KR101465346B1 - 압전물질 및 중합체가 혼합된 복합체를 포함한 압전 에너지 발전 소자 - Google Patents

압전물질 및 중합체가 혼합된 복합체를 포함한 압전 에너지 발전 소자 Download PDF

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Abstract

압전 압전물질 및 중합체가 혼합된 복합체를 포함한 압전 에너지 발전 소자가 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 압전 에너지 발전 소자는 제1전극층; 상기 제1전극층과 이격된 제2전극층; 및 상기 제1전극층과 상기 제2전극층 사이에 위치하고, 무기물 압전물질 및 유기물 중합체 매트릭스가 서로 혼합된 복합체인 압전체층을 포함할 수 있다.

Description

압전물질 및 중합체가 혼합된 복합체를 포함한 압전 에너지 발전 소자{PIEZO-ELECTRIC ENERGY HARVESTER INCLUDING A COMPPOSITE OF PIEZO ELECTRIC MATERIAL AND POLYMER}
본 발명은 압전 에너지 발전 소자에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 무기물 압전물질 및 유기물 중합체가 혼합된 복합체를 포함하는 압전 에너지 발전 소자에 관한 것이다.
물질의 압전특성을 이용한 압전 에너지 발전 소자는 우리 주변에 존재하는 무한한 기계적 에너지(미세 진동, 인간의 움직임)를 전기적 에너지로 변환시키는 친환경 압전 에너지 발전 소자이다.
압전 에너지 발전 소자는 에너지 변환 효율이 크고, 소형 및 경량화가 가능하며, 나노기술과의 융합되는 경우, 친환경 에너지 관련 분야의 획기적인 기술 도약을 이끌 새로운 기술로 평가받고 있고, 이러한 추세에 따라, 압전 에너지 발전 소자에 대한 관심이 증가하고 있다.
그러나, 종래의 박막 또는 나노구조물을 이용한 압전 에너지 발전 소자는, 압전 에너지 발전 소자를 구성하는 소재의 결정성과 정렬방법 등의 설계 및 제작에 많은 어려움이 있었다.
또한, 종래의 압전 에너지 발전 소자는 소자가 구부려(Bending)지거나, 진동되는 경우에만 전기적 에너지를 발전 시킬 수 있다는 한계가 있었다. 특히, 압전 에너지 발전 소자에 큰 응력(압력)이 수직한 방향으로 가해지는 경우, 압전 에너지 발전 소자를 구성하는 소재 또는 소재와 전극 사이의 계면에 파괴될 수 있어, 압전 에너지 발전 소자의 기계적 안정성 및 신뢰성 문제가 있었다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 무기물 압전물질 및 유기물 중합체가 혼합된 복합체를 이용함으로써, 수직으로 큰 응력(압력)이 가해지는 경우에도 높은 기계적 안정성과 신뢰성을 확보할 있는 고출력의 압전 에너지 발전 소자를 제공하는 것이다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 실시예에 따른 압전 에너지 발전 소자는 제1전극층; 상기 제1전극층과 이격된 제2전극층; 및 상기 제1전극층과 상기 제2전극층 사이에 위치하고, 무기물 압전물질 및 유기물 중합체 매트릭스가 서로 혼합된 복합체인 압전체층을 포함할 수 있다.
하나의 실시예로, 상기 무기물 압전물질은, 상기 유기물 중합체 매트릭스 내에 랜덤(Random)하게 분산될 수 있고, 상기 무기질 압전물질은 육면체 형상일 수 있다.
하나의 실시예로, 상기 제1전극층은 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 그래핀(Graphene), 카본나노튜브(Carbonnanotube) 및 인듐주석산화물(Indium Tin Oxide, ITO)로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
일 측면으로서, 본 발명의 실시예에 따른 압전 에너지 발전 소자는 상기 제2전극층과 상기 압전체층 사이에 위치하고, 상기 제2전극체층 및 상기 압전체층과 접학하며, 전도성 물질로 형성된 보조층을 더 포함할 수 있다. 일 예로, 보조층은 전도성 물질로 이루어질 수 있으며, 크롬(Cr)이 사용될 수 있다.
