[논문]PVDF 필름을 이용한 효과적인 에너지 하베스팅에 관한 연구

허원영; 이태용; 이경천; 황현석; 송준태

doi:10.4313/jkem.2011.24.5.422

PVDF 필름을 이용한 효과적인 에너지 하베스팅에 관한 연구
A Study on Efficiency of Energy Conversion for a Piezoelectric Power Harvesting Using Polyvinylidene Fluorid Film 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.24 no.5, 2011년, pp.422 - 426

허원영 (성균관대학교 정보통신공학부) , 이태용 (성균관대학교 정보통신공학부) , 이경천 (성균관대학교 정보통신공학부) , 황현석 (서일대학교 전기공학과) , 송준태 (성균관대학교 정보통신공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Piezoelectric materials can be used to convert mechanical energy into electrical energy. In this study, we investigated the possibility of harvesting from mechanical vibration force using a high efficient piezoelectric material-polyvinylidene fluoride (PVDF). A piezoelectric energy harvesting system consists of rectifier, filter capacitor, resistance. The experiments were carried out with impacting force to PVDF film with the thickness of 1 ${\mu}m$. The output power was measured with change in the load resistance value from 100 ${\Omega}$ to 2.2 $M{\Omega}$. The highest power was obtained under optimization by selection of suitable resistive load and capacitance. A power of 0.3082 ${\mu}W/mm^2$ was generated at the external vibration force of 5 N (10 Hz) across a 1 $M{\Omega}$ optimal resistor. Also, the maximum power of 0.345 ${\mu}W/mm^2$ was generated at 22 ${\mu}F$ and 1 $M{\Omega}$. The developed system was expected at a solution to overcome the critical problem of making up small size energy harvester.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 외력의 방향과 전극의 방향이 같고 압전 상수가 큰 33 모드로 압전 물질에 충격을 가하여 에너지를 변환하는 방법으로 실험하였다. 바이브레이터를 이용하여 PVDF 필름에 충격을 가하고, 외부 저항과 커패시턴스를 가변하였을 때 발생되는 전기적 에너지의 전압을 측정하여 발생하는 전력을 연구 하였으며, 향후 에너지원으로써 사용가능성을 알아보았다.

제안 방법

그림 1 하단에 표시한 바이브레이터 (B＆K vibration exciter type 4,809)를 이용한 실험 장치는 PVDF 필름에 기계적 에너지를 가하여 전기적 에너지로 변환될 때 출력되는 전압, 전류, 전력을 측정하기 위한 것으로 정확한 힘을 측정하기 위해 바이브레이터 위에 force sensor (B＆K force transducer type 8,200)를 부착하였고 바이브레이터에 일정한 파형을 출력하는 function generator를 연결하여 5 N의 진동을 가하였으며 바이브레이터의 주파수 측정 및 타임 데이터를 확인하고, 포스 데이터의 크기 측정을 위해 오실로스코프와 FFT analyzer를 구성하였으며 32 bit data acquisition card를 사용하여 측정한 데이터를 matlab으로 나타내었다.
또한, 저항을 각각 120 Ω, 2.2 kΩ, 3.3 kΩ, 10 kΩ, 1 MΩ, 2.2 MΩ 가변하여 저항 값의 변화에 따라 발생하는 전압, 전류 측정하였다.
본 연구에서는 외력의 방향과 전극의 방향이 같고 압전 상수가 큰 33 모드로 압전 물질에 충격을 가하여 에너지를 변환하는 방법으로 실험하였다. 바이브레이터를 이용하여 PVDF 필름에 충격을 가하고, 외부 저항과 커패시턴스를 가변하였을 때 발생되는 전기적 에너지의 전압을 측정하여 발생하는 전력을 연구 하였으며, 향후 에너지원으로써 사용가능성을 알아보았다.
7 mV의 전압이 발생하였다. 이 계측 전압 값을 이용해 전류를 산정하여 출력 전력으로 환산하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 Kureha사에서 제조된 표 1의 특성을 가지는 40 ㎛ 두께의 PVDF 필름을 사용하였다.
연구에 사용된 PVDF 필름의 상하부 전극은 피앤아이사에서 잉크젯 프린팅 방법을 이용하여 전도성 고분자 (PEDOT/PSS)를 20 ㎛ 도포 하였고, 시편은 면적 1x1 cm로 제작하여 고정시킨 후 바이브레이터를 이용하여 10 Hz 로 가진시켰다 [4].

