KR100989410B1 - 전기활성 고분자 변환기 및 이를 이용한 에너지 포집장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 마이크로 기둥 형태의 전기활성 고분자를 이용한 넓은 주파수 대역에서 센싱이 가능한 변환기 및 이를 이용한 에너지 포집장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 전기활성 고분자로 이루어진 베이스 및 상기 베이스 상에 구비되고, 전기활성 고분자로 이루어지며 외부에서 가진되는 에너지를 센싱하기 위한 기둥을 포함하며, 상기 기둥은 센싱된 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 것을 특징으로 한다.

전기활성고분자, EAP(Electroactive polymer), 변환기, Transducer, IPMC

Description

전기활성 고분자 변환기 및 이를 이용한 에너지 포집장치{The Electroactive polymer transducer and energy harvesting device}

본 발명은 마이크로 기둥 형태의 전기활성 고분자를 이용한 넓은 주파수 대역에서 센싱이 가능한 변환기 및 이를 이용한 에너지 포집장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 전기활성 고분자로 이루어진 베이스 및 상기 베이스 상에 구비되고, 전기활성 고분자로 이루어지며 외부에서 가진되는 에너지를 센싱하기 위한 기둥을 포함하며, 상기 기둥은 센싱된 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 것을 특징으로 한다.

최근 들어 인공 근육, 의료 장비, 초소형 로봇, 생체 모방학 등에 요구되는 새로운 센서 및 작동기의 연구가 활발히 진행 중에 있다. 특히 전기장 하에서 형상의 변화가 일어나는 전기활성 고분자(Electro Active Polymer)에 대한 관심이 집중되고 있다.

다만, 전기활성 고분자를 이용한 센싱은 간단한 strip타입의 캔티레버로 제 작하여 나오는 신호를 확인하는 정도였다.

하나의 빔은 그 고유의 주파수 대역에서 센싱 신호가 크기 때문에 넓은 주파수 대역에서 사용하는 것은 한계가 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로 넓은 주파수 범위의 외부 가진에 의한 넓은 센싱 주파수 대역을 갖는 변환기의 제공을 그 목적으로 한다.

또한, 상기 변환기를 이용하여 효율적인 에너지 저장이 가능한 에너지 포집장치의 제공을 다른 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 전기활성 고분자로 이루어진 베이스 및 상기 베이스 상에 구비되고, 전기활성 고분자로 이루어지며 외부에서 가진되는 에너지를 센싱하기 위한 기둥을 포함하며, 상기 기둥은 센싱된 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는 상기 기둥은 마이크로(Micro) 사이즈의 복수 개로 구비되고 일정간격으로 배치되는 브러쉬(Brush) 타입으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

바람직하게는 상기 기둥은 센싱되는 에너지의 주파수 대역을 넓히기 위해 서로 다른 길이로 형성되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는 상기 기둥의 외부에는 적어도 한 쌍 이상의 전극이 형성되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는 상기 전극들 사이에는 절연막이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는 상기 전기활성 고분자는 이온성 고분자 금속복합체(IPMC:Ionic Polymer Metal Composite)인 것을 특징으로 한다.

바람직하게는 이온성 고분자 금속복합체(IPMC:Ionic Polymer Metal Composite)는 Nafion, Flemion, Aciplex의 군에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

아울러, 전기활성 고분자 변환기를 이용한 에너지 포집장치는 상기 전기활성 고분자 변환기, 상기 전기활성 고분자 변화기와 연결되는 에너지 포집회로 및 상기 에너지 포집회로와 연결되는 축전지를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 다음과 같은 우수한 효과가 있다.

본 발명의 일실시 예에 따른 전기활성 고분자 변환기는 넓은 주파수 범위의 외부 가진에 의한 넓은 센싱 주파수 대역을 갖음으로써 전기적 에너지로의 효율적인 에너지 변환이 가능하다.

아울러, 상기 전기활성 고분자 변환기를 이용하여 변환된 전기적 에너지를 효율적으로 저장이 가능하다.

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.

먼저, 도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 전기활성 고분자 변환기(100)의 전체구성을 나타내는 도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 상기 전기활성 고분자 변환기(100)는 베이스(110) 및 기둥(120)으로 이루어져 있다.

상기 베이스(110)는 상기 기둥(120)을 지지하는 역할을 수행하며, 다양한 형상으로 이루어질 수 있다.

상기 기둥(120)은 상기 베이스(110) 상에 구비되며, 외부에서 가진되는 에너지를 센싱이를 전기적 에너지로 변환하는 역할을 수행한다.

상기 기둥(120)의 변환 원리는 후술토록 한다.

상기 베이스(110) 및 기둥(120)은 다양한 전기활성 고분자(EAP:Electro Active Polymer)를 이용할 수 있으나, 본 발명의 일실시 예에서는 상기 전기활성 고분자는 이온성 고분자 금속복합체(IPMC:Ionic Polymer Metal Composite)를 사용하였으며, 특히 Nafion, Flemion, Aciplex에서 선택된 하나를 이용하였다.

이하, 상기 전기활성 고분자 변환기(100)의 변환원리를 상세히 설명토록 한 다.

상기 IPMC는 수화된 상태에서 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 양극 쪽으로 굽힘이 발생한다.

반대로 상기 이온성 고분자 금속복합체에 외력이 가진 되는 경우 내부 클러스터가 움직이게 되면 내부 양이온의 밀도차 즉, 양 전극단에 전위차가 발생하게 되어 전하량을 띄게 되어 역학적 에너지를 전기적 에너지로 변환할 수 있으며, 본 발명에 따른 상기 전기활성 고분자 변환기(100)는 이 변환원리를 이용한 것이다.

