KR20210077330A - Piezo, Electromagnetic Hybrid Energy Harvester - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 압전 전자기 하이브리드 에너지 하베스터, 및 에너지 하베스팅 방법에 대한 것이다. The present invention relates to a piezoelectric electromagnetic hybrid energy harvester, and an energy harvesting method.
국내 전력수요는 매년 증가하여 전력소비량이 급증하는 여름 및 겨울철에 블랙아웃 위기를 초래하고 있는 상황으로, 미래 에너지자원의 안정적 확보 및 전력수요 증대에 대응하기 위한 노력이 전 세계적으로 이루어지고 있고, 신 재생 에너지에 대한 관심도 또한 폭발적으로 증가하고 있는 추세이며, 특히, 태양광, 풍력, 파력, 열, 운동 에너지 등을 전기적 에너지로 전환하는 에너지 하베스팅(energy harvesting) 기술에 대한 개발이 가속화되고 있는 상황이다.Domestic electricity demand increases every year, leading to a blackout crisis in summer and winter when electricity consumption is rapidly increasing. Efforts are being made around the world to secure future energy resources stably and respond to the increase in electricity demand. Interest in renewable energy is also on the rise, and in particular, the development of energy harvesting technology that converts solar, wind, wave, heat, and kinetic energy into electrical energy is accelerating. to be.
즉, 에너지 하베스터 (energy harvester)는 사용되지 않거나 소모되는 에너지를 수집하여, 유용한 전기 에너지로 변환하는 신재생 에너지원이다. 특히 대형 시스템의 전력효율 향상이나 저전력 소형 전자시스템을 위한 반영구적 에너지원으로 주목 받고 있다.That is, an energy harvester is a renewable energy source that collects unused or consumed energy and converts it into useful electrical energy. In particular, it is attracting attention as a semi-permanent energy source for improving the power efficiency of large systems or for low-power small electronic systems.
압전 에너지 하베스팅(piezoeletric energy harvesting) 기술은 주변에서 발생되는 기계적 에너지(예를 들면, 진동, 충격, 소리 등)를 압전 소재를 이용하여 전기에너지로 변환시키고, 이 렇게 변환된 전기에너지를 저장하는 친환경 에너지 기술이다. 대표적인 압전 에너지 하베스터의 예로는 캔틸레버(cantilever) 구조의 에너지 하베스터를 들 수 있으며, 캔틸레버 구조의 압전 에너지 하베스터에서는 탄성체가 진동하면서 압전 소자를 변형시킴으로써 전기에너지를 발생시키게 된다. The piezoeletric energy harvesting technology converts mechanical energy (eg, vibration, shock, sound, etc.) generated in the surroundings into electrical energy using a piezoelectric material, and stores the converted electrical energy. It is an eco-friendly energy technology. A typical example of a piezoelectric energy harvester may include a cantilever-structured energy harvester. In the cantilevered piezoelectric energy harvester, an elastic body vibrates and deforms a piezoelectric element to generate electrical energy.
이외에도 작은 기계적 에너지에 의해서도 큰 전기에너지를 수확할 수 있는 압전 에너지 하베스터에 관한 많은 연구들이진행되어 왔다. 한편, 압전 에너지 하베스터는 연속적인 외부의 기계적 에너지가 유입되지 않을 경우에는 전력원으로 사용될 수 없기 때문에 변환된 전기에너지를 저장할 배터리 또는 캐퍼시터 등과 같은 저장장치가 필요하다.In addition, many studies on piezoelectric energy harvesters that can harvest large electrical energy even with small mechanical energy have been conducted. On the other hand, since the piezoelectric energy harvester cannot be used as a power source when continuous external mechanical energy is not introduced, a storage device such as a battery or a capacitor to store the converted electrical energy is required.
그러나 압전방식의 에너지 하베스팅 만을 적용하게 되는 경우, 압전출력이 높이 못하고, 특히 진동을 이용한 압전 에너지 하베스터의 경우 장치의 고유 진동수를 발생되는 변위가 최대가 되는 공진주파수에 맞춰서 구조를 설계해야한다. 하지만 이 경우 공진 주파수가 장치의 고정된 고유 진동수를 벗어나게 되면, 발생 변위가 크게 감소하여 압전 출력이 크게 감소하게 된다.However, when only piezoelectric energy harvesting is applied, the piezoelectric output is not high, and in particular, in the case of a piezoelectric energy harvester using vibration, the structure must be designed according to the resonance frequency at which the displacement generated is the maximum. However, in this case, when the resonant frequency deviates from the fixed natural frequency of the device, the generated displacement is greatly reduced and the piezoelectric output is greatly reduced.
따라서 종래 압전 방식에만 의존하였던 에너지 하베스팅에 전자기 에너지 하베스팅을 결합한 하이브리드 에너지 하베스팅 장치의 개발이 요구되었다. Therefore, the development of a hybrid energy harvesting device that combines electromagnetic energy harvesting with energy harvesting, which has relied only on the conventional piezoelectric method, has been required.