성능/효과

1. 가진기를 이용하여 10 Hz로 5 N의 고정 압력을 가하며 부하전항을 각각 120 Ω, 2.2 kΩ, 3.3 kΩ, 10 kΩ, 1 MΩ, 2.2 MΩ 가변 한 결과, 저항 값의 변화에 따라 발생하는 전력은 저항 1 MΩ에서 0.3082 μW/mm2 로 가장 높은 전력 얻을 수 있었다.
2. 출력 전력이 가장 높은 저항 1 MΩ으로 고정하고 캐패시턴스를 1 μF 에서 100 μF 까지 가변시킨 결과 22 μF에서 0.345 μW/mm² 의 가장 높은 전력을 얻을 수 있었다.
본 실험의 결과는 J. W. Sohn 의 실험과 비교했을 때 30 μm 의 두께에서 0.26776 μW/mm2, 50 μm 의 두께의 0.17639 μW/mm2, 100 μm 의 두께에서의 0.04565 μW/mm2 보다 높은 전력을 획득할 수 있었다 [10].
본 연구에서는 압전 재료에서의 PVDF의 에너지 하베스팅에 적합한 저항과 커패시턴스를 가변하여, 출력 에너지 효율이 높아진 것을 확인할 수 있었다.
외부저항 값과 커패시터의 가변에 따라서 출력되는 전력 값은 PVDF와의 임피던스 매칭에 의해 높은 출력을 나타내었고 커패시터의 용량에 따라 출력 전압의 변화를 확인할 수 있었다.
출력 전력은 22 μF에서 가장 높게 나왔으며, 리플 전압의 필터링과 에너지 전달효율은 22 μF 캐패시터에서 효율적으로 전달되는 것으로 확인하였다.
측정 결과 저장전압의 정착 시간 ts는 1 μF에서 1.5초, 10 μF에서 30초, 22 μF에서 40초, 100 μF에서 250초로 나타났으며, 이는 전압이 수렴되는데 필요한 시간을 나타내었다.

후속연구

PVDF를 에너지 하베스트의 장치로서 가진기의 지지대를 다양하게 보완 한다면 효과적인 에너지 하베스팅을 할 수 있으리라 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	PVDF (polyvinylidene-fluoride) film 의 특징은 무엇인가?	PVDF (polyvinylidene-fluoride) film은 비교적 간단한 단량체구조인 (-CH2-CF2-)n를 반복 단위로 하는 선상 고분자로써 분자 내에 존재하는 강한 쌍극자기에 의해서 고분자 재료 중 가장 큰 유전율을 나타내는 물질이고 유기질 폴리머로 이루어져 부식에 강한 특징이 있다. 또한 세라믹 압전 재료가 파괴되는 75 N/㎛의 구간에서도 견딜 수 있는 절연 강도를 가지고 있다 [2,3].
	에너지 하베스팅의 방법으로 어떤 에너지 공급원을 이용한 것이 연구되고 있는가?	최근 에너지 하베스트에 대한 관심이 집중됨에 따라 주변 환경에서 에너지를 소규모 전기에너지로 변환시키는 에너지 하베스트에 관한 연구가 관심 받고 있다. 에너지 하베스팅의 방법으로는 바람, 태양광, 열 에너지, 진동 등이 에너지 공급원으로 연구되고 있다. 그중 압전 물질을 이용한 방법은 불충분한 태양과 열에너지보다 외부 날씨에 영향을 받지 않으며, 에너지 밀도가 높아 많은 연구가 진행되고 있다 [1].
	압전 물질을 이용한 에너지 하베스팅의 장점은 무엇인가?	에너지 하베스팅의 방법으로는 바람, 태양광, 열 에너지, 진동 등이 에너지 공급원으로 연구되고 있다. 그중 압전 물질을 이용한 방법은 불충분한 태양과 열에너지보다 외부 날씨에 영향을 받지 않으며, 에너지 밀도가 높아 많은 연구가 진행되고 있다 [1].

참고문헌 (18)

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