CN104835907B - 含单晶压电纤维的复合体及包含该复合体的磁电复合材料层合体 - Google Patents
含单晶压电纤维的复合体及包含该复合体的磁电复合材料层合体 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种含压电(piezoelectric)纤维的复合体及包含该复合体的磁电复合材料层合体，该复合体包括：第一保护层，其一面形成有第一电极；第二保护层，其一面形成有第二电极；及压电纤维层，介于上述第一电极及第二电极之间，由以复合体的长度方向排列的一个以上的压电纤维构成；上述压电纤维由单晶压电材料构成并且上述单晶的<011>方向和复合体的厚度方向一致而上述单晶的<001>方向则和复合体的长度方向一致。
Description
【技术领域】
本发明涉及一种含压电纤维的复合体及其制造方法、包含所述含压电纤维的复合体的磁电复合材料层合体及其制造方法以及包含所述含压电纤维的复合体或磁电复合材料层合体而构成的压电元件，更具体地说，本发明涉及一种含有朝特定方向取向的单晶压电纤维的复合体及其制造方法、含有所述复合体的磁电复合材料层合体及其制造方法及包含所述含压电纤维的复合体或磁电复合材料层合体而构成的压电元件。
【背景技术】
压电材料(piezoelecric materials)凭借着能将外部应力转换成电信号或者将电输入转换成机械输出的压电效果广泛地应用于传感器、促动器(Actuator)、能量收集装置(energy harvest ing device)、超声波仪器等。
但是，大部分的压电材料是陶瓷材料，由于陶瓷本身特性具备脆性(brittleness)，从而在适用为各种形状及使用上受到了限制。
为此，研究了具备如下结构的复合体：在高分子材料等的柔软性基质上包含了由压电陶瓷构成的纤维(fiber)，作为所述复合体的典型例，可举例宏纤维复合体(MacroFiber Compos ite，MFC)[专利文献0001]。还揭示有利用所述MFC形成的促动器[专利文献0002]。
然而，诸如所述MFC之类的压电纤维复合体因为在电极与压电纤维之间存在着高分子基质，所以难以对装置的控制及操作进行预测及设计，更大的问题是，在驱动包含所述复合体的元件时需要较高的操作电压。
此外，因为诸如所述MFC之类的压电纤维复合体使用陶瓷压电纤维材料，所以无法最大限度地发挥出随着压电材料的结晶取向性而变化的压电特性。
因此，迫切需要开发出一种既能够保持压电纤维复合体的已知优点，又能够解决所述问题，从而能够应用到传感器或促动器，以及能量收集装置的制造用途的复合材料。
【先前技术文献】
【专利文献】
(专利文献0001)国际公开公报WO 01/33648 A1
(专利文献0002)韩国公开专利公报第10-2010-0033824号
【解决的技术课题】
本发明的目的是提供一种含压电纤维的复合体及其制造方法，该复合体所包含的压电纤维为了大幅提高压电效果而由使得特定结晶方向朝极化方向取向的单晶所构成。本发明的另一个目的是提供一种磁电复合材料层合体及其制造方法，其包含所述含压电纤维的复合体，为了通过和所述复合体的相互作用达到远胜于现有技术的磁电效应而接合于所述含压电纤维的复合体的一面或两面，并且包含由磁致伸缩材料构成的磁致伸缩层。
【解决课题的技术方案】
为了实现所述技术课题，本发明提供一种含压电纤维的复合体，其包括：第一保护层，其一面形成有第一电极；第二保护层，其一面形成有第二电极；以及压电纤维层，其插入于所述第一电极及第二电极之间，由以复合体的长度方向排列的一个以上的压电纤维构成，所述压电纤维由单晶压电材料构成，所述单晶的<011>方向和复合体的厚度方向一致，从而使得所述单晶的<001>方向和复合体的长度方向一致。
此外，本发明提供一种含压电纤维的复合体的制造方法，其包括如下步骤：步骤(a)，在一面形成有第一电极的第一保护层的所述第一电极上接合压电单晶层，所述压电单晶层由单晶压电材料构成，所述单晶的<011>方向和厚度方向一致，从而使得所述单晶的<001>方向和复合体的长度方向一致；步骤(b)，沿着长度方向切断所述压电单晶层，形成由一个以上的压电纤维构成的压电纤维层；以及步骤(c)，将第二保护层接合于压电纤维层上，以便使得一面形成有第二电极的第二保护层的所述第二电极与所述压电纤维层相接。
此外，本发明提供一种磁电复合材料层合体，其包括：含压电(piezoelectric)纤维的复合体；以及磁致伸缩层，其配备在所述复合体的一面或两面并且由磁致伸缩(magnetostrict ive)材料构成，所述压电纤维由单晶压电材料构成，并且所述单晶的<011>方向和所述复合体的厚度方向一致，从而使得所述单晶的<001>方向和复合体的长度方向一致。
而且，本发明提供一种磁电复合材料层合体的制造方法，其包括如下步骤：步骤(a)，准备由磁致伸缩材料构成的磁致伸缩层；步骤(b)，准备含压电纤维的复合体，所述含压电纤维的复合体包含由单晶压电材料构成并且所述单晶的<011>方向和复合体的厚度方向一致的压电纤维，从而使得所述单晶的<001>方向和复合体的长度方向一致；以及步骤(c)，在所述含压电纤维的复合体的一面或两面对所述磁致伸缩层进行层合(Laminating)。
而且，本发明提供一种压电元件，所述压电元件包含所述含压电纤维的复合体或所述磁电复合材料层合体。
【有益效果】
根据本发明的含压电纤维的复合体包含由单晶压电材料构成并且以所述单晶的<011>方向与所述复合体的厚度方向一致从而使得所述单晶的<001>方向和复合体的长度方向一致的方式进行排列的压电纤维，因此能够利用基于压电单晶的特定取向方向的优异压电应变特性及检测特性，尤其是，在以极化方向与应变方向互相垂直的32模式运行时，能够实现更加优异的压电特性，不仅应用于传感器及促动器等用途，而且由于机械稳定性良好，从而能够作为机械振动能量的能量收集装置使用。
而且，根据本发明的磁电复合材料层合体在具备如上所述特性的含压电纤维的复合体的一面或两面配备了由类似于镍(Ni)或Metglas(FeBSi alloy)等的磁致伸缩材料构成的磁致伸缩层，从而作为磁电复合材料，实现远胜于现有所知的磁电复合材料的磁电特性，尤其是能够在作用于机械振动及/或磁场变化等外部刺激的能量收集装置发中挥出优越的性能。
尤其是，本发明磁电复合材料层合体作为电力线监视传感器驱动电源用能量收集装置使用时，凭借着从寄生在电力线周边的磁场及/或电力线周边的机械振动能量生成电力的能量收集(energy harvesting)为传感器供应电力而不必定期更换电源就能稳定地连续供应电力，不仅能够半永久性地运行传感器节点，还能延长传感器节点的生命周期并提高传感数据的可靠性，从而能够提前实现电力线远程监视系统等基于USN的系统的实用化。
【附图说明】
图1是示出本发明含压电纤维的复合体的一例的模式图(mimetic diagram)。
图2是示出形成于本发明含压电纤维的复合体的电极的形状的一例的模式图。
图3(a)及图3(b)是分别示出本发明磁电复合材料层合体的一例及另一例的模式图。
图4是示出本发明磁电复合材料层合体的又另一例的模式图。
图5是示出本发明磁电复合材料层合体的磁场生成环境的模式图，该磁场则是供应给传感器的电力的源头。
图6是示出本发明的包含电力线监视传感器驱动电源用能量收集磁电复合材料层合体地构成的传感器节点的一实施例的组成部分的方块图。
图7是示出本发明电力线远程监视用传感器节点所含电源供应单元的一例的组成部分的方块图。
图8是示出本发明的包含电力线远程监视用传感器节点的电力线远程监视系统的一实施例的组成部分的方块图。
图9是以实施例1所制造的压电纤维复合体(SFC)及常用宏纤维复合结构体(MFC)为对象针对施加电场而引起的应变进行测量的结果。
图10是为了测量本申请专利的实施例1-4、7、8及比较例1-3所制造的磁电复合材料层合体的磁电效应(magnetoelectric effect)特性而使用的设备的模式图。
图11是示出测量本申请专利的实施例1-4及比较例1-3所制造的磁电复合材料层合体的磁电效应(magnetoelectric effect)特性时的试片与磁场方向的相对位置关系的模式图。
图12是针对实施例1-2及比较例1所制造的磁电复合材料层合体测量由直流磁场(Hdc)大小变化所导致的磁电电压系数(aME)的变化的测量结果。
图13是针对实施例3-4及比较例2所制造的磁电复合材料层合体测量由直流磁场(Hdc)强度变化所导致的磁电电压系数(aME)的变化的测量结果。
图14是针对实施例1、实施例3及比较例3所制造的磁电复合材料层合体测量由直流磁场(Hdc)强度变化所导致的磁电电压系数(aME)的变化的测量结果。
图15是针对本申请专利的实施例1、2、7、8及比较例1所制造的磁电复合材料层合体测量交流磁场(Hac)强度变化所导致的磁电电压系数(αME)的变化的测量结果。
图16是为了测量本申请专利的实施例5-6及比较例4所制造的磁电复合材料层合体的能量收集特性而使用的设备的模式图。
图17是针对本申请专利的实施例5-6及比较例4所制造的磁电复合材料层合体施加机械振动或磁性变化时基于频率变化的生成电压测量结果。
图18(a)到图18(c)是各自针对本申请专利的实施例5、实施例6及比较例4所制造的磁电复合材料层合体施加机械振动及/或磁性变化时在呈现最大输出电压的频率下测量的开路电压(Voc)的测量结果。
图19是针对本申请专利的实施例5、实施例6及比较例4所制造的磁电复合材料层合体单独施加磁场或机械振动或者同时施加磁场及机械振动时发生的输出电力密度的测量结果。
图20是针对本申请专利的实施例5、实施例6及比较例4所制造的磁电复合材料层合体测量了由直流磁场(Hdc)强度变化所导致的磁电电压系数(aME)的变化的测量结果。
图21是用来测量本申请专利的实施例9-12及比较例5所制造的磁电复合材料层合体的能量收集特性的设备的模式图。
图22是示出本申请专利的实施例9-12及比较例5所制造的各个磁电复合材料层合体在交流磁场(60Hz，1.6G)下生成的交流电压波形的图形。
图23是本申请专利的实施例9-12及比较例5所制造的各个磁电复合材料复合体在交流磁场(60Hz，1.6G)下生成的交流电压经过整流后充电到电容器(capacitor)的电压及电力密度的测量结果，该测量结果是改变负载电阻地测量的结果。
图24是示出利用本申请专利的实施例9所制造的磁电复合材料复合体所生成的交流电力经过整流后充电到电容器(capacitor)的直流电力对商用高亮度LED进行亮灯实验的结果照片。
【具体实施方式】
下面将详细说明本发明。
本发明含压电纤维的复合体基本包括保护层、电极、压电纤维层，所述压电纤维由单晶压电材料构成并且所述单晶的<011>方向和复合体的厚度方向一致。
进一步，优选地，所述压电纤维的长度方向和所述单晶的<001>方向一致，据此，可使得所述含压电纤维的复合体以极化方向与应变方向互相垂直的32模式进行操作，从而得以实现更好的压电特性。
