Chapter 1.
Recent years, the research for energy harvesting has significantly increased because we have been facing a problem with environmental pollution (ex. carbon dioxide emission and global warming) and depletion of fossil fuels. Energy harvesting technologies can convert ambient energies such as sunlight, wave, wind, thermal, and mechanical vibrating energies into useful electric energy. Particularly, piezoelectric material based harvesting technologies have great attention due to which can convert very tiny mechanical movements into electric energy.
Furthermore, flexible piezoelectric energy harvester (called nanogenerators) with various flexible piezoelectric materials have been widely studied by many research teams. These flexible piezoelectric nanogenerators have used to turn on light emitting diodes (LEDs) / liquid crystal displays (LCDs), stimulate living muscles, and charge batteries/capacitors. Many piezoelectric materials such as ZnO, $BaTiO_3$, $Pb(Zr,Ti)O_3$, $Pb(Mg_{1/3}Nb_{2/3})O_3$ - $PbTiO_3$ have been utilized for these flexible energy harvesting demonstrations. Among these piezoelectric materials, perovskite structured piezoelectric materials have been considered due to their inherently high piezoelectric properties. In this thesis, the flexible energy harvesters enabling by perovskite piezoelectric thin films are introduced.
Chapter 2.
An artificial cardiac pacemaker is widely used to normalize function of human heart. However, the repetitive surgeries highly demand for timely replacement of the pacemakers due to their limited lifespan of batteries. The critical infection and bleeding caused by battery related surgery for aged and infirm people of weak immune system, can be resolved by directly recharging battery inside human body or adopting self-powered heart stimulation. In this work, it is experimentally described how flexible single crystal PMN-PT thin film on a thin plastic substrate can be utilized as a high-performance self-powered energy harvester by slight bending motions for artificial cardiac pacemaker. The energy harvesting device generated one of the highest short-circuit current of 0.223 mA and open-circuit voltage of 8.2 V, which was enough to meet the high standard for cardiac nerve stimulation. This flexible PMN-PT thin film nanogenerator applied not only to charge batteries, but also to render artificial pacemaking without external power sources.
Chapter 3.
A high-performance flexible piezoelectric energy harvester was demonstrated by using a highly piezoelectric single crystalline PMN-PZT thin film grown by a solid-state single crystal growth (SSCG) method. A $Ba(Zr_{0.1},Ti_{0.9})O_3$ single crystal seed was utilized to crystallize a large-area polycrystalline PMN-PZT ceramic into a piezoelectric single crystal film through the SSCG process. The flexible PMN-PZT harvesting device successfully converted bio-mechanical energy into electric output of up to 100 V and 20 μA. We also developed a reconfigurable rectifying circuit for a flexible piezoelectric power management system. Our advanced power conditioning circuit extracted Joule heating energy of 6.25 μJ from the harvesting device by minimizing energy loss, which was 4 times higher energy compared to the conventional bridge rectifying circuit (Joule heating energy of 1.54 $\mu$J). Lastly, a self-powered military boot was fabricated by integration of the flexible PMN-PZT energy device on the heel of a combat boot. By slight motion of human ankle, the self-powered military boot generated electric energy which was large enough to directly turn on a light emitting diode (LED) and a liquid crystal display (LCD).
Chapter 4.
A deep brain stimulation (DBS) is widely used to remedy movement and affective disorders by sending electric impulses to specific parts of the brain. Whereas, the repetitive medical operations have to be highly required for timely replacement of the depleted batteries. The periodic medical surgeries could cause medical accidents like critical infection and bleeding. To solve this problem, we have reported flexible single crystalline PIMNT thin film energy harvester for demonstration of self-powered DBS applications. The flexible energy harvester generated open-circuit voltage of 11 V and very high short-circuit current of 0.57 mA, which were enough to directly turn on 120 green light emitting diodes (LEDs) as well as be utilized real-time electrical brain stimulation with out external power source.
Chapter 5.
