[논문]압전 진동 에너지 하베스팅

손정우; 김기우; 이영준; 홍광욱; 김주형

[국내논문] 압전 진동 에너지 하베스팅 원문보기

소음진동 = Journal of KSNVE, v.26 no.1, 2016년, pp.4 - 11

손정우 (금오공과대학교 기계설계공학과) , 김기우 (인하대학교 기계공학과) , 이영준 (인하대학교 기계공학과) , 홍광욱 (인하대학교 기계공학과) , 김주형 (인하대학교 기계공학과)

초록이 없습니다.

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

특히 압전 에너지 하베스팅은 다른 기술에 비해 높은 전력 밀도와 넓은 응용분야라는 장점을 가지고 있다. 따라서 이 글에서는 압전 하베스팅 기술에 대해 소개하고자 한다.

제안 방법

Eturk과 Delporte는 수중 추진과 에너지 하베스팅이 가능한“piezohydroelasticity”개념의 구조물을 제작하고 추진 성능과 에너지 하베스팅 성능을 실험을 통하여 검증하였다(6).
AFC에 사용된 원형 단면 압전 세라믹 파이버 제작비용이 고가인 반면, MFC에 사용된 사각 단면 압전 세라믹 파이버는 기존과 동일한 압전 세라믹을 잘라서 제작할 수 있어 상용화가 가능하게 되었다. MFC의 경우 유연성이 크게 확대되었을 뿐만 아니라, 세라믹 파이버의 길이 방향으로 폴링(poling)을 하고, 맞물림 전극(inter-digitated electrode, IDE)을 적용하여 면내 방향에서 d33 압전 효과를 갖도록 하여, 향상된 작동 성능을 가질 수 있도록 하였다. d33 압전 효과는 일반적인 패치 형태의 압전 세라믹에서 사용하는 d31보다 2배 정도 큰 값을 가진다.
Eturk과 Delporte는 수중 추진과 에너지 하베스팅이 가능한“piezohydroelasticity”개념의 구조물을 제작하고 추진 성능과 에너지 하베스팅 성능을 실험을 통하여 검증하였다⁽⁶⁾. 그림 3과 같이 MFC를 이용하여 에너지 하베스팅 장치를 구성하였고, 에너지 하베스팅 성능은 공기중과 수중에서 각각 실험을 수행하였으며, 발생된 에너지를 이용하여 추진할 수 있는 수중 로봇 개념에 대한 가능성을 검토하였다. 56 Hz의 0.

성능/효과

400 lb의 부하가 초당 5 cycle로 인가될 경우, 최대 390 μW의 에너지를 발생시켜 무선 센서 시스템의 동력원으로 사용될 수 있음을 확인하였다.
출력 밀도 1.1 mW/m2 , 속도 0.5 m/s의 물의 속도에서 지름 30 mm의 실린더로 소용돌이를 발생시킬 경우 최대 1.32 μW의 에너지를 발생시킬 수있는 것을 확인하였다.
그림 3과 같이 MFC를 이용하여 에너지 하베스팅 장치를 구성하였고, 에너지 하베스팅 성능은 공기중과 수중에서 각각 실험을 수행하였으며, 발생된 에너지를 이용하여 추진할 수 있는 수중 로봇 개념에 대한 가능성을 검토하였다. 56 Hz의 0.5 g 가속도를 갖는 진동에 대해서 약 20시간의 충전을 통해 2.5 mAh의 전력을 충전할 수 있을 것으로 예측되었다.
. 소용돌이 환경에서의 압전 재료에 의한 에너지 하베스팅 장치에 대한 수학적 모델을 구축하고 에너지 발생 성능을 예측하였으며, 유속 등에 따른 에너지 하베스팅 장치의 성능에 대한 이론적 해석 결과와 실험 결과를 비교하여 잘 일치함을 확인하였다. 수중 에너지 하베스팅 실험 장치를 그림 4에 나타내었다.

