KR100475564B1 - 개량된 전극 및 커넥터 구조를 갖는 압전체 고분자 소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 우수한 작동 성능을 가질 뿐만 아니라 오랜 작동 시간에도 내구성을 갖는 압전체 고분자 소자를 가능하게 하는 전극과 커넥터의 구성을 제공하기 위하여, 압전체 고분자 필름과, 상기 필름의 상하면에 증착되는 전극과, 외부 결선을 상기 전극에 전기적으로 연결하기 위한 커넥터로 이루어지는 압전체 고분자 소자에 있어서, 상기 전극 중 상기 커넥터가 위치할 부분이 증착될 상기 압전체 고분자 필름의 일부에서 상기 압전체 고분자 필름의 압전성을 소멸시킨 개량된 전극 및 커넥터 구조를 갖는 압전체 고분자 소자를 제공한다.

Description

개량된 전극 및 커넥터 구조를 갖는 압전체 고분자 소자 {Piezoelectric Polymer Device Having an Improved Electrode and Connector Structure}

본 발명은 압전체 고분자 소자의 성능 및 내구성을 향상시키기 위한 전극과 커넥터의 구조에 관한 것이다.

지금까지 압전체 고분자를 이용한 기능성 소자들은 세라믹을 이용한 소자들에 비하여 가볍고 얇으며 변형이 가능하여 현재 이용되고 있는 압전체 소자의 기능 향상, 소형화 및 경량화를 가능하게 했을 뿐만 아니라 유연성을 이용한 새로운 기능성 소자의 제작을 가능케 하였다. 그러나, 현재 실용화 단계에 있는 압전체 고분자 재료들은 낮은 표면에너지로 인하여 소자 구현에 필수적인 전극 재료와의 접착이 용이하지 않아 소자 구현이 불가능하거나 제작된 소자의 수명이 제한 받는 문제점이 있었다. 전극의 접착력이 중요시되는 이유는 압전성을 이용한 소자의 경우 전기적 신호에 따라 큰 변형을 일으키므로 반복적인 사용에 의하여 전극이 압전체 고분자로부터 박리되어 적절한 전기 신호전달이 이루어질 수 없기 때문이다. 이러한 문제점을 극복하기 위하여 본원 발명의 발명자들은 대한민국 특허출원 제 2001-64791호에서 이온빔을 이용한 표면처리법으로 압전체 고분자의 표면을 처리하여 전극에 대한 접착성을 향상시킨 기술을 제안한 바 있다. 그러나, 이러한 전극과 압전체 고분자 사이의 접착력 향상과 더불어 전극과 외부 결선을 연결하는 커넥터(connector)의 연결문제도 동시에 해결되어야 한다. 종래 제시되고 있는 리벳이나 볼트를 이용한 방법이나 전도성 에폭시를 사용하는 방법의 경우, 라우드스피커(loudspeaker)나 액츄에이터(actuator)와 같이 변형량이 크고 사용되는 전원의 출력이 높은 경우 소자의 진동과 접촉부위에서 발생하는 열에 의하여 전극과 커넥터 사이의 취약한 부분에서 전극이 파괴되고 장시간 사용하는 경우 소자의 기능이 급격히 저하되거나 더 이상 기능을 발휘하지 못하게 되는 문제점이 있다.

현재의 커넥터 연결 방식은 대부분이 리벳이나 볼트 등을 이용한 방식을 사용하고 있으나, 이는 소자의 크기가 작거나 커다란 진동이 발생하지 않는 작은 센서 분야에만 적합한 방식이다. 대면적이거나 많은 진동이 발생하는 라우드스피커와 액츄에이터 같은 소자의 경우 접촉면이 좁은 리벳이나 볼트를 사용하면 접촉면에서 발생하는 저항열과 진동에 의한 변형에 의해 커넥터 부분의 전극에 미세한 균열이 발생하여 전류의 흐름이 끊기게 되고 결과적으로 소자가 기능을 수행하지 못한다. 이에 보다 넓은 접촉면을 갖는 방법을 찾게 되었고 전도성 에폭시가 코팅된 동박 테이프를 이용하기도 하였다. 그러나 이러한 커넥터는 고가이며 장시간 사용에 의해 에폭시가 경화되거나 떨어져 나가는 등의 문제점이 있다.

