Dynamic Characteristics and Piezoelectric Effect of Energy Harvesting Block Structures with Different Shapes

구 조 공 학

대 한 토 목 학 회 논 문 집

제32권 제6A 호·2012년 11월 pp. 379 ~ 387

다양한 형상 변화에 따른 에너지 수확용 블록 구조의 동적 특성 및 압전 효과

Dynamic Characteristics and Piezoelectric Effect of Energy Harvesting Block Structures with Different Shapes

노명현*·이상열**

Noh, Myung-Hyun·Lee, Sang-Youl

···

Abstract

This study investigates free vibration characteristics of new energy harvesting multi-layer block structures with different geo- metrical shapes using solid and shell finite elements and evaluate their piezoelectric effect on experiments. The two and three- dimensional finite element (FE) delamination models for block structures described in this paper is attractive not only because it shows excellent accuracy in analysis but also it shows the entire vibration mode shape. The FE model using ABAQUS is used for studying free vibrations of multi-layer block structures for various tip mass and PZT. In particular, new results reported in this paper are focused on the significant effects of the global and local vibration modes for various parameters, such as size of block shape, existence of tip mass and hole, and location of tip mass and PZT. In addition, we evaluate the power gen- eration capacity of developed energy block structures through a laboratory-scale experiment.

Keywords: energy block, multi-layer, free vibration, finite element analysis

···

요 지

본 연구에서는 새로운 에너지 수확용 Multi-layer ^{블록 구조를 제시하고 고체 및} Shell ^{유한 요소를 사용하여 다양한 기}

하학적 형상 변화에 대한 자유진동 특성을 분석하고 압전 성능을 실험적으로 평가한다 . 본 연구에서 제시하는 블록 구조에 대한 2 차원 및 3 차원 유한요소 모델은 해석의 정확성 뿐 만 아니라 전체 진동 모드를 정확히 보여준다는 점에서 장점을 갖는다 . ABAQUS 가 적용된 유한요소 모델은 다양한 Tip mass 및 PZT 변화에 따른 Multi-layer 블록 구조의 자유진동을 분석하기 위하여 사용되었다 . ^특히 , ^{본 연구에서 제시한 결과는 블록구조 전체의 기하학적 형상} , Tip mass ^및 Hole ^{의 유무} , Tip mass 및 PZT 의 위치변화 등에 대하여 국부 및 전체 진동 모드에 미치는 중요한 영향들에 대하여 초점을 둔다 . 또한 ,

실험실 규모의 실제 모형 실험을 수행하여 개발한 에너지 블록구조의 발전성능을 평가하였다 .

핵심용어: 에너지 블록구조 , Multi-layer, 자유진동 , 유한요소 해석

···

1. 서 론

현재 국내외적으로 소모되는 전체 에너지량의 많은 부분이 건설 분야에서 소모되고 있다 . 이는 각종 구조물이 운영 및 유지되는 동안 엄청난 양의 에너지가 낭비되고 있다는 것을 나타내며 , 환경파괴에 영향을 미치지 않고 에너지 절감이 지 속되는 구조물을 개발 및 유지하기 위해서는 에너지 효율성 을 높여야 한다 . 이를 위해 , 세계 각국은 국가적인 온실가스 감축목표 달성의 수단으로서 건설 부분의 에너지 및 탄소저 감 목표를 국가별로 설정하여 운영 중이다 . 따라서 기존의 에너지성능 강화를 위한 패시브 (Passive) 기술 및 신재생에

너지로 대표되는 액티브 (Active) 기술과 더불어 새로운 에너

지 획득수단인 에너지 수확 (Energy Harvesting) 에 대한 다 양한 연구가 필요한 실정이다 .

현재 에너지 수확에 관한 연구는 에너지 수확원별로 다양한 방법들이 제시되고 있다 (Harrop and Das, 2008; Kazmierski and Beeby, 2011). 대표적인 방법은 압전 , 전자기장 , 열전 및 광전 등을 이용하는 것이다 ( 김상우 , 2011; 윤병동 , 2011;

이우영 , 2011; 정승희 , 2011; 김진상 , 2011; 이상균 , 2011;

堀口睦弘 , 2011; 田村光男 , 2011, 노명현 등 , 2012). 또한 ,

에너지 수확 시스템을 갖춘 구조물의 설계 , 해석 , 평가 및 유지관리 등의 연구는 차량의 운동 에너지 하비스팅을 위한 압전소자 활용 기초연구가 수행된 바 있다 . 미국은 태양전지 패널을 이용해 에너지를 수확하는 솔라로드라는 도로 포장

*정회원·포항산업과학연구원·에너지인프라연구본부·

Sr. Researcher (E-mail : [email protected])

**종신회원·교신저자·안동대학교·토목공학과·조교수

(E-mail : [email protected])

