PZT계 압전 세라믹 파이버 어레이 복합체를 이용한 미소 풍력 에너지 하베스터 (Small-Scale Wind Energy Harvester Using PZT Based Piezoelectric Ceramic Fiber Composite Array)

서지정보

· 발행기관 : 한국전기전자재료학회
· 수록지 정보 : 전기전자재료학회논문지 / 32권 / 5호 / 418 ~ 425페이지
· 저자명 : 이민선, 나용현, 박진우, 정영훈

초록

본 연구에서는 0.69Pb(Zr0.47Ti0.53)O3-0.31[Pb(Zn0.4Ni0.6)1/3Nb2/3]O3 (PZT-PZNN) 세라믹을 이용하여 두께 모드를 갖는 압전 세라믹 파이버 복합체(PCFC)를 제조한 후 5개의 PZT-PZNN PCFC 어레이 구조와 50 ㎛ 두께의 SUS 탄성 기판을 이용한 PZT-PZNN PCFC 캔틸레버 어레이 구조의 flutter형 미소 풍력 에너지 하베스터를 각각 제조하였다. PZT-PZNN PCFC는 에폭시 매트릭스 소재와 Ag/Pd 표면 전극을 갖는 14 mm(가로) x 50 mm(세로) x 0.1 mm(두께) 크기의 PZT-PZNN 세라믹 파이버 어레이가 Cu/PET 필름 사이에 삽입된 구조를 가진다. 제조한 두 종류의 flutter형 미소 풍력 에너지 하베스터를 이용하여 부하저항과 풍속의 변화에 따른 에너지 하베스팅 성능을 비교 평가하였다. 두 시험체 모두 풍속이 2 m/s에서 10 m/s로 증가함에 따라 출력 전압과 출력 전력 모두 증가하는 경향을 나타내었다. 특히, PCFC 캔틸레버 어레이 구조 하베스터의 경우 10 m/s의 풍속과 14 kΩ의 조건에서 15.1 μW의 최대 출력 전력 특성을 나타내며, 총 부피를 고려한 약 9.2 μW/cm3의 전력밀도를 나타내었다. 이는 동일한 풍속에서 약 0.15 ㎼/cm3의 출력 전력 밀도를 나타낸 PCFC 어레이 구조 하베스터의 특성과 비교하면 약 61배 높은 우수한 성능임을 확인할 수 있다. 이러한 PCFC 캔틸레버 어레이를 이용한 flutter 구조의 미소 풍력 에너지 하베스터는 다양한 IoT 기기에 지속가능한 전력을 공급할 수 있는 가능성을 가지는 것으로 평가된다.

영어초록

A piezoelectric ceramic fiber composite (PCFC) was successfully fabricated using 0.69Pb(Zr0.47Ti0.53)O3-0.31[Pb(Zn0.4Ni0.6)1/3Nb2/3]O3 (PZT-PZNN) for use in small-scale wind energy harvesters. The PCFC was formed using an epoxy matrix material and an array of Ag/Pd-coated PZT-PZNN piezo-ceramic fibers sandwiched by Cu interdigitated electrode patterned polyethylene terephthalate film. The energy harvesting performance was evaluated in a custom-made wind tunnel while varying the wind speed and resistive load with two types of flutter wind energy harvesters. One had a five-PCFC array vertically clamped with a supporting acrylic rod while the other used the same structure but with a five-PCFC cantilever array. Stainless steel (thickness: 50 ㎛) was attached onto one side of the PCFC to form the PZT-PZNN cantilever. The output power, in general, increased with an increase in the wind speed from 2 m/s to 10 m/s for both energy harvesters. The highest output power of 15.1 ㎼ at 14 kΩ was obtained at a wind speed of 10 m/s for the flutter wind energy harvester with the PZT-PZNN cantilever array. The results presented here reveal the strong potential for wind energy harvester applications to supply sustainable power to various IoT micro-devices.

참고자료

· 없음