[논문]도시·주택 적용 미관용 에너지 블록의 발전성능 평가

노명현; 김효진; 박지영; 이상열; 조영봉

doi:10.5804/lhij.2012.3.2.187

문제 정의

따라서 본 논문에서는 도시 ․ 주택 분야 미관 및 생태 블록으로 적용할 수 있는 에너지하비스팅 블록의 증폭 기술 적용 가능성을 검토하고자 한다. 먼저, 2장에서는 압전 및 전자기 유도 방식 에너지하비스팅 기술의 기본개념 및 이론을 간략히 기술한다.
본 논문에서는 도시․주택 적용 미관용 에너지 블록에 적용되는 에너지하비스팅 기술의 기본 개념 및 이론을 간략히 고찰하였고, 실험실 규모의 압전 하비스터에 대한 현 수준 성능 평가 결과를 바탕으로 증폭기술이 적용된 하비스터 개발 필요성을 제기하였다. 또한, 증폭기술이 적용된 타입별 하비스터의 발전성능 평가결과를 토대로 하이브리드 에너지 하비스팅 프로토타입의 기본 구조를 구성하였다.
본 연구에서 초점을 두고 있는 에너지 하비스팅의 기본 개념은 건물 및 도시 환경에 상시 존재하고 있는 열, 진동, 바람, 인간의 도보 등의 에너지 원(source)를 전기에너지로 변환하여 주택 및 도시에 적용하는 것이다. 이러한 에너지 하비스팅의 구성요소 및 시스템의 개념도는 그림 1과 같다.
본 연구에서는 실험실 규모(Lab-scale)의 3-layer PZT 소자의 발전 성능 수준을 평가하기 위하여 그림 2와 같은 PZT 기반 캔틸레버 타입 압전 하비스터를 제작하였다. PZT는 3개 층(layer)으로 적층되어 있다.

가설 설정

한편, 전자기유도 방식 하비스터의 이론적 발전 성능 평가를 위해 자기장은 자석과 떨어져서 변하는 것으로 가정한다. 이때 유도 기전력은 다음과 같이 구해진다(Kazmierski와 Beeby, 2011).

