KR20120083261A - 압전 직물, 및 그를 이용한 마이크로 동력 에너지 수확 시스템 - Google Patents
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Abstract
압전 직물, 및 그를 포함하는 마이크로 동력 에너지 수확 시스템이 게시된다. 상기 압전 직물은 도전성 고분자 물질이 전기 방사되어 형성된 하부 전극층; 상기 하부 전극층 위에 압전 고분자 물질이 전기 방사되어 형성된 압전층; 및 상기 압전층 위에 도전성 고분자 물질이 전기 방사되어 형성된 상부 전극층을 포함한다. 상기 동력 에너지 수확 시스템은 압전 직물을 포함하고 인체의 생체 신호를 측정하기 위한 압전 의류; 상기 압전 의류의 내측 또는 외측에 결합되어 사용자의 신체의 움직임에 의해 상기 압전 의류로부터 출력되는 생체 신호를 수신하여 저장하고, 제어하기 위한 PCB 블록; 및 전도성 섬유로 구성되고 상기 압전 의류로부터 출력되는 생체 신호를 상기 PCB 블럭으로 전달하기 위한 연결부재를 포함한다.
Description
본 발명은 압전 직물, 및 그를 이용한 마이크로 동력 에너지 수확 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 압전 고분자 물질을 3-layer 전기 방사법을 이용하여 압력에너지를 전력으로 변환할 수 있는 압전 직물, 및 상기 압전 직물을 의류에 적용하거나 풍력을 이용할 수 있도록 제작하여 전력을 수확할 수 있는 하는 마이크로 동력 에너지 수확 시스템에 관한 것이다.
1960년대 말에 유기물질인 PVDF의 압전성(piezoelectricity)이 확인되면서 음향센서, 가속도센서 등 많은 연구가 이루어졌다. 최근에는 유연성이 있는 필름형태의 센서가 상용화되어 기존의 딱딱한 반도체센서를 적용하기 어려웠던 분야로 확산 되고 있다. 이러한 압전 필름은 인체의 생체신호를 측정하거나, 발생되는 전력을 저장하여 사용할 수 있는 수확장치 등에 응용되어왔다.
도 1은 일반적인 압전 필름을 사용한 예이다. 도 1에 도시된 바와 같이 종래의 압전 필름은 압전소자의 형태 변형이 어렵고, 인체에 압력변화가 일어나는 부분(예컨대, 관절부 등)에 직접 전극을 부착하여 사용해야만 했다.
도 2는 일반적인 압전 필름을 풍력을 이용한 발전에 이용되는 예이다. 그러나, 도 2에 도시된 종래의 바람에 의한 압전소자가 동작하여 에너지를 수확하는 장치는 나뭇가지(지지대)에 매달린 잎사귀(발전소자) 형태로 형성되는데, 형상에 제약이 따르고 수많은 잎사귀에 압전 필름을 각각 부착시켜야하므로 관리가 어렵고 설치시 고가의 비용이 드는 문제점이 있다. 또한 강풍으로 인한 파손의 우려가 크며, 조그마한 손상에도 센서 전체를 쓰지 못하게 되는 문제가 있다.
그리고 상기 나무형태의 에너지 수확 시스템은 아주 작은 압전 필름 센서를 이용하기 때문에 발전시스템으로 쓰일 만큼의 충분한 전력을 공급하지 못하며, 전력 발생에 매우 비효율적인 문제가 있었다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 변형이 용이하고 의류 및 휴대용품 등에 적용하여 사용할 수 있는 압전 직물, 및 압전 직물 제조 방법을 제공하는 데에 있다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 전기 방사를 통한 나노웹으로 형성되되, 상부 전극층 상부와 하부 전극층 하부에 보호층을 포함하는 압전 직물, 및 압전 직물 제조 방법을 제공하는 데에 있다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 압전 기능을 가지는 압전 직물을 이용하여 의류를 제조하여 인체의 움직임에 의한 압력의 변화를 감지하여 센서로 사용함과 동시에 전력으로 변화하여 이용할 수 있는 마이크로 동력 에너지 수확 시스템을 제공하는 데에 있다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 압전 기능을 가지는 압전 직물을 이용하여 바람과 같은 미세한 압력의 변화를 감지하여 전력으로 변환하여 이용할 수 있는 마이크로 동력 에너지 수확 시스템을 제공하는 데에 있다.
