KR20210132414A - 광대역 주파수 범위를 갖는 자가공진조절 압전 에너지 하베스터 - Google Patents

광대역 주파수 범위를 갖는 자가공진조절 압전 에너지 하베스터 Download PDF

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KR20210132414A
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Abstract

본 발명은 광대역 주파수 범위를 갖는 자가공진조절 압전 에너지 하베스터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수평방향을 따라 연장된 압전빔; 상기 압전빔의 양단을 고정하는 고정부재; 및 상기 압전빔이 통과되며, 상기 압전빔이 통과되는 공간 외에 여유공간을 갖는 관통홀을 통해 상기 압전빔을 따라 자가 이동 가능하도록 상기 압전빔에 연결된 이동질량체;를 포함하고, 상기 이동질량체가 공진 가능한 압전빔의 위치로 이동할수록 압전빔의 발생변위는 증가하고, 상기 발생변위가 상기 여유공간보다 커짐에 따라 상기 이동질량체는 공진 가능한 압전빔의 위치에 고정되는 것을 특징으로 하는 광대역 주파수 범위를 갖는 자가공진조절 압전 에너지 하베스터에 관한 것이다.

Description

광대역 주파수 범위를 갖는 자가공진조절 압전 에너지 하베스터{Self­resonance tuning piezoelectric energy harvester with broadband operation frequency}
본 발명은 광대역 주파수 범위를 갖는 자가공진조절 압전 에너지 하베스터에 대한 것으로, 보다 상세하게는 장치에 인가되는 추가적인 에너지 공급 혹은 압전 구조체의 변경 없이, 외부 진동의 주파수와 장치의 고유 진동수가 일치하도록 유격을 갖는 이동질량체가 스스로 공진위치로 찾아가게 함으로써, 진동 주파수가 가변적인 환경에서도 공진 현상이 지속적으로 유지될 수 있는 압전 에너지 하베스터에 관한 것이다.
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.
여러 에너지 하베스팅 기술 중 압전 에너지 하베스터는 외부 환경으로부터 압전 소재의 물리적인 변형을 유도, 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 장치이며, 주위의 버려지는 충격, 압력, 진동 등의 에너지를 전기 에너지로 활용할 수 있는 일종의 에너지 발생 장치이다.
진동을 이용한 압전 에너지 하베스터의 경우, 장치의 고유 진동수를 발생되는 변위가 최대가 되는 공진 주파수에 맞춰서 구조를 설계해야 한다. 하지만 이 경우, 공진 주파수가 장치의 고정된 고유 진동수를 벗어나게 되면, 발생 변위가 크게 감소하여 압전 출력이 크게 감소하게 된다. 따라서, 구조체의 비선형적인 공진 특성을 이용하거나, 액추에이터 혹은 구조체 크기를 조절하여 고유 진동수를 변화시키는 방법 등이 종래 사용되고 있지만, 공진 주파수 이외의 주파수 대역에서는 발생되는 변위가 크게 감소하고, 외부의 추가적인 공급을 필요로 하기 때문에 에너지 측면에서 효율적이지 못하다.
대한민국 등록특허 제1190451호 대한민국 등록특허 제1301695호 미국 등록특허 US14/256286
따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 실시예에 따르면, 외부의 가변적인 진동이 가해질 때, 이동형 질량체가 압전빔의 공진이 발생하는 위치로 스스로 이동하기 때문에 넓은 동작 주파수 대역폭을 특징으로 하며, 또한 공진을 지속적으로 유지하여 추가적인 공급 없이 압전 출력 효율을 극대화한 자가 공진 조절 압전 에너지 하베스터를 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 압전빔(Piezoelectric Beam)과 이동질량체로 구성되어 간단한 구조를 가지며, 이동질량체는 외부진동에 대응하여 공진이 발생하는 압전빔 상의 위치로 이동하여 고정될 수 있어, 사용자의 개입을 최소화함과 동시에 넓은 주파수 대역에서 효율적으로 전기 에너지 생산이 가능하고, 가변적인 진동이 가해지는 환경은 어디든 적용이 가능하여, 미래의 스마트 팩토리 구현을 위한 저전력 센서의 전원 공급원으로 사용될 수 있는, 광대역 주파수 범위를 갖는 자가공진조절 압전 에너지 하베스터를 제공하는데 그 목적이 있다.
그리고 본 발명의 실시예에 따르면, 이동질량체의 스윙모션 메커니즘과 정지 모션메커니즘을 분석하여 최대 스윙각도와, 스윙토크 구현을 통해 압전빔의 공진 가능 위치로 최대한 신속하게 이동될 수 있는, 광대역 주파수 범위를 갖는 자가공진조절 압전 에너지 하베스터를 제공하는데 그 목적이 있다.
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.
