KR20130096827A - 자가발전모듈 및 이를 포함하는 휴대용 전자기기 - Google Patents

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Abstract

휴대용 전자기기는 적어도 하나의 자가발전모듈 및 자가발전모듈에 연결되어 자가발전모듈로부터 발생된 전기 에너지를 휴대용 전자기기의 전원으로 제공하는 로직부를 포함한다. 자가발전모듈은 외부에서 가해지는 힘에 의해 외부의 힘이 가해지는 방향 및 그 반대 방향으로 운동하는 중량부, 중량부를 중심으로 중량부의 측면으로부터 방사형으로 연장되며 중량부로부터 전달된 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 다중 압전 채널부, 및 중량부 및 다중 압전 채널부를 지지하는 지지부를 포함한다. 이에 따라, 다중 채널에서 전기 에너지를 발생시키므로 출력 전압이 높고, 물리적 강도가 우수한 자가발전모듈을 포함한 휴대용 전자기기를 제공할 수 있다.

Description

자가발전모듈 및 이를 포함하는 휴대용 전자기기{SELF POWER GENERATING APPARATUS AND MOBILE DEVICE HAVING THE SAME}
본 발명은 자가발전모듈 및 이를 포함하는 휴대용 전자기기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 MEMS(Micro-Electro-Mechanical System) 기술을 이용한 에너지 수확기술(Energy harvesting)을 기반으로 하는 자가발전모듈 및 이를 포함하는 휴대용 전자기기에 관한 것이다.
MEMS(Micro-Electro-Mechanical System) 기술은 실리콘이나 수정, 유리 등을 가공하여 초미세 기계구조물을 만드는 기술로서 미소전기기계 시스템(마이크로 머시닝 또는 마이크로 시스템)이라고 불린다.
MEMS 기술은 구조적으로 증착과 식각 등의 과정을 반복하는 반도체 미세공정기술을 적용하여 저렴한 비용으로 초소형 제품의 대량생산을 가능하게 하는 장점이 있어, 나노 및 시스템온칩(SoC) 기술의 등장과 함께 중요성이 날로 부각되고 있다.
MEMS는 20세기의 대표적인 산업기술인 반도체 기술에 버금가는 21세기 최대 유망 기술로, 현재 MEMS 기술의 응용 범위는 자동차 에어백의 가속도 센서나 잉크젯 프린터 헤드 등에서 벗어나 유전자 정보 해독을 위한 바이오칩 등 생명의료 분야, 무선부품, 광부품, 미세기계 분야로 급속히 확산되고 있다.
한편, 화석연료의 고갈과 이로 인한 에너지 가격 상승, 특히 화석연료의 온실가스 배출로 인한 환경문제는 심각성을 더해간다. 동시에 새로운 청정에너지 확보가 국가적 화두로 부상했다. 따라서, 신재생 에너지와 에너지 효율 향상 그리고, 환경을 훼손하지 않으면서 안정적 공급이 가능한 미래 에너지 자원을 확보하기 위한 다양한 노력들이 시도되고 있다.
이 가운데 최근 주목받는 기술이 새로운 형태의 신재생 에너지인 에너지 하베스팅(energy harvesting)이다. 에너지 하베스팅 기술이란, 소비되거나 미활용되는 에너지를 수확(harvesting) 또는 폐이용(scavenge)하여 에너지를 재생산하는 것이다. 기기 주변의 환경에너지나 태양, 바람과 같은 자연에너지 등을 수거하여 사용하는 기술로서 얻을 수 있는 전력 수준은 대략 수 uW 내지 mW 정도이다.
에너지 하베스팅 기술은 자연의 빛에너지, 인간신체 또는 연소형 엔진으로부터의 저온 폐열에너지, 휴대용 기기 탑재/부착장치의 미세 진동에너지, 인간의 신체활동(걷거나 뛰는)으로 인한 소산에너지(dissipation energy) 등을 흡수하고, 에너지 하베스팅 소자 기술을 이용하여 흡수한 에너지를 전기에너지로 변환해 전자기기의 전력으로 사용하는 재생형 에너지원이라 할 수 있다.
이러한 MEMS 기술과 에너지 하베스팅 기술을 접목한 에너지 하베스터에 대한 연구개발이 활발해지고 있으나, 현재 사용되는 에너지 하베스터는 나선(spiral) 구조로서, 전기 에너지를 발생시키는 채널(channel)이 하나로 구성된 단일 경로(one path)이다. 따라서, 외부 운동 에너지로부터 전력을 발생 시킬 수는 있으나, 발생 전압은 수십 mV 정도로서 모바일 장치에 사용되는 수 V에 미치지 못한다.
또한, 일정한 진폭으로 운동하는 압전발전의 경우 외부에서 유입되는 특정 주파수의 간섭에 의해 고조파(harmonic)를 일으켜 파손될 위험이 있다. 따라서, 종래의 나선 구조에서 안정적인 전기 에너지를 발생시키기 위해서는 일정 두께 이상의 진동막 및 압전필름을 사용하여 각 채널의 안정적 운동을 확보해야 하므로 장치의 박형화가 어려워진다.