체의 공학적 개념설계가 수행되어 이를 상용화하기 위한 기

초연구를 수행한 바 있다 ( 윤태양 , 2010). 그러나 기존의 에

너지수확 기술은 발전장치의 소형화를 목적으로 개발되어 모

듈당 발전수확 용량이 마이크로 (µW~mW) ^{수준에 머물러 있}

다 . 용도 또한 센서 및 초소형 전자기기 등의 전원 공급용 에 제한적으로 적용되고 있어 수확된 에너지를 중 / 대용량급

( 수 ~ 수백 W) 의 건설 분야 활용처에 적용하기 위해서는 많은

양의 에너지 소자를 설치해야하는 단점 있다 . ^{이러한 면적}

증가 방식의 증폭 방법은 초기 투자비용이 많이 소요되어 상용화에 큰 걸림돌이 되고 있어 제한된 에너지 모듈 크기 에서 전력을 최대한 증폭할 수 있는 연구개발이 필요한 실

정이다 ( ^{노명현 등} , 2012). ^{또한 이러한 모듈 구조체의 다양}

한 동적 거동 특성에 대한 상세 연구 및 압전 효과 분석에 대한 기존 연구는 아직 미미한 실정이다 .

따라서 본 논문에서는 건설 분야에 적용할 수 있는 새로 운 에너지수확 블록 구조를 제안하고 다양한 매개변수에 대 하여 동적 특성을 규명하고 , 발생된 진동으로 인한 발전 성 능을 실험적으로 평가한다 . 본 연구에서 제안한 에너지수확 블록구조는 기하학적 형상 변화 , Tip mass 및 Hole 의 유무

및 Multi-layer 형태 등에 따라 다양한 동적 특성을 보인다 .

본 연구에서는 고효율 에너지수확 블록의 최적화를 위하여 다양한 매개변수를 설정하고 고유진동 특성에 미치는 영향 을 상세 분석한다 . 에너지 블록은 3 차원 솔리드와 2 차원 쉘 요소를 병합하여 실제 거동과 거의 일치하도록 상세 모델링 하였으며 , 3 개의 해석 모델에 대하여 고유진동 및 모드 특 성을 규명한다 . 또한 , 3 장 유한요소 해석에서 결정된 최적의 블록 모델을 대상으로 4 장에서는 실험실 규모의 에너지 블 록 발전성능 실험을 실시하여 진동 발생으로 인한 전력 생 산량을 분석 평가하기로 한다 .

2. 기본 개념 및 수치해석 모델

에너지수확의 기본 개념은 건물 및 도시 환경에 상시 존 재하고 있는 열 , 진동 , 바람 , 인간의 도보 등의 에너지 원을 전기 에너지로 변환하여 건설 분야에 적용하는 것이다 . 이는 현재 버려지는 압력 , ^진동 , ^{열원으로부터 새로운 에너지를 수}

확하여 생산하는 신재생에너지와는 또 다른 기술이라 할 수 있다 . 고효율 에너지수확을 위한 블록 구조는 다양한 매개변 수를 적용한 상세 분석과정을 통하여 더욱 최적화할 수 있 다 . 그림 1 은 본 연구에서 개발하여 해석하고자 하는 원형

그림 1. 에너지 수확 구조 및 해석 대상 모델

그림 2. 해석모델 상세

및 사각형 형태의 에너지수확 구조 및 해석 대상 블록을 보 여준다 . 그림 2 는 개발된 블록 구조에 대한 두 가지 해석대 상 모델의 상세를 보여준다 . 해석 모델은 전체적으로 부채꼴 및 직삼각형 형상을 갖는 경우로 나누어지며 , ^각각은 Tip mass, 휨응력 유도 원형 홀 , Multi-layer PZT 등으로 구성 된다 . 이러한 구성 요소들의 특성에 따라 각각 다른 고유진 동 특성을 보이게 되며 , 이러한 특성은 에너지 블록의 발전 성능을 좌우하게 되므로 엄밀한 분석이 필요로 된다 .

한편 , 개발된 에너지 블록구조의 이론적 발전 성능 평가를

위해서는 PZT 소자의 전기적 특성 평가가 선행되어야 한다 .

일반적으로 1 kHz 에서 Impedence Analyzer(Agilent 4294A) 에 의해 정전용량 C ^{가 측정되며 식} (1) ^{을 통한 이론적 추정이}

가능하다 ( 백종후 등 , 2006).

(1)

여기서 , C 는 정전용량 , S 는 시편의 면적 , t 는 시편의 두께 ,

ε

0

는 진공 중의 유전율 (8.854×10

⁻¹²

F/m), 그리고 ε

33

은 상 대유전체상수 (relative dielectric constant) 를 의미한다 . 압전 세라믹스의 전기기계결합계수 , ^{기계적품질계수 및 공진저항은}

압전 특성을 결정짓는 중요한 인자로써 , 전기기계결합계수는 전기적 에너지를 기계적 에너지로 변환시키는 효율을 나타 내며 , 기계적 품질계수는 전기기계 변환과정에서의 에너지 손실에 대한 척도로써 , ^{실제 압전체의 사용 주파수가 공진}

주파수 이하일 경우라도 측정의 정확을 기하기 위하여 공진 주파수에서 임피던스 , 반공진주파수 , 공진주파수로부터 구한 다 . 식 (1) 로부터 계산된 C 값을 식 (2) 에 대입함으로써 압전 하비스터의 최대 발전 성능을 이론적으로 도출할 수 있게 된다 (Priya and Inman, 2009).

