KR20210133305A - 동조 무선 주파수(rf) 공진 재료 및 재료 구성 - Google Patents
동조 무선 주파수(rf) 공진 재료 및 재료 구성 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 다수의 플라이를 갖는 몸체 및 상기 몸체를 둘러싸는 트레드로 형성된 타이어를 제공한다. 일부 구현예에서, 상기 플라이 및/또는 상기 트레드는 국부적으로 생산된 전력에 의해 또는 외부에서 생성된 여기 신호에 의해 활성화되는 것에 응답하여 공진 신호를 생성하는 공진기를 포함한다. 탄소 함유 재료로 형성된 다수의 공진기는 상기 플라이 및/또는 상기 트레드에 분포되어 상기 공진 신호의 특성을 변경함으로써 타이어의 변화에 대응한다. 이러한 변경은 상기 공진 신호의 주파수 편이 및/또는 상기 공진 신호의 감쇠를 포함한다. 상기 공진기는 각각의 플라이 또는 트레드의 구조적 특성이 레벨보다 클 때 제1 주파수에서 공진하고, 각각의 플라이 또는 트레드의 구조적 특성이 레벨보다 크지 않을 때 제1 주파수와는 다른 제2 주파수에서 공진하도록 구성될 수 있다.
Description
관련 출원에 대한 상호 참조
본 특허 출원은 미국 특허 출원 번호 16/829,355(발명의 명칭: "TIRES CONTAINING RESONATING CARBON-BASED MICROSTRUCTURES", 출원일: 2020년 3월 25일), 미국 특허 출원 번호 16/829,385(발명의 명칭: "TUNED RADIO FREQUENCY (RF) RESONANT MATERIALS", 출원일: 2020년 3월 25일), 미국 가특허 출원 번호 62/824,440(출원일: "TUNING RESONANT MATERIALS FOR VEHICLE SENSING", 출원일: 2019년 3월 27일), 미국 가특허 출원 번호 62/979,215(발명의 명칭: "WASTE ENERGY HARVESTING AND POWERING IN VEHICLES", 출원일: 2020년 2월 20일), 및 미국 가특허 출원 번호 62/985,550(발명의 명칭: "RESONANT SERIAL NUMBER IN VEHICLE TIRES", 출원일: 2020년 3월 5일)의 우선권을 주장하고, 이들 선출원 문헌은 모두 본 양수인에게 양도되고; 이들 선출원 문헌의 전체 내용은 본 명세서의 일부로 간주되고 본 명세서에 기재된 것처럼 병합된다.
기술 분야
본 발명은 재료의 존재, 조성 및/또는 성능의 변화를 검출하기 위한 센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 타이어의 플라이(ply) 및/또는 트레드(tread)의 마모를 감지하기 위한 기술에 관한 것이다.
하이브리드 및 전기 전용 시스템을 포함하는 차량 전력 유형의 진보로 추가적인 기술 통합 기회가 창출됐다. 이는 특히 (훈련된 유능한 인간과 반대로) 기술이 차량 구성 요소의 성능과 신뢰성을 정기적으로 모니터링하여 지속적으로 차량 탑승자의 안전과 편안함을 보장해야 하는 완전 자율 주행 및 내비게이션으로 현대 차량이 전환함에 따라 그러하다. 타이어 압력 모니터링 시스템(TPMS)과 같은 기존의 시스템은 고성능(예를 들어, 경주용) 또는 완전 자율 주행 응용에 필요한 높은 레벨의 충실도를 제공하지 못할 수 있다. 이러한 응용에서는 까다로운 주행 또는 경주에서 나타나는 급격한 차량 구성 요소(예를 들어, 타이어)의 마모, 또는 존재하는 인간 운전자가 차량 동작 동안 타이어 성능을 점검하지 못할 수 있는 것과 같은 고유한 문제를 제기할 수 있다.
본 '발명의 내용'란은 아래 '발명을 실시하기 위한 구체적인 내용'란에서 더 설명되는 내용 중 일부 선택된 개념을 단순화된 형태로 소개하기 위해 제공된 것이다. 본 '발명의 내용'란은 청구된 주제의 핵심 특징 또는 필수 특징을 식별하기 위해 의도된 것도 아니며, 청구된 주제의 범위를 제한하기 위해 의도된 것도 아니다. 더욱이, 본 발명의 시스템, 방법 및 디바이스는 각각 여러 혁신적인 양태를 포함하고, 이들 양태 중 단 하나만이 본 명세서에 개시된 바람직한 속성을 단독으로 책임하는 것은 아니다.
본 명세서에서 설명된 주제의 하나의 혁신적인 양태는 복수의 플라이를 포함하는 적어도 몸체로 형성된 타이어로서 구현될 수 있다. 복수의 플라이 중 적어도 하나의 플라이는 신호에 응답하여 공진 신호를 생성하도록 구성된 공진기를 포함할 수 있다. 탄소 함유 재료는 플라이의 하나 이상의 부분에 분포될 수 있고, 공진 신호의 적어도 하나의 특성을 변경하도록 구성될 수 있다. 일부 양태에서,
일부 구현예에서, 적어도 하나의 특성을 변경하는 것은 복수의 플라이 중 하나 이상의 플라이의 마모량에 비례하여 공진 신호의 주파수를 편이시키거나 공진 신호를 감쇠시키는 것 중 하나 이상을 포함할 수 있고, 이 감쇠시키는 것은 차폐를 통해 공진 신호를 감쇠하도록 구성될 수 있다. 감쇠량은 복수의 플라이 중 하나 이상의 플라이의 두께에 기초할 수 있다. 감쇠된 공진 신호의 진폭은 타이어 마모를 나타낼 수 있다.
일부 구현예에서, 공진기는 복수의 플라이의 각각의 플라이의 구조적 특성이 레벨보다 클 때 제1 주파수에서 공진하도록 구성될 수 있고, 각각의 플라이의 구조적 특성이 레벨보다 크지 않을 때 제1 주파수와 다른 제2 주파수에서 공진하도록 구성될 수 있다. 공진기는 타이어의 회전 속도에 기초하여 주파수에서 진동하도록 구성될 수 있다.
일부 구현예에서, 공진기의 발진은 복수의 플라이의 각각의 플라이 내에 내장될 수 있는 전하 생성 디바이스로부터 전하를 수신할 때 개시될 수 있다. 일부 양태에서, 전하 생성 디바이스는 마찰 구성요소 및 탄소 육각형 마찰 전기 에너지 생성기(CH-TENG) 중 임의의 하나 이상을 포함할 수 있다.
일부 구현예에서, 공진기는 함께 결합되어 3D 계층적 개방형 다공성 구조를 생성하는 그래핀 시트로 형성된 복수의 3차원(3D) 응집체(aggregate)를 포함할 수 있다. 일부 양태에서, 타이어는 센서가 타이어의 내부 라이너 내에 내장될 수 있도록 탄소 함유 재료로 형성된 센서를 포함할 수 있다.
일부 구현예에서, 복수의 플라이는 제1 주파수에서 공진하도록 구성된 제1 공진기를 포함하는 제1 플라이, 제1 주파수와 다른 제2 주파수에서 공진하도록 구성된 제2 공진기를 포함하는 제2 플라이, 및 제1 및 제2 주파수와 다른 제3 주파수에서 공진하도록 구성된 제3 공진기를 포함하는 제3 플라이를 적어도 포함할 수 있다. 일부 양태에서, 제1 플라이는 타이어의 외부 층을 형성할 수 있다. 제1 주파수의 감쇠는 제1 플라이의 마모 또는 열화를 나타낼 수 있다. 제2 플라이는 제1 플라이 상에 배치될 수 있고, 제3 플라이는 제2 플라이 상에 배치된다. 제1 플라이, 제2 플라이, 및 제3 플라이 중 임의의 하나 이상은 서로 접촉할 수 있다.
본 명세서에 설명된 주제의 다른 혁신적인 양태는 복수의 플라이를 갖는 몸체를 포함하는 타이어에서 구현될 수 있다. 복수의 플라이의 각각의 플라이는 전하 생성 디바이스, 및 복수의 플라이 중 적어도 하나의 플라이 내의 전하 생성 디바이스에 전기적으로 결합된 공진기를 포함할 수 있다. 공진기는 전하 생성 디바이스에 의해 생성된 전하에 응답하여 공진 신호를 생성하도록 구성될 수 있다. 트레드는 몸체를 둘러싼다.
일부 구현예에서, 복수의 플라이의 각각의 플라이의 적어도 일부는 대응하는 공진기에 의해 생성된 공진 신호를 감쇠하도록 구성될 수 있다. 감쇠량은 각각의 플라이의 마모 또는 열화를 나타낼 수 있다. 복수의 플라이 중 적어도 하나의 플라이는 차폐에 의해 대응하는 공진 신호를 감쇠시키도록 구성될 수 있다. 일부 양태에서, 복수의 플라이 중 적어도 하나의 플라이는 적어도 하나의 플라이의 열화에 기초하여 대응하는 공진 신호의 주파수를 변경하도록 구성될 수 있다.
본 명세서에 설명된 주제의 하나의 혁신적인 양태는 몸체 및 이 몸체를 둘러싸는 복수의 플라이를 포함하는 타이어로서 구현될 수 있다. 복수의 플라이의 적어도 일부 플라이는 적어도 일부 플라이의 개별 플라이의 하나 이상의 부분에 분포된 다수의 탄소 기반 마이크로구조물을 포함할 수 있다. 적어도 일부 플라이의 각각의 플라이는 하나 이상의 대응하는 고유 주파수에서 공진하도록 구성될 수 있다.
일부 구현예에서, 다수의 탄소 기반 마이크로구조물 중 하나 이상은, 그래핀 시트로 형성되고 함께 결합되어 3D 계층적 개방형 다공성 구조를 생성하는 복수의 3차원(3D) 응집체를 포함한다. 3D 계층적 개방형 다공성 구조는 중간 규모의 구조화를 포함할 수 있다. 다수의 탄소 기반 마이크로구조물 중 하나 이상은 3D 계층적 개방형 다공성 구조에 형성된 다공성 배열을 포함할 수 있다. 일부 양태에서, 그래핀 시트는 단일층 그래핀(SLG), 소수층 그래핀(FLG), 또는 다수층 그래핀(MLG) 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
일부 구현예에서, 첨가제 재료는 복수의 플라이 중 적어도 일부 플라이의 노출된 표면의 표면 기능을 변경하도록 구성될 수 있다. 탄소 기반 마이크로구조물의 하나 이상의 재료 특성은 탄소 기반 마이크로구조물의 합성 동안 정해지도록 구성될 수 있다.
일부 구현예에서, 다수의 탄소 기반 마이크로구조물의 각각의 탄소 기반 마이크로구조물은 자가 조립될 수 있다. 탄소 기반 마이크로구조물은 균일한 핵 형성으로부터 핵 형성될 수 있다. 탄소 기반 마이크로구조물은 적어도 부분적으로 플라즈마 부근으로 흐를 수 있는 증기 흐름 스트림에 의해 적어도 부분적으로 성장되도록 구성될 수 있다. 증기 흐름 스트림은 진공과 실질적으로 대기압 사이의 압력 범위에서 흐를 수 있다.
일부 구현예에서, 탄소 기반 마이크로구조물은 비평형 상태 하에서 가스-고체 반응에 의해 제어될 수 있는 탄소 기반 가스 종으로부터 성장될 수 있다. 다수의 탄소 기반 마이크로구조물 중 하나 이상은 타이어 압력 모니터링 시스템(TPMS)과 상호 작용할 수 있는 트랜시버의 핑(ping)에 응답하여 고유한 주파수에서 공진하도록 구성된다.
일부 구현예에서, 다수의 탄소 기반 마이크로구조물은 타이어가 경험하는 마모 정도에 비례하여 하나 이상의 공진 신호를 감쇠하도록 구성될 수 있다. 감쇠된 공진 신호 각각의 진폭은 마모 정도를 나타낼 수 있다. 적어도 일부 플라이의 각각의 플라이는 여기 신호에 응답하여 공진함으로써 하나 이상의 공진 신호의 각각의 공진 신호를 생성하도록 구성될 수 있다.
일부 구현예에서, 다수의 탄소 기반 마이크로구조물 중 적어도 하나는 알려진 시그니처 주파수 또는 주파수들에서 공진한다. 적어도 하나의 플라이의 두께는 알려진 시그니처 주파수 또는 주파수들의 진폭을 적어도 부분적으로 감쇠시키도록 구성될 수 있다. 일부 양태에서, 복수의 플라이 중 하나 이상의 플라이는 유전 상수의 변화에 기초하여 알려진 시그니처 주파수 또는 주파수들로부터 멀어지게 편이된 주파수에서 공진하도록 구성될 수 있다.
본 명세서에 설명된 주제의 다른 혁신적인 양태는 몸체 및 이 몸체를 둘러싸는 트레드를 포함하는 타이어에서 구현될 수 있다. 트레드는 복수의 플라이를 포함할 수 있다. 복수의 플라이 중 적어도 일부는 복수의 플라이의 개별 플라이에 고유한 하나 이상의 주파수에서 공진하도록 구성된 다수의 마이크로구조물을 포함할 수 있다. 마이크로구조물 중 적어도 하나는 타원형, 타원, 직사각형, 정사각형, 원형, 선형 또는 선형의 조합 중 임의의 하나 이상과 유사하도록 형성될 수 있다.
본 명세서에 설명된 주제의 하나 이상의 구현의 세부사항은 첨부 도면 및 아래의 설명에서 제시된다. 다른 특징, 양태 및 이점은 설명, 도면 및 청구범위로부터 명백해질 것이다.
본 명세서에 개시된 주제의 구현은 예로서 예시된 것일 뿐, 첨부 도면으로 제한되는 것으로 의도된 것이 아니다. 도면 및 명세서 전반에 걸쳐 유사한 번호는 유사한 요소를 나타낸다. 이하 도면의 상대적인 치수는 축척에 맞게 그려진 것이 아닐 수도 있다는 것이 주목된다.
도 1a는 일부 구현예에 따라 핑될 때 바람직한 무선 주파수(RF) 신호 공진 및 응답을 나타내도록 동조되는(tuned) 탄소 함유 복합체(composite)로 형성된 다양한 센서를 포함하는 현장(in-situ) 차량 제어 시스템을 제시한다.
도 1b는 일부 구현예에 따라 탄소 함유 동조 RF 공진 재료로 형성된 센서에 의해 주파수 편이 및/또는 감쇠된 처프(chirp) 신호를 분석하는 신호 처리 시스템을 예시한다.
도 1c는 일부 구현예에 따라 자가 전력 원격 측정에 의해 생성된 (또는 자가 전력 원격 측정과 관련된) 시간적으로 변하는 원격 측정 신호를 분석하는 신호 처리 시스템을 예시하며, 여기서 신호는 탄소 함유 동조 RF 공진 재료로 형성된 센서에 의해 주파수 편이 및/또는 감쇠된다.
도 1d는 일부 구현예에 따라 차량 타이어에 혼입된 자가 전력 원격 측정과 관련된 속성의 표현이다.
도 2a는 일부 구현예에 따라 서로 접촉하는 탄소 함유 수지 및 탄소 섬유의 교대 층을 포함하는 감지 적층체(laminate)를 도시한다.
도 2ba 및 도 2bb는 일부 구현예에 따라 탄소 함유 동조 RF 공진 재료를 포함하는 감지 적층체에 의해 나타나는 주파수 편이 현상을 도시한다.
도 2bc은 일부 구현예에 따라 편향의 함수로서 RF 공진의 이상화된 변화를 도시하는 그래프이다.
도 2bd는 일부 구현예에 따라 4층 및 5층 적층체에 대한 RF 공진의 변화를 도시하는 그래프이다.
도 2c는 일부 구현예에 따라 차량의 영역에 표면 센서 전개를 도시한다.
도 2d는 일부 구현예에 따라 도 2c에 도시된 표면 센서 전개와 통합될 수 있는 다양한 전류 생성 시스템을 예시한다.
도 2e는 일부 구현예에 따라 상이한 등급의 차량에서 에너지 재활용의 예와 관련된 속성의 표현이다.
도 2f는 일부 구현예에 따라 차량에서 에너지 수확(energy harvesting)과 관련된 다양한 수치 값에 대한 표를 예시한다.
도 2g는 일부 구현예에 따라 차량에서 에너지 수확과 관련된 다양한 속성에 대한 표를 예시한다.
도 2h는 일부 구현예에 따라 극성 및/또는 분극성에 의존하는 것으로 구성된 마찰 전기 계열에 사용되는 공통 재료의 집합을 예시한다.
도 2i는 일부 구현예에 따라 동조 탄소 함유 RF 공진 재료로 형성된 센서로부터 수신된 신호를 처리하는 시그니처 분류 시스템을 예시한다.
도 3a는 일부 구현예에 따라 타이어 압력 모니터링 시스템(TPMS)의 일부일 수 있는 (또는 타이어 압력 모니터링 시스템과 연관될 수 있는) 것과 같은 종래 기술의 압력 기반 배터리 구동식 타이어 상태 센서를 도시한다.
도 3b는 일부 구현예에 따라 타이어 플라이에 내장된 동조 탄소 함유 RF 공진 재료를 갖는 센서가 장착된 차량 타이어의 동작을 도시한다.
도 3c는 일부 구현예에 따라 탄소 함유 동조 RF 공진 재료의 다양한 층의 RF 공진의 변화로부터 감지되는 일련의 타이어 상태 파라미터를 도시한다.
도 3d는 일부 구현예에 따라 단일 타이어 조립체의 몸체에 혼입하기 위해 개별 및 독립 반응기(reactor)로부터 탄소 함유 동조 RF 공진 재료를 선택함으로써 타이어의 다수의 플라이를 동조시키기 위한 제조 기술을 도시한다.
도 3e는 일부 구현예에 따라 동조 탄소 함유 RF 공진 재료 층으로 형성된 타이어로부터 방출되는 예시적인 상태 시그니처의 제1 세트를 도시한다.
도 3fa은 일부 구현예에 따라 탄소 함유 동조 RF 공진 재료 층으로 형성된 새로운 타이어로부터 방출되는 예시적인 상태 시그니처의 제2 세트를 도시한다.
도 3fb는 일부 구현예에 따라 탄소 함유 동조 RF 공진 재료의 일부가 마모된 후 타이어로부터 방출되는 예시적인 상태 시그니처의 제3 세트를 도시한다.
도 3fc은 일부 구현예에 따라 측정된 공진 시그니처 신호 세기(데시벨, db) 대 타이어 트레드 층 손실 높이(밀리미터, mm)의 그래프를 도시한다.
도 3ga 및 도 3gb는 일부 구현예에 따라 예시적인 통상적인 탄소 재료 생산 체인의 개략도를 도시한다.
도 4 및 도 5a는 일부 구현예에 따라 차량에서 폐에너지 수확 및 전력 공급과 관련된 속성의 표현이다.
도 5b는 일부 구현예에 따라 고온 영역과 저온 영역 사이에 (반도체 재료 내에서) 전하 캐리어가 흘러 전압 차이가 생겨 열전 발전기(TEG)가 저조도 상태 또는 무조도 상태에서 동작할 수 있는 것을 나타내는 개략도를 예시한다.
도 5c는 일부 구현예에 따라 전기 전도율을 위해 동조되고/되거나 폐열로부터 전력을 생산하도록 도핑된 타이어의 몸체 또는 트레드 내의 플라이에 혼입된 탄소 기반 재료를 예시한다.
도 5d는 일부 구현예에 따라 타이어에 통합된 열전 발전 기능과 관련된 출력 전력 대 열 선속의 크기(섭씨 온도의 델타)를 비교하기 위한 차트를 예시한다.
도 6a는 일부 구현예에 따라 (예를 들어, 복합체 재료에 혼입될 때) 열전 변환에 사용되는 3차원(3D) 그래핀과 관련된 속성의 표현이다.
도 6b는 일부 구현예에 따라 전력 수확을 위해 엔진 구성요소에 혼입된 층상화된 포지티브-네거티브(PN) 접합 유형 반도체 재료를 예시한다.
도 7a는 일부 구현예에 따라 타이어 진단 관련 능력의 표현이다.
도 7b는 일부 구현예에 따라 정규화된 커패시턴스(C/C0) 대 고무 두께(mm)를 비교하는, 차량 타이어의 고무 내에 혼입된 종래 재료의 그래프이다.
도 7ca은 일부 구현예에 따라 임피던스 기반 분광법을 통한 타이어 마모 감지를 위한 전체 타이어 진단 시스템 및 장치를 보여주는 개략도를 예시한다.
도 7cb는 일부 구현예에 따라 인쇄된 탄소 기반 재료를 제조하기 위한 내비게이션 시스템 및 장비로 원격 측정을 통해 전송된 타이어 정보를 예시한다.
도 7cc은 일부 구현예에 따라 타이어 상태의 감지와 관련된 정보의 표현이다.
도 7cd 내지 도 7ce는 일부 구현예에 따리 타이어 트레드 층 및/또는 타이어 몸체 플라이 인쇄 인코딩을 통해 차량 타이어의 공진 시리얼 번호 기반 디지털 인코딩과 관련된 개략도를 예시한다.
도 7d는 일부 구현예에 따라 압전 능력을 통해 전력 또는 전류를 생성하도록 구성된 타이어 벨트 플라이의 다양한 층을 도시하는 개략도를 예시한다.
도 8a 내지 도 8b는 일부 구현예에 따라 열전 발전기(TEG)의 적용을 통한 에너지 수확과 관련된 정보의 표현이다.
도 9는 일부 구현예에 따라 종래의 차량과 연관된 동력 트레인(powertrain)의 손실(전방 추진력에 사용할 수 없는 것)을 보여주기 위해 차량 섀시, 엔진 및 구동 트레인의 개략적인 절단도를 도시한다.
도 10은 일부 구현예에 따라 압전 및/또는 열전 전류 및/또는 전력 생성기가 장착된 차량의 개략적인 절단도를 예시한다.
도 11은 일부 구현예에 따라 진보된 개념의 타이어 및 다양한 에너지 (전류) 전달 과제의 다양한 개략 사시도를 예시한다.
도 12는 일부 구현예에 따라 차량 타이어에 그래핀을 적용 또는 혼입하는 것과 연관된 다양한 속성의 표현이다.
도 13a는 일부 구현예에 따라 그래핀 충전 고무를 혼입하고 지면 또는 포장 도로와 접촉하는 차량 타이어의 개략적인 측면도이다.
도 13b는 일부 구현예에 따라 차량 타이어에 혼입된 마찰 전기 발전기에 관한 정보의 표현이다.
도 14a 내지 도 14c는 (일부 구현예에 따라 단일 전극 및 구리 적층된 폴리디메틸실록산(PDMS) 패치가 장착된) 롤링 휠(rolling wheel) 상의 전하 생성의 개략도를 예시한다.
도 14d는 일부 구현예에 따라 마찰 전기 발전기 또는 모터의 예시적인 회전자 및 고정자 구성을 예시한다.
도 14e는 일부 구현예에 따라 차량 타이어에 혼입된 다양한 대안적인 마찰 전기 발전기 및 고무 공압 타이어 내에 고정된 압축성 육각형 구조의 마찰 전기 에너지 나노발전기(CH-TENG) 어레이의 구성에 관한 개략도를 예시한다.
도 14f는 일부 구현예에 따라 차량 타이어 내에 혼입되도록 의도된 다양한 유형의 마찰 전기 에너지 생성기 구성을 예시한다.
도 15a는 일부 구현예에 따라 타이어 압력 모니터링 시스템(TPMS)을 통해 달성되는 차량 타이어에 대한 센서 기반 모니터링에 관한 정보의 표현이다.
도 15b는 일부 구현예에 따라 기판 전극을 혼입하는 기판의 개략적인 측면도이다.
도 15c는 일부 구현예에 따라 타이어 압력을 모니터링하기 위한 폴리이미드 기반 스트레인 게이지의 개략도이다.
도 15d는 일부 구현예에 따라 차량 타이어 트레드 변형을 검출하고 세라믹 상에 갈륨 비소(GaAs)를 혼입하도록 구성된 홀 센서(hall sensor)의 개략적인 절단도이다.
도 15e 내지 도 15h는 일부 구현예에 따라 타이어 몸체 내의 강철 와이어 벨트에 통합된 비접촉 초음파 전기 저항기-콘덴서 병렬 회로에 관한 다양한 개략도를 보여준다.
도 16 내지 도 18은 일부 구현예에 따라 다른 재료 위에 성장되는 구조화된 탄소, 다양한 탄소 나노입자, 다양한 탄소 기반 응집체 및 다양한 3차원 탄소 함유 조립체를 도시한다.
도 18은 일부 구현예에 따라 도 16 내지 도 18에 도시된 구조화된 탄소 및/또는 이와 유사한 것 중 하나 이상에 대한 라만 편이(Raman shift) 그래프를 예시한다.
도 20은 일부 구현예에 따라 요소들 내에 또는 요소들 사이에 내장된 공진 회로 구성요소를 갖는 타이어 트레드 층 및/또는 플라이의 성분 요소(예를 들어, 고무)의 예시적인 격자형 배열의 개략적인 사시도를 예시한다.
도 21은 일부 구현예에 따라 차량 타이어 몸체 플라이 및/또는 트레드 층에 혼입되어 동작 중일 때 도 21에 도시된 공진 회로와 연관된 신호 감쇠를 나타내는 예시적인 라만 세기의 열 지도(heat map) 또는 그래프이다.
도 22는 일부 구현예에 따라 자가 조립 탄소 기반 입자의 예시적인 구성을 보여주는 개략도이다.
도 23a 내지 도 23y는 일부 구현예에 따라 다른 재료 위에 성장되는 구조화된 탄소, 다양한 탄소 나노입자, 다양한 탄소 기반 응집체, 및 다양한 3차원 탄소 함유 조립체를 도시한다.
도 1a는 일부 구현예에 따라 핑될 때 바람직한 무선 주파수(RF) 신호 공진 및 응답을 나타내도록 동조되는(tuned) 탄소 함유 복합체(composite)로 형성된 다양한 센서를 포함하는 현장(in-situ) 차량 제어 시스템을 제시한다.
도 1b는 일부 구현예에 따라 탄소 함유 동조 RF 공진 재료로 형성된 센서에 의해 주파수 편이 및/또는 감쇠된 처프(chirp) 신호를 분석하는 신호 처리 시스템을 예시한다.
도 1c는 일부 구현예에 따라 자가 전력 원격 측정에 의해 생성된 (또는 자가 전력 원격 측정과 관련된) 시간적으로 변하는 원격 측정 신호를 분석하는 신호 처리 시스템을 예시하며, 여기서 신호는 탄소 함유 동조 RF 공진 재료로 형성된 센서에 의해 주파수 편이 및/또는 감쇠된다.
도 1d는 일부 구현예에 따라 차량 타이어에 혼입된 자가 전력 원격 측정과 관련된 속성의 표현이다.
도 2a는 일부 구현예에 따라 서로 접촉하는 탄소 함유 수지 및 탄소 섬유의 교대 층을 포함하는 감지 적층체(laminate)를 도시한다.
도 2ba 및 도 2bb는 일부 구현예에 따라 탄소 함유 동조 RF 공진 재료를 포함하는 감지 적층체에 의해 나타나는 주파수 편이 현상을 도시한다.
도 2bc은 일부 구현예에 따라 편향의 함수로서 RF 공진의 이상화된 변화를 도시하는 그래프이다.
도 2bd는 일부 구현예에 따라 4층 및 5층 적층체에 대한 RF 공진의 변화를 도시하는 그래프이다.
도 2c는 일부 구현예에 따라 차량의 영역에 표면 센서 전개를 도시한다.
도 2d는 일부 구현예에 따라 도 2c에 도시된 표면 센서 전개와 통합될 수 있는 다양한 전류 생성 시스템을 예시한다.
도 2e는 일부 구현예에 따라 상이한 등급의 차량에서 에너지 재활용의 예와 관련된 속성의 표현이다.
도 2f는 일부 구현예에 따라 차량에서 에너지 수확(energy harvesting)과 관련된 다양한 수치 값에 대한 표를 예시한다.
도 2g는 일부 구현예에 따라 차량에서 에너지 수확과 관련된 다양한 속성에 대한 표를 예시한다.
도 2h는 일부 구현예에 따라 극성 및/또는 분극성에 의존하는 것으로 구성된 마찰 전기 계열에 사용되는 공통 재료의 집합을 예시한다.
도 2i는 일부 구현예에 따라 동조 탄소 함유 RF 공진 재료로 형성된 센서로부터 수신된 신호를 처리하는 시그니처 분류 시스템을 예시한다.
도 3a는 일부 구현예에 따라 타이어 압력 모니터링 시스템(TPMS)의 일부일 수 있는 (또는 타이어 압력 모니터링 시스템과 연관될 수 있는) 것과 같은 종래 기술의 압력 기반 배터리 구동식 타이어 상태 센서를 도시한다.
도 3b는 일부 구현예에 따라 타이어 플라이에 내장된 동조 탄소 함유 RF 공진 재료를 갖는 센서가 장착된 차량 타이어의 동작을 도시한다.
도 3c는 일부 구현예에 따라 탄소 함유 동조 RF 공진 재료의 다양한 층의 RF 공진의 변화로부터 감지되는 일련의 타이어 상태 파라미터를 도시한다.
도 3d는 일부 구현예에 따라 단일 타이어 조립체의 몸체에 혼입하기 위해 개별 및 독립 반응기(reactor)로부터 탄소 함유 동조 RF 공진 재료를 선택함으로써 타이어의 다수의 플라이를 동조시키기 위한 제조 기술을 도시한다.
도 3e는 일부 구현예에 따라 동조 탄소 함유 RF 공진 재료 층으로 형성된 타이어로부터 방출되는 예시적인 상태 시그니처의 제1 세트를 도시한다.
도 3fa은 일부 구현예에 따라 탄소 함유 동조 RF 공진 재료 층으로 형성된 새로운 타이어로부터 방출되는 예시적인 상태 시그니처의 제2 세트를 도시한다.
도 3fb는 일부 구현예에 따라 탄소 함유 동조 RF 공진 재료의 일부가 마모된 후 타이어로부터 방출되는 예시적인 상태 시그니처의 제3 세트를 도시한다.
도 3fc은 일부 구현예에 따라 측정된 공진 시그니처 신호 세기(데시벨, db) 대 타이어 트레드 층 손실 높이(밀리미터, mm)의 그래프를 도시한다.
도 3ga 및 도 3gb는 일부 구현예에 따라 예시적인 통상적인 탄소 재료 생산 체인의 개략도를 도시한다.
도 4 및 도 5a는 일부 구현예에 따라 차량에서 폐에너지 수확 및 전력 공급과 관련된 속성의 표현이다.
도 5b는 일부 구현예에 따라 고온 영역과 저온 영역 사이에 (반도체 재료 내에서) 전하 캐리어가 흘러 전압 차이가 생겨 열전 발전기(TEG)가 저조도 상태 또는 무조도 상태에서 동작할 수 있는 것을 나타내는 개략도를 예시한다.
도 5c는 일부 구현예에 따라 전기 전도율을 위해 동조되고/되거나 폐열로부터 전력을 생산하도록 도핑된 타이어의 몸체 또는 트레드 내의 플라이에 혼입된 탄소 기반 재료를 예시한다.
도 5d는 일부 구현예에 따라 타이어에 통합된 열전 발전 기능과 관련된 출력 전력 대 열 선속의 크기(섭씨 온도의 델타)를 비교하기 위한 차트를 예시한다.
도 6a는 일부 구현예에 따라 (예를 들어, 복합체 재료에 혼입될 때) 열전 변환에 사용되는 3차원(3D) 그래핀과 관련된 속성의 표현이다.
도 6b는 일부 구현예에 따라 전력 수확을 위해 엔진 구성요소에 혼입된 층상화된 포지티브-네거티브(PN) 접합 유형 반도체 재료를 예시한다.
도 7a는 일부 구현예에 따라 타이어 진단 관련 능력의 표현이다.
도 7b는 일부 구현예에 따라 정규화된 커패시턴스(C/C0) 대 고무 두께(mm)를 비교하는, 차량 타이어의 고무 내에 혼입된 종래 재료의 그래프이다.
도 7ca은 일부 구현예에 따라 임피던스 기반 분광법을 통한 타이어 마모 감지를 위한 전체 타이어 진단 시스템 및 장치를 보여주는 개략도를 예시한다.
도 7cb는 일부 구현예에 따라 인쇄된 탄소 기반 재료를 제조하기 위한 내비게이션 시스템 및 장비로 원격 측정을 통해 전송된 타이어 정보를 예시한다.
도 7cc은 일부 구현예에 따라 타이어 상태의 감지와 관련된 정보의 표현이다.
도 7cd 내지 도 7ce는 일부 구현예에 따리 타이어 트레드 층 및/또는 타이어 몸체 플라이 인쇄 인코딩을 통해 차량 타이어의 공진 시리얼 번호 기반 디지털 인코딩과 관련된 개략도를 예시한다.
도 7d는 일부 구현예에 따라 압전 능력을 통해 전력 또는 전류를 생성하도록 구성된 타이어 벨트 플라이의 다양한 층을 도시하는 개략도를 예시한다.
도 8a 내지 도 8b는 일부 구현예에 따라 열전 발전기(TEG)의 적용을 통한 에너지 수확과 관련된 정보의 표현이다.
도 9는 일부 구현예에 따라 종래의 차량과 연관된 동력 트레인(powertrain)의 손실(전방 추진력에 사용할 수 없는 것)을 보여주기 위해 차량 섀시, 엔진 및 구동 트레인의 개략적인 절단도를 도시한다.
도 10은 일부 구현예에 따라 압전 및/또는 열전 전류 및/또는 전력 생성기가 장착된 차량의 개략적인 절단도를 예시한다.
