KR102085295B1 - Piezoresistive Sensor Module of Self-generating Function - Google Patents
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Abstract
본 발명은 자가발전이 가능하게 하여, 오랜 시간이 지나더라도 센서의 각종 전기부품에 전원을 지속적으로 공급할 수 있도록 함으로써 항시적으로 정상적인 건축 구조물의 안전도 감지 작용을 수행할 수 있는 경제적이고 실용적인 자가발전형 압저항 센서 모듈에 관한 것으로, 본 발명에 따른 자가발전형 압저항 센서 모듈은, 바인더 재료에 탄소나노튜브를 혼합하여 만들어져, 건축 구조물 내부에 매립되어 건축 구조물의 하중을 전달받는 전도성 블록; 상기 전도성 블록 내부에 설치되어 건축 구조물의 하중 변화에 의한 전도성 블록의 저항 변화를 측정하는 계측부; 상기 전도성 블록의 일측면에 건축 구조물의 외부로 노출되게 설치되어, 건축 구조물의 외부에서 가해지는 바람의 압력에 의해 변형되면서 전력을 생성하는 발전부; 및, 상기 계측부에 설치되며, 상기 발전부와 전기적으로 연결되어 발전부에서 생성된 전력을 충전하여 계측부의 전기부품에 전원을 공급하는 축전지;를 포함한다. The present invention enables self-power generation, so that it is possible to continuously supply power to various electrical components of the sensor even after a long time, thereby economically and practically self-powering to perform a safety sensing function of a normal building structure at all times. The piezoelectric resistance sensor module according to the present invention includes a self-powered piezoresistive sensor module comprising: a conductive block made of a mixture of carbon nanotubes in a binder material and embedded in a building structure to receive a load of the building structure; A measurement unit installed inside the conductive block to measure a resistance change of the conductive block due to a load change of a building structure; A power generation unit installed on one side of the conductive block to be exposed to the outside of the building structure and generating power while being deformed by the pressure of the wind applied from the outside of the building structure; And a storage battery installed in the measurement unit and electrically connected to the power generation unit to charge power generated by the power generation unit to supply power to the electrical parts of the measurement unit.
Description
본 발명은 건축 구조물의 안전성을 측정하기 위한 압저항 센서 모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 시멘트와 같은 바인더 재료 내부에 전도성을 갖는 탄소나노튜브(CNT)를 혼입하여 만들어진 CNT-시멘트 복합체의 저항 변화를 통해 하중 변화를 계측하여 건축 구조물의 손상을 감지하고, 바람에 의한 압력을 통해 자가발전이 가능한 자가발전형 압저항 센서 모듈에 관한 것이다. The present invention relates to a piezoresistive sensor module for measuring the safety of a building structure, and more particularly, to the resistance change of a CNT-cement composite made by incorporating conductive carbon nanotubes (CNT) into a binder material such as cement. The present invention relates to a self-powered piezoresistive sensor module capable of detecting a damage to a building structure by measuring a load change and allowing self-power generation through wind pressure.
일반적으로 콘크리트는 다른 재료에 비하여 내구성 및 내열성이 우수하고 임의의 형상을 지닌 건축 구조물을 현장에서 용이하게 시공할 수 있으므로, 일반 건축물은 물론 교량, 댐과 같은 산업용 구조물 및 원자력발전 설비, 군사시설과 같은 특수 구조물에도 널리 사용되고 있다.In general, concrete has excellent durability and heat resistance compared to other materials, and can easily construct a building structure having an arbitrary shape in the field. Therefore, concrete, industrial structures such as bridges, dams, nuclear power facilities, and military facilities It is also widely used for special structures.
그러나 건축 구조물은 다른 구조물에 비하여 자체 하중이 크고 균열이 생기기 쉬워서 붕괴의 우려성을 내포하고 있다. 콘크리트의 균열은 여러 가지 원인에 의하여 콘크리트의 경화를 전후로 하여 나타나는데, 균열이 표면에서 관측할 수 있을 때면 이미 콘크리트의 내부조직에는 미세 균열로 인하여 조직이 상당히 손상되어 있다. 콘크리트 내에 균열이 생기면 이 콘크리트의 강도는 기대치에 미치지 못할 뿐만 아니라, 주위의 온습도의 변화, 소금물과 같은 화학성분의 침투로 균열이 점차 성장하고 부식되어 콘크리트의 안전도에 큰 문제를 일으키게 된다.However, building structures have a higher self load and are more prone to cracking than other structures, which may cause collapse. Cracks in concrete appear before and after the hardening of concrete for various reasons. When the cracks can be observed on the surface, the internal structure of the concrete is already damaged due to micro cracks. If cracks occur in concrete, the strength of the concrete will not meet expectations, and the cracks will gradually grow and corrode due to changes in ambient temperature and humidity and penetration of chemicals such as salt water, causing a great problem for the safety of concrete.
