KR102280875B1 - Flexible multi piezoelectric module for monitoring sensor for structural diagnosis and energy harvester having excellent output voltage characteristics through electrode array and module connection structure optimization - Google Patents
Flexible multi piezoelectric module for monitoring sensor for structural diagnosis and energy harvester having excellent output voltage characteristics through electrode array and module connection structure optimization Download PDFInfo
- Publication number
- KR102280875B1 KR102280875B1 KR1020190055550A KR20190055550A KR102280875B1 KR 102280875 B1 KR102280875 B1 KR 102280875B1 KR 1020190055550 A KR1020190055550 A KR 1020190055550A KR 20190055550 A KR20190055550 A KR 20190055550A KR 102280875 B1 KR102280875 B1 KR 102280875B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- electrode
- module
- piezoelectric
- piezoelectric fiber
- output voltage
- Prior art date
Links
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 title claims abstract description 35
- 238000003745 diagnosis Methods 0.000 title claims abstract description 34
- 238000005457 optimization Methods 0.000 title abstract description 8
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims abstract description 86
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 39
- 229920006254 polymer film Polymers 0.000 claims abstract description 13
- 241001124569 Lycaenidae Species 0.000 claims abstract description 4
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 16
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 description 16
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 14
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 11
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 8
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 7
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 7
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 3
- 239000004642 Polyimide Substances 0.000 description 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 2
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 229920000139 polyethylene terephthalate Polymers 0.000 description 2
- 239000005020 polyethylene terephthalate Substances 0.000 description 2
- 229920001721 polyimide Polymers 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 2
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 description 2
- 241000251468 Actinopterygii Species 0.000 description 1
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011324 bead Substances 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 230000001066 destructive effect Effects 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 1
- 238000001523 electrospinning Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 239000003546 flue gas Substances 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 229920000515 polycarbonate Polymers 0.000 description 1
- 239000004417 polycarbonate Substances 0.000 description 1
- 239000011112 polyethylene naphthalate Substances 0.000 description 1
- -1 polyethylene terephthalate Polymers 0.000 description 1
- 229920001296 polysiloxane Polymers 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- 238000005303 weighing Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H10N30/702—
-
- H01L41/082—
-
- H01L41/047—
-
- H01L41/083—
-
- H01L41/193—
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/50—Piezoelectric or electrostrictive devices having a stacked or multilayer structure
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/80—Constructional details
- H10N30/85—Piezoelectric or electrostrictive active materials
- H10N30/857—Macromolecular compositions
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/80—Constructional details
- H10N30/87—Electrodes or interconnections, e.g. leads or terminals
Abstract
전극 폭 0.08 ~ 0.12mm 및 전극 간격 0.18 ~ 0.22mm로 설계된 적어도 둘 이상의 압전섬유 모듈 간의 연결 방법 및 배열 방법의 최적화를 도출하여 우수한 출력 전압 특성을 나타내는 구조를 도출한 전극 배열 및 모듈 연결 구조 최적화를 통해 우수한 출력 전압 특성을 갖는 구조진단용 모니터링 센서 및 에너지 하베스터용 플렉서블 멀티 압전체 모듈에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 구조진단용 모니터링 센서 및 에너지 하베스터용 플렉서블 멀티 압전체 모듈은 적어도 둘 이상이 전기적으로 연결된 압전섬유 모듈;을 포함하며, 상기 압전섬유 모듈 각각은 압전 섬유층과, 상기 압전 섬유층의 일면에 부착되며, 제1 전극과, 상기 제1 전극을 지지하는 제1 고분자 필름을 갖는 제1 전극 구조체와, 상기 압전 섬유층의 타면에 부착되며, 제2 전극과, 상기 제2 전극을 지지하는 제2 고분자 필름을 갖는 제2 전극 구조체를 포함하는 것을 특징으로 한다.Optimization of the electrode arrangement and module connection structure that derives a structure showing excellent output voltage characteristics by deriving the optimization of the connection method and arrangement method between at least two piezoelectric fiber modules designed with an electrode width of 0.08 to 0.12 mm and an electrode spacing of 0.18 to 0.22 mm Disclosed are a monitoring sensor for structural diagnosis and a flexible multi-piezoelectric module for energy harvesters having excellent output voltage characteristics.
The flexible multi-piezoelectric module for a monitoring sensor for structural diagnosis and an energy harvester according to the present invention includes a piezoelectric fiber module electrically connected to at least two or more, and each of the piezoelectric fiber modules includes a piezoelectric fiber layer and a piezoelectric fiber layer attached to one side of the layer, , a first electrode, a first electrode structure having a first polymer film supporting the first electrode, and a second polymer film attached to the other surface of the piezoelectric fiber layer and supporting the second electrode and the second electrode It is characterized in that it comprises a second electrode structure having a.
Description
본 발명은 구조진단용 모니터링 센서 및 에너지 하베스터용 플렉서블 멀티 압전체 모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전극 폭 0.08 ~ 0.12mm 및 전극 간격 0.18 ~ 0.22mm로 설계된 적어도 둘 이상의 압전섬유 모듈 간의 연결 방법 및 배열 방법의 최적화를 도출하여 우수한 출력 전압 특성을 나타내는 구조를 도출한 전극 배열 및 모듈 연결 구조 최적화를 통해 우수한 출력 전압 특성을 갖는 구조진단용 모니터링 센서 및 에너지 하베스터용 플렉서블 멀티 압전체 모듈에 관한 것이다.The present invention relates to a monitoring sensor for structural diagnosis and a flexible multi-piezoelectric module for an energy harvester, and more particularly, a connection method and arrangement method between at least two piezoelectric fiber modules designed with an electrode width of 0.08 to 0.12 mm and an electrode spacing of 0.18 to 0.22 mm. It relates to a monitoring sensor for structural diagnosis and a flexible multi-piezoelectric module for energy harvesters that have excellent output voltage characteristics through the optimization of the electrode arrangement and module connection structure, which derives the optimization of the structure showing excellent output voltage characteristics.
압전 세라믹은 전자산업과 메카트로닉스 분야에서 중요한 역할을 하며, 초음파 송수신용, 비파괴용 초음파 트랜스듀서, 어군 탐지기, 광세트, 광변조기 컬러필터, 연소가스 조정용 액추에이터를 비롯한 특수용 압전체에 이용된다.Piezoelectric ceramics play an important role in the electronics industry and mechatronics fields, and are used in special-purpose piezoelectric bodies including ultrasonic transmission/reception, non-destructive ultrasonic transducers, fish finders, optical sets, light modulator color filters, and actuators for flue gas control.
Pb(Zr,Ti)O3(이하, 'PZT'라고 함.)는 압전 특성이 우수하고 가격이 저렴하면서 제조 공정기술이 잘 알려져 있는 압전 재료로서 많은 응용분야에서 이용되고 있다. PbTiO3와 PbZrO3의 고용체에 있어서 정방정계-삼방정계의 상경계에서 강한 압전성을 가지면서 390℃의 퀴리(Curie) 온도를 가지는 PZT 고용체가 발견되었다.Pb(Zr,Ti)O 3 (hereinafter, referred to as 'PZT') is a piezoelectric material with excellent piezoelectric properties, low price, and well-known manufacturing process technology, and is used in many application fields. In a solid solution of PbTiO 3 and PbZrO 3 , a PZT solid solution having strong piezoelectricity at the tetragonal-trigonal phase boundary and a Curie temperature of 390° C. was found.
