KR20180066787A - 확률 공진을 통한 진동 에너지 수확기 및 이를 이용한 진동 에너지 수확 시스템 - Google Patents
확률 공진을 통한 진동 에너지 수확기 및 이를 이용한 진동 에너지 수확 시스템 Download PDFInfo
- Publication number
- KR20180066787A KR20180066787A KR1020160168011A KR20160168011A KR20180066787A KR 20180066787 A KR20180066787 A KR 20180066787A KR 1020160168011 A KR1020160168011 A KR 1020160168011A KR 20160168011 A KR20160168011 A KR 20160168011A KR 20180066787 A KR20180066787 A KR 20180066787A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- vibration
- vibration energy
- cantilever beam
- cantilever
- energy harvester
- Prior art date
Links
- 238000003306 harvesting Methods 0.000 title claims abstract description 57
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 claims abstract description 25
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 57
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 45
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 45
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 45
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 21
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 18
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 16
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 16
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 12
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 claims description 6
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 3
- 239000012212 insulator Substances 0.000 claims description 3
- 238000010248 power generation Methods 0.000 abstract description 13
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 26
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 13
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 12
- 239000000463 material Substances 0.000 description 11
- 241001124569 Lycaenidae Species 0.000 description 7
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 7
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 7
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 5
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 5
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 5
- 238000001020 plasma etching Methods 0.000 description 4
- 238000009616 inductively coupled plasma Methods 0.000 description 3
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 3
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 3
- 239000002033 PVDF binder Substances 0.000 description 2
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 2
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000003491 array Methods 0.000 description 2
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 2
- PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M copper(1+);methylsulfanylmethane;bromide Chemical compound Br[Cu].CSC PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 238000001312 dry etching Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 2
- 230000005674 electromagnetic induction Effects 0.000 description 2
- HFGPZNIAWCZYJU-UHFFFAOYSA-N lead zirconate titanate Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[Ti+4].[Zr+4].[Pb+2] HFGPZNIAWCZYJU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052451 lead zirconate titanate Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000004518 low pressure chemical vapour deposition Methods 0.000 description 2
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 2
- 238000005979 thermal decomposition reaction Methods 0.000 description 2
- 238000001039 wet etching Methods 0.000 description 2
- XPIIYLUXKKHAPJ-UHFFFAOYSA-N 1,1,2-trifluoroethene;hydrofluoride Chemical group F.FC=C(F)F XPIIYLUXKKHAPJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000975 Carbon steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010962 carbon steel Substances 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 238000000708 deep reactive-ion etching Methods 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 1
- 230000005389 magnetism Effects 0.000 description 1
- 230000005415 magnetization Effects 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 238000001465 metallisation Methods 0.000 description 1
- 238000005459 micromachining Methods 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 1
- 229920006254 polymer film Polymers 0.000 description 1
- 229920001296 polysiloxane Polymers 0.000 description 1
- 229920002981 polyvinylidene fluoride Polymers 0.000 description 1
- 238000005036 potential barrier Methods 0.000 description 1
- 238000005381 potential energy Methods 0.000 description 1
- 230000001737 promoting effect Effects 0.000 description 1
- 230000000717 retained effect Effects 0.000 description 1
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
- H02N2/18—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators
- H02N2/186—Vibration harvesters
- H02N2/188—Vibration harvesters adapted for resonant operation
-
- H01L41/1136—
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
- H02N2/18—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/30—Piezoelectric or electrostrictive devices with mechanical input and electrical output, e.g. functioning as generators or sensors
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/30—Piezoelectric or electrostrictive devices with mechanical input and electrical output, e.g. functioning as generators or sensors
- H10N30/304—Beam type
- H10N30/306—Cantilevers
Landscapes
- Micromachines (AREA)
- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
Abstract
본 발명은, 고정된 일단 및 자유단인 타단을 갖고 상기 일단으로부터 연직 방향으로 연장된 수직 캔틸레버 빔; 및 상기 캔틸레버 빔의 상기 타단에 결합된 진동자; 를 포함하고, 주기적 진동 및 랜덤 진동의 인가에 따라 확률 공진하여 상기 캔틸레버 빔의 상기 자유단이 2개의 평형 위치 사이를 왕복하는 진동 에너지 수확기 및 이를 포함하는 진동 에너지 수확 시스템이다.
Description
본 발명은 진동 에너지 수확기 및 이를 이용한 진동 에너지 수확 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 소형화가 가능하고 고전력 발전을 가능하게 하는 확률 공진을 통한 진동 에너지 수확기 및 이를 이용한 진동 에너지 수확 시스템에 관한 것이다.
최근 웨어러블 디바이스(wearable device) 및 사물 인터넷(IOT: Internet of Things) 시장이 커지고 있으며, 이들 분야뿐 아니라 다양한 분야에서 무선 센서들의 수요가 기하급수적으로 증가하고 있다. 현재 무선 센서의 동력원으로 주로 배터리가 사용되고 있다. 그러나 배터리의 문제점으로 충전이 필요한 점 및 소형화가 어려운 점이 있다. 이러한 상황에서 센서를 위한 전력 공급 문제를 해소하기 위해 환경에 존재하는 동력원을 전기 에너지로 변환하는 에너지 수확(energy harvesting)에 대한 연구가 주목받고 있다.
에너지 수확이란 배터리 대신에 태양 에너지, 열에너지 및 진동 에너지와 같은 환경 에너지원으로부터 전력을 획득하는 방법이다. 하지만, 태양 에너지는 어두운 환경에서 획득이 불가능하고 열에너지는 추운 환경에서 획득이 불가능하다. 한편, 환경에 진동만 존재한다면 진동 에너지는 온도 등 환경 변화에 영향을 받지 않으므로 환경 변화에 로버스트(robust)한 에너지원으로 이용 가능하다. 따라서, 진동 에너지를 이용한 에너지 수확에 더 많은 연구가 집중되고 있다.
진동 에너지(vibrational energy)를 전기 에너지(electrical energy)로 변환하는데 3가지 유형이 있다. 첫 번째, 전자기 유도(electromagnetic induction) 유형은 큰 자석을 필요로 하므로 구조의 부피가 커지는 경향이 있다. 또한, 전자기 유도에 의해 발생하는 전압이 코일(coil)의 면적 및 코일과 영구 자석의 상대 속도에 비례하기 때문에 인가되는 진동 주파수가 낮거나 진동 에너지 수확기를 소형으로 제작하는 경우 발전 에너지가 급격히 저하되는 문제점이 있다. 두 번째, 정전(electrostatic) 유형은 MEMS 공정에 적합한 장점이 있으나 두 개의 전극 사이의 갭(gap)이 작으면서도 서로 접촉하지 않도록 상기 두 개의 전극 사이의 갭을 제어하는데 어려움이 있다. 세 번째, 피에조(piezo) 유형은 에너지 밀도가 전술한 두 가지 유형에 비해 세배만큼 큰 장점이 있다.
지금까지의 연구에서 피에조 진동 에너지 수확을 위해 피에조 필름(piezo film)을 갖는 캔틸레버(cantilever)가 자주 이용되었다. 하지만, 켄틸레버에 피에조 필름을 사용하는 데는 2가지 큰 문제점이 있다. 첫 번째로 수확기의 강도에 의해 부과되는 표준 에너지 수확기의 공명 주파수(resonance frequency)에 비해 주변 진동 주파수가 매우 낮다는 점이다. 두 번째로 협대역 동작 주파수 설계로 인해 환경 진동 주파수가 에너지 수확기의 공명 주파수로부터 벗어나면 즉각적으로 기전 변환(electro-mechanical conversion) 효율이 감소한다는 점이다.
이러한 문제점을 감안하면, 환경에 존재하는 진동 주파수 대역은 대략 100Hz 이하이기 때문에 상대적으로 낮은 주파수 대역의 진동을 전기 에너지로 변환할 수 있는 에너지 수확 기법이 요구된다. 또한, 광범위한 환경 진동의 주파수에 대해서도 발전 가능한 진동 에너지 수확 기법이 요구된다. 또한, 환경에 존재하는 진동 에너지를 이용하면서 발전 효율이 높은 진동 에너지 수확 기법에 대한 필요성이 야기되고 있다.
