* 전기적 특성에 따른 물질의 분류
* 압전현상과 전왜현상
* 압전재료의 특성
전기기계 결합 계수 (Electromechanicalcoupling coefficient, k)
전기에너지⇔ 기계적에너지 간의 변환 효율을 나타내는 계수
k2 = Mechanical Energy Converted to Electrical Energy
Input Mechanical Energy
Electrical Energy Converted to Mechanical Energy
Input Electrical Energy
진동모드에 따라 k31, k33, k15, kt, kp의 다섯가지가 존재 함.
일반적으로 물성을 비교할 때에는 kp를 사용
kt-Thickness coupling factor
kp-Planar coupling factor
(BaTiO3:35%, PZT: 50%)
기계적 품질계수(Mechanical Quality Factor)
- 전기적 에너지와 기계적 에너지 간의 교환 시 축적되는 에너지의 비율
- Permanent dipole들의 이동 시 발생하는 인가전압과의 위상차이에 기인
- 손실은 대부분 열에너지의 형태로 발산
- 압전체가 공진주파수에서 일으키는 공진의 Sharpness를 결정
- 기계적 품질계수 값이 낮으면 일반적으로 열화(Degradation)가 빨리 발생
- 전기적 품질계수와는 다른 값
- PZT: 102-103, Quartz single Crystal: 104-106
* 강유전체(Ferroelectrics)
강유전성(Ferroelectricity)
- 자발 전기분극이 존재하여, 외부 전기장의 극성에 따라 자발 전기분극이 반전하는 성질
- 자발 분극의 방향이 입자(grain)마다 다른 세라믹스를 poling과정을 거쳐 압전체로 사용할 수 있는 요인
- 상유전–강유전 상전이 시 발생하는 에너지증가를 억제하기 위해 분역구조를 가진다는 특징
- 상전이 온도 이상에서는 Curie 법칙에 따라 유전율이 변화 됨.
* 강유전체의 Poling
Poling : 자발 분극들의 정렬과정 →강유전체에 거시적인 압전성을 부여하는 공정
* Experimental process
전극부착( 600도C 안팎에서 소부) 후 100도C ~ 150도C에서 1kV/mm ~5kV/mm의 전계를 시편의 양단에 인가
1. 역전압을 이용한 압전현상의 응용의 예
(전기에너지를 인가하여 기계에너지로 변환)
- 압전부저
전기를 가하면 기계적 진동이 일어남
기존 스피커에 비해 소형, 경량화
응용처: 무선전화기, APM(Acoustic Piston Mode) 스피커
- 초음파 세척기
압전체가 초음파를 발사하여 초음파진동을 발생시켜, 세척물 표면에 달라붙어 있는 오염물을 제거
- 초음파 가습기
압전체 초음파 진동자를 이용하여 물을 기화시킴
- 초음파 모터(Ultrasonic Motor)
정밀공학의 발달에 따라 micron order의 변위량을 제어하는 기술이 필요
: 기존의 모터는 관성의 영향으로 정밀제어에 문제점이 있슴
공진주파수의 전압이 압전체에 입력→압전체의 표면이 μm 크기의 타원운동→이동자가 미끄러지면서 이동.
초음파모터의 특성 : 압전체의 진동주파수가 초음파 영역이며, 실제 이동자의 이동속도는 약 수cm - 수십cm/sec.
기존의 모터구동방식에 비해 미세 구동이 가능하며, 홀딩 torque가 커서 순간적으로 정지하며
(반응시간<10ms) 전체 크기가 소형화 된다는 장점이 있슴.
마찰력에 의하여 움직이므로, 인가전압을 증가시키더라도 일정속도 이상으로 고속 이동이 불가능하다는 단점이 있슴.
카메라셔터,자동초점조절,잉크젯프린터헤드 등에 응용.
2. 정전압을 이용한 압전현상 응용의 예
(기계에너지를 인가하여 전기에너지로 변환)
- 압전착화소자
동작원리: 기계적 응력을 가해 탄성변화 유도 → 고전압 발생→방전→연료를 착화
응용처: 라이터, 각종 가스기기 등에 이용되는 점화 핵심 재료
- 압전센서
음향, 진동, 응력 등의 기계적 에너지를 전기적 신호로 추출
가속도센서, 노킹센서, 자이로스코프 등의 핵심재료
응용처: 차량용 항법장치, 진동 및 운동방향 감지
자동차/냉장고/ 스키플레이트 등의 압력 조절장치
응용예: 압전센서는 스키판이 진동하는 것을 감지하고 이와 반대되는 진동을
압전진동자를 통해 인위적으로 발생시켜 스키판의 진동을 완화시킴.
3. 상호 변환 압전현상 응용의 예
(기계에너지와 전기에너지 상호 변환)
- SONAR(Sound Navigation and Ranging)
수중에서는 전자기파가 전달되지 못하기 때문에 신호를 전달하기 위해
초음파와 같은 음파 (Acoustic wave)를 사용함.
초음파는 수중에서 감쇄효과가 적다는 특성을 이용함.
초음파가 반사되어 돌아오는 시간으로 부터 물체를 감지하고, 물체의 형상 및 물체와의 거리를 추정함.
이때, 응용되는 압전세라믹스의 특징은 기계적인 힘이나 충격을 전기로 바꾸어 줄 뿐 아니라,
기계적 진동에 의해 초음파를 직접 발생시키는 특성이 있슴.
잠수함의 SONAR, 어군탐지기 뿐 만 아니라, 자동차 후방 충돌 감시시스템, 로봇 등에 응용 됨.
초음파의 전파에 의한 신호 전달 기능
- 초음파 진단장치
진단원리 : 펄스 에코를 이용하며 어군탐지기 나레이더 와 동일한 원리
초음파를 발생시켜 원하는 방향으로 진행시킨 후, 대상 물체에서 반사되어 나오는 파의
시간과 위치에 따른 강도변화로 부터 화면형성 .
신호 처리순서 : 초음파 펄스 송신→인체 내부의 각 부위에서 에너지를 반사, 산란, 흡수하면서 전파
→ 반사 및 산란 성분을 어레이 형상으로 배열 된 진동자로 수신→ 수신 강도에 따른 휘도변조→
초음파 단층화상 형성
미세한 신호 수신을 목적으로 탐침(Probe)에 고성능 압전 재료를 이용함.
초음파의 발생방식과 신호 처리방식에 따라 sector scanning transducer, linear array transducer,
converse transducer, phased array transducer, annular array transducer로 나뉨.
- 압전트랜스포머
진단원리 : 펄스 에코를 이용하며 어군탐지기 나레이더와 동일한 원리
원리 : 압전 재료에 1차 및 2차전극을 설치 후 1차측 전극에서 공진주파수의 전압을 인가
⇒1차측 전극에 기계적 진동 발생
⇒2차측 전극에 기계적 진동 유도
⇒ 압전효과에 의해 기전력을 발생
⇒반대편 전극을 진동시켜 전기신호 발생
Rosen type과 적층형의 두가지가 있으며 전극형상 재료의 종류에 따라 전압의 변압비가 결정 됨.
노트북 용 백라이트와 같이 소형, 경량의 트랜스포머를 요구하는 곳에 응용 됨
(d31, g33: 압전정수, a : 트랜스포머의길이 s : compliance Q : quality factor)
- 압전필터
응용원리 : 세라믹의 물리적 공진주파수와 인가전압의 주파수가 일치하면,
공진에 의해 큰 기계적 진동발생 → 전기 신호로 변환하여 외부로 출력 → 특정 주파수의 전기신호 통과
LC공진회로에 비해 탄성 진동을 이용한 압전세라믹 필터는 품질계수 및 온도계수가 우수하다는 장점.
필터의 분류
1)기능에 따른 분류 : 필터, disciminator, trap
2) 주파수에 따른 분류 : AM용, FM용필터
응용분야: 무선전화기, PCS, TV, ASDL
- SAW 필터
SAW란 Surface AccousticWave의 약자로서 SAW필터는 표면 탄성파를 이용하여
인접 채널 신호를 제거하고 수신채널 신호를 정형하는 일종의 대역 통과필터(Band Pass Filter).
소형, 경량화가 가능함.
박막 공정을 이용한 대량생산이 가능함
조정 공정이 필요없고, 신뢰성이 높으며, 충격에 강함.
삽입 손실이 크고, 초고주파에서의 적용이 난이하다 는 단점이 있슴.
