[논문]입력파형에 따른 PZT 바이몰프 진동자의 출력특성

김용혁; 추순남

doi:10.5370/kieep.2013.62.1.001

입력파형에 따른 PZT 바이몰프 진동자의 출력특성
The output characteristics of the input waveform to the PZT bimorph vibrator 원문보기

전기학회논문지. The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers. P, v.62 no.1, 2013년, pp.1 - 5

김용혁 (가천대 공대 전기공학과) , 추순남 (가천대 공대 전기공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The aim of this study is to research maximum harvesting energy by the optimal input wave condition. The voltage characteristics of the PZT bimorph were investigated in terms of the sine wave, triangle wave and square wave according to frequency range 0~70Hz. It was found that the square wave compared with a triangular wave or square wave was showed the higher output energy. PZT bimorph was mechanically vibrated by solenoid coil experiments, which revealed two voltage peak mode according to frequency. Maximum voltage at second vibration frequency 28Hz demonstrated that the generated DC voltage was proportional to the tip displacement of the bimorph and the phase difference between the input frequency and bimorph vibration frequency was 90 degree. It was expected that optimized design to harvest a much higher energy level from lower frequency vibrations.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 PZT 바이몰프의 진동특성에 맞는 입력조건과 진동특성을 조사하여 출력 에너지를 보다 효율적으로 수확할 수 있는 방안을 도출하였다. 이를 위하여 정현파, 삼각파, 구형파를 외부입력으로 사용하여 각 파형에 따른 PZT 바이몰프의 기본진동 특성과 주파수 변화에 따른 출력특성을 분석하였으며, 그 결과를 바탕으로 최대출력에 미치는 입력파형과 진동조건을 제시하였다.
그림 3^~5에서와 같이, 본 실험에서 설정한 1~70Hz의 진동주파수 영역 내에서 최대 AC전압, 최대 DC전압, 최대 출력에너지를 갖는 진동주파수가 28Hz임을 확인하였다. 따라서 최대출력 주파수 28Hz와 PZT 바이몰프의 진동패턴과의 연관성을 조사하기 위하여 PZT 바이몰프 자체의 공진주파수 그리고 입력파형과 진동파형의 위상관계를 측정하였다.
본 연구에서는 PZT 바이몰프에 인가되는 구동전원의 파형(정현파, 삼각파, 구형파)이 PZT 바이몰프 출력특성에 미치는 영향에 대해 조사하였다. 주파수특성 면에서, AC전압, DC전압, 출력에너지 모두 일치된 변화특성을 나타내었다.

제안 방법

진동구동장치는 마그네트와 코일을 결합시킨 솔레노이드를 Digital Swwep Function Generater(Topward 8150)로 구동하는 방식으로 구성하였으며, 바이몰프 소자의 변위측정은 고주파발진방식의 근접센서(PS-3015N)를 사용하였다. AC출력파형과 AC전압(실효치)은 Digital Storage Oscilloscope (Agilent, DSO 3062A)를 사용하여 관찰하였으며 DC출력전압은 브리지 정류회로를 통하여 47uF커패시터에 저장되는 전압을 True RMS Multimeter(Fluke 111)로 측정하였다.
따라서 본 연구에서는 PZT 바이몰프의 진동특성에 맞는 입력조건과 진동특성을 조사하여 출력 에너지를 보다 효율적으로 수확할 수 있는 방안을 도출하였다. 이를 위하여 정현파, 삼각파, 구형파를 외부입력으로 사용하여 각 파형에 따른 PZT 바이몰프의 기본진동 특성과 주파수 변화에 따른 출력특성을 분석하였으며, 그 결과를 바탕으로 최대출력에 미치는 입력파형과 진동조건을 제시하였다.
그림 1에 본 실험을 위해 사용된 실험장치의 구성도를 나타내었다. 진동구동장치는 마그네트와 코일을 결합시킨 솔레노이드를 Digital Swwep Function Generater(Topward 8150)로 구동하는 방식으로 구성하였으며, 바이몰프 소자의 변위측정은 고주파발진방식의 근접센서(PS-3015N)를 사용하였다. AC출력파형과 AC전압(실효치)은 Digital Storage Oscilloscope (Agilent, DSO 3062A)를 사용하여 관찰하였으며 DC출력전압은 브리지 정류회로를 통하여 47uF커패시터에 저장되는 전압을 True RMS Multimeter(Fluke 111)로 측정하였다.

대상 데이터

본 실험에서 사용된 PZT 압전소자는 캐틸레버형 바이몰프소자(Piezo system, inc. EH220-A4- 503YB)로서 가동부 크기는 50mm(L) × 31.3mm(W) × 1.5mm(t)이다.

