KR101759861B1

KR101759861B1 - 압전소자의 제조 방법

Info

Publication number: KR101759861B1
Application number: KR1020160021823A
Authority: KR
Inventors: 나정효; 신성호
Original assignee: 충남대학교산학협력단
Priority date: 2016-02-24
Filing date: 2016-02-24
Publication date: 2017-07-20

Abstract

본 발명은 베이스기판(100)을 준비하는 제1단계; 바나듐이 도핑된 산화아연(Vanadium-doped ZNO)으로 이루어지는 나노시트와 폴리머용액을 서로 혼합한 나노코팅액(20)을 베이스기판(100)의 일면에 스핀코팅하여 나노코팅층(200)을 형성하는 제2단계; 상기 베이스기판(100)의 나노코팅층(200)과 다른 베이스기판(100)의 나노코팅층(200)을 서로 접합하여 적층체를 생성하는 제3단계; 및 상기 적층체를 가열하여 압전소자를 제조하는 제4단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전소자의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

압전소자의 제조 방법{Manufacturing method for piezo-electric element}

본 발명은 유연성을 강화하고 고출력의 압전 에너지를 얻을 수 있는 압전소자의 제조 방법에 관한 것이다.

최근 MEMS 기술을 이용한 소형, 경량의 관성센서 제작이 용이해짐에 따라 기존의 시장을 넘어서 가전제품으로 응용영역이 확대되고 있으며, 센서의 기능 또한 지속적으로 발전하여 하나의 센서로 하나의 축에 대한 관성력만 검출할 수 있는 단축센서에서, 하나의 센서로 2축이상의 다축에 대한 관성력 검출이 가능한 다축센서로 그 기능이 진화하고 있는 추세이다.

이를 위한 압전소자(piezo-electric element)는 전압이 인가되면 변형이 발생하고 반대로 외부에서 힘이 인가되면 전하가 발생하는 특징으로 인해 각종 액츄에이터, 센서등에 다양하게 이용되고 있는 실정이다. 또한, 압전소자는 Aln, ZnO, quartz등 다양한 재료들이 있으나, 압전상수가 큰 PZT가 다양한 분야에서 많이 사용되고 있다.

이와 관련된 기술로서, 한국공개특허 제1997-0060543호는 고분자필름을 일측방향 또는 양측방향으로 연신하여 고분자필름의 상,하에 금속전극을 증착하고, 상기 고분자필름내에 있는 입자들의 전자배열이 변화시키고, 금속전극에 고전압을 인가하여 극화(polling)시켜 고분자 필름내의 전자배열을 변화시키는 것을 특징으로 하는 고분자필름 압전소자의 제조방법을 제시하였다.

그러나 종래기술은 고분자필름의 상, 하에 금속전극을 증착하는 증착공정에서 많은 시간이 소요됨으로써, 압전소자의 제조 시간이 많이 소요되는 문제점이 있었다.

또한, 종래기술에 의해 제조된 압전소자는 기계적 힘에 취약하고 압전 에너지의 출력 효율이 저하되는 문제점이 있었다.

따라서 상술한 문제점을 해결하기 위한 다양한 압전소자의 제조방법의 개발이 필요한 실정이다.

한국공개특허 제1997-0060543호(1997.08.12)

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 압전소자의 제조공정에 소요되는 시간을 최소화할 수 있는 압전소자의 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 기계적 힘에 강하고 압전 에너지의 출력 효율을 극대화할 수 있는 압전소자의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명에 따른 압전소자의 제조방법은 한 쌍의 베이스기판(100)을 준비하는 제1단계; 하나의 베이스 기판(100)의 일면에 바나듐이 도핑된 산화아연(Vanadium-doped ZNO)으로 이루어지는 나노시트와 폴리머용액을 서로 혼합한 나노코팅액(20)을 스핀코팅하여 판 형상의 나노코팅층(200)을 형성하는 제2단계; 다른 하나의 베이스기판(100)의 일면에 상기 나노코팅액(20)을 스핀코팅하여 나노코팅층(200)을 형성하는 제3단계; 상기 하나의 베이스기판(100)의 나노코팅층(200)과 상기 다른 하나의 베이스기판(100)의 나노코팅층(200)이 서로 대면하도록 배치되되, 상기 폴리머용액의 점성에 의해 서로 접합되어 적층체를 생성하는 제4단계; 및 상기 적층체를 가열하여 압전소자(1000)를 제조하는 제5단계;를 포함하며, 상기 나노시트가 폴리머용액의 내부에 수용되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 나노코팅액(20)은 상기 폴리머용액 100 중량부에서 대하여 상기 나노시트 5 내지 15 중량부가 혼합된 혼합액으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제2단계는 상기 폴리머용액이 PDMS(polydimethylsiloxane)용액인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1단계는 상기 베이스기판(100)이 일면에 인듐 주석 산화물(Indium Tin Oxide(ITO))으로 이루어진 도전층(110)이 코팅된 폴리머 재질의 폴리머기판이며, 상기 제2단계는 상기 나노코팅액(20)을 상기 베이스기판(100)의 인듐 주석 산화물(Indium Tin Oxide(ITO))이 코팅된 일면에 스핀코팅하여 나노코팅층(200)을 형성하는 것을 특징으로 한다.

이에 따라, 본 발명에 따른 압전소자의 제조 방법은 증착 공정이 없어서 압전소자의 제조공정에 소요되는 시간을 최소화할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 압전소자의 제조 방법에 의해 제조된 압전소자는 바나듐이 도핑된 산화아연(Vanadium-doped ZNO)으로 이루어지는 나노시트와 폴리머용액을 서로 혼합한 나노코팅액으로 이루어진 나노코팅층을 포함함으로써, 유연성이 강화되어 기계적 힘에 강하고 압전 에너지의 출력 효율을 극대화할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 압전소자의 제조 방법에 의해 제조된 압전소자는 나노코팅층이 바나듐이 도핑된 산화아연이 폴리머용액의 내부에 수용됨으로써, 압전물질(산화아연)이 외부로 노출되지 않아서 압전물질의 외부 환경으로 인한 오염이 방지되어 압전 에너지의 출력 안정성을 강화할 수 있는 효과가 있다.

도 1 내지 도 4는 본 발명에 따른 압전소자의 제조방법을 나타낸 공정도
도 5는 본 발명에 따른 압전소자의 제조방법에 의해 제조된 압전소자에 구성된 나노코팅층의 폴리머용액에 대한 나노시트의 중량백분율에 따른 압전 에너지 출력 효율을 나타낸 그래프

이하, 본 발명의 기술적 사상을 첨부된 도면을 사용하여 더욱 구체적으로 설명한다.

첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 더욱 구체적으로 설명하기 위하여 도시한 일예에 불과하므로 본 발명의 기술적 사상이 첨부된 도면의 형태에 한정되는 것은 아니다.

도 1 내지 도 4는 본 발명에 따른 압전소자의 제조방법을 나타낸 공정도이다.

도 1 내지 도 4를 참조하여, 본 발명에 따른 압전소자의 제조방법에 대하여 설명하기로 한다.

먼저, 제1단계에서는 베이스기판(100)을 준비한다.(도 1 참조)

이 때, 상기 베이스기판(100)은 플라스틱, 종이, 유리, 사파이어 중 어느 하나로 이루어질수 있다.

다음으로, 제2단계에서는 바나듐이 도핑된 산화아연(Vanadium-doped ZNO)으로 이루어지는 나노시트와 폴리머용액을 서로 혼합한 나노코팅액(20)을 베이스기판(100)의 일면에 스핀코팅하여 나노코팅층(200)을 형성한다.(도 2 참조)

이 때, 상기 나노시트는 바나듐이 도핑된 산화아연(Vanadium-doped ZNO)에 의해 연성 및 전성이 극대화되며, 폴리머용액에 의해 점성이 강화되어 베이스기판(100)의 일면에 잘 접착될 수 있다.

또한, 상기 스핀코팅이란, 코팅할 물질의 용액을 기질 위에 떨어뜨리고 고속으로 회전시켜 얇게 퍼지게 하는 것을 의미한다.

다음으로, 제3단계에서는 상기 베이스기판(100)의 나노코팅층(200)과 다른 베이스기판(100)의 나노코팅층(200)을 서로 접합하여 적층체를 생성한다. 이때, 상기 상기 베이스기판(100)의 나노코팅층(200)과 다른 베이스기판(100)의 나노코팅층(200)은 폴리머용액의 점성에 의해 서로 접합된다.(도 3 참조)

이 때, 상기 적층체의 양면에 구성된 베이스기판이 각각 제1전극 및 제2전극이 된다.

다음으로, 제4단계에서는 상기 적층체를 가열하여 압전소자(1000)를 제조한다. 이 때, 상기 적층체를 오븐에 투입하여 가열할 수 있다.(도 4 참조)

또한, 본 발명에 따른 압전소자의 제조 방법에 의해 제조된 압전소자는 바나듐이 도핑된 산화아연(Vanadium-doped ZNO)으로 이루어지는 나노시트와 폴리머용액을 서로 혼합한 나노코팅액(20)으로 이루어진 나노코팅층(200)을 포함함으로써, 유연성이 강화되어 기계적 힘에 강하고 압전 에너지의 출력을 극대화할 수 있는 효과가 있다.

한편, 상기 나노코팅액(20)은 상기 폴리머용액 100 중량부에서 대하여 상기 나노시트 5 내지 15 중량부가 혼합된 혼합액으로 이루어질 수 있다.

본 출원인은 본 발명에 따른 압전소자의 제조방법에 의해 제조된 압전소자에서 상기 나노코팅층(200)이 상기 폴리머용액 100 중량부에서 대하여 상기 나노시트 5 내지 15 중량부가 혼합된 혼합액(나노코팅액(20))으로 이루어졌을때, 고출력의 압전 에너지를 얻을 수 있었으며, 상술한 바와 같은 최적의 수치를 실험적 및 경험적으로 도출하였다.

이에 대해 실험예를 들어 설명하기로 한다.

<실험예>

도 5는 본 발명에 따른 압전소자의 제조방법에 의해 제조된 압전소자에 구성된 나노코팅층(200)의 폴리머용액에 대한 나노시트의 중량백분율에 따른 압전 에너지 출력 효율을 나타낸 그래프이다. 이 때, 도 5의 X축은 본 발명에 따른 압전소자의 제조방법에 의해 제조된 압전소자에 구성된 나노코팅층(200)의 폴리머용액에 대한 나노시트의 중량백분율(폴리머용액 100 중량부에서 대하여 나노시트의 중량부 수치)를 나타낸 것이며, 도 5의 Y축은 압전소자의 상기 중량백분율에 따른 압전 에너지 출력 효율을 전압단위(V)로 나타낸 것이다.

도 5를 살펴보면 상기 중량백분율이 10 일 때 상기 압전 에너지 출력 효율이 최대로 증가하였으며, 상기 중량백분율이 5 내지 20 일 때에도, 상기 압전 에너지 출력 효율이 최소 1.5 이상으로 발생하였다.

한편, 상기 제2단계는 상기 폴리머용액이 PDMS(polydimethylsiloxane)용액으로 이루어질 수 있다.

상기 제1단계 내지 제4단계를 거쳐서 제조된 압전소자는 상기 나노코팅층(200)의 미세결정을 일정한 방향으로 배열하기 위하여 고온에서 직류를 가하는 폴링 공정을 더 수행할 수 있는데, 상기 나노코팅층(200)이 PDMS(polydimethylsiloxane)용액과 나노시트가 혼합된 혼합액으로 이루어지면 상기 폴링 공정이 수행되는 동안 상기 나노코팅층(200)이 전기 분해되는 것을 최소화할 수 있으며, 상기 나노시트가 상기 PDMS용액에 좀 더 균일하게 분산될 수 있다.

또한, 상기 제1단계는 상기 베이스기판(100)이 일면에 인듐 주석 산화물(Indium Tin Oxide(ITO))으로 이루어진 도전층(110)이 코팅된 폴리머 재질의 폴리머기판이며, 상기 제2단계는 상기 나노코팅액(20)을 상기 베이스기판(100)의 인듐 주석 산화물(Indium Tin Oxide(ITO))이 코팅된 일면에 스핀코팅하여 나노코팅층(200)을 형성할 수 있다.(도 1 내지 도 3 참조)

이 때, 상기 도전층(110)은 상기 베이스기판(100)의 도전성을 좀 더 강화하는 역할을 한다.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.

20 : 나노코팅액
100 : 베이스기판
110 : 도전층
200 : 나노코팅층
1000 : 압전소자

Claims

한 쌍의 베이스기판(100)을 준비하는 제1단계;
하나의 베이스 기판(100)의 일면에 바나듐이 도핑된 산화아연(Vanadium-doped ZNO)으로 이루어지는 나노시트와 폴리머용액을 서로 혼합한 나노코팅액(20)을 스핀코팅하여 판 형상의 나노코팅층(200)을 형성하는 제2단계;
다른 하나의 베이스기판(100)의 일면에 상기 나노코팅액(20)을 스핀코팅하여 나노코팅층(200)을 형성하는 제3단계;
상기 하나의 베이스기판(100)의 나노코팅층(200)과 상기 다른 하나의 베이스기판(100)의 나노코팅층(200)이 서로 대면하도록 배치되되, 상기 폴리머용액의 점성에 의해 서로 접합되어 적층체를 생성하는 제4단계; 및
상기 적층체를 가열하여 압전소자(1000)를 제조하는 제5단계;
를 포함하며,
상기 나노시트가 폴리머용액의 내부에 수용되는 것을 특징으로 하는 압전소자의 제조 방법.
제1항에 있어서, 상기 나노코팅액(20)은
상기 폴리머용액 100 중량부에서 대하여 상기 나노시트 5 내지 15 중량부가 혼합된 혼합액으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 압전소자의 제조 방법.
제1항에 있어서, 상기 제2단계는
상기 폴리머용액이 PDMS(polydimethylsiloxane)용액인 것을 특징으로 하는 압전소자의 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 제1단계는 상기 베이스기판(100)이 일면에 인듐 주석 산화물(Indium Tin Oxide(ITO))으로 이루어진 도전층(110)이 코팅된 폴리머 재질의 폴리머기판이며,
상기 제2단계는 상기 나노코팅액(20)을 상기 베이스기판(100)의 인듐 주석 산화물(Indium Tin Oxide(ITO))이 코팅된 일면에 스핀코팅하여 나노코팅층(200)을 형성하는 것을 특징으로 하는 압전소자의 제조 방법.