KR101282558B1 - Piezoelectric energy harvesting wheel for lunar and planet rover - Google Patents

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Abstract

달 및 행성 탐사차에서 운행 시 바퀴에 전달되는 압력을 전기에너지로 변환시키는 에너지 수확형 바퀴를 구비하는 달 및 행성 탐사차가 개시된다. 달 및 행성 탐사차의 바퀴는, 탐사차의 회전축에 연결되는 림(rim)부, 상기 림부 외측에 구비되는 타이어부 및 상기 림부와 상기 타이어부 사이에서 상기 림부 외주면을 둘러싸도록 구비되며 유연성 있는 압전 폴리머 재질로 형성된 에너지 변환부를 포함하여 구성된다.A lunar and planetary rover is disclosed that has energy harvesting wheels that convert the pressure delivered to the wheels when running on the lunar and planetary rover to electrical energy. The wheel of the lunar and planetary rover is a flexible piezoelectric polymer material which is provided to surround a rim portion connected to a rotation axis of the rover, a tire portion provided outside the rim portion, and an outer circumferential surface of the rim portion between the rim portion and the tire portion. It is configured to include an energy conversion unit formed by.

Description

달 및 행성 탐사차를 위한 압전 에너지 수확형 바퀴{PIEZOELECTRIC ENERGY HARVESTING WHEEL FOR LUNAR AND PLANET ROVER}PIEZOELECTRIC ENERGY HARVESTING WHEEL FOR LUNAR AND PLANET ROVER}

본 발명은 달 및 행성의 탐사차에 관한 것으로, 달 및 행성의 표면에 착륙하여 운행하는 탐사차의 운행 시 바퀴에 작용하는 압력을 이용하여 전기에너지를 생산하는 방법 및 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a rover of a moon and a planet, and to a method and an apparatus for producing electric energy using pressure acting on wheels when a rover that runs on a surface of a moon and a planet operates.

달 및 행성 탐사차는 일정한 고도에서 달이나 행성을 관측하는 위성에 비해 달 및 행성의 상세한 지형관찰을 가능하게 하며, 표면의 토양을 채취하여 분석함으로 원소함유량과 물질에 대한 엄밀한 특성파악 또한 가능하게 한다. 미국의 탐사차을 이용한 화성탐사 연구는 무인 탐사차가 성공적으로 임무를 수행할 수 있음을 보여주었으며, 최근 많은 우주선진국들이 달 개척을 위한 탐사차 개발에 착수하였다. 현재까지 개발된 탐사차는 탑재된 전기 및 전자장비들을 구동하기 위한 전력을 태양에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 태양전지를 이용하여 얻어왔다. 태양전지를 통하여 얻은 전력은 한정된 용량 때문에 탐사차의 활동과 탑재장비 사용시간에 제약을 만들며, 특히 태양광이 확보되지 못하는 환경에서는 탐사차가 임무를 수행하지 못하는 제약이 있다. 따라서 태양전지 이외의 전력을 공급받을 수 있는 발전장치를 활용한다면 탐사차의 활동과 탑재장비 사용을 위한 추가적인 전력공급을 통해 보다 많은 임무수행이 가능해진다.The moon and planetary rover enable detailed observation of the moon and the planet compared to satellites that observe the moon or the planet at a constant altitude, and also allow for accurate characterization of elemental content and materials by collecting and analyzing surface soils. . Mars exploration studies using US rovers have shown that unmanned rovers can successfully perform their missions, and many spacecraft countries have recently begun developing rovers for the moon. The rover developed so far has been obtained using solar cells that convert solar energy into electrical energy to drive onboard electrical and electronic equipment. Because of the limited capacity, the power gained from solar cells creates constraints on the rover's activities and onboard equipment usage time, especially when the rover is unable to carry out its mission. Therefore, if a power generation unit capable of receiving power other than solar cells is used, more missions can be performed through additional power supply for the rover's activities and onboard equipment.

본 발명의 실시예들에 따르면 태양광 이외의 외부 에너지 공급원이 없는 달 및 행성 탐사차에 에너지 공급원을 추가하기 위하여 바퀴의 회전 운동시 발생하는 압력을 전기에너지로 변환하는 발전장치를 우주환경에서 사용 가능한 방식의 달 및 행성 탐사차를 제공하기 위한 것이다.According to the embodiments of the present invention, a power generation device for converting the pressure generated during the rotational movement of the wheels into electrical energy to add the energy source to the moon and planetary rover without an external energy source other than solar light can be used in the space environment. It is to provide a lunar and planetary rover of the way.