따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 실시예에 따르면, 외부에너지 인가시, Oval 형태를 갖는 한 쌍의 곡선기판의 곡률이 주기를 가지고 변화되는 진동형태를 가지게 됨으로써, 곡선기판 상에 접착된 필름 형태의 압전소자에 의해 생성되는 압전 에너지와, 동시에 곡선기판 상에 돌출 설치된 영구자석의 전자기 코일 내부에서의 상하 변위에 따른 전자기 에너지를 하베스팅, 수집할 수 있는, 압전 전자기 하이브리드 에너지 하베스터를 제공하는데 그 목적이 있다. Therefore, the present invention has been devised to solve the problems of the prior art. According to an embodiment of the present invention, when external energy is applied, the curvature of a pair of curved substrates having an oval shape is changed with a period of vibration. By having , the piezoelectric energy generated by the piezoelectric element in the form of a film adhered to the curved substrate and, at the same time, the electromagnetic energy according to the vertical displacement in the electromagnetic coil of the permanent magnet protruding and installed on the curved substrate can be harvested and collected. It is an object of the present invention to provide a piezoelectric electromagnetic hybrid energy harvester that can be
본 발명의 실시예에 따르면, Oval 형태를 갖는 한 쌍의 곡선기판의 내면 각각에 서로 대향되며 이격거리를 갖도록 반발력 증가용 자석을 설치하여, 곡선기판에 의한 자기차폐현상(magnetic shielding effect)을 방지하여 반발력을 크게 향상시켜 하이브리드 출력을 증가시킬 수 있는, 압전 전자기 하이브리드 에너지 하베스터를 제공하는데 그 목적이 있다.According to an embodiment of the present invention, a magnet for increasing repulsive force is installed on each inner surface of a pair of curved substrates having an oval shape to face each other and to have a separation distance, thereby preventing a magnetic shielding effect caused by the curved substrate. Accordingly, an object of the present invention is to provide a piezoelectric electromagnetic hybrid energy harvester capable of significantly improving the repulsion to increase the hybrid output.
한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.On the other hand, the technical problems to be achieved in the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned are clearly to those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs from the description below. can be understood
본 발명의 목적은, 에너지 하베스터에 있어서, 양단이 서로 결합되며, 오목한 내표면이 서로 대향되도록 배치되어, 외부 에너지 인가에 의해 진동되는 한 쌍의 곡선기판; 및 상기 한 쌍의 곡선기판 중 적어도 하나의 일면에 구비되어 상기 한 쌍의 곡선기판의 진동에 의해 전류를 생산하는 에너지 하베스팅 단위소자;를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 전자기 하이브리드 하베스터로서 달성될 수 있다. An object of the present invention is an energy harvester, comprising: a pair of curved substrates having both ends coupled to each other, concave inner surfaces facing each other, vibrating by external energy application; and an energy harvesting unit element provided on at least one surface of the pair of curved substrates to generate a current by vibration of the pair of curved substrates; it can be achieved as a piezoelectric electromagnetic hybrid harvester comprising: have.
그리고 상기 한 쌍의 곡선기판 중 적어도 어느 하나에 구비되어 상기 한 쌍의 곡선기판과 함께 진동되는 영구자석; 및 상기 영구자석의 진동에 의한 자력변화에 유도되어 전력을 생산하는 전자기 코일유닛;을 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. and a permanent magnet provided on at least one of the pair of curved substrates to vibrate together with the pair of curved substrates; and an electromagnetic coil unit that is induced to change magnetic force by vibration of the permanent magnet to generate electric power.
또한, 상기 한 쌍의 곡선기판은, 상부로 볼록한 형태를 갖는 상부곡선기판과, 양단이 상기 상부곡선기판의 양단과 결합되고, 하부로 볼록한 형태를 갖는 하부곡선기판을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. In addition, the pair of curved substrates may include an upper curved substrate having an upwardly convex shape, and a lower curved substrate having both ends coupled to both ends of the upper curved substrate and having a downwardly convex shape. have.
그리고 상기 영구자석은 상기 상부곡선기판의 상부면에 상부로 돌출되도록 구비되며, 상기 상부곡선기판의 진동에 의해 상기 전자기 코일 내부에서 상하 변위되는 것을 특징으로 할 수 있다. The permanent magnet may be provided to protrude upwardly from the upper surface of the upper curved substrate, and may be vertically displaced inside the electromagnetic coil by vibration of the upper curved substrate.
또한 상기 상부곡선기판과 상기 하부곡선기판은 금속재질의 판스프링으로 구성되며, 상기 외부에너지 인가시, 상기 상부곡선기판과 상기 하부곡선기판 사이의 거기와 상기 상부곡선기판과 상기 하부곡선기판의 양측 결합단 사이 거리가 변화되는 형태로 진동되는 것을 특징으로 할 수 있다. In addition, the upper curved substrate and the lower curved substrate are composed of a metal plate spring, and when the external energy is applied, there is a space between the upper curved substrate and the lower curved substrate and both sides of the upper curved substrate and the lower curved substrate It may be characterized in that it vibrates in a form in which the distance between the coupling ends is changed.
그리고 상기 양측 결합단은 켑톤 테이프에 의해 고정되는 것을 특징으로 할 수 있다. And the both sides of the coupling end may be characterized in that it is fixed by a kepton tape.
또한 상기 영구자석은 상기 상부곡선기판 상에 복수로 구비되며, 상기 전자기 코일유닛은 복수의 영구자석 각각에 대응되는 위치에 복수의 솔레노이드 코일이 설치되는 것을 특징으로 할 수 있다. In addition, a plurality of the permanent magnets are provided on the upper curved substrate, and the electromagnetic coil unit may be characterized in that a plurality of solenoid coils are installed at positions corresponding to the plurality of permanent magnets, respectively.
