KR20110039864A - 에너지 하베스터 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 목적은 진동 에너지가 전기 에너지로 변환되는 양을 크게 증폭시킬 수 있는 새로운 구조의 에너지 하베스터를 제공하는 것이다. 이를 위하여 본 발명에서는, 구조물에 연결된 제1탄성부재와, 상기 제1탄성부재가 구조물에 연결된 부분의 타측에 연결된 제1질량체를 포함하는 진동 변위 증폭부; 상기 진동 변위 증폭부에 연결된 제2탄성부재와, 상기 제2탄성부재에 연결된 제2질량체를 포함하고, 상기 구조물로부터 상기 진동 변위 증폭부를 통해 진동이 전달될 때 진동 변위를 발생시키는 진동부; 및 상기 진동부에 전달되는 진동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 전기 에너지 발생부를 포함하는 에너지 하베스터를 제공한다.
에너지 하베스터, 스캐빈저, 진동 변위 증폭

Description

에너지 하베스터{Energy harvester}
본 발명은 에너지 하베스터(Energy harvester)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 구조물의 진동 에너지 중 더욱 많은 부분을 전기 에너지로 변환할 수 있게 하는 새로운 구조의 에너지 하베스터에 관한 것이다.
본 발명은 한국과학재단 및 서울대학교산학협력단의 신기술 연구 개발 지원 사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다.
[과제고유번호: 0420-2009-0037, 과제명: 다물리 복합 구조시스템의 창의적 설계를 위한 멀티스케일 패러다임]
전기·전자 기술의 발달과 더불어 VLSI{Very Large Scale Integration}등의 저전력 전자 소자 기술이 급속도로 발달하게 되었다. 이러한 기술의 발전은 다양한 전기장치들을 소형화{miniaturization}하고 이러한 장치들이 마이크로 와트(μW)의 저전력 상황에서 작동하는 것을 가능하게 하였다. 특히, 건물이나 교량의 환경 진단 센서, 선박이나 항공기와 같은 기계 구조물의 안전 진단 센서, 가정 자동화 시스템의 센서 그리고 다양한 종류의 센서의 소형화는 이러한 구조물들에 처음부터 센서들을 삽입하고 무선 네트워크(wireless sensor network)로 구성하여 보다 효과적이고 상시적인 센서의 작동을 가능하게 하였다. 이러한 무선 센서 네트워크의 상시 감시 체제는 각 센서 노드(sensor node)의 전력공급 체계를 요구한다. 이러한 전력 공급방법으로 배터리를 이용할 수 있으나, 이러한 배터리는 그 작동 수명이 짧다는 단점을 지닌다. 무선 센서 네트워크의 센서들은 구조물에 삽입되어야 하기 때문에 배터리를 교체하는 것은 불가능하거나 매우 비효율적이다. 이러한 문제를 해결하는 방법으로 주변의 에너지원으로부터 전력을 생산 공급하는 에너지 수확(energy harvesting) 방법이 개발되어 왔다. 에너지 하베스팅 방법 중 널리 알려진 것으로는 태양 전지(solar cell)를 이용하여 태양 에너지로부터 전력을 생산하는 방법, 제백 효과(Seeback effect)를 이용하여 열에너지로부터 전력을 발생시키는 방법, 그리고 전자기유도현상(Faraday's law of electromagnetic induction) 또는 압전 현상(piezoelectric effect)이나 자기 변형 현상(magnetostriction effect)을 이용하여 진동 에너지로부터 전력을 생산하는 방법 등이 있다.
도 1에는 종래의 압전 현상을 이용하는 에너지 하베스터의 구동 원리를 보여주는 도면이 도시되어 있다.
도 1에 도시된 것과 같이, 종래의 에너지 하베스터는 구조물(1)에 직접 연결되는 캔틸레버 형태의 탄성부재(33), 이 탄성부재(33)에 부착된 압전 소자(34), 그리고, 선택적으로 탄성부재의 자유단 측에 배치된 질량체(32)를 포함한다.
구조물이 진동함에 따라 상기 탄성부재가 진동하면서 압전 소자를 변형시키고 이러한 변형이 분극(polarization)을 일으키고 결국 전력을 발생시키게 된다.
캔틸레버와 캔틸레버에 부착된 압전 소자를 이용하여 다양한 구조물의 진동 으로부터 전기 에너지를 수확하는 에너지 하베스터에 대한 연구가 진행되고 있는데, 에너지 하베스터의 고유 진동수에 대응하는 가진 주파수를 가지는 가진원(구조물)에 설치되는 경우에는 공진(resonance)에 의해 비교적 큰 전력을 얻을 수 있다는 점이 알려져 있다. 그러나 공진에 의해 비교적 큰 전력을 얻을 수 있는 경우에도 더욱 큰 출력을 얻기 위한 노력은 계속되는 중이며 이와 더불어 다 자유도의 에너지 하베스터 구성을 통해 공진 대역폭을 증가시키는 노력도 진행 중이다.