한편, 콘크리트의 강도는 시간이 지남에 따라 변하고 이 변화는 주위의 기후조건, 사용 환경, 콘크리트의 배합 조건 등에 따라 달라진다. 특히 화재, 지진 등의 외부 충격을 받았을 경우 콘크리트의 강도는 현격히 떨어지게 되고 이러한 경우는 안전도 진단을 통하여 재사용 여부를 결정해야 한다.On the other hand, the strength of concrete changes over time and this change depends on the surrounding climatic conditions, the use environment, and the concrete mixing conditions. In particular, in case of an external shock such as a fire or earthquake, the strength of concrete drops significantly. In this case, it is necessary to decide whether to reuse through safety diagnosis.
종래에는 건축 구조물 내에 센서 기구를 장착하여 건축 구조물의 외부응력 및 변형을 감지하고 있다. Conventionally, a sensor mechanism is mounted in a building structure to detect external stress and deformation of the building structure.
그런데, 이와 같이 센서 기구를 이용하여 건축 구조물의 외부응력 및 변형을 감지하는 경우, 센서 기구의 설치를 위해 건축 구조물의 일부를 파괴하는 등의 내구성 저하를 일으킬 우려가 있으며, 내구성이 약한 센서 기구의 고장으로 인한 주기적인 교체와 지속적인 전력공급 및 신호전송 등의 문제점을 가지고 있다.However, when sensing the external stress and deformation of the building structure by using the sensor mechanism in this way, there is a risk of causing a degradation of durability, such as destroying a part of the building structure for the installation of the sensor mechanism, There are problems such as periodic replacement, continuous power supply and signal transmission due to failure.
이러한 문제를 해결하기 위하여 본 출원인은 국내 등록특허 제10-1284737호 및 등록특허 제10-1546869호에서 시멘트 매트릭스에 탄소나노튜브(CNT)를 혼입하여 외부응력 및 변형에 대해 내부 전기저항이 변화하는 압저항 특성(piezoresistivity)을 갖도록 하고, 이 압저항 특성을 이용하여 적용된 건축 구조물의 외부응력 및 변형을 감지하거나 여타 소정의 센싱 기능을 수행할 수 있는 시멘트 매트릭스 기반 압저항 센서를 제시한 바 있다. In order to solve this problem, the present applicant incorporates carbon nanotubes (CNT) into the cement matrix in Korean Patent Nos. 10-1284737 and 10-1546869 to change the internal electrical resistance against external stress and deformation. It has been proposed a cement matrix-based piezoresistive sensor which has piezoresistivity, and can detect external stress and deformation of an applied building structure or perform other sensing functions by using piezoresistivity.
그러나 상기 압저항 센서를 비롯한 종래의 건축 구조물 손상 감지용 압저항 센서는 외부에서 전원 공급이 어렵기 때문에 자체 배터리로 전원을 공급하는 경우가 대부분인데, 이 경우 시간이 지남에 따라 배터리 용량이 다하거나 배터리 손상이 발생할 경우 센서가 기능을 하지 못하여 건축 구조물의 손상을 감지할 수 없는 문제가 있다. However, conventional piezo-resistive sensors for detecting damage to building structures, including the piezoresistive sensor, are often powered by their own batteries because power is difficult to supply from the outside. If battery damage occurs, there is a problem that the sensor does not function to detect the damage to the building structure.
본 발명은 상기한 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 자가발전이 가능하게 하여, 오랜 시간이 지나더라도 센서의 각종 전기부품에 전원을 지속적으로 공급할 수 있도록 함으로써 항시적으로 정상적인 건축 구조물 안전도 감지 작용을 수행할 수 있는 자가발전형 압저항 센서 모듈을 제공함에 있다.The present invention is to solve the above problems, the object of the present invention is to enable self-power generation, so that it is possible to continuously supply power to various electrical components of the sensor even after a long time is always a normal building structure safety An object of the present invention is to provide a self-powered piezoresistive sensor module capable of performing a degree sensing function.