후속연구

MFC로 대표되는 압전 복합재를 이용한 진동 에너지하베스팅 시스템에 대한 연구는 현재도 다양하게 진행되고 있으며 MFC가 맞물림 전극을 적용 함에 따른 임피던스 증가의 영향으로 기존 세라믹 기반 압전 재료에 비해 에너지 발생량이 작다는 연구 결과도 보고되었다. 그러나, MFC는 매우 큰 유연성을 가지고 있어 다양한 형태의 구조물에 적용될 수 있고, 우수한 내구성과 외부 환경에 대해 패키징 되어 있는 특성을 바탕으로 수중 환경 등 특수한 환경에도 적용될 수 있는 장점이 있으므로, MFC를 이용한 진동 에너지 하베스팅 시스템에 대한 다양한 분야에서의 활용이 기대된다.
압전 재료의 내구성을 감안하여 그림 6과 같이 외팔보(cantilever beam) 표면에 부착한후 자석을 이용한 방식과 마찬가지로 반복적으로 발생되는 가속력에 의해 가진되어 발생되는 진동의 기계 에너지를 전기 에너지로 변환하는 방식으로도 많은 연구가 진행되고 있다. 향후 타이어에 각종 센서를 내장하여 유용한 제어 정보를 직접 실시간으로 측정하는 지능형 타이어의 적용이 지속적으로 확대 될 것으로 예상되며 대중화를 위한 가장 큰 기술적 이슈는 배터리에 의존하지 않는 자체 에너지 하베스팅에 의한 전원공급일 것으로 판단된다.
나노/마이크로 기술분야가 의료분야에서 각광을 받으면서 압전 에너지 하베스팅은 인체 삽입형 디바이스부분에서 주목받는 기술이다. 인체 내에서 감지, 치료 등 다양한 활동을 하는 나노 센서 및 디바이스들이 의료용으로 개발되면서 배터리 문제가 화두로 떠오르고 있는데 여기에 압전 에너지 하베스팅을 결합한다면 에너지 문제가 해결되어 반영구적으로 사용 가능할 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	대표적인 압전 재료인 세라믹 PZT의 단점은?	대표적인 압전 재료인 세라믹 PZT는 압전 성능도 우수하고, 낮은 가격에 제작할 수 있으며, 원하는 크기와 형태로 제작이 가능하여 다양하게 활용되고 있지만 유연 구조물 제어 및 진동에너지 하베스팅등에 적용할 경우 취성이 커서 작동 중 깨지거나 부러지는 경우가 발생할 수 있 으며, 곡면 형상의 구조물에는 적용이 제한되는 단점이 있다. 이에 유연성을 가지면서도 우수한 성능을 가지는 압전 재료에 대한 연구가 진행되 었고, 압전 세라믹 파이버를 기반으로 한 복합재 형태의 압전 재료가 개발되었다.
	각종 센서를 내장해 유용한 제어 정보를 실시간으로 측정하는 지능형(smart/intelligent) 타이어를 차량에 적용하면 어떤 이점이 있는가?	최근 자동차 타이어에 각종 센서를 내장하여 타이어 변형과 같은 유용한 제어 정보를 직접 실시간으로 측정하는 지능형(smart/intelligent) 타이어를 개발하기 위한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 이러한 기술이 차량에 적용되면 타이어에 작용하는 수직력(normal force)을 샤시통합제어시스템에 적용하여 차량 운전성 및 안정성을 획기적으로 개선할 수 있다. 또한 횡슬립각(sideslip or slip angle), 노면 마찰계수 및 마찰력 정보의 실시간 측정이 가능해져 보다 우수한 제어 성능을 기대 할 수 있으며 타이어에 작용하는 수직력 이외에도 타이어 내부 압력, 온도, 마모 상태 등 다양한 타이어 정보에 대한 실시간 측정도 가능해 지면 차량의 안전에 크게 영향을 미치는 타이어의 상태를 사전에 모니터링 하여 안전성을 확보할 수 있다. 이때, 전원 공급이 필요 없는 무전지형(passive type) SAW 센서를 제외하고 압력 센서와 같은 Active 센서를 사용하는 대부분의 타이어 센서와 무선 송수신 장치는 안정적인 전원 공급이 반드시 필요하다.
	압전 에너지 하베스팅이란?	압전 에너지 하베스팅(piezoelectric energy harvesting, PEH)은 일상에서 사용되고 버려지는 진동, 압력 등의 에너지를 다시 전기에너지로 변환하는 친환경 기술로 현재 차세대 에너지원으로 주목받고 있는 기술이다. 압전 에너지 하베스팅은 압전효과를 가지는 소자를 이용하여 기계적 에너지 및 변화를 통해 전위차를 만들고 이로 인해 쌍극자와 보상 전하가 형성되어 전자의 이동 즉, 전류의 흐름을 발생시키는 현상을 기본으로 한다. 압전효과는 부도체인 재료에 외부로 부터 기계적 변형(수축 또는 인장) 등을 가하여 재료에 변형이 발생하면 재료 내부에 전기적 성질을 갖는 이온의 상대적 위치 변화 및 배열화로 인해 재료의 분극의 크기가 변화하게 된다.

