자기변형성 재료를 이용한 운동 에너지 수확

서론

웨어러블 전자기기 및 무선 센서의 주요 한계 요인은 기기 내장 배터리에 저장 가능한 에너지의 유한성이다. 현재 가장 일반적인 해결책은 필요에 따라 배터리를 교체하거나 재충전하는 것이나, 이 전략은 실용적이지도 경제적이지도 않다. 예를 들어, 환경 내 멀리 떨어지거나 접근이 어려운 위치에 설치된 원격 무선 센서의 배터리 교체 또는 재충전은 자격을 갖춘 기술자가 센서에 접근해야 한다. 이는 유지보수 비용을 크게 증가시킬 수 있다.

에너지 하베스팅은 현대 무선 전자 장비의 전략적 핵심 개념이 될 잠재력을 지닌다^.¹ 적합한 다기능 소재의 특성에 기반한 여러 방법을 통해 환경으로부터 에너지를 수확할 수 있다. 예를 들어, 자기변형성 또는 압전성 소재는 기계적 및/또는 열적 변수를 전기적 또는 자기적 변수와 직접적으로 연결하는 구성 관계를 가진다.

본 논문은 자기변형 재료를 이용한 에너지 수확의 물리적 원리, 공학적 설계 및 응용을 논의한다. 이러한 장치들은 그 특성이 주로 재료의 성질에 기반하기 때문에 개념적으로 단순하다. 결과적으로 최적화된 재료 특성에 따라 장치 성능을 향상시킬 수 있다.

자기변형체(또는 일반적으로 자기탄성 재료)는 거시적 기계적 변수인 응력 σ와 변형률 ε과 자기장 H 및 자기유도 B 사이에 무시할 수 없는 결합을 나타내는 독특한 특성을 지닌다.^2,3 이 결합은 관련 자기장을 가하여 "자기변형"으로 알려진 거시적 신장을 얻는 구동 목적으로 활용된다. 자화율 효과는 철과 니켈을 포함한 여러 일반적인 재료에서 나타납니다. 그러나 거시적 효과는 각각 약 12ppm과 -50ppm으로 제한됩니다. 양의 자기수축은 신장을, 음의 자기수축은 수축을 나타냅니다. 테르페놀(테르븀-디스프로슘-철 합금)^5,6, 갈페놀(갈륨-철 합금),⁷ 알페놀(알루미늄-철 합금)^8과 같은 합금은 최대 2,000 ppm에 달하는 거대 자기수축을 나타냅니다. 자기 변형 재료에 대한 자세한 정보는 참고 문헌 2에서 확인할 수 있습니다. 자기 결합은 반대로도 활용될 수 있으며, 이 경우 "빌라리 효과"⁴ 또는 역 자기 탄성 효과로 알려져 있습니다.

여기서 자기 변형 재료에 가해지는 주기적인 기계적 응력은 주기적인 자화를 초래합니다. 이 효과는 패러데이-노이만 유도 법칙에 따라 시간이 지남에 따라 발생하므로, 재료 주위에 감긴 픽업 코일에는 유도 전압이 발생하며, 더 빠른 주기화는 더 높은 전압을 생성합니다. 이는 자기변형 재료를 이용한 운동 에너지 수확(KEH)의 기초를 형성합니다. 변화하는 응력이 주변의 진동에 의해 적절하게 구동되면, 이 기술을 사용하여 진동 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있습니다.

본 문서의 첫 번째 섹션에서는 자기변형성 재료의 주요 거시적 특성을 검토한다. 두 번째 섹션에서는 자기변형성 재료를 이용한 KEH의 원리와 관련 재료 특성을 제시한다.