그리고 상기 에너지 하베스팅 단위소자는, 제1전극, 상기 제1전극 상에 위치되며 압전물질로 구성되는 압전소자, 및 상기 압전소자 상에 위치되는 제2전극을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. In addition, the energy harvesting unit element may include a first electrode, a piezoelectric element positioned on the first electrode and made of a piezoelectric material, and a second electrode positioned on the piezoelectric element.
또한 상기 압전물질은, PZT, PZN-PT, PMN-PT, PZ-PT-PZNN, NKN, BaTiO3, ZnO, CdS 및 AlN으로 구성된 그룹에서 선택된 하나의 압전 단결정, 상기 그룹에서 선택된 적어도 하나 이상의 물질로 구성된 Macrofiber composite(MFC), 2-2 composite 등의 압전 혼합물, 또는 PVDF, PVDF-TrFE 등의 폴리머 압전재료를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. In addition, the piezoelectric material is one piezoelectric single crystal selected from the group consisting of PZT, PZN-PT, PMN-PT, PZ-PT-PZNN, NKN, BaTiO 3 , ZnO, CdS and AlN, at least one material selected from the group Macrofiber composite (MFC) consisting of, a piezoelectric mixture such as 2-2 composite, or PVDF, it can be characterized by including a polymer piezoelectric material such as PVDF-TrFE.
그리고 상기 상부곡선기판과 하부곡선기판 각각의 내면에 결합되어 반발력에 의해 진동변위를 증가시키는 반발력 증가용 자석;을 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. And it may further include a magnet for increasing the repulsive force coupled to the inner surface of each of the upper curved substrate and the lower curved substrate to increase the vibration displacement by the repulsive force.
또한 한 쌍의 상기 반발력 증가용 자석은, 서로 대향되어 상기 상부곡선기판과 하부곡선기판 각각에 결합되며 척력에 의해 진동변위를 증가시키는 것을 특징으로 할 수 있다. In addition, the pair of magnets for increasing the repulsive force are opposite to each other and are coupled to the upper curved substrate and the lower curved substrate, respectively, and may be characterized in that the vibration displacement is increased by a repulsive force.
본 발명의 실시예에 따른 압전 전자기 하이브리드 에너지 하베스터에 따르면, Oval 형태를 갖는 한 쌍의 곡선기판의 곡률이 주기를 가지고 변화되는 진동형태를 가지게 됨으로써, 곡선기판 상에 접착된 필름 형태의 압전소자에 의해 생성되는 압전 에너지와, 동시에 곡선기판 상에 돌출 설치된 영구자석의 전자기 코일 내부에서의 상하 변위에 따른 전자기 에너지를 하베스팅, 수집할 수 있는 효과를 갖는다. According to the piezoelectric electromagnetic hybrid energy harvester according to an embodiment of the present invention, the curvature of a pair of curved substrates having an oval shape has a vibration shape that changes with a period, so that the film-type piezoelectric element attached to the curved substrate is applied. It has the effect of harvesting and collecting the piezoelectric energy generated by the electric wave and the electromagnetic energy according to the vertical displacement in the electromagnetic coil of the permanent magnet protruding and installed on the curved substrate at the same time.
본 발명의 실시예에 따른 압전 전자기 하이브리드 에너지 하베스터에 따르면, Oval 형태를 갖는 한 쌍의 곡선기판의 내면 각각에 서로 대향되며 이격거리를 갖도록 반발력 증가용 자석을 설치하여, 곡선기판에 의한 자기차폐현상(magnetic shielding effect)을 방지하여 반발력을 크게 향상시켜 하이브리드 출력을 증가시킬 수 있는 효과를 갖는다. According to the piezoelectric electromagnetic hybrid energy harvester according to the embodiment of the present invention, magnets for increasing repulsion force are installed on each inner surface of a pair of curved substrates having an oval shape so as to face each other and have a separation distance, magnetic shielding phenomenon by the curved substrate (magnetic shielding effect) is prevented and the repulsive force is greatly improved, which has the effect of increasing the hybrid output.
한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.On the other hand, the effects obtainable in the present invention are not limited to the above-mentioned effects, and other effects not mentioned will be clearly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs from the following description. will be able
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 압전 전자기 하이브리드 에너지 하베스터의 정단면도,
도 2a 및 도 2b는 외부 에너지 인가시 진동 형태를 나타낸, 제1실시예에 따른 압전 전자기 하이브리드 에너지 하베스터의 정단면도,
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 압전 전자기 하이브리드 에너지 하베스터의 평면도,
도 4a는 본 발명의 제1실시예에 따른 전자기 코일 유닛의 평면도,
도 4b는 본 발명의 제1실시예에 따른 전자기 코일 유닛의 측단면도,
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 압전 전자기 하이브리드 에너지 하베스터의 정단면도,
도 6a 및 도 6b는 외부 에너지 인가시 진동 형태를 나타낸, 제2실시예에 따른 압전 전자기 하이브리드 에너지 하베스터의 정단면도,
도 7은 본 발명의 제2실시예에 따라 제작된 압전 전자기 하이브리드 에너지 하베스터 사진과, 반발력 증가용 자석 간의 거리에 따른 반반력 그래프,
도 8은 본 발명의 제1실시예에 따라 제작된 압전 전자기 하이브리드 에너지 하베스터와, 본 발명의 제2실시예에 따라 제작된 압전 전자기 하이브리드 에너지 하베스터 각각에 대한 사진과, 출력 비교 표를 나타낸 것이다. The following drawings attached to the present specification illustrate preferred embodiments of the present invention, and serve to further understand the technical spirit of the present invention together with the detailed description of the present invention, so the present invention is limited only to the matters described in those drawings and should not be interpreted.
