KR20200047894A - 발전특성이 우수한 압전 에너지 하베스터 - Google Patents

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Abstract

서로 인접한 판형몸체의 마주보는 끝단을 붙여서 사용하거나, 일체형 판형몸체를 사용하여, 넓은 주파수 범위에서 발전특성이 우수한 에너지 하베스터에 대하여 개시한다.
본 발명의 제1실시예에 따른 압전 에너지 하베스터는 바닥면과 상기 바닥면으로부터 수직으로 연장되는 측면을 포함하는 케이스; 상기 케이스 내부에 길이 방향으로 배치되고, 일단과 타단이 상기 케이스의 측면에 고정되는 고정부; 상기 고정부에 캔틸레버 형태로 일측이 고정되고, 이격 배치된 복수의 판형몸체; 각각의 판형몸체의 일면 또는 양면에 배치되는 압전소자; 및 상기 케이스를 덮는 덮개부;를 포함하고, 상기 이격 배치된 복수의 판형몸체 중 인접한 판형몸체의 마주보는 끝단이 판형몸체 재질로 서로 연결되어 있도록 할 수 있다.

Description

발전특성이 우수한 압전 에너지 하베스터{PIEZOELECTRIC ENERGY HARVESTER WITH EXCELLENT POWER GENERATION CHARACTERISTICS}
본 발명은 서로 인접한 판형몸체의 마주보는 면의 끝단을 연결하여 사용하거나, 일체형 판형몸체를 사용하여, 넓은 주파수 범위에서 발전특성이 우수한 에너지 하베스터에 관한 것이다.
압전 에너지 하베스터는 외부로부터 기계적 변형을 가하면 압전소자를 매개체로 하여, 외부의 기계적 에너지를 압전소자의 변형에 의하여 전기 에너지로 변환시키는 것을 말한다.
압전 에너지 하베스터에 포함되는 압전소자는 캔틸레버 구조로 형성될 수 있다.
도 1은 캔틸레버 형태의 압전소자(1)의 종래의 예를 도시한다. 도 1에 도시한 바와 같이, 상기 압전소자(1)는 지지판(2) 상에 배치된다. 복수의 지지판이 배치되는 경우에는, 이격 배치되는 지지판(2) 상에 각각의 압전소자(1)가 배치된다. 지지판(2)은 일단이 고정되고, 타단이 자유단이 되어, 압전소자(1)와 지지판(2)은 상하방향으로 움직이게 된다.
그러나 압전소자(1)의 개수가 증가할수록 각각의 지지판(2)이 상하방향으로 흔들리는 주파수가 다르다보니, 진동의 폭이 감소하게 된다. 이에 따라, 진동의 폭이 감소하게 되어, 발전량도 감소하는 문제점이 있다.
하기 도 2 및 도 3에 관련된 설명에서, 압전소자(1)가 배치된 지지판(2)은 압전소자(1)-지지판(2)으로 기재하였다.
도 2 및 도 3은 도 1의 압전소자를 구비한 압전 에너지 하베스터에 위상에 따른 변위장을 나타낸 그래프이다. 도 2(A)는 110Hz의 주파수를 갖는 압전소자(1)-지지판(2)과 120Hz의 주파수를 갖는 압전소자(1)-지지판(2)의 변위(상하방향으로 움직이는 영역의 변위)를 나타낸 그래프이다. 여기에, 100Hz의 주파수(빨간 실선)에서 위상에 따른 변위장을 나타낸 그래프는 (B)에 도시하였다. (B)를 참조하면, 공진 주파수 전에 페이스 래그(phase lag) 현상이 발생한다. 여기서, 공진 주파수는 고유 주파수와 전원주파수가 일치하여 공진현상을 일으키고, 전류와 전압이 최대가 되는 것을 말한다. 도 3(A)는 도 2(A)와 동일하고, 여기에, 107.5Hz의 주파수(빨간 실선)에서 위상에 따른 변위장을 나타낸 그래프는 (B)에 도시하였다.
