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문제 정의
- 본 논문에서는 PVDF film 특성에 적합한 PVDF film Actuator 구동용 파워 드라이버를 개발하기 위하여 PVDF Film의 특성을 조사하고, 앞서 언급한 문제 점들을 보완할 수 있는 PVDF Film Actuator 구동용 파워 드라이버를 개발하였다. 또한, 준설토 탈수 실험을 통하여 개발된 PVDF Film Actuator 구동용 파워 드라이버가 준설토의 탈수 장치로 이용 가능함을 확인 하였다.
- 본 논문에서는 준설토 탈수를 위하여 PVDF film을 vibration actuator로 사용할 때 효과적으로 구동하는 PVDF film 전용의 파워 드라이버를 제안하였다.
- 본 연구에서는 준설토 활용가치의 증대 및 효과적인 처리를 위하여 제안된 PVDF film actuator를 효과적으로 구동하기 위한 파워 드라이버를 제안한다.
제안 방법
- PVDF film actuator를 진동 actuator의 회로 모델로표현할 때, PVDF film의 일반적인 모델링인 커패시터로 표현하고[17], PVDF film에 그려진 은도선을 저항성 분으로 정의하여 그림 3에 보인바와 같이 Rs 와 Cs 로 구 성된 평형 회로로 모델링하였다. 여기서 Rs 는 전압을인가할 수 있도록 PVDF film 표면에 그려 넣어진 은도 선과 PVDF film 내부에서 갖는 저항 성분이고 Cs 는 PVDF film의 커패시터 성분이다.
- PVDF film 의 기본적인 특성 조사에 이어서 크기에 따라 임피던스와 커패시터 값의 변화가 있는지를 확인 하기 위해 추가적으로 PVDF film 특성 조사를 수행하 였으며, 그에 따른 시편 제작 사양은 표 3에 보인다.
- PVDF film을 vibration actuator로 동작시킬 때 효과 적으로 PVDF film에 전압과 전류를 인가하기 위하여 R-L-PVDF film 직렬 회로를 구성하였으며, 이 때 전류를 일정하게 공급하기 위하여 공진 주파수를 맞춘 R 값과 L값에 대한 소자 선정하였다. 실험에 사용한 임피 던스 정합 회로 소자 값들은 출력 증폭부에서 사용한각 파워 드라이버 소자들이 가진 특성의 한계점들을(발열, 전류, 소비전력, 크기 등) 고려하여 선정하였다.
- PVDF film을 vibration actuator로 사용하기 때문에 인가해주는 주파수에서 PVDF film이 최대한 많은 진동에너지를 발생할 수 있도록 공진 주파수를 만족하는 인덕터 값을 구하였다. 인가해주는 주파수를 공진 주파수 (fpvdf )로 정하고 표 6에서 보이는 Cs 값을 식 (11)에 대입하여 인덕터 값을 구한 결과는 표 7에서 보인다.
- 개발한 PVDF film actuator 구동용 파워 드라이버는종래의 연구된 Piezoelectric 전압 증폭기 방식과는 다르게 IGBT를 이용하여 Full-Bridge 회로를 구현하고출력 전압으로 펄스파의 고전압을 만들었으며, R-LPVDF film 임피던스 정합 회로를 사용하여 PVDF film 에 최대한 많은 전력이 인가될 수 있도록 설계하였다.
- 개발한 파워 드라이버는 PVDF film을 vibration actuator로 사용할 때 효과적으로 동작할 수 있도록 설계된 PVDF film actuator 구동용 파워 드라이버로 주파수가 변화할 때 임피던스 값의 변화가 발생하여도 파워 드라이버가 PVDF film에 최대한 많은 전력을 공급할 수 있도록 설계하였다. 그림 4는 개발한 PVDF film actuator 구동용 파워 드라이버의 블록 다이어그램으로, 크게 입력 전압 증폭부, 출력 전압 증폭부, 그리고 파워 드라이버 제어부로 구성된다.
