KR20180021457A - 자기전기 에너지 하베스터 및 그의 제조방법 - Google Patents

자기전기 에너지 하베스터 및 그의 제조방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20180021457A
KR20180021457A KR1020160106020A KR20160106020A KR20180021457A KR 20180021457 A KR20180021457 A KR 20180021457A KR 1020160106020 A KR1020160106020 A KR 1020160106020A KR 20160106020 A KR20160106020 A KR 20160106020A KR 20180021457 A KR20180021457 A KR 20180021457A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
piezoelectric material
magnetostrictive
material layer
piezoelectric
vibration
Prior art date
Application number
KR1020160106020A
Other languages
English (en)
Inventor
강형원
한승호
Original Assignee
전자부품연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 전자부품연구원 filed Critical 전자부품연구원
Priority to KR1020160106020A priority Critical patent/KR20180021457A/ko
Priority to US15/663,484 priority patent/US10825983B2/en
Publication of KR20180021457A publication Critical patent/KR20180021457A/ko

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02NELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/18Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators
    • H02N2/186Vibration harvesters
    • H02N2/188Vibration harvesters adapted for resonant operation
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/08Locating faults in cables, transmission lines, or networks
    • H01L41/113
    • H01L41/12
    • H01L41/1871
    • H01L41/1873
    • H01L41/20
    • H01L41/25
    • H01L41/27
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02NELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/22Methods relating to manufacturing, e.g. assembling, calibration
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00Piezoelectric or electrostrictive devices
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/01Manufacture or treatment
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/01Manufacture or treatment
    • H10N30/03Assembling devices that include piezoelectric or electrostrictive parts
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/01Manufacture or treatment
    • H10N30/05Manufacture of multilayered piezoelectric or electrostrictive devices, or parts thereof, e.g. by stacking piezoelectric bodies and electrodes
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/30Piezoelectric or electrostrictive devices with mechanical input and electrical output, e.g. functioning as generators or sensors
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80Constructional details
    • H10N30/85Piezoelectric or electrostrictive active materials
    • H10N30/853Ceramic compositions
    • H10N30/8536Alkaline earth metal based oxides, e.g. barium titanates
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80Constructional details
    • H10N30/85Piezoelectric or electrostrictive active materials
    • H10N30/853Ceramic compositions
    • H10N30/8542Alkali metal based oxides, e.g. lithium, sodium or potassium niobates
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80Constructional details
    • H10N30/85Piezoelectric or electrostrictive active materials
    • H10N30/853Ceramic compositions
    • H10N30/8548Lead-based oxides
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80Constructional details
    • H10N30/85Piezoelectric or electrostrictive active materials
    • H10N30/853Ceramic compositions
    • H10N30/8561Bismuth-based oxides
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N35/00Magnetostrictive devices
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N35/00Magnetostrictive devices
    • H10N35/80Constructional details
    • H10N35/85Magnetostrictive active materials
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10STECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S310/00Electrical generator or motor structure
    • Y10S310/80Piezoelectric polymers, e.g. PVDF

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

우수한 발전성능을 갖는 자기전기 에너지 하베스터 및 그의 제조방법이 제안된다. 본 발명에 따른 자기전기 에너지 하베스터는 자화되면 기계적 변형이 발생하는 자왜물질을 포함하는 자왜물질부; 및 벤딩형 진동모드를 갖는 압전물질부로서, 자왜물질부로부터 기계적 변형력을 전달받아 발전하는 압전물질을 포함하는 압전물질부;를 포함한다.