1 is a front cross-sectional view of a piezoelectric electromagnetic hybrid energy harvester according to a first embodiment of the present invention;
2A and 2B are front cross-sectional views of the piezoelectric electromagnetic hybrid energy harvester according to the first embodiment, showing the vibration form when external energy is applied;
3 is a plan view of a piezoelectric electromagnetic hybrid energy harvester according to a first embodiment of the present invention;
4A is a plan view of an electromagnetic coil unit according to a first embodiment of the present invention;
4B is a side cross-sectional view of an electromagnetic coil unit according to a first embodiment of the present invention;
5 is a front cross-sectional view of a piezoelectric electromagnetic hybrid energy harvester according to a second embodiment of the present invention;
6A and 6B are front cross-sectional views of the piezoelectric electromagnetic hybrid energy harvester according to the second embodiment, showing the vibration form when external energy is applied;
7 is a photo of a piezoelectric electromagnetic hybrid energy harvester manufactured according to a second embodiment of the present invention, and a graph of reaction force according to the distance between a magnet for increasing repulsion force;
8 is a photo and output comparison table for each of the piezoelectric electromagnetic hybrid energy harvester manufactured according to the first embodiment of the present invention and the piezoelectric electromagnetic hybrid energy harvester manufactured according to the second embodiment of the present invention.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.The above objects, other objects, features and advantages of the present invention will be easily understood through the following preferred embodiments in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided so that the disclosed content may be thorough and complete, and the spirit of the present invention may be sufficiently conveyed to those skilled in the art.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.In this specification, when a component is referred to as being on another component, it may be directly formed on the other component or a third component may be interposed therebetween. In addition, in the drawings, the thickness of the components is exaggerated for the effective description of the technical content.
본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서 도면에서 예시된 영역들은 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.Embodiments described herein will be described with reference to cross-sectional and/or plan views, which are ideal illustrative views of the present invention. In the drawings, thicknesses of films and regions are exaggerated for effective description of technical content. Accordingly, the shape of the illustrative drawing may be modified due to manufacturing technology and/or tolerance. Accordingly, embodiments of the present invention are not limited to the specific form shown, but also include changes in the form generated according to the manufacturing process. For example, the region shown at right angles may be rounded or have a predetermined curvature. Accordingly, the regions illustrated in the drawings have properties, and the shapes of the regions illustrated in the drawings are intended to illustrate a particular shape of the region of the device and not to limit the scope of the invention. In various embodiments of the present specification, terms such as first, second, etc. are used to describe various components, but these components should not be limited by these terms. These terms are only used to distinguish one component from another. The embodiments described and illustrated herein also include complementary embodiments thereof.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.The terminology used herein is for the purpose of describing the embodiments and is not intended to limit the present invention. As used herein, the singular also includes the plural unless specifically stated otherwise in the phrase. As used herein, the terms 'comprises' and/or 'comprising' do not exclude the presence or addition of one or more other components.