A high-performance flexible piezoelectric energy harvester on a plastic substrate was demonstrated by using a highly piezoelectric PZT film fabricated by an aerosol deposition (AD) method. A high temperature (900 °C) annealing process for AD PZT film was conducted to enhance the intrinsic piezoelectric properties of PZT with effective grain growth. The flexible AD PZT harvesting device can generated an open-circuit voltage of 200 V and a short-circuit current of 35 $\mu$A via instantaneous bending and unbending motion. The output performance of our flexible piezoelectric harvester was comparable with previously reported high output flexible piezoelectric energy harvester utilizing a single crystal piezoelectric material with exceptionally high piezoelectric coefficients. Lastly, a self-powered wireless sensor node system was demonstrated by integration of flexible AD PZT harvesters, rectifying/storage circuit, and RF temperature sensor node. We charged a capacitor up to 4.3 V using the piezoelectric harvesting devices and operate the wireless temperature sensor node for 18 times. The measured temperature data was successfully transmitted into a computer monitoring system in semi-real time.
본 학위논문은 전자기기 및 생체이식형 의료기기에 적용 가능한 유연한 압전 에너지 하베스터에 관한 내용으로 작성되었다. 특히 압전특성이 가장 우수한 PMN-PT, PMN-PZT, PIMNT, PZT를 이용한 유연 에너지 하베스터의 구현 및 응용에 관한 연구를 중점적으로 진행 하였다.
챕터 2에서는 단결정 PMN-PT 필름을 이용하여 유연한 에너지 하베스터를 구현하였다. PMN-PT 필름은 니켈을 이용한 기계적 박리 공정을 이용하여 딱딱한 실리콘 기판에서 유연한 플라스틱 필름으로 전사가 되었다. 유연한 PMN-PT 에너지 하베스터를 구부린 결과 8.3V의 전압과 283$\mu$A의 전류를 출력하였다. 출력된 에너지는 살아있는 쥐의 심장을 전기 자극하는데 쓰였고 인공적인 심장 박동을 성공적으로 만들어 냈다.
챕터 3에서는 단결정 PMN-PZT 필름을 이용하여 유연한 에너지 하베스터를 구현하였다. 유연 기판에 부착된 PMN-PZT 필름은 저온에서 쉽게 녹일 수 있는 왁스물질을 이용하여 플라스틱 기판으로 전사되었다. 제작된 PMN-PZT 유연 하베스터는 구부림에 따라 최대 100V의 전압과 20$\mu$A의 전류가 출력이 되었다. 하베스팅 소자에서 생성된 전기 에너지를 이용해 104개의 LED를 점등하였고 자가발전형 전투화를 구현해 보았다. 이번 연구에서는 압전 에너지 하베스팅 회로의 변환효율을 향상시키는 연구를 진행하였는데, 본 연구에서 사용된 재배열이 가능한 커패시터 어레이는 생성되는 에너지를 저장할 때는 직렬로 연결되고, 방출할 때는 병렬로 연결되어 에너지 변환효율을 기존회로보다 4배 향상 시켰다.
챕터 4에서는 단결절 PIMNT 필름을 활용하여 유연한 에너지 하베스터를 구현하였다. 제작된 유연 PIMNT 에너지 하베스터에서는 11V의 전압과 570$\mu$A의 전류가 출력이 되었다. 출력된 에너지를 활용하여 살아있는 쥐의 뇌를 자극하여 행동변화를 유발 하였다. 실험에서 자극된 뇌 부위는 운동피질 M1으로써, 실험에서 이 부위를 자극하였을 때 쥐의 오른 앞발이 움직이는 행동변화를 관찰 할 수 있었다.
챕터 5에서는 에어로졸 증착법으로 제작된 PZT 필름을 활용하여 유연 에너지 하베스터를 구현 하였다. 제작된 에너지 하베스터는 최대 200V의 전압과 35$\mu$A의 전류를 출력하였으며 208개의 LED를 동시에 점등하는데 이용이 되었다. 이번 연구에서는 유연 에너지 하베스터를 이용하여 자가발전형 무선 센서노드를 구현 하였다. PZT 에너지 하베스터를 이용하여 1mF의 커패시터를 4.3V까지 충전 하였으며, 충전된 에너지를 활용하여 무선 온도 센서노드를 구동시켰고, 실시간으로 실내의 온도를 측정하여 컴퓨터 시스템으로 전송하는데 성공하였다.
이러한 연구결과들은 유연 압전 하베스터의 발전과 응용에 관하여 큰 기여를 한 것으로 판단되며, 추후 유연 전자 시스템에서 압전 에너지 하베스터가 전원 공급원으로써 커다란 역할을 할 것으로 예상된다. 또한 자가발전형 무선 센서네트워크, 휴대용 전자기기, 인공 심장박동기, 뇌자극기 등의 구현에도 큰 도움을 줄 수 있을 것이다.
