Modeling and Analysis of Piezoelectric Energy Harvester with Limited Displacement of Meso and Microscale for IoT sensors

Abstract

4차 산업혁명 시대의 핵심 기술은 가전 제품, 모바일 장비, 웨어러블 디바이스 등 수 많은 사물들을 양방향 네트워크로 연결하는 사물인터넷(IoT)이다. IoT 구현에는 센서와 통신기능, 마이크로컨트롤러, 에너지 관리와 같은 기술이 필요하다. 특히, 에너지 관리 측면에서 배터리 및 전선이 필요 없는 에너지 하베스팅 (PEH) 기반의 자가발전 연구가 진행되고 있다. 그 중심에는 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환하는 압전 에너지 하베 스팅 기술이 있다. 압전 에너지 하베스팅 기술의 목표는 자가발전의 성능을 향상시켜 IoT에 사용되는 센서의 배터리 교체하고 케이블 복잡도 등의 불편함 없이 간단하게 설치 할 수 있도록 하는 것이다. 하지만 IoT 디바이스가 보급되고 환경이 스마트해짐에 따라 변위, 진동, 소음 등 환 경에 영향을 주는 물리적 요소의 감소가 요구되고 있다. 이러한 환경변화는 기계적 에너 지에 의존적인 압전 하베스팅 기술을 통한 에너지 공급을 어렵게 한다. 특히 변위의 제 한은 압전 에너지 하베스팅의 자가발전 성능을 저하시킬 뿐만 아니라 발전 방식의 변화 또한 요구하게 된다. 따라서 제한된 변위 환경에서도 발전할 수 있는 모듈화가 요구된다. 변위 제한은 크게 5 mm 이상의 변위를 허용하는 매크로스케일, 1 ~ 5 mm 미만의 변위를 허용하는 메조스케일, um 이하의 변위만을 허용하는 마이크로스케일의 환경으로 나눌 수 있다. 대표적인 예로 각각 철도, 차도, 인도 등이 있다. 본 연구에서는 이러한 메조와 마이크로 스케일로 제한된 변위 환경에서 IoT 센서를 구동하기 위한 압전 에너지 하베스터의 모델링과 분석에 관한 연구를 논의하였다. 메조 스케일로 제한된 변위환경에선 효율적으로 에너지를 발전하여 IoT 센서에 에너지를 공 급하기 위해 양단 고정형 압전 에너지 하베스터(FEPEH)를 개발하였다. 또한 동일한 변위제한 환경에서 압전 모듈의 성능을 향상시키기 위해 자유 고정형 압전 에너지 하베스 터(FFPEH)가 제안되었다. 한편, 마이크로 스케일의 변위 환경에서도 자가발전과 신호 감지가 가능한 고분자 섬유 기반의 새로운 PEH가 제안되었다. 먼저, 메조스케일의 변위 환경 중 변위가 2mm 이하로 허용되는 도로 환경에서 자가 발전 성능을 확인하고 IoT 센서를 구동하기 위해 FEPEH 모듈을 실험했다. 실제 도로 환 경과 연계한 실험 결과 차량의 속도에 따라 발전 에너지가 선형적으로 증가하는 것으로 나타났다. 이를 이용하여 실시간으로 하베스터의 내부환경을 감지할 수 있는 IoT 센서를 성공적으로 구동하였다. 둘째, 동일한 변위 환경에서 FEPEH의 자가발전 성능을 개선하기 위해 제안된 FFPEH 모듈로 동일조건 하에서 실험하였다. 실험 결과 FFPEH는 FEPEH보다 양단의 모 멘트 방향이 항상 일정해져 전력손실이 없었고 압전체에 인가되는 응력이 크기 때문에 FEPEH보다 높은 출력 성능을 보였다. 이로 인해 자가발전이 가능한 IoT 센서의 보급량 을 증가시킬 수 있는 시사점을 보였다. 마지막으로 마이크로 스케일 변위에서 자가발전이 가능한 폴리머 기반의 웨어러블 압전 에너지 하베스팅 섬유(WTPEH)를 개발했다. 압전 세라믹은 잘 부러지는 성질로 인 해 마이크로 스케일의 변위에 접목하기 어렵다. 또한 기존의 폴리머 필름형 타입의 경우 전극이 외부로 표출되어 발생하는 노이즈가 커서 상용화에 문제가 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 내부전극을 기반으로 하는 WTPEH를 개발하였다. WTPEH는 양말에 접 목하여 사용자의 체중 변화에 따라 선형적인 발전 특성을 보였다. 또한 픽셀화를 통해 모션 감지 센서를 제작하여 IoT sensor 구현에 성공했다. 본 연구는 기계적 에너지에 큰 의존성을 보이는 압전 에너지 하베스팅 기술의 변위 한계를 극복하였 제한된 변위환경에서 효율적으로 자가발전이 가능한 IoT 센서 시스템 을 구축한 것에 큰 의의가 있다.|The core technology in the era of the 4th industrial revolution is the Internet of Things (IoT), which connects numerous objects such as home appliances, mobile equipment, and wearable devices through an interactive network. IoT implementations require technologies such as sensors and communication capabilities, microcontrollers, and energy management. In particular, researches on energy harvesting-based self-powered that does not require batteries and wires are being conducted in terms of energy management. At the center of researches is piezoelectric energy harvesting (PEH) technology that converts mechanical energy into electrical energy. The goal of piezoelectric energy harvesting technology is to improve the performance of self-powered so that the battery of the sensor can be replaced, and to enable simple installation without the inconvenience of cable complexity. However, as IoT devices become popular and the environment becomes smarter, there is a need to reduce physical factors that affect the environment, such as displacement, vibration, and noise. These environmental changes make it difficult to supply energy through piezoelectric