KR20240068163A - 비접촉 방식의 에너지 하베스팅을 이용한 자전거 페달 - Google Patents

비접촉 방식의 에너지 하베스팅을 이용한 자전거 페달 Download PDF

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Abstract

본 발명에 의한 에너지 하베스팅을 이용한 자전거 페달은, 자전거의 구동 샤프트에 연결되며, 양측에 LED 광원부가 마련되는 페달 몸체; 상기 페달 몸체에 마련되며, 상기 구동 샤프트의 회전력을 전달하는 동력전달 모듈; 및 상기 구동 샤프트를 기준으로 일측에 마련되며, 상기 동력전달 모듈에 연결되어 상기 회전력을 이용하여 비접촉 방식으로 전기를 발생시키는 복수의 제너레이팅 모듈을 포함할 수 있다.

Description

비접촉 방식의 에너지 하베스팅을 이용한 자전거 페달{Bicycle pedal using non contact-type energy harvesting}
본 발명은 에너지 하베스팅을 이용한 자전거 페달에 관한 것으로, 보다 상세하게는 페달링 시 압전 소자를 비접촉 방식으로 자가 발전하여 페달 몸체가 발광될 수 있어 야간에 전, 후방에서 자전거를 용이하게 식별할 수 있는 에너지 하베스팅을 이용한 자전거 페달에 관한 것이다.
최근에 운동 및 레져의 목적으로 이용인구가 급격히 늘어나면서 자전거 이용 인구 수가 폭발적으로 증가하고 있다. 이에 따라 자전거 도로에서 자전거 끼리 접촉 사고나, 자전거 대 사람 또는 자전거 대 차량의 인사 사고가 증가되고 있는 추세이다.
자동차에는 차폭등, 데이라이트등, 미등 등과 같은 조명 장치가 있는데 반해, 자전거의 경우, 그러한 장치 구성이 미비할 수 밖에 없고 특히 야간에 전, 후방에서 자전거를 용이하게 식별할 수 있는 등화 장치 예컨대, 전조등이나 안전등, 후미등이 필수적이다.
그런데 이러한 등화 장치 구성을 상시 동작시키기 위해서는 안정적인 전력 구성이 요구되는데, 자전거 페달에 관련하여 여러가지의 발전기 구성이 공개된 바 있으며, 이중 압전소자를 이용하여 전기 발전하는 기술로, 대한민국 등록특허공보 제10-1863065호의 기술이 개시된 바 있다. 본 기술은, 페달에 압전소자층이 마련되고 페달링 시 상부커버가 가압되면서 하방으로 슬라이딩 이동되며 압전소자층을 타격하면서 전기가 발전되는 구조이다.
그러나, 압전소자(Piezo 또는 PZT)에 직접적 충격을 주는 방식은 소자가 피로 균열로 인한 내구성 저하의 우려가 있고 발전 효율이 낮을 수 있으며 페달링 시 사용자에 이질감을 초래하거나 불필요한 소음을 유발하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 구동 샤프트에 연결된 비접촉 회동부를 통해 비접촉 방식으로 자기력이 압전 소자판에 상호작용되어 전기 발전이 가능할 수 있어 피로 균열 등의 내구성 저하가 최소화되며 발전 효율이 우수할 수 있고 사용자에 이질감이나 불필요한 소음 발생이 현격히 줄어 들 수 있으며 비교적 간단한 구성과 별도의 전기저장장치 없이 페달 몸체의 LED 광원을 발광시켜 야간에 전, 후방에서 자전거를 용이하게 식별할 수 있는 에너지 하베스팅을 이용한 자전거 페달을 제공한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 에너지 하베스팅을 이용한 자전거 페달은, 자전거의 구동 샤프트에 연결되며, 양측에 LED 광원부가 마련되는 페달 몸체; 상기 페달 몸체에 마련되며, 상기 구동 샤프트의 회전력을 전달하는 동력전달 모듈; 및 상기 구동 샤프트를 기준으로 일측에 마련되며, 상기 동력전달 모듈에 연결되어 상기 회전력을 이용하여 비접촉 방식으로 전기를 발생시키는 복수의 제너레이팅 모듈을 포함할 수 있다.
