Shell 구조를 이용한 에너지 수집 소자
Piezoelectric Energy Harvesting from Mechanical Vibration by Using Shell Structure
- 주제(키워드) 에너지 수집 소자 , 진동에너지 수집 , Shell 구조
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 윤광석
- 발행년도 2011
- 학위수여년월 2011. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 바이오융합기술협동과정
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000046416
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초록/요약
본 논문에서는 Shell 구조를 이용하여 외부 환경에 존재하는 20Hz 이하의 낮은 주파수의 진동에너지를 효율적으로 수집할 수 있는 압전식 진동 에너지 수집 소자를 제안한다. Shell 구조에서 나타나는 국소적인 Snap-through현상을 이용하여 주파수 상향 변환을 유도할 수 있는 2가지 구조를 디자인 하였다. 본 논문에서 제안하는 Shell 구조를 이용한 bridge type의 구조와 cantilever type의 구조를 제작하기 위하여100 µm두께의 PET 필름을 원하는 곡률을 가지는 쇠기둥에 부착한 후, 170 ℃의 열을 3분 이상 가하여 shell 구조를 가지도록 성형하였다. 또한 압전식 진동 에너지 수집을 위하여 양면에 ITO전극이 증착되어 있는 52 µm의 PVDF 필름을 PET 필름 위에 부착하여 압전 cantilever를 제작하였다. 제안된 bridge type 및 cantilever type의 구조에 소형 압전 cantilever가 달려있는 질량체를 부착하여 에너지 수집 소자를 완성하였다. 주파수 상향 변환 실험을 통해 12 Hz의 진동에너지가 shell 구조의 snap-through 현상을 통하여 질량체에 부착된 압전 cantilever의 공진 주파수 영역으로 상향 변환 된 것을 확인 하였으며, AC 전력 측정을 통하여 출력 전력을 측정하였다. 출력 전력 측정결과 bridge type의 경우 1 µW 이하의 낮은 출력 전력을 가지지만, cantilever type의 경우 최대 순간 전력이 68 µW로 높기 때문에, 저주파수의 진동에너지를 효율적으로 수집할 수 있음을 확인하였다.
more초록/요약
In this paper, we present the design and demonstrate of the energy harvesting device using shell structure. A Shell structure has a snap through phenomenon when it has a local deformation. Snap through induces high acceleration to attached proof mass; therefore, proof mass is exposed an impulse like excitation. In this step, piezoelectric cantilever attached on proof mass oscillates at the resonant frequency. We fabricate the millimeter scale prototype in order to prove proposed design. Two types of shell structures (bridge and cantilever type) are fabricated by 100 µm thick poly (PET) film. PET film was shaped into shell structure by heating on an iron rod at 170 ℃ for 3 minutes. Experimental results show that 12Hz vibration energy successfully excites high frequency resonance vibration of cantilevers attached on the shell structures. Measured instantaneous output power was 68 µW for cantilever structure and below 1 µW for bridge structure.
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