본 발명은 우수한 작동 성능을 가질 뿐만 아니라 오랜 작동 시간에도 내구성을 갖는 압전체 고분자 소자를 가능하게 하는 전극과 커넥터의 구성을 제공하는 것을 목적으로 한다.

이에 본 발명은, 압전체 고분자 필름과, 상기 필름의 상하면에 증착되는 전극과, 외부 결선을 상기 전극에 전기적으로 연결하기 위한 커넥터로 이루어지는 압전체 고분자 소자에 있어서, 상기 압전체 고분자 필름 중, 상기 커넥터가 위치할, 상기 압전체 고분자 필름의 일부에서 상기 압전체 고분자 필름의 압전성을 소멸시킨 개량된 전극 및 커넥터 구조를 갖는 압전체 고분자 소자를 제공한다.

여기서, 상기 압전성의 소멸은 상기 압전성을 소멸시키고자 하는 부분만을 선택적으로 큐리 온도 이상으로 가열함으로써 상기 압전성을 소멸시키는 것이 바람직하고, 아울러, 상기 압전체 고분자 필름 중 상기 압전성이 소멸된 부분에서는 상기 커넥터가 접속되는 면에만 전극이 형성되는 것이 더욱 바람직하다. 또한, 상기 커넥터는 상기 압전체 고분자 필름의 맞은편에 보강 탭을 추가로 포함할 수도 있다.

아울러, 여기서, 상기 커넥터가 표면에 점착제가 도포된 고무와, 상기 표면 중 일부에 접착되는 금속박으로 이루어지고, 상기 금속박이 접착된 상기 고무를 상기 전극에 부착시킴으로써 외부 결선이 상기 금속박을 통해 상기 전극과 전기적으로 연결되는 개량된 전극 및 커넥터 구조를 갖는 압전체 고분자 소자를 제공한다.

이상과 같이, 본 발명에서 압전체 고분자 소자의 성능과 내구성을 향상시키기 위한 전극과 커넥터의 구성은 크게 두 가지로 분리된다. 첫째는 전극 부분의 진동을 최소화하기 위하여 전극이 형성되는 부분 중 커넥터와 연결되는 전극 아래 부분의 압전체 고분자의 압전성을 소멸시키는 것이고, 둘째는 전극과 커넥터에서 발생하는 진동을 효과적으로 감소 또는 흡수하여 전극과 커넥터 사이의 높은 부하를 감당하고 전극과 커넥터사이에서 발생하는 미소 균열과 열을 최소화하는 커넥터를 구성하는 것이다.

외부의 전기적 신호에 의하여 압전체 고분자 소자가 동작할 때 소자 전체에 상당한 진동이 발생된다. 압전 소자의 진동시 전극 부위는 커넥터와 연결 고정되어 있으므로 진동은 이 부분에 집중된다. 따라서, 소자를 오랫동안 작동시킨 후에는 이러한 진동에 의하여 전극에 미세 균열이 발생하고 이러한 균열은 전극의 저항을 증대시켜 많은 접촉열이 발생된다. 도 1은 기존 압전체 소자 커넥터를 이용한 경우 발생한 전극의 미세 균열을 보여주는 SEM 사진이다.

따라서, 본 발명에서는 전극과 커넥터 사이의 진동 집중에 의한 전극의 파손을 방지하기 위하여 도 2에서 보는 바와 같이 전극(4, 6)과 커넥터(8)가 연결되는 부근(20, 20')의 압전체 고분자 필름(2)의 압전성을 소멸시켜 소자 작동시에도 전극(4, 6)과 커넥터(8) 부근에는 진동이 발생하지 않도록 하였다. 압전체 고분자 필름 중 압전성을 소멸시키고자 하는 부분(20, 20')을 큐리 온도(Curie-temperature) 이상으로 가열함으로써 압전성을 소멸시킬 수 있다. 이 경우, 큐리 온도 이상으로 가열된 부분은 압전성을 잃게 되며 이에 따라 전기신호에 의해 진동하지 않는다. 따라서, 진동에 의한 종래의 전극 손실은 최소화시킬 수 있다. 압전성 소멸을 위한 가열방식으로는 물과 같은 끓는 용매에 압전성을 제거하고자 하는 부분을 일정시간 담가두는 방법이나 히터 등을 이용하여 직접적으로 가열하는 방법 등 공지된 종래의 어떤 방법도 이용될 수 있다. 이렇게 전극(4, 6)과 커넥터(8)가 연결

