[논문]타원형 압전 에너지 하베스터의 기계적 모델링 연구

최재훈; 정인기; 강종윤

doi:10.5369/jsst.2019.28.1.36

Abstract ▼ AI-Helper

Energy harvesting is an advantageous technology for wireless sensor networks (WSNs) that dispenses with the need for periodic replacement of batteries. WSNs are composed of numerous sensors for the collection of data and communication; hence, they are important in the Internet of Things (IoT). Howev...

Energy harvesting is an advantageous technology for wireless sensor networks (WSNs) that dispenses with the need for periodic replacement of batteries. WSNs are composed of numerous sensors for the collection of data and communication; hence, they are important in the Internet of Things (IoT). However, due to low power generation and energy conversion efficiency, harvesting technologies have so far been utilized in limited applications. In this study, a piezoelectric energy harvester was modeled in a vibration environment. This harvester has an oval-shaped configuration as compared to the conventional cantilever-type piezoelectric energy harvester. An analytical model based on an equivalent circuit was developed to appraise the advantages of the oval-shaped piezoelectric energy harvester in which several structural parameters were optimized for higher output performance in given vibration environments. As a result, an oval-shaped energy harvester with an average output power of 2.58 mW at 0.5 g and 60 Hz vibration conditions was developed. These technical approaches provided an opportunity to appreciate the significance of autonomous sensor networks.

주제어

표/그림 (9)

그림 Fig. 1. Schematic of oval-shaped piezoelectric harvester.
그림 Fig. 2. Base excitation of mass-spring-damper system.
그림 Fig. 4. Applied force in half oval-shaped piezoelectric energy harvester.
그림 Fig. 3. Equivalent circuit model of piezoelectric energy harvester.
그림 Fig. 5. Experimental setup of oval-shaped piezoelectric energy harvester; (a) Front view of experimental setup, (b) Acceleration measurement, (c) Impedance matching, (d) Output characteristic measurement.
그림 Fig. 6. Open circuit voltage versus vibration frequency of ovalshaped piezoelectric energy harvester; (a) Measured value, (b) Simulated value.
그림 Fig. 7. (a) Simulated output power versus load resistance of ovalshaped piezoelectric energy harvester, (b) Comparison of measured and simulated maximum output power.
그림 Fig. 8. Open circuit voltage versus vibration frequency of ovalshaped and cantilever piezoelectric harvesters; (a) Measured value, (b) Simulated value.
그림 Fig. 9. Maximum output power comparison; (a) Measured value comparison, (b) Simulated value comparison.

AI 본문요약
AI-Helper

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

문제 정의

본 연구에서는 타원형 압전 에너지 하베스터의 기계적, 회로적 모델링 연구를 진행하였으며 실험적으로 모델링의 타당성을 검증하였다. 또한 기존의 캔틸레버형 압전 에너지 하베스터(1.
본 연구에서는 타원형 압전 에너지 하베스터의 기계적, 회로적 모델링 연구를 통해 기존의 캔틸레버형 압전 에너지 하베스터에 비해 향상된 특성을 갖는다는 것을 보여주고 실험적으로 이를 검증하고자 한다.

제안 방법

열린회로 전압을 측정할때는 가변 저항기를 연결하지 않고 타원형 압전 에너지 하베스터의 열린 회로 전압을 오실로스코프를 이용하여 확인한다. 타원형 압전 에너지 하베스터의 발생 전력을 확인하기 위해서는 저항이 필요하기 때문에 가변 저항기를 연결하고 임피던스 매칭을 진행하여 오실로스코프에서 타원형 압전 에너지 하베스터의 발생 전압을 확인하고 입력 저항값을 이용하여 출력을 산정하였다. 타원형 압전 에너지 하베스터의 출력은 이후에 캔틸레버형 압전 에너지 하베스터와의 비교를 위하여 타원형 압전 에너지 하베스터의 윗쪽에 부착된 MFC에서만 얻어낸다.

