[논문]압전세라믹 연결방식에 따른 전력생산 평가 연구

권수안; 이재준; 문학룡; 류승기

doi:10.7855/ijhe.2012.14.2.037

압전세라믹 연결방식에 따른 전력생산 평가 연구
An Estimation of Piezoelectric Power as Connection Methods of Piezoelectric Ceramic 원문보기

한국도로학회논문집 = International journal of highway engineering, v.14 no.2 = no.52, 2012년, pp.37 - 44

권수안 (한국건설기술연구원) , 이재준 (한국건설기술연구원) , 문학룡 (한국건설기술연구원) , 류승기 (한국건설기술연구원)

초록
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세계각국에서 홍수, 태풍과 같은 자연재해가 많이 발생하고 있다. 이러한 자연재해가 발생하는 원인으로는 지구온실가스 배출 증가에 따른 지구온난화 현상 때문이다. 지구온난화를 막기 위해, 많은 연구진들이 신재생에너지에 대한 연구를 진행하고 있다. 정부는 온실가스배출량을 감축하여 지구온난화를 막기위해 "저탄소 녹색성장"의 국가정책 하에서 신재생에너지와 같은 친환경적인 녹색산업에 많은 관심과 투자에 집중하고 있다. 연구팀들은 도로를 주행하는 차량으로부터 전달되는 역학전 에너지를 이용하여 신재생에너지를 생산하는 연구를 진행하고 있다. 본 논문에서는 압전세라믹의 크기와 연결방식에 따른 연구 결과를 나타내고 있다. 또한 실험변수에 따른 압전세라믹의 파워특성을 측정하여 분석을 하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Natural disasters such as hurricanes, floods frequently occurs in the world. The cause of the natural disasters that occurs due to global warming because of increasing of global greenhouse gas emissions. To prevent the global warming, lots of researchers are studying renewable energy area. In order to protect grobal warming, government is trying to reduce green gas emissions under "Low Carbon Green Growth Policy" and investing climiate-friendly industries such as renewable energy harvesting. Research team is developing a renewable energy system that harvests mechanical energy imparted to road from driving vehicles and generates it into renewable electricity. This paper presents the research results of size effect of the piezoelectric ceramic and connection of piezoelectric ceramics. Power characteristics of piezoelectric ceramic as function of experimental variables were measured and analyzed.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

0% 공간을 주행할 때, 도로공간에서 전력을 생산하는 시스템 개발을 위한 연구의 일환으로, 세계적으로 주목받는 신재생에너지 생산기술의 국내 기술 확보를 위한 기초 연구이다. 국내에서 생산되는 압전재료(압전세라믹)을 이용하여, 최대 전력생산을 생산하기 위하여, 압전세라믹의 크기, 배열 및 연결방법에 따른 전력생산 특성을 연구 분석하였다.
il). 본 연구에서는 국내에서도 17만대가 넘는 자동차들이 전체국토의 1.0% 공간을 주행할 때, 도로공간에서 전력을 생산하는 시스템 개발을 위한 연구의 일환으로, 세계적으로 주목받는 신재생에너지 생산기술의 국내 기술 확보를 위한 기초 연구이다. 국내에서 생산되는 압전재료(압전세라믹)을 이용하여, 최대 전력생산을 생산하기 위하여, 압전세라믹의 크기, 배열 및 연결방법에 따른 전력생산 특성을 연구 분석하였다.
본 절에서는 압전세라믹 배열방식에 있어, 2개의 압전세라믹을 병렬연결할 때, 단층으로 나누는 방식과 위 아래로 두 개를 겹쳐서 쌓는 두가지에 조건에 따른 발전 효율을 비교하기 위하여 연구를 수행하였다.
압전 발전체를 개발하기 위한 기초연구로 압전세라믹의 연결방식에 따른 전압과 전력 발생 특징에 대하여 연구를 수행하였다. 그림 10에서 설명하고 있는 것과 같이 두 가지 종류에 대하여 연구를 수행하였다.
압전 세라믹의 크기와 연결방법에 따른 발생 전압의 특성을 분석하기 위해서 본 연구에서는 실내실험을 실시하였다. 이재준 외 3인은 마샬시험기를 이용한 충격 하중에 따른 압전세라믹의 발전특성 연구를 실시하였다 (이재준 등, 2011b).
압전효과를 도로공간에 적용하여 에너지 생산형 도로를 만들기 위한 기초연구로서, 도로를 주행하는 차량들이 도로에 설치된 압전세라믹 위를 주행함으로 발생되는 전력효율을 최대화하기 위한 연구의 일부분의 실험 결과를 정리하였다.