이처럼, 상기 도 1의 종래 구조를 갖는 압전 에너지 하베스터는 공진 주파수 전, 후에서 페이스 래그 현상이 발생한다.
그리고 압전 에너지 하베스터는 압전소자(1) 마다 주파수와 진동의 폭이 균일하지 않고, 좁은 진동 주파수 범위 내에서만 전압 출력이 나타나기 때문에, 진동 주파수에 대한 전압 출력값의 관계에서 반치폭이 좁은 피크 형태로 나타난다.
또한 진동이 항상 일정하게 발생하는 것은 아니어서 진동 주파수 범위가 조금만 벗어나도 얻을 수 있는 발전량이 급격히 낮아지게 되는 문제점이 있다.
등록특허공보 제10-0956076호 (2010. 04. 27 등록)
본 발명의 목적은 이격 배치된 복수의 판형몸체 중 인접한 판형몸체의 마주보는 면의 끝단이 판형몸체 재질로 서로 연결되도록 하고, 각각의 판형몸체에 배치되는 각각의 압전소자를 배치하여, 넓은 주파수 범위에서 발전특성이 우수한 에너지 하베스터를 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 목적은 일체형 판형몸체의 일면 또는 양면에 배치되는 복수의 압전소자를 포함하여, 넓은 주파수 범위에서 발전특성이 우수한 에너지 하베스터를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명의 제1실시예에 따른 압전 에너지 하베스터는 바닥면과 상기 바닥면으로부터 수직으로 연장되는 측면을 포함하는 케이스; 상기 케이스 내부에 길이 방향으로 배치되고, 일단과 타단이 상기 케이스의 측면에 고정되는 고정부; 상기 고정부에 캔틸레버 형태로 일측이 고정되고, 이격 배치된 복수의 판형몸체; 각각의 판형몸체의 일면 또는 양면에 배치되는 압전소자; 및 상기 케이스를 덮는 덮개부;를 포함하고, 상기 이격 배치된 복수의 판형몸체 중 인접한 판형몸체의 마주보는 끝단이 판형몸체 재질로 서로 연결되어 있도록 할 수 있다.
본 발명의 제2실시예에 따른 압전 에너지 하베스터는 바닥면과 상기 바닥면으로부터 수직으로 연장되는 측면을 포함하는 케이스; 상기 케이스 내부에 길이 방향으로 배치되고, 일단과 타단이 상기 케이스의 측면에 고정되는 고정부; 상기 고정부에 캔틸레버 형태로 일측이 고정되는 일체형 판형몸체; 상기 일체형 판형몸체의 일면 또는 양면에 일정간격으로 배치되는 복수의 압전소자; 및 상기 케이스를 덮는 덮개부;를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 압전 에너지 하베스터는 압전소자 간의 간섭이 감소하고, 공진 주파수에서의 발전량이 증가하는 효과가 있다. 이에 따라, 넓은 주파수 범위에서 발전특성이 우수하다.
상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.
도 1은 종래의 캔틸레버 형태의 압전소자의 사시도이다.
도 2 및 도 3은 도 1의 압전소자를 구비한 압전 에너지 하베스터에 위상에 따른 변위장을 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 압전 에너지 하베스터의 분해 사시도이다.
도 5는 도 4의 A-A'방향의 단면도이다.
도 6은 도 4의 압전소자가 배치된 판형몸체의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 압전 에너지 하베스터의 분해 사시도이다.
도 8은 도 7의 압전소자가 배치된 판형몸체의 단면도이다.
도 9는 본 발명의 제1실시예에 따른 압전 에너지 하베스터를 이용하여, 진동 주파수에 따른 전압 출력값을 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 제2실시예에 따른 압전 에너지 하베스터를 이용하여, 진동 주파수에 따른 전압 출력값을 나타낸 그래프이다.
도 11은 도 1의 압전소자를 포함하는 압전 에너지 하베스터를 이용하여 진동 주파수에 따른 전압 출력값(DC power)을 나타낸 그래프이다.