Description

자기전기 에너지 하베스터 및 그의 제조방법{Magnetoelectric energy harvester and manufacturing method thereof}
본 발명은 자기전기 에너지 하베스터 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 우수한 발전성능을 갖는 자기전기 에너지 하베스터 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
에너지 하베스팅(energy harvesting)이란 주변의 사용되지 못하고 버려지는 에너지들을 끌어 모아 전기 에너지로 변환하는 기술인데, 최근 저탄소 녹색성장의 시대 조류와 맞물려 온실 효과로 대표되는 환경 문제를 해결할 수 있고, 고유가 시대에 대처할 수 있는 대표적인 청정에너지 시스템 중 하나로서 주목받고 있다.
이러한 에너지 하베스팅 기술은 압전 효과(piezoelectric), 광전 효과(photovoltaic effect) 또는 열전 효과(thermoelectric effect) 등 다양한 원리에 의해 실현할 수 있으나, 그 중에서도 압전 특성을 가진 소재를 이용한 기술에 대한 연구가 가장 활발히 진행되고 있다. 압전 에너지 하베스팅은 주변의 진동을 이용하여 전기 에너지를 저장하는 방식으로서 주변 기후나 지형에 따른 기술 적용의 제약이 없고, 초소형 장치로 기술 구현이 가능하다는 등의 다수의 장점을 가지고 있다.
한편, 이러한 압전 효과를 이용한 소자에는 자기전기소자가 있다. 자기전기소자란 외부에서 자기에너지의 인가에 따라 변형이 생기는 자왜물질과 외부의 변형에 따라 발전을 하는 압전물질로 구성된 소자를 말한다. 자기전기 에너지 하베스터는 자기전기소자를 이용하여 에너지 하베스팅을 하는 소자이다. 자기전기 에너지 하베스터는 자왜물질층과 압전물질이 부착되어 있는 자기전기소자에 자기에너지를 인가하면 자왜물질층에 자왜 변형이 발생하고 변형된 자왜물질층과 압전물질층이 서로 부착되어 있기 때문에 압전물질층에 변형이 발생된다. 압전물질층의 변형은 전압의 발생을 유도하므로 자가발전이 이루어질 수 있게 된다.
친환경적이고, 버려지는 에너지들을 이용한 발전형태로서 다양한 장점을 갖는 자기전기 에너지 하베스터의 발전성능향상을 위하여 다양한 소재개발이나 형상변형이 시도되었으나 아직까지 원하는 수준의 발전성능을 구현할 수 있는 구조의 자기전기 에너지 하베스터는 개발되지 않고 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 우수한 발전성능을 갖는 자기전기 에너지 하베스터 및 그의 제조방법을 제공하는데 있다.
이상과 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 따른 자기전기 에너지 하베스터는 자화되면 기계적 변형이 발생하는 자왜물질을 포함하는 자왜물질부; 및 벤딩형 진동모드를 갖는 압전물질부로서, 자왜물질부로부터 기계적 변형력을 전달받아 발전하는 압전물질을 포함하는 압전물질부;를 포함한다.
자왜물질은 강자성 금속, 페라이트계 세라믹스, 자왜 합금 및 자성 형상기억 합금 중 어느 하나일 수 있다.
압전물질은 PbZrO3, PbTiO3, KNbO3, NaNbO3, BiTiO3, NaTiO3 및 BaTiO3 중 어느 하나일 수 있다.
압전물질부는 외부물리력을 전달받아 제1진동하는 제1압전물질층 및 제1진동과 상이한 제2진동하는 제2압전물질층을 포함할 수 있다. 이 때, 제1진동은 확장길이방향진동이고, 제2진동은 축소길이방향진동일 수 있다.
