이 시간 동안 C-TENG(22b)는 마찰전기 전압을 생성할 뿐만 아니라 상부 및 하부의 스프링 질량 시스템 사이의 기계적 결합을 구성한다. 이 기계적 커플링은 자가전원 범용 전력 모듈(1)의 작동 대역폭을 넓히고 상부 스프링(212)의 복귀 속도를 높이는 데 도움이 된다.When the magnet 210 to which the spring 212 is attached moves due to external vibration, it pushes down on the upper panel of the C-TENG (22b). During this time, C-TENG 22b not only generates triboelectric voltage but also constitutes a mechanical coupling between the upper and lower spring mass systems. This mechanical coupling helps widen the operating bandwidth of the self-powered universal power module (1) and increases the return speed of the upper spring (212).

도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 SP-TENG 기반 하이브리드 에너지 하베스터를 포함한 자가전원 범용 전력 모듈을 도시한 도면이다.Figure 5 is a diagram showing a self-powered general-purpose power module including a SP-TENG-based hybrid energy harvester according to an embodiment of the present invention.

도 5를 참조하면, 하이브리드 에너지 하베스터는 작동 주파수 대역폭을 넓히고 고출력을 얻기 위해 다중 스프링 구조를 사용한다. 예를 들어, 양쪽에 지그재그 형의 면 스프링(30a, 30b)이 각각 위치한다.Referring to Figure 5, the hybrid energy harvester uses a multi-spring structure to widen the operating frequency bandwidth and obtain high output. For example, zigzag-shaped surface springs 30a and 30b are located on both sides, respectively.

다중 스프링 구조의 SP-TENG은 하이브리드 에너지 하베스터(10)에 다중 스프링 질량 시스템을 제공하여, 작동 주파수 대역폭을 넓히고 상부 스프링(30a)의 복귀 속도를 증가시킬 수 있다.SP-TENG with a multi-spring structure can provide a multi-spring mass system to the hybrid energy harvester 10, widening the operating frequency bandwidth and increasing the return speed of the upper spring 30a.

도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 S-TENG 및 C-TENG 기반 하이브리드 에너지 하베스터를 포함한 자가전원 범용 전력 모듈의 다양한 실용화 응용 예시를 도시한 도면이다.Figure 6 is a diagram showing various practical application examples of a self-powered general-purpose power module including an S-TENG and C-TENG based hybrid energy harvester according to an embodiment of the present invention.

도 6을 참조하면, 하이브리드 에너지 하베스터를 포함한 자가전원 범용 전력 모듈은 걷기 및 운동, 파도, 차량 움직임과 같은 저주파 진동 대역에서 고출력의 전기를 얻을 수 있다. 예를 들어, 도 6에 도시된 바와 같이, 블루 에너지(Blue Energy), 인간 생체 역학 에너지(Human Biomechanical Energy) 및 자동차 진동 에너지(Automobile Vibration Energy)를 수확하기 위해 제안된 자가전원 범용 전력 모듈을 사용할 수 있다.Referring to FIG. 6, a self-powered general-purpose power module including a hybrid energy harvester can obtain high-output electricity from low-frequency vibration bands such as walking and exercise, waves, and vehicle movement. For example, as shown in Figure 6, the proposed self-powered universal power module can be used to harvest Blue Energy, Human Biomechanical Energy, and Automobile Vibration Energy. You can.

자가전원 범용 전력 모듈은 휴대용/웨어러블 전자기기(Portable/Wearable Electronic) 충전, 자가 동력 해양 수질 상태 모니터링(self-powered ocean water health monitoring), 자가 동력 차량 모니터링(self-powered in-car environment monitoring)을 위해 사용될 수 있다.The self-powered universal power module provides charging for portable/wearable electronic devices, self-powered ocean water health monitoring, and self-powered in-car environment monitoring. can be used for

도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 자가전원 범용 전력 모듈의 차량용 IoT 응용 예시를 도시한 도면이다.Figure 7 is a diagram illustrating an example of a vehicle IoT application of a self-powered general-purpose power module according to an embodiment of the present invention.