본 발명의 실시예는 환경에 존재하는 진동 에너지를 이용하면서 발전 효율이 높은 진동 에너지 수확기 및 진동 에너지 수확 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 실시예는 환경에 존재하는 대략 100Hz 이하의 진동 주파수 대역으로서 상대적으로 낮은 주파수 대역의 진동을 전기 에너지로 변환 할 수 있는 에너지 수확 기법을 제공하는 것, 광범위한 환경 진동의 주파수에 대해서도 발전 가능한 진동 에너지 수확 기법을 제공하는 것 및/또는 환경에 존재하는 진동 에너지를 이용하면서 발전 효율이 높은 진동 에너지 수확 기법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 실시예는 무선 센서에 대한 자립 전력 공급원으로 사용될 수 있는 진동 에너지 수확기 및 진동 에너지 수확 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 진동 에너지 수확기는 고정된 일단 및 자유단인 타단을 갖고 상기 일단으로부터 연직 방향으로 연장된 수직 캔틸레버 빔; 및 상기 캔틸레버 빔의 상기 타단에 결합된 진동자; 를 포함하고, 주기적 진동 및 랜덤 진동의 인가에 따라 확률 공진하여 상기 캔틸레버 빔의 상기 자유단이 2개의 평형 위치 사이를 왕복할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 진동 에너지 수확 시스템은 고정된 일단 및 자유단인 타단을 갖고 상기 일단으로부터 연직 방향으로 연장된 수직 캔틸레버 빔; 및 상기 캔틸레버 빔의 상기 타단에 결합된 진동자;로 구성된 캔틸레버 구조를 복수개 포함하고, 주기적 진동 및 랜덤 진동의 인가에 따라 확률 공진하여 상기 캔틸레버 빔의 상기 자유단이 2개의 평형 위치 사이를 왕복할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면 환경에 존재하는 진동 에너지를 이용하면서 발전 효율이 높은 진동 에너지 수확기 및 진동 에너지 수확 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면 무선 센서에 대한 자립 전력 공급원으로 사용될 수 있는 진동 에너지 수확기 및 진동 에너지 수확 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면 확률 공진을 통해 넓은 저주파수 대역에서 발전 효율이 높은 진동 에너지 수확기 및 수확 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면 복수개의 진동 에너지 수확을 위한 캔틸레버 구조가 어레이 구조로 단일 기판상에 통합되어 콤팩트하고 소형으로 구현 가능한 비선형 진동 에너지 수확 시스템을 제공할 수 있다.
도1a는 확률 공진의 사이클을 예시한다.
도1b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 확률 공진을 통한 진동 에너지 수확기(100)를 예시한다.
도2는 도1b에 예시된 진동 에너지 수확기(100)에 환경 노이즈 진동 및 주기력을 각각 인가한 경우((a) 및 (b)) 및 양자 모두를 인가한 경우(c)의 시뮬레이션 결과를 도시한다.
도3a 및 도3b는 본 발명의 제1 실시예에 따라 실제 제작된 진동 에너지 수확기(100) 및 에너지를 측정하기 위한 실험 환경을 도시한다.
도4는 도3a 및 도3b에 도시된 바와 같이 제작된 진동 에너지 수확기(100) 및 실험 환경을 통해 획득된 실험 결과를 도시한다.
도5은 변환 소자를 더 포함하는 본 발명의 실시예에 따른 진동 에너지 수확기(100)를 예시한다.
도6a는 본 발명의 실시예에 따른 진동 에너지 수확 시스템(200)을 예시한다.
도6b는 도6a에 도시된 에너지 수확 시스템(200)에서 절취선(C-C')을 따른 단면을 예시한다.
도7은 본 발명의 실시예에 따른 진동 에너지 수확 시스템(200)의 제조 과정을 예시한다.
도8은 축전 소자를 더 포함하는 본 발명의 실시예에 따른 진동 에너지 수확 시스템(200)의 구성을 예시한다.
도1b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 확률 공진을 통한 진동 에너지 수확기(100)를 예시한다.
도2는 도1b에 예시된 진동 에너지 수확기(100)에 환경 노이즈 진동 및 주기력을 각각 인가한 경우((a) 및 (b)) 및 양자 모두를 인가한 경우(c)의 시뮬레이션 결과를 도시한다.
도3a 및 도3b는 본 발명의 제1 실시예에 따라 실제 제작된 진동 에너지 수확기(100) 및 에너지를 측정하기 위한 실험 환경을 도시한다.
도4는 도3a 및 도3b에 도시된 바와 같이 제작된 진동 에너지 수확기(100) 및 실험 환경을 통해 획득된 실험 결과를 도시한다.
도5은 변환 소자를 더 포함하는 본 발명의 실시예에 따른 진동 에너지 수확기(100)를 예시한다.
도6a는 본 발명의 실시예에 따른 진동 에너지 수확 시스템(200)을 예시한다.
도6b는 도6a에 도시된 에너지 수확 시스템(200)에서 절취선(C-C')을 따른 단면을 예시한다.
도7은 본 발명의 실시예에 따른 진동 에너지 수확 시스템(200)의 제조 과정을 예시한다.
도8은 축전 소자를 더 포함하는 본 발명의 실시예에 따른 진동 에너지 수확 시스템(200)의 구성을 예시한다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
일반적으로 환경에 존재하는 진동은 1Hz 내지 50Hz 정도의 주파수 대역으로서 낮은 주파수이거나 넓은 주파수 대역을 갖는다. 본 발명의 실시예는 환경 중에 존재하는 대략 1Hz 내지 50Hz 정도의 주파수 대역을 갖는 진동을 이용하고 발전 효율을 감소시키지 않으면서도 소형화가 가능한 구조를 갖는 진동 에너지 수확기를 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 진동 에너지 수확기는 에너지 수확기의 공진 주파수 대역을 광역화하고 낮은 주파수 대역에서도 동작하도록 확률 공진(stochastic resonance) 현상을 이용한다. 확률 공진은 보통의 공진 현상과는 달리 2개의 평형 상태를 넘나드는 것으로 공진과 유사한 현상이다. 확률 공진이 일어나면 쌍안정 진동의 진폭이 증가할 수 있다. 확률 공진의 발생 조건으로, 3가지 조건이 충족되어야 한다: 에너지 수확기의 포텐셜계가 이중 우물형 포텐셜(double-well potential)계일 것, 주기적인 진동, 즉, 주기력(periodic force)이 인가될 것 및 랜덤(random) 진동이 가해질 것이다. 여기서 랜덤 진동은 환경 노이즈 진동(environmental noise vibration)일 수 있다.
도1a는 확률 공진의 사이클을 예시한다. 도1a에서 포텐셜 우물(B)의 변화에 따른 예컨대, 진동자(oscillator)의 포텐셜 상태(A)가 예시된다. 도1a에 예시된 바와 같이 진동자의 이중 포텐셜 우물은 어떤 외력도 인가되지 않을 때 대칭적인 ①형태를 갖는다. ①형태의 포텐셜 우물(B)에서 진동자의 포텐셜 상태(A)는 두 개의 우물 중 어느 하나의 우물에 위치한다. 주기력이 진동자에 인가되면 두 개의 포텐셜 우물 사이의 포텐셜 장벽 높이(potential barrier height)가 낮아져 포텐셜 우물(B)은 ②형태를 갖는다. 랜덤 진동에 의해 진동자가 여기(excite)되어 진동자가 두 개의 포텐셜 우물 중 다른 하나로 이동하게 된다. 포텐셜 우물(B)은 ③의 형태를 갖는다. 두 개의 포텐셜 우물 사이를 진동자가 이동하는 이러한 사이클이 주기적으로 반복되면 확률 공진이 발생한다. 진동자의 포텐셜 상태는 공진점(resonant point)에서 두 개의 우물 사이를 왕복하게 되는 것이다.
도1a에 예시된 바와 같은 이중 우물형 포텐셜계를 갖는 장치를 설계하기 위해 영구 자석(permanent magnet)을 사용하는 등 다양한 방법이 이용될 수 있다. 영구 자석을 이용하여 이중 우물형 포텐셜계를 제작하는 경우, 제조 공정이 상대적으로 복잡하고 장치의 소형화가 어렵다. 소형화가 어려운 이유는 영구 자석은 반대 자화의 영향을 받기 쉽고, 장치의 포텐셜계를 이중 우물형 포텐셜계로 만들기 위해 충분한 자기를 확보하는 것이 곤란하기 때문이다.
본 발명의 실시예에서는, 영구 자석을 사용하지 않고 이중 우물형 포텐셜계를 갖는 진동 에너지 수확기를 제공한다. 본 발명의 실시예에서는 추로서 진동자 및 캔틸레버 빔(cantilever beam)을 수직으로 설치하여 첨단의 무게에 따라 캔틸레버 빔이 2개의 평형점을 갖도록 설계하였다.
본 발명의 실시예에서 이중 우물형 포텐셜계 구축을 위해 도1b에 예시된 바와 같은 수직 쌍안정 캔틸레버(vertical bi-stable cantilever) 구조를 이용한다. 이러한 수직 쌍안정 캔틸레버는 제조하기에 구조가 단순하고 또한 소형화가 가능하다.
도1b는 본 발명의 실시예에 따른 확률 공진을 통한 진동 에너지 수확기(100)를 예시한다. 도1b에 예시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 진동 에너지 수확기(100)는 고정된 일단 및 자유단인 타단을 갖고 상기 일단으로부터 연직 방향으로 연장된 수직 캔틸레버 빔(130); 및 상기 캔틸레버 빔의 상기 타단에 결합된 진동자(120);를 포함하고, 주기적 진동 및 랜덤 진동의 인가에 따라 확률 공진하여 상기 캔틸레버 빔의 상기 자유단이 2개의 평형 위치 사이를 왕복할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 진동 에너지 수확기(100)는 캔틸레버 구조(100)로 지칭될 수 있다.
도1b에 예시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 진동 에너지 수확기(100)는 수직적인 쌍안정 캔틸레버 구조를 갖는다. 여기서, v 및 u는 각각 진동자(120)의 수평 변위(horizontal displacement) 및 수직 변위(vertical displacement)를 나타내고, s는 캔틸레버 빔(130: cantilever beam)의 지지부(110)로부터의 거리를 나타내고, vp 및 up는 각각 지지부(110)로부터 빔(130)의 거리가 s인 지점(131)에서 수평 및 수직 변위를 나타내고, x 및 y는 지지부(110)의 수평 및 수직 변위를 각각 나타내고, 그리고 Mt는 진동자(120)의 질량(Tip mass; 끝질량)를 나타낸다. 본 실시예에서, 수평 진동에 더하여 수직 진동(y)이 추가적으로 고려된다. 수직 진동 및 수평 진동을 고려함으로써 모든 방향에서의 진동이 시뮬레이션(simulation)될 수 있다.
도1b에 예시된 바와 같은 진동 에너지 수확기(100)의 캔틸레버 구조의 운동 에너지(T: Kinetic energy)는 수학식(1)과 같이 정의될 수 있다. 
수학식(1)
여기서, ρ는 캔틸레버 빔(130)의 밀도이고, A는 빔(130)의 단면적이고, L은 빔(130)의 길이이고, x는 지지부(110)의 수평 변위이고, y는 지지부(110)의 수직 변위이고, It는 진동자(120)의 관성 모멘트(moment of inertia)이고, φ는 진동자(120)의 기울기이고 수학식(1)에서 도트(dot)는 시간 미분(time-derivative)를 의미한다.
동일한 시스템의 위치 포텐셜 에너지(Π: position potential energy)는 수학식(2)와 같이 정의될 수 있다.
수학식(2)
여기서, E는 빔(130)의 영률(Young Modulus)이고, k는 빔(130)의 곡률이고 g는 중력 가속도이다.
라그랑주 방정식(Lagrange's equation)을 단순화하면, 상기 시스템의 운동 방정식은 수학식(3)과 같이 얻을 수 있다.
수학식(3)
여기서 N1~N9은 상수이고 N(t)는 랜덤 진동으로서 환경 노이즈 진동을 나타낸다.
도2는 도1b에 예시된 진동 에너지 수확기(100)에 환경 노이즈 진동 및 주기력을 각각 인가한 경우((a) 및 (b)) 및 양자 모두를 인가한 경우(c)의 시뮬레이션 결과를 도시한다.
도1b에 예시된 바와 같은 진동 에너지 수확기(100)에 대해서 시뮬레이션을 위해 하기 조건들로 파라미터들의 최적화가 수행되었다. 첫째, 진동자(120)의 질량(mass)은 빔(130)이 벅클링(buckling)하기 시작하는 질량보다 커야 한다. 둘째, 평형 위치(equilibrium position)의 범위는 1mm 내지 50mm 사이로 설정된다. 이러한 조건하에서, 진동자(120)의 질량 및 캔틸레버 빔(130)의 두께는 7.2g 및 100μm로 각각 설정되었다. 여기서, 3가지 수치적 시뮬레이션이 실행되었으며 시뮬레이션 결과는 각각 도2의 (a) 내지 (c)에 도시된다. 이때, 시뮬레이션을 위해 설정된 파라미터는 표1과 같다.
| 빔의 길이(mm) | 빔의 폭(mm) | 진동자의 질량(g) | 빔의 두께(μm) | 영률(GNm-2) | 빔의 밀도(kgm-3) |
| 50 | 4 | 7.2 | 100 | 197 | 7930 |
도2의 (a)는 본 발명의 실시예에 따른 진동 에너지 수확기(100)에 환경 노이즈 진동만 인가되는 경우의 시간에 따른 진동자(120)의 변위(v)를 도시하고, 도2의 (b)는 본 발명의 실시예에 따른 진동 에너지 수확기(100)에 주기력만 인가되는 경우의 시간에 따른 진동자(120)의 변위(v)를 도시한다. 도2의 (c)는 본 발명의 실시예에 따른 진동 에너지 수확기(100)에 환경 노이즈 진동 및 주기력 양자 모두가 인가되는 경우의 시간에 따른 진동자(120)의 변위(v)를 도시한다.
도2의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이, 환경 노이즈 진동 및 주기력 중 어느 하나만 인가되는 경우 빔(130)의 진동자(120)가 오직 하나의 평형 위치 방향에서만 움직임을 알 수 있다. 이와 대조적으로, 주기력 및 환경 노이즈 진동 양자가 수직 쌍안정 캔틸레버에 인가되면, 빔(130)의 진동자(120)는 두 개의 평형 위치들 사이를 왕복해 빔(130)의 진동을 크게 증가시킬 수 있다. 따라서, 진동자(120)의 진폭 크기는 두 배(20mm 이상) 넘게 증가했음을 확인할 수 있다.
도3a 및 도3b는 본 발명의 실시예에 따라 제작된 진동 에너지 수확기(100) 및 에너지를 측정하기 위한 실험 환경(150)을 도시한다. 여기서, 본 발명의 실시예에 따라 제작된 진동 에너지 수확기(100)는 확률 공진을 이용하도록 설계 및 제작되었다. 이렇게 제작된 진동 에너지 수확기(100)가 도3a에 도시된다. 본 실험을 위해 제작된 진동 에너지 수확기(100)의 규격은 표2와 같다.
| 빔의 길이(mm) | 빔의 폭(mm) | 진동자의 질량(g) | 빔의 두께(μm) |
| 50 | 4 | 7.2 | 100 |
본 실험을 위해 제작된 도3a에 도시된 진동 에너지 수확기(100)는 실제 진동 생성기의 수직 진동 모드를 고려하여 제작되었다. 도3a에 도시된 진동 에너지 수확기(100)의 진동자(120)는 삼각기둥(triangular prism) 타입으로 제작되었다. 진동자(120)가 사각형 타입으로 제작되는 경우 수직 진동을 더함에 따라 회전하려고 하는 경향이 있다. 본 실험에서, 빔(130)과 진동자(120)는 스테인리스강(stainless steel) 및 탄소강(carbon steel)으로 각각 제작되었다. 도3b에서 진동 에너지 수확기(100) 및 레이저 센서(180)는 진동 생성기(160) 상에 설치되었다. 도면번호 170으로 표시된 구성을 통해 진동 생성기(160)에 전력이 공급될 수 있다. 빔(130)의 진폭은 레이저 센서(180)를 통해 진동 생성기(160) 표면으로부터 20mm 높이에서 측정되었다. 주기력과 환경 노이즈 진동의 주파수는 각각 1Hz이다. 주기력 및 환경 노이즈 진동의 방향은 수직 방향이다.
