KR20190105484A - 자성체를 이용하는 에너지 하베스팅 장치 및 시스템 - Google Patents

Abstract

자기장에서 진동하는 자성체의 성질을 이용하는 에너지 하베스팅 장치 및 시스템이 개시된다. 개시된 자성체를 이용하는 에너지 하베스팅 장치는 제1기판; 일면이 상기 제1기판에 고정되어, 상기 제1기판 상에 수직으로 세워진 기둥 형상의 압전체들; 및 상기 압전체의 표면 전체 또는 일부분에 형성된 자성체 박막층을 포함한다.

Description

자성체를 이용하는 에너지 하베스팅 장치 및 시스템{ENERGY HARVESTING APPARATUS AND SYSTEM USING MAGNETIC MATERIAL}

본 발명은 자성체를 이용하는 에너지 하베스팅 장치 및 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 자기장에서 진동하는 자성체의 성질을 이용하는 에너지 하베스팅 장치 및 시스템에 관한 것이다.

근래에는 에너지 자원의 부족에 따라 다양한 에너지 생산 방법들이 연구되고 있는데, 특히, 최근에는 에너지 하베스트(energy harvest)라는 개념으로 일상 생활에서 버려지는 에너지를 회수하는 시스템에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

에너지 하베스팅 기술은 진동, 빛, 열, 전자파 등 일상 생활에서 버려지는 에너지를 모아 사용 가능한 전기 에너지로 변환하는 기술을 의미하며, 매우 다양한 분야에서 활발한 연구가 진행되고 있다.

이러한 에너지 하베스팅 기술의 한 종류로서, 압전체를 이용한 기술이 개발되고 있는데, 이는 반복적으로 전달되는 외부 압력을 전기 에너지로 변환하는 기술이다. 압전체는 기계적인 힘을 받았을 때 전기 에너지를 발생시키거나, 또는 전기적 에너지를 받았을 때 기계적인 변형을 일으킬 수 있는 물질로서, 수정, 세라믹(납-지르코니아-티타늄), AIN, LiNbO3, LiTaO3, ZnO, GaN 등과 같은 물질이 이용될 수 있다.

압전체를 이용하는 에너지 하베스팅 기술은 기계적 에너지를 제공받을 수 있는 다양한 분야에 적용되고 있으며, 최근에는 자기장을 기계적 에너지로 활용하는 연구가 진행되고 있다.

관련 선행문헌으로 대한민국 등록특허 제10-1565209호, 대한민국 공개특허 제2016-0076700호가 있다.

본 발명은 자기장에서 진동하는 자성체의 성질을 이용하는 에너지 하베스팅 장치 및 시스템을 제공하기 위한 것이다.

특히 본 발명은, 동일한 양의 자성체를 이용하는 조건에서, 보다 발전 효율이 증가된 에너지 하베스팅 장치 및 시스템을 제공하기 위한 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1기판; 일면이 상기 제1기판에 고정되어, 상기 제1기판 상에 수직으로 세워진 기둥 형상의 압전체들; 및 상기 압전체의 표면 전체 또는 일부분에 형성된 자성체 박막층을 포함하는 자성체를 이용하는 에너지 하베스팅 장치를 제공한다.

또한 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 자기장 제공부; 상기 자기장 제공부로부터 미리 설정된 거리만큼 이격되어 설치되는 에너지 하베스터; 및 상기 에너지 하베스터를 지지하는 지지부를 포함하며, 상기 에너지 하베스터는 기판; 일면이 상기 기판에 고정되어, 상기 기판 상에 수직으로 세워진 기둥 형상의 압전체들; 및 상기 압전체의 표면 전체 또는 일부분에 형성되며, 상기 자기장 제공부의 자기장에 의해 진동하는 자성체 박막층을 포함하는 자성체를 이용하는 에너지 하베스팅 시스템을 제공한다.

본 발명에 따르면, 자기장이 존재하는 곳에서 에너지 하베스팅이 이루어질 수 있다.