보다 세부적으로, (a)자동차 진동 하베스팅에 의해 자체 전원을 공급하는 무선 차량 내 환경 모니터링 시스템을 위한 USPM의 개념, (b)다양한 유형의 도로에서 테스트한 진동 가속도 값. (c)다른 유형의 도로에서 측정된 하이브리드 에너지 하베스터의 개방 회로 출력 전압. (d)차량 내부의 여러 위치에서 테스트한 진동 가속도 값. (e)자동차 내부의 여러 위치에서 측정된 하이브리드 에너지 하베스터의 개방 회로 출력 전압. (f)자동차 진동 하에서 USPM(상단)의 출력 조정 전압 및 USPM(하단)의 30mAh Li-Po 배터리 충전 성능. (g)자가 전원 무선 차량 내 환경(온도, 습도 및 기압) 모니터링 시스템을 시연하기 위한 실험 설정 사진을 도시하고 있다.In more detail, (a) the concept of USPM for a wireless in-vehicle environmental monitoring system self-powered by vehicle vibration harvesting, (b) vibration acceleration values tested on different types of roads. (c) Open-circuit output voltage of the hybrid energy harvester measured on different types of roads. (d) Vibration acceleration values tested at various locations inside the vehicle. (e) Open-circuit output voltage of the hybrid energy harvester measured at several locations inside the car. (f) Output regulation voltage of USPM (top) and 30 mAh Li-Po battery charging performance of USPM (bottom) under vehicle vibration. (g) Shows a photo of the experimental setup to demonstrate a self-powered wireless in-vehicle environmental (temperature, humidity, and barometric pressure) monitoring system.

(b)는 간선 도로(Main road), 지방 도로(Local road) 및 비포장 도로(Unpaved road)와 같은 다양한 유형의 도로에서 테스트한 다양한 가속도를 보여준다. 더 많은 구덩이와 속도 차단기가 있는 도로는 엄청난 진동 변위와 가속을 생성하여 높은 출력 전압 피크를 초래한다. 다른 유형의 도로에서 측정된 하이브리드 에너지 하베스터의 출력 개방 회로 전압은 (c)에 도시하고 있다. 비포장 도로는 국도 및 간선 도로에 비해 가속 피크가 더 높고 출력 전압에서도 유사하게 반영된다. 차량 내부에서 위치가 다르면 진동 특성이 다르다. 운전석을 포함한 조수석은 진동이 덜한다. 또한 (d)에 도시된 바와 같이 대시(Dash), 바닥(Floor), 문(Door) 및 트렁크(Trunk)는 가속도와 주파수가 다르다. 이들 위치 중 트렁크에서 비교적 높은 진동 가속도가 관찰되었다.(b) shows different accelerations tested on different types of roads, such as main road, local road, and unpaved road. Roads with more potholes and speed breakers generate enormous vibration displacements and accelerations, resulting in high output voltage peaks. The output open circuit voltage of the hybrid energy harvester measured on different types of roads is shown in (c). Unpaved roads have higher acceleration peaks compared to national and main roads, and this is similarly reflected in the output voltage. The vibration characteristics are different at different locations inside the vehicle. The passenger seat, including the driver's seat, experiences less vibration. Also, as shown in (d), the dash, floor, door, and trunk have different accelerations and frequencies. Among these locations, relatively high vibration accelerations were observed in the trunk.

