초록 ▼

연구개요
본 과제에서는 광대역 진동에너지 수확기의 강건성/안정성 문제를 해결하기 위하여, piecewise double-well potential의 개념을 도입하고, 이에 대한 설계 및 최적화 기술 개발을 최종 목표로 하였다. 본 연구에서 piecewise potential은 기존의 double-well potential function에 국부적인 변형을 인가하는 것을 의미하며, 이를 통하여 intrawell motion 및 chaos motion의 발생 빈도를 최소화하고 interwell motion의 발생을 극대화하는 연구

연구개요
본 과제에서는 광대역 진동에너지 수확기의 강건성/안정성 문제를 해결하기 위하여, piecewise double-well potential의 개념을 도입하고, 이에 대한 설계 및 최적화 기술 개발을 최종 목표로 하였다. 본 연구에서 piecewise potential은 기존의 double-well potential function에 국부적인 변형을 인가하는 것을 의미하며, 이를 통하여 intrawell motion 및 chaos motion의 발생 빈도를 최소화하고 interwell motion의 발생을 극대화하는 연구를 수행하였다. 최종목표를 달성하기 위하여, 우선 제안된 광대역 에너지 수확 시스템에 대한 수학적 모델을 수립하였다. 개발된 수학적 모델을 바탕으로 동특성 및 에너지 수확 특성을 고찰하기 위한 비선형 해석 연구를 수행하였다. 이 과정에서 국부적으로 수정된 double-well potential에 따른 에너지 수확 시스템의 주파수 응답 변화를 실험적 또는 이론적으로 분석하였다. 또한, potential well 형상 변화와 에너지 수확 성능과의 상호 연관관계를 분석하였고, 이를 바탕으로 제안된 쌍안정 에너지 수확기의 강건성/안정성을 평가하였다.

연구 목표대비 연구결과
본 과제의 최종 목표는 광대역 진동에너지 수확기의 강건성/안정성 문제를 해결하는 것이다. 이를 달성하기 위해, 본 과제의 세부 연구 목표 및 내용은 1) 제안된 쌍안정 에너지 수확 시스템의 수학적 모델링, 2) 에너지 수확 성능의 강건성 분석을 위한 비선형 해석 연구, 및 3) double-well potential 설계 최적화 및 prototype 제작 연구로 구성되었다. 본 과제에서는 다자유도 진동자의 dynamic double-well potential 함수와 vibro-impact 진동자의 saturated double-well potential 함수를 기반으로 하여 총 세 가지 타입의 광대역 진동에너지 수확기가 제안되었다. 제안된 모든 시스템에 대한 수학적 모델이 개발되었으며, 수치해석 및 고차원 조화해석을 기반으로 주파수 응답의 비선형 분기 특성을 고찰하였다. 이러한 주파수 응답 해석을 통하여 고 에너지 궤도 응답 (interwell motion)의 지속성이 보장되는 주파수 대역 변화를 분석하였고, 이에 따른 에너지 수확성능의 강건성/안정성을 분석하였다. 이 과정에서 프로토타입 시스템을 병행하여 제작하였고 동특성 측정 실험을 통하여, 상기 분석 결과를 실험적으로 검증하였다. 제안된 에너지 수확 시스템은 intrawell motion 또는 chaotic motion을 억제함으로써 탁월한 광대역 에너지 수확 성능과 개선된 성능 강건성을 가지는 것으로 확인되었다.

연구개발결과의 중요성
비선형 쌍안정 진동에너지 수확 기술은 광대역/고 에너지 응답 특성을 가지고 있기 때문에, 실제 환경진동에 유연하게 대응할 수 있다는 점에서 크게 각광받고 있으나, 시스템 본연의 비선형 특성에 기인하여 성능 강건성/안정성 문제를 내포하고 있다. 본 연구과제는 쌍안정 진동자의 double-well potential을 국부적 수정함으로써 강건성 문제를 해결/완화하고자 하였고, 이를 통해 답보 상태에 있는 광대역 진동에너지 수확기의 응용/개발을 촉진시킬 수 있을 것으로 기대한다. 더불어, 이는 진동에너지 수확기의 개발에 있어서 새로운 설계 방향성 및 표준을 제시하는 의미를 가지기 때문에, 향후 관련 연구 분야에서 기술 경쟁력을 높이는 데에 일조할 수 있을 것으로 사료된다. 또한, 본 연구에서 제안된 국부적인 double-well potential 함수의 수정 방법은 에너지를 추가적으로 소모하는 능동 제어 기법을 사용하지 않은 접근 방법이라는 점에서 중요한 의미를 가진다. 관련한 이론적 메커니즘은 에너지 수확기 분야 외에도 쌍안정 진동자를 기반으로 하는 다양한 응용/학문 분야 (기계공학, 전기전자공학 및 통신, 화학공학, 생체물리학 등)에서 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 2. 연구수행내용 및 연구결과 ... 6
• 2.1. 쌍안정 에너지 수확기의 수학적 모델링 및 동특성 해석 ... 7
• 2.2. 쌍안정 에너지 수확기의 주파수 응답 측정 실험 ... 8
• 2.3. BEH-1 시스템: saddle barrier 감소에 따른 주파수 대역폭 증가 효과 ... 9
• 2.4. BEH-2 시스템: 부공진 현상 (secondary intrawell resonance)에 의한 광대역 효과 ... 10
• 2.5. BEH-3 시스템: vibro-impact 시스템의 chaos suppression 효과 ... 12
• 3. 연구개발결과의 중요성 ... 13
• 4. 참고문헌 ... 14
• 5. 연구성과 ... 15
• [붙임1] 대표적 연구실적 ... 17
• 끝페이지 ... 22