본 발명에 따르면, 자성체와 압전체 사이의 접촉 면적이 증가함으로써, 자성체의 진동에 의한 압전체의 발전 효율이 증가할 수 있다.

도 1은 자성체가 부착된 플레이트를 자기장에 위치시켰을 때, 시간의 흐름에 따라 진동하는 플레이트의 상하 변위를 측정한 결과를 나타내는 도면이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 자성체를 이용하는 에너지 하베스팅 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 자성체를 이용하는 에너지 하베스팅 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 자성체를 이용하는 에너지 하베스팅 시스템을 설명하기 위한 도면이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.

도 1은 자성체가 부착된 켄틸레버 타입의 플레이트를 자기장에 위치시켰을 때, 시간의 흐름에 따라 진동하는 플레이트의 상하 변위(displacement)를 측정한 결과를 나타내는 도면이다.

자성체(magnetic material)란, 자기장 내에서 자화되는 물질로서, 철, 코발트, 니켈 및 페라이트 등이 대표적인 자성체이다.

자성체는, 자기장에 위치할 경우, 도 1에 도시된 바와 같이 진동하는 특성을 나타내며, 본 발명은 이러한 자성체의 특성을 이용하는 에너지 하베스팅 장치를 제안한다.

기존 자성체 및 압전체를 이용하는 에너지 하베스팅 장치의 경우, 기판에 압전체와 자성체를 기판과 평행한 레이어 형태로 순차적으로 적층하는 구조를 일반적으로 채용하고 있다. 하지만 이 경우, 압전체의 일면은 기판에 접촉하고, 압전체의 타면만이 자성체와 접촉하기 때문에, 압전체의 절반 정도의 면적만이 압전체와 접촉하게 된다.

즉, 압전체와 자성체의 접촉 면적이 크지 않기 때문에, 자성체의 진동에 의한 기계적 에너지가 압전체로 전달되는 면적 역시 크지 않고, 따라서 에너지 하베스팅 장치의 발전 효율이 크지 않다. 발전 효율을 높이기 위해 기판과 압전체 사이에 자성체 레이어를 추가하는 방안이 고려될 수도 있으나, 기판은 압전체에 의해 생성된 전기 에너지를 이동시키는 전극 역할을 하기 때문에, 이는 적절한 방안이 될 수 있다.

이에 본 발명은, 에너지 하베스팅 장치의 발전 효율을 높이기 위해, 표면에 자성체 박막층이 형성된 기둥 형상의 압전체들이, 기판상에 세워진 구조를 제안한다. 이러한 구조에 따르면 압전체와 기판이 접촉하는 면적을 제외한 나머지 면적에 자성체를 형성시킬 수 있으므로, 압전체와 자성체의 접촉 면적이 증가할 수 있으며, 따라서 발전 효율 역시 증가할 수 있다.

이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 2 및 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 자성체를 이용하는 에너지 하베스팅 장치를 설명하기 위한 도면으로서, 도 2는 에너지 하베스팅 장치의 평면도이다. 도 3은 에너지 하베스팅 장치의 A-A` 지점을 자른 모습을 나타내는 단면도이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 에너지 하베스팅 장치(200)는, 기판(210), 복수의 압전체(220) 및 자성체 박막층(230)을 포함한다. 도 2 및 도 3에서는 총 9개의 압전체를 이용하는 실시예가 도시되어 있으나, 압전체의 개수는 실시예에 따라서 다양하게 결정될 수 있다.

기판(210)은 평평한 판(plate)의 형상일 수 있으며, 금속 재질로 이루어질 수 있다. 기판(210)은 압전체(220)가 고정될 수 있는 공간을 제공하는 한편, 압전체(220)에 의해 생성된 전기 에너지가 이동할 수 있는 전극의 기능을 수행할 수 있다.

