KR101723741B1 - 다공성 막의 제조 방법, 및 이를 포함하는 제너레이터 및 압력 센싱 소자 - Google Patents
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Abstract
기판을 준비하는 단계, 활성 물질(active material)을 용매에 첨가하여, 혼합 용액을 제조하는 단계, 및 상기 기판 상에 상기 혼합 용액을 분무(spray)하여 활성층(active layer)을 제조하는 단계를 포함하되, 상기 기판 상에 제공되는 상기 혼합 용액의 점도 또는 유량에 따라 상기 활성층의 구조가 결정되는 것을 포함하는 다공성 막의 제조 방법이 제공될 수 있다.
Description
본 발명은 다공성 막의 제조 방법, 및 이를 포함하는 제너레이터 및 압력 센싱 소자에 관련된 것으로, 보다 상세하게는, 기판 상에 제공되는 혼합 용액의 점도 또는 유량에 따라 구조가 결정되는 활성층을 포함하는 다공성 막의 제조 방법, 및 이를 포함하는 제너레이터 및 압력 센싱 소자에 관련된 것이다.
최근 차세대 신 재생 에너지 기술로서, 열, 진동, 압력, 태양광, 바람, 위치 에너지, 전자기파와 같은 주위 환경의 기계적인 에너지로부터 전기적 에너지를 획득하여 센서, 모바일 기기 등에 무선으로 전력을 공급하는 기술이 많은 관심을 받고 있다. 뿐만 아니라, 기존의 딱딱한 센서가 아닌 로봇이나 사람에 착용시키기 위한 웨어러블(wearable) 센서에 대한 연구가 진행되고 있다.
특히, 최근 전자기기의 발전으로 기기의 부피와 무게가 줄어들게 되어, 모바일 기기나 센서의 사이즈가 초소형화되면서, 더 작고 가벼운 전자기기의 제작을 위해 마이크로/나노 디바이스에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
예를 들어, 대한민국 특허 공개 공보 KR20120036579A (출원인: 재단법인 한국화학기술원, 출원번호 KR20100098331A)에는, 희생 기판 상에 압전물질층을 포함하는 압전소자층을 적층하고, 상기 압전소자층을 고온에서 열처리하여 결정화 시킨 후, 상기 희생 기판을 제거하여 상기 기판으로부터 단위 압전소자들을 분리하고, 상기 분리된 단위 압전소자를 플렉서블 기판에 전사하여 플랙서블 나노제너레이터를 제조하는 방법을 개시함으로써, 기판의 구부러짐에 따라 전력이 생산되고, 인체의 움직임 등에 따라 지속적인 전력 생산이 가능한 플랙서블 나노 제너레이트의 제조 기술이 개시되어 있다.
주변에서 흔히 발생하지만 버려지고 있는 에너지원을 신 재생 에너지로 변환하는 에너지 하베스팅(energy harvesting) 관련 소자의 상용화를 위해, 소자의 에너지 변환 효율을 증가시키고, 소자의 제작에 요구되는 공정을 간소화하여, 공정 시간 및 공정 비용을 감소시킬 수 있는 제너레이터 및 센서에 적용 가능한 재료 및 제조 방법에 대한 연구가 필요한 실정이다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는, 유연성 및 신축성이 향상된 다공성 막의 제조 방법, 및 이를 포함하는 제너레이터 및 압력 센싱 소자를 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 공정 시간 및 공정 비용이 감소된 다공성 막의 제조 방법, 및 이를 포함하는 제너레이터 및 압력 센싱 소자를 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 출력 전력양이 증가된 다공성 막의 제조 방법, 및 이를 포함하는 제너레이터를 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 압력 센싱의 민감도가 향상된 다공성 막의 제조 방법, 및 이를 포함하는 압력 센싱 소자를 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술된 것에 제한되지 않는다.
상술된 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 다공성 막의 제조 방법을 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 다공성 막의 제조 방법은, 기판을 준비하는 단계, 활성 물질(active material)을 용매에 첨가하여, 혼합 용액을 제조하는 단계, 및 상기 기판 상에 상기 혼합 용액을 분무(spray)하여 활성층(active layer)을 제조하는 단계를 포함하되, 상기 기판 상에 제공되는 상기 혼합 용액의 점도 또는 유량에 따라 상기 활성층의 구조가 결정되는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 활성층은, 상기 활성 물질로 형성된 복수의 입자(particle) 및 복수의 와이어(wire)를 포함하되, 상기 기판 상에 제공되는 상기 혼합 용액의 점도에 따라서, 상기 활성층 내의 복수의 입자 및 복수의 와이어의 비율이 조절되는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 기판 상에 제공되는 상기 혼합 용액의 점도가 증가할수록, 상기 활성층 내의 상기 입자의 비율보다 상기 와이어의 비율이 증가하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 기판 상에 제공되는 상기 혼합 용액의 기준 점도 및 기준 유량 조건에서, 상기 활성층은, 상기 활성 물질로 형성된 복수의 제1 부분, 및 복수의 제1 부분을 구획하는 제2 부분을 갖는 다각형의 니트 구조(polygonal knit structure)를 형성하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 다각형 니트 구조의 상기 제1 부분의 밀도는, 상기 제2 부분의 밀도보다 작고, 상기 다각형 니트 구조의 상기 제1 부분이 갖는 공극률(porosity)는, 상기 제2 부분이 갖는 공극률보다 큰 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 다각형 니트 구조의 상기 제1 부분의 높이는, 상기 제2 부분의 높이보다 낮은 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 혼합 용액을 제조하는 단계는, 상기 용매에 첨가되는 상기 활성 물질의 중량을 조절하여, 상기 혼합 용액의 점도를 조절하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 기판 상에 상기 혼합 용액을 분무하는 단계는, 압력, 또는 상기 기판과 상기 혼합 용액이 토출되는 노즐(nozzle) 사이의 전위 차이를 이용하여, 상기 혼합 용액을 상기 기판으로 분무하는 것을 포함할 수 있다.
상술된 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 제너레이터를 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제너레이터는, 제1 전극(first electrode), 제2 전극(second electrode), 및 상기 제1 전극 상의 제1 활성층(first active layer)을 포함하되, 상기 제1 활성층은, 상기 활성 물질로 형성된 복수의 입자(particles) 및 복수의 와이어(wires)를 포함하고, 상기 제1 활성층은, 복수의 제1 부분, 및 복수의 제1 부분을 구획하는 제2 부분을 갖는 다각형의 니트 구조(polygonal knit structure)를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제너레이터는, 상기 제2 전극 상에 제2 활성층을 더 포함하되,상기 제2 활성층은, 활성 물질로 형성된 복수의 입자(particles) 및 복수의 와이어(wires)를 포함하고, 상기 제2 활성층은, 복수의 제1 부분, 및 복수의 제1 부분을 구획하는 제2 부분을 갖는 다각형의 니트 구조(polygonal knit structure)를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 활성층 및 상기 제2 활성층은, 서로 다른 상기 활성 물질로 형성되는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 활성층의 일면과 상기 제2 전극의 일면이 접촉한 후, 분리하는 경우, 상기 제1 활성층의 일면과 상기 제2 전극의 일면 사이에 전위 차이가 발생하는 것을 포함할 수 있다.
