[논문]간접 충격을 이용한 압전 방식 진동형 에너지 하베스터

주선아; 지창현

doi:10.5370/kiee.2017.66.10.1499

간접 충격을 이용한 압전 방식 진동형 에너지 하베스터
Piezoelectric Vibration Energy Harvester Using Indirect Impact 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.66 no.10, 2017년, pp.1499 - 1507

주선아 (Dept. of Electronic and Electrical Engineering, Ewha Womans University) , 지창현 (Dept. of Electronic and Electrical Engineering, Ewha Womans University)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents an impact-based piezoelectric vibration energy harvester using a freely movable metal sphere and a piezoceramic fiber-based MFC (Macro Fiber Composite) as piezoelectric cantilever. The free motion of the metal sphere, which impacts both ends of the cavity in an aluminum housing, generates power across a cantilever-type MFC beam in response to low frequency vibration such as human-body-induced motion. Impacting force of the spherical proof mass is transformed into the vibration of the piezoelectric cantilever indirectly via the aluminum housing. A proof-of-concept energy harvesting device has been fabricated and tested. Effect of the indirect impact-based system has been tested and compared with the direct impact-based counterpart. Maximum peak-to-peak open circuit voltage of 39.8V and average power of $598.9{\mu}W$ have been obtained at 3g acceleration at 18Hz. Long-term reliability of the fabricated device has been verified by cyclic testing. For the improvement of output performance and reliability, various devices have been tested and compared. Using device fabricated with anodized aluminum housing, maximum peak-to-peak open-circuit voltage of 34.4V and average power of $372.8{\mu}W$ have been obtained at 3g excitation at 20Hz. In terms of reliability, housing with 0.5mm-thick steel plate and anodized aluminum gave improved results with reduced power reduction during initial phase of the cyclic testing.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

본 연구에서는 이러한 문제점들을 해결하기 위하여 간접충격을 이용한 압전 방식 진동형 에너지 하베스터를 개발하였다. 인체 진동과 같이 낮은 주파수 대역에서 동작할 수 있도록 스프링 없이 채널 내에서 자유 진동하는 구형 질량체를 사용하고, 질량체가 하우징의 양 끝단과 충돌시 발생하는 진동을 압전 물질에 전달하는 간접 충격 방식을 적용하여 소자의 내구성을 향상시켰다.

제안 방법

본 논문에서는 자유롭게 움직이는 스프링이 없는 구조의 금속구와 외팔보 형태의 압전 물질인 MFC를 이용한 충격 기반 압전 방식 진동형 에너지 하베스터를 제안하였다. 제작된 간접 충격 방식 소자의 성능을 검증하기 위하여 직접 충격 방식의 소자와 외부 진동 방향과 압전 복합체 진동의 방향을 고려하여 제작한 소자를 함께 비교하며 저주파수 대역에서 출력 개방회로 전압을 확인하였다.
본 논문에서는 자유롭게 움직이는 스프링이 없는 구조의 금속구와 외팔보 형태의 압전 물질인 MFC를 이용한 충격 기반 압전 방식 진동형 에너지 하베스터를 제안하였다. 제작된 간접 충격 방식 소자의 성능을 검증하기 위하여 직접 충격 방식의 소자와 외부 진동 방향과 압전 복합체 진동의 방향을 고려하여 제작한 소자를 함께 비교하며 저주파수 대역에서 출력 개방회로 전압을 확인하였다. 그 결과, 간접 충격 방식의 제안된 소자는 입력 주파수 18Hz, 입력 가속도 3g에서 최대 39.

대상 데이터

제작된 압전 방식 진동형 에너지 하베스터의 성능을 측정하기 위하여 3g의 입력 가속도를 인가하면서 주파수의 변화에 따른 출력 전압을 측정하였다. 인체의 움직임과 같은 저주파수 대역의 진동을 에너지원으로 활용하기 위하여 이전 연구 결과를 토대로 3g 이하의 가속도와 20Hz 이하의 진동 주파수를 측정 조건으로 설정하였고, 가진기(vibration exciter)의 성능 한계를 고려하여 10-20Hz의 정현파 진동을 1Hz씩 변화시키면서 소자의 장축 방향으로 인가하였을 때의 출력을 측정하였다 [22]. 그림 3은 가진기를 이용한 측정 장비의 구성과 외부 진동 방향을 제시한 사진이다.
제작된 소자의 신뢰도를 측정하기 위하여 입력 주파수 17Hz와 입력 가속도 3g의 진동을 734,400회 인가하였을 때의 평균 전력 변화를 측정하였다. 그 결과, 그림 7에서와 같이 초기 최대 전력이 급격히 감소하는 경향을 보였으며 지속적으로 진동이 가해질 경우 일정하게 전력이 감소하는 것을 확인할 수 있었다.