상기 동력전달 모듈는, 상기 구동 샤프트에 마련되는 제1 기어; 및 상기 제너레이팅 모듈과 상기 제1 기어 사이에 치합되어 상기 구동 샤프트의 회전력을 증속하는 제2 기어를 포함할 수 있다.
상기 제2 기어의 기어열보다 상기 제1 기어의 기어열 개수가 더 많을 수 있다.
상기 제너레이팅 모듈은, 상기 페달 몸체 상면 또는 하면에 마련되는 압전 소자판; 및 상기 동력전달 모듈의 회전축심과 나란하게 마련되며, 상기 회전축심을 따라 길이방향 일측에는 상기 제2 기어와 치합되는 제3 기어부와, 타측에는 원주 둘레를 따라 일정 각도마다 돌출 형성되는 비접촉 회동부를 포함하는 회동 브라켓을 포함할 수 있다.
상기 비접촉 회동부에는 제1 마그네트가 수용되고, 상기 압전 소자판에는 제2 마그네트가 수용되며, 상기 제1 및 제2 마그네트는 네오디늄 자석일 수 있다.
어느 하나의 상기 제1 마그네트는 상면이 N극으로 배치되고, 이웃하는 상기 제1 마그네트의 상면에는 S극으로 배치되어 상기 제1 마그네트의 극성은 교번적으로 배치될 수 있다.
상기 비접촉 회동부는 원주 둘레를 따라 90도 간격마다 돌출 형성될 수 있다.
상기 자전거에 마련되어 상기 제너레이팅 모듈에서 생산한 전기를 저장하는 축전지를 더 포함할 수 있다.
상기 압전 소자판은 PZT(Pb(Ti,Zr)O3), Ba2TiO4, BaTiO3 , 세라믹 재질 중 어느 하나 이상으로 제작될 수 있다.
본 발명에 의한 에너지 하베스팅을 이용한 자전거 페달은, 구동 샤프트에 연결된 비접촉 회동부를 통해 비접촉 방식으로 자기력이 압전 소자판에 상호작용되어 전기 발전이 가능할 수 있어 피로 균열 등의 내구성 저하가 최소화되며 발전 효율이 우수할 수 있고 사용자에 이질감이나 불필요한 소음 발생이 현격히 줄어 들 수 있으며 비교적 간단한 구성과 별도의 전기저장장치 없이 페달 몸체의 LED 광원을 발광시켜 야간에 전, 후방에서 자전거를 용이하게 식별할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 에너지 하베스팅을 이용한 자전거 페달의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 에너지 하베스팅을 이용한 자전거 페달의 상부 커버를 이탈시킨 상태의 개략적인 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 에너지 하베스팅을 이용한 자전거 페달의 상부 커버를 제외한 나머지 부분의 사시도이다.
도 4은 도 3의 상면도이다.
도 5는 도 4에서 A-A라인의 종단면도이다.
도 6는 도 4에서 B-B라인의 종단면도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 에너지 하베스팅을 이용한 자전거 페달의 저면에서 본 상태의 개략적인 사시도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 에너지 하베스팅을 이용한 자전거 페달의 실제 등화 상태를 개략적으로 도시한 도면이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 에너지 하베스팅을 이용한 자전거 페달의 일 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 에너지 하베스팅을 이용한 자전거 페달의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 에너지 하베스팅을 이용한 자전거 페달의 상부 커버를 이탈시킨 상태의 개략적인 분해 사시도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 에너지 하베스팅을 이용한 자전거 페달의 상부 커버를 제외한 나머지 부분의 사시도이고, 도 4은 도 3의 상면도이고, 도 5는 도 4에서 A-A라인의 종단면도이고, 도 6는 도 4에서 B-B라인의 종단면도이고, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 에너지 하베스팅을 이용한 자전거 페달의 저면에서 본 상태의 개략적인 사시도이며, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 에너지 하베스팅을 이용한 자전거 페달의 실제 등화 상태를 개략적으로 도시한 도면이다.
