• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2014.02a
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• pp.476-476
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• 2014

서론: 저 전력 소모를 필요로 하는 무선 센서 네트워크 관련 기술의 급격한 발달과 함께 자체 전력 수급을 위한 진동 에너지 수확 기술에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 다양한 구조와 소재를 압전 외팔보에 적용하여 제안하고 있다. 그 중에서도 진동 기반의 에너지 수확 소자는 주변 환경에서 쉽게 진동을 얻을 수 있고, 높은 에너지 밀도와 제작 방법이 간단하다는 장점을 가지고 있어 많은 분야에 응용 및 적용 가능하다. 기존 연구에서는 2차원적으로 진동 에너지 수확을 위한 휜 구조의 압전 외팔보를 제안 하였다. 휜 구조를 갖는 압전 외팔보는 각각의 짧은 두 개의 평평한 외팔보가 일렬로 연결된 것으로 볼 수 있다. 하나의 짧고 평평한 외팔보는 진동이 가해지면 접선 방향으로 응력이 생겨 최대 휨 모멘텀을 갖게 된다. 그러므로 휜 구조를 갖는 외팔보는 진동이 인가됨에 따라 길이 방향과 수직 방향으로 진동한다. 하지만, 이 구조는 수평 방향으로 가해지는 진동에 대한 에너지를 수확하기에는 한계점을 가진다. 즉, 3축 방향에서 임의의 방향에서 진동 에너지를 수확하기는 어렵다. 본 연구에서는 3축 방향에서 에너지를 효율적으로 수확할 수 있도록 헤어-셀 구조의 압전 외팔보 에너지 수확소자를 제안한다. 제안된 소자는 길이 방향과 수직 방향뿐만 아니라 수평 방향으로도 진동하여 임의의 방향에서 진동 에너지를 수확할 수 있다. 구성 및 공정: 제안하는 소자는 3축 방향에서 임의의 진동을 수확하기 위해서 길이를 길게 늘이고 길이 방향을 따라 휘어지는 구조의 헤어-셀 구조로 제작하였다. 외팔보의 구조는 외팔보의 폭 대비 길이의 비가 충분히 클 때, 추가적인 자유도를 얻을 수 있다. 그러므로 헤어-셀 구조의 에너지 수확 소자는 기본적인 길이 방향, 수직방향 그리고 수평방향에 더불어 추가적으로 뒤틀리는 방향을 통해서 3차원적으로 임의의 주변 진동 에너지를 수확하여 전기적인 에너지로 생성시킬 수 있다. 제작된 소자는 높은 종횡비를 갖는 무게 추($500{\times}15{\times}22{\mu}m3$)와 길이 방향으로 길게 휜 압전 외팔보($1000{\times}15{\times}1.7{\mu}m3$)로 구성되어있다. 공정 과정은 다음과 같다. 먼저, 실리콘 웨이퍼 위에 탄성층을 형성하기 위해 LPCVD SiNx를 $0.8{\mu}m$와 LTO $0.2{\mu}m$를 증착 후, 각각 $0.03{\mu}m$과 $0.12{\mu}m$의 두께를 갖는 Ti와 Pt을 하부 전극으로 스퍼터링한다. 그리고 Pb(Zr0.52Ti0.48)O3 박막을 $0.35{\mu}m$ 두께로 졸겔법을 이용하여 증착하고 상부 Pt층을 두께 $0.1{\mu}m$로 순차적으로 스퍼터링하여 형성한다. 상/하부 전극은 ICP(Inductively Coupled Plasma)를 이용해 건식 식각으로 패턴을 형성한다. PZT 층과 무게 추 사이의 보호막을 씌우기 위해 $0.2{\mu}m$의 Si3N4 박막이 PECVD 공정법으로 증착되고, RIE로 패턴을 형성된다. Ti/Au ($0.03/0.35{\mu}m$)이 E-beam으로 증착되고 lift-off를 통해서 패턴을 형성함으로써 전극 본딩을 위한 패드를 만든다. 초반에 형성한 실리콘 웨이퍼 위의 SiNx/LTO 층은 RIE로 외팔보 구조를 형성한다. 이후에 진행될 도금 공정을 위해서 희생층으로는 감광액이 사용되고, 씨드층으로는 Ti/Cu ($0.03/0.15{\mu}m$) 박막이 스퍼터링 된다. 도금 형성층을 위해 감광액을 패턴화하고, Ni0.8Fe0.2 ($22{\mu}m$)층으로 도금함으로써 외팔보 끝에 무게 추를 만든다. 마지막으로, 압전 외팔보 소자는 XeF2 식각법을 통해 제작된다. 제작된 소자는 소자의 여러 층 사이의 고유한 응력 차에 의해 휨 변형이 생긴다. 실험 방법 및 측정 결과: 제작된 소자의 성능을 확인하기 위하여 일정한 가속도 50 m/s2로 3축 방향에 따라 입력 주파수를 변화시키면서 출력 전압을 측정하였다. 먼저, 소자의 기본적인 공진 주파수를 얻기 위하여 수직 방향으로 진동을 인가하여 주파수를 변화시켰다. 그 때에 공진 주파수는 116 Hz를 가지며, 최대 출력 전압은 15 mV로 측정되었다. 3축 방향에서 진동 에너지 수확이 가능하다는 것을 확인하기 위하여 제작된 소자를 길이 방향과 수평 방향으로 가진기에 장착한 후, 기본 공진 주파수에서의 출력 전압을 측정하였다. 진동이 길이방향으로 가해졌을 때에는 33 mV, 수평방향으로 진동이 인가되는 경우에는 10 mV의 최대 출력 전압을 갖는다. 제안하는 소자가 수 mV의 적은 전압은 출력해내더라도 소자는 진동이 인가되는 각도에 영향 받지 않고, 3축 방향에서 진동 에너지를 수확하여 전기에너지로 얻을 수 있다. 결론: 제안된 소자는 3축 방향에서 진동 에너지를 수확할 수 있는 에너지 수확 소자를 제안하였다. 외팔보의 구조를 헤어-셀 구조로 길고 휘어지게 제작함으로써 기본적인 길이 방향, 수직방향 그리고 수평방향에 더불어 추가적으로 뒤틀리는 방향에서 출력 전압을 얻을 수 있다. 미소 전력원으로 실용적인 사용을 위해서 무게추가 더 무거워지고, PZT 박막이 더 두꺼워진다면 소자의 성능이 향상되어 높은 출력 전압을 얻을 수 있을 것이라 기대한다.

• Proceedings of the KIEE Conference
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• 2015.07a
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• pp.1227-1228
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• 2015

본 연구에서는 기계적 충격 방식을 통한 주파수 상향방식을 이용하여 저주파 진동원으로부터 충분한 에너지를 수확할 수 있는 압전 구동 방식의 광대역 에너지 수확 소자를 제작하고 평가하였다. 유연한 외팔보의 진동으로 인한 기계적 충격은 압전 외팔보에 큰 두 번째 힘을 전달한다. 변형률이 커지고 주파수 상향방식을 사용한 결과로 출력 전력과 동작 주파수의 대역폭 또한 향상되었다. 제작된 에너지 수확소자의 질량체 비율은 ${\mu}=5.8$, 스토퍼의 거리는 d = 0.5 mm이며, 17 Hz의 주파수, $30k{\Omega}$의 최적 부하저항에서 $449{\mu}W$의 최대 피크 전력을 전달하였다. 또한 1 g로 가진하였을 때 11 Hz부터 28 Hz의 주파수 대역에서 동작이 가능하였고, 저주파수의 무작위 진동에서도 효율적으로 에너지 수확이 가능하다는 것을 입증하였다.

• Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
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• 2010.06a
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• pp.301-301
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• 2010

현재 전 세계는 앞으로 사용 될 대체 에너지에 많은 관심 가지고 있다. 지금 사용하고 있는 에너지 연료는 한정되어 있기 때문에 대체에너지에 대한 연구가 활발히 진행 되고 있다. 그 중 압전체를 이용한 에너지 하베스팅은 많은 주목을 받고 있다. 주변 환경에서 필요한 에너지를 끌어 쓸 수 있는 대표적인 청정에너지 시스템 중 하나이기 때문이다. 최근 전원 공급원으로써 에너지 수확 시스템은 현 사회에 사용되고 있는 배터리로 전원을 사용하는 제품들을 소용량과 저전압 분야에서의 에너지 수확의 원리를 이용하여 전기전자제품의 사용시간 연장 및 응용분야 확대를 시도하는 연구가 활발히 수행되고 있다. 압전세라믹스를 이용한 에너지 하베스팅은 진동에너지를 전기에너지로 변환하는 것으로서 압전 특성이 높아야 한다. 일반적으로 압전 세라믹스는 PbO 성분이 들어가므로 환경적 오염 뿐만 아니라 인체에도 영향이 좋지 않으므로 많은 나라에서 이러한 성분을 제한하고 점차적으로 줄어들고 있는 시점에서 PbO를 사용하지 않고 Lead-Free 세라믹를 사용한 연구가 진행되고 있다. 이 논문에서는 일반적인 소결 방법을 이용하여 (Na,K)NbO3 세라믹에 CeO2를 첨가한 압전 세라믹을 제작하였다. 제작된 압전 세라믹스로 에너지 하베스팅 소자를 제작하고, 이 소자로 수확된 에너지로 DC-DC Converter 응용 특성에 대하서 연구하였다. 압전 세라믹스의 좋은 압전 특성을 출력하기 위하여 캔틸레버의 고유 진동수가 진동원의 주파수와 일치하는 공진을 일으켜야 한다. 따라서 구동회로는 주파수원을 찾아 설계하였고, 압전 세라믹스의 진동은 가진기를 이용하여 구동실험을 하였다. 지금까지 나와있던 에너지 하베스팅 회로와 비교하여 그 특성을 분석하고, 시뮬레이션 및 실험을 통하여 검증하였다.

• Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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• v.39 no.5
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• pp.499-505
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• 2015

To properly design and assess a piezoelectric vibration energy harvester, it is necessary to consider the application of an efficiency measure of energy conversion. The energy conversion efficiency is defined in this work as the ratio of the electrical output power to the mechanical input power for a piezoelectric vibration energy harvester with an impedance-matched load resistor. While previous research works employed the electrical output power for approximate impedance-matched load resistance, this work derives an efficiency measure considering optimally matched resistance. The modified efficiency measure is validated by comparing it with finite element analysis results for piezoelectric vibration energy harvesters with three different values of the electro-mechanical coupling coefficient. New findings on the characteristics of energy conversion and conversion efficiency are also provided for the two different impedance matching methods.

• Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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• v.37 no.8
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• pp.983-989
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• 2013

This study proposes a piezoelectric vibration energy harvester composed of two diagonally segmented energy harvesting units. An auxiliary structural unit is attached to the tip of a host structural unit cantilevered to a vibrating base, where the two components have beam axes in opposite directions from each other and matched short-circuit resonant frequencies. Contrary to the usual observations in two resonant frequency-matched structures, the proposed structure shows little eigenfrequency separation and yields a mode sequence change between the first two modes. These lead to maximum power generation around a specific frequency. By using commercial finite element software, it is shown that the magnitude of the output power from the proposed vibration energy harvester can be substantially improved in comparison with those from conventional cantilevered energy harvesters with the same footprint area and magnitude of a tip mass.

• KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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• v.31 no.4A
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• pp.287-293
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• 2011

This paper investigates the applicability of a piezoelectric cantilever for energy supply of wireless sensor node used in structural health monitoring of bridges. By combining the constitutive equation of piezoelectric material and the dynamic equation of cantilever structure, the coupled governing equation for cantilever equipped piezoelectric patches has been addressed in matrix form. Forced excitation tests were carried out to validate the numerical model and to investigate the power output characteristics of the energy harvester. From the numerical simulation based on the measured bridge accelerations under KTX, Saemaul, Mugunghwa trains, the peak powers generated from the device were found to be 28.5 mW, 0.65 mW, 0.51 mW respectively. It is revealed from the results that bridge vibrations caused by moving loads is not a practical source for energy harvesting because of its low acceleration level, low frequency and short duration.

• Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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• v.34 no.5
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• pp.637-644
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• 2010

A vibration-powered piezoelectric energy harvester yields the maximum power output when its resonant frequency is made equal to the excitation frequency; however, the power output is dramatically decreased when the energy harvester is operated at off-resonance frequency. It has been observed that the resonant frequency of a piezoelectric energy harvester may change with time and that the excitation frequency often varies when the energy harvester is used in real applications. Hence, in this study, we propose a piezoelectric energy-harvesting module that is suitable for excitations in a certain frequency range. The frequency characteristics of the electrical output of the module are studied through analysis and experiment. A simple frequency tuning method is also suggested for the proposed energy-harvesting module; in this method, frequency tuning is achieved by changing the electrical connections between the constituent energy-harvesting units of the module.

• Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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• 2014.10a
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• pp.539-543
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• 2014

This work investigated the electromechanical performance of a cantilevered vibration energy harvester incorporating the single crystal PMN-PZT, manufactured with the most recent technology of solid-state single crystal growth. Single crystal PMN-PZTs with two different crystallographic axes such as [011] and [001] were considered. For the [011] orientation, because material properties such as the stiffness, piezoelectric strain coefficients are not the same in the directions normal to the crystallographic axis, the effects of the transversely anisotropy on the magnitude and frequency bandwidth of output power were also analyzed.

• Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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• v.24 no.11
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• pp.890-897
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• 2014

This work investigated the electromechanical performance of a cantilevered vibration energy harvester incorporating the single crystal PMN-PZT, manufactured with the most recent technology of solid-state single crystal growth. The performances of single crystal PMN-PZTs with two different crystallographic axes such as [011] and [001] are compared with those of PZT ceramics. From the investigations, it is shown that the [001]-poled PMN-PZT is advantageous for the excitations containing single dominant frequency component, while the single crystal [011]-$d_{32}$ is superior in terms of the energy storage density and energy conversion efficiency.

• Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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• 2012.04a
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• pp.538-539
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• 2012