상술된 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 압력 센싱 소자를 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 압력 센싱 소자는, 제1 전극(first electrode), 제1 전극 상의 활성층(active layer), 및 상기 활성층 상의 제2 전극(second electrode)을 포함하되, 상기 활성층은, 활성 물질(active material)로 형성되고, 공기보다 높은 유전율을 갖는 복수의 와이어를 포함하고, 상기 복수의 와이어들 사이에 공극들이 정의되고, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이의 커패시턴스(capacitance)의 변화량을 측정하여, 외부에서 인가되는 압력을 센싱하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 외부로부터 상기 압력 센싱 소자에 압력이 인가되는 경우, 상기 활성층 내의 공극의 크기가 감소되어, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이의 커패시턴스(capacitance)가 변화하는 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 활성 물질을 포함하는 혼합 용액을 압력, 또는 기판과 노즐 사이에 발생하는 전위 차와 같은 간단한 원리에 의한 분무 공정을 통해 기판 상에 제공하여, 다공성의 활성층을 제조하므로, 공정 시간 및 공정 비용을 감소시킬 수 있다. 또한, 상기 기판 상에 제공되는 혼합 용액의 점도 또는 유량을 조절함으로써, 상기 활설층의 구조(복수의 입자, 복수의 와이어, 및/또는 다각형의 니트 구조)를 조절할 수 있기 때문에, 제너레이터 및 압력 센싱 소자와 같은 에너지 하베스팅 소자에 적합한 구조의 다공성 막을 손쉬운 방법으로 제조할 수 있다. 상기 다각형 니트 구조를 갖는 다공성의 활성층을 이용하여 제너레이트를 제작하고, 외부에서 인가되는 압력을 더 민감하게 센싱할 수 있는 구조(상기 입자의 비율이 높은 구조, 또는 상기 와이어의 비율이 높은 구조)를 갖는 활성층을 이용하여 압력 센싱 소자를 제작하는 경우, 에너지 하베스팅 효율이 향상된 제터레이터 및 압력 센싱 소자가 제공될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 다공성 막의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따라 기판과 노즐 사이의 전위 차에 따른 다공성 막의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따라 노즐에 가해지는 압력에 따른 다공성 막의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 입자의 비율이 와이어의 비율보다 높은 활성층의 A를 확대한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 와이어의 비율이 입자의 비율보다 높은 활성층의 A를 확대한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 다각형의 니트 구조를 갖는 활성층의 A를 확대한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 다각형의 니트 구조를 갖는 활성층의 A를 확대한 것으로, 다각형의 니트 구조를 갖는 활성층의 단면도이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 다공성 막을 포함하는 제너레이터(generator)를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 대한 변형 예에 따른 다공성 막을 포함하는 제너레이터를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 다공성 막을 포함하는 압력 센싱 소자(pressure sensing device)를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 다공성 막을 포함하는 압력 센싱 소자의 구동 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 제1 실시 예에 따라 제조된 다공성 막의 SEM 이미지이다.
도 13은 제2 실시 예에 따라 제조된 다공성 막의 SEM 이미지이다.
도 14는 제3 실시 예에 따라 제조된 다공성 막의 SEM 이미지이다.
도 15는 제4 실시 예에 따라 제조된 다공성 막의 SEM 이미지이다.
도 16은 본 발명의 제3 실시 예에 따라 제조된 다공성 막의 다각형 니트 구조의 상세 이미지들이다.
도 17은 본 발명의 실시 예들에 따라 제조된 다공성 막을 포함하는 제너레이터의 저항(resistance)에 따른 전력 밀도(power density) 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따라 기판과 노즐 사이의 전위 차에 따른 다공성 막의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따라 노즐에 가해지는 압력에 따른 다공성 막의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 입자의 비율이 와이어의 비율보다 높은 활성층의 A를 확대한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 와이어의 비율이 입자의 비율보다 높은 활성층의 A를 확대한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 다각형의 니트 구조를 갖는 활성층의 A를 확대한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 다각형의 니트 구조를 갖는 활성층의 A를 확대한 것으로, 다각형의 니트 구조를 갖는 활성층의 단면도이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 다공성 막을 포함하는 제너레이터(generator)를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 대한 변형 예에 따른 다공성 막을 포함하는 제너레이터를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 다공성 막을 포함하는 압력 센싱 소자(pressure sensing device)를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 다공성 막을 포함하는 압력 센싱 소자의 구동 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 제1 실시 예에 따라 제조된 다공성 막의 SEM 이미지이다.
도 13은 제2 실시 예에 따라 제조된 다공성 막의 SEM 이미지이다.
도 14는 제3 실시 예에 따라 제조된 다공성 막의 SEM 이미지이다.
도 15는 제4 실시 예에 따라 제조된 다공성 막의 SEM 이미지이다.
도 16은 본 발명의 제3 실시 예에 따라 제조된 다공성 막의 다각형 니트 구조의 상세 이미지들이다.
도 17은 본 발명의 실시 예들에 따라 제조된 다공성 막을 포함하는 제너레이터의 저항(resistance)에 따른 전력 밀도(power density) 그래프이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.
명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다.
또한, 본 명세서 상에 기재된 “공극률”은 “동일한 부피 안에 포함된 공동(void)의 부피”의 의미로 사용되었다.
또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 다공성 막의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이고, 도 2 및 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 다공성 막의 제조 방법을 설명하기 위한 도면들이고, 도 4 내지 도 6은 본 발명의 실시 예들에 따라 제조된 활성층의 A를 확대한 평면도들이고, 도 7은 본 발명의 실시 예들에 따라 제조된 활성층의 A를 확대한 단면도이다.
도 1 내지 도 7을 참조하면, 기판(100)이 준비된다(S100). 일 실시 예에 따르면, 상기 기판(100)은, 도전성 기판일 수 있다. 이 경우, 상기 기판(100)은 전극으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 기판(100)은, 구리(Cu), 알루미늄(Al), 철(Fe) 중 어느 하나로 형성될 수 있다. 또는, 다른 실시 예에 따르면, 상기 기판(100)은, 플라스틱 기판, 실리콘 반도체 기판, 화합물 반도체 기판, 또는 유리 기판 중 어느 하나일 수 있다. 상기 기판(100)은 플렉시블(flexible)할 수 있다.
활성 물질(active material)이 용매에 첨가되어, 혼합 용액(200)이 제조될 수 있다(S200). 상기 용매에 첨가되는 상기 활성 물질의 중량이 조절되어, 상기 혼합 용액(110)의 점도가 조절될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 혼합 용액(110) 내에 상기 활성 물질의 중량이 증가될수록, 상기 혼합 용액(110)의 점도가 증가될 수 있다.
