KR102023570B1 - Mfc용 압전세라믹 소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 압전 세라믹의 취성 때문에 제작 과정 중에 쉽게 깨짐을 방지하고 곡면에서는 사용할 수 있도록 하는 MFC용 압전세라믹 소자에 관한 것이다. 본 발명은, 전극패턴을 포함하는 두 필름층 사이에 압전세라믹 로드를 배치하여 이루어지는 MFC용 압전세라믹 소자로서, 상기 필름층은 원형의 평판 형태로서, 양극 및 음극을 이루는 전극패턴이 상기 평판의 중심부에서 시작하여 끝단 부근까지 나선 고리 형태로 이루어지며, 상기 압전세라믹 로드는 상기 필름층에 대응하는 원형의 평판 형태로 이루어지되, 상기 원형의 평판에는 그 중심에서 시작하여 끝단까지 방사형으로 절개 형성되는 다수의 방사홈을 갖도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 MFC용 압전세라믹 소자를 개시한다.

Description

MFC용 압전세라믹 소자 {Piezoelectric ceramic material for Macro Fiber Composite }

본 발명은 압전복합체용 압전세라믹 제작방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 압전 세라믹의 취성 때문에 제작 과정 중에 쉽게 깨짐을 방지하고 곡면에서는 사용할 수 있도록 하는 MFC용 압전세라믹 소자에 관한 것이다.

일반적으로, MFC(Macro Fiber Composite; 매크로 파이버 컴포지트)은 적은 비용으로 고성능, 유연성 및 신뢰성을 확보할 수 있어서 액츄에이터 또는 센서에 많이 이용되고 있다. 이는 미국 나사에 의해 1996년에 개발되었고, 2002년부터 전세계에서 상업적으로 판매되고 있다.

이러한 매크로 파이버 컴포지트는 유연성이 확보되고, 내구성이 있으며, 신뢰도가 높고, 압전 파이버(piezofiber) 또는 로드(rod)를 이용한 압전 특성이 있어 전기적 신호가 인가되면 기계적 변형이 일어나고 또는 그 반대로 외부의 기계적 힘이 인가되면서 MFC의 변형이 발생하면 전기적 신호를 발생하게 되어 센서 또는 에너지 하베스팅 소자에도 활용이 가능하다.

현재 매크로 파이버 컴포지트를 이용한 압전 에너지 장치는 도 8에서 보는 것처럼 전극 패턴(1, 5)을 포함한 두 층(2, 6) 사이에 직사각형 압전 세라믹 로드(9; rod)를 배치하여 이루어진 채로 만들어진다.

이러한 전극 패턴은 인터디지티드(interdigite) 한 서로 맞물린 패턴으로 층을 형성하는 필름(2, 6)에 부착되어 있고, 이러한 전극 패턴에 의해 인가된 전압을 직접 압전 세라믹 로드(9)에 전달하고, 또한 이러한 세라믹 로드에서 발생된 전압을 수집할 수 있다.

이러한 압전 구조체는 얇아짐에 따라 복합체 구조에 임베디드(embeded) 되거나 또는 다른 다양한 구조로 이용될 수 있으며, 특히 세라믹 구조체임에도 불구하고 유연성이 확보되어 신축성 한 성질을 나타내기 때문에, 매우 민감하게 변형 등이 발생할 때 압전 에너지 발전 소자로서 전력을 생산할 수 있기 때문에 에너지 하베스팅 소자로 이용 가능하다. 이와 같이 팽창, 굽힘, 뒤틀림과 같은 변형이 발생되었을 때 에너지 하베스팅(harvesting)이 가능하다.

이러한 피에조 파이버 컴포지트를 이용한 소자는 신축성 한 성질을 나타낼 수 있기 때문에 신축성 한 성질을 이용하여 다양한 응용 분야에 이용될 수 있으나, 다만 그 신축성 한 성질을 유지하는데 있어서, 외부의 응력이 인가되었을 때 압전 성질을 나타내는데 있어서 압전 세라믹 로드가 부러지거나 또는 크랙이 발생할 수 있어 문제가 될 수 있으며, 또한 이와 더불어 추가적인 더욱 유연한 소자를 만드는 경우에 있어서 세라믹 소재 자체의 강성 때문에 추가적인 유연성을 얻는데 문제가 있었다.

따라서, 압전 세라믹은 우수한 압전 특성을 나타내지만 세라믹의 취성 때문에 제작 과정 중에 쉽게 깨지고 곡면에서는 사용하기 어렵다는 단점을 보완하고 신축성을 갖는 층 구조를 필요로 하였다.

KR 등록특허공보 B1 10-1467933 (2014. 11. 26)

따라서, 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 압전 세라믹의 취성 때문에 제작 과정 중에 쉽게 깨짐을 방지하고 곡면에서는 사용할 수 있도록 하는 MFC용 압전세라믹 소자를 제공하기 위함이다.

또한 본 발명의 다른 목적은 압전 복합체를 필름과 같은 플렉서블한 층으로 적층하여 사용하는 구조를 제시하여 곡면에서는 사용할 수 있도록 하는 MFC용 압전세라믹 소자를 제공하기 위함이다.

또한 본 발명의 또 다른 목적은 압전세라믹 로드 제작시 전도성 접착제 전극층을 이용하여 폴링 효과를 향상시키고 궁극적으로 압전 성능을 향상시키고자 한다.

특히, MFC의 변위 방향을 중심에서 바깥쪽으로 향하도록 안내하는 압전세라믹의 형상 변형으로 제작상의 용이함과 더불어 이종 복합체의 플렉서블한 성질을 유지하면서 동시에 압전 효과의 최고 성능을 제공하고자 함이다.

본 발명은 상술한 목적을 달성하기 위하여, 전극패턴을 포함하는 두 필름층 사이에 압전세라믹 로드를 배치하여 이루어지는 MFC용 압전세라믹 소자로서, 상기 필름층은 원형의 평판 형태로서, 양극 및 음극을 이루는 전극패턴이 상기 평판의 중심부에서 시작하여 끝단 부근까지 나선 고리 형태로 이루어지며, 상기 압전세라믹 로드는 상기 필름층에 대응하는 원형의 평판 형태로 이루어지되, 상기 원형의 평판에는 그 중심에서 시작하여 끝단까지 방사형으로 절개 형성되는 다수의 방사홈을 갖도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 MFC용 압전세라믹 소자를 개시한다.

또한, 상기 필름층에 형성되는 양극 및 음극 전극패턴은 일정 간격을 유지하면서 나선 고리 형태의 양극 및 음극 전극패턴으로 분리 형성됨을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 필름층에 형성되는 양극 및 음극 전극패턴은 상기 평판의 중심부에서 시작하여 끝단 부근까지 나선 고리 형태로 일정 간격을 유지하면서 양극 및 음극 전극패턴으로 분리 형성하되, 양극 및 음극의 전극패턴 양 일측은 수직 단선으로 형성되어 나선 고리 형태의 각 전극패턴을 하나로 연결하도록 형성됨을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 압전세라믹 로드의 방사홈은 원형의 평판 중심에서 끝단까지 상호 간격 폭이 어긋나면서 좁아지는 다수의 개별 방사홈 형태로 형성됨을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 압전세라믹 로드의 방사홈은 원형의 평판 중심에서 끝단까지 상호 간격 폭을 벌어지면서 다수의 방사홈 형태로 형성됨을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 전극패턴을 포함하는 두 필름층 사이에 압전세라믹 로드를 배치하여 이루어지는 MFC용 압전세라믹 소자로 이루어지되, 상기 필름층 사이에 압전세라믹 로드가 배치되는 양측 끝단부에는 에폭시 필름이 충진되는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명은 압전 세라믹의 취성 때문에 제작 과정 중에 쉽게 깨짐을 방지하고 곡면에서는 사용할 수 있도록 하는 MFC용 압전세라믹 소자를 제공할 수 있다.

또한 본 발명은, 압전 복합체를 필름과 같은 플렉서블한 층으로 적층하여 사용하는 구조를 제시하여 곡면에서는 사용할 수 있도록 하는 MFC용 압전세라믹 소자를 제공할 수 있다.

또한 본 발명은 압전세라믹 로드 제작시 전도성 접착제 전극층을 이용하여 폴링 효과를 향상시키고 궁극적으로 압전 성능을 향상할 수 있도록 하는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 MFC의 변위 방향을 중심에서 바깥쪽으로 향하도록 안내하는 압전세라믹의 형상 변형으로 제작상의 용이함과 더불어 이종 복합체의 플렉서블한 성질을 유지하면서 동시에 압전 효과의 최고 성능을 제공하고자 하는 효과가 있다.

도 1 내지 도 7은 본 발명에 의한 MFC용 압전세라믹 소자에 따른 일 실시 예를 보인 것으로서,
도 1은 본 발명에 의한 MFC용 압전세라믹 소자에 따른 압전세라믹 소자를 보인 분해 예시도,
도 2는 본 발명에 의한 MFC용 압전세라믹 소자에 따른 전극패널을 갖는 필름층을 보인 평면 예시도,
도 3은 본 발명에 의한 MFC용 압전세라믹 소자에 따른 다른 형태의 전극패널을 갖는 필름층을 보인 평면 예시도,
도 4는 본 발명에 의한 MFC용 압전세라믹 소자에 따른 압전세라믹 로드를 보인 예시 평면도,
도 5는 본 발명에 의한 MFC용 압전세라믹 소자에 따른 다른 형태의 압전세라믹 로드를 보인 예시 평면도,
도 6은 본 발명에 의한 MFC용 압전세라믹 소자에 따른 압전세라믹 소자의 결합 예시도,
도 7은 본 발명에 의한 MFC용 압전세라믹 소자에 따른 작용을 보인 예시도,
도 8은 종래의 MFC용 압전세라믹 소자에 따른 구성을 보인 예시도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.

본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 고안의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

도 1 내지 도 7은 본 발명에 의한 MFC용 압전세라믹 소자에 따른 일 실시 예를 보인 것이다.

첨부도면 도 1 내지 도 6을 참조하면, 본 발명에 의한 MFC용 압전세라믹 소자(100)는 전극패턴(112)(113)을 포함하는 두 필름층(110)(110a) 사이에 압전세라믹 로드(120)를 배치하여 구성된다.

상기 필름층(110)(110a)은 원형의 평판(111) 형태로서, 양극 및 음극을 이루는 전극패턴(112)(113)이 상기 평판(111)의 중심부에서 시작하여 끝단 부근까지 나선 고리 형태로 구성할 수 있다.

바람직하게는, 상기 필름층(110)(110a)에 형성되는 양극 및 음극 전극패턴(112)(113)은 일정 간격을 유지하면서 양극 및 음극 전극패턴으로 분리 형성할 수 있다.

또한 바람직하게는, 도 3은 본 발명에 따른 필름층(110)의 다른 실시 예를 보인 것으로서, 필름층(100-1)에 형성되는 양극 및 음극 전극패턴(112-1)(113-1)은 평판(11-1)의 중심부에서 시작하여 끝단 부근까지 나선 고리 형태로 일정 간격을 유지하면서 양극 및 음극 전극패턴(112-1)(113-1)으로 분리 형성하되, 양극 및 음극의 전극패턴(112-1)(113-1) 양 일측은 수직 단선(114-1)으로 형성되어 나선 고리 형태를 하나로 연결하도록 형성할 수 있다.

상기 압전세라믹 로드(120)는 상기 필름층(110)(110a)에 대응하는 원형의 평판(121) 형태로서, 상기 원형의 평판(121)에는 그 중심에서 시작하여 끝단까지 상호 간격 폭이 어긋나면서 좁아지는 다수의 개별 방사홈(122)을 갖도록 구성할 수 있다.

여기서, 상기 방사홈(122)은 두 필름층의 전극이 전기적 소통 즉, 전극에 전계를 인가하기 위한 리드 아웃이 있어야 함으로서, 홀 또는 개구 형태로 관통된 홈으로 형성함이 바람직하다.

또한 다른 실시 예로서, 상기 압전세라믹 로드(130)의 방사홈(132)은 원형의 평판(131) 중심에서 끝단까지 점점 간격 폭이 벌어지는 절개 형태의 방사홈 형태로 형성할 수도 있다

한편, 상기 전극패턴을 포함하는 두 필름층(110)(110a) 사이에 압전세라믹 로드(120)를 배치하여 이루어지는 MFC용 압전세라믹 소자(100)로 이루어지되, 상기 필름층 사이에 압전세라믹 로드가 배치되는 양측 끝단부에는 에폭시 필름(140)이 더 충진되도록 형성할 수 있다. 이때 상기 에폭시 필름에 의해 상기 두 필름층과 압전세라믹 로드를 상호 부착하도록 하는 접착제 역할을 하는 것으로, 재질에 특별한 제한은 없으나, 통상적으로 에폭시 폴리 등이 이용됨이 바람직하다.

바람직한 한 예로써, 상기 에폭시 필름은 금속과 접착성 수지(resin)의 혼합물, 전도성 폴리머 및 금속 페이스트 중 어느 하나가 이용되는 것이 바람직하다. 이는 전기적 전도성 성질을 띠기 때문에 전극 역할을 수행할 수 있으며, 동시에 접착성 성질을 가지므로 압전 세라믹 로드를 서로 연결하는 역할도 수행한다. 이러한 역할 수행을 위해서는 위에서 나열한 금속과 접착성 수지의 혼합물, 전도성 폴리머 및 금속 페이스트가 이용되는 것이 바람직하다.

도 7은 본 발명에 의한 MFC용 압전세라믹 소자에 따른 작용을 보인 예시도로서, 본 발명의 MFC용 압전세라믹 소자에 따른 변위 방향을 예시한 것으로서, 나선 고리 형태의 전극패턴과 압전세라믹 로드의 다수의 방사홈 구조에 의해 접촉면적을 최대화하여 전기장을 압전세라믹에 효율적으로 전달할 수 있게 되는 것이다.

이상과 같이 본 발명에 의한 MFC용 압전세라믹 소자는 압전 세라믹의 취성 때문에 제작 과정 중에 쉽게 깨짐을 방지하고 곡면에서는 사용할 수 있도록 하는 것으로서, 압전 복합체를 필름과 같은 플렉서블한 층으로 적층하여 사용하는 구조를 제시하여 곡면에서는 사용할 수 있도록 함과 아울러, 평판(111)의 중심부에서 시작하여 끝단 부근까지 나선 고리 형태의 전극이나 압전세라믹 로드의 다수의 방사홈 구조에 의해 접촉면적을 최대화하여 전기장을 압전세라믹에 효율적으로 전달할 수 있도록 한 것이다.

본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

100 : MFC용 압전세라믹 소자
110, 110a : 필름층
111 : 평판
112, 113 : 전극패턴
140 : 에폭시 필름

Claims (6)

1. 전극패턴을 포함하는 필름층 2개 사이에 압전세라믹 로드를 배치하여 구성되는 MFC용 압전세라믹 소자에 있어서,
   상기 필름층은 원형의 평판 형태이고, 양극 및 음극을 이루는 전극패턴이 상기 평판의 중심부에서 시작하여 끝단 부근까지 나선 고리 형태로 이루어지며,
   상기 압전세라믹 로드는 상기 필름층에 대응하는 원형의 평판 형태로 이루어지되,
   상기 압전세라믹 로드는 상기 압전 세라믹 로드의 중심에서 시작하여 끝단까지 방사형으로 절개 형성되는 다수의 방사홈을 갖도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 MFC용 압전세라믹 소자.
   
2. 제1 항에 있어서,
   상기 필름층에 형성되는 양극 및 음극 전극패턴은 일정 간격을 유지하면서 나선 고리 형태의 양극 및 음극 전극패턴으로 분리 형성됨을 특징으로 하는 MFC용 압전세라믹 소자.
   
3. 제1 항에 있어서,
   상기 필름층에 형성되는 양극 및 음극 전극패턴은 상기 필름층의 중심부에서 시작하여 끝단 부근까지 나선 고리 형태로 일정 간격을 유지하면서 양극 및 음극 전극패턴으로 분리 형성하되,
   상기 양극 및 음극의 전극패턴 양 일측은 수직 단선으로 형성되어 나선 고리 형태의 각 전극패턴을 하나로 연결하도록 형성됨을 특징으로 하는 MFC용 압전세라믹 소자.
   
4. 제1 항에 있어서,
   상기 압전세라믹 로드의 방사홈은 상기 압전세라믹 로드의 중심에서 끝단까지 상호 간격 폭이 어긋나면서 좁아지는 다수의 개별 방사홈 형태로 형성됨을 특징으로 하는 MFC용 압전세라믹 소자.
   
5. 제1 항에 있어서,
   상기 압전세라믹 로드의 방사홈은 상기 압전세라믹 로드의 중심에서 끝단까지 상호 간격 폭이 벌어지면서 다수의 방사홈 형태로 형성됨을 특징으로 하는 MFC용 압전세라믹 소자.
   
6. 제1 항에 있어서,
   상기 전극패턴을 포함하는 필름층 2개 사이에 상기 압전세라믹 로드를 배치하고, 양측 끝단부에는 에폭시 필름을 충진하는 것을 특징으로 하는 MFC용 압전세라믹 소자.

Images