KR101124444B1 - A piezoelectric film using a graphene - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 그라핀을 이용한 압전필름은, 판상으로 형성된 제1 그라핀, 상기 제1 그라핀 상면에 적층 결합된 부도체 및 상기 부도체 상면에 적층 결합된 제2 그라핀을 포함한다.
본 발명은 그라핀을 이용하여 박막 형태의 압전필름을 제공함으로써 적은 양의 압전소자로 큰 전기적 출력을 얻을 수 있는 장점이 있다. The piezoelectric film using graphene according to the present invention includes a first graphene formed in a plate shape, an insulator laminated on the upper surface of the first graphene, and a second graphene laminated on the upper surface of the insulator.
The present invention has the advantage of obtaining a large electrical output with a small amount of piezoelectric element by providing a piezoelectric film of a thin film form using graphene.
Description
본 발명은 압전필름(piezoelectric film)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 당김(strain)에 따라 일함수(work function)가 변하는 성질을 지닌 그라핀(graphene)을 이용한 압전필름에 관한 것이다. The present invention relates to a piezoelectric film, and more particularly, to a piezoelectric film using graphene having a property in which a work function changes depending on a strain.
압전소자(piezoelectric element)는 힘이 가해졌을 때 전압을 발생시키고 전계가 가해졌을 때 기계적인 변형이 일어나는 소자이다. 현재는 세라믹을 재료로 하는 압전세라믹(piezoelectric ceramics)이 가장 많이 사용되고 있으며, 이를 이용한 발전장치가 다양한 구조로 개발되어 지고 있다. A piezoelectric element is a device that generates a voltage when a force is applied and a mechanical deformation occurs when an electric field is applied. Currently, piezoelectric ceramics (piezoelectric ceramics) using ceramic materials are the most widely used, and generators using the same have been developed in various structures.
그러나 이러한 압전소자는, 세라믹 재질로 이루어져 있어 외부 충격에 의해 쉽게 파손될 뿐만 아니라 휘어짐이 반복되는 경우에는 쉽게 파손된다는 문제점이 있다.However, such a piezoelectric element is made of a ceramic material, which is not only easily broken by an external impact but also easily broken when the bending is repeated.
또한 적은 양의 압전소자로 큰 출력을 얻을 수 있는 박막 형태의 압전필름(piezoelectric film)의 경우 상기 세라믹 재질로는 그 제조가 용이하지 않은 문제점이 있다.In addition, in the case of a piezoelectric film having a thin film form in which a large output can be obtained with a small amount of piezoelectric elements, the ceramic material may not be easily manufactured.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 당김(strain)에 따라 일함수가 변하는 성질을 지닌 그라핀(graphene)을 이용한 압전필름(piezoelectric film)을 제공하는데 있다. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in an effort to provide a piezoelectric film using graphene having a property of changing a work function depending on strain.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 따른 그라핀을 이용한 압전필름은, 판상으로 형성된 제1 그라핀, 상기 제1 그라핀 상면에 적층 결합된 부도체 및 상기 부도체 상면에 적층 결합된 제2 그라핀을 포함하는 것을 특징으로 한다.Piezoelectric film using a graphene according to the present invention for achieving the technical problem, the first graphene formed in a plate shape, the non-conductor laminated on the upper surface of the first graphene and the second graphene laminated on the upper surface of the insulator It is characterized by including.
본 발명은 그라핀을 이용하여 박막 형태의 압전필름을 제공함으로써 적은 양의 압전소자로 큰 전기적 출력을 얻을 수 있고, 휘어짐의 반복이 있더라도 파손이 쉽지 않은 장점이 있다. The present invention provides a piezoelectric film in the form of a thin film using graphene to obtain a large electrical output with a small amount of piezoelectric elements, and there is an advantage that breakage is not easy even if there is repeated bending.
도 1은 그라핀(graphene)의 일반적인 구조와 당김(strain)의 방향에 따른 그라핀의 구조를 나타내는 도면이다.
도 2a는 단축 당김(strain)에 따른 그라핀의 일함수(work function) 변화를 나타내는 도면이다.
도 2b는 등방성 당김(Isotropic strain) 및 등방성 압축(Isotropic compression)에 따른 그라핀의 일함수(work function) 변화를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 그라핀을 이용한 압전필름의 일실시 예들을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 그라핀을 이용한 압전필름의 다른 일실시 예들을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 그라핀을 이용한 압전필름에 의한 전류흐름을 나타내는 도면이다. 1 is a view showing the structure of the graphene in accordance with the general structure of the graphene (graphene) and the direction of the pull (strain).