이에 따라, 이러한 세라믹을 이용해서 압전효과를 이용한 액츄에이터(actuator), 주파수 출력형 센서(frequency output sensor), 압전 트랜스듀서(piezoelectric transducer), 진동자(resonator) 등의 여러 전자소자로서 압전 세라믹의 활용에 대한 연구가 광범위하게 이루어져 왔다.Accordingly, the use of piezoelectric ceramics as various electronic devices such as actuators, frequency output sensors, piezoelectric transducers, and resonators using the piezoelectric effect by using these ceramics is important. extensive research has been done.
이러한 PZT는 우수한 압전 및 유전 특성을 가지고 있어 여러 분야에 널리 사용되고 있으나, 세라믹의 약한 강도와 곡선형상의 어려움, 벌크 형태로 인한 디바이스 내의 일정 공간을 차지한다는 단점을 가지고 있다.Such PZT has excellent piezoelectric and dielectric properties and is widely used in various fields, but has disadvantages in that it occupies a certain space in the device due to the weak strength of ceramics, difficulty in curved shape, and bulk shape.
이에 반해, 압전섬유 모듈은 뛰어난 압전 성능과 휘거나 구부렸을 때 박막에 비해 구조적 손상이 훨씬 덜 하고, 압전섬유를 연신이 가능한 기판(substrate)에 받아서 소자를 만들 경우 펼 수 있는(stretchable) 소자 제작도 가능하다는 이점이 있다.On the other hand, the piezoelectric fiber module has excellent piezoelectric performance and much less structural damage compared to the thin film when bent or bent, and when the piezoelectric fiber is placed on a stretchable substrate to make the device, a stretchable device is manufactured. There is also the advantage of being able to
최근에는 1개의 압전섬유 모듈로 이루어진 단일 모듈을 통한 에너지 하베스터와 구조진단용 모니터링 센서로의 사용 가능 여부를 확인하려는 연구가 활발히 진행되고 있다.Recently, research is being actively conducted to check whether a single module composed of one piezoelectric fiber module can be used as an energy harvester and a monitoring sensor for structural diagnosis.
그러나, 대부분의 에너지 하베스터와 구조진단용 모니터링 센서에서는 2개 이상의 압전섬유 모듈이 연결된 듀얼 모듈 형태로 사용되고 있다.However, in most energy harvesters and monitoring sensors for structural diagnosis, two or more piezoelectric fiber modules are connected in the form of a dual module.
또한, 압전섬유 모듈이 사용되는 주위 환경에 따라 압전섬유 모듈이 배열되는 형태가 달라지고 있으나, 아직까지 압전섬유 모듈의 배열 형태를 최적화시킨 에너지 하베스터와 구조진단용 모니터링 센서용 플렉서블 멀티 압전체 모듈에 대하여 보고된 바가 없다.In addition, although the arrangement of the piezoelectric fiber module varies depending on the surrounding environment in which the piezoelectric fiber module is used, an energy harvester that has optimized the arrangement of the piezoelectric fiber module and a flexible multi-piezoelectric module for structural diagnosis monitoring sensors are reported. nothing has happened
관련 선행 문헌으로는 대한민국 공개특허공보 제10-2007-0021326호(2007.02.22. 공개)가 있으며, 상기 문헌에는 구조물의 건전성 감시용 센서 및 시스템이 기재되어 있다.As a related prior document, there is Republic of Korea Patent Publication No. 10-2007-0021326 (published on February 22, 2007), which describes a sensor and system for monitoring the health of a structure.
본 발명의 목적은 전극 폭 0.08 ~ 0.12mm 및 전극 간격 0.18 ~ 0.22mm로 설계된 적어도 둘 이상의 압전섬유 모듈 간의 연결 방법 및 배열 방법의 최적화를 도출하여 우수한 출력 전압 특성을 나타내는 구조를 도출한 전극 배열 및 모듈 연결 구조 최적화를 통해 우수한 출력 전압 특성을 갖는 구조진단용 모니터링 센서 및 에너지 하베스터용 플렉서블 멀티 압전체 모듈을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to derive the optimization of the connection method and arrangement method between at least two piezoelectric fiber modules designed with an electrode width of 0.08 to 0.12 mm and an electrode spacing of 0.18 to 0.22 mm to derive a structure showing excellent output voltage characteristics, and It is to provide a flexible multi-piezoelectric module for a structural diagnosis monitoring sensor and an energy harvester with excellent output voltage characteristics by optimizing the module connection structure.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 전극 배열 및 모듈 연결 구조 최적화를 통해 우수한 출력 전압 특성을 갖는 구조진단용 모니터링 센서 및 에너지 하베스터용 플렉서블 멀티 압전체 모듈은 적어도 둘 이상이 전기적으로 연결된 압전섬유 모듈;을 포함하며, 상기 압전섬유 모듈 각각은 압전 섬유층과, 상기 압전 섬유층의 일면에 부착되며, 제1 전극과, 상기 제1 전극을 지지하는 제1 고분자 필름을 갖는 제1 전극 구조체와, 상기 압전 섬유층의 타면에 부착되며, 제2 전극과, 상기 제2 전극을 지지하는 제2 고분자 필름을 갖는 제2 전극 구조체를 포함하는 것을 특징으로 한다.A flexible multi-piezoelectric module for a monitoring sensor for structural diagnosis and an energy harvester having excellent output voltage characteristics through optimizing the electrode arrangement and module connection structure according to an embodiment of the present invention for achieving the above object is a piezoelectric fiber electrically connected to at least two or more module; includes, wherein each of the piezoelectric fiber modules includes a piezoelectric fiber layer, a first electrode structure attached to one surface of the piezoelectric fiber layer, and a first electrode structure having a first electrode and a first polymer film supporting the first electrode; It is attached to the other surface of the piezoelectric fiber layer, it characterized in that it comprises a second electrode and a second electrode structure having a second polymer film supporting the second electrode.
본 발명에 따른 구조진단용 모니터링 센서 및 에너지 하베스터용 플렉서블 멀티 압전체 모듈은 전극 폭 0.08 ~ 0.12mm 및 전극 간격 0.18 ~ 0.22mm로 설계된 적어도 둘 이상의 압전섬유 모듈 간의 연결 방법 및 배열 방법의 최적화를 도출하여 우수한 출력 전압 특성을 나타내는 구조를 알아내었다.The flexible multi-piezoelectric module for a monitoring sensor for structural diagnosis and an energy harvester according to the present invention is excellent by deriving the optimization of the connection method and arrangement method between at least two piezoelectric fiber modules designed with an electrode width of 0.08 to 0.12 mm and an electrode spacing of 0.18 to 0.22 mm. A structure representing the output voltage characteristics was found.
이 결과, 본 발명에서는 실제 우리 생활 주위에서 사용되고 있는 구조물(실리콘 호스)에 부착하여 구조 진단용 모니터링 센서에 사용 가능한 최적의 플렉서블 압전섬유 모듈의 연결방법 및 배열방법을 알아내었습니다.As a result, in the present invention, we found the optimal connection method and arrangement method of a flexible piezoelectric fiber module that can be attached to a structure (silicon hose) used around our lives and used for a monitoring sensor for structural diagnosis.
또한, 본 발명에서는 신체 움직임에 따른 에너지 하베스터로의 사용 가능성을 확인하기 위해 플렉서블 압전섬유 모듈을 신발에 부착하여 연결 방법 및 배열 방법에 따른 최적의 전압 출력 특성을 도출하였습니다.In addition, in the present invention, in order to confirm the possibility of use as an energy harvester according to body movement, a flexible piezoelectric fiber module was attached to a shoe to derive optimal voltage output characteristics according to the connection method and arrangement method.