아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는데 있어 별 이유 없이 혼돈이 오는 것을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.In describing the specific embodiments below, various specific contents have been prepared to more specifically describe the invention and help understanding. However, a reader having enough knowledge in this field to understand the present invention may recognize that it may be used without these various specific details. In some cases, it is mentioned in advance that parts that are commonly known and not largely related to the invention are not described in order to avoid confusion without any reason in describing the present invention in describing the invention.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 압전 전자기 하이브리드 에너지 하베스터(100)의 구성 및 기능에 대해 설명하도록 한다. 먼저 도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 압전 전자기 하이브리드 에너지 하베스터(100)의 정단면도를 도시한 것이다. 그리고 도 2a 및 도 2b는 외부 에너지 인가시 진동 형태를 나타낸, 제1실시예에 따른 압전 전자기 하이브리드 에너지 하베스터(100)의 정단면도를 도시한 것이다. Hereinafter, the configuration and function of the piezoelectric electromagnetic
본 발명의 제1실시예에 따른 압전 전자기 하이브리드 하베스터(100)는 전체적으로, Oval 형태를 갖는 한 쌍의 곡선기판(10)과, 에너지 하베스팅 단위소자(20), 영구자석(25) 및 전자기 코일유닛(30) 등을 포함하여 구성될 수 있다. The piezoelectric electromagnetic
한 쌍의 곡선기판(10)은 도 1에 도시된 바와 같이, 양단이 서로 결합되며, 오목한 내표면이 서로 대향되도록 배치되어, 외부 에너지 인가에 의해 진동되도록 구성된다. As shown in FIG. 1, both ends of the pair of
그리고 에너지 하베스팅 단위소자(20)는 필름형태로 구성되어, 한 쌍의 곡선기판(10) 일면에 접착되어 곡선기판(10)의 진동에 의해 전류를 생산하도록 구성된다. And the energy
그리고 영구자석(25)은 한 쌍의 곡선기판(10) 중 적어도 어느 하나에 구비되어 상기 한 쌍의 곡선기판(10)과 함께 진동되도록 구성된다. 그리고 전자기 코일유닛(30)은 영구자석(25)의 진동에 의한 자력변화에 유도되어 전력을 생산하도록 구성된다. And the
따라서 본 발명의 실시예에 따른 압전 전자기 하이브리드 에너지 하베스터(100)에 따르면, Oval 형태를 갖는 한 쌍의 곡선기판(10)의 곡률이 주기를 가지고 변화되는 진동형태를 가지게 됨으로써, 곡선기판(10) 상에 접착된 필름 형태의 압전소자에 의해 생성되는 압전 에너지와, 동시에 곡선기판(10) 상에 돌출 설치된 영구자석(25)의 전자기 코일 내부에서의 상하 변위에 따른 전자기 에너지를 하베스팅, 수집할 수 있는 효과를 갖는다. Therefore, according to the piezoelectric electromagnetic
보다 구체적으로 한 쌍의 곡선기판(10)은 도 1에 도시된 바와 같이, 상부로 볼록한 형태를 갖는 상부곡선기판(11)과, 양단이 상부곡선기판(11)의 양단과 결합되고 하부로 볼록한 형태를 갖는 하부곡선기판(12)을 포함하여 구성됨을 알 수 있다. More specifically, as shown in FIG. 1 , the pair of
양측 결합단(13)은 켑톤 테이프에 의해 고정될 수 있다. 이러한 양측 결합단(11)은 고정체에 고정된 고정단이 아닌 자유단에 해당한다. Both coupling ends 13 may be fixed by a Kepton tape. These both side coupling ends 11 correspond to the free ends, not the fixed ends fixed to the fixture.
즉 상부곡선기판(11)과 하부곡선기판(12)은 특정곡률을 유지하는 금속재질의 판스프링으로 구성된다. 또한, 하부곡선기판(12)의 하부면에는 고정단(2)이 결합되어, 지지체(1)에 고정된 형태로 구성될 수 있다. That is, the upper
따라서 외부에너지 인가시, 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 상부곡선기판(11) 중앙단과 하부곡선기판(12) 중앙단의 사이간격 거리와, 상부곡선기판(11)과 하부곡선기판(12)의 양측 결합단(13) 사이 거리가 변화되는 형태로 진동되게 됨을 알 수 있다. Therefore, when external energy is applied, as shown in FIGS. 2A and 2B, the distance between the center end of the upper
즉, 도 2a와 같이, 상부곡선기판(11)과 하부곡선기판(12)의 양측 결합단(13) 사이 거리가 증가되고 상부곡선기판(11) 중앙단과 하부곡선기판(12) 중앙단의 사이간격 거리가 감소되는 형태와, 도 2b와 같이, 상부곡선기판(11)과 하부곡선기판(12)의 양측 결합단(13) 사이 거리가 감소되고 상부곡선기판(11) 중앙단과 하부곡선기판(12) 중앙단의 사이간격 거리가 증가되는 형태가 반복되는 형태로 진동되게 된다.That is, as shown in FIG. 2A , the distance between the coupling ends 13 on both sides of the upper
따라서 상부곡선기판(11)과 하부곡선기판(12)이 도 2a 및 도 2b 형태로 진동함에 따라 상부곡선기판(11)과 하부곡선기판(12) 각각에 굽힘 응력이 반복적으로 인가되게 되며, 상부곡선기판(11)과 하부곡선기판(12) 각각에 필름형태의 에너지 하베스팅 단위소자(20)가 접촉되어 결합되어 있어, 굽힘 응력이라는 기계적 에너지가 전기적 에너지로 변환되게 된다. Accordingly, as the upper
또한, 영구자석(25)은 상부곡선기판(11)의 상부면에 상부로 돌출되도록 구비되며, Oval 형태의 곡선기판(10)이 도 2a 및 도 2b와 같은 형태로 진동됨에 의해 전자기 코일유닛(30) 내부에서 상하 변위되게 됨을 알 수 있다. In addition, the
따라서 영구자석(25)이 전자기 코일유닛(30) 내부로 상하 변위됨에 따라 자력변화가 유도되어 전력을 생산하게 된다. Accordingly, as the
그리고 본 발명의 제1실시예에 따른 에너지 하베스팅 단위소자(20)는, 제1전극(22), 상기 제1전극(22) 상에 위치되며 압전물질로 구성되는 필름형태의 압전소자, 및 이러한 압전소자 상에 위치되는 제2전극(23)을 포함하여 구성될 수 있다. And the energy
압전물질은, PZT, PZN-PT, PMN-PT, PZ-PT-PZNN, NKN, BaTiO3, ZnO, CdS 및 AlN으로 구성된 그룹에서 선택된 하나의 압전 단결정, 상기 그룹에서 선택된 적어도 하나 이상의 물질로 구성된 Macrofiber composite(MFC), 2-2 composite 등의 압전 혼합물, 또는 PVDF, PVDF-TrFE 등의 폴리머 압전재료를 포함할 수 있다. The piezoelectric material is one piezoelectric single crystal selected from the group consisting of PZT, PZN-PT, PMN-PT, PZ-PT-PZNN, NKN, BaTiO 3 , ZnO, CdS and AlN, and at least one material selected from the group consisting of Macrofiber composite (MFC), a piezoelectric mixture such as 2-2 composite, or may include a polymer piezoelectric material such as PVDF, PVDF-TrFE.
