KR102079298B1 - 압전 에너지 하베스터 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
압전 에너지 하베스터 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 일 구현예에 따른 압전 에너지 하베스터는 중공사 구조를 가지는 압전 에너지 하베스터로서, 중앙부의 공동(hollow)을 둘러싸고 압전 재료 및 탄성 중합체를 포함하는 압전 층, 상기 압전 층의 내측 면에 코팅되어 있고 전도성 재료 및 탄성 중합체를 포함하는 제1 전극 층, 그리고 상기 압전 층의 외측 면에 코팅되어 있고 전도성 재료 및 탄성 중합체를 포함하는 제2 전극 층을 포함한다. 일 구현예에 따른 압전 에너지 하베스터는 다양한 방향 및 반복적인 움직임으로부터 얻어지는 기계적 에너지의 수확도를 높임으로써 웨어러블 기기에 효율적으로 전력을 공급할 수 있다.
Description
신축성이 있는 중공사 구조를 가지는 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 일그러짐을 가하면 유전 분극이 일어나는 압전 효과를 지닌 물질을 의미한다.
한편 웨어러블 기기에 채용되는 압전 에너지 하베스터는 필름, 파이버(fiber), 직물 등의 형태일 수 있는데, 1차원 구조이면서도 직물이나 그물과 같은 2차 구조로 확장이 가능한 파이버 형태의 압전 에너지 하베스터에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.
그러나, 기존의 파이버 형태의 압전 에너지 하베스터는 출력 전압이 매우 작아 웨어러블 기기의 전력원으로 활용하기에 적합하지 않고, 또 외부 움직임에 대해 크랙이 발생하여 기계적 자유도가 낮다는 한계가 있었다. 또한, 유연성만 갖추고 신축성은 확보하지 못하여 다양한 방향에서 오는 기계적 에너지를 수확하기 어렵고 특히 인간의 몸에서 발생하는 수준의 변형률을 가지는 기계적 에너지를 수확하기 어렵다는 한계가 있었다.
일 구현예는 다양한 방향 및 반복적인 움직임으로부터 얻어지는 기계적 에너지의 수확도를 높임으로써 웨어러블 기기에 효율적으로 전력을 공급할 수 있는 신축성이 있는 중공사 구조를 가지는 압전 에너지 하베스터에 관한 것이다.
다른 일 구현예는 상기 에너지 하베스터의 제조방법에 관한 것이다.
일 구현예에 따르면, 중공사 구조를 가지는 압전 에너지 하베스터로서, 중앙부의 공동(hollow)을 둘러싸고 압전 재료 및 탄성 중합체를 포함하는 압전 층, 상기 압전 층의 내측 면에 코팅되어 있고 전도성 재료 및 탄성 중합체를 포함하는 제1 전극 층, 그리고 상기 압전 층의 외측 면에 코팅되어 있고 전도성 재료 및 탄성 중합체를 포함하는 제2 전극 층을 포함하는 압전 에너지 하베스터를 제공한다.
상기 압전 층, 제1 전극 층 및 제2 전극 층에 포함되는 탄성 중합체는 각각 독립적으로 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS), 폴리우레탄(polyurethane), 천연고무(natural rubber), 실리콘 고무(silicone rubber), 아크릴 고무(acrylic rubber), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 압전 재료는 티탄산연(lead titanate, PbTiO3), 티탄산지르콘산연(lead zirconate titanate, PZT), 티탄산바륨(barium titanate, BaTiO3), 산화나이오븀화칼륨(KNbO3), 산화탄탈륨화 리튬(LiTaO3), 산화텅스텐화 나트륨(Na2WO3), 산화 아연(ZnO), 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride), 폴리비닐리덴 플루오라이드-코-트리플루오로에틸렌(polyvinylidene fluoride-co-trifluoroethylene, PVDF-TrFE), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 압전 재료는 마이크로 입자, 나노 입자, 나노 튜브, 나노 섬유, 나노 플레이트, 또는 이들의 조합의 형상을 가질 수 있다.
상기 압전 재료는 상기 압전 층의 탄성 중합체 내에 분산되어 있을 수 있다.
상기 압전 재료는 상기 압전 층의 탄성 중합체 함량에 대하여 1 중량% 내지 50 중량%로 포함될 수 있다.
제1 전극 층 및 제2 전극 층에 포함되는 전도성 재료는 각각 독립적으로 탄소 나노튜브, 은 나노와이어, 구리 나노와이어, 그래핀, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 제1 전극 층은 전도성 재료 및 상기 전도성 재료 사이를 점유하는 탄성 중합체를 포함하는 제1 전도성 재료 층, 그리고 상기 제1 전도성 재료 층 위에 형성되고 탄성 중합체를 포함하는 제1 보호층을 포함하고, 상기 제2 전극 층은 전도성 재료 및 상기 전도성 재료 사이를 점유하는 탄성 중합체를 포함하는 제2 전도성 재료 층, 그리고 상기 제2 전도성 재료 층 위에 형성되고 탄성 중합체를 포함하는 제2 보호층을 포함할 수 있다.
