KR20230072090A - 기계적으로 결합된 에너지 하베스터 어레이 - Google Patents

기계적으로 결합된 에너지 하베스터 어레이 Download PDF

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송현철
강종윤
허성훈
백승협
김성근
최지원
윤정호
장지수
심효경
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한국과학기술연구원
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Abstract

넓은 동작 주파수 범위를 가지는 지지대를 공유하도록 배열된 압전 에너지 하베스터가 제공된다. 압전 에너지 하베스터는 서로 다른 고유 진동수를 가지며, 일 방향을 따라 배열된 복수의 압전 빔; 상기 복수의 압전 빔의 양단을 고정하는 고정 부재; 및 상기 복수의 압전 빔 각각에 대응하여 연결된 복수의 질량체를 포함한다.

Description

기계적으로 결합된 에너지 하베스터 어레이{Mechanically coupled energy harvester array}
본 발명은 넓은 동작 주파수 범위를 갖는 공진형 압전 에너지 하베스터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 서로 다른 고유 진동수를 가진 압전 에너지 하베스터를 순차적으로 배열하고 양단을 지지대로 연결하여, 공진간의 결합을 유도함으로서 보강간섭을 통해 넓은 주파수 범위에서 전기 에너지를 생성할 수 있는 압전 에너지 하베스터에 관한 것이다.
전통적으로 전기에너지를 사용해온 분야에서의 사용 증가와 더불어 기존에 전력을 사용하지 않던 운송, 난방, 취사와 같은 영역도 기존의 화석연료에서 전기에너지사용으로 변화가 가파르게 진행중이다. 이에 따라 더 많은 전력발전이 필요하나 기존의 화석연료 또는 원자력을 사용한 대규모 발전시설은 정책상 추가건립이 어려우며, 전력사용 증가분은 신재생 에너지원으로 채우는 방향으로 향한다.
이런 상황에서 미래 에너지자원의 안정적 확보 및 전력수요 증대에 대응하기 해 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 유도함으로서 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 장치이며, 주위의 버려지는 충격, 압력, 진동 등의 에너지를 전기 에너지로 활용할 수 있는 일종의 에너지 발생 장치이다. 특히 최근 저전력 센서들이 개발되고, 4차 산업혁명에 따라 IoT 센서가 도처에 부착되고 있기에, 이 센서에 전원선 연결 또는 배터리 교체가 필요없는 독립전원으로 사용하기 위해 에너지하베스터 기술이 크게 각광을 받고 있다.
진동을 이용한 압전 에너지 하베스터의 경우, 진동원의 진동수와 장치의 고유진동수를 맞춰, 발생되는 변위가 최대가 되도록 구조를 설계해야만 최대 발전을 할 수 있다. 일반적으로 진동을 이용한 압전 에너지 하베스터의 경우, 한쪽은 고정되고(fixed support) 반대쪽은 자유롭게 떨리는(free end) 외팔보(cantilever)구조를 띄거나, 양쪽이 고정되어 있는 양단 고정보 (both ends fixed beam)형태를 띈다.
이 경우, 장치의 고유 진동수로부터 진동원의 진동수가 벗어나게 되면, 발생 변위가 크게 감소하여 압전 출력이 크게 감소하게 된다. 따라서, 고유 진동수가 고정되고, 범위가 좁은 종래의 압전 에너지 하베스터 장치는 진동원의 주파수 범위가 넓거나, 자동차나 비행기의 엔진처럼 진동 주파수가 지속적으로 변하는 환경에 적용되는 데 한계가 있다. 이러한 진동에너지를 이용한 압전에너지 하베스터의 성능과 활용성을 높이기 위해, 넓은 주파수대역에서 에너지하베스팅이 가능해야한다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 고안된 것으로서, 서로 다른 고유 진동수를 가지고 배열된 압전 빔들을 같은 지지대(support)에 고정함으로서, 하나의 주파수에서 특정 압전 빔이 동작 시 이웃한 압전 빔들이 함께 작동하게 만들어, 향상된 에너지 출력 및 넓은 동작 주파수 대역폭을 가질 수 있는 압전 에너지 하베스터를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터는 서로 다른 고유 진동수를 가지며, 일 방향을 따라 배열된 복수의 압전 빔; 상기 복수의 압전 빔이 서로 결합되어 진동이 잘 전달되도록 연결된 양단을 고정하는 고정 부재; 및 상기 복수의 압전 빔이 다른 고유 진동수를 갖도록 상기 복수의 압전 빔 각각에 대응하여 연결된 복수의 질량체를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 복수의 압전 빔은 구조적 결합을 통해 기계 진동 에너지를 서로 전달이 가능하도록 배열될 수 있다.
