[논문]압전소자를 이용한 에너지 수확에 관한 연구

윤소남; 김동건

문제 정의

본 연구에서는 캔틸레버의 고유 진동수를 낮춰 적은 바람에 의해서도 효율적으로 에너지를 얻기위한 방법들이 실험적으로 검토되었으며, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
본 연구의 목적은 기존 압전 발전기의 압전 소자가 잘 깨지는 단점 을 보완하기 위해 압전캔틸레버를 적용함으로서 무선 센서 시스템에 안정적인 전원공급이 가능하도록 하여 센서 네트워크 사용기간을 연장할 수 있고, 유선을 이용할 때 배선의 문제와 이 시스템을 유지하기 위한 비용의 문제를 해결하기 위함이다.
압전캔틸레버형 에너지 변환 시스템의 특성을 알아보기 위하여 전자석식 바이브레이터 (Vibrator) 를 이용한 에너지수확장치를 꾸며 실험을 수행하였으며, 일반적으로 사용되는 PZT계 압전 소자를 이용하여 캔틸레버의 길이 및 끝 질량 변화에 따른 출력전압 특성과 에너지를 효과적으로 변환하기 위한 회로에 대한 연구를 수행하였다

제안 방법

데이터 수집 도중에 데이터에 섞여 오는 노이즈를 제거하기 위하여 DAQ system에 내장된 IIR Filter이며, IIR Filtei의 Type 은 Low pass, Prototypee Butterworth로 두고 Order 6, FHigh 200Hz로 설정하여 출력되는 전압을 측정하였다.
OUg]을 순서대로 바꿔가면서 실험을 수행하였다. 또한, 압전소자에서 출력되는 에너지를 효율적으로 저장하기 위하여 Fig. 4에 나타낸 회로의 정류를 위한 브릿지 다이오드와 정류된 전압을 직류로 변화시키기 위한 콘덴서 용량을 조절하여 효율적으로 저장할 수 있는 간단한 에너지변환회로를 구성하여 실험을 수행하였다.
(ELEZER, EA155), 바이브레이터에 일정한 파형을 넣어줄 수 있는 함수발생기(Agilent Technologies, 33220A)로 실험 장치를 구성하였다. 또한, 함수발생기에서 출력되는 신호와 기계적 에너지에 의해 압전 소자에서 출력되는 전압과 에너지를 저장하기위한 회로의 특성을 확인하기 위하여 DAQ system(DEWETRON Ges.m.b.H., DEMETRON₅₀00) 을 사용하여 측정하였다.
압전캔틸레버의 인가 조건인 캔틸레버의 길이와 끝 무게의 변화에 따른 출력되는 전압의 특성을 알아보기 위해 캔틸레버의 길이를 150, 190[mm] 중에한 가지를 선택하여 캔틸레버 끝 부분에 0, 2.22, 4.34, 5.87, 8.66, ll.OUg]을 순서대로 바꿔가면서 실험을 수행하였다.
lEHz] 단위로 변화시켰다. 이때 압전소자에서 출력되는 전압이 최대가 됐을 때 함수발생기의 주파수 값을 고유 진동수로 결정하였다.
하지만, 압전 소자는 매우 단단하여 작은 진동에 의해서는 에너지를 발생할 수 없을 뿐만 아니라 큰 변형을 가하게 되면 깨져버리는 단점을 갖고 있다. 이런 단점 때문에 본 연구에서는 압전 소자를 이용한 에너지 수확에는 압전 소자에 가해지는 기계적 에너지를 효과적으로 압전 소자에 전달하기 위하여 압전캔틸 레 버(탄성 이 우수한 긴판위에 압전 소자를 부착하는 형태)를 적용하였다.

