[논문]심벌형 압전 에너지 하베스터 에너지 수율 향상 연구

나영민; 박종규

doi:10.14775/ksmpe.2016.16.1.070

심벌형 압전 에너지 하베스터 에너지 수율 향상 연구
Research on the Efficiency Improvement of the Cymbal-type Piezoelectric Energy Harvester 원문보기

한국기계가공학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, v.16 no.1, 2017년, pp.70 - 76

Abstract ▼ AI-Helper

The pollution problem of fossil energy sources has caused the development of green energy harvesting systems. Piezoelectric energy harvesting technology has been developed under those external environmental factors. A piezoelectric energy harvester can be defined as a device which transforms mechanical vibration or impact energy into electrical energy. Most researches have focused on bender structures. However, these have a limitation on energy efficiency because of the small effective electromechanical coupling factor, around 10%. Therefore, we should look for a new design for energy harvesting. A cymbal energy harvester can be a good candidate for the high-power energy harvester because it uses a high amplification mechanism using endcaps while keeping a higher electromechanical coupling factor. In this research, we focused on energy efficiency improvements of the cymbal energy harvester by changing the polarization direction, because the electromechanical coupling factor of the k33 mode and the k15 mode is larger than that of the k31 mode. Theoretically, we checked the cymbal harvester with radial polarization and it could obtain 6 times larger energy than that with the k31 direction polarization. Furthermore, we verified the theoretical expectation using the finite element method program. Consequently, we could expect a more efficient cymbal harvester with the radial polarization by comparing two polarization directions.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

먼저 31 방향은 Z축 방향분극(3방향)에 X축 방향 변위(1방향), 33 방향은 Z축 방향 분극(3방향)에 Z축 변위(3방향)을 뜻하며 15 방향은 X축 방향 분극에(1방향) Y축 회전 방향 변위(5방향)를 나타낸다^[12]. 본 논문에서는 심벌형에너지 하베스터의 분극 방향을 31과 33방향으로 달리하여 변형에 의해 생산되는 에너지를 비교하고자 한다.
본 연구에서는 심벌형 압전 에너지 하베스터의 분극 방향에 따른 에너지 수확 효율 향상 연구를 실시하였다. 이에 분극방향의 분석을 실시하고 그 방향을 31 방향이 아닌 반경방향으로 전환하여 에너지 수확량을 향상시키고자 하였다.
본 연구에서는 심벌형 하베스터 구조의 개선에 대한 비교 분석을 위해, 분극 방향이 31 및 반경 방향의 모델링에 관한 해석을 동시에 진행하였다. 해석에는 다물리 해석 상용 프로그램인 COMSOL Multiphysics를 이용하였으며 해석에 사용된 기본형상 모델링은 Fig.
이러한 문제는 일반적으로 재료의 분극변화를 통해 전압을 높게 하여 에너지 수확량을 극대화하거나 재료의 전극 면적을 넓게 하여 전류량을 증가 시켜서 전력량을 극대화하는 방안이 있다. 본 연구에서는 첫번째 방안인 분극의 방향 변화를 통해 전압의 크기를 향상시키고 재료의 전기기계 결합 효율이 높은 33 분극방향을 이용함으로써 전체 전력량을 향상시키고자 한다.^[5]
본 연구에서는 심벌형 압전 에너지 하베스터의 분극 방향에 따른 에너지 수확 효율 향상 연구를 실시하였다. 이에 분극방향의 분석을 실시하고 그 방향을 31 방향이 아닌 반경방향으로 전환하여 에너지 수확량을 향상시키고자 하였다. 그리고 이론 분석을 토대로 해석을 실시하였으며 임피던스 매칭에 의해 31 및 반경 방향에 따른 생산 전력을 최대화 하였다.

가설 설정

심벌형 하베스터는 디스크형 압전 소자에 의해 에너지 변환 효율을 계산할 수 있으며, 여기서 압전 소자는 저주파수의 운동에서 하나의 커패시턴스로 가정할 수 있다. 본 하베스터는 100 Hz의 주파수로 동작하는 엔진을 기준으로 설계하였으므로 저주파수로 가정하고 생산 전력 P는 다음과 같이 계산할 수 있다.