본 발명은 상기한 문제점을 포함한 여러 가지 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 진동 에너지가 전기 에너지로 변환되는 양을 크게 증폭시킬 수 있는 새로운 구조의 에너지 하베스터를 제공하는 것이다.
상기와 같은 본 발명의 목적은, 구조물에 연결된 제1탄성부재와, 상기 제1탄성부재가 구조물에 연결된 부분의 타측에 연결된 제1질량체를 포함하는 진동 변위 증폭부;
상기 진동 변위 증폭부에 연결된 제2탄성부재와, 상기 제2탄성부재가 상기 진동 변위 증폭부에 연결된 부분의 타측에 연결된 제2질량체를 포함하고, 상기 구조물로부터 상기 진동 변위 증폭부를 통해 진동이 전달될 때 진동 변위를 발생시키는 진동부; 및
상기 진동부에 전달되는 진동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 전기 에너지 발생부를 포함하는 에너지 하베스터를 제공함으로써 달성된다.
여기서, 상기 구조물이 진동할 때 상기 진동 변위 증폭부가 상기 구조물과의 공진에 의해 진동 폭이 커지고, 상기 진동부도 상기 구조물 및 상기 진동 변위 증폭부와의 공진에 의해 진동 폭이 커지도록 할 수 있다.
여기서, 상기 구조물, 상기 진동 변위 증폭부 및 상기 진동부의 고유 진동수가 동일한 것이 더욱 바람직하다.
여기서, 상기 제1질량체에는 중공부가 형성되어 있고, 상기 진동부는 상기 제1질량체의 중공부 내에서 상기 제1질량체에 연결될 수 있다.
여기서, 상기 제2탄성부재는 두께에 비해 폭이 넓고 폭에 비해 길이가 긴 형태의 캔틸레버이고,
상기 전기 에너지 발생부는, 상기 캔틸레버에 부착되어 상기 캔틸레버의 벤딩 진동에 따라 변형하면서 전력을 발생시키는 압전 소자일 수 있다.
여기서, 상기 진동부의 제2질량체는 하나 이상의 가동 전극판을 포함하고,
상기 전기 에너지 발생부는 상기 가동 전극판에 대향하여 배치된 고정 전극판을 포함하며,
상기 가동 전극판과 상기 고정 전극판은 커패시터를 구성하고, 상기 가동 전극판과 고정 전극판 사이의 간격이 변화함에 따라 변화하는 커패시터의 정전용량이 변화하는 것을 이용하여 진동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 것일 수 있다.
여기서, 상기 진동부는 자기 변형체를 포함하고, 진동부의 진동에 의해 상기 자기 변형체가 변화되며,
상기 전기 에너지 발생부는 상기 자기 변형체 주위에 배치된 정자기장 형성부와, 상기 자기 변형체 주위에 배치된 코일을 포함하고,
상기 자기 변형체가 변형됨에 따라 역자기변형 현상에 따라 상기 코일에 기전력이 유도되도록 하는 것일 수 있다.
여기서, 상기 진동부는 상기 제2탄성부재에 연결된 가동 자석을 제2질량체로 포함하고,
상기 전기 에너지 발생부는 상기 가동 자석에 인접하여 배치된 코일을 포함하여, 가동 자석의 움직임에 따라 상기 코일에 기전력이 유도되도록 하여 진동부에 전달된 진동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 것일 수 있다.
여기서, 상기 진동부는 상기 제2탄성부재에 연결된 가동 코일을 제2질량체로 포함하고,
상기 전기 에너지 발생부는 상기 가동 코일에 인접하여 배치된 자석을 포함하여, 가동 코일의 움직임에 따라 가동 코일에 기전력이 유도되도록 하여 진동부에 전달된 진동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 것일 수 있다.
여기서, 상기 진동부 및 상기 진동 변위 증폭부를 덮으면서 상기 구조물에 연결되는 하우징을 더 구비할 수 있다.
여기서, 상기 제2탄성부재는, 두께에 비해 폭이 넓고 폭에 비해 길이가 긴 형태를 가지고, 병렬로 배치된 복수 개의 캔틸레버이고,
상기 전기 에너지 발생부는, 상기 각각의 캔틸레버에 부착되어 상기 캔틸레버의 벤딩 진동에 따라 변형하면서 전력을 발생시키는 압전 소자일 수 있다.
본 발명의 에너지 하베스터에 의하면, 구조물의 진동 에너지 중의 더욱 많은 양을 전기 에너지로 변환시킬 수 있어 에너지 하베스터의 효율을 크게 향상시킬 수 있다. 특히 본 발명의 에너지 하베스터의 원리는 진동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 형태의 에너지 하베스터라면 어떤 형태의 에너지 하베스터에도 적용이 가능하다.
이하에서는, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.
도 2에는 본 발명에 따른 에너지 하베스터의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이 도시되어 있다.
도 2에 도시된 것과 같이, 본 발명에 따른 에너지 하베스터는, 진동 변위 증폭부, 진동부 및 전기 에너지 발생부를 포함한다.