자기변형성 재료의 거동

자기변형성 재료는 몇 가지 공통된 거시적 특성을 가진다. 그림 1은 테르페놀-d 막대의 일축 자기변형성 거동을 보여주며, 이 효과는 막대 축 방향으로 가해진 자기장을 따라 측정되었다. 그림 1A는 자기변형률 곡선(ε 대 H)을 나타낸다. 다음과 같은 특징이 관찰됩니다: 1) 히스테리시스; 2) H에 대한 대칭적 행동(나비 날개 모양); 3) 가해진 압축 응력에 대한 곡선의 의존성. 가해진 압축 응력에 대한 의존성이 다소 복잡하다는 점은 주목할 만합니다. 그림 1B는 빌라리 효과의 결과, 즉 서로 다른 가해진 자기장에서의 B 대 σ 플롯을 보여줍니다. 다시 한 번, 히스테리시스(H = 0 kA/m의 경우 극히 작은 자기유도로 인해 제외)와 가해진 응력 및 자기장에 대한 복잡한 거동이 주목할 만하다. 후자의 특성은 재료의 에너지 수확 가능성을 추론하는 데 중요합니다. 실제로 특정 응력 변화 Δσ에 대한 자기유도 변화 ΔB가 클수록 에너지 변환 효율이 향상됩니다. 갈페놀(Galfenol)과 같은 다른 자기변형성 재료들도 동일한 조건에서 유사한 특성을 보입니다.

수확기의 기계적 임피던스 매칭은 KEH용 자기변형성 재료의 또 다른 중요한 특성이다. 테르페놀(Terfenol)이나 갈페놀(Galfenol)과 같은 재료는 벌크 철과 유사한 기계적 거동을 보이며 상당히 강성이다(그림 2). 이상적인 진동은 0~1,000 ppm 범위의 높은 응력과 낮은 변형을 가져야 합니다. 더 부드러운 자기탄성 재료의 사용 가능성은 0.1~1% 범위의 낮은 응력과 높은 변형률, 고무와 유사한 특성을 가진 진동 수확을 가능하게 할 것입니다.

또 다른 자기탄성 재료인 메트글래스(Metglass)가 에너지 수확용으로 제안되었다.^⁹,¹⁰ 메트글래스의 주요 장점은 적층 가공을 통해 더 높은 에너지 밀도를 달성할 수 있다는 점이다. 이 재료는 우수한 자기 연성과 탄성 반응을 지닌 철 기반 비정질 리본으로, 생산 비용이 원칙적으로 Fe-Ga 및 Fe-Tb-Dy 합금보다 저렴하다.

운동 에너지 수확 장치

빌라리 효과는 자기변형성 재료를 기반으로 한 모든 운동 에너지 수확 장치의 설계 원리이다. 이 과정을 완전히 활용하려면 환경에서 최종 사용자에 이르기까지 여러 기능적 구성 요소가 필요하다(그림 3). 환경 진동을 자기변형성 재료로 전달하기 위한 적절한 기계적 프레임이 필요하며, 따라서 기계적 에너지의 최대 전달을 달성하기 위해 그 설계는 가장 중요하다.

기계적 부분의 두 가지 개념적 구현 방식이 그림 4에 개략적으로 제시되어 있다. 그림 4A는 진동원과 기준 프레임 사이에 활성 재료가 사용되는 경우를 보여준다. 자기변형성 막대(회색)는 강성 프레임에 고정되어 시간에 따라 변하는 균일한 z축 방향 힘을 받는다. 그러면 z축 방향 압축 응력이 발생하고, 재료는 시간에 따라 변하는 자화(磁化)를 생성합니다. 그림 4B는 진동 프레임이 사용 가능한 경우에 적합합니다.¹² 여기서는 자기변형 캔틸레버 빔이 한쪽 끝은 진동 프레임에, 다른 쪽 끝은 더 무거운 질량에 강체로 연결됩니다. 질량 위에서 유도된 진동으로 인해 재료는 종방향 응력을 받게 되며, 이는 시간에 따라 변하는 자화로 이어집니다. 두 방법 모두 공통적으로 필요한 요소가 있습니다: 자기변형성 재료를 감싼 코일과 자기 플럭스 라인을 전달하고 폐쇄하는 자기 회로입니다. 후자는 명확성을 위해 그림 4에는 표시되지 않았습니다.

