KR102060538B1 - 천 기반 웨어러블 압전 에너지 하베스터 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
천 기반 웨어러블 압전 에너지 하베스터 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 일 구현예에 따른 천 기반 웨어러블 압전 에너지 하베스터는 서로 대향하여 위치하고 전도성 천을 포함하는 제1 전극 및 제2 전극, 그리고 상기 제1 전극 및 제2 전극 사이에 위치하는 고분자층을 포함하고, 상기 전도성 천은 천, 그리고 금속, 전도성 고분자, 또는 이들의 조합인 전도성 재료를 포함한다. 일 구현예에 따른 천 기반 웨어러블 압전 에너지 하베스터는 유연성이 우수하여 외부 자극(기계적 에너지)에 의한 변형이 용이하며, 이에 따라 인체 움직임을 효과적으로 이용할 수 있는 웨어러블 에너지 하베스터로 적용될 수 있다.
Description
2개의 전도성 천 사이에 고분자층이 개재된 이종구조를 가지는 천 기반 웨어러블 압전 에너지 하베스터 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
최근 들어 스마트폰, 태블릿 PC, PDA (Personal Digital Assistants)와 같은 다양한 웨어러블(wearable) 기기의 사용이 증가함에 따라, 이러한 웨어러블 기기의 휴대성을 손상시키지 않으면서 웨어러블 기기에 간편하게 에너지를 공급할 수 있는 기술이 요구된다.
웨어러블 기기들은 착용하는 동안 인간의 움직임에 계속하여 노출되어 있다. 따라서 인간의 움직임으로부터 에너지를 수확하기 위한 다양한 방식들이 웨어러블 기기의 전력원으로 부각되고 있다. 그 중에서 직접적으로 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환시킬 수 있는 압전 재료 기반의 에너지 하베스터(energy harvester) 기술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 압전 재료란 기계적 변형(strain)을 가하면 압전 재료 내의 분극이 변화하거나 전위차를 가하면 기계적 변형이 일어나는 정압전/역압전 효과를 지닌 물질을 의미한다.
한편 웨어러블 기기에 채용되는 압전 에너지 하베스터는 필름(film), 파이버(fiber), 직물(fabric) 등의 형태일 수 있는데, 특히 직물(천) 형태는 2차원 구조로서 의복 등에 활용되어 인간의 기계적 에너지를 효율적으로 이용할 수 있어 연구가 활발히 진행되고 있다.
그러나, 기존의 2차원 형태의 압전 에너지 하베스터는 적층된 2차원 층들 간에 발생하는 쇼트를 억제하고자 절연층을 구비함에 따라 의복에 적용하기에는 두께가 다소 두껍다는 한계가 있었다. 특히, 나노섬유(nanofiber)로 이루어진 나노웹(nanoweb) 형태의 압전 직물의 경우에는 두께가 두꺼우면서도 기계적 강도 또한 확보하지 못하는 한계가 있었다.
일 구현예는 두께가 얇아 우수한 휴대성을 가지고, 유연성 및 기계적 강도를 동시에 확보하여 웨어러블 소자에 적용하기 용이한 천 기반 웨어러블 압전 에너지 하베스터에 관한 것이다.
다른 일 구현예는 상기 천 기반 웨어러블 압전 에너지 하베스터의 제조방법에 관한 것이다.
일 구현예에 따르면, 서로 대향하여 위치하고 전도성 천을 포함하는 제1 전극 및 제2 전극, 그리고 상기 제1 전극 및 제2 전극 사이에 위치하는 고분자층을 포함하고, 상기 전도성 천은 천, 그리고 금속, 전도성 고분자, 또는 이들의 조합인 전도성 재료를 포함하는 천 기반 웨어러블 압전 에너지 하베스터를 제공한다.
상기 고분자층은 상기 제1 전극 층의 일면 및 상기 제2 전극 층의 일면과 접촉하여 위치할 수 있다.
상기 전도성 천은 상기 천에 존재하는 빈 공간 사이로 상기 전도성 재료가 빠져 나온 형상을 가질 수 있다.
상기 고분자층은 오목한 패턴을 가지고, 상기 제1 전극 및 제2 전극은 각각 볼록한 패턴을 가질 수 있다.
상기 고분자층은 polyvinylidene fluoride (PVDF), poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene) [P(VDF-TrFE)], 또는 이들의 조합인 압전 고분자를 포함할 수 있다.
상기 고분자층은 유연한 고분자인 silicone rubber, polydimethylsiloxane (PDMS), polyvinyl alcohol (PVA), polyethylene (PE), polyethylene terephthalate (PET), polytetrafluoroethylene (PTFE), polyethylene naphthalate (PEN), polycarbonate (PC), polyarylate (PAR), ethylene vinyl acetate (EVA), polyimide (PI), polyamide (PA), 또는 이들의 조합인 유연한 고분자를 포함할 수 있다.
상기 고분자층은 압전 세라믹인 zinc oxide (ZnO), lead zirconate titanate (PZT), lead titanate (PbTiO3), lithium niobate (LiNbO3), potassium niobate (KNbO3), barium titanate (BaTiO3), bismuth ferrite (BiFeO3), carbon 나노튜브(nanotube), carbon 나노파이버(nanofiber), silver 나노와이어(nanowire) 및 silver 나노입자(nanoparticle) 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상을 더 포함할 수 있다.
상기 천은 면(cotton), 실크(silk), 울(wool), 나일론(nylon), polyester, polyvinyl alcohol (PVA), polyethylene (PE), polypropylene (PP), polyethylene terephthalate (PET), polytetrafluoroethylene (PTFE), polycarbonate (PC), polyarylate (PAR), ethylene vinyl acetate (EVA), polyimide (PI) 및 polyamide (PA) 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상일 수 있다.
상기 전도성 고분자는 poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT), poly(p-phenylene sulfide) (PPS), polyaniline (PANI), polypyrrole (PPY) 및 polyacetylene (PAC), poly(3-hexylthiophene) (P3HT), poly(p-phenylene vinylene) (PPV) 및 polythiphene 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상일 수 있다.
상기 금속은 aluminum (Al), copper (Cu), titanium (Ti), gold (Au), silver (Ag), platinum (Pt), nickel (Ni), zinc (Zn), iron (Fe) 및 cobalt (Co) 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상일 수 있다.
상기 제1 전극이 상기 고분자층과 대면하는 면의 반대 쪽 면 위에 제1 보호층을 포함하고, 상기 제2 전극이 상기 고분자층과 대면하는 면의 반대 쪽 면 위에 제2 보호층을 포함할 수 있다.
고분자 조성물을 사용하여 고분자층을 제작하는 단계,
천 위에 금속, 전도성 고분자, 또는 이들의 조합인 전도성 재료가 적용된 전도성 천을 준비하는 단계,
다른 구현예에 따르면, 상기 전도성 천 위에 상기 고분자층을 적층시키고 상기 고분자층 위에 또 다른 전도성 천을 적층시켜 이종구조의 적층체를 제작하는 단계, 상기 이종구조의 적층체를 80 ℃ 내지 120 ℃ 의 온도 및 15 MPa 내지 30 MPa 압력의 조건에서 압착시키는 단계, 상기 이종구조의 적층체를 120 ℃ 내지 160 ℃의 온도에서 열처리하는 단계, 그리고 상기 이종구조의 적층체를 폴링(poling)하는 단계를 포함하는 천 기반 웨어러블 압전 에너지 하베스터 제조방법을 제공한다.
