에너지 수확용 압전캔틸레버의 주파수 특성에 관한 연구

Abstract

본 연구에서는 압전 소자를 이용한 에너지 수확기법의 타당성을 제시하는 동시에 주위에서 쉽게 얻을 수 있는 에너지수확시스템 제안을 위하여 다음의 조건으로 실험을 수행하였다. - 실험에 사용된 캔틸레버는 알루미늄의 재질을 사용하였으며, 길이는 각각 150, 170, 190, 210㎜이다. - 부하에 따라서 변동되는 압전캔틸레버의 주파수 특성을 확인하기 위하여 캔틸레버 끝단에 0, 2.22, 4.34, 5.87, 8.66, 11.01g의 질량을 고정하였다. - 압전캔틸레버에 부착되는 압전 소자의 크기는 45×11×0.6㎜이며, 초기 부착점을 "0"점으로 하여 캔틸레버의 길이가 150㎜일 때에는 40㎜까지 0, 10, 20, 30, 40㎜ 순으로 압전 소자를 이동시켜 부착하였으며, 캔틸레버의 길이가 길어짐에 따라 20㎜씩 압전 소자의 이동거리도 늘렸다. 실험을 통하여 얻은 결론을 정리하면 다음과 같다. 1. 캔틸레버의 길이와 질량을 적절하게 조절하여 압전캔틸레버의 고유 진동수를 변화시켜 적용할 대상의 주파수와 일치 되었을 때 최대 에너지를 얻을 수 있었다. 2. 압전 소자를 캔틸레버 위에서 이동시켜가며 실험한 결과 캔틸레버를 아크릴 원통에 고정시킨 부분과 가까운 곳에 압전 소자를 고정하였을 때 최대 전압을 출력하였다. 이는 캔틸레버가 고정된 부분과 가까운 곳이 자유롭게 움직이는 부분보다 가해지는 응력이 크게 되며 이때 캔틸레버에 가해지는 응력이 압전 소자에도 가해져 출력되는 전압이 다른 부분보다 더 높게 출력되는 것으로 사료된다. 하지만, 큰 에너지를 얻기 위해 압전 소자가 깨질 수 있는 응력을 가하지 않도록 주의해야 할 것이다. 3. 부하저항에 의해 출력되는 전력을 알아보기 위한 실험을 수행한 결과 동일한 캔틸레버 끝에 질량을 올렸을 때가 올려놓지 않았을 때보다 더 큰 전력을 얻을 수 있는 것으로 나타났다. 이것은 일정한 캔틸레버의 길이 끝에 질량을 올려둔다면 압전캔틸레버의 고유 진동수가 낮아져 압전캔틸레버의 임피던스 값이 증가함에 따라 출력되는 전력이 증가할 것으로 판단된다. 4. 본 연구에서 얻어진 실험결과와 제안된 실험 장치는 압전 소자를 이용한 에너지 수확장치의 특성을 확인하는데 매우 유용하게 쓰일 것으로 사료된다. 최근에 야생동물 추적시스템, 농작품 재배환경 모니터링 시스템, 교량 모니터링 시스템, 실내환경 관리 시스템, 기상관측 시스템과 같은 유비쿼터스 센서 네트워크에 전원으로 사용되고 있는 배터리를 대신하여 압전캔틸레버형 에너지수확장치를 적용한다면 장기적으로 안정적인 전원 공급이 가능하고, 유지 보수를 위한 노력과 비용이 전혀 들지 않으면서 전원을 공급할 수 있을 것이다.

Recently, semiconductor production technology was able to improve by development of a new type elements and modules by the technology of VLSI(Very Large Scale Integration), and CMOS has increased the interest about the USN which has been commercialized since 2010. The USN is infrastructure of the high-intelligent society to play with anyone, anytime and anywhere through the context-awareness and knowledge contents generation of things or environment information from tag or sensor node which is attached to somewhere. To drive the USN using sensor node, the method of using a battery or connecting the power is expansive to keep use and has a possibility to destroy the environment. Therefore researchers who study for getting energy from low density energy such as solar heat, solar light, vibration, wind power and wave power study out wireless energy harvesting. This study suggests the method for getting the energy effectively by piezoelectric element from unused energy such as abandoned low energy density. In addition, the optimum energy harvesting equipment which used piezoelectric element is introduced.