도 12는 제2실시예에 따른 압전 에너지 하베스터를 이용하여 진동 주파수에 따른 전압 출력값(DC power)을 나타낸 그래프와 도 9의 그래프를 비교한 것이다.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
이하에서 구성요소의 "상부 (또는 하부)" 또는 구성요소의 "상 (또는 하)"에 임의의 구성이 배치된다는 것은, 임의의 구성이 상기 구성요소의 상면 (또는 하면)에 접하여 배치되는 것뿐만 아니라, 상기 구성요소와 상기 구성요소 상에 (또는 하에) 배치된 임의의 구성 사이에 다른 구성이 개재될 수 있음을 의미할 수 있다.
또한 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 상기 구성요소들은 서로 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 다른 구성요소가 "개재"되거나, 각 구성요소가 다른 구성요소를 통해 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있는 것으로 이해되어야 할 것이다.
이하에서는, 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 발전특성이 우수한 압전 에너지 하베스터를 설명하도록 한다.
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 압전 에너지 하베스터의 분해 사시도이다. 도 5는 도 4의 A-A'방향의 단면도이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 압전 에너지 하베스터(100)는 케이스(110), 고정부(120), 판형몸체(130), 압전소자(140) 및 덮개부(150)를 포함한다.
케이스(110)는 바닥면과 상기 바닥면으로부터 수직으로 연장되는 측면을 포함한다. 상기 케이스(110)는 후술할 압전소자가 수용되는 공간을 포함한다. 상기 케이스(110)는 플라스틱 재질일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 케이스(110)의 면과 면 사이, 모서리 부분에는 실란트를 도포하여, 방수 및 방진 처리를 할 수도 있다.
고정부(120)는 상기 케이스(110) 내부에 길이 방향으로 배치된다. 상기 고정부(120)의 일단과 타단은 상기 케이스의 측면에 고정된다. 상기 고정부(120)는 원통형, 직육면체 등의 형태로 형성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 고정부(120)는 상부면에 복수의 홀(121)을 포함한다. 상기 홀(121)은 후술할 판형몸체와 끼움결합 또는 나사결합되기 위한 것이다.
도 6은 도 4의 압전소자가 배치된 판형몸체의 단면도이다.
판형몸체(130)는 압전소자(140)의 변형과 복원을 반복하기 위해, 캔틸레버 형태로 고정되어 탄성 운동을 한다. 판형몸체(130)는 총 4개의 면으로 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 판형몸체(130)의 일측은 상기 고정부(120)에 고정될 수 있다.
상기 판형몸체(130)의 일측은 캔틸레버 형태로 고정부(120)에 고정되고, 타측은 탄성 운동에 의해 변형 및 복원을 반복한다. 그리고, 압전 에너지 하베스터(100)는 상기 판형몸체(130)를 적어도 2개 이상 포함한다. 복수의 판형몸체(130)끼리는 서로 이격 배치된다.
상기 판형몸체(130)의 일측은 상기 고정부(120)에 나사로 결합되기 위해, 상기 고정부(120)의 상부면과 상기 판형몸체(130) 각각에 복수의 홀을 포함한다.
또는, 상기 고정부(120)에 상기 판형몸체(130)의 일측이 끼움 결합되기 위해, 상기 고정부(120)의 상부면에 복수의 홀을 포함하고, 상기 판형몸체(130)의 하부면에 복수의 돌출부를 포함한다.
상기 판형몸체(130)는 탄성 운동을 하기 위해, SUS, Cu 및 Fe 중 1종 이상의 탄성재질을 포함한다.
압전소자(140)는 각각의 판형몸체(130)의 일면 또는 양면에 배치된다. 예를 들어, 고정부에 이격 배치되는 4개의 판형몸체 상부면에는 4개의 압전소자가 각각 부착될 수 있다. 복수의 판형몸체(130)는 서로 동일한 재질일 수 있고, 복수의 압전소자(140)는 서로 동일하거나 상이한 재질일 수 있다.
