[논문]외부 가진 가변 주파수를 고려한 압전 진동 에너지 수확 모듈의 설계

김재은

doi:10.3795/ksme-a.2010.34.5.637

외부 가진 가변 주파수를 고려한 압전 진동 에너지 수확 모듈의 설계
Design of a Vibration-Powered Piezoelectric Energy-Harvesting Module by Considering Variations in Excitation Frequency 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.34 no.5=no.296, 2010년, pp.637 - 644

김재은 (서울대학교 정밀기계설계 공동연구소)

초록
AI-Helper

진동 에너지 기반의 압전 에너지 수확 장치는 외부 가진력의 주파수가 장치의 고유 진동수 (또는 공진 주파수)와 일치하는 경우 최대 전력을 발생시키지만, 이를 벗어난 주파수 대역에서는 전력 발생량이 급격히 감소한다. 그런데, 에너지 수확 장치의 고유 진동수는 시간이 지남에 따라 변할 수 있으며, 가진 주파수 역시 어떤 일정한 값에 항상 고정되어 있는 경우는 드물다. 따라서, 이를 해결하기 위해 본 연구에서는 일정한 공진 대역폭을 갖는 압전 에너지 수확 모듈을 제안하였고 해석 및 실험을 통하여 전기 출력에 대한 주파수 대역특성을 파악하였다. 또한, 제안된 모듈을 구성하는 개별 에너지 수확 단위간의 전기적 연결 방법에 따라서 전기출력이 최대화되는 공진 주파수가 조절될 수 있음을 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

A vibration-powered piezoelectric energy harvester yields the maximum power output when its resonant frequency is made equal to the excitation frequency; however, the power output is dramatically decreased when the energy harvester is operated at off-resonance frequency. It has been observed that the resonant frequency of a piezoelectric energy harvester may change with time and that the excitation frequency often varies when the energy harvester is used in real applications. Hence, in this study, we propose a piezoelectric energy-harvesting module that is suitable for excitations in a certain frequency range. The frequency characteristics of the electrical output of the module are studied through analysis and experiment. A simple frequency tuning method is also suggested for the proposed energy-harvesting module; in this method, frequency tuning is achieved by changing the electrical connections between the constituent energy-harvesting units of the module.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

5). 그러나, 본 연구에서는 기본 모듈인 1/4 원 형상에 대해 그 특성을 파악하였다. 각 개별 에너지 수확 단위는 상호간에 병렬 연결을 하였다 (Fig.
본 연구에서는 외부 가진 가변 주파수를 고려한 압전 진동 에너지 수확 모듈을 제안하였다. 부채꼴 형상의 외팔보 에너지 수확 단위 3 개를 상호 병렬 연결하여 모듈화된 에너지 수확 장치를 제안하고 해석 및 실험을 통해 주파수 대역 특성을 살펴 보았다.
본 장에서는 에너지 수확 단위들간의 직렬, 또는 병렬 연결을 적절히 조합하여 전기적 출력을 최대화하기 위한 작동 주파수 조절법을 제안하였다.⁽¹⁹⁾Fig.

