KR101671673B1 - 전기장을 이용해 수직 정렬된 압전 나노 입자를 이용한 플렉서블 압전소자 및 그의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 외력에 의한 변형을 높이기 위하여 압전 나노입자를 매트릭스 용액 내에서 전기장을 이용하여 마이크로 막대 형태로 수직 배열하여 경화시켜 제작되는 것을 특징으로 하는 플렉서블 복합 압전체로, 구형 또는 막대형의 압전 나노입자의 랜덤하게 분산한 것 보다 큰 종횡비로 외력에 의해 보다 큰 변형을 일으켜 높은 출력 전압과 전류를 제공한다. 본 발명으로 본 발명에서 제작된 플렉서블 복합 압전체는 압전 입자가 랜덤하게 분산되 플렉서블 복합 압전체의 출력 전압과 전류보다 더 높은 출력 전압과 전류를 보였다.
본 발명에 따라 제작된 플렉서블 복합 압전체는 다양한 형태 및 종류의 에너지 하베스팅용, 스마트 발전용 등으로 활용할 가치가 높으며, 수직 배열 공정 또한 다양한 압전 입자들을 이용한 복합 압전체 제조에 활용될 수 있다.

Description

전기장을 이용해 수직 정렬된 압전 나노 입자를 이용한 플렉서블 압전소자 및 그의 제조 방법 {Method of Flexible Piezoelectric composite film with Vertically aligned BaTiO3 Nanoparticles using Electric filed}

본 발명은, 압전 세라믹 티탄산바륨 나노입자가 고분자 기지 안에서 수직으로 정렬된 플렉서블 압전소자의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고분자 기지 내에 분산되어 있는 티탄산바륨 나노입자를 전기장에 의해 수직 정렬하여, 압전성이 향상된 플렉서블 티탄산바륨 고분자 복합체, 그를 이용한 압전소자 및 그의 제조방법에 관한 것이다.

외부 에너지원(예를 들면 열에너지, 동물 움직임 또는 바람과 파도 등의 자연으로부터 발생하는 진동, 기계적 에너지)을 전기 에너지로 변환시키는 에너지 하베스트(energy harvest) 기술은 최근 친환경 기술로서 널리 연구되고 있다. 특히, 나노제너레이터(nanogenerator)를 제조하는 기술에 대하여 많은 연구그룹들이 연구하고 있는데, 그 이유는 이러한 나노제너레이터를 이식가능한 작은 인체소자로 집약하여, 인체 내에서의 생체역학적 에너지를 재활용할 수 있는 장점이 있기 때문이다.

외부 진동의 기계적 에너지로부터 에너지를 생산하는 기술 중 하나는 강유전체 물질의 압전성질을 활용하는 것이다. 압전물질을 이용한 에너지 생산 기술은 많은 연구 그룹들에 의하여 연구되고 있는데, Wang 등은 압전특성을 나타내는 ZnO 나노와이어들을 다양한 형태로 배열하여 고효율의 나노제너레이터를 개발하여, 상기 기술을 이용하여 동물의 호흡 및 심박의 미세한 생체역학에너지를 전기에너지로 전환하는 시스템을 구축하였다. A. Sodano 등은 BaTiO₃ 나노와이어들을 수직으로 성장시키는 방법을 개발하여 고효율의 나노제너레이터 또는 센서 시스템을 구축하였다.

하지만, 종래의 압전체는 종횡비를 높이기 위해 압전 입자의 형태를 와이어 타입, 튜브 타입, 로드 타입으로 합성하였으나, 이는 높은 비용과 낮은 수득률로 인해 경제성이 떨어진다.

대한민국 등록특허 10-0502825호에서도 압전세라믹을 결정축이 정렬되게 하여 제작하는 방법이 개시되어 있으나, 세라믹 소재들을 용융 및 평판급냉법(flat quenching)을 실시하고 있어 복잡한 제작기술 및 고비용 구조를 벗어나지 못하며, 전기장을 인가하여 결정축을 정렬시킨다 하더라도 대면적화하기 어렵고 압전효율도 그다지 크게 향상시키기 어렵다.

본 발명이 해결하려는 과제는 고효율의 특성을 나타내고, 간단한 공정과 대면적 제작이 가능한 플렉서블 압전 소자 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 가용성 매트릭스에 압전 나노입자들을 수직으로 배열하여, 상기 압전 나노입자들이 마이크로 로드 형태로 배열된 압전 플렉서블 복합체를 제공한다.

상기의 압전 나노입자가 가용성 매트릭스가 경화되기 전, 용액 상태의 가용성 매트릭스에 상기 압전 나노입자를 혼입한 후, 전기장을 걸어 준다.

상기 압전 나노입자는 BaTiO₃ 나노입자이며, 상기 매트릭스는 폴리디메틸실록산(PDMS)이다.

상기에서 전극층은 플렉서블 기판; 및 상기 플렉서블 기판 상에 적층된 금속층 또는 전도성 산화물 전극층을 포함한다.

본 발명은 용액상태의 나노복합체 소재를 이용하여 압전층을 제조하는 단계; 및 상기 압전층의 상하 또는 양 옆면에 각각 전극층을 적층시기는 단계; 용액 상태의 나노복합체 소재가 경화되기 전, 압전 나노입자를 정렬시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 복합 압전체 제조 방법을 제공한다.

상기 방법은 매트릭스 용액에 상기 압전 나노입자를 혼입시킨 후, 아래와 위의 전극층 사이에 혼입액을 가두어두는 공간층을 두어, 아래와 위의 전극층 사이에 혼입액을 채운다.

상기 전극층은 플렉서블 기판 및 상기 플렉서블 기판 상에 형성된 금속층 또는 전도성 산화물 전극층으로 이루어지며, 상기 전극층은 상기 압전층과 접촉한다.

압전층과 접촉된 상하의 전극층에 전압을 인가하여 매트릭스 용액에 혼입된 나노 압전 입자를 전극층과 수직으로 정렬시킨다.

즉, 본 발명은,

액상의 매트릭스에 압전 나노입자를 혼입하여 매트릭스 용액을 제조하는 단계;

전극층이 형성된 제1 기판 위의 공간층에 전극층과 접촉되게 상기 매트릭스 용액을 붓고 전극층이 형성된 제2 기판을 배치하되, 전극층이 매트릭스 용액과 접하도록 배치하는 단계;

상기 제1 기판의 전극층과 제2 기판의 전극층에 전원을 연결하여 전압을 인가하여 전기장을 형성함으로써 압전 입자를 수직 정렬하는 단계; 및

매트릭스 용액을 경화하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 압전 소자의 제조방법을 제공한다.

상기에 있어서, 액상 매트릭스는 폴리디메틸실록산(PDMS)을 포함하고, 압전 나노입자는 BaTiO₃(BTO) 나노입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 압전 소자의 제조방법을 제공한다.

상기에 있어서, 상기 공간층은 절연체로 된 울타리를 포함하여, 매트릭스 용액이 경화되어 이루어지는 압전층의 두께를 조절하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 압전 소자의 제조방법을 제공한다.

상기의 방법으로 제작되어 압전 나노입자가 수직 정렬되어 있고, 종횡비가 5이상으로 향상된 것을 특징으로 하는 압전소자를 제공한다.

본 발명에 따른 플렉서블 복합 압전체 제조 방법 및 이에 따란 제조된 플렉서블 복합 압전체는 매트릭스 내에 압전 나노입자들이 수직으로 배열된 것으로, 종래의 플렉서블 복합 압전체에 비하여 압전효과가 우수하다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플렉서블 나노복합 압전체를 제조하는 방법을 설명하는 공정 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 사용된 BaTiO₃ 나노입자의 XRD 그래프와 TEM 이미지이다.
도 3은 본 발명에 따라 제조된 후, 압전특성을 나타내는 나노복합물질의 투명성과 플렉서블을 보여주는 사진이다.
도 4는 본 발명에 따라 제조된 후, 압전 나노입자가 랜덤하게 분산된 나노복합물질과 압전 나노입자가 수직으로 정렬된 나노복합물질의 투명성을 보여주는 이미지와 투과도 그래프이다.
도 5는 본 발명에 따른 제조된 후, 압전 나노입자가 랜덤하게 분산된 나노복합물질과 압전 나노입자가 수직으로 정렬된 나노복합물질의 단면 이미지이다.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 압전특성을 나타내는 나노복합물질에 대한 SEM 단면 이미지와 성분분석 이미지이다.
도 7 반복적인 굽힘과 펴짐에 따라 압전 나노입자가 랜덤하게 분산된 나노복합물질과 압전 나노입자가 수직으로 정렬된 나노복합물에서 측정되는 출력 전압 신호를 나타내는 그래프이다.
도 8 반복적인 굽힘과 펴짐에 따라 압전 나노입자가 랜덤하게 분산된 나노복합물질과 압전 나노입자가 수직으로 정렬된 나노복합물에서 측정되는 출력 전류 신호를 나타내는 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 상술한 종래 기술의 문제를 해결하기 위하여, 본 발명은 압전 특성을 갖는 압전 입자가 수직으로 배열된 압전층을 제조함으로써, 압전 입자가 랜덤하게 분산된 플렉서블 복합 압전체보다 높은 출력 전압과 전류를 생산할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플렉서블 나노복합 압전체를 제조하는 방법을 설명하는 공정 모식도이다.

도 1을 참조하면, 먼저 압전층의 기재를 이루는 액상의 매트릭스에 압전 나노입자를 혼입한다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 매트릭스는 경화되기 전 액상을 이루는 폴리디메틸실록산(PDMS) 이었으며, 압전 나노입자는 BaTiO₃ (BTO) 나노입자이었다. 하지만, 본 발명의 범위는 상기 물질의 종류에 제한되지 않으며, 압전특성의 물질로 이루어진 임의의 모든 나노입자와 경화될 수 있으며, 경화 후 플렉서블 특성을 갖는 임의의 모든 물질이 본 발명에서 사용될 수 있다. 이후 압전 나노입자가 혼입된 매트릭스 용액을 경화시킨다. 이때, 본 발명은 기판상에 고무와 같은 절연체 재질의 울타리를 둘러 공간층을 형성하고 상기 매트릭스 용액을 공간층 내에 붓는다. 상기 공간층은 절연물질로 매트릭스 용액을 가두어두는 역할과 용액층의 두께를 조절하는 역할을 한다. 이후, 상기 압전층의 상하부면에 전극층을 형성하는데, 본 발명의 일 실시예에서는 상기 전극층은 플렉서블 기판과 상기 기판상에 적층 된 전도층(금속층 또는 전도성 산화물층)을 포함하며, 여기에서 상기 금속층이 압전층과 접촉하도록 배치되어, 기판의 휨에 따라 발생하는 전류를 외부로 보내는 통로로 기능한다.

상하부면의 전극층과 공간층 사이의 용액층이 경화되기 전에 상하부의 전극층에 전압을 인가하여 전기장을 형성하여 주면, 용액층에 혼입된 압전 입자들이 전극층에 수직으로 배열된다. 본 발명은 특히 이러한 기술구성을 통하여 다양한 두께와 면적의 압전소자를 제조할 수 있다.

본 실시예에서 압전층의 두께는 50 μm 내지 500 μm였으며, 이에 인가된 전위차는 300 V 내지 1200 V였다. 또한, 액상 매트릭스의 경화시간은 70℃ 이상에서 2시간 내지 6시간이 걸린다.

또한, 상기에서 플렉서블 기판에 전극층을 형성하는 것이 바람직하나 본 발명의 방법은 유연성이 없는 기판에도 적용될 수 있다. 금속 포일과 같이 유연성이 있는 전도체 자체로 전극층을 형성할 수도 있고, 유연성이 없는 금속기판으로 전극층을 형성할 수도 있다.

상기와 같은 방법으로 제조된 압전소자는 5 내지 15의 높은 종횡비를 나타낼 수 있다. 본실시예에서 제작된 압전소자의 종횡비는 약 10 였다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 사용된 BTO 나노입자의 XRD 그래프와 TEM 이미지이다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 압전 나노입자는 50~80nm의 크기를 가지며, 구형의 형태를 나타내며, 사용된 BTO 나노입자로부터 얻어진 XRD 데이터로, 이것은 본 발명에 따른 BTO 나노입자가 압전특성을 나타내는 상을 갖는다는 것을 나타낸다.

도 3은 본 발명에 따른 제조된 후, 압전특성을 나타내는 나노복합물질을 양손을 이용하여 양쪽에서 당기고 있는 사진이다. 이는 나노복합물질을 유연할 뿐만 아니라 연신 가능한 물질임을 나타내고 있다.