도 11은 일부 구현예에 따라 진보된 개념의 타이어 및 다양한 에너지 (전류) 전달 과제의 다양한 개략 사시도를 예시한다.
도 12는 일부 구현예에 따라 차량 타이어에 그래핀을 적용 또는 혼입하는 것과 연관된 다양한 속성의 표현이다.
도 13a는 일부 구현예에 따라 그래핀 충전 고무를 혼입하고 지면 또는 포장 도로와 접촉하는 차량 타이어의 개략적인 측면도이다.
도 13b는 일부 구현예에 따라 차량 타이어에 혼입된 마찰 전기 발전기에 관한 정보의 표현이다.
도 14a 내지 도 14c는 (일부 구현예에 따라 단일 전극 및 구리 적층된 폴리디메틸실록산(PDMS) 패치가 장착된) 롤링 휠(rolling wheel) 상의 전하 생성의 개략도를 예시한다.
도 14d는 일부 구현예에 따라 마찰 전기 발전기 또는 모터의 예시적인 회전자 및 고정자 구성을 예시한다.
도 14e는 일부 구현예에 따라 차량 타이어에 혼입된 다양한 대안적인 마찰 전기 발전기 및 고무 공압 타이어 내에 고정된 압축성 육각형 구조의 마찰 전기 에너지 나노발전기(CH-TENG) 어레이의 구성에 관한 개략도를 예시한다.
도 14f는 일부 구현예에 따라 차량 타이어 내에 혼입되도록 의도된 다양한 유형의 마찰 전기 에너지 생성기 구성을 예시한다.
도 15a는 일부 구현예에 따라 타이어 압력 모니터링 시스템(TPMS)을 통해 달성되는 차량 타이어에 대한 센서 기반 모니터링에 관한 정보의 표현이다.
도 15b는 일부 구현예에 따라 기판 전극을 혼입하는 기판의 개략적인 측면도이다.
도 15c는 일부 구현예에 따라 타이어 압력을 모니터링하기 위한 폴리이미드 기반 스트레인 게이지의 개략도이다.
도 15d는 일부 구현예에 따라 차량 타이어 트레드 변형을 검출하고 세라믹 상에 갈륨 비소(GaAs)를 혼입하도록 구성된 홀 센서(hall sensor)의 개략적인 절단도이다.
도 15e 내지 도 15h는 일부 구현예에 따라 타이어 몸체 내의 강철 와이어 벨트에 통합된 비접촉 초음파 전기 저항기-콘덴서 병렬 회로에 관한 다양한 개략도를 보여준다.
도 16 내지 도 18은 일부 구현예에 따라 다른 재료 위에 성장되는 구조화된 탄소, 다양한 탄소 나노입자, 다양한 탄소 기반 응집체 및 다양한 3차원 탄소 함유 조립체를 도시한다.
도 18은 일부 구현예에 따라 도 16 내지 도 18에 도시된 구조화된 탄소 및/또는 이와 유사한 것 중 하나 이상에 대한 라만 편이(Raman shift) 그래프를 예시한다.
도 20은 일부 구현예에 따라 요소들 내에 또는 요소들 사이에 내장된 공진 회로 구성요소를 갖는 타이어 트레드 층 및/또는 플라이의 성분 요소(예를 들어, 고무)의 예시적인 격자형 배열의 개략적인 사시도를 예시한다.
도 21은 일부 구현예에 따라 차량 타이어 몸체 플라이 및/또는 트레드 층에 혼입되어 동작 중일 때 도 21에 도시된 공진 회로와 연관된 신호 감쇠를 나타내는 예시적인 라만 세기의 열 지도(heat map) 또는 그래프이다.
도 22는 일부 구현예에 따라 자가 조립 탄소 기반 입자의 예시적인 구성을 보여주는 개략도이다.
도 23a 내지 도 23y는 일부 구현예에 따라 다른 재료 위에 성장되는 구조화된 탄소, 다양한 탄소 나노입자, 다양한 탄소 기반 응집체, 및 다양한 3차원 탄소 함유 조립체를 도시한다.
본 명세서에 개시된 주제의 다양한 구현예는 일반적으로 현재 상업적으로 이용 가능한 기존의 공압(공기, 질소 또는 기타 가스로 채워진 것을 말함) 타이어뿐만 아니라 차세대 공기 없는 중실 타이어의 몸체의 플라이 내와 같은 차량 구성요소에 탄소 기반 마이크로구조물을 포함하는 내구성 센서를 전개하는 것에 관한 것이다. 또한 (타이어 플라이 구현예에 대한 대안으로 또는 이에 추가하여) 도로 또는 지면과 접촉하는 원주의 고무를 말하는 타이어 트레드 부분에 탄소 기반 마이크로구조물을 가진 센서를 혼입할 수 있는 구성이 존재한다. 타이어는 사용함에 따라 트레드가 마모되어 견인력을 제공하는 효과가 제한되고 또한 적어도 일부 탄소 함유 센서가 열화되고 마모되어 적절히 장착된 부품에 의해 센서의 없음을 검출할 수 있다.
언급된 탄소 기반 또는 탄소 함유 마이크로구조물 재료((1) 타이어 플라이 내부 및/또는 (2) 타이어 트레드 내부를 포함하여 앞서 언급한 두 가지 시나리오 중 어느 시나리오에서 구현하기 위해 이용 가능한 재료)는 예를 들어, 개시된 시스템이 장착된 차량의 하나 이상의 휠 웰(wheel well) 내에 장착된 트랜시버에 의해 및/또는 탱크 회로, LC 회로 또는 공진기라고도 (상호 교환 가능하게) 지칭되는 인덕터-커패시터(LC) 회로에 의해 방출된 RF 신호에 대한 특정 예상 무선 주파수(RF) 신호 편이(주파수 편이를 말함) 및 신호 감쇠(신호 크기의 감소를 말함) 거동을 달성하기 위해 (예를 들어, 화학 반응기 또는 반응 용기에서) 비행 중 합성(in-flight synthesis) 동안 동조될 수 있다.
개시된 구성은 종래의 타이어 압력 모니터링 시스템(TPMS)에 종종 요구되는 것과 같은 이동 부품과 독립적으로 기능하여, 일상적인 도로 사용으로 인한 마모 및 찢어짐이 적고, 예를 들어, 타이어 관련 마모를 검출 및 통신하기 위해 자동차에 구현된 것과 같은 이미 존재하는 차량 전자 부품과 통신하거나 전자적으로 협력하도록 구성될 수 있다. 탄소 마이크로구조물로 만들어진 개시된 복합체 재료의 목표 RF 공진 주파수 값은 반응 챔버 또는 반응기에서 "성장"이라고도 지칭되는 탄소-위-탄소 합성을 담당하는 메커니즘을 제어하는 것에 의해 추가로 동조될 수 있다. 개시된 탄소 마이크로구조물 및 기타 재료는 트레드가 없는 경주용 트랙 전용의 매끄러운(slick) 타이어에 비해 우둘투둘한, 저압 오프로드 타이어와 같은 유사하거나 유사하지 않은 최종 사용 응용 분야에 적합한 목표 성능 특성 및 거동을 생성하는 상호 작용을 나타낼 수 있다.
개요
서론
재료 과학 및 공학의 진보로 예를 들어 분자 구조를 포함하여 탄소 기반 마이크로구조 재료를 미세 동조시켜 특정 무선 주파수(RF)(예를 들어, 0.01GHz 내지 100GHz)에서 공진시키고, 주파수 편이 거동을 나타내고, 및/또는 감쇠(물리 및 무선 통신에서, 매체를 통한 선속 세기의 점진적 손실을 통한 신호의 소멸을 말함)시킬 수 있으며, 이는 다양한 최종 사용 응용 분야의 요구 사항에 맞게 추가로 개선될 수 있다. 탄소 기반 마이크로구조물은 차량 타이어 몸체의 하나 이상의 플라이 및/또는 트레드, 또는 일부 다른 의도된 차량 관련 표면, 구성요소 및/또는 부분 등 내에 센서로 내장될 수 있는 장식된 3차원 계층적 탄소 기반 구조를 생성하기 위해 탄소 함유 가스 종으로부터 반응기에서 자가 조립되거나 "성장"될 수 있다.
개시된 재료 및 시스템이 장착된 차량을 둘러싼 환경이 변하면 탄소 기반 구조의 공진, 주파수 편이 및/또는 신호 감쇠 거동에 영향을 주어 차량 타이어 성능, 수명, 마모가 심한 영역의 열화 가능성 등의 매우 미세한 수차(aberration)라도 실시간으로(이러한 변화가 발생하는 것을 말함) 검출하여 보다 일반적으로 완전 자율 (운전자 없는) 차량의 운전자, 승객 또는 차량 탑승자에게 전달할 수 있다. 즉, 신호는 타이어의 하나 이상의 플라이 및/또는 트레드 내에 특정 농도 레벨로 내장된 탄소 함유 마이크로구조물에 의해 어느 정도 감쇠될 수 있어서 이 플라이 또는 트레드 층의 존재를 정확하고 반복적으로 결정할 수 있다. 포장 도로와 같은 노면과 접촉하도록 노출된 트레드(및/또는 트레드 내부의 층)가 포장 도로와 반복적으로 접촉하는 것으로 인해 (주행 중에 경험하는 바와 같이) 결국 마모되는 경우, 방출되는 신호에 대한 트레드 층의 응답(감쇠 또는 없음으로 나타남)은 마모 정도뿐만 아니라 트레드 층의 존재 또는 없음을 나타낼 수 있다. 날씨 또는 기타 환경 상태의 갑작스러운 또는 점진적인 전환은 주파수 편이 및/또는 감쇠 거동의 변화를 관찰하여 검출할 수 있는 개시된 동조 탄소 기반 마이크로구조물의 물리적 특성에 변화를 일으킬 수 있다.
재료(예를 들어, 하나 이상의 트레드 층의 표면에 있거나 또는 트레드 층 내부에 내장된 재료)의 RF 범위 공진 주파수의 변화는 (하나 이상의 휠 웰 내에 잠재적으로 장착된) 트랜시버의 신호 자극에 응답하여 패턴화된 공진 회로(본 명세서에서 타이어 몸체 플라이에 3D 인쇄될 수 있는 "공진기"라고 지칭됨)에 의해 더 방출되는 신호(알려진 주파수를 가짐)를 사용하여 RF 공진 재료를 자극하고, 탄소 함유 마이크로구조물에 의해 야기된 방출 신호의 주파수 편이를 관찰하고, 또는 (또한 탄소 함유 마이크로구조물에 의해 야기된) 신호 감쇠 정도를 관찰함으로써 검출될 수 있다. 신호의 특성을 전자적으로 관찰하고 분석하면 폭우가 진눈깨비로 전환되어 노면을 매끄럽고 매우 위험하게 만드는 것과 같은 기상 상태의 변화뿐만 아니라 현재 환경 상태를 측정할 수 있다. 또한, 차량 타이어 플라이 외부의 구현도 구상 가능하다. 예를 들어, 차량이 움직이는 동안, 스플리터, 카나드, 범퍼, 사이드 스커트, 리어 윙, 스포일러 및/또는 등과 같은 지면 효과를 포함하여 차량 차체의 구획을 흐르는 동안 공기압이 변하기 때문에, 공기압은 차량 차체의 적어도 일부 구획에 약간의 변형(또는 재배치)을 일으킬 수 있으며, 이는 따라서 에어포일을 형성하는 데 사용되는 형성 탄소 기반 재료에 대응하는 RF 공진 변화를 야기할 수 있다. RF 공진 주파수(또는 주파수들)의 이러한 변화를 관찰하고 이 변화를 알려진 개별 교정 포인트와 비교하면 주어진 시각에 차량 차체에 하나 이상의 정해진 검출 포인트에서 측정한 공기압을 (기존 기술을 통해서는 달성할 수 없는) 매우 높은 레벨의 충실도와 정확도로 결정할 수 있다.
재료(다수의 구성 물질 또는 재료로 구성된 복합체 재료를 포함함)는 차량에 구현된 타이어(온로드 및 오프로드 변형)의 특정 동작 요구를 수용하도록 동조될 수 있다. 차량이 동작하는 동안, 타이어는 물리적 응력, 스트레인 및 변형뿐만 아니라 진동에서 극한의 상황을 종종 경험한다. 타이어는 하나 이상의 내부 층(몸체로부터 돌출하는 트레드로 둘러싸인 "플라이" 또는 "플라이들"이라고 지칭됨)을 갖는 몸체를 포함하도록 구성될 수 있으며, 타이어 플라이 및 트레드(각각의 트레드 내의 하나 이상의 트레드 층을 포함함)는 모두 특정 RF 공진 주파수에 동조될 수 있는 재료로 형성될 수 있다. 대부분의 도로 타이어의 경우 온로드 주행 중에 또는 오프로드 타이어의 경우 오프로드(예를 들어, 산악 또는 기타 고르지 않은 지형) 주행 중에 직면하는 것과 같은 기존의 타이어 사용은 타이어 부분에 약간의 변형을 일으킬 수 있으며, 이는 (예를 들어, RF 신호에 의해 '핑'되는 것에 의해 이 재료를 검출할 때) 타이어를 형성하는 데 사용되는 임의의 주어진 재료의 RF 공진 주파수에 변화를 야기할 수 있다. 본 개시된 탄소 기반 마이크로구조물 재료 중 임의의 하나 이상과 연관된 공진 주파수의 이러한 변화(방출된 신호의 주파수 편이 및/또는 감쇠로 나타남)는 검출될 수 있으며 나중에 알려진 교정 포인트와 비교하면 타이어에 영향을 줄 수 있는 (타이어 외부) 환경 상태뿐만 아니라 특정 영역의 마모 증가와 같은 타이어 내부 상태를 결정적으로 결정할 수 있다.
기능
전체 시스템 동작 기능과 관련하여, 차량 부품의 변화를 감지하기 위해 전체 시스템과 관련된 방법, 장치 및 재료가 본 명세서에 개시된다. 위에 설명된 바와 같이, (1) (예를 들어, 환경 노출 또는 남용으로 인한) 변화를 감지하고; (2) 예를 들어, 표면 이식된 탄소 기반 마이크로구조물 재료 센서(차량 몸체 어느 곳에서나 사용됨) 및/또는 내장된 센서(예를 들어, 타이어에 사용됨)를 사용하여 보고할 수 있는 차량 감지 시스템을 구성하기 위한 항목이 제시된다.
그런 다음 예를 들어 주파수 영역 반환에 의해 나타난 주어진 타이어 플라이 및/또는 트레드 층(또는 장비를 갖춘 기타 표면 또는 영역)의 "시그니처"를 처리하기 위해 '핑'(RF 신호의 방출 및 이후 관찰 및 분석을 말함)에 의해 (예를 들어, 차량 표피에 가해지는 공기압으로 인해 또는 타이어 내에/상에 가해지는 외부 힘으로 인해 발생하는) 극소량의 편향이라도 검출할 수 있는 방법에 대한 이론적 토대가 제시된다. (테스트 설정에서) 관찰된 신호 시그니처를 교정하고 (동작 설정에서) 반환 시그니처를 처리하기 위한 다양한 메커니즘이 논의된다.
또한 엘라스토머와 상호 작용하는 동조 탄소 구조 형태의 수동 내장 센서를 갖는 타이어를 제조하는 방법(및 관련 장치)도 제시된다. 상이한 동조 마이크로구조물을 갖는 상이한 동조 탄소를 각각 이용하는 다수의 플라이로부터 타이어를 만드는 메커니즘과 같이 내장된 타이어 센서를 핑(ping)할 때 반환 신호의 특성을 논의한다. 이러한 탄소 기반 마이크로구조물은 마이크론 크기 규모일 수 있고, 또는 대안적으로 나노미터, 마이크로 및 심지어 밀리미터(mm) 레벨까지의 중간 입자 크기 중 하나 이상일 수 있다.
(1) 예를 들어, 차량 타이어의 회전 및 포장 도로 또는 지면과의 반복적인 마찰 및/또는 접촉 시 마찰 전기 발전기에 의해 전류를 생성할 수 있는 GHz 및 MHz 범위의 공진으로부터 자가 전력 시그니처를 포함하여 타이어(및 잠재적으로 다른 영역)를 감지할 때 활용될 수 있는 추가 관찰도 탐구된다. 이러한 마찰 구성요소는 하나 이상의 차량 타이어 플라이의 엘라스토머 층들 사이에서 다수의 강철 벨트 내에 통합되거나 혼입될 수 있다.
특히 마찰 효과(에너지 생성과 관련된 마찰, 윤활 및 마모의 원리를 연구하고 적용하여 사용 가능한 전류 또는 전력을 생성하는 것을 말함)는 예를 들어 전하 이동을 수용하기 위한 (적어도 부분적으로 탄소 기반일 수 있는) 전도성 경로에 대한 패턴을 통해 사용하는 데 이용 가능하다. 이렇게 하면 (논의된 마찰 전기 부품에서 제공된) 전하 생성기를 생성하고, 방전 시 동조 가능한 자연 주파수를 갖는 적절히 장착된 공진기(공진 회로 등이라고도 지칭됨)로 전하를 보낼 수 있다. 본 명세서에 사용된 이 자연 주파수는 MHz 범위(또는 그 이하)에 있다. 따라서, 공진기가 공진(따라서 RF 신호를 방출) 및 방전하도록 마찰 전기 생성기에 의해 공진기가 충전(및/또는 전력 공급)될 수 있다. 공진기는 반복되는 충전-방전 사이클을 수용하도록 구성될 수 있으며, (형성 재료 및/또는 구성에 기초하여) 고유한 공진 값 또는 속성을 갖는 타원형을 포함하여 다양한 형상 및/또는 패턴 중 임의의 하나 이상일 수 있다.
공진기의 형상이나 배향이 변하면 이에 대응하여 임의의 연관된 공진 상수가 변할 수 있다. 그 결과 (예를 들어, 내부 타이어 압력과 같은 정적 상태 하에서 또는 보츠의 점(Botts' Dot) 위를 달리는 동안 발생하는 것과 같은 동적 상태 하에서) 변형으로 인한 타이어의 물리적 속성의 임의의 변화는 공진기의 형상이나 배향을 변화시킬 수 있다. 다른 패턴을 사용하여 다른 유형의 변형에 비해 하나의 유형의 변형(예를 들어, 자갈이나 거친 표면 위를 달리는 동안 발생하는 수직 운동에 비해 곡선 주위를 이동하는 동안 발생하는 측방 변형을 말함)에 더 민감하게 응답할 수 있다.
장착 차량의 개별 구성요소는 탄소 함유 마이크로구조물 재료에 의해 정해지는 하나 이상의 고유한 "시그니처"를 나타낼 수 있으며, 여기서 이러한 시그니처는 KHz(또는 이하) 범위의 RF 신호에 노출되는 것으로 인해 발생한다. 개시된 구성은 (예를 들어, 타이어 몸체 플라이 및/또는 트레드 층에) 내장된 센서를 사용하여 동적 동작 속성을 감지할 수 있는 경우를 포함한다. 그럼에도 불구하고, 트레드 근처의 타이어 플라이에 전술한 마찰 전하 생성기를 배치하면 타이어가 회전할 때 디지털 방식으로 발진을 관찰할 수 있다. 이러한 발진은 낮은 헤르츠 범위에 있으며, 분당 회전수(RPM)와 같은 동적 감지뿐만 아니라 트레드 마모 표시를 보내는 것과 같이 상대적으로 보다 정적인 테스트에 사용될 수 있다.
개시된 탄소 기반 마이크로구조물 재료는 (1) 예를 들어, 휠 웰 내부 또는 심지어 휠 림(wheel rim) 내부에 배치된 디지털 신호 처리(DSP), 컴퓨터 칩 및/또는 트랜스듀서에 의해 제공되는 것과 같은 것과 같은 주파수 편이 및/또는 신호 감쇠 검출 능력을 위한 외부에서 유래하는 '핑' 신호 방출 및/또는 전송; 뿐만 아니라 (2) 공진기에 전하 및/또는 전력을 제공하기 위해 예를 들어 타이어 플라이 내에 내장된 마찰 전기 발전기에 의해 촉진되는 타이어 내부, 자가 전력, 자가 핑 능력에 의해 마모 표시를 지원할 수 있다. 위에 언급된 옵션(1)은 자극과 응답 모두에 외부 트랜시버(반도체 칩)를 사용할 수 있는 반면, 옵션(2)은 외부 수신기(예를 들어, 다시 반도체 칩, 그러나 별도로 공급되는 전송 전력이 반드시 필요하지는 않음)에서 픽업될 수 있는 방식으로 지속적으로 공진하는 동조 타이어 내부 공진 회로를 활용할 수 있다.
적절히 장착 및/또는 준비된 수신기, 트랜시버 및/또는 등은 특정 영역에서 관찰된 특정 유형의 마모(예를 들어, 고도 변화가 있는 경주용 트랙에서 공격적인 코너링으로 인한 오른쪽 전방 타이어의 내부 측벽 열화 등)를 매우 정밀하고 정확하게 식별(핀 포인트)하기 위해 많은 다른 시그니처를 구별할 수 있다.
도면의 정의와 사용
본 명세서에서 사용된 용어 중 일부는 용이한 참조를 위해 아래에 정의된다. 제시된 용어 및 각각의 정의는 이러한 정의로 엄격히 제한되지 않고, 용어는 본 명세서에서 용어의 사용에 의해 추가로 정의될 수 있다. "예시적인"이라는 용어는 본 명세서에서 실시예, 경우 또는 예시로서의 역할을 하는 것을 의미하기 위해 사용되며, 반드시 최선의 유형을 나타내는 바람직한 모델로서의 역할을 하는 것은 아니다. 따라서, 본 명세서에서 "예시적인" 것으로 설명된 임의의 양태 또는 디자인은 다른 양태 또는 디자인에 비해 반드시 바람직하거나 유리한 것으로 해석되어서는 안 된다. 오히려, 예시적이라는 단어의 사용은 개념적인 내용을 구체적인 방식으로 제시하기 위해 의도된 것이다. 본 명세서 및 첨부된 청구범위에서 사용된 "또는"이라는 용어는 배타적인 "또는"이 아니라 포괄적인 "또는"을 의미하는 것으로 의도된 것이다. 달리 명시되지 않거나 문맥에서 명확하지 않은 한, "X는 A 또는 B를 사용한다"는 것은 자연적인 포괄 순열 중 임의의 것을 의미하는 것으로 의도된 것이다. 즉, X가 A를 사용하거나, X가 B를 사용하거나, 또는 X가 A와 B를 모두 사용하는 경우, 전술한 경우 중 임의의 경우 하에서 "X는 A 또는 B를 사용한다"는 것이 충족된다. 본 명세서에 사용된 A 또는 B 중 적어도 하나라는 것은 A 중 적어도 하나, 또는 B 중 적어도 하나, 또는 A와 B 둘 모두 중 적어도 하나를 의미한다. 다시 말해, 이러한 어구는 연결의 결여 또는 두 개의 상호 배타적인 가능성 사이의 선택을 표현하는, 예를 들어, "그녀는 그가 갈 것인지 머물 것인지 여부를 물었다"에서 "또는"을 의미하는 논리합이다. 본 명세서 및 첨부된 청구범위에 사용된 단수형 요소는, 달리 명시되지 않거나 문맥상 단수 형태로 명백히 지시되지 않는 한, 일반적으로 "하나 이상"을 의미하는 것으로 해석되어야 한다.
도면을 참조하여 본 명세서에 다양한 구현예를 설명한다. 도면은 반드시 축척에 맞게 그려진 것은 아니며 유사한 구조 또는 기능의 요소가 도면 전체에 걸쳐 종종 유사한 참조 문자로 표현되는 것에 유의해야 한다. 또한 도면은 개시된 구현예의 설명을 용이하게 하기 위해 의도된 것일 뿐, 모든 가능한 구현예를 모두 다 나타내는 것이 아니며, 청구범위에 임의의 제한을 부과하려고 의도된 것도 아니라는 것에 유의해야 한다. 또한, 예시된 구현예는 임의의 특정 환경에서 모든 사용 양태 또는 사용 이점을 묘사할 필요는 없다. 개시된 구현예는 청구범위를 제한하려고 의도된 것이 아니다.
시스템 구조
도 1a는 차량 상태 검출 시스템(1A00)(차량에 장착되도록 의도됨)의 블록도를 도시한다. 차량 상태 검출 시스템(1A00)은 미국 특허 출원 번호 16/785,020(발명자: Stowell 등, 발명의 명칭: "3D Self-Assembled Multi-Modal Carbon-Based Particle", 출원일: 2020년 2월 7일)에 개시된 것과 같은 다수의 탄소 기반 마이크로구조물 재료, 응집체, 덩어리(agglomeration) 및/또는 등(본 명세서에서 집합적으로 "탄소 기반 마이크로구조물"로 지칭됨)으로 구성된 동조 RF 공진 구성요소(108)와 같은 센서를 포함할 수 있다. 동조 RF 공진 구성요소(108)는 인간 운전자 없이 차량 탑승자를 이동시키기 위해 동작할 수 있는 기존의 운전자 구동식 자동차 또는 완전 자율 운송 포드 또는 차량과 같은 차량의 에어포일 센서(104), 유리 센서(1051), 타이어 센서(106), 및 트랜시버 안테나(102) 중 임의의 하나 이상에 혼입될 수 있다.
동조 RF 공진 구성요소(108)는 트랜시버(114), 차량 중앙 처리 유닛(116), 차량 센서 데이터 수신 유닛(118), 차량 액추에이터 제어 유닛(120), 도어, 창문, 잠금부(125), 엔진 제어부(126), 내비게이션/헤드업 디스플레이(128), 서스펜션 제어부(129) 및 에어포일 트림부(trim)(130)를 포함하는 액추에이터(122) 중 임의의 하나 이상을 사용하여, 예를 들어, 신호 주파수 편이 또는 감쇠를 측정하는 것에 의해 전자적으로 및/또는 무선으로 통신하도록 구성될 수 있다. 다양한 동조 RF 공진 구성요소(108)는 트랜시버(114)를 사용하여 방출된 "처프" 신호(110) 및/또는 "반환된" 처프 신호(112)를 통해 방출된 RF 신호의 관찰된 주파수의 편이(주파수의 변화를 의미하는 "주파수 편이"라고 지칭됨)를 야기할 수 있다. 처프 신호(1100)의 "반환된" 처프 신호라는 언급은 (센서로부터 신호의 실제 반사 또는 반환이 아니라) 에어포일 센서(104) 및/또는 등 중 임의의 하나 이상에 통합된 동조 RF 공진 구성요소(108) 중 하나 이상에 대해 방출된 처프 신호(110)의 주파수 편이 또는 감쇠를 전자적으로 관찰 또는 검출하는 것을 말할 수 있다. 처프 신호(110) 및 반환된 처프 신호(112)는 차량 중앙 처리 유닛(116), 차량 센서 데이터 수신 유닛(118), 차량 액추에이터 제어 유닛(120) 및/또는 액추에이터(122) 중 임의의 하나 이상과 통신할 수 있다(따라서 또한 이에 의해 평가될 수 있다). 차량 상태 검출 시스템(1A00)은 소프트웨어와 하드웨어의 임의의 적절한 조합을 사용하여 구현될 수 있다.
차량 상태 검출 시스템(1A00)의 도시된 다양한 센서 중 임의의 하나 이상은 방출된 RF 신호가 "핑(ping)"(신호가 히트(hit) 되거나 접촉되는 것을 말함)될 때 특정 RF 공진 거동을 달성하도록 동조된 탄소 기반 마이크로구조물로 형성될 수 있다. 차량 상태 검출 시스템(1A00)(또는 임의의 양태)은 예를 들어, 진눈깨비, 우박, 눈, 얼음, 서리, 진흙, 모래, 파편, 고르지 않은 지형, 물 및/또는 등을 포함한 악천후 상태 동안 임의의 생각할 수 있는 차량 사용 분야, 영역 또는 환경에서 구현되도록 구성될 수 있다.
동조 RF 공진 구성요소(108)는 차량 주위 및/또는 차량 상에(예를 들어, 객실, 엔진룸, 또는 트렁크 내부 또는 차량 몸체 상에) 배치될 수 있다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 동조 RF 공진 구성요소는 에어포일 센서(104), 유리 센서(105), 타이어 센서(106), 및 트랜시버 안테나(102)를 포함할 수 있고, 이들 중 임의의 하나 이상은 생산 동안 현대 차량에 구현되거나 (대안적으로) 연수 및/또는 상태에 관계없이 기존 차량에 개장될 수 있다. 동조 RF 공진 구성요소(108)는 부분적으로 유리섬유(예를 들어, 에어포일용) 또는 고무(예를 들어, 타이어용) 또는 유리(예를 들어, 앞 유리용)와 같은 쉽게 이용 가능한 재료를 사용하여 형성될 수 있다. 이러한 기존의 재료는, 예를 들어, 탄소 함유 가스 종으로부터 반응 챔버 또는 반응기에서 비행 중 자가 핵 형성되고, (1) 이들이 혼입된 복합체 재료의 기계적 (예를 들어, 인장, 압축, 전단, 스트레인, 변형 및/또는 등) 강도를 개선하고; 및/또는 (2) (10GHz 내지 100GHz 범위 내) 특정 주파수 또는 주파수 세트에서 공진하도록 제형화된 것과 같은, 탄소 기반 재료, 성장체, 덩어리, 응집체, 시트, 입자 및/또는 등과 결합될 수 있다. 재료의 RF 공진 속성과 거동을 지배하는 변수는 재료 강도를 제어하는 변수와 독립적으로 제어될 수 있다.
무선 주파수(RF) 기반 자극(예를 들어, 트랜시버(114)에 의해 방출되거나 공진기에 의해 방출되는 자극)은 방출된 신호(내부 또는 외부 상태에 의해 영향을 받을 수 있음)의 감쇠로 관찰되는 주파수 편이 및 패턴뿐만 아니라 각각의 공진 주파수 또는 주파수들을 검출하기 위해 RF 신호를 동조 RF 공진 구성요소(108), 액추에이터(122)(및/또는 등, 예를 들어, 동조 RF 공진 구성요소(108) 내 또는 상에 구현된 센서)로 방출하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 동조 RF 공진 구성요소(예를 들어, 타이어 센서(106))가 약 3GHz의 주파수에서 공진하도록 구체적으로 준비된 ("동조된"이라고 지칭됨) 경우, 타이어 센서(106)는 3GHz RF 신호에 의해 자극될 때 교감 공진 또는 교감 진동(이전의 수동적인 현이나 진동체가 외부의 진동에 반응하여 고조파 유사성을 나타내는 고조파 현상을 말함)을 방출할 수 있다.
이러한 교감 진동은 자극 주파수에서 뿐만 아니라 기본 3GHz 톤으로부터 파생된 배음(overtone) 또는 측엽(sidelobe)에서도 발생할 수 있다. (동조 RF 공진 구성요소(108)의) 동조 공진 구성요소가 2GHz에서 공진하도록 동조된 경우, 동조 공진 구성 요소가 2GHz RF 신호에 의해 자극될 때 이 동조 공진 구성 요소는 설명된 바와 같이 교감 진동을 방출한다. 이러한 교감 진동은 자극 주파수에서 뿐만 아니라 기본 2GHz 톤으로부터 파생된 배음 또는 측엽(공학에서 안테나 또는 기타 복사선 소스의 원거리 복사 패턴에서 주엽(main lobe)이 아닌 국부 최대값을 말함)에서도 발생한다. 많은 추가 동조 공진 구성요소가 RF 방출기에 근접하게 위치될 수 있다. RF 방출기는 먼저 2GHz 핑, 이후 3GHz 핑, 이후 4GHz 핑 등을 방출하도록 제어될 수 있다. 서로 다른 증가하는 주파수로 이러한 연속적인 핑은 "처프"라고 지칭된다.
도 3fa 내지 도 3fb에 일반적으로 도시된 것과 같은 타이어 몸체 내의 인접한 타이어 플라이(예를 들어, 서로 접촉하는 타이어 플라이)는 서로 비-고조파인 다양한 개별 주파수에서 공진하기 위해 이 (각각의) 타이어 몸체 플라이 및/또는 트레드 층 내에 혼입된 센서를 형성하기 위해 탄소 기반 마이크로구조물의 다양한 농도 레벨 또는 구성을 가질 수 있다. 즉, 비-고조파 플라이는 고조파에 의해 야기된 (또는 고조파와 연관된) 신호 간섭으로 인한 혼란의 위험을 최소화하면서 다른 것에 비해 특정 타이어 몸체 플라이 및/또는 트레드 층(또는 다른 표면 또는 재료)을 뚜렷하고 쉽게 인식할 수 있는 검출을 보장할 수 있다.
트랜시버(114)(및/또는 공진기, 도 1a에 도시되지 않음)는 동조 RF 공진 구성요소(108) 중 임의의 하나 이상으로부터의 처프 신호(111)(도 1a에서 반환된 신호(112)로 지칭됨)의 감쇠 및/또는 주파수 편이를 디지털 방식으로 인식하기 위해 동조 RF 공진 구성요소(108) 중 임의의 하나 이상에 처프 신호(110)를 전송하도록 구성될 수 있다. 이러한 "반환된" 신호(108)는 차량 중앙 처리 유닛(116)에 전자적으로 통신될 수 있는 디지털 정보로 처리될 수 있고, 이 차량 중앙 처리 유닛은 수신된 센서 데이터에 기초하여 추가 차량 성능 관련 신호를 송신하는 차량 센서 데이터 수신 유닛(118) 및/또는 차량 액추에이터 제어 유닛(120)과 상호 작용한다. 반환된 신호(1120)는 액추에이터(122)를 적어도 부분적으로 제어할 수 있다. 즉, 차량 액추에이터 제어 유닛(120)은 트랜시버(114)와 통신하는 동조 RF 구성요소에 의해 표시되는 차량 구성요소 마모 또는 열화에 관해 차량 센서 데이터 수신 유닛(118)으로부터 수신된 피드백에 따라 도어, 창문, 잠금부(124), 엔진 제어부(126), 내비게이션/헤드업 디스플레이(128), 서스펜션 제어부(129), 및/또는 에어포일 트림부(130) 중 임의의 하나 이상을 동작시키도록 액추에이터(122)를 제어할 수 있다.
처프 신호(111)의 거동(예를 들어, 주파수 편이 및/또는 감쇠)을 모니터링할 때 도로 파편 및 악천후 상태를 검출하면, 예를 들어, 액추에이터(122)가 서스펜션 제어부(129)의 대응하는 변화를 트리거할 수 있다. 예를 들어, 이러한 변화는 도로 파편 위의 주행을 수용하기 위해 서스펜션 설정을 약화시키는 한편, 폭우(따라서 낮은 견인) 상태 동안 이동하는 데 필요할 수 있는 향상된 차량 응답성을 수용하기 위해 나중에 서스펜션 설정을 강화하는 것을 포함할 수 있다. 차량 액추에이터 제어 유닛(120)에 의한 이러한 제어의 변화는 많으며, 여기서 차량 외부에서 생각할 수 있는 임의의 상태를 트랜시버에 의해 검출할 수 있다(처프 신호(110) 및/또는 반환된 신호(112)의 주파수 편이 및/또는 감쇠에 의해 나타날 수 있다).
설명된 센서를 형성하는 동조 RF 공진 구성요소(108) 중 임의의 것은 특정 주파수에서 자극될 때 공진하도록 동조될 수 있으며, 여기서 (탄소 기반 마이크로구조물에 의해 야기된) 주파수 또는 주파수들의 정해진 편이는 센서가 혼입된 재료 또는 재료의 상태를 나타내는 하나 이상의 신호 시그니처를 형성할 수 있다.
반환된 신호(112)(예를 들어, 신호 시그니처에 나타난 신호)에서 주파수 편이의 시간 변동 또는 편차(TDEV)(위상(x)의 시간 안정성 대 측정된 클록 소스의 관찰 간격(τ)을 말함; 이에 따라 시간 편차는 신호 소스의 시간 불안정성을 나타내는 표준 편차 측정 유형을 형성함)는 센서 환경의 시간 변동 변화 및/또는 센서 자체의 시간 변동 변화에 대응할 수 있다. 따라서, 신호 처리 시스템(예를 들어, 차량 중앙 처리 유닛(116), 차량 센서 데이터 수신 유닛(118) 및/또는 차량 액추에이터 제어 유닛(120) 등 중 임의의 하나 이상)은 TDEV 원리에 따라 센서와 연관된 신호(예를 들어, 처프 신호(110) 및 반환 신호(112))를 분석하도록 구성될 수 있다. (시그니처 분석과 같은) 이러한 분석의 결과는 차량 중앙 처리 유닛(116)에 전달될 수 있으며, 중앙 처리 유닛은 (이어서) 적절한 응답 동작을 위해 차량 액추에이터 제어 유닛(120)에 명령을 전달할 수 있다. 일부 구성에서 액추에이터(122)에 의한 이러한 응답 동작은 적어도 일부 인간 운전자 입력을 포함할 수 있는 반면, 다른 구성에서는 차량 상태 검출 시스템(1A00)은 장비를 갖춘 차량이 완전히 운전자 없는 환경에서 발생하는 부품 성능 문제를 해결할 수 있도록 완전히 독립적인 방식으로 기능할 수 있다.
도 1b는 표면 센서(160) 및 내장형 센서(170)를 포함할 수 있는 신호 처리 시스템(1B00)의 블록도를 도시하며, 이들 중 임의의 하나 이상이 장비를 갖춘 차량(표면 센서(160)와 내장된 센서(170)를 갖춘 차량을 말함)에 대한 환경 변화(150)와 관련하여 다른 것과 전자적으로 통신할 수 있다. 신호 처리 시스템(1B00)은 또한 트랜시버(114), 시그니처 분석 모듈(154), 및 차량 중앙 처리 유닛(116)을 더 포함할 수 있으며, 이들 중 임의의 하나 이상이 다른 것과 전자적으로 통신한다.
신호 처리 시스템(1B00)은 탄소 기반 마이크로구조물로 형성된 센서가 자극되면 신호 시그니처(대응하는 "반환된" 신호(112)에 표시된 처프 신호(111) 및/또는 처프 신호(110) 중 임의의 하나 이상의 신호의 주파수 편이 및/또는 감쇠를 디지털 방식으로 관찰함으로써 정해진 신호 시그니처)를 분석하는 기능을 한다. 처프/핑 주파수 중 하나에서 공진하는 처프 신호 센서를 사용하여 자극한 결과 대응하는 동조 주파수에서 또는 동조 주파수 근처에서 공진하고, 방출된 주파수를 편이시키고/시키거나, 방출된 신호의 진폭을 감쇠시킴으로써 "응답"한다. 처프/핑이 방출되는 동안 환경 변화(예를 들어, 타이어 몸체 플라이 및/또는 트레드 층의 마모를 초래하는 환경 변화)가 발생하면 "반환된" 신호에서 동조 주파수보다 높거나 낮은 변조 변화를 모니터링할 수 있다. 따라서, 트랜시버(114)는 핑되는 또는 핑 받는 표면 등을 나타내는 "반환된" 신호(112)를 수신하도록 구성될 수 있다.
전술한 처프/핑 신호는 트랜시버(114)에 의해 (예를 들어 비가청 RF 신호, 펄스, 진동 및/또는 이와 유사한 전송에 의해) 방출될 수 있다. 또한, "반환" 신호는 동일한(또는 상이한) 트랜시버(114)에 의해 수신될 수 있다. 도시된 바와 같이, 처프 신호(예를 들어, 처프 신호(110))는 반복되는 처프 시퀀스로 발생할 수 있다. 예를 들어, 처프 신호 시퀀스는 1GHz 핑, 이후 2GHz 핑, 이후 3GHz 핑 등을 포함하는 패턴으로 형성될 수 있다. 전체 처프 신호 시퀀스는 계속해서 전체가 반복될 수 있다. 공진 재료(반환 신호(112))로부터 반환된 신호를 핑 종료 직후에 수신할 수 있도록 각각의 핑 사이에 짧은 기간이 있을 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 핑 자극에 대응하는 신호 및 관찰된 "응답" 신호는 동시에 및/또는 동일한 일반 경로 또는 루트를 따라 발생할 수 있다. 시그니처 분석 모듈은 디지털 신호 처리 기술을 사용하여 관찰된 "응답" 신호를 핑 신호와 구별할 수 있다. 반환된 응답이 많은 다른 주파수(예를 들어, 배음, 측엽 등)에 걸쳐 에너지를 포함하는 상황에서 노치 필터를 사용하여 자극을 필터링할 수 있다. 트랜시버에 의해 수신된 반환된 신호는 시그니처 분석 모듈(154)로 송신될 수 있고, 시그니처 분석 모듈은 이어서 처리된 신호를 차량 중앙 처리 유닛(116)으로 송신할 수 있다. 도 1b의 전술한 논의는 탄소 함유 동조 공진 재료로 형성되고 또한 감지 적층체를 의미할 수 있는 센서에 대한 설명을 포함한다.
도 1c는, 도 1b에 도시된 신호 처리 시스템(1B00)과 실질적으로 유사한 신호 처리 시스템(1C00)의 블록도를 도시하고, 여기서 유사한 특징에 대한 중복 설명은 생략한다. 비, 눈, 우박, 진눈깨비 및/또는 등과 같은 강수를 나타내는 것과 같은 환경 변화(150)는 표면 센서(160) 및/또는 내장된 센서(170)에 의해 지시될 수 있다. 표면 센서(160)와 달리 (타이어 플라이와 같은 재료 내에 내장될 수 있는) 내장된 센서(170)는 각각의 센서에 포함된 재료 내에 혼입된 마찰 에너지 생성기(도 1c에 도시되지 않음)를 포함하는 자가 전력 원격 측정을 사용하고/하거나 자가 전력 원격 측정으로 전력을 공급받을 수 있다. 따라서, 마찰 에너지 생성기는 공진 회로(본 명세서에서 더 자세히 설명됨)에 전력을 공급하여 공진 회로가 알려진 주파수에서 RF 신호를 방출하도록 공진할 수 있게 하기 위해, 예를 들어, 회전하는 타이어 또는 휠과 이 타이어 또는 휠이 접촉하는 포장 도로 사이에 축적된 정전하를 수확함으로써 사용 가능한 전류 및/또는 전력을 생성할 수 있다. 그 결과, 외부에 장착된 트랜시버 유닛(예를 들어, 차량의 각 휠 웰 내에 장착된 트랜시버 유닛)은 이 구성에서 마찰로 전력을 공급받고 타이어 몸체의 플라이에 내장된 공진 회로에 의해 추가로 전파되는 RF 신호를 방출할 수 있다. 방출된 신호의 주파수 편이 및/또는 크기의 감쇠도 예를 들어 시그니처 분석 모듈(154) 및/또는 차량 중앙 처리 유닛(166)에 의해 수신 및 분석된다.
도 1d는 일부 구현예에 따라 차량 타이어에 혼입된 자가 전력 원격 측정(원격 또는 접근 불가능한 지점에서 측정 또는 기타 데이터를 수집하고, 모니터링을 위해 수신 장비로 자동 전송하는 것을 말함)과 관련된 속성(1D00)의 표현이다. 본 명세서에서 언급된 자가 전력 원격 측정은, 공진 회로(글자(L)로 표시되는 인덕터와 함께 연결된 글자(C)로 표시되는 커패시터로 구성된 전기 회로를 말하며, 특정 주파수 또는 주파수들에서 RF 신호를 생성하는 데 사용됨)의 방전 중에 발생하는 "링잉(ringing)"(RF 신호의 추가 방출을 담당하는 공진 회로의 발진을 말함)을 이용하기 위해 타이어 내부에서 마찰 전하 생성, 이 전하의 저장, 및 공진 회로로 또는 공진 회로를 통해 저장된 전하의 차후 방전을 이용하는 것을 포함한다.
핑 자극은 일반적으로 다음을 포함하는 본 개시된 차량 구성요소 마모 검출 시스템의 두 가지 가능한 구성 중 하나에서 제공될 수 있다:
위에서 논의된 2개의 '핑' 자극 생성기 또는 제공자 중 하나는 (예를 들어, 그래핀 소판과 같은 작은 치수의 구조물의 공진 주파수로 인해) 약 10 내지 99GHz 범위의 복잡한 공진 주파수(CRf) 성분뿐만 아니라, 논의된 타이어 내부 공진의 상대적으로 훨씬 큰 치수로 인해 Khz 범위의 낮은 주파수 공진을 가질 수 있다. 일반적으로, CRf는 엘라스토머 성분 고유 공진 주파수, 탄소 성분 고유 공진 주파수, 구성 성분의 비/앙상블, 및 타이어 내부 공진 디바이스의 기하 형상의 함수와 같을 수 있다.
도 2a는 (순차적으로) 탄소 함유 수지(2042), 탄소 섬유(2022), 탄소 함유 수지(2041) 및 탄소 섬유(2021)를 포함하는, 서로 상하로 배치된 다수의 층으로 구성된 감지 적층체(2A00)(도 1a 내지 도 1d에 도시된 것과 관련하여 논의된 임의의 센서를 나타낼 수 있음)의 개략적인 측단면도를 도시한다. 일반적으로, (중합체 화학 물질 및 재료 과학 분야에서) "수지"라는 용어는 일반적으로 중합체(많은 반복되는 소단위로 구성된 큰 분자 또는 거대 분자)로 변환될 수 있는 식물 또는 합성 기원의 고형 또는 고점성 물질을 말한다. 합성 수지는 경화 과정에 의해 경질 중합체로 변환되는 산업적으로 생산된 수지, 일반적으로, 점성 물질이다. 경화를 수행하기 위해, 수지는 일반적으로 아크릴레이트 또는 에폭사이드와 같은 반응성 말단기를 포함한다. 그리고, "탄소 섬유"라는 용어는, 직경이 약 5 내지 10 마이크로미터(㎛)이고 대부분이 탄소 원자로 구성된 섬유이다. 탄소 섬유는 높은 강성, 높은 인장 강도, 낮은 중량, 높은 내화학성, 고온 내성 및 낮은 열 팽창을 포함하는 몇 가지 장점을 갖는다.
탄소 함유 수지(2042), 탄소 섬유(2022), 탄소 함유 수지(2041) 및 탄소 섬유(2021) 중 임의의 하나 이상은 전술한 탄소 함유 마이크로구조물 중 임의의 하나 이상의 마이크로구조물의 특정 농도 레벨을 혼입함으로써 RF 신호에 의해 핑될 때 하나 이상의 특정 공진 주파수를 나타내거나 지시하도록 동조될 수 있다. 감지 적층체는 탄소 함유 수지(2042), 탄소 섬유(2022), 탄소 함유 수지(2041), 및 탄소 섬유(2021), 및/또는 유사하거나 유사하지 않은 재료를 포함하는 더 적거나 더 많은 수의 층 중 임의의 하나 이상의 것의 임의의 구성, 배향, 순서 또는 층상화를 포함할 수 있다. 추가 수지 층이 탄소 섬유의 추가 층 사이의 공간에 층상화될 수 있다.
탄소 함유 수지의 각 층은 상이한 예상 주파수 또는 원하는 동조 주파수에서 공진하도록 상이하게 제형화될 수 있다. 재료 공진의 물리적 현상은 대응하는 분자 조성과 관련하여 설명될 수 있다. 예를 들어, 제1 분자 구조와 같은 제1 정해진 구조를 갖는 층은 제1 주파수에서 공진하는 반면, 제2 다른 분자 구조를 갖는 층은 제2 다른 주파수에서 공진할 수 있다.
층에 포함된 특정 분자 구조를 갖는 재료는 이 층이 저에너지 상태에 있을 때 제1 동조 주파수에서 공진하고, 층의 재료가 유도된 고에너지 상태에 있을 때 제2 다른 주파수에서 공진한다. 예를 들어, 특정 분자 구조를 나타내는 층의 재료는 층이 본래의 변형되지 않은 저에너지 상태에 있을 때 3GHz에서 공진하도록 동조될 수 있다. 이와 달리, 동일한 층은 층이 본래의 변형되지 않은 저에너지 상태로부터 적어도 부분적으로 변형될 때 2.95GHz에서 공진할 수 있다. 그 결과 이 현상은, 예를 들어, 포장 도로와 같은 노면과 접촉하고 특정 국부적인 접촉 영역에서 향상된 마모를 경험하는 타이어 표면에 매우 미세한 수차라도 높은 충실도와 정확도로 검출하기 위한 요구 사항을 수용하도록 조정될 수 있다. 까다로운 경주용 서킷(엄격한 회전과 급격한 고도 변화를 특징으로 하는 고도로 기술적이고 바람이 많이 부는 트랙을 말함)에서 경주하는 경주용 자동차는 이러한 국부적인 타이어 마모 또는 열화 정보를 활용하여 시간에 민감한 경주일(race-day) 상태에서도 정보에 입각하여 타이어 교체 결정을 내릴 수 있다.
위에서 언급된 주파수 편이 현상(예를 들어, 공진 주파수를 3GHz로부터 2.95GHz로 전환하는 현상)은 도 2ba 내지 도 2bb를 참조하여 도시하고 논의된다. 도 2bb는 탄소 함유 동조 공진 재료를 포함하는 감지 적층체에서 나타나는 주파수 편이 현상을 도시한다.
일반적으로 이해되는 바와 같이, 원자는 주어진 요소의 자연 주파수에서 전자기 복사선을 방출한다. 즉, 특정 요소의 원자는 원자의 특성에 대응하는 자연 주파수를 갖는다. 예를 들어, 세슘 원자가 자극되면 원자가 전자는 더 낮은 에너지 상태(예를 들어, 바닥 상태)로부터 더 높은 에너지 상태(예를 들어, 여기 에너지 상태)로 점프한다. 전자가 낮은 에너지 상태로 돌아가면 전자는 광자 형태로 전자기 복사선을 방출한다. 세슘의 경우, 방출된 광자는 9.192631770 THz에서 마이크로파 주파수 범위에 있다. 다수의 원자로 형성된 분자와 같이 원자보다 큰 구조물도 (예를 들어, 전자기 복사선을 방출함으로써) 예측 가능한 주파수에서 공진한다. 예를 들어, 벌크의 액체 물은 109.6 THz에서 공진한다. 장력이 있는 물(예를 들어, 벌크 표면, 다양한 표면 장력 상태)은 112.6 THz에서 공진한다. 탄소 원자와 탄소 구조는 또한 구조에 의존하는 자연 주파수를 나타낸다. 예를 들어, 탄소 나노튜브(CNT)의 자연 공진 주파수는 튜브 직경과 CNT의 길이에 의존한다. 튜브 직경과 길이를 제어하기 위해 제어된 상태에서 CNT를 성장시키면 구조의 자연 공진 주파수를 제어할 수 있다. 따라서 CNT를 합성하거나 "성장"하는 것은 원하는 공진 주파수로 동조하는 하나의 방법이다.
탄소로 형성된 다른 구조는 제어된 상태 하에서 형성될 수 있다. 이러한 구조는 탄소 나노-양파(carbon nano-onion: CNO), 탄소 격자, 그래핀, 탄소 함유 응집체 또는 덩어리, 그래핀 기반, 기타 탄소 함유 재료, 공학적으로 처리된 나노규모 구조 등 및/또는 이들의 조합을 포함하지만 이들로 제한되지 않고, 이들 중 임의의 하나 이상은 본 개시된 구현예에 따른 차량 구성요소의 센서에 혼입된다. 이러한 구조는 특정 동조 주파수에서 공진하도록 형성될 수 있고/있거나 이러한 구조는 원하는 특성 또는 속성을 얻기 위해 후처리에서 변경될 수 있다. 예를 들어, 높은 보강 값과 같은 원하는 속성은 재료의 선택 및 재료의 조합 비율 및/또는 다른 재료의 첨가에 의해 야기될 수 있다. 더욱이, 다수의 이러한 구조를 함께 배치하면 추가 공진 효과를 도입할 수 있다. 예를 들어, 2개의 그래핀 시트는 길이, 폭, 간격, 간격의 형상 및/또는 시트의 다른 물리적 특성 및/또는 상호 병치에 의존하는 주파수에서 이들 사이에 공진할 수 있다.
이 기술 분야에 알려진 바와 같이, 재료는 특정 측정 가능한 특성을 갖는다. 이것은 자연적으로 발생하는 재료뿐만 아니라 공학적으로 처리된 탄소 동소체에 대해서도 그러하다. 이러한 공학적으로 처리된 탄소 동소체는 물리적 특성을 나타내도록 동조될 수 있다. 예를 들어, 탄소 동소체는 (a) 구성 1차 입자의 특정 구성; (b) 응집체의 형성; 및 (c) 덩어리의 형성에 대응하는 물리적 특성을 나타내도록 공학적으로 처리될 수 있다. 이러한 물리적 특성 각각은 대응하는 특정 탄소 동소체를 사용하여 형성된 재료의 특정 공진 주파수에 영향을 준다.
특정 공진 주파수에 대응하는 특정 물리적 구성에 특정 탄소 기반 구조를 동조시키는 것에 더하여, 탄소 함유 화합물은 특정 공진 주파수(또는 공진 주파수 세트)로 동조할 수 있다. 공진 주파수 세트는 공진 프로파일이라고 지칭된다.
주파수 동조 재료의 형성
RF 신호에 의해 핑될 때 특정 공진 주파수를 나타내도록 동조된 탄소 함유 재료(예를 들어, 탄소 기반 마이크로구조물을 포함하는 재료)는 특정 전기 임피던스를 갖도록 재료를 구성하는 특정 화합물을 맞춤화함으로써 특정 공진 프로파일을 나타내도록 동조될 수 있다. 다른 전기 임피던스는 이어서 다른 주파수 응답 프로파일에 대응한다.
임피던스는 교류(AC) 전류가 요소를 통해 흐르는 것이 어려운 정도를 나타낸다. 주파수 영역에서, 임피던스는 인덕터로 거동하는 구조로 인해 실수 성분과 허수 성분을 갖는 복소수이다. 허수 성분은 특정 구조의 주파수(f)와 인덕턴스(L)에 기초하는 유도성 리액턴스 성분(XL)(이 회로 요소의 인덕턴스 또는 커패시턴스로 인해 전류 흐름을 위한 회로 요소와는 반대임; 동일한 전압이 인가된 경우 더 큰 리액턴스는 더 작은 전류를 초래함)이다.
XL = 2πfL (수식 1)
수신 주파수가 증가할 때 리액턴스도 증가하여 특정 주파수 임계값에서 방출된 신호의 측정된 세기(진폭)가 감쇠될 수 있다. 인덕턴스(L)는 재료의 전기 임피던스(Z)에 의해 영향을 받으며, 여기서 Z는 다음 수식에 의해 투자율(μ) 및 유전율(ε)의 재료 속성과 관련된다:
따라서, 재료 속성의 동조는 전기 임피던스(Z)를 변화시키고, 이는 인덕턴스(L)에 영향을 주고 결과적으로 리액턴스(XL)에 영향을 준다.
다른 인덕턴스를 갖는 미국 특허 번호 10,428,197(발명자: Anzelmo 등, 발명의 명칭: "Carbon and Elastomer Integration", 등록일: 2019년 10월 1일, 전체 내용이 본 명세서에 기재된 것처럼 병합됨)에서 개시된 것과 같은 탄소 함유 구조는 (앞서 언급한 시스템을 위한 센서를 만드는 데 사용되는 경우) 다른 주파수 응답을 나타낼 수 있다. 즉, (전기 임피던스(Z)에 기초하여) 높은 인덕턴스(L)를 갖는 탄소 함유 구조는 낮은 인덕턴스를 갖는 다른 탄소 함유 구조보다 낮은 주파수에서 특정 리액턴스에 도달한다.
특정 전기 임피던스로 동조될 화합물을 제형화할 때 투자율, 유전율 및 전도율의 재료 속성을 더 고려할 수 있다. 더 나아가, 제1 탄소 함유 구조는 제1 주파수에서 공진하는 반면, 제2 탄소 함유 구조는 이 구조가 인장 유도 상태 하에 있을 때, 예를 들어, 이 구조가 약간 변형될 때(예를 들어, 구조의 물리적 특성을 약간 변화시킬 때), 제2 주파수에서 공진하는 것으로 관찰된다.
도 2ba은 커패시터(C1) 및 인덕터(L1)를 포함하는 등가 전기 회로와 상관될 수 있는 제1 주파수에서 공진하는 제1 탄소 함유 구조를 도시한다. 주파수(f1)는 다음 수식으로 제공된다:
도 2bb는 도 2ba의 동일한 제1 탄소 함유 구조의 약간의 변형을 도시한다. 변형은 물리적 구조를 변화시켜 구조의 인덕턴스 및/또는 커패시턴스를 변화시킨다. 변화는 커패시터(C2) 및 인덕터(L2)를 포함하는 등가 전기 회로와 상관될 수 있다. 주파수(f2)는 다음 수식으로 제공된다:
도 2bc은 편향의 함수로서 측정된 공진의 이상화된 변화를 도시하는 그래프(2B300)이다. 옵션으로서, 그래프(2B300)의 하나 이상의 변형 또는 임의의 양태는 본 명세서에 설명된 구현예의 맥락에서 구현될 수 있다. 그래프(2B300)(또는 임의의 양태)는 임의의 환경에서 구현될 수 있다.
도 2bc에 도시된 구현은 단지 하나의 예일 뿐이다. 도시된 그래프는 변형, 구체적으로 편향의 일 양태를 나타낸다. 부재 또는 표면이 편향(예를 들어, 만곡)에 의해 변형될 때 변형은 RF 신호와 같은 신호에 의해 핑될 때 부재의 나타난 공진 주파수를 변화시킬 수 있다. 곡선의 형상은 부재의 특성에 의존할 수 있고, 예를 들어, 부재 또는 표면을 형성하는 적층체의 특성에 의존할 수 있다. 곡선은 작은 변화에도 가파를 수 있는 반면, 편향이 최대에 도달하면 곡선은 편평해진다. 또한, 곡선의 형상은 부분적으로 적층체의 층의 수, 탄소 구조의 기하 형상, 탄소가 적층체에 결합되는 방식 등에 의존한다.
도 2bd는 4층 적층체(292) 및 5층 적층체(294)에 대한 공진의 변화를 나타내는 그래프(2B400)이다. 옵션으로서, 그래프(2B400) 또는 임의의 양태의 하나 이상의 변형이 본 명세서에 설명된 재료 및 시스템에서 구현될 수 있다. 설명된 적층체와 같은 재료는 많은 응용 분야에 전개될 수 있다. 하나의 특정 응용은 차량 전체의 많은 위치 내에 또는 많은 위치 상에 또는 많은 위치에 걸쳐 전개될 수 있는 표면 센서용이다. 일부 이러한 전개는 도 2c와 관련하여 도시되고 설명된다.
도 2c는 차량의 선택된 위치에서 예시적인 표면 센서 전개(2C00)를 도시한다. 예시적인 표면 센서 전개(2C00) 또는 임의의 양태는 눈, 진눈깨비, 우박 등과 같은 임의의 가능한 외부 환경 상태에 노출된 차량 내 또는 차량 상에 구현될 수 있다.
동조 공진 감지 탄소 함유 재료는 차량의 다양한 외부 표면에 있는 내구성 센서와 관련하여 자동차 특징부, 표면 및/또는 구성요소 내에 또는 이와 함께 혼입될 수 있다. 도시된 바와 같이, 차량은 차량의 전방 덮개(예를 들어, 후드), 차량의 지지 부재, 및 차량의 지붕에 표면 센서를 장착하고 있다. 차량의 전술한 위치 각각은 차량의 동작 동안 응력 및 이에 따른 변형을 받을 수 있다. 일례로서, 전방 덮개의 표면 센서는 차량이 동작 중일 때(예를 들어, 전방으로 이동하는 동안) 공기압 변화를 받을 것이다. 공기압의 영향으로, 표면을 구성하는 재료는 약간 변형될 수 있고, 도 2ba 및 도 2bb와 관련하여 설명된 현상에 따라, 재료의 변화 또는 변형 정도에 비례하여 재료의 공진 주파수의 변화를 나타낼 수 있다. 이러한 변화는 앞서 설명된 '핑'과 관찰 기술을 사용하여 검출될 수 있다.
관찰된 방출 신호는 특정 재료 또는 표면에 대한 시그니처를 집합적으로 형성할 수 있고 추가로 분류될 수 있다. 신호의 특정 특성은 비교 및 측정을 위해 분리되어 특정 분리 특성에 대응하는 교정 포인트를 결정할 수 있다. 따라서, 차량을 둘러싸는 환경의 양태는 정확하고 신뢰성 있게 결정될 수 있다.
예를 들어, 표면 센서의 변형은 3GHz로부터 2.95GHz로 주파수 편이를 초래하는 경우, 그 차이는 공기압 값을 생성할 수 있는 교정 곡선에 매핑될 수 있다. 패널, 지붕, 후드, 트렁크 또는 에어포일 구성요소와 같은 차량 구성요소는 상대적으로 넓은 표면적을 제공할 수 있다. 이러한 경우 트랜시버 안테나는 구성 요소의 관찰 가능한 측에 분산될 수 있다. 여러 트랜시버 안테나는 어레이에 분산될 수 있으며, 여기서 어레이의 각각의 요소는 넓은 표면적의 구획에 대응한다. 각각의 트랜시버 안테나는 도시된 바와 같이 표면 센서 전개(2C00)의 휠 웰 상에 또는 휠 웰 내에 설치될 수 있고 핑/처프에 의해 독립적으로 자극될 수 있다. 일부 경우에 어레이의 각각의 요소는 순차적으로 자극될 수 있는 반면, 다른 경우에 어레이의 각각의 요소는 동시에 자극된다. 차량의 공기 역학은 근접 어레이 요소로부터 시그니처 반환을 구별하기 위해 사용되는 신호 처리에 의해 넓은 표면적에 걸쳐 측정될 수 있다.
특정 어레이 요소로부터의 시그니처 반환은 다른 환경 상태 및/또는 기타 감지된 데이터와 관련하여 분석될 수 있다. 예를 들어, 에어포일 구성요소의 특정 부분의 편향은 에어포일 구성요소의 다른 부분의 편향과 비교될 수 있으며, 이는 차량 또는 차량 환경의 그 당시의 온도 및/또는 그 당시의 타이어 압력, 및/또는 임의의 다른 감지된 양태와 관련하여 차례로 분석될 수 있다.
도 2d는 일부 구현예에 따라 도 2c에 도시된 표면 센서 전개와 통합될 수 있는 다양한 전류 생성 시스템을 예시한다. 회생 제동 시스템(2D02), 전기 역학 시스템(2D18), 광전지 시스템(2D04), 풍력 터빈 시스템(2D06), 광전지 및/또는 진동 전지(2D08), 압전 타이어 압력 모니터(2D10), 배기 가스 기반 터빈(2D12), 에너지 수확 충격 흡수기(2D14) 및/또는 보조 전력 디바이스(2D16)를 포함하는, 도시된 전기역학, 광전지, 압전 및/또는 진동 전류 생성 시스템 중 임의의 하나 이상은 도 2c 및 다른 곳에서 논의된 바와 같이 타이어 몸체의 플라이 내에 혼입된 마찰 전기 에너지 생성기를 보충할 수 있다.
재생 제동 시스템(2D02)은 슈의 브레이크 패드를 회전식 브레이크 회전자로 압축할 때 발생하는 포획된 열 에너지를 흡수, 보유하고, 이 에너지를 유용한 전류로 변환하여 공진기에 전력을 공급할 수 있다. 그리고 이러한 전력을 재인가하거나 재사용하여 토크 부스트를 제공하여 기존의 내연 엔진 구동식 차량 또는 배터리 구동식 차량의 즉각 오프라인 가속을 향상시킬 수 있다. (예를 들어, 외부에서 햇빛 아래에 주차된 것으로부터) 입사광은 광전지 시스템(2D04)에 의해 수확될 수 있는 반면, 풍력 터빈 시스템(2D06)이 에너지를 추가로 포획, 보유 및 재인가할 수 있다.
마찬가지로, 입사 진동 에너지(예를 들어, 도 2d의 개시된 시스템이 장비를 갖춘 주차된 자동차 근처에서 트럭이 주행하는 것으로 인한 진동 에너지)는 진동 셀(2D08)에 의해 포획될 수 있고, 고르지 않은 노면 위를 주행하는 동안 발생하는 진동으로 인한 에너지는 압전 타이어 압력 모니터(2D10)에 의해 포획될 수 있다. 배기 가스 기반 터빈(2D12)은 사용 가능한 전력을 생산하기 위해 (내연 엔진의 터보차저 같이) 배기 가스를 포획하고 재공급할 수 있다. 에너지 수확 충격 흡수기(2D14)는 충격을 흡수하여 이 기계적 에너지를 보유하고 이 기계적 에너지를 유용한 전류로 변환하여 보조 전력 디바이스(2D16)에 공급하여 하이브리드 또는 전기 전용 차량의 사용 범위를 확장시킬 수 있다. 잠재적인 보조 전력 소스 및 시스템은 본 명세서에서 구체적으로 나열하기에는 너무 많고 광범위하므로, 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 개시된 시스템(및 마찰 에너지 생성기)이 임의의 이용 가능한 전력 포획 및 재사용 시스템과 함께 기능할 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
도 2e는 다양한 등급의 차량에서 에너지 재활용의 예와 관련된 속성의 표현(2E00)이다. 에너지 소스는 필요한 전력 크기의 함수로 제공될 수 있고, 예를 들어 여기서는 진동 에너지 포획 디바이스는 약 800㎼/cm3 기계 유도 진동을 보유할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 약 800㎼/cm3은 전하 운반 디바이스(예를 들어, 커패시터) 역할을 하는 인간으로부터 포획될 수 있다. 임의의 개시된 시스템과 통합하기에 적합한 광(광전지) 및 열(열전) 에너지 포획 및 재활용 디바이스는 약 5℃의 온도 구배에서 약 0.1 내지 100mW/cm2(광전지 디바이스용) 및 60㎼/cm2를 보유하고 재사용할 수 있다. 주변 전자기(EM) 복사선 무선 주파수(RF)는 1V/m 전계 강도에서 약 0.26㎼/cm2 등을 부여할 수 있다.
도 2f는 차량용 에너지 수확과 관련된 다양한 수치 값에 대한 표(2F00)를 예시한다. 에너지 수확의 증가와 관련된 가능한 시나리오는, 예를 들어, 2011년과 (예상되는) 2021년을 비교하여, 시판 전기 자동차(EV)(예를 들어, 중공업 등)의 수와, 견인 배터리를 충전하기 위해 에너지 수확을 사용하는 퍼센트와 관련하여 도시된다.
도 2g는 차량용 에너지 수확과 관련된 다양한 속성에 대한 표(2G00)를 예시한다. 에너지 수확 기술과 이를 전기 자동차, 육상, 물 및 공기에 적용할 가능성은 다음 전력 범위 각각에서 모두 차량마다 (1) 마이크로와트 내지 밀리와트; (2) 밀리와트 내지 와트; 및 (3) 와트 내지 수십 킬로와트로 표시된다. 앞서 언급한 전력 재생 시스템은 잠재적 전력 재생 및 전달 능력(예를 들어, 마이크로와트 내지 밀리와트 그리고 증가하는 것)으로 구성된다.