상기 진동 변위 증폭부는 구조물(1)과 상기 진동부 사이에 개재되는 부분으로 제1탄성부재(6)와 제1질량체(5)를 포함한다. 도 2에 도시된 실시예에서는 상기 진동 변위 증폭부는 구조물(1)에 연결된 제1탄성부재(6)와, 상기 제1탄성부재(6)가 구조물(1)에 연결된 부분의 타측에 연결된 제1질량체(5)를 포함한다. 상기 제1탄성부재(6)는 코일 스프링을 옆에서 본 형태로 도시되어 있으나, 반드시 이와 같은 형태로 본 발명의 내용이 제한되는 것은 아니고, 판스프링 등 다른 형태의 스프링도 사용이 가능하고, 스프링으로 모델링 될 수 있는 탄성부재이면 어떤 것이라도 사용이 가능하다. 다만, 구조물(1)의 진동에서 상하 방향의 진동 성분이 큰 경우에는 코일 스프링을 도 2와 같이 상하 방향으로 배치하는 것이 진동 에너지가 진동부에 더 잘 전달되는 데에 유리하다.
상기 진동부는 상기 진동 변위 증폭부에 연결된 제2탄성부재(3)와, 상기 제2탄성부재(3)가 상기 진동 변위 증폭부에 연결된 부분의 타측에 연결된 제2질량체(2)를 포함하고, 상기 구조물(1)로부터 상기 진동 변위 증폭부를 통해 진동이 전 달될 때 진동 변위를 발생시킨다. 상기 제2탄성부재(3)는 상기 제1질량체(5)에 고정된 캔틸레버의 행태로 도시되어 있으나, 반드시 이와 같은 형태로 본 발명의 내용이 제한되는 것은 아니며 예를 들면 양단 지지보의 경우에도 적용된다.
상기 전기 에너지 발생부는 상기 진동부에 전달되는 진동 에너지를 전기 에너지로 변환한다.
기본적으로 에너지 하베스터는 구조물(1)에 설치되어 구조물(1)의 진동 에너지를 전기 에너지의 형태로 활용하도록 하는 장치이다. 구조물(1)에 진동이 작용하면 구조물(1)에 연결된 상기 진동부는 변형을 일으키게 되는데, 이때의 변형력을 전기 에너지로 변환시킬 수 있는 것이면, 상기 전기 에너지 발생부에는 어떤 것이라도 적용될 수 있다. 예를 들어, 압전(piezoelectric) 소자, 정전기(electrostatic), 전자기(electromagnetic), 자기변형(magnetostriction) 등의 원리를 이용한 형태가 사용될 수 있다.
압전 소자를 사용하는 경우에는, 제2탄성부재(3)가 두께에 비해 폭이 넓고 폭에 비해 길이가 긴 형태의 캔틸레버이고, 상기 전기 에너지 발생부는, 상기 캔틸레버에 부착되어 상기 캔틸레버의 벤딩 진동에 따라 변형하면서 전력을 발생시키는 압전 소자(4)일 수 있다.
도 3에는 전기 에너지 발생부에 압전 소자가 사용될 때의 제2탄성부재로 사용되는 캔틸레버와 이에 결합되는 압전 소자의 구성의 일례를 보여주는 단면도가 도시되어 있다.
도 3에 도시된 것과 같이, 압전 소자(17, 19)에서 발생되는 전류를 극대화하 기 위해 압전 소자(17, 19)가 캔틸레버(13)의 상하면에 각각 부착될 수 있다. 물론, 압전 소자가 캔틸레버(13)의 일면에만 부착된 경우도 가능함은 물론이다.
도 3에 도시된 것과 같이, 상기 압전 소자(17, 19)는 각각 압전체(17b, 19b)와 이 압전체(17b, 19b)에 부착된 전극(17a, 17c, 19a, 19c)들을 포함한다.
상기 캔틸레버(13)가 외부의 진동에 의해 벤딩 방향으로 진동할 때 상기 압전체(17, 19)들도 상기 캔틸레버(13)와 함께 벤딩 방향으로 진동하면서 반복적으로 미세 변형을 일으킨다. 압전체(17, 19)들은 변형을 일으키면 전류를 방생하는 성질을 가지므로 캔틸레버(13)의 진동에 의해 압전체(17, 19)들은 전류를 발생시킨다. 캔틸레버(13)의 진동의 진폭은, 구조물(1)의 고유 진동수(A), 진동 변위 증폭부의 고유 진동수(B) 및 캔틸레버(13)와 전기 에너지 발생부의 고유 진동수(C)가 서로 실질적으로 동일(A≒B≒C)할 때 공진(resonance) 현상에 의해 크게 증가한다. 더욱이, 진동 변위 증폭부가 설치되면 캔틸레버의 진동 변위 및 변형율이 증가되어, 캔틸레버에 부착된 압전 소자들에서 시간당 얻어지는 전기 에너지는 더욱 커진다.
