KR102248482B1 - Nano piezoelectric element - Google Patents

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KR102248482B1
KR102248482B1 KR1020200066710A KR20200066710A KR102248482B1 KR 102248482 B1 KR102248482 B1 KR 102248482B1 KR 1020200066710 A KR1020200066710 A KR 1020200066710A KR 20200066710 A KR20200066710 A KR 20200066710A KR 102248482 B1 KR102248482 B1 KR 102248482B1
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nano
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carbon layer
electrode
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이규철
송민호
박준범
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서울대학교산학협력단
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Abstract

One embodiment of the present invention relates to a nano piezoelectric element. According to one embodiment of the present invention, the provided nano piezoelectric element includes: a carbon layer formed of graphene in which carbon atoms are connected to each other and having a honeycomb-shaped planar structure; one or more nanostructures vertically grown on one surface of the carbon layer; a first electrode disposed on the one or more nanostructures; a second electrode disposed on the other surface of the carbon layer; and an insulator filled between the first electrode and the second electrode.

Description

나노 압전소자 {NANO PIEZOELECTRIC ELEMENT}Nano piezoelectric element {NANO PIEZOELECTRIC ELEMENT}

본 발명의 일 실시예는 나노 압전소자에 관한 것이며, 특히 누르는 힘 또는 쓸림 힘을 감지할 수 있는 나노 압전소자 에 관한 것이다.An embodiment of the present invention relates to a nano piezoelectric device, in particular, to a nano piezoelectric device capable of sensing a pressing force or a rubbing force.

기존의 압력센서의 원리로는 외부압력에 의한 센서내부 정전용량 변화 또는 일정 전압하의 저항의 변화 등을 감지하여 측정하거나, 압전소재에서 발생되는 전압, 전류 등을 측정하는 방법 등이 있으며, 또한 기계적인 에너지를 전기적인 에너지로 변환하는 에너지 수확소자의 경우, 이종소재간 발생하는 정전기를 활용하거나 압전소재를 활용하는 방식이 있다. The principle of the existing pressure sensor includes a method of detecting and measuring changes in the internal capacitance of the sensor due to external pressure or a change in resistance under a certain voltage, or measuring voltage and current generated from piezoelectric materials. In the case of energy harvesting devices that convert natural energy into electrical energy, there is a method of utilizing static electricity generated between different materials or using piezoelectric materials.

최근 위와 같은 원리를 이용하는 센서, 에너지소자의 핵심소재를 나노마이크로 스케일로 가공하여 감도 및 에너지 효율을 극대화하려는 연구가 활발히 이루어지고 있다. 이런 센서 또는 에너지소자에 압전소재를 활용할 경우(특히 센서의 경우), 압전소재로부터 발생하는 직접적인 에너지 크기에 의하여 시스템이 작동하므로 자가발전(자가동력) 구동이 가능하다.Recently, researches have been actively conducted to maximize sensitivity and energy efficiency by processing core materials of sensors and energy devices using the above principles into nano-micro-scale. When a piezoelectric material is used for such a sensor or energy device (especially in the case of a sensor), the system is operated by the amount of direct energy generated from the piezoelectric material, so self-powered (self-powered) drive is possible.

한편, PZT와 같은 세라믹 기반의 압전소자의 경우 최종 디바이스의 유연성에 한계가 있다. 아울러, 기존의 전극-압전소재-전극의 구조를 기반으로 하는 센서 또는 에너지소자의 경우 단순한 계면간 접촉으로 이루어져 있어 여러 가지 변형 또는 운동 모드에 작동하는 것이 불가능하다. 그리고, 인체의 상태를 측정하기 위한 웨어러블 디바이스(wearable device)의 경우 호흡 및 맥박과 같은 미세한 정도의 진동 또는 압력을 감지하여야 하는데 이를 감지하면서도 압력의 방향을 측정할 수 있는 압전소자의 개발이 필요한 실정이다.Meanwhile, in the case of a ceramic-based piezoelectric device such as PZT, there is a limit to the flexibility of the final device. In addition, in the case of a sensor or energy device based on the structure of the existing electrode-piezoelectric material-electrode, it is impossible to operate in various deformation or motion modes because it consists of simple interfacial contact. And, in the case of a wearable device for measuring the state of the human body, it is necessary to detect minute vibrations or pressure such as breathing and pulse. However, it is necessary to develop a piezoelectric device capable of measuring the direction of pressure while sensing this. to be.

