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제안 방법
- Modal 해석된 결과를 바탕으로 변위량에 관한 harmonic 해석을 수행하였다. 그림 2는 각 모델의 각 수평변위를 나타낸 그래프이다.
- 두 모델에 같은 외력을 인가하였고, 정류된 전류량을 큰 변화폭으로 명확히 측정하기위해 비교적 낮은 저항인 100 [Ω]을 연결한 후 전류량을 측정하였다.
- 가장자리의 고정에 의해 압전세라믹의 수평변위가 억제되므로 발생되는 전압량이 낮은 것으로 생각되어진다. 멀티미터를 통해 발생하는 전류량을 측정한 결과 각 공진주파수에서 최대 전류가 발생되었고 발생되는 전압과 전류를 산정하여 발생전력을 측정하였다. 가장자리에 진동하는 모델에 비해 중심을 진동하는 모델은 공진주파수를 낮출수 있으며 수평변위도 더 크게 발생하여 효율적인 발전 방식으로 사료되어진다.
- 이와 동시에 버려지고 있는 에너지를 재사용이 가능한 에너지로 수확하는 에너지 하베스팅 기술 (energy harvesting technology, EHT)도 함께 많은 개발이 이루어지고 있는 추세이다 [1-4]. 본 논문에서는 원판형 유니몰프 타입 압전 트랜스듀서를 제작하고, FEM 프로그램인 ANSYS를 통하여 출력특성을 시뮬레이션한 후 진동 실험을 통해 두 결과를 비교 및 분석하였다.
- 바이몰프의 경우 세라믹이 양쪽 면에 부착되어 굴곡변형으로 인해 큰 전압이 출력되지만 유니몰프에 비해 작은 외력에 반응하는 것이 어려우며 유니몰프에 비해 높은 공진주파수를 갖는 차이점이 있다 [5,6]. 본 논문에서는 원판형 유니몰프 타입 압전 트랜스듀서를 제작하고, 진동 위치에 따른 출력특성을 해석 및 측정한 후 두 모델의 결과를 비교하였다. 그림 1은 진동 위치에 따른 모델의 형상을 나타낸 것으로써 중심 진동 모델과 가장자리 진동 모델로 구분하였다.
- 본 논문에서는 원판형 유니몰프타입 압전 트랜스듀서를 제작하고, FEM 프로그램을 통한 해석과 가진기를 이용한 진동실험을 통해 특성을 비교 및 측정하였다. 두개의 트랜스듀서 중 하나는 중심에 진동을 인가하고 다른 하나는 탄성체의 가장자리에 진동을 인가하였다.
- 그림 4는 출력특성을 측정하기 위한 실험장치이다. 신호발생기 (33120A, USA)에서 진동의 주파수와 진폭을 설정한 후 전력증폭기 (PA25E, Denmark)에 신호를 인가하였다. 인가된 신호는 전력증폭기를 통해 증폭되며, 증폭된 신호는 쉐이커 (V201, Denmark)에 인가되어 진동을 발생시켰.
- 인가된 신호는 전력증폭기를 통해 증폭되며, 증폭된 신호는 쉐이커 (V201, Denmark)에 인가되어 진동을 발생시켰. 신호발생기를 이용하여 주파수를 가변함으로써 주파수에 따른 트랜스듀서의 발생전압 특성과 트랜스듀서의 진동 영역에 따른 특성을 각각 측정하였다. 두 개의 트랜스듀서 중 하나는 세라믹의 중심에 진동을 인가하고 다른 하나는 탄성체의 가장자리 네 부분에 인가였다.
- 접착제의 특성상 상온에서 접착력이 감소하는 것을 보완하기 위하여 트랜스듀서를 건조오븐에서 130도의 온도로 1시간 동안 가열건조 하였다. 접착이 완료된 트랜스듀서에 분극방향으로 전선을 결선하여 그림 3과 같은 원판형 유니몰프 타입 압전 트랜스듀서를 제작하였다. 2.
- 용된 접착제는 탄성접착제인 에폭시 (Epoxy 353ND, USA)가 사용되었다. 접착제의 특성상 상온에서 접착력이 감소하는 것을 보완하기 위하여 트랜스듀서를 건조오븐에서 130도의 온도로 1시간 동안 가열건조 하였다. 접착이 완료된 트랜스듀서에 분극방향으로 전선을 결선하여 그림 3과 같은 원판형 유니몰프 타입 압전 트랜스듀서를 제작하였다.
- 캐패시터와 100 [Ω] 저항을 병렬 연결한 후 멀티미터 (34401A, UDA)로 정류된 전류를 측정하였다.
- 트랜스듀서의 전체 요소는 solid 5로 지정하였고, 탄성체인 brass와 압전 세라믹인 PZT4의 물성치를 각각 정의하여 모델링하였다 [7]. 표 1은 모델링된 트랜스듀서의 사이즈와 물성치를 나타내었다.
- 회로는 다이오드와 캐패시터를 이용하여 정류·평활 회로를 구성하였다. 트랜스듀서의 출력단에서 오실로스코프 (GDS-840C, Taiwan)로 발생전압을 측정하였고. 캐패시터와 100 [Ω] 저항을 병렬 연결한 후 멀티미터 (34401A, UDA)로 정류된 전류를 측정하였다.
- 해석 결과의 검증을 위해 본 트랜스듀서를 직접 제작하여 진동 실험을 하였다. 와이어 컷팅된 직경 45 [mm], 두께 0.
- 회로는 다이오드와 캐패시터를 이용하여 정류·평활 회로를 구성하였다.
대상 데이터
- 해석 결과의 검증을 위해 본 트랜스듀서를 직접 제작하여 진동 실험을 하였다. 와이어 컷팅된 직경 45 [mm], 두께 0.1 [mm]의 brass 원판에 직경 25 [mm], 두께 0.2 [mm]인 원형 PZT 세라믹을 탄성접착제를 사용하여 접착하였다. 용된 접착제는 탄성접착제인 에폭시 (Epoxy 353ND, USA)가 사용되었다.
- 2 [mm]인 원형 PZT 세라믹을 탄성접착제를 사용하여 접착하였다. 용된 접착제는 탄성접착제인 에폭시 (Epoxy 353ND, USA)가 사용되었다. 접착제의 특성상 상온에서 접착력이 감소하는 것을 보완하기 위하여 트랜스듀서를 건조오븐에서 130도의 온도로 1시간 동안 가열건조 하였다.
데이터처리
- ANSYS의 harmonic 해석을 통한 시뮬레이션 값과 진동 실험을 통해 측정한 값을 비교하였다. 시뮬레이션 외력의 크기는 0.
- 제작된 트랜스듀서를 임피던스 분석장치 (HP8757, USA)를 통해 임피던스 곡선을 정의하였고, 이를 ANSYS에서 해석한 결과값과 비교하였다. 그림 5는 가장자리 진동 모델의 임피던스 곡선을 비교한 그래프이다.
- 표 1의 사이즈로 ANSYS의 Modal 해석을 통해 각 진동 조건에 따른 두 모델의 공진주파수를 해석한 결과를 나타내었다.
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