상기 활성 물질 및 상기 용매는, 그 종류를 특별히 한정하지 않는다. 예를 들어, 상기 활성 물질은, 수지(resin), 섬유(fiber) 등의 유기 물질(organic material), 또는 유리(glass), 세라믹(ceramic) 등의 무기 물질(inorganic material)일 수 있다. 또한, 예를 들어, 상기 용매는, 물과 같은 무기 용매 또는 알코올, 아세톤, 에테르 등의 유기 용매일 수 있다.
상기 기판(100) 상에 상기 혼합 용액(110)이 분무(spray)되어, 활성층(active layer, 120)이 제조될 수 있다(S300). 상기 혼합 용액(110)은, 노즐(220)에서 분무되어, 상기 기판(100) 상에 제공될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 기판(100)과 상기 혼합 용액(110)이 토출되는 상기 노즐(220) 사이의 전위 차이에 의해, 상기 혼합 용액(110)이 상기 기판(100) 상으로 분무될 수 있다. 보다 구체적으로, 스테이지(210) 상에 상기 기판(100)이 배치되고, 상기 혼합 용액(110)이 토출되는 상기 노즐(220)은, 상기 기판(100) 또는 상기 스테이지(210)와 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 혼합 용액(110)이 토출되는 상기 노즐(220)이 상기 스테이지(210) 상의 상기 기판(100)과 전기적으로 연결되는 경우, 전원(230)은, 상기 기판(100)과 연결될 수 있다. 상기 전원(230)을 통해 전압이 인가되면, 상기 기판(100) 및 상기 노즐(220) 사이에 전위 차이가 생성되고. 상기 노즐(220)로부터 상기 기판(100) 상으로 상기 혼합 용액(110)이 분무될 수 있다. 상기 기판(100)과 상기 노즐(220) 사이에 생성되는 전위 차이를 조절하여, 상기 노즐(220)로부터 상기 기판(100) 상으로 분무되는 상기 혼합 용액(110)의 유량이 조절될 수 있다. 상기 기판(100)은, 도 1 내지 도 7을 참조하여 설명된 것과 같이, 도전성 기판일 수 있다. 이 경우, 상기 기판(100)은 전극으로 사용될 수 있다. 상기 스테이지(210)는, 그 종류를 특별히 한정하지 않는다. 예를 들어, 상기 스테이지(210)는, 종이(paper), 알루미늄(aluminum), 카본 섬유(carbon fiber), PET(Polyethylene terephthalate), PI(Polyimide) 중 어느 하나일 수 있다.
상기 혼합 용액(110)이 토출되는 상기 노즐(220)이 상기 스테이지(210)와 전기적으로 연결되는 경우, 상기 전원(230)은 상기 스테이지(210)와 연결될 수 있다. 상기 전원(230)을 통해 전압이 인가되면, 상기 스테이지(210) 및 상기 노즐(220) 사이에 전위 차이가 생성되고, 상기 노즐(220)로부터 상기 스테이지(210) 상의 상기 기판(100) 상에 상기 혼합 용액(100)이 분무될 수 있다. 상기 노즐(220)과 상기 스테이지(210) 사이에 생성되는 전위 차이를 조절하여, 상기 노즐(220)로부터 상기 스테이지(210) 상의 상기 기판(100) 상으로 분무되는 상기 혼합 용액(110)의 유량이 조절될 수 있다. 이 경우, 상기 스테이지(210)는 도전성 물질로 코팅된 절연성 물질일 수 있고, 상기 기판(100)은 상기 도전성 물질 또는 상기 절연성 물질로 형성될 수 있다.
다른 실시 예에 따르면, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 기판(100)과 상기 혼합 용액(110)이 토출되는 상기 노즐(220)에 가해진 압력에 의해, 상기 혼합 용액(110)이 상기 기판(100) 상으로 분무될 수 있다. 도 2를 참조하여 설명된 것과 같이, 상기 스테이지(210) 상에 상기 기판(100)이 배치되고, 상기 혼합 용액(110)이 토출되는 상기 노즐(220)에 높은 압력이 가해질 수 있다.
상기 노즐(220)에 압력이 가해지면, 상기 노즐(220)에 가해지는 압력과 상기 노즐(220)로부터 상기 혼합 용액(110)이 분무되는 상기 노즐(220) 토출부의 압력 차이에 의해, 상기 혼합 용액(110)이 상기 스테이지(210) 상에 배치된 상기 기판(100) 상으로 분무될 수 있다. 상기 노즐(220)에 가해지는 압력을 조절하여, 상기 노즐(220)로부터 상기 기판(100) 상으로 분무되는 상기 혼합 용액(110)의 유량이 조절될 수 있다. 이 경우, 상기 기판(100) 및 상기 스테이지(210)는, 그 종류를 특별히 한정하지 않는다.
상기 혼합 용액(110)이 상기 기판(100) 상에 분무되어 제조된 상기 활성층(120)은, 도 4 내지 도 6에 도시된 것과 같이, 상기 활성 물질로 형성된 복수의 입자(particle, 122) 및 복수의 와이어(wire, 124)를 포함할 수 있다. 또한, 복수의 상기 입자(122) 및 복수의 상기 와이어(124) 사이에 공극(pore, 126)이 형성되어, 다공성의 상기 활성층(120)이 제조될 수 있다.
상기 활성층(120)의 구조는, 상기 기판(100) 상에 제공되는 상기 혼합 용액(110)의 점도 또는 유량에 따라 결정될 수 있다. 구체적으로, 상기 혼합 용액(110)의 점도 또는 유량에 따라서, 상기 활성층(120) 내의 복수의 상기 입자(122) 및 복수의 상기 와이어(124)의 비율이 조절될 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 혼합 용액(110)의 점도가 감소될수록, 복수의 상기 입자(122)의 비율이 복수의 상기 와이어(124)의 비율보다 증가될 수 있다. 이와 반대로, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 혼합 용액(110)의 점도가 증가될수록, 복수의 상기 와이어(124)의 비율이 복수의 상기 입자(122)의 비율보다 증가될 수 있다. 상술된 바와 같이, 상기 기판(100) 상에 제공되는 상기 혼합 용액(110)의 점도는, 상기 용매에 첨가되는 상기 활성 물질의 중량을 조절함으로써 조절될 수 있다.
상기 기판(100) 상에 제공되는 상기 혼합 용액(120)의 점도가 기준 점도이고, 및 상기 노즐(220)에서 토출되는 상기 혼합 용액(110)의 유량이 기준 유량 조건일 수 있다. 이 경우, 상기 활성층(120)은, 도 6에 도시된 바와 같이, 다각형의 니트 구조(polygonal knit structure, 128)를 가질 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 활성층(120)은, 복수의 제1 부분(128a) 및 제2 부분(128b)을 포함할 수 있다. 상기 제2 부분(128b)은 상기 제1 부분(128a)을 구획할 수 있다.