박막을 이용하므로 고전력 응용이 어려움
구동원리: 압전체에 표면에 적절한 형태의 전극을 설치한 후
→ 전기적 신호 → 기계적 신호 → 전기적 신호로의 전환과정을 거쳐,
외부에서 인가 된 전기신호를 filtering하여 다시 전기적 신호로 전달하게 됨
기본구조: 수정, LiNbO3, LiTaO3 등의 단결정 기판상에 얇은 빗살무늬의
금속전극으로 구성 된 두개의 송수신용 변환기로 구성(Inter Digital Transducer : IDT)
*발전용 압전소자(Piezoelectric element for power generation)
압전소자는 정전압을 이용하여 외력이 인가되면 전기를 만들어 내고, 역전압을 이용하여
전기를 인가하면 진동이 발생되는 소자 임.
어떤 종류의 결정체에 외부에서 힘을 가하면 내부에 전계가 발생하는 압전효과는
1880년 경 프랑스 퀴리 형제가 발견하였슴.
압전소자는 전기 기계적 센서, 구동장치, 에너지 발전기, 마이크로폰, 스피커, 초음파 탐지지,
초음파 발진기, 마이크로 저울, 가속도계, 응력계, 착화기, 초음파 모터, 카메라모듈 자동초점
구동장치, 액츄에이트 등 그 응용 분야가 무궁무진 함.
우리는 일상에서도 이미 압전을 활용한 제품들은 쉽게 접하고 있슴.
일회용라이터, 가스렌지, 가습기, 전자렌지, 스마트폰, 컴퓨터, 차량용 버저, 진동세척기,
위치센서, 무게센서, 초음파치료기, 임산부 초음파진단기, MRI, CT, 바이오센서, 나노발전기
마이크로 로봇 등 등 일상에 필요한 거의 대부분의 제품에 활용 되고 있슴.
압전효과 제품으로는 압전 피에조(Piezo), 압전필름(PVDF), 피에조랩(PiezoLab), 압전케이블
(PiezoCable) 등 다양함.
압전시장의 99.9%는 대체로 역전압을 이용하는 센서와 음향산업에 집중되고 있고 시장규모는 계속 커져 감
한편, 인류는 자원의 고갈로 인한 에너지 부족과 과열 된 산업발전 경쟁으로 비롯 된 환경오염으로
인한 자연재해가 현실로 나타나면서, 매일 더 큰 위기를 접하고 있슴.
급기야 (신)재생에너지에 대한 관심이 집중되고, 2000년 경 부터는 압전에너지 하베스팅에 대한
연구에 대한 열기가 높음.
그 이유는, 상대적으로 싸고 반영구적으로 발전되며 친환경적이며, 어떤 곳이든 설치가 가능하며,
오히려 소외 된 장소를 활용 할 수 있는 장점이 있고
다른 신재생에너지에 비해 공간구애를 받지 않고, 비용 부담이 적다는 강점이 있기 때문 임.
세계적으로 일부 국가차원의 기업이나, 기술원, 연구소 등에서 정전압을 이용하는 압전발전에 대한
기대로, 압전에너지 하베스팅을 상용화하기 위해 많은 시범설치를 하였는데, 신재생에너지와
결부하거나, 인간 사회의 생활 속에서 일어나는 사람과 기계의 등의 움직임을 재활용 함.
즉, 어차피 버려지는 에너지를 활용하여 발전을 도모하는, 이른 바 '압전에너지하베스팅'이
미래의 대안으로 주목받고 있슴.
범 세계적으로 지금도 연구는 계속되고 있고, 전 세계적으로 학생들에게도 과학시간에 정규수업을
통하여 교육을 하며, 최근에는 압전어플리케이션학과, 압전에너지학과 등 대학들도
압전 관련 신생 정규교육 전문학과들을 계속 신설하고 있슴.
고속도로 압전발전, 압전스마트도로, 압전블록, 압전 축구장, 압전계단 등 실재 상용화에
도전하여 시범설치를 시도하고 상용화에 도전하였으나, 기전력이 미약하여 명실공히
단 하나도 상용화에 성공하지 못하고 있슴.
단지, 다른 대안이 없으므로 교육용적인 성과에 그치고 있슴.
많은 장점이 있슴에도, '왜 성공하지 못하고 물성의 한계 만 탓하고 있을까?'
전 세계적으로 압전을 취급하는 사람들과 기업들의 99.99%는 Piezo와 센서(sensor)중심 임
Piezo의 효율에 대한 소재공학적인 접근과 개발에 대한 경쟁은 치열하나, Piezo의 효율상승
만으로는 기전력의 확대에는 기여하지 못하고 있슴.
또한, 발전용 압전소자로서의 인가방법이 누르거나 때리는 외력 인가 방법으로는 역시 한계를 벗어 날 수 없슴.
그렇다면, 압전의 한계를 극복 할 방법은 없는 것일까?
압전은 외력에 비례하여 기전되고, 소자의 크기와 수량에 비례하여 높은 기전이 일어난다.
먼저, 압전에 대하여 현실적이고 과학적 물리적인 관찰을 통해서, 객관적인 문제점을 파악하여
인정하고 개발하고 극복해야 할 것은 무엇인지를 다시 확인 할 필요가 있슴.
일반적으로 압전에너지 하베스팅(Harvesting) 적용 방법을 보면,
압전(壓電)(Press to get electricity)은 ('누를 압 전기 전') 누르면 전기가 나오는 소자 임.
어플리케이션의 경우, 사람이나 차량이 압전소재를 눌러서 중압발전을 유도하는 방법 임.
누를 경우, Piezo 중심부가 상하 위치변위를 통하여 Piezo 내부 분자구조의 변위를 유도하여
전압을 형성하고 기전을 일으키는 방법 임.
* 결과에 따른 분석
압전
1. 외력 인가시간이 길어 기전주파수의 형태는 장파.
아무리 효율이 뛰어 난 부싯돌이라도 접점부를 스르르 밀어서는 불꽃이 튀지 않는 것과 같음.
2. 미약한 기전력이 장파로 이어질 경우 방전율이 큼.
3. 압전장치에서 누르는 힘에 의한 압전효과를 유도하는 경우
압전소재의 Piezo의 상하 운동 유격의 한계점 때문에 쉽게 깨어지고, 범위를 벗어나지 않더라도,
시간이 지남에 따라 효율이 점점 낮아짐.
4. 압전소재를 받쳐주는 부위와 외력의 인가부위 등 전체적으로 압전소재와 관련 장치부가 밀착 될 수
밖에 없어, 압전소재의 자유진동을 제어하는 저항으로 작용.
단지, Piezo의 분자구조 변형에만 의존하다 보니 기전이 미약 한 것 임.
일반 타전 방식
압전소재가 상용화 된 제품 중에는 가스렌지 점화 장치와 가스라이터의 부싯돌을 대체하여 Piezo가 활용 됨.
외력을 인가하는 방법은 내부에 강한 스프링장치와 협력하여 강하게 때리는, 이른 바 '타전'(鞭電)
(Electricity is generated when hit) 방식이 적용되는데, 내구성이 취약한 Piezo가 상용화되기
위해서는, Piezo가 안깨어지도록 두껍고 둔탁하고 단단하게 만들수 밖에 없슴.
타전방식은 강한 충격으로, 순간적(Impulse)인 초단파를 이끌어 내기는 하나, Piezo의 내부 분자
구조변형에는 전혀 기여 할 수 없는 단점이 있슴.
누를 경우에는 Piezo가 잉어비늘 처럼 휘어지지 않고 깨어짐.
* 압전의 한계와 기술개발 목표
1. Piezo
Piezo는 기전을 일으키는 핵심적인 압전재료 임.
압전업계는 압전어플리케이션 보다는 센서를 목적으로 한 Piezo 생산과 유통에 집중되어 있고,
지금은 패시브소자(Passive piezo)와 액티브소자(Active piezo)의 효율 차이가 없고, 효율이 높은
Piezo를 경쟁적으로 기술개발하고 있으나, 한계성을 극복하지 못하고 있슴.
설사, Piezo의 기술개발이 만족스럽다고 하더라도 그것 만으로는 발전용 압전소자에 접근 할 수 없슴.
가. 물성에 따르는 압전전계계수 값
발전용압전소자가 되기 위한 기전력을 높이는 물성의 개발이 절실함.
국내의 압전 대표적인 업체는 단결정 기술개발로 일반 Piezo 보다는 높은 효율을 구현하였으나,
제조의 기술적 어려움과 높은 비용 발생 등의 단점이 있고, 발전용 압전소자로서 상용화하기에는
기전력이 역부족 임.