성능/효과

출력에너지 면에서, 구형파의 경우 정현파와 삼각파에 비해서 2^~3배 정도의 높게 나타났으며 정현파는 삼각파에 비해서 약 2배 정도로 높게 나타났다. 0^~70Hz 입력주파수 영역에서 16Hz와 28Hz에서 피크출력이 관찰되었으며 최대출력은 28Hz에서 나타났다. 최대출력 주파수 28Hz에서 입력파형 주파수와 PZT 바이몰프의 진동주파수의 위상차가 90°가 된다는 사실과 진동변위가 최대로 된다는 사실을 확인하였다.
구형파 입력의 경우, (-)에서 (+)로 입력파형의 극성이 바뀌는 순간에는 급격하게 (+)진동을 하다가 일정 입력구간에서는 지수함수적으로 감소하는 특성을 나타내었으며, 다시 (+)에서 (-)로 입력파형의 극성이 바뀌는 순간 큰 폭으로 (-)진동을 하다가 (-)주기 동안에는 정현적 감쇄진동을 하는 것으로 나타났다. AC출력전압에 크기에 있어서 구형파의 경우가 정현파나 삼각파 입력파형에 비해서 전압이 크게 증가되는 특성으로 나타났다. 이 결과로써, PZT 바이몰프는 입력파형에 따라서 서로 다른 진동패턴을 갖고 되며, 그로 인해서 생성되는 출력전압 또한 진동패턴을 따르기 때문에 구형파가 정현파나 삼각파 입력과는 전혀 다른 패턴으로 진동한다는 사실을 알 수 있다.
삼각파 입력의 경우, (+)반주기 동안에 입력파형과 같은 삼각파형의 진동양상을 나타내었고 (-)반주기에는 정현파 입력과 마찬가지로 정현적 감쇄진동을 하는 것으로 나타났다. 구형파 입력의 경우, (-)에서 (+)로 입력파형의 극성이 바뀌는 순간에는 급격하게 (+)진동을 하다가 일정 입력구간에서는 지수함수적으로 감소하는 특성을 나타내었으며, 다시 (+)에서 (-)로 입력파형의 극성이 바뀌는 순간 큰 폭으로 (-)진동을 하다가 (-)주기 동안에는 정현적 감쇄진동을 하는 것으로 나타났다. AC출력전압에 크기에 있어서 구형파의 경우가 정현파나 삼각파 입력파형에 비해서 전압이 크게 증가되는 특성으로 나타났다.
에너지 수확이란 관점에서, 최대 출력조건은 PZT 바이몰프를 실용화에 있어서 매우 중요하다고 할 수 있다. 그림 3^~5에서와 같이, 본 실험에서 설정한 1~70Hz의 진동주파수 영역 내에서 최대 AC전압, 최대 DC전압, 최대 출력에너지를 갖는 진동주파수가 28Hz임을 확인하였다. 따라서 최대출력 주파수 28Hz와 PZT 바이몰프의 진동패턴과의 연관성을 조사하기 위하여 PZT 바이몰프 자체의 공진주파수 그리고 입력파형과 진동파형의 위상관계를 측정하였다.
최대출력 주파수 28Hz에서 입력파형 주파수와 PZT 바이몰프의 진동주파수의 위상차가 90°가 된다는 사실과 진동변위가 최대로 된다는 사실을 확인하였다. 따라서 PZT 바이몰프로부터 최대 에너지를 얻기 위해서는 구형파를 입력파형으로 사용하는 것이 유리하며 또한 입력주파수와 PZT 바이몰프 진동주파수의 위상차를 90°로 유지시켜 구동시키는 것이 바람직할 것으로 판단된다.
06kHz인 것으로 측정되었으며 입력주파수 1^~70Hz 범위에서 PZT 바이몰프 자체의 공진특성은 나타나지 않았다. 따라서 주파수 28Hz는 바이몰프의 공진주파수와 연관성이 없음을 확인하였다.
실험결과 본 실험에 사용된 PZT 바이몰프의 두께방향 최초 공진주파수는 2.06kHz인 것으로 측정되었으며 입력주파수 1^~70Hz 범위에서 PZT 바이몰프 자체의 공진특성은 나타나지 않았다. 따라서 주파수 28Hz는 바이몰프의 공진주파수와 연관성이 없음을 확인하였다.
AC출력전압에 크기에 있어서 구형파의 경우가 정현파나 삼각파 입력파형에 비해서 전압이 크게 증가되는 특성으로 나타났다. 이 결과로써, PZT 바이몰프는 입력파형에 따라서 서로 다른 진동패턴을 갖고 되며, 그로 인해서 생성되는 출력전압 또한 진동패턴을 따르기 때문에 구형파가 정현파나 삼각파 입력과는 전혀 다른 패턴으로 진동한다는 사실을 알 수 있다.
입력주파수 증가에 따라서 위상차가 증가되는 경향을 보였으며 28Hz에서 두 주파수 간의 위상차가 90°가 되는 것으로 나타났다.
본 연구에서는 PZT 바이몰프에 인가되는 구동전원의 파형(정현파, 삼각파, 구형파)이 PZT 바이몰프 출력특성에 미치는 영향에 대해 조사하였다. 주파수특성 면에서, AC전압, DC전압, 출력에너지 모두 일치된 변화특성을 나타내었다. 출력에너지 면에서, 구형파의 경우 정현파와 삼각파에 비해서 2^~3배 정도의 높게 나타났으며 정현파는 삼각파에 비해서 약 2배 정도로 높게 나타났다.
0^~70Hz 입력주파수 영역에서 16Hz와 28Hz에서 피크출력이 관찰되었으며 최대출력은 28Hz에서 나타났다. 최대출력 주파수 28Hz에서 입력파형 주파수와 PZT 바이몰프의 진동주파수의 위상차가 90°가 된다는 사실과 진동변위가 최대로 된다는 사실을 확인하였다. 따라서 PZT 바이몰프로부터 최대 에너지를 얻기 위해서는 구형파를 입력파형으로 사용하는 것이 유리하며 또한 입력주파수와 PZT 바이몰프 진동주파수의 위상차를 90°로 유지시켜 구동시키는 것이 바람직할 것으로 판단된다.