하나의 실시예로, 상기 무기물 압전물질은, 아연주석산화물(ZnSnO3), 티탄산바륨(BaTiO3) 및 비스무스철산화물(BiFeO3)로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
하나의 실시예로, 상기 유기물 중합체는, 폴리다이메틸실록세인(PDMS) 및 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
하나의 실시예로, 상기 제2전극층은 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 그래핀(Graphene) 및 카본나노튜브(Carbonnanotube)로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
하나의 실시예로, 상기 제1전극층은 플렉시블 기판 상에 형성될 수 있다.
하나의 실시예로, 상기 압전체층은, 상기 압전체층의 총 중량에 대해, 상기 무기물 압전물 압전물질의 함량이 35 내지 45 wt%일 수 있다.
상기와 같은 본 발명은, 무기물 압전물질 및 유기물 중합체가 혼합된 복합체를 포함하고 있기 때문에, 압전 에너지 발전 소자에 수직한 방향으로 압력이 가해지는 경우에도, 파괴되지 않아, 종래의 압전 에너지 발전 소자에 비하여 기계적 안정성 및 신뢰성이 향상될 수 있다.
또한, 압전 에너지 발전 소자에 수직한 방향으로 압력이 가해지는 경우에도, 전압 및 전류를 생성할 수 있는 효과가 있다.
또한, 인체에 무해한 비납계 압전 물질을 이용하기 때문에 환경 친화적이고, 폐기 시에도 환경오염을 방지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 압전 에너지 발전 소자의 구조를 설명하기 위한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 압전 에너지 발전 소자의 구성을 나타낸 도면이다.
도 3은 징크 설페이트 헵타하이드레이트와 소듐 스테네이트의 반응 온도에 따라 형성된 아연주석산화물 입자의 형상을 설명하기 위한 사진들이다.
도 4a는 자동차를 이용하여 응력을 인가하면서 본 발명의 실시예에 따른 압전 에너지 발전 소자에서 생성된 전압 및 전류를 측정한 결과이다.
도 4b는 자동차를 이용하여 500회 동안 응력을 인가하면서 본 발명의 실시예에 따른 압전 에너지 발전 소자에서 생성된 전압을 측정한 결과이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 복합체층의 아연주석산화물의 함량 변화에 따라 압전 에너지 발전 소자에서 생성되는 전압을 측정한 결과이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 압전 에너지 발전 소자에 수평한 방향으로 압력을 가하였을때 생성되는 전압을 측정한 결과이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 압전 압전물질 및 중합체가 혼합된 복합체를 포함한 압전 에너지 발전 소자의 구조를 설명하기 위한 개념도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 압전 압전물질 및 중합체가 혼합된 복합체를 포함한 압전 에너지 발전 소자의 구성을 나타낸 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 압전 에너지 발전 소자(100)는 제1전극층(10), 압전체층(20) 및 제2전극층(30)을 포함할 수 있다.
제2전극층(30)은 압전체층(20) 상부에 배치되고, 도전성 물질로 형성된다. 예를 들어, 제2전극층(30)은 도전성 물질인 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 그래핀(Graphene), 카본나노튜브(Carbonnanotube) 및 인듐주석산화물(Indium Tin Oxide, ITO)로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
압전체층(20)은 제1전극층(10)과 제2전극층(30) 사이에 위치하고, 무기물 압전물질 및 유기물 중합체 매트릭스를 포함하는 복합체로 형성될 수 있다.
무기물 압전물질은 유기물 중합체 매트릭스 내에 랜덤(Random)하게 분산될 수 있다. 무기물 압전물질은 나노(Nano) 스케일의 크기를 갖고, 육면체 형상을 가질 수 있다. 예를 들면, 무기물 압전물질은 장변(edge size)의 길이가 약 100 내지 200nm인 육면체 형상을 가질 수 있다. 또한 무기물 압전물질은 페로브스카이트 구조를 가질 수 있다.
