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표제지

Abstract

요약

목차

제1장 서론 13

1.1. 에너지 수확 기술 13

1.1.1. 에너지 수확기술의 개요 13

1.1.2. 에너지 수확기술의 시장 동향 15

1.1.3. 에너지 수확 기술의 업계동향 19

1.2. 광대역 진동에너지 수확 소자 23

1.2.1. 광대역 진동에너지 수확 소자의 연구 동향 23

1.2.2. 광대역 에너지 수확 소자의 소형화 연구 25

1.2.3. 소형 광대역 에너지 수확 소자의 제작 27

1.3. 연구 목적 29

제2장 기초 이론 31

2.1. 압전 수확 소자의 기본 원리 31

2.2. 압전 수확 소자의 재료 35

2.3. COMSOL Multiphysics (Simulation) 39

제3장 실험 및 측정 41

3.1. 광대역 Bulk 에너지 수확소자의 제작 41

3.2. MEMS 광대역 에너지 수확소자의 설계 46

3.3. 측정 및 장비 56

3.3.1. 진동 신호 발생 57

3.3.2. 진동 신호 분석 60

제4장 결과 및 고찰 62

4.1. Bulk type 62

4.1.1. 개별소자의 공진주파수 측정 62

4.1.2. 개별소자의 전기적 특성 측정 65

4.1.3. 개별소자의 주파수 간격에 따른 광대역 소자의 전기적 특성 측정 71

4.1.4. 주파수와 최적저항에 따른 최대 전력 74

4.2. MEMS type 79

4.2.1. Comsol process를 이용한 공진 주파수의 설계 79

4.2.2. MEMS 공정의 광대역 소자의 공진주파수 측정 81

4.2.3. 소형 광대역 소자의 저항별 전압과 전력 82

4.2.4. 최적저항에서 가속도에 따른 주파수별 전력 83

제5장 결론 및 향후 계획 85

참조 88

[표 1] 에너지원에 따른 단위면적당 에너지량 18

[표 2] 주변 환경에서 버려지는 진동에너지의 주파수 23

[표 3] 압전결정 소자의 소재에 따른 분류와 특징 36

[표 4] 진동 제어기의 상세 정보 60

[표 5] 개별 에너지 수확소자의 전기적 특성 70

[그림 1] 주변에 존재하는 에너지를 수확하는 기술 14

[그림 2] 에너지 수확시장의 규모 2011-2017 15

[그림 3] 2015년 압전에너지 수확시장의 예상 17

[그림 4] 에너지 원에 따른 단위면적당 최대 에너지량 비교 19

[그림 5] 압전 에너지 수확소자의 응용분야 21

[그림 6] 공진주파수 자가 조정 진동에너지 수확 소자 24

[그림 7] 주파수 조절이 가능한 진동에너지 수확소자 25

[그림 8] 소형 에너지 수확소자의 연구 동향 26

[그림 9] 시뮬레이션 프로그램을 이용한 외팔보 소자의 설계 27

[그림 10] 에너지 수확의 개략도 30

[그림 11] PZT 압전 물질의 기본 구조 31

[그림 12] 압전 직접 효과와 분극 방향에 따른 전자의 이동 모식도 33

[그림 13] 압전 역 효과의 모식도 34

[그림 14] 단결정 PMN-PT와 다결정 PZT 38

[그림 15] COMSOL Multiphysics를 이용한 분석 39

[그림 16] Bulk 광대역 소자의 제작과정 44

[그림 17] 직렬과 병렬연결의 비교소자 제작 45

[그림 18] MEMS 공정의 모식도 46

[그림 19] MEMS 공정적용을 위한 다양한 형태의 디자인 설계 48

[그림 20] 선택된 디자인과 연구목표 50

[그림 21] MEMS 공정을 위한 Mask 53

[그림 22] 열에 의해 박리가 일어난 MEMS 광대역 소자 54

[그림 23] AutoCAD의 Sawing line과 M2000 Laser 가공기 55

[그림 24] 제작된 MEMS 광대역 에너지 수확소자 55

[그림 25] Bulk 광대역 에너지 수확소자의 연결 모식도 56

[그림 26] (a) 진동 전달을 위한 가진기 57

[그림 26] (b) 외팔보 배열의 가속도를 측정하기 위한 가속도 센서 57

[그림 26] (c) 피드백값을 증폭시키기 위한 전력증폭기 58

[그림 27] MEMS 소자의 특성측정 장비 및 모식도 59