본 발명의 다른 목적은 건축 구조물의 안전도 감지에 대한 정확도를 높일 수 있고, 경제적이고 실용적인 자가발전형 압저항 센서 모듈을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide an economical and practical self-powered piezoresistive sensor module that can increase the accuracy of the safety detection of building structures.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 자가발전형 압저항 센서 모듈은, 바인더 재료에 탄소나노튜브를 혼합하여 만들어져, 건축 구조물 내부에 매립되어 건축 구조물의 하중을 전달받는 전도성 블록; 상기 전도성 블록 내부에 설치되어 건축 구조물의 하중 변화에 의한 전도성 블록의 저항 변화를 측정하는 계측부; 상기 전도성 블록의 일측면에 건축 구조물의 외부로 노출되게 설치되어, 건축 구조물의 외부에서 가해지는 바람의 압력에 의해 변형되면서 전력을 생성하는 발전부; 및, 상기 계측부에 설치되며, 상기 발전부와 전기적으로 연결되어 발전부에서 생성된 전력을 충전하여 계측부의 전기부품에 전원을 공급하는 축전지;를 포함한다. Self-powered piezoresistive sensor module according to the present invention for achieving the above object is made by mixing carbon nanotubes in a binder material, the conductive block is embedded in the building structure to receive the load of the building structure; A measurement unit installed inside the conductive block to measure a resistance change of the conductive block due to a load change of a building structure; A power generation unit installed on one side of the conductive block to be exposed to the outside of the building structure and generating power while being deformed by the pressure of the wind applied from the outside of the building structure; And a storage battery installed in the measurement unit and electrically connected to the power generation unit to charge power generated by the power generation unit to supply power to the electrical parts of the measurement unit.
상기 계측부는, 전도성 블록 내부에 설치되어 저항 변화를 측정하는 마이크로제어유닛(MCU; Microcontroller Unit)과, 상기 마이크로제어유닛에 전기적으로 연결되며 전도성 블록 내에 매립되는 한 쌍의 전극판과, 상기 마이크로제어유닛에 의해 측정된 데이터를 통신을 통해 외부의 서버 또는 컴퓨터로 전송하는 통신유닛을 포함할 수 있다. The measurement unit may include a microcontroller unit (MCU) installed inside the conductive block to measure resistance change, a pair of electrode plates electrically connected to the microcontroller and embedded in the conductive block, and the microcontroller. It may include a communication unit for transmitting the data measured by the unit to an external server or computer through communication.
상기 발전부는, 건축 구조물의 외부로 노출된 측면에 고정되는 고정판과, 상기 고정판의 외측에 일정 간격 이격되게 설치되어 바람의 압력에 의해 고정판의 외면과 반복적으로 접촉되면서 표면이 대전되는 가동판과, 상기 고정판과 가동판의 표면에 부착되며 상기 축전지와 전기적으로 연결된 복수의 발전기 전극을 포함하여, 상기 고정판과 가동판의 접촉 및 분리 시에 발생하는 정전기 유도 현상에 의해 전자의 이동이 발생하는 마찰형 나노발전기(TENG)일 수 있다. The power generation unit, a fixed plate fixed to the side exposed to the outside of the building structure, the movable plate is installed on the outside of the fixed plate at a predetermined interval spaced while repeatedly contacting the outer surface of the fixed plate by the pressure of the wind, A friction type that includes a plurality of generator electrodes attached to the surface of the fixed plate and the movable plate electrically connected to the storage battery, the movement of electrons by the electrostatic induction phenomenon generated during contact and separation of the fixed plate and the movable plate It may be a nano-generator (TENG).
상기 발전부는, 상기 가동판과 고정판의 끝단부에 설치되어 가동판과 고정판을 일정 거리 이격된 상태로 지지하는 서포트프레임을 더 포함할 수 있다. The power generation unit may further include a support frame installed at end portions of the movable plate and the fixed plate to support the movable plate and the fixed plate at a predetermined distance from each other.