본 발명의 실시예에 따른 에너지 하베스팅을 이용한 자전거 페달은 주로 도 1 내지 도 4를 참조하면, 자전거의 구동 샤프트(100)에 연결되며, 양측에 LED 광원부(210)가 마련되는 페달 몸체(200); 상기 페달 몸체(200)에 마련되며, 상기 구동 샤프트(100)의 회전력을 전달하는 동력전달 모듈(300); 및 상기 구동 샤프트(100)를 기준으로 일측에 마련되며, 상기 동력전달 모듈(300)에 연결되어 상기 회전력을 이용하여 비접촉 방식으로 전기를 발생시키는 복수의 제너레이팅 모듈(400)을 포함할 수 있다.
페달 몸체(200)는 구동 샤프트(100)에 대해 상대 회전되게 마련될 수 있다.
도 1 기준에서 볼 때 구동스프라켓(10)에 구동레버(20)가 연결되고, 구동레버(20)의 단부에 구동 샤프트(100)가 마련될 수 있다. 그리고 구동 샤프트(100)에 페달 몸체(200)가 회동 가능하게 결합될 수 있다. 따라서, 자전거의 페달링 시 구동 샤프트(100)는 구동 레버(20)에 대해 고정된 채 페달 몸체(200)가 구동 샤프트(100)에 대해 상대 회전될 수 있다.
페달 몸체(200)의 양측부에는 도 2 및 도 3에 도시된 것처럼 상기 LED 광원부(210)가 마련될 수 있다. 상기 LED 광원부(210)는 제너레이팅 모듈(400)에 의해 생산된 전기를 이용하여 LED(211)를 발광시킬 수 있다. 상기 LED 광원부(210)의 발광 형태는 다양한 방식이 가능할 수 있으며, 도 8에 도시된 것처럼, 후방에서 볼때 일정 진폭을 가지고 아래 위로 진동되는 사인파 형태를 가질 수도 있어, 야간에 전, 후방에서 자전거를 용이하게 식별할 수 있게 된다.
상기 동력전달 모듈(300)은 도 2 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 구동 샤프트(100)에 마련되는 제1 기어(310); 및 상기 제너레이팅 모듈(400)과 상기 제1 기어(310) 사이에 치합되어 상기 구동 샤프트(100)의 회전력을 증속하는 제2 기어(320)를 포함할 수 있다.
상기 제2 기어(320)의 기어열보다 상기 제1 기어(310)의 기어열 개수가 더 많을 수 있다. 본 실시예에서의 제1 기어(310)보다 제2 기어(320)의 기어열이 대략 2배 많은 구조로 마련됨으로써, 구동 샤프트(100)의 회전 RPM 에 대해 제2 기어(320)의 회전수가 2배 이상으로 출력될 수 있다. 이로써, 상기 구동 샤프트(100)의 회전력을 전달하되 상기 구동 샤프트(100)의 회전력을 동력전달 모듈(300)이 증속시켜 전달할 수 있다.
한편, 자전거는 경량화가 관건이기 때문에, 별도의 축전지, ESS 등을 설치하기는 난해하며 고중량에 따라 발전 효율이 나오지 않을 뿐더러 자전거 운행이 곤란한 측면이 있다. 이는 전기 자전거라 해도 다르지 않다.
이에 본 실시예에서는 압전 소자를 이용한 반영구적인 제너레이팅 모듈(400)을 개시한다.