나. 박막의 대형 Piezo 성형기술의 한계
발전용압전소자가 되기 위한 Poezo는 외력에 민감하고 잉어비늘처럼 깨어지지 않으면서
평면 상하로 유동이 되어야 함.
그래서 0.1T~0.3T 이하의 박막두께가 요구 됨.
0.3T 를 초과하면 유동이 되지 않고 깨어짐.
0.1T, 0.2T의 경우, 현재 성형기술은 25∅ 이상 제조 가 어려움.
다. 취약한 내구성
현재 Piezo 제조기술은 소성분말혼합 방식이 일반적임
내구성을 개선하고 더불어 압전전계계수를 향상 시키기 위해서는 적층형 공법 구현이 절실함.
외력이 클수록 Piezo에 전달되고 비례하여 기전은 되지만, 반비례하여 내구성은 약해지는데,
동판에는 큰 외력이 가해지더라도 Piezo의 내구성은 보존되는 기술개발이 필요함.
2. 판재
가. 비철금속 소재
기존의 압전소자에 사용되는 비철금속은 거의 황동이며, 구리와 아연의 합금 인 황동은
상대적으로 연성이며 무름.
외력에 민감하고 전달력이 빠르고 전도성과 내부저항 내구성 등을 고려할 때,
기존의 황동보다는 조밀하고 단단하며 내구성이 강한 조직의 비철금속의 개발이 필요함.
나. 형태와 역활
박막의 Piezo는 자체로는 쉽게 깨어져 버리고, 외력을 Piezo에 직접 인가 할 수 없기 때문에
Piezo를 평면의 비철금속에 붙임.
압전소자는 누르는 메카니즘으로 기존의 제품들은 1차원 평면이 대부분 임.
3. 외력에 대한 메커니즘
외력에 비례하여 기전하는 압전어플리케이션의 경우,
평면의 압전체에 외력을 인가하는 방법은 누르거나 때리는 등의 방법 이외에는 없슴.
InPut 대비 OutPut의 기전효율이 너무 미약한 만큼, InPut은 극소화하고 OutPut은 극대화
할 수 있는 메커니즘의 개발이 절실히 필요하나, 현실적으로는 방법이 없슴.
4. 어플리케이션 장치 기술
기존의 압전어플리케이션 메카니즘에서는 누르는 장치로 압전소재를 고정하는 바닥 층과
한계성 내에 눌러지는 장치가 압전소재와 한몸으로 고정되어 있어서 진동 주파수에 절대적인 저항요소로 작용 됨.
압전소재가 자유스럽게 최대한 역활을 할 수 있는 장치 기술 개발이 필요함.
* 이상과 같은 압전의 물성과 메카니즘의 한계성을 전부 극복한 발명특허기술이 바로
'발전용 압전소자와 이를 이용한 발전장치' 임
발전용압전소자는 곧 파전(波電)과 신타전, 그 메카니즘이 Shock Wave Power와
Hitting device power generation 인 것 임.
* 압전기술과 압전(파전)시장의 현주소와 미래전망
파전(Shock Wave Power)소자와 파전 발전.
최소 외력으로 운동 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 압전세라믹스(PZT)의 기전력을 극대화시킨 기술 !
☞ 기존 압전 & 타전소자의 한계 극복
새로운 에너지의 탄생 ! S.W.P.
상대적으로 싸고, 반영구적으로 전기를 만드는 친환경 (신)재생에너지 !
원하는 시간 원하는 만큼 작고 가치가 적은 장소에서도 전기를 생산 한다 !
관리가 거의 불필요하고 높은 효율을 자랑한다 !
자연의 제약을 받지 않고, 인간의 기술로 제어 가능한 파전(Shock Wave Power)발전 에너지 !
압전이란 명칭은 통상적으로 누르면 전기가 나오는 것을 의미함.
외력에 의해 피에조(Piezo) 분자구조 변형은, 한 쪽은 당기고 한쪽은 느슨해짐으로 일그러져
높은 전위와 낮은 전위를 동시에 형성함으로써, 전압이 발생되는 구조 임.
파전은 같은 Piezo를 사용하고 판재에 붙이는 것은 동일하나, 그 메커니즘이 누르는 개념이 아니라,
부드럽고 강한 파도가 원의 중심점을 목표로 동일한 시간에 집중되고 충돌되어, 동시에 모인힘의
파장이 빠져나갈 틈이 없어,
폭발적인 충격파가 초단파의 형태로 파전 타전 압전의 효과를 동시에 Piezo에 적용되는 메커니즘 임.
파전(Shock Wave Power)은 부드러운 Wave와 초단파 !
즉, 모순을 한몸에 지니고 필요한 양 장점을 극대화 한 양자 메커니즘(mechanism)이 구현되는
양자기술 개발의 결정체 임.
무엇이든 막는 방패와 무엇이든 뚫을 수 있는 창이 한 몸에 존재하는 것과 같은 것 임.
압전소재는 100% 수동적이며, 1차적 에너지 보존의 법칙 만이 허용되는 메커니즘(mechanism) 임.
파전소재는 평면이 아니라 3차원 구조를 가진 능동형 구조이며, Made 가 아니라 Living and Alive 임.
즉, Made는 그냥 물건 일 뿐이나, 목적을 이루기 위해서는 소자가 살아있어서 소자의 가치와 목적을
강하고 충분하게 제 역활을 하여야 함.
파전은 제품에 혼을 불어넣은 것처럼 자체적으로 살아있고 작동을 해야 함.
강한 탄성작용과 자동복원력이 작동되어야 함.
또한, 파도가 몰아쳐와서 부딪치는 것처럼 부드러운 Wave가 동시에 서로 강하게 충돌하게 됨.
곡선 ! (Wave)을 통한 초단파는 당장 이해가 어려우나, 파전소재는 그것을 구현하는 제품 임.
Piezo에 큰 외력이 작용되면 기전은 비례하지만, 반비례하여 내구성은 약해 짐.
모순(한 장사꾼이 무엇이든 뚫는 창과 무엇이든 막는 창을 같이 놓고 파는데서 유래 됨)이 공존할까?
판재와 Piezo는 한몸으로 구성되어 있음.
파전소자 자체적으로 부드러운 곡선형의 3차원 형태를 가지고 있고, 곡선을 통해서 강한 Power의
자체 충돌을 유도하며, 자동복원기능이 구현되며 충격이 강하면 비례하여 잘깨어지는 것이 상식이나
미세 외력을 InPut으로 극대화 OutPut 충격으로 Piezo에 전달되면서,
Piezo의 내구성이 철저히 보존되는 것이 특징 인 기술 임.
파전은 에너지보존의 법칙 안에서 설명이 가능하고, 반드시 에너지 보존의 법칙을 벗어나지 않음.
즉, 이해를 돕기 위해서 총의 예를 들면, 총은 사람의 손가락 힘으로 총알을 날려보내는 것이 아님.
총 안에는 3개의 에너지보존의 법칙이 연차적으로 작동 됨.
파전소자도 이와 같은 원리 임.
외력에 100% 의존하는 압전과 타전에 비해,
파전은 외력과 거의 상관없이 판재 자체의 강한 탄성력으로 Piezo에 강한 외력이 인가되는 기술 임.
가령, 마주보고 출발한 기차가 100km 속도로 정면 충돌할 경우,
충돌파장 계수는 실재로는 200이 되지 못함.
중력과 매질이 존재하는 상황에서의 충돌은, 충돌 시 옆으로 퍼져나가기 때문에 거의 150정도 임.
역시, 동일한 조건에서 중앙의 한점 목표를 향하여 359대의 기차가 와서 충돌한다면 곱하기 359
더하기 공간기여도 78%의 결과를 나타 냄.
그런데, 360대의 기차가 동시에 중앙점을 향하여 동일 조건에서 충돌한다면, 그 충격력이 빠져나갈
구멍이 전혀 없기 때문에 곱하기 360이 아니라 360승이 됨.
바늘구멍을 뚫어놓은 주사기와 완벽한 차단의 주사기를 각 각 밀어서 순간적으로 막은 출구를 열어
본다면 그 차이를 명확하게 알 수 있슴.
또한, 판재의 강한 자체탄성 외력에 대해 상대적으로 취약한 Piezo의 내구성을 보장되는 기술이
구현되는 밴딩롤링 3차원 형태이며, 방짜 응용연구개발기술을 탑재 하였슴.
