KR102274826B1 - Gradient-index phononic crystals and method for designing the same - Google Patents

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Abstract

다양한 실시 예들은 굴절률분포형 음향양자결정에 관한 것으로, 지정된 크기를 가지고, 2차원 평판에 Y축 방향의 층 배열과 X축 방향의 열 배열을 갖는 매트릭스 형태로 배열되며, 중심에 타공이 형성된 단위 셀을 포함하는 굴절률분포형 음향양자결정에 있어서, 상기 단위 셀의 타공의 크기는, 상기 굴절률분포형 음향양자결정이 지정된 주파수를 갖는 굽힘파에 대해 굴절률분포형 렌즈로 작용할 수 있도록 설정될 수 있다. 그 밖의 다양한 실시 예들이 가능하다.Various embodiments relate to refractive index-distributed acoustic quantum crystals, which have a specified size, are arranged in a matrix form having a layer arrangement in the Y-axis direction and a column arrangement in the X-axis direction on a two-dimensional flat plate, and a unit having a hole in the center In the refractive index distribution acoustic quantum crystal including a cell, the size of the perforation of the unit cell may be set so that the refractive index distribution acoustic quantum crystal can act as a refractive index distribution lens with respect to a bending wave having a specified frequency. . Various other embodiments are possible.

Description

굴절률분포형 음향양자결정 및 이의 설계방법{GRADIENT-INDEX PHONONIC CRYSTALS AND METHOD FOR DESIGNING THE SAME}Refractive index distribution acoustic quantum crystal and its design method {GRADIENT-INDEX PHONONIC CRYSTALS AND METHOD FOR DESIGNING THE SAME}

후술하는 다양한 실시 예들은 굴절률분포형 음향양자결정(Gradient-Index Phononic Crystals: GRIN PCs) 및 이의 설계방법에 관한 것으로 보다 구체적으로는 굽힘파(flexural wave)의 파동 에너지를 집속 및 하베스팅(harvesting) 성능을 높일 수 있는 굴절률분포형 음향양자결정 및 이의 설계방법에 관한 것이다.Various embodiments to be described later relate to Gradient-Index Phononic Crystals (GRIN PCs) and a design method thereof, and more specifically, focusing and harvesting the wave energy of a flexural wave. It relates to a refractive index-distributed acoustic quantum crystal capable of improving performance and a design method thereof.

메타물질은 주기적인 인공구조물을 이용하여 음의 굴절률과 같은 자연계에 존재하지 않는 파동 특성을 구현하는 것이다. 과거에는 전자기 분야에서 활발했던 메타물질의 연구가 최근 음향 분야로 빠르게 이동하면서 탄성파의 파동 특성을 이용한 음향양자결정(phononic crystals)에 대한 연구가 활발해지고 있다. 예를 들어 소리를 파장보다 작은 영역에 극소적으로 집중시키거나, 진행경로를 자유자재로 바꾸거나, 음파 및 초음파 이미징 화질을 개선하는데 음향양자결정이 이용될 수 있다. 이를 위해서는 파장보다 작은 구조체를 주기적인 배열을 통해 탄성률, 밀도, 굴절률을 자유자재로 조절하는 인공 구조체 설계 기술이 필수적이다.Metamaterials implement wave characteristics that do not exist in nature, such as negative refractive index, by using periodic artificial structures. As the study of metamaterials, which was active in the electromagnetic field in the past, has moved rapidly to the acoustic field, research on phononic crystals using the wave characteristics of seismic waves is becoming active. For example, acoustic quantum crystals can be used to microscopically focus sound in a region smaller than a wavelength, freely change the path of travel, or improve sound wave and ultrasound imaging quality. For this, artificial structure design technology that freely adjusts the elastic modulus, density, and refractive index through periodic arrangement of structures smaller than the wavelength is essential.

탄성이 있는 물체에 외부 힘을 가하면 물체를 이루는 구성 입자들의 위치가 변화가 일어나고 원상태로 돌아가려는 힘이 생기고 이 힘에 의한 진동이 시간적, 공간적으로 퍼져 나가는 것이 탄성파(elastic wave)이며, 예로서 소리, 지진파 등이 있다.When an external force is applied to an elastic object, the position of the constituent particles constituting the object changes and a force is generated to return to the original state, and the vibration by this force spreads temporally and spatially. , seismic waves, etc.

이러한 탄성파 중에서 굽힘파는, 굽힘 강성을 갖는 고체 매질의 굽힘 운동에 의해 발생하는 파동으로 굽힘파의 파동 에너지를 집속하고 하베스팅하는 경우는 소리 에너지를 집속하고 하베스팅하는 경우 보다 더 큰 에너지를 수확할 수 있어서 굽힘파의 거동을 제어하여 굽힘파 에너지를 집속할 수 있는 음향양자결정의 개발이 요구된다.Among these elastic waves, a bending wave is a wave generated by the bending motion of a solid medium having bending stiffness. When the wave energy of the bending wave is concentrated and harvested, greater energy can be harvested than when the sound energy is focused and harvested. Therefore, it is required to develop an acoustic quantum crystal capable of focusing the bending wave energy by controlling the behavior of the bending wave.

본 문서에 개시되는 다양한 실시 예들은 굽힘파의 파동 에너지를 집속하는 굴절률분포형 음향양자결정을 제공할 수 있다.Various embodiments disclosed in this document may provide a refractive index-distributed acoustic quantum crystal for focusing the wave energy of a bending wave.

또한, 다양한 실시 예들은 굽힘파의 파동 에너지를 집속하고 굽힘파의 파동 에너지가 집속되는 지점이 굴절률분포형 음향양자결정의 외부에 형성되는 굴절률분포형 음향양자결정 설계방법을 제공할 수 있다.In addition, various embodiments may provide a method for designing a refractive index distributed acoustic quantum crystal in which the wave energy of the bending wave is focused and the point at which the wave energy of the bending wave is focused is formed outside the refractive index distributed acoustic quantum crystal.

또한, 다양한 실시 예들은 굴절률분포형 음향양자결정을 이용하여 굽힘파를 집속하고 굽힘파 파동에너지를 수확할 수 있는 에너지 하베스팅 시스템을 제공할 수 있다.In addition, various embodiments may provide an energy harvesting system capable of focusing the bending wave and harvesting the bending wave energy using a refractive index-distributed acoustic quantum crystal.

본 문서에서 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical problems to be achieved in this document are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned can be clearly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs from the description below. There will be.

다양한 실시 예에 따른 굴절률분포형 음향양자결정은, 예를 들면, 지정된 크기를 가지고, 2차원 평판에 Y축 방향의 층 배열과 X축 방향의 열 배열을 갖는 매트릭스 형태로 배열되며, 중심에 타공이 형성된 단위 셀을 포함하는 굴절률분포형 음향양자결정에 있어서, 상기 단위 셀의 타공의 크기는, 상기 굴절률분포형 음향양자결정이 지정된 주파수를 갖는 굽힘파에 대해 굴절률분포형 렌즈로 작용할 수 있도록 설정될 수 있다.Refractive index distribution acoustic quantum crystals according to various embodiments, for example, have a specified size, are arranged in a matrix form having a layer arrangement in the Y-axis direction and a column arrangement in the X-axis direction on a two-dimensional flat plate, and a hole in the center In the refractive index distribution type acoustic quantum crystal including the formed unit cell, the size of the hole in the unit cell is set so that the refractive index distribution type acoustic quantum crystal can act as a refractive index distribution type lens for bending waves having a specified frequency can be

다양한 실시 예에서, 상기 단위 셀의 지정된 크기는 상기 지정된 주파수를 갖는 굽힘파의 파장의 길이와 대비하여 설정될 수 있다. In various embodiments, the specified size of the unit cell may be set in comparison with the length of the wavelength of the bending wave having the specified frequency.

다양한 실시 예에서, 상기 타공은 원형일 수 있다.In various embodiments, the perforation may be circular.