상기 제너레이팅 모듈(400)은 도 2 및 도 4, 도 6를 주로 참조하면, 상기 페달 몸체(200) 상면 또는 하면에 마련되는 압전 소자판(410); 및 상기 동력전달 모듈(300)의 회전축심과 나란하게 마련되며, 상기 회전축심을 따라 길이방향 일측에는 상기 제2 기어(320)와 치합되는 제3 기어부(421)와, 타측에는 원주 둘레를 따라 일정 각도마다 돌출 형성되는 비접촉 회동부(422)를 포함하는 회동 브라켓(420)을 포함할 수 있다.
상기 압전 소자판(410)은 원판형의 판상 플레이트 타입으로 마련될 수 있다. 상기 압전 소자판(410)의 압전소자라 함은 외부에서 기계적 압력을 가할 경우 PIEZO의 일그러짐으로 인한 D값과 G값이 형성되고, 전기 분극에 의한 전위차로 기전력이 발생되는 물질을 말하며, PZT(Pb(Ti,Zr)O3), Ba2TiO4, BaTiO3 , 세라믹 등과 같은 재료들이 사용된다.
이러한 압전소자는 소자 자체에 가해지는 힘, 충격 등의 외력에 의해 재질에 기계적 변화를 주면 전기적 신호 예컨대, 전압이 발생되는 특성이 있다. 이러한 압전소자는 압전소자(Piezo 또는 PZT)에 직접적 충격을 주는 방식은 소자가 깨지는 등 내구성 저하 문제가 있을 수 있다.
이에 압전 소자판(410)의 중앙부에는 제2 마그네트(411)가 마련되며, 후술하는 비접촉 회동부(422)의 제1 마그네트(423)와의 비접촉 방식의 상호작용(인력 또는 척력)으로 인해 압전소자의 떨림 또는 자체 진동을 유발할 수 있다. 이를 통해, 압전 소자판(410)에 전기가 발생될 수 있다.
한편, 본 실시예에서는 페달 몸체(200)의 상면에만 압전 소자판(410)이 마련되는 구성을 상술하였지만, 전압 필요 용량에 따라 페달 몸체(200)의 상면과 하면 모두에 압전 소자판(410)이 설치될 수도 있고, 또는 페달 몸체(200)의 일면에 압전 소자판(410)이 나란하게 2개 이상이 배치되는 형태로도 마련될 수도 있다. 이처럼, 압전 소자판(410)의 개수나 배치 형태는 달리 설정되어도 본 권리범위에 속한다 할 것이다.
또한, 하나의 압전 소자판(41)에 2개 이상의 제2 마그네트(411)를 설치할 수도 있다. 이경우, 자기력이 높아져 발전 효율이 증대될 수 있다.
상기 회동 브라켓(420)은 상기 동력전달 모듈(300)의 회전축심과 나란하게 마련되며, 상기 회전축심을 따라 길이방향 일측에는 상기 제2 기어(320)와 치합되는 제3 기어부(421)와, 타측에는 원주 둘레를 따라 일정 각도마다 돌출 형성되는 비접촉 회동부(422)를 포함할 수 있다.
제3 기어부(421)는 상기 동력전달 모듈(300)의 회전축심과 나란하게 마련되며, 상기 회전축심을 따라 길이방향 일측에는 상기 제2 기어(320)와 치합되는 부분이다. 이에 따라 제2 기어(320)의 증속된 회전 속도를 전달받아 제3 기어부(421)는 회전될 수 있다. 한편, 본 실시예에서의 제2 기어(320)와 제3 기어부(421)의 기어비는 대략 1대1로 마련되나, 제3 기어부(421)의 기어비를 낮춰 비접촉 회동부(422)의 회전 속도를 더 높여 발전할 수도 있다.
상기 비접촉 회동부(422)에는 제1 마그네트(423)가 수용되고, 상기 제1 마그네트(423)는 네오디늄 자석일 수 있다. 상기 비접촉 회동부(422)의 어느 하나의 상기 제1 마그네트(423)는 상면이 N극으로 배치되고, 이웃하는 상기 제1 마그네트(423)의 상면에는 S극으로 배치되어 상기 제1 마그네트(423)의 극성은 교번적으로 배치될 수 있다.
