Micro-power generation (MPG), or energy harvesting, has received much attention for portable electronic devices and distributed sensor networks that require a small but sustainable power supply systems are one of energy scavenging method which use . Due to their flexibility and simplicity, EAP (Electrically Activated Polymer) generators can be applied in various circumstances such as heel-strike harvesting or EAP layers floating on an ocean surface. A dielectric elastomer (DE) generator, which is a kind of EAP, consists of a thin elastomer layer between two electrode layers. The principle of power generation with a DE generator relies on increased electrical potential due to mechanical deformation of the elastomer base.
This study is motivated by the feasibility of DE generators that can be adopted for MPG from human body motions. In this study, the mechanical-electrical conversion efficiency of Dielectric Elastomer Generator (DEG) which is fabricated by electronic EAP was proposed. The efficiency formula is very clear and has many specific parameters for better design of DEG. The efficiency explicitly shows the main parameters that affecting the efficiency. A larger dielectric constant, ε, and a smaller effective stiffness, keff, are desirable for a larger efficiency. The number of active polymer layers, n, the thickness, h0, and the amount of relative deformation, δ, contribute to the efficiency as well. Higher active numbers of layers, n and lower thickness h0 produce better mechanical-electrical conversion efficiency.
To charge the DE generator, a high voltage amplifier (Model SHV450, ConverTech Co., Ltd.) was used. A probe was used to measure the high voltage (P6015, Tektronix, Inc.). An MG Chemicals 846 carbon conductive grease was used for the electrodes.
Also from an experiment similar to analysis, the efficiency increases in proportion to the square of the charging voltage of the power source, Vin. The mechanical and electric energies increase with increasing deformation. And a larger deformation produces a greater efficiency. Finally, the influence of the (effective) stiffness of the DE generator on the efficiency was examined. A compliant DE generator improves the efficiency, which is well suited for human motions with less resistance from the DE generator.
Based on the derived efficiency, improvement of DEG`s efficiency was achieved. After using more thin VHBTM 9469 film instead of 4905 film, the DEG has got thin and less stiff. These cause better efficiency of DEG, so even 20% of previous input voltage, the similar efficiency was derived. Finally the application to the mannequin`s joint was accomplished for feasibility test to the human body. After that, the rise of voltage was detected, so the application to the human body will be possible.
본 연구에서는 유전체 탄성중합체 발전기 (DEG: Dielectric Elastomer Generator)의 기계-전기 에너지 변환간 효율에 대해서 유도하고, 이에 대한 검증을 수행하였다. 이에 앞서 DEG를 제작한 후 실제 전자가 흐르는지를 확인하기 위해 발광 다이오드를 이용하여 힘을 가했다가 뗄 때 전자 흐름이 되는지, 또 어떻게 흘러가는 건지 확인하였다. 이 결과 DEG에 힘이 제거되는 순간 탄성회복을 통해 DEG의 정전용량 값이 원래 상태로 작아지게 되어 전압이 상승함을 확인할 수 있었다.
효율에 영향을 미치는 인자는 초기 인가전압(Vin), DEG에 기계적 힘을 가함에 따라 생기는 변형량(δ), DEG가 림(Rim)에 부착시의 초기 두께(h0), DEG의 (유효) 강성도(k 또는 keff), 전기장에 의해 맥스웰 응력(Maxwell Stress)이 발생하게 되는 탄성중합체 총 층수(n), 탄성중합체의 유전율(ε), 림의 반경(R)으로 구분하였다. 실험을 수행하기 위해 고전압 증폭기인 Model SHV450 (ConverTech Co., Ltd)를 사용하였다. DEG로부터 발생하는 전압을 측정하기 위해, 큰 저항을 가져 전압 측정 시 영향을 최소화 해주는 프로브로 고전압측정용 프로브인 Tektronix 회사의 P6015를 이용하였다. 전극은 MG Chemicals회사의 846 카본 전도성 그리스(Carbon conductive grease)를 이용하였다. 엘라스토머는 3M회사의 VHBTM 4905 필름을 이용하였다.
분석과 실험결과 (5.10) 식처럼 초기 인가전압과 변형량의 제곱에 비례해서 효율이 증가하게 됨을 발견하였다. 그리고 유전율과 적층 수에 비례해서 효율이 증가하게 되었고, 이와는 반대로 초기 두께와 강성도가 작을수록 효율이 증가하게 되었다. 이 중에서도 특히 강성도가 작아지면, 더 효율이 커지게 되는 것은 본 연구에서 처음으로 제시하는 것이며, DEG를 유연하게 만들어 사람의 관절에 부착해서 사용하기 용이하게 해준다. 강성도가 작아질수록, 같은 힘에 대해 변형량이 커지게 되므로 역시 효율을 크게 만들어 줌을 알 수 있다.
이때 강성도(k)는 재료가 가지고 있는 고유한 성질인데, 본 연구에서는 전극이 발라져 있지 않는 탄성중합체의 숫자를 달리해서 강성도 자체를 다르게 하였다. 또한 유효 강성도(keff)에 대한 실험은 같은 힘이라도 힘을 가하는 부분의 접촉면적이 적을수록 DEG의 변형을 크게 만들어 효율을 크게 함을 발견하였다. 이는 기존선행연구에서 부족했던 명확한 효율 식 제시를 보완하였다고 할 수 있다. 이를 통해 더 큰 전기에너지를 만드는 DEG 디자인이 가능하게 된다.
이렇게 만든 식을 통해, 다음과 같은 디자인 개선을 수행하였다. 이를 위해 기존에 사용하던 초기 두께 500㎛를 가지는 VHBTM 4905 필름 대신, 초기 두께 130㎛를 가지는 VHBTM 9469 필름을 이용하였다. 그 결과 두께 자체가 작아지는 이점도 있을 뿐만 아니라, 강성도도 작아지게 되어 효율에 매우 긍정적인 영향을 미치게 됨을 이론적으로나 실험적으로 일치하게 확인할 수 있었다. 이를 통해 기존 전압의 5분의 1만 사용하고도 비슷한 효율을 낼 수 있었다. 이 밖에 상용배터리에 사용하는 수V전압에서도 전압 상승이 일어나는지를 확인하였는데, 4V 인가전압에 대해 약 1V의 추가전압이 발생함을 확인할 수 있었다. 이는 보통 VHBTM 필름을 수백 V이상에서 사용하는 기존방식에 비해, 신체에 착용하기 거북하지 않고 전원도 쉽게 구할 수 있는 등, 상업적으로 이용하기에 더 나음 결과를 얻을 수 있었다. 마지막으로 DEG가 신체 착용이 가능한지를 확인하기 위해, 마네킹 관절에 부착하여서 관절이 굽혔다 펴질 때 전압상승이 일어남을 확인할 수 있었다.