한편, 본 발명에서 구조물(1)의 고유 진동수(A)와, 진동 변위 증폭부의 고유진동수(B)와, 전기 에너지 발생부를 포함한 진동부의 고유 진동수(C)는 서로 일치하거나 근사하여 공진을 일으킬 수 있는 것이 바람직하다(A≒B≒C). 그럼으로써, 진동변위가 증폭된 데에 더하여 공진에 의해 진동의 진폭까지 커지면 전기 에너지 발생부에서 생산되는 전력은 더욱 증폭될 수 있다.
도 4에는 도 2에 도시된 실시예의 시스템을 등가의 스프링-질량 시스템으로 모델링한 상태의 도면이 도시되어 있고, 도 5에는 도 1에 도시된 것과 같은 시스템에 대해 외부에서 가진하는 경우의 질량체의 변위에 대한 주파수 응답 함수가 도시되어 있으며, 도 6에는 도 4에 도시된 것과 같은 스프링-질량 시스템에 대해 외부에서 가진하는 경우의 주파수 응답 함수가 도시되어 있다. 도 4의 제2질량체(8)는 도 2의 진동부와 전기 에너지 발생부를 포함하는 시스템의 등가 질량이고, 도 4의 제2탄성부재(7)는 마찬가지로 도 2의 진동부와 전기 에너지 발생부를 포함하는 시스템의 등가 탄성 부재이다.
도 1에 도시된 1자유도 시스템에 대해 외부에서 가진하는 경우에는 도 5에 도시된 것과 같이 하나의 고유 진동수를 가지는 것이 주파수 응답 함수에 나타난다. 도 4에 도시된 것과 같은 2자유도 시스템의 경우에는 진동 변위 증폭기 및 진동부의 고유 진동수가 외부 가진 진동수와 일치하면, 도 6에 도시된 것과 같이 두 개의 고유 진동수를 가지는 것이 주파수 응답 함수에 나타난다. 도 6에서 두 개의 피크들 사이의 간격은 제1질량체(5) 및 제2질량체(8)의 질량 비율에 따라 달라진다.
도 7에는 도 4에 도시된 시스템에서 제1질량체(5)에 대한 제2질량체(8)의 질량 비율에 따라, 진동 변위 증폭부가 없을 때의 진동부 고유 진동수에 대한 전체 시스템의 고유 진동수의 비율이 변화하는 양상을 보여주는 그래프가 도시되어 있다.
도 7에 도시된 것과 같이, 제2질량체(8)의 질량이 0인 경우에만 고유 진동수 가 하나이고, 제2질량체(8)의 질량이 늘어날수록 크기가 다른 두 개의 고유 진동수의 차이가 커지는 것을 볼 수 있다. 따라서 제1질량체(5)와 제2질량체(8)의 질량 크기를 적절하게 조절함으로써, 두 개의 고유 진동수를 조절 가능하고, 적절한 조절을 통해 에너지 하베스터의 작동 주파수 범위(working frequency band)를 넓힐 수 있고, 또한 실질적으로 에너지 하베스터의 전력의 발생을 매우 크게 증강시킬 수 있다.
에너지 하베스터와 전체 시스템은 다양한 형상, 재질, 크기, 등에 상관없이, 스프링-질량 시스템으로 모델링될 수 있다. 예를 들어, 에너지 하베스터에서 발생되는 전력을 계통으로 공급하기 위한 전기 회로 기판 역시 다른 시스템의 구성요소와 함께 질량체의 역할을 할 수 있다.
도 8에는 본 발명의 다른 실시예에 다른 에너지 하베스터의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이 도시되어 있다.
도 8에 도시된 것과 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 에너지 하베스터는 구조물(1)에 연결된 진동 변위 증폭부의 제1질량체(10)에 중공부가 형성되어 있고, 상기 제1질량체(10)의 중공부 내측에 진동부의 제2탄성부재(3)가 연결되어 진동부가 상기 중공부의 내측에 배치된다. 상기 중공부는 도면에서는 밀폐된 것과 같이 도시되어 있으나 반드시 밀폐될 필요는 없다. 예를 들어, 상기 중공부는 측면이나 하부가 개방된 형태로 강우로부터 전기 에너지 발생부와 진동부를 보호할 수 있는 구조일 수도 있고, 또는 상기 중공부는 임의의 방향으로 개방되어 있고, 개방된 부 분에 도어가 설치되어 여닫을 수 있는 구조일 수도 있다.
또한, 도 8에 도시된 것과 같이, 진동 변위 증폭부와 진동부를 모두 둘러싸는 하우징(11)이 구조물(1)에 연결되어 더 설치될 수도 있다.
도 8에 도시된 실시예는 중공부 내측에 진동부가 설치되어 외기로부터 보호될 수 있는 점에 특징이 있는 것뿐만 아니라, 제1탄성부재(9)에 의해서만 제1질량체(10)가 지지되는 것이 아니라, 추가적인 탄성부재(12)에 의해서도 연결될 수 있다는 것을 함께 보여주고 있다.
도 9 내지 도 11에는 본 발명의 진동 변위 증폭부에 의해 질량체의 진동 변위가 증폭되는 것을 보다 구체적으로 설명하기 위한 도면 및 그래프가 도시되어 있다.
앞서 도면을 참조하여 설명한 본 발명의 시스템에서는 감쇠를 고려하지 않고 설명한 것은, 개념상 감쇠를 굳이 고려하지 않아도 본 발명의 진동 속도 증폭부를 구비하는 경우의 작용 효과를 설명이 가능하기 때문이고, 여기서는 감쇠를 고려하여 본 발명의 원리를 설명하도록 한다.
도 9에 도시된 것과 같은 2자유도 시스템에서, 아래의 식과 같이 외부 가진 주파수가, m1과 k1을 포함하는 진동 변위 증폭부의 시스템과, m2와 k2를 포함하는 진동부의 시스템의 고유 진동수와 각각 같다고 가정한다.
즉, 다음의 수학식 1과 같다고 가정한다.
[수학식 1]
Figure 112009062421828-PAT00001
이때의 응답의 크기는 다음의 수학식 2와 같다.
[수학식 2]
Figure 112009062421828-PAT00002
여기서, μ는 질량 m1에 대한 m2의 비를 나타내고, ζ(그리스 문자 소문자 Zeta)는 감쇠 계수(감쇠비)를 나타낸다.
한편, 진동 변위 증폭부(m1, c1, k1) 없이 m2, c2, k2만을 포함하는 시스템이 베이스 구조물의 가진을 받는 경우의 응답은 다음의 수학식 3과 같다.
[수학식 3]
Figure 112009062421828-PAT00003
다음의 수학식 4에는 위 두 가지 경우의 응답 크기의 비가 표시되어 있다.
[수학식 4]
Figure 112009062421828-PAT00004
도 10에는 수학식 4의 응답 크기의 비를 감쇠비가 0.01인 경우에 대해 질량비(μ)의 변화에 따라 나타낸 그래프가 도시되어 있고, 도 11에는 감쇠비가 0.1인 경우의 질량비(μ)변화에 따른 응답 크기의 비를 나타낸 그래프가 도시되어 있다.
도 10을 참조하면, 응답 크기의 비가 50 이상이 되는 것은 μ=0.0196 이하의 경우이고, 도 11을 참조하면, 응답 크기의 비가 5 이상이 되는 것은 μ=0.1594 이하의 경우임을 알 수 있다.
즉, ζ=0.01인 경우, μ=0.0196이하의 값에서 변위의 50배 이상의 증폭이 발생함을 알 수 있고, ζ=0.1인 경우, μ=0. 1594이하의 값에서 변위의 5배 이상의 증폭이 발생함을 알 수 있다.
도 12 내지 도 14에는 본 발명의 에너지 하베스터의 진동 변위 증폭부를 정전기 원리를 이용하는 에너지 하베스터에 적용하는 예를 설명하는 도면이 도시되어 있다.
도 12에 도시된 것과 같이, 정전기 원리를 이용하는 에너지 하베스터는 마주하는 가동 전극판(51)과 고정 전극판(52)의 전극 쌍을 포함하는 커패시터와, 전극 쌍(51, 52) 중의 가동 전극판(51)에 연결된 탄성부재(k2)를 포함한다. 상기 탄성부재 (k2)는 구조물에 연결되어 있고, 구조물의 진동에 따라 탄성부재에 연결된 가동 전극판(51)이 z(t)만큼 변위를 일으키며, 전극 쌍(51, 52) 사이의 간격(d)이 변화된다.
전극 쌍 사이의 간격은 최소 커패시턴스 위치와 최대 커패시턴스 사이에서 변화하고, 마주하는 전극 쌍(51, 52) 사이의 간격(d)이 변화하면, 전극 쌍에 대전된 전하는 일정하게 유지되므로 전압이 변화하게 된다.
커패시턴스가 감소할 때(두 판 사이의 간격이 증가할 때), 축전지의 전하가 항상 일정하게 유지된다면 전압이 증가한다. 반면 커패시턴스가 감소할 때, 커패시터의 전압이 일정하게 유지된다면 전하가 감소할 것이다.
도 13은 전하가 일정한 경우(A-B-D-A)와 전압이 일정한 경우(A-C-D-A)에 대해 전극 쌍(51, 52)을 포함하는 커패시터가 충전 및 방전되는 과정을 보여주고 있다.
