KR101621167B1 - 온도변화에 구동되는 회전형 구동기 및 이를 이용한 에너지 하베스팅 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 회전형 구동기에 관한 것으로서 서로 반대방향으로 회전시키는 방식으로 제조된 비틀린(twist) 구조의 섬유를 포함하고, 상기 섬유는 중앙을 기준으로 상단부와 하단부로 나누어지고, 상기 섬유의 상단부와 하단부는 어느 하나 이상이 고정되어져 있으며, 상기 상단부와 하단부의 섬유는 각각 독립적으로 키랄성의 Z형 또는 키랄성의 S형 구조로 꼬인 형태(coil)를 갖는 것을 특징으로 하며, 온도 변화가 있을 때, 우수한 회전력을 가질 뿐만 아니라, 내구성 및 안정성이 우수하여 장기간 사용하여도 회전력의 감소가 미미하다. 따라서 이를 이용하여 열에너지를 전기에너지로 회수할 수 있는 효율 및 수명이 우수한 에너지 하베스팅 장치를 제공할 수 있다.

Description

온도변화에 구동되는 회전형 구동기 및 이를 이용한 에너지 하베스팅 장치{Torsional actuators of temperature fluctuations, device for harvesting energy comprising the same}

본 발명은 회전형 구동기 및 이를 이용한 에너지 하베스팅 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 온도변화에 따라 반복적이고 연속적으로 회전하는 회전형 구동기와 이를 이용한 에너지 하베스팅 장치를 제공한다.

전기화학적, 열적 또는 빛으로 구동기를 자극하면 선형, 회전형 또는 수축형으로의 움직임을 나타낸다. 상기와 같은 구동기는 탄소나노튜브 섬유(비특허 문헌 1), 단일 및 다중필라멘트를 포함하는 고분자 섬유(비특허 문헌 2) 및 그래핀 산화물 섬유(비특허 문헌 3) 등이 비틀린 구조를 갖고 있는 구동기로 개발되어져 왔고, 이러한 섬유형 근육들은 우수한 굽힘 성, 선형 움직임 및 큰 회전각도와 같은 다양한 효과들이 발견되었다.

반면, 이러한 구조의 구동기는 높은 전기전도 특성을 기반으로 전압을 인가하여 이의 세기에 따라 수축ㅇ팽창이 발생하므로, 전기 에너지를 열에너지 또는 회전 에너지로 전환할 수 있다는 한계가 존재한다. 또한, 수축·팽창에 의해 발생하는 전력이 낮고, 가동시간이 짧으며, 기계적 특성도 현저히 낮아 이를 이용하여 다양한 산업분야에 적용하는데 어려움이 있다는 문제들이 있다.

상기의 한계점은 서술된 기술만의 것이 아니다. 현재까지 개발된 구동기는 내구성, 안정성, 수명 등의 특성들 모두 만족시키지 못하므로, 이를 개선하여 낭비되고 있는 공기 중의 열을 높은 효율 프로세스를 통하여 회전, 상하이동 및 전기로 변환될 수 있는 구동기가 개발된다면, 나노기술분야에서의 좋은 개선점이 될 것이다.

비특허 문헌 1. Lima, M. D., et al. Electrically, Chemically, and Photonically Powered Torsional and Tensile Actuation of Hybrid Carbon Nanotube Yarn Muscles. Science 334, 928-932 (2012) 비특허 문헌 2. Haines, C. S., et al. Artificial Muscles from Fishing Line and Sewing Thread. Science 343, 868-872 (2014). 비특허 문헌 3. Cheng, H., et al. Moisture-Activated Torsional Graphene-Fibre Motor. Adv. Mater. (2014).

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 구동기의 구조를 개선함으로써, 온도변화에 따라 수축ㅇ팽창이 가능하고, 상기 구동기의 부분 또는 전체를 가열하였을 때, 회전이 발생하는 회전형 구동기를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상기 회전형 구동기를 이용하여 공기 중에 낭비되고 있는 열에너지를 전기에너지로 전환할 수 있는 에너지 하베스팅 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 회전형 구동기를 이용하여 공기 중에 낭비되고 있는 열 에너지를 위치 에너지 또는 전기 에너지로 전환할 수 있는 에너지 하베스팅 장치를 제공하는 것이다.

본 발명은 상기 목적을 이루기 위하여, 서로 같은 방향 혹은 반대방향으로 회전시키는 방식으로 제조된 비틀린(twist) 구조의 단일섬유 또는 다섬유를 포함하고, 상기 섬유는 중앙을 기준으로 상단부와 하단부로 나뉘어지고, 상기 섬유의 상단부와 하단부는 어느 하나 이상이 고정되어져 있으며, 상기 상단부와 하단부의 섬유는 각각 독립적으로 키랄성의 Z형 또는 키랄성의 S형 구조로 비틀린(twist) 구조 또는 꼬인 형태(coil)를 갖는 것을 특징으로 하는 회전형 구동기를 제공한다.

상기 섬유는 나일론, 형상기억 폴리우레탄, 폴리에틸렌 및 고무 등의 고분자 재로로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

상기 회전형 구동기의 상단부와 하단부가 모두 고정되어 있으면 온도변화에 의해 발생하는 상기 회전형 구동기의 수축 또는 팽창으로 회전력을 갖는 것을 특징으로 한다.

상기 회전형 구동기의 상단부와 하단부 중 어느 하나만 고정되어 있으면 온도변화에 의해 발생하는 상기 회전형 구동기의 수축 또는 팽창으로 회전력 및 길이 변화를 갖는 것을 특징으로 한다.

상기 비틀린 구조를 갖는 회전형 구동기는 편향각이 20 내지 60 °인 것을 특징으로 한다.

상기 회전형 구동기의 상단부와 하단부가 모두 고정되어 있는 경우, 상기 회전형 구동기는 고정되기 이전에 전체 길이에 대해 1 내지 25% 인장된 후, 고정되는 것을 특징으로 한다.

상기 회전형 구동기의 상단부와 하단부 중 어느 하나만 고정되어 있는 경우, 온도에 따른 길이 변화는 전체길이에 대해 5 내지 30%인 것을 특징으로 한다.

상기 회전형 구동기는 온도변화에 따라 100 내지 200,000 rpm의 회전속도를 갖는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 회전형 구동기 2 가닥으로 이루어진 2-플라이 구조를 가지고, 한 가닥처럼 거동하는 것을 특징으로 하는 2-플라이 구조의 회전형 구동기를 제공한다.

상기 회전형 구동기 2 가닥이 키랄성의 S형 구조인 경우, Z형으로 꼬아 2-플라이 구조를 형성하면 SZ 꼬임 형태를 가지는 것을 특징으로 한다.

상기 회전형 구동기 2 가닥이 키랄성의 Z형 구조인 경우, S형으로 꼬아 2-플라이 구조를 형성하면 ZS 꼬임 형태를 가지는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 상기 다른 목적을 이루기 위하여, 온도변화에 의해 수축 또는 팽창하는, 제1항에 따른 회전형 구동기; 상기 회전형 구동기 내에 지점에 위치하고, 상기 구동기가 회전함에　따라 회전하는, 적어도 하나 이상의 자성체 또는 코일; 및 상기 회전형 구동기와 이격되어 배치되는 적어도 하나 이상의 코일 또는 자성체;를 포함하는 에너지 하베스팅 장치를 제공한다.

상기 회전형 구동기가 온도변화에 따라 수축 또는 팽창하면서, 회전함에 따라 상기 자성체가 회전하고, 상기 코일 내부를 통과하는 자속의 변화를 유도하여 전기에너지를 생성하는 것을 특징으로 한다.

상기 회전형 구동기는 양단이 모두 고정되어 있거나, 어느 하나의 말단만 고정되어 있고, 상기 회전형 구동기가 어느 하나의 말단만 고정된 경우, 상기 회전형 구동기의 고정되지 않은 어느 하나의 말단에 위치변동지지대를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 자성체는 영구자석이고, 상기 자성체의 무게는 상기 회전형 구동기에 대해 10 내지 1000 배인 것을 특징으로 한다.

상기 위치변동지지대는 자성체인 것을 특징으로 한다.

상기 위치변동지지대와 이격되어 위치하고, 둘러싼 코일을 포함하고,

온도변화에 따라 상기 회전형 구동기가 인장되고 수축되면 위치변동지지대가 수평으로 움직이면서 상기 코일 내부를 통과하는 자속이 변하여 전기에너지를 생성하는 것을 특징으로 한다.

상기 에너지 하베스팅 장치의 하단부 및 상단부 중 어느 한 곳에 부착된, 판; 상기 판은 열림과 닫힘을 발생시키는 개폐구를 포함하고, 상기 회전형 구동기의 일 지점에 위치하고, 상기 판과 이격되어 배치된, 상기 개폐구와 동일한 모양의 적어도 하나의 핀;을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 회전형 구동기가 온도에 따라 회전하게 되고, 상기 회전형 구동기의 회전에 의해 상기 핀이 상기 개폐구와 이격된 수평 위치에 위치하게 되어 개폐구로부터 유입되는 공기의 흐름을 차단하는 것을 특징으로 한다.

상기 개폐구가 구비된 각 판과 핀과의 이격거리는 0.1 내지 3 ㎝인 것을 특징으로 한다.

본 발명은 상기 또 다른 목적을 이루기 위하여, 양 말단이 가로축으로 고정되어 있고, 온도변화에 의해 수축 또는 팽창하는, 상기 회전형 구동기; 상기 회전형 구동기 내의 중앙 지점에 구비된 승강수단; 상기 승강수단 하부에 구비되고, 상기 승강수단과 연결되어, 상기 회전형 구동기가 회전함에 따라 위치변동을 갖는, 적어도 하나 이상의 자성체; 및 상기 자성체의 상하이동에 의해 전계를 발생시키는 적어도 하나 이상의 코일;을 포함한다.

상기 코일은 상기 자성체의 측면을 둘러싸는 원통형인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 코일은 상기 자성체의 측면 또는 하면에 위치하여 상기 자성체의 상하이동에 의해 전계를 발생시키는 것을 특징으로 한다.