이에 더불어, 본 발명의 플렉서블 멀티 압전체 모듈을 에너지 하베스터로 사용할 시에는 x축 방향으로 적어도 둘 이상의 압전섬유 모듈을 나란히 배열시키되, 병렬연결보다는 직렬연결로 압전섬유 모듈 상호 간을 연결시키는 것이 더 높은 출력 특성을 발휘한다는 것을 확인하였다.In addition, when using the flexible multi-piezoelectric module of the present invention as an energy harvester, at least two or more piezoelectric fiber modules are arranged side by side in the x-axis direction. characteristics were confirmed.
또한, 본 발명의 플렉서블 멀티 압전체 모듈을 구조진단용 모니터링 센서로 사용할 시에는 z축 방향으로 적어도 둘 이상의 압전섬유 모듈을 적층 배열시키되, 병렬연결보다는 직렬연결로 압전섬유 모듈 상호 간을 연결시키는 것이 출력 특성을 향상시키는데 보다 유리하다는 것을 알아내었다.In addition, when the flexible multi-piezoelectric module of the present invention is used as a monitoring sensor for structural diagnosis, at least two or more piezoelectric fiber modules are stacked in the z-axis direction, and the output characteristic is to connect the piezoelectric fiber modules in series rather than in parallel. was found to be more advantageous in improving
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 구조진단용 모니터링 센서 및 에너지 하베스터용 플렉서블 멀티 압전체 모듈을 나타낸 결합 사시도.
도 2는 도 1의 단일 압전섬유 모듈을 확대하여 나타낸 분해 사시도.
도 3은 도 2의 제1 전극을 확대하여 나타낸 평면도.
도 4는 본 발명의 변형예에 따른 구조진단용 모니터링 센서 및 에너지 하베스터용 플렉서블 멀티 압전체 모듈을 나타낸 결합 사시도.
도 5는 x축 방향으로 모듈 배열시의 연결방법에 따른 출력 전압 특성을 평가한 결과를 나타낸 그래프.
도 6은 x축 방향으로 모듈 배열시의 연결방법에 따른 굽힘운동에 의한 출력 전압 특성을 평가한 결과를 나타낸 그래프.
도 7은 x축 방향으로 모듈 배열시의 연결방법에 따른 변위값 측정 결과를 나타낸 그래프.
도 8은 z축 방향으로 모듈 배열시의 연결방법에 따른 출력 전압 특성을 평가한 결과를 나타낸 그래프.
도 9는 z축 방향으로 모듈 배열시의 연결방법에 따른 굽힘운동에 의한 출력 전압 특성을 평가한 결과를 나타낸 그래프.
도 10은 z축 방향으로 모듈 배열시의 연결방법에 따른 변위값 측정 결과를 나타낸 그래프.
도 11은 모듈 배열 방법에 따른 신체 움직임에 의한 에너지 하베스터의 출력 전압 특성을 평가한 결과를 나타낸 그래프.
도 12는 신체 움직임의 속도에 따른 에너지 하베스터의 출력 전압 특성을 평가한 결과를 나타낸 그래프.
도 13은 모듈 배열 방법에 따른 구조진단용 모니터링 센서의 출력 전압 특성을 평가한 결과를 나타낸 그래프.
도 14는 호스의 구멍 사이즈에 따른 구조진단용 모니터링 센서의 출력 전압 특성을 평가한 결과를 나타낸 그래프.1 is a combined perspective view showing a flexible multi-piezoelectric module for a monitoring sensor for structural diagnosis and an energy harvester according to an embodiment of the present invention;
Figure 2 is an exploded perspective view showing an enlarged single piezoelectric fiber module of Figure 1;
3 is an enlarged plan view of the first electrode of FIG. 2;
4 is a combined perspective view showing a flexible multi-piezoelectric module for a monitoring sensor for structural diagnosis and an energy harvester according to a modified example of the present invention.
5 is a graph showing the results of evaluating the output voltage characteristics according to the connection method when the modules are arranged in the x-axis direction.
6 is a graph showing the result of evaluating the output voltage characteristic by bending motion according to the connection method when the modules are arranged in the x-axis direction.
7 is a graph showing the displacement value measurement results according to the connection method when the modules are arranged in the x-axis direction.
8 is a graph showing the results of evaluating the output voltage characteristics according to the connection method when the modules are arranged in the z-axis direction.
9 is a graph showing the result of evaluating the output voltage characteristic by bending motion according to the connection method when the modules are arranged in the z-axis direction.
10 is a graph showing the displacement value measurement results according to the connection method when the modules are arranged in the z-axis direction.
11 is a graph showing the result of evaluating the output voltage characteristics of the energy harvester due to body movement according to the module arrangement method.
12 is a graph showing the results of evaluating the output voltage characteristics of the energy harvester according to the speed of body movement.
13 is a graph showing the result of evaluating the output voltage characteristics of the monitoring sensor for structural diagnosis according to the module arrangement method.
14 is a graph showing the results of evaluating the output voltage characteristics of the monitoring sensor for structural diagnosis according to the hole size of the hose.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.Advantages and features of the present invention, and methods for achieving them, will become apparent with reference to the embodiments described below in detail in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but will be embodied in various different forms, only this embodiment allows the disclosure of the present invention to be complete, and common knowledge in the technical field to which the present invention belongs It is provided to fully inform the possessor of the scope of the invention, and the present invention is only defined by the scope of the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전극 배열 및 모듈 연결 구조 최적화를 통해 우수한 출력 전압 특성을 갖는 구조진단용 모니터링 센서 및 에너지 하베스터용 플렉서블 멀티 압전체 모듈에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, a flexible multi-piezoelectric module for a structural diagnosis monitoring sensor and an energy harvester having excellent output voltage characteristics through optimizing the electrode arrangement and module connection structure according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail as follows. .
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 구조진단용 모니터링 센서 및 에너지 하베스터용 플렉서블 멀티 압전체 모듈을 나타낸 결합 사시도이고, 도 2는 도 1의 단일 압전섬유 모듈을 확대하여 나타낸 분해 사시도이며, 도 3는 도 2의 제1 전극을 확대하여 나타낸 평면도이다.1 is a combined perspective view showing a flexible multi-piezoelectric module for a monitoring sensor for structural diagnosis and an energy harvester according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is an exploded perspective view showing an enlarged single piezoelectric fiber module of FIG. 1, FIG. 3 is FIG. It is a plan view showing the enlarged first electrode of Fig. 2 .