대한민국 등록특허공보 제 10-1733154 호 (2017. 04. 27.)Republic of Korea Patent Publication No. 10-1733154 (2017. 04. 27.)

본 발명은 앞서 기술한 종래의 압전소자가 가지는 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 일 실시예가 이루고자 하는 목적은 쓸림 힘의 방향을 측정할 수 있는 나노 압전소자를 제공하고자 한다.The present invention is to solve the problems of the conventional piezoelectric device described above, and an object of the present invention is to provide a nano piezoelectric device capable of measuring the direction of a rubbing force.

본 발명의 일 실시예가 이루고자 하는 다른 목적은 유연한 기판에 장착하여 웨어러블(wearable) 장치에 적용할 수 있는 나노 압전소자를 제공하고자 한다.Another object to be achieved by an embodiment of the present invention is to provide a nano piezoelectric device that can be applied to a wearable device by mounting on a flexible substrate.

본 발명의 일 실시예는 나노 압전소자에 관한 것으로서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 탄소원자가 서로 연결되어 벌집모양의 평면구조를 갖는 그래핀으로 형성된 탄소층; 상기 탄소층의 일면에서 수직으로 성장한 하나 이상의 나노 구조물; 상기 하나 이상의 나노 구조물의 상부에 배치되는 제 1 전극; 상기 탄소층 타면 상에 배치되는 제 2 전극; 및 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 충진되는 절연체;를 포함하는, 나노 압전소자가 제공된다.An embodiment of the present invention relates to a nano piezoelectric device, and according to an embodiment of the present invention, a carbon layer formed of graphene having a honeycomb-shaped planar structure in which carbon atoms are connected to each other; One or more nanostructures vertically grown on one surface of the carbon layer; A first electrode disposed on the at least one nanostructure; A second electrode disposed on the other surface of the carbon layer; And an insulator filled between the first electrode and the second electrode.

상기 탄소층 타면에 구비되어 회로를 구성하기 위한 기판을 더 포함할 수 있다.It may further include a substrate provided on the other surface of the carbon layer to form a circuit.

상기 나노 구조물은 나노 막대, 나노 바늘, 나노 튜브 및 나노 벽 중 적어도 하나일 수 있다.The nanostructure may be at least one of a nanorod, a nanoneedle, a nanotube, and a nanowall.

상기 나노 구조물이 상기 나노 막대, 상기 나노 바늘, 상기 나노 튜브 중 적어도 하나인 경우, 상기 나노 구조물의 수평 직경이 10 nm 내지 100 μm 일 수 있다.When the nanostructure is at least one of the nanorod, the nanoneedle, and the nanotube, the horizontal diameter of the nanostructure may be 10 nm to 100 μm.

상기 나노 구조물이 상기 나노 막대, 상기 나노 바늘, 상기 나노 튜브 중 적어도 하나인 경우, 상기 나노 구조물의 높이가 500nm 내지 100 μm 일 수 있다.When the nanostructure is at least one of the nanorod, the nanoneedle, and the nanotube, the height of the nanostructure may be 500nm to 100 μm.

상기 나노 구조물이 상기 나노 막대, 상기 나노 바늘, 상기 나노 튜브 중 적어도 하나인 경우, 상기 나노 구조물을 이용하여 누르는 힘 및 쓸림힘의 세기를 감지할 수 있다.When the nanostructure is at least one of the nanorod, the nanoneedle, and the nanotube, the strength of a pressing force and a rubbing force may be sensed using the nanostructure.

상기 나노 구조물이 상기 나노 벽인 경우, 상기 나노 구조물의 폭이 10 nm 내지 100 μm 일 수 있다.When the nanostructure is the nanowall, the width of the nanostructure may be 10 nm to 100 μm.

상기 나노 구조물이 상기 나노 벽인 경우, 상기 나노 구조물의 길이가 10 nm 내지 100 mm 일 수 있다.When the nanostructure is the nanowall, the length of the nanostructure may be 10 nm to 100 mm.

상기 나노 구조물이 상기 나노 벽인 경우, 상기 나노 구조물의 높이가 500nm 내지 100 μm 일 수 있다.When the nanostructure is the nanowall, the height of the nanostructure may be 500nm to 100 μm.