(2)

여기서 , R

L

은 저항 하중 , Y 는 PZT 소자의 탄성계수 , d 는 압전 변형률 게수 , t 는 PZT 소자 두께 , b

^*

는 압전 발전기 의 치수와 관련된 상수 , ^{ε은 유전체 상수} , ^ω

r

은 공진주파수 ,

ζ

_m

은 역학적으로 유도되는 감쇠계수 , κ는 압전 재료의 전기

- 역학적 커플링 계수 , a 는 진공 가속도를 의미한다 . 또한 ,

전자기유도 방식 하비스터의 이론적 발전 성능 평가를 위해 자기장은 자석과 떨어져서 변하는 것으로 가정한다 . ^{이때 유}

도 기전력은 다음과 같이 구할 수 있다 (Kazmierski and

Beeby, 2011).

(3)

여기서 , N ^{은 코일의 회전 수} , S ^{는 코일의 유효 면적} ,

는 자속 밀도 경사 , 는 자석과 코일의 상대속도 ,

κ는 전자기유도 커플링 계수를 의미한다 . 하중 및 코일 저 항으로 발생하는 최대 평균 발전 성능은 다음 식에 의해 이 론적인 추정이 가능하다 (Kazmierski and Beeby, 2011).

(4)

여기서 , m 은 하비스터의 질량 , a 는 진동 가속도 , ζ

m

은 역 학적으로 유도되는 감쇠계수 , ^ω

r

은 공진주파수 , R

c

와 R

L

은 코일과 하중의 저항을 의미한다 .

3. 유한요소 해석 결과 3.1 해석 변수

표 1 은 유한요소 해석을 위한 에너지 블록의 재료 물성을 나타낸 것이다 . 수치해석을 위하여 본 연구에서는 그림 3 과 같은 3 가지 모델을 적용하였다 . 본 연구에서는 범용 유한요

소 상용 팩키지인 ABAQUS (2007) 를 사용하여 해석을 수

행하였다 . 먼저 CASE I 은 캔틸레버 구조 하단에 단면으로

PZT 가 부착되고 Tip mass 는 상·하단에 각각 부착된 경우

이다 . 이 경우 , Tip mass 는 3 차원 Solid 요소를 , 캔틸레버 구조 및 PZT 는 Shell 요소를 각각 적용하였다 . CASE II 는 동일한 경우에 대하여 PZT 를 캔틸레버의 양면에 부착한 경 우이며 , Shell 요소로 모델링하였다 . CASE III 는 CASE I

과 CASE II 를 서로 조합한 경우로서 , Tip mass 가 상면 부

착인 경우에 대한 단면 및 양면 PZT 부착 경우와 Tip

mass 하면 부착에 대한 단면 및 양면 PZT 부착 경우로 4

가지 모델로 세분화된다 . CASE I~III 는 총 8 개의 수치해석 모델을 적용하여 각 경우에 대한 고유진동수 및 모드를 비 교·분석하였다 . 재료 모델링의 경우 Substrate 및 Tip mass

는 등방성 탄성재료로 고려하였고 , PZT 는 E11, E22, E33

를 고려한 직교이방성 탄성재료로 고려하여 모델링하였다 .

또한 , Substrate, PZT 및 Tip Mass 의 상호거동 문제는

ABAQUS 의 Tie interaction 을 적용하여 연결하는 기법을 사 용하였다 . 유한요소 mesh type 은 기본적으로 Linear hex mesh ^{를 적용하였으나} , hourglass mode ^{발생하는 경우에는}

Quadratic 요소를 사용하여 보정하였다 .

C ^ε

^33T

⋅ ⋅ ^ε

⁰

S --- t [ ] F

=

P

_max

1

ω

_r²

--- ^R

^L

^C

2

2 Ydtb

^*

--- ε

⎝ ⎠

⎛ ⎞

²

4 ζ

_m²

+ 4 κ

⁴

( ) ( R

_L

C ω

_r

)

²

+ 4 ζ

_m

κ

²

( R

_L

C ω

_r

) + 2 ζ

_m²

--- a

²

=

e.m.f. – N S dB ⋅ ⋅ --- dz ⋅ ^dz --- _dt κ dz --- dt

= = ⋅

dB dz ⁄ dz dt ⁄

P

_e

ma

²

16 ζ

_m

ω

_r

( 1 – R

_c

⁄ R

_L

)

---

=

표 1. 캔틸레버 , Tip mass 및 PZT 의 재료 물성

구 분 적용소재 규격 Young's modulus(E) Poisson ratio( v ) Density ( ^ρ )

