스프링에 의해 초기 압축응력이 부여된 압전 에너지 하베스터

Abstract

최근 에너지 자립형 디바이스들의 상용화로 압전 에너지 하베스터가 기존의 전력원을 대체할 에너지원으로 각광받고 있다. 현재 주로 상용화되고 있는 하베스터의 형태는 외팔보형 하베스터이다. 시스템이 가지는 고유 진동수와 외력의 주파수가 일치할 때 공진현상으로 얻는 높은 발전량을 이용한다. 하지만, 발전량은 (변형)2에 비례하기 때문에 극심한 가진 조건에서는 압전재의 내구성이 확보되지 않는 한계를 가진다. 압전재료의 취성특성으로 인해 낮은 내구성을 갖는 특성을 극복하기 위해 추가적으로 변형을 제한하는 구조물을 부착하는 연구가 진행되어 왔지만, 발전 전압을 제한하지 않고 내구성을 개선하는 새로운 설계안이 요구된다.

본 연구에서는 압전재(Piezoelectric layer)의 취성재료 특성을 이용해 내구성을 향상시킨 압전 에너지 하베스터를 제안하였다. 압전 에너지 하베스터의 압전 재료는 보통 압축 응력과 인장 응력 상태를 번갈아가며 보인다. 하지만, 압전 재료는 압축 응력에 대해서는 강한 내구성을 보이는 반면 인장 응력에 대해서는 약한 내구성을 보인다. 따라서 만약 에너지 하베스터가 주로 혹은 항상 압축 응력 상태에 놓일 수 있다면 압전 재료의 내구성을 크게 향상시킬 수 있을 것이다.

스프링 혹은 탄성을 갖는 줄을 통해 에너지 하베스터에 초기 압축 응력을 인가하는 방법으로 압전 에너지 하베스터를 압축 응력 상태에 위치시켜 발전량의 제한 없이 내구성을 향상시키는 것이 가능하다. 본 연구에서는 Euler-Bernoulli 보 이론과 Kane’s Method와 Assumed Mode Method를 사용하여 제안된 시스템에 대한 전기-기계적 운동방정식 유도하였다. 발전량의 향상을 위해 최적화를 진행하였다. 주파수 응답 함수를 통해 0~50Hz 사이의 주파수 영역에서 발전량을 해석하였다. 동일한 재원의 응력분포를 비교함으로써 압전 에너지 하베스터의 내구성을 정량적으로 비교하였다.; With the recent commercialization of energy-independent devices, piezoelectric energy harvesters have been spotlighted as an alternative energy source to existing power sources. The form of the harvester, which is currently being commercialized mainly, is a single-arm-shaped harvester. It uses the highpower generation obtained from resonance phenomena when the frequency of the natural frequency of the system matches with the frequency of external forces. However, the amount of power generation is proportional to (modified)2, so the durability of the piezoelectric material is limited under severe conditions. Studies have been conducted to improve durability by attaching additional structures that restrict deformation in order to overcome low durability due to the properties of piezoelectric materials. The disadvantage of limiting deformation to improve durability is that it reduces the voltage generated. It suggests the need to develop a new structure of harvester that can improve durability.

In this study, piezoelectric layer's properties of the composition material have been used to improve durability, suggesting piezoelectric energy harvester. The piezoelectric material of piezoelectric energy harvester is usually seen alternately between compression stress and tensile stress state. However, piezoelectric materials show strong durability for compression stresses, while weak durability for tensile stresses. It is possible to improve durability without limiting the amount of power generation by placing the piezoelectric energy harvester in a compressed stress state by applying the initial compression stress to the energy harvester through spring or elastic lines. In this study, the theory of Euler-Bernouli beam and the Kane's Method and Assumed Mode Method were used to induce electro-mechanical kinetic equation for the proposed system. Durability was also quantitatively assessed by comparing the generated voltage and the generated stress of the spring-mounted model with the single arm beam type piezoelectric energy harvester.