상술한 본 발명의 실시예들에 따른 달 및 행성 탐사차의 압전 에너지 수확형 바퀴는, 탐사차의 회전축에 연결되는 림(rim)부, 상기 림부 외측에 구비되는 타이어부 및 상기 림부와 상기 타이어부 사이에서 상기 림부 외주면을 둘러싸도록 구비되며 유연성 있는 압전 폴리머층과 전도성 폴리머층이 적층 형성된 에너지 변환부를 포함하여 구성되고, 상기 에너지 변환부는 주행 시 상기 림부 및 상기 타이어부 사이에서 두께 방향으로 하중이 가해짐에 따라 재료 변형이 유발되어 전하가 발생한다.Piezoelectric energy harvesting wheels of the moon and planetary rover according to the embodiments of the present invention described above, a rim (rim) connected to the axis of rotation of the rover, a tire provided on the outside of the rim and between the rim and the tire In the outer peripheral surface of the rim portion is provided to include a flexible piezoelectric polymer layer and a conductive polymer layer laminated energy conversion portion is formed, the energy conversion portion is applied in the thickness direction between the rim portion and the tire portion during driving As a result, material deformation is caused and electric charges are generated.

일 측에 따르면, 상기 에너지 변환부는 다수의 압전 폴리머층과 다수의 전도성 폴리머층이 교대로 적층된 다층 구조를 갖는다. 예를 들어, 상기 압전 폴리머층은 폴리비닐라덴 플로라이드(polyvinylidene-fluoride, PVDF) 재질로 형성될 수 있다. 또한, 상기 전도성 폴리머층은 전기 전도성을 갖는 폴리머 중 어느 하나 또는 두 가지 이상의 물질로 형성될 수 있다.According to one side, the energy conversion unit has a multilayer structure in which a plurality of piezoelectric polymer layers and a plurality of conductive polymer layers are alternately stacked. For example, the piezoelectric polymer layer may be formed of polyvinylidene fluoride (PVDF) material. In addition, the conductive polymer layer may be formed of any one or two or more materials of the polymer having electrical conductivity.

일 측에 따르면, 상기 에너지 변환부는 상기 림부와 상기 타이어부 사이의 공간에서 미끄러질 수 있도록 삽입된다. 또한, 상기 에너지 변환부는 상기 림부와 상기 타이어부 사이 공간에서 인장된 상태로 삽입된다.According to one side, the energy conversion unit is inserted to slide in the space between the rim portion and the tire portion. In addition, the energy conversion portion is inserted in a tensioned state in the space between the rim portion and the tire portion.

일 측에 따르면, 상기 림부 외주면과 상기 타이어부 내주면에는 각각 요철부가 형성되고, 상기 에너지 변환부는 상기 요철부 사이에서 미끄러질 수 있도록 삽입되며, 지면에서 전달되는 압력에 의해 상기 에너지 변환부는 상기 요철부 사이에서 가압되면 상기 에너지 변환부는 두께방향으로 압축될 뿐만 아니라 적층면 방향으로 인장되어 두께 및 평면방향으로 변형되면서 전하를 발생시킨다. According to one side, the rim portion outer peripheral surface and the tire portion inner peripheral surface is formed with an uneven portion, the energy conversion portion is inserted so as to slide between the uneven portion, the energy conversion portion between the uneven portion by the pressure transmitted from the ground When pressed at the energy converter is not only compressed in the thickness direction but also stretched in the lamination plane direction to generate charge while deforming in the thickness and plane direction.

여기서, 상기 요철부는 상기 림부 외주면과 상기 타이어부 내주면에 각각 요철이 형성되거나, 상기 림부 외주면과 상기 타이어부 내주면에 각각 요철 형태를 갖는 구조물을 장착하여 형성할 수 있다. 그리고 상기 요철부는 박판 형태의 상기 에너지 변환부를 균일하게 가압할 수 있도록 완만한 표면 형상을 가지는 다수의 요철이 형성된다.Here, the uneven portion may be formed by unevenness is formed on the outer peripheral surface of the rim portion and the inner peripheral surface of the tire portion, respectively, or may be formed by mounting a structure having a concave-convex shape on the outer peripheral surface of the rim portion and the inner peripheral surface of the tire portion. The irregularities are formed with a plurality of irregularities having a gentle surface shape so as to uniformly press the energy conversion unit in the form of a plate.

한편, 상술한 본 발명의 다른 실시예들에 따른 달 및 행성 탐사차는 상술한 압전 에너지 수확형 바퀴를 구비한다.On the other hand, the moon and planetary rover according to other embodiments of the present invention described above is provided with the above-described piezoelectric energy harvesting wheel.

이상에서 본 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 태양전지가 유일한 전력생산 장치였던 기존의 달 및 행성 탐사차에 비하여, 추가적인 전력 공급이 가능하므로 탐사차의 활동과 탑재장비 가동을 위한 전력을 보충할 수 있다. 이는 탐사차의 활동과 탑재장비 사용시간이 연장되도록 하며, 보다 많은 탑재장비의 활용 또한 가능하게 하여 탐사차의 임무수행 능력을 강화시킬 수 있다.As described above, according to the embodiments of the present invention, since the solar cell is capable of providing additional power, compared to the existing moon and planetary rover, which was the only electric power generating device, power for the rover's activities and onboard equipment is supplemented. can do. This can extend the rover's activities and the use of onboard equipment, and enable more onboard equipment to be used to enhance the rover's ability to perform missions.