발명의 실시 예에 따른 압전 직물은 도전성 고분자 물질이 전기 방사되어 형성되는 하부 전극층; 상기 하부전극층 위에 압전 고분자 물질이 전기 방사되어 형성된 압전층; 및 상기 압전층 위에 도전성 고분자 물질이 전기 방사되어 형성된 상부 전극층을 포함한다.
상기 압전 직물은 상기 하부 전극층 상부와 상기 하부 전극층 하부에 보호층을 더 포함한다. 상기 압전 고분자 물질은 PVDF 물질이다. 상기 고분자 물질의 농도는 5~30g/100ml(고분자/용매)이고, 상기 전기 방사시 전압은 5~50kv이다.
발명의 실시 예에 따른 압전 직물 제조 방법은 도전성 고분자를 전기 방사하여 하부 전극층을 형성하는 단계; 상기 하부전극층 위에 압전 고분자 물질을 전기 방사하여 압전층을 형성하는 단계; 및 상기 압전층 위에 도전성 고분자를 전기 방사하여 상부 전극층을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 압전 직물 제조 방법은 상기 하부 전극층 하부와 상부 전극층 상부에 보호층을 형성하는 단계를 더 포함한다. 상기 압전 고분자 물질은 PVDF 물질이다. 상기 고분자 물질의 농도는 5~30g/100ml(고분자/용매)이고, 상기 전기 방사시 전압은 5~50kv이다.
발명의 실시 예에 따른 마이크로 동력에너지 수확 시스템은 압전 직물을 포함하는 압전 의류; 상기 압전 의류의 내측 또는 외측에 결합되어 사용자의 신체의 움직임에 의해 상기 압전 의류로부터 출력되는 전력을 수신하여 저장하고, 제어하기 위한 PCB 블록; 및 전도성 섬유로 구성되고 상기 압전 의류로부터 출력되는 전력을 상기 PCB블럭으로 전달하기 위한 연결부재를 포함하며, 상기 압전 직물은 도전성 고분자 물질이 전기 방사되어 형성된 하부 전극층; 상기 하부 전극층 위에 압전 고분자 물질이 전기 방사되어 형성된 압전층; 및 상기 압전층 위에 도전성 고분자 물질이 전기 방사되어 형성된 상부 전극층을 포함한다.
상기 PCB블럭은 전원을 공급하기 위한 전원부; 상기 전원부를 온/오프하는 스위치, 및 상기 마이크로 동력에너지 수확 시스템의 기능을 변경하거나 설정하기 위한 기능키를 포함하는 키입력부; 상기 압전 의류로부터 출력되는 전력을 수신하여 저장하기 위한 축전지; 및 상기 압전 의류로부터 출력되는 신호를 증폭하거나 제어하기 위한 제어부를 포함한다.
상기 PCB 블록은 마이크로 동력에너지 수확시스템에 정보를 저장하거나, 상기 압전 의류로부터 출력되는 생체신호에 대한 정보를 저장하기 위한 메모리부; 및
상기 축전기에 저장되는 전력의 양을 디스플레이하거나, 상기 생체 신호에 대한 정보를 디스플레이하는 표시부를 더 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 마이크로 동력에너지 수확 시스템은 압전 직물을 포함하고 인체의 생체 신호를 측정하기 위한 압전 의류; 상기 압전 의류의 내측 또는 외측에 결합되어 사용자의 신체의 움직임에 의해 상기 압전 의류로부터 출력되는 생체 신호를 수신하여 저장하고, 제어하기 위한 PCB 블록; 및 전도성 섬유로 구성되고 상기 압전 의류로부터 출력되는 생체 신호를 상기 PCB 블럭으로 전달하기 위한 연결부재를 포함하며, 상기 압전 직물은 도전성 고분자 물질이 전기 방사되어 형성된 하부 전극층; 상기 하부 전극층 위에 압전 고분자 물질이 전기 방사되어 형성된 압전층; 및 상기 압전층 위에 도전성 고분자 물질이 전기 방사되어 형성된 상부 전극층을 포함한다.
