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[단국대학교] 압전 에너지 하베스터 및 적측형 압전 센서

최고관리자　 0 Comments　 1 Views　 20-11-10 15:46　 기계

분야 : 전자~전기 개발상태 5 9

압전 에너지 하베스터 및 압전 센서

보유기관 및 연구자 : 단국대학교 / 정영훈 박사

상담신청 기술문의

TRL09
사업화
- 본격적인 양산 및 사업화 단계
TRL08
시작품 인증/
표준화
- 일부 시제품의 인증 및 인허가 취득 단계
  - 조선 기자재의 경우 선급기관 인증, 의약품의 경우 식약청의 품목 허가 등
TRL07
Pilot 단계 시작품
신뢰성 평가
- 시작품의 신뢰성 평가
- 실제 환경(수요기업)에서 성능 검증이 이루어지는 단계
TRL06
Pilot 단계 시작품
성능 평가
- 경제성(생산성)을 고려한, 파일로트 규모의 시작품 제작 및 평가
- 시작품 성능평가
TRL05
시제품 제작/
성능평가
- 개발한 부품/시스템의 시작품(Prototype) 제작 및 성능 평가
- 경제성(생산성)을 고려하지 않고, 우수한 시작품을 1개~수개 미만으로 개발
TRL04
연구실 규모의
부품/시스템 성능평가
- 연구실 규모의 부품/시스템 성능 평가가 완료된 단계
- 실용화를 위한 핵심요소기술 확보
TRL03
연구실 규모의
성능 검증
- 연구실/실험실 규모의 환경에서 기본 성능이 검증될 수 있는 단계
- 개발하려는 시스템/부품의 기본 설계도면을 확보하는 단계
- 모델링/설계기술 확보
TRL02
실용 목적의 아이디어/
특허 등 개념 정립
- 실용 목적의 아이디어, 특허 등 개념 정립
TRL01
기초 이론/
실험
- 연구과제 탐색 및 기회 발굴 단계

기술개요: ○ 본 기술은 압전 재료 시트 구조체를 이용하여 IDE 전극 패턴이 형성된 압전 체 필름이 복수개가 적층된 압전체가 적층된 구조를 이용하여 높은 전력 출력값을 구현함과 동시에, 적층된 구조에서 전극을 구조 내에 임베딩(embedding)함으로써 폴링 효과를 극대화하는 구조를 제공함

개발기술 배경: ○ 압전 에너지 하베스팅 기술은 진동 에너지를 전기 에너지로 변환하여 스마트폰, 태블릿 등 모바일 전자기기, 사물인터넷(IoT) 센서 전원 등에 별도의 전력을 사용하지 않고 전기를 발생시키는데 이용되고 있음
○ 기존의 압전 에너지 하베스터는 에너지를 수확하는 부분에만 초점이 맞추어져 있었지만, 길이 방향에 따른 큰 변형을 이용할 수 있는 압전체를 이용한다면 큰 에너지 수확이 가능할 것임

기술활용 분야: ○ 본 기술의 압전 재료 시트 적층 구조체 및 이를 이용한 압전 에너지 하베스터는 웨어러블 장치나 센서, IoT 센서들, 그리고 액츄에이터(actuator) 등에 적용 가능함

기술구현: ○ 본 기술의 압전 에너지 하베스터 및 압전 에너지 센서는 탄성 기재와 상기 탄성 기재의 제1 단부가 공중에 배치되도록 상기 제1 단부와 마주하는 타단인 제2 단부를 지지하는 지지체 및 상기 탄성 기재의 상면 및 하면 중 어느 하나 이상에 배치된 압전 재료 시트 구조체를 포함
○ 상기 압전 재료 시트 구조체는, 압전 재료 시트와 상기 압전 재료 시트의 윗면 및 아랫면에 전극 패턴들이 배치
○ 상기 압전 재료 시트의 윗면 및 아랫면에 배치된 상기 전극 패턴들은 각각 제1 전극 패턴 및 제2 전극 패턴으로 구성
○ 상기 제1 전극 패턴 및 제2 전극 패턴은 전기적으로 절연되어 있고, 각각 서로 맞물리는 전극 패턴을 형성하는 복수의 전극을 포함하고, 상기 전극 패턴들은 상하 방향으로 서로 동일한 형태로 투영되도록 배치됨

[본 기술에 따른 압전 에너지 하베스터의 구조도]

특징 및 장점: ○ 압전 세라믹 후막 공정에 최적화된 인쇄 공정 기반의 IDE 전극 패턴을 적용함
▶ 다층 구조의 IDE 전극 패턴은 길이, 면 방향의 압전 분극 구조 형성에 매우 유리함
▶ 진동 신호를 이용하는 캔틸레버 구조와 같이 길이, 면 방향으로 인가되는 기계적 스트레스의 전기적 신호 변환 효과를 배가할 수 있음
▶ 플렉서블 압전 센서의 출력 전압 신호의 감도를 극대화할 수 있음

[본 기술의 압전 재료 시트 구조체 사시도]

시장동향: ○ 세계 압전기기 시장 규모는 203.5억 달러에서 연평균 성장률 6.01%로 성장하여 2020년에는 272.4억 달러 규모에 이를 것으로 전망됨(중소기업 기술로드맵, 2018-2020)
○ 세계 웨어러블 디바이스 시장은 2016년 33.2억 달러에서 연평균 성장률 36.3%로 성장하여 2021년에는 156.1억 달러로 성장할 것으로 전망됨(Marketsandmarkets, 2015)

특장점

기존기술 한계: ○ 층상형 캐패시터 구조를 가지는 경우, 기계적 스트레스는 면 방향을 따라 인가되지만 압전 변환 원리에 따라 주된 전기적 신호는 두께 방향으로 정렬된 압전 분극 전하의 영향을 받게 됨
○ IDE 핑거 전극과 수직으로 이격이 큰 부분은 폴링 효과가 거의 일어나지 않아 비활성 영역이 됨

개발기술 특성: ○ 길이, 면 방향으로 인가되는 기계적 스트레스를 전기 에너지로 변환 가능하며 제조 공정상으로도 가장 효율적인 전극 구조인 IDE 패턴을 압전 시트에 직접 인쇄한 적층형 IDE 패턴 기반의 압전 에너지 하베스터 및 센서 구조를 제시함