외부물리력은 자왜물질부로부터의 기계적 변형력일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 자화되면 기계적 변형이 발생하는 자왜물질을 도포하여 자왜물질층을 형성하는 단계; 및 벤딩형 진동모드를 갖는 압전물질부로서, 자왜물질부로부터 기계적 변형력을 전달받아 발전하는 압전물질을 도포하여 압전물질층을 형성하는 단계;를 포함하는 자기전기 에너지 하베스터 제조방법이 제공된다.
압전물질층은 제1진동하는 제1압전물질층을 형성하는 단계; 및 제1진동과 상이한 제2진동하는 제2압전물질층을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 또다른 측면에 따르면, 자화되면 기계적 변형이 발생하는 자왜물질을 포함하는 자왜물질부; 및 길이방향으로 진동하는 경우의 제1공진주파수보다 작은 제2공진주파수를 갖는 압전물질부;를 포함하는 자기전기 에너지 하베스터가 제공된다.
본 발명에 따른 자기전기 에너지 하베스터는 제2공진주파수를 갖는 압전물질부를 제1압전물질부라고 하고, 제2공진주파수보다 더 작은 제3공진주파수를 갖는 제2압전물질부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또다른 측면에 따르면, 송배전선의 외부에 위치하는 센서부; 및 송배전선으로부터 발생한 자기장의 변화에 의해 자화되면 기계적 변형이 발생하는 자왜물질을 포함하는 자왜물질층 및 벤딩형 진동모드를 갖는 압전물질층으로서, 자왜물질층으로부터 기계적 변형력을 전달받아 발전하는 압전물질을 포함하여 센서부에 전력을 공급하는 압전물질층을 포함하는 자기전기 에너지 하베스터부;를 포함하는 송배전선로 모니터링장치가 제공된다.
센서부는 온도센서 및 압력센서 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 자기전기 에너지 하베스터가 자왜물질층으로부터의 벤딩형 진동으로 발전하는 압전물질부를 포함하여 종래구조의 자기전기 에너지 하베스터보다 높은 효율의 발전이 가능하다.
아울러, 자계가 발생하는 송배전선로 등의 모니터링 장치에 이러한 자기전기 에너지 하베스터를 응용하면, 전력공급없이 송배전선로의 자계를 이용하여 전력을 자가공급할 수 있어 모터 등의 전동식 발전기에 비해 고장이 적어 배터리 교체나 수리 등의 인력투입에 소요되는 비용이 절감되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기전기 에너지 하베스터의 단면도이고, 도 2는 자기전기 에너지 하베스터에서 압전물질부의 진동방향을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 자기전기 에너지 하베스터에서 압전물질부의 공진주파수를 나타낸 그래프이고, 도 4는 길이방향 진동형 구조를 갖는 압전물질부의 공진주파수를 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 첨부된 도면에서 특정 패턴을 갖도록 도시되거나 소정두께를 갖는 구성요소가 있을 수 있으나, 이는 설명 또는 구별의 편의를 위한 것이므로 특정패턴 및 소정두께를 갖는다고 하여도 본 발명이 도시된 구성요소에 대한 특징만으로 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기전기 에너지 하베스터의 단면도이고, 도 2는 자기전기 에너지 하베스터에서 압전물질부의 진동방향을 도시한 도면이다. 본 발명에 따른 자기전기 에너지 하베스터(100)는 자화되면 기계적 변형이 발생하는 자왜물질을 포함하는 자왜물질부(110); 및 벤딩형 진동모드를 갖는 압전물질부로서, 자왜물질부로부터 기계적 변형력을 전달받아 발전하는 압전물질을 포함하는 압전물질부(120);를 포함한다.