발명의 실시 예에 따른 마이크로 동력 에너지 수확 시스템 풍력에 의한 압력의 변화를 전력으로 변환하여 출력하는 압전 직물; 상기 압전 직물로부터 출력되는 전력을 저장하기 위한 축전지; 및 상기 축전지와 상기 압전 직물을 접속하기 위한 전도성 물질로 구성된 연결부재를 포함하며, 상기 압전 직물은 도전성 고분자를 전기 방사한 하부 전극층; 상기 하부전극층 위에 압전 고분자 물질을 전기 방사한 압전층; 및 상기 압전층 위에 도전성 고분자를 전기 방사한 상부 전극층을 포함한다.
상기 마이크로 동력에너지 수확 시스템은 상기 압전 직물을 부착할 수 있도록 삽입부를 구비하며, 상기 연결부재를 내부로 설치하여 외부 자극으로부터 보호할 수 있는 기둥부를 더 포함한다. 상기 기둥부는 상기 축전기를 상기 기둥부의 내부에 구비할 수 있다.
본 발명에 따른 압전 직물은 변형이 용이하고 의류 및 휴대용품 등에 쉽게 적용할 수 있는 효과가 있고, 크기의 제약 없이 대량으로 저렴한 비용으로 빠르게 생산 할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 따른 압전 직물은 전기 방사를 통한 나노웹으로 형성되되, 상부 전극층 상부와 하부 전극층 하부에 보호층을 포함하고 있어, 압전 직물을 보호하여 압전 직물의 변형시, 의류 및 휴대용품 등의 적용시 안정적으로 적용가능하다.
본 발명에 따른 마이크로 동력 에너지 수확 시스템은 압전 직물을 의류나 기타 생활용품 등에 쉽게 적용하여 제조하여 인체의 움직임에 의한 압력의 변화를 감지하여 전력으로 변화하여 이용할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 따른 마이크로 동력 에너지 수확 시스템은 압전 기능을 가지는 압전 직물을 크기의 제약 없이 쉽게 제작함으로써 풍력에 의한 발전 효휼을 크게 할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에서 제안하는 압전 직물은 섬유 자체로 센서의 기능을 하기 때문에 측정모듈만 구비한다면 착용자가 병원에 갈 필요도 없이 착용자가 의식하지 않는 상태에서도 다양한 측정이 가능하다. 그리고 나노웹 사이의 기공들은 수분이나 공기의 통로가 되므로 이 나노웹의 상/하부전극도 전도성 나노웹을 사용하는 경우에는 통풍성과 착용감의 저하가 없다.
또한 상기 나노웹으로 제조된 압전직물은 압전필름 센서와 달리 섬유가 특정한 배열방향이 없이 무작위로 얽혀있기 때문에 외력이 나노웹의 표면과 평행방향으로 가하여 지더라도 개개의 나노섬유의 길이 방향으로의 변형은 거의 없기 때문에 평행방향의 변형에 의한 전기적 신호의 발생이 거의 없는 반면, 웹의 수직 방향으로의 외력에 의해서만 섬유의 직경 변화가 일어나므로 나노웹으로 만들어지는 센서는 수직방향의 변형에 의한 전기적 신호를 선택적으로 발생할 수 있다.
상기 방법으로 만들어진 직물은 압전성을 보유하기 때문에, 측정모듈의 전원 공급을 위한 자가발전(MPG, Micro Power Generation)이 가능하여 별도의 전원공급을 위한 배터리가 필요 없다는 장점이 있다. 나아가 모바일 디바이스의 보조전원역할을 할 수 있는 등 응용이 가능하다.
본 발명의 상세한 설명에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 간단한 설명이 제공된다.
도 1은 일반적인 압전 필름을 이용하여 생체 신호 측정 시스템을 나타내는 도면이다.
도 2는 일반적인 압전 필름을 풍력을 이용한 에너지 수확 시스템을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명에 사용되는 전기 방사 장치의 원리를 설명하기 위한 도면이다
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 3 - layer 전기방사법을 이용하여 제작한 압전 직물과 압전 직물 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 압전 직물로 구성된 압전 의류를 포함하는 마이크로 동력에너지 수확시스템의 실시예를 나타내는 도면이다.
