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심장 내 심박 조율기 자가 구동을 위한 나노스케일 혈압 에너지 하베스팅의 수학적 해석 모델
윤헌준(Heonjun Yoon),윤병동(Byeng D. Youn) 대한기계학회 2016 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2016 No.12
Perpetual progress in nanofabrication enables the miniaturization of implantable medical devices, such as a pacemaker. This makes it possible to fit the pacemaker in a tiny capsule which can be implanted intravenously in a heart without leads. Nanoscale energy harvesting from human blood pressure has attracted enormous interests as a promising solution to permanently power a leadless intra-cardiac pacemaker. With this purpose in mind, we propose a multiphysics analytical model to predict the output voltage generated by a nanoscale dielectric plate considering the flexoelectricity, the surface effect, and the nonlocal effects. The flexoelectricity concerns a linear coupling between the strain gradient and the polarization. The existence of the strain gradient locally breaks the inversion symmetry, thereby rendering the formation of dipole moments in all dielectrics. The Kirchhoff plate theory is applied to analyze the bending behavior of the nanoscale dielectric plate. Based on the Gurtin-Murdoch theory, the surface elasticity is taken into consideration by the generalized Young-Laplace equations with non-classical boundary conditions. Hamilton’s principle is used to derive the differential equation of motion. The electrical circuit equation is derived by substituting the piezoelectric constitutive relation involving the higher-order gradient (nonlocal) terms into Gauss’s law. Finally, the output voltage is explicitly obtained under human blood pressure with the low-frequency variation of 1 Hz.
윤헌준(Heonjun Yoon),윤병동(Byeng D Youn),김흥수(Heung Soo Kim) 대한기계학회 2015 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2015 No.11
Although tremendous advances have been made in designing a piezoelectric energy harvester to maximize output power, the research on reliability assessment for durability has been stagnant due to the complicated nature of the multiple failure events of the piezoelectric energy harvester. Furthermore, no clear understanding on statistical coupling between the durability and energy conversion efficiency under uncertainty. This study thus addresses system reliability analysis on the multiple failure events of the piezoelectric energy harvester such as (i) fatigue failure, (ii) output voltage drop, and (iii) output power drop under uncertainty. First, based on the Kirchhoff plate theory, the electromechanicallycoupled analytical model is employed to analyze the electromechanical behaviors of the piezoelectric energy harvester. In calculation of the bending stress of the piezoelectric patch, the voltage-induced stress is taken into consideration. Second, the Monte Carlo simulation (MCS) is implemented for uncertainty propagation analysis. Finally, system reliability analysis is performed by using the Generalized Complementary Intersection method (GCIM).
무선센서 네트워크 자가발전을 위한 에너지 하베스팅 기술
윤헌준(Heonjun Yoon) Korean Society for Precision Engineering 2021 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 Vol.2021 No.11월
21세기를 살아가는 인류는 제조업과 정보통신기술(ICT)의 융합을 골자로 한 이른바 4차 산업혁명으로 일컬어지는 파괴적 혁신에 직면하고 있다. 특히 사람과 설비, 설비와 설비 간에 실시간으로 데이터를 교환하며 상호 긴밀하게 연결되는 사물인터넷(IoT) 기술과, 주어진 데이터를 기반으로 설비들이 자율적으로 추론, 학습, 판단하는 인공지능(AI) 기술은 초(超)연결/초(超)지능 시대를 지향하는 4차 산업혁명의 중요한 양대 축이라고 할 수 있으며, 이제껏 인류가 한 번도 경험하지 못했던 새로운 미래사회로의 대변혁을 가능케 한다. 따라서 4차 산업혁명 시대의 핵심 가치는 정보의 연결과 접속의 강도로 귀결되며, 앞으로 도래할 사물인터넷 사회의 완성은 결국 양질의 데이터 획득을 위한 지속가능한 무선센서 네트워크 구축에 방점이 찍힐 수밖에 없다는 결론에 도달하게 된다. 지속가능한 무선센서 네트워크 구축을 위한 선결조건은 바로 안정적이고 경제적인 전력공급 시스템 확보라는 것은 주지의 사실이다. 그러나 원격으로 배치된 무수히 많은 센서들에 전선을 연결하는 것은 물리적으로 불가능하며, 주기적인 배터리 교체로 전력을 공급하는 것은 많은 유지보수 비용을 야기할 뿐만 아니라 일시적인 전원 종료가 요구된다. 이에 우리 주변에서 버려지는 진동을 전력으로 변환하여 무선센서를 반영구적으로 구동하는 에너지 하베스팅 기술이 큰 각광을 받고 있다. 압전 진동 에너지 수확의 기본 메커니즘은 압전 소자가 외부 응력에 의해 변형이 발생하면 전류가 흐르는 다중 물리(전기-탄성 연성) 현상이다. 따라서 주어진 진동 조건에서 압전 진동 에너지 수확 성능을 극대화하기 위해서는, 전기-탄성 연성 거동을 본질적으로 명확히 이해하고 최적의 설계 인자들을 도출하는 것이 매우 중요하다. 이에 본 발표에서는 (1) 2차원 전기-탄성 연성 해석 모델 개발(결정론적 접근)과 이를 바탕으로 한 (2) 비정상 불규칙 진동 하에서 압전 진동 에너지 수확 성능 예측(추계적 접근) 방법론을 소개한다. 먼저, 결정론적 접근법으로써 구조물 표면에 부착된 압전 소자의 질량 및 강성 효과를 고려한 2차원 전기-탄성 연성 해석 모델을 제시한다. Kirchhoff 가설에 근거한 평면 응력 상태에서 Hamilton 원리를 통하여 기계 운동 방정식을 유도하였다. 압전 소자 부착으로 인한 기하학적 불연속성을 극복하기 위하여 Rayleigh-Ritz 방법으로 모드 해석을 수행하였으며, 시험 함수로 직교 다항식이 사용되었다. 끝으로 Gauss 법칙으로부터 얻어진 전기 회로 방정식과 상기된 기계 운동 방정식으로부터 최종적인 전압 예측 모델을 유도하였다. 한편 자연계에 존재하는 실제 진동은 비정상(非定常) 불규칙 형태를 지니기 때문에, 압전 진동 에너지 수확 성능 역시 변동성을 갖는다. 따라서 압전 진동 에너지 수확의 시변(時變) 출력 성능에 대한 추계적 해석 방법론을 제시한다. 핵심 아이디어는 시간-주파수 분석 기법을 통하여 비정상 불규칙 진동의 시변 파워 스펙트럼 밀도를 추정한 후에, 선형 연산자에 의해 계산된 전압 응답의 자기 상관 함수로부터 평균 전력을 예측하는 것이다. 더불어 상관성 척도를 이용하여 추계적 해석 정확도를 실험적으로 검증한다.