일 예로, 무기물 압전 물질은 아연주석산화물(ZnSnO3), 티탄산바륨(BaTiO3) 및 비스무스철산화물(BiFeO3) 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
무기물 압전 물질이 아연주석산화물(ZnSnO3)인 경우, 무기물 압전 물질은 징크 설페이트 헵타하이드레이트(ZnSO4·7H2O) 수용액과 소듐 스테네이트 수용액(Na2SnO3)을 혼합하고, 소정 온도에서 아연주석산화물 반응을 유도함으로써 형성할 수 있다. 징크 설페이트 헵타하이드레이트와 소듐 스테네이트의 반응 온도는 생성되는 아연주석산화물의 형상에 크게 영향을 미친다. 이에 대해서는 도 5를 참조하여 설명하기로 한다.
일 예로, 유기물 중합체는 폴리다이메틸실록세인(PolyDiMethylSiloxane, PDMS) 및 폴리메틸메타크릴레이트(PolyMethylMethAcrylate, PMMA) 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
압전체층(20)에 있어서, 무기물 압전 물질은 복합체 전체 중량에 대해 약 35 내지 45 wt%로 혼합될 수 있다. 일 예로, 무기물 압전 물질은 복합체 전체 중량에 대해 약 40 wt%로 혼합될 수 있다. 무기물 압전 물질의 함량이 35 wt% 미만인 경우, 유기물 중합체에 의한 스트레인(strain) 흡수량이 많아 압전 압전물질 및 중합체가 혼합된 복합체를 포함한 압전 에너지 발전 소자(100)의 출력값이 저하될 수 있고, 무기물 압전 물질의 함량이 45 wt%를 초과하는 경우, 복합체의 전기 절연이 파괴되어 압전 압전물질 및 중합체가 혼합된 복합체를 포함한 압전 에너지 발전 소자(100)의 출력값이 저하될 수 있다. 또한, 복합체 전체 중량에 대한 무기물 압전 물질의 함량은 변경이 가능하고, 본 발명의 실시예에 따른 압전 압전물질 및 중합체가 혼합된 복합체를 포함한 압전 에너지 발전 소자(100)의 사용환경에 따라 적절히 변경될 수 있다.
제1전극층(10)은 압전층(20) 하부에 배치되고, 도전성 물질로 형성된다. 예를 들면, 제1전극층(10)은 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 그래핀(Graphene), 카본나노튜브(Carbonnanotube) 및 인듐주석산화물(Indium Tin Oxide, ITO)로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다. 또한, 제1전극층(10)은 플렉시블 기판 상에 형성될 수 있다. 일 예로 플렉시블 기판으로, 폴리에틸렌나프타레이트(PolyEthylenNaphthalate, PEN) 기판이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 압전 에너지 발전 소자(100)는 제2전극층(30)과 압전체층(20) 사이에 위치하고, 제2전극층(30) 및 압전체층(20)과 접학하며, 전도성 물질로 형성된 보조층을 더 포함할 수 있다. 일 예로, 보조층은 전도성의 특성을 가진 크롬(Cr)이 사용될 수 있다. 이는, 제2전극층(30)이 압전체층(20)에 더욱 잘 접착될 수 있도록 하기 위함이다.
도 3은 징크 설페이트 헵타하이드레이트와 소듐 스테네이트의 반응 온도에 따라 형성된 아연주석산화물 입자의 형상을 설명하기 위한 사진들이다.
도 3을 참조하면, 실온(Room Temperature; RT), 40℃ 및 80℃에서 징크 설페이트 헵타하이드레이트와 소듐 스테네이트를 반응시켜 아연주석산화물을 각각 합성하였다.
실온(RT)에서 합성된 아연주석산화물은 모서리가 둥근 형상으로 합성되었고, 40℃에서 합성된 아연주석산화물은 실온에서 합성된 아연주석산화물보다 모서리가 좀 더 각진 형상으로 합성되었다. 80℃에서 합성된 아연주석산화물은 모서리가 각진 형상이고, 육면체 형상으로 합성되었다.