이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 물리적 강도가 높고, 전기적 효율이 높은 자가발전모듈을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 자가발전모듈을 포함하는 휴대용 전자기기를 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시 예에 따른 휴대용 전자기기는, 외부에서 가해지는 힘에 의해 운동하는 중량부, 상기 중량부를 중심으로 방사형으로 형성되며 상기 중량부로부터 전달된 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 다중 압전 채널부, 및 상기 중량부 및 상기 다중 압전 채널부를 지지하는 지지부를 포함하는 적어도 하나의 자가발전모듈을 포함하며, 상기 자가발전모듈로부터 발생된 전기를 공급받는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예에서, 휴대용 전자기기는 상기 자가발전모듈에 연결되어 상기 자가발전모듈로부터 발생된 전기 에너지를 전원으로 제공하는 로직부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에서, 상기 다중 압전 채널부는 상기 중량부를 중심으로 하는 링 형상의 틀; 및 일단이 상기 중량부와 결합하고, 타단이 상기 틀에 결합하여 동일한 길이로 연장되는 복수의 방사형 노드를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에서, 상기 복수의 방사형 노드는 멤스(MEMS; Micro-Electro-Mechanical System) 구조물을 적층할 수 있는 베이스; 상기 베이스 상에 형성되어 상기 전기 에너지가 흐르는 제1 전극과 제2 전극; 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 형성되어 압력이 가해질 때 압전효과에 의한 전압을 발생시키는 압전 필름을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에서, 상기 베이스는 산화물 반도체로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시 예에서, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 백금(Pt), 티탄(Ti), 은(Ag) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에서, 상기 중량부는 상기 복수의 방사형 노드와 부분적으로 접촉하는 측면을 갖는 기둥부; 및 상기 복수의 방사형 노드의 상면 및 하면과 부분적으로 접촉하는 상면부 및 하면부를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에서, 상기 중량부의 종단면은 영문 대문자 "I" 형태로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시 예에서, 상기 자가발전모듈은 상기 중량부와 상기 복수의 방사형 노드의 마찰력을 완화하기 위해 상기 중량부와 상기 복수의 방사형 노드가 접촉하는 부분에 형성되는 완충부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에서, 상기 자가발전모듈은 상기 중량부를 중심으로 갖는 동심원을 형성하며, 상기 틀과 상기 중량부로부터 소정간격 이격되어 링 형상으로 형성되는 보호부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에서, 상기 보호부는 상기 복수의 방사형 노드에 접촉하는 적어도 하나의 링 형상으로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시 예에서, 상기 보호부는 상기 복수의 방사형 노드의 상면 또는 하면 중 적어도 하나의 면에 접촉하여 형성될 수 있다.
본 발명의 실시 예에서, 상기 지지부는 상기 중량부 및 상기 다중 압전 채널부를 상기 자가발전모듈의 바닥으로부터 일정 간격 이격시키기 위해 상기 틀의 하부에 상기 틀 형상을 따라 형성될 수 있다.
본 발명의 실시 예에서, 상기 지지부는 실리콘으로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시 예에서, 상기 지지부는 상기 틀의 상부에 상기 틀 형상을 따라 형성되는 보조 지지부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에서, 상기 로직부는 상기 자가발전모듈로부터 출력되는 전기 에너지를 정류하여 전압을 출력하는 적어도 하나의 전압 출력부; 및 상기 각 전압 출력부로부터 출력되는 전압을 병렬 연결하여 전류를 출력하는 전류 출력부를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에서, 상기 로직부는 상기 로직부의 내부 또는 외부에 구비되어 전하를 축적하는 커패시터부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에서, 상기 각 전압 출력부는 상기 다중 압전 채널부의 각 노드로부터 출력되는 교류 전압을 직류 전압으로 정류하는 복수의 교류-직류 정류부를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에서, 상기 각 전압 출력부는 상기 각 교류-직류 정류부의 출력 전압을 직렬 연결하여 출력 전압을 높이는 직렬 연결부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에서, 상기 로직부가 제공하는 전원은 상기 휴대용 전자기기의 리얼타임클록(Real Time Clock)의 전원으로 이용될 수 있다.
본 발명의 실시 예에서, 상기 로직부가 제공하는 전원은 상기 휴대용 전자기기 및 상기 휴대용 전자기기 내부 소자의 메인 전원용, 보조 전원용, 메인 충전용, 및 보조 충전용 중 하나로 이용될 수 있다.
상기한 본 발명의 다른 목적을 실현하기 위한 일 실시 예에 따른 자가발전모듈은, 외부에서 가해지는 힘에 의해 운동하는 중량부; 상기 중량부를 중심으로 방사형으로 형성되며 상기 중량부로부터 전달된 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 다중 압전 채널부; 및 상기 중량부 및 상기 다중 압전 채널부를 지지하는 지지부를 포함한다.
본 발명의 실시 예에서, 상기 다중 압전 채널부는, 상기 중량부를 중심으로 하는 링 형상의 틀; 및 일단이 상기 중량부와 결합하고, 타단이 상기 틀에 결합하여 동일한 길이로 연장되는 복수의 방사형 노드를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에서, 상기 복수의 방사형 노드는 멤스(MEMS; Micro-Electro-Mechanical System) 구조물을 적층할 수 있는 베이스; 상기 베이스 상에 형성되어 상기 전기 에너지가 흐르는 제1 전극과 제2 전극; 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 형성되어 압력이 가해질 때 압전효과에 의한 전압을 발생시키는 압전 필름을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에서, 상기 자가발전모듈은 상기 중량부를 중심으로 갖는 동심원을 형성하며, 상기 틀과 상기 중량부로부터 소정간격 이격되어 링 형상으로 형성되는 보호부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에서, 상기 보호부는 상기 복수의 방사형 노드에 접촉하는 적어도 하나의 링 형상으로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시 예에서, 상기 보호부는 상기 복수의 방사형 노드의 상면 또는 하면 중 적어도 하나의 면에 접촉하여 형성될 수 있다.
