A study of vibration energy harvesting for the bimorph piezoelectric sensor

바이몰프 압전센서의 진동에너지 수확에 관한 연구

김 용 혁

^†

A study of vibration energy harvesting for the bimorph piezoelectric sensor

Yong-Hyuk Kim

^†

Abstract

Vibration energy harvesting is an attractive technique for potential powering of low power devices such as wireless sensors and portable electronic applications. Most energy generator developed to date are single vibration frequency based, and while some efforts have been made to broaden the frequency range of energy harvester. In this work, The effect of energy harvesting were investigated at various vibration frequencies, vibration beams, vibration point and test masses.

The maximum output voltage of the bimorph piezoelectric cantilever was shifted according to vibration point. Vibration frequency with maximum output voltage decreased with the increasing length of vibration beam and increasing test mass.

The sample with vibration beam length 0.5 L generated a peak output voltage of 32 ^V r m s and shows a 45 % increase in voltage output in comparison to the corresponding original bimorph. It was found that a piezoelectric bimorph has a possibility to be as the energy harvesting cantilever, which is successfully tuned over a vibration frequency range to enable a maximum harvesting energy.

Key Words : piezoelectric bimorph cantilever, vibration frequency, energy harvesting, vibration beam

1. 서 론

무선기술의 급속한 진보에 따라서 다양한 기능의 휴 대용 전자기기와 무선센서들이 빠르게 보급되면서 기 기의 소형화와 내지는 배터리 사용시간에 대한 효율성 에 관심이 집중되어 왔음에도 불구하고 휴대용 배터리 에 대한 기술개발의 한계로 인해 빈번한 배터리 충전 작업과 짧은 사용시간으로 인한 불편함은 여전히 존재 하고 있다.

이러한 배터리 사용시간 한계의 문제점을 해결하기 위해서는 언제 어디서나 전원을 쉽게 공급할 수 있는 휴대 가능한 자가발전 장치의 개발이 선행되어야만 한 다. 이와 같은 필요성이 한층 고조되면서부터 주변의 진동에너지를 항시 수확하여 배터리에 저장해서 휴대 용 전자기기의 전원으로 사용할 수 있는 에너지 수확

에 대한 다양한 방법들이 제시되었다 ^[1-3] .

주변 환경으로부터 가장 손쉽게 얻을 수 있는 에너 지원 중의 하나인 진동에너지를 이용한 에너지 수확기 술은 정전기, 전자기, 압전기 효과를 이용한 방법들이 다. Meninger 등은 정전기 발전기를 이용하여 2.5 kHz 의 진동에너지를 전기에너지로 변환할 수 있음을 보고 하였다 ^[4] . 또한 전기적 댐핑 장치를 이용하여 에너지 변환효율을 60 % 이상으로 향상시키는 정전기식 발전 방법이 Despesse 등에 의해 제시되었다 ^[5] . 한편 Glynne 등은 다수의 마그네트를 사용하여 차량의 진동에너지 를 전기에너지로 변환하는 전자기식 에너지수확 장치 를 개발하였다 ^[6] . 이어서 Saha 등은 전자식 발전기에 대한 모델링에 의해 주변의 진동에너지로부터 전력을 발생시킬 수 있는 최적조건을 제시하였다 ^[7] .

이와 더불어 압전효과를 이용한 에너지수확 기술은 비교적 간단한 압전체 구조와 높은 전력밀도로 인해 진동에너지를 손쉽게 변환할 수 있으므로 압전소자를 사용한 에너지변환 기술에 대해서 폭넓은 연구가 이루 어졌다. Sodano 등은 압전소재를 이용하여 진동에너지 를 전력으로 변환하여 수확하는 방법과 압전소자에 의

경원대학교 전기공학과 (Dept. of Electrical Engineering, Kyungwon University)

†

Corresponding author : [email protected]

(Received : May 3, 2010, Revised : June 22, 2010

Accepted : July 5, 2010)

그리고 고주파진동 특성에 관한 것이다 . ^{그러나 주변}

환경의 진동에너지 주파수는 폭 넓게 분포되어 있고 에너지원도 다양하기 때문에 진동주파수를 고정하여 일률적으로 적용하기에는 실용상 많은 문제점을 갖게 된다 . 예를 들면 차량의 진동으로부터 발생되는 진동주 파수나 교량이나 보행 시에 인체로부터 발생되는 진동 주파수가 모두 다르기 때문에 특정의 진동주파수 만을 대상으로 한 에너지수확은 실효성이 매우 낮아질 수밖 에 없다 .