- 그림 11은 PVDF film actuator를 효과적으로 구동하기 위하여 개발한 파워 드라이버의 구현을 보인다. 개발한 파워 드라이버는 앞서 설명한 바와 같이 입력 전압증폭부, 출력 전압 증폭부, 드라이버 제어부로 이루어져있으며, 전원 분리를 위해서 포토커플러와 절연형 DC-DC 컨버터를 사용하였다. 그림 11에서 보인 바와같이 그림 좌측 상단부에는 ATmega128을 사용한 파워 드라이버 제어 보드가 위치하며, 좌측 하단부에는 PVDF film에 전압을 인가하는 출력 전압 증폭부 보드가 위치한다.
- 또한 입력 전압 증폭부는 인덕터, IGBT, FRD, 그리고 커패시터로 구성되어 있으며 파워 드라이버 제어부 로부터 PWM 신호를 받아 IGBT를 스위칭 함으로써인덕터의 저장된 전압을 커패시터로 저장하여 높은 출력 전압을 발생할 수 있도록 회로를 구현하였다.
- 실험 방법은 PVDF film actuator 구동용 파워 드라 이버를 이용하지 않은 자연 탈수 실험과 개발한 PVDF film actuator 구동용 파워 드라이버를 이용한 탈수 실험 순으로 진행하였다. 또한, PVDF film actuator 구동용 파워 드라이버에 인가되는 입력 주파수를 출력이 가장 큰 3.68KHz와 출력이 낮은 6KHz 두 가지 주파수를 적용하여 실험을 진행하였다. 탈수량의 측정 방법으로는 5분 간격으로 60분 동안 메스실린더에 저장되는 물의 양을 측정하고 기록하였다.
- 먼저 제안한 평형 회로 모델이 PVDF film 특성에 적절한지 확인을 위하여 LCR 미터기 [LCR-8110G, GWInstek, Taiwan]를 이용하여 임피던스 값, Rs 값, Cs 값, D값, 그리고 Ɵ값을 측정하였고, 그 결과를 다음 수식에 적용하여 비교하였다 [18].
- 본 연구에서 개발한 파워 드라이버가 PVDF film actuator를 적절히 구동하여 준설토의 함수비를 효과적 으로 낮출 수 있는지를 확인하는 탈수 실험을 수행하였 다. 그림 17은 준설토의 탈수 실험을 진행하기 위한 모형지반을 보인다.
- PVDF film을 구동하기 위하여 개발한 파워 드라이 버의 성능 실험 구성은 그림 12에 보인다. 성능 실험에서 개발한 파워 드라이버의 출력 전압 파형은 오실로스코프를 이용하여 측정하였고, PVDF film actuator에 흐르는 전류 측정은 전류 증폭기와 전류 프로브를 이용하여 측정하였다.
- 실험 방법은 PVDF film actuator 구동용 파워 드라 이버를 이용하지 않은 자연 탈수 실험과 개발한 PVDF film actuator 구동용 파워 드라이버를 이용한 탈수 실험 순으로 진행하였다. 또한, PVDF film actuator 구동용 파워 드라이버에 인가되는 입력 주파수를 출력이 가장 큰 3.
- 실험 방법은 PVDF film에 인가되는 전압을 2Vrms 로 고정하고 주파수를 1KHz에서 10KHz까지 1KHz씩변동하면서 PVDF film의 임피던스와 커패시터 값을 LCR 미터기를 이용하여 측정하였으며, 실험을 통해 얻은 크기에 따른 PVDF film의 임피던스 측정값과 커패 시터 값은 표 4와 표 5에서 볼 수 있다.
- 그림 17은 준설토의 탈수 실험을 진행하기 위한 모형지반을 보인다. 실험에 사용한 모형지반은 모형상자에 자갈로 배수 층을 조성하여 탈수 실험 시에 준설토가 유실되지 않도록 하였다.
