KR102271962B1 - Self-Powered Ferroelectric NTC Thermistor Based on Bismuth Titanate and piezoelectric nanogenerator using the same, and The fabricationg method thereof - Google Patents

Self-Powered Ferroelectric NTC Thermistor Based on Bismuth Titanate and piezoelectric nanogenerator using the same, and The fabricationg method thereof Download PDF

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KR102271962B1 KR1020210039947A KR20210039947A KR102271962B1 KR 102271962 B1 KR102271962 B1 KR 102271962B1 KR 1020210039947 A KR1020210039947 A KR 1020210039947A KR 20210039947 A KR20210039947 A KR 20210039947A KR 102271962 B1 KR102271962 B1 KR 102271962B1
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김상재
프라샨스 마리아 조셉 라즈 니르말
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제주대학교 산학협력단
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Abstract

The present invention relates to a thermistor device applied for detecting a temperature resistance. According to an embodiment of the present invention, highly crystalline ferroelectric nanoparticles based on bismuth titanate (Bi_4Ti_3O_12) are implemented, and can provide a flexible ferroelectric high-temperature thermistor with a structure coated on a flexible film. Therefore, the present invention is capable of having an effect that can be applied to a real-time environment temperature warning monitoring system that does not require a battery resource.

Description

비스무트 티타네이트 기반 연성 강유전체 서미스터 장치 및 그 제조방법, 비스무트 티타네이트 적용 복합 필름-기반 압전 나노제너레이터 및 그 제조방법, 상기 장치를 적용하는 자가 발전 구조의 실시간 환경 온도 모니터링 시스템{Self-Powered Ferroelectric NTC Thermistor Based on Bismuth Titanate and piezoelectric nanogenerator using the same, and The fabricationg method thereof}Bismuth titanate-based flexible ferroelectric thermistor device and manufacturing method thereof, bismuth titanate-applied composite film-based piezoelectric nanogenerator and manufacturing method thereof, and real-time environmental temperature monitoring system of self-powered structure applying the device {Self-Powered Ferroelectric NTC Thermistor Based on Bismuth Titanate and piezoelectric nanogenerator using the same, and The fabrication method thereof}

본 발명은 온도저항 감지에 적용하는 서미스터 장치와 관련한 기술분야에 해당한다.The present invention corresponds to a technical field related to a thermistor device applied to temperature resistance sensing.

생물의학, 항공우주산업 및 자동차 분야에서는 온도 모니터링이 필수적이다. 지난 수십년 동안 열전대, 저항 온도 감지기(RTD), 집적회로 센서 (ICs) 및 서미스터를 포함한 다양한 장치가 온도를 모니터링하는 데 사용되어왔다. 특정 위치의 온도 측정장치는 비용, 응답시간, 작업범위 및 정확도를 기준으로 선택된다. 집적회로-기반 센서를 제외한 모든 장치는 온도 변화에 대한 비선형 응답을 계산한다. 이 장치들 중에서 서미스터(즉, 온도-의존 저항)는 넓은 작동온도 범위 (-50℃ ~ 1000℃), 우수한 감도 및 높은 저항률, 저비용 및 소형 크기로 빠른 응답 시간을 제공한다. Temperature monitoring is essential in biomedical, aerospace and automotive applications. A variety of devices have been used to monitor temperature over the past few decades, including thermocouples, resistance temperature detectors (RTDs), integrated circuit sensors (ICs), and thermistors. A temperature measuring device at a specific location is selected based on cost, response time, working range and accuracy. All devices except integrated circuit-based sensors compute a non-linear response to temperature changes. Among these devices, thermistors (ie, temperature-dependent resistance) offer a wide operating temperature range (-50°C to 1000°C), excellent sensitivity and high resistivity, low cost and fast response time with small size.

일반적으로 서미스터는 2개의 카테고리, 즉 과전류 리미터에 사용되는 포지티브 온도계수 저항기(즉, 온도가 저항에 직접 비례함)과 온도 감지에 사용되는 네가티브 온도계수(NTC) 저항기(온도가 저항에 반비례함)로 분류된다. In general, thermistors fall into two categories: positive temperature coefficient resistors used for overcurrent limiters (i.e. temperature is directly proportional to resistance) and negative temperature coefficient (NTC) resistors used for temperature sensing (temperature is inversely proportional to resistance). classified as

NTC 서미스터는 1930년에 상용화되었으며 지난 수십년 동안 광범위한 응용 분야에서 더 널리 사용되어 왔다. 2017-2222년의 기간에 서미스터 사용에 대해 예상되는 약 4%의 복합 연간 성장률은 약 10억 달러의 시장 가치에 해당한다. 그러나 이러한 예상은 고성능 재료의 가용성, 넓은 작동온도 범위, 낮은 제조비용, 우수한 안정성 및 긴 수명을 포함한 많은 매개 변수에 따라 실현된다NTC thermistors were commercialized in 1930 and have become more widely used in a wide range of applications over the past few decades. The projected compound annual growth rate of approximately 4% for thermistor use over the period 2017-2222 equates to a market value of approximately $1 billion. However, these predictions are realized according to many parameters, including availability of high-performance materials, wide operating temperature range, low manufacturing cost, good stability and long service life.

네거티브 온도 계수(Negative Temperature Coefficient, NTC) 서미스터란 부(負)의 온도 계수를 가지고 연속적으로 전기저항이 변화하는 서미스터로서, 이러한 특징을 이용하여 온도 센서로 사용되고 있다. 특히 -45℃에서 120℃에 이르는 범위에서 안정적으로 동작하여야 하는 자동차, 전기 자동차의 경우 NTC 서미스터를 이용한 온도센서를 사용하여 온도를 측정한다. 그리고 측정된 온도에 따라 배터리 충전 등을 제어하여 자동차, 전기 자동차의 부속품 등을 보호 하도록 한다.A negative temperature coefficient (NTC) thermistor is a thermistor that has a negative temperature coefficient and continuously changes electrical resistance, and is used as a temperature sensor by using this characteristic. In particular, in the case of automobiles and electric vehicles that must operate stably in the range of -45°C to 120°C, a temperature sensor using an NTC thermistor is used to measure the temperature. In addition, battery charging is controlled according to the measured temperature to protect automobiles and accessories of electric vehicles.

현재, 서미스터는 스피넬 (NiMn2O4, MnFe2O4), 페로브스카이트(perovskites) (CaTiO3, BaBiO3), 탄소재료 (rGO, CNT, 그래핀), 중합체 (PVDF-TrFE, PEDOT : PSS) 및 중합체/탄소재료 복합물을 사용하여 설계되었다. Currently, thermistors are available in spinel (NiMn 2 O 4 , MnFe 2 O 4 ), perovskites (CaTiO 3 , BaBiO 3 ), carbon materials (rGO, CNT, graphene), polymers (PVDF-TrFE, PEDOT). : PSS) and a polymer/carbon material composite.

상용 스피넬-기반 NTCs는 흔한 일이지만 저항률이 낮고 전자 활성화 에너지(Ea)가 높고 열안정성이 낮으며 구조적 왜곡(예: 반전 정도)으로 인해 고온 응용분야에 부적합한 등 많은 단점이 있다. 대조적으로, 중합 복합체-기반 NTC 서미스터는 보다 낮은 작동 온도에 의해 제한된다. Commercial spinel-based NTCs, although common, have many disadvantages, including low resistivity, high electron activation energy (E a ), low thermal stability, and unsuitability for high-temperature applications due to structural distortion (eg degree of inversion). In contrast, polymer composite-based NTC thermistors are limited by lower operating temperatures.

최근 ABO3 페로브스카이트는 스피넬 물질보다 훨씬 큰 온도에 대한 높은 저항변화로 인해 큰 주목을 받았으며, 페로브스카이트의 보고된 열 민감도 thermal sensitivity(β)는

Figure 112021036123417-pat00001
3000 K (CaTiO3)이며, 상용 이용의 적합성을 위해 개선되어야 할 필요가 있다.Recently, ABO 3 perovskite has received great attention due to its high change in resistance to temperature, which is much greater than that of spinel materials, and the reported thermal sensitivity (β) of perovskite is
Figure 112021036123417-pat00001
3000 K (CaTiO 3 ) and needs to be improved for suitability for commercial use.

