• 한국정보통신학회:학술대회논문집
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• 한국정보통신학회 2013년도 추계학술대회
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• pp.346-349
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• 2013

본 논문에서는 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 제어기능을 갖는 빛, 진동 그리고 열 에너지를 이용한 삼중입력 에너지 하베스팅 회로를 설계하였다. 설계된 회로는 MPPT 제어를 통해 솔라셀과 압전소자 그리고 열전소자로부터 최대 가용 전력을 수확하고, 수확된 에너지를 저장 커패시터에 병합하여 저장한다. 병합된 에너지는 PMU(Power Management Unit)를 통해 센서노드로 공급된다. MPPT 제어는 변환소자의 개방회로전압과 MPP(Maximum Power Point) 전압간의 비례관계를 이용하여 구현하였다. 제안된 회로는 $0.18{\mu}m$ CMOS 공정으로 설계하였으며, 모의실험을 통해 동작을 검증하였다. 설계된 에너지 하베스팅 회로의 칩 면적은 $945{\mu}m{\times}995{\mu}m$이다.

• 한국전기전자재료학회:학술대회논문집
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• 한국전기전자재료학회 2010년도 하계학술대회 논문집
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• pp.304-304
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• 2010

최근 생활에 편리하며 휴대하기 좋은 전자기기들이 개발되고 있다. 휴대폰이나 MP3와 같은 전자기기들은 거의 필수품이라고 할 정도로 우리의 일상생활에 근접하여 있다. 그 종 대표적으로 휴대폰의 종류로 스마트폰과 같은 터치스크린을 이용한 사례는 점차 상승하고 있으며 시간이 지날수록 그 수요는 더욱 많아지고 있다. 때문에 몰입감 제공을 위하여 햅틱장치의 채용이 일반화 되고 있다. 햅틱장치란 가상환경이나 원거리에 있는 환경과 사용자가 상호 작용할 때 사용자에게 촉감이나 힘의 정보를 전달하여 주는 장치로 진동 및 회동 저항에 의해 사용자로 하여금 촉감들 느낄 수 있도록 하는 장치를 뜻한다. 즉, 현실감을 전달을 중점으로 하는 햅틱장치는 빠른 응답 속도와, 진동의 주파수와 크기는 독립적으로 제어가 가능해야 하며 기계적 수용기들을 직접적으로 자극할 수 있어야 한다. 하지만 모바일 햅틱장치의 경우 크기 및 소비전력의 문제로 모든 스펙을 만족하기에는 어려워 좀 더 한정적인 느낌을 제공할 수 없다. 현재까지 모바일 장치에서 햅틱 피드백을 위하여 진동모터나, 솔레노이드, 압전 액츄에이터 등이 많이 사용되어 지고 있다. 그 중 압전 액츄에이터는 입력에너지를 기계적 출력에너지로 변환되는 효과를 이용 한 것으로 압력 센서, 초음파 센서 등 많은 분야에서 응용되고 있으며 변위 범위는 작지만, 크기가 매우 작고 변위 정밀도가 높으며 발생력과 응답속도가 빠르다는 장점이 존재한다. 이를 이용한 햅틱 압전 엑츄에이터의 제작에 사용되는 압전 세라믹스는 높은 전기적 특성을 가질수록 더 졸은 효율을 가지며 이로 인하여 보다 좋은 전기적 특성을 가지는 압전 세라믹스를 필요로 한다. 현재 많이 사용되는 PZT계 세라믹스는 우수한 전기적 특성으로 많이 사용되고 있지만 Pb의 유독성으로 인한 환경문제로 Pb가 포함된 제품을 제한하고 있어 현재 Lead-free의 연구가 이루어지고 있다. Lead-free중 Ba$(Ti_{0.8}Zr_{0.2})O_3$(BZT)는 PZT계 세라믹스를 대체할 차세대 압전 재료로 주목받고 있다. 일반적으로 Lead-free의 압전계수($d_{33}$=100~300pC/N)는 비교적 낮은 값을 보이지만 BZT의 압전계수(BZT $d_{33}$~620pC/N)는 PZT계 세라믹스의 압전계수($d_{33}$=500~600pC/N)와 비교하여 부족하지 않은 압전계수를 보여주며 PZT를 대체할 재료로 주목받고 있다. 본 실험은 햅틱 압전 엑츄에이터용 무연 압전세라믹스의 제작을 위하여 Ba$(Ti_{0.8}Zr_{0.2})O_3-(Ba_{0.7}Ca_{0.3})-TiO_3$(BZT -BCT)의 조성으로 유전 및 압전 특성을 조사하였다.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2014년도 제46회 동계 정기학술대회 초록집
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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.

• 한국구조물진단유지관리공학회 논문집
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• 제18권1호
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• pp.166-173
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• 2014

본 연구에서는 레이저 가진을 이용한 초음파 전파 영상 기반 배관 비파괴 검사에 관해 다룬다. 손상의 영상화를 위해 갈바노미터 기반 레이저 미러 스캐너와 Q-Switch Nd: YAG 레이저 시스템을 사용하였다. 레이저 시스템을 가진원으로 사용하면 빠른 속도로 비접촉 초음파 가진이 가능하며, 온도의 변화가 급격한 환경이나 유해 물질이 포함된 환경에서도 대상 구조물의 원거리 가진이 가능하다. 또한 공간 해상도가 높으며, 입사각이 넓어 표면 형상이 복잡한 대상 구조물도 가진이 가능하다. 본 연구에서는 이러한 레이저 시스템으로부터 생성된 유도 초음파를 단일 PZT 센서를 사용하여 계측하고, 계측된 신호는 레이저 가진점에 해당하는 좌표점에 나열함으로써 2차원 공간좌표 및 시간축을 더한 초음파 전파 영상 생성을 위한 3차원 데이터를 구성한다. 이 데이터를 시간 축에 따라 연속적으로 반복 재생하면 초음파 전파 영상을 구할 수 있다. 이 때 웨이블릿 변환을 이용하여 계측 신호의 특정 주파수 성분을 추출해냄으로써 관찰하고자 하는 특정 유도 초음파 모드를 추출할 수 있다. 이러한 일련의 과정으로부터 획득한 초음파 전파 영상 데이터를 시간-공간 영역에서 주파수-wavenumber 영역으로 변환시켜줌으로써 손상 특성을 추출할 수 있다. 본 연구에서는 손상의 진단 및 위치 추정을 위해 wavenumber 필터링 기술을 적용하였으며, 시스템 검증을 위해 다양한 배관구조물 Testbed를 대상으로 실험을 수행하였다.