대상 데이터

기판의 크기는 70 mm × 46 mm × 300 μm이고 MFC의 크기는 56 mm × 28 mm × 300 μm이다.
1과 같이 기판 위에 압전 물질이 부착된 구조로 외부 진동수와 공진 주파수를 맞추어 주기 위해 질량이 부착된 형태이다. 실험에서는 강성이 큰 스프링강 재질의 기판을 사용하고 유연하면서도 압전 상수가 높은 PZT 기반의 Macro fiber composite (MFC)을 사용했다. 기판의 크기는 70 mm × 46 mm × 300 μm이고 MFC의 크기는 56 mm × 28 mm × 300 μm이다.
캔틸레버형 압전 에너지 하베스터는 크기가 70 mm × 46 mm × 300 μm인 스프링강 기판과 크기가 56 mm × 28 mm × 200μm인 MFC로 구성되었고 한쪽 끝이 고정된 상태에서 측정되었다.

성능/효과

실험 결과와 등가 회로 모델 시뮬레이션의 경우, 모두 타원형 압전 에너지 하베스터의 열린 회로 전압이 크게 나타난 것을 확인할 수 있었다. 3.1에서 언급했듯이 실험과 시뮬레이션에서 시뮬레이션의 열린 회로 전압 값이 전체적으로 낮게 나타났지만 캔틸레버형보다는 타원형 압전 에너지 하베스터에서 차이가 더 크게 나타났다.
본 연구에서는 타원형 압전 에너지 하베스터의 기계적, 회로적 모델링 연구를 진행하였으며 실험적으로 모델링의 타당성을 검증하였다. 또한 기존의 캔틸레버형 압전 에너지 하베스터(1.09 mW)에 비해서 타원형 압전 에너지 하베스터(2.58 mW)가 약 2배 이상의 압전 출력을 갖는다는 것을 확인하였다.
9는 타원형 압전 에너지 하베스터와 캔틸레버형 압전 에너지 하베스터의 매칭 저항에서 출력 특성을 비교한 그래프이다. 실험 결과를 보면 캔틸레버형 압전 에너지 하베스터는 부하 저항이 12 kΩ일 때, 최대의 출력 1.09 mW으로 측정되었고 이는 타원형 압전 에너지 하베스터의 경우(16 kΩ일 때, 2.58 mW)에 비해 작은 출력을 보인다. 타원형과 캔틸레버형 하베스터의 매칭 저항 차이가 발생하는 이유는 구조의 차이로 인해 기계적 감쇠의 차이가 나타나기 때문에 부하 저항을 조절하여 가해주는 전기적 감쇠의 정도가 달라져야 하기 때문이다.
8은 타원형 압전 에너지 하베스터와 캔틸레버형 압전 에너지 하베스터의 진동 주파수에 따른 열린 회로 전압 특성을 비교한 그래프다. 실험 결과와 등가 회로 모델 시뮬레이션의 경우, 모두 타원형 압전 에너지 하베스터의 열린 회로 전압이 크게 나타난 것을 확인할 수 있었다. 3.
열린 회로 전압이나 발생 전력을 모두 고려하였을 때, 캔틸레버형 압전 에너지 하베스터에 비해 타원형 압전 에너지 하베스터가 보다 나은 구조임을 알 수 있었으며 대략 2배의 출력 향상을 기대할 수 있다.
이러한 결과들로 봤을 때, 타원형 압전 에너지 하베스터의 등가 회로 모델은 실제 발생하는 전압과 출력을 잘 예측하는 것으로 보이며 이 모델은 타당하다고 볼 수 있다.
6는 타원형 압전 에너지 하베스터의 진동 주파수에 따른 열린 회로 전압 특성을 보여준다. 질량이 증가하면 공진 주파수가 감소하고 최대 열린 회로 전압값이 증가하는 것을 실험과 시뮬레이션에서 모두 확인할 수 있다. 실험에서 타원형 압전 에너지 하베스터의 자체 질량 23.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	타원형 압전 에너지 하베스터의 장점은 무엇인가?	굽은 구조는 큰 강성을 갖는다고 알려졌으며 이러한 점에서 타원형은 강성이 큰 구조라는 것을 알 수 있다. 즉, 타원형 압전 에너지 하베스터는 캔틸레버형 압전 에너지 하베스터에 비해 강성이 커서 같은 공진 주파수에서 더 큰 변형을유도할수있어서더큰발전량을얻어낼수있음을알수있다.
	에너지 하베스팅이란 무엇인가?	블루투스와 같은 무선 통신 모듈은 보통 하루에 100개의 메시지를 주고 받으며 대략 500 μW 정도의 전력을 소모한다[5]. 에너지 하베스팅은 다양한 주위의 에너지를 유용한 전기에너지로 변환하는 기술로 500 μW 이상의 전력 혹은 수 mW대의 전력을 에너지 하베스팅으로 얻어낼 수 있다면 배터리를 대체할 수 있다. 일정한 진동 환경이 가해지는 경우에는 압전 에너지 하베스팅이 적절하다[6].
	타원형 압전 에너지 하베스터의 기계적, 회로적 모델링 결과는 어떠한가?	열린 회로 전압이나 발생 전력을 모두 고려하였을 때, 캔틸레버형 압전 에너지 하베스터에 비해 타원형 압전 에너지 하베스터가 보다 나은 구조임을 알 수 있었으며 대략 2배의 출력 향상을 기대할 수 있다.