상기 회전형 구동기가 온도변화에 따라 수축 또는 팽창하면서, 회전함에 따라 상기 자성체는 세로축 방향으로 위치변동을 갖고,

상기 자성체의 위치변동이 상기 코일과 자성체 간의 이격거리 변동을 야기하여, 상기 코일을 통과하는 자속의 변화가 유도되어 전기에너지를 생성하는 것을 특징으로 한다.

상기 자성체의 세로축 방향 위치변동 거리는 0.1 내지 3 ㎝인 것을 특징으로 한다.

상기 승강수단은 도르레인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 회전형 구동기는 섬유를 비틀고(twist), 꼬인(coil) 구조로 개선함으로써, 온도 변화에 즉각적이고, 민감하며 가역적으로 반응한다. 또한, 상기 회전형 구동기는 우수한 회전력을 가질 뿐만 아니라, 내구성 및 안정성이 우수하여 장기간 사용하여도 회전력의 감소가 거의 나타나지 않으므로, 수명특성이 우수하다.

따라서, 상기 회전형 구동기를 이용하여 열에너지를 전기에너지로 회수할 수 있는 효율 및 수명이 우수한 에너지 하베스팅 장치를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 회전형 구동기의 다양한 구조를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 회전형 구동기를 이용한 일 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치의 단면도와 실제 모습을 나타낸 사진이다.
도 3은 본 발명의 회전형 구동기를 이용한 에너지 하베스팅 장치의 부가요소에 대한 구조를 나타낸 도면과 사진이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치의 단면도(a)와, 위에서 바라본 모습(b) 및 측면에서 바라본 모습(c)을 촬영한 사진이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치의 단면도이고, 도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치를 측면에서 바라본 모습(a)이고, 위에서 바라본 모습(b) 및 시간에 따른 전압을 측정한 그래프(c)이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 8은 본 발명에 따른 회전형 구동기의 구조를 상세히 나타낸 SEM 이미지이다.
도 9는 온도 변화에 따른 회전형 구동기의 회전속도 및 회전수(회전각)를 측정하기 위해, 제조예 5로부터 제조된 에너지 하베스팅 장치로부터 측정된 시간에 따른 온도, 전압 및 회전수를 나타낸 그래프이다.
도 10a는 온도변화에 따른 제조예 1, 제조예 4로부터 제조된 구동기(ZZ-C, ZS-C)의 회전속도를 나타낸 그래프이고, 도 10b는 인장 정도에 따른 제조예 1, 제조예 4로부터 제조된 구동기(ZZ-C, ZS-C)의 회전속도를 나타낸 그래프이며, 도 10c는 자성체의 관성 모멘트에 따른 제조예 1, 제조예 4로부터 제조된 구동기(ZZ-C, ZS-C)의 회전속도를 나타낸 그래프이며, 도 10d는 가열ㅇ냉각 사이클 수에 따른 제조예 4로부터 제조된 구동기(ZS-C)의 회전속도를 나타낸 그래프이다. 이때, 제조예 4로부터 제조된 구동기(ZS-C)는 27 ㎛의 직경을 갖고, 전체 길이가 95 ㎜인 것을 사용하였다. 상기 도 10a에서 빈 도형은 온도에 따른 회전각에 대한 그래프이고, 내부가 채워진 도형은 온도에 따른 회전속도에 대한 그래프이다.
도 11은 본 발명에 따른 다양한 구조를 갖는 구동기(ZS-C, ZS-N, ZZ-C, ZZ-N)의 온도에 대한 회전속도를 비교한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 12는 구동기 아래 부분에 위치한 회전을 막고 위치 변동만 가능하게 해주는 위치변동지지대의 무게가 미치는 영향을 확인하기 위하여, 각기 다른 무게를 갖는 위치변동지지대(1.2 g, 2.1 g, 3.1 g, 4.1 g)가 구비된 구동기(ZZ-C, 제조예 3)의 회전수와 인장거동(tensile actuation)을 시간에 따라 측정하여 나타낸 결과 그래프이다.
도 13a는 20% 늘어난 제조예 4로부터 제조된 구동기(ZS-C)의 실제이미지이고, 도 13b는 부분적으로 꼬인 구조가 풀려있는 비가역적으로 변한 제조예 4로부터 제조된 구동기(ZS-C)의 실제이미지이며, 도 13c는 15% 늘어난 제조예 4로부터 제조된 구동기(ZS-C)의 온도가 증가함에 따라 회전각의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 14는 스프링 지수(spring index)가 본 발명의 구동기에 미치는 영향을 확인하기 위하여, 제조예 4로부터 제조된 구동기(ZS-C)의 늘어난(stretch) 정도에 따른 회전속도를 측정하여 비교한 결과 그래프이다.
도 15a는 습도에 따라 제조예 4로부터 제조된 구동기(ZS-C)의 회전속도를 측정하여 나타낸 그래프이고, 도 15b는 42.3% 습도 조건 하에서, 제조예 4로부터 제조된 구동기(ZS-C)의 전체 길이에 따른 회전속도를 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 16a는 온도에 따른 제조예 1 및 제조예 4로부터 제조된 구동기(ZZ-C, ZS-C)의 회전 에너지를 비교한 그래프이고, 도 16b는 각기 다른 직경을 갖는 구동기(ZS-C, 제조예 4)의 관성 모멘트에 따른 회전속도(닫힌 도형)와 회전 에너지(열린 도형)의 관계를 나타낸 그래프이며, 도 16c는 제조예 4로부터 제조된 구동기(ZS-C)의 시간에 따른 온도 변화, 회전각 및 회전 에너지를 나타낸 그래프이며, 도 16d는 제조예 4로부터 제조된 구동기(ZS-C)의 직경에 따른 회전 에너지와 회전속도와의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 17a는 구동기(ZS-C(제조예 4))와 비틀린 구조만을 갖는 형태의 구동기(ZS-N)를 전체적으로 가열하여 측정한 회전 에너지와 힘과의 관계를 비교한 그래프이고, 도 17b는 구동기(ZS-C(제조예 4))와 비틀린 구조만을 갖는 형태의 구동기(ZS-N)를 절반만 가열하여 측정한 회전 에너지와 힘과의 관계를 비교한 그래프이며, 도 17c는 구동기(ZZ-C(제조예 1))와 비틀린 구조만을 갖는 형태의 구동기(ZZ-N)를 절반만 가열하여 측정한 회전 에너지와 힘과의 관계를 비교한 그래프이며, 도 17d는 구동기(ZZ-C(제조예 1))와 비틀린 구조만을 갖는 형태의 구동기(ZZ-N)의 시간에 따른 온도변화, 회전각, 회전속도를 비교한 그래프이다. 이때, 도 17d는 27 ㎛ 직경을 갖는 15% 늘어난 제조예 1로부터 제조된 구동기(ZZ-C)를 사용하였고, 그래프 상에 흑색선으로 표기하였으며, 27 ㎛ 직경을 갖는 1.2 g 무게를 갖는 위치변동지지대 포함한 비틀린 구조만을 갖는 형태의 구동기(ZZ-N)를 사용하여, 상기 그래프 상에 적색선으로 표기하였다.
도 18은 제조예 6으로부터 제조된 에너지 하베스팅 장치를 시연한 것으로, 상기 장치는 102 ㎛의 ZS-C 구조의 구동기(제조예 4)를 포함하고, 상기 3 개의 코일과 원기둥 형태의 네오디윰 자성체를 사용하여 제조하였다.
도 19는 온도에 따라 27 ㎛ 직경의 ZS-C 회전형 구동기의 비틀림 강성(torsional rigidity)과 비틀림 탄성계수(torsional modulus of elasticity)를 나타낸 그래프이다.
도 20은 본 발명에 따른 2-플라이 구조의 회전형 구동기 중에서 2-플라이 구조의 회전형 구동기 중심을 기점으로 SZ 꼬임 형태와 ZS 꼬임 형태를 모두 갖는 2-플라이 구조의 회전형 구동기의 실제모습을 촬영하여 나타낸 사진이다.
도 21은 본 발명의 제 5 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치의 단면도이다.

이하에서, 본 발명의 여러 측면 및 다양한 실시예에 대해 더욱 구체적으로 살펴보도록 한다.

본 발명의 일 측면은 서로 같은 방향 혹은 반대방향으로 회전시키는 방식으로 제조된 비틀린(twist) 구조의 단일섬유 또는 다섬유를 포함하고, 상기 섬유는 중앙을 기준으로 상단부와 하단부로 나뉘어지고, 상기 섬유의 상단부와 하단부는 어느 하나 이상이 고정되어져 있으며, 상기 상단부와 하단부의 섬유는 각각 독립적으로 키랄성의 Z형 또는 키랄성의 S형 구조로 비틀린 (twist) 구조 또는 꼬인 형태(coil)를 갖는 것을 특징으로 하는 회전형 구동기에 관한 것이다.

상기 회전형 구동기가 가질 수 있는 구조의 예는 도 1을 참조하여 아래에서 보다 상세히 설명한다.

상기 회전형 구동기는 두 말단이 고정되어 있고, 상단부와 하단부 모두 키랄성 Z형으로 꼬인 형태(ZZ-C)(도 1a)를 가질 수 있고, 상기 회전형 구동기는 두 말단이 고정되어 있고, 상단부와 하단부 모두 키랄성 S형으로 꼬인 형태(SS-C)를 가질 수 있다. 또는 상기 회전형 구동기는 두 말단이 고정되어 있고 상단부와 하단부가 반대방향 키랄성으로 꼬인 형태(ZS-C, SZ-C)(도 1d)일 수 있다.

또한, 상기 회전형 구동기는 하나의 말단만이 고정되어 있고, 상단부와 하단부가 모두 키랄성 Z형으로 비틀린(twist) 형태(ZZ-N)(도 1b)를 가질 수 있고, 상기 회전형 구동기는 하나의 말단만이 고정되어 있고, 상단부와 하단부가 모두 키랄성 S형으로 비틀린(twist) 형태(SS-N)를 가질 수 있으며, 또는 상기 회전형 구동기는 하나의 말단만이 고정되어 있고, 상단부와 하단부가 반대방향 키랄성으로 비틀린(twist) 형태(ZS-N, SZ-N)(미도시)를 가질 수 있다.