또한, 달 및 행성 탐사차의 이동시 바퀴에 전달되는 압력을 전기에너지로 변환시키는 에너지 수확형 바퀴를 구비하여 탐사차 이동을 위한 모터 구동전력의 일부를 회수함으로 효율적인 탐사차 운영을 가능하게 한다. 따라서 제한된 전력으로 탐사차의 구동력을 높이면서도 장시간 동안 운행할 수 있으며, 보다 많은 탑재장비의 활용을 가능하게 한다.In addition, it is equipped with an energy harvesting wheel that converts the pressure transmitted to the wheels during the movement of the moon and planetary rover to electric energy to enable efficient rover operation by recovering a portion of the motor driving power for the rover. Therefore, it can operate for a long time while increasing the driving power of the rover with limited power, and enables the use of more onboard equipment.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 달 및 행성 탐사차의 에너지 수확형 바퀴를 도시한 모식도이다
도 2는 도 1의 탐사차 바퀴에 사용된 에너지 변환부의 일부를 도시한 사시도이다.
도 3은 도 2의 에너지 변환부의 단면을 도시한 모식도이다.1 is a schematic diagram showing the energy harvesting wheel of the moon and planetary rover according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a perspective view illustrating a part of an energy conversion unit used in the rover wheel of FIG. 1.
FIG. 3 is a schematic diagram illustrating a cross section of the energy conversion unit of FIG. 2.

이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 대해 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략될 수 있다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, but the present invention is not limited to or limited by the embodiments. In describing the present invention, a detailed description of well-known functions or constructions may be omitted for clarity of the present invention.

이하, 도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 달 및 행성 탐사차의 에너지 수확형 바퀴(10)에 대해서 상세하게 설명한다. 참고적으로, 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 달 및 행성 탐사차의 에너지 수확형 바퀴(10)를 도시한 모식도이다. 도 2는 도 1의 바퀴(10)에 사용된 에너지 변환부(13)의 일부를 도시한 사시도이고, 도 3은 도 2의 에너지 변환부(13)의 단면을 도시한 모식도이다.Hereinafter, the energy harvesting wheel 10 of the moon and the planetary rover according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 1 to 3. For reference, Figure 1 is a schematic diagram showing the energy harvesting wheel 10 of the moon and planetary rover according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a perspective view illustrating a part of the energy conversion unit 13 used in the wheel 10 of FIG. 1, and FIG. 3 is a schematic view showing a cross section of the energy conversion unit 13 of FIG. 2.

도면을 참조하면, 달 및 행성 표면에 착륙하여 운행되는 탐사차의 바퀴(10)는 달 및 행성 탐사차의 회전축에 연결된 림(rim)부(15)와 타이어부(11) 및 운행 시 전기에너지를 생산하는 에너지 변환부(13)로 구성된다.Referring to the drawings, the wheel of the rover 10 which lands on the surface of the moon and the planet produces a rim 15 and a tire 11 connected to the rotational axis of the moon and the planetary rover and electric energy during operation. It consists of the energy conversion unit 13 to.

에너지 변환부(13)는 타이어부(11)와 림부(15) 사이에 구비되며 림부(15) 표면을 둘러싸도록 구비된다. 또한, 에너지 변환부(13)는 1㎜ 이하의 두께를 갖도록 형성되며, 림부(15)와 타이어부(11) 사이에서 자유롭게 미끄러질 수 있도록 삽입된다.The energy conversion part 13 is provided between the tire part 11 and the rim part 15, and is provided to surround the surface of the rim part 15. In addition, the energy conversion unit 13 is formed to have a thickness of 1 mm or less, and is inserted to slide freely between the rim portion 15 and the tire portion 11.

여기서, 에너지 변환부(13)는 림부(15)와 타이어부(11) 사이에서 자유롭게 미끄러질 수 있도록 삽입되는데, 팽팽하게 인장된 상태로 바퀴(10)에 장착된다. 즉, 에너지 변환부(13)는, 도 1의 'A' 부분에 도시한 바와 같이, 바퀴(10)의 윗면에서는 힘이 작용하지 않으므로 팽팽하게 인장된 상태이다. 그리고 'B' 부분에 도시한 바와 같이, 바퀴(10)의 아랫면에서는 힘을 받아서 요철부(111, 151) 사이로 굽힘 변형되어 들어간다.Here, the energy conversion unit 13 is inserted to slide freely between the rim portion 15 and the tire portion 11, it is mounted on the wheel 10 in a tensioned state. That is, the energy converter 13 is in a tensioned state because no force acts on the upper surface of the wheel 10, as shown in part 'A' of FIG. And, as shown in the 'B' portion, the lower surface of the wheel 10 is bent and deformed between the uneven portion 111, 151 receives a force.

