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소음진동 특집 - 음향양자 결정의 결함 모드를 이용한 압전 에너지 수확 성능 증폭

최근 무선 센서 네트워크를 이용한 실시간 모니터링 기술을 바탕으로 안전하고 효율적인 스마트 플랜트가 제조업계의 혁신으로 도입되고 있다. 하지만 무선 센서의 화학적 배터리 교체 및 수명의 한계가 극복해야 할 문제점으로 대두되고 있으며, 이에 대한 해결 방책으로 압전 에너지 수확 기술이 주목을 받고 있다. 압전 에너지 수확 기술이란 압전 효과를 이용하여 주변에서 버려지는 기계적 에너지 (예:파동)를 센서 및 소형 전자기기의 전력원으로 활용하는 기술을 뜻한다. 기존 압전 에너지 수확 기술은 고효율 압전 소재/자 개발, 소자 형상 및 전기 회로 최적화에 초점을 맞추었으나 근래에는 압전 소자에 전달되는 파동 에너지를 증폭시키는 음향 양자 결정 기반 압전 에너지 수확 기술이 새로운 연구 분야로 떠오르고 있다. 

음향 양자 결정이란 단위 격자를 주기적으로 배열한 인공 구조체를 뜻하며 입사하는 파동이 음향양자 결정을 투과하지 못하는 주파수 대역을 밴드 갭이라 한다. 밴드 갭을 가지는 음향 양자 결정 내에 국부적으로 주기성을 파괴하는 결함을 인위적으로 인가할 시, 결함 밴드라고 불리는 얇은 투과 밴드가 생성된다. 결함 밴드 주파수에 상응하는 파동이 결함 인가 음향 양자 결정에 입사할 시, 파동 에너지가 결함 부근에 국부화 및 증폭된다. 결함 모드 기반 에너지 국부화는 밴드 갭 특성과 결함의 기계적 공진이 융합한 결과물로 알려져 있다. 따라서 압전 소자를 결함에 부착함으로써 궁극적으로 압전 에너지 수확 성능의 획기적인 향상을 가능케 한다. 이 글에서는 압전 결함 인가 음향양자 결정의 수학적 해석 모델과 광대역 압전 에너지 수확을 위한 개념 설계안과 관련된 기존 사례들을 살펴본다. 

 

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• https://www.ksnve.or.kr/html/academic_journal.vm
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