[논문]광대역 압전 에너지 하베스팅 기술

이동규; 이연정; 송현철

doi:10.31613/ceramist.2019.22.1.05

광대역 압전 에너지 하베스팅 기술
Broadband Piezoelectric Energy Harvesting Technology 원문보기

세라미스트 = Ceramist, v.22 no.1, 2019년, pp.56 - 69

이동규 (고려대학교 신소재공학과) , 이연정 (KU-KIST 융합대학원) , 송현철 (한국과학기술연구원 전자재료연구단)

Abstract ▼ AI-Helper

Recent advances in low-power sensors and transmitters are driving the search for standalone power sources that utilize unused ambient energy. These energy harvesters can alleviate the issues related to the installation and maintenance of sensors. Particularly piezoelectric energy harvesters, with the ability to convert ambient mechanical energy into useful electricity, have received significant attention due to their high energy density, low cost and operational stability over wide temperature and pressure conditions. In order to maximize the generated electrical power, the natural frequency of the piezoelectric energy harvester should be matched with the dominant frequency of ambient vibrations. However, piezoelectric energy harvesters typically exhibit a narrow bandwidth, thus, it becomes difficult to operate near resonance under broadband ambient vibration conditions. Therefore, the resonating of energy harvesters is critical to generate maximum output power under ambient vibration conditions. For this, energy harvesters should have broadband natural frequency or actively tunable natural frequency with ambient vibrations. Here, we review the most plausible broadband energy harvesting techniques of the multi-resonance, nonlinearity, and self-resonance tuning. The operation mechanisms and recent representative studies of each technique are introduced and the advantages and disadvantages of each method are discussed. In addition, we look into the future research direction for the broadband energy harvester.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

현재의 광대역 압전 에너지 하베스팅 기술의 연구 방향은 크게 에너지 하베스터의 다중 공진(Multiple resonance)을 이용하는 방법, 에너지 하베스터 구조에 비선형성(Nonlearity)을 유도하는 방법, 에너지 하베스터의 고유진동수를 환경에 맞추어 자동으로 조절하는 자가 공진 튜닝(Self-resonance tuning) 방법 등으로 나누어 진행되고 있다. 본고에서는 광대역 압전 에너지 하베스팅 기술의 각 연구 방법에 따른 개발 이슈 및 최신 연구 동향에 대해서 소개하고 향후 발전 방향에 대하여 전망해 보고자 한다.
이 단계에서 에너지 변환 효율을 높이기 위해서는 저에너지 손실 전기회로의 개발이 필요하다. 본고에서는 압전 에너지 하베스팅에서 가장 중요한 에너지 변환의 단계인 기계적-기계적 에너지 변환에 대한 내용을 중점적으로 다루고자 한다.
기존의 압전 에너지 하베스터는 좁은 고유 진동수를 갖기 때문에, 광범위한 주파수 대역을 가지는 실제 진동에 적용하기 어려운 문제가 있었다. 본고에서는 이 문제를해결하기 위한 여러 가지 광대역 에너지 하베스터 개발 방법들과 대표적인 연구결과에 대해 살펴보았다. 에너지 하베스터의 주파수 응답 특성을 향상시키기 위한 방법은 다중 공진, 비선형 강성, 자가 공진 튜닝의 크게 세가지로 나누어 볼 수 있으며, 각 방법들마다 뚜렷한 장·단점을 가지고 있다.
Stanton et al.은 세개의 자석을 이용하여, 하나의 소자에서 경화와 연화 비선형 응답 특성이 양쪽방향으로 일어날 수 있는 에너지 하베스터를 개발하여 보고하였다.¹²⁾ 이러한 에너지 하베스터는 Fig.
그래서 Hajat et al.은 양 끝단이 고정된 빔구조에서 스트레칭 스트레인(Stretching strain)을 유발하여, 버클링(Buckling)된 구조를 가지는 비선형 MEMS에너지 하베스터를 개발하여 보고하였다.¹³⁾ Fig.

가설 설정

9. (a)선형 탄성 및 (b)비선형 탄성에서의 힘-변위 상관관계.