성능/효과

따라서 소자의 출력과 신뢰도를 향상시키기 위하여 하우징 끝단의 구조와 재질을 달리한 소자를 제작하고 각 소자들의 성능을 측정하였다. 그 결과 채널 끝단의 형상 또는 스프링 상수에 따라 충격에 의한 에너지 변환 효율을 최적화할 수 있음을 확인하였고, 끝단의 재질을 SECC 강판이나 아노다이징 처리된 알루미늄으로 교체했을 경우 주파수 특성과 기계적인 안정성을 개선할 수 있음을 확인하였다. 아노다이징 처리한 알루미늄 하우징의 경우 개선된 주파수 특성을 나타내었으며 입력 주파수 20Hz, 입력 가속도 3g에서 최대 34.
제작된 간접 충격 방식 소자의 성능을 검증하기 위하여 직접 충격 방식의 소자와 외부 진동 방향과 압전 복합체 진동의 방향을 고려하여 제작한 소자를 함께 비교하며 저주파수 대역에서 출력 개방회로 전압을 확인하였다. 그 결과, 간접 충격 방식의 제안된 소자는 입력 주파수 18Hz, 입력 가속도 3g에서 최대 39.8V의 개방회로 전압과 598.9μW의 평균 전력을 생성하였다. 또한, 제작된 소자의 반복 구동 실험을 통하여 초기 전력값이 매우 급격히 감소하는 것을 확인하였고, 그 이유는 하우징 끝단의 변형과 균열 때문임을 관찰할 수 있었다.
그 결과 채널 끝단의 형상 또는 스프링 상수에 따라 충격에 의한 에너지 변환 효율을 최적화할 수 있음을 확인하였고, 끝단의 재질을 SECC 강판이나 아노다이징 처리된 알루미늄으로 교체했을 경우 주파수 특성과 기계적인 안정성을 개선할 수 있음을 확인하였다. 아노다이징 처리한 알루미늄 하우징의 경우 개선된 주파수 특성을 나타내었으며 입력 주파수 20Hz, 입력 가속도 3g에서 최대 34.4V의 개방회로 전압과 372.8μW의 평균 전력을 생성하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	환경 진동을 이용한 에너지 하베스팅 기술의 장점은 무엇인가?	에너지 하베스터 기술을 활용하여 궁극적으로는 외부에서 의 전력 공급이나 전력원의 교체 없이 독립적으로 기기의 구동이 가능하도록 하려는 많은 연구가 이루어지고 있다. 환경 진동을 이용한 에너지 하베스팅 기술은 주변 환경에서 쉽게 전력원을 획득할 수 있고 에너지 변환 매커니즘이 직관적이고 단순한 장점을 가지고 있다 [5-7]. 기존의 연구를 통하여 개발된 진동형 에너지 하베스터는 많은 경우 스프링 질량 시스템 구조를 활용하고 있으며 이 경우 외부에서 공급되는 진동의 주파수가 스프링 질량 시스템의 공진 주파수와 일치하지 않을 경우 출력이 크게 저하되는 단점이 있다.
	인체 삽입형 의료기기, 웨어러블 전자기기와 같은 센서 및 기기의 장단점은 무엇인가?	최근 인체 삽입형 의료기기, 웨어러블 전자기기, 무선 센서 노드 등의 기술 발달과 함께 에너지 하베스팅(energy harvesting) 기술에 대한 관심이 크게 증가하고 있다 [1-4]. 일반적으로 이러 한 기기와 센서들은 전력 소모량이 작아 전기화학적 배터리를 사용하여 손쉽게 전력을 공급할 수 있지만, 응용분야에 따라 배터 리 교체나 충전이 어렵거나 지속적인 충전이 필요한 경우 이러한 문제에 대한 별도의 해결방안이 요구된다. 인체에 삽입된 의료기기의 전원 교체를 위하여 수술이 요구되는 경우가 대표적인 사례이며, 해결방안의 일례로 에너지 하베스팅 기술을 활용하여 지속 적으로 배터리를 충전하는 방법을 들 수 있다.
	에너지 하베스팅 기술이란 무엇인가?	인체에 삽입된 의료기기의 전원 교체를 위하여 수술이 요구되는 경우가 대표적인 사례이며, 해결방안의 일례로 에너지 하베스팅 기술을 활용하여 지속 적으로 배터리를 충전하는 방법을 들 수 있다. 에너지 하베스팅 기술은 우리 주변에서 버려지거나 단기간에 유의미한 양의 에너지를 확보하기 어려운 에너지원을 이용하여 전기에너지를 확보하 는 기술이다. 에너지 하베스터는 개별 기기에 부착된 소형 발전기로, 전자제품이나 무선 센서 등 다양한 기기들의 보조 전력원으로 활용할 경우 기기의 작동 수명을 연장시킬 수 있을 장점이 있다.

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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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