FIG. 2A is a diagram illustrating a change in the work function of graphene according to a uniaxial strain.
FIG. 2B is a view showing a change in the work function of graphene according to isotropic strain and isotropic compression.
3 is a view showing one embodiment of a piezoelectric film using graphene according to the present invention.
4 is a view showing another embodiment of a piezoelectric film using graphene according to the present invention.
5 is a view showing the current flow by the piezoelectric film using the graphene according to the present invention.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시 예를 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
도 1은 그라핀(graphene)의 일반적인 구조와 당김(strain)의 방향에 따른 그라핀의 구조를 나타내는 도면이다.1 is a view showing the structure of the graphene in accordance with the general structure of the graphene (graphene) and the direction of the pull (strain).
도1을 참고하면, 그란핀(graphene)은 이차원 평면에서 탄소원자가 육각형의 벌집모양구조로 서로 이어져 배치된 원자두께(약 3.5 Å)의 탄소동소체를 말한다. 예를 들면, 흑연은 각 그라핀을 이루고 있는 탄소원자 간의 결합(이를 '시그마 결합'이라고 함)은 공유결합으로 매우 강하지만, 각 층간 그라핀의 결합(이를 '파이 결합'이라고 함)은 미약한 반데르발스(Van Der Waals) 결합을 하고 있다. 이러한 이유로 두께가 약 3.5 Å인 매우 얇은 이차원 구조를 갖는 그라핀이 존재할 수 있다.Referring to FIG. 1, graphene refers to a carbon allotrope of atomic thickness in which carbon atoms are arranged in a hexagonal honeycomb structure in a two-dimensional plane. For example, graphite has very strong covalent bonds (called 'sigma bonds') between carbon atoms constituting each graphene, but weak bonds between graphenes (called 'pi bonds') of each layer. Van Der Waals joins. For this reason, graphene having a very thin two-dimensional structure of about 3.5
이와 같이, 그라핀은 탄소원자 한 층으로 만들어진 벌집구조의 2차원 박막이고, 압전필름은 길고 얇을수록 쉽게 변형이 되어 더 큰 전기적 출력을 얻을 수 있으므로 압전필름을 제조하는데 그라핀은 훌륭한 물질이라 할 수 있다.As such, graphene is a honeycomb two-dimensional thin film made of a single layer of carbon atoms, and the longer and thinner the piezoelectric film is, the easier it is to deform to obtain a larger electrical output. Can be.
계속하여 도 1을 참고하면, 당김(strain)은 단축 당김과 등방성 당김으로 나눌 수 있다. 그리고 단축 당김은 다시 그라핀의 팔걸이 무늬방향 당김(Armchair-strain, 이하'A-strain')과 지그재그 무늬방향 당김(Zigzag-strain, 이하 'Z-strain')으로 나눌 수 있다.With continued reference to FIG. 1, the strain can be divided into uniaxial pull and isotropic pull. In addition, the uniaxial pull can be divided into the armrest pattern pull (Armchair-strain, hereinafter 'A-strain') and the zigzag pattern pull (Z-strain).
도 2a는 단축 당김(strain)에 따른 그라핀의 일함수(work function) 변화를 나타내는 도면이다. FIG. 2A is a diagram illustrating a change in the work function of graphene according to a uniaxial strain.
일함수(work function)는 물질 내에 있는 전자 하나를 밖으로 끌어내는 데 필요한 최소의 일 또는 에너지이다. 따라서 일함수가 크면 클수록 전자는 잘 방출되지 않는다.The work function is the minimum work or energy needed to bring out one electron in the material. Therefore, the larger the work function, the less electrons are emitted.
도 2a를 참고하면, 수평축은 강도의 증가량을 나타내며, 수직축은 강도의 증가량에 따른 일함수 값을 나타낸다.Referring to FIG. 2A, the horizontal axis represents an increase in intensity, and the vertical axis represents a work function value according to the increase in intensity.
도 2a에 도시된 바와 같이, 그라핀은 단축 당김(strain)의 강도가 증가될수록 일함수가 증가됨을 알 수 있다. 당김 없이 계산된 그라핀의 일함수가 4.5 eV라고 가정하면, 단축 당김(strain)의 강도를 12% 증가시킬 경우 일함수는 약 0.3eV 증가하여 4.8eV가 된다. 다만, A-strain의 경우에는 강도를 약 25%까지 증가시키더라도 일함수는 약 5.2eV까지 증가되지만 Z-strain의 경우에는 일함수가 약 4.8eV에서 포화된다. 즉 일함수의 크기는 strain의 방향에 의해 특징되어 질 수 있다.As shown in Figure 2a, the graphene can be seen that the work function increases as the strength of the uniaxial pull (strain) increases. Assuming that the work function of graphene calculated without pulling is 4.5 eV, increasing the strength of the uniaxial strain by 12% increases the work function by about 0.3 eV to 4.8 eV. However, in the case of A-strain, the work function increases to about 5.2 eV even if the strength is increased to about 25%, but in the case of Z-strain, the work function is saturated at about 4.8 eV. That is, the magnitude of the work function can be characterized by the direction of the strain.