도 2h는 일부 구현예에 따라 극성 및/또는 분극성에 의존하는 것으로 구성되는 마찰 전기 계열에 사용되는 공통 재료의 집합(2H00)을 예시한다. 나타난 포지티브 극성 및/또는 분극성에 대해 언급된 예시적인 재료는 폴리포름알데히드 1.3 내지 1.4 등을 포함하는 반면, 나타난 네거티브 극성 및/또는 분극성에 대해 언급된 예시적인 재료는 폴리테트라플루오로에틸렌(테플론) 등을 포함한다. 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 도 2h 및 다른 곳에서 도시된 것의 범위 및 사상을 벗어나지 않고 마찰 전기 에너지 생성 전위와 관련하여 다른 가능한 예시적인 재료가 존재할 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
도 2i는 탄소 함유 동조 공진 재료로 형성된 센서로부터 수신된 신호를 처리하는 시그니처 분류 시스템(2D00)을 예시한다. 시그니처 분류 시스템(2D00)은 임의의 물리적 환경이나 기상 상태에서 구현될 수 있다. 도 2d는 차량에 설치된 센서에 의해 검출되고, 센서로부터 분류 및/또는 수신된 신호(예를 들어, 시그니처)를 분류하기 위해 동조 공진 감지 재료를 자동차 부품에 혼입하는 것과 관련된다. 선택된 핑 주파수의 핑 신호는 동작(270)에서 전송된다. 핑 신호 생성 메커니즘 및 핑 전송 메커니즘은 임의의 알려진 기술에 의해 수행될 수 있다. 예를 들어, 송신기 모듈은 3GHz의 선택된 주파수를 생성하고 안테나 또는 다수의 안테나를 사용하여 이 신호를 방사할 수 있다. (예를 들어, 휠 웰 또는 차량의 임의의 하나 이상 상에 및/또는 내에 장착된) 동조 안테나의 설계 및 위치는 핑의 강도가 근접 센서에서 (RF) 공진을 유도하기에 충분하도록 임의의 동조 안테나 기하 형상, 재료 및/또는 위치에 대응할 수 있다. 여러 동조 안테나가 대응하는 센서에 근접한 구조 부재 위에 또는 내에 배치된다. 이와 같이 근위 표면 센서가 핑에 의해 자극되면 센서는 시그니처로 다시 공진한다. 이 시그니처는 수신될 수 있고(동작(274)), 수신된 시그니처(276)를 포함하는 데이터세트에 저장될 수 있다. 시그니처의 수신 후에 핑의 전송 시퀀스는 루프에서 반복될 수 있다.
핑 주파수는 루프를 통해 반복적으로 변경될 수 있다(동작(272)). 따라서, 동작(274)이 루프에서 수행될 때, 동작(274)은 제1 시그니처(2781), 제2 시그니처(2782), N번째 시그니처(278N)까지를 포함하는 시그니처(278)를 저장할 수 있다. 반복 횟수는 결정부(280)에 의해 제어될 수 있다. 동작(280)에서 "아니오" 분기가 취해질 때(예를 들어, 전송할 핑이 더 이상 없을 때), 수신된 시그니처는 디지털 신호 처리 모듈(예를 들어, 도 1b에 도시된 시그니처 분석 모듈(154)의 인스턴스)에 제공될 수 있다(동작(282)). 디지털 신호 처리 모듈은 교정 포인트(286)의 세트에 대해 시그니처를 분류한다(동작(284)). 교정 포인트는 특정 핑 주파수에 대응하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 교정 포인트(288)는 임의의 정수 값인 "N"개의 교정 포인트에 대해 3GHz 근처에서 제1 핑 및 제1 반환된 시그니처에 대응할 수 있는 제1 교정 포인트(2881), 2GHz 근처에서 제2 핑 및 제2 반환된 시그니처에 대응할 수 있는 제2 교정 포인트(2882) 등을 포함할 수 있다.
동작(290)에서, 분류된 신호는 차량 중앙 처리 유닛(예를 들어, 도 1b의 차량 중앙 처리 유닛(116))으로 송신된다. 분류된 신호는 차량 중앙 처리 유닛에 의해 기계 학습 알고리즘을 호스팅 및/또는 실행하도록 구성된 컴퓨터화된 데이터베이스를 호스팅하는 업스트림 저장소로 중계될 수 있다. 따라서, 신호, 분류된 신호 및 신호 응답과 관련된 방대한 양의 자극은 후속 데이터 집계 및 처리를 수행하기 위해 포획될 수 있다. 데이터베이스는 반복 사용으로 인한 타이어 열화와 같은 차량 성능과 관련된 상태 또는 진단과 상관될 수 있는 주어진 감지 측정 세트가 제공되면 계산으로 준비될 수 있고, 이는 "훈련된" 것이라고 지칭될 수 있다. 차량의 동작 동안 에어포일 구성요소의 특정 부분의 측정된 편향(예를 들어, 공기압)이 에어포일 구성요소의 다른 부분의 측정된 편향(예를 들어, 공기압)과 다른 경우, 잠재적 진단은 하나의 타이어의 압력이 부족하여 차량 탑승 높이가 균일하지 않아서, 차량 위 차량 상 및/또는 차량 주변의 공기 흐름이 에어포일 구성요소의 편향에 의해 검출된 바와 같이 이에 비례하여 불균일성을 나타낼 수 있다는 것일 수 있다. 다른 잠재적인 상태나 진단도 또한 기계 학습 시스템에 의해 결정될 수 있다. 상태 및/또는 진단 및/또는 지원 데이터는 피드백 루프를 완료하기 위해 차량에 반환될 수 있다. 차량의 계측은 (예를 들어, 운전자 또는 엔지니어에 의해) 작용될 수 있는 시각화를 제공한다.
도 3a는 (종래 기술의) 배터리 구동식 타이어 상태 센서(3A00)를 도시한다. 도시된 바와 같이, 종래 기술은 배터리 구동식 전자 장치(예를 들어, 압력 센서(302), 배터리(304) 및 안테나(306))에 의존할 수 있으며, 이들 중 임의의 하나 이상은 팽창된 타이어 내부에 위치하고 팽창된 타이어 외부의 수신기에 신호를 송신한다. 이것은 다음을 포함하는 다양한 문제에 직면할 수 있다: (1) 배터리 구동식 전자 장치는 (차량 외부의) 열악한 환경에서 생존하지 못할 수 있고; (2) 배터리 구동식 전자 장치는 팽창된 타이어의 수명 동안 접근 가능하지 못할 수 있다.
우수한 기술은 수동 (일반적으로 비-배터리 구동식) 센서 또는 감지 재료를 타이어 재료 자체(예를 들어, 개별 타이어 플라이 또는 타이어 몸통의 위, 중간 또는 내부 등)에 내장하는 것을 포함할 수 있다. 타이어 내부 감지뿐만 아니라 타이어 외부 환경 감지를 포함하는 타이어 감지 메커니즘은 이하와 같이 더 자세히 도시되고 설명된다.
도 3b는 탄소 함유 동조 공진 재료의 하나 이상의 개별 (그러나 상호 연결되거나 접촉하는) 층으로서 타이어에 내장된 (또는 적어도 부분적으로 층 내부에 내장된) 타이어 상태 센서(3B00)의 동작을 도시한다. 타이어 상태 센서(3B00)는 임의의 환경에서 구현될 수 있다. 배터리 구동식 전자 장치는 타이어 내부에 설치되지 않으며, 오히려 타이어의 하나 이상의 다양한 타이어 트레드 층 및/또는 타이어 몸체 플라이는 다른 트레드 층 및/또는 플라이와 구별되는 확인 가능한 주파수에서 공진하도록 각각 준비된 탄소 함유 동조 공진 재료로 구성될 수 있다(및/또는 이 재료로 만들어진 센서를 포함할 수 있다).
도 3c는 동조 공진 감지 재료를 (타이어와 같은) 자동차 구성요소에 혼입하는 것과 관련된 다양한 물리적 특성 또는 양태(타이어 상태 파라미터(3C00))를 예시한다. 여기서, 이 도면은 공압 타이어뿐만 아니라 비-공압 타이어를 포함하는 타이어에 생존 가능한 센서를 전개하는 것을 처리하는 것과 관련하여 제공된다. 타이어의 구성은 래디얼 타이어, 바이어스 플라이 타이어, 튜브 없는 타이어, 중실 타이어, 런플랫 타이어 등에 대응할 수 있다. 타이어는 임의의 종류의 차량 및/또는 차량과 관련된 장비 및/또는 부속품에 사용될 수 있다. 이러한 차량은 항공기, 전지형 차량, 자동차, 건설 장비, 덤프 트럭, 토목 기계, 농기구, 지게차, 골프 카트, 수확기, 지게차 트럭, 모페드, 오토바이, 오프로드 차량, 경주용 차량, 탑승용 잔디 깎는 기계, 트랙터, 트레일러, 트럭, 휠체어 등을 포함할 수 있다. 제시된 것에 추가적으로 또는 대안적으로 자전거, 세발자전거, 외발자전거, 잔디 깎는 기계, 휠체어, 카트 등과 같은 비-전동 차량, 장비 및 부속품에 타이어를 사용할 수 있다.
도 3c에 도시된 파라미터는 예시이고, (잠재적인 도로 접착 비용으로) 수명 증가를 제공하도록 설계된 트럭 타이어 또는 (잠재적인 수명 비용으로) 최대 도로 접착력을 제공하도록 설계된 부드러운 경주용 타이어를 포함하여 생각할 수 있는 많은 최종 사용 시나리오의 특정 바람직한 성능 특성을 목표로 하기 위해 다른 변형이 존재하거나 준비될 수 있다.
다양한 탄소 구조물이 타이어의 각각의 특성을 결정하기 위해 기계적 분석을 받는 타이어에 통합된 다른 비탄소 재료와 함께 다른 제형으로 사용된다. 이러한 특성 중 일부는 직접 테스트를 통해 경험적으로 결정될 수 있는 반면, 다른 특성은 측정 및 데이터 외삽에 기초하여 결정된다. 예를 들어, 롤링 균일성은 타이어가 롤러와 같은 균일한 표면 위에서 롤링을 받을 때 힘의 변화를 감지함으로써 결정될 수 있는 반면, 트레드 수명은 짧은 기간에 걸친 마모 테스트에 기초하며, 짧은 테스트 결과를 외삽하여 예측된 트레드 수명 값을 생성한다.
더 많은 타이어 특성을 측정할 수 있지만, 이러한 측정 기술 중 일부는 타이어에 물리적으로 파괴적일 수 있으므로 타이어의 수명의 원하는 시점에서 측정될 수 있다. 이와 달리, 타이어에 내장된 생존 가능한 센서를 사용하면 타이어의 전체 수명 동안 이 다른 파괴적인 측정을 수행할 수 있다. 예를 들어, 타이어에 내장된 센서에 대해 핑된 RF 신호에 기초한 응답 신호의 검출을 이러한 감지에 사용할 수 있다. 더욱이, 타이어의 각각의 몸체 플라이 및/또는 트레드 층은 논의된 바와 같이 특정 주파수에서 공진하도록 동조되는 내구성("생존 가능성"이라고도 지칭됨) 센서를 포함할 수 있다.
타이어에 사용되는 플라이는 탄소 함유 구조를 다른 재료와 결합시켜 원하는 성능(예를 들어, 취급 및 수명) 특성을 나타내는 특정 재료 조성을 달성하도록 제형화될 수 있다. 특정 재료 조성의 자연 공진 주파수(또는 주파수들)는 특정 재료 조성에 대한 스펙트럼 프로파일을 생성하기 위해 스펙트럼 분석을 받을 수 있다. 이 스펙트럼 프로파일은 이 재료에 대한 교정 기준선으로 사용될 수 있다. 타이어의 몸체 플라이 및/또는 트레드 층이 변형되면 스펙트럼 프로파일이 변하며, 이 스펙트럼 프로파일의 변화는 추가 교정 포인트로 사용될 수 있다. 이러한 많은 교정 포인트는 테스트를 통해 생성될 수 있으며, 이러한 교정 포인트는 차례로 변형을 측정하는 데 사용될 수 있다.
스펙트럼 응답을 분석하면 많은 타이어 파라미터를 정량적으로 측정할 수 있다. 시그니처 분석으로부터 결정될 수 있는 타이어 파라미터는, 예를 들어, 트레드 수명(322), 제1 온도에서의 취급(328), 제2 온도에서의 취급(326), 제1 온도에서의 롤링 경제성(330), 제2 온도에서의 롤링 경제성(332), 롤링 균일성(336) 및 제동 균일성(338)을 포함할 수 있다.
타이어 플라이의 재료에 내장된 센서로부터 수신된 반환 핑 신호에 기초하여 스펙트럼으로 표현된 응답과 같은 응답은 관찰된 변형을 나타낼 수 있다. 즉, 특정 유형의 타이어 변형은 특정 유형의 특정 응답에 대응하여 응답 또는 응답 유형을 열화 유형으로 매핑하는 것을 수행할 수 있다. 더욱이, 타이어가 현장에서 변형될 때 타이어의 스펙트럼 응답의 시변 변화를 사용하여 많은 주변 상태를 결정할 수 있고, 이들 중 일부는 도 3e와 관련하여 논의된다. 다수의 플라이를 사용하여 구성된 타이어에서, 각각의 몸체 플라이 및/또는 트레드 층은 특정 동조 주파수 또는 주파수 범위를 나타내도록 제형화될 수 있다. 예를 들어, 도 3d는 다른 특정 동조 주파수 또는 주파수 범위를 각각 갖는 다수의 플라이로부터 타이어를 구성하기 위한 개략도를 도시한다.
도 3d는 임의의 환경에서 구현될 수 있는 타이어 조립체 또는 구조물에 혼입되기 위해 탄소 함유 동조 공진 재료를 선택함으로써 타이어의 다수의 몸체 플라이 및/또는 트레드 층을 미세 조정 또는 동조하기 위한 개략도(3D00)를 도시한다. 도 3d는 다중 플라이 타이어에 조립되는 타이어 복합체 제형으로 상이한 탄소를 혼합하는 방법을 예시한다. 결과적인 다중 플라이 타이어는 다양한 공진 민감 및 주파수 편이 특성을 나타낸다.
다수의 반응기(예를 들어, 반응기(3521), 반응기(3522), 반응기(3523) 및 반응기(3524))는 각각 특정 정해진 스펙트럼 프로파일을 생성하도록 동조되는 네트워크로 특정 탄소 첨가제/충전제를 생성한다(또는 운반 또는 제공한다). 탄소 첨가제(예를 들어, 제1 동조 탄소(354), 제2 동조 탄소(356), 제3 동조 탄소(358), 및 제4 동조 탄소(360))는 다른 (탄소 기반 또는 비탄소 기반) 조성물(350)과 혼합될 수 있다. 임의의 알려진 기술을 사용하여 특정 탄소 첨가제를 다른 조성물과 혼합, 가열, 전처리, 후처리 또는 조합할 수 있다. 혼합기(예를 들어, 혼합기(3621), 혼합기(3622), 혼합기(3623) 및 혼합기(3624))는 다른 동조 탄소가 타이어의 다양한 구성 요소에 도입될 수 있는 방식을 보여주기 위해 제공된다. 타이어 조립을 위한 다른 기술은 다른 구성 기술 및/또는 타이어를 포함하는 다른 구성요소를 포함할 수 있다. 다중 플라이 타이어에 대해 임의의 알려진 기술을 사용할 수 있다. 더욱이, 특정 몸체 플라이 및/또는 트레드 층(예를 들어, 몸체 플라이 및/또는 트레드 층(3681), 몸체 플라이 및/또는 트레드 층(3682), 몸체 플라이 및/또는 트레드 층(3683), 및 몸체 플라이 및/또는 트레드 층(3684)을 포함하는, 몸체 플라이 및/또는 트레드 층(368)의 그룹)의 스펙트럼 프로파일은 특정 몸체 플라이 및/또는 트레드 층 제형의 특성화에 기초하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 자극 및 응답 특성화에 기초하여, 제1 몸체 플라이 및/또는 트레드 층 제형(예를 들어, 몸체 플라이 및/또는 트레드 층 제형(3641))은 제1 스펙트럼 프로파일을 나타낼 수 있는 반면, 제2 몸체 플라이 및/또는 트레드 층 제형(예를 들어, 몸체 플라이 및/또는 트레드 층 제형(3642))은 제2 스펙트럼 프로파일을 나타낼 수 있다.
몸체 플라이 및/또는 트레드 층 각각이 대응하는 스펙트럼 프로파일을 나타내는, 결과적인 상이한 제형(예를 들어, 몸체 플라이 및/또는 트레드 층 제형(3641), 몸체 플라이 및/또는 트레드 층 제형(3642), 몸체 플라이 및/또는 트레드 층 제형(3643), 및 몸체 플라이 및/또는 트레드 층 제형(3644))은 타이어 조립체(366)에 형성되는 상이한 몸체 플라이 및/또는 트레드 층에 사용된다.
도 3e는 탄소 함유 동조 공진 재료의 층으로 형성된 (임의의 환경에 노출된) 타이어로부터 방출되는 예시적인 상태 시그니처(3E00)의 제1 세트를 도시한다. 동작에 기초하여 측정될 수 있는 여러 동적 기계적 분석 타이어 파라미터가 표시된다. 주어진 타이어 또는 타이어들은 차량의 하나 이상의 휠에 설치될 수 있으며, 임의의 환경에서 차량에 의해 구동될 수 있다. 타이어가 RF 신호 자극을 받으면서 동시에 사용으로 인해 변형될 때(예를 들어, 타이어의 하나 이상의 몸체 플라이 및/또는 트레드 층이 변형될 때) 타이어 내부에 센서 층을 형성하는 탄소 함유 동조 공진 재료는 자극에 응답하여 타이어의 동시 변형을 나타낼 수 있는 신호를 방출할 수 있다.
이 도면은 타이어가 다양한 상태 하에서 동작될 때 타이어의 하나 이상의 몸체 플라이 및/또는 트레드 층이 변형되는 단지 일부 예를 도시한다. 다양한 상태 하에서 타이어의 동작은 이러한 상태가 존재하는 동안 자극에 응답하여 타이어의 다양한 몸체 플라이 및/또는 트레드 층에 의해 방출되는 상이한 신호 세트(예를 들어, 상태-특정 신호(345))를 초래한다. 도시된 바와 같이, 타이어는 따뜻한 주변 상태에서 동작될 수 있으며, 이 동작 동안 자극에 응답하여 타이어의 다양한 몸체 플라이 및/또는 트레드 층에 의해 방출되는 신호는 따뜻한 주변 신호(340)로 간주된다. 또한 도시된 바와 같이, 타이어는 차가운 주변 상태에서 동작될 수 있으며, 이 동작 동안 자극에 응답하여 타이어의 다양한 몸체 플라이 및/또는 트레드 층에 의해 방출되는 신호는 차가운 주변 신호(342)로 간주된다. 또한, 타이어는 낮은 타이어 팽창 상태 하에서 동작될 수 있으며, 이 동작 동안 자극에 응답하여 타이어의 다양한 몸체 플라이 및/또는 트레드 층에 의해 방출되는 신호는 낮은 타이어 압력 신호(344)로 간주된다.
신호 처리(예를 들어, 도 1b의 전술한 시그니처 분석 모듈(154)의 인스턴스에 의해 수행될 수 있는 신호 처리)는 다양한 환경 상태에 대응하는 교정 포인트 세트에 대해 상태 특정 신호(345)를 분류한다. 교정 포인트는 특정 핑 주파수에 대응할 수 있고/있거나 교정 포인트는 특정 핑 주파수 세트에 대응할 수 있다. 다른 현장 상태를 검출하기 위해 핑의 시간적 특성이 다를 수 있다. 예를 들어, 차량이 보츠의 점(일반적으로 플라스틱, 세라믹, 열가소성 페인트, 유리 또는 때때로 금속으로 만들어진 둥근 비반사형 융기된 포장 도로 마커를 말함) 위를 운행할 때, 차량의 타이어 또는 타이어들은 주기적인 변형을 받을 수 있으며, 이 주기는 제1 보츠의 점(346)과 그 다음 보츠의 점 사이의 거리와 차량의 속도에 의존한다. 도시된 바와 같이, 변형은 다양한 상태(예를 들어, 따뜻한 주변 상태, 차가운 주변 상태, 낮은 타이어 압력 상태 등)에 기초하여 다를 수 있다. 또한, 도로 이음부(347) 또는 작은 도로 결함(348)과 같은 특정 도로 상태에 의해 다른 변형이 발생할 수 있다. 전술한 상태-특정 신호 및/또는 임의의 도로 상태 중 임의의 것은 핑 또는 기타 자극에 응답하여 반환되는 신호에 기초하여 검출될 수 있다. 도 3e의 전술한 논의는 예시적인 상태 시그니처의 제1 세트의 처리를 포함한다. 추가 상태 시그니처 세트는 이하와 같이 더 자세히 논의된다.
도 3fa은 탄소 함유 동조 공진 재료의 층으로 형성된 타이어로부터 방출되는 예시적인 상태 시그니처(3F100)의 제2 세트를 도시한다. 예시적인 상태 시그니처(3F100) 또는 임의의 양태는 임의의 환경에서 방출될 수 있다. 도 3fa은 새로운 타이어의 다수의 몸체 플라이 및/또는 트레드 층(예를 들어, 몸체 플라이 및/또는 트레드 층 #1, 몸체 플라이 및/또는 트레드 층 #2, 및 몸체 플라이 및/또는 트레드 층 #3)을 예시한다. 제시된 구현예 중 임의의 하나 이상과 관련하여 이 예 및 다른 곳에서 사용되는 "플라이"라는 용어는 타이어 몸체 내의 플라이 또는 층, 또는 대안적으로 (단단한 포장 도로 또는 오프로드 타이어의 경우 땅과 접촉하도록 의도된) 타이어 몸체로부터 반경 방향 바깥쪽으로 돌출된 타이어 트레드 층을 말할 수 있다. 예에서, 제1 몸체 플라이 및/또는 트레드 층은 1.0GHz 핑 자극(예를 들어, 제1 핑(374))으로 자극될 때 제1 몸체 플라이 및/또는 트레드 층이 1.0GHz에서 공진하도록 동조 탄소로 제형화된다(특정 제형을 갖게 생성되는 것을 말함). 유사하게, 제2 몸체 플라이 및/또는 트레드 층은 2.0GHz 핑 자극(예를 들어, 제2 핑(376))으로 자극될 때 제2 몸체 플라이 및/또는 트레드 층이 2.0GHz에서 공진하도록 동조 탄소로 제형화된다. 또한, 제3 몸체 플라이 및/또는 트레드 층은 3.0GHz 핑 자극(예를 들어, 제3 핑(378))으로 자극될 때 제3 몸체 플라이 및/또는 트레드 층이 3.0GHz에서 공진하도록 동조 탄소로 제형화된다. 제1 응답(382), 제2 응답(384) 및 제3 응답(386)에 의해 도시된 바와 같이, 모든 3-몸체 플라이 및/또는 트레드 층은 각각의 동조 주파수에서 응답한다.
트랜시버 안테나는 대응하는 타이어의 휠 웰 내 및/또는 휠 웰 상에 위치될 수 있다. 이러한 생성된 임의의 응답 신호를 취급하는 시스템은 예를 들어 차량의 나머지 비-표적 타이어와 같은 다른 표면으로부터 발생하는 다른 잠재적인 응답과 구별하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 차량의 오른쪽 전방 휠에 장착된 오른쪽 전방 타이어가 차량의 왼쪽 전방 휠 웰에 위치된 트랜시버 안테나로부터 방출되는 핑에 응답하는 경우에도, 오른쪽 전방 타이어의 응답 신호는 차량의 왼쪽 전방 타이어의 응답 신호에 비해 크게 감쇠된다(그리고 그렇게 인식된다).
트랜시버 안테나가 대응하는 타이어의 휠 웰에 위치될 때, 대응하는 타이어로부터의 응답은 핑 자극에 대해 감쇠된다. 예를 들어, 대응하는 타이어의 응답은 핑 자극에 대해 9데시벨(-9dB) 이상 감쇠될 수 있거나, 또는 핑 자극에 대해 18 데시벨(-18 dB) 이상 감쇠될 수 있거나, 또는 핑 자극에 대해 36데시벨(-36dB) 이상 감쇠될 수 있거나, 또는 핑 자극에 대해 72 데시벨(-72 dB) 이상 감쇠될 수 있다. 일부 경우에, 핑 신호 생성기는 휠 웰에 위치된 트랜시버 안테나와 결합되어 대응하는 타이어의 핑 응답이 75dB(-75dB) 이하 감쇠되도록 설계된다.
도 3fb는 탄소 함유 동조 공진 재료의 일부가 마모된 후 타이어로부터 방출되는 예시적인 상태 시그니처(3F200)의 제3 세트를 도시한다. 옵션으로서, 예시적인 상태 시그니처(3F200) 또는 임의의 양태의 하나 이상의 변형이 본 명세서에 설명된 구현예의 아키텍처 및 기능의 맥락에서 구현될 수 있다. 예시적인 상태 시그니처(3F200) 또는 임의의 양태는 임의의 환경에서 방출될 수 있다.
이 예에서, 타이어는 마모되었다. 보다 구체적으로, 가장 바깥쪽 몸체 플라이 및/또는 트레드 층이 완전히 마모되었다. 이와 같이, 1.0GHz에서 핑 자극은 가장 바깥쪽 플라이에서 응답을 제공하지 않는다. 이것은 차트에서 제1 응답 감쇠(387)로 표시된다. 타이어의 트레드가 계속 마모되면서, 그 다음 몸체 플라이 및/또는 트레드 층의 핑 응답 및 그 다음 연속 몸체 플라이 및/또는 트레드 층의 핑 응답 등이 감쇠되며, 이러한 감쇠는 타이어의 총 트레드 마모를 측정하는 데 사용될 수 있다. 대안적으로, 모든 플라이에 동일한 동조 탄소를 사용할 수 있다. 타이어의 트레드 마모 및 기타 표시는 타이어로부터 반환된 신호 시그니처에 기초하여 결정될 수 있다.
도 3fc은 일부 구현예에 따라 측정된 공진 시그니처 신호 세기(데시벨, db) 대 타이어 트레드 층 손실 높이(밀리미터, mm)의 그래프를 도시한다. 여기에 도시된 바와 같이, 탄소 함유 마이크로구조물 및/또는 마이크로구조물 재료는 센서에 혼입되거나, 또는 일부 구성에서 주어진 농도 레벨에서 또는 (하나 이상의 타이어 트레드 층 각각에서) 다수의 유사하지 않는 농도 레벨에서 하나 이상의 타이어 트레드의 전체 층에 혼입되어, 도시된 고유한 열화 프로파일을 달성할 수 있다. 즉, 측정 공진 시그니처(해당 특정 타이어 트레드 층의 식별 "시그니처"를 말함)는 본 명세서에 설명된 바와 같이 하나 이상의 RF 신호에 의해 '핑'되어, 도시된 바와 같이 방출된 신호의 감쇠를 나타낼 수 있다.
새로운 타이어 트레드 층은 약 0의 신호 세기(데시벨, db로 측정됨)를 나타내도록 구성될 수 있다. 이 세기는 이 타이어 트레드 층의 열화 정도에 비례하여 변할 수 있다. 예를 들어, 타이어 트레드 층의 2mm 높이 손실, 추정컨대 포장 도로와 접촉하는 타이어 트레드 층은 도시된 측정된 공진 시그니처 신호 세기 프로파일과 대응할 수 있다. 6.7GHz의 '핑' 신호는 약 9dB 정도 등의 세기 레벨에서 측정될 수 있다.
따라서, 탄소 함유 마이크로구조물의 고유한 농도 레벨, 화학물질, 분산, 분포 및/또는 등은 도시된 바와 같이 고유하고 쉽게 식별할 수 있는 측정된 공진 시그니처 신호 세기를 달성하기 위해 타이어 트레드 층에 내장(또는, 일부 경우에, 타이어 트레드 층의 하나 이상의 표면에 배치)될 수 있다. 따라서 이러한 시스템의 사용자는 주행 중 발생하는 타이어 트레드 마모의 정확한 정도와 위치를 즉시 통지받을 수 있어서, 시간이 많이 걸리고 번거로울 수 있는 과정인, 차량이 정지 상태에 있는 동안 타이어를 관찰하는 것으로 제한되지 않는다.
도 3ga 및 도 3gb는 미국 특허 번호 10,428,197(발명자: Anzelmo 등, 발명의 명칭: "Carbon and Elastomer Integration", 등록일: 2019년 10월 1일, 전체 내용이 본 명세서에 기재된 것처럼 병합됨)에 설명된 바와 같은 예시적인 기존 탄소 재료 생산 체인의 개략도를 도시한다. 도 3ga은 본 명세서에 설명된 탄소 기반 마이크로구조물을 생성하는 데 사용되는 탄소 재료 생산 체인의 일례인 도 3gb에 비해 예시적인 종래의 탄소 재료 생산 체인(3G100)의 개략도를 도시한다. 종래의 탄소 재료 생산 체인(3G100)에서, 도 3ga에 도시된 바와 같이, 카본 블랙(3G102), 실리카(3G104) 및 기타 화학 물질(3G106)과 같은 원 재료는 제조 시설(3G110)에 들어가도록 운반되어 여기서 엘라스토머 화합물로 제형화된 다음 (고무 기반 및 공압) 타이어(3G120)와 같은 완제품으로 가공될 수 있다.
종래의 타이어 공급은 원 재료(예를 들어, 고무 베일, 탄소 충전제, 직물, 강철 및 기타 첨가제)의 준비, 타이어 구성요소(트레드 및 측벽용 압출 엘라스토머 화합물을 포함함)의 구축, 및 그 다음 타이어(3G120)(타이어 경화 및 완성된 타이어 검사를 포함함)의 구축을 포함할 수 있다. 탄소 마이크로구조물 생산, 엘라스토머 화합물의 혼합 및 선택적으로 완제품(예를 들어, 자동차 타이어)의 구축은 현장에서 수행될 수 있을 뿐만 아니라 (선택적으로) 재료의 나노 혼합도 수행될 수 있다.
도 3ga에서 종래의 탄소 재료 생산 체인(3G100)에 의해 제시된 바와 같은 종래의 탄소 함유 타이어 생산과 달리, 탄화수소(3G202)와 실리카(3G204)는 제조 시설(3G208)의 반응기(3G206)에서 현장에서 혼합된(예를 들어, 함께 통합된) 다음, 타이어(3G208)와 같은 완제품으로 가공되기 전에 엘라스토머 화합물을 생산하기 위해 엘라스토머 원 재료(예를 들어, 고무)와 통합된다. 도 3ga과 도 3gb 사이의 차이점은 취급이 어려운 카본 블랙 재료를 운반할 필요가 없고, 탄소 생산 과정 동안 재료를 함께 통합함으로써 에너지 소비를 줄이는 것을 포함하는 잠재적인 이점을 보여준다.
대안적으로, 도 3ga에 도시된 종래의 공급 체인은 본 그래핀 기반 탄소 재료와 함께 사용될 수 있다. 탄소 재료는 한 장소에서 생산될 수 있고, 탄소 재료 및 기타 구성 재료는 제조 시설로 운송되어 여기서 엘라스토머 화합물로 제형화된 다음 타이어와 같은 완제품으로 가공될 수 있다.
본 그래핀계 탄소 재료를 사용하는 또 다른 이점은 카본 블랙에 비해 순도가 개선되는 것에 있다. 카본 블랙의 불순물(예를 들어, 잔류 오일)은 탄소를 발암성 라벨로 표시해야 한다. 제공된 그래핀 함유 탄소 기반 마이크로구조물은 카본 블랙보다 휘발성 유기 화합물(VOC)이 낮아서 생산된 엘라스토머 재료의 표면에 잔류 오일을 생성하지 않는다. 대안적으로, 탄소 기반 마이크로구조물은 카본 블랙에 비해 잔류 탄화수소(예를 들어, 다환 방향족 탄화수소)의 농도가 낮아서, 생산된 엘라스토머 재료의 표면에 잔류 오일이 더 적다. 본 명세서에 설명된 탄소 재료(탄소 기반 마이크로구조물을 포함함)는 또한 통상적으로 처리된 카본 블랙 또는 그래핀에 비해 낮은 농도의 오염물(예를 들어, 회분, 금속 및 기타 원소 오염물)을 함유한다. 또한, 생산 부산물로 CO2, NOx, SOx 배출이 최소화될 수 있다. 이러한 모든 이점으로 인해 본 탄소 재료는 엘라스토머에 사용되는 기존의 카본 블랙보다 취급하기에 더 안전하고 환경 친화적이다.
카본 블랙에 비해 본 탄소 기반 마이크로구조물의 불순물의 농도 감소는 또한 탄소 재료를 가공(예를 들어, 탄소 후처리 및 엘라스토머 화합물 합성)하는 데 이점이다. 예를 들어, 기존의 카본 블랙 처리 장비는 독성 카본 블랙 입자를 처리하기 위해 특수 시스템이 필요할 수 있다. 이와 달리, 본 무독성 또는 저독성 재료를 처리하는 데 특수 시스템이 필요치 않다.
특정 탄소 재료가 엘라스토머를 보강하는 능력에 영향을 줄 수 있는 3가지 속성, 즉 (1) 표면적; (2) 구조; 및 (3) 표면 활성이 있다. 또한, 코크스, 회분 및 수분과 같은 불순물은 엘라스토머에서 탄소 재료 충전제의 효율에 중요할 수 있다. 표면적은 엘라스토머와 상호 작용하는 데 이용 가능한 면적을 포함하여 탄소 재료 표면의 총 면적을 말한다. 입자 크기와 형상은 표면적에 영향을 줄 수 있다. 더 작은 탄소 기반 마이크로구조물(예를 들어, 평균 직경이 100nm 미만)은 일반적으로 함께 융합되어 더 큰 응집체(예를 들어, 1 내지 10 마이크론 평균 직경)를 형성한다. 구조는 응집체의 형상을 나타낸다. 구조는 함께 융합된 입자의 수와 응집체 내의 입자 구성에 의해 영향을 받을 수 있다. 예를 들어, 입자 수가 많은 응집체는 생성된 공극 부피가 큰 복잡한 형상을 가질 수 있다. 구조는 탄소와 중합체의 혼합 정도(예를 들어, 공극은 중합체로 채워질 수 있음)에 영향을 줄 수 있으며, 이는 엘라스토머/탄소 화합물의 속성에 영향을 줄 수 있다.
또한, 탄소 충전제와 중합체 사이의 표면 상호 작용의 강도를 말하는 표면 활성은 엘라스토머 내의 탄소 재료의 분산 특성에 영향을 줄 수 있다. 인장 강도, 인열 강도 및 내마모성과 같은 화합물 기계적 속성은 탄소 충전제 재료의 표면적에 의해 영향을 받을 수 있다. 점도, 수축률 및 모듈러스와 같은 기타 화합물 기계적 속성은 탄소 충전제 재료의 구조에 의해 영향을 받을 수 있다. 표면적은 또한 히스테리시스와 같은 일부 화합물 기계적 속성에 영향을 줄 수 있다. 구조는 또한 보강된 엘라스토머 화합물의 굴곡 피로 및 내마모성에 영향을 줄 수 있다. 표면 활성은 모듈러스, 히스테리시스 및 내마모성과 같은 화합물 기계적 속성에도 영향을 줄 수 있다.
도 4 및 도 5a는 차량의 폐에너지 수확 및 전력 공급과 관련된 속성의 표현이고, 이들 중 임의의 하나 이상은 예를 들어 타이어 플라이 내에 내장된 공진기에 전력을 공급하는 것에 의해 개시된 시스템에서 탄소 함유 재료 성능에 영향을 줄 수 있다. 예를 들어, 차량의 폐에너지 수확 및 전력 공급과 관련된 능력(400)은 적어도 다음 사항, 즉 차량 움직임으로부터 에너지를 수확하기 위해 차량에 복합체의 사용; 차량 움직임으로부터 에너지를 수확하는 차량 타이어; 증기 파이프 또는 배기 파이프와 같은 열원 내부 및 주변에 위치된 에너지 포획 디바이스; 및 장비 움직임으로부터 에너지를 수확하는 산업적인 사용을 포함하는 적용 공간(402)을 포함할 수 있다.
도 5a는 차량 휠 웰 내에서 에너지 전달이 발생하기 위해 타이어에 통합된 열전 발전 기능(502A)과 관련된 능력(500A)을 제공한다. 이러한 에너지 전달은 (타이어의) 고온 영역과 저온 영역 사이에 전하 캐리어가 흘러 전압 차이가 생겨 열전 발전기(TEG)가 야간에도 여전히 기능할 수 있는 것을 포함할 수 있고, TEG는 또한 이동 부품을 갖지 않아서 지속적인 동작이 가능하며; TEG는 타이어 트레드에 층으로 배치될 수 있으며, 전도성을 위해 동조된 탄소와 도핑된 N/P는 10mW/cmㅂ 초과의 폐열로부터 상당한 전력을 생산할 수 있으며, 여기서 작은 온도 변화(예를 들어, Δ10℃)라도 약 3.5W+를 생산하여 사용 가능한 수확 전력을 제공할 수 있다.
도 5b는 고온 영역과 저온 영역 사이에 (자동차 부품의 재료에 혼입된 반도체 재료 내) 전하 캐리어가 흘러 전압 차이가 생겨 열전 발전기(TEG)가 저조도 상태 또는 무조도 상태에서 동작할 수 있는 것을 나타내는 개략도를 예시한다. 반도체(5B00)는 예를 들어 개시된 공진기 중 임의의 공진기에 전력을 공급하기 위해 회로(5B10)를 통해 전류를 제공하기 위해 n형 및/또는 p형 반도체 재료(5B06)를 통해 위치(5B02 및 5B04)를 포함하는 고온 영역으로부터 열 전달을 포획하기 위해 차량 타이어 몸체의 플라이 내에 혼입될 수 있다.
도 5c는 전기 전도성을 위해 동조되고/되거나 폐열로부터 전력을 생산하도록 도핑된 타이어의 몸체 또는 트레드 내의 플라이에 혼입된 탄소 기반 재료를 예시한다. 전압(5C02)을 위해 분할된 층상화된 포지티브-네거티브(PN) 접합 반도체 재료는 타이어 몸체 또는 이 몸체로부터 연장되는 트레드의 벽 내부에 혼입될 수 있으며, 따라서 모두 실질적으로 기존 형식으로 동작하는, 발진기, 공진 회로 및 정류기와 같은 구성 요소를 포함할 수 있는, 설명된 바와 같이, 공진기에 전력을 공급하기 위해 전류를 제공할 수 있다.
도 5d는 타이어에 통합된 열전 발전 기능과 관련된 열 선속(섭씨 온도의 델타)의 크기에 대한 출력 전력을 비교하기 위한 차트(5D00)를 예시한다. TEG 디바이스는 54℃에서 약 -287㎶/K와 같은 제벡(Seebeck) 계수(이 재료에 걸친 온도 차이에 응답하여 유도된 열전 전압의 크기 척도를 말함)를 갖고/갖거나, ZT = S 2 T/ρκ∼1의 관계를 나타내는 비스무트 텔루라이드(Bi2Te3)를 포함하는 것으로 가정된다. 탄소 기반 마이크로구조물은 또한 잠재적으로 제벡 성능(비스무트 텔루라이드 함유 TEG 디바이스를 말함) 성능 및 굴곡 능력에 도달하도록 TEG 디바이스 내에 동조 및 혼입될 수 있다. 일반적으로, 이러한 TEG 디바이스에 의해 생성된 출력 전력(타이어당 와트(W))은 온도 구배가 클수록 증가할 수 있다.
도 6a는 (예를 들어, 복합체 재료에 혼입될 때) 열전 변환(600A)에 사용되는 3차원(3D) 그래핀과 관련된 속성의 표현이다. 앞서 제시한 것에 더하여, 탄소 기반 마이크로구조물은 복합체 구성 요소 스택에 층으로 배치하여 TEG 디바이스에 혼입할 수 있고, 전도성을 위해 적절히 동조된 탄소와 도핑된 네거티브 및/또는 포지티브(각각 N, P) 반도체 재료는 약 200℉의 온도 구배가 약 35W 이상을 생산할 수 있도록 10 mW/cmㅂ 초과의 폐열로부터 상당한 전력을 생산할 수 있다. 개시된 탄소 기반 마이크로구조물을 혼입하는 이러한 TEG 디바이스는, 예를 들어, 공진기에 전력을 제공하기 위해 사용 가능한 전류를 제공함으로써 저장 및/또는 나중에 재사용을 위해 엔진 동작 동안 방출된 복사 열 에너지를 효율적으로 포획하기 위해 기존 내연 엔진의 차량 엔진 커버에 포함될 수 있다.
도 6b는 전력 수확을 위해 엔진 구성요소에 혼입된 층상화된 포지티브-네거티브(PN) 접합 유형 반도체 재료를 예시한다. 층상화된 PN 반도체는 정밀한 전압 제어를 위해 분할될 수 있으며, 엔진 커버, 열 차폐 또는 배기 부품 내에 혼입될 수 있다. 그리고, 발포 재료는 전력 수확을 위해 진동 및/또는 열 에너지를 흡수하는 데 사용될 수 있다. 전체적으로, 이러한 디바이스는 앞서 언급한 시스템 및 디바이스 중 임의의 하나 이상과 결합될 때 차량 구성 요소 마모를 효율적으로 정확히 찾아내는 데 필요한 공진기에 전력을 공급하도록 에너지 수확 및 재사용 능력을 보충하는 데 사용될 수 있다.
도 7a는 압전 에너지 생성기 및/또는 이와 유사한 것에 의해 전력을 공급받는 타이어 진단 관련 능력(700A)의 표현이다. 압전기는 인가된 기계적 응력에 응답하여 특정 고체 재료(예를 들어, 결정)에 축적되는 전하이다. 압전 효과는 반전 대칭이 없는 결정질 재료의 기계적 상태와 전기적 상태 사이의 선형 전기 기계적 상호 작용으로 인해 발생한다. 압전 효과는 가역적인 과정이다: 압전 효과(기계적 힘의 인가로 인해 내부에 전하가 생성되는 효과)를 나타내는 재료는 또한 역 압전 효과, 즉 인가된 전기장으로 인해 기계적 스트레인이 내부에 생성되는 효과를 나타낼 수 있다.
탄소 나노-양파(CNO)를 포함하는, 본 개시된 시스템 및 재료와 함께 사용되는 탄소 기반 마이크로구조물 중 임의의 하나 이상을 사용하여, 타이어와 같은 차량 구성 요소의 표면에 있는 센서 또는 구성 요소 내에 내장된 센서에서 압전 층을 형성할 수 있다. 또한, 그래핀을 사용하여 타이어에 통합될 수 있는 에너지 수확 패치를 만들 수 있다. CNO 및/또는 그래핀은 타이어 마모와 같은 차량 구성 요소 열화 위치를 정확한 정확도로 식별하는 데 사용하기 위해 공진기에 전력(예를 들어, 전류 형태)을 수집, 보유 및 공급하도록 준비될 수 있다.
도 7b의 그래프(7B00)에 도시된 마이크로-탄소 나노-튜브(m-CNT)와 같은 동조 탄소 재료는 큰 고유 커패시턴스로 인해 (예를 들어, 공진기에 전력을 공급함으로써) 타이어 트레드 마모를 보다 정확하게 감지하는 것을 도와줄 수 있다. 금속에 비해 CNO는 압전 에너지 생산을 실현하기 위해 향상된 탄소 형태를 제공할 수 있다.
앞서 제시된 시스템, 방법 및 재료 중 임의의 하나 이상과 함께 사용하기 위해 CNO는 예를 들어 타이어 손상을 모니터링하고 검출하기 위해 타이어의 측면(예를 들어, 내부 라이너 내)에 위치된 무선 스트레인 센서에 전력을 공급하는 압전 발전기를 생성하는 데 사용될 수 있다. 잠재적인 타이어 변형 또는 스트레인은 노면의 마찰 정도로부터 결정되거나 계산될 수 있으며, 여기서 이러한 정보는 관련 자동차 타이어 제어 시스템을 최적화하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 타이어 관련 정보는 (이전에 논의된 바와 같이 신호 주파수 편이 및/또는 감쇠 거동에 기초하여 계산된 후) 타이어 내에 위치될 수 있고/있거나 전체 타이어 정보 솔루션을 제공하기 위해 공진기와 함께 작동할 수 있는 적절히 장비를 갖춘 수신기로 무선으로 전송될 수 있다. 개시된 구현예는 차량 구성 요소 마모 관련 정보를, 예를 들어, 차량 내비게이션 시스템에 전달하기 위해 기존의 원격 측정 방법 및 디바이스와 함께 작동할 수 있다.
도 7b는 정규화된 커패시턴스(C/C0) 대 고무 두께(mm)를 비교하는, 차량 타이어의 고무 내에 혼입된 종래 재료의 그래프(7B00)를 예시한다. 도시된 바와 같이, m-CNT는 은, 금 또는 m-CNT(압전, 열전 또는 기타 진보된 에너지 수확 및 재공급 기능에 혼입될 수 있음)가 내장되는 재료의 고무 두께에 비해 정규화된 커패시턴스와 관련하여 은 및 금과 같은 기존의 재료보다 일관적으로 성능이 뛰어나다. 본 개시된 탄소 기반 나노재료는 m-CNT에 대해 표시된 성능 수치와 일치하거나 이를 초과한다.
도 7ca은 임피던스 기반 분광법을 통해 타이어 마모를 감지하기 위한 전체 타이어 진단 시스템 및 장치를 보여주는 개략도(7C00)를 예시한다. 공기 또는 질소 가스(N2)로 채워진 공압 고무 타이어와 같은 타이어(7C20)는, 몸체(7C20), 내부 라이너(7C12), 비드 충전제 영역(7C22), 비드(7C16), 하나 이상의 벨트 플라이(7C04, 7C06, 7C08, 및 7C10), 트레드(7C02), 및 임피던스 기반 분광형 마모 감지 인쇄 전자 장치(7C18)(대안적으로 임의의 하나 이상의 벨트 플라이(7C04 내지 7C10)에 내장된 공진기에 의해 신호 주파수 편이 및 감쇠를 모니터링하기 위한 탄소 기반 마이크로구조물을 포함하는 센서)를 포함하는 기존의 타이어 구성요소를 포함할 수 있다.
여기에 도시된 바와 같이, 무선 스트레인 센서는 자동차 안전을 위해 타이어 상태를 모니터링하기 위해 (예를 들어, 손상된 타이어를 검출하기 위해) 내부 라이너의 표면 또는 측면에 배치될 수 있다(또는 표면 또는 측면에 내장될 수 있다). 타이어 변형 또는 스트레인 모니터링은 타이어와 이와 접촉하는 노면 사이의 마찰 정도를 나타내는 정보를 (간접적으로) 제공할 수 있으며, 이를 사용하여 자동차 타이어 제어 시스템을 최적화할 수 있다. 타이어 정보는 공진 센서 플랫폼에 기초하여 타이어 허브에 위치된 수신기에 무선으로 전송될 수 있다.
도 7cb는 인쇄된 탄소 기반 재료를 제조하기 위한 내비게이션 시스템 및 장비로 원격 측정을 통해 전달된 타이어 마모 관련 정보를 제공하기 위한 시스템(7C200)을 예시한다. 시스템(7C200)은 탄소 기반 마이크로구조물을 포함하는 센서와 같은 본 개시된 시스템, 방법 및 재료 중 임의의 하나 이상과 함께 기능할 수 있으므로 이에 대한 중복 설명은 생략한다. 전기화학적 임피던스 분광법(EIS)이라고도 하는 임피던스 분광법은 타이어(7C202)의 하나 이상의 타이어 벨트 플라이 내에 통합된 탄소 기반 마이크로구조물을 혼입하는 센서와 같이 샘플을 측정할 때 광범위한 주파수에 걸쳐 사인파형 전기화학적 섭동(잠재적 또는 현재)의 적용을 포함하는 임피던스 변환 방법을 말한다. 인쇄된 탄소 기반 공진기(7C204)는 타이어 벨트 플라이와 같은 하나 이상의 타이어 구성 요소 내에 혼입될 수 있으며, 각각의 인쇄된 탄소 기반 공진기(7C204)는 도시된 일반적인 타원형 구성을 가지거나, 또는 주파수 편이 및/또는 감쇠를 모니터링(예를 들어, 제1 응답 감쇠는 약 1.0GHz의 자연 공진 주파수를 갖는 타이어 몸체 플라이 및/또는 트레드 층의 마모를 나타낸다)하는 것을 통해 효율적이고 정확한 차량 구성 요소 마모를 검출하기에 적합한 특정 바람직한 공진 속성을 달성하도록 맞춰진 일부 다른 형상 또는 구성을 갖는다.
인쇄된 탄소 기반 공진기(7C204)를 형성할 수 있는 롤러(7C210)의 조립체는 탄소 기반 마이크로구조물 및/또는 마이크로구조물 재료(예를 들어, 그래핀)의 저장소(7C212)(예를 들어, 통), 아닐록스 롤러(7C214)(일반적으로 셀로 알려진 수백만 개의 매우 미세한 딤플(dimple)이 포함된 표면을 갖는 산업용 세라믹으로 코팅된 강철 또는 알루미늄 코어로 구성된 단단한 실린더를 말함), 플레이트 실린더(7C216) 및 압인 실린더(7C218)를 포함한다. 동작 시, 저장소(7C212)에서 추출된 그래핀은 롤러(7C210) 조립체의 롤러에 의해 롤링되거나, 가압되거나, 신장되거나 가공되어 타원형(또는 임의의 다른 형상)의 인쇄 탄소 공진기(7C204)로 제조될 수 있다. 시스템(7C200)이 적절히 기능하기 위한 인쇄 탄소 공진기(7C204)의 정합(정렬을 말함)은 없다.
이와 같이, 전술한 특징의 임의의 조합은 공진기(실제 또는 "등가" 탱크, LC 및/또는 공진 회로를 말함)를 갖는 타이어를 제조하는 데 사용될 수 있고, 여기서 탄소 함유 마이크로구조물 자체가 트랜시버로부터 방출된 RF 신호 및/또는 진보된 에너지 소스에 의해 공급되는 에너지에 응답하여 공진함으로써, 타이어의 트레드, 플라이 또는 플라이들, 내부 라이너 등과 같은 임의의 하나 이상의 구성요소 내에 또는 구성 요소 위에 배치된 다른 센서가 주파수 편이 또는 신호 감쇠 속성 또는 거동을 나타낼 수 있다. 설명된 공진기는 반드시 실제 전기 및/또는 집적 회로(IC)로 구현될 필요는 없다. 설명된 공진기는 단순히 동조 탄소 함유 마이크로구조물로 실현됨으로써, 타이어 트레드 층과 같은 분해 가능한 재료에 기존의 개별 회로를 구현할 때 발생할 수 있는 일반적인 열화 문제를 피할 수 있다. 이러한 공진기는 외부에서 공급되는 '핑'(예를 들어, 차량의 휠 웰에 위치된 트랜시버에 의해 공급되는 핑)에 응답하여 공진할 수 있으며, 또는 공진기는 임의의 변형 또는 임의의 수의 전력 또는 전하 생성기(예를 들어, 열전 발전기, 압전 에너지 생성기, 마찰 전기 에너지 생성기 등)에 의해 촉진되는 공동 위치된 (동일한 타이어 트레드 층 내를 말하지만, 이 타이어 트레드 층 내의 다른 위치일 수도 있음), 자가 전력, 자가 핑 능력에 의해 충전되는 것에 응답할 수 있다.
타이어가 구르거나 변형될 때마다 설명된 공진기(및 기타 공진기 및/또는 공진 회로) 중 임의의 것이 발진 RF 신호(또는 전체 구성에 따라 다른 형태의 전자기 복사선)를 방출 및/또는 추가로 방출하도록 구성될 수 있다. 차량 타이어는 사용(예를 들어, 온로드 또는 오프로드 주행)으로 인해 마모를 경험하므로, 포장 도로 또는 지면(땅)과 접촉하는 타이어 트레드 층은 순간적으로 또는 시간에 따라 변형(예를 들어, 회전 또는 롤링 동안 노출된 차량 타이어 트레드 층의 구획이 적어도 부분적으로 편평해지는 것을 말하는 "스퀴싱(squished)"으로부터 및/또는 회전 동안 경험하는 측방 움직임 등으로부터 관찰되는 변형)을 받아서, 연관 신호가 하나 이상의 알려진 진폭 범위에서 발진할 수 있으므로 결과적인 신호 주파수 편이 및/또는 감쇠 거동은 이러한 "스퀴싱"에 따라 변할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로 타이어가 변형됨에 따라, 관찰된 신호는 특정 공진기에 대응하는 알려진 주파수 범위 내에서 발진하여, 차량이 정지해 있는 동안 운전자, 승객 및/또는 기타 차량 탑승자가 차량에 존재하여 트레드 상태를 관찰할 것을 요구하는 것이 아니라 열화가 발생하는 동안 발생하는 열화 유형을 정밀하고 정확히 식별할 수 있다. 이러한 주파수 편이 발진은 알려진 주파수 범위 내에서 둘 이상의 주파수 사이에서 앞뒤로 주파수 편이로 관찰될 수 있다.
도 7cc은 본 개시된 시스템, 방법 및 센서 중 임의의 것과 혼입될 수 있는 타이어 상태의 감지와 관련된 정보(7C300)의 표현이다. 내부 라이너 측에 있는 무선 가능 스트레인(외부 제약이나 부하(load)에 의해 야기되는 재료 몸체 내 입자 사이의 상대 변위를 나타내는 변형의 기하학적 척도를 말함) 센서는 (예를 들어, 손상된 타이어를 검출하는 것에 의해) 자동차 안전을 위해 타이어 상태를 모니터링할 수 있다. 추가적으로, 타이어 변형 또는 스트레인 모니터링은 타이어와 노면 사이의 마찰 정도와 관련된 정보를 간접적으로 제공할 수 있으며, 이를 사용하여 자동차 타이어 제어 시스템을 최적화할 수 있다. 이러한 타이어 정보는 공진 센서(예를 들어, 임피던스 분광법(IS), 센서) 플랫폼에 기초하여 휠 허브에 위치된 수신기(및/또는 트랜시버)에 무선으로 전송될 수 있다.
도 7cd 내지 도 7ce는 플라이 인쇄 인코딩을 통해 차량 타이어의 마모를 결정하기 위한 공진 시리얼 번호 기반 디지털 인코딩 시스템(7C404)과 관련된 개략도(7C400) 및 개략도(7C500)를 포함하는 개략도를 예시한다. 공진 시리얼 번호 기반 디지털 인코딩 시스템(7C404)은 본 개시된 시스템, 방법 및 센서 중 임의의 것과 혼입 및/또는 기능할 수 있다. 공진 시리얼 번호 기반 디지털 인코딩 시스템(7C404)은 플라이 인쇄 인코딩을 통해 타이어의 디지털 인코딩을 제공하고, 따라서 타이어의 일상적인 마모 및 찢어짐에 민감한 기존의 전자 디바이스를 요구하지 않고 타이어(및 관련 성능 메트릭) 및 사용하는 프로파일을 요람에서 무덤까지(전체 수명을 말함) 추적할 수 있다.
임피던스 분광법(IS) 및/또는 전기화학적 임피던스 분광법(EIS)을 통한 타이어 마모 감지와 함께, 원격 측정 기반 타이어 성능 추적을 위한 인식 가능한 시리얼 번호를 제공하기 위해 추가 공진기가 인쇄된 패턴에 디지털 방식으로 인코딩될 수 있다. 따라서, 장비를 갖춘 차량은 기존의 무선 주파수 식별 시스템(RFID) 또는 임의의 종류의 기타 전자 장치 없이도 트레드 마모, 총 주행 마일, 연수 등을 추적할 수 있다. 몸체 플라이 및/또는 트레드 층에 증분적으로 인쇄함으로써, 논의된 인쇄된 탄소 기반 공진기를 혼입한 타이어는 고유하게 시리얼화될 수 있다.
도 7ce는 타이어의 공진 시리얼 번호를 인코딩하기 위한 개략도(7C510)를 보여준다. 시리얼 번호 "6E"는 '핑' 자극-응답도(7C512)에 따라 공진하도록 구성된 구체적으로 준비된 인쇄 탄소 공진기 어레이로 인코딩된 것으로 표시되고, 이에 의해 장비를 갖춘 차량 타이어의 이 특정 몸체 플라이 및/또는 트레드 층을 편리하고 안정적으로 식별할 수 있다.
도 7d는, 앞서 개략적으로 설명된 것과 같은 압전 능력을 통해 전력 또는 전류를 생성하도록 구성되고, 제시된 다양한 시스템, 방법 및 재료에 관해 본 명세서에서 논의된 예시적인 타이어 중 임의의 하나 이상의 타이어에 혼입될 수 있는 타이어 벨트 플라이(7D02)의 다양한 층을 도시하는 개략도(7D00)를 예시한다. 일반적으로, 이러한 벨트 플라이는 비드, 몸체, 보강 벨트, 캡 플라이(선택 사항임), 측벽 및 트레드(또한 선택 사항이고, 매끄러운 타이어와 같은 특정 경주용 타이어에는 없음) 중 임의의 하나 이상을 포함할 수 있는 종래의 고무 공압 차량(예를 들어, 자동차, 스포츠 유틸리티 차량, 경트럭 또는 트럭) 타이어의 일부일 수 있다.
도 8a는 열전 발전기(TEG)의 적용을 통한 에너지 수확과 관련된 정보(800A)의 표현이며, 이러한 세부사항은 제시된 시스템, 방법 및/또는 재료 중 임의의 하나 이상의 기능과 관련된다. 열전 발전은 제벡, 펠티어 및 톰슨 효과의 원리에 기초할 수 있으며, 여기서 고온 영역과 저온 영역 사이의 전하 캐리어 흐름은 전압 차이를 생성한다.
최적의 열전 재료(본 개시된 TEG 내에 혼입하기에 적합한 열전 재료)는 접합부에 높은 열 구배를 유지하기 위해 높은 제벡 계수(V=αΔT), 높은 전기 전도율 및 낮은 열 전도율을 가져야 한다. 출력 전압의 극성은 TEG에 걸쳐 온도 차의 극성에 의존할 수 있다.
TEG는, "레그(leg)"라고 지칭되는, 역으로 도핑된 열전 구조 포스트 쌍으로 구성된 솔리드 스테이트 데이지 체인 회로(solid-state daisy-chained circuit)로 구성될 수 있다. N형 및 P형 반도체 레그는 전기적으로 직렬로 배치되고, 2개의 얇은 열 전도성 세라믹 판 사이에 끼워질 수 있다. 일반적으로 사용되는 반도체 재료는 비스무트 텔루라이드(Bi2Te3)이다.
주어진 크기에 대해 Vmax(최대 전압)*Imax(최대 전류)의 최고 곱을 갖는 열전 모듈은 이상적인 전력을 제공한다. 공통 모듈은 면당 약 10mm 내지 50mm의 크기 범위의 정사각형일 수 있고, 두께는 2mm 내지 5mm 범위일 수 있다. 다른 대체 에너지 생성 디바이스에 비해 구별되는 주목할 만한 성능 특징은 TEG가 야간에도 동작할 수 있다는 점이며, 이는 잠재적 응용의 범위를 크게 확장시킨다. TEG는 또한 이동 부품이 없는 솔리드 스테이트 디바이스이어서, 연속 동작이 가능하고 또한 보충할 필요가 있는 재료를 함유하고 있지 않다. 그리고, 특정 구성에서, TEG는 가열과 냉각 능력이 역전될 수 있는 기능을 제공할 수 있다.
도 8b는 공진기에 전류 또는 전력을 공급할 수 있는, 예를 들어, TEG 및 다른 진보된 대체 발전기의 에너지 수확 능력(800B)과 관련된 정보의 표현이다. 예를 들어, 스트레인 게이지 센서는 예를 들어 트랙터 및 트레일러의 연석(curb) 중량을 결정하기 위해 중량을 감지하기 위해 엘라스토머 재료 내에 혼입될 수 있다. 이러한 센서는 타이어가 (예를 들어, 화물 이동 등으로 인한) 중량 또는 부하 불균형 및 증가된 힘을 나타내는 경우 알람을 트리거하도록 설계될 수 있다.
TEG는 누출 또는 잠재적인 다가오는 타이어 파열(펑크) 상황을 나타내기 위해 다른 가스 양(예를 들어, 산소 및/또는 아르곤)의 증가를 관찰하기 위해 질소 가스로 채워진 경주용 타이어에 혼입된 공진기와 함께 기능할 수 있다. 타이어 구조는 TEG, 압전 에너지 생성기, 마찰 전기 에너지 생성기 및 기타 진보된 에너지 수확 수단의 임의의 조합을 혼입하여 차량 동작 동안 에너지를 포획, 보유 및 전용하여, 임의의 제시된 시스템과 함께 기능하도록 공진기 발진에 필요한 전류를 제공할 수 있다. 또한, 차량 부품 마모 및 열화 정보는 이해 당사자와 잠재적으로 법 집행 기관에 알리고 고품질의 지속적이고 신뢰성 있는 전체 차량 동작 정보를 제공하도록 (차량 자체 또는 원격 위치의 다른 곳에 장착된) 적절히 장착된 시스템에 의해 전자적으로 전달될 수 있다. 이 정보는 (차량 주행 거동에 기초하여) 예측 판매, 판촉 후원, 보험, 도로 위의 시간 등을 위해 사용되고 고려될 수 있다.
도 9는 종래의 차량과 연관된 동력 트레인의 손실(예를 들어, 전진 추진력으로 사용할 수 없는 것)을 보여주기 위해 차량 섀시, 엔진 및 구동 트레인의 개략적인 절단도(900)를 예시한다. 개시된 시스템, 방법 및 재료 중 임의의 것은 신호 공진 모니터링을 통해 차량 부품 재료 열화를 검출하기 위해 개시된 공진기 중 임의의 공진기에 전력을 공급하기 위해 이러한 에너지를 재사용하기 위해 손실될 에너지를 효과적으로 포획함으로써 이러한 동력 트레인의 손실에 대처하도록 적용될 수 있다. 예를 들어, 전방 장착 내연 엔진에 의해 구동되는 종래의 자동차(예를 들어, 도 9의 다이어그램(900)에 의해 도시된 것)에서, 입력(902)은 가솔린과 같은 기존의 배기식 에너지 소스를 엔진에 제공한다. 엔진의 공회전으로 인해 입력 에너지의 17%가 낭비되고(904), 나머지 2%는 부속품의 동작으로 손실되고(906), 62%는 엔진 마찰, 엔진 펌핑 손실 및 폐열로 인해 손실되며(집합적으로 엔진 관련 손실(908)이라고 함), 5.6%는 마찰과 미끄러짐으로 인해 구동 트레인에서 손실되고(910), 잔여 에너지의 12.6%만이 차량이 도로에서 실제 이동하는 데 이용 가능하다(912).
도 10은 압전 및/또는 열전 전류 및/또는 전력 생성기가 장착된 차량의 개략적인 절단도를 예시한다. 종래의 내연 엔진에 의해 구동될 수 있는 차량(1000)(미니 컴팩트형으로 도시되어 있지만 대안적으로 승용차, 세단, 쿠페, 트럭, 스포츠 유틸리티 차량, 스포츠카 등의 임의의 형태일 수 있음)은 하이브리드 전력을 특징으로 하거나, 전기 모터를 특징으로 하는 전기 전용 기반으로 독점적으로 동작한다. 예시적인 구성에서 차량(1000)은 4개의 타이어(1012), 에어컨(A/C) 컨버터(1014), 구동 모터(1002), 파워 스티어링(1006), 마력(HP) 분배기(1010), 외부 충전 소켓(1004) 및 배터리 시스템(1016)을 포함할 수 있다. 차량(1000)에는 마모 및 열화에 관한 차량 부품 상태를 정확하고 정밀하게 검출하기 위해 예를 들어 본 개시된 공진기, 공진 회로 및/또는 등 중 임의의 것에 전력을 공급하기 위해 에너지를 포획하고 포획된 에너지를 다른 응용 또는 용도에 유용한 전류로 변환하기 위한 압전 에너지 생성 수단(예를 들어, 발전기, 디바이스, 모터 및/또는 등)을 장착할 수 있다.
이전에 소개된 압전기란 인가된 기계적 응력에 응답하여 특정 고체 재료(예를 들어, 결정)에 축적되는 전하를 의미한다. 압전기라는 단어는 압력과 잠열로 인해 발생하는 전기를 의미한다. 기계적으로 압전 효과의 성질은 고체에서 전기 쌍극자 모멘트의 발생과 밀접한 관련이 있다. 후자는 비대칭 전하 환경(예를 들어, BaTiO3)을 갖는 결정 격자 부위의 이온에 유도되거나 (예를 들어, 사탕수수에서) 분자 그룹에 의해 직접 전달될 수 있다. 쌍극자 밀도 또는 분극(차원 [C·m/m3])은 결정에 대해 결정학적 단위 셀의 부피당 쌍극자 모멘트를 합산함으로써 계산될 수 있다. 모든 쌍극자는 벡터이므로 쌍극자 밀도(P)는 벡터장이다.
기계적 응력을 인가할 때 분극(P)의 변화는 압전 효과에 중요하다. 이것은 쌍극자 유도 환경을 재구성하거나 또는 외부 응력의 영향으로 분자 쌍극자 모멘트를 재배향함으로써 발생할 수 있다. 압전기는 분극 강도, 방향 또는 이 둘 모두를 변화시키는 것으로 나타날 수 있고, 상세한 것은 다음에 의존한다:
P의 변화는 벌크에서 쌍극자 밀도의 변화에 의해 야기되는 면들 사이에 연장되는 전기장의 변화와 같은 결정면 상의 표면 전하 밀도의 변화로서 나타난다. 예를 들어, 2kN(500 lbf)의 힘이 인가된 석영 1cm3 입방체는 12,500V의 전압을 생성할 수 있다.
이러한 원리는 예를 들어, (도 11의 정보 캡션(1108)에 도시된 바와 같이) (1) 고전력; 및 대안적으로 (2) 저전력을 모두 전달하기 위해 앞서 논의된 바와 같이 연관된 기능을 위해 본 개시된 공진기 중 임의의 공진기에 전압 및/또는 전류를 제공하도록 구성될 수 있다. 고전력 응용은 회전 허브, 유도 또는 무선 수단을 통해 타이어로부터 생성된 회전 에너지를 포획하는 것을 포함할 수 있다. 저전력 응용은 원격 및/또는 온보드(차량(1000)과 통합된 것을 말함) 에너지 수확 시스템(예를 들어, 개시된 TEG 시스템 및/또는 마찰 전기 에너지 생성기)과 통합되는 것을 포함한다. 전자기(EM) 신호 통신(예를 들어, 465Mhz 또는 유사한 것)에 의해 활성화된 분산 센서 어레이와 통합을 사용하여 후방 산란 또는 유도 결합을 용이하게 할 수 있다.