또한, 상기 회전형 구동기는 하나의 말단만이 고정되어 있고 상단부와 하단부 모두 키랄성 Z형으로 꼬인 형태(ZZ-C)(도 1c)일 수 있고, 하나의 말단만이 고정되어 있고 상단부와 하단부 모두 키랄성 S형으로 꼬인 형태(SS-C)일 수 있으며, 또는 하나의 말단만이 고정되어 있고 상단부와 하단부 반대방향 키랄성으로 꼬인 형태(ZS-C, SZ-C)일 수 있다.

이때, 본 명세서에서 상기 꼬인 형태는 스프링 또는 코일 형태를 의미하고, 보다 구체적으로 상기 비틀린 구조와 꼬인 구조의 차이는 상기 섬유의 직경에 따라 인가되는 회전수(turn/m)에 의해 결정되는 것을 특징으로 하며, 일 예로, 상기 섬유 직경 27 ㎛인 경우, 5,000 내지 12,000 회전수(turn)/m로 꼬아서 제조하면 비틀린(twist) 구조를 형성하고, 상기 섬유를 30,000 내지 60,000 회전수(turn)/m로 꼬아서 제조하면 꼬인(coil) 구조를 형성한다. 이외의 다른 직경을 갖는 섬유의 경우에서 구조에 따라 요구되는 회전수를 표 1에 상세히 나타내었다.

섬유 직경(㎛)		단섬유	꼬인 구조를 갖는 섬유	비틀린 구조를 갖는 섬유
23	회전수(turn/m)	0	10,000	56,000
	수축 길이(%)	0	16.5	80
80	회전수(turn/m)	0	3,770	20,000
	수축 길이(%)	0	14.1	75.1
106	회전수(turn/m)	0	3,000	15,000
	수축 길이(%)	0	14.3	75.3
133	회전수(turn/m)	0	2,600	13,000
	수축 길이(%)	0	14.4	75

상기 회전형 구동기의 구조 중에서 고정되지 않은 하나의 말단에는 위치변동지지대가 구비된다. 두 말단이 고정된 구조는 온도가 상승할 시, 선형 변위(translational displacement)와 구조가 풀어지는 회전을 방지하기 위함이고, 상기 위치변동지지대가 구비된 구조는 온도가 상승할 시, 선형 변위(translational displacement)는 허용하되, 구조가 풀어지는 회전을 방지하기 위한 것이다.

즉, 상기 회전형 구동기의 상단부와 하단부가 모두 고정되어 있으면 온도변화에 의해 발생하는 상기 회전형 구동기의 수축 또는 팽창으로 회전력을 갖고, 상기 회전형 구동기의 상단부와 하단부 중 어느 하나만 고정되어 있고, 다른 하나에 상기 위치변동지지대가 구비되어 있으면, 온도변화에 의해 발생하는 상기 회전형 구동기의 수축 또는 팽창으로 회전력 및 길이 변화를 갖는다.

상기 회전형 구동기의 상단부와 하단부가 모두 고정되어 있는 경우, 상기 회전형 구동기는 고정되기 이전에 전체 길이에 대해 1 내지 25% 인장된 후, 고정될 수 있는데, 이는 상기 회전형 구동기가 인장된 후, 상단부와 하단부가 모두 고정되면 상기 회전형 구동기의 코일 간에 충분한 거리가 형성된다. 이로 인해, 온도가 상승하여 상기 회전형 구동기의 팽창이 야기될 때, 상기 코일 간 마찰이 덜 발생할 뿐만 아니라, 상기 회전형 구동기의 표면적이 넓어져 더 많은 열을 흡수할 수 있어, 열 전환효율은 향상되고, 마찰에 의한 회전력 손실은 방지할 수 있다.

상기 회전형 구동기의 상단부와 하단부 중 어느 하나만 고정되어 있는 경우, 온도에 따른 길이 변화는 전체길이에 대해 5 내지 30%일 수 있다.

따라서 상기 각 구조에 따라서 회전형 구동기는 온도변화에 따라 발생하는 회전각 또는 회전속도와 같은 특성들이 달라지므로, 원하는 사용목적에 따라서 상기 구조로부터 적절히 선택하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 회전형 구동기는 온도변화에 의존하여 회전하게 된다. 상기 회전형 구동기는 구동기 주위의 외부환경의 온도변화에 보다 즉각적으로 반응하게 되는데, 상기 온도변화를 제공하는 구동기의 외부환경은 특별히 이에 제한되지 않으나, 바람직하게는 기체 또는 액체일 수 있다.

또한, 상기 회전형 구동기가 온도가 증가하는 환경에 노출되면, 상기 구동기는 꼬인(coil) 구조 또는 비틀린(twist) 구조가 풀리면서 회전력을 갖게 된다. 상기 회전형 구동기의 주위 환경 온도가 상기 상승된 온도로부터 낮아지게 되면 상기 회전형 구동기는 풀렸던 꼬인(coil) 구조 또는 비틀린(twist) 구조가 다시 재형성되면서 상기 방향과 반대 방향의 회전력을 갖게 된다. 다시, 상기 구동기 주위 환경 온도가 상승하게 되면 상기 가열/냉각 사이클이 반복되게 된다.

이 방식으로, 상기 회전형 구동기는 능동적으로 냉각될 수 있는데, 이는, 열에너지가 상기 회전형 구동기에 의해 수동적으로 상기 열에너지를 소멸시키는 대신에, 기계적 에너지로 전환되어 상기 회전형 구동기가 냉각되기 때문이다.

즉 상기 회전형 구동기는 1 내지 150 ℃의 온도 변화량을 받게 되면, 100 내지 200,000 rpm을 제공할 수 있다.

또한, 상기 회전형 구동기는 상기 가열/냉각 사이클이 300,000 이상 반복되어도 비가역적으로 변하지 않으면서, 여전히 우수한 회전속도(100 내지 200,000 rpm)를 제공하는 것을 특징으로 한다.

상기 회전형 구동기 1 킬로그램 당 5,000 내지 15,000 W의 전력밀도를 제공하는데, 이는 일반적으로 사용되고 있는 전기 모터(~300 W/㎏)에 비해 약 40 배나 우수한 수치로, 본 발명에 따른 회전형 구동기는 전기적 특성 또한 우수하다는 것을 알 수 있다.

상기 섬유는 나일론, 형상기억 폴리우레탄, 폴리에틸렌, 고무 등의 고분자 배료이면 이에 제한되지 않으나, 보다 바람직하게는 나일론, 형상기억 폴리우레탄, 폴리에틸렌 및 고부로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하고, 가장 바람직하게는 나일론일 수 있다.

다만, 상기 ZS-C의 구조가 종래 CNT를 이용한 섬유에 적용된 바 있으나, 이러한 구조의 섬유는 큰 기계적 부하(load)를 갖게 되는 높은 온도에서 비가역적으로 변하여, 구동되지 못한다는 단점이 있기 때문에 회전형 액추에이터로 응용·적용되는데 있어, 한계가 존재하였다, 그러나, 본 발명에서 상기 섬유는 고분자 재료, 즉, 나일론, 형상기억 폴리우레탄, 폴리에틸렌, 고무로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나를 사용함으로써, 고온에서도 ZS-C 형태의 구동기가 풀리고(untwist), 다시 비틀리는(retwist) 가역적인 구조를 장기간 유지할 수 있고, 내구성 및 수명도 길어 다양한 분야에 적용가능하다. 다시 말해, 고분자 재료인 나일론, 형상기억 폴리우레탄, 폴리에틸렌, 고무 중 어느 하나를 사용한 상기 구조를 갖는 회전형 구동기는 종래 구동기와는 달리 고온 또는 저온에 의해 형태가 변형되어도, 다시 초기 꼬인 형태로 돌아가는 가역적인 회전운동을 제공한다.

상기 섬유의 평균 직경은 특별히 이에 제한되지 않으나, 바람직하게는 10 nm 내지 그 이상이고, 보다 바람직하게는 10 nm 내지 300 ㎛이다.

또한, 상기 섬유가 키랄성 Z 또는 S형으로 꼬인 형태를 갖는 상기 회전형 구동기의 평균 직경은 상기 섬유의 평균 직경에 따라 달라지고, 특별히 이에 제한되지 않으나, 바람직하게는 1 ㎛ 내지 그 이상이고, 보다 바람직하게는 1 내지 150 ㎛일 수 있다. 이때, 상기 회전형 구동기는 직경의 크기에 따라 온도 변화에 의해 유도되는 회전력이 증가되므로, 상기 범위를 벗어나게 되면 열에너지가 회전 에너지로 전환되는 효율이 낮아지는 문제가 발생할 수 있다.

상기 섬유는 인가되는 회전수/m에 의해 비틀린 구조를 우선적으로 가진 후, 꼬인 구조를 형성하게 되는데, 상기 비틀린 구조에서 20 내지 60 ㅀ의 편향각(비틀림 각)을 갖도록 하는 것이 바람직하다. 이러한 비틀림은 섬유의 배열을 비틀림 방향으로 결정과 비결정 부분을 재배열하고 재배열된 결정과 비결정 구조는 외부 온도 변화에 따른 본 발명의 회전형 구동기 성능에 영향을 주기 때문이다.

또한, 상기 회전형 구동기에 구비되는 자성체의 무게는 상기 회전형 구동기의 회전력과 운동에너지에 영향을 미치지 않으므로 특별히 이에 제한되지 않으나, 바람직하게는 상기 회전형 구동기의 무게에 비해 1 내지 1000 배 무거운 자성체를 성치하고 구동하는 것이 바람직하다. 구체적으로, 상기 자성체의 무게에 상관없이 상기 회전형 구동기는 온도변화에 따라서 같은 회전력과 운동에너지를 제공한다.

다만, 상기 회전형 구동기에 구비된 자성체의 무게가 증가하게 되면 회전속도가 감소하나, 풀리고 꼬이는 주기는 길어지게 되므로, 결국 최종 회전력과 운동에너지는 작은 무게의 자성체가 구비된 상기 회전형 구동기와 동일하다. 따라서 본 발명의 회전형 구동기의 상술한 특성을 이용하면, 상기 자성체의 무게를 조절함으로써, 상기 회전형 구동기의 회전주기를 가열 냉각 주기에 맞게 제어할 수 있다는 장점이 존재한다.

