KR102311763B1

KR102311763B1 - Torsional actuators by temperature gradient and energy harvesting device using the same

Info

Publication number: KR102311763B1
Application number: KR1020150012035A
Authority: KR
Inventors: 김선정; 김시형
Original assignee: 한양대학교 산학협력단
Priority date: 2015-01-26
Filing date: 2015-01-26
Publication date: 2021-10-13
Also published as: KR20160091656A

Abstract

본 발명은 에 관한 것으로서 본 발명에 따른 회전형 구동기는 전기방사를 통해 제조된 고분자 섬유를 단독으로 사용하거나, 상기 고분자 섬유를 단일 방향으로 배향한 고분자 시트를 비틀고(twist), 꼬인(coil) 형태로 제조한 것을 특징으로 하며, 일상적인 환경에 존재하는 온도차이로부터 공급되는 지속적인 온도구배를 이용하여, 가역적이면서 빠르고 효율적인 구동을 가지므로, 인위적인 온도변화를 제공하지 않아도 공기 중에 낭비되는 열 에너지를 효율적으로 기계적 에너지로 전환할 수 있다.
또한, 상기 회전형 구동기를 이용하여 열에너지를 전기에너지로 회수할 수 있는 효율이 향상된 다양한 형태의 에너지 하베스팅 장치를 제공할 수 있다.The present invention relates to a rotary actuator according to the present invention using a polymer fiber produced through electrospinning alone, or twisting a polymer sheet oriented in a single direction with the polymer fiber in a single direction, and a coil type It is characterized in that it is manufactured by using the continuous temperature gradient supplied from the temperature difference existing in the daily environment, and has a reversible, fast and efficient operation, so that heat energy wasted in the air is efficiently reduced without providing an artificial temperature change. can be converted into mechanical energy.
In addition, it is possible to provide various types of energy harvesting devices with improved efficiency for recovering thermal energy into electrical energy using the rotary actuator.

Description

온도 구배에 의해 구동되는 회전형 구동기 및 이를 이용한 에너지 하베스팅 장치{Torsional actuators by temperature gradient and energy harvesting device using the same}[0001] Torsional actuators by temperature gradient and energy harvesting device using the same

본 발명은 온도 구배에 의해 구동되는 회전형 구동기 및 이를 이용한 에너지 하베스팅 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 낭비되고 있는 주위 환경에서의 열 에너지를 기계적 에너지로 전환할 수 있는 회전형 구동기와 이를 이용하여 전기에너지 생성할 수 있는, 효율이 우수한 에너지 하베스팅 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a rotary actuator driven by a temperature gradient and an energy harvesting device using the same, and more particularly, to a rotary actuator capable of converting wasted thermal energy in the surrounding environment into mechanical energy and using the same It relates to an energy harvesting device with excellent efficiency that can generate electric energy.

에너지 수확 기술이란, 주변 환경에 존재하거나, 낭비되고 있는 진동, 열, 빛, RF 등의 에너지를 전기에너지로 변환하는 기술을 의미한다. 이러한 기술이 크게 주목받고 있는 이유는 에너지 수확의 구조 및 성능이 지속적으로 진화하면서 수확되는 전기 에너지의 밀도가 점점 커지고 있기 때문이다.The energy harvesting technology refers to a technology that converts energy such as vibration, heat, light, RF, etc. that exists or is wasted in the surrounding environment into electrical energy. The reason these technologies are receiving great attention is that the density of harvested electrical energy is increasing as the structure and performance of energy harvesting continue to evolve.

에너지 수확 기술로는 열전 효과(thermoelectricity)를 이용하여 온도차이를 전기에너지로 변환할 수 있는 방법이 있다. 열전효과에 의한 방식은 양단의 온도차에 의해 전압이 발생되는 열전 재료를 이용하는 것으로, 사람의 체온이나 폐열로부터 전기 에너지를 얻을 수 있다는 장점이 있지만, 일정한 온도차이가 존재하여야만 전위차가 발생한다는 점과 효율이 매우 낮다는 등의 문제점이 존재한다.As an energy harvesting technology, there is a method of converting a temperature difference into electrical energy using a thermoelectricity. The thermoelectric effect method uses a thermoelectric material in which a voltage is generated by the temperature difference between both ends, and has the advantage of obtaining electrical energy from human body temperature or waste heat. There are problems such as being very low.

상기와 같은 문제점을 해결하고자, 온도 변화(fluctuation)와 같은 열에너지, 전기화학적, 화학적, 열적 또는 습도로부터 접히거나, 상하로 움직이거나 회전하는 등의 구동(actuation)이 발생되는 다양한 인공근육들이 개발되어 왔다.In order to solve the above problems, various artificial muscles that generate actuation such as folding, moving up and down or rotating from thermal energy, electrochemical, chemical, thermal or humidity such as temperature change have been developed. come.

일예로, 비틀리고 꼬인 형태의 탄소 나노튜브 실(비특허 문헌 1, 2)은 종래의 일반적인 탄소나노튜브 실보다 약 1000 배 이상 더 큰 회전 구동을 나타냈다. 다시 말해, 상술한 형태의 탄소 나노튜브 실은 열적 에너지로부터 회전 구동이 유도되거나, 변화하는 온도에 의해서 자가 구동될 수 있는 기술이다.For example, twisted and twisted carbon nanotube yarns (Non-Patent Documents 1 and 2) exhibited rotational actuation greater than about 1000 times greater than that of conventional carbon nanotube yarns. In other words, the above-described type of carbon nanotube yarn is a technology in which rotational driving is induced from thermal energy or self-driven by changing temperature.

그러나, 상기와 같은 구조의 탄소 나노튜브 실은 높은 전기전도 특성을 기반으로 전압을 인가하여 이의 제기에 따라 수축 또는 팽창하는 것으로, 전기 에너지를 열 에너지 또는 회전 에너지로 전환하는 것이다. 또한, 상기 수축 또는 팽창을 통해 발생되는 전환효율이 낮아, 일상생활 속에서 외부환경의 열 에너지를 충분히 활용할 수 없다는 문제가 존재한다.However, the carbon nanotube yarn having the above structure shrinks or expands according to the objection by applying a voltage based on high electrical conductivity, and converts electrical energy into thermal energy or rotational energy. In addition, there is a problem in that the conversion efficiency generated through the contraction or expansion is low, so that the thermal energy of the external environment cannot be sufficiently utilized in daily life.

한편, 상기 탄소나노튜브를 기반으로 하는 구동기 외에, 온도변화로부터 에너지를 저장하는 초전 물질(비특허 문헌 3), 폴리머 팽창에 의한 하이브리드 압전 시스템(비특허 문헌 4) 및 형태기억합금(비특허 문헌 5) 등이 개발되어 있으나, 이들은 모두 세밀한 분극 과정이 요구되고, 열 에너지를 기계적에너지 또는 전기에너지로 전환하기 위해서 필요한 온도변화가 높아야 하며, 신축성 및 탄성이 낮아 빠르고 효율적으로, 주위 환경에 존재하는 열에너지를 활용할 수 없다는 문제가 존재하기 때문에, 상기 물질을 이용하여 에너지 전환 장치로 사용되기에는 한계가 존재한다.On the other hand, in addition to the carbon nanotube-based actuator, a pyroelectric material that stores energy from temperature change (Non-Patent Document 3), a hybrid piezoelectric system by polymer expansion (Non-Patent Document 4), and a shape memory alloy (Non-Patent Document) 5) have been developed, but they all require a detailed polarization process, the temperature change required to convert thermal energy into mechanical energy or electrical energy must be high, and have low elasticity and elasticity, so they are fast and efficient. Since there is a problem that thermal energy cannot be utilized, there is a limit to using the material as an energy conversion device.

따라서, 상기와 같은 문제점을 해결하면서, 일상적인 환경에서의 온도 변화에서도 구동이 가능하고, 가역적이면서 빠르며, 효율적으로 자가 구동할 수 있는 회전형 구동기를 만들고자 노력한 바, 본 발명과 같은 회전형 구동기를 개발하기에 이르렀다.Therefore, while solving the above problems, an effort was made to make a rotary actuator that can be driven even in a temperature change in a daily environment, and can be reversibly, quickly, and efficiently self-driving. came to development.

비특허 문헌 1. J. Foroughi, G. M. Spinks, G. G. Wallace, J. Oh , M. E. Kozlov, S. L. Fang, T. Mirfakhrai, J. D. W. Madden, M. K. Shin, S. J. Kim, R. H. Baughman, Science 2011, 334, 494.Non-Patent Literature 1. J. Foroughi, G. M. Spinks, G. G. Wallace, J. Oh, M. E. Kozlov, S. L. Fang, T. Mirfakhrai, J. D. W. Madden, M. K. Shin, S. J. Kim, R. H. Baughman, Science 2011, 334, 494. 비특허 문헌 2. M. D. Lima, N. Li, M. J. de Andrade, S. L. Fang, J. Oh, G. M. Spinks, M. E. Kozlov, C. S. Haines, D. Suh, J. Foroughi, S. J. Kim, Y. S. Chen, T. Ware, M. K. Shin, L. D. Machado, A. F. Fonseca, J. D. W. Madden, W. E. Voit, D. S. Galvao, R. H. Baughman, Science 2012, 338, 928.Non-Patent Document 2. MD Lima, N. Li, MJ de Andrade, SL Fang, J. Oh, GM Spinks, ME Kozlov, CS Haines, D. Suh, J. Foroughi, SJ Kim, YS Chen, T. Ware, MK Shin, LD Machado, AF Fonseca, JDW Madden, WE Voit, DS Galvao, RH Baughman, Science 2012, 338, 928. 비특허 문헌 3. Y. Yang, S. Wang, Y. Zhang, Z. L. Wang, Nano Lett. 2012, 12, 6408.Non-Patent Document 3. Y. Yang, S. Wang, Y. Zhang, Z. L. Wang, Nano Lett. 2012, 12, 6408. 비특허 문헌 4. X. Wang, K. Kim, Y. Wang, M. Stadermann, A. Noy, A. V. Hamza, J. Yang, D. J. Sirbuly, Nano Lett. 2010, 10, 4091.Non-Patent Document 4. X. Wang, K. Kim, Y. Wang, M. Stadermann, A. Noy, A. V. Hamza, J. Yang, D. J. Sirbuly, Nano Lett. 2010, 10, 4091. 비특허 문헌 5. D. Zakharov, G. Lebedev, O. Cugat, J. Delamare, B. Viala, T. Lafont, L. Gimeno, A. Shelyakov, J. Micromech. Microeng. 2012, 22, 094005.Non-Patent Document 5. D. Zakharov, G. Lebedev, O. Cugat, J. Delamare, B. Viala, T. Lafont, L. Gimeno, A. Shelyakov, J. Micromech. Microeng. 2012, 22, 094005.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 주위 온도 차이에 의해 회전형 구동기 내 온도구배가 발생하게 되고, 이로 인해 구동하는, 열에 민감한 회전형 구동기를 제공하는 것이다.The present invention has been devised in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a heat-sensitive rotary actuator that is driven by a temperature gradient in the rotary actuator caused by a difference in ambient temperature.

본 발명의 다른 목적은 상기 회전형 구동기를 이용한 다양한 형태의 에너지 하베스팅 장치를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide various types of energy harvesting apparatus using the rotary actuator.

본 발명은 상기 목적을 이루기 위하여, 적어도 하나의 고분자 섬유 또는 상기 고분자 섬유가 일 방향으로 배향되어 형성된 고분자 시트를 포함하고,In order to achieve the above object, the present invention includes at least one polymer fiber or a polymer sheet in which the polymer fiber is oriented in one direction,

상기 적어도 하나의 고분자 섬유 또는 고분자 시트는 내측을 기준으로 상단부 및 하단부로 이루어지고,The at least one polymer fiber or polymer sheet consists of an upper end and a lower end with respect to the inside,

상기 적어도 하나의 고분자 섬유 또는 고분자 시트의 상단부와 하단부는 어느 하나 이상이 고정되어져 있으며,At least one of the upper and lower ends of the at least one polymer fiber or polymer sheet is fixed,

상기 적어도 하나의 고분자 섬유 또는 고분자 시트는 상단부와 하단부가 서로 같은 방향 혹은 반대방향으로 회전되어 제조된 비틀린(twist) 혹은 꼬인 형태(coil)를 가지는 것을 특징으로 하는 회전형 구동기로,The at least one polymer fiber or polymer sheet is a rotational actuator, characterized in that the upper end and the lower end are rotated in the same or opposite directions to have a twisted or twisted shape (coil),

상기 회전형 구동기의 일부분과 다른 부분의 온도구배가 발생하면, 상기 회전형 구동기의 일부분과 다른 부분의 부피 차가 발생하여 연속적인 회전을 발생하는 것을 특징으로 하는 회전형 구동기를 제공한다.When a temperature gradient between a portion of the rotary actuator and another portion occurs, a volume difference between a portion of the rotary actuator and the other portion occurs to generate continuous rotation.

상기 고분자 섬유는 나일론, 폴리우레탄, 폴리에틸렌 및 고무 등의 고분자 재료로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나일 수 있다.The polymer fiber may be any one selected from the group consisting of polymer materials such as nylon, polyurethane, polyethylene and rubber.

상기 회전형 구동기의 일부분과 다른 부분과의 온도구배는 1 ℃이상 일 수 있다.A temperature gradient between a portion of the rotary actuator and another portion may be 1° C. or more.

상기 회전형 구동기의 직경은 0.5 내지 200 ㎛일 수 있다.The diameter of the rotary actuator may be 0.5 to 200 μm.

상기 회전형 구동기의 최대온도가 20 내지 80 ℃일 수 있다.The maximum temperature of the rotary actuator may be 20 to 80 ℃.

상기 적어도 하나의 고분자 섬유 또는 고분자 시트의 상단부와 말단부가 서로 같은 방향 혹은 반대방향으로 회전되어 회전형 구동기로 제조될 때, 상기 고분자 섬유 또는 고분자 시트의 유리전이온도(T_g) 이상에서, 2,000 내지 60,000 turns/m의 꼬임수로 회전되어 제조되는 것 일 수 있다.When the upper end and the end of the at least one polymer fiber or polymer sheet are rotated in the same or opposite directions to produce a rotary actuator, _{at least the glass transition temperature (T g} ) of the polymer fiber or polymer sheet, 2,000 to It may be manufactured by rotating at a twist number of 60,000 turns/m.

상기 회전형 구동기는 고정되기 이전에 전체 길이에 대해 10 내지 60% 인장된 후, 고정될 수 있다.The rotary actuator may be fixed after being stretched by 10 to 60% with respect to its entire length before being fixed.

또한, 본 발명은 상기 회전형 구동기 2 가닥으로 이루어진 2-플라이 구조를 가지고, 한 가닥처럼 거동하는 것을 특징으로 하는 2-플라이 구조의 회전형 구동기를 제공한다.In addition, the present invention provides a rotary actuator having a two-ply structure, characterized in that it has a two-ply structure consisting of two strands of the rotary actuator, and behaves like one strand.

또한, 본 발명은 상기 목적을 이루기 위하여, 온도구배에 의해 연속적인 회전을 제공하는 상기 회전형 구동기, 상기 회전형 구동기 내에 지점에 위치하고, 상기 회전형 구동기가 회전함에　따라 회전하는, 적어도 하나 이상의 자성체 또는 코일 및 상기 회전형 구동기와 이격되어 배치되는 적어도 하나 이상의 코일 또는 자성체;를 포함하는 에너지 하베스팅 장치를 제공한다.In addition, in order to achieve the above object, the present invention provides at least one magnetic material that is positioned at a point in the rotary actuator, which provides continuous rotation by a temperature gradient, and rotates as the rotary actuator rotates. Or at least one coil or magnetic body disposed spaced apart from the coil and the rotary actuator; provides an energy harvesting device comprising a.

상기 회전형 구동기가 온도구배에 의해 회전함에 따라 상기 자성체가 회전하고, 상기 코일 내부를 통과하는 자속의 변화를 유도하여 전기에너지를 생성할 수 있다.As the rotational actuator rotates by the temperature gradient, the magnetic body rotates and induces a change in magnetic flux passing through the coil to generate electrical energy.

상기 자성체는 영구자석이고, 상기 자성체의 무게는 상기 회전형 구동기에 대해 1 내지 1000 배일 수 있다.The magnetic material may be a permanent magnet, and the weight of the magnetic material may be 1 to 1000 times that of the rotary actuator.

상기 회전형 구동기는 양단이 모두 고정되어 있거나, 어느 하나의 말단만 고정되어 있고,The rotary actuator has both ends fixed, or only one end is fixed,

상기 회전형 구동기가 어느 하나의 말단만 고정된 경우, 상기 회전형 구동기의 고정되지 않은 어느 하나의 말단에 위치변동지지대를 더 포함할 수 있다.When only one end of the rotary actuator is fixed, it may further include a position change support at any one end of the rotary actuator that is not fixed.

상기 위치변동지지대는 자성체인 것을 특징으로 하고, 상기 위치변동지지대와 이격되어 위치하고, 둘러싼 코일을 포함하고, 온도구배에 따라 상기 회전형 구동기가 인장되고 수축되면 위치변동지지대가 수평으로 움직이면서 상기 코일 내부를 통과하는 자속이 변하여 전기에너지를 생성하는 것일 수 있다.The position fluctuation support is characterized in that it is a magnetic material, is spaced apart from the position fluctuation support and includes a surrounding coil, and when the rotary actuator is stretched and contracted according to a temperature gradient, the position fluctuation support moves horizontally inside the coil It may be that the magnetic flux passing through is changed to generate electrical energy.

또한, 본 발명은 상기 목적을 이루기 위하여, 상기 에너지 하베스팅 장치의 상단부 및 하단부 중 어느 한 곳에 부착된, 판, 상기 판은 열림과 닫힘을 발생시키는 개폐구를 포함하고, 상기 회전형 구동기의 일 지점에 위치하고, 상기 판과 이격되어 배치된, 상기 개폐구와 동일한 모양의 적어도 하나의 핀을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 장치를 제공한다.In addition, the present invention, in order to achieve the above object, a plate attached to any one of the upper end and the lower end of the energy harvesting device, the plate includes an opening and closing port for generating opening and closing, and one point of the rotary actuator It provides an energy harvesting device, characterized in that it further comprises at least one pin of the same shape as the opening and closing, located in the plate and spaced apart arrangement.

상기 회전형 구동기가 온도구배에 따라 회전하게 되고, 상기 회전형 구동기의 회전에 의해 상기 핀이 상기 개폐구와 이격된 수평 위치에 위치하게 되어 개폐구로부터 유입되는 공기의 흐름을 차단할 수 있다.The rotary actuator rotates according to a temperature gradient, and the pin is positioned at a horizontal position spaced apart from the opening and closing opening by rotation of the rotational actuator, thereby blocking the flow of air introduced from the opening and closing opening.

상기 개폐구가 구비된 각 판과 핀과의 이격거리는 0.1 내지 3 ㎝일 수 있다.The separation distance between each plate provided with the opening and closing port and the pin may be 0.1 to 3 cm.