제안 방법

그림 5(b)는 평면도로서 압전세라믹 연결 형태를 보여주고 있다. 2.5cm 압전세라믹 2개를 구리테이프로 연결하여 길이 5.0cm 압전세라믹과 동일하게 만들었다. 즉 구리테이프와 접촉하고 있는 압전세라믹의 단면적은 각 각 5.
TYPE I은 3개의 압전세라믹의 각각에 대하여 발생 전압과 전력을 측정하였으며, TYPE II는 3개의 압전세라믹을 하나로 연결하여 하중을 전달하였을 경우 발생되는 전압과 전력의 특성을 측정하였다. 하중은 소형포 장가속시험기(MMLS3)를 이용하여 차량하중을 모사하였으며, 측정된 결과값의 파형은 그림 11에서 설명하고 있다.
동일조건 하에 3개의 압전세라믹에 대하여 연구를 수행하였다. 그림 10에 도식화되어 있는 것과 같이 TYPE I과 TYPE II로 구분하여 본 연구를 수행하였다
그림 10에서 설명하고 있는 것과 같이 두 가지 종류에 대하여 연구를 수행하였다. 동일조건 하에 3개의 압전세라믹에 대하여 연구를 수행하였다. 그림 10에 도식화되어 있는 것과 같이 TYPE I과 TYPE II로 구분하여 본 연구를 수행하였다
그림 4(e) 는 구리테이프로 연결된 두 압전세라믹을 테스트용으로 제작된 모습을 보여주고 있다. 본 연구에서는 그림 4와 같이 제작되어진 시험체를 이용하여, 압전세라믹의 단면적이 동일한 경우, 압전세라믹의 연결방식에 따른 발생전압 특성을 분석하였다. 압전세라믹의 면적이 동일한 경우, 압전세라믹이 일체형인 경우와 두 개의 압전세라믹이 연결되어 동일면적을 이루었을 때 동일 하중을 가하였을 때 발생되는 전압의 특징을 분석하였다.
최대 102kg의 동적하중을 가할 수 있다 (Muller and Hugo, 2009). 본 연구에서는 일반 아스팔트 혼합물 테스트 베드에 압전세라믹을 나열하여 다양한 배열에 따른 압전세라믹의 발전거동 특성을 분석하였다(이재준 등, 2011a).
이재준 외 3인은 마샬시험기를 이용한 충격 하중에 따른 압전세라믹의 발전특성 연구를 실시하였다 (이재준 등, 2011b). 본 연구에서는 하중제어를 좀 더 세밀하고 정확한 데이터를 얻기 위하여 UTM 장비를 사용하였으며, 차량 시뮬레이션 연구를 위하여 소형포 장가속기를 이용하여 하중거동에 따른 발전거동을 측정하였다(이재준 등, 2011a).
본 연구에서는 그림 4와 같이 제작되어진 시험체를 이용하여, 압전세라믹의 단면적이 동일한 경우, 압전세라믹의 연결방식에 따른 발생전압 특성을 분석하였다. 압전세라믹의 면적이 동일한 경우, 압전세라믹이 일체형인 경우와 두 개의 압전세라믹이 연결되어 동일면적을 이루었을 때 동일 하중을 가하였을 때 발생되는 전압의 특징을 분석하였다.
이는 압전 세라믹을 병렬로 연결할 때 단층으로 설치하는 것보다 공간이 가능하다면 적층으로 연결하는 것이 더 효율적이라는 것을 알 수 있었다. 위의 두 실험조건에서 발생된 전압과 전류의 상관성을 검토하기 위하여 그림 9와 같이 전류와 전압의 상관관계를 정리하였다. 그림 9에서 설명하고 있는 것과 같이 압전세라믹 위치를 다르게 하였으나, 병렬로 연결한 경우에서 압전세라믹에서 발생되는 전압과 전류는 서로 선형관계를 나타내고 있다.
그림 2(b)는 UTM을 통하여 하중을 전달하였을 때 압전세라믹에서 발생되는 전력량을 측정하기 위한 데이터 로거이다. 초당 1000개의 데이터 를 수집하여 압전발전수확기에서 발생되는 결과를 측정하였다. 그림 2(c)와 (d)는 압전세라믹을 UTM에 놓고 하중을 가하는 모습을 보여주고 있다.

대상 데이터

압전세라믹의 연결방식은 S-R-S 방식으로 연결되어 있다. S는 두께 1mm의 SUS 304이며, R은 Rubber로 두께 5mm이다. 그림 5(a)에서와 같이 UTM으로 전단면에 동일한 하중을 부여함으로써, 두 압전세라믹에 동일 하중이 전달되는 모습을 설명하고 있다.

성능/효과

1. 압전세라믹의 면적당 발생전력의 크기는 비례하지만, 압전세라믹의 면적이 동일 하더라도 단일형과 연결형의 경우 발생되는 전압의 크기는 다르다는 것을 알 수 있었다. 단일형의 압전세라믹의 전압생산 효율이 두 개의 압전세라믹을 연결하여 발생한 전압생산 보다 우수한 효과가 나타남을 알 수 있었다.
2. 2개의 압전세라믹을 연결하는 방법 연구에서는 단층으로 2개 연결한 경우보다는 적층으로 연결된 압전 세라믹 구조가 동일 하중에서 더 높은 전압이 측정되었다. 이는 압전세라믹을 연결할 때 적층으로 연결하는 것이 더 효율적임을 암시하고 있다.
3. 동일하중에서의 측정 전압과 측정 전류는 선형적인 회귀분석 특성을 나타내었으며, 측정된 전압을 바탕으로 전류값을 예측함으로써 발생 전력을 환산할 수 있음을 알 수 있었다.
4. 단일 크기의 압전세라믹 연결법에서는 3개를 하나로 연결하는 방식이 비효율적임을 알 수 있었다. 이는 구리테이프를 이용하여 3배의 면적이 구성되었음에도 불구하고, 1/3면적의 압전세라믹에서 발생되는 전압이 비슷함을 알 수 있었다.
그림 5와 같은 조건 하에서 충격하중이 전달되었을 때 발생되는 두 압전세라믹의 전압특성은 그림 6에서 설명하고 있다. 그림 6에서 설명하고 있는 것과 같이 동일 면적에 대하여 A사 제품 2개를 연결하여 사용하는 것보다 B사 제품처럼 1개의 압전세라믹으로 구성하는 것이 전압거동이 더 우수함을 알 수 있었다. 이는 비록 압전세라믹의 면적이 같더라도 압전세라믹이 단일소자인지 아닌지에 따라 발생전압 거동이 다름을 알 수 있었다.
압전세라믹의 면적당 발생전력의 크기는 비례하지만, 압전세라믹의 면적이 동일 하더라도 단일형과 연결형의 경우 발생되는 전압의 크기는 다르다는 것을 알 수 있었다. 단일형의 압전세라믹의 전압생산 효율이 두 개의 압전세라믹을 연결하여 발생한 전압생산 보다 우수한 효과가 나타남을 알 수 있었다.
따라서, 이는 각각의 압전세라믹에서 발생되는 전기를 모아서 충전하는 방식이 더 효율적이라고 생각된다. 두 번째 발견된 것은 3개의 압전세라믹을 각각 배열의 전압과 전류특성 분포도로부터 TYPE I (1)과 TYPE I(3)에서 발생되는 전압이 거의 비슷하나, TYPE I(2)에서 발생되는 전압이 다소 낮음을 알 수 있었다.
이는 비록 압전세라믹의 면적이 같더라도 압전세라믹이 단일소자인지 아닌지에 따라 발생전압 거동이 다름을 알 수 있었다. 따라서, 압전세라믹을 배열 할때나 크기를 선정할 때 면적도 중요하지만 압전세라믹 단일면적의 크기가 여러개의 압전세라믹을 연결하는 것보다 효과가 더 우수함을 알 수 있었다.
그림 8에서 비교할 수 있는 것 과 같이 적층의 경우가 단층으로 배열된 경우보다 전압 과 전류값이 더 크게 발생됨을 알 수 있었다. 이는 압전 세라믹을 병렬로 연결할 때 단층으로 설치하는 것보다 공간이 가능하다면 적층으로 연결하는 것이 더 효율적이라는 것을 알 수 있었다. 위의 두 실험조건에서 발생된 전압과 전류의 상관성을 검토하기 위하여 그림 9와 같이 전류와 전압의 상관관계를 정리하였다.
그림 11에서는 두가지를 발견할 수 있었다. 첫째로, 압전세라믹 각각 연결한 것과 세 개를 하나로 연결하여 면적을 크게 한 것과 비교 하였을 때 각각의 소자가 더 효율적임을 알 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	압전재료를 이용한 에너지 하베스팅 연구에서 널리 연구·개발되고 있는 방법은 무엇인가?	압전재료를 이용한 에너지 하베스팅 연구는 포터블 소형 전기장비에 무선으로 전력을 보내주기 위한 연구로부터 시작되었었다. 최근 에너지 수확으로 piezoelectic vibration을 이용한 방법들이 다양한 에너지 소비와 적용범위 확대를 위하여 널리 연구 개발되고 있다. 게다가 피에조 에너지 하베스트 장치를 등에 매는 가방에 설치하여 0.
	정부가 온실가스배출량을 감축을 목적으로 펼치고 있는 정책은 무엇인가?	지구온난화를 막기 위해, 많은 연구진들이 신재생에너지에 대한 연구를 진행하고 있다. 정부는 온실가스배출량을 감축하여 지구온난화를 막기위해 "저탄소 녹색성장"의 국가정책 하에서 신재생에너지와 같은 친환경적인 녹색산업에 많은 관심과 투자에 집중하고 있다. 연구팀들은 도로를 주행하는 차량으로부터 전달되는 역학전 에너지를 이용하여 신재생에너지를 생산하는 연구를 진행하고 있다.
	세계적으로 자연재해가 많이 발생하는 원인은 무엇인가?	세계각국에서 홍수, 태풍과 같은 자연재해가 많이 발생하고 있다. 이러한 자연재해가 발생하는 원인으로는 지구온실가스 배출 증가에 따른 지구온난화 현상 때문이다. 지구온난화를 막기 위해, 많은 연구진들이 신재생에너지에 대한 연구를 진행하고 있다.