대부분 고온 NTC 서미스터는 차량 내연기관의 고온계 게이지로서 배기가스 센서/촉매 변환기뿐만 아니라 돌입 전류 제한기 (전기 전원 공급장치 산업 및 모터 드라이브)에 사용된다. 스피넬 탄소 재료보다 열 민감도(β)가 개선된 대체 신규 페로브스카이트 재료를 인식하는 데 큰 연구 관심이 있다.Most high temperature NTC thermistors are used in inrush current limiters (electric power supply industry and motor drives) as well as exhaust gas sensors/catalytic converters as pyrometer gauges in vehicle internal combustion engines. There is great research interest in recognizing alternative novel perovskite materials with improved thermal sensitivity (β) over spinel carbon materials.

서미스터 장치(rigid and flexible)의 현재 제조방법에는 고가의 장비와 특수 대기 조건이 필요하다. 견고한 구조를 제조하는 데 사용되는 스퍼터링 및 세라믹 테이프 캐스팅에는 고 진공, 고 출력 및 온도 대기가 필요하다. Current manufacturing methods of thermistor devices (rigid and flexible) require expensive equipment and special atmospheric conditions. The sputtering and ceramic tape casting used to fabricate robust structures require high vacuum, high power and temperature atmospheres.

연성 필름(Flexible films)은 그라비아, 잉크젯 및 스크린인쇄 기술을 이용하여 제조될 수 있지만 고가의 카트리지가 필요하다. 넓은 온도 범위에서 작동하기에 적합한 매우 가요성인 페로브스카이트 서미스터를 제조하기 위한 비용 효율적이고 친환경적인 방법을 개발할 필요가 있다. Flexible films can be manufactured using gravure, inkjet and screen printing techniques, but require expensive cartridges. There is a need to develop a cost-effective and environmentally friendly method for manufacturing highly flexible perovskite thermistors suitable for operation over a wide temperature range.

서미스터는 외부 전원 또는 복잡한 배터리 에너지로 연속적으로 작동할 수 있다. 그러나 이로 인해 서미스터의 크기와 무게가 증가하고 수명이 제한되며 복잡한 배선이 필요하다. 이에 외부 전원이나 배터리 문제를 해소할 수 있는 구조에 대한 필요성이 커지고 있다.Thermistors can be operated continuously from an external power source or from complex battery energy. However, this increases the size and weight of the thermistor, limits its lifetime, and requires complex wiring. Accordingly, the need for a structure that can solve the problem of external power or battery is increasing.

한국등록특허 제10-1504429호Korean Patent No. 10-1504429

본 발명은 상술한 과제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 비스무트 티타네이트(bismuth titanate; Bi4Ti3O12)를 기반으로 하는 고결정성 강유전체 나노입자를 구현하고, 연성필름상에 코팅한 구조로 연성 강유전체 고온 서미스터를 제공하며, 비스무트 티타네이트(bismuth titanate; Bi4Ti3O12)를 기반으로 하는 나노파티클과 PVDF를 이용한 복합필름을 적용하여 압전 나노제너레이터 (BPCF-PNG)를 제조할 수 있도록 하며, 이를 통해 고온 서미스트 구동에 필요한 전력을 자체 생산할 수 있도록 할 수 있으며, 이를 통해 배터리 자원이 필요 없은 실시간 환경 온도 경고 모니터링 시스템에 적용할 수 있는 기술을 제공하는 데 있다.The present invention has been devised to solve the above problems, and an object of the present invention is to implement highly crystalline ferroelectric nanoparticles based on bismuth titanate (Bi 4 Ti 3 O 12 ), and to form a flexible film on the Provides a flexible ferroelectric high-temperature thermistor with a coated structure, and a piezoelectric nanogenerator (BPCF-PNG) by applying a composite film using PVDF and nanoparticles based on bismuth titanate (Bi 4 Ti 3 O 12 ) The goal is to provide a technology that can be applied to a real-time environmental temperature warning monitoring system that does not require battery resources, through which it can generate the power required to drive a high-temperature thermistor by itself.

상술한 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명의 실시예에서는, 비스무트 티타네이트(bismuth titanate; Bi4Ti3O12)를 형성하기 위해 전구체 물질과 용매와 혼합하여 혼합물질을 합성하는 1단계;As a means for solving the above problems, in an embodiment of the present invention, a first step of synthesizing a mixture by mixing a precursor material and a solvent to form a bismuth titanate (Bi 4 Ti 3 O 12 );

상기 혼합물질을 비스무트 티타네이트 나노파티클(Bi4Ti3O12 NPs)로 형성하기 위해 소성하는 2단계;a second step of calcining the mixture to form bismuth titanate nanoparticles (Bi 4 Ti 3 O 12 NPs);

상기 비스무트 티타네이트 나노파티클을 슬러리형 페이스트로 형성한 후, 연성 캡톤 필름 상에 코팅하는 3단계; 및a third step of forming the bismuth titanate nanoparticles into a slurry-type paste and coating the bismuth titanate nanoparticles on a flexible Kapton film; and

상기 연성 캡톤 필름 상에 전극 및 상기 전극에 연결되는 단자를 구현하는 4단계;a fourth step of implementing an electrode and a terminal connected to the electrode on the flexible Kapton film;

를 포함하는,containing,

비스무트 티타네이트 기반 연성 강유전체 서미스터 장치의 제조방법을 제공할 수 있도록 한다.To provide a method for manufacturing a bismuth titanate-based flexible ferroelectric thermistor device.

나아가, 상기한 제조방법에 따른 고결정성 강유전체 Bi4Ti3O12 나노입자를 연성 캡톤 필름(flexible Kapton film) 상에 브러시-코팅한 구조물을 포함하는 비스무트 티타네이트 기반 연성 강유전체 서미스터 장치를 제공할 수 있도록 한다.Furthermore, it is possible to provide a bismuth titanate-based flexible ferroelectric thermistor device including a structure in which highly crystalline ferroelectric Bi 4 Ti 3 O 12 nanoparticles according to the above-described manufacturing method are brush-coated on a flexible Kapton film. let it be

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, a) 비스무트 티타네이트(bismuth titanate; Bi4Ti3O12)를 용매와 혼합하여 졸-겔 물질을 합성하는 단계;In addition, according to another embodiment of the present invention, a) bismuth titanate (Bi 4 Ti 3 O 12 ) is mixed with a solvent to synthesize a sol-gel material;

b) 상기 졸-겔 물질을 분쇄하여 비스무트 티타네이트 나노파티클(Bi4Ti3O12 NPs)을 형성하는 단계;b) pulverizing the sol-gel material to form bismuth titanate nanoparticles (Bi 4 Ti 3 O 12 NPs);

c) PVDF 용액에 상기 비스무트 티타네이트 나노파티클 (Bi4Ti3O12 NPs)를 첨가한 혼합물을 건조하여, 복합필름(Bi4Ti3O12 NPs/PVDF composite films :BPCF)을 형성하는 단계;c) drying a mixture obtained by adding the bismuth titanate nanoparticles (Bi 4 Ti 3 O 12 NPs) to a PVDF solution to form a composite film (Bi 4 Ti 3 O 12 NPs/PVDF composite films: BPCF);

d) 상기 복합필름을 절단하여 단위복합필름을 형성하고, 상기 단위복합필름의 양면에 구리(Cu) 막을 적층하는 단계;d) cutting the composite film to form a unit composite film, and laminating a copper (Cu) film on both surfaces of the unit composite film;

를 포함하는,containing,

비스무트 티타네이트 적용 복합 필름-기반 압전 나노제너레이터의 제조방법을 제공할 수 있도록 한다.To provide a method for manufacturing a bismuth titanate-applied composite film-based piezoelectric nanogenerator.

나아가, 제조방법에 의해 제조되는 비스무트 티타네이트 적용 복합 필름-기반 압전 나노제너레이터를 제공할 수 있다.Furthermore, it is possible to provide a bismuth titanate applied composite film-based piezoelectric nanogenerator manufactured by the manufacturing method.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 온도 관련 정보를 센싱하는 센싱유닛;In addition, according to another embodiment of the present invention, a sensing unit for sensing temperature-related information;

상기 센싱유닛에서 전송하는 정보를 수집하고, 처리하여 외부 단말에 제어신호를 송신하는 인터페이스를 포함하는 제어유닛;a control unit including an interface for collecting and processing information transmitted from the sensing unit and transmitting a control signal to an external terminal;

상기 제어유닛의 제어신호에 따라 설정된 발광 또는 음성 신호를 송출하는 모니터링유닛;a monitoring unit that transmits a light-emitting or audio signal set according to a control signal of the control unit;

상기 센싱유닛과 제어유닛 및 모니터링 유닛의 동작 상황을 디스플레이하는 디스플레이유닛;을 포함하며,and a display unit for displaying the operation status of the sensing unit, the control unit, and the monitoring unit.