예를 들어, 상기 기준 점도는 8cP이고, 상기 기준 유량은 20mL/min이다. 상기 혼합 용액(110)의 점도는, 상술된 바와 같이, 상기 혼합 용액(110)을 제조하는 단계에서, 상기 용매에 첨가되는 상기 활성 물질의 중량을 조절함으로써 조절될 수 있다. 상기 혼합 용액(110)의 유량은, 상기 기판(100) 상에 상기 혼합 용액(110)을 제공하는 단계에서, 도 2 및 3을 참조하여 설명된 것과 같이, 상기 기판(100)과 상기 노즐(220) 사이에 생성되는 전위 차이를 조절하거나, 상기 노즐(220)에 가해지는 압력을 조절함으로써 조절될 수 있다.
상기 다각형 니트 구조(128)의 상기 제1 부분(128a)의 밀도는, 상기 제2 부분(128b)의 밀도보다 낮아서, 상기 제1 부분(128a)의 공극률(porosity)은, 상기 제2 부분(128b)의 공극률보다 높을 수 있다.
또한, 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 다각형 니트 구조(128)의 상기 제1 부분(128a)의 높이는, 상기 제2 부분(128b)의 높이보다 낮아, 입체적인 상기 다각형의 니트 구조(128)가 형성될 수 있다.
활성 물질을 포함하는 상기 혼합 용액(110)의 상기 기판(100) 상에 제공되는 유량, 또는 상기 혼합 용액(110)의 점도를 조절하는 간단한 방법으로, 상기 활성층(120) 내의 복수의 상기 입자(122)의 비율 및 복수의 상기 와이어(124)의 비율을 용이하게 조절할 수 있다. 이에 따라, 상기 활성층(120)의 물리적, 화학적, 및 전기적 특성이 용이하게 조절될 수 있다. 이로 인해, 다양한 application에 적합한 특성을 갖는 상기 활성층(120)이 용이하게 제조될 수 있다.
상술된 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 활성층은 제너레이터에 사용될 수 있다. 이하, 본 발명의 실시 예에 따른 활성층을 포함하는 제너레이터가 도 8 및 도 9를 참조하여 설명된다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 다공성 막을 포함하는 제너레이터(generator)를 설명하기 위한 도면이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 다공성 막을 포함하는 제너레이터(300)는, 제1 전극(first electrode, 310), 제2 전극(second electrode, 320), 및 제1 활성층(first active layer, 330)을 포함할 수 있다.
상기 제1 전극(310) 및 상기 제2 전극(320)은, 일반적으로 통용되는 전극 재료일 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 전극(310) 및 상기 제2 전극(320)은, 구리(Cu), 알루미늄(Al), 철(Fe) 중 어느 하나일 수 있다.
상기 제1 활성층(330)은, 상기 제1 전극(310) 상에 배치될 수 있다. 상기 제1 활성층(330)은, 도 1 내지 7을 참조하여 설명된 것과 같이, 상기 제1 전극(310) 상에, 상기 활성 물질을 포함하는 상기 혼합 용액(110)이 분무되어 제조될 수 있다.
또한, 상기 제1 활성층(330)은, 도 6을 참조하여 설명된 것과 같이, 복수의 제1 부분(128a), 및 복수의 상기 제1 부분(128a)을 구획하는 제2 부분(128b)을 갖는 다각형의 니트 구조(128)를 가질 수 있다.
외부에서 가해지는 힘에 의해, 상기 제1 활성층(330)의 일면(330a)과 상기 제2 전극(320)의 일면(320a)이 접촉한 후, 서로 분리될 수 있다. 이 경우, 상기 제1 활성층(330)의 상기 일면(330a)과 상기 제2 전극(320)의 상기 일면(320a) 사이, 또는 상기 제1 전극(310)과 상기 제2 전극(320) 사이에 전위 차이가 발생하여, 전기 에너지가 수득될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 제1 활성층(330)의 입체적인 상기 다각형의 니트 구조(128)로 인해, 상기 제1 활성층(330)은 높은 표면 거칠기 값 및 넓은 표면적을 가질 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 활성층(330)의 상기 일면(330a)과 상기 제2 전극(320)의 상기 일면(320a)이 접촉한 후, 서로 분리하는 경우, 상기 제1 전극(310) 및 상기 제2 전극(320) 사이의 전위 차이가 증가될 수 있다. 상기 제1 전극(310) 및 상기 제2 전극(320) 사이의 전위 차이는, 상기 제1 활성층(330)을 형성하는 상기 활성 물질의 종류 및/또는 상기 제2 전극(320)을 형성하는 물질에 따라 조절될 수 있다.
상술된 본 발명의 실시 예와 달리, 본 발명의 실시 예의 변형 예에 따르면, 상기 제2 전극(320) 상에 제2 활성층이 추가적으로 제공될 수 있다. 이하, 도 9를 참조하여, 본 발명의 실시 예의 변형 예에 따른 제너레이터가 설명된다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 대한 변형 예에 따른 다공성 막을 포함하는 제너레이터를 설명하기 위한 도면이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 대한 변형 예에 따른 다공성 막을 포함하는 제너레이터(300a)는, 도 8을 참조하여 설명된 상기 제1 전극(310), 상기 제2 전극(320), 및 상기 제1 활성층(330) 외에, 제2 활성층(second active layer, 340)을 더 포함할 수 있다. 상기 제2 활성층(340)은, 상기 제2 전극(320) 상에 배치될 수 있다.
상기 제2 활성층(340)은, 도 1 내지 7을 참조하여 설명된 것과 같이, 상기 활성 물질로 형성된 복수의 상기 입자(122) 및 복수의 상기 와이어(124)를 포함할 수 있다. 상기 제2 활성층(340)은, 상기 제1 활성층(330)과 서로 다른 활성 물질로 형성될 수 있다. 상기 제2 활성층(340)은, 도 1 내지 도 7을 참조하여 설명된 것과 같이, 상기 제2 전극(320) 상에, 상기 활성 물질을 포함하는 혼합 용액(110)이 분무되어 제조될 수 있다.
또한, 상기 제2 활성층(340)은, 도 6을 참조하여 설명된 것과 같이, 복수의 제1 부분(128a), 및 복수의 상기 제1 부분(128a)을 구획하는 제2 부분(128b)을 갖는 다각형의 니트 구조(128)를 가질 수 있다.
외부에서 가해지는 힘에 의해, 상기 제1 활성층(330)의 일면(330a)과 상기 제2 활성층(340)의 일면(340a)이 접촉한 후, 서로 분리될 수 있다. 이 경우, 상기 제1 활성층(330)의 상기 일면(330a)과 상기 제2 활성층(340)의 상기 일면(340a) 사이, 또는 상기 제1 전극(310)과 상기 제2 전극(320) 사이에 전위 차이가 발생하여, 전기 에너지가 수득될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 도 8을 참조하여 설명된 것과 같이, 상기 제1 활성층(330) 및 상기 제2 활성층(340)의 입체적인 상기 다각형의 니트 구조(128)로 인해, 상기 제1 활성층(330) 및 상기 제2 활성층(340)은 높은 표면 거칠기 값 및 넓은 표면적을 가질 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 활성층(330)의 상기 일면(330a)과 상기 제2 활성층(340)의 상기 일면(340a)이 접촉한 후, 서로 분리하는 경우, 상기 제1 전극(310) 및 상기 제2 전극(320) 사이의 전위 차이가 증가될 수 있다. 상기 제1 전극(310) 및 상기 제2 전극(320) 사이의 전위 차이는, 상기 제1 활성층(330) 및 상기 제2 활성층(340)을 형성하는 상기 활성 물질의 종류에 따라 조절될 수 있다.
상술된 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 활성층은 압력 센싱 소자에 사용될 수 있다. 이하, 본 발명의 실시 예에 따른 활성층을 포함하는 압력 센싱 소자가 도 10 및 도 11을 참조하여 설명된다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 다공성 막을 포함하는 압력 센싱 소자(pressure sensing device)를 설명하기 위한 도면이고, 도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 다공성 막을 포함하는 압력 센싱 소자의 구동 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 10 및 도 11을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 다공성 막을 포함하는 상기 압력 센싱 소자(400)는, 제1 전극(410), 활성층(430), 제2 전극(420)을 포함할 수 있다. 상기 활성층(430)은, 상기 제1 전극(410) 및 상기 제2 전극(420) 사이에 배치될 수 있다.
상기 활성층(430)은, 도 1 내지 도 7을 참조하여 설명된 것과 같이, 상기 활성 물질을 포함하는 상기 혼합 용액(110)을 상기 제1 전극(410) 상에 분무하여 제조될 수 있다. 상기 활성층(430)은, 상기 활성 물질로 형성된 복수의 상기 입자(122) 및 복수의 상기 와이어(124)를 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 활성 물질은 공기보다 유전율이 클 수 있다. 또한, 복수의 상기 와이어(124) 사이, 복수의 상기 입자(122) 사이, 및 복수의 상기 와이어(124)와 복수의 상기 입자(122) 사이에 상기 공극(126)이 형성될 수 있다.
외부로부터 상기 제2 전극(420) 상에 압력이 가해지는 경우, 상기 압력에 따른 외부 자극은, 상기 활성층(430)에 도달되어, 도 11에 도시된 바와 같이, 상기 활성층(430)에 물리적인 변형이 발생될 수 있다. 상기 압력에 따른 외부 자극에 의해, 상기 활성층(420) 내의 상기 와이어(124)들이 수축되어, 상기 활성층(430)의 공극률이 감소하면서, 상기 활성층(430)의 내부에 포함되어 있던 공기(440)가 외부로 배출될 수 있다. 이와 같이, 상기 압력에 따른 외부 자극에 의해, 상기 활성층(430)의 공극률이 감소되면, 상기 제1 전극(410) 및 상기 제2 전극(420) 사이의 커페시턴스(capacitance)가 변화할 수 있다. 외부에서 압력이 인가되는 경우, 상기 활성층(430)의 공극률이 용이하고 민감하게 변화될 수 있고, 이에 따라, 상기 활성층(430)의 유전율이 변화될 수 있다. 이로 인해 변화되는 상기 제1 전극(410) 및 상기 제2 전극(420) 사이의 커패시턴스(capacitance)의 변화량을 측정하여, 외부에서 인가되는 압력을 용이하게 센싱할 수 있다.
상기 혼합 용액(110)에 포함된 상기 활성 물질의 종류에 따라, 외부에서 인가되는 압력을 더 민감하게 센싱할 수 있는 상기 활성층(430)의 구조가 다를 수 있다. 일 실시 예의 경우, 상기 활성층(430) 내에 포함된 복수의 상기 와이어(124)의 비율이 높은 경우, 외부에서 인가되는 압력을 더 민감하게 센싱할 수 있다. 또한, 다른 실시 예의 경우, 상기 활성층(430) 내에 포함된 복수의 상기 입자(122)의 비율이 높은 경우, 외부에서 인가되는 압력을 더 민감하게 센싱할 수 있다. 도 5를 참조하여 설명된 것과 같이, 복수의 상기 입자(122) 및 복수의 상기 와이어(124)의 비율은, 상기 혼합 용액(110)의 점도를 조절하여 조절될 수 있다.
상술된 본 발명의 실시 예들과 달리, 제너레이터 및 압력 센싱 소자에 적용 가능한 다공성 막을 제조하는 경우, 다공성 막의 표면 상에 특정 형상을 형성하기 위하여, 실리콘 마스터 또는 리소그래피(lithography) 등의 복잡한 공정이 수행되므로, 공정 비용 및 공정 시간이 증가하는 단점이 있다. 또한, 전기 방사 기술을 이용하여 제작된 섬유를 이용하여 다공성 막을 제조하여 제너레이터 및 압력 센싱 소자를 제작하는 경우, 다공성 막 내에 과도하게 형성된 기공으로 인해, 제너레이터 및 압력 센싱 소자의 효율이 감소되는 문제점이 있다.
하지만, 상술된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따르면, 압력, 또는 전위 차이에 의한 분무 공정으로 다공성의 활성층(120)을 용이하게 제조할 수 있다. 이에 따라, 제너레이터(300, 300a) 및 압력 센싱 소자(400)의 제조 공정 시간 및 공정 비용이 감소될 수 있다.
또한, 상기 활성층(120)이 형성되는 기판(100) 및/또는 전극에 대한 선택의 폭이 넓고, 상기 활성층(120)의 제조 시, 가열 공정이 생략될 수 있다. 이에 따라, 플렉서블 소자를 포함한 다양한 전자 소자로의 적용이 가능한 다공성 막의 제조가 가능하다.
또한, 상기 활성 물질을 포함하는 상기 혼합 용액(110)의 점도 또는 유량을 조절함으로써, 상기 활성층(120)의 구조(복수의 입자(122)의 비율, 복수의 와이어(124)의 비율, 및/또는 다각형의 니트 구조(128))가 용이하게 조절될 수 있다. 이에 따라, 상기 제너레이터(300, 300a) 및 상기 압렵 센싱 소자(400)의 효율을 향상시킬 수 있는 최적의 구조를 갖는 다공성의 상기 활성층(120)이 용이하게 제조될 수 있다.