- 실험에서 사용된 준설토의 무게와 물의 양은 표 10에서 보인 바와 같으며 준설토와 물의 함수비를 90%로 맞추기 위해서 준설토 550g을 모형 지반에 쌓고 500㎖의 물을 부어 탈수량을 측정하였다.
- 실험은 전압 증폭부에 주파수가 1KHz, 3KHz, 그리고 6KHz인 입력 신호를 인가하였으며, 각 해당 주파수에 따라서 PVDF film의 출력 파형과 출력 전류를 측정하였다.
- 실험은 정현파를 1KHz에서 10KHz까지 1KHz씩 증가시키면서 진행하였다. 표 2는 LCR 미터기로 구한 PVDF film의 특성을 보인다.
- 입력 전압 증폭부에 사용한 소자들은 식 (5)와 식 (6) 을 이용하여 L 값과 C값은 구하였다. 이 때 소자 선정시 기준이 되는 스위칭 주파수는 50KHz, 출력 전압 리플은 200mV, 출력 전류의 범위는 전류는 0.1A에서 1A 까지로 정하였다.
- 68KHz와 출력이 낮은 6KHz 두 가지 주파수를 적용하여 실험을 진행하였다. 탈수량의 측정 방법으로는 5분 간격으로 60분 동안 메스실린더에 저장되는 물의 양을 측정하고 기록하였다. 실험은 3번 반복하였으며 그림 18은 평균한 결과를 보인다.
대상 데이터
- 본 연구에서 사용한 PVDF film은 α형의 PVDF film 을 β형의 결정 구조로 형 전이한 것으로, 제작 공정은 연신 과정 시 온도를 80-120도 적용하고, 4배 이상의길이를 잡아당기는 과정을 거쳤으며 7[KV]에서 8[KV] 사이의 분극 과정을 거쳐 결정구조를 안정화함으로써제작된 소재이다.
- PVDF film을 vibration actuator로 동작시킬 때 효과 적으로 PVDF film에 전압과 전류를 인가하기 위하여 R-L-PVDF film 직렬 회로를 구성하였으며, 이 때 전류를 일정하게 공급하기 위하여 공진 주파수를 맞춘 R 값과 L값에 대한 소자 선정하였다. 실험에 사용한 임피 던스 정합 회로 소자 값들은 출력 증폭부에서 사용한각 파워 드라이버 소자들이 가진 특성의 한계점들을(발열, 전류, 소비전력, 크기 등) 고려하여 선정하였다.
- 평형 회로 모델에 의한 PVDF film 특성 조사를 위하여 사용한 시편 제작 사양을 표 1에 보인다. 실험에서 사용한 PVDF film은 세 부분으로, 전압을 인가하기 위하여 PVDF film 표면에 그려진 은도선과 PVDF film, 그리고 은도선의 산화를 막고 PVDF film의 외부표면의 손상을 막기 위한 래미네이트 코팅으로 이루어진다.
- 제작한 시편들의 모양은 사각형 타입으로 제작하였고, PVDF film 자체의 두께는 80[㎛]를 사용하였다.
성능/효과
- PVDF film의 특성 연구를 통하여 PVDF film이 크기와 인가되는 주파수 변화에 따라 임피던스 값이 크게 변하는 것을 확인하였고, PVDF film을 vibration actuator로 사용할 때 PVDF film에 특성에 적절한 임피던스 정합을 구현하여 PVDF film에서 최대의 출력을낼 수 있도록 하였다.
- 개발한 PVDF film actuator 구동용 파워 드라이버를 이용하여 준설토 탈수 실험을 수행한 결과 자연 탈수보다 본 연구에서 개발한 파워 드라이버로 구동한 PVDF film을 사용하였을 때, 탈수 시작 후 30분 내에 약 3배 정도 빠른 탈수 효과를 확인할 수 있었으며, 개발한 PVDF film actuator 구동용 파워 드라이버를 준설토 탈수 장치에 적용할 수 있음을 확인하였다.