* 파전(波电)(Shock Wave Power)mechanism
기존의 100% 외력에 의존하는 누르는 압전과 때리는 타전방식을 넘어서, 최소의 외력 또는 외력의
크기와 거의 상관없이 동판의 탄성력으로 기전됨.
자동 탄성복원 구동.
탄성은 동심원의 중앙으로 파장이 집중되고, 동시 충돌을 유도하여, 소재 중심부에 에너지가 집중되면서
발생되는 충격파장은 극 초단파의 높고 강한 외력으로 작동되어 높은 전기적 에너지 발전 됨.
강한 충격파에도 보호 엠보싱구조로 PZT 내구성 신뢰성 확보
* Piezo
박막의 Piezo 대형화 성형기술
압전전계계수 효율 600%
소성분말혼합식이 아닌 적층형 기법으로 내구성 및 기전력 상승
* Epoxy Technology
근접막형성과 반도체율 향상
분극기법 향상
동판이 째지거나 깨어져도 Piezo 내구성은 보장
Piezo와 판재의 Join Epoxy 기술 개발
* InPut 극소화 OutPut 극대화 기술개발
외팔보 대비 무게추 상대성기법 및 운동순화 관절기법 개발
3가지 에너지 보존법칙 융합 (mechanism Bending Rolling 3D Structure Plate)
* 다양한 적소적 application 개발
회전형 발전장치
템버린형 발전장치
부채형 발전장치
버턴형(터치 또는 스위칭)발전장치
*참조 영상 비유 인용. (FLOWAVE)
압전,파전 어플리케이션 비교 기술
* 압전어플리케이션
정전압을 이용한 압전에너지하베스팅에 있어서, Piezo는 잉어비늘처럼 깨어지지 않으면서, 휘어져야
내부의 일그러짐의 구조변경이 일어나고, g와 d의 관계가 형성 됨.
Piezo의 두께가 0.3T이상이 되면, 무기물인 Piezo는 휘어지는 것이 아니라 깨어짐.
그래서, 박막의 0.1T 또는 0.2T가 일반적이며, 분말 혼합소성가공 Piezo는 쉽게 깨어짐.
소기의 목적을 위해서는, 더 높은 기전과 강화 된 내구성을 요구하나, 성형기술의 한계점에서
더 나아가지 못하는 것이 현 실정 임.
박막의 Piezo는 그 자체로는 너무 쉽게 깨어지기 때문에 어디엔가 붙여야 됨.
압전소재는 평면구조 임.
종래의 기술로는 압전에 외력을 인가하는 방법으로 때리는 타전과 중압을 이용한 압전방식이 사용 됨.
가스렌지나 전자식 라이터의 점화방식은 타전방식으로 강한 스프링을 내장하고, Piezo에 강한 타력을
이용하여 기전을 일으키는 어플리케이션이나, 내구성이 약한 Piezo가 깨어지지 않기 위해서는, 아주
두껍고 단단할 수 밖에 없음.
종래의 타전은 순간적인 충격으로 인하여 초단파 기전을 발생시키나, 그 충격으로 내부적인 전기적특성
과 내구성은 점차 약해지며, Piezo의 내부 구조변형이 되지 않고, pulse Peak Vertex의 Development
time이 매우 짧아, 효율적 측면에서 발전용으로는 적합하지 않음.
타전방식의 기전력을 얻기 위한 InPut은 매우 크야하기 때문에, InPut의 에너지 대비 OutPut의 효율성이
매우 낮아 발전용으로는 가치가 없음.
압전방식 또한, InPut 대비 OutPut의 효율이 매우 낮아, 압전발전기는 미흡하여, 에너지하베스팅을 추구
하더라도 아직 아이디어 외 상용화에 성공한 예가 없음.
압전은 중압에 의한 메커니즘으로, 주로 바닥에 깔고 무엇인가가 눌러주어야 함.
Piezo가 휘어져서 내부의 일그러짐으로 기전되는 원리이기 때문에, 적게 휘면 그나마 미약한 기전력은
더 작고, 중압을 강하게 하면, Piezo가 깨어짐.
압전소재를 도로나 바닥에 설치 할 경우,
압전소재를 고정하고 간격을 유지하게 하는, 장치설치의 비용과다와 기술적인 설치어려움이 있음.
압전은 압전소재의 유지를 위해서 고정됨으로, 소자의 공진주파수가 구속 됨.
소자는 기전과 공진주파수 발생에 있어서 Open되고 자유스러워야 함.
압전은 중압에 의한 기전의 성격이 InPut 인가 시간이 길기 때문에, 장파가 발생되며, 방전율이 매우 높음.
압전은 반복되는 중압으로 인한 내구성이 취약함.
* 파전 어플리케이션
압전의 모든 단점을 극복한 파전(Shock Wave Power)어플리케이션은 압전방식과는 다른,
전혀 새로운 개념의 메커니즘 임.
파전소재에 사용되는 Piezo는 종래의 Piezo와 적층형 성형기술의 Piezo를 사용하며, 01T * 50Pie,
02T * 60Pie, 03T * 100Pie까지 개발되었으며, 소자 크기의 제한성을 극복하여,
현재 500Pie, 1000Pie파전소재가 완성되었이며, 500Pie 파전소재의 경우, 소자 1EA당 0.2T * 60Pie Piezo
가 앞뒷면 14EA가 장착되고, 1,000Pie 파전소재는 0.2T * 50Pie Piezo가 앞뒷면 80~120EA 장착.
파전소재는 3차원 롤링밴딩형이며, 외력에 의한 수동적 구조가 아니라, 소재 자체가 스스로 고탄성 복원을
일으키는 능동적인 살아있는 제품 임.
압전이 중압에 의한 기전이라면, 파전은 구성소재의 특성도 다르지만,
외력과는 별개로 소자 판재 자체의 고탄성으로 기전 됨.
파전소자를 압전이나 타전방식으로 외력을 인가하여도 소자 속성상 비교할 수 없을 만큼 기전력은 높으나,
가장 효율적으로 기전력을 얻기 위한 파전어플리케이션은 외팔보 형으로, 파전소재의 어느 한면은 고정되고,
그 반대편에는 InPut을 극소화 하여 외력이 인가 될 수 있는 간단한 장치를 하며, 더더욱 작은 외력으로
구동 될 수 있도록 무게추를 부착하며, 그 변의 길이와 무게 추의 위치에 따른 비중의 차이를 활용 함.
파전어플리케이션은 고착부위의 길이와 무게추의 무게 및 적합한 위치에 의해서 InPut을 극소화 할 수 있음.
파전 발전장치는 소자의 중앙부(Piezo에폭시 부위)가 평면을 유지하면서 올록 볼록 상하 위치 변위가 일어 남.
운동의 정점에 가면, 일반적으로는 Piezo부가 돔 형상으로 변화되고, Piezo는 깨어지게 되나,
파전소자 및 파전기술은 Piezo가 깨어지지 않는 밴딩 롤링기술로 인하여 내구성이 유지 됨.
압전은 압전소재에 직접 InPut를 인가하여야 하나, 파전어플리케이션은 파전 소재에 InPut을 인가하는
것이 아니라, InPut이 간접적 연결장치에 인가 됨.
파전어플리케이션은 파전소재가 쉽게 상하 변위 운동을 하기 위해서, 파전소재의 아랫부분(돌출 된 등 부위)에
도움 지지대를 장치함으로 미세한 외력에도 연차적으로 소자 자체의 중앙부 상하 변위 운동을 하기 위한 기술.
파전어플리케이션의 발전장치는 회전형, 탬버린형, 부채형 및 버턴(터치 또는 스위칭)형이 있고, 적용 목적에
따라 선택 할 수 있음.
회전식 발전장치는 가장 적용범위가 넓고 간편하고 일반적 적용이 쉬우나 , 파전소자의 크기 및 수량에 대해서는
제한적이며, 상대적으로 내구성이 미흡함.
템브린형 발전장치는, 작은 공간에도 더 크고 더 많은 소자의 크기와 수량에 제한성이 약하고, 강한 내구성과
큰 발전력을 기대 할 수 있음.
무게추의 관성 역관성을 응용한 시간차 기술로 기전력, 내구성, 소음 등에 대처가 가능함.
부채형 발전장치는 템버린형 발전장치의 단점을 보완한 기술 임.
