KR101327299B1 - Energy Harvesting Device with High Power Density and Method of Manufacturing for the Same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고전력 밀도를 가지는 에너지 수확 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 복수개의 금속판 사이에 탄성체 및 다수 번에 걸쳐 포개어진 다층(Multi-layer) 구조의 압전체를 삽입함으로써, 에너지 발생 및 에너지 간의 상호 변환을 향상시키고 단위 면적, 단위 압력 당 발생하는 전력의 밀도를 높이는 고전력 밀도를 가지는 에너지 수확 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명인 고전력 밀도를 가지는 에너지 수확 소자는, 압전체, 상기 압전체의 양단에 마주보도록 위치하는 복수장의 금속판 및 상기 금속판 사이에 위치되는 복수개의 탄성체를 포함한다. 상기 압전체는 기판, 상기 기판의 일면에 형성된 압전층, 상기 압전층의 상면에 형성된 전극층 및 상기 전극층의 상면에 형성된 절연층으로 구성된다.
또한, 본 발명은 다층(Multi-layer) 구조의 압전체를 준비하는 단계, 복수장의 금속판을 준비하는 단계, 복수개의 탄성체를 상기 복수장의 금속판 사이에 위치하는 단계 및 상기 압전체를 복수장의 금속판 사이에 삽입하는 단계로 이루어진다.The present invention relates to an energy harvesting device having a high power density and a method of manufacturing the same. More particularly, energy is generated by inserting an elastic body and a piezoelectric body having a multi-layer structure stacked over a plurality of metal plates. And an energy harvesting device having a high power density for improving the mutual conversion between energy and increasing the density of power generated per unit area and unit pressure, and a method of manufacturing the same.
An energy harvesting element having a high power density according to the present invention includes a piezoelectric body, a plurality of metal plates positioned to face both ends of the piezoelectric body, and a plurality of elastic bodies positioned between the metal plates. The piezoelectric body includes a substrate, a piezoelectric layer formed on one surface of the substrate, an electrode layer formed on an upper surface of the piezoelectric layer, and an insulating layer formed on an upper surface of the electrode layer.
The present invention also provides a method of preparing a piezoelectric body having a multilayer structure, preparing a plurality of metal plates, placing a plurality of elastic bodies between the plurality of metal plates, and inserting the piezoelectric body between the plurality of metal plates. It consists of steps.
Description
본 발명은 고전력 밀도를 가지는 에너지 수확 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 복수장의 금속판 사이에 탄성체 및 다수 번에 걸쳐 포개어진 다층(Multi-layer) 구조의 압전체를 삽입함으로써, 에너지 발생 및 에너지 간의 상호 변환을 향상시키고 단위 면적, 단위 압력 당 발생하는 전력의 밀도를 높이는 고전력 밀도를 가지는 에너지 수확 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an energy harvesting device having a high power density and a manufacturing method thereof, and more particularly, by inserting an elastic body and a piezoelectric body having a multi-layer structure stacked over a plurality of times between a plurality of metal plates, thereby generating energy. And an energy harvesting device having a high power density for improving the mutual conversion between energy and increasing the density of power generated per unit area and unit pressure, and a method of manufacturing the same.
일반적으로 압전체는 압전성을 이용한 음향센서, 가속도 센서 등과 같은 분야에 응용되어 왔고, 특히 발생하는 전력을 저장하여 사용할 수 있는 에너지 수확 소자 등에 응용되어 왔다.In general, piezoelectric materials have been applied to fields such as acoustic sensors and acceleration sensors using piezoelectric properties, and in particular, energy harvesting devices for storing and using generated power.
그러나, 압전체를 이용한 에너지 수확 소자는 필름, 직물, 단층 형태로 이루어져 발생 전력량이 적고, 전력량을 늘리는데 한계가 있다는 문제점이 있다.However, the energy harvesting device using the piezoelectric material has a problem that the amount of generated power is small, and there is a limit in increasing the amount of power consisting of a film, a fabric, a single layer form.
한국 특허 10-2011-0094675호 '압전 직물, 및 그를 이용한 마이크로 동력 에너지 수확 시스템'에서 압전 직물은 도전성 고분자 물질이 전기 방사되어 형성된 하부 전극층, 상기 하부 전극층 위에 압전 고분자 물질이 전기 방사되어 형성된 압전층 및 상기 압전층 위에 도전성 고분자 물질이 전기 방사되어 형성된 상부 전극층을 포함한다.In the Korean Patent No. 10-2011-0094675, 'Piezoelectric Fabric and Micro-Power Energy Harvesting System Using the Piezoelectric Fabric,' the piezoelectric fabric includes a lower electrode layer formed by electrospinning conductive polymer material and a piezoelectric layer formed by electrospinning piezoelectric polymer material on the lower electrode layer. And an upper electrode layer formed by electrospinning a conductive polymer material on the piezoelectric layer.