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 구조진단용 모니터링 센서 및 에너지 하베스터용 플렉서블 멀티 압전체 모듈(400)은 압전섬유 모듈(100), 외부 연결배선(200) 및 브리지 연결배선(300)을 포함한다.1 to 3, the flexible
압전섬유 모듈(100)은 적어도 둘 이상이 전기적으로 연결된다. 이때, 적어도 둘 이상의 압전섬유 모듈(100) 상호 간은 직렬연결되는 것이 바람직한데, 이는 병렬연결보다 직렬연결이 더 높은 출력 특성을 얻을 수 있기 때문이다.At least two or more
또한, 압전섬유 모듈(100)은 x축 방향으로 적어도 둘 이상이 나란히 배열되는 것이 보다 바람직한데, 이는 플렉서블 멀티 압전체 모듈(400)을 에너지 하베스터로 사용할 시 x축 방향으로 직렬연결되는 경우가 가장 넓은 영역을 사람이 밟을 수 있기 때문에 출력 특성이 가장 높게 측정될 수 있기 때문이다.In addition, it is more preferable that at least two or more of the
이러한 압전섬유 모듈(100) 각각은 압전 섬유층(110), 제1 전극 구조체(140) 및 제2 전극 구조체(170)를 포함한다.Each of these
압전 섬유층(110)은 PVDF(polyvinyleden floride) : 80 ~ 20 중량% 및 무연 압전 세라믹 분말 : 20 ~ 80 중량%을 포함할 수 있다. 이때, PVDF(polyvinyleden floride)의 첨가량이 압전 섬유층(110) 전체 중량의 20 중량% 미만일 경우에는 전기방사시 농도가 낮아 방울형태로 축적되어 구슬 형태의 섬유상이 형성될 우려가 크다. 반대로, PVDF(polyvinyleden floride)의 첨가량이 압전 섬유층(110) 전체 중량의 80 중량%를 초과할 경우에는 과도한 수축으로 인해 압전 섬유층(110)의 형성시 안정성이 저하되는 문제가 있다.The
특히, 무연 압전 세라믹 분말의 첨가량이 압전 섬유층(110) 전체 중량의 20 중량% 미만일 경우에는 유연성 확보에는 유리하나, 압전 성능 확보에 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 무연 압전 세라믹 분말의 첨가량이 압전 섬유층(110) 전체 중량의 80 중량%를 초과할 경우에는 압전 성능 측면에서는 유리하나, 섬유 형태의 성질에 따라 취성이 증가하여 취급성에 어려움이 따를 뿐만 아니라, 유연성이 급격히 저하되는 문제를 유발한다.In particular, when the amount of the lead-free piezoelectric ceramic powder added is less than 20% by weight of the total weight of the
이러한 압전 섬유층(110)은 100 ~ 5,000㎛의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 압전 섬유층(110)의 두께가 100㎛ 미만일 경우에는 그 두께가 너무 얇은 관계로 압전 성능을 제대로 발휘하는데 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 압전 섬유층(110)의 두께가 5,000㎛를 초과할 경우에는 액츄에이터(actuator), 주파수 출력형 센서(frequency output sensor), 구조진단용 모니터링 센서(monitoring sensor for structural diagnosis), 에너지 하베스터(energy harvester), 압전 트랜스듀서(piezoelectric transducer) 등의 실제 전자소자에 적용되었을 때 제품 두께를 증가시켜 실용성을 저하시키는 요인으로 작용할 수 있다.The
제1 전극 구조체(140)는 압전 섬유층(110)의 일면에 부착되며, 제1 전극(120)과, 제1 전극(120)을 지지하는 제1 고분자 필름(130)을 갖는다. 또한, 제2 전극 구조체(170)는 압전 섬유층(110)의 타면에 부착되며, 제2 전극(150)과, 제2 전극(150)을 지지하는 제2 고분자 필름(160)을 갖는다.The
이때, 제1 및 제2 전극(120, 150) 각각은 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au), 알루미늄(Al) 등의 공지의 전극 소재를 제한 없이 사용할 수 있다. 이러한 제1 및 제2 전극(120, 150)은 제1 및 제2 고분자 필름(130, 160)의 내부에 각각 배치되거나, 또는 제1 및 제2 고분자 필름(130, 160)의 표면 상에 배치될 수 있다.In this case, each of the first and
제1 전극(120)은 상하 양측 가장자리를 따라 배치된 몸체 전극부(122)와, 몸체 전극부(122)로부터 내측으로 복수개가 연장되어, 상하로 배치된 몸체 전극부(122)를 상호 연결하여 깍지형 전극 배열 구조를 갖는 연결 전극부(124)를 갖는다.The
이때, 연결 전극부(124)는 0.08 ~ 0.12mm의 폭(w) 및 0.18 ~ 0.22mm의 간격(d)으로 이격 배치되도록 설계하는 것이 바람직한데, 이는 연결 전극부(124)의 폭(w) 및 간격(d)이 상기의 범위를 벗어날 경우 출력 전압값이 급격히 감소하는 경향을 나타내기 때문이다.At this time, it is preferable to design the
제1 및 제2 고분자 필름(130, 160) 각각은 폴리이미드(Polyimide, PI), 폴리에틸렌 나프탈레이트(Polyethylene napthalate, PEN), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Polyethylene terephthalate, PET), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC) 등에서 선택된 어느 하나 이상의 재질이 이용될 수 있다.Each of the first and
특히, 본 발명에서, 제1 및 제2 전극(120, 150) 각각은 깍지형 전극(Interdigitated Electrode : IDE 전극) 배열 구조를 갖는 것이 바람직하다. 제1 및 제2 전극(120, 150)의 경우, 깍지형 전극 배열 구조와 달리 중앙 부분이 일체의 면상 구조로 설계되는 전면 전극 구조(TBE)로 설계되는 것을 이용할 시, 출력 전압값이 높으나, 전면 전극 구조로 이루어져 있기 때문에 쉽게 쇼트가 나거나 전극이 상하기 쉬어 내구성이 약하다. 따라서, 제1 및 제2 전극(120, 150)으로는 전면 전극 구조보다는 깍지형 전극 배열 구조를 갖는 것을 이용하는 것이 보다 바람직하다.In particular, in the present invention, each of the first and
외부 연결배선(200)은 압전섬유 모듈(100)의 제1 전극(120)에 전기적으로 각각 연결될 수 있다. 이러한 외부 연결배선(200)은 압전섬유 모듈(100)로부터 생성되는 전압을 외부 기기(미도시)에 전달하기 위해 설치될 수 있다.The
브리지 연결배선(300)은 압전섬유 모듈(100) 상호 간을 전기적으로 연결시켜 압전섬유 모듈(100) 상호 간을 직렬연결시키는 역할을 한다. 이를 위해, 브리지 연결배선(300)은 x축 방향으로 배열된 인접한 2개의 압전섬유 모듈(100)들 사이에서 상호 간을 전기적으로 직접 연결시키는 형태로 배치될 수 있다.The
한편, 도 3은 본 발명의 변형예에 따른 구조진단용 모니터링 센서 및 에너지 하베스터용 플렉서블 멀티 압전체 모듈을 나타낸 결합 사시도이다.Meanwhile, FIG. 3 is a combined perspective view illustrating a flexible multi-piezoelectric module for a monitoring sensor for structural diagnosis and an energy harvester according to a modified example of the present invention.
도 3을 참조하면, 본 발명의 변형예에 따른 구조진단용 모니터링 센서 및 에너지 하베스터용 플렉서블 멀티 압전체 모듈(400)은 압전섬유 모듈(100) 및 외부 연결배선(200)을 포함한다.Referring to FIG. 3 , a flexible
이때, 본 발명의 변형예에서는, 실시예와 달리, 압전섬유 모듈(100)이 z축 방향으로 적어도 둘 이상이 적층 배열되되, 압전섬유 모듈(100) 상호 간이 직렬연결된다.At this time, in the modified example of the present invention, unlike the embodiment, at least two or more
여기서, 2개의 압전섬유 모듈(100)은 제2 전극 구조체(170) 상호 간이 맞닿도록 적층 배열될 수 있다. 이때, 압전섬유 모듈(100) 각각이 제2 전극 구조체(170)를 각각 구비하는 것으로 도시하였으나, 이는 예시적인 것으로 2개의 압전섬유 모듈(100) 당 제2 전극 구조체(170) 1개 배치되고, 제2 전극 구조체(170)를 2개의 압전섬유 모듈(100)이 각각 공유하는 형태로 적층될 수도 있다. 즉, 압전섬유 모듈(100)은 상하로 맞닿는 제2 전극 구조체(170) 상호 간이 일체로 형성되어, 직접 전기적으로 연결될 수 있다.Here, the two
본 발명의 변형예와 같이, z축 방향으로 배열된 압전섬유 모듈(100)을 직렬연결한 경우가 병렬연결한 경우보다 더 높은 변위값을 나타내는 것을 실험을 통하여 확인하였다.As in the modified example of the present invention, it was confirmed through an experiment that the case where the
즉, z축 방향으로 배열된 압전섬유 모듈(100)에 일정 전압을 가했을 때 변위값은 직렬연결된 듀얼 타입의 압전섬유 모듈(100)이 더 우수하였으며, z축 방향으로 정렬된 압전섬유 모듈(100)이 2개 이상 연결되었을 때 병렬연결보다 직렬연결이 더 높은 출력 특성을 얻을 수 있다는 것을 알아내었다.That is, when a constant voltage is applied to the
전술한 본 발명의 실시예에 따른 구조진단용 모니터링 센서 및 에너지 하베스터용 플렉서블 멀티 압전체 모듈은 전극 폭 0.08 ~ 0.12mm 및 전극 간격 0.18 ~ 0.22mm로 설계된 적어도 둘 이상의 압전섬유 모듈 간의 연결 방법 및 배열 방법의 최적화를 도출하여 우수한 출력 전압 특성을 나타내는 구조를 알아내었다.The flexible multi-piezoelectric module for a monitoring sensor for structural diagnosis and an energy harvester according to the embodiment of the present invention described above is a connection method and arrangement method between at least two or more piezoelectric fiber modules designed with an electrode width of 0.08 to 0.12 mm and an electrode spacing of 0.18 to 0.22 mm. By deriving an optimization, a structure showing excellent output voltage characteristics was found.
