한국해군과학기술학회
[ Article ]
Journal of the KNST - Vol. 8, No. 3, pp.495-502
ISSN: 2635-4926 (Print)
Print publication date 30 Sep 2025
Received 20 Jul 2025 Revised 02 Aug 2025 Accepted 10 Sep 2025
DOI: https://doi.org/10.31818/JKNST.2025.9.8.3.495

Performance Enhancement of Piezoelectric Energy Harvesters via Geometrical Structural Tuning

Seong-Jin Lee1 ; Jung-Woo Kim2, *
1Researcher, Aerodynamics and Performance Research Team, Korea Aerospace Research Institute
2LTJG, ROK Navy/Assistant professor, Dept. of Naval Architecture, Republic of Korea Naval Academy
기하학적 구조 조율을 통한 압전 하베스터 성능 향상
이성진1 ; 김정우2, *
1한국항공우주연구원 공력성능팀 연구원
2해군 중위/해군사관학교 조선공학과 조교수

Correspondence to: *Jung-Woo Kim Dept. of Naval Architecture, Republic of Korea Naval Academy 1 Jungwon-ro, Jinhae-gu, Changwon-si, Gyungsangnam-do, 51704, Republic of Korea Tel: +82-55-969-5313 E-mail: jwkim10616@navy.ac.kr

Ⓒ 2025 Korea Society for Naval Science & Technology

Abstract

This study investigates how auxetic substrate geometry affects the performance of cantilever-type piezoelectric energy harvesters. Based on Hamilton’s principle, we derive an electromechanical model linking curvature-induced strain to electrical output. The model reveals that a negative Poisson’s ratio enhances trace strain via in-plane deformation alignment, resulting in stronger electric fields. Finite element simulations using identical external geometries confirm reduced resonant frequency and amplified local stress. The auxetic harvester shows doubled voltage and tripled power, solely from geometrically induced strain amplification. These findings demonstrate that structural design—when guided by field theory—can act as a multiplier for energy harvesting, enabling lighter and more adaptive systems without material changes. In this light, the beauty of materials science lies not merely in composition but in geometrical tuning.

초록

본 연구는 어그제틱 기판 구조가 캔틸레버형 압전 하베스터의 성능에 미치는 영향을 분석하였다. 해밀턴 원리에 기반한 모델은 곡률 유도 변형률과 전기 출력 간의 연관을 정량화하며, 음의 푸아송비가 면내 변형 정렬을 통해 전기장을 증폭시킨다는 것을 보인다. 동일 외형의 구조를 비교한 유한요소해석 결과, 공진 주파수는 낮아지고 응력은 집중되었으며, 전압과 전력은 각각 2배 및 3배 향상되었다. 본 연구는 구조 설계가 물리장 기반 이론에 따라 에너지 하베스팅의 증폭기로 작용할 수 있으며, 재료나 질량의 변화 없이도 더 가볍고 적응적인 시스템 구현이 가능함을 보여준다. 이러한 관점에서 재료과학의 미학은 조성에 있는 것이 아니라 형상의 정밀한 조율에 있음을 나타낸다.

Keywords:

Piezoelectric Energy Harvesting, Structure-induced Amplification, Curvature-driven Tuning, Hamiltonian-based Analysis, Finite Element Analysis

키워드:

압전 에너지 수확, 구조 기반 증폭, 곡률 조율, 해밀턴 원리 기반 해석, 유한요소해석

Acknowledgments

본 논문은 해군사관학교 해양연구소 학술연구과제 연구비의 지원으로 수행된 연구임.

References