KR101169544B1 - 플렉서블 나노제너레이터 제조방법 및 이에 의하여 제조된 플렉서블 나노제너레이터 - Google Patents
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Abstract
플렉서블 나노제너레이터 제조방법 및 이에 의하여 제조된 플렉서블 나노제너레이터가 제공된다.
본 발명에 따른 플렉서블 나노제너레이터 제조방법은 탄소나노구조체 및 압전입자를 경화성 물질에 혼합하는 단계; 및 탄소나노구조체 및 압전입자가 혼합된 경화성 물질을 경화시켜, 플렉서블 나노제너레이터를 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하며, 본 발명에 따른 플렉서블 나노제너레이터 제조방법 및 이에 따라 제조된 플렉서블 나노제너레이터는 기판의 구부러짐에 따라 전력이 생산되므로, 인체의 움직임 등에 따라 지속적인 전력생산이 가능하다는 장점이 있다. 따라서, 고효율의 생체적합성의 나노제너레이터가 본 발명에 의하여 제조가능하다.
본 발명에 따른 플렉서블 나노제너레이터 제조방법은 탄소나노구조체 및 압전입자를 경화성 물질에 혼합하는 단계; 및 탄소나노구조체 및 압전입자가 혼합된 경화성 물질을 경화시켜, 플렉서블 나노제너레이터를 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하며, 본 발명에 따른 플렉서블 나노제너레이터 제조방법 및 이에 따라 제조된 플렉서블 나노제너레이터는 기판의 구부러짐에 따라 전력이 생산되므로, 인체의 움직임 등에 따라 지속적인 전력생산이 가능하다는 장점이 있다. 따라서, 고효율의 생체적합성의 나노제너레이터가 본 발명에 의하여 제조가능하다.
Description
본 발명은 플렉서블 나노제너레이터 제조방법 및 이에 의하여 제조된 플렉서블 나노제너레이터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기판의 구부러짐에 따라 전력이 생산되므로, 인체의 움직임 등에 따라 지속적인 전력생산이 가능하다는 장점이 있으며, 따라서, 고효율의 생체적합성의 나노제너레이터가 본 발명에 의하여 제조가능한 플렉서블 나노제너레이터 제조방법 및 이에 의하여 제조된 플렉서블 나노제너레이터에 관한 것이다.
외부 에너지원(예를 들면 열에너지, 동물 움직임 또는 바람과 파도 등의 자연으로부터 발생하는 진동, 기계적 에너지)를 전기 에너지로 변환시키는 에너지 하비스트(energy harvest) 기술은 최근 친환경 기술로서 널리 연구되고 있다. 특히, 사용가능한 나노제너레이터(nanogenerator)를 제조하는 기술에 대하여 많은 연구그룹들이 연구하고 있는데, 왜냐하면 이러한 나노제너레이터는 하비스트 기술을 이식가능한 작은 인체소자로 집약하여, 인체 내에서의 생물학적 에너지를 재활용할 수 있는 장점이 있기 때문이다.
외부 진동의 기계적 에너지로부터 에너지를 하비스트(수집)하는 기술 중 하나는 강유전체 물질의 압전성질을 활용하는 것이다. 압전 하비스트 기술은 많은 연구 그룹들에 의하여 연구되고 있는데, Chen et al . 은 벌크 실리콘 기판 상의 납 지르코네이트 티타네이트(lead zirconate titanate (PbZrxTi1 - xO3, PZT)) 나노섬유를 이용하는 나노제너레이터를 개시하였다. 상기 기술에 따르면 서로 대향하는 전극에 맞물린 PZT 나노섬유는 나노제너레이터 표면에 수직으로 가해지는 압력에 의하여 상당한 전압을 생성하였다.
Wang 등은 압전특성을 나타내는 ZnO 나노와이어를 이용하여, 플라스틱 기판 상에 구현된 다중 수평 나노와이어 어레이가 집적된 나노제너레이터(lateral-nanowire-array intergrated nanogenerator (LING)) 및 고출력 나노제너레이터(high-output nanogenerator (HONG))를 개시한다. 상기 기술은 동물의 호흡 및 심박의 진동에너지를 이용하여 살아있는 동물 내에서 구현된 자가발전형의 나노제너레이터를 개시한다.