이 결과, 본 발명에서는 실제 우리 생활 주위에서 사용되고 있는 구조물(실리콘 호스)에 부착하여 구조 진단용 모니터링 센서에 사용 가능한 최적의 플렉서블 압전섬유 모듈의 연결방법 및 배열방법을 알아내었습니다.As a result, in the present invention, we found the optimal connection method and arrangement method of a flexible piezoelectric fiber module that can be attached to a structure (silicon hose) used around our lives and used for a monitoring sensor for structural diagnosis.
또한, 본 발명에서는 신체 움직임에 따른 에너지 하베스터로의 사용 가능성을 확인하기 위해 플렉서블 압전섬유 모듈을 신발에 부착하여 연결 방법 및 배열 방법에 따른 최적의 전압 출력 특성을 도출하였습니다.In addition, in the present invention, in order to confirm the possibility of use as an energy harvester according to body movement, a flexible piezoelectric fiber module was attached to a shoe to derive optimal voltage output characteristics according to the connection method and arrangement method.
이에 더불어, 본 발명의 플렉서블 멀티 압전체 모듈을 에너지 하베스터로 사용할 시에는 x축 방향으로 적어도 둘 이상의 압전섬유 모듈을 나란히 배열시키되, 병렬연결보다는 직렬연결로 압전섬유 모듈 상호 간을 연결시키는 것이 더 높은 출력 특성을 발휘한다는 것을 알아내었다.In addition, when using the flexible multi-piezoelectric module of the present invention as an energy harvester, at least two or more piezoelectric fiber modules are arranged side by side in the x-axis direction. It was found that the characteristic
또한, 본 발명의 플렉서블 멀티 압전체 모듈을 구조진단용 모니터링 센서로 사용할 시에는 z축 방향으로 적어도 둘 이상의 압전섬유 모듈을 적층 배열시키되, 병렬연결보다는 직렬연결로 압전섬유 모듈 상호 간을 연결시키는 것이 출력 특성을 향상시키는데 보다 유리하다는 것을 알아내었다.In addition, when the flexible multi-piezoelectric module of the present invention is used as a monitoring sensor for structural diagnosis, at least two or more piezoelectric fiber modules are stacked in the z-axis direction, and the output characteristic is to connect the piezoelectric fiber modules in series rather than in parallel. was found to be more advantageous in improving
실시예Example
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.Hereinafter, the configuration and operation of the present invention will be described in more detail through preferred embodiments of the present invention. However, this is presented as a preferred example of the present invention and cannot be construed as limiting the present invention in any sense.
여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.Content not described here will be omitted because it can be technically inferred sufficiently by a person skilled in the art.
이하의 실험예에서, 압전섬유 모듈(이하, 모듈로 약칭함.)로는 제1 및 제2 전극 각각이 0.1mm의 폭을 갖고, 0.2mm의 간격으로 이격 배치되도록 설계된 연결 전극부를 포함하는 것을 이용하였다.In the following experimental examples, as the piezoelectric fiber module (hereinafter, abbreviated as module.), each of the first and second electrodes has a width of 0.1 mm and includes a connecting electrode part designed to be spaced apart by an interval of 0.2 mm. did.
도 5는 x축 방향으로 모듈 배열시의 연결방법에 따른 출력 전압 특성을 평가한 결과를 나타낸 그래프이다. 이때, 2개의 모듈을 x축 방향으로 직렬연결 및 병렬연결 방식으로 각각 연결하였다.5 is a graph showing the results of evaluating the output voltage characteristics according to the connection method when the modules are arranged in the x-axis direction. At this time, the two modules were connected in the x-axis direction by serial connection and parallel connection, respectively.
도 5에 도시된 바와 같이, x축 방향으로 모듈 배열시, 직렬연결 및 병렬연결에 따른 출력 특성을 각각 알아보기 위해, 0 Hz ~ 3,000 Hz까지의 진동 주파수에 따른 출력 전압을 측정하였다.As shown in FIG. 5 , when the modules are arranged in the x-axis direction, output voltages according to vibration frequencies from 0 Hz to 3,000 Hz were measured in order to investigate the output characteristics according to series and parallel connections, respectively.
측정 결과, 직렬연결이 병렬연결보다 높은 출력 특성을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 이 결과, 진동주파수에 따른 출력 특성은 직렬연결이 더 우수하다는 것을 확인하였다.As a result of the measurement, it can be confirmed that the series connection shows higher output characteristics than the parallel connection. As a result, it was confirmed that the output characteristics according to the vibration frequency were better in the series connection.
도 6은 x축 방향으로 모듈 배열시의 연결방법에 따른 굽힘운동에 의한 출력 전압 특성을 평가한 결과를 나타낸 그래프이다.6 is a graph showing the results of evaluating the output voltage characteristics due to the bending motion according to the connection method when the modules are arranged in the x-axis direction.
도 6에 도시된 바와 같이, x축 방향으로 모듈 배열시, 직렬연결 및 병렬연결에 따른 굽힘운동에 의한 출력 전압을 측정하였다.As shown in FIG. 6 , when the modules are arranged in the x-axis direction, the output voltage due to the bending motion according to the series connection and parallel connection was measured.
측정 결과, 굽힘운동에서도 직렬연결이 더 높은 출력 특성을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 이는 x축으로 연결된 듀얼 모듈에서의 직렬연결이 병렬연결보다 더 우수한 출력 전압을 나타내기 때문이다.As a result of the measurement, it can be confirmed that the series connection exhibits higher output characteristics even in bending motion. This is because the series connection in the dual module connected by the x-axis shows better output voltage than the parallel connection.
도 7은 x축 방향으로 모듈 배열시의 연결방법에 따른 변위값 측정 결과를 나타낸 그래프이다.7 is a graph showing the displacement value measurement results according to the connection method when the modules are arranged in the x-axis direction.
도 7에 도시된 바와 같이, 모듈을 x축으로 배열하고, 모듈에 일정 전압을 인가 시 연결방법에 따른 변위값을 측정하였다. 이때, 변위값 측정은 레이저 스캐닝 바이브로미터로 측정하였고, 전압은 8V의 인가전압을 가하였으며, 그에 따른 변위값을 측정한 것이다.As shown in FIG. 7 , the modules were arranged along the x-axis, and when a constant voltage was applied to the modules, displacement values according to the connection method were measured. At this time, the displacement value was measured with a laser scanning vibrometer, and the applied voltage of 8V was applied, and the displacement value was measured accordingly.