상기 압전소자(140)는 PZT(lead zirconate titanate), 티탄산바륨(BaTiO3), 산화아연(ZnO), 질화갈륨(GaN) 및 질화알루미늄(AlN) 중 1종 이상의 압전 세라믹으로 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 압전 에너지 하베스터(100)는 이격 배치된 복수의 판형몸체(130) 중 인접한 판형몸체(130)의 마주보는 끝단이 서로 연결되어 있는 구조를 가진다. 여기서, 서로 연결되어 있는 것은 마주보는 끝단에 판형몸체의 재질의 연결부(도 6의 동그라미 점선표시)가 형성된 것이다. 이에 따라, 하베스터(100)는 압전소자(140) 간의 간섭이 감소하고, 종래 이격 배치되는 판형몸체를 사용한 경우에 비해, 공진 주파수에서의 발전량이 증가하게 된다. 또한, 하베스터(100)는 공진 주파수의 변화에도 둔감하게 반응하여 넓은 범위의 주파수 영역에서 발전특성이 우수한 효과가 있다.
상기 압전소자(140)의 양면에는 전극(미도시)이 배치된다.
상기 전극은 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al), 탄탈륨(Ta), 티타늄(Ti), 팔라듐(Pd), 탄소나노튜브(CNT), 그래핀(Graphene), 루테늄(Ru), 탄탈륨 나이트라이드(TaN) 및 타이타늄 나이트라이드(TiN) 중 1종 이상을 포함한다.
덮개부(150)는 상기 케이스(110)의 상부를 덮는 것으로, 상기 케이스(110)의 바닥면과 마주보는 방향에 상부면을 포함하고, 상기 상부면으로부터 수직으로 연장되는 측면을 포함한다. 상기 덮개부(150)는 하부면이 개방되어 있다. 상기 덮개부와 케이스는 나사(피스)에 의해 결합 및 고정될 수 있다.
도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 압전 에너지 하베스터의 분해 사시도이다. 도 7을 참조하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 압전 에너지 하베스터(200)는 케이스(210), 고정부(220), 판형몸체(230), 압전소자(240) 및 덮개부(250)를 포함한다.
케이스(210)는 제1실시예의 케이스(110)에서 설명한 바와 같이, 바닥면과 상기 바닥면으로부터 수직으로 연장되는 측면을 포함한다.
고정부(220)는 제1실시예의 고정부(120)에서 설명한 바와 같이, 상기 케이스(210) 내부에 길이 방향으로 배치된다. 상기 고정부(220)의 일단과 타단은 상기 케이스(210)의 측면에 고정된다. 상기 고정부(220)는 상부면에 복수의 홀(221)을 포함한다. 상기 홀은 후술할 판형몸체(230)와 끼움결합 또는 나사결합되기 위한 것이다.
도 8은 도 7의 압전소자가 배치된 판형몸체의 단면도이다. 도 8의 (a)는 일체형 판형몸체(230)에 압전소자 2개가 배치된 구조이고, (b)는 압전소자 3개가 배치된 구조이며, (c)는 압전소자 4개가 배치된 구조이다. 이처럼, 제2실시예에 따른 압전 에너지 하베스터(200)는 일체형 판형몸체(230)에 복수의 압전소자(240)를 일정간격으로 배치할 수 있다.
제1실시예의 판형몸체(130)에서 설명한 바와 같이, 상기 판형몸체(230)는 압전소자(240)의 변형과 복원을 반복하기 위해, 캔틸레버 형태로 고정되어 탄성 운동을 한다. 상기 판형몸체(230)는 총 4개의 면으로 이루어질 수 있다. 그리고 복수의 압전소자(240)을 배치시키기 위해, 일체형 판형몸체(230)를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 판형몸체(230)의 일측은 상기 고정부(220)에 나사로 결합되기 위해, 상기 고정부(220)의 상부면과 상기 판형몸체(230) 각각에 복수의 홀을 포함한다.
또는, 상기 고정부(220)에 상기 판형몸체(230)의 일측이 끼움 결합되기 위해, 상기 고정부(220)의 상부면에 복수의 홀을 포함하고, 상기 판형몸체(230)의 하부면에 복수의 돌출부를 포함한다.
상기 판형몸체(230)는 탄성 운동을 하기 위해, SUS, Cu 및 Fe 중 1종 이상의 탄성재질을 포함한다.
압전소자(240)는 판형몸체(230)의 일면 또는 양면에 배치된다. 예를 들어, 일체형 판형몸체(230) 일면 또는 양면에는 복수의 압전소자(240)가 일정 간격으로 이격 배치될 수 있다. 상기 일면은 상부면 또는 하부면을 말한다.
상기 압전소자(240)의 재질은 서로 동일하거나 상이한 재질일 수 있다.
상기 압전소자(240)는 PZT(lead zirconate titanate), 티탄산바륨(BaTiO3), 산화아연(ZnO), 질화갈륨(GaN) 및 질화알루미늄(AlN) 중 1종 이상의 압전 세라믹으로 형성될 수 있다.
이처럼, 본 발명의 제2실시예에 따른 압전 에너지 하베스터(200)는 일체형 판형몸체(230)의 일면 또는 양면에 일정간격으로 배치되는 복수의 압전소자(240)를 포함한다. 이에 따라, 하베스터(200)는 압전소자(240) 간의 간섭이 감소하고, 도 1과 같은 이격 배치되는 판형몸체를 사용한 경우에 비해, 공진 주파수에서의 발전량이 증가하게 된다. 또한, 하베스터(200)는 공진 주파수의 변화에도 둔감하게 반응하여 넓은 범위의 주파수 영역에서 발전특성이 우수한 효과가 있다.
상기 압전소자(240)의 양면에는 전극(미도시)이 배치된다.
상기 전극은 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al), 탄탈륨(Ta), 티타늄(Ti), 팔라듐(Pd), 탄소나노튜브(CNT), 그래핀(Graphene), 루테늄(Ru), 탄탈륨 나이트라이드(TaN) 및 타이타늄 나이트라이드(TiN) 중 1종 이상을 포함한다.
덮개부(250)는 상기 케이스의 상부를 덮는 것으로, 상기 케이스(210)의 바닥면과 마주보는 방향에 상부면을 포함하고, 상기 상부면으로부터 수직으로 연장되는 측면을 포함한다. 상기 덮개부(250)는 하부면이 개방되어 있다. 상기 덮개부와 케이스는 나사결합에 의해 서로 고정될 수 있다.
본 발명에 따른 제1실시예와 제2실시예의 압전 에너지 하베스터는 외부의 힘에 의해 흔들리게 되면서 압전소자에 진동 에너지가 가해진다. 이에 따라, 판형몸체에 배치되는 압전소자는 변형 및 복원이 반복되면서 진동 에너지를 전기 에너지로 변환하게 된다.
특히, 본 발명의 제1실시예처럼, 이격 배치된 복수의 판형몸체 중 인접한 판형몸체의 마주보는 면의 끝단이 판형몸체 재질로 서로 연결되어 있는 구조이거나, 제2실시예처럼, 일체형 판형몸체의 일면 또는 양면에 복수의 압전소자가 배치되는 구조는 복수의 상하방향으로 흔들리는 압전소자의 공진 주파수가 거의 일치하게 된다. 이에 따라, 하베스터(100, 200)는 압전소자 간의 영향이 감소하고 진동 폭이 감소하는 현상을 최소화할 수 있다. 또한, 하베스터(100, 200)는 주파수의 변화에도 압전소자가 둔감하게 반응하여, 보다 넓은 주파수 범위에서 발전특성이 우수한 효과가 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다.
도 9 내지 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터를 이용하여, 물성 측정한 결과를 나타낸 것이다.
전력은 다음과 같은 순서로 측정되었다.
1) 함수발생기(protek GD-1042N)를 통해 주파수를 설정한다.
2) 신호증폭기(TIRA power amplifier BAA120)을 이용하여, 함수 발생기의 신호를 증폭시킨다. 이어서, 가진기(B&K vibrationexciter type 4809)를 통하여 진동을 발생시킨다.
3) 가진기에 압전 에너지 하베스터 샘플을 장착시킨 후, 가속도 측정기(AV-160D)를 통하여 진동수를 측정한다.
4) 측정된 진동수가 중력가속도에 도달하였을 때, 전력계(YOKOGAWA WT1802E)를 통해 발전량을 측정한다. 상기 전력계를 통해 출력전압, 전류, 전력을 측정할 수 있다.
하기 실험 조건에서 제1실시예의 압전소자(140)를 포함하는 압전 에너지 하베스터의 전력 측정값을 표 1에 나타내었다. 이를 그래프화하여 도 9에 나타내었다.
[표 1]
Figure pat00001
하기 실험 조건에서 도 1의 압전소자(1)를 포함하는 압전 에너지 하베스터의 전력 측정값을 표 2에 나타내었다. 이를 그래프화하여 도 9에 나타내었다.
[표 2]
Figure pat00002
도 9는 본 발명의 제1실시예에 따른 압전 에너지 하베스터를 이용하여, 진동 주파수에 따른 전압 출력값을 나타낸 그래프이다. 도 9에서 신규는 제1실시예의 압전소자(140)를 포함하는 압전 에너지 하베스터이고, 기존은 도 1의 압전소자(1)를 포함하는 압전 에너지 하베스터이다. 본 발명에 따른 구조는 동일한 주파수 범위에서 기존 샘플 대비, 발전량이 급격히 증가하고, 주파수 밴드의 영역이 넓어진 결과를 보여준다.
특히, 주파수가 115~116Hz인 구간에서는 출력전압이 점진적으로 증가한다. 116Hz 이후부터는 출력전압의 증가 기울기가, 116Hz 이전 대비, 급격히 증가하는 현상이 관찰된다. 그 이후, 119Hz 에서 출력전압이 최대치를 보인다.
따라서, 출력전압의 증가 기울기의 변곡점은 대략 117Hz 근처이다.
한편, 119Hz 이후 출력전압은 119Hz 이전 출력전압의 변화와 비슷하게 급격히 감소하는 거동을 보인다. 따라서, 감소 기울기의 변곡점은 대략 121Hz 근처이다.
하기 실험조건에서 제1실시예의 압전 에너지 하베스터(A)와 도 1의 압전 에너지 하베스터(B)의 전력 측정값을 표 3에 나타내었다.
[표 3]
Figure pat00003
표 3을 참조하면, 제1실시예의 샘플은 발전량이 5.66mW에서 11.78mW로 증가하였다. 이는 본 발명의 제1실시예의 구조가 발전특성이 보다 우수하다는 것을 의미한다.
도 10은 도 8(C)의 압전소자를 포함하는 압전 에너지 하베스터(실시예)를 이용하여, 진동 주파수에 따른 전압 출력값을 나타낸 그래프이다. 도 10의 비교예는 도 1의 압전 에너지 하베스터이다.
도 10을 참조하면, 실시예의 전력 측정값은 동일한 주파수 범위에서 비교예의 전력 측정값 대비, 발전량이 급격히 증가하고, 주파수 밴드의 영역이 넓어진 결과를 보여준다.
특히, 주파수가 107~110Hz인 구간에서는 전력이 점진적으로 증가한다. 110Hz 이후부터는 전력의 증가 기울기가, 110Hz 이전 대비, 급격히 증가하는 현상이 관찰된다. 그 이후, 115Hz 에서 전력이 최대치를 보인다.
따라서, 전력의 증가 기울기의 변곡점은 대략 112Hz 근처이다.
한편, 115Hz 이후 전력은 115Hz 이전 전력의 변화와 비슷하게 급격히 감소하는 거동을 보인다. 따라서, 감소 기울기의 변곡점은 대략 121Hz 근처이다.
도 11은 도 1의 압전소자를 포함하는 압전 에너지 하베스터를 이용하여 진동 주파수에 따른 전압 출력값을 나타낸 그래프이다. 일반적으로, 보다 넓은 주파수 영역에서 압전 에너지 하베스터를 발전시키기 위해, 특정 주파수에 연결된 압전소자를 도 1과 같이 배치하게 된다. 이 구조의 전력은 도 11(b)의 그래프처럼 나올 것으로 예상하게 된다. 하지만, 압전소자의 수량이 많아지면서 상하방향으로 움직이는 압전소자 간의 상호작용으로 인해 진동 폭의 변화가 많이 발생한다. 또한, 압전소자 별로 주파수의 값을 달리할 수도 있으나, 이 구조는 압전소자 간의 간섭이 발생하여 압전소자의 변위가 감소할 수 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 본 발명에서는 일체형 판형몸체에 복수의 압전소자를 이격 배치하여, 압전소자 간의 상호 간섭을 최소화하였다. 이에 따른 결과는 도 12에 도시하였다. 일체형 판형몸체로부터 진동의 증폭 효과를 얻어 보다 넓은 주파수 범위에서 발전량이 증가하는 효과가 있다.
이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시 예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시 예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을 지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.
100, 200 : 압전 에너지 하베스터
110, 210 : 케이스
120, 220 : 고정부
121, 221 : 홀
130, 230 : 판형몸체
140, 240 : 압전소자
150, 250 : 덮개부

Claims (8)

  1. 바닥면과 상기 바닥면으로부터 수직으로 연장되는 측면을 포함하는 케이스;
    상기 케이스 내부에 길이 방향으로 배치되고, 일단과 타단이 상기 케이스의 측면에 고정되는 고정부;
    상기 고정부에 캔틸레버 형태로 일측이 고정되고, 이격 배치된 복수의 판형몸체;
    각각의 판형몸체의 일면 또는 양면에 배치되는 압전소자; 및
    상기 케이스를 덮는 덮개부;를 포함하고,
    상기 이격 배치된 복수의 판형몸체 중 인접한 판형몸체의 마주보는 끝단이 판형몸체 재질로 서로 연결되어 있는 압전 에너지 하베스터.
  2. 바닥면과 상기 바닥면으로부터 수직으로 연장되는 측면을 포함하는 케이스;
    상기 케이스 내부에 길이 방향으로 배치되고, 일단과 타단이 상기 케이스의 측면에 고정되는 고정부;
    상기 고정부에 캔틸레버 형태로 일측이 고정되는 일체형 판형몸체;
    상기 일체형 판형몸체의 일면 또는 양면에 일정간격으로 배치되는 복수의 압전소자; 및
    상기 케이스를 덮는 덮개부;를 포함하는 압전 에너지 하베스터.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 판형몸체와 상기 고정부는 나사로 결합되기 위해, 상기 고정부의 상부면과 상기 판형몸체 각각에 복수의 홀을 포함하는 압전 에너지 하베스터.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 고정부에 상기 판형몸체가 끼움 결합되기 위해, 상기 고정부의 상부면에 복수의 홀을 포함하고, 상기 판형몸체의 하부면에 복수의 돌출부를 포함하는 압전 에너지 하베스터.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 판형몸체는 SUS, Cu 및 Fe 중 1종 이상의 탄성재질을 포함하는 압전 에너지 하베스터.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 압전소자는 PZT(lead zirconate titanate), 티탄산바륨(BaTiO3), 산화아연(ZnO), 질화갈륨(GaN) 및 질화알루미늄(AlN) 중 1종 이상의 압전 세라믹을 포함하는 압전 에너지 하베스터.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 압전소자의 양면에 배치되는 전극을 포함하는 압전 에너지 하베스터.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 전극은 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al), 탄탈륨(Ta), 티타늄(Ti), 팔라듐(Pd), 탄소나노튜브(CNT), 그래핀(Graphene), 루테늄(Ru), 탄탈륨 나이트라이드(TaN) 및 타이타늄 나이트라이드(TiN) 중 1종 이상을 포함하는 압전 에너지 하베스터.
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