도 6은 도 5에 도시된 PCB 블록의 동작을 설명하기 위한 블록도이다.
도 7은 풍력을 이용한 마이크로 동력에너지 수확시스템의 실시예를 나타내는 도면이다.
도 1은 일반적인 압전 필름을 이용하여 생체 신호 측정 시스템을 나타내는 도면이다.
도 2는 일반적인 압전 필름을 풍력을 이용한 에너지 수확 시스템을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명에 사용되는 전기 방사 장치의 원리를 설명하기 위한 도면이다
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 3 - layer 전기방사법을 이용하여 제작한 압전 직물과 압전 직물 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 압전 직물로 구성된 압전 의류를 포함하는 마이크로 동력에너지 수확시스템의 실시예를 나타내는 도면이다.
도 6은 도 5에 도시된 PCB 블록의 동작을 설명하기 위한 블록도이다.
도 7은 풍력을 이용한 마이크로 동력에너지 수확시스템의 실시예를 나타내는 도면이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 3은 본 발명에 사용되는 전기 방사 장치의 원리를 설명하기 위한 도면이다. 도 3을 참조하면, 전기방사 장치는 노즐을 갖는 방사용액 저장조에 고전압을 인가하면, 노즐 끝 부분의 용액은 강한 정전기력을 받게 되고, 이러한 정전기력과 용액의 표면장력과의 평형이 깨어지는 순간 타일러 콘(Taylor cone)이라 불리는 형태로 용액이 변형되면서 타일러 콘(Taylor cone)의 끝 부분에서 한 줄기로 용액이 분사된다.
분사된 방사용액은 용매가 증발함에 따라 줄기가 점점 가늘어지고 용액의 표면 전하 밀도가 증가하게 된다. 표면 전하 밀도가 어느 한계점을 벗어나면 용액 내의 반발 정전기력에 의해 한줄기였던 분사용액이 수천 줄기로 나누어진다. 이때 형성된 섬유의 크기가 수십에서 수백 나노미터에 이르게 된다. 이러한 방법으로 제조된 섬유를 집진판에서 모으게 되면 다양한 용도의 부직포가 형성된다. 또한, 이러한 방법으로 제조한 섬유를 나노웹 이라한다.
일반적으로 전기방사 방법을 적용하여 제조된 섬유의 크기는 40 ~ 2000 정도의 직경 분포를 가지며, 적용하고자 하는 고분자 물질과 용매의 배합비율, 인가전압 등의 실험 조건에 따라 섬유의 크기 분포, 형상 등 특성이 변하게 된다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 3 - layer 전기방사법을 이용하여 제작한 압전 직물과 압전직물 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다. 상기 압전 직물(130)은 하부 전극층(110), 압전층(120), 및 상부 전극층(130)을 포함한다. 상기 압전 직물(100)은 상기 하부 전극층(110), 및 상기 상부 전극층(130) 외부에 보호층(미도시)을 더 구성할 수도 있다. 여기서 보호층은 공지된 국내 등록번호 제10-0401334호 등에서 섬유를 코팅하기 위한 방법과 재질로 코팅할 수 있다.
상기 하부 전극층(110)은 상기 전도성 고분자 분산액이 담긴 방사용액 저장조에 고전압을 인가하여 상기 전도성 고분자 물질을 전기 방사하여 형성된다.
상기 압전층(120)은 상기 하부 전극층(110) 위에 상기 압전 고분자 분산액이 담기 방사용액 저장조에 고전압을 인가하여 상기 압전 고분자 물질을 전기 방사하여 형성된다. 상기 압전 고분자 물질은 압전 화합물로이고, 상기 압전 화합물은 PVDF를 이용하여 구현될 수 있다.
상기 상부 전극층(130)은 상기 압전층(120) 위에 전도성 고분자 분산액이 담긴 방사용액 저장조에 고전압을 인사하여 상기 전도성 고분자 물질을 전기 방사하여 형성된다. 상기 하부 전극층(110)과 상기 상부 전극층(130)에 방사되는 전도성 고분자 물질은 동일한 물질인 것이 바람직하다.