참고문헌 (9)

Innowattech-energy harvesting systems, http://www.innowattech.co.il
http://www.index.go.kr/egames/stts/jsp/potal/stts/PO_STTS_InxMain.jsp?idx_cd1257&bbsINDX_001, 접근일. 2011년 12월 6일.
국토해양부(2010), 도로현황조서
압전재료, http://www.piezomaterials.com/
이재준, 문학룡, 류승기, 권수안(2011), 충격에너지를 활용한 압전 발전기의 특성을 이해하기 위한 실험적 연구, 대한토목학회논문집, 제 31권, 9월호, pp 689-695
이재준, 류승기, 문학룡, 권수안(2011), 도로용 압전발전체 시험모듈 설계를 위한 기초 실험 연구, 한국도로학회 논문집, 제 13권, 12월호, pp 150-15

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Muller, J. and Hugo, F. (2009), "MMLS 3 Traffic Simulator Operation Manual, MLS Test Systems, 19." Elbertha Road Die Boord 6700 Stellenbosch, South Africa.
Piezoelectric energy harvesting for powering low power electronics. In: Paukkeri, A.; Yla-Mella, J. and Pongracz, E. (eds.) Energy research at the University of Oulu. Proceedings of the EnePro conference, June 3rd, 2009, University of Oulu, Finland. Kalevaprint, Oulu, ISBN 978-951-42-9154-8. pp. 105-109.
Rossmann, D. (2008), Towards Development of an International Standard Test Protocol-Method for evaluation of permanent deformation and susceptibility to moisture damage of bituminous road paving mixtures using the Model Mobile Load Simulator (MMLS3).

저자의 다른 논문 :

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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