作为参考，本发明中，压电纤维复合体是指具备如下结构的复合体：在由具备压电特性的材料所构成的一个以上的压电纤维(fiber)朝一定方向排列的状态下被由高分子等所构成的基质(matrix)围绕并得到保护，或者在将由所述朝一定方向排列的一个以上的压电纤维所构成的层放置于中间的状态下，对由高分子等构成的保护层进行层合。
如上所述的压电纤维复合体具有如下优点：无论是因为机械或电气等原因导致了压电纤维发生破损，也不会对复合体的操作造成任何问题，并且包含于压电纤维复合体的压电纤维的数量越多，所述优点就会越显著。与此相反地，包含于压电纤维复合体的压电纤维数量越少，压电纤维层的有效面积变得越大，因此具有使得应变或输出电力更加变大的优点。
图1所示出的层合体是根据本发明的含压电纤维的复合体的一例，其包括：第一保护层，其一面形成有第一电极；第二保护层，其一面形成有第二电极；及压电纤维层，其插入于所述第一电极及第二电极之间，并且由沿着复合体的长度方向排列的一个以上的压电纤维构成，此时，所述压电纤维由单晶压电材料构成，所述单晶的<011>方向和复合体的厚度方向一致，从而使得所述单晶的<001>方向和复合体的长度方向一致。
此时，优选地，构成包含于所述含压电纤维的复合体的压电纤维的单晶压电材料具有钙钛矿(Peroveskite)结晶结构(RMO3)或复合钙钛矿结构。
而且，具备所述复合钙钛矿结构的单晶可以具备如下1)或2)的组成：
1)xPb(A 1,A 2,…,B 1,B 2,…)03+(1-x)PbTiO3
2)xPb(A 1,A 2,…,B 1,B 2,…)03+(1-x)Pb(Zr,Ti)O3
(但是，所述1)及2)中，x是摩尔分数，并且0<x<1，A1,A2,…是选自由Zn、Mg、Ni、Lu、In及Sc所组成的群中的一个以上的元素，B1,B2,…是选自由Nb、Ta、Mo及W所组成的群中的一个以上的元素)。
作为具备所述复合钙钛矿结构的单晶压电材料的典型例，可以举例Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PMN-PT)、Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-Pb(Zr,Ti)O3(PMN-PZT)、Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PZN-PT)等。
更优选地，具备所述复合钙钛矿结晶结构的单晶可以由xPb(Mg1/3Nb2/3)O3-(1-x)PbTiO3(但是，所述化学式中，x为0<x<0.33)、xPb(Zn1/3Nb2/3)O3-(1-x)PbTiO3(但是，所述化学式中，x为0<x<0.08)等之类的菱方晶弛豫型铁电体(rhombohedral relaxorferroelectrics)构成，其在利用菱方晶弛豫型铁电体形成压电纤维时，如果以所述单晶的<011>方向平行于含压电纤维的复合体的厚度方向的方式将单晶的结晶方向进行取向，则比将单晶取向成<001>方向时具有较高的横向压电应变常数(transverse piezoelectricstrain constant)及机-电耦合系数(electromechanical coupl ing factor)，从而以极化方向与应变方向互相垂直的模式(31模式或32模式)制作压电元件时，可以大幅提高压电效果，所述压电效果将力量、冲击、振动等之类的外部应力转换成电信号或者将电输入转换成机械输出。
而且，所述第一电极及第二电极的材质可以不受限制地使用铜(Cu)、银(Ag)、金(Au)、铝(Al)等之类的公知电极材料，其形状不仅可以如图1所示的如同含压电纤维的复合体的第一电极或第二电极一样地具备整面电极的形状，而且如同具备整面电极的情况一样，作为可实现优异的压电特性及磁电特性的电极，也可具备如图2所示的指叉电极(interdigitated electrode,IDE)。
而且，优选地，所述第一保护层及第二保护层由高分子材料构成，例如，可以由聚酰亚胺(Polyimide,PI)、聚萘二甲酸乙二醇酯(Polyethylene napthalate,PEN)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(Polyethylene terephthalate,PET)或聚碳酸酯(polycarbonate,PC)等构成。
另外，前面详细说明的本发明含压电纤维的复合体可以通过包括如下步骤的制造方法形成：步骤(a)，在一面形成有第一电极的第一保护层的所述第一电极上接合压电单晶层，所述压电单晶层由单晶压电材料构成并且所述单晶的<011>方向和厚度方向一致，从而使得所述单晶的<001>方向和复合体的长度方向一致；步骤(b)，沿着长度方向切断所述压电单晶层，形成由一个以上的压电纤维构成的压电纤维层；以及步骤(c)，将第二保护层接合于压电纤维层上，以便使得一面形成有第二电极的第二保护层的所述第二电极与所述压电纤维层相接；以及步骤(d)，针对所述压电纤维进行极化。
当然，本发明含压电纤维的复合体并不是只能通过前述方法制造，尤其是压电纤维层的形成方法除了所述方法以外还能使用如下方法：在将压电单晶层接合于保护层之前事先切断后将各个压电纤维接合于保护层的方法，或者将通过挤压/单晶生长方式从开始就制造成纤维形状的单晶接合于保护层的方法。
接着，下面详细说明本发明磁电复合材料层合体。
如图3(a)及图3(b)所示，本发明磁电复合材料层合体包括：含压电(piezoelectric)纤维的复合体；以及磁致伸缩层，配备在所述复合体的一面或两面并且由磁致伸缩(magnetostrictive)材料构成，所述压电纤维由单晶压电材料构成，所述单晶的<011>方向和所述复合体的厚度方向一致，从而使得所述单晶的<001>方向和复合体的长度方向一致。
在本说明书中，磁电复合材料层合体是指具有将由两个以上的相互不同材料作为各个层进行层合(laminate)的结构，并且呈现出磁电效应(Magnetoelectric(ME)effect)的对象。
所述磁电(ME)效应是指随着施加电场(electric field)而引发磁化(magnetization)或者与此相反地通过施加磁场(magnetic field)而引发极化(polarization)的特性，呈现所述磁电效应的材料为，诸如Cr2O3之类的单一相(singlephase)物质、将具备压电特性的粒子(particulate)形态的材料与具备磁致伸缩特性粒子(particulate)形态的的材料加以混合、或者如同本发明一样，以使得具备磁致伸缩特性(magnetostrictivity)的材料与具备压电特性(piezoelectricity)的材料具备各种连接结构(connectivity)的方式进行混合的复合材料等，其中，层合结构的复合材料相比于其它种类的材料具有如下优点：压电材料与磁致伸缩材料层之间的强弹性联轴节(elasticcoupling)、简单的制造工艺、高电阻、容易的极化(poling)工艺、高磁电电压系数(αME)等多方面的优点。
在本发明磁电复合材料层合体中，具有压电特性的构成通过含压电纤维的复合体实现，但是优选地，所属压电纤维复合体是前面所说明的本发明的控制单晶取向的压电纤维复合体。
而且，构成所述磁致伸缩层的磁致伸缩材料可以在Ni、Fe之类的强磁性金属、铁氧体陶瓷、磁致伸缩合金、磁性形状记忆合金(magnetic shape memory alloy，MSMA)等材料中适当地选择。
作为所述铁氧体陶瓷的具体例，可以是由一般式MFe2O4或MFe12O19(M是1种以上的二价金属离子)表示的尖晶石(spinel)型或磁铅石(magnetoplumbite)型铁氧体或者由M′3Fe5O12(M′是三价金属离子)表示的铁氧体或由Li0.5Fe2.5O4表示的锂铁氧体，它们作为具备优异磁特性的磁性材料可以被选为本发明的磁致伸缩材料使用。更具体例为，作为要求高磁导率、低矫顽力及低损失的软磁性材料，使用于感应器、变压器及过滤器的磁芯、磁头铁心、磁屏蔽件的Fe3O4、NiFe2O4、MnFe2O4、(Ni,Zn)Fe2O4、(Mn,Zn)Fe2O4、CoFe2O4等软铁氧体作为磁致伸缩材料可被包含于所述磁致伸缩层而使用，其被认知为永久磁铁材料及高密度磁记录材料，结晶磁各向异性较大的γ-Fe2O3及钡铁氧体等也可以作为磁致伸缩材料被包含于所述磁致伸缩层而使用。
所述磁致伸缩合金的具体例有铽(terbium)-镝(dysprosium)-铁(iron)合金(Terfenol-D)、镓-铁合金(Gafenol)、钐(samarium)-镝-铁合金(Samfenol-D)、硼(boron)-硅(silicon)-铁合金(Metglas 2605SA1)、铁(Fe)-钴(Co)-硼(B)合金、硼(boron)-硅(silicon)-碳(carbon)-铁合金(Metglas 2605SC)等。
而且，所述强磁性形状记忆合金的具体例有Ni2MnGa合金、NiMnIn合金、NiCoMnIn合金、FePd合金、FeNiGa合金、CoNiGa合金等。
另一方面，根据所述本发明的磁电复合材料层合体除了前述构成要素之外还可以根据需要添加质量块(proof mass)。具体地说，还能包含安装在磁电复合材料层合体的一侧端的上表面或下表面中至少一处的质量块，如前所述地安装具备一定重量的质量块而得以通过调节能量收集用频率及增加共鸣时的振幅来谋求提高输出。
尤其是，将本发明磁电复合材料层合体作为用于电力线监视传感器驱动电源的能量收集装置使用时，鉴于电力线的寄生磁场会随着各个国家而具备50Hz或60Hz的频率，电力线监视传感器驱动电源用能量收集磁电复合材料层合体的共鸣/半共鸣频率需要符合该寄生磁场的频率，虽然能够通过磁电复合材料层合体的长度来迎合该要求，但也可以在特定设计长度下通过质量块的大小、安装位置进行调整。
此时，本发明虽然没有限定所述质量块的材质，但是由Sm系永久磁铁、Nd系永久磁铁、AlNiCo系永久磁铁或其它具备磁性的材料(铁、镍、钴、磁性合金、陶瓷铁素体等)构成时能够制作出更能敏锐地对磁场变化作出反应的能量收集装置。另一方面，本发明不特别限制将所述质量块安装到磁电复合材料层合体的方法。
接着，根据所述本发明的磁电复合材料层合体可以包括如下步骤而制造：步骤(a)，准备由磁致伸缩材料构成的磁致伸缩层；步骤(b)，准备含压电纤维的复合体，所述含压电纤维的复合体包含由单晶压电材料构成，并且所述单晶的<011>方向和复合体的厚度方向一致的压电纤维，从而使得上述单晶的<001>方向和复合体的长度方向一致；步骤(c)，针对所述压电纤维进行极化；以及步骤(d)，在所述含压电纤维的复合体的一面或两面对所述磁致伸缩层进行层合。
所述步骤(a)是一种利用前面分别详细说明的磁致伸缩材料制造磁致伸缩层的步骤，本步骤中，按照最终所制造的磁电复合材料层合体的形状并通过本领域公知方法制造具备片(sheet)形态等的适当形状的磁致伸缩层。
所述步骤(b)是一种制造含压电纤维的复合体的步骤，优选地，可以根据前面详细说明的本发明的含压电纤维的复合体的制造方法执行本步骤。
