Atlanta에 도착해 처음으로 방문하게 될 Noliac에 대해 조사해보았다.
<About Noliac>
Noliac은 15년이상 piezoelectric technology에 대해 연구 및 개발하고 이를 다양한 분야로로 응용하고 있는 기업이다. 응용분야는 주로 자동화, 의료 분야, 자동차 기기, 우주항공, 통신 산업, defense, micro positioning 이다.
Noliac은 보유하고 있는 경험과 노하우를 piezo technology에 대한 더 깊은 이해와 응용법을 알고 싶어하는 engineer나 technical staff에게 제공한다.
(우리도 탐방 전에 webinar를 들으면 좋을 것 같다. 특히 piezo material의 parameters가 갖는 의미에 대해 궁금하다. 가령 electromechanical coupling factor는 무엇을 의미하며 이것이 크면 무엇이 좋은지? d33, d31값이 크거나 작다는 것은 무엇을 의미하는지? 등등)
<piezoelectric ceramic>
Noliac에서는 Piezoelectric ceramic을 생산한다. piezoelectric ceramic은 기계적 힘을 받았을 때 전하를 띠는데 이들은 hard한 그룹과 soft한 그룹으로 나눌 수 있다.
먼저 hard doped piezoceramic materials – hard doped PZT material은 높은 전기적, 기계적 힘을 견딜 수 있어서 강도가 높은 외부 환경에 이용되기 적합하다. NCE41과 NCE20은 높은 수준의 에너지 생산량을 갖는, 손실이 적은 물질이다. 즉, 이 물질들은 piezoelectric charge constant인 d33 값이 크고, dielectric, mechanical loss가 작기 때문에 고성능을 보인다.
반면 soft doped piezoceramic materials – 이들은 쉽게 휘고 분극이 잘 일어나는 특성을 지닌다. electro machanical coupling factor가 매우 크고, piezoelectric constants도 크다. 이들은 특히 센서, 리시버, 엑튜에이터 혹은 트랜스듀서에 이용되기 좋다. NCE51, NCE53이 표준적이니 soft materials이고 엑튜에이터에 응용된다. NCE53은 electro-machanical coupling factor는 다소 작지만 높은 온도에서 안정성이 잇어 진동센서에 응용된다. 또한 굉장히 높은 민감도를 갖는 NCE55나 NCE59는 Curie temperature*는 낮지만, 넓은 범위의 미세 자극 감지 센서에 적용된다.
* Curie temperature ; 물질이 자성을 잃는 온도. 원자의 열에너지가 자기모멘트의 결합에너지와 같아지는 온도이다. 따라서 이 온도 이상에서는 자기모멘트가 결합하지 못하여 상자성(常磁性)을 가진다. [네이버 지식백과] 퀴리온도 [Curie temperature, ─溫度] (두산백과)
관련 질문 ; soft, hard, electromachanical coupling factor, piezoelectric constant등 여러 고려해야할 점이 많은데 휴대폰 내에 에너지 하베스팅 용으로 제작할 시 어떤 요소를 가장 우선으로 고려해야할까요? 휴대폰 액정에 쓰이려면 충분히 soft한 piezoeletric material을 사용해서 떨어뜨릴 때 충격으로 깨지는걸 방지할 수 있을까요?
<piezo sensors and transducer>
생산한 piezo electric ceramic을 통해 만드는 상품 중 우리팀의 탐방주제와 관련있는 sensor, transducer, energy harvester에 대해 알아보았다.
1. piezoelectric sensor와 transducer의 장점
튼튼하고 소형화 가능, 저전력 제품, 전원없이도 active하게 signal을 생산, 온도 감응부위가 매우 넓음, 내구성이 좋아 오래 사용 가능, 높은 주파수, 양방향의 전기-기계 변환 능력 등
2. 사용 예시
-piezo sensor ; accelerometer, force sensor, shock sensor, measurment sensor, strain and surface deformation sensor, bone microphones(osteo-communicatino system), microphones
관련 질문 ; piezoelectric sensor의 경우 전원공급량이 적어도 되니까 이 적은 양을 에너지 하베스팅으로 대체한다면 좋을 것 같습니다. 그렇다면 주기적으로 교체해줄 필요가 없으니까요. 그렇다면 이를 위해 에너지 하베스터를 센서 내에 장착하는 것이 가능할까요?