Cantilever substrate (SUS301) ^스텐레스 200 GPa 0.30 8.0 g/cm

³

Tip mass Neodymium ^자석 160 GPa 0.24 7.5 g/cm

³

(SUS301) 스텐레스 200 GPa 0.30 8.0 g/cm

³

Piezoelectric Material

(Transversely Isotropy Material ^{로 적용} ) PZT 5H

D1111=D2222=126 GPa D3333=117 GPa D1122=79.5 GPa D1133=D2233=84.1 GPa

D1212=46.5 GPa D1313=D2323=23 GPa

0.32 7.5 kg/m

³

3.2 CASE I

표 2~3 은 부채꼴 및 삼각형 형상을 각각 갖는 경우에 대

하여 Tip mass 의 종류 및 크기 변화에 따른 고유진동수를

비교한 한 것이다 . 여기서 Ho 및 Hx 는 캔틸레버에 hole 이

있는 경우와 없는 경우를 각각 의미한다 . 부채꼴 형상 해석

에서 SUS Tip Mass 에 대하여 첫번째 고유진동수 범위는

약 4.9~9.8 Hz 이고 , Magnetic Tip Mass 에 대해서는 약

3.7~17.8 Hz ^{로서 다소 높은 고유진동수를 보였다} . ^{부채꼴 형}

상에 대하여 Tip Mass 의 위치와 종류에 관계없이 Ho 와

Hx 의 고유진동수의 차이는 무시할 수 있을 정도로 작아 영 향이 미미함을 알 수 있다 . 또한 , 부채꼴 형상에 대한 SUS Tip Mass ^{에 대하여 Φ} 15 ^× 5T ^{의 경우가} , Magnetic Tip mass ^에

서는 Φ 10 × 5T 의 경우가 가장 높은 고유진동수를 보였다 .

한편 , 그림 4 에서 보는 바와 같이 부채꼴 형상에 대한 모 드 형상은 2~4 차 모드에서는 약간의 차이를 보이나 첫번째 모드에서는 Tip mass ^{의 종류에 관계없이 유사한 형상으로}

관찰되었다 . 첫번째 모드형상이 지배적이므로 모드형상은 Tip mass 의 종류에 관계없이 안정적으로 판단된다 . 또한 , 직삼각 형 형상의 경우 , SUS Tip mass 에 대하여 Φ 10 × 10T 의 경 우가 Φ 15 × 20T 의 경우보다 3 배 이상 높은 고유진동수를 보

여 Tip mass 의 종류에 따라 부채꼴 형상의 경우보다 민감

한 것으로 나타났다 . 직삼각형 형상의 고유진동 모드형상도 부채꼴형상의 경우와 유사한 경향을 보였다 . 부채꼴 형상과

직삼각형 형상을 비교해 볼 때 , 동일한 SUS Tip mass

Φ 15 × 20T 에 대하여 첫번째 고유진동수는 거의 같은 값을 보 여서 형상에 따른 동적 특성은 유사함을 알 수 있다 .

3.3 CASE II

표 4 는 부채꼴 형상에 대하여 PZT 단면 또는 양면 부착

에 따른 고유진동수를 비교한 한 것이다 . 양면부착 부채꼴

형상 해석에서 SUS Tip Mass 에서의 Φ 15 × 20T 에 대한

1~4 번째 고유진동수의 범위는 약 5.3~116.1 Hz 로서 Ho 의 경우가 Hx 의 경우보다 다소 높은 고유진동수를 보였으나 그 차이는 무시할 정도로 작아 큰 영향이 없음을 알 수 있다 .

양면부착 부채꼴 형상 해석에서 Magnetic Tip Mass ^에서의

Φ 10 × 10T 에 대한 1~4 번째 고유진동수의 범위는 Ho 의 경우 ,

약 14.4~226.6 Hz 이고 Hx 의 경우는 약 9.2~192.3 Hz 로서 다소 큰 차이를 보였다 . 특히 첫 번째 고유진동수는 Ho 와 Hx 의 그림 3. Shell 및 Solid 요소를 적용한 수치 해석 모델

표 2. Tip Mass 의 종류 , Hole 크기 및 판 두께 변화에 따른 고유진동수 비교 ( ^단위 :Hz, ^{부채꼴 형상} ) Mode No

w/o tip mass SUS Mass Magnetic Mass

Fan shape Φ 10×15T Φ 12×12T Φ 15×5T Φ 15×20T Φ 10×5T Φ 10×10T

Ho Hx Ho Hx Ho Hx Ho Hx Ho Hx Ho Hx Ho Hx 1st 30.551 30.424 8.4647 8.4926 7.969 7.9944 9.7977 9.8269 4.9344 4.9515 17.772 17.803 13.683 13.723 2nd 131.53 131.53 47.51 47.618 53.965 54.091 75.425 74.893 22.444 22.514 116.01 115.83 95.734 95.866 3rd 148.68 148.29 51.057 50.917 56.238 56.059 98.709 98.886 28.208 28.188 136.07 135.99 100.38 100.48 4th 307.8 306.85 133.6 132.99 142.58 142.14 200.01 199.89 128.14 127.38 303.89 303.96 232.03 232.11