제안 방법

또한, 증폭기술이 적용된 타입별 하비스터의 발전성능 평가결과를 토대로 하이브리드 에너지 하비스팅 프로토타입의 기본 구조를 구성하였다. 개발된 에너지 블록은 다층 PZT 부착 캔틸레버 구조, 면적 증가 방식에 의한 증폭 구조, 압전 및 전자기유도 방식을 조합한 하이브리드 방식을 그 특징으로 하고 있다. 개발된 프로토타입 에너지하비스팅 블록과 기존 압력방식의 에너지 블록의 발전성능을 비교한 결과, 개발된 에너지블록은 기존 압력방식 에너지블록에 비해 충전 및 발전성능이 255% 및 505%까지 향상되는 것으로 평가되었다.
개발된 에너지 블록의 상대적 발전 성능을 검토하기 위하여 기존 S사의 에너지 블록 특성을 조사하였다. 조사 결과, 기존 에너지 블록은 압력 방식에 의한 압전 원리를 이용하는 방식으로 개발 제품과 동등 수준의 PZT 소자 면적이 적용되고 있는 것으로 파악되었다.
표 2와 그림 10은 개발제품과 기존 압력방식 에너지블록 제품의 발전성능 평가결과를 비교하여 나타낸 것이다. 공통으로 적용된 평가 방식은 볼-드롭 방식이며 개발 제품의 경우에 대해서는 4Hz 가진력 평가가 추가되었고, 기존 제품의 경우에는 보행자의 체중을 고려한 발전 평가가 추가되었다. 표 2의 개발 제품에 대한 4Hz 가진력 평가 결과시 4Hz 1회 가진에 따른 충/방전시간은 6초로 측정되었다.
개발한 프로토타입 에너지 블록과 기존 S사의 에너지 블록의 상대적 발전 성능 비교는 볼-드롭(ball-drop) 평가 방식이 적용되었다. 그러나 볼-드롭 방식의 평가 외에도 4Hz 가진력 평가 방식이 개발 제품에 대해 적용되었고, 입수한 기존 제품의 체중별 보행 발전 특성 평가 결과와 비교하였다. 여기서, 볼-드롭 방식은 평가할 하비스터에 힘을 인가하기 위하여 50cm 높이에서 볼(1kg)을 낙하시키고, 낙하에 따른 충격력과 진동발생을 동시에 유발시킴으로써 발전성능을 평가하는 것이다.
반면, 4Hz 가진력에 의한 성능 평가 방식은 1회 가진시 충/방전시간을 계측하고 1초당 전력 발생량으로 환산하여 발전성능을 평가하는 것이다. 두 평가 방식도 앞서 발전성능 평가 방식과 마찬가지로 정류회로에 의한 정류와 발전량을 계산하기 위하여 저항을 연결 한 후 오실로스코프로 전압을 측정하고, 시간-전력 그래프(timepower graph)를 적분하여 전력 값을 도출하는 방법으로 발전량의 평가를 수행하였다. 이 때, 평가에 적용된 값은 총 5회에 걸친 평균값이다.
고정단 부위에 PZT를 부착한 이유는 휨응력 및 변형이 집중되는 부위로서 D31모드의 변형량이 증가되어 발전 효율이 높은 지점이기 때문이다. 또한 기저판의 휨강성이 발전 성능 측면에 미치는 영향을 평가하기 위해 캔틸레버 기저판 두께를 시험변수로 고려하였다.
본 논문에서는 도시․주택 적용 미관용 에너지 블록에 적용되는 에너지하비스팅 기술의 기본 개념 및 이론을 간략히 고찰하였고, 실험실 규모의 압전 하비스터에 대한 현 수준 성능 평가 결과를 바탕으로 증폭기술이 적용된 하비스터 개발 필요성을 제기하였다. 또한, 증폭기술이 적용된 타입별 하비스터의 발전성능 평가결과를 토대로 하이브리드 에너지 하비스팅 프로토타입의 기본 구조를 구성하였다. 개발된 에너지 블록은 다층 PZT 부착 캔틸레버 구조, 면적 증가 방식에 의한 증폭 구조, 압전 및 전자기유도 방식을 조합한 하이브리드 방식을 그 특징으로 하고 있다.
본 연구에서 개발된 에너지 블록의 프로토타입은 상부 및 하부 기판의 윗면에 단면으로 부착된 3-layer PZT가 총 16장으로 구성되고, 상부/하부 기판 끝에 Magnetic tip mass와 SUS tip mass가 8개씩 총 16개가 부착되며, SUS 기판 모듈은 부채꼴 형상으로 상부와 하부에 2개의 모듈로 구성되며 압전 및 전자기 유도 원리가 적용되는 하이브리드 에너지하비스팅 방식이다. 그림 7에 개발된 에너지 하비스팅 블록 프로토타입의 모델링 형상과 실제 제작 형상이 제시된다.
전자기유도 파트의 경우는 캔틸레버 끝단의 자석이 코일 속을 상하로 움직이며 전자속 변화를 발생시켜 유도전류가 흐르게 된다. 하비스터의 타입 별 발전 성능평가는 정류회로와 저항을 연결한 후 오실로스코프로 전압을 측정하고 시간-전력 그래프(timepower graph)를 작성한 후 이를 적분한 값을 기준으로 수행되었다. 발전 성능 평가에 사용된 값은 타입별로 3회에 걸쳐서 수행한 평균값을 적용하였다.

대상 데이터

35mm이다. PZT가 부착된 기저판(substrate)은 SUS 430 재료가 적용되었고, 그림 2에서 보는 바와 같이 캔틸레버 형식으로 구성하였다. 구성된 압전 하비스터의 현 수준 성능 평가를 위해 적용한 실험 변수는 캔틸레버 기저판의 고정단부에서 PZT 압전소자 부착지점(좌측 끝단)까지의 거리(0mm, 2mm, 5mm, 10mm) 및 캔틸레버 기저판의 두께(0.
PZT의 정전용량은 1302 nF(at Frequency 1kHz, Test Signal level 1V, Parallel Circuit Mode)이며, 크기는 40mm×50mm×0.35mm이다.
PZT가 부착된 기저판(substrate)은 SUS 430 재료가 적용되었고, 그림 2에서 보는 바와 같이 캔틸레버 형식으로 구성하였다. 구성된 압전 하비스터의 현 수준 성능 평가를 위해 적용한 실험 변수는 캔틸레버 기저판의 고정단부에서 PZT 압전소자 부착지점(좌측 끝단)까지의 거리(0mm, 2mm, 5mm, 10mm) 및 캔틸레버 기저판의 두께(0.4mm, 0.8mm)이다. 고정단 부위에 PZT를 부착한 이유는 휨응력 및 변형이 집중되는 부위로서 D31모드의 변형량이 증가되어 발전 효율이 높은 지점이기 때문이다.

데이터처리

하비스터의 타입 별 발전 성능평가는 정류회로와 저항을 연결한 후 오실로스코프로 전압을 측정하고 시간-전력 그래프(timepower graph)를 작성한 후 이를 적분한 값을 기준으로 수행되었다. 발전 성능 평가에 사용된 값은 타입별로 3회에 걸쳐서 수행한 평균값을 적용하였다.

