하이브리드 에너지 하베스팅 소재 및 소자

A10

특허기술명 : 넓은 동작 주파수 범위를 가지는 자가결합으로 배열된  압전 에너지 하베스터

Hybrid Energy Harvesting materials and device

TRL5 :구현환경 적용실험

한줄 기술 요약

배터리나 전원선 연결 없이 진동, 자기장 등 주변에 분포하는 기계적 에너지를 통해 자가 발전할 수 있게 해주는 에너지 하베스터 기술.

압전 빔을 이동할 수 있는 질량체를 이용하거나 자력에 의해 압전 빔들을 결합하여 향상된 에너지를 출력하고 넓은 동작 주파수 대역폭을 제공할 수 있는 기술

개발배경 및 해결과제

  • 진동을 이용한 압전 에너지 하베스터의 경우, 공진 주파수가 장치의 고정된 고유 진동수를 벗어나게 되면 발생 변위가 감소하게 되어 압전 출력이 크게 감소함
  • 따라서, 진동원의 주파수 범위가 넓거나 자동차나 비행기의 엔진처럼 진동 주파수가 지속적으로 변하는 환경에 압전 에너지 하베스터를 적용하기 위한 기술이 필요

기술의 우수성

  • 별도의 전기장치 없이도 외부 진동 주파수와 장치의 고유 주파수가 일치하도록 스스로 이동 가능한 에너지 하베스터
  • 공진할 수 있는 주파수 대역이 확대되어 넓은 주파수 영역에 적용 가능한 에너지 하베스터
  • 109 cycles 동안 안정적 출력 유지 가능
  • 향상된 에너지 출력을 바탕으로 하베스터의 최대 출력 27.04mW 달성

기술의 차별성

  • 이동 가능한 질량체를 공진이 발생하는 압전 빔의 위치로 이동시켜 압전빔의 발생 변위를 최대로 확대하여 높은 출력의 전압 지속 생성 
  • 서로 다른 고유 진동수를 가진 압전 빔들을 자력에 의해 결합하여 하나의 주파수에서 압전 빔이 동작 시 이웃한 압전 빔들이 함께 작동하여 넓은 공진 주파수 범위를 가짐
  • 자성 질량체의 자기력에 의해서 서로 결합되게 구성하여 주변 진동 뿐만 아니라 전력선 주변에 생성되는 자기장으로부터 전기 에너지 생성 가능
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구현방법 1

  • 내부에 압전 빔, 고정 부재, 압전 빔에 연결된 질량체로 구성됨
  • 서로 다른 공진주파수를 가지는 여러 개의 압전 빔이 자기 결합되어, 하나의 압전 빔 동작 시 나머지 압전 빔도 함께 동작함
  • 혹은 압전 빔에 연결된 질량체가 공진하는 압전 빔의 위치로 이동하여 압전 빔의 발생 변위를 증가시킴

구현방법 2

  • 내부에 압전 빔, 고정 부재, 압전 빔에 연결된 질량체로 구성됨
  • 서로 다른 공진주파수를 가지는 여러 개의 압전 빔이 자기 결합되어, 하나의 압전 빔 동작 시 나머지 압전 빔도 함께 동작함
  • 혹은 압전 빔에 연결된 질량체가 공진하는 압전 빔의 위치로 이동하여 압전 빔의 발생 변위를 증가시킴

활용분야

센서 전원 기술
전력 생산 기술

적용제품

센서 주 또는 보조 전원

도로, 주차장 등에서 자동차 진동을 활용한

발생 소자

기술동향

  • 압전효과 발견 이후 소자 및 공정 기술 개발이 활발히 진행중, 최근 Micro 합성섬유 등의 신소재가 개발되면서 연구에  주목 
  • ZnO 등을 이용한 나노 압전 소재 기술, 유연 복합 압전 소재 기술(나노+폴리머), 압전 박막 소재를 유연 기판 위에 전사 공정을 통해 구현한 유연 압전 전사 공정 기술 등이 활발
  • 유럽에서는 VIBES(Vibration Energy Scavenging)이라는 컨소시엄을 구성하여 영국, 독일, 프랑스, 이탈리아 등에서 활발

시장전망

에너지 하베스팅 세계 시장 규모는 ’20년 485백만 달러에서 연 9.8%씩 성장하여 ’25년 775백만달러 시장 규모로 확대될 전망

하베스팅 기술 보급, 탄소 배출 감소, 건물·산업 분야의 IoT 기술 적용 증가 등이 에너지 하베스트 시장의 성장 요인임. 향후 에너지 하베스팅 기술이 상용화 되면 무선 네트워크 기기 및 저전력 기기 중심으로 활발하게 보급될 것으로 전망됨