harvesting technology, which is dependent on mechanical energy. In particular, the limitation of displacement not only reduces the self-powered performance of piezoelectric energy harvesting, but also requires a change in the power generation method. Therefore, modularization that can develop even in a limited displacement environment is required. Limitation of displacement can be divided into macroscale which allows displacement of 5 mm or more, mesoscale which allows displacement of 1 ~ 5 mm, and microscale which allows only displacement of less than μm. Typical examples are railroads, roadways, and walkways, respectively. In this dissertation, it was discussed the modeling and analysis of piezoelectric energy harvesters for driving IoT sensors with limited displacement of meso and microscale. In a limited displacement environment of mesoscale, a fixed-ends piezoelectric energy harvester (FEPEH) to efficiently generate and supply energy to IoT sensors was developed. In addition, a free-fixed piezoelectric energy harvester (FFPEH) has been suggested to improve the performance of the piezoelectric module in the same limited displacement condition. Meanwhile, a new PEH based on polymer fibers that can self-powered and detect signals even in a microscale displacement environment has been proposed. First, the FEPEH module was experimented to analysis the self-powered performance in the roadway where displacement is allowed under 2 mm among the limited displacement of mesoscale. As a result of the experiment in connection with the actual road environment, it showed that the power generation energy increases linearly with the speed of the vehicle. Using this, we successfully operated an IoT sensor that can detect the internal environment of the harvester in real time. Second, to improve the self-powered performance of FEPEH, the proposed FFPEH module was tested under the same conditions. As a result of the experiment, FFPEH showed higher output performance than FEPEH because the direction of moment at both ends was always constant compared to FEPEH, so there was no power loss and the stress applied to the piezoelectric materials was large. This has implications for increasing the supply of self-powered IoT sensors. Finally, a polymer-based wearable piezoelectric energy harvesting fiber (WTPEH) capable of self-powered under microscale displacement was purposed. Piezoelectric energy harvesting based on ceramic was difficult to graft on microscale displacements due to their brittle property. In addition, in the case of the existing polymer film type, there is a problem in commercialization because the electric noise generated by the electrode being exposed to the outside is large. To solve this problem, WTPEH based on internal electrode was developed. WTPEH showed a linear development characteristic according to the user's weight change by grafting it on insole. In addition, it was succeeded in implementing an IoT sensor by a motion detection sensor through pixelation. This dissertation has great significance in that it overcomes the displacement limit of piezoelectric energy harvesting technology, which is highly dependent on mechanical energy, and establishes an self-powered IoT sensor system in a limited displacement.