[논문]자기-전기 복합체를 이용한 에너지 하베스터 기술

류정호; 최시영; 김종우; 김기훈; 정대용

자기-전기 복합체를 이용한 에너지 하베스터 기술 원문보기

세라미스트 = Ceramist, v.18 no.4, 2015년, pp.38 - 47

류정호 (재료연구소) , 최시영 (재료연구소) , 김종우 (재료연구소) , 김기훈 (서울대학교) , 정대용 (인하대학교)

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문제 정의

본고에서는 압전소재와 자왜소재의 결합효과를 이용한 자기-전기 복합체 (ME 복합체)의 기본적 동작 원리,학술 및 특허기술 연구 동향, 에너지 하베스터로서의 응용 연구 동향, 압전 단결정 소재를 이용한 고출력의 ME 복합체 에너지 하베스터기술에 대해서 살펴보았다. 기존의 전자기 방식의 자기장 에너지 하베스팅 기술에 비하여 ME 복합체 에너지 하베스터는 저주파수의 미세한 자기장을 하베스팅 할 수 있을 뿐만 아니라 높은 전력 밀도를 가지는 것으로 보고되고 있다.
압전 소재와 자왜소재를 복합화한 자기-전기 복합체(Magnetoelectric Composite; ME)는 상기한 전자기 방식의 자기장 에너지의 단점 (저주파 미세자기장에서의 효율, 부하와의 간섭, 공간적인 부피)를 가지지 않으며,다른 에너지 하베스팅 기술에 비하여 높은 하베스팅 전력밀도를 가지는 장점을 가지고 있다. 본고에서는 자기전기 복합체 소재를 이용한 신개념의 미세 자기장 에너지 하베스팅 기술에 대하여 최근의 국내외 연구 동향과 발전 가능성에 대하여 소개하고자 한다.
^3,13) 개발된 SFC는 저주파수에 유리한 유연성을 가지며 단일 단결정 섬유에서 취성 파괴가 일어나더라도 전체적인 SFC의 특성에는 큰 영향이 가지지 않는 구조로 이루어져 있다. 이를 이용하여 Selfbias 특성에 유리한 Ni 자왜금속을 접착하여 ME 복합체를 제작하고 다양한 환경에서의 에너지 하베스팅 특성을 보고하였다.

가설 설정

전달된 응력은 정압전 효과에 의해서 전기적인 에너지로 변환되어 에너지 하베스팅이 가능해 지는 원리(Magneto-Mechano-Electric; MME)이다.^3,9) 실제적인응용을위해서는에너지하베스터의크기나무게는수mm~cm정도의크기를 가지는 센서나구동부 회로들과 적절히조합될 수 있어야 할 뿐만 아니라, ME 복합체의 최대 결합 효과가 나타나는 주파수 대역이 일반적으로 상존하는 60Hz 의저주파자기장주파수와일치해야만한다.

대상 데이터

7에 도시하였다. 이들의 ME 하베스터 구조는 압전 섬유형 세라믹을 이용한 ME 복합체를 구성하고 이를 캔틸레버 구조의 하베스터로 제작하였다. 50 mg (g = 9.