즉, 압전 물질은 PZT, Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PZN-PT), [Pb(Mg1/3Nb2/3)O3]-[PbTiO3](PMN-PT), PZ-PT-PZNN, (NaxK1-x)NbO3(NKN), BaTiO3, ZnO, CdS 및 AlN으로 구성된 그룹에서 선택된 하나의 압전 단결정을 포함할 수 있다. 또는 압전 물질은 상기 그룹에서 선택된 적어도 하나 이상의 물질로 구성된 Macrofiber composite(MFC), 2-2 composite 등의 압전 혼합물을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 압전 물질은 PVDF, PVDF-TrFE 등의 폴리머 압전재료일 수 있다.That is, the piezoelectric material is PZT, Pb(Zn 1/3 Nb 2/3 )O 3 -PbTiO 3 (PZN-PT), [Pb(Mg 1/3 N b2/3 )O 3 ]-[PbTiO 3 ]( PMN-PT), PZ-PT-PZNN, (Na x K 1-x )NbO 3 (NKN), BaTiO 3 , ZnO, CdS and AlN may include one piezoelectric single crystal selected from the group consisting of. Alternatively, the piezoelectric material may include a piezoelectric mixture such as Macrofiber composite (MFC) and 2-2 composite composed of at least one material selected from the group. In another embodiment, the piezoelectric material may be a polymeric piezoelectric material such as PVDF, PVDF-TrFE, or the like.
압전 물질은 필름(박막) 형태 및 폴리머(polymer) 기반의 필름 구조, 나노/마이크로 구조체 물질과 폴리머의 혼합체, 유연한 가요성 PVDF 폴리머 기반의 필름 등 다양한 형태로 형성될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다. The piezoelectric material may be formed in various forms, such as a film (thin film) form, a polymer-based film structure, a mixture of a nano/micro-structure material and a polymer, and a flexible flexible PVDF polymer-based film, but is not limited thereto. .
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 압전 전자기 하이브리드 에너지 하베스터(100)의 평면도를 도시한 것이다. 그리고 도 4a는 본 발명의 제1실시예에 따른 전자기 코일유닛(30)의 평면도를 도시한 것이고, 도 4b는 본 발명의 제1실시예에 따른 전자기 코일유닛(30)의 측단면도를 도시한 것이다. 3 is a plan view of a piezoelectric electromagnetic
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 영구자석(25)은 상부곡선기판(11) 상에 복수로 구비될 수 있음을 알 수 있다. 본 발명의 구체적 실시예에서 영구자석(25)은 네오디움으로 구성될 수 있다. 이러한 복수의 영구자석(25)은 상부곡선기판(11) 상면에 결합되는 자석결합단(24)에 의해 결합될 수 있다. As shown in FIG. 3 , it can be seen that a plurality of
또한. 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 전자기 코일유닛(30)은 복수의 영구자석(25) 각각에 대응되는 위치에 코일홀(32)이 형성되는 코일 프레임(31)과, 코일홀(32) 각각의 내면에 구비되는 솔레노이드 코일(33)과, 제3전극(34) 및 제4전극(35)을 포함하여 구성될 수 있음을 알 수 있다.Also. 4A and 4B, the
본 발명의 제1실시예에서는 구체적으로 3개의 영구자석(25)이 상부곡선기판(11) 상부면에 직렬로 서로 특정간격 이격되어 배치될 수 있으며, 이에 대응하여 코일 프레임(31)에는 3개의 코일홀(32)이 구비될 수 있다. 이러한 영구자석(25)의 배치, 개수, 형태는 한정되는 것은 아니며 이러한 수치에 의해 권리범위가 제한되어서는 아니된다. Specifically, in the first embodiment of the present invention, three
이하에서는 본 발명의 제2실시예에 따른 압전 전자기 하이브리드 에너지 하베스터(100)의 구성, 및 기능에 대해 설명하도록 한다. 도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 압전 전자기 하이브리드 에너지 하베스터(100)의 정단면도를 도시한 것이다. 그리고 도 6a 및 도 6b는 외부 에너지 인가시 진동 형태를 나타낸, 제2실시예에 따른 압전 전자기 하이브리드 에너지 하베스터(100)의 정단면도를 도시한 것이다. Hereinafter, the configuration and function of the piezoelectric electromagnetic
본 발명의 제2실시예에 따른 압전 전자기 하이브리드 에너지 하베스터(100)의 구성은, 앞서 언급한 본 발명의 제1실시예에 따른 압전 전자기 하이브리드 에너지 하베스터(100)의 구성을 전부 그대로 포함하면서, 도 5, 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이, 한 쌍의 반발력 증가용 자석(40)을 더 포함하여 구성된다. The configuration of the piezoelectric electromagnetic
또한, 본 발명의 제2실시예에서의 Oval 형태의 곡선기판(10)의 진동형태 역시 제1실시예와 기본적으로 동일하나, 반발력 증가용 자석(40)을 포함하게 됨으로써, 진동변위를 증대시켜 압전 출력, 전자기 출력을 향상시킬 수 있다. In addition, the vibration form of the Oval-shaped
즉, 도 5에 도시된 바와 같이, 반발력 증가용 자석(40)은 상부곡선기판(11)과 하부곡선기판(12) 각각의 내면에 결합되어, 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이, 가 반발력에 의해 진동변위를 증가시키게 됨을 알 수 있다. 즉, 한 쌍의 상기 반발력 증가용 자석(40)은, 서로 대향되어 상부곡선기판(11)과 하부곡선기판(12) 각각에 결합되며 척력에 의해 진동변위를 증가시키게 된다. That is, as shown in FIG. 5, the