또한, 상기 회전형 구동기는 단위길이당 낼 수 있는 운동에너지가 일정하기 때문에, 오히려, 길게 만들면 더 큰 에너지를 얻을 수 있다. 따라서 상기 회전형 구동기의 전체길이를 특별히 제한하지 않으나, 바람직하게는 0.5 내지 50 ㎝일 수 있고, 바람직하게는 2 내지 30 ㎝일 수 있다. 다만, 상기 회전형 구동기의 회전속도는 에너지의 제곱근에 비례하므로, 상기 회전형 구동기의 길이가 15 cm를 초과하게 되면 에너지는 길이에 비례하여 계속 증가하나, 속도의 증가량은 크지 않다. 그러나 상기 회전형 구동기는 다양한 장치 및 의복 등의 분야에 사용이 가능하므로, 요구되는 장소 또는 목적에 따라 길이를 적절히 선택하는 것이 가장 바람직하다.

또한, 본 발명은 상기 회전형 구동기 2 가닥을 이용하여 2-플라이 구조를 특징으로 하는 회전형 구동기를 제공한다. 상기 회전형 구동기 2 가닥으로 이루어진 2-플라이 구조를 가지고, 한 가닥처럼 거동하는 것을 특징으로 한다. 이러한, 2-플라이 구조의 회전형 구동기는 꼬이는 방향에 따라 다양한 구조를 가질 수 있다.

즉, 상기 회전형 구동기 2 가닥을 2-플라이 구조로 꼬일 때, 상기 각 회전형 구동기가 갖는 꼬임 혹은 비틀림 방향과 반대 방향으로 2 가닥을 꼬아 2-플라이 구조를 형성한다.

보다 구체적으로 상기 회전형 구동기 2 가닥이 키랄성의 S형 구조인 경우, Z형으로 꼬아 2-플라이 구조를 형성하면 SZ 꼬임 형태를 가질 수 있고, 상기 회전형 구동기 2 가닥이 키랄성의 Z형 구조인 경우, S형으로 꼬아 2-플라이 구조를 형성하면 ZS 꼬임 형태를 가질 수 있다. 이러한, 각 회전형 구동기의 꼬임 또는 비틀림 방향과 반대 방향으로 상기 회전형 구동기 2 가닥을 꼬아 2-플라이 구조를 형성하게 되면, 구조가 풀어지지 않고 장기간 유지되는 수명특성이 향상된다.

도 20은 본 발명에 따른 2-플라이 구조의 회전형 구동기 중에서 2-플라이 구조의 회전형 구동기 중심(joint)을 기점으로 SZ 꼬임 형태와 ZS 꼬임 형태를 모두 갖는 2-플라이 구조의 회전형 구동기의 실제모습을 촬영하여 나타낸 사진이다. 상기 도 20은 2-플라이 구조의 회전형 구동기의 일예로, 상기 2-플라이 구조의 회전형 구동기의 구조가 이에 제한되지 않는다.

<에너지 하베스팅 장치>

본 발명의 다른 측면은 상기 온도변화에 의해 수축 또는 팽창하는 회전형 구동기를 사용하여 열에너지를 전기에너지로 전환할 수 있는 에너지 하베스팅 장치에 관한 것이다.

도 2a는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치의 구성을 나타낸 단면도이고, 도 2b는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치의 실제 모습이다.

상기 도 2a 및 도 2b를 참조하여, 제 1 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치를 구체적으로 설명하면, 온도변화에 의해 수축·팽창하는, 상기 회전형 구동기(110); 상기 회전형 구동기(110) 내부에 위치하고, 상기 구동기(110)가 회전함에 따라 회전하는, 적어도 하나 이상의 자성체(120); 및 상기 회전형 구동기(110)와 이격되어 배치되며, 상기 자성체(120)가 회전하면서 내부를 통과하는 자속이 변하여 전기에너지(자기력, 전류)를 생성하는 적어도 하나의 코일(130)을 포함한다.

본 발명에 따른 에너지 하베스팅 장치는 자성체(120)와 코일(130) 사이의 상대적인 운동에 의해 전류가 유도되는 패러디(faraday) 전자 유도작용을 이용하여 온도 변화에 따라 발생하는 구동기(110)의 기계적 에너지를 전기 에너지로 발생시키는 장치에 관한 것으로, 상기 상술한 바와 같은 구조를 갖는 구동기(110)는 내부에 자성체(120)를 포함하고 있고, 상기 구동기(110) 내에 포함된 자성체(120)와 이격되어 배치된 코일(130)을 포함하는 에너지 하베스팅 장치는, 온도가 변화함에 따라 구동기(110)가 수축·팽창하면서 회전하여, 정지된 코일(130) 극성과 회전하는 자성체(120)의 극성이 상호 교차되면서 전기가 발생되게 된다. 이때, 상기 구동기(110)는 상단부(140)와 하단부(150)가 고정되어 있을 수도 있고, 상단부(140) 및 하단부(150) 중에서 어느 하나만이 고정될 수 있다. 이때, 상기 고정되지 않은 다른 말단은 위치변동지지대(151)를 더 포함할 수 있다.

상기 위치변동지지대(151)는 일반적으로 구동기(110)의 하단부 말단에 구비되어 상기 구동기(110)의 선형 변위(translational displacement)는 허용하고, 회전을 방지하여, 보다 안정적인 회전운동을 구동기에 제공한다. 즉, 위치변동지지대(151)는 상기 구동기(110)에 길이방향으로 스트레스를 가하여 길이 변화와 인장을 유도하여 외부 온도 변화에 따라 변형이 용이한 구조로 만들어 준다. 또한, 온도 변화시 발생하는 구동기(150)의 회전을 위치변동지지대(151)는 풀림을 방지하고 자성체의 큰 회전력 발생을 유도한다.

주지하는 바와 같이, 코일(130)의 양 끝에 검류계를 연결하여 코일(130)을 고정하고, 자성체(120)를 움직이면 상기 자성체(120)의 움직임에 따라 코일(130) 속을 흐르는 자속량(자기장)의 크기가 변화되며, 이 자속량(자기장)의 변화에 의해 코일(130)에 전류가 유도되는 전자기 유도(electromagnetic induction)작용으로 전기가 발생되는 즉, 코일(130)이 극성과 자성체(120)의 극성이 상호 교차되면서 전기를 발생시키게 된다.

상기 코일(130)은 보다 구체적으로, 도 2에 나타난 바와 같이, 구동기(110)의 일 측면에 소정의 거리만큼 이격되어 위치되어 있을 수 있다.

상기 자성체(120)는 영구자석이면 이에 제한되지 않으나, 본 실시예에서는 네오디윰 자성체를 사용한다. 또한, 상기 자성체(120)의 형태는 특별히 제한되지 않으나, 바람직하게는 막대 형태이거나 NS극이 좌우로 되어 있는 원기둥 형태일 수 있다.

상기 자성체(120)의 무게는 상기 에너지 하베스팅 장치에서 회전형 구동기(110)의 온도변화에 따른 풀리고(uncoil) 다시 꼬이는(coil) 사이클의 주기를 조절하는데 있어서 중요한 요소이므로, 상기 자성체(120)는 상기 회전형 구동기(110) 보다 10 내지 1000 배인 것이 바람직하다. 상기 자성체(120)의 무게 범위를 벗어나게 되면, 상기 회전형 구동기(110)의 사이클 주기, 회전속도 및 회전수가 감소하게 되어 외부 온도변화에 대한 에너지 전환 효율이 상대적으로 감소하게 된다.

상기 회전형 구동기의 길이는 1 내지 20 ㎝인 것이 바람직하다.

또한, 상기 자성체(120)와 코일(130) 간의 이격된 거리는 1 mm 인 것이 바람직한데, 상기 이격된 거리가 1 ㎜ 미만이면 코일에 의해 자성체의 회전력이 저하될 수 있다. 자성체의 자기장이 미치는 범위 안에서는 전기에너지를 유도 할 수 있지만 1 ㎜를 초과하게 되면 자성체(120)에 의해 코일(130) 내 자속변화를 유도함에 있어, 손실이 발생하므로 에너지 전환효율이 저하되는 문제가 발생한다.

본 발명의 에너지 하베스팅 장치에 온도에 따라 개폐되는 구성요소를 부가하여 파이프 등의 협소하면서 고온의 열이 일정하게 발생하는 장소나 일정한 따뜻한 바람이 발생하는 곳에 부착하기 극히 용이한 것이다.

상기 에너지 하베스팅 장치는 개폐구가 구비된 판(170); 상기 개폐구의 열림과 닫힘을 발생시키는 상기 구동기에 연결된 핀(160);을 더 포함할 수 있고. 이러한 구조는 도 3에 보다 상세히 나타내었다.

상기 계폐구가 구비된 판(170)은 상기 회전형 구동기(110) 하단부(150) 말단에 위치하고, 상기 핀(160)은 상기 회전형 구동기 하단부(150)의 임의의 위치에 고정되어 있다.

도면 3a에서 열이 상기 판(170)에 구비된 개폐구를 통하여 상기 회전형 구동기(110)를 가열하게 되면 상기 회전형 구동기(110)가 풀리는 방향으로 회전이 발생하게 된다. 이때, 상기 회전형 구동기(110)의 하단부(150)의 임의의 위치에 고정되어 있던 핀(160)이 회전을 하여 상기 개폐구를 통해 올라오던 열을 차단하게 되면 상기 회전형 구동기(110)는 주변온도가 내려감에 따라서 꼬이는 방향으로 회전하게 된다. 상기 회전형 구동기(110)의 회전수는 양끝(140, 150)을 기준으로 가운데로 갈수록 많은 회전수가 발생한다. 발생하는 회전수는 상기 핀(160)의 위치에 따라서 조절 할 수 있으며 상기 핀(160)의 무게는 상기 회전형 구동기(110)의 회전운동 및 토크에 영향을 주지 않는 가벼운 무게이면 이에 제한되지 않는다.