도4는 도3a 및 도3b에 도시된 바와 같이 제작된 진동 에너지 수확기(100) 및 실험 환경(150)을 통해 획득된 실험 결과를 도시한다.
도4의 (a)는 도3a에 도시된 진동 에너지 수확기(100)에 주기력만 인가되는 경우의 시간에 따른 변위(v)를 도시하고, 도4의 (b)는 도3a에 도시된 진동 에너지 수확기(100)에 환경 노이즈 진동만 인가되는 경우의 시간에 따른 변위(v)를 도시한다. 도4의 (c)는 도3a에 도시된 진동 에너지 수확기(100)에 환경 노이즈 진동 및 주기력 양자 모두가 인가되는 경우의 시간에 따른 변위(v)를 도시한다.
도4의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이, 환경 노이즈 진동 및 주기력 중 어느 하나만 인가되는 경우, 도2의 (a) 및 (b)에 도시된 시뮬레이션 결과와 마찬가지로, 빔(130)의 진동자(120)가 오직 하나의 평형 위치 방향으로만 움직임을 알 수 있다. 이때, 진폭은 대략 3mm 크기이다. 반면에, 주기력 및 환경 노이즈 진동이 수직 쌍안정 캔틸레버에 인가되면, 빔(130)의 진동자(120)는 두 개의 평형 위치들 사이를 왕복할 수 있다. 즉, 이 경우 확률 공진이 일어난 것을 의미하며 진동자(120)의 진폭의 크기는 10배 (30mm 이상) 넘게 증가했음을 확인할 수 있다.
도4의 (c)에 도시된 그래프에서 일그러짐(disturbance)은 레이저 센서(180)로부터의 빛이 진동자(120)에 의해 차단되기 때문이다. 이러한 일그러짐을 제거하기 위해서, 레이저 센서(180)를 통해 측정되는 지점을 지지부(110)로부터 20mm 높이보다 낮은 지점으로 설정할 수 있다.
도2 및 도4를 통해 설명된 시뮬레이션 및 실험 결과를 통해, 주기력 및 환경 노이즈 진동 양자 모두가 본 발명의 실시예에 따른 진동 에너지 수확기(100)에 인가되는 경우에, 진동자(120)가 두 개의 평형 위치들 사이를 오가도록 진동할 수 있음을 확인하였다. 이러한 결과들로부터 본 발명의 실시예에 따른 진동 에너지 수확기에서 확률 공진이 발생함을 확인할 수 있다.
이상에서 살펴본 본 발명의 실시예에 따른 진동 에너지 수확기(100)는 환경 진동의 주파수가 낮고(일반적으로 100Hz 이하) 환경 진동의 주파수 분포가 광범위하더라도 발전 가능한 에너지 수확기이다. 본 발명의 실시예에 따른 진동 에너지 수확기(100)는 이중 우물형 포텐셜계로 설계되어, 랜덤 노이즈 입력을 통해 진동자의 두 개의 우물 사이의 상호 이동이 촉진되고 큰 진동자의 진폭을 야기할 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예에 따른 진동 에너지 수확기(100)를 이용하면 확률 공진을 통해 랜덤 노이즈 진동을 입력으로서 효율적으로 이용 가능하다.
도3a 및 도3b의 실험에서 제작된 본 발명의 실시예에 따른 진동 에너지 수확기(100)는 밀리미터(mm) 스케일로 제작되었으나, 본 발명의 실시예에 따르면 MEMS(Micro-electromechanical System) 공정을 통해, 예컨대, 마이크로 스케일로, 진동 에너지 수확기(100)를 소형화할 수 있다.
이상에서 광대역에 걸친 환경에 존재하는 저주파수 진동으로부터 에너지를 수확하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 진동 에너지 수확기(100)에 대해서 살펴보았다. 이때, 진동 에너지 수확기(100)를 통해 획득되는 에너지를 이용해 전력(electrical power)을 생성할 수 있도록 변환 소자(conversion element)가 진동 에너지 수확기(100)에 부착될 수 있다.
도5는 변환 소자(140)를 더 포함하는 본 발명의 실시예에 따른 진동 에너지 수확기(100)를 예시한다. 본 발명의 실시예에 따른 변환 소자(140)는 확률 공진을 통해 진폭이 확대된 캔틸레버 빔(130)의 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 소자이다. 이러한 변환 소자(140)는 진자 운동을 통한 캔틸레버 빔(130)의 굴곡에 의한 응력을 이용해 전기 에너지를 생성할 수 있다. 변환 소자(140)는 캔틸레버 빔(130)의 진자 운동시 응력이 가장 크게 발생하는 고정단에 가까운 영역의 캔틸레버 빔(130)에 부착될 수 있다. 이때, 변환 소자(140)는 압전 소자(piezo-electric element)일 수 있다. 압전 필름(piezo-electric film)을 금속인 캔틸레버 빔(130)에 붙여 변환 소자(140)를 형성할 수 있다.
일반적으로 스퍼터링(sputtering을 통해 압전 필름을 형성할 수 있으나, 실시예에 따라 압전 필름을 캔틸레버 빔(130)에 부착하는 것 이외에, 실리콘 공정에 이용 가능한 유기 금속 도포 열분해법(MOD법)을 이용하여 저렴하고 안정적인 압전 필름을 캔틸레버 빔(130)에 형성할 수 있다. 실시예에 따라 변환 소자(140)는 PVDF(Polyvinylidene Fluoride) 또는 PVDF-TrFE(Polyvinylidene FluorideTrifluoroethylene) 등과 같은 폴리머 필름으로 형성될 수도 있다.
확률 공진을 통해 본 발명의 실시예에 따른 진동 에너지 수확기(100)의 캔틸레버 빔(130)의 진폭이 증가하여 환경 진동에 의한 전력 발생이 증대될 수 있지만, 압전 필름과 같은 변환 소자(140)를 통한 출력 전력이 소정 애플리케이션에 사용하기에 충분히 크지 않을 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에서는 발전 효율을 향상시키기 위해 본 발명의 실시예에 따른 진동 에너지 수확기(100)가 복수개 어레이로 제작된 진동 에너지 수확 시스템(200)을 제공한다.
도6a는 본 발명의 실시예에 따른 진동 에너지 수확 시스템(200)을 예시한다. 도6b는 도6a에 도시된 에너지 수확 시스템(200)에서 절취선(C-C')을 따른 단면을 예시한다. 도6a에 예시된 본 발명의 실시예에 따른 진동 에너지 수확 시스템(200)은 이하에서 설명되는 도7에 도시된 SOI(Silicon on Insulator) 기판을 사용하는 제조과정에 따라 제작될 수 있다. 도7에 예시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 진동 에너지 수확 시스템(200)은, 캔틸레버 빔(130)이 이중 우물형 포텐셜계를 갖도록 진동자(120: 헤드(head))를 형성하는 구조의 질량이 상부 실리콘(213)과 하부 실리콘(211) 양쪽에 동등하게 분배되도록 설계하여 제작될 수 있다. 실시예에서 하부 실리콘(211)의 두께가 상부 실리콘(213)에 비해 상대적으로 두꺼우므로, 진동자(120) 구조에서 상부 실리콘(213)과 하부 실리콘(211) 양측의 질량을 동일하게 하기 위해서, 상부 실리콘(213) 상에 금속막(244)을 증착시킬 수 있다. 이때, 금속막(244)은 금속 증착법을 통해 형성될 수 있으며, 예컨대 물리적인 샤도우 마스크(shadow mask)(242)를 통해 증착될 수 있다.
