[논문]캔틸레버형 모듈을 이용한 광대역 압전 하베스터 개발 및 평가

박범근; 백종후

doi:10.46670/jsst.2020.29.4.261

[국내논문] 캔틸레버형 모듈을 이용한 광대역 압전 하베스터 개발 및 평가
Development and Evaluation of Broadband Piezoelectric Harvesters using a Cantilever-Type Module 원문보기

Journal of sensor science and technology = 센서학회지, v.29 no.4, 2020년, pp.261 - 265

박범근 (한국세라믹기술원전자융합본부) , 백종후 (한국세라믹기술원전자융합본부)

Abstract ▼ AI-Helper

In cantilever type piezoelectric energy harvester, the amount of power generation decreases rapidly when outside a certain frequency. The thickness and weight of the cantilever metal plate were modified to develop cantilevers that could produce high power over a wide frequency range. The thicker the cantilever, the higher the power in the higher frequency range. As the weight of the mass increased, the cantilever tended to generate higher power, and the frequency band decreased. A 0.6 mm metal plate cantilever that had a mass of 3.3 g generated power that exceeded 3 mW within the 91-102 Hz range, with average and output values of 9.484 mW and 20.748 mW, respectively, at 99 Hz.

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서는 이를 해결하기 위해 캔틸레버 금속판의 두께를 증가시켜 넓은 범위의 주파수를 가지는 에너지 하베스터를 제작하였다. 또한 무게 추의 무게를 증가시켜 에너지 하베스터의 발전량이 증가하는 것을 확인하였다[9-13].
본 연구에서는 캔틸레버 형태 압전 모듈의 단점인 좁은 주파수폭을 보완하고자 캔틸레버의 두께와 무게 추의 무게를 조절하여 제작하였다. 다양한 진동환경에서의 발생 전력을 조사하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

제안 방법

캔틸레버를 다중 연결하여 에너지 하베스터 모듈을 제작하였다. 각기 다른 진동 주파수에서 전력을 얻을 수 있는 압전 모듈을 하베스터 형태로 조합하면 폭넓은 진동 주파수 영역에서 높은 발전량을 얻을 수 있다.
캔틸레버의 압전 시트의 전극 양단을 정류회로에 각각 연결하고 이들을 다시 병렬로 연결하여 구성하였다.
진동 가속도를 측정하기 위해서 Vibration Exciter 위에 3축 센서를 고정하였다. 압전 하베스터에서 발생된 전기 에너지는 특정저항을 연결하고 Digital Power Meter (YOKOGAWA, WT310)에 연결하여 전압, 전류, 전력을 측정하였다. 이때 파형은 사인파로 진동 가속도는 1.
8 m/sec²) 인 상태로 50~165 Hz 범위의 진동을 인가하였다. 발생 전압, 전류를 측정하기 위해서 임피던스 매칭을 통하여 10 kohm 저항을 연결하였으며 전력계를 통하여 발생 전력을 계측하였다.

대상 데이터

사물인터넷(Internet of Thing, IoT)은 사물에 다양한 센서를 결합하여 유선과 무선으로 실시간 데이터를 주고받는다. 다양한 IoT 기술을 원활히 사용하기 위해서는 배터리 교체가 필요 없는 무선 센서 노드가 필요하다.
이는 캔틸레버와 케이스를 결합할 때 사용하기 위함이다. 압전 시트의 두께는 0.185 mm이며 금속판의 두께는 0.3 mm, 0.4 mm, 0.5 mm, 0.6 mm로 변경해 가며 실험하였다. 캔틸레버는 볼트를 사용하여 결합하였다.

성능/효과

캔틸레버의 금속판 두께가 두꺼워 질수록 높은 공진주파수를 보이는 경향을 나타내며 일정 두께 이상의 금속판을 사용할 경우 공진주파수 낮아지는 것으로 보였으며 두께가 두꺼워 질수록 높은 출력량을 보이는 것을 확인하였다.
Fig. 6(a)에서 캔틸레버의 금속판 두께가 0.1 mm 증가할수록 7~22 Hz 증가된 주파수 영역에서 최대 발전량이 나타났다. Fig.
4 mW 더 높은 최대 전력값이 나타났다. 금속판의 두께가 얇아지고 무게 추가 증가할수록 낮은 주파수 영역에서 더 높은 발전량을 얻을 수 있는 것을 확인할 수 있었다.
Table 1은 금속판의 두께와 무게 추의 무게에 따른 발전량 3 mW 이상과 5 mW 이상의 평균 발전량을 나타낸 표이다. 금속판의두께가 0.1 mm 두꺼워 질수록 평균 발전량이 1.5~4.7 mW 높아졌고, 무게추가 1.1 g씩 증가할수록 평균 발전량이 0.4~2.3 mW 높아지는 것을 확인하였다.
1. 캔틸레버형 압전 모듈은 무게 추의 무게가 1.1g 증가할수록 주파수 대역대가 10~20 Hz씩 낮아지고 발전량이 증가하는 경향을 나타내었다.
2. 캔틸레버의 금속판 두께가 0.1 mm증가함에 따라 최대 발생 전력이 나타나는 진동 주파수대역이 15~20 Hz 높아지는 것을 확인하였다.
3. 캔틸레버 금속판의 두께가 증가함에 따라 평균 발전량이 증가하는 것을 확인하였으며 동일한 금속판 두께에서 무게 추의 무게가 늘어날수록 평균 발전량이 증가하였다.
4. 3.3 g의 무게 추와 0.6 mm의 금속판으로 제작된 압전 에너지 하베스터는 91-102 Hz 범위에서 3 mW 이상의 발전량을 보였으며, 평균 발전량은 9.484 mW이고 99 Hz에서 최대 전력 20.748 mW을 얻었다.
Table 2는 금속판의 두께와 무게 추의 무게에 따른 발전량 3 mW 이상과 5 mW 이상의 발전량을 보이는 구간의 주파수폭을 나타낸 표이다. 금속판의 두께가 증가될수록 주파수폭이 넓어지는 것을 확인하였다. 무게 추가 증가할수록 주파수폭이 넓어지다 3.
금속판의 두께가 증가될수록 주파수폭이 넓어지는 것을 확인하였다. 무게 추가 증가할수록 주파수폭이 넓어지다 3.3 g의 무게 추를 부착 하였을 때 주파수폭이 줄어드는 것을 확인하였다.
6 mm 두께의 캔틸레버에서 전압과 전류 값을 나타낸 그래프이다. 무게 추의 무게가 늘어남에 따라 전압과 전류 값이 상승하는 것을 확인하였으며 무게 추의 무게가 늘어날수록 중간에 감소하는 발전량과 발전량이 감소하는 폭이 감소하는 것을 확인할 수 있었다.

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