• 한국전기전자재료학회논문지
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• 제26권6호
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• pp.434-440
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• 2013

With polymer properties and ceramic volume fraction as design variables, the optimal structure of 1-3 piezocomposites has been determined to maximize the thickness mode electromechanical coupling factor. When the piezocomposite vibrates in a thickness mode, inter-pillar resonant modes are likely to occur between lattice-structured piezoceramic pillars and polymer matrix, which significantly deteriorates the performance of the piezocomposite. In this work, a new method to design the structure of the 1-3 type piezocomposite is proposed to maximize the thickness mode electromechanical coupling factor while preventing the occurrence of the inter-pillar modes. Genetic algorithm was used for the optimal design, and the finite element analysis method was used for the analysis of the inter-pillar mode.

• 한국전기전자재료학회논문지
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• 제26권11호
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• pp.790-800
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• 2013

The optimal structure of 1-3 piezocomposites has been determined by controlling polymer properties, ceramic volume fraction, thickness of composite and aspect ratio of the composite to maximize the TVR (transmitting voltage response), RVS (receiving voltage sensitivity) and FBW (fractional bandwidth) of underwater acoustic transducers. Influence of the design variables on the transducer performance was analyzed with equivalent circuits and the finite element method. When the piezocomposite is vibrating in a pure thickness mode, inter-pillar resonant modes are likely to occur between lattice-structured piezoceramic pillars and polymer matrix, which significantly deteriorate the performance of the piezocomposite. In this work, a new method to design the structure of the 1~3 type piezocomposite was proposed to maximize the TVR, RVS and FBW while preventing the occurrence of the inter-pillar modes. Genetic algorithm was used in the optimal design.

• 전자공학회논문지 IE
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• 제48권2호
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• pp.40-46
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• 2011

본 연구에서는 테입-케스팅 방법을 이용하여 제작한 PZT-5A의 소결온도 변화에 따른 압전특성을 조사한 후 유한요소 해석법을 이용하여 2-2형 압전복합재료를 초음파 트랜스듀서를 설계하고 압전특성을 해석하였다. 2-2형 압전복합재료의 음향임피던스와 압전전하상수($d_{33}$)는 PZT 부피분율이 감소함에 따라 밀도의 감소로 감소하여 0.6~0.2의 범위에서 14~3 MRayl로 초음파 트랜스듀서로 사용가능한 특성을 나타내었다. 공진특성과 전기기계결합계수는 PZT부피분율이 0.6일 때 가장 우수한 특성을 나타내었으며, PZT의 부피분율이 0.2~0.6에서는 $k_t$ 값이 0.64~0.68로 거의 일정한 값을 유지하였지만 그 이상에서는 급격하게 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 이상의 실험결과로부터 2-2형 압전복합재료는 초음파 트랜스듀서 재료로 응용 가능성을 확인 할 수 있었다.

• 한국복합재료학회:학술대회논문집
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• 한국복합재료학회 2004년도 추계학술발표대회 논문집
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• pp.282-285
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• 2004

The main purpose of this study is the vibration suppression of rotating composite blade containing distributed piezoelectric sensors and actuators. The blade is modeled by thin-walled, single cell composite beam including the warping function, centrifugal force, Coriolis acceleration and piezoelectric effect. Further, the numerical study is performed m ing finite element method. The vibration of composite rotor is suppressed by piezocomposite actuators and PVDF sensors that are embedded between composite layers. A velocity feedback control algorithm coupling the direct and converse piezoelectric effect is used to actively control the' dynamic response of an integrated structure through a closed control loop. Responses of the rotating blade are investigated. Newmark time integration method is used to calculate the time response of the model. In the numerical simulation, the effect of parameters such as rotating speed, fiber orientation of the blade and size of actuators are studied in detail.

• 한국음향학회지
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• 제30권8호
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• pp.436-445
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• 2011

본 논문에서는 2-2형 압전복합체의 등가 물성 도출에 관해 연구하였다. 먼저 2-2 압전복합체의 특성 변화를 유한요소법으로 해석하였고, 해석 결과와 2-2 압전복합체 시제작품의 특성 측정 결과를 비교하여 유한요소해석의 타당성을 검증하였다. PZT-5H와 고분자재료로 구성된 압전복합체의 단일상 등가물성은 Asymptotic Averaging Method를 이용하여 도출하였고, 도출된 물성을 다양한 진동 모드의 단일상 공진자 유한요소 모델에 대입한 후 완전한 2-2 압전복합체와의 임피던스 스펙트럼 차이를 최소 자승법을 이용하여 보정함으로써, 도출된 등가 물성값의 정확성을 향상시켰다. 본 연구에서 도출한 2-2 압전복합체의 등가 물성은 향후 다양한 음향 센서의 설계에 유용하게 사용될 수 있을 것이다.