된 부위의 압전성을 일부 소멸시킨 압전체 고분자 필름(2) 위아래에 전극(4, 6)을 증착하고 커넥터(8)를 연결함으로서 전극과 커넥터부근에서의 진동을 최소화함으로서 소자의 내구성을 향상시킬 수 있다. 아울러, 도 2에 나타난 바와 같이 커넥터(8)가 전극(4, 6)에 연결되는 압전체 고분자 필름(2)의 반대면에는 전극(4, 6)을 코팅하지 않는 경우, 압전체 고분자 필름의 일부 영역인 20 및 20'에서 압전성을 소멸시킨 효과를 극대화할 수 있다. 이러한 전극(4, 6)을 구성함으로서 커넥터(8) 부근에서의 전극(4, 6) 진동을 최소화하여 진동에 의한 전극(4, 6)의 손상을 최소화할 수 있었다.

상술한 바와 같이 압전성을 소멸시킨 영역 20 및 20'의 전극(4, 6)에 대하여 기존의 다양한 커넥터(8)의 연결이 가능하다. 도 3은 커넥터(8)로 리벳(8')을 이용하여 외부 결선(10)을 상부 전극(4)과 전기적으로 연결한 경우를 보여주고, 도 4는 커넥터(8)로 볼트(8''), 와셔(9) 및 너트(9')을 이용하여 외부 결선(10)을 상부 전극(4)과 전기적으로 연결한 경우를 보여주며, 도 5는 전도성 에폭시가 점착제로 사용된 동박 테이프(14)와 솔더(8''')를 이용하여 외부 결선(10)을 상부 전극(4)과 전기적으로 연결한 경우를 보여준다. 도 3 내지 5로부터 확인되는 바와 같이, 압전체 고분자 필름(2) 중 압전성이 소멸된 영역인 20에서는 압전체 고분자 필름(2)의 한쪽면에만 전극이 증착되는 것이 바람직하고, 도 3 및 4에서와 같이 커넥터(8)로 리벳(8')이나 볼트(8'')가 사용되는 경우에는 그 반대편에 보강탭(12)을 사용하는 것이 더욱 바람직하다. 그 외 도 3 내지 5에 표시된 도면번호는 도 2에서 기재된 도면번호와 동등한 의미로 사용되었다.

또한, 본 발명은 전극과 커넥터에서 발생하는 진동을 효과적으로 감소 또는 흡수하여 전극과 커넥터 사이의 높은 부하를 감당하고 전극과 커넥터 사이에서 발생하는 미소 균열과 열을 최소화하는 다음과 같은 구성의 커넥터를 제공한다. 종래 일반적으로 사용되는 리벳이나 볼트를 이용할 경우 펀칭 공정에서 전극 일부 손상을 주며 접촉 면적이 리벳이나 볼트의 크기로 제한되어 접촉부위에서 많은 저항열이 발생한다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 접촉면을 넓게 하면서 펀칭 공정이 요구되지 않는 커넥터의 사용이 필요하다. 도 6a 및 6b는 이러한 문제점을 해결할 수 있는 커넥터의 구성을 보여준다. 커넥터로 펀칭 공정이 필요한 리벳이나 볼트 대신 전도성이 좋은 금속박(구리 또는 알루미늄)(16)을 사용하였다. 또한 소자 작동시에 발생하는 진동을 흡수하기 위하여 금속박(16)을 표면에 점착제가 도포된 실리콘 고무(17)의 일부에 붙여 일체형으로 제작한 후 이를 압전체 고분자 필름(2) 위의 전극(4, 6)에 부착하여 커넥터(18)로 사용하였다. 이러한 커넥터(18)를 이용하는 경우 전극(4, 6)에 발생하는 손상을 최소화하고 전극(4, 6)과 커넥터(18)의 접착 면적을 필요에 따라 쉽게 조절할 수 있었다. 또한, 리벳이나 볼트, 클램프에 비해 방진율이 우수한 실리콘 고무(17)를 사용함으로써 소자 작동시 발생하는 진동을 흡수함으로서 진동에 의한 부하를 최소화하였고 진동이 외부로 전달되는 것을 막을 수 있다. 진동을 흡수하는데 사용되는 고무로는 실리콘 고무 이외에 방진율이 우수한 어떠한 고무류도 사용될 수 있다.