상기 센싱유닛은,The sensing unit is

고결정성 강유전체 Bi4Ti3O12 나노입자를 연성 캡톤 필름(flexible Kapton film) 상에 브러시-코팅한 구조물을 포함하는 비스무트 티타네이트 기반 연성 강유전체 서미스터 장치;와A bismuth titanate-based flexible ferroelectric thermistor device comprising a structure in which highly crystalline ferroelectric Bi4Ti3O12 nanoparticles are brush-coated on a flexible Kapton film; and

PVDF 용액에 상기 비스무트 티타네이트 나노파티클 (Bi4Ti3O12 NPs)를 첨가한 혼합물을 건조하여 제조되는, 복합필름(Bi4Ti3O12 NPs/PVDF composite films :BPCF)과, A composite film (Bi 4 Ti 3 O 12 NPs/PVDF composite films: BPCF) prepared by drying a mixture in which the bismuth titanate nanoparticles (Bi 4 Ti 3 O 12 NPs) are added to a PVDF solution;

상기 복합필름을 절단하여 단위복합필름을 형성하고, 상기 단위복합필름의 양면에 구리(Cu) 막을 적층된 구조를 가지는 복합 필름-기반 압전 나노제너레이터;가 병렬 연결된 구조로 구현되는,The composite film is cut to form a unit composite film, and a composite film-based piezoelectric nanogenerator having a structure in which a copper (Cu) film is laminated on both sides of the unit composite film-based piezoelectric nanogenerator; is implemented in a parallel-connected structure,

자가 발전 구조의 실시간 환경 온도 모니터링 시스템을 제공할 수 있다.It is possible to provide a real-time environmental temperature monitoring system of a self-generation structure.

본 발명의 실시예에 따르면, 비스무트 티타네이트(bismuth titanate; Bi4Ti3O12)를 기반으로 하는 고결정성 강유전체 나노입자를 구현하고, 연성필름상에 코팅한 구조로 연성 강유전체 고온 서미스터를 제조할 수 있도록 할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, it is possible to realize highly crystalline ferroelectric nanoparticles based on bismuth titanate (Bi4Ti3O12) and to manufacture a flexible ferroelectric high-temperature thermistor with a structure coated on a flexible film. .

이에 제조되는 연성 강유전체 고온 서미스터는 높은 열감도(β(100/260) = 6515 K) 및 넓은 작동온도 범위 (25℃∼260℃)를 갖는 장점이 구현된다.The ductile ferroelectric high temperature thermistor manufactured in this way has the advantages of high thermal sensitivity (β(100/260) = 6515 K) and a wide operating temperature range (25°C to 260°C).

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 비스무트 티타네이트(bismuth titanate; Bi4Ti3O12)를 기반으로 하는 나노파티클과 PVDF를 이용한 복합필름을 적용하여 압전 나노제너레이터 (BPCF-PNG)를 제조할 수 있도록 하며, 이를 통해 고온 서미스트 구동에 필요한 전력을 자체 생산할 수 있도록 할 수 있으며, 이를 통해 배터리 자원이 필요 없은 실시간 환경 온도 경고 모니터링 시스템에 적용할 수 있는 효과가 있다.In addition, according to another embodiment of the present invention, a piezoelectric nanogenerator (BPCF-PNG) is manufactured by applying a composite film using PVDF and nanoparticles based on bismuth titanate (Bi 4 Ti 3 O 12 ). Through this, the power required to drive the high-temperature thermistor can be generated by itself, which has the effect of being applied to a real-time environmental temperature warning monitoring system that does not require battery resources.

도 1 내지 도 5는 본 발명의 실시예 및 다른 실시예에 따른 제조공정 및 실험과를 도시한 도면이다.
도 6은 Bi4Ti3O12 NPs의 졸-겔 합성을 나타내는 합성 공정 개념도다. 도 7은 PVDF 및 BPCFs의 제조를 설명하는 제조 공정 개념도이다. 도 8은 대칭전극 MSM 구조의 바이어스 전압 의존 전도성에 대한 에너지 밴드 다이어그램을 도시한다. 도 9는 고정 바이어스에서 FHTT의 온도-의존 I-V 측정을 제공한다. 도 10은 상이한 전기장/주파수 조건에서 Bi4Ti3O12 펠릿의 P-E 루프 측정을 나타낸다. 도 11은 BPCF의 구조적, 기능적 및 강유전성 분석을 제공한다. 도 12은 BPCF-PNGs의 에너지 하베스팅 분석 및 작동 메카니즘을 제공한다. 도 13은 BPCF-PNG(25 중량%) 및 커패시터 충전에 대한 분석을 제공한다. 도 14는 BPCF-PNG(25 중량%)를 사용한 하네싱(harnessing) 생체역학적 에너지를 도시한다. 도 15는 Bi4Ti3O12 필름의 형태학적 분석이다. 도 16은 상용 NTC 서미스터로 만든 자체 전원 서미스터를 나타낸다. 도 17은 상용 NTC 기반 조기경보/모니터링 시스템을 나타낸다.
1 to 5 are diagrams illustrating a manufacturing process and an experimental result according to an embodiment and another embodiment of the present invention.
6 is a conceptual diagram of a synthesis process showing the sol-gel synthesis of Bi 4 Ti 3 O 12 NPs. 7 is a manufacturing process conceptual diagram illustrating the preparation of PVDF and BPCFs. 8 shows an energy band diagram for bias voltage dependent conductivity of a symmetrical MSM structure. 9 provides a temperature-dependent IV measurement of FHTT at fixed bias. 10 shows PE loop measurements of Bi 4 Ti 3 O 12 pellets under different electric field/frequency conditions. 11 provides structural, functional and ferroelectric analysis of BPCF. Figure 12 provides the energy harvesting analysis and mechanism of action of BPCF-PNGs. Figure 13 provides an analysis of BPCF-PNG (25 wt %) and capacitor charge. 14 depicts harnessing biomechanical energy using BPCF-PNG (25 wt %). 15 is a morphological analysis of a Bi 4 Ti 3 O 12 film. 16 shows a self-powered thermistor made from a commercial NTC thermistor. 17 shows a commercial NTC-based early warning/monitoring system.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those of ordinary skill in the art can easily carry out the present invention. However, the present invention may be embodied in many different forms and is not limited to the embodiments described herein. Throughout the specification, like reference numerals are assigned to similar parts.

1. 비스무트 티타네이트 기반 연성 강유전체 서미스터 장치의 제조방법1. Manufacturing method of bismuth titanate-based flexible ferroelectric thermistor device

본 발명의 실시예에서는, 비스무트 티타네이트 기반 연성 강유전체 서미스터 장치의 제조방법으로, 비스무트 티타네이트(bismuth titanate; Bi4Ti3O12)를 용매와 혼합하여 졸-겔 물질을 합성하는 1단계와, 상기 졸-겔 물질을 분쇄하여 비스무트 티타네이트 나노파티클(Bi4Ti3O12 NPs)을 형성하는 2단계, 상기 비스무트 티타네이트 나노파티클을 슬러리형 페이스트로 형성한 후, 연성 캡톤 필름 상에 코팅하는 3단계 및 상기 연성 캡톤 필름 상에 전극 및 상기 전극에 연결되는 단자를 구현하는 4단계를 포함하여 구성될 수 있다.In an embodiment of the present invention, as a method for manufacturing a bismuth titanate-based flexible ferroelectric thermistor device, bismuth titanate (Bi 4 Ti 3 O 12 ) is mixed with a solvent to synthesize a sol-gel material; Step 2 of pulverizing the sol-gel material to form bismuth titanate nanoparticles (Bi 4 Ti 3 O 12 NPs), forming the bismuth titanate nanoparticles into a slurry paste, and then coating the bismuth titanate nanoparticles on a flexible Kapton film Step 3 and Step 4 of implementing an electrode and a terminal connected to the electrode on the flexible Kapton film may be included.

