KR100971228B1 - 이온성 고분자 금속복합체를 이용한 션트 감쇠기 - Google Patents

이온성 고분자 금속복합체를 이용한 션트 감쇠기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이온성 고분자 금속복합체를 이용한 션트 감쇠기에 관한 것으로, 진동 억제 대상이 되는 유연체 구조물; 상기 유연체 구조물에 부착되며, 이온성 고분자 금속복합체로 이루어진 변환기; 및 상기 변환기의 양단에 연결되는 외부 션트회로;를 포함하며, 상기 변환기는 상기 유연체 구조물의 진동에너지를 전기적 에너지로 변환시켜 진동을 억제하는 것을 특징으로 한다.
이온성고분자금속복합체, IPMC, 션트 감쇠기, 변환기

Description

이온성 고분자 금속복합체를 이용한 션트 감쇠기{The shunt damper using Ionic Polymer Metal Composite}
본 발명은 이온성 고분자 금속복합체를 이용한 션트 감쇠기에 관한 것으로, 진동 억제 대상이 되는 유연체 구조물; 상기 유연체 구조물에 부착되며, 이온성 고분자 금속복합체로 이루어진 변환기; 및 상기 변환기의 양단에 연결되는 외부 션트회로;를 포함하며, 상기 변환기는 상기 유연체 구조물의 진동에너지를 전기적 에너지로 변환시켜 진동을 억제하는 것을 특징으로 한다.
가정에서 사용하고 있는 가전제품, 공장에서 운전중인 기계, 그리고 도로에서 달리고 있는 자동차 등에서 발생하는 소음과 진동문제는 사람들의 많은 관심을 끌고 있다. 이런 소음과 진동은 불가피 하지만 최대한 줄여주는 것이 매우 중요하다. 소음과 진동저감에 대한 연구는 많이 진행되어 왔으며 주로 수동 진동감쇠와 능동 진동감쇠로 나눌 수 있다. 수동 진동감쇠 방법으로는 주로 점탄성 재료처리(viscoelastic materials treatment)나 와전류 감쇠기(eddy current damper) 등 을 사용한 방법들이 있고, 능동 진동감쇠 방법으로는 압전재료(piezoceramic)작동기를 사용하거나, 전자석 작동기(electromagnetic actuator)등을 사용한 방법들이 있다. 점탄성 재료는 넓은 주파수 범위 내에서 감쇠 능력을 갖고 있다. 하지만 온도에 대해서 민감하고 낮은 강성을 가지고 있으므로 담당할 수 있는 변형 에너지 분율이 작다는 단점이 있다.
능동적 진동제어 방법은 그 효과 면에서는 수동진동감쇠 방법보다 우수한 성능으로 보이지만 구현을 위해서는 감지기, 제어기, 구동장치 등 복잡한 제어 장비들을 요구하고 복잡한 제어 알고리즘을 요구하게 된다.
또한, 종래에서는 압전 재료와 외부 분기회로를 진동 제어의 목적으로 사용되었으나, 압전 재료의 가격이 비싸고, 비접촉식 진동 제어가 불가능한 단점을 갖고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 구조가 간단하고 설치가 용이하여 다양한 분야에 활용 가능한 진동 감쇠기의 제공을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 진동 억제 대상이 되는 유연체 구조물 상기 유연체 구조물에 부착되며, 이온성 고분자 금속복합체로 이루어진 변환기 및 상기 변환기의 양단에 연결되는 외부 션트회로를 포함하며, 상기 변환기는 상기 유연체 구조물의 진동에너지를 전기적 에너지로 변환시켜 진동을 억제하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 상기 외부 션트회로는 상기 이온성 고분자 금속복합체의 캐패시턴스, 저항, 등가 인덕터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 상기 외부 션트회로는 상기 이온성 고분자 금속복합체의 제 1 캐패시턴스 및 제 2 캐패시턴스, 등가 인덕터, 저항이 직렬로 연결되는 제2회로를 포함하며, 이때, 상기 제 2 회로는 복수 개로 구비되고, 상기 제 1 캐패시턴스 및 복수 개의 상기 제 2 회로는 모두 병렬로 연결되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 상기 변환기는 상기 유연체 구조물의 말단에 빔 형태로 부착되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 이온성 고분자 금속복합체를 이용한 션트 감쇠기는 다음과 같은 우수한 효과가 있다.
상기 감쇠기는 그 구조가 간단하고 설치가 용이하며, 전체 주파수 대역에서 진동 또는 소음을 다중으로 감쇠시킬 수 있는 우수한 효과가 있다.
본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명의 상세한 설명 부분에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.
이하, 첨부한 도면에 도시된 바람직한 실시 예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.
그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
먼저, 도 1 은 본 발명의 일실시 예에 따른 이온성 고분자 금속복합체(100)를 이용한 션트 감쇠기의 전체 구성도다.
도 1에 도시된 바와 같이 상기 감쇠기(100)는 유연체 구조물(110), 변환기(120) 및 외부 션트회로(130)로 이루어져 있다.
이때 상기 유연체 구조물(110)은 진동 억제 대상으로서 이는 외부 힘 또는 압력을 포함하는 다양한 원인에 의하여 진동 및 소음이 발생 되며 구조물 자체의 피로파괴를 유발할 수 있다.