한편, 상기 기둥(120)은 다양한 크기로 제작될 수 있으나 본 발명의 일실시 예에 있어서는 마이크로(Micro)단위로 구비하였으며 특히, 도 1의(b)에 도시된 바와 같이 상기 기둥(120)을 복수 개로 하여 일정간격으로 배치, 전체적으로 브러쉬(Brush) 타입으로 구성하였다.

이때, 배치 형태에 대해서는 브러쉬(Brush) 타입에 한정되는 것은 아니며 경우에 따라서 다양한 형태로의 배치가 가능하다.

이하, 도 2를 참조하여 상기 기둥(120)의 다양한 실시 예를 상세히 설명토록 한다.

먼저, 도 2는 상기 기둥(120)의 다양한 실시 예를 나타내는 도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시 예(도 2의 a 및 c)에 있어서 상기 기둥(120)은 와이어 형태(내부가 채워진 형태)로 이루어져 있다.

아울러 본 발명의 다른 실시 예(도 2의 b 및 d)에 있어서는 상기 기둥(120)은 중앙에 중공(123)이 형성된 형태로 이루어져 있다.

이처럼 상기 기둥(120)의 형태를 다양하게 구성하는 이유는 상기 기둥(120)의 형태에 따라 센싱되는 주파수 대역이 다르기 때문에 보다 다양한 대역의 주파수를 센싱하기 위함이다.

물론, 상술한 실시 예를 제외한 다양한 형태의 기둥형태가 이루어질 수 있음은 당연하다.

한편, 상기 기둥(120)의 외부에는 적어도 한 쌍 이상의 전극(121)이 형성되어 있으며, 상기 전극(121)들 사이에는 절연막(122)으로 절연되어 있다.

이때, 상기 전극(121)은 별도의 외부 회로와 연결되어 상기 기둥(120)에 의해 변환된 전기적 에너지를 상기 외부 회로에 전달할 수 있다.

한편, 도 3은 센싱되는 주파수 대역을 넓이기 위해 길이를 달리하는 기둥(120)을 나타내는 도이다.

도 3에 도시된 바와 같이 상기 기둥(120)의 길이를 달리 함으로서, 센싱되는 주파수 대역을 넓힐 수 있으며, 이때 상기 변환기(100)를 구성하는 상기 기둥(120)은 상술한 와이어 형태만, 또는 중공(123)이 형성된 형태만, 또는 이들을 적절히 조합된 기둥을 이용하여 센싱되는 주파수 대역을 다양하게 할 수 있다.

물론 동일한 길이의 기둥(120)을 와이어 형태만, 또는 중공(123)이 형성된 형태만, 또는 이들을 적절히 조합된 상태로도 이용가능하다.

이하, 도 4를 참조하여 본 발명의 일실시 예에 따른 전기활성 고분자 변환기(100)의 응용 예를 상세히 설명한다.

먼저, 도 4는 본 발명의 일실시 예에 따른 전기활성 고분자 변환기(100)를 이용한 에너지 포집장치에 관한 도이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 상기 변환기(100)를 외부 에너지 포집회로(130)와 연결하고, 상기 에너지 포집회로(130)는 축전지(140)와 연결함으로써 상기 변환기(100)에 의해 발생된 전기적 에너지를 축전지(140)에 저장할 수 있다.

이때, 상기 외부 에너지 포집회로(130)는 정류기(도시하지 않음)를 포함하고 있으며, 이는 상기 전기활성 고분자 변환기(100)에서 전달되는 전기적 에너지는 교류전압으로써, 이를 상기 축전지(140)에 저장하기 위해서는 직류전압으로 정류할 필요가 있기 때문이다.

이때, 상기 에너지 포집회로(130) 및 축전지(140)는 다양한 구성을 통해 구비될 수 있음은 물론이다.

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.

본 발명의 일실시 예에 따른 전기활성 고분자 변환기의 전체구성을 나타내는 도이다.

도 2는 상기 기둥의 다양한 실시 예를 나타내는 도이다.

도 3은 센싱되는 주파수 대역을 넓이기 위해 길이를 달리하는 기둥을 나타내는 도이다.

도 4는 본 발명의 일실시 예에 따른 전기활성 고분자 변환기를 이용한 에너지 포집장치에 관한 도이다.

Claims (8)

1. 전기활성 고분자 변환기에 있어서,

   전기활성 고분자로 이루어진 베이스; 및

   상기 베이스 상에 구비되며, 마이크로(Micro) 사이즈의 복수 개로 구비되고, 전기활성 고분자로 이루어지며 외부에서 가진되는 에너지를 센싱하기 위한 기둥;을 포함하며,

   상기 기둥은 일정간격으로 배치되는 브러쉬(Brush) 타입으로 이루어지고, 센싱된 에너지를 전기적 에너지로 변환하며, 센싱되는 에너지의 주파수 대역을 넓히기 위해 서로 다른 길이로 형성되는 것을 특징으로 하는 전기활성 고분자 변환기.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 기둥의 외부에는 적어도 한 쌍 이상의 전극이 형성되는 것을 특징으로 하는 전기활성 고분자 변환기.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 전극들 사이에는 절연막이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전기활성 고분자 변환기.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 전기활성 고분자는 이온성 고분자 금속복합체(IPMC:Ionic Polymer Metal Composite)인 것을 특징으로 하는 전기활성 고분자 변환기.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 이온성 고분자 금속복합체(IPMC:Ionic Polymer Metal Composite)는 Nafion, Flemion, Aciplex의 군에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전기활성 고분자 변환기.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 전기활성 고분자 변환기;

   상기 전기활성 고분자 변화기와 연결되는 에너지 포집회로; 및

   상기 에너지 포집회로와 연결되는 축전지;를 포함하는 전기활성 고분자 변환기를 이용한 에너지 포집장치.
7. 삭제
8. 삭제

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