이하, 제 2 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치에 대해 도 4를 참조하여 설명한다.

도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치의 단면도(a)와, 위에서 바라본 모습(b) 및 측면에서 바라본 모습(c)을 촬영한 사진이다.

본 발명의 제 2 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치는 상기 제 1 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치와 비교하여 전반적으로 유사하지만, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 구동기(210) 내에 포함된 자성체(220)를 감싸도록 설치되어 있다는 점에서 차이가 있다. 특히, 상기 자성체(220)는 3계 즉, 상기 구동기(210)에 구비된 자성체(220)와 소정의 거리만큼 이격되어 위치하면서, 상기 자성체(220)를 감싸며 구비된다.

이하, 제 3 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치에 대해 도 5를 참조하여 설명한다.

도 5는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치의 단면도이고, 도 6은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치를 측면에서 바라본 모습(a)이고, 위에서 바라본 모습(b) 및 시간에 따른 전압을 측정한 그래프(c)이다.

본 발명의 제 3 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치는 상기 제 1 및 제 2 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치와 비교하여 전반적으로 유사하지만, 도 4에 도시한 바와 같이, 상기 에너지 하베스팅 장치(300)에 구비된 상기 구동기(310)의 하단부(340) 및 상단부(350) 중 어느 하나가 고정되어 있고, 고정되어 있지 않은 말단은 위치변동지지대(351)가 설치되어 있는데, 이를 본 제 3 실시예에서는 자성체로 구비하였다는 점에서 차이가 있다.

또한, 상기 자성체인 상기 위치변동지지대(351)를 감싸듯 둘러싸고 있는, 이격되어 배치된 코일(352)을 더 포함한다.

상기 에너지 하베스팅 장치가 기체 또는 액체에 의한 온도변화에 노출되면, 상기 에너지 하베스팅 장치 내에 포함되는 상기 회전형 구동기(310)의 수축 또는 팽창을 유발하여 수직(길이변화) 및 수평(회전력)으로 운동하게 된다. 이때, 상기 회전형 구동기(310)의 어느 한 말단에 구비된 상기 위치변동지지대(351)는 상기 회전형 구동기(310)의 길이변화에 따라 수직적 위치에너지 변화를 갖고, 이러한 상하(수직) 운동에 의해 상기 자성체로 구비된 위치변동지지대(351)가 움직이고, 이로 인해 상기 코일(352) 속을 흐르는 자속량(자기장)의 크기가 변화되며, 이 자속량(자기장)의 변화에 의해 코일(352)에 전류가 유도되는 전자기 유도(electromagnetic induction)작용으로 전기가 발생되는 즉, 코일(352)이 극성과 자성체(351)의 극성이 상호 교차되면서 전기를 발생시키게 되므로, 상기 위치변동지지대(351)의 위치에너지 변화를 전기에너지로 변환할 수 있다.

무게중심지지대(351) 자성체의 형태는 특별히 이에 제한되지 않지만, N극 S극이 아래 위로 있는 원기둥 형태의 자성체가 가장 바람직하다.

이하, 제 4 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치에 대해 도 7을 참조하여 설명한다.

본 발명의 제 4 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치는 상기 제 1 내지 제 3 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치와 비교하여 전반적으로 유사하지만, 도 6에 도시한 바와 같이, 온도변화에 의해 수축ㅇ팽창하는, 상기 회전형 구동기(410); 상기 회전형 구동기(410) 내부에 위치하고, 상기 구동기(410)가 회전함에 따라 회전하는, 적어도 하나 이상의 코일(420); 및 상기 회전형 구동기(410)와 이격되어 배치되며, 상기 코일(420)이 회전하면서 내부를 통과하는 자속이 변하여 전기에너지(자기력, 전류)를 생성하는 적어도 하나의 자성체(430)를 포함한다는 점에서 차이가 있다.

상기 자성(430)은 영구자석이면 특별히 이에 제한되지 않으나, 보다 바람직하게는 N, S 극을 갖는 막대형이거나, N 극의 자석과 S 극의 자석이 상기 회전형 구동기(410)를 중심으로 좌우에 설치되고, 상기 코일(420)과 이격되어 배치될 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면은 가로축으로 고정되어 있고, 온도변화에 의해 수축 또는 팽창하는 회전형 구동기를 사용하여 열에너지를 위치에너지로 전환하고, 이를 다시 전기에너지로 전환하는 제 5 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치에 관한 것이다 이하, 제 5 실시예에 따른에너지 하베스팅 장치에 대해 도 21을 참조하여 설명한다.

도 21은 본 발명의 제 5 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치의 구성을 나타낸 단면도이다.

상기 도 21을 참조하여, 제 5 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치를 구체적으로 설명하면, 양 말단이 가로축으로 고정되어 있고, 온도변화에 의해 수축 또는 팽창하는, 회전형 구동기(510); 상기 회전형 구동기(510) 내의 중앙 지점에 구비된 승강수단(520); 상기 승강수단(520) 하부에 구비되고, 상기 승강수단(520)과 연결되어, 상기 회전형 구동기(510)가 회전함에 따라 위치변동을 갖는, 적어도 하나 이상의 자성체(530); 상기 자성체(530)의 상하이동에 의해 전계를 발생시키는 적어도 하나 이상의 코일(540)을 포함한다.

제 5 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치는 온도 변화에 따라 발생하는 상기 회전형 구동기(510)의 회전 에너지를 상기 승강수단(520)를 이용하여 위치에너지로 전환하고, 이를 상기 자성체(530)와 코일(540) 사이의 상대적인 운동에 의해 전류가 유도되는 패러디(faraday) 전자 유도작용을 이용하여 전기 에너지로 발생시킬 수 있다.

다만, 상기에서 상기 자성체(530)의 위치에너지를 전기에너지로 바꾸는 코일(540)과 같은 수단이 포함되지 않아도, 열에 의해 구동되는 상기 회전형 구동기(510)에서의 회전 에너지를 위치에너지와 같은 유용한 일로 전환할 수 있다. 그러나, 본 발명에서의 일 예로, 상기 회전형 구동기(510)가 가로축으로 고정되어 있고, 이로부터 상기 자성체(530)와 상기 코일(540)을 더 구비하여 전기에너지를 발생시키는 에너지 하베스팅 장치에 대해 설명하고자 한다.

다시 말해, 상기 제 5 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치는, 온도가 변화함에 따라 상기 회전형 구동기(510)가 수축ㅇ팽창하면서 회전하게 되고, 이에 따라, 상기 회전형 구동기(510)의 중앙 지점에 연결되어 있는 승강수단(520)이 회전함에 따라 상기 승강수단(520)과 연결된 상기 자성체(530)가 상하이동(세로축 방향 이동)을 한다. 이는 열 에너지가 본 발명에 따른 회전형 구동기에 의해서 기계적(회전, 위치) 에너지로 전환됨을 의미한다.

상기 자성체(530)의 상하이동에 의해, 상기 자성체(530)과 코일(540)의 상대적인 운동에 의해 상기 코일(540)을 통과하는 자속의 변화가 유도되어 전기 에너지를 발생시키는 것을 특징으로 한다.

상기 코일(540)은 상기 자성체(530)의 상하이동에 의해 전계를 발생시킬 수 있는 위치라면 특별히 이에 제한되지 않으나, 바람직하게는 상기 자성체(530)의 상면, 하면, 측면에 구비되거나, 상기 자성체(530)의 측면을 둘러싸는 원통형 구조일 수 있다.

상기 자성체(530)의 측면을 둘러싸는 원통형 구조이면, 상기 자성체(530)의 상하이동시 상기 자성체(530)와 고정되어 있는 상기 원통형 코일(540) 간 상대적인 운동이 발생하여 상기 코일(540)을 통과하는 자속의 변화를 유도하므로, 전기 에너지를 발생시킬 수 있다.

상기 승강수단(520)은 특별히 이에 제한되지 않으나, 바람직하게는 도르레일 수 있다.

상기 자성체(530)의 상하이동 거리, 즉, 세로축 방향 위치 변동 거리는 0.1 내지 3 ㎝인 것이 바람직하다.

상기 자성체(530)는 영구자석이면 특별히 이에 제한되지 않으나, 보다 바람직하게는 N, S 극을 갖는 막대형이거나, 원통형일 수 있다.

이하에서 실시예 등을 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 하며, 다만 이하에 실시예 등에 의해 본 발명의 범위와 내용이 축소되거나 제한되어 해석될 수 없다. 또한, 이하의 실시예를 포함한 본 발명의 개시 내용에 기초한다면, 구체적으로 실험 결과가 제시되지 않은 본 발명을 통상의 기술자가 용이하게 실시할 수 있음은 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연하다.

제조예 1 내지 4. 회전형 구동기

나일론 6,6 섬유 전구체의 한쪽 끝은 모터에 붙이고 다른 끝은 일정한 힘을 가하고 회전이 풀림을 방지하기 위하여 막대기를 연결하여 고정하였다. 꼬는 동안 가해지는 힘은 회전형 구동기의 비틀림 각도나 스프링 지수에 영향을 준다. 가하는 힘은 10 MPa에서 40 MPa 사이이다. 상기 실시예는 26 MPa의 힘을 가하여 만들어 졌으며 구동기의 비틀림 각도는 45ㅀ이고 스프링 지수는 1.14이다. 만들어진 구동기는 진공에서 210 ℃로 2시간동안 열처리를 통하여 제조하였다. 상단부와 하단부가 다른 구조를 만들때는 가운데를 고정하여 상단부를 Z형태로 꼬고 하단부를 S형태로(혹은 반대로) 꼬아서 제조하였다.

다만, 상기 나일론 6,6 섬유가 비틀리고, 꼬이는 구조 등을 달리하여 총 네 가지 형태의 회전형 구동기를 제조하였다.

상단부와 하단부 모두 키랄성 Z형으로 꼬아 만들 때, 코일이 형성되기 전까지 꼬아 만든 ZZ-N과 코일구조로 만든 ZZ-C구조가 있다. 그리고 상당부와 하단부가 다른 키랄성 Z형 S형이 같이 있는 ZS구조에서 코일이 형성되기 전까지 꼬아 만든 ZS-N과 코일구조로 만든 ZS-C구조가 있다.