이와 같은 자가발전모듈에 따르면, 전기 에너지를 발생시키는 다중 채널(multi-channel) 구조를 가지므로, 높은 전압을 발생시킬 수 있다. 또한, 외부의 과도한 운동 에너지 유입 및 주파수 유입으로 발생하는 고조파(harmonic)에 의한 발진에 강한 구조이므로, 물리적 강도가 우수하다.
자가발전모듈은 비교적 얇은 두께의 압전 필름을 사용하고 작은 면적으로 설계가 가능하므로, 상기 자가발전모듈을 포함하는 휴대용 전자기기는 박형화 및 소형화가 가능하다. 또한, 상기 자가발전모듈에서 제공되는 전원을 충전용 또는 전원용으로 사용할 수 있으므로, 외부 전원이 인가되지 않는 경우에도 안정적인 전원을 공급받을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 자가발전모듈의 단면도이다.
도 2는 도 1의 자가발전모듈의 평면도이다.
도 3은 도 1의 자가발전모듈의 중량부의 평면도 및 단면도이다.
도 4는 외부로부터 힘이 인가될 때 도 1의 자가발전모듈의 다중 압전 채널부의 운동을 보여주는 개념도이다.
도 5는 도 1의 자가발전모듈의 보호부의 단면도들이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 자가발전모듈의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 자가발전모듈의 중량부의 평면도 및 단면도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 자가발전모듈의 다중 압전 채널부를 보여주는 평면도들이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 자가발전모듈의 보호부의 평면도 및 단면도들이다.
도 10은 본 발명의 자가발전모듈을 포함하는 휴대용 전자기기의 내부 블록도이다.
도 11은 본 발명의 자가발전모듈을 포함하는 휴대용 전자기기의 내부 블록도이다.
도 12는 본 발명의 자가발전모듈을 포함하는 휴대용 전자기기의 내부 블록도이다.
이하, 도면들을 참조하여 MEMS(Micro-Electro-Mechanical System) 기술을 이용한 에너지 수확기술(energy harvesting)을 기반으로 하는 휴대용 전자기기의 자가발전모듈 및 이를 포함하는 충전장치 및 배터리 팩의 바람직한 실시 예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 자가발전모듈(1)은 중량부(10), 다중 압전 채널부(30) 및 지지부(50)를 포함한다. 자가발전모듈(1)은 완충부(70) 또는 보호부(90)를 더 포함할 수 있다.
자가발전모듈(1)은 휴대용 전자기기(2) 내부에 형성될 수 있다. 휴대용 전자기기(2)는 예를 들어, 스마트 폰, 태블릿 컴퓨터, 넷북, 피디에이(PDA), 피엠피(PMP), 피에스피(PSP), 엠피쓰리(MP3) 플레이어, 이북(e-book) 리더, 네비게이션, 디지털 카메라, 전자사전, 전자시계 등 전원이 필요한 모든 운반 가능한 전자장치를 포함할 수 있다.
중량부(10)는 외부에서 가해지는 힘이 전달되어 운동을 함으로서, 외부의 힘을 운동 에너지로 변환하는 일종의 무게추이다. 중량부(10)는 자가발전모듈(1)의 중심에 위치하며, 외부에서 힘이 작용하면 힘이 작용하는 방향과 그 반대 방향으로 반복적으로 운동한다. 중량부(10)를 중심으로 다중 압전 채널부(30)가 방사형(radial shape)으로 배치되며, 중량부(10)의 운동 에너지가 다중 압전 채널부(30)로 전달된다.
도 3(a) 및 도 3(b)를 참조하면, 중량부(10)는 다중 압전 채널부(30)와 부분적으로 접촉하는 측면을 갖는 기둥부(11) 및 다중 압전 채널부(30)의 상면 및 하면과 부분적으로 접촉하는 상면부(13) 및 하면부(15)를 포함한다.
중량부(10)의 평면 형상은 원형이고, 중량부(10)의 길이 방향의 단면은 영문 대문자 "I" 형태로 형성될 수 있다. 이 경우, 기둥부(11)는 원기둥 형상을 가지며, 상면부(13) 및 하면부(15)는 기둥부(11)의 단면의 원형의 형상과 중심은 같으나 지름이 큰 원기둥 형상을 가질 수 있다.
중량부(10)의 측면과 접촉하여 다중 압전 채널부(30)가 형성되므로, 자가발전모듈(1)의 박형화가 가능하고, 다중 압전 채널부(30)에 높은 운동 에너지의 전달이 가능하다. 그러나, 중량부(10)의 형태는 이에 한정되는 것이 아니고, 다중 압전 채널부(30)의 개수 및 형태에 따라 다양하게 변형시킬 수 있다.
다중 압전 채널부(30)는 중량부(10)를 중심으로 방사형으로 형성되며, 방사형의 다중 압전 채널부(30)는 중량부(10)로부터 전달된 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하기 위한 다중 채널(multi-channel) 구조를 형성한다. 다중 압전 채널부(30)는 일단이 중량부(10)에 결합되고, 타단이 중량부(10)를 중심으로 하는 링(ring) 형상의 틀(32)에 결합되는 복수의 방사형 노드(34)로 구성된다. 다중 압전 채널부(30)는 적어도 두 개 이상의 방사형 노드(34)를 갖는다.
복수의 방사형 노드(34)는 양단이 중량부(10) 및 링 형상의 틀(32)에 각각 결합된 형태이므로, 중량부(10)의 운동에 대한 변위가 짧아 고조파(harmonic)의 발생 가능성을 낮출 수 있다.
