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大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A v.34 no.7=no.298, 2010년, pp.867 - 872   SCOPUS 피인용횟수: 2
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압전-복합재료 발전 소자의 설계 및 특성
Design of a Piezocomposite Generating Element and Its Characteristics

띠앵민드리    (건국대학교 신기술융합학과   ); 김종화    (건국대학교 신기술융합학과   ); 구남서    (건국대학교 신기술융합학과  );
  • 초록

    자연계에 존재하지만 사용되지 못 하고 버려지는 에너지를 효과적으로 채집하여 배터리를 충전하거나 전기 장치에 전기 에너지를 공급하는 에너지 하베스팅에 대한 연구를 수행하였다. 압전재료는 물체의 움직임이나 진동으로부터 에너지를 채집하는 주요한 재료로 널리 연구되고 있다. 본 논문에서는 기존의 PZT 압전 특성을 개량하고자 압전-복합재료 발전소자(Piezo-Composite Generating Element, 이하 PCGE)를 도입하여 성능 예측모델을 제안하고 이를 실험적으로 검증하였다. PCGE는 탄소/에폭시, PZT, 유리/에폭시 층으로 구성된다. 제작 과정에서 적층된 PCGE는 오토클레이브 안에서 $177^{\circ}C$ 의 온도에서 성형되는데, 이때 PCGE 내부에 초기잔류응력이 발생하게 되어 압전재료의 성능이 변화하게 된다. 세 종류의 PCGE를 제작한 후 에너지 채집 실험을 수행하여 제안된 성능 예측모델의 타당성과 기계적 진동을 전기적 에너지로 변환되는 성능을 검증하였다. 실험 결과 이론적인 성능 예측모델이 실험 결과와 잘 일치함을 확인하였다.


    Unused energy derived from sources in nature can be captured and stored for future use, for example, to recharge a battery or power a device; this process of capturing and storing energy is called energy harvesting. Extensive investigations are being carried out in order to use piezoelectricity to harvest the energy generated by body movements or machine vibrations. This paper presents a simple analytical model that describes the output voltage effectiveness of a Piezocomposite Generating Element (PCGE) from vibration and its experimental verification. PCGE is composed of carbon/epoxy, PZT, and glass/epoxy layers. During the manufacturing process, the stacked layers were cured at $177^{\circ}C$ in an autoclave, which created residual stresses in PCGE and altered the piezoelectric properties of the PZT layer. In the experiments, three kinds of lay-up configurations of PCGE were considered to verify the proposed prediction model and to investigate its capability to convert oscillatory mechanical energy into electrical energy. The predicted performance results are in good agreement with observed experimental ones.


  • 주제어

    에너지 하베스팅 .   압전-복합 재료 발전소자.  

  • 참고문헌 (9)

    1. Jung, D.Y., Song, H.C. and Yoon, S.J., 2007,“Piezoelectric Energy Harvesting,” Bulletin ofKorean Institute of Electrical and ElectronicMaterial Engineers, Vol. 20, No. 12, pp.45-54.     
    2. Kwak, M.K., Kim K.Y., Kang, H.Y. and Kim,N.S., 2008, “Development of Piezoelectric EnergyHarvesting Device,” Journal of the KoreanSociety for Precision Engineering, Vol. 25, No.4, pp. 32-38.     
    3. Nam, Y.S., Park, J.S., Park, H.G. and Lee,J.K., 2008, “A Study on the Piezoelectric EnergyHarvesting Using SSHI Technique,” Journal ofthe Korean Society for Precision Engineering,Vol. 25, No. 6, pp. 92-98.     
    4. Choi, B. and Lee W.H., 2008, “A Study on theEnergy Harvesting System Using PiezoelelctricDirect Effect of Piezo Film,” Journal of theKorean Society for Precision Engineering, Vol.25, No. 9, pp. 78-85.     
    5. Yoon, K.J., Park, K.H., Lee, S., Goo, N.S. andPark, H.C., 2004, “Analytical Design Model for aPiezo-Composite Unimorph Actuator and ItsVerification Using Lightweight Piezo-CompositeCurved Actuator,” Smart Materials and Structures,Vol. 13, pp. 459-467. 
    6. Goo, N.S., Phan, V.P. and Yoon, K.J., 2009,“Actuation Displacement Performance Change ofPrestressed Piezoelectric Actuators Attached to aFlat Surface,” Smart Materials and Structures,Vol. 18, 037003 (5pp). 
    7. ANSI/IEEE Std 176-1987, IEEE Standard on Piezoelectricity, 1987. 
    8. Irving H. Shames and James M. Pitarresi,Introduction to Solid Mechanics, Prentice-Hall,1999. 
    9. Krueger, H.H.A., 1968, "Stress Sensitivity ofPiezoelectric Ceramics: Part 3. Sensitivity toCompressive Stress Perpendicular to the PolarAxis," Jounral of the Acoustical Society ofAmerica, Vol. 43, pp. 583-591. 
  • 이 논문을 인용한 문헌 (2)

    1. Cha, Ju-Young ; Kang, In-Pil 2011. "Nano Carbon Material Based Electrochemical Actuators" 한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society of Precision Engineering, 28(11): 1251~1258     
    2. Han, Dae-Hyun ; Park, Seung-Bok ; Kang, Lae-Hyong 2014. "Study on Piezoelectric Characteristics of Piezoelectric Paint Sensor According to Poling Time" 大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, 38(10): 1069~1074   

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    10. 2015 "Monitoring the Change of Technological Impacts of Technology Sectors Using Patent Information: the Case of Korea" Industrial engineering & management systems : an international journal 14 (1): 58~72    
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