초록 ▼

○ 본 연구의 최종 성과는 열차별로 진동을 분석하고 결과 값 분석을 통하여 제작된 0.15 mW/㎤ 의 발전량을 낼 수 있는 압전 하베스팅 시스템으로써 세계 최초로 열차의 진동을 효과적으로 수확할 수 있도록 설계 및 제작되었음.
○ 총 8 종류의 상용화된 열차와 1 종류의 실험 열차에서 열차의 진동 측정 및 분석이 이루어졌으며 ITX-청춘 열차를 실험에 적합하다고 판단함. 측정 결과를 통하여 총 14 종류의 압전 발전시스템이 개발되었고 이중 Substrate, Piezo ceramic의 두께 및 Tip mass의 무게별 최적화

○ 본 연구의 최종 성과는 열차별로 진동을 분석하고 결과 값 분석을 통하여 제작된 0.15 mW/㎤ 의 발전량을 낼 수 있는 압전 하베스팅 시스템으로써 세계 최초로 열차의 진동을 효과적으로 수확할 수 있도록 설계 및 제작되었음.
○ 총 8 종류의 상용화된 열차와 1 종류의 실험 열차에서 열차의 진동 측정 및 분석이 이루어졌으며 ITX-청춘 열차를 실험에 적합하다고 판단함. 측정 결과를 통하여 총 14 종류의 압전 발전시스템이 개발되었고 이중 Substrate, Piezo ceramic의 두께 및 Tip mass의 무게별 최적화를 통한 발전 시스템이 채택되어 최대 발전량 0.71 mW/㎤까지 달성함. 이는 최종 목표인 0.15 mW/㎤에 비해 약 4.7배 높은 값임.
○ 본 연구는 철도 차량에서의 압전 에너지 하베스팅을 위해 에너지 하베스팅 특성과 전기·기계변환 특성, 그리고 기계적 특성이 모두 우수한 조성을 개발함. 실제 에너지 하베스팅 적용 시 값싼 상용 전극과 동시 소성이 가능하도록 900℃ 이하에서의 저온 소결을 달성함. 최종적으로 d₃₃×g₃₃ = 20,161, k_p = 0.6, Q_m = 1020, 소결온도 900℃, Fatigue cycle 100,000 이상의 우수한 특성을 가지는 조성을 개발함.

Abstract ▼

Piezoelectricity is a good candidate for the tool of energy harvesting system to scavenge ambient energy from vibrational sources such as wind, traffic, human movement and railroad vehicles. In this R&D project, in order to apply piezoelectric energy harvesting system to the commercialized railroad

Piezoelectricity is a good candidate for the tool of energy harvesting system to scavenge ambient energy from vibrational sources such as wind, traffic, human movement and railroad vehicles. In this R&D project, in order to apply piezoelectric energy harvesting system to the commercialized railroad vehicles in South Korea, vibratoin was measured for each types of train and vibration characteristics were analyzed to select the applicable type of vehicle.
After the measurement and analysis of the vehicle vibration, the vehicle was selected and piezoelectric energy harvesting system was optimized for the selected vehicle. Different prototypes were designed and produced for piezoelectric energy harvesting system through structural analysis of the system. The R&D project was conducted with having a consultation of the vehicle manufacturer's operating authority(Hyundai Rotem Inc.). Discussions were held for practical ways of Railway Authority(Korea Rail Network Authority).
As results, power generation of 0.15 mW/㎤, which is the final goal, was achieved by using piezoelectric energy harvesting system for the selected train condition based on vibration measurement and analysis.
Also, piezoelectric material composition was developed to enhance piezoelectric performance. High piezoelectric property and energy harvesting properties as well as good mechanical properties are required for materials to be applied in piezoelectric energy harvesting in train systems. However, it is difficult to both achieve good harvesting and mechanical properties since they normally inverse proportion to each other. Nevertheless, We have achieved good piezoelectricity and energy harvesting factors and added MnO₂ as a hardener to decrease dielectric constant and increase Q_m in PZT-PZNN system. We also added CuO for low temperature sintering and achieved d₃₃Ⅹg₃₃=20,161, k_p=0.6, Q_m=1020, more than 100,000 cycles till fatigue at 900℃. Reliability assessment for the commercialization of developed material composition was held.
All in all, in order to apply the piezoelectricity to the commercialized railroad vehicle in South Korea, vibration characteristics were measured and analyzed. Also, the applicable piezoelectric energy harvesting system was designed and produced form the material composition development, structural analysis, and electrical circuit matching of the system to obtain the output power of 0.15 mW/㎤.

