넓은 주파수 범위에서 동작하는 고출력 전기음향 변환기에 대한 요구는 지속적으로 증가하고 있으나, 이러한 변환기를 위한 적절한 임피던스 정합 회로를 설계하는 일은 여전히 어렵다. 기존의 수동 아날로그 정합 네트워크는 광대역 동작을 유지하면서도 부하에 최적의 유효(활성) 전력을 전달하는 데 한계를 보인다. 최근 제어 가능한 다중 스위칭 커패시터 설계가 이 문제를 어느 정도 해결하기는 했지만, 대개 피드백 루프와 복잡한 제어 회로가 필요하다. 이러한 한계를 극복하기 위해 우리는 양(+) 또는 음(-) 임피던스 컨버터를 사용하여 매우 넓은 대역폭을 달성하는 순차적 아날로그 임피던스 정합 설계 방법을 제안한다. 제안된 방법은 단계별 최적화 전략을 채택하며, 각 단계에서의 회로 파라미터를 목표 대역폭 내 입력 유효(활성) 전력을 극대화하도록 순차적으로 추정한다. 최적 단계 수 또한 각 단계에서의 유효 전력에 대한 증분 향상을 추정하여 결정한다. 정합 네트워크의 구성요소는 수동 LC 분기 또는 음(-) 임피던스 컨버터를 포함하는 능동 분기를 사용해 구현할 수 있으며, 이를 통해 유연하고 효과적인 광대역 정합이 가능하다. 제안 방법의 실현 가능성 및 전력 제한은 이론적으로 분석하고 회로 시뮬레이션을 통해 검증한다. 그 결과, 이 방법은 기존 LC 네트워크에 비해 우수한 정합 성능을 제공하며, 피드백 제어기나 디지털 로직을 요구하지 않으면서도 디지털 제어 정합 시스템과 견줄 만한 성능을 달성함을 보여준다. 상용 변환기와 동등한 버터워스–밴 다이크(Butterworth–Van Dyke, BVD) 모델을 사용한 실험 결과는 또한 제안 방법을 추가로 검증하며, 뛰어난 유효(활성) 전력 성능을 보여주고, 단순한 설계 방식이 광대역 변환기 응용 전반에 대해 효과적이며 실용적임을 확인한다.

Janus Helmholtz 변환기(JHT)는 이중 공진 특성에 의해 광대역에서 높은 전송 전압 응답(TVR)을 보이는 것으로 알려져 있다. 일반적으로 JHT의 광대역 전력 전송을 위해서는 정합 회로 설계를 필요로 한다. 그러나 기존의 정합 회로 설계는 광대역을 용이하게 포괄할 수 없으며, 부하로 전달되는 최대 능동 전력을 달성하기도 어렵다. 이러한 한계를 해결하기 위해, 전체 전력 전달 효율을 최대화하는 새로운 임피던스 정합 회로 설계 방법을 제안한다. 제안 방법은 입력 전력 인자와 부하 전력 인자의 목적함수에 기반한다. 제안 방법은 흔히 사용되는 입력 전력 인자만을 사용하는 방법보다 부하로의 능동 전력 전달을 더 향상시킨다. 제안 방법의 타당성을 입증하기 위해 케이블과 JHT의 등가 회로 모델을 고려하고, 공진 소자와 결합 커패시터로 구성된 컴팩트한 정합 회로를 채택한다. 세 개의 JHT, 두 개의 전력 구동 시스템, 그리고 두 개의 주파수 대역을 고려함으로써, 제안 방법이 부하로의 능동 전력 전달에서 유의미한 향상을 달성할 수 있음을 보인다. 또한 등가 JHT 회로, 케이블, 정합 회로에 대한 실험을 수행하여 입력 전력 인자가 73.2% 증가하고, 1 Vrms 입력 전압에서 부하로 전달되는 능동 전력이 2.03 mW 증가함을 확인하였다.

