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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)

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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.
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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.
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참고문헌 (11)

  1. 김재환 외, 2013, 기획특집: 에너지 하베스팅; 압전 에너지 하베스팅 기술개발 동향, 공업화학전망, Vol. 16, No. 4, pp. 27-34. 

  2. Park, K.-I. et al., 2010, Piezoelectric BaTiO3 Thin Film Nanogenerator on Plastic Substrates, Nano Letters, Vol. 10, No. 12, pp. 4939-4943. 

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  3. 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. 

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  4. 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. 

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  5. 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. 

  6. 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. 

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  7. 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. 

  8. 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. 

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  9. 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. 

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  10. 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. 

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

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