KR100929552B1 - [110] 방향으로 분극된 완화형 강유전체 단결정을 이용한에너지 하베스터 - Google Patents

Abstract

에너지 변환 효율이 높으며 압전 에너지 하베스터 시스템의 소형화를 도모할 수 있는 하베스터 시스템의 캔틸레버를 제공한다. 이 캔틸레버는 휘어짐 가능한 기판; 및 상기 기판 상에 위치하며, [110] 방향으로 배열 및 분극된 압전 단결정층을 포함하되, 상기 압전 단결정층의 분극 방향은 상기 캔틸레버에 수직하다. 완화형 강유전체 단결정의 [110] 방향을 이용하여 에너지 하베스터의 캔틸레버를 제조함으로써, 단위 면적당 에너지 발전 효율을 높일 수 있으며, 압전 발전기의 소형화에 기여할 수 있다.

압전 단결정, PMN-PT, [100]방향, 에너지 하베스팅

Description

[110] 방향으로 분극된 완화형 강유전체 단결정을 이용한 에너지 하베스터{Energy Harvester using the Rhombohedral Relaxor Ferroelectric Single Crystal along the [110] direction}

본 발명은 압전 에너지 하베스터(piezoelectric energy harvester)에 관한 것으로, 특히 [110] 방향으로 분극된 완화형 강유전체 단결정을 이용한 에너지 하베스터에 관한 것이다.

압전 에너지 하베스터(harvester)는 자연에서 버려지고 있는 기차의 진동, 진공 펌프(vacuum pump)의 진동, 기계 모터 진동, 자동차 엔진의 진동 등의 소규모의 기계적 에너지를 전기적인 에너지로 변환하는 트랜스듀서(transducer)의 일종으로서, 넓은 공간에 많은 센서를 분포시키고 각 센서에 전원을 공급해야 하는 USN(Ubiquitous Sensor Network)의 구축에 있어서 활용 가능성이 높은 기술이다.

도 1은 압전소자를 이용한 에너지 하베스터(Energy Harvester)의 기본적인 구성 및 원리를 보이는 개략도이다. 강철 공(steel ball)을 압전 진동자(vibrator)에 중력으로 낙하시키면 충돌에 의해서 휘어짐 진동(bending vibration)이 일어나 고 압전효과에 의해서 AC(i_g) 전류가 발생한다. 전류 i_g가 브릿지 정류기(bridge rectifier)를 통해서 캐패시터(C)에 저장되어 궁극적으로 Vc만큼의 발전이 일어나며 이러한 과정을 계속 진행하면서 발전의 효율이 극대화 될 수 있다(참조: "최신 압전세라믹 기술개발 동향과 응용현황 Piezoelectric Energy Harvesting 연구동향", 월간세라믹스 07년05월호).

압전 에너지 하베스팅에 있어서, 진동에너지로부터 전기에너지로의 변환 효율은 압전체의 전기-기계결합계수(k)의 제곱에 비례하여 증가하므로 전기-기계 결합계수가 우수한 재료를 찾는 것은 매우 중요한 일이다. 압전체의 전기-기계결합계수는 다음의 수학식 1로 표현된다.

종래에는 다결정 압전 세라믹스을 이용하여 에너지 하베스팅 시스템을 구현하고 있으나, 다결정 세라믹스의 전기-기계결합계수는 약 50% 정도 밖에 되지 않아 USN 센서를 구동할 충분한 에너지를 생산하기 어렵고, 압전 발전기를 소형화하는데 어려움이 있다.

본 발명은 에너지 변환 효율이 높으며 압전 에너지 하베스터 시스템의 소형 화를 도모할 수 있는 하베스터 시스템의 캔틸레버를 제공한다.

본 발명의 실시예에 따른 에너지 하베스터의 캔틸레버는, 휘어짐 가능한 기판; 및 상기 기판 상에 위치하며, [110] 방향으로 배열 및 분극된 압전 단결정층을 포함한다. 상기 압전 단결정층의 분극 방향은 상기 캔틸레버에 수직한다. 상기 캔틸레버의 길이방향은 압전상수 d₃₁을 갖는다. 상기 압전 단결정층은 Pb(Zn_2/3Nb₁/₃)O₃-PbTiO₃(PZN-PT) 또는 Pb(Mg_2/3Nb_1/3)O₃-PbTiO₃(PMN-PT)이다. 상기 압전 단결정층은 3방정(Rhombohedral)구조를 갖는다.

본 발명에 의하면 3방정(Rhombohedral) 구조의 완화형 강유전체 단결정의 [110] 방향을 이용하여 에너지 하베스터의 캔틸레버를 제조함으로써, 단위 면적당 에너지 발전 효율을 높일 수 있으며, 압전 발전기의 소형화에 기여할 수 있다.