압전체(220)는 일면(221)이 기판(210)에 고정되어 기판(210) 상에 수직으로 세워진 기둥 형상이다. 도 2 및 도 3에서는 사각형 기둥 형상이 일실시예로서 도시되나, 기둥의 형상에 제한은 없다. 압전체는 원기둥 형상일 수 있고 또는 삼각형 등의 다각 기둥 형상일 수 있다.

일실시예로서, 도 2에 도시된 바와 같이, 압전체들은 서로 균일한 간격만큼씩 이격되어 기판 상에 배치될 수 있으며, 압전체들 사이의 가로 간격이 압전체들 사이의 세로 간격보다 넓도록 배치될 수 있다. 또는 실시예에 따라서, 압전체의 배치 패턴은 다양하게 결정될 수 있다. 예컨대, 압전체들 사이의 가로 간격이 압전체들 사이의 세로 간격보다 좁도록 압전체들이 배치될 수도 있으며, 또는 가로 세로 간격이 동일하도록 배치될 수도 있다.

자성체 박막층(230)은 압전체(220)의 표면에 형성된 박막으로서, 자성체로 이루어진다. 자성체 박막층(230)은 압전체(220)의 표면 전체에 형성될 수도 있으나, 압전체(220)에 의해 생성된 전기 에너지가 손실없이 기판으로 이동될 수 있도록 압전체(220)의 일면(221)을 제외한 나머지 표면에 형성될 수 있다. 또는 압전체(220)의 타면에 전극이 형성되고, 일면 및 전극이 형성된 지점을 제외한 나머지 표면에 자성체 박막층(230)이 형성될 수 있다.

자성체 박막층(230)은 외부 자기장에 존재할 경우, 진동하게 되며, 자성체 박막층(230)과 결합되어 있는 압전체(220)는 자성체 박막층(130)의 진동에 의해 전기 에너지를 생성할 수 있다.

특히, 본 발명에 따르면, 기판과 결합된 일면을 제외한 압전체의 나머지 표면에 자성체 박막층이 형성되어 압전체와 자성체가 서로 접촉하게 되는만큼, 압전체와 자성체 박막층 사이의 접촉 면적이 보다 증가할 수 있으며, 압전체와 자성체 박막층 사이의 접촉 면적이 증가하는만큼, 자성체 박막층의 진동이 전해지는 압전체의 면적이 증가하므로 발전 효율이 증가할 수 있다.

압전체의 폭 또는 지름을 줄이고 기판 상에 고정되는 압전체의 개수를 증가시킨다면, 동일한 질량의 압전체를 이용하는 조건에서, 압전체와 자성체 박막층 사이의 접촉 면적을 보다 증가시킬 수 있을 것이며, 따라서 발전 효율이 더욱 높아질 수 있다. 예컨대, 압전체의 폭 또는 지름은, 밀리미터 단위의 사이즈뿐만 아니라, 마이크로 또는 나노 단위의 사이즈로도 설계될 수 있다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 자성체를 이용하는 에너지 하베스팅 장치를 설명하기 위한 도면으로서, 에너지 하베스팅 장치의 단면도를 나타낸다.

도 4에 도시된 에너지 하베스팅 장치(400)는, 도 2 및 3에 도시된 에너지 하베스팅 장치(200)와 달리 제2기판(410)을 더 포함한다.

제2기판(410)은 제1기판(210)과 마주보도록 배치되며, 압전체(220)의 타면(222)이 제2기판(410)에 고정된다. 제2기판(410)은 압전체(220)가 고정될 수 있는 공간을 제공하는 한편, 압전체(220)에 의해 생성된 전기 에너지를 이동시키는 전극의 기능을 수행할 수 있다.

압전체의 지름 또는 폭이 작아질수록 제1기판(210)과 압전체(220)의 일면(221) 사이의 접촉 면적이 작아져, 압전체가 외력에 의해 제1기판(210)으로부터 분리될 가능성이 높아질 수 있는데, 본 발명은 제2기판(410)에 압전체의 타면을 고정시킴으로써, 압전체를 기판에 보다 견고하게 고정시킬 수 있다.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 자성체를 이용하는 에너지 하베스팅 시스템을 설명하기 위한 도면이다.

