[논문]압전 효과를 이용한 에너지 포집 시스템에 관한 연구

최범규; 이제윤; 이우훈; 오재근

압전 효과를 이용한 에너지 포집 시스템에 관한 연구
A Study on the Energy Scavenging System Using Piezoelectric Effect 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.25 no.2 = no.203, 2008년, pp.115 - 122

최범규 (서강대학교 기계공학과) , 이제윤 (서강대학교 기계공학과) , 이우훈 (서강대학교 기계공학과) , 오재근 (서강대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Mostly used sensors have wired powering and two-way cable systems. It is difficult to employ wired sensor network in ubiquitous era because of a number of sensors and cables. Therefore, sensor networks move from wired systems to wireless systems for the future. However, the power source is a critical obstacle for wireless sensornodes. This research represents the new power source which supplies energy sensor node, maintains over 10 years, and thus replaces batteries with limit of lifetime. The system with piezo materials scavenges extra energies such as vibration and acceleration from the environment. Then it converts the scavenged mechanical energy to electrical energy for powering a sensor, a controller and a circuit for regulating voltage and transmitting sensor value. This study explains the properties of piezo material through theoretical analysis and experiments, and demonstrates powering sensor and transmitting data with stored energy (35mJ) for 14 sec. The developed system provides a solution to overcome the critical problem of making up wireless sensor networks.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문은 에너지 변환 시스템의 제작과 실험을 통해 무선 네트워크 구성을 위한 센서의 노드에서 필요한 전원 공급 장치를 제안함으로써, 기존 배터리 사용으로 인해 야기되는 사용 기간의 한계, 유선 센서 사용시 발생하는 추가 비용의 문제점을 해결하고자 함이다. 주변 환경에서 얻을 수 있는 기계 에너지를 압전체를 통해 변환, 저장하게 함으로써 필요한 전력원을 얻을 수 있기 때문에 10년 이상의 장기적인 사용을 요구하는 시스템에 적용 가능하다.
가하게 되는 문제점을 가지고 있다. 본 연구에서는 이러한 문제점을 해결하고자 진동 에너지 자체를 이용하는 것이 아니라 진동 에너지를 이용하여 압전 물질에 Impact를 가하여 에너지를 변환 저장되게 설계를 하였다. 에너지 변환 시스템에 이용한 압전 세라믹은 외력의 방향과 전극의 방향이 같은 것인 33모드로, impact에 의해 인가되는 기계 에너지를 에너지 변환 시스템에 14초 동안 인가 시켜 35mJ의 에너지가 저장되었으며, 이것은 2000uF 의 Capacitor를 충전 시키는 용량이다.
측정하기. 위한 실험으로, 에너지 변환부 내에 존재하는 압전체의 정전 용량이 달라짐에 따라 변환, 저장되는 에너지의 차이를 알아보았다. 실험에 사용된 측정 장비와 에너지 변환 시스템은 Fig.

가설 설정

6v2[mJ]이다.' 두 번째로, 압전체의 특성이 압전체가 놓여진 상태에 따라 영향을 받는데, 변형이 자유롭게 일어날 수 있을 때와 그렇지 못할 때 압전체의 정전 용량(e) 이 달라진다. 그 관계는 식(21)에서 나타나는더],

제안 방법

에너지 변환부에는 압전체 개수를 변화시켰는데, 압전체의 개수가 변함에 따라 압전체의 부피와 정전 용량이 변하게 된다. Type B 의 압전체를 이용하여 실험을 수행하였는데, 압전체의 개수는 1, 3, 5, 8개 일 때에 대해 각각 실험을 수행하였다. 변환된 에너지의 저장을 위해 회로의 저장 capacitor로는 100uF을 이용하였다.
7에서 보여주고 있다. 공압 펌프를 이용하여 Ibar로 압력을 고정하고, 공압 바이브레이터를 이용하여 에너지 변환시스템에 impact를 인가시킬 수 있도록 설계하였는데, impact는 초당 50~58회 정도로 인가되었고, hammer의 이동 변위는 6mm로 1회 타격 시마다 약 5.5mJ이 인가되었다. 에너지 변환부에는 압전체 개수를 변화시켰는데, 압전체의 개수가 변함에 따라 압전체의 부피와 정전 용량이 변하게 된다.
본 연구에서는 Fig 1과 같은 33-mode의 압전 에너지 변환 장치를 제작하여 기초적인 발전 효율 검증 실험을 수행하였으며, 실제 압전체를 이용한 에너지 변환 시스템은 33-mode의 원통형 PZT를 사용하여 에너지 변환을 수행하였다.'
압전체의 이론적 해석을 바탕으로 에너지 변환시스템의 제작과 실험을 통해 인가되는 에너지가 전기 에너지로 변환되는 양을 실험으로 측정값과 이론적 해석을 비교, 검토하여 외부 에너지와 변환에너지의 관계를 파악함으로써 설계를 위한 기본 인자를 확인하였다. 공압 바이브레이터를 이용하여 에너지가 인가되었을 때, 압전체의 특성 중 압전체의 크기와 정전 용량에 의해 변환되는 에너지양이 달라짐을 확인하였고, 이를 통해 에너지 변환부의 설계 고려해야할 사항으로 인가되는 에너지의 양뿐만 아니라 압전체의 정전 용량을 높이기 위한 설계를 수행해야함을 알았다.
에너지 변환 시스템에 기계 에너지를 인가 시켜 그 때 발생하는 전압 및 전기 에너지를 측정함으로써, 압전체의 실제 거동을 이론적 거동과 비교하고자 한다.
에너지 변환 시스템은 압전체를 전력 생성원으로 이용하고자 압전체 주변을 open된 상태로 설계하였다. 압전체 외부에서 압축력이 작용할 때 인가되는 외부 에너지(%)는 압전체 내부 에너지에서 변형에 의한 기계 에너지(0>)와 압전체의 응력-전압의 관계에 의한 전기 에너지(%)로 변형된다.
연속적으로 인가되는 기계 에너지가 전기 에너지로 변환, 회로의 저장부에 충전되는 양을 측정하기. 위한 실험으로, 에너지 변환부 내에 존재하는 압전체의 정전 용량이 달라짐에 따라 변환, 저장되는 에너지의 차이를 알아보았다.
외부에서 인가되는 기계 에너지의 효과적 전달을 위해 압전체와 압전체 상단에 놓이게 되는 head 사이의 acoustic impedance의 차이를 크게 설계하였다. 일반적으로 impact가 발생하는 면에서는 유효면적이 비슷하다고 가정할 때, 식 (17)를 식 (19) 처럼 표현할 수 있다.
로 표현되기도 한다. 위의 식에서 볼 수 있듯이, 변형이 자유롭게 일어날 경우의 정전 용량이 그렇지 못할 경우보다 크기 때문에 압전체의 양단을 자유단 상태로 놓일 수 있게 설계를 수행하였다. 이렇게 제작된 에너지 변환부는 Fig.