성능/효과

11은 제작된 ME 복합체 적용 에너지 하베스터의구조와 사진, 복합 에너지 하베스팅 평가 장치를 보여준다.¹³⁾ SFC에서 압전 단결정의 유효 면적은 약 28 x 14mm²이며 단일 압전 단결정의 섬유의 두께는 0.2 mm이다. DSP와 연동된 기계적 진동 인가장치, 자기장 인가 코일을 사용하여 자기장이 인가되었을 때, 기계적 진동이 인가되었을 때, 자기장+기계적 진동이 동시에 인가되었을 때의 에너지 하베스팅 특성을 평가할 수 있는 셋업이다.
한편Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃ (PMN-PT), Pb(Zn_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃ (PZN-PT)와 같은 압전 단결정은 Table 1에서와 같이 단결정을 가공하는 결정방향에 따라, 즉 동작하는 mode에 따라 그 특성에 큰 변화가 있다.¹⁵⁾ 이러한 압전 단결정의 결정 방향에 따른 특성변화는 ME 복합체에 적용시 ME 결합 특성을 크게 향상 시킬 수 있으며, 고출력의 에너지 하베스팅 소자를 구현할 수 있다. Fig.
3) 또한 에너지 하베스팅 기술의 최적 적용분야인 무선센서 네트워크 구동 가능성을 전력 관리회로 (LTC3588), 이차전지 충전, 무선센서 네트워크 구동용 마이크로 콘트롤러 (TI430), 내장 온도 센서, 양방향 무선 통신 모듈 (CC2500)로 구성하여 5초 간격으로 실시간 온도 정보를 측정하고 PC와 무선 통신으로 센서 정보를 주고 받을 수 있음을 보였다. 이는 지금까지 ME 복합체를 이용하여 10 Oe 이하의 미세 자기장을 무선센서 네트워크를 구동하는데 충분한 수준으로 에너지 하베스팅 할 수 있음을 보여준 최초의 연구결과이고 기술의 발전을 통하여 더욱 다양한 응용에 활용될 수 있을 것이다.
우리의 생활환경에서 60 Hz의 저주파수 미세자기장은 전력 인프라에 의해 항상 존재하는 활용가능 에너지 공급원이 될 수 있지만 일반적으로 알려진 자성 코어와 코일을 사용하는 전자기 방식의 에너지 하베스팅은 이러한 낮은 주파수의 미세자기장을 하베스팅 하기에는 변환 효율, 소자의 부피, 전력 선로와의 간섭 문제를 가지고 있다.³⁾ 엄밀히 말하여 전자기 방식의 에너지 하베스팅 기술은 버려지는 자기장을 활용하는 기술이 아니라, 선로의 전력을 차용하여 활용하는 전기부하에 해당한다고 볼 수 있다.
또한 Ni 금속 자왜재료의 특성에 의해 자기장이 없을 때 95% 이상의 최대출력이나오는 Self-bias ME 특성을가지고, 이에따라 별도의 직류 자기장 인가 코일이 없는 상태에서도 최적의 자기장 에너지 하베스팅 특성이 나옴을 보고하였다. 또한 자기장과 기계적 진동이 동시에 인가될 때 단일의 에너지원을 하베스팅 할 때보다 월등히 높은 59.78mW/Oe² g²cm³의 전력 밀도가 하베스팅 될 수 있었다. 이는 세라믹 소재 적용대비 100 배 이상의 높은 전력 밀도에 해당된다.
8 에 도시한 바와 같이 일반적인 ME 하베스터와 유사하게 캔틸레버형의 하베스터를 제작하였으나 자왜 소재로서 Ni 금속을 사용하였다. 이때 적용된 Ni 자왜 금속은 크게 두가지의 효과; 압전 소재에 자기장 변화를 진동에너지로 전달하는 효과, 낮는 자기장 이력 특성을 가지며, 자기장이 없는 상태에서도 자왜특성을 가지는 강자성 특성 효과를 가지며 이를 활용하면 직류 Bais 자기장이 없더라도 높은 ME 결합 특성을 가지는 것을 확인하였다. 이들의 ME에너지 하베스터는직류 Bias 자기장이 없는 상태에서 1 g의 기계적 진동으로 약 4.

후속연구

ME 복합체는 Fig. 3에 요약한 MCG, MAD, MRI, SMP 등에 사용되는 고감도 자기센서를 대체할 수 있을 것으로 기대된다.⁷⁾ 각각의 응용에 있어서 자기 감도는 1 pT~ 1 nT 수준의 매우 높은 감도가 필요한데 현재까지는 고가의 SQUID나 광학 방식의 자기 센서가 사용되고 있으며 필요에 따라 극저온의 냉각이 적용되는 경우도 있다.
기존의 전자기 방식의 자기장 에너지 하베스팅 기술에 비하여 ME 복합체 에너지 하베스터는 저주파수의 미세한 자기장을 하베스팅 할 수 있을 뿐만 아니라 높은 전력 밀도를 가지는 것으로 보고되고 있다. 또한 ME 복합체를 이용한 에너지 하베스터는 전자기 방식과 달리 자기장을 발생시키는 전력선로에 부하로서 작용을 최소화 할 수 있는 장점과 최근 보고되고 있는 Self-bias 특성, 압전 단결정을 이용한 고출력 ME 복합체 등의 기술을 활용하게 되면 고전압송배전로 및 다양한 고전력 시스템 감시용무선센서 네트워크를 구동할 수 있는 소형 에너지 하베스터를 실질적으로 구현할 수 있을 것으로 판단된다. 보다 효율을 높이기 위해서는 고효율 자왜재료 및 압전재료의 개발이 필요하며, 자왜재료와 압전재료를 효과적으로 coupling할 수 있는 기술이 필요하다.
또한 ME 복합체를 이용한 에너지 하베스터는 전자기 방식과 달리 자기장을 발생시키는 전력선로에 부하로서 작용을 최소화 할 수 있는 장점과 최근 보고되고 있는 Self-bias 특성, 압전 단결정을 이용한 고출력 ME 복합체 등의 기술을 활용하게 되면 고전압송배전로 및 다양한 고전력 시스템 감시용무선센서 네트워크를 구동할 수 있는 소형 에너지 하베스터를 실질적으로 구현할 수 있을 것으로 판단된다. 보다 효율을 높이기 위해서는 고효율 자왜재료 및 압전재료의 개발이 필요하며, 자왜재료와 압전재료를 효과적으로 coupling할 수 있는 기술이 필요하다. 현재, 기초적인 연구는 학계, 연구계를 중심으로 활발하게 진행되고 있으므로 산업계에서는 실제 적용할 수 있는 환경 발견과 구체적인 적용연구가 필요한 것으로 판단된다.
원리적으로 ME 복합체를 이용한 에너지 하베스터에서의 전기 생성은 압전현상을 기반으로 하고 있으며, 압전재료의 생성되는 전기에너지는 식 3에서와 같이 재료 특성인전기-기계결합계수(k, electro-mechanical coupling coefficient)에 의해 결정되기 때문에 전기-기계결합계수가 큰 재료 개발이 필요하다.
³⁾ 또한 에너지 하베스팅 기술의 최적 적용분야인 무선센서 네트워크 구동 가능성을 전력 관리회로 (LTC3588), 이차전지 충전, 무선센서 네트워크 구동용 마이크로 콘트롤러 (TI430), 내장 온도 센서, 양방향 무선 통신 모듈 (CC2500)로 구성하여 5초 간격으로 실시간 온도 정보를 측정하고 PC와 무선 통신으로 센서 정보를 주고 받을 수 있음을 보였다. 이는 지금까지 ME 복합체를 이용하여 10 Oe 이하의 미세 자기장을 무선센서 네트워크를 구동하는데 충분한 수준으로 에너지 하베스팅 할 수 있음을 보여준 최초의 연구결과이고 기술의 발전을 통하여 더욱 다양한 응용에 활용될 수 있을 것이다.
금속 자왜재료와 매우 높은 압전 특성을 가지는 PZT계 압전 세라믹스, 또는 압전 단결정을 층상 구조로 복합화하는 ME 복합체는 이전의 입자형 복합체에 비하여 이종 재료간의 강한 결합과 낮은 상호 확산 가능성, 고효율의 압전/자왜특성의 이용으로 인하여 수 V/cmOe 의 높은 ME 특성이 저주파에서 얻어질 수 있으며, 특히 전기/자기 기계적 공진에서는 수백 V/cmOe 의 매우 높은 ME 출력 계수가 얻어질 수 있는 것으로 보고되고 있다. 이러한 높은 ME 효과는 자기센서 뿐만 아니라 미세 자기장 에너지하베스터로의 응용 가능성을 더욱 높여준다.
보다 효율을 높이기 위해서는 고효율 자왜재료 및 압전재료의 개발이 필요하며, 자왜재료와 압전재료를 효과적으로 coupling할 수 있는 기술이 필요하다. 현재, 기초적인 연구는 학계, 연구계를 중심으로 활발하게 진행되고 있으므로 산업계에서는 실제 적용할 수 있는 환경 발견과 구체적인 적용연구가 필요한 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	에너지원 종류에 따라 어떤 소형 에너지 하베스팅 방법이 있는가?	소형 에너지 하베스팅 방법에는 에너지원 종류에 따라,태양광을 이용한 태양발전, 기계적인 에너지를 이용한 압전발전, 기계적인 운동과 전자기적현상을 이용한 발전 및 capacitive 발전, 폐열을 이용한 열전발전 등이 있으며, 각각의 방법은 장, 단점을 가지고 있으며 주어진 응용환경에 적합한 방법이 선택되어 적용될 수 있을 것이다. 예를 들면, 태양발전의 경우 생성되는 에너지양은 크지만 흐린날이나 실내에서는 사용할 수 없는 단점이 있다.
	자기-전기 복합체의 장점은 무엇인가?	압전 소재와 자왜소재를 복합화한 자기-전기 복합체(Magnetoelectric Composite; ME)는 상기한 전자기 방식의 자기장 에너지의 단점 (저주파 미세자기장에서의 효율, 부하와의 간섭, 공간적인 부피)를 가지지 않으며,다른 에너지 하베스팅 기술에 비하여 높은 하베스팅 전력밀도를 가지는 장점을 가지고 있다. 본고에서는 자기전기 복합체 소재를 이용한 신개념의 미세 자기장 에너지 하베스팅 기술에 대하여 최근의 국내외 연구 동향과 발전 가능성에 대하여 소개하고자 한다.
	ME 효과를 응용 가능할 것으로 기대되는 분야는 무엇인가?	3-17) ME 효과란 한 물질이 자기장과 전기장에 반응하는 특성을 동시에 가지고 있어 물질이 자기장에 노출되었을 때 전기적 전압이 발생하고, 반대로 물질이 전기장에 노출되었을 때 자기적 특성이 변화되는 현상을 의미한다. 주요 가능한 응용분야로 MAD (Magnetic Anomaly Detector),MRI (Magnetic Resonance Imaging), Scanning Magnetic Probes, MCF (Magnetocadiogram) 등에 사용되는 고감도의 자기센서 및 자기/기계적 진동을 이용하는 복합 에너지 하베스터 등의 소자로 응용이 기대되고 있다.7) 이러한 응용을 위하여 미국에서는 ONR (Office of Naval Research), NSF (National Science Foundation) ARL (Army Research Lab.

