Interview preparation #3 Noliac in Atlanta

 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?

 

Interview preparation #2 Linear Technology

 Linear Technology는 고성능의 회로를 제작하는 회사이다. 회로를 디자인하고,  제조하고 마케팅까지 하는 거대한 회사로 이들의 회로로 다른 많은 회사들이 전자 기기 communication, networking, 자동화, 컴퓨터화, 의료 기기화 등을 가능하게 한다. 

 이들이 만드는 회로는 구체적으로 전력을 알맞게 사용하거나, 데이터를 변환하건, 신호를 조절한다.  

 특히 Energy harvesting과 관련하여 이들은 적은 에너지 투입으로도 구동가능한 회로를 만들고 있다. 가령 진동, 태양에너지, 열에너지를 저장하고 높은 효율로 변환한다. 

 이러한 기술은 산업 자동화, 무선 센서, 운송, 자동 건물 관리 등에 응용된다.  

 이중 wireless sensors에 대해 알아보자. 무선센서는 사람이 접근하기 어려운 곳이나 너무 많은 개수가 설치되어야 할 때 사용된다. 이러한 경우 일일이 수작업으로 배터리를 교체하기 어렵기 때문이다. 

 그러나 에너지 하베스팅 자체로는 충분히 많은 에너지를 생산하지 못하는게 현재 문제점이다. 가령 필요로 하는 양이 100에서 250mW인데 반해 생산되는 양은 1에서 10mW이다.

 또한 무선센서에 있어서 생산된 에너지가 반드시 저장되어야 하며 sensor/transmitter로 인해 언제든 사용가능해야한다. 또한 이들은 에너지하베스팅이 이뤄지지 않을 때도 작동가능해야 한다.

 가능하다면 만약 저장된 에너지가 고갈되었을 때도 센서가 기본적인 일은 수행할 수 있어야 하고, 기존에 모아둔 정보 같은 것을 저장할 수 있도록 센서를 설계해야한다. 또한 남아있는 에너지양을 체크하는 것도 중요한 쟁점이다.

 구체적으로 우리의 관심사인 에너지 하베스터에 관련해 이들이 만드는 회로를 살펴보자.

우선 구성요소로는 energy harvester, buck regulator IC, shunt battery charger, batteries, sensor-transmitter, rectifier(정류기) 가 있다. 

 ex. energy harvestor (LTC 3588) - piezoelectric transducer(12mW까지 생산가능), shunt battery charger(LTC 4071) - programmable float voltage, temperature compensation

 이들은 두 가지 작동 모드를 갖는다. charging-sending모드와 discharging-sending모드인데, 전자의 모드에서는 배터리가 충전되고 후자에서는 배터리가 충전되지 않고 sensor/transmitter가 작동한다.

 그 예시로 LTC3588 piezo energy harvesting power supply를 살펴보자. 이 기기에서는 우선 내부의 piezoeletric transducer를 통해 주변의 여러 에너지를 모은다. 모아진 에너지를 converter를 통해 규칙적인 에너지로 생산해 data converter, micro controller, sensor 등에 사용하도록 한다.

 또다른 회로 구성요소 중 Hysteretic buck DC/DC converter는 최대 100mA정도의 규칙적인 전류를 생산해낸다. output voltage는 1.8V, 2.5V, 3.3V, 3.6V로 설정가능하다.

 좀 더 자세히 살펴보면, 처음에 piezoelectric transducer를 통해 생산해낸 에너지를, 최대 950nA정도, External energy capacitor에 저장한 다음 일정량을 전류로 만들어 흘려보낸다.

Input voltage range는 2.7-20V로 넓은 범위의 에너지를 piezoelectric transducer통해 받아들일 수 있게 해준다.

 이 장치의 장점은 크게 세 가지로 요약가능하다. 첫째, 수확한 에너지를 바로 사용하지 않고 저장함으로서 일정한 전류를 내보낼 수 있다. 둘째, piezoeletric transducer에서의 출력은 비교적 작지만 이를 energy capacitor를 통한 후 내보낼 때 전류는 비교적 큰 값을 가진다. 셋째, 인풋 전압이 작아도 일정량의 전류를 생산해낼 수 있다.