상기 나노 구조물이 상기 나노 벽인 경우, 상기 나노 구조물을 이용하여 누르는 힘의 세기 및 쓸림힘의 세기 및 방향을 감지할 수 있다.When the nanostructure is the nanowall, the strength and direction of a pressing force and a frictional force may be sensed using the nanostructure.

상기 나노 구조물은 산화아연 물질을 포함할 수 있다.The nanostructure may include a zinc oxide material.

상기 절연체는 폴리이미드(polyimide), 이산화규소(SiO2), 산화알루미늄(Al2O3) 중 선택될 수 있다.The insulator may be selected from polyimide, silicon dioxide (SiO2), and aluminum oxide (Al2O3).

상기 절연체는 상기 탄소층 일면에서부터 상기 나노 구조물의 상부까지 충진되어 있다.The insulator is filled from one surface of the carbon layer to the top of the nanostructure.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 특히 나노 벽을 이용하여 쓸림 힘의 크기 뿐만 아니라 쓸림 힘의 방향을 측정할 수 있는 나노 압전소자를 제공할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, in particular, it is possible to provide a nano piezoelectric device capable of measuring not only the magnitude of the friction force but also the direction of the friction force by using the nano wall.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 유연한 기판에 장착하여 웨어러블 장치에 적용할 수 있는 나노 압전소자를 제공할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, it is possible to provide a nano piezoelectric device that can be applied to a wearable device by mounting on a flexible substrate.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 압전소자를 나타내는 단면도
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 구조물이 나노 막대이고 나노 막대가 탄소층 상에 형성된 상태를 나타내는 도면
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 나노 구조물이 나노 벽이고 나노 벽이 탄소층 상에 형성된 상태를 나타내는 도면
도 4는 복수의 나노 벽 상에 제 1 전극이 형성된 상태를 나타내는 도면
도 5는 본 발명의 실시예들에 따라 탄소층 상에 형성된 나노 구조물의 전자현미경 사진1 is a cross-sectional view showing a nano piezoelectric device according to an embodiment of the present invention
2 is a view showing a state in which a nanostructure is a nanorod and a nanorod is formed on a carbon layer according to an embodiment of the present invention
3 is a view showing a state in which a nanostructure is a nanowall and a nanowall is formed on a carbon layer according to another embodiment of the present invention
4 is a view showing a state in which a first electrode is formed on a plurality of nanowalls
5 is an electron micrograph of a nanostructure formed on a carbon layer according to embodiments of the present invention

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하기로 한다. 그러나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.Hereinafter, a specific embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. However, this is only an example and the present invention is not limited thereto.

본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. In describing the present invention, when it is determined that a detailed description of known technologies related to the present invention may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, a detailed description thereof will be omitted. In addition, terms to be described later are terms defined in consideration of functions in the present invention, which may vary according to the intention or custom of users or operators. Therefore, the definition should be made based on the contents throughout the present specification.

본 발명의 기술적 사상은 청구범위에 의해 결정되며, 이하의 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 효율적으로 설명하기 위한 일 수단일 뿐이다.The technical idea of the present invention is determined by the claims, and the following embodiments are only one means for efficiently describing the technical idea of the present invention to those of ordinary skill in the art.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 압전소자를 나타내는 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing a nano piezoelectric device according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 나노 압전소자는 탄소원자로 이루어진 그래핀으로 형성되는 탄소층(100)을 가지고 형성될 수 있다. 그래핀은 탄소원자가 서로 연결되어 벌집모양(honeycomb)로 결합되어 있는 단층 평면 형태의 구조이며, 유연하고 물리적으로 강한 2차원 나노소재이다. 그래핀은 평면에 수직한 방향으로는 다른 그래핀 또는 다른 물질과 약한 반데르발스(Van der Waals) 힘에 의해 결합이 되어 있다. 따라서, 그래핀이 다른 기판에 결합되어 있는 경우 그래핀과 기판 간에 약한 반데르발스 힘으로 결합되어 있기 때문에, 그래핀을 기판에서 떼어서 다른 기판으로 이동시키는 것이 용이하다. Referring to FIG. 1, a nano piezoelectric device may be formed with a carbon layer 100 made of graphene made of carbon atoms. Graphene is a single-layer planar structure in which carbon atoms are connected to each other and bonded in a honeycomb shape, and is a flexible and physically strong two-dimensional nanomaterial. Graphene is bonded to other graphene or other materials by a weak Van der Waals force in a direction perpendicular to the plane. Therefore, when graphene is bonded to another substrate, since it is bonded between the graphene and the substrate by a weak Van der Waals force, it is easy to remove the graphene from the substrate and move it to another substrate.