而且，所述步骤(c)是一种为了向磁电复合材料层合体赋予压电特性而针对含压电纤维的复合体所包含的压电纤维执行极化(poling)的步骤，作为例子，可以在常温或100℃的温度下施加高于压电纤维矫顽磁场(coercive field,Ec)的电压并执行本步骤的极化。另外，在本步骤中所实现的极化工艺在后述步骤(d)结束后执行也无妨。
而且，所述步骤(d)是一种利用准备的磁致伸缩层及含压电纤维的复合体来形成磁电复合材料层合体的步骤，可以通过本领域公知方法在含压电纤维的复合体的一面或两面对所述磁致伸缩层进行层合，从而完成本步骤。例如，考虑到制造工艺的容易性及经济性而利用环氧树脂(epoxy)之类的粘结剂来将磁致伸缩层接合于含压电纤维的复合体的一面或两面，从而可形成复合材料层合体。
根据前面详细说明的本发明的含压电纤维的复合体及磁电复合材料层合体分别相比于现有技术具备更加优异的压电特性及压电特性/磁电特性，因此能够有效地应用于能量收集元件(energy harvesting device)、传感器(sensor)、促动器(actuator)、变频器(transducer)、变压器(transformer)、声呐(sonar)之类的压电元件的制造中。
例如，本发明磁电复合材料层合体作为用于电力线监视传感器驱动电源的能量收集装置使用时，凭借着从寄生在电力线周边的磁场及/或电力线周边的机械振动能量生成电力的能量收集(energy harvesting)为传感器供应电力而不必定期更换电池(battery)之类的电源就能稳定地连续供应电力，不仅能够半永久性地运行传感器节点，还能延长传感器节点的生命周期并提高传感数据的可靠性，从而能够提前实现电力线远程监视系统等基于USN的系统的实用化(图5)。
与前述内容相关地，下面针对将所述本发明磁电复合材料层合体作为电力线监视传感器驱动电源用能量收集装置予以包含的传感器节点进行说明。
图6是示出所述传感器节点的一实施例的组成部分的方块图，请参阅图6，所述传感器节点10可以包括：电源供应单元100；传感器单元200，其测量选自电力线的温度、下垂、振动及电流中的至少一个以上的物理量数据；控制单元300，其对所述传感器单元所测量的数据进行处理并传递；及无线通信模块400，以无线方式将收自所述控制单元的数据加以传输。
所述电源供应单元100如同示出其一例的图7所示地包括磁电复合材料层合体101、整流单元102及蓄电单元103。
已经在前面详细说明的所述磁电复合材料层合体101可以发挥出从形成于电力线周边的磁场或机械振动能量生成交流(AC)电力的能量收集模块的功能，以所述方式生成的电力在通过整流单元进行整流后以直流(DC)电力的形态供应给蓄电单元而得以半永久性地运行传感器节点。
所述整流单元102可以将所述磁电复合材料层合体所生产的交流电力转换成直流电力，其以4个二极管构成的桥(bridge)式整流器等实现。需要时，可以为了提高稳定性而另外包括由电阻器、电感器及二极管之类的电子元件构成的稳态电路，优选地，此时所述各元件为了尽量减少充电到后述蓄电单元的电荷量的损失而尽量具备最高效率。
所述蓄电单元103为了以所述整流单元所整流的电力进行充电而由二次电池(secondary rechargeable battery)或电容器(capacitor)构成。
所述传感器单元200用来感应温度、下垂、振动、电流之类的物理量，所述控制单元300将所述传感器单元所测量的模拟信号形态的物理量数据转换成数字数据后，将该数据和该传感器节点的位置信息一起输出并且传递给后述的无线通信模块。
所述无线通信模块400则利用无线协议(Bluetooth,IEEE 802.15.4,Zigbee等)将收自所述控制单元300的电力线的物理量相关数据及传感器节点的位置信息数据传递给相邻的传感器节点。
下面说明具备所述传感器节点的电力线远程监视系统。
图8是示出包含前述电力线远程监视用传感器节点的电力线远程监视系统的一实施例的组成部分的方块图。请参阅图8，本发明的电力线远程监视系统可以包括：前述电力线远程监视用传感器节点10；汇整服务器20，接收所述传感器节点所传输的物理量数据及位置信息并加以储存；及分析单元30，以所述汇整服务器所收到的物理量数据及位置信息为基础针对发生异常的位置或发生原因进行分析。
所述汇整服务器20用来接收通过相邻的传感器节点之间的无线通信传递的电力线的物理量相关数据及传感器节点的位置信息数据并加以储存。
所述分析单元30以经过所述传输及储存过程后传输到所述汇整服务器20的所述电力线的物理量相关数据及传感器节点的位置信息数据状态数据为基础针对发生问题的位置或原因进行分析而得以迅速地解决发生在电力线的问题。
下面结合实施例详细说明本发明。所揭示的实施例仅为例示，不得因此限制本发明的范畴。
<实施例1>
对厚度方向取向为[011]、横向取向为d32模式(长度方向：[100]，宽度方向：)的菱方晶(rhombohedral)钙钛矿结构的PMN-PZT单晶板进行机械加工，以便使其具备大约200μm的厚度，之后将所述经过加工的压电单晶板粘结于一面镀敷有铜整面电极的聚酰亚胺(PI)薄膜上，然后沿着PI薄膜的长度方向切断所述压电单晶板，从而形成宽度大约为200μm的含一个以上的压电单晶纤维的压电纤维层。然后，将一面镀敷有铜整面电极的另一个PI薄膜利用环氧树脂粘结于压电纤维层上，并且利用1kV/mm的电场进行极化过程(poling)后得到含压电纤维的复合体。
接着，利用环氧树脂(epoxy)将厚度大约为0.25mm的Ni板(plate)粘结于所述含压电纤维的复合体的一面，从而得到具有图3(a)所示结构的磁电复合材料复合体。
<实施例2>