즉, 반응시키는 온도가 증가할수록 육면체 형상의 아연주석산화물이 더욱 잘 합성되는 것을 확인할 수 있었고, 80℃ 이상에서 가장 완벽한 육면체 형상을 가짐을 확인할 수 있었다.
도 4a는 자동차를 이용하여 응력을 인가하면서 본 발명의 실시예에 따른 압전 압전물질 및 중합체가 혼합된 복합체를 포함한 압전 에너지 발전 소자에서 생성된 전압 및 전류를 측정한 결과이고, 도 4b는 자동차를 이용하여 500회 동안 응력을 인가하면서 본 발명의 실시예에 따른 압전 압전물질 및 중합체가 혼합된 복합체를 포함한 압전 에너지 발전 소자에서 생성된 전압을 측정한 결과이다.
도 4a에서 측정된 전압 및 전류는, 사이즈 10 cm × 10 cm인 압전물질 및 중합체가 혼합된 복합체를 포함한 압전 에너지 발전 소자(100)를 도로 위에 놓은 상태에서, 자동차(Vehicle)가 압전 압전물질 및 중합체가 혼합된 복합체를 포함한 압전 에너지 발전 소자(100) 위를 전, 후진하면서 압전 압전물질 및 중합체가 혼합된 복합체를 포함한 압전 에너지 발전 소자(100)에 응력(압력)을 가하는 경우에 압전물질 및 중합체가 혼합된 복합체를 포함한 압전 에너지 발전 소자(100)에서 생성된 전압 및 전류이다.
도 4a를 참조하면, 자동차의 전, 후진 이동에 따라 생성되는 전압은 최대 약 20V이고, 단위면적당 흐르는 전류는 최대 약 1㎂/㎠였다.
도 4b에서 측정된 전압은 도 5a과 동일한 실험조건에서 압전 압전물질 및 중합체가 혼합된 복합체를 포함한 압전 에너지 발전 소자(100)에서 생성된 전압을 500회 동안 측정한 결과이다.
도 4b를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 압전 압전물질 및 중합체가 혼합된 복합체를 포함한 압전 에너지 발전 소자(100)는 자동자차 500회 동안 전, 후진하는 경우에도 약 20V 전압을 일정하게 생성하였다. 이러한 결과를 통하여, 본 발명의 실시예에 따른 압전 압전물질 및 중합체가 혼합된 복합체를 포함한 압전 에너지 발전 소자(100)는 높은 압력에서도 높은 견고성(robustness)과 기계적인 내구성(mechanical durability)을 가짐을 확인할 수 있었다. 이는 안정한 결정 구조를 갖고 있는 아연주석산화물(ZnSnO3)이 PDMS 매트릭스 내에 분산되어 있기 때문이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 복합체층의 아연주석산화물의 함량 변화에 따라 압전 압전물질 및 중합체가 혼합된 복합체를 포함한 압전 에너지 발전 소자에서 생성되는 전압을 측정한 결과이다.
압전체층(20)에 포함된 아연주석산화물(ZnSnO3)의 함량에 따라 압전 압전물질 및 중합체가 혼합된 복합체를 포함한 압전 에너지 발전 소자(100)에서 생성되는 전압을 살펴보기 위하여, 압전 압전물질 및 중합체가 혼합된 복합체를 포함한 압전 에너지 발전 소자(100)에 수직한 방향으로 일정하게 압력을 가하였고, 아연주석산화물(ZnSnO3)과 유기물 중합체 전체 중량에 대해 아연주석산화물(ZnSnO3)의 함량을 각각 10 wt%, 20 wt%, 40 wt% 및 60 wt% 로 변경하면서 실험을 진행하였다.
도 5를 참조하면, 일정한 압력하에서, 아연주석산화물(ZnSnO3)의 함량이 약10 wt% 내외인 경우에는 약 2V, 약 20 wt% 내외인 경우에는 약 4V, 약 40 wt% 내외인 경우에는 약10V, 약 60 wt% 내외인 경우에는 약 3V로 측정되었다.