본 발명의 목적은, 수평방향을 따라 연장된 압전빔; 상기 압전빔의 양단을 고정하는 고정부재; 및 상기 압전빔이 통과되며, 상기 압전빔이 통과되는 공간 외에 여유공간을 갖는 관통홀을 통해 상기 압전빔을 따라 자가 이동 가능하도록 상기 압전빔에 연결된 이동질량체;를 포함하고, 상기 이동질량체가 공진 가능한 압전빔의 위치로 이동할수록 압전빔의 발생변위는 증가하고, 상기 발생변위가 상기 여유공간보다 커짐에 따라 상기 이동질량체는 공진 가능한 압전빔의 위치에 고정되는 것을 특징으로 하는 광대역 주파수 범위를 갖는 자가공진조절 압전 에너지 하베스터로서 달성될 수 있다.
그리고 상기 이동질량체가 공진 가능한 압전빔의 위치로 이동할수록 상기 이동질량체의 스윙각도와 스윙토크가 증가되며, 상기 공진 가능한 압전빔의 위치에서 발생변위에 의한 스윙각도가 상기 이동질량체의 설계 스윙각도보다 증가되어 상기 이동질량체가 상기 공진 가능한 압전빔의 위치에 압전빔의 표면과의 마찰력에 의해 고정되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 이동질량체의 설계 스윙각도는 이하의 수학식 1로 표현되고, 여유공간 높이는 상기 압전빔 공진 시 발생변위에 의해 상기 이동질량체가 고정될 수 있는 범위 내에서 최대값을 갖도록 설계되는 것을 특징으로 할 수 있다.
[수학식 1]
θ = tan-1 여유공간높이(h)/이동질량체 두께(t).
그리고 상기 이동질량체의 스윙토크(τ)는 이하의 수학식 2로 표현되며 특정값 이상을 갖도록 설계되는 것을 특징으로 할 수 있다.
[수학식 2]
Figure pat00001
여기서, I는 관성모멘트, α는 이동질량체의 각가속도이고, m은 이동질량체의 질량, r은 이동질량체의 무게중심에서 최외각까지의 거리이다.
그리고 이동질량체는 상기 이동질량체의 최외각 측 부분의 무게 비율이 특정비율 이상이 되도록 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 이동질량체는, 상부플랜지, 하부플랜지 및 상기 상부플랜지와 상기 하부플랜지를 연결하는 웹부를 가지며, 상기 여유공간을 갖는 관통홀은 상기 웹부에 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 상기 압전빔에서 측정되는 시간에 따른 출력 특성은 사인파 형태로 나타나며, 상기 사인파는 양의 출력이 최대로 나타나는 지점에서 변곡점을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 압전빔은 기판, 상기 기판으로부터 굽힘 모멘트를 전달받는 압전 에너지 하베스터 단위소자를 포함하고, 상기 압전 에너지 하베스터 단위소자는 제1전극, 상기 제1전극 상에 위치하는 압전물질, 및 상기 압전물질 상에 위치하는 제2전극을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 상기 압전 물질은 PZT, Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PZN-PT), [Pb(Mg1/3Nb2/3)O3]-[PbTiO3](PMN-PT), (NaxK1-x)NbO3(NKN), BaTiO3, ZnO, CdS 및 AlN으로 구성된 그룹에서 선택된 하나의 압전 다결정 또는 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.
본 발명의 실시예에 따른 광대역 주파수 범위를 갖는 자가공진조절 압전 에너지 하베스터에 따르면, 외부의 가변적인 진동이 가해질 때, 이동형 질량체가 압전빔의 공진이 발생하는 위치로 스스로 이동하기 때문에 넓은 동작 주파수 대역폭을 특징으로 하며, 또한 공진을 지속적으로 유지하여 추가적인 공급 없이 압전 출력 효율을 극대화할 수 있는 효과를 갖는다.
본 발명의 실시예에 따른 광대역 주파수 범위를 갖는 자가공진조절 압전 에너지 하베스터에 따르면, 압전빔(Piezoelectric Beam)과 질량체로 구성되어 간단한 구조를 가지며, 질량체는 외부진동에 대응하여 공진이 발생하는 압전빔 상의 위치로 이동하여 고정될 수 있어, 사용자의 개입을 최소화함과 동시에 넓은 주파수 대역에서 효율적으로 전기 에너지 생산이 가능하며, 가변적인 진동이 가해지는 환경은 어디든 적용이 가능하여, 미래의 스마트 팩토리 구현을 위한 저전력 센서의 전원 공급원으로 사용될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 광대역 주파수 범위를 갖는 자가공진조절 압전 에너지 하베스터에 따르면, 이동질량체의 스윙모션메커니즘과 정지 모션메커니즘을 분석하여 최대 스윙각도와, 스윙토크 구현을 통해 압전빔의 공진 가능 위치로 최대한 신속하게 이동될 수 있는 효과를 갖는다.
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.