도 11은 진보된 개념의 타이어 및 다양한 에너지 (전류) 전달 과제의 다양한 개략 사시도를 예시한다. 타이어(1100 및/또는 1102)는 오하이오주 애크론 소재의 더 굿이어 타이어 앤 러버 컴퍼니(The Goodyear Tire & Rubber Company)사에서 제조한 굿이어(Goodyear)
BH03 압전 개념 타이어(Piezo Concept Tire)이거나 또는 이와 유사한 진보된 자가 전력 생산식 타이어일 수 있으며, 여기서 개시된 시스템, 방법 및 재료(탄소 함유 마이크로구조물을 포함함) 중 임의의 것은 정확한 차량 부품 재료 열화를 검출하기 위해 공진기에 지속적인 전력 공급과 관련하여 자가 전력이 공급되도록 이러한 진보된 타이어와 함께 기능하도록 구성될 수 있다. 타이어(1100 및/또는 1102)는 트레드 및/또는 사이프(sipe)(1104, 1106)를 특징으로 할 수 있고, 열전(TE) 발전기 또는 열전 발전 능력에 의해 포획되는 효과적인 열 흡수를 위한 "울트라 블랙" 질감으로 지칭되는 카본 블랙을 포함하는 구성을 제공할 수 있다.
도 12는 차량 부품 열화 성능을 모니터링하기 위해 주파수 편이 및/또는 감쇠 능력을 제공하도록 구성된 차량 센서에 대한 그래핀(예를 들어, 탄소 기반 마이크로구조물 또는 탄소 기반 마이크로구조물의 형성 구성 요소)을 적용 또는 혼입하는 것과 연관된 다양한 특성의 표현이다. 그래핀은 1개의 원자가 각 꼭지점을 형성하는 2차원 육각형 격자에서 단일 원자층 형태의 탄소 동소체를 말한다. 이 탄소 동소체는 흑연, 목탄, 탄소 나노튜브 및 풀러렌을 포함한 다른 동소체의 기본 구조 요소이다. 이 탄소 동소체는 또한 편평한 다환 방향족 탄화수소 계열의 궁극적인 경우인 무한히 큰 방향족 분자로 간주될 수 있다.
그래핀은 이론상 비표면적(SSA)이 2,630m2/g이다. 이것은 카본 블랙(일반적으로 900m2/g보다 작음) 또는 탄소 나노튜브(CNT)(~ 100 내지 1000 m2/g)에 대해 지금까지 보고된 것보다 훨씬 크고 활성탄과 유사하다. 그래핀의 내재 속성(1200)은 고강도(단위 면적당), 약 3,000 W/mK 내지 약 5,000 W/mK 범위의 열 전도율, 질소(N), 황(S), 붕소(B), 인(P), 불소(F) 및/또는 염소(Cl)와 같은 특정 원소로 도핑하여 n형 전도율을 수용하는 능력을 포함한다.
수식 ZT = σS2T/κ는 측정된 재료의 열전(TE) 성능에 관한 정량적 관계를 제공하고 다음과 같이 정의될 수 있다: S는 제벡 계수(제벡 효과에 의해 유도된 이 재료에 걸친 온도 차이에 응답하여 유도된 열전 전압의 크기의 척도)이고, "σ"와 "κ"는 각각 전기 전도율과 열 전도율이고, T는 절대 온도이다. 열전 변환의 목표는 전기 전도율을 높이는 동시에 열 전도율을 감소시키는 것을 포함할 수 있다.
그래핀은 예를 들어, 낮은 차원, 즉 도트("0D"), 튜브/리본("1D") 또는 시트(2D) 및 인터페이스(포논 산란기)를 달성하고 열 컨덕턴스 및 대역 갭 엔지니어링을 줄여 전기 캐리어(p/n)를 증가시키고, 감도/성능을 증가시키고, 일반적인 고출력 열전퇴(thermopile) 구조로 "데이지 체인"(여러 디바이스를 선형 직렬로 함께 연결하는 것을 말함)에 적합하지 않고 에피택셜 성장 BiSbTe를 위한 (예를 들어, 열 관리용) 지지 기판으로 가장 적합하도록 준비될 수 있는 특정 그래핀 시트 형식을 준비하기 위해 나노 구조화를 요구할 수 있다.
그래핀은 또한 다음 장점, 즉 열 전도체(예를 들어, 열 관리/PMC 복합체 시스템, 그래핀 위의 그래핀 재료), 강화제/보강재, 분산 센서(건강 상태: 압력, 마찰, 전단)와 결합하고(이렇게 기능하고) 에너지 수확기로 작용할 수 있다는 장점 중 임의의 하나 이상을 제공하는 다기능 요소로 사용될 수 있다.
도 13a는 그래핀 충전 고무를 혼입하고 지면 또는 포장 도로와 접촉하는 차량 타이어(13A00)의 개략적인 측면도이다. 도시된 바와 같이, 차량 타이어(13A00)는 타이어 림(지면)(13A02), 및 차량 타이어(13A00) 둘레에 원주 방향으로 감싸인 강철 벨트(전도체)(13A04)를 포함한다. 그래핀 충전 고무는 타이어 몸체의 타이어 플라이 중 하나 이상을 형성하기 위해 혼입되거나 사용될 수 있다. 이러한 그래핀 충전 고무는 전도성 침투 임계값(절연성 재료가 전도성 재료로 변환될 수 있는 충전제의 최저 농도를 말하며, 이는 침투 임계값이 샘플에 걸쳐 전기 경로가 형성되는 그래핀 충전 고무와 같은 충전제 재료의 최저 농도임을 의미한다)을 제공할 수 있다. 타이어는 차량에 부하가 가해질 때 예를 들어 차량 섀시를 통해 또는 탑승자를 통해 타이어에 가해지는 부하(1306) 및/또는 다른 중량으로 반영된 중량을 지지할 수 있다.
차량 타이어(13A00)는 사용 가능한 전기 에너지의 형태로 포획된 에너지를 앞서 개시된 공진기에 공급하기 위해 타이어 몸체의 하나 이상의 플라이에 마찰 전기 발전기를 장착할 수 있다. 여기에 사용된 마찰 전기 에너지 변환 원리는 기계적 에너지를 전기로 변환하는 것을 지원하고, 마찰 전기용 마찰과 전기 유도를 결합시켜 센서에 전력을 공급하여, 타이어의 일반적인 건강 상태(마모 및 열화를 말함)를 지속적으로 진단한다.
통상적인 (모든 통근 사용) 상태 하에서, 차량 타이어(13A00)와 지면(예를 들어, 도로 포장 도로) 사이에서 나타나는 마찰에 의해 생성된 에너지의 약 5% 내지 7%가 소산될 수 있다. 이렇게 소산된 에너지를 회수하고 보유하기 위한 마찰 전기 발전기(또는 기타 진보된 에너지 회수 수단)가 없으면 에너지는 주변 환경으로 바람직하지 않게 손실될 수 있다. 따라서, 미국 특허 출원 번호 16/785,020(발명자: Stowell 등, 발명의 명칭: "3D Self-Assembled Multi-Modal Carbon-Based Particle", 출원일: 2020년 2월 7일)에 개시된, 메탄(CH4)과 같은 탄소 함유 가스 종으로부터 반응 챔버 또는 반응기에서 비행 중 자가 핵 형성된 것과 같은 본 개시된 탄소 기반 마이크로구조물 중 임의의 것을 사용하여 앞서 논의된 차량 부품의 마모 또는 열화를 나타내는 데 적합한 센서를 형성할 수 있다.
대안적으로 또는 추가적으로, 이러한 탄소 기반 마이크로구조물은 마찰 전기 에너지 생성기 자체에 혼입될 수 있고, 다양한 전력 공급 및 발전 시나리오 또는 요구 사항을 수용하기 위해 직렬로 구성 및/또는 연결될 수 있고 조정 가능한 (동조 가능한) 분극성을 갖는 탄소 함유 마찰 전기 전도체를 생성하도록 최적화될 수 있다. 설명된 탄소 함유 마찰 전기 에너지 생성기는, (타이어 폭보다 작은) 국부적인 센서에 국한되는 것이 아니라 선택적으로 타이어 주위에 원주 방향으로 뿐만 아니라 타이어의 전체 폭에 걸쳐 연장되는 주어진 타이어 플라이의 전체에 걸쳐 균일하게 산재될 수 있다. 따라서, 이러한 전체 타이어 플라이 폭 탄소 함유 마찰 전기 에너지 발전기(및/또는 하나 이상의 타이어 플라이에 걸쳐 분포된 국부적인 마찰 전기 에너지 생성기와 통신하는 국부적인 센서)는 모두 다음과 같은 이점을 제공할 수 있다:
도 13b는 차량 타이어에 혼입된 마찰 전기 발전기와 관련된 정보(13B00)의 표현이다. 여기에 제시된 마찰 전기 발전기의 차량 특정 응용은 타이어와 이 타이어가 접촉하는 포장 도로 사이의 롤링 마찰로 인해 손실되는 에너지의 약 5% 내지 7%를 포획하고 재사용하는 데 적용된다. 구체적으로, 실리카, 시멘트 및 금속(또는 금속 함유 복합체 재료)을 포함하는 지면 표면은 예를 들어 고무 공압 타이어의 몸체의 전체 플라이 또는 센서 내에 혼입된 그래핀과 같은 탄소 기반 마이크로구조물의 전자 수용 재료와 접촉하는 전자 공여 재료로 작용할 수 있다.
특히 일부 예에서, 함께 결합된 다수의 그래핀 시트를 함유하는 덩어리로부터 합성된 3D 계층적 탄소 기반 마이크로구조물을 말하는 그래핀의 역할은, 침투 임계값(절연성 재료가 전도성 재료로 변환되는 최저 충전제 농도를 말함)에서 전기 전도체 역할을 하고, 최적의 전하 생성을 위해 타이어의 노출된 표면에서 상대적으로 높은 접촉 영역을 제공하도록 동조될 수 있다. 이것은 하나 이상의 타이어 플라이의 전체 폭이 적어도 일부 탄소 기반 마이크로구조물을 혼입하여 전체 몸체 플라이 및/또는 트레드 층을 적어도 부분적으로 전기 전도성으로 만드는 구성에 대해 특히 그러할 수 있다. 전도성 재료는 식각(포장 도로와 접촉 시 타이어 몸체 플라이 및/또는 트레드 층에서 탄소 함유 고무가 제거되거나 파괴되어 이 재료가 기화되는 것을 말함)으로부터 마찰 전기 발전기에 의해 생성된 전하를 수용할 수 있다.
더욱이, 타이어 몸체 플라이 및/또는 트레드 층 내에 혼입된 그래핀은 최적의 타이어 속성을 달성하기 위해 동조되는, 예를 들어, 습윤 또는 건조 상태, 롤링 저항 등에서 최적의 취급을 위해 동조되는 것을 포함하여 다수의 바람직한 목적을 제공할 수 있다. 부하 상태 및 무부하 상태 동안 타이어의 진동은 또한 재료 열화를 검출하기 위해 생성된 전하를 포획하고 전용할 수 있는 이러한 부분 전도성 타이어 내에서 관찰된 임피던스 변화에 영향을 줄 수 있다.
도 14a 내지 도 14c는 도로의 포장과 같은 지면에서 구르는 휠에서 증분 전하 생성을 나타내기 위한 (단일 전극과 구리-적층 폴리디메틸실록산(PDMS) 패치가 장착된) 롤링 휠 상의 전하 생성의 개략도(1400)를 예시한다. 탄소 함유 타이어 플라이를 형성하기 위해 표면에 센서를 형성하는 데 사용되거나, 타이어 플라이 내에 내장되거나, 또는 고무 제형 내에 혼합된 본 개시된 탄소 기반 나노구조물 중 임의의 하나 이상은 개략도(1400)에 표시된 설계를 포함하는 마찰 전기 에너지 생성기와 함께 기능할 수 있다. 도시된 바와 같이, 마찰 전기 에너지 생성기는 지면(1410)과 접촉하는 중합체 필름(1408)과 접촉하는 금속 필름(1402)에 연결된 전기 부하(1404)(유효 전력을 소비하는 전기 부품 또는 회로의 일부를 말함)에 연결될 수 있는 금속 시트(1406)와 같은 구성 요소를 가질 수 있다.
즉, 개략도(1400)에 도시된 장비는 타이어 몸체 플라이 및/또는 트레드 층 내부 또는 위의 기타 위치 및 센서에 있는 탄소 기반 마이크로구조물과 전자적으로 통신하기 위해 공진기에 전력을 제공하는 기능을 할 수 있으며, 적어도 다음 원리, 능력 및/또는 관찰을 수용할 수 있다:
마찰 전기 나노발전기(TENG)는 일반적으로 보편적으로 알려진 마찰 전기 원리에 기초하여 기계적 에너지를 전기로 변환하는 에너지 수확 디바이스이다. 롤링 타이어로부터 폐마찰 에너지를 소거하기 위해 PDMS를 사용하여 타이어 표면을 시뮬레이션하는 단일 전극 TENG(S-TENG)의 혁신적인 설계가 개발되었으며, 본 개시된 시스템, 방법 및 재료와 통합될 수 있다. PDMS S-TENG를 고무 휠에 고정함으로써 마찰 에너지를 소거하는 성능을 체계적으로 성공적으로 조사했다. 휠 상의 S-TENG의 전기 출력은 휠의 중량 부하와 이동 속도의 증가에 따라 단조 함수적인 증가를 보여주었다.
최대 순시 전력은 10.4%의 최고 에너지 변환 효율에 대응하는, 10MΩ의 부하 저항에서 약 1.79mW로 획득되었다. 그리고, 다수의 S-TENG 어레이가 장난감 자동차의 타이어에 구현되었고, 차량이 지면에서 이동하는 동안 6개의 상업용 녹색 발광 다이오드(LED)에 즉시 전력을 공급하였다. 이 성공적인 시연은 전기 자동차의 연비 또는 순항 능력을 향상시키고 제시된 공진기에 전력을 공급할 수 있는 롤링 타이어로부터 폐마찰 에너지를 소거하는 유망한 솔루션을 지원한다.
도 14d는 일부 구현예에 따라 마찰 전기 발전기 또는 모터의 예시적인 회전자 및 고정자 구성(14D00)을 예시한다. 다양한 알려진 재료를 사용할 수 있지만 구성(14D00)에 도시된 예는 (최소한) 외부 쉘(14D02), 구리 층(14D04), 헥사플루오로프로필렌과 테트라플루오로에틸렌의 공중합체인 (그리고 기존의 사출 성형 및 스크류 압출 기술을 사용하여 용융 가공될 수 있다는 점에서 폴리테트라플루오로에틸렌 수지와 다른) 플루오르화 에틸렌 프로필렌(FEP) 재료, 알루미늄 롤러(14D16), 스펀지 층 및 아크릴 코어(14D14)를 포함할 수 있다.
동작 시, 아크릴 코어(14D14)는 방향(14D08)으로 회전할 수 있고 다수의 층으로 감싸질 수 있고, 다수의 층의 각각의 층은 선행 층과 후속 층 모두를 둘러싸고 접촉한다. 즉, 아크릴 층(14D14)은 스펀지 층(14D06)(이것은 전하 포획 및 전달을 수용하기 위해 필요에 따라 두께를 줄이고 나중에 다시 회복하기 위해 내부로 압축될 수 있음)으로 둘러싸일 수 있고, 이 스펀지 층은 (내부에 분산된 소정 양의 FEP를 포함할 수 있는) 구리 층(14D04) 및 외부 쉘(14D02)로 둘러싸일 수 있다.
고정자(14D16)는 마찰 전기로 생성된 전하를 수확하기 위해 확대 구획(14D12)에 도시된 방향(14D14)과 반대 방향으로 회전할 수 있다. 관찰된 물리 값 및 파라미터는 (예를 들어, 전술한 마찰 전기 발전 수단 중 임의의 것과 함께 사용되는 경우) (최소한) 다음을 포함한다:
도 14e는 (기존의 공압 타이어와 차세대 중실 공기 없는 타이어와 같은 임의의 유형의) 차량(14E02)의 타이어(14E04)에 혼입된 진보된 자가 전력 시스템(14E00)(예를 들어, 전기 회로 및/또는 이산 회로로 구현된 실제 형태뿐만 아니라 아래에서 더 자세히 설명하는 바와 같은 "등가" 회로의 대표적인 형태의 마찰 전기 에너지 생성기를 포함함)이 장착된 차량에 관한 개략도를 예시한다. 시스템(14E00)은 타이어(14E04) 중 하나의 타이어의 몸체(14E08) 내에 또는 하나 이상의 트레드 층 내에 고정된 압축성 육각형 구조의 마찰 전기 에너지 나노발전기(CH-TENG)(14E06)의 어레이의 구성을 포함할 수 있다. CH-TENG(14E06)은 본 개시된 (및 이에 따라 기능하는) 임의의 마찰 전기 발전 수단과 실질적으로 유사할 수 있지만, 각각의 마찰 전기 에너지 생성기는 실질적으로 육각형 형상을 갖는다. 다른 잠재적인 표현(14F02)은 도 14f에 도시되어 있다.
CH-TENG(14E06)은 트랜시버(14E10)(신호 형태로 전자기 복사선을 송수신할 수 있는 것)에 의해 방출되는 신호를 추가로 방출할 수 있는 공진기에 전력을 공급하기에 적합한 전류를 생성하는 데 사용 가능한 전하를 생성할 수 있다. CH-TENG(14E06)의 특정 구성은 또한 전체적인 타이어 마모 모니터링 솔루션을 제공하기 위한 타이어 압력 모니터링 시스템(TPMS)의 일부일 수 있는 무선 타이어 압력 센서와 통신하기 위해 정류기 및 커패시터와 같은 기존의 전자 부품을 포함할 수 있다.
시스템(14E00)은 다음과 같은 기능을 하는 장비를 포함하여 타이어에 대한 수차를 검출 및 통신하는 것과 관련된 적어도 세 가지 유형의 구성요소, 기능 및/또는 하위 시스템을 포함할 수 있다:
일반적으로, 공진기는 개별 형태로 구현될 수 있는 데, 즉 공진 회로, 탱크 회로 또는 동조 회로라고도 하는 LC 회로로 구현될 수 있다. 이러한 유형의 공진기는 문자(L)로 표시되는 인덕터와, 함께 연결된 문자(C)로 표시되는 커패시터와 같은 개별 구성 요소로 구성된 전기 회로이다. 회로는 전기 공진기, 음파 동조 포크의 전기적 유사체로 작용하여, 에너지를 저장하고, 회로의 자연 공진 주파수에서 발진하는 에너지를 방출한다.
LC 회로는 특정 주파수의 신호를 생성하거나 더 복합 신호로부터 특정 주파수의 신호를 선택하는 데 사용될 수 있다; 이 기능은 "대역 통과 필터"라고 한다. 이 회로는 발진기, 필터, 튜너 및 주파수 혼합기와 같은 회로에 사용되는 많은 전자 디바이스, 특히 무선 장비의 핵심 구성 요소이다.
그러나, 포장 도로 또는 지면과 접촉하도록 노출된 차량 타이어 트레드 층과 같은 잠재적인 고마모 영역에 개별 전자 부품을 혼입하는 것은, 예를 들어, 마모와 찢어짐 및/또는 증가된 온도 등으로 인해 위에서 설명한 기존의 LC 회로와 같은 구성 요소의 원치 않는 열화 및 파손 가능성의 관점에서 문제가 될 수 있다.
따라서, 공진기는 일부 구현예에서 임의의 개별 전자 장치와 독립적으로 탄소 함유 마이크로구조물 및 관련 재료로만 만들어질 수 있다. 이러한 탄소 함유 마이크로구조물은 타이어 몸체의 타이어 플라이 내에, 타이어 트레드 층 내에 또는 이 둘 모두 내에 내장될 수 있는 센서를 형성할 수 있다. 또한, 탄소-함유 마이크로구조물은 신호 생성 성능에 영향을 줄 수 있는, 예를 들어, 다양한, 유사한(또는 심지어 동일한) 농도 레벨에서 하나 이상의 플라이 및/또는 타이어 트레드 층 내에 존재하도록 타이어 형성 재료(예를 들어, 고무)에 혼합될 수 있다.
탄소 함유 마이크로구조물로 만들어진 센서, 플라이 및/또는 타이어 트레드 층은 등가 (적어도 실질적으로 동일한) 기능과 성능을 제공함으로써 위에서 설명한 공진 회로와 같은 기존의 개별 회로 구성 요소를 효과적이고 완전히 대체할 수 있고, 따라서 여기 신호(예를 들어, 트랜시버에서 방출되는 여기 신호)에 응답하여 공진함으로써 각각의 공진 신호를 생성함으로써 CH-TENG(14E06)에 의해 전력을 공급받거나 공급받지 않을 수 있는 등가 회로(14E12)로 표현될 수 있다. 등가 회로는, 주어진 회로(예를 들어, 공진 회로)의 모든 전기적 특성을 보유하지만 선형 수동 소자(따라서 기존의 개별 회로 소자를 반드시 사용할 필요는 없음)로 구성된 이론적인 회로를 말한다.
따라서, 등가 회로로 작용하는 탄소 함유 마이크로구조물로 제조된 센서, 플라이 및/또는 타이어 트레드 층을 구현함으로써 기존의 개별 회로의 원치 않는 파손을 피할 수 있다. 이러한 구성에서, 타이어 내부에 이산 전자 부품 디바이스가 설치되지 않는다. 오히려, 타이어의 하나 이상의 다양한 타이어 트레드 층 및/또는 타이어 몸체 플라이는 부품 마모를 정확하고 정밀하게 식별하기 위해 알려진 주파수에서 공진하거나 알려진 주파수 범위에서 공진하는 탄소 함유 동조 마이크로구조물 재료로 구성될 수 있다(및/또는 이 재료로 만들어진 센서를 포함할 수 있다).
도 14f는 차량 타이어 내에 혼입되도록 의도된 다양한 유형의 마찰 전기 에너지 생성기 구성(14F00)을 예시한다. 이러한 구성은, 예를 들어, CH-TENG가 (도 14e에 도시된 타이어(14E04)의 몸체(14E08)에 도시된) 타이어 플라이에 포함될 수 있고 타이어 압축에 따라 압축될 수 있다는 점에서, 타이어 몸체 플라이 및/또는 트레드 층이 지면과 접촉하는 것에 비례하여 주기적인 압축 및 압축 해제 사이클(구어체로 "스퀴싱"이라고 함) 동안, 확대 구획(14F12)으로 도시되거나 또는 각각 표현(14F02, 14F04, 14F06, 14F08, 14F10 및 14F12)으로 도시되는 구조(I 내지 VI)로 도시되는 형태 중 임의의 형태로 취해진 것과 같은 실질적으로 육각형일 수 있다. 주기적인 압축-압축 해제 거동은 CH-TENG의 전하 수확 능력을 촉진할 수 있다.
도 15a는 타이어 압력 모니터링 시스템(TPMS)을 통해 달성되는 차량 타이어에 대한 센서 기반 모니터링에 관한 정보(15A00)의 표현이다. 일반적으로, 타이어 압력 모니터링 시스템(TPMS)은 다양한 유형의 차량에서 공압 타이어 내부의 공기압을 모니터링하도록 설계된 전자 시스템을 의미한다. TPMS는 게이지, 픽토그램 디스플레이, 또는 간단한 저압 경고등을 통해 차량의 운전자에게 실시간 타이어 압력 정보를 보고한다. TPMS는 두 가지 유형, 즉 직접(dTPMS)과 간접(iTPMS)으로 나눌 수 있다. TPMS는 OEM(공장) 레벨과 애프터마켓 솔루션 모두에서 제공된다. TPMS의 목표는 타이어의 위험 상태를 조기에 인식하여 타이어 압력 부족으로 인한 교통 사고, 연비 저하, 타이어 마모 증가를 방지하는 것이다.
개시된 방법, 시스템 및 재료 중 임의의 것은 추가의 강화된 타이어 열화 정보를 제공하기 위해 TPMS 기능을 지원하기 위해 임의의 유형의 TPMS와 기능적으로 결합할 수 있다. 제시된 바와 같이, iTPMS는 속도, 진동, 휠 반경 중 임의의 것을 모니터링할 수 있고, 변형 및 마찰(기존의 잠금 방지 제동 시스템, ABS, 센서 제품군의 기능에 의존하는 것을 의미하는 본질적으로 "피기백" 오프)을 결정하기 위해 스트레인, 온도 및 가속도와 함께 칼만 필터(통계적 잡음 및 기타 부정확성을 포함하는, 시간에 따라 관찰된 일련의 측정값을 사용하여, 각각의 시간 프레임 동안 변수에 대한 공동 확률 분포를 추정하여 단일 측정값에만 기초하는 것보다 더 정확한 경향이 있는 알려지지 않은 변수의 추정치를 생성하는 알고리즘인 선형 2차 추정(LQE)으로도 알려져 있음)의 사용을 포함하여 보다 진보된 방법을 사용할 수 있다. 그리고 dTPMS는 (최소한) 다음 능력 및/또는 기술과 결합하거나 기능적으로 통합될 수 있다:
그래핀 및/또는 다른 정렬된 탄소 기반 센서는 전술한 TPMS 시스템과 결합할 수 있고, 다음 센서 유형 및/또는 변형예 중 임의의 하나 이상을 사용할 수 있다:
도 15b는 기판(15B04)을 혼입하는 기판 조립체(15B00)의 개략적인 측면도이다. 기판 조립체(15B00)는 ABS 센서 제품군의 일부일 수 있으며, 예를 들어, 공진기에 전력을 (전류의 형태로) 제공하기 위해 탄소 기반 마이크로구조물을 혼입하는 본 개시된 시스템, 방법, 및 재료 중 임의의 것과 상호 작용하거나 함께 기능할 수 있다. 기판 조립체(15B00)는 갭(15B08) 위의 외부 힘(화살표로 표시)에 응답하여 실리콘 함유 영역(15B02) 근처에서 팽창(또는 압축)할 수 있는 다이어프램 두께(15B06)를 가질 수 있다. 갭(15B08)은 기판 전극(15B12)의 상부에서 분리층(15B10) 위에 배치될 수 있다.
도 15c는 컴퓨팅 자원(15C02), 외부 인가된 힘(15C10)에 응답하는 스트레인 게이지(15C04), 및 타이어 몸체 플라이 및/또는 트레드 층(15C08)에 타이어 위 플라이 부품(15C12)을 수용하도록 소형화되는 능력을 포함하는, 타이어 압력을 모니터링하도록 구성될 수 있는 폴리이미드 기반 스트레인 게이지 시스템(15C00)의 개략도이다. 폴리이미드 기반 스트레인 게이지 시스템(15C00)은 보다 상세한 타이어 상태 열화 관련 정보를 사용하여 타이어 압력 검출 능력을 증대시키기 위해 본 개시된 시스템, 방법 및 재료 중 임의의 것과 통신하는 TPMS의 일부일 수 있다.
도 15d는 차량 타이어 트레드 변형을 검출하고 세라믹 상에 갈륨 비소(GaAs)를 혼입하도록 구성된 홀 센서 시스템(15D00)의 개략적인 절단도이다. 홀 센서 시스템(15D00)은 보다 상세한 타이어 상태 열화 관련 정보를 사용하여 타이어 압력 검출 능력을 증대시키기 위해 본 개시된 시스템, 방법 및 재료 중 임의의 것과 통신하는 TPMS의 일부일 수 있다. 홀 센서 시스템(15D00)은 (차량 타이어의 일부로서) 강철 코드(15D04)를 포함할 수 있다. 갈륨 비소(GaAs) 홀 효과 생성기(15D06)는 도로(포장 도로(15D12)로 도시됨)와 접촉하는 트레드 요소 위의 (타이어의) 몸체(15D10) 내의 자석(15D08)과 함께 기능한다. 홀 센서 시스템(15D00)의 기능은 차량 동작 동안 타이어 상태 정보를 확인하기 위해 공진기에 전력을 공급하는 데 사용할 수 있는 전하 및/또는 전류를 생성할 수 있다.
도 15e는 타이어 몸체 내의 강철 와이어 벨트(15E02)의 쌍(15E04)에 통합된 비접촉 초음파 전기 저항기-콘덴서 병렬 회로(15E00)에 관한 개략도를 도시한다. 비접촉 초음파 전기 저항기-콘덴서 병렬 회로(15E00)의 기능은 차량 동작 동안 타이어 상태 정보를 확인하기 위해 (본 개시된) 공진기에 전력을 공급하는 데 사용할 수 있는 전하 및/또는 전류를 생성할 수 있다. 강철 와이어 벨트(15E02)의 쌍(15E04)은 정량 가능한 유전 상수(15E06) 및/또는 저항률(15E08) 값을 나타내기 위해 정해진 거리(15E10)만큼 떨어져 위치될 수 있다.
도 15f는 비접촉 초음파 전기 저항기-콘덴서 병렬 회로(15E00)(비접촉은 개별 강철 와이어 벨트 사이의 접촉이 없음을 말함)의 다른 적절한 구성을 도시하고, 여기서 강철 와이어는 전하를 저장 및 전달하고 본 명세서에 개시된 공진기에 전력을 공급하기 위해 전류를 전도하는 데 필요할 수 있는 대응하는 전극과 전기적으로 결합 및/또는 연결된다.
도 15g는, 일부 구현예에서, 개별 회로부가 없고 대신에 주어진 회로의 모든 전기적 특성을 나타내는 탄소 함유 마이크로구조물로 구성된 이론적인 회로를 구현하는 또 다른 유형의 "등가 회로"일 수 있는 비접촉 초음파 전기 저항기-콘덴서 병렬 회로(15E00)(도 15e에 도시된 것)의 표현의 간략한 개략도를 도시한다. 일례로서, 이 등가 전기 회로는 공진 재료에 의해 나타난 주파수 편이 거동 및/또는 신호 감쇠를 검출하기 위해 필요에 따라 공진하도록 구성될 수 있는 적어도 커패시터(C)와 저항기(R)의 기능을 모방하는 탄소 함유 마이크로구조물 공진 재료를 포함할 수 있다.
도 15h는 차량 타이어(15H02)의 강철 와이어 벨트(15H06) 상에 통합된 전기 저항기-콘덴서 병렬 회로(15H10)(다수의 와이어(15H12)를 가짐)의 개략도(15H00)를 도시한다. 강철 와이어 벨트(15H06)는 타이어 트레드 패턴(15H08)과 간섭하지 않고 타이어 구성요소(예를 들어, 측벽)(15H04) 근처에 있을 수 있다. 전기 저항기-콘덴서 병렬 회로(15H10)는 본 개시된 공진기에 이러한 전력을 제공하기 위해 예를 들어 마찰 전기 원리 또는 다른 방법에 의해 전술한 수단 중 임의의 하나 이상을 통해 사용 가능한 전하 및/또는 전력 또는 전류를 생성할 수 있다.
도 16 내지 도 18은 다른 재료 위에 성장된 구조화된 탄소, 다양한 탄소 나노입자, 다양한 탄소 기반 응집체 및 다양한 3차원 탄소 함유 조립체를 도시한다. 개시된 것은 본 명세서에 언급된 탄소 기반 마이크로구조물의 예일 수 있다.
도 19는 도 16 내지 도 18에 도시된 구조화된 탄소 및/또는 이와 유사한 것 중 하나 이상에 대한 라만 편이 그래프를 예시한다. 피크는 약 2670cm-1, 1600cm-1 및 1380cm-1에서 (또는 그 주변에서) 관찰된다.
도 20은 요소 내에 또는 요소들 사이에 내장된 공진 회로(본 명세서에서 "공진기"라고도 함) 구성요소(2002, 2004 및 2006)를 갖는 타이어 몸체 플라이 및/또는 트레드 층의 구성 요소(예를 들어, 고무)의 예시적인 격자형 배열(2008)의 개략적인 사시도(2000)를 예시한다. 공진 회로 구성 요소에 대해 생각할 수 있는 임의의 구성이 가능하며, 여기서 이러한 구성은 본 명세서에서 개시된 타이어 열화를 확인하기 위해 관련될 수 있는 추가 신호 방출에 관한 발진 및/또는 공진 능력에 영향을 줄 수 있다.
도 21은 차량 타이어 몸체 플라이 및/또는 트레드 층에 혼입되어 동작 중일 때 도 20에 도시된 공진 회로와 연관된 신호 감쇠를 나타내는 예시적인 라만 세기의 열 지도 또는 그래프이다.
도 22는 도시된 다양한 덩어리 패턴(2206, 2208, 및 2210)을 갖는 자가 조립된 탄소 기반 입자의 예시적인 구성을 나타내는 개략도이고, 이들 중 임의의 하나 이상은 탄소 기반 마이크로구조물이 내부에 혼입된 재료의 공진 성능에 영향을 줄 수 있는 집중 영역(2204)을 구성할 수 있다.
사용 개요
전개 예
전술한 기술 및 재료 중 임의의 하나 이상을 차량 관련 재료 및/또는 타이어 플라이와 같은 표면에 내장되도록 의도된 표면 센서를 위한 제조 공정에 결합시킬 수 있다. 지정된 주파수에 적어도 부분적으로 기초하여 탄소 동소체를 선택하고, 탄소 동소체를 복합체 재료의 다른 성분과 혼합한 다음, 복합체 재료를 사용하여 자동차 표면 센서를 형성함으로써 자동차 표면 센서를 제조할 수 있다. 자동차 표면 센서는 지정된 주파수의 전자기 방출(RF 신호)에 의해 자극될 때 지정된 주파수에서 공진한다.
