PVDF

마지막으로 병렬-병렬-병렬 구조로 연결한 형태의 실험들에 대한 표와 그래프를 나타낸 것이다.

그 결과 병렬로 구성되는 형태가 많을수록 전압의 양이 작아지는 모습을 보였다. 이번 실험의 결과는 1개의 발전기는 물론 2개의 발전기를 병렬로 연결 했을 때 보다 더 작은 전압이 측정 되었다.

그림 61. 연결 종류에 따른 발전량 실험 모습

위 사진들은 직병렬연결 실험과 발전기 양에 따른 전압 측정 실험에 대한 사진이다. 4개의 발전기 실험은 위 사진들 같이 실험을 한 것이다. 왼쪽 사진과 같이 4개의 발전기를 놓고 스피커에 같은 크기의 소리를 내어 일정거리만큼 떨어뜨리고 실험을 했었다.

우리는 직병렬 실험에 대한 결과와 발전기 양의 증가에 따른 전압의 양에 대한 실험의 결과를 위와 같은 과정을 통해 알 수 있었다. 바로 앞의 여러 실험들에 대한 결과로는 일단 직렬이 병렬보다 더 좋은 결과가 나온다는 것이다. 그리고 직렬로 연결을 하였을 때는 전압의 크기가 발전기 개수에 비례해 증가하는 반면 병렬로 연결했을 때는 오히려 반대로 반비례하다는 것을 알았다.

우리는 우리가 직접 제작한 흡음 발전기 외에 추가적으로 PVDF를 이용하여 연구에 참고가 될 수 있을 것 같아 발전 실험을 진행해보았다.

나. 연구 목적

우리가 직접 제작한 흡음 발전 시스템을 이용해서 실험을 해본 결과, 수치가 너무 낮게 나왔다.

따라서 발전을 해서 바로 사용할 수 있는 수준이 안 되기 때문에 콘덴서에 충전을 해서 이를 사용하기 로 하였다. 그러니 충전할 때에는 일정 이상의 전압이 유지가 되지 않으면 거의 충전하기가 힘들기 때문에 많은 수의 발전기를 직렬 연결하여 전압을 높여야만 충전이 가능하다. 하지만 우리가 만든 발전기의 숫자로는 전압이 유지가 되지 않기 때문에 좀 더 높은 전압이 측정되는 새로운 방식의 발전기를 찾다 보니 PVDF라는 압전식 스피커를 찾았다. 이 PVDF는 전하를 띤 압전 물질에 전류를 흐르게 하면 진동을 하는 방식의 스피커이다. 이 원리를 이용한 발전방법은 기존의 마이크와 같은 발전 방법보다 훨씬 효율적으로 전기를 생산 할 수 있다고 생각하여 우리는 충전을 하여 꼬마전구를 밝히기 위하여 최대한 전압을 높이기 위해 PVDF를 이용하여 소형 발전기를 만들고 실험을 진행하였 다.

다. PVDF를 이용한 발전기 제작 1) PVDF 관찰

PVDF는 양면에 전선 역할을 하는 선 모양의 회로가 붙어있어 어느 부분에 연결을 해도 전기가 통하게 되어있다. 또한 자석도 필요 없고, 코일을 감을 필요도 없이 소리를 발생시켜 발전을 할 수 있었다. 따라서 실험을 하기에 매우 편리했으며, 실험을 빠르게 진행 시킬 수 있었다.

2) PVDF 발전 확인

처음에 PVDF를 가로 30cm 세로 30cm로 잘라서 30cm*30cm의 우드락 틀에 붙이고 발전을 해보았 고, 또한 가로 15cm 세로 15cm로 잘라서 15cm*15cm의 우드락 틀에 붙여 발전을 해서 결과를 비교해보았다. 발전은 바람을 불어 스피커를 진동시켜 한 번씩 해보았고, 손으로 살짝 쳐서 압력을 주어 발전을 해보았다.

그림 62. PVDF

스피커 30cm*30cm (바람)

30cm*30cm (압력)

15cm*15cm (바람)

15cm*15cm (압력)

평균 전압(㎷) 15 30 350 500

최대 전압(㎷) 20 50 400 700

표 23. PVDF를 이용한 발전 실험 결과

0 100 200 300 400 500 600 700 800

전압(mV)

30*30(바람)30*30(압력)15*15(바람)15*15(압력) 스피커 크기(cm)

평균 전압(㎷) 최대 전압(㎷) 필름 스피커 크기별 전압 발생량 비교

그림 63. PVDF를 이용한 발전 실험 결과 그래프

실험해본 결과, 30cm*30cm로 자른 스피커는 우리가 기존에 제작한 발전기의 성능과 유사한 성능을 보였다. 오히려 가로세로 30cm인 틀보다 15cm인 틀이 몇 배는 더 전압이 높게 나왔다. 따라서 다읍 PVDF를 이용한 실험에는 15cm*15cm로 스피커를 잘라서 사용하기로 하였다.