측정 결과, x축 방향으로 배열된 모듈을 직렬연결을 한 경우가 병렬연결한 경우보다 더 높은 변위값을 나타내는 것을 확인하였다.As a result of the measurement, it was confirmed that the case of serial connection of modules arranged in the x-axis direction showed a higher displacement value than the case of parallel connection.
즉, x축 방향으로 배열된 모듈에 일정 전압을 가했을 때 변위값은 직렬연결된 듀얼 모듈이 더 우수하였으며, x축 방향으로 정렬된 모듈이 2개 이상 연결되었을 때 병렬연결보다 직렬연결이 더 높은 출력 특성을 얻을 수 있다는 것을 확인하였다.That is, when a constant voltage is applied to the modules arranged in the x-axis direction, the displacement value of the series-connected dual module was better, and when two or more modules arranged in the x-axis direction were connected, the serial connection output higher than the parallel connection. It was confirmed that the characteristics could be obtained.
도 8은 z축 방향으로 모듈 배열시의 연결방법에 따른 출력 전압 특성을 평가한 결과를 나타낸 그래프이다.8 is a graph showing the results of evaluating the output voltage characteristics according to the connection method when the modules are arranged in the z-axis direction.
도 8에 도시된 바와 같이, z축 방향으로 모듈 배열시, 직렬연결 및 병렬연결에 따른 출력 특성을 각각 알아보기 위해, 0 Hz ~ 3,000 Hz까지의 진동 주파수에 따른 출력 전압을 측정하였다.As shown in FIG. 8 , when the modules are arranged in the z-axis direction, the output voltage according to the vibration frequency from 0 Hz to 3,000 Hz was measured in order to investigate the output characteristics according to the series connection and the parallel connection, respectively.
측정 결과, 직렬연결이 병렬연결보다 높은 출력 특성을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 이 결과, 진동주파수에 따른 출력 특성은 직렬연결이 더 우수하다는 것을 확인하였다.As a result of the measurement, it can be confirmed that the series connection shows higher output characteristics than the parallel connection. As a result, it was confirmed that the output characteristics according to the vibration frequency were better in the series connection.
도 9는 z축 방향으로 모듈 배열시의 연결방법에 따른 굽힘운동에 의한 출력 전압 특성을 평가한 결과를 나타낸 그래프이다.9 is a graph showing the results of evaluating the output voltage characteristics due to bending motion according to the connection method when the modules are arranged in the z-axis direction.
도 9에 도시된 바와 같이, z축 방향으로 모듈 배열시, 직렬연결 및 병렬연결에 따른 굽힘운동에 의한 출력 전압을 각각 측정하였다.As shown in FIG. 9 , when the modules are arranged in the z-axis direction, the output voltage due to the bending motion according to the series connection and parallel connection was measured, respectively.
측정 결과, 굽힘운동에서도 직렬연결이 더 높은 출력 특성을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 이는 z축으로 연결된 듀얼 모듈에서의 직렬연결이 병렬연결보다 더 우수한 출력 전압을 나타내기 때문이다.As a result of the measurement, it can be confirmed that the series connection exhibits higher output characteristics even in bending motion. This is because the series connection in the z-axis connected dual module shows a better output voltage than the parallel connection.
도 10은 z축 방향으로 모듈 배열시의 연결방법에 따른 변위값 측정 결과를 나타낸 그래프이다.10 is a graph showing a displacement value measurement result according to a connection method when the modules are arranged in the z-axis direction.
도 10에 도시된 바와 같이, 모듈을 z축으로 배열하고, 모듈에 일정 전압을 인가 시 연결방법에 따른 변위값을 측정하였다.As shown in FIG. 10 , the modules were arranged along the z-axis, and when a constant voltage was applied to the modules, displacement values according to the connection method were measured.
이때, 변위값 측정은 레이저 스캐닝 바이브로미터로 측정하였고, 전압은 8V의 인가전압을 가하였으며, 그에 따른 변위값을 측정한 것이다.At this time, the displacement value was measured with a laser scanning vibrometer, and an applied voltage of 8V was applied, and the displacement value was measured accordingly.
측정 결과, z축 방향으로 배열된 모듈을 직렬연결을 한 경우가 병렬연결한 경우보다 더 높은 변위값을 나타내는 것을 확인하였다.As a result of the measurement, it was confirmed that the case of serial connection of modules arranged in the z-axis direction showed a higher displacement value than the case of parallel connection.
즉, z축 방향으로 배열된 모듈에 일정 전압을 가했을 때 변위값은 직렬연결된 듀얼 모듈이 더 우수하였으며, z축 방향으로 정렬된 모듈이 2개 이상 연결되었을 때 병렬연결보다 직렬연결이 더 높은 출력 특성을 얻을 수 있다는 것을 확인하였다.That is, when a constant voltage is applied to the modules arranged in the z-axis direction, the displacement value of the series-connected dual module was better, and when two or more modules aligned in the z-axis direction were connected, the output of the series connection was higher than that of the parallel connection. It was confirmed that the characteristics could be obtained.
도 11은 모듈 배열 방법에 따른 신체 움직임에 의한 에너지 하베스터의 출력 전압 특성을 평가한 결과를 나타낸 그래프이다.11 is a graph showing the results of evaluating the output voltage characteristics of the energy harvester due to body movement according to the module arrangement method.
도 11에 도시된 바와 같이, 체중 83kg의 남성의 신발 밑에 단일 모듈, z축 방향으로 직렬연결된 듀얼 모듈, x축 방향으로 직렬연결된 듀얼 모듈을 각각 장착한 후, 7km/h의 속도로 움직였을 때 각각의 출력 전압을 측정한 결과를 나타내고 있다.11, after mounting a single module, a dual module connected in series in the z-axis direction, and a dual module serially connected in the x-axis direction under the shoes of a man weighing 83 kg, respectively, when moving at a speed of 7 km/h shows the result of measuring the output voltage of
측정 결과, 모듈을 x축 방향으로 직렬연결한 경우가 출력 전압이 20.5V로 가장 높게 측정되었다.As a result of the measurement, the case where the modules were connected in series in the x-axis direction had the highest output voltage of 20.5V.
이때, x축 배열의 출력 전압이 가장 높게 측정된 이유는 듀얼 모듈이 x축 방향으로 배열될 때 가장 넓은 영역을 사람이 밟을 수 있기 때문에 출력 특성이 가장 높게 측정된 것으로 파악된다.At this time, the reason that the output voltage of the x-axis arrangement was measured to be the highest is understood that the output characteristic was measured the highest because a person can step on the widest area when the dual module is arranged in the x-axis direction.
도 12는 신체 움직임의 속도에 따른 에너지 하베스터의 출력 전압 특성을 평가한 결과를 나타낸 그래프이다.12 is a graph showing the results of evaluating the output voltage characteristics of the energy harvester according to the speed of body movement.
도 12에 도시된 바와 같이, x축 방향으로 직렬연결된 듀얼 모듈의 신체 움직임 속도에 따른 출력 전압을 통해 에너지 하베스터 출력 특성을 확인하였다.As shown in FIG. 12 , the energy harvester output characteristics were confirmed through the output voltage according to the body movement speed of the dual modules connected in series in the x-axis direction.
측정 결과, 신체 움직임 속도가 증가할수록 높은 출력 전압을 얻을 수 있었다. 이는 속도가 증가할수록 신발에 가하지는 압력이 증가하기 때문인 것으로 판단된다.As a result of the measurement, it was possible to obtain a higher output voltage as the body movement speed increased. This is thought to be because the pressure applied to the shoe increases as the speed increases.