구체적으로, 도 8 및 도 9를 참조하여 설명된 것과 같이, 상기 제1 전극(310) 및 상기 제2 전극(320) 상에 분무되는 상기 혼합 용액(110)의 유량 및 점도를 상기 기준 점도 및 기준 유량으로 조절하여, 상기 다각형의 니트 구조(128)를 갖는 상기 제1 활성층(330) 및 상기 제2 활성층(340)을 제조할 수 있다. 상기 다각형 니트 구조(128)를 갖는 상기 제1 활성층(330) 및 상기 제2 활성층(340)을 이용하여 제너레이터(300, 300a)를 제조하는 경우, 상기 다각형 니트 구조(128)로 인해 상기 제1 활성층(330) 및 상기 제2 활성층(340)의 표면 거칠기 값이 향상될 수 있다. 이에 따라, 우수한 전력 출력양을 갖는 상기 제너레이터(300, 300a)가 제공될 수 있다.
또한, 도 10 및 도 11을 참조하여 설명된 것과 같이, 상기 활성 물질의 종류에 따라, 상기 혼합 용액(110)의 점도를 조절하여, 외부에서 인가되는 압력을 더 민감하게 센싱할 수 있는 상기 활성층(430)의 구조(상기 입자(122)의 비율이 높은 구조, 또는 상기 와이어(124)의 비율이 높은 구조)를 제조할 수 있다. 상기 활성 물질의 종류에 따라, 외부에서 인가되는 압력을 더 민감하게 센싱할 수 있는 구조를 갖는 상기 활성층(430) 이용하여 상기 압력 센싱 소자(400)를 제작하는 경우, 외부에서 인가되는 압력에 의해 상기 활성층(430)의 공극률이 용이하고 민감하게 변화될 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 전극(410) 및 상기 제2 전극(420) 사이의 커페시턴스(capacitance)의 변화량을 측정하여, 고민감도를 갖는 상기 압력 센싱 소자(400)가 제공될 수 있다.
이하, 상술된 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 다공성 막, 및 이를 포함하는 제너레이터에 대한 특성 평가 결과가 설명된다.
실시 예에 따른 다공성 막의 제조
디메틸포름아미드(dimethylformamide, DMF) 및 아세톤(acetone)을 포함하는 혼합 용매에 활성 물질인 PVDF-TrFE(polyvinylidene fluoride-trifluoroethylene)를 첨가하여 혼합 용액을 제조하였다. 상기 혼합 용액을 노즐에 제공한 후, 상기 노즐과 기판을 전기적으로 연결하고, 전압을 인가하였다. 상기 기판과 상기 노즐 사이에 발생한 전위 차를 통해, 상기 혼합 용액을 상기 기판 상에 분무시켜 다공성의 활성층, 즉, 다공성 막을 제조하였다. 상기 기판 상에 분무되는 상기 혼합 용액의 점도 또는 유량을 달리하여, 구조(입자 구조, 와이어 구조, 다각형의 니트 구조)가 다른 다공성 막을 제조하였다. 상기 혼합 용액의 점도 및 유량 조건은 아래 [표 1]과 같다.
| 구분 | PVDF-TrFE 농도 (wt%) |
점도 (cP) |
유량 (mL/min) |
| 제1 실시 예 | 4 | ~15 | 20 |
| 제2 실시 예 | 10 | ~350 | 20 |
| 제3 실시 예 | 8 | ~100 | 20 |
| 제4 실시 예 | 8 | ~100 | 16~18 |
도 12 내지 도 15는 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 다공성 막의 SEM이미지들이다. 구체적으로, 도 12는 제1 실시 예(~15cP, 20mL/min)에 따라 제조된 다공성 막의 SEM 이미지이고, 도 13은 제2 실시 예(~350cP, 20mL/min)에 따라 제조된 다공성 막의 SEM 이미지이고, 도 14는 제3 실시 예(~100cP, 20mL/min)에 따라 제조된 다공성 막의 SEM 이미지이고, 도 15는 제4 실시 예(~100cP, 16~18mL/min)에 따라 제조된 다공성 막의 SEM 이미지이다.
SEM(scanning electron microscope)기기를 이용하여, 상술된 실시 예들에 따라 제조된 다공성막의 표면 이미지를 측정하였다.
도 12는 제1 실시 예(~15cP, 20mL/min)에 따라 제조된 다공성 막의 SEM 이미지이다.
도 12를 참조하면, 본 발명의 제1 실시 예에 따라 점도 ~15cP, 유량 20mL/min 조건으로 다공성 막을 제조하는 경우, 상기 활성 물질인 PVDF-TrFE로 형성된 복수의 입자 및 복수의 와이어를 갖는 다공성 막이 제조되는 것을 확인하였다. 또한, 상기 다공성 막에 형성된 복수의 상기 입자의 비율이 복수의 상기 와이어의 비율보다 월등히 높은 것을 알 수 있었다.
도 13은 제1 실시 예(~350cP, 20mL/min)에 따라 제조된 다공성 막의 SEM 이미지이다.
도 113을 참조하면, 본 발명의 제2 실시 예에 따라 점도 ~350cP, 유량 20mL/min 조건으로 다공성 막을 제조하는 경우, 도 11을 참조하여 설명된 것과 같이, 상기 활성 물질인 PVDF-TrFE로 형성된 복수의 입자 및 복수의 와이어를 갖는 다공성 막이 제조되는 것을 확인하였다. 단, 상기 다공성 막에 형성된 복수의 상기 와이어의 비율이 복수의 상기 입자의 비율보다 월등히 높은 것을 알 수 있었다.
도 12 및 도 13의 결과로부터, 제1 실시 예(~15cP, 20mL/min) 및 제2 실시 예(~350cP, 20mL/min)에 따라 동일한 유량 조건에서, 상기 기판으로 분무되는 혼합 용액의 점도를 달리하여 다공성 막을 제조하는 경우, 상기 기판으로 분무되는 혼합 용액의 점도가 클수록, 상기 와이어의 비율이 상기 입자의 비율보다 월등히 높은 다공성 막이 제조되는 것을 알 수 있었다.
도 14는 는 제3 실시 예(~100cP, 20mL/min)에 따라 제조된 다공성 막의 SEM 이미지이다.
도 14를 참조하면, 본 발명의 제3 실시 예에 따라 점도 ~100cP, 유량 20mL/min 조건으로 다공성 막을 제조하는 경우, 도 11 및 도 12을 참조하여 설명된 것과 같이, 상기 활성 물질인 PVDF-TrFE로 형성된 복수의 입자 및 복수의 와이어를 갖는 다공성 막이 제조되는 것을 확인하였다. 또한, 복수의 상기 입자 및 복수의 상기 와이어가 다각형의 니트 구조를 형성하는 것을 알 수 있었다. 상기 다공성 막에 형성된 상기 다각형 니트 구조의 제1 부분은, 상기 다각형 니트 구조의 제2 부분보다 상기 복수의 입자 및 상기 복수의 와이어 사이의 공극의 비율이 큰 것을 확인하였다. 이에 따라, 상기 다공성 막에 형성된 상기 다각형 니트 구조의 제1 부분의 밀도는 상기 제2 부분보다 작고, 상기 제1 부분이 갖는 공극률은, 상기 제2 부분이 갖는 공극률보다 큰 것을 알 수 있었다. 또한, 상기 다각형 니트 구조의 상기 제2 부분의 높이는 상기 제1 부분의 높이보다 높은 것을 확인하였다. 이에 따라, 입체적인 상기 다각형 니트 구조를 갖는 다공성 막이 제조되는 것을 알 수 있었다. 이로부터, 상기 기판 상에 제공되는 상기 혼합 용액의 특정 조건의 점도 및 특정 조건의 유량에서, 즉, 기준 점도 및 기준 유량 조건에서는, 상기 기판 상에 상기 다각형의 니트 구조를 갖는 다공성 막이 제조되는 것을 알 수 있었다.