커패시턴스가 일정한 경우, 커패시터가 초기 전압(Vstart)로 충전이 되면, A점에서 B점으로 이동한다. 도 12의 상측에 위치한 가동 전극판(51)이 최대 커패시턴스(Cmax)위치에서 최소 커패시턴스(Cmin) 위치로 이동하면, 도 13의 B점에서 D점으로 이동한다. 커패시턴스가 감소하고 충전된 전하는 일정하면, 전압이 증가하게 되는 것이다. 전하가 방전되면 D점에서 A점으로 이동하게 된다. 상측에 위치한 가동 전극판(51)이 최대 커패시턴스 위치에서 최소 커패시턴스 위치로 이동하면서 생산되는 에너지는 A-B-D의 면적이 된다. 전압이 일정한 경우, 커패시터가 초기 전압(Vmax)으로 충전이 되면, A점에서 C점으로 이동한다. 상측의 가동 전극판(51)이 최대 커패시턴스(Cmax) 위치에서 최소 커패시턴스(Cmin) 위치로 이동하면, C점에서 D점으로 이동한다. 방전을 하면, D점에서 A점으로 이동한다. 따라서 얻을 수 있는 에너지는 A-C-D의 면적이 된다. 이러한 과정에서 생긴 에너지를 D점에서 A점으로 이동할 때 축전지로부터 뽑아내게 된다. 위에 기술한 바와 같이 전압이 일정한 경우가 전하가 일정한 경우보다 기계적 에너지를 전기적 에너지로 더 많이 변환할 수 있음을 알 수 있다. 다만, 큰 초기 전압이 필요하다는 단점이 있으나, 이는 일렉트릿(electret)을 사용하여 극복할 수 있다. 일렉트릿은 강한 전기장을 가한 채 굳힌 유전체로 반영구적으로 지속적인 전기 분극 현상을 나타내는 재료이다. 정전기 원리를 이용하는 에너지 하베스터는 충전 및 방전과정이 반복되므로, 최적의 반복방법 및 반복시기를 결정해서 효율을 증대할 필요가 있다. 또한 가진원의 주파수를 에너지 하베스터의 공진주파수와 동조시킴으로써 더 많은 에너지를 얻을 수 있다.
보다 더 많은 에너지를 얻기 위해 한 쌍의 전극 쌍만이 존재하는 것이 아니라 복수의 전극 쌍들이 배열되어 있고, 가동 전극이 일체로 이루어진 형태가 사용될 수 있다.
특히, 전극 쌍 중 움직이는 전극과 구조물 사이에 도 14에 도시된 것과 같이 진동 변위 증폭부를 배치하면, 시간당 생산하는 에너지를 크게 할 수 있다는 장점이 있다.
도 15에는 전자기 유도 방식의 에너지 하베스터의 일례의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이 도시되어 있고, 도 16에는 본 발명의 진동 변위 증폭부의 구성을 도 15의 구성에 결합한 에너지 하베스터의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이 도시되어 있다.
전자기 유도 방식의 에너지 하베스터에서는 패러데이의 법칙을 이용한다. 즉, 도체(전기회로)를 통과하는 자기장이 변화하면, 도체 주위에 전기장이 형성되어 전류가 흐르게 되는 원리를 이용하는 것이다. 자기장의 변화는 가동 자석과 고정 코일 또는 고정 자석과 가동 코일로 구현할 수 있는데, 도 15에는 가동 자석과 고정 코일을 사용하는 예가 도시되어 있다.
도 15에 도시된 시스템에서, 진동을 하게 되면, 가동 질량(m)이 하우징에 대해 z(t) 만큼 상대 운동을 하게 되며, 이 상대 운동을 전기에너지로 변환하게 된다. 도 15에서 감쇠(Bm)는 에너지 추출로 인하여 질량의 진동이 감쇠하는 것을 표현한 것이다. 가동 질량(m)이 자석이고, 탄성부재(k)에 의해 하우징에 연결되어 있으며, 가동 질량 m에 인접하게 배치된 코일(L), 코일과 연결된 회로의 저항(Rc) 및 부하저항(R)이 존재한다. 가동 질량이 z(t)만큼 상대 운동을 하게 되면 코일에는 유도 기전력이 발생하게 된다. 이 기전력에 의해 전력을 생산하게 된다.
도 16에 도시된 것과 같이, m1과 k1을 포함하는 진동 변위 증폭부가 가동 자석인 m2와 연결된 k2와 하우징 사이에 배치되면, m2의 진동 변위가 및 속도가 증폭 되어서 도 15에 도시된 경우에 비하여 코일과 연결된 회로에서 얻을 수 있는 시간 당 전력이 더 커진다. 물론 이 경우에도, 하우징 및 회로부를 포함하는 구조물의 고유 진동수와, m1 및 k1을 포함하는 진동 변위 증폭부의 고유 진동수와, m2, k2 및 Bm을 포함하는 진동부의 고유 진동수 3자 간에 공진이 발생할 수 있는 관계에 있는 것이 바람직하다.
도 17에는 본 발명의 진동 변위 증폭부를 구비하는 에너지 하베스터의 원리가 자기변형의 원리와 함께 적용된 에너지 하베스터의 실시예의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이 도시되어 있다.
도 17에 도시된 것과 같이, 본 실시예의 에너지 하베스터는, 제1탄성부재(16)와 제1질량체(15)를 포함하는 진동 변위 증폭부, 제1질량체(15)에 연결된 자기 변형체(43), 자석(49)을 포함하는 정자기장 형성부 및 역자기변형 현상에 의해 전류가 흐르는 코일(48)을 포함한다.
