KR101113614B1 - 압전체 후막의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 하나 이상의 유기물을 포함하는 용매에 P(VDF-TrFE) 분말을 용해시킨 용액을 테이프 캐스팅으로 도포하여 압전체 후막의 두께와 크기를 용이하게 조절할 수 있는 압전체 후막의 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 압전체 후막의 제조 방법은 (a) 하나 이상의 유기물을 포함하는 용매에 압전 분말을 용해시켜 용액을 제조하는 단계; (b) 상기 용액을 기판의 상부면에 테이프 캐스팅으로 도포하는 단계; 및 (c) 상기 용액이 도포된 상기 기판에 열처리를 수행하여 압전체 후막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 압전체 후막의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 하나 이상의 유기물을 포함하는 용매에 P(VDF-TrFE) 분말을 용해시킨 용액을 테이프 캐스팅으로 도포하여 압전체 후막의 두께와 크기를 용이하게 조절할 수 있는 압전체 후막의 제조 방법에 관한 것이다.
압전체(piezoelectrics)는 압력, 온도 및 진동 등의 기계적인 에너지를 가하면 전기가 발생하는 물질이다.
압전체는 일반적인 기계 에너지를 전기 에너지로 변환하는 마이크로 폰, 버저, 스피커의 진동판 등에 이용될 뿐만 아니라, 바이오 기계 에너지를 전기 에너지로 변환하는 에너지 수확(harvesting) 시스템에도 이용되고 있다. 이러한 압전체는 벌크(bulk)로 제조하기 보다는 시트(sheet)나 후막으로 제조되어야 한다.
대표적인 압전체의 재료로는 PZT(Plumbum-Zirconate-Titanate)와 PVDF(PolyVinyliDene Fliuoride)가 있다.
PZT는 세라믹 계열의 압전체로써, 인성이 낮아 쉽게 깨지며 대면적화가 어렵다는 단점이 있다.
PVDF는 폴리머 계열의 압전체로써, PZT와는 달리 쉽게 휘어지므로 깨지지 않는다는 장점이 있지만, 압전 특성을 부여하기 위해 일 방향의 압력을 가해야하며, 쌍극자 정렬을 위해 약 1MV/cm의 고 전압을 인가해야 하므로 그 제조 공정이 힘들다는 단점이 있다.
반면, 폴리머 계열인 P(VDF-TrFE)는 PVDF에 비해 쌍극자 정렬 전압이 낮고, 일 방향의 압력을 가하지 않아도 압전 특성이 부여되므로 P(VDF-TrFE(TriFluoroEthylene))를 이용한 압전체의 제조 방법을 개발하는 실정에 있다.
PVDF를 이용하여 압전체를 제조하는 방법으로는 고온 압연기(roller), 압출 성형기(extruder) 및 열압축 성형기(hotpressing) 등이 있다.
하지만, 이와 같은 방법으로는 대면적의 압전체를 제조할 수 없을 뿐만 아니라, 최대 25㎛의 두께를 가지는 압전체의 제조만 가능할 뿐 그 이상의 두께를 가지는 압전체는 제조할 수 없다는 단점이 있다. 또한, 쌍극자 정렬 전압을 낮추기 위해서 ㎛의 두께를 가지는 압전체를 얇게 제조하는 경우 유연성이 증가하여 압전체를 다루기 힘들다는 단점이 있다.