주파수특성 면에서, AC전압, DC전압, 출력에너지 모두 일치된 변화특성을 나타내었다. 출력에너지 면에서, 구형파의 경우 정현파와 삼각파에 비해서 2^~3배 정도의 높게 나타났으며 정현파는 삼각파에 비해서 약 2배 정도로 높게 나타났다. 0^~70Hz 입력주파수 영역에서 16Hz와 28Hz에서 피크출력이 관찰되었으며 최대출력은 28Hz에서 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	PZT 압전체가 에너지 변환소자로써 폭 넓게 응용되고 있는 이유는 무엇인가?	PZT 압전체는 전기적 에너지를 기계적 에너지로 변환하거나 기계적 에너지를 전기적 에너지로 상호변환이 가능하기 때문에 센서나 액튜에이터 등과 같은 에너지 변환소자로써 폭 넓게 응용되고 있다. 또한 유전성과 압전성이 우수하고 전력밀도가 매우 크기 때문에 진동에너지를 전기에너지로 쉽게 변환시킬 수 있는 특성을 갖고 있다[1].
	진동에너지를 전기에너지로 바꾸는 PZT 압전체를 이용하여 어떤 연구들이 수행되었는가?	이와 같은 특성을 이용하여 PZT 압전체로부터 전력을 수집하거나 저장하려는 많은 연구들이 에너지 수확이라는 관점에서 수행되었다. 이러한 연구들은 대부분 생활환경이 제공하는 진동이나 압력, 즉 차량이 통과할 때 발생되는 교량 진동, 도시 소음과 같은 음향진동 또는 보행시 압력 등 다양한 진동원을 이용하여 에너지를 수확하는 것으로서, 대부분 캔틸레버 구조의 PZT 바이몰프 압전소자를 대상으로 이루어졌다.
	PZT 바이몰프에 적용 가능한 진동패턴으로 무엇이 있는가?	이들 연구들은 실험을 위하여 일정 주기의 정현파 진동을 일으키는 미니 쉐이커 바이브레이터를 이용하거나 주변의 자연발생적인 불규칙한 비정현파 진동을 여과 없이 사용하는 방식을 취해서 바이몰프의 발전특성, 진동에너지의 변환효율, 진동특성분석에 따른 전기적 등가회로의 설계 등 발전 시스템의 효율을 최적화하는 조건에 관한 연구들이다. 그러나 PZT 바이몰프에 적용 가능한 진동조건은 정현파나 비정현파 이외에도 정현적 요소가 아닌 펄스파형이나 스텝파형 등과 같은 다양한 진동패턴이 존재하고 있지만 이들 진동조건들에 대한 연구보고는 매우 미비한 실정이다. 그러므로 다양한 외부 진동조건에 따른 출력특성의 조사를 통해서 PZT 바이몰프의 잠재적 에너지수확 능률을 확대시키는 것은 바이몰프의 효율적 사용이란 측면에서 매우 중요하다고 하겠다.

참고문헌 (7)

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상세보기
Sodano H A, Park G and Inman D J., "Estimation of electric charge output for piezoelectric energy harvesting." Strain, vol. 40, pp. 49-58 , 2004.

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Sodano H A, Inman D J and Park G., "A review of power harvesting from vibration using piezoelectric materials." Shock Vib. Dig., vol. 36, pp. 197-205, 2004.

상세보기
J. Ajitsaria, S Y Choe, D Shen and J Kim,"Moeling an analysis of bimorph piezoelectric cantilever beam for voltage generation, Smart Mater. Struct. Vol. 16, pp. 447-454, 2007

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Gonzalez J. L, Rubio A and Moll F, "2001 Human powered piezoelectric batteries to supply power to wearable electronic devices", Int. J, Soc. Mater. Eng. Resources", Vol. 10, pp. 34-40, 2001
Glynne-Jones P, Tudor M J, Beeby S P and White N M., "An electromagnetic, vibration - powered generator for intelligent sensor systems., Sensors Actuators, A vol. 110, pp. 344-349, 2004

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Saha C R, O''Donnell T, Loder H, Beeby S and Tudor J., "Optimization of an electro magnetic energy harvesting device, IEEE Trans. Mag., vol. 42, pp. 3509-3511, 2006.

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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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