자동차 내부의 여러 위치에서 측정된 하이브리드 에너지 하베스터의 출력 개방 회로 전압은 (e)에 도시되어 있다. 자동차 진동에서 측정된 USPM 장치의 조정된 DC 출력 전압은 (f)(상단)에 도시되어 있다. 또한 30mAh Li-Po 배터리 충전 성능을 수행하고 해당 결과가 (f)(하단)에 도시되어 있다. 또한 자체 전원 무선 차량 내 환경 모니터링 시스템도 시연한다. 이를 위해 상업용 센서를 사용하여 온도, 습도 및 압력을 모니터링한다. (g)에 도시된 바와 같이, 자가전원 범용 전력 모듈은 자동차 진동에서 전압을 생성하고, 회로, 센서 및 BLE 장치 등에 전원을 공급하여 센서 데이터를 스마트폰에 무선으로 전송한다. 따라서, 자가전원 범용 전력 모듈이, 낭비되는 자동차 진동 에너지를 소거할 수 있는 완전한 자가전원 무선 차내 환경 모니터링 시스템을 구현할 수 있다.The output open circuit voltage of the hybrid energy harvester measured at various locations inside the car is shown in (e). The adjusted DC output voltage of the USPM device measured under vehicle vibration is shown in (f) (top). Additionally, the 30mAh Li-Po battery charging performance is performed and the results are shown in (f) (bottom). Additionally, a self-powered wireless in-vehicle environmental monitoring system will be demonstrated. For this purpose, temperature, humidity and pressure are monitored using commercial sensors. As shown in (g), the self-powered general-purpose power module generates voltage from vehicle vibration, supplies power to circuits, sensors, and BLE devices, and wirelessly transmits sensor data to the smartphone. Therefore, a self-powered general-purpose power module can implement a completely self-powered wireless in-vehicle environmental monitoring system that can eliminate wasted automobile vibration energy.

도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 하이브리드 에너지 하베스터의 EMG 및 S-TENG의 동작 원리를 도시한 도면이고, 도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 C-TENG 및 SP-TENG의 동작 원리를 도시한 도면이다.Figure 8 is a diagram showing the operating principles of the EMG and S-TENG of the hybrid energy harvester according to an embodiment of the present invention, and Figure 9 is a diagram showing the operating principles of the C-TENG and SP-TENG according to an embodiment of the present invention. This is a drawing showing.

도 8 및 도 9를 참조하면, 하이브리드 에너지 하베스터는 4가지 주요 동작 상태(단계 i, 단계 ii, 단계 iii, 단계 iv)를 나타낼 수 있다.Referring to Figures 8 and 9, the hybrid energy harvester can exhibit four main operating states (stage i, stage ii, stage iii, stage iv).

단계 i에서, 초기 위치의 EMG와 TENG는 정지하고 있다. 따라서, EMG의 코일 내부에서 자속 변동이 없으며, TENG의 마찰대전물질에서 전하가 발생하지 않는다.In stage i, the EMG and TENG in the initial position are stationary. Therefore, there is no magnetic flux variation inside the coil of the EMG, and no charge is generated in the triboelectric material of the TENG.

단계 ii에서, 하이브리드 에너지 하베스터가 외부로부터 기계적 힘을 받으면 EMG의 자석이 본체 내측에서 한쪽의 수직 방향으로 이동하기 시작하고, 이때, S-TENG의 마찰대전물질의 슬라이딩으로 전하가 생성되고 전류가 흐르게 된다. 자석의 움직임은 코일을 통한 자속 분포의 변화를 일으켜 코일에 유도 전류가 흐르기 시작한다.In step ii, when the hybrid energy harvester receives mechanical force from the outside, the magnet of the EMG begins to move in one vertical direction inside the body, and at this time, a charge is generated by sliding the triboelectric material of the S-TENG and a current flows. do. The movement of the magnet causes a change in the distribution of magnetic flux through the coil, causing an induced current to begin to flow in the coil.

단계 iii까지 자석의 움직임에 따라 EMG와 S-TENG는 같은 방식으로 전기를 생산하게 된다. 또한, C-TENG, SP-TENG의 마찰대전물질들 사이에서 접촉으로 인한 전하가 발생한다.Depending on the movement of the magnet until step iii, the EMG and S-TENG produce electricity in the same way. Additionally, electric charges are generated due to contact between the triboelectric materials of C-TENG and SP-TENG.

단계 iv에서, 자석이 다른 방향으로 이동하면, C-TENG, SP-TENG에서 접촉했던 마찰대전물질 쌍이 분리되면서 마찰대전이 유도되어 전류가 흐르게 되고, 자석의 움직임을 통한 단계 ii와 iii와는 역방향의 전류가 코일에 유도된다. 예를 들어, 외부 진동 하에서 자석이 있는 스프링을 아래로 당기면 단계 ii와 같이 코일에 흐르는 전류가 시계 방향으로 흐르고, 마찬가지로 자석이 위로 움직이면 iii과 같이 코일의 전류 방향이 시계 반대 방향으로 변경된다.In step iv, when the magnet moves in a different direction, the pairs of triboelectric materials that were in contact in the C-TENG and SP-TENG are separated, causing triboelectric charge to be induced and a current to flow, in the opposite direction to steps ii and iii through the movement of the magnet. Current is induced in the coil. For example, under external vibration, when a spring with a magnet is pulled down, the current flowing in the coil flows clockwise as in step ii, and similarly, when the magnet moves upward, the current direction in the coil changes counterclockwise as in step iii.