그리고 상기 복수의 압전 빔은 외부 입력 주파수와 대응하는 고유 진동수를 가지는 하나의 압전 빔이 공진하여 동작하는 경우, 상기 결합에 의해 나머지 압전 빔도 함께 할 수 있다.
또한, 상기 일 방향은 수평 방향이며, 상기 복수의 압전 빔은 상기 수평 방향을 따라 나열된 구조일 수 있다.
또한, 상기 고정부재는 5[mm] 미만의 두께로 형성될 수 있다.
또한, 상기 복수의 질량체는 대응하는 상기 복수의 압전 빔의 상단 및 하단에 연결되고, 상기 복수의 질량체 각각은 진동수 변화에 따라 상기 압전 빔과 함께 진동하여, 상기 압전 빔의 전기 에너지 생성을 유도할 수 있다.
또한, 상기 압전 빔은 탄성빔, 상기 탄성빔으로부터 굽힘 모멘트를 전달받는 압전체를 포함하고, 압전체는 제1 전극, 상기 제1 전극 상에 위치하는 압전 물질, 상기 압전 물질상에 위치하는 제2 전극을 포함하는 결합으로 배열될 수 있다.
또한, 상기 압전 물질은 Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PZN-PT), [Pb(Mg1/3Nb2/3)O3]-[PbTiO3](PMN-PT), (NaxK1-x)NbO3(NKN)과 같은 결정 소재, PVDF, PVDF-TrFE과 같은 폴리머 소재, ZnO, CdS, AlN과 같은 박막 소재 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 압전 빔은 상기 압전체 상에 위치하여 상기 압전체를 보호하는 보호 기판을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터는 압전 빔이 지지대에 의해 서로 결합되어 있어, 하나의 압전 빔이 동작 시 주변의 압전 빔을 함께 진동시킴으로써, 본 발명의 압전 에너지 하베스터는 넓은 주파수 대역에서 동작함과 동시에 향상된 전기 에너지 생산이 가능하다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터는 가변적인 진동이나 넓은 주파수 범위의 진동이 가해지는 환경은 어디든 적용이 가능하며, 미래의 유비쿼터스 센서 네트워크(USN) 구현을 위한 저전력 센서의 전원 공급원으로 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터 어레이의 개념도이다.
도 2는 본 발병의 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터 어레이에 적용된 압전 빔의 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 따른 압전 에너지 하베스터 어레이에 적용된 실제 압전 빔의 예시 사진이다.
도 4는 도 2의 압전 에너지 압전 에너지 하베스터 어레이의 거동특성 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터 어레이와 기존의 단일 에너지 하베스터의 성능을 비교한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터 어레이의 거동을 수치해석으로 계산하기 위해 설계한 모델이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터 어레이의 거동을 수치해석으로 계산한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터 어레이의 거동을 고정부재의 두께에 따라 수치해석으로 계산한 그래프이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당 업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예와 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로 기술된 것이 아니며, 본 발명의 범위는 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 관례 또는 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 명세서의 설명 부분에서 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 명세서에서 사용되는 용어는, 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가지는 실질적인 의미와 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 해석되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터 어레이의 개념도이다.
도 2는 본 발병의 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터 어레이에 적용된 압전 빔의 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 따른 압전 에너지 하베스터 어레이에 적용된 실제 압전 빔의 예시 사진이다.
도 1 내지 도 2를 참조하면, 압전 에너지 하베스터 어레이(1)는 복수의 압전 빔(10)이 고정부재(140)에 고정된 구조를 의미한다.