또한, 본 발명은 상기 목적을 이루기 위하여, 양 말단이 가로축으로 고정되어 있고, 온도구배에 의해 회전하는 상기 회전형 구동기,In addition, in order to achieve the above object, the present invention provides the rotary actuator having both ends fixed to a horizontal axis and rotating by a temperature gradient,

상기 회전형 구동기 내의 중앙 지점에 구비된 승강수단,Elevating means provided at a central point in the rotary actuator;

상기 승강수단 하부에 구비되고, 상기 승강수단과 연결되어, 상기 회전형 구동기가 회전함에 따라 위치변동을 갖는, 적어도 하나 이상의 자성체 및At least one magnetic material provided under the elevating means, connected to the elevating means, and having a position change as the rotary actuator rotates, and

상기 자성체의 상하이동에 의해 전계를 발생시키는 적어도 하나 이상의 코일을 포함하는 에너지 하베스팅 장치를 제공한다.It provides an energy harvesting device including at least one coil for generating an electric field by vertical movement of the magnetic material.

상기 코일은 상기 자성체의 측면을 둘러싸는 원통형일 수 있다.The coil may have a cylindrical shape surrounding a side surface of the magnetic body.

상기 코일은 상기 자성체의 측면 또는 하면에 위치하여 상기 자성체의 상하이동에 의해 전계를 발생시킬 수 있다.The coil may be positioned on a side surface or a lower surface of the magnetic material to generate an electric field by vertical movement of the magnetic material.

상기 회전형 구동기가 온도구배에 의해 회전함에 따라 상기 자성체는 상하이동을 갖고, 상기 자성체의 위치변동이 상기 코일과 자성체 간의 이격거리 변동을 야기하여, 상기 코일을 통과하는 자속의 변화가 유도되어 전기에너지를 생성할 수 있다.As the rotary actuator rotates by a temperature gradient, the magnetic material has vertical movement, and a change in the position of the magnetic material causes a change in the separation distance between the coil and the magnetic material. can create

상기 자성체의 상하이동 거리는 0.1 내지 3 ㎝일 수 있다.The vertical movement distance of the magnetic material may be 0.1 to 3 cm.

상기 승강수단은 회전에너지를 위치에너지로 전환하는 장치일 수 있다.The lifting means may be a device for converting rotational energy into potential energy.

본 발명에 따른 회전형 구동기는 전기방사를 통해 제조된 고분자 섬유를 단독으로 사용하거나, 상기 고분자 섬유를 단일 방향으로 배향한 고분자 시트를 사용하여, 여기에 꼬임을 인가함으로써, 주위 환경에 존재하는 온도차이로부터 공급되는 지속적인 온도구배에 민감하고, 가역적이면서 빠르고 효율적인 구동을 가지기 때문에, 큰 온도변화를 제공하지 않아도 공기 중에 낭비되는 열 에너지를 효율적으로 기계적 에너지로 전환할 수 있다.The rotational actuator according to the present invention uses a polymer fiber produced through electrospinning alone or a polymer sheet oriented in a single direction, and applies twist thereto, thereby increasing the temperature present in the surrounding environment. Since it is sensitive to the continuous temperature gradient supplied from the difference, and has a reversible, fast and efficient actuation, it is possible to efficiently convert wasted thermal energy in the air into mechanical energy without providing a large temperature change.

또한, 상기 회전형 구동기는 우수한 회전속도를 가질 뿐만 아니라, 내구성 및 안정성이 우수하여 장기간 사용하여도 회전속도의 감소가 거의 나타나지 않으므로, 수명특성이 우수하다.In addition, the rotary actuator has excellent durability and stability as well as excellent durability and stability, so that the rotational speed hardly decreases even after long-term use, and thus the lifespan characteristics are excellent.

또한, 상기 회전형 구동기를 이용하여 열에너지를 전기에너지로 회수할 수 있는 효율이 향상된 다양한 형태의 에너지 하베스팅 장치를 제공할 수 있다.In addition, it is possible to provide various types of energy harvesting devices with improved efficiency for recovering thermal energy into electrical energy using the rotary actuator.

도 1은 본 발명에 따른 회전형 구동기의 다양한 구조를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 회전형 구동기가 공기 중의 온도차이로부터 온도구배가 발생되어 회전구동하게 되는 원리를 나타낸 도면이다.
도 3은 고분자 섬유가 일 방향으로 배향된, 본 발명에 따른 고분자 시트의 제조과정을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 회전형 구동기를 이용한 일 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 회전형 구동기를 이용한 에너지 하베스팅 장치의 부가요소에 대한 구조를 나타낸 도면과 사진이다.
도 6a는 본 발명의 다른 구현예에 따른 에너지 하베스팅 장치의 단면도이다.
도 6b는 본 발명의 다른 구현예에 따른 에너지 하베스팅 장치의 위에서 바라본 모습을 촬영한 사진이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 구현예에 따른 에너지 하베스팅 장치의 단면도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 구현예에 따른 에너지 하베스팅 장치의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 구현예에 따른 에너지 하베스팅 장치의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 10은 하단부 온도가 53 ℃로 고정되어, 온도구배를 갖는 실시예 1로부터 제조된 회전형 구동기(12 ㎝ 길이, 100 ㎛직경)의 회전속도(■), 회전각(□)을 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 11은 회전형 구동기의 상단부와 하단부의 온도차이가 13 ℃로 고정된 상태에서, 하단부 온도가 40~60 ℃일 때, 실시예 1로부터 제조된 회전형 구동기(12 ㎝ 길이, 100 ㎛직경)의 회전속도(■)를 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 12는 서로 다른 형태의 실시예 1 내지 5로부터 제조된 회전형 구동기들의 상단부와 하단부 간 온도차이가 10 ℃이고, 상기 하단부의 온도가 52 ℃일 때, 회전속도를 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 13은 실시예 1로부터 제조된 회전형 구동기는 고정되기 이전에 전체 길이에 대해 각각 0 내지 50% 인장(strain)하여, 고정한 것으로, 상기 각 회전형 구동기에 대한 회전스피드와 회전에너지를 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 14는 실시예 1로부터 제조된 회전형 구동기의 중앙에 패들을 부착한 다음, 이의 직경을 달리하여, 관성모멘트(moment of inertia)에 따른 회전속도 및 회전에너지(torsional energy)를 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 15는 길이에 따른 실시예 1로부터 제조된 회전형 구동기의 회전속도 및 회전에너지를 나타낸 그래프이다.
도 16은 하단부 온도가 53 ℃이고, 하단부와 상단부의 온도차이가 13 ℃인 실시예 1로부터 제조된 회전형 구동기를 총 8 시간동안 구동하였을 때, 각 사이클의 회전속도를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 17은 실시예 1로부터 제조된 회전형 구동기의 상단부와 하단부 사이에 자성체를 구비한 제조예 1에 따른 에너지 하베스팅 장치의 시간에 따라 생성되는 전압(흑색선)과 평균 온도(청색선)를 나타낸 그래프이다. 이때, 내삽된 그래프는 열에너지를 전기에너지로 전환할 수 있는 상기 에너지 하베스팅 장치의 일예를 나타낸 도면이다.
도 18은 제조예 1에 따른 에너지 하베스팅 장치(평균온도 46 ℃)에서, 히트플레이트를 이용한 대류를 통해 12 ℃ 온도구배를 발생시켰을 때, 시간에 따라 생성되는 전압을 측정한 그래프이다.
도 19는 제조예 1에 따른 에너지 하베스팅 장치의 저항에 따른 전기적 힘과 전압을 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 20은 도 18과 동일한 조건에서의 제조예 1에 따른 에너지 하베스팅 장치로부터 생성된 전압을 연결 정류기로 정류한 전압(rectified voltage) 신호를 나타낸 그래프이다. 내삽된 도면은 상기 정류 회로의 도면이다.1 is a view showing various structures of a rotary actuator according to the present invention.
2 is a view showing the principle that the rotational actuator according to the present invention is rotated by generating a temperature gradient from a temperature difference in the air.
3 is a view showing a manufacturing process of the polymer sheet according to the present invention, in which the polymer fibers are oriented in one direction.
4 is a cross-sectional view of an energy harvesting apparatus according to an embodiment using a rotary actuator of the present invention.
5 is a view and a photograph showing the structure of the additional element of the energy harvesting device using the rotary actuator of the present invention.
6A is a cross-sectional view of an energy harvesting apparatus according to another embodiment of the present invention.
Figure 6b is a photograph taken from the top of the energy harvesting apparatus according to another embodiment of the present invention.
7 is a cross-sectional view of an energy harvesting apparatus according to another embodiment of the present invention.
8 is a cross-sectional view showing the structure of an energy harvesting device according to another embodiment of the present invention.
9 is a cross-sectional view showing the structure of an energy harvesting device according to another embodiment of the present invention.
10 shows the rotation speed (■) and rotation angle (□) of the rotary actuator (12 cm length, 100 μm diameter) manufactured from Example 1 having a temperature gradient at the lower end fixed at 53 ° C. It is a graph.
11 shows the rotary actuator manufactured in Example 1 (12 cm length, 100 μm diameter) when the temperature of the lower end is 40 to 60 ° C in a state where the temperature difference between the upper end and the lower end of the rotary actuator is fixed at 13 ° C. It is a graph showing the measured rotation speed (■).
12 is a graph showing the measurement of the rotational speed when the temperature difference between the upper end and the lower end of the rotary actuators manufactured from Examples 1 to 5 of different types is 10° C. and the temperature of the lower end is 52° C.
13 shows that the rotational actuator manufactured in Example 1 is fixed by straining by 0 to 50% for the entire length before being fixed, and by measuring the rotational speed and rotational energy for each of the rotational actuators. is the graph shown.
14 is a graph showing the rotation speed and torsional energy according to the moment of inertia by attaching a paddle to the center of the rotary actuator manufactured in Example 1, and then by varying the diameter thereof. am.
15 is a graph showing the rotational speed and rotational energy of the rotary actuator manufactured in Example 1 according to the length.
16 is a graph showing the results of measuring the rotational speed of each cycle when the rotational actuator manufactured in Example 1 having a lower end temperature of 53 °C and a temperature difference of the lower end and upper end of 13 °C was driven for a total of 8 hours; am.
17 is a voltage (black line) and average temperature (blue line) generated over time of the energy harvesting device according to Preparation Example 1 having a magnetic material between the upper end and the lower end of the rotary actuator manufactured in Example 1 is the graph shown. In this case, the interpolated graph is a diagram showing an example of the energy harvesting device capable of converting thermal energy into electrical energy.
18 is a graph illustrating voltages generated over time when a 12° C. temperature gradient is generated through convection using a heat plate in the energy harvesting device (average temperature of 46° C.) according to Preparation Example 1. FIG.
19 is a graph showing the measurement of electrical force and voltage according to the resistance of the energy harvesting device according to Preparation Example 1. Referring to FIG.
20 is a graph illustrating a rectified voltage signal obtained by rectifying a voltage generated by the energy harvesting apparatus according to Preparation Example 1 under the same conditions as FIG. 18 by a connection rectifier. The interpolated diagram is a diagram of the rectifier circuit.

이하에서, 본 발명의 여러 측면 및 다양한 구현예에 대해 더욱 구체적으로 살펴보도록 한다.
Hereinafter, various aspects and various embodiments of the present invention will be described in more detail.

종래, 외부환경에 존재하는 열 에너지를 기계적 에너지 혹은 전기에너지로 전환하기 위하여 다양한 초전물질이나 압전물질 등이 개발되어 왔다. 그러나, 상술한 초전물질이나 압전물질은 에너지를 생성하기 위해 우선적으로 상기 초전물질이나 압전물질의 내부에 분극화를 유도하기 위한 제조공정이 요구되는데, 이들은 대부분 고전압(10 ㎷/㎝)을 가하거나, 결정화를 유도하기 위해 고온에서 스트레칭하는 등의 복잡한 공정이며, 이러한 과정들이 세밀하게 이루어져야 한다는 점에서 문제가 존재한다.Conventionally, various pyroelectric materials or piezoelectric materials have been developed in order to convert thermal energy existing in an external environment into mechanical energy or electrical energy. However, the above-described pyroelectric material or piezoelectric material requires a manufacturing process for inducing polarization in the interior of the pyroelectric material or piezoelectric material preferentially in order to generate energy, and most of them apply a high voltage (10 mV / cm) or It is a complicated process such as stretching at high temperature to induce crystallization, and there is a problem in that these processes must be performed in detail.

또한, 상기 초전물질이나 압전물질을 사용한 구동기는 열 에너지를 기계적 에너지 또는 전기에너지로 전환하기 위해 필요한 온도변화가 커야하고, 가열과 냉각이 반복적으로 이루어져야 구동하기 때문에, 인위적으로 온도를 가열하고 냉각하는 반복적인 사이클을 제공할 수 있는 장소나, 전체적으로 온도변화가 크게 발생하는 곳, 등에서만 사용가능하기 때문에, 일반 환경으로부터 열 에너지를 기계적 에너지로 전환하기 어렵다는 문제가 존재한다.In addition, since the actuator using the pyroelectric material or the piezoelectric material must have a large temperature change required to convert thermal energy into mechanical energy or electrical energy, and must be repeatedly heated and cooled to operate, artificially heating and cooling the temperature. Since it can be used only in a place where a repetitive cycle can be provided or a place where a large temperature change occurs as a whole, there is a problem in that it is difficult to convert thermal energy into mechanical energy from a general environment.

다른 하이브리드 실 또는 탄소나노튜브 실은 함입된 물질이 녹는 온도(T_m)가 낮다면 상온에서도 구동될 수는 있으나, 상기 하이브리드 실 또는 탄소나노튜브 실의 구동력이 극도로 감소되기 때문에, 일반적인 환경으로부터 에너지를 발생시키는 효율이 현저히 낮다. 즉, 종래 개발되어진 다양한 형태의 실은 일반적인 환경에서의 온도변화에 의해 구동되는 성능이 현저히 낮거나 적용하기 어렵다는 문제점들이 존재한다.Other hybrid yarns or carbon nanotube yarns _{can be driven even at room temperature if the melting temperature (T m} ) of the impregnated material is low, but since the driving force of the hybrid yarn or carbon nanotube yarn is extremely reduced, energy from the general environment The efficiency of generating is significantly low. That is, there are problems that the performance of being driven by a temperature change in a general environment is remarkably low or that it is difficult to apply the yarns of various types that have been conventionally developed.

따라서, 상기와 같은 문제점을 해결하면서, 일상적인 환경에서의 온도 차이에서도 구동이 가능하고, 가역적이며, 빠르며, 연속적인 구동을 하는 회전형 구동기를 제조하고자 노력한 끝에, 본 발명과 같은 구조를 갖는 회전형 구동기를 발명하기에 이르렀다.Therefore, after trying to manufacture a rotary actuator that can be driven even in temperature differences in everyday environments, reversible, fast, and continuously driven while solving the above problems, a circuit having the same structure as the present invention It led to the invention of a typical actuator.

본 발명의 일 측면은 적어도 하나의 고분자 섬유 또는 상기 고분자 섬유가 일 방향으로 배향되어 형성된 고분자 시트를 포함하고, 상기 적어도 하나의 고분자 섬유 또는 고분자 시트는 내측을 기준으로 상단부와 하단부로 나뉘어지며, 상기 적어도 하나의 고분자 섬유 또는 고분자 시트의 상단부와 하단부는 어느 하나 이상이 고정되어져 있으며, 상기 적어도 하나의 고분자 섬유 또는 고분자 시트는 상단부와 하단부가 서로 같은 방향 혹은 반대방향으로 회전되어 제조된 비틀린(twist) 혹은 꼬인 형태(coil)를 가지는 회전형 구동기에 관한 것으로, 상기 회전형 구동기의 일부분과 다른 부분의 온도구배가 발생하면, 상기 회전형 구동기의 일부분과 다른 부분의 부피 차가 발생하여 연속적인 회전을 발생하는 것을 특징으로 한다.One aspect of the present invention includes at least one polymer fiber or a polymer sheet formed by oriented in one direction, wherein the at least one polymer fiber or polymer sheet is divided into an upper end and a lower end with respect to the inside, the At least one of the upper and lower ends of the polymer fiber or polymer sheet is fixed, and the at least one polymer fiber or polymer sheet has the upper end and the lower end rotated in the same direction or opposite to each other. Or it relates to a rotary actuator having a coiled shape, and when a temperature gradient between a part of the rotary actuator and another part occurs, a volume difference between a part of the rotary actuator and another part occurs to generate continuous rotation characterized in that

구체적으로, 상기 회전형 구동기의 회전은 일부분과 다른 부분의 온도구배가 발생하면, 상기 일부분은 팽창되어 풀리고, 상기 다른 부분은 다시 감기게되면서, 연속적인 회전을 제공할 수 있다.Specifically, in the rotation of the rotary actuator, when a temperature gradient between one part and another part occurs, the part expands and unwinds, and the other part is rewound while providing continuous rotation.

이때, 상기 회전형 구동기는 상기 적어도 하나의 고분자 섬유 또는 고분자 시트의 상단부와 하단부가 서로 같은 방향으로 회전되어 제조된 형태가 온도구배에 의해, 열 에너지를 회전 에너지로 전환하는데, 우수한 효율을 나타내기 때문에, 가장 바람직한 형태일 수 있다.At this time, the rotational actuator converts thermal energy into rotational energy by a temperature gradient in a form manufactured by rotating the upper and lower ends of the at least one polymer fiber or polymer sheet in the same direction, showing excellent efficiency Therefore, it may be the most desirable form.

즉, 본 발명에 따른 회전형 구동기는 주위환경의 온도변화로부터 상기 회전형 구동기 내에서 온도구배를 계속적으로 일어나게 할 수 있다면, 지속적인 전류의 흐름을 생성할 수 있기 때문에, 이는 일정하지 않은 주위 온도 변화로부터 전기에너지가 지속적으로 생성되게 할 수 있다.That is, if the rotational actuator according to the present invention can continuously generate a temperature gradient in the rotational actuator from the temperature change of the surrounding environment, it is possible to generate a continuous current flow, which is a non-constant change in the ambient temperature. Electrical energy can be continuously generated from

본 발명은 상기 회전형 구동기 내에서 온도구배가 계속적으로 일어나게 하면서, 이로부터 연속적인 회전을 제공할 수 있는 구조로, 고분자 재료를 채용하고 있다.The present invention employs a polymer material as a structure capable of providing continuous rotation therefrom while continuously generating a temperature gradient within the rotary actuator.

즉, 상기 회전형 구동기의 일부분과 다른 부분의 온도구배가 발생하게 되면, 상기 일부분은 수직방향으로는 수축하게 되고, 고분자 섬유 또는 고분자 시트가 비틀린 방사형 방향으로는 팽창하게 되어 풀리게 되나, 상기 일부분을 제외한 다른 부분은 상대적으로 다시 감기게 된다. 이후, 상대적으로 과도하게 감기게 된 다른 부분의 회전에너지가 일부분으로 전달되어 상기 일부분이 다시 감기게 되어, 본 발명에 따른 회전형 구동기는 연속적인 회전을 제공할 수 있다.That is, when a temperature gradient between a part of the rotary actuator and another part occurs, the part contracts in the vertical direction, expands in the radial direction in which the polymer fiber or polymer sheet is twisted, and is loosened, but the part All other parts are relatively rewound. Thereafter, the rotational energy of the other portion, which is relatively excessively wound, is transferred to the portion and the portion is rewound, so that the rotary actuator according to the present invention can provide continuous rotation.

본 발명에 따른 회전형 구동기는 열에 민감하게 반응하도록 하기 위해서, 적어도 하나의 고분자 섬유 또는 상기 고분자 섬유가 일 방향으로 배향되어 형성된 고분자 시트를 포함할 수 있다.The rotary actuator according to the present invention may include at least one polymer fiber or a polymer sheet in which the polymer fiber is oriented in one direction in order to react sensitively to heat.

상기 고분자 섬유는 단섬유 또는 다섬유일 수 있고, 형상기억효과를 갖는 탄성섬유이면 특별히 이에 제한되지 않으나, 바람직하게는 나일론, 폴리우레탄, 폴리에틸렌 및 고무로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 고분자 섬유 중에서 폴리우레탄이 전기방사 공정을 통해 가장 얇은 직경을 가질 수 있기 때문에, 이를 상기 회전형 구동기에 적용하면 회전속도가 가장 우수하다. 따라서, 본 발명에 따른 회전형 구동기는 상기 고분자 섬유로 폴리우레탄을 사용하는 것이 가장 바람직하다.The polymer fiber may be a single fiber or a multi-fiber, and is not particularly limited as long as it is an elastic fiber having a shape memory effect, but is preferably any one selected from the group consisting of nylon, polyurethane, polyethylene and rubber. do. At this time, since polyurethane may have the thinnest diameter through the electrospinning process among the polymer fibers, the rotational speed is the best when applied to the rotary actuator. Therefore, it is most preferable that the rotary actuator according to the present invention uses polyurethane as the polymer fiber.

또한, 폴리우레탄은 유리전이온도(T_g)와 용융점(T_m) 간에 열적 팽창이 크고 온도변화에 따라 초기상태로 되돌아가려는 형상기억효과가 우수하며, 유리전이온도(T_g)가 25 ℃로 낮기 때문에, 상기 고분자 섬유 중에서 가장 바람직하다.In addition, polyurethane has a _{large thermal expansion between the glass transition temperature (T g} ) and the melting point (T _m ) and has an excellent shape memory effect to return to the initial state according to the temperature change, and the glass transition temperature (T _g ) is 25 ° C. Since it is low, it is the most preferable among the above-mentioned polymer fibers.

또한, 상기 단섬유 또는 다섬유의 고분자 섬유만을 사용하는 것보다, 상기 고분자 섬유가 일 방향으로 배향되어 형성된 고분자 시트를 사용하는 것이 가장 바람직한데, 이는 상기 전기방사를 통해 열에 민감하게 반응하면서 부피변화를 보이는 고분자를 마이크로 직경을 갖는 섬유로 뽑아 잘 배열된 시트로 제조한 다음, 상기 시트를 꼬아서 제조함으로써, 열에 민감한 회전형 구동기를 얻을 수 있기 때문이다.In addition, it is most preferable to use a polymer sheet in which the polymer fibers are oriented in one direction, rather than using only the single or multi-fiber polymer fibers, which change in volume while sensitively reacting to heat through the electrospinning. This is because a heat-sensitive rotary actuator can be obtained by extracting a polymer showing .

상기 회전형 구동기의 직경은 0.5 내지 200 ㎛인데, 상기 회전형 구동기의 직경이 200 ㎛를 초과하게 되면 회전속도가 크게 즐어 들어 에너지 전환 효율이 감소하게 되고, 상기 직경이 0.5 ㎛ 미만인 회전형 구동기는 제조가 어려우며, 가능하다고 해도 공정이 복잡하고 민감하다는 문제가 존재한다.The diameter of the rotary actuator is 0.5 to 200 μm. When the diameter of the rotary actuator exceeds 200 μm, the rotational speed is greatly increased and energy conversion efficiency is reduced, and the diameter of the rotary actuator is less than 0.5 μm. It is difficult to manufacture, and even if possible, there is a problem that the process is complicated and sensitive.

또한, 상기 회전형 구동기는 적어도 하나의 고분자 섬유 또는 상기 고분자 섬유가 일 방향으로 배향되어 형성된 고분자 시트를 포함할 수 있는데, 상기 회전형 구동기가 상기 고분자 섬유로 이루어졌을 경우, 상기 고분자 섬유의 직경은 0.5 내지 200 ㎛일 수 있다. 즉, 상기 고분자 섬유의 직경이 0.5 ㎛ 미만이면 균일한 직경을 갖도록 제조하기가 어렵고, 상기 고분자 섬유의 직경이 200 ㎛를 초과하게 되면 회전속도가 현저히 떨어지게 된다.In addition, the rotary actuator may include at least one polymer fiber or a polymer sheet in which the polymer fiber is oriented in one direction. When the rotary actuator is made of the polymer fiber, the diameter of the polymer fiber is It may be 0.5 to 200 μm. That is, when the diameter of the polymer fiber is less than 0.5 μm, it is difficult to manufacture to have a uniform diameter, and when the diameter of the polymer fiber exceeds 200 μm, the rotation speed is significantly reduced.

또한, 상기 회전형 구동기가 상기 고분자 섬유가 일 방향으로 배향되어 형성된 고분자 시트일 경우, 상기 고분자 섬유의 직경이 0.5 ㎛미만이면 고분자 섬유들을 단일배향성을 갖도록 조절하기가 어렵고, 상기 고분자 섬유의 직경이 200 ㎛를 초과하게 되면 회전속도가 현저히 저하될뿐더러, 200 ㎛ 이상의 직경을 갖는 회전형 구동기가 제조되기 때문에 회전속도가 현저히 떨어지게 되게 된다. 따라서, 상기 고분자 시트를 형성하는 고분자 섬유의 직경은 1~10 ㎛인 것이 바람직하다.In addition, when the rotary actuator is a polymer sheet in which the polymer fibers are oriented in one direction, if the diameter of the polymer fibers is less than 0.5 μm, it is difficult to control the polymer fibers to have a single orientation, and the diameter of the polymer fibers is When it exceeds 200 μm, the rotation speed is significantly lowered, and since a rotary actuator having a diameter of 200 μm or more is manufactured, the rotation speed is significantly reduced. Therefore, the diameter of the polymer fibers forming the polymer sheet is preferably 1 to 10 ㎛.

구체적으로, 상기 고분자 시트를 이용할 경우, 상기 고분자 섬유가 일 방향으로 배향되어 형성된 고분자 시트에 꼬임을 인가하여 비틀린(twist) 또는 꼬인(coil) 형태의 회전형 구동기를 제조하게 되는데, 상기 고분자 시트를 이루고 있는 고분자 섬유는 꼬임이 인가되는 방향으로 고분자 체인이 재정렬하게 된다.Specifically, in the case of using the polymer sheet, twisting is applied to the polymer sheet formed by oriented in one direction to manufacture a twisted or coiled rotational actuator, the polymer sheet Polymer chains are rearranged in the direction in which the twist is applied in the polymer fibers that are formed.

상기와 같이, 제조된 회전형 구동기에 상기 고분자 시트의 유리전이온도(Tg) 이상의 열이 제공되면, 상기 고분자 시트를 형성하는 고분자 섬유는 초기상태(꼬임이 인가되기 이전 상태)로 회복하고자 하는 형상기억효과에 따라 행동하고자 하고, 고분자 체인은 엔트로피가 증가하는 방향으로 상기 고분자 체인이 꼬이게 된다. As described above, when heat above the glass transition temperature (Tg) of the polymer sheet is provided to the manufactured rotary actuator, the polymer fibers forming the polymer sheet are in the shape to be restored to their initial state (state before twist is applied). To act according to the memory effect, the polymer chain is twisted in the direction of increasing entropy.

다시 말해, 상기 형상기억효과에 의해 원래의 형태(꼬임이 인가되기 이전 상태)로 되돌아가려는 성질과 상기 고분자 체인의 엔트로피 증가방향 즉, 고분자 체인이 꼬일려고 하는 방향이 동일하기 때문에, 상기 회전형 구동기가 가열되면, 상술한 두 성질의 '시너지 효과'에 의해 상기 회전형 구동기는 온도구배의 발생에 따라 더 큰 스트로크(stroke)로 회전을 제공할 수 있다.In other words, since the property of returning to the original shape (the state before the twist is applied) by the shape memory effect and the direction of increasing entropy of the polymer chain, that is, the direction in which the polymer chain is twisted are the same, the rotary actuator When is heated, due to the 'synergy effect' of the two properties described above, the rotary actuator can provide rotation with a larger stroke according to the occurrence of a temperature gradient.

따라서, 상술한 효과로 인해, 단순히 고분자 섬유만 꼬아서 제조된 회전형 구동기보다 큰 스트로크(stroke)로 회전을 하게 되므로, 고분자 섬유보다 상기 고분자 시트를 사용하는 것이 바람직하다.Therefore, due to the above-described effect, it is preferable to use the polymer sheet rather than the polymer fiber because it rotates with a larger stroke than the rotation type actuator manufactured by simply twisting only the polymer fiber.

또한, 상기 단일배향성을 갖는 고분자 시트를 포함하는 회전형 구동기는 단순히 적어도 하나의 고분자 섬유만 꼬아서 제조된 회전형 구동기보다 배향성을 갖고 있어, 표면적도 넓고, 열에 더 민감하기 때문에, 우수한 회전구동을 나타낼 수 있다.In addition, the rotational actuator including the polymer sheet having a single orientation has an orientation than a rotational actuator manufactured by simply twisting at least one polymer fiber, has a large surface area, and is more sensitive to heat, so that excellent rotational driving is possible. can indicate

상기 회전형 구동기에서 단일배향성을 갖는 고분자 시트는 고분자 용액을 전기방사하여, 적어도 하나의 고분자 섬유가 일 방향으로 배향되어 형성된 것으로, 도 3에 제조과정을 자세히 나타내었다.The polymer sheet having a single orientation in the rotary actuator is formed by electrospinning a polymer solution, and at least one polymer fiber is oriented in one direction, and the manufacturing process is shown in detail in FIG. 3 .

도 3을 참조하면, 우선, 적어도 하나의 고분자 섬유가 단일 방향으로 배향된 고분자 시트를 전기방사를 통해 제조할 수 있다. 이때, 상기 고분자 섬유는 0.5 내지 200 ㎛ 직경을 갖는 것이 바람직한데, 상기 고분자 섬유의 직경이 0.5 ㎛미만이면 고분자 섬유들을 단일배향성을 갖도록 조절하기가 어렵고, 상기 고분자 섬유의 직경이 200 ㎛를 초과하게 되면 회전속도가 현저히 저하될뿐더러, 200 ㎛ 이상의 직경을 갖는 회전형 구동기가 제조되기 때문에 회전속도가 현저히 떨어지게 된다. 따라서, 상기 고분자 시트를 형성하는 고분자 섬유의 직경은 바람직하게는 1~10 ㎛일 수 있다.Referring to FIG. 3 , first, a polymer sheet in which at least one polymer fiber is oriented in a single direction may be prepared through electrospinning. At this time, the polymer fiber preferably has a diameter of 0.5 to 200 μm. If the diameter of the polymer fiber is less than 0.5 μm, it is difficult to control the polymer fibers to have a single orientation, and the diameter of the polymer fiber exceeds 200 μm. In this case, the rotation speed is significantly lowered, and since a rotary actuator having a diameter of 200 μm or more is manufactured, the rotation speed is significantly reduced. Accordingly, the diameter of the polymer fibers forming the polymer sheet may be preferably 1 to 10 μm.

보다 구체적으로, 고분자 방사용액을 전기방사함으로써, 본 발명의 회전형 구동기를 구성하는 고분자 섬유 또는 상기 고분자 섬유로 형성된 고분자 시트를 제조할 수 있는데, 상기 고분자 방사용액에 고전압을 가하여 마이크로 크기의 직경을 가지는 섬유를 제조하는 공정으로서 공지의 방법에 따라 실시할 수 있다. 기본적으로 정전기를 이용한 전기적 힘을 사용하고, 콜렉터에 모터와 같은 장치를 사용함으로써 기계적인 힘으로 연신의 효과도 줄 수 있다. 그러나, 본 발명에서는 상기 전기방사를 통해 제조된 섬유가 가장 바람직하다. 왜냐하면 우수한 회전속도 및 효율을 갖는 회전형 구동기를 제조하기 위해서는 상기 회전형 구동기 내부의 고분자 체인의 배열을 유도하여야 하는데, 전기방사를 통해 제조할 경우, 전기방사에 의해 야기된 잡아당기는 힘(pulling force)에 의해서 마이크로 직경의 상기 고분자 섬유들을 단일 방향으로 배향하여 제조할 수 있고, 여기에 꼬임을 인가함으로써, 상기 인가된 꼬임의 방향 즉, 나선형 방향으로 재정렬하는 방법으로 단순하고 효과적으로 유도할 수 있기 때문이다.More specifically, by electrospinning a polymer spinning solution, a polymer fiber constituting the rotary actuator of the present invention or a polymer sheet formed of the polymer fiber can be manufactured. It can be implemented according to a well-known method as a process for manufacturing a fiber of eggplant. Basically, by using electric force using static electricity and using a device such as a motor for the collector, the effect of stretching can be given by mechanical force. However, in the present invention, the fiber produced through the electrospinning is most preferred. Because, in order to manufacture a rotary actuator with excellent rotational speed and efficiency, the arrangement of polymer chains inside the rotary actuator must be induced. ) can be produced by orienting the micro-diameter polymer fibers in a single direction, and by applying twist here, it is possible to simply and effectively induce a method of rearranging in the direction of the applied twist, that is, the helical direction. am.

상술한 바와 같이, 상기 단일 방향으로 배향된 고분자 시트를 구성하고 있는 고분자 섬유는 전기방사를 통해 제조함으로써, 단일 방향으로 배향된 고분자 체인을 유도할 수 있다. 여기서, 단일 방향이란, 상기 회전형 구동기의 세로축 방향을 의미하며 이러한 배향성은 도 3에 나타나있다.As described above, the polymer fibers constituting the polymer sheet oriented in a single direction may be produced through electrospinning, thereby induced polymer chains oriented in a single direction. Here, the single direction means the longitudinal axis direction of the rotary actuator, and the orientation is shown in FIG. 3 .

다음, 상기와 같은 단일 배향성을 갖는 고분자 시트에 꼬임이 인가되면, 상기 고분자 시트가 꼬이면서, 상기 고분자 시트 내에 배향되어 있던 고분자 체인도 상기 꼬임 방향으로 꼬이게 되는데, 다시 말해, 상기 고분자 시트에 인가된 꼬임 방향 즉, 나선형 방향에 따라 상기 단일 방향이였던 고분자 체인의 배향성이 재정렬 된다.Next, when twist is applied to the polymer sheet having a single orientation as described above, as the polymer sheet is twisted, the polymer chains oriented in the polymer sheet are also twisted in the twist direction, that is, applied to the polymer sheet. According to the twist direction, that is, the helical direction, the orientation of the polymer chain, which was the single direction, is rearranged.

상기 본 발명의 고분자 시트에 형성된 고분자 체인의 배향성으로 인해, 상기 고분자 시트를 포함하는 회전형 구동기에 온도구배가 발생하게 되면 상기 배향성을 갖는 고분자 체인이 엔트로피가 증가하는 방향으로 꼬일려고 하는 성질과 형상기억효과에 의해 원래의 형태(나열되어 있던 상태)로 되돌아가려하는 성질이 동일 방향으로 진행되므로 상기 두 성질의 '시너지 효과'가 발생하게 된다. 따라서, 상기 회전형 구동기가 길이방향으로는 수축하고, 부피는 팽창하는, 보다 이상적인 구동을 유도하기 때문에, 상기 회전형 구동기는 더 큰 회전에너지를 제공할 수 있다.Due to the orientation of the polymer chain formed on the polymer sheet of the present invention, when a temperature gradient occurs in the rotational actuator including the polymer sheet, the orientation polymer chain tends to twist in the direction of increasing entropy. Since the properties that try to return to the original form (the listed state) by the memory effect proceed in the same direction, a 'synergy effect' of the two properties occurs. Accordingly, the rotary actuator can provide greater rotational energy because it induces a more ideal actuation, in which the rotary actuator contracts in the longitudinal direction and the volume expands.

상기 고분자 섬유가 단일 배향성을 갖도록 하기 위해서, 상기 전기방사는 방사 노즐과 콜렉터 간의 거리가 5~30 ㎝일 때, 인가 전압이 10~20 ㎸인 조건에서 전기방사하는 것이 바람직하다.In order for the polymer fiber to have a single orientation, the electrospinning is preferably performed under the condition that the applied voltage is 10 to 20 kV when the distance between the spinning nozzle and the collector is 5 to 30 cm.

상기 고분자 섬유 또는 고분자 시트의 상단부과 하단부를 각각 전기모터와 지지체에 고정하여, 상기 고분자 섬유 또는 고분자 시트의 상단부과 하단부를 서로 같은 방향 혹은 반대방향으로 회전시켜, 비틀리거나 꼬인 형태의 회전형 구동기를 제조할 수 있다. 이때, 상기 고분자 섬유 또는 고분자 시트의 유리전이온도(T_g) 이상에서, 2,000 내지 60,000 turns/m의 꼬임수로 회전하여 제조하는 것이 바람직한데, 일예로 상기 고분자 섬유 또는 고분자 시트가 폴리우레탄일 경우, 30 내지 60 ℃에서 수행하는 것이 바람직하다.
The upper end and lower end of the polymer fiber or polymer sheet are fixed to an electric motor and a support, respectively, and the upper end and the lower end of the polymer fiber or polymer sheet are rotated in the same or opposite directions to each other. can be manufactured. At this time, above the glass transition temperature (T _g ) of the polymer fiber or polymer sheet, it is preferable to manufacture by rotating the number of twists of 2,000 to 60,000 turns/m, for example, when the polymer fiber or polymer sheet is polyurethane. , it is preferably carried out at 30 to 60 °C.

상기 회전형 구동기의 일부분과 다른 부분과의 온도구배는 회전속도를 제공하는 1 ℃ 이상이면 특별히 이에 제한되지 않으나, 바람직하게는 3 내지 30 ℃이면 충분히 우수한 회전속도를 제공할 수 있다.The temperature gradient between a part of the rotary actuator and other parts is not particularly limited as long as it is 1° C. or higher providing the rotation speed, but preferably 3 to 30° C. can provide a sufficiently excellent rotation speed.

본 발명에서 온도구배란, 특정 지점(일부분)으로부터 다른 부분으로 열이 흐르면서 그 방향에 온도의 차이가 발생하게 되는 것으로, 상기 특정 지점을 본 발명에서는 일부분이라고 하였다.In the present invention, the temperature gradient means that a temperature difference occurs in the direction as heat flows from a specific point (partial) to another part, and the specific point is referred to as a part in the present invention.

따라서, 상기 회전형 구동기는 온도구배에 의해 기계적 에너지를 발생하기 때문에, 상기 온도가 가장 높은 지점인 일부분의 길이 또는 면적은 특별히 이에 제한되지 않으나, 구체적으로 상기 일부분과 다른 부분과의 길이 비율은 0.1-1 : 1일 수 있다. 이때, 상기 다른 부분은 상기 일부분으로부터 온도구배 즉, 상기 일부분으로부터 다른 부분으로 열이 흐르면서 그 방향에 온도의 차이가 발생하게 되고, 상기 일부분은 팽창되어 풀리고, 상기 다른 부분은 다시 감기게 되면서, 연속적인 회전을 제공할 수 있다.Therefore, since the rotary actuator generates mechanical energy by a temperature gradient, the length or area of the portion where the temperature is the highest is not particularly limited thereto, but specifically, the length ratio between the portion and the other portion is 0.1 -1 may be 1:1. At this time, the other part has a temperature gradient from the part, that is, as heat flows from the part to the other part, a temperature difference occurs in the direction, the part expands and unwinds, and the other part is wound again, continuously It can provide a positive rotation.