복수의 방사형 노드(34)는 전기 에너지를 형성하는 다중 채널(multi-channel)을 형성한다. 복수의 방사형 노드(34)는 압전소자로 구성되어 운동하면서 휘어지는 방향으로 압축되어 분극현상이 일어나게 된다. 압전소자란 물리적인 압력이 가해질 때 물질 내부의 분극현상으로 전압이 발생하는 것으로 수정, 로셀염, 티탄산바륨(BaTiO3), 인공세라믹(PZT) 등이 그 예이다. 분극현상에 따라 + 전하와 - 전하가 발생하고, + 전하와 - 전하가 서로 반대 방향으로 이동하여 전위차가 발생하게 된다.
복수의 방사형 노드(34)는 서로 동일한 길이를 갖는다. 복수의 방사형 노드(34)는 서로 동일한 길이를 가지므로 각 노드는 동일한 전압 및 전류를 출력할 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 방사형 노드(34)가 8개인 경우 8개의 노드에서 동일한 전기 에너지가 발생한다. 이에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다.
예를 들어, 휴대용 전자기기(2)를 소지한 사용자가 걷거나 뛰는 등 휴대용 전자기기(2)를 움직이게 되면, 자가발전모듈(1)의 중량부(10)는 외력에 의해 도 1을 기준으로 상하방향으로 운동한다. 이에 따라, 중량부(10)의 운동 에너지가 다중 압전 채널부(30)에 전달되어 다중 압전 채널부(30) 역시 도 1을 기준으로 상하 방향으로 운동을 하게 된다.
도 4(a)에 도시된 바와 같이, 중량부(10)에 제1 방향(D1)으로 힘이 작용하면, 중량부(10)는 기준지점(P)으로부터 제1 방향(D1)으로 이동한다. 중량부(10)의 이동에 따라, 다중 압전 채널부(30)가 휘어지며 제1 방향(D1)으로 압축력이 작용한다.
마찬가지로, 도 4(b)에 도시된 바와 같이, 중량부(10)에 제1 방향(D1)과 반대방향인 제2 방향(D2)으로 힘이 작용하면, 중량부(10)는 기준지점(P)으로부터 제2 방향(D2)으로 이동한다. 중량부(10)의 이동에 따라, 다중 압전 채널부(30)가 휘어지며 제2 방향(D2)으로 압축력이 작용한다.
방사형 노드(34)는 베이스(31), 베이스(31) 상에 형성된 제1 전극(33)과 제2 전극(37) 및 제1 전극(33)과 제2 전극(37) 사이에 형성된 압전 필름(35)을 포함할 수 있다.
베이스(31)는 산화물 반도체로 형성될 수 있고, 예를 들어 이산화규소(SiO2)를 포함할 수 있다. 베이스(31)가 산화물 반도체로 형성됨에 따라 베이스(31) 상에 형성되는 구조물들을 MEMS 기술을 이용하여 형성할 수 있다.
압전 필름(35)은 압전소자로서, 상하 운동에 따라 휘어지는 방향으로 압축되어 전기 에너지가 발생한다. 예를 들어, 베이스(31)는 약 20 um, 압전 필름(35)은 약 10 um의 두께를 가질 수 있다.
중량부(10)가 힘을 받으면 방사형 노드(34)가 상하 운동을 통해 전기 에너지를 발생시키는데, 방사형 노드(34)는 중량부(10)와 가장 가까운 부분에서 변위가 가장 크므로 높은 전기 에너지를 발생시키고, 중량부(10)와 멀어질수록 변위가 작아지므로 전기 에너지의 발생이 줄어들 것이다.
압전 필름(35)의 상면 및 하면에는 각각 제1 전극(33)과 제2 전극(37)이 형성된다. 제1 전극(33)과 제2 전극(37)은 각각 + 단자와 - 단자 중 하나의 역할을 하며, 압전 필름(35)에서 발생한 전기 에너지가 흐르는 통로가 된다.
제1 전극(33)과 제2 전극(37)은 백금(Pt), 티탄(Ti), 은(Ag) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 전극(33)은 은(Ag)으로 형성될 수 있고, 제2 전극(37)은 백금(Pt) 또는 티탄(Ti)을 포함할 수 있다.
방사형 노드(34)를 구성하는 베이스(31), 제1 전극(33), 압전 필름(35) 및 제2 전극(37)은 차례로 적층되어 형성되며 서로 대응하거나 동일한 형상을 가질 수 있다. 링 형상의 틀(32)은 제조의 편의상 방사형 노드(34)와 동일한 적층 구조를 가질 수 있으나, 전기적 에너지를 발생하지 않으므로 이에 한정될 필요는 없다.
지지부(50)는 중량부(10) 및 다중 압전 채널부(30)를 지지한다. 지지부(50)는 중량부(10) 및 다중 압전 채널부(30)가 휴대용 전자기기(2)로부터 일정간격을 유지하여 운동할 수 있도록 한다. 지지부(50)는 실리콘으로 형성될 수 있다.
지지부(50)는 다중 압전 채널부(30)의 링 형상의 틀(32)과 대응하도록 링 형상의 틀(32) 하부에 링 형상으로 형성될 수 있다. 또는, 지지부(50)는 링 형상의 틀(32)과 부분적으로 대응하도록 링 형상의 틀(32) 하부에 기둥 형상으로 형성될 수도 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 지지부(50)의 개수 및 형상은 이에 한정되지 않고, 필요에 따라 설계할 수 있다.
