KR20110026644A - 압전 에너지 하베스트 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 압전 에너지 하베스트 소자는 진동에 의해 전압을 생성하는 압전층으로부터 1차적으로 전압을 얻으면서, 진동에 의해 자기장의 변화를 유도하는 자기변형층과 이를 감싸는 코일로부터 2차적으로 전압을 얻을 수 있도록 구성되어 있으며, 이에 따라 전력 조절 회로의 구동에 필요한 충분한 전압을 얻을 수 있다.

압전 에너지 하베스트 소자, 전력 조절 회로, 자기변형

Description

압전 에너지 하베스트 소자 및 그 제조 방법{The Piezoelectric energy harvester and manufacturing method thereof}

본 발명은 압전 에너지 하베스트 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 더 자세하게는 소자의 특성에 영향을 미치지 않으면서 전력 조절 회로의 구동에 필요한 충분한 전압을 얻을 수 있는 압전 에너지 하베스트 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

압전 에너지 하베스트 소자(Piezoelectric energy harvester)는 일반적으로 진동, 음파, 초음파 등을 이용하여 압전층에 구부러짐, 수축, 신장 등을 유발하여 압전 효과에 의해 전압을 생성하는 소자로서, 압전층의 적층 형태에 따라 유니모프(unimorph), 바이모프(bimorph) 등 다양한 형태로 분류되며, 통상적으로 압전층을 금속 심(metal shim)의 양면에 적층한 바이모프 형태가 많이 사용되고 있다.

이러한 압전 에너지 하베스트 소자에서 생성된 전압은 외부 회로(MCU, 센서, RF 송수신기)의 구동에 사용되거나 전력 조절 회로(Power Conditioning Circuit: PCC)의 스위치 구동에 사용되며, 이에 대하여 더 자세히 설명하면 다음과 같다.

도 1 및 도 2는 종래의 압전 에너지 하베스트 소자 및 이에 연결된 전력 조절 회로 및 충전기(충전 커패시터 또는 배터리)를 나타낸 도면이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 종래의 압전 에너지 하베스트 소자(100)에 진동이 가해지면 금속 심(110)의 양면에 형성된 압전층(130a, 130b)에서 전압이 생성된다.

이와 같이 압전 에너지 하베스트 소자(100)에서 전압이 생성되면, 전력 조절 회로(200) 내부의 전압 검출기를 통해 전압의 변화가 검출되어 스위치(S1 또는 S2)가 구동된다.

하지만, 이러한 구조의 경우, 전압 검출기가 압전 에너지 하베스트 소자(100)의 동작에 영향을 주어 동작 주파수, 전기적 댐핑, 출력 전력 손실 등을 야기할 수 있기 때문에, 이를 고려한 설계가 이루어져야 한다는 문제점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 압전 에너지 하베스트 소자의 외부에 변위 센서를 연결하여 변위 센서에 의해 압전 에너지 하베스트 소자의 변위를 감지하여 전력 조절 회로의 스위치를 구동하는 구조가 제안되었다.

하지만, 이러한 구조의 경우, 별도의 변위 센서를 구비해야만 하고, 변위 센서가 압전 에너지 하베스트 소자의 진폭 변화에 영향을 주어 기계적 댐핑 변화를 야기할 수 있으며, 소자의 크기가 커지는 문제점이 있다. 또한, 압전 에너지 하베스트 소자에 변위 센서를 연결할 때 소자에 물리적 충격이 발생할 수도 있다는 문제점이 있다.