상기 진동 변위 증폭부에는 코일(48)과, 절연체로 만들어지고 코일을 지지하는 코일 하우징(47)이 더 연결되어 있을 수 있다. 상기 자기 변형체(43)는 상기 제1질량체(15)에 연결된 캔틸레버의 형태로써 강자성체로 만들어질 수 있다. 또는, 상기 자기 변형체(43)는 도시되어 있지는 않지만 캔틸레버 형태의 제2탄성체와 상기 제2탄성체에 부착된 강자성체 스트립으로 만들어질 수도 있다. 한편, 상기 자기 변형체(43)에는 고유 진동수의 튜닝을 위해 부가 질량체(42)가 더 설치될 수 있다. 상기 정자기장 형성부는 상기 자기 변형체(43)의 길이 방향에 나란하게 정자기장을 형성하고, 상기 코일(48)은 상기 정자기장 형성부에 의해 형성되는 자기장의 방향에 나란하게 상기 자기 변형체(43)를 감싸면서 배치될 수 있다. 물론, 정자기장 형성부의 자기장 방향이나, 코일이 감긴 방향은 다양하게 변화될 수 있으며, 도 17과 다르게 변화된 경우라도 본 발명의 범위에는 포함되는 것이다.
이와 같은 구성을 가지는 경우에는, 진동에 의해 자기 변형체가 변형하면 정자기장 하에 놓인 코일에서 기전력이 발생하게 되어 이를 통해 에너지를 수확할 수 있다. 이 때, 진동 변위 증폭부에 의해 진동 변위 및 속도가 커지면, 시간 당 생산되는 전력량이 크게 증가하게 된다.
도 18에는 본 발명의 진동 변위 증폭부를 구비하는 에너지 하베스터의 실시예로써 복수 개의 캔틸레버가 사용되는 예를 보여주는 도면이 도시되어 있다.
도 18에 도시된 실시예의 에너지 하베스터는, 본 발명의 다른 실시예들과 마찬가지로 진동 변위 증폭부와 진동부를 구비한다. 상기 진동 변위 증폭부는 구조물(61)에 연결된 제1탄성부재(66)와 제1질량체(65)를 포함한다. 상기 진동부는 상기 제1질량체(65)에 연결된 복수 개의 캔틸레버들(63)과, 상기 캔틸레버들(63)이 상기 제1질량체(65)에 연결된 단부의 타단부에 연결된 제2질량체(62)를 포함한다. 여기서 상기 캔틸레버들(63)에는 일면 또는 양면에 압전 소자(64)가 배치된다.
이와 같이 병렬로 배치된 다수의 캔틸레버(63)를 구비하는 경우에는 압전 소자(64)가 많이 배치될 수 있어서 발생되는 전력을 크게 증가시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 특징인 진동 변위 증폭부를 구비하기 때문에 진동 변위가 커져서 에너지의 수확량이 더욱 커질 수 있다.
지금까지 본 발명을 설명함에 있어, 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
도 1은 종래의 압전 현상을 이용하는 에너지 하베스터의 구동 원리를 보여주는 도면.
도 2는 본 발명에 따른 에너지 하베스터의 구성을 개략적으로 보여주는 도면.
도 3은 캔틸레버와 압전 소자의 구성을 보다 상세히 보여주는 단면도.
도 4는 도 2에 도시된 실시예의 시스템을 등가의 스프링-질량 시스템으로 모델링한 상태의 도면.
도 5는 도 1에 도시된 것과 같은 시스템에 대해 외부에서 가진하는 경우의 주파수 응답 함수의 그래프.
도 6은 도 4에 도시된 것과 같은 스프링-질량 시스템에 대해 외부에서 가진하는 경우의 주파수 응답 함수의 그래프.
도 7은 도 4에 도시된 시스템에서 제1질량체에 대한 제2질량체의 질량 비율에 따라, 에너지 하베스터의 고유 진동수에 대한 전체 시스템의 고유 진동수의 비율이 변화하는 양상을 보여주는 그래프.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 에너지 하베스터의 구성을 개략적으로 보여주는 도면.
도 9 내지 도 11은 본 발명의 진동 변위 증폭부에 의해 진동 변위가 증폭되는 것을 보다 구체적으로 설명하기 위한 도면 및 그래프.
도 10은 수학식 4의 응답 크기의 비를 감쇠비가 0.01인 경우에 대해 질량비 (μ)의 변화에 따라 나타낸 그래프.
도 11은 감쇠비가 0.1인 경우의 질량비(μ)변화에 따른 응답 크기의 비를 나타낸 그래프.
도 12 내지 도 14는 본 발명의 에너지 하베스터의 진동 변위 증폭부를 정전기 원리를 이용하는 에너지 하베스터에 적용하는 예를 설명하는 도면.
도 15는 전자기 유도 방식의 에너지 하베스터의 일례의 구성을 개략적으로 보여주는 도면.
도 16은 본 발명의 진동 속도 증폭부의 구성을 도 15의 구성에 결합한 에너지 하베스터의 구성을 개략적으로 보여주는 도면.