따라서, 본 발명이 해결하려는 과제는 플렉서블 기판에 구현된 플렉서블 나노제너레이터의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하려는 또 다른 과제는 상기 방법에 의하여 제조된 플렉서블 나노제너레이터를 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 플렉서블 나노제너레이터 제조방법으로, 상기 방법은 탄소나노구조체 및 압전입자를 경화성 물질에 혼합하는 단계; 및 탄소나노구조체 및 압전입자가 혼합된 경화성 물질을 경화시켜, 플렉서블 나노제너레이터를 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 나노제너레이터 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 방법은 탄소나노구조체 및 압전입자가 혼합된 경화성 물질을 도포하는 단계를 더 포함하며, 상기 경화에 따라 플렉서블 기판이 제조되는 것을 특징으로 하는 플렉서블 나노제너레이터 제조방법.
본 발명의 일 실시예에서 상기 경화에 따라 폴리디메틸실록산(PDMS) 기판이 제조되며, 상기 폴리디메틸실록산(PDMS) 내에는 탄소나노구조체 및 압전입자가 함유된다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 탄소나노구조체는 탄소나노튜브이다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 압전입자는 BTO 입자이다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 탄소나노튜브는 20 nm이하의 직경과 20 mm 이하의 길이를 갖는다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 BTO 나노입자는 100nm 이하의 크기를 갖는다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 플렉서블 나노제너레이터의 폴리디메틸실록산(PDMS), BTO 나노입자, 탄소나노튜브는 100:10:1의 중량비이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 플렉서블 나노제너레이터 제조방법으로, 상기 방법은 탄소나노튜브 및 BTO 나노입자를 폴리디메틸실록산(PDMS) 전구체 용액에 혼합하는 단계; 상기 혼합 용액을 기판위에 소정 두께로 도포하는 단계; 상기 도포된 혼합 용액을 경화시켜, 폴리디메틸실록산(PDMS) 기판을 제조하는 단계; 및 상기 폴리디메틸실록산(PDMS) 기판 상에 전극을 적층시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 나노제너레이터 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 경화는 열 경화 방식이다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 탄소나노튜브는 다중벽 탄소나노튜브이다.
본 발명은 상기 또 다른 과제를 해결하기 위하여, 상술한 방법에 의하여 제조된 플렉서블 나노제너레이터를 제공한다.
이에 따라 제조된 플렉서블 나노제너레이터는 플렉서블 기판; 상기 플렉서블 기판 내에 함유된 압전입자 및 탄소나노구조체를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 플렉서블 기판은 폴리디메틸실록산(PDMS)를 포함하며, 상기 탄소나노구조체는 탄소나노튜브이며, 상기 압전입자는 BTO 입자이다.
본 발명에 따른 플렉서블 나노제너레이터 제조방법 및 이에 따라 제조된 플렉서블 나노제너레이터는 기판의 구부러짐에 따라 전력이 생산되므로, 인체의 움직임 등에 따라 지속적인 전력생산이 가능하다는 장점이 있다. 따라서, 고효율의 생체적합성의 나노제너레이터가 본 발명에 의하여 제조가능하다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 플렉서블 나노제너레이터 제조방법의 단계도이다.
도 2a 및 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 플렉서블 나노제너레이터 제조방법의 모식도이다.
도 3은 상기 제조된 플렉서블 나노제너레이터의 사진이다.
도 4는 본 발명에 의하여 제조된 플렉서블 나노제너레이터의 SEM 사진이고, 도 5는 나노제너레이터의 BTO 입자, 도 6은 탄소나노튜브에 대한 SEM 사진이다.
도 7은 본 실험예에 따른 전류-전압 측정 방법을 설명하는 도면이고, 도 8 및 9는 전류 및 전압 생성 그래프이다.
도 10은 역으로 연결된 상태의 나노제너레이터로부터 발생한 전류와 전압 측정 방식을 설명하는 도면이고, 도 11 및 12는 전류 및 전압 생성 그래프이다.
도 2a 및 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 플렉서블 나노제너레이터 제조방법의 모식도이다.
도 3은 상기 제조된 플렉서블 나노제너레이터의 사진이다.
도 4는 본 발명에 의하여 제조된 플렉서블 나노제너레이터의 SEM 사진이고, 도 5는 나노제너레이터의 BTO 입자, 도 6은 탄소나노튜브에 대한 SEM 사진이다.