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 1a는 본 발명의 실시예에 따른 광대역 주파수 범위를 갖는 자가공진조절 압전 에너지 하베스터의 사시도,
도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 이동질량체의 단면도,
도 1c는 본 발명의 실시예에 따라 fn1, fn2 입력 주파수에 따른 공진 시 출력 그래프, 도 1d는 도 1a의 압전빔에서 이동질량체의 위치 변화에 따른 공진 주파수의 특성을 도시한 그래프,
도 2a는 본 발명의 실시예에 따라 제작된 광대역 주파수 범위를 갖는 자가공진조절 압전 에너지 하베스터의 사진,
도 2b는 도 2a에서 77Hz의 입력 주파수를 인가한 경우 시간에 따른 압전 빔의 출력 특성을 도시한 그래프,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 압전빔의 단면도,
도 4a는 이동질량체의 위치에 따른 진동수에 대한 실험 결과를 나타낸 그래프,
도 4b 내지 도 4d는 77Hz, 80Hz, 85Hz 각각의 입력 주파수를 인가한 경우 시간에 따른 압전 빔의 출력 특성을 도시한 그래프,
도 5a는 고정 질량체와 이동 질량체의 입력 주파수 대역 폭에 따른 최대 출력 특성을 비교한 그래프,
도 5b는 본 발명의 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터의 출력 특성을 확대하여 나타낸 그래프(좌측)와 종래 구조의 압전 에너지 하베스터의 출력 특성을 확대하여 나타낸 그래프(우측)
도 5c는 본 발명의 실시예에 따른 이동질량체의 질량에 따른 출력 특성을 나타낸 그래프,
도 5d는 본 발명의 실시예에 따른 진동 각도에 따른 출력특성을 나타낸 그래프,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 이동질량체의 스윙 모션 메커니즘을 나타낸 모식도,
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 이동질량체의 최대 스윙각도와, 비공진시와 공진시 스윙 각도를 나타낸 사진,
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 이동질량체의 스윙토크를 나타낸 모식도,
도 9는 본 발명의 실시예에 따라 스윙토크 개선을 위한 이동질량체의 형상설계를 설명한 도면,
도 10은 직육면체 형태의 이동질량체와 I 빔 형태의 이동질량체의 출력 특성 비교 그래프를 도시한 것이다.
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.
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.
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.
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.
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.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 광대역 주파수 범위를 갖는 자가공진조절 압전 에너지 하베스터의 구성, 기능 및 그 작동 메커니즘에 대해 설명하도록 한다.
도 1a는 본 발명의 실시예에 따른 광대역 주파수 범위를 갖는 자가공진조절 압전 에너지 하베스터의 사시도를 도시한 것이다. 그리고 도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 이동질량체의 단면도를 도시한 것이다. 또한, 도 1c는 본 발명의 실시예에 따른 fn1, fn2 입력 주파수에 대한 공진 시 출력 그래프, 도 1d는 도 1a의 압전빔에서 이동질량체의 위치 변화에 따른 공진 주파수의 특성을 도시한 그래프를 나타낸 것이다.
그리고 도 2a는 본 발명의 실시예에 따라 제작된 광대역 주파수 범위를 갖는 자가공진조절 압전 에너지 하베스터의 사진을 도시한 것이고, 도 2b는 도 2a에서 77Hz의 입력 주파수를 인가한 경우 시간에 따른 압전 빔의 출력 특성을 도시한 그래프를 도시한 것이다.
그리고 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 압전빔의 단면도를 도시한 것이다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 압전빔(10)은 제1방향(D1)을 따라 연장된 형태일 수 있다. 여기서, 제1방향은 수평 방향을 의미한다.
압전빔(10)은 양 말단이 고정부재(1)에 의해 고정될 수 있다. 압전빔(10)은 양 말단이 고정된 상태에서 제1방향과 수직한 제2방향(D2)으로 진동될 수 있다. 제2방향은 압전 빔(10)의 연장 방향과 수직한 방향일 수 있고, 압전 빔(10)은 도 1a에 도시된 바와 같이 상, 하로 진동될 수 있다. 압전빔(10)은 진동에 의해 전압을 생성할 수 있다.
압전 빔(10)은 기판(11), 압전 에너지 하베스터 단위 소자(E)를 포함한다. 압전 에너지 하베스터 단위 소자(E)는 기판(11) 상에 위치할 수 있다. 몇몇 실시예에서 압전 에너지 하베스터 단위 소자는 복수 개로 구비될 수도 있다.
하나 이상의 압전 에너지 하베스터 단위 소자(E)는 기판(11)을 사이에 두고 대칭되어 위치하는 제1 압전 에너지 하베스터 단위 소자 및 제2 압전 에너지 하베스터 단위 소자로 구성될 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며 복수의 압전 에너지 하베스터 단위 소자(E)는 기판(11)상에 순차적으로 위치할 수도 있으며, 사용 환경 및 설계 목적 등에 따라 다양한 형태로 구현될 수 있다.