제안 방법

이는 주위 환경에서 일반적으로 관찰되는 진동이 300 Hz 미만의 저주파수 대역에 존재하기 때문이다.⁽¹⁵⁾ 이와 같은 점들을 고려하여 본 연구에서는 끝단 질량이 부착된 부채꼴 형상의 개별 에너지 수확 단위들이 전체적으로는 원의 형상으로 배열된 압전 에너지 수확 모듈을 구성하였다(Fig. 1). 이는 부채꼴 형상의 개별 압전 에너지 수확 단위들이 Fig.
(16~18) 본 연구에서는 ANSYS 를 이용하여 식 (2)와 같이 각 주파수(angular frequency) ω 에서 단위 전압을 가하였을 때 발생하는 전류의 크기로서 최적 임피던스 값을 구하였다.
1), 해석 및 실험을 통해 전기 출력의 주파수 대역 특성을 살펴보았다. 또한, 개별 에너지 수확 단위간의 직렬 및 병렬 연결의 적절한 조합으로 압전 에너지 수확 모듈의 전기 출력을 최대화할 수 있는 작동 주파수 조절법(frequency tuning method)을 처음으로 제안하였다.
부채꼴 형상의 외팔보 에너지 수확 단위 3 개를 상호 병렬 연결하여 모듈화된 에너지 수확 장치를 제안하고 해석 및 실험을 통해 주파수 대역 특성을 살펴 보았다. 또한, 다수의 에너지 수확 단위를 이용하여 에너지 수확 모듈을 구성할 때 단위간의 전기적 연결을 직렬, 또는 병렬로 조합하여 작동 주파수를 조절할 수 있는 새로운 주파수 조절법을 제안하였다. 제안된 모듈의 주파수 조절 특성을 해석을 통해 확인하였고, 제안한 주파수 조절 방법을 이용하면 개별 단위의 각 고유 진동수에서 발생하는 전력의 2 배 정도를 얻을 수 있었다.
이는 압전 물질을 이용한 에너지 수확 장치가 일반적으로 출력 전압이 높은 반면 출력 전류가 작기 때문이다. 먼저 3 개의 개별 에너지 수확 단위가 전기적으로 연성되어 고유 진동수가 변하는 현상을 살펴본 후 출력 전압, 전류 및 전력의 주파수 대역 특성에 대해 살펴보았다.
이를 Table 3 에 나타내었으며 이 중에서 전압, 전류 및 전력 등의 3 가지 출력 전기량 모두가 확실한 주파수 조절 특성을 가진 경우를 선택하였다. 본 연구에서 제안한 주파수 조절 특성은 에너지 수확 모듈을 구성하는 개별 에너지 수확 단위들 각각의 임피던스 특성과 첫 번째 고유 진동수들의 분포 등에 영향을 받는다. 따라서, 개별 에너지 수확 단위들의 특성에 따라 Table 3 에 보인 연결 방법 중 다음에서 설명된 것과는 다른 연결 방법을 취해야 하는 경우도 있다.
본 연구에서는 외부 가진 가변 주파수를 고려한 압전 진동 에너지 수확 모듈을 제안하였다. 부채꼴 형상의 외팔보 에너지 수확 단위 3 개를 상호 병렬 연결하여 모듈화된 에너지 수확 장치를 제안하고 해석 및 실험을 통해 주파수 대역 특성을 살펴 보았다. 또한, 다수의 에너지 수확 단위를 이용하여 에너지 수확 모듈을 구성할 때 단위간의 전기적 연결을 직렬, 또는 병렬로 조합하여 작동 주파수를 조절할 수 있는 새로운 주파수 조절법을 제안하였다.
이러한 배경 아래 본 연구에서는 부채꼴 형상의 외팔보 압전 에너지 수확 단위를 방사상으로 배치한 압전 에너지 수확 모듈을 제안하였으며(Fig. 1), 해석 및 실험을 통해 전기 출력의 주파수 대역 특성을 살펴보았다. 또한, 개별 에너지 수확 단위간의 직렬 및 병렬 연결의 적절한 조합으로 압전 에너지 수확 모듈의 전기 출력을 최대화할 수 있는 작동 주파수 조절법(frequency tuning method)을 처음으로 제안하였다.

대상 데이터

압전 물질은 Piezo Systems, Inc 의 PZT 5A4E 를 사용하였으며, 압전 물질이 부착된 기판 및 끝단 질량의 재질로 각각 알루미늄(ρs=2700 kg/m³, Es=69□109Pa)과 황동(ρm=8470 kg/m³, Em=110□109Pa)을 사용하였다.

데이터처리

압전 물질은 Piezo Systems, Inc 의 PZT 5A4E 를 사용하였으며, 압전 물질이 부착된 기판 및 끝단 질량의 재질로 각각 알루미늄(ρ_s=2700 kg/m³, E_s=69□10⁹Pa)과 황동(ρ_m=8470 kg/m³, E_m=110□10⁹Pa)을 사용하였다. 해석을 위해 기본 전기 회로가 부착된 압전 변환기의 해석이 가능한 ANSYS(SOLID5, CIRCU94)를 사용하였으며, Fig. 3 에 보인 실험 장비를 이용하여 고유 진동수 및 전기 출력량을 측정하였다.