본 연구는 저주파 운동(2 Hz 미만)을 위한 독립형 슬라이딩 마찰전기 나노발전기(FS‐TENG)를 제시한다. 그러나 실제 응용을 위해서는 FS‐TENG의 고조파 출력들을 처리할 수 있는 효율적인 전력 관리 전략이 필요하다. 고주파 신호는 저전력 전자기기의 전원 공급을 지속하기에는 적합하지 않다. 이 문제를 해결하기 위해, FS‐TENG로부터 고조파 소스를 효율적으로 포집하기 위해 이중 대전 회로(DCC)와 콤 필터링 회로(CFC)를 활용하는 새로운 직류 전원 공급 회로(DPS)를 제안한다. 직류 전원 공급 장치(DPS)는 FS‐TENG의 임피던스를 감소시키고 목표 고조파 소스를 수집함으로써 기존 변환기에 비해 성능이 우수하며, 이를 통해 부하에 연속적인 전력 공급이 가능해진다. 그 결과, DPS는 낮은 동작 주파수 0.625 Hz에서 최소 리플(0.039%)로 10 MΩ 부하에 대해 연속적인 2.2 V의 DC 전압을 제공할 수 있음을 보여준다. 또한, 자가 구동 온도 센서의 실제 적용을 시연함으로써 FS‐TENG와 DPS가 현실 환경에서의 저주파 에너지 수확 솔루션에 지닌 잠재력을 강조한다.

폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF)는 유체 운동을 이용한 에너지 수확 분야에서 유연성이 우수한 신흥 방법이다. 그러나 내부 임피던스가 높고 낮은 전압을 생성하는 PVDF 에너지 수확기는 전력 전송 손실이 크다. 이러한 문제를 해결하기 위해, PVDF 에너지 수확기의 임피던스를 감소시키고 전압을 부스트하는 임피던스 결합 전압 부스팅 회로(IC-VBC)를 제안한다. SPICE 시뮬레이션 결과, IC-VBC는 PVDF 에너지 수확기의 임피던스를 4.3 MΩ에서 320 kΩ로 감소시키며 출력 전압을 2.52배 증가시키는 것으로 나타났다. 저속 풍력 발전을 통한 PVDF 에너지 수확기 및 IC-VBC로 리튬이온 배터리를 성공적으로 충전하였다.

넓은 주파수 범위에서 동작하는 고출력 전기음향 변환기에 대한 요구는 지속적으로 증가하고 있으나, 이러한 변환기를 위한 적절한 임피던스 정합 회로를 설계하는 일은 여전히 어렵다. 기존의 수동 아날로그 정합 네트워크는 광대역 동작을 유지하면서도 부하에 최적의 유효(활성) 전력을 전달하는 데 한계를 보인다. 최근 제어 가능한 다중 스위칭 커패시터 설계가 이 문제를 어느 정도 해결하기는 했지만, 대개 피드백 루프와 복잡한 제어 회로가 필요하다. 이러한 한계를 극복하기 위해 우리는 양(+) 또는 음(-) 임피던스 컨버터를 사용하여 매우 넓은 대역폭을 달성하는 순차적 아날로그 임피던스 정합 설계 방법을 제안한다. 제안된 방법은 단계별 최적화 전략을 채택하며, 각 단계에서의 회로 파라미터를 목표 대역폭 내 입력 유효(활성) 전력을 극대화하도록 순차적으로 추정한다. 최적 단계 수 또한 각 단계에서의 유효 전력에 대한 증분 향상을 추정하여 결정한다. 정합 네트워크의 구성요소는 수동 LC 분기 또는 음(-) 임피던스 컨버터를 포함하는 능동 분기를 사용해 구현할 수 있으며, 이를 통해 유연하고 효과적인 광대역 정합이 가능하다. 제안 방법의 실현 가능성 및 전력 제한은 이론적으로 분석하고 회로 시뮬레이션을 통해 검증한다. 그 결과, 이 방법은 기존 LC 네트워크에 비해 우수한 정합 성능을 제공하며, 피드백 제어기나 디지털 로직을 요구하지 않으면서도 디지털 제어 정합 시스템과 견줄 만한 성능을 달성함을 보여준다. 상용 변환기와 동등한 버터워스–밴 다이크(Butterworth–Van Dyke, BVD) 모델을 사용한 실험 결과는 또한 제안 방법을 추가로 검증하며, 뛰어난 유효(활성) 전력 성능을 보여주고, 단순한 설계 방식이 광대역 변환기 응용 전반에 대해 효과적이며 실용적임을 확인한다.