2020년 3월 버턴형 메커니즘의 어플리케이션 발전장치의 발명으로 압전방식에서도 자연스럽게 적용 가능한
발전장치를 개발함
* 전기적 특성에 따른 물질의 분류
* 압전현상과 전왜현상
* 압전재료의 특성
전기기계 결합 계수
(Electromechanicalcoupling coefficient, k)
전기에너지⇔ 기계적에너지 간의 변환 효율을 나타
내는 계수 k2 =
Mechanical Energy Converted to Electrical
Energy
Input Mechanical Energy
Electrical Energy Converted to Mechanical
Energy
Input Electrical Energy
진동모드에 따라 k31, k33, k15, kt, kp의
다섯가지가 존재 함.
일반적으로 물성을 비교할 때에는 kp를 사용
kt-Thickness coupling factor
kp-Planar coupling factor
(BaTiO3:35%, PZT: 50%)
기계적 품질계수(Mechanical Quality Factor)
- 전기적 에너지와 기계적 에너지 간의 교환 시 축적
되는 에너지의 비율
- Permanent dipole들의 이동 시 발생하는 인가전압
과의 위상차이에 기인
- 손실은 대부분 열에너지의 형태로 발산
- 압전체가 공진주파수에서 일으키는 공진의
Sharpness를 결정
- 기계적 품질계수 값이 낮으면 일반적으로 열화
(Degradation)가 빨리 발생
- 전기적 품질계수와는 다른 값
- PZT: 102-103, Quartz single Crystal: 104-106
* 강유전체(Ferroelectrics)
강유전성(Ferroelectricity)
- 자발 전기분극이 존재하여, 외부 전기장의 극성에
따라 자발 전기분극이 반전하는 성질
- 자발 분극의 방향이 입자(grain)마다 다른 세라믹
스를 poling과정을 거쳐 압전체로 사용할 수 있는
요인
- 상유전–강유전 상전이 시 발생하는 에너지증가를
억제하기 위해 분역구조를 가진다는 특징
- 상전이 온도 이상에서는 Curie 법칙에 따라 유전
율이 변화 됨.
강유전체의 Poling
Poling : 자발 분극들의 정렬과정
→강유전체에 거시적인 압전성을 부여하는 공정
Experimental process
전극부착( 600도C 안팎에서 소부) 후
100도C ~ 150도C에서 1kV/mm ~5kV/mm의
전계를 시편의 양단에 인가
1. 역전압을 이용한 압전현상의 응용의 예
(전기에너지를 인가하여 기계에너지로 변환)
- 압전부저
전기를 가하면 기계적 진동이 일어남
기존 스피커에 비해 소형, 경량화
응용처: 무선전화기, APM(Acoustic Piston Mode)
스피커
- 초음파 세척기
압전체가 초음파를 발사하여 초음파진동을 발생시켜,
세척물 표면에 달라붙어 있는 오염물을 제거
- 초음파 가습기
압전체 초음파 진동자를 이용하여 물을 기화시킴
- 초음파 모터(Ultrasonic Motor)
정밀공학의 발달에 따라 micron order의 변위량을
제어하는 기술이 필요
: 기존의 모터는 관성의 영향으로 정밀제어에 문제점
이 있슴
공진주파수의 전압이 압전체에 입력→압전체의 표면
이 μm 크기의 타원운동→이동자가 미끄러지면서
이동.
초음파모터의 특성 : 압전체의 진동주파수가 초음파
영역이며, 실제 이동자의 이동속도는 약 수cm
- 수십cm/sec.
기존의 모터구동방식에 비해 미세 구동이 가능하며,
홀딩 torque가 커서 순간적으로 정지하며
(반응시간<10ms) 전체 크기가 소형화 된다는 장점이
있슴.
마찰력에 의하여 움직이므로, 인가전압을 증가시키더
라도 일정속도 이상으로 고속 이동이 불가능하다는
단점이 있슴.
카메라셔터,자동초점조절,잉크젯프린터헤드 등에
응용.
2. 정전압을 이용한 압전현상 응용의 예
(기계에너지를 인가하여 전기에너지로 변환)
- 압전착화소자
동작원리: 기계적 응력을 가해 탄성변화 유도 →
고전압 발생→방전→연료를 착화
응용처: 라이터, 각종 가스기기 등에 이용되는
점화 핵심 재료
- 압전센서
음향, 진동, 응력 등의 기계적 에너지를 전기적
신호로 추출
가속도센서, 노킹센서, 자이로스코프 등의 핵심재료
응용처: 차량용 항법장치, 진동 및 운동방향 감지
자동차/냉장고/ 스키플레이트 등의 압력 조절장치
응용예: 압전센서는 스키판이 진동하는 것을 감지하고
이와 반대되는 진동을 압전진동자를 통해 인위적으로
발생시켜 스키판의 진동을 완화시킴.
3. 상호 변환 압전현상 응용의 예
(기계에너지와 전기에너지 상호 변환)
- SONAR(Sound Navigation and Ranging)
수중에서는 전자기파가 전달되지 못하기 때문에 신호
를 전달하기 위해 초음파와 같은 음파 (Acoustic
wave)를 사용함.
초음파는 수중에서 감쇄효과가 적다는 특성을 이용함.
초음파가 반사되어 돌아오는 시간으로 부터 물체를
감지하고, 물체의 형상 및 물체와의 거리를 추정함.
이때 응용되는 압전세라믹스의 특징은 기계적인
힘이나 충격을 전기로 바꾸어 줄 뿐 아니라,기계적
진동에 의해 초음파를 직접 발생시키는 특성이 있슴.
잠수함의 SONAR, 어군탐지기 뿐 만 아니라, 자동차
후방 충돌 감시시스템, 로봇 등에 응용 됨.
초음파의 전파에 의한 신호 전달 기능
- 초음파 진단장치
진단원리 : 펄스 에코를 이용하며 어군탐지기 나레이더
와 동일한 원리
초음파를 발생시켜 원하는 방향으로 진행시킨 후, 대상
물체에서 반사되어 나오는 파의 시간과 위치에 따른
강도변화로 부터 화면형성 .
신호 처리순서 : 초음파 펄스 송신→인체 내부의
각 부위에서 에너지를 반사, 산란, 흡수하면서 전파
→ 반사 및 산란 성분을 어레이 형상으로 배열 된
진동자로 수신→ 수신 강도에 따른 휘도변조→
초음파 단층화상 형성
미세한 신호 수신을 목적으로 탐침(Probe)에
고성능 압전 재료를 이용함.
초음파의 발생방식과 신호 처리방식에 따라
sector scanning transducer, linear
array transducer, converse transducer,
phased array transducer, annular array
transducer로 나뉨.
- 압전트랜스포머
진단원리 : 펄스 에코를 이용하며 어군탐지기
나레이더와 동일한 원리
원리 : 압전 재료에 1차 및 2차전극을 설치 후
1차측 전극에서 공진주파수의 전압을 인가
⇒1차측 전극에 기계적 진동 발생
⇒2차측 전극에 기계적 진동 유도
⇒ 압전효과에 의해 기전력을 발생
⇒반대편 전극을 진동시켜 전기신호 발생
Rosen type과 적층형의 두가지가 있으며 전극형상
재료의 종류에 따라 전압의 변압비가 결정 됨.
노트북 용 백라이트와 같이 소형, 경량의 트랜스포머
를 요구하는 곳에 응용 됨
(d31, g33: 압전정수, a : 트랜스포머의길이
s : compliance Q : quality factor)
- 압전필터
응용원리 : 세라믹의 물리적 공진주파수와 인가전압의
주파수가 일치하면, 공진에 의해 큰 기계적
진동발생
→ 전기 신호로 변환하여 외부로 출력
→ 특정 주파수의 전기신호 통과
LC공진회로에 비해 탄성 진동을 이용한 압전세라믹
필터는 품질계수 및 온도계수가 우수하다는 장점.
필터의 분류
1)기능에 따른 분류 : 필터, disciminator, trap
2) 주파수에 따른 분류 : AM용, FM용필터
응용분야: 무선전화기, PCS, TV, ASDL
- SAW 필터
SAW란 Surface AccousticWave의 약자로서
SAW필터는 표면 탄성파를 이용하여 인접 채널
신호를 제거하고 수신채널 신호를 정형하는 일종의
대역 통과필터(Band Pass Filter).
소형, 경량화가 가능함.
박막 공정을 이용한 대량생산이 가능함
조정 공정이 필요없고, 신뢰성이 높으며, 충격에 강함.
삽입 손실이 크고, 초고주파에서의 적용이 난이하다
는 단점이 있슴.