이 경우, 상기 1단계는,In this case, the first step is

1-1) Bi(NO3)3·5H2O, 및 Ti(OC4H9)4 를 Dimethylformamide (C3H7NO, DMF) 용매에 첨가하고 교반하는 단계와, 1-2) 상기 1-1) 용액에 폴리비닐피롤리돈[(C6H9NO)n, PVP]을 첨가하고 교반하여 졸형태로 구현하는 단계, 1-3) 생성된 졸을 겔 형태로 전환시키고, 80℃에서 24시간 동안 열처리하여 플레이크 타입으로 구현하는 단계를 포함하여 구성될 수 있다.1-1) Bi(NO 3 ) 3 ·5H 2 O, and Ti(OC 4 H 9 ) 4 Adding and stirring a dimethylformamide (C 3 H 7 NO, DMF) solvent, and 1-2) the above 1 -1) adding polyvinylpyrrolidone [(C 6 H 9 NO) n, PVP] to the solution and stirring to implement it in a sol form, 1-3) converting the resulting sol into a gel form, 80 ° C. It may be configured including the step of implementing in a flake type by heat treatment for 24 hours.

또한, 상기 2단계의 경우, 2단계의 분쇄과정을 거쳐서 나노파티클의 입자를 가질 수 있도록 한다.In addition, in the case of the second step, it is possible to have nanoparticles of particles through the two-step pulverization process.

나아가, 상기 3단계는, 3-1)상기 비스무트 티타네이트 나노파티클(Bi4Ti3O12 NPs)을 N-메틸-2-피롤리돈(N-Methyl-2-pyrrolidone) 용매와 혼합하여 균일한 슬러리형 페이스트로 구현하는 단계와, 3-2) 상기 슬러리형 페이스트를 브러시를 이용하여 연성 캡톤 필름 상에 코팅한 후 70℃에서 30분 동안 건조하는 단계를 포함하여 구성될 수 있다.Furthermore, in step 3, 3-1) the bismuth titanate nanoparticles (Bi 4 Ti 3 O 12 NPs) are mixed with a solvent of N-methyl-2-pyrrolidone to uniformly It may be configured to include a step of implementing a slurry-type paste, 3-2) coating the slurry-type paste on a flexible Kapton film using a brush, and then drying the slurry-type paste at 70° C. for 30 minutes.

상기 4단계는, 4-1)상기 3-2)단계 이후에, 상기 연성 캡톤 필름을 절단하여 단위필름을 구현하는 단계와, 4-2)상기 단위필름의 양단에 은(Ag) 페이스트를 코팅하여 전극단자를 구현하는 단계, 4-3)상기 전극단자에 구리(Cu)리드를 형성하는 단계를 포함하여 구성될 수 있다.In step 4, 4-1) after step 3-2), cutting the flexible Kapton film to implement a unit film, 4-2) coating silver (Ag) paste on both ends of the unit film to implement an electrode terminal, and 4-3) forming a copper (Cu) lead on the electrode terminal.

이상의 과정 단계에 대한 실시예를 이하에서 구체적으로 설명하기로 한다.Examples of the above process steps will be described in detail below.

본 발명의 다수의 실시예에서 적용되는 강유전성 비스므투 티타네이트 나노 파티클의 제조에 사용되는 기본 재료는 다음과 같다.The basic materials used in the preparation of ferroelectric bismuth titanate nanoparticles applied in a number of embodiments of the present invention are as follows.

비스무트 질산 5수화물[비스무트 공급원으로서 Bi(NO3)3·5H2O], 테트라부틸 티타네이트[티타늄 공급원으로서 (Ti(OC4H9)4)], 디메틸포름아미드 (C3H7NO, DMF), 폴리비닐피롤리돈[(C6H9NO)n, PVP], 폴리비닐리덴 플루오라이드 (-(C2H2F2)n-, PVDF)의 재료는 후술하는 본 발명의 실시예에서의 고온 서미스터, 에너지 하베스팅을 위한 복합 필름 및 자가 구동 시스템을 위한 강유전성 NPs를 제조하는데 사용되었다. bismuth nitric acid pentahydrate [Bi(NO 3 ) 3 .5H 2 O as bismuth source], tetrabutyl titanate [(Ti(OC 4 H 9 ) 4 ) as titanium source], dimethylformamide (C 3 H 7 NO, DMF), polyvinylpyrrolidone [(C 6 H 9 NO) n, PVP], and polyvinylidene fluoride (-(C 2 H 2 F 2 ) n- , PVDF) are used in the practice of the present invention described below. It was used to fabricate high-temperature thermistors in the example, composite films for energy harvesting, and ferroelectric NPs for self-actuated systems.

(1) 비스무트 티타네이트 나노입자의 졸-겔 합성 과정(1) sol-gel synthesis process of bismuth titanate nanoparticles

Bi(NO3)3·5H2O (7.75 g), 및 Ti(OC4H9)4 (4.125 ml)를 Dimethylformamide (C3H7NO, DMF) 용매에 첨가하고 30분 동안 교반하여 안정한 용액을 얻었다. Bi(NO 3 ) 3 ·5H 2 O (7.75 g), and Ti(OC 4 H 9 ) 4 (4.125 ml) were added to a solvent of Dimethylformamide (C 3 H 7 NO, DMF) and stirred for 30 minutes to obtain a stable solution got

그 다음, 폴리비닐피롤리돈[(C6H9NO)n, PVP] (12.5 g)를 이 용액에 첨가하고, 이를 16시간 동안 더 교반하였다. 여기서, PVP는 응집을 방지하고 또한 결정의 형상을 감소시키고 제어하는 역할을 수행한다.Then, polyvinylpyrrolidone [(C 6 H 9 NO)n, PVP] (12.5 g) was added to this solution, which was further stirred for 16 hours. Here, PVP serves to prevent agglomeration and also to reduce and control the shape of crystals.

이후, 생성된 졸을 겔 형태로 전환시키고, 80℃에서 24시간 동안 열처리함으로써 건조하고 부서지기 쉬운 매크로 크기의 플레이크로 변형시켰다. Thereafter, the resulting sol was converted into a gel form and transformed into dry and brittle macro-sized flakes by heat treatment at 80° C. for 24 hours.

플레이크를 몰타르와 막자(mortar and pestle)를 사용하여 작은 입자로 분쇄한 후 700℃에서 2시간 동안 관상 가열로에서 가열하고 원하는 Bi4Ti3O12 NPs를 얻기 위해 더 잘 분쇄하였다(도 6). The flakes were pulverized into small particles using mortar and pestle, then heated in a tubular furnace at 700° C. for 2 hours and further pulverized to obtain the desired Bi 4 Ti 3 O 12 NPs (Fig. 6). .

합성된 Bi4Ti3O12 NPs의 구조, 표면 형태, 기능 및 전기적 특성은 다양한 기술을 이용하여 시험되었다. 본 과정에서 합성된 비스무트 티타네이트 나노입자(Bi4Ti3O12 NPs)는 네거티브 온도 서미스트(NTC)와 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환하여 전력 센서 및 저전력 소비 장치로 변환하는 데에도 사용되었다.The structure, surface morphology, function and electrical properties of the synthesized Bi 4 Ti 3 O 12 NPs were tested using various techniques. Bismuth titanate nanoparticles (Bi 4 Ti 3 O 12 NPs) synthesized in this process were also used to convert negative temperature thermist (NTC) and mechanical energy into electrical energy into power sensors and low power consumption devices.

(2) 브러시 코팅 기술을 이용한 연성 강유전체 서미스터 장치의 제조(2) Fabrication of a flexible ferroelectric thermistor device using brush coating technology

상술한 (1)의 과정에서 제조된 졸-겔 유래 고 결정성 강유전체 Bi4Ti3O12 NPs를 균일한 슬러리형 페이스트가 형성될 때까지 N-메틸-2-피롤리돈 용매와 혼합하였다. The sol-gel-derived highly crystalline ferroelectric Bi 4 Ti 3 O 12 NPs prepared in the process of (1) described above were mixed with an N-methyl-2-pyrrolidone solvent until a uniform slurry-like paste was formed.

이 슬러리를 시판 브러시를 사용하여 연성 캡톤 필름(5 x 5cm2) 상에 코팅한 후 70℃에서 30분 동안 오븐에서 건조하였다. This slurry was coated on a flexible Kapton film (5 x 5 cm 2 ) using a commercial brush and then dried in an oven at 70° C. for 30 minutes.

건조된 연성 필름으로 제조된 연성 강유전성 서미스터 장치 (0.2 × 0.25 × 0.002 cm3)를 필요한 크기로 절단하고 0.12 cm의 갭으로 필름의 양 말단에 은(Ag) 페이스트로 코팅하였다. A flexible ferroelectric thermistor device (0.2 × 0.25 × 0.002 cm 3 ) made of a dried flexible film was cut to the required size and coated with silver (Ag) paste at both ends of the film with a gap of 0.12 cm.