또한, 에너지 변환부(13)는 림부(15) 및 타이어부(11)에 접착제 등을 이용하여 부착되지 않고, 단순히 림부(15)와 타이어부(11) 사이에 삽입된다.In addition, the energy conversion unit 13 is not attached to the rim portion 15 and the tire portion 11 using an adhesive or the like, and is simply inserted between the rim portion 15 and the tire portion 11.

림부(15)의 외주면과 타이어부(11)의 내주면에는 소정 형상이 요철이 형성된 요철부(111, 151)가 구비된다. 여기서, 요철부(111, 151)는 에너지 변환부(13)를 두께 방향으로 눌러서 늘어나도록 하는 작용을 하는데, 평면이 가압하는 것에 비해서 요철부(111, 151)를 형성함으로써 에너지 변환부(13)가 더 많이 늘어나도록 할 수 있다. 그리고 요철부(111, 151)는 박판 형태의 에너지 변환부(13)를 균일하게 가압하여 늘리되 하중이 집중되거나 해서 손상이 가해지늘 것을 방지할 수 있도록 요철의 표면 형상이 완만하게 형성되며 다수의 요철이 형성된 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 요철부(111, 151)는, 도 1에 도시한 바와 같이, 바퀴(10)의 측면에서 보았을 때 린부(15) 외주면과 타이어부(11) 내주면이 소정의 곡면 형태 또는 웨이브 형태를 가질 수 있다. 그러나 본 발명이 도면에 의해 한정되는 것은 아니며 요철부(111, 151)의 형상은 에너지 변환부(13)의 면적을 늘릴 수 있고 박판에 균일하게 하중을 가할 수 있는 실질적으로 다양한 형상을 가질 수 있다.The outer circumferential surface of the rim portion 15 and the inner circumferential surface of the tire portion 11 are provided with uneven portions 111 and 151 having a predetermined shape. Here, the concave-convex portions 111 and 151 press the energy converter 13 in the thickness direction so as to extend the concave-convex portions 111 and 151. Can be increased more. In addition, the uneven parts 111 and 151 uniformly press the thin energy conversion unit 13 in a thin plate shape, but the surface shape of the uneven surface is smoothly formed to prevent the damage from being applied due to the concentrated load. Unevenness may be formed. For example, as shown in FIG. 1, the uneven parts 111 and 151 have a predetermined curved shape or wave shape when the outer peripheral surface of the lean portion 15 and the inner peripheral surface of the tire portion 11 are viewed from the side of the wheel 10. It can have However, the present invention is not limited by the drawings, and the shapes of the uneven parts 111 and 151 may have a variety of shapes that can increase the area of the energy conversion part 13 and can apply a uniform load to the thin plate. .

여기서, 요철부(111, 151)는 보강판 형태로 구비되거나, 림부(15)의 외주면 및 타이어부(11)의 내주면에 직접 요철이 형성된 형태를 가질 수 있다.Here, the uneven parts 111 and 151 may be provided in the form of a reinforcing plate, or may have a form in which the uneven parts are directly formed on the outer circumferential surface of the rim portion 15 and the inner circumferential surface of the tire portion 11.

에너지 변환부(13)는 림부(15)와 타이어부(11)에 직접 접촉하는 것이 아니라 요철이 형성된 요철부(111, 151)에 접촉한다. 요철부(111, 151)는 에너지 변환부(13)에 더 많은 변형량을 유발하기 위한 것으로, 도 1에 도시한 바와 같이, 요철부(111, 151) 사이의 공간에서 자유롭게 미끄러질 수 있도록 삽입된다. 즉, 에너지 변환부(13)는 도 1에서 'B' 부분에 도시한 바와 같이 지면에서 전달되는 압력에 의해 두께 방향으로 압축될 뿐만 아니라, 도 1의 'A' 부분에 도시한 바와 같이 압력이 작용하지 않는 부분에는 인장하중을 유발함으로써 전하를 발생시킬 수 있다. 따라서, 요철부(111, 151) 사이에 박판 형태의 에너지 변환부(13)를 삽입함으로써 두께 방향으로 작용하는 압력과 함께 평면 방향으로 박판을 늘어나게 하는 인장하중도 동시에 가해줄 수 있어서 에너지 변환부(13)에서 발생되는 전력량을 더욱 증가시킬 수 있다.The energy conversion unit 13 is not in direct contact with the rim portion 15 and the tire portion 11 but in contact with the uneven portions 111 and 151 in which the unevenness is formed. The uneven parts 111 and 151 are intended to cause more deformation in the energy converter 13, and are inserted to slide freely in the space between the uneven parts 111 and 151 as shown in FIG. 1. That is, the energy converter 13 is compressed not only in the thickness direction by the pressure transmitted from the ground as shown in part 'B' in FIG. 1, but also as shown in part 'A' in FIG. 1. In the non-functional part, a charge can be generated by inducing a tensile load. Therefore, by inserting a thin plate-shaped energy conversion unit 13 between the uneven portions 111 and 151, it is possible to simultaneously apply a tensile load for stretching the thin plate in the planar direction together with the pressure acting in the thickness direction. It is possible to further increase the amount of power generated in 13).