도 7은 본 실험예에 따른 전류-전압 측정 방법을 설명하는 도면이고, 도 8 및 9는 전류 및 전압 생성 그래프이다.
도 10은 역으로 연결된 상태의 나노제너레이터로부터 발생한 전류와 전압 측정 방식을 설명하는 도면이고, 도 11 및 12는 전류 및 전압 생성 그래프이다.
이하, 본 발명을 도면을 참조하여 상세하게 설명하고자 한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서 본 발명은 이하 설명된 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
본 발명은 플렉서블 나노제너레이터를 제조하기 위하여, 본 발명은 탄소나노구조체와 압전물질을 플렉서블 물질 내에서 혼합하여, 기판의 물리적 변형에 따라 전력이 생산되는 플렉서블 나노제너레이터를 제조하였다. 본 발명에서 상기 탄소나노구조체는 우수한 네트워크 특성과 전기 전도성을 가지는 물질인 것이 바람직하며, 예를 들면 탄소나노튜브, 탄소나노와이어 또는 그래핀(산화물) 등이 단독으로 또는 혼합되어 사용가능하다. 특히 압전물질이 플렉서블 기판 내에서 입자 형태를 이루게 되므로, 본 발명은 전도성을 가지면서 네트워크를 형성할 수 있는 탄소물질을 압전입자와 함께 사용함으로써, 플렉서블 기판 전체의 압전 특성을 향상시켰다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플렉서블 나노제너레이터 제조방법의 단계도이다.
도 1을 참조하면, 경화성 물질에 탄소나노구조체와 압전물질로 이루어진 입자(이하 압전입자)를 혼입한다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 경화성 물질은 폴리디메틸실록산(PDMS)을 제조하기 위한 전구물질(단량체 함유 용액)로서 경화됨에 따라 플렉서블한 PDMS 기판이 제조되는 물질이었으나, 본 발명의 범위는 이에 제한되지 않는다. 즉, 본 발명에 따라 탄소나노구조체 및 압전입자가 혼입되는 경화성 물질은 열 경화 또는 광 경화 등의 방식으로 경화되며, 그 결과 경화된 기판이 가요성을 갖는 물질이다. 본 발명의 일 실시예에서 BaTiO3(BTO)로 이루어진 압전입자를 탄소나노튜브와 함께 전구물질을 포함한 PDMS에 혼합, 경화시킴으로 PDMS 기반 플렉서블 나노제너레이터를 제조하였다.
혼합 후, 상기 탄소나노구조체와 압전입자가 혼합된 상기 경화성 물질을 소정 두께로 도포한 후, 경화시킨다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 경화에 따라 탄소나노튜브(다중벽 탄소나노튜브) 및 압전입자(BTO 나노입자 또는 BTO 입자)가 혼입된 플렉서블 PDMS 기판이 제조되었으며, 상기 플렉서블 PDMS 기판은 탄소나노튜브(다중벽 탄소나노튜브) 및 압전입자(BTO 입자가 혼합된 복합체로서 압전 특성을 갖는다. 즉, 본 발명은 경화성 물질, 압전입자 및 탄소나노구조체로 이루어진 복합체를 기판 형태로 제조함으로써, 기판 매트릭스의 구부러짐이나 휨에 따라 전류를 생산할 수 있는 플렉서블 나노제너레이터를 제조할 수 있다. 이와 같이 본 발명은 비교적 간단한 공정인 경화 공정을 통하여 원하는 두께의 압전기판인 나노제너레이터를 플렉서블하게 구현할 수있다.
이후, 상기 제조된 탄소나노구조체 및 압전입자 혼입 플렉서블 기판 상에 유전층(PDMS)과 전극을 제조한다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 플렉서블 나노제너레이터 제조방법의 모식도이다.
도 2a를 참조하면, 탄소나노구조체로 탄소나노튜브를 사용하였으며, 경화 공정 후 PDMS 기판에 혼입된 BTO 입자 사이에서 탄소나노튜브가 충분한 전도성 네트워크를 가지는 것을 알 수 있다. 상기 탄소나토튜브는 단일벽 또는 다중벽 모두 사용가능하다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 탄소나노튜브는 20nm 이하의 직경이었고, BTO 입자는 100nm 이하의 직경을 가졌다. 즉, 네트워크를 구성하는 탄소나노튜브의 직경과 BTO 입자의 직경비는 적어도 1:5이하인 것이 바람직하며, 이로써, BTO 입자를 탄소나노튜브가 효과적으로 네트워크 형태로 연결한다.