따라서 본 연구에서는 캔틸레버형 바이몰프 압전소 자의 진동과정에서 생성되는 에너지의 효율의 극대화 방안을 조사하였다 . ^{이를 위하여 진동주파수와 진동점}

에 따른 AC 출력특성을 측정하였다 . 또한 진동빔과 진 동질량 등의 진동조건의 따른 출력변화를 조사하였고 브리지 정류회로와 커패시터의 결합회로를 통해서 DC

전압에 따른 발생 에너지를 산출하였다 . 또한 부하저항 의 정합에 의한 최대전력을 산출하기 위하여 부하저항 에 따른 DC ^{출력전압을 조사하였다} .

2. 실험 방법

본 실험에 사용된 센서는 캐틸레버형 압전 바이몰프

(piezo system, inc. 5A4A) 로서 그 크기는 69.9 mm(L)

× 31.3 mm(W) ^× 1.5 mm(t) ^{이며 재료정수는} Table 1 과 같다 . 본 실험을 위하여 자체 제작한 PZT 바이몰프의 발전장치를 Fig. 1 에 나타내었다 . 진동장치의 왕복진동 에 의해서 PZT 바이몰프가 상 , 하로 굴곡진동을 일으 키는 구조로서 바이몰프 양 전극 간에 발생된 AC 전압 을 오실로스코프로 측정하여 컴퓨터의 데이터변환 소 프트웨어에 의해서 실효값을 얻었다 . 진동장치는 솔레 노이드 방식으로써 구형파에 의해서 1 Hz~200 Hz 영 역에서 구동되도록 제작하였다 .

바이몰프의 진동 점에 따른 전압특성을 조사하기 위

하여 Fig. 2 와 같이 진동 인가점을 설정하였다 .

그리고 진동빔 길이에 따른 영향을 조사하기 위하여

Fig. 3 의 진동빔 ( 두께 1.0 mm AL 판 ) 을 설치하여 발생

전압의 변화를 측정하였다 .

캔틸레버 구조의 바이몰프 압전소자에 진동이 가해 졌을 때 발생되는 개방전압 는 압전체 재료정수와 진

동특성에 따라서 다음 식으로 주어진다 [14].

(1) v

– d

t

--- ε σ

=

Fig. 1. Schematic diagram of energy generator.

Fig. 2. Position of vibration point.

Fig. 3. Configuration of vibration beam.

여기서 ε는 유전상수 , −d 33 는 압전정수 , t p 는 두께 , σ 는 바이몰프의 진동함수이다 .

식 (1) ^로부터 , ^{바이몰프의 개방전압 v} p 는 압전재료정 수와 진동특성에 의존된다는 것을 알 수 있다 .

일반적으로 정전용량 C인 커패시터 양단에 전압 v가 생성되었을 때 커패시터에는 다음 식으로 표현되는 에 너지가 저장된다 .

(2)

3. 결과 및 고찰

3.1. 압전 바이몰프의 전압파형

Fig. 4 에 외부에서 진동이 가해졌을 때 압전 바이몰

프 양 전극에 생성되는 전압파형의 일반적인 모양을 나타내었다 .

캔틸레버형 압전 바이몰프는 외부로부터 기계적 압 력을 받게 되면 상 , 하로 굴곡진동을 일으키게 되고 그 결과로 양 전극에 전하가 생성된다 . ^이때 굴곡작용이 순간적으로 일어나기 때문에 전하량이 급격하게 증가 되어 (+) 방향으로 급격한 전류흐름이 생긴다 . 이어서 복원력이 작용되는 짧은 순간에 전하량이 일시적으로 감소되다가 다시 탄성력에 의해서 반대방향으로 굴곡 작용이 급격하게 일어나므로 전하가 반대 극성으로 생 성되어 큰 전류가 (-) ^{방향으로 흐르게 된다} .

3.2. 진동 점에 따른 AC 출력전압

캔틸레버형 바이몰프 특성에 대한 연구의 대부분은 진동을 일률적으로 고정단에 인가하는 방법으로 이루 어졌다 . ^{그러나 진동은 바이몰프의 전체 길이에 걸쳐서}

일어나기 때문에 진동을 부여하는 점이 달라지면 그에

따른 발생전압도 달라질 것으로 예상할 수 있다 .

Fig. 5 에 진동주파수에 따른 AC 개방전압의 변화를

진동점을 변수로 하여 나타내었다 . 점 a, b, c 는 Fig. 2

의 바이몰프 진동점에 따른 것이다 . ^{그림에서 진동점에}

따라서 최대의 개방전압을 나타내는 진동주파수가 다 르게 나타났다 . 진동점이 고정단 측으로 이동할수록 높 은 진동주파수 측에서 최대 전압값을 나타내었다 . ^그리

고 각 진동점에 대한 최대전압의 크기는 약 24 Vrms

로서 거의 일정하게 나타났다 .

끝단의 경우 (a ^점 ) ^{진동주파수가 증가함에 따라 개방}

전압이 증가되다가 8 Hz 부근에서 최대값을 나타낸 후 다시 감소되는 특성을 보이고 있다 . b 점은 고정단으로 부터 3/4 ^{되는 점으로 최대전압의 진동주파수는} 12 Hz

이며 c 점은 바이몰프 길이의 1/2 이 되는 점으로 진동주 파수 16 Hz ^{에서 최대전압을 나타내었다} . ^{이와 같은 현}

상은 진동점 a, b, c 는 바이몰프의 판진동에 대해서 진

동마디에 해당되는 부분으로서 진동변위가 0 이 되기 때문에 최대전압을 나타낸 것으로 생각된다 . ^{즉 진동점} a, b, c 는 바이몰프 진동 시에 나타나는 1 λ , 3/4 λ , 1/2 λ 진동모드의 마디점에 해당되기 때문에 기본파 진동이 나 다른 고조파 진동에 영향을 끼치지 않게 된다 . ^따라

서 각각의 진동점은 다른 진동주파수에 의해서 방해를 받지 않는 공진주파수 점이 되기 때문에 임피던스가 최 소로 되어 최대출력전압을 나타낸 것으로 볼 수 있다 .

3.3 진동 빔 길이에 따른 AC 출력전압

진동빔의 길이 L 에 대한 바이몰프 길이 d 의 비율 ( d / L )

을 각각 0,5, 1.0, 1.5 로 했을 때 진동점 c 에 있어서의 개방전압의 변화를 Fig. 6 ^{에 나타내었다} .

전체적으로 개방전압이 진동주파수의 증가에 따라서 증가하다가 어느 주파수 점에서 피크값을 나타낸 후 다시 감소하는 현상을 나타냈으며 진동빔의 길이가 길 어질수록 진동주파수가 낮은 쪽으로 이동하는 특성을 e 1

2--- ^Cv

=

Fig. 4. AC voltage wave of piezo bimorph.

Fig. 5. Open voltage according to vibtation frequency.

나타내었다 .

Fig. 5 의 진동빔이 없는 경우와 비교했을 때 d / L = 0.5

와 d / L = 1.0 에서 출력전압의 크기가 각각 45 % 와 13 %

정도 증가한 것으로 나타났다 . 또한 진동 빔의 길이가 바이몰프의 길이와 같은 d / ^L = 1.0 ^{에서는 피크전압에 대}

한 진동주파수가 거의 일치 하고 있으나 d / L = 0.5 의 경 우에는 높은 쪽으로 이동하였고 d / L = 1.5 에서는 보다 낮은 쪽에서 나타났다 . ^{이러한 진동 빔의 크기에 따른}

피크전압의 크기 등가와 진동주파수의 전이현상은 바 이몰프의 진동특성이 진동 빔에 의해서 영향을 받게 된다는 사실을 뜻하는 것으로 진동 빔 효과를 이용해 서 외부 진동주파수에 따른 출력전압의 크기를 최대화 할 수 있음은 물론 진동원에 대한 적용범위를 한층 높 일 수 있을 것으로 본다 .

