KR102050753B1 - Manufaturing method of flexible Piezoelectric Element without heat treatment and Piezoelectric Element using it - Google Patents

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KR102050753B1
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나정효
이민형
신성호
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Abstract

The present invention relates to a manufacturing method of a flexible piezoelectric element, comprising: a step of forming a coating by coating a sol including a ferroelectric material on a substrate; a pattern forming step of forming a pattern by using a nano imprint method on the coating layer; and a hardening step of manufacturing a crystalline ferroelectric material layer by irradiating an ultraviolet ray onto the pattern. The manufacturing method of a flexible piezoelectric element according to the present invention has an advantage of having excellent reliability by including the crystalline ferroelectric material having a constant arrangement without heat treatment.

Description

유연 압전소자 제조방법 및 이로부터 제조된 유연 압전소자{Manufaturing method of flexible Piezoelectric Element without heat treatment and Piezoelectric Element using it}Manufacturing method of flexible piezoelectric element and flexible piezoelectric element manufactured therefrom {Manufaturing method of flexible Piezoelectric Element without heat treatment and Piezoelectric Element using it}

본 발명은 고온의 열처리 없이도 결정형 강유전 물질을 포함하며, 배열이 일정하여 신뢰성이 우수한 유연 압전소자의 제조방법 및 이로부터 제조된 유연 압전소자에 관한 것이다. The present invention relates to a method for manufacturing a flexible piezoelectric device including a crystalline ferroelectric material without a high temperature heat treatment and having a uniform arrangement, and having excellent reliability, and a flexible piezoelectric device manufactured therefrom.

일상생활 및 산업현장에서 가장 많이 이용되는 에너지원이며 이러한 전기에너지는 수력, 화력 또는 핵 원료 등을 에너지원으로 하여 생산된다. 그러나 이러한 에너지원은 저장량이 한정되어 있거나, 정화가 어려운 오염물질을 발생시키고, 대규모의 설비를 필요로 하는 문제점이 있다. It is the most widely used energy source in everyday life and industrial sites, and the electric energy is produced by using hydro, thermal or nuclear materials as energy sources. However, these energy sources have a limited amount of storage, generate pollutants that are difficult to purify, and require a large-scale facility.

이에 이를 대체하여 에너지를 생산하기 위한 대체 에너지의 개발에 관심이 집중되고 있으며, 태양광, 풍력, 열 등과 같은 에너지원을 전기 에너지로 전환시키는 연구가 활발히 수행되고 있다.Accordingly, attention has been focused on the development of alternative energy to produce energy by replacing it, and researches for converting energy sources such as solar light, wind power, heat, etc. into electric energy have been actively conducted.

더 나아가, 최근에는 에너지 하베스팅(energy harvesting) 기술이 소형 전자기기의 전력원으로 주목받고 있다. 구체적으로, 이러한 에너지 하베스팅 소재는 압전(piezoelectric), 광전(photovolataic), 열전(thermoelectric) 등 다양한 원리에 의해 버려지는 에너지를 수집하여 전기 에너지로 변환하는 소자이다. Furthermore, energy harvesting technology has recently attracted attention as a power source for small electronic devices. Specifically, the energy harvesting material is a device that collects and discards energy discarded by various principles such as piezoelectric, photovolataic, and thermoelectric and converts it into electrical energy.

특히 압전 에너지 하베스팅 소자는 인간의 움직임과 같은 기계적 에너지를 전기에너지로 변환하고 저장하는 것으로, 주변 기후나 지형 등에 제한이 없고, 초소형 장치로도 구현이 가능하여 특히 관심을 받고 있다. 나아가 압전 에너지 하베스팅 소자(이하 압전소자라 함)는 소형으로 제조하여 휴대기기 등의 자체 전원으로 이용할 수 있으며, 나아가 압전 소자를 유연한 소자로 형성하여 사용처를 확대하고자 하는 시도가 계속되고 있다. In particular, the piezoelectric energy harvesting device converts and stores mechanical energy, such as human movement, into electrical energy, and has no particular limitation because it is not limited to the surrounding climate or the terrain and can be implemented as a micro device. Furthermore, piezoelectric energy harvesting elements (hereinafter referred to as piezoelectric elements) can be manufactured in a small size and used as a power source for portable devices. Further, attempts have been made to expand the applications by forming piezoelectric elements into flexible elements.

고성능의 유연 압전소자를 구현하기 위해서는 결정성 있는 압전물질을 나노구조로 형성하는 단계를 포함한다. 그러나, 유연 기판을 이용하고자 하는 경우 압전 소자의 열처리 온도에 한계가 있다. 이러한 한계를 극복하기 위하여 결정화된 강유전물질을 폴리머와 혼합하여 유연 압전소자를 제조하는 기술이 개발되어 있으나, 이러한 경우 유연 압전소자 내부에 결정화된 강유전 물질이 무작위로 배치됨에 따라, 압전 분극의 정렬이 어려우며 제조되는 압전소자의 신뢰성이 떨어지는 문제점이 있다. In order to realize a high performance flexible piezoelectric element, the method includes forming a crystalline piezoelectric material into a nanostructure. However, when the flexible substrate is to be used, there is a limit in the heat treatment temperature of the piezoelectric element. In order to overcome this limitation, a technique for manufacturing a flexible piezoelectric element by mixing a crystallized ferroelectric material with a polymer has been developed. In this case, as the crystallized ferroelectric material is randomly disposed inside the flexible piezoelectric element, the alignment of the piezoelectric polarization is changed. It is difficult and there is a problem that the reliability of the piezoelectric element manufactured is poor.