온도구배가 발생하지 않고, 전체적으로 가열될 경우, 회전에너지는 발생되지 않고, 길이변화만이 생성되기 때문에, 전체적으로 가열될 경우, 회전력이 제공되지 않는다는 문제가 있다.When a temperature gradient does not occur and is heated as a whole, since rotational energy is not generated and only a change in length is generated, there is a problem that rotational force is not provided when heated as a whole.

상기 일부분이 차지하는 길이의 비율이 다른 부분에 비해 현저히 높아지게 되면, 즉, 전체적으로 가열될 경우, 단순히 가역적인 위치에너지(길이 변화)만을 제공할 뿐, 회전 에너지가 생성되지 않는다. 또한, 온도가 다시 저하되어야만 전체적인 길이가 다시 줄어들기 때문에 가역적이긴 하나, 연속적인 위치에너지 제공이 불가능하다.When the ratio of the length occupied by the part becomes significantly higher than that of the other parts, that is, when the whole is heated, only reversible potential energy (length change) is provided, and rotational energy is not generated. In addition, since the overall length is reduced again only when the temperature is lowered again, it is reversible, but it is impossible to continuously provide potential energy.

또한, 상기 회전형 구동기의 최대온도는 상기 회전형 구동기에 포함되는 고분자 섬유 또는 고분자 시트의 종류에 따라 적절히 선택될 수 있으나, 바람직하게는 상기 고분자 섬유 또는 고분자 시트의 유리전이온도(Tg) 이상이면 특별히 이에 한정되지 않는다. 바람직하게는 20 내지 80 ℃이면, 회전속도를 제공할 수 있다. 일예로, 폴리우레탄 섬유가 일방향으로 배향된 고분자 시트에 꼬임을 인가하여 제조된 회전형 구동기의 경우, 상기 폴리우레탄의 유리전이온도(T_g)가 30.6 ℃이기 때문에, 30 내지 80 ℃이면 충분한 회전속도를 제공할 수 있고, 보다 바람직하게는 45 내지 60 ℃에서 가장 우수한 회전속도를 제공한다.In addition, the maximum temperature of the rotary actuator may be appropriately selected according to the type of polymer fiber or polymer sheet included in the rotary actuator, but preferably, if the glass transition temperature (Tg) or higher of the polymer fiber or polymer sheet It is not particularly limited thereto. Preferably, if it is 20 to 80 °C, the rotational speed can be provided. For example, in the case of a rotary actuator manufactured by applying twist to a polymer sheet in which polyurethane fibers are oriented in one direction, since the glass transition temperature (T _g ) of the polyurethane is 30.6 ° C, 30 to 80 ° C. is sufficient for rotation. A speed can be provided, and more preferably, the best rotation speed is provided at 45 to 60°C.

상기 회전형 구동기의 구조를 도 1에 자세히 나타내었다. 이를 참조하여 보다 상세히 설명하자면, 상기 회전형 구동기는 내측을 기준으로 상단부와 하단부로 나뉘어지고, 상기 상단부와 하단부의 꼬임 방향에 따라 다양한 형태의 회전형 구동기를 제조할 수 있다.The structure of the rotary actuator is shown in detail in FIG. 1 . To describe in more detail with reference to this, the rotary actuator is divided into an upper end and a lower end based on the inside, and various types of rotary actuators can be manufactured according to the twist direction of the upper end and the lower end.

도 1a, 도 1b 및 도 1c에 나타난 바와 같이, 상기 회전형 구동기의 상단부과 하단부이 모두 동일한 방향(Z형 또는 S형)으로 꼬아 제조된 형태이거나, 도 1d 및도 1e에 나타난 바와 같이, 상기 상단부과 하단부이 서로 다른 방향으로 제조(어느 하나가 Z형이면 다른 하나는 S형인 키랄성 구조)된 형태일 수 있다.As shown in FIGS. 1A, 1B and 1C, either the upper end and the lower end of the rotary actuator are twisted in the same direction (Z-type or S-shaped), or as shown in FIGS. 1D and 1E, the upper end It may be in a form in which the lower end portions are manufactured in different directions (a chiral structure in which one is Z-shaped and the other is S-shaped).

또한, 상기 회전형 구동기는 코일이 형성되지 전까지 꼬아 만든 비틀린 형태(twist)(도 1a)를 갖거나, 상기 비틀린 형태(twist)에서 꼬임을 더 인가하여 꼬인 형태(coil)(도 1b, c, d 및 e)로 제조될 수 있다.In addition, the rotary actuator has a twist (Fig. 1a) made by twisting until a coil is formed, or a twisted form (coil) (Fig. 1b, c, d and e).

이때, 본 명세서에서 상기 "비틀린 형태(twist)"와 "꼬인 형태(coil)"라는 용어는 상기 회전형 구동기를 구성하고 있는 고분자 섬유 또는 고분자 시트에 전기모터를 이용하여 회전(꼬임)을 인가하여 제조된 형태를 나타내는 것으로, 상기 고분자 섬유 또는 고분자 시트의 직경에 따라 인가되는 회전 즉, 회전수(turn/m)(이하, '꼬임수'라고도 한다.)에 의해 결정된다. 보다 구체적으로 상기 직경이 100 ㎛인 고분자 섬유의 경우, 12,000 내지 18,000 회전수(turn/m)를 인가하면 비틀린 형태(twist)로 제조되는데 반해, 상기 고분자 섬유에 상기 18,000 회전수(turn/m)를 초과한 25,000 내지 30,000의 과도한 회전수(turn/m)가 인가될 경우, 비틀린 형태(twist) 형태에서 나아가 스프링 혹은 코일과 같은 꼬인 형태(coil)로 제조되는 것을 알 수 있다. 이외의 다른 직경을 갖는 고분자 섬유의 경우에 요구되는 회전수를 아래 [표 1]에 상세히 나타내었다.At this time, in the present specification, the terms "twist" and "coil" apply rotation (twist) to the polymer fiber or polymer sheet constituting the rotary actuator using an electric motor. It represents the manufactured form, and is determined by the rotation applied according to the diameter of the polymer fiber or polymer sheet, that is, the number of turns (turn/m) (hereinafter also referred to as 'twisting'). More specifically, in the case of the polymer fiber having a diameter of 100 μm, when 12,000 to 18,000 turns (turn/m) are applied, it is prepared in a twisted form, whereas the polymer fiber has the 18,000 turns (turn/m). It can be seen that, when an excessive rotational speed (turn/m) of 25,000 to 30,000, which exceeds , is applied, it is manufactured in a twisted form, such as a spring or a coil, in addition to a twisted form. In the case of polymer fibers having other diameters, the required rotation speed is shown in detail in [Table 1] below.

이때, 상기 회전형 구동기는 상기 적어도 하나의 고분자 섬유 또는 고분자 시트의 상단부와 하단부가 서로 같은 방향으로 회전되어 제조된 형태가 온도구배에 의해, 열 에너지를 회전 에너지로 전환하는데, 가장 효율이 높기 때문에, 가장 바람직한 형태이다.At this time, the rotational actuator converts thermal energy into rotational energy by a temperature gradient in a form manufactured by rotating the upper end and lower end of the at least one polymer fiber or polymer sheet in the same direction, because it is the most efficient , is the most preferred form.

또한, 상기 회전형 구동기는 도 1a, 도 1b 및 도 1d와 같이, 두 말단이 고정되거나, 도 1c 및 도 1e와 같이, 어느 하나의 말단만이 고정된 구조를 가질 수 있다. 이때, 고정되지 않은 다른 말단에는 위치변동지지대가 구비될 수 있다.In addition, the rotary actuator may have a structure in which two ends are fixed as shown in FIGS. 1A, 1B and 1D, or only one end is fixed as shown in FIGS. 1C and 1E. At this time, the other end that is not fixed may be provided with a position change support.

구체적으로, 상기와 같이 두 말단이 고정된 회전형 구동기의 경우, 회전형 구동기 내부에 온도구배가 발생하게 되면, 상하 이동과 같은 선형변위(translational displacement) 즉, 위치에너지의 발생을 방지하고, 상기 회전형 구동기의 꼬임구조가 과도하게 풀려, 비가역적인 상태가 되는 것을 방지하기 위함이다.Specifically, in the case of the rotary actuator in which the two ends are fixed as described above, when a temperature gradient occurs inside the rotary actuator, translational displacement such as vertical movement, that is, the generation of potential energy, is prevented, and the This is to prevent the twisted structure of the rotary actuator from being excessively loosened and becoming an irreversible state.

또한, 어느 하나의 말단만이 고정되고, 고정되지 않은 다른 말단에 위치변동지지대가 구비된 경우, 상기 회전형 구동기 내부에 온도구배가 발생하게 되면, 상하이동과 같은 선형변위 즉, 위치에너지의 발생은 허용하되, 상기 회전형 구동기의 꼬임구조가 과도하게 풀려, 비가역적인 상태가 되는 것을 방지하기 위함이다.In addition, when only one end is fixed and a position change support is provided at the other end that is not fixed, when a temperature gradient occurs inside the rotary actuator, linear displacement such as vertical movement, that is, generation of potential energy However, this is to prevent the twisted structure of the rotary actuator from being excessively loosened and becoming an irreversible state.

다시 말해, 상기 회전형 구동기의 상단부과 하단부이 모두 고정되어 있으면 온도구배에 의해 발생하는 상기 회전형 구동기의 수축 또는 팽창으로 인해 회전에너지만을 갖게 되는데 반해, 상기 회전형 구동기의 상단부과 하단부 중에서 어느 하나만 고정되어 있고, 고정되지 않은 다른 말단에 위치변동지지대가 구비된 경우에는 온도구배에 의해 발생하는 상기 회전형 구동기의 수축 또는 팽창으로 회전에너지 및 상하이동에 의한 위치에너지 모두를 갖게 된다.In other words, when both the upper end and the lower end of the rotary actuator are fixed, only one of the upper end and the lower end of the rotary actuator is fixed, whereas only rotational energy is obtained due to the contraction or expansion of the rotary actuator caused by the temperature gradient. and, when the position change support is provided at the other end that is not fixed, it has both rotational energy and potential energy due to vertical movement due to contraction or expansion of the rotary actuator caused by a temperature gradient.

고분자 섬유의 직경(㎛)Diameter of polymer fiber (㎛) 단섬유short fiber 비틀린 형태(twist)twist 꼬인 형태
(coil)twisted form
(coil) 8080 회전수
(turn/m)number of revolutions
(turn/m) 00 22,00022,000 30,00030,000 100100 회전수
(turn/m)number of revolutions
(turn/m) 00 18,00018,000 25,00025,000 120120 회전수
(turn/m)number of revolutions
(turn/m) 00 9,0009,000 15,00015,000

상기 회전형 구동기의 상단부과 하단부이 모두 고정되어 있는 경우, 상기 회전형 구동기는 고정되기 이전에 전체 길이에 대해 10 내지 60% 인장된 후, 고정되는 것이 바람직하다. 왜냐하면 상기 회전형 구동기가 상기 범위로 인장된 후, 상단부과 하단부이 모두 고정되면 상기 회전형 구동기의 코일 간에 충분한 거리가 형성되기 때문이다.When both the upper end and the lower end of the rotary actuator are fixed, it is preferable that the rotary actuator is tensioned by 10 to 60% with respect to the entire length before being fixed, and then fixed. This is because, after the rotary actuator is stretched to the above range, a sufficient distance is formed between the coils of the rotary actuator when both the upper end and the lower end are fixed.

즉, 상기 회전형 구동기 내부에 온도구배가 발생하면, 상기 회전형 구동기의 일부가 팽창되어 회전함으로써 회전 에너지를 발생하게 된다. 이때, 상기 회전형 구동기 내 코일 간에 형성된 거리 때문에, 상기 코일 간 마찰이 덜 발생하게 되고, 상기 회전형 구동기의 표면적이 넓어져 더 많은 열을 흡수할 수 있어, 열 전환효율은 향상되고, 마찰에 의한 회전력 손실을 방지할 수 있다.That is, when a temperature gradient occurs inside the rotary actuator, a part of the rotary actuator expands and rotates to generate rotational energy. At this time, because of the distance formed between the coils in the rotary actuator, friction between the coils is less generated, and the surface area of the rotary actuator is widened to absorb more heat, so that the heat conversion efficiency is improved, and the friction loss of rotational force can be prevented.

상기 회전형 구동기의 상단부 및 하단부 중 어느 하나만 고정되어 있는 경우, 온도구배 발생시, 상기 회전형 구동기의 상하이동에 의한 위치에너지 변화가 발생하게 되는데, 이는 회전형 구동기의 길이변화에 의한 것이다. 즉, 상기 회전형 구동기의 길이변화는 전체길이에 대해 10 내지 60%일 수 있다.When only one of the upper end and the lower end of the rotary actuator is fixed, a potential energy change occurs due to vertical movement of the rotary actuator when a temperature gradient occurs, which is due to a change in length of the rotary actuator. That is, the change in length of the rotary actuator may be 10 to 60% with respect to the total length.

따라서 상기 회전형 구동기의 각기 다른 구조에 따라서 온도구배에 의해 전환되는 에너지의 종류가 위치에너지 또는 회전에너지로 달라질 뿐만 아니라, 전환되는 회전에너지의 양 즉, 회전각, 회전속도 등이 달라지게 되기 때문에, 원하는 사용목적에 따라서 상기 회전형 구동기의 구조들 중에서 적절히 선택되는 것이 바람직하다.Therefore, according to the different structures of the rotary actuator, the type of energy converted by the temperature gradient not only changes to potential energy or rotational energy, but also the amount of converted rotational energy, that is, rotation angle, rotation speed, etc. , is preferably selected from among the structures of the rotary actuator according to the desired purpose of use.

본 발명에 따른 회전형 구동기는 외부의 온도차이에 의존하여 구동하게 된다. 상기 회전형 구동기는 구동기 주위의 외부환경의 온도차이에 보다 즉각적으로 반응하게 되는데, 상기 온도차이를 제공하는 구동기의 외부환경은 특별히 이에 제한되지 않으나, 바람직하게는 기체 또는 액체일 수 있다.The rotary actuator according to the present invention is driven depending on the external temperature difference. The rotary actuator reacts more immediately to the temperature difference in the external environment around the actuator, and the external environment of the actuator providing the temperature difference is not particularly limited thereto, but may preferably be a gas or a liquid.

본 발명에 따른 회전형 구동기는 종래 회전형 구동이 가능한 다양한 구동기와는 달리 풀리고(untwisting), 다시 꼬이는(re-twisting) 두 단계에서의 회전속도가 거의 유사하다.
The rotational actuator according to the present invention has almost the same rotational speed in two stages of untwisting and re-twisting, unlike various actuators capable of conventional rotational driving.

본 발명에 따른 회전형 구동기를 사용하는 회전모듈은 회전강도(torsional rigidity)를 사용하는 아래 [식 1]을 통해 계산할 수 있다. 상기 회전모듈을 구하기 이전에 회전 진동 주기는 아래 [식 2]에서 계산할 수 있다.The rotation module using the rotation type actuator according to the present invention can be calculated through [Equation 1] below using the rotational rigidity. Before obtaining the rotation module, the rotational vibration period can be calculated in [Equation 2] below.

[식 1][Equation 1]

S=k_Air(1/(L_Air,1)+2/(L_Air,2))S=k _Air (1/(L _Air,1 )+2/(L _Air,2 ))

상기 식에서 k_Air는 회전모듈이고,In the above formula, k _Air is a rotating module,

L_Air _,1과 L_Air _,2는 같은 온도에서의 길이이다.
L _Air _,1 and L _Air _,2 are the lengths at the same temperature.

[식 2][Equation 2]

t=2π(I/S)^1/2 t=2π(I/S) ^1/2

상기 식에서,In the above formula,

t는 회전 진동 주기(torsional oscillation period)이고,t is the torsional oscillation period,

I는 패들의 관성 모멘트이며, I is the moment of inertia of the paddle,

S는 회전강도(rigidity)
S is the rotational strength (rigidity)

<회전형 구동기의 원리><Principle of rotary actuator>

본 발명에 따른 회전형 구동기는 주위 환경으로부터 낭비되고 있는 열 에너지를 운동에너지 또는 회전에너지로 회수하기 위한 것이다. 즉, 온도변화가 인위적 또는 주기적으로 발생되는 가열기 및 냉각기 내부와 같은 장소뿐만 아니라, 온도변화가 미미한 평범한 일상생활과 같은 곳에서도 구동할 수 있는 것을 특징으로 한다. 즉, 온도변화가 미미한 곳은 대류와 같은 공기 중의 미미한 온도 차이가 발생하게 되고, 이러한 온도 차이로 인해, 상기 회전형 구동기 내부의 일부분과 다른 부분간에 발생하는 온도차이 즉, 온도구배 때문에 구동하게 된다.The rotary actuator according to the present invention is for recovering wasted thermal energy from the surrounding environment as kinetic energy or rotational energy. That is, it is characterized in that it can be operated not only in places such as inside heaters and coolers where temperature changes are artificially or periodically generated, but also in ordinary daily life where temperature changes are insignificant. That is, in a place where the temperature change is insignificant, a slight temperature difference in the air such as convection occurs, and due to this temperature difference, the temperature difference that occurs between a part inside the rotary actuator and another part, that is, the temperature gradient is driven. .

본 발명의 회전형 구동기는 상기와 같이 상기 회전형 구동기의 일부분과 다른 부분의 온도구배가 발생하게 되면, 상기 일부분은 수직방향으로는 수축하게 되고, 고분자 섬유 또는 고분자 시트가 비틀린 방사형 방향으로는 팽창하게 되어 풀리게 되나, 상기 일부분을 제외한 다른 부분은 상대적으로 다시 감기게 된다. 이후, 상대적으로 과도하게 감기게 된 다른 부분의 회전에너지가 일부분으로 전달되어 상기 일부분이 다시 감기게 되어, 본 발명에 따른 회전형 구동기는 연속적인 회전을 제공함으로써, 공기 중의 열 에너지를 위치에너지 또는 회전에너지와 같은 기계적 에너지로 전환할 수 있다.In the rotary actuator of the present invention, when a temperature gradient of a portion of the rotary actuator and another portion occurs as described above, the portion contracts in the vertical direction, and expands in the radial direction in which the polymer fiber or polymer sheet is twisted. It is unwound, but the other parts except for the above part are relatively rewound. Thereafter, the rotational energy of the other part, which is relatively excessively wound, is transferred to the part and the part is rewound, and the rotary actuator according to the present invention provides continuous rotation, thereby converting thermal energy in the air into potential energy or It can be converted into mechanical energy such as rotational energy.

상기 회전형 구동기의 일부분과 다른 부분과의 온도구배가 1 ℃이상이면, 충분히 우수한 회전속도를 제공할 수 있으나, 우수한 회전속도를 제공하기 위해서는 상기 온도구배가 바람직하게 3 내지 30 ℃일 수 있다.If the temperature gradient between a part of the rotary actuator and the other part is 1° C. or more, a sufficiently excellent rotation speed may be provided, but in order to provide an excellent rotation speed, the temperature gradient may preferably be 3 to 30° C.

또한, 상기 회전형 구동기의 최대온도는 상기 회전형 구동기에 포함되는 고분자 섬유 또는 고분자 시트의 종류에 따라 적절히 선택될 수 있으나, 바람직하게는 상기 고분자 섬유 또는 고분자 시트의 유리전이온도(Tg) 이상이면 특별히 이에 한정되지 않으나, 바람직하게는 20 내지 80 ℃이면, 회전속도를 제공할 수 있다. 일예로, 폴리우레탄 섬유가 일방향으로 배향된 고분자 시트에 꼬임을 인가하여 제조된 회전형 구동기의 경우, 상기 폴리우레탄의 유리전이온도(T_g)가 30.6 ℃이기 때문에, 30 내지 80 ℃이면 충분한 회전속도를 제공할 수 있고, 보다 바람직하게는 45 내지 60 ℃에서 가장 우수한 회전속도를 제공한다.In addition, the maximum temperature of the rotary actuator may be appropriately selected according to the type of polymer fiber or polymer sheet included in the rotary actuator, but preferably, if the glass transition temperature (Tg) or higher of the polymer fiber or polymer sheet Although not particularly limited thereto, preferably, if it is 20 to 80 ℃, it is possible to provide a rotation speed. For example, in the case of a rotary actuator manufactured by applying twist to a polymer sheet in which polyurethane fibers are oriented in one direction, since the glass transition temperature (T _g ) of the polyurethane is 30.6 ° C, 30 to 80 ° C. is sufficient for rotation. A speed can be provided, and more preferably, the best rotation speed is provided at 45 to 60°C.

상기 회전형 구동기는 온도구배에 의해 기계적 에너지를 발생하기 때문에, 상기 온도가 가장 높거나 낮은 지점인 일부분의 길이 또는 면적은 특별히 제한되지 않으나, 구체적으로 상기 일부분과 다른 부분과의 길이 비율은 0.1-1 : 1일 수 있다. 이때, 상기 다른 부분은 상기 일부분으로부터 온도구배 즉, 상기 일부분으로부터 다른 부분으로 열이 흐르면서 그 방향에 온도의 차이가 발생하게 된다.
Since the rotary actuator generates mechanical energy by a temperature gradient, the length or area of the part where the temperature is the highest or lowest point is not particularly limited, but specifically, the length ratio between the part and the other part is 0.1- It can be 1:1. At this time, in the other portion, a temperature gradient occurs from the portion, that is, as heat flows from the portion to the other portion, a temperature difference occurs in the direction thereof.

도 2는 본 발명에 따른 회전형 구동기가 주위 환경에 존재하는 온도차이로부터 내부에 지속적인 온도구배를 발생시켜, 구동되는 원리를 나타낸 것이다. 이때, 상기 회전형 구동기는 양 말단이 고정되지 않고, 위치변동지지대가 부착되어 있는, 동일한 방향으로 꼬인 형태이며, 40 ℃와 53 ℃의 온도구배가 발생함에 의해 회전을 통해 풀리는 과정을 도시화하였다.2 is a view showing the principle that the rotary actuator according to the present invention is driven by generating a continuous temperature gradient inside from the temperature difference existing in the surrounding environment. At this time, the rotational actuator is twisted in the same direction in which both ends are not fixed and a position change support is attached, and the process of unwinding through rotation is illustrated by the generation of a temperature gradient of 40 °C and 53 °C.

도 2에서 나타낸 바와 같이, 지속적인 온도구배에 의해 상기 폴리우레탄 시트의 방향에서 발생하게 되면 하단부이 풀리는 만큼 상대적으로 상단부은 더 감기게 된다.As shown in FIG. 2 , when a continuous temperature gradient occurs in the direction of the polyurethane sheet, the upper end is relatively wound as much as the lower end is unwound.

즉, 본 발명에 따른 회전형 구동기는 주위 온도가 가열되거나 냉각되지 않아도, 대류에 의해 주위 온도간에 차이가 발생하게 되고, 이로 인해 본 발명의 회전형 구동기 내에 온도구배가 발생하면서, 상기 회전형 구동기의 상단부 및 하단부 각각에서 큰 회전에너지와 상하이동에 따른 위치에너지를 제공할 수 있다.
That is, in the rotary actuator according to the present invention, even if the ambient temperature is not heated or cooled, a difference occurs between the ambient temperatures due to convection, which causes a temperature gradient to occur in the rotary actuator of the present invention. It is possible to provide large rotational energy and potential energy according to vertical movement at the upper end and lower end of each.

<에너지 하베스팅 장치><Energy Harvesting Device>

본 발명의 다른 측면은 상기 온도구배에 의해 연속적인 회전을 제공하는 회전형 구동기를 사용하여 열에너지를 전기에너지로 전환할 수 있는 에너지 하베스팅 장치에 관한 것이다.Another aspect of the present invention relates to an energy harvesting device capable of converting thermal energy into electrical energy using a rotary actuator that provides continuous rotation by the temperature gradient.

도 4는 본 발명의 일 구현예에 따른 에너지 하베스팅 장치의 구성을 나타낸 단면도이다.4 is a cross-sectional view showing the configuration of an energy harvesting device according to an embodiment of the present invention.

상기 도 4를 참조하여, 일 구현예에 따른 에너지 하베스팅 장치를 구체적으로 설명하면, 온도구배에 의해 연속적인 회전을 제공하는, 상기 회전형 구동기(110); 상기 회전형 구동기(110) 내부에 위치하고, 상기 구동기(110)가 회전함에 따라 회전하는, 적어도 하나 이상의 자성체(120); 및 상기 회전형 구동기(110)와 이격되어 배치되며, 상기 자성체(120)가 회전하면서 내부를 통과하는 자속이 변하여 전기에너지(자기력, 전류)를 생성하는 적어도 하나의 코일(130)을 포함한다.Referring to FIG. 4, specifically describing an energy harvesting apparatus according to an embodiment, the rotational actuator 110 provides continuous rotation by a temperature gradient; at least one magnetic body 120 positioned inside the rotary actuator 110 and rotating as the actuator 110 rotates; and at least one coil 130 that is disposed to be spaced apart from the rotary actuator 110 and generates electric energy (magnetic force, current) by changing a magnetic flux passing through the magnetic body 120 while rotating.

본 발명에 따른 에너지 하베스팅 장치는 자성체(120)와 코일(130) 사이의 상대적인 운동에 의해 전류가 유도되는 패러디(faraday) 전자 유도작용을 이용하여 온도구배에 따라 발생하는 회전형 구동기(110)의 기계적 에너지를 전기 에너지로 발생시키는 장치에 관한 것으로, 상기 상술한 바와 같은 구조를 갖는 회전형 구동기(110)는 내부에 자성체(120)를 포함하고 있고, 상기 회전형 구동기(110) 내에 포함된 자성체(120)와 이격되어 배치된 코일(130)을 포함하는 에너지 하베스팅 장치는, 대류와 같은 온도차이를 갖는 외부 환경으로부터 상기 회전형 구동기(110)의 일부분과 다른 부분의 온도구배가 발생하면, 상기 회전형 구동기의 일부분과 다른 부분의 부피 차가 발생하여 연속적인 회전을 발생하는데, 보다 구체적으로, 상기 회전형 구동기의 회전은 상기 일부분이 팽창되어 풀리고, 상기 다른 부분이 다시 감기게되면서, 연속적인 회전을 제공하여, 정지된 코일(130) 극성과 회전하는 자성체(120)의 극성이 상호 교차되면서 전기가 발생되게 된다. 이때, 상기 구동기(110)는 상단부(140)와 하단부(150)가 고정되어 있을 수도 있고, 상단부(140) 및 하단부(150) 중에서 어느 하나만이 고정될 수 있다. 이때, 상기 고정되지 않은 다른 말단은 위치변동지지대(151)를 더 포함할 수 있다.The energy harvesting device according to the present invention uses a faraday electromagnetic induction action in which a current is induced by a relative motion between a magnetic body 120 and a coil 130 to generate a rotational actuator 110 that is generated according to a temperature gradient. It relates to a device for generating mechanical energy of electrical energy, and the rotary actuator 110 having the structure as described above includes a magnetic body 120 therein, and is included in the rotary actuator 110. In the energy harvesting device including the coil 130 spaced apart from the magnetic body 120, a temperature gradient between a portion of the rotary actuator 110 and another portion occurs from an external environment having a temperature difference such as convection. , a volume difference between a portion of the rotary actuator and another portion is generated to generate a continuous rotation, more specifically, the rotation of the rotary actuator is continuous as the portion expands and unwinds, and the other portion is rewound, By providing a positive rotation, electricity is generated while the polarity of the stationary coil 130 and the polarity of the rotating magnetic body 120 cross each other. In this case, the actuator 110 may have an upper end 140 and a lower end 150 fixed thereto, or any one of the upper end 140 and the lower end 150 may be fixed. At this time, the other end that is not fixed may further include a position change support (151).

상기 위치변동지지대(151)는 일반적으로 회전형 구동기(110)의 하단부 말단에 구비되어 상기 회전형 구동기(110)의 선형 변위(translational displacement)는 허용하고, 상기 회전형 구동기(110)의 비가역적인 풀림(untwist)을 방지하여, 보다 안정적인 회전운동을 구동기에 제공한다. 즉, 위치변동지지대(151)는 상기 회전형 구동기(110)에 길이방향으로 스트레스를 가하여 길이 변화와 인장을 유도하여 외부 온도차이로부터 발생되는 온도구배에 따라 변형이 용이한 구조로 만들어 준다. 또한, 온도구배에 의해 발생하는 회전형 구동기(150)의 연속적인 회전을 위치변동지지대(151)는 풀림을 방지하고 자성체의 큰 회전력 발생을 유도한다.The position change support 151 is generally provided at the lower end end of the rotary actuator 110 to allow a translational displacement of the rotary actuator 110 , and irreversible of the rotational actuator 110 . Prevents untwisting and provides a more stable rotational motion to the actuator. That is, the position variation support 151 applies stress to the rotary actuator 110 in the longitudinal direction to induce a change in length and tension, thereby making the structure easy to deform according to a temperature gradient generated from an external temperature difference. In addition, the position change support 151 for continuous rotation of the rotary actuator 150 generated by the temperature gradient prevents loosening and induces the generation of a large rotational force of the magnetic material.

주지하는 바와 같이, 코일(130)의 양 끝에 검류계를 연결하여 코일(130)을 고정하고, 자성체(120)를 움직이면 상기 자성체(120)의 움직임에 따라 코일(130) 속을 흐르는 자속량(자기장)의 크기가 변화되며, 이 자속량(자기장)의 변화에 의해 코일(130)에 전류가 유도되는 전자기 유도(electromagnetic induction)작용으로 전기가 발생되는 즉, 코일(130)이 극성과 자성체(120)의 극성이 상호 교차되면서 전기를 발생시키게 된다.As is well known, a galvanometer is connected to both ends of the coil 130 to fix the coil 130, and when the magnetic body 120 is moved, the amount of magnetic flux flowing through the coil 130 according to the movement of the magnetic body 120 (magnetic field). ) is changed, and electricity is generated by an electromagnetic induction action in which a current is induced in the coil 130 by the change in the amount of magnetic flux (magnetic field), that is, the coil 130 has a polarity and a magnetic body 120 ), the polarities cross each other to generate electricity.

상기 코일(130)은 보다 구체적으로, 도 4에 나타난 바와 같이, 회전형 구동기(110)의 일 측면에 소정의 거리만큼 이격되어 위치되어 있을 수 있다.More specifically, as shown in FIG. 4 , the coil 130 may be spaced apart from one side of the rotary actuator 110 by a predetermined distance.

상기 자성체(120)는 영구자석이면 이에 제한되지 않으나, 본 실시예에서는 네오디윰 자성체를 사용한다. 또한, 상기 자성체(120)의 형태는 특별히 제한되지 않으나, 바람직하게는 막대 형태이거나 NS극이 좌우로 되어 있는 원기둥 형태일 수 있다.The magnetic body 120 is not limited thereto as long as it is a permanent magnet, but in this embodiment, neodymium magnetic material is used. In addition, the shape of the magnetic body 120 is not particularly limited, but may preferably be in the form of a rod or a cylinder in which the NS poles are left and right.

상기 자성체(120)의 무게는 상기 에너지 하베스팅 장치에서 회전형 구동기(110)의 온도구배에 따른 회전속도와 회전에너지를 조절하는데 있어서 중요한 요소이므로, 상기 자성체(120)는 상기 회전형 구동기(110) 보다 1 내지 1000 배인 것이 바람직하다. 상기 자성체(120)의 무게 범위를 벗어나게 되면, 상기 회전형 구동기(110)의 회전속도 및 회전에너지가 감소하게 되어 외부 온도차이로부터 발생하는 상기 회전형 구동기(110)의 온도구배를 기계적 에너지 전환하는 효율이 상대적으로 감소하게 된다. 특히, 폴리우레탄을 포함하는 상기 회전형 구동기(110)의 경우, 회전속도는 빠르나, 회전에너지가 낮기 때문에, 우수한 회전속도를 유지하면서, 이를 전기에너지로 변환하기 위해서는 상기 자성체(120)의 무게가 1 내지 10 배인 것이 바람직하다.Since the weight of the magnetic body 120 is an important factor in controlling the rotational speed and rotational energy according to the temperature gradient of the rotary actuator 110 in the energy harvesting device, the magnetic body 120 is the rotary actuator 110 . ) is preferably 1 to 1000 times more. When out of the weight range of the magnetic body 120, the rotational speed and rotational energy of the rotary actuator 110 is reduced, and the temperature gradient of the rotary actuator 110 generated from the external temperature difference is converted into mechanical energy. efficiency is relatively reduced. In particular, in the case of the rotary actuator 110 including polyurethane, the rotational speed is fast, but the rotational energy is low. It is preferably 1 to 10 times.

상기 회전형 구동기(110)의 길이는 1 내지 20 ㎝인 것이 바람직하다.The length of the rotary actuator 110 is preferably 1 to 20 cm.

또한, 상기 자성체(120)와 코일(130) 간의 이격된 거리는 1 mm 인 것이 바람직한데, 상기 이격된 거리가 1 ㎜ 미만이면 코일에 의해 자성체의 회전력이 저하될 수 있다. 자성체의 자기장이 미치는 범위 안에서는 전기에너지를 유도 할 수 있지만 1 ㎜를 초과하게 되면 자성체(120)에 의해 코일(130) 내 자속변화를 유도함에 있어, 손실이 발생하므로 에너지 전환효율이 저하되는 문제가 발생한다.In addition, it is preferable that the distance between the magnetic body 120 and the coil 130 is 1 mm. If the distance is less than 1 mm, the rotational force of the magnetic body may be reduced by the coil. Electric energy can be induced within the range of the magnetic field of the magnetic material, but when it exceeds 1 mm, a loss occurs in inducing a change in magnetic flux in the coil 130 by the magnetic material 120, so that the energy conversion efficiency is lowered. Occurs.

본 발명의 에너지 하베스팅 장치에 온도에 따라 개폐되는 구성요소를 부가하여 파이프 등의 협소하면서 고온의 열이 일정하게 발생하는 장소나 일정한 따뜻한 바람이 발생하는 곳에 부착하기 극히 용이한 것이다.By adding components that open and close according to temperature to the energy harvesting device of the present invention, it is extremely easy to attach it to a narrow, narrow, high-temperature heat or a constant warm wind.

상기 에너지 하베스팅 장치는 개폐구가 구비된 판(170); 상기 개폐구의 열림과 닫힘을 발생시키는 상기 구동기에 연결된 핀(160);을 더 포함할 수 있고. 이러한 구조는 도 5에 보다 상세히 나타내었다.The energy harvesting device includes a plate 170 provided with an opening; It may further include a; pin 160 connected to the driver for generating the opening and closing of the opening. This structure is shown in more detail in FIG. 5 .

상기 계폐구가 구비된 판(170)은 상기 회전형 구동기(110) 하단부(150) 말단에 위치하고, 상기 핀(160)은 상기 회전형 구동기 하단부(150)의 임의의 위치에 고정되어 있다.The plate 170 provided with the locking mechanism is located at the end of the lower end 150 of the rotary actuator 110 , and the pin 160 is fixed at an arbitrary position of the lower end 150 of the rotary actuator.

도 5에서 열이 상기 판(170)에 구비된 개폐구를 통하여 상기 회전형 구동기(110)를 가열하게 되면 상기 회전형 구동기(110)가 풀리는 방향으로 회전이 발생하게 된다. 이때, 상기 회전형 구동기(110)의 하단부(150)의 임의의 위치에 고정되어 있던 핀(160)이 회전을 하여 상기 개폐구를 통해 올라오던 열을 차단하게 되면 상기 회전형 구동기(110)는 주변온도가 내려감에 따라서 꼬이는 방향으로 회전하게 된다. 상기 회전형 구동기(110)의 회전수는 양끝(140, 150)을 기준으로 가운데로 갈수록 많은 회전수가 발생한다. 발생하는 회전수는 상기 핀(160)의 위치에 따라서 조절 할 수 있으며 상기 핀(160)의 무게는 상기 회전형 구동기(110)의 회전운동 및 토크에 영향을 주지 않는 가벼운 무게이면 이에 제한되지 않는다.
In FIG. 5 , when heat heats the rotary actuator 110 through an opening provided in the plate 170 , rotation occurs in a direction in which the rotary actuator 110 is released. At this time, when the pin 160 fixed at an arbitrary position of the lower end 150 of the rotary actuator 110 rotates to block the heat coming up through the opening/closing opening, the rotary actuator 110 closes. As the temperature decreases, it rotates in the twisting direction. The rotational speed of the rotary actuator 110 increases toward the center with respect to both ends 140 and 150 . The number of rotations generated can be adjusted according to the position of the pin 160 , and the weight of the pin 160 is not limited thereto as long as it is a light weight that does not affect the rotational motion and torque of the rotary actuator 110 . .

이하, 다른 구현예에 따른 에너지 하베스팅 장치에 대해 도 6을 참조하여 설명한다.Hereinafter, an energy harvesting apparatus according to another embodiment will be described with reference to FIG. 6 .

도 6은 본 발명의 다른 구현예에 따른 에너지 하베스팅 장치의 단면도(a)와, 위에서 바라본 모습(b)을 촬영한 사진이다.6 is a cross-sectional view (a) of an energy harvesting device according to another embodiment of the present invention, and a photograph taken from the top (b).

본 발명의 다른 구현예에 따른 에너지 하베스팅 장치는 상기 도 4에 나타낸 일 구현예에 따른 에너지 하베스팅 장치와 비교하여 전반적으로 유사하지만, 도 6a에 도시된 바와 같이, 코일(230)이 상기 회전형 구동기(210) 내에 포함된 자성체(220)를 감싸도록 설치되어 있다는 점에서 차이가 있다. 특히, 상기 자성체(220)는 3계 즉, 세개의 코일(230)이 연결되어 상기 회전형 구동기(210)에 구비된 자성체(220)를 감싸고 있고, 상기 코일(230)은 각 코일(230)과 외부의 장치와 연결할 수 있는 수단(231, 232, 233)이 연장되어 있다. 상기 코일(230)의 구조는 도 6b에 보다 구체적으로 나타나있다.The energy harvesting device according to another embodiment of the present invention is generally similar to the energy harvesting device according to the embodiment shown in FIG. 4, but as shown in FIG. 6A, the coil 230 is There is a difference in that it is installed to surround the magnetic body 220 included in the typical driver 210 . In particular, the magnetic body 220 has three series, that is, three coils 230 are connected to surround the magnetic body 220 provided in the rotary actuator 210, and the coil 230 includes each coil 230. and means (231, 232, 233) for connection with an external device are extended. The structure of the coil 230 is shown in more detail in FIG. 6B .

또한, 상기 코일(230)은 상기 회전형 구동기(210)에 구비된 자성체(220)와 소정의 거리만큼 이격되어 위치하면서, 상기 자성체(220)를 감싸며 구비된다.
In addition, the coil 230 is provided to surround the magnetic body 220 while being spaced apart from the magnetic body 220 provided in the rotary actuator 210 by a predetermined distance.

이하, 또 다른 구현예에 따른 에너지 하베스팅 장치에 대해 도 7을 참조하여 설명한다. 도 7은 본 발명의 또 다른 구현예에 따른 에너지 하베스팅 장치의 단면도이다.Hereinafter, an energy harvesting apparatus according to another embodiment will be described with reference to FIG. 7 . 7 is a cross-sectional view of an energy harvesting apparatus according to another embodiment of the present invention.

본 발명의 또 다른 구현예에 따른 에너지 하베스팅 장치는 상기 도 4 및 도 6에 나타낸 일 구현예에 따른 에너지 하베스팅 장치와 비교하여 전반적으로 유사하지만, 도 6a에 도시한 바와 같이, 상기 에너지 하베스팅 장치(300)에 구비된 상기 회전형 구동기(310)의 상단부 및 하단부 중 어느 하나의 말단(미도시)이 고정되어 있고, 고정되어 있지 않은 말단(350)은 위치변동지지대가 설치되어 있는데, 이를 본 또 다른 구현예에서는 자성체(351)로 구비하였다는 점에서 차이가 있다.The energy harvesting apparatus according to another embodiment of the present invention is generally similar to the energy harvesting apparatus according to the embodiment shown in FIGS. 4 and 6 , but as shown in FIG. 6A , the energy harvesting apparatus Any one end (not shown) of the upper end and the lower end of the rotary actuator 310 provided in the ting device 300 is fixed, and the non-fixed end 350 is provided with a position change support, In another embodiment of the present invention, there is a difference in that the magnetic material 351 is provided.

또한, 상기 자성체(351)를 감싸듯 둘러싸고 있는, 이격되어 배치된 코일(352)을 더 포함한다.In addition, it further includes a coil 352 that surrounds the magnetic body 351 and is spaced apart.

상기 에너지 하베스팅 장치가 공기 또는 액체와 같은 외부조건하에서, 대류와 같은 에너지 순환에 의한 온도차이에 노출되면, 상기 에너지 하베스팅 장치 내에 포함되는 상기 회전형 구동기(310)의 일부분과 다른 부분의 온도구배가 발생하게 되고, 상기 일부분은 팽창되어 풀리고, 상기 다른 부분은 다시 감기되면서, 연속적인 수직(길이변화) 및 회전(수평)을 제공하게 된다. 이때, 상기 회전형 구동기(310)의 어느 한 말단에 구비된 상기 자성체(351)는 상기 회전형 구동기(310)의 길이변화에 따라 수직적 위치에너지 변화를 갖고, 이러한 상하(수직) 운동에 의해 상기 자성체로 구비된 자성체(351)가 움직이고, 이로 인해 상기 코일(352) 속을 흐르는 자속량(자기장)의 크기가 변화되며, 이 자속량(자기장)의 변화에 의해 코일(352)에 전류가 유도되는 전자기 유도(electromagnetic induction)작용으로 전기가 발생되는 즉, 코일(352)이 극성과 자성체(351)의 극성이 상호 교차되면서 전기를 발생시키게 되므로, 상기 자성체(351)의 위치에너지 변화를 전기에너지로 변환할 수 있다.When the energy harvesting device is exposed to a temperature difference due to energy circulation such as convection under external conditions such as air or liquid, the temperature of a portion of the rotary actuator 310 included in the energy harvesting device and another portion Gradient occurs, the part expands and unwinds, and the other part rewinds, providing a continuous vertical (change in length) and rotation (horizontal). At this time, the magnetic body 351 provided at one end of the rotary actuator 310 has a vertical potential energy change according to a change in the length of the rotary actuator 310, and by this vertical (vertical) movement, the The magnetic material 351 provided with a magnetic material moves, thereby changing the magnitude of the magnetic flux (magnetic field) flowing through the coil 352, and a current is induced in the coil 352 by the change in the magnetic flux (magnetic field). Electricity is generated by the action of electromagnetic induction, that is, the polarity of the coil 352 and the polarity of the magnetic material 351 are crossed to generate electricity. can be converted to

위치변동지지대인 자성체(351)의 형태는 특별히 이에 제한되지 않지만, N극 S극이 아래 위로 있는 원기둥 형태의 자성체가 가장 바람직하다.
The shape of the magnetic body 351 as the position variation support is not particularly limited thereto, but a cylindrical magnetic body having an N pole and an S pole up and down is most preferable.

이하, 또 다른 구현예에 따른 에너지 하베스팅 장치에 대해 도 8을 참조하여 설명한다.Hereinafter, an energy harvesting apparatus according to another embodiment will be described with reference to FIG. 8 .

본 발명의 또 다른 구현예에 따른 에너지 하베스팅 장치는 상기 도 4에 나타낸 일 구현예에 따른 에너지 하베스팅 장치와 비교하여 전반적으로 유사하지만, 도 8에 도시한 바와 같이, 온도구배에 의해 연속적인 회전을 제공하는, 상기 회전형 구동기(410); 상기 회전형 구동기(410) 내부에 위치하고, 상기 회전형 구동기(410)가 회전함에 따라 회전하는, 적어도 하나 이상의 코일(420); 및 상기 회전형 구동기(410)와 이격되어 배치되며, 상기 코일(420)이 회전하면서 내부를 통과하는 자속이 변하여 전기에너지(자기력, 전류)를 생성하는 적어도 하나의 자성체(430)를 포함한다는 점에서 차이가 있다.The energy harvesting device according to another embodiment of the present invention is generally similar to the energy harvesting device according to the embodiment shown in FIG. 4, but as shown in FIG. 8, continuous the rotational actuator (410) providing rotation; at least one coil 420 located inside the rotary actuator 410 and rotating as the rotary actuator 410 rotates; and at least one magnetic material 430 disposed to be spaced apart from the rotary actuator 410 and generating electrical energy (magnetic force, current) by changing the magnetic flux passing therein as the coil 420 rotates. There is a difference in

상기 자성(430)은 영구자석이면 특별히 이에 제한되지 않으나, 보다 바람직하게는 N, S 극을 갖는 막대형이거나, N 극의 자석과 S 극의 자석이 상기 회전형 구동기(410)를 중심으로 좌우에 설치되고, 상기 코일(420)과 이격되어 배치될 수 있다.
The magnet 430 is not particularly limited as long as it is a permanent magnet, but more preferably a bar type having N and S poles, or an N pole magnet and an S pole magnet left and right around the rotary actuator 410 . It may be installed in the coil 420 and spaced apart from each other.

본 발명의 또 다른 측면은 가로축으로 고정되어 있고, 온도구배에 의해 연속적인 회전을 제공하는 회전형 구동기를 사용하여 열에너지를 위치에너지로 전환하고, 이를 다시 전기에너지로 전환하는 또 다른 구현예에 따른 에너지 하베스팅 장치에 관한 것이다 이하, 또 다른 구현예에 따른 에너지 하베스팅 장치에 대해 도 9를 참조하여 설명한다.Another aspect of the present invention is according to another embodiment of converting thermal energy into potential energy and converting it back into electrical energy by using a rotary actuator that is fixed to a horizontal axis and provides continuous rotation by a temperature gradient. It relates to an energy harvesting apparatus Hereinafter, an energy harvesting apparatus according to another embodiment will be described with reference to FIG. 9 .

도 9는 본 발명의 또 다른 구현예에 따른 에너지 하베스팅 장치의 구성을 나타낸 단면도이다.9 is a cross-sectional view showing the configuration of an energy harvesting device according to another embodiment of the present invention.

상기 도 9를 참조하여, 또 다른 구현예에 따른 에너지 하베스팅 장치를 구체적으로 설명하면, 양 말단이 가로축으로 고정되어 있고, 온도구배에 의해 연속적인 회전을 제공하는, 회전형 구동기(510); 상기 회전형 구동기(510) 내의 중앙 지점에 구비된 승강수단(520); 상기 승강수단(520) 하부에 구비되고, 상기 승강수단(520)과 연결되어, 상기 회전형 구동기(510)가 회전함에 따라 위치변동을 갖는, 적어도 하나 이상의 자성체(530); 상기 자성체(530)의 상하이동에 의해 전계를 발생시키는 적어도 하나 이상의 코일(540)을 포함한다.Referring to FIG. 9, specifically describing an energy harvesting apparatus according to another embodiment, both ends are fixed to a horizontal axis, and a rotary actuator 510 that provides continuous rotation by a temperature gradient; Elevating means (520) provided at a central point in the rotary actuator (510); at least one magnetic body 530 provided under the elevating means 520 and connected to the elevating means 520 and having a position change as the rotary actuator 510 rotates; At least one coil 540 for generating an electric field by vertical movement of the magnetic body 530 is included.

상술한 구성을 갖는 또 다른 구현예에 따른 에너지 하베스팅 장치는 온도구배에 따라 발생하는 상기 회전형 구동기(510)의 연속적인 회전에너지를 상기 승강수단(520)를 이용하여 위치에너지로 전환하고, 이를 상기 자성체(530)와 코일(540) 사이의 상대적인 운동에 의해 전류가 유도되는 패러디(faraday) 전자 유도작용을 이용하여 전기 에너지로 발생시킬 수 있다.The energy harvesting device according to another embodiment having the above configuration converts the continuous rotational energy of the rotary actuator 510 generated according to the temperature gradient into potential energy using the elevating means 520, This may be generated as electrical energy using a faraday electromagnetic induction action in which a current is induced by a relative motion between the magnetic material 530 and the coil 540 .

다만, 상기에서 상기 자성체(530)의 위치에너지를 전기에너지로 바꾸는 코일(540)과 같은 수단이 포함되지 않아도, 열에 의해 구동되는 상기 회전형 구동기(510)에서의 회전 에너지를 위치에너지와 같은 유용한 일로 전환할 수 있다. 그러나, 본 발명에서의 일 예로, 상기 회전형 구동기(510)가 가로축으로 고정되어 있고, 이로부터 상기 자성체(530)와 상기 코일(540)을 더 구비하여 전기에너지를 발생시키는 에너지 하베스팅 장치에 대해 설명하고자 한다.However, even if a means such as the coil 540 for converting the potential energy of the magnetic body 530 into electrical energy is not included in the above, the rotational energy in the rotary actuator 510 driven by heat can be converted into useful energy such as potential energy. can be converted to work. However, as an example in the present invention, the rotary actuator 510 is fixed to the horizontal axis, and from this, the magnetic body 530 and the coil 540 are further provided to an energy harvesting device for generating electrical energy. I want to explain about it.

다시 말해, 상술한 구성을 갖는 에너지 하베스팅 장치는, 외부 온도차이로부터 상기 회전형 구동기(510)의 일부분과 다른 부분의 온도구배가 발생하게 되면, 상기 일부분은 팽창되어 풀리고, 상기 다른 부분은 다시 감기게 되면서, 연속적인 회전을 제공하게 되고, 이에 따라, 상기 회전형 구동기(510)의 중앙 지점에 연결되어 있는 승강수단(520)이 회전함에 따라 상기 승강수단(520)과 연결된 상기 자성체(530)가 상하이동(세로축 방향 이동)을 한다. 이는 열 에너지가 본 발명에 따른 회전형 구동기에 의해서 기계적(회전, 위치) 에너지로 전환됨을 의미한다.In other words, in the energy harvesting device having the above-described configuration, when a temperature gradient of a part and another part of the rotary actuator 510 occurs from an external temperature difference, the part is expanded and released, and the other part is again As it is wound, continuous rotation is provided, and accordingly, as the lifting means 520 connected to the central point of the rotary actuator 510 rotates, the magnetic body 530 connected to the lifting means 520 is rotated. ) moves up and down (moving in the vertical axis direction). This means that thermal energy is converted into mechanical (rotational, positional) energy by the rotary actuator according to the present invention.

상기 자성체(530)의 상하이동에 의해, 상기 자성체(530)과 코일(540)의 상대적인 운동에 의해 상기 코일(540)을 통과하는 자속의 변화가 유도되어 전기 에너지를 발생시키는 것을 특징으로 한다.By the vertical movement of the magnetic material 530, a change in magnetic flux passing through the coil 540 is induced by the relative motion of the magnetic material 530 and the coil 540 to generate electrical energy.

상기 코일(540)은 상기 자성체(530)의 상하이동에 의해 전계를 발생시킬 수 있는 위치라면 특별히 이에 제한되지 않으나, 바람직하게는 상기 자성체(530)의 상면, 하면, 측면에 구비되거나, 상기 자성체(530)의 측면을 둘러싸는 원통형 구조일 수 있다.The coil 540 is not particularly limited as long as it is a position capable of generating an electric field by vertical movement of the magnetic material 530 , but is preferably provided on the upper surface, lower surface, and side surfaces of the magnetic material 530 , or the magnetic material. It may be a cylindrical structure surrounding the side of 530 .

상기 자성체(530)의 측면을 둘러싸는 원통형 구조이면, 상기 자성체(530)의 상하이동시 상기 자성체(530)와 고정되어 있는 상기 원통형 코일(540) 간 상대적인 운동이 발생하여 상기 코일(540)을 통과하는 자속의 변화를 유도하므로, 전기 에너지를 발생시킬 수 있다.When the magnetic body 530 has a cylindrical structure surrounding the side surface, relative motion occurs between the magnetic body 530 and the fixed cylindrical coil 540 during vertical movement of the magnetic body 530 and passes through the coil 540 . Because it induces a change in magnetic flux, it is possible to generate electrical energy.

상기 승강수단(520)은 회전에너지를 위치에너지로 전환할 수 있는 장치이면 특별히 이에 제한되지 않으나, 바람직하게는 도르레일 수 있다.The lifting means 520 is not particularly limited as long as it is a device capable of converting rotational energy into potential energy, but may preferably be a pulley.

상기 자성체(530)의 상하이동 거리, 즉, 세로축 방향 위치 변동 거리는 0.1 내지 3 ㎝인 것이 바람직하다.It is preferable that the vertical movement distance of the magnetic body 530, that is, the vertical axis position change distance, is 0.1 to 3 cm.

상기 자성체(530)는 영구자석이면 특별히 이에 제한되지 않으나, 보다 바람직하게는 N, S 극을 갖는 막대형이거나, 원통형일 수 있다.
The magnetic body 530 is not particularly limited as long as it is a permanent magnet, but more preferably a bar shape having N and S poles, or a cylindrical shape.

이하에서 실시예 등을 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 하며, 다만 이하에 실시예 등에 의해 본 발명의 범위와 내용이 축소되거나 제한되어 해석될 수 없다. 또한, 이하의 실시예를 포함한 본 발명의 개시 내용에 기초한다면, 구체적으로 실험 결과가 제시되지 않은 본 발명을 통상의 기술자가 용이하게 실시할 수 있음은 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연하다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of Examples and the like, but the scope and content of the present invention may not be construed as being reduced or limited by the Examples below. In addition, based on the disclosure of the present invention including the following examples, it is clear that a person skilled in the art can easily practice the present invention for which no specific experimental results are presented, and such modifications and modifications are included in the attached patent. It goes without saying that they fall within the scope of the claims.

<실시예 1> 폴리우레탄 회전형 구동기의 제조<Example 1> Preparation of polyurethane rotary actuator

1) 폴리우레탄 방사용액의 제조.1) Preparation of polyurethane spinning solution.

폴리우레탄(SMP MM-2520, SMP Technologies Inc. from Japan)을 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran; Aldrich)에 상온에서 7 일 동안 용해하여 폴리우레탄 방사용액을 제조하였다. 이때, 상기 방사용액의 전체 중량비에 5.5 중량%로 폴리우레탄을 녹여 준비하였다.Polyurethane (SMP MM-2520, SMP Technologies Inc. from Japan) was dissolved in tetrahydrofuran (Aldrich) at room temperature for 7 days to prepare a polyurethane spinning solution. At this time, polyurethane was prepared by dissolving 5.5 wt% in the total weight ratio of the spinning solution.

2) 전기방사 : 폴리우레탄 시트의 제조.2) Electrospinning: Preparation of polyurethane sheet.

상기 1) 단계에서 제조한 폴리우레탄 방사용액을 전기방사 방법으로 단일배향성을 갖는 폴리우레탄 시트를 제조하였다. 이때, 전기방사 조건은 상기 폴리우레탄 방사용액을 실린지 펌프(Kdscientific USA)로 13 ㎕/min의 속도로 공급하고, 18 ㎸의 인가전압을 가함으로써, 방사 노즐은 +11kV이고, 상기 콜렉터는 ??7kV 전압을 갖는다. 상기 방사 노즐과 콜렉터 간의 거리는 20 ㎝이다. 이때, 고전압 DC 전원 공급기(WookyongTECH, Korea)를 사용하여 전압을 인가하였다. 이때, 상기 폴리우레탄 시트를 구성하는 폴리우레탄 섬유의 직경은 ~4.5 ㎛이다.A polyurethane sheet having a single orientation was prepared by electrospinning the polyurethane spinning solution prepared in step 1). At this time, the electrospinning condition is that the polyurethane spinning solution is supplied at a rate of 13 μl/min with a syringe pump (Kdscientific USA), and by applying an applied voltage of 18 kV, the spinning nozzle is +11 kV, and the collector is ? It has a voltage of ?7kV. The distance between the spinning nozzle and the collector is 20 cm. At this time, a voltage was applied using a high voltage DC power supply (WookyongTECH, Korea). At this time, the diameter of the polyurethane fibers constituting the polyurethane sheet is ~4.5 ㎛.

3) 회전형 구동기 제조3) Manufacturing of rotary actuators

상기 2) 단계의 전기방사공정을 통해 제조된 폴리우레탄 시트를 평평한 직사각형 패드와 고정된 지지체를 갖는 전기모터의 샤프트(shaft)에 부착하였다. 상기 폴리우레탄 시트의 고정된 두 말단을 40 ℃ 조건 하에서 전체적으로 꼬인 형태를 가질 때까지 꼬임을 부가하여 회전형 구동기를 제조하였다. 보다 구체적으로, 상기 회전형 구동기는 동일한 방향으로 25,000 trun/m의 회전속도로 꼬임 부가하여 제조된 코일 형태의 회전형 구동기이다.The polyurethane sheet prepared through the electrospinning process of step 2) was attached to the shaft of an electric motor having a flat rectangular pad and a fixed support. The two fixed ends of the polyurethane sheet were twisted until they had a twisted shape as a whole under a condition of 40° C. to prepare a rotary actuator. More specifically, the rotary actuator is a coil-type rotary actuator manufactured by twisting at a rotational speed of 25,000 trun/m in the same direction.

이때, 상기 회전형 구동기의 내측을 기준으로 상단부과 하단부으로 나뉘어지고, 상단부과 하단부의 꼬임 방향에 따라 다양한 형태의 회전형 구동기를 제조할 수 있다.At this time, it is divided into an upper end and a lower end based on the inside of the rotary actuator, and various types of rotary actuators can be manufactured according to the twist direction of the upper end and the lower end.

우선, 상기 회전형 구동기의 상단부과 하단부이 모두 동일한 방향(Z형 또는 S형)으로 꼬아 제조되거나, 상기 상단부과 하단부이 서로 다른 방향으로 제조(어느 하나가 Z형이면 다른 하나는 S형인 키랄성 구조)될 수 있다.First, the upper end and the lower end of the rotary actuator are both manufactured by twisting in the same direction (Z-type or S-shaped), or the upper end and the lower end are manufactured in different directions (if one is Z-shaped, the other is S-shaped chiral structure) can

또한, 상기 회전형 구동기는 코일이 형성되지 전까지 꼬아 만든 비틀린 형태(twist)를 갖거나, 상기 비틀린 형태(twist)에서 꼬임을 더 인가하여 코일 형태(coil)를 가질 수 있다.
In addition, the rotary actuator may have a twist shape made by twisting until a coil is formed, or may have a coil shape by further applying twist in the twist shape.

<실시예 2 내지 5><Examples 2 to 5>

상기 실시예 1에서 전기방사를 통해 제조된 폴리우레탄 시트에 각각 19,000 turns/m(제조예 2), 21,000 turns/m(제조예 3), 23,000 turens/m(제조예 4) 및 27,000 turns/m(제조예 5)의 회전속도로 꼬임 부가하여 부분적으로 꼬인 비틀린 형태 또는 코일 형태의 회전형 구동기를 제조했다는 것을 제외하고는 모두 상기 실시예 1과 동일하게 제조하였다.
19,000 turns/m (Production Example 2), 21,000 turns/m (Production Example 3), 23,000 turens/m (Production Example 4) and 27,000 turns/m, respectively, on the polyurethane sheet manufactured through electrospinning in Example 1 All were manufactured in the same manner as in Example 1, except that a partially twisted twist type or coil type rotary actuator was manufactured by adding twist at the rotation speed of (Preparation Example 5).

제조예manufacturing example 1. 에너지 1. Energy 하베스팅harvesting 장치 Device

상기 실시예 1로부터 제조된 회전형 구동기를 이용하여, 열에너지를 전기에너지로 변환할 수 있는 에너지 하베스팅 장치를 고안하였다. 이의 구조를 도 4에 보다 자세히 나타내었다.An energy harvesting device capable of converting thermal energy into electrical energy was devised by using the rotary actuator manufactured in Example 1 above. The structure thereof is shown in more detail in FIG. 4 .

실시예 1로부터 제조된 회전형 구동기의 두 말단이 고정되어 있고, 상기 회전형 구동기의 중앙에 자성체가 위치한다. 상기 회전형 구동기와 이격되어 배치된 코일은 상기 구동기에 구비된 상기 자성체와 1 mm 떨어져 위치하도록 배치하여 에너지 하베스팅 장치를 제조하였다. 이때, 상기 코일을 오실로스코프와 연결하였고, 상기 코일은 일반 시계에 사용되는 것을 이용하였다.Two ends of the rotary actuator manufactured in Example 1 are fixed, and a magnetic body is located in the center of the rotary actuator. An energy harvesting device was manufactured by disposing a coil spaced apart from the rotary actuator to be positioned 1 mm apart from the magnetic body provided in the actuator. At this time, the coil was connected to an oscilloscope, and the coil used for a general watch was used.

상기 실시예 1로부터 제조된 회전형 구동기는 인접한 공기의 온도에 존재하는 차이에 따라, 상기 회전형 구동기 내에 온도구배가 발생하게 되고, 이로 인해 상기 회전형 구동기의 꼬임 구조가 풀어지고 다시 감기는 반복적인 행동으로 인해 시계방향 또는 반시계방향으로 회전하게 되고, 이로 인해 유도된 자성체 회전을 통해, 코일 속을 흐르는 자속을 변화시켜 유도된 시간에 따른 전압을 코일에 연결된 오실로스코프로 측정하였다.
In the rotary actuator manufactured in Example 1, a temperature gradient is generated in the rotary actuator according to a difference in the temperature of the adjacent air, whereby the twisted structure of the rotary actuator is loosened and rewound repeatedly. It rotates in a clockwise or counterclockwise direction due to the action of phosphorus, and the voltage according to time induced by changing the magnetic flux flowing through the coil through the induced rotation of the magnetic material was measured with an oscilloscope connected to the coil.

<< 평가예evaluation example 1.> 회전 1.> Rotate 스피드speed 및 회전수의 측정. and measurement of the number of revolutions.

회전형 구동기의 회전 스피드를 측정하기 위해서, 두가지 방법을 사용하였다, 하나는 초고속 카메라(1000 frame per second, Phantoms)를 사용하는 것이고, 다른 하나는 자기장 방향의 변화를 측정하는 것이다.To measure the rotational speed of the rotary actuator, two methods were used, one using a high-speed camera (1000 frames per second, Phantoms), and the other measuring the change in the magnetic field direction.

자기장 방향의 변화를 측정하는 방법을 보다 구체적으로 설명하자면, 실시예 1로부터 제조된 회전형 구동기의 상단부과 하단부 중심에 자성체를 부착함으로써, 상기 회전형 구동기가 온도구배에 따라 구동될 때, 자기장 변화를 야기할 수 있도록 제조하였다. 이를 통해 상기 회전형 구동기의 주위에 설치된 코일로부터 전압이 생성되고, 상기 전압은 오실로스코프를 통해 기록될 것이다.To describe the method of measuring the change in the magnetic field direction in more detail, by attaching a magnetic material to the center of the upper and lower ends of the rotary actuator manufactured in Example 1, when the rotary actuator is driven according to a temperature gradient, the magnetic field change was prepared to cause This will generate a voltage from a coil installed around the rotary actuator, and the voltage will be recorded through an oscilloscope.

즉, 회전형 구동기의 회전 스피드와 회전수와 관련되어 있는 전압 신호를 시간에 따라 진동수(Hz)와 피크 수를 확인할 수 있다. 분당 회전 피크는 최고 진동수(Hz) × 60으로 계산된다. 상기 두 방법은 동일한 결과를 보여준다.
That is, it is possible to check the frequency (Hz) and the number of peaks of the voltage signal related to the rotation speed and rotation speed of the rotary actuator over time. The revolutions per minute peak is calculated as the highest frequency (Hz) × 60. Both methods show the same results.

<평가예 2.> 회전형 구동기의 물리적 특성 분석.<Evaluation Example 2.> Analysis of the physical characteristics of the rotary actuator.

1) 형태분석1) Morphological analysis

전자주사 현미경(FE SEM, Hitachi S4700)을 이용하여 형태를 분석하였다.The morphology was analyzed using a scanning electron microscope (FE SEM, Hitachi S4700).

2) 동역학적 특성 분석(Dynamic mechanical Analysis)2) Dynamic mechanical analysis

회전형 구동기의 열적 특성을 분석하기 위해서, 동역학적열특성 분석기(Dynamic Mechanical Analyzer, Seiko Exstar 6000)을 사용하였다. 이때, 온도는 열전대를 이용하여 측정하였다.
To analyze the thermal characteristics of the rotary actuator, a Dynamic Mechanical Analyzer (Seiko Exstar 6000) was used. At this time, the temperature was measured using a thermocouple.

도 10은 하단부 온도가 53 ℃로 고정되어, 온도구배를 갖는 실시예 1로부터 제조된 회전형 구동기(12 ㎝ 길이, 100 ㎛직경)의 회전속도(■), 회전각(□)을 측정하여 나타낸 그래프이다.10 shows the rotation speed (■) and rotation angle (□) of the rotary actuator (12 cm length, 100 μm diameter) manufactured from Example 1 having a temperature gradient at the lower end fixed at 53 ° C. It is a graph.

도 10에 나타난 바와 같이, 상기 실시예 1의 회전형 구동기의 온도구배에 의한 상단부과 하단부의 온도차이(7~13 ℃)에 따라서 회전속도와 회전각이 증가한다는 것을 확인하였다. 이를 통해 본 발명에 따른 회전형 구동기는 상단부과 하단부의 온도차이가 1 ℃이상부터 회전속도를 제공하고 있음을 확인할 수 있는데, 약 1,000 rpm의 충분한 회전속도는 3 ℃ 이상부터 제공됨을 알 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 회전형 구동기는 1 ℃ 이상이면 회전에너지 즉, 회전속도를 제공할 수 있고, 바람직하게는 3 내지 30 ℃에서 우수한 회전속도와 회전각을 제공할 수 있다는 것을 알 수 있고, 보다 바람직하게는 9 내지 13 ℃이다.
As shown in FIG. 10 , it was confirmed that the rotation speed and rotation angle increased according to the temperature difference (7-13° C.) between the upper end and the lower end due to the temperature gradient of the rotary actuator of Example 1. Through this, it can be confirmed that the rotational actuator according to the present invention provides the rotation speed from 1 ℃ or more when the temperature difference between the upper part and the lower part is 1 ℃ or more, and it can be seen that a sufficient rotation speed of about 1,000 rpm is provided from 3 ℃ or more. Therefore, it can be seen that the rotary actuator according to the present invention can provide rotational energy, i.e., rotational speed, if it is 1 ℃ or more, and can provide excellent rotational speed and rotational angle preferably at 3 to 30 ℃, More preferably, it is 9-13 degreeC.

도 11은 회전형 구동기의 상단부과 하단부의 온도차이가 13 ℃로 고정된 상태에서, 하단부 온도가 40~60 ℃일 때, 실시예 1로부터 제조된 회전형 구동기(12 ㎝ 길이, 100 ㎛직경)의 회전속도(■)를 측정하여 나타낸 그래프이다.11 shows the rotary actuator manufactured in Example 1 (12 cm length, 100 μm diameter) when the temperature of the lower end is 40 to 60 ° C, in a state where the temperature difference between the upper end and the lower end of the rotary actuator is fixed at 13 ° C. It is a graph showing the measured rotation speed (■).

도 11에 나타난 바와 같이, 상기 실시예 1의 회전형 구동기는 폴리우레탄을 사용한 것으로, 상기 폴리우레탄의 유리전이온도(Tg)가 30.6 ℃이기 때문에, 상단부과 하단부의 온도차이가 13 ℃로 동일할 때, 상기 실시예 1의 회전형 구동기는 유리전이온도(T_g)인 30 ℃ 이상이면 충분한 회전속도를 제공할 수 있다는 것도 확인하였다. 그러나, 하단부의 온도가 45~60 ℃ 조건에서 가장 우수한 회전 스트로크(stroke)를 제공할 수 있다.11, the rotary actuator of Example 1 uses polyurethane, and since the glass transition temperature (Tg) of the polyurethane is 30.6 ° C., the temperature difference between the upper end and the lower end is 13 ° C. At this time, it was also confirmed that the rotational actuator of Example 1 can provide a sufficient rotational speed when the glass transition temperature (T _{g ) is 30° C. or higher.} However, the temperature of the lower end may provide the best rotation stroke (stroke) under the condition of 45 ~ 60 ℃.

이를 통해, 본 발명에 따른 회전형 구동기는 30 ℃ 이상이면 충분한 회전속도를 제공할 수 있는데, 바람직하게는 40 ℃이상이고, 3,000 rpm이상의 회전속도를 갖기 위해서는 43 ℃이상인 것이 더욱 바람직하다. 다만, 60 ℃이상부터는 회전속도가 점차 저하되므로, 충분한 회전속도를 제공하는 약 80 ℃까지가 바람직하고, 더욱 바람직하게는 60 ℃이하일 수 있다.
Through this, the rotary actuator according to the present invention can provide a sufficient rotational speed when it is 30°C or higher, preferably 40°C or higher, and more preferably 43°C or higher in order to have a rotational speed of 3,000 rpm or higher. However, since the rotation speed gradually decreases from 60° C. or higher, the temperature is preferably up to about 80° C. which provides a sufficient rotation speed, and more preferably 60° C. or less.

본 발명에 따른 회전형 구동기는 인가된 꼬임(회전)에 따라 비틀린 형태, 부분적으로 꼬인 비틀린 형태 및 꼬인 형태 등 각기 다른 형태를 갖게 된다. 이때, 상기 각기 다른 형태의 회전형 구동기의 성능을 비교한 것이다. 구체적으로, 도 12는 서로 다른 형태의 실시예 1 내지 5로부터 제조된 회전형 구동기들의 상단부과 하단부 간 온도차이가 10 ℃이고, 상기 하단부의 온도가 52 ℃일 때, 회전속도를 측정하여 나타낸 그래프이다. 여기서, 상기 회전형 구동기들은 모두 100 ㎛의 직경과 8 ㎝길이를 갖도록 제조되었다.The rotary actuator according to the present invention has different shapes such as a twisted shape, a partially twisted twisted shape, and a twisted shape depending on the applied twist (rotation). In this case, the performance of the different types of rotary actuators is compared. Specifically, FIG. 12 is a graph showing the rotational speed measured when the temperature difference between the upper end and the lower end of the rotary actuators manufactured from Examples 1 to 5 in different forms is 10° C., and the temperature of the lower end is 52° C. am. Here, the rotary actuators were all manufactured to have a diameter of 100 μm and a length of 8 cm.

도 12에 나타난 바와 같이, 전체적으로 꼬인 실시예 1로부터 제조된 회전형 구동기가 가장 우수한 회전속도를 갖고 있다는 것을 알 수 있다. 그러나, 1,000 rpm 이상의 충분한 회전속도를 실시예 2 내지 5 로부터 제조된 회전형 구동기 역시 나타내었다.As shown in FIG. 12 , it can be seen that the rotational actuator manufactured in Example 1, which is twisted as a whole, has the best rotational speed. However, the rotational actuators manufactured from Examples 2 to 5 were also exhibited with sufficient rotational speed of 1,000 rpm or more.

즉, 제조과정에서 인가된 꼬임(회전)이 19,000 내지 35,000 turns/m 이면 충분히 우수한 회전속도를 갖는 회전형 구동기를 제조할 수 있음을 알 수 있는데, 2,000 rpm 이상의 회전속도를 얻는 회전형 구동기를 제조하기 위해서는 21,000 내지 30,000 turns/m인 것이 바람직하다.
That is, it can be seen that if the twist (rotation) applied in the manufacturing process is 19,000 to 35,000 turns/m, a rotational actuator having a sufficiently excellent rotational speed can be manufactured. In order to do so, it is preferable that it is 21,000 to 30,000 turns/m.

도 13은 실시예 1로부터 제조된 회전형 구동기는 고정되기 이전에 전체 길이에 대해 각각 0 내지 50% 인장(strain)하여, 고정한 것으로, 상기 각 회전형 구동기에 대한 회전스피드와 회전에너지를 측정하여 나타낸 그래프이다.13 shows that the rotational actuator manufactured in Example 1 is fixed by straining by 0 to 50% for the entire length before being fixed, and by measuring the rotational speed and rotational energy for each of the rotational actuators. This is the graph shown.

도 13에 나타난 바와 같이, 실시예 1의 회전형 구동기는 고정되기 이전에 전체 길이에 대해 인장한 %가 높을수록 길이당 회전속도와 길이당 회전에너지가 현저히 향상되는 것을 알 수 있었다.As shown in FIG. 13 , it was found that the rotational speed per length and the rotational energy per length were significantly improved as the % of the rotational actuator of Example 1 was increased with respect to the total length before being fixed.

특히, 0%일 때, 회전속도는 100 rpm/㎝이지만, 회전에너지가 너무나 낮은 것을 확인할 수 있다. 구체적으로, 50% 인장되어 고정된 회전형 구동기의 길이당 회전속도와 회전에너지는 0% 인장되어 고정된 회전형 구동기의 길이당 회전속도와 회전에너지보다 각각 3배, 13배 더 우수한 것을 알 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 회전형 구동기는 고정되기 이전에 전체 길이에 대해 10 내지 50% 인장하여 고정되는 것이 바람직하다.In particular, when it is 0%, the rotation speed is 100 rpm/cm, but it can be confirmed that the rotational energy is too low. Specifically, it can be seen that the rotational speed and rotational energy per length of the 50% tensioned and fixed rotational actuator are 3 times and 13 times better, respectively, than the rotational speed and rotational energy per length of the 0% tensioned and fixed rotational actuator. have. Therefore, it is preferable that the rotary actuator according to the present invention be fixed by pulling 10 to 50% of the total length before being fixed.

이처럼, 회전형 구동기가 인장되어 고정된 경우, 코일 사이에 틈(clearance)이 제공되고, 이를 통해 흡수할 수 있는 열의 양이 많아지게 된다. 또한, 풀리는(untwist) 방향으로 신장(tensile) 강도가 증가함으로써, 열적 팽창에 의해 야기된 코일 사이의 마찰이 감소된다.As such, when the rotary actuator is tensioned and fixed, a clearance is provided between the coils, thereby increasing the amount of heat that can be absorbed. Also, by increasing the tensile strength in the untwist direction, the friction between the coils caused by thermal expansion is reduced.

상기와 같은 이유를 통해 본 발명에 따른 회전형 구동기는 낮은 온도에서도 빠르게 반응할 수 있고, 회전 구동도 빠르며, 큰 회전각을 제공할 수 있다.
For the above reasons, the rotary actuator according to the present invention can respond quickly even at a low temperature, and the rotational drive is fast, and can provide a large rotation angle.

도 14는 실시예 1로부터 제조된 회전형 구동기의 중앙에 패들을 부착한 다음, 이의 직경을 달리하여, 관성모멘트(moment of inertia)에 따른 회전속도 및 회전에너지(torsional energy)를 측정하여 나타낸 그래프이다. 이때, 상기 회전에너지는 아래 [식 3]을 통해 계산하였다.14 is a graph showing the rotation speed and torsional energy according to the moment of inertia by attaching a paddle to the center of the rotary actuator manufactured in Example 1, and then by varying the diameter thereof. am. At this time, the rotational energy was calculated through [Equation 3] below.

[식 3][Equation 3]

1/2(Iω²)1/2(Iω ² )

상기 식에서, I는 관성모멘트이고, ω는 각 속도(angular velocity)이다.where I is the moment of inertia and ω is the angular velocity.

도 14에 나타난 바와 같이, 최적화된 관성모멘트를 갖는 회전형 구동기의 경우, 3,000 rpm의 높은 회전속도를 나타내었다.As shown in FIG. 14 , in the case of a rotary actuator having an optimized moment of inertia, a high rotational speed of 3,000 rpm was exhibited.

또한, 회전형 구동기의 직경과 회전에너지는 비례하여 증가하는 것을 확인하였는데, 이는 회전형 구동기의 직경이 증가할수록 표면적 또한 증가하기 때문이다. 다만, 회전형 구동기의 직경이 증가할수록 회전속도는 점차 감소한다는 것을 알 수 있다.In addition, it was confirmed that the diameter and rotational energy of the rotary actuator increase proportionally, because the surface area also increases as the diameter of the rotary actuator increases. However, it can be seen that the rotational speed gradually decreases as the diameter of the rotary actuator increases.

구체적으로, 상기 회전형 구동기의 관성모멘트를 최적화하기 위해서는 상기 회전형 구동기의 직경이 60 내지 120 ㎛ 이면 1,000 rpm이상의 충분한 회전속도를 갖는다는 것을 알 수 있다.
Specifically, in order to optimize the moment of inertia of the rotary actuator, it can be seen that if the diameter of the rotary actuator is 60 to 120 μm, it has a sufficient rotation speed of 1,000 rpm or more.

도 15는 길이에 따른 실시예 1로부터 제조된 회전형 구동기의 회전속도 및 회전에너지를 나타낸 그래프이다. 이때, 실시예 1의 회전형 구동기의 직경은 100 ㎛이고, 평균온도는 46 ℃이고, 온도차는 1.08 ℃/㎝이다.15 is a graph showing the rotational speed and rotational energy of the rotary actuator manufactured in Example 1 according to the length. At this time, the diameter of the rotary actuator of Example 1 was 100 μm, the average temperature was 46° C., and the temperature difference was 1.08° C./cm.