본 발명에 따른 에너지 하베스팅 시스템은, 자기장 제공부(540), 에너지 하베스터(400) 및 지지부(550)를 포함한다.

자기장 제공부(540)는 에너지 하베스터(400)로 자기장을 제공하며, 자기장을 형성하는 모든 기기 예컨대, 동작 중인 전자 기기, 무선랜 신호 등의 무선 신호를 송수신하는 RF 장치나 전류가 흐르는 전선 등일 수 있다. 도 5에서는 전선이 자기장 제공부(540)의 일실시예로서 도시되어 있다.

에너지 하베스터(400)는 자기장 제공부(540)로부터 미리 설정된 거리만큼 이격되어 설치되며, 자기장 제공부(540)의 자기장을 이용하여 전기 에너지를 생성한다. 에너지 하베스터(400)는 도2 내지 4에서 설명된 에너지 하베스팅 장치일 수 있으며, 도 4에서는 일실시예로서, 도 4의 에너지 하베스팅 장치(400)가 도시되어 있다.

지지부(550)는 에너지 하베스터(400)를 지지한다. 본 발명에 따른 에너지 하베스터는 기판이 휘어지거나 기판을 타격하여 하베스팅을 수행하는 방식이 아니라 자성체의 진동에 의해 하베스팅을 수행하는 방식이기 때문에, 굳이 캔틸레버 타입이 되돌록 에너지 하베스터를 지지할 필요는 없으며, 에너지 하베스터가 자기장 제공부로부터 이격된 상태로 유지될 수 있는 다양한 방식으로 에너지 하베스터를 지지할 수 있다.

지지부(550)는 본 발명에 따른 에너지 하베스터(400)가 설치되는 공간 또는 자기장 제공부의 종류에 따라서 에너지 하베스터(400)를 지지할 수 있는 다양한 형태로 설계될 수 있다.

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (7)

1. 제1기판;
   일면이 상기 제1기판에 고정되어, 상기 제1기판 상에 수직으로 세워진 기둥 형상의 압전체들; 및
   상기 압전체의 표면 전체 또는 일부분에 형성된 자성체 박막층
   를 포함하는 자성체를 이용하는 에너지 하베스팅 장치.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 압전체의 타면이 고정되며, 상기 제1기판과 마주보는 제2기판
   을 더 포함하는 자성체를 이용하는 에너지 하베스팅 장치.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 자성체 박막층은
   상기 압전체의 일면 및 타면을 제외한 표면에 형성된 박막층인
   자성체를 이용하는 에너지 하베스팅 장치.
   
4. 제 1항에 있어서,
   상기 압전체들 사이의 가로 간격은
   상기 압전체들 사이의 세로 간격보다 넓은
   자성체를 이용하는 에너지 하베스팅 장치.
   
5. 제 1항에 있어서,
   상기 압전체는
   원기둥 또는 다각 기둥 형상인
   자성체를 이용하는 에너지 하베스팅 장치.
   
6. 자기장 제공부;
   상기 자기장 제공부로부터 미리 설정된 거리만큼 이격되어 설치되는 에너지 하베스터; 및
   상기 에너지 하베스터를 지지하는 지지부를 포함하며,
   상기 에너지 하베스터는
   기판;
   일면이 상기 기판에 고정되어, 상기 기판 상에 수직으로 세워진 기둥 형상의 압전체들; 및
   상기 압전체의 표면 전체 또는 일부분에 형성되며, 상기 자기장 제공부의 자기장에 의해 진동하는 자성체 박막층
   을 포함하는 자성체를 이용하는 에너지 하베스팅 시스템.
   
7. 제 6항에 있어서,
   상기 자기장 제공부는
   전류가 흐르는 전선인
   자성체를 이용하는 에너지 하베스팅 시스템.
   

Images