질문거리 

 LTC3588 piezo energy harvesting power supply 이 회로를 휴대폰 액정에 사용하고 싶다. 휴대폰 내에 존재하는 많은 센서에 에너지를 공급하는데 사용하거나 액정에 불을 밝히는데 쓸 수 있다면 휴대폰 배터리의 수명이 많이 늘어날 것 같다.

 탐방을 갔을 때 회사에서 만든 에너지 하베스터를 휴대전화 내에 삽입해 스크린 터치에서 발생하는 진동을 통해 에너지를 생산하고 이를 배터리로 저장 할 수 있는지 여쭤보고 싶다. 그리고 LTC3588 sample을 얻어오고 싶다. 

 좀 더 구체적으로 piezo energy harvester의 사용처를 묻고 실제로 생산 비용을 알고 싶다. end product는 아니지만 부품으로서의 가격을 알면 휴대전화에 응용되었을 때 상용화 가능성이 있는지 체크해볼 수 있기 때문이다. 

 또한 현재 상황보다 더 높은 출력을 하기 위해서 어떤 노력이 필요한지 물어보고싶다. 가령 piezo transducer에 좀더 압전 상수가 높고, coupling effect가 높은 물질을 쓰면 input 전류가 높아질 수 있지 않을까? 

Interview preparation #1 HC Materials in Chicago

 

 본격적으로 탐방 및 인터뷰 준비에 나섰다. 오늘은 Chicago에서 방문하게 될 HC Materials에 대해 알아보았다.

 

1. HC Materials은?

  HC Materials은 고성능 압전소자 단결정 크리스탈을 제작하고 개발하는 회사로 미국에서 가장 큰 PMN-PT 압전 소자 제작사이다.

  회사에서 만든 압전 소자는 actuator, sensor, ultrasound imaging, active vibration control, bulk acoustic wave devices for telecommnunications, acoustic transduces and projector에 널리 응용되고 있다.

 

  기업내 훌륭한 과학자와 기술자는 crystal growth, characterization, application에 대해 30년 이상 연구하고 실험해오고 있다.

 

이들이 주력하는 압전 물질로 PMN-PT가 있다. 다양한 PMN-PT 단결정 제품의 형태가 있는데 가령 Plates(판), Wedges(쐐기), Discs(원반), Cylinders(원통), Rings(고리), Tubes(튜브) and Cubes(큐브)가 있다.

    

  현재 회사에서는 <001>seeded large-sized PMN-PT가 변형된 Bridgman technique를 통해 제조되고 있다. melt growth technique 덕분에 PMN-PT 단결정의 상업적 적용이 한결 쉬워졌다.(질문; 어떤 측면에서 상용화에 응용성이 높아진 것인가요?)

PMN-PT와 MPB의 혼합은 이례적으로 높은 유전체적 특성과 압전체 특성을 나타낸다. 이들은 많은 응용가능성을 지닌다.

 

현재 세 진동 모드의 PMN-PT crystal이 상품으로 상용화되고 있다. 1.Re-pole able High longitudinal share d36 mode 2. Super-High Transverse Shear d15 mode 3. High Transverse extension d31 mode

 

이외에 큰 사이즈의 PIN-PMN-PT crystal도 또한 사용가능하다. 세 겹의 PIN-PMN-PT crystal 지름 3인치, 길이 7인치로 상업적으로 유용한 사이즈이다. 그리고 이들이 만드는 coercive field는 PMN-PT보다 2배 이상이다. 또한 depoling temperature가 130도까지 올라간다. 음향 발신기 등에 쓰인다.

 

2. PMN-PT란?

  납, 마그네슘, 니오브산염과 납 티탄산 염으로 구성된 단결정 크리스탈 PMN-PT는 대표적인 고성능 압전물질 중 하나이다. (1-x)[Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃]-x[PbTiO₃]의 화학식을 가지며 eletricmechanical coupling coefficnts가 매우 높고, piezoeletric coefficents도 매우 높고 dieletric constants가 높은 반면 dieletric loss는 낮아 결과적으로 bandwidth가 넓어지고 민감도가 높아지며 적용가능한 범위가 넓다.

