디스크형 압전 에너지 하베스터 소자의 형상비에 따른 출력 특성 연구

국문 초록 (Abstract)

본 논문은 사물인터넷（IoT） 등 무선 기기의 독립 전원을 위한 압전 에너 지 하베스팅 시스템의 효율 극대화를 위해, 디스크형 압전 소자의 형상비（직 경/두께 비, φ/T）가 출력 특성에 미치는 영향을 규명하였다. 강한 수직 충격 하중이 가해지는 환경을 고려하여 두께 진동 모드의 PNN-PZT계 세라믹 소 자를 모델로 선정하고, 이론·시뮬레이션·실험을 통합한 전력 출력 예측 모델을 구축하였다. 유한요소해석（COMSOL）을 통해 두께를 6.5（mm）로 고정 하고 형상비를 가변（3.0~5.0）하여 해석한 결과, 형상비 증가 시 경방향 진동 간섭으로 공진 주파수가 감소하며 형상비 4.2 부근에서 유효 전력이 극대화 됨을 확인하였다. 이를 바탕으로 최적 형상비 4.3의 시편을 930（℃）에서 소 결하여 제작하였다. 실제 시편의 임피던스 분석 결과, 공진 주파수는 86.445（kHz）로 나타났고, 전기기계 결합계수는 0.52로 시뮬레이션 예측값과 높은 정합성을 보였다. 또한, 자체 제작한 레버-스프링 기반 수직 충격 인가 장치로 40（N）의 임펄스 하중을 가한 실험에서 346（V）의 최대 피크 전압과 1.4636（mW）의 유효 전력이 계측되었다. 내부 점탄성 감쇠 등으로 인해 이 론적 계산치보다는 다소 감소했으나, 출력 거동의 전반적인 경향성이 해석 모델과 일치함을 입증하였다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• 1.1. 연구배경 1
• 1.2. 연구의 필요성 2
• 1.3. 연구의 목적 3
• Ⅱ. 이론적 배경 5
• 2.1. 압전 효과 5
• 2.2. 압전소자의 주요 특성 지표 7
• 2.3. BVD (Butterworth-Van Dyke) 등가 회로 모델 9
• 2.4. 압전소자의 효율 13
• Ⅲ. 실증연구 설계 15
• 3.1. COMSOL 모델링 15
• 3.2. 디스크형 압전 시편 제조 공정 18
• 3.3. 실험 장치 구성 및 측정 방법 20
• Ⅳ. 실험 결과 25
• 4.1. 압전소자의 물성 실험 25
• 4.2. COMSOL 시뮬레이션 결과 33
• 4.3. 수직 충격 인가 실험 및 특성 비교 분석 41
• Ⅴ. 결 론 46
• 참고문헌 49
• Abstract 55