제안 방법

¹⁵⁾ Fig. 15 (a) 같이, 외팔보 구조의 에너지 하베스터를 회전반경 바깥방향으로 향하도록 설치하여, 에너지 하베스터의 강성이 원심력에 따라 변하도록 설계함으로써, 공진 주파수가 조정될 수 있도록 하였다. 에너지 하베스터의 구동 주파수와 고유 진동수 둘 다 원심력과 관련이 있기 때문에, 에너지 하베스터의 고유 진동수와 구동 주파수가 13.
은 Fig. 11 (a)에 도시된 것과 같이, 외팔보 구조의 한쪽 방향에 기계적 스토퍼(Stopper)를 설치하여, 비선형 에너지 하베스터를 설계하였다.¹¹⁾ Fig.
15 (a) 같이, 외팔보 구조의 에너지 하베스터를 회전반경 바깥방향으로 향하도록 설치하여, 에너지 하베스터의 강성이 원심력에 따라 변하도록 설계함으로써, 공진 주파수가 조정될 수 있도록 하였다. 에너지 하베스터의 구동 주파수와 고유 진동수 둘 다 원심력과 관련이 있기 때문에, 에너지 하베스터의 고유 진동수와 구동 주파수가 13.2 Hz에서 정확하게 일치하도록 설계하였다. 이로 인해 6.

대상 데이터

1. 자율 전원 사물 인터넷(Internet of Things, IoT) 및 연간 IoT 센서 사용량 예측.

성능/효과

Fig. 13 (c)와 (d)의 시뮬레이션 및 측정된 주파수 응답 특성 그래프에서 보는 바와 같이, 버클링된 구조에서는 경화 더핑 강성특성이 나타났으며, 선형 에너지 하베스터 대비 50%이상 향상된 공진 주파수 대역폭을 보여주었다. 이러한 버클링된 구조의 에너지 하베스터는 복잡한 조립과정이나 추가공정 없이, 기존의 MEMS 공정을 이용하여 비선형 에너지 하베스터를 제작할 수 있다는데 큰 의미가 있다.
2의 에너지 흐름도에서 보는 바와 같이, 크게 3단계에 걸쳐 에너지 변환(Energy conversion)이 일어난다.²⁾ 각각의 에너지 변환 단계에서는 불가피하게 에너지 손실이 발생하며, 주변의 제한된 에너지원으로부터 최대한의 전기 에너지를 얻기 위해서는, 각 단계의 에너지 변환 효율을 증가시켜야 한다. 첫 번째 에너지 변환 단계는 기계적 에너지에서 기계적 에너지로의 변환이며, 에너지 하베스터가 주변의 기계적 에너지를 얼마나 효율적으로 흡수할 수 있느냐와 관련이 있다.
4 (a)는 외팔보 구조의 에너지 하베스터 배열(Energy harvester array)을 보여주는 모식도이다.⁴⁾ 외팔보 구조의 에너지 하베스터는 길이 등의 형태를 변화시키거나, 외팔보 끝에 부착된 표준질량(Proofmass)의 무게를 변화시킴으로써, 고유진동수를 쉽게 조정할 수 있다. 이러한 방법을 이용하여 여러 개의 에너지 하베스터의 고유진동수를 순차적으로 변화시키고, 이를 나열하여 하나의 모듈로 만들게 되면, Fig.
Yang et al.은 개별 에너지 하베스터가 서로 연결되었을 때 공진을 원하는 만큼 가깝게 만들 수 있으며, 조절이 가능하다는 것을 계산을 통해 보여주었다(Fig. 6 (a)).