표 3. Tip Mass 의 종류 , Hole 크기 및 판 두께 변화에 따른 고유진동수 비교 ( 단위 :Hz, 삼각형꼴 형상 ) Mode No

w/o tip mass SUS Mass Magnetic Mass

Triangle shape ^Φ 15×20T ^Φ 10×10T

Ho Hx Ho Hx Ho Hx

1st 37.381 37.662 4.9026 4.9359 14.539 14.669

2nd 129.51 129.01 20.04 20.076 89.24 89.434

3rd 185.29 185.31 29.171 29.214 106.81 106.65

4th 303.1 301.96 145.93 144.89 218.49 217.26

경우가 약 1.5 ^{배의 차이를 보임에 유의해야한다} . ^해석 Case I 과 비교하였을 경우 , SUS Φ 15 × 20T 에 대하여 Case II 의 경우가 다소 큰 고유동수를 보였다 . 이는 양면 부착으로 인 하여 강성이 증가하여 고유진동수가 다소 증가하기 때문이다 .

해석 Case I ^{과 비교하였을 경우} , Magnetic ^Φ 10 ^× 10T ^{에 대하}

여 Case II ^{의 경우가} Ho ^{의 경우는 다소 크고} Hx ^{의 경우는}

작은 값을 나타냈다 . 이 경우는 Ho 와 Hx 에 따라 큰 차이 를 보여 안정적인 동적 특성을 나타내지 못하므로 가능한 배제하는 것이 타당할 것으로 판단된다 .

그림 5 ^{에서 보는 바와 같이 각 경우에 대한 모드 형상은}

그림 4. CASE I 에 대한 고유진동 모드형상

표 4. PZT 단면 / 양면 부착에 따른 결과비교 ( 단위 :Hz)

Mode No

w/o tip mass Φ 15×20T ( ^부채꼴 ) ^Φ 10×10T ( ^부채꼴 )

w/ Hole w/o Hole w/ Hole w/o Hole w/ Hole w/o Hole

단면 양면 단면 양면 단면 양면 단면 양면 단면 양면 단면 양면

1st Mode 30.551 28.655 30.424 28.517 4.9344 5.3885 4.9515 5.3904 13.683 14.446 13.723 14.449

2nd Mode 131.53 132.06 131.53 131.6 22.444 24.871 22.514 24.85 95.734 95.408 95.866 95.1

3rd Mode 148.68 145.18 148.29 144.59 28.208 28.292 28.188 28.245 100.38 107.23 100.48 107.1

4th Mode 307.8 292.48 306.85 291.09 128.14 116.13 127.38 115.46 232.03 226.63 232.11 226.4

Case I ^과 II ^{가 동일한 모델에 대하여 유사한 경향을 나타냈}

음을 알 수 있다 . 일반적으로 첫 번째 모드형상이 지배적임 을 감안할 때 , 특이사항은 관찰되지 않았다 .

3.4 CASE III

표 5 는 Solid 요소를 적용하여 부채꼴 형상을 갖는 블록

구조의 PZT 단면 및 양면 부착에 따른 고유진동수 결과를

비교한 것이다 . 각 요소는 100 개 이상의 mesh 로 충분히

수렴할 수 있을 정도로 촘촘하게 구성하였다 . Solid ^{로 모델}

링한 Case III 의 고유진동수는 동일한 모델 (SUS, 1-layer

부착 , Φ 15 × 20T) 에 대하여 Shell 로 모델링한 Case I 에 비 하여 모델링의 차이에 의하여 다소 작은 값을 나타냈다 . 또

한 Solid ^{로 모델링한} Case III ^{의 고유진동수는 동일한 모델}

(SUS, 2-layer, Φ 15 × 20T) 에 대하여 Shell 로 모델링한

Case II 에 비하여 모델링의 차이에 의하여 유사한 경향이나

다소 작은 값으로 산출되었다 . 이는 단면부착 보다는 양면

부착의 경우 다소 복잡한 단면을 갖게 되어 2 ^차원 shell

요소의 정확성이 3 ^차원 Solid ^{요소를 사용한 경우보다는 다}

소 떨어지기 때문으로 분석된다 . 따라서 이러한 경우는 3 차

원 Solid 요소를 사용하여 정확성을 더욱 높여야 할 것으

로 판단된다 . 한편 , Case III 에 대하여 단면부착의 경우는

Φ 15 ^× 20T ^{일 때 첫번째부터 네 번째 고유진동수의 범위는}

약 3.4~76.4 Hz 이며 Ho 와 Hx 의 차이는 무시할 정도로

작은 것으로 관찰되었다 . 반면 , Φ 10 × 10T 인 경우 Ho 와 Hx

는 첫번째 고유진동수의 경우 약 9.4% 의 차이를 보였다 . 또

한 , Case III ^{에 대하여 양면부착의 경우 단면부착의 경우보}

다 고유진동수가 다소 증가하는 경향을 보이고 있으나 그 비율은 무시할 정도로 작아 큰 영향이 없음을 알 수 있다 .

전체 모드 형상은 그림 6 과 같이 첫번째 모드에서는 유사 한 경향을 보이고 있으며 , ^{두번째 모드부터 상하면 부착 경}

우에 따라 반대의 모드형상을 보임을 알 수 있다 . Tip

mass 의 부착 위치 변화에 따른 결과로 판단되며 , 첫번째

모드에서는 유사한 경향을 보여서 전반적으로 특이한 사항 은 관찰되지 않았다 .

그림 5. CASE II 에 대한 고유진동 모드형상

표 5. Solid 요소를 적용한 PZT 단면 / 양면 부착에 따른 결과비교 ( 단위 :Hz, 부채꼴 형상 )

Mode w/o tip mass Φ 15 × 20T (T) Φ 10 × 10T (T)

w/ Hole w/o Hole w/ Hole w/o Hole w/ Hole w/o Hole

단면 양면 단면 양면 단면 양면 단면 양면 단면 양면 단면 양면

1st Mode 18.34 17.382 18.608 17.429 3.4796 3.7263 3.5539 3.7537 8.7498 9.417 9.2602 9.4843 2nd Mode 90.986 89.397 91.152 89.404 17.552 17.916 17.686 17.974 73.245 73.319 76.751 73.49

3rd Mode 176.64 157.89 177.65 157.97 33.804 35.576 34.357 35.733 145.56 134.64 150.13 134.86

4th Mode 236.72 216.96 240.64 217.35 76.483 67.731 76.329 67.457 174.94 180.52 192.36 181.91

4. 실험실 규모의 Multi-layer 압전 구조의 성능평가 본 연구에서는 앞서 동적 특성을 검토한 부채꼴 형상의

Multi-layer 압전 구조의 발전 성능 수준을 평가하기 위하

여 그림 7 ^{과 같은} PZT ^{기반의 캔틸레버 구조를 갖는 하}

이브리드 방식의 압전 하비스터를 제작하였다 . Tip mass 의

종류에 따라 동적 특성이 덜 민감한 부채꼴 형상을 Multi-

layer 기저판 구조로 채택하였고 , 하이브리드 방식은 압전

원리를 이용한 에너지 하비스팅 기술과 전자기유도 원리를 이용한 에너지하비스팅 기술을 조합하였다 . 압전 원리를 이

용하는 압전 파트는 PZT 소자가 금속 캔틸레버 기저판에

부착되며 , 금속 기저판 형상에 상관없이 안정적 동적 특성 을 나타낸 Φ 15 ^× 20T ^의 SUS Tip mass ^{가 캔틸레버 끝단에}

결합되어 있다 . 전자기유도 원리가 적용되는 전자기 파트는

압전 파트에 부착된 SUS 재질의 팁 매스를 Φ 10 × 10T 자

석으로 대체한 자석부와 케이스 상하단에 부착된 코일부로

구성되며 Φ 15 ^× 15T SUS ^{를 통해 감소된 질량을 보상하여}

진동특성을 튜닝하였다 . 하이브리드 에너지하비스팅 발전 타 입은 외부진동에 의해 압전 캔틸레버가 상하로 진동하며 ,

압전체가 D31 모드로 변형하며 전하를 발생시킨다 . 이와 동

시에 전자기 파트에서는 캔틸레버 끝단의 자석 매스가 코일 속을 상하로 진동하며 , 자속변화로 인한 전하를 발생시키게 된다 .

하이브리드 및 단일 압전 하비스터의 구조의 발전 성능

평가를 위해 적용한 실험 변수는 PZT ^{압전소자의 부착 특}

징 ( 단면 , 양면 ), 하비스터 타입 ( 압전 , 전자기유도 , 하이브리드 ), PZT 압전소자의 부착 면적 (8-PZT, 32-PZT) 이다 . 앞서 검토

한 부채꼴 형상의 Multi-layer 압전 구조는 대부분 안정적인

동적 특성을 보유하고 있어 낮은 레벨의 가속도 크기와 10 Hz 이하의 낮은 인가 진동수를 갖는 교량 등의 건설용으로

적합하며 , 상시 진동에 따른 PZT 소자의 취성 파괴 가능성

은 매우 낮을 것으로 판단된다 .

그림 8 ^{은 실험실 규모의} Multi-layer ^{압전 구조가 적용된}

하비스터의 발전성능 평가 실험 전경을 보여준다 . 평가할 하 비스터에 충격력이 가해지면 캔틸레버 금속판이 진동하며 압 전체에 변형이 발생되어 전류가 생성된다 . 전자기유도 파트 의 경우는 캔틸레버 끝단의 자석이 코일 속을 상하로 움직 이며 전자속 변화를 발생시켜 유도전류가 흐르게 된다 . 하비 스터의 타입 별 발전 성능평가는 정류회로와 저항을 연결한 후 오실로스코프로 전압을 측정하고 시간 - 전력 그래프를 작 그림 6. CASE III 에 대한 고유진동 모드형상

그림 7. 실험실 규모의 Multi-layer 하비스터 구조 타입

성한 후 이를 적분한 값을 기준으로 수행되었다 . 발전 성능 평가에 사용된 값은 타입별로 3 회에 걸쳐서 수행한 평균값 을 적용하였다 .

1 개 기판의 단면 및 양면 압전 캔틸레버 실험 결과로부터 , PZT 단면부착이 양면부착에 비해 발전효율이 아랫면 부착의

경우 1.09 배 , 윗면 부착의 경우 1.62 배 우수한 것으로 나타

났으며 , PZT ^{윗면 부착의 경우가 아랫면 부착의 경우보다}

효율이 좋은 것으로 도출되었다 . 또한 , PZT 를 단면 또는 양 면으로 부착한 하이브리드 파트의 발전효율의 경우는 1 개 기판 당 발전성능으로 환산 해 볼 때 , 양면의 경우 0.21

mW/1 ^기판 , ^{단면의 경우} 1.73 mW/1 ^{기판으로 계산되고 단면}

부착이 양면 부착에 비해 약 8.38 배로 높은 효율을 나타내

고 있음을 알 수 있다 . 이는 PZT 양면 부착으로 인해 기판

의 강성이 증가하여 인가되는 진동의 가속도 레벨이 하비스 터에 큰 영향을 주지 못하는 구조로 변했기 때문이다 . ^또한 ,

1 개 기판에 PZT 를 양면으로 부착한 바이몰프 구조의 경우 ,

위 / 아래 PZT 소자에 ( − ) 극이 붙어 있어 진동에 따른 변형 발생시 정류효과가 상쇄되는 현상이 발생되어 PZT 를 단면으 로 부착한 유니몰프 구조에 비해 효율이 떨어지는 것도 큰

이유라고 할 수 있다 . 따라서 , PZT 양면 부착을 통해 기판

의 발전 효율을 높이기 위해서는 그림 9 와 같이 기판 사이 에 절연층 또는 절연체를 포함시키는 Multi-layer 압전 구조 의 필요성이 제기된다 .

한편 , 1 개 기판의 캔틸레버 하비스터와 8 개 기판의 면적증 가 방식 증폭 캔틸레버 타입의 발전성능 평가결과 , 면적증가 에 의한 이론적 증폭효과는 거의 손실 없이 구현되고 있음 을 알 수 있다 (1.73 mW/1 기판 ( 증폭 )1.81 mW/1 기판 ( 단일 )).

그림 10 에서 제시된 바와 같이 PZT 를 단면으로 부착한 하 이브리드 하비스터가 양면에 비해서 1- 기판당 발전 성능이 뛰어하며 PZT ^{를 금속 기저판 윗면에 단면으로 부착한 캔틸}

레버 하비스터가 가장 우수한 성능을 나타냄에 따라 건설용

Multi-layer 에너지 블록 구조로 가능 바람직할 것으로 판단

된다 .

5. 결 론

본 연구에서는 건설분야 적용 에너지수확 Multi-layer ^블

록구조를 개발하고 다양한 변수에 대하여 유한요소 진동해 석을 수행하였다 . Solid 및 Shell 요소를 사용하여 적용된

유한요소 모델은 다양한 Tip mass 및 PZT 변화에 따른

Multi-layer ^{블록 구조의 동적 특성 분석하기 위하여 사용되}

었다 . 또한 , 최적화된 블록 구조에 대하여 실험실 규모의 실 제 모형 실험을 수행하여 진동발생으로 인한 발전성능을 평 가하였다 . 본 연구 결과를 요약하면 결론을 도출하면 다음과 같다 .

1. 부채꼴 형상의 경우 , Tip Mass 의 위치와 종류에 관계없

이 Hole 의 유무에 따른 고유진동수의 차이는 미미함을 알

수 있었다 . 또한 , 부채꼴 형상에 대한 SUS Tip Mass 에 대하여 Φ 15 ^× 5T ^{의 경우가} , Magnetic Tip mass ^에서는

Φ 10 × 5T 의 경우가 가장 높은 고유진동수를 보였다 . 진동 모드 형상은 2~4 차 모드에서는 다소 차이를 보이나 첫번 째 모드에서는 Tip mass 의 종류에 관계없이 유사한 형상 으로 관찰되었다 . 첫번째 모드형상이 지배적이므로 모드형

상은 Tip mass 의 종류에 관계없이 안정적으로 판단된다 .

2. 양면 부착 부채꼴 형상 해석에서 SUS Tip Mass 에서의

Φ 15 × 20T 에 대한 1~4 번째 고유진동수는 Hole 이 있는 경 우가 없는 경우보다 다소 높은 고유진동수를 보였으나 그 차이는 작아서 큰 영향이 없음을 알 수 있다 . 또한 , 해석

Case I 과 비교하였을 경우 , Magnetic Φ 10 × 10T 에 대하여

Case II 의 경우가 Hole 이 있는 경우가 다소 크고 없는

경우는 작은 값을 나타냈다 . 이 경우는 Hole 의 유무에 따

라 큰 차이를 보여 안정적인 동적 특성을 나타내지 못하 므로 가능한 배제하는 것이 타당할 것으로 판단된다 .

3. Case III 에 대하여 양면부착의 경우 단면부착의 경우보다

고유진동수가 다소 증가하는 경향을 보이고 있으나 그 비 율은 작아서 큰 영향이 없음을 알 수 있다 . 전체 모드 형상은 첫 번째 모드에서는 유사한 경향을 보이고 있으며 ,

그림 8. Multi-layer 압전 구조 하비스터의 발전성능 평가 실험

그림 9. PZT 양면 부착이 가능한 Multi-layer 압전 구조

그림 10. 하비스터 타입별 발전 성능 평가 결과

두 번째 모드부터 상하면 부착 경우에 따라 반대의 모드 형상을 보임을 알 수 있다 .

4. 실험실 규모의 Multi-layer 압전 구조의 성능 평가결과 ,

PZT ^{를 단면으로 부착한 하이브리드 하비스터가 양면에 비}

해서 1- 기판당 발전 성능이 뛰어난 것으로 나타났으며

PZT 를 금속 기저판 윗면에 단면으로 부착한 구조가 가장

우수한 성능을 보였다 . 면적증가에 의한 이론적 증폭효과 또한 손실 없이 구현되는 것으로 도출되었다 . ^{따라서 건설}

용 Multi-layer 에너지 블록 구조로 PZT 의 면적을 증가

시키는 방식과 PZT 를 금속 기저판 윗면에 단면으로 부착 하는 구조가 가장 바람직할 것으로 판단된다 .

참고문헌

김상우 (2011) 압전 반도체 나노소재 기반 에너지 하비스팅 소자 기술개발 , 대한민국 녹색에너지대전 세미나 .

노명현 , 윤태양 , 박찬희 , 이관희 , 안건태 , 권현욱 , 허정헌 (2012)

진동기반 교량용 하이브리드 에너지하비스팅 프로토타입 개발 ,

포항산업과학연구원 자율과제 완료보고서 .

노명현 , 김효진 , 박지영 , 이상열 , 조영봉 (2012) ^{도시·주택 적용}

미관용 에너지 블록의 발전성능 평가 , LHI Journal, 제 3 권 제 2 ^호 , pp. 187-193.

백종후 , ^최병현 , ^김세기 , ^이미재 , ^김창일 , ^임은경 , ^심범승 (2006)

압전세라믹을 이용한 Automatic Power Generation System

기술개발에 관한 연구 , 산업자원부 , 최종보고서 .

윤병동 (2011) ^{에너지 하비스팅 산업동향 및 전망} , ^{대한민국 녹색}

에너지대전 세미나 .

이우영 (2011) ^{나노기술 기반 초고효율 열전소자 연구동향} , 대한민 국 녹색에너지대전 세미나 .

정승희 (2011) Potential applications of thin film battery with hybridization of energy harvesting devices, 대한민국 녹 색에너지대전 세미나 .

김진상 (2011) ^{열전발전 기술개요 및 응용} , 대한민국 녹색에너지대 전 세미나 .

이상균 (2011) The technical issues for PEH and energy management/storage, 대한민국 녹색에너지대전 세미나 .

윤태양 (2010) ^{환경과 성장을 추구하는 지속가능 녹색도로} - ^에너지

하비스트 교량 , KICT ^{브랜드 총서} , ^{한국건설기술연구원} , pp.

410-430.

堀口睦弘 (2011) ^압전 ( ^電 ) ^{진동 발전 기술의 소개} , C&I 특집 , pp.

89-93.

田村光男 (2011) ^{발전용 압전} ( ^壓電 ) ^{바이몰프의 기초 검토} , C&I

특집 , pp. 69-82.

ABAQUS (2007) ABAQUS/CAE user’s manual, version 6.7, Hib- bitt, Karlsson and Sorensen Inc., Pawtucket, R.I.

Peter Harrop and Raghu Das (2008) Energy Harvesting and Stor- age for Electronic Devices 2009-2019, IDTechEx report (www.IDTechEx.com).

Shashank Priya and Daniel J. Inman (2009) Energy Harvesting Technologies, Springer.

Tom J. Kazmierski and Steve Beeby (2011) Energy Harvesting Sys- tems - Principles, Modeling and Applications, Springer.

( ^접수일 : 2012.5.21/ ^심사일 : 2012.8.27/ ^{심사완료일} : 2012.9.25)