완충부(70)는 중량부(10)와 방사형 노드(34)가 접촉하는 부분에 형성되어 물리적 충격을 흡수할 수 있다. 완충부(70)는 중량부(10)와 방사형 노드(34)의 과도한 움직임으로 인한 충격 및 충격으로 인한 파손을 방지한다. 또한, 완충부(70)는 중량부(10)와 다중 압전 채널부(30)의 마찰력을 줄여주며, 서로의 접합을 용이하게 할 수 있다.
보호부(90)는 다중 압전 채널부(30)의 물리적 강도를 높이기 위해 형성된다. 보호부(90)는 다중 압전 채널부(30)의 상하 운동으로 인해 발생하는 진동(oscillation)에 의한 파손을 방지한다.
보호부(90)는 중량부(10)를 중심으로 링(ring) 형상으로 형성된다. 보호부(90)는 링 형상의 틀(32)과 중량부(10)를 동일한 중심으로 갖는 동심원을 형성하며, 틀(32)과 중량부(10)로부터 소정 간격으로 이격되어 형성된다. 보호부(90)는 다중 압전 채널부(30)의 상면 또는 하면 중 적어도 하나에 접촉하여 형성할 수 있으며, 하나 또는 두 개 이상 형성될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 보호부(90)는 방사형 노드(34)의 상면 및 하면에 모두 접촉하여 형성될 수 있다. 도 1에서는 방사형 노드(34)의 상면 및 하면에 형성된 보호부(90)가 서로 대응되는 링 형상을 가지나, 필요에 따라 중량부(10)를 중심으로 서로 다른 반지름을 갖는 링 형상을 가질 수도 있다.
예를 들어, 도 5(a)에 도시된 바와 같이, 보호부(90a)는 방사형 노드(34)의 상면에만 접촉하여 형성될 수 있고, 도 5(b)에 도시된 바와 같이, 보호부(90b)는 방사형 노드(34)의 하면에만 접촉하여 형성될 수 있다.
본 실시 예에 따른 자가발전모듈(1)은 방사형 노드(34)를 포함하는 다중 압전 채널부(30)를 가지므로, 다중 채널(multi-channel)에서 전기 에너지가 발생하여 출력 전압을 높일 수 있으며, 동시에 발진으로 인한 파괴 가능성이 줄어든다.
또한, 중량부(10)의 형상에 따라 높은 운동 에너지를 다중 압전 채널부(30)에 전달할 수 있고, 자가발전모듈(1)의 박형화가 가능하다. 나아가, 완충부(70) 또는 보호부(90)를 추가하여 자가발전모듈(1)의 물리적 강도를 더욱 높일 수 있다.
도 6을 참조하면, 본 실시 예에 따른 자가발전모듈(3)은 보조 지지부(55)를 제외하고, 도 1 및 도 2의 자가발전모듈(1)와 실질적으로 동일하다. 따라서, 도 1 및 도 2의 자가발전모듈(1)와 동일한 구성요소는 동일한 도면부호를 부여하고, 반복되는 설명은 생략한다.
본 실시 예에 따른 자가발전모듈(9)은 물리적 강도를 더욱 높게 하기 위해 보조 지지부(55)를 더 포함한다. 보조 지지부(55)는 지지부(50)와 동일한 물질(예를 들어, 실리콘)로 형성되거나 베이스(31)와 동일한 물질(예를 들어, 산화물 반도체)로 형성될 수 있다.
보조 지지부(55)는 다중 압전 채널부(30)의 상면에 형성된다. 보조 지지부(55)는 다중 압전 채널부(30)의 링 형상의 틀(32)과 대응하도록 링 형상의 틀(32) 상부에 링 형상으로 형성될 수 있다. 또는, 보조 지지부(55)는 링 형상의 틀(32)과 부분적으로 대응하도록 링 형상의 틀(32) 상부에 기둥 형상으로 형성될 수도 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 보조 지지부(55)의 개수 및 형상은 이에 한정되지 않고, 필요에 따라 설계할 수 있다.
도 7(a) 및 도 7(b)를 참조하면, 중량부(10a)의 평면 형상은 정팔각형이고, 중량부(10a)의 길이 방향의 단면은 영문 대문자 "I" 형태로 형성될 수 있다.
이 경우, 기둥부(11a)는 정팔각기둥 형상을 가지며, 상면부(13a) 및 하면부(15a)는 기둥부(11a)의 단면의 정팔각형의 형상과 중심은 같으나 변심거리가 긴 정팔각기둥 형상을 가질 수 있다. 기둥부(11a)에 중공이 형성될 수도 있다.
그러나, 중량부(10a)의 형태는 이에 한정되는 것이 아니고, 다중 압전 채널부(30)의 개수 및 형태에 따라 다양하게 변형시킬 수 있다. 예를 들어, 다중 압전 채널부(30)가 6 개의 채널을 갖는 경우 중량부(10a)의 상면부(13a), 하면부(15a) 및 기둥부(11a)는 정육각형 형태의 단면을 가질 수 있다.
또는, 다중 압전 채널부(30)가 8 개의 채널을 갖는 경우 정팔각기둥 형상의 기둥부(11a)를 가질 수 있으나, 상면부(13a) 및 하면부(15a)는 정팔각기둥 형상에 한정되지 않고 원기둥 형상을 가질 수도 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 중량부의 형상은 이에 한정되지 않고, 필요에 따라 설계할 수 있다.