도 2b는 등방성 당김(Isotropic strain) 및 등방성 압축(Isotropic compression)에 따른 그라핀의 일함수(work function) 변화를 나타내는 도면이다.FIG. 2B is a view showing a change in the work function of graphene according to isotropic strain and isotropic compression.
도 2b를 참고하면, 수평축은 강도의 증가량을 나타낸다. 이 때, 강도의 증가량이 양수이면 당김(strain)을, 음수이면 압축(compression)을 나타낸다. 그리고 수직축은 강도의 증가량에 따른 일함수 값을 나타낸다.Referring to FIG. 2B, the horizontal axis represents an increase in intensity. At this time, if the amount of increase in strength is positive, a strain is shown, and if it is negative, compression is shown. And the vertical axis represents the work function value according to the increase in strength.
도 2b에 도시된 바와 같이, 그라핀은 등방성 당김(strain)의 강도가 증가될수록 일함수가 증가됨을 알 수 있다. 반면에 등방성 압축(compression)의 강도가 증가할수록 일함수가 감소됨을 알 수 있다. As shown in Figure 2b, the graphene can be seen that the work function increases as the strength of the isotropic strain (strain) increases. On the other hand, it can be seen that the work function decreases as the strength of the isotropic compression increases.
다시 말해, 당김 없이 계산된 그라핀의 일함수가 4.5 eV일 때(강도 0%), 등방성 당김(strain)의 강도를 4% 증가한 경우 일함수는 약 0.3eV 증가하여 4.8eV가 됨을 알 수 있다. 이는 등방성 당김이 단축방향 당김보다 더 큰 일함수 변화가 발생함을 알 수 있다. 반대로 등방성 당김의 강도를 -4% 증가한 경우 즉 등방성 압축의 강도를 4% 증가한 경우 일함수는 4.1eV로 감소됨을 알 수 있다.In other words, when the work function of graphene calculated without pulling is 4.5 eV (
도 3은 본 발명에 따른 그라핀을 이용한 압전필름의 일실시 예를 나타내는 도면이다.3 is a view showing an embodiment of a piezoelectric film using graphene according to the present invention.
도 3을 참고하면, 그라핀을 이용한 압전필름(100)은, 판상으로 형성된 제1 그라핀(110), 그 상면에 적층된 부도체(120) 및 상기 부도체 상면에 적층된 제2 그라핀(130)을 구비한다.Referring to FIG. 3, the
제1 그라핀과 제2 그라핀은 통상적으로 동일한 것이나, 둘 중 하나는 화학적 작용기를 이용하여 그 성질을 개질시킬 수도 있다. 또한 상기 제1 내지 제2 그라핀 중 적어도 어느 하나의 그라핀은 반복 적층되어 복수의 그라핀층을 형성할 수도 있다. 이와 같은 복수의 그라핀층의 경우 더 큰 전기적 출력을 얻을 수 있다. The first graphene and the second graphene are usually the same, but one of them may be modified using chemical functional groups. In addition, at least one graphene of the first to second graphene may be repeatedly stacked to form a plurality of graphene layers. In the case of the plurality of graphene layers, a greater electrical output can be obtained.
제1 그라핀과 제2 그라핀 사이에 위치한 부도체는 양 그라핀간의 전기적 흐름을 차단하는 역할을 한다. 또한 상기 부도체는 탄성이 있어야 그라핀이 변형될 때 함께 변형되어 질 수 있다. 탄성이 있는 부도체의 예로서는 플라스틱 등이 있다. An insulator located between the first graphene and the second graphene serves to block electrical flow between the two graphenes. In addition, the insulator must be elastic so that it can be deformed together when the graphene is deformed. Examples of elastic insulators include plastics and the like.
이와 같은 그라핀을 이용한 압전필름은 제1 내지 제2 그라핀 각각에 전도선을 연결하여 전기에너지를 외부장치로 공급한다.The piezoelectric film using graphene supplies electrical energy to an external device by connecting a conductive line to each of the first to second graphenes.
도 4는 본 발명에 따른 그라핀을 이용한 압전필름의 다른 일실시 예를 나타내는 도면이다. 4 is a view showing another embodiment of a piezoelectric film using graphene according to the present invention.