좀더 자세히 설명하면, 외부로부터 압력을 받게 되면 압전층(120)의 압력이 변하게 되고, 압전효과에 의한 전력은 상부 전극층(30)과 하부 전극층(10)을 통하여 수집할 수 있다. 반대로 상부전극(30)과 하부전극(10)에 전압을 인가하면 압전층(20)의 기계적인 변형을 유도할 수 있다.
전기 방사시 고분자 용액의 농도는 5~30g/100(고분자/용매)인 것이 바람직하다. 고분자 용액의 농도가 30g/100(고분자/용매)이상인 경우에는 처음부터 고분자의 용해성 때문에 제조하기가 까다롭고, 고분자 용액의 농도가 5g/100(고분자/용매)이하인 경우에는 나노웹 형태가 나오지 않고 미세 용액 방울들이 흩뿌려지는 현상이 일어나 나노 섬유 웹을 얻지 못한다
또한 전기 방사시 5~50의 전압이 바람직하고, 용액의 토출 속도는 0.1~0.5/hr의 범위로 할 수 있다. 전압이 5이하인 경우에는 나노섬유 웹 자체가 형성되지 않으며 50 이상의 경우에는 방사 속도가 토출 속도보다 빨라져 바늘 안에서 용매가 증발, 고분자만이 남아 바늘이 막히게 된다.
바늘과 집진체의 거리는 5~20의 범위로 할 수 있다. 바늘과 집진판과의 거리가 20이상인 경우에는 더욱 높은 전압이 필요하게 되고 5이하인 경우에는 용매가 잘 휘발하지 않거나 국부적으로만 나노섬유 웹이 형성되므로 유의하여야 한다.상기 3-layer 전기방사법으로 제조된 나노웹은 부직포로 만들어지거나 직물에 직접코팅 될 수 있다.
도 5는 본 발명의 압전 직물로 구성된 압전 의류를 포함하는 마이크로 동력에너지 수확시스템의 실시예를 나타내는 도면이다. 도 4를 참조하면, 상기 마이크로 동력에너지 수확 시스템(200)은 압전 직물을 포함하는 압전 의류(210), PCB 블록(220), 및 연결부재(230)를 포함한다.
상기 압전 의류(210)는 인체의 움직임을 감지하고 압력의 변화를 전력으로 변환하는 압전 직물로 구성된다. 상기 압전 의류(210)는 재킷, 바지, 셔츠, 조끼, 블라우스, 내의 등과 같은 각종 형태의 의류가 될 수 있고, 상기 의류의 움직임이 많은 부문, 예컨대 관절부위만을 상기 압전 직물을 이용하여 제조할 수 있다.
상기 압전 직물은 도전성 고분자 물질이 전기 방사되어 형성된 하부 전극층(110), 상기 하부 전극층 위에 압전 고분자 물질이 전기 방사되어 형성된 압전층(120), 및 상기 압전층(120) 위에 도전성 고분자 물질이 전기 방사되어 형성된 상부전극층(130)을 포함한다. 상기 압전 직물은 섬유의 직경이 40nm ~ 2000nm 정도의 직경을 가지는 나노웹 구조로 이루어진다.
상기 압전 의류(210)는 상기 압전 직물의 일부분을 사용자의 신체로부터의 생체 신호(예컨대, 맥박 등)를 측정하기 위한 압전 센서(미도시)로 구현될 수 있다.
상기 압전 의류(210)는 상기 PCB 블록(220)을 수납하기 위한 수납공간(240)을 상기 압전 의류(210)의 내측 또는 외측에 마련될 수 있다.
상기 PCB 블록(220)은 상기 압전 의류(210)의 내측 또는 외측에 마련되어 상용자의 신체의 움직임에 의해 상기 압전 의류(210)로부터 출력되는 전력을 수신하여 저장하고 제어한다. 상기 PCB 블록(220)은 상기 압전 의류(210)로부터 측정되어 출력되는 생체 신호를 수신하여 제어한다.
상기 연결부재(230)는 상기 압전 의류(210)와 상기 PCB 블록(220)을 전기적으로 접속한다. 상기 연결부재(230)는 전도성 섬유로 구성되어 의류 착용시 인체의 불편함을 최소화 할 수 있다.