이론/모형

조사 결과, 기존 에너지 블록은 압력 방식에 의한 압전 원리를 이용하는 방식으로 개발 제품과 동등 수준의 PZT 소자 면적이 적용되고 있는 것으로 파악되었다. 개발한 프로토타입 에너지 블록과 기존 S사의 에너지 블록의 상대적 발전 성능 비교는 볼-드롭(ball-drop) 평가 방식이 적용되었다. 그러나 볼-드롭 방식의 평가 외에도 4Hz 가진력 평가 방식이 개발 제품에 대해 적용되었고, 입수한 기존 제품의 체중별 보행 발전 특성 평가 결과와 비교하였다.

성능/효과

또한, PZT를 단면 또는 양면으로 부착한 하이브리드 파트의 발전효율의 경우는 실험 1과 3을 통해 알 수 있다. 1개 기판 당 발전성능으로 환산 해 볼 때, 양면의 경우 0.21mW/1기판, 단면의 경우 1.73mW/1기판으로 계산되고 단면 부착이 양면 부착에 비해 약 8.38배로 높은 효율을 나타내고 있음을 알 수 있다. 이는 PZT 양면 부착으로 인해 기판의 강성이 증가하여 인가되는 진동의 가속도 레벨이 하비스터에 큰 영향을 주지 못하는 구조로 변했기 때문이다.
실험 5와 7번은 각각 1개 기판에 대해서 PZT를 윗면과 아랫면에 단면으로 부착한 캔틸레버 하비스터에 대한 평가 결과이며, 실험 6은 1개 기판에 대해서 PZT를 아랫면에 단면으로 부착한 캔틸레버 하비스터에 대한 평가 결과를 나타낸다. 1개 기판의 단면 및 양면 압전 캔틸레버 실험 결과(실험 5, 6, 7)로부터, PZT 단면부착이 양면부착에 비해 발전효율이 아랫면 부착의 경우 1.09배, 윗면 부착의 경우 1.62배 우수한 것으로 나타났으며, PZT 윗면 부착의 경우가 아랫면 부착의 경우보다 효율이 좋은 것으로 도출되었다. 또한, PZT를 단면 또는 양면으로 부착한 하이브리드 파트의 발전효율의 경우는 실험 1과 3을 통해 알 수 있다.
개발된 에너지 블록은 다층 PZT 부착 캔틸레버 구조, 면적 증가 방식에 의한 증폭 구조, 압전 및 전자기유도 방식을 조합한 하이브리드 방식을 그 특징으로 하고 있다. 개발된 프로토타입 에너지하비스팅 블록과 기존 압력방식의 에너지 블록의 발전성능을 비교한 결과, 개발된 에너지블록은 기존 압력방식 에너지블록에 비해 충전 및 발전성능이 255% 및 505%까지 향상되는 것으로 평가되었다. 다만, 이 수치는 실제적인 진동을 고려한 성능 평가 결과가 아니므로 실제 운용 중의 진동 인가를 고려할 수 있도록 성능 평가의 보완이 필요함을 제기하였다.
개발제품과 기존 압력방식 제품의 비교 평가결과(I-1 vs I-2 비교, II-1 vs II-2 비교), 개발제품은 기존 압력방식 제품에 비해 볼-드롭 평가에서 505%, 4Hz 가진력 평가와 체중별 보행 발전 성능 평가 결과에서 255% 수준의 높은 효율을 보이고 있다. 그러나 이러한 수치는 이상적 평가방식에 의해 산술적으로 계산된 최대치임에 주목해야 할 필요가 있다.
표 2의 개발 제품에 대한 4Hz 가진력 평가 결과시 4Hz 1회 가진에 따른 충/방전시간은 6초로 측정되었다. 따라서 1초당 평균 전력 발생량이 5.959 mW/s로 추산되며, 1시간 충전 시 21.454W/h의 전력이 생산될 것으로 추정된다. 그러나 이 경우 역시, 송전 및 승압과정에서의 손실, 시스템 대기 전력상에서의 손실, 저전력 인버터로 전환시 손실과 같은 에너지 손실은 고려하지 않았다.
또한, 1개 기판에 PZT를 양면으로 부착한 바이몰프 구조의 경우, 위/아래 PZT 소자에 (-)극이 붙어 있어 진동에 따른 변형 발생시 정류효과가 상쇄되는 현상이 발생되어 PZT를 단면으로 부착한 유니몰프 구조에 비해 효율이 떨어지는 것도 큰 이유라고 할 수 있다. 따라서, PZT 양면 부착을 통해 기판의 발전 효율을 높이기 위해서는 기판 사이에 절연층 또는 절연체를 포함시키는 구조가 적합할 것으로 판단된다.
실험실 규모의 다층 PZT 소자의 현 발전수준 평가결과, 그림 3에서 보이는 바와 같이 캔틸레버 기저판의 고정단부에서 PZT 압전소자 부착지점까지의 거리가 2mm이고 캔틸레버 기저판의 두께가 0.4mm인 하비스터에서 출력이 가장 높게 나타난다. 그 이유는 PZT 소자가 고정판에 가깝고, SUS 기저판의 두께가 얇을수록 휨 응력과 D31모드의 변형이 크게 발생하기 때문이다.
따라서 단위 하비스터 모듈 당 출력을 증폭시킬 수 있는 방안을 다각적으로 고려할 필요성이 제기된다. 적용 가능한 증폭기술은 다양한 에너지원을 수확할 수 있도록 두 가지 이상의 에너지하비스팅 기술을 하이브리드로 구성하는 방식, 다층 (multi-layer) PZT의 면적을 증가시키는 방식, D31 휨 변형모드를 증폭시키는 구조 적용방식을 고려할 수 있다.
개발된 에너지 블록의 상대적 발전 성능을 검토하기 위하여 기존 S사의 에너지 블록 특성을 조사하였다. 조사 결과, 기존 에너지 블록은 압력 방식에 의한 압전 원리를 이용하는 방식으로 개발 제품과 동등 수준의 PZT 소자 면적이 적용되고 있는 것으로 파악되었다. 개발한 프로토타입 에너지 블록과 기존 S사의 에너지 블록의 상대적 발전 성능 비교는 볼-드롭(ball-drop) 평가 방식이 적용되었다.
공통으로 적용된 평가 방식은 볼-드롭 방식이며 개발 제품의 경우에 대해서는 4Hz 가진력 평가가 추가되었고, 기존 제품의 경우에는 보행자의 체중을 고려한 발전 평가가 추가되었다. 표 2의 개발 제품에 대한 4Hz 가진력 평가 결과시 4Hz 1회 가진에 따른 충/방전시간은 6초로 측정되었다. 따라서 1초당 평균 전력 발생량이 5.