제안 방법

경계조건으로는 엔진이 지지부에 가하는 힘과 주파수를 기준으로 각각 70 N, 100 Hz로 설정하였으며 31, 반경 방향의 메시는 Mapped mesh를 사용하여 약 77,000 개로 작성하였다. 그리고 메시를 재작성하는 Adaptive mesh refinement 기능을 통해 해석값의 정확도를 높이고자 하였으며, 해석 시간은 0에서 0.
경계조건으로는 엔진이 지지부에 가하는 힘과 주파수를 기준으로 각각 70 N, 100 Hz로 설정하였으며 31, 반경 방향의 메시는 Mapped mesh를 사용하여 약 77,000 개로 작성하였다. 그리고 메시를 재작성하는 Adaptive mesh refinement 기능을 통해 해석값의 정확도를 높이고자 하였으며, 해석 시간은 0에서 0.04 초 동안 0.002 초 간격으로 진행하였다. 또한 임피던스 매칭을 위해 Closed circuit을 설정하여 31 방향에서는 100 ~ 1000 kΩ, 반경 방향에서는 10 ~ 100 MΩ까지 저항 값을 Parametric sweep하며 전력 값을 확인하였다.
이에 분극방향의 분석을 실시하고 그 방향을 31 방향이 아닌 반경방향으로 전환하여 에너지 수확량을 향상시키고자 하였다. 그리고 이론 분석을 토대로 해석을 실시하였으며 임피던스 매칭에 의해 31 및 반경 방향에 따른 생산 전력을 최대화 하였다. 해석결과, 분극 방향이 31일 때 Open circuit에서 0.
또한 임피던스 매칭을 위해 Closed circuit을 설정하여 31 방향에서는 100 ~ 1000 kΩ, 반경 방향에서는 10 ~ 100 MΩ까지 저항 값을 Parametric sweep하며 전력 값을 확인하였다.
본 연구 과정에서는 다물리 해석 프로그램인 COMSOL을 활용하여 31 및 반경 방향으로의 시뮬레이션을 진행하였다. 이를 통해 최적의 분극 방향을 확인하여 향상된 변환효율을 가진 심벌형 압전에너지 하베스터를 도출하였다.
. 본 연구에서는 Fig. 6과 같이 압전 상수를 극대화하기 위해 기존의 31방향의 분극(Polarization)이 아닌 반경 방향으로 변화시켰다. 이에 압전 소자의 전극면적을 넓혀 에너지 수확 효율을 높일 수 있다.
본 연구 과정에서는 다물리 해석 프로그램인 COMSOL을 활용하여 31 및 반경 방향으로의 시뮬레이션을 진행하였다. 이를 통해 최적의 분극 방향을 확인하여 향상된 변환효율을 가진 심벌형 압전에너지 하베스터를 도출하였다.

대상 데이터

압전소자의 경우 단순 비교를 위해 소재는 PZT-4(Lead Zirconate Titanate–4), 분극방향은 Fig. 8, 9와 같이 31 및 반경 방향으로 나누어 설정하였으며 물성치는 Table 2, 3과 같다.
전체 길이는 29 mm이며 가운데 홀 및 상부 캡 원의 지름은 각각 17, 5 mm 로 설정하였다. 재질이 구조강(Structural steel)인 캡의 두께 및 높이는 각각 0.4, 1 mm로 설정하였고 압전의 두께는 1 mm이다. 압전소자의 경우 단순 비교를 위해 소재는 PZT-4(Lead Zirconate Titanate–4), 분극방향은 Fig.
7과 같다. 전체 길이는 29 mm이며 가운데 홀 및 상부 캡 원의 지름은 각각 17, 5 mm 로 설정하였다. 재질이 구조강(Structural steel)인 캡의 두께 및 높이는 각각 0.

데이터처리

본 연구에서는 심벌형 하베스터 구조의 개선에 대한 비교 분석을 위해, 분극 방향이 31 및 반경 방향의 모델링에 관한 해석을 동시에 진행하였다. 해석에는 다물리 해석 상용 프로그램인 COMSOL Multiphysics를 이용하였으며 해석에 사용된 기본형상 모델링은 Fig. 7과 같다. 전체 길이는 29 mm이며 가운데 홀 및 상부 캡 원의 지름은 각각 17, 5 mm 로 설정하였다.