서미스터 장치는 전류 수집 구리(Cu) 리드를 Ag/Bi4Ti3O12/Ag 장치 구조의 양쪽에 부착하여 실현되었다. The thermistor device was realized by attaching current collecting copper (Cu) leads to both sides of the Ag/Bi 4 Ti 3 O 12 /Ag device structure.

서미스터 장치의 온도 의존 전류-전압(I-V) 연구는 온도계로 오일의 온도를 모니터링하면서 25-260℃의 고온 플레이트에서 가열된 실리콘오일 욕조에서 수행되었다. 실리콘 오일은 높은 안정성과 고온에서의 우수한 열전달로 인해 선택되었다.A temperature-dependent current-voltage (I-V) study of the thermistor device was performed in a silicone oil bath heated on a hot plate at 25-260° C. while monitoring the temperature of the oil with a thermometer. Silicone oil was chosen because of its high stability and good heat transfer at high temperatures.

2. 연성 압전 Bi4Ti3O12 NPs/PVDF 복합 필름의 제조 및 압전 제네레이터 제조2. Fabrication of flexible piezoelectric Bi 4 Ti 3 O 12 NPs/PVDF composite film and piezoelectric generator

본 발명의 다른 실시예로서, 비스무트 티타네이트 적용 복합 필름-기반 압전 나노제너레이터를 제조하여 자가 발전기능을 수행하는 장치에 적용할 수 있도록 한다.As another embodiment of the present invention, a bismuth titanate applied composite film-based piezoelectric nanogenerator is manufactured so that it can be applied to a device performing a self-generation function.

이를 제조하는 방법으로, a) 비스무트 티타네이트(bismuth titanate; Bi4Ti3O12)를 용매와 혼합하여 졸-겔 물질을 합성하는 단계와,As a method for preparing this, a) bismuth titanate (Bi 4 Ti 3 O 12 ) is mixed with a solvent to synthesize a sol-gel material;

b) 상기 졸-겔 물질을 분쇄하여 비스무트 티타네이트 나노파티클(Bi4Ti3O12 NPs)을 형성하는 단계,b) pulverizing the sol-gel material to form bismuth titanate nanoparticles (Bi 4 Ti 3 O 12 NPs);

c) PVDF 용액에 상기 비스무트 티타네이트 나노파티클 (Bi4Ti3O12 NPs)를 첨가한 혼합물을 건조하여, 복합필름(Bi4Ti3O12 NPs/PVDF composite films :BPCF)을 형성하는 단계,c) drying the mixture obtained by adding the bismuth titanate nanoparticles (Bi 4 Ti 3 O 12 NPs) to the PVDF solution to form a composite film (Bi 4 Ti 3 O 12 NPs/PVDF composite films: BPCF);

d) 상기 복합필름을 절단하여 단위복합필름을 형성하고, 상기 단위복합필름의 양면에 구리(Cu) 막을 적층하는 단계를 포함하여 구성될 수 있다.d) cutting the composite film to form a unit composite film, and laminating a copper (Cu) film on both surfaces of the unit composite film.

(1) 연성 압전 Bi4Ti3O12 NPs/PVDF 복합 필름의 제조(Fabrication of flexible piezoelectric Bi4Ti3O12 NPs/PVDF composite films)(1) a flexible piezoelectric Bi 4 Ti 3 O Preparation of 12 NPs / PVDF composite film (Fabrication of flexible piezoelectric Bi 4 Ti 3 O 12 NPs / PVDF composite films)

본 과정에서는, Bi4Ti3O12 NPs와 PVDF를 적용하는 복합 필름(Bi4Ti3O12 NPs/PVDF composite films :이하, 'BPCF' 또는 '복합필름'으로 정의하여 사용한다.)을 제조하는 과정이 수행된다.In this process, a composite film applied with Bi 4 Ti 3 O 12 NPs and PVDF (Bi 4 Ti 3 O 12 NPs/PVDF composite films: hereinafter, it is defined as 'BPCF' or 'composite film') is manufactured. process is carried out.

일실시예로서, 5, 10, 15, 20 및 25 중량%의 중량비로 순수한 PVDF 및 BPCF의 필름을 비용 효율적인 대규모 용액-캐스팅 기술에 의해 제조하였다(도 7참조).As an example, films of pure PVDF and BPCF in weight ratios of 5, 10, 15, 20 and 25 wt % were prepared by a cost-effective large-scale solution-casting technique (see FIG. 7 ).

전기활성 β-상 PVDF 필름(70℃에서 철야 가열)은 1시간 동안 초음파 처리(30% 진폭, 750 와트)하면서 DMF 용매(10mL)에 α-상 PVDF 분말(1g)을 용해시켜 제조된 투명 PVDF 용액으로부터 제조되었다. Electroactive β-phase PVDF film (heated overnight at 70°C) was a transparent PVDF prepared by dissolving α-phase PVDF powder (1 g) in DMF solvent (10 mL) with sonication (30% amplitude, 750 watts) for 1 h. prepared from solution.

상기 투명 PVDF 용액에 Bi4Ti3O12 NPs(0.5 g)를 첨가하고 약 30분 동안 초음파 처리하여 BPCF 용액(5 중량%)을 제조하였다. Bi 4 Ti 3 O 12 NPs (0.5 g) was added to the transparent PVDF solution and sonicated for about 30 minutes to prepare a BPCF solution (5 wt%).

최종 복합 용액을 유리 페트리 접시로 옮기고 70℃의 오븐에서 12시간 동안 저장하여 과량의 용매를 증발시키고 복합 필름(BPCF)을 건조하였다. The final composite solution was transferred to a glass Petri dish and stored in an oven at 70° C. for 12 hours to evaporate the excess solvent and dry the composite film (BPCF).

유사한 방법으로 10, 15, 20, 25 및 30 중량%의 BPCFs를 제조하였고, PVDF에 로딩되는 Bi4Ti3O12 NPs의 증가는 PVDF의 매끄러운 유리 표면을 거칠고 불투명한 표면으로 변경시켰다.10, 15, 20, 25 and 30 wt% of BPCFs were prepared in a similar manner, and the increase of Bi 4 Ti 3 O 12 NPs loaded into PVDF changed the smooth glass surface of PVDF to a rough and opaque surface.

(2) 연성 BPCF 압전 나노제네레이터의 제조(Fabrication of flexible BPCF piezoelectric nanogenerator)(2) Fabrication of flexible BPCF piezoelectric nanogenerator

상술한 과정에서 제조된 복합필름(BPCF)를 적용하여 압전 나노제네레이터르르 제조하는 과정은 다음과 같다.The process of manufacturing the piezoelectric nanogenerator by applying the composite film (BPCF) prepared in the above-described process is as follows.

도 3a에 되시된 것과 같은 구조의 적층물을 구현하되, 구체적인 실시예로는 BPCFs (0, 5, 10, 15, 20, 25 및 30 중량%)를 정사각형 (3 x 3 cm2)으로 자르고 장치의 상부/하부 전극으로 작용되는 두 개의 가요성 Cu 포일 (2 x 2 cm2) 사이에 끼웠다(도 3a).Implement a laminate of the structure as shown in Figure 3a, but in a specific embodiment, BPCFs (0, 5, 10, 15, 20, 25 and 30 wt% ) are cut into squares (3 x 3 cm 2 ) and the device It was sandwiched between two flexible Cu foils (2 x 2 cm 2 ) serving as the upper/lower electrodes of the (Fig. 3a).

장치 상에 기계적 힘과 관련하여 생성된 전하 캐리어는 2개의 Cu 전극 상의 은 페이스트에 의해 부착된 구리 와이어 (직경 = 0.1 mm)를 통해 얻어졌다. Charge carriers generated in relation to mechanical force on the device were obtained through copper wires (diameter = 0.1 mm) attached by silver paste on two Cu electrodes.

연성 BPCF-PNG의 성공적인 제조는 상부 Cu 전극에 코팅된 절연 PDMS 중합체와 Cu/BPCF/Cu 장치 구조물의 하부 Cu 전극에 부착된 캡톤(Kapton) 필름을 약 1시간 동안 고온 압착함으로써 달성되었다. Successful fabrication of flexible BPCF-PNG was achieved by hot pressing for about 1 hour an insulating PDMS polymer coated on the top Cu electrode and a Kapton film attached to the bottom Cu electrode of the Cu/BPCF/Cu device structure.