여기서, 압전 빔(10)은 탄성 빔(110), 압전체(120) 그리고 질량체(130)을 포함한 것을 칭한다. 복수의 압전 빔은 제1 방향(D1)을 따라 연장된 형태일 수 있다. 또한, 복수의 압전 빔(10)은 제1 방향(D1)과 수직인 제2 방향(D2)을 따라 나란히 배열될 수 있다. 복수의 압전 빔(10)의 배열 간격은 동일할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 여기서 제2 방향(D2)은 도 1에 도시된 바와 같은 수평 방향으로, 복수의 압전 빔(10)은 평면에 나열(array)된 구조일 수 있다. 다만, 복수의 압전 빔(10)의 개수 및 배열 방향은 도 1에 도시된 것에 한정되는 것은 아니며, 제2 방향(D2)은 수직 방향일 수도 있다.
복수의 압전 빔(10)은 나란히 배열된 상태에서 양단이 고정 부재(140)에 고정될 수 있다. 복수의 압전 빔(10)은 양단이 고정 부재(140)에 고정된 상태에서 수직 방향인 제 3방향 (D3)을 따라 진동될 수 있다. 복수의 압전 빔(10)은 상, 하 진동에 의해 전압을 생성할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 개별 압전 빔(10)은 탄성빔(110), 압전체(120)와 질량체(130)로 구성되어있다. 여기서 압전체(120)는 압전 물질, 전극, 보호기판을 포함한다. 압전체(120)는 탄성빔(110)의 위 또는 아래에 위치할 수 있다. 또한 압전체(120)는 복수개로 구비될 수도 있다. 하나 이상의 압전체(120) 탄성빔(110)을 사이에 두고 위아래로 대칭되어 위치하는 제1 압전체(120) 및 제2 압전체(120)로 구성될 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며 복수의 압전체(120)는 탄성빔 상에 순차적으로 위치할 수도 있으며, 사용 환경 및 설계 목적 등에 따라 다양한 형태로 구현될 수 있다. 본 실시 예에서, 압전 빔(10)이 공진 주파수에 의해 큰 변위가 발생하는 점을 감안할 때, 기계적 강도가 우수한 탄성빔(110)은 금속 재질로 구성될 수 있으며, 고정 부재(140)에 연결될 수 있다. 탄성빔(110)은 큰 종횡 비를 가지며, 진동 환경에 적합한 캔틸레버일 수 있다. 탄성빔(110)은 소정의 곡률로 굽어질 수 있으며, 물리적인 힘을 압전체(120)로 분산할 수 있고, 초기 상태로 복원시키는 복원력을 제공할 수 있다. 탄성빔(110)의 위치 변화에 따라 압전체(120)를 구성하는 압전 단위 소자에 전압이 유도될 수 있다.
여기서, 압전 빔(110)은 상술한 구성들을 통해 다양한 강성 및 두께로 준비될 수 있다. 또한, 압전 빔(110)은 구부러졌을 때 스트레스가 0이 되는 중심축(neutral axis)이 압전체 (120)에 형성될 경우, 전위차 감쇄에 의해서 생성 전압이 감소될 수도 있기 때문에, 압전 빔(110)의 중심축(neutral axis)은 탄성빔(110)에 형성되도록 구성될 수 있다.
압전체(120)은 탄성빔(110)의 위 또는 아래에 위치하여, 탄성빔(110)으로부터 굽힘 모멘트를 전달받을 수 있다. 압전체(120)의 전극, 압전 물질, 보호기판은 순차적으로 적층된 구조일 수 있다.
전극은 압전 물질이 압전 에너지를 발생할 때, 이를 외부로 전달하는 압전 전극일 수 있으며, 높은 전기전도성을 가지는 도전체를 포함할 수 있다.
압전 물질은 압전 효과를 기반으로 외력으로부터 전압을 발생시키는 물질을 포함할 수 있다. 압전 물질로 전달된 응력에 의한 기계적 일그러짐에 의해 물질 내 유전 분극이 유발되어 압전 물질 상하에 전위차가 발생할 수 있다. 압전 물질의 상하에 위치한 제1 전극 및 제2 전극은 전위차가 형성될 수 있고, 이에 대응되는 크기의 전압이 발생할 수 있다.
