KR20160076700A - 전력선 구조진단 모니터링을 위한 자기전기 복합재료 적층체를 이용한 에너지 하베스팅 소자 - Google Patents

전력선 구조진단 모니터링을 위한 자기전기 복합재료 적층체를 이용한 에너지 하베스팅 소자 Download PDF

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박동수
윤운하
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한국기계연구원
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Abstract

본 발명은 압전(piezoelectric) 단결정층; 및 상기 압전 단결정층의 일면 또는 양면에 구비되며 자왜(magnetostrictive) 소재로 이루어진 자왜층을 포함하는 것을 특징으로 하는 전력선 감시 센서 구동 전원용 에너지 하베스팅 자기전기 복합재료 적층체에 대한 것으로서, 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.

Description

전력선 구조진단 모니터링을 위한 자기전기 복합재료 적층체를 이용한 에너지 하베스팅 소자{Energy harvesting device with Magnetoelectric composite laminate for structural health monitoring of electric power transmission}
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.
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.
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.
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.
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.
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.
한국 등록특허공보 제10-1467537호
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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:
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).
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
또한, 상기 전원공급부는, 자기전기 복합재료 적층체; 정류부; 및 축전부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력선 원격 감시용 센서 노드를 제안한다.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
한편, 상기 압전 단결정층에 포함된 압전 단결정은 페로브스카이트(Peroveskite) 결정구조(RMO3) 또는 복합 페로브스카이트 구조를 가지는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 복합 페로브스카이트 구조를 가지는 압전 단결정은 아래의 1) 또는 2)의 조성을 가질 수 있다.
1) xPb(A 1 , A 2 , …, B 1 , B 2 , …)03 + (1- x)PbTiO3
2) xPb(A 1 , A 2 , …, B 1 , B 2 , …)03 + (1- x)Pb(Zr,Ti)O3
(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)
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.
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.
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.
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.
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.
또한, 상기 자성 형상기억 합금의 구체적인 예로는, Ni2MnGa 합금, NiMnIn 합금, NiCoMnIn 합금, FePd 합금, FeNiGa 합금, CoNiGa 합금 등을 들 수 있다.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
다음으로, 상기 본 발명에 따른 전력선 감시 센서 구동 전원용 에너지 하베스팅 자기전기 복합재료 적층체를 포함해 이루어지는 센서 노드에 대해 설명한다.
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.
상기 전원공급부(100)는 그 일례를 도시한 도 6에서와 같이 자기전기 복합재료 적층체(101); 정류부(102); 및 축전부(103)를 포함할 수 있다.
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.
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.
상기 축전부(103)는 상기 정류부에서 정류된 전력이 충전 가능하도록 2차 전지(secondary battery) 또는 캐패시터(capacitor)로 이뤄질 수 있다.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
아래에서는 본 발명에 대해 실시예를 기초로 하여 상세하게 설명한다. 제시된 실시예는 예시적인 것으로 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것은 아니다.
<실시예 1>
두께 방향이 [011]로 배향되고, 횡방향 배향이 d32 모드(길이 방향: [100], 폭 방향:
Figure pat00001
)인 능면정 페로브스카이트 구조의 PMN-PZT 단결정판을 약 200㎛의 두께를 가지도록 기계적으로 가공한 후, 상기 가공된 압전 단결정판을 일면에 구리 전면 전극이 도금된 폴리이미드(PI) 필름 위에 접착시킨 후, 상기 압전 단결정판을 PI 필름의 길이 방향으로 절단하여 약 200㎛의 폭을 가지는 1개 이상의 압전 단결정 섬유를 포함하는 압전 섬유층을 형성하였다. 그리고 나서, 일면에 구리 전면 전극이 도금된 또 다른 PI 필름을 압전 섬유층 상에 접착하고 1 kV/mm의 전기장으로 분극 과정(poling)을 수행함으로써 압전 단결정 함유 복합체를 얻었다.
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.
<실시예 2>
압전 섬유층의 제조를 위해, 두께 방향이 [011]로 배향되고, 횡방향 배향이 d31 모드(길이 방향:
Figure pat00002
, 폭 방향: [100])인 능면정 페로브스카이트 구조의 PMN-PZT 단결정판을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 전력선 감시 센서 구동 전원용 에너지 하베스팅 자기전기 복합재료 복합체를 얻었다.
<실시예 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.
<실시예 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.
<실시예 5 내지 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.
<비교예 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.
<비교예 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.
<실험예 1> 실시예 1-4 및 비교예 1에서 제조된 자기전기 복합재료 적층체의 자기전기 효과(magnetoelectric effect) 특성 관찰
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.
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.
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.
<실험예 2> 실시예 5-8 및 비교예 2에서 제조된 자기전기 복합재료 적층체의 에너지 하베스트 특성 관찰
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.
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.
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.
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.

Claims (20)

  1. 압전(piezoelectric) 단결정층; 및 상기 압전 단결정층의 일면 또는 양면에 구비되며 자왜(magnetostrictive) 소재로 이루어진 자왜층을 포함하는 것을 특징으로 하는 전력선 감시 센서 구동 전원용 에너지 하베스팅 자기전기 복합재료 적층체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 압전 단결정층에 포함된 압전 단결정의 <011> 방향은 상기 복합체의 두께방향과 일치하는 것을 특징으로 하는 전력선 감시 센서 구동 전원용 에너지 하베스팅 자기전기 복합재료 적층체.
  3. 제1항에 있어서, 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 하베스팅자기전기 복합재료 적층체.
  4. 제1항에 있어서, 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 적층체.
  5. 제1항에 있어서, 상기 압전 단결정은 페로브스카이트(Peroveskite) 결정구조 또는 복합 페로브스카이트 결정구조를 가지는 것을 특징으로 하는 전력선 감시 센서 구동 전원용 에너지 하베스팅 자기전기 복합재료 적층체.
  6. 제5항에 있어서, 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 적층체:
    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).
  7. 제5항에 있어서, 상기 복합 페로브스카이트 결정구조를 가지는 압전 단결정은 능면정계 (Rhombohedral) 결정 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 전력선 감시 센서 구동 전원용 에너지 하베스팅 자기전기 복합재료 적층체.
  8. 제3항 또는 제4항에 있어서, 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 적층체.
  9. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 제1 전극 및 제2 전극은 전면(全面) 전극인 것을 특징으로 하는 전력선 감시 센서 구동 전원용 에너지 하베스팅 자기전기 복합재료 적층체.
  10. 제3항 또는 제4항에 있어서, 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 적층체.
  11. 제3항 또는 제4항에 있어서, 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 적층체.
  12. 제1항에 있어서, 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 적층체.
  13. 제12항에 있어서, 상기 강자성 금속은 Ni 또는 Fe 또는 Co 또는 이들의 합금인 것을 특징으로 하는 전력선 감시 센서 구동 전원용 에너지 하베스팅 자기전기 복합재료 적층체.
  14. 제12항에 있어서, 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 적층체.
  15. 제12항에 있어서, 상기 자왜 합금은 Terfenol-D, Gafenol, Samfenol-D 또는 Metglas, FeCoB 합금인 것을 특징으로 하는 전력선 감시 센서 구동 전원용 에너지 하베스팅 자기전기 복합재료 적층체.
  16. 제1항에 있어서, 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 적층체.
  17. 제16항에 있어서, 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 적층체.
  18. 상기 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 기재된 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 노드.
  19. 제18항에 있어서, 상기 전원공급부는,
    자기전기 복합재료 적층체; 정류부; 및 축전부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력선 원격 감시용 센서 노드.
  20. 제18항에 기재된 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 시스템.
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