도 8(a), 도 8(b) 및 도 8(c)를 참고하면, 다중 압전 채널부가 중량부를 중심으로 중량부의 측면으로부터 방사형으로 연장되는 것은 도 1의 실시 예와 동일하나, 방사형 노드의 개수가 다르다.
즉, 도 8(a)에서는 3개의 노드(34a)가 형성되므로, 전기 에너지는 3개의 채널에서 발생하고, 도 8(b)에서는 5개의 노드(34b)가 형성되므로, 전기 에너지는 5개의 채널에서 발생한다. 마찬가지로, 도 8(c)에서는 4개의 노드(34c)가 형성되므로, 전기 에너지는 4개의 채널에서 발생한다.
그러나, 도 8은 다중 압전 채널부(30)의 예들에 불과하며, 방사형 노드의 개수 및 배치를 변경하여 외부 운동 에너지에 대한 민감도를 조절할 수 있다.
도 9(a)를 참조하면, 보호부(92a)는 중량부(10)를 중심으로 두 개의 링 형상으로 형성될 수 있다. 보호부(92b)는 도 9(b)에 도시된 바와 같이 서로 대응하는 두 쌍의 링 형상으로 다중 압전 채널부(30)의 상면 및 하면에 모두 접촉하여 형성될 수 있다.
또는, 도 9(c) 및 도 9(d)에 도시된 바와 같이, 보호부(92c, 92d)는 상호 이격되어 엇갈리게 형성된 두 개의 링 형상으로 다중 압전 채널부(30)의 상면 및 하면에 각각 접촉하여 형성될 수 있다. 또는, 도 9(e) 및 도 9(f)에 도시된 바와 같이, 보호부(92e, 92f)는 반지름이 다른 두 개의 링 형상으로 다중 압전 채널부(30)의 상면에만 형성되거나 하면에만 접촉하여 형성될 수 있다.
그러나, 도 9는 보호부의 예들에 불과하며, 보호부의 개수 및 형상은 이에 한정되지 않고, 필요에 따라 설계할 수 있다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 휴대용 전자기기(4)는 적어도 하나의 자가발전모듈(1) 및 자가발전모듈(1)과 연결되어 자가발전모듈(1)로부터 발생하는 전기 에너지를 전원으로 출력하는 로직부(300)를 포함한다.
자가발전모듈(1)은 도 1 내지 도 9에서 설명한 자가발전모듈(1) 중 하나와 동일하므로 반복되는 설명은 생략한다.
로직부(300)는 자가발전모듈(1)의 각 노드(34)를 직렬 또는 병렬 연결하여 높은 전원이 출력되도록 구성할 수 있다. 로직부(300)는 자가발전모듈(1)로부터 출력되는 교류 전압을 정류하여 직류 전압을 출력하는 적어도 하나의 전압 출력부(310) 및 전압 출력부(310)의 출력을 병렬로 연결하여 출력 전류를 높이는 전류 출력부(350)를 포함한다.
전압 출력부(310)는 다중 압전 채널부(30)의 각 노드(34)로부터 출력되는 교류 전압을 직류로 정류하는 복수개의 교류-직류 정류부(301)를 포함할 수 있다. 교류-직류 정류부(301)는 다중 압전 채널부(30)의 방사형 노드(34) 각각에 연결될 수 있다.
전압 출력부(310)는 하나의 자가발전모듈(1)의 다중 압전 채널부(30) 전체 또는 일부와 연결될 수도 있다. 또는, 전압 출력부(310)는 두 개 이상의 자가발전모듈(1)의 다중 압전 채널부(30) 전체 또는 일부와 연결될 수도 있다. 도 10에서는 두 개의 전압 출력부(310, 330)를 갖는 것으로 도시하였으나, 이에 한정되지 않고 필요에 따라 설계할 수 있다.
전압 출력부(310)는 복수개의 교류-직류 정류부(301)의 각 출력 전압을 직렬 연결하는 직렬 연결부(303)를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 다중 압전 채널부(30)의 각 노드(34)로부터 출력되는 전압을 직렬 연결하여 출력 전압을 높일 수 있다. 출력 전압은 필요에 따라 수십 mV부터 수 V까지의 출력이 가능하며, 예를 들어, 출력 전압은 약 2 V 내지 5.6 V일 수 있다.
전류 출력부(350)는 각 전압 출력부(310)로부터 출력되는 전압을 병렬 연결하여 출력 전류를 높일 수 있다. 이 경우, 출력 전류를 높여 커패시터부(370)의 용량성을 높일 수 있다.
로직부(300)는 전하를 축적하여 전력의 저장고 역할을 하는 캐패시터부(370)를 더 포함할 수 있다. 커패시터부(370)는 로직부(300)에 내부 커패시터로 형성될 수 있으나, 로직부(300)와는 별도로 외부 커패시터로 형성될 수도 있다.
본 실시 예에 따른 휴대용 전자기기(4)는 하나의 자가발전모듈(1)을 포함하여 외부 전원이 인가되지 않는 경우에도 안정된 전원을 공급받을 수 있고, 전압 출력부(310) 및 전류 출력부(350)의 설계에 따라 타겟(target) 전압 또는 전류를 출력할 수 있다.
또한, 자가발전모듈(1)은 비교적 얇은 두께의 압전 필름을 사용하고, 작은 면적으로 설계가 가능하므로, 이를 포함하는 휴대용 전자기기(4)는 박형화 및 소형화가 가능하다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 휴대용 전자기기(6)는 자가발전모듈(5)을 리얼타임클록(Real Time Clock, 이하 RTC, 200)의 충전용으로 이용할 수 있다.