본 발명의 목적은 압전 에너지 하베스트 소자의 특성에 영향을 미치지 않으면서 전력 조절 회로의 구동에 필요한 전압을 얻을 수 있는 간단한 구조의 압전 에너지 하베스트 소자를 구현하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 압전 에너지 하베스트 소자는, 진동에 의해 제1 전압을 생성하며, 금속 심의 상부와 하부 중 적어도 어느 한 곳에 형성된 압전층; 진동에 의해 자기장의 변화를 유도하며, 상기 압전층의 상부에 형성된 자기변형층; 및 상기 압전층과 상기 자기변형층을 함께 감싸는 코일을 포함하며, 진동에 의해 상기 자기변형층에서 자기장의 변화가 유도되면 상기 코일에 전류가 흐르게 되어 제2 전압이 생성되는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 압전 에너지 하베스트 소자의 제조 방법은, (a) 금속 심의 상부와 하부 중 적어도 어느 한 곳에 진동에 의해 제1 전압을 생성하는 압전층을 형성하는 단계; (b) 상기 압전층의 상부에 진동에 의해 자기장의 변화를 유도하는 자기변형층을 형성하는 단계; 및 (c) 상기 압전층과 상기 자기변형층을 코일로 감싸는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 소자의 특성에 영향을 미치지 않으면서 전력 조절 회로의 구동에 필요한 전압을 얻을 수 있는 간단한 구조의 압전 에너지 하베스트 소자를 구현할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스트 소자를 나타낸 도면이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스트 소자(300)는, 캔틸레버(cantilever) 형태를 가지며, 금속 심(310)의 상부와 하부에 각각 형성된 제1, 2 압전층(330a, 330b)과, 상기 제1, 2 압전층(330a, 330b)의 상부에 각각 형성된 제1, 2 자기변형층(350a, 350b)과, 상기 제1, 2 압전층(330a, 330b)과 상기 제1, 2 자기변형층(350a, 350b)을 함께 감싸는 코일(370)을 포함한다. 그리고, 경우에 따라 공진 주파수를 보정하기 위한 proof mass(390)를 더 포함할 수도 있다.

상기 금속 심(310)은 상기 제1, 2 압전층(330a, 330b)의 강성을 보강하기 위한 것으로, 압전층의 폴링을 고려하여 병렬 연결(parallel connection)을 하는 바이모프 구조의 경우 접지 단자에 연결되며, 두께와 탄성율을 조절하는 것이 가능하다.

상기 제1, 2 압전층(330a, 330b)은 두께 방향으로 분극되어 진동이 발생되면 압전 효과에 의해 전압을 생성하며, 이들은 각각 공급전원의 (+) 단자에 연결된다.

여기에서, 상기 제1, 2 압전층(330a, 330b)은 PZT 등의 압전 세라믹, PMN-PT/PZN-PT 등의 압전 단결정, PVDF 등의 압전 폴리머 중 어느 하나로 형성되는 것이 바람직하다.

상기 제1, 2 자기변형층(350a, 350b)은 진동을 가하면 자기장의 변화가 유도되는 테르페놀(Terfenol-D), Metglas 2605SC 등의 자기변형 물질(magneto-strictive material)로 이루어져 있다.

상기와 같은 자기변형 물질은 소정의 온도 조건에서 외부 자기장을 인가하면 자기-기계 효과에 의해 거의 영구적으로 자화 상태를 유지하게 된다.

따라서, 외부 진동에 의해 상기 제1, 2 자기변형층(350a, 350b)이 굽힘(bending) 운동을 하면 자기장의 변화가 유도되며, 패러데이 법칙(Faraday's law)에 의해 상기 제1, 2 자기변형층(350a, 350b)의 주위를 둘러싼 코일(370)에 전류가 흐르게 되어 AC 전압이 생성된다.

이 때, 상기 생성된 AC 전압은 캔틸레버 팁의 변위 속도와 위상이 동일하며, 따라서 캔틸레버 팁의 변위 속도에 맞춰 전력 조절 회로(미도시)의 스위치를 구동할 수 있다.

즉, 본 발명의 압전 에너지 하베스트 소자(300)는 진동에 의해 전압을 생성하는 상기 제1, 2 압전층(330a, 330b)으로부터 1차적으로 전압을 얻으면서, 진동에 의해 자기장의 변화를 유도하는 상기 제1, 2 자기변형층(350a, 350b)과 이를 감싸 는 코일(370)로부터 2차적으로 전압을 얻을 수 있으며, 이에 따라 압전 에너지 하베스트 소자의 출력 특성에 영향을 주지 않으면서 전력 조절 회로의 스위치 구동에 필요한 충분한 전압을 얻을 수 있다.