3.4. 진동 빔 길이와 진동 점과의 상관관계

Fig. 7 에 최대 출력전압을 나타낸 진동빔 길이와 진

동 점과의 관계를 나타내었다 .

최대 출력전압은 진동 빔 길이에 대한 진동 점의 관 계에서 매우 독특한 양상을 보이고 있다 . 즉 진동 빔의

길이 0.5 L 인 경우 진동 점 c 에서 최대출력전압이 나타 났고 1.0 L 에서는 진동 점 b 에서 나타났다 . 그리고 진 동 빔 길이 1.5 L ^{의 경우에는} a ^{점에서 크게 나타났다} .

따라서 진동 빔 길이와 진동점의 상호관계가 진동특성 에 영향을 미치고 있음을 알 수 있다 . 즉 진동빔의 길 이가 짧아지게 되면 λ /2 ^{진동이 우세하게 작용하게 되}

고 진동빔이 길어지면 반대로 진동이 커지게 되는 효 과에 의한 것으로 볼 수 있다 .

3.5. 시험 질량에 따른 출력특성

Fig. 8 에 바이몰프 진동 단 끝에 시험 질량을 부착하

였을 때의 진동점 b ^{에 있어서 진동주파수에 따른 출력}

전압을 나타내었다 .

시험 질량에 따라서 최대 출력전압을 나타내는 진동 주파수가 다르게 나타났다 . 시험 질량이 커질수록 최대 출력을 나타내는 진동주파수가 낮은 쪽으로 이동하는 경향을 나타내었다 . ^{그리고 최대 출력전압의 크기는} Fig. 5 의 시험 질량이 없는 경우와 비교할 때 , 전반적으 로 45 %~57 % 정도 증가된 것으로 나타났다 . 이와 같 은 특성은 바이몰프에 외부진동이 가해질 때 시험 질 량의 영향으로 바이몰프의 진동 진폭이 증가되었기 때 문으로 생각된다 . 이와 같은 결과는 H. J. Kim 등이 보 고한 캔틸레버형 바이몰프의 시험 질량과 출력전압과 의 관계에 대한 연구결과와 일치하였다 ^[15] .

3.6. 출력 에너지 특성

바이몰프에 외부 진동력이 가해지는 경우 , 바이몰프의 굴곡변형에 의해서 생겨난 전하량을 측정함으로서 실제 로 바이몰프에서 발생된 에너지량을 산출할 수 있다 .

앞에서 진동 빔의 구조변화와 진동주파수의 관점에 서 AC ^{출력전압의 특성변화를 조사하였다} . AC ^출력전

압은 에너지로서의 효율성은 있지만 실용면에서 에너 Fig. 6. Open circuit voltage according to vibration

frequency.

Fig. 7. Maxium output voltage according to vibration beam length and vibration point.

Fig. 8. Output voltage according to vibration frequency

and test mass.

지를 저장하거나 분배할 수 없기 때문에 AC전압을 정 류와 평활과정을 통해서 DC전압으로 변환함으로써 에 너지로서의 효용성을 높일 수 있다.

DC전압을 얻기 위해 바이몰프로부터 생성된 교류전 압을 브리지 정류회로를 통해 정류시킨 후 470 µF의 커패시터에 저장하였다. AC 개방전압과 DC 출력전압 의 비례 관계를 검토하기 위하여 Fig. 5에서 25 Hz의 진동주파수 점을 기준으로 24초 동안 측정한 DC출력 전압을 Fig. 9에 나타내었다. 25 Hz의 진동주파수 점에 서 AC전압의 크기가 v c > v b > v a 순으로 되어있으며 DC 전압의 측정결과도 이 크기순서와 마찬가지로 V c >

V b > V a 크기로 나타났다.

이와 같은 AC전압-DC전압 사이의 비례관계는 진동 빔이나 질량효과에 대해서 측정된 전압에 대해서도 동일 하게 적용할 수 있으므로 이 관계를 추론하여 모든 AC 출력전압을 DC 출력전압으로 산출할 수 있으리라 본다.