도 17은 본 발명의 진동 변위 증폭부를 구비하는 에너지 하베스터의 원리가 자기변형의 원리와 함께 적용된 에너지 하베스터의 실시예의 구성을 개략적으로 보여주는 도면.
도 18은 본 발명의 진동 변위 증폭부를 구비하는 에너지 하베스터의 실시예로써 복수 개의 캔틸레버가 사용되는 예를 보여주는 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1, 61: 구조물 2, 62: 제2질량체
3, 13, 63: 캔틸레버 4: 전지 에너지 발생부
5, 65: 제1질량체 6, 66: 제1탄성부재
7: 등가 제2탄성부재 8: 등가 제2질량체
9: 제1탄성부재 10: 제1질량체
11: 하우징 12: 추가 탄성부재
15: 제1질량체 16: 제1탄성부재
17, 19, 64: 압전 소자 17a, 17c, 19a, 19c: 전극
17b, 19b: 압전체 32: 질량체
33: 탄성부재 34: 압전 소자
42: 부가 질량체 43: 자기 변형체
47: 코일 하우징 48: 코일
49: 자석 51: 가동 전극판
52: 고정 전극판

Claims (11)

  1. 구조물에 연결된 제1탄성부재와, 상기 제1탄성부재가 구조물에 연결된 부분의 타측에 연결된 제1질량체를 포함하는 진동 변위 증폭부;
    상기 진동 변위 증폭부에 연결된 제2탄성부재와, 상기 제2탄성부재에 연결된 제2질량체를 포함하고, 상기 구조물로부터 상기 진동 변위 증폭부를 통해 진동이 전달될 때 진동 변위를 발생시키는 진동부; 및
    상기 진동부에 전달되는 진동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 전기 에너지 발생부를 포함하는 에너지 하베스터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 구조물이 진동할 때 상기 진동 변위 증폭부가 상기 구조물과의 공진에 의해 진동 폭이 커지고, 상기 진동부도 상기 구조물 및 상기 진동 변위 증폭부와의 공진에 의해 진동 폭이 커지는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 구조물, 상기 진동 변위 증폭부 및 상기 진동부의 고유 진동수가 동일한 것을 특징으로 하는 에너지 하베스터.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1질량체에는 중공부가 형성되어 있고, 상기 진동부는 상기 제1질량체의 중공부 내에서 상기 제1질량체에 연결된 것을 특징으로 하는 에너지 하베스터.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2탄성부재는 두께에 비해 폭이 넓고 폭에 비해 길이가 긴 형태의 캔틸레버이고,
    상기 전기 에너지 발생부는, 상기 캔틸레버에 부착되어 상기 캔틸레버의 벤딩 진동에 따라 변형하면서 전력을 발생시키는 압전 소자임을 특징으로 하는 에너지 하베스터.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 진동부의 제2질량체는 하나 이상의 가동 전극판을 포함하고,
    상기 전기 에너지 발생부는 상기 가동 전극판에 대향하여 배치된 고정 전극판을 포함하며,
    상기 가동 전극판과 상기 고정 전극판은 커패시터를 구성하고, 상기 가동 전극판과 고정 전극판 사이의 간격이 변화함에 따라 변화하는 커패시터의 정전용량이 변화하는 것을 이용하여 진동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스터.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 진동부는 자기 변형체를 포함하고, 진동부의 진동에 의해 상기 자기 변형체가 변화되며,
    상기 전기 에너지 발생부는 상기 자기 변형체 주위에 배치된 정자기장 형성부와, 상기 자기 변형체 주위에 배치된 코일을 포함하고,
    상기 자기 변형체가 변형됨에 따라 역자기변형 현상에 따라 상기 코일에 기전력이 유도되도록 하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스터.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 진동부는 상기 제2탄성부재에 연결된 가동 자석을 제2질량체로 포함하고,
    상기 전기 에너지 발생부는 상기 가동 자석에 인접하여 배치된 코일을 포함하여, 가동 자석의 움직임에 따라 상기 코일에 기전력이 유도되도록 하여 진동부에 전달된 진동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스터.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 진동부는 상기 제2탄성부재에 연결된 가동 코일을 제2질량체로 포함하고,
    상기 전기 에너지 발생부는 상기 가동 코일에 인접하여 배치된 자석을 포함하여, 가동 코일의 움직임에 따라 가동 코일에 기전력이 유도되도록 하여 진동부에 전달된 진동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스터.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 진동부 및 상기 진동 속도 증폭부를 덮으면서 상기 구조물에 연결되는 하우징을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스터.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제2탄성부재는, 두께에 비해 폭이 넓고 폭에 비해 길이가 긴 형태를 가지고, 병렬로 배치된 복수 개의 캔틸레버이고,
    상기 전기 에너지 발생부는, 상기 각각의 캔틸레버에 부착되어 상기 캔틸레버의 벤딩 진동에 따라 변형하면서 전력을 발생시키는 압전 소자임을 특징으로 하는 에너지 하베스터.
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