기판(11)은 금속 재질로 구성될 수 있으며, 고정 부재(1)에 연결될 수 있다. 기판(11)은 큰 종횡 비를 가지며, 진동 환경에 적합한 캔틸레버일 수 있다. 기판(11)은 소정의 곡률로 굽어질 수 있으며, 물리적인 힘을 압전 에너지 하베스터 단위 소자(E)로 분산할 수 있고, 초기 상태로 복원시키는 복원력을 제공할 수 있다. 기판(11)의 위치 변화에 따라 압전 에너지 하베스터 단위 소자(E)에 전압이 유도될 수 있다.
압전 에너지 하베스터 단위 소자(E)는 기판(11)상에 위치하며 기판(11)으로부터 굽힘 모멘트를 전달받을 수 있다. 하베스터 단위 소자(E)는 제1전극(12), 압전물질(14), 제2전극(13)을 포함할 수 있다. 제1전극(12), 압전물질(14), 제2전극(13)은 순차적으로 적층된 구조일 수 있으며, 기판(11)상에 제1전극(12)이 위치할 수 있다.
제1전극(12)은 압전물질(14)이 압전 에너지를 발생할 때, 이를 외부로 전달하는 압전 전극일 수 있으며, 높은 전기전도성을 가지는 도전체를 포함할 수 있다. 제2전극(13)은 압전물질(14)상에 위치할 수 있고, 압전물질(14)이 압전 에너지를 발생할 때, 이를 외부로 전달하는 압전 전극일 수 있고, 높은 전기전도성을 가진 도전체를 포함할 수 있다.
압전물질(14)은 압전 효과를 기반으로 외력으로부터 전압을 발생시키는 물질을 포함할 수 있다. 압전물질(14)로 전달된 응력에 의한 기계적 일그러짐에 의해 물질 내 유전 분극이 유발되어 압전물질(14) 상하에 전위차가 발생할 수 있다. 압전물질(14)의 상하에 위치한 제1전극(12) 및 제2전극(13)은 전위차가 형성될 수 있고, 이에 대응되는 크기의 전압이 발생할 수 있다.
압전물질(14)은 PZT, Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PZN-PT), [Pb(Mg1/3Nb2/3)O3]-[PbTiO3](PMN-PT), (NaxK1-x)NbO3(NKN), BaTiO3, ZnO, CdS 및 AlN으로 구성된 그룹에서 선택된 하나의 압전 다결절 또는 단결정을 포함할 수 있다. 또는 압전물질(14)은 상기 그룹에서 선택된 적어도 하나 이상의 물질로 구성된 Macrofiber composite(MFC), 2-2 composite 등의 압전 혼합물을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 압전물질(14)은 PVDF, PVDF-TrFE 등의 폴리머 압전재료일 수 있다.
압전물질(14)은 박막 형태 및 폴리머(polymer) 기반의 필름 구조,나노/마이크로 구조체 물질과 폴리머의 혼합체 등 다양한 형태로 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 본 실시예에서, 압전 빔(10)이 공진 주파수에 의해 큰 변위가 발생하는 점을 감안할 때, 기계적 강도가 우수하며, 유연한 가요성 PVDF 폴리머 기반의 필름 구조로 압전 물질(14)은 구성될 수 있다.
압전 에너지 하베스터(100)는 기판(11)에 소정의 입력 주파수로 진동을 제공할 수 있는 진동 발생 부재(미도시) 및 압전 에너지 하베스터 단위 소자(E)에서 생성된 전압을 정류하고 축적할 수 있는 에너지 저장 회로(미도시), 압전에너지 하베스터(100)의 각 구성을 수납하는 하우징(미도시)을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 이동질량체(20)는 도 1a에 도시된 바와 같이, 압전 빔(10)을 따라 이동이 가능하도록 압전빔(10)에 연결된다. 이동질량체(20)는 밀도가 기판(11)보다 큰 금속 재질로 구성될 수 있으며, 압전빔(10)의 최대 변형량을 확대하여, 압전 에너지 하베스터(100)에서 발생되는 전기 생산량을 증가시킬 수 있다.
압전 에너지 하베스터(100)에는 외부로부터 입력 주파수가 제공될 수 있으며, 입력 주파수에 의해 압전빔(10)은 진동될 수 있다. 압전빔(10)과 연결된 상태에서 이동질량체(20)는 외부에서 제공된 입력 주파수와 공진할 수 있으며, 이동질량체(20)가 외부의 입력 주파수와 공진하는 경우, 압전빔(10)의 발생 변위는 보다 확대되어 보다 많은 전압이 생성될 수 있다. 다만, 이동질량체(20)는 압전 빔(10)과 연결된 위치에 따라 공진 가능한 주파수가 상이할 수 있다.