에너지 변환부(13)는 탐사차의 운행 시 바퀴(10)에 전달되는 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있도록 압전소자 재질로 형성된다. 또한, 바퀴(10)의 운행 시 반복적으로 가해지는 하중에 의해 파괴 및 손상되지 않도록 유연한 재질로 형성된다.The energy conversion unit 13 is formed of a piezoelectric element material so as to convert energy transmitted to the wheels 10 into electrical energy when the rover travels. In addition, the wheel 10 is formed of a flexible material so as not to be destroyed and damaged by the load repeatedly applied during the operation.

상세하게는, 에너지 변환부(13)는 소정 두께의 압전 폴리머층(131)으로 이루어지고, 압전 폴리머층(131)이 변형됨에 따라 발생하는 전기 에너지를 수집 및 축전하기 위한 전도성 폴리머층(133, 135)이 구비된다. 압전폴리머의 대표적인 예를 들면, 폴리비닐라덴 플로라이드(polyvinylidene-fluoride, PVDF, (CH2CF2)n) 를 사용할 수 있다. PVDF는 인장강도가 및 파손변형률 값이 크며 고온 및 저온에서도 물성저하가 나타나지 않고, 진공환경에서 누출되는 기체량이 미미하고, 수증기를 비롯한 다양한 가스환경에서도 부식성 및 투과성을 보이지 않는 장점이 있어서 우주환경에서 사용 가능한 소재라는 장점이 있다.In detail, the energy conversion unit 13 includes a piezoelectric polymer layer 131 having a predetermined thickness, and the conductive polymer layer 133 for collecting and storing electrical energy generated as the piezoelectric polymer layer 131 is deformed. 135). As a representative example of the piezoelectric polymer, polyvinylidene fluoride (PVDF, (CH 2 CF 2 ) n ) may be used. PVDF has the advantages of high tensile strength and strain rate, no deterioration of physical properties even at high and low temperatures, minimal amount of gas leaking in vacuum environment, and no corrosiveness and permeability in various gas environments including water vapor. It has the advantage of being a usable material.

전도성 폴리머층(133, 135)은 전기 전도성을 가지는 폴리머 재료라면 모두 적용 가능하며, 예를 들어, 최근에 많은 연구가 이루어지고 있는 폴리티오펜계 전도성 고분자인 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(Poly(3,4-Ethylene Di Oxy Thiophene), PEDOT)와 같은 재질로 형성될 수 있다. 그리고 전도성 폴리머층(133, 135)은 PEDOT등의 재료를 압전 폴리머층(131)에 코팅 등의 방법을 이용하여 형성할 수 있다.The conductive polymer layers 133 and 135 may be applied to any polymer material having electrical conductivity. For example, poly (3,4-ethylenedioxythiophene), which is a polythiophene-based conductive polymer that has been studied in recent years. It may be formed of a material such as Poly (3,4-Ethylene Di Oxy Thiophene) or PEDOT. The conductive polymer layers 133 and 135 may be formed by coating a piezoelectric polymer layer 131 with a material such as PEDOT.

또한, 에너지 변환부(13)는, 도 2에 도시한 바와 같이, 두께 방향으로 분극이 발생하도록 제작되는데, 이는 넓은 면적에 많은 전하가 축전될 수 있기 때문이다. 그러나 두께 방향(도 2에서 '3' 방향)으로는 많은 힘이 가해져도 압축될 수 있는 변형량이 크지 않으므로 큰 전하가 발생하지 못한다. 반면, 평면 방향(도 2에서 '1' 및 '2' 방향)으로는 힘이 가해지면 작은 힘에도 박막은 큰 변형량이 발생하므로 큰 전하량이 발생한다.In addition, as shown in FIG. 2, the energy conversion unit 13 is manufactured so that polarization occurs in the thickness direction, because a large amount of charge can be stored in a large area. However, even if a lot of force is applied in the thickness direction ('3' direction in FIG. 2), the amount of deformation that can be compressed is not large, and thus a large charge does not occur. On the other hand, when a force is applied in the planar direction ('1' and '2' directions in FIG. 2), the thin film generates a large amount of deformation even at a small force, thereby causing a large amount of charge.

도 2에 도시한 바와 같이, 에너지 변환부(13)는 소정 두께의 압전 폴리머층(131)의 상하면에 전도성 폴리머층(133, 135)이 구비된 단일 구조를 가질 수 있다.As shown in FIG. 2, the energy converter 13 may have a single structure in which conductive polymer layers 133 and 135 are provided on upper and lower surfaces of the piezoelectric polymer layer 131 having a predetermined thickness.

