Energy harvesting is the conversion of energy that is thrown away into usable electrical energy. Recently, with the rise of the Internet of Things (IoT) technology, various types of sensors have been applied to systems such as mobile, wearable devices, and unmanned equipment. Since it is difficult to supply all the energy required by many sensors with wired power, many studies have been conducted to overcome through energy harvesting. At present, the most optimized method for harvesting vibration energy is piezoelectric energy harvesting, which is suitable for long life design because of its simple structure and reliable device design. However, solving the relatively low power yield and the degradation of the energy harvesting device due to fatigue caused by tens of millions of vibrations are major challenges. In this study, we optimized the structure of cantilever and verification weight of piezoelectric energy harvester to obtain high harvesting power to operate wireless communication sensor. In addition, we have optimized the harvesting in the low frequency range of 30 Hz band which are in low harvesting efficiency. In order to minimize vibration fatigue, energy harvesters made of flexible FR4 are used instead of traditional silicon substrates. Piezoelectric energy harvester modules were integrated with optimum proof mass to ensure long lifetime in the low frequency region. In addition, piezoelectric fatigue was visualized in microscopic region, and degradation characteristics were evaluated in the microscopic region using piezoresponse force microscopy (PFM).
에너지 하베스팅이란 주변에서 버려지는 에너지를 사용 가능한 전기에너지로 전환시키는 것을 말한다. 최근 사물 인터넷 (IoT) 기술의 대두로 다양한 형태의 센서들이 모바일, 웨어러블 디바이스, 무인 장비 등의 시스템에 적용되고 있다. 수 많은 센서가 요구하는 에너지를 모두 유선전원으로 공급하기 힘들기 때문에, 에너지 하베스팅을 통한 극복을 위해 많은 연구들이 진행되어 왔다. 특히 기계적 에너지인 진동 에너지를 전기 에너지로 전환하는 방향으로의 에너지 하베스팅 적용이 활발히 이루어 지고 있다. 현재 진동에너지를 수확하는 가장 최적화된 방법은 압전 에너지 하베스팅 (piezoelectric energy harvesting) 으로, 간단한 구조와 신뢰성 있는 장치 설계를 할 수 있기 때문에 장 수명을 위한 설계에 적합하다. 그러나 상대적으로 낮은 전력 수확량을 가지는 것과, 수천만 회의 진동에 의한 피로로 에너지 하베스팅 장치가 열화 되어 성능이 감소하는 것을 해결하는 것이 큰 도전 과제이다. 본 연구에서는 무선통신이 가능한 센서를 동작시킬 수 있는 높은 전력 수확량을 확보할 수 있도록 압전 에너지 하베스터의 캔틸레버와 검증중량의 구조를 최적화하였다. 또한 낮은 하베스팅 효율을 보이는 30 Hz 대역인 저 주파수 영역에서의 하베스팅을 최적화 하였다. 그리고 진동 피로를 최소화하기 위해 전통적인 실리콘 기판이 아닌, 유연한 FR4을 이용한 에너지 하베스터를 사용하였다. 또한 Piezoresponse force Microscopy (PFM)을 활용한 압전 피로 메커니즘의 시각화를 시도하였다. 본 연구는 상대적으로 연구가 적었던 저주파 영역에서 긴 수명을 가지는 압전 에너지 하베스터 모듈을 제작하고, 미세 영역에서 피로를 시각화 하고 열화 특성 평가를 진행하여 저 주파수 영역의 진동에너지 하베스팅 가능성 확인과 열화 메커니즘의 분석하였다는데 의의가 있다.