KR20160076700A - Energy harvesting device with Magnetoelectric composite laminate for structural health monitoring of electric power transmission - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 압전 단결정을 포함하는 전력선 감시 센서 구동 전원용 에너지 하베스팅 자기전기 복합재료 적층체, 상기 자기전기 복합재료 적층체를 포함하는 전력선 원격 감시용 센서 노드 및 상기 센서 노드를 포함하는 전력선 원격 감시 시스템에 대한 것이다.The present invention relates to an energy harvesting magnetic composite laminate for a power line monitoring sensor driving power source including a piezoelectric single crystal, a sensor node for power line remote monitoring including the magnetic composite material laminate, and a power line remote monitoring system Lt; / RTI >
일반적으로, 전력선 감시 시스템은 유선을 기반으로 하여 구성되어 있기 때문에 기존에 구축되어 있는 전력선 감시 시스템에 대한 감시 장치의 추가 설치가 배선상 및/또는 통신상의 어려움 등을 이유로 용이하지 않다는 문제점이 있다. 또한, 전력선이 지상이나 지중에 있기 때문에 전력선에 장애가 발생할 경우 현장에서 대기 중인 처리 인원이라고 하더라도 장애발생 원인 및 구체적인 장애발생 위치를 파악하는데 어려움이 있었다.Generally, since the power line surveillance system is constructed based on a wired line, there is a problem that it is not easy to additionally install a surveillance device for the existing power line surveillance system due to difficulties in wiring and / or communication. In addition, since the power line is located on the ground or in the ground, it is difficult to identify the cause of the fault and the location of the specific fault even if the power line is a waiting staff in the field.
이에, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 유비쿼터스 센서 네트워크(Ubiquitous Sensor Network, 이하 'USN'이라 함) 기술에 기반해 전력선에 구조 건전성 진단(Structural Health Monitoring, 이하 'SHM' 이라 함) 센서 노드를 부착하여 전력선의 온도, 쳐짐, 진동, 자기장 등의 물리량을 측정하고 전력선의 이상 유무를 판별하여 통합서버로 상기 측정된 데이터를 전송함으로써 전력선을 감시하는 기술의 도입이 고려되고 있다.In order to solve the above problems, a structural health monitoring (hereinafter referred to as 'SHM') sensor node is attached to a power line based on a Ubiquitous Sensor Network (USN) It is considered to measure a physical quantity such as a temperature, a striking, a vibration, a magnetic field, etc. of a power line, discriminating an abnormality of the power line, and monitoring the power line by transmitting the measured data to an integrated server.
참고로, 상기 SHM USN 시스템은 기존의 단순 인식정보를 제공하는 RFID(Radio-Frequency Identification)에 센싱 기능이 추가되고 이들 간의 무선 센서 네트워크가 이루어져 실시간으로 통신을 할 수 있는 시스템을 일컫는 것으로서, 유비쿼터스 센서 네트워크는 다양한 센서를 통해 입력되는 정보를 실시간으로 네트워크를 통해 외부의 네트워크에 연결하여 정보를 처리하고 관리한다. 이는 궁극적으로 모든 사물에 컴퓨팅 및 통신 기능을 부여하여 언제 어디서나 네트워크, 디바이스 및 서비스에 관계없이 통신이 가능한 환경을 구현하기 위한 것이다.For reference, the SHM USN system refers to a system in which a sensing function is added to an RFID (Radio-Frequency Identification) that provides conventional simple recognition information, and a wireless sensor network between them is used to perform communication in real time. The ubiquitous sensor The network processes and manages information by connecting information input through various sensors to an external network through a network in real time. This is ultimately to provide computing and communication functions to all objects to realize an environment that can communicate anytime, anywhere, regardless of network, device and service.
이와 같은 USN 시스템에서 하드웨어 플랫폼으로 사용되는 모듈인 센서 노드는 통상적으로 제어부, 무선송수신부, 센서부, 전원부로 구성되며, 이중 전원부는 주로 수 V의 DC 전압의 배터리 타입 전원으로 이루어지는데, 이러한 배터리 타입은 영구적이지 못하기 때문에 사용 기간이 길어짐에 따라 배터리의 전원이 약해지면서 센서 노드의 센싱을 비롯하여 데이터 전송에 영향을 받게 된다. 뿐만 아니라, 센서 노드의 유지보수에 있어 상기 센서 노드의 설치 장소에 따라 배터리의 주기적 교체 작업이 어려울 수 있다는 문제점을 가져 아직까지는 전력선 원격 감시 등의 용도로 USN 기반 시스템을 상용화하는데 어려움을 겪고 있다.The sensor node, which is a module used as a hardware platform in the USN system, typically includes a control unit, a wireless transceiver unit, a sensor unit, and a power unit. The dual power unit is mainly composed of a battery type power source having a DC voltage of several volts. Since the type is not permanent, the power of the battery is weakened as the usage period becomes longer, and the sensing of the sensor node and the data transmission are affected. In addition, in the maintenance of the sensor node, it is difficult to periodically replace the battery depending on the installation location of the sensor node, and thus it has been difficult to commercialize the USN-based system for power line remote monitoring and the like.
이에, 센서 노드에 대한 전력 공급 문제를 해결하기 위해 태양광을 이용하여 상기 센서 노드로 전원을 공급하는 기술이 제시된 바 있으나, 상기 태양광을 이용한 전원 공급 방식은 기상 조건 등 환경의 제약을 받기 때문에 기대만큼 효율적이지 못한 것이 사실이다.In order to solve the problem of power supply to the sensor node, there has been proposed a technique of supplying power to the sensor node using solar light. However, since the power supply method using the solar light is limited by environment such as weather conditions It is true that it was not as efficient as expected.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, USN 기술에 기반해 전력선의 상태를 원격으로 감시하기 위한 시스템을 구축함에 있어서 센서를 구동하는 전원을 주기적으로 교체하는 번거로움 없이 반영구적으로 센서 노드를 운용하는 것이 가능케하는 센서 구동 전원용 에너지 하베스팅 소재와 소자를 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a system for remotely monitoring a state of a power line based on the USN technology, in which a sensor node is semi-permanently operated without the hassle of periodically replacing a power source for driving the sensor And to provide an energy harvesting material and a device for a sensor driving power source.
상기 기술적 과제를 달성하기 위해, 본 발명은 압전(piezoelectric) 단결정층 함유 복합체; 및 상기 복합체의 일면 또는 양면에 구비되며 자왜(magnetostrictive) 소재로 이루어진 자왜층을 포함하고, 상기 압전 단결정은 판상 또는 섬유상 소재로 이루어지고 상기 압전 단결정의 <011> 방향은 상기 복합체의 두께방향과 일치하는 것을 특징으로 하는 전력선 감시 센서 구동 전원용 에너지 하베스팅 자기전기 복합재료 적층체를 제안한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a piezoelectric single crystal layer containing composite; And a magnetostrictive layer provided on one surface or both surfaces of the composite and made of a magnetostrictive material, wherein the piezoelectric single crystal is made of a plate or fibrous material, and the <011> direction of the piezoelectric single crystal is coincident with the thickness direction of the composite The present invention proposes an energy harvesting magnetic composite material laminate for a power line monitoring sensor driving power source.
또한, 상기 압전 단결정층에 포함된 압전 단결정의 <011> 방향은 상기 복합체의 두께방향과 일치하는 것을 특징으로 하는 전력선 감시 센서 구동 전원용 에너지 하베스팅 자기전기 복합재료 적층체를 제안한다.Further, the <011> direction of the piezoelectric single crystal included in the piezoelectric single crystal layer coincides with the thickness direction of the composite, and an energy harvesting magnetic composite material laminate for a power line monitoring sensor driving power source is proposed.
또한, 상기 압전 단결정층은, 일면에 제1 전극이 형성된 제1 보호층; 일면에 제2 전극이 형성된 제2 보호층; 및 상기 제1 전극 및 제2 전극 사이에 개재되며 복합체의 길이 방향으로 배열된 1개 이상의 압전 섬유(fiber)로 이루어지는 압전 섬유층을 포함하며, 상기 압전 섬유는 단결정 압전 소재로 이루어지고 상기 단결정의 <011> 방향은 복합체의 두께방향과 일치하는 것을 특징으로 하는 전력선 감시 센서 구동 전원용 에너지 하베스팅 자기전기 복합재료 적층체를 제안한다.The piezoelectric single crystal layer may include a first protective layer having a first electrode formed on one surface thereof; A second protective layer having a second electrode formed on one surface thereof; And a piezoelectric fiber layer interposed between the first electrode and the second electrode and made of at least one piezoelectric fiber arranged in the longitudinal direction of the composite, wherein the piezoelectric fiber is made of a single crystal piezoelectric material, 011> direction coincides with the thickness direction of the composite. The present invention also provides an energy harvesting magnetic composite material laminate for a power line monitoring sensor driving power source.
또한, 상기 압전 단결정층은, 일면에 제1 전극이 형성된 제1 보호층; 일면에 제2 전극이 형성된 제2 보호층; 및 상기 제1 전극 및 제2 전극 사이에 개재된 압전 단결정 플레이트(plate)를 포함하며, 상기 압전 단결정의 <011> 방향은 복합체의 두께방향과 일치하는 것을 특징으로 하는 전력선 감시 센서 구동 전원용 에너지 하베스팅 자기전기 복합재료 적층체를 제안한다.The piezoelectric single crystal layer may include a first protective layer having a first electrode formed on one surface thereof; A second protective layer having a second electrode formed on one surface thereof; And a piezoelectric single crystal plate sandwiched between the first electrode and the second electrode, wherein the <011> direction of the piezoelectric single crystal coincides with the thickness direction of the composite. Magnetic composite material laminated body.
또한, 상기 압전 단결정은 페로브스카이트(Perovskite) 결정구조 또는 복합 페로브스카이트 결정구조를 가지는 것을 특징으로 하는 전력선 감시 센서 구동 전원용 에너지 하베스팅 자기전기 복합재료 적층체를 제안한다.Also, the piezoelectric single crystal has a perovskite crystal structure or a complex perovskite crystal structure, and proposes an energy harvesting magnetic composite material laminate for a power line monitoring sensor driving power source.