-piezo *transducer ; 공기중에서 거리 재기, 수심 재기, 천연가스 유량 재기, 의학적 진단
* transducer - 하나 이상의 소스로부터 수신하는 어떤 형태의 에너지를 다른 형태로 바꾸는 장치. 예를 들면 스피커는 전기음성신호를 가청공기 압력파로 바꾸고, 픽업은 바늘의 기계적 움직임을 전기적 압력으로 바꾸는 변환기이다. 변환기는 입력이 단지 에너지원일 때는 수동적이고, 출력이 부분적으로나 전체적으로나 제2의 소스에서 나오는 경우에는 능동적이다.
[네이버 지식백과] 트랜스듀서 [transducer] (용어해설)
-piezo energy harvesting ; electric mechanical converters. Noliac은 압전효과 혹은 역압전 효과를 통해 기계적에너지와 전기에너지를 변환한다. multilayer 기법을 통해 기계적 에너지를 수확해 낮은 전압의 전기적 에너지를 생산할 수 있다. 이는 바로 전기에너지를 이용하는 장치에 공급될 수 있다.
특히 Noliac은 energy converter를 위한 mechanical matching circuit을 제작할 수 있고, 규칙적이지 않은 진동으로부터 에너지 수확을 최대화 하기위한 smart electronic circuit을 만들 수 있다. 또한 전압변환기와 에너지 보존을 위한 electronic converter 및 회로를 만들 수 있다.
관련 질문 ; 핸드폰에 응용할 때 액정을 두드리는 사람들의 터치를 진동의 공급원으로 본다면 smart electronic circuit을 응용해 에너지를 최대로 수확할 수 있을 것 같습니다. 혹시 구체적인 효율이나 설치해서 에너지가 발생했던 사례를 들어주실 수 있나요? 그리고 이 회로의 가격은 어느정도이며, 크기가 핸드폰에 들어갈 수 있을 정도인가요?
<Development of Lead free Piezoceramics and Implementation in Multilayer Actuators>
비납계 Piezoelectric 물질을 생산하기 위해 새로운 원소인 Bismuth를 사용하려한다. Bismuth는 주기율표 15족 6주기에 속하는 원소로 원자량이 208.98g/mol로 비교적 무겁고 깨지기 쉬운 전이후 금속으로 분홍색 색조를 띤다. 참고로 납의 원자량은 207.2g/mol이다. 특히 perovskite structure의 bismuth 계열 물질을 사용하는데 이들은 매우 많은 non cubic distortions을 보이고 소위 morphotropic phase boundaries(MPB)를 만든다. MPB에서는 phase instabilities로 인해 아주 높은 piezoelectric property가 기대된다. Noliac은 비납계 압전 물질을 사용한 multilayer actuator에 대한 최초로 특성 데이터를 제시했다. 이들은 depolarization 온도를 측정했고, 내구성도 측정되었다. multilayer actuator는 큰 signal behavior을 보였다. 충분히 큰 electro fields에서 structural phase transition이 일어났다. 즉, rhombohedral(사방 육면체의) 구성에서 tetragonal(사각형의) 구성으로 국면 변화가 일어났다. 내구성 실험과 관련해 500Hz 전기장 속에서 6kV/mm로 가동된 Unipolar field에서 1억번 cycle까지는 품질의 손상이 없었다. 이로서 미래에 응용될 가능성이 보였다고 할 수 있다. 하지만 많은 분야에서 응용되기 위해서는 아직 온도, 습도, 다른 주파수에서의 성능 test, 내구성 test가 필요하다.
관련 질문 ; 생체 내에 piezoeletric energy harvester를 넣으려고 한다면 이때 PZT물질의 경우 납이 문제가 되어왔다. 그런데 비납계 물질로 PZT만큼의 성능을 내는 물질이 개발된다면 응용이 가능할 것 같습니다.
이 실험에서는 actuator를 고려하고 전기장 속에서 piezo material의 특성을 조사했는데, 역으로 energy harvesting 적인 측면에서 기계적 힘을 주고 polarization정도 및 전기 에너지 생산 정도를 알아볼 수도 있지 않을까요?
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