상기 서포트프레임은 상기 가동판의 끝단부가 고정되는 가동 서포트프레임과 상기 고정판의 끝단부가 고정되는 고정 서포트프레임으로 분할되어 구성되고, 상기 가동 서포트프레임에 고정 서포트프레임을 따라 슬라이딩하는 가이드바아가 형성되며, 상기 고정프레임에 대해 가이드바아를 탄력적으로 지지하는 스프링이 설치될 수 있다. The support frame is divided into a movable support frame fixed to the end of the movable plate and a fixed support frame fixed to the end of the fixed plate, the movable support frame is formed with a guide bar sliding along the fixed support frame, A spring may be installed to elastically support the guide bar with respect to the fixed frame.
상기 전도성 블록은 바인더 재료로서 시멘트에 탄소나노튜브와 미세 금속입자를 포함하여 만들어진다. The conductive block is made of carbon nanotubes and fine metal particles in cement as a binder material.
본 발명에 따르면, 건축 구조물에 손상이 발생하게 되면, 압저항 센서 모듈의 전도성 블록에 재하되는 하중에 변화가 발생하게 되며, 이에 따라 전도성 블록 내의 탄소나노튜브의 간격이 변하여 계측부의 마이크로제어유닛에 의해 측정되는 저항값이 변하게 되고, 이 저항값 변화를 통해 건축 구조물의 손상 여부를 분석 및 통지할 수 있게 된다. According to the present invention, if damage is caused to the building structure, a change occurs in the load on the conductive block of the piezoresistive sensor module. Accordingly, the interval of carbon nanotubes in the conductive block is changed to the microcontrol unit of the measurement unit. The resistance value measured is changed, and the change in the resistance value enables analysis and notification of damage to the building structure.
특히 본 발명의 압저항 센서 모듈은 건축 구조물의 외벽으로 노출된 일측면에 바람의 압력에 의해 반복적으로 접촉 및 분리되면서 전력을 생산하는 발전부가 구성되어 있으므로 별도의 배터리 교체 작업을 수행하지 않더라도 항시적으로 계측부로 전원을 공급하여 건축 구조물의 안전성을 비파괴 검사할 수 있다. In particular, the piezoresistive sensor module of the present invention is a power generation unit that generates power while repeatedly contacting and separating by wind pressure on one side exposed to the outer wall of a building structure, so that even if a separate battery replacement is not performed By supplying power to the measuring unit, the safety of building structures can be inspected nondestructively.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자가발전형 압저항 센서 모듈이 건축 구조물에 설치된 상태를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 자가발전형 압저항 센서 모듈을 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 압저항 센서 모듈의 작동례를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 자가발전형 압저항 센서 모듈에 구성되는 발전부에서 전력을 생산하는 원리를 나타내는 도면이다.
도 5는 도 2에 도시된 압저항 센서 모듈에 구성된 발전부의 작동 원리를 나타낸 도면이다.
도 6은 도 5에 도시된 발전부의 회로 구성을 나타낸 도면이다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명에 따른 자가발전형 압저항 센서 모듈에 구성되는 발전부의 다른 실시예를 나타낸 요부 단면도이다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명에 따른 자가발전형 압저항 센서 모듈의 작동례를 나타낸 도면이다. 1 is a view showing a self-powered piezoresistive sensor module installed in a building structure according to an embodiment of the present invention.
2 is a view showing a self-powered piezoresistive sensor module according to an embodiment of the present invention.
3 is a diagram illustrating an operation example of the piezoresistive sensor module illustrated in FIG. 2.
4 is a view showing the principle of producing power in the power generation unit configured in the self-powered piezoresistive sensor module according to the present invention.
5 is a view showing the operating principle of the power generation unit configured in the piezoresistive sensor module shown in FIG.
6 is a diagram illustrating a circuit configuration of the power generation unit illustrated in FIG. 5.
7a and 7b is a sectional view of the main portion showing another embodiment of the power generation unit configured in the self-powered piezoresistive sensor module according to the present invention.
8A and 8B are views showing an example of operation of the self-powered piezoresistive sensor module according to the present invention.
