KR102070996B1 - Method for manufacturing flexible element including ceramic film using printing and laser sintering process - Google Patents

Method for manufacturing flexible element including ceramic film using printing and laser sintering process Download PDF

Info

Publication number
KR102070996B1
KR102070996B1 KR1020180117512A KR20180117512A KR102070996B1 KR 102070996 B1 KR102070996 B1 KR 102070996B1 KR 1020180117512 A KR1020180117512 A KR 1020180117512A KR 20180117512 A KR20180117512 A KR 20180117512A KR 102070996 B1 KR102070996 B1 KR 102070996B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
film
ceramic
laser
lsnzf
layer
Prior art date
Application number
KR1020180117512A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
김지훈
라자람 카베티
Original Assignee
공주대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 공주대학교 산학협력단 filed Critical 공주대학교 산학협력단
Priority to KR1020180117512A priority Critical patent/KR102070996B1/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102070996B1 publication Critical patent/KR102070996B1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01FMAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F1/00Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties
    • H01F1/01Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials
    • H01F1/03Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity
    • H01F1/12Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity of soft-magnetic materials
    • H01F1/34Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity of soft-magnetic materials non-metallic substances, e.g. ferrites
    • H01F1/36Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity of soft-magnetic materials non-metallic substances, e.g. ferrites in the form of particles
    • H01F1/37Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity of soft-magnetic materials non-metallic substances, e.g. ferrites in the form of particles in a bonding agent
    • H01F1/375Flexible bodies
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/01Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics
    • C04B35/26Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on ferrites
    • C04B35/265Compositions containing one or more ferrites of the group comprising manganese or zinc and one or more ferrites of the group comprising nickel, copper or cobalt
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/62218Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products obtaining ceramic films, e.g. by using temporary supports
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01FMAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F38/00Adaptations of transformers or inductances for specific applications or functions
    • H01F38/14Inductive couplings
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01FMAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F41/00Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties
    • H01F41/14Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for applying magnetic films to substrates
    • H01F41/16Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for applying magnetic films to substrates the magnetic material being applied in the form of particles, e.g. by serigraphy, to form thick magnetic films or precursors therefor

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Coils Or Transformers For Communication (AREA)

Abstract

According to the present invention, a manufacturing method of a flexible element including a ceramic film comprises: (a) a step of forming a sacrificial layer on a substrate; (b) a step of forming a ceramic layer on the sacrificial layer by an aerojet-printing method; (c) a step of laser-sintering the ceramic layer; (d) a step of removing the sacrificial layer to separate the ceramic layer from the substrate; and (e) a step of embedding the separated ceramic layer in a flexible material. According to the present invention, the ceramic layer is formed by aerojet-printing, and then a ceramic film with excellent electromagnetic properties is manufactured by a laser-sintering process instead of a high-temperature sintering process requiring a long period of time to realize a flexible electronic element with excellent performance while using reduced costs and a simplified process in comparison to a conventional technique.

Description

인쇄 및 레이저 소결 공정을 이용한 세라믹 필름 포함 유연성 소자의 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING FLEXIBLE ELEMENT INCLUDING CERAMIC FILM USING PRINTING AND LASER SINTERING PROCESS}METHODS FOR MANUFACTURING FLEXIBLE ELEMENT INCLUDING CERAMIC FILM USING PRINTING AND LASER SINTERING PROCESS}

본 발명은 세라믹 필름에 유연성을 부여하는 방법에 대한 것으로서, 보다 상세하게는, 세라믹 필름이 포함된 유연성 소자의 제조방법에 대한 것이다.The present invention relates to a method of imparting flexibility to a ceramic film, and more particularly, to a method of manufacturing a flexible device including a ceramic film.

최근에는 웨어러블 휴대용 전자장치, 대면적 전자 장치 및 사물 인터넷에 적용하기 위한 다양한 유연성 장치에 대한 수요가 급격히 증가하고 있다. 이에 따라, 가볍고 구부릴 수 있으며 접을 수 있고 매우 유연한 특성을 지닌 고효율 소량 에너지 공급 장치를 개발하기 위한 다양한 연구가 이루어지고 있는데, 특히 무선 주파수에서 에너지를 수확하는 것은 물리적인 접촉 없이 동시에 여러 전자 장치에 무선 형태로 전력을 공급할 수 있기 때문에 상당한 주목을 받고 있는 신기술이다. Recently, the demand for various flexible devices for application to wearable portable electronic devices, large area electronic devices, and the Internet of Things is rapidly increasing. As a result, various studies have been conducted to develop high-efficiency, small-capacity energy supplies with light, bendable, collapsible, and highly flexible properties. Particularly, harvesting energy at radio frequencies can be applied to multiple electronic devices simultaneously without physical contact. It is a new technology that attracts considerable attention because it can be supplied in the form of power.

이러한 무선 전력전송(Wireless Power Transfer, WPT)의 개념은 충전이 요구되는 경우에도 이동성을 제한하지 않기 때문에 모바일 전자 장치 및 전기 자동차에 있어서 바람직한 에너지 공급 기술을 대표한다. Markets and Markets에 따르면 웨어러블/플렉시블 전자 장치 및 전기 자동차에 있어서의 WPT의 기술적 이점으로 인해 WPT 시장은 2022년까지 112억 7000만 달러로 확대될 것으로 예상된다.This concept of wireless power transfer (WPT) represents a desirable energy supply technology for mobile electronic devices and electric vehicles because it does not limit mobility even when charging is required. According to Markets and Markets, the WPT market is expected to expand to $ 1.27 billion by 2022 due to the technical advantages of WPT in wearable / flexible electronics and electric vehicles.

WPT의 개념은 오랜 개발 역사를 가지고 있다. 그것은 니콜라 테슬라(Nikola Tesla)에 의해 1 세기 전에 처음으로 입증되었다. 최근 들어 전력 전달 메커니즘으로서 근거리 장(field)에서 자기 공명 결합(magnetic resonance coupling)을 이용한 비방사성(nonradiative) WPT 분야에서 상당한 발전이 이루어지고 있다. 상업용 모바일 전자 장치에 현재 사용되는 WPT 모듈은 외부 전송(Tx) 코일로부터 무선 전력을 수신하는 고투자율 연성 페라이트 층을 갖는 수신(Rx) 코일로 구성된다. 모바일 전자 장치의 WPT Rx 모듈은 필연적으로 배터리 팩 및 금속 케이스와 같은 전도성 물체에 가까이 있기 때문에 페라이트 층은 WPT Rx 모듈의 필수 구성 요소이다. 페라이트 층은 외부의 Tx 코일로부터의 자기장이 전도성 물질에 도달하는 것을 방지하기 위해 존재하며, 페라이트 층이 없으면 와전류(eddy current)가 도체에 유도되고 상쇄장(cancellation field)이 생성되어 WPT 성능에 악영향을 미친다.The concept of WPT has a long development history. It was first demonstrated a century ago by Nikola Tesla. Recently, significant advances have been made in the field of nonradiative WPT using magnetic resonance coupling in the near field as a power transmission mechanism. The WPT module currently used in commercial mobile electronic devices consists of a receive (Rx) coil with a high permeability flexible ferrite layer that receives wireless power from an external transmit (Tx) coil. The ferrite layer is an integral component of the WPT Rx module because the WPT Rx module in mobile electronics is inevitably close to conductive objects such as battery packs and metal cases. The ferrite layer exists to prevent magnetic fields from external Tx coils from reaching the conductive material. Without the ferrite layer, eddy currents are induced in the conductor and a cancellation field is generated, which adversely affects WPT performance. Crazy

따라서, 인덕터 코일/페라이트의 구성을 갖는 WPT 모듈이 여러 상업용 모바일 전자 장치에 적용되어 왔다. 그러나, 모바일 전자 장치에서 유연하고 변형 가능한 플랫폼을 향한 패러다임의 변화는 WPT 모듈에 사용되는 재료가 미래의 유연하고 변형 가능한 전자 장치에 부합할 것을 요구하고 있다. 이러한 측면에서, WPT 모듈의 페라이트 층은 취성(brittleness) 때문에 상당한 기술적 도전에 직면해 있다.Thus, WPT modules with inductor coil / ferrite configurations have been applied to many commercial mobile electronic devices. However, a paradigm shift towards a flexible and deformable platform in mobile electronic devices requires that the materials used in the WPT modules match future flexible and deformable electronic devices. In this respect, the ferrite layer of the WPT module faces significant technical challenges due to its brittleness.

세라믹 분말을 폴리머 바인더와 블렌딩하거나 또는 접착 테이프와 커버층 사이에 미리 균열을 형성시킨(pre-cracked) 페라이트 소결 필름을 적층시킴으로써 세라믹층에 유연성을 부여하려는 노력이 이루어진 바 있다. 그러나, 세라믹-고분자 복합재료 내의 세라믹 함량이 제한되고 페라이트 층에 균열이 발생될 수 있어, 완전 소결된 경질의 세라믹 층에 비해 열등한 자기적 성능을 가지는 문제점이 있다. Efforts have been made to blend the ceramic powder with a polymer binder or to impart flexibility to the ceramic layer by laminating a pre-cracked ferrite sintered film between the adhesive tape and the cover layer. However, there is a problem in that the ceramic content in the ceramic-polymer composite material is limited and cracks may occur in the ferrite layer, which is inferior in magnetic performance as compared with the fully sintered hard ceramic layer.

한편, 완전 소결된 경질의 세라믹 층을 사용할 경우 우수한 자기적 성능은 보장되지만 고온 및 시간 소모적인 노(furnace) 기반 소결 공정(예를 들면, 950 ℃ 및 24 시간)이 필수적으로 요구되어 제조 비용이 증가한다는 단점을 가진다.On the other hand, the use of a fully sintered hard ceramic layer ensures good magnetic performance, but a high temperature and time-consuming furnace-based sintering process (eg 950 ° C. and 24 hours) is indispensable. Has the disadvantage of increasing.

한국공개특허 제10-2014-0124703 호 (공개일: 2014. 10. 27.)Korean Patent Publication No. 10-2014-0124703 (Published: October 27, 2014) 한국공개특허 제10-2015-0125812호 (공개일: 2015. 11. 10.)Korean Patent Publication No. 10-2015-0125812 (Published: November 10, 2015) 한국공개특허 제10-2017-0050971호 (공개일: 2017. 5. 11.)Korean Patent Publication No. 10-2017-0050971 (published: May 11, 2017)

Z.L. Wang, W. Wu, Nanotechnology-enabled energy harvesting for self-powered micro-/nanosystems, Angew. Chem. Int. Ed. 51 (2012) 11700-11721. Z.L. Wang, W. Wu, Nanotechnology-enabled energy harvesting for self-powered micro- / nanosystems, Angew. Chem. Int. Ed. 51 (2012) 11700-11721. J. Kim, A. Banks, Z. Xie, S.Y. Heo, P. Gutruf, J.W. Lee, S. Xu, K.I. Jang, F. Liu, G. Brown, J. Choi, J.H. Kim, X. Feng, Y. Huang, U. Paik, J.A. Rogers, Miniaturized flexible electronic systems with wireless power and near-field communication capabilities, Adv. Funct. Mater. 25 (2015) 4761-4767. J. Kim, A. Banks, Z. Xie, S.Y. Heo, P. Gutruf, J.W. Lee, S. Xu, K.I. Jang, F. Liu, G. Brown, J. Choi, J.H. Kim, X. Feng, Y. Huang, U. Paik, J.A. Rogers, Miniaturized flexible electronic systems with wireless power and near-field communication capabilities, Adv. Funct. Mater. 25 (2015) 4761-4767. A. Kurs, A. Karalis, R. Moffatt, J.D. Joannopoulos, P. Fisher, M. Soljacic, Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances, Science 317 (2007) 83-86. A. Kurs, A. Karalis, R. Moffatt, J.D. Joannopoulos, P. Fisher, M. Soljacic, Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances, Science 317 (2007) 83-86. C.A. Stergiou, V. Zaspalis, Impact of ferrite shield properties on the low-power inductive power transfer, IEEE Trans. Magn. 52 (2016) 8401609. C.A. Stergiou, V. Zaspalis, Impact of ferrite shield properties on the low-power inductive power transfer, IEEE Trans. Magn. 52 (2016) 8401609.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 기존의 완전 소결 세라믹 필름 포함 유연성 소자의 성능을 유지하면서도 현저히 간소화된 저비용의 공정을 통해 세라믹 필름 포함 유연성 소자를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.The technical problem to be solved by the present invention is to provide a method for manufacturing a flexible film-containing flexible device through a significantly simplified low-cost process while maintaining the performance of the conventional flexible device containing a fully sintered ceramic film.

상기 기술적 과제를 달성하기 위해, 본 발명은 (a) 기판 위에 희생층(sacrificial layer)을 형성하는 단계; (b) 에어로젯(aerojet) 인쇄 공법으로 상기 희생층 상에 세라믹 층을 형성하는 단계: (c) 상기 세라믹 층을 레이저 소결(laser sintering)하는 단계; (d) 상기 희생층을 제거해 상기 기판으로부터 상기 세라믹 층을 분리하는 단계; 및 (e) 상기 분리한 세라믹 층을 유연성 소재에 내장시키는 단계;를 포함하는 세라믹 필름이 포함된 유연성 소자의 제조방법을 제안한다.In order to achieve the above technical problem, the present invention (a) forming a sacrificial layer (sacrificial layer) on the substrate; (b) forming a ceramic layer on the sacrificial layer by an aerojet printing method: (c) laser sintering the ceramic layer; (d) removing the sacrificial layer to separate the ceramic layer from the substrate; And (e) embedding the separated ceramic layer in a flexible material.

또한, 상기 기판은 유리 또는 실리콘으로 이루어진 것을 특징으로 하는 세라믹 필름이 포함된 유연성 소자의 제조방법을 제안한다.In addition, the substrate proposes a method of manufacturing a flexible device including a ceramic film, characterized in that made of glass or silicon.

또한, 상기 세라믹 층을 이루는 물질은 페라이트(ferrite)인 것을 특징으로 하는 세라믹 필름이 포함된 유연성 소자의 제조방법을 제안한다.In addition, the material forming the ceramic layer proposes a method of manufacturing a flexible device including a ceramic film, characterized in that the ferrite (ferrite).

또한, 상기 페라이트는 Ni-Zn계 페라이트, Mn-Zn계 페라이트, Ni-Zn-Cu계 페라이트, Mn-Mg계 페라이트, Ba계 페라이트 또는 Li계 페라이트인 것을 특징으로 하는 세라믹 필름이 포함된 유연성 소자의 제조방법을 제안한다.In addition, the ferrite is a Ni-Zn-based ferrite, Mn-Zn-based ferrite, Ni-Zn-Cu-based ferrite, Mn-Mg-based ferrite, Ba-based ferrite or Li-based ferrite flexible device comprising a ceramic film We propose a method of manufacturing.

또한, 상기 단계 (c)에서 레이저 소결을 통해 세라믹 층을 소결함과 동시에 세라믹 층에 미세 균열(microcrack)을 형성시키는 것을 특징으로 하는 세라믹 필름이 포함된 유연성 소자의 제조방법을 제안한다.In addition, in the step (c) it is proposed a method of manufacturing a flexible device comprising a ceramic film, characterized in that at the same time to sinter the ceramic layer through laser sintering to form a microcrack in the ceramic layer.

또한, 상기 단계 (d)에서 금속으로 이루어진 희생층을 에칭액으로 제거해 상기 기판으로부터 상기 세라믹 층을 분리하는 것을 특징으로 하는 세라믹 필름이 포함된 유연성 소자의 제조방법을 제안한다.In addition, the step (d) proposes a method of manufacturing a flexible device comprising a ceramic film, characterized in that to remove the sacrificial layer made of a metal with an etching solution to separate the ceramic layer from the substrate.

또한, 상기 단계 (d)에서 상기 분리한 세라믹 층을 유연성 소재 함유 용액 내에 함침 시킨 후 경화시키는 것을 특징으로 하는 세라믹 필름이 포함된 유연성 소자의 제조방법을 제안한다.In addition, in the step (d) it is proposed a method of manufacturing a flexible device comprising a ceramic film, characterized in that the cured after impregnating the separated ceramic layer in a solution containing a flexible material.

그리고, 본 발명은 발명의 다른 측면에서 상기 제조방법에 의해 제조된 세라믹 필름이 포함된 유연성 소자를 제안한다.In another aspect, the present invention proposes a flexible device including a ceramic film manufactured by the method.

또한, 상기 세라믹 필름은 페라이트로 이루어진 것을 특징으로 하는 세라믹 필름이 포함된 유연성 소자를 제안한다.In addition, the ceramic film proposes a flexible device including a ceramic film, characterized in that made of ferrite.

그리고, 본 발명은 발명의 또 다른 측면에서 상기 유연성 소자를 포함하는 WPT 시스템을 제안한다.In another aspect of the invention, the present invention proposes a WPT system including the flexible device.

본 발명에 의하면, 에어로젯 프린팅(aerojet-printing)을 통해 세라믹 층을 형성한 후, 장시간이 요구되는 고온 소결 공정 대신에 레이저 소결 (laser-sintering) 공정을 통해 우수한 전자기적 특성을 가지는 세라믹 필름을 제조함으로써, 종래에 비해 훨씬 적은 비용 및 간소화된 공정을 이용하면서도 우수한 전자기적 특성을 가지는 고성능 유연성 전자 소자를 구현할 수 있다.According to the present invention, after forming the ceramic layer through aerojet printing (aerojet-printing), a ceramic film having excellent electromagnetic properties through a laser sintering (laser-sintering) process instead of a high temperature sintering process that requires a long time By manufacturing, it is possible to realize a high performance flexible electronic device having excellent electromagnetic properties while using a much lower cost and a simplified process as compared with the conventional art.

도 1은 본원 실시예에 따른 PDMS에 내장된 LSNZF 필름(PDMS-embedded LSNZF film) 제작 공정을 보여주는 모식도이다.
도 2(a)는 에어로젯 인쇄된 NZF 필름의 파장 400 ~ 2000nm에서의 광 투과율(T) 및 반사율(R) 스펙트럼이며, 도 2(b)는 상기 T와 R로부터 계산된 에어로젯 인쇄된 NZF 필름의 광학 밴드갭 에너지를 나타낸 그래프이다.
도 3(a)는 32 ~ 96 J/cm2의 다양한 레이저 플루언스 값에서 LSNZF 필름의 XRD 분석 결과이고, 도 3(b)는 XRD로부터 측정된 LSNZF 필름의 입자 크기를 레이저 플루언스 값의 함수로 나타낸 그래프이다.
도 4는 레이저 플루언스 값 변화(51, 64 및 96 J/cm2)에 따른 미세 구조 변화를 보여주는 LSNZF 필름의 평면 이미지(광학 현미경 사진) 및 단면 이미지(SEM 사진)이다.
도 5는 레이저 플루언스의 함수로 나타낸 미세 균열(microcrack) 밀도의 이미지 분석 결과이다(원래의 컬러 이미지에서 변환된 흑백 이미지는 미세 균열 양 계산에 사용함, 미세 균열 밀도는 크기 567 × 424 ㎛의 이미지에서 백색 픽셀 수를 총 픽셀 수로 나눠 %로 표시함).
도 6(a) PDMS 내장 LSNZF 필름의 레이저 플루언스 변화에 따른 주파수-복소 투자율 그래프이고, 도 6(b)는 PDMS 내장 LSNZF 필름의 레이저 플루언스 변화에 따른 M-H 히스테리시스 곡선이다.
도 7은 PDMS 내장 LSNZF 필름의 6.78 MHz에서의 실수부 투자율, 미세 균열 밀도(%) 및 XRD로부터 측정된 미세 결정립 크기를 레이저 플루언스의 함수로서 나타낸 그래프이다.
도 8(a)는 굽힘 반경에 따른 정규화된 실수부 투자율 실수부 투자율 (Δμ′/μ′ 0 )을 나타낸 그래프이고, 도 8(b)는 굽힘 시험 사이클수(최대 10,000 사이클)에 따른 정규화된 실수부 투자율 실수부 투자율 (Δμ′/μ′ 0 )을 나타낸 그래프이며, 도 8(c) 및 도 8(d)는 각각 10,000 사이클 굽힘 시험 전후의 PDMS 내장 LSNZF 필름의 단면 사진이다.
도 9(a) Ag 나선 인덕터 코일의 형성 공정을 보여주는 모식도이고, 도 9(b)는 LSNZF 필름을 포함한 유연한 WPT Rx 모듈의 사진이며, 도 9(c)와 도 9(d)는 구부러지고 Tx에서 7cm 떨어진 위치에서 6.78MHz에서의 Rx 모듈의 WPT 성능을 보여주는 사진이다.
도 10은 Cu 전도판 근처에 LSNZF이 있는 경우와 없는 경우 각각에서 유연한 Rx 모듈의 WPT 성능을 보여주는 사진이다.
도 11은 LSNZF 필름을 가지는 유연한 Rx 모듈에 있어서 Rx와 Tx 사이의 간격 거리에 따른 WPT 효율(Rx 전력 / Tx 전력)을 나타낸 그래프이다.
1 is a schematic diagram showing a process for manufacturing a LSNZF film (PDMS-embedded LSNZF film) embedded in PDMS according to an embodiment of the present application.
FIG. 2 (a) is the light transmittance (T) and reflectance (R) spectra at wavelengths 400-2000 nm of the aerojet printed NZF film, and FIG. 2 (b) is an aerojet printed NZF calculated from the T and R It is a graph showing the optical bandgap energy of the film.
FIG. 3 (a) shows the results of XRD analysis of LSNZF film at various laser fluence values from 32 to 96 J / cm 2 , and FIG. 3 (b) shows the particle size of LSNZF film measured from XRD as a function of laser fluence value. It is a graph.
4 is a planar image (optical micrograph) and cross-sectional image (SEM photograph) of LSNZF film showing microstructural changes with laser fluence value changes (51, 64 and 96 J / cm 2 ).
5 is an image analysis result of microcrack density expressed as a function of laser fluence (black and white image converted from the original color image is used to calculate the amount of microcracks; fine crack density is an image of size 567 × 424 µm) In white divided by the total number of pixels).
6 (a) is a graph of frequency-complex permeability according to the laser fluence change of the PDMS embedded LSNZF film, and FIG. 6 (b) is the MH hysteresis curve according to the laser fluence change of the PDMS embedded LSNZF film.
7 is a graph showing the real part permeability, micro crack density (%) and micro grain size measured from XRD of the PDNZ embedded LSNZF film as a function of laser fluence.
8 (a) is a graph showing the normalized real permeability real permeability (Δμ ′ / μ ′ 0 ) according to the bending radius, and FIG. 8 (b) is normalized according to the number of bending test cycles (up to 10,000 cycles). Real part permeability real part permeability (Δμ '/ μ' 0 ) is a graph showing, Figure 8 (c) and Figure 8 (d) is a cross-sectional photograph of the PDMS embedded LSNZF film before and after the 10,000 cycle bending test, respectively.
Figure 9 (a) is a schematic diagram showing the formation process of the Ag spiral inductor coil, Figure 9 (b) is a photograph of a flexible WPT Rx module including LSNZF film, Figure 9 (c) and Figure 9 (d) is bent and Tx This shows the WPT performance of the Rx module at 6.78MHz at a distance of 7cm.
10 is a photograph showing the WPT performance of the flexible Rx module with and without LSNZF near the Cu conduction plate, respectively.
FIG. 11 is a graph showing WPT efficiency (Rx power / Tx power) according to the distance between Rx and Tx in a flexible Rx module having LSNZF film.

본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.In the following description of the present invention, if it is determined that detailed descriptions of related known functions or configurations may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.

본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Embodiments according to the concepts of the present invention may be variously modified and may have various forms, and specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the present specification or application. However, this is not intended to limit the embodiments in accordance with the concept of the present invention to a particular disclosed form, it should be understood to include all changes, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. As used herein, the terms "comprise" or "have" are intended to indicate that there is a feature, number, step, action, component, part, or combination thereof that is described, and that one or more other features or numbers are present. It should be understood that it does not exclude in advance the possibility of the presence or addition of steps, actions, components, parts or combinations thereof.

이하, 본 발명을 상세히 설명하도록 한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명은, 저비용의 간단한 공정을 통해 고성능의 자립형(free-standing) 세라믹 필름을 제조한 후, 이에 유연성을 부여해 각종 유연성 전자 소자를 제조하는데 있어서 유용하게 사용될 수 있는 세라믹 필름이 포함된 유연성 소자의 제조방법에 대한 것이다.The present invention provides a flexible device including a ceramic film that can be used to manufacture a high performance free-standing ceramic film through a simple, low-cost process, and then give flexibility thereto to manufacture various flexible electronic devices. It is about a manufacturing method.

구체적으로, 본 발명에 따른 세라믹 필름이 포함된 유연성 소자의 제조방법은, (a) 기판 위에 희생층(sacrificial layer)을 형성하는 단계; (b) 에어로젯(aerojet) 인쇄 공법으로 상기 희생층 상에 세라믹 층을 형성하는 단계: (c) 상기 세라믹 층을 레이저 소결(laser sintering)하는 단계; (d) 상기 희생층을 제거해 상기 기판으로부터 상기 세라믹 층을 분리하는 단계; 및 (e) 상기 분리한 세라믹 층을 유연성 소재에 내장시키는 단계를 포함해 이루어진다.Specifically, the method for manufacturing a flexible device including a ceramic film according to the present invention includes: (a) forming a sacrificial layer on a substrate; (b) forming a ceramic layer on the sacrificial layer by an aerojet printing method: (c) laser sintering the ceramic layer; (d) removing the sacrificial layer to separate the ceramic layer from the substrate; And (e) embedding the separated ceramic layer in a flexible material.

상기 단계 (a)에서는 유리(glass), 실리콘(Si) 등으로 이루어진 경질 기판 상에 희생층 및 세라믹 층을 순차적으로 형성시킨다.In the step (a), the sacrificial layer and the ceramic layer are sequentially formed on a hard substrate made of glass, silicon (Si), or the like.

상기 희생층은 후술할 세라믹 층과 기판 간의 분리 단계에서 제거되기 전까지 기판과 세라믹 층 사이에 한시적으로 존재하다가 세라믹 층의 레이저 소결이 완료된 후에 물리적 또는 화학적 공정을 통해 제거된다.The sacrificial layer is temporarily present between the substrate and the ceramic layer until the sacrificial layer is removed in a separation step between the ceramic layer and the substrate to be described later, and then removed through physical or chemical processes after laser sintering of the ceramic layer is completed.

상기 희생층은 일례로 금속으로 이루어질 수 있으며, 상기 금속으로 이루어진 희생층은 아래의 세라믹 층과 기판 간의 분리 단계에서 해당 금속 소재에 대응하는 에칭액(etchant)를 이용해 제거될 수 있다. 예를 들어, 상기 희생층이 은(Ag)으로 이루어질 경우에는 에칭액으로서 질산을 포함하는 알코올 용액인 나이탈(Nital)을 사용할 수 있다.The sacrificial layer may be made of a metal, for example, and the sacrificial layer made of the metal may be removed using an etchant corresponding to the metal material in a separation step between the ceramic layer and the substrate below. For example, when the sacrificial layer is made of silver (Ag), it is possible to use Nital, an alcohol solution containing nitric acid, as an etching solution.

다음으로, 상기 단계 (b)에서는 에어로젯(aerojet) 인쇄 공법으로 상기 희생층 상에 세라믹 층을 형성시킨다.Next, in step (b), a ceramic layer is formed on the sacrificial layer by an aerojet printing method.

상기 세라믹 층은 후술할 단계 (c)에서 레이저 소결을 거쳐 단계 (d)에서 기판으로부터 분리됨으로써 자립형(free-standing) 세라믹 필름이 되어 유연성 소재 내에 내장되어 소자의 핵심적인 기능을 수행하게 된다.The ceramic layer is separated from the substrate in step (d) by laser sintering in step (c), which will be described later, and becomes a free-standing ceramic film, which is embedded in a flexible material to perform a core function of the device.

본 단계 (b)에서 세라믹 층은 인쇄 전자 기술(Printed Electronics) 중에서도 에어로젯(aerojet) 인쇄 공법을 통해 형성되는 것을 특징으로 한다. In the step (b), the ceramic layer may be formed through an aerojet printing method among printed electronics.

에어로젯 인쇄 공법은 나노 입자를 운송 기체(carrier gas)에 균일하게 분산시킨 후에 공기 역학적으로 집속시켜 일정 부분에 나노 입자를 성막하는 비접촉식 패터닝 방법으로서, 용매의 점도에 민감한 잉크젯 프린팅이나 스크린 프린팅과 달리 다양한 물질에 대해 쉽게 공정을 개발할 수 있고 대면적에 대해 빠른 속도로 공정을 할 수 있는 장점을 가진다.Aerojet printing is a non-contact patterning method in which nanoparticles are uniformly dispersed in a carrier gas and then aerodynamically focused to deposit nanoparticles on a certain portion. The process can be easily developed for various materials and the process can be performed at a high speed for a large area.

한편, 상기 세라믹 층은 전자기적, 기계적, 광학적 물성이 우수한 기능성 세라믹 소재로 이루어질 수 있으며, 일례로, 페라이트(ferrite)와 같은 자성 세라믹으로 이루어질 수 있다.The ceramic layer may be made of a functional ceramic material having excellent electromagnetic, mechanical, and optical properties. For example, the ceramic layer may be made of a magnetic ceramic such as ferrite.

참고로, 상기 페라이트는 산화철(Fe2O3)을 주성분으로 하는 세라믹 자성체를 총칭하는 것으로서, 일반식 MO·Fe2O3(M : Mn, Zn, Mg, Fe, Cu, Co 등의 2가 금속)으로 표시되며, Ni-Zn계 페라이트, Mn-Zn계 페라이트, Ni-Zn-Cu계 페라이트, Mn-Mg계 페라이트, Ba계 페라이트, Li계 페라이트 등을 그 대표적인 예로 들 수 있다.For reference, the ferrite is a general term for a ceramic magnetic material containing iron oxide (Fe 2 O 3 ) as a main component, bivalent, such as MO · Fe 2 O 3 (M: Mn, Zn, Mg, Fe, Cu, Co, etc.) Metal), and Ni-Zn-based ferrites, Mn-Zn-based ferrites, Ni-Zn-Cu-based ferrites, Mn-Mg-based ferrites, Ba-based ferrites, Li-based ferrites, and the like.

이어서, 상기 단계 (c)에서는 상기 세라믹 층을 레이저 소결(laser sintering)시킨다.Subsequently, in step (c), the ceramic layer is laser sintered.

본 단계 (c)에서는 레이저 소결을 통해 세라믹 층의 미세조직을 치밀화 시킴과 동시에, 레이저에 의한 빠른 가열과 에어로젯 인쇄된 필름의 높은 기공률로 인해 세라믹 층에 미세 균열(microcrack)을 형성시키는데, 이와 같이 레이저 소결 중에 형성된 미세 균열은 결함으로서 세라믹 필름에 부정적인 영향을 미치기 보다는 오히려 세라믹 필름에 유연성을 부여하는 중요한 역할을 한다.In the step (c), the microstructure of the ceramic layer is densified through laser sintering, and at the same time, microcrack is formed in the ceramic layer due to the rapid heating by the laser and the high porosity of the aerojet printed film. Likewise, the microcracks formed during laser sintering play an important role in imparting flexibility to the ceramic film rather than negatively affecting the ceramic film as a defect.

그리고, 상기 단계 (d)에서는 상기 희생층을 제거해 상기 기판으로부터 상기 세라믹 층을 분리하며, 일례로 전술한 바와 같이 금속으로 이루어진 희생층을 에칭액으로 제거해 상기 기판으로부터 상기 세라믹 층을 분리할 수 있다.In the step (d), the sacrificial layer may be removed to separate the ceramic layer from the substrate. For example, as described above, the sacrificial layer made of metal may be removed with an etchant to separate the ceramic layer from the substrate.

마지막으로, 단계 (e)에서는 상기 소결된 세라믹 층을 유연성 소재에 내장시키는 공정을 수행하게 되며, 그 구체적인 방법은 특별히 제한되지 않으며, 일례로, 유연성 소재 함유 용액 내에 상기 소결된 세라믹 층을 함침 시킨 후 경화시키는 공정을 통해 이루어질 수 있다.Finally, in step (e), the process of embedding the sintered ceramic layer in the flexible material is performed, and the specific method is not particularly limited. For example, the sintered ceramic layer is impregnated in the flexible material-containing solution. It may be made through a post-curing process.

상기에서 설명한 본 발명에 따른 세라믹 필름이 포함된 유연성 소자의 제조방법은, 에어로젯 프린팅(aerojet-printing)을 통해 세라믹 층을 형성한 후, 장시간이 요구되는 고온 소결 공정 대신에 레이저 소결 (laser-sintering) 공정을 통해 우수한 전자기적 특성을 가지는 세라믹 필름을 제조함으로써, 종래에 비해 훨씬 적은 비용 및 간소화된 공정을 이용하면서도 우수한 성능의 유연성 전자 소자를 구현할 수 있다.In the method of manufacturing the flexible device including the ceramic film according to the present invention described above, after the ceramic layer is formed through aerojet-printing, laser sintering is used instead of the high temperature sintering process requiring a long time. By manufacturing a ceramic film having excellent electromagnetic properties through a sintering process, it is possible to implement a flexible electronic device having excellent performance while using a much lower cost and a simplified process than in the related art.

이하, 실시예를 들어 본 발명에 대해 보다 상세하게 설명하기로 한다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples.

본 명세서에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 명세서의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되지 않는다. 본 명세서의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 명세서를 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.Embodiments according to the present disclosure may be modified in many different forms, and the scope of the present disclosure is not to be construed as limited to the embodiments described below. The embodiments of the present specification are provided to more fully describe the present specification to those skilled in the art.

<실시예><Example>

1. 에어로젯 프린팅 및 적외선(IR) 레이저 소결에 의한 LSNZF 필름 제조1. LSNZF Film Preparation by Aerojet Printing and Infrared (IR) Laser Sintering

인쇄 가능한 NZF(NiZn-ferrite) 잉크를 만들기 위해 Ni0.4Zn0.6Fe2O4(평균 입자 크기 : 500nm)의 조성을 가진 NZF 나노 입자(Amotech)를 분산제(BYK111)와 함께 α-Terpineol(α-Terpineol, 비점 : 217℃, 밀도 : 25 ℃에서 0.93g/mL)에 분산시켰다. NZF 고상 함량은 실험 내내 40 중량%로 유지했다. 잉크 분산은 기계적 균질화 및 초음파 균질화 공정을 통해 확보되었다. 에어로젯 인쇄(Musashi)에 앞서 6 μm 주사기 필터를 사용하여 잉크에 남아있는 응집체를 제거했다.NZF nanoparticles (Amotech) with a composition of Ni 0.4 Zn 0.6 Fe 2 O 4 (average particle size: 500 nm) were added together with the dispersant (BYK111) to make printable NZF (NiZn-ferrite) inks. , Boiling point: 217 ° C., density: 0.93 g / mL at 25 ° C.). NZF solid phase content was maintained at 40% by weight throughout the experiment. Ink dispersion was obtained through mechanical homogenization and ultrasonic homogenization processes. Prior to Aerojet printing (Musashi), a 6 μm syringe filter was used to remove the aggregates remaining in the ink.

유리 기판(50×50mm) 위에 46x46mm 크기의 NZF 필름을 인쇄했다. 인쇄 피치(pitch) 및 인쇄 횟수를 제어하여 NZF 필름 두께를 20μm로 고정했다. 레이저 소결 후에 기판으로부터 NZF 필름을 분리할 수 있도록 Ag 희생층을 NZF 필름과 유리 기판 사이에 도입했다. 상용 Ag 잉크(즉, ANP)를 사용하여 얇은 Ag 층(1.5㎛)을 전체 기판 상에 에어로젯 인쇄하였다. 이어서, 동일한 프린터를 사용하여 레이저 소결을 수행할 수 있도록 지속파(continuous-wave, CW) 다이오드 펌핑 IR 레이저 (λ = 808 nm, LDC-030XTF, Losyn Yepli)를 인쇄 노즐에 부착했다. NZF 필름의 전체 영역을 유효 집속 빔 크기(effective focusing beam size)가 200 μm인 스캐닝 레이저 빔으로 조사하였다.An NZF film of 46 × 46 mm size was printed on a glass substrate (50 × 50 mm). The print pitch and the number of prints were controlled to fix the NZF film thickness to 20 μm. An Ag sacrificial layer was introduced between the NZF film and the glass substrate so that the NZF film could be separated from the substrate after laser sintering. A thin Ag layer (1.5 μm) was aerojet printed onto the entire substrate using a commercial Ag ink (ie ANP). Then, a continuous-wave (CW) diode pumped IR laser (λ = 808 nm, LDC-030XTF, Losyn Yepli) was attached to the print nozzle so that laser sintering could be performed using the same printer. The entire area of the NZF film was irradiated with a scanning laser beam having an effective focusing beam size of 200 μm.

플루언스(J/cm2)의 관점에서 레이저 출력을 변경하여 10mm/s의 레이저 스캔 속도에서 최적의 레이저 소결 조건을 결정했다. NZF 필름의 에어로젯 프린팅 및 레이저 소결 공정은 도 1(a) 및 도 1(b)에 개략적으로 도시되어 있다.The laser power was varied in terms of fluence (J / cm 2 ) to determine the optimal laser sintering conditions at a laser scan rate of 10 mm / s. The aerojet printing and laser sintering process of the NZF film is schematically illustrated in FIGS. 1 (a) and 1 (b).

실제로 세라믹 절연필름의 최적의 레이저 소결 조건을 결정할 때 주요 레이저 처리 파라미터로서 레이저 파장과 레이저 플루언스를 고려해야 한다. 세라믹 필름에 의한 레이저 광자 흡수는 필름의 밴드 갭보다 큰 레이저 광자 에너지를 필요로 하는 밴드 간 전자 전이를 통해 주로 발생한다. 에어로젯 인쇄된 NZF 필름의 광 밴드갭(E g )은 다음 식들에 기초한 재료의 밴드 간 전자 전이와 관련된 광흡수 계수(α)로부터 도출되었다.In fact, laser wavelength and laser fluence should be taken into account when determining the optimal laser sintering conditions for ceramic insulating films. Laser photon absorption by ceramic films occurs primarily through interband electron transitions that require laser photon energy greater than the band gap of the film. The light bandgap ( E g ) of the aerojet printed NZF film was derived from the light absorption coefficient (α) associated with the interband electron transition of the material based on the following equations.

Figure 112018097333806-pat00001
Figure 112018097333806-pat00001

여기서 는 입사 광자 에너지, A는 상수, t, TR은 각각 필름의 두께, 투과율 및 반사율을 나타낸다. 도 2는 에어로젯 프린팅된 NZF 필름의 광학 투과율과 반사 스펙트럼과 상기 식 (1)로부터의 밴드갭 에너지 추출을 나타낸다. Where is incident photon energy, A is constant, t, T and R are the thickness, transmittance and reflectance of the film, respectively. Figure 2 shows the optical transmission and reflection spectra of the Aerojet printed NZF film and the bandgap energy extraction from Eq. (1) above.

이와 같이 얻어진 에어로젯 인쇄된 NZF 필름의 Eg는 1.45eV로서 기존에 보고된 값과 일치한다. 본 실시예에서 사용된 레이저(λ = 808 nm)의 광자 에너지는 1.53 eV로서 NZF 필름의 밴드 갭보다 커서 밴드 간 전자 전이(interband electronic transition)로 이어졌다. The Eg of the aerojet printed NZF film thus obtained is 1.45 eV, which is consistent with previously reported values. The photon energy of the laser (λ = 808 nm) used in this example was 1.53 eV, which is larger than the band gap of the NZF film, leading to interband electronic transition.

밴드 간 전자 전이에 의한 광자 에너지의 흡수는 전형적으로 필름 두께의 상위 10% 내에서 발생하기 때문에 밴드 간 전자 전이와 관련해 논란의 여지가 있다. 레이저 강도가 초기 강도의 36%로 떨어지고 α(d = 1 / α)에 반비례하는 깊이로 정의되는 광자 에너지 흡수 깊이(또는 침투 깊이, d)는, 두께가 20㎛인 NZF 필름의 경우 2.2㎛로 제한되나, 그렇다고 전체 필름이 레이저의 영향을 받지 않았음을 의미하지는 않는다. 필름의 불균일한 미세 구조와 관련하여 침투 깊이가 증가하는 것으로 보고된 바 있다. 충진 밀도(packing density) 계산에 따르면 인쇄된 NZF 필름의 50% 이상의 공극을 포함하는 것으로 나타났는데, 이전의 연구에서도 인쇄된 세라믹 필름에 대해 유사한 다공성 특성이 관찰되었다. 이러한 기공은 필름 내부의 나노 입자 표면 상에서 다중의 내부 반사를 허용하여 레이저의 더 깊은 침투를 유도한다. 유효 침투 깊이가 필름 두께보다 짧게 유지되는 경우에도, 열 확산(thermal diffusion)은 침투 깊이를 넘어 이상으로 필름의 나머지 부분을 소결하는 데 중요한 역할을 한다. NZF 필름의 열 확산 길이(x)는 다음 식 (3)을 사용하여 272㎛으로 결정되었다.The absorption of photon energy by interband electron transitions is typically controversial with respect to interband electron transitions as it typically occurs within the top 10% of the film thickness. The photon energy absorption depth (or penetration depth, d), defined as the depth of laser drops to 36% of its initial intensity and is inversely proportional to α ( d = 1 / α), is 2.2 μm for NZF films with a thickness of 20 μm. Although limited, this does not mean that the entire film is not affected by the laser. It has been reported that the penetration depth increases with respect to the uneven microstructure of the film. The packing density calculations showed that the pores contained more than 50% of the pores of the printed NZF film. Similar studies showed that similar porosity was observed for the printed ceramic films. These pores allow multiple internal reflections on the surface of the nanoparticles inside the film, leading to deeper penetration of the laser. Even if the effective penetration depth is kept shorter than the film thickness, thermal diffusion plays an important role in sintering the remainder of the film beyond the penetration depth. The heat diffusion length (x) of the NZF film was determined to be 272 μm using the following equation (3).

Figure 112018097333806-pat00002
Figure 112018097333806-pat00002

여기서 k, ρ, C p 는 각각 NZF의 열전도도(6.3 W/(m·K)), 밀도(4.8 x 103 kg/m3) 및 비열 용량 (710 J/(kg·K))이며 τ는 레이저 상호 작용 시간(빔 크기/스캔 속도=20ms)이다. 침투 깊이와 열 확산을 기반으로 한 분석은 에어로젯 인쇄된 NZF 필름 전체가 808 nm 레이저를 이용한 소결에 의해 영향을 받음을 의미한다. 레이저 소결은 흡수된 광자 에너지의 양에 의존하기 때문에, 광자 에너지 흡수를 결정하는 레이저 플루언스(fluence)는 레이저 소결의 중요한 파라미터가 된다.Where k, ρ, and C p are the thermal conductivity of NZF (6.3 W / (mK)), density (4.8 x 10 3 kg / m 3 ), and specific heat capacity (710 J / (kgK)), respectively, τ Is the laser interaction time (beam size / scan rate = 20 ms). Analysis based on penetration depth and thermal diffusivity means that the entire aerojet printed NZF film is affected by sintering with a 808 nm laser. Since laser sintering is dependent on the amount of photon energy absorbed, laser fluence, which determines photon energy absorption, is an important parameter of laser sintering.

레이저 소결의 유효성을 조사하기 위해, 아래 '실험예'에서 에어로젯 인쇄된 NZF 필름의 자기적 특성 및 구조적 특성을 다양한 레이저 플루언스 값을 갖는 소결 공정 후에 살펴보았다.In order to investigate the effectiveness of laser sintering, the magnetic and structural properties of the aerojet printed NZF film were examined after the sintering process with various laser fluence values in the following Experimental Examples.

2. PDMS에 내장된 LSNZF 필름(PDMS-embedded LSNZF film)의 제조2. Preparation of LSNZF Film (PDMS-embedded LSNZF Film) Embedded in PDMS

PDMS 층에 LSNZF 필름을 삽입해 유연성을 부여하기 위해 수행되는 공정의 모식도는 도 1(c) 내지 도 1(f)에 도시하였다.Schematics of the process performed to insert the LSNZF film in the PDMS layer to give flexibility are shown in FIGS. 1 (c) to 1 (f).

우선, PDMS 용액을 도 1(c)에서와 같이 페트리 접시에 있는 Ag/유리 기판 위의 LSNZF 필름 위에 부었다. PDMS 용액은 경화제와 PDMS base를 10 : 1의 비율로 혼합하여 제조하였다. 먼저, PDMS에서 기포를 제거하기 위해 페트리 접시를 진공 데시케이터로 옮긴 다음 PDMS를 경화시키기 위해 80℃의 오븐에 30분간 두었다. 경화 후, PDMS의 주변부를 LSNZF 필름 둘레로 Ag 희생층을 따라 잘라 Ag 희생층을 외부로 노출시켰다(도 1(d)). 기판 위의 전체 구조를 Ag 에칭액 (TFS, Transene)에 15 분 동안 침지하여 Ag 희생층을 제거하였다. 희생층이 에칭액에 용해되면 PDMS에 내장된 LSNZF 필름을 유리 기판에서 분리했다(도 1(f)). LSNZF 필름을 포함한 PDMS의 전체 두께는 800 ㎛로 고정되었다.First, the PDMS solution was poured onto the LSNZF film on the Ag / glass substrate in a Petri dish as in FIG. 1 (c). PDMS solution was prepared by mixing the curing agent and PDMS base in a ratio of 10: 1. First, the Petri dish was transferred to a vacuum desiccator to remove bubbles from the PDMS and then placed in an oven at 80 ° C. for 30 minutes to cure the PDMS. After curing, the peripheral portion of the PDMS was cut along the Ag sacrificial layer around the LSNZF film to expose the Ag sacrificial layer to the outside (FIG. 1 (d)). The entire structure on the substrate was immersed in Ag etchant (TFS, Transene) for 15 minutes to remove the Ag sacrificial layer. When the sacrificial layer was dissolved in the etchant, the LSNZF film embedded in the PDMS was separated from the glass substrate (FIG. 1 (f)). The overall thickness of PDMS including LSNZF film was fixed at 800 μm.

<실험예>Experimental Example

1. PDMS에 내장된 LSNZF 필름의 구조적, 형태학적 및 자기적 특성 관찰1. Observation of structural, morphological and magnetic properties of LSNZF film embedded in PDMS

도 3(a)는 유리 기판에서 분리해 PDMS 층에 매립하기 전에 96 J/cm2까지 다양한 레이저 플루언스 값을 갖는 LSNZF 필름에 대해 XRD 분석을 실시한 결과이다. 회절 패턴은 우선 배향(preferential orientation)이 (311)인 스피넬 페라이트(spinel ferrite) 구조에 해당한다. 64 J/cm2까지 레이저 플루언스가 증가함에 따라 피크 강도가 증가하는 것을 관찰할 수 있다. 그러나, 더 높은 플루언스 값에도 피크 강도가 더 이상 증가하지 않는 것으로 관찰되었다. 이는 도 3(b)에서 보는 바와 같이 LSNZF 필름의 미세 결정립(crystallite) 평균 크기(D c )의 경향으로 확인되었다. D c 의 값은 Scherrer 방정식을 사용하여 계산되었다.FIG. 3 (a) shows the results of XRD analysis on LSNZF films with various laser fluence values up to 96 J / cm 2 before separation from the glass substrate and embedding in the PDMS layer. The diffraction pattern corresponds to a spinel ferrite structure with a preferential orientation of 311. It can be observed that the peak intensity increases with increasing laser fluence up to 64 J / cm 2 . However, it was observed that the peak intensity no longer increased with higher fluence values. This was confirmed by the tendency of the fine crystallite mean size ( D c ) of the LSNZF film as shown in FIG. 3 (b). The value of D c was calculated using the Scherrer equation.

Figure 112018097333806-pat00003
Figure 112018097333806-pat00003

여기서 λ, β, 및 θ는 각각 XRD에 사용된 파장, 반치폭(FWHM) 값 및 (311) 피크의 회절 각도를 나타낸다.Λ, β, and θ, respectively, represent the wavelength, half width (FWHM) value, and diffraction angle of the peak (311) used in the XRD.

레이저 소결로 인해 LSNZF 필름의 표면 형태에 큰 변화가 관찰되었다. NZF 필름의 색상이 점진적으로 변화할 뿐만 아니라 필름에 많은 미세 균열이 발생하였으며, 이는 도 4와 같이 레이저 플루언스가 증가함에 따라 증가한다. 갈색에서 흑색으로의 색상 변화(도 1(b))는 최적의 온도에서 이루어지는 통상의 열 소결에서도 일반적으로 관찰되는데 이는 필름이 적절한 소결을 거친 것임을 나타낸다.Large changes in the surface morphology of the LSNZF film were observed due to laser sintering. Not only the color of the NZF film gradually changed, but also many fine cracks occurred in the film, which increased as the laser fluence increased as shown in FIG. 4. The color change from brown to black (FIG. 1 (b)) is also commonly observed in conventional thermal sintering at optimum temperatures, indicating that the film has undergone adequate sintering.

그러나, 레이저 소결에서의 색 변화는 레이저 플루언스에 따라 점진적으로 발생한다는 것을 주목해야 한다. 흑색으로의 완전한 변화는 64 J/cm2 이상의 레이저 플루언스에서 관찰되었으며, 이는 간접적으로 NZF 필름의 소결에 적어도 상기 레이저 플루언스가 필요함을 간접적으로 나타낸다. 페라이트 필름의 자기적 성능과 관련하여 잠재적인 우려를 유발할 수 있는 LSNZF 필름의 미세 균열은 색상 변화 외의 눈에 띄는 형태학적 변화를 구성한다. 그러나, 본 발명에서 추구하는 유연성 WPT 모듈에 있어서 미세 균열은 세라믹 필름에 유연성을 부여하는 데 중요한 역할을 할 수 있다. TDK(일본)와 Wㆌrth Elektronik(독일) 등의 업체는 의도적으로 소결 페라이트 시트에 균열을 도입한 다음 이를 보호 필름과 함께 적층하여 유연한 소결 페라이트 시트를 제조한다. 따라서, 본 발명에서 사용된 레이저 소결 공정은 유연한 WPT 모듈에서 LSNZF 필름 구현에 적합한, 소결 및 균열을 동시에 유도하는 매우 효율적인 공정이다. 재료의 자기적 성질과 유연성에 미치는 미세 균열의 효과에 대해 논의하기 전에 먼저 미세 균열 형성에 미치는 레이저 플루언스의 영향을 살펴보고자 한다. 이러한 미세 균열은 인쇄 후 소결 전(as-printed) 다공성 필름에 조사된 레이저 스폿의 국부화된 일시적 가열 및 냉각에 기인한다. 다공성 필름(기공률> 50 %)의 국부적인 온도 구배는 필름의 국부적인 부피 수축과 관련된 열 응력 구배를 유발하여 미세 균열을 일으킬 수 있다. 이미지 해석 소프트웨어(Clemex Vision - Professional Edition Version 5.0, Clemex Technology)를 사용하여 미세 균열의 양을 측정함으로써 레이저 플루언스에 의한 미세 균열의 발달을 살펴보았다. 다양한 레이저 플루언스 값에서 레이저 소결 후 NZF 필름의 광학 이미지를 촬영하여 흑백 이미지로 변환했다. 미세 균열의 밀도는 백색 픽셀의 수를 세고 전체 이미지의 픽셀 수로 나누어 계산했다. 균열 밀도는 도 5에서와 같이 레이저 플루언스가 증가함에 따라 증가하는 것으로 밝혀졌다. 미세 균열의 폭 또한 레이저 플루언스가 증가함에 따라 증가하는 것으로 관찰되었다.However, it should be noted that color changes in laser sintering occur gradually with laser fluence. A complete change to black was observed at laser fluences of 64 J / cm 2 or greater, indirectly indicating that at least the laser fluence is necessary for sintering the NZF film. Microcracks in LSNZF films, which can cause potential concerns with respect to the magnetic performance of ferrite films, constitute a notable change in morphology. However, in the flexible WPT module pursued by the present invention, microcracks may play an important role in providing flexibility to the ceramic film. Companies such as TDK (Japan) and W ㆌ rth Elektronik (Germany) intentionally introduce cracks into sintered ferrite sheets and then laminate them with protective films to produce flexible sintered ferrite sheets. Therefore, the laser sintering process used in the present invention is a very efficient process that simultaneously induces sintering and cracking, which is suitable for LSNZF film implementation in flexible WPT modules. Before discussing the effects of microcracks on the magnetic properties and flexibility of materials, let's first examine the effects of laser fluence on microcracks formation. These microcracks are due to localized transient heating and cooling of the laser spot irradiated to the as-printed porous film after printing. The local temperature gradient of the porous film (porosity> 50%) can cause thermal stress gradients associated with local volumetric shrinkage of the film, which can lead to microcracks. The development of microcracks by laser fluence was investigated by measuring the amount of microcracks using image analysis software (Clemex Vision-Professional Edition Version 5.0, Clemex Technology). After laser sintering at various laser fluence values, optical images of the NZF film were taken and converted to black and white images. The density of the microcracks was calculated by counting the number of white pixels and dividing by the number of pixels in the overall image. The crack density was found to increase with increasing laser fluence as shown in FIG. 5. The width of the microcracks was also observed to increase with increasing laser fluence.

LSNZF 필름의 레이저 소결에 의한 미세 균열에도 불구하고 이들 필름이 WPT 용도에 충분한 자기 특성을 갖는 것이 보장되어야 한다. 필름의 인덕턴스를 측정하여 PDMS가 내장된 LSNZF 필름의 복소 투자율(μ * = μ′-ⅰμ″)을 조사했다. 투자율 측정을 위해 PDMS가 내장된 LSNZF 필름을 외경 및 내경이 각각 19.6 및 5.4mm인 토로이드 모양(toroidal shape)으로 레이저 컷팅했다. PDMS가 내장된 LSNZF 필름의 변형 가능성 때문에 두 개의 경질 에폭시 토로이드 지지체를 사용하여 LSNZF 토로이드 코어 주위에 구리 코일을 감았다. 시편들의 실수부 투자율 μ′와 허수부 투자율 μ″는 다음 식을 사용하여 계산되었다.Despite microcracks by laser sintering of LSNZF films, it should be ensured that these films have sufficient magnetic properties for WPT applications. The inductance of the film was measured to investigate the complex permeability ( μ * = μ′−μμ ″) of the LSNZF film with PDMS. For permeability measurements, LSNZF films with PDMS were laser cut into toroidal shapes with outer and inner diameters of 19.6 and 5.4 mm, respectively. Because of the possibility of deformation of LSNZF films with PDMS embedded, two hard epoxy toroid supports were used to wind a copper coil around the LSNZF toroid core. The real permeability μ ' and imaginary permeability μ ″ of the specimens were calculated using the equation

Figure 112018097333806-pat00004
Figure 112018097333806-pat00004

여기에서 L eff R eff 는 각각 LSNZF 토로이드 코어의 등가 인덕턴스와 저항에 해당하며, L W R W 는 자기 코어가 없는 토로이드 코일의 인덕턴스와 저항을 각각 나타내고 l, A, μ 0 , N 및 ω(= 2πf)는 각각 평균 자기장 경로 길이, 토로이드 코어의 단면적, 진공에서의 자기 투자율, 코일 회전수 및 주파수이다. 도 6(a)에서와 같이 PDMS에 내장된 LSNZF 필름의 복소 투자율(μ′μ″)은 레이저 플루언스의 함수로 0.5 ~ 10.0 MHz의 주파수에서 측정되었다. 시편들의 μ′는 64 J/cm2의 레이저 플루언스까지 증가한 다음 더 높은 레이저 플루언스에서는 감소한다는 것을 알 수 있다. 6.78 MHz에서 97.6의 가장 높은 μ′값은 64 J/cm2의 플루언스를 갖는 PDMS에 내장된 LSNZF 필름에서 관찰되었으며 이는 기존에 보고된 값과 유사하다. 복소 투자율의 허수부는 모든 시편에 대해 매우 작게(μ′ < 5) 나타났다. 이는 모든 PDMS 내장 LSNZF 필름이무시할 정도로 낮은 자기 손실을 가짐을 나타낸다(6.78 MHz에서 tanδ μ (= μ″/μ′) < 0.044). 레이저 플루언스에 따른 자기 특성의 변화를 더 잘 이해하기 위해, 실온에서 PDMS 내장 LSNZF 필름의 자화(M)를 자기장(H)의 함수로 측정했다. 도 6(b)의 M-H 곡선은 모든 LSNZF 필름이 연자성 물질에 전형적인 작은 보자력을 가진 좁은 이력 곡선을 가짐을 나타낸다. NZF 필름의 포화 자화(M S )는 64 J/cm2의 레이저 플루언스까지 증가하였고, 더 높은 레이저 플루언스에 대해서는 감소하였는데 이는 레이저 소결과 연관된 결정 크기의 변화에 -인한다. 64 J/cm2에서 레이저 소결한 NZF 필름의 M S 는 309 emu/cm3 (4π × 10-4 M S = 0.39 T)이었다.Where L eff and R eff correspond to the equivalent inductance and resistance of the LSNZF toroid core, respectively, and L W and R W represent the inductance and resistance of the toroidal coil without magnetic core, respectively , l, A, μ 0 , N And ω (= 2πf ) are the average magnetic field path length, the cross-sectional area of the toroidal core, the magnetic permeability in vacuum, the coil rotation speed and the frequency, respectively. As in FIG. 6 (a), the complex permeability ( μ ′ and μ ″ ) of the LSNZF film embedded in PDMS was measured at a frequency of 0.5-10.0 MHz as a function of laser fluence. It can be seen that the μ 'of the specimens increases to a laser fluence of 64 J / cm 2 and then decreases at higher laser fluences. The highest μ 'value of 97.6 at 6.78 MHz was observed for LSNZF films embedded in PDMS with a fluence of 64 J / cm 2 , similar to previously reported values. The imaginary part of the complex permeability is very small ( μ ′ <5) for all specimens. This indicates that all PDMS embedded LSNZF films have negligibly low magnetic losses ( tanδ μ (= μ ″ / μ ′ ) <0.044 at 6.78 MHz). In order to better understand the change in magnetic properties with laser fluence, the magnetization ( M ) of PDMS embedded LSNZF film was measured as a function of magnetic field ( H ) at room temperature. The MH curve in FIG. 6 (b) shows that all LSNZF films have a narrow hysteresis curve with small coercivity typical of soft magnetic materials. Saturation magnetization ( M S ) of the NZF film increased to a laser fluence of 64 J / cm 2 and decreased for higher laser fluences due to the change in crystal size associated with laser sintering. M S of the NZF film laser-sintered at 64 J / cm 2 was 309 emu / cm 3 (4π × 10 −4 M S = 0.39 T).

레이저 소결에 기인하는 구조적 및 형태학적 변화가 PDMS 내장 LSNZF 필름의 전반적인 자기적 성질에 어떻게 영향을 미치는지 이해하기 위해, 실수부 투자율(real permeability) 데이터를 미세 결정립(crystallite) 크기 및 미세 균열 밀도와 함께 레이저 플루언스의 함수로 나타냈다(도 7). 이전에 논의된 바와 같이, 검은 색으로의 명백한 색상 변화는 64 J/cm2의 레이저 플루언스에서 발생했다. 미세 균열 밀도는 레이저 플루언스 증가함에 따라 지속적으로 증가했다. 그러나, 투자율은 64 J/cm2의 플루언스 값에 이르기까지 미세 균열에 의해 영향을 받지 않았다. 이것은 필름에 미세 균열이 있더라도 64 J/cm2까지는 결정립 크기의 증가가 주도적인 영향을 미침을 나타냅니다. 그러나, 레이저 플루언스가 64 J/cm2보다 높을 때, 결정자 크기의 감소 및 미세 균열의 증가 모두로 인해 필름의 투자율이 저하되었다. 96 J/cm2의 플루언스를 갖는 시편은 48 J/cm2의 플루언스를 갖는 시편보다 더 큰 미세 결정립 크기를 가지지만 실수부 투자율은 더 낮은 것으로 나타났다. 이러한 결과는 레이저 플루언스가 64 J/cm2를 초과할 때 미세 균열 밀도 또한 투자율 감소에 기여한다는 것을 의미한다.To understand how the structural and morphological changes due to laser sintering affect the overall magnetic properties of PDMS embedded LSNZF films, real permeability data along with fine crystallite size and fine crack density Shown as a function of laser fluence (FIG. 7). As previously discussed, the apparent color change to black occurred at a laser fluence of 64 J / cm 2 . Fine crack densities continued to increase with increasing laser fluence. However, the permeability was not affected by microcracks up to the fluence value of 64 J / cm 2 . This indicates that even with microcracks in the film, an increase in grain size up to 64 J / cm 2 has a dominant effect. However, when the laser fluence was higher than 64 J / cm 2 , the permeability of the film was lowered due to both a decrease in crystallite size and an increase in fine cracks. Specimens with a fluence of 96 J / cm 2 have a larger fine grain size than specimens with a fluence of 48 J / cm 2 , but have lower real permeability. These results indicate that when the laser fluence exceeds 64 J / cm 2 , the fine crack density also contributes to the decrease in permeability.

2. PDMS에 내장된 LSNZF 필름의 기계적 특성(유연성) 관찰2. Observation of mechanical properties (flexibility) of LSNZF film embedded in PDMS

PDMS 내장 LSNZF 필름의 유연성은 주기적 굽힘 시험(cyclic bending test) 후의 복소 투자율의 변화를 모니터링하여 분석했다. PDMS 내장 LSNZF 토로이드 코어는 도 8(a)의 삽입도에 개략적으로 나타낸 바와 같이 두께 150 μm의 PI 시트와 두께 70 μm의 PI 테이프로 구성된 굽힘 지지 플레이트에 삽입되었다. 각각의 굽힘 조건이 완료된 후 굽힘 지지 플레이트가 없는 LSNZF 토로이드 코어의 μ′ 및 μ″을 측정했다. 이러한 굽힘 주기 시험은 64 J/cm2의 레이저 플루언스에서 가장 높은 실제 투자율을 갖는 LSNZF 필름을 사용하여 이루어졌다.The flexibility of the PDMS embedded LSNZF film was analyzed by monitoring the change in complex permeability after the cyclic bending test. The PDMS embedded LSNZF toroid core was inserted into a bending support plate consisting of a PI sheet of 150 μm thick and a PI tape of 70 μm thick as schematically shown in the inset of FIG. 8 (a). After each bending condition was completed, μ ′ and μ ″ of the LSNZF toroid core without the bending support plate were measured. This bending cycle test was made using LSNZF film with the highest real permeability at laser fluence of 64 J / cm 2 .

도 8(a)는 30 ~ 0.5 mm(거의 접힌 상태)의 다양한 굽힘 반경에서 정규화된(normalized ) 실수부 투자율 (Δμ′/μ′ 0 )의 변화를 보여준다. 이때, Δμ′(= μ′ 0 - μ′)는 굽힘 후의 실수부 투자율의 실제 변화, μ′ 0 는 최초의 실수부 투자율, μ'는 굽힘 시험 후에 측정된 값이다. 도 8의 실수부 투자율 값은 6.78 MHz의 주파수에서 얻었다. 시편에서 굽힘에 의해 유도된 변형률 ε은 다음 식을 사용하여 계산할 수 있다.8 (a) shows the change in normalized real permeability (Δμ ′ / μ ′ 0 ) at various bending radii of 30-0.5 mm (almost folded). Where Δμ ' (= μ' 0 -μ ' ) is the actual change in the real permeability after bending, μ' 0 is the initial real permeability, and μ ' is the value measured after the bending test. The real part permeability values of FIG. 8 were obtained at a frequency of 6.78 MHz. The strain ε induced by bending in the specimen can be calculated using the equation

Figure 112018097333806-pat00005
Figure 112018097333806-pat00005

여기서 h s1 , h s2 h f 는 각각 PI 시트, PI 테이프 및 PDMS 내장 LSNZF 필름의 두께이고, R은 굽힘 곡률 반경이다. 굽힘 시험에 사용된 총 두께 (h s1 + h f + h s2 )는 1.02mm이었다. 굴곡 반경과 관련된 변형률 값(ε)은 30mm에서 0.5mm로 증가하여 1.7%에서 102%로 증가했다. 15mm를 넘는 굽힘 반경에서 Δμ′/μ′ 0 의 증가는 1% 미만이었고, 0.5 mm(100%를 넘는 변형률에 해당함)에서는 단지 4.2%의 증가가 있었으며, 이는 PDMS 내장 LSNZF 필름이 만족스러운 유연성 자기 특성을 유지함을 나타낸다. PDMS 내장 LSNZF 필름의 유연성과 관련된 기계적 안정성은 주기적 굽힘 시험으로 살펴보았다. 도 8(b)는 15, 10 및 5 mm의 굽힘 반경에서 최대 10,000 사이클의 반복 굽힘 시험 후의 Δμ′/μ′ 0 의 변화를 나타낸다. 모든 굽힘 반경에 대해 1000 사이클까지 Δμ′/μ′ 0 의 증가는 무시할 수 있는 정도인 것으로 관찰되었다. 그러나, 3000 사이클 이상인 경우에 Δμ′/μ′ 0 의 뚜렷한 증가가 나타났다. 10,000 사이클 후에 Δμ′/μ′ 0 은 굽힘 반경 15, 10 및 5mm에서 각각 2.3%, 7.1% 및 15.1% 증가했다. 이러한 결과는 PDMS 내장 LSNZF 필름의 유연성에 대한 자기 특성의 응답에 대한 중요한 통찰력을 제공한다. 5mm의 굽힘 반경에서 10,000 사이클 굽힘 시험 전후의 PDMS 내장 LSNZF 필름의 단면도는 각각 도 8(c)와 도 8(d)에 도시했다. 도 8(d)에서 NZF-PDMS 계면에서 박리(delamination)가 발생하여 자기 특성을 열화시키는 것을 알 수 있다. 미세 균열은 PDMS 매립 공정에서 PDMS로 채워지지 때문에, 굽힘 시험 전의 PDMS 내장 LSNZF 필름에서 미세 균열이 관찰되지 않았다(도 8(c)).Where h s1 , h s2 and h f are the thickness of the PI sheet, PI tape and PDMS embedded LSNZF film, respectively, and R is the bending radius of curvature. The total thickness ( h s 1 + h f + h s 2 ) used in the bending test was 1.02 mm. The strain value ( ε ) associated with the bending radius increased from 30 mm to 0.5 mm, from 1.7% to 102%. At bending radii over 15 mm, the increase in Δ μ '/ μ' 0 was less than 1%, with only a 4.2% increase at 0.5 mm (corresponding to strains above 100%), which was a good flexibility with PDMS embedded LSNZF films. Maintain magnetic properties. The mechanical stability associated with the flexibility of the PDMS embedded LSNZF film was examined by a cyclic bending test. 8 (b) shows the change in Δμ ′ / μ ′ 0 after repeated bending tests of up to 10,000 cycles at bending radii of 15, 10 and 5 mm. For any bend radius up to 1000 cycles Δ μ '/ μ' 0 it increasing was observed to be negligible. However, over 3000 cycles, there was a marked increase in Δμ '/ μ' 0 . After 10,000 cycles Δμ '/ μ' 0 increased by 2.3%, 7.1% and 15.1% at bending radii 15, 10 and 5 mm, respectively. These results provide important insight into the response of magnetic properties to the flexibility of PDMS embedded LSNZF films. Cross-sectional views of PDMS embedded LSNZF films before and after the 10,000 cycle bending test at a bending radius of 5 mm are shown in FIGS. 8 (c) and 8 (d), respectively. It can be seen from FIG. 8 (d) that delamination occurs at the NZF-PDMS interface to deteriorate the magnetic properties. Since the microcracks were filled with PDMS in the PDMS embedding process, no microcracks were observed in the PDMS embedded LSNZF film before the bending test (FIG. 8 (c)).

3. PDMS 내장 LSNZF Rx 모듈이 구비된 WPT 시연3. Demonstrate WPT with LSNZF Rx module with PDMS

유연성 WPT Rx 모듈에 PDMS 내장 LSNZF 필름의 적용 가능성을 파악하기 위해 도 9에 제시된 것처럼 유연성 Rx 모듈의 WPT 성능을 조사했다. WPT 시연에 있어서 모든 시편들에 대해 64 J/cm2의 레이저 플루언스가 사용되었다. 상기 실시예 및 도 9(a)에서 설명한 것처럼 Ag 나선형 인덕터 코일을 PI 테이프에 잉크젯 인쇄한 다음 PDMS 내장 LSNZF 필름에 부착했다. 6.78 MHz의 공진 주파수(f r )에서 LSNZF 필름을 갖는 유연한 Rx 모듈에 연결된 LED에 무선 전력이 전송되었다. f r 은 식

Figure 112018097333806-pat00006
(여기서, L은 인덕터 코일의 인덕턴스이고, C는 커패시터의 커패시턴스임)에 기반해 외부 커패시터를 사용하여 튜닝되었다. 도 9(c)와 도 9(d)에 확인할 수 있는 것처럼 유연성 WPT Rx는 구부러진 상태에서도 Tx로부터 7cm 거리에 있는 LED를 빛나게 하였다.In order to understand the applicability of LSNZF film with PDMS to the flexible WPT Rx module, the WPT performance of the flexible Rx module was investigated as shown in FIG. 9. In the WPT demonstration, a laser fluence of 64 J / cm 2 was used for all specimens. Ag spiral inductor coils were inkjet printed onto PI tape and then attached to PDMS embedded LSNZF films as described in the above examples and FIG. 9 (a). At a resonant frequency ( f r ) of 6.78 MHz, wireless power was transferred to the LEDs connected to the flexible Rx module with LSNZF film. f r is an expression
Figure 112018097333806-pat00006
Tuned using an external capacitor based on where L is the inductance of the inductor coil and C is the capacitance of the capacitor. As can be seen in Figures 9 (c) and 9 (d), the flexible WPT Rx glowed the LED at a distance of 7 cm from the Tx even when bent.

주변 전도성 환경으로부터의 상쇄 자기장의 차폐와 관련한 유연성 Rx 모듈의 LSNZF 성능을 살펴보기 위해, LSNZF 필름이 있거나 없는 유연성 Rx 모듈 상에 금속판을 놓고 WPT 시연을 실시했다. LSNZF 필름이 없는 유연성 Rx 모듈에는 비교를 위해 Ag 나선 인덕터 코일만을 도입했다. 도 10에 따르면 LSNZF 필름이 있는 Rx 모듈에 연결된 LED가 금속판이 가까이에 있을 때도 켜져 있는 반면, LSNZF 필름이 없는 Rx 모듈에 연결된 다른 LED는 금속판 근처에서 꺼져 있음이 확인된다. 이러한 결과는 유연성이 부여된 LSNZF 필름이 전도성 물체의 와전류eddy current로 인한 상쇄 자기장을 성공적으로 차폐함을 의미한다. WPT 실사용에 있어서 불가피하게 Rx 모듈 주변에 전도성 물체가 존재하기 때문에, 상기와 같은 차폐 성능은 실제 WPT으로의 적용에 있어서 매우 중요하다.To demonstrate the LSNZF performance of the flexible Rx module with respect to shielding offset magnetic fields from the surrounding conductive environment, a WPT demonstration was conducted with a metal plate on the flexible Rx module with or without LSNZF film. For the comparison, only the Ag spiral inductor coil is introduced into the flexible Rx module without the LSNZF film. According to Figure 10 it is confirmed that the LED connected to the Rx module with LSNZF film is on even when the metal plate is close, while the other LED connected to the Rx module without the LSNZF film is turned off near the metal plate. These results indicate that the flexible LSNZF film successfully shields the offset magnetic field due to the eddy currents of the conductive object. Since inevitably there is a conductive object around the Rx module in WPT practical use, such shielding performance is very important for practical application to WPT.

LSNZF 필름을 포함한 유연성 Rx 모듈의 WPT 효율을 Rx 전력과 Tx 전력의 비(ratio)로 측정했다. 도 11에 도시한 바와 같이, Rx와 Tx가 간격 없이(zero distance) 함께 배치될 때 WPT 효율은 22%(Rx/Tx = 4.2/19.4 mW)로 확인되었다. 그러나, Rx와 Tx 사이의 거리가 멀어질수록 WPT 효율은 급격히 감소함을 알 수 있다. 도 11의 삽입도는 7cm의 간격 거리에서 WPT 시연 결과를 보여주는데, 해당 WPT 시현에서는 임피던스 정합 회로가 사용되지 않았다. Rx와 Tx 사이의 간격 거리의 변화로 인한 임피던스 정합의 교란은 WPT 효율의 급격한 감소를 초래할 수 있으며, 동시에 WPT 효율을 향상시킬 여지가 있음을 의미한다.The WPT efficiency of the flexible Rx module with LSNZF film was measured as the ratio of Rx power to Tx power. As shown in FIG. 11, the WPT efficiency was found to be 22% (Rx / Tx = 4.2 / 19.4 mW) when Rx and Tx were arranged together with zero distance. However, it can be seen that the WPT efficiency decreases rapidly as the distance between Rx and Tx increases. 11 shows the results of the WPT demonstration at a distance of 7 cm, in which the impedance matching circuit was not used. Disturbance of impedance matching due to the change in the distance distance between Rx and Tx can lead to a drastic decrease in WPT efficiency and at the same time, there is room for improvement in WPT efficiency.

Claims (10)

(a) 기판 위에 희생층(sacrificial layer)을 형성하는 단계;
(b) 에어로젯(aerojet) 인쇄 공법으로 상기 희생층 상에 세라믹 층을 형성하는 단계:
(c) 상기 세라믹 층을 레이저 소결(laser sintering)하는 단계;
(d) 상기 희생층을 제거해 상기 기판으로부터 상기 세라믹 층을 분리하는 단계; 및
(e) 상기 분리한 세라믹 층을 유연성 소재에 내장시키는 단계;를 포함하며,
상기 단계 (c)에서 레이저 소결을 통해 세라믹 층을 소결함과 동시에 세라믹 층에 미세 균열(microcrack)을 형성시키는 것을 특징으로 하는,
세라믹 필름이 포함된 유연성 소자의 제조방법.
(a) forming a sacrificial layer on the substrate;
(b) forming a ceramic layer on the sacrificial layer by an aerojet printing method:
(c) laser sintering the ceramic layer;
(d) removing the sacrificial layer to separate the ceramic layer from the substrate; And
(e) embedding the separated ceramic layer in a flexible material;
In the step (c) characterized in that to sinter the ceramic layer through laser sintering and to form a microcrack in the ceramic layer,
Method of manufacturing a flexible device containing a ceramic film.
제1항에 있어서,
상기 기판은 유리 또는 실리콘으로 이루어진 것을 특징으로 하는 세라믹 필름이 포함된 유연성 소자의 제조방법.
The method of claim 1,
The substrate is a method of manufacturing a flexible device comprising a ceramic film, characterized in that made of glass or silicon.
제1항에 있어서,
상기 세라믹 층을 이루는 물질은 페라이트(ferrite)인 것을 특징으로 하는 세라믹 필름이 포함된 유연성 소자의 제조방법.
The method of claim 1,
The material forming the ceramic layer is a ferrite (ferrite) method of manufacturing a flexible device comprising a ceramic film.
제3항에 있어서,
상기 페라이트는 Ni-Zn계 페라이트, Mn-Zn계 페라이트, Ni-Zn-Cu계 페라이트, Mn-Mg계 페라이트, Ba계 페라이트 또는 Li계 페라이트인 것을 특징으로 하는 세라믹 필름이 포함된 유연성 소자의 제조방법.
The method of claim 3,
The ferrite is Ni-Zn-based ferrite, Mn-Zn-based ferrite, Ni-Zn-Cu-based ferrite, Mn-Mg-based ferrite, Ba-based ferrite or Li-based ferrite manufacturing a flexible device comprising a ceramic film Way.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 단계 (d)에서 금속으로 이루어진 희생층을 에칭액으로 제거해 상기 기판으로부터 상기 세라믹 층을 분리하는 것을 특징으로 하는 세라믹 필름이 포함된 유연성 소자의 제조방법.
The method of claim 1,
And removing the ceramic layer from the substrate by removing the sacrificial layer made of a metal with an etching solution in the step (d).
제1항에 있어서,
상기 단계 (d)에서 상기 분리한 세라믹 층을 유연성 소재 함유 용액 내에 함침 시킨 후 경화시키는 것을 특징으로 하는 세라믹 필름이 포함된 유연성 소자의 제조방법.
The method of claim 1,
The method of manufacturing a flexible device comprising a ceramic film, characterized in that the step of (d) the separated ceramic layer is impregnated in a solution containing a flexible material and then cured.
제1항 내지 제4항, 제6항 및 제7항 중 어느 한 항에 기재된 방법에 의해 제조된 세라믹 필름이 포함된 유연성 소자.A flexible device comprising a ceramic film produced by the method according to any one of claims 1 to 4, 6 and 7. 제8항에 있어서,
상기 세라믹 필름은 페라이트로 이루어진 것을 특징으로 하는 세라믹 필름이 포함된 유연성 소자.
The method of claim 8,
The ceramic film is a flexible device comprising a ceramic film, characterized in that made of ferrite.
제9항의 유연성 소자를 포함하는 WPT 시스템.A WPT system comprising the flexible element of claim 9.
KR1020180117512A 2018-10-02 2018-10-02 Method for manufacturing flexible element including ceramic film using printing and laser sintering process KR102070996B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180117512A KR102070996B1 (en) 2018-10-02 2018-10-02 Method for manufacturing flexible element including ceramic film using printing and laser sintering process

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180117512A KR102070996B1 (en) 2018-10-02 2018-10-02 Method for manufacturing flexible element including ceramic film using printing and laser sintering process

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR102070996B1 true KR102070996B1 (en) 2020-01-29

Family

ID=69322244

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020180117512A KR102070996B1 (en) 2018-10-02 2018-10-02 Method for manufacturing flexible element including ceramic film using printing and laser sintering process

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102070996B1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114745873A (en) * 2022-04-11 2022-07-12 青岛理工大学 Integrated 3D printing method for multilayer flexible and stretchable electronic circuit
EP4086928A1 (en) * 2021-05-05 2022-11-09 Siemens Aktiengesellschaft Method for producing a planar structure and device

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20140124703A (en) 2013-04-17 2014-10-27 인텔렉추얼디스커버리 주식회사 Apparatus and method for receiving wireless power
KR20150125812A (en) 2014-04-30 2015-11-10 주식회사 아모센스 Wireless power receiving apparatus and portable terminal having the same
KR20170050971A (en) 2015-11-02 2017-05-11 현대자동차주식회사 Active rectifier for wireless power transfer system and vehicle assembly using same and operating method thereof
US20180269378A1 (en) * 2017-03-17 2018-09-20 Rochester Institute Of Technology Pulse Energy Manipulation of Material Properties

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20140124703A (en) 2013-04-17 2014-10-27 인텔렉추얼디스커버리 주식회사 Apparatus and method for receiving wireless power
KR20150125812A (en) 2014-04-30 2015-11-10 주식회사 아모센스 Wireless power receiving apparatus and portable terminal having the same
KR20170050971A (en) 2015-11-02 2017-05-11 현대자동차주식회사 Active rectifier for wireless power transfer system and vehicle assembly using same and operating method thereof
US20180269378A1 (en) * 2017-03-17 2018-09-20 Rochester Institute Of Technology Pulse Energy Manipulation of Material Properties

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
A. Kurs, A. Karalis, R. Moffatt, J.D. Joannopoulos, P. Fisher, M. Soljacic, Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances, Science 317 (2007) 83-86.
C.A. Stergiou, V. Zaspalis, Impact of ferrite shield properties on the low-power inductive power transfer, IEEE Trans. Magn. 52 (2016) 8401609.
J. Kim, A. Banks, Z. Xie, S.Y. Heo, P. Gutruf, J.W. Lee, S. Xu, K.I. Jang, F. Liu, G. Brown, J. Choi, J.H. Kim, X. Feng, Y. Huang, U. Paik, J.A. Rogers, Miniaturized flexible electronic systems with wireless power and near-field communication capabilities, Adv. Funct. Mater. 25 (2015) 4761-4767.
Z.L. Wang, W. Wu, Nanotechnology-enabled energy harvesting for self-powered micro-/nanosystems, Angew. Chem. Int. Ed. 51 (2012) 11700-11721.

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP4086928A1 (en) * 2021-05-05 2022-11-09 Siemens Aktiengesellschaft Method for producing a planar structure and device
WO2022233480A1 (en) * 2021-05-05 2022-11-10 Siemens Aktiengesellschaft Method for producing a planar structure, and device
CN114745873A (en) * 2022-04-11 2022-07-12 青岛理工大学 Integrated 3D printing method for multilayer flexible and stretchable electronic circuit
CN114745873B (en) * 2022-04-11 2024-02-02 青岛理工大学 Multilayer flexible and stretchable electronic circuit integrated 3D printing method

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101881246B1 (en) Soft magnetic material powder and method for producing same, and magnetic core and method for producing same
US7910214B2 (en) Molded ferrite sheet, sintered ferrite substrate and antenna module
KR102070996B1 (en) Method for manufacturing flexible element including ceramic film using printing and laser sintering process
JP6509123B2 (en) Ferrite green sheet, sintered ferrite sheet, ferrite composite sheet including the same, and conductive loop antenna module
Rajaram et al. Flexible wireless power transfer module implemented with aerojet-printing and laser-sintering of rigid NiZn–ferrite ceramic films
Cheng et al. Radio‐frequency negative permittivity in the graphene/silicon nitride composites prepared by spark plasma sintering
CN102904349B (en) Dielectric materials for power transfer system
KR20170027293A (en) Magnetic core and method for producing the same
KR102100816B1 (en) The method of manufacturing shilding sheet
CN108141994A (en) Magnetic safe transmission magnetic shielding unit, including its module and include its portable device
KR102452187B1 (en) Shielding Sheet and Wireless Charger Having the Same
TW201102931A (en) Composite rf tag and tool provided with the composite rf tag
KR20200020562A (en) High-performance shielding sheet and preparation method thereof and coil module comprising the same
Bissannagari et al. Fully‐Inkjet‐Printed Ag‐Coil/NiZn‐Ferrite for Flexible Wireless Power Transfer Module: Rigid Sintered Ceramic Body into Flexible Form
WO2013149574A1 (en) Nickel-zinc soft ferrite and method of producing the same
US20180359885A1 (en) Magnetic isolator, method of making the same, and device containing the same
Guzdek et al. NiZnCu ferrite applied for LTCC microinductor
WO2017100029A1 (en) Magnetic isolator, method of making the same, and device containing the same
CN106783126A (en) The preparation method of low-loss iron silica magnetic particle core
KR102518291B1 (en) magnetic film
KR102100814B1 (en) The method of manufacturing shilding sheet
KR102135183B1 (en) Method for manufacturing flexible wireless power transfer module
KR20140081572A (en) Magnetic composite sheet and Electromagnetic induction module
CN104557053A (en) Ceramic-based metamaterial and preparation method thereof
CN110335748B (en) Magnetic thin sheet based on amorphous or nanocrystalline strip and preparation method thereof

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant