보고서 정보
주관연구기관 |
중앙대학교 Chung Ang University |
보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
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발행년월 | 2014-05 |
과제시작연도 |
2013 |
주관부처 |
미래창조과학부 Ministry of Science, ICT and Future Planning |
등록번호 |
TRKO201500003114 |
과제고유번호 |
1711006778 |
사업명 |
중견연구자지원 |
DB 구축일자 |
2015-05-16
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키워드 |
압전소자.진동 에너지 수확장치.멀티모프.광대역 소자.주파수 동조형 소자.바이오센서.스크린 프린팅 기법.MEMS 기술.기능성 유체의 3차원 선택적 finishing.Piezoelectric element.Vibration energy harvesting device.Multimorph.Broadband frequency.Frequency-tunable element.Bio-sensor.Screen printing method.MEMS technology.3-D selective functional fluid finishing.
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DOI |
https://doi.org/10.23000/TRKO201500003114 |
초록
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연구의 목적 및 내용
본 연구에서는 임의의 환경진동 주파수에 대해 동조 가능한 에너지 수확기의 설계 및 개발을 목표로 이론적/실험적 연구를 수행함. 이를 위해 1) 멀티모프 압전 소자의 해석기술의 개발, 2) 비선형 효과 및 주파수 변조 기술을 적용한 광대역 주파수 동조가 가능한 에너지 수확기 시스템의 개발, 3) multi-stable 시스템을 구성하여 최대 에너지 수확이 가능한 수확기의 설계를 가능하게 해 주는 최적화 해석 기법의 확보, 4) 기능성 유체를 이용한 3차원 선택적 finishing 장비의 개발 및 전기/화학적
연구의 목적 및 내용
본 연구에서는 임의의 환경진동 주파수에 대해 동조 가능한 에너지 수확기의 설계 및 개발을 목표로 이론적/실험적 연구를 수행함. 이를 위해 1) 멀티모프 압전 소자의 해석기술의 개발, 2) 비선형 효과 및 주파수 변조 기술을 적용한 광대역 주파수 동조가 가능한 에너지 수확기 시스템의 개발, 3) multi-stable 시스템을 구성하여 최대 에너지 수확이 가능한 수확기의 설계를 가능하게 해 주는 최적화 해석 기법의 확보, 4) 기능성 유체를 이용한 3차원 선택적 finishing 장비의 개발 및 전기/화학적 finishing 기술 확보, 5) bio-sensor로의 응용을 위한 생체 적응형 압전 소재에 대한 연구 및 이를 이용한 에너지 수확기의 개발을 수행함.
연구결과
본 연구에서는 2차원 압전 구조물의 구속조건에 따른 해석기법을 마련함으로써 압전환형 섹터 판의 거동 해석 및 끝단 질량을 갖는 바이모프 캔틸레버 빔 타입 에너지 수확기의 거동 해석을 수행함. 이 때 바이모프 캔틸레버 빔을 제작하기 위해 스크린프린팅 기법이 사용되었고, 본 연구를 통해 제작된 자기 유변 유체를 이용한 finishing 장치를 이용하여 표면 finishing 작업이 수행됨. 기존에 사용되던 에너지 수확기 구조에 비선형 특성을 인가함으로써 광대역 주파수 동조가 가능한 시스템을 개발하였고, 강한 비선형 시스템의 이론적 해석을 통해 수확 파워를 최대화할 수 있는 최적화 해석 기법을 확보함. 특히, 자기력을 이용한 multi-stable 수확기 시스템의 설계 및 비선형 해석 기법을 확보함으로써, 광대역 동조 특성과 대용량 에너지 수확 특성을 동시에 갖는 고효율 에너지 수확기의 개발이 가능해짐. 한편, 본 과제를 통해 새로 개발한 자기 유변 탄성체를 이용한 주파수 변조 기술은 광대역 주파수 동조형 에너지 수확기 개발 방식의 다양성을 확보하는 연구결과로 사료됨. 마지막으로 에너지 수확기의 bio-sensor로에 응용을 위해, 생체 적응형 압전 소자 (PVDF, polymer coated 압전 소자 등)에 대한 연구가 수행되었고, 이들 소자를 이용한 에너지 수확기의 제작을 완료함.
연구결과의 활용계획
본 연구를 통해 개발된 해석 기법 및 에너지 수확기 모델을 통해, 1) 스크린 프린팅, MEMS 가공기술을 기반으로 하는 초소형 압전 멀티모프 소자의 설계 및 제작에 대한 원천기술, 2) 압전 멀티모프 소자 해석 및 평가기술, 3) 자기 유변 유체를 이용한 3차원 압전소자 표면 finishing 기술 및 선택성 향상기술을 확보할 수 있음. 또한 자기력을 이용한 multi-stable특성 및 자기 유변 탄성체를 이용한 주파수 변조 기술을 통해 임의의 환경진동 주파수에 대해 동조가 가능하고, 높은 에너지 수확 효율을 갖는 압전 에너지 수확기의 개발이 가능해 짐으로써, 4) 높은 생체 친화성 및 표면 특성을 갖는 마이크로/나노 소자를 요하는 바이오센서 유관 산업분야에 대한 막대한 부가가치의 창출이 기대된다.
Abstract
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Purpose&contents
In this research, a series of theoretical and experimental studies have been performed to investigate the characteristics of broadband, frequency-tunable energy harvester. To this end, we developed 1) analysis technologies of piezoelectric multimorph elements, 2) broadband, frequ
Purpose&contents
In this research, a series of theoretical and experimental studies have been performed to investigate the characteristics of broadband, frequency-tunable energy harvester. To this end, we developed 1) analysis technologies of piezoelectric multimorph elements, 2) broadband, frequency-tunable energy harvester applying nonlinear effect and frequency-tuning technique, 3) analysis technologies of optimal design for maximizing output power using multi-stable system, 4) selective ultra-precision 3-D surface finisher and electrical/chemical finishing technologies, 5) bio compatible piezoelectric type energy harvester for application to bio-sensor system.
Result
In this research, we analyzed the behavior of 2-D piezoelectric annular plate and energy harvester composed of bimorph cantilever beam with tip mass according to a series of boundary conditions. At this moment, the screen printing method and surface finisher developed from this research were used for fabricating bimorph cantilever beam and finishing the piezoelectric elements. We developed broadband, frequency-tunable energy harvester by applying nonlinear characteristic to the typical energy harvester structure and retained the analysis technologies of output power optimization by theoretical studies of the strong nonlinear system. By means of securing analysis technologies of designing multi-stable energy harvester system, developing the broadband, frequency-tunable energy harvester with high harvesting efficiency became possible. Meanwhile, the frequency tuning technology using magneto-rheological elastomer developed by this research is accounted as a result assuring diversity in realizing broadband, frequency-tunable energy harvester system. Lastly, a series of research were conducted to develop bio compatible energy harvester made of bio compatible piezoelectric elements such as PVDF and polymer coated piezoelectric elements.
Expected Contribution
From the analysis technologies developed from this research, we can obtain 1) original technologies for the design and manufacturing of micro piezoelectric elements using the screen printing, MEMS, 2) analysis and evaluation technologies of the piezoelectric multimorph elements and 3) the technologies for 3-D surface finishing and improvement of selectivity using magneto-rheological fluid. And, on account of the technologies developing broadband, frequency-tunable energy harvester using multi-stable characteristic or frequency tuning technology using magneto-rheological elastomer, we can expect 4) enormous economic values brought by applying the developed energy harvesting elements to various areas such as bio-sensor industries.
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