그래핀으로 형성되는 탄소층(100) 상의 일면에는 해당 일면에 수직방향으로 성장한 나노 구조물(200)이 하나 이상 형성될 수 있다. 나노 구조물(200)은 다양한 형상일 수 있으며, 예를 들어 나노 막대, 나노 바늘, 나노 튜브 또는 나노 벽일 수 있다. 나노 구조물(200)은 산화 아연으로 형성될 수 있다. 산화 아연은 워트사이트(Wurtzite) 결정 구조를 가지는 물질로서, 워트사이트 결정 구조는 특유의 비대칭 결정 구조로 인하여 물질에 물리적 변형이 가해졌을 경우 물질 내에서 분극이 형성되는 물질이다. 분극이 형성되면 이로 인하여 물질 내부에 전기장 또는 전압차가 발생되며 전기장 또는 전압차의 크기는 물질의 변형의 정도에 따라 달라진다. 따라서, 물질 내부에서 발생된 전기장 또는 전압차를 측정하면 이를 통해 물질의 변형된 정도를 계산할 수 있다. 이러한 성질을 이용하여 나노 구조물(200)은 센서에 가해지는 눌림힘 및 쓸림힘의 세기와 방향을 인지할 수 있다.One or more nanostructures 200 grown in a direction perpendicular to the one surface may be formed on one surface of the carbon layer 100 formed of graphene. The nanostructure 200 may have various shapes, for example, a nanorod, a nanoneedle, a nanotube, or a nanowall. The nanostructure 200 may be formed of zinc oxide. Zinc oxide is a material having a wortsite (Wurtzite) crystal structure, and the wortsite crystal structure is a material in which polarization is formed in the material when physical deformation is applied to the material due to a unique asymmetric crystal structure. When polarization is formed, an electric field or voltage difference is generated inside the material, and the magnitude of the electric field or voltage difference varies depending on the degree of deformation of the material. Therefore, when the electric field or voltage difference generated inside the material is measured, the degree of deformation of the material can be calculated through this. Using this property, the nanostructure 200 can recognize the intensity and direction of the pressing force and the frictional force applied to the sensor.

나노 구조물(200)의 상부에는 제 1 전극(310)이 배치되고 탄소층(100)의 타면(즉, 나노 구조물(200)이 형성된 면의 반대면) 상에는 제 2 전극(320)이 배치될 수 있다. 이를 통해, 나노 구조물(200)의 양측에 일정한 정전압을 인가할 수 있다. 나노 구조물(200)에 가해지는 물리적 압력 또는 힘에 의하여 나노 구조물(200)에 변형이 발생되면 제 1 전극(310) 및 제 2 전극(320)을 통해 정전압이 가해짐에도 불구하고 나노 구조물(200) 내에서의 전류가 변화(예를 들어, 감소)하게 되고 이를 측정하여 나노 구조물에 가해지는 압력 또는 힘의 세기와 방향을 알 수 있다. The first electrode 310 may be disposed on the top of the nanostructure 200 and the second electrode 320 may be disposed on the other surface of the carbon layer 100 (ie, the opposite surface of the surface on which the nanostructure 200 is formed). have. Through this, a constant constant voltage may be applied to both sides of the nanostructure 200. When a deformation occurs in the nanostructure 200 due to a physical pressure or force applied to the nanostructure 200, the nanostructure 200 is applied even though a constant voltage is applied through the first electrode 310 and the second electrode 320. ) Changes (eg, decreases) in the current, and by measuring it, the strength and direction of the pressure or force applied to the nanostructure can be known.

나노 구조물(200)은 산화아연으로 형성될 수 있다.The nanostructure 200 may be formed of zinc oxide.

그리고, 제 1 전극(310)과 제 2 전극(320)의 사이에는 절연체(400)가 충진될 수 있다. 보다 정확하게는 나노 구조물(200)의 상단과 하단 사이에 절연체(400)가 충진되어 나노 구조물(200)의 상단과 하단 간을 전기적으로 분리할 수 있다. 즉, 절연체(400)는 탄소층(100)의 일면에서부터 나노 구조물(200) 상부까지 도달하도록 충진될 수 있다. 절연체(400)는 폴리이미드(polyimide), 이산화규소(SiO2), 산화알루미늄(Al2O3) 중 선택될 수 있다.In addition, an insulator 400 may be filled between the first electrode 310 and the second electrode 320. More precisely, the insulator 400 is filled between the top and bottom of the nanostructure 200 to electrically separate the top and the bottom of the nanostructure 200. That is, the insulator 400 may be filled to reach the top of the nanostructure 200 from one surface of the carbon layer 100. The insulator 400 may be selected from polyimide, silicon dioxide (SiO2), and aluminum oxide (Al2O3).

그래핀으로 형성되는 탄소층(100)의 타면(즉, 나노 구조물(200)이 형성되는 면의 반대면)에는 회로를 구성하여 나노 압전소자에 전기적인 신호를 제어하고 측정할 수 있는 기판(미도시됨)이 형성될 수 있다.On the other surface of the carbon layer 100 formed of graphene (that is, the opposite surface of the surface on which the nanostructure 200 is formed), a circuit is formed to control and measure an electrical signal to the nano piezoelectric element. Shown) can be formed.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 구조물(200)이 나노 막대(200a)이고 나노 막대(200a)가 탄소층(100) 상에 형성된 상태를 나타내는 도면이다.FIG. 2 is a diagram illustrating a state in which the nanostructure 200 is a nanorod 200a and a nanorod 200a is formed on the carbon layer 100 according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 나노 구조물(200)이 나노 막대(200a)로 될 수 있고, 그 외에 나노 바늘, 나노 튜브 등의 형태로 되는 것도 가능하다. 나노 막대(200a)를 예시로 한 경우, 나노 막대(200a)의 수평방향 직경(d)이 10 nm 내지 100 μm일 수 있고, 나노 막대(200a)의 높이(h)가 500 nm 내지 100 μm일 수 있다. Referring to FIG. 2, the nanostructure 200 may be formed of a nanorod 200a, and in addition, it may be formed in the form of a nanoneedle, a nanotube, or the like. When the nanorod 200a is taken as an example, the horizontal diameter (d) of the nanorod 200a may be 10 nm to 100 μm, and the height (h) of the nano rod 200a may be 500 nm to 100 μm. I can.

나노 구조물(200)이 나노 막대, 나노 바늘, 또는 나노 튜브인 경우에는 수평 전방향으로 대칭적인 형상이다. 따라서, 나노 구조물(200)이 나노 막대, 나노 바늘 또는 나노 튜브인 경우에는 수평 방향으로 누름힘 또는 쓸림힘이 가해졌을 경우에 어느 방향으로 가해졌는지는 구분하기 어렵다. 다만, 나노 막대, 나노 바늘 또는 나노 튜브로 누름힘 또는 쓸림힘의 강도를 측정할 경우에, 예민하게 강도를 측정할 수 있다. 나노 막대, 나노 바늘 또는 나노 튜브의 직경(d)과 높이(h)를 변화하여 나노 구조물(200)의 탄성을 조절할 수 있고 그에 따라서 힘에 대한 나노 구조물(200)의 민감성을 조절할 수 있다. 이를 통해 사람의 감각으로는 느낄 수 없는 정도도 측정 가능하도록 민감한 나노 압전 소자를 제작할 수 있다.When the nanostructure 200 is a nanorod, a nanoneedle, or a nanotube, it has a horizontal omnidirectional symmetrical shape. Therefore, when the nanostructure 200 is a nanorod, a nanoneedle, or a nanotube, it is difficult to distinguish which direction is applied when a pressing force or a rubbing force is applied in the horizontal direction. However, when measuring the strength of a pressing force or a rubbing force with a nano rod, a nano needle, or a nano tube, the strength can be sensitively measured. The elasticity of the nanostructure 200 can be adjusted by changing the diameter (d) and height (h) of the nanorod, nanoneedle, or nanotube, and accordingly, the sensitivity of the nanostructure 200 to force can be adjusted. Through this, it is possible to fabricate a sensitive nano piezoelectric device to measure a degree that cannot be felt by human senses.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 나노 구조물(200)이 나노 벽(200b1, 200b2)이고 나노 벽(200b1, 200b2)이 탄소층(100) 상에 형성된 상태를 나타내는 도면이며, 도 4는 복수의 나노 벽(200b1, 200b2) 상에 제 1 전극(310)이 형성된 상태를 나타내는 도면이다.3 is a view showing a state in which the nanostructure 200 according to another embodiment of the present invention is the nanowalls 200b1 and 200b2 and the nanowalls 200b1 and 200b2 are formed on the carbon layer 100, and FIG. 4 is A diagram showing a state in which the first electrode 310 is formed on the plurality of nanowalls 200b1 and 200b2.

도 3 및 도 4를 참조하면, 나노 구조물(200)이 나노 벽(200b1, 200b2)으로 될 수 있다. 나노 벽(200b1, 200b2)는 앞서 설명한 나노 막대, 나노 바늘 및 나노 튜브와 달리 서로 다른 두께(w)와 길이(l)를 가짐으로써 특정 방향에 대하여 민감하게 반응할 수 있다. 예를 들어, 나노 벽(200b1, 200b2)의 폭(w)이 10nm 내지 100 μm이고, 길이(l)가 10 nm 내지 100 mm일 수 있다. 그리고, 나노 벽(200b1, 200b2)의 높이(h)가 500 nm 내지 100 μm일 수 있다.3 and 4, the nano structure 200 may be formed of nano walls 200b1 and 200b2. Unlike the nanorods, nanoneedles, and nanotubes described above, the nanowalls 200b1 and 200b2 have different thicknesses (w) and lengths (l), so that they can react sensitively to a specific direction. For example, the width w of the nanowalls 200b1 and 200b2 may be 10 nm to 100 μm, and the length 1 may be 10 nm to 100 mm. In addition, the height h of the nanowalls 200b1 and 200b2 may be 500 nm to 100 μm.

도 3에 도시된 바와 같이, 나노 벽(200b1, 200b2)의 방향에 따라서 쓸림힘의 방향에 대한 민감도가 결정될 수 있다. 도 3의 왼쪽의 나노 벽(200b1)의 경우에는 길이 방향이 x축 방향으로 되도록 배열할 수 있다. 이를 통해, 나노 벽(200b1)의 길이 방향과 평행한 x축 방향의 힘에는 변형이 거의 일어나지 않는 대신 y축 방향의 힘에 대해서는 상대적으로 크게 변형이 되면서 y축 방향의 쓸림 힘에 민감하게 반응할 수 있다. 반면, 도 3의 오른쪽의 나노 벽(200b2)의 경우에는 길이 방향이 y축 방향으로 되도록 배열됨으로써, y축 방향의 힘에는 거의 변형되지 않지만 x축 방향의 힘에 대해서는 변형이 용이하게 되어서 x축 방향의 쓸림 힘에 민감하게 될 수 있다. 따라서, 길이 방향이 서로 다른 나노 벽(200b1, 200b2)을 조합하여 각각의 나노 벽(200b1, 200b2)의 변형 정도를 비교하여 나노 압전소자에 적용되는 쓸림 힘의 방향을 결정할 수 있다. As shown in FIG. 3, the sensitivity to the direction of the rubbing force may be determined according to the directions of the nano walls 200b1 and 200b2. In the case of the nano-wall 200b1 on the left side of FIG. 3, the length direction may be arranged in the x-axis direction. Through this, there is little deformation in the force in the x-axis direction parallel to the longitudinal direction of the nanowall 200b1, but it is relatively largely deformed with respect to the force in the y-axis direction, and reacts sensitively to the frictional force in the y-axis direction. I can. On the other hand, in the case of the nano-wall 200b2 on the right side of FIG. 3, since the length direction is arranged in the y-axis direction, it is hardly deformed by the force in the y-axis direction, but the x-axis It can become sensitive to directional frictional forces. Accordingly, by combining the nanowalls 200b1 and 200b2 having different longitudinal directions and comparing the degree of deformation of each of the nanowalls 200b1 and 200b2, the direction of the frictional force applied to the nano piezoelectric element may be determined.

또한, 나노 벽(200b1, 200b2)의 변형 정도를 종합하여 누름힘 또는 쓸림 힘의 크기도 결정할 수 있다. In addition, the magnitude of the pressing force or the frictional force may be determined by synthesizing the degree of deformation of the nanowalls 200b1 and 200b2.