본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 개시된 발명의 바람직한 일 예에 불과할 뿐이며, 본 출원의 출원시점에 있어서 본 명세서의 실시예와 도면을 대체할 수 있는 다양한 변형 예들이 있을 수 있다.Configurations shown in the embodiments and drawings described herein are only preferred examples of the disclosed invention, and there may be various modifications that may substitute the embodiments and drawings of the present specification at the time of filing of the present application.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 자가발전형 압저항 센서 모듈을 후술된 실시예에 따라 구체적으로 설명하도록 한다. Hereinafter, a self-powering piezoresistive sensor module according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 자가발전형 압저항 센서 모듈(1)은, 바인더 재료 전도성 재료가 혼입되어 전도성을 갖는 전도성 블록(10)과, 상기 전도성 블록(10) 내부에 설치되어 건축 구조물의 하중 변화에 의한 전도성 블록(10)의 저항 변화를 측정하는 계측부(30), 상기 전도성 블록(10)의 일측면에 건축 구조물의 외부로 노출되게 설치되어 건축 구조물의 외부에서 가해지는 바람의 압력에 의해 변형되면서 전력을 생성하는 발전부(40), 상기 발전부(40)와 전기적으로 연결되어 발전부(40)에서 생성된 전력을 충전하여 계측부(30)의 전기부품에 전원을 공급하는 축전지(50)를 포함한다. 1 and 2, a self-powered
상기 전도성 블록(10)은 다각면체(이 실시예에서 육면체)의 블록 형태로 되어 건축 구조물 내부에 매립 설치되어 건축 구조물의 하중을 전달받는다. 상기 전도성 블록(10)은 바인더 재료로서 시멘트에 탄소나노튜브(11)와 미세 금속입자(12)를 포함하여 만들어진 CNT-시멘트 복합체이다. 좀 더 구체적으로 탄소나노튜브와 미세 금속입자(12)를 물에 혼입한 후 소니케이션(sonication) 등을 수행하고, 탄소나노튜브(11)와 미세 금속입자(12)의 수용액을 시멘트에 혼합한 후 양생하여 만들어진다. The
탄소나노튜브(CNT : Carbon Nanotube)는 튜브형태의 나노크기의 작은 입자로서 sp2라는 강한 화학결합에 의한 독특한 구조적, 화학적, 기계적 및 전기적 성질을 바탕으로 여러 분야에서 활용되고 있다. 상기 탄소나노튜브(11)는 다양한 종류의 것이 사용될 수 있지만, 다양한 길이를 갖는 다중벽 탄소나노튜브(Multi-wall carbon nanotubes)를 사용하는 것이 바람직하다. Carbon nanotubes (CNT: Carbon Nanotubes) are small-sized nanoparticles in the form of tubes, and are used in various fields based on their unique structural, chemical, mechanical and electrical properties due to the strong chemical bond called sp2. The
상기 탄소나노튜브(11)는 시멘트의 0.3 ~ 0.6 중량%로 혼합되는 것이 바람직하며, 0.4 중량%로 혼입되는 것이 가장 바람직하다. 탄소나노튜브의 양이 0.3 중량% 미만이면 시멘트 매트릭스의 전기전도도가 현저히 낮아 압저항 센서로서 사용이 부적합하다. 또한, 0.6 중량%를 초과하게 되면 탄소나노튜브가 시멘트 내에 충분히 분포되어 있어 분산체들 사이의 간격이 좁아 압축력을 가하더라도 상대적으로 작은 크기의 저항이 줄어들게 된다. 따라서 전기저항 변화율은 오히려 감소하며 사용량만 증가하게 되어 경제성이 저하된다.The
상기 시멘트와 탄소나노튜브(11) 및 미세 금속입자(12)를 혼합할 때 분산제를 추가로 혼합할 수 있다. 상기 분산제는 탄소나노튜브와 미세 금속입자가 시멘트 내에서 더 잘 분산될 수 있도록 하는 작용을 하게 되는데, 분산제로는 폴리머 분산제(계면활성제)를 사용하는 것이 바람직하다. 상기 폴리머 분산제로는 polyoxyethylene 8 lauryl, nonylphenol ethoxylate, polyoxyethylene octylphenylether, sodium dodecylsulfate (SDS), sodium dodecylbenzenesulfonate (SDBS), Polysodium4-styrenesulfonate (PSS), dodecyl tri-methyl ammoniumbromide (DTAB), cetyltrimethylammounium 4-vinylbenzoate (CTVB) 로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나 이상을 사용할 수 있다. 상기 탄소나노재료와 분산제는 1:1의 중량비로 혼합되는 것이 바람직하다. When the cement and the