도 1d는 도 1a의 압전빔에서 이동질량체의 위치 변화에 따른 공진 주파수의 특성을 도시한 그래프이다. 압전빔(10)을 제2방향으로 이등분하는 가상의 선을 압전 빔의 중심이라고 정의할 때, 상기 압전 빔의 중심에서 고정 부재(1)를 향해 멀어질수록 이동질량체(20)의 공진 주파수는 증가할 수 있다. 기계 진동학 이론에 따르면 공진 주파수는 진동 시스템의 질량과 스프링 상수에 의존한다. 전체 구조의 질량은 일정하지만 압전 빔의 중심에서 멀어질수록 스프링 상수가 커지기 때문에 이동질량체(20)가 공진하게 되는 공진 주파수의 크기는 커지게 된다. 이러한 특성은 도 1d에 도시된 바와 같이 실험에 따라 측정된 데이터 및 유한요소법에 의한 계산에 의한 데이터에서 동일하게 나타난다. 압전 빔의 중심을 기준으로 좌, 우로 멀어질수록 공진 주파수가 증가하는 것을 알 수 있으며, 이는 대칭적인 형태로 측정 및 계산되었다.
여기서, 본 발명의 실시예에 따른 이동질량체(20)는 외부에서 제공되는 입력주파수와 공진될 수 있는 압전빔(10)의 위치로 스스로 이동될 수 있으며, 공진이 발생되는 위치에 고정되어 압전빔(10)의 진동을 유도하여 많은 전압을 생성할 수 있다. 이동질량체(20)는 압전빔(10)의 중심을 기준으로 왼쪽 방향으로 이동하거나, 오른쪽 방향으로 이동할 수 있다.
이동질량체(20)는 도 1b에 도시된 바와 같이, 압전빔(10)이 통과되는 관통홀(21)을 포함하고, 관통홀(21)을 통해 위치 이동을 수행할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터(100)는 이동질량체(20)의 위치 이동에 의해 자가 공진 조절이 가능한 자가 공진 조절 압전 에너지 하베스터이다.
도 4a는 이동질량체의 위치에 따른 진동수에 대한 실험 결과를 나타낸 그래프를 도시한 것이다. 그리고 도 4b 내지 도 4d는 77Hz, 80Hz, 85Hz 각각의 입력 주파수를 인가한 경우 시간에 따른 압전 빔의 출력 특성을 도시한 그래프를 도시한 것이다. 진동수를 77Hz에서 80Hz, 85Hz로 연속적으로 변화시켰을 때에도, 시간이 지남에 따라 압전 빔의 출력이 특정 시점부터 크게 증가하는 비슷한 경향성을 나타내는 것을 볼 때, 진동수가 변화하는 환경에서도 이동질량체의 움직임에 의해 자동으로 공진으로 작동할 수 있음을 알 수 있다.
또한 도 5a는 고정 질량체와 이동 질량체의 입력 주파수 대역 폭에 따른 최대 출력 특성을 비교한 그래프이고, 도 5b는 본 발명의 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터의 출력 특성을 확대하여 나타낸 그래프(좌측)와 종래 구조의 압전 에너지 하베스터의 출력 특성을 확대하여 나타낸 그래프(우측)를 도시한 것이고, 도 5c는 본 발명의 실시예에 따른 이동질량체의 질량에 따른 출력 특성을 나타낸 그래프, 도 5d는 본 발명의 실시예에 따른 진동 각도에 따른 출력특성을 나타낸 그래프를 도시한 것이다.
압전 빔(10)의 외부로부터 입력 주파수가 제공되지 않은 상황에서 이동질량체(20)는 압전 빔(100)에 고정되지 않은 상태이다. 외부로부터 입력 주파수가 제공되어 압전빔(10)에 진동이 발생하는 경우, 이동질량체(20)는 압전 빔(10)과 연결된 위치가 이동될 수 있고, 이동질량체(20)의 이동 범위는 압전빔(10)이 연장된 길이, 고정 부재(1)에 의해 정의되는 공간으로 한정될 수 있다.
이동질량체(20)는 관통홀(21)을 포함하며, 도 1b에 도시된 바와 같이, 관통홀(21)을 통해 압전빔(10)과 연결될 수 있다. 관통홀(21)은 압전빔(10)이 통과되는 공간 외에 여유공간(22)을 포함할 수 있다.
즉 이동질량체(20)와 압전빔(10)은 유격을 포함한 체 연결될 수 있으며, 여유공간(22)에 해당하는 유격을 통해 이동질량체(20)는 압전빔(10)에 연결된 상태에서 압전빔(10)을 따라 이동이 가능할 수 있게 된다. 관통홀(11)의 수직 높이는 압전빔(10)의 수직 두께보다 높게 구성되어 여유공간(22)을 갖게 된다.