Janus Helmholtz 변환기(JHT)는 이중 공진 특성에 의해 광대역에서 높은 전송 전압 응답(TVR)을 보이는 것으로 알려져 있다. 일반적으로 JHT의 광대역 전력 전송을 위해서는 정합 회로 설계를 필요로 한다. 그러나 기존의 정합 회로 설계는 광대역을 용이하게 포괄할 수 없으며, 부하로 전달되는 최대 능동 전력을 달성하기도 어렵다. 이러한 한계를 해결하기 위해, 전체 전력 전달 효율을 최대화하는 새로운 임피던스 정합 회로 설계 방법을 제안한다. 제안 방법은 입력 전력 인자와 부하 전력 인자의 목적함수에 기반한다. 제안 방법은 흔히 사용되는 입력 전력 인자만을 사용하는 방법보다 부하로의 능동 전력 전달을 더 향상시킨다. 제안 방법의 타당성을 입증하기 위해 케이블과 JHT의 등가 회로 모델을 고려하고, 공진 소자와 결합 커패시터로 구성된 컴팩트한 정합 회로를 채택한다. 세 개의 JHT, 두 개의 전력 구동 시스템, 그리고 두 개의 주파수 대역을 고려함으로써, 제안 방법이 부하로의 능동 전력 전달에서 유의미한 향상을 달성할 수 있음을 보인다. 또한 등가 JHT 회로, 케이블, 정합 회로에 대한 실험을 수행하여 입력 전력 인자가 73.2% 증가하고, 1 Vrms 입력 전압에서 부하로 전달되는 능동 전력이 2.03 mW 증가함을 확인하였다.

본 연구는 저주파 운동(2 Hz 미만)을 위한 독립형 슬라이딩 마찰전기 나노발전기(FS‐TENG)를 제시한다. 그러나 실제 응용을 위해서는 FS‐TENG의 고조파 출력들을 처리할 수 있는 효율적인 전력 관리 전략이 필요하다. 고주파 신호는 저전력 전자기기의 전원 공급을 지속하기에는 적합하지 않다. 이 문제를 해결하기 위해, FS‐TENG로부터 고조파 소스를 효율적으로 포집하기 위해 이중 대전 회로(DCC)와 콤 필터링 회로(CFC)를 활용하는 새로운 직류 전원 공급 회로(DPS)를 제안한다. 직류 전원 공급 장치(DPS)는 FS‐TENG의 임피던스를 감소시키고 목표 고조파 소스를 수집함으로써 기존 변환기에 비해 성능이 우수하며, 이를 통해 부하에 연속적인 전력 공급이 가능해진다. 그 결과, DPS는 낮은 동작 주파수 0.625 Hz에서 최소 리플(0.039%)로 10 MΩ 부하에 대해 연속적인 2.2 V의 DC 전압을 제공할 수 있음을 보여준다. 또한, 자가 구동 온도 센서의 실제 적용을 시연함으로써 FS‐TENG와 DPS가 현실 환경에서의 저주파 에너지 수확 솔루션에 지닌 잠재력을 강조한다.

폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF)는 유체 운동을 이용한 에너지 수확 분야에서 유연성이 우수한 신흥 방법이다. 그러나 내부 임피던스가 높고 낮은 전압을 생성하는 PVDF 에너지 수확기는 전력 전송 손실이 크다. 이러한 문제를 해결하기 위해, PVDF 에너지 수확기의 임피던스를 감소시키고 전압을 부스트하는 임피던스 결합 전압 부스팅 회로(IC-VBC)를 제안한다. SPICE 시뮬레이션 결과, IC-VBC는 PVDF 에너지 수확기의 임피던스를 4.3 MΩ에서 320 kΩ로 감소시키며 출력 전압을 2.52배 증가시키는 것으로 나타났다. 저속 풍력 발전을 통한 PVDF 에너지 수확기 및 IC-VBC로 리튬이온 배터리를 성공적으로 충전하였다.

수중 무선 센서에 전력을 안정적으로 공급하기 위한 목적에서, 유동 유기 진동(flow-induced vibration)을 이용해 압전 재료에서 변위를 발생시켜 전압을 얻는 에너지 수확 기술은 가장 매력적인 연구 분야 중 하나이다. 본 연구에서 제안한 PVDF를 적용한 깔때기형 에너지 수확기(FTEH)는 유입부의 단면적이 유출부보다 더 크고, 유입부에 나선 구조를 삽입하여 와류 흐름을 생성하는 에너지 수확기이다. 수치 해석에 따르면, L = 100 mm, t = 1 mm인 PVDF를 사용한 경우 유속 0.25 m/s에서 39 μW의 전력이 생성되었다. 실험에서는 유속이 1 m/s 증가할 때 FTEH의 평균 RMS 전압이 0.0209 V 증가하였다. 유속 0.25 m/s에서 25 s 동안 측정한 결과, 전압 배가 정류기(VDR)는 전압이 133.4 mV로 생성되었으며, 이는 전전파 정류기(FBR) 대비 2.25배 큰 값이었다. 또한 커패시터에 충전된 에너지는 44.3 nJ로, FBR에 비해 VDR에서 14% 더 높았다. 더불어 VDR은 1 kΩ 부하에서 17.75 μW의 전력을 전달할 수 있다. 유속으로부터 FTEH가 생성한 전압을 VDR 전기 회로를 사용하여 저장하면, 수중 무선 센서의 안정적인 전력 공급에 크게 기여할 수 있음을 보여준다.

바람에 의해 유도되는 에너지 하베스팅의 성능 특성을, 2단 병렬 방식이며 수직 방향으로 정렬된 구성을 갖는 유연한 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF) 에너지 하베스터를 사용하여 실험적으로 조사하였다. PVDF 필름 모듈 10개를 직렬로 연결하여 하나의 세트를 구성하였고, 동일한 세트 4개를 조립하여 3가지 배열 구성(2 × 2, 4 × 1, 1 × 4)으로 제작함으로써 배열 기하와 와류 상호작용이 발전 성능에 미치는 영향을 체계적으로 분석하였다. 실험은 풍속 1~3 m/s 범위에서 수행하였다. 풍속 3 m/s에서 2 × 2 배열 구성은 600 s 이후 평균 충전 전압 2.895 V, 총 출력 전력 0.731 W를 달성하였으며, 이는 4 × 1(0.224 W) 및 1 × 4(0.176 W) 구성과 비교하여 각각 약 3.3배 및 4.2배 증가에 해당한다. 또한 균일성 지수(U = 0.701), 와류 증폭 지수(G = 0.663), 배열 효율(η = 0.789)은 2 × 2 배열 구성이 시험된 구성들 중에서 가장 균일하고 효율적인 에너지 분배를 제공함을 보여준다. 이러한 결과는 제안된 2단 병렬 퍼널형 PVDF 에너지 하베스터가 2 × 2 배열 구성을 적용할 때, 저풍속 조건에서도 높은 효율의 에너지 하베스팅을 위한 효과적인 설계임을 시사한다.

우리는 그래프 합성곱 신경망(GCN)의 인접 행렬에 대한 인접성의 대각선 제약을 통해 물체의 경계 박스를 탐지할 수 있는 새로운 물체 탐지 접근법인 DaigNet을 제안한다. 우리는 인접 행렬에 대한 하드 및 소프트 제약을 기반으로 하는 두 가지 대각화 알고리즘과, 대각선 제약 및 상보 제약을 사용하는 두 가지 손실 함수를 제안한다. DaigNet은 일반적으로 사용되는 일련의 앵커 박스를 설계할 필요성을 제거한다. 본 발명의 새로운 검출기의 가능성을 입증하기 위해 YOLO 모델에서의 탐지 헤드를 채택한다. 실험 결과, DiagNet은 Pascal VOC에서 YOLOv1 대비 mAP50을 7.5% 더 높게 달성하였다. 또한 DiagNet은 MS COCO에서 YOLOv3u 대비 mAP을 5.1% 더 높게, YOLOv5u 대비 mAP을 3.7% 더 높게, YOLOv8 대비 mAP을 2.9% 더 높게 나타냈다.

기존 연구는 주로 수중 선박 엔진 음향 분류를 위한 특징으로 단시간 푸리에 변환(short-time Fourier transform, STFT)을 통해 생성된 스펙트로그램을 활용한다. 그러나 이러한 특징은 STFT 과정에서 정의되는 매개변수에 의해 제약을 받으며, 이는 분류에 필요한 정보의 범위를 제한할 가능성이 있다. 본 논문은 이러한 한계를 해결하기 위해 서로 다른 창(window) 크기를 사용해 생성한 다중 해상도 스펙트로그램을 3차원 텐서로 구성하고, 이를 텐서 인수분해 신경망(Tensor Factorized Neural Network, TFNN)으로 분류하는 방법을 제안한다. 이 3차원 텐서는 여러 시간 및 주파수 해상도에 걸친 특징을 결합함으로써 보다 효율적인 학습을 가능하게 한다. 공개적으로 이용 가능한 선박 엔진 음향 데이터셋을 사용한 실험 결과는, 3차원으로 구조화된 텐서 특징을 적용할 때 기존에 사용되던 특징들에 비해 더 우수한 분류 성능을 달성함을 보여준다.

기계적으로 생성된 소리는 산업 공정 제어 및 감시에 흔히 사용되며, 대개 시간–주파수 영역에서 선 스펙트럼(line spectra)으로 나타나는 협대역 조화(harmonic) 특징을 보인다. 합성곱 신경망(CNNs)이 선 스펙트럼 추출에 활용되어 왔으나, 고품질의 감독 학습 데이터가 부족한 경우가 많아 성능이 저하되는 경우가 흔하다. 이러한 한계를 해결하기 위해, 특징 간의 관계를 명시적으로 모델링하는 그래프 신경망(GNNs)을 탐구한다. GNNs 중에서도 그래프 합성곱 네트워크(graph convolutional networks, GCNs)는 계산 효율성으로 인해 두드러진다. 본 연구에서는 기계 소리를 그래프 표현으로부터 선 스펙트럼 특징을 효과적으로 추출하기 위해 가중치 텐서(weight tensor)로 보강된 GCN 모델을 제안한다. 본 접근법은 시간–주파수 마스크가 노이즈를 포함하여 감독 신호를 방해하는 약한 감독(weakly supervised) 시나리오에 맞추어 설계되었다. 텐서 곱 연산(tensor product operation)을 활용함으로써, 모델은 입력 그래프를 다차원 임베딩 공간(multi-dimensional embedding space)으로 투영하여, 최소한의 계산 부담으로도 다양하고 판별적인 표상들의 학습을 가능하게 한다. 오디오 및 수중 음향(underwater acoustic) 데이터셋에 대한 실험 결과, 본 방법은 완전 감독 기준선(fully supervised baselines)보다 성능이 우수하면서도 계산 요구량을 유의하게 감소시키는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 실제 음향 처리 응용 분야에서 본 프레임워크의 효율성과 실용성을 뒷받침한다.