상기 미세 금속입자(12)는 마이크로 스케일의 입자로서, 전도성 블록(10) 내에서 탄소나노튜브(11)에 의해 형성되는 전기전도로(Electrical pathway)의 공극을 메움으로써 전기전도성을 향상시키는 기능을 한다. 상기 미세 금속입자는 시멘트 내에서 입자의 분산성이 우수하고 우수한 전기 전도성을 갖는 카르보닐 철 입자(CIP; Carbonyl Iron Particle)인 것이 바람직하다. The
상기 전도성 블록(10)은 건축 구조물 내부에 매립되어 건축 구조물의 하중을 받아 압축되는데, 도 3에 도시한 것과 같이 크랙 발생 등으로 인하여 건축 구조물로부터 가해지는 하중이 변화하게 되면 전도성 블록(10) 내부에서 탄소나노튜브(11)와 미세 금속입자(12) 간의 간격이 변하게 되어 이들에 의해 생성되는 전기 저항값이 변하게 된다. 이러한 전도성 블록(10)에 가해지는 하중 변화에 따른 저항값 변화를 측정할 수 있도록 하기 위하여 전도성 블록(10) 내부에 계측부(30)가 구성된다. The
이 실시예에서 상기 계측부(30)는, 전도성 블록(10) 내부에 설치되어 저항 변화를 측정하는 마이크로제어유닛(MCU; Microcontroller Unit)(31)과, 상기 마이크로제어유닛(31)에 전기적으로 연결되며 전도성 블록(10) 내에 매립되는 한 쌍의 전극판(32)과, 상기 마이크로제어유닛(31)에 의해 측정된 데이터를 무선통신 또는 유선통신을 통해 외부의 서버 또는 컴퓨터로 전송하는 통신유닛(33)을 포함할 수 있다. In this embodiment, the
상기 마이크로제어유닛(31)과 통신유닛(33), 축전지(50)를 비롯한 각종 전기부품 및 전기회로는 케이싱(미도시) 내부에 설치되어 외력으로부터 보호될 수 있다. 상기 한 쌍의 전극판(32)은 구리와 같이 전기전도성이 우수한 금속으로 이루어지며, 케이싱(미도시)의 상부면을 관통하여 상측으로 연장되게 설치된다. Various electric parts and electric circuits including the
상기 통신유닛(33)은 마이크로제어유닛(31)에 의해 측정된 저항값을 무선통신 또는 유선통신을 통해 건축 구조물의 안전성을 모니터링하는 시스템의 서버 또는 컴퓨터로 전송한다. 통신유닛(33)으로는 Wi-Fi, RF4CE(ZigBee), 블루투스, 무선 LAN, Cellular 등 공지의 근거리 무선통신 또는 원거리 무선통신 모듈을 적용하여 구성할 수 있다. The
상기 발전부(40)는 건축 구조물의 외벽면으로 노출되는 전도성 블록(10)의 일측면에 외부로 노출되게 설치되어 건축 구조물의 외부에서 가해지는 바람의 압력에 의해 변형되면서 계측부(30)에서 사용될 전력을 생성한다.The
이 실시예에서 상기 발전부(40)는, 건축 구조물의 외부로 노출된 측면에 고정되는 고정판(41)과, 상기 고정판(41)의 외측에 일정 간격 이격되게 설치되어 바람의 압력에 의해 고정판(41)의 외면과 반복적으로 접촉되면서 표면이 대전되는 가동판(42)과, 상기 고정판(41)과 가동판(42)의 표면에 부착되며 상기 축전지(50)와 전기적으로 연결된 복수의 발전기 전극(43) 및, 상기 가동판(42)과 고정판(41)의 끝단부에 설치되어 가동판(42)과 고정판(41)을 일정 거리 이격된 상태로 지지하는 서포트프레임(44)을 포함하여, 상기 고정판(41)과 가동판(42)의 접촉 및 분리 시에 발생하는 정전기 유도 현상에 의해 전자의 이동이 발생하는 마찰형 나노발전기(TENG)로 구성될 수 있다. In this embodiment, the
상기 가동판(42)은 폴리이미드(polyimide) 재질의 필름 또는 얇은 평판으로 이루어질 수 있다. 그리고 고정판(41)은 폴리메타크릴산 메틸(PMMA; Poly(methyl methacrylate) 재질의 필름 또는 얇은 평판으로 이루어질 수 있다. 가동판(42)과 고정판(41)의 상단부 및 하단부는 전도성 블록(10)의 일측면에 고정되는 서포트프레임(44)에 의해 소정의 간격을 두고 설치된다. 따라서 바람의 압력에 의해 가동판(42)이 압력을 받으면 가동판(42)이 탄력적으로 휘어지면서 고정판(41)과 접촉 및 분리를 반복하게 된다. The
도 4 내지 도 6에 도시한 것과 같이, 상기 발전부(40)의 가동판(42)이 바람의 압력에 의해 고정판(41)과 접촉하게 되면, 전기 음성도의 차이에 의해 가동판(42)과 고정판(41)의 표면이 음전하와 양전하로 대전되고, 가동판(42)과 고정판(41)이 분리되면 정전기 유도 현상에 의해 가동판(42)과 고정판(41)에 부착된 발전기 전극(43)에 보상 전하가 축적된다. 이에 따라 전하 균형이 맞을 때까지 전극을 통해 전류가 흐르게 된다. 가동판(42)과 고정판(41)이 다시 가까워지면, 축적되었던 보상 전하가 사라지게 되므로 처음과는 반대방향의 전류가 외부 전극을 통해 흐르게 된다. 이러한 음전하와 양전하로 대전된 가동판(42)과 고정판(41)의 반복적인 접촉 및 분리 과정을 통해 발전기 전극(43)을 통해 지속적으로 교류전류가 흐르게 되어 전력이 생성된다. As shown in FIGS. 4 to 6, when the