또한, 상기 복합 페로브스카이트 결정구조를 가지는 압전 단결정은 하기 화학식 1) 또는 2)로 표시되는 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 전력선 감시 센서 구동 전원용 에너지 하베스팅 자기전기 복합재료 적층체를 제안한다: Also, the piezoelectric single crystal having the complex perovskite crystal structure is made of a material represented by the following formula (1) or (2):
1) xPb(A1, A2, …, B1, B2, …)03 + (1- x)PbTiO3 1) xPb (A1, A2, ..., B1, B2, ...) 0 3 + (1- x) PbTiO 3
2) xPb(A1, A2, …, B1, B2, …)03 + (1- x)Pb(Zr,Ti)O3 2) xPb (A1, A2, ..., B1, B2, ...) 0 3 + (1- x) Pb (Zr, Ti)
(단, 상기 화학식 1) 및 2)에 있어서, x는 몰 분율로서 0 < x <1 이며, A1, A2, …는, Zn, Mg, Ni, Lu, In 및 Sc로 이루어지는 군에서 선택된 하나 이상의 원소이고, B1, B2,…는, Nb, Ta, Mo 및 W로 이루어지는 군에서 선택된 하나 이상의 원소임).(1) and 2), x is a molar fraction, 0 < x < 1, and A1, A2, ... Is at least one element selected from the group consisting of Zn, Mg, Ni, Lu, In and Sc, and B1, B2, ... Is at least one element selected from the group consisting of Nb, Ta, Mo and W).
또한, 상기 복합 페로브스카이트 결정구조를 가지는 압전 단결정은 능면정계 (Rhombohedral) 결정 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 전력선 감시 센서 구동 전원용 에너지 하베스팅 자기전기 복합재료 적층체를 제안한다.In addition, the piezoelectric single crystal having the complex perovskite crystal structure has a Rhombohedral crystal structure, and suggests an energy harvesting magnetic composite material laminate for a power line monitoring sensor driving power source.
또한, 상기 압전 섬유층 또는 상기 압전 단결정 플레이트(plate)의 길이방향은 상기 단결정의 <001> 방향과 일치하는 것을 특징으로 하는 전력선 감시 센서 구동 전원용 에너지 하베스팅 자기전기 복합재료 적층체를 제안한다.The longitudinal direction of the piezoelectric fiber layer or the piezoelectric single crystal plate coincides with the <001> direction of the single crystal. The present invention also provides an energy harvesting magnetic composite material laminate for a power line monitoring sensor driving power source.
또한, 상기 제1 전극 및 제2 전극은 전면(全面) 전극인 것을 특징으로 하는 전력선 감시 센서 구동 전원용 에너지 하베스팅 자기전기 복합재료 적층체를 제안한다.Also, the first electrode and the second electrode are all-surface electrodes, and an energy harvesting magnetic composite material laminate for a power line monitoring sensor driving power source is proposed.
또한, 상기 제1 전극 및 제2 전극은 교호(交互) 배치 전극(interdigitated electrode, IDE)인 것을 특징으로 하는 전력선 감시 센서 구동 전원용 에너지 하베스팅 자기전기 복합재료 적층체를 제안한다.Also, the first electrode and the second electrode are interdigitated electrodes (IDE), and the energy harvesting magnetic composite material laminate for power line monitoring sensor driving power is proposed.
또한, 상기 제1 보호층 및 제2 보호층은 폴리이미드(Polyimide, PI), 폴리에틸렌 나프탈레이트(Polyethylene napthalate, PEN), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Polyethylene terephthalate, PET) 또는 폴리카보네이트(polycarbonate, PC)로 이루어진 것을 특징으로 하는 전력선 감시 센서 구동 전원용 에너지 하베스팅 자기전기 복합재료 적층체를 제안한다.The first passivation layer and the second passivation layer may be formed of a material such as polyimide (PI), polyethylene naphthalate (PEN), polyethylene terephthalate (PET), or polycarbonate The present invention also provides an energy harvesting magnetic composite material laminate for a power line monitoring sensor driving power source.
또한, 상기 자왜 소재는 강자성 금속, 페라이트계 세라믹스, 자왜 합금 또는 자성 형상기억 합금인 것을 특징으로 하는 전력선 감시 센서 구동 전원용 에너지 하베스팅 자기전기 복합재료 적층체를 제안한다.Further, the magnetostrictive material is a ferromagnetic metal, a ferrite-based ceramics, a magnetism-inducing alloy, or a magnetic shape memory alloy, and proposes an energy harvesting magnetic composite material laminate for a power line monitoring sensor driving power source.
또한, 상기 강자성 금속은 Ni 또는 Fe 또는 Co 또는 이들의 합금인 것을 특징으로 하는 전력선 감시 센서 구동 전원용 에너지 하베스팅 자기전기 복합재료 적층체를 제안한다.The present invention also provides an energy harvesting magnetic composite material laminate for a power line monitoring sensor driving power source, wherein the ferromagnetic metal is Ni, Fe, Co, or an alloy thereof.
또한, 상기 페라이트계 세라믹스는 Fe3O4, NiFe2O4, MnFe2O4, (Ni,Zn)Fe2O4, (Mn,Zn)Fe2O4, CoFe2O4, γ-Fe2O3 또는 바륨페라이트인 것을 특징으로 하는 전력선 감시 센서 구동 전원용 에너지 하베스팅 자기전기 복합재료 적층체를 제안한다.The ferrite-based ceramics may include Fe 3 O 4 , NiFe 2 O 4 , MnFe 2 O 4 , (Ni, Zn) Fe 2 O 4 , (Mn, Zn) Fe 2 O 4 , CoFe 2 O 4 , 2 O 3 or barium ferrite. The present invention also provides an energy harvesting magnetic composite material laminate for a power line monitoring sensor driving power source.
또한, 상기 자왜 합금은 Terfenol-D, Gafenol, Samfenol-D 또는 Metglas, FeCoB 합금인 것을 특징으로 하는 전력선 감시 센서 구동 전원용 에너지 하베스팅 자기전기 복합재료 적층체를 제안한다.Also, the magnetostrictive alloy is Terfenol-D, Gafenol, Samfenol-D or Metglas or FeCoB alloy, and proposes an energy harvesting magnetic composite material laminate for a power line monitoring sensor driving power source.
또한, 일측단의 상면 또는 하면 중 적어도 한 곳 이상에 설치되는 질량체(proof mass)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력선 감시 센서 구동 전원용 에너지 하베스팅 자기전기 복합재료 적층체를 제안한다.The energy harvesting magnetic composite material laminate for a power line monitoring sensor driving power supply further includes a proof mass installed on at least one of the upper surface and the lower surface of the one end.
또한, 상기 질량체는 Sm계 영구자석, Nd계 영구자석, AlNiCo계 영구자석, 철(Fe), 니켈(Ni) 또는 세라믹 페라이트로 이루어진 것을 특징으로 하는 전력선 감시 센서 구동 전원용 에너지 하베스팅 자기전기 복합재료 적층체를 제안한다.Wherein the mass body is made of a Sm-based permanent magnet, an Nd-based permanent magnet, an AlNiCo-based permanent magnet, iron (Fe), nickel (Ni), or ceramic ferrite. A laminated body is proposed.
그리고, 발명의 다른 측면에서 본 발명은 상기 자기전기 복합재료 적층체를 포함하는 전원공급부; 전력선의 온도, 쳐짐, 진동 및 전류 중에서 선택되는 적어도 하나 이상의 물리량 데이터를 측정하는 센서부; 상기 센서부에 의해 측정된 데이터를 처리 및 전달하는 제어부; 및 상기 제어부로부터 전달된 데이터를 무선으로 전송하는 무선통신모듈;을 포함하는 것을 특징으로 하는 전력선 원격 감시용 센서 노드를 제안한다.In another aspect of the present invention, the present invention provides a power supply apparatus comprising: a power supply unit including the above-mentioned stacked body of magnetic and electrical materials; A sensor unit for measuring at least one physical quantity data selected from a temperature, a stroke, a vibration and a current of a power line; A controller for processing and transmitting data measured by the sensor unit; And a wireless communication module for wirelessly transmitting the data transmitted from the control unit.
또한, 상기 전원공급부는, 자기전기 복합재료 적층체; 정류부; 및 축전부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력선 원격 감시용 센서 노드를 제안한다.Also, the power supply unit may include: a laminate of a magnetic composite material; A rectifying part; And a power storage unit for monitoring the power line.
그리고, 발명의 또 다른 측면에서 본 발명은 상기 전력선 원격 감시용 센서 노드; 상기 센서 노드가 전송한 물리량 데이터 및 위치정보를 수신하고 저장하는 취합서버; 및 상기 취합서버에서 수신한 물리량 데이터 및 위치정보를 기초로 이상이 발생한 위치 또는 발생 원인을 분석하는 분석부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력선 원격 감시 시스템을 제안한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a sensor node for remote monitoring of power lines, A collection server for receiving and storing physical quantity data and position information transmitted by the sensor node; And an analyzer for analyzing a location or a cause of occurrence of an anomaly based on the physical quantity data and the location information received by the collection server.
본 발명에 따른 전력선 감시 센서 구동 전원용 에너지 하베스팅 자기전기 복합재료 적층체는, 전력선 주변에 기생하는 자기장 및/또는 전력선 주변의 기계적 진동 에너지로부터 전력을 생산하는 에너지 하베스팅(energy harvesting)을 통해 센서에 전력을 공급함으로써, 주기적으로 전원을 교체하는 번거로움 없이 연속적이고 안정적으로 전력을 공급해 반영구적으로 센서 노드를 운용할 수 있음과 동시에 센서 노드의 라이프 사이클 연장 및 센싱되는 데이터의 신뢰성을 높일 수 있어, 전력선 원격 감시 시스템 등 USN에 기반한 시스템의 실용화를 앞당길 수 있다.The energy harvesting magnetic composite material laminate for a power line monitoring sensor driving power source according to the present invention can be applied to a power line monitoring sensor driving power source by using energy harvesting It is possible to operate the sensor node semi-permanently by supplying power continuously and stably without periodically replacing the power source, and at the same time, it is possible to extend the life cycle of the sensor node and increase the reliability of the sensed data, And USN-based systems such as power line remote monitoring systems.