다양한 실시 예에서, 동일 층에 배열되는 상기 단위 셀의 타공의 크기는 동일하고, 상기 단위 셀의 타공의 크기는, 최상층 및 최하층을 이루는 단위 셀의 타공의 크기가 최소이고 중간층을 이루는 단위 셀의 타공의 크기는 최대이며, 중간층을 기준으로 타공의 크기가 대칭이며, 상기 최상층에서 상기 중간층까지의 타공의 크기는, 상기 지정된 주파수를 갖는 굽힘파에 대한 상기 굴절률분포형 음향양자결정의 유효 굴절률의 상기 Y축에 따른 분포가 쌍곡 씨컨트(hyperbolic secant, sech) 함수의 형태를 가지도록 설정될 수 있다.In various embodiments, the size of the perforations of the unit cells arranged on the same layer is the same, and the size of the perforations of the unit cells is the minimum size of the perforations of the unit cells forming the uppermost layer and the lowermost layer, and the size of the perforations of the unit cells forming the middle layer. The size of the perforation is the largest, the size of the perforation is symmetric with respect to the middle layer, and the size of the perforation from the uppermost layer to the middle layer is the effective refractive index of the refractive index distribution acoustic quantum crystal for the bending wave having the specified frequency. The distribution along the Y-axis may be set to have the form of a hyperbolic secant (sech) function.

다양한 실시 예에서, 상기 단위 셀이 배열되는 층의 개수는, 상기 굴절률분포형 음향양자결정을 통과하여 진행하는 굽힘파의 파동 에너지가 집속되는 집속점이 상기 굴절률분포형 음향양자결정의 외부에 형성되도록 설정될 수 있다.In various embodiments, the number of layers in which the unit cells are arranged is such that a focal point at which the wave energy of a bending wave traveling through the refractive index distributed acoustic quantum crystal is focused is formed outside the refractive index distributed acoustic quantum crystal. can be set.

다양한 실시 예에 따른 굴절률분포형 음향양자결정의 설계방법은, 예를 들면, 2차원 평판에 Y축 방향의 층 배열과 X축 방향의 열 배열을 갖는 매트릭스 형태로 배열되고, 중심에 타공이 형성되는 단위 셀을 포함하는 굴절률분포형 음향양자결정의 설계방법에 있어서, 일정한 두께를 가지는 상기 평판에서 진행하는 지정된 주파수를 가지는 상기 굽힘파의 파장을 계산하는 과정; 상기 파장으로부터 상기 단위 셀의 크기를 결정하는 과정; 상기 결정된 크기를 갖는 단위 셀로 달성할 수 있는 상기 지정된 주파수를 가지는 상기 굽힘파에 대한 최대 유효굴절률과 최소 유효굴절률을 계산하는 과정; 상기 음향양자결정이 상기 굽힘파의 파동 에너지를 집속할 수 있도록 목표하는 유효 굴절률의 분포 형태를 결정하는 과정; 및 상기 음향양자결정이 상기 목표하는 유효굴절률의 분포 형태를 만족하도록 상기 단위 셀의 타공의 크기를 최적화하는 과정;을 포함할 수 있다. A method of designing a refractive index-distributed acoustic quantum crystal according to various embodiments, for example, is arranged in a matrix form having a layer arrangement in the Y-axis direction and a column arrangement in the X-axis direction on a two-dimensional flat plate, and a hole is formed in the center A method for designing a refractive index-distributed acoustic quantum crystal including a unit cell, the method comprising: calculating a wavelength of the bending wave having a specified frequency traveling in the flat plate having a constant thickness; determining the size of the unit cell from the wavelength; calculating a maximum effective refractive index and a minimum effective refractive index for the bending wave having the specified frequency that can be achieved with the unit cell having the determined size; determining a distribution shape of a target effective refractive index so that the acoustic quantum crystal can focus the wave energy of the bending wave; and optimizing the size of the perforation of the unit cell so that the acoustic quantum crystal satisfies the target distribution shape of the effective refractive index.

다양한 실시 예에서, 상기 최적화된 크기를 갖는 타공을 상기 단위 셀의 중심에 형성하는 과정을 더 포함할 수 있다.In various embodiments, the method may further include forming a hole having the optimized size in the center of the unit cell.

다양한 실시 예에서, 상기 굽힘파에 대한 최대 유효굴절률과 최소 유효굴절률을 계산하는 과정은, 상기 굴절률분포형 음향양자결정의 최상층 및 최하층은 최소 유효굴절률을 가지고, 상기 굴절률분포형 음향양자결정의 중간층은 최대 유효굴절률을 가질 수 있다.In various embodiments, in the process of calculating the maximum effective refractive index and the minimum effective refractive index for the bending wave, the uppermost layer and the lowermost layer of the refractive index distribution type acoustic quantum crystal have a minimum effective refractive index, and an intermediate layer of the refractive index distribution type acoustic quantum crystal may have a maximum effective refractive index.

다양한 실시 예에서, 상기 목표하는 유효 굴절률의 분포 형태를 결정하는 과정은, 상기 중간층을 기준으로 상기 굴절률분포형 음향양자결정의 상기 지정된 주파수를 갖는 굽힘파에 대한 유효 굴절률의 상기 Y축에 따른 분포가 대칭이고, 상기 최상층에서 중간층까지의 상기 유효 굴절률의 상기 Y축에 따른 분포가 쌍곡 씨컨트(hyperbolic secant, sech) 함수의 형태를 가질 수 있다.In various embodiments, the process of determining the distribution shape of the target effective refractive index includes the distribution along the Y-axis of the effective refractive index for a bending wave having the specified frequency of the refractive index-distributed acoustic quantum crystal based on the intermediate layer. may be symmetric, and a distribution along the Y-axis of the effective refractive index from the uppermost layer to the middle layer may have the form of a hyperbolic secant (sech) function.

다양한 실시 예에서, 상기 단위 셀의 타공의 크기를 최적화하는 과정은, 상기 타공의 크기에 따른 최적의 유효굴절률과 상기 목표하는 유효굴절률의 차이를 제곱한 값이 최소가 되도록 반복할 수 있다.In various embodiments, the process of optimizing the size of the perforation of the unit cell may be repeated so that the squared value of the difference between the optimal effective refractive index according to the size of the perforation and the target effective refractive index is minimized.

다양한 실시 예에서, 상기 타공은 원형이고, 상기 단위 셀의 타공의 크기를 최적화하는 과정은, 상기 원형의 반지름을 최적화할 수 있다.In various embodiments, the perforation is circular, and the process of optimizing the size of the perforation of the unit cell may optimize the radius of the circle.

다양한 실시 예에 따른 굴절률분포형 음향양자결정을 포함하는 에너지 하베스팅시스템은 예를 들면, 제1항 내지 제5항에 따른 굴절률분포형 음향양자결정 및 제6항 내지 제11항에 따른 굴절률분포형 음향양자결정의 설계방법에 의해 설계된 굴절률분포형 음향양자결정 중 어느 하나에 해당하는 굴절률분포형 음향양자결정; 및 상기 굴절률분포형 음향양자결정을 통과한 굽힘파가 집속되는 지점에 배치되는 압전 소자;를 포함하는 굴절률분포형 음향양자결정을 포함할 수 있다.An energy harvesting system including a refractive index distributed acoustic quantum crystal according to various embodiments is, for example, a refractive index distributed acoustic quantum crystal according to claims 1 to 5 and a refractive index distribution according to claims 6 to 11 a refractive index distributed acoustic quantum crystal corresponding to any one of the refractive index distributed acoustic quantum crystals designed by the design method of the acoustic quantum crystal; and a piezoelectric element disposed at a point where the bending wave passing through the refractive index distribution acoustic quantum crystal is focused.

다양한 실시 예들에 따른 굴절률분포형 음향양자결정은 굽힘파를 집속하여 굽힘파의 파동 에너지를 수확하는 성능을 높일 수 있고, 굽힘파의 파동 에너지의 집속점이 외부에 형성되어 에너지 하베스팅 시스템의 구축이 용이하다. The refractive index-distributed acoustic quantum crystal according to various embodiments can increase the performance of harvesting the wave energy of the bending wave by focusing the bending wave, and the focal point of the wave energy of the bending wave is formed outside, so that the construction of the energy harvesting system is difficult. Easy.

다양한 실시 예들에 따른 굴절률분포형 음향양자결정 설계방법은, 단위 셀의 집합으로 구성되는 굴절률분포형 음향양자결정의 수직 방향에 따른 굴절률 분포가 목표 유효 굴절률과 최소한의 오차를 가지도록 각각의 단위 셀의 구조를 최적화할 수 있다.In the refractive index distribution acoustic quantum crystal design method according to various embodiments, each unit cell is such that the refractive index distribution along the vertical direction of the refractive index distribution acoustic quantum crystal composed of a set of unit cells has a minimum error from the target effective refractive index. structure can be optimized.