후속연구

그리고 위상 차이에 의한 전압 상쇄가 발생하거나, 하베스터들 간에 임피던스 차이가 존재하기 때문에, 단일 모드 에너지 하베스터에 비해 복잡한 인터페이스 전기회로가 필요하다. 뿐만 아니라, 공진 주파수 사이의 간격이 존재하는 경우가 많기 때문에 에너지 하베스터의 결합(Coupling) 등의 방법을 이용하여, 공진들 사이의 간격을 줄이고, 개별 공진의 대역폭을 넓이는 연구가 진행되어야 할 것이다.
이를 위해서, 새로운 메커니즘 개발이나, 기존 방법의 문제점을 해결하기 위한 지속적인 연구가 필요하겠다. 아울러, 압전 에너지 하베스터의 실제 적용환경에서 동작 특성 및 구체적인 실제 적용 연구가 많이 진행되어야 할 것으로 판단된다.
그러나 공진 주파수 변환 속도가 비교적 느리기 때문에 자동차 엔진과 같이 지속적으로 진동 주파수가 변화하는 환경에는 부적합하다고 할 수 있다. 에너지 하베스터의 구조개선 및 새로운 자가공진조절 메커니즘 개발을 통해 공진 주파수 변환 속도가 빠르며, 공진 주파수 대역을 좀 더 넓힐 수 있는 방법에 연구가 필요할 것으로 생각된다.
14(c)에서처럼, 구동 주파수가 변하더라도 에너지 하베스터가 다시 스스로 공진을 조절할 수 있음 알 수 있다. 이는 간단한 구조에서 넓은 대역의 구동 주파수에 맞춰 스스로 공진을 튜닝할 수 있는 최초의 연구결과로, 기술 발전을 통해 진동형 에너지 하베스터의 실용화에 크게 기여할 것으로 기대된다.
현재까지 실용화가 가능한 광대역 에너지 하베스터에 대한 근본적인 해결책은 제시되지 않았다. 이를 위해서, 새로운 메커니즘 개발이나, 기존 방법의 문제점을 해결하기 위한 지속적인 연구가 필요하겠다. 아울러, 압전 에너지 하베스터의 실제 적용환경에서 동작 특성 및 구체적인 실제 적용 연구가 많이 진행되어야 할 것으로 판단된다.
또한 비선형 거동은 진동 크기가 클 때 더 명확히 나타나며, 진폭이 작을 때는 이런 특성이 나타나지 않을 수 있다. 이처럼 비선형 강성은 특별한 조건에서만 형성될 수 있기 때문에, 주변 환경의 영향을 최소화시킬 수 있는 방안에 대한 연구가 지속되어야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	에너지 하베스팅 기술이란 무엇인가?	에너지 하베스팅(Energy harvesting) 기술이란, 주변 환경에서 버려지는 미사용 에너지를 수확하여 전기에너지로 변환하여 이용하는 것을 말한다. 미사용 에너지는 산업기계, 자동차, 건축 구조물, 보일러 등의 여러 환경에서 진동, 열, 빛, 전자기파 등의 여러 형태로 생성될 수 있다.
	기계적 에너지 하베스팅에서 압전(Piezoelectric)의 특징은 무엇인가?	기계적 에너지를 전기 에너지로 변환하는 방법에는 압전(Piezoelectric), 전자기(Electromagnetic), 마찰전기(Triboelectric) 등의 여러가지 에너지 변환 메커니즘이 있다. 이러한 에너지 변환 메커니즘 중에서, 압전 에너지 하베스팅(Piezoelectric energy harvesting) 기술은 높은 전기-기계 변환 효율, 높은 에너지 밀도, 온·습도 안정성 및 소자 구조의 단순성으로 인해 실용화 가능성이 가장 높으며, 최근까지 가장 많은 연구가 진행되고 있다.1-3)
	에너지 하베스팅에서 말하는 미사용 에너지의 종류에는 어떠한 것들이 있는가?	에너지 하베스팅(Energy harvesting) 기술이란, 주변 환경에서 버려지는 미사용 에너지를 수확하여 전기에너지로 변환하여 이용하는 것을 말한다. 미사용 에너지는 산업기계, 자동차, 건축 구조물, 보일러 등의 여러 환경에서 진동, 열, 빛, 전자기파 등의 여러 형태로 생성될 수 있다. 이러한 여러 종류의 에너지원 중에서, 기계적 에너지는 산업용 기계, 운송 시스템, 가전제품 및 인간의 움직임 등과 같이 우리 주변에 흔히 존재하고, 다른 에너지들에 비해 에너지 밀도가 비교적 크다는 장점을 가지고 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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