 

HC Material은 고성능의 PMN-PT 단결정을 만들어 넓은 범위에 이용되게끔 하고 있다. Piezocrystal products가 다양한 형태로 존재하는데, 판, 쐐기, 실린더, 디스크, 고리, 튜브, 그리고 네 가지의 서로 다른 domain 배치를 갖는 큐브 형태가 있다.

 

이들은 PT 성분의 함량에 따라 크게 두종류로 나뉜다. 첫째, PMN-27~30%PT는 큰 신호(large signal)에 적합하고, PMN-30~33%PT는 작은 신호(small signal)에  적합하다.

   

  작동방식은 크게 네가지로 나뉜다. Longitudinal Extension mode, Transvers Extension mode, Longitudinal Shear, Transverse Shear이다. 이들은 압전 특성의 크기에서 차이를 보인다. 최적의 압전 특성을 보이는 poling 방식도 다른데 각각의 최적 값을 나타내면 LE mode는 <001>poling에서  d 33이 2000~3000pC/N, TE mode는 <011>poling에서 d31이 1200~-1800 pC/N, LS mode는 <011>poling에서 d36이 2500 pC/N, TS mode는 <111>poling에서 d15가 4000~6000 pC/N이다.

 

cf. d33, d31, d36, d15 ;  piezoeletric constant 로서 piezoeletric materials의 서로 다른 종류인 ceramics, crystals, polymer 마다 차이가 난다. 이것을 재는 기계가 ZJ-3B/4B Model이다. 측정값의 단위는 pC/N이고 범위는 1에서 4000까지 있다. 아래 첨자는 작동방식에 따라 다르게 표기한다.

 

질문거리

 1. PMN-PT와 MBP를 혼합하면 압전특성이 구체적으로 얼마나 향상되며 이로인해 늘어나는 적용가능성은 무엇을 의미하나? ex. 더 작은 신호를 민감하게 감지하는 센서

 

 2. 작동방식에 따른 네 가지 분류로 인해 압전 특성이 바뀌는데 구체적으로 각각의 작동방식이 어떤 응용방식에 맞는가?

 

 3. PMN-PT의 납은 산호와 결합되어 산화형태인데 그렇다면 인체내에 적용할 때 위해요소로 작용할 수 있는가?

 

 4. PMN-PT를 이용한 에너지 하베스팅연구는 어떤 것을 하고 있으며 현재까지 결과는 어떠한지?

 

이외에도 PMN-PT에서 PT 함량에 따라 구분하는 것은 왜 그렇고 이들이 어떤 역할을 하는지도 묻고 싶고, piezoeletric constant의 구체적인 측정법이나 depoling temperature와 관련해서도 물어보고 싶은 게 많은데... 미리 알 수 있는 것은 공부를 통해 알아가야겠다 :)  

미국의 압전에너지 관련 기업 및 대학 소개(Introduce institute, company and university which study piezoelectric energy harvesting)_1. 대학교(3)

3. Wisconsin university_Xudong Wang
:

나노전기 시스템과 에너지 하베스팅을 위한 nanomaterial과 nanodevice 연구를 하고 있다. 진동에 기반한 운동에너지에 초점을 맞춰 이를 수확하여 이용하고자 한다. 가령 작은 진동에도 높은 감응성을 보이는 nanowire를 개발중이다.







-Xudong Wang교수 홈페이지: http://nanoscience.engr.wisc.edu/
-간단히 압전에너지 하베스팅에 대한 인터뷰를 참고해하라

미국의 압전에너지 관련 기업 및 대학 소개(Introduce institute, company and university which study piezoelectric energy harvesting)_1. 대학교(2)

두번째로 소개할 대학교는 일리노이 어바나 샴페인. 일리노이 어바나 샴페인은 한국인 유학생이 많은 대학교 중 하나로도 유명한데, 여기서 현재 일리노이 어바나 샴페인에서 연구중이신 로저스교수를 소개해보고자 한다.

2. University of Illinois at Urbana-Champaign_John A. Rogers
:

로저스 교수는 특히나 의료쪽과 Flexible 분야를 집중적으로 연구중이시다. flexible, piezoelectric patch를 이용해 심장박동으로부터 에너지를 모은다. 현재 마취 상태 양과 소에게 patch를 붙여 관찰하였고 에너지 생산에 성공하였다. 이후로 이들이 정상적으로 생활을 하는 것을 지켜보며 patch가 성공적으로 역할하는지 연구중이다. 의료쪽으로 압전에너지 분야가 적용될 것이라는 기대가 높은 만큼, 로저스교수의 앞으로의 연구가 기대된다.




