압전 폴리머 필름을 이용한 비상 전원용 에너지 하베스터의 전기적 특성에 관한 연구

Abstract

Recently, as resource and environmental problems have emerged all over the world, energy harvesting technology has attracted much attention as a sustainable clean energy source. Energy harvesting refers to the conversion and harvesting of unused, abandoned energy, such as vibration, temperature, light energy, into usable electrical energy. The types include wind and wave, piezoelectric effect using mechanical energy and vibration caused by minute movement of body, photoelectric effect using sunlight and light energy, and energy harvesting using thermoelectric effect using temperature difference. Because of the miniaturization of various electronic devices requiring low power and the development of wireless network sensors, a low output power source is required. Accordingly, it is necessary to develop a low-power source that replaces the existing power source and the battery. Piezoelectric energy harvesting is suitable for energy harvesting technology that can be used in underwater or indoor environments where sunlight can not be used. It is possible to obtain infinite electrical energy by converting the mechanical energy generated from the fine motion due to wind, water flow, and the like. In this study, a piezoelectric energy harvester for underwater emergency power source was constructed according to the needs of semi - permanent emergency auxiliary power source which can be continuously used for diving equipment such as small flashlights and cameras which are essential for scuba diving and industrial diving. PVDF films were selected as energy harvester materials using flexible piezoelectric polymer films. PVDF films have the material superiority of flexibility and high durability. Accordingly, energy harvesting is possible in various environments, and the production cost is low, which is advantageous in economical efficiency. The piezoelectric energy harvester used in this study was fabricated by attaching a PVDF film as a piezoelectric material and a conductive tape serving as an electrode on a polyimide substrate and analyzing its electrical characteristics. The characteristics of output characteristics according to the size and structure of piezoelectric harvester devices, output characteristics according to waterproof treatment, and output characteristics according to underwater environment were analyzed. The piezoelectric harvesters of the dual structure showed higher output than the piezoelectric harvesters of the single structure. Due to the increased thickness of the harvester in the limited motion displacement in the water, one harvester showed the best output. It is expected that it will be possible to manufacture energy harvester for underwater emergency power source with better output through subsequent structure, area, and process optimization.|최근 자원 및 환경 문제가 전 세계적으로 대두됨에 따라 에너지 하베스팅 기술은 지속 가능한 청정 에너지원으로서 많은 관심을 받고 있다. 에너지 하베스팅은 진동, 온도, 빛 에너지 등과 같이 사용 되지 않고 버려지는 에너지를 사용 가능한 전기 에너지로 변환하고 수확하는 기술을 말한다. 대표적으로 바람과 파도, 신체의 미세한 움직임에 따라 발생하는 진동 및 기계 에너지를 이용한 압전효과, 태양광 및 빛 에너지를 이용한 광전효과, 온도차를 이용한 열전효과를 이용한 에너지 하베스팅이 있다. 저전력을 요구하는 다양한 전자 장치의 소형화 및 무선 네트워크 센서 등의 개발로 인하여 저출력의 전원이 필요하다. 이에 따라 기존의 전원 및 배터리를 대체하는 저출력 전원의 개발이 필요하다. 태양광을 이용 할 수 없는 수중이나 실내 등의 환경에서 이용 가능한 에너지 하베스팅 기술로는 압전 에너지 하베스팅이 적합하다. 풍력 및 조류, 미세한 움직임으로부터 발생 되는 기계 에너지를 변환하여 전기에너지를 무한히 얻을 수 있다. 본 연구에서는 스쿠버 다이빙, 산업 잠수에 필수적으로 사용 되는 소형 플래시 라이트, 카메라 등의 잠수 장비의 지속적으로 사용 가능한 반영구적인 비상 보조전원의 필요에 따라 수중 비상 전원용 압전 에너지 하베스터를 제작 하였다. 유연 압전 폴리머 필름을 이용한 에너지 하베스터의 재료로 PVDF 필름을 선정 하였다. PVDF 필름은 유연성과 높은 내구도의 재료적 우수성을 가진다. 이에 따라 다양한 환경에서 에너지 하베스팅이 가능 하며 또한 생산 단가가 낮아 경제성이 우수한 장점을 가진다. 본 연구에 사용 된 압전 에너지 하베스터는 폴리이미드 기판 상에 압전체인 PVDF 필름과 전극역할을 하는 전도성 테이프를 부착하여 완성하였고 전기적인 특성을 분석 하였다. 압전 하베스터 소자의 크기 및 구조에 따른 출력 특성, 방수 처리에 따른 출력 특성, 수중 환경에 따른 출력 특성을 분석 하였다. 이중 구조의 압전 하베스터가 단일 구조의 압전 하베스터 보다 높은 출력을 나타내었고 소자를 적층 할수록 우수한 출력 특성을 나타내었다. 수중의 한정적인 움직임 변위에는 증가된 하베스터의 두께로 인하여 1장의 하베스터가 가장 우수한 출력을 나타내었다. 추후 구조 및 면적, 공정 최적화를 통해 보다 우수한 출력의 수중 비상 전원용 에너지 하베스터의 제작이 가능 할 것으로 예상된다.