참고문헌 (11)

김재환 외, 2013, 기획특집: 에너지 하베스팅; 압전 에너지 하베스팅 기술개발 동향, 공업화학전망, Vol. 16, No. 4, pp. 27-34.
Park, K.-I. et al., 2010, Piezoelectric BaTiO3 Thin Film Nanogenerator on Plastic Substrates, Nano Letters, Vol. 10, No. 12, pp. 4939-4943.

상세보기
Park, K.-I. et al., 2014, Highly-efficient, Flexible Piezoelectric PZT Thin Film Nanogenerator on Plastic Substrates, Advanced Materials, Vol. 26, No. 16, pp. 2514-2520.

상세보기
Hwang, G.-T. et al., 2014, Self-powered Cardiac Pacemaker Enabled by Flexible Single Crystalline PMN-PT Piezoelectric Energy Harvester, Advanced Materials, Vol, 26 No. 28, pp. 4880-4887.

상세보기
Arms, S. W. et al., 2007, Tracking Pitch Link Dynamics Loads with Energy Harvesting Wireless Sensors, Proceeding of American Helicopter Society 63rd Annual Forum in 2007.
Erturk, A. et al., 2011, Underwater Thrust and Power Generation Using Flexible Piezoelectric Composites: an Experimental Investigation toward Self-powered Swimmer-sensor Platforms, Smart Materials and Structures, Vol. 20, No. 12, pp. 125013.

상세보기
Shan, X. et al., 2015, Novel Energy Harvesting: A Macro Fiber Composite Piezoelectric Energy Harvester in the Water Vortex, Vol. 41, Supply. 1, pp. 5763-5767.
Kubba, A. E. et al., 2014, A Comprehensive Study on Technologies of Tyre Monitoring Systems and Possible Energy Solutions, Sensors, Vol. 14, No. 6, pp. 10306-10345.

상세보기
Singh, K. B. et al., 2012, Piezoelectric Vibration Energy Harvesting System with an Adaptive frequency Tuning Mechanism for intelligent Tires, Mechatronics, Vol. 22, pp. 970-988.

상세보기
Kim, G.-W., 2015, Piezoelectric Energy Harvesting from Torsional Vibration in Internal Combustion Engines, International Journal of Automotive Technology, Vol. 16, No. 4, pp. 645-661.

상세보기
최창택 외, 2015, 2015년 KISTEP 10대 미래유망기술 선정에 관한 연구, KISTEP.

저자의 다른 논문 :

활용도 분석정보

상세보기

다운로드

내보내기

활용도 Top5 논문

해당 논문의 주제분야에서 활용도가 높은 상위 5개 콘텐츠를 보여줍니다.
더보기 버튼을 클릭하시면 더 많은 관련자료를 살펴볼 수 있습니다.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증