상기 고분자층은 테이프 캐스팅(tape casting) 기법을 이용하여 제작될 수 있다.
상기 전도성 재료는 스프레이 코팅(spray coating), 침지법(dipping method), 전해도금(electroplating), 무전해도금(electroless-plating), 진공열증착(thermal evaporation), 스퍼터링(sputtering), 물리적 증착법(physical vapor deposition), 화학기상증착법(chemical vapor deposition) 또는 원자층 증착법(atomic layer deposition)을 이용하여 상기 천 위에 적용될 수 있다.
상기 이종구조의 적층체를 압착하기 이전에 상기 이종구조의 적층체의 상부 및 하부에 각각 보호층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또 다른 구현예에 따르면, 상술한 천 기반 웨어러블 압전 에너지 하베스터를 포함하는 웨어러블 장치를 제공한다.
일 구현예에 따른 천 기반 웨어러블 압전 에너지 하베스터는 유연성이 우수한 천 소재를 이용하여 제작된 전극 층, 그리고 유연성이 우수한 고분자 소재를 이용하여 제작된 고분자층을 포함하는 이종구조(heterostructure)를 가진다. 이에 따라, 손가락, 팔꿈치, 무릎 등의 인체에서 압력이나 구부림 같은 외부 자극(기계적 에너지)에 의한 변형이 용이하며, 이에 따라 인체 움직임을 효과적으로 이용할 수 있는 웨어러블 에너지 하베스터로 적용될 수 있다.
다른 일 구현예는 상기 천 기반 웨어러블 압전 에너지 하베스터의 제조방법에 관한 것으로, 전도성 천과 고분자 필름을 적층하는 단계가 고온, 고압에서 진행됨에 따라 전도성 천과 고분자 필름 사이 높은 결합력을 가지고 일상생활 속 거친 압력을 견디는 두께를 가져 유연한 에너지 하베스터로서 높은 안정성을 가진다. 또한, 간소한 공정에 의해 에너지 수확도가 높은 천 기반 웨어러블 압전 에너지 하베스터를 제조할 수 있다.
도 1은 일 구현예에 따른 천 기반 웨어러블 압전 에너지 하베스터를 도시한 단면도이다.
도 2는 일 구현예에 따른 천 기반 웨어러블 압전 에너지 하베스터의 이종구조(heterostructure) 형상을 설명하기 위한 모식도이다.
도 3은 실시예 1에 따른 테이프 캐스팅(tape casting)으로 제작된 고분자층의 표면에 대한 주사전자현미경 사진이다.
도 4는 실시예 1에 따른 테이프 캐스팅으로 제작된 고분자층의 단면에 대한 주사전자현미경 사진이다.
도 5는 실시예 1에 따른 고온 압착(hot pressing) 및 열처리(annealing) 이후 전도성 천/ 고분자층/ 전도성 천의 이종구조의 표면에 대한 주사전자현미경 사진이다.
도 6은 실시예 1에 따른 고온 압착 및 열처리 이후 전도성 천/ 고분자층/ 전도성 천의 이종구조의 단면에 대한 주사전자현미경 사진이다.
도 7은 실시예 1에 따른 고온 압착 및 열처리 이후 전도성 천을 제거한 고분자층의 표면에 대한 주사전자현미경 사진이다.
도 8은 실시예 1에 따른 고온 압착 및 열처리 이후 전도성 천을 제거한 고분자층의 단면에 대한 주사전자현미경 사진이다.
도 9는 실시예 1에 따른 고온 압착 및 열처리 이후 전도성 천을 제거한 고분자층의 표면의 라멜라(lamellar) 구조에 대한 주사전자현미경 사진이다.
도 10은 실시예 1에 따른 테이프 캐스팅으로 제작된 고분자층과 고온 압착 이후 전도성 천과 고분자층의 이종구조의 열처리 전 후의 두께 그래프이다.
도 11은 실시예 1에 따른 전도성 천과 고분자층이 이종구조를 가지는 구성되는 천 기반 웨어러블 압전 에너지 하베스터의 폴링 전압에 따른 압전계수 d33 (pC/N)의 그래프이다.
도 12 및 13은 실시예 1에 따른 천 기반 웨어러블 압전 에너지 하베스터의 디지털 사진이다.
도 14는 실시예 1에 따른 2400 V에서 폴링된 천 기반 웨어러블 압전 에너지 하베스터를 손가락으로 누를 때 생성되는 출력 전압을 나타낸 그래프이다.
도 15는 실시예 1에 따른 2400 V에서 폴링된 천 기반 웨어러블 압전 에너지 하베스터를 손가락으로 누를 때 생성되는 출력 전류를 나타낸 그래프이다.
도 16은 실시예 1에 따른 2400 V에서 폴링된 천 기반 웨어러블 압전 에너지 하베스터를 팔꿈치에서 구부릴 때 생성되는 출력 전압을 나타낸 그래프이다.
도 17은 실시예 1에 따른 2400 V에서 폴링된 천 기반 웨어러블 압전 에너지 하베스터를 팔꿈치에서 구부릴 때 생성되는 출력 전류를 나타낸 그래프이다.
도 18은 실시예 2에 따른 BaTiO3 나노입자를 포함하는 천 기반 웨어러블 압전 에너지 하베스터의 투 스텝(two-step) 폴링 과정을 설명하기 위한 모식도이다.
도 19는 BaTiO3 나노입자를 포함하는 천 기반 웨어러블 압전 에너지 하베스터의 two-step 폴링 이후 P(VDF-TrFE)와 BaTiO3 나노입자의 분극상태를 보여주는 모식도이다.
도 2는 일 구현예에 따른 천 기반 웨어러블 압전 에너지 하베스터의 이종구조(heterostructure) 형상을 설명하기 위한 모식도이다.
도 3은 실시예 1에 따른 테이프 캐스팅(tape casting)으로 제작된 고분자층의 표면에 대한 주사전자현미경 사진이다.
도 4는 실시예 1에 따른 테이프 캐스팅으로 제작된 고분자층의 단면에 대한 주사전자현미경 사진이다.
도 5는 실시예 1에 따른 고온 압착(hot pressing) 및 열처리(annealing) 이후 전도성 천/ 고분자층/ 전도성 천의 이종구조의 표면에 대한 주사전자현미경 사진이다.
도 6은 실시예 1에 따른 고온 압착 및 열처리 이후 전도성 천/ 고분자층/ 전도성 천의 이종구조의 단면에 대한 주사전자현미경 사진이다.
도 7은 실시예 1에 따른 고온 압착 및 열처리 이후 전도성 천을 제거한 고분자층의 표면에 대한 주사전자현미경 사진이다.
도 8은 실시예 1에 따른 고온 압착 및 열처리 이후 전도성 천을 제거한 고분자층의 단면에 대한 주사전자현미경 사진이다.
도 9는 실시예 1에 따른 고온 압착 및 열처리 이후 전도성 천을 제거한 고분자층의 표면의 라멜라(lamellar) 구조에 대한 주사전자현미경 사진이다.
도 10은 실시예 1에 따른 테이프 캐스팅으로 제작된 고분자층과 고온 압착 이후 전도성 천과 고분자층의 이종구조의 열처리 전 후의 두께 그래프이다.
도 11은 실시예 1에 따른 전도성 천과 고분자층이 이종구조를 가지는 구성되는 천 기반 웨어러블 압전 에너지 하베스터의 폴링 전압에 따른 압전계수 d33 (pC/N)의 그래프이다.
도 12 및 13은 실시예 1에 따른 천 기반 웨어러블 압전 에너지 하베스터의 디지털 사진이다.
도 14는 실시예 1에 따른 2400 V에서 폴링된 천 기반 웨어러블 압전 에너지 하베스터를 손가락으로 누를 때 생성되는 출력 전압을 나타낸 그래프이다.
도 15는 실시예 1에 따른 2400 V에서 폴링된 천 기반 웨어러블 압전 에너지 하베스터를 손가락으로 누를 때 생성되는 출력 전류를 나타낸 그래프이다.
도 16은 실시예 1에 따른 2400 V에서 폴링된 천 기반 웨어러블 압전 에너지 하베스터를 팔꿈치에서 구부릴 때 생성되는 출력 전압을 나타낸 그래프이다.
도 17은 실시예 1에 따른 2400 V에서 폴링된 천 기반 웨어러블 압전 에너지 하베스터를 팔꿈치에서 구부릴 때 생성되는 출력 전류를 나타낸 그래프이다.
도 18은 실시예 2에 따른 BaTiO3 나노입자를 포함하는 천 기반 웨어러블 압전 에너지 하베스터의 투 스텝(two-step) 폴링 과정을 설명하기 위한 모식도이다.
도 19는 BaTiO3 나노입자를 포함하는 천 기반 웨어러블 압전 에너지 하베스터의 two-step 폴링 이후 P(VDF-TrFE)와 BaTiO3 나노입자의 분극상태를 보여주는 모식도이다.
이하, 본 발명의 구현예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예에 한정되지 않는다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우 뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
도 1을 참고하여 일 구현예에 따른 천 기반 웨어러블 압전 에너지 하베스터를 설명한다.
도 1은 일 구현예에 따른 천 기반 웨어러블 압전 에너지 하베스터를 도시한 단면도이다.
도 1을 참고하면, 천 기반 웨어러블 압전 에너지 하베스터(100)는 제1 전극(10), 제2 전극(20) 및 고분자층(30)을 포함한다.
제1 전극(10) 및 제2 전극(20)은 서로 대향하여 위치하며 제1 전극(10) 및 제2 전극(20) 사이에는 고분자층(30)이 위치한다.
먼저, 제1 전극(10) 및 제2 전극(20)에 관하여 설명한다.
제1 전극(10) 및 제2 전극(20)은 전도성 천을 포함한다.
상기 전도성 천은 전도성 재료가 적용된 천 소재로서, 상기 전도성 재료는 금속, 전도성 고분자, 또는 이들의 조합이다.
상기 전도성 천은 예컨대 면(cotton), 실크(silk), 울(wool), 나일론(nylon), polyester, polyvinyl alcohol (PVA), polyethylene (PE), polypropylene (PP), polyethylene terephthalate (PET), polytetrafluoroethylene (PTFE), polycarbonate (PC), polyarylate (PAR), ethylene vinyl acetate (EVA), polyimide (PI) 또는 polyamide (PA) 등의 인공 섬유로 이루어진 천(fabric) 표면에 전기 전도도(electrical conductivity)가 높은 전도성 재료가 적용된 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 전도성 재료는 aluminum (Al), copper (Cu), titanium (Ti), gold (Au), silver (Ag), platinum (Pt), nickel (Ni), zinc (Zn), iron (Fe) 및 cobalt (Co) 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상을 포함하는 금속일 수 있고, 예를 들어, 상기 전도성 재료는 poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT), poly(p-phenylene sulfide) (PPS), polyaniline (PANI), polypyrrole (PPY), polyacetylene (PAC), poly(3-hexylthiophene) (P3HT), poly(p-phenylene vinylene) (PPV) 및 polythiphene 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상을 포함하는 전도성 고분자일 수도 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
일 예로, 상기 전도성 재료는 상기 천 위에 박막(thin film) 형태로 적용될 수 있다. 다른 일 예로, 상기 전도성 재료는 소자의 유연성을 보다 확보하기 위해 상기 천 위에 입자(particle), 나노섬유(nanofiber) 등의 형태로 적용될 수 있다.
제1 전극(10) 및 제2 전극(20)의 면적은 10×10 mm2 내지 50×50 mm2의 범위에 있을 수 있다. 이때 제1 전극(10) 및 제2 전극(20)의 면적은 쇼트(short)를 막기 위해 후술할 고분자층(30)보다 작은 면적을 가지면 제약 없이 사용 가능하다.
일 구현예에 따른 천 기반 웨어러블 압전 에너지 하베스터(100)는 전극 소재로서 천 기반의 소재를 채용함으로써 유연성을 확보하면서도 전극의 두께를 보다 얇게 할 수 있어 휴대성을 향상시킬 수 있다.
다음으로, 고분자층(30)을 설명한다.
고분자층(30)은 제1 전극(10) 및 제2 전극(20) 사이에 위치하고, 제1 전극(10)의 일면 및 제2 전극(20)의 일면과 접촉하여 위치할 수 있다. 즉, 고분자층(30) 및 제1 전극(10) 사이, 그리고 고분자층(30) 및 제2 전극(20) 사이에는 예컨대 절연층과 같은 별도의 층이 개재되지 않을 수 있다.
고분자층(30)은 압전 고분자 또는 압전 세라믹 재료를 포함하는 유연한 (flexible) 고분자를 포함하며, 상기 압전 고분자는 예컨대 polyvinylidene fluoride (PVDF), poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene) [P(VDF-TrFE)], 또는 이들의 조합일 수 있고, 유연한 고분자는 silicone rubber, polydimethylsiloxane (PDMS), polyvinyl alcohol (PVA), polyethylene (PE), polyethylene terephthalate (PET), polytetrafluoroethylene (PTFE), polyethylene naphthalate (PEN), polycarbonate (PC), polyarylate (PAR), ethylene vinyl acetate (EVA), polyimide (PI), polyamide (PA), 또는 이들의 조합일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 압전 특성 또는 유연성(flexibility)을 가지는 고분자라면 제약 없이 사용할 수 있다.
고분자층(30)은 상술한 고분자에 압전 세라믹을 더 포함하여 형성될 수 있다. 만약 상기 고분자층이 상술한 유연한 고분자를 포함하는 경우 압전 특성을 가지는 세라믹 물질을 더 포함해야 한다.
상기 압전 세라믹은 예컨대 zinc oxide (ZnO), lead zirconate titanate (PZT), lead titanate (PbTiO3), lithium niobate (LiNbO3), potassium niobate (KNbO3), barium titanate (BaTiO3) 및 bismuth ferrite (BiFeO3) 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 압전 세라믹의 함량은 천 기반 웨어러블 압전 에너지 하베스터(100)의 전기적 특성 및 유연성 등을 고려하여 적절히 선택할 수 있다.
상기 고분자층(30)에서 압전 특성을 가지는 PVDF나 P(VDF-TrFE)는 나노구조의 물질을 더 포함하여 형성될 수 있다. 상기 나노구조를 가지는 물질은 예컨대 carbon 나노튜브(nanotube), carbon 나노파이버(nanofiber), silver 나노와이어(nanowire) 및 silver 나노입자(nanoparticle) 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 나노물질의 함량은 천 기반 웨어러블 압전 에너지 하베스터(100)의 전기적 특성 및 유연성 등을 고려하여 적절히 선택할 수 있다.
일 구현예에 따른 천 기반 웨어러블 압전 에너지 하베스터(100)는 압전 특성을 가지는 압전 층에 고분자 소재를 채용함으로써 웨어러블 소자에 적용하기 유리한 유연성을 확보할 수 있다.
고분자층(30)의 두께는 천의 기하학 구조(geometry)에 따라 고온 압착 이후 제1 전극(10) 및 제2 전극(20)이 맞닿지 않을 정도 (즉, 쇼트가 일어나지 않을 정도)의 두께를 가지면 제약 없이 사용 가능하다. 예를 들어, 고분자층(30)의 두께는 약 70 μm 내지 150 μm의 범위에 있을 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
예를 들어, 고분자층(30)은 오목한 패턴을 가지고, 제1 전극(10) 및 제2 전극(20)은 각각 볼록한 패턴을 가질 수 있다. 이에 관해서는 도 2를 참고하여 설명한다.
도 2는 일 구현예에 따른 천 기반 웨어러블 압전 에너지 하베스터의 이종구조(heterostructure) 형상을 설명하기 위한 모식도이다.
도 2를 참고하면, 고분자층(30)은 오목한 패턴을 가지고, 제1 전극(10) 및 제2 전극(20)은 각각 볼록한 패턴을 가지는데, 제1전극/ 고분자층/ 제2전극 적층체가 고온 압착 및 열처리를 거침에 따라 이와 같은 이종구조 형상을 가지게 된다.
예를 들어, 고분자층(30)의 면적은 20×20 mm2 내지 60×60 mm2의 범위에 있을 수 있고 고온 압착 이후 전도성 천의 볼록한 형상(convex morphology)의 표면을 따라 오목한 형상(concave morphology)의 표면을 가지며 그 두께는 20 μm 내지 120 μm의 범위에 있을 수 있다. 이 때 고분자층(30)의 두께는 사용한 천의 기하학 구조에 따라 달라질 수 있다.
다시 도 1을 참고하면, 천 기반 웨어러블 압전 에너지 하베스터(100)는 제1 전극(10)이 고분자층(30)과 대면하는 면의 반대 쪽 면 위에 제1 보호층(40)을 포함하고, 제2 전극(20)이 고분자층(30)과 대면하는 면의 반대 쪽 면 위에 제2 보호층(50)을 포함한다.
보호층(40, 50)의 재료는 고온 압착의 온도에서 녹지 않고, 상술한 제1 및 제2 전극(10, 20)과 고분자층(30)에 기계적, 화학적 영향을 주지 않는 물질이면 제약 없이 사용 가능하다. 이때 보호층(40, 50)의 면적은 제1 및 제2 전극(10, 20)의 면적, 그리고 고분자층(30)의 면적보다 큰 면적을 가지면 제약 없이 사용 가능하다.
다른 구현예에 따르면, 상술한 천 기반 웨어러블 압전 에너지 하베스터를 포함하는 웨어러블 장치를 제공한다. 상기 웨어러블 장치는 예컨대 스마트워치, 스마트밴드, 스마트글라스 등 다양한 제품으로서 구현 가능하다.
또 다른 구현예에 따르면, 천 기반 웨어러블 압전 에너지 하베스터의 제조방법을 제공한다.
상기 천 기반 웨어러블 압전 에너지 하베스터의 제조방법은 고분자 조성물을 사용하여 고분자층을 제작하는 단계(S1), 천 위에 금속, 전도성 고분자, 또는 이들의 조합인 전도성 재료를 적용하여 전도성 천을 제작하는 단계(S2), 상기 전도성 천 위에 상기 고분자층을 적층시키고 상기 고분자층 위에 또 다른 전도성 천을 적층시켜 이종구조의 적층체를 제작하는 단계(S3), 상기 이종구조의 적층체를 전도성 천과 닿는 고분자층의 표면만 녹일 수 있는 80 ℃ 내지 120 ℃의 온도 범위에서 고분자 재료에 따른 적절한 온도 및 15 MPa 내지 30 MPa 압력의 조건에서 압착시키는 단계(S4), 고분자층의 압전 특성(piezoelectric properties)을 가지는 상(phase)의 결정성(crystallinity)을 높이기 위해 상기 이종구조의 적층체를 80 ℃ 내지 160 ℃의 온도 범위에서 고분자층의 압전 재료에 따른 적절한 온도에서 열처리하는 단계(S5), 그리고 상기 이종구조의 적층체를 폴링(poling)하는 단계(S6)를 포함한다.
먼저, 고분자층을 제작하는 단계(S1)를 설명한다.
상기 고분자층은 고분자 조성물을 예컨대 테이프 캐스팅(tape casting)을 이용하여 제작할 수 있다. 테이프 캐스팅을 진행함에 있어 고분자가 용해된 용액의 농도를 예컨대 약 20 wt% 내지 30 wt%의 범위 내에서 사용할 수 있다. 예를 들어, 고분자가 용해된 용액을 떨어뜨린 후 1 cm/sec 내지 3 cm/sec의 속력으로 테이프 캐스팅하여 상기 고분자층을 생성할 수 있다. 상기 고분자층의 두께는 예컨대 약 70 μm 내지 150 μm 의 범위에 있을 수 있다. 예를 들어, 테이프 캐스팅에 쓰이는 닥터 블레이드(doctor blade)의 높이는 500 μm 내지 1000 μm을 가지며, 1 cm/sec 내지 3 cm/sec 속력으로 조절할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이 때 고분자층의 두께는 천의 기하학 구조(geometry)에 따라 고온 압착 이후 두 전도성 천이 맞닿지 않을 정도의 두께를 가지면 제약 없이 사용 가능하다. 상기 테이프 캐스팅에 사용되는 용매(solvent)는 tetrahydrofuran (THF), methyl ethyl ketone (MEK), dimethylformamide (DMF), dimethyl sulfoxide (DMSO) 등 기능성 고분자 필름의 재료를 녹일 수 있는 물질이면 제약 없이 사용 가능하다.
상기 압전 고분자에 관한 내용은 앞서 설명한 바와 같다.
다음으로, 전도성 천을 준비하는 단계(S2)를 설명한다.
상기 전도성 천은 천 소재 위에 금속, 전도성 고분자, 또는 이들의 조합인 전도성 재료를 적용하여 제작된다. 천, 금속 및 전도성 고분자에 관한 내용은 앞서 설명한 바와 같다.
전도성 천은 금속이나 고분자 전구체를 포함하는 용액 또는 잉크를 스프레이 코팅(spray coating), 침지법(dipping method), 전해도금(electroplating), 무전해도금(electroless-plating), 진공열증착(thermal evaporation), 스퍼터링(sputtering), 물리적 증착법(physical vapor deposition), 화학기상증착법(chemical vapor deposition) 또는 원자층 증착법(atomic layer deposition) 등의 방법을 이용하여 상기 천에 코팅시켜 제조될 수 있다. 상기에 나열한 증착 방법 중 천구조를 기반으로 제조된 전도층이면 특정 증착 방법에 제약을 두지는 않는다.
이어서, 전도성 천 위에 상기 고분자층을 적층시키고 상기 고분자층 위에 또 다른 전도성 천을 적층시켜 이종구조의 적층체를 제작하는 단계(S3)를 거치게 된다. 상기 전도성 천 및 상기 고분자층 사이에는 예컨대 절연층과 같은 기타의 층이 개재되지 않을 수 있다.
이어서, 이종구조의 적층체를 전도청 천과 닿는 고분자층의 표면만 녹일 수 있는 80℃ 내지 120 ℃의 온도 범위에서 고분자 재료에 따른 적절한 온도 및 15 MPa 내지 30 MPa 압력의 조건에서 압착시키는 단계(S4)를 거치게 된다. 본 발명의 전도성 천과 고분자층의 이종구조는 이와 같은 고온 압착을 이용하여 제조된다. 예를 들어, 상기 이종구조의 적층체를 압착하기 이전에 상기 이종구조의 적층체의 상부 및 하부에 각각 보호층을 형성하는 단계를 더 포함할 수도 있다. 상기 보호층은 고온 압착의 온도에서 녹지 않고 전도성 천과 고분자층에 기계적, 화학적 영향을 주지 않는 물질이면 제약 없이 사용 가능하다. 상기 압착은 보다 구체적으로 100℃ 이상 120 ℃ 이하의 온도 및 15 MPa 내지 30 MPa 압력 조건에서 진행될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
고온 압착기(hot presser)의 두 개의 금속판(metal plate) 사이에 밑에서부터 보호층(protecting film), 하부 전도성 천, 고분자층, 상부 전도성 천, 보호층 순으로 금속판 중심에 맞춰 쌓여진 상태에서 고온 압착이 진행될 수 있다. 고온 압착을 진행함에 있어 계면 결합력(adhesion strength)을 높이기 위해 15 MPa 내지 30M Pa의 압력 조건 및 전도층 천과 닿는 고분자의 표면만 녹이는 80 ℃ 내지 120 ℃의 온도 범위에서, 예를 들어 P(VDF-TrFE) 경우 P(VDF-TrFE) 필름이 녹지 않고 상기 압력 조건에서 전도성 천과 맞닿는 표면만 녹을 수 있는 100℃ 내지 110 ℃의 온도에서 인가하여 상기 이종구조를 가지는 천 기반 웨어러블 압전 에너지 하베스터를 제조할 수 있다. 또한 고분자층을 녹이지 않고 전도성 천과 결합할 수 있는 온도 범위에서 압착하는 것을 특징으로 한다.
이어서, 상기 이종구조의 적층체를 80 ℃ 내지 160 ℃의 온도 범위에서 고분자층의 압전 재료에 따라 적절한 온도에서 열처리하는 단계(S5)를 거친다.
상기 온도에서 열처리함에 따라 고분자층의 압전 특성을 나타내는 상의 결정성을 높일 수 있다. 예를 들어, 열처리를 통해 P(VDF-TrFE)의 강유전 상(ferroelectric phase)인 β상의 결정성을 높일 수 있다. 열처리는 압전 상 의 최적의 결정성을 위해 예컨대 0.1 MPa 이하의 진공 또는 상압의 압력에서 80 ℃ 내지 160 ℃의 온도 범위에서 고분자층의 압전 재료에 따라 적절한 온도, 예를 들어 P(VDF-TrFE)의 경우 120 ℃ 내지 140 ℃의 온도로 1시간 내지 3시간 동안 진행할 수 있다. 이때 고분자가 녹지 않는 온도 범위에서 열처리 하는 것을 특징으로 한다. 열처리 이후 이종구조의 적층체를 진공오븐에서 상온으로 바로 꺼내어 상온, 상압 조건에서 ?칭(quenching)하여 식힌다.
이어서, 압전 특성을 더욱 확보하기 위하여 상기 이종구조의 적층체를 폴링(poling)하는 단계(S6)를 거친다.
폴링 온도는 항전기장(coercive field)을 낮추기 위해 퀴리온도(Curie temperature, Tc)보다 약간 작은 값, 예를 들어 P(VDF-TrFE) 경우 퀴리온도는 120 ℃이며 폴링 온도는 100 ℃의 값을 가진다. 폴링 과정은 항전기장 이상의 전기장을 인가하면서 온도를 상온에서 퀴리온도 근처로 올린 후 1시간 내지 2시간 유지 이후 다시 온도를 상온으로 내린 후 전기장을 제거한다. 이때 폴링 과정 중 쇼트를 방지하기 위해 한번에 항전기장 이상으로 전기장을 올리지 않고 일정 간격으로 올린 후 승온시킬 수 있다.
일 구현예에 따른 천 기반 웨어러블 압전 에너지 하베스터 제조방법에 따르면, 전도성 천과 고분자층을 적층하는 단계가 고온, 고압에서 진행되어 전도성 천과 고분자층 사이 높은 결합력을 가지며 일상생활 속 거친 압력을 견디는 두께를 가져 유연한 에너지 하베스터로서 높은 안정성을 가질 수 있다. 또한, 테이프 캐스팅과 고온 압착을 이용하여 저비용, 대형화 및 대량생산이 가능하다.
이하 실시예를 통하여 상술한 본 발명의 구현예를 보다 상세하게 설명한다. 다만 하기의 실시예는 단지 설명의 목적을 위한 것이며 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.
천 기반 웨어러블 압전 에너지 하베스터의 제조
실시예 1
(1) 고분자층 제작
고분자층을 만들기 위해 75:25의 mol %를 가지는 poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene) [P(VDF-TrFE)] pellets을 methyl ethyl ketone (MEK) 용매(solvent)에 30 wt%로 넣고 24시간 동안 소니케이션(sonication) 처리 한다. 이후 24시간 동안 스터링(stirring)을 통해 P(VDF-TrFE) pellet을 MEK 용매에 완전히 녹인다. 완성된 P(VDF-TrFE) 용액 30 ml를 20×30 cm2 유리판(glass) 위에 떨어뜨린 후 650 μm의 높이로 맞춰진 닥터 블레이드(doctor blade)를 1 cm/sec의 속력으로 테이프 캐스팅(tape casting) 한다. MEK 용매가 증발하면 진공오븐 속 100 ℃에서 1시간 동안 건조(drying)시켜 MEK 용매를 완전히 증발시키고 꺼내어 식힌 후 3×3 cm2 면적으로 필름을 자른다.
(2) 전도성 천 준비
전도성 천으로 상업적으로 사용 가능한 nickel과 copper가 코팅된 polyester 천(Less EMF Inc.)을 이용한다.
(3) 이종구조 적층체 제작 및 고온 압착(hot pressing) 공정 단계
전도성 천과 고분자층의 이종구조(heterostructure)를 위해 고온 압착기(hot presser, Carver Press)의 두 금속판(metal plate) 사이에 아래에서부터 보호층인 polyimide 필름, 2×2 cm2 면적의 전도성 천, 3×3 cm2 면적의 P(VDF-TrFE) 필름, polyimide 필름, 2×2 cm2 면적의 전도성 천, polyimide 필름 순으로 올린 후 각 필름 및 천의 중앙을 금속판 중앙에 맞추고 110 ℃에서 15 MPa의 압력으로 2분 이상 압착시킨다. 이때 전도성 천은 P(VDF-TrFE) 필름보다 작은 범위의 면적을 가지도록 설정한다. 보호층은 P(VDF-TrFE) 필름보다 큰 범위에서 면적을 가지도록 설정한다.
(4) 열처리(annealing) 단계
이종구조를 가지는 P(VDF-TrFE) 필름의 강유전 β상의 결정성을 높이기 위해 진공오븐 속 0.1 MPa 이하의 진공에서 130 ℃에서 2시간동안 열처리한다. 열처리 이후 상온으로 바로 옮겨 ?칭(quenching)시켜 강유전 상(ferroelectric phase)인 β상의 라멜라(lamellar)의 크기를 억제하여 라멜라들이 P(VDF-TrFE) 표면에 정렬되기 쉽게 한다.
(5) 폴링(poling) 단계
P(VDF-TrFE) 필름의 강유전 β상 내의 자발 분극을 필름 표면에 수직한 방향으로 정렬하기 위해 300 V 내지 2400 V의 전압을 전도성 천에 인가하여 폴링한다. 전압 인가를 유지하면서 온도를 상온에서 100 ℃까지 올린 후 1시간동안 유지하고 다시 상온으로 내린 후 전압 인가를 멈춘다.
평가 1: 주사전자현미경 관찰
도 3은 실시예 1에 따른 테이프 캐스팅으로 제작된 고분자층의 표면에 대한 주사전자현미경 사진이고, 도 4는 실시예 1에 따른 테이프 캐스팅으로 제작된 고분자층의 단면에 대한 주사전자현미경 사진이다.
도 3 및 4를 참고하면, P(VDF-TrFE) 필름 표면은 50 nm 이하의 지름을 갖는 입자들로 이루어져 있다. P(VDF-TrFE) 필름의 단면은 균일한 두께를 가짐을 알 수 있다.
도 5는 실시예 1에 따른 고온 압착 및 열처리 이후 전도성 천/ 고분자층/ 전도성 천의 이종구조의 표면에 대한 주사전자현미경 사진이고, 도 6은 실시예 1에 따른 고온 압착 및 열처리 이후 전도성 천/ 고분자층/ 전도성 천의 이종구조의 단면에 대한 주사전자현미경 사진이다.
도 5 및 6을 참고하면, 고온 압착 이후 전도성 천의 실과 실 사이 공간으로부터 P(VDF-TrFE) 필름이 빠져 나온 형태를 가지고 있다. 이종구조 단면은 볼록한 전도성 천의 형상을 따라 오목한 P(VDF-TrFE) 필름이 결합된 형태를 가짐을 알 수 있다.
도 7은 실시예 1에 따른 고온 압착 및 열처리 이후 전도성 천을 제거한 고분자층의 표면에 대한 주사전자현미경 사진이고, 도 8은 실시예 1에 따른 고온 압착 및 열처리 이후 전도성 천을 제거한 고분자층의 단면에 대한 주사전자현미경 사진이다.
도 7 및 8을 참고하면, P(VDF-TrFE) 표면은 전도성 천의 볼록한 형상의 반대되는 오목한 형상을 가짐을 알 수 있다.
도 9는 실시예 1에 따른 고온 압착 및 열처리 이후 전도성 천을 제거한 고분자층의 표면의 라멜라(lamellar)에 대한 주사전자현미경 사진이다.
도 9를 참고하면, P(VDF-TrFE) 표면은 열처리에 의해 도 3에서 보여주는 것과 같은 입자들이 아닌 라멜라(lamellar) 구조를 가지고 있다. 이때 라멜라는 ?칭에 의해 성장이 억제되어 직경이 10 nm 내지 50 nm이고, 길이는 100 nm 내지 500 nm인 작은 형태를 가진다. 길이가 짧은 라멜라일수록 기능성 고분자 필름 표면에 쉽게 평평하게 정렬될 수 있어 항전기장(coercive field)을 낮추는 효과를 가질 수 있다. 또한, 라멜라는 고온 압착에 의해 일정한 방향으로 정렬되어 있어 라멜라를 구성하는 체인들(chains)에 수직한 쌍극자 모멘트(dipole moment)가 표면에 수직하게 정렬되는 효과를 가진다. 작은 라멜라들이 일정한 방향으로 정렬됨으로 인해 결과적으로 분극(polarization)을 위한 폴링 전기장(poling field)에 영향을 미치는 항전기장이 낮아지고 압전 포텐셜(piezoelectric potential)이 높아지는 효과가 기대된다.
평가 2: 고온압착 전후의 이종구조의 두께 관찰
도 10은 실시예 1에 따른 테이프 캐스팅으로 제작된 고분자층과 고온 압착 이후 전도성 천과 고분자층의 이종구조의 열처리 전 후의 두께 그래프이다.
도 10을 참고하면, 전도성 천의 두께는 80 μm이고 공정이 진행되면서 두께와 두께의 변화폭은 균일함을 알 수 있다.
평가 3: 폴링 전압에 따른 압전계수 d
33
(pC/N)의 그래프
도 11은 실시예 1에 따른 전도성 천과 고분자층이 이종구조를 가지는 구성되는 천 기반 웨어러블 압전 에너지 하베스터의 폴링 전압에 따른 압전계수 d33 (pC/N)의 그래프이다.
도 11을 참고하면, 폴링 전압에 따라 d33의 절대값은 선형적으로 증가하며 2400 V의 폴링 전압에서 최대 -32 pC/N 값을 가진다.
평가 4: 외관 및 구부러짐 평가
도 12 및 13은 실시예 1에 따른 천 기반 웨어러블 압전 에너지 하베스터의 디지털 사진이다.
도 12를 참고하면, P(VDF-TrFE) 필름의 면적은 3×3cm2이고 전도성 천의 면적은 2×2cm2이다. 도 13을 참고하면, 최대 170 °까지 구부러진 이후에도 웨어러블 소자는 정상적으로 작동하여 높은 유연성(flexibility)과 안정성을 가짐을 알 수 있다. 이는 polyester 천이 금속의 기판(substrate) 역할과 P(VDF-TrFE) 필름을 지지(supporting)하는 역할을 동시에 할 수 있는 특성에 기인한다.
평가 5: 압전 특성 평가
도 14는 실시예 1에 따른 2400 V에서 폴링된 천 기반 웨어러블 압전 에너지 하베스터를 손가락으로 누를 때 생성되는 출력 전압을 나타낸 그래프이고, 도 15는 실시예 1에 따른 2400 V에서 폴링된 천 기반 웨어러블 압전 에너지 하베스터를 손가락으로 누를 때 생성되는 출력 전류를 나타낸 그래프이다. 도 14 및 15를 참고하면, 손가락으로 눌렀을 때 약 4 V의 전압과 50 nA의 전류가 생성됨을 알 수 있다. 이는 누를 때와 땔 때 peak의 높이와 두께가 다른 것은 변형률(strain rate)이 다르기 때문이다.
도 16은 실시예 1에 따른 2400 V에서 폴링된 천 기반 웨어러블 압전 에너지 하베스터를 팔꿈치에서 구부릴 때 생성되는 출력 전압을 나타낸 그래프이고, 도 17은 실시예 1에 따른 2400 V에서 폴링된 천 기반 웨어러블 압전 에너지 하베스터를 팔꿈치에서 구부릴 때 생성되는 출력 전류를 나타낸 그래프이다.
도 16 및 17을 참고하면, 팔꿈치에서 구부릴 때 약 4.5 V의 전압과 45 nA의 전류가 생성되었다. 구부릴 때와 펼 때 peak의 높이와 두께가 다른 것은 변형률이 다르기 때문이다.
(참고 실시예)
실시예 2
실시예 1의 nickel과 copper가 코팅된 polyester 천 대신 사용 가능한 전도성 천을 침지법(dipping method)을 이용하여 제조하는 방법에 관한 것이다. 인공 섬유 polyester 대신 천연 섬유(natural fiber)인 실크(silk)로 이루어진 천(fabric)을 전도성 carbon 나노튜브(nanotube) (CNT)를 포함하는 용액 속에 담가 표면에 CNT를 코팅하여 전도성 실크 천을 제조하는 방법이다.
본 실시예에 따르면, 전도성 multi-walled carbon nanotube (MWCNT)와 계면 활성제(surfactant)인 sodium dodecylbenzenesulfonate (SDBS)가 각각 10 mg/ml, 20 mg/ml의 농도로 첨가된 수용액을 20분간 팁 소니케이션(tip sonication)으로 처리하고 60분간 소니케이션(sonication)으로 처리하여 MWCNT가 잘 분산된(well dispersed) 용액을 얻는다. 실크 천을 5~7초 동안 MWCNT 용액에 담근 후 빼내어 진공오븐 속 100 ℃에서 15분간 건조(drying)한 후 상온에서 식힌다. MWCNT 용액에 담그고 건조한 후 식히는 과정을 3~5번 반복하면 천 기반 웨어러블 압전 에너지 하베스터에 적용될 수 있는 전도성 천이 제조된다.
실시예
3
실시예 1의 P(VDF-TrFE) 필름 대신 사용 가능한 압전 barium titanate (BaTiO3) 나노입자(nanoparticle)와 P(VDF-TrFE) 필름으로 구성된 압전 세라믹-압전 고분자 혼합물(composite)을 제조하는 방법에 관한 것이다. 압전 세라믹 BaTiO3는 양의 d33 값을 가지고 압전 고분자 P(VDF-TrFE)는 음의 d33 값을 가져 대표 실시예와 다른 폴링 과정을 가진다.
BaTiO3 나노입자를 포함하는 천 기반 웨어러블 압전 에너지 하베스터를 제작하기 위해 P(VDF-TrFE) pellet과 200 nm 내지 700 nm 크기의 BaTiO3 나노입자를 MEK 용매에 넣고 소니케이션과 스터링을 통해 P(VDF-TrFE) pellet을 녹이고 BaTiO3 나노입자를 분산시킨다. 이후 테이프 캐스팅, 건조, 고온 압착, 열처리는 본 발명의 대표 실시예와 같은 공정으로 진행한다.
도 18은 실시예 2에 따른 BaTiO3 나노입자를 포함하는 천 기반 웨어러블 압전 에너지 하베스터의 투 스텝(two-step) 폴링 과정을 설명하기 위한 모식도이다. 도 18을 참고하면, BaTiO3 나노입자는 7 MV/m의 항전기장(coercive field)를 가지고 P(VDF-TrFE)는 100 ℃에서 40 MV/m 내지 50 MV/m의 항전기장을 가진다. 첫 번째 폴링은 대표 실시예와 같은 과정으로 폴링하여 P(VDF-TrFE)의 분극을 정렬시킨다. 두 번째 폴링은 전극을 반대로 연결하여 40 MV/m보다 낮은 10 MV/m 정도의 전기장으로 폴링하여 BaTiO3 나노입자의 분극을 반대 방향으로 정렬시킨다.
도 19는 BaTiO3 나노입자를 포함하는 천 기반 웨어러블 압전 에너지 하베스터의 two-step 폴링 이후 P(VDF-TrFE)와 BaTiO3 나노입자의 분극상태를 보여주는 모식도이다. 도 19를 참고하면, P(VDF-TrFE)와 BaTiO3 나노입자는 반대 방향으로 분극을 가지지만 BaTiO3는 양의 d33 값을 가지고 P(VDF-TrFE)는 음의 d33 값을 가져 혼합물이 기계적 변형(compressive stress)을 받을 때 P(VDF-TrFE)는 분극 방향과 같은 방향의 전위차를 생성하고, BaTiO3 나노입자는 분극 방향의 반대 방향의 전위차를 생성하여 결과적으로 두 물질이 같은 방향의 전위차를 생성한다. 따라서 혼합물이 P(VDF-TrFE) 필름보다 향상된 압전 특성을 가질 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구 범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.
100 천 기반 웨어러블 압전 에너지 하베스터
10 제1 전극
20 제2 전극 30 고분자층
40 제1 보호층 50 제2 보호층
10 제1 전극
20 제2 전극 30 고분자층
40 제1 보호층 50 제2 보호층
Claims (16)
- 서로 대향하여 위치하고 전도성 천을 포함하는 제1 전극 및 제2 전극, 그리고
상기 제1 전극 및 제2 전극 사이에 위치하는 고분자층을 포함하고,
상기 전도성 천은 천, 그리고 금속, 전도성 고분자, 또는 이들의 조합인 전도성 재료를 포함하며,
상기 고분자층은 오목한 패턴을 가지고, 상기 제1 전극 및 제2 전극은 각각 볼록한 패턴을 가지는
천 기반 웨어러블 압전 에너지 하베스터. - 제1항에서,
상기 고분자층은 상기 제1 전극의 일면 및 상기 제2 전극의 일면과 접촉하여 위치하는 천 기반 웨어러블 압전 에너지 하베스터. - 제1항에서,
상기 전도성 천은 상기 천에 존재하는 빈 공간 사이로 상기 전도성 재료가 빠져 나온 형상을 가지는 천 기반 웨어러블 압전 에너지 하베스터. - 삭제
- 제1항에서,
상기 고분자층은 polyvinylidene fluoride (PVDF), poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene) [P(VDF-TrFE)], 또는 이들의 조합인 압전 고분자를 포함하는 천 기반 웨어러블 압전 에너지 하베스터. - 제1항에서,
상기 고분자층은 silicone rubber, polydimethylsiloxane (PDMS), polyvinyl alcohol (PVA), polyethylene (PE), polyethylene terephthalate (PET), polytetrafluoroethylene (PTFE), polyethylene naphthalate (PEN), polycarbonate (PC), polyarylate (PAR), ethylene vinyl acetate (EVA), polyimide (PI), polyamide (PA), 또는 이들의 조합인 유연한 (flexible) 고분자를 포함하는 천 기반 웨어러블 압전 에너지 하베스터. - 제1항에서,
상기 고분자층은 zinc oxide (ZnO), lead zirconate titanate (PZT), lead titanate (PbTiO3), lithium niobate (LiNbO3), potassium niobate (KNbO3), barium titanate (BaTiO3), bismuth ferrite (BiFeO3), carbon 나노튜브(nanotube), carbon 나노파이버(nanofiber), silver 나노와이어(nanowire) 및 silver 나노입자(nanoparticle) 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상을 더 포함하는 천 기반 웨어러블 압전 에너지 하베스터. - 제1항에서,
상기 천은 면(cotton), 실크(silk), 울(wool), 나일론(nylon), polyester, polyvinyl alcohol (PVA), polyethylene (PE), polypropylene (PP), polyethylene terephthalate (PET), polytetrafluoroethylene (PTFE), polycarbonate (PC), polyarylate (PAR), ethylene vinyl acetate (EVA), polyimide (PI) 및 polyamide (PA) 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상인 천 기반 웨어러블 압전 에너지 하베스터. - 제1항에서,
상기 전도성 고분자는 poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT), poly(p-phenylene sulfide) (PPS), polyaniline (PANI), polypyrrole (PPY), polyacetylene (PAC), poly(3-hexylthiophene) (P3HT), poly(p-phenylene vinylene) (PPV) 및 polythiphene 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상인 천 기반 웨어러블 압전 에너지 하베스터. - 제1항에서,
상기 금속은 aluminum (Al), copper (Cu), titanium (Ti), gold (Au), silver (Ag), platinum (Pt), nickel (Ni), zinc (Zn), iron (Fe) 및 cobalt (Co) 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상인 천 기반 웨어러블 압전 에너지 하베스터. - 제1항에서,
상기 제1 전극이 상기 고분자층과 대면하는 면의 반대 쪽 면 위에 제1 보호층을 포함하고,
상기 제2 전극이 상기 고분자층과 대면하는 면의 반대 쪽 면 위에 제2 보호층을 포함하는
천 기반 웨어러블 압전 에너지 하베스터. - 고분자 조성물을 사용하여 고분자층을 제작하는 단계,
천 위에 금속, 전도성 고분자, 또는 이들의 조합인 전도성 재료가 적용된 전도성 천을 준비하는 단계,
상기 전도성 천 위에 상기 고분자층을 적층시키고 상기 고분자층 위에 또 다른 전도성 천을 적층시켜 이종구조의 적층체를 제작하는 단계,
상기 이종구조의 적층체를 80 ℃ 이상 120 ℃ 이하의 온도 및 15 MPa 내지 30 MPa 압력의 조건에서 압착시키는 단계,
상기 이종구조의 적층체를 80 ℃ 내지 160 ℃의 온도에서 열처리하는 단계, 그리고
상기 이종구조의 적층체를 폴링(poling)하는 단계
를 포함하는 천 기반 웨어러블 압전 에너지 하베스터 제조방법. - 제12항에서,
상기 고분자층은 테이프 캐스팅(tape casting) 기법을 이용하여 제작되는 천 기반 웨어러블 압전 에너지 하베스터 제조방법. - 제12항에서,
상기 전도성 재료는 스프레이 코팅(spray coating), 침지법(dipping method), 전해도금(electroplating), 무전해도금(electroless-plating), 진공열증착(thermal evaporation), 스퍼터링(sputtering), 물리적 증착법(physical vapor deposition), 화학기상증착법(chemical vapor deposition) 또는 원자층 증착법(atomic layer deposition)을 이용하여 상기 천 위에 적용되는 천 기반 웨어러블 압전 에너지 하베스터 제조방법. - 제12항에서,
상기 이종구조의 적층체를 압착하기 이전에 상기 이종구조의 적층체의 상부 및 하부에 각각 보호층을 형성하는 단계를 더 포함하는 천 기반 웨어러블 압전 에너지 하베스터 제조방법. - 제1항 내지 제3항, 또는 제5항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 천 기반 웨어러블 압전 에너지 하베스터를 포함하는 웨어러블 장치.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020180029243A KR102060538B1 (ko) | 2018-03-13 | 2018-03-13 | 천 기반 웨어러블 압전 에너지 하베스터 및 이의 제조방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020180029243A KR102060538B1 (ko) | 2018-03-13 | 2018-03-13 | 천 기반 웨어러블 압전 에너지 하베스터 및 이의 제조방법 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20190107916A KR20190107916A (ko) | 2019-09-23 |
| KR102060538B1 true KR102060538B1 (ko) | 2019-12-30 |
Family
ID=68069309
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020180029243A KR102060538B1 (ko) | 2018-03-13 | 2018-03-13 | 천 기반 웨어러블 압전 에너지 하베스터 및 이의 제조방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR102060538B1 (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20210093554A (ko) | 2020-01-20 | 2021-07-28 | 전남대학교산학협력단 | 삼차원 텍스타일 구조의 압력 전달체를 갖는 압전 센서. |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11932558B1 (en) * | 2020-03-02 | 2024-03-19 | University Of Rhode Island Board Of Trustees | Piezocatalysis using piezoelectric polymers |
| KR102415419B1 (ko) * | 2020-09-28 | 2022-07-01 | 한국생산기술연구원 | 멀티레이어 구조의 전도성 섬유 및 이의 제조방법 |
-
2018
- 2018-03-13 KR KR1020180029243A patent/KR102060538B1/ko active IP Right Grant
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20210093554A (ko) | 2020-01-20 | 2021-07-28 | 전남대학교산학협력단 | 삼차원 텍스타일 구조의 압력 전달체를 갖는 압전 센서. |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20190107916A (ko) | 2019-09-23 |
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