Fig. 9에서, 진동시간이 증가함에 따라서 DC출력전압 은 거의 직선적으로 증가하는 경향을 보이고 있다. 이와 같은 현상은 축적되는 전하량과 전압의 관계가 v = q / C 이기 때문에 커패시터에 저장되는 전하량이 시간에 따 라서 일정하게 축적이 되고 있음을 보여 준 것이다.

따라서 식 (2)를 사용하여 커패시터로부터 측정된 전압으로부터 470 µF커패시터에 저장되는 에너지 량 을 산출할 수 있다. Fig. 9의 DC출력전압을 사용하여 계산한 에너지 산출량을 Table 2에 나타내었다. 물론

이 데이터는 진동주파수 25 Hz인 점에서의 측정결과로 써 AC전압크기가 DC전압 크기와 비례한다는 사실을 증명한 것이므로 다른 주파수 점에 대해서는 진동점에 따라서 에너지 값이 달라지게 된다.

3.7. 부하저항 특성

정류과정을 통해서 커패시터에 저장된 에너지를 부 하 측으로 최대출력으로 전송하기위해서는 전원 측과 부하 사이에 임피던스정합이 이루어져야 한다. 임피던 스 정합효과를 조사하기 위하여 부하단에 10 kΩ

~ 10 MΩ의 저항을 전원 측과 병렬로 연결하여 부하저 항에 따른 DC출력전압을 측정하였다.

Fig. 10에 부하의 임피던스 특성을 조사하기 위하여 진동 장치에 공급한 전압 20 V p-p , 주파수 12 Hz의 구 동전원의 파형을 나타내었다.

Fig. 11에 부하저항에 따른 DC출력전압의 변화를 나 Fig. 9. DC output voltage according to vibration point.

Table 2. Storage energy according to vibration point(25 Hz)

진동 점 DC ^{출력전압 에너지 산출량}

a 1.9(V) 0.85(mJ)

b 3.4(V) 2.7(mJ)

c 5.5(V) 7.1(mJ)

Fig. 10. Driving source wave.

Fig. 11. DC output voltage according to load resistance.

소변화를 나타내게 된다. 이와 같은 임피던스 정합특성 으로 볼 때 본 실험에서는 전원과 부하의 임피던스 정 합조건이 2 MΩ으로 나타났다.

4. 결 론

다양한 진동주파수를 갖는 진동에너지원을 효율성 있게 활용할 수 있는 방안으로서 압전 바이몰프 센서 의 출력전압에 미치는 진동 빔 효과, 시험 질량효과, 진동 점등의 영향에 대해 조사하였다. 바이몰프 판에 가해지는 진동 점에 따라서 최대출력전압을 나타내는 진동주파수가 전이되는 현상을 관찰하였다. 즉 진동모 드 λ/2인 경우 16 Hz에서 최대출력을 나타내었고 λ인 경우 8 Hz에서 나타났다. 진동 빔의 길이에 따라서 최 대출력이 d/L = 0.5와 d/L = 1.0에서 각각 45 %와 13 % 정도 증가한 것으로 나타난 것은 그만큼 진동빔이 진 동폭을 증가시킨 효과에 따른 것으로 보이며 진동빔의 길이가 길어질수록 진동주파수가 낮아진 것은 진동파 장이 커진 원인으로 생각된다. 시험 질량이 증가함에 따라서 최대출력전압이 낮은 주파수 쪽으로 이동되는 현상이 관찰된 것은 시험질량의 무게로 인하여 진동이 빠르게 진행되지 못한 원인으로 볼 수 있다. 부하저항 에 따른 출력전압의 특성변화로부터 바이몰프의 내부 저항과 정합되는 부하저항의 임피던스가 2 MΩ으로 측 정되었다. 이와 같은 결과로부터 캔틸레버형 압전 바이 몰프 센서의 진동방법을 다양하게 적용시킴으로서 여 러 종류의 진동주파수에 대응해서 출력특성을 효율성 높게 개선할 수 있음을 확인하였다.

감사의 글

이 연구는 2010년도 경원대학교 지원에 의한 결과임.

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김 용 혁

• 1988

년

월 인하대학교 전기공학과 졸업

(

공학박사

• 1993

년

월 일본 명성대학 연구교수

•

현재 경원대학교 전기공학과 교수

•

주관심분야