패키징 층은 BPCF-PNG 장치 출력에 미치는 습도, 원치않는 온도 및 가스 영향과 같은 환경적 간섭을 줄이는 데 도움이 된다. 모든 BPCF-PNGs는 실온에서 12시간 동안 7kV를 적용함으로써 전기적으로 분극되었다(즉, 전기 쌍극자가 하나의 바람직한 배향으로 정렬되었다).The packaging layer helps to reduce environmental interferences such as humidity, unwanted temperature and gas effects on the output of the BPCF-PNG device. All BPCF-PNGs were electrically polarized (ie, the electrical dipoles were aligned in one preferred orientation) by applying 7 kV for 12 h at room temperature.

본 발명의 설명에서는, 이후, In the description of the present invention, thereafter,

Bi4Ti3O12 NPs/PVDF 복합 필름(Bi4Ti3O12 NPs/PVDF composite films :BPCF)Bi 4 Ti 3 O 12 NPs/PVDF composite films (Bi 4 Ti 3 O 12 NPs/PVDF composite films:BPCF)

Bi4Ti3O12 NPs/PVDF 복합 필름-기반 압전 나노제너레이터 (BPCF-PNG)Bi 4 Ti 3 O 12 NPs/PVDF Composite Film-Based Piezoelectric Nanogenerator (BPCF-PNG)

와 같이 용어 정의를 한 약자를 병행하여 사용한다.The abbreviation with the definition of the term is used in parallel.

3. 자체 전원 온도 모니터링 시스템/실시간 비상 경보 시스템의 설계(Design of a self-powered temperature monitoring system/ real-time emergency alert system )3. Design of a self-powered temperature monitoring system/ real-time emergency alert system

도 4a에 도시된 것과 같이, 상술한 본 발명의 실시예에 따른 FHTT(연성 강유전체 고온 서미스터((flexible ferroelectric high-temperature thermistors (FHTTs)와 Bi4Ti3O12 NPs/PVDF 복합 필름-기반 압전 나노제너레이터 (BPCF-PNG)를 적용하여 자가 전원 공급형 온도 모니터링 시스템/실시간 비상 경보 시스템을 구현할 수 있돌독 한다.As shown in Figure 4a, FHTT (flexible ferroelectric high-temperature thermistors (FHTTs) and Bi 4 Ti 3 O 12 NPs/PVDF composite film-based piezoelectric nano By applying a generator (BPCF-PNG), it is possible to implement a self-powered temperature monitoring system/real-time emergency alarm system.

구체적으로, 본 발명의 다른 실시예에서의 자가 발전 구조의 실시간 환경 온도 모니터링 시스템은, 온도 관련 정보를 센싱하는 센싱유닛; 상기 센싱유닛에서 전송하는 정보를 수집하고, 처리하여 외부 단말에 제어신호를 송신하는 인터페이스를 포함하는 제어유닛; 상기 제어유닛의 제어신호에 따라 설정된 발광 또는 음성 신호를 송출하는 모니터링유닛; 상기 센싱유닛과 제어유닛 및 모니터링 유닛의 동작 상황을 디스플레이하는 디스플레이유닛;을 포함한다.Specifically, a real-time environmental temperature monitoring system of a self-generation structure in another embodiment of the present invention includes: a sensing unit for sensing temperature-related information; a control unit including an interface for collecting and processing information transmitted from the sensing unit and transmitting a control signal to an external terminal; a monitoring unit that transmits a light-emitting or audio signal set according to a control signal of the control unit; and a display unit for displaying the operation status of the sensing unit, the control unit, and the monitoring unit.

특히, 상기 센싱유닛은, 고결정성 강유전체 Bi4Ti3O12 나노입자를 연성 캡톤 필름(flexible Kapton film) 상에 브러시-코팅한 구조물을 포함하는 비스무트 티타네이트 기반 연성 강유전체 서미스터 장치와 PVDF 용액에 상기 비스무트 티타네이트 나노파티클 (Bi4Ti3O12 NPs)를 첨가한 혼합물을 건조하여 제조되는, 복합필름(Bi4Ti3O12 NPs/PVDF composite films :BPCF)과 상기 복합필름을 절단하여 단위복합필름을 형성하고, 상기 단위복합필름의 양면에 구리(Cu) 막을 적층된 구조를 가지는 복합 필름-기반 압전 나노제너레이터가 병렬 연결된 구조로 구현되는, 자가 발전 구조의 실시간 환경 온도 모니터링시스템으로 구현될 수 있다.In particular, the sensing unit includes a bismuth titanate-based flexible ferroelectric thermistor device including a structure in which highly crystalline ferroelectric Bi 4 Ti 3 O 12 nanoparticles are brush-coated on a flexible Kapton film and a PVDF solution. A composite film (Bi4Ti3O12 NPs/PVDF composite films: BPCF) prepared by drying a mixture containing bismuth titanate nanoparticles (Bi4Ti3O12 NPs) and the composite film are cut to form a unit composite film, and the A composite film-based piezoelectric nanogenerator having a structure in which copper (Cu) films are laminated on both sides is implemented in a parallel-connected structure, and can be implemented as a real-time environmental temperature monitoring system of a self-powered structure.

일예로, BPCF-PNG(복합 압전 나노 제너레이터)와 FHTT(연성 강유전체 고온 서미스터((flexible ferroelectric high-temperature thermistors (FHTTs)) 간의 병렬 연결된 구조로 구현되는 센싱유닛이 구비된다. 특히, 온도 모니터링 시스템/실시간 비상 경보 시스템을 구축하기 위해 사전 프로그래밍된 아르뒤노(Arduino) 회로 (보드 모델 UNO R3)에 연결되었다. 아르뒤노 회로에는 다음 두 가지 작동 조건이 프로그래밍할 수 있으며, FHTT의 주변 온도가 40℃를 초과하면 적색 LED가 켜지고 경보음이 울리는 위험 신호, 그리고 주변 온도가 40℃보다 낮을 때 녹색 LED가 켜지는 안전 신호로 구분하여 알람을 구현하도록 시스템화할 수 있다.As an example, a sensing unit implemented in a parallel-connected structure between a BPCF-PNG (composite piezoelectric nanogenerator) and FHTT (flexible ferroelectric high-temperature thermistors (FHTTs)) is provided. In particular, a temperature monitoring system/ It was connected to a pre-programmed Arduino circuit (board model UNO R3) to build a real-time emergency alarm system, in which the following two operating conditions are programmable, and the ambient temperature of the FHTT is 40°C. The system can be systematized to implement an alarm by dividing it into a danger signal that lights up with a red LED and sounds an alarm when it exceeds, and a safety signal that turns on a green LED when the ambient temperature is lower than 40℃.

이상의 실시예에 따르면, 비스무트 티타네이트(bismuth titanate; Bi4Ti3O12)를 기반으로 하는 고결정성 강유전체 나노입자를 구현하고, 연성필름상에 코팅한 구조로 연성 강유전체 고온 서미스터를 제조하며, 이에 제조되는 연성 강유전체 고온 서미스터는 높은 열감도(β(100/260) = 6515 K) 및 넓은 작동온도 범위 (25℃∼260℃)를 갖는 장점이 구현된다.According to the above embodiment, highly crystalline ferroelectric nanoparticles based on bismuth titanate (Bi 4 Ti 3 O 12 ) are implemented, and a flexible ferroelectric high temperature thermistor is manufactured with a structure coated on a flexible film, The fabricated flexible ferroelectric high temperature thermistor has the advantages of high thermal sensitivity (β(100/260) = 6515 K) and a wide operating temperature range (25° C. to 260° C.).

또한, 비스무트 티타네이트(bismuth titanate; Bi4Ti3O12)를 기반으로 하는 나노파티클과 PVDF를 이용한 복합필름을 적용하여 압전 나노제너레이터 (BPCF-PNG)를 제조할 수 있도록 하며, 이를 통해 고온 서미스트 구동에 필요한 전력을 자체 생산할 수 있도록 할 수 있으며, 이를 통해 배터리 자원이 필요 없은 실시간 환경 온도 경고 모니터링 시스템에 적용할 수 있게 된다.In addition, by applying a composite film using PVDF and nanoparticles based on bismuth titanate (Bi 4 Ti 3 O 12 ), a piezoelectric nanogenerator (BPCF-PNG) can be manufactured, and through this It can be made to generate the power required to drive the mist itself, and through this, it can be applied to a real-time environmental temperature warning monitoring system that does not require battery resources.