도 4에 도시된 바와 같이, 복수의 나노 벽(200b1, 200b2)을 조합하게 되면, 힘의 방향에 따라서 x축 또는 y축 중 하나로 같은 방향으로 배열된 나노 벽(200b1, 200b2)의 변형 정도에 따라서 전류가 발생하고 이에 의해 전극(310, 320)에 인가된 정전압에 변화가 발생할 수 있다. 이를 통해 복수의 나노 벽(200b1, 200b2) 각각의 변형의 정도를 확인하고 이를 종합하여 힘의 방향과 크기를 결정할 수 있다.As shown in FIG. 4, when a plurality of nanowalls 200b1 and 200b2 are combined, the degree of deformation of the nanowalls 200b1 and 200b2 arranged in the same direction in either the x-axis or the y-axis depending on the direction of the force Accordingly, a current may be generated, thereby causing a change in the constant voltage applied to the electrodes 310 and 320. Through this, the degree of deformation of each of the plurality of nanowalls 200b1 and 200b2 can be checked and combined to determine the direction and magnitude of the force.

도 5는 본 발명의 실시예들에 따라 탄소층 상에 형성된 나노 구조물의 전자현미경 사진이다. 도 5(a)는 나노 구조물이 나노 막대인 경우이고, 도 5(b)는 나노 구조물이 나노 벽인 경우이다.5 is an electron micrograph of a nanostructure formed on a carbon layer according to embodiments of the present invention. FIG. 5(a) shows a case where the nanostructure is a nanorod, and FIG. 5(b) shows a case where the nanostructure is a nanowall.

도 5(a) 및 도 5(b)를 참조하면, 본 발명의 실시예들에 따라 탄소층 상에 나노 구조물을 형성하고, 탄소층 및 나노 구조물에 전극을 형성함으로써 나노 압전소자를 제조할 수 있다. 나노 압전소자는 유연성을 가지는 압력 센서로서 기능을 할 수 있으며 이러한 센서는 다양한 분야에 이용될 수 있다. 예를 들어, 인체의 호흡 또는 맥박을 측정하는 기능을 가지는 웨어러블 디바이스, 혈관확장 수술용 카테터와 같은 의료 기기 및 수술용 로봇 팔의 표면 등에 사용될 수 있다. 5(a) and 5(b), a nano-piezoelectric device can be manufactured by forming a nano structure on a carbon layer and forming an electrode on the carbon layer and the nano structure according to embodiments of the present invention. have. The nano piezoelectric element can function as a flexible pressure sensor, and such a sensor can be used in various fields. For example, it may be used for a wearable device having a function of measuring the respiration or pulse of a human body, medical devices such as a catheter for vasodilation surgery, and the surface of a surgical robot arm.

이상에서 본 발명의 대표적인 실시예들을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.Although the exemplary embodiments of the present invention have been described in detail above, those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains will understand that various modifications can be made to the above-described embodiments without departing from the scope of the present invention. . Therefore, the scope of the present invention is limited to the described embodiments and should not be defined, and should not be determined by the claims to be described later, but also by those equivalents to the claims.

100 : 탄소층
200 : 나노 구조물
200a : 나노 막대
200b1, 200b2 : 나노 벽
310 : 제 1 전극
320 : 제 2 전극
400 : 절연체100: carbon layer
200: nano structure
200a: nano rod
200b1, 200b2: nano wall
310: first electrode
320: second electrode
400: insulator

Claims (14)