이동질량체(20)는 관통홀(21)의 여유 공간(22)을 통해 압전빔(10)과 연결을 유지한 체 압전빔(10)을 연장 방향에 따라 이동되어 압전빔(10)과 접촉된 위치가 변경될 수 있다. 즉, 후에 설명되는 바와 같이, 이러한 여유공간을 통해 이동질량체(20)가 스위 모션을 하게 되면서 이동질량체(20)가 공진이 가능한 압전빔(10)의 위치로 이동되게 된다.
이하에서, 이동질량체(20)의 이동 메커니즘을 본 발명의 압전 에너지 하베스터의 출력 특성과 함께 보다 상세히 설명하도록 한다. 이동질량체(20)는 입력 주파수가 제공되는 초기에 압전빔(10)의 중심에 위치할 수 있으며, 외부 진동원과 일치하는 압전빔(20)의 공진 영역을 찾아 스스로 이동될 수 있다.
압전 에너지 하베스터(100)에 일정 크기의 입력 주파수가 제공되는 경우, 압전빔(10)은 1차 공진과 같은 형상, 사인파로 진동될 수 있으며, 이러한 변위는 이동질량체(20)의 관통홀(21)의 여유 공간(22)보다 작다.
즉, 이동질량체(20)가 공진이 발생하는 압전빔(10)의 위치로 이동하기 전까지 발생하는 변위는 이동질량체(20)의 여유 공간(22)보다 작을 수 있으며, 이동질량체(20)는 압전빔(10)과 연결된 상태로 압전빔(10)을 따라 이동이 가능할 수 있다. 진동이 일부 발생하는 상황에서 이동질량체(20)의 이동은 보다 용이할 수 있다.
다만, 이동질량체(20)가 공진이 가능한 압전빔(10)의 위치로 점점 이동할 수록 압전빔(10)의 발생 변위는 증가하고, 이러한 발생 변위는 이동질량체(20)의 관통홀(21)의 여유 공간(22) 보다 커지게 된다. 도 2b, 도 4b 내지 도 4d의 그래프에서, 약 28초가 지난 이후부터 공진이 발생된 것으로 측정되었으나 출력되는 전압의 비공진 상태보다 확연히 증가한 것을 확인할 수 있다.
이동질량체(20)가 공진이 발생하는 압전빔(10)의 위치로 이동함에 따라 증가된 압전빔(10)의 발생 변위에 따라 이동질량체(20)는 공진이 발생하는 압전빔(10)의 위치에 고정될 수 있다.
공진할 수 있는 압전빔(10)의 위치로 이동한 이동질량체(20)가 공진 가능한 위치에 고정되어 압전빔(10)의 변위를 확대함에 따라 압전 에너지 하베스터(100)는 높은 출력의 전압을 계속해서 생성할 수 있다. 도 2b, 도 4b 내지 도 4d의 그래프에서, 약 41초가 지난 이후부터 생성되는 전압은 최대로 출력되며 최대 출력전압은 계속해서 유지되는 것을 확인할 수 있다. 또한, 비공진에서 최대 출력 전압은 1.2V이지만 공진에서는 8.1V로 변위 확대로 인한 출력 전압증가가 확연하게 나타나는 것을 알 수 있다.
그리고 도 5b에 도시된 바와 같이, 시간에 따른 압전 에너지 하베스터의 출력, 압전 빔에서 측정되는 시간에 따른 출력 특성은 사인파 형태로 나타나며, 압전빔(20)의 공진이 1차 모드로 발생한 것임을 확인할 수 있다. 본 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터의 이동질량체(20)의 관통홀(21)은 압전빔(10)이 통과하는 영역 외에 여유 공간(22), 즉 유격을 포함하고 있는바, 사인파의 양의 출력이 최대로 나타나는 지점에서 변곡점(도 5b 좌측의 그래프에서 원으로 표시된 부분)이 나타난다. 이러한 부분은 종래 구조의 압전 에너지 하베스터의 출력 특성에서는 확인되지 않는다.
상술한 바와 같이, 이동질량체(20)가 공진하는 공진 주파수는 연결된 압전빔(10)의 위치에 따라 상이할 수 있고, 압전빔(10)에 제공되는 입력 주파수는 압전 에너지 하베스터(100)에 위치되는 공간 및 환경에 따라 상이할 수 있다.
다만, 본 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터(100)는 외부에서 제공되는 입력 주파수와 공진하는 압전빔(10)의 위치로 이동질량체(20)가 스스로 이동될 수 있으며, 해당 위치에 계속 머무르면서 높은 출력 전압의 생성을 유도할 수 있다. 즉, 본 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터(100)는 외부에서 제공되는 입력 주파수에 공진이 가능한 위치로 이동질량체(20)가 이동되어 변위를 확대할 수 있는 바, 질량체가 고정된 종래 구조 대비하여 넓은 입력 주파수의 범위에서 높은 출력을 제공할 수 있다.