도 6은 도 5에 도시된 PCB 블록의 동작을 설명하기 위한 블록도이다. 도 5와 도 6을 참조하면, 상기 PCB 블록(220)은 전원부(221), 키입력부(222), 축전지(223), 제어부(224), 메모리부(225), 및 표시부(225)를 포함한다.
상기 전원부(221)는 상기 마이크로 동력 에너지 시스템(200)의 동작에 필요한 전원을 공급한다. 상기 전원부(221)는 휴대용 배터리 또는 충전식 배터리로 구현될 수 있다. 또한, 상기 전원부(221)는 상기 축전지(223)와 전기적으로 접속하여 상기 압전 의류(210)로부터 출력되는 전력을 저장하여 전원으로 사용함으로써 별도의 전원 공급 장치 없이도 동작이 가능하다.
상기 키입력부(222)는 상기 전원부(221)를 온/오프 시키거나 상기 마이크로 동력에너지 수확시스템(200)의 설정 등을 변경할 수 있는 기능키로 구성된다.
상기 축전지(223)는 상기 압전 의류(210)로부터 생성되어 출력되는 전력을 수신하여 저장한다. 상기 축전지(223)는 상기 저장된 전력을 상기 마이크로 동력에너지 수확 시스템(200)을 동작하는데 필요한 전력을 공급할 수도 있는 충,방전 장치로 구현될 수 있다. 상기 축전지(223)는 상기 PCB 블록(220) 외부에 별도의 장치로 구비될 수 있다.
상기 제어부(224)는 상기 마이크로 동력에너지 수확 시스템(200)을 제어하고 압전 의류(210)로부터 출력되는 신호를 증폭하거나 제어한다. 예컨대, 상기 압전 의류(210)로부터 출력되는 전력의 양을 측정하여 영상신호로 변환하여 상기 표시부(226)로 출력한다. 또한, 상기 마이크로 동력에너지 수확 시스템(200)을 생체 신호를 측정하기 위한 용도로 사용할 경우 상기 압전 의류(210)로부터 출력되는 생체신호를 소정의 신호처리를 통하여 영상신호로 변환하여 상기 표시부(226)로 출력한다.
상기 메모리부(225)는 상기 마이크로 동력에너지 수확 시스템에 대한 정보(예컨대, 발전용량, 저장 용량 등)가 저장될 수 있다. 또한, 상기 압전 의류(210)를 생체신호를 측정하기 위한 용도로 사용할 경우 상기 압전 의류(210)로부터 출력되는 생체신호에 대한 데이터를 저장한다. 상기 메모리부(225)는 도시되지는 않았지만 소정의 데이터 출력부를 더 구비하여 저장된 데이터를 외부기기(예컨대, PC 등)로 출력할 수 있다.
상기 표시부(226)는 상기 축전지(223)에 저장되는 전력을 디스플레이하고, 상기 생체신호 측정 시에는 상기 인체의 생체 신호에 대한 정보를 디스 플레이한다. 상기 표시부는 LCD, PDP, OLED 등을 이용하여 구현할 수 있다.
상술한 바와 같이 압전 직물로 구성된 압전 의류를 포함한 마이크로 동력에너지 수확시스템(200)은 인체에서 가장 가깝고 거의 모든 시간 착용하고 있기 때문에 인체의 움직임에 의한 압력의 변화를 이용하여 전력을 생산하는 데 매우 효율적이다.
또한, 상기 압전 의류(210)는 인체의 생체신호를 계측할 수 있는 매우 좋은 플랫폼으로 쓰일 수 있다. 상기 나노웹을 이용한 압전 의류(210)는 심장 가까운 곳에서 심장의 진동을 계측함으로써 심장의 활동 및 질환에 관한 정보를 얻을 수 있으며, 호흡에 의한 흉곽변화나 걸음걸이, 활동에 의한 모션 등 건강과 질병을 예측할 수 있는 매우 유용한 정보를 얻을 수 있다.
또한, 바닥에 깔 수 있는 카펫 형태의 직물로 제조하여 도로나 건축 구조물의 진동이나 스트레스를 측정할 수 있다.