박막을 이용하므로 고전력 응용이 어려움
구동원리: 압전체에 표면에 적절한 형태의 전극을
설치한 후
→ 전기적 신호
→ 기계적 신호
→ 전기적 신호로의 전환과정을 거쳐, 외부에서
인가 된 전기신호를 filtering하여 다시 전기적 신호로
전달하게 됨
기본구조: 수정, LiNbO3, LiTaO3 등의 단결정
기판상에 얇은 빗살무늬의 금속전극으로 구성 된
두개의 송수신용 변환기로 구성
(Inter Digital Transducer : IDT)
*발전용 압전소자
(Piezoelectric element for power generation)
압전소자는
정전압을 이용하여 외력이 인가되면 전기를 만들어
내고, 역전압을 이용하여 전기를 인가하면 진동이
발생되는 소자 임.
어떤 종류의 결정체에 외부에서 힘을 가하면 내부에
전계가 발생하는 압전효과는 1880년 경 프랑스 퀴리
형제가 발견하였슴.
압전소자는 전기 기계적 센서, 구동장치, 에너지 발전
기, 마이크로폰, 스피커, 초음파 탐지지, 초음파 발진기
마이크로 저울, 가속도계, 응력계, 착화기, 초음파 모터
카메라모듈 자동초점 구동장치, 액츄에이트 등
그 응용 분야가 무궁무진 함.
우리는 일상에서도 이미 압전을 활용한 제품들은 쉽게
접하고 있슴.
일회용라이터, 가스렌지, 가습기, 전자렌지, 스마트폰
컴퓨터, 차량용 버저, 진동세척기, 위치센서, 무게센서
초음파치료기, 임산부 초음파진단기, MRI, CT
바이오센서, 나노발전기, 마이크로 로봇 등 등 일상에
필요한 거의 대부분의 제품에 활용 되고 있슴.
압전효과 제품으로는 압전 피에조(Piezo), 압전필름
(PVDF), 피에조랩(PiezoLab), 압전케이블
(PiezoCable) 등 다양함.
압전시장의 99.9%는 대체로 역전압을 이용하는
센서산업에 집중되고 있고 시장규모는 계속 커져 감
한편, 인류는 자원의 고갈로 인한 에너지 부족과
과열 된 산업 발전 경쟁으로 비롯 된 환경오염
으로 인한 자연재해가 현실로 나타나면서, 위기를
매일 접하고 있슴.
급기야 (신)재생에너지에 대한 관심이 집중되고,
2000년 경 부터는 압전에너지 하베스팅에 대한
연구에 대한 열기가 높음.
그 이유는, 상대적으로 싸고 반영구적으로 발전되며
친환경적이며, 어떤 곳이든 설치가 가능하며,
오히려 소외 된 장소를 활용 할 수 있는 장점이 있슴.
다른 신재생에너지에 비해 공간구애를 받지 않고,
비용 부담이 적다는 강점이 있기 때문 임.
세계적으로 일부 국가차원의 기업이나, 기술원,
연구소 등에서 정전압을 이용하는 압전발전에 대한
기대로, 압전에너지 하베스팅을 상용화하기 위해
많은 시범설치를 하였는데, 신재생에너지와
결부하거나, 인간 사회의 생활 속에서 일어나는
사람과 기계의 등의 움직임을 재활용 함.
즉, 어차피 버려지는 에너지를 활용하여 발전을
도모하는, 이른 바 '압전에너지하베스팅'이 미래의
대안으로 주목받고 있슴.
범 세계적으로 지금도 연구는 계속되고 있고,
전 세계적으로 학생들에게도 과학시간에 정규수업을
통하여 교육을 하며, 최근에는 압전어플리케이션학과
압전에너지학과 등 대학들도 압전 관련 신생 정규교육
전문학과들을 계속 신설하고 있슴.
고속도로 압전발전, 압전스마트도로, 압전블록, 압전
축구장, 압전계단 등 실재 상용화에 도전하여 시범
설치를 시도하고 상용화에 도전하였으나, 기전력이
미약하여 명실공히 단 하나도 상용화에 성공하지
못하고 있슴.
단지, 다른 대안이 없으므로 교육용적인 성과에 그치고
있슴.
많은 장점이 있슴에도,
'왜 성공하지 못하고 물성의 한계 만 탓하고 있을까?'
전 세계적으로 압전을 취급하는 사람들과 기업들의
99.99%는 Piezo와 센서(sensor)중심 임
Piezo의 효율에 대한 소재공학적인 접근과 개발에
대한 경쟁은 치열하나, Piezo의 효율상승 만으로는
기전력의 확대에는 기여하지 못하고 있슴.
또한, 발전용 압전소자로서의 인가방법이 누르거나
때리는 외력 인가 방법으로는 역시 한계를 벗어 날 수
없슴.
그렇다면, 압전의 한계를 극복 할 방법은 없는 것일까?
압전은 외력에 비례하여 기전되고, 소자의 크기와 수량
에 비례하여 높은 기전이 일어난다.
먼저, 압전에 대하여 현실적이고 과학적 물리적인
관찰을 통해서, 객관적인 문제점을 파악하여 인정하고
개발하고 극복해야 할 것은 무엇인지를 다시 확인 할
필요가 있슴.
일반적으로 압전에너지 하베스팅(Harvesting) 적용
방법을 보면,
압전(壓電)(Press to get electricity)은
('누를 압 전기 전') 누르면 전기가 나오는 소자 임.
어플리케이션의 경우, 사람이나 차량이 압전소재를
눌러서 발전을 유도하는 방법 임.
누를 경우, Piezo 중심부가 상하 위치변위를 통하여
Piezo 내부 분자구조의 변위를 유도하여 전압을 형성
하고 기전을 일으키는 방법 임.
* 결과에 따른 분석
압전
1. 외력 인가시간이 길어 기전주파수의 형태는 장파.
아무리 효율이 뛰어 난 부싯돌이라도 접점부를
스르르 밀어서는 불꽃이 튀지 않는 것과 같음.
2. 미약한 기전력이 장파로 이어질 경우 방전율이 큼.
3. 압전장치에서 누르는 힘에 의한 압전효과를 유도
하는 경우
압전소재의 Piezo의 상하 운동 유격의 한계점 때문
에 쉽게 깨어지고, 범위를 벗어나지 않더라도, 시간
이 지남에 따라 효율이 점점 낮아짐.
4. 압전소재를 받쳐주는 부위와 외력의 인가부위 등
전체적으로 압전소재와 관련 장치부가 밀착 될 수
밖에 없어, 압전소재의 자유진동을 제어하는 저항
으로 작용.
단지, Piezo의 분자구조 변형에만 의존하다 보니
기전이 미약 한 것 임.
타전
압전소재가 상용화 된 제품 중에는 가스렌지 점화
장치와 가스라이터의 부싯돌을 대체하여 Piezo가
활용 됨.
외력을 인가하는 방법은 내부에 강한 스프링장치와
협력하여 강하게 때리는, 이른 바 '타전'(鞭電)
(Electricity is generated when hit) 방식이 적용
되는데, 내구성이 취약한 Piezo가 상용화되기
위해서는, Piezo가 안깨어지도록 두껍고 둔탁하고
단단하게 만들수 밖에 없슴.
타전방식은 강한 충격으로, 순간적(Impulse)인
초단파를 이끌어 내기는 하나, Piezo의 내부 분자
구조변형에는 전혀 기여 할 수 없는 단점이 있슴.
누를 경우에는 Piezo가 잉어비늘 처럼 휘어지지 않고
깨어짐.
* 압전의 한계와 기술개발 목표
1. Piezo
Piezo는 기전을 일으키는 핵심적인 압전재료 임.
압전업계는 압전어플리케이션 보다는 센서를 목적
으로 한 Piezo 생산과 유통에 집중되어 있고,
지금은 패시브소자(Passive piezo)와 액티브소자
(Active piezo)의 효율 차이가 없고, 효율이 높은
Piezo를 경쟁적으로 기술개발하고 있으나,
한계성을 극복하지 못하고 있슴.
설사, Piezo의 기술개발이 만족스럽다고 하더라도
그것 만으로는 발전용 압전소자에 접근 할 수 없슴.
가. 물성에 따르는 압전전계계수 값
발전용압전소자가 되기 위한 기전력을 높이는 물성의
개발이 절실함.
국내의 압전 대표적인 업체는 단결정 기술개발로
일반 Piezo 보다는 높은 효율을 구현하였으나,
제조의 기술적 어려움과 높은 비용 발생 등의 단점이
있고, 발전용 압전소자로서 상용화하기에는 기전력이
역부족 임.