또한, 임의의 또는 모든 전술한 기술 및 재료를 타이어 제조 공정에 결합시킬 수 있다. 지정된 주파수에 적어도 부분적으로 기초하여 탄소 동소체를 선택하고, 탄소 동소체를 하나 이상의 타이어 재료에 사용되는 다른 성분과 혼합하고, 그런 다음 타이어를 조립하기 위해 추가 타이어 구성요소와 하나 이상의 타이어 재료를 결합하여 자동차 타이어를 제조할 수 있다. 타이어 재료는 지정된 주파수의 전자기 방출에 의해 자극될 때 지정된 주파수에서 공진한다. 더욱이, 이러한 공진은 지정된 주파수의 근위 전자기 복사선(예를 들어, 핑)에 의해 발생할 수 있다. 일례로서 엄밀히 말하면, 지정된 주파수의 근위 전자기 복사선을 방출하는 동조 안테나는 차량의 휠 웰에 있을 수 있다.
구조화된 탄소 개요
추가적인 구조화된 탄소 실시예
도 23a 내지 도 23y는 미국 특허 출원 번호 16/785,020(발명자: Stowell 등, 발명의 명칭: "3D Self-Assembled Multi-Modal Carbon-Based Particle", 출원일: 2020년 2월 7일)에 개시된, 메탄(CH4)과 같은 탄소 함유 가스 종으로부터 반응 챔버 또는 반응기에서 비행 중 자가 핵 형성되는 것과 같은, 탄소 기반 재료, 성장물, 덩어리, 응집체, 시트, 입자 및/또는 등을 도시한다.
도시된 탄소 기반 나노입자 및 응집체는 기존의 시스템 및 방법으로 달성할 수 있는 더 낮은 균일성, 덜 정렬된 및 더 낮은 순도 입자와 달리, 높은 레벨의 "균일성"(예를 들어, 원하는 탄소 동소체의 높은 질량 분율), 높은 레벨의 "질서"(예를 들어, 낮은 농도 결함) 및/또는 높은 레벨의 "순도"(예를 들어, 낮은 농도의 원소 불순물)를 특징으로 할 수 있다.
본 명세서에 설명된 방법을 사용하여 생성된 나노입자는 다중 벽을 갖는 구형 풀러렌(MWSF) 또는 연결된 MWSF를 함유할 수 있고, 높은 균일성(예를 들어, 그래핀 대 MWSF의 비율이 20% 내지 80%), 높은 질서(예를 들어, ID/IG 비율이 0.95 내지 1.05인 라만 시그니처) 및 높은 순도(예를 들어, 탄소 대 다른 원소(수소 제외)의 비율은 99.9%보다 큼)를 가질 수 있다. 본 명세서에 설명된 방법을 사용하여 생성된 나노입자는 MWSF 또는 연결된 MWSF를 함유하고, MWSF는 탄소 이외의 불순물 원소로 구성된 코어를 함유하지 않는다. 본 명세서에 설명된 방법을 사용하여 생성된 입자는 큰 직경(예를 들어, 10 ㎛ 초과)을 갖는 상기 설명된 나노입자를 함유하는 응집체일 수 있다.
높은 질서의 다중 벽을 갖는 구형 풀러렌을 함유하는 입자를 생성하기 위해 통상적인 방법이 사용되어 왔지만 최종 생성물은 다양한 결점을 가질 수 있다. 예를 들어, 고온 합성 기술은 많은 탄소 동소체의 혼합물 및 그리하여 낮은 균일성(예를 들어, 다른 탄소 동소체에 비해 20% 미만의 풀러렌) 및/또는 낮은 입자 크기(예를 들어, 1㎛ 미만 또는 경우에 따라 100nm 미만)를 가진 입자를 초래한다. 촉매를 사용하는 방법은 촉매 원소를 포함하고 따라서 상대적으로 낮은 순도(다른 원소에 비해 95% 미만의 탄소를 말함)를 갖는 생성물을 초래할 수 있다. 이러한 바람직하지 않은 속성은 종종 생성된 탄소 입자의 바람직하지 않은 전기적 속성(예를 들어, 1,000 S/m 미만의 전기 전도율)을 초래한다.
본 명세서에 설명된 탄소 나노입자 및 응집체는 구조물의 높은 질서 및 균일성을 나타내는 라만 분광법으로 특징지어질 수 있다. 본 명세서에 설명된 균일한 정렬된 및/또는 순수한 탄소 나노입자 및 응집체는 하기에 설명된 비교적 고속, 저비용 개선된 열 반응기 및 방법을 사용하여 생성될 수 있다.
일반적으로 이해되고 본 명세서에 언급된 "그래핀"이라는 용어는 하나의 원자가 각 정점을 형성하는 2차원, 원자 규모의, 육각형 격자 형태의 탄소 동소체를 의미한다. 그래핀의 탄소 원자는 sp2 결합되어 있다. 추가적으로, 그래핀은 (532 nm 여기 레이저를 사용할 때) 약 1580cm-1의 G 모드와 약 1350cm-1의 D 모드를 포함하는 두 가지 주요 피크가 있는 라만 스펙트럼을 가지고 있다.
일반적으로 이해되고 본 명세서에서 언급된 "풀러렌"이라는 용어는 속이 빈 구형, 타원형, 관형 또는 기타 형상의 탄소 분자를 의미한다. 구형 풀러렌은 벅민스터풀러렌(Buckminsterfullerene) 또는 버키볼(buckyball)이라고도 한다. 원통형 풀러렌은 탄소 나노튜브라고도 한다. 풀러렌은 육각형 링이 연결된 적층된 그래핀 시트로 구성된 흑연과 구조가 유사하다. 풀러렌은 오각형(또는 때때로 칠각형) 링을 더 포함할 수 있다.
일반적으로 이해되고 본 명세서에서 언급된 "다중 벽을 갖는 풀러렌"이라는 용어는 다수의 동심 층을 갖는 풀러렌을 의미한다. 예를 들어, 다중 벽을 갖는 나노튜브(MWNT)는 그래핀의 다수의 롤링 층(동심 튜브)을 포함한다. 다중 벽을 갖는 구형 풀러렌(MWSF)은 풀러렌의 다수의 동심 구체를 포함한다.
일반적으로 이해되고 본 명세서에서 언급된 "나노입자"라는 용어는 1 nm 내지 989 nm에 이르는 입자를 의미한다. 나노입자는 하나 이상의 구조적 특성(예를 들어, 결정 구조, 결함 농도 등), 및 하나 이상의 유형의 원자를 포함할 수 있다. 나노입자는 구형, 회전타원형, 덤벨형, 원통형, 세장형 원통형, 직사각형 프리즘형, 디스크형, 와이어형, 불규칙한 형상, 조밀한 형상(예를 들어, 공극이 거의 없는 것), 다공성 형상(예를 들어, 공극이 많은 것) 등을 포함하지만 이들로 제한되지 않는 임의의 형상일 수 있다.
일반적으로 이해되고 본 명세서에서 언급된 "응집체"라는 용어는 반 데르 발스 힘, 공유 결합, 이온 결합, 금속 결합 또는 기타 물리적 또는 화학적 상호 작용에 의해 함께 연결된 다수의 나노입자를 의미한다. 응집체는 크기가 상당히 다양할 수 있지만, 일반적으로 약 500nm보다 크다.
탄소 나노입자는 2개 이상의 연결된 다중 벽을 갖는 구형 풀러렌(MWSF) 및 연결된 MWSF를 코팅하는 그래핀 층을 포함할 수 있고, 탄소 이외의 불순물 원소로 구성된 코어와 독립적으로 형성될 수 있다. 본 명세서에 설명된 바와 같은 탄소 나노입자는 2개 이상의 연결된 다중 벽을 갖는 구형 풀러렌(MWSF) 및 연결된 MWSF를 코팅하는 그래핀 층을 포함할 수 있다. 이와 같은 구성에서, MWSF는 중심에 공극(약 0.5nm보다 큰 또는 약 1nm보다 큰 탄소 원자가 없는 공간을 말함)을 포함하지 않는다. 연결된 MWSF는 (본 명세서에 개시된 예상치 못한 유리한 특성 중 임의의 하나 이상을 달성하지 못할 수 있는 무작위로 정렬된, 불균일한, 비정질 탄소 입자의 통상적인 구체와 달리 유리한) sp2 혼성 결합된 탄소 원자의 동심의 잘 정렬된 구체로 형성될 수 있다.
연결된 MWSF를 함유하는 나노입자는 5 nm 내지 500 nm, 또는 5 nm 내지 250 nm, 또는 5 nm 내지 100 nm, 또는 5 nm 내지 50 nm, 또는 10 nm 내지 500 nm, 또는 10 nm 내지 250 nm, 또는 10 nm 내지 100 nm, 또는 10 nm 내지 50 nm, 또는 40 nm 내지 500 nm, 또는 40 nm 내지 250 nm, 또는 40 nm 내지 100 nm, 또는 50 nm 내지 500 nm, 또는 50 nm 내지 250 nm, 또는 50 nm 내지 100 nm 범위의 평균 직경을 갖는다.
본 명세서에 설명된 탄소 나노입자는 응집체를 형성하고, 여기서 많은 나노입자는 함께 응집되어 더 큰 단위를 형성한다. 탄소 응집체는 복수의 탄소 나노입자일 수 있다. 탄소 응집체에 걸친 직경은 10㎛ 내지 500㎛ 또는 50㎛ 내지 500㎛, 또는 100㎛ 내지 500㎛, 또는 250㎛ 내지 500㎛, 또는 10㎛ 내지 250㎛, 또는 10㎛ 내지 100㎛, 또는 10㎛ 내지 50㎛ 범위일 수 있다. 응집체는 상기 언급한 바와 같이 복수의 탄소 나노입자로 형성될 수 있다. 응집체는 높은 균일성 메트릭(예를 들어, 그래핀 대 MWSF의 비율이 20% 내지 80%), 높은 질서(예를 들어, ID/IG 비율이 0.95 내지 1.05인 라만 시그니처) 및 높은 순도(예를 들어, 99.9% 초과의 탄소)를 가진 것과 같은 연결된 MWSF를 함유할 수 있다.
기본적으로 위에서 설명한 범위의 직경을 갖는 것을 의미하는 탄소 나노입자, 특히 10㎛보다 큰 입자의 응집체는 일반적으로 500nm보다 작은 입자 또는 입자의 응집체보다 수집하기가 더 쉽다. 수집의 용이성은 탄소 나노입자를 생산하는 데 사용되는 제조 장비의 비용을 줄이고 탄소 나노입자의 수율을 증가시킨다. 크기가 10㎛보다 큰 입자는 또한 더 작은 나노입자의 흡입으로 인한 잠재적인 건강 및 안전 위험과 같이 더 작은 나노입자를 취급할 때의 위험에 비해 더 적은 안전 문제를 야기한다. 따라서, 건강 상태 및 안전 위험이 낮을수록 제조 비용이 더 절감된다.
본 명세서에 개시된 것과 관련하여 탄소 나노입자는 10% 내지 90%, 또는 10% 내지 80%, 또는 10% 내지 60%, 또는 10% 내지 40%, 또는 10% 내지 20%, 또는 20% 내지 40%, 또는 20% 내지 90%, 또는 40% 내지 90%, 또는 60% 내지 90%, 또는 80% 내지 90%의 그래핀 대 MWSF의 비율을 가질 수 있다. 탄소 응집체는 10% 내지 90%, 또는 10% 내지 80%, 또는 10% 내지 60%, 또는 10% 내지 40%, 또는 10% 내지 20%, 또는 20% 내지 40%, 또는 20% 내지 90%, 또는 40% 내지 90%, 또는 60% 내지 90%, 또는 80% 내지 90%의 그래핀 대 MWSF의 비율을 갖는다. 탄소 나노입자는 10% 내지 90%, 또는 10% 내지 80%, 또는 10% 내지 60%, 또는 10% 내지 40%, 또는 10% 내지 20%, 또는 20% 내지 40%, 또는 20% 내지 90%, 또는 40% 내지 90%, 또는 60% 내지 90%, 또는 80% 내지 90%의 그래핀 대 연결된 MWSF의 비율을 갖는다. 탄소 응집체는 10% 내지 90%, 또는 10% 내지 80%, 또는 10% 내지 60%, 또는 10% 내지 40%, 또는 10% 내지 20%, 또는 20% 내지 40%, 또는 20% 내지 90%, 또는 40% 내지 90%, 또는 60% 내지 90%, 또는 80% 내지 90%의 그래핀 대 연결된 MWSF의 비율을 갖는다.
라만 분광법을 사용하여 탄소 동소체를 특성화하여 분자 구조물을 구별할 수 있다. 예를 들어, 라만 분광법을 사용하여 그래핀을 특성화하여 질서/무질서, 에지, 및 결정립 경계, 두께, 층의 수, 도핑, 스트레인 및 열 전도율과 같은 정보를 결정할 수 있다. 또한 라만 분광법을 사용하여 MWSF를 특성화하여 MWSF의 질서도를 결정하였다.
라만 분광법은 본 명세서에 논의된 바와 같이 다양한 타이어 관련 타이어 플라이 내에 혼입된 것과 관련하여 사용되는 MWSF 또는 연결된 MWSF의 구조를 특성화하는 데 사용된다. 라만 스펙트럼의 주요 피크는 G 모드와 D 모드이다. G 모드는 sp2 혼성 결합 탄소 네트워크에서 탄소 원자의 진동에 기인하고, D 모드는 결함이 있는 육각형 탄소 링의 호흡과 관련이 있다. 일부 상황에서, 결함이 존재할 수 있지만 라만 스펙트럼에서는 검출할 수 없다. 예를 들어, 제시된 결정 구조가 기저면에 대해 직교하면, D 피크는 증가를 보일 것이다. 추가적으로 기저면에 대해 평행한 완벽하게 편평한 표면이 제공되면 D 피크는 0이 될 것이다.
532nm 입사광을 사용할 때, 라만 G 모드는 일반적으로 평면 흑연에 대해 1582cm-1에 있지만, MWSF 또는 연결된 MWSF에 대해 (예를 들어, 1565cm-1 또는 1580cm-1로) 다운 편이될 수 있다. D 모드는 MWSF 또는 연결된 MWSF의 라만 스펙트럼에서 약 1350cm-1에서 관찰된다. D 모드 피크 대 G 모드 피크(예를 들어, ID/IG)의 세기의 비율은 MWSF의 질서도와 관련되며, 여기서 ID/IG가 낮을수록 질서도가 높다는 것을 나타낸다. ID/IG가 1에 가깝거나 1 아래이면 상대적으로 높은 질서도를 나타내고, ID/IG가 1.1보다 크면 낮은 질서도를 나타낸다.
본 명세서에 설명된 바와 같은, MWSF 또는 연결된 MWSF를 함유하는 탄소 나노입자 또는 탄소 응집체는, 532nm 입사광을 사용할 때 약 1350cm-1에서 제1 라만 피크를 갖고 약 1580cm-1에서 제2 라만 피크를 갖는 라만 스펙트럼을 갖고/갖거나 나타낼 수 있다. 본 명세서에 설명된 나노입자 또는 응집체에 대한 제1 라만 피크의 세기 대 제2 라만 피크의 세기의 비율(예를 들어, ID/IG)은 0.95 내지 1.05, 또는 0.9 내지 1.1, 또는 0.8 내지 1.2, 또는 0.9 내지 1.2, 또는 0.8 내지 1.1, 또는 0.5 내지 1.5의 범위, 또는 1.5 미만, 또는 1.2 미만, 또는 1.1 미만, 또는 1 미만, 또는 0.95 미만, 또는 0.9 미만, 또는 0.8 미만일 수 있다.
상기 언급한 바와 같이, MWSF 또는 연결된 MWSF를 함유하는 탄소 응집체는 고순도를 갖는다. MWSF 또는 연결된 MWSF를 함유하는 탄소 응집체는 99.99% 초과, 또는 99.95% 초과, 또는 99.9% 초과, 또는 99.8% 초과, 또는 99.5% 초과, 또는 99% 초과의 탄소 대 금속의 비율을 갖는다. 탄소 응집체는 99.99% 초과, 또는 99.95% 초과, 또는 99.9% 초과, 또는 99.5% 초과, 또는 99% 초과, 또는 90% 초과, 또는 80% 초과, 또는 70% 초과, 또는 60% 초과의 탄소 대 다른 원소의 비율을 갖는다. 탄소 응집체는 99.99% 초과, 또는 99.95% 초과, 또는 99.9% 초과, 또는 99.8% 초과, 또는 99.5% 초과, 또는 99% 초과, 또는 90% 초과, 또는 80% 초과, 또는 70% 초과, 또는 60% 초과의 탄소 대 다른 원소(수소 제외)의 비율을 갖는다.
상기 언급한 바와 같이, MWSF 또는 연결된 MWSF를 함유하는 탄소 응집체는 높은 비표면적을 갖는다. 탄소 응집체는 10m2/g 내지 200m2/g, 또는 10m2/g 내지 100m2/g, 또는 10m2/g 내지 50m2/g, 또는 50m2/g 내지 200m2/g, 또는 50m2/g 내지 100 m2/g, 또는 10m2/g 내지 1000m2/g의 브루나우어, 에미트 및 텔러(Brunauer, Emmett and Teller: BET) 비표면적을 갖는다.
상기 언급한 바와 같이, MWSF 또는 연결된 MWSF를 함유하는 탄소 응집체는 높은 전기 전도율을 갖는다. 위에서 언급한 MWSF 또는 연결된 MWSF를 함유하는 탄소 응집체는 펠릿으로 압축되고, 펠릿은 500 S/m 초과, 또는 1,000 S/m 초과, 또는 2,000 S/m 초과, 또는 3,000 S/m 초과, 또는 4,000 S/m 초과, 또는 5,000 S/m 초과, 또는 10,000 S/m 초과, 또는 20,000 S/m 초과, 또는 30,000 S/m 초과, 또는 40,000 S/m 초과, 또는 50,000 S/m 초과, 또는 60,000 S/m 초과, 또는 70,000 S/m 초과, 또는 500 S/m 내지 100,000 S/m, 또는 500 S/m 내지 1,000 S/m, 또는 500 S/m 내지 10,000 S/m, 또는 500 S/m 내지 20,000 S/m, 또는 500 S/m 내지 100,000 S/m, 또는 1000 S/m 내지 10,000 S/m, 또는 1,000 S/m 내지 20,000 S/m, 또는 10,000 내지 100,000 S/m, 또는 10,000 S/m 내지 80,000 S/m, 또는 500 S/m 내지 10,000 S/m의 전기 전도율을 갖는다. 일부 경우에, 펠릿의 밀도는 약 1g/cm3, 또는 약 1.2g/cm3, 또는 약 1.5g/cm3, 또는 약 2g/cm3, 또는 약 2.2g/cm3, 또는 약 2.5g/cm3, 또는 약 3g/cm3이다. 추가적으로, 2,000psi 및 12,000psi의 압축과 800℃ 및 1,000℃의 어닐링 온도에서 압축된 탄소 응집체 재료의 펠릿을 형성하는 테스트를 수행하였다. 더 높은 압축 및/또는 더 높은 어닐링 온도를 사용하면 일반적으로 12,410.0 S/m 내지 13,173.3 S/m 범위를 포함하여 더 높은 전기 전도율을 갖는 펠릿을 생성한다.
열 처리 시스템을 사용하여 생산된 고순도 탄소 동소체
본 명세서에 설명된 탄소 나노입자 및 응집체는 열 반응기 및 방법을 사용하여 생산될 수 있다. 열 반응기 및/또는 사용 방법에 관한 추가 세부사항은 미국 특허 번호 9,862,602(등록일: 2018년 1월 9일, 발명의 명칭: "CRACKING OF A PROCESS GAS", 전체 내용이 본 명세서에 기재된 것처럼 병합됨)에서 찾아볼 수 있다. 추가적으로, 탄소 함유 및/또는 탄화수소 전구체(적어도 메탄, 에탄, 프로판, 부탄 및 천연 가스를 말함)를 열 반응기에서 사용하여 본 명세서에 설명된 탄소 나노입자 및 탄소 응집체를 생산할 수 있다.
본 명세서에 설명된 탄소 나노입자 및 응집체는 1 slm 내지 10 slm, 또는 0.1 slm 내지 20 slm, 또는 1 slm 내지 5 slm, 또는 5 slm 내지 10 slm의 범위, 또는 1 slm 초과, 또는 5 slm 초과의 가스 흐름률을 갖는 열 반응기를 사용하여 생산된다. 본 명세서에 설명된 탄소 나노입자 및 응집체는 0.1초 내지 30초, 또는 0.1초 내지 10초, 또는 1초 내지 10초, 또는 1초 내지 5초, 5초 내지 10초의 범위, 또는 0.1초 초과, 또는 1초 초과, 또는 5초 초과, 또는 30초 미만의 가스 공진 시간으로 열 반응기를 사용하여 생산된다.
본 명세서에 설명된 탄소 나노입자 및 응집체는 10g/hr 내지 200g/hr, 또는 30g/hr 내지 200g/hr, 또는 30g/hr 내지 100g/hr, 또는 30g/hr 내지 60g/hr, 또는 10g/hr 내지 100g/hr의 범위, 또는 10g/hr 초과, 또는 30 g/hr 초과, 또는 100 g/hr 초과의 생산 속도로 열 반응기를 사용하여 생산될 수 있다.
열 반응기(또는 다른 분해 장치) 및 열 반응기 방법(또는 다른 분해 방법)을 사용하여 공급 원료 공정 가스를 그 구성성분으로 정제, 열 분해, 해리 또는 분해하여 본 명세서에 설명된 탄소 나노입자 및 탄소 응집체뿐만 아니라 기타 고체 및/또는 가스 생성물(예를 들어, 수소 가스 및/또는 낮은 차수의 탄화수소 가스)을 생산할 수 있다. 공급 원료 공정 가스는 일반적으로 예를 들어 수소 가스(H2), 이산화탄소(CO2), C1 내지 C10 탄화수소, 방향족 탄화수소, 및/또는 다른 탄화수소 가스, 예를 들어, 천연 가스, 메탄, 에탄, 프로판, 부탄, 이소부탄, 포화/불포화 탄화수소 가스, 에텐, 프로펜 등 및 이들의 혼합물을 포함한다. 탄소 나노입자 및 탄소 응집체는 예를 들어 다중 벽을 갖는 구형 풀러렌(MWSF), 연결된 MWSF, 탄소 나노 구체, 그래핀, 흑연, 고도로 정렬된 열 분해 흑연, 단일 벽을 갖는 나노튜브, 다중 벽을 갖는 나노튜브, 기타 고체 탄소 제품, 및/또는 본 명세서에 설명된 탄소 나노입자 및 탄소 응집체를 포함할 수 있다.
본 명세서에 설명된 탄소 나노입자 및 탄소 응집체를 제조하는 방법은, 예를 들어, 열 분해 장치의 세장형 케이싱, 하우징 또는 몸체 내에 선택적으로 봉입된 세장형 길이 방향 가열 요소를 사용하는 열 분해 방법을 포함할 수 있다. 몸체는 예를 들어 스테인리스강, 티타늄, 흑연, 석영 등으로 만들어진 하나 이상의 튜브 또는 다른 적절한 인클로저를 포함할 수 있다. 열 분해 장치의 몸체는 일반적으로 중심 세장형 길이 방향 축이 수직으로 배열된 원통형 형상이고, 몸체의 상부에 또는 상부 부근에 공급 원료 공정 가스 입구가 있다. 공급 원료 공정 가스는 몸체 또는 몸체의 일부를 통해 길이 방향 아래로 흐를 수 있다. 수직 구성에서, 가스 흐름과 중력은 열 분해 장치의 몸체로부터 고체 제품을 제거하는 데 도움이 된다.
가열 요소는 공급 원료 공정 가스의 분자를 열 분해하기에 충분한 특정 온도(예를 들어, 분자 분해 온도)로 가열될 수 있는 가열 램프, 하나 이상의 저항성 와이어 또는 필라멘트(또는 꼬인 와이어), 금속 필라멘트, 금속 스트립 또는 막대, 및/또는 다른 적절한 열 라디칼 생성기 또는 요소 중 임의의 하나 이상을 포함할 수 있다. 가열 요소는 중심 길이 방향 축을 따라 열 분해 장치의 몸체 내에서 중심 방향으로 연장되도록 배치, 위치 또는 배열될 수 있다. 단 하나의 가열 요소만이 있는 구성에서 가열 요소는 중심 길이 방향 축에 배치되거나 중심 길이 방향 축과 동심일 수 있고; 대안적으로, 다수의 가열 요소를 갖는 구성에서는 가열 요소가 중심 길이 방향 축 근처에 그리고 중심 길이 방향 축 주변에 그리고 중심 길이 방향 축과 평행한 위치에서 일반적으로 대칭으로 또는 동심으로 이격되거나 오프셋되어 배치될 수 있다.
본 명세서에 설명된 탄소 나노입자 및 응집체를 생산하기 위한 열 분해는 특정 분자 분해 온도로 또는 특정 분자 분해 온도에서 공급 원료 공정 가스를 가열하기 위해 열 분해 장치의 몸체에 의해 정해지고 몸체 내에 포함된, 가열 요소의 열에 의해 생성된 길이 방향 세장형 반응 구역 내의 가열 요소 위로 또는 가열 요소와 접촉하여 또는 가열 요소 부근으로 공급 원료 공정 가스를 흐르게 함으로써 달성될 수 있다.
반응 구역은 공급 원료 공정 가스가 분자를 열 분해하기에 충분한 열을 받을 수 있도록 가열 요소를 둘러싸고 가열 요소에 충분히 가까이 있는 영역으로 간주될 수 있다. 따라서 반응 구역은 일반적으로 몸체의 중심 길이 방향 축과 축 방향으로 정렬되거나 동심이다. 열 분해는 특정 압력에서 수행된다. 공급 원료 공정 가스는 반응 구역 내로 공급 원료 공정 가스를 흐르게 하기 전에 용기 또는 챔버를 냉각시키고 공급 원료 공정 가스를 예열하기 위해 반응 구역 또는 가열 챔버의 용기의 외부 표면 주위 또는 외부 표면에 걸쳐 순환된다.
본 명세서에 설명된 탄소 나노입자 및 응집체 및/또는 수소 가스는 촉매를 사용하지 않고 생산된다. 따라서, 공정은 완전히 촉매가 없을 수 있다.
개시된 방법 및 시스템은, 유리하게는, 예를 들어, 정제 장치 및/또는 등을 위해 더 높은 용량의 시스템을 제공하기 위해, 독립형 수소 및/또는 탄소 나노입자 생산 스테이션, 탄화수소 소스, 또는 연료 전지 스테이션을 제공하도록 원하는 대로 다양한 생산 레벨로 빠르게 확장 또는 축소될 수 있고, 예를 들어, 크기 조정될 수 있다.
본 명세서에 설명된 탄소 나노입자 및 응집체를 생산하기 위해 공급 원료 공정 가스를 분해하기 위한 열 분해 장치는 몸체, 공급 원료 공정 가스 입구, 및 세장형 가열 요소를 포함한다. 몸체는 길이 방향 축이 있는 내부 부피를 갖는다. 내부 부피는 길이 방향 축과 동심인 반응 구역을 갖는다. 공급 원료 공정 가스는 열 분해 동작 동안 공급 원료 공정 가스 입구를 통해 내부 부피로 흐를 수 있다. 세장형 가열 요소는 길이 방향 축을 따라 내부 부피 내에 배치될 수 있고, 반응 구역에 의해 둘러싸여 있다. 열 분해 동작 동안, 세장형 가열 요소는 전력에 의해 분자 분해 온도까지 가열되어 반응 구역을 생성하고, 공급 원료 공정 가스는 세장형 가열 요소로부터 열에 의해 가열되고, 열은 반응 구역 내에 있는 공급 원료 공정 가스의 분자를 분자의 구성 성분으로 열 분해한다.
본 명세서에 설명된 탄소 나노입자 및 응집체를 생산하기 위해 공급 원료 공정 가스를 분해하는 방법은 (1) 길이 방향 축이 있는 내부 부피 및 길이 방향 축을 따라 내부 부피 내에 배치된 세장형 가열 요소를 갖는 열 분해 장치를 제공하는 단계; (2) 세장형 가열 요소를 전력에 의해 분자 분해 온도로 가열하여 내부 부피 내에 길이 방향 세장형 반응 구역을 생성하는 단계; (3) 공급 원료 공정 가스가 내부 부피 내로 그리고 길이 방향 세장형 반응 구역을 통해 흐르게 하는 단계(예를 들어, 여기서 세장형 가열 요소로부터 열에 의해 공급 원료 공정 가스를 가열함); 및 (4) 공급 원료 공정 가스가 길이 방향 세장형 반응 구역을 통해 흐를 때 길이 방향 세장형 반응 구역 내의 공급 원료 공정 가스의 분자(예를 들어, 수소 가스 및 하나 이상의 고체 생성물)를 열 분해하는 단계 중 적어도 임의의 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 명세서에 설명된 탄소 나노입자 및 응집체를 생산하는 데 사용되는 공급 원료 공정 가스는 탄화수소 가스를 포함할 수 있다. 분해 결과는 가스 형태의 수소(예를 들어, H2) 및 본 명세서에 설명된 다양한 형태의 탄소 나노입자 및 응집체를 더 포함할 수 있다. 탄소 나노입자 및 응집체는 둘 이상의 MWSF 및 MWSF를 코팅하는 그래핀 층, 및/또는 연결된 MWSF, 및 연결된 MWSF를 코팅하는 그래핀 층을 포함한다. 공급 원료 공정 가스가 내부 부피로 흐르기 전에 가열 챔버와 열 분해 장치의 쉘 사이의 가스 예열 영역을 통해 공급 원료 공정 가스를 흐르게 함으로써 공급 원료 공정 가스를 (예를 들어, 100℃ 내지 500℃로) 예열한다. 내부에 나노입자를 갖는 가스가 내부 부피로 그리고 길이 방향 세장형 반응 구역을 통해 흐르며 공급 원료 공정 가스와 혼합되어 나노입자 주위에 고체 생성물(예를 들어, 그래핀 층)의 코팅을 형성한다.
고순도 구조화된 탄소의 후처리
본 명세서에 설명된 다중 벽을 갖는 구형 풀러렌(MWSF) 또는 연결된 MWSF를 함유하는 탄소 나노입자 및 응집체는 임의의 후처리 작업 또는 동작의 완료를 요구하지 않고 생산 및 수집될 수 있다. 대안적으로, 본 개시된 MWSF 중 하나 이상에 일부 후처리를 수행할 수 있다. 공진 재료를 만들고 사용하는 것과 관련된 후처리의 일부 예로는 MWSF를 손상시키지 않고 입자 크기를 줄이기 위한 볼 밀링, 분쇄, 마찰 밀링, 미세 유동화, 및 기타 기술과 같은 기계적 처리를 포함한다. 후처리의 일부 추가 예로는 다른 것 중에서도 특히 전단 혼합, 화학적 에칭, 산화(예를 들어, 허머(Hummer) 방법), 열 어닐링, 어닐링 동안 원소(예를 들어, 황 및/또는 질소)를 추가하여 도핑, 스티밍, 필터링 및 동결 건조를 포함하는 박리 공정(흑연으로부터 그래핀 층을 생성 또는 추출하는 등과 같은 탄소 함유 재료 층의 완전한 분리를 말함)을 포함한다. 후처리의 일부 예로는 불활성 가스에서 고압 및 고온에서 수행될 수 있는 스파크 플라즈마 소결(SPS), 직류 소결, 마이크로파 소결 및 자외선(UV) 소결과 같은 소결 공정을 포함한다. 다수의 후처리 방법을 함께 또는 연속적으로 사용할 수 있다. 후처리는 다중 벽을 갖는 구형 풀러렌(MWSF) 또는 연결된 MWSF를 포함하는 기능화된 탄소 나노입자 또는 응집체를 생산한다.
재료는 상이한 조합, 양 및/또는 비율로 함께 혼합될 수 있다. MWSF 또는 연결된 MWSF를 함유하는 상이한 탄소 나노입자 및 응집체는 존재하는 경우 하나 이상의 후처리 동작 전에 함께 혼합될 수 있다. 예를 들어, 다른 속성(예를 들어, 다른 크기, 다른 조성, 다른 순도, 다른 처리 실행 등)을 가진 MWSF 또는 연결된 MWSF를 함유하는 다른 탄소 나노입자 및 응집체를 함께 혼합할 수 있다. 본 명세서에 설명된 MWSF 또는 연결된 MWSF를 함유하는 탄소 나노입자 및 응집체는 그래핀과 혼합되어 혼합물에서 연결된 MWSF 대 그래핀의 비율을 변경할 수 있다. 본 명세서에 설명된 MWSF 또는 연결된 MWSF를 함유하는 다른 탄소 나노입자 및 응집체는 후처리 후에 함께 혼합될 수 있다. 다른 속성 및/또는 다른 후처리 방법(예를 들어, 다른 크기, 다른 조성, 다른 기능, 다른 표면 속성, 다른 표면적)을 갖는 MWSF 또는 연결된 MWSF를 함유하는 다른 탄소 나노입자 및 응집체는 임의의 양, 비율 및/또는 조합으로 함께 혼합될 수 있다.
본 명세서에 설명된 탄소 나노입자 및 응집체는 생산 및 수집되고 후속적으로 기계적 분쇄, 밀링 및/또는 박리에 의해 처리된다. 처리(예를 들어, 기계적 분쇄, 밀링, 박리 등)는 입자의 평균 크기를 줄일 수 있다. 처리(예를 들어, 기계적 분쇄, 밀링, 박리 등)는 입자의 평균 표면적을 증가시킨다. 기계적 분쇄, 밀링 및/또는 박리에 의한 처리는 탄소 층의 일부 부분을 잘라내어 탄소 나노입자와 혼합된 흑연 시트를 생산한다.
