Composite-based piezoelectric devices are extensively studied to develop sustainable power supply and selfpowered devices owing to their excellent mechanical durability and output performance. In this study, we design a leadfree piezoelectric nanocomposite utilizing (Ba0.85Ca0.15)(Ti0.9Zr0.1)O3 (BCTZ) nanomaterials for realizing highly flexible energy harvesters. To improve the output performance of the devices, we incorporate porous BCTZ nanowires (NWs) into the nanoparticle (NP)-based piezoelectric nanocomposite. BCTZ NPs and NWs are synthesized through the solidstate reaction and sol-gel-based electrospinning, respectively; subsequently, they are dispersed inside a polyimide matrix. The output performance of the energy harvesters is measured using an optimized measurement system during repetitive mechanical deformation by varying the composition of the NPs and NWs. A nanocomposite-based energy harvester with 4:1 weight ratio generates the maximum open-circuit voltage and short-circuit current of 0.83 V and 0.28 A, respectively. In this study, self-powered devices are constructed with enhanced output performance by using piezoelectric energy harvesting for application in flexible and wearable devices.

Piezoelectric technology, which converts mechanical energy into electrical energy, has recently attracted drawn considerable attention in the industry. Among the many kinds of piezoelectric materials, BaTiO3 nanotube arrays, which have outstanding uniformity and anisotropic orientation compared to nanowire-based arrays, can be fabricated using a simple synthesis process. In this study, we developed a flexible piezoelectric energy harvester (f-PEH) based on a composite film with PVDF-coated BaTiO3 nanotube arrays through sequential anodization and hydrothermal synthesis processes. The f-PEH fabricated using the piezoelectric composite film exhibited excellent piezoelectric performance and high flexibility compared to the previously reported BaTiO3 nanotube array-based energy harvester. These results demonstrate the possibility for widely application with high performance by our advanced f-PEH technique based on BaTiO3 nanotube arrays.

Thermoelectric (TE) energy harvesting, which converts available thermal resources into electrical energy, is attracting significant attention, as it facilitates wireless and self-powered electronics. Recently, as demand for portable/wearable electronic devices and sensors increases, organic-inorganic TE films with polymeric matrix are being studied to realize flexible thermoelectric energy harvesters (f-TEHs). Here, we developed flexible organic-inorganic TE films with p-type Bi0.5Sb1.5Te3 powder and polymeric matrices such as poly(3,4-eethylenedioxythiophene):poly(styrene sulfonate) (PEDOT:PSS) and poly (vinylidene fluoride) (PVDF). The fabricated TE films with a PEDOT:PSS matrix and 1 wt% of multi-walled carbon nanotube (MWCNT) exhibited a power factor value of 3.96 μW ‧ m-1 ‧ K-2 which is about 2.8 times higher than that of PVDF-based TE film. We also fabricated f-TEHs using both types of TE films and investigated the TE output performance. The f-TEH made of PEDOT:PSS-based TE films harvested the maximum load voltage of 3.4 mV, with a load current of 17.4 μA, and output power of 15.7 nW at a temperature difference of 25 K, whereas the f-TEH with PVDF-based TE films generated values of 0.6 mV, 3.3 μA, and 0.54 nW. This study will broaden the fields of the research on methods to improve TE efficiency and the development of flexible organic-inorganic TE films and f-TEH.

The fast expanding field of wearable technology requires light-weight, low-cost, scalable, flexible and efficient energy harvesters as a source of uninterrupted green power. This work reports fabrication of sub-micron graphite platelet/PVDF composite film-based flexible piezoelectric energy harvester (PGEH) for scavenging the wasted mechanical energy associated with human body motion. The addition of graphite platelet leads to the enhancement of electroactive β phase in PVDF; consequently, the piezoelectric and dielectric properties of the composite are enhanced. 0.5 wt% filler-loaded composite has 96% β phase fraction and dielectric constant 32 at 100 Hz (tanδ = 0.18).The PGEH produces open circuit voltage of 40 V and instantaneous power density of 3.35 mW cm− 3 with energy conversion efficiency of 22.5% under periodic finger tapping. It can generate fair electrical output under gentle heel (0.8 V) and toe movements (1.2 V). A PGEH is directly employed for powering 50 commercial LEDs and quick charging of a 2.2-μF capacitor upto 19.2 V. The device is also employed as self-powered dynamic pressure sensor which shows high sensitivity (0.9 VkPa− 1) with fast response time (1 ms). Therefore, this durable, flexible, efficient PGEH can have promising applications in wearable electronics as a green power source cum self-powered mechanosensor.