또한, 13Km/h의 속도로 달리게 되면 초반에는 모듈에서 일정한 출력 전압이 측정되지만, 점점 출력 전압이 감소하는 것을 확인할 수 있다. 이것은 속도를 점점 빠르게 움직이면, 결국 점점 더 많은 힘이 모듈에 가해지게 되는데 13Km/h의 속도를 초과하여 달리게 되면 모듈에 가해지는 힘이 모듈이 견딜 수 있는 힘보다 커지기 때문에 결국에는 모듈이 손상되어 측정이 되지 않을 것으로 파악된다.In addition, when running at a speed of 13Km/h, a constant output voltage is initially measured from the module, but it can be seen that the output voltage gradually decreases. This means that if you move faster and faster, eventually more and more force is applied to the module. If you run over the speed of 13Km/h, the force applied to the module becomes greater than the force that the module can withstand, so the module is eventually damaged and measured. It is assumed that this will not be the case.
도 13은 모듈 배열 방법에 따른 구조진단용 모니터링 센서의 출력 전압 특성을 평가한 결과를 나타낸 그래프이다.13 is a graph showing the result of evaluating the output voltage characteristics of the monitoring sensor for structural diagnosis according to the module arrangement method.
도 13에 도시된 바와 같이, 구조 진단용 모니터링 모듈 센서의 특성 평가를 진행하기 위해 실리콘 호스에 모듈을 부착하고, 구멍을 5ð 크기로 뚫고 물을 흘려 주었을때 구멍과 모듈의 구멍 사이의 거리에 따른 출력 전압을 측정하였다. 이때, 모듈로는 z축 방향으로 직렬연결한 듀얼 모듈을 이용하였다.As shown in FIG. 13, when a module is attached to a silicone hose in order to evaluate the characteristics of the monitoring module sensor for structural diagnosis, a hole is drilled in a size of 5° and water is flowed, the output according to the distance between the hole and the hole of the module The voltage was measured. In this case, a dual module connected in series in the z-axis direction was used as the module.
측정 결과, 물을 흘려주지 않았을 때는 0.01mV로 매우 작은 출력 전압이 측정되는 반면, 물을 흘려주었을 때는 구멍과의 거리가 5cm로 가까우면 8.31mV의 출력 전압이 나오고 거리가 멀어질수록 출력 전압의 크기가 줄어는 것을 확인할 수 있었다. 이는 호스의 구멍이 생기면 물이 흐를 때 호스에 진동이 발생하면서 모듈의 출력 전압을 측정할 수 있는 원리이다.As a result of the measurement, a very small output voltage of 0.01 mV is measured when no water is flowing, whereas when water is flowing, the output voltage of 8.31 mV is obtained when the distance to the hole is as close as 5 cm, and the output voltage decreases as the distance increases. It was observed that the size decreased. This is a principle that can measure the output voltage of the module as the hose vibrates when water flows when there is a hole in the hose.
도 14는 호스의 구멍 사이즈에 따른 구조진단용 모니터링 센서의 출력 전압 특성을 평가한 결과를 나타낸 그래프이다.14 is a graph showing the results of evaluating the output voltage characteristics of the monitoring sensor for structural diagnosis according to the hole size of the hose.
도 14에 도시된 바와 같이, 호스의 구멍 사이즈에 따른 모듈의 출력 전압을 측정하였다. 이때, 모듈로는 z축 방향으로 직렬연결한 듀얼 모듈을 이용하였다.As shown in FIG. 14 , the output voltage of the module according to the hole size of the hose was measured. In this case, a dual module connected in series in the z-axis direction was used as the module.
구멍의 크기가 4ð에서부터 8ð까지 점차 증가시켜 주었을 때 모듈에서의 출력 전압을 측정한 것으로, 구멍과의 거리는 5cm로 고정하였다.The output voltage from the module was measured when the size of the hole was gradually increased from 4ð to 8ð, and the distance from the hole was fixed at 5 cm.
측정 결과, 4ð에서 5ð로 증가될 때 출력 전압이 증가하였다가 6ð 이상에서는 다시 감소하는 것을 확인할 수 있다. 이는 호스의 구멍 크기가 작을 때는 호스 전체에 걸리는 압력이 증가하여 호스의 진동이 크기 때문에 높은 출력 전압을 나타내지만 호스의 구멍이 너무 커지게 되면 호스에 걸리는 압력이 감소하기 때문에 모듈에서 발생되는 출력 전압이 감소하기 때문이다.As a result of the measurement, it can be seen that the output voltage increases when increasing from 4ð to 5ð, and then decreases again at 6ð or higher. This means that when the hole size of the hose is small, the pressure applied to the entire hose increases and the vibration of the hose is large, which indicates a high output voltage. However, if the hole of the hose becomes too large, the pressure applied to the hose decreases, so the output voltage generated by the module because it decreases.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.In the above, the embodiments of the present invention have been mainly described, but various changes or modifications can be made at the level of those skilled in the art to which the present invention pertains. Such changes and modifications can be said to belong to the present invention as long as they do not depart from the scope of the technical spirit provided by the present invention. Accordingly, the scope of the present invention should be judged by the claims described below.
400 : 플렉서블 멀티 압전체 모듈 300 : 브리지 연결배선
200 : 외부연결배선 100 : 압전섬유 모듈
110 : 압전 섬유층 120 : 제1 전극
130 : 제1 고분자 필름 140 : 제1 전극 구조체
150 : 제2 전극 160 : 제2 고분자 필름
170 : 제2 전극 구조체400: flexible multi-piezoelectric module 300: bridge connection wiring
200: external connection wiring 100: piezoelectric fiber module
110: piezoelectric fiber layer 120: first electrode
130: first polymer film 140: first electrode structure
150: second electrode 160: second polymer film
170: second electrode structure
Claims (11)
상기 압전섬유 모듈에 전기적으로 각각 연결된 외부 연결배선; 및
상기 압전섬유 모듈 상호 간을 전기적으로 연결시켜 압전섬유 모듈 상호 간을 직렬연결시키는 브리지 연결배선;을 포함하며,
상기 압전섬유 모듈 각각은 압전 섬유층과, 상기 압전 섬유층의 일면에 부착되며, 제1 전극과, 상기 제1 전극을 지지하는 제1 고분자 필름을 갖는 제1 전극 구조체와,
상기 압전 섬유층의 타면에 부착되며, 제2 전극과, 상기 제2 전극을 지지하는 제2 고분자 필름을 갖는 제2 전극 구조체를 포함하고,
상기 외부 연결배선은 상기 압전섬유 모듈의 제1 전극에 전기적으로 각각 연결되어, 상기 압전섬유 모듈로부터 생성되는 전압을 외부 기기에 전달하고,
상기 브리지 연결배선은 x축 방향으로 배열된 인접한 2개의 압전섬유 모듈들 사이에서 상호 간을 전기적으로 직접 연결시키며,
상기 압전섬유 모듈은 적어도 둘 이상이 x축 방향으로 나란히 이격도록 배열되는 것에 의해, 사람이 밟을 수 있는 면적의 증가로 출력 특성이 향상되는 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 구조진단용 모니터링 센서 및 에너지 하베스터용 플렉서블 멀티 압전체 모듈.
at least two piezoelectric fiber modules arranged to be spaced apart from each other in the x-axis direction;
external connection wires electrically connected to each of the piezoelectric fiber modules; and
and a bridge connecting wire that electrically connects the piezoelectric fiber modules to each other and connects the piezoelectric fiber modules in series.