도 7은 본 발명의 제2실시예에 따라 제작된 압전 전자기 하이브리드 에너지 하베스터 사진과, 반발력 증가용 자석(40) 간의 거리에 따른 반반력 그래프를 도시한 것이다. 그리고 도 8은 본 발명의 제1실시예에 따라 제작된 압전 전자기 하이브리드 에너지 하베스터(100)와, 본 발명의 제2실시예에 따라 제작된 압전 전자기 하이브리드 에너지 하베스터(100) 각각에 대한 사진과, 출력 비교 표를 나타낸 것이다. 7 is a photo of the piezoelectric electromagnetic hybrid energy harvester manufactured according to the second embodiment of the present invention, and a graph showing the reaction force according to the distance between the
도 7에 도시된 바와 같이, 상부곡선기판(11)과 하부곡선기판(12) 각각의 내면에 반발력 증가용 자석(40)을 설치하게 되면, 반발력 증가용 자석(40) 사이의 거리가 감소하고 곡선기판(10)에 의한 자기차폐현상을 방지할 수 있어 반발력을 크게 향상시킬 수 있음을 알 수 있다. 7, when the
또한, 도 8에 도시된 바와 같이, 제1실시예에 따른 하이브리드 출력전압은 7.73(mW)(압전 출력 7.41, 전자기 출력 0.32)이고, 제2실시예에 따른 하이브리드 출력전압은 21.34(mW)(압전 출력 21.34, 전자기 출력 5.87)로서 약 3.5배가 향상됨을 알 수 있다. 8, the hybrid output voltage according to the first embodiment is 7.73 (mW) (piezoelectric output 7.41, electromagnetic output 0.32), and the hybrid output voltage according to the second embodiment is 21.34 (mW) ( It can be seen that the piezoelectric output is 21.34 and the electromagnetic output is 5.87), which is about 3.5 times improved.
따라서 본 발명의 제2실시예에 따른 압전 전자기 하이브리드 에너지 하베스터(100)에 따르면, Oval 형태를 갖는 한 쌍의 곡선기판(10)의 내면 각각에 서로 대향되며 이격거리를 갖도록 반발력 증가용 자석(40)을 설치하여, 곡선기판(10)에 의한 자기차폐현상(magnetic shielding effect)을 방지하여 반발력을 크게 향상시켜 하이브리드 출력을 증가시킬 수 있음을 알 수 있다. Therefore, according to the piezoelectric electromagnetic
또한, 상기와 같이 설명된 장치 및 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.In addition, in the apparatus and method described above, the configuration and method of the above-described embodiments are not limitedly applicable, but all or part of each embodiment is selectively combined so that various modifications can be made to the embodiments. may be configured.
1:지지체
2:고정단
10:곡선기판
11:상부곡선기판
12:하부곡선기판
13:결합단
20:에너지 하베스팅 단위소자
22:제1전극
23:제2전극
24:자석 결합단
25:영구자석
30:전자기 코일유닛
31:코일 프레임
32:코일홀
33:솔레노이드 코일
34:제3전극
35:제4전극
40:반발력 증가용 자석
100:압전 전자기 하이브리드 에너지 하베스터1: support
2: Fixed end
10: curved board
11: Upper curved board
12: lower curved board
13: bonding group
20: energy harvesting unit device
22: first electrode
23: second electrode
24: magnetic coupling end
25: permanent magnet
30: electromagnetic coil unit
31: coil frame
32: coil hole
33: solenoid coil
34: third electrode
35: fourth electrode
40: Magnet for increasing repulsion
100: piezoelectric electromagnetic hybrid energy harvester
Claims (11)
양단이 서로 결합되며, 오목한 내표면이 서로 대향되도록 배치되어, 외부 에너지 인가에 의해 진동되는 한 쌍의 곡선기판; 및
상기 한 쌍의 곡선기판 중 적어도 하나의 일면에 구비되어 상기 한 쌍의 곡선기판의 진동에 의해 전류를 생산하는 에너지 하베스팅 단위소자;를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 전자기 하이브리드 에너지 하베스터.
In the energy harvester,
a pair of curved substrates having both ends coupled to each other, concave inner surfaces facing each other, and vibrating by external energy application; and
and an energy harvesting unit element provided on at least one surface of the pair of curved substrates to generate current by vibration of the pair of curved substrates.
상기 한 쌍의 곡선기판 중 적어도 어느 하나에 구비되어 상기 한 쌍의 곡선기판과 함께 진동되는 영구자석; 및
상기 영구자석의 진동에 의한 자력변화에 유도되어 전력을 생산하는 전자기 코일유닛;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 전자기 하이브리드 에너지 하베스터.
The method of claim 1,
a permanent magnet provided on at least one of the pair of curved substrates to vibrate together with the pair of curved substrates; and
The piezoelectric electromagnetic hybrid energy harvester further comprising; an electromagnetic coil unit that is induced to change magnetic force by vibration of the permanent magnet to generate electric power.