This paper developed a wind triboelectric nanogenerator(TENG) using cubic PTFE model. When the wind is injected, the cube PTFE is scattered inside the cylinder TENG structure and energy is harvested. The TENG structure was designed as a cylinder that allows independent dielectric to rotate well inside. In addition, an inlet and an outlet were made to allow good wind flow. Unlike wind harvesters, where one end is mostly fixed and energy is harvested, the dielectric's motion is freed using independent mode. The electrodes and dielectric materials used Aluminum(Al) and Polytetrafluoroethylene(PTFE). The cube PTFE dielectric contacts/separates the electrode attached to the inner wall of the cylinder along the inner wall of the cylinder. At this time, electricity is generated by the kinetic energy generated by the wind. In this study, the efficiency by the number of Cube PTFE inside the cylinder was compared. The experiment confirmed that as the number of Cube PTFE increases, the power increases, but if the number of Cube PTFE exceeds an appropriate number, the density inside the cylinder increases, interrupting the flow of wind, and thus decreasing the power.

본 연구에서는 비닐멀칭된 외두둑에서의 배추 수확을 위한 시작기(A, B-1, B-2)를 설계 및 제작하였고, 시험을 통해 배추 수확을 위한 인발 장치부, 절단 장치부, 이송 장치부 등의 작업공정별 성능과 전체 작업성능을 분석하였다. 이론 분석을 통해 작업속도 0.2 m/s, 이송 벨트 각도 20∼35°, 이론적 이송 벨트의 적정 이송 속도를 작업속도보다 1.5배 빠르게 설정하여 청풍 및 춘광 품종을 대상으로 현장시험을 실시하였다. A형 시험 결과, 인발⋅이송성능은 성공률이 50% 수준으로 낮았으며, 절단성능의 경우 배추의 상품성이 양호한 경우가 35%, 과절단된 경우가 10% 및 미절단된 경우가 55%로 전반적으로 배추의 절단상태가 불량하였다. B형 시험 결과, 스핀들 인발장치는 비닐멀칭된 두둑에서는 감김현상으로 작업이 불가하였으며, 비닐멀칭없는 두둑에서의 인발⋅이송성능은 성공률이 78% 수준으로 A형보다 높아졌으나, 절단성능의 경우 배추의 상품성이 양호한 경우가 7.7%, 과절단된 경우가 15.4% 및 미절단된 경우가 76.9% 로 오히려 배추 절단상태는 더욱 불량해진 것으로 나타났다. 본 시작기의 비닐멀칭된 두둑에서의 현장시험 결과, 배추 인발, 절단 및 이송성능이 불량하게 나타나 인발, 절단, 이송작업에서의 전반적인 구조개선이 필요한 것으로 판단되었다.

In this study, the frequency response analysis of a bistable electromagnetic vibration energy harvester is performed, based on an electromagnetic oscillator model, to investigate its nonlinear dynamic behaviors. The displacement and current responses are obtained, by the direct integration of the model, with the variations of mechanical and electromagnetic parameters. It is shown that the operating frequency band of the system can be broadened by the increase in mechanical parameters(inertial mass and Q-factor), but it does not depend significantly on any electromagnetic parameters(an external load resistance and the internal resistance of a coil). On the other hand, the output current of the energy harvester is affected only by the electromagnetic parameters (specifically, the sum of two resistances). Thus, the mechanical and electromagnetic parameters of the electromagnetic energy harvester must be designed properly, respectively, for broader and more efficient performance.

농업기계는 다양한 환경과 작물을 대상으로 작업을 수행하기 때문에 농업기계의 설계와 개발은 실 작업 부하를 고려하여 수행되어야 한다. 따라서 본 연구에서는 식용 옥수수 수확기의 실 작업 부하를 계측하기 위해 식용 옥수수 수확 시험을 수행하였다. 또한, 계측된 부하 데이터를 이용하여 수확기 내 기어박스 요소들의 강도 및 수명을 평가하기 위한 부하 스펙트럼을 구축하였다. 부하 스펙트럼은 기어박스의 구성요소 중 기어와 베어링에 적용 가능한 하중 지속 분포와 기어와 베어링을 제외한 축, 하우징, 캐리어 등에 적용 가능한 부하 스펙트럼으로 나누어 구축하였다. 본 연구를 통해 구축된 하중 지속 분포 및 부하 스펙트럼은 식용 옥수수 수확기의 기어박스 강도 및 수명 평가뿐만 아니라, 기어박스의 설계 하중으로도 활용이 가능할 것으로 보인다.

본 연구에서는 개발된 자주식 무 수확기의 인발성능 평가와 그 향상을 위한 전처리부 설계에 관한 내용을 제시하였다. 무 수확기는 주행부, 주수확부, 동력전달부, 적재부 등으로 구성되었으며, 무 줄기를 협지한 후 인발하여 수확하는 인발식 차륜형 무 수확기이다. 구체적으로는 주수확부 설계요인에 따른 시작기의 인발성능평가, 우리나라 무 품종에 따른 재배작형과 물리적 특성 분석 및 시작기의 인발성능 향상을 위한 전처리부 설계를 수행하였다. 수확기 설계를 위한 기초 자료로 활용하기 위해서 우리나라 계절별 품종들(여름무: 청황무, 가을무: 청두무, 토광무)에 대해 수확시기의 물리적 특성을 조사하였다. 무의 크기를 품종별 평균값으로 나타냈을 때 3가지 품종에 있어서 줄기 너비는 43㎝ ~ 82㎝, 뿌리의 최소 지름은 5.5㎝ ~ 8.5㎝, 최대 지름은 8㎝ ~ 13㎝ 범위로 나타났으며, 수직인발력은 평균 77.8N ~ 122.3N으로 다양하게 나타났다. 인발각도, 속도비를 인발성능 요인으로 고려한 인발성능 평가에서는 인발각도 30°, 수확기 주행 속도 0.25㎧, 걷어올림장치 속도 1.56㎧일 때의 속도비 6.24에서 인발률 82.0%, 이송률 90.0%, 손상율 0.6%로 인발성능이 가장 높게 나타났으나, 보다 향상된 무 인발성능을 확보하기 위해 국내 무의 형태적 특성을 고려하여 걷어올림장치, 도복유인장치 그리고 진입유도장치로 구성된 전처리부를 전장 39㎝, 전폭 42㎝, 전고 17㎝의 치수로 제시하였다.

This study is developed a self-propelled Welsh onion harvester to increase farm household income by mechanizing the labor-intensive Welsh onion harvesting operation. In order to evaluate the performance of the developed harvester, the work capacity, damage rate, and harvest rate are investigated for three traveling speed levels (7.3cm/s, 12.3cm/s, 19cm/s). Work capacity is increased proportionally to 1.8a/hr, 3.1a/hr, and 4.9a/hr, respectively, as the traveling speed increased. And the damage rate also is increased in proportion to the traveling speed, and under the same conditions, it is increased proportionally to 2.9%, 3.9%, and 4.4%, respectively. The harvest rate is 100% at all speeds of the Welsh onion harvester. The developed harvester is expected to greatly contribute to improving the cultivation environment of Welsh onion by enabling mechanization of the harvesting operation with the largest amount of labor during the Welsh onion production.

본 연구는 고추수확기의 이물질 선별부의 선별성능을 분석하기 위해 수행하였다. 고추 품종 3가지에 대하여 건조하지 않은 시료와 건조한 시료의 고추 과실 및 이물질의 부유 속도를 측정하였다. 각 시료의 부유 속도를 측정한 결과, 건조하지 않은 고추 과실, 고추 줄기, 고춧잎은 각각 11.5-14.3 m/s, 10.9-12.5 m/s, 3.45-5.42 m/s 로 나타났다. 건조한 고추 과실, 고추 줄기, 고춧잎의 부유속도는 각각 10.89-12.1 m/s, 8.35-9.54 m/s, 2.74-5.14 m/s로 나타났다. 이물질 선별부 요인 실험 장치를 제작하고, 풍향 가이드 3개, 5개를 추가한 풍구를 제작하여 풍향 가이드 추가에 따른 풍속을 측정하였으 며 그 결과, 풍향 가이드 추가한 풍구의 좌우 풍속의 편차가 풍향 가이드를 추가하지 않은 풍구의 풍속 편차보다 낮았다. 풍구 가이드의 갯수와 수집 가이드의 위치에 따라 이물질 선별률, 이물질 정체율을 조사하고, 그 결과를 반복이 있는 이원배치법을 사용하여 통계분석을 실시하였다. 수집 가이드 위치를 전방 중앙 기준으로 풍향 가이드를 추가하지 않은 풍구 이물질 선별률과 이물질 정체율은 각각 47.0%, 7.2%로 나타났다. 풍향 가이드를 3개 추가한 경우 이물질 선별율과 정체율은 각각 34.2%, 2.6% 였으며, 풍향 가이드 5개를 추가한 경우 각각 31.1%, 0.8%로 나타났다. 이물질 선별 및 정체를 고려하였을 때 풍향 가이드 3개를 추가하고 수집 가이드 위치를 전방 중앙 조건에서 최적인 조건으로 판단된다.

국내 감자 수확작업은 굴취기를 이용하여 감자를 굴취한 후 인력으로 수집하는 형태로 이루어지기 때문에 수집에 노동력이 많이 소요된다. 감자는 굴취 후 지면에서 장시간 노출 시 독성물질인 solanine 합성이 일어날 뿐만 아니라 변색되어 상품성이 떨어지게 된다. 따라서, 굴취에서 수집까지 동시작업이 가능한 수집형 감자 수확기의 개발이 필요하다. 본 연구에서는 수집형 감자 수확기를 개발하고자 굴취, 이송, 이물질제거, 수집부로 구성된 굴취에서 수집까지 감자 수확 일관작업이 가능한 수집형 수확기 시작기의 작업속도에 따른 성능을 분석하였다. 시작기의 성능은 굴취율, 손실율, 손상율, 이물질혼입율, 작업능률 5가지 지표를 분석하였다. 3수준(0.2, 0.24, 0.28 m/s)의 작업속도에 따른 시작기의 성능을 분석한 결과 작업속도 0.24 m/s에서 굴취율 99.9%, 손상율 4.7%, 이물질혼입율 3%, 손실율 5%로서 성능이 가장 우수하게 나타났다. 작업속도 0.24 m/s에서 작업능률은 1.3 h/10a로 관행 수확 방식 대비 92.4%의 노동력 절감 효과가 나타났다.

본 연구에서는 주행부, 주반송부, 동력전달부 등으로 구성된 배추를 인발하여 수확할 수 있는 궤도형의 자주식 인발형 배추수확기 개발, 인발기능과 이송기능을 갖는 주이송부의 설계 요인에 따른 포장 수확 성능 평가, 우리나라 품종별 재배작형에 따른 배추 물리적 특성 분석 및 시작기의 인발 및 반송 성능 향상을 위한 전처리부 설계를 수행하였다. 수확기 설계를 위한 기초 자료로 활용하기 위해서 우리나라 계절별 대표 품종(봄배추: 대통배추, 가을배추: 노랑배추, 월동배추: 겨울왕국)에 대해 수확시기의 물리적 특성을 조사하였다. 겉잎을 제거하지 않은 상태에서 크기를 품종별 평균값으로 나타냈을 때 3가지 품종에 있어서 폭은 22.7 ~ 30.6 cm, 높이 29.9 ~ 33.8 cm 범위로 나타났으며, 수직인발력은 평균 90.8~159.5 N으로 다양하게 나타났다. 인발각도, 속도비를 인발성능 요인으로 고려한 인발성능 평가에서 인발각도 35°, 수확기 주행 속도가 0.4 m/s 이고 인발벨트 속도 0.61 m/s 일 때의 속도비 1 : 1.22에서 인발률 80%로 인발정도가 가장 높게 나타났으나, 보다 향상된 배추 인발성능을 확보하기 위해서는 인발 시 배추를 안정적으로 전달할 수 있는 메카니즘이 추가로 요구되어 배추수확기 주이송부의 전방에 부착할 수 있는 유인부와 보조반송부로 구성된 전처리부를 전장 88 cm, 전폭 60 cm, 전고 15 cm의 치수로 설계･제시하였다.

A flexible piezoelectric energy harvester(f-PEH) that converts tiny mechanical and vibrational energy resources into electric signals without any restraints is drawing attention as a self-powered source to operate flexible electronic systems. In particular, the nanocomposites-based f-PEHs fabricated by a simple and low-cost spin-coating method show a mechanically stable and high output performance compared to only piezoelectric polymers or perovskite thin films. Here, the non-piezoelectric polymer matrix of the nanocomposite-based f-PEH is replaced by a P(VDF-TrFE) piezoelectric polymer to improve the output performance generated from the f-PEH. The piezoelectric hybrid nanocomposite is produced by distributing the perovskite PZT nanoparticles inside the piezoelectric elastomer; subsequently, the piezoelectric hybrid material is spin-coated onto a thin metal substrate to achieve a nanocomposite-based f-PEH. A fabricated energy device after a two-step poling process shows a maximum output voltage of 9.4 V and a current of 160 nA under repeated mechanical bending. Finite element analysis(FEA) simulation results support the experimental results.

이 연구는 국산 농기계의 내수 및 수출 경쟁력 제고방안을 도출하고자, 최근 5년간 한국과 일본산의 핵심 농기계에 대한 가격과 시장점유율을 분석하고, 양국 종합형업체의 매출액, 연구개발비 및 특허출원 현황을 분석하고, 높은 시장점유율을 보인 양국 핵심 농기계 대표모델의 성능, 품질 및 가격을 분석하였다. 2016년 우리나라의 4대 농기계 제조사의 연 매출 규모는 1,984-5,249억 원으로, 일본 주요 제조사의 2.7-15.7% 수준이다. 내수시장에서 일본산 농기계의 시장점유율은 트랙터 14.5%, 콤바인 31.1%, 이앙기 35.8%로 확대일로에 있는 것으로 분석되었다. 트랙터의 규격별 가격과 시장점유율을 분석한 결과, 국산 트랙터는 80 ps급 이상 대형일수록 가격경쟁력이 떨어질 뿐만 아니라 시장점유률도 감소하였다. 국산 콤바인의 시장점유율은 자탈형 4조식과 6조식에서 증가하였으나, 가장 많이 공급된 5조식 콤바인(전체의 49.0%를 차지)은 지난 5년간 85.0%에서 60.7%로 감소 하였다. 이는 국산 5조식 콤바인 가격이 일본산의 90.7-108.6%로 가격경쟁력 약화에 기인한 것으로 판단된다. 6조식 이앙기(전체의 88.7%를 차지)중에서 국산이 62.6-68.0%를 유지하는 것으로 분석 되었다. 국산 6조식 가격은 일본산의 83.1-85.5% 수준으로 가격경쟁력이 있지만, 가격 차이가 3,690-4,420천원에 불과하여 시장점유율이 확대되지 못한 것으로 판단된다. 국내 종합형업체의 농기계부문 매출액은 일본 종합형업체의 2.7-15.7%로 크게 낮고, 종업원 1인당 매출액은 일본의 43.9-81.5%에 불과하여 낮은 생산성을 보이고 있다. 연구원 수는 일본의 13.2-28.1%로 낮았으나, 종업원수 대비 연구원수 비율은 145-176.5%로 오히려 더 높았다. 또한 매출액 대비 연구개발비의 비중은 일본 구보다사 보다 123.1-153.8%로 높게 나타났다. 또한, 국내 농기계 산업과 내수시장을 위협하고 있는 일본 제조사의 국내 특허등록은 2010년 이후 급속한 증가세로, 2016년 기준으로 트랙터의 58.5%, 콤바인의 79.9%, 이앙기의 69.8%를 차지하고 있어 기술권리성 확보가 심각한 상태이다. 특히 핵심 농기계에 대해 일본의 국내 특허등록은 주요 핵심기술에 집중되었는데, 트랙터는 본체·변속장치에 37%, 콤바인은 본체·탈곡장치에 54%, 이앙기는 본체에 57%가 집중된 것으로 분석되었다. 따라서 기술권리성 확보 및 내수시장 방어를 위해 제조사의 자체 연구개발비를 증액과 더불어 정부지원 R&D와 특허의 정량적인 출원·등록을 연계하는 제도적 보완 및 지원확대가 필요하다. 국내에서 높은 시장점유율을 보인 양국 핵심 농기계 대표모델의 성능, 품질 및 가격, 가격차이(국산-수입산)/농가소득, 시장점유율을 분석한 결과, 일본산 트랙터의 가격은 국산 대비 130.8-136.3% 고가이고, 농가소득 대비 가격차이율은 37.6%, 시장점유율은 0.1-0.2%를 보였다. 콤바인은 가격 92.0-110.2%에서 가격차이율 –14.2-18.3%와 시장점유율 6.2-8.1%를, 이앙기는 각각 117.0-120.4%, 9.9-11.9%, 5.5-16.1%를 보여, 시장점유율은 농기계의 가격과 농가소득 대비 가격차이 비율에 높은 영향을 받는것으로 나타났다. 농기계의 경쟁력 강화를 위해서는 단기적으로 고장이 적어야 한다. 내수시장에서 국산 농기계는 가격대비 품질이 낮고 고장빈도가 높아 농가로부터 신뢰성과 시장점유율이 크게 감소하였다. 따라서 고장빈도가 높은 부품의 내구성 향상과 고품질 부품 개발, 부품 표준화 등을 담당하는 전문연구기관의 설립이 필요하다. 또한 중장기적으로 현재까지의 선진기술 추격과 응용기술 개발에서 탈피하여 핵심 요소기술개발에 역점을 두어야한다. 이를 위한 기술 로드맵 수립, 산학연 협력 확대와 정부의 연구개발비 증액, 산업체의 구조조정과 기술혁신이 필요하다.