본 실시예에서 상기 비접촉 회동부(422)는 원주 둘레를 따라 90도 간격마다 돌출 형성될 수 있다. 이에 반해, 비접촉 회동부(422)의 돌출 형성되는 각도를 달리하여, 60도 마다 돌출 형성되어 원주 상에 돌출부가 6개 마련될 수도 있고, 45도 마다 돌출 형성되어 돌출부가 8개 마련될 수도 있다. 돌출부의 개수 차이는 발전 필요 용량 또는 압전 소자판(410)의 진동 정도에 따라 달리 설정되어도 무방하다.
이처럼, 구동 샤프트(100)에 연결된 비접촉 회동부(422)를 통해 비접촉 방식으로 자기력이 압전 소자판(410)에 상호작용되어 전기 발전이 가능할 수 있어 피로 균열 등의 내구성 저하가 최소화될 수 있다.
한편, 상기 자전거에 마련되어 상기 제너레이팅 모듈(400)에서 생산한 전기를 저장하는 축전지(미도시)를 더 포함할 수 있다.
이와 같이, 구동 샤프트(100)에 연결된 비접촉 회동부(422)를 통해 비접촉 방식으로 자기력이 압전 소자판(410)에 상호작용되어 전기 발전이 가능할 수 있어 피로 균열 등의 내구성 저하가 최소화되며 자가 발전이 가능해지고 전기 발전을 반영구적으로 가능할 수 있어 페달에 LED(211)를 상시 구동시킬 수 있고 비교적 간단한 구성과 별도의 전기저장장치 없이 야간에 전, 후방에서 자전거를 용이하게 식별할 수 있다.
이하, 도 1 내지 도 8를 참조하여 발전 과정 및 등화 상태를 상세 설명한다.
페달링 시, 페달 몸체(200)가 구동 샤프트(100)에 대해 상대회전된다. 이때, 구동 샤프트(100)와 연결된 동력전달 모듈(300)이 동작한다.
즉, 구동 샤프트(100)에 결합된 제1 기어(310)가 회전하고, 이에 치합된 제2 기어(320)가 회전한다. 이때, 제1 기어(310)에 비해, 상대적으로 제2 기어(320)의 기어열이 적은 관계로, 구동 샤프트(100)의 회전 속도보다 제2 기어(320)의 회전 속도가 증속된다.
다음, 제3 기어부(421)는 제2 기어(320)의 회전 속도와 거의 유사하게 전달받고 회동 브라켓(420)은 제1 기어(310)보다 증속된 속도로 자체 회전된다.
이 과정에서, 비접촉 회동부(422)가 회전되며 제1 마그네트(423)가 회전되고, 제2 마그네트(411)가 상호작용되어 인력 또는 척력이 작용하면서 압전 소자판(410)을 상하 진동시키며 전기가 발전된다.
이를 보다 상세 설명하면, 제2 마그네트(411)가 압전 소자판(410) 판면에 N극으로 배치되고 도 6 기준 왼편의 비접촉 회동부(422)가 반시계 방향으로 회전하면 제2 마그네트(411)와 첫번째 만나는 제1 마그네트(423)가 N극일 경우, 척력이 작용하여 압전 소자판(410)이 상방으로 미세하게 밀어올린다
다음, 제1 마그네트(423)가 접근하면 교번적으로 배치된 제1 마그네트(423)의 상면은 S극이어서, 압전 소자판(410)의 N극과 인력이 작용하여 압전 소자판(410)을 아래 방향으로 미세하게 끌어당긴다. 이처럼, 비접촉 회동부(422)가 1회전하면서 90도 간격마다 배치된 제1 마그네트(423)의 극성이 번갈아가면서 바뀌게 되고, 압전 소자판(410)은 상하 2번의 상하 진폭이 수반된 진동이 가해지면서 전기가 발생된다.
발생된 전기는 LED 광원부(210)의 LED(211)를 온시켜 페달 몸체(200)의 양측부를 발광시킨다.
