KR102311763B1 - 온도 구배에 의해 구동되는 회전형 구동기 및 이를 이용한 에너지 하베스팅 장치 - Google Patents

온도 구배에 의해 구동되는 회전형 구동기 및 이를 이용한 에너지 하베스팅 장치 Download PDF

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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.

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}
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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. 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. 비특허 문헌 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. 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.
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.
본 발명의 다른 목적은 상기 회전형 구동기를 이용한 다양한 형태의 에너지 하베스팅 장치를 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 목적을 이루기 위하여, 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 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 것을 특징으로 하는 회전형 구동기로,
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.
상기 고분자 섬유는 나일론, 폴리우레탄, 폴리에틸렌 및 고무 등의 고분자 재료로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나일 수 있다.
상기 회전형 구동기의 일부분과 다른 부분과의 온도구배는 1 ℃이상 일 수 있다.
상기 회전형 구동기의 직경은 0.5 내지 200 ㎛일 수 있다.
상기 회전형 구동기의 최대온도가 20 내지 80 ℃일 수 있다.
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(Tg) 이상에서, 2,000 내지 60,000 turns/m의 꼬임수로 회전되어 제조되는 것 일 수 있다.
상기 회전형 구동기는 고정되기 이전에 전체 길이에 대해 10 내지 60% 인장된 후, 고정될 수 있다.
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.
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.
상기 회전형 구동기가 온도구배에 의해 회전함에 따라 상기 자성체가 회전하고, 상기 코일 내부를 통과하는 자속의 변화를 유도하여 전기에너지를 생성할 수 있다.
상기 자성체는 영구자석이고, 상기 자성체의 무게는 상기 회전형 구동기에 대해 1 내지 1000 배일 수 있다.
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 포함할 수 있다.
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.
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.
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.
상기 개폐구가 구비된 각 판과 핀과의 이격거리는 0.1 내지 3 ㎝일 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 목적을 이루기 위하여, 양 말단이 가로축으로 고정되어 있고, 온도구배에 의해 회전하는 상기 회전형 구동기,
상기 회전형 구동기 내의 중앙 지점에 구비된 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 코일을 포함하는 에너지 하베스팅 장치를 제공한다.
상기 코일은 상기 자성체의 측면을 둘러싸는 원통형일 수 있다.
상기 코일은 상기 자성체의 측면 또는 하면에 위치하여 상기 자성체의 상하이동에 의해 전계를 발생시킬 수 있다.
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.
상기 자성체의 상하이동 거리는 0.1 내지 3 ㎝일 수 있다.
상기 승강수단은 회전에너지를 위치에너지로 전환하는 장치일 수 있다.
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.
또한, 상기 회전형 구동기는 우수한 회전속도를 가질 뿐만 아니라, 내구성 및 안정성이 우수하여 장기간 사용하여도 회전속도의 감소가 거의 나타나지 않으므로, 수명특성이 우수하다.
또한, 상기 회전형 구동기를 이용하여 열에너지를 전기에너지로 회수할 수 있는 효율이 향상된 다양한 형태의 에너지 하베스팅 장치를 제공할 수 있다.
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.
이하에서, 본 발명의 여러 측면 및 다양한 구현예에 대해 더욱 구체적으로 살펴보도록 한다.
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.
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.
다른 하이브리드 실 또는 탄소나노튜브 실은 함입된 물질이 녹는 온도(Tm)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.
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.
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.
구체적으로, 상기 회전형 구동기의 회전은 일부분과 다른 부분의 온도구배가 발생하면, 상기 일부분은 팽창되어 풀리고, 상기 다른 부분은 다시 감기게되면서, 연속적인 회전을 제공할 수 있다.
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.
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.
본 발명은 상기 회전형 구동기 내에서 온도구배가 계속적으로 일어나게 하면서, 이로부터 연속적인 회전을 제공할 수 있는 구조로, 고분자 재료를 채용하고 있다.
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.
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.
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.
또한, 폴리우레탄은 유리전이온도(Tg)와 용융점(Tm) 간에 열적 팽창이 크고 온도변화에 따라 초기상태로 되돌아가려는 형상기억효과가 우수하며, 유리전이온도(Tg)가 25 ℃로 낮기 때문에, 상기 고분자 섬유 중에서 가장 바람직하다.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
상기 회전형 구동기에서 단일배향성을 갖는 고분자 시트는 고분자 용액을 전기방사하여, 적어도 하나의 고분자 섬유가 일 방향으로 배향되어 형성된 것으로, 도 3에 제조과정을 자세히 나타내었다.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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(Tg) 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.