대표적인 각기 다른 형태의 회전형 구동기를 아래 도 1에 보다 자세히 나타내었다.

보다 구체적으로 설명하면, 두 말단이 고정되어 있고, 비틀린 후, 상단부와 하단부 모두 키랄성 Z형으로 꼬인 형태를 갖는 구동기(ZZ-C)인 실시예 1, 하나의 말단만이 고정되어 있고, 키랄성 Z형 또는 키랄성 S형으로 꼬이는 단계를 거치지 않은 비틀린 구조만을 갖는 구동기(ZZ-N)인 실시예 2, 하나의 말단만이 고정되어 있고, 비틀린 후, 상단부와 하단부 모두 키랄성 Z형으로 꼬인 형태를 갖는 구동기(ZZ-C)인 실시예 3 및 두 말단이 고정되어 있고, 비틀린 후, 상단부는 키랄성 Z형으로 꼬이고, 하단부는 키랄성 S형으로 꼬인 형태를 갖는 구동기(ZS-C)인 실시예 4를 제조하였다.

상기 비틀린 구조를 형성할 때 인가된 회전수(turns)는 최종 근육 길이를 나누어 계산하였고, turns/m로 표기하였으며, 이는 아래 수학식 2로부터 계산한다. 상기 편향각(bias angle)은 비틀린 나일론 6,6 섬유의 표면으로부터 관찰ㅇ기록하였다.

[수학식 2]

상기 식에서,

r은 섬유 중앙으로부터의 반경(radial distance)을 나타내고, T는 초기 섬유 길이에 비해 얼마나 회전을 시켰는가를 나타낸다.

제조예 5. 에너지 하베스팅 장치

본 발명의 회전형 구동기를 이용하여, 열에너지를 전기에너지로 변환할 수 있는 에너지 하베스팅 장치를 고안하였다. 이의 구조를 도 2a 내지 도 2c에 보다 자세히 나타내었다.

제조예 1로부터 제조된 회전형 구동기의 두 말단이 고정되어 있고, 상기 회전형 구동기의 중앙에 자성체가 위치한다. 상기 구동기와 이격되어 배치된 코일은 상기 구동기에 구비된 상기 자성체와 1 mm 떨어져 위치하도록 배치하여 에너지 하베스팅 장치를 제조하였다. 이때, 상기 코일을 오실로스코프와 연결하였고, 상기 코일은 일반 시계에 사용되는 것을 이용하였다.

상기 제조예 1로부터 제조된 구동기는 인접한 공기의 온도가 증가 또는 냉각됨에 따라, 상기 구동기의 꼬임 구조가 풀어지고 다시 감기는 반복적인 행동으로 인해 시계방향 또는 반시계방향으로 회전하게 되고, 이로 인해 유도된 자성체 회전을 통해, 코일 속을 흐르는 자속을 변화시켜 유도된 시간에 따른 전압을 코일에 연결된 오실로스코프로 측정하였다. 상기 측정된 그래프에서 시간에 따른 전압신호의 피크 수는 구동기의 회전수(회전 각)를 나타내고, 회전속도(rpm)는 주파수(frequency, Hz)를 이용한 계산을 통해 알아낼 수 있다.

제조예 6. 에너지 하베스팅 장치.

상기 코일이 일면에 설치된 제조예 5와는 달리, 상기 구동기의 중앙에 구비된 자성체와 1 ㎜의 거리를 두면서, 전체적으로 감싸도록 코일이 설치된 것을 제외하고는 상기 제조예 5와 동일하게 에너지 하베스팅 장치를 제조하였다. 이의 구조는 하기 도 4에 보다 자세히 나타내었다.

본 발명에 따른 회전형 구동기에서 비틀림만(twist) 있는 구조와 꼬인(coil) 형태를 갖는 구조의 차이를 확인 위하여, SEM으로 촬영하였으며, 이를 도 8에 나타내었다.

도 8a는 섬유를 10,000 turns/m로 꼬아 제조된 비틀린(twist) 구조의 회전형 구동기의 구조이고, 이때, 상기 회전형 구동기는 나일론 6,6이고, 26 MPa 인장력으로 제조되었으며, 상기 회전형 구동기가 꼬이기(coil) 이전의 직경은 29 ㎛이고, 비틀린 각도는 45 °이다.

도 8b는 키랄성 Z형 또는 키랄성 S형으로 꼬인(coil) 구조로, 섬유를 56,000 turns/m으로 꼬아서 제조하였으며, 이때 외각 직경은 62 ㎛이고, 스프링 지수(spring index)는 1.14이다.

도 9는 온도 변화에 따른 회전형 구동기의 회전속도 및 회전수(회전각)를 측정하기 위해, 제조예 5로부터 제조된 에너지 하베스팅 장치로부터 측정된 시간에 따른 온도, 전압 및 회전수를 나타낸 그래프이다. 상기 에너지 하베스팅 장치에는 제조예 1로부터 제조된 구동기(ZZ-C)를 이용하였고, 회전형 구동기 근처 공기의 온도변화를 측정하기 위해 열전대(Thermocouple)를 설치하였다.

도 9를 참조하면, 구동기 주위 온도변화가 클 때, 전압 및 회전수가 증가한다는 것을 알 수 있다.

도 10a는 온도변화에 따른 제조예 1, 제조예 4로부터 제조된 구동기(ZZ-C, ZS-C)의 회전속도를 나타낸 그래프이고, 도 10b는 인장 정도에 따른 제조예 1, 제조예 4로부터 제조된 구동기(ZZ-C, ZS-C)의 회전속도를 나타낸 그래프이며, 도 10c는 자성체의 관성 모멘트에 따른 제조예 1, 제조예 4로부터 제조된 구동기(ZZ-C, ZS-C)의 회전속도를 나타낸 그래프이며, 도 10d는 가열ㅇ냉각 사이클 수에 따른 제조예 4로부터 제조된 구동기(ZS-C)의 회전속도를 나타낸 그래프이다. 이때, 제조예 4로부터 제조된 구동기(ZS-C)는 27 ㎛의 직경을 갖고, 전체 길이가 95 ㎜인 것을 사용하였다. 상기 도 10a에서 빈 도형은 온도에 따른 회전각에 대한 그래프이고, 내부가 채워진 도형은 온도에 따른 회전속도에 대한 그래프이다.

도 10을 참조하면, 제조예 4로부터 제조된 구동기(ZS-C)는 하단부와 상단부가 반대구조로 되어 있어 풀리고 꼬일 때 방해가 되지 않아서 구동기를 전체적으로 가열 되었을 때 구동이 가능하다. 이 구동기(ZS-C)는 반만 가열되어 구동하는 ZZ-C에 비하여 2배의 회전속도, 회전수 및 에너지를 가진다.(도 10a)

가열된 부분이 전체 또는 부분이냐를 고려하였을 때, 가열된 상기 구동기의 무게 혹은 길이에 대해서 ZZ-C 및 ZS-C 구동기들은 결국 유사한 회전속도를 가지는 것으로 판단된다.

두 말단이 고정된 상기 구동기(ZZ-C 및 ZS-C)들은 열적 팽창에 의해 구조적 변형이 일어나는데, 늘어난 코일 구조는 열에 의해서 수축을 하게 된다. 위치변동지지대를 이용하거나 양단을 고정하여 늘려서(stretch) 열에 대해서 구조적 변형이 용이하게 만들어 늘어난(stretch) 정도에 따라 회전속도를 측정한 결과(도 10b) 10 내지 15%일 때, 8 cm ZS-C 구동기는 최대 회전속도가 70,200 rpm이라는 것을 확인하였다. 늘어나지 않은 구동기는 열을 흡수하기 위한 표면적이 15% 늘어난 구동기에 비해 좁고, 열적 팽창으로 인해 코일과 코일사이에 마찰이 발생하므로, 15% 늘어난 구동기에 비해 낮은 회전속도를 나타낸다. 도 12의 결과는 늘리지 않은 구동기는 열에 대해서 수축하지 않고 팽창하는 것을 보여주고 회전속도가 작은 것을 보여주어 이를 뒷받침하다.

제조예 4로부터 제조된 구동기(ZS-C)의 중앙에 위치한 자성체의 무게에 따른 관성 모멘트에 의한 회전속도 및 회전토크를 측정한 결과(도 10c), 자성체의 무게에 따라 회전토크는 일정하나, 속도는 점차 감소하는 것을 확인하였다. 즉, 상기 구동기의 자성체 무게를 조절함으로써, 상기 구동기의 회전속도를 제어할 수 있다는 것을 알 수 있다.

상기 제조예 4로부터 제조된 구동기(ZS-C)는 질량이 238 ㎍으로, 이의 회전토크는 아래 수학식 3에 의해서 187 nN·m과 0.77 mP·m/㎏로 계산되었다.

[수학식 3]

τ=I·a

상기 식에서,

a는 자성체의 초기 가속도이고, I는 자성체의 관성 모멘트이고, 이는 아래 수학식 4에 의해 계산되었다.

[수학식 4]

I=1/4MR²+1/12ML²

상기 식에서,

M은 자성체 질량이고, R은 자성체의 반지름, L은 자성체의 길이이다.

이때, 회전각은 자성체의 무게에 상관없이 회전각이 유지되는데, 이는 자성체의 무게가 상기 회전형 구동기를 통해 열에너지가 회전력으로 전환되는데 영향을 미치지 않고 있음을 나타내고 있으며, 이러한 자성체의 무게는 단지 꼬인 구조가 가열과 냉각에 의해 풀리고 다시 꼬이는 하나의 사이클 시간, 즉 간격을 조절할 수 있다.

상기 도 10d의 결과를 통해 가열·냉각 사이클 수와 회전 액츄에이션 주기가 유사하다면 본 발명의 구동기는 회전속도 및 회전각 등의 감소가 거의 나타나지 않는다는 것을 확인하였다.