제1 커패시터(C1) 및 제2 커패시터(C2)는 바이 패스(by-pass)용 커패시터로서, 제1 커패시터(C1)는 자가발전모듈(5)의 보조 커패시터이며, 제2 커패시터(C2)는 출력단의 노이즈(noise)를 제거한다.
현재 사용되고 있는 휴대용 전자기기의 RTC 구동은 2차 전지로서 별도의 코인형 전지(Coin-Shaped Cell) 및 코인형 전지의 충전회로를 이용한다. 휴대용 전자기기의 배터리로부터 공급되는 메인 전원은 충전회로에 공급되어 코인형 전지를 충전하는 동시에 RTC로 전원이 공급된다. 반면, 메인 전원이 공급되지 않는 경우, 충전회로는 파워 오프(off)를 인식하고 RTC로 입력되는 전원을 코인형 전지로 대체한다. 그러나, 코인형 전지는 과충전 시 폭발의 위험이 있으므로, 폭발을 방지하기 위한 별도의 IC가 필수적으로 구비되어야 한다.
이에 비해, 본 발명에 따른 자가발전모듈(5)은 자가 발전이 가능하므로 RTC(200) 구동에 이용하는 경우, 별도의 전지 및 충전회로를 필요로 하지 않아 실장면적을 줄일 수 있다. 또한, 별도의 용량 제한 없이 외부에서 전달되는 운동 에너지를 전기 에너지로 전환하여 전원의 제공이 가능하다. 외부에서 전달되는 운동 에너지가 없는 경우라도 커패시터부(370)에 저장된 전력을 이용할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 자가발전모듈(5)은 대기시간에 대한 제한도 없다.
본 실시 예에서는 자가발전모듈(5)을 휴대용 전자기기(6)의 RTC(200)의 충전용으로 사용하는 것으로 설명하였으나, 휴대용 전자기기(6) 및 휴대용 전자기기(6)의 내부 소자들의 메인(main) 전원용 또는 보조 전원용으로 이용할 수 있다.
도 12를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 자가발전모듈(7)을 이용하여 휴대용 전자기기(8)의 배터리 팩을 형성할 수 있다. 휴대용 전자기기(8)는 자가발전모듈(7), 충전 및 방전을 반복하는 배터리부(500) 및 자가발전모듈(7)로부터 출력되는 전원을 배터리부(500)로 일정하게 공급하는 충전 회로부(700)를 포함한다.
휴대용 전자기기(8)은 배터리부(500)의 과충전 및 과방전을 보호하는 보호 회로부(900)를 더 포함할 수 있다. 보호 회로부(900)는 PCM(Protection Circuit Module) 회로라고 불리며, 외부의 전기적 충격으로부터 배터리부(500)의 폭발을 막고, 배터리부(500)의 수명을 보호한다.
보호 회로부(900)에 연결된 단자들(T1 내지 T4)는 필요에 따라 설계하여 사용할 수 있으며, 예를 들어, + 단자, - 단자, ID 단자, 온도 출력 단자로 사용할 수 있다. ID 단자를 통하여 각 휴대용 전자기기(8)에 적합한 배터리 팩인지 확인할 수 있다.
보호 회로부(900)는 과전압이 유입될 때 충전 경로를 오픈(open)하는 OVP(Over Voltage Protection) 기능 및 과전류가 유입될 때 충전 경로를 오픈하는 OCP(Over Current Protection) 기능을 가질 수 있다. 또한, 온도에 따라 전기 저항값이 달라지는 반도체 소자를 이용하여 배터리부(500)의 온도 변화를 확인하는 기능을 가질 수도 있다.
본 발명에 따른 자가발전모듈(7)을 휴대용 전자기기(8)의 및 휴대용 전자기기(8)의 내부 소자들의 메인(main) 전원/보조 전원용 또는 메인 충전/보조 충전용으로 이용할 수 있다.
이상에서는 실시 예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
1, 3, 5, 7, 9: 자가발전모듈 2, 4, 6, 8: 휴대용 전자기기
10: 중량부 30: 다중 압전 채널부
31: 베이스 33: 제1 전극
35: 압전 필름 37: 제2 전극
50: 지지부 55: 보조 지지부
70: 완충부 90, 92: 보호부
300: 로직부 310, 330: 전압 출력부
350: 전류 출력부 370: 커패시터부
200: RTC 500: 배터리부
700: 충전 회로부 900: 보호 회로부

Claims (27)

  1. 외부에서 가해지는 힘에 의해 운동하는 중량부, 상기 중량부를 중심으로 방사형으로 형성되며 상기 중량부로부터 전달된 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 다중 압전 채널부, 및 상기 중량부 및 상기 다중 압전 채널부를 지지하는 지지부를 포함하는 적어도 하나의 자가발전모듈을 포함하며, 상기 자가발전모듈로부터 발생된 전기를 공급받는 것을 특징으로 하는 휴대용 전자기기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 자가발전모듈에 연결되어 상기 자가발전모듈로부터 발생된 전기 에너지를 출력하는 로직부를 더 포함하는 휴대용 전자기기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 다중 압전 채널부는,
    상기 중량부를 중심으로 하는 링 형상의 틀; 및
    일단이 상기 중량부와 결합하고, 타단이 상기 틀에 결합하여 동일한 길이로 연장되는 복수의 방사형 노드를 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용 전자기기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 복수의 방사형 노드는,
    멤스(MEMS; Micro-Electro-Mechanical System) 구조물을 적층할 수 있는 베이스;
    상기 베이스 상에 형성되어 상기 전기 에너지가 흐르는 제1 전극과 제2 전극; 및
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 형성되어 압력이 가해질 때 압전효과에 의한 전압을 발생시키는 압전 필름을 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용 전자기기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 베이스는 산화물 반도체로 형성되는 것을 특징으로 하는 휴대용 전자기기.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 백금(Pt), 티탄(Ti), 은(Ag) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용 전자기기.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 중량부는,
    상기 복수의 방사형 노드와 부분적으로 접촉하는 측면을 갖는 기둥부; 및
    상기 복수의 방사형 노드의 상면 및 하면과 부분적으로 접촉하는 상면부 및 하면부를 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용 전자기기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 중량부의 종단면은 영문 대문자 "I" 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 휴대용 전자기기.