도 7은 풍력을 이용한 마이크로 동력에너지 수확시스템의 실시예를 나타내는 도면이다. 도 7을 참조하면, 상기 마이크로 동력 에너지 수확 시스템(300)은 압전 직물(310), 축전지(320), 연결 부재(330), 및 기둥부(340)를 포함한다.
상기 압전 직물(310)은 도전성 고분자 물질이 전기 방사되어 형성된 하부전극층(110), 상기 하부 전극층(110) 위에 압전 고분자 물질이 전기 방사되어 형성된 압전층(120), 및 상기 압전층(120) 위에 도전성 고분자 물질이 전기 방사되어 형성된 상부 전극층(130)을 포함한다. 상기 압전 직물(310)은 섬유의 직경이 40nm ~ 2000nM\m 정도의 직경을 가지는 나노웹 구조로 이루어진다. 상기 압전 직물(310)은 바람 등에 의해 그 형태가 변형되고, 압력의 변화를 발생하게 된다. 즉, 상기 압전 직물(310)은 상기 압력의 변화에 응답하여 전력을 발생하여 출력한다.
상기 축전지(320)는 상기 기둥부(340)의 내부 또는 하단에 위치하여 상기 압전 직물(310)로부터 발생되어 출력되는 전력을 수신하여 저장한다. 상기 축전지(320)는 사이 기둥부(340)와 떨어져서 구비될 수 있다.
상기 연결부재(330)는 상기 압전 직물(310)로부터 출력되는 전력을 상기 축전지(340)로 전송한다. 상기 연결부재(330)는 저항이 충분히 작은 재료와 형상으로 제작하여, 상기 압전 직물(310)로부터 출력되는 전력의 손실을 최소화 하는 것이 바람직하다.
상기 기둥부(340)는 상기 압전 직물(310)이 접속할 수 있는 삽입부(341)를 포함하고 상기 연결부재(330)를 지지한다. 상기 기둥부(340)는 상기 연결부재(330)가 내부로 관통하여 통과할 수 있도록 구성되어 외부의 충격으로부터 상기 연결부재(330)를 보호할 수 있도록 구비될 수 있다.
이상 상술한 바와 같이 본 발명에 따른 압전 직물을 이용한 마이크로 동력에너지 수확시스템은 예시된 의류와, 깃발의 형태 뿐만 아니라, 바닥에 깔 수 있는 카펫 형태 등으로 제작하여 사람이나 차량 등이 지나갈 때 압력변화를 이용하여 전력을 생산할 수 있도록 구성될 수 있다. 따라서, 섬유가 사용 가능한 곳에는 다양한 응용이 가능하다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
100: 압전직물 110: 하부 전극층
120: 압전층 130: 상부 전극층
200, 300: 마이크로 동력에너지 수확 시스템
120: 압전층 130: 상부 전극층
200, 300: 마이크로 동력에너지 수확 시스템
Claims (7)
- 도전성 고분자 물질이 전기 방사되어 형성되는 하부 전극층;
상기 하부전극층 위에 압전 고분자 물질이 전기 방사되어 형성된 압전층; 및
상기 압전층 위에 도전성 고분자 물질이 전기 방사되어 형성된 상부 전극층;을 포함하는 압전 직물에 있어서,
상기 상부 전극층 상부와 상기 하부 전극층 하부에 보호층을 더 포함하며,
상기 압전 고분자 물질은 PVDF 물질이며,
상기 고분자 물질의 농도는 5~30g/100ml(고분자/용매)이고, 상기 전기 방사시 전압은 5~50kv인 것을 특징으로 하는 압전 직물 - 도전성 고분자를 전기 방사하여 하부 전극층을 형성하는 단계;
상기 하부전극층 위에 압전 고분자 물질을 전기 방사하여 압전층을 형성하는 단계; 및
상기 압전층 위에 도전성 고분자를 전기 방사하여 상부 전극층을 형성하는 단계;를 포함하는 압전 직물 제조 방법에 있어서,
상기 하부 전극층 하부와 상부 전극층 상부에 보호층을 형성하는 단계를 더포함하며,
상기 압전 고분자 물질은 PVDF 물질이며,
상기 고분자 물질의 농도는 5~30g/100ml(고분자/용매)이고, 상기 전기 방사시 전압은 5~50kv인 것을 특징으로 하는 압전 직물 제조 방법. - 압전 직물을 포함하는 압전 의류;
상기 압전 의류의 내측 또는 외측에 결합되어 사용자의 신체의 움직임에 의해 상기 압전 의류로부터 출력되는 전력을 수신하여 저장하고, 제어하기 위한 PCB 블록; 및
전도성 섬유로 구성되고 상기 압전 의류로부터 출력되는 전력을 상기 PCB 블럭으로 전달하기 위한 연결부재를 포함하며,
상기 압전 직물은,
도전성 고분자 물질이 전기 방사되어 형성된 하부 전극층;
상기 하부 전극층 위에 압전 고분자 물질이 전기 방사되어 형성된 압전층;
상기 압전층 위에 도전성 고분자 물질이 전기 방사되어 형성된 상부 전극층;
상기 상부 전극층 상부와 상기 하부 전극층 하부에 형성된 보호층;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 동력에너지 수확 시스템. - 제3항에 있어서,
상기 PCB블럭은,
전원을 공급하기 위한 전원부;
상기 전원부를 온/오프하는 스위치, 및 상기 마이크로 동력에너지 수확 시스템의 기능을 변경하거나 설정하기 위한 기능키를 포함하는 키입력부;
상기 압전 의류로부터 출력되는 전력을 수신하여 저장하기 위한 축전지; 및
상기 압전 의류로부터 출력되는 신호를 증폭하거나 제어하기 위한 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 동력에너지 수확시스템. - 제4항에 있어서,
상기 PCB 블록은,
상기 마이크로 동력에너지 수확시스템에 정보를 저장하거나, 상기 압전 의류로부터 출력되는 생체신호에 대한 정보를 저장하기 위한 메모리부; 및
상기 축전지에 저장되는 전력의 양을 디스플레이하거나, 상기 생체 신호에 대한 정보를 디스플레이하는 표시부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 동력에너지 수확시스템. - 압전 직물을 포함하고 인체의 생체 신호를 측정하기 위한 압전 의류;
상기 압전 의류의 내측 또는 외측에 결합되어 사용자의 신체의 움직임에 의해 상기 압전 의류로부터 출력되는 생체 신호를 수신하여 저장하고, 제어하기 위한 PCB 블록; 및
전도성 섬유로 구성되고 상기 압전 의류로부터 출력되는 생체 신호를 상기 PCB 블럭으로 전달하기 위한 연결부재를 포함하며,
상기 압전 직물은,
도전성 고분자 물질이 전기 방사되어 형성된 하부 전극층;
상기 하부 전극층 위에 압전 고분자 물질이 전기 방사되어 형성된 압전층;
상기 압전층 위에 도전성 고분자 물질이 전기 방사되어 형성된 상부 전극층;및
상기 상부 전극층 상부와 상기 하부 전극층 하부에 형성된 보호층;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 동력에너지 수확 시스템. - 풍력에 의한 압력의 변화를 전력으로 변환하여 출력하는 압전 직물;
상기 압전 직물로부터 출력되는 전력을 저장하기 위한 축전지; 및
상기 축전지와 상기 압전 직물을 접속하기 위한 전도성 물질로 구성된 연결부재를 포함하며,
상기 압전 직물은,
도전성 고분자를 전기 방사한 하부 전극층;
상기 하부전극층 위에 압전 고분자 물질을 전기 방사한 압전층;
상기 압전층 위에 도전성 고분자 물질이 전기 방사되어 형성된 상부 전극층;및
상기 상부 전극층 상부와 상기 하부 전극층 하부에 형성된 보호층;
을 포함하며,
상기 압전 직물을 부착할 수 있도록 삽입부를 구비하며, 상기 연결부재를 내부로 설치하여 외부 자극으로부터 보호할 수 있는 기둥부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 동력에너지 수확 시스템.
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|---|---|---|---|
| KR1020120064776A KR20120083261A (ko) | 2012-06-18 | 2012-06-18 | 압전 직물, 및 그를 이용한 마이크로 동력 에너지 수확 시스템 |
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