도6a에서는 어레이 형태로 3개의 동일한 모양의 수확기(100-1, 100-2, 100-3)가 포함되는 진동 에너지 수확 시스템(200)이 예시되지만, 최종 집적화된 마이크로 파워칩(power chip) 상에는 더 많은 수의 수확기(100-1, 100-2, 100-3)가 집적될 수 있다. 또한, 실시예에 따라 각각의 수확기(100-1, 100-2, 100-2)에 포함되는 캔틸레버 빔(130)의 길이 및/또는 진동자(120)의 모양이 다양하게 형성될 수 있다. 도7에 예시된 바와 같은 제작 과정에 따르면, 다양한 사이즈 및/또는 형상을 갖는 복수개의 수확기가 하나의 기판(210)상에 동시에 제작 가능하다. 이에 따라 형성된 실시예에 따른 진동 에너지 수확 시스템(200)은 낮은 광대역 주파수대의 진동과 환경에 존재하는 랜덤 노이즈에서 도6b의 도면에서 상하 방향으로 확률 공진이 가능하다. 예컨대, 실제 사용 환경에서 실시예에 따른 진동 에너지 수확 시스템(200)은, 도6a에 예시된 바와 같이 수확기(100-1, 100-2, 100-3)에 포함되는 캔틸레버 빔(130-1, 130-2, 130-3)의 연장 방향이 중력 방향과 일치하도록 수직으로 설치하여 진동자(120-1, 120-2, 120-3)의 수평 방향의 진동을 이용하도록 설치될 수 있다. 도6a에서 진동자(120-1, 120-2, 120-3)의 수평 방향 진동은 진동자가 기판(210)을 형성하는 평면에 대해 전-후(front-rear) 방향으로 움직이는 것을 예시한다. 여기서, 절취선(C-C')의 방향이 중력 방향과 평행/일치할 수 있다. 도7은 본 발명의 실시예에 따른 진동 에너지 수확 시스템(200)의 제조 과정을 예시한다.
도7의 (a)에 예시된 바와 같이 기판(210)이 준비된다. 기판(210)은 SOI(Silicon On Insulator) 기판일 수 있다. 기판(210)은 실리콘(Si)/실리콘산화물(SiO2)/실리콘(Si)의 샌드위치 구조를 가질 수 있다. 상부 실리콘(213)은 단결정 실리콘(Si)으로 형성될 수 있고 대략 25~30μm의 두께로 형성될 수 있다. 하부 실리콘(211)은 단결정 실리콘(Si)로 형성될 수 있고 대략 500μm이하로 형성될 수 있다. 실시예에 따라 하부 실리콘(211)의 두께는 상부 실리콘(213)의 두께보다 두껍게 형성될 수 있다. 중간층(212)은 실리콘산화물(SiO2)로 형성될 수 있고 대략 1~2μm의 두께로 형성될 수 있다.
도7의 (b)에 예시된 바와 같이, 캔틸레버 빔(120)의 헤드(head)인 진동자(120)의 일부를 구성하도록, 상부 실리콘(213) 상에서 진동자(120)에 대응하는 영역에 제1패턴 마스크(221)를 형성한다. 제1패턴 마스크(221)는 알루미늄(Al)으로 형성될 수 있다. 제1패턴 마스크(221)가 형성되지 않은 나머지 영역의 상부 실리콘(213) 일부를 식각할 수 있다. 여기서, 상부 실리콘(213)의 식각은 플라즈마 식각(plasma etching) 공정, ICP 식각(Inductively Coupled Plasma Etching) 공정, RIE 식각(Reactive Ion Etching) 공정 및 건식 식각(Dry Etching) 공정 등에 의해 수행될 수 있다. 이에 따라 진동자(120)를 구성하기 위한 상부측 질량구조(224)가 형성될 수 있다. 이때, 상부 실리콘(213)의 두께가 30μm인 경우, 제1패턴 마스크(221)가 형성되지 않은 나머지 영역에서 상부 실리콘(213)은 20μm 두께만큼 식각될 수 있다. 즉, 식각후 남는 상부 실리콘(213)의 두께는 10μm일 수 있다.
도7의 (c)에 예시된 바와 같이, 상부 실리콘(213)을 부분적으로 식각하여 윈도우 영역(W)이 형성된다. 이는 캔틸레버 빔의 진동자에 대응하는 상부측 질량구조(224)가 외력에 따라 자유롭게 움직일 수 있도록 캔틸레버 빔 방향과 반대 방향에 배치되는 상부 실리콘(213)을 제거하기 위한 것이다. 이러한 윈도우 영역(W)은 상부 실리콘(213) 상에 제2패턴 마스크(미도시)를 통해서 형성될 수 있다. 이때, 캔틸레버 빔에 대응하는 영역(226)의 상부 실리콘(213)의 두께가 5μm가 되도록 추가로 제거될 수 있다. 이러한 윈도우 영역(W)은 건식 식각 공정, RIE 공정, DRIE(DEEP-RIE) 공정, ICP 공정 등을 이용하여 형성될 수 있다. 도7의 (b) 및 (c)에 예시된 바와 같은 상부 실리콘(213)의 식각은 수직 식각 방법을 통해 수행될 수 있다. 여기서, 수직이라 함은 도7의 도면을 기준으로 상하 방향을 지칭할 수 있다.
도7의 (c)에 예시된 바와 같이, 하부 실리콘(211)의 일부가 식각될 수 있다. 캔틸레버 빔(120)의 헤드인 진동자(120)의 나머지 일부를 구성하도록, 하부 실리콘(211)에서 진동자(120)에 대응하는 영역에 제3패턴 마스크(222)를 형성한다. 제3패턴 마스크(222)는 실리콘질화막(SiN)으로 형성될 수 있다. 제3패턴 마스크(222)는 LPCVD (저압화학기상증착: low pressure chemical vapor deposition) 공정을 통해 형성될 수 있다. 제3패턴 마스크(222)를 마스크로하여 포토리소그라피(photo-lithography)를 통해 하부 실리콘(211)의 식각을 수행하여 진동자(120)를 구성하기 위한 하부측 질량구조(223)가 형성될 수 있다. 여기서 하부 실리콘(211)의 식각은 습식 식각(wet etching) 공정, 이방성 식각(anisotropic etching) 공정, 벌크 마이크로 머시닝(bulk micro machining)을 통한 심식각(deep etching) 공정 등에 의해 수행될 수 있다. 여기서, 하부 실리콘(211)의 식각 공정은 예컨대 식각 경사면이 수평면과 수직이 아닌 소정의 경사각(θ)을 이루도록 수행될 수 있다. 도7의 (c)에서 상기 경사각은 예컨대 54.7도를 이룰 수 있다. 이때, 중간층(212)에 의해 하부 실리콘(211)에 대한 식각이 멈출 수 있다. 이때, 경사각(θ)은 상/하부 실리콘(211, 213)의 두께 및 제작 공정 등을 고려하여 진동자(120)를 구성하는 상부측 질량과 하부측 질량이 동일하게 되도록 결정될 수 있다.
도7의 (c)에서 제3패턴 마스크(222)는 진동자를 구성하는 영역 하부뿐 아니라 캔틸레버 빔(130)의 지지부(110)를 형성하는 영역 하부에도 형성될 수 있다. 이와 같이 지지부(110)를 형성하는 영역에서 하부 실리콘(211)이 두껍게 유지되므로 캔틸레버 빔(130)의 움직임에도 고정단으로써 역할이 안정되게 수행될 수 있다. 도7의 (c)에 예시된 바와 같이 하부 실리콘(211)에 대한 식각은 수직 방향으로 수행되지 않고 경사를 이루어 진행되므로 제3패턴 마스크(222)는 진동자(120)의 너비보다 좁게 형성될 수 있다.