이와 같이, 압전 직물은 전극층, 압전층, 전극층이 차례로 형성되어, 3층(Three Layer) 구조로 이루어지기 때문에. 압전 직물에 전기 방사시 5~50kV 범위 내의 전압만을 방사 가능하고 더 높은 밀도, 더 많은 양의 전압을 발생시킬 수 없다는 문제점이 있다.As described above, the piezoelectric fabric is formed of an electrode layer, a piezoelectric layer, and an electrode layer in order, and have a three-layer structure. When electrospinning a piezoelectric fabric, there is a problem that only a voltage within a range of 5 to 50 kV can be radiated, and a higher density and a greater amount of voltage cannot be generated.
따라서, 본 발명은 위에서 서술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 에너지 수확 소자의 압전체를 다수 번에 걸쳐 포개어진 다층(Multi-layer) 구조로 구성하고, 복수장의 금속판에 탄성체와 함께 삽입함으로써, 에너지 발생 및 에너지 간의 상호 변환을 향상시키고 단위 면적, 단위 압력 당 발생하는 전력의 밀도를 높이는 고전력 밀도를 가지는 에너지 수확 소자 및 그 제조방법을 제공함을 목적으로 한다.Accordingly, the present invention is to solve the above-described problems, by forming a piezoelectric body of the energy harvesting element in a multi-layer structure stacked over a number of times, by inserting together with an elastic body in a plurality of metal plates, energy generation And it is an object of the present invention to provide an energy harvesting device having a high power density to improve the mutual conversion between energy and to increase the density of power generated per unit area, unit pressure and a method of manufacturing the same.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명인 고전력 밀도를 가지는 에너지 수확 소자는, 압전체, 상기 압전체의 양단에 마주보도록 위치하는 복수장의 금속판 및 상기 금속판 사이에 위치되는 복수개의 탄성체를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the energy harvesting device having a high power density of the present invention, the piezoelectric material, a plurality of metal plates positioned to face both ends of the piezoelectric material and a plurality of elastic bodies located between the metal plate, characterized in that do.
상기 압전체는 기판, 상기 기판의 일면에 형성된 압전층, 상기 압전층의 상면에 형성된 전극층 및 상기 전극층의 상면에 형성된 절연층으로 구성된다. 상기 압전체는 원통 롤(Roll)형, 직사각 접이형 또는 직사각 겹층형의 다층(Multi-layer) 구조로 형성가능하며 압전층은 PVDF, PVDF-TrFE, VDF-TrFE-CFE 또는 VDF-HFP의 펠렛 중 어느 하나의 압전 폴리머를 용해시킨 압전 폴리머 용액을 이용하여 형성한다.The piezoelectric body includes a substrate, a piezoelectric layer formed on one surface of the substrate, an electrode layer formed on an upper surface of the piezoelectric layer, and an insulating layer formed on an upper surface of the electrode layer. The piezoelectric body may be formed in a cylindrical roll, rectangular folding type, or rectangular multi-layer structure, and the piezoelectric layer may be formed of pellets of PVDF, PVDF-TrFE, VDF-TrFE-CFE, or VDF-HFP. It forms using the piezoelectric polymer solution which any one piezoelectric polymer melt | dissolved.
또한, 상기 압전 폴리머 용액은 상기 압전 폴리머를 메틸에틸케톤(Methylethylketone) 또는 디메틸포름아미드(Dimethylformamide) 용액에 용해시켜 10 내지 20wt%로 이루어진다.In addition, the piezoelectric polymer solution is 10 to 20wt% by dissolving the piezoelectric polymer in methylethylketone or dimethylformamide solution.
상기 기판은 구리(Cu), 아연(Zn), 마스네슘(Mg), 알루미늄(Al), 철(Fe), 주석(Sn), 니켈(Ni), 스테인리스강 또는 청동 중 어느 하나 이상의 물질로 이루어진 금속판이다.The substrate is made of at least one of copper (Cu), zinc (Zn), magnesium (Mg), aluminum (Al), iron (Fe), tin (Sn), nickel (Ni), stainless steel, or bronze. It is a metal plate.
또한, 상기 전극층은 알루미늄(Al), 철(Fe), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 몰리브덴(Mo), 은(Ag), 백금(Pt), 텅스텐(W), 금(Au), 이리듐(Ir) 또는 구리(Cu) 중 어느 하나 이상의 물질로 이루어진다.In addition, the electrode layer may be aluminum (Al), iron (Fe), nickel (Ni), chromium (Cr), titanium (Ti), molybdenum (Mo), silver (Ag), platinum (Pt), tungsten (W), It is made of a material of at least one of gold (Au), iridium (Ir) or copper (Cu).
상기 압전체는 복수장의 금속판 사이에 복수개 삽입 가능하고 탄성체는 고무, 실리콘, 라텍스 또는 철 소재의 재질로 이루어진 것으로서, 용수철(Spring), 나선(Spiral), 볼(Ball) 또는 스펀지(Sponge) 형상이다. 또한, 상기 금속판은 복수의 금속층으로 이루어진다.The piezoelectric body may be inserted into a plurality of sheets between a plurality of metal plates, and the elastic body is made of a material of rubber, silicon, latex or iron, and has a spring, spiral, ball, or sponge shape. In addition, the metal plate is composed of a plurality of metal layers.
또한, 본 발명은 다층(Multi-layer) 구조의 압전체를 준비하는 단계, 복수장의 금속판을 준비하는 단계, 복수개의 탄성체를 상기 복수장의 금속판 사이에 위치하는 단계 및 상기 압전체를 복수장의 금속판 사이에 삽입하는 단계로 이루어진다.The present invention also provides a method of preparing a piezoelectric body having a multilayer structure, preparing a plurality of metal plates, placing a plurality of elastic bodies between the plurality of metal plates, and inserting the piezoelectric body between the plurality of metal plates. It consists of steps.
상기 다층(Multi-layer) 구조의 압전체를 준비하는 단계는 기판을 준비하는 단계, 압전 폴리머 용액을 준비하는 단계, 상기 기판을 상기 압전 폴리머 용액에 담그어 압전층을 형성하는 단계, 상기 기판 일면의 압전층을 제거하는 단계, 상기 기판 타면에 형성된 압전층의 상면에 전극층을 형성하는 단계, 상기 전극층의 상면에 절연층을 형성하는 단계 및 상기 절연층이 형성된 기판을 다층(Multi-layer) 구조로 만드는 단계로 이루어진다.The preparing of the piezoelectric layer of the multi-layer structure may include preparing a substrate, preparing a piezoelectric polymer solution, immersing the substrate in the piezoelectric polymer solution to form a piezoelectric layer, and piezoelectric on one surface of the substrate. Removing the layer, forming an electrode layer on an upper surface of the piezoelectric layer formed on the other surface of the substrate, forming an insulating layer on the upper surface of the electrode layer, and forming the substrate on which the insulating layer is formed into a multi-layer structure. Consists of steps.
상기 압전 폴리머 용액을 준비하는 단계에서는 압전 폴리머를 메틸에틸케톤(Methylethylketone) 또는 디메틸포름아미드(Dimethylformamide) 용액에 용해시켜 10 내지 20wt%의 압전 폴리머 용액으로 만든다. 또한, 압전 폴리머는 PVDF, PVDF-TrFE, VDF-TrFE-CFE 또는 VDF-HFP의 펠렛 중 어느 하나이다.In the preparing of the piezoelectric polymer solution, the piezoelectric polymer is dissolved in methylethylketone or dimethylformamide solution to prepare a piezoelectric polymer solution of 10 to 20 wt%. In addition, the piezoelectric polymer is any one of pellets of PVDF, PVDF-TrFE, VDF-TrFE-CFE or VDF-HFP.
상기 전극층을 형성하는 단계에서는 전극층을 열 증착(Thermal evaporation), 전자선 증착(E-beam evaporation), 스퍼터(RF or DC sputter), 이 빔(E-beam), 전기 도금(Electro-plating), 화학기상증착(Chemical vapor deposition) 방식 중 어느 한 방식으로 형성한다.In the forming of the electrode layer, the electrode layer may be thermally evaporated, E-beam evaporation, RF or DC sputter, E-beam, Electro-plating, Chemical. It is formed by any one of chemical vapor deposition.
나아가, 상기 압전층을 형성하는 단계에서는 침지(Dip) 코팅 또는 침지-인상(Dip-Drawing) 코팅 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.Further, the step of forming the piezoelectric layer may be made of either dip coating or dip-drawing coating.
상기 절연층이 형성된 기판을 다층(Multi-layer) 구조로 만드는 단계에서는 상기 절연층이 형성되어 있는 기판을 1회 또는 복수회 감아 원통 롤(Roll)형을 형성하거나 직사각 접이형 또는 직사각 겹층형이 되도록 구부려 다층(Multi-layer) 구조로 만든다.In the step of making the substrate having the insulating layer formed into a multi-layer structure, the substrate on which the insulating layer is formed is wound one or more times to form a cylindrical roll, or a rectangular folding type or a rectangular stacked layer type. Bend as much as possible to form a multi-layer structure.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 의하면, 고전력 밀도를 가지는 에너지 수확 소자는 압전체를 다수 번에 걸쳐 포개어 다층(Multi-layer) 구조로 구성하고 복수장의 금속판에 탄성체와 함께 삽입함으로써, 에너지 발생 및 에너지 간의 상호 변환을 향상시키고 단위 면적, 단위 압력 당 발생하는 전력의 밀도를 높일 수 있다.As described above, according to the present invention, an energy harvesting device having a high power density is formed by stacking a piezoelectric body in a multi-layer structure and inserting a plurality of metal plates together with an elastic body to generate energy and energy. It can improve the mutual conversion and increase the density of power generated per unit area and unit pressure.
따라서, 이러한 고전력 밀도를 가지는 에너지 수확 소자는 제조 원가, 소자 크기 대비 고전력 밀도를 가지므로 산업 발전 및 경제적 효과가 있다.Therefore, the energy harvesting device having such a high power density has a high power density compared to the manufacturing cost and the size of the device, thereby leading to industrial development and economic effects.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고전력 밀도를 가지는 에너지 수확 소자의 사시도이다.
도 2 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전체의 제조과정을 나타내는 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 다층(Multi-layer) 구조의 압전체를 나타내는 사시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 고전력 밀도를 가지는 에너지 수확 소자의 제조 방법을 설명하는 순서도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 다층(Multi-layer) 구조의 압전체를 준비하는 단계를 설명하는 순서도이다.1 is a perspective view of an energy harvesting device having a high power density according to an embodiment of the present invention.
2 to 5 are cross-sectional views illustrating a manufacturing process of a piezoelectric body according to an embodiment of the present invention.
6 is a perspective view illustrating a piezoelectric body having a multilayer structure according to an embodiment of the present invention.
7 is a flowchart illustrating a method of manufacturing an energy harvesting device having a high power density according to an embodiment of the present invention.
8 is a flowchart illustrating a step of preparing a piezoelectric body having a multi-layer structure according to an embodiment of the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 기술되는 바람직한 실시 예를 통하여 본 발명을 당업자가 용이하게 재현할 수 있도록 상세히 기술하도록 한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Reference will now be made in detail to embodiments of the present invention, examples of which are illustrated in the accompanying drawings, wherein like reference numerals refer to the like elements throughout.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고전력 밀도를 가지는 에너지 수확 소자의 사시도이다.1 is a perspective view of an energy harvesting device having a high power density according to an embodiment of the present invention.
도 1에 도시된 바와 같이, 고전력 밀도를 가지는 에너지 수확 소자(100)는 압전체(130), 상기 압전체(130)의 양단에 마주보도록 위치하는 복수장의 금속판(110) 및 상기 금속판(110) 사이에 위치되는 복수개의 탄성체(120)로 구성된다.As shown in FIG. 1, the
상기 금속판(110)은 단일의 금속층으로 이루어지거나, 복수의 금속층으로 이루어질 수 있다.The
또한, 상기 압전체(130)는 상기 복수장의 금속판(110) 사이에 단일개 또는 복수개가 삽입될 수 있다.In addition, a single or a plurality of
본 발명의 일 실시예에서의 상기 탄성체(120)는 철 소재의 용수철(Spring) 형상이나, 본 발명은 이에 한정하지 않으며, 고무, 실리콘 또는 라텍스 소재의 재질로 이루어질 수 있다.The
또한, 상기 탄성체(120)은 나선(Spiral), 볼(Ball) 또는 스펀지(Sponge) 형상 모두 가능하다. 통상적으로, 탄성체(120)는 외부의 압력을 받으면 부피와 형상이 달라지고, 외부 압력이 상실되면 원상태로 되돌아가려는 성질을 뜻하는 탄성이 우수하다. 따라서, 탄성체(120)는 외부 압력에 의해 위치의 변동이 생기는 금속판(110)과 압전체(130)가 외부 압력이 상실되면 원래의 위치로 복원되도록 돕는다. 이러한 압전체(130)는 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환시키는 압전 직접효과(Piezoelectric Direct Effect)와 전기적 에너지를 기계적 에너지로 변환시키는 압전 역효과(Piezoelecric Converse Effect)를 가진다.In addition, the
또한, 상기 다층(Multi-layer) 구조의 압전체(130)는 압전체를 1회 또는 복수회 감은 원통 롤(Roll)형이나, 본 발명은 이에 한정하지 않으며, 직사각 접이형 또는 직사각 겹층형의 다층(Multi-layer) 구조 모두 형성 가능하다.In addition, the
도 2 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전체(130)의 제조과정을 나타내는 단면도이다.2 to 5 are cross-sectional views illustrating a manufacturing process of the
도 2 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 압전체(130)는 기판(131)과, 상기 기판(131)의 일면에 형성된 압전층(132)과, 상기 압전층(132)의 상면에 형성된 전극층(133)과, 상기 전극층(133)의 상면에 형성된 절연층(134)으로 구성된다.2 to 5, the
상기 기판(131)은 바람직하게는 스테인리스강을 사용하나, 이에 한정하지 않고 구리(Cu), 아연(Zn), 마스네슘(Mg), 알루미늄(Al), 철(Fe), 주석(Sn), 니켈(Ni) 또는 청동 중 어느 하나 이상의 물질 모두 가능하다.The
더하여, 상기 압전층(132)은 바람직하게는 압전 폴리머를 용해시킨 압전 폴리머 용액을 이용하여 형성할 수 있다.In addition, the
본 발명에서는 상기 압전 폴리머로, PVDF-TrFE의 펠렛을 사용할 수 있다. 또한, 이외에도 PVDF, VDF-TrFE-CFE 또는 VDF-HFP의 펠렛을 사용할 수 있다. In the present invention, pellets of PVDF-TrFE can be used as the piezoelectric polymer. In addition, pellets of PVDF, VDF-TrFE-CFE or VDF-HFP can be used.
이 경우, 상기 압전층(132)은 상기 압전 폴리머를 메틸에틸케톤(Methylethylketone) 또는 디메틸포름아미드(Dimethylformamide) 용액에 용해시켜 10 내지 20wt%를 이루는 용액을 건조시켜 얻는다.In this case, the
상기 전극층(133)은 알루미늄(Al)으로 이루어지나, 본 발명은 이에 한정하지않고 철(Fe), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 몰리브덴(Mo), 은(Ag), 백금(Pt), 텅스텐(W), 금(Au), 이리듐(Ir) 또는 구리(Cu) 중 어느 하나 이상의 물질로 이루어질 수 있다.The
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 다층(Multi-layer) 구조의 압전체를 나타내는 사시도이다.6 is a perspective view illustrating a piezoelectric body having a multilayer structure according to an embodiment of the present invention.
도 6에 도시된 바와 같이, 압전체(130)는 기판의 일면에 형성된 압전층(132), 전극층(133) 및 절연층(134)을 둥글게 말아 원통 롤(Roll)형으로 만들어 복수장의 금속판(110) 사이에 삽입 가능하도록 한다. 상기 원통 롤(Roll)형의 압전체(130)는 기판(131), 압전층(132), 전극층(133) 및 절연층(134)이 다수 번에 걸쳐 포개어지므로 다층(Multi-layer) 구조로 형성될 수 있다. 따라서, 이러한 압전체(130)를 이용한 본 발명의 고전력 밀도를 가지는 에너지 수확 소자(100)는 에너지 발생 및 에너지 간의 상호 변환을 향상시키고 단위 면적, 단위 압력 당 발생하는 전력의 밀도를 높일 수 있다.As illustrated in FIG. 6, the
한편, 상기 압전체(130)는 직사각 접이형 또는 직사각 겹층형의 다층(Multi-layer) 구조로 형성 가능하다.On the other hand, the
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 고전력 밀도를 가지는 에너지 수확 소자의 제조 방법을 설명하는 순서도이다.7 is a flowchart illustrating a method of manufacturing an energy harvesting device having a high power density according to an embodiment of the present invention.
도 7에 도시된 바와 같이, 고전력 밀도를 가지는 에너지 수확 소자(100)의 제조 방법은 다층(Multi-layer) 구조의 압전체를 준비하는 단계(S101)와, 복수장의 금속판을 준비하는 단계(S102)와, 복수개의 탄성체를 상기 복수장의 금속판 사이에 위치하는 단계(S103)와. 상기 압전체를 복수장의 금속판 사이에 삽입하는 단계(S104)로 이루어질 수 있다.As shown in FIG. 7, the method of manufacturing the
상기 복수장의 금속판을 준비하는 단계(S102)에서는, 바람직하게는 금속판(110)을 2장 준비하나 이에 한정하지 않는다. 또한, 상기 복수개의 탄성체(120)를 상기 복수장의 금속판(110) 사이에 위치하는 단계(S103)는, 바람직하게는 4개의 탄성체를 2장의 금속판 사이에 위치하나 이에 한정하지 않고, 복수개의 탄성체(120)를 복수장의 금속판(110) 사이에 위치할 수 있다.In the preparing of the plurality of metal plates (S102), preferably, two
또한, 상기 탄성체(120)가 용수철(Spring)형일 경우, 금속판(110)의 면과 상기 용수철의 길이방향이 직교하는 형태일 수 있다.In addition, when the
상기 압전체(130)를 복수장의 금속판(110) 사이에 삽입하는 단계(S104)에서는, 압전체(130)를 탄성체(120)가 위치되어 있는 두 장의 금속판(110) 사이에 수작업에 의해 삽입할 수 있으며, 또는 기구를 이용하여 삽입할 수 있다. 이때, 압전체(130)의 높이는 탄성체(120)의 높이보다 높지 않게 구성되어, 두 장의 금속판(110) 사이에 삽입할 수 있다.In the step S104 of inserting the
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 다층(Multi-layer) 구조의 압전체(130)를 준비하는 단계를 설명하는 순서도이다.8 is a flowchart illustrating a step of preparing a
도 8에 도시된 바와 같이, 압전체(130)는, 기판을 준비하는 단계(S101a), 압전 폴리머 용액을 준비하는 단계(S101b), 상기 기판(131)을 상기 압전 폴리머 용액에 담근 후. 건조시켜 압전층(132)을 형성하는 단계(S101c), 상기 압전층(132)이 형성된 기판을 100 내지 150℃로 가열하는 단계(S101d), 상기 기판(131) 일면의 압전층(132)을 제거하는 단계(S101e), 상기 기판(131) 타면에 형성된 압전층(132)의 상면에 전극층(133)을 형성하는 단계(S101f), 상기 전극층(133)의 상면에 절연층(134)을 형성하는 단계(S101g) 및 상기 절연층(134)이 형성된 기판(131)을 다층(Multi-layer) 구조로 만드는 단계(S101h)로 이루어질 수 있다.As shown in FIG. 8, the
상기 기판을 준비하는 단계(S101a)는, 금속 재질의 기판(131)을 준비하는 단계로, 바람직하게는 스테인리스강을 사용하나, 이에 한정하지 않고 구리(Cu), 아연(Zn), 마스네슘(Mg), 알루미늄(Al), 철(Fe), 주석(Sn), 니켈(Ni) 또는 청동 중 어느 하나 이상의 물질 모두 가능하다.The preparing of the substrate (S101a) is a step of preparing the
상기 압전 폴리머 용액을 준비하는 단계(S101b)에서는, 압전 폴리머를 메틸에틸케톤(Methylethylketone) 용액에 용해시켜 바람직하게는 10 내지 20wt%의 압전 폴리머 용액을 만든다. 만약 압전 폴리머 용액의 농도가 10wt% 미만 시, 기판(131) 위에 압전층(132)을 일정한 두께로 형성할 수 없고, 20wt%초과 시 압전층(132)이 기판으로부터 박리되는 현상이 발생할 수 있다. 또한, 압전 폴리머는 바람직하게는 PVDF-TrFE의 펠렛을 사용하나 이에 한정하지 않고 PVDF, VDF-TrFE-CFE 또는 VDF-HFP의 펠렛 모두 사용 가능하다. 더하여, 압전 폴리머를 용해시키는 용액은 메틸에틸케톤(Methylethylketone) 용액 외에 디메틸포름아미드(Dimethylformamide) 용액도 사용 가능하나 압전 폴리머의 용해도가 낮아질 수 있다.In the preparing of the piezoelectric polymer solution (S101b), the piezoelectric polymer is dissolved in a methylethylketone solution to make a piezoelectric polymer solution of preferably 10 to 20 wt%. If the concentration of the piezoelectric polymer solution is less than 10 wt%, the
상기 기판(131)을 상기 압전 폴리머 용액에 담근 후. 건조시켜 압전층(132)을 형성하는 단계(S101c)에서는, 압전층(132)을 형성하기 위해 바람직하게는 침지(Dip) 코팅을 사용하나 이에 한정하지 않고 침지-인상(Dip-Drawing) 코팅도 가능하다. 상기 압전층을 형성하기 위해, 상기 기판(131)을 압전 폴리머 용액에 2분 내지 4분 동안 담그고, 바람직하게는 3분 동안 담근 후, 꺼내어 건조시킨다.After immersing the
압전층(132)의 두께는 특정하게 한정되거나 제한되지 않으며, 수 ㎛ 정도의 두께로 형성 가능하다.The thickness of the
상기 압전층이 형성된 기판을 100 내지 150℃로 가열하는 단계(S101d)에서는, 상기 기판(131)을 노에서 100 내지 150℃로 1시간 내지 3시간 동안 가열한다. 바람직하게는, 노에서 PVDF-TrFE의 펠렛 상전이 온도인 130℃로 2시간 동안 가열한다. 가열온도가 100℃ 미만이거나 130℃ 초과일 경우, 압전층 표면의 결정성이 증가하지 않고, 압전체의 강유전체 특성이 증가하지 않는다. 따라서, 상기 가열 단계에서, 상기 기판은 130℃로 2시간 동안 가열되며 압전체의 강유전체 특성이 증가하게 된다.In the step (S101d) of heating the substrate on which the piezoelectric layer is formed to 100 to 150 ° C., the
상기 기판(131) 일면의 압전층(132)을 제거하는 단계(S101e)에서는, 면봉에 아세톤을 묻혀 상기 기판(131) 일면의 압전층 막을 기판으로부터 일어나게 하고, 핀셋을 이용하여 일어난 압전층의 막을 벗겨내는 것이 바람직하나, 본 발명은 이에 한정하지 않고, 압전층을 제거할 수 있는 방법 모두 적용 가능하다.In step S101e of removing the
상기 기판(131) 타면에 형성된 압전층(132)의 상면에 전극층(133)을 형성하는 단계(S101f)는, 상기 기판의 압전층(132)이 형성되어 있는 면에 전극층(133)을 형성하는 단계이다.Forming the
바람직하게는 알루미늄(Al)을 이용한 열 증착(Thermal evaporation) 방식으로 전극층(133)을 형성하나, 본 발명은 이에 한정하지 않고 철(Fe), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 몰리브덴(Mo), 은(Ag), 백금(Pt), 텅스텐(W), 금(Au), 이리듐(Ir) 또는 구리(Cu) 중 어느 하나 이상의 물질을 전자선 증착(E-beam evaporation), 스퍼터(RF or DC sputter), 이 빔(E-beam), 전기 도금(Electro-plating) 또는 화학기상증착(Chemical vapor deposition) 방식 중 어느 한 방식을 이용하여 형성 가능하다. 전극층(133)의 두께는 특정하게 한정되거나 제한되지 않으며, 수 ㎛ 정도의 두께로 형성 가능하다.Preferably, the
상기 전극층(133)의 상면에 절연층(134)을 형성하는 단계(S101g)에서는, 상기 일반적인 절연층 형성 방법이 모두 적용 가능하며 특정하게 한정되거나 제한되지 않는다. 절연층(134)의 두께는 특정하게 한정되거나 제한되지 않으며, 수 ㎛ 정도의 두께로 형성 가능하다.In the step (S101g) of forming the insulating
상기 절연층(134)이 형성된 기판을 다층(Multi-layer) 구조로 만드는 단계(S101h)에서는, 바람직하게는 상기 절연층(134)이 형성되어 있는 기판을 1회 또는 복수회 감아 원통 롤(Roll)형을 형성하여 다층(Multi-layer) 구조로 만든다. 이 경우, 상기 절연층(134)이 형성되어 있는 기판을 수작업에 의해 둥글게 감거나 휴지롤(Roll)과 같은 원기둥 형상에 감아 만들 수 있다.In the step (S101h) of forming the substrate on which the insulating
그러나, 본 발명은 이에 한정하지않고 상기 절연층이 형성되어 있는 기판(131)을 구부리거나 잘라서 겹침 구조로 만드는 모든 방법이 가능함으로써, 압전체(130)를 구성하는 기판(131), 압전층(132), 전극층(133) 및 절연층(134)이 다수 번에 걸쳐 포개어지므로 다층(Multi-layer)구조의 압전체(130)를 형성할 수 있다.However, the present invention is not limited thereto, and any method of bending or cutting the
상기 기판을 구부리는 방법은 수작업 또는 기구를 이용하여 소정의 폭을 반복적으로 지그재그(Zigzag) 접어 다층(Multi-layer)구조의 압전체(130)를 형성할 수 있다. 또한, 압전체(130)를 소정의 폭으로 잘라 겹쳐 붙이거나 위치시켜 다층(Multi-layer)구조의 압전체(130)를 형성할 수 있다.In the method of bending the substrate, a
따라서, 상기 각 층이 반복되어 형성된 다층(Multi-layer) 구조의 압전체(130)를 이용한 에너지 수확 소자(100)는 에너지 발생 및 에너지 간의 상호 변환을 향상시키고 단위 면적, 단위 압력 당 발생하는 전력의 밀도를 높일 수 있다.Therefore, the
본 발명 명세서 전반에 걸쳐 사용되는 용어들은 본 발명 실시 예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 사용자 또는 운용자의 의도, 관례 등에 따라 충분히 변형될 수 있는 사항이므로, 이 용어들의 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.The terms used throughout the specification of the present invention have been defined in consideration of the functions of the embodiments of the present invention and can be sufficiently modified according to the intentions and customs of the user or operator. It should be based on the contents of.
본 발명은 첨부된 도면에 의해 참조 되는 바람직한 실시 예를 중심으로 기술되었지만, 이러한 기재로부터 후술하는 특허청구범위에 의해 포괄되는 범위 내에서 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 다양한 변형이 가능하다는 것은 명백하다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it will be understood by those of ordinary skill in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. .
100: 에너지 수확 소자
110: 금속판
120: 탄성체
130: 압전체
131: 기판
132: 압전층
133: 전극층
134: 절연층100: energy harvesting element
110: metal plate
120: elastomer
130: piezoelectric
131: substrate
132: piezoelectric layer
133: electrode layer
134: Insulation layer
Claims (15)
상기 압전체의 양단에 마주보도록 위치하는 복수장의 금속판; 및
상기 금속판 사이에 위치되는 복수개의 탄성체;
를 포함하며,
상기 압전체는,
상기 복수장의 금속판 사이에 복수개가 삽입되는 것을 특징으로 하는 고전력 밀도를 가지는 에너지 수확 소자.A piezoelectric body comprising a substrate, a piezoelectric layer formed on one surface of the substrate, an electrode layer formed on an upper surface of the piezoelectric layer, and an insulating layer formed on an upper surface of the electrode layer;
To face both ends of the piezoelectric body A plurality of metal plates positioned; And
A plurality of elastic bodies positioned between the metal plates;
Including;
The piezoelectric body,
An energy harvesting device having a high power density, characterized in that a plurality is inserted between the plurality of metal plates.
원통 롤(Roll)형, 직사각 접이형 또는 직사각 겹층형의 다층(Multi-layer) 구조로 형성 가능한 것을 특징으로 하는 고전력 밀도를 가지는 에너지 수확 소자.The method of claim 1, wherein the piezoelectric body,
An energy harvesting device having a high power density, characterized in that it can be formed in a multi-layer structure of a cylindrical roll type, a rectangular folding type, or a rectangular stacked type.
구리(Cu), 아연(Zn), 마스네슘(Mg), 알루미늄(Al), 철(Fe), 주석(Sn), 니켈(Ni), 스테인리스강 또는 청동 중 어느 하나 이상의 물질로 이루어진 금속판인 것을 특징으로 하는 고전력 밀도를 가지는 에너지 수확 소자.The substrate processing apparatus according to claim 1,
A metal plate made of at least one of copper (Cu), zinc (Zn), magnesium (Mg), aluminum (Al), iron (Fe), tin (Sn), nickel (Ni), stainless steel or bronze. An energy harvesting device having high power density.
알루미늄(Al), 철(Fe), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 몰리브덴(Mo), 은(Ag), 백금(Pt), 텅스텐(W), 금(Au), 이리듐(Ir) 또는 구리(Cu) 중 어느 하나 이상의 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 고전력 밀도를 가지는 에너지 수확 소자.The method of claim 1, wherein the electrode layer,
Aluminum (Al), Iron (Fe), Nickel (Ni), Chromium (Cr), Titanium (Ti), Molybdenum (Mo), Silver (Ag), Platinum (Pt), Tungsten (W), Gold (Au), Energy harvesting device having a high power density, characterized in that made of at least one material of iridium (Ir) or copper (Cu).
고무, 실리콘, 라텍스 또는 철 소재의 재질로 이루어진 것으로서, 용수철(Spring), 나선(Spiral), 볼(Ball) 또는 스펀지(Sponge) 형상인 것을 특징으로 하는 고전력 밀도를 가지는 에너지 수확 소자.The method of claim 1, wherein the elastic body,
An energy harvesting device having a high power density, which is made of rubber, silicon, latex, or iron, and has a spring, spiral, ball, or sponge shape.