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.
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.
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.
온도구배가 발생하지 않고, 전체적으로 가열될 경우, 회전에너지는 발생되지 않고, 길이변화만이 생성되기 때문에, 전체적으로 가열될 경우, 회전력이 제공되지 않는다는 문제가 있다.
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.
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(Tg)가 30.6 ℃이기 때문에, 30 내지 80 ℃이면 충분한 회전속도를 제공할 수 있고, 보다 바람직하게는 45 내지 60 ℃에서 가장 우수한 회전속도를 제공한다.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
고분자 섬유의 직경(㎛) 단섬유 비틀린 형태(twist) 꼬인 형태
(coil)
80 회전수
(turn/m)		 0 22,000 30,000
100 회전수
(turn/m)		 0 18,000 25,000
120 회전수
(turn/m)		 0 9,000 15,000
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.
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.
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.
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.
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.
본 발명에 따른 회전형 구동기는 종래 회전형 구동이 가능한 다양한 구동기와는 달리 풀리고(untwisting), 다시 꼬이는(re-twisting) 두 단계에서의 회전속도가 거의 유사하다.
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.
[식 1]
S=kAir(1/(LAir,1)+2/(LAir,2))
상기 식에서 kAir는 회전모듈이고,
LAir ,1과 LAir ,2는 같은 온도에서의 길이이다.
[식 2]
t=2π(I/S)1/2
상기 식에서,
t는 회전 진동 주기(torsional oscillation period)이고,
I는 패들의 관성 모멘트이며,
S는 회전강도(rigidity)
<회전형 구동기의 원리>
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.
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.
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.
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(Tg)가 30.6 ℃이기 때문에, 30 내지 80 ℃이면 충분한 회전속도를 제공할 수 있고, 보다 바람직하게는 45 내지 60 ℃에서 가장 우수한 회전속도를 제공한다.
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.
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.
도 2에서 나타낸 바와 같이, 지속적인 온도구배에 의해 상기 폴리우레탄 시트의 방향에서 발생하게 되면 하단부이 풀리는 만큼 상대적으로 상단부은 더 감기게 된다.
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.
<에너지 하베스팅 장치>
본 발명의 다른 측면은 상기 온도구배에 의해 연속적인 회전을 제공하는 회전형 구동기를 사용하여 열에너지를 전기에너지로 전환할 수 있는 에너지 하베스팅 장치에 관한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 구현예에 따른 에너지 하베스팅 장치의 구성을 나타낸 단면도이다.
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.
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.
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.
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.
상기 코일(130)은 보다 구체적으로, 도 4에 나타난 바와 같이, 회전형 구동기(110)의 일 측면에 소정의 거리만큼 이격되어 위치되어 있을 수 있다.
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.
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.
상기 회전형 구동기(110)의 길이는 1 내지 20 ㎝인 것이 바람직하다.
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.
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.
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.
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.
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.
이하, 다른 구현예에 따른 에너지 하베스팅 장치에 대해 도 6을 참조하여 설명한다.
도 6은 본 발명의 다른 구현예에 따른 에너지 하베스팅 장치의 단면도(a)와, 위에서 바라본 모습(b)을 촬영한 사진이다.
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.
또한, 상기 코일(230)은 상기 회전형 구동기(210)에 구비된 자성체(220)와 소정의 거리만큼 이격되어 위치하면서, 상기 자성체(220)를 감싸며 구비된다.
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.
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.
또한, 상기 자성체(351)를 감싸듯 둘러싸고 있는, 이격되어 배치된 코일(352)을 더 포함한다.
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.
위치변동지지대인 자성체(351)의 형태는 특별히 이에 제한되지 않지만, N극 S극이 아래 위로 있는 원기둥 형태의 자성체가 가장 바람직하다.
이하, 또 다른 구현예에 따른 에너지 하베스팅 장치에 대해 도 8을 참조하여 설명한다.
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.
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.
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.
도 9는 본 발명의 또 다른 구현예에 따른 에너지 하베스팅 장치의 구성을 나타낸 단면도이다.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
상기 승강수단(520)은 회전에너지를 위치에너지로 전환할 수 있는 장치이면 특별히 이에 제한되지 않으나, 바람직하게는 도르레일 수 있다.