압전체 고분자 소자의 작동 성능과 내구성을 극대화시키는 최선의 방법으로는 상술한 두 기술적 특징을 함께 사용하는 것이다. 즉, 전극과 커넥터가 연결되는

압전체 부위를 큐리 온도 이상으로 가열하여 압전성을 없애고 그 위에 전극을 부착시킨 후 점착제가 도포된 방진율이 우수한 고무류에 금속막을 입혀 이를 커넥터로 사용하는 경우, 전극과 커넥터 부위의 진동을 최소로 하며 전극과 커넥터 사이의 접착면을 크게 하여 이로부터 발생될 수 있는 저항열을 최소화할 수 있었다.

이상에서 설명한 본 발명에 따른 압전체 고분자 소자의 전극과 커넥터 구성에 의하면 전극과 커넥터 부위에서 발생하는 진동을 억제 또는 흡수하여 작동 성능이 우수하고 오랜 사용 후에도 소자의 성능이 감소되지 않는 우수한 내구성을 갖는 압전체 고분자 소자의 제작이 가능하다. 이러한 전극과 커넥터의 구성을 이용하는 경우 라우드스피커나 액츄에이터와 같이 변형량이 크고 전원 출력이 커서 지금까지 실용화가 어려웠던 압전체 고분자 소자를 내구성 있게 제작할 수 있다.

도 1은 종래 압전체 고분자 소자에서 발생한 전극의 미세 균열을 보여주는 SEM 사진이다.

도 2는 본 발명에 따라 개량된 전극 구조를 갖는 압전체 고분자 소자의 종단면도이다.

도 3은 도 2에서와 같이 전극을 형성하고 커넥터로 리벳을 사용한 경우를 보여주는 본 발명에 따른 압전체 고분자 소자의 일부 절단 종단면도이다.

도 4는 도 2에서와 같이 전극을 형성하고 커넥터로 볼트를 사용한 경우를 보여주는 본 발명에 따른 압전체 고분자 소자의 일부 절단 종단면도이다.

도 5는 도 2에서와 같이 전극을 형성하고 결선으로 전도성 접착제가 도포된 동박을 이용하고 커넥터로 솔더를 사용한 경우를 보여주는 본 발명에 따른 압전체 고분자의 소자의 일부 절단 종단면도이다.

도 6a 및 6b는 각각 본 발명에 따른 새로운 형식의 커넥터의 구조를 개략적으로 보여준다.

Claims (5)

1. 압전체 고분자 필름과, 상기 필름의 상하면에 증착되는 전극과, 외부 결선을 상기 전극에 전기적으로 연결하기 위한 커넥터로 이루어지는 압전체 고분자 소자에 있어서,

   상기 압전체 고분자 필름 중, 상기 커넥터가 위치할, 상기 압전체 고분자 필름의 일부에서 상기 압전체 고분자 필름의 압전성을 소멸시킨 것을 특징으로 하는 개량된 전극 및 커넥터 구조를 갖는 압전체 고분자 소자.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 압전성의 소멸은 상기 압전성을 소멸시키고자 하는 부분만을 선택적으로 큐리 온도 이상으로 가열함으로써 상기 압전성을 소멸시키는 것을 특징으로 하는 개량된 전극 및 커넥터 구조를 갖는 압전체 고분자 소자.
3. 제 1 항 또는 제 2 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 압전체 고분자 필름 중 상기 압전성이 소멸된 부분에서는 상기 커넥터가 접속되는 면에만 전극이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 개량된 전극 및 커넥터 구조를 갖는 압전체 고분자 소자.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 커넥터는 상기 압전체 고분자 필름의 맞은편에 보강 탭을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 개량된 전극 및 커넥터 구조를 갖는 압전체 고분자 소자.
5. 제 3항에 있어서, 상기 커넥터는 표면에 점착제가 도포된 고무와, 상기 표면 중 일부에 접착되는 금속박으로 이루어지고, 상기 금속박이 접착된 상기 고무를 상기 전극에 부착시킴으로써 외부 결선은 상기 금속박을 통해 상기 전극과 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 개량된 전극 및 커넥터 구조를 갖는 압전체 고분자 소자.