도7의 (d)에 예시된 바와 같이, 진동자(120) 영역 및 지지부(110) 영역을 제외한 영역의 중간층(212)이 부분적으로 식각된다. 증간층(212)의 식각은 습식 식각을 통해 수행될 수 있다. 이때, 진동자(120) 영역에서 상부측 질량구조(224)와 하부측 질량구조(223)는 서로 동일한 질량을 갖도록 설계될 수 있다. 이때, 상부측 질량구조(224)의 두께 및 형상이 하부측 질량구조(223)의 크기, 두께 및/또는 형상과 다를 수 있다. 도7의 (f)에 예시된 바와 같이 실시예에 따라 상부측 질량구조(224)의 상부에는 금속막(244)을 추가하여 상부측 질량구조(224) 및 금속막(244)의 총 질량이 하부측 질량구조(223)와 동일하게 설계될 수도 있다. 이에 따라 캔틸레버 빔(130)을 구성하는 영역(226)이 외력에 따라 상하로 진동가능하게 구성될 수 있다. 실시예에서, 제1패턴 마스크(221) 및 제3패턴 마스크(222)가 동시에 또는 따로 제거될 수 있다.
도7의 (e)에 예시된 바와 같이, 캔틸레버 빔(130)에 해당하는 영역의 일부에 변환 소자(140)로서 압전 물질층(241: piezo material layer)이 형성된다. 압전 물질층(241)은 상측에서 스퍼터(sputter) 공정을 통해 형성될 수 있다. 또는 실시예에 따라 유기 금속 도포 열분해(MOD: Metal Organic Deposition) 공정을 통해 압전 물질층(241)이 형성될 수 있다. 이때, 압전 물질층(241)을 형성하기 위해 제4패턴 마스크(미도시)가 이용될 수 있다. 예컨대, 제4패턴 마스크는 압전 물질층(241)이 형성되어야 하는 영역 이외의 영역에 형성될 수 있다. 실시예에 따라, 압전 물질층(241)은 PZT(티탄산 지르콘산 연: lead zirconate titanate) 또는 AIN(질화 알루미늄: Aluminum Nitride)으로 형성될 수 있다.
도7의 (f)에 예시된 바와 같이, 상부측 질량구조(224)의 상부에 금속층(244)이 형성된다. 이때, 압전 물질층(241) 상에 압전 물질층(241)으로부터 생성되는 전기를 수집할 수 있도록 금속 전극층(245)이 함께 형성될 수 있다. 금속층(244) 및/또는 금속 전극층(245)은 이들 형상에 따라 패턴(243)이 형성된 물리적인 스텐실 마스크(242)(stencil mask)를 이용하여 형성될 수 있다. 여기서 마스크는 실리콘 샤도우 마스크(Si-Shadow Mask)일 수 있다. 금속층(244) 및/또는 금속 전극층(245)이 패턴(243)을 통해 증착법으로 상부측 질량구조(224) 및 압전 물질층(241) 상에 직접 형성될 수 있다.
도7의 (g)에는 이상으로부터 제조된 진동 에너지 수확 시스템(200)에 포함되는 하나의 진동 에너지 수확기(100) 영역에 대한 단면을 예시한다.
이상에서 언급된 수치, 물질, 형상 및/또는 구조는 단지 예시일뿐이며, 실시예에 따라 다양한 수치, 물질, 형상 및/또는 구조로 진동 에너지 수확 시스템(200)이 제조될 수 있다.
도6a에 예시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 진동 에너지 수확 시스템(200)은 고정된 일단 및 자유단인 타단을 갖고 상기 일단으로부터 연직 방향으로 연장된 수직 캔틸레버 빔(130); 및 상기 캔틸레버 빔의 상기 타단에 결합된 진동자(120);로 구성된 캔틸레버 구조(100)를 복수개 포함하고, 주기적 진동 및 랜덤 진동의 인가에 따라 확률 공진하여 상기 캔틸레버 빔의 상기 자유단이 2개의 평형 위치 사이를 왕복할 수 있다.
도6a에 예시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 진동 에너지 수확 시스템(200)은 본 발명의 실시예에 따른 진동 에너지 수확기(100)를 적어도 하나 이상 포함할 수 있다. 이때, 진동 에너지 수확기(100)를 구성하는 캔틸레버 구조가 하나의 기판(210)상에 형성될 수 있다. 이때, 실시예에 따라 진동 에너지 수확기 시스템(200)에 포함되는 캔틸레버 구조들은 캔틸레버 빔(130)의 길이가 적어도 다른 하나와 다르게 형성될 수 있다. 또한, 실시예에 따라 진동 에너지 수확기 시스템(200)에 포함되는 캔틸레버 구조들은 캔틸레버 빔(130)의 첨단에 결합된 진동자(120)의 모양이 적어도 다른 하나와 다르게 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 진동 에너지 수확 시스템(200)은 다양한 길이 및 모양으로 형성된 캔틸레버 구조를 복수개 포함하며, 이들 복수개의 캔틸레버 구조들은 어레이(array) 형태로 구성되어 하나의 실리콘칩(silicon chip)에 집적되어 형성될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 진동 에너지 수확 시스템(200)은 복수개의 캔틸레버 구조들이 통합되어 형성된 실리콘칩을 지칭할 수 있다. 이때, 이러한 실리콘칩은 대략 2~3cm2의 크기로 제작될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 진동 에너지 수확 시스템(200)을 통해 보다 더 넓은 주파수 대역의 환경 진동에서 발전할 수 있는 콤팩트(compact)한 구조의 비선형 시스템을 제공할 수 있다.
도6a에 예시된 진동 에너지 수확 시스템(200)에 포함된 각각의 캔틸레버 구조(100-1, 100-2, 100-3)는 빔(130)에 변환 소자(140)가 형성되어 있다. 이러한 캔틸레버 구조 어레이가 하나의 칩에 집적된 진동 에너지 수확 시스템(200)을 형성함으로써, 더 넓은 주파수 대역에서 확률 공진 현상을 일으켜 지속적으로 더 큰 발전 효율을 얻을 수 있다.
이와 같이, 예컨대, MEMS 공정을 이용하여 다양한 길이 및 진동자 형태를 가진 실리콘 캔틸레버 구조 어레이를 제작하고, MEMS 공정에 적용할 수 있는 유기 금속 도포 열분해법(MOD법)을 이용하여 압전 필름을 형성함으로써, 본 발명의 실시예에 따른 진동 에너지 수확 시스템(200)은 밀리미터 규모의 에너지 수확기에 대응하는 출력성능을 유지하면서, 마이크로 스케일의 에너지 수확 시스템을 제공할 수 있다.
도8은 축전 소자(260)를 더 포함하는 본 발명의 실시예에 따른 진동 에너지 수확 시스템(200)을 예시한다. 이하에서 도6a에 예시된 바와 같이 적어도 하나 이상의 진동 에너지 수확기(100)가 어레이 형태로 집적된 것은 진동 에너지 수확기 어레이(111)로 지칭할 수 있다. 실시예에 따라 본 발명의 진동 에너지 수확 시스템(200)은 진동 에너지 수확기 어레이(111)로부터 변환되는 전기 에너지를 축전하기 위한 축전 소자(260)를 더 포함할 수 있다. 이때, 도8에 예시된 바와 같이, 축전 소자(260)는 진동 에너지 수확기 어레이(111)와 동일한 칩(250) 상에 형성될 수 있다.
이와 같이 하나의 칩(250) 상에 진동 에너지 수확기 어레이(111)와 축전 소자(260)를 제작함으로써, 본 발명의 실시예에 따른 진동 에너지 수확 시스템(200)은 다양한 애플리케이션, 예컨대 무선 센서를 위한 자립 전원 공급원으로 사용될 수 있다.
이상에서 설명된 본 발명의 실시예에 따르면 환경에 존재하는 광대역의 저주파수(100Hz 이하)에서 확률 공진을 발생시켜 발전 효율이 높은 진공 에너지 수확기 및 시스템을 제공할 수 있다.
이때, 본 발명의 실시예에 따른 진동 에너지 수확기(100) 및 시스템(200)이 이용할 수 있는 환경 진동은 인간의 걷기, 자동차 주행, 다리 흔들림 등일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 전술한 환경 진동을 이용하여 소형 및 고효율을 달성할 수 있는 진동 에너지 수확기 및 시스템은 무선 센서등의 자립 전원으로서 이용될 수 있다.
종래, 진동 에너지 수확 기법에서 좁은 공진 주파수 대역을 확대하고자 하는 노력이 있었다. 이 경우, 어레이 형태로 캔틸레버를 배치함으로써 다양한 공진 주파수를 갖는 진동 에너지 수확을 실현하였다. 하지만, 이 경우, 복수개의 캔틸레버 중 공진 진동하는 캔틸레버는 해당 공진 주파수 대역에 일치하는 캔틸레버뿐이다. 따라서, 공진 주파수 대역을 확대하기 위해 길이가 다른 복수의 캔틸레버를 배열해야 하므로 소자의 크기에 비해 진동 에너지를 통한 발전 효율이 낮은 문제점이 있다.
또한, 해당 환경의 주파수에 맞게 공진 주파수를 변화시키는 튜닝 기법이 존재한다. 하지만, 튜닝에 의해 공진 주파수를 확대하는 방법은 캔틸레버 빔을 구부려서 공진 주파수를 변화시키므로, 조정 가능한 공진 주파수 대역이 여전히 좁아 좁은 공진 주파수 대역 문제점을 그대로 포함하고 있다. 또한, 튜닝을 위해서는 복잡한 주파수 제어 장치가 필요하며, 제어 장치가 전력을 소비하기 때문에 발전 효율도 저하된다.
본 발명의 실시예는 노이즈에 의한 랜덤 진동을 이용한 확률 공진을 이용한다. 본 발명의 실시예에서는 노이즈에 의한 랜덤 노이즈 진동을 이용하고, 노이즈 진동은 넓은 주파수 대역을 가지므로 환경에 존재하는 광대역에서 발전할 수 있는 진동 에너지 수확기 및 시스템을 제공할 수 있다. 또한, 노이즈 진동과 유사한 패턴을 갖는 진동도 입력으로 사용될 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예에 따른 실제 환경에서의 진동 에너지 수확기 및 시스템을 이용할 수 있는 가능성이 매우 높다.
특히, 본 발명은 확률 공진 현상을 이용하므로, 랜덤 노이즈 입력을 통해 두 개의 포텐셜 우물 사이를 캔틸레버 빔이 왕복하도록 촉진함으로써 캔틸레버 빔의 진폭이 증대할 수 있다. 따라서, 본 발명의 진동 에너지 수확기 및 시스템은 확률 공진을 이용하여 랜덤 진동 입력을 효율적으로 이용가능하다.
자동차 타이어의 회전, 인간의 동작, 교량(bridge) 등의 구조물 등에 의해 발생하는 진동 등 환경에 보편적으로 존재하는 진동 주파수는 1Hz에서 50Hz 정도이다.
본 발명의 실시예에 따른 진동 에너지 수확기(100)에 대한 진폭 평가 실험에서, 랜덤 가진력과 함께 인가되는 주기적 가진력의 각속도가 13.3rad / s 및 20.1rad / s 일 때 명백한 진폭의 증대 및 전기적 출력의 증가가 확인되었다. 이때, 랜덤 가진력의 파형 측정 결과의 푸리에 변환 결과로부터 랜덤 가진력에 의한 진동은 1Hz에서 50Hz의 주파수 대역의 진동을 포함하는 것을 확인할 수 있었다.
따라서, 본 발명의 실시예에서는 확률 공진 현상을 이용하는 것으로, 적어도 1Hz에서 50Hz에 걸친 넓은 주파수 대역을 갖는 랜덤 가진력에 의한 진동을 진동 에너지 수확시 진폭 증대 및 발전 효율 증대에 이용 할 수 있었다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 진동 에너지 수확기(100)는 연직 고정형이기 때문에 소형화가 용이하므로 미세한 무선 센서의 자립 동력원으로 사용될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 진동 에너지 수확기(100) 및 시스템(200)은 배터리 수명이나 배선에서 해방되어 자유로운 배치가 가능하며, 운용 부담을 경감할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 진동 에너지 수확기(100) 및 시스템(200)은 센서 보급을 촉진하는데 일조할 수 있다.
이상에서 실시예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
또한, 이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 진동 에너지 수확기
110: 지지부
120: 진동자
130: 캔틸레버 빔
140: 변환 소자
200: 진동 에너지 수확 시스템
210: 기판
110: 지지부
120: 진동자
130: 캔틸레버 빔
140: 변환 소자
200: 진동 에너지 수확 시스템
210: 기판
Claims (22)
- 고정된 일단 및 자유단인 타단을 갖고 상기 일단으로부터 연직 방향으로 연장된 수직 캔틸레버 빔; 및 상기 캔틸레버 빔의 상기 타단에 결합된 진동자;로 구성된 캔틸레버 구조를 복수개 포함하고,
주기적 진동 및 랜덤 진동의 인가에 따라 확률 공진하여 상기 캔틸레버 빔의 상기 자유단이 2개의 평형 위치 사이를 왕복하는, 진동 에너지 수확 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 복수개의 캔틸레버 구조 중 적어도 하나의 캔틸레버 빔의 길이는, 상기 복수개의 캔틸레버 구조 중 적어도 다른 하나의 캔틸레버 빔의 길이와 다른, 진동 에너지 수확 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 복수개의 캔틸레버 구조 중 적어도 하나의 진동자의 형상은, 상기 복수개의 캔틸레버 구조 중 적어도 다른 하나의 진동자의 형상과 다른, 진동 에너지 수확 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 캔틸레버 빔에 형성된, 상기 캔틸레버 빔의 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 변화 소자를 더 포함하는, 진동 에너지 수확 시스템. - 제2항에 있어서,
상기 변환 소자는 압전 소자인, 진동 에너지 수확 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 진동 에너지 수확기는 비선형 쌍안정 포텐셜계인, 진동 에너지 수확 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 캔틸레버 구조는 100Hz 이하의 주파수 대역에서 확률 공진하는, 진동 에너지 수확 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 주기적 진동 및 랜덤 진동 중 적어도 하나는 상기 진동 에너지 수확 시스템이 배치된 환경에 존재하는, 진동 에너지 수확 시스템. - 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 복수개의 캔틸레버 구조와 동일한 칩(chip)에 집적된 축전 소자를 더 포함하는, 진동 에너지 수확 시스템. - 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 복수개의 캔틸레버 구조와 동일한 칩(chip)에 집적된 축전 소자를 더 포함하는, 진동 에너지 수확 시스템. - 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 복수개의 캔틸레버 구조는 어레이 형태로 단일 기판에 형성되는, 진동 에너지 수확 시스템. - 제11항에 있어서,
상기 기판은 제1실리콘층, 제2실리콘층, 및 상기 제1실리콘층과 상기 제2실리콘층 사이에 중간층을 포함하는 SOI(Silicon on Insulator) 기판인, 진동 에너지 수확 시스템. - 제12항에 있어서,
상기 진동자는 상기 제1실리콘층으로 형성되는 제1질량구조와 상기 제2실리콘층으로 형성되는 제2질량구조를 포함하여 구성되는, 진동 에너지 수확 시스템. - 제13항에 있어서,
상기 제1질량구조와 상기 제2질량구조의 질량은 서로 같은, 진동 에너지 수확 시스템. - 제13항에 있어서,
상기 진동자는 상기 제1질량구조 상에 형성된 금속막을 더 포함하며, 상기 제2질량구조의 질량은 상기 제1질량구조와 상기 금속막의 질량의 합과 같은, 진동 에너지 수확 시스템. - 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
MEMS 공정을 통해 제작되는, 진동 에너지 수확 시스템. - 고정된 일단 및 자유단인 타단을 갖고 상기 일단으로부터 연직 방향으로 연장된 수직 캔틸레버 빔; 및
상기 캔틸레버 빔의 상기 타단에 결합된 진동자; 를 포함하고,
주기적 진동 및 랜덤 진동의 인가에 따라 확률 공진하여 상기 캔틸레버 빔의 상기 자유단이 2개의 평형 위치 사이를 왕복하는, 진동 에너지 수확기. - 제17항에 있어서,
상기 캔틸레버 빔에 형성된, 상기 캔틸레버 빔의 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 변환 소자를 더 포함하는, 진동 에너지 수확기. - 제17항에 있어서,
상기 변환 소자는 압전 소자인, 진동 에너지 수확기. - 제17항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 진동 에너지 수확기는 비선형 쌍안정 포텐셜계인, 진동 에너지 수확기. - 제17항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 진동 에너지 수확기는 100Hz 이하의 주파수 대역에서 확률 공진하는, 진동 에너지 수확기. - 제17항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 주기적 진동 및 랜덤 진동 중 적어도 하나는 상기 진동 에너지 수확기가 배치된 환경에 존재하는, 진동 에너지 수확기.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020160168011A KR20180066787A (ko) | 2016-12-09 | 2016-12-09 | 확률 공진을 통한 진동 에너지 수확기 및 이를 이용한 진동 에너지 수확 시스템 |
| PCT/JP2017/002192 WO2018105132A1 (ja) | 2016-12-09 | 2017-01-23 | 確率共振を通じた振動エネルギーハーベスタ及びこれを用いた振動エネルギーハーベスティングシステム |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020160168011A KR20180066787A (ko) | 2016-12-09 | 2016-12-09 | 확률 공진을 통한 진동 에너지 수확기 및 이를 이용한 진동 에너지 수확 시스템 |