• 센서학회지
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• 제27권6호
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• pp.374-379
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• 2018

The piezocomposite transducer is widely used because it is highly efficient in transforming electric energy into mechanical energy, and its frequency range is broader than that of other types of ultrasound transducers. A general piezocomposite transducer is composed of an acoustic lens, impedance matching layers, piezoelectric materials, and backing layers. When an input voltage is applied to a piezoelectric material as an active material, it generates sound waves while vibrating. At that time, an impedance matching layer helps the sound waves to propagate forward while reducing the impedance mismatch that may occur at the interface between the active material and its front material. The impedance mismatch has a negative effect on the signal of an ultrasound transducer; thus, it is important to design a matching layer to overcome the issue. In this study, an optimized feature of a matching layer with gradient properties is studied. An objective function is defined to minimize both the average and the deviation of the reflection coefficients that are functions of the frequencies. As a result, an improvement in the signal characteristics with respect to the sensitivity and bandwidth is reported.

• 한국음향학회지
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• 제42권5호
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• pp.377-387
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• 2023

본 논문에서는 1-3형 압전복합재료를 단일상의 균질 압전매질로 모델링하기 위해 필요한 등가의 물성을 유한요소 해석으로 직접 추출하는 기법의 정확도를 다룬다. 직접 추출 기법은 압전재료의 전기적, 기계적 거동과 상호 간 커플링을 기술하는 구성방정식을 기반으로 물성 행렬의 개별 성분들을 직접적으로 산출하는 방법이다. 직접 추출에 사용되는 두 가지 구성방정식 조합 간의 정확도를 비교하기 위하여 단일 1-3형 압전복합재료 하이드로폰을 대상으로 등가물성과 수신감도를 산출하고 전체 영역에 대한 유한요소 해석 결과와 비교한다. 물성 추출의 정확도는 압전복합재료를 구성하는 폴리머의 탄성 특성과 밀접한 관련이 있음을 확인하고, 오차 원인을 분석하여 정확한 등가물성 산출을 위한 가이드라인을 제시한다. 압전복합재료 하이드로폰과 주변의 음향구조물을 포함하는 스테이브 규모에 대해서도 등가 모델링을 적용하여 추출된 물성의 정확도와 연산량 감소를 확인한다.

• 한국음향학회지
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• 제23권4호
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• pp.274-281
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• 2004

본 연구에서는 상용 유한 요소 해석 프로그램인 PZflex를 이용하여 1-3형 압전 복합체를 설계하고 이를 바탕으로 단일소자 의료용 초음파 트랜스듀서를 개발하였다. 유한요소 해석법을 이용하면 기존의 이론적 방법에 의한 압전 복합체 설계의 여러 제약 사항을 극복하고, 실용적인 해석이 가능함을 확인하였다. 또한 유한요소법에 의한 설계 결과를 바탕으로 실제 제작된 압전 복합체와 탐촉자의 성능을 비교함으로써 그 설계법의 타당성을 검증하였으며, 이론적 방법에 의한 특성과도 비교함으로써 유한요소 해석법의 우수성도 확인하였다.

• Smart Structures and Systems
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• 제13권4호
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• pp.547-565
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• 2014

This paper investigates the design of a perfect point load actuator based on flat triangular piezoelectric patches. Applying a difference of electric potential between the electrodes of a triangular patch leads to point loads at the tips and distributed moments along the edges of the electrodes. The previously derived analytical expressions of these forces show that they depend on two factors: the width over height (b/l) ratio of the triangle, and the ratio of the in-plane piezoelectric properties ($e_{31}/e_{32}$) of the active layer of the piezoelectric patch. In this paper, it is shown that by a proper choice of b/l and of the piezoelectric properties, the moments can be cancelled, so that if one side of the triangle is clamped, a perfect point load actuation can be achieved. This requires $e_{31}/e_{32}$ to be negative, which imposes the use of interdigitated electrodes instead of continuous ones. The design of two transducers with interdigitated electrodes for perfect point load actuation on a clamped plate is verified with finite element calculations. The first design is based on a full piezoelectric ceramic patch and shows superior actuation performance than the second design based on a piezocomposite patch with a volume fraction of fibres of 86%. The results show that both designs lead to perfect point load actuation while the use of an isotropic PZT patch with continuous electrodes gives significantly different results.

• 한국음향학회지
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• 제28권8호
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• pp.806-814
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• 2009

이 논문은 능동흡음재를 이용한 수중음향반사파 상쇄에 관한 연구이다. 능동흡음재는 평판형 구동센서와 수신센서로 몰딩되고 외부 제어기와 연결된 구조로 되어있다. 이 두 층의 센서와 피드백제어기는 하나의 피드백 루프를 이루며, 이 루프의 특징은 외부로부터 인가되는 입사파에 대해 음향 임피던스가 자동적으로 정합되어, 자동적으로 반사파를 상쇄하는 특성을 가진다. 능동흡음재의 전기 구조 음향의 다중물리특성은 1차원 전달함수로 모델링 되고, 운용주파수 대역에서 입사파에 대한 반사파가 최소화 되도록 제어기의 전달함수가 설정된다. 능동형 흡음재는 수동형 흡음재의 두께에 비하여 현저히 얇은 두께를 가지며, 간단한 아날로그 회로 제어기만으로도 넓은 주파수 대역에서 우수한 흡음특성을 보인다.