도 15는 제4 실시 예(~100cP, 16~18mL/min)에 따라 제조된 다공성 막의 SEM 이미지이다.
도 15를 참조하면, 본 발명의 제4 실시 예에 따라 점도 ~100cP, 유량 16~18mL/min 조건으로 다공성 막을 제조하는 경우, 도 12 및 도 13을 참조하여 설명된 것과 같이, 상기 활성 물질인 PVDF-TrFE로 형성된 복수의 입자 및 복수의 와이어를 갖는 다공성 막이 제조되는 것을 확인하였다.
도 14 및 도 15의 결과로부터, 제3 실시 예(~100cP, 20mL/min) 및 제4 실시 예(~100cP, 16~18mL/min)에 따라 동일한 점도 조건에서, 상기 기판으로 분무되는 혼합 용액의 유량을 달리하여 다공성 막을 제조하는 경우, 복수의 상기 입자 및 복수의 상기 와이어의 비율이 다른, 상이한 구조의 다공성 막이 제조되는 것을 알 수 있었다.
도 16은 본 발명의 제3 실시 예에 따라 제조된 다공성 막의 다각형 니트 구조의 상세 이미지들이다. 구체적으로, 도 16의 (a)는 본 발명의 제3 실시 예에 따라 제조된 다공성 막의 다각형 니트 구조의 제1 부분의 상세 이미지이고, 도 16의 (b)는 본 발명의 제3 실시 예에 따라 제조된 다공성 막의 다각형 니트 구조의 제2 부분의 상세 이미지이다.
SEM(scanning electron microscope)기기를 이용하여, 상술된 본 발명의 제3 실시 예에 따라 제조된 다공성 막의 다각형 니트 구조의 상세 이미지를 측정하였다.
도 16의 (a) 및 도 16의 (b)를 참조하면, 본 발명의 제3 실시 예에 따라 제조된 다공성 막의 다각형 니트 구조는, 도 14를 참조하여 설명된 것과 같이, 상기 활성 물질인 PVDF-TrFE로 형성된 복수의 입자 및 복수의 와이어로 형성된 것을 확인하였다. 또한, 상기 다공성 막에 형성된 상기 다각형 니트 구조의 제1 부분의 밀도는 상기 제2 부분보다 작고, 상기 제1 부분이 갖는 공극률은, 상기 제2 부분이 갖는 공극률보다 큰 것을 알 수 있었다. 또한, 상기 다각형 니트 구조의 상기 제2 부분의 높이가 상기 제1 부분의 높이보다 높은 입체형의 상기 다각형 니트 구조가 형성된 것을 확인하였다.
도 17은 본 발명의 실시 예들에 따라 제조된 다공성 막을 포함하는 제너레이터의 저항(resistance)에 따른 전력 밀도(power density) 그래프이다.
본 발명의 제1 실시 예(~15cP, 20mL/min)에 따라 제조된 복수의 입자 비율이 복수의 와이어의 비율보다 월등히 높은 다공성 막, 본 발명의 제2 실시 예(~350cP, 20mL/min)에 따라 제조된 복수의 와이어의 비율이 복수의 입자 비율보다 월등히 높은 다공성 막, 및 본 발명의 제3 실시 예(~100cP, 20mL/min)에 따라 제조된 다각형의 니트 구조가 형성된 다공성 막을 제1 전극 상에 형성하였다. 상술된 본 발명의 실시 예들에 따라 제조된 다공성 막을 포함하는 제1 전극 및 제2 전극을 이용하여 제너레이터를 제작한 후, 상기 제너레이터의 저항에 따른 전력 밀도 값을 측정하였다.
도 17을 참조하면, 본 발명의 제1 실시 예, 제2 실시 예, 및 제3 실시 예에 따라 제조된 다공성 막을 포함하는 제너레이터의 저항에 따른 전력 밀도 값은 본 발명의 제3 실시 예에 따라 제조된 다공성 막이 포함된 제너레이터가 가장 큰 것을 확인하였다. 다음으로는, 제2 실시 예에 따라 제조된 다공성 막이 포함된 제너레이터가 저항에 따른 전력 밀도 값이 큰 것을 확인하였다. 또한, 제1 실시 예에 따라 제조된 다공성 막이 포함된 제너레이터의 경우, 저항의 크기와 상관없이 전력 밀도 값이 실질적으로 0W/m2에 가까운 것을 확인하였다. 이로부터, 제3 실시 예에 따라 제조된 다각형의 니트 구조를 갖는 다공성 막을 이용하여 제너레이터를 제작하는 경우, 상기 제너레이터의 저항에 따른 전력 효율이 가장 우수한 것을 알 수 있었다. 또한, 제1 실시 예에 따라 제조된 다공성 막은 제너레이터에 적합하지 않은 것을 알 수 있었다.