- 그림의 결과에서 볼 수 있듯이 자연 탈수를 할 때보다 PVDF film actuator 구동용 파워 드라이버를 사용할 때 탈수 시작 후 30분 동안 약 3배 빠른 탈수 효과를 보이고 있음을 알 수 있다. 또한 3.
- 기존의 연구된 Piezoelectric Actuator 구동용 파워 드라이버 [11] 가 15[Vp-p ]의 80KHz의 입력과 바이어스 전압-5V∼+180V를 인가하였을 때 발생하는 출력이 300[Vp-p ]인 것을 비교할 때 본 논문에서 제안한 PVDF film Actuator 구동용 파워드라이버는 기존 연구 결과 보다 비교적 높은 전압을 출력하고 낮은 주파수에서 동작하는 특성을 갖는다는 것을 확인할 수 있었다.
- 그림의 결과에서 볼 수 있듯이 자연 탈수를 할 때보다 PVDF film actuator 구동용 파워 드라이버를 사용할 때 탈수 시작 후 30분 동안 약 3배 빠른 탈수 효과를 보이고 있음을 알 수 있다. 또한 3.68KHz의 주파수를 사용할 때 6KHz의 주파수를 사용할 때 보다 초기에더욱 효과적이었으나 30분 이후에는 큰 차이가 없음을알 수 있다.
- 측정된 값으로부터 알 수 있듯이 PVDF film의 임피 던스는 크기가 클수록 반비례하여 작아지는 반면에 커패시터 값은 PVDF film 크기에 비례하여 커진다. 또한, 주파수 변화가 저주파수 대역에서 고주파수 대역으로 변동하게 될 때 임피던스 값은 급격히 감소하는 반면에 커패시터 값은 서서히 감소하는 특징을 보인다.
- 측정 결과 주파수가 증가 할수록 임피던스 값은 감소하며, 평형 회로를 구성하는 Cs값과 Rs값도 감소하는 결과를 얻을 수 있었다. 또한, 주파수가 증가할수록 소자 자체의 ESR에 의한 열 손실비율을 의미하는 소산율(D)은 점차 증가하고 커패시터의 손실을 의미하는 Loss Angle(Ɵ)은 점차 커지는 결과를 얻을 수 있었다.
- 본 논문에서는 PVDF film 특성에 적합한 PVDF film Actuator 구동용 파워 드라이버를 개발하기 위하여 PVDF Film의 특성을 조사하고, 앞서 언급한 문제 점들을 보완할 수 있는 PVDF Film Actuator 구동용 파워 드라이버를 개발하였다. 또한, 준설토 탈수 실험을 통하여 개발된 PVDF Film Actuator 구동용 파워 드라이버가 준설토의 탈수 장치로 이용 가능함을 확인 하였다.
- 셋째로, PVDF film은 인가되는 전압의 크기가 최대 200[KV/mm]까지 가능하나 PVDF film에 과도한 전압이 인가되거나 전류가 흐르게 되면 PVDF film에 그려진 은도선과 연결 단자가 파손되는 문제점이 있다.
- 표 2는 LCR 미터기로 구한 PVDF film의 특성을 보인다. 측정 결과 주파수가 증가 할수록 임피던스 값은 감소하며, 평형 회로를 구성하는 Cs값과 Rs값도 감소하는 결과를 얻을 수 있었다. 또한, 주파수가 증가할수록 소자 자체의 ESR에 의한 열 손실비율을 의미하는 소산율(D)은 점차 증가하고 커패시터의 손실을 의미하는 Loss Angle(Ɵ)은 점차 커지는 결과를 얻을 수 있었다.
후속연구
- 둘째로, PVDF film은 온도가 70도 이상이 되면 PVDF film가 변형되는 특성이 있기 때문에 PVDF film 의 온도 변화에 대처할 수 있는 대비책이 필요하다.
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