압전 물질은 PZT, BaTiO3, PVDF, PVDF-TrFE, ZnO, CdS 및 AlN으로 구성된 그룹에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 즉, 압전 물질은 Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PZN-PT), [Pb(Mg1/3Nb2/3)O3]-[PbTiO3](PMN-PT), (NaxK1-x)NbO3(NKN) 등과 같은 결정 소재, PVDF, PVDF-TrFE 등과 같은 폴리머 소재, ZnO, CdS, AlN 등과 같은 박막 소재 중 적어도 하나를 포함할 수 있고, 박막 형태 및 폴리머(polymer) 기반의 필름 구조, 나노/마이크로 구조체 물질과 폴리머의 혼합체 등 다양한 형태로 구성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 도 3과 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터 어레이(1)는 소정의 입력 주파수로 압전 빔(110)이 진동할 수 있도록 진동을 제공할 수 있는 진동 발생원(2) 및 압전체(120)에서 생성된 전압을 정류하고 축적할 수 있는 에너지 저장 회로(미도시), 압전 에너지 하베스터 어레이(1)의 각 구성을 수납하는 하우징(미도시)을 더 포함할 수 있다.
한편, 복수의 압전 빔(10)은 각각은 서로 다른 고유 진동수를 가질 수 있다. 복수의 압전 빔(10)의 고유 진동수(
Figure pat00001
)는 하기와 같은 수학식 1로 정의될 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00002
,
(여기서,
Figure pat00003
: 등가 질량(equivalent mass),
Figure pat00004
: 등가 스프링 상수(equivalent spring constant),
Figure pat00005
: 압전 빔의 길이,
Figure pat00006
: 압전 빔의 탄성 계수,
Figure pat00007
: 압전 빔 단면의 관성 모멘트로서,
Figure pat00008
: 압전 빔 단위 길이당 질량,
Figure pat00009
: 검증 질량의 무게이고,
Figure pat00010
가 성립되며, b는 압전 빔 단면의 너비(breadth), d는 압전 빔 단면의 두께(depth)를 의미한다.)
도 1에 도시된 바와 같이, 복수의 압전 빔(10)은 n개로 구성될 수 있으며, n개의 압전 빔(10)의 길이는 서로 같을 수 있다. 복수의 압전 빔(10)의 개수 및 구성은 예시적인 것으로 본 발명의 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다.
복수의 압전 빔(10)은 서로 다른 고유 진동수를 가지기 위해 압전 빔에 놓인 질량체(130)의 무게가 서로 상이할 수도 있다.
각각의 질량체(130)는 각각의 압전 빔(10)의 변형량을 확대할 수 있으며, 이에 따라 압전 에너지 하베스터 어레이(1)에서 발생되는 전기 생산량을 증가시킬 수 있다. 질량체(130)는 압전 빔(10)의 상단 또는 하단에 위치할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 질량체(130)는 압전 빔(10)의 고유 진동수를 조절하기 위해 사용되었으며, 본 실시예에서는 밀도가 상대적으로 높은 금속을 사용하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다
질량체(130)는 압전 빔(10)의 변위를 극대화할 수 있는 압전 빔(10) 상의 위치에 결합될 수 있다. 압전 에너지 하베스터 어레이(1)에는 외부로부터 입력 주파수가 제공될 수 있으며, 입력 주파수에 의해 압전 빔(10)은 진동될 수 있다. 외부의 입력 주파수가 압전 빔(10)의 고유 진동수 범위인 경우, 압전 빔(10)은 질량체(130)와 연결된 상태에서 외부에서 제공된 입력 주파수와 공진할 수 있으며, 압전 빔(10)의 발생 변위는 보다 확대되어 보다 많은 전압이 생성될 수 있다.
도 4는 도 2의 압전 에너지 압전 에너지 하베스터 어레이의 거동특성 그래프이다. Beam1부터 Beam4까지는 제 1 압전 빔(10)부터 제 4압전 빔(10)을 지칭하며, 제1압전 빔부터 제4압전 빔까지 고유진동수가 작은순서부터 큰 순서로 나열했다. 도 4에 도시된 바와 같이, 개별 압전 빔(10)의 고유진동수가 아닌 진동수에서도, 진동을 통해 전력을 생산하는 것을 확인할 수 있다. 즉, 적어도 이웃하는 압전 빔(10) 사이에는 강한 기계적 진동에너지 상호 보강(coupling)이 발생할 수 있으며, 이러한 상호 결합에 의해 상호간의 동작의 종속 관계가 형성될 수 있다.