또는, 에너지 변환부(13)는 발생 전하량을 증가시키기 위해서, 도 3에 도시한 바와 같이, 압전 폴리머층(131)과 전도성 폴리머층(133, 135)이 교대로 다층으로 적층된 구조를 가질 수 있다. 에너지 변환부(13)는 상하 방향으로 압전 폴리머층(131)을 적층하고 도 3에 도시한 바와 같이, 각 압전 폴리머층(131)을 회로 상으로 병렬 연결한다. 이는 모든 압전 폴리머층(131)의 면적으로 모두 합한 전체 면적과 대응되는 박판의 경우와 동일한 전하량을 축전할 수 있다. 또한, 탐사차의 운행시 바퀴(10)에 전달되는 압력이 다층의 압전 폴리머층(131)에 전달되어 생산되는 전기에너지를 증가시킬 수 있다.Alternatively, the energy converter 13 may have a structure in which the piezoelectric polymer layers 131 and the conductive polymer layers 133 and 135 are alternately stacked in multiple layers, as shown in FIG. 3, in order to increase the generated charge amount. have. The energy conversion unit 13 stacks the piezoelectric polymer layers 131 in the vertical direction and connects the piezoelectric polymer layers 131 in parallel on the circuit as shown in FIG. 3. This may accumulate the same amount of charge as in the case of the thin plate corresponding to the total area summed up with the areas of all the piezoelectric polymer layers 131. In addition, the pressure transmitted to the wheels 10 during the operation of the rover may be transmitted to the multilayer piezoelectric polymer layer 131 to increase electrical energy produced.

또한, 에너지 변환부(13)는 적층된 두께가 1㎜ 이하로 형성된다. 예를 들어, 에너지 변환부(13)는 압전 폴리머층(131)은 20㎛ 이하의 두께를 갖는 다수의 압전 폴리머층(131)과 10㎛ 이하의 두께를 갖는 다수의 전도성 폴리머층(133, 135)이 교대로 적층되며, 이와 같이 적층된 에너지 변환부(13)의 총 두께는 1㎜ 이하로 형성된다.In addition, the energy conversion unit 13 is formed with a laminated thickness of 1 mm or less. For example, in the energy converter 13, the piezoelectric polymer layer 131 may have a plurality of piezoelectric polymer layers 131 having a thickness of 20 μm or less and a plurality of conductive polymer layers 133, 135 having a thickness of 10 μm or less. ) Are alternately stacked, and the total thickness of the stacked energy converter 13 is 1 mm or less.

본 실시예들에 따르면, 에너지 변환부(13)는 압전 폴리머층(131)과 전도성 폴리머층(133, 135)이 모두 폴리머 재질의 박판으로 이루어지므로 신축성 있게 탄성 변형할 수 있으며, 변형량이 커서 전기 에너지 발생량이 크다. 또한, 전체 두께가 얇은 박판 형태로 이루어지므로 요철부(111, 151)를 이용하여 압축함으로써 평면 방향으로 보다 많은 변형량을 발생시킬 수 있다.According to the present embodiments, since the piezoelectric polymer layer 131 and the conductive polymer layers 133 and 135 are both made of a thin polymer material, the energy converter 13 may elastically deform elastically, and the deformation amount is large. Large amount of energy generated In addition, since the overall thickness is made of a thin plate shape, it is possible to generate more deformation in the planar direction by compressing using the uneven parts 111 and 151.

한편, 일반적으로 압전소자로는 PZT(Lead zirconate titanate, Pb[ZrxTi1 -x]O3 (0≤x≤1))라는 세라믹 소재가 주로 사용된다. 그러나 PZT 등의 세라믹 소재의 경우, 취성(brittleness)이 큰 소재이기 때문에 변형 가능한 변형량이 작아서 큰 전력을 발생시키지 못하고 반복해서 가해지는 피로 하중에 의해 소재가 손상되기 쉬워서 발전기로 사용하는 데는 한계가 있다.In general, a ceramic material called PZT (Lead zirconate titanate, Pb [Zr x Ti 1 -x ] O 3 (0 ≦ x ≦ 1)) is mainly used as a piezoelectric element. However, in the case of ceramic materials such as PZT, since brittleness is high, the amount of deformation that can be deformed is small, so that the material is easily damaged by fatigue load repeatedly applied, and there is a limit in using it as a generator. .

이에 반해, 본 실시예들에 따르면, 에너지 변환부(13)는 폴리머 압전소자라는 유연한 재질로 형성되므로 보다 큰 변형량을 인가할 수 있고 다양한 형상으로 제조가 가능하다. 또한, 유연한 재질이므로 반복되는 피로 하중에 의한 손상을 방지할 수 있다.On the contrary, according to the present embodiments, since the energy conversion unit 13 is formed of a flexible material called a polymer piezoelectric element, a larger deformation amount can be applied and it can be manufactured in various shapes. In addition, since it is a flexible material, it is possible to prevent damage due to repeated fatigue loads.

