진동-충격 영향을 고려한 켄틸레버형 에너지 하비스터의 비선형 동특성

Abstract

본 연구에서는 효율적인 전원 공급 장치를 개발하기 위해 단결정 세라믹(PMN-29PT)가 적층된 켄틸레버 빔 형태의 에너지 하비스터를 기본으로 실제 효율성있는 동역학적인 모델을 연구하였다. 이러한 저주파수 대역의 진동 장치는 변형량이 크게 발생하게 되는데 이러한 과도한 변형 발생에 따른 단결정 세라믹(PMN-29PT)의 파손이 발생할 우려가 크다. 그렇기 때문에 이러한 저주파수 대역의 진동 장치에는 효율적인 변위 제어가 반드시 필요하다. 본 연구에서는 진동-충격 영향을 고려한 비선형 해석을 통하여 스탑퍼의 유/무에 따른 켄틸레버형 에너지 하비스터의 응답 특성을 해석하고, 실험을 통하여 각 케이스에 따라 발생하는 전력을 측정하여 스탑퍼의 영향과 효율적인 변위제어 방법을 제시함으로써 내구성 향상과 실제 전원 공급 장치 제작에 필요성을 확인 하였다. 스탑퍼의 유/무에 따른 켄틸레버형 에너지 하비스터의 Harmonic Response 해석결과 스탑퍼가 없는 경우 1차모드에서 9 Hz에서 공진이 발생하며 스탑퍼를 적용한 모델은 1차모드에서 8 Hz로 공진이 감소한 했고 1차모드에서 가장 큰 변위를 가지는 것을 알 수 있었다. 또한 해석의 검증을 위해 시제품을 제작하고 제작된 켄틸레버형 에너지 하비스터가 스탑퍼 유/무에 따라 출력을 측정하여 스탑퍼가 성능에 어떤 영향을 주는지 분석하였다. 실험결과 전력은 임피던스 매칭일 때 최대 전력을 측정하기 위해 저항에 따른 임피던스 매칭을 측정하였다. 그 결과 스탑퍼가 없을 경우 800 에서 0.58 mW의 전력이 나왔고 스탑퍼 달아 충격 영향을 고려한 경우 800 에서 0.42 mW가 측정 되었다. 따라서 효율적인 변위제어를 통한 취성 재료인 단결정 세라믹(PMN-29PT)의 내구성을 향상 시키고 보호하는 역할을 할 수 있었다. 이러한 진동-충격 영향이 켄틸레버형 에너지 하비스터의 출력량 향상에도 영향을 주는 것을 실험을 통하여 확인 할 수 있었다.