상기 한 쌍의 곡선기판은,
상부로 볼록한 형태를 갖는 상부곡선기판과, 양단이 상기 상부곡선기판의 양단과 결합되고, 하부로 볼록한 형태를 갖는 하부곡선기판을 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 전자기 하이브리드 에너지 하베스터.
3. The method of claim 2,
The pair of curved substrates,
A piezoelectric electromagnetic hybrid energy harvester comprising: an upper curved substrate having an upwardly convex shape; and a lower curved substrate having both ends coupled to both ends of the upper curved substrate and having a downwardly convex shape.
상기 영구자석은 상기 상부곡선기판의 상부면에 상부로 돌출되도록 구비되며, 상기 상부곡선기판의 진동에 의해 상기 전자기 코일 내부에서 상하 변위되는 것을 특징으로 하는 압전 전자기 하이브리드 에너지 하베스터.
4. The method of claim 3,
The permanent magnet is provided to protrude upward from the upper surface of the upper curved substrate, and the piezoelectric electromagnetic hybrid energy harvester is characterized in that it is vertically displaced inside the electromagnetic coil by vibration of the upper curved substrate.
상기 상부곡선기판과 상기 하부곡선기판은 금속재질의 판스프링으로 구성되며,
상기 외부에너지 인가시, 상기 상부곡선기판과 상기 하부곡선기판 사이의 거기와 상기 상부곡선기판과 상기 하부곡선기판의 양측 결합단 사이 거리가 변화되는 형태로 진동되는 것을 특징으로 하는 압전 전자기 하이브리드 에너지 하베스터.
5. The method of claim 4,
The upper curved substrate and the lower curved substrate are composed of a metal plate spring,
When the external energy is applied, the piezoelectric electromagnetic hybrid energy harvester vibrates in such a way that the distance between the upper curved substrate and the lower curved substrate and between the coupling ends of both sides of the upper curved substrate and the lower curved substrate is changed. .
상기 양측 결합단은 켑톤 테이프에 의해 고정되는 것을 특징으로 하는 압전 전자기 하이브리드 에너지 하베스터.
6. The method of claim 5,
The piezoelectric electromagnetic hybrid energy harvester, characterized in that the both coupling ends are fixed by a Kepton tape.
상기 영구자석은 상기 상부곡선기판 상에 복수로 구비되며,
상기 전자기 코일유닛은 복수의 영구자석 각각에 대응되는 위치에 복수의 솔레노이드 코일이 설치되는 것을 특징으로 하는 압전 전자기 하이브리드 에너지 하베스터.
6. The method of claim 5,
The permanent magnet is provided in plurality on the upper curved substrate,
The electromagnetic coil unit is a piezoelectric electromagnetic hybrid energy harvester, characterized in that a plurality of solenoid coils are installed at positions corresponding to each of the plurality of permanent magnets.
상기 에너지 하베스팅 단위소자는,
제1전극, 상기 제1전극 상에 위치되며 압전물질로 구성되는 압전소자, 및 상기 압전소자 상에 위치되는 제2전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 전자기 하이브리드 에너지 하베스터.
The method of claim 1,
The energy harvesting unit element,
A piezoelectric electromagnetic hybrid energy harvester comprising a first electrode, a piezoelectric element positioned on the first electrode and made of a piezoelectric material, and a second electrode positioned on the piezoelectric element.
상기 압전물질은, PZT, PZN-PT, PMN-PT, PZ-PT-PZNN, NKN, BaTiO3, ZnO, CdS 및 AlN으로 구성된 그룹에서 선택된 하나의 압전 단결정, 상기 그룹에서 선택된 적어도 하나 이상의 물질로 구성된 Macrofiber composite(MFC), 2-2 composite 등의 압전 혼합물, 또는 PVDF, PVDF-TrFE 등의 폴리머 압전재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 전자기 하이브리드 에너지 하베스터.
9. The method of claim 8,
The piezoelectric material is one piezoelectric single crystal selected from the group consisting of PZT, PZN-PT, PMN-PT, PZ-PT-PZNN, NKN, BaTiO 3 , ZnO, CdS and AlN, at least one material selected from the group A piezoelectric electromagnetic hybrid energy harvester comprising a piezoelectric mixture such as a macrofiber composite (MFC), 2-2 composite, or a polymer piezoelectric material such as PVDF and PVDF-TrFE.
상기 상부곡선기판과 하부곡선기판 각각의 내면에 결합되어 반발력에 의해 진동변위를 증가시키는 반발력 증가용 자석;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 전자기 하이브리드 에너지 하베스터.
6. The method of claim 5,
The piezoelectric electromagnetic hybrid energy harvester further comprising; a magnet for increasing repulsive force coupled to inner surfaces of each of the upper curved substrate and the lower curved substrate to increase vibration displacement by the repulsive force.
한 쌍의 상기 반발력 증가용 자석은, 서로 대향되어 상기 상부곡선기판과 하부곡선기판 각각에 결합되며 척력에 의해 진동변위를 증가시키는 것을 특징으로 하는 압전 전자기 하이브리드 에너지 하베스터.11. The method of claim 10,
A pair of the repulsive force increasing magnets are opposite to each other and are coupled to each of the upper curved substrate and the lower curved substrate, and a piezoelectric electromagnetic hybrid energy harvester, characterized in that it increases vibration displacement by a repulsive force.
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