즉, 도 5a에 도시된 바와 같이, 고정형 질량체의 경우 특정 주파수에서만 최대 출력을 나타낼 수 있다. 즉, 특정 주파수에 공진할 수 있는 위치로 고정형 질량체는 고정될 수 있으며, 외부에서 제공되는 주파수가 변경되는 경우 위치가 고정되어 있는 바 공진이 불가능하다.
이와 달리, 본 발명의 이동질량체(20)는 고정된 주파수가 아닌 넓은 주파수 대역에서 높은 출력을 제공할 수 있다. 즉, 본 발명의 이동질량체(20)는 지속적으로 공진 위치를 찾아가는 원리에 기인하여, 압전빔(10)의 발생 변위를 최대로 유도하고 압전 에너지 하베스터(100)의 전기 생산능력을 극대화시킬 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 이동질량체의 스윙 모션 메커니즘을 나타낸 모식도를 도시한 것이다. 그리고 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 이동질량체의 최대 스윙각도와, 비공진시와 공진시 스윙 각도를 나타낸 사진을 나타낸 것이고, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 이동질량체의 스윙토크를 나타낸 모식도를 도시한 것이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 이동질량체(20)의 이동은 스윙 메커니즘으로 구현하고 있음을 알 수 있다. 즉 압전빔(10)의 발생 변위에 의해 이동질량체는 여유공간(22)의 크기에 따라 스윙 모션이 달라질 수 있음을 알 수 있다.
그리고 이러한 스윙 각도가 커짐에 따라 이동질량체(20)는 보다 신속하게 공진 가능 압전빔(10)의 위치로 이동될 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 이동질량체(20)가 공진 가능한 압전빔(10)의 위치로 이동할수록 이동질량체(20)의 발생된 변위에 위한 스윙각도가 증가된다. 그리고 공진 가능한 압전빔(10)의 위치에서 발생하는 변위에 의한 스윙각도는 이동질량체(20)의 설계 스윙각도보다 증가되어 이동질량체(20)가 공진 가능한 압전빔(10)의 위치에 고정되게 된다.
이때, 이동질량체(20)의 설계 스윙각도는 공진 가능 위치에서 발생하는 변위에 의한 스윙각도보다 작지만 가장 근접한 값을 가짐이 바람직하다.
즉, 이동질량체(20) 설계 스윙각도(θ)는 이하의 수학식 1로 표현되고, 여유공간 높이(h)는 압전빔(10) 공진 시 발생되는 변위에 의해 이동질량체(20)가 고정되는 범위 내에서 최대 스윙각도를 갖도록 설계된다.
[수학식 1]
θ = tan-1 여유공간높이(h)/이동질량체 두께(t)
또한 본 발명의 실시예에 따른 이동질량체(20)는 이동 메커니즘에 의한 스윙시, 큰 스윙토크를 가질수록 신속하게 공진 가능한 압전빔 위치로 이동될 수 있다. 즉, 스윙토크가 커질수록 이동질량체(20)의 이동속도를 증가시킬 수 있다.
그리고 도 9는 본 발명의 실시예에 따라 스윙토크 개선을 위한 이동질량체의 형상설계를 설명한 도면을 나타낸 것이고, 도 10은 직육면체 형태의 이동질량체와 I 빔 형태의 이동질량체의 출력 특성 비교 그래프를 도시한 것이다.
이동질량체(20)의 스윙토크(τ)는 이하의 수학식 2로 표현되며 특정값 이상을 갖도록 설계됨이 바람직하다.
[수학식 2]
Figure pat00002
여기서, I는 관성모멘트, α는 이동질량체의 각가속도이고, m은 이동질량체의 질량, r은 이동질량체의 무게중심에서 최외각까지의 거리이다.
따라서 스윙토크를 증가시키기 위해서는 이동질량체(20)가 관성모멘트를 증가시킬 수 있는 형태를 갖는 것이 필요하며, 이러한 형태는 최외각 측 부분의 질량비율을 높임으로써 달성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 이동질량체(20)는 도 9에 도시된 바와 같이, I 빔 형태를 가질 수 있다.
즉. 본 발명의 실시예에 따른 이동질량체(20)는, 상부플랜지(23), 하부플랜지(25), 그리고 상부플랜지(23)와 하부플랜지(25)를 연결하는 웹부(24)를 포함하여 구성될 수 있다. 그리고 여유공간(22)을 갖는 관통홀(21)은 웹부(24)의 중앙부에 형성되게 된다.
이러한 I 빔 형태의 이동질량체(20)를 적용하게 되는 경우 도 10에 도시된 바와 같이, 이동속도를 증가시켜 신속하게 공진 가능한 압전빔(10)의 위치로 이동될 뿐 아니라, 출력특성 역시 개선시킬 수 있음을 알 수 있다.