-로저스 교수의 홈페이지 주소: http://rogers.matse.illinois.edu/
-로저스 교수의 연구는 유투브의 http://www.youtube.com/user/RogersResearchGroup
채널에서 동영상을 확인할 수 있다.

 이 동영상에서는 flexible patch에 대해서 로저스 교수의 설명을 들을 수 있다.

(우리의 인터뷰 요청에도 쉽게 허락해주셨다. 압전에너지 분야에서 엄청난 권위자라 한낱 대학생들을 만나는게 쉬운 결정은 아니었을텐데 이렇게 로저스교수를 인터뷰할 수 있게 되어 영광이라고 생각한다)

미국의 압전에너지 관련 기업 및 대학 소개(Introduce institute, company and university which study piezoelectric energy harvesting)_1. 대학교(1)

압전에너지 분야에서 미국과 유럽은 선두주자로서의 명성을 가지고 있다. 유럽은 특히 상용화적인 측면에서, 기업들이 나서서 이를 적용시키려는 노력을 보이고 있으며, 미국은 특히 대학교나 에너지관련 기관에서 이를 심층적으로 연구중이다. 우리팀은 이 중에서도 현재 어떤 트렌드인지, 어떤 연구들이 더욱 진행되고 있는지 알기위해 미국을 방문하고자 한다. 미국에서는 어떤 기업, 기관, 대학들이 있는지 소개해보고자 한다.
 첫번째로 어떤 대학교가 있는지 천천히 살펴보자

1) 대학교(university)
: 미국은 특히나 대학교에서 이와 관련된 연구를 심층적으로 진행하고 있으며, 압전에너지 분야의 대가들이라 할 수 있는 교수들이 많이 있다. 대표적으로 종린왕, 로저교수를 들 수 있겠다.

1. Georgia tech_Zhong Lin Wang
: 현재 세계적인 압전 에너지 하베스팅의 트렌드를 주도하고 있는 핵심인물이다. 개발한 크리스탈과 ZnO를 이용한 새로운 압전성을 띤 물질은 압전 소자의 흐름을 바꿔놓았다. piezoelectric이라는 용어를 만들기도 하였다. 안전, 효율, 크기에서의 경쟁력을 모두 확보하려 계속 연구중이다. 우리팀이 미국을 가려는 가장 중요한 이유도 Zhong Lin Wang을 만나기 위해서였다고 해도 과언이 아니다. 그만큼 이 분야에서는 가장 권위자라고 할 수 있다. 수많은 저널들에 연구가 실렸으며, 최근에는 트라이보에도 관심을 가지며 이 쪽 분야에도 심층적인 연구를 진행중이다.

-종린왕교수 홈페이지 주소 : http://www.nanoscience.gatech.edu
-종린왕교수팀 연구들을 간단하게 소개해보자면,

이처럼 핸드폰을 움직이는 손동작을 통해서 전기를 생산해내는 연구를 진행중이다. 특히 이 분야는 우리 팀에서도 관심있게 지켜보고 있는 주제라 깊이 연구해보고 싶다.
 이뿐만 아니라,

 최근에는 앞서 이야기한것처럼 트라이보에도(Triboelectric )에도 관심을 가지고 깊이 연구중이다. 이 밖에도 많은 연구들을 진행중이니 유투브에 검색해보면 좋을 듯하다. 


(다음으로는 Rogers교수에 대해서 알아보도록 하자)

미국방문 예정인 기업 및 대학교

(7.30일 기준)
<완료>
-일리노이대학교 어바나-샴페인캠퍼스 로저스교수(Rogers)
-조지아주의 Noliac(압전에너지 하베스팅 관련 연구기업)
-버스싸이클(에너지관련해서 시민운동 단체. 어떻게 이에 대한 인식을 제고할 수 있는지 연구)->9월중 영상통화로 진행

<진행중>
-조지아텍의 Zhong Lin Wang 교수
-전 Powerleap(에너지하베스팅을 상용화하려는 시도를 한 기업) CEO
-MIDE사
-Linear technology사