즉, 상기 도 10c와 도 10d의 결과로부터 제조예 4로부터 제조된 구동기(ZS-C)의 지속적인 안정성을 위해서는 상기 구동기에 비해 24배 무거운 무게를 갖는 자성체를 구비하면 300,000 사이클 동안 안정적이고 연속적인 회전속도를 갖도록 할 수 있다는 것을 확인하였다.

도 11은 본 발명에 따른 다양한 구조를 갖는 구동기(ZS-C, ZS-N, ZZ-C, ZZ-N)의 온도에 대한 회전속도를 비교한 결과를 나타낸 그래프이다. 이때, 제조예 4로부터 제조된 구동기(ZS-C)와, 두 말단이 고정되어 있고, 키랄성 Z형 또는 키랄성 S형으로 비틀린 구조만을 갖는 구동기(ZS-N)와 제조예 1로부터 제조된 구동기(ZZ-C), 제조예 2로부터 제조된 구동기(ZZ-N)를 사용하였다. 또한, 상기 구동기들은 늘어난 정도(stretched (%))와 상기 구동기의 위치변동지지대(151)의 무게(with load (g))를 달리하여 제조하였다.

상기 도 11을 참조하면, 전체적으로, 온도 증가에 따라 15% 늘어나 있고, 꼬인 구조를 갖는 구동기가 회전속도가 우수하였으며, 특히, 단순히 비틀린 구조만 갖는 경우, 위치변동지지대의 무게에 영향을 많이 받는 것을 알 수 있다.

또한, 제조예 4로부터 제조된 구동기(ZS-C)는 다른 구조를 갖는 구동기들에 비해서 우수한 회전속도, 회전수를 갖는데, 상술한 바와 같이, 절반 가열되었을 때 회전하는 제조예 1로부터 제조된 구동기(ZS-C)보다 회전수 및 회전속도가 두 배 더 우수하다는 것을 확인할 수 있다.

도 12는 구동기 아래 부분에 위치한 위치변동지지대의 무게가 미치는 영향을 확인하기 위하여, 각기 다른 무게를 갖는 위치 변동지지대(1.2 g, 2.1 g, 3.1 g, 4.1 g)가 구비된 구동기(ZZ-C, 제조예 3)의 회전수와 인장거동(tensile actuation)을 시간에 따라 측정하여 나타낸 결과 그래프이다. 이때, 상기 위치변동지지대는 도 12a에서 추형태로 아래 부분에 표시된 것이고, 상기 각 구동기는 절반만 가열하였다.

상기 도 12를 참조하면, 상기 위치변동지지대의 무게가 1.2 g일 때, 다른 위치변동지지대를 구비하였을 때에 비해 회전속도가 상당히 낮은 것을 확인하였다.

도 13a는 20 % 늘어난 제조예 4로부터 제조된 구동기(ZS-C)의 실제이미지이고, 도 13b는 부분적으로 꼬인 구조가 풀려있는 비가역적으로 변한 제조예 4로부터 제조된 구동기(ZS-C)의 실제이미지이며, 도 13c는 15% 늘어난 제조예 4로부터 제조된 구동기(ZS-C)의 온도가 증가함에 따라 회전각의 변화를 나타낸 그래프이다.

도 13을 참조하면, 늘어난(stretch) 정도가 10 내지 15% 일 때가 가장 우수한 회전속도를 갖는 다는 것을 확인하였고, 15% 늘어난 구동기를 기준으로 온도가 90 ℃ 이상으로 증가하게 되면 구동기의 구조가 상기 도 10b와 같이 비가역적으로 변화한다는 것을 알 수 있다.

도 14는 스프링 지수(spring index)가 본 발명의 구동기에 미치는 영향을 확인하기 위하여, 제조예 4로부터 제조된 구동기(ZS-C)의 늘어난(stretch) 정도에 따른 회전속도를 측정하여 비교한 결과 그래프로, 이에 따르면 1.14 스프링 지수를 갖는 구동기(ZS-C)는 1.4 스프링 지수를 갖는 구동기(ZS-C)에 비해 높은 회전속도를 갖는다는 것을 알 수 있다.

도 15a는 습도에 따라 제조예 4로부터 제조된 구동기(ZS-C)의 회전속도를 측정하여 나타낸 그래프로, 이에 따르면, 높은 습도(92.8%)에서 구동기의 회전속도가 80,640 rpm으로, 낮은 습도(42.3)에서 보다 12.87%로 더 증가하였다는 것을 알 수 있다.

도 15b는 42.3% 습도 조건 하에서, 제조예 4로부터 제조된 구동기(ZS-C)의 전체 길이에 따른 회전속도를 측정하여 나타낸 그래프로, 이에 따르면, 제조예 4로부터 제조된 구동기(ZS-C)의 회전속도는 길이에 비례하는 것을 알 수 있다. 제조예 4로부터 제조된 구동기(ZZ-C) 또한, 회전속도는 길이에 비례하는 것을 알 수 있고 15 cm 에서 최대 140,000 rpm 까지 관찰하였다.

도 16a는 온도에 따른 제조예 1 및 제조예 4로부터 제조된 구동기(ZZ-C, ZS-C)의 회전 에너지를 비교한 그래프이고, 도 16b는 각기 다른 직경을 갖는 구동기(ZS-C, 제조예 4)의 관성 모멘트에 따른 회전속도(닫힌 도형)와 회전 에너지(열린 도형)의 관계를 나타낸 그래프이며, 도 16c는 제조예 4로부터 제조된 구동기(ZS-C)의 시간에 따른 온도 변화, 회전각 및 회전 에너지를 나타낸 그래프이며, 도 16d는 제조예 4로부터 제조된 구동기(ZS-C)의 직경에 따른 회전 에너지와 회전속도와의 관계를 나타낸 그래프이다. 이때, 상기 구동기의 무게를 238 ㎍로 하였다.

도 16을 참조하면, 절반만 가열된 제조예 1로부터 제조된 구동기(ZZ-C)는 11,900 W/㎏을 생성함을 알 수 있고, 이는 종래 전기모터보다 40 배 더 높고, CNT 섬유(71.9 W/㎏)보다 198 배 더 우수한 수치이다.

0.1 초 동안 가열된 공기에 의해서 온도변화량이 64 ℃였을 때, 직경에 따른 제조예 4로부터 제조된 구동기(ZS-C)는 회전력이 관성 모멘트와 비례하여 증가함이 관찰되었고, 일정한 온도에서는 가열 시간에 따라 회전속도가 증가하였다.

도 17a는 구동기(ZS-C(제조예 4))와 비틀린 구조만을 갖는 형태의 구동기(ZS-N)를 전체적으로 가열하여 측정한 회전 에너지와 힘과의 관계를 비교한 그래프이고, 도 17b는 구동기(ZS-C(제조예 4))와 비틀린 구조만을 갖는 형태의 구동기(ZS-N)를 절반만 가열하여 측정한 회전 에너지와 힘과의 관계를 비교한 그래프이며, 도 17c는 구동기(ZZ-C(제조예 1))와 비틀린 구조만을 갖는 형태의 구동기(ZZ-N)를 절반만 가열하여 측정한 회전 에너지와 힘과의 관계를 비교한 그래프이며, 도 17d는 구동기(ZZ-C(제조예 1))와 비틀린 구조만을 갖는 형태의 구동기(ZZ-N)의 시간에 따른 온도변화, 회전각, 회전속도를 비교한 그래프이다. 이때, 도 17d는 27 ㎛ 직경을 갖는 15% 늘어난 제조예 1로부터 제조된 구동기(ZZ-C)를 사용하였고, 그래프 상에 흑색선으로 표기하였으며, 27 ㎛ 직경을 갖는 1.2 g 무게를 갖는 위치변동지지대 포함한 비틀린 구조만을 갖는 형태의 구동기(ZZ-N)를 사용하여, 상기 그래프 상에 적색 선으로 표기하였다.

이를 참조하면, 두 말단이 고정된 코일 구조를 갖는 구동기가 다른 형태의 구조에 비해 더 높은 회전 에너지를 갖는다는 것을 알 수 있다. 다만, 두 말단이 고정된 꼬인 구조를 갖지 않고, 비틀린 구조만을 갖는 구동기는 다른 형태의 구조에 비해 회전 에너지가 낮지만 무게를 고려한다면 더 높다는 것을 확인하였다.

도 18은 제조예 6으로부터 제조된 에너지 하베스팅 장치를 시연한 것으로, 상기 장치는 102 ㎛의 ZS-C 구조의 구동기(제조예 4)를 포함하고, 상기 3 개의 코일과 원기둥 형태의 네오디윰 자성체를 사용하여 제조하였다.

제조예 1로부터 제조된 구동기(ZZ-N)는 ZS-C보다 기계적인 힘과 에너지 밀도가 높지만, ZS-C보다 회전속도와 회전수가 작으므로, 본 장치에는 ZS-C를 사용하였다. 또한, 상기 장치는 높은 에너지 전환율을 갖도록 하기 위해 상기 실험들로부터 도출된 적절한 구동기의 직경과 자성체 무게를 적용하였다.

도 18b는 상기 도 18a의 장치의 3 개의 코일에 대응하는 시간에 따른 전압변화를 측정하여 나타낸 그래프로, 이에 따르면, 상기 장치에서 ZS-C 구동기의 회전속도는 3120 rpm이고, 최대 0.16 V_ocv를 생성한다는 것을 확인하였다.

또한, 상기 장치로부터 에너지 전환효율을 계산하기 위해서 아래 수학식 5를 사용하였다.

[수학식 5]

상기 식에서,

V는 생성된 전압이고, t₁은 초기 시간, t₂는 자성체가 멈춘 시간이다.

I는 관성모멘트이고, ω는 각 비틀림(twist)과 풀림(untwist)에서의 회전각속도이다.

상기 장치에 사용된 ZS-C 근육은 0.056 kJ/㎏을 생성하였고, 65 ℃의 온도변화량에서 62 μJ/㎝³을 생성하였다. 상기 장치의 회전 에너지로부터 획득된 전기에너지로 3개의 LED를 작동시킬 수 있다는 것을 확인하였다.(도 18d) 이는 상기 회전형 구동기를 이용한 장치는 그래핀 섬유를 사용한 것보다 더욱 우수한 성능을 갖는다는 것을 나타낸다.