두 방법 모두 장점이 있다. 그림 4A는 하한 주파수 제한이 없으나 일반적으로 그림 4B보다 부피가 크다. 후자는 캔틸레버 빔-질량 시스템의 고유 공진 특성으로 인해 통과대역 주파수 특성을 가지며, 시스템의 공진 주파수 주변 진동에서 최상의 성능을 발휘한다. 물론 작동 대역을 확장하고 이 문제를 회피하기 위한 여러 해결책이 채택되었다^.¹³

그림 3은 전기 에너지의 최적화와 축적을 목표로 하는 전자 장치가 수확 장치의 "전기 부하"를 나타냄을 보여준다. 자기장 변형 소재 기반 KEH 장치로의 개발은 아직 초기 단계인 반면, 압전 소재 기반 KEH에 대해서는 많은 연구와 응용이 제안되어 왔다.¹⁴ 일반적으로 모든 운동 에너지 수확기는 비규제 교류 전원 공급 장치이므로, 전기 에너지를 축적하기 위해서는 적절한 전략을 가진 전자 회로가 반드시 뒤따라야 한다. 또한 자기 변형 재료의 존재는 몇 가지 추가적인 특이점을 가져오지만, 원칙적으로 그 개발은 압전체를 위해 이미 이루어진 것을 변형하여 따를 수 있습니다.

이 시스템은 또한 전기-기계적 관점에서 스프링-질량-댐퍼 시스템으로 간주하여 이해할 수 있습니다. 감쇠는 기계적 마찰과 에너지 수확 모두에 기인하며, 빌라리 효과(Villari effect) 역시 기계적 에너지의 일부를 소모합니다.¹⁵ 이 재료는 일종의 전기-기계 변압기 역할을 하는데, "1차측"에는 상호 보완적인 기계적 양(힘과 속도)이 존재하는 반면, "2차측"에는 코일 단자에서 상호 보완적인 양(전압과 전류)이 존재합니다.¹⁶ 전압 v(t)는 자기속도 변화율 ∂B/∂t 및 권선 수, 코일 면적, 자기 회로 특성 등과 같은 일반적인 기하학적·자기적 매개변수에 비례한다. 이 특성을 활용하면 다음 관계가 성립한다(식 1):

∂σ/∂t 계수는 진동 주파수와 관련되며 진동원에 의해 제어됩니다. 첫 번째 계수는 "압전자기 계수"라 불리며 재료의 특성으로, 다음 절에서 논의됩니다.

압전자기 계수

압자기성 계수의 정의는 다음과 같습니다(방정식 2):^17,18

즉, 이는 일정 H 조건에서 σ에 대한 B의 변화율이다. 이 매개변수는 일반적으로 데이터시트와 재료의 선형 모델에서 상수로 간주된다.¹⁸ 이러한 근사값은 일부 경우에 허용된다. 예를 들어, 재료가 액추에이터에 사용될 때, 일반적으로 장치에 최대 허용 외부 응력보다 높은 기계적 예응력이 가해지는 경우이다.¹⁹ 반면, 에너지 수확 응용 사례처럼 알려지지 않은 동적 조건을 고려할 때는 일반적 정의를 활용해야 한다. 압전자기 매개변수는 재료 특성의 특정 미분 함수이므로 (H,σ) 쌍에 대해 비선형성을 보일 뿐만 아니라 히스테리시스 현상도 나타낸다. 그럼에도 불구하고, 실험적 히스테리시스 루프의 수치적 미분으로부터 이를 구할 수 있다.¹⁷ 테르페놀-d 막대에 대한 이 작업의 결과는 그림 5에 제시되어 있다. 그 값은 문헌에 보고된 바와 같이 10–⁸ m/A 범위 내에 있으나,²⁰ 일정하지 않고 가해진 (H,σ) 쌍에 크게 의존한다. 최대 피크는 σ가 높을수록 더 높은 H 자기장에서 이동하며, 이는 비선형 모델링 결과를 확인시켜 줍니다.¹¹ 최대값은 상대적으로 낮은 σ와 H 범위(σ∈(–10,0) MPa 및 H∈(10,20) kA/m) 내에서 달성됩니다. 이러한 범위는 장치 최적화와 최적의 자기 바이어스 및 기계적 예응력 선택에 유용합니다. 이 분석은 자기 변형기를 기반으로 하는 모든 KEH 장치는 자기 바이어스를 가져야 함을 보여줍니다. 예를 들어, 자기 회로에 적합한 영구 자석과 압전 자기 매개 변수의 최적 작동 지점에 도달하기 위한 정적 예응력을 적용하는 도구가 필요합니다.

수확 주기 최적화

KEH 장치의 에너지 밀도는 B-H 평면 내 B-H 사이클이 둘러싼 면적(그림 6)을 기반으로 계산할 수 있습니다. 이 면적은 시계 방향 사이클에서는 에너지 이득을, 반시계 방향 사이클에서는 에너지 손실을 나타냅니다. B-H 사이클이 둘러싼 면적을 극대화하기 위해 자기 바이어스 및 프리스트레스와 같은 매개변수를 적절히 선택함으로써 KEH 장치를 효과적으로 최적화할 수 있습니다.

일정한 응력 하에서 얻어진 재료의 자기 주기와 관련하여 B-H 평면 내 시계 방향 회전 주기의 거동을 살펴보는 것은 흥미롭다. 그림 6A의 플롯은 1.58 MPa 및 48.2 MPa의 일정 응력 하에서 갈페놀 막대의 반시계 방향 자기 특성을 보여줍니다. 사이클 내의 선들은 전기 부하로 1 MΩ의 단순 저항기를 사용한 수확 시험에 의한 시계 방향 회전 루프를 나타냅니다. 주기적 응력 변화는 σ = 1.58 MPa에서 σ = 48.2 MPa 사이(주기 1.25초)이며, 세 가지 다른 자기장 바이어스(8.7 kA/m–주황색, 14.8 kA/m–갈색, 23 kA/m–적색)가 표시되어 있다. 이론적으로 예상된 바와 같이, 서로 다른 자기장 편향에서 얻어진 B-H 루프는 자기 특성 범위 내에 있음을 확인할 수 있다.²² 또한, H = 14.8 kA/m에서 서로 다른 저항을 사용한 그림 6B에서도 이 사실은 여전히 유효하다. 루프는 더 작은 저항기에서 더 넓습니다. 이는 픽업 코일에서 더 큰 전류가 순환하고 더 큰 자기장 변화가 도입되기 때문입니다. 이 결과는 재료 수확 행동을 개선하기 위한 노력이 가능한 한 다양한 응력에서의 정적 자기 특성에 집중되어야 함을 보여줍니다. 이는 한계 사이클 사이의 사용 가능한 영역을 개선하기 위함입니다.

결론

자기변형성 소자를 기반으로 한 운동 에너지 수확기는 간단한 장치로, 성능은 주로 일정한 응력 하에서의 압전자기 계수 및 자기 B-H 사이클 특성 등에 의해 영향을 받는다. 새로운 개선된 소재는 에너지 수확 응용 분야에서 성능을 향상시킬 수 있다. 장치의 거시적 분석은 연구가 압전자기 계수를 극대화하는 데 집중해야 함을 시사한다: 자기 평면 내 정적 한계 사이클 내에서 수확 사이클을 위한 더 많은 공간을 창출하는 것이다.

감사의 말

본 연구는 이탈리아 연구 프로젝트 PON "저소음(Low Noise)" 보조금 PON01_1878의 지원을 받아 수행되었습니다.