이후 자석의 움직임에 따라 단계 ii~iv가 반복되며, EMG, S-TENG, C-TENG, SP-TENG에서 전력을 생산하게 된다.Afterwards, steps ii to iv are repeated according to the movement of the magnet, and power is produced from EMG, S-TENG, C-TENG, and SP-TENG.

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.So far, the present invention has been examined focusing on its embodiments. A person skilled in the art to which the present invention pertains will understand that the present invention can be implemented in a modified form without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the disclosed embodiments should be considered from an illustrative rather than a restrictive perspective. The scope of the present invention is indicated in the claims rather than the foregoing description, and all differences within the equivalent scope should be construed as being included in the present invention.

Claims (14)

상단 섹션; 및
하단 섹션; 을 포함하고,
상단 섹션은
자석; 및 자석의 상부에 형성되는 단일의 비자성 스프링; 을 포함하는 전자기 발전기; 및
슬라이딩 방식의 제1 마찰전기 나노 발전기; 를 포함하고,
하단 섹션은
복수 개의 스페이서 스프링; 을 포함하는 접촉-분리 방식의 제2 마찰전기 나노 발전기;
상기 전자기 발전기, 제1, 제2 마찰전기 나노 발전기를 포함하는 하이브리드 에너지 하베스터를 통해 획득된 전력을 배터리에 충전시키는 배터리 충전 회로;
전력이 저장되는 배터리; 및
상기 배터리에 저장된 전력을 부하에 공급하는 전력 송신부; 를 포함하며,
비자성 스프링의 크기는 스페이서 스프링보다 큰 것을 특징으로 하는 자가전원 범용 전력 모듈.
top section; and
bottom section; Including,
The top section is
magnet; and a single non-magnetic spring formed on top of the magnet. An electromagnetic generator comprising: and
A first sliding triboelectric nanogenerator; Including,
The bottom section is
a plurality of spacer springs; A second triboelectric nanogenerator of a contact-separation type including;
a battery charging circuit that charges a battery with power obtained through a hybrid energy harvester including the electromagnetic generator and first and second triboelectric nanogenerators;
a battery in which power is stored; and
a power transmission unit that supplies power stored in the battery to a load; Includes,
A self-powered general-purpose power module characterized in that the size of the non-magnetic spring is larger than the spacer spring.
제 1 항에 있어서, 전자기 발전기는
초기 상태에는 중앙에 고정되고 외부 진동이 가해지면 자유롭게 움직이는 자석;
수직 축 방향으로 상기 자석을 거는 비자성 스프링;
상기 자석을 감는 코일;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 자가전원 범용 전력 모듈.
The method of claim 1, wherein the electromagnetic generator
In its initial state, a magnet is fixed in the center and moves freely when external vibrations are applied;
A non-magnetic spring that hangs the magnet in a vertical axis direction;
A coil winding the magnet;
A self-powered general-purpose power module comprising:
제 2 항에 있어서, 전자기 발전기는
코일의 자속 결합을 향상시키기 위해 코일을 감싸는 연자성 재료 기반의 자속 집광기;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자가전원 범용 전력 모듈.
The method of claim 2, wherein the electromagnetic generator
A magnetic flux concentrator based on a soft magnetic material surrounding the coil to improve the magnetic flux coupling of the coil;
A self-powered general-purpose power module further comprising:
삭제delete 삭제delete 삭제delete 제 1 항에 있어서, 제1 마찰전기 나노 발전기는
자석에 부착되는 제1 마찰대전물질; 및
자석을 수용하는 하우징의 튜브 내부 벽에 부착되는 제2 마찰대전물질;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 자가전원 범용 전력 모듈.
The method of claim 1, wherein the first triboelectric nanogenerator is
A first triboelectric charge material attached to the magnet; and
