[논문]소형 압전 에너지 하베스터 구현을 위한 세라믹 크기 변화

김형찬; 정우석; 강종윤; 윤석진; 주병권; 정대용

doi:10.5369/jsst.2008.17.4.267

Abstract ▼ AI-Helper

Energy harvesting from the vibration through the piezoelectric effect has been studied for powering the small wireless sensor nodes. As piezoelectric uni-morph cantilever structure can transfer low vibration to large displacement, this structure was commonly deployed to harvest electric energy from ...

Energy harvesting from the vibration through the piezoelectric effect has been studied for powering the small wireless sensor nodes. As piezoelectric uni-morph cantilever structure can transfer low vibration to large displacement, this structure was commonly deployed to harvest electric energy from vibrations. Through our previous results, when stress was applied on the cantilever, stress was concentrated on the certain point of the ceramic of the cantilever. In this study, for miniaturing the energy harvester, we investigated how the size of ceramics and the stress distribution in ceramic affects energy harvester characteristics. Even though the area of ceramic was 28.6 % decreased from $10{\times}35{\times}0.5mm^3$ to $10{\times}25{\times}0.5mm^3$, both samples showed almost same maximum power of 0.45 mW and the electro-mechanical coupling factor ($K_{31}$) of 14 % as well. This result indicated that should be preferentially considered to generate high power with small size energy harvester.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

한편, 센서노드를 소형으로 제작하기 위해서는 에너지 하베스터의 크기를 가능한 작게 제작해야 한다. 따라서 본 연구에서는 유연한 압전 캔틸레버의 부착한 압전 세라믹에 응력이 거의 가해지지 않는 부분을 잘라내어 세라믹의 크기를 소형화 하였으며, 이에 따른 출력 에너지를 측정하여 세라믹의 크기에 따른 압전 에너지 하베스팅 특성을 관찰하고자 하였다. 또한, 서로 다른 크기의 압전 세라믹을 이용한 하베스터를 제작하고, 생산된 전기에너지를 슈퍼 캐패시터(super capacitor)에 저장하여 그 특성을 평가하였다.

제안 방법

기계적 에너지는 진동기(#, Type 4809)를 이용하여 60Hz의 주파수에서 3.34m/s2의 가속도와 46.5μm의 변위로 생성한 후 압전하베스터에 가하였다.
따라서 본 연구에서는 유연한 압전 캔틸레버의 부착한 압전 세라믹에 응력이 거의 가해지지 않는 부분을 잘라내어 세라믹의 크기를 소형화 하였으며, 이에 따른 출력 에너지를 측정하여 세라믹의 크기에 따른 압전 에너지 하베스팅 특성을 관찰하고자 하였다. 또한, 서로 다른 크기의 압전 세라믹을 이용한 하베스터를 제작하고, 생산된 전기에너지를 슈퍼 캐패시터(super capacitor)에 저장하여 그 특성을 평가하였다.
본 연구에서는 캔틸레버형 압전 에너지 하베스터에 사용되는 압전세라믹의 크기를 조절하여 출력파워를 측정, 비교하였으며, 실제 상용 슈퍼캐패시터에의 충전시간을 관찰하였다. 압전캔틸레버에 인가되는 응력 분포를 고려하여 세라믹의 크기를 조절한 결과 일정크기 이상의 세라믹에서는 크기의 따른 출력이 크게 변화하지 않음을 알 수 있었다.
압전하베스터의 발생출력은 그림 3에서 외부저항의 크기를 변화시키면서 출력전압을 오실로스코프를 이용하여 측정한 값으로부터 계산하였다. 세라믹의 크기 차이에 의해 압전하베스터의 효율리 달라질 것으로 생각하였으며, 압전하베스터의 전기-기계결합계수는 압전하베스터를 전기적으로 단락하였을 때 변화하는 공진 주파수를 측정하여 계산하였다.
슈퍼캐패시터의 빠른 충전을 위하여 진동원의 주파수는 60Hz로 고정한 상태에서 가속도와 변위를 각각 32.8m/s2와 463 μm로 증가시켜 측정하였다.
한편, 제작한 압전하베스터의 충전특성은 0.1 F-5.5V의 슈퍼캐패시터의 충전전압을 시간의 흐름에 따라 측정하여 평가하였다. 슈퍼캐패시터의 빠른 충전을 위하여 진동원의 주파수는 60Hz로 고정한 상태에서 가속도와 변위를 각각 32.