为了制造压电纤维层，除了使用厚度方向取向成[011]、横向取向为d31模式(长度方向：宽度方向：[100])的菱方晶钙钛矿结构的PMN-PZT单晶板以外，其它部分均按照与所述实施例1相同的方法制造磁电复合材料复合体。
<实施例3>
除了在含压电纤维的复合体的两面接合Ni板以外，其它部分均按照与所述实施例1相同的方法制造具有图3(b)所示结构的磁电复合材料复合体。
<实施例4>
除了在含压电纤维的复合体的两面接合Ni板以外，其它部分均按照与所述实施例2相同的方法制造具有图3(b)所示结构的磁电复合材料复合体。
<实施例5>
除了在含压电纤维的复合体的一面接合90mm(长)×20mm(宽)×0.25mm(厚)的Ni板以外，其它部分均按照与所述实施例1相同的方法制造具有图4所示结构的磁电复合材料复合体。
<实施例6>
除了在含压电纤维的复合体的一面接合90mm(长)×20mm(宽)×0.25mm(厚)的Ni板以外，其它部分均按照与所述实施例2相同的方法制造具有图4所示结构的磁电复合材料复合体。
<实施例7>
除了不使用铜整面电极而使用了由铜构成并且gap distance为500μm的指叉电极(IDE)以外，其它部分均按照所述实施例1的相同方法得到了磁电复合材料复合体。
<实施例8>
除了不使用铜整面电极而使用了由铜构成并且gap distance为500μm的指叉电极(IDE)以外，其它部分均按照所述实施例2的相同方法得到了磁电复合材料复合体。
<实施例9到12>
在实施例1、2、7及8所制造的磁电复合材料复合体试片的各个一侧端安装了作为质量块(proof mass)的永久磁铁2g后得到了电力线监视传感器驱动电源用能量收集磁电复合材料复合体。
<比较例1>
为了制造压电纤维层，除了使用厚度方向取向为[001]的菱方晶钙钛矿结构的PMN-PZT单晶板以外，按照与所述实施例1相同的方法制造磁电复合材料层合体。
<比较例2>
除了在含压电纤维的复合体的两面接合Ni板以外，按照与所述比较例1相同的方法制造磁电复合材料层合体。
<比较例3>
除了作为含压电纤维的复合体使用了商用宏纤维复合结构体(Macro FiberComposite；MFC)[Smart Material Corp.,USA]以外，按照与实施例3相同的方法制造磁电复合材料复合体。
<比较例4>
除了在含压电纤维的复合体的一面接合90mm(长)×20mm(宽)×0.25mm(厚)的Ni板以外，按照与所述比较例1相同的方法制造具有图4所示结构的磁电复合材料层合体。
<比较例5>
在比较例1所制造的磁电复合材料复合体试片的各个一侧端安装了作为质量块(proof mass)的永久磁铁2g后得到了电力线监视传感器驱动电源用能量收集磁电复合材料复合体。
<实验例1>针对随着实施例1所制造的含压电纤维的复合体的电场施加而引起的
应变(strain)特性进行观察
以实施例1所制造的压电纤维复合体及商用宏纤维复合结构体[P2 type,SmartMaterial Corp.,USA]为对象，针对随着施加电场而引起的长度方向应变(longitudinalstrain)及其滞后进行了测量，其结果如图9所示。
请参阅图9，以施加1000V/mm的电场时所测量到的应变为基准，本申请专利的实施例1所制造的压电纤维复合体(SFC)与现有宏纤维复合结构体(MFC)相比大约呈现出3倍大小的应变，更进一步，在-150V/mm及1000V/mm之间对电场强度进行变化的同时，针对基于极化的应变滞后(hysterisis)发生与否进行测量的结果发现事实上没有发生应变滞后，因此能够作为促动器、传感器等发挥出远胜于现有技术的性能。
<实验例2>针对实施例1-4及比较例1-3所制造的磁电复合材料层合体的磁电效应
(magnetoelectric effect)特性进行观察
以实施例1-4及比较例1-3所制造的磁电复合材料层合体为对象测量了随着直流磁场(Hdc)强度变化所导致的磁电电压系数(αME＝dE/dH)的变化。
具体地，如作为用于本测量实验的设备模式图的图10所示，将实施例1-4及比较例1-3所制造的磁电复合材料层合体分别位于探向线圈(helmholtz coil)之间，并且将试片位置方向不同地配置为如图11(a)所示的磁场方向与试片长度方向平行的方向(以下简称“Direction 1”)及如图11(b)所示的磁场方向与试片长度方向垂直的方向(以下简称“Direction 2”)，使用一双探向线圈(Helmholtz coil)施加频率为1kHz、磁场强度为2Oe的交流磁场并且在不同的直流磁场强度下使用锁相放大器(lock-in amplifier)(SR-850,Stanford Research Systems,Inc.,Sunnyvale、CA)测量试片的电压变化，即测量极化变化，并且将其除以压电纤维厚度(电极之间的距离)及交流磁场强度变化后得到磁电电压系数(αME)，据此的结果显示在图12到图14。
通过图12及图13可知，αME的大小受到PMN-PZT压电单晶层的结晶取向的较大影响。具体地，如本申请专利的的实施例1-4一样，如果将011方向和复合体的厚度方向一致的单晶应用于复合体，则相比于如比较例1或比较例2一样地使用001方向和复合体的厚度方向一致的单晶的情况，能够利用相对较高的压电常数g31值与g32值，因此最终可得到优异的磁电特性。
而且由图14得知，相比于利用商用宏纤维复合结构体的磁电复合材料层合体(比较例3)，本申请专利的实施例1及实施例3所制造的磁电复合材料层合体以αME的最大值为基准可确认到呈现出最高达10倍以上的高磁电特性，能得到如此结果的原因在于，本申请专利的实施例1及实施例3不仅作为压电纤维使用了单晶材料，而且还以使得011方向和复合体的厚度方向一致的方式进行单晶取向，据此能够利用横向压电特性(d32或g32)所呈现的较大的面内各向异性。