도 1(a) 및 도 1(b)는 각각 본 발명에 따른 전력선 감시 센서 구동 전원용 에너지 하베스팅 자기전기 복합재료 적층체의 일례 및 다른 일례를 나타내는 모식도이다.
도 2는 본 발명에 따른 전력선 감시 센서 구동 전원용 에너지 하베스팅 자기전기 복합재료 적층체에 포함되는 압전 단결정층으로서의 압전 단결정층 함유 복합체의 일례를 나타내는 모식도이다.
도 3은 본 발명에 따른 전력선 감시 센서 구동 전원용 에너지 하베스팅 자기전기 복합재료 적층체에 포함되는 전극 형상의 일례를 나타내는 모식도이다.
도 4는 본 발명에 따른 자기전기 복합재료 적층체가 센서에 공급하는 전력의 근원이 되는 자기장 형성 환경을 보여주는 모식도이다.
도 5는 본 발명에 따른 전력선 감시 센서 구동 전원용 에너지 하베스팅 자기전기 복합재료 적층체를 포함해 이루어지는 센서 노드의 일실시예의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 6은 본 발명에 따른 전력선 원격 감시용 센서 노드에 포함되는 전원공급부의 일례의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 7은 본 발명에 따른 전력선 원격 감시용 센서 노드를 포함하는 전력선 원격 감시 시스템의 일실시예의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 8은 본원 실시예 1-4 및 비교예 1에서 제조된 자기전기 복합재료 적층체의 자기전기 효과(magnetoelectric effect) 특성 측정을 위해 사용된 장비의 모식도이다.
도 9은 본원 실시예 1-4 및 비교예 1에서 제조된 자기전기 복합재료 적층체에 대해 교류 자기장(Hac)의 크기 변화에 따른 자기전기 전압 계수(αME)의 변화를 측정한 결과를 보여주는 그래프이다.
도 10은 본원 실시예 5-8 및 비교예 2에서 제조된 자기전기 복합재료 적층체의 에너지 하베스트 특성 측정을 위해 사용된 장비의 모식도이다.
도 11은 본원 실시예 5-8 및 비교예 2에서 제조된 각각의 자기전기 복합재료 적층체가 교류 자기장(60Hz, 1.6G) 하에서 발생시킨 교류 전압 파형을 보여주는 그래프이다.
도 12는 본원 실시예 5-8 및 비교예 2에서 제조된 각각의 자기전기 복합재료 복합체가 교류 자기장(60Hz, 1.6G) 하에서 발생시킨 교류 전압이 정류된 후 콘덴서에 충전된 전압 및 전력 밀도를, 부하 저항을 변화시키면서 측정한 결과를 보여주는 그래프이다.
도 13은 본원 실시예 5에서 제조된 자기전기 복합재료 복합체에 의해 발생된 교류 전력을 정류한 후 콘덴서에 충전된 직류 전력을 이용해 상용 고휘도 LED에 대한 점등 실험을 수행한 결과를 보여주는 사진이다.1 (a) and 1 (b) are schematic views showing an example of the energy harvesting magnetic composite material laminate for power line monitoring sensor driving power source according to the present invention and another example, respectively.
FIG. 2 is a schematic diagram showing an example of a composite containing a piezoelectric single crystal layer as a piezoelectric single crystal layer included in an energy harvesting magnetic composite material laminate for a power line monitoring sensor driving power source according to the present invention.
3 is a schematic view showing an example of an electrode shape included in an energy harvesting magnetic composite material laminate for a power line monitoring sensor driving power source according to the present invention.
4 is a schematic view showing a magnetic field forming environment in which a magnetoresistive composite laminate according to the present invention is a source of electric power supplied to a sensor.
5 is a block diagram showing a configuration of an embodiment of a sensor node including an energy harvesting magnetic composite material laminate for a power line monitoring sensor driving power source according to the present invention.
6 is a block diagram showing an example of the configuration of a power supply unit included in a sensor node for power line remote monitoring according to the present invention.
7 is a block diagram showing a configuration of an embodiment of a power line remote monitoring system including a sensor node for power line remote monitoring according to the present invention.
8 is a schematic view of equipment used for measuring magnetoelectric effect characteristics of the laminate of the magnetic composite material manufactured in Examples 1-4 and Comparative Example 1 of the present application.
9 is a graph showing changes in the magneto-electric voltage coefficient (? ME ) according to the magnitude of the alternating magnetic field (H ac ) for the laminate of the magnetic composite material prepared in Examples 1-4 and Comparative Example 1 It is a graph showing.
10 is a schematic diagram of equipment used for measuring the energy harvest characteristics of the laminate of the magnetic composite material manufactured in Examples 5-8 and Comparative Example 2 of the present application.
11 is a graph showing an alternating-current voltage waveform generated under the alternating magnetic field (60 Hz, 1.6 G) of each of the laminated layers of the self-electric composite material produced in Examples 5-8 and Comparative Example 2 of the present application.
12 is a graph showing the relationship between the voltage and the power density charged in the capacitor after the alternating-current voltage generated in the alternating magnetic field (60 Hz, 1.6 G) of each of the magnetic composite materials manufactured in Examples 5-8 and Comparative Example 2 was rectified , And a graph showing the results of measurement while varying the load resistance.
13 is a photograph showing a result of performing a lighting test on commercial high-brightness LEDs using DC power charged in a capacitor after rectifying the AC power generated by the magnetic composite material manufactured in Example 5 of the present application.
본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
In the following description of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear.
본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
Embodiments in accordance with the concepts of the present invention can make various changes and have various forms, so that specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in this specification or application. It should be understood, however, that it is not intended to limit the embodiments according to the concepts of the present invention to the particular forms of disclosure, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the present invention.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, the terms "comprises ",or" having ", or the like, specify that there is a stated feature, number, step, operation, , Steps, operations, components, parts, or combinations thereof, as a matter of principle.
이하, 본 발명에 따른 전력선 감시 센서 구동 전원용 에너지 하베스팅 자기전기 복합재료 적층체, 상기 자기전기 복합재료 적층체를 포함하는 전력선 원격 감시용 센서 노드 및 상기 센서 노드를 포함하는 전력선 원격 감시 시스템에 대해 상세히 설명한다.
Hereinafter, an energy harvesting magnetic composite material laminate for a power line monitoring sensor driving power source according to the present invention, a sensor node for power line remote monitoring including the magnetic composite material laminate, and a power line remote monitoring system including the sensor node Will be described in detail.
본 발명에 따른 전력선 감시 센서 구동 전원용 에너지 하베스팅 자기전기 복합재료 적층체는, 압전(piezoelectric) 단결정층; 및 상기 압전 단결정층의 일면 또는 양면에 구비되며 자왜(magnetostrictive) 소재로 이루어진 자왜층을 포함한다.
An energy harvesting magnetic composite material laminate for a power line monitoring sensor driving power source according to the present invention includes: a piezoelectric single crystal layer; And a magnetostriction layer formed on one or both surfaces of the piezoelectric single crystal layer and made of a magnetostrictive material.
본 명세서에 있어서, 자기전기 복합재료 적층체는 2 이상의 서로 다른 소재가 각각의 층으로서 라미네이트(laminate)된 구조를 가지며, 자기전기 효과(Magnetoelectric(ME) effect)를 나타내는 개체를 의미한다.
In this specification, the term "magnetic composite material laminate" refers to an object having a structure in which two or more different materials are laminated as respective layers and exhibit a magnetoelectric (ME) effect.
상기 자기전기(ME) 효과는 전계(electric field)를 인가함에 따라 자화(magnetization)가 유발되거나, 반대로 자계(magnetic field)에 의해 분극(polarization)을 유도할 수 있는 특성을 일컫는데, 이러한 자기전기 효과를 나타내는 소재로는 Cr2O3 등과 같은 단일상(single phase) 물질, 압전 특성을 가진 소재와 자왜 특성을 가진 소재를 섞거나 본 발명에서와 같이 자왜 특성(magnetostrictivity)을 가지는 소재와 압전 특성(piezoelectricity)을 가지는 소재를 다양한 연결구조 (connectivity)를 가지도록 혼합한 복합재료 등이 있는데, 그 중에서도 적층구조의 복합재료가 다른 종류의 재료에 비해 압전 소재와 자왜 소재 층 간의 강한 탄성 커플링(elastic coupling), 간단한 제조 공정, 높은 전기 저항, 용이한 분극(poling) 공정, 높은 자기전기 전압 계수(αME) 등의 다양한 측면에서 장점을 가진다.
The magnetism (ME) effect is a phenomenon in which magnetization is induced by applying an electric field or conversely, a polarization can be induced by a magnetic field. Examples of the material exhibiting the effect include a single phase material such as Cr 2 O 3 , a material having a piezoelectric characteristic and a material having a magnetostrictive property, or a material having magnetostrictivity as in the present invention, and composite materials in which piezoelectric materials and piezoelectric materials are combined to have various connection structures. Among them, a composite material having a laminated structure has a strong elastic coupling between a piezoelectric material and a magnetostrictive material layer elastic coupling, simple manufacturing process, high electrical resistance, easy poling process, and high magnetic field voltage coefficient (α ME ).
이러한 자기전기 복합재료 적층체에 있어서 압전 특성을 구현하기 위해 구비되는 구성 요소인 상기 압전 단결정층은 압전 단결정만으로 이루어지거나 압전 단결정 함유 복합체로 이루어질 수 있으며, 이때, 상기 압전 단결정층에 포함된 압전 단결정의 <011> 방향은 상기 복합체의 두께방향과 일치하는 것이 바람직하다.
The piezoelectric single crystal layer, which is a constituent element for realizing piezoelectric characteristics in such a laminate of the magnetic / electrical composite material, may be composed of only a piezoelectric single crystal or may be composed of a composite containing a piezoelectric single crystal. In this case, The <011> direction of the composite preferably coincides with the thickness direction of the composite.