상기 문제점을 해결하기 위하여, 테이프 캐스팅으로 하나 이상의 유기물을 포함하는 용매에 P(VDF-TrFE) 분말을 용해시킨 용액을 테이프 캐스팅으로 도포하여 압전체 후막의 두께와 크기를 용이하게 조절할 수 있는 압전체 후막의 제조 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명에 따른 압전체 후막의 제조 방법은 (a) 메틸에틸케톤(Methyl Ethyl Ketone), 2-부타논(2-butanone), 사이클로 헥사논(Cyclehexanone), 디메틸포름아마이드(Dimethyl formamide) 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 어느 하나의 용매에 P(VDF-TrFE) 분말을 용해시켜 용액을 제조하는 단계; (b) 상기 용액을 기판의 상부면에 테이프 캐스팅으로 도포하는 단계; 및 (c) 상기 용액이 도포된 상기 기판에 열처리를 수행하여 압전체 후막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 압전체 후막의 제조 방법은 상기 (b) 단계 이전에, (d) 상기 기판의 상부면에 제1 전극을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 상기 (c) 단계 이후에, (e) 상기 열처리가 수행된 상기 용액의 상부에 제2 전극을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 상기 (e) 단계는, (e-1) 상기 용액의 상부에 스크린 프린팅(Screen Printing) 기법, 진공 증착법 및 도금 방법 중 적어도 어느 하나를 이용하여 상기 제2 전극을 형성하는 단계; 및 (e-2) 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극에 전계를 인가하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 압전체 후막의 제조 방법은 상기 (c) 단계 이후에, (f) 상기 압전체 후막으로부터 상기 기판을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.
삭제
본 발명에 따른 상기 (a) 단계는, 상기 용매에 상기 P(VDF-TrFE) 분말을 1 내지 25%의 농도로 용해시켜 상기 용액을 제조하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 상기 기판은 폴리머 판, 세라믹 판 및 금속 판 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으며, 상기 (c) 단계는, 상기 용액이 도포된 기판을 100 내지 150℃의 온도로 열처리하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 압전체 후막의 제조 방법에 따르면, 메틸에틸케톤(Methyl Ethyl Ketone), 2-부타논(2-butanone), 사이클로 헥사논(Cyclehexanone) 및 디메틸포름아마이드(Dimethyl formamide)을 포함하는 용매에 P(VDF-TrFE) 분말의 농도를 변화시키거나 닥터 브레이드(doctor blade)의 간격을 조절함으로써 압전체 후막의 두께를 용이하게 조절할 수 있다. 따라서, 두께에 상관없이 압전체 후막의 제조가 가능하다.
또한, 상기 용액을 테이프 캐스팅으로 기판에 도포하므로 용이하게 대면적의 압전체 후막을 제조할 수 있으며, 약 1MV/cm인 PVDF의 쌍극자 정렬 전압보다 낮은 0.3MV/cm의 전압을 인가하여도 쌍극자가 정렬된다는 장점이 있다.
이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 압전체 후막의 제조 방법을 도시한 흐름도이며, 도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 제1 실시예에 따른 압전체 후막의 제조 방법을 도시한 단면도들이다.
도 1 및 도 2a 내지 도 2c를 참조하면, 하나 이상의 유기물을 포함하는 용매에 압전 분말을 용해하여 용액(130a)을 제조한다(S110).
용액(130a)은 메틸에틸케톤(Methyl Ethyl Ketone), 2-부타논(2-butanone), 사이클로 헥사논(Cyclehexanone) 및 디메틸포름아마이드(Dimethyl formamide)로 구성되는 군에서 선택된 용매에 P(VDF-TrFE) 분말을 용해시켜 제조하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, 상기 용매에 상기 P(VDF-TrFE) 분말을 약 1 내지 25%의 농도로 용해시킬 수 있다. 상기 용매에 용해되는 상기 P(VDF-TrFE) 분말의 농도에 따라 상기 압전체 후막(130b)의 두께를 조절할 수 있다.
다음에는, 용액(130a)을 기판(100)의 상부면에 테이프 캐스팅(tape casting)으로 도포한다(S130, 도 2a).
구체적으로는, 닥터 브레이드(doctor blade)의 간격을 조절하여 기판(100)의 상부면에 도포되는 용액(130a)의 두께를 조절할 수 있다.