이하에서는, 상술한 본 발명의 실시예에 따른 연성 강유전체 고온서미스터, 압전제너레이터의 구조를 구성하는 구성물에 대한 특성에 대한 실험한 결과를 도 1 내지 도 5를 기준으로 하며, 도 1 내지 도 5에 대한 원리 및 용어 정의에 대한 참조 설명은 도 6 내지 도 17을 참조하여 설명하기로 한다.Hereinafter, the experimental results for the characteristics of the components constituting the structure of the flexible ferroelectric high-temperature thermistor and the piezoelectric generator according to the embodiment of the present invention described above are based on Figs. 1 to 5, and Figs. Reference descriptions for principles and term definitions will be described with reference to FIGS. 6 to 17 .

도 1은 연성 강유전체 고온 서미스터((flexible ferroelectric high-temperature thermistors (이하, 'FHTT')와 소자층을 제조하는 데 사용되는 비용 효율적인 브러시-코팅 공정 및 특성 실험결과를 나타내는 도면이다.1 is a view showing a cost-effective brush-coating process used to manufacture flexible ferroelectric high-temperature thermistors (hereinafter, 'FHTT') and a device layer and a characteristic test result.

도 1 (a) 연성 서미스터의 개략도 및 전계방출 주사 전자현미경 이미지. (b) 졸-겔 유래 Bi4Ti3O12 나노입자(NPs)의 표면형태 및 에너지-분산 분석 매핑을 나타내는 삽도를 포함하는 X-선 회절도. (c) Bi4Ti3O12 NP의 라만 스펙트럼. (d,e) ±10V 및 0 ~ 100 V의 바이어스 전압에서 서미스터의 온도-의존적 전류-전압 연구. (f,g) 서미스터 및 아레니우스 플롯의 온도-의존 저항. (h) 일정한 바이어스 전압의 함수로서 가요성 강유전성 서미스터의 작동 메카니즘의 추정된 에너지 밴드 모델을 도시한 것이다.Figure 1 (a) Schematic diagram and field emission scanning electron microscopy image of a flexible thermistor. (b) X-ray diffraction diagram including insets showing the surface morphology and energy-dispersive analysis mapping of sol-gel-derived Bi 4 Ti 3 O 12 nanoparticles (NPs). (c) Raman spectrum of Bi 4 Ti 3 O 12 NPs. (d,e) Temperature-dependent current-voltage study of thermistors at bias voltages of ±10 V and 0 to 100 V. (f,g) Temperature-dependent resistance of thermistor and Arrhenius plots. (h) An estimated energy band model of the operating mechanism of a flexible ferroelectric thermistor as a function of constant bias voltage.

도 1a의 오른쪽은 2mm 스케일에서 FHTT 장치의 표면 형태를 나타내며 가요성 캡톤 표면에 Bi4Ti3O12 NPs의 균일한 코팅을 나타낸다. 강유전성 물질의 표면상의 Ag 전극에 의해 양호한 전기적 접촉이 보장되었다. FHTT를 제조하기 전에, XRD, 라만 분광법, FE-SEM 및 EDS에 의해 구조적, 형태학적 및 원소조성 및 광학 포논 모드를 조사하였다. Bi4Ti3O12 NPs의 XRD 피크는 기준 패턴 (JCPDS 01-073-2181)과 일치하고; 30°에 위치한 (117) 피크는 사방정계 위상(orthorhombic phase)을 확인하였다. The right side of Fig. 1a shows the surface morphology of the FHTT device at the 2 mm scale and shows the uniform coating of Bi 4 Ti 3 O 12 NPs on the flexible Kapton surface. Good electrical contact was ensured by Ag electrodes on the surface of the ferroelectric material. Before preparing FHTT, the structural, morphological and elemental composition and optical phonon mode were investigated by XRD, Raman spectroscopy, FE-SEM and EDS. The XRD peak of Bi 4 Ti 3 O 12 NPs is consistent with the reference pattern (JCPDS 01-073-2181); The (117) peak located at 30° confirmed an orthorhombic phase.

도 1b의 도면은 불규칙적인 형상의 Bi4Ti3O12 NPs를 나타내고, 해당 EDS 매핑은 모든 필수 요소의 존재를 확인하였다. The figure of FIG. 1b shows Bi 4 Ti 3 O 12 NPs of irregular shape, and the corresponding EDS mapping confirmed the existence of all essential elements.

도 1c는 Bi4Ti3O12 NPs의 라만(Raman) 스펙트럼과 활성광 포논 모드, 즉 A1g (560, 613 및 848 cm-1), B1g (357, 449 cm-1) 및 B2g + B3g (229, 269 및 536 cm-1) 모드를 나타낸다. 117 cm-1에서의 피크는 Bi-O 진동에 할당되었고, 반면 229 및 269 cm-1에서의 피크는 O-Ti-O 스트레칭 모드에 할당되었다. 848 및 613 cm-1에서의 피크는 각각 대칭 및 비대칭 Ti-O 진동에 할당되었다. 실온 및 Bi4Ti3O12 NPs에서 TiO6 팔면체의 자극은 강유전성을 유발한다. XRD 및 라만 패턴은 실온에서 강유전체 Bi4Ti3O12 NPs의 사방정계 위상(orthorhombic)(space group Fmmm)의 존재와 일치하였다. Figure 1c shows the Raman spectrum and active light phonon mode of Bi 4 Ti 3 O 12 NPs, i.e. A 1g (560, 613 and 848 cm -1 ), B1g (357, 449 cm -1 ) and B2g + B3g ( 229, 269 and 536 cm −1 ) modes. The peaks at 117 cm −1 were assigned to the Bi-O vibration, whereas the peaks at 229 and 269 cm −1 were assigned to the O-Ti-O stretching mode. The peaks at 848 and 613 cm −1 were assigned to symmetric and asymmetric Ti-O oscillations, respectively. Stimulation of the TiO 6 octahedron at room temperature and Bi 4 Ti 3 O 12 NPs induces ferroelectricity. The XRD and Raman patterns were consistent with the presence of orthorhombic (space group Fmmm) of ferroelectric Bi 4 Ti 3 O 12 NPs at room temperature.

FHTT는 p-형 Bi4Ti3O12 NPs 다결정 필름(Eg

Figure 112021036123417-pat00002
3.5 eV)을 2개의 Ag-금속 전극들(작동 기능: 4.26 eV) 사이에 대칭적으로 개재시켜 평면 대칭 금속-반도체-금속 (MSM) 구조를 형성함으로써 제조되었다. FHTT is a p-type Bi 4 Ti 3 O 12 NPs polycrystalline film (Eg
Figure 112021036123417-pat00002
3.5 eV) was symmetrically interposed between two Ag-metal electrodes (working function: 4.26 eV) to form a planar symmetric metal-semiconductor-metal (MSM) structure.

온도의 함수로서 바이어스 전압 의존 I-V 곡선 (도 1 (d, e))은 선형 변화를 나타내며, Bi4Ti3O12 NPs의 강유전성 효과로 인해 V = 0V에서 0이 아닌 전류를 갖는다는 것을 나타낸다. The bias voltage dependent IV curve as a function of temperature (Fig. 1(d,e)) shows a linear change, indicating that it has a non-zero current at V = 0 V due to the ferroelectric effect of Bi 4 Ti 3 O 12 NPs.

I-V 곡선의 특성은 강유전성 p-형 재료 (FMetal > FMaterial)보다 큰 금속의 페르미(Fermi) 에너지 레벨로 인해 Ag-Bi4Ti3O12 인터페이스 사이에 옴(Ohmic) 접촉이 형성되어 나노암페어-스케일 전류를 발생시킨다. 실온에서의 낮은 전류는 트랩핑된 자유전하 캐리어의 이동성 및 절연체의 높은 고유 임피던스 특성으로 인한 것일 수도 있다.The characteristic of the IV curve is that an Ohmic contact is formed between the Ag-Bi 4 Ti 3 O 12 interface due to the higher Fermi energy level of the metal than that of the ferroelectric p-type material (F Metal > F Material ), resulting in nanoampere - Generates scale current. The low current at room temperature may be due to the mobility of trapped free charge carriers and the high intrinsic impedance properties of the insulator.

도 1과 관련한 개념 설명을 위해 참조하는, 도 8은 MSM 구조의 에너지 밴드 다이어그램을 통해 설명된, 인가된 바이어스 전압에 대한 전하 전송 프로세스를 도시하고, 지원정보(SI) 파일에서 설명한다. Referring to for conceptual explanations with respect to FIG. 1 , FIG. 8 illustrates a charge transfer process for an applied bias voltage, illustrated through an energy band diagram of an MSM structure, and is described in a support information (SI) file.