도 5에 도시된 바와 같이, 기존 고정형 후미등에 비해 페달에 부착된 LED 광원부(210)는 페달링 과정에서 업/다운 이동되면서 발광될 수 있어 시인성이 우수할 수 있다.
이러한 단계 구성을 통해, 구동 샤프트(100)에 연결된 비접촉 회동부(422)를 통해 비접촉 방식으로 자기력이 압전 소자판(410)에 상호작용되어 전기 발전이 가능할 수 있어 피로 균열 등의 내구성 저하가 최소화되며 발전 효율이 우수할 수 있고 사용자에 이질감이나 불필요한 소음 발생이 현격히 줄어 들 수 있으며 비교적 간단한 구성과 별도의 전기저장장치 없이 페달 몸체(200)의 LED(211) 광원을 발광시켜 야간에 전, 후방에서 자전거를 용이하게 식별할 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
10 : 구동 스프라켓 20 : 구동 레버
100 : 구동 샤프트 200 : 페달 몸체
210 : LED 광원부 211 : LED
300 : 동력전달 모듈 310 : 제1 기어
320 : 제2 기어 400 : 제너레이팅 모듈
410 : 압전 소자판 411 : 제2 마그네트
420 : 회동 브라켓 421 : 제3 기어부
422 : 비접촉 회동부 423 : 제1 마그네트

Claims (9)

  1. 자전거의 구동 샤프트에 연결되며, 양측에 LED 광원부가 마련되는 페달 몸체;
    상기 페달 몸체에 마련되며, 상기 구동 샤프트의 회전력을 전달하는 동력전달 모듈; 및
    상기 구동 샤프트를 기준으로 일측에 마련되며, 상기 동력전달 모듈에 연결되어 상기 회전력을 이용하여 비접촉 방식으로 전기를 발생시키는 복수의 제너레이팅 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅을 이용한 자전거 페달.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 동력전달 모듈는,
    상기 구동 샤프트에 마련되는 제1 기어; 및
    상기 제너레이팅 모듈과 상기 제1 기어 사이에 치합되어 상기 구동 샤프트의 회전력을 증속하는 제2 기어를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅을 이용한 자전거 페달.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제2 기어의 기어열보다 상기 제1 기어의 기어열 개수가 더 많은 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅을 이용한 자전거 페달.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제너레이팅 모듈은,
    상기 페달 몸체 상면 또는 하면에 마련되는 압전 소자판; 및
    상기 동력전달 모듈의 회전축심과 나란하게 마련되며, 상기 회전축심을 따라 길이방향 일측에는 상기 제2 기어와 치합되는 제3 기어부와, 타측에는 원주 둘레를 따라 일정 각도마다 돌출 형성되는 비접촉 회동부를 포함하는 회동 브라켓을 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅을 이용한 자전거 페달.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 비접촉 회동부에는 제1 마그네트가 수용되고,
    상기 압전 소자판에는 제2 마그네트가 수용되며,
    상기 제1 및 제2 마그네트는 네오디늄 자석인 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅을 이용한 자전거 페달.
  6. 제5항에 있어서,
    어느 하나의 상기 제1 마그네트는 상면이 N극으로 배치되고, 이웃하는 상기 제1 마그네트의 상면에는 S극으로 배치되어 상기 제1 마그네트의 극성은 교번적으로 배치되는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅을 이용한 자전거 페달.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 비접촉 회동부는 원주 둘레를 따라 90도 간격마다 돌출 형성되는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅을 이용한 자전거 페달.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 자전거에 마련되어 상기 제너레이팅 모듈에서 생산한 전기를 저장하는 축전지를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅을 이용한 자전거 페달.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 압전 소자판은 PZT(Pb(Ti,Zr)O3), Ba2TiO4, BaTiO3 , 세라믹 재질 중 어느 하나 이상으로 제작되는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅을 이용한 자전거 페달.
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