대상 데이터

6mm³이다. 사용한 압전 세라믹은 PZT계 세라믹으로 (동일기연, D223, piezoelectric constant ~ 500pC/N) 두께는 0.5mm이며, 1, 2, 3번 시료의 크기는 각각 10x10mm², 10x25mm², 10x35mm²이다.
그림 2는 실험에서 사용한 캔틸레버모양의 유니몰프 압전 에너지 하베스터의 모양을 나타내었다. 캔틸레버 기판의 재질은 단단하면서도 비교적 유연함이 보장되는 FR-4를 사용하였고, 크기는 90x12x1.6mm³이다. 사용한 압전 세라믹은 PZT계 세라믹으로 (동일기연, D223, piezoelectric constant ~ 500pC/N) 두께는 0.

성능/효과

5 V에 도달하는 시간은 3 캔틸레버가 2보다 약간 빠르게 충전되었으며, 이것은 최대 출력 파워가 비슷하다고는 하나 3 캔틸레버는 전극면적이 2에 비해 커 발생하는 전하량과 전류가 큰 것으로 생각된다. 2 캔틸레버는 3 캔틸레버 세라믹을 기준으로 면적은 28.6% 줄었지만 5.5V 충전 시간은 53분으로 3 캔틸레버 45분에 비해 18.6% 증가하여 줄어든 면적에 비해 빠른 속도로 슈퍼캐패시터를 충전함을 알 수 있었다.
8 m/s²의 가속도에 463 μm 변위의 비교적 큰 진동을 가했으나, 주파수는 60Hz를 유지하였다. 5.5 V에 도달하는 시간은 3 캔틸레버가 2보다 약간 빠르게 충전되었으며, 이것은 최대 출력 파워가 비슷하다고는 하나 3 캔틸레버는 전극면적이 2에 비해 커 발생하는 전하량과 전류가 큰 것으로 생각된다. 2 캔틸레버는 3 캔틸레버 세라믹을 기준으로 면적은 28.
압전캔틸레버에 인가되는 응력 분포를 고려하여 세라믹의 크기를 조절한 결과 일정크기 이상의 세라믹에서는 크기의 따른 출력이 크게 변화하지 않음을 알 수 있었다. 본 실험에서는 크기가 다른 10x25x0.5mm³와 10x35x0.5mm³의 세라믹을 이용한 캔틸레버의 전기-기계결합계수를 측정한 결과 크기에 관계없이 약 14%를 나타내었다. 10x35x0.
본 연구에서는 캔틸레버형 압전 에너지 하베스터에 사용되는 압전세라믹의 크기를 조절하여 출력파워를 측정, 비교하였으며, 실제 상용 슈퍼캐패시터에의 충전시간을 관찰하였다. 압전캔틸레버에 인가되는 응력 분포를 고려하여 세라믹의 크기를 조절한 결과 일정크기 이상의 세라믹에서는 크기의 따른 출력이 크게 변화하지 않음을 알 수 있었다. 본 실험에서는 크기가 다른 10x25x0.
이상의 결과들은 3이 2에 비해 크기가 커져 전기용량(capacitance)은 증가하나 실제 캔틸레버에서 생산되는 전기에너지는 세라믹의 크기에 직접 비례하지 않는 다는 것을 보여주며, 압전하베스터를 소형화하면서 원하는 출력을 얻기 위해서는 캔틸레버에 걸리는 응력분포와 세라믹 크기를 고려해야 함을 말해준다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	에너지 하비스팅 방법에는 어떠한 것들이 있는가?	특히, 최근 전자공학의 발달로 센서기기의 소형화와 이에 따른 저 전력 동작이 가능하게 됨에 따라, 주위 환경에서 버려지는 에너지를 소규모 전기에너지로 변환시키는 에너지 하비스팅(energy harvesting)이 현실적으로 실현 가능하게 되었다. 에너지 하비스팅 방법으로는 태양발전, 열전발전, 전자기에 의한 발전, 압전체를 이용한 발전 등이 있으며, 그 중에서 압전 에너지 하비스팅은 외부 날씨에 영향을 받지 않으며, 에너지 밀도가 높아 많이 연구되고 있다[1-3].
	USN을 구성함에 있어 가장 큰 문제점은 무엇인가?	자연재해나 불의의 재난에 대비하기 위하여 시설물이나 주변 환경을 실시간으로 감시하고, 모니터링 하는 USN (ubiquitous sensor network) 구축에 관한 연구에 많은 관심이 집중되고 있다. USN를 구성함에 있어서 대두되고 있는 큰 문제점중의 하나는 넓은 지역에 산재되어 분포하는 많은 수의 센서의 전원을 공급하는 것이다. 센서를 구동하기 위해서 전선을 연결하거나 배터리를 사용할 수 있지만, 많은 수의 센서들을 선으로 연결하는 것은 현실적으로 매우 어려우며, 배터리를 사용할 경우, 배터리를 주기적으로 교환해 주어야 하며 사용된 배터리로 인해 공해가 발생하는 단점이 있다.
	압전 세라믹 깨짐을 방지하고 적은 진동에서도 비교적 큰 변위를 얻기 위하여 세라믹을 유연한 기판에 붙여 만든 캔틸레버 모양이 일반적으로 에너지 하비스팅에 많이 이용되고 있는 이유는 무엇인가?	압전에너지 하비스팅에서 생성되는 전기에너지는 압전체의 변형량과 압전재료의 전기-기계결합계수의 제곱에 비례하여 증가한다[4]. 현재, 압전에너지 하비스팅에 많이 사용되는 압전체는 Pb(ZrTi)O3 계열의 세라믹으로, 전기-기계결합계수가 약 50%로 폴리머에 비해 높지만 매우 단단하며, 쉽게 깨져서 큰 변형에서 사용할 수 없는 단점이 있다. 따라서 압전 세라믹 깨짐을 방지하고 적은 진동에서도 비교적 큰 변위를 얻기 위하여 세라믹을 유연한 기판에 붙여 만든 캔틸레버(cantilever)모양이 일반적으로 에너지 하비스팅에 많이 이용되고 있다[3,5-6].