후속연구

후속 연구는 개발된 에너지 하비스팅 블록을 도시․주택 분야의 조명등, 미관용 에너지 징검다리 등으로 상용화하기 위해 경제성과 발전성능을 절충한 에너지 블록의 합리적 개선에 초점을 맞출 필요가 있다. 또한, 본 연구에서는 고려하지 않았지만, 에너지 하비스팅 기술을 대용량의 도시․주택 분야 시설물에 적용하기 위해서는 EMIC(Energy Management IC), PMIC(Power Management IC) 기술과 같은 시스템 기술과의 융합의 필요성도 제기된다. 마지막으로, 에너지 하비스팅 기술을 도시․주택 분야에 활발히 적용하기 위해서는 대용량의 안정적 전력이 아닌 중․소용량의 덜 안정적인 전력으로도 충분히 운용이 가능한 활용처를 발굴하는 노력이 필요할 것으로 사료된다.
5장에서는 개발된 에너지 블록과 기존 상용 제품과의 발전성능 비교 실험을 통해 개발된 에너지 블록의 우수성을 입증한다. 마지막으로 향후 에너지 하비스팅 블록 모듈의 개선 방향을 제시함으로써 에너지하비스팅 블록의 연구 개발 방향을 제시하고자 한다.
또한, 본 연구에서는 고려하지 않았지만, 에너지 하비스팅 기술을 대용량의 도시․주택 분야 시설물에 적용하기 위해서는 EMIC(Energy Management IC), PMIC(Power Management IC) 기술과 같은 시스템 기술과의 융합의 필요성도 제기된다. 마지막으로, 에너지 하비스팅 기술을 도시․주택 분야에 활발히 적용하기 위해서는 대용량의 안정적 전력이 아닌 중․소용량의 덜 안정적인 전력으로도 충분히 운용이 가능한 활용처를 발굴하는 노력이 필요할 것으로 사료된다.
후속 연구는 개발된 에너지 하비스팅 블록을 도시․주택 분야의 조명등, 미관용 에너지 징검다리 등으로 상용화하기 위해 경제성과 발전성능을 절충한 에너지 블록의 합리적 개선에 초점을 맞출 필요가 있다. 또한, 본 연구에서는 고려하지 않았지만, 에너지 하비스팅 기술을 대용량의 도시․주택 분야 시설물에 적용하기 위해서는 EMIC(Energy Management IC), PMIC(Power Management IC) 기술과 같은 시스템 기술과의 융합의 필요성도 제기된다.

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