복수의 금속층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고전력 밀도를 가지는 에너지 수확 소자.The metal plate according to claim 1,
Energy harvesting element having a high power density, characterized in that consisting of a plurality of metal layers.
복수장의 금속판을 준비하는 단계;
복수개의 탄성체를 상기 복수장의 금속판 사이에 위치하는 단계; 및
상기 압전체를 복수장의 금속판 사이에 삽입하는 단계;
로 이루어지며,
상기 다층(Multi-layer) 구조의 압전체를 준비하는 단계는,
기판을 준비하는 단계;
압전 폴리머 용액을 준비하는 단계;
상기 기판을 상기 압전 폴리머 용액에 담근 후, 건조시켜 압전층을 형성하는 단계;
상기 압전층이 형성된 기판을 100 내지 150℃로 가열하는 단계;
상기 기판 일면의 압전층을 제거하는 단계;
상기 기판 타면에 형성된 압전층의 상면에 전극층을 형성하는 단계;
상기 전극층의 상면에 절연층을 형성하는 단계; 및
상기 절연층이 형성된 기판을 다층(Multi-layer) 구조로 만드는 단계;
로 이루어지는 고전력 밀도를 가지는 에너지 수확 소자 제조방법.Preparing a piezoelectric material having a multilayer structure;
Preparing a plurality of metal plates;
Positioning a plurality of elastic bodies between the plurality of metal plates; And
Inserting the piezoelectric body between a plurality of metal plates;
Lt; / RTI >
Preparing the piezoelectric material of the multi-layer structure,
Preparing a substrate;
Preparing a piezoelectric polymer solution;
Immersing the substrate in the piezoelectric polymer solution and then drying to form a piezoelectric layer;
Heating the substrate on which the piezoelectric layer is formed to 100 to 150 ° C;
Removing the piezoelectric layer on one surface of the substrate;
Forming an electrode layer on an upper surface of the piezoelectric layer formed on the other surface of the substrate;
Forming an insulating layer on an upper surface of the electrode layer; And
Making a substrate having the insulating layer formed into a multi-layer structure;
Energy harvesting device manufacturing method having a high power density consisting of.
압전 폴리머를 메틸에틸케톤(Methylethylketone) 또는 디메틸포름아미드(Dimethylformamide) 용액에 용해시켜 10 내지 20wt%의 압전 폴리머 용액을 만드는 것을 특징으로 하는 고전력 밀도를 가지는 에너지 수확 소자 제조방법.The method of claim 9, wherein preparing the piezoelectric polymer solution comprises:
A method of manufacturing an energy harvesting device having a high power density, wherein the piezoelectric polymer is dissolved in a methylethylketone or dimethylformamide solution to form a piezoelectric polymer solution of 10 to 20 wt%.
PVDF, PVDF-TrFE, VDF-TrFE-CFE 또는 VDF-HFP의 펠렛 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 고전력 밀도를 가지는 에너지 수확 소자 제조방법.The method of claim 11, wherein the piezoelectric polymer,
Method for manufacturing an energy harvesting device having a high power density, characterized in that any one of the pellets of PVDF, PVDF-TrFE, VDF-TrFE-CFE or VDF-HFP.
열 증착(Thermal evaporation), 전자선 증착(E-beam evaporation), 스퍼터(RF or DC sputter), 이 빔(E-beam), 전기 도금(Electro-plating) 또는 화학기상증착(Chemical vapor deposition) 방식 중 어느 한 방식으로 형성하는 것을 특징으로 하는 고전력 밀도를 가지는 에너지 수확 소자 제조방법.The method of claim 9, wherein the forming of the electrode layer on the upper surface of the piezoelectric layer formed on the other surface of the substrate,
Thermal evaporation, E-beam evaporation, RF or DC sputter, E-beam, Electro-plating, or Chemical Vapor Deposition Energy harvesting device manufacturing method having a high power density, characterized in that formed in any one way.
침지(Dip) 코팅 또는 침지-인상(Dip-Drawing) 코팅 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고전력 밀도를 가지는 에너지 수확 소자 제조방법.The method of claim 11, wherein the substrate is immersed in the piezoelectric polymer solution and then dried to form a piezoelectric layer.
A method of manufacturing an energy harvesting device having a high power density, characterized in that it is made of either a dip coating or a dip-drawing coating.
상기 절연층이 형성되어 있는 기판을 1회 또는 복수회 감아 원통 롤(Roll)형을 형성하거나 직사각 접이형 또는 직사각 겹층형이 되도록 구부려 다층(Multi-layer) 구조로 만드는 것을 특징으로 하는 에너지 수확 소자 제조방법.The method of claim 11, wherein the forming of the substrate on which the insulating layer is formed has a multi-layer structure.
Energy harvesting device, characterized in that to form a multi-layer structure by winding the substrate on which the insulation layer is formed to form a cylindrical roll (roll) type or to be a rectangular folding type or a rectangular stacked layer type. Manufacturing method.
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