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A Wideband Energy Harvesting Device

정석민 (Seok-Min Jung, 전자공학과 반도체공학 전공)

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초록/요약moremore
본 논문에서는 독창적으로 제안하는 기계적 주파수 향상 방법을 이용하여 저주파 진동환경으로부터 효율적으로 에너지를 포집할 수 있는 시스템을 제안한다. 최근 들어, 진동을 이용한 에너지 포집소자에 대한 연구는 Wireless sensor 분야에 흔히 사용되고 있는 기존의 건전지의 대체 동력원 혹은 보조 동력원으로써의 응용을 위해 활발히 진행되고 있다. 그러나 기존의 cantilever beam구조에 기초한 진동 에너지 포집소자의 경우 높은 공진 주파수와 좁은 대역폭으로 실질적인 진동환경에 응용될 경우 매우 낮은 전력 효율을 가지게 된다...
본 논문에서는 독창적으로 제안하는 기계적 주파수 향상 방법을 이용하여 저주파 진동환경으로부터 효율적으로 에너지를 포집할 수 있는 시스템을 제안한다. 최근 들어, 진동을 이용한 에너지 포집소자에 대한 연구는 Wireless sensor 분야에 흔히 사용되고 있는 기존의 건전지의 대체 동력원 혹은 보조 동력원으로써의 응용을 위해 활발히 진행되고 있다. 그러나 기존의 cantilever beam구조에 기초한 진동 에너지 포집소자의 경우 높은 공진 주파수와 좁은 대역폭으로 실질적인 진동환경에 응용될 경우 매우 낮은 전력 효율을 가지게 된다. 본 논문에서는 이러한 저주파 진동환경에서의 전력 생성 효율을 극대화시키기 위하여 스냅스루 좌굴현상을 응용한 기계적 주파수 향상 방법을 모색하였다. 제안한 소자가 임계 가속도 값을 넘어가는 진동에 노출되었을 때, 임의적으로 형성된 응력에 의하여 좌굴되어 있는 쌍안정성의 구조물은 각 평형 상태로의 변형이 생기며 구조체에 형성되어 있는 압전 cantilever beam에 매우 큰 가속도를 전달하여 이 구조체들이 각자의 공진 주파수에서 진동을 할 수 있도록 한다. 제안한 구조를 검증하기 위하여 밀리미터 단위의 원형 소자를 제작하여 저주파 진동 (1 – 50 Hz)에 노출시켜 구조체의 평형 상태간의 변형 시 각기 다른 공진 주파수를 가지는 cantilever beam의 자유 진동을 실험적으로 확인하였다. 원형 소자의 8.0 x 4.0 x 0.4 mm3의 크기를 가지는 하나의 압전 cantilever beam에서 생성된 최고전력은 30Hz의 진동 환경에서 131 μW이다. 본 논문에서 제안한 에너지 포집 방법은 같은 크기의 압전 cantilever beam을 직접적으로 동일한 저주파 진동환경 (1 – 50 Hz)에 노출시켰을 때와 비교하여 열 배 이상의 전력을 생성하였다.
초록/요약moremore
In this paper, we propose and demonstrate a novel approach to harvest energy from ambient vibration environment employing mechanical frequency-up conversion. Lately, vibration-based energy harvesting technology has gained much attention as a potential candidate for replacing conventional batteries o...
In this paper, we propose and demonstrate a novel approach to harvest energy from ambient vibration environment employing mechanical frequency-up conversion. Lately, vibration-based energy harvesting technology has gained much attention as a potential candidate for replacing conventional batteries or as supplementary power units in wireless sensor applications. However, typical cantilever type energy harvesting devices suffer from low efficiency due to their high resonant frequencies and narrow bandwidth while most ambient vibrations are slow and inconstant. Here, we utilized mechanical frequency-up conversion in order to maximize the generated power at low frequency vibration environment by adapting a phenomenon known as the snap-through buckling. When the proposed device is subjected to a vibration above the threshold acceleration value, pre-buckled bistable bridges snap through between two equilibrium states providing high acceleration to the attached piezoelectric cantilever beams and thus allowing them to oscillate at their fundamental resonant frequency. Millimeter scale prototype device was tested at low frequency vibration environment (1 – 50 Hz) in which resonance of cantilever beams of different eigenfrequencies at state transition was experimentally verified to prove the mechanical frequency-up conversion concept. A maximum power of 131 μW was generated at 30 Hz from a single piezoelectric cantilever beam of 8 x 4 x 0.2 mm3. The presented approach allows more than an order of magnitude efficient energy conversion compared to the same cantilever beam of the same dimension directly subjected under vibration frequency range of 1 – 50 Hz.