KR101340060B1 - 플라스틱 나노제너레이터 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
플라스틱 나노제너레이터 및 그 제조방법이 제공된다.
본 발명에 따른 플라스틱 나노제너레이터는 플라스틱 기판; 및 상기 플라스틱 기판의 양면에 구비되며, 제1 압전소자 및 제 2 압전소자를 포함하며, 여기에서 상기 제 1 압전소자 및 제 1 압전소자는 각각 압전물질층 및 금속층으로 이루어진 것을 특징으로 하며, 본 발명에 따른 플렉서블 나노제너레이터는 압전물질과 플렉서블한 플라스틱 기판의 휨을 결합시켜, 기판의 휨에 따라 전류가 고효율로 생성될 수 있다. 따라서 인체 내에서 발생하는 심장박동이나 횡경막의 움직임에 따라 전력을 발생하도록 인체 내에 삽입, 부착된 소형 플라스틱 나노제너레이터는 의료기기 및 통신수단인 무선 송신기에 전력을 공급하여, 인체 내에서 진행되는 상황을 외부에서 모니터링할 수 있게 한다.
본 발명에 따른 플라스틱 나노제너레이터는 플라스틱 기판; 및 상기 플라스틱 기판의 양면에 구비되며, 제1 압전소자 및 제 2 압전소자를 포함하며, 여기에서 상기 제 1 압전소자 및 제 1 압전소자는 각각 압전물질층 및 금속층으로 이루어진 것을 특징으로 하며, 본 발명에 따른 플렉서블 나노제너레이터는 압전물질과 플렉서블한 플라스틱 기판의 휨을 결합시켜, 기판의 휨에 따라 전류가 고효율로 생성될 수 있다. 따라서 인체 내에서 발생하는 심장박동이나 횡경막의 움직임에 따라 전력을 발생하도록 인체 내에 삽입, 부착된 소형 플라스틱 나노제너레이터는 의료기기 및 통신수단인 무선 송신기에 전력을 공급하여, 인체 내에서 진행되는 상황을 외부에서 모니터링할 수 있게 한다.
Description
본 발명은 플라스틱 나노제너레이터 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기판의 휨에 따라 발생하는 전기적 에너지를 외부로 고효율로 공급하는 플라스틱 나노제너레이터 및 그 제조방법에 관한 것이다.
현재 정보통신의 발달에 따라 압전소자, 태양전지 등의 전기 소자의 필요성 및 대용량화가 대두되고 있다. 더 나아가, 이러한 전기 소자는 현재까지 딱딱한 실리콘 기판 등에서 제조되어, 응용되고 있는데, 그 이유는 바로 이러한 소자 들의 제조공정이 보통 고온의 반도체 공정을 통하여 제조되기 때문이다. 하지만, 이러한 소자 기판의 한계는 압전소자, 태양전지 등의 응용 범위를 제한하는 문제가 있다.
특히 이러한 기판 제한에 따라 그 효과가 제한되는 소자 중 하나는 압전 소자이다. 압전소자란 압전기(壓電氣) 현상을 나타내는 소자를 의미한다. 상기 압전 소자는 피에조 전기소자라고도 하며, 수정, 전기석, 로셸염 등이 일찍부터 압전소자로서 이용되었으며, 근래에 개발된 지르코늄산납, 타이타늄산바륨(BaTiO3, 이하 BTO), 인산이수소암모늄, 타타르산에틸렌다이아민 등의 인공결정도 압전성이 뛰어나며 도핑을 통해 더 뛰어난 압전특성을 유도 할 수 있게 된다.
이러한 압전소자는 현재 외부에서 인가되는 압력에 따라 전기를 발생시키는 방식이나, 상기 압전 소자가 자연스럽게 휘어질 수 있는 플렉서블 기판에 응용되는 경우, 자연스럽게 발생하는 플렉서블 기판의 휘는 특성을 즉시 전기적 에너지로 전화시킬 수 있는 장점이 있으나, 아직까지 플렉서블 기판에 구현된 압전 소자, 특히 대면적 압전 소자는 개시되지 못한 상황이다. 더 나아가, 발생한 전기적 에너지를 충전시키기 위해서 보통 BTO 소자 외부의 별도 충전 수단을 종래 기술은 사용하나, 이는 압전 소자를 사용하는 디바이스 크기를 과도하게 차지하는 문제가 있다.
더 나아가, 많은 양의 전기적 에너지를 생산하기 위해서는 큰 면적의 BTO 소자를 사용하는 것이 바람직하나, 현재까지 대면적의 압전소자를 플렉서블 기판에 구현시키는 기술은 개시되지 못하는 상황이다. 더 나아가, 이러한 압전소자를 이용하여, 전류를 사실상 연구적으로 생산할 수 있는 플렉서블 미세발전기, 즉, 플렉서블 나노제너레이터는 아직까지 개시되지 못하는 상황이다.
따라서, 본 발명이 해결하려는 과제는 압전물질을 이용한 플렉서블 나노제너레이터 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 플라스틱 기판; 및 상기 플라스틱 기판의 양면에 구비되며, 제1 압전소자 및 제 2 압전소자를 포함하며, 여기에서 상기 제 1 압전소자 및 제 1 압전소자는 각각 압전물질층 및 금속층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 플라스틱 나노제너레이터를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 플라스틱 기판, 제 1 압전소자 및 제 2 압전소자는 밀봉부재 내에 구비되며, 상기 제 1 압전소자 및 제 2 압전소자의 금속층에는 금속선이 연결되며, 상기 밀봉부재는 가요성 부재이다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 플라스틱 기판 휨에 따라 상기 기판 상부의 제 1 압전소자에서는 양의 전압이 발생하고, 기판 하부 제 2 압전소자에서는 음의 전압이 발생한다.
본 발명은 상기 또 다른 과제를 해결하기 위하여, 플라스틱 나노제너레이터 제조방법으로, 층상기판 상에 순차적으로 압전물질층 및 금속층을 적층시켜 제 1 압전소자를 제조하는 단계; 상기 제 1 압전소자 상에 전사기판을 접합시키는 단계;
상기 층상기판을 제거하는 단계; 및 상기 제 1 압전소자를 플라스틱 기판의 일 면에 전사시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라스틱 나노제너레이터 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 방법은 상기 제 1 압전소자가 전사된 플라스틱 기판 일 면의 대향면에 제 2 압전소자를 전사시키는 단계를 더 포함하며, 여기에서 상기 제 2 압전소자는 청구항 4에 따른 방법에 의하여 층상 기판 상에서 제조된 후 상기 플라스틱 기판의 대향면에 전사되며, 이때 상기 층상 기판은 운모 기판이며, 상기 층상 기판 제거는 물리적 방식의 박리에 의하는 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시에에 따르면, 상기 방법은 상기 제 1 압전소자 및 제 2 압전소자의 금속층에 금속선을 연결시키는 단계; 및 상기 제 1 압전소자 및 제 2 압전소자를 밀봉부재로 밀봉시키는 단계를 더 포함한다.
상기 또 다른 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 상술한 플라스틱 나노제너레이터를 포함하는 의료용 전자기기로서, 여기에서 상기 플라스틱 나노제너레이터의 플라스틱 기판의 휨에 따라 발생한 전류가 상기 전자기기로 제공된다. 이때, 상기 플라스틱 나노제너레이터의 플라스틱 기판 휨에 따라 상기 기판의 상부의 제 1 압전소자에서는 양의 전압이 발생하고, 하부의 제 2 압전소자에서는 음의 전압이 발생한다.
본 발명은 또한 상술한 플라스틱 나노제너레이터를 이용하여 고상의 리튬이차전지를 충전하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지 충전방법을 제공하며, 상기 플라스틱 나노제너레이터 의 출력 전류량은 100nA이상이다.
본 발명에 따른 플렉서블 나노제너레이터는 압전물질과 플렉서블한 플라스틱 기판의 휨을 결합시켜, 기판의 휨에 따라 전류가 고효율로 생성될 수 있다. 따라서 인체 내에서 발생하는 심장박동이나 횡경막의 움직임에 따라 전력을 발생하도록 인체 내에 삽입, 부착된 소형 플라스틱 나노제너레이터는 의료기기 및 통신수단인 무선 송신기에 전력을 공급하여, 인체 내에서 진행되는 상황을 외부에서 모니터링할 수 있게 한다.
도 1 내지 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 플렉서블 나노제너레이터 제조방법의 단계별 도면이다.
도 15는 본 발명에 따른 플렉서블 나노발전기의 응용 개념을 나타내는 도면이다.
도 16, 17은 본 발명에 따른 플렉서블 나노발전기의 또 다른 응용 개념을 나타내는 도면이다.
도 15는 본 발명에 따른 플렉서블 나노발전기의 응용 개념을 나타내는 도면이다.
도 16, 17은 본 발명에 따른 플렉서블 나노발전기의 또 다른 응용 개념을 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명의 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. 또한, 본 명세서 전반에 걸쳐 표시되는 약어는 본 명세서 내에서 별도의 다른 지칭이 없다면 당업계에서 통용되어, 이해되는 수준으로 해석되어야 한다.
또한, 본 명세서에서 플렉서블 나노제너레이터 또는 플렉서블 나노자가발전기는 기판의 휨에 따라 전류가 발생하는 미세 소자를 모두 통칭한다.
도 1 내지 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 플렉서블 나노제너레이터 제조방법의 단계별 도면이다.
도 1을 참조하면, 층상기판(100)이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 층상기판(100)은 운모기판이며, 상기 운모기판은 접착물질을 이용하여 물리적으로 박리될 수 있다. 즉, 본 발명은 층상구조로서 박리가 용이한 운모기판을 희생기판으로 이용하였으나, 본 발명의 범위는 이에 제한되지 않으며, 층간 구조로 인하여 층들이 순차적으로 벗겨질 수 있는 임의의 모든 기판이 상기 층상기판으로 사용될 수 있다.
도 2를 참조하면, 상기 층상기판(100) 상에 상부압전물질층(200)이 적층되며, 본 발명의 일 실시예에서 상기 압전물질은 BTO이었다.
도 3을 참조하면, 상기 상부압전물질층(200) 상에 상부금속층(300)이 적층된다. 이로써 압전물질층(200) 및 상부금속층(300)으로 이루어진 제 1 압전소자가 구비된다.
도 4를 참조하면, 상기 상부금속층(300) 상에는 전사기판(400)이 적층되며, 상기 전사기판은 하부 층상기판(100)이 제거됨에 따라 상기 상부압전물질층(200) 및 상부금속층(300)을 고정시켜, 플렉서블 기판으로 전사시키는 역할을 수행한다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 전사기판(400)은 소정의 접착층이 도포된 PDMS 기판이었으나, 본 발명의 범위는 이에 제한되지 않는다. 이후 접착용 테이프 등과 같은 접착 수단(500)을 층상 기판 후면에 붙인 후, 떼어내는 방식으로 운모 기판의 층별로 박리시킨다. 즉, 본 발명은 희생기판을 습식식각 공정으로 제거하는 일반적인 기술과 달리 층상 형태로 박리될 수 있는 운모기판을 이용, 물리적으로 희생기판을 제거한다. 특히, 본 발명에서 물리적인 방식의 희생기판 제거에도 불구하고, 전사기판(400)에 의하여 고정된 소자층(상부압전물질층-상부금속층)은 고정되고, 배열된 상태를 유지한다. 상기 물리적 박리 공정을 계속 진행함에 따라 층상기판(100)은 모두 제거된다(도 5 내지 7 참조).
도 7 내지 9를 참조하면, 층상기판(100)이 모두 제거된 소자층(상부압전물질층(200)-상부금속층(300))은 접착층(600)이 구비된 플라스틱 기판(700)에 전사된다. 이로써 플렉서블 기판인 플라스틱 기판(700)상에 압전물질층(700)과 금속층(300)이 구비된다.
도 10을 참조하면, 도 1 내지 9와 동일한 방식으로 층상기판(101) 상에 하부압전물질층(201)과 하부금속층(301)을 적층하여, 도 9에서 제 1 압전소자가 제조된 플라스틱 기판(700)의 반대 쪽에 제 2 압전소자를 형성시킨다. 이후, 상기 하부금속층(301)에 전사기판(401)을 접촉시켜, 고정시킨다. 이후, 운모와 같은 층상기판(101)을 물리적인 방식으로 제거한다.
도 11을 참조하면, 상기 하부압전물질층(201)과 하부금속층(301)을 도 9의 플라스틱 기판(600)에 전사시킨다. 이때 상기 하부압전물질층(200)과 하부금속층(301)은 상부압전물질층(200)과 상부금속층(300)이 접합된 플라스틱 기판(200)의 반대면에 접합된다. 따라서, 상기 플라스틱 기판(200)의 양 면에는 모두 접합층이 구비된다.
도 12를 참조하면, 도 11의 전사공정을 통하여, 플라스틱 기판(700)의 양 면에 압전물질층(200, 201)과 금속층(300, 301)이 구비된 플렉서블 에너지 하베스트 소자가 완성된다. 따라서, 플라스틱 기판(700)의 휨에 따라 기판(700) 상부 압전물질층은 인장하중에 의해 위 표면에는 양의 전압이 발생하고, 하부 압전물질의 아래 표면에는 음의 전압이 발생하게 된다.
도 13을 참조하면, 압전물질층(200, 201)으로부터 발생한 전류를 유도하는 금속 금속선(801)이 압전물질층 상에 적층된 금속층(300, 301)에 연결된다. 이로써 기판(700)의 휨에 따라 발생한 전류는 금속층(300, 301)과 금속선(801)을 통하여 외부로 흐르게 된다. 이때 발생되는 전압 및 전류는 위쪽과 아래쪽의 압전물질 에서 발생되는 값을 합한 것이 되므로, 단일 층으로 제작된 경우에 비해 높은 출력전압 및 전류값을 나타낸다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 금속선(801)과 금속층의 연결부위에는 전도성 접착제(800)가 구비되어, 금속선(801)과 금속층(300, 301)을 물리적으로 고정시킨다. 하지만, 본 발명의 범위는 이에 제한되지 않으며, 다양한 방식으로 외부 전선을 금속층(300, 301)에 연결시킬 수 있다.
도 14를 참조하면, 상기 플라스틱 기판의 양면에 압전소자를 구비한 에너지 하베스트 소자를 밀봉부재(401)로 밀봉시킨다. 상기 밀봉부재(401)는 휨이 자유로운 가요성 부재인 것이 바람직한데, 본 발명의 일 실시예에서 상기 밀봉부재(401)는 폴리디메틸실록산(PDMS)이었다. 따라서, 밀봉부재(401)가 휨에 따라 내부에 밀봉된 플라스틱 기판(700) 또한 휘게 되며, 이때 기판 양쪽에 구비된 압전소자에서는 전류가 발생, 금속선(801)을 통하여 외부로 흐르게 된다.
본 발명에 따른 플렉서블 압전소자는 물리적인 휨에 따라 전류를 발생시키는, 일종의 플렉서블 나노발전기로 사용가능하며, 특히 양면에 부착된 BTO 박막에 의하여 고효율로 전류를 생산할 수 있다(100nA 이상의 출력 전류량).
도 15, 16은 본 발명에 따른 플렉서블 나노발전기의 응용 개념을 나타내는 도면이다.
도 15를 참조하면, 심장과 같은 인체 내에 삽입되는 전자기기에 본 발명에 따른 플라스틱 나노제너레이터가 나노자가발전기로 사용되어, 전력을 공급할 수 있다. 즉, 인체 내에서 발생하는 심장박동이나 횡경막의 움직임에 따라 전력을 발생하도록 인체 내에 삽입, 부착된 소형 플라스틱 나노제너레이터는 의료기기 및 통신수단인 무선 송신기에 전력을 공급하여, 인체 내에서 진행되는 상황을 외부에서 모니터링할 수 있게 한다.
도 16, 17은 본 발명에 따른 플렉서블 나노발전기의 또 다른 응용 개념을 나타내는 도면이다.
도 16을 참조하면, 본 발명에 따른 플렉서블 나노자가발전기로부터 발생한 전류를 정류하여, 배터리 장치로 활용할 수 있다. 즉, 양면에 구비된 BTO 소자에 의하여 생산된 전류는 고상의 리튬이차전지를 충전하기 위하여 사용될 수 있는데, 이 경우 나노제너레이터에 의하여 생성된 전류는 전류 장치를 거쳐, 고상 리튬이차전지와 같은 배터리 장치(903)를 충전시킨다.
도 17을 참조하면, 심장발작으로 인해 심장박동이 정지 되었을 때 사용되는 심장자동제세동기에 본 발명에 따른 나노자가발전기가 사용되어, 지속적으로 전력을 축적한 뒤 순간적으로 사용될 수 있는, 영구적인 전력을 공급할 수 있다.
이상 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
Claims (12)
- 플라스틱 기판; 및
상기 플라스틱 기판의 양면에 구비되며, 제1 압전소자 및 제 2 압전소자를 포함하며, 여기에서 상기 제 1 압전소자 및 제 2 압전소자는 각각 압전물질층 및 금속층으로 이루어지고, 제 1 압전소자 및 제 2 압전소자는 가요성 부재인 밀봉부재 내에 구비되며, 상기 제 1 압전소자 및 제 2 압전소자의 금속층 각각에는 금속선이 연결된 것을 특징으로 하는 플라스틱 나노제너레이터. - 삭제
- 삭제
- 제 1항에 있어서,
상기 플라스틱 기판 휨에 따라 상기 기판 상부의 제 1 압전소자에서는 양의 전압이 발생하고, 기판 하부 제 2 압전소자에서는 음의 전압이 발생하는 것을 특징으로 하는 플라스틱 나노제너레이터. - 플라스틱 나노제너레이터 제조방법으로,
층상기판 상에 순차적으로 압전물질층 및 금속층을 적층시켜 제 1 압전소자를 제조하는 단계;
상기 제 1 압전소자 상에 전사기판을 접합시키는 단계;
상기 층상기판을 제거하는 단계;
상기 제 1 압전소자를 플라스틱 기판의 일 면에 전사시키는 단계;
상기 제 1 압전소자가 전사된 플라스틱 기판 일 면의 대향면에 제 2 압전소자를 전사시키는 단계;
상기 제 1 압전소자 및 제 2 압전소자의 금속층에 금속선을 연결시키는 단계; 및
상기 제 1 압전소자 및 제 2 압전소자를 밀봉부재로 밀봉시키는 단계를 포함하며, 상기 제 2 압전소자는 층상기판 상에서 제조된 후 상기 플라스틱 기판의 대향면에 전사되는 것을 특징으로 하는 플라스틱 나노제너레이터 제조방법. - 제 5항에 있어서,
상기 층상 기판은 운모 기판이며, 상기 층상 기판을 제거하는 단계는 물리적 방식의 박리에 의하는 진행되는 것을 특징으로 하는 플라스틱 나노제너레이터 제조방법. - 삭제
- 삭제
- 제 1항 또는 제 4항에 따른 플라스틱 나노제너레이터를 포함하는 의료용 전자기기로서, 여기에서 상기 플라스틱 나노제너레이터의 플라스틱 기판의 휨에 따라 발생한 전류가 상기 전자기기로 제공되는 것을 특징으로 하는 플라스틱 나노제너레이터를 포함하는 의료용 전자기기.
- 제 9항에 있어서,
상기 플라스틱 나노제너레이터의 플라스틱 기판 휨에 따라 상기 기판의 상부의 제 1 압전소자에서는 양의 전압이 발생하고, 하부의 제 2 압전소자에서는 음의 전압이 발생하는 것을 특징으로 하는 의료용 전자기기. - 제 1항 또는 제 4항에 따른 플라스틱 나노제너레이터를 이용하여 고상의 리튬이차전지를 충전하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지 충전방법.
- 제 11항에 있어서,
상기 플라스틱 나노제너레이터의 출력 전류량은 100nA이상인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지 충전방법.
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