• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2013.02a
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• pp.622-622
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• 2013

Piezoelectric energy harvesting (PEH) device refers to a power device for acquiring mechanical energy from the environment surrounding us which would otherwise be wasted and for converting it into usable electrical energy. While much work has been done on developing ZnO nanogenerator (NG) with nanowire arrays, there are some issues of not only scaling up its output power but also optimizing structure for operating feasibly in various conditions. Efficiency of NG is highly dependent on fixed orientation. But in many cases, it is not easy to predict where the pressure and vibration may come from. Furthermore, the direction of the applied mechanical stress is usually non-stationary and can be random in various practical applications. Therefore an omnidirectional PEH is needed.In this work, we investigate an omnidirectional PEH device consisting ZnO nanowires. We deposited spiral patterned ZnO seed layer on Kapton film. We deposited thin Cr layer on the ZnO seed layer using DC-sputter to form a passivation layer to retard un-expected growth of ZnO nanowires. We grew ZnO nanowires along the spiral arms using hydrothermal method. ZnO nanowires have been selectively grown from the ZnO sidewall without Cr layer and have the average length of$5{\mu}m$ and the average diameter of 40nm. We reduced the defect in the as-grown ZnO nanowires by O2 plasma using asher and by thermal treatment using RTA. Consequently, each nanowire has different directions to each other. This isotropic design can lead to the omnidirectional power generation. The morphology of NG is characterized with FESEM. Maximum output power of the device is measured by using a picoammeter and a nanovoltmeter.

• Journal of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers
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• v.25 no.10
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• pp.766-772
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• 2012

Spring supported piezoelectric cantilever structures (SPCS) were fabricated for vibration-based energy harvester application. We selected four elastic springs (A, B, C, and D type) as cantilever's supporter, each elastic spring has a different spring constant (S). The C type of SPCS ($S_C$: 4,649 N/m) showed a extremely low resonance frequency of 81 Hz along with the highest power output of 38.5 mW while the A type of SPCS ($S_A$: 40,629 N/m) didn't show a resonance frequency while. Therefore, it is considered that the lower spring constant lead to a lower resonance frequency of the SPCS. In addition, a tip mass (18 g) at one end of the SPCS could further reduce the resonance frequency without heavy degradation of power output.

• Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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• v.34 no.7
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• pp.867-872
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• 2010

Unused energy derived from sources in nature can be captured and stored for future use, for example, to recharge a battery or power a device; this process of capturing and storing energy is called energy harvesting. Extensive investigations are being carried out in order to use piezoelectricity to harvest the energy generated by body movements or machine vibrations. This paper presents a simple analytical model that describes the output voltage effectiveness of a Piezocomposite Generating Element (PCGE) from vibration and its experimental verification. PCGE is composed of carbon/epoxy, PZT, and glass/epoxy layers. During the manufacturing process, the stacked layers were cured at $177^{\circ}C$ in an autoclave, which created residual stresses in PCGE and altered the piezoelectric properties of the PZT layer. In the experiments, three kinds of lay-up configurations of PCGE were considered to verify the proposed prediction model and to investigate its capability to convert oscillatory mechanical energy into electrical energy. The predicted performance results are in good agreement with observed experimental ones.

• Journal of the Korean Solar Energy Society
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• v.28 no.3
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• pp.53-59
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• 2008

This paper reports an experimental investigation to design a tree-shaped wind power system using piezo-electric materials. The proposed system is to produce power if wind is strong enough to produce any bending motions in the energy converting elements, i.e., piezo-electric materials. Two different kinds of piezoelectric materials are used in the present study to produce power by scavenging energy from the wind. The soft flexible one made the leaf element while the hard one was applied to the trunk portion of the tree requiring rather strong winds to generate any power. Although small, each leaf deems to play the role of a power producer and currents are continuously trickling down to the storage battery installed at the bottom of the system.

• Proceedings of the KAIS Fall Conference
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• 2012.05b
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• pp.734-737
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• 2012

에너지하비스팅이란 도시와 자연 환경 속에 상시 존재하지만 진동, 열, 빛 등과 같이 버려지는 에너지 소스로부터 전기를 수확하는 것으로 대용량 발전소와는 다른 신개념의 전기 수확 기술이다. 본 연구에서는 다양한 에너지 하비스팅 기술들 중에서 압전 원리와 전자기 유도 방식을 조합한 하이브리드 에너지 하비스팅 블록에 대한 발전량을 평가하여 에너지 하비스팅 블록의 주택 도시 분야 적용 가능성을 검토하고자 하였다. 이를 위해 랩스케일 PZT 기반 다층 에너지 하베스터의 현 발전량을 평가하여 제시하였고, 증폭기술을 적용하여 개발된 에너지 블록의 발전성능을 다각적으로 평가하여 제시하였다. 또한 개발된 에너지 블록과 기존 상용 제품과의 발전성능 비교 실험을 수행하여 개발된 에너지 블록의 우수성을 입증하였다.

• Journal of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers
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• v.24 no.6
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• pp.515-518
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• 2011

In this work, we designed and fabricated a multilayer thin film Pb(Zr,Ti)$O_3$ cantilever with a Si proof mass for low frequency vibration energy harvesting applications. A mathematical model of a mu lti-layer composite beam was derived and applied in a parametric analysis of the piezoelectric cantilever. Finally, the dimensions of the cantilever were determined for the resonant frequency of the cantilever. W e fabricated a device with beam dimensions of about 4,930 ${\mu}M$ ${\times}$ 450 ${\mu}M$ ${\times}$ 12 ${\mu}M$, and an integrated Si proof mass with dimensions of about 1,410 ${\mu}M$ ${\times}$ 450 ${\mu}M$ ${\times}$ 450 ${\mu}M$. The resonant frequency, maximum peak voltage, and highest average power of the cantilever device were 84.5 Hz, 88 mV, and 0.166 ${\mu}Wat$ 1.0 g and 23.7 ${\Omega}$, respectively. The dimensions of the cantilever were determined for the resonance frequency of the cantilever.

• Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
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• 2008.11a
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• pp.211-211
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• 2008

태양열, 바람, 지열, 진동 등의 우리주변에서 쉽게 얻을 수 있는 에너지를 모아서 필요로 하는 전자기기의 에너지원으로 사용하는 개념의 에너지하비스팅에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 기계적인 변경으로 전압이 발생하는 압전체는 오래전 알려져 있었지만 발생전압이 낮아 에너지발전용으로 적용이 힘들었다. 하지만 전자기기의 소형화와 함께 필요로 하는 전력도 수 ${\mu}W$로 낮아짐으로 압전체를 이용한 에너지하비스팅이 주목 받고 있다. 전선으로 연결하여 전원을 공급하기 힘든 위치에 있는 전자기기는 주기적으로 배터리를 교환해 주어야한다. 이는 시간적, 금전적, 인적자원의 낭비이며 반영구적으로 전원을 공급할 장치개발이 필요하다. 구조물은 수~ 수십 Hz로 진동을 하며 이 진동으로 압전체에 변형을 주어 전압을 발생시킨다. 변형이 클 때 발생전압도 크게 되므로 압전체를 칸틸레버형태로 제작했다. 더 큰 전압발생을 위해 메탈을 사이에 두고 양면에 압전체를 둔 바이몰프 형태로 캔틸레버를 제작했다. 이때 진동의 충격을 완화시켜 압전체에 인가되도록 하고 구조물의 고유진동수모다 큰 진동수로 압전체가 진동하도록 하기위해 스프링을 사용하여 제작하였다. 이 스프링 지지구조 및 가진 조건에 따른 발전특성을 알아보았다.

• Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
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• 2010.06a
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• pp.333-333
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• 2010

압전형 에너지 하베스팅 소자는 외부에서 버려지는 기계적 진동 혹은 타격과 관련된 에너지로부터 전기 에너지를 획득할 수 있다는 잇점이 있다. 그러나 현재 이 방식으로부터 획득될 수 있는 에너지는 매우 작다는 단점이 있다. 이러한 문제들을 해결하기 위하여 본 연구에서는 두 가지 형태의 압전 소재를 제작하였다. 에너지 하베스팅 소자용 고효율 압전 세라믹와 결정배향된 세라믹을 제작하고 이에 대한 성능을 조사하였다. 결정 배향된 세리믹에서는 1 N의 외부 충격조건에서 소재가 100 V, 1 mW의 전력을 발생하였다.

• Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
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• 2008.06a
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• pp.51-51
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• 2008

최근 센서, 전자기술의 발달은 소형 센서 기기의 구동에 필요한 파워를 줄여 주변의 진동이나 온도차등에서의 작은 에너지로도 센서 등의 소형 전자기기의 구동을 가능하게 했다. 이에 따라 전자기기의 구동에너지로써 에너지 하베스팅이 많은 관심을 받고 있다. 압전 효과를 이용하여 주변의 진동에너지를 전기에너지로 변화 시키는 압전에너지 하베스터는 온도차이나 태양광, 바람등과는 달리 날씨나 구동조건에 큰 영항을 받지 않는 장점과 그 크기가 비교적 소형이라는 장점이 있어 많은 연구가 진행되고 있다. 에너지 하베스터에서 생산된 에너지를 사용하기 위해서는 생산된 에너지를 저장장치에 저장해야 한다. 저장장치에 저장하기 위해서는 일정 이상의 전압과 많은 양의 전류가 있는 것이 효과적이다. 하지만 압전 세라믹의 출력 특성은 전압이 크고, 출력 전류가 작은 특성을 지지고 있어 충전 속도가 느리다는 문제점이 있다. 압전세라믹에서 발생되는 에너지는 세라믹의 두께와 세라믹의 전극면적에 비례하는데 각각 세라믹의 두께는 출력 전압에 영향을 주며, 세라믹의 전극면적은 발생하는 전하량에 영항을 준다. 이러한 압전체의 특징을 이용하여 본 연구에서는 압전체의 출력특성의 향상을 위하여 $10\times35mm^2$ 크기의 적층 세라믹을 제작하여 압전에너지 하베스터를 제작하였다. 적층 압전세라믹을 이용한 에너지 하베스터에서 3.5m/$s^2$ 24.6 ${\mu}m$의 진동에서 발생전압 2.14 V 에 발생전류 252 ${\mu}A$의 특성을 얻을 수 있었다.

• Journal of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers
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• v.25 no.12
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• pp.955-960
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• 2012

We fabricated piezoelectric unimorph cantilever generators (UCG) using $Pb(Zr_{0.54}Ti_{0.46})O_3$ + 0.2 wt% $Cr_2O_3$ + 1.0 wt% $Nb_2O_5$ (PZCN) piezoelectric thick films, which were produced by a tape casting method. The PZCN thick films were tailored with same width and thickness but different lengths from 7.7 to 57.7 mm in order to evaluate optimized UCG for energy harvesting device applications. When the length of PZCN film was increased, the resonance frequency of UCG was slightly increased from 7 Hz to 8 Hz, which could be due to enlarged area of the highly stiff piezo-ceramic film. However, the output power was proportionally increased with the length of PZCT film and it reached 4.68 mW (1.221 $mW/cm^3$) when the film's length was 57.7 mm under 25 g of tip mass at 8 Hz, which is sufficient for micro-scale device applications.