바람직하게는, 기판(100)은 압전체 후막(130b)(도 2b의 130b)의 활용도에 따라 폴리머(polymer) 판, 세라믹 판 및 금속판 중 어느 하나일 수 있으며, 단계 S150에서 수행되는 열처리에 의해 변형이 되지 않는 기판인 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, 기판(100)은 단계 S170에서 수행되는 압전체 후막(130b)으로부터 용이하게 제거될 수 있는 기판인 것이 바람직하다.
다음에는, 기판(100)에 열처리를 수행하여 압전체 후막(130b)을 형성한다(S150, 도 2b). 기판(100)의 상부면에 도포된 용액(130a)에 약 100 내지 150℃의 온도로 한 시간 이상 열처리를 수행하여 용액(130a)에 결정성을 부여한다.
다음에는, 압전체 후막(130b)으로부터 기판(100)을 제거한다(S170, 도 2c).
본 발명의 제1 실시예에 따른 압전체 후막(130b)은 활용하고자 하는 용도에 따라 기판, 예컨대, 폴리머 판, 세라믹 판 및 금속판 중 적어도 어느 하나에 증착한 후, 상기 기판과 압전체 후막(130b)에 형성된 제1 전극(미도시) 및 제2 전극(미도시)에 쌍극자 정렬 전압을 인가하여 사용할 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 제2 실시예에 따른 압전체 후막의 제조 방법을 상세하게 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 압전체 후막의 제조 방법을 도시한 흐름도이며, 도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 제2 실시예에 따른 압전체 후막의 제조 방법을 도시한 단면도들이다.
도 3 및 도 4a 내지 도 4d를 참조하면, 하나 이상의 유기물을 포함하는 용매에 압전 분말을 용해하여 용액(130a)을 제조한다(S210).
용액(130a)은 메틸에틸케톤, 2-부타논, 사이클로 헥사논, 디메틸포름아마이드 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 용매, 즉, 메틸에틸케톤, 2-부타논, 사이클로 헥사논 및 디메틸포름아마이드를 혼합한 용매에 P(VDF-TrFE) 분말을 용해시켜 제조하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, 상기 용매에 상기 P(VDF-TrFE) 분말을 약 1 내지 25%의 농도로 용해시킬 수 있으며, 상기 P(VDF-TrFE) 분말의 농도에 따라 상기 압전체 후막(130b)의 두께를 조절할 수 있다.
다음에는, 기판(100)의 상부에 제1 전극(150a)를 형성한다(S230, 도 4a).
바람직하게는, 기판(100)은 압전체 후막(130b)의 활용도에 따라 폴리머 판, 세라믹 판 및 금속판 중 어느 하나일 수 있으며, 단계 S270에서 수행되는 열처리에 의해 변형이 되지 않는 기판인 것이 바람직하다.
다음에는, 제1 전극(150a)이 형성된 기판(100)의 상부면에 용액(130a)을 테이프 캐스팅으로 도포한다(S250, 도 4b).
구체적으로는, 닥터 브레이드의 간격을 조절하여 기판(100)의 상부면에 도포되는 용액(130a)의 두께를 조절할 수 있다.
다음에는, 기판(100)에 열처리를 수행하여 압전체 후막(130b)을 형성한다(S270, 도 4c).
기판(100)의 상부면에 도포된 용액(130a)에 약 100 내지 150℃의 온도로 한 시간 이상 열처리를 수행하여 용액(130a)에 결정성을 부여한다.
다음에는, 압전체 후막(130b)의 상부면에 제2 전극(150b)을 형성한다(S290, 도 4d).
구체적으로는, 제2 전극(150b)은 압전체 후막(130b)의 상부면에 스크린 프린팅(Screen Printing) 기법, 진공 증착법 및 도금 방법 중 적어도 어느 하나를 이용하여 제2 전극(150b)을 형성할 수 있다.