도 15에 나타난 바와 같이, 실시예 1의 회전형 구동기의 길이가 길어짐에 따라, 회전에너지 및 회전속도도 증가하는 것을 확인하였다. 이는, 상기 회전형 구동기의 회전에너지가 각속도의 제곱이기 때문이다.As shown in FIG. 15 , as the length of the rotary actuator of Example 1 increased, it was confirmed that the rotational energy and the rotational speed also increased. This is because the rotational energy of the rotary actuator is the square of the angular velocity.

이를 통해, 본 발명의 회전형 구동기는 100 ㎛ 직경과 12 ㎝ 길이를 가지는 최적화된 관성모멘트를 가질 경우, 매우 높은 4,285 rpm의 회전속도와 7.47 nJ/㎝의 길이당 회전에너지밀도를 나타낸다는 것을 확인하였으며, 회전형 구동기는 약 2,000 rpm의 충분한 회전속도를 갖기 위해 6 ㎝이상의 길이를 갖는다면 특별히 이에 제한되지 않는다는 것도 확인하였다.
Through this, it was confirmed that the rotational actuator of the present invention exhibits a very high rotational speed of 4,285 rpm and a rotational energy density per length of 7.47 nJ/cm when it has an optimized moment of inertia with a diameter of 100 μm and a length of 12 cm. It was also confirmed that the rotary actuator is not particularly limited if it has a length of 6 cm or more to have a sufficient rotation speed of about 2,000 rpm.

도 16은 하단부 온도가 53 ℃이고, 하단부과 상단부의 온도차이가 13 ℃인 실시예 1로부터 제조된 회전형 구동기를 총 8 시간동안 구동하였을 때, 각 사이클의 회전속도를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다. 16 is a graph showing the results of measuring the rotational speed of each cycle when the rotational actuator manufactured in Example 1 having a lower end temperature of 53 °C and a temperature difference of the lower end and upper end of 13 °C was driven for a total of 8 hours; am.

여기서, 상기 회전형 구동기는 적절한 토크(torque)를 발생시키기 위해, 상단부과 하단부 사이에 패들을 더 구비하였다. 상기 패들은 회전형 구동기 전체 중량보다 20 배 무거운 것을 사용하였다.Here, the rotary actuator further includes a paddle between the upper end and the lower end in order to generate an appropriate torque. The paddle was used 20 times heavier than the total weight of the rotary actuator.

이때, 상기 회전형 구동기의 온도구배에 의해 풀리고(untwisting), 다시 꼬이는(twisting) 하나의 사이클에 대한 회전각(rotation angle;■)과 회전속도(□)를 측정하여 내삽 그래프에 나타내었다.At this time, the rotation angle (■) and the rotation speed (□) for one cycle of untwisting and twisting by the temperature gradient of the rotary actuator were measured and shown in the interpolation graph.

도 16에 나타난 바와 같이, 상기 회전형 구동기는 8 시간 동안 성능의 저하없이 가역적이고, 일정한 회전구동을 나타내고 있음을 확인하였다.
As shown in FIG. 16 , it was confirmed that the rotary actuator exhibited reversible and constant rotational driving without deterioration in performance for 8 hours.

또한, 상기 패들의 초기속도 변화(acceleration;가속도)는 754 ㎯ 였고, 이는 전기화학적 이중층 전위에 의해 구동되는 탄소나노튜브 실로 이루어진 구동기보다 15배 더 우수한 수치이다(비특허 문헌 1). In addition, the initial velocity change (acceleration) of the paddle was 754 ㎯, which is 15 times better than the actuator made of carbon nanotube yarn driven by the electrochemical double-layer potential (Non-Patent Document 1).

상기 회전형 구동기 1 ㎎의 토크(torque)는 11 nN??m로, 초기 패들 속도(acceleration;α)과 패들의 관성모멘트(I=1/4MR2+!//12ML2, 여기서 M은 패들 질량, R은 radius, Lㅣ은 길이)로부터 아래 [식 4]를 통해 계산하였다. The torque of 1 mg of the rotary actuator is 11 nN m, the initial paddle acceleration (α) and the moment of inertia of the paddle (I=1/4MR2+!//12ML2, where M is the paddle mass, R is the radius, L is the length), and was calculated through [Equation 4] below.

[식 4][Equation 4]

τ = I + α
τ = I + α

도 17은 실시예 1로부터 제조된 회전형 구동기의 상단부과 하단부 사이에 자성체를 구비한 제조예 1에 따른 에너지 하베스팅 장치의 시간에 따라 생성되는 전압(흑색선)과 평균 온도(청색선)를 나타낸 그래프이다. 이때, 내삽된 그래프는 열에너지를 전기에너지로 전환할 수 있는 상기 에너지 하베스팅 장치의 일예를 나타낸 도면이다.17 is a voltage (black line) and average temperature (blue line) generated over time of the energy harvesting device according to Preparation Example 1 having a magnetic material between the upper end and the lower end of the rotary actuator manufactured in Example 1 This is the graph shown. In this case, the interpolated graph is a diagram showing an example of the energy harvesting device capable of converting thermal energy into electrical energy.

상기 에너지 하베스팅 장치는 두 개의 코일과 하나의 자성체를 더 구비하고 있는 것으로, 상기 자성체는 네오디윰(neodymium)을 사용하였고, 이의 중량은 최적화된 관성모멘트를 가지도록 조절하였으며, 상기 코일의 크기는 상기 자성체의 자기장을 고려하여 제조하였다.The energy harvesting device further includes two coils and one magnetic material, and the magnetic material is neodymium, and its weight is adjusted to have an optimized moment of inertia, and the size of the coil is It was prepared in consideration of the magnetic field of the magnetic material.

이를 통해 제조된 상기 에너지 하베스팅 장치는 도 17에 나타난 바와 같이, 온도에 따른 전압을 생성하는 것을 확인할 수 있다.
As shown in FIG. 17 , it can be confirmed that the manufactured energy harvesting device generates a voltage according to temperature.

도 18은 제조예 1에 따른 에너지 하베스팅 장치(평균온도 46 ℃)에서, 히트플레이트를 이용한 대류를 통해 12 ℃ 온도구배를 발생시켰을 때, 시간에 따라 생성되는 전압을 측정한 그래프이다.18 is a graph illustrating voltages generated over time when a 12° C. temperature gradient is generated through convection using a heat plate in the energy harvesting device (average temperature of 46° C.) according to Preparation Example 1. FIG.

도 18에 나타난 바와 같이, 12 ℃의 온도구배가 발생할 때, 상기 에너지 하베스팅 장치에서 생성된 전압은 0.81 V이고, 상기 에너지 하베스팅 장치의 자성체의 회전속도는 4,200 rpm이였다.
As shown in FIG. 18 , when a temperature gradient of 12° C. occurred, the voltage generated in the energy harvesting device was 0.81 V, and the rotational speed of the magnetic body of the energy harvesting device was 4,200 rpm.

도 19는 제조예 1에 따른 에너지 하베스팅 장치의 저항에 따른 전기적 힘과 전압을 측정하여 나타낸 그래프이다.19 is a graph showing the measurement of electrical force and voltage according to the resistance of the energy harvesting device according to Preparation Example 1. Referring to FIG.

상기 도 18과 동일한 조건의 상기 에너지 하베스팅 장치는 31 kΩ의 외부저항을 가질 때, 0.43 μJ 에너지와 4 ㎼ 힘(power)을 갖는다. 이는 임피던스 매칭을 통해서 확인한 것이다.When the energy harvesting device under the same conditions as in FIG. 18 has an external resistance of 31 kΩ, it has an energy of 0.43 μJ and a power of 4 ㎼. This was confirmed through impedance matching.

상기 회전형 구동기를 기반으로 하는 에너지 하베스팅 장치의 회전에너지가 전기에너지로 전환된 효율은 9.3%이고, 이는 아래 식 5로부터 계산하였다.The efficiency of converting rotational energy into electric energy of the energy harvesting device based on the rotary actuator was 9.3%, which was calculated from Equation 5 below.

[식 5][Equation 5]

상기 식에서,In the above formula,

V는 외부저항을 가질 때, 생성된 전압이고,V is the voltage generated when there is an external resistance,

I는 관성모멘트이며, I is the moment of inertia,

ω는 회전 각속도이다.
ω is the rotational angular velocity.

도 20은 도 18과 동일한 조건에서의 제조예 1에 다른 에너지 하베스팅 장치로부터 생성된 전압을 연결 정류기로 정류한 전압(rectified voltage) 신호를 나타낸 그래프이다. 내삽된 도면은 상기 정류 회로의 도면이다.20 is a graph illustrating a rectified voltage signal obtained by rectifying a voltage generated from another energy harvesting apparatus in Preparation Example 1 under the same conditions as FIG. 18 by a connection rectifier. The interpolated diagram is a diagram of the rectifier circuit.

본 발명에 따른 회전형 구동기를 기반으로 하는 에너지 하베스팅 장치는 1.1 ㎽/㎤의 힘과 0.11 mJ/㎤의 에너지를 갖는데, 이는 종래 온도변화를 이용하는 에너지 하베스팅 장치보다 현저히 우수한 수치임을 알 수 있다.The energy harvesting device based on the rotary actuator according to the present invention has a force of 1.1 mW/cm3 and an energy of 0.11 mJ/cm3, which is significantly superior to an energy harvesting device using a conventional temperature change. .

일예로 고분자의 팽창과 압전 ZnO는 43 ℃의 온도변화로부터 0.285 ㎽/㎤의 힘(비특허 문헌 4)을 생성하고, 하이브리드 SMA와 압전 시스템은 35 ℃ 온도변화로부터 13.84 μJ/㎤의 에너지를 생성하였다(비특허 문헌 5).For example, polymer expansion and piezoelectric ZnO generate a force of 0.285 mW/cm3 from a temperature change of 43 °C (Non-Patent Document 4), and the hybrid SMA and piezoelectric system generate energy of 13.84 µJ/cm3 from a temperature change of 35 °C. (Non-patent document 5).

상기 에너지 하베스팅 장치에서의 비규칙적인 온도구배에 의해 생성된 상기 AC 전압은 통상의 연결 정류기에 의해 조절하였다. 상기 조절된 전압은 0.28 V 였는데, 이는 상기 연결된 정류기에 의해 전압이 다운되었기 때문이다.The AC voltage generated by the irregular temperature gradient in the energy harvesting device was regulated by a conventional connected rectifier. The regulated voltage was 0.28 V because the voltage was down by the connected rectifier.

Claims

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적어도 하나의 고분자 섬유 또는 상기 고분자 섬유가 일 방향으로 배향되어 형성된 고분자 시트를 포함하고, 상기 고분자 섬유는 폴리우레탄 섬유이고, 상기 적어도 하나의 고분자 섬유 또는 고분자 시트는 내측을 기준으로 상단부 및 하단부로 이루어지고, 상기 적어도 하나의 고분자 섬유 또는 고분자 시트의 상단부와 하단부는 어느 하나 이상이 고정되어져 있으며, 상기 적어도 하나의 고분자 섬유 또는 고분자 시트는 상단부와 하단부가 서로 같은 방향 혹은 반대방향으로 회전되어 제조된 비틀린(twist) 혹은 꼬인 형태(coil)를 가지는 회전형 구동기로, 상기 회전형 구동기의 일부분과 다른 부분의 온도구배가 발생하면, 상기 회전형 구동기의 일부분과 다른 부분의 부피 차가 발생하여 연속적인 회전을 제공하는, 회전형 구동기;
상기 회전형 구동기 내에 지점에 위치하고, 상기 회전형 구동기가 회전함에　따라 회전하는, 적어도 하나 이상의 자성체 또는 코일; 및
상기 회전형 구동기와 이격되어 배치되는 적어도 하나 이상의 코일 또는 자성체;를 포함하는 에너지 하베스팅 장치이되,
상기 에너지 하베스팅 장치의 하단부 및 상단부 중 어느 한 곳에 부착된, 열림과 닫힘을 발생시키는 개폐구를 포함하는 판; 및
상기 회전형 구동기의 일 지점에 위치하고, 상기 판과 0.1 내지 3 ㎝의 이격거리로 이격되어 배치된, 상기 개폐구와 동일한 모양의 적어도 하나의 핀;을 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 장치.at least one polymer fiber or a polymer sheet formed by oriented in one direction, wherein the polymer fiber is a polyurethane fiber, and the at least one polymer fiber or polymer sheet has an upper end and a lower end with respect to the inside. The upper end and the lower end of the at least one polymer fiber or polymer sheet are fixed at least one As a rotary actuator having a twist or coil shape, when a temperature gradient between a part of the rotary actuator and another part occurs, a volume difference between a part of the rotary actuator and the other part occurs, resulting in continuous rotation providing, a rotary actuator;
at least one magnetic body or coil positioned at a point within the rotary actuator and rotating as the rotary actuator rotates; and
At least one coil or magnetic body disposed spaced apart from the rotary actuator; an energy harvesting device comprising a,
a plate attached to any one of a lower end and an upper end of the energy harvesting device, the plate including an opening/closing opening generating opening and closing; and
Energy harvesting apparatus comprising a; at least one pin of the same shape as the opening and closing, located at one point of the rotary actuator and spaced apart from the plate by a distance of 0.1 to 3 cm.

제9항에 있어서,
상기 회전형 구동기가 온도구배에 의해 회전함에 따라 상기 자성체가 회전하고, 상기 코일 내부를 통과하는 자속의 변화를 유도하여 전기에너지를 생성하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 장치.10. The method of claim 9,
Energy harvesting apparatus, characterized in that the magnetic body rotates as the rotary actuator rotates by the temperature gradient, and generates electric energy by inducing a change in magnetic flux passing through the inside of the coil.

제9항에 있어서,
상기 자성체는 영구자석이고,
상기 자성체의 무게는 상기 회전형 구동기에 대해 1 내지 1000 배인 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 장치.10. The method of claim 9,
The magnetic body is a permanent magnet,
The energy harvesting device, characterized in that the weight of the magnetic material is 1 to 1000 times that of the rotary actuator.

제9항에 있어서,
상기 회전형 구동기는 양단이 모두 고정되어 있거나, 어느 하나의 말단만 고정되어 있고,
상기 회전형 구동기가 어느 하나의 말단만 고정된 경우, 상기 회전형 구동기의 고정되지 않은 어느 하나의 말단에 위치변동지지대를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 장치.10. The method of claim 9,
The rotary actuator has both ends fixed, or only one end is fixed,
When only one end of the rotary actuator is fixed, the energy harvesting device further comprises a position change support at any one end of the rotary actuator that is not fixed.

제12항에 있어서,
상기 위치변동지지대는 자성체인 것을 특징으로 하고,
상기 위치변동지지대와 이격되어 위치하고, 둘러싼 코일을 포함하고,
온도구배에 따라 상기 회전형 구동기가 인장되고 수축되면 위치변동지지대가 수평으로 움직이면서 상기 코일 내부를 통과하는 자속이 변하여 전기에너지를 생성하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 장치.13. The method of claim 12,
The position change support is characterized in that it is a magnetic material,
It is spaced apart from the position change support and includes a surrounding coil,
Energy harvesting device, characterized in that when the rotary actuator is stretched and contracted according to a temperature gradient, the magnetic flux passing through the coil changes while the position change support moves horizontally to generate electrical energy.

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제9항에 있어서,
상기 회전형 구동기가 온도구배에 따라 회전하게 되고,
상기 회전형 구동기의 회전에 의해 상기 핀이 상기 개폐구와 이격된 수평 위치에 위치하게 되어 개폐구로부터 유입되는 공기의 흐름을 차단하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 장치.10. The method of claim 9,
The rotary actuator rotates according to the temperature gradient,
Energy harvesting device, characterized in that the pin is positioned at a horizontal position spaced apart from the opening and closing opening by rotation of the rotary actuator to block the flow of air flowing from the opening and closing opening.

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적어도 하나의 고분자 섬유 또는 상기 고분자 섬유가 일 방향으로 배향되어 형성된 고분자 시트를 포함하고, 상기 고분자 섬유는 폴리우레탄 섬유이고, 상기 적어도 하나의 고분자 섬유 또는 고분자 시트는 내측을 기준으로 상단부 및 하단부로 이루어지고, 상기 적어도 하나의 고분자 섬유 또는 고분자 시트의 상단부와 하단부는 어느 하나 이상이 고정되어져 있으며, 상기 적어도 하나의 고분자 섬유 또는 고분자 시트는 상단부와 하단부가 서로 같은 방향 혹은 반대방향으로 회전되어 제조된 비틀린(twist) 혹은 꼬인 형태(coil)를 가지는 회전형 구동기로, 상기 회전형 구동기의 일부분과 다른 부분의 온도구배가 발생하면, 상기 회전형 구동기의 일부분과 다른 부분의 부피 차가 발생하여 연속적인 회전을 제공하며, 양 말단이 가로축으로 고정되어 있는, 회전형 구동기;
상기 회전형 구동기 내의 중앙 지점에 구비된 회전에너지를 위치에너지로 전환하는 장치인 승강수단;
상기 승강수단 하부에 구비되고, 상기 승강수단과 연결되어, 상기 회전형 구동기가 회전함에 따라 위치변동을 갖는, 적어도 하나 이상의 자성체; 및
상기 자성체의 상하이동에 의해 전계를 발생시키는 적어도 하나 이상의 코일;을 포함하는 에너지 하베스팅 장치.at least one polymer fiber or a polymer sheet formed by oriented in one direction, wherein the polymer fiber is a polyurethane fiber, and the at least one polymer fiber or polymer sheet has an upper end and a lower end with respect to the inside. The upper end and the lower end of the at least one polymer fiber or polymer sheet are fixed at least one As a rotary actuator having a twist or coil shape, when a temperature gradient between a part of the rotary actuator and another part occurs, a volume difference between a part of the rotary actuator and the other part occurs, resulting in continuous rotation It provides, both ends of which are fixed to the transverse axis, a rotary actuator;
a lifting means which is a device for converting rotational energy provided at a central point in the rotary actuator into potential energy;
at least one magnetic material provided under the elevating means and connected to the elevating means and having a position change as the rotary actuator rotates; and
Energy harvesting device comprising a; at least one coil for generating an electric field by the vertical movement of the magnetic material.

제17항에 있어서,
상기 코일은 상기 자성체의 측면을 둘러싸는 원통형인 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 장치.18. The method of claim 17,
The coil is an energy harvesting device, characterized in that the cylindrical shape surrounding the side of the magnetic body.

제17항에 있어서,
상기 코일은 상기 자성체의 측면 또는 하면에 위치하여 상기 자성체의 상하이동에 의해 전계를 발생시키는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 장치. 18. The method of claim 17,
The coil is located on the side or lower surface of the magnetic material, the energy harvesting device, characterized in that generating an electric field by vertical movement of the magnetic material.

제17항에 있어서,
상기 회전형 구동기가 온도구배에 의해 회전함에 따라 상기 자성체는 상하이동을 갖고,
상기 자성체의 위치변동이 상기 코일과 자성체 간의 이격거리 변동을 야기하여, 상기 코일을 통과하는 자속의 변화가 유도되어 전기에너지를 생성하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 장치.18. The method of claim 17,
As the rotary actuator rotates by a temperature gradient, the magnetic body has vertical movement,
Energy harvesting device, characterized in that the change in the position of the magnetic material causes a change in the separation distance between the coil and the magnetic material, the change in magnetic flux passing through the coil is induced to generate electrical energy.

제17항에 있어서,
상기 자성체의 상하이동 거리는 0.1 내지 3 ㎝인 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 장치.18. The method of claim 17,
The energy harvesting device, characterized in that the vertical movement distance of the magnetic material is 0.1 to 3 cm.

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