대상 데이터

그리고 또 에너지 변환에 영향을 미치는 요소로는 압전체의 크기와 형상 역시 에너지 변환에 중요한 요소로 작용을 한다. Table 1은 본 논문에서 사용한 33모드 압전체의 물성이다.
이처럼 동작하는 회로에 의해 정전압으로 MCU(micro control unit)와 센서, Transmitter에 전원을 공급을 해줌으로써 MCU가 센서의 데이터에 대한 호출값을 받아서 Transmitter를 통해 데이터 전송을 흐}게 된다. 본 연구에서는 Fig. 5와 같은 압전 에너지 변환/저장 및 정전압 공급 장치를 이용하여 실제 응용 실험에 사용하였다.

성능/효과

결론적으로, 외부 응력의 증가 없이 내부에서 spark에 의해 압전체가 도통이 되고 그 때 전기 에너지를 방출시켜 압전체 내부에 압축 strain을 증가시킬 수 있게 되는 것이다. 하지만 이런 현상은 순간적으로 일어 나는 것이 아니라, breakdown이 일어나자마자 acoustic shock wave가 압전체의 끝에서부터 들어오기 시작해서 약 4mm/ms의 속도로 진행을 해나가고 몇 micro초 동안 변형은 일어나게 되는 것이다.
확인하였다. 공압 바이브레이터를 이용하여 에너지가 인가되었을 때, 압전체의 특성 중 압전체의 크기와 정전 용량에 의해 변환되는 에너지양이 달라짐을 확인하였고, 이를 통해 에너지 변환부의 설계 고려해야할 사항으로 인가되는 에너지의 양뿐만 아니라 압전체의 정전 용량을 높이기 위한 설계를 수행해야함을 알았다. 또, 실제 제작된 에너지 변환 시스템을 이용하여 인가되는 에너지를 변환, 저장하여 실제 회로의 구동을 통해 센서 값을 전송시키는 실험을 수행함으로써 에너지 공급원으로 본연구에서 제안하는 시스템의 적용 가능함을 증명할 수 있다.
공압 바이브레이터를 이용하여 에너지가 인가되었을 때, 압전체의 특성 중 압전체의 크기와 정전 용량에 의해 변환되는 에너지양이 달라짐을 확인하였고, 이를 통해 에너지 변환부의 설계 고려해야할 사항으로 인가되는 에너지의 양뿐만 아니라 압전체의 정전 용량을 높이기 위한 설계를 수행해야함을 알았다. 또, 실제 제작된 에너지 변환 시스템을 이용하여 인가되는 에너지를 변환, 저장하여 실제 회로의 구동을 통해 센서 값을 전송시키는 실험을 수행함으로써 에너지 공급원으로 본연구에서 제안하는 시스템의 적용 가능함을 증명할 수 있다.
11과 같이 증가함을 볼 수 있다. 인가되는 에너지 량의 증가에 의해 발생 전압이 증가될 뿐만 아니라, 동일한 에너지가 인가될 경우라도 압전체의 정 전 용량과 부피를 증가시 킬수록 발생전압이 증가함을 확인하였다. 이 결과를 이용하여 적은 부피에서 더 많은 에너지를 변환, 저장 시킬 수 있는 최적화된 설계가 가능함을 예측할 수 있다.

후속연구

인가되는 에너지 량의 증가에 의해 발생 전압이 증가될 뿐만 아니라, 동일한 에너지가 인가될 경우라도 압전체의 정 전 용량과 부피를 증가시 킬수록 발생전압이 증가함을 확인하였다. 이 결과를 이용하여 적은 부피에서 더 많은 에너지를 변환, 저장 시킬 수 있는 최적화된 설계가 가능함을 예측할 수 있다.

참고문헌 (11)

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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