이와 같이, 본 발명의 실시 예에 따르면, 활성 물질을 포함하는 혼합 용액을 압력, 또는 기판과 노즐 사이에 발생하는 전위 차와 같은 간단한 원리에 의한 분무 공정을 통해 기판 상에 제공하여, 다공성의 활성층을 제조하므로, 공정 시간 및 공정 비용을 감소시킬 수 있다. 또한, 상기 기판 상에 제공되는 혼합 용액의 점도 또는 유량을 조절함으로써, 상기 활설층의 구조(복수의 입자, 복수의 와이어, 및/또는 다각형의 니트 구조)를 조절할 수 있기 때문에, 제너레이터 및 압력 센싱 소자와 같은 에너지 하베스팅 소자에 적합한 구조의 다공성 막을 손쉬운 방법으로 제조할 수 있다. 상기 다각형 니트 구조를 갖는 다공성의 활성층을 이용하여 제너레이트를 제작하고, 외부에서 인가되는 압력을 더 민감하게 센싱할 수 있는 구조(상기 입자의 비율이 높은 구조, 또는 상기 와이어의 비율이 높은 구조)를 갖는 활성층을 이용하여 압력 센싱 소자를 제작하는 경우, 에너지 하베스팅 효율이 향상된 제터레이터 및 압력 센싱 소자가 제공될 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
100: 기판
110: 혼합 용액
120: 활성층(active layer)
122: 입자(particle)
124: 와이어(wire)
126: 공극(pore)
128: 다각형의 니트 구조(polygonal knit structure)
128a: 다각형의 니트 구조의 제1 부분
128b: 다각형의 니트 구조의 제2 부분
300, 300a: 제너레이터
310: 제1 전극
320: 제2 전극
320a: 제2 전극의 일면
330: 제1 활성층(first active layer)
330a: 제1 활성층의 일면
340: 제2 활성층(second active layer)
340a: 제2 활성층의 일면
400: 압력 센싱 소자
410: 제1 전극
420: 제2 전극
430: 활성층
440: 공기
110: 혼합 용액
120: 활성층(active layer)
122: 입자(particle)
124: 와이어(wire)
126: 공극(pore)
128: 다각형의 니트 구조(polygonal knit structure)
128a: 다각형의 니트 구조의 제1 부분
128b: 다각형의 니트 구조의 제2 부분
300, 300a: 제너레이터
310: 제1 전극
320: 제2 전극
320a: 제2 전극의 일면
330: 제1 활성층(first active layer)
330a: 제1 활성층의 일면
340: 제2 활성층(second active layer)
340a: 제2 활성층의 일면
400: 압력 센싱 소자
410: 제1 전극
420: 제2 전극
430: 활성층
440: 공기
Claims (14)
- 기판을 준비하는 단계;
활성 물질(active material)을 용매에 첨가하여, 혼합 용액을 제조하는 단계; 및
상기 기판 상에 상기 혼합 용액을 분무(spray)하여, 상기 활성 물질로 형성된 복수의 입자 및 복수의 와이어를 포함하는 활성층(active layer)을 제조하되,
상기 기판 상에 제공되는 상기 혼합 용액의 유량이 증가함에 따라, 상기 활성층 내 상기 복수의 입자의 비율이 조절되는 것을 포함하는 다공성 막의 제조 방법.
- 제1 항에 있어서,
상기 기판 상에 제공되는 상기 혼합 용액의 점도에 따라서, 상기 활성층 내의 복수의 입자 및 복수의 와이어의 비율이 조절되는 것을 포함하는 다공성 막의 제조 방법.
- 제2 항에 있어서,
상기 기판 상에 제공되는 상기 혼합 용액의 점도가 증가할수록, 상기 활성층 내의 상기 입자의 비율보다 상기 와이어의 비율이 증가하는 것을 포함하는 다공성 막의 제조 방법.
- 제1 항에 있어서,
상기 기판 상에 제공되는 상기 혼합 용액의 기준 점도 및 기준 유량 조건에서,
상기 활성층은, 상기 활성 물질로 형성된 복수의 제1 부분, 및 복수의 제1 부분을 구획하는 제2 부분을 갖는 다각형의 니트 구조(polygonal knit structure)를 형성하는 것을 포함하는 다공성 막의 제조 방법.
- 제4 항에 있어서,
상기 다각형 니트 구조의 상기 제1 부분의 밀도는, 상기 제2 부분의 밀도보다 작고,
상기 다각형 니트 구조의 상기 제1 부분이 갖는 공극률(porosity)은, 상기 제2 부분이 갖는 공극률보다 큰 것을 포함하는 다공성 막의 제조 방법.
- 제4 항에 있어서,
상기 다각형 니트 구조의 상기 제1 부분의 높이는, 상기 제2 부분의 높이보다 낮은 것을 포함하는 다공성 막의 제조 방법.
- 제1 항에 있어서,
상기 혼합 용액을 제조하는 단계는,
상기 용매에 첨가되는 상기 활성 물질의 중량을 조절하여, 상기 혼합 용액의 점도를 조절하는 것을 포함하는 다공성 막의 제조 방법.
- 제1 항에 있어서,
상기 기판 상에 상기 혼합 용액을 분무하는 단계는,
압력, 또는 상기 기판과 상기 혼합 용액이 토출되는 노즐(nozzle) 사이의 전위 차이를 이용하여, 상기 혼합 용액을 상기 기판으로 분무하는 것을 포함하는 다공성 막의 제조 방법.
- 제1 전극(first electrode)을 준비하는 단계;
상기 제1 전극 상의 제1 활성층(first active layer)을 형성하는 단계; 및
상기 활성층 상에 제2 전극을 배치하는 단계를 포함하되,
상기 활성층을 형성하는 단계는,
활성 물질(active material)을 용매에 첨가하여, 혼합 용액을 제조하는 단계; 및
상기 혼합 용액을 상기 제1 전극 상에 분무(spray)하여, 상기 활성 물질로 형성된 복수의 입자 및 복수의 와이어를 포함하는 상기 활성층(active layer)을 제조하되,
상기 제1 전극 상에 제공되는 상기 혼합 용액의 유량이 증가함에 따라, 상기 활성층 내 상기 복수의 입자의 비율이 조절되는 것을 포함하는 제너레이터의 제조 방법.
- 제1 전극(first electrode)을 준비하는 단계;
제1 전극 상에 활성층(active layer)을 형성하는 단계; 및
상기 활성층 상에 제2 전극(second electrode)을 형성하는 단계를 포함하되,
상기 활성층을 형성하는 단계는,
활성 물질(active material)을 용매에 첨가하여, 혼합 용액을 제조하는 단계; 및
상기 혼합 용액을 상기 제1 전극 상에 분무(spray)하여, 상기 활성 물질로 형성된 복수의 입자 및 복수의 와이어를 포함하는 상기 활성층(active layer)을 제조하되,
상기 제1 전극 상에 제공되는 상기 혼합 용액의 유량이 증가함에 따라, 상기 활성층 내 상기 복수의 입자의 비율이 조절되는 것을 포함하는 압력 센싱 소자.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1020150134353A KR101723741B1 (ko) | 2015-09-23 | 2015-09-23 | 다공성 막의 제조 방법, 및 이를 포함하는 제너레이터 및 압력 센싱 소자 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020150134353A KR101723741B1 (ko) | 2015-09-23 | 2015-09-23 | 다공성 막의 제조 방법, 및 이를 포함하는 제너레이터 및 압력 센싱 소자 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20170036152A KR20170036152A (ko) | 2017-04-03 |
| KR101723741B1 true KR101723741B1 (ko) | 2017-04-07 |
Family
ID=58583369
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020150134353A KR101723741B1 (ko) | 2015-09-23 | 2015-09-23 | 다공성 막의 제조 방법, 및 이를 포함하는 제너레이터 및 압력 센싱 소자 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR101723741B1 (ko) |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101207075B1 (ko) | 2010-10-08 | 2012-11-30 | 한국과학기술원 | 플렉서블 나노제너레이터 제조방법 및 이에 의하여 제조된 플렉서블 나노제너레이터 |
-
2015
- 2015-09-23 KR KR1020150134353A patent/KR101723741B1/ko active IP Right Grant
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 비특허문헌1 |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20170036152A (ko) | 2017-04-03 |
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