경상국립대학교 “불확실성을 고려한 효율적 압전 에너지 하베스터 설계기술 개발”

경상국립대학교우주항공대학 항공우주공학부 임형준 교수 연구팀이 외부 하중, 재료 물성, 작동 주파수의 변화가 있는 환경에서도 안정적으로 성능을 유지할 수 있는 압전 에너지 하베스터 최적설계 기술을 개발했다.

이번 연구는 에너지 하베스터의 신뢰성을 높이는 동시에 계산시간을 줄이고, 실제 제작에 유리한 구조 형상까지 구현했다는 점에서 의미가 크다.

압전 에너지 하베스터는 기계적 진동을 전기에너지로 바꾸는 기술로, 무선센서와 자가구동 소자 등에 활용될 수 있다.

하지만 실제 사용 환경에서는 하중과 재료 특성이 일정하지 않아 성능이 쉽게 달라질 수 있다는 한계가 있었다. 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 불확실성을 반영한 최적설계 기법을 제안했고, 이를 통해 성능 변동에 덜 민감한 구조를 구현했다.

특히 연구팀은 여러 계산기법을 통합해 기존보다 훨씬 적은 계산으로도 안정적인 설계가 가능함을 확인했다.

하중 불확실성 조건에서는 평균 성능과 안정성이 함께 향상됐고, 기존 방법보다 필요한 계산 샘플 수를 크게 줄여 75% 이상의 계산 효율 향상을 달성했다.

또한 구조 경계를 더 매끄럽게 만들어 응력집중을 줄이고, 실제 제조 가능성도 높였다.

임형준 교수는 “이번 연구는 압전 에너지 하베스터 설계에서 불확실성과 제조 가능성을 동시에 고려한 실용적 설계기술을 제시한 데 의의가 있다.”라며 “향후 자가구동 센서, 스마트 구조물, 진동 기반 에너지 하베스팅 시스템 등에 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 기대한다.”라고 밝혔다.

연구 결과는 《공학연구성과(Results in Engineering)》(IF: 7.9, JCR 상위 3%)에 ‘매끄러운 경계와 계산 비용 절감을 고려한 압전 에너지 하베스터의 효율적·강건 위상 최적화(Efficient Robust Topology Optimization of Piezoelectric Energy Harvesters with Smooth Boundaries and Reduced Computational Cost)’라는 제목으로 00월 0일 게재됐다.