KR20120068348A - 압전 에너지 하베스팅 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 압전 에너지 하베스팅 장치에 관한 것으로서, 외부 진동을 전기 에너지로 변환하는 복수의 압전 에너지 하베스팅 소자를 포함하는 압전 에너지 하베스팅 어레이; 각각의 압전 에너지 하베스팅 소자에 직렬로 연결되고, 스위칭 동작을 통해 각각의 압전 에너지 하베스팅 소자의 공진 주파수를 조절하여 상기 외부 진동의 주파수와 상기 압전 에너지 하베스팅 어레이의 공진 주파수를 일치시키는 복수의 스위치; 및 상기 압전 에너지 하베스팅 어레이에서 출력되는 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 적어도 하나 이상의 정류기를 포함한다.

Description

압전 에너지 하베스팅 장치{Piezoelectric Energy Harvesting Apparatus}
본 발명은 압전 에너지 하베스팅 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 주변 진동의 주파수에 압전 에너지 하베스팅 어레이의 공진 주파수를 일치시켜 출력을 향상시킬 수 있는 압전 에너지 하베스팅 장치에 관한 것이다.
압전 에너지 하베스팅 소자(piezoelectric energy harvesting device, 이하, 'PEH 소자'라 칭함)는 주변 진동의 주파수와 PEH 소자의 공진 주파수가 일치하는 경우, 변위의 증폭이 발생하여 공진 주파수에서 가장 큰 전기 에너지가 발생한다.
PEH 소자에서 발생하는 전압은 AC(교류) 형태로 출력된다. 이러한 AC 전압을 DC 전압으로 변환하기 위해서 정류기를 사용한다. 정류기는 풀 브릿지(full-bridge) 또는 하프 브릿지(half-bridge) 타입으로 4 개 또는 2 개의 다이오드로 구성된다. 정류기의 후단에는 DC 전압의 리플(ripple)을 줄이기 위한 커패시터가 연결된다.
DC 전압은 또 다른 수퍼커패시터나 배터리를 충전하거나, IC 등의 구동에 사용된다. 그러나, 주변 환경에서 발생하는 미세 진동으로부터 얻어지는 전기 에너지는 그 크기가 매우 작아 IC를 구동하기 위한 전력으로는 충분하지 않다. 따라서, PEH 소자의 크기나 형상을 최적화하거나 다층 구조(multilayer)를 이용하여 출력을 높이는 방안 등이 연구되어 왔다.
압전 세라믹 소자의 경우 깨지기 쉬운(brittle) 특성을 갖고 있어 충격 등에 약하고 소자의 크기를 크게 하는 데 한계가 있다. 다층 구조를 이용하는 경우에는 제작 공정 등이 확립되어 있지 않아 PEH 소자의 제작에 이용하기에는 적합하지 않다. PEH 소자의 출력을 높이는 또 다른 방안으로는 결합 효율이 높고, 압전 상수 값이 큰 단결정을 이용하는 방법이 있는데, 이 경우 다층 구조로 제작하기에 매우 까다로운 공정이 요구된다.
이러한 문제점을 해결하기 위한 방안으로서, 압전 에너지 하베스팅 어레이(piezoelectric energy harvesting arrays, 이하, 'PEH 어레이'라 칭함)를 이용한 출력 향상 방법을 제안할 수 있다. 단일 PEH 소자의 공진 주파수를 주변 진동의 주파수(예컨대, 1~120 Hz)에 일치시키기 위해서는 PEH 소자 자체의 형상이나 크기를 최적화한 후, 캔틸레버 끝단에 팁질량을 이용하는 방법이 많이 이용된다.
한편, 압전 재료를 이용하여 PEH 소자를 제작하는 경우 두 가지의 주파수가 존재한다. 하나는 저항 R→0으로 가는 쇼트 회로(short-circuit) 상태의 공진 주파수(이하, 'sc 공진 주파수'라 칭함)로서, 이때 임피던스가 최소가 되고, 다른 하나는 R→∞로 가는 오픈 회로(open-circuit) 상태의 공진 주파수(이하, 'oc 공진 주파수'라 칭함)로서, 이때 임피던스가 최대가 된다. 여기서, R은 PHE 소자의 끝단에 연결되는 저항을 의미한다. 이 두 공진 주파수는 유효 전기-기계 결합 계수에 의해 결정된다. 일반적으로 압전 세라믹은 유효 전기-기계 결합 계수가 작고, 압전 단결정은 1.0(기계적 에너지를 전기적 에너지 변환하는 효율=100%)에 가까운 큰 값을 갖는다.
PEH 소자의 기본적인 출력 특성을 측정하기 위해서, 낮은 진동이 가해진 상태에서 PEH 소자의 끝단에 저항 R을 연결하고, 연결된 저항 R에 흐르는 전류를 측정하거나, 저항 양단에 걸리는 전압을 측정한다. 저항 R의 값에 따라 최대 출력이 발생하는 주파수가 sc 공진 주파수와 oc 공진 주파수 사이에서 변하기 때문에 단일 PEH 소자의 공진 주파수는 쉽게 측정이 가능하다.
그러나, PEH 어레이의 sc 공진 주파수와 oc 공진 주파수는 전기적인 연결 상태뿐만 아니라 기계적인 상태에 따라 달라지기 때문에, PEH 어레이를 제작하고 난 후, 단일 PEH 소자의 공진 주파수를 주변 진동의 주파수와 동일하게 하여 PEH 어레이의 전기적 특성을 측정한다. 이러한 경우, 출력의 포화가 발생하여 PEH 소자의 개수를 늘리더라도 원하는 출력을 얻을 수 없다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 주변 진동의 주파수에 압전 에너지 하베스팅 어레이의 공진 주파수를 일치시켜 전기적 손실을 줄이고, 압전 에너지 하베스팅 소자의 개수 증가에 비례하는 출력 전력을 발생시켜 출력 전류를 크게 하며, 수퍼커패시터나 배터리를 빠르게 충전할 수 있는 압전 에너지 하베스팅 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 본 발명에 따른 압전 에너지 하베스팅 장치는, 외부 진동을 전기 에너지로 변환하는 복수의 압전 에너지 하베스팅 소자를 포함하는 압전 에너지 하베스팅 어레이; 각각의 압전 에너지 하베스팅 소자에 직렬로 연결되고, 스위칭 동작을 통해 각각의 압전 에너지 하베스팅 소자의 공진 주파수를 조절하여 상기 외부 진동의 주파수와 상기 압전 에너지 하베스팅 어레이의 공진 주파수를 일치시키는 복수의 스위치; 및 상기 압전 에너지 하베스팅 어레이에서 출력되는 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 적어도 하나 이상의 정류기를 포함한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 주변 진동의 주파수에 압전 에너지 하베스팅 어레이의 공진 주파수를 일치시킬 수 있는 압전 에너지 하베스팅 장치를 제공함으로써, 출력 전력/전류가 포화되지 않고, 압전 에너지 하베스팅 소자의 개수에 비례하는 출력 전력/전류를 얻을 수 있으며, 수퍼 커패시터나 배터리를 빠르게 충전할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 압전 에너지 하베스팅 장치는 높은 출력으로 인해 자가충전을 요구하는 무선 센서 네트워크를 구성하는 소자들의 전원으로 사용 가능하다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 압전 에너지 하베스팅 장치의 구성을 나타낸 블럭 구성도,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 PEH 소자의 단면도,
도 3은 개별 PEH 소자의 sc 공진 주파수에서 출력 전류/전압을 나타낸 그래프,
도 4는 개별 PEH 소자의 oc 공진 주파수에서 출력 전류/전압을 나타낸 그래프,
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 PEH 어레이의 공진 주파수에서 출력 전류/전압을 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명의 일실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
일반적으로 압전 에너지 하베스팅 소자(piezoelectric energy harvesting device, 이하, 'PEH 소자'라 칭함)에는 전기적 출력을 발생하는 단일 압전층과 이 압전층의 깨지기 쉬운(brittle) 성질을 보강하는 비압전층으로 구성되는 압전 모노모프 및 비압전층의 양쪽에 압전층이 적층되는 압전 바이모프가 있다. 또한, 두 개의 압전층을 적층하는 대신에 여러 층을 쌓는 다층 구조(multilayer) PEH 소자도 있다.
이하에서는, 압전 바이모프를 예로 들어 PEH 소자의 특성을 설명하기로 한다.
압전 바이모프의 경우 두 개의 압전층은 분극 방향에 따라 직렬 또는 병렬로 연결 가능하다. 병렬 연결의 경우 출력 전류가 높고, 직렬 연결의 경우 출력 전압이 높다. 두 경우 모두 출력 전력은 전선 연결의 형태에 영향을 받지 않는다. 최대 출력 전력을 발생시키는 최적 저항은 전선의 연결 상태에 따라 영향을 받고, 이에 따라 PEH 소자의 공진 주파수가 변화한다. 직렬 연결의 경우 최대 출력 전력이 발생하는 최적 저항이 병렬 연결의 경우보다 더 크기 때문에 출력 전압과 출력 전류가 반비례적으로 나타난다. 즉, 병렬 연결은 낮은 전기적 임피던스를 보유하는 반면, 직렬 연결은 높은 전기적 임피던스를 나타낸다.
수퍼커패시터나 배터리는 충전하는 전류의 크기에 크게 영향을 받기 때문에 출력 전류가 큰 병렬 연결을 이용하여 충전되는 것이 바람직하다.
PEH 소자는 주변 진동의 주파수에 자신의 주파수를 맞춤으로써 출력 전력/전류를 최대화할 수 있다. 이 주파수를 PEH 소자의 공진 주파수라 한다. 압전 소자의 경우 두 전선을 연결한 상태(R→0)에서 측정한 주파수를 쇼트 회로(short-circuit) 상태의 공진 주파수(이하, 'sc 공진 주파수'라 칭함)라 하고, 두 전선을 오픈한 상태(R→∞)에서 측정한 주파수를 오픈 회로(open-circuit) 상태의 공진 주파수, 이하, 'oc 공진 주파수'라 칭함)라고 한다. 압전 바이모프의 전선 연결과 유사하게 PEH 소자는 sc 공진 주파수에서 진동할 때 출력 전류가 높고, oc 공진 주파수에서 진동할 때 출력 전압이 높다. 즉, PEH 소자가 sc 상태에 있을 때, 최대 전류가 발생한다.
또한, 주변 환경에서 발생하는 미세 진동으로부터 얻어지는 전기 에너지는 그 크기가 매우 작아 IC를 구동하기 위한 전력으로는 충분하지 않기 때문에 압전 에너지 하베스팅 어레이(piezoelectric energy harvesting arrays, 이하, 'PEH 어레이'라 칭함)를 제작하여 출력 전력을 높일 수 있다.
PEH 어레이의 sc 공진 주파수와 oc 공진 주파수는 전기적인 연결 상태뿐만 아니라 기계적인 상태에 따라 달라지기 때문에, PEH 어레이를 제작하고 난 후, 단일 PEH 소자의 공진 주파수를 주변 진동의 주파수와 동일하게 하여 PEH 어레이의 전기적 특성을 측정한다. 이러한 경우, 출력의 포화가 발생하여 PEH 소자의 개수를 늘리더라도 원하는 출력을 얻을 수 없다.
이는 PEH 어레이의 기계적 특성, 다시 말하면 PEH 어레이는 진동에 의해 발생하는 변위가 작아지고, 작아진 변위는 전기적 출력을 줄이는 결과를 주게 된다. 또한, PEH 소자의 개수가 늘어남에 따라 압전 재료가 가지고 있는 커패시턴스(즉, 압전 재료는 전기적으로 전류 공급원과 커패시턴스의 병렬연결 상태로 나타낼 수 있음)의 병렬 연결로 인해 유효 커패시턴스는 PEH 소자의 개수에 비례하여 늘어나게 된다. 유효 패시턴스의 변화는 PEH 어레이의 전기적 특성에 영향을 미친다. 이는 압전 소자의 유효 전기-기계 결합 계수와 밀접한 관련을 가지고 있다.
압전 소자는 유효 전기-기계 결합 계수에 의해 공진 주파수가 나누어진다. 압전 소자의 sc 공진 주파수와 oc 공진 주파수는 다음의 수학식 1로 표현될 수 있다.
Figure pat00001
여기서, Keq는 압전 소자의 기계적 유효 강성(stiffness), Meq는 유효 질량, κ는 유효 전기-기계 결합 계수를 나타낸다.
압전 소자의 유효 전기-기계 결합 계수의 변화는 주파수뿐만 아니라, 전기적 출력에 가장 큰 영향을 줌으로써, PEH 소자가 공진 주파수에서 전기적 출력을 발생하더라도 PEH 어레이에서는 PEH 어레이의 증가에도 불구하고, 출력 포화가 발생하게 된다.
PEH 어레이의 출력 포화를 방지하기 위해서는 PEH 어레이의 유효 전기-기계 결합 계수만큼 공진 주파수를 변화시켜야 하고, 이는 개별 PEH 소자의 oc 공진 주파수로부터 얻어질 수 있으며, 이때 PEH 어레이는 최대 출력을 발생하게 된다.
따라서, 본 발명의 일실시예에서는 주변 진동의 주파수에 PEH 어레이의 공진 주파수를 일치시킬 수 있는 압전 에너지 하베스팅 장치를 제공한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 압전 에너지 하베스팅 장치의 구성을 나타낸 블럭 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 압전 에너지 하베스팅 장치는 PEH 어레이(110), 복수의 스위치(120) 및 정류기(130) 등을 포함한다. 본 발명의 일실시예에서는 설명의 편의상 PEH 어레이(110)가 4 개의 PEH 소자(112)를 포함하고 있지만, 이에 한정되는 것은 아니며, PEH 어레이(110)는 필요에 따라 적어도 두 개 이상의 PEH 소자(112)를 포함할 수 있다.
PEH 어레이(110)는 외부 진동을 전기 에너지로 변환하는 복수의 PEH 소자(112)를 포함한다. 여기서, PEH 소자(112)는 가진 베이스(210), 메탈심(220), 압전층(230) 및 팁질량(240) 등을 포함할 수 있고, PEH 소자(112)를 구성하는 각 구성 요소에 대해서는 도 2에서 자세하게 설명하기로 한다.
복수의 스위치(120)는 각각의 PEH 소자(112)에 직렬로 연결되고, 스위칭 동작을 통해 각각의 PEH 소자(112)의 공진 주파수를 조절하여 외부 진동의 주파수와 PEH 어레이(110)의 공진 주파수를 일치시킨다. 자세하게는, 복수의 스위치(120)가 모두 온되는 경우, PEH 어레이(110)의 출력 전압은 최대가 된다. 또한, PEH 어레이(110)의 출력 전류가 포화되지 않도록, 복수의 스위치(120) 중 적어도 하나 이상의 스위치가 오프될 수 있다.
정류기(130)는 PEH 어레이(110)에서 출력되는 교류 전압을 직류 전압으로 변환하고, 직류 전압을 저장 소자(140)에 저장한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 PEH 소자의 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 PEH 소자(112)는 가진 베이스(210), 메탈심(220), 압전층(230) 및 팁질량(240) 등을 포함한다.
가진 베이스(210)는 PEH 소자(112)의 고정단 역할을 한다.
메탈심(220)은 일단이 가진 베이스(210)에 고정되고, 타단에는 팁질량(240)이 연결된다. 여기서, 메탈심(220)의 상면에는 메탈심(220)의 변위를 크게 하기 위한 구조로서, 길이 방향을 따라 홈이 형성될 수 있다.
압전층(230)은 메탈심(220)의 상부 또는 하부에 형성되고, PZT, PMN-PT, PZN-PT, PMN-PZT 및 MFC(micro-fiber composite) 등을 포함할 수 있다. 또한, 압전층(230)은 가진 베이스(210)와 이격되어 형성됨으로써, 물리적 스트레스에 의한 파괴를 방지할 수 있다.
팁질량(240)는 PEH 소자(112)에 진동을 부여하기 위한 중량체로서, 메탈심(220)의 타단에 연결된다. 팁질량(240)은 PEH 소자(112)의 진동 주파수를 변경하기 위해 무게를 달리할 수 있다.
도 3은 개별 PEH 소자의 sc 공진 주파수에서 출력 전류/전압을 나타낸 그래프이고, 도 4는 개별 PEH 소자의 oc 공진 주파수에서 출력 전류/전압을 나타낸 그래프이다.
도 3을 참조하면, (310)은 sc 공진 주파수에서 각각의 PEH 소자의 출력 전류를 나타내고, (320)은 sc 공진 주파수에서 각각의 PEH 소자의 출력 전압을 나타낸다.
도 4를 참조하면, (410)은 oc 공진 주파수에서 각각의 PEH 소자의 출력 전류를 나타내고, (420)은 oc 공진 주파수에서 각각의 PEH 소자의 출력 전압을 나타낸다.
도 3에 도시된 바와 같이, sc 공진 주파수에서 각각의 PEH 소자의 출력 전류가 최대가 되고, 도 4에 도시된 바와 같이, oc 공진 주파수에서는 각각의 PEH 소자의 출력 전압이 최대가 된다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 PEH 어레이의 공진 주파수에서 출력 전류/전압을 나타낸 그래프이다.
도 5를 참조하면, (510)은 공진 주파수에서 각각의 PEH 소자의 출력 전류를 나타내고, (520)은 공진 주파수에서 각각의 PEH 소자의 출력 전압을 나타낸다.
기존의 PEH 어레이는 PEH 소자의 개수를 증가시키더라도 출력 포화가 발생하여 출력 전류를 올리는 데는 한계가 있었다.
그러나, 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 PEH 어레이는 출력 포화가 발생하지 않아 PEH 소자의 개수에 비례하여 출력 전류가 증가되는 것을 알 수 있다.
본 발명의 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명을 한정하는 것이 아니다. 본 발명의 범위는 아래의 특허청구범위에 의해 해석되어야 하며, 그와 균등한 범위 내에 있는 모든 기술도 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석해야 할 것이다.
110: PEH 어레이 120: 복수의 스위치
130: 정류기 140: 저장 소자

Claims (7)

  1. 외부 진동을 전기 에너지로 변환하는 복수의 압전 에너지 하베스팅 소자를 포함하는 압전 에너지 하베스팅 어레이;
    각각의 압전 에너지 하베스팅 소자에 직렬로 연결되고, 스위칭 동작을 통해 각각의 압전 에너지 하베스팅 소자의 공진 주파수를 조절하여 상기 외부 진동의 주파수와 상기 압전 에너지 하베스팅 어레이의 공진 주파수를 일치시키는 복수의 스위치; 및
    상기 압전 에너지 하베스팅 어레이에서 출력되는 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 적어도 하나 이상의 정류기;
    를 포함하는 압전 에너지 하베스팅 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 스위치가 모두 온되는 경우, 상기 압전 에너지 하베스팅 어레이의 출력 전압은 최대가 되는 것을 특징으로 하는 압전 에너지 하베스팅 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 압전 에너지 하베스팅 어레이의 출력 전류가 포화되지 않도록, 상기 복수의 스위치 중 적어도 하나 이상의 스위치가 오프되는 것을 특징으로 하는 압전 에너지 하베스팅 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 각각의 압전 에너지 하베스팅 소자는,
    고정단 역할을 하는 가진 베이스;
    일단이 상기 가진 베이스에 고정되는 메탈심;
    상기 메탈심의 상부 또는 하부에 형성되는 압전층; 및
    상기 메탈심의 타단에 연결되는 팁질량;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 에너지 하베스팅 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 가진 베이스와 상기 압전층의 사이는 이격되는 것을 특징으로 하는 압전 에너지 하베스팅 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 압전층은 PZT, PMN-PT, PZN-PT, PMN-PZT 및 MFC(micro-fiber composite) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 에너지 하베스팅 장치.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 메탈심의 상면에는 길이 방향을 따라 홈이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 압전 에너지 하베스팅 장치.
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