또한, 상기 제1, 2 자기변형층(350a, 350b)과 상기 코일(370)은 소자의 물리적 특성에 영향을 미치지 않으므로, 설계시 외부의 전압 검출기(미도시)에 의한 공진 주파수의 변화 및 기계적 댐핑을 고려하지 않아도 되며, 변위 센서나 자기장을 인가하기 위한 수단을 별도로 구비할 필요가 없으므로 소형화가 가능하다.

한편, 본 실시예에서는 캔틸레버 구조를 갖는 압전 에너지 하베스트 소자를 예로 들어 설명하였지만, 단층/다층 구조, 테이퍼 구조를 갖는 압전 에너지 하베스트 소자를 구현하는 것도 가능함은 물론이다.

도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 압전 에너지 하베스트 소자의 변위와 출력 전압의 특성을 나타낸 도면이다.

도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 압전 에너지 하베스트 소자는 동작 주파수에 영향을 미치지 않으면서 압전층(330a, 330b)과 자기변형층(350a, 350b)에 의해 캔틸레버 팁의 변위 속도에 맞춰 전력 조절 회로의 스위치 구동에 필요한 높은 전압을 얻을 수 있다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 설명하였다. 그러나, 본 발명의 실시예는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되어지는 것으로, 본 발명의 범위가 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 여러 가지 다른 형태로 변형이 가능함은 물론이다.

도 1 및 도 2는 종래의 압전 에너지 하베스트 소자 및 이에 연결된 전력 조절 회로를 나타낸 도면이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스트 소자를 나타낸 도면이다.

도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 압전 에너지 하베스트 소자의 변위와 출력 전압의 특성을 나타낸 도면이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

100 : 종래의 압전 에너지 하베스트 소자

110 : 금속 심

130a, 130b : 압전층

200 : 전력 조절 회로

S1, S2 : 스위치

300 : 본 발명의 압전 에너지 하베스트 소자

310 : 금속 심

330a, 330b : 제1, 2 압전층

350a, 350b : 제1, 2 자기변형층

370 : 코일

390 : proof mass

Claims (7)

1. 진동에 의해 제1 전압을 생성하며, 금속 심의 상부와 하부 중 적어도 어느 한 곳에 형성된 압전층;

   진동에 의해 자기장의 변화를 유도하며, 상기 압전층의 상부에 형성된 자기변형층; 및

   상기 압전층과 상기 자기변형층을 함께 감싸는 코일을 포함하며,

   진동에 의해 상기 자기변형층에서 자기장의 변화가 유도되면 상기 코일에 전류가 흐르게 되어 제2 전압이 생성되는 것을 특징으로 하는 압전 에너지 하베스트 소자.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 압전층은 압전 세라믹, 압전 단결정, 압전 폴리머 중 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 압전 에너지 하베스트 소자.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 자기변형층은 진동을 가하면 자기장의 변화가 유도되는 자기변형 물질인 테르페놀(Terfenol-D) 또는 Metglas 2605SC로 형성되는 것을 특징으로 하는 압 전 에너지 하베스트 소자.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 제1 전압과 상기 제2 전압은 전력 조절 회로의 스위치 구동에 이용되는 것을 특징으로 하는 압전 에너지 하베스트 소자.
5. (a) 금속 심의 상부와 하부 중 적어도 어느 한 곳에 진동에 의해 제1 전압을 생성하는 압전층을 형성하는 단계;

   (b) 상기 압전층의 상부에 진동에 의해 자기장의 변화를 유도하는 자기변형층을 형성하는 단계; 및

   (c) 상기 압전층과 상기 자기변형층을 코일로 감싸는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 에너지 하베스트 소자의 제조 방법.
6. 제 5항에 있어서, 상기 (a) 단계에서,

   압전 세라믹, 압전 단결정, 압전 폴리머 중 어느 하나를 이용하여 상기 압전층을 형성하는 것을 특징으로 하는 압전 에너지 하베스트 소자의 제조 방법.
7. 제 5항에 있어서, 상기 (b) 단계에서,

   진동을 가하면 자기장의 변화가 유도되는 자기변형 물질인 테르페놀(Terfenol-D) 또는 Metglas 2605SC을 이용하여 상기 자기변형층을 형성하는 것을 특징으로 하는 압전 에너지 하베스트 소자의 제조 방법.

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