다양한 실시 예들에 따른 굴절률분포형 음향양자결정을 이용한 에너지 하베스팅 시스템은, 에너지 집속점이 굴절률분포형 음향양자결정의 외부에 있어 구조가 간단하고 수확 성능이 우수하다. The energy harvesting system using the refractive index distributed acoustic quantum crystal according to various embodiments has a simple structure and excellent harvesting performance because the energy focusing point is outside the refractive index distributed acoustic quantum crystal.

본 개시에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.Effects obtainable in the present disclosure are not limited to the above-mentioned effects, and other effects not mentioned may be clearly understood by those of ordinary skill in the art to which the present disclosure belongs from the description below. will be.

도 1은 다양한 실시 예에 따른 굴절률분포형 음향양자결정의 단위 셀의 일 예시이다.
도 2는 다양한 실시 예에 따른 굴절률분포형 음향양자결정의 상면도이다.
도 3은 다양한 실시 예에 따른 굴절률분포형 음향양자결정의 Y축에 따른 굴절률 분포를 나타내는 도면이다.
도 4는 다양한 실시 예에 따른 굴절률분포형 음향양자결정의 설계방법을 나타내는 순서도이다.
도 5a는 일 실시 예에 따른 굴절률분포형 음향양자결정을 통과한 굽힘파 에너지의 상대적 크기를 도시한다.
도 5b는 일 실시 예에 따른 굴절률분포형 음향양자결정을 통과한 굽힘파 에너지의 상대적 크기를 도시한다.
도 6은 다양한 실시 예에 따른 굴절률분포형 음향양자결정을 이용한 에너지 하베스팅 시스템을 도시한다.
도 7a는 다양한 실시 예에 따른 굴절률분포형 음향양자결정을 포함한 에너지 하베스팅 시스템의 최대 출력 전압을 굴절률분포형 음향양자결정을 포함하지 않은 에너지 하베스팅 시스템과 비교하여 도시한다.
도 7b는 다양한 실시 예에 따른 굴절률분포형 음향양자결정을 포함한 에너지 하베스팅 시스템의 최대 출력 전력을 굴절률분포형 음향양자결정을 포함하지 않은 에너지 하베스팅 시스템과 비교하여 도시한다.
1 is an example of a unit cell of a refractive index-distributed acoustic quantum crystal according to various embodiments of the present disclosure;
2 is a top view of a refractive index-distributed acoustic quantum crystal according to various embodiments of the present disclosure;
3 is a diagram illustrating a refractive index distribution along a Y-axis of a refractive index distribution acoustic quantum crystal according to various embodiments of the present disclosure;
4 is a flowchart illustrating a method of designing a refractive index distributed acoustic quantum crystal according to various embodiments of the present disclosure;
5A illustrates a relative magnitude of energy of a bending wave passing through a refractive index-distributed acoustic quantum crystal according to an exemplary embodiment.
5B illustrates the relative magnitude of energy of a bending wave passing through a refractive index-distributed acoustic quantum crystal according to an embodiment.
6 illustrates an energy harvesting system using a refractive index distributed acoustic quantum crystal according to various embodiments of the present disclosure.
7A illustrates a maximum output voltage of an energy harvesting system including a refractive index distributed acoustic quantum crystal according to various embodiments compared to an energy harvesting system not including a refractive index distributed acoustic quantum crystal.
7B is a diagram illustrating the maximum output power of the energy harvesting system including the refractive index distributed acoustic quantum crystal according to various embodiments compared to the energy harvesting system not including the refractive index distributed acoustic quantum crystal.

이하, 본 문서의 다양한 실시 예들이 첨부된 도면을 참조하여 기재된다. Hereinafter, various embodiments of the present document will be described with reference to the accompanying drawings.

본 문서의 다양한 실시 예들 및 이에 사용된 용어들은 본 문서에 기재된 기술적 특징들을 특정한 실시 예들로 한정하려는 것이 아니며, 해당 실시 예의 다양한 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면의 설명과 관련하여, 유사한 또는 관련된 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다. 아이템에 대응하는 명사의 단수 형은 관련된 문맥상 명백하게 다르게 지시하지 않는 한, 상기 아이템 한 개 또는 복수 개를 포함할 수 있다. 본 문서에서, "A 또는 B", "A 및 B 중 적어도 하나","A 또는 B 중 적어도 하나,""A, B 또는 C," "A, B 및 C 중 적어도 하나,"및 "A, B, 또는 C 중 적어도 하나"와 같은 문구들 각각은 그 문구들 중 해당하는 문구에 함께 나열된 항목들 중 어느 하나, 또는 그들의 모든 가능한 조합을 포함할 수 있다. "제 1", "제 2", 또는 "첫째" 또는 "둘째"와 같은 용어들은 단순히 해당 구성요소를 다른 해당 구성요소와 구분하기 위해 사용될 수 있으며, 해당 구성요소들을 다른 측면(예: 중요성 또는 순서)에서 한정하지 않는다. The various embodiments of this document and terms used therein are not intended to limit the technical features described in this document to specific embodiments, and should be understood to include various modifications, equivalents, or substitutions of the embodiments. In connection with the description of the drawings, like reference numerals may be used for similar or related components. The singular form of the noun corresponding to the item may include one or more of the item, unless the relevant context clearly dictates otherwise. As used herein, "A or B", "at least one of A and B", "at least one of A or B," "A, B or C," "at least one of A, B and C," and "A , B, or C" each may include any one of the items listed together in the corresponding one of the phrases, or all possible combinations thereof. Terms such as “first”, “second”, or “first” or “second” may simply be used to distinguish the component from other components in question, and may refer to components in other aspects (e.g., importance or order) is not limited.

도 1은 다양한 실시 예에 따른 굴절률분포형 음향양자결정의 단위 셀의 일 예시이고, 도 2는 다양한 실시 예에 따른 굴절률분포형 음향양자결정의 상면도이고, 도 3은 다양한 실시 예에 따른 굴절률분포형 음향양자결정의 Y축에 따른 굴절률 분포를 나타내는 도면이다. 1 is an example of a unit cell of a refractive index distributed acoustic quantum crystal according to various embodiments, FIG. 2 is a top view of a refractive index distributed acoustic quantum crystal according to various embodiments, and FIG. 3 is a refractive index according to various embodiments A diagram showing the refractive index distribution along the Y-axis of a distributed acoustic quantum crystal.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 다양한 실시 예에 따른 굴절률분포형 음향양자결정(100)은 중심에 타공(113)이 형성된 단위 셀(111)이 2차원 평판에 Y축 방향의 층 배열과 X축 방향의 열 배열을 갖는 매트릭스 형태로 배열되어 굽힘파의 파동 에너지를 집속할 수 있다. 예를 들어 2차원 평판은 두께(t) 2mm의 알루미늄 평판일 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않으며, 상기 2차원 평판은 굽힘파가 발생될 수 있고 전파 가능한 고체의 평판이면 굴절률분포형 음향양자결정으로 사용될 수 있다.1 to 3 , in the refractive index-distributed acoustic quantum crystal 100 according to various embodiments, the unit cell 111 having the perforation 113 formed in the center is a two-dimensional flat plate in the Y-axis direction and X It is arranged in the form of a matrix having a column arrangement in the axial direction to focus the wave energy of the bending wave. For example, the two-dimensional flat plate may be an aluminum flat plate having a thickness (t) of 2 mm. However, the present invention is not limited thereto, and the two-dimensional flat plate may be used as a refractive index distributed acoustic quantum crystal if it is a solid flat plate capable of generating a bending wave and propagating it.