상기 자성체(530)의 상하이동 거리, 즉, 세로축 방향 위치 변동 거리는 0.1 내지 3 ㎝인 것이 바람직하다.
상기 자성체(530)는 영구자석이면 특별히 이에 제한되지 않으나, 보다 바람직하게는 N, S 극을 갖는 막대형이거나, 원통형일 수 있다.
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.
<실시예 1> 폴리우레탄 회전형 구동기의 제조
1) 폴리우레탄 방사용액의 제조.
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.
2) 전기방사 : 폴리우레탄 시트의 제조.
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.
3) 회전형 구동기 제조
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.
이때, 상기 회전형 구동기의 내측을 기준으로 상단부과 하단부으로 나뉘어지고, 상단부과 하단부의 꼬임 방향에 따라 다양한 형태의 회전형 구동기를 제조할 수 있다.
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.
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.
<실시예 2 내지 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.
제조예 1. 에너지 하베스팅 장치
상기 실시예 1로부터 제조된 회전형 구동기를 이용하여, 열에너지를 전기에너지로 변환할 수 있는 에너지 하베스팅 장치를 고안하였다. 이의 구조를 도 4에 보다 자세히 나타내었다.
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.
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.
< 평가예 1.> 회전 스피드 및 회전수의 측정.
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.
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.
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.
<평가예 2.> 회전형 구동기의 물리적 특성 분석.
1) 형태분석
전자주사 현미경(FE SEM, Hitachi S4700)을 이용하여 형태를 분석하였다.
2) 동역학적 특성 분석(Dynamic mechanical Analysis)
회전형 구동기의 열적 특성을 분석하기 위해서, 동역학적열특성 분석기(Dynamic Mechanical Analyzer, Seiko Exstar 6000)을 사용하였다. 이때, 온도는 열전대를 이용하여 측정하였다.
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 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.
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.
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(Tg)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.
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.
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.
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.
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.
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 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.
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.
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.
상기와 같은 이유를 통해 본 발명에 따른 회전형 구동기는 낮은 온도에서도 빠르게 반응할 수 있고, 회전 구동도 빠르며, 큰 회전각을 제공할 수 있다.
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.
[식 3]
1/2(Iω2)
상기 식에서, I는 관성모멘트이고, ω는 각 속도(angular velocity)이다.
도 14에 나타난 바와 같이, 최적화된 관성모멘트를 갖는 회전형 구동기의 경우, 3,000 rpm의 높은 회전속도를 나타내었다.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
이때, 상기 회전형 구동기의 온도구배에 의해 풀리고(untwisting), 다시 꼬이는(twisting) 하나의 사이클에 대한 회전각(rotation angle;■)과 회전속도(□)를 측정하여 내삽 그래프에 나타내었다.
도 16에 나타난 바와 같이, 상기 회전형 구동기는 8 시간 동안 성능의 저하없이 가역적이고, 일정한 회전구동을 나타내고 있음을 확인하였다.
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).
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.
[식 4]
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.
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.
이를 통해 제조된 상기 에너지 하베스팅 장치는 도 17에 나타난 바와 같이, 온도에 따른 전압을 생성하는 것을 확인할 수 있다.
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 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.
도 19는 제조예 1에 따른 에너지 하베스팅 장치의 저항에 따른 전기적 힘과 전압을 측정하여 나타낸 그래프이다.
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.
상기 회전형 구동기를 기반으로 하는 에너지 하베스팅 장치의 회전에너지가 전기에너지로 전환된 효율은 9.3%이고, 이는 아래 식 5로부터 계산하였다.
[식 5]
Figure 112015008035039-pat00001
상기 식에서,
V는 외부저항을 가질 때, 생성된 전압이고,
I는 관성모멘트이며,
ω는 회전 각속도이다.
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.
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.
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).
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.

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  9. 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.
  10. 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.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 자성체는 영구자석이고,
    상기 자성체의 무게는 상기 회전형 구동기에 대해 1 내지 1000 배인 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 장치.
  12. 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.
  13. 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.
  14. 삭제
  15. 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.
  16. 삭제
  17. 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.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 코일은 상기 자성체의 측면을 둘러싸는 원통형인 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 장치.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 코일은 상기 자성체의 측면 또는 하면에 위치하여 상기 자성체의 상하이동에 의해 전계를 발생시키는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 장치.
  20. 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.
  21. 제17항에 있어서,
    상기 자성체의 상하이동 거리는 0.1 내지 3 ㎝인 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 장치.
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