참고문헌 (12)

S. Roundy, P. K Wright, and J. M. Rabaey, 'energy. scavening for wireless sensor networks with special focus on vibrations', Kluwer Academic Pub., Boston, 2004
K. Ren, Y. Liu, X. Geng, H. F. Hofmann, and Q. Zhang, 'Single crystal PMN-PT/Epoxy 1-3 composite for energyharvesting application', IEEE Trans. Ultrason. Ferroelect. Freq. Contr., vol. 53, no. 3, pp. 631-638, 2006

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H. W. Kim, A. Batra, S. Priya, K. Uchino, D. Markley, R. E. Newnham, and H. F. Hofmann, 'Energy harvesting using a piezoelectric 'Cymbal' transducer in dynamic environment', Jpn. J. Appl. Phys. vol. 43, no. 9, pp. 6178-6183, 2004

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K. Uchino and J. R. Giniewicz, Micromechatronics, Marcel Dekker, Inc., New York, 2003
Y. S. Lee, 'Shaping of piezoelectric polyvinylidene fluoride polymer film for tip position sensing of a cantilever beam', J. Kor. Sensors Soc., vol. 14, no. 4, pp. 225-230, 2005

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J. S. Kim, 'Dielectric and piezoelectric properties of 0.125PMN-0.435PT-0.44PZ ceramic for ultrasonic motor applications', J. Kor. Sensors Soc., vol. 6, no. 5, pp. 392-399, 1997
H. C. Kim, D. Y. Jeong, S. J. Yoon, and H. J. Kim, 'Analysis of the failure position in the unimorph cantilever for energy harvesting', Kor. J. Mater. Res. vol. 17 no. 2, pp. 121-122, 2007

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S. Roundy and P K Wright, 'A piezoelectric vibration based generator for wireless electronics,' Smart Mater. Struct. vol. 13. no. 4, pp. 1131-1142, 2004

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S. Roundy, E. S. Leland, J. Baker, E. Carleton, E. Reilly, E. Lai, B. Otis, J. M. Rabaey, P. K. Wright, and V. Sundararajan, 'Improving power output for vibration-based energy scavengers', IEEE Pervasive Computing, vol. 4, issu.1, pp. 28-36, 2005
H. C. Kim, H. C. Song, D. Y. Jeong, H. J. Kim, S. J. Yoon, and B. K. Ju, 'Frequency tuning of unimorph cantilever for piezoelectric energy harvesting,' Kor. J. Mater. Res., vol. 17, no. 12, pp. 660- 663, 2007

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T. L. Floyd, Principles of Electric circits, Prentice Hall, Upper Saddle River, N. J., 2000
C. H. Park, 'Dynamics modelling of beam with shunted piezoelectric elements', J. Sound and vibration, vol. 268, no. 1, pp. 115-129, 2003

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