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R. C. Kambale, W.-H. Yoon, D.-S. Park, J.-J. Choi, C.-W. Ahn, J.-W. Kim, B.-D. Hahn, D.-Y. Jeong, B. C. Lee, G.-S. Chung, and J. Ryu, "Magnetoelectric Properties and Magnetomechanical Energy Harvesting from Stray Vibration and Electromagnetic wave by $Pb(Mg_{1/3}Nb_{2/3})O_{3}-Pb(Zr,Ti)O_{3}$ Single Cryst al/Ni Cantilever," J. Appl. Phys., 113 204108 (2013).

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D. Patil, R. C. Kambale, Y. S. Chai, W.-H. Yoon, D.-Y. Jeong, D.-S. Park, J.-W. Kim, J.-J. Choi, C.-W. Ahn, B.-D. Hahn, S. Zhang, K. H. Kim, and J. Ryu, "Multiple Broadband Magnetoelectric Response in Thickness-Controlled Ni/[011] $Pb(Mg_{1/3}Nb_{2/3})O_{3}-Pb(Zr,Ti)O_{3}$ Single Crystal/Ni Laminates," Appl. Phys. Lett., 103 052907 (2013).

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D. Patil, Y. S. Chai, R. C. Kambale, B.-G. Jeon, K. Yoo, J. Ryu, W.-H. Yoon, D.-S. Park, D.-Y. Jeong, S.-G. Lee, J. Lee, J.-H. Nam, J.-H. Cho, B.-I. Kim, and K. H. Kim, "Enhancement of Resonant and Non-Resonant Magnetoelectric Coupling in Multiferroic Laminates with Anisotropic Piezoelectric Properties," Appl. Phys. Lett., 102 062909 (2013).

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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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