[기계공학실험] MEMS(마이크로 전기기계장치)

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레포트 > 공학계열
2009.05.08
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소개글

[기계공학실험] MEMS(마이크로 전기기계장치)에 대한 자료입니다.

1. 이 론
(1) Energy harvesting
압전 에너지 하베스팅의 이해
압전 하베스터 구조
(2) Piezoelectric material
압전재료의 특징
압전재료를 응용한 기계가공공정
(3) 1축 가진에 의한 response
2. 실험 결과
(1) Cantilever Beam의 spring constant와 elastic modulus 측정
※ 실험결과
※ 실험1에 대한 고찰
(2) 임의의 가진원에 대한 측정과 energy harvesting 모델링
6. 참고문헌

본문내용

1. 이 론
(1) Energy harvesting
"Energy harvesting-에너지 하베스팅“은 ”Power Harvesting" 또는 “Energy Scavenging"과 같은 뜻으로 사용되는 것으로, ”자연의 버려지는 에너지를 수확하여 저장하는 기술“을 의미하며, 무선센서네트워크의 소형 독립전원을 제작하는데 많이 연구되고 있다. 에너지 하베스팅에 관한 많은 연구배경에는 전자기술의 발전으로 인한 CMOS의 저전력 구동과 유비쿼터스 센서 네트워크 구축이 있다. 유비쿼터스 센서 네트워크는 저전력 CMOS를 이용한 무선통신모듈과 센서를 부착한 무선센서노드를 넓은 지역에 임의적으로 분포시켜 센싱하고, 센싱자료를 무선으로 보내는 것을 특징으로 하고 있다. 그런데 넓은 지역에 임의로 분포된 센서노드를 동작시키기 위해서는 전원이 필요하며, 일반적인 방법으로는 전선으로 연결하거나 Battery를 이용해야 한다. 그러나 넓은 지역에 산재한 센서노드를 전선으로 연결하는 것은 현실적으로 매우 어려우며, Battery를 사용할 경우에는 Battery를 주기적으로 교환해야하는 번거러움과 Battery 교체에 따른 공해문제가 발생하는 단점이 있다. 이러한 문제를 해결하는 방법으로 제시되는 방법이 ”자연의 버려지는 에너지를 유용한 전기에너지로 변환“하여 이용하는 에너지 하베스팅이다.
에너지 하베스팅 방법에는 태양광을 이용한 태양발전, 기계적인 에너지를 이용한 압전발전, 기계적인 운동과 전자기적 현상을 이용한 발전 및 Capacitive 발전, 폐열을 이용한 열전발전 등이 있으며 각각의 방법들은 장,단점을 가지고 있어 주어진 자연환경에 적합한 방법이 이용되고 있다.

압전 에너지 하베스팅의 이해
압전 에너지 하베스팅은 그림 1에서와 같이 기본적으로 외부의 기계적 에너지를 압전재료에 전달, 전달된 기계적 에너지를 압전재료를 이용하여 전기 에너지로 변환, 변환된 에너지를 전기적인 회로를 통하여 Super-capacitor나 2차전지에 축전하는 크게 3가지 부분으로 이루어져 있다고 할 수 있다.

따라서 기계적인 에너지를 효과적으로 전기적 에너지로 변환, 저장하기 위해서는 첫째, 외부의 진동을 효과적으로 압전체에 전달할 수 있도록 기계적인 Impedance Matching을 이루어야 하며, 둘째 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 재료의 전기-기계 결합계수가 커야 하며, 셋째 생성되는 에너지를 외부회로에 전달하기 위해서 전기적인 Impendance Matching이 되어야 한다. 현재까지의 연구를 종합적으로 살펴보면, 위의 3가지 분야, 즉 기계, 재료, 전기회로의 융합적인 형태로 연구가 이루어지고 있으며 참여하는 연구자들의 전문분야에 따라 그 접근방식이 조금씩 다른 특징이 있다.

압전 하베스터 구조
외부의 진동을 효과적으로 압전재료에 전달하기 위해서는, 즉 기계적인 Impendance Matching을 이루기 위해서는 진동의 종류에 따라 압전 하베스트의 구조가 달라져야 한다. 진동은 표 1과 같이 크게 3가지로 나눌 수 있으며 각 진동에 맞는 압전 에너지 하베스터의 구조가 사용되어야 한다.

기계적인 진동은 식(1)에서와 같이 힘과 변위의 크게에 의해 에너지양이 결정되므로 힘의 크기와 변위의 크기에 따라 압전 하베스터의 구조가 변경되어야 한다.

예를 들면 MIT에서는 그림 2에서와 같이 큰

참고문헌

정대용 송현철 윤석진, “Piezoelectric Energy Harvesting", 전기전자재료 제20권 제 12호, 2007. 12
나덕주 “첨단재료를 사용한 새로운 기계가공 기술동향”, www.koami.or.kr/webzin/2k809/7.pdf
Engineering Vibration 2nd Edition - Daniel J. Inman

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