[논문]압전 필름의 압전정 효과를 이용한 에너지 저장 시스템에 관한 연구

최범규; 이우훈

압전 필름의 압전정 효과를 이용한 에너지 저장 시스템에 관한 연구
Study on the Energy Harvesting System Using Piezoelectric Direct Effect of Piezo Film 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.25 no.9 = no.210, 2008년, pp.78 - 85

Abstract ▼ AI-Helper

Piezoelectric materials have been investigated as vibration energy converters to power wireless devices or MEMS devices due to the recent low power requirements of such devices and the advancement in miniaturization technology. Piezoelectric power generation can be an alternative to the traditional power source-battery because of the presence of facile vibration sources in our environment and the potential elimination of the maintenance required for large volume batteries. This paper represents the new power source which supplies energy device node. This system, called "energy harvesting system", with piezo materials scavenges extra energy such as vibration and acceleration from the environment. Then it converts the mechanical energy scavenged to electrical energy for powering device This paper explains the properties of piezo material through theoretical analysis and experiments The developed system provides a solution to overcome the critical problem of making up wireless device networks.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

에너지 변환을 하기 위해서 사용된 PVDF 필름의 거동에 대해 살펴보고, 압전 필름에 실제 인가되는 기계 에너지에 의해 발생하는 전압을 측정하여 이론값과의 비교를 하였다. 그리고 에너지 저장 시스템을 제작하여 기계에너지를 인하고 그 때 발생하는 전압과 축전기에 저장되는 시간을 측정함으로써, 향후 에너지원으로써 사용가능성을 알아보았다.
본 연구에서는 진동에 의해 발생 시킬 수 있는 기계적 에너지 중 충격를 이용하고자 한다. 에너지 변환을 하기 위해서 사용된 PVDF 필름의 거동에 대해 살펴보고, 압전 필름에 실제 인가되는 기계 에너지에 의해 발생하는 전압을 측정하여 이론값과의 비교를 하였다.

제안 방법

에너지 변환부에는 압전 필름의 개수를 변화시켰는데, 압전 필름의 개수가 변함에 따라 정전 용량이 변하게 된다. Bimorph 형태의 압전 필름을 이용하여 실험을 수행하였는데, 압전 필름의 개수는 1, 2, 4개 일 때에 대해 각각 실험을 수행하였다. 변환된 에너지의 저장을 위해 회로의 저장 축전기로는 10μF을 이용하였다.
11에서 보여주고 있다. 공압 펌프를 이용하여 1기압으로 압력을 고정하고, 공압 가진 기를 이용하여 에너지 변환 시스템에 충격을 인가시킬 수 있도록 설계하였는데, 충격은 초당 50~58회 정도로 인가되었고, 해머의 이동 변위는 6mm로 1회 타격 시마다 약 5.5mJ이 인가되었다. 에너지 변환부에는 압전 필름의 개수를 변화시켰는데, 압전 필름의 개수가 변함에 따라 정전 용량이 변하게 된다.
10은 볼 낙하 테스트를 위한 장비와 주변장치 들이다. 볼 낙하 테스트를 위한 장비는 상하로 높이 10cm에서 70cm까지 조절을 할 수 있고, 펌프에 의해 진공을 이용하여 볼 홀더에서 다양한 크기의 볼을 낙하시킬 수 있게 설계를 하였다.
압전 필름의 이론적 해석을 바탕으로 에너지 저장 시스템의 제작과 실험을 통해 인가되는 에너지가 전기 에너지로 변환되는 양을 실험으로 측정값과 이론적 해석을 비교, 검토하여 외부 에너지와 변환 에너지의 관계를 파악함으로써 설계를 위한 기본 인자를 확인하였다. 공압 가진기를 이용하여 에너지가 인가되었을 때, 압전 필름의 특성인 압전필름의 정전 용량에 의해 변환되는 발생 전압과 저장 시간이 달라짐을 확인하였고, 이를 통해 에너지변환부의 설계 고려해야할 사항으로 인가되는 에너지의 양 뿐만 아니라 압전체의 정전 용량을 높이기 위한 설계를 수행해야함을 알았다.
에너지 변환 시스템에 기계 에너지를 인가 시켜 그 때 발생하는 전압을 측정함으로써, 압전 필름의 실제 거동을 이론적 거동과 비교하고자 한다.
에너지 변환을 하기 위해서 사용된 PVDF 필름의 거동에 대해 살펴보고, 압전 필름에 실제 인가되는 기계 에너지에 의해 발생하는 전압을 측정하여 이론값과의 비교를 하였다. 그리고 에너지 저장 시스템을 제작하여 기계에너지를 인하고 그 때 발생하는 전압과 축전기에 저장되는 시간을 측정함으로써, 향후 에너지원으로써 사용가능성을 알아보았다.
연속적으로 인가되는 기계 에너지가 전기 에너지로 변환, 회로의 저장부에 충전되는 양을 측정하기 위한 실험으로, 에너지 변환부 내에 존재하는 압전 필름의 정전 용량이 달라짐에 따라 발생하는 전압과 10μF의 축전기에 저장되는 시간을 알아보았다. 실험에 사용된 측정 장비와 에너지 변환 시스템은 Fig.