참고로, 본 발명에 있어서 압전 단결정층을 이루는 압전 단결정 함유 복합체란, 압전 특성을 가지는 소재로 이루어지는 1개 이상의 압전 단결정 섬유 또는 압전 단결정 플레이트가 고분자 등으로 이루어진 기지(matrix)에 의해 둘러싸여 보호되는 구조를 가지거나 상기 일정 방향으로 배열된 1개 이상의 압전 단결정 섬유 또는 압전 단결정 플레이트로 이루어진 층을 사이에 두고 고분자 등으로 이루어진 보호층이 적층된 구조를 가지는 복합체를 의미한다.
For reference, in the present invention, the piezoelectric single crystal containing composite constituting the piezoelectric single crystal layer refers to a structure in which at least one piezoelectric single crystal fiber or a piezoelectric single crystal plate made of a material having piezoelectric properties is surrounded and protected by a matrix made of polymer or the like Or a structure in which a protective layer made of a polymer or the like is laminated with a layer made of at least one piezoelectric single crystal fiber or a piezoelectric single crystal plate arranged in the predetermined direction.
이와 같은 압전 단결정 함유 복합체는 기본적으로 보호층, 전극, 압전 단결정층을 포함하되, 상기 압전 단결정층은 섬유상의 압전 단결정 섬유(fiber) 또는 판상의 압전 단결정 플레이트(plate)로 이루어질 수 있고 상기 압전 단결정의 <011> 방향은 복합체의 두께방향과 일치하는 것을 특징으로 한다.
The piezoelectric single-crystal containing composite may basically comprise a protective layer, an electrode, and a piezoelectric single crystal layer, wherein the piezoelectric single crystal layer may be formed of a fibrous single crystal fiber or a plate of a piezoelectric single crystal plate, Is oriented in the thickness direction of the composite.
도 1(a) 및 도 1(b)는 압전 단결정층으로서 압전 단결정 함유 복합체를 포함하는 전력선 감시 센서 구동 전원용 에너지 하베스팅 자기전기 복합재료 적층체의 일례로서, 이를 참조하면 본 발명에 따른 자기전기 복합재료 적층체는 압전(piezoelectric) 단결정 함유 복합체; 및 상기 복합체의 일면 또는 양면에 구비되며 자왜(magnetostrictive) 소재로 이루어진 자왜층을 포함할 수 있으며, 이때, 상기 압전 단결정은 판상 또는 섬유상의 단결정으로 이루어지고 상기 단결정의 <011> 방향은 상기 복합체의 두께방향과 일치하는 것이 바람직하다.
1 (a) and 1 (b) show an example of an energy harvesting magnetic composite material laminate for a power line monitoring sensor driving power source including a piezoelectric single crystal containing composite as a piezoelectric single crystal layer, The composite laminate includes a piezoelectric single crystal containing composite; And a magnetostrictive layer made of a magnetostrictive material. The piezoelectric single crystal is made of a single crystal or a fibrous single crystal, and the single crystal has a <011> direction of the composite. It is preferable that it coincides with the thickness direction.
나아가, 상기 압전 단결정의 길이방향은 상기 단결정의 <001> 방향과 일치하는 것이 바람직하며, 이를 통해 상기 압전 단결정 함유 복합체를 분극 방향과 변형 방향이 서로 수직을 이루는 32 모드로 작동시킬 수 있어 보다 더 향상된 압전 특성을 구현할 수 있다.
Further, it is preferable that the longitudinal direction of the piezoelectric single crystal is coincident with the <001> direction of the single crystal, so that the piezoelectric single crystal containing composite can be operated in 32 mode in which the polarization direction and the direction of deformation are perpendicular to each other, It is possible to realize improved piezoelectric characteristics.
이와 같은 압전 단결정 함유 복합체는 기계적 또는 전기적 원인 등 어떠한 이유에서든 판상 또는 섬유상 압전 단결정으로 이루어진 압전 단결정층이 파손되는 일이 발생하더라도 복합체의 작동에는 문제가 없다는 장점을 가지며, 이러한 장점은 압전 단결정 함유 복합체에 포함된 압전 단결정 플레이트 또는 섬유의 개수가 증가할수록 보다 두드러지게 나타난다. 반면, 압전 단결정 함유 복합체에 포함된 압전 단결정 플레이트 또는 섬유의 개수가 감소할수록 압전 섬유층의 유효 면적이 커지기 때문에 변형이나 출력 전력이 더 커진다는 장점을 가질 수 있다.
Such a piezoelectric single crystal containing composite has an advantage that there is no problem in operation of the composite even if the piezoelectric single crystal layer made of a plate or fibrous piezoelectric single crystal breaks for any reason such as mechanical or electrical reasons. As the number of piezoelectric single-crystal plates or fibers included in the piezoelectric single crystal increases. On the other hand, as the number of the piezoelectric single crystal plates or fibers included in the piezoelectric single crystal containing composite decreases, the effective area of the piezoelectric fiber layer becomes larger, which may have an advantage that deformation and output power become larger.
도 2에 도시된 적층체는 상기 압전 단결정 함유 복합체의 일례로서, 일면에 제1 전극이 형성된 제1 보호층; 일면에 제2 전극이 형성된 제2 보호층; 및 상기 제1 전극 및 제2 전극 사이에 개재되며 복합체의 길이 방향으로 배열된 1개 이상의 압전 단결정 섬유로 이루어지는 압전 섬유층을 포함할 수 있으며, 이때, 상기 압전 섬유는 단결정 압전 소재로 이루어지고 상기 단결정의 <011> 방향은 복합체의 두께방향과 일치하는 것을 특징으로 한다.
The laminate shown in Fig. 2 is an example of the composite containing the piezoelectric single crystal, which comprises a first protective layer having a first electrode formed on one surface thereof; A second protective layer having a second electrode formed on one surface thereof; And a piezoelectric fiber layer interposed between the first electrode and the second electrode and made of at least one piezoelectric single crystal fiber arranged in the longitudinal direction of the composite, wherein the piezoelectric fiber is made of a single crystal piezoelectric material, Is oriented in the thickness direction of the composite.
여기서, 상기 제1 전극 및 제2 전극의 재질은 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au), 알루미늄(Al) 등의 공지의 전극 소재를 제한 없이 사용할 수 있으며, 그 형상에 있어서는 도 1에 도시된 압전 단결정 함유 복합체의 제1 전극 또는 제2 전극과 같이 전면(全面) 전극의 형상을 가질 수 있음을 물론, 전면 전극을 구비한 경우와 다름없이 우수한 압전 특성 및 자기전기 특성을 구현할 수 있는 전극으로서 도 3에 도시된 바와 같이 교호(交互) 배치 전극(interdigitated electrode, IDE)도 또한 바람직하다.
Here, the first electrode and the second electrode may be made of any known electrode material such as copper (Cu), silver (Ag), gold (Au), aluminum (Al) It is possible to have a shape of a whole surface electrode like the first electrode or the second electrode of the piezoelectric single crystal containing composite shown in FIG. 1, and to realize excellent piezoelectric characteristics and magnetic characteristics An alternate interdigitated electrode (IDE) as shown in Figure 3 is also desirable as an electrode.
또한, 상기 제1 보호층 및 제2 보호층은 고분자 소재로 이루어지는 것이 바람직한데, 예를 들어, 폴리이미드(Polyimide, PI), 폴리에틸렌 나프탈레이트(Polyethylene napthalate, PEN), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Polyethylene terephthalate, PET) 또는 폴리카보네이트(polycarbonate, PC) 등으로 이루어질 수 있다.
The first protective layer and the second protective layer may be formed of a polymer material. For example, the first protective layer and the second protective layer may be formed of a material such as polyimide (PI), polyethylene naphthalate (PEN), polyethylene terephthalate PET) or polycarbonate (PC).
한편, 상기 압전 단결정 함유 복합체 중 압전 단결정층이 판상 형태를 가지는 복합체는, (a) 일면에 제1 전극이 형성된 제1 보호층의 상기 제1 전극 상에, 단결정 압전 소재로 이루어지고 상기 단결정의 <011> 방향이 두께 방향과 일치하는 판상의 압전 단결정 플레이트를 접합시키는 단계; (b) 일면에 제2 전극이 형성된 제2 보호층의 상기 제2 전극과 상기 압전 단결정 플레이트가 접하도록 압전 섬유층 상에 제2 보호층을 접합시키는 단계; 및 (c) 상기 압전 섬유에 대해 분극을 수행하는 단계를 포함하는 제조방법에 의해 형성될 수 있다.
On the other hand, in the piezoelectric single crystal containing composite, the composite in which the piezoelectric single crystal layer has a plate-like form is characterized in that (a) the first electrode of the first protective layer on which the first electrode is formed is made of a single crystal piezoelectric material, Bonding a plate-shaped piezoelectric single crystal plate whose <011> direction coincides with the thickness direction; (b) bonding a second protective layer on the piezoelectric fiber layer such that the second electrode of the second protective layer having a second electrode on one side thereof is in contact with the piezoelectric single crystal plate; And (c) performing a polarization to the piezoelectric fibers.
또한, 상기 압전 단결정 함유 복합체 중 압전 단결정이 섬유상 형태를 가지는 복합체는, 상기 (b) 단계를 수행한 후 상기 (c) 단계를 실시하기 전에 압전 단결정 플레이트를 길이 방향으로 절단하여 1개 이상의 압전 섬유로 이루어진 압전 섬유층을 형성하는 단계를 추가적으로 수행해서 얻어질 수 있다.
In the composite having the piezoelectric single crystal in the form of a fibrous phase, the piezoelectric single crystal plate may be cut in the longitudinal direction after performing the step (b) and before the step (c), so that one or more piezoelectric fibers And then forming a piezoelectric fiber layer made of the piezoelectric material.
하지만, 상기 압전 단결정 함유 복합체는 전술한 방법을 통해서만 제조될 수 있는 것은 물론 아니며, 특히, 압전 섬유층의 형성은 상기한 방법 외에도 압전 단결정층을 보호층에 접합시키기 전에 미리 절단하여 보호층에 각 압전 섬유를 접합시키는 방법 또는 압출/단결정 성장을 통해 처음부터 섬유 형상으로 제조된 단결정을 보호층에 접합시키는 방법에 의할 수도 있다.