도 4를 참고하면, 그라핀을 이용한 압전필름(200)은, 도 3에서 상술한 압전필름에 더하여 제 2 그라핀의 상면에 상기 부도체 및 상기 제 2 그라핀이 적어도 2회 이상 반복하여 적층 결합시킨다. 이와 같은 반복 적층된 압전필름의 경우 더 큰 전기적 출력을 얻을 수 있다. Referring to FIG. 4, in the
도 5a, 도 5b 및 도 5c는 본 발명에 따른 그라핀을 이용한 압전필름에 의한 전류흐름을 나타내는 도면이다. 5a, 5b and 5c is a view showing the current flow by the piezoelectric film using the graphene according to the present invention.
도 5a를 참고하면, 본 발명에 따른 그라핀을 이용한 압전필름에 당김이 없다. 이 경우에는 제1 그라핀(310)과 제2 그라핀(320)의 일함수가 동일하므로 전압차가 발생하지 않아 전류의 흐름이 없다.Referring to Figure 5a, there is no pull in the piezoelectric film using the graphene according to the present invention. In this case, since the work functions of the
도 5b 및 도 5c를 참고하면, 본 발명에 따른 그라핀을 이용한 압전필름에 당김이 있다. 즉 도 5b에서는 제1 그라핀(310)은 압축이, 제2 그라핀(320)은 당김이 있고, 반대로 도 5c에서는 제1 그라핀(310)은 당김이, 제2 그라핀(320)은 압축이 있다.5b and 5c, there is a pull on the piezoelectric film using graphene according to the present invention. That is, in FIG. 5B, the
도 5b에서는 제2 그라핀(320)에 당김이 있으므로 그 강도에 따라 일함수가 증가된다. 따라서 제1 그라핀(310)과 제2 그라핀(320) 사이에 전압 차가 발생하고, 전류는 제2 그라핀(320)에서 제1 그라핀(310)쪽으로 흐르게 된다.In FIG. 5B, since the
반대로 도 5c에서는 제1 그라핀(310)에 당김이 있으므로 그 강도에 따라 일함수가 증가된다. 따라서 제1 그라핀(310)과 제2 그라핀(320) 사이에 전압 차가 발생하고, 전류는 제1 그라핀(310)에서 제2 그라핀(320)쪽으로 흐르게 된다.On the contrary, in FIG. 5C, since the
이상에서는 본 발명에 대한 기술사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 이라면 누구나 본 발명의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다. While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be the most practical and preferred embodiment, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the scope of the present invention.
Claims (7)
상기 제1 그라핀 상면에 적층 결합된 부도체; 및
상기 부도체 상면에 적층 결합된 제2 그라핀을 포함하는 것을 특징으로 하는 그라핀을 이용한 압전필름.First graphene formed in a plate shape;
An insulator laminated on the first graphene upper surface; And
Piezoelectric film using a graphene, characterized in that it comprises a second graphene laminated on the upper surface of the insulator.
탄성을 지닌 것을 특징으로 하는 그라핀을 이용한 압전필름.The method of claim 1, wherein the insulator is
Piezoelectric film using graphene characterized in that it has elasticity.
당김(strain)에 따라 일함수가 변하는 성질을 지닌 것을 특징으로 하는 그라핀을 이용한 압전필름.The method of claim 2, wherein the first graphene and the second graphene
Piezoelectric film using graphene, characterized in that the work function is changed according to the strain (strain).
상기 제1 그라핀에 연결된 제 1 전도선; 및
상기 제2 그라핀에 연결된 제 2 전도선을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 그라핀을 이용한 압전필름. The method of claim 3, wherein
A first conductive line connected to the first graphene; And
Piezoelectric film using a graphene, characterized in that further comprising a second conductive line connected to the second graphene.
상기 제1 그라핀 및 제2 그라핀 중 적어도 어느 하나의 그라핀은 반복 적층하여 복수의 그라핀층을 형성하는 것을 특징으로 하는 그라핀을 이용한 압전필름.The method of claim 4, wherein
At least one graphene of the first graphene and the second graphene is repeatedly stacked to form a plurality of graphene layers piezoelectric film using a graphene.
상기 제 2 그라핀의 상면에 상기 부도체 및 상기 제 2 그라핀이 적어도 2회 이상 반복하여 적층 결합된 것을 특징으로 하는 그라핀을 이용한 압전필름.The method of claim 1,
The piezoelectric film using graphene, wherein the insulator and the second graphene are laminated and bonded to each other at least two times or more on the upper surface of the second graphene.
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