대상 데이터

바이브레이터를 이용한 실험 장치는 압전캔틸레버에 기계적 에너지를 가하여 전기적 에너지로 변환될 때 압전 소자에서 출력되는 전압을 측정하기 위한 것으로, 일상생활에서 발생되는 진동을 일으킬수 있는 바이브레이터 (BVMIF, HEV-50)와 바이브레이터에 전원을 공급해주는 바이브레이터용 Amp. (ELEZER, EA155), 바이브레이터에 일정한 파형을 넣어줄 수 있는 함수발생기(Agilent Technologies, 33220A)로 실험 장치를 구성하였다. 또한, 함수발생기에서 출력되는 신호와 기계적 에너지에 의해 압전 소자에서 출력되는 전압과 에너지를 저장하기위한 회로의 특성을 확인하기 위하여 DAQ system(DEWETRON Ges.
2는 실험에서 사용하기 위하여 제작된 캔틸레버의 개략도이다. 본 연구에서 사용한 캔틸레버의 재질은 탄성이 우수한 알루미늄을 사용하였고, 기판의 크기는 1x3<2mm]이며, 길이 L의 크기를 l, 190[mm]으로 제작하였다. 사용된 압전소자는 Hard PZT 계 Bimorph 형 세라믹 CPI, PL140.
본 연구에서는 풍차에 등가하는 모델로서 본 연구에서는 바람을 대신하여 유사한 기계적 에너지를캔틸레버에 가할 수 있는 실험장치인 바이브레이터를 이용하여 실험을 수행하였다.
사용된 압전소자는 Hard PZT 계 Bimorph 형 세라믹 CPI, PL140.10, Piezoelectric constant(dsi) = -180>) = 4.아/F])으로 크기는 45> <0.6 [mm] 이다.
8은 브릿지 다이오드에서 정류된 전압을 직류 성분의 전압으로 변환시키기 위해 콘덴서를 추가하였을 때 변하는 전압의 특성을 나타낸 것이다. 콘덴서는 세 가지 종류를 사용하였으며, 각각 0.1 RF] 세라믹 콘덴서, 4.7E//F] 전해 콘덴서, 47[F] 전해 콘덴서이다. 1N₄₀04와 1N₄₁48 다이오드를 사용한 두 종류의 브릿지 다이오드를 사용하여 가장 빠르게 평활 시킬 수 있는 콘덴서는 두 종류 모두 4.

성능/효과

1) 캔틸레버 끝의 무게와 캔틸레버의 길이를 각각 증가시켰을 때 고유 진동수가 낮아지면서 출력 전압이 증가하거나 낮아지는 것이 관찰되었다. 따라서, 캔틸레버의 끝 무게와 길이 두 조건을 적절하게 조절하거나 에너지 변환회로의 다이오드와 콘덴서의 용량을 적절하게 조절하여 사용한다면 효율이 좋은 에너지 수확기가 개발될 것으로 사료된다.
Fig. 7과 Fig. 8 실험 결과에서 보이는 것처럼 교류성분의 전압을 정류시키기 위하여 사용된 브릿지다이오드와 정류된 전압을 직류 성분으로 변환시키기 위한 평활용 콘덴서의 종류에 따라서 에너지 의양이 줄어들거나 늘어나는 것을 확인할 수 있었다. 에너지 변환회로에서 브릿지 다이오드에 사용되는 다이오드와 평활용 콘덴서의 용량을 적절하게 사용한다면 효과적으로 에너지를 얻을 수 있음을 확인하였다.
6에 나타낸 캔틸레버의 길이가 일 때 캔틸레버 끝에 질량을 늘려가며 실험한 결과 캔틸레버의 고유 진동수가 37[Hz] 이상에서는 출력되는 전압의 크기가 꾸준하게 증가하였지만, 고유 진동수가 37[Hz] 미만에서는 큰 변화가 없는 것으로 나타났다. 또한, 압전소자를 동일 지점에 고정하고 캔틸레버의 길이 와 추의 무게를 변화시키면 압전소자에 가해지는 응력이 크기가 변하는 것이 확인되었고, 캔틸레버의 길이가 길수록, 캔틸레버 끝단에 장착한 추의 무게가 클수록 고유 진동수가 낮게 나타나고, 이때에 최대응력이 발생하는 것을 확인하였다. 따라서 구조해석툴을 이용하여 최적의 캔틸레버 형태와 길이 및 추의 무게를 결정하여 압전소자의 항복응력에 해당하는 전단응력이 가해지지 않도록 캔틸레버의 작동영역과 압전소자의 위치를 조절한다면 발전효율을 극대화 할 수 있을 것으로 사료된다.
실험결과 1N₄₀04 다이오드를 사용하여 압전소자에서 출력되는 전압을 정류하였을 때에는 출력되는 전압이 절반 정도로 낮아졌다. 반면, 1N₄₁48 다이오드를 사용한 브릿지 다이오드에서는 1N₄₀04 다이오드를 사용하였을 때보다 압전소자에서 출력되는 전압이 커졌으며, 전압을 정류하였을 때에도 손실이 거의 없는 것으로 보아 1N₄₁48 다이오드를 사용한다면 에너지를 효율적으로 저장할 수 있음을 확인하였다.
7은 압전소자에서 출력되는 전압과 1N₄₀04 다이오드와 1N₄₁48 다이오드를 사용하여 브릿지 다이오드를 구성하였을 때 브릿지 다이오드를 거쳐서 출력되는 전압을 나타낸 것이다. 실험결과 1N₄₀04 다이오드를 사용하여 압전소자에서 출력되는 전압을 정류하였을 때에는 출력되는 전압이 절반 정도로 낮아졌다. 반면, 1N₄₁48 다이오드를 사용한 브릿지 다이오드에서는 1N₄₀04 다이오드를 사용하였을 때보다 압전소자에서 출력되는 전압이 커졌으며, 전압을 정류하였을 때에도 손실이 거의 없는 것으로 보아 1N₄₁48 다이오드를 사용한다면 에너지를 효율적으로 저장할 수 있음을 확인하였다.
8 실험 결과에서 보이는 것처럼 교류성분의 전압을 정류시키기 위하여 사용된 브릿지다이오드와 정류된 전압을 직류 성분으로 변환시키기 위한 평활용 콘덴서의 종류에 따라서 에너지 의양이 줄어들거나 늘어나는 것을 확인할 수 있었다. 에너지 변환회로에서 브릿지 다이오드에 사용되는 다이오드와 평활용 콘덴서의 용량을 적절하게 사용한다면 효과적으로 에너지를 얻을 수 있음을 확인하였다.