본 발명에 따른 자기전기 에너지 하베스터(100)는 자기전기(Magnetoelectric effect) 효과를 이용하여 에너지 하베스팅을 하는 소자이다. 자기전기효과는 전계(electric field)를 인가함에 따라 자화(magnetization)가 유발되거나, 반대로 자계(magnetic field)에 의해 편극(polarization)을 유도할 수 있는 특성을 의미한다.
이러한 자기전기효과를 나타내는 소재로는 Cr2O3 등과 같은 단일상(single phase) 물질, 압전 특성을 가진 소재와 자왜 특성을 가진 소재를 섞거나 본 발명에서와 같이 자왜 특성(magnetostrictivity)을 가지는 소재와 압전 특성(piezoelectricity)을 가지는 소재를 적층한 복합재료 등이 있다. 이 중에서도 자왜물질과 압전물질의 적층구조를 이용하는 경우, 층 간의 강한 탄성 커플링(elastic coupling), 간단한 제조 공정, 높은 전기 저항, 용이한 분극(poling) 공정, 또는 자기전기 전압 계수(αME) 등의 다양한 측면에서 장점을 가진다.
본 발명에서 자기전기 에너지 하베스터(100)는 자왜물질부(110) 및 압전물질부(120)를 포함한다. 자왜물질부(110)는 자왜현상(magnetostriction phenomena)이 발생하는 물질인 자왜물질을 포함한다. 자왜현상은 강자성의 물질 등을 자화할 때 물질에 탄성적 변형이 생기는 현상을 의미한다. 즉, 자왜물질은 자화되면 기계적 변형이 발생한다.
자왜물질은 강자성 금속, 페라이트계 세라믹스, 자왜 합금 및 자성 형상기억 합금 중 어느 하나일 수 있다. 본 발명에 사용될 수 있는 강자성 금속으로는 니켈 코발트 또는 철 등의 금속이 있다. 본 발명에 사용될 수 있는 페라이트계 세라믹스로는, 일반식 MFe2O4 또는 MFe12O19(M은 1종 이상의 2가의 금속 이온)으로 나타내는 스피넬(spinel)형 또는 마그네토플럼바이트(magnetoplumbite)형 페라이트 또는 M'3Fe5O12 (M'은 3가의 금속 이온)으로 나타내는 페라이트나, Li0 . 5Fe2 . 5O4로 나타내는 리튬페라이트를 예로 들 수 있다.
본 발명에 사용될 수 있는 자왜 합금으로는 테르븀(terbium)-디스프로슘(dysprosium)-철(iron) 합금(Terfenol-D), 갈륨-철 합금(Gafenol), 사마륨(samarium)-디스프로슘-철 합금(Samfenol-D), 붕소(boron)-규소(silicon)-철 합금(Metglas 2605SA1), 또는 붕소(boron)-규소(silicon)-탄소(carbon)-철 합금(Metglas 2605SC) 등을 들 수 있다. 또한, 본 발명에 사용될 수 있는 자성 형상기억 합금으로는 Ni2MnGa 합금, NiMnIn 합금, NiCoMnIn 합금, FePd 합금, FeNiGa 합금, 또는 CoNiGa 합금 등을 예로 들 수 있다.
압전물질부(120)에는 기계적인 변형을 가하면 전압이 발생하고 전압을 가하면 기계적인 변형이 발생하는 압전현상이 발생하는 압전물질이 포함된다. 압전물질로는 PbZrO3, PbTiO3, KNbO3, NaNbO3, BiTiO3, NaTiO3 및 BaTiO3 중 어느 하나가 사용될 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