a second triboelectric charge material attached to the inner wall of the tube of the housing accommodating the magnet;
A self-powered general-purpose power module comprising:
제 1 항에 있어서, 제2 마찰전기 나노 발전기는
하우징 구조체의 내부의 상단 면 및 하단 면에 각각 전극을 부착하는 두 마찰대전물질;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 자가전원 범용 전력 모듈.
The method of claim 1, wherein the second triboelectric nanogenerator is
Two triboelectric materials attaching electrodes to the upper and lower surfaces of the interior of the housing structure, respectively;
A self-powered general-purpose power module comprising:
삭제delete 삭제delete 제 1 항에 있어서, 제1 및 제2 마찰전기 나노 발전기는
진동이나 움직임을 감지할 수 있는 자가전원 센서를 겸하는 것을 특징으로 하는 자가전원 범용 전력 모듈.
The method of claim 1, wherein the first and second triboelectric nanogenerators
A self-powered general-purpose power module that also functions as a self-powered sensor that can detect vibration or movement.
삭제delete 수직 축 방향으로 자석을 단일의 비자성 스프링으로 걸고 코일로 자석을 감싸 전자기 발전기를 제조하는 단계;
제1 마찰대전물질을 자석의 외부에 부착하고, 제2 마찰대전물질을 자석을 감싸는 하우징의 튜브의 내부 벽에 부착하여 슬라이딩 방식의 제1 마찰전기 나노 발전기를 포함하는 상부 섹션을 제조하는 단계;
하우징 구조체에 복수의 스페이서 스프링을 위치시키고 하우징 구조체 내부의 상단 면 및 하단 면에 각각 마찰대전물질을 부착하여 접촉-분리 방식의 제2 마찰전기 나노 발전기를 포함하는 하부 섹션을 제조하는 단계; 및
하부 섹션에 상기 전자기 발전기, 제1, 제2 마찰전기 나노 발전기를 포함하는 하이브리드 에너지 하베스터를 통해 획득된 전력을 배터리에 충전시키는 배터리 충전 회로와, 전력이 저장되는 배터리와, 상기 배터리에 저장된 전력을 부하에 공급하는 전력 송신부를 구비하는 단계; 를 포함하며,
비자성 스프링의 크기는 스페이서 스프링보다 큰 것을 특징으로 하는 자가전원 범용 전력 모듈 제조방법.
Manufacturing an electromagnetic generator by hanging a magnet in the vertical axis direction with a single non-magnetic spring and wrapping the magnet with a coil;
Attaching a first triboelectric material to the outside of the magnet and attaching a second triboelectric material to the inner wall of the tube of the housing surrounding the magnet to manufacture an upper section including a sliding first triboelectric nanogenerator;
manufacturing a lower section including a contact-separation type second triboelectric nanogenerator by placing a plurality of spacer springs in the housing structure and attaching triboelectric materials to the upper and lower surfaces of the housing structure, respectively; and
In the lower section, a battery charging circuit that charges a battery with power obtained through a hybrid energy harvester including the electromagnetic generator and the first and second triboelectric nanogenerators, a battery in which power is stored, and the power stored in the battery. providing a power transmitter to supply power to a load; Includes,
A method of manufacturing a self-powered general-purpose power module, characterized in that the size of the non-magnetic spring is larger than the spacer spring.
삭제delete
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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KR102085846B1 (en) * 2018-07-06 2020-03-06 광운대학교 산학협력단 Non-resonant high power hybrid energy harvester

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Myeong-Lok Seol,Hybrid energy harvester with simultaneous triboelectric and electromagnetic generation from an embedded floating oscillator in a single pkg,Nano Energy 2016,vo.23,pp.50-59 (2016.3.11.)*
Tian Xiao Xiao et al., Spherical Triboelectric Nanogenerators Based on Spring-Assisted Multilayered Structure for Efficient Water Wave Energy Harvesting, Advanced Functional Materials 2018(2018.07.01)*

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