Related Child Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020180111247A Division KR20180111719A (ko) | 2018-09-18 | 2018-09-18 | 확률 공진을 통한 진동 에너지 수확기 및 이를 이용한 진동 에너지 수확 시스템 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20180066787A true KR20180066787A (ko) | 2018-06-19 |
Family
ID=62491018
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020160168011A KR20180066787A (ko) | 2016-12-09 | 2016-12-09 | 확률 공진을 통한 진동 에너지 수확기 및 이를 이용한 진동 에너지 수확 시스템 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20180066787A (ko) |
| WO (1) | WO2018105132A1 (ko) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2572572B (en) * | 2018-04-03 | 2022-03-09 | 8Power Ltd | Energy harvester for harvesting energy from broadband ambient vibrations |
| CN109104123A (zh) * | 2018-10-21 | 2018-12-28 | 吉林大学 | 一种宽频域自调谐双稳态振动能量采集器及采集方法 |
| CN109883581B (zh) * | 2019-03-19 | 2020-12-08 | 西安交通大学 | 一种悬臂梁式差动谐振压力传感器芯片 |
| CN109921685B (zh) * | 2019-04-09 | 2023-12-22 | 清华大学深圳研究生院 | 一种基于压电效应的风能收集器 |
| IT202000003967A1 (it) * | 2020-02-26 | 2021-08-26 | St Microelectronics Srl | Sistema microelettromeccanico e metodo per la fabbricazione dello stesso |
Family Cites Families (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH07245970A (ja) * | 1994-03-02 | 1995-09-19 | Calsonic Corp | 圧電素子発電装置 |
| JP2010273408A (ja) * | 2009-05-19 | 2010-12-02 | Emprie Technology Development LLC | 電力装置、電力発生方法、電力装置の製造方法 |
| WO2010151738A2 (en) * | 2009-06-26 | 2010-12-29 | Virginia Tech Intellectual Properties, Inc. | Piezomagnetoelastic structure for broadband vibration energy harvesting |
| JP2011152010A (ja) * | 2010-01-25 | 2011-08-04 | Panasonic Electric Works Co Ltd | 発電デバイス |
| KR101677297B1 (ko) * | 2010-12-21 | 2016-11-29 | 한국전자통신연구원 | 압전 마이크로 에너지 수확기 및 이의 제조 방법 |
| EP2670043B1 (en) * | 2011-05-09 | 2015-12-09 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Piezoelectric power generating apparatus |
| EP2856628B1 (en) * | 2012-05-25 | 2016-05-04 | Cambridge Enterprise Limited | Energy-harvesting apparatus and method |
| JP2014200162A (ja) * | 2013-03-13 | 2014-10-23 | パナソニック株式会社 | 圧電変換デバイス及びそれを用いたフローセンサ |
-
2016
- 2016-12-09 KR KR1020160168011A patent/KR20180066787A/ko not_active Application Discontinuation
-
2017
- 2017-01-23 WO PCT/JP2017/002192 patent/WO2018105132A1/ja active Application Filing
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 'Energy Harvesting in Piezoelastic Systems Driven by Random Excitations', M.I.Friswell, IJSSD (2013. 4. 25) * |
| The design, fabrication and evaluation of a MEMS PZT cantilever with an integrated Si proof mass for vibration energy harvesting, Dongna Shen, J. of Micromechanics and Microengineering, (2008. 4. 4.) * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2018105132A1 (ja) | 2018-06-14 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Saadon et al. | A review of vibration-based MEMS piezoelectric energy harvesters | |
| US10033305B2 (en) | Energy harvesting device and method for forming the same | |
| Todaro et al. | Piezoelectric MEMS vibrational energy harvesters: Advances and outlook | |
| KR20180066787A (ko) | 확률 공진을 통한 진동 에너지 수확기 및 이를 이용한 진동 에너지 수확 시스템 | |
| Liu et al. | A scrape-through piezoelectric MEMS energy harvester with frequency broadband and up-conversion behaviors | |
| US8154176B2 (en) | System and method for resonance frequency tuning of resonant devices | |
| Lei et al. | MEMS-based thick film PZT vibrational energy harvester | |
| US11012006B2 (en) | Micro electromechanical system (MEMS) energy harvester with residual stress induced instability | |
| Chauhan et al. | High power density CMOS compatible micro-machined MEMs energy harvester | |
| US11799398B2 (en) | Wideband piezoelectric vibratory MEMS harvester | |
| WO2008053835A1 (fr) | Mécanisme piézoélectrique de génération de puissance | |
| JP2015503218A (ja) | 圧電式エネルギー回収デバイス又はアクチュエータ | |
| EP2610935A1 (en) | An energy harvesting device | |
| US8955381B2 (en) | Three-mass coupled oscillation technique for mechanically robust micromachined gyroscopes | |
| Jagtap et al. | Geometry optimization of a MEMS-based energy harvesting device | |
| Reilly et al. | Thin film piezoelectric energy scavenging systems for long term medical monitoring | |
| KR20180111719A (ko) | 확률 공진을 통한 진동 에너지 수확기 및 이를 이용한 진동 에너지 수확 시스템 | |
| JP6588077B2 (ja) | マイクロ電気機械的トランスデューサ、エネルギーハーベスター、およびマイクロ電気機械的変換方法 | |
| Saadon et al. | Ambient vibration-based MEMS piezoelectric energy harvester for green energy source | |
| Chaudhuri et al. | MEMS piezoelectric energy harvester to power wireless sensor nodes for machine monitoring application | |
| JP6309698B1 (ja) | 発電装置と発電素子 | |
| Nisanth et al. | Design and simulation of MEMS AlN piezoelectric vibration energy harvester array for improved power density | |
| Saadon et al. | Environmental vibration-based MEMS piezoelectric energy harvester (EVMPEH) | |
| Larcher et al. | Vibrational energy harvesting | |
| JP2010540266A (ja) | 向上した検出レベルを有するナノスケールまたはマイクロスケールの振動電気機械部材 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| AMND | Amendment | ||
| E601 | Decision to refuse application | ||
| E601 | Decision to refuse application | ||
| E801 | Decision on dismissal of amendment |