또한 본 발명의 일 실시예에서 상기 탄소나노튜브는 20mm 이하의 길이를 갖는 것이 바람직한데, 이는 BTO 입자 사이를 탄소나노튜브가 효과적으로 네트워크 하기 위함이다.
본 발명의 또 다른 일 실시예는 1차원 흑연 구조의 그래핀 또는 그래핀 산화물을 탄소나노구조체로 사용한다. 도 2b는 그래핀 구조체를 사용하여 플렉서블 나노제너레이터를 제조하는 공정의 모식도이다. 압전입자 사이로 게재되는 그래핀(산화물) 또한 엉김이나 자체의 너비, 길이에 따라 압전입자 사이를 네트워크로 연결하며, 기판의 휨에 따라 발생하는 압전입자로부터의 전자를 외부로 효과적으로 전달한다.
이하 실시예 및 실험예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.
실시예
플렉서블
나노제너레이터
제조
약 20nm의 직경과 약 10 mm의 길이를 가지는 다중벽 탄소나노튜브 (Carbon Nano-material Technology) 0.3g과, 물에 반응물질을 녹여놓고 일정 온도를 유지하여 나노입자를 제조하는 방법인 수열합성법 (hydrothermal method)으로 얻어진 약 100nm 크기를 가지는 BTO 나노입자 3g을 메탄올 용액에서 혼합하고 1시간 이상 기계적으로 교반하였다. 그 뒤, 오븐 (80℃, 24hr)에서 하소 (calcination) 과정을 통해 메탄올 용액을 기화시켰다. 이후, 잘 섞인 탄소나노튜브와 BTO 나노입자들을 경화제가 포함된 PDMS 30g에 혼합하고 굳혔다. 이때, 상기 플렉서블 나노제너레이터의 PDMS, BTO 나노입자, 탄소나노튜브의 중량비는 100:10:1이었다.
이후 혼합액을 플라스틱 통에 도포한 후, 80℃의 오븐에서 약 1시간 경화시켜, BTO 나노입자, 다중벽 탄소나노튜브를 함유하는 PDMS 기반 플렉서블 나노제너레이터를 제조하였다. 다시, PDMS 기반 나노제너레이터 기판 위에 유전층(PDMS)과 전극(알루미늄, Al)을 순차적으로 적층하고, 구리로 전선을 연결함으로써, 소자 형태의 플렉서블 나노제너레이터를 제조하였다.
도 3은 상기 제조된 플렉서블 나노제너레이터의 사진이다.
도 3을 참조하면, 외부 힘에 의하여 충분한 각도로 기판이 휘어지는 것을 알 수 있다.
실험예
1
SEM
분석
도 4는 본 발명에 의하여 제조된 플렉서블 나노제너레이터의 SEM 사진이고, 도 5는 나노제너레이터의 BTO 입자, 도 6은 탄소나노튜브에 대한 SEM 사진이다.
도 4 내지 6을 참조하면, 압전입자(BTO 입자)는 기판 내에서 충분히 뭉쳐진 형태이고, 각 압전입자 사이에는 다중벽 탄소나노튜브가 충분한 네트워크를 형성하고 있음을 알 수 있다.
실험예
2
전기적 특성 분석
실험예
2-1
도 7은 본 실험예에 따른 전류-전압 측정 방법을 설명하는 도면이고, 도 8 및 9는 전류 및 전압 생성 그래프이다.
도 8 및 9를 참조하면, 정상 연결 시 본 발명에 따른 PDMS 기반 플렉서블 나노제너레이터의 구부러짐에 따라 전류와 전압이 발생하는 것을 알 수 있다.
실험예
2-2
본 발명에 따른 나노제너레이터를 역으로 전류측정기(current meter)에 연결하고 구부러짐과 펴짐에 따른 전류와 전압을 측정하였다. 도 10은 역으로 연결된 상태의 나노제너레이터로부터 발생한 전류와 전압 측정 방식을 설명하는 도면이고, 도 11 및 12는 전류 및 전압 생성 그래프이다.