본 실시예들에 따르면, 탐사차의 운행 시 바퀴에서 발생하는 기계적 변형에 의해 전기에너지를 생산 및 수확하므로, 탐사차 운행을 위한 모터 구동전력의 일부를 회수할 수 있어서 효율적인 탐사차 운영을 가능하게 한다. 또한, 제한된 전력으로 탐사차의 구동력을 높이면서도 추가 전력의 공급이 가능하므로 탐사차의 활동과 탑재장비 사용시간을 연장시킬 수 있다. 또한, 보다 많은 탑재장비의 활용을 가능하게 하여 탐사차의 임무수행 능력을 강화시킬 수 있다.According to the present embodiments, since the electrical energy is produced and harvested by mechanical deformation generated from the wheels during the operation of the rover, it is possible to recover a part of the motor driving power for the rover to enable efficient rover operation. In addition, it is possible to increase the driving power of the rover with limited power and to supply additional power, thereby extending the rover's activities and using equipment. In addition, by enabling the use of more on-board equipment can enhance the mission capability of the rover.

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것이다. 또한, 본 발명이 상술한 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 사상은 상술한 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.As described above, the present invention has been described by specific embodiments, such as specific components, and limited embodiments and drawings, but this is provided to help a more general understanding of the present invention. In addition, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications and variations are possible to those skilled in the art to which the present invention pertains. Therefore, the spirit of the present invention should not be limited to the above-described embodiments, and all the things that are equivalent to or equivalent to the scope of the claims as well as the claims to be described later belong to the scope of the present invention.

10: 바퀴
11: 타이어부
13: 에너지 변환부
15: 림(rim)부
111, 151: 요철부
131: 압전 폴리머층
133, 135: 전도성 폴리머층(conductive polymer layer)10: wheels
11: tire part
13: energy conversion unit
15: rim
111, 151: uneven portion
131: piezoelectric polymer layer
133, 135: conductive polymer layer

Claims (7)