상기 변환기(120)는 상기 유연체 구조물(110)에 부착되며, 이온성 고분자 금속복합체(IPMC:Ionic polymer-metal composite)로 이루어져 있으며, 상기 이온성 고분자 금속복합체(IPMC:Ionic polymer-metal composite)는 Nafion, Flemion, Aciplex의 군에서 선택된 어느 하나를 이용할 수 있다.
이때, 상기 변환기(120)는 상기 유연체 구조물(110)의 다양한 위치에 다양한 방식으로 부착가능하나, 본 발명의 일실시 예에 있어서는 상기 유연체 구조물(110)의 고정부분에 빔 형태로 부착하였다.
한편, 진동 흡진기의 역할을 하는 이온성 고분자 금속복합체를 이용한 션트 감쇠기를 나타낸 도인 도 4를 참조하면, 상기 변환기를 상기 유연체 구조물의 고정부분의 반대쪽 말단에 부착하는 경우, 진동 흡진기의 역할 및 감쇠기의 역할을 동시에 할 수 있다.
상기 이온성 고분자 금속복합체는 외부에서 전압이 인가되는 경우, 굽힘운동을 하는 작동기로서의 역할뿐만 아니라, 외부에서 가해지는 역학적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 변환기로서의 역할을 수행한다.
먼저, 도 2를 참조하여 상기 이온성 고분자 금속복합체의 작동기로서의 작동 방식을 상세히 설명한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 수화된 이온성 고분자 금속복합체에 전압을 인가하면 이온-물 분자의 움직임에 의해 상기 이온성 고분자 금속복합체는 굽힘 운동이 발생한다. 즉 이온성 고분자 금속복합체가 전기장에서 고분자 막의 양면에 적층 된 전극으로 전류가 흐르면 고분자 막내의 이온-수분 클러스터(cluster)들이 양극에서 음극으로 활발하게 움직이며, 이때 음극은 이온들의 과다 분포로 팽창이 되고 양극은 수축이 되어 양극쪽으로 굽힘이 발생한다.
반대로 상기 이온성 고분자 금속복합체에 외력이 가해지는 경우 내부 클러스터가 움직이게 되면 내부 양이온의 밀도차 즉, 양 전극단에 전위차가 발생하게 되어 전하량을 띄게 되어 역학적 에너지를 전기적 에너지로 변환할 수 있다.
따라서 본 발명의 일실시 예에 따른 이온성 고분자 금속복합체를 이용한 션트 감쇠기(100)는 상기 이온성 고분자 금속복합체로 이루어진 변환기를 후술할 외부 션트회로(130)와 연결함으로써, 상기 유전체 구조물(110)의 진동 내지 소음을 전기적 에너지로 소진시킴으로써 감소시킬 수 있다.
이하, 도 2a 내지 도 2c를 참조하여 상기 외부 션트회로(130)에 대해 상세히 설명한다.
먼저, 도 2a 내지 도 2c는 상기 외부 션트회로(130)의 실시 예를 나타내는 도이다.
도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시 예에 따른 외부 션트회로(130)는 외부에서 인가되는 전압(V), 상기 이온성 고분자 금속복합체의 캐패시 턴스(CIPMC )), 저항(R), 등가 인덕터(L)를 포함한다.
이때, 상기 외부에서 인가되는 전압(V)이라 함은 상기 유연체 구조물(110)의 진동 내지 소음에 의해 발생된 역학적 에너지가 상기 이온성 고분자 금속복합체로 이루어진 변환기(120)에 의해 변환된 전기적 에너지를 의미한다.
상기 저항(R) 및 등가 인덕터(L)는 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이 직렬 또는 병렬 연결이 가능하다.
한편, 상기 외부 션트회로(130)의 또 다른 실시 예를 나타내는 도 2c를 참조하면,
상기 외부 션트회로(130)는 도 2c에 도시된 바와 같이, 외부에서 인가되는 전압(V), 상기 이온성 고분자 금속복합체의 제 1 캐패시턴스(CIPMC)를 포함하는 제1회로(131) 및 제 2 캐패시턴스(C1~Cn), 등가 인덕터(L1~Ln), 저항(R1~Rn)이 직렬로 연결되는 제2회로(132)를 포함한다.
이때, 상기 외부에서 인가되는 전압은 상술한 바와 동일하며, 상기 제2회(132)로는 복수 개로 구비되고, 상기 제1회로(131) 및 복수 개의 상기 제 2 회로(132)는 직렬로도 연결 가능하나, 상기 회로들 간의 간섭을 최소화하기 위해 본 발명의 일실시 예에 있어서는 모두 병렬로 연결하였다.
한편, 상기 유연체 구조물(110)의 진동 내지 소음을 효율적으로 제어하기 위해서는 해당 모드의 고유진동수가 일치하도록 적절히 조절해야 하는데, 대부분의 유연체 구조물의 고유진동수는 저주파수 영역에 있으며 전기적 공진주파수를 이와 근접시켜기 위하여 상기 등가 인덕터(L, L1~Ln)가 필요하다.
이때, 상기 등가 인덕터(L, L1~Ln)는 본 발명의 일실시 예에 따른 등가 인덕터를 나타내는 도인 도 3과 같이 구성하였다.
물론, 상기 등가 인덕터(L, L1~Ln)는 다양한 회로로 구성될 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 바람직한 실시 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능하다 할 것이다.
도 1 은 본 발명의 일실시 예에 따른 이온성 고분자 금속복합체를 이용한 션트 감쇠기의 전체 구성도다.
도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 이온성 고분자 금속복합체의 작동기로서의 작동방식을 나타내는 도이다.
도 2a 내지 도 2c는 외부 션트회로의 실시 예를 나타내는 도이다.
도 2c는 외부 션트회로의 또 다른 실시 예를 나타내는 도이다.
도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 등가 인덕터의 회로도다.
도 4는 진동 흡진기의 역할을 하는 이온성 고분자 금속복합체를 이용한 션트 감쇠기를 나타낸 도이다.

