• Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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• v.27 no.2
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• pp.63-70
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• 2014

Design sensitivity analysis and topology design optimization for a piezoelectric crystal resonator are developed. The piezoelectric crystal resonator is deformed mechanically when subjected to electric charge on the electrodes, or vice versa. The Mindlin plate theory with higher-order interpolations along thickness direction is employed for analyzing the thickness-shear vibrations of the crystal resonator. Thin electrode plates are masked on the top and bottom layers of the crystal plate in order to enforce to vibrate it or detect electric signals. Although the electrode is very thin, its weight and shape could change the performance of the resonators. Thus, the design variables are the bulk material densities corresponding to the mass of masking electrode plates. An optimization problem is formulated to find the optimal topology of electrodes, maximizing the thickness-shear contribution of strain energy at the desired motion and restricting the allowable volume and area of masking plates. The necessary design gradients for the thickness-shear frequency(eigenvalue) and the corresponding mode shape(eigenvector) are computed very efficiently and accurately using the analytical design sensitivity analysis method using the eigenvector expansion concept. Through some demonstrative numerical examples, the design sensitivity analysis method is verified to be very efficient and accurate by comparing with the finite difference method. It is also observed that the optimal electrode design yields an improved mode shape and thickness-shear energy.

• Composites Research
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• v.29 no.6
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• pp.379-387
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• 2016

Structural model of laminated composite plate based on the first order shear deformation theory and subjected to a combination of piezoelectric, electromagnetic and thermal fields is established. Coupled equations of motion are derived via Hamilton's principle on the basis of electromagnetic and piezoelectric equations which are involved in constitutive equations. Proportional control and velocity feedback control logics are applied via boundary control moments and forces. Variations of dynamic chasracteristics of composite plate with collocated piezoelectric sensor and actuators, electromagnetic field and temperature gradient are investigated and it reveals that dynamic characteristics of structure can be effectively controlled by utilizing the piezoelectric effect and ply angles of fiber reinforced composites.

• Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
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• 2008.06a
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• pp.337-337
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• 2008

Acoustic emission(AE) 센서의 감도개선을 위해 적합한 압전소자의 특성향상에 대해 연구하였다. AE 센서기술은 재료 내부에 마이크로크랙에 의해 변형과 손상이 생길 때 발생하는 기계적인 진동을 고감도 압전소자를 통해 전기적인 신호로 변환해 재료의 이상 유무를 알 수 있는 유용한 방법이다. AE 센서는 압전소자와 구리 캡 그리고 구리와 황동재질의 떨림판으로 구성되어 있다. 재료의 손상을 알기위한 변위가 낮을 경우 약한 AE 신호가 발생하며 검출하기가 어렵다. 미세변위에 의한 AE신호를 검출하기 위해서는 우수한 전기기계결합계수 (kp)와 압전상수($d_{33}$)를 갖는 압전소자가 필요하다. 이에 본 연구에서는 Pb$(Zr_{0.54}Ti_{0.46})O_3$ + x wt%$Cr_2O_3$ + y wt%$Nb_2O_5$ 조성에서 $Cr_2O_3$, $Nb_2O_5$ 첨가량 x, y 변화에 따른 압전특성과 AE센서특성을 고찰하였다.

• The Journal of the Acoustical Society of Korea
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• v.27 no.6
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• pp.271-278
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• 2008

The electro-mechanical characteristics were theoretically analyzed for the wideband ultrasonic transducer made of non-uniform thickness piezoelectric vibrator. This paper proposes a combination of exponential functions which describes the thickness variation along the length of the vibrator to derive the input admittance and power transfer function of the transducer. The bandwidth and the power transfer function of the transducer were investigated while the lateral shape of the vibrator changes. The results showed there is an optimum shape for the wideband characteristics of the transducer, and the bandwidth has increased up to over 100% as the ratio of minimum value of thickness to maximum value decreases. However, the power transfer function had a downward trend as the ratio of thickness decreases. Also we confirmed that even though the value of transfer function increases as the length of the piezoelectric vibrator increases, the shape providing wideband characteristics is very limited. It means that precision processing is required to manufacturing a wideband ultrasonic transducer with high efficiency.

• Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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• v.13 no.10
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• pp.777-784
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• 2003

Acoustic response control of a corner-pinned plate using piezoelectric wafers was studied, both theoretically and experimentally Three different sizes of aluminum alloy plates were used and available ball joints were employed to hold the plate at the four corners. The plate with the largest aspect ratio showed the largest and most clear responses to the acoustic excitation in the range of frequencies (0∼200 Hz), and sound pressure levels (80∼100 dB) as predicted. The reduction of the acoustic response of the plate by piezoelectric actuator was very significant, more than expected, but abatement of the sound transmission through the plate was only slightly altered by the piezoelectric actuator. This work is an original work extending earlier work with doors excited by acoustic fields. The important difference is the used of ball joints to simulate the joints.

• Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
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• 2006.11a
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• pp.37-38
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• 2006

본 연구에서는 압전체의 횡 진동모드를 이용한 압전 초음파 진동자를 설계 분석하였다. 이전의 란쥬반 진동자는 진동을 얻기 위하여, 복수의 원판 또는 사각판 형태의 압전 세라믹을 서로 반대 방향으로 분극하여 마주 보도록 설치한 후 전기적으로 병렬로 연결하고 상단 및 하단에 금속부을 부착하여 전체를 볼트로 조인 복잡한 구조와 큰 출력 파워를 갚는 반면, 본 연구에서는 판상형의 압전소자와 일체형 금속진동체를 이용하여 기계적 출력 파워 조절이 용이한 구조의 압전 진동자를 고안하여, 압전진동자의 횡 진동 모드를 이용함으로써 신뢰성과 정확도가 높고 진동효율이 최대가 되도록 설계하였다. 설계 개발된 압전 진동자는 진동의 크기 조절이 용이하여 일반 진동자 뿐 만 아니라, 외과 및 안과 수술에 있어서 인체조직이나 각막상피의 활성화를 유지한 상태에서 안전하게 절개 및 분리 시술용 진동자로 사용 할 수 있는 이점이있다. 압전 진동자는 유한요소법 시뮬레이션 프로그램 (ATILA 5.2.4)을 이용하여 설계를 하였으며 압전소자의 두께는 각각 0.2 mm, 0.5 mm로 제작하여 시뮬레이션 결과와 제작된 샘플의 특성을 비교하였고, 변위측정은 칼날을 결합 한 상태에서 공진 주파수대역 부근 주파수별로 측정 비교하였다.

• Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
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• 2010.06a
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• pp.19-19
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• 2010

현재 산업에서 높은 정밀성과 설치의 간편함으로 이용량이 증가하고 있는 초음파 유량계는 압전진동자를 사용하여 측정을 한다. 일반적으로 초음파 유량계에서 초음파를 발생하고 수신하는 압전 세라믹 진동자의 경우 대부분 $200^{\circ}C$ 이상의 고온에서는 사용이 불가능하다. 따라서 고온에서의 이용을 위한 사용가능 온도의 영역을 개선하기 위한 조성이나 구조적인 변화가 필요하였고, 조성변화에 있어서는 한계가 있기 때문에 구조 측면에서 접근하고자 하였다. 초음파 유량계의 구조에 있어 외접형 도파관 방식을 선택하였으며, 도파관의 길이, 방열판의 개수, 재질 등의 변수에 대하여 시뮬레이션을 하였다. 시뮬레이션 결과를 바탕으로 얻어진 결과에 대하여 샘플을 제작하였으며, 압전 진동자에 도달되는 온도를 평가 하였을 시 방열판에 대한 온도감소효과를 얻을 수 있었다.

• Composites Research
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• v.20 no.6
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• pp.21-27
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• 2007

Low-velocity impact damage in a composite stiffened panel was detected using built-in piezoelectric active sensor arrays. Using these piezoelectric active sensors, various diagnostic signals were generated to propagate Lamb waves through the structure and the responses were picked up to detect changes in the structure's vibration signature due to the damage. Three algorithms - ADI(Active Damage Interrogation), TD RMS (Time Domain Root Mean Square) and STFT (Short Time Fourier Transform) - were examined to express the features of the signal changes as one damage index. From damage detecting tests, two impact induced delaminations were detected and the location was estimated with the algorithms and diagnostic signals.

• 전기의세계
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• v.34 no.4
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• pp.213-219
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• 1985

2중층 압전변압기를 공진주파수로 동작시키면 부하저항이 클수록 전압비가 커지고 부하저항의 변동에 대하여도 안정되며, 특히 무부하시의 전압비는 전기기계결합계수의 제곱과 기계적 품질계수의 곱에 비례하고, 또 그 크기나 형상에는 관계없으므로 설계시 제약이 적은 장점이 있다. 한편 이 변압기의 공진주파수는 압전진동자의 직력공지주파수에 크게 의존하고, 진동자의 고정용량, 전기기계결합계수, 절연판의 정전용량 등에 의해서도 영향을 받으며, 부하저항이 큰 경우의 공진주파수는 부하저항의 변동에 대하여 안정됨을 알 수 있다. 따라서 이러한 2중층 압전변압기를 이용하여 높은 전압비를 얻으려면, 변압기를 전기기계 결합계수와 기계적 품질계수가 큰 압접진동자로 제작하고, 또 그 변압기를 저항이 큰 부하에서 공진주파수로 동작시키는 것이 바람직하다.

• Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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• 2009.04a
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• pp.2-5
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• 2009

본 논문에서는 오실레이터 센서와 램파 센서를 결합하여 구조물 손상 진단을 위한 통합된 압전 센서 시스템을 제안한다. 구조물 손상으로 인한 공진주파수 변화를 관측할 수 있는 오실레이터 센서는 손상 정도에 민감하게 반응하고 구조가 단순한 장치이지만 측정 범위가 센서 주위로 제한되는 특성을 가진다. 반면에 램파를 이용한 진단 시스템은 원거리에 위치한 구조물의 손상부를 감지하기에 유용하다. 본 논문에서는 오실레이터 센서를 이용한 취약 지점의 국부적인 손상 진단 방식과 램파를 이용한 광역적인 손상 진단 방식을 결합하여 각 시스템의 장점들을 활용할 수 있는 센서 시스템의 적용가능성을 연구하였다. PZT소자를 알루미늄 판에 적용하여, 알루미늄판의 손상 정도에 따른 오실레이터 공진주파수의 변화와 램파 신호의 Time of flight, 그리고 진폭의 변화를 이용하여 구조물 손상형태의 판별 가능성을 제시하고 실험을 통하여 그 타당성을 검증하였다.