본 발명은 적은 진동에서도 효율적으로 에너지 변환이 가능한 에너지 하베스터(harvester)의 캔탤레버(cantilever)를 제공한다. 이 캔틸레버는 [110]방향으로 성장되어 분극된 3방정(rhombohedral) 구조의 완화형 강유전 단결정으로 이루어진다. 완화형 강유전체 단결정은 Pb(Zn_{2 /3}Nb₁/₃)O₃-PbTiO₃(PZN-PT) 또는 Pb(Mg_{2 /3}Nb_{1 /3})O₃-PbTiO₃(PMN-PT)이다.

일반적으로 압전 세라믹 소자에서, 분극방향은 큰 전기-기계 결합계수(electro-mechanical coupling factor) k₃₃를 가지나, 분극방향에 직교하는 방향의 전기-기계결합계수 k₃₁는 비교적 작다. 캔틸레버형 에너지 하베스터의 경우, 재료의 변형이 일어나는 방향과 재료의 분극방향(또는 전극이 있는 방향)이 서로 다르므로, 분극방향에 직교하는 방향의 전기-기계결합계수 k₃₁가 큰 재료를 이용하는 것이 유용하다. 즉, k₃₁의 경우 k₃₃에 비해 그 효율이 많이 낮기 때문에, 캔틸레버형 에너지 하베스트를 효율적으로 구동하기 위해서는 k₃₁ 값이 높은 재료를 개발하는 것이 중요하다.

캔틸레버의 압전체로 이용되는 완화형 강유전체 단결정 Pb(Zn_{2 /3}Nb₁/₃)O₃-PbTiO₃(PZN-PT), Pb(Mg_{2 /3}Nb_{1 /3})O₃-PbTiO₃(PMN-PT)는 결정상(phase)과 결정방향에 따라 매우 다른 전기-기계결합계수를 나타낸다. 예를 들면, PZN-PT 단결정은 단결정의 조성에 의해 3방정상으로 [111]방향으로 자발분극을 가지고 있으며 전기-기계결합계수 k₃₃가 0.38 정도이나, [001]방향으로 단결정을 배열하였을 때는 도 2에 보인 같이 엔지니어링 도메인 E<001>을 가지고 있어 전기 결합계수 k₃₃가 0.90 정도에 이른다. 전기 에너지 발생 방향(전극 방향)과 압전소자의 변위 방향이 동일한 경우, [001]방향으로 성장된 3방정 결정상의 완화형 강유전체 단결정으로 캔틸레버를 구현하는 것이 바람직하다. 그러나, 캔틸레버형 압전 에너지 하베스터와 같이 전극 방향과 압전단결정의 변위 방향이 다를 경우에는 [001]방향으로 성장된 3방정 결정상의 완화형 강유전체 단결정으로써 0.90정도의 큰 전기-기계 결합계수를 얻기 어렵다.

본 발명은 전기-기계결합계수 k₃₁가 높은 압전재료로써 구현된 에너지 하베스팅의 캔틸레버를 제공한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다.

도 3a 내지 도 3c는 [110] 방향 중에서 <0-11> 방향으로 배열, 분극된 압전 단결정의 분극 및 도메인 구조 및 <100> 방향으로 압력을 가했을 때 분극방향의 변화를 보이는 개략도이다. 이때 단결정은 <0-11> - 3방향(분극방향), <100> - 1방향, <01-1> - 2방향으로 이루어져 있다. 도 3에서 보는 바와 같이 3방정(Rhombohedral) 구조의 완화형 강유전 단결정은 <-1-11>, <1-11> 방향의 자발 분극을 갖는다. 이 경우 <100> 방향으로 압전 단결정에 압력을 가하게 되면, <0-11> 방향으로 압력 가할 때보다 엔지니어링 도메인의 전체적인 최종 분극(net polarization)의 변화가 더 크게 일어난다. 이로 인해 <0-11> 방향으로 배열, 분극된 단결정의 경우 도 4에 보인 바와 같이 압전상수 d₃₁이 압전상수 d₃₃ 보다 더 크고, 압전상수 d₃₂이 가장 작다. 즉, d₃₁의 절대값 > d₃₃의 절대값 > d₃₂의 절대값의 크기 순서를 나타낸다. 또한 d₃₁의 절대값은 d₃₃와 d₃₂의 절대값의 합일 수 있다. 따라서, 도 3과 도 4에서와 같이 3방정(Rhombohedral) 구조의 완화형 강유전 단결정 을 <0-11> 방향으로 성장시킬 경우 d₃₁이 d₃₃보다 더 큰 값을 가지는 압전 단결정을 만들 수 있다. 이 경우, k₃₁ 또한 k₃₃보다 크므로 31모드 방향으로 큰 효율을 가지는 압전 에너지 하베스터를 제조할 수 있다.

도 5a 및 도 5b는 본 발명의 실시예에 따른 에너지 하베스터의 캔틸레버를 보이는 평면도 및 단면도서, [110] 방향 중에서 <0-11> 방향으로 배열, 분극된(Poling) 압전 단결정층(301)이 휘어짐 가능한 유연한 기판(flexible substrate)(302) 상에 캔틸레버의 길이방향으로 평행하게 부착된 상태를 보인다. 압전 단결정층(301)은 3방정(Rhombohedral)구조의 Pb(Zn_{2 /3}Nb₁/₃)O₃-PbTiO₃(PZN-PT) 또는 Pb(Mg_{2 /3}Nb_{1 /3})O₃-PbTiO₃(PMN-PT)으로 형성될 수 있다. 도 5에서 "d₃₁" 및 "d₃₂" 및 "d₃₃"은 각각 압전 단결정층(301)의 <100> 방향과 평행한 캔틸레버 길이 방향, <01-1> 방향과 평행한 캔틸레버 폭 방향, <0-11> 방향으로 평행한 캔틸레버의 수직방향의 압전상수를 나타낸다. 이와 같이, 압전 단결정의 <100> 방향과 캔틸레버의 길이 방향이 평행하도록 함으로써 캔틸레버 구동 시 <0-11> 방향의 압전단결정의 31 모드를 이용할 수 있다.

다결정 압전 세라믹, [100], [110] 방향의 단결정 압전 세라믹의 전기저항에 따른 전기에너지 발생 특성을 비교하기 위해 다결정 압전 세라믹 및 [001], [110] 방향의 0.7Pb(Mg_{2 /3}Nb_{1 /3})O₃- 0.3PbTi_O3(PMN-PT) 단결정을 이용하여 도 5와 같이 압전 에너지 하베스터의 캔틸레버를 제조하였다. 이때 압전세라믹 및 단결정의 크기는 1(폭)x3(길이)x0.5(두께) mm³으로 동일하였다. 다음의 표 1은 전술한 바와 같이 형성된 다결정 압전세라믹, [001], [110]방향의 단결정 압전 세라믹의 물성을 보인다.

도 6a 내지 도 6c는 다결정 압전 세라믹 및 (<001> - 3방향, <100> - 1방향, <010> - 2방향), (<0-11> - 3방향, <100> - 1방향, <01-1> - 2방향)으로 배열된 0.7Pb(Mg_2/3Nb_1/3)O₃-0.3PbTi_O3(PMN-PT) 단결정의 전기저항에 따른 출력전압, 전류 및 파워를 보이는 그래프이다. 도 6은 인공 진동기(exciter)를 이용하여 동일한 크기의 기계적인 에너지를 유지하여 측정한 결과이다. [110] 방향으로 배열, 분극한 단결정이 가장 높은 발생전압, 전류, 전력 값을 나타내었으며, 단결정이 다결정에 비해 더 좋은 에너지 발생 특성을 나타내었다. 그리고 [110] 방향보다 [001]방향의 단결정이, 다결정보다 단결정의 압전 세라믹이 더 큰 전기저항에서 임피던스 매칭이 되었다.

본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 설정하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 설정 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

도 1은 압전소자를 이용한 에너지 하베스터(Energy Harvester)의 기본적인 구성 및 원리를 보이는 개략도.

도 2는 <001> 방향으로 배열, 분극된 압전 단결정의 분극 및 도메인 구조를 보이는 개략도.

도 3a 내지 도 3c는 본 발명에서 사용한 <0-11> 방향의 압전 단결정의 분극 및 도메인 구조 및 <100>방향으로 압력을 가했을 때 분극방향의 변화를 보이는 개략도.

도 4는 <0-11> 방향으로 배열, 분극된 압전 단결정의 압전상수를 보이는 개략도.

도 5a 및 도 5b는 각각 본 발명의 실시예에 따라 <0-11> 방향으로 배열, 분극된 압전 단결정을 이용하여 형성된 에너지 하베스터의 캔틸레버 구조를 보이는 평면도 및 단면도.

도 6a 내지 도 6c는 각각 다결정 압전 세라믹, [100], [110] 방향의 단결정 압전 세라믹의 전기저항에 따른 출력전압, 전류 및 파워를 보이는 그래프.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

101: 3방정 단결정의 자발분극 방향

102: <001>방향으로 배열된 단결정의 분극방향

201: 3방정 단결정의 자발분극 방향

202: <0-11> 방향으로 배열된 단결정의 분극방향

301: 압전 단결정

302: 유연한 기판(Flexible substrate)

303: 고정 나사

Claims (4)

1. 에너지 하베스터의 캔틸레버로서,

   휘어짐 가능한 기판; 및

   상기 기판 상에 위치하며, [110] 방향으로 배열 및 분극되어 상기 캔틸레버의 길이방향에 평행한 <100> 방향의 압전상수 d₃₁이 상기 캔틸레버의 수직방향에 평행한 <0-11> 방향의 압전상수 d₃₃보다 큰 압전 단결정층을 포함하는, 에너지 하베스터의 캔틸레버.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,

   상기 압전 단결정층은 Pb(Zn_2/3Nb₁/₃)O₃-PbTiO₃(PZN-PT) 또는 Pb(Mg_2/3Nb_1/3)O₃-PbTiO₃(PMN-PT)인, 에너지 하베스터의 캔틸레버.
4. 제3항에 있어서,

   상기 압전 단결정층은 3방정(Rhombohedral)구조를 갖는, 에너지 하베스터의 캔틸레버.

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