본 발명에 따른 자기전기 에너지 하베스터(100)에서 압전물질부(120)는 벤딩형 진동모드를 갖는다. 압전물질은 분극방향 및 전극의 형태 등을 조절하여 발생하는 진동형태를 조절할 수 있다. 여러가지 진동 중 본 발명에서 압전물질부(120)는 벤딩형 진동이 발생하는 압전소자이다. 즉, 본 발명에서 압전물질부(120)는 전체적으로 길이방향으로만 확장 및 축소하는 압전소자와 다르게 전체적으로 벤딩형 진동이 발생하는 압전소자이다.
압전물질부(120)는 제1진동하는 제1압전물질층(121) 및 제1진동과 상이한 제2진동하는 제2압전물질층(122)을 포함한다. 이러한 제1진동과 제2진동이 혼합되어 압전물질부(120)에는 벤딩형 진동이 발생하게 된다. 이러한 압전물질부(120)는 전술한 바와 같이 그 자체로서 벤딩형 진동이 가능하고, 자왜물질부(110)로부터 기계적 변형력을 전달받은 경우에도 벤딩형 진동이 발생할 수 있다. 이러한 벤딩형 진동에 따라 전압이 발생한다.
예를 들어, 제1진동은 확장길이방향진동이고, 제2진동은 축소길이방향진동일 수 있다. 즉, 제1압전물질층(121) 및 제2압전물질층(122)은 자왜물질부(110)로부터의 기계적 변형력을 전달받아 모두 길이방향으로 진동할 수 있다. 그러나, 도 2에서와 같이 제1압전물질층(121)은 확장하는 방향으로 진동하고, 제2압전물질층(122)은 제1진동인 확장하는 방향과 다른 축소하는 방향으로 진동하면, 전체적으로 압전물질부(120)는 굽힘진동, 즉 벤딩형(bending) 진동을 할 수 있게 된다.
압전물질부(120)가 벤딩형 진동구조를 갖는 경우, 다른 진동구조에서보다 자기전기 에너지 하베스터(100)에 적용되었을 때 발전량이 높다. 이는 압전물질이 벤딩형 진동을 하게 되면, 공진주파수가 낮아지게 되는데, 공진주파수가 낮아지면 주변의 에너지 수집에 용이해지기 때문이다. 다시말하면, 주변의 에너지 주파수와 압전물질의 공진주파수가 같아야 에너지 수집이 가능하므로 압전물질의 공진주파수가 너무 높으면 주변 에너지와의 주파수 일치가 어려워 발전성능이 낮아지게 된다. 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 자기전기 에너지 하베스터의 압전물질부의 공진주파수를 나타낸 그래프이고, 도 4는 길이방향 진동형 구조를 갖는 압전소자의 공진주파수를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명에 따른 자기전기 에너지 하베스터(100)에 적용되는 벤딩형 진동구조의 압전물질부의 공진주파수를 나타낸 그래프이다. 약 7 kHz에 공진주파수가 나타나는 것을 알 수 있다. 이에 반해, 도 4에는 길이방향의 진동구조를 갖는 압전소자의 공진주파수가 나타나 있는데, 공진주파수가 138 kHz로 나타나 도 3에서의 공진주파수보다 높은 것을 알 수 있다. 따라서, 길이방향으로 진동하는 구조를 갖는 압전소자를 자기전기 에너지 하베스터에 적용하면, 공진주파수가 높아 자기전기 에너지 하베스터의 발전성능이 낮아지게 된다. 이 경우, '길이방향으로 진동하는 구조를 갖는 압전소자'는 압전소자가 전체적으로 일방향으로 확장 또는 축소하는 형태의 진동구조를 갖는 압전소자를 의미한다.
통상 길이방향으로 진동하는 구조를 갖는 압전소자를 적용한 자기전기 에너지 하베스터의 경우, 수십 내지 수백 kHz 사이의 공진주파수를 나타내는데, 본 발명과 같이 벤딩형 진동구조를 갖는 압전소자를 적용한 자기전기 에너지 하베스터의 경우 수 내지 수십 kHz의 공진주파수를 갖게 된다. 따라서, 본 발명에 따른 자기전기 에너지 하베스터는 공진주파수가 낮아 주변 에너지 수집에 효과적이고, 발전량이 높은 우수한 특성의 에너지 하베스터가 구현될 수 있다.