<实验例3>针对实施例1、2、7、8及比较例1所制造的磁电复合材料层合体的磁电效
果(magnetoelectric effect)特性进行观察
针对本申请专利的实施例1、2、7、8及比较例1所制造的磁电复合材料层合体测量了交流磁场(Hac)强度变化所导致的磁电电压系数(αME＝dE/dH)的变化。
具体地说，如作为本测量实验用设备模式图的图10所示，将实施例1、2、7、8及比较例1所制造的磁电复合材料层合体各自置于探向线圈之间，并且将试片位置方向各自配制造磁场方向与试片长度方向平行的方向及磁场方向与试片长度方向垂直的方向而使得试片位置方向不同，使用一双探向线圈(Helmholtz coil)改变交流磁场强度并且以锁相放大器(lock-in amplifier)(SR-850,Stanford Research Systems,Inc.,Sunnyvale,CA)测量试片的电压变化，亦即测量极化变化并除以压电纤维厚度(电极之间的距离)及交流磁场强度变化后得到磁电电压系数(αME)，其结果则显示在图16。
由图16可知，αME的大小受到PMN-PZT压电单晶层的结晶取向的较大影响。尤其是，本申请专利的实施例1及7所制造的磁电复合材料层合体不仅在压电纤维上使用单晶材料，还让011方向和复合体的厚度方向一致地将单晶取向，从而能够利用横向压电特性(d32或g32)所呈现的较大的面内各向异性，和比较例1中使用001方向与复合体厚度方向一致的单晶的情形相比，由于本实验例能够利用相对较高的压电常数g31值与g32值，因此最终得到优异的磁电特性。
<实验例4>针对实施例5-6及比较例4所制造的磁电复合材料层合体的磁电特性及
能量收集特性进行观察
为了观察实施例5-6及比较例4所制造的磁电复合材料层合体的能量收集特性，如图17所示，针对利用设置的装置在实施例5-6及比较例4所制造的磁电复合材料复合体试片的一侧端安装了作为质量块(proof mass)的永久磁铁2g的试片，以磁振荡器(MagneticShaker)(TJ-22，TMC solution，dynamic)施加机械振动(30mG，G：重力加速度9.8m/sec2)，使用探向线圈(Helmholtz coil)施加磁性变化(1Oe)并测量呈现最大电压的共鸣频率，观察了在所属共鸣频率下随时间变化测量的开路电压(Voc)，其结果如图18及图19所示。
请参阅图18，将机械振动或磁性变化施加到所属试片时，不论在施加机械振动或施加磁性变化的情况下，电压达到最大值的频率都一样，凭此能够确定机械共鸣及磁共鸣一致。
而且，图19(a)到图19(c)示出了在分别对实施例5、实施例6及比较例4所制造的试片施加机械振动或磁性变化或者同时施加机械振动及磁性变化时发生最大电压的共鸣频率下随时间变化测量的开路电压(Voc)，正如预期，包含利用厚度方向取向为[011]、横向取向为d32模式(长度方向：[100]，宽度方向：)的PMN-PZT单晶所制造的含压电纤维的复合体而构成的实施例5的试片呈现出最高值的峰间电压(peak to peak voltage,Vp-p)。
即使在较低磁场(1Oe)与机械振动(30mG)下，实施例5、实施例6及比较例4全部呈现出基于磁场或机械振动的数V的能量收集特性，同时施加振动与磁场时两种能量收集重叠，从而呈现更加优异的能量收集特性。
更具体地，如在显示输出电力密度的测量结果的图20中可确认的一样，所述输出电力密度是针对实施例5、实施例6及比较例4所制造的磁电复合材料层合体单独施加磁场或机械振动、或者同时施加磁场及机械振动时所生成的输出电力密度，如图14所示，虽然凭借磁场生成的电力密度仅为1到数μW/Oe2cm3左右，但凭借振动刺激生成的电力密度则达到数百μW/gcm3，两者之间的差异是较大的。亦即，凭借单一磁场刺激得到的电力密度非常低，其相比于凭借振动得到的电力密度只有数百分之一。
然而可确认到在振动刺激存在的状况下同时施加了非常微弱的磁场时，电力密度相比于只有振动刺激存在的状况大约增加1.4～2倍(在实施例6中从0.337mW/cm3增加到0.575mW/cm3，在实施例5中从1.274mW/cm3增加到1.794mW/cm3，在比较例4中从0.334mW/cm3增加到0.624mW/cm3)。亦即，如本发明一样地构成磁电(ME)复合体时，在伴随着复合刺激的状况下能量收集特性远优于施加单一刺激的情形。
另外，图21是针对以实施例5-6及比较例4中所制造的磁电复合材料层合体作为对象测量随着直流磁场(Hdc)强度变化所导致的磁电电压系数(αME)的变化的测量结果，根据图21所示，实施例5中所制造的试片呈现出最大的磁电特性，更进一步，实施例5所制造的试片含有比含压电纤维的复合体面积更大面积的磁致伸缩层(Ni板)，从而得以在没有施加直流磁场的状态下也能呈现出维持非常高的磁电特性值的自偏置磁电(Self biased ME)特性，这样一来不需要人为地施加直流磁场，从而使得元件系统变得简单化。
<实验例5>针对实施例9-12及比较例5所制造的磁电复合材料层合体的能量撷取
特性进行观察
为了观察本申请专利的实施例9-12及比较例5所制造的磁电复合材料层合体的交流磁场的能量撷取特性，利用如图22所示地设置的装置针对敷设在韩国国内的电力线周边可能会发生的交流磁场(60Hz，1.6G)所致能量撷取特性进行观察。