상기 압전 층은 10 ㎛ 내지 1 mm 의 두께를 가질 수 있다.
상기 제1 전극 층 및 제2 전극 층은 각각 독립적으로 1 ㎛ 내지 수십 ㎛의 두께를 가질 수 있다.
상기 중앙부의 공동으로 유체가 유입됨에 따라 형상의 변형이 일어날 수 있다.
내부 또는 외부에 압력이 가해짐에 따라 형상의 변형이 일어날 수 있다.
다른 구현예에 따르면, 중공사 구조를 가지는 압전 에너지 하베스터의 제조방법으로서, 기둥 형상의 템플릿에 희생 층(sacrificial layer)을 형성하는 단계, 상기 희생 층 위에 탄성 중합체 용액을 코팅한 후 그 위에 전도성 재료를 코팅하여 제1 전극 층을 형성하는 단계, 상기 제1 전극 층 위에 압전 재료가 분산된 탄성 중합체 용액을 코팅하여 압전 층을 형성하는 단계, 상기 압전 층 위에 전도성 재료를 코팅한 후 그 위에 탄성 중합체 용액을 코팅하여 제2 전극 층을 형성하는 단계, 그리고 상기 탬플릿 및 희생층을 제거하는 단계를 포함하는 압전 에너지 하베스터의 제조방법을 제공한다.
상기 희생 층은 유기 고분자 용액을 상기 탬플릿 위에 코팅하여 형성될 수 있다.
상기 제1 전극 층, 제2 전극 층, 및 압전 층을 형성함에 있어 탄성 중합체 용액의 코팅은 딥 코팅 또는 다이 코팅 방식에 의해 수행될 수 있다.
또 다른 구현예에 따르면, 상술한 압전 에너지 하베스터를 포함하는 웨어러블 장치를 제공한다.
일 구현예는 중공사 구조를 가지는 압전 에너지 하베스터로서 기계적 자유도가 높아 반복적인 움직임에도 섬유의 손상도를 최소화할 수 있다. 또한, 상기 압전 에너지 하베스터는 유연성뿐만 아니라 신축성까지 확보하여 다양한 방향에서 오는 기계적 에너지를 수확할 수 있어 웨어러블 기기의 전력원으로서 적합하다.
다른 일 구현예는 상기 압전 에너지 하베스터의 제조방법에 관한 것으로 간소한 공정에 의해 신축성을 구비하면서도 에너지 수확도가 높은 압전 에너지 하베스터를 제조할 수 있다.
도 1은 일 구현예에 따른 압전 에너지 하베스터를 도시한 단면도이다.
도 2는 일 구현예에 따른 압전 에너지 하베스터가 유체의 주입에 의해 에너지를 수확할 수 있음을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 구현예에 따른 압전 에너지 하베스터를 사용하여 제작된 천을 도시한 도면이다.
도 4는 실시예 1에서 제조된 압전 에너지 하베스터의 단면을 보여주는 주사전자현미경 사진이다.
도 5는 실시예 1에서 제조된 압전 에너지 하베스터에서 전도성 재료 층 표면을 보여주는 주사전자현미경 사진이다.
도 6은 실시예 1에서 제조된 압전 에너지 하베스터의 물 주입 전후의 외관을 보여주는 사진이다.
도 7은 압전 에너지 하베스터의 공동부에 물을 주입한 후 시간에 따른 출력 전압을 나타낸 그래프이다.
도 8은 실시예 1에서 제조된 압전 에너지 하베스터에 외부 압력을 가하여 신축성을 평가하는 모습을 보여주는 사진이다.
도 9 내지 11은 각각 실시예 1에서 제조된 압전 에너지 하베스터의 시간에 따른 저항 변화를 나타내는 그래프이다.
도 12는 실시예 1에서 제조된 압전 에너지 하베스터에 오실로스코프를 정방향 연결(forward connection)하여 스트레칭을 가할 경우 시간에 따른 출력 전압을 나타낸 그래프이다.
도 13은 실시예 1에서 제조된 압전 에너지 하베스터에 오실로스코프를 역방향 연결(reverse connection)하여 스트레칭을 가할 경우 시간에 따른 출력 전압을 나타낸 그래프이다.
도 2는 일 구현예에 따른 압전 에너지 하베스터가 유체의 주입에 의해 에너지를 수확할 수 있음을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 구현예에 따른 압전 에너지 하베스터를 사용하여 제작된 천을 도시한 도면이다.
도 4는 실시예 1에서 제조된 압전 에너지 하베스터의 단면을 보여주는 주사전자현미경 사진이다.
도 5는 실시예 1에서 제조된 압전 에너지 하베스터에서 전도성 재료 층 표면을 보여주는 주사전자현미경 사진이다.
도 6은 실시예 1에서 제조된 압전 에너지 하베스터의 물 주입 전후의 외관을 보여주는 사진이다.
도 7은 압전 에너지 하베스터의 공동부에 물을 주입한 후 시간에 따른 출력 전압을 나타낸 그래프이다.
도 8은 실시예 1에서 제조된 압전 에너지 하베스터에 외부 압력을 가하여 신축성을 평가하는 모습을 보여주는 사진이다.