[그림 28] 진동신호 분석을 위한 진동 제어기 60

[그림 29] Q 값의 정의와 측정 방법 63

[그림 30] Bulk 개별소자의 공진주파수 측정 64

[그림 31] (a) 1 번 개별에너지 수확소자의 특성 67

[그림 31] (b) 2 번 개별에너지 수확소자의 특성 67

[그림 31] (c) 3 번 개별에너지 수확소자의 특성 67

[그림 31] (d) 4 번 개별에너지 수확소자의 특성 68

[그림 31] (e) 5 번 개별에너지 수확소자의 특성 68

[그림 31] (f) 6 번 개별에너지 수확소자의 특성 68

[그림 31] (g) 1~5 번 개별에너지 수확소자의 평균 특성과 1 번소자의 비교 69

[그림 31] (h) 전체 병렬연결 에너지 수확소자의 특성 70

[그림 32] (a) 1 Hz 간격 외팔보 개별소자의 공진 특성 71

[그림 32] (b) 1.5 Hz 간격 외팔보 개별소자의 공진 특성 72

[그림 32] (c) 2.0 Hz 간격 외팔보 개별소자의 공진 특성 72

[그림 32] (d) 1 Hz, 1.5 Hz, 2.0 Hz 간격 외팔보 배열의 동작주파수 광대역화 73

[그림 33] 개별에너지 수확소자의 주파수별 수확전력 74

[그림 34] 주파수가 하나로 조정된 에너지 수확소자의 수확전력 76

[그림 35] 주파수의 간격이 조정된 개별에너지 수확소자의 전력 76

[그림 36] 주파수 간격이 조정된 외팔보 배열의 전력 77

[그림 37] 배열과 개별소자의 진동길이 비교 78

[그림 38] Comsol을 이용한 공진주파수의 설계 79

[그림 39] MEMS공정을 적용한 광대역 에너지 수확소자 80

[그림 40] MEMS 광대역 소자의 공진주파수 81

[그림 41] 저항에 따른 전력과 전압의 변화 82

[그림 42] 가속도 변화에 따른 MEMS 소자의 전력변화 83

[그림 43] MEMS 소자의 개별 공진주파수 측정[내용없음] 11

초록보기

본 연구는 진동에너지 수확소자에 대한 설계 및 제작에 대한 연구로 이루어져 있다.

첫 번째로 우리는 단결정 압전 소자인 PMN-PT 를 외팔보에 부착하고 Cu (Proof mass) 무게 추를 적용하여 광대역 공진주파수를 가진 에너지 수확소자를 연구하였다. 제작한 외팔보 배열의 출력은 병렬로 연결되어 있으며 각 배열은 5 개의 외팔보로 구성되어 있다. 각 외팔보 배열의 간격은 공진주파수의 최대점 간격이 1, 1.5, 2 ㎐의 간격으로 무게 추를 조정하여 총 3 개의 외팔보 배열을 제작하였다. 각 외팔보 배열의 대역폭은 각 각 7.5, 8.5, 10.2 ㎐이며 각각 64.5~57 ㎐, 64.5~56.5 ㎐, 64.5~54.3 ㎐ 에서 동작한다. 이렇게 제작된 외팔보 배열에서는 각각 0.37, 0.25, 0.22 ㎽ 전력이 생성되었으며 각각의 내부저항 값은 약 19, 32, 39 kΩ 으로 측정되었다. 이 연구를 통해 대역폭 증가에 대한 연구결과를 얻었다. 이 연구에 이어 우리는 광대역 에너지 수확 소자를 MEMS 공정을 이용하여 소형화 하기 위한 연구를 진행 하였다. 공진주파수에서 최대의 전력값을 가지는 에너지 수확 소자를 주변 환경에 존재하는 공진주파수에 맞춰 Comsol 소프트웨어를 이용하여 시뮬레이션 하고 이를 통해 에너지 수확소자의 설계 및 제작을 진행하였다. 이 연구에서는 PZT 를 이용하여 바이모프 외팔보 배열을 제작하였으며 Si (Silicon) 무게추의 질량을 이용하여 공진주파수를 조정하였다. 외팔보의 크기는 (5.5 ㎜ x 0.5 ㎜ x 0.5 ㎜) 이며 127.5~136 ㎐ 의 대역폭 약 8.5 ㎐ 공진주파수 폭을 가지고 있다. 모든 공정은 MEMS 제작공정을 이용 하였으며 총 6 개의 외팔보가 다른 공진주파수를 가지고 배열을 이루고 있다. 우리는 제작한 외팔보 배열을 가지고 최대 전력 약 20.27 ㎼ 에서 최소 약 10.66 ㎼ 의 전력을 수확할 수 있는 소자를 제작하였으며 최대 0.5 g 에서 진동하고 4 kΩ 의 내부저항을 가지는 광대역 에너지 수확 소자를 설계 제작하였다.

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