도 4에서 외부 입력 진동이 60 Hz일 때 제1 압전 빔(10)이 공진 상태에 있어 가장 큰 출력 전압을 나타내고, 70 Hz일 때 제1 압전 빔(10)이 공진 상태에 있어 가장 큰 출력 전압을 나타내고, 80 Hz일 때 제1 압전 빔(10)이 공진 상태에 있어 가장 큰 출력 전압을 나타내고,95 Hz 때 제4 압전 빔(10)이 공진 상태에 있어 가장 큰 출력 전압을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 여기서 제 1 압 전 빔(10)인 beam 1의 공진상태인 60 Hz일때, 제 2 - 제 4압전 빔(10)인 beam2 - 4에서도 전압이 출력되는 것에서 알 수 있듯이, 공진이 아닌 다른 압전 빔에서도 전압이 출력되는 것을 확인할 수 있다.
따라서, 외부 입력 진동수에 대응하는 고유 진동수를 가지는 하나의 압전 빔(10)이 공진하여 동작하는 경우, 고정부재(140)을 통해 진동이 전달되어 나머지 압전 빔(10)도 함께 동작될 수 있다. 이에 따라, 압전 에너지 하베스터 어레이(1)의 발생 변위는 보다 확대되어 보다 많은 전력이 생성될 수 있다. 또한, 복수의 압전 빔(10)은 서로 다른 고유 진동수를 가지는 바, 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터 어레이(1)는 동작 주파수 대역폭이 확대되어 보다 많은 전력을 생성할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터 어레이와 기존의 단일 에너지 하베스터의 성능을 비교한 그래프이다.
도 5에서 (a)는 개별 압전 빔(10)으로 이루어진 압전 에너지 하베스터에 일정 크기의 외부 입력 진동수를 제공하고, 진동수에 따른 출력 전압을 도시한 그래프이다. 그리고 도 5에서 (b)는 복수의 압전 빔(10)이 고정부재(140)에 결합되어 기계적 진동 에너지 공유를 하는 상태에서, 진동수 변화에 따라 압전체(120)에서 발전된 전압을 도시한 그래프이다. 도 5의 (a)는 20 Hz에서 80 Hz까지 외부 입력 진동수를 압전 에너지 하베스터(10)에 제공하였으며, 도 5의 (b)는 30 Hz에서 90 Hz까지 외부 입력 진동수를 압전 에너지 하베스터 어레이(1)에 제공하였다.
도 5의 (a)에 도시된 바와 같이, 외부 입력 진동이 각 압전 빔(10)의 고유진동수와 일치해 공진 상태에 있을때, 가장 큰 출력 전압을 나타낸다.
도 5의 (b)에 도시된 바와 같이, 외부 입력 진동이 60Hz 때 제1 압전 빔(10)인 beam 1이 공진 상태에 있으며, 가장 큰 출력 전압을 나타낸다. 여기서, 제1 압전 빔(10)인 beam1과 달리 제2, 제2, 제3 압전 빔(10)인 beam2, beam3, beam4 는 비공진 상태이기 때문에 출력 전압이 거의 없어야 하나, 고정부재(140)로 상호 결합되어 있기에 준공진 상태로 진동을 하고 출력 전압이 생성되는 것을 확인할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터 어레이의 거동을 수치해석으로 계산하기 위해 설계한 모델이다. 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터 어레이의 거동을 수치해석으로 계산한 그래프이다. 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터 어레이의 거동을 고정부재의 두께에 따라 수치해석으로 계산한 그래프이다.
도 6, 도 7, 그리고 도 8은 본 실시예에 따른 압전 에너지 하베스터에 일정 크기의 입력 가속도를 가지는 진동을 제공하고, 진동수 변화에 따른 전압의 출력 특성을 알아보기 위해 수행한 유한요소 시뮬레이션의 모델 개략도와 시뮬레이션 결과 그래프이다. 도 6에서 진동수 변화에 따라 공진하는 압전 빔(10)이 달라지는데, 가장 크게 변형이 일어나는 압전 빔(10) 주위의 빔들도 그 영향을 받아 진동하는 것을 확인할 수 있다. 그리고 도 7에서 진동수 변화에 따라 나란히 배열된 복수의 압전 빔(10) 중, 주로 전력을 생성하는 압전 빔이 변화되는 것을 확인할 수 있다. 또한, 각각의 압전 빔(10)은 주 공진 주파수 외 다른 주파수에서도 전력을 생성하는 것을 확인할 수 있다. 즉, 각각의 압전 빔(10)은 주 공진 주파수 외 다중의 공진 주파수를 가진다. 이 결과 종래 구조의 압전 에너지 하베스터의 좁은 공진 주파수 범위와 비교해 확연히 넓은 주파수에서 안정적인 전력생산이 가능해졌음을 확인할 수 있다.