후속연구

따라서, 캔틸레버의 끝 무게와 길이 두 조건을 적절하게 조절하거나 에너지 변환회로의 다이오드와 콘덴서의 용량을 적절하게 조절하여 사용한다면 효율이 좋은 에너지 수확기가 개발될 것으로 사료된다. 2) 기존에 배터리를 사용하고 있던 야생동물 추적시스템, 오지의 생태관찰시스템 및 USN과 같은 시스템에 캔틸레버형 압전에너지 수확기를 적용한다면, 배터리를 대신할 수 있는 전원을 사용함으로서 현재 겪고 있는 전원 문제를 해결할 수 있을 것으로 사료된다.
또한, 압전소자를 동일 지점에 고정하고 캔틸레버의 길이 와 추의 무게를 변화시키면 압전소자에 가해지는 응력이 크기가 변하는 것이 확인되었고, 캔틸레버의 길이가 길수록, 캔틸레버 끝단에 장착한 추의 무게가 클수록 고유 진동수가 낮게 나타나고, 이때에 최대응력이 발생하는 것을 확인하였다. 따라서 구조해석툴을 이용하여 최적의 캔틸레버 형태와 길이 및 추의 무게를 결정하여 압전소자의 항복응력에 해당하는 전단응력이 가해지지 않도록 캔틸레버의 작동영역과 압전소자의 위치를 조절한다면 발전효율을 극대화 할 수 있을 것으로 사료된다.
따라서, 캔틸레버의 끝 무게와 길이 두 조건을 적절하게 조절하거나 에너지 변환회로의 다이오드와 콘덴서의 용량을 적절하게 조절하여 사용한다면 효율이 좋은 에너지 수확기가 개발될 것으로 사료된다. 2) 기존에 배터리를 사용하고 있던 야생동물 추적시스템, 오지의 생태관찰시스템 및 USN과 같은 시스템에 캔틸레버형 압전에너지 수확기를 적용한다면, 배터리를 대신할 수 있는 전원을 사용함으로서 현재 겪고 있는 전원 문제를 해결할 수 있을 것으로 사료된다.

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