측정된 결과를 살펴보면, 압전 압전물질 및 중합체가 혼합된 복합체를 포함한 압전 에너지 발전 소자(100)에 수직한 방향으로 일정 압력이 가해지는 경우, 아연주석산화물(ZnSnO3)의 함량이 약 40 wt% 가 될 때까지는 생성되는 전압이 증가하였다가, 40 wt% 를 초과하는 경우에는 생성되는 전압이 줄어드는 것을 확인할 수 있었고, 압전체층(20)에 포함된 아연주석산화물(ZnSnO3)의 함량이 약 40 wt% 일 때 생성되는 전압이 가장 높은 것을 확인할 수 있었다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 압전 압전물질 및 중합체가 혼합된 복합체를 포함한 압전 에너지 발전 소자(100)의 압전체층(20)의 총 중량에 대해, 아연주석산화물(ZnSnO3)의 함량은 약 35 내지 45 wt%일때, 생성되는 전압이 높고, 함량이 약 40 wt%인 경우에 생성되는 전압이 가장 높다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 압전 압전물질 및 중합체가 혼합된 복합체를 포함한 압전 에너지 발전 소자에 수평한 방향으로 압력을 가하였을때 생성되는 전압을 측정한 결과이다.
도 6을 참조하면, 압전 압전물질 및 중합체가 혼합된 복합체를 포함한 압전 에너지 발전 소자(100)에 수평한 방향으로 압력을 가하는 경우, 약 4~8 mV의 전압이 생성되는 것을 확인할 수 있었다. 이를 압전 압전물질 및 중합체가 혼합된 복합체를 포함한 압전 에너지 발전 소자(100)에 수직한 방향으로 압력을 가했을 때 생성되는 전압과 비교해볼때, 상대적으로 적은 양의 전압이 생성되는 것을 알 수 있다. 이를 통하여, 본 발명의 실시예에 따른 압전 압전물질 및 중합체가 혼합된 복합체를 포함한 압전 에너지 발전 소자(100)는 수직한 방향으로 압력이 가해졌을 때 더욱 효율적으로 전압을 생성하는 것을 확인할 수 있다.
이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
100: 압전 에너지 발전 소자 10: 제1전극층
20: 압전체층 30: 제2전극층

Claims (10)

  1. 제1전극층;
    상기 제1전극층과 이격된 제2전극층;
    상기 제1전극층과 상기 제2전극층 사이에 위치하고, 무기물 압전물질 및 유기물 중합체 매트릭스가 서로 혼합된 복합체인 압전체층; 및
    상기 제2전극층과 상기 압전체층 사이에 위치하고, 상기 제2전극층 및 상기 압전체층과 접합하며, 전도성 물질로 형성된 보조층을 포함하고,
    상기 무기물 압전물질은 육면체 형상이고 상기 유기물 중합체 매트릭스 내에 랜덤(Random)하게 분산되어 있으며,
    상기 유기물 중합체 매트릭스는 폴리다이메틸실록세인(PolyDiMethylSiloxane, PDMS) 및 폴리메틸메타크릴레이트(PolyMethylMethAcrylate, PMMA)로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상이고,
    상기 압전체층의 총 중량에 대해 상기 무기물 압전물질의 함량이 35 내지 45 wt%인, 압전 에너지 발전 소자.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1전극층은,
    금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 그래핀(Graphene), 카본나노튜브(Carbonnanotube) 및 인듐주석산화물(Indium Tin Oxide, ITO)로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함하는, 압전 에너지 발전 소자.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 무기물 압전물질은, 아연주석산화물(ZnSnO3), 티탄산바륨(BaTiO3) 및 비스무스철산화물(BiFeO3)로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함하는, 압전 에너지 발전 소자.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제2전극층은,
    금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 그래핀(Graphene) 및 카본나노튜브(Carbonnanotube)로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함하는, 압전 에너지 발전 소자.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1전극층은 플렉시블 기판 상에 형성된, 압전 에너지 발전 소자.
  10. 삭제
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