However, it is needless to say that the above-mentioned piezoelectric single crystal containing composite can be produced only by the above-mentioned method. Particularly, the piezoelectric fiber layer is formed by cutting the piezoelectric single crystal layer before the piezoelectric single crystal layer is bonded, A method of joining fibers or a method of bonding a single crystal fabricated from the beginning to a protective layer through extrusion / single crystal growth from the beginning.
한편, 상기 압전 단결정층에 포함된 압전 단결정은 페로브스카이트(Peroveskite) 결정구조(RMO3) 또는 복합 페로브스카이트 구조를 가지는 것이 바람직하다.
On the other hand, the piezoelectric single crystal contained in the piezoelectric single crystal layer preferably has a Peroveskite crystal structure (RMO 3 ) or a complex perovskite structure.
그리고, 상기 복합 페로브스카이트 구조를 가지는 압전 단결정은 아래의 1) 또는 2)의 조성을 가질 수 있다.The piezoelectric single crystal having the complex perovskite structure may have the following 1) or 2) composition.
1) xPb(A 1 , A 2 , …, B 1 , B 2 , …)03 + (1- x)PbTiO3 1) xPb (A 1, A 2, ...,
2) xPb(A 1 , A 2 , …, B 1 , B 2 , …)03 + (1- x)Pb(Zr,Ti)O3 2) xPb (A 1, A 2, ...,
(단, 상기 1) 및 2)에 있어서, x는 몰 분율로서 0< x<1 이고, A1, A2, …는, Zn, Mg, Ni, Lu, In 및 Sc로 이루어지는 군에서 선택된 하나 이상의 원소이고, B1, B2,…는, Nb, Ta, Mo 및 W로 이루어지는 군에서 선택된 하나 이상의 원소임)
(1) and (2), x is a molar fraction, 0 < x < 1, and A1, A2, ... Is at least one element selected from the group consisting of Zn, Mg, Ni, Lu, In and Sc, and B1, B2, ... Is at least one element selected from the group consisting of Nb, Ta, Mo and W)
이러한 복합 페로브스카이트 구조를 가지는 압전 단결정 소재의 대표적인 예로서는 Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3 (PMN-PT), Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-Pb(Zr,Ti)O3 (PMN-PZT), Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3 (PZN-PT) 등을 들 수 있다.
Typical examples of the piezoelectric single crystal material having such a composite perovskite structure include Pb (Mg 1/3 Nb 2/3 ) O 3 -PbTiO 3 (PMN-PT), Pb (Mg 1/3 Nb 2/3 ) O 3 Pb (Zr, Ti) O 3 (PMN-PZT), Pb (Zn 1/3 Nb 2/3 ) O 3 -PbTiO 3 (PZN-PT)
보다 바람직하게는, 상기 복합 페로브스카이트 결정 구조를 가지는 압전 단결정은 xPb(Mg1/3Nb2/3)O3-(1-x)PbTiO3(단, 상기 화학식에서 0<x<0.33임), xPb(Zn1/3Nb2/3)O3-(1-x)PbTiO3(단, 상기 화학식에서 0<x<0.08임) 등과 같은 능면정계 완화형 강유전체(rhombohedral relaxor ferroelectrics)로 이루어질 수 있는데, 이는 능면정계 완화형 강유전체를 이용해 압전 섬유를 형성할 경우, 상기 단결정의 <011> 방향이 압전 단결정층의 두께 방향과 평행하도록 단결정의 결정 방향을 배향시키면 단결정을 <001> 방향으로 배향시킨 경우에 비해 높은 횡방향 압전 변형 상수(transverse piezoelectric strain constant) 및 전기-기계 결합계수(electromechanical coupling factor)를 가져 분극 방향과 변형 방향이 서로 수직을 이루는 모드(31 모드 또는 32 모드)로 압전 소자를 제작할 경우, 힘, 충격, 진동 등의 외부 응력을 전기적 신호로 변화시키거나 전기적 입력을 기계적 출력으로 변환시키는 압전 효과를 극대화할 수 있다.
More preferably, the piezoelectric single crystal having the complex perovskite crystal structure is composed of xPb (Mg 1/3 Nb 2/3 ) O 3 - (1-x) PbTiO 3 where 0 <x <0.33 Rhombohedral relaxor ferroelectrics such as xPb (Zn 1/3 Nb 2/3 ) O 3 - (1-x) PbTiO 3 (where 0 <x <0.08 in the above formula) When a piezoelectric fiber is formed by using a ferroelectric material having a uniform planar relaxation type, if the crystal orientation of the single crystal is oriented such that the <011> direction of the single crystal is parallel to the thickness direction of the piezoelectric single crystal layer, the single crystal is oriented in the <001> direction (31 mode or 32 mode) in which the direction of polarization and the direction of deformation are perpendicular to each other due to a high transverse piezoelectric strain constant and an electromechanical coupling factor, When manufacturing a device, it is necessary to It is possible to maximize the piezoelectric effect to vary the stress into an electric signal or converts an electrical input to a mechanical output.
힌편, 본 발명에 따른 전력선 감시 센서 구동 전원용 에너지 하베스팅 자기전기 복합재료 적층체에 포함되는 상기 자왜층을 이루는 자왜 소재는 Ni, Fe 등의 강자성 금속, 페라이트계 세라믹스, 자왜 합금, 자성 형상기억 합금(magnetic shape memory alloy, MSMA) 등에서 적절히 선택할 수 있다.
The magnetostrictive material included in the energy harvesting magnetic composite material laminate for a power line monitoring sensor driving power source according to the present invention comprises ferromagnetic metals such as Ni and Fe, ferrite ceramics, magnetism-induced alloys, magnetic shape memory alloys magnetic shape memory alloy (MSMA), or the like.
상기 페라이트계 세라믹스로의 구체적인 예로서는, 일반식 MFe2O4 또는 MFe12O19 (M은 1종 이상의 2가의 금속 이온)으로 나타내는 스피넬(spinel)형 또는 마그네토플럼바이트(magnetoplumbite)형 페라이트 혹은 M'3Fe5O12 (M'은 3가의 금속 이온)으로 나타내는 페라이트나, Li0.5Fe2.5O4 로 나타내는 리튬페라이트가 있을 수 있고, 이들은 우수한 자기특성을 지닌 자성재료로서 본 발명의 자왜재료로 채택가능하다. 보다 구체적인 예로서는, 높은 투자율(透磁率)과 낮은 보자력(保磁力) 및 저손실이 요구되는 연자성 재료로서 인덕터, 트랜스 및 필터의 자심, 자기 헤드코어, 자기 실드재에 사용되고 있는 Fe3O4, NiFe2O4, MnFe2O4, (Ni,Zn)Fe2O4, (Mn,Zn)Fe2O4, CoFe2O4 등의 소프트 페라이트는 자왜 소재로서 상기 자왜층에 포함되어 사용될 수 있으며, 영구자석재료 및 고밀도 자기기록 재료로서 알려져 있으며 결정 자기 이방성이 큰 γ-Fe2O3 및 바륨페라이트 등도 자왜 소재로서 상기 자왜층에 포함되어 사용될 수 있다.
Specific examples of the ferrite based ceramics include spinel type or magnetoplumbite type ferrite represented by the general formula MFe 2 O 4 or MFe 12 O 19 (M is at least one kind of bivalent metal ion) or M ' Ferrite represented by 3 Fe 5 O 12 (M 'is a trivalent metal ion), or lithium ferrite represented by Li 0.5 Fe 2.5 O 4 , and these are magnetic materials having excellent magnetic properties and adopted as the magnetostrictive material of the present invention It is possible. More specifically, as a soft magnetic material requiring a high magnetic permeability, low coercive force and low loss, Fe 3 O 4 , NiFe, which is used in magnetic cores of inductors, transformers and filters, magnetic head cores, 2 O 4, MnFe 2 O 4 , (Ni, Zn) Fe 2 O 4, (Mn, Zn) soft ferrite, such as Fe 2 O 4, CoFe 2 O 4 may be included in the self-waecheung as magnetostrictive materials , A permanent magnet material, and γ-Fe 2 O 3 and barium ferrite, which are known as high-density magnetic recording materials and have high crystal magnetic anisotropy, can also be included in the above-mentioned jaggy layer as a magnetostrictive material.
상기 자왜 합금의 구체적인 예로는, 테르븀(terbium)-디스프로슘(dysprosium)-철(iron) 합금(Terfenol-D), 갈륨-철 합금(Gafenol), 사마륨(samarium)-디스프로슘-철 합금(Samfenol-D), 붕소(boron)-규소(silicon)-철 합금(Metglas 2605SA1), 철(Fe)-코발트(Co)-붕소(B) 합금, 붕소(boron)-규소(silicon)-탄소(carbon)-철 합금(Metglas 2605SC) 등을 들 수 있다.
Specific examples of the ferroelectric alloys include terbium-dysprosium-iron alloys (Terfenol-D), gallium-iron alloys (Gafenol), samarium-dysprosium-iron alloys (Samfenol-D ), Boron-silicon-iron alloy (Metglas 2605SA1), iron (Fe) -cobalt (Co) -boron (B) alloy, boron-silicon- Iron alloy (Metglas 2605SC), and the like.
또한, 상기 자성 형상기억 합금의 구체적인 예로는, Ni2MnGa 합금, NiMnIn 합금, NiCoMnIn 합금, FePd 합금, FeNiGa 합금, CoNiGa 합금 등을 들 수 있다.
Specific examples of the magnetic shape memory alloy include Ni 2 MnGa alloy, NiMnIn alloy, NiCoMnIn alloy, FePd alloy, FeNiGa alloy, CoNiGa alloy, and the like.