성능/효과

인자를 확인하였다. 공압 가진기를 이용하여 에너지가 인가되었을 때, 압전 필름의 특성인 압전필름의 정전 용량에 의해 변환되는 발생 전압과 저장 시간이 달라짐을 확인하였고, 이를 통해 에너지변환부의 설계 고려해야할 사항으로 인가되는 에너지의 양 뿐만 아니라 압전체의 정전 용량을 높이기 위한 설계를 수행해야함을 알았다.
16를 통해 알 수 있다. 동일한 에너지가 인가될 경우에 압전체의 정전 용량이 증가시킬수록 발생전압이 증가함을 확인하였다. 이 결과를 이용하여 압전 필름의 개수를 증가시킴으로써 더 많은 에너지를 변환, 저장 시킬 수 있는 설계가 가능함을 예측할 수 있고, 이를 통해 저장된 에너지를 에너지원으로 사용 가능하게 설계할 수 있음을 알 수 있다.
실험에 적용된 조건을 이용하여 이론식을 통해 얻은 값으로, 인가된 에너지가 에너지 변환부를 통해 측정한 값이 이론값과 비슷한 경향을 띄고 있음을 확인할 수 있다. 볼 낙하 테스트는 일회의 타격에 의해 발생되는 전압을 측정하기 위해 수행한 것으로 공압 가진 기를 이용한 에너지 변환 시스템의 설계에 있어 중요한 자료로써, 동일한 에너지가 인가되었을 때볼 낙하 테스트에서 발생한 전압과 공압 가진기에서 1회 타격시 발생한 전압이 유사함을 알 수 있었고, 이를 통해 에너지를 인가시키는 방법에 영향을 받지 않음을 알 수 있었다.
동일한 에너지가 인가될 경우에 압전체의 정전 용량이 증가시킬수록 발생전압이 증가함을 확인하였다. 이 결과를 이용하여 압전 필름의 개수를 증가시킴으로써 더 많은 에너지를 변환, 저장 시킬 수 있는 설계가 가능함을 예측할 수 있고, 이를 통해 저장된 에너지를 에너지원으로 사용 가능하게 설계할 수 있음을 알 수 있다.

참고문헌 (9)

Oh, J., "SAW based passive radio sensor using energy gathering method," Ph.D Dissertation, Sogang University, 2004.
Lee, J., "A study on the energy harvesting system using the piezoelectric effect of piezo film," Master's Thesis, Sogang University, 2005.
Lee, Y. K. and Han D. Y., "Study on the Piezoelectric Direct Effect of PVDF Film," Jounal of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers, Vol. 13, pp. 786-790, 2000.
Ong, K. G., Grimes, C. A., Robbins, C. L. and Singh, R. S., "Design and application of wireless, passive, resonant-circuit environmental monitoring sensor," Sensors and Actuators A, Vol. 93, Issue 1, pp. 33-43, 2001.

상세보기
Williams, C. B., Pavic, A., Crouch, R. S. and Woods, R. C., "Feasibility study of vibration-electric generator for bridge vibration sensors," 1997 IMAC-XVI Proceedings, pp. 1111-1117, 1997.
Roundy, S., Wright, P. K. and Pister, K. S. J., "Micro-electrostatic vibration-to-electricity converter," Proceeding of IMECE2002 ASME International Mechanical Engineering Congress & Exposition November, 2002.
Agah, M., Beak, K. and Potkey, J. A., "Design and analysis of a piezoelectric vibration powered microgenerator system," ME553, pp. 1-7, 2002.
Shenck, N. S. and Paradiso, J. A., "Energy Scavenging with Shoe-Mounted Piezoelectrics," IEEE Micro, Vol. 21, Issue 3, pp. 30-42, 2001.

상세보기
http://www.meas-spec.com

저자의 다른 논문 :

LOADING...

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증