Each of the piezoelectric fiber modules includes a piezoelectric fiber layer, a first electrode structure attached to one surface of the piezoelectric fiber layer, and a first electrode structure having a first electrode and a first polymer film supporting the first electrode,
A second electrode structure attached to the other surface of the piezoelectric fiber layer and having a second electrode and a second polymer film supporting the second electrode,
Each of the external connection wires is electrically connected to the first electrode of the piezoelectric fiber module, and transmits a voltage generated from the piezoelectric fiber module to an external device,
The bridge connecting wiring electrically directly connects each other between two adjacent piezoelectric fiber modules arranged in the x-axis direction,
The piezoelectric fiber module is a structure diagnosis monitoring sensor and energy harvester, characterized in that by arranging at least two or more to be spaced apart from each other in the x-axis direction, the output characteristic is improved by increasing the area that a person can step on. Flexible multi-piezoelectric module.
상기 압전 섬유층은
100 ~ 5,000㎛의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 구조진단용 모니터링 센서 및 에너지 하베스터용 플렉서블 멀티 압전체 모듈.
According to claim 1,
The piezoelectric fiber layer is
A flexible multi-piezoelectric module for a monitoring sensor for structural diagnosis and an energy harvester, characterized in that it has a thickness of 100 to 5,000 μm.
상기 제1 및 제2 전극 각각은
상하 양측 가장자리를 따라 배치된 몸체 전극부; 및
상기 몸체 전극부로부터 내측으로 복수개가 연장되어, 상기 상하로 배치된 몸체 전극부를 상호 연결하여 깍지형 전극 배열 구조를 갖는 연결 전극부;
를 갖는 것을 특징으로 하는 구조진단용 모니터링 센서 및 에너지 하베스터용 플렉서블 멀티 압전체 모듈.
According to claim 1,
Each of the first and second electrodes is
Body electrode portions disposed along both upper and lower edges; and
a plurality of connecting electrode parts extending inward from the body electrode part and having an interdigital electrode arrangement structure by interconnecting the body electrode parts disposed in the upper and lower parts;
A flexible multi-piezoelectric module for a monitoring sensor for structural diagnosis and an energy harvester, characterized in that it has a.
상기 연결 전극부는
0.08 ~ 0.12mm의 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 구조진단용 모니터링 센서 및 에너지 하베스터용 플렉서블 멀티 압전체 모듈.
5. The method of claim 4,
The connecting electrode part
A flexible multi-piezoelectric module for a monitoring sensor for structural diagnosis and an energy harvester, characterized in that it has a width of 0.08 to 0.12mm.
상기 연결 전극부는
0.18 ~ 0.22mm의 간격으로 이격 배치된 것을 특징으로 하는 구조진단용 모니터링 센서 및 에너지 하베스터용 플렉서블 멀티 압전체 모듈.
5. The method of claim 4,
The connecting electrode part
A flexible multi-piezoelectric module for monitoring sensors for structural diagnosis and energy harvesters, characterized in that they are spaced apart at intervals of 0.18 to 0.22 mm.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020190055550A KR102280875B1 (en) | 2019-05-13 | 2019-05-13 | Flexible multi piezoelectric module for monitoring sensor for structural diagnosis and energy harvester having excellent output voltage characteristics through electrode array and module connection structure optimization |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020190055550A KR102280875B1 (en) | 2019-05-13 | 2019-05-13 | Flexible multi piezoelectric module for monitoring sensor for structural diagnosis and energy harvester having excellent output voltage characteristics through electrode array and module connection structure optimization |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20200130954A KR20200130954A (en) | 2020-11-23 |
| KR102280875B1 true KR102280875B1 (en) | 2021-07-23 |
Family
ID=73680340
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020190055550A KR102280875B1 (en) | 2019-05-13 | 2019-05-13 | Flexible multi piezoelectric module for monitoring sensor for structural diagnosis and energy harvester having excellent output voltage characteristics through electrode array and module connection structure optimization |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR102280875B1 (en) |
Family Cites Families (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7125468B2 (en) * | 2003-05-08 | 2006-10-24 | The Ultran Group | Method of making ultrasound transducer or actuator |
| US8278800B2 (en) * | 2008-08-21 | 2012-10-02 | Innowattech Ltd. | Multi-layer piezoelectric generator |
| KR20110097072A (en) * | 2010-02-24 | 2011-08-31 | 엘지전자 주식회사 | Cooler |
| KR101982280B1 (en) * | 2012-10-30 | 2019-05-24 | 삼성전자주식회사 | Textile-based energry generator having stacked structure |
| US10960218B2 (en) * | 2015-10-06 | 2021-03-30 | University Of Kansas | Stacked piezoelectric composites and methods of making |
| KR101815071B1 (en) * | 2016-05-17 | 2018-01-05 | 한국세라믹기술원 | Structural health monitoring sensor having flexible property |
-
2019
- 2019-05-13 KR KR1020190055550A patent/KR102280875B1/en active IP Right Grant
Non-Patent Citations (6)
| Title |
|---|
| 인용발명 1: 공개특허공보 제10-2017-0129994호(2017.11.28.) 1부.* |
| 인용발명 2: 미국 특허출원공개공보 US2018/0296843호(2018.10.18.) 1부.* |
| 인용발명 3: 공개특허공보 제10-2014-0055150호(2014.05.09.) 1부.* |
| 인용발명 4: 일본 공개특허공보 특개2011-097072호(2011.05.12.) 1부.* |
| 인용발명 5: 미국 특허출원공개공보 US2010/0045111호(2010.02.25.) 1부.* |
| 인용발명 6: 미국 특허출원공개공보 US2005/0000629호(2005.01.06.) 1부.* |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20200130954A (en) | 2020-11-23 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US9774358B2 (en) | Ultrasonic sensor and electronic device | |
| AU2015359370B2 (en) | Perforated piezoelectric hydrophone, antenna comprising a plurality of hydrophones and method for making said hydrophone | |
| US20130278111A1 (en) | Piezoelectric micromachined ultrasound transducer with patterned electrodes | |
| JP4301298B2 (en) | Ultrasonic sensor and method for manufacturing ultrasonic sensor | |
| JP6314412B2 (en) | Ultrasonic device and ultrasonic diagnostic apparatus | |
| Newnham et al. | Electromechanical properties of smart materials | |
| ES2390604T3 (en) | Flat piezoceramic actuator and procedure for manufacturing the same | |
| WO2018090892A1 (en) | Piezoelectric sensing device and application | |
| KR102285486B1 (en) | Manufacturing method for a flexible ultrasound array transducer | |
| CN105455844B (en) | Ultrasonic sensor, probe, and electronic device | |
| KR20190039203A (en) | Piezoelectric actuator, underwater acoustical transducer and method of manufacturing underwater acoustical transducer | |
| EP2908553A1 (en) | Ultrasonic transducer and method for manufacturing ultrasonic transducer | |
| US11590534B2 (en) | Ultrasonic sensor, ultrasonic device, and method of manufacturing ultrasonic sensor | |
| KR101467933B1 (en) | Piezo fiber composite structure and device using thereof | |
| JPH0446517B2 (en) | ||
| JPH06216422A (en) | Flexible laminated piezoelectric element | |
| KR102280875B1 (en) | Flexible multi piezoelectric module for monitoring sensor for structural diagnosis and energy harvester having excellent output voltage characteristics through electrode array and module connection structure optimization | |
| Wang et al. | Progress on the applications of piezoelectric materials in sensors | |
| US11506772B2 (en) | Ultrasonic device and ultrasonic measuring apparatus | |
| KR101996472B1 (en) | Flexible piezoelectric fiber module | |
| JPS58209007A (en) | Orientation pole for vinylidene fluoride copolymer mold | |
| KR101491801B1 (en) | Ultrasonic transducer and method of manufacturing the same | |
| JP4494493B2 (en) | Ultrasonic sensor | |
| KR101890259B1 (en) | Manufacturing method of nanofiber composite film and structural monitoring sensor having the nanofiber composite film | |
| KR101815071B1 (en) | Structural health monitoring sensor having flexible property |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant |