KR20140139313A - 압전 에너지 하베스터 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 일단이 고정되고 타단이 진동하는 캔틸레버; 상기 캔틸레버의 일면에 배치되는 압전 소자; 및 상기 캔틸레버의 스트레인 분포를 조절하기 위해 상기 캔틸레버와 결합하는 스트레인 분포 조절부재;를 포함하는 에너지 하베스터에 관한 것이다.
Description
본 발명은 에너지 하베스터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 압전 에너지 하베스터에 관한 것이다.
많은 기계 장치들은 작동할 때 항상 진동 에너지를 발생시킨다. 내연기관, 벨트, 축 풀리 등의 회전 기계 요소와 유체의 내부유동 및 외부유동에 의한 가진(flow induced vibration), 균형 잡힌 회전체의 기계적 마모에 의해 발생한 편심(eccentric)에 의한 회전체 가진 등이 진동 에너지에 해당한다. 이러한 진동 에너지는 기계적으로 불필요한 에너지이며 일종의 에너지 손실에 해당한다.
이러한 진동 에너지를 활용하기 위한 방법 중 하나는 진동 에너지를 전기 에너지로 수집하여 활용 가능한 에너지로 변환하는 방법이다. 이러한 에너지 변환을 위한 물질은 압전 소자(Piezoelectric material)이다.
압전 현상을 이용하여 진동 에너지를 이용하는 방법의 원리는 다음과 같다. 즉, 진동에 의한 기계적 에너지가 압전 소자를 변형 시키고 이러한 변형이 분극을 일으키고 결국 전압을 발생하는 압전 소자의 물리적 성질을 이용하는 것이다. 그러나 생성되는 전력의 한계로 에너지 하베스터로서의 실질적 이용은 최근에서야 가능하게 되었다.
도 1에 나타난 캔틸레버 빔은 압전 소자를 이용한 에너지 하베스터의 대표적인 예이다. 질량체는 캔틸레버 빔의 고유 진동수를 조절하기 위해서 사용되며 진동 에너지에 의해 자유단이 진동하면서 압전 소자가 에너지를 발생시킨다. 하지만, 압전층의 고르지 않은 스트레인 분포는 에너지 하베스터의 전체적인 효율을 감소시켜 문제가 되고 있다.
본 발명의 저비용으로 제작 가능하면서 효율이 향상된 에너지 하베스터를 제공하는 것이다.
본 발명의 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 일단이 고정되고 타단이 진동하는 캔틸레버;
상기 캔틸레버의 일면에 배치되는 압전 소자; 및 상기 캔틸레버의 스트레인 분포를 조절하기 위해 상기 캔틸레버와 결합하는 스트레인 분포 조절부재; 를 포함하는 에너지 하베스터일 수 있다.
상기 스트레인 분포 조절부재는 삼각형 형상의 기판인 에너지 하베스터일 수 있다.
상기 스트레인 분포 조절부재는 상기 캔틸레버의 일면 또는 타면에 배치되고, 상기 스트레인 분포 조절부재의 일변은 상기 캔틸레버의 상기 일단과 나란하게 배치되는 에너지 하베스터일 수 있다.
상기 캔틸레버는 판상의 부재이고 폭이 일정한 에너지 하베스터일 수 있다.
상기 스트레인 분포 조절부재는 상기 캔틸레버의 상기 일단으로 갈수록 두께가 두꺼워지는 에너지 하베스터일 수 있다.
상기 스트레인 분포 조절부재는 사다리꼴 형상의 기판인 에너지 하베스터일 수 있다.
상기 스트레인 분포 조절부재는 상기 캔틸레버의 일면 또는 타면에 배치되고, 상기 스트레인 분포 조절부재의 평행한 두 변은 상기 캔틸레버의 상기 일단과 나란하게 배치되는 에너지 하베스터일 수 있다.
상기 캔틸레버는 판상의 부재이고 폭이 일정한 에너지 하베스터일 수 있다.
상기 스트레인 분포 조절부재는 상기 캔틸레버의 상기 일단으로 갈수록 두께가 두꺼워지는 에너지 하베스터일 수 있다.
상기 스트레인 분포 조절부재는 상기 평행한 두 변 중 상기 캔틸레버의 일단에 가까운 변의 길이가 더 긴 에너지 하베스터일 수 있다.
상기 스트레인 분포 조절부재는 상기 캔틸레버와 폭이 동일하고 상기 캔틸레버의 일단으로 갈수록 두께가 두꺼워지는 에너지 하베스터일 수 있다.
상기 압전 소자는 상기 캔틸레버의 일면 또는 양면에 배치되는 에너지 하베스터일 수 있다.
상기 스트레인 분포 조절부재의 재질은 유리 섬유 강화 플라스틱 또는 탄소 섬유 강화 플라스틱인 에너지 하베스터일 수 있다.
상기 캔틸레버의 고유 진동수를 조정하기 위한 질량체; 를 더 포함하는 에너지 하베스터일 수 있다.
상기 질량체는 상기 캔틸레버의 상기 타단에 배치되는 에너지 하베스터일 수 있다.
상기 압전 소자는 진동 에너지를 전기 에너지로 변환하기 위한 압전체; 및 상기 압전체가 변환한 에너지를 인출하기 위한 상부 전극 및 하부 전극; 을 포함하고, 상기 하부 전극은 상기 캔틸레버 위에 배치되고, 상기 압전체는 상기 하부 전극 위에 배치되며, 상기 상부 전극은 상기 압전체 위에 배치되는 에너지 하베스터일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 에너지 하베스터의 출력을 직류 전압으로 변환하는 정류 회로; 상기 에너지 하베스터의 압전 소자에 직렬 또는 병렬로 연결된 저항 요소; 및 상기 에너지 하베스터와 상기 저항 요소를 제어하는 제어부; 를 포함하는 에너지 하베스팅 시스템일 수 있다.
상기 저항 요소는 발광소자, 레지스터, 커패시터, 인덕터 중 적어도 어느 하나를 포함하는 에너지 하베스팅 시스템일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 저비용으로 제작 가능하면서 효율이 향상된 에너지 하베스터를 제공할 수 있다.
도 1은 압전 소자를 이용한 에너지 하베스터를 나타낸 것이다.
도 2a 및 2b는 본 발명의 실시예에 따른 에너지 하베스터를 나타낸 것이다.
도 3a 및 도 3e는본 발명의 실시예에 따른 스트레인 분포 조절부재를 예시적으로 나타낸 것이다.
도 4 내지 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 에너지 하베스터와 스트레인 분포 조절부재를 포함하지 않는 에너지 하베스터의 성능을 비교시험한 결과를 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 실시예는 따른 에너지 하베스팅 시스템을 나타낸 것이다.
도 2a 및 2b는 본 발명의 실시예에 따른 에너지 하베스터를 나타낸 것이다.
도 3a 및 도 3e는본 발명의 실시예에 따른 스트레인 분포 조절부재를 예시적으로 나타낸 것이다.
도 4 내지 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 에너지 하베스터와 스트레인 분포 조절부재를 포함하지 않는 에너지 하베스터의 성능을 비교시험한 결과를 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 실시예는 따른 에너지 하베스팅 시스템을 나타낸 것이다.
본 발명의 다른 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술 되는 실시 예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예는 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.
만일 정의되지 않더라도, 여기서 사용되는 모든 용어들(기술 혹은 과학 용어들을 포함)은 이 발명이 속한 종래 기술에서 보편적 기술에 의해 일반적으로 수용되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적인 사전들에 의해 정의된 용어들은 관련된 기술 그리고/혹은 본 출원의 본문에 의미하는 것과 동일한 의미를 갖는 것으로 해석될 수 있고, 그리고 여기서 명확하게 정의된 표현이 아니더라도 개념화되거나 혹은 과도하게 형식적으로 해석되지 않을 것이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다' 및/또는 이 동사의 다양한 활용형들 예를 들어, '포함', '포함하는', '포함하고', '포함하며' 등은 언급된 조성, 성분, 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 조성, 성분, 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본 명세서에서 '및/또는' 이라는 용어는 나열된 구성들 각각 또는 이들의 다양한 조합을 가리킨다.
한편, 본 명세서 전체에서 사용되는 '~부', '~기', '~블록', '~모듈' 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미할 수 있다. 예를 들어 소프트웨어, FPGA 또는 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미할 수 있다. 그렇지만 '~부', '~기', '~블록', '~모듈' 등이 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. '~부', '~기', '~블록', '~모듈'은 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다. 따라서, 일 예로서 '~부', '~기', '~블록', '~모듈'은 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로 코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들 및 변수들을 포함한다. 구성요소들과 '~부', '~기', '~블록', '~모듈'들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 '~부', '~기', '~블록', '~모듈'들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 '~부', '~기', '~블록', '~모듈'들로 더 분리될 수 있다.
본 발명은 압전 소자(Piezoelectric material)를 이용한 진동 에너지 하베스팅에 관한 것이다. 스트레인이란, 물체에 외력이 작용할 때 물체의 저항력에 의해 물체가 변하는 정도를 의미하는데, 전력 생산 능력을 개선하기 위해서 캔틸레버 빔(Cantilever beam)에 스트레인 분포 조절부재를 결합하면 스트레인 분포를 향상시켜 전력 생산 능력을 개선할 수 있다. 스트레인 분포 조절부재에 압전 소자를 증착하지 않고, 스트레인 분포 조절부재를 유리 섬유 강화 플라스틱이나 탄소 섬유 강화 플라스틱으로 제조함으로써 제조비용을 줄이면서 전력 생산 능력이 향상된 에너지 하베스터를 제공할 수 있다. 이하 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명할 것이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 에너지 하베스터(100)를 나타낸 것이다. 도 2a 및 도 2b를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 에너지 하베스터(100)는 캔틸레버(10), 압전 소자(20), 스트레인 분포 조절부재(30) 및 질량체(40)를 포함할 수 있다.
캔틸레버(10)는 소정의 두께를 가지는 얇은 판상의 부재로서 일정한 폭을 지니며 일측 단부는 고정단(12)으로 구조물에 고정될 수 있고, 타측 단부는 자유단(14)이 될 수 있다. 고정단은 구조물에 부착되기 위한 고정부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 자유단(14)에는 질량체(40)가 배치될 수 있다.
압전 소자(20)는 압전체(22), 상부 전극(24) 및 하부 전극(26)을 포함할 수 있다. 압전 소자(20)는 캔틸레버(10)에 상에 증착되고 외부의 진동 에너지에 의해 캔틸레버(10)가 변형을 일으키는 경우, 변형에 의해 전류를 발생시킬 수 있다. 상부 전극(24) 및 하부 전극(26)은 압전체(22)가 진동 에너지를 전기 에너지로 변환하면, 변환한 전기 에너지를 인출할 수 있다. 상부 전극(24) 및 하부 전극(26)은 캔틸레버(10)의 일면 또는 양면에 격자형으로 형성될 수 있다.
압전체(22)는 폴리 염화 비닐 불소(Polyvinylidene Fluoride, PVDF), 바륨 티타네이트, PZT 결정 또는 PZT 섬유를 포함할 수 있다. 그 외에 NKN계, BZT-BCT계, BNT계, BSNN, BNBN계 등의 무연(Lead-free) 압전소재, PLZT, P(VDF-TrFE), 수정, 전기석, 로셸염, 티탄산바륨, 인산이수소암모늄, 타르타르산에틸렌디아민 등을 사용할 수 있다.
압전체(22)는 폴리 염화 비닐 불소(Polyvinylidene Fluoride, PVDF), 압전 섬유 복합재(Macro Fiber Composite, MFC) 등의 폴리머 기반의 재료가 사용될 수 있다. 폴리머 기반의 압전 재료는 바이모르프 압전소자(Bimorph PZT)와 같은 세라믹 기반의 압전 재료보다 압전 전압 면에서 장점을 가진다. 압전체(20)는 두께가 0.08 mm 일 수 있다.
압전체(22)의 종류 및 재질이 이에 한정되는 것은 아니며, 외력에 의해 충분한 전력을 생산할 수 있다면 다른 재질 등이 사용될 수 있음은 통상의 기술자에게 당연한 것이다.
도면에서 압전 소자(20)는 캔틸레버(10)의 일면에만 부착된 것으로 도시되어 있으나 압전 소자(20)는 캔틸레버(10)의 양면에 부착될 수 있으며 이는 본 발명의 권리범위에 포함되는 것이다.