달 및 행성 탐사차의 바퀴에 있어서,
탐사차의 회전축에 연결되는 림(rim)부;
상기 림부 외측에 구비되는 타이어부; 및
상기 림부와 상기 타이어부 사이에서 상기 림부 외주면을 둘러싸도록 구비되며 유연성 있는 압전 폴리머층과 전도성 폴리머층이 적층되어 형성된 에너지 변환부;
를 포함하고,
상기 림부 외주면과 상기 타이어부 내주면에는 각각 요철부가 형성되고,
상기 에너지 변환부는 상기 요철부 사이에서 미끄러질 수 있도록 삽입되며,
상기 에너지 변환부는 압력이 전달되지 않을 때는 탄성체처럼 복구될 수 있도록 인장상태로 장착되며,
지면에서 전달되는 압력에 의해 상기 에너지 변환부가 상기 요철부 사이에서 가압되면 상기 에너지 변환부는 두께방향으로 압축될 뿐만 아니라 적층면 방향으로 인장되어 두께 및 평면방향으로 변형되면서 전하를 발생시키는 탐사차의 바퀴.In the wheels of the moon and planetary rovers,
A rim portion connected to the rotating shaft of the rover;
A tire portion provided outside the rim portion; And
An energy conversion unit provided between the rim portion and the tire portion to surround the outer circumferential surface of the rim portion and formed by stacking a flexible piezoelectric polymer layer and a conductive polymer layer;
Lt; / RTI >
Uneven portions are formed on the outer circumferential surface of the rim and the inner circumferential surface of the tire portion, respectively.
The energy conversion unit is inserted to slide between the uneven portion,
The energy converter is mounted in tension so that it can be recovered like an elastic body when no pressure is transmitted,
When the energy conversion portion is pressed between the uneven portion by the pressure transmitted from the ground, the energy conversion portion is not only compressed in the thickness direction, but also tensioned in the lamination plane direction and deformed in the thickness and plane direction to generate charges. 제1항에 있어서,
상기 에너지 변환부는 다수의 압전 폴리머층과 다수의 전도성 폴리머층이 교대로 적층된 다층 구조를 갖는 탐사차의 바퀴.The method of claim 1,
The energy conversion unit wheel of an exploration vehicle having a multilayer structure in which a plurality of piezoelectric polymer layers and a plurality of conductive polymer layers are alternately stacked. 제1항에 있어서,
상기 압전 폴리머층은 폴리비닐라덴 플로라이드(polyvinylidene-fluoride, PVDF) 재질로 형성된 탐사차의 바퀴.The method of claim 1,
The piezoelectric polymer layer is a wheel of an exploration vehicle formed of polyvinylidene fluoride (PVDF) material. 제1항에 있어서,
상기 전도성 폴리머층은 전기 전도성을 갖는 폴리머 중 어느 하나 또는 두 가지 이상의 물질로 형성된 탐사차의 바퀴.The method of claim 1,
The conductive polymer layer is a wheel of an exploration vehicle formed of any one or two or more materials of a polymer having electrical conductivity. 제1항에 있어서,
상기 요철부는 상기 림부 외주면과 상기 타이어부 내주면에 각각 요철이 형성되거나, 상기 림부 외주면과 상기 타이어부 내주면에 각각 요철 형태를 갖는 구조물을 장착하여 형성하는 탐사차의 바퀴.The method of claim 1,
The uneven parts of the wheel of the rover to form irregularities on the outer circumferential surface of the rim and the inner peripheral surface of the tire portion, respectively, or by mounting a structure having a concave-convex shape on the outer circumferential surface of the rim and the tire inner surface. 제1항에 있어서,
상기 요철부는 박판 형태의 상기 에너지 변환부를 균일하게 가압할 수 있도록 완만한 표면 형상을 가지는 다수의 요철이 형성된 탐사차의 바퀴.The method of claim 1,
The uneven portion of the wheel of the rover formed with a plurality of unevenness having a gentle surface shape so as to uniformly press the energy conversion portion in the form of a plate. 달 및 행성에 착륙하여 운행되는 달 및 행성 탐사차에 있어서,
탐사차의 회전축에 연결되는 림(rim)부;
상기 림부 외측에 구비되는 타이어부; 및
상기 림부와 상기 타이어부 사이에서 상기 림부 외주면을 둘러싸도록 구비되며 유연성 있는 압전 폴리머층과 전도성 폴리머층이 적층 형성되어, 주행 시 상기 림부 및 상기 에너지 변환부에 두께 방향으로 압력이 가해짐에 따라 체적이 변화하면서 전하가 발생하는 에너지 변환부;
를 포함하는 탐사차의 바퀴를 구비하고,
상기 바퀴는,
상기 림부 외주면과 상기 타이어부 내주면에는 각각 요철부가 형성되고,
상기 에너지 변환부는 상기 요철부 사이에서 미끄러질 수 있도록 삽입되며,
상기 에너지 변환부는 압력이 전달되지 않을 때는 탄성체처럼 복구될 수 있도록 인장상태로 장착되며,
지면에서 전달되는 압력에 의해 상기 에너지 변환부가 상기 요철부 사이에서 가압되면 상기 에너지 변환부는 두께방향으로 압축될 뿐만 아니라 적층면 방향으로 인장되어 두께 및 평면방향으로 변형되면서 전하를 발생시키는 탐사차의 바퀴를 포함하는 달 및 행성 탐사차.In the moon and planetary rover operating on the moon and planet,
A rim portion connected to the rotating shaft of the rover;
A tire portion provided outside the rim portion; And
A flexible piezoelectric polymer layer and a conductive polymer layer are laminated between the rim portion and the tire portion to surround the outer circumferential surface of the rim portion, and a volume is formed as the pressure is applied in the thickness direction to the rim portion and the energy conversion portion during traveling. An energy conversion unit in which charge is generated while the change occurs;
It is provided with a wheel of the rover including;
The wheel,
Uneven portions are formed on the outer circumferential surface of the rim and the inner circumferential surface of the tire portion, respectively.
The energy conversion unit is inserted to slide between the uneven portion,
The energy converter is mounted in tension so that it can be recovered like an elastic body when no pressure is transmitted,
When the energy conversion part is pressed between the uneven parts by the pressure transmitted from the ground, the energy conversion part is not only compressed in the thickness direction but also stretched in the stacking direction and deformed in the thickness and plane directions to generate charges. The moon and planetary rover included.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109326709B (en) * 2018-10-10 2022-05-13 业成科技（成都）有限公司 Sensing film, preparation method thereof and electronic device
DE102022102317A1 (en) 2022-02-01 2023-08-03 Montfix GmbH WHEEL FOR A MOTOR VEHICLE FOR ENERGY RECOVERY

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6039379A (en) * 1983-08-12 1985-03-01 Seitetsu Kagaku Co Ltd Rolling loss recovering device
EP0184810A2 (en) * 1984-12-10 1986-06-18 Fuji Photo Film Co., Ltd. Method of detecting a focus defect of an electron microscope image
JP2001180553A (en) 1999-12-27 2001-07-03 Usc Corp Safety light for vehicle
JP2003153557A (en) 2001-11-12 2003-05-23 Sony Corp Generator, device, actuator, and generation method

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6039379A (en) * 1983-08-12 1985-03-01 Seitetsu Kagaku Co Ltd Rolling loss recovering device
EP0184810A2 (en) * 1984-12-10 1986-06-18 Fuji Photo Film Co., Ltd. Method of detecting a focus defect of an electron microscope image
JP2001180553A (en) 1999-12-27 2001-07-03 Usc Corp Safety light for vehicle
JP2003153557A (en) 2001-11-12 2003-05-23 Sony Corp Generator, device, actuator, and generation method

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109319170A (en) * 2018-08-21 2019-02-12 电子科技大学 A method of manufacture lunar rover self energizing piezoelectric tire
CN109319170B (en) * 2018-08-21 2021-04-20 电子科技大学 Method for manufacturing lunar vehicle self-powered piezoelectric tire

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