이러한 가동판(42)과 고정판(41)의 반복적인 접촉 및 분리에 의한 전류 흐름을 원활하게 하여 충분한 전력을 형성하기 위하여, 도 7a 및 도 7b에 도시한 것과 같이 가동판(42)과 고정판(41)이 고정되는 서포트프레임(44)을 각각 가동 서포트프레임(442)과 고정 서포트프레임(441)으로 분할하여 구성하고, 가동 서포트프레임(442)에 고정 서포트프레임(441)을 따라 슬라이딩하는 가이드바아(443)를 형성하며, 상기 고정 서포트프레임(441)에 대해 가이드바아(443)를 탄력적으로 지지하는 스프링(444)을 설치할 수 있다. 이 경우, 바람의 압력에 의해 가동판(42)이 고정판(41) 쪽으로 이동하여 접촉할 때 스프링(444)의 탄성력에 의해 가동판(42)이 고정판(41)에 더 많은 횟수로 접촉 및 반복되면서 전기를 생산할 수 있게 된다. In order to smoothly flow the current by repeated contact and separation of the
상기 발전부(40)에서 생산된 전력은 축전지(50)에 저장된 후 계측부(30)의 마이크로제어유닛(31)과 통신유닛(33)을 비롯한 각종 전기부품으로 공급된다. The electric power produced by the
이와 같이 구성된 본 발명의 압저항 센서 모듈(1)은 도 8a에 도시된 것과 같이 건축 구조물 내부에 복수개가 횡방향으로 배열되어 건축 구조물의 하중에 따른 저항값을 측정하고, 저항값 변화에 의해 건축 구조물의 손상을 감지하게 된다. The
만약 도 8b에 도시한 것과 같이 자연재해나 노후화로 인하여 건축 구조물에 손상이 발생하게 되면, 압저항 센서 모듈(1)의 전도성 블록(10)에 재하되는 하중에 변화가 발생하게 되며, 이에 따라 전도성 블록(10) 내의 탄소나노튜브(11)의 간격이 변하여 계측부(30)의 마이크로제어유닛(31)에 의해 측정되는 저항값이 변하게 된다. If damage occurs to the building structure due to natural disasters or aging, as shown in FIG. 8B, a change occurs in the load on the
압저항 센서 모듈(1)의 계측부(30)는 마이크로제어유닛(31)에 의해 측정되는 저항값이 변하게 되면, 이 측정값에 대한 신호를 통신유닛(33)을 통해 외부 모니터링 시스템의 서버나 컴퓨터 등에 전송하여 건축 구조물의 손상 여부를 분석 및 통지한다. When the resistance value measured by the
이러한 본 발명의 압저항 센서 모듈(1)은 건축 구조물의 외벽으로 노출된 일측면에 바람의 압력에 의해 반복적으로 접촉 및 분리되면서 전력을 생산하는 발전부(40)가 구성되어 있으므로 별도의 배터리 교체 작업을 수행하지 않더라도 항시적으로 계측부(30)로 전원을 공급하여 건축 구조물의 안전성을 비파괴 검사할 수 있다. The
건축 구조물의 외벽으로 노출되는 면을 갖지 않고 건축 구조물 내부로 완전히 매립된 압저항 센서 모듈(1)의 계측부(30)는 상기 발전부(40)가 구성되어 있는 압저항 센서 모듈(1)의 발전부(40)와 전기적으로 연결되어 생산된 전력을 공급받는다. The
이상에서 본 발명은 실시예를 참조하여 상세히 설명되었으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기에서 설명된 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 부가 및 변형이 가능할 것임은 당연하며, 이와 같은 변형된 실시 형태들 역시 아래에 첨부한 특허청구범위에 의하여 정하여지는 본 발명의 보호 범위에 속하는 것으로 이해되어야 할 것이다.Although the present invention has been described in detail with reference to the embodiments, those skilled in the art to which the present invention pertains will be capable of various substitutions, additions, and modifications within the scope without departing from the technical spirit described above. It is to be understood that such modified embodiments also fall within the protection scope of the invention as defined by the appended claims below.