스트레인 분포 조절부재(30)는 기하학적 형상으로 제작될 수 있다. 스트레인 분포 조절부재(30)는 도 2a 및 도 2b에서 삼각형 형상과 사다리꼴 형상으로 도시하고 있지만 이에 한정되는 것은 아니며, 도시하고 있는 형상 외에도 다양한 기하학적 형상으로 제작될 수 있다. 기하학적 형상은 삼각형, 사각형, 사다리꼴 등의 다각형 형상을 포함할 수 있다. 스트레인 분포 조절부재(30)는 캔틸레버(10)의 일면에 배치될 수 있다. 스트레인 분포 조절부재(30)는 캔틸레버(10)의 고정단으로 갈수록 스트레인 분포 조절부재(30)의 폭이 증가하는 형태로 배치될 수 있다. 스트레인 분포 조절부재(30)는 유리 섬유 강화 플라스틱(Glass Fiber Reinforced Plastics, GFRP)이나 탄소 섬유 강화 플라스틱(Carbon Fiber Reinforced Plastics, CFRP)으로 제작될 수 있다. 스트레인 분포 조절부재(30)는 얇은 판상으로 제작될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면 스트레인 분포 조절부재(30)는 에너지 하베스터(100)의 스트레인 분포를 향상시켜 전력 생산 능력을 개선할 수 있다.
스트레인 분포 조절부재(30)는 캔틸레버(10)의 일면 또는 양면에 부착될 수 있다. 스트레인 분포 조절부재(30)는 접착제, 나사 등의 연결 수단 또는 고정 수단을 통해서 캔틸레버(10)에 부착될 수 있다. 스트레인 분포 조절부재(30)에 대해서는 도 3a 및 도 3e를 참조하여 보다 상세히 설명할 것이다.
질량체(40)는 캔틸레버(10)의 자유단(14) 쪽에 설치되어 캔틸레버(10)의 고유 진동수를 조정할 수 있다. 필요에 따라, 크기, 재질, 설치 위치, 개수 등을 달리하여 고유 진동수를 조정할 수 있다. 질량체(40)는 체적에 비해 무게가 큰 것이 공간을 적게 차지하면서도 질량을 추가하는 효과를 극대화할 수 있으므로, 비중이 큰 황동이나 텅스텐으로 만들어질 수 있다.
도 3a 및 도 3e는 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 분포 조절부재(30)를 예시적으로 나타낸 것이다.
도 3a를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 분포 조절부재(30)는 다양한 삼각형 형상을 포함할 수 있다. 도면에서 스트레인 분포 조절부재(30)는 밑각의 크기가 같은 이등변삼각형으로 표현하고 있으나, 이등변삼각형이 아닌 삼각형도 본 발명의 권리범위에 포함되는 것이다. 본 발명의 실시예에서 스트레인 분포 조절부재(30)의 꼭지각(a)은 10도~170도일 수 있다. 캔틸레버(10)의 일단으로 향할수록 스트레인 분포 조절부재(30)의 폭이 넓어질 수 있다. 도 3a에서는 스트레인 분포 조절부재(30)가 캔틸레버(10)의 일단으로 향할수록 스트레인 분포 조절부재(30)의 폭이 넓어지는 것으로 표현하고 있으나 그 반대의 경우 역시 본 발명의 권리범위에 포함되는 것이다.
도 3b를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 분포 조절부재(30)는 각도(b) 변화에 따라 두께가 다양하게 변형될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 분포 조절부재(30)는 도 2에서 두께가 균일한 얇은 판상의 기판으로 표현되고 있으나, 도 3b에서 보는 바와 같이 필요에 따라 두께(b)가 균일하지 않도록 제작될 수 있다. 그리고, 도 3b에서는 스트레인 분포 조절부재(30)의 두께가 캔틸레버(10)의 일단으로 향할수록 두꺼워 지는 것으로 표현하고 있으나 그 반대의 경우 또는 두께가 두꺼워 졌다가 얇아지거나, 얇아졌다고 두꺼워 지는 것과 같은 경우 역시 본 발명의 권리범위에 포함되는 것이다.
도 3c를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 분포 조절부재(30)는 다양한 사다리꼴 형상을 포함할 수 있다. 도면에서 스트레인 분포 조절부재(30)는 밑각의 크기가 같은 이등변사다리꼴로 표현하고 있으나, 이등변사다리꼴이 아닌 사다리꼴도 본 발명의 권리범위에 포함되는 것이다. 캔틸레버(10)의 일단으로 향할수록 스트레인 분포 조절부재(30)의 폭이 넓어질 수 있다. 즉, 사다리꼴 형상의 스트레인 분포 조절부재(30)의 평행한 두 변 중 긴 변이 캔틸레버(10)의 일단에 가깝도록 배치될 수 있다. 도 3a에서는 스트레인 분포 조절부재(30)가 캔틸레버(10)의 일단으로 향할수록 스트레인 분포 조절부재(30)의 폭이 넓어지는 것으로 표현하고 있으나 그 반대의 경우 역시 본 발명의 권리범위에 포함되는 것이다.
도 3d를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 분포 조절부재(30)는 두께가 다양하게 변형될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 분포 조절부재(30)는 도 3d에서 보는 바와 같이 필요에 따라 두께가 균일하지 않도록 제작될 수 있다. 그리고, 도 3d에서는 스트레인 분포 조절부재(30)의 두께가 캔틸레버(10)의 일단으로 향할수록 두꺼워 지는 것으로 표현하고 있으나 그 반대의 경우 또는 두께가 두꺼워 졌다가 얇아지거나, 얇아졌다고 두꺼워 지는 것과 같은 경우 역시 본 발명의 권리범위에 포함되는 것이다.
도 3e를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 분포 조절부재(30)는 캔틸레버(10)와 폭이 동일하면서 캔틸레버(10)의 일단으로 갈수록 두께가 두꺼워 질 수 있다. 도 3e에서는 스트레인 분포 조절부재(30)의 두께가 캔틸레버(10)의 일단으로 향할수록 두꺼워 지는 것으로 표현하고 있으나 그 반대의 경우 또는 두께가 두꺼워 졌다가 얇아지거나, 얇아졌다고 두꺼워 지는 것과 같은 경우 역시 본 발명의 권리범위에 포함되는 것이다.
도 3a 내지 도 3e에 나타난 스트레인 분포 조절부재(30)의 형상, 두께, 위치 등은 예시적인 것이며, 삼각형이나 사다리꼴 형상이 아닌 다각형 형상의 경우나, 다른 두께를 가지는 경우, 스트레인 분포 조절부재(30)의 결합 위치 등은 필요에 따라 다양하게 변화시킬 수 있으며, 이 또한 본 발명의 권리범위에 포함되는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 에너지 하베스터(100)는 유리 섬유 강화 플라스틱이나 탄소 섬유 강화 플라스틱으로 제작된 삼각형 형상의 스트레인 분포 조절부재(30)를 캔틸레버(10)에 부착함으로써 스트레인 분포를 향상시켜 전력 생산 성능을 개선할 수 있다. 이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 에너지 하베스터(100)의 성능을 살펴본다.
도 4 내지 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 에너지 하베스터와 스트레인 분포 조절부재를 포함하지 않는 에너지 하베스터의 성능을 비교시험한 결과를 나타낸 것이다. 표 1은 각각의 에너지 하베스터의 스펙을 간략히 나타낸 것이다.
| 대조군 | 본 발명의 에너지 하베스터 | |
| 기판 형상 | 직사각형 캔틸레버 빔 | 삼각형 형상의 스트레인 분포 조절부재를 부착한 직사각형 캔틸레버 빔 |
| 압전 소자 | PVDF | PVDF |
| 폭 | 0.0153m | 0.0153m |
| 길이 | 0.098m | 0.098m |
| 압전 소자의 총 면적 | 0.0015 m2 | 0.0015 m2 |
도 4에서는 캔틸레버의 구조에 유형에 대한 구조 모달 특성, 특히 다중 모드 전압 주파수 응답 함수(FRFs)를 확인하기 위해 첫째 정류전 신호인 AC출력 전압을 사용하였다. 전압(FRFs)은 캔틸레버 끝에 설치된 질량체 때문에 기본 진동 모드만 두드러지게 나타났다. 대조군으로 사용된 에너지 하베스터의 첫 두 고유 진동수는 7Hz와 90Hz 였다. 본 발명의 실시예에 따른 에너지 하베스터의 첫 두 고유 진동수는 10Hz와 108Hz 였다. 압전 에너지 하베스터의 형상이 직사각형 모양에서 본 발명의 실시예와 같이 비 직사각형 모양으로 변경될 때 기본 고유 진동수가 증가하였다. 즉, 대조군으로 사용된 하베스터에 비해 개선된 변형률 분포 효과에 의한 기본 진동수 이후에도 증가되는 전압 주파수 응답 함수(FRFs)를 보여주었다.
도 5는 고유 진동수를 지닌 진동 가진을 6.8초에 적용하였을 때, 정류 회로를 이용하여 출력된 AC전압을 DC전압으로 변환한 결과를 나타낸 것이다. 도 4를 참조하면, 각각 정상 상태 개방 회로 전압에 도달하는데 필요한 시간이 다를 뿐만 아니라, 정상 상태 개방 회로 전압의 측정 DC 전압 역시 다른 것으로 나타났다. 대조군으로 사용된 에너지 하베스터는 12초에 이르러서야 정상 상태 개방 회로 전압에 도달하였고, 측정 전압은 4.2V 였다. 본 발명의 실시예에 따른 에너지 하베스터는 약 9초에 이르러서 정상 상태 개방 회로 전압에 도달하였고, 측정 전압은 13.4V 였다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 에너지 하베스터가 보다 빠른 시간에 정상 상태 개방 회로 전압에 도달하였고, 보다 높은 전압을 나타내었다.
도 6은 진동수를 변경시켜가면서 고유 진동수를 지닌 진동 가진을 6.8초에 적용하였을 때, 정류 회로를 이용하여 출력된 AC전압을 DC전압으로 변환한 결과를 주파수 별로 나타낸 것이다. 도 6에서 보는 바와 같이 도 4에서의 경향과 동일한 경향을 나타내었다.
도 7은 도 5의 결과를 이용하여 기본 고유 진동수에서 평균 전력 출력을 측정하여 비교한 결과를 나타낸 것이다. 도 7에서 보는 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 삼각형 형상의 스트레인 분포 조절부재를 포함하는 에너지 하베스터의 평균 전력 출력은 약 40㎼이고 대조군으로 사용된 에너지 하베스터의 평균 전력 출력은 약 2㎼로, 대조군으로 사용된 에너지 하베스터보다 20배 이상 향상된 평균 출력을 보여주었다.
도 4 내지 도 7에서 살펴본 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 에너지 하베스터는 간단하면서도 저렴한 비용을 통해 기존의 형태보다 폭 넓은 진동수 범위에서 성능을 향상시킬 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시예는 따른 에너지 하베스팅 시스템(200)을 나타낸 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템(200)은 에너지 하베스터(220), 정류 회로(240), 저항 요소(260) 및 제어부(280)를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 에너지 하베스터(220)은 삼각형 형상의 스트레인 분포 조절부재를 포함하는 에너지 하베스터일 수 있다. 정류 회로(240)는 에너지 하베스터의 출력을 직류 전압으로 변환할 수 있다. 저항 요소(260)는 에너지 하베스터에 직렬 또는 병렬로 연결되어 에너지 하베스터의 출력을 이용하여 작동하며, 저항 요소(260)는 발광소자, 레지스터, 커패시터, 인덕터 등이 될 수 있다. 제어부(280)는 에너지 하베스터와 저항 요소를 포함한 전체 시스템을 제어할 수 있다.
이상의 실시예들은 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제시된 것으로, 본 발명의 범위를 제한하지 않으며, 이로부터 다양한 변형 가능한 실시예들도 본 발명의 범위에 속할 수 있음을 이해하여야 한다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 도시된 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 반대로 여러 개로 분산된 구성 요소들은 결합되어 실시될 수 있다. 따라서, 본 발명의 기술적 보호범위는 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이며, 본 발명의 기술적 보호범위는 특허청구범위의 문언적 기재 그 자체로 한정되는 것이 아니라 실질적으로는 기술적 가치가 균등한 범주의 발명에 대하여까지 미치는 것임을 이해하여야 한다.
10: 캔틸레버
20: 압전 소자
30: 스트레인 분포 조절부재
40: 질량체
100: 에너지 하베스터
200: 에너지 하베스팅 시스템.
20: 압전 소자
30: 스트레인 분포 조절부재
40: 질량체
100: 에너지 하베스터
200: 에너지 하베스팅 시스템.
Claims (18)
- 일단이 고정되고 타단이 진동하는 캔틸레버;
상기 캔틸레버의 일면에 배치되는 압전 소자; 및
상기 캔틸레버의 스트레인 분포를 조절하기 위해 상기 캔틸레버와 결합하는 스트레인 분포 조절부재;
를 포함하는 에너지 하베스터.
- 제1항에 있어서,
상기 스트레인 분포 조절부재는 삼각형 형상의 기판인 에너지 하베스터.
- 제2항에 있어서,
상기 스트레인 분포 조절부재는 상기 캔틸레버의 일면 또는 타면에 배치되고,
상기 스트레인 분포 조절부재의 일변은 상기 캔틸레버의 상기 일단과 나란하게 배치되는 에너지 하베스터.
- 제3항에 있어서,
상기 캔틸레버는 판상의 부재이고 폭이 일정한 에너지 하베스터.
- 제3항에 있어서,
상기 스트레인 분포 조절부재는 상기 캔틸레버의 상기 일단으로 갈수록 두께가 두꺼워지는 에너지 하베스터.
- 제1항에 있어서,
상기 스트레인 분포 조절부재는 사다리꼴 형상의 기판인 에너지 하베스터.
- 제6항에 있어서,
상기 스트레인 분포 조절부재는 상기 캔틸레버의 일면 또는 타면에 배치되고,
상기 스트레인 분포 조절부재의 평행한 두 변은 상기 캔틸레버의 상기 일단과 나란하게 배치되는 에너지 하베스터.
- 제7항에 있어서,
상기 캔틸레버는 판상의 부재이고 폭이 일정한 에너지 하베스터.
- 제7항에 있어서,
상기 스트레인 분포 조절부재는 상기 캔틸레버의 상기 일단으로 갈수록 두께가 두꺼워지는 에너지 하베스터.
- 제7항에 있어서,
상기 스트레인 분포 조절부재는 상기 평행한 두 변 중 상기 캔틸레버의 일단에 가까운 변의 길이가 더 긴 에너지 하베스터.
- 제1항에 있어서,
상기 스트레인 분포 조절부재는 상기 캔틸레버와 폭이 동일하고
상기 캔틸레버의 일단으로 갈수록 두께가 두꺼워지는 에너지 하베스터.
- 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 압전 소자는 상기 캔틸레버의 일면 또는 양면에 배치되는 에너지 하베스터.
- 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 스트레인 분포 조절부재의 재질은 유리 섬유 강화 플라스틱 또는 탄소 섬유 강화 플라스틱인 에너지 하베스터.
- 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 캔틸레버의 고유 진동수를 조정하기 위한 질량체;
를 더 포함하는 에너지 하베스터.
- 제14항에 있어서,
상기 질량체는 상기 캔틸레버의 상기 타단에 배치되는 에너지 하베스터.
- 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 압전 소자는
진동 에너지를 전기 에너지로 변환하기 위한 압전체; 및
상기 압전체가 변환한 에너지를 인출하기 위한 상부 전극 및 하부 전극;
을 포함하고,
상기 하부 전극은 상기 캔틸레버 위에 배치되고, 상기 압전체는 상기 하부 전극 위에 배치되며, 상기 상부 전극은 상기 압전체 위에 배치되는 에너지 하베스터.
- 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항의 에너지 하베스터;
상기 에너지 하베스터의 출력을 직류 전압으로 변환하는 정류 회로;
상기 에너지 하베스터의 압전 소자에 직렬 또는 병렬로 연결된 저항 요소; 및
상기 에너지 하베스터와 상기 저항 요소를 제어하는 제어부;
를 포함하는 에너지 하베스팅 시스템.
- 제17항에 있어서,
상기 저항 요소는 발광소자, 레지스터, 커패시터, 인덕터 중 적어도 어느 하나를 포함하는 에너지 하베스팅 시스템.
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