나. 박막의 대형 Piezo 성형기술의 한계
발전용압전소자가 되기 위한 Poezo는 외력에 민감
하고 잉어비늘처럼 깨어지지 않으면서 평면 상하로
유동이 되어야 함.
그래서 0.1T~0.3T 정도의 두께가 요구 됨.
0.3T 를 초과하면 유동이 되지 않고 깨어짐.
0.1T, 0.2T의 경우, 현재 성형기술은 25∅ 이상 제조
가 어려움.
다. 취약한 내구성
현재 Piezo 제조기술은 소성분말혼합 방식이 일반적.
내구성을 개선하고 더불어 압전전계계수를 향상 시키
기 위해서는 적층형 공법 구현이 절실함.
외력이 클수록 Piezo에 전달되고 비례하여 기전은
되지만, 반비례하여 내구성은 약해지는데, 동판에는
큰 외력이 가해지더라도 Piezo의 내구성은 보존되는
기술개발이 필요함.
2. 판재
가. 비철금속 소재
기존의 압전소자에 사용되는 비철금속은 거의 황동
이며, 구리와 아연의 합금 인 황동은 상대적으로 연성
이며 무름.
외력에 민감하고 전달력이 빠르고 전도성과 내부저항
내구성 등을 고려할 때, 기존의 황동보다는 조밀하고
단단하며 내구성이 강한 조직의 비철금속의 개발이
필요함.
나. 형태와 역활
박막의 Piezo는 자체로는 쉽게 깨어져 버리고, 외력을
Piezo에 직접 인가 할 수 없기 때문에 Piezo를 평면의
비철금속에 붙임.
압전소자는 누르는 메카니즘으로 기존의 제품들은
1차원 평면이 대부분 임.
3. 외력에 대한 메커니즘
외력에 비례하여 기전하는 압전어플리케이션의 경우,
평면의 압전체에 외력을 인가하는 방법은 누르거나
때리는 등의 방법 이외에는 없슴.
InPut 대비 OutPut의 기전효율이 너무 미약한 만큼,
InPut은 극소화하고 OutPut은 극대화 할 수 있는
메커니즘의 개발이 절실히 필요하나, 현실적으로는
방법이 없슴.
4. 어플리케이션 장치 기술
기존의 압전어플리케이션 메카니즘에서는 누르는
장치로 압전소재를 고정하는 바닥 층과 한계성 내에
눌러지는 장치가 압전소재와 한몸으로 고정되어
있어서 진동 주파수에 절대적인 저항요소로 작용 됨.
압전소재가 자유스럽게 최대한 역활을 할 수 있는 장치
기술 개발이 필요함.
* 이상과 같은 압전의 물성과 메카니즘의 한계성
을 전부 극복한 발명특허기술이 바로
'발전용 압전소자와 이를 이용한 발전장치' 임
발전용압전소자는 곧 파전(波電)이며,
그 메카니즘이 Shock Wave Power 인 것 임.
* 압전기술과 압전시장의 현주소와 미래전망
.
파전(Shock Wave Power)소자와 파전발전
최소 외력으로 운동에너지를 전기에너지로 변환시키
는 압전세라믹스(PZT)의 기전력을 극대화시킨 기술 !
☞ 기존 압전 & 타전소자의 한계 극복
새로운 에너지의 탄생 ! S.W.P.
상대적으로 싸고, 반영구적으로 전기를 만드는 친환경
(신)재생에너지 !
원하는 시간 원하는 만큼
작고 가치가 적은 장소에서도 전기를 생산 한다 !
관리가 거의 불필요하고 높은 효율을 자랑한다 !
자연의 제약을 받지 않고, 인간의 기술로 제어 가능한
파전(Shock Wave Power)발전 에너지 !
압전이란 통상 누르면 전기가 나오는 것을 의미함.
외력에 의해 피에조(Piezo) 분자구조 변형은, 한 쪽은
당기고 한쪽은 느슨해짐으로 일그러져 높은 전위와
낮은 전위를 동시에 형성함으로써, 전압이 발생되는
구조 임.
파전은 같은 Piezo를 사용하고 판재에 붙이는 것은
동일하나, 그 메커니즘이 누르는 개념이 아니라, 부드
럽고 강한 파도가 원의 중심점을 목표로 동일한 시간
에 집중되고 충돌되어, 동시에 모인힘의 충격 파장이
빠져나갈 틈이 없어, 폭발적인 충격파가 초단파의 형
태로 파전 타전 압전의 효과를 동시에 Piezo에 적용되
는 메커니즘 임.
파전(S.W.P.)은 부드러운 Wave초단파!
즉, 모순을 한몸에 지니고 있으면서 단점은 상호보완
되고 장점은 극대화 한 양자 메커니즘(mechanism)
이 구현되는 양자기술 개발의 결정체 임.
무엇이든 막는 방패와 무엇이든 뚫을 수 있는 창이 한
몸에 존재하는 것과 같은 것은 '모순'을 극복한 기술 임.
압전소재는 100% 수동적이며, 1차적 에너지 보존의
법칙 만이 허용되는 메커니즘(mechanism) 임.
파전소재는 평면이 아니라 3차원 구조를 가진 능동형
구조이며, Made 가 아니라 Living and Alive 임.
즉, Made는 그냥 물건 일 뿐이나, 목적을 이루기 위해
서는 소자가 살아있어서 소자의 가치와 목적을 위해
스스로 강하고 충분하게 제 역활을 하여야 함.
파전은 제품에 혼을 불어넣은 것처럼 자체적으로 살아
있고 작동을 해야 함.
강한 탄성작용과 자동복원력이 작동되어야 함.
또한, 파도가 몰아쳐와서 부딪치는 것처럼
부드러운 Wave가 동시에 서로 강하게 충돌하게 됨.
곡선 ! (Wave)을 통한 초단파는 당장 이해가 어려우나,
파전소재는 그것을 구현하는 제품 임.
Piezo에 큰 외력이 작용되면 기전은 비례하지만,
반비례하여 내구성은 약해 짐.
파전소자는 판재와 Piezo는 한몸으로 구성되어 있음.
충격이 크면 기전력은 높지만, 내구성은 취약해지나,
기전력 상승과 내구성 극복을 같이 상승시킨 기술 임
파전소자 자체적으로 부드러운 곡선형의 3차원 형태를
가지고 있고, 곡선을 통해서 강한 Power의 자체 충돌을
유도하며, 자동복원기능이 구현되며,충격이 강하면
비례하여 잘깨어지는 것이 상식이나, 미세 외력을
InPut으로 소자의 강한 자체 탄성력이 극대화 OutPut
충격으로 Piezo에 전달되면서 Piezo의 내구성이
철저히 보존되는 것이 특징 인 기술
파전은 에너지보존의 법칙 안에서 설명이 가능하고,
반드시 에너지 보존의 법칙을 벗어나지 않음.
즉, 이해를 돕기 위해서 총의 예를 들면, 총은 사람의
손가락 힘으로 총알을 날려보내는 것이 아님.
총 안에는 3개의 에너지보존의 법칙이 연차적으로 작동
되는데, 파전소자도 이와 같은 원리 임.
외력에 100% 의존하는 압전과 타전에 비해,
파전은 외력과 거의 상관없이 판재 자체의 강한 탄성력
으로 Piezo에 강한 외력이 인가되는 기술 임.
가령, 마주보고 출발한 기차가 100km 속도로 정면
충돌 할 경우, 충돌파장 계수는 실재로는 200이 아님.
중력과 매질이 존재하는 상황에서의 충돌은, 충돌 시
옆으로 퍼져나가기 때문에 거의 150정도 임.
역시, 동일한 조건에서 중앙의 한점 목표를 향하여 359
대의 기차가 와서 충돌한다면, 곱하기 359 더하기
공간기여도 78%의 결과를 나타 냄.
그런데, 360대의 기차가 동시에 중앙점을 향하여 동일
조건에서 충돌한다면, 그 충격력이 빠져나갈 출구 구멍
이 전혀 없기 때문에 곱하기 360이 아니라 360승이 됨.
바늘구멍을 뚫어놓은 주사기와 완벽한 차단의 주사기
를 각 각 밀어서 순간적으로 막은 출구를 열어 본다면
그 차이를 명확하게 알 수 있슴.