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제출문 ... 3
• 보고서 요약서 ... 4
• 요약문 ... 5
• SUMMARY ... 8
• CONTENTS ... 9
• 목차 ... 12
• 제1장 연구개발과제 개요 ... 15
• 제1절 연구개발의 목적 및 필요성 ... 15
• 1. 연구개발의 목적 ... 15
• 2. 연구개발의 필요성 ... 15
• 제2절 연구개발의 정의, 범위, 특징 ... 16
• 1. 연구개발의 정의 ... 16
• 2. 연구개발의 범위 ... 28
• 3. 연구개발의 특징 ... 29
• 제3절 관련분야의 국내외 기술개발 현황 ... 29
• 1. 관련분야의 국내 기술개발 현황 ... 29
• 2. 관련분야의 국외 기술개발 현황 ... 30
• 3. 특허 동향 ... 32
• 제4절 연구개발결과가 관련분야에서 차지하는 위치 ... 38
• 제2장 연구개발 수행 내용 및 결과 ... 39
• 제1절 연구수행 전략 ... 39
• 1. 연구수행 추진체계 ... 39
• 2. 연구수행 추진체계 연차별 세부 추진계획 및 방법 ... 40
• 제2절 연구수행과정 및 내용 ... 41
• 1. 1차년도 연구수행 ... 41
• 2. 2차년도 연구수행 ... 47
• 3. 3차년도 연구수행 ... 56
• 제3절 연구수행결과 및 결과의 검증 방법 등 ... 76
• 1. 연구수행결과 ... 76
• 2. 연구수행결과의 검증 방법 ... 90
• 제3장 최종 연구성과 및 적용실적 ... 96
• 제1절 열차별 진동 특성 측정 및 분석단계를 걸쳐 선별되어진 열차조건에서, 압전 하베스팅 시스템을 이용하여 0.15 mW/cm3를 발전 ... 96
• 제2절 고성능 에너지 하베스팅용 압전 조성 개발(d33 x g33 ≧ 15K, kp ≧ 0.6, Qm ≧ 800, 소결온도 ≦ 1000℃의 압전세라믹 조성 개발) ... 97
• 제3절 고성능 압전 에너지 하베스팅용 소자 개발(Energy density ≧ 10 mW (인가응력 = 0.3G), 압전 세라믹 사이즈 = 5 cm x 3 cm) ... 98
• 제4절 d33×g33 > 15K, kP > 0.6, Qm > 1000, Fatigue Cycle > 100000,소결온도 < 900℃, Young`s Modulus < 80 GPa의 압전 세라믹 조성 ... 98
• 제5절 압전 발전 시스템 제작 ... 99
• 제6절 주요 연구성과(학술적 성과 및 기술적 성과) ... 102
• 1. 학술적 성과 ... 102
• 2. 기술적 성과 ... 109
• 제7절 기술 실시 및 적용사례 ... 110
• 제8절 기술개발 성과의 국내외 시장 전망 ... 116
• 제4장 연구목표 달성 및 효과 ... 118
• 제1절 연구개발 최종목표 달성도 ... 118
• 1. 당해연도 수행 진도율 ... 118
• 2. 연구개발 성과점검 달성도 ... 119
• 제2절 연구개발 성과의 기술적 효과분석 ... 122
• 1. 기술적 중요성 및 파급효과 ... 122
• 제3절 연구개발 성과의 경제적 효과분석(시장창출, 고용창출 등) ... 123
• 1. 경제적 중요성 및 파급효과 ... 123
• 2. 경제적 고용창출 효과 ... 125
• 제4절 연구개발 성과의 정책적 효과분석 ... 126
• 제5장 연구성과의 활용 및 추가연구 필요성 ... 127
• 제1절 연구성과 향후 활용방안 ... 127
• 제2절 추가연구 필요성 ... 131
• 참고문헌 ... 132
• 부 록 ... 134
• 1. 2차년도 평가의견에 따른 보완대비표 ... 134
• 2. 정량적 및 정성적 성과 증빙자료 ... 137
• 3. 최종년도 평가 의견사항 보완대비 ... 158
• 끝페이지 ... 167