다양한 실시 예에서, 굴절률분포형 음향양자결정(100)은 단위 셀(unit cell) (111)을 포함하며, 상기 단위 셀(111)은 지정된 크기(a)를 갖고 중심에 타공(113)이 형성될 수 있다. 이 경우, 단위 셀(111)은 정사각형의 위 내지 아래 면을 가질 수 있으며, 타공(113)은 원형(반지름 r)일 수 있다. 타공의 형상은 원형이 아닌 다른 형상을 가질 수 있다. 단위 셀의 중심에 형성되는 타공의 형상 및 크기에 따라 굽힘파에 대한 굴절률이 변화될 수 있다. In various embodiments, the refractive index distributed acoustic quantum crystal 100 includes a unit cell 111 , wherein the unit cell 111 has a specified size a and a hole 113 is formed in the center. can be In this case, the unit cell 111 may have a square top to bottom surface, and the perforation 113 may have a circular shape (radius r). The shape of the perforation may have a shape other than a circular shape. The refractive index for the bending wave may be changed according to the shape and size of the perforation formed at the center of the unit cell.

다양한 실시 예에서, 단위 셀의 크기(a), 즉, 단위 셀의 가로 및 세로 길이(a)는, 지정된 주파수를 갖는 굽힘파의 파동 에너지가 2차원 평판에 형성된 굴절률분포형 음향양자결정(100)에 의해 집속 가능할 수 있도록 상기 지정된 주파수를 갖는 굽힘파의 파장에 대비하여 설정될 수 있다. 예를 들어, 2mm 두께의 알루미늄 평판에 형성된 굴절률분포형 음향양자결정에서 진행하는 굽힘파의 지정된 주파수가 50kHz 인 경우, 상기 굽힘파의 가장 낮은 모드의 파장은 대략 19.2mm이고, 단위 셀이 상기 굽힘파에 대해 등방 굴절률 특성을 만족하기 위해서는 단위 셀의 크기는 굽힘파의 파장 대비 대략 4분의 1 정도에서 결정될 수 있다. 일 실시 예에서, 단위 셀의 크기(a)는 5mm로 결정될 수 있다.In various embodiments, the size (a) of the unit cell, that is, the horizontal and vertical lengths (a) of the unit cell, is a refractive index-distributed acoustic quantum crystal (100) in which the wave energy of a bending wave having a specified frequency is formed in a two-dimensional plate. ) may be set against the wavelength of the bending wave having the specified frequency so that it can be focused by. For example, when the designated frequency of a bending wave traveling in a refractive index-distributed acoustic quantum crystal formed on a 2 mm thick aluminum plate is 50 kHz, the wavelength of the lowest mode of the bending wave is approximately 19.2 mm, and the unit cell is the bending In order to satisfy the isotropic refractive index characteristic for the wave, the size of the unit cell may be determined at about 1/4 of the wavelength of the bending wave. In an embodiment, the size (a) of the unit cell may be determined to be 5 mm.

다양한 실시 예에서, 굴절률분포형 음향양자결정은, 지정된 주파수를 갖는 굽힘파에 대해 굴절률분포형 렌즈(Gradient-Index lens, GRIN lens)로 작용할 수 있다. 굴절률분포형 음향양자결정이 지정된 주파수를 갖는 굽힘파에 대해 굴절률분포형 렌즈(Gradient-Index lens, GRIN lens)로 작용하기 위하여 굴절률분포형 음향양자결정의 동일 층에는 동일한 유효굴절률에 해당하는 단위 셀이 배열되고, 굴절률분포형 음향양자결정의 Y축에 따른 지정된 주파수를 갖는 굽힘파에 대한 유효 굴절률의 분포가 쌍곡 씨컨트(hyperbolic secant, sech) 함수의 형태를 가지도록 결정될 수 있다. 이 경우, 굴절률분포형 음향양자결정을 이루는 단위 셀의 타공의 크기가 조절될 수 있다. 즉, 굴절률분포형 음향양자결정의 동일 층에는 타공의 크기가 동일한 단위 셀이 배열되고, 각각의 층에 해당되는 단위 셀의 타공의 크기는, 지정된 주파수를 갖는 굽힘파에 대한 유효 굴절률의 Y축에 따른 분포가 쌍곡 씨컨트(hyperbolic secant, sech) 함수의 형태를 가지도록 설정될 수 있다.In various embodiments, the refractive index-distributing acoustic quantum crystal may act as a gradient-index lens (GRIN lens) with respect to a bending wave having a specified frequency. In order for the refractive index distribution acoustic quantum crystal to act as a gradient-index lens (GRIN lens) for a bending wave having a specified frequency, the unit cell corresponding to the same effective refractive index in the same layer of the refractive index distribution acoustic quantum crystal This arrangement, the distribution of the effective refractive index for the bending wave having a specified frequency along the Y-axis of the refractive index distribution acoustic quantum crystal may be determined to have the form of a hyperbolic secant (sech) function. In this case, the size of the perforation of the unit cell constituting the refractive index-distributed acoustic quantum crystal may be adjusted. That is, unit cells having the same size of perforations are arranged in the same layer of the refractive index-distributed acoustic quantum crystal, and the size of perforations of the unit cells corresponding to each layer is the Y-axis of the effective refractive index for a bending wave having a specified frequency. The distribution according to can be set to have the form of a hyperbolic secant (sech) function.

다양한 실시 예에서, 굴절률분포형 음향양자결정의 크기는 단위 셀의 크기 및 단위 셀의 개수에 의해 결정될 수 있다. 이 경우, 굴절률분포형 음향양자결정의 각각의 층은 13 개의 단위 셀을 포함할 수 있고, 13 개의 단위 셀이 모인 각각의 층은 Y축 방향으로 11 내지 17 층으로 적층될 수 있다. 또한, 다양한 실시 예에 따른 굴절률분포형 음향양자결정의 층수는, 굴절률분포형 음향양자결정을 통과하여 진행하는 굽힘파의 파동 에너지가 집속되는 집속점이 굴절률분포형 음향양자결정의 외부에 형성되도록 설정될 수 있다. 14 층으로 이루어진 굴절률분포형 음향양자결정에 의한 굽힘파의 에너지 집속점은 상기 결정의 외부, 특히 출사 측에 존재하고, 14층 보다 작은 경우(예: 11층)에는 집속점이 뒤로 이동하고, 14층 보다 많은 경우(예: 17층)에는 집속점이 상기 결정의 가까이 이동될 수 있다.In various embodiments, the size of the refractive index distributed acoustic quantum crystal may be determined by the size of the unit cell and the number of unit cells. In this case, each layer of the refractive index distributed acoustic quantum crystal may include 13 unit cells, and each layer of 13 unit cells may be stacked in 11 to 17 layers in the Y-axis direction. In addition, the number of layers of the refractive index distributed acoustic quantum crystal according to various embodiments is set so that the focal point at which the wave energy of the bending wave traveling through the refractive index distributed acoustic quantum crystal is focused is formed outside the refractive index distributed acoustic quantum crystal can be The energy focus point of the bending wave by the refractive index distribution acoustic quantum crystal composed of 14 layers exists outside the crystal, especially on the emission side, and when it is smaller than 14 layers (eg, 11 layers), the focal point moves backward, 14 In the case of more layers (eg, layer 17), the focal point may be moved closer to the crystal.

일 실시 예에서, 굴절률분포형 음향양자결정(100)은, 도 2에 도시된 예와 같이, 13 개의 단위 셀이 모인 각각의 층이 17 층으로 적층된 구조를 가질 수 있다. 이 경우, 최상층인 제1 층(110a) 및 최하층인 제17 층(110b)은 단위 셀에서 달성 가능한 최소 유효 굴절률을 가지고, 중간층인 제9 층(190)은 단위 셀에서 달성 가능한 최대 유효 굴절률을 가질 수 있다. 제1 층에서부터 제17 층까지의 굴절률 분포는 쌍곡 씨컨트(hyperbolic secant, sech) 함수의 형태를 가지도록 설정될 수 있다. 일 실시 예에 따른 굴절률분포형 음향양자결정은 입사 측에서 진행하는 굽힘파를 집속하고 상기 굽힘파의 파동 에너지가 집속되는 집속점이 상기 결정의 외부에, 즉 출사 측에 형성될 수 있다. 17층으로 이루어진 굴절률분포형 음향양자결정이 굽힘파의 출사 측에 가장 많은 에너지를 집속할 수 있다. In an embodiment, the refractive index-distributed acoustic quantum crystal 100 may have a structure in which each layer in which 13 unit cells are gathered is stacked in 17 layers, as in the example shown in FIG. 2 . In this case, the first layer 110a as the uppermost layer and the seventeenth layer 110b as the lowest layer have the minimum effective refractive index achievable in the unit cell, and the ninth layer 190 as the middle layer has the maximum effective refractive index achievable in the unit cell. can have The refractive index distribution from the first layer to the seventeenth layer may be set to have the form of a hyperbolic secant (sech) function. In the refractive index distributed acoustic quantum crystal according to an embodiment, a focal point at which a bending wave traveling from an incident side is focused and a wave energy of the bending wave is focused may be formed outside the crystal, that is, on an exit side. The refractive index distribution acoustic quantum crystal composed of 17 layers can focus the most energy on the emitting side of the bending wave.

도 4는 다양한 실시 예에 따른 굴절률분포형 음향양자결정의 설계방법을 나타내는 순서도이다.4 is a flowchart illustrating a method of designing a refractive index distributed acoustic quantum crystal according to various embodiments of the present disclosure;

도 4를 참조하면, 다양한 실시 예에 따른 굴절률분포형 음향양자결정의 설계방법(200)은, 2차원 평판에 Y축 방향의 층 배열과 X축 방향의 열 배열을 갖는 매트릭스 형태로 배열되고, 중심에 타공이 형성되는 단위 셀을 포함함으로써 굽힘파의 파동 에너지를 집속할 수 있는 굴절률분포형 음향양자결정의 설계방법으로서, 굽힘파의 파장을 계산하는 과정(210), 단위 셀의 크기를 결정하는 과정(220), 단위 셀이 달성할 수 있는 최대 유효굴절률 및 최소 유효굴절률을 계산하는 과정(230), 목표하는 유효굴절률의 분포형태를 결정하는 과정(240), 단위 셀에 형성할 타공의 크기를 최적화하는 과정(250) 및 단위 셀의 중심에 타공을 형성하는 과정(260)을 포함할 수 있다.Referring to Figure 4, the refractive index distribution acoustic quantum crystal design method 200 according to various embodiments is arranged in a matrix form having a layer arrangement in the Y-axis direction and a column arrangement in the X-axis direction on a two-dimensional flat plate, A method of designing a refractive index-distributed acoustic quantum crystal capable of condensing the wave energy of a bending wave by including a unit cell with a hole formed in the center, the process of calculating the wavelength of the bending wave (210), determining the size of the unit cell process 220, calculating the maximum effective refractive index and the minimum effective refractive index achievable by the unit cell 230, determining the distribution shape of the target effective refractive index 240, the perforation to be formed in the unit cell It may include a process of optimizing the size ( 250 ) and a process of forming a hole in the center of the unit cell ( 260 ).

다양한 실시 예에서, 과정 210은, 일정한 두께를 가지는 2차원 평판에서 진행하는 지정된 주파수를 가지는 굽힘파의 파장을 계산할 수 있다. 예를 들어, 두께 2mm인 알루미늄 평판을 진행하는 50kHz 주파수의 굽힘파의 파장은 최소의 모드에서 대략 19.2 mm로 계산될 수 있다.In various embodiments, in step 210, the wavelength of a bending wave having a specified frequency that travels in a two-dimensional plate having a constant thickness may be calculated. For example, the wavelength of a bending wave of 50 kHz frequency traveling through an aluminum plate having a thickness of 2 mm can be calculated to be approximately 19.2 mm in the minimum mode.

다양한 실시 예에서, 과정 220은, 과정 210의 계산에서 도출된 굽힘파의 파장으로부터 굴절률분포형 음향양자결정의 단위 셀의 크기를 결정할 수 있다. 단위 셀이 상기 굽힘파에 대해 등방 굴절률 특성을 만족하기 위해서 단위 셀의 크기는 굽힘파의 파장 대비 대략 4분의 1 정도에서 결정될 수 있다. 예를 들어, 단위 셀은 가로 및 세로의 크기는 5 mm로 결정될 수 있다.In various embodiments, in step 220 , the size of the unit cell of the refractive index distributed acoustic quantum crystal may be determined from the wavelength of the bending wave derived from the calculation in step 210 . In order for the unit cell to satisfy the isotropic refractive index characteristic with respect to the bending wave, the size of the unit cell may be determined at about 1/4 of the wavelength of the bending wave. For example, the unit cell may have a horizontal and vertical size of 5 mm.

다양한 실시 예에서, 과정 230은, 과정 220에서 결정된 크기를 갖는 단위 셀로 달성할 수 있는 지정된 주파수를 가지는 굽힘파에 대한 최대 유효굴절률 및 최소 유효굴절률을 계산할 수 있다. 예를 들어, 5mm 크기의 단위 셀에 원형의 타공을 형성한다고 할 때 상기 원형의 타공의 반지름은 최소 0 에서 최대 2 mm 범위 내에서 고려할 수 있고, 최소 반지름 및 최대 반지름으로 각각 형성된 단위 셀에서 50kHz의 굽힘파의 최대 위상속도 및 최소 위상속도는 각각 959.66 m/s 및 825.87 m/s로 계산될 수 있다. 이 경우, 최대 위상속도에 대응하는 최소 유효굴절률은 1이고, 최소 위상속도에 대응하는 최대 유효굴절률은 1.162이다. 일 실시 예에 따른 굴절률분포형 음향양자결정은, 도 2에 도시된 예와 같이, 13 개의 단위 셀이 모인 각각의 층이 17 층으로 적층된 구조를 가질 수 있고, 최상층인 제1 층 및 최하층인 제17 층은 단위 셀에서 달성 가능한 최소 유효 굴절률 1을 가지고, 중간층인 제9 층은 단위 셀에서 달성 가능한 최대 유효 굴절률 1.162 를 가질 수 있다. In various embodiments, step 230 may calculate a maximum effective refractive index and a minimum effective refractive index for a bending wave having a specified frequency that can be achieved with a unit cell having a size determined in step 220 . For example, assuming that a circular hole is formed in a unit cell with a size of 5 mm, the radius of the circular hole can be considered within a range of at least 0 to a maximum of 2 mm, and at 50 kHz in a unit cell formed with a minimum radius and a maximum radius, respectively. The maximum phase velocity and minimum phase velocity of the bending wave can be calculated as 959.66 m/s and 825.87 m/s, respectively. In this case, the minimum effective refractive index corresponding to the maximum phase velocity is 1, and the maximum effective refractive index corresponding to the minimum phase velocity is 1.162. The refractive index distributed acoustic quantum crystal according to an embodiment may have a structure in which each layer in which 13 unit cells are gathered is stacked as 17 layers, as shown in the example shown in FIG. 2 , and the uppermost first layer and the lowermost layer The seventeenth layer of phosphorus may have a minimum effective refractive index of 1 achievable in a unit cell, and the ninth layer as an intermediate layer may have a maximum effective refractive index achievable in a unit cell of 1.162.

다양한 실시 예에서, 과정 240은, 굴절률분포형 음향양자결정이 2차원 평판을 진행하는 굽힘파의 파동에너지를 집속할 수 있도록 목표하는 유효굴절률의 분포 형태를 결정할 수 있다. 굴절률분포형 음향양자결정이 지정된 주파수를 갖는 굽힘파에 대해 굴절률분포형 렌즈(Gradient-Index lens, GRIN lens)로 작용하기 위하여 굴절률분포형 음향양자결정의 동일 층에는 동일한 유효굴절률에 해당하는 단위 셀이 배열되고, 굴절률분포형 음향양자결정의 Y축에 따른 지정된 주파수를 갖는 굽힘파에 대한 유효 굴절률의 분포가 쌍곡 씨컨트(hyperbolic secant, sech) 함수의 형태를 가지도록 결정될 수 있다. 상기 함수는 수학식 1 및 수학식 2로 표현될 수 있다.In various embodiments, step 240 may determine a distribution form of a target effective refractive index so that the refractive index-distributed acoustic quantum crystal can focus the wave energy of the bending wave traveling through the two-dimensional plate. In order for the refractive index distribution acoustic quantum crystal to act as a gradient-index lens (GRIN lens) for a bending wave having a specified frequency, the unit cell corresponding to the same effective refractive index in the same layer of the refractive index distribution acoustic quantum crystal This arrangement, the distribution of the effective refractive index for the bending wave having a specified frequency along the Y-axis of the refractive index distribution acoustic quantum crystal may be determined to have the form of a hyperbolic secant (sech) function. The function can be expressed by Equations 1 and 2.

수학식 1Equation 1

Figure 112019124578865-pat00001
Figure 112019124578865-pat00001

수학식 2Equation 2

Figure 112019124578865-pat00002
Figure 112019124578865-pat00002

여기서,

Figure 112019124578865-pat00003
는 굴절률분포형 음향양자결정의 Y축 크기의 반이고,
Figure 112019124578865-pat00004
는 최상층에서 중간층까지의 굴절률분포형 음향양자결정의 Y축에 따른 유효 굴절률의 분포 함수이고, 중간층에서 최하층까지의 굴절률분포형 음향양자결정의 Y축에 따른 유효 굴절률의 분포는 최상층에서 중간층까지의 굴절률분포형 음향양자결정의 Y축에 따른 유효 굴절률의 분포와 대칭되는 함수로 얻을 수 있다. 다양한 실시 예에 따른 굴절률분포형 음향양자결정의 Y축에 따른 유효 굴절률의 분포는 도 3에 도시된 바와 같다. here,
Figure 112019124578865-pat00003
is half the size of the Y-axis of the refractive index-distributed acoustic quantum crystal,
Figure 112019124578865-pat00004
is the distribution function of the effective refractive index along the Y axis of the refractive index distributed acoustic quantum crystal from the uppermost layer to the middle layer, and the distribution of the effective refractive index along the Y axis of the refractive index distributed acoustic quantum crystal from the middle layer to the lowest layer is from the uppermost layer to the middle layer. It can be obtained as a function symmetrical with the distribution of the effective refractive index along the Y-axis of the refractive index-distributed acoustic quantum crystal. The distribution of the effective refractive index along the Y-axis of the refractive index-distributed acoustic quantum crystal according to various embodiments is shown in FIG. 3 .

다양한 실시 예에서, 굴절률분포형 음향양자결정의 동일 층에는 타공의 크기가 동일한 단위 셀이 배열되고, 최상층에서 중간층에 해당되는 단위 셀의 타공의 크기는, 최상층에서 중간층까지의 지정된 주파수를 갖는 굽힘파에 대한 유효 굴절률의 Y축에 따른 분포가 수학식 1과 같이 되도록 점점 커질 수 있고, 중간층에서 최하층에 해당되는 단위 셀의 타공의 크기는, 상기 수학식 1과 대칭되도록 점점 작아질 수 있다.In various embodiments, unit cells having the same size of perforations are arranged in the same layer of the refractive index-distributed acoustic quantum crystal, and the size of perforations of the unit cells corresponding to the uppermost layer to the middle layer is bending with a specified frequency from the uppermost layer to the middle layer The distribution along the Y-axis of the effective refractive index for the wave may be gradually increased as shown in Equation 1, and the size of the perforation of the unit cell corresponding to the lowest layer in the middle layer may be gradually decreased so as to be symmetrical to Equation 1 above.

일 실시 예에서, 굴절률분포형 음향양자결정의 각각의 층은 13 개의 단위 셀을 포함할 수 있고, 13 개의 단위 셀이 모인 각각의 층은 Y축 방향으로 17 층으로 적층될 수 있다. 최상층인 제1 층은 최소 유효굴절률이 되도록 제1 층을 이루는 단위 셀의 원형의 타공의 반지름이 결정되고, 중간층인 제9 층은 최대 유효굴절률이 되도록 제9 층을 이루는 단위 셀의 원형의 타공의 반지름이 결정되고, 제1 층에서부터 제9 층까지의 유효굴절률은 수학식 1에 따라 점점 커지고, 타공의 반지름도 증가할 수 있다. 제17 층인 최하층은 제1 층과 동일한 최소 유효굴절률이 되도록 제17 층을 이루는 단위 셀의 원형의 타공의 반지름이 결정되고, 제9 층에서부터 제17 층까지의 유효굴절률은 제1층에서부터 제9층까지의 유효굴절률과 대칭이 되도록 점점 작아질 수 있다. In an embodiment, each layer of the refractive index distributed acoustic quantum crystal may include 13 unit cells, and each layer of the 13 unit cells may be stacked as 17 layers in the Y-axis direction. In the first layer, which is the top layer, the radius of the circular perforations of the unit cells constituting the first layer is determined so as to have the minimum effective refractive index, and the ninth layer as the middle layer has the circular perforations of the unit cells constituting the ninth layer so that the maximum effective refractive index is obtained is determined, the effective refractive index from the first layer to the ninth layer gradually increases according to Equation 1, and the radius of the perforation may also increase. The radius of the circular perforation of the unit cell constituting the 17th layer is determined so that the lowest layer, which is the 17th layer, has the same minimum effective refractive index as the first layer, and the effective refractive index from the ninth layer to the 17th layer is from the first layer to the ninth layer It can be gradually reduced to be symmetrical with the effective refractive index up to the layer.

예를 들어, 과정 230에서, 5mm 크기의 단위 셀에 원형의 타공을 형성한다고 할 때, 각 층의 단위 셀의 중심에 형성되는 원형 타공의 반지름은 최소 0 에서 최대 2 mm 범위 내에서 어느 일정한 값이 선택될 수 있으므로 굽힘파를 집속하기 위한 정밀한 굴절률분포형 음향양자결정을 설계하기 위해서는 각 층의 단위 셀의 타공의 크기를 최적화하는 과정이 요구된다.For example, in step 230, assuming that a circular hole is formed in a unit cell with a size of 5 mm, the radius of the circular hole formed at the center of the unit cell of each layer is a certain constant value within the range of at least 0 to at most 2 mm. can be selected, in order to design a precise refractive index-distributed acoustic quantum crystal for focusing the bending wave, a process of optimizing the size of the perforation of the unit cell of each layer is required.

다양한 실시 예에서, 과정 250은, 굴절률분포형 음향양자결정이 과정 240에서 결정된 목표하는 유효굴절률의 분포 형태를 만족하도록 각각의 층별로 단위 셀의 타공의 크기를 최적화할 수 있다. 과정 250에서, 각각의 층을 이루는 단위 셀의 타공의 크기는, 다음의 수학식 3 에 해당하는 각 층의 목표 유효굴절률과 각 층의 최적 유효굴절률의 차의 제곱값이 최소가 되도록 결정될 수 있다. In various embodiments, in step 250 , the size of the perforation of the unit cell may be optimized for each layer so that the refractive index distributed acoustic quantum crystal satisfies the distribution shape of the target effective refractive index determined in step 240 . In step 250, the size of the perforations of the unit cells constituting each layer may be determined such that the square value of the difference between the target effective refractive index of each layer and the optimal effective refractive index of each layer corresponding to Equation 3 below is the minimum. .

수학식 3Equation 3

Figure 112019124578865-pat00005
Figure 112019124578865-pat00005

여기서, 함수

Figure 112019124578865-pat00006
는 각 층의 목표 유효굴절률(
Figure 112019124578865-pat00007
)과 각 층의 최적 유효굴절률(
Figure 112019124578865-pat00008
) 사이의 차의 제곱으로 정의되고, 과정 250을 통해 최소가 될 수 있다. Here, the function
Figure 112019124578865-pat00006
is the target effective refractive index (
Figure 112019124578865-pat00007
) and the optimal effective refractive index of each layer (
Figure 112019124578865-pat00008
) is defined as the square of the difference between ) and can be minimized through process 250.

과정 250에서, 수학식 3의 함수

Figure 112019124578865-pat00009
가 10-6 오차 범위에 수렴하도록 최적화 과정이 반복됨으로써, 굴절률분포형 음향양자결정이 지정된 주파수를 갖는 굽힘파에 대해 굴절률분포형 렌즈(Gradient-Index lens, GRIN lens)로 작용하기 위한 각 층의 최적화된 타공의 크기가 결정될 수 있다. 예를 들어, 최적화된 원형의 타공의 반지름의 크기가 각 층마다 결정될 수 있고, 제작 공차를 반영하기 위하여 타공의 반지름의 크기는 최적화된 원형의 타공의 반지름의 크기를 소수 둘째 자리에서 반올림되어 결정될 수 있다. In step 250, the function of Equation 3
Figure 112019124578865-pat00009
The optimization process is repeated to converge to the 10 -6 error range, so that the refractive index-distributed acoustic quantum crystal is formed in each layer to act as a gradient-index lens (GRIN lens) for a bending wave having a specified frequency. The size of the optimized perforation can be determined. For example, the size of the radius of the optimized circular perforation can be determined for each layer, and in order to reflect the manufacturing tolerance, the size of the radius of the optimized circular perforation is rounded to two decimal places. can

도 5a는 최적화된 타공의 반지름의 크기를 갖는 굴절률분포형 음향양자결정을 통과한 굽힘파 에너지의 상대적 크기를 시뮬레이션한 결과를 도시하고, 도 5b는 최적화된 원형의 타공의 반지름의 크기를 소수 둘째 자리에서 반올림하여 결정된 반지름을 갖는 굴절률분포형 음향양자결정을 통과한 굽힘파 에너지의 상대적 크기를 시뮬레이션한 결과를 도시한다. Figure 5a shows the simulation result of the relative magnitude of the bending wave energy passing through the refractive index distribution acoustic quantum crystal having the size of the radius of the optimized hole, and Figure 5b shows the size of the radius of the optimized circular hole by the second decimal. It shows the simulation result of the relative magnitude of the energy of the bending wave passing through the refractive index-distributed acoustic quantum crystal with the radius determined by rounding to the spot.

도 5a 및 도 5b를 참조하면, 최적화된 타공의 반지름의 크기를 갖는(또는 최적화된 단위 셀을 갖는) 굴절률분포형 음향양자결정의 굽힘파 에너지의 집속 능력과 최적화된 원형의 타공의 반지름의 크기를 소수 둘째 자리에서 반올림하여 결정된 반지름을 갖는(또는 반올림한 단위 셀을 갖는) 굴절률분포형 음향양자결정의 굽힘파 에너지의 집속 능력은 큰 차이가 없음을 확인할 수 있다. Referring to FIGS. 5A and 5B , the focusing ability of the bending wave energy of the refractive index-distributed acoustic quantum crystal having the optimized size of the radius of the perforation (or having the optimized unit cell) and the size of the radius of the optimized circular perforation It can be confirmed that there is no significant difference in the focusing ability of the bending wave energy of the refractive index-distributed acoustic quantum crystal having a radius determined by rounding to two decimal places (or having a rounded unit cell).

다양한 실시 예에서, 과정 250은, 과정 240에서 최적화 과정을 통해 결정된 크기를 갖는 타공을 단위 셀의 중심에 형성할 수 있다. 예를 들어, 두께 2 mm 알루미늄 평판에 Y축 방향의 층 배열과 X축 방향의 열 배열을 갖는 매트릭스 형태로 단위 셀을 배열하고, 단위 셀의 중심에는 굴절률분포형 음향양자결정이 50kHz 굽힘파에 대해 목표하는 유효굴절률 분포를 갖도록 원형의 타공을 레이저 커팅할 수 있다.In various embodiments, in step 250, a hole having a size determined through the optimization process in step 240 may be formed in the center of the unit cell. For example, unit cells are arranged in a matrix form having a layer arrangement in the Y-axis direction and a column arrangement in the X-axis direction on a 2 mm thick aluminum plate, and at the center of the unit cell, a refractive index-distributed acoustic quantum crystal is applied to a 50 kHz bending wave. It is possible to laser cut a circular hole to have a target effective refractive index distribution.

도 6은 다양한 실시 예에 따른 굴절률분포형 음향양자결정을 이용한 에너지 하베스팅 시스템을 도시한다.6 illustrates an energy harvesting system using a refractive index distributed acoustic quantum crystal according to various embodiments of the present disclosure.

도 6을 참조하면, 다양한 실시 예에 따른 굴절률분포형 음향양자결정을 이용한 에너지 하베스팅 시스템(1000)은 굽힘파의 파동 에너지를 집속할 수 있는 굴절률분포형 음향양자결정(100) 및 압전 소자(300)를 포함할 수 있다. 굴절률분포형 음향양자결정은, 지정된 크기를 가지고, 2차원 평판에 Y축 방향의 층 배열과 X축 방향의 열 배열을 갖는 매트릭스 형태로 배열되며, 중심에 타공(113)이 형성된 단위 셀(111)을 포함하고, 타공의 크기가 동일한 단위 셀이 동일 층에 배열되고, 각각의 층에 해당되는 단위 셀의 타공의 크기는, 음향양자결정이 지정된 주파수를 갖는 굽힘파에 대해 굴절률분포형 렌즈로 작용할 수 있도록 설정될 수 있다. 예를 들어, 2차원 평판은 알루미늄 평판일 수 있고, 굴절률분포형 음향양자결정을 이루는 단위 셀은 동일한 가로 및 세로의 크기를 가지고, 중심에는 원형의 타공이 형성될 수 있다. 굴절률분포형 음향양자결정이 지정된 주파수를 갖는 굽힘파에 대해 굴절률분포형 렌즈(Gradient-Index lens, GRIN lens)로 작용하기 위하여 굴절률분포형 음향양자결정의 동일 층에는 동일한 유효굴절률에 해당하는 단위 셀이 배열되고, 굴절률분포형 음향양자결정의 Y축에 따른 지정된 주파수를 갖는 굽힘파에 대한 유효 굴절률의 분포가 쌍곡 씨컨트(hyperbolic secant, sech) 함수의 형태를 가지도록 결정될 수 있다. Referring to FIG. 6 , the energy harvesting system 1000 using a refractive index distributed acoustic quantum crystal according to various embodiments is a refractive index distributed acoustic quantum crystal 100 and a piezoelectric element capable of focusing the wave energy of a bending wave ( 300) may be included. The refractive index distribution acoustic quantum crystal has a specified size, is arranged in a matrix form having a layer arrangement in the Y-axis direction and a column arrangement in the X-axis direction on a two-dimensional flat plate, and unit cells 111 with a hole 113 formed in the center. ), and unit cells having the same size of perforations are arranged on the same layer, and the size of perforations of the unit cells corresponding to each layer is a refractive index distribution lens for a bending wave having a specified frequency for acoustic quantum crystals. It can be set to work. For example, the two-dimensional flat plate may be an aluminum flat plate, the unit cells constituting the refractive index-distributed acoustic quantum crystal may have the same horizontal and vertical sizes, and a circular hole may be formed in the center. In order for the refractive index distribution acoustic quantum crystal to act as a gradient-index lens (GRIN lens) for a bending wave having a specified frequency, the unit cell corresponding to the same effective refractive index in the same layer of the refractive index distribution acoustic quantum crystal This arrangement, the distribution of the effective refractive index for the bending wave having a specified frequency along the Y-axis of the refractive index distribution acoustic quantum crystal may be determined to have the form of a hyperbolic secant (sech) function.

다양한 실시 예에서, 상기 압전 소자(400)는 역학적 파동 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있고 굴절률분포형 음향양자결정(100)을 통해 상기 굽힘파의 파동 에너지가 집속되는 집속점에 배치될 수 있다. 굴절률분포형 음향양자결정을 통과하여 진행하는 굽힘파의 파동 에너지가 집속되는 집속점이 굴절률분포형 음향양자결정의 외부에 형성되므로, 압전 소자(400)는 굴절률분포형 음향양자결정(100)의 외부, 특히, 굽힘파의 출사 측(300)에 배치될 수 있다. 예를 들어, 도 2에 도시된 굴절률분포형 음향양자결정의 에너지 집속점은 굴절률분포형 음향양자결정(100)으로부터 약 48.7mm 떨어진 지점에 형성될 수 있다. In various embodiments, the piezoelectric element 400 may convert mechanical wave energy into electrical energy and may be disposed at a focal point where the wave energy of the bending wave is focused through the refractive index-distributed acoustic quantum crystal 100 . . Since the focal point at which the wave energy of the bending wave traveling through the refractive index distribution type acoustic quantum crystal is focused is formed outside the refractive index distribution type acoustic quantum crystal, the piezoelectric element 400 is located outside the refractive index distribution type acoustic quantum crystal 100 . , in particular, may be disposed on the emitting side 300 of the bending wave. For example, the energy focusing point of the refractive index distributed acoustic quantum crystal shown in FIG. 2 may be formed at a point about 48.7 mm away from the refractive index distributed acoustic quantum crystal 100 .