대한민국 등록특허 10-1738983호Republic of Korea Patent Registration 10-1738983

본 발명은 강유전물질을 포함하는 졸을 도포하여 패턴을 형성하고, 패턴이 형성된 후 자외선 조사를 통하여 결정을 형성함으로써, 결정성의 강유전물질층을 형성하고, 일정한 배열의 결정형 강유전물질을 포함하여 저온의 열처리로도 신뢰성이 우수한 유연 압전소자 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. The present invention forms a pattern by applying a sol containing a ferroelectric material, and after the pattern is formed to form a crystal through ultraviolet irradiation, to form a layer of crystalline ferroelectric material, including a constant array of crystalline ferroelectric material of low temperature An object of the present invention is to provide a flexible piezoelectric element manufacturing method having excellent reliability even by heat treatment.

본 발명에 의한 유연 압전소자 제조방법은 기판 상에 강유전물질을 포함하는 졸을 코팅하여 코팅층을 형성하는 단계;Flexible piezoelectric device manufacturing method according to the present invention comprises the steps of coating a sol containing a ferroelectric material on the substrate to form a coating layer;

상기 코팅층에 나노 임프린트법을 이용하여 패턴을 형성하는 패턴형성단계; 및 A pattern forming step of forming a pattern on the coating layer using a nano imprint method; And

상기 패턴 상에 자외선을 조사하여 결정형 강유전물질층을 제조하는 경화단계;를 포함한다.And a curing step of manufacturing a crystalline ferroelectric material layer by irradiating ultraviolet rays on the pattern.

본 발명의 일 실시예에 의한 유연 압전소자 제조방법에서 상기 패턴은 상기 강유전물질을 포함하는 졸의 전부 또는 일부가 돌출된 형상인 것을 특징으로 할 수 있다. In the flexible piezoelectric device manufacturing method according to an embodiment of the present invention, the pattern may be characterized in that all or part of the sol containing the ferroelectric material protrudes.

본 발명의 일 실시예에 의한 유연 압전소자 제조방법에서 상기 코팅층의 두께는 30 내지 800 ㎚일 수 있다. In the flexible piezoelectric device manufacturing method according to an embodiment of the present invention, the thickness of the coating layer may be 30 to 800 nm.

본 발명의 일 실시예에 의한 유연 압전소자 제조방법에서 상기 강유전물질을 포함하는 졸은 강유전물질을 2 내지 20 중량% 포함할 수 있다. In the flexible piezoelectric device manufacturing method according to an embodiment of the present invention, the sol including the ferroelectric material may include 2 to 20% by weight of the ferroelectric material.

본 발명의 일 실시예에 의한 유연 압전소자 제조방법에서 상기 결정형 강유전물질층은 엑스선 회전 측정에 의한 2θ 값이 22.2 ± 0.3° 및 31.5 ± 0.3°에서 동시에 피크를 나타낼 수 있다. In the method of manufacturing a flexible piezoelectric device according to an embodiment of the present invention, the crystalline ferroelectric material layer may exhibit peaks at 22.2 ± 0.3 ° and 31.5 ± 0.3 ° by 2θ values by X-ray rotation measurement.

본 발명의 일 실시예에 의한 유연 압전소자 제조방법에서 상기 결정형 강유전물질층에 있어서, 22.2 ± 0.3° 에서 나타나는 피크는 31.5 ± 0.3°에서 나타나는 피크 대비 강도(intensity)가 1.2 내지 4배일 수 있따. In the method of manufacturing a flexible piezoelectric element according to an embodiment of the present invention, in the crystalline ferroelectric material layer, a peak appearing at 22.2 ± 0.3 ° may be 1.2 to 4 times the intensity of the peak at 31.5 ± 0.3 °.

본 발명의 일 실시예에 의한 유연 압전소자 제조방법에서 상기 결정형 강유전물질층에 포함된 결정은 동일한 방향으로 배열된 결정을 포함할 수 있다. In the flexible piezoelectric device manufacturing method according to an embodiment of the present invention, the crystals included in the crystalline ferroelectric material layer may include crystals arranged in the same direction.

본 발명의 일 실시예에 의한 유연 압전소자 제조방법에서 상기 강유전물질을 포함하는 졸은 티탄산바륨, 티탄산납, 티탄산 지르콘산 납(PZT), 산화아연, 질화알루미늄, 황화카드뮴, 비스무스 철 산화물 및 탄화실리콘에서 선택되는 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있다. In the flexible piezoelectric device manufacturing method according to an embodiment of the present invention, the sol including the ferroelectric material is barium titanate, lead titanate, lead zirconate titanate (PZT), zinc oxide, aluminum nitride, cadmium sulfide, bismuth iron oxide, and carbonization. It may include one or two or more selected from silicon.

본 발명은 본 발명의 일 실시예에 의한 유연 압전소자 제조방법으로 제조된 유연 압전소자를 제공한다. The present invention provides a flexible piezoelectric element manufactured by a method of manufacturing a flexible piezoelectric element according to an embodiment of the present invention.

본 발명은 상기 유연 압전소자의 양면에 형성된 전극을 포함하는 압전 나노발전기를 제공한다. The present invention provides a piezoelectric nanogenerator including electrodes formed on both sides of the flexible piezoelectric element.

본 발명은 강유전물질을 포함하는 졸을 코팅하고 압전소자의 형상으로 패턴을 형성한 뒤, 자외선 조사를 통화여 결정화함으로써, 일정한 배열의 결정형 강유전물질층을 형성하여 신뢰성이 매우 우수하며, 제조 단계가 현저히 간소화 되고, 열처리를 필요로 하지 않으므로 바로 유연 기판상에 별도의 전사 없이 바로 유전물질층을 형성할 수 있는 장점이 있다. The present invention coats a sol containing a ferroelectric material and forms a pattern in the shape of a piezoelectric element, and then crystallizes by ultraviolet irradiation, thereby forming a layer of crystalline ferroelectric material in a certain arrangement, very excellent reliability, and the manufacturing step Since it is significantly simplified and does not require heat treatment, there is an advantage in that the dielectric material layer can be directly formed on the flexible substrate without additional transfer.