본 발명의 또다른 측면에 따르면, 자화되면 기계적 변형이 발생하는 자왜물질을 포함하는 자왜물질부; 및 길이방향으로 진동하는 경우의 제1공진주파수보다 작은 제2공진주파수를 갖는 압전물질부;를 포함하는 자기전기 에너지 하베스터가 제공된다. 제1공진주파수는 '길이방향으로 진동하는 구조를 갖는 압전소자의 공진주파수'를 의미한다. 동일한 크기 및 동일한 압전물질과 동일한 전극물질을 사용하여 길이방향으로 진동하는 구조를 갖는 압전소자 및 벤딩형 진동하는 압전소자의 공진주파수를 비교하면, 전술한 바와 같이 벤딩형 진동하는 압전소자의 공진주파수(즉, 제2공진주파수)가 길이방향으로 진동하는 구조를 갖는 압전소자의 공진주파수(즉, 제1공진주파수)보다 작다.
본 실시예에서의 자기전기 에너지 하베스터는 압전물질부의 공진주파수인 제2공진주파수가 길이방향으로 진동하는 경우의 압전물질의 공진주파수인 제1공진주파수보다 작도록 구현된다. 따라서, 길이방향의 진동시의 공진주파수보다 작은 제2공진주파수를 갖는 압전물질부는 공진주파수가 낮아 발전성능이 높게 되어 발전량이 높다.
또한, 본 발명에 따른 자기전기 에너지 하베스터는 제2공진주파수를 갖는 압전물질부를 제1압전물질부라고 하면, 제2공진주파수보다 더 작은 제3공진주파수를 갖는 제2압전물질부를 더 포함할 수 있다. 이에 따라, 자기전기 에너지 하베스터는 공진주파수들이 작은 압전물질부들을 포함하여 높은 발전량을 나타낼 수 있다.
본 발명에 따른 자기전기 에너지 하베스터는 자화되면 기계적 변형이 발생하는 자왜물질을 도포하여 자왜물질층을 형성하는 단계; 및 벤딩형 진동모드를 갖는 압전물질부로서, 자왜물질부로부터 기계적 변형력을 전달받아 발전하는 압전물질을 도포하여 압전물질층을 도포하여 압전물질층을 형성하는 단계;를 수행하여 제조될 수 있다. 압전물질층은 제1진동하는 제1압전물질층을 형성하는 단계; 및 제1압전물질층 상에 제1진동과 상이한 제2진동하는 제2압전물질층을 형성하는 단계;를 수행하여 제조될 수 있다. 압전물질층은, 압전물질과 전극을 포함하는 단층으로 형성될 수도 있고, 압전물질과 전극을 교번하여 적층하여 형성될 수 있다.
자왜물질부를 형성하고, 압전물질부를 형성한 적층체는 소결하거나, 자왜물질부와 압전물질부는 각각 층으로 형성한 후 접착층에 의해 서로 접착되어 자기전기 에너지 하베스터로 구현될 수 있다.
본 발명의 또다른 측면에 따르면, 송배전선의 외부에 위치하는 센서부; 및 송배전선으로부터 발생한 자기장의 변화에 의해 자화되면 기계적 변형이 발생하는 자왜물질을 포함하는 자왜물질층 및 벤딩형 진동모드를 갖는 압전물질층으로서, 자왜물질층으로부터 기계적 변형력을 전달받아 발전하는 압전물질을 포함하여 센서부에 전력을 공급하는 압전물질층을 포함하는 자기전기 에너지 하베스터부;를 포함하는 송배전선로 모니터링장치가 제공된다.
본 실시예에 따른 송배전선로 모니터링장치는 자기전기 에너지 하베스터를 포함하여 송배전선의 외부에 위치하는 센서부에 전력이 공급되어 동작이 가능한 장치이다. 자기전기 에너지 하베스터는 송배전선로에 흐르는 전류에 의해 발생하는 자계를 이용하여 발전을 하게 되고, 이렇게 발생한 전력을 송배전선로 모니터링을 위한 센서부에 공급하여 송배전선로 주변의 온도나 압력 등을 감지할 수 있게 된다. 이에 따라, 전동식 발전기에 비해 고장이 적고 송배전선로에 전류가 흐르는 한 지속적으로 전력공급이 가능한 자기전기 에너지 하베스터를 이용하여 배터리 교체나 수리 등을 최소화할 수 있어서 비용이 절감되고 투입되는 인력자원을 효율적으로 이용할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
100 자기전기 에너지 하베스터
110 자왜물질부
120 압전물질부
121 제1압전물질층
122 제2압전물질층

Claims (12)

  1. 자화되면 기계적 변형이 발생하는 자왜물질을 포함하는 자왜물질부; 및
    벤딩형 진동모드를 갖는 압전물질부로서, 상기 자왜물질부로부터 기계적 변형력을 전달받아 발전하는 압전물질을 포함하는 압전물질부;를 포함하는 자기전기 에너지 하베스터.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 자왜물질은 강자성 금속, 페라이트계 세라믹스, 자왜 합금 및 자성 형상기억 합금 중 어느 하나인 자기전기 에너지 하베스터.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 압전물질은 PbZrO3, PbTiO3, KNbO3, NaNbO3, BiTiO3, NaTiO3 및 BaTiO3 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 자기전기 에너지 하베스터.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 압전물질부는 외부물리력을 전달받아 제1진동하는 제1압전물질층 및 상기 제1진동과 상이한 제2진동하는 제2압전물질층을 포함하는 것인 자기전기 에너지 하베스터.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제1진동은 확장길이방향진동이고, 상기 제2진동은 축소길이방향진동인 자기전기 에너지 하베스터.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 외부물리력은 상기 자왜물질부로부터의 기계적 변형력인 것을 특징으로 하는 자기전기 에너지 하베스터.
  7. 자화되면 기계적 변형이 발생하는 자왜물질을 도포하여 자왜물질층을 형성하는 단계; 및
    벤딩형 진동모드를 갖는 압전물질부로서, 상기 자왜물질부로부터 기계적 변형력을 전달받아 발전하는 압전물질을 도포하여 압전물질층을 형성하는 단계;를 포함하는 자기전기 에너지 하베스터 제조방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 압전물질층은 제1진동하는 제1압전물질층을 형성하는 단계; 및 상기 제1진동과 상이한 제2진동하는 제2압전물질층을 형성하는 단계;를 포함하는 것인 자기전기 에너지 하베스터 제조방법.
  9. 자화되면 기계적 변형이 발생하는 자왜물질을 포함하는 자왜물질부; 및
    길이방향으로 진동하는 경우의 제1공진주파수보다 작은 제2공진주파수를 갖는 압전물질부;를 포함하는 자기전기 에너지 하베스터.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 제2공진주파수를 갖는 압전물질부를 제1압전물질부라고 하고,
    상기 제2공진주파수보다 더 작은 제3공진주파수를 갖는 제2압전물질부를 더 포함하는 것인 자기전기 에너지 하베스터.
  11. 송배전선의 외부에 위치하는 센서부; 및
    상기 송배전선으로부터 발생한 자기장의 변화에 의해 자화되면 기계적 변형이 발생하는 자왜물질을 포함하는 자왜물질층 및 벤딩형 진동모드를 갖는 압전물질층으로서, 상기 자왜물질층으로부터 기계적 변형력을 전달받아 발전하는 압전물질을 포함하여 상기 센서부에 전력을 공급하는 압전물질층을 포함하는 자기전기 에너지 하베스터부;를 포함하는 송배전선로 모니터링장치.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 센서부는 온도센서 및 압력센서 중 적어도 하나를 포함하는 것인 송배전선로 모니터링장치.
KR1020160106020A 2016-08-22 2016-08-22 자기전기 에너지 하베스터 및 그의 제조방법 KR20180021457A (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160106020A KR20180021457A (ko) 2016-08-22 2016-08-22 자기전기 에너지 하베스터 및 그의 제조방법
US15/663,484 US10825983B2 (en) 2016-08-22 2017-07-28 Magnetoelectric energy harvester and manufacturing method thereof

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160106020A KR20180021457A (ko) 2016-08-22 2016-08-22 자기전기 에너지 하베스터 및 그의 제조방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20180021457A true KR20180021457A (ko) 2018-03-05

Family

ID=61192218

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020160106020A KR20180021457A (ko) 2016-08-22 2016-08-22 자기전기 에너지 하베스터 및 그의 제조방법

Country Status (2)

Country Link
US (1) US10825983B2 (ko)
KR (1) KR20180021457A (ko)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20190123924A (ko) * 2018-04-25 2019-11-04 한양대학교 산학협력단 Rf 신호를 이용하는 에너지 하베스팅 장치
CN114179476A (zh) * 2021-11-19 2022-03-15 电子科技大学 一种压电复合材料、制造方法及应用的传感器
KR20220152747A (ko) 2021-05-10 2022-11-17 동아대학교 산학협력단 자기전기 복합체의 제조방법 및 이에 의해 제조된 자기전기 복합체

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP4356953A3 (en) 2019-04-05 2024-06-26 William Marsh Rice University Magnetoelectric data and power to miniature biodevices with tunable amplitude and waveform
CN113447743B (zh) * 2021-06-28 2024-03-12 西安西电变压器有限责任公司 一种变压器空载噪声确定方法、装置及系统

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050206275A1 (en) * 2002-01-18 2005-09-22 Radziemski Leon J Apparatus and method to generate electricity
US6895645B2 (en) * 2003-02-25 2005-05-24 Palo Alto Research Center Incorporated Methods to make bimorph MEMS devices
AU2003289479A1 (en) * 2003-02-26 2004-09-17 Usc Corporation Piezoelectric power generator
US20070188053A1 (en) * 2006-02-14 2007-08-16 Robert Bosch Gmbh Injection molded energy harvesting device
ES2478217T3 (es) * 2006-06-22 2014-07-21 Cooper Tire & Rubber Company Generación de potencia remota magnetoestrictiva/piezoeléctrica, batería y método
KR20160076700A (ko) 2014-12-23 2016-07-01 한국기계연구원 전력선 구조진단 모니터링을 위한 자기전기 복합재료 적층체를 이용한 에너지 하베스팅 소자

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20190123924A (ko) * 2018-04-25 2019-11-04 한양대학교 산학협력단 Rf 신호를 이용하는 에너지 하베스팅 장치
KR20220152747A (ko) 2021-05-10 2022-11-17 동아대학교 산학협력단 자기전기 복합체의 제조방법 및 이에 의해 제조된 자기전기 복합체
CN114179476A (zh) * 2021-11-19 2022-03-15 电子科技大学 一种压电复合材料、制造方法及应用的传感器

Also Published As

Publication number Publication date
US20180053890A1 (en) 2018-02-22
US10825983B2 (en) 2020-11-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Leung et al. A review on applications of magnetoelectric composites: From heterostructural uncooled magnetic sensors, energy harvesters to highly efficient power converters
KR20180021457A (ko) 자기전기 에너지 하베스터 및 그의 제조방법
Deng et al. Review of magnetostrictive vibration energy harvesters
Ryu et al. Ubiquitous magneto-mechano-electric generator
KR101536973B1 (ko) 단결정 압전 섬유 포함 복합체 및 이를 포함하는 자기전기 복합재료 적층체
Kim et al. Piezoelectric MEMS for energy harvesting
KR20180024042A (ko) 자기전기 에너지 하베스터 및 그의 제조방법
Li et al. An upconversion management circuit for low-frequency vibrating energy harvesting
KR101447561B1 (ko) 에너지 하베스트 소자용 자기전기 복합재료 적층체 및 그 제조방법
KR20110026644A (ko) 압전 에너지 하베스트 소자 및 그 제조 방법
Zhang et al. Shear-mode self-biased magnetostrictive/piezoelectric laminate multiferroic heterostructures for magnetic field detecting and energy harvesting
Lu et al. Investigation of magnetostrictive/piezoelectric multilayer composite with a giant zero-biased magnetoelectric effect
Chu et al. Voltage-driven nonlinearity in magnetoelectric heterostructures
Calkins Design, analysis, and modeling of giant magnetostrictive transducers
Peng et al. Voltage-impulse-induced nonvolatile control of inductance in tunable magnetoelectric inductors
US11616393B2 (en) Low-power high-frequency directional tunable AC magnetic field
Truong Fundamental issues in magnetoelectric transducers: Magnetic field sensing versus wireless power transfer systems
Paul et al. Performance improvement of MEMS electromagnetic vibration energy harvester using optimized patterns of micromagnet arrays
Zhou et al. Magnetoelectric energy harvester
KR101273491B1 (ko) 에너지 하베스팅에 의한 마이크로 자기 왜곡 운동체
Thakre et al. High performance of polycrystalline piezoelectric ceramic-based magneto-mechano-electric energy generators
Liu et al. Self‐biased magnetoelectric composite for energy harvesting
Farsangi et al. Acoustic energy harvesting via magnetic shape memory alloys
Patil et al. Boosting the performance of magneto-mechano-electric energy generator using magnetic lens
KR20190020497A (ko) 자기전기 에너지하베스터 및 그의 제조방법

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
AMND Amendment
E902 Notification of reason for refusal
AMND Amendment
E601 Decision to refuse application
AMND Amendment
E902 Notification of reason for refusal