탄소원자가 서로 연결되어 벌집모양의 평면구조를 갖는 그래핀으로 형성된 탄소층;
상기 탄소층의 일면에서 수직으로 성장한 형상이고, 변형에 따라서 분극을 형성시키는 하나 이상의 나노 구조물;
상기 하나 이상의 나노 구조물의 상부에 배치되는 제 1 전극;
상기 탄소층 타면 상에 배치되는 제 2 전극; 및
상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 충진되는 절연체;를 포함하는, 나노 압전소자.
A carbon layer formed of graphene having a honeycomb-shaped planar structure by connecting carbon atoms to each other;
One or more nanostructures having a shape grown vertically on one surface of the carbon layer and forming polarization according to deformation;
A first electrode disposed on the at least one nanostructure;
A second electrode disposed on the other surface of the carbon layer; And
Including, an insulator filled between the first electrode and the second electrode.
 제 1 항에 있어서,
상기 탄소층 타면에 구비되어 회로를 구성하기 위한 기판을 더 포함하는, 나노 압전소자.
The method of claim 1,
The nano piezoelectric device further comprising a substrate provided on the other surface of the carbon layer to form a circuit.
 제 1 항에 있어서,
상기 나노 구조물은 나노 막대, 나노 바늘, 나노 튜브 및 나노 벽 중 적어도 하나인, 나노 압전소자.
The method of claim 1,
The nano structure is at least one of a nano rod, a nano needle, a nano tube, and a nano wall, a nano piezoelectric device.
 제 3 항에 있어서,
상기 나노 구조물이 상기 나노 막대, 상기 나노 바늘, 상기 나노 튜브 중 적어도 하나인 경우, 상기 나노 구조물의 수평 직경이 10 nm 내지 100 μm 인, 나노 압전소자.
The method of claim 3,
When the nanostructure is at least one of the nanorod, the nanoneedle, and the nanotube, the horizontal diameter of the nanostructure is 10 nm to 100 μm, a nano piezoelectric device.
 제 3 항에 있어서,
상기 나노 구조물이 상기 나노 막대, 상기 나노 바늘, 상기 나노 튜브 중 적어도 하나인 경우, 상기 나노 구조물의 높이가 500nm 내지 100 μm 인, 나노 압전소자.
The method of claim 3,
When the nanostructure is at least one of the nanorod, the nanoneedle, and the nanotube, the height of the nanostructure is 500nm to 100 μm, a nano piezoelectric device.
 제 3 항에 있어서,
상기 나노 구조물이 상기 나노 막대, 상기 나노 바늘, 상기 나노 튜브 중 적어도 하나인 경우, 상기 나노 구조물을 이용하여 누르는 힘 및 쓸림힘의 세기를 감지할 수 있는, 나노 압전소자.
The method of claim 3,
When the nanostructure is at least one of the nanorod, the nanoneedle, and the nanotube, a nano piezoelectric device capable of sensing the strength of a pressing force and a rubbing force using the nanostructure.
 제 3 항에 있어서,
상기 나노 구조물이 상기 나노 벽인 경우, 상기 나노 구조물의 폭이 10 nm 내지 100 μm 인, 나노 압전소자.
The method of claim 3,
When the nanostructure is the nanowall, the nanostructure has a width of 10 nm to 100 μm, a nano piezoelectric device.
 제 3 항에 있어서,
상기 나노 구조물이 상기 나노 벽인 경우, 상기 나노 구조물의 길이가 10 nm 내지 100 mm 인, 나노 압전소자.
The method of claim 3,
When the nanostructure is the nanowall, the nanostructure has a length of 10 nm to 100 mm, a nano piezoelectric device.
 제 3 항에 있어서,
상기 나노 구조물이 상기 나노 벽인 경우, 상기 나노 구조물의 높이가 500nm 내지 100 μm 인, 나노 압전소자.
The method of claim 3,
When the nanostructure is the nanowall, the height of the nanostructure is 500nm to 100 μm, a nano piezoelectric device.
 제 3 항에 있어서,
상기 나노 구조물이 상기 나노 벽인 경우, 상기 나노 구조물을 이용하여 누르는 힘의 세기 및 쓸림힘의 세기 및 방향을 감지할 수 있는, 나노 압전소자.
The method of claim 3,
When the nanostructure is the nanowall, a nano piezoelectric device capable of detecting the strength and direction of a pressing force and a frictional force using the nanostructure.
 제 1 항에 있어서,
상기 나노 구조물은 산화아연 물질을 포함하는, 나노 압전소자.
The method of claim 1,
The nanostructure comprises a zinc oxide material, a nano piezoelectric device.
 제 1 항에 있어서,
상기 절연체는 폴리이미드(polyimide), 이산화규소(SiO2), 산화알루미늄(Al2O3) 중 선택되는, 나노 압전소자.
The method of claim 1,
The insulator is a nano piezoelectric device selected from polyimide, silicon dioxide (SiO2), and aluminum oxide (Al2O3).
 제 1 항에 있어서,
상기 절연체는 상기 탄소층 일면에서부터 상기 나노 구조물의 상부까지 충진되어 있는, 나노 압전소자.
The method of claim 1,
The insulator is filled from one surface of the carbon layer to an upper portion of the nanostructure.
 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 전극은 상기 나노 구조물의 상부 및 상기 절연체의 상부에 위치 되어 있는, 나노 압전소자.The method of claim 1,
The first electrode is located above the nanostructure and the insulator, a nano piezoelectric device.
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