도 18d는 제조예 4로부터 제조된 구동기(ZS-C)가 0.3 초의 긴 시간동안 가열되었을 때, 꼬인 구조가 많이 풀렸으나, 더 큰 회전력으로 다시 꼬이게 된다는 것을 확인하였는데, 이는 상기 구동기에 남아있는 잔재열로 인해 탄성모듈러스가 낮아진 상태이기 때문이다.

도 19는 온도에 따라 ZS-C 회전형 구동기의 비틀림 강성(torsional rigidity)과 비틀림 탄성계수(torsional modulus of elasticity)를 나타낸 그래프이다. 상기 회전형 구동기의 주위 온도가 증가될 때 보다, 낮아질 때 더 빠르게 초기상태로 되돌아오는 것을 관찰 할 수 있다. 도 19에 따르면 구동기의 온도가 올라갔을 때, 비틀림 탄성계수가 감소하는 것을 볼 수 있는데, 주위온도가 내려가 다시 구동기가 꼬이려 할 때, 구동기에 남아 있는 잠열에 의해 비틀림 탄성계수가 낮아서 더 빨리 돌아온다는 것을 알 수 있다.

Claims (23)

1. 서로 같은 방향 혹은 반대방향으로 회전시키는 방식으로 제조된 비틀린(twist) 구조의 단일섬유 또는 다섬유를 포함하고,
   상기 섬유는 중앙을 기준으로 상단부와 하단부로 나뉘어지고,
   상기 섬유의 상단부와 하단부는 어느 하나 이상이 고정되어져 있으며,
   상기 상단부와 하단부의 섬유는 각각 독립적으로 키랄성의 Z형 또는 키랄성의 S형 구조로 비틀린(twist) 구조 또는 꼬인 형태(coil)를 갖되,
   상기 상단부의 섬유가 키랄성 Z형 또는 키랄성 S형 구조 중 어느 하나이고, 상기 하단부의 섬유는 그 중 다른 하나인 것을 특징으로 하는 회전형 구동기.
2. 제1항에 있어서,
   상기 섬유는 나일론, 형상기억 폴리우레탄, 폴리에틸렌 및 고무로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 회전형 구동기.
3. 제1항에 있어서,
   상기 회전형 구동기의 상단부와 하단부가 모두 고정되어 있으면 온도변화에 의해 발생하는 상기 회전형 구동기의 수축 또는 팽창으로 회전력을 갖는 것을 특징으로 하고,
   상기 회전형 구동기의 상단부와 하단부 중 어느 하나만 고정되어 있으면 온도변화에 의해 발생하는 상기 회전형 구동기의 수축 또는 팽창으로 회전력 및 길이 변화를 갖는 것을 특징으로 하는 회전형 구동기.
4. 제1항에 있어서,
   상기 비틀린 구조를 갖는 회전형 구동기는 편향각이 20 내지 60 °인 것을 특징으로 하는 회전형 구동기.
5. 제1항에 있어서,
   상기 회전형 구동기의 상단부와 하단부가 모두 고정되어 있는 경우, 상기 회전형 구동기는 고정되기 이전에 전체 길이에 대해 1 내지 25 % 인장된 후, 고정되는 것을 특징으로 하는 회전형 구동기.
6. 제1항에 있어서,
   상기 회전형 구동기의 상단부와 하단부 중 어느 하나만 고정되어 있는 경우, 온도에 따른 길이 변화는 전체길이에 대해 5 내지 30%인 것을 특징으로 하는 회전형 구동기.
7. 제1항에 있어서,
   상기 회전형 구동기는 온도변화에 따라 100 내지 200,000 rpm의 회전속도를 갖는 것을 특징으로 하는 회전형 구동기.
8. 회전형 구동기 2 가닥으로 이루어진 2-플라이 구조를 가지고, 한 가닥처럼 거동하는 것을 특징으로 하며,
   상기 회전형 구동기는 서로 같은 방향 혹은 반대방향으로 회전시키는 방식으로 제조된 비틀린(twist) 구조의 단일섬유 또는 다섬유를 포함하고, 상기 섬유는 중앙을 기준으로 상단부와 하단부로 나뉘어지고, 상기 섬유의 상단부와 하단부는 어느 하나 이상이 고정되어져 있으며, 상기 상단부와 하단부의 섬유는 각각 독립적으로 키랄성의 Z형 또는 키랄성의 S형 구조로 비틀린(twist) 구조 또는 꼬인 형태(coil)를 갖는 것을 특징으로 하는 2-플라이 구조의 회전형 구동기.
9. 제8항에 있어서,
   상기 회전형 구동기 2 가닥이 키랄성의 S형 구조인 경우, Z형으로 꼬아 2-플라이 구조를 형성하면 SZ 꼬임 형태를 가지고,
   상기 회전형 구동기 2 가닥이 키랄성의 Z형 구조인 경우, S형으로 꼬아 2-플라이 구조를 형성하면 ZS 꼬임 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 2플라이 구조의 회전형 구동기.
10. 온도변화에 의해 수축 또는 팽창하는 회전형 구동기;
    상기 회전형 구동기 내에 지점에 위치하고, 상기 구동기가 회전함에　따라 회전하는, 적어도 하나 이상의 자성체 또는 코일; 및
    상기 회전형 구동기와 이격되어 배치되는 적어도 하나 이상의 코일 또는 자성체;를 포함하고,
    상기 회전형 구동기는 서로 같은 방향 혹은 반대방향으로 회전시키는 방식으로 제조된 비틀린(twist) 구조의 단일섬유 또는 다섬유를 포함하고, 상기 섬유는 중앙을 기준으로 상단부와 하단부로 나뉘어지고, 상기 섬유의 상단부와 하단부는 어느 하나 이상이 고정되어져 있으며, 상기 상단부와 하단부의 섬유는 각각 독립적으로 키랄성의 Z형 또는 키랄성의 S형 구조로 비틀린(twist) 구조 또는 꼬인 형태(coil)를 갖는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 장치.
11. 제10항에 있어서,
    상기 회전형 구동기가 온도변화에 따라 수축 또는 팽창하면서, 회전함에 따라 상기 자성체가 회전하고, 상기 코일 내부를 통과하는 자속의 변화를 유도하여 전기에너지를 생성하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 장치.
12. 제10항에 있어서,
    상기 회전형 구동기는 양단이 모두 고정되어 있거나, 어느 하나의 말단만 고정되어 있고,
    상기 회전형 구동기가 어느 하나의 말단만 고정된 경우, 상기 회전형 구동기의 고정되지 않은 어느 하나의 말단에 위치변동지지대를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 장치.
13. 제10항에 있어서,
    상기 자성체는 영구자석이고,
    상기 자성체의 무게는 상기 회전형 구동기에 대해 10 내지 1000 배인 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 장치.
14. 제12항에 있어서,
    상기 위치변동지지대는 자성체인 것을 특징으로 하고,
    상기 위치변동지지대와 이격되어 위치하고, 둘러싼 코일을 포함하고,
    온도변화에 따라 상기 회전형 구동기가 인장되고 수축되면 위치변동지지대가 수평으로 움직이면서 상기 코일 내부를 통과하는 자속이 변하여 전기에너지를 생성하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 장치.
15. 제10항에 있어서,
    상기 에너지 하베스팅 장치의 하단부 및 상단부 중 어느 한 곳에 부착된, 판;
    상기 판은 열림과 닫힘을 발생시키는 개폐구를 포함하고,
    상기 회전형 구동기의 일 지점에 위치하고, 상기 판과 이격되어 배치된, 상기 개폐구와 동일한 모양의 적어도 하나의 핀;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 장치.
16. 제15항에 있어서,
    상기 회전형 구동기가 온도변화에 따라 회전하게 되고,
    상기 회전형 구동기의 회전에 의해 상기 핀이 상기 개폐구와 이격된 수평 위치에 위치하게 되어 개폐구로부터 유입되는 공기의 흐름을 차단하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 장치.
17. 제15항에 있어서,
    상기 개폐구가 구비된 각 판과 핀과의 이격거리는 0.1 내지 3 ㎝인 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 장치.
18. 양 말단이 가로축으로 고정되어 있고, 온도변화에 의해 수축 또는 팽창하는 회전형 구동기;
    상기 회전형 구동기 내의 중앙 지점에 구비된 승강수단;
    상기 승강수단 하부에 구비되고, 상기 승강수단과 연결되어, 상기 회전형 구동기가 회전함에 따라 위치변동을 갖는, 적어도 하나 이상의 자성체; 및
    상기 자성체의 상하이동에 의해 전계를 발생시키는 적어도 하나 이상의 코일;을 포함하고,
    상기 회전형 구동기는 서로 같은 방향 혹은 반대방향으로 회전시키는 방식으로 제조된 비틀린(twist) 구조의 단일섬유 또는 다섬유를 포함하고, 상기 섬유는 중앙을 기준으로 상단부와 하단부로 나뉘어지고, 상기 섬유의 상단부와 하단부는 어느 하나 이상이 고정되어져 있으며, 상기 상단부와 하단부의 섬유는 각각 독립적으로 키랄성의 Z형 또는 키랄성의 S형 구조로 비틀린(twist) 구조 또는 꼬인 형태(coil)를 갖는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 장치.
19. 제18항에 있어서,
    상기 코일은 상기 자성체의 측면을 둘러싸는 원통형인 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 장치.
20. 제18항에 있어서,
    상기 코일은 상기 자성체의 측면 또는 하면에 위치하여 상기 자성체의 상하이동에 의해 전계를 발생시키는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 장치.
21. 제18항에 있어서,
    상기 회전형 구동기가 온도변화에 따라 수축 또는 팽창하면서, 회전함에 따라 상기 자성체는 상하이동을 갖고,
    상기 자성체의 위치변동이 상기 코일과 자성체 간의 이격거리 변동을 야기하여, 상기 코일을 통과하는 자속의 변화가 유도되어 전기에너지를 생성하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 장치.
22. 제18항에 있어서,
    상기 자성체의 상하이동 거리는 0.1 내지 3 ㎝인 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 장치.
23. 제18항에 있어서,
    상기 승강수단은 도르레인 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 장치.

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