도 8의 (a)에 도시된 바와 같이, 고정부재(140)가 1.5mm의 충분히 얇은 두께일 때 압전 빔(10)간 기계적 진동에너지 공유가 잘되는 것을 확인할 수 있다.
도8의 (b)에 도시된 바와 같이, 고정부재(140)가 5mm의 비교적 두꺼운 두께일 때 압전 빔(10)간 기계적 진동에너지 공유가 거의 되지 않는 것을 확인할 수 있다.
본 실시 예에서, 고정부재(140)은 압전 빔의 공진 주파수에 의해 큰 변위가 발생하는 점을 감안하여 기계적 강도가 우수한 금속 재질로 구성하였다. 도 8의 시뮬레이션 결과를 통해 얇은 고정부재에서 진동이 더 잘 전달된다는 것을 확인하였다.
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.
이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만 본 발명은 이러한 실시예들 또는 도면에 의해 한정되는 것으로 해석되어서는 안 되며, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
1: 압전 에너지 하베스터 어레이
10: 압전 에너지 하베스터 어레이를 구성하는 개별 압전 빔
110: 압전 빔을 구성하는 탄성빔
120: 압전 빔을 구성하는 압전체
130: 압전 빔을 구성하는 질량체
140: 압전 빔을 구성하는 고정부재

Claims (9)

  1. 서로 다른 고유 진동수를 가지며, 일 방향을 따라 배열된 복수의 압전 빔;
    상기 복수의 압전 빔이 서로 결합되어 진동이 잘 전달되도록 연결된 양단을 고정하는 고정 부재; 및
    상기 복수의 압전 빔이 다른 고유 진동수를 갖도록 상기 복수의 압전 빔 각각에 대응하여 연결된 복수의 질량체를 포함하는 압전 에너지 하베스터.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 복수의 압전 빔은 구조적 결합을 통해 기계 진동 에너지를 서로 전달이 가능하도록 배열된 압전 에너지 하베스터.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 복수의 압전 빔은 외부 입력 주파수와 대응하는 고유 진동수를 가지는 하나의 압전 빔이 공진하여 동작하는 경우, 상기 결합에 의해 나머지 압전 빔도 함께 동작하는 압전 에너지 하베스터.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 일 방향은 수평 방향이며,
    상기 복수의 압전 빔은 상기 수평 방향을 따라 나열된 구조인 압전 에너지 하베스터.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 고정부재는 5[mm] 미만의 두께로 형성된 압전 에너지 하베스터.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 복수의 질량체는 대응하는 상기 복수의 압전 빔의 상단 및 하단에 연결되고,
    상기 복수의 질량체 각각은 진동수 변화에 따라 상기 압전 빔과 함께 진동하여, 상기 압전 빔의 전기 에너지 생성을 유도하는 압전 에너지 하베스터.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 압전 빔은 탄성빔, 상기 탄성빔으로부터 굽힘 모멘트를 전달받는 압전체를 포함하고,
    압전체는 제1 전극, 상기 제1 전극 상에 위치하는 압전 물질, 상기 압전 물질상에 위치하는 제2 전극을 포함하는 결합으로 배열된 압전 에너지 하베스터.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 압전 물질은 Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PZN-PT), [Pb(Mg1/3Nb2/3)O3]-[PbTiO3](PMN-PT), (NaxK1-x)NbO3(NKN)과 같은 결정 소재, PVDF, PVDF-TrFE과 같은 폴리머 소재, ZnO, CdS, AlN과 같은 박막 소재 중 적어도 하나를 포함하는 압전 에너지 하베스터.
  9. 제7 항에 있어서,
    상기 압전 빔은 상기 압전체 상에 위치하여 상기 압전체를 보호하는 보호 기판을 더 포함하는 압전 에너지 하베스터.
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