도 3에서 삽입된 이미지는 손가락에 의하여 휘어지는 본 발명의 나노복합 제너레이터를 나타낸다. 여기에서 압전층은 플라스틱 기판 및 상기 플라스틱 기판상에 형성된 ITO와 같은 투명 산화물 전극층 사이에 내삽 되어, 나노제너레이터로서도 기능한다. 구리 선이 은(Ag) 페이스트에 의하여 전극에 고정되며, 이로써 본 발명에 따른 나노제너레이터로부터 발생하는 전류 특성을 비교, 분석할 수 있다.

도 4는 본 발명에 따라 제조된 압전 나노입자가 수직으로 정렬된 압전체가 종래 기술에 따라 제조된 압전 나노입자가 랜덤하게 분산된 압전체보다 높은 투명성을 나타내는 것을 보인다.

도 5는 압전 나노입자가 랜덤하게 분산된 나노복합 물질의 단면이미지와 본 발명에 따라 제작되어 압전 나노입자가 수직으로 정렬된 나노복합물질의 단면 이미지를 대비한 것이다.

도 5를 참조하면, 본 발명에서 제작된 압전체 내부에 혼입된 압전 입자들이 마이크로 막대형태로 수직으로 배열되었으며, 압전 마이크로 막대 주의가 투명한 것을 확인할 수 있다.

도 6는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 압전특성을 나타내는 나노복합물질 대한 SEM 단면 이미지와 성분분석 이미지이다.

도 6을 참조하면, 상하부면과 수직으로 압전 나노입자들이 배열되어 있으며, EDX 결과를 통해 랜덤하게 분포된 탄소, 산소 원소와 달리 압전 입자를 구성하고 있는 Ba, Ti는 SEM 이미지에서 보이는 압전 나노입자의 배열과 동일한 형태로 분포하고 있다. 반면, 매트릭스로 사용된 PDMS의 주성분인 Si 원소는 압전 나노입자의 배열 형태를 제외한 부분에 랜덤하게 분포되어 있음을 나타내었다.

도 7은 반복적인 굽힘과 펴짐에 따라 압전 나노입자가 랜덤하게 분산된 나노복합물질과 압전 나노입자가 수직으로 정렬된 나노복합물에서 측정되는 출력 전압 신호를 나타내는 그래프이다.

도 8은 반복적인 굽힘과 펴짐에 따라 압전 나노입자가 랜덤하게 분산된 나노복합물질과 압전 나노입자가 수직으로 정렬된 나노복합물에서 측정되는 출력 전류 신호를 나타내는 그래프이다.

도 7과 도 8을 참조하면, 압전 나노입자가 랜덤하게 분산된 압전소자에 비하여 압전 나노입자가 수직으로 정렬된 압전체에서 전력 생산 효과가 훨씬 더 뛰어났다. 특히, 동일한 압전 입자를 사용하여 제조하였으나, 복합물질 내의 압전 입자의 분포형태의 제어를 통해 뛰어난 전력 생산 효과를 냈다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 다양한 면적과 다양 두께의 압전체로 경제적인 방식으로 제조할 수 있으며, 다양한 압전 입자에도 활용될 수 있다. 즉, 본 발명의 상기 압전소자는 다양한 형태 및 종류의 에너지 하베스팅, 스마트 발전 등의 자가발전기 중 어느 하나로 제작될 수 있다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들을 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 한다.

Claims (4)

1. 액상의 매트릭스에 압전 나노입자를 혼입하여 매트릭스 용액을 제조하는 단계;
   전극층이 형성된 제1 기판 위의 공간층에 전극층과 접촉되게 상기 매트릭스 용액을 붓고 전극층이 형성된 제2 기판을 배치하되, 전극층이 매트릭스 용액과 접하도록 배치하는 단계;
   상기 제1 기판의 전극층과 제2 기판의 전극층에 전원을 연결하여 전압을 인가하여 전기장을 형성함으로써 압전 입자를 수직 정렬하는 단계; 및
   매트릭스 용액을 경화하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 압전 소자의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 액상 매트릭스는 폴리디메틸실록산(PDMS)을 포함하고, 압전 나노입자는 BaTiO₃(BTO) 나노입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 압전 소자의 제조방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 공간층은 절연체로 된 울타리를 포함하여, 매트릭스 용액이 경화되어 이루어지는 압전층의 두께를 조절하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 압전 소자의 제조방법.
4. 제1항의 방법으로 제작되어 압전 나노입자가 수직 정렬되어 있고, 종횡비가 5이상으로 향상된 것을 특징으로 하는 압전소자.
   
   
   
   
   

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