보고서 정보
주관연구기관 |
영남대학교 YeungNam University |
연구책임자 |
이동주
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보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
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발행년월 | 2020-09 |
과제시작연도 |
2020 |
주관부처 |
과학기술정보통신부 Ministry of Science and ICT |
등록번호 |
TRKO202100014934 |
과제고유번호 |
1345318175 |
사업명 |
이공학학술연구기반구축(R&D) |
DB 구축일자 |
2021-10-09
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키워드 |
유전 탄성체.발전 작동기.에너지 수확.복합재료.손/팔 운동.Silicon 고무.제작공법.탄소 나노입자.유전입자.
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초록
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□연구개요
유전 탄성체(DE)는 기계적 에너지를 전기적인 에너지로 변환하고 혹은 역변환이 가능한 스마트 재료이다. 연구목표는 1. 환경, 경제성 및 물성에 고려한 복합재료(전극 및 탄성체)의 개발, 2. 다양한 하중조건에서 에너지 변환효율이 극대화되게 첨가재 및 기지재의 혼합, 접합조건, 적층 수/방법 및 분포/양에 따른 DE 복합체의 최적화, 3. 휴대용 기기에 적용 가능한 손/팔 운동을 이용한 발전기의 형상, 크기, 위치 선정 및 가공법의 개발, 4. 상품화를 위한 평가 방법 및 표준화를 달성하고자 한다. 이를 위하여 전극
□연구개요
유전 탄성체(DE)는 기계적 에너지를 전기적인 에너지로 변환하고 혹은 역변환이 가능한 스마트 재료이다. 연구목표는 1. 환경, 경제성 및 물성에 고려한 복합재료(전극 및 탄성체)의 개발, 2. 다양한 하중조건에서 에너지 변환효율이 극대화되게 첨가재 및 기지재의 혼합, 접합조건, 적층 수/방법 및 분포/양에 따른 DE 복합체의 최적화, 3. 휴대용 기기에 적용 가능한 손/팔 운동을 이용한 발전기의 형상, 크기, 위치 선정 및 가공법의 개발, 4. 상품화를 위한 평가 방법 및 표준화를 달성하고자 한다. 이를 위하여 전극 및 탄성체를 동일한 Silicon 고무재료로 제작하여 ① 유연성, 내구성, 큰 변형의 구동이 가능한 전극, ② 고유전율, 우수한 기계적/전기적 물성의 탄성체의 개발, ⓷ 두 재료의 접합/형태/크기에 따르는 효율/수명 분석으로 구분하여 진행한다. 최종목표는 손가락운동에서 0.07 J/cycle(0.15 J/g) 이고. 손목/팔꿈치의 운동에서 0.5 J/cycle(1.2 J/g)이다. 또한 경제적인 실용화를 위해 표준화된 평가 및 제작공법도 연구했다.
□연구 목표대비 연구결과
1차 년도는 선행연구를 통하여 얻어진 결과를 기초로 유전 탄성체 및 전극의 최적화연구를 진행했다. 실리콘 고무재료에 다양한 첨가재, 특히 그래핀, 탄소나노튜브 및 유전 무기/금속분말을 혼합하여 전극 및 탄성체를 제작하고, 에너지 수확 차원에서 DE 복합재료의 구조의 최적화, 안정된 생산 공법의 표준화, 등을 이루기 위한 연구를 한다. 내구성 및 기계적 물성을 고려하여 NR, NBR, PVDF, 등을 이용한 합성 DE 복합재료도 개발하고자 한다. 다양한 하중조건, 특히 굽힘/인장 하중에 따르는 효율 극대화 연구를 실시하고, 자체적으로 개발된 DE복합재료를 이용하여 이미 발표된 Heel Strike Harvester를 제작해 보고, 여러가지 고려사항 및 전기회로를 비교/분석하였다. 전반적으로 목표대비 충분한 결과를 얻었다.
2차 년도에도 계속해서 최적의 DE 복합체 개발을 진행하면서 지금까지 고려된 우수 Heel Strike Harvester를 선정/제작하고, 성능의 비교 평가를 통해 자체 개발된 DE 복합체의 작동 원리 및 에너지 회수의 극대화를 위한 연구했다. 손/팔운동의 특성에 맞는 DE 복합재료, 특히 유연하고, 큰 변형이 가능하며 내구성이 우수한 전극재료, 운동 형태 및 구속조건 설정, 회로의 구성, 등의 여러 특성에 맞는 기초 단위 작동기의 모델도 개발하도록 했다. 최종적으로 손/팔 운동의 기초단위 작동기를 상용재료 및 개발된 재료를 이용해 제작/비교하며, 최적화된 DE 복합재료의 각종 물성 및 에너지 효율, 등의 종합적인 평가를 실시했다. 연구계획에 따르는 목표치를 충분히 달성하였다.
3차 년도에는 손/팔 운동의 작동 범위/원리/착용법, 등의 기본 연구를 계속하여 손가락, 손바닥, 손목, 팔꿈치용 개별 및 통합 작동기의 설계/제작/평가를 실시했다. 또한 경제적이고 효율적인 생산을 위한 제작공법을 연구했다. 가장 사용하기 편하고 우수한 디자인을 선정하고, 제품의 형상에 따라 에너지 수확의 극대화를 추구하며 수명예측 평가를 실시하여 최종 제품을 완성하고자 했다. 최대 에너지 수확 목표(1개 손가락: 0.07 J/cycle 및 손목/팔운동: 0.5 J/cycle)의 재료/적용방식에 따라 70~80%정도를 성취했다. 제품의 유연성, 착용감, 수명 및 작동의 수월성을 고려하지 않으면 목표치를 충분히 달성할 수 있다. 최대 수확을 위하여 다양한 형태의 시편을 제작하다보니 균일한 시제품제작, 등의 표준화 및 평가방법 개발은 하지 못했다.
□연구개발결과의 중요성
본 연구는 DE재료의 응용을 기본 목적으로 하며, 생산성을 고려한 대체 재료 개발을 통한 자동화, 무인화에 필수품인 센서, 휴대용 기기의 액추에이터 및 발전기, 등에 적용시키는 것으로 많은 산업분야에서 응용이 가능할 것으로 판단된다. 연구적 측면에서는 탄소 나노소재를 복합재료에 적용함에 있어 분산, Hybrid화, 효율화, 등의 극대화 연구, 적용 조건/특성 시험을 통해 DE의 거동을 서술하는 이론적 모델을 개발하고 정립하는 것도 목적이다. 또한 지금까지 미제인 하중조건에 따른 에너지 수확의 차이 및 접합(탄성체/전극)의 한계를 해결하고자 했다,
(출처 : 요 약 문 2p)
목차 Contents
- 표지 ... 1연구결과 요약문 ... 2목차 ... 31. 연구개발과제의 개요 ... 42. 연구수행내용 및 연구결과 ... 6 2-1. 연구수행 내용 ... 6 2-2. 연차별 연구결과 ... 73. 연구개발결과의 중요성 ... 164. 참고문헌 ... 175. 연구성과 ... 18끝페이지 ... 23
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