본 발명에 따른 전력선 감시 센서 구동 전원용 에너지 하베스팅 자기전기 복합재료 적층체는 상술한 구성 요소 이외에 필요에 따라 질량체(proof mass)를 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 자기전기 복합재료 적층체의 일측단의 상면 또는 하면 중 적어도 한 곳 이상에 설치되는 질량체를 더 포함할 수 있으며, 이와 같이 일정 중량을 가지는 질량체를 설치함으로써 에너지 하베스팅을 위한 주파수 조절, 공진 시 진폭의 증가를 통한 출력 향상을 도모할 수 있다. 특히, 전력선의 기생 자기장의 경우에 국가에 따라 다르지만 50 Hz 또는 60 Hz의 주파수를 가진다. 전력선 감시 센서 구동 전원용 에너지 하베스팅 자기전기 복합재료 적층체는 공진/반공진 주파수는 이 기생 자기장의 주파수에 맞추어져야 하며 이는 자기전기 복합재료 적층체의 길이를 통하여 맞추어 질수도 있으나, 특정한 설계길이에서 질량체의 크기, 부착위치를 통하여서도 조절이 가능하다. 이때, 상기 질량체는 그 재질이 특별히 제한되지 않으나, Sm계 영구자석, Nd계 영구자석, AlNiCo계 영구자석 또는 기타 자성을 가지는 재료(철, 니켈, 코발트, 자성 합금, 세라믹 페라이트 등) 등으로 이루어질 경우 자기장의 변화에 따라 더욱 민감하게 반응하는 에너지 하베스트 소자를 제작할 수 있다. 한편, 상기 질량체를 자기전기 복합재료 적층체에 부착함에 있어서 그 부착방법은 특별히 제한되지 않는다.
The energy harvesting magnetic composite material laminate for a power line monitoring sensor driving power source according to the present invention may further include a proof mass as required in addition to the above-described components. Specifically, the mass body may further include a mass disposed on at least one of the upper surface or the lower surface of the one end of the laminate. The frequency control for energy harvesting by installing the mass having the predetermined weight, The output can be improved by increasing the amplitude at resonance. In particular, the parasitic magnetic field of the power line has a frequency of 50 Hz or 60 Hz depending on the country. Energy harvesting for powerline surveillance sensor drive motors The magnetic / electrical composite laminate should have its resonant / antiresonant frequency tuned to the frequency of this parasitic magnetic field, which may be tailored through the length of the magnetic composite laminate, It can also be controlled through the size and attachment location of the mass. At this time, the material of the mass body is not particularly limited, but may be made of a Sm-based permanent magnet, an Nd-based permanent magnet, an AlNiCo-based permanent magnet or other materials having magnetic properties (iron, nickel, cobalt, magnetic alloy, ceramic ferrite, It is possible to fabricate an energy harvest device that responds more sensitively to changes in the magnetic field. On the other hand, the method of attaching the mass body to the laminate of the magnetic composite material is not particularly limited.
전술한 본 발명에 따른 전력선 감시 센서 구동 전원용 에너지 하베스팅 자기전기 복합재료 적층체는, (a) 자왜 소재로 이루어진 자왜층을 준비하는 단계; (b) 단결정 압전 소재로 이루어지고 상기 단결정의 <011> 방향은 복합체의 두께방향과 일치하는 압전 단결정층 함유 복합체를 준비하는 단계; (c) 상기 압전 단결정층에 대해 분극을 수행하는 단계; 및 (d) 상기 압전 단결정층 함유 복합체의 일면 또는 양면에 상기 자왜층을 적층하는 단계를 포함하여 제조될 수 있다.
According to another aspect of the present invention, there is provided an energy harvesting magnetic composite material laminate for a power line monitoring sensor driving power source, comprising: (a) preparing a magnetostriction layer made of a magnetostrictive material; (b) preparing a piezoelectric single-crystal layer-containing composite in which the <011> direction of the single crystal is made of a piezoelectric material and coincides with the thickness direction of the composite; (c) performing polarization with respect to the piezoelectric single crystal layer; And (d) laminating the piezoelectric layer on one surface or both surfaces of the piezoelectric single crystal layer-containing composite.
상기 단계 (a)는 각각 상기에서 상세히 설명한 자왜 소재를 이용하여 자왜층을 제조하는 단계로서, 본 단계에서는 최종적으로 제조되는 자기전기 복합재료 적층체의 형상에 맞춰 당업계에서 공지된 방법을 통해 시트(sheet) 형태 등의 적절한 형상을 가지는 자왜층을 제조한다.
The step (a) is a step of manufacturing a magnetostrictive layer using the magnetostrictive material described in detail above. In this step, the sheet is formed by a method known in the art according to the shape of the finally- and a sheet-like shape.
상기 단계 (b)는 압전 단결정층 함유 복합체를 제조하는 단계로서, 바람직하게는 위에서 상세히 설명한 본 발명에 따른 압전 단결정층 함유 복합체의 제조방법에 의해 본 단계를 수행할 수 있다.
The step (b) is a step of producing a composite containing a piezoelectric single-crystal layer, and this step can be preferably carried out by a method for producing a composite containing a piezoelectric single-crystal layer according to the present invention described above in detail.
그리고, 상기 단계 (c)는 자기전기 복합재료 적층체에 압전 특성을 부여하기 위해 압전 단결정층에 포함된 압전 단결정에 대해 분극(poling)을 수행하는 단계로서, 예를 들어, 압전 섬유의 항전계(coercive field, Ec) 보다 높은 전압을 상온 또는 100℃의 온도에서 인가하여 본 단계의 분극을 수행할 수 있다. 한편, 본 단계에서 이루어지는 분극 공정은 후술한 단계 (d)를 완료한 후에 하더라도 무방하다.
The step (c) is a step of performing poling on the piezoelectric single crystal contained in the piezoelectric single crystal layer for imparting piezoelectric characteristics to the laminate of the magnetic / electrical composite material. For example, a voltage higher than a coercive field (Ec) may be applied at room temperature or 100 ° C to perform polarization in this step. On the other hand, the polarization step in this step may be performed after completion of step (d) described later.
또한, 상기 단계 (d)는 준비된 자왜층 및 압전 단결정층을 이용해 자기전기 복합재료 적층체를 형성하는 단계로서, 당업계에서 공지된 방법에 의해 압전 단결정층의 일면 또는 양면에 상기 자왜층을 적층함으로써 본 단계가 완성될 수 있다. 예를 들면, 제조 공정의 용이성 및 경제성 측면을 고려해 에폭시 등의 접착제를 이용해 압전 단결정층의 일면 또는 양면에 자왜층을 접합하여 복합재료 적층체를 형성할 수 있다.
The step (d) is a step of forming a laminate of an electromotive composite material by using the prepared piezoelectric layer and the piezoelectric single crystal layer. The piezoelectric layer may be formed by laminating the piezoelectric layer on one surface or both surfaces of the piezoelectric single crystal layer by a method known in the art This step can be completed. For example, in consideration of easiness of production process and economical efficiency, it is possible to form a composite material laminate by bonding a piezoelectric layer to one surface or both surfaces of a piezoelectric single crystal layer by using an adhesive such as epoxy.
상기에서 상세히 설명한 본 발명에 따른 전력선 감시 센서 구동 전원용 에너지 하베스팅 자기전기 복합재료 적층체는, 도 4에서 도시한 바와 같이 전력선 주변에 기생하는 교류 자기장 및/또는 전력선 주변의 기계적 진동 에너지로부터 전력을 생산하는 에너지 하베스팅(energy harvesting)을 통해 센서에 전력을 공급함으로써, 주기적으로 전원을 교체하는 번거로움 없이 연속적이고 안정적으로 전력을 공급해 반영구적으로 센서 노드를 운용할 수 있음과 동시에 센서 노드의 라이프 사이클 연장 및 센싱되는 데이터의 신뢰성을 높일 수 있어, 전력선 원격 감시 시스템 등 USN에 기반한 시스템의 실용화를 앞당길 수 있다.
As shown in FIG. 4, the energy harvesting magnetic composite material laminate for a power line monitoring sensor driving power source according to the present invention, which has been described in detail above, can generate electric power from the mechanical vibration energy around the AC magnetic field and / By supplying power to the sensor through energy harvesting, it is possible to operate the sensor node semi-permanently by supplying power continuously and stably without periodically changing the power source, and at the same time, It is possible to increase the reliability of the extended and sensed data, and it is possible to advance the practical use of USN based system such as power line remote monitoring system.
다음으로, 상기 본 발명에 따른 전력선 감시 센서 구동 전원용 에너지 하베스팅 자기전기 복합재료 적층체를 포함해 이루어지는 센서 노드에 대해 설명한다.
Next, a sensor node including the energy harvesting magnetic composite material laminate for a power line monitoring sensor driving power source according to the present invention will be described.
도 5는 상기 본 발명에 따른 전력선 감시 센서 구동 전원용 에너지 하베스팅 자기전기 복합재료 적층체를 포함해 이루어지는 센서 노드의 일실시예의 구성을 나타낸 블록도로서, 도 5를 참조하면, 상기 센서 노드(10)는 전원공급부(100); 전력선의 온도, 쳐짐, 진동 및 전류 중에서 선택되는 적어도 하나 이상의 물리량 데이터를 측정하는 센서부(200); 상기 센서부에 의해 측정된 데이터를 처리 및 전달하는 제어부(300); 및 상기 제어부로부터 전달된 데이터를 무선으로 전송하는 무선통신모듈(400)을 포함할 수 있다.