압전체 후막(130b)의 상부면에 제2 전극(150b)이 형성되면, 제1 전극(150a) 및 제2 전극(150b)에 전계, 즉, 쌍극자 정렬 전압을 인가하여 압전체 후막(130b)에 압전 특성을 부여한다. 바람직하게는, 상기 쌍극자 정렬 전압은 0.3MV/cm일 수 있다.
비록 본 발명의 구성이 구체적으로 설명되었지만 이는 단지 본 발명을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형이 가능할 것이다.
따라서 본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 사상과 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 범위는 아래의 청구범위에 의해 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 압전체 후막의 제조 방법에 따르면, 메틸에틸케톤(Methyl Ethyl Ketone), 2-부타논(2-butanone), 사이클로 헥사논(Cyclehexanone) 및 디메틸포름아마이드(Dimethyl formamide)을 포함하는 용매에 P(VDF-TrFE) 분말의 농도를 변화시키거나 닥터 브레이드(doctor blade)의 간격을 조절함으로써 압전체 후막의 두께를 용이하게 조절할 수 있다. 따라서, 두께에 상관없이 압전체 후막의 제조가 가능하다.
또한, 상기 용액을 테이프 캐스팅으로 기판에 도포하므로 용이하게 대면적의 압전체 후막을 제조할 수 있으며, 약 1MV/cm인 PVDF의 쌍극자 정렬 전압보다 낮은 0.3MV/cm의 전압을 인가하여도 쌍극자가 정렬된다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 압전체 후막의 제조 방법을 도시한 흐름도.
도 2a 내지 도 2c는 각각 본 발명의 제1 실시예에 따른 압전체 후막의 제조 방법을 도시한 단면도.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 압전체 후막의 제조 방법을 도시한 흐름도.
도 4a 내지 도 4d는 각각 본 발명의 제2 실시예에 따른 압전체 후막의 제조 방법을 도시한 단면도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100 : 기판 130a : 용액
130b : 압전체 후막 150a : 제1 전극
150b : 제2 전극
Claims (10)
- (a) 메틸에틸케톤(Methyl Ethyl Ketone), 2-부타논(2-butanone), 사이클로 헥사논(Cyclehexanone), 디메틸포름아마이드(Dimethyl formamide) 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 어느 하나의 용매에 P(VDF-TrFE) 분말을 용해시켜 용액을 제조하는 단계;(b) 상기 용액을 기판의 상부면에 테이프 캐스팅으로 도포하는 단계; 및(c) 상기 용액이 도포된 상기 기판에 열처리를 수행하여 압전체 후막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전체 후막의 제조 방법.
- 제1항에 있어서,상기 (b) 단계 이전에, (d) 상기 기판의 상부면에 제1 전극을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압전체 후막의 제조 방법.
- 제2항에 있어서,상기 (c) 단계 이후에, (e) 상기 열처리가 수행된 상기 용액의 상부에 제2 전극을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압전체 후막의 제조 방법.
- 제3항에 있어서,상기 (e) 단계는,(e-1) 상기 용액의 상부에 스크린 프린팅(Screen Printing) 기법, 진공 증착법 및 도금 방법 중 적어도 어느 하나를 이용하여 상기 제2 전극을 형성하는 단계; 및(e-2) 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극에 전계를 인가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전체 후막의 제조 방법.
- 제1항에 있어서,상기 (c) 단계 이후에, (f) 상기 압전체 후막으로부터 상기 기판을 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압전체 후막의 제조 방법.
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,상기 (a) 단계는, 상기 용매에 상기 P(VDF-TrFE) 분말을 1 내지 25%의 농도로 용해시켜 상기 용액을 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전체 후막의 제조 방법.
- 제1항에 있어서,상기 기판은 폴리머 판, 세라믹 판 및 금속 판 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전체 후막의 제조 방법.
- 제1항에 있어서,상기 (c) 단계는, 상기 용액이 도포된 기판을 100 내지 150℃의 온도로 열처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전체 후막의 제조 방법.
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