따라서 에너지 측면에서 효율적이며, 넓은 동작 주파수 대역폭을 갖기 때문에 실생활에서 가변적인 진동이 가해지는 환경은 어디든 적용이 가능하며, 미래의 스마트 팩토리 구현을 위한 다양한 센서의 전원을 공급할 수 있다.
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.
1:고정부재
10:압전빔
11:기판
12:제1전극
13:압전물질
14:제2전극
20:이동질량체
21:관통홀
22:여유공간
23:상부플랜지
24:웹부
25:하부플랜지
h:여유공간 높이
t;이동질량체 두께
100:광대역 주파수 범위를 갖는 자가공진조절 압전 에너지 하베스터

Claims (9)

  1. 수평방향을 따라 연장된 압전빔;
    상기 압전빔의 양단을 고정하는 고정부재; 및
    상기 압전빔이 통과되며, 상기 압전빔이 통과되는 공간 외에 여유공간을 갖는 관통홀을 통해 상기 압전빔을 따라 자가 이동 가능하도록 상기 압전빔에 연결된 이동질량체;를 포함하고,
    상기 이동질량체가 공진 가능한 압전빔의 위치로 이동할수록 압전빔의 발생변위는 증가하고, 상기 발생변위가 상기 여유공간보다 커짐에 따라 상기 이동질량체는 공진 가능한 압전빔의 위치에 고정되는 것을 특징으로 하는 광대역 주파수 범위를 갖는 자가공진조절 압전 에너지 하베스터.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 이동질량체가 공진 가능한 압전빔의 위치로 이동할수록 상기 이동질량체의 스윙각도와 스윙토크가 증가되며, 상기 공진 가능한 압전빔의 위치에서 발생변위에 의한 스윙각도가 상기 이동질량체의 설계 스윙각도보다 증가되어 상기 이동질량체가 상기 공진 가능한 압전빔의 위치에 압전빔의 표면과의 마찰력에 의해 고정되는 것을 특징으로 하는 광대역 주파수 범위를 갖는 자가공진조절 압전 에너지 하베스터.
  3. 제 2항에 있어서,
    이동질량체의 설계 스윙각도는 이하의 수학식 1로 표현되고, 여유공간 높이는 상기 압전빔 공진 시 발생변위에 의해 상기 이동질량체가 고정될 수 있는 범위 내에서 최대값을 갖도록 설계되는 것을 특징으로 하는 광대역 주파수 범위를 갖는 자가공진조절 압전 에너지 하베스터:
    [수학식 1]
    θ = tan-1 여유공간높이(h)/이동질량체 두께(t).
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 이동질량체의 스윙토크(τ)는 이하의 수학식 2로 표현되며 특정값 이상을 갖도록 설계되는 것을 특징으로 하는 광대역 주파수 범위를 갖는 자가공진조절 압전 에너지 하베스터:
    [수학식 2]
    Figure pat00003

    여기서, I는 관성모멘트, α는 이동질량체의 각가속도이고, m은 이동질량체의 질량, r은 이동질량체의 무게중심에서 최외각까지의 거리이다.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 이동질량체는 상기 이동질량체의 최외각 측 부분의 무게 비율이 특정비율 이상이 되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 광대역 주파수 범위를 갖는 자가공진조절 압전 에너지 하베스터.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 이동질량체는,
    상부플랜지, 하부플랜지 및 상기 상부플랜지와 상기 하부플랜지를 연결하는 웹부를 가지며, 상기 여유공간을 갖는 관통홀은 상기 웹부에 형성되는 것을 특징으로 하는 광대역 주파수 범위를 갖는 자가공진조절 압전 에너지 하베스터.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 압전빔에서 측정되는 시간에 따른 출력 특성은 사인파 형태로 나타나며, 상기 사인파는 양의 출력이 최대로 나타나는 지점에서 변곡점을 포함하는 것을 특징으로 하는 광대역 주파수 범위를 갖는 자가공진조절 압전 에너지 하베스터.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 압전빔은 기판, 상기 기판으로부터 굽힘 모멘트를 전달받는 압전 에너지 하베스터 단위소자를 포함하고,
    상기 압전 에너지 하베스터 단위소자는 제1전극, 상기 제1전극 상에 위치하는 압전물질, 및 상기 압전물질 상에 위치하는 제2전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 광대역 주파수 범위를 갖는 자가공진조절 압전 에너지 하베스터.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 압전 물질은 PZT, Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PZN-PT), [Pb(Mg1/3Nb2/3)O3]-[PbTiO3](PMN-PT), (NaxK1- x)NbO3(NKN), BaTiO3, ZnO, CdS 및 AlN으로 구성된 그룹에서 선택된 하나의 압전 다결정 또는 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 광대역 주파수 범위를 갖는 자가공진조절 압전 에너지 하베스터.
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