图22是示出本申请专利的实施例9-12及比较例5所制造的各个磁电复合材料层合体在上述交流磁场下生成的交流电压波形的图形，正如可从上述实验例3的结果预测者，本申请专利的实施例9所制造的磁电复合材料层合体凭借着横向压电特性(d32或g32)所呈现的较大的面内各向异性及使用整面电极而呈现出大约达到10Vp-p的最高值的峰间电压(peak to peak voltage,Vp-p)。
图23是本申请专利的实施例9-12及比较例5所制造的各个磁电复合材料复合体在上述交流磁场下生成的交流电压经过整流后充电到电容器(capacitor)的电压及电力密度的测量结果，该测量结果是把负载电阻增加到200KΩ地测量的结果，如同图23所示测量结果，本申请专利的实施例9所制造的磁电复合材料层合体利用横向压电特性(d32或g32)所呈现的较大的面内各向异性及使用整面电极而呈现出最高电压及电力密度数值(相比于比较例5提高了1600％)。
图24是示出利用本申请专利的实施例9所制造的磁电复合材料复合体所生成的交流电力经过整流后充电到电容器(capacitor)的直流电力对商用高亮度LED进行亮灯实验的结果照片，由此可知，把本发明的磁电复合材料复合体作为能量撷取装置使用时，足以提供驱动基于USN的电力线远程监视系统的传感器时所需要的电力。
Claims (13)
1.一种含压电纤维的复合体，其特征在于，
包括：第一保护层，其一面形成有第一电极；第二保护层，其一面形成有第二电极；以及压电纤维层，其插入于所述第一电极及第二电极之间，由沿着复合体的长度方向排列的一个以上的压电纤维构成，
所述压电纤维由单晶压电材料构成,所述单晶的<011>方向和复合体的厚度方向一致，从而使得所述单晶的<100>方向和复合体的长度方向一致，所述第一电极及第二电极是整面电极。
2.根据权利要求1所述的含压电纤维的复合体，其特征在于，
所述单晶压电材料具有钙钛矿结晶结构或复合钙钛矿结晶结构。
3.根据权利要求2所述的含压电纤维的复合体，其特征在于，
具备所述复合钙钛矿结晶结构的单晶压电材料通过如下化学式1)或2)表示：
1)xPb(A1,A2,…,B1,B2,…)03+(1-x)PbTiO3
2)xPb(A1,A2,…,B1,B2,…)03+(1-x)Pb(Zr,Ti)O3
但是，所述化学式1)及2)中，x是摩尔分数，并且为0<x<1，A1,A2,…是选自由Zn、Mg、Ni、Lu、In及Sc所组成的群中的一个以上的元素，B1,B2,…是选自由Nb、Ta、Mo及W所组成的群中的一个以上的元素。
4.根据权利要求2所述的含压电纤维的复合体，其特征在于，
具备所述复合钙钛矿结晶结构的单晶压电材料具有菱方晶系(Rhombohedral)结晶结构。
5.根据权利要求1所述的含压电纤维的复合体，其特征在于，
所述第一保护层及第二保护层由聚酰亚胺、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚碳酸酯构成。
6.一种含压电纤维的复合体的制造方法，其为权利要求1到5之任一项所述含压电纤维的复合体的制造方法，其特征在于，
包括下列步骤：
步骤(a)，在一面形成有作为整面电极的第一电极的第一保护层的所述第一电极上接合压电单晶层，所述压电单晶层由单晶压电材料构成,所述单晶的<011>方向和厚度方向一致，从而使得所述单晶的<100>方向和复合体的长度方向一致；
步骤(b)，沿着长度方向切断所述压电单晶层，从而形成由一个以上的压电纤维构成的压电纤维层；
步骤(c)，将第二保护层接合于压电纤维层上，以便使得一面形成有作为整面电极的第二电极的第二保护层的所述第二电极与所述压电纤维层相接；以及
步骤(d)，针对所述压电纤维进行极化。
7.一种磁电复合材料层合体，
包括：权利要求1到5之任一项所述含压电纤维的复合体；以及磁致伸缩层，配备在所述复合体的一面或两面，并且由磁致伸缩材料构成，
所述压电纤维由单晶压电材料构成,所述单晶的<011>方向和所述复合体的厚度方向一致，从而使得所述单晶的<100>方向和复合体的长度方向一致。
8.根据权利要求7所述的磁电复合材料层合体，其特征在于，
所述磁致伸缩材料是强磁性金属、铁氧体陶瓷、磁致伸缩合金或磁性形状记忆合金。
9.根据权利要求8所述的磁电复合材料层合体，其特征在于，
所述强磁性金属是Ni或Fe。
10.根据权利要求8所述的磁电复合材料层合体，其特征在于，
所述铁氧体陶瓷是Fe3O4、NiFe2O4、MnFe2O4、(Ni,Zn)Fe2O4、(Mn,Zn)Fe2O4、CoFe2O4、γ-Fe2O3或钡铁氧体。
11.根据权利要求8所述的磁电复合材料层合体，其特征在于，
所述磁致伸缩合金是Terfenol-D、Gafenol,Samfenol-D或Metglas,FeCoB合金。
12.根据权利要求7所述的磁电复合材料层合体，其特征在于，
还在磁电复合材料层合体的一侧端的上表面或下表面中的至少一处包括由永久磁铁构成的质量块(proof mass)。
13.一种权利要求7所述的磁电复合材料层合体的制造方法，其特征在于，
包括下列步骤：
步骤(a)，准备由磁致伸缩材料构成的磁致伸缩层；
步骤(b)，准备含压电纤维的复合体，所述含压电纤维的复合体包含由单晶压电材料构成并且所述单晶的<011>方向和复合体的厚度方向一致从而使得所述单晶的<100>方向和复合体的长度方向一致的压电纤维；
步骤(c)，针对所述压电纤维进行极化；及
步骤(d)，在所述含压电纤维的复合体的一面或两面对所述磁致伸缩层进行层合。
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