도 1은 본 발명의 실시예에 의한 유연 압전소자 제조방법의 수행 단계를 대략적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 유연 압전소자를 주사전자현미경으로 촬영하고 이를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 유연 압전소자의 결정성 확인을 위하여 투과전자현미경을 통해 촬영하고 이를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 압전 나노발전기에서 자외선 처리 유무에 의한 압전 나노 발전기의 출력을 전압과 전류를 통하여 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 의해 제조된 압전 나노발전기의 부위별 출력을 측정하고 이를 도시한 것이다.
1 is a view schematically showing an implementation step of a method of manufacturing a flexible piezoelectric element according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a flexible piezoelectric element according to an embodiment of the present invention is photographed and shown by a scanning electron microscope.
3 is photographed through a transmission electron microscope to confirm the crystallinity of the flexible piezoelectric element according to an embodiment of the present invention and shows this.
4 illustrates the output of the piezoelectric nanogenerator with or without UV treatment in the piezoelectric nanogenerator according to the embodiment of the present invention through voltage and current.
Figure 5 measures the output of each part of the piezoelectric nanogenerator manufactured by the embodiment of the present invention and shows it.

이하 본 발명에 따른 유연 압전소자 제조방법에 대해 상세히 설명한다. 이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다. Hereinafter, a method of manufacturing a flexible piezoelectric element according to the present invention will be described in detail. In this case, unless there is another definition in the technical terms and scientific terms used, it has the meaning that is commonly understood by those of ordinary skill in the art, unnecessarily obscure the subject matter of the present invention in the following description Description of known functions and configurations that may be omitted.

본 발명은 기판 상에 강유전물질을 포함하는 졸을 코팅하여 코팅층을 형성하는 단계;The present invention comprises the steps of coating a sol comprising a ferroelectric material on the substrate to form a coating layer;

상기 코팅층에 나노 임프린트법을 이용하여 패턴을 형성하는 패턴형상단계; 및 A pattern shape step of forming a pattern on the coating layer using a nano imprint method; And

상기 패턴 상에 자외선을 조사하여 결정형 강유전물질층을 제조하는 경화단계;를 포함하는 유연 압전소자 제조방법에 관한 것이다. It relates to a flexible piezoelectric device manufacturing method comprising a; curing step of manufacturing a crystalline ferroelectric material layer by irradiating ultraviolet rays on the pattern.

본 발명에 의한 유연 압전소자 제조방법은 유연 압전소자에 필수적인 유연 기판의 사용을 위하여 열처리 단계를 배제하면서도, 압전소자의 형상을 형성한 뒤 자외선을 조사하여 경화함으로써 일정한 배열을 갖는 결정형 강유전물질층을 얻을 수 있는 장점이 있다.The method for manufacturing a flexible piezoelectric element according to the present invention eliminates a heat treatment step for use of a flexible substrate which is essential for a flexible piezoelectric element, and forms a shape of the piezoelectric element and then cures it by irradiating ultraviolet rays to form a crystalline ferroelectric material layer having a predetermined arrangement. There is an advantage that can be obtained.

구체적으로, 본 발명에 의한 유연 압전소자 제조방법은 강유전 물질을 포함하는 졸을 이용하고 이를 경화함으로써, 성형이 용이하고, 나노 임프린트 법을 이용하여 균일한 형상 및 배치를 갖는 패턴을 형성할 수 있는 장점이 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 의한 결정형 강유전물질층에 포함된 결정은 동일한 방향으로 배열되어 있을 수 있다. 이에 따라, 배향성을 향상시키기 위한 별도의 물질 첨가를 필요로 하지 않으므로, 첨가물의 최소화를 통하여 제조되는 유연 압전소자의 압전특성을 현저히 향상시킬 수 있는 장점이 있다.Specifically, the method for manufacturing a flexible piezoelectric element according to the present invention uses a sol containing a ferroelectric material and hardens it, thereby easily forming and forming a pattern having a uniform shape and arrangement using a nanoimprint method. There is an advantage. That is, the crystals included in the crystalline ferroelectric material layer according to an embodiment of the present invention may be arranged in the same direction. Accordingly, since it is not necessary to add a separate material to improve the orientation, there is an advantage that can significantly improve the piezoelectric properties of the flexible piezoelectric element manufactured by minimizing the additives.

나아가, 강유전물질을 포함하는 졸 내부에 균일한 분포를 갖는 강유전 물질을 포함함으로써, 종래 입자물질과 바인더를 혼합하는 경우 발생할 수 있는 입자물질의 쏠림 또는 비균질화 현상을 원천적으로 차단할 수 있는 장점이 있으며, 이에 따라 신뢰성 높은 유연 압전소자를 제조할 수 있는 장점이 있다.In addition, by including a ferroelectric material having a uniform distribution in the sol containing a ferroelectric material, there is an advantage that can be fundamentally prevented from pulling or disproportionation of the particle material that may occur when mixing the conventional particle material and the binder. Therefore, there is an advantage that can manufacture a flexible flexible piezoelectric element.

본 발명의 일 실시예에 의한 유연 압전소자 제조방법에서 상기 패턴은 상기 강유전물질을 포함하는 졸의 전부 또는 일부가 돌출된 형상일 수 있다. 이러한 돌출 형상에 의하여 외부에서 가해지는 압력을 효율적으로 전기에너지로 전환할 수 있다. 좋게는 이러한 돌출형상은 단면이 원기둥 또는 다각기둥을 포함하는 필라(pilla) 형상일 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 나아가 상술한 돌출된 형상의 패턴을 형성하기 위하여 나노 임프린트(nano imprint)법에 이용되는 몰드(mold)는 음각으로 형성된 것일 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.In the flexible piezoelectric device manufacturing method according to an embodiment of the present invention, the pattern may have a shape in which all or part of the sol including the ferroelectric material protrudes. By this projecting shape, the pressure applied from the outside can be efficiently converted into electrical energy. Preferably, the protruding shape may be a pillar shape including a cylinder or a polygonal cross section, but the present invention is not limited thereto. Further, the mold used in the nano imprint method to form the above-described protruding pattern may be formed in an intaglio, but the present invention is not limited thereto.

더 나아가, 상기 패턴을 기판과 수평방향으로 절단한 경우의 단면적, 즉 패턴이 형성하는 면적은 전체 코팅층의 면적 대비 10 내지 60%, 더욱 구체적으로는 15 내지 50% 일 수 있으며, 이러한 범위에서 패턴간 지나친 인접에 의하여 압력 인가 시 발생할 수 있는 필라 간 불필요한 상호작용을 예방하면서도, 인가되는 압력의 균일한 분산을 통하여 넓은 면적에서 전력 생산이 가능하며, 이에 따라 전력생산 효율을 더욱 높일 수 있는 장점이 있다. 아울러, 상기 패턴을 기판과 수평방향으로 절단한 경우 형성되는 단일 패턴의 단면은 지름이 30 내지 500 ㎚, 구체적으로는 50 내지 400 ㎚일 수 있으며, 이러한 범위에서 균일한 형상의 필라 형성이 가능하면서도 필라 형상 형성에 의한 전력생산 효율 향상효과를 극대화 할 수 있는 장점이 있다. Furthermore, when the pattern is cut in the horizontal direction with the substrate, that is, the area formed by the pattern may be 10 to 60%, more specifically 15 to 50% of the area of the entire coating layer. It prevents unnecessary interaction between the pillars due to excessive closeness, and enables power generation in a large area through the uniform distribution of applied pressures, thereby increasing power generation efficiency. have. In addition, the cross section of a single pattern formed when the pattern is cut in the horizontal direction with the substrate may have a diameter of 30 to 500 nm, specifically, 50 to 400 nm, while forming a pillar having a uniform shape in such a range. There is an advantage that can maximize the effect of improving the power production efficiency by forming the pillar shape.

본 발명의 일 실시예에 의한 유연 압전소자 제조방법에서, 상기 결정형 강유전물질층의 높이는 30 내지 800 ㎚, 구체적으로는 100 내지 700 ㎚일 수 있으며, 이러한 범위에서 제조되는 유연 압전소자의 유연성 저하를 방지하면서도 높은 전력생산효율을 나타낼 수 있는 장점이 있다. 더 나아가, 상기 패턴의 높이는 상기 결정형 강유전물질층 전체 높이 대비 80% 이상, 구체적으로는 85 내지 99%일 수 있으며, 도포된 강유전물질층의 대부분이 패턴에 포함됨으로써, 강유전물질층의 두께 대비 전력 생산 효율이 저하되는 문제를 예방할 수 있다. In the method of manufacturing a flexible piezoelectric element according to an embodiment of the present invention, the height of the crystalline ferroelectric material layer may be 30 to 800 nm, specifically, 100 to 700 nm, thereby reducing the flexibility of the flexible piezoelectric element manufactured in this range. There is an advantage that can exhibit high power production efficiency while preventing. Further, the height of the pattern may be 80% or more, specifically, 85 to 99% of the total height of the crystalline ferroelectric material layer, and since most of the applied ferroelectric material layers are included in the pattern, power of the thickness of the ferroelectric material layer The problem of a decrease in production efficiency can be prevented.

나아가 상기 강유전물질을 포함하는 졸에 포함된 강유전물질은 통상적으로 에너지 하베스팅 소자, 구체적으로는 압전소자에 이용되는 물질인 경우 제한없이 이용이 가능하다. 구체적이고 비한정적인 일예로 상기 강유전물질을 포함하는 졸은 티탄산바륨, 티탄산납, 티탄산 지르콘산 납(PZT), 산화아연, 질화알루미늄, 황화카드뮴, 비스무스 철 산화물 및 탄화실리콘에서 선택되는 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있으며, 더욱 좋게는 티탄산바륨을 포함할 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. Furthermore, the ferroelectric material contained in the sol containing the ferroelectric material may be used without limitation in the case of a material generally used in an energy harvesting device, specifically, a piezoelectric device. As a specific and non-limiting example, the sol containing the ferroelectric material is one or two selected from barium titanate, lead titanate, lead zirconate titanate (PZT), zinc oxide, aluminum nitride, cadmium sulfide, bismuth iron oxide, and silicon carbide. It may include the above, and more preferably may include barium titanate, but the present invention is not limited thereto.

구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 의한 유연 압전소자 제조방법에서, 강유전물질을 포함하는 졸이 티탄산바륨(BaTiO3)를 포함하는 경우, 상기 결정형 강유전물질층은 엑스선 회절 측정에 의한 2θ 값이 22.2 ± 0.3° 및 31.5 ± 0.3°에서 동시에 피크를 나타내는 것을 특징으로 할 수 있다. 더 나아가, 본 발명의 일 실시예에 의한 유연 압전소자 제조방법에서, 상기 결정형 강유전물질층의 엑스선 회절 측정에 의한 22.2 ± 0.3° 에서 나타나는 피크는 31.5 ± 0.3°에서 나타나는 피크 대비 강도(intensity)가 1.2 내지 4배, 구체적으로는 2 내지 3.5배일 수 있다.Specifically, in the flexible piezoelectric device manufacturing method according to an embodiment of the present invention, when the sol containing ferroelectric material includes barium titanate (BaTiO 3 ), the crystalline ferroelectric material layer has a 2θ value by X-ray diffraction measurement. Peaks at 22.2 ± 0.3 ° and 31.5 ± 0.3 ° simultaneously. Furthermore, in the method of manufacturing a flexible piezoelectric element according to an embodiment of the present invention, the peak appearing at 22.2 ± 0.3 ° by X-ray diffraction measurement of the crystalline ferroelectric material layer has a peak contrast intensity at 31.5 ± 0.3 °. 1.2 to 4 times, specifically 2 to 3.5 times.

본 발명의 일 실시예에 의한 유연압전소자 제조방법에서 상기 강유전물질을 포함하는 졸은 강유전물질을 30 내지 60 중량%, 도핑금속 화합물을 10 내지 20 중량%, 용매 20 내지 40 중량% 및 개시제 2 내지 10 중량%를 포함할 수 있다.In the flexible piezoelectric device manufacturing method according to an embodiment of the present invention, the sol including the ferroelectric material is 30 to 60% by weight of the ferroelectric material, 10 to 20% by weight of the doped metal compound, 20 to 40% by weight of the solvent and the initiator 2 To 10% by weight.

이러한 범위에서 나노 임프린트법에 의한 패턴 형성 시 형성된 패턴을 경화단계 까지 유지할 수 있으며, 지나치게 높은 점도에 의하여 코팅층 형성 시 또는 패턴 형성 시 기포가 포함되거나 패턴 형성에 지나치게 많은 에너지가 소요되는 문제를 예방할 수 있다. In this range, the pattern formed when the pattern is formed by the nanoimprint method can be maintained until the curing step, and by the excessively high viscosity, it is possible to prevent a problem in which bubbles are included in the formation of the coating layer or when the pattern is formed or excessive energy is required for the pattern formation. have.

이때 도핑금속 화합물은 티타늄 또는 철 등의 전이금속을 포함하는 화합물일 수 있으며, 이러한 도핑금속의 포함으로 유연 압전소자의 출력을 더욱 향상시킬 수 있다. 또한, 용매는 탄소수 1 내지 7의 알코올 및 탄소수 2 내지 8의 케톤에서 선택되는 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있으며, 좋게는 이들의 혼합용매를 이용할 수 있으나 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. In this case, the doping metal compound may be a compound including a transition metal such as titanium or iron, and the inclusion of the doping metal may further improve the output of the flexible piezoelectric element. In addition, the solvent may include one or two or more selected from alcohols having 1 to 7 carbon atoms and ketones having 2 to 8 carbon atoms, and preferably a mixed solvent thereof may be used, but the present invention is not limited thereto.

또한 개시제는 통상적으로 개시제로 알려진 화합물인 경우 제한없이 이용이 가능하나, 구체적으로 광개시제를 이용할 수 있으며, 더욱 구체적으로는 아닐린계 개시제 또는 하이드록실계 개시제를 포함할 수 있으며, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. In addition, an initiator may be used without limitation in the case of a compound known as an initiator, and specifically, a photoinitiator may be used, and more specifically, may include an aniline-based initiator or a hydroxyl-based initiator, and the present invention is limited thereto. It is not.

본 발명의 일 실시예에 의한 유연 압전소자 제조방법에서, 상기 경화단계는 자외선을 조사하여 강유전물질의 결정화를 수행할 수 있는 범위인 경우 제한없이 적용이 가능하다. 구체적이고 비한정적인 일예로 200 내지 600 ㎚, 구체적으로는 250 내지 500 ㎚ 파장 범위의 자외선을 0.2 분 내지 20분 동안 조사하여 결정화를 수행할 수 있다. 이때 인가되는 자외선의 에너지 밀도는 10 내지 500 mW/cm2, 구체적으로는 20 내지 100 mW/cm2일 수 있으나, 강유전물질의 종류, 강유전물질층의 두께 등에 따라 적절히 선택될 수 있음은 물론이다. 나아가, 조사되는 자외선의 조사량은 결정화하고자 하는 강유전물질의 종류 및 두께 등에 따라 달라질 수 있으나, 구체적이고 비한정적인 일예로 10 내지 500 W.sec/㎡일 수 있으며, 상술한 범위에서 기판과 접하고 있는 강유전물질 까지 결정화가 가능하면서도, 지나치게 강한 에너지에 의해 제조되는 압전소자의 손상 또는 변성을 예방하고, 압전소자의 생산에 불필요한 에너지를 소모하는 문제를 예방할 수 있다. In the method of manufacturing a flexible piezoelectric element according to an embodiment of the present invention, the curing step may be applied without limitation in the case where the crystallization of the ferroelectric material is performed by irradiating ultraviolet rays. As a specific and non-limiting example, crystallization may be performed by irradiating ultraviolet rays in a wavelength range of 200 to 600 nm, specifically, 250 to 500 nm for 0.2 to 20 minutes. In this case, the energy density of the applied ultraviolet light may be 10 to 500 mW / cm 2 , specifically 20 to 100 mW / cm 2 , but may be appropriately selected according to the type of ferroelectric material and the thickness of the ferroelectric material layer. . In addition, the irradiation amount of ultraviolet light may vary depending on the type and thickness of the ferroelectric material to be crystallized, but as a specific and non-limiting example may be 10 to 500 W.sec / ㎡, and the contact with the substrate in the above range Crystallization to ferroelectric materials is possible, but damage or degeneration of the piezoelectric element manufactured by excessively strong energy can be prevented, and problems of consuming unnecessary energy for the production of the piezoelectric element can be prevented.

본 발명의 일 실시예에 의한 유연 압전소자 제조방법은 상기 패턴형성단계 후 경화단계 전, 패턴이 형성된 강유전물질을 포함하는 졸을 열처리하는 열처리단계를 더 포함할 수 있다. 이러한 열처리를 통하여 강유전물질을 포함하는 졸을 겔화할 수 있으며, 이를 통해 형성된 패턴이 경화시 까지 유지될 수 있도록 할 수 있다. 나아가, 패턴을 형성하는 방법으로 강유전물질을 포함하는 졸을 열처리하고, 이를 경화하는 단계를 포함함으로써, 강유전물질이 고르게 분포되며, 일정한 배열을 갖는 강유전물질층의 형성이 가능한 장점이 있다. The method of manufacturing a flexible piezoelectric element according to an embodiment of the present invention may further include a heat treatment step of heat treating a sol including a ferroelectric material having a pattern formed thereon after the pattern forming step and before the curing step. Through this heat treatment it is possible to gel the sol containing the ferroelectric material, it is possible to maintain the formed pattern until curing through this. Furthermore, by including a step of heat-treating the sol containing the ferroelectric material in a method of forming a pattern, and curing the sol, the ferroelectric material is evenly distributed, there is an advantage that the formation of a ferroelectric material layer having a constant arrangement.

이때, 열처리단계는 유연 기판이 손상되지 않는 온도 범위에서 강유전물질을 포함하는 졸의 겔화가 가능한 범위인 경우 제한이 없으며, 구체적이고 비한정적인 일예로 70 내지 150 ℃, 더욱 구체적으로는 90 내지 140 ℃일 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.At this time, the heat treatment step is not limited in the range in which the sol including the ferroelectric material can be gelled in a temperature range in which the flexible substrate is not damaged, as a specific and non-limiting example 70 to 150 ℃, more specifically 90 to 140 It may be ℃, but the present invention is not limited thereto.

본 발명의 일 실시예에 의한 유연 압전소자 제조방법은 상기 경화단계 후, 경화된 강유전물질층을 전기장에서 처리하는 폴링단계를 더 포함할 수 있다. 이러한 폴링단계를 포함함으로써 형성된 결정을 더욱 성장시켜, 더욱 높은 출력의 유연 압전소자를 제조할 수 있는 장점이 있다. 구체적으로, 상기 폴링단계에서 인가되는 전기장은 50 내지 500 kV/㎝, 더욱 구체적으로는 80 내지 200 kV/㎝일 수 있으며, 이러한 범위에서 결정의 성장을 촉진함과 동시에 유연 압전소자의 제조 시 지나치게 많은 에너지를 소요하는 문제를 예방할 수 있다. 나아가 이러한 폴링단계는 3 내지 50 시간, 더욱 구체적으로는 5 내지 30 시간 동안 수행될 수 있으나, 이는 유연 압전소자에 포함된 강유전물질의 종류에 따라 달라질 수 있음은 물론이다. The flexible piezoelectric device manufacturing method according to an embodiment of the present invention may further include a polling step of treating the cured ferroelectric material layer in an electric field after the curing step. The growth of the crystals formed by including the polling step, there is an advantage that can produce a flexible piezoelectric element of a higher output. Specifically, the electric field applied in the polling step may be from 50 to 500 kV / cm, more specifically from 80 to 200 kV / cm, while promoting the growth of the crystal in this range and at the same time excessive production of the flexible piezoelectric element This can prevent problems that require a lot of energy. Furthermore, the polling step may be performed for 3 to 50 hours, more specifically, 5 to 30 hours, but this may vary depending on the type of ferroelectric material included in the flexible piezoelectric element.

본 발명은 또한 본 발명의 일 실시예에 의한 제조방법으로 제조된 유연 압전소자 및 이를 포함하는 압전 나노발전기를 제공한다. 본 발명에 의한 유연 압전소자는 열처리 없이 유연 기판 위에 바로 결정형 강유전물질층의 형성이 가능한 장점이 있으며, 이에 의하여 강유전물질층의 전사 등으로 발생할 수 있는 문제점을 예방할 수 있는 장점이 있다. 나아가, 별도로 강유전물질의 배열을 일정 방향으로 형성하기 위한 첨가제를 필요로 하지 않으므로, 결과적으로 제조되는 압전 나노발전기의 출력을 더욱 향상시킬 수 있는 장점이 있다. The present invention also provides a flexible piezoelectric element manufactured by the manufacturing method according to an embodiment of the present invention and a piezoelectric nanogenerator including the same. The flexible piezoelectric element according to the present invention has the advantage that the crystalline ferroelectric material layer can be formed directly on the flexible substrate without heat treatment, thereby preventing the problems that may occur due to the transfer of the ferroelectric material layer. Furthermore, since there is no need for an additive for forming an array of ferroelectric materials in a predetermined direction, there is an advantage of further improving the output of the resulting piezoelectric nanogenerator.

이하, 본 발명을 실시예에 의해 구체적으로 설명한다. 아래에서 설명하는 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 아래에서 설명하는 실시예에 의해 제한되지 않는다. Hereinafter, an Example demonstrates this invention concretely. The embodiments described below are merely to aid the understanding of the present invention, and the present invention is not limited to the embodiments described below.

[실시예 1]Example 1

5 × 5 ㎝ 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 기판위에 두께 100 ㎚의 ITO 박막을 스퍼터링 방법을 통해 형성하고, 형성된 ITO박막 상에 BaTiO3 졸을 4,000rpm으로 30초간 스핀코팅하여 약 1500 ㎚ 두께의 코팅층을 형성하였다. A 100 nm thick ITO thin film was formed on a 5 × 5 cm polyethylene terephthalate (PET) substrate by sputtering, and a BaTiO 3 sol was spin-coated at 4,000 rpm for 30 seconds on the formed ITO thin film to obtain a coating layer having a thickness of about 1500 nm. Formed.

이때 BaTiO3 졸은 바륨하이드록시옥타하이드레이트(Ba(OH)2·8H2O,95.0%) : 티타늄(IV) 부톡사이드(Ti(OCH2CH2CH2CH3)4,97%) : 철(III)니트레이트노나하이드레이트(FeNO3·9H2O,98.5%)를 1:0.98:0.02의 몰비로 혼합금속을 제조하고, 이를 아세톤과 에탄올이 1:1의 비율로 혼합된 혼합용매를 혼합한 뒤, 에이징을 통해 겔화된 것을 이용하였다. 이때 혼합금속 : 혼합용매는 부피기준으로 1 : 1로 혼합하였다. The BaTiO 3 sol barium hydroxy octa hydrate (Ba (OH) 2 · 8H 2 O, 95.0%): titanium (IV) butoxide (Ti (OCH 2 CH 2 CH 2 CH 3) 4, 97%): iron (III) Nitrate nonahydrate (FeNO 3 · 9H 2 O, 98.5%) was prepared in a molar ratio of 1: 0.98: 0.02, and a mixed solvent in which acetone and ethanol were mixed at a ratio of 1: 1 was mixed. After that, the gelled through aging was used. At this time, the mixed metal: mixed solvent was mixed 1: 1 by volume.

형성된 코팅층 상에 원기둥 형상으로 패터닝 된 PDMS(polydimethylsiloxane, Sylgard, 184 Silicon elastomer) 몰드를 이용하여 코팅층에 패턴을 형성한다. 이때 패턴은 높이 300 ㎚, 단일 패턴의 단면에서 지름이 150 ㎚이며, 50 mm × 50 mm 기판에 패턴이 균일하게 분포하도록 형성하였다. 패턴이 형성된 바륨티타네이트 졸을 130 ℃에서 5 시간 열처리하여 겔화를 수행하였다. The pattern is formed on the coating layer by using a PDMS (polydimethylsiloxane, Sylgard, 184 Silicon elastomer) mold patterned in a cylindrical shape on the formed coating layer. At this time, the pattern is 300 nm in height, 150 nm in diameter in the cross section of a single pattern, and was formed such that the pattern is uniformly distributed on a 50 mm x 50 mm substrate. The patterned barium titanate sol was heat-treated at 130 ° C. for 5 hours to conduct gelation.

겔화된 패턴에 에너지밀도 40 mW/cm2, 365 ㎚ 파장의 자외선을 2 분간 조사하여 결정화를 수행하고, 100 kV/cm의 전기장을 10시간 동안 인가하여 유연 압전소자를 제조하였다. Crystallization was performed by irradiating the gelled pattern with ultraviolet light having an energy density of 40 mW / cm 2 and a wavelength of 365 nm for 2 minutes, and a flexible piezoelectric device was manufactured by applying an electric field of 100 kV / cm for 10 hours.

이후, 제조된 유연 압전소자 상에 접착제 PDMS 폴리머 액체 용액을 이용하여 ITO (100 nm)가 코팅된 PET 전극을 부착하여 압전 나노발전기를 제조하였다. Subsequently, a piezoelectric nanogenerator was manufactured by attaching a PET electrode coated with ITO (100 nm) using an adhesive PDMS polymer liquid solution on the manufactured flexible piezoelectric element.

[비교예 1]Comparative Example 1

실시예 1의 제조과정 중, 자외선 조사를 통한 결정화 과정만을 제외하고 상온에서 건조하여 압전소자를 제조하고, 이후 실시예 1과 같이 전극을 부착하여 압전 나노발전기를 제조하였다.In the manufacturing process of Example 1, except for the crystallization process through ultraviolet irradiation to dry at room temperature to produce a piezoelectric device, and then attached to the electrode as in Example 1 to prepare a piezoelectric nanogenerator.

[비교예 2]Comparative Example 2

PET 기판위에 실시예 1의 BaTiO3 졸을 300 ㎚ 두께로 도포하고 상온에서 건조하여 압전소자를 제조하고, 이후 실시예 1과 같이 전극을 부착하여 압전 나노발전기를 제조하였다.BaTiO 3 sol of Example 1 was applied to a PET substrate with a thickness of 300 nm and dried at room temperature to prepare a piezoelectric device. Then, the electrode was attached as in Example 1 to prepare a piezoelectric nanogenerator.

유연 압전소자의 형상 및 결정 생성여부 확인Check shape and crystal formation of flexible piezoelectric element

실시예 1에 의해 제조된 유연 압전소자를 주사전자현미경을 통해 촬영하고, 이를 도 2로 나타내었으며, 비교예 1(좌)에 의한 유연 압전소자 및 실시예 1(우)에 의한 유연 압전소자를 투과전자현미경을 통해 촬영하고 이를 도 3으로 나타내었다. The flexible piezoelectric element manufactured according to Example 1 was photographed through a scanning electron microscope, and this is illustrated in FIG. 2. The flexible piezoelectric element according to Comparative Example 1 (left) and the flexible piezoelectric element according to Example 1 (right) were photographed. It was taken through a transmission electron microscope and shown in FIG.

도 2를 참고하면, 본 발명의 실시예에 의해 제조된 유연 압전소자가 일정하게 배열된 균일한 형상의 나노 필라를 포함함을 확인할 수 있다. Referring to Figure 2, it can be seen that the flexible piezoelectric element manufactured according to the embodiment of the present invention includes a nano-pillar of uniformly arranged uniformly.

도 3을 참고하면, 자외선 처리 전(비교예 1)의 경우 무정형으로 확인되나, 자외선 처리 후(실시예 1)의 경우 결정형이 나타남을 확인할 수 있으며, 더 나아가 균일한 방향으로 배열된 결정을 포함함을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 3, it can be confirmed that the amorphous form before the ultraviolet treatment (Comparative Example 1), but the crystal form appears after the ultraviolet treatment (Example 1), and further includes crystals arranged in a uniform direction. Can be confirmed.

자외선 처리에 의한 압전소자 발전기의 출력향상 확인Confirmation of output improvement of piezoelectric element generator by UV treatment

실시예 및 비교예에 의해 제조된 압전 나노발전기에 push machine을 이용하여 0.3 MPa의 동일한 압력을 인가할 때 전압 및 전류밀도 측정하고 이를 도 4로 나타내었다. 도 4에서 non-poled는 비교예 2, poled 는 비교예 1, UV-treated&Poled는 실시예 1을 의미한다.Voltage and current density were measured when the same pressure of 0.3 MPa was applied to the piezoelectric nanogenerators manufactured by Examples and Comparative Examples using a push machine. In Figure 4, non-poled means Comparative Example 2, poled means Comparative Example 1, and UV-treated & Poled Example 1.

도 4를 참조하면, 비교예 2의 경우 전류 및 전압 측면에서 거의 출력이 나타나지 않음을 확인할 수 있으며, 비교예 1의 경우 일정 수준의 출력이 나타나지만, 실시예 대비 현저히 낮은 전압 및 전류밀도를 나타냄을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 4, it can be seen that in Comparative Example 2, there is almost no output in terms of current and voltage, and in Comparative Example 1, although a certain level of output is shown, it shows a significantly lower voltage and current density than the example. You can check it.

제조된 압전 나노발전기의 출력 균일성 확인Check output uniformity of manufactured piezoelectric nanogenerator

실시예 1에서 제조된 압전 나노발전기에 있어서, 1 × 1 ㎝ 면적을 임의로 4군데 선택하여 압력을 가하고, 이에 따른 전압 변화를 측정한 뒤 이를 도 5로 나타내었다. In the piezoelectric nanogenerator manufactured in Example 1, an area of 1 × 1 cm was arbitrarily selected at 4 places, and pressure was applied thereto.

도 5를 참조하면, 임의로 선택된 일부분에 압력을 가하더라도 균일한 출력을 나타냄을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 5, even when a pressure is arbitrarily selected, a uniform output may be obtained.

Claims (10)

기판 상에 강유전물질을 포함하는 졸을 코팅하여 코팅층을 형성하는 단계;
상기 코팅층에 나노 임프린트법을 이용하여 패턴을 형성하는 패턴형성단계; 및
상기 패턴 상에 자외선을 조사하여 결정형 강유전물질층을 제조하는 경화단계;를 포함하며,
상기 결정형 강유전물질층에 포함된 결정은 동일한 방향으로 배열된 결정을 포함하는 것을 특징으로 하는 유연 압전소자 제조방법.
Coating a sol comprising a ferroelectric material on the substrate to form a coating layer;
A pattern forming step of forming a pattern on the coating layer using a nano imprint method; And
And a curing step of manufacturing a crystalline ferroelectric material layer by irradiating ultraviolet rays on the pattern.
Crystals contained in the crystalline ferroelectric material layer is a flexible piezoelectric device manufacturing method comprising a crystal arranged in the same direction.
제1항에 있어서,
상기 패턴은 상기 강유전물질을 포함하는 졸의 전부 또는 일부가 돌출된 형상인 것을 특징으로 하는 유연 압전소자 제조방법.
The method of claim 1,
The pattern is a flexible piezoelectric device manufacturing method characterized in that the protruding shape of all or part of the sol containing the ferroelectric material.
제1항에 있어서,
상기 결정형 강유전물질층의 높이는 30 내지 800 ㎚인 유연 압전소자 제조방법.
The method of claim 1,
The height of the crystalline ferroelectric material layer is 30 to 800 nm flexible piezoelectric device manufacturing method.
제1항에 있어서,
상기 강유전물질을 포함하는 졸은 강유전물질을 2 내지 20 중량% 포함하는 것인 유연 압전소자 제조방법.
The method of claim 1,
The sol containing the ferroelectric material is a flexible piezoelectric device manufacturing method comprising 2 to 20% by weight of the ferroelectric material.
제1항에 있어서,
상기 결정형 강유전물질층은 엑스선 회전 측정에 의한 2θ 값이 22.2 ± 0.3° 및 31.5 ± 0.3°에서 동시에 피크를 나타내는 유연 압전소자 제조방법.
The method of claim 1,
The crystalline ferroelectric material layer is a flexible piezoelectric element manufacturing method showing a peak at 22.2 ± 0.3 ° and 31.5 ± 0.3 ° by X-ray rotation measurement at the same time.
제5항에 있어서,
상기 결정형 강유전물질층에 있어서, 22.2 ± 0.3° 에서 나타나는 피크는 31.5 ± 0.3° 에서 나타나는 피크 대비 강도(intensity)가 1.2 내지 4배인 유연 압전소자 제조방법.
The method of claim 5,
In the crystalline ferroelectric material layer, the peak appearing at 22.2 ± 0.3 ° is 1.2 to 4 times the intensity (intensity) relative to the peak appearing at 31.5 ± 0.3 °.
삭제delete 제 1항에 있어서,
상기 강유전물질을 포함하는 졸은 티탄산바륨, 티탄산납, 티탄산 지르콘산 납(PZT), 산화아연, 질화알루미늄, 황화카드뮴, 비스무스 철 산화물 및 탄화실리콘에서 선택되는 하나 또는 둘 이상을 포함하는 유연 압전소자 제조방법.
The method of claim 1,
The sol containing the ferroelectric material is a flexible piezoelectric element including one or more selected from barium titanate, lead titanate, lead zirconate titanate (PZT), zinc oxide, aluminum nitride, cadmium sulfide, bismuth iron oxide, and silicon carbide. Manufacturing method.
제1항 내지 제6항 및 제8항 중 어느 한 항의 유연 압전소자 제조방법으로 제조된 유연 압전소자.A flexible piezoelectric element manufactured by the flexible piezoelectric element manufacturing method of any one of claims 1 to 6 and 8. 제9항의 유연 압전소자의 양면에 형성된 전극을 포함하는 압전 나노발전기.The piezoelectric nanogenerator comprising electrodes formed on both sides of the flexible piezoelectric element of claim 9.
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