진동 에너지 하베스팅을 위한 Sol-Gel 공정으로 제작된 PZT 필름 연구

Abstract

압전 에너지 하베스팅(Piezoelectric energy harvesting)은 버려지는 진동, 압력과 같은 에너지를 전기에너지로 변환할 수 있는 친환경 기술로 압전효과를 이용한 차세대 친환경 기술이다. 또한 장치의 구성이 간단하여 소형화에 용이하고 진동수의 조절이 쉬운 장점을 가지고 있다. 발전에 이용하는 원리인 압전효과는 기계에너지를 전기에너지로 변환할 수 있고 이러한 물질을 압전체라고 한다. 대표적인 물질로는 납(Lead) 기반의 PZT(Lead ZirconateTitanate)가 있으며 압전성을 나타내는 지표로는 압전계수(Piezoelectric constant,d_33)가 있다. PZT 제작 방법에는 물리적 방법인 스퍼터링(Sputtering)이나 화학적 방법인 졸-겔(Sol-gel)법 등이 많이 이용된다. 졸-겔법의 경우 조성비를 변화하는데 유리하고 제작비용이 저렴하여 대량생산에 용이한 장점을 가지고 있으나 후막제작을 위해서는 일반적인 방법으로는 한계가 있다. 본 논문에서는 PZT용액 제작에 이용되는 전구체 및 용매의 종류가 증착시 PZT 두께에 미치는 영향을 알아보았다. 또한 PZT(PbXZr0.52Ti0.48O3)에서 Pb의 함량을 1.0~1.2까지 조절하여 Pb 함량의 변화를 통해서 PZT에 어떤 영향을 미치는지 P-E(Polarization-Electric field) loop 및 AFM(Atomic Force Microscopy) topography image를 통해 조사해 보았다. 그리고 PFM(Piezoelectric Force Microscopy)모드를 통해 PZT필름의 두께 변화가 압전성에 어떤 결과를 가져오는지 확인하기 위해 압전계수를 비교해보았다. 마지막으로 PZT용액을 이용해 압전 에너지 하베스팅 소자를 제작하였고 진동 발전모듈에서 PZT필름이 120 Hz의 진동에서 공진할 수 있도록 캔틸레버의 길이 및 검증질량(proof mass)을 조절하여 공진현상을 유도하고 발전 전압을 측정하였다.; Piezoelectric energy harvesting is a nextgeneration eco-friendly technology that uses piezoelectric effect to convert wasted energy to electric energy. And the device consists of simple structure and easily controls the frequency. The piezoelectric materials can generate power to convert mechanical energy to electrical energy. A typical material is lead –based PZT(lead zircoantetitanate), and piezoelectricity values shows piezoelectric coefficient d33. Widely used for fabrication method is sputter(physical method) and sol-gel method(chemical method). The sol-gel method is advantageous to change the composition ratio and easily produce because the low production cost, but there is limitation in the general sol-gel method formanufacturing the thick films. In this paper, we investigated the effect of precursor and solvent used for PZT solution on deposition thickness. In the addition, controlled the Pb content from 1.0 to 1.2 to confirm the P-E(Polarization-Electric field) loop and AFM (Atomic Force Microscopy) topography image.And also compared the piezoelectric coefficient to determine the effect of thickness variation of PZT films by PFM(Piezoelectric Force Microscopy) mode. Finally, fabricate the piezoelectric energy harvesting, and set vibration power generation module to resonance at 120 Hz vibration by control the cantilever length and using proof mass, then check the generation voltage and power in the 120 Hz resonance vibration state.