FIG. 5 is a block diagram showing a configuration of a sensor node including an energy harvesting magnetic composite material laminate for a power line monitoring sensor driving power source according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 5, A
상기 전원공급부(100)는 그 일례를 도시한 도 6에서와 같이 자기전기 복합재료 적층체(101); 정류부(102); 및 축전부(103)를 포함할 수 있다.6, the
이미 앞에서 상세히 설명한 바 있는 상기 자기전기 복합재료 적층체(101)는 전력선 주변에 형성된 자기장이나 기계적 진동 에너지로부터 교류(AC) 전력을 생산하는 에너지 하베스팅 모듈로서의 역할을 수행하며, 이를 통해 생산되는 전력은 정류부를 통해 정류된 후 직류(DC) 전력 형태로 축전부에 공급됨으로써 반영구적으로 센서 노드를 운용할 수 있게 한다. The magnetic composite material layered
상기 정류부(102)는 상기 자기전기 복합재료 적층체로부터 생산되는 교류 전력을 직류 전력으로 변환시키는 수단으로서 4개의 다이오드로 구성되는 브리지(bridge)형 정류기 등으로 이루어질 수 있다. 필요에 따라 안정성을 향상시키기 위해 저항, 인덕터 및 다이오드 등의 전자 소자로 구성되는 안정회로를 포함할 수 있으며, 이때 상기 각 소자는 후술할 축전부에 충전되는 전하량의 손실이 최소화되도록 최대한 높은 효율을 갖는 것이 바람직하다.The rectifying
상기 축전부(103)는 상기 정류부에서 정류된 전력이 충전 가능하도록 2차 전지(secondary battery) 또는 캐패시터(capacitor)로 이뤄질 수 있다.
The
상기 센서부(200)는 온도, 쳐짐, 진동, 전류 등의 물리량을 센싱하는 역할을 하며, 상기 제어부(300)는 상기 센서부에서 측정된 아날로그 신호 형태의 물리량 데이터를 디지털 데이터로 변환시킨 후, 이를 해당 센서 노드의 위치 정보와 함께 출력하고 후술할 무선통신모듈에 전달하는 기능을 수행한다.
The
상기 무선통신모듈(400)은 상기 제어부(300)에서 전달받은 전력선의 물리량 관련 데이터 및 센서 노드의 위치 정보 데이터를 무선 프로토콜(Bluetooth, IEEE 802.15.4, Zigbee 등)을 이용하여 인접하는 센서 노드로 전달하는 기능을 수행한다.
The
이하에서는, 상기 본 발명에 따른 전력선 감시 센서 구동 전원용 에너지 하베스팅 자기전기 복합재료 적층체가 포함된 센서 노드를 구비하는 전력선 원격 감시 시스템에 대해 설명한다.
Hereinafter, a power line remote monitoring system having a sensor node including an energy harvesting magnetic composite material laminate for a power line monitoring sensor driving power source according to the present invention will be described.
도 7은 전술한 전력선 원격 감시용 센서 노드를 포함하는 전력선 원격 감시 시스템의 일실시예의 구성을 나타낸 블록도로서, 도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 전력선 원격 감시 시스템은, 전술한 전력선 원격 감시용 센서 노드(10); 상기 센서 노드가 전송한 물리량 데이터 및 위치정보를 수신하고 저장하는 취합서버(20); 및 상기 취합서버에서 수신한 물리량 데이터 및 위치정보를 기초로 이상이 발생한 위치 또는 발생 원인을 분석하는 분석부(30);를 포함할 수 있다.
7 is a block diagram of a power line remote monitoring system including a sensor node for power line remote monitoring. Referring to FIG. 7, the power line remote monitoring system according to the present invention includes the power line remote monitoring (10); A
상기 취합서버(20)는 인접하는 센서 노드 간의 무선 통신을 통해 전달된 전력선의 물리량 관련 데이터 및 센서 노드의 위치 정보 데이터를 수신하고 저장하는 역할을 한다.
The collecting
상기 분석부(30)는 상기의 전송 및 저장 과정을 거쳐 상기 취합서버(20)에서 수신한 상기 전력선의 물리량 관련 데이터 및 센서 노드의 위치 정보 데이터상태 데이터에 기초해 문제가 발생한 위치 또는 원인을 분석함으로써, 신속히 전력선에 발생한 문제가 해결될 수 있도록 하는 역할을 수행한다.
The
아래에서는 본 발명에 대해 실시예를 기초로 하여 상세하게 설명한다. 제시된 실시예는 예시적인 것으로 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail on the basis of embodiments. The presented embodiments are illustrative and are not intended to limit the scope of the invention.
<실시예 1>≪ Example 1 >
두께 방향이 [011]로 배향되고, 횡방향 배향이 d32 모드(길이 방향: [100], 폭 방향: 
다음으로, 두께 약 0.25mm의 Ni 플레이트를 상기 압전 단결정 함유 복합체의 일면에 에폭시를 이용해 접착함으로써 전력선 감시 센서 구동 전원용 에너지 하베스팅 자기전기 복합재료 복합체를 얻었다.
Next, an Ni plate having a thickness of about 0.25 mm was bonded to one side of the piezoelectric single crystal containing composite using epoxy to obtain an energy harvesting magnetic composite material for a power line monitoring sensor driving power source.
<실시예 2>≪ Example 2 >
압전 섬유층의 제조를 위해, 두께 방향이 [011]로 배향되고, 횡방향 배향이 d31 모드(길이 방향: 
For the production of the piezoelectric fiber layer, the thickness direction is oriented at [011], the lateral orientation is at d 31 mode (longitudinal direction:
<실시예 3>≪ Example 3 >
구리 전면 전극 대신, 구리로 이루어지고 gap distance 500 ㎛인 교호 배치 전극(IDE)을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 전력선 감시 센서 구동 전원용 에너지 하베스팅 자기전기 복합재료 복합체를 얻었다.
An energy harvesting magnetic composite material for a power line monitoring sensor driving power source was obtained in the same manner as in Example 1 except that an alternate arrangement electrode (IDE) made of copper and having a gap distance of 500 μm was used instead of the copper front electrode.
<실시예 4><Example 4>
구리 전면 전극 대신, 구리로 이루어지고 gap distance 500 ㎛인 교호 배치 전극(IDE)을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 2와 동일한 방법으로 전력선 감시 센서 구동 전원용 에너지 하베스팅 자기전기 복합재료 복합체를 얻었다.
An energy harvesting magnetic composite material for a power line monitoring sensor driving power source was obtained in the same manner as in Example 2 except that an alternate arrangement electrode (IDE) made of copper and having a gap distance of 500 μm was used instead of the copper front electrode.
<실시예 5 내지 8>≪ Examples 5 to 8 >
실시예 1 내지 4에서 제조된 자기전기 복합재료 복합체 시편 각각의 일측단에 질량체(proof mass)로서 2g의 영구자석을 설치해 전력선 감시 센서 구동 전원용 에너지 하베스팅 자기전기 복합재료 복합체를 얻었다.
Each of the specimens of the magnetic composite material prepared in Examples 1 to 4 was provided with 2 g of permanent magnet as a proof mass at one side thereof to obtain an energy harvesting magnetic composite material for a power line monitoring sensor driving power source.
<비교예 1>≪ Comparative Example 1 &
압전 섬유층의 제조를 위해, 두께 방향이 두께 방향이 [001]로 배향된 능면정 페로브스카이트 구조의 PMN-PZT 단결정판을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 자기전기 복합재료 적층체를 제조하였다.
The same procedure as in Example 1 was carried out except that a PMN-PZT single crystal plate having a rhombohedral perovskite structure whose thickness direction was oriented in the [001] direction was used for the production of the piezoelectric fiber layer. To prepare a laminate.
<비교예 2>≪ Comparative Example 2 &
비교예 1에서 제조된 자기전기 복합재료 복합체 시편 각각의 일측단에 질량체(proof mass)로서 2g의 영구자석을 설치해 전력선 감시 센서 구동 전원용 에너지 하베스팅 자기전기 복합재료 복합체를 얻었다.
2 g of permanent magnet was installed as a proof mass at one side of each of the specimens of the magnetic composite material prepared in Comparative Example 1 to obtain an energy harvesting magnetic composite material for a power line monitoring sensor driving power source.
<실험예 1> 실시예 1-4 및 비교예 1에서 제조된 자기전기 복합재료 적층체의 자기전기 효과(magnetoelectric effect) 특성 관찰<Experimental Example 1> Magnetoelectric effect characteristics of the laminate of the magnetic composite material prepared in Examples 1-4 and Comparative Example 1 were observed.
본원 실시예 1-4 및 비교예 1에서 제조된 자기전기 복합재료 적층체를 대상으로 교류 자기장(Hac)의 크기 변화에 따른 자기전기 전압 계수(αME=dE/dH)의 변화를 측정하였다.The variation of the magneto-electric voltage coefficient (? ME = dE / dH) according to the magnitude of the alternating magnetic field (H ac ) was measured for the laminate of the magnetic composite material prepared in Example 1-4 and Comparative Example 1 .
구체적으로, 본 측정실험을 위한 장비 모식도인 도 8에서 도시하는 바와 같이, 실시예 1-4 및 비교예 1에서 제조된 자기전기 복합재료 적층체 각각을 헤름홀쯔 코일 사이에 위치시키되 자기장의 방향과 시편의 길이 방향이 평행한 방향 및 자기장의 방향과 시편의 길이 방향이 수직인 방향으로 시편 위치 방향을 달리하고, 한 쌍의 헤름홀쯔 코일(Helmholtz coil)을 이용해 교류 자기장의 크기를 달리하면서 록인 증폭기(lock-in amplifier) (SR-850, Stanford Research Systems, Inc., Sunnyvale, CA)를 사용해 시편의 전압 변화 즉, 분극 변화를 측정하여 이를 압전 섬유의 두께(전극간의 거리) 및 교류 자기장의 크기 변화로 나누어 자기전기 전압 계수(αME)를 얻었으며, 이에 따른 결과를 도 9에 나타내었다.
Specifically, as shown in FIG. 8, which is a schematic diagram of equipment for this measurement experiment, each of the laminate of the magnetic composite material prepared in Examples 1-4 and Comparative Example 1 was placed between the coil and the direction of the magnetic field The specimen was placed in a direction parallel to the longitudinal direction of the specimen and in the direction perpendicular to the direction of the magnetic field and the longitudinal direction of the specimen, and the magnitude of the alternating magnetic field was varied using a pair of Helmholtz coils, (ie, the distance between the electrodes) and the magnitude of the alternating magnetic field using a lock-in amplifier (SR-850, Stanford Research Systems, Inc., Sunnyvale, CA) And the magnetic voltage coefficient (? ME ) was obtained. The results are shown in FIG.