기계적 분쇄 또는 밀링은 볼 밀, 유성 밀, 막대 밀, 전단 혼합기, 고전단 과립기, 자가 밀, 또는 기타 유형의 기계 가공, 예를 들어, 분쇄, 제분 또는 절단에 의해 고체 재료를 더 작은 조각으로 부수는 데 사용되는 기계 가공을 사용하여 수행된다. 기계적 분쇄, 밀링 및/또는 박리는 습식 또는 건식으로 수행된다. 기계적 분쇄는 일정 시간 기간 분쇄한 다음, 일정 시간 기간 공회전하고, 다수의 사이클 동안 분쇄 및 공회전을 반복하여 수행된다. 분쇄 기간은 1분(min) 내지 20분, 또는 1분 내지 10분, 또는 3분 내지 8분, 또는 약 3분 또는 약 8분이다. 공회전 기간은 1분 내지 10분, 또는 약 5분 또는 약 6분이다. 분쇄 및 공회전 사이클의 수는 1분 내지 100분, 또는 5분 내지 100분, 또는 10분 내지 100분, 또는 5분 내지 10분, 또는 5분 내지 20분이다. 분쇄 및 공회전의 총 시간 기간은 10분 내지 1,200분, 또는 10분 내지 600분, 또는 10분 내지 240분, 또는 10분 내지 120분, 또는 100분 내지 90분, 또는 10분 내지 60분, 또는 약 90분, 또는 약 수 분이다.
사이클에서 분쇄 단계는 제1 사이클(예를 들어, 시계 방향) 동안 밀을 일 방향으로 회전시킨 다음, 그 다음 사이클 동안 반대 방향(예를 들어, 반시계 방향)으로 밀을 회전시킴으로써 수행된다. 기계적 분쇄 또는 밀링은 볼 밀을 사용하여 수행되며, 분쇄 단계는 100rpm 내지 1000rpm, 또는 100rpm 내지 500rpm, 또는 약 400rpm의 회전 속도를 사용하여 수행된다. 기계적 분쇄 또는 밀링은 0.1 mm 내지 20 mm, 또는 0.1 mm 내지 10 mm, 또는 1 mm 내지 10 mm, 또는 약 0.1 mm, 또는 약 1 mm, 또는 약 10 mm의 직경을 갖는 밀링 매체를 사용하는 볼 밀을 사용하여 수행된다. 기계적 분쇄 또는 밀링은 강철과 같은 금속, 산화물, 예를 들어, 산화지르코늄(지르코니아), 이트리아 안정화 산화지르코늄, 실리카, 알루미나, 산화마그네슘, 또는 실리콘 카바이드 또는 텅스텐 카바이드와 같은 기타 경질 재료로 구성된 밀링 매체를 사용하는 볼 밀을 사용하여 수행된다.
본 명세서에 설명된 탄소 나노입자 및 응집체는 생산 및 수집되고 후속적으로 열 어닐링 또는 소결과 같은 상승된 온도를 사용하여 처리된다. 상승된 온도를 사용한 처리는 질소 또는 아르곤과 같은 불활성 환경에서 수행된다. 상승된 온도를 사용하는 처리는 대기압, 진공 또는 저압에서 수행된다. 상승된 온도를 사용하는 처리는 500℃ 내지 2,500℃, 또는 500℃ 내지 1,500℃, 또는 800℃ 내지 1,500℃, 또는 800℃ 내지 1,200℃, 800℃ 내지 1,000℃, 또는 2,000℃ 내지 2,400℃, 또는 약 8,00℃, 또는 약 1,000℃, 또는 약 1,500℃, 또는 약 2,000℃, 또는 약 2,400℃의 온도에서 수행된다.
본 명세서에 설명된 탄소 나노입자 및 응집체는 생산 및 수집되고 후속적으로 후처리 작업에서 추가 원소 또는 화합물이 탄소 나노입자에 첨가되어 탄소 나노입자 및 응집체의 고유한 속성을 재료의 다른 혼합물에 혼입한다.
후처리 전 또는 후에, 본 명세서에 설명된 탄소 나노입자 및 응집체는 탄소 나노입자 및 응집체의 고유한 속성을 혼입하는 재료의 추가 혼합물을 형성하기 위해 다른 원소 또는 화합물의 고체, 액체 또는 슬러리에 첨가된다. 본 명세서에 설명된 탄소 나노입자 및 응집체는 다른 고체 입자, 중합체 또는 기타 재료와 혼합된다.
후처리 전 또는 후에, 본 명세서에 설명된 탄소 나노입자 및 응집체는 공진 재료를 만들고 사용하는 것에 관한 응용을 넘어 다양한 응용 분야에서 사용된다. 이러한 응용 분야는 운송 분야(예를 들어, 자동차 및 트럭 타이어, 커플링, 마운트, 엘라스토머 "o" 링, 호스, 실런트, 그로밋 등) 및 산업 분야(예를 들어, 고무 첨가제, 중합체 재료용 기능성 첨가제, 에폭시 첨가제 등)를 포함하지만 이들로 제한되지 않는다.
도 23a 및 도 23b는 합성된 탄소 나노입자의 투과 전자 현미경(TEM) 이미지이다. 도 23a의 탄소 나노입자(제1 배율)와 도 23b의 탄소 나노입자(제2 배율)는 연결된 MWSF를 코팅하는 그래핀 층이 있는 연결된 다중 벽을 갖는 구형 풀러렌(MWSF)을 포함한다. 이 예에서 MWSF 대 그래핀 동소체의 비율은 상대적으로 짧은 공진 시간으로 인해 약 80%이다. 도 4a의 MWSF는 직경이 약 5 nm 내지 10 nm이고, 직경은 전술한 상태를 사용하여 5 nm 내지 500 nm일 수 있다. MWSF에 걸친 평균 직경은 5 nm 내지 500 nm, 또는 5 nm 내지 250 nm, 또는 5 nm 내지 100 nm, 또는 5 nm 내지 50 nm, 또는 10 nm 내지 500 nm, 또는 10 nm 내지 250 nm, 또는 10 nm 내지 100 nm, 또는 10 nm 내지 50 nm, 또는 40 nm 내지 500 nm, 또는 40 nm 내지 250 nm, 또는 40 nm 내지 100 nm, 또는 50 nm 내지 500 nm, 또는 50 nm 내지 250 nm, 또는 50 nm 내지 100 nm의 범위이다. 이 공정에서 촉매가 사용되지 않았으므로 오염물을 함유하는 중심 시드(seed)가 없다. 이 실시예에서 생산된 응집체 입자는 약 10㎛ 내지 100㎛ 또는 약 10㎛ 내지 500㎛의 입자 크기를 가졌다.
도 23c는 532 nm 입사광으로 취해진 이 실시예에서 합성된 응집체의 라만 스펙트럼을 보여준다. 이 예에서 생산된 응집체의 ID/IG는 응집체가 높은 질서의 탄소 동소체로 구성된 것을 나타내는 약 0.99 내지 1.03이다.
도 23d 및 도 23e는 볼 밀에서 분쇄하여 크기를 감소시킨 후의 탄소 나노입자의 예시적인 TEM 이미지를 보여준다. 볼 밀링은 3분(min) 반시계 방향 분쇄 작업, 이후 6분 공회전 작업, 이후 3분 시계 방향 분쇄 작업, 이후 6분 공회전 작업으로 사이클이 수행되었다. 분쇄 작업은 400rpm의 회전 속도를 사용하여 수행되었다. 밀링 매체는 지르코니아였으며, 크기 범위는 0.1mm에서 10mm이다. 전체 크기 감소 처리 시간은 60분 내지 120분이었다. 크기 감소 후, 이 실시예에서 생산된 응집체 입자의 입자 크기는 약 1㎛ 내지 5㎛이었다. 크기 감소 후 탄소 나노입자는 연결된 MWSF를 코팅하는 그래핀 층으로 연결된 MWSF이다.
도 23f는 532 nm 입사광으로 취해진 크기 감소 후 이들 응집체로부터의 라만 스펙트럼을 나타낸다. 크기 감소 후 이 예에서 응집체 입자의 ID/IG는 약 1.04이다. 추가적으로, 크기 감소 후 입자는 약 40 m2/g 내지 50 m2/g의 브루나우어, 에미트 및 텔러(BET) 비표면적을 가졌다.
이 샘플에서 생산된 응집체의 순도는 질량 분석법 및 x-선 형광 분광법(XRF)을 사용하여 측정되었다. 16개의 다른 배취(batch)에서 측정된, 수소를 제외한, 다른 원소에 대한 탄소의 비율은 99.86% 내지 99.98%이었고 평균은 탄소 99.94%이었다.
이 예에서, 탄소 나노입자는 고온 열선 처리 시스템을 사용하여 생산되었다. 전구체 재료는 1 slm 내지 5 slm으로 흐르는 메탄이었다. 이러한 흐름률 및 도구 형상을 사용하여 반응 챔버에서 가스의 공진 시간은 약 20초 내지 30초였으며 탄소 입자 생산 속도는 약 20 g/hr이었다.
이러한 처리 시스템에 관한 추가 세부사항은 이전에 언급된 미국 특허 번호 9,862,602(발명의 명칭: "CRACKING OF A PROCESS GAS")에서 찾아볼 수 있다.
실시예
실시예 1
도 23g(도 16과 같이 확대되어 도시됨), 도 23h(도 17과 같이 확대되어 도시됨) 및 도 23i(도 18과 같이 확대되어 도시됨)는 이 예의 합성 탄소 나노입자의 TEM 이미지를 보여준다. 탄소 나노입자는 연결된 MWSF를 코팅하는 그래핀 층이 있는 연결된 다중 벽을 갖는 구형 풀러렌(MWSF)을 함유한다. 이 예에서 그래핀 동소체에 대한 다중 벽을 갖는 풀러렌의 비율은 상대적으로 긴 공진 시간으로 인해 약 30%이며, 이는 MWSF를 코팅하기 위해 더 두꺼운 또는 더 많은 그래핀 층이 가능하다. 이 공정에서 촉매가 사용되지 않았으므로 오염물을 함유하는 중심 시드는 없다. 이 실시예에서 생산된 합성된 응집체 입자는 약 10㎛ 내지 500㎛의 입자 크기를 가졌다. 도 23j는 이 실시예의 응집체로부터 라만 스펙트럼을 보여준다. 이 예에서 합성된 입자의 라만 시그니처는 합성된 재료에서 MWSF를 코팅하는 더 두꺼운 그래핀 층을 나타낸다. 추가적으로, 합성된 입자는 약 90 m2/g 내지 100 m2/g의 브루나우어, 에미트 및 텔러(BET) 비표면적을 가졌다.
실시예 2
도 23k 및 도 23l은 이 실시예의 탄소 나노입자의 TEM 이미지를 보여준다. 구체적으로, 이미지는 볼 밀에서 분쇄하여 크기 감소를 수행한 후의 탄소 나노입자를 나타낸다. 사이즈 감소 공정 상태는 전술한 도 23g 내지 도 23j에 속하는 것으로 설명한 것과 동일하다. 크기 감소한 후, 이 실시예에서 생산된 응집체 입자의 입자 크기는 약 1㎛ 내지 5㎛이었다. TEM 이미지는 그래핀 코팅에 매립된 연결된 MWSF가 크기 감소 후에 관찰될 수 있음을 보여준다. 도 23m은 532 nm 입사광으로 취해진 크기 감소 후 이 실시예의 응집체로부터 라만 스펙트럼을 보여준다. 이 예에서 크기 감소 후 응집체 입자의 ID/IG는 약 1이고, 이는 합성된 그래핀 코팅에 매립된 연결된 MWSF가 크기 감소한 후 라만에서 검출 가능하고 잘 정렬되었다는 것을 나타낸다. 크기 감소 후 입자는 약 90 m2/g 내지 100 m2/g의 브루나우어, 에미트 및 텔러(BET) 비표면적을 가졌다.
실시예 3
도 23n은 제1 배율로 흑연 및 그래핀 동소체를 나타내는 탄소 응집체의 주사 전자 현미경(SEM) 이미지이다. 도 23o는 제2 배율로 흑연 및 그래핀 동소체를 보여주는 탄소 응집체의 SEM 이미지이다. 층상화된 그래핀은 탄소의 뒤틀림(주름) 내에서 명확하게 보인다. 탄소 동소체의 3D 구조도 볼 수 있다.
도 23n 및 도 23o의 탄소 입자의 입자 크기 분포는 도 23p에 도시되어 있다. 질량 기준 누적 입자 크기 분포(406)는 그래프의 왼쪽 y축(Q3(x)[%])에 대응한다. 질량 기준 입자 크기 분포(408)의 히스토그램은 그래프의 오른쪽 축(dQ3(x)[%])에 대응한다. 중간 입자 크기는 약 33 ㎛이다. 10번째 백분위수 입자 크기는 약 9㎛이고, 90번째 백분위수 입자 크기는 약 103㎛이다. 입자의 질량 밀도는 약 10 g/L이다.
실시예 4
다단계 반응기로부터 포획된 탄소 입자의 입자 크기 분포를 도 23q에 도시한다. 질량 기준 누적 입자 크기 분포(414)는 그래프의 왼쪽 y축(Q3(x)[%])에 대응한다. 질량 기준 입자 크기 분포(416)의 히스토그램은 그래프의 오른쪽 축(dQ3(x)[%])에 대응한다. 포획된 중간 입자 크기는 약 11㎛이다. 10번째 백분위수 입자 크기는 약 3.5㎛이고, 90번째 백분위수 입자 크기는 약 21㎛이다. 도 23q의 그래프는 또한 그래프의 왼쪽 y축(Q0(x)[%])에 대응하는 수 기준 누적 입자 크기 분포(418)를 도시한다. 수 기준에 의한 중간 입자 크기는 약 0.1㎛ 내지 약 0.2㎛이다. 수집된 입자의 질량 밀도는 약 22 g/L이다.
도 23p의 논의로 돌아가면, 그래프는 또한 예시적인 결과의 제2 세트를 보여준다. 구체적으로, 이 실시예에서 기계적 분쇄에 의해 입자 크기를 감소시킨 후 사이클론 분리기를 이용하여 크기 감소된 입자를 처리하였다. 이 예에서 포획된 크기 감소된 탄소 입자의 질량 기준 누적 입자 크기 분포(410)는 그래프의 왼쪽 y축(Q3(x)[%])에 대응한다. 질량 기준 입자 크기 분포(412)의 히스토그램은 그래프의 오른쪽 축(dQ3(x)[%])에 대응한다. 이 예에서 포획된 크기 감소된 탄소 입자의 중간 입자 크기는 약 6㎛이다. 10번째 백분위수 입자 크기는 1㎛ 내지 2㎛이고, 90번째 백분위수 입자 크기는 10㎛ 내지 20㎛이다.
사이클론 분리기를 제조하고 사용하는 것에 관한 추가 세부사항은 미국 특허 출원 번호 15/725,928(출원일: 2017년 10월 5일, 발명의 명칭: "MICROWAVE REACTOR SYSTEM WITH GAS-SOLID SEPARATION", 전체 내용이 본 명세서에 기재된 것처럼 병합됨)에서 찾아볼 수 있다.
마이크로파 반응기 시스템을 사용하여 생산된 고순도 탄소 동소체
일부 경우에, 흑연, 그래핀 및 비정질 탄소를 함유하는 탄소 입자 및 응집체는 메탄을 함유하거나 이소프로필 알코올(IPA)을 함유하거나 에탄올을 함유하거나 응축된 탄화수소(예를 들어, 헥산)를 함유하는 전구체 재료를 사용하는 마이크로파 플라즈마 반응기 시스템을 사용하여 생산될 수 있다. 일부 다른 예에서, 탄소 함유 전구체는 선택적으로 공급 가스(예를 들어, 아르곤)와 혼합된다. 이 실시예에서 생성된 입자는 흑연, 그래핀, 비정질 탄소를 함유하고 시드 입자를 포함하지는 않았다. 이 예에서 입자는 다른 원소(수소 제외)에 대한 탄소의 비율이 약 99.5% 이상이었다.
일 특정 예에서, 탄화수소는 마이크로파 플라즈마 반응기에 대한 입력 재료이었고, 반응기의 분리된 출력은 수소 가스, 및 흑연, 그래핀 및 비정질 탄소를 함유하는 탄소 입자를 포함하였다. 탄소 입자는 다단계 가스-고체 분리 시스템에서 수소 가스로부터 분리되었다. 반응기로부터 분리된 산출물의 고형물의 부하는 0.001 g/L 내지 2.5 g/L이었다.
실시예 5
도 23r, 도 23s 및 도 23t는 합성된 탄소 나노입자의 TEM 이미지이다. 이미지는 흑연, 그래핀 및 비정질 탄소 동소체의 예를 보여준다. 그래핀과 기타 탄소 재료의 층을 이미지에서 명확하게 볼 수 있다.
포획된 탄소 입자의 입자 크기 분포는 도 4u에 나타내었다. 질량 기준 누적 입자 크기 분포(420)는 그래프의 왼쪽 y축(Q3(x)[%])에 대응한다. 질량 기준 입자 크기 분포(422)의 히스토그램은 그래프의 오른쪽 축(dQ3(x)[%])에 대응한다. 이 예에서 사이클론 분리기에 포획된 중간 입자 크기는 약 14㎛이었다. 10번째 백분위수 입자 크기는 약 5㎛이었고, 90번째 백분위수 입자 크기는 약 28㎛이었다. 도 4u의 그래프는 또한 그래프의 왼쪽 y축(Q0(x)[%])에 대응하는 수 기준 누적 입자 크기 분포(424)를 도시한다. 이 예에서 수 기준에 의한 중간 입자 크기는 약 0.1㎛ 내지 약 0.2㎛이었다.
실시예 6
도 23v, 도 23w, 및 도 23x, 및 도 23x는 다른 3차원 구조 위로 성장된 3차원 탄소 함유 구조를 보여주는 이미지이다. 도 23v는 탄소 섬유 위에 성장된 3차원 탄소 구조를 100배 확대한 것인 반면, 도 23w는 탄소 섬유 위에 성장된 3차원 탄소 구조를 200배 확대한 것이다. 도 23x는 탄소 섬유 위에 성장된 3차원 탄소 구조를 1601배 확대한 것이다. 섬유 표면 위에 성장된 3차원 탄소가 도시된다. 도 23y는 탄소 섬유 위에 성장된 3차원 탄소 구조를 10000배 확대한 것이다. 이미지는 기저면에서 뿐만 아니라 에지면에서 성장한 것을 보여준다.
보다 구체적으로, 도 23v 내지 도 23y는 마이크로파 플라즈마 반응기의 플라즈마 에너지와 열 반응기의 열 에너지를 사용하여 섬유 위에 성장된 3D 탄소 재료의 예시적인 SEM 이미지를 보여준다. 도 23v는 섬유 표면 상에 성장된 3D 탄소 재료(430)를 갖는 섬유(431)와 섬유(432)가 교차하는 SEM 이미지를 도시한다. 도 23w는 섬유(432) 상에 3D 탄소 재료(430)를 보여주는 더 높은 배율 이미지(축척 막대는 도 4v의 500㎛와 달리 300㎛임)이다. 도 23x는 섬유 표면(435) 상의 3D 탄소 재료(430)를 보여주는 추가 확대도(축척 막대는 40㎛임)이고, 여기서 탄소 재료(430)의 3D 성질을 명확하게 볼 수 있다. 도 23y는 섬유 위에 성장된 3D 탄소 재료의 수많은 하위 입자의 에지면(434)과 섬유(432)의 기저면 사이의 상호 연결을 보여주는 탄소 단독의 확대도(축척 막대는 500 nm임)를 나타낸다. 도 23v 내지 도 23y는 3D 탄소 섬유 위에 성장된 3D 탄소 성장과 같은 3D 섬유 구조 위에 3D 탄소를 성장시키는 능력을 보여준다.
섬유 위에 3D 탄소의 성장은 복수의 섬유를 마이크로파 플라즈마 반응기에 도입하고 마이크로파 반응기에서 플라즈마를 사용하여 섬유를 에칭함으로써 달성될 수 있다. 에칭은 핵 형성 부위를 생성하고, 이에 반응기에서 탄화수소 해리에 의해 탄소 입자와 하위 입자가 생성될 때 핵 형성 부위에서 3D 탄소 구조의 성장이 개시된다. 특성상 3차원인, 섬유 위 3D 탄소 구조의 직접 성장은 수지가 침투할 수 있는 기공을 갖는 고도로 통합된 3D 구조물을 제공한다. 수지 복합체를 위한 이 3D 보강 매트릭스(고종횡비의 보강 섬유와 일체화된 3D 탄소 구조물을 포함)는, 매끄러운 표면을 갖고 일반적으로 매끄러운 표면이 수지 매트릭스로부터 박리되는, 기존의 섬유를 갖는 복합체에 비해 인장 강도 및 전단력과 같은 재료 속성을 향상시킨다.
노출된 탄소 표면의 기능화
본 명세서에 설명된 3D 탄소 재료 중 임의의 하나 이상과 같은 탄소 재료는, 예를 들어, 산소, 질소, 탄소, 규소 또는 경화제와 같은 요소를 첨가하고/하거나 접착을 촉진하는 기능화를 위해 준비된 하나 이상의 노출된 표면을 가질 수 있다. 기능화는 화학적 합성에 의해 화합물에 기능기를 첨가하는 것을 말한다. 재료 과학에서 기능화를 사용하여 원하는 표면 속성을 얻을 수 있고; 예를 들어, 기능기는 또한 화학 디바이스의 표면에 작용 분자를 공유 결합으로 연결하는 데 사용될 수 있다. 탄소 재료는 현장에서, 즉 탄소 재료를 생산한 것과 동일한 반응기 내 현장에서 기능화될 수 있다. 탄소 재료는 후처리에서 기능화될 수 있다. 예를 들어, 풀러렌 또는 그래핀의 표면은 수지 매트릭스의 중합체와 결합을 형성하는 산소 또는 질소 함유 종으로 기능화되어, 접착력을 향상시켜 강한 결합을 제공하여 복합체의 강도를 향상시킬 수 있다.
표면 처리 기능화는 본 명세서에 설명된 플라즈마 반응기(예를 들어, 마이크로파 플라즈마 반응기)를 사용하여 개시된 탄소 기반 재료(예를 들어, CNT, CNO, 그래핀, 3D 그래핀과 같은 3D 탄소 재료) 중 임의의 하나 이상에 수행될 수 있다. 이러한 처리는 복합체 재료에서 결합제 또는 중합체와 결합될 수 있는 탄소 재료를 생성하는 동안 현장에서 표면 처리하는 것을 포함하거나, 또는 탄소 재료가 반응기 내에 여전히 있는 동안 탄소 재료를 생성한 후 표면 처리하는 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 다양한 양태는 또한 다음과 같이 기술될 수 있다:
1. 타이어로서,
몸체; 및
상기 몸체를 둘러싸는 복수의 플라이로서, 상기 복수의 플라이 중 적어도 일부 플라이는 상기 적어도 일부 플라이의 개별 플라이의 하나 이상의 부분에 분포된 다수의 탄소 기반 마이크로구조물을 포함하고, 상기 적어도 일부 플라이의 각각의 플라이는 하나 이상의 대응하는 고유 주파수에서 공진하도록 구성된, 타이어.
2. 제1항에 있어서, 상기 다수의 탄소 기반 마이크로구조물 중 하나 이상은, 그래핀 시트로 형성되고 함께 결합되어 3D 계층적 개방형 다공성 구조를 생성하는 복수의 3차원(3D) 응집체를 포함하는, 타이어.
3. 제2항에 있어서, 상기 3D 계층적 개방형 다공성 구조는 중간 규모 구조화를 포함하는, 타이어.
4. 제2항에 있어서, 상기 다수의 탄소 기반 마이크로구조물 중 하나 이상은 상기 3D 계층적 개방형 다공성 구조에 형성된 다공성 배열을 더 포함하는, 타이어.
5. 제2항에 있어서, 상기 그래핀 시트는 단일층 그래핀(SLG), 소수층 그래핀(FLG) 또는 다수층 그래핀(MLG) 중 하나 이상을 포함하는, 타이어.
6. 제1항에 있어서, 상기 복수의 플라이 중 적어도 일부 플라이의 노출된 표면의 표면 기능성을 변경하도록 구성된 첨가제 재료를 더 포함하는, 타이어.
7. 제1항에 있어서, 상기 탄소 기반 마이크로구조물의 하나 이상의 재료 속성은 상기 탄소 기반 마이크로구조물의 합성 동안 정해지도록 구성된, 타이어.
8. 제1항에 있어서, 상기 다수의 탄소 기반 마이크로구조물 중 각각의 탄소 기반 마이크로구조물은 자가 조립되는, 타이어.
9. 제1항에 있어서, 상기 탄소 기반 마이크로구조물은 균일한 핵 형성으로부터 핵 형성되는, 타이어.
10. 제1항에 있어서, 상기 탄소 기반 마이크로구조물은 증기 흐름 스트림에 의해 적어도 부분적으로 성장되도록 구성된, 타이어.
11. 제10항에 있어서, 상기 증기 흐름 스트림은 플라즈마 부근으로 적어도 부분적으로 흐르도록 구성된, 타이어.
12. 제11항에 있어서, 상기 증기 흐름 스트림은 진공과 실질적으로 대기압 사이의 압력 범위에서 흐르는, 타이어.
13. 제1항에 있어서, 상기 탄소 기반 마이크로구조물은 탄소 기반 가스 종으로부터 성장되는, 타이어.
14. 제13항에 있어서, 상기 탄소 기반 가스 종은 비평형 상태 하에 가스-고체 반응에 의해 제어되도록 구성된, 타이어.
15. 제1항에 있어서, 상기 다수의 탄소 기반 마이크로구조물 중 하나 이상은 트랜시버로부터의 핑에 응답하여 고유한 주파수에서 공진하도록 구성된, 타이어.
16. 제15항에 있어서, 상기 트랜시버는 타이어 압력 모니터링 시스템(TPMS)과 상호 작용하도록 구성된, 타이어.
17. 제1항에 있어서, 상기 다수의 탄소 기반 마이크로구조물은 상기 타이어가 경험하는 마모 정도에 비례하여 하나 이상의 공진 신호를 감쇠시키도록 구성된, 타이어.
18. 제17항에 있어서, 감쇠된 공진 신호 각각의 진폭은 마모 정도를 나타내는, 타이어.
19. 제17항에 있어서, 상기 적어도 일부 플라이의 각각의 플라이는 여기 신호에 응답하여 공진함으로써 상기 하나 이상의 공진 신호의 각각의 공진 신호를 생성하도록 구성된, 타이어.
20. 제1항에 있어서, 상기 다수의 탄소 기반 마이크로구조물 중 적어도 하나는 알려진 시그니처 주파수 또는 주파수들에서 공진하는, 타이어.
21. 제20항에 있어서, 상기 적어도 하나의 플라이의 두께는 알려진 시그니처 주파수 또는 주파수들의 진폭을 적어도 부분적으로 감쇠시키도록 구성된, 타이어.
22. 제21항에 있어서, 상기 복수의 플라이 중 하나 이상의 플라이는 유전 상수의 변화에 기초하여 알려진 시그니처 주파수 또는 주파수들로부터 멀리 편이된 주파수에서 공진하도록 구성된, 타이어.
23. 타이어로서,
몸체; 및
상기 몸체를 둘러싸고 복수의 플라이를 포함하는 트레드를 포함하고, 상기 복수의 플라이 중 적어도 일부는 상기 복수의 플라이의 각각의 플라이에 고유한 하나 이상의 주파수에서 공진하도록 구성된 다수의 마이크로구조물을 포함하는, 타이어.
24. 제23항에 있어서, 상기 마이크로구조물 중 적어도 하나는 타원형, 타원, 직사각형, 정사각형, 원형, 선형, 또는 선형의 조합 중 임의의 하나 이상과 유사하도록 형성된, 타이어.
전술한 설명에서, 본 발명은 특정 구현예를 참조하여 설명되었다. 그러나, 본 발명의 보다 넓은 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양한 변형 및 변경이 이루어질 수 있음이 명백하다. 예를 들어, 위에서 설명한 공정 흐름은 처리 동작의 순서를 참조하여 설명된다. 그러나, 설명된 처리 동작 중 많은 동작의 순서는 본 발명의 범위 또는 동작에 영향을 주지 않고 변경될 수 있다. 본 설명 및 도면은 본 발명을 제한하는 의미가 아니라 예시하는 의미로 간주되어야 한다.
Claims (26)
- 복수의 플라이(ply)를 포함하는 적어도 하나의 몸체로 형성된 타이어로서, 상기 복수의 플라이 중 적어도 하나의 플라이는,
신호에 응답하여 공진 신호를 생성하도록 구성된 공진기; 및
상기 플라이의 하나 이상의 부분에 분포되고 상기 공진 신호의 적어도 하나의 특성을 변경하도록 구성된 탄소 함유 재료
를 포함하는, 타이어. - 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 특성을 변경하는 것은 상기 복수의 플라이 중 하나 이상의 플라이의 마모량에 비례하여 상기 공진 신호의 주파수를 편이시키는 것 또는 상기 공진 신호를 감쇠하는 것 중 하나 이상을 포함하는, 타이어.
- 제1항에 있어서, 상기 복수의 플라이 중 하나 이상의 플라이는 차폐에 의해 상기 공진 신호를 감쇠하도록 구성된, 타이어.
- 제3항에 있어서, 감쇠량은 상기 복수의 플라이 중 하나 이상의 플라이의 두께에 기초하는, 타이어.
- 제3항에 있어서, 감쇠된 공진 신호의 진폭은 타이어의 마모를 나타내는, 타이어.
- 제1항에 있어서, 상기 복수의 플라이 중 하나 이상의 플라이의 열화는 상기 공진 신호의 적어도 하나의 특성이 변하는 것으로 나타나는, 타이어.
- 제1항에 있어서, 상기 공진기는 상기 복수의 플라이의 각각의 플라이의 구조적 특성이 레벨보다 클 때 제1 주파수에서 공진하도록 구성되고, 상기 각각의 플라이의 구조적 특성이 상기 레벨보다 크지 않을 때 상기 제1 주파수와는 다른 제2 주파수에서 공진하도록 구성된, 타이어.
- 제1항에 있어서, 상기 공진기는 상기 타이어의 회전 속도에 기초하여 주파수에서 발진하도록 구성된, 타이어.
- 제1항에 있어서, 상기 공진기의 발진은 전하 생성 디바이스로부터 전하를 수신할 때 개시되는, 타이어.
- 제9항에 있어서, 상기 전하 생성 디바이스는 상기 복수의 플라이의 각각의 플라이 내에 내장되는, 타이어.
- 제10항에 있어서, 상기 전하 생성 디바이스는 마찰 구성 요소를 포함하는, 타이어.
- 제10항에 있어서, 상기 전하 생성 디바이스는 탄소 육각형 마찰 전기 에너지 생성기(CH-TENG)를 포함하는, 타이어.
- 제1항에 있어서, 상기 공진기는 그래핀 시트로 형성된 복수의 3차원(3D) 응집체를 포함하는, 타이어.
- 제13항에 있어서, 상기 그래핀 시트는 함께 결합되어 3D 계층적 개방형 다공성 구조를 생성하는, 타이어.
- 제1항에 있어서, 상기 탄소 함유 재료에 의해 형성된 센서를 더 포함하는, 타이어.
- 제15항에 있어서, 상기 센서는 상기 타이어의 내부 라이너 내에 내장되는, 타이어.
- 제1항에 있어서, 상기 복수의 플라이는 적어도,
제1 주파수에서 공진하도록 구성된 제1 공진기를 포함하는 제1 플라이;
상기 제1 주파수와는 다른 제2 주파수에서 공진하도록 구성된 제2 공진기를 포함하는 제2 플라이; 및
상기 제1 주파수 및 상기 제2 주파수와는 다른 제3 주파수에서 공진하도록 구성된 제3 공진기를 포함하는 제3 플라이
를 포함하는, 타이어. - 제17항에 있어서, 상기 제1 플라이는 상기 타이어의 외부 층을 형성하는, 타이어.
- 제17항에 있어서, 상기 제1 주파수의 감쇠는 상기 제1 플라이의 마모 또는 열화를 나타내는, 타이어.
- 제17항에 있어서,
상기 제2 플라이는 상기 제1 플라이 상에 배치되고,
상기 제3 플라이는 상기 제2 플라이 위에 배치된, 타이어. - 제17항에 있어서, 상기 제1 플라이, 상기 제2 플라이 및 상기 제3 플라이 중 임의의 하나 이상은 서로 접촉하는, 타이어.
- 타이어로서,
복수의 플라이를 포함하는 몸체로서, 상기 복수의 플라이의 각각의 플라이는,
전하 생성 디바이스; 및
상기 복수의 플라이 중 적어도 하나의 플라이 내에서 상기 전하 생성 디바이스에 전기적으로 결합되고, 상기 전하 생성 디바이스에 의해 생성된 전하에 응답하여 공진 신호를 생성하도록 구성된 공진기
를 포함하는, 상기 몸체; 및
상기 몸체를 둘러싸는 트레드(tread)를 포함하는, 타이어. - 제22항에 있어서, 상기 복수의 플라이의 각각의 플라이의 적어도 일부는 대응하는 공진기에 의해 생성된 공진 신호를 감쇠시키도록 구성된, 타이어.
- 제23항에 있어서, 감쇠량은 상기 각각의 플라이의 마모 또는 열화를 나타내는, 타이어.
- 제23항에 있어서, 상기 복수의 플라이 중 적어도 하나의 플라이는 차폐에 의해 대응하는 공진 신호를 감쇠시키도록 구성된, 타이어.
- 제23항에 있어서, 상기 복수의 플라이 중 적어도 하나의 플라이는 상기 적어도 하나의 플라이의 열화에 기초하여 대응하는 공진 신호의 주파수를 변경하도록 구성된, 타이어.
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