다양한 실시 예에 따른 굴절률분포형 음향양자결정을 이용한 에너지 하베스팅 시스템은 에너지 하베스팅 회로(미도시)를 더 포함할 수 있다. 상기 에너지 하베스팅 회로는 압전 소자와 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 굴절률분포형 음향양자결정의 에너지 집속 및 수확 능력을 측정하기 위해 에너지 하베스팅 회로는 측정 장치와 연결될 수 있다. The energy harvesting system using the refractive index distributed acoustic quantum crystal according to various embodiments may further include an energy harvesting circuit (not shown). The energy harvesting circuit may be electrically connected to the piezoelectric element. In addition, the energy harvesting circuit may be connected to a measuring device to measure the energy focusing and harvesting ability of the refractive index distributed acoustic quantum crystal.

도 7a는 다양한 실시 예에 따른 굴절률분포형 음향양자결정을 포함한 에너지 하베스팅 시스템의 최대 출력 전압을 굴절률분포형 음향양자결정을 포함하지 않은 에너지 하베스팅 시스템과 비교하여 도시하고, 도 7b는 다양한 실시 예에 따른 굴절률분포형 음향양자결정을 포함한 에너지 하베스팅 시스템의 최대 출력 전력을 굴절률분포형 음향양자결정을 포함하지 않은 에너지 하베스팅 시스템과 비교하여 도시한다.7A shows the maximum output voltage of the energy harvesting system including the refractive index distributed acoustic quantum crystal according to various embodiments compared to the energy harvesting system that does not include the refractive index distributed acoustic quantum crystal, and FIG. 7B shows various implementations. The maximum output power of the energy harvesting system including the refractive index distributed acoustic quantum crystal according to the example is shown in comparison with the energy harvesting system not including the refractive index distributed acoustic quantum crystal.

도 7a 및 도 7b를 참조하면, 다양한 실시 예에 따른 굴절률분포형 음향양자결정을 포함한 에너지 하베스팅 시스템의 최대 출력 전압은 3.57 V 이고, 굴절률분포형 음향양자결정을 포함하지 않은 2차원의 동일 재료를 시편으로 하는 에너지 하베스팅 시스템의 최대 출력 전압은 1.84 V 이다. 다양한 실시 예에 따른 굴절률분포형 음향양자결정을 포함한 에너지 하베스팅 시스템의 최대 출력 전압은 굴절률분포형 음향양자결정을 포함하지 않은 에너지 하베스팅 시스템과 비교하여 약 2배 정도 큼을 확인할 수 있다.7A and 7B , the maximum output voltage of the energy harvesting system including the refractive index distributed acoustic quantum crystal according to various embodiments is 3.57 V, and the same two-dimensional material does not include the refractive index distributed acoustic quantum crystal. The maximum output voltage of the energy harvesting system using the specimen is 1.84 V. It can be confirmed that the maximum output voltage of the energy harvesting system including the refractive index distributed acoustic quantum crystal according to various embodiments is about twice as large as that of the energy harvesting system not including the refractive index distributed acoustic quantum crystal.

다양한 실시 예에 따른 굴절률분포형 음향양자결정을 포함한 에너지 하베스팅 시스템의 최대 출력 전력은 4.8kΩ 저항이 연결될 때 1.25 mW 이고, 굴절률분포형 음향양자결정을 포함하지 않은 에너지 하베스팅 시스템의 최대 출력 전력은 0.33 mW 이다. 다양한 실시 예에 따른 굴절률분포형 음향양자결정을 포함한 에너지 하베스팅 시스템의 최대 출력 전력은 굴절률분포형 음향양자결정을 포함하지 않은 에너지 하베스팅 시스템과 비교하여 약 4배 정도 큼을 확인할 수 있다. The maximum output power of the energy harvesting system including the refractive index distribution acoustic quantum crystal according to various embodiments is 1.25 mW when the 4.8 kΩ resistor is connected, and the maximum output power of the energy harvesting system not including the refractive index distribution acoustic quantum crystal is 0.33 mW. It can be confirmed that the maximum output power of the energy harvesting system including the refractive index distributed acoustic quantum crystal according to various embodiments is about 4 times greater than that of the energy harvesting system not including the refractive index distributed acoustic quantum crystal.

Claims (12)

지정된 크기를 가지고, 2차원 평판에 Y축 방향의 층 배열과 X축 방향의 열 배열을 갖는 매트릭스 형태로 배열되며, 중심에 타공이 형성된 단위 셀을 포함하는 굴절률분포형 음향양자결정에 있어서,
상기 단위 셀의 타공의 크기는, 상기 굴절률분포형 음향양자결정이 지정된 주파수를 갖는 굽힘파에 대해 굴절률분포형 렌즈로 작용할 수 있도록 설정되며,
상기 단위 셀이 배열되는 층의 개수는, 상기 굴절률분포형 음향양자결정을 통과하여 진행하는 굽힘파의 파동 에너지가 집속되는 집속점이 상기 굴절률분포형 음향양자결정의 외부에 형성되도록 설정되는, 굴절률분포형 음향양자결정.
In a refractive index-distributed acoustic quantum crystal comprising a unit cell having a specified size, arranged in a matrix having a layer arrangement in the Y-axis direction and a column arrangement in the X-axis direction on a two-dimensional plate,
The size of the perforation of the unit cell is set so that the refractive index distribution type acoustic quantum crystal can act as a refractive index distribution type lens with respect to a bending wave having a specified frequency,
The number of layers in which the unit cells are arranged is set such that a focal point at which wave energy of a bending wave traveling through the refractive index distribution acoustic quantum crystal is focused is formed outside the refractive index distribution acoustic quantum crystal. type acoustic quantum crystal.
청구항 1에 있어서,
상기 단위 셀의 지정된 크기는 상기 지정된 주파수를 갖는 굽힘파의 파장의 길이와 대비하여 설정되는, 굴절률분포형 음향양자결정.
The method according to claim 1,
The specified size of the unit cell is set in comparison with the length of the wavelength of the bending wave having the specified frequency, refractive index distribution acoustic quantum crystal.
청구항 1에 있어서,
상기 타공은 원형인, 굴절률분포형 음향양자결정.
The method according to claim 1,
The perforation is a circular, refractive index distribution acoustic quantum crystal.
청구항 1에 있어서,
동일 층에 배열되는 상기 단위 셀의 타공의 크기는 동일하고,
상기 단위 셀의 타공의 크기는, 최상층 및 최하층을 이루는 단위 셀의 타공의 크기가 최소이고 중간층을 이루는 단위 셀의 타공의 크기는 최대이며, 중간층을 기준으로 타공의 크기가 대칭이며,
상기 최상층에서 상기 중간층까지의 타공의 크기는, 상기 지정된 주파수를 갖는 굽힘파에 대한 상기 굴절률분포형 음향양자결정의 유효 굴절률의 상기 Y축에 따른 분포가 쌍곡 씨컨트(hyperbolic secant, sech) 함수의 형태를 가지도록 설정되는, 굴절률분포형 음향양자결정.
The method according to claim 1,
The size of the perforations of the unit cells arranged on the same layer are the same,
The size of the perforation of the unit cell is, the size of the perforation of the unit cell forming the uppermost layer and the lowermost layer is the minimum, and the size of the perforation of the unit cell forming the middle layer is the maximum, and the size of the perforation is symmetrical with respect to the middle layer,
The size of the perforations from the uppermost layer to the middle layer is that the distribution along the Y-axis of the effective refractive index of the refractive index-distributed acoustic quantum crystal with respect to the bending wave having the specified frequency is a hyperbolic secant (sech) function. A refractive index-distributed acoustic quantum crystal that is set to have a shape.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 굴절률분포형 음향양자결정을 포함하는 에너지 하베스팅 시스템에 있어서,
제1항 내지 제4항에 따른 굴절률분포형 음향양자결정 중 어느 하나에 해당하는 굴절률분포형 음향양자결정; 및
상기 굴절률분포형 음향양자결정을 통과한 굽힘파가 집속되는 지점에 배치되는 압전 소자;를 포함하는 굴절률분포형 음향양자결정을 포함하는 에너지 하베스팅 시스템.
In the energy harvesting system comprising a refractive index distribution acoustic quantum crystal,
A refractive index distributed acoustic quantum crystal corresponding to any one of the refractive index distributed acoustic quantum crystals according to claim 1 ; and
An energy harvesting system including a refractive index distribution acoustic quantum crystal comprising a; a piezoelectric element disposed at a point where the bending wave passing through the refractive index distribution acoustic quantum crystal is focused.
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