도 9로부터 αME의 크기는 PMN-PZT 압전 단결정층의 결정 배향에 크게 좌우됨을 알 수 있다. 특히, 본원 실시예 1 및 3에서 제조된 자기전기 복합재료 적층체는 압전 섬유로서 단결정 소재를 사용할 뿐만 아니라 011 방향이 복합체의 두께 방향과 일치하도록 단결정 배향시키고, 그에 따라 횡방향 압전 특성(d32 또는 g32) 에서 나타나는 큰 면내 이방성을 이용하기 때문에 비교예 1에서와 같이 001 방향이 복합체의 두께 방향과 일치하는 단결정을 사용한 경우에 비해 상대적으로 높은 압전상수 g31 값과 g32 값을 이용할 수 있기 때문에 결과적으로 우수한 자기전기 특성을 얻을 수 있다.
It can be seen from Fig. 9 that the magnitude of alpha ME greatly depends on the crystal orientation of the PMN-PZT piezoelectric single crystal layer. In particular, the present example 1 and the self-electric composite laminate prepared in the third, as well as use of single crystal material as a piezoelectric fiber and a single crystal oriented to the 011 direction matches the direction of thickness of the composite material, the lateral piezoelectric properties accordingly (d 32 Or g 32 ), relatively high piezoelectric constants g 31 and g 32 values can be used as compared with the case of using a single crystal in which the 001 direction coincides with the thickness direction of the composite as in Comparative Example 1 As a result, excellent magnetic characteristics can be obtained.
<실험예 2> 실시예 5-8 및 비교예 2에서 제조된 자기전기 복합재료 적층체의 에너지 하베스트 특성 관찰<Experimental Example 2> Observation of energy harvest characteristics of the laminate of the magnetic composite material prepared in Example 5-8 and Comparative Example 2
본원 실시예 5-8 및 비교예 2에서 제조된 자기전기 복합재료 적층체의 교류 자기장으로부터의 에너지 하베스트 특성을 관찰하기 위해, 도 10에서와 같이 셋업된 장치를 이용해 국내에 부설된 전력선 주변에서 발생될 수 있는 교류 자기장(60Hz, 1.6G)에 의한 에너지 하베스트 특성을 관찰하였다.
In order to observe the energy harvest characteristics from the alternating magnetic field of the laminate of the magnetic composite material prepared in Examples 5-8 and Comparative Example 2, (60Hz, 1.6G), which can be used as an energy harvesting technique.
도 11은 본원 실시예 5-8 및 비교예 2에서 제조된 각각의 자기전기 복합재료 적층체가 상기 교류 자기장 하에서 발생시킨 교류 전압 파형을 보여주는 그래프로서, 상기 실험예 1의 결과로부터 예상할 수 있는 것처럼, 본원 실시예 5에서 제조된 자기전기 복합재료 적층체는 횡방향 압전 특성(d32 또는 g32)에서 나타나는 큰 면내 이방성 및 전면 전극 사용에 의해 약 10 Vp-p에 이르는 가장 높은 수치의 최고점 간 전압(peak to peak voltage, Vp-p)을 나타내었다.
11 is a graph showing the alternating voltage waveforms generated in the alternating magnetic fields of the respective magnetic composite materials produced in Examples 5-8 and Comparative Example 2. As can be expected from the results of Experimental Example 1 , The magnetoelectric composite laminate produced in Example 5 herein exhibits a large in-plane anisotropy exhibited in lateral piezoelectric properties (d 32 or g 32 ) and a peak-to-peak voltage of about 10 V pp (peak to peak voltage, V pp ).
도 12는 본원 실시예 5-8 및 비교예 2에서 제조된 각각의 자기전기 복합재료 복합체가 상기 교류 자기장 하에서 발생시킨 교류 전압이 정류된 후 콘덴서에 충전된 전압 및 전력 밀도를, 부하 저항을 200KΩ까지 증가시키면서 측정한 결과로서, 도 12에 나타난 측정 결과와 마찬가지로 본원 실시예 5에서 제조된 자기전기 복합재료 적층체는 횡방향 압전 특성(d32 또는 g32)에서 나타나는 큰 면내 이방성 및 전면 전극 사용에 의해 가장 높은 전압 및 전력 밀도 수치를 나타냄을 알 수 있다.
12 is a graph showing the relationship between the voltage and the power density charged in the capacitor after the alternating-current voltage generated under the alternating magnetic field of each of the magnetoresistive composite composites manufactured in Examples 5-8 and Comparative Example 2 was rectified, 12, the magnetic composite material laminate produced in Example 5 of the present invention has a large in-plane anisotropy and a large in-plane anisotropy which are exhibited in the lateral piezoelectric properties (d 32 or g 32 ) Which is the highest voltage and power density value.
도 13은 본원 실시예 5에서 제조된 자기전기 복합재료 복합체에 의해 발생된 교류 전력을 정류한 후 콘댄서에 충전된 직류 전력을 이용해 상용 고휘도 LED에 대한 점등 실험을 수행한 결과를 보여주는 사진으로서, 이로부터 본 발명에 따른 자기전기 복합재료 복합체를 에너지 하베스팅 소자로 이용할 경우, USN 기반 전력선 원격 감시 시스템의 센서 구동에 필요한 전력을 충분히 공급할 수 있음을 확인할 수 있다.13 is a photograph showing a result of performing a lighting test on commercial high-brightness LEDs using rectified AC power generated by the magnetoresistive composite material manufactured in Example 5 and charging the condenser with DC power, It can be seen from this that when the magnetic composite material according to the present invention is used as an energy harvesting device, it is possible to sufficiently supply the power required for driving the sensor of the USN-based power line remote monitoring system.
Claims (20)
일면에 제1 전극이 형성된 제1 보호층; 일면에 제2 전극이 형성된 제2 보호층; 및 상기 제1 전극 및 제2 전극 사이에 개재되며 복합체의 길이 방향으로 배열된 1개 이상의 압전 섬유(fiber)로 이루어지는 압전 섬유층을 포함하며,
상기 압전 섬유는 단결정 압전 소재로 이루어지고 상기 단결정의 <011> 방향은 복합체의 두께방향과 일치하는 것을 특징으로 하는 전력선 감시 센서 구동 전원용 에너지 하베스팅자기전기 복합재료 적층체.The piezoelectric single crystal according to claim 1,
A first protective layer having a first electrode formed on one surface thereof; A second protective layer having a second electrode formed on one surface thereof; And a piezoelectric fiber layer interposed between the first electrode and the second electrode and made of at least one piezoelectric fiber arranged in the longitudinal direction of the composite,
Wherein the piezoelectric fibers are made of a single crystal piezoelectric material, and the <011> direction of the single crystals coincides with the thickness direction of the composite.
일면에 제1 전극이 형성된 제1 보호층; 일면에 제2 전극이 형성된 제2 보호층; 및 상기 제1 전극 및 제2 전극 사이에 개재된 압전 단결정 플레이트(plate)를 포함하며,
상기 압전 단결정의 <011> 방향은 복합체의 두께방향과 일치하는 것을 특징으로 하는 전력선 감시 센서 구동 전원용 에너지 하베스팅 자기전기 복합재료 적층체.The piezoelectric single crystal according to claim 1,
A first protective layer having a first electrode formed on one surface thereof; A second protective layer having a second electrode formed on one surface thereof; And a piezoelectric single crystal plate interposed between the first electrode and the second electrode,
Wherein the direction of the piezoelectric single crystal is the same as the thickness direction of the composite.
1) xPb(A1, A2, …, B1, B2, …)03 + (1- x)PbTiO3
2) xPb(A1, A2, …, B1, B2, …)03 + (1- x)Pb(Zr,Ti)O3
(단, 상기 화학식 1) 및 2)에 있어서, x는 몰 분율로서 0 < x <1 이며, A1, A2, …는, Zn, Mg, Ni, Lu, In 및 Sc로 이루어지는 군에서 선택된 하나 이상의 원소이고, B1, B2,…는, Nb, Ta, Mo 및 W로 이루어지는 군에서 선택된 하나 이상의 원소임).The piezoelectric resonator element according to claim 5, wherein the piezoelectric single crystal having the complex perovskite crystal structure is made of a material represented by the following formula (1) or (2): :
1) xPb (A1, A2, ..., B1, B2, ...) 0 3 + (1- x) PbTiO 3
2) xPb (A1, A2, ..., B1, B2, ...) 0 3 + (1- x) Pb (Zr, Ti) O 3
(1) and 2), x is a molar fraction, 0 < x < 1, and A1, A2, ... Is at least one element selected from the group consisting of Zn, Mg, Ni, Lu, In and Sc, and B1, B2, ... Is at least one element selected from the group consisting of Nb, Ta, Mo and W).
전력선의 온도, 쳐짐, 진동 및 전류 중에서 선택되는 적어도 하나 이상의 물리량 데이터를 측정하는 센서부;
상기 센서부에 의해 측정된 데이터를 처리 및 전달하는 제어부; 및
상기 제어부로부터 전달된 데이터를 무선으로 전송하는 무선통신모듈;을 포함하는 것을 특징으로 하는 전력선 원격 감시용 센서 노드.A power supply unit including the laminate of the magnetic / electrical composite material according to any one of claims 1 to 17;
A sensor unit for measuring at least one physical quantity data selected from a temperature, a stroke, a vibration and a current of a power line;
A controller for processing and transmitting data measured by the sensor unit; And
And a wireless communication module for wirelessly transmitting data transmitted from the control unit.
자기전기 복합재료 적층체; 정류부; 및 축전부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력선 원격 감시용 센서 노드.The power supply unit according to claim 18,
Magnetic composite material laminate; A rectifying part; And a power storage unit.
상기 센서 노드가 전송한 물리량 데이터 및 위치정보를 수신하고 저장하는 취합서버; 및
상기 취합서버에서 수신한 물리량 데이터 및 위치정보를 기초로 이상이 발생한 위치 또는 발생 원인을 분석하는 분석부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력선 원격 감시 시스템.A sensor node for power line remote monitoring according to claim 18;
A collection server for receiving and storing physical quantity data and position information transmitted by the sensor node; And
And an analyzer for analyzing a location or a cause of an anomaly based on the physical quantity data and the location information received by the collecting server.
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