  9. 제3항에 있어서,
    상기 자가발전모듈은 상기 중량부와 상기 복수의 방사형 노드의 마찰력을 완화하기 위해 상기 중량부와 상기 복수의 방사형 노드가 접촉하는 부분에 형성되는 완충부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용 전자기기.
  10. 제3항에 있어서,
    상기 자가발전모듈은 상기 중량부를 중심으로 갖는 동심원을 형성하며, 상기 틀과 상기 중량부로부터 소정간격 이격되어 링 형상으로 형성되는 보호부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용 전자기기.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 보호부는 상기 복수의 방사형 노드에 접촉하는 적어도 하나의 링 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 휴대용 전자기기.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 보호부는 상기 복수의 방사형 노드의 상면 또는 하면 중 적어도 하나의 면에 접촉하여 형성되는 것을 특징으로 하는 휴대용 전자기기.
  13. 제3항에 있어서,
    상기 지지부는 상기 중량부 및 상기 다중 압전 채널부를 상기 자가발전모듈의 바닥으로부터 일정 간격 이격시키기 위해 상기 틀의 하부에 상기 틀 형상을 따라 형성되는 것을 특징으로 하는 휴대용 전자기기.
  14. 제3항에 있어서,
    상기 지지부는 실리콘으로 형성되는 것을 특징으로 하는 휴대용 전자기기.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 지지부는 상기 틀의 상부에 상기 틀 형상을 따라 형성되는 보조 지지부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용 전자기기.
  16. 제3항에 있어서,
    상기 로직부는,
    상기 자가발전모듈로부터 출력되는 전기 에너지를 정류하여 전압을 출력하는 적어도 하나의 전압 출력부; 및
    상기 각 전압 출력부로부터 출력되는 전압을 병렬 연결하여 전류를 출력하는 전류 출력부를 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용 전자기기.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 로직부는 상기 로직부의 내부 또는 외부에 구비되어 전하를 축적하는 커패시터부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용 전자기기.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 각 전압 출력부는 상기 다중 압전 채널부의 각 노드로부터 출력되는 교류 전압을 직류 전압으로 정류하는 복수의 교류-직류 정류부를 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용 전자기기.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 각 전압 출력부는 상기 각 교류-직류 정류부의 출력 전압을 직렬 연결하여 출력 전압을 높이는 직렬 연결부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용 전자기기.
  20. 제2항에 있어서,
    상기 로직부가 제공하는 전기 에너지는 상기 휴대용 전자기기의 리얼타임클록(Real Time Clock)의 전원으로 이용되는 것을 특징으로 하는 휴대용 전자기기.
  21. 제2항에 있어서,
    상기 로직부가 제공하는 전기 에너지는 상기 휴대용 전자기기 및 상기 휴대용 전자기기 내부 소자의 메인 전원용, 보조 전원용, 메인 충전용, 및 보조 충전용 중 하나로 이용되는 것을 특징으로 하는 휴대용 전자기기.
  22. 외부에서 가해지는 힘에 의해 운동하는 중량부;
    상기 중량부를 중심으로 방사형으로 형성되며 상기 중량부로부터 전달된 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 다중 압전 채널부; 및
    상기 중량부 및 상기 다중 압전 채널부를 지지하는 지지부를 포함하는 자가발전모듈.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 다중 압전 채널부는,
    상기 중량부를 중심으로 하는 링 형상의 틀; 및
    일단이 상기 중량부와 결합하고, 타단이 상기 틀에 결합하여 동일한 길이로 연장되는 복수의 방사형 노드를 포함하는 것을 특징으로 하는 자가발전모듈.
  24. 제22항에 있어서,
    상기 복수의 방사형 노드는,
    멤스(MEMS; Micro-Electro-Mechanical System) 구조물을 적층할 수 있는 베이스;
    상기 베이스 상에 형성되어 상기 전기 에너지가 흐르는 제1 전극과 제2 전극; 및
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 형성되어 압력이 가해질 때 압전효과에 의한 전압을 발생시키는 압전 필름을 포함하는 것을 특징으로 하는 자가발전모듈.
  25. 제22항에 있어서,
    상기 중량부를 중심으로 갖는 동심원을 형성하며, 상기 틀과 상기 중량부로부터 소정간격 이격되어 링 형상으로 형성되는 보호부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자가발전모듈.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 보호부는 상기 복수의 방사형 노드에 접촉하는 적어도 하나의 링 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 자가발전모듈.
  27. 제26항에 있어서,
    상기 보호부는 상기 복수의 방사형 노드의 상면 또는 하면 중 적어도 하나의 면에 접촉하여 형성되는 것을 특징으로 하는 자가발전모듈.
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