또한, 판재의 강한 자체탄성 외력에 대해 상대적으로
취약한 Piezo의 내구성을 보장되는 기술이 구현되는
밴딩롤링 3차원 형태이며, 방짜 응용연구개발기술을
탑재하였슴.
* 파전(波电)(Shock Wave Power)mechanism
기존의 100% 외력에 의존하는 누르는 압전과 때리는
타전방식을 넘어서, 최소의 외력 또는 외력의 크기와
거의 상관없이 동판의 탄성력으로 기전됨.
자동 탄성복원 구동.
탄성은 동심원의 중앙으로 파장이 집중되고, 동시 충돌
을 유도하여, 소재 중심부에 에너지가 집중되면서 발생 되는 충격파장은 극 초단파의 높고 강한 외력으로 작동
되어 높은 전기적 에너지 발전 됨.
강한 충격파에도
보호 엠보싱구조로 PZT 내구성 신뢰성 확보
* Piezo
박막의 Piezo 대형화 성형기술
압전전계계수 효율 600%
소성분말혼합식이 아닌 적층형 기법으로 내구성 및
기전력 상승
* Epoxy Technology
근접막형성과 반도체율 향상
분극기법 향상
동판이 째지거나 깨어져도 Piezo 내구성은 보장
Piezo와 판재의 Join Epoxy 기술 개발
* InPut 극소화 OutPut 극대화 기술개발
외팔보 대비 무게추 상대성기법 및 운동순화관절기법
3가지 에너지 보존법칙 융합
(mechanism Bending Rolling 3D Structure Plate)
* 다양한 적소적 application 개발
회전형 발전장치
템버린형 발전장치
부채형 발전장치
*참조 영상 비유 인용. (FLOWAVE)
압전,파전 어플리케이션 비교 기술
* 압전어플리케이션
정전압을 이용한 압전에너지하베스팅에 있어서, Piezo
는 잉어비늘처럼 깨어지지 않으면서, 휘어져야 내부의
일그러짐의 구조변경이 일어나고, g와 d의 관계가
형성 됨.
Piezo의 두께가 0.3T이상이 되면, 무기물인 Piezo는
휘어지는 것이 아니라 깨어짐.
그래서, 박막의 0.1T 또는 0.2T가 일반적이며,
분말 혼합 소성가공 Piezo는 쉽게 깨어짐.
소기의 목적을 위해서는, 더 높은 기전과 강화 된 내구성
을 요구하나, 성형기술의 한계점에서 더 나아가지 못하
는 것이 현 실정 임.
박막의 Piezo는 그 자체로는 너무 쉽게 깨어지기 때문
에 어디엔가 붙여야 됨.
압전소재는 평면구조 임.
종래의 기술로는 압전에 외력을 인가하는 방법으로
때리는 타전과 중압을 이용한 압전방식이 사용 됨.
가스렌지나 전자식 라이터의 점화방식은 타전방식으로
강한 스프링을 내장하고, Piezo에 강한 타력을 이용
하여 기전을 일으키는 어플리케이션이나, 내구성이
약한 Piezo가 깨어지지 않기 위해서는,
두껍고 단단하게 제작 할 수 밖에 없음.
타전은 순간적인 충격으로 인하여 초단파 기전을 발생
시키나, 그 충격으로 내부적인 전기적특성과 내구성은
점차 약해지며, Piezo의 내부구조변형이 되지않고,
pulse Peak Vertex의 Development time이 매우 짧
아, 효율적 측면에서 발전용으로는 적합하지 않음.
타전방식의 기전력을 얻기 위한 InPut은 매우 크야
하기 때문에, InPut의 에너지 대비 OutPut의 효율성
이 매우 낮아 발전용으로는 가치가 없음.
압전방식 또한, InPut 대비 OutPut의 효율이 매우 낮아
압전발전기는 미흡하여, 에너지하베스팅을 추구하더라
도 아직 아이디어 외 상용화에 성공한 예가 없음.
압전은 중압에 의한 메커니즘으로, 주로 바닥에 깔고 무
엇인가가 눌러주어야 함.
Piezo가 휘어져서 내부의 일그러짐으로 기전되는 원리
이기 때문에, 적게 휘면 그나마 미약한 기전력은 더 작
고, 중압을 강하게 하면, Piezo가 깨어짐.
압전소재를 도로나 바닥에 설치 할 경우,
압전소재를 고정하고 간격을 유지하게 하는, 장치설치
의 비용과다와 기술적인 설치어려움이 있음.
압전은 압전소재의 유지를 위해서 고정됨으로, 소자의
공진주파수가 구속 됨.
소자는 기전과 공진주파수 발생에 있어서 Open되고
자유스러워야 함.
압전은 중압에 의한 기전의 성격이 InPut 인가 시간
이 길기 때문에, 장파가 발생되며, 방전율이 매우 높음.
압전은 반복되는 중압으로 인한 내구성이 취약함.
* 파전 어플리케이션
압전의 모든 단점을 극복한
파전(Shock Wave Power)어플리케이션은
압전방식과는 전혀 다른 새로운 개념의 메커니즘 임.
파전소재에 사용되는 Piezo는 종래의 Piezo와 적층형
성형기술의 Piezo를 사용하며, 01T * 50Pie,
02T * 60Pie, 03T * 100Pie까지 개발되었으며, 소자 크
기의 제한성을 극복하여, 현재 500Pie, 1000Pie파전
소재를 제작 중이며, 500Pie 파전소재의 경우,
소자 1EA당 0.2T * 60Pie Piezo 가 앞뒷면 14EA가
장착되고, 1,000Pie 파전소재는 0.2T * 50Pie Piezo가
앞뒷면 80~120EA 장착.
파전소재는 3차원 롤링밴딩형이며, 외력에 의한 수동
적 구조가 아니라, 소재 자체가 스스로 고탄성 복원을
일으키는 능동적인 살아있는 제품 임.
압전이 중압에 의한 기전이라면, 파전은 구성소재의 특
성도 다르지만, 외력과는 별개로 소자 판재 자체의 고탄
성으로 기전 됨.
파전소자를 압전이나 타전방식으로 외력을 인가하여도
소자 속성상 비교할 수 없을 만큼 기전력은 높으나,
가장 효율적으로 기전력을 얻기 위한 파전어플리케이션
은 외팔보 형으로, 파전소재의 어느 한면은 고정되고, 그
반대편에는 InPut을 극소화 하여 외력이 인가 될 수 있
는 장치를 하며, 더더욱 작은 외력으로 구동될 수 있도록
무게추를 부착하며, 그 변의 길이와 무게 추의 위치에 따
른 비중의 차이를 활용 함.
파전어플리케이션은 고착부위의 길이와 무게추의 무게
및 적합한 위치에 의해서 InPut을 극소화 할 수 있음.
파전 발전장치는 소자의 중앙부(Piezo에폭시 부위)가
평면을 유지하면서 올록 볼록 상하 위치 변위가 일어 남.
운동의 정점에 가면, 소재의 형상은 일반적으로는
Piezo부가 돔 형상으로 변화되고, Piezo는 깨어지게
되나, 파전소자 및 파전기술은 Piezo가 깨어지지 않는
밴딩 롤링기술로 인하여 내구성이 유지 됨.
압전은 압전소재에 직접 InPut를 인가하여야 하나,
파전 어플리케이션은 파전 소재에 InPut을 인가하는 것
이 아니라, InPut이 간접적 연결장치에 인가 됨.
파전어플리케이션은 파전소재가 쉽게 상하 변위 운동
을 하기 위해서, 파전소재의 아랫부분(돌출 된 등 부위)
에 도움 지지대를 장치함으로 미세한 외력에도 연차적으
로 소자 자체의 중앙부 상하 변위 운동이 되는 기술.
파전어플리케이션의 발전장치는 회전형과 탬버린형 및
부채형이 있고, 적용 목적에 따라 선택 할 수 있음.
회전식 발전장치는 가장 적용범위가 넓고 간편하고
일반적 적용이 쉬우나 , 파전소자의 크기 및 수량에 대해
서는 제한적이며, 상대적으로 내구성이 미흡함.
템브린형 발전장치는, 작은 공간에도 더 크고 더 많은 소
자의 크기와 수량에 제한성이 없어서, 강한 내구성과 큰
발전력을 기대 할 수 있음.
무게추의 관성 역관성을 응용한 시간차 기술로 기전
력, 내구성, 소음 등에 대처가 가능함.
부채형 발전장치는 템버린형 발전장치의 단점을 보완한
기술로, 현재 가장 이상적인 메커니즘 임.
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