도 9 내지 11은 각각 실시예 1에서 제조된 압전 에너지 하베스터의 시간에 따른 저항 변화를 나타내는 그래프이다.
도 12는 실시예 1에서 제조된 압전 에너지 하베스터에 오실로스코프를 정방향 연결(forward connection)하여 스트레칭을 가할 경우 시간에 따른 출력 전압을 나타낸 그래프이다.
도 13은 실시예 1에서 제조된 압전 에너지 하베스터에 오실로스코프를 역방향 연결(reverse connection)하여 스트레칭을 가할 경우 시간에 따른 출력 전압을 나타낸 그래프이다.
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 압전 에너지 하베스터를 설명한다.
도 1은 일 구현예에 따른 압전 에너지 하베스터를 도시한 단면도이다.
도 1을 참고하면, 압전 에너지 하베스터(100)는 중앙부의 공동(h)을 둘러싸는 압전 층(10), 압전 층(10)의 내측 면에 코팅되어 있는 제1 전극 층(20), 그리고 압전 층(10)의 외측 면에 코팅되어 있는 제2 전극 층(30)을 포함한다.
압전 층(10)은 압전 재료 및 탄성 중합체를 포함한다.
상기 압전 재료는 압전 층(10)에 압전 특성을 부여하는 요소로서 예컨대 티탄산연(lead titanate, PbTiO3), 티탄산지르콘산연(lead zirconate titanate, PZT), 티탄산바륨(barium titanate, BaTiO3), 산화나이오븀화칼륨(KNbO3), 산화탄탈륨화 리튬(LiTaO3), 산화텅스텐화 나트륨(Na2WO3), 산화 아연(ZnO), 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride), 폴리비닐리덴 플루오라이드-코-트리플루오로에틸렌(polyvinylidene fluoride-co-trifluoroethylene, PVDF-TrFE), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
예를 들어, 상기 압전 재료는 상기 탄성 중합체 내에 분산된 상태로 존재할 수 있으며, 그 형상은 상기 탄성 중합체 내에서의 분산성을 고려하여 적절히 선택할 수 있다. 상기 압전 재료는 예컨대 마이크로 입자, 나노 입자, 나노 튜브, 나노 섬유, 나노 플레이트, 또는 이들의 조합으로 이루어진 형상을 가질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
예를 들어, 상기 압전 재료는 상기 압전 층의 탄성 중합체 함량에 대하여 1 중량% 내지 50 중량%, 5 중량% 내지 40 중량%, 또는 10 중량% 내지 30 중량%의 함량으로 포함될 수 있으며, 압전 층(10)에 부여하고자 하는 압전 정도나 신축성 등을 고려하여 적절히 선택할 수 있다.
상기 탄성 중합체는 그 자체가 탄성력을 가지는 것으로, 예를 들어 실리콘 또는 고무 따위가 이에 해당되며, 보다 구체적으로는 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS), 폴리우레탄(polyurethane), 천연고무(natural rubber), 실리콘 고무(silicone rubber), 아크릴 고무(acrylic rubber), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
예를 들어, 압전 층(10)의 두께는 10 μm 내지 1 mm일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
일 구현예에 따른 압전 에너지 하베스터(100)는 압전 층(10)에 신축성을 지닌 탄성 중합체 및 그 사이에 수 마이크로미터 이하의 크기를 갖는 압전 재료 요소들이 분포함에 따라, 신축성을 지니면서도 높은 압전 특성을 나타낼 수 있다.
한편, 압전 층(10)의 내측 면에는 제1 전극 층(20)이, 압전 층(10)의 외측 면에는 제2 전극 층(30)이 각각 코팅되어 있다.
제1 전극 층(20) 및 제2 전극 층(30)은 각각 전도성 재료(21, 31) 및 탄성 중합체(22, 32)를 포함한다.
제1 전극 층(20) 및 제2 전극 층(30)은 전도성 재료(21, 31)가 하층부에 위치하고 전도성 재료(21, 31)의 상층부 및 전도성 재료(21, 31)의 사이의 빈 공간에 탄성 중합체(22, 32)가 위치하는 구조를 가진다.
전도성 재료(21, 31)는 탄소 나노튜브, 은 나노와이어, 구리 나노와이어, 그래핀, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으며, 제1 전극 층(20) 및 제2 전극 층(30)에 전도성을 부여할 수 있는 것이라면 특별히 제한되지 않는다. 상기 탄소 나노튜브는 MWCNT (Multi-Walled Carbon Nanotubes)뿐만 아니라 SWCNT(Single-Walled Carbon Nanotubes)도 사용할 수 있다.
예를 들어, 제1 전극 층(20)의 탄성 중합체는 상기 제1 전극 층에 포함된 복수 개의 탄소 나노튜브 가닥들(21) 사이의 공간을 점유하고, 제2 전극 층의 탄성 중합체(30)는 상기 제2 전극 층에 포함된 복수 개의 탄소 나노튜브 가닥들(31) 사이의 공간을 점유하여 존재할 수 있다.
본 명세서에서 제1 전극 층(20) 및 제2 전극 층(30)은 전도성 재료가 이루는 하부층(21, 31)을 포함하는 개념이므로, 제1 전극 층(20) 및 제2 전극 층(30)의 두께는 전도성 재료가 이루는 하부층(21, 31)의 두께보다 큰 값을 가진다. 예를 들어, 제1 전극 층(20) 및 제2 전극 층(30)의 두께는 각각 독립적으로 1 μm 내지 수십 μm일 수 있고, 전도성 재료가 이루는 하부층(21, 31)의 두께는 각각 독립적으로 10 nm 내지 수십 μm일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
제1 전극 층(20) 및 제2 전극 층(30)은 전도성 재료가 이루는 하부층(21, 31) 위에 탄성 중합체가 이루는 층(22, 32)을 각각 포함한다. 상기 탄성 중합체가 이루는 층(22, 32)을 '보호층'이라고도 명명한다.
압전 에너지 하베스터(100)는 보호층(22, 32)을 구비함으로써 압전 층(10) 또는 전도성 재료가 이루는 하부층(21, 31)을 수분이나 공기와의 접촉으로부터 차단할 수 있다.
보호층(22, 32)에 포함되는 탄성 중합체는 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS), 폴리우레탄(polyurethane), 천연고무(natural rubber), 실리콘 고무(silicone rubber), 아크릴 고무(acrylic rubber), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
제1 전극 층(20) 및 제2 전극 층(30)은 전도성 재료가 이루는 하부층(21, 31)을 포함함으로써 압전 층(10)의 압전 재료와 전기적 네트워크를 형성할 수 있다.
한편, 전도성 재료가 이루는 하부층(21, 31)은 상술한 바와 같이 탄소 나노튜브, 은 나노와이어, 구리 나노와이어, 그래핀 등을 포함할 수 있으며, 이 경우 하부층(21, 31)에는 필연적으로 빈 공간이 발생하게 되는데, 이러한 빈 공간을 탄성 중합체가 점유함으로서 제1 전극 층(20) 및 제2 전극 층(30)에 유연성 및 신축성을 부여할 수 있다.
또한, 제1 전극 층(20) 및 제2 전극 층(30)은 탄성 중합체가 이루는 층(22, 32), 즉 보호층을 구비함으로써 압전 층(10) 또는 전도성 재료가 이루는 하부층(21, 31)을 수분이나 공기와의 접촉으로부터 차단할 수 있다.
일 구현예에 따른 압전 에너지 하베스터(100)는 압전 층(10)뿐만 아니라 전극 층(20, 30)에도 탄성 중합체 소재를 적용함에 따라 기계적 자유도를 확보하면서도 신축성을 더욱 강화할 수 있다. 이에 따라 일 구현예에 따른 압전 에너지 하베스터(100)는 예컨대 구부러짐, 늘어남, 꼬임 등 다양한 방향에서 오는 기계적 에너지뿐만 아니라 섬유 내부에서 발생하는 액체 압력 변화에 대해서도 에너지를 수확할 수 있다. 다시 말해, 일 구현예에 따른 압전 에너지 하베스터(100)는 외부뿐만 아니라 내부에서 오는 다양한 방향의 압력에 의해 형상의 변형이 일어나 에너지를 수확할 수 있다. 또한, 일 구현예에 따른 압전 에너지 하베스터(100)는 중앙부의 공동으로 유체가 유입됨에 따라 형상의 변형이 일어나므로 액체의 압력 변화에 따른 에너지 수확도 가능하므로, 혈관의 생김새를 모사한 기기로서의 가능성도 지니고 있다. 도 2에서 볼 수 있듯이 유체(예컨대 액체)를 주입함에 따라 유체의 움직임에 의해 섬유의 변형이 일어나게 되면 해당하는 크기만큼의 전기적 에너지가 생성되고 이를 통해 액체에 대한 감지를 할 수 있고 압력에 따라 발생하는 신호의 크기를 분석하는 기기로서 사용될 수 있다.
예를 들어, 상술한 압전 에너지 하베스터(100)는 속이 빈 중공사 구조를 가지며, 도 3에 나타낸 바와 같이, 중공사 구조를 가지는 복수의 압전 에너지 하베스터를 엮어서 천으로 제작할 수 있다. 이러한 천은 스판 소재와 같이 신축성이 있어 착용자에게 편안함을 높여주면서도 웨어러블 기기들을 충전할 수 있는 전력을 인간의 움직임과 같은 기계적인 에너지로부터 얻을 수 있다. 특히, 상술한 압전 에너지 하베스터(100)는 인간의 신체에서는 약 50%의 변형률까지 나타나는데 이러한 기계적 에너지를 수확할 수 있다.
다른 구현예에 따르면, 상술한 압전 에너지 하베스터를 포함하는 웨어러블 장치를 제공한다. 상기 웨어러블 장치는 예컨대 스마트워치, 스마트밴드, 스마트글라스 등 다양한 제품으로서 구현 가능하다.
또 다른 구현예에 따르면, 신축성이 있는 중공사 구조를 가지는 압전 에너지 하베스터의 제조방법을 제공한다.
상기 압전 에너지 하베스터의 제조방법은 기둥 형상의 템플릿에 희생 층(sacrificial layer)을 형성하는 단계(S1), 상기 희생 층 위에 탄성 중합체 용액을 코팅한 후 그 위에 전도성 재료를 코팅하여 제1 전극 층을 형성하는 단계(S2), 상기 제1 전극 층 위에 압전 재료가 분산된 탄성 중합체 용액을 코팅하여 압전 층을 형성하는 단계(S3), 상기 압전 층 위에 전도성 재료를 코팅한 후 그 위에 탄성 중합체 용액을 코팅하여 제2 전극 층을 형성하는 단계(S4), 그리고 상기 탬플릿 및 희생층을 제거하는 단계(S5)를 포함한다.
먼저, 기둥 형상의 템플릿에 희생 층(sacrificial layer)을 형성하는 단계(S1)에 관하여 설명한다.
상기 기둥 형상은 예컨대 원 기둥 형상일 수 있으며, 템플릿 소재는 한정되지 않으나 추후 제거의 용이성 등을 고려하여 예컨대 탄소심(carbon rod)을 템플릿으로서 사용할 수 있다. 상기 템플릿 위에 희생층을 형성하는데, 이는 템플릿으로부터 중공사 구조의 공사 구조의 나노제너레이터를 손쉽게 분리하기 위한 역할을 하게 된다. 상기 희생층은 예컨대 딥 코팅법, 다이코팅 법 등을 이용하여 형성될 수 있다. 희생층 소재는 한정되지 않으며 일반적으로 유기 고분자 소재를 채용하며 예컨대 폴리비닐알콜(PVA), 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidene fluoride), 폴리프로필렌(polypropylene, PP), 폴리에틸렌(polyethylene, PE), 또는 이들이 조합을 포함하며 원하는 두께나 물성에 따라 1종 또는 2종 이상을 사용할 수 있다. 상기 희생층 소재의 고분자를 용해하는 용매는 예컨대 물, 이소프로판올(isopropanol), 에탄올 등을 사용할 수 있다. 상기 희생층은 예컨대 1 μm 이하의 두께로 코팅할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 희생층의 코팅이 이루어지고 난 후 열처리를 진행한다.
상기 희생 층이 형성되면 그 위에 탄성 중합체 용액을 코팅한 후 그 위에 전도성 재료를 코팅하여 제1 전극 층을 형성하는 단계(S2)를 거친다.
상기 탄성 중합체 용액을 상기 희생 층 위에 코팅함으로써 상술한 제1 전극 층의 상층부에 위치하는 소위 보호층을 형성되며, 상기 탄성 중합체 용액은 상술한 탄성 중합체을 클로로폼(chloroform)이나 헥산(hexane) 등의 용매에 용해하여 제조된다. 이 때 상기 용매의 함량을 조절함으로써 탄성 중합체 용액의 점도를 조절할 수 있다. 상기 탄성 중합체에 관한 상세는 앞서 설명한 바와 같다. 상기 중합체 용액의 코팅은 예컨대 딥 코팅법, 다이코팅 법 등을 기법을 이용할 수 있다.
상기 탄성 중합체 용액을 코팅한 다음 그 위에 전도성 재료를 코팅하여 제1 전극 층을 형성한다. 전도성 재료는 상술한 바와 같이 탄소 나노튜브, 은 나노와이어, 구리 나노와이어, 그래핀, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으며, 이들 전도성 재료는 예컨대 물, 톨루엔, 메탄올, 이소프로판올 등의 용매에 분산된 용액 상태로 스프레이 코팅법을 이용하여 상기 탄성 중합체의 코팅 층 위에 형성될 수 있다. 상기 전도성 재료의 분산액에 poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate (PEDOT:PSS)와 같은 첨가제를 더 첨가할 경우 전도성을 보다 높일 수 있다. 상기 전도성 재료의 분산액을 스프레이 코팅법을 이용하여 코팅할 때에 온도를 소정 온도 이상, 예컨대 100℃ 이상으로 설정하면 코팅과 동시에 용매의 증발을 유도하여 전극 층의 균일성을 높일 수 있다.
다음으로, 상기 제1 전극 층 위에 압전 재료가 분산된 탄성 중합체 용액을 코팅하여 압전 층을 형성하는 단계(S3)를 거친다.
상기 압전 재료가 분산된 탄성 중합체 용액은 클로로폼(chloroform)이나 헥산(hexane) 등의 용매에 상술한 탄성 중합체를 용해하여 제조되며, 이 때 상기 용매의 함량을 조절함으로써 탄성 중합체 용액의 점도를 조절할 수 있다. 상기 상기 압전 재료가 분산된 탄성 중합체 용액은 예컨대 딥 코팅법, 다이코팅 법 등을 이용하여 형성될 수 있다. 상기 탄성 중합체 및 압전 재료에 관한 상세는 앞서 설명한 바와 같다.
다음으로, 상기 압전 층 위에 전도성 재료를 코팅한 후 그 위에 탄성 중합체 용액을 코팅하여 제2 전극 층을 형성하는 단계(S4)를 거친다. 제2 전극층을 형성하는 단계(S4)는 앞서 설명한 1 전극 층을 형성하는 단계(S2)와 동일하되 전도성 재료를 먼저 코팅한 후 그 위에 탄성 중합체 용액을 코팅하여 보호층을 형성한다는 차이점이 있다.
제2 전극 층을 형성한 후 상기 탬플릿 및 희생층을 제거하는 단계(S5)를 거쳐 압전 에너지 하베스터의 제조를 완성한다.
상술한 압전 에너지 하베스터의 제조방법에 따르면, 비교적 간소한 공정에 의해 신축성 및 유연성을 동시에 확보할 수 있는 압전 에너지 하베스터를 제조할 수 있다.
이하 실시예를 통하여 상술한 본 발명의 구현예를 보다 상세하게 설명한다. 다만 하기의 실시예는 단지 설명의 목적을 위한 것이며 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.
압전 에너지
하베스터의
제조
실시예
1
(1) 희생 층 제조
폴리비닐필롤리돈을 희생 층을 구성하는 고분자로 선택하여 에탄올(ethanol)에 녹여 희생층 용액을 준비한다. 탄소심(carbon rod) 위에 딥 코팅법(dip coating)을 이용하여 폴리비닐필로리돈을 1 μm 이하로 코팅을 해준다. 코팅이 이루어지고 나서 희생 층의 열처리를 100 ℃에서 진행하여 희생층을 형성한다.
(2) 제1 전극 층 제조
폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS) prepolymer와 curing agent를 15:1의 비율로 섞고 점성 조절을 위하여 클로로폼(chloroform)을 첨가하여 탄성 중합체 용액을 준비한다. 이어서 상기 희생 층에 위에 상기 탄성 중합체 용액을 딥 코팅법으로 약 50 μm의 두께로 코팅한다 (보호층 형성).
상기 보호 층 위에 전도성 재료 층을 형성하기 위하여 탄소나노튜브(MWCNT)를 에탄올에 분산시켜 농도는 2 mg/ml의 분산액을 제조한다. 다음으로, 상기 분산액에 poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate (PEDOT:PSS)를 소량 첨가한다. 제조된 분산액을 스프레이 코팅법으로 보호 층에 코팅한다. 핫플레이트의 온도를 100 ℃로 설정하여 열처리하여 제1 전극 층을 형성한다.
(3) 압전 층 제조
폴리디메틸실록산 prepolymer와 PVDF-TrFE 나노입자의 질량비가 7:3, 그리고 prepolymer와 curing의 질량비가 15:1이 되도록 섞어준다. 그리고 나서 prepolymer와 클로로폼의 질량비가 4:3이 되도록 클로로폼을 첨가한다. 준비된 용액을 딥 코팅법을 이용하여 상기 제1 전극층 위에 코팅하여 압전 층을 형성한다.
(4) 제2 전극 층 제조
전도성 재료 층을 먼저 형성한 후 그 위에 탄성 중합체 용액을 코팅하여 보호층을 형성한다는 점을 제외하고는 상기 제1 전극 층의 제조방법과 동일하게 하여 제2 전극 층을 제조한다.
(5) 템플릿 및
희생층
분리
제2 전극 층을 형성한 후 상기 탬플릿 및 희생층을 제거하여 압전 에너지 하베스터를 얻는다.
평가 1: 주사전자현미경 관찰
실시예 1에서 제조된 압전 에너지 하베스터의 단면을 주사전자현미경을 이용하여 관찰한다.
도 4는 실시예 1에서 제조된 압전 에너지 하베스터의 단면을 보여주는 주사전자현미경 사진이다.
도 4를 참고하면, 중앙부에 공동이 존재하며 여러 개의 층으로 이루어져 있는 것을 확인할 수 있다. 구체적으로 공동부 위에 PDMS 층 (보호층), MWCNT 층 (전도성 재료 층), PDMS/P(VDF-TrFE) PDMS/PVDF-TrFE 층 (압전 재료 층), MWCNT 층 (전도성 재료 층) 및 PDMS 층(보호층)이 순차로 형성되어 있음을 확인할 수 있다.
도 5는 실시예 1에서 제조된 압전 에너지 하베스터에서 전도성 재료 층 표면에 대한 주사전자현미경 사진이다. 전도성 재료 층 표면을 위에서 내려볼 때의 사진으로서, 압전재료 층에 탄소나노튜브가 빠짐없이 증착되어 있는 것을 확인할 수 있다. 길이와 지름의 비가 큰 나노소재를 활용하여 전극을 제작함으로써 나노제너레이터가 늘어났을 때에도 전도성이 많이 떨어지지 않고 잘 유지될 수 있음을 예상할 수 있다.
평가 2: 내부 압력 변화에 따른 에너지 수확 여부 평가
실시예 1에서 제조된 압전 에너지 하베스터에 물을 주입하여 압전 에너지 하베스터의 외관 및 시간에 따른 출력 전압을 평가한다.
도 6은 실시예 1에서 제조된 압전 에너지 하베스터의 물 주입 전후의 외관을 보여주는 사진이다.
도 6을 참고하면, 압전 에너지 하베스터의 내부에서 액체 압력의 변화가 있는 경우 부풀어 오는 것을 볼 수 있는데 이를 통해 나노제너레이터 외부의 압력뿐만 아니라 내부의 압력에 대해서도 에너지를 수확할 수 있음을 확인할 수 있다.
도 7은 압전 에너지 하베스터의 공동부에 물을 주입한 후 시간에 따른 출력 전압을 나타낸 그래프이다.
도 7을 참고하면, 압전 에너지 하베스터의 공동부에 물을 반복적으로 주입 및 배출시킴에 따라 신호가 반복적으로 생성됨을 확인할 수 있으며, 이를 통해 웨어러블 기기로서의 가능성뿐만 아니라 파이프나 혈관 모사 등 다른 분양에서도 응용될 수 있을 것으로 예상된다.
평가 3: 신축성 평가 1
실시예 1에서 제조된 압전 에너지 하베스터에 외부 압력을 가하여 압전 에너지 하베스터의 신축성을 평가한다.
도 8은 실시예 1에서 제조된 압전 에너지 하베스터에 외부 압력을 가하여 신축성을 평가하는 모습을 보여주는 사진이다.
도 8을 참고하면, 실시예 1에서 제조된 압전 에너지 하베스터는 약 100% 정도 늘어나도 끊어지지 않고 구조를 잘 유지되는 것을 알 수 있으며, 이는 곧 늘어나는 압력에 대해서도 에너지를 수확할 수 있음을 보여주는 것이다. 뿐만 아니라 굽혀짐과 꼬여짐에 대해서도 구조가 망가지지 않고 잘 유지되는 것을 보여준다.
평가 4: 신축성 평가 2 (스트레인 평가)
한편, 실시예 1에서 제조된 압전 에너지 하베스터의 길이를 2 cm 로 한 후 스트레인을 50%(늘어난 길이 1 cm), 30% (늘어난 길이 0.6 cm), 10% (늘어난 길이 0.2 cm)를 변경해주어 시간에 따른 저항 변화를 관찰하였다.
도 9 내지 11은 각각 실시예 1에서 제조된 압전 에너지 하베스터의 시간에 따른 저항 변화를 나타내는 그래프로서, 구체적으로 스트레인(변형률)이 달라짐에 따라서 저항변화가 어떤 형태로, 얼마나 안정적으로 나타나는지를 보여주는 그래프이다.
도 9 내지 11을 참고하면, 실시예 1에서 제조된 압전 에너지 하베스터는 20 사이클 동안 스트레인 50%(늘어난 길이 1 cm), 30% (늘어난 길이 0.6 cm), 10% (늘어난 길이 0.2 cm)에서 각각 저항의 변화가 안정적으로 나타남을 알 수 있다. 또한 초기 저항이 사이클 발생 동안 올라가거나 줄어드는 현상이 없어 굉장히 안정적인 스트레인 센서임을 알 수 있다. 이는 제1 및 제2 전극 층에서 MWCNT 층 사이로 폴리디메틸실록산(PDMS) 용액이 스며듦에 따라 스트레칭이 발생하는 동안 MWCNT가 부서지지 않고 전도성을 양호하게 유지하는 것에 기인한 현상으로 이해된다.
평가 5: 압전성 평가
실시예 1에서 제조된 압전 에너지 하베스터에 오실로스코프(oscilloscope, 전압확인용)를 연결하여, 제조된 압전 에너지 하베스터가 압전 재료 기반의 에너지 하베스팅인지 확인한다.
도 12는 실시예 1에서 제조된 압전 에너지 하베스터에 오실로스코프를 정방향 연결(forward connection)하여 스트레칭을 가할 경우 시간에 따른 출력 전압을 나타낸 그래프이고, 도 13은 실시예 1에서 제조된 압전 에너지 하베스터에 오실로스코프를 역방향 연결(reverse connection)하여 스트레칭을 가할 경우 시간에 따른 출력 전압을 나타낸 그래프이다..
도 12 및 13을 참고하면, 2개 그래프의 피크 크기가 반대로 되고 그 크기는 비슷하며, 이에 따라 상기 전기적 에너지는 상기 압전 에너지 하베스터의 압전성에 의해 생성된 것임을 확인할 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 압전 에너지 하베스터 10 압전 층
20 제1 전극 층 30 제2 전극 층
21, 31 전도성 재료 22, 32 탄성 중합체
20 제1 전극 층 30 제2 전극 층
21, 31 전도성 재료 22, 32 탄성 중합체
Claims (16)
- 중공사 구조를 가지는 압전 에너지 하베스터로서,
중앙부의 공동(hollow)을 둘러싸고 압전 재료 및 탄성 중합체를 포함하는 원통 형태의 압전 층,
상기 압전 층의 내측 전면에 코팅되어 있고 전도성 재료 및 탄성 중합체를 포함하는 원통 형태의 제1 전극 층, 그리고
상기 압전 층의 외측 전면에 코팅되어 있고 전도성 재료 및 탄성 중합체를 포함하는 원통 형태의 제2 전극 층
을 포함하고,
상기 제1 전극 층은 분산되어 있는 상기 전도성 재료 및 상기 전도성 재료 사이의 빈 공간에 위치하는 상기 탄성 중합체를 포함하는 제1 전도성 재료 층, 그리고 상기 제1 전도성 재료 층 위에 형성되고 상기 탄성 중합체를 포함하는 제1 보호층을 포함하고,
상기 제2 전극 층은 분산되어 있는 상기 전도성 재료 및 상기 전도성 재료 사이의 빈 공간에 위치하는 상기 탄성 중합체를 포함하는 제2 전도성 재료 층, 그리고 상기 제2 전도성 재료 층 위에 형성되고 상기 탄성 중합체를 포함하는 제2 보호층을 포함하는
압전 에너지 하베스터. - 제1항에서,
상기 압전 층, 제1 전극 층 및 제2 전극 층에 포함되는 탄성 중합체는 각각 독립적으로 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS), 폴리우레탄(polyurethane), 천연고무(natural rubber), 실리콘 고무(silicone rubber), 아크릴 고무(acrylic rubber), 또는 이들의 조합을 포함하는 압전 에너지 하베스터. - 제1항에서,
상기 압전 재료는 티탄산연(lead titanate, PbTiO3), 티탄산지르콘산연(lead zirconate titanate, PZT), 티탄산바륨(barium titanate, BaTiO3), 산화나이오븀화칼륨(KNbO3), 산화탄탈륨화 리튬(LiTaO3), 산화텅스텐화 나트륨(Na2WO3), 산화 아연(ZnO), 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride), 폴리비닐리덴 플루오라이드-코-트리플루오로에틸렌(polyvinylidene fluoride-co-trifluoroethylene, PVDF-TrFE), 또는 이들의 조합을 포함하는 압전 에너지 하베스터. - 제1항에서,
상기 압전 재료는 마이크로 입자, 나노 입자, 나노 튜브, 나노 섬유, 나노 플레이트, 또는 이들의 조합의 형상을 가지는 압전 에너지 하베스터. - 제1항에서,
상기 압전 재료는 상기 압전 층의 탄성 중합체 내에 분산되어 있는 압전 에너지 하베스터. - 제1항에서,
상기 압전 재료는 상기 압전 층의 탄성 중합체 함량에 대하여 1 중량% 내지 50 중량%로 포함되는 압전 에너지 하베스터. - 제1항에서,
제1 전극 층 및 제2 전극 층에 포함되는 전도성 재료는 각각 독립적으로 탄소 나노튜브, 은 나노와이어, 구리 나노와이어, 그래핀, 또는 이들의 조합을 포함하는 압전 에너지 하베스터. - 삭제
- 제1항에서,
상기 압전 층은 10 μm 내지 1 mm 의 두께를 가지는 압전 에너지 하베스터. - 제1항에서,
상기 제1 전극 층 및 제2 전극 층은 각각 독립적으로 1 μm 내지 수십 μm의 두께를 가지는 압전 에너지 하베스터. - 제1항에서,
상기 중앙부의 공동으로 유체가 유입됨에 따라 형상의 변형이 일어나는 압전 에너지 하베스터. - 제1항에서,
내부 또는 외부에 압력이 가해짐에 따라 형상의 변형이 일어나는 압전 에너지 하베스터. - 중공사 구조를 가지는 압전 에너지 하베스터의 제조방법으로서,
기둥 형상의 탬플릿에 희생 층(sacrificial layer)을 형성하는 단계,
상기 희생 층 위에 탄성 중합체 용액을 코팅한 후 그 위에 전도성 재료를 코팅하여 제1 전극 층을 형성하는 단계,
상기 제1 전극 층 위에 압전 재료가 분산된 탄성 중합체 용액을 코팅하여 압전 층을 형성하는 단계,
상기 압전 층 위에 전도성 재료를 코팅한 후 그 위에 탄성 중합체 용액을 코팅하여 제2 전극 층을 형성하는 단계, 그리고
상기 탬플릿 및 희생층을 제거하는 단계
를 포함하는
압전 에너지 하베스터의 제조방법. - 제13항에서,
상기 희생 층은 유기 고분자 용액을 상기 탬플릿 위에 코팅하여 형성되는 압전 에너지 하베스터의 제조방법. - 제13항에서,
상기 제1 전극 층, 제2 전극 층, 및 압전 층을 형성함에 있어 탄성 중합체 용액의 코팅은 딥 코팅 또는 다이 코팅 방식에 의해 수행되는 압전 에너지 하베스터의 제조방법. - 제1항 내지 제7항 또는 제9항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 압전 에너지 하베스터를 포함하는 웨어러블 장치.
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|---|---|---|---|---|
| KR20210093554A (ko) | 2020-01-20 | 2021-07-28 | 전남대학교산학협력단 | 삼차원 텍스타일 구조의 압력 전달체를 갖는 압전 센서. |
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| JP2017028323A (ja) * | 2015-07-16 | 2017-02-02 | 住友理工株式会社 | 圧電センサ |
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