Fabrication and performance analysis of polymer metal hybrid piezoelectric energy harvester from wind flow = 폴리머 매탈 복합형 구조로 된 압전 하베스터의 제작 및 바람의 흐름하에서의 에너지 하베스팅 퍼포먼스에 대한 분석
서명 / 저자 Fabrication and performance analysis of polymer metal hybrid piezoelectric energy harvester from wind flow = 폴리머 매탈 복합형 구조로 된 압전 하베스터의 제작 및 바람의 흐름하에서의 에너지 하베스팅 퍼포먼스에 대한 분석 / Dong-Jun Li.
저자명 Li, Dong-Jun ; 이동준
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2013].
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MMS 13019







Energy harvesting technology renders a new path to autonomous, self-powered electronic systems that origi-nally depend on batteries to maintain their normal operations. The term energy harvesting is considered as a technique able to scavenge electric energy from dumped energy or derive limited energy from ambient sources like sun light, wind, water flow or mechanical vibration by using specific materials. The electronic circuitry technology advancement leads to tremendous size reduction and low power consumption of CMOS circuitry, which is considered as key component of wireless sensor nodes. This creates the fact that ubiquitous sensor network technology has developed very quickly. Due to the limited energy storage capacity and lifetime of batteries, long time operation of a number of sensor nodes only relying on batteries is not promising. Furthermore, the frequent replacement of electrochemical batteries is very troublesome and expensive in some cases. In order to solve these problems occurred in wireless sensor network, intensive studies related to self-sustaining energy harvesting focusing on the conversion of mechanical vibration energy into electrical energy using piezoelectric materials are presented since a couple years ago. However, typical piezoelectric energy har-vesting systems deploying the vibration of a host structure located in a vibration rich environment can hinder to the operation of the host system due to the added mass and volume of conventional vibration energy harvesting designs. Consequently, new type that using ambient natural sources like wind, water flow intriguing the vibration of piezoelectric materials without any considerations described above are suggested and several research groups have pursued the study recently. The work presented in this thesis focuses on fabrication and characterization of polymer metal hybrid struc-ture flexible piezoelectric energy harvester (PEH) based on piezoelectric P(VDF-TrFE) polymer coated onto flexible stainless steel (SUS) substrate. And then the energy harvesting performance analysis is carried out un-der self-made wind flow system. P(VDF-TrFE) films are coated onto SUS substrate by employing tape casting technique. Optimized heat treatment temperature inducing probest piezoelectric perty of P(VDF-TrFE) is established by observing the re-sults of DSC, X-ray diffraction, RT66A, and FT-IR measurement. The harvested electrical energy from PEH not only depends on the wind speed but also related to the correla-tion between the PEH orientation and wind flow direction. At this point, we come up with three different opera-tion modes and look into the vibration phenomenon stems from each mode. More importantly, we intended to systematically analyze all possible modes with the same boundary condition of single side clamping.

전기기술의 발전으로 인한 저전력CMOS 구동과 ubiquitous sensor network의 구축하에서 energy harvesting 기술을 배경으로 self-sustaining power operation system이 급속히 발전하고 있다. 이는 저전력 electronics의 power supplier로 사용되고 있던 이차전지를 대체할수 있는 유력한 candidate로 생각되고 있으며 현재 많은 연구가 진행되고 있다. 예를 들면 태양광을 이용한 태양발전, 바람을 이용한 풍력발전, 페열을 이용한 열발전, 기계적인 에너지를 이용한 압전발전 등이 있다. 그중에서도 기후의 영향을 덜 받고 자연계에 존재하는 진동, stress, strain을 유용하게 deploy할 수 있는piezoelectric 에너지 하베스팅 방법이 특별한 관심을 받고 있다. 이뿐만 아니라 압전발전은 자연계의 바람, water flow등을 적적한 에너지 형태로 전환할수 있다는 장점도 가지고 있다. 본 연구에서는 polymer metal hybrid structure로 된 piezoelectric sheet를 P(VDF-TrFE) pie-zoelectric polymer와 flexible한 stainless steel substrate를 이용하여 tape casting 방법하에서 제작하였다. 압전후막으로 사용되기 위하여 후열처리공정을 거쳐서 최적화된 열처리 온도를 확립하였고 이런 연구 배경을 기반으로 piezoelectric energy harvester를 제작하고 바람의 흐름하에서의 압전 per-formance를 관찰하고 분석하는것을 목표로 정하고 있다. 최적화 후열처리 공정을 만들기 위하여 여러 온도 범위에서 후열처리를 진행하였고 X-ray, FT-IR, P-E hysteresis curve결과들의 분석해 보았다. 본 실험에서 제조된 압전sheet의 최적화 열처리 온도는 130도 였고 350V에서 poling을 진행하였을때 제일 우수한 piezoelectric charge constant를 나타냈다. 산생되는 output voltage값과 바람의 속도관계 그리고 PEH가 어떤 위치에서 바람을 통하여 vi-bration을 진행할때 제일 큰 electrical signal을 나타내는가 하는것을 관찰하고 그 원인을 분석해 보았다. 분석결과를 보게 되면 PEH가 측면에서 바람을 맞이하여 vibration을 할때 제일 큰 output power를 얻었다.


청구기호 {MMS 13019
형태사항 v, 54 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 이동준
지도교수의 영문표기 : Kwang-Soo No
지도교수의 한글표기 : 노광수
학위논문 학위논문(석사) - 한국과학기술원 : 신소재공학과,
서지주기 References : p. 9-10, 39, 52
주제 Energy harvesting
polymer metal hybrid structure
wind flow
Poly vinylidene fluoride trifluoroethylene
piezoelectric characterization
압전 하베스팅
폴리머 메탈 복합형 구조
바람의 흐름
P(VDF-TrFE) 압전 폴리머
압전 특성
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