Piezoelectric energy harvesting systems (PEHSs) have received great attention as an enabling technology for use as sustainable and clean electric power supplies for wireless sensor networks that enable health monitoring of important infrastructures. However, PEHSs are facing challenges such as low output power and high resonance frequency because of their structural limitations which stem from that almost PEHs were 2-d structures such as beam, plate and film. We came up with an idea of a spring-type structure, which can significantly decrease the resonance frequency toward 1 kHz or less as compared with a beam-type with the same weight. Herein, we developed a three-dimensional spring-type piezoelectric energy harvester (SPEH) using dip-coating method and multi-directional electrode deposition. The SPEH consists of a bi-layer structure of surface electrode and ferroelectric polymer on a conventional spring which has two roles of the core electrode and the mechanical substrate for the ferroelectric polymer. The initially designed SPEH generated output voltage of up to 88 mV as a function of cycling compression stress. We analyzed the main reason behind the low efficiency of the initial design using finite element models and proposed a selective current collecting design that can considerably improve the electrical conversion efficiency of the energy harvester. We found that the newly designed energy harvester increases the output voltage by 8.22 times leading to an output power of 2.21 μW under impulsive load of 2.18 N, which is in a good agreement with the simulation results. Since spring structure significantly decreases the resonance frequency of the harvester, the spring-type energy harvester can effectively generate electricity using low-frequency vibration energy abundant in the nature. We envision that our simple and effective recipe toward piezoelectric energy harvester coated on a typical spring structure serve as a processing platform for SPEH and encourage to use it in self-powered active sensors and energy scavenging devices.
Piezoelectric energy harvesting system (PEHS)은 주변의 진동을 전기로 바꾸어서 사용하는 시스템입니다. 여기에 사용되는 압전소자는 기계적 에너지를 직접 전기적 에너지로 변환 할 수 있기 때문에 복잡한 장치가 필요하지 않습니다. 이러한 간단한 구조는 장치의 소형화에 매우 유리하게 됩니다. 주로 저전력 wireless 센서의 power source로서 사용되고 있는데, 이러한 PEHS를 사용하면 배터리 교체 없이 반 영구적으로 센서를 작동시킬 수 있습니다. 특히 배터리 교체가 쉽지 않은 거대한 구조물(다리, 송유관 등)이나 위험한 장치(원자력발전 탱크, 방사능물질 저장소 등)의 health monitoring을 위한 센서에 많이 응용 되고 있습니다.
지금까지의 PEHS에 사용되는 energy harvester는 모두 2 차원의 필름형태였습니다. 필름형태는 제조공정이 간단하다는 장점이 있지만, output power 가 낮고 구동 resonance frequency 가 높다는 단점이 있습니다. 스프링 구조는 같은 크기의 필름 구조에 비해 resonance frequency를 크게 낮출 수 있고 수직으로 가한 힘에 비해 표면에 발생하는 shear stress가 월등이 크기 때문에 기존의 필름형태의 단점을 보완 할 수 있을 것으로 기대하였습니다. 또한 자동차나 기계, 구조물 등의 충격 완화를 위해 설치되어 있는 스프링 구조에 적용하게 되면 낭비되는 기계적 에너지를 전기에너지로 변환할 수 있는 장점도 있습니다.
본 연구에서, 세계 최초로 3 차원 구조의 Sping-type piezoelectric energy harvester (SPEH) 의 디자인을 고안하고 제조하는데 성공하였습니다. 최초 디자인된 SPEH는 다음과 같이 구성되어 있습니다. 코어전극 겸 압전막을 위한 기판으로서 우리 주변에서 흔히 볼 수 있는 철 스프링을 사용하였고, 스프링 위에 3 차원으로 P(VDF-TrFE)막을 증착 하였습니다. 압전막 위에 sputter를 통해 Pt 전극을 표면전극으로 증착하여 초기 디자인의 SPEH가 완성되었습니다. 완성된 SPEH를 수직으로 누르면 코어 전극과 표면 전극 사이의 압전막이 힘을 받아서 전기를 발생시키게 됩니다. 초기 디자인의 SPEH는 17.4 N의 힘으로 41 mV의 전압을 발생시켰습니다.
SPEH의 거동을 이해하고, 효율적인 디자인을 위하여 Finite Element Analysis 를 이용하여 SPEH의 구조 시뮬레이션을 진행하였습니다. 스프링을 수직으로 눌렀을 때 스프링 표면에 코팅되어 있는 압전체 막의 응력분포를 살펴본 결과, 스프링 안쪽과 바깥쪽에서 상반되는 응력이 작용하여 상반되는 전하가 발생하는 것을 확인 할 수 있었습니다. 상반되는 전하 발생으로 인하여 반대의 전류끼리 상쇄가 되어서 기계적 에너지가 전기에너지로 변환되는 효율을 크게 떨어뜨린다는 것을 알게 되었습니다. SPEH의 전기변환 효율을 높이기 위하여 상반되는 전류를 차폐하여 효율을 높이는 Selective current collecting design 을 새로이 고안하고, 새로운 디자인의 SPEH를 제조 하였습니다. 새로운 디자인의 SPEH는 3 N의 힘으로 885 mV 의 전압을 발생시켰습니다. 이로서 새로운 디자인의 SPEH는 최초 디자인의 SPEH의 41 mV 전압에 비해 약 21.6 배의 전압향상 효과를 나타냈으며, 가한 힘 대비 125.3 배 높은 효율을 나타냈습니다.
스프링 구조를 이용한 3 차원의 SPEH는 우리 주변에 가장 풍부한 저주파 진동 에너지를 효과적으로 전기 에너지로 변환 시킬 수 있습니다. 그리고 여러 가지 기계, 자동차, 구조물 등의 충격 완화를 위해 설치되어 있는 스프링에 적용되어 낭비되는 기계적 에너지들을 전기로 변환시킬 수 있어 그 응용 범위는 무궁무진 할 것으로 기대됩니다. 또한 본 연구는 에너지 하베스팅 분야 뿐만아니라, 3 차원 구조의 sensor 나 actuator와 같은 다양한 압전 devices에 관한 연구에 기여할 것으로 기대하고 있습니다.