라. PVDF 발전기 1차 모델

1차 모델은 PVDF 15cm*15cm 4개를 틀에 붙여 이은 모양으로 만들었다. 앞서 있던 발전량 비교 실험에서 작은 스피커가 발전 효율이 훨씬 더 좋게 나왔고, 크기, 경제성, 효율적 면에서 훨씬 결과가 좋기 때문에 작은 스피커를 쓰게 되었다. 또한 틀에 붙인 이유는 스피커의 전선부분이 외부에 노출되어있기 때문에 감전의 위험성으로 인해 안전하게 잡고 실험을 할 수 있어야 하기 때문이다.

PVDF를 이용해서 발전기를 만드는 방법은 기존에 우리가 제작한 자석-코일-진동판이 들어간 발전 기와 달리 압전식 스피커기 때문에 틀에 진동판 처럼 붙이기만 하면 되었다. 따라서 만드는 방법이 매우 간단하고 빨리 만들었다. 대신 유의해야 했던 점이 PVDF의 양면은 서로 붙어있지 않고 분리되어 있기 때문에 앞면과 뒷면을 따로 연결해야했다. 그 말은 만약 집게 전선으로 연결을 하면 한쪽은 앞면만, 한쪽은 뒷면만 연결을 해야 한다는 소리다. 따라서 우리는 각각 앞면과 뒷면에 구리테이프 한 장씩을 부착하고 부착한 면을 마주보는 바로 반대쪽 면에 절연 테이프를 붙여 의도대로 연결했다.

마. 1차 모델 연결 방식 실험

PVDF 4개를 잇는 방식에 있어서 병렬 연결과 직렬 연결 중 어떤 연결방식이 전기 생산에 있어 더 효율적인지 알아보기 위하여 PVDF 1차 모델을 이용해 실험실 내부서 실험해보았다.실험 방식은 만들어진 1차 모델에 같은 소리를 재생하여 연결방식만 달리해서 나오는 전압의 평균값을 측정하는 식으로 했다.

그림 64. PVDF 연결 모습

1차 2차 3차 4차

직렬연결 평균전압(㎷) 90.3 100.6 100.1 90.0 병렬연결 평균전압(㎷) 176.5 182.9 191.4 184.7

표 24. PVDF 연결 실험 결과

0 50 100 150 200 250

전압(mV)

1차 2차 3차 4차

실험 횟수

직렬연결 평균전압(㎷) 병렬연결 평균전압(㎷) 필름형 스피커 1차모델 연결방식 실험

그림 65. PVDF 연결 실험 결과 그래프

실험결과를 보면 직렬연결보다 병렬연결이 2배 가량 전압이 더 높게 측정되었다. 직렬연결은 100mV정도의 전압을 발생시키는 반면에 병렬연결은 200mV가량의 전압을 발생시켰다. 따라서 이 실험의 결과를 통해 필름스피커는 연결방식을 병렬으로 선택했다.

바. 1차 모델 외부 실험

PVDF를 가지고 연결방식을 실험해서 얻은 결과를 통해 1차 모델을 병렬로 연결하고 고속도로에 나가 실험을 해보았다. 고속도로로 나간 이유는 과연 인공적으로 낸 소리가 아니라 우리의 연구 주제에 맞게 실제 고속도로의 소음을 통해 PVDF가 생성하는 전압량을 측정하기 위해서 이다.

이 PVDF를 이용한 발전기의 강한 전기 생성량을 이용해 이 스피커 모델의 외부 실험을 통해 강한 전기를 생성하는 것을 확인 함으로서 기존의 연구 목적과 방향에 조금 더 근접을 할 수 있다고 보았다. 외부에서 실험을 할 때는 PVDF를 들고 도로 쪽을 향해 서서 5분 동안 MBL 실험장치를 통해 생성되는 전압의 양을 측정하여 기록했다.

그림 66. PVDF 외부 실험 모습

그림 67. PVDF 외부 실험 결과

위의 그래프를 보면 일단 눈에 띄는 것은 전압량 수치가 마이너스가 보인다. 그러나 이것은 우리가 전압을 교류로 측정하였기 때문에 정상적이다. 또한 그래프가 실험 시작 후 160초 부근에서 끊기고 자세히 보면 그 후로 미세하게 진동하는 것을 볼 수 있다. 이러한 이유는 160초까지는 차가 계속 왔으나, 그 이후로는 차가 거의 안지나가 발생되는 소음이 없었기에 전기의 생성이 활발하게 이루어지 지 않았다. 결과 값을 보면 최대로 생성된 전기는 1V가 넘어가며, 160초 전까지의 평균값은 대략

300mV정도로 보인다. 결과를 보니 필름 스피커는 매우 발전이 잘 이루어지며, 작은 소리의 진동으로 도 많은 전기의 생성이 되는 것으로 보인다.

사. PVDF 발전기 2차 모델

우리는 1차 모델의 단점을 보안하고 PVDF를 이용해 더 심화된 실험을 하기 위하여 새로운 종류의 PVDF를 찾고 주문을 하였다. 이 스피커는 기존의 우리가 쓴 PVDF와는 다르게 전선부분에 코팅을 하여 감전의 위험을 줄이고, 전선의 손상을 최소한으로 하게 만들었다. 또한 더 편리해 진 부분이 구리 테이프와 절연테이프를 따로 붙일 필요가 없어진 부분인데, 이미 상품 자체에 전부 부착되어 있기 떄문이다. 우리가 발전기를 만들기 위해 해야할 것은 전선을 연결하는 것이 전부였다. 1차 모델을 이용하여 발전기를 만들기도 쉬웠는데 이러한 장점 덕분에 발전기를 제작하는 것이 정말 쉬워졌다. 따라서 우리는 이 기회를 이용하여 발전기를 최대한 많이 만들어 큰 판 하나에 전부 부착하 고, 모두 연결하여 최대한의 전기를 생산해 보기로 하였다. 그래서 진행한 실험이 일단 연결된 발전기 의 개수별로 전기생산량을 측정해보기로 하였는데, 혹시 몰라서 각각 직렬과 병렬으로 연결해서 연결 방식도 동시에 실험해 보았다. 실험을 할 때에 소리는 미리 선정한 음원 파일을 이용해 모든 실험에 같은 노래를 틀어 소리의 오차가 나지 않게 하였다. 발전기의 개수별 실험은 1개를 연결한 값, 4개를 연결한 값, 총 9개를 연결한 값을 각각 또 직렬과 병렬로 각각 연결해 보아서 최대값과 평균 전압을 구했다. 발전기의 개수가 한 개일 때는 병렬로 연결 할 수가 없기 때문에 병렬연결은 4개와 9개짜리만 적용하였다. 우리는 이러한 실험을 각각 5번씩 반복 실행해서 결과를 평균냈다.

그림 68. PVDF 연결 실험 모습

발전기의 개수(개) 1(직렬) 4(직렬) 4(병렬) 9(직렬) 9(병렬) 최대 전압(㎷) 117.2 412.6 404.0 1246.3 1308.4

평균 전압(㎷) 23.8 78.3 107.5 260.1 479.9 표 25. PVDF 연결 실험 결과

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

전압(mV)

1(직렬) 4(직렬) 4(병렬) 9(직렬) 9(병렬) 갯수와 연결 방식

최대 전압(㎷) 평균 전압(㎷) 필름형 스피커 모델2 갯수&연결방식 실

그림 69. PVDF 연결 실험 결과 그래프

실험 결과, 발전기의 개수가 늘어날수록 발전 효율도 올라가는 것이 선명하게 보였다. 특히 9개를 연결하였을 때의 평균 전압이나 최대 전압수치를 보면 매우 높은 수준의 전압이 생성되는 것을 알 수 있다. 또한 연결 방식에 있어서는 직렬과 병렬의 최대 전압은 비슷하게 나왔지만 평균 전압에 있어서는 병렬연결이 직렬연결보다 훨씬 높게 측정되었다.

아. PVDF를 통해 알게된 결과

우리는 PVDF를 이용한 발전기 모델2개를 만들어 연결 방식을 실험해 보았다. 그리고 실험 결과, 두 모델 모두 직렬로 연결한 것 보다 병렬로 연결했을 때 생성되는 평균 전압이 훨씬 높게 나왔다.

따라서 이를 봤을 때 발전기의 연결방식에는 병렬연결이 훨씬 효율적이어서 적합하다고 볼 수 있겠다. 또한 발전기의 연결 개수에도 많이 연결될 수록 부작용이라던가 부정적인 결과는 나오지 않는 것을 볼 수 있었다. PVDF가 매우 발전 효율이 좋아 생성되는 전압의 크기가 매우 높아 이러한 실험을 한 결과, 결과의 차이가 매우 커서 실험에 대한 결론을 쉽게 낼 수 있었다. 이러하듯 결과를 보면 PVDF가 우리의 연구목적에 도움을 주지만 PVDF의 치명적인 단점은 단가가 매우 비싸 경제성 면에서 매우 떨어진다는 것이다. 우리가 PVDF를 사용한 이유는 생성되는 전기의 수치가 높고, 우리의 실험과 비슷한 발전 방식 때문에 이를 통해 우리의 연구 방향에 도움을 얻기 위해서였다.

따라서 PVDF를 사용하여 얻은 결과를 통해 기존의 우리의 발전기를 좀 더 개량하고 고쳐나가 더 발전효율을 높이는데 많은 도움을 얻었다고 본다.