성능/효과

이러한 특징은 다수의 에너지 수확 단위를 이용하여 에너지 수확 모듈을 구성할 때 구조적 변경 없이도 전기적 연결 방법의 변경만을 통해서도 에너지 수확 성능이 최대화되는 작동 주파수를 조절할 수 있다는 장점을 갖는다. 3 개의 개별 에너지 수확 단위를 사용하였지만 스위칭을 통해 3 개의 주파수 부근에서 출력량이 개별 단위 대비 2 배 가량 증가하였고, 이는 제안한 방법이 아니면 총 6 개의 개별 에너지 수확 단위가 있어야만 가능한 것이다. 특히, 트랜지스터등의 전기적 스위치 기능을 이용하면, RF 신호등을 이용하여 원격으로도 작동 주파수 조절이 가능하므로 무선 센서 노드망⁽²⁰⁾에 적용이 가능하다.
Fig. 10 의 결과는 해석을 통해 얻었으며, 이를 통해 개별 에너지 수확 단위가 병렬 연결 되었을 경우의 출력 전류는 개별 출력 전류의 합의 거동을 보이고 적절한 주파수 대역폭이 생성됨을 확인하였다. 그러나, 개별 에너지 수확 단위가 폐회로 고유 진동수에서 가지는 최소 임피던스 및 에너지 수확 단위 간의 병렬 연결로 인해 Unit 1 의 고유 진동수 부근에서의 감소된 전체 임피던스 값은 전체 출력 전압을 감소시켰다.
006). Fig. 4 의 결과를 통해 해석 및 실험 결과가 잘 일치함을 확인하였으며, 개별 에너지 수확 단위의 개회로 상태 출력 전압은 각각의 개회로 상태의 고유 진동수에서 최대값을 가짐을 확인하였다.
1 과 같이 원의 형상으로 배열되어야 전체 압전 에너지 수확 모듈이 차지하는 공간을 최소화할 수 있기 때문이다. 따라서, 결과적으로 에너지 수확 장치의 단위 면적당 성능을 증가시킨다. 또한, 본 연구에서는 1/4 원 형상의 모듈 안에 3 개의 개별 압전 에너지 수확 단위를 배치하였지만, 전체 에너지 수확 모듈의 크기, 가진 주파수 대역폭 및 개별 압전 에너지 수확 단위에 요구되는 최소 출력 전력 등을 고려하면 모듈 안의 개별 에너지 수확 단위의 개수는 달라질 수 있다.
따라서, 결과적으로 에너지 수확 장치의 단위 면적당 성능을 증가시킨다. 또한, 본 연구에서는 1/4 원 형상의 모듈 안에 3 개의 개별 압전 에너지 수확 단위를 배치하였지만, 전체 에너지 수확 모듈의 크기, 가진 주파수 대역폭 및 개별 압전 에너지 수확 단위에 요구되는 최소 출력 전력 등을 고려하면 모듈 안의 개별 에너지 수확 단위의 개수는 달라질 수 있다.
또한, 다수의 에너지 수확 단위를 이용하여 에너지 수확 모듈을 구성할 때 단위간의 전기적 연결을 직렬, 또는 병렬로 조합하여 작동 주파수를 조절할 수 있는 새로운 주파수 조절법을 제안하였다. 제안된 모듈의 주파수 조절 특성을 해석을 통해 확인하였고, 제안한 주파수 조절 방법을 이용하면 개별 단위의 각 고유 진동수에서 발생하는 전력의 2 배 정도를 얻을 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	진동 에너지를 전기 에너지로 변환하기 위해 어떤 현상을 이용하는가?	압전 진동 에너지 수확(vibration-powered piezoelectric energy harvesting)(1~3)이란 압전 물질의 특성을 이용하여 생활 환경 주변 어디에나 존재하는 진동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 기술을 말한다. 진동 에너지를 전기 에너지로 변환하기 위해 정전기(electrostatics),(4) 전자기 유도(electromagnetic induction),(5) 자기 변형(magnetostriction)(6) 현상 등을 이용하기도 하지만 압전 물질을 이용한 에너지 수확 장치는 다른 에너지 변환 수단에 비해 상대적으로 높은 에너지 변환 효율, 구성의 간단함 및 소형화의 가능성 등으로 인해 많은 연구가 이뤄지고 있다.
	압전 진동 에너지 수확이란?	압전 진동 에너지 수확(vibration-powered piezoelectric energy harvesting)(1~3)이란 압전 물질의 특성을 이용하여 생활 환경 주변 어디에나 존재하는 진동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 기술을 말한다. 진동 에너지를 전기 에너지로 변환하기 위해 정전기(electrostatics),(4) 전자기 유도(electromagnetic induction),(5) 자기 변형(magnetostriction)(6) 현상 등을 이용하기도 하지만 압전 물질을 이용한 에너지 수확 장치는 다른 에너지 변환 수단에 비해 상대적으로 높은 에너지 변환 효율, 구성의 간단함 및 소형화의 가능성 등으로 인해 많은 연구가 이뤄지고 있다.
	외팔보 압전 에너지 수확 장치의 끝단 질량이 출력 전력을 증가시킴과 동시에 고유 진동수를 낮출 수 있는 이유는?	(14) 또한, 외팔보 압전 에너지 수확 장치의 끝단 질량은 출력 전력을 증가시킴과 동시에 고유 진동수를 낮추는 역할을 한다. 이는 주위 환경에서 일반적으로 관찰되는 진동이 300 Hz 미만의 저주파수 대역에 존재하기 때문이다.(15) 이와 같은 점들을 고려하여 본 연구에서는 끝단 질량이 부착된 부채꼴 형상의 개별 에너지 수확 단위들이 전체적으로는 원의 형상으로 배열된 압전 에너지 수확 모듈을 구성하였다(Fig.

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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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