참고문헌 (9)

K. A. Cook-Chennault, N. Thambi, and A. M. Sastry, "Powering MEMS portable devices - A review of nonregenerative and regenerative power supply systems with special emphasis on piezoelectric energy harvesting systems", Smart Mater. Struct., Vol. 17, No. 4, pp. 1-33, 2008.
J. Gubbi, R. Buyya, S. Marusic, and M. Palaniswami, "Internet of Things (IoT): A vision, architectural elements, and future directions", Future Gener. Comput. Syst., Vol. 29, No. 7, pp. 1645-1660, 2013.

상세보기
M. Diaz, C. Martin, and B. Rubio, "State-of-the-art, challenges, and open issues in the integration of Internet of things and cloud computing", J. Netw. Comput. Appl., Vol. 67, pp. 99-117, 2016.

상세보기
G. Zhou, L. Huang, W. Li, and Z. Zhu, "Harvesting ambient environmental energy for wireless sensor networks: A survey", J. Sensors, Vol. 2014, pp. 1-20, 2014.
P. P. Ray, "A survey on Internet of Things architectures", J. King Saud Univ. - Comput. Inf. Sci., Vol. 30, No. 3, pp. 291-319, 2018.
S. Roundy, P. K. Wright, and J. Rabaey, "A study of low level vibrations as a power source for wireless sensor nodes", Comput. Commun., Vol. 26, No. 11, pp. 1131-1144, 2003.

상세보기
A. Erturk and D. J. Inman, "On mechanical modeling of cantilevered piezoelectric vibration energy harvesters," J. Intell. Mater. Syst. Struct., Vol. 19, No. 11, pp. 1311-1325, 2008.

상세보기
D. J. Inman, Engineering Vibration, 4th edition, Pearson, USA, pp. 151-155, 2014.
S. Roundy and P. K. Wright, "A piezoelectric vibration based generator for wireless electronics", Smart Mater. Struct., Vol. 13, No. 5, pp. 1131-1142, 2004.

상세보기

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

[국내논문] 타원형 압전 에너지 하베스터의 기계적 모델링 연구
Study of Mechanical Modeling of Oval-shaped Piezoelectric Energy Harvester 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

표/그림 (9)

표/그림 (9)

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

성능/효과

질의응답

참고문헌 (9)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

연관된 기능

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

[국내논문] 타원형 압전 에너지 하베스터의 기계적 모델링 연구 Study of Mechanical Modeling of Oval-shaped Piezoelectric Energy Harvester 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

표/그림 (9) 모든 표/그림 보기

표/그림 (9) 슬라이드로 보기

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

성능/효과

질의응답

참고문헌 (9)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

강종윤 (45)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

연관된 기능

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

[국내논문] 타원형 압전 에너지 하베스터의 기계적 모델링 연구
Study of Mechanical Modeling of Oval-shaped Piezoelectric Energy Harvester 원문보기

표/그림 (9)

표/그림 (9)

AI 본문요약
AI-Helper