성능/효과

3 mW 생산됨을 확인하였다. 결론적으로 분극 방향 전환 및 임피던스 매칭을 통하여 기존의 심벌형 에너지 하베스터에 비해 높은 에너지 효율이 나타난 것을 확인하였다.
또한 Closed circuit에서 Parametric sweep을 통해 전력값을 확인한 결과, Fig. 12와 같이 31 방향에서 400 kΩ일 때 평균 0.325 mW, 반경 방향에서는 Fig. 13과 같이 20 MΩ일 때 평균 1.3 mW가 출력되는 것을 확인하였다.
325 mW가 생산됨을 확인하였다. 또한 분극 방향이 반경일 때 Open circuit에서 약 0.9 mW였던 출력이, Closed circuit에서 평균 1.3 mW 생산됨을 확인하였다. 결론적으로 분극 방향 전환 및 임피던스 매칭을 통하여 기존의 심벌형 에너지 하베스터에 비해 높은 에너지 효율이 나타난 것을 확인하였다.
해석 결과, Fig. 10, 11과 같이 Open circuit에서확인된 31 및 반경 방향에서의 평균 전압은 각각 20, 310 V로 확인되었다. 31 및 반경 방향에서의 커패시턴스는 각각 5.
그리고 이론 분석을 토대로 해석을 실시하였으며 임피던스 매칭에 의해 31 및 반경 방향에 따른 생산 전력을 최대화 하였다. 해석결과, 분극 방향이 31일 때 Open circuit에서 0.1 mW 였던 출력이, Closed circuit에서 임피던스 매칭을 한 결과 평균 0.325 mW가 생산됨을 확인하였다. 또한 분극 방향이 반경일 때 Open circuit에서 약 0.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	에너지 하베스팅이란 무엇인가?	에너지 하베스팅이란 Fig. 1과같이 태양광 및 태양열, 지열, 바람, 빛 등 다양한 종류의 버려지는 에너지를 전기에너지로 변환하는 기술을 일컫는다. 특히 진동과 같은 방식의 운동에너지를 전기에너지로 변환하는 압전소자의 경우Table 1과 같이 기존의 에너지 하베스터 보다 전력밀도 및 효율이 높고 엔진, 구동 팬 등 압력 및 진동이 발생하는 모든 장치에 적용할 수 있어 이를 활용한 연구가 주목받고 있다[2].
	압전 에너지 하베스팅은 작동 원리는 무엇인가?	압전 에너지 하베스팅은 Fig. 2와 같이 앞서 언급한 진동 및 응력이 외부에서 압전 소자에 전달되면 이를 구조적 임피던스 매칭을 하고 정류회로를 통하여 전기에너지로 변환한다. 이러한 압전 에너지 하베스팅은 기계, 전기, 재료가 복합적으로 작용하며 또한 압전 소자의 개수, 형상, 크기, 운동방향에 따라 다양한 종류로 구분된다.
	압전 에너지 하베스팅 연구 중 벤더형 압전 하베스터 소자의 단점을 보완하기 위한 방법은 무엇인가?	1 mW 보다 훨씬 작기 때문에 에너지 하베스터로서 활용분야가 적은 게 사실이다. 그러므로 이 단점을 극복하기 위해서는 압전소자의 단순 굽힘 변형이 아닌 복합적인 변형을 적용하여, 에너지 발생량을 높일 방법이 필요하다[4].

참고문헌 (14)

Kang T. H., Na Y. M., Lee H. S., Park J. K., Park T. G., "The Design and Experiment of Piezoelectric Energy-Harvesting Device Imitating Seaweed", The Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol. 14, No. 4, pp. 73 - 84, 2015.

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E. Tufekcioglu., A. Dogan., "A flextensional piezo-composite structure for energy harvesting applications", Sensors and Actuators A: Physical, Vol. 216, pp. 355 - 363, 2014.

상세보기
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Kenji Uchino., "Ferroelectric Devices", Hongrung Publishing Company, pp. 20 - 20, 72 - 72, 183 -183, 2001.
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"Piezoelectricity" https://www.americanpiezo.com/knowledge-center/piezo-theory/piezoelectricity.html( accessed 17, Aug., 2016)
H. W. Kim., A. Batra., S. Priya., K. Uchino., D. Markley., R. E. Newnham., H. F. Hofmann, "Energy Harvesting Using a Piezoelectric Cymbal Transducer in Dynamic Environment" Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 43 No. 9A, pp. 6178 - 6183, 2004.

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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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