Claims (4)

  1. 진동 억제 대상이 되는 유연체 구조물;
    상기 유연체 구조물에 부착되어 상기 유연체 구조물의 진동에너지를 전기적 에너지로 변환시켜 진동을 억제하는 이온성 고분자 금속복합체로 이루어진 변환기; 및
    상기 변환기의 양단에 연결되는 외부 션트회로;를 포함하며, 상기 외부 션트회로는 외부에서 인가되는 전압, 상기 이온성 고분자 금속복합체의 캐패시턴스, 저항, 등가 인덕터를 포함하는 것을 특징으로 하는 이온성 고분자 금속복합체를 이용한 션트 감쇠기.
  2. 진동 억제 대상이 되는 유연체 구조물;
    상기 유연체 구조물에 부착되어 상기 유연체 구조물의 진동에너지를 전기적 에너지로 변환시켜 진동을 억제하는 이온성 고분자 금속복합체로 이루어진 변환기; 및
    상기 변환기의 양단에 연결되는 외부 션트회로;를 포함하며, 상기 외부 션트회로:는
    외부에서 인가되는 전압, 상기 이온성 고분자 금속복합체의 제 1 캐패시턴스를 포함하는 제1회로; 및
    제 2 캐패시턴스, 등가 인덕터, 저항이 직렬로 연결되는 제2회로;를 포함하며,
    이때, 상기 제 2 회로는 복수 개로 구비되고, 상기 제1회로 및 복수 개의 상기 제 2 회로는 모두 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 이온성 고분자 금속복합체를 이용한 션트 감쇠기.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 변환기는 상기 유연체 구조물의 말단에 빔 형태로 부착되는 것을 특징으로 하는 이온성 고분자 금속복합체를 이용한 션트 감쇠기.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 이온성 고분자 금속복합체는 Nafion, Flemion 및 Aciplex 로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 이온성 고분자 금속복합체를 이용한 션트 감쇠기.
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