도 11과 12을 참조하면, 역으로 연결한 경우, 정상 연결 시 생성되는 값의 뒤집어진 형태의 전압/전류 신호가 발생하는 것을 알 수 있다. 따라서, 측정되는 전압과 전류의 값이 본 발명에서 제작된 나노제너레이터로부터 생성되는 것임을 확인 할 수 있다. 이 측정방법을 switching-polarity test라고 하며 나노제너레이터에서 생성되는 출력신호인지를 증명하기위해 널리 사용되는 방법이다.
본 발명은 상기와 같은 실시예에 의해 권리범위가 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적인 사상을 가지고 있다면 모두 본 발명의 권리범위에 해당된다고 볼 수 있으며, 본 발명은 특허청구범위에 의해 권리범위가 정해짐을 밝혀둔다.
Claims (16)
- 플렉서블 나노제너레이터 제조방법으로, 상기 방법은
탄소나노구조체 및 압전입자를 경화성 물질에 혼합하는 단계; 및
탄소나노구조체 및 압전입자가 혼합된 경화성 물질을 경화시켜, 플렉서블 나노제너레이터를 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 나노제너레이터 제조방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 방법은 경화성 물질을 경화시키기 이전에, 탄소나노구조체 및 압전입자가 혼합된 경화성 물질을 도포하는 단계를 더 포함하며, 상기 경화에 따라 플렉서블 기판이 제조되는 것을 특징으로 하는 플렉서블 나노제너레이터 제조방법.
- 제 2항에 있어서,
상기 경화에 따라 폴리디메틸실록산(PDMS) 기판이 제조되며, 상기 폴리디메틸실록산(PDMS) 내에는 탄소나노구조체 및 압전입자가 함유된 것을 특징으로 하는 플렉서블 나노제너레이터 제조방법.
- 제 3항에 있어서,
상기 탄소나노구조체는 탄소나노튜브인 것을 특징으로 하는 플렉서블 나노제너레이터 제조방법.
- 제 3항에 있어서,
상기 압전입자는 BTO 입자인 것을 특징으로 하는 플렉서블 나노제너레이터 제조방법.
- 제 4항에 있어서,
상기 탄소나노튜브는 20 nm이하의 직경과 20 mm 이하의 길이를 가지는 것을 특징으로 하는 플렉서블 나노제너레이터 제조방법.
- 제 5항에 있어서,
상기 BTO 나노입자는 100nm 이하의 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 플렉서블 나노제너레이터 제조방법.
- 제 7항에 있어서,
상기 플렉서블 나노제너레이터의 폴리디메틸실록산(PDMS), BTO 나노입자, 탄소나노튜브가 100:10:1의 중량비인 것을 특징으로 하는 플렉서블 나노제너레이터 제조방법.
- 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의하여 제조된 플렉서블 나노제너레이터.
- 플렉서블 나노제너레이터 제조방법으로, 상기 방법은
탄소나노튜브 및 BTO 나노입자를 폴리디메틸실록산(PDMS) 전구체 용액에 혼합하는 단계;
상기 혼합 용액을 기판위에 소정 두께로 도포하는 단계;
상기 도포된 혼합 용액을 경화시켜, 폴리디메틸실록산(PDMS) 기판을 제조하는 단계; 및
상기 폴리디메틸실록산(PDMS) 기판 상에 전극을 적층시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 나노제너레이터 제조방법.
- 제 10항에 있어서,
상기 경화는 열 경화 방식인 것을 특징으로 하는 플렉서블 나노제너레이터 제조방법.
- 제 10항에 있어서,
상기 탄소나노튜브는 다중벽 탄소나노튜브인 것을 특징으로 하는 플렉서블 나노제너레이터 제조방법.
- 제 10항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의하여 제조된 플렉서블 나노제너레이터.
- 플렉서블 나노제너레이터로, 상기 나노제너레이터는
플렉서블 기판;
상기 플렉서블 기판 내에 함유된 압전입자 및 탄소나노구조체를 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 나노제너레이터.
- 제 14항에 있어서,
상기 플렉서블 기판은 폴리디메틸실록산(PDMS)를 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 나노제너레이터.
- 제 14항에 있어서,
상기 탄소나노구조체는 탄소나노튜브이며, 상기 압전입자는 BTO 입자인 것을 특징으로 하는 플렉서블 나노제너레이터.
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