1 : 압저항 센서 모듈 10 : 전도성 블록
11 : 탄소나노튜브 12 : 미세 금속입자
30 : 계측부 31 : 마이크로제어유닛(MCU)
32 : 전극판 33 : 통신유닛
40 : 발전부 41 : 고정판
42 : 가동판 43 : 발전부 전극
44 : 서포트프레임 441 : 고정 서포트프레임
442 : 가동 서포트프레임 443 : 가이드바아
444 : 스프링 50 : 축전지1: Piezoresistive sensor module 10: Conductive block
11: carbon nanotube 12: fine metal particles
30: measuring unit 31: micro control unit (MCU)
32: electrode plate 33: communication unit
40: power generation unit 41: fixed plate
42: movable plate 43: power generation unit electrode
44: support frame 441: fixed support frame
442: movable support frame 443: guide bar
444: spring 50: storage battery
Claims (6)
상기 전도성 블록(10) 내부에 설치되어 건축 구조물의 하중 변화에 의한 전도성 블록(10)의 저항 변화를 측정하는 계측부(30);
상기 전도성 블록(10)의 일측면에 건축 구조물의 외부로 노출되게 설치되어, 건축 구조물의 외부에서 가해지는 바람의 압력에 의해 변형되면서 전력을 생성하는 발전부(40); 및,
상기 계측부(30)에 설치되며, 상기 발전부(40)와 전기적으로 연결되어 발전부(40)에서 생성된 전력을 충전하여 계측부(30)의 전기부품에 전원을 공급하는 축전지(50);
를 포함하고,
상기 발전부(40)는, 건축 구조물의 외부로 노출된 측면에 고정되는 고정판(41)과, 상기 고정판(41)의 외측에 일정 간격 이격되게 설치되어 바람의 압력에 의해 고정판(41)의 외면과 반복적으로 접촉되면서 표면이 대전되는 가동판(42)과, 상기 고정판(41)과 가동판(42)의 표면에 부착되며 상기 축전지(50)와 전기적으로 연결된 복수의 발전기 전극(43)을 포함하여, 상기 고정판(41)과 가동판(42)의 접촉 및 분리 시에 발생하는 정전기 유도 현상에 의해 전자의 이동이 발생하는 마찰형 나노발전기(TENG)인 자가발전형 압저항 센서 모듈.A conductive block 10 made by mixing carbon nanotubes in a binder material and embedded in the building structure to receive a load of the building structure;
A measurement unit 30 installed inside the conductive block 10 to measure a resistance change of the conductive block 10 due to a load change of a building structure;
A power generation unit 40 installed on one side of the conductive block 10 to be exposed to the outside of the building structure and generating power while being deformed by the pressure of the wind applied from the outside of the building structure; And,
A storage battery 50 installed in the measurement unit 30 and electrically connected to the power generation unit 40 to charge power generated by the power generation unit 40 to supply power to the electrical components of the measurement unit 30;
Including,
The power generation unit 40, the fixed plate 41 is fixed to the side exposed to the outside of the building structure, the outer surface of the fixed plate 41 is installed to be spaced apart from the fixed plate 41 by a predetermined gap. And a plurality of generator electrodes 43 attached to surfaces of the fixed plate 41 and the movable plate 42 and electrically connected to the storage battery 50 while repeatedly contacting the surface. Thus, the self-powered piezoresistive sensor module is a friction type nanogenerator (TENG) in which the movement of electrons by the electrostatic induction phenomenon generated during the contact and separation of the fixed plate 41 and the movable plate 42.
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