FHTT의 전류 전도는 바이어스 전압-의존 확산/드리프트 전하 캐리어의 이동성에 따라 달라진다. 전류의 크기와 고장 (전류의 급격한 급상승)은 전극/작동 기능의 유형, 금속 절연체 인터페이스 영역의 형성, 전자 고장(절연체의 전자 또는 정공 주입) 및 열 고장 (열 메카니즘에 의한) 조건에 따라 달라진다. The current conduction of the FHTT depends on the bias voltage-dependent diffusion/drift charge carrier mobility. The magnitude and failure of the current (rapid spikes in current) depend on the type of electrode/actuation function, the formation of metal-insulator interface regions, electronic failure (electron or hole injection in the insulator) and thermal failure (by thermal mechanisms) conditions.

바이어스 전압 ±100V에 따른 FHTT의 온도-의존 전류(I)-전압(V) 곡선은 도 9에 표시되고, 확대된 데이터 (±10V)는 도 1d에 표시되어 있다. 여기에서, 발생된 전류는 일정한 바이어스 전압에서 온도의 함수로서 Bi4Ti3O12 강유전성 물질에 내장되어 있기 때문에 원점 (0.018nA, 실온에서 0V 및 0.74 nA, 260℃에서 0V)을 통과하지 않는다. The temperature-dependent current (I)-voltage (V) curve of the FHTT according to the bias voltage ±100V is shown in Fig. 9, and the enlarged data (±10V) is shown in Fig. 1D. Here, the generated current does not pass through the origin (0.018 nA, 0 V and 0.74 nA at room temperature, 0 V at 260 °C) because it is embedded in the Bi 4 Ti 3 O 12 ferroelectric material as a function of temperature at constant bias voltage.

여기서 전류의 증가는 주로 Bi4Ti3O12의 온도 의존 전도 공정에 기인한다. Bi 이온에서 호핑(hopping)의 가능성은 Bi3+에서 Bi4+ 호핑 메카니즘으로 (Bi2O2)2+ 층을 통해 발생한다. 유사하게, 전자 전도성은 Ti4+와 Ti3+ 이온 사이의 폴라론 호핑으로 인해 발생한다. Here, the increase in current is mainly due to the temperature-dependent conduction process of Bi 4 Ti 3 O 12 . The possibility of hopping in Bi ions occurs through the (Bi 2 O 2 ) 2+ layer with a Bi 3+ to Bi 4+ hopping mechanism. Similarly, electronic conductivity arises due to polaron hopping between Ti 4+ and Ti 3+ ions.

재료 처리에서 생성된 Bi 결핍 및 산소 공석으로 시작되는 산화물 이온 전도는 크뢰거-빙크(Krφger-Vink) 방정식(SI)을 이용하여 설명할 수 있다. 또한, 6s2 론-페어(lone-pair) 전자와 약한 Bi-O 결합을 가진 Bi3+ 이온의 높은 분극성은 낮은 확산장벽을 위한 경로를 제공함으로써 산소 이온의 전달을 돕는 것으로 제안되었다. 그러나 제조된 FHTT I-V 응답은 전기 및 열 고장의 징후를 보이지 않았다. FHTT 장치는 100V 이상 및 260℃ 이상에서 작동할 수 있다는 것을 제시한다. 실온과 이 값에서 음의 x-축 (-35V)을 통과하는 전류 곡선은 실온에서 260℃로 증가된 적용된 온도가 내장 전장에서 감소를 나타낼 때마다 제로 전압 포인트 (-0.6V)쪽으로 이동한다(도 1d). 활성 강유전성 재료저항은 0 내지 100V의 양의 전압에서 온도-의존 IV 곡선과 도 1(e-g)에 표시된 해당 아레니우스(Arrhenius) 플롯에 의해 평가된다. Oxide ion conduction initiated by Bi deficiency and oxygen vacancies generated in material processing can be described using the Krøger-Vink equation (SI). In addition, it has been proposed that the high polarizability of Bi 3+ ions with 6s 2 lone-pair electrons and weak Bi-O bonds helps the transport of oxygen ions by providing a pathway for a low diffusion barrier. However, the prepared FHTT IV response showed no signs of electrical and thermal failure. It is suggested that the FHTT device can operate above 100V and above 260°C. The current curve through the negative x-axis (-35V) at room temperature and at this value shifts towards the zero voltage point (-0.6V) whenever the applied temperature increased from room temperature to 260°C shows a decrease in the built-in electric field ( 1d). The active ferroelectric material resistance is evaluated by a temperature-dependent IV curve at a positive voltage of 0 to 100 V and the corresponding Arrhenius plot shown in Fig. 1(eg).

  여기에서, 실온에서 260℃로 온도가 변할 때마다 0.0594nA에서 93.113nA로 변경된 전류 값은 Bi4Ti3O12 물질의 음의 온도계수(NTC) 특성이 있음을 확인한다. 도 1f는 계산된 저항이 260℃의 최대 작동온도에서 1.078 GΩ로 감소된, 실온에서 2.088 TΩ임을 나타낸다. 아래 언급된 방정식은 온도 대 저항의 비선형 변화를 나타낸다.Here, the current value changed from 0.0594 nA to 93.113 nA whenever the temperature is changed from room temperature to 260° C. confirms that the Bi 4 Ti 3 O 12 material has a negative temperature coefficient (NTC) characteristic. Figure 1f shows that the calculated resistance is 2.088 TΩ at room temperature, reduced to 1.078 GΩ at a maximum operating temperature of 260°C. The equations mentioned below represent the nonlinear change in resistance versus temperature.

R =

Figure 112021036123417-pat00003
exp (
Figure 112021036123417-pat00004
R =
Figure 112021036123417-pat00003
exp(
Figure 112021036123417-pat00004

상기 식에서, R은 온도 T에서의 저항이고,

Figure 112021036123417-pat00005
는 초기온도에서의 저항이고, 그리고 β는 서미스터 상수이다. 도 1g에서 유도된 β값(β(100/260) = 6515 K)은 일반적인 반도체성 금속산화물-기반 서미스터 값( 5000 K)보다 높다. where R is the resistance at temperature T,
Figure 112021036123417-pat00005
is the resistance at the initial temperature, and β is the thermistor constant. The β value (β (100/260) = 6515 K) derived from Fig. 1g is higher than the typical semiconducting metal oxide-based thermistor value (5000 K).

β 값의 상세한 계산은 후술하는 용어 정의 설명에서 서술하기로 한다.The detailed calculation of the β value will be described in the description of the term definitions to be described later.

{표 1: FHTT 데이터 시트]{Table 1: FHTT data sheet]

Figure 112021036123417-pat00006
Figure 112021036123417-pat00006

제안된 FHTT는 넓은 작동온도와 함께 높은 β값을 갖는다. 또한, NTC 거동, FHTT의 정확도는 스타인하트-하트(S-H) 실험적 방정식에 의해 분석되었다. S-H 계수의 값은 표 1에 나열되어 있으며 해당 계산은 후술하는 계산 원리 설명 파트에 설명되어 있다. The proposed FHTT has a high β value with a wide operating temperature. In addition, the accuracy of the NTC behavior, FHTT, was analyzed by the Steinhart-Hart (S-H) empirical equation. The values of the S-H coefficients are listed in Table 1 and their calculations are described in the Calculation Principle Explained Part below.

저항의 온도계수(TCR, α)는 25℃에서 -5.76 %/K의 값이고, Ve는 FHTT의 NTC 거동을 나타낸다. 방산 상수 δ는 3.95744 e-5 (mW/C)이었다. 자체 가열로 인해 발생하는 서미스터 측정 오류를 피하려면 δ 값이 낮아야 하는데, 이는 서미스터 환경에 따라 크게 변동한다. 모든 자세한 FHTT 데이터시트 계산은 SI에서 주어진다. The temperature coefficient of resistance (TCR, α) is a value of -5.76 %/K at 25°C, and Ve represents the NTC behavior of FHTT. The dissipation constant δ was 3.95744 e -5 (mW/C). To avoid thermistor measurement errors caused by self-heating, the value of δ should be low, which varies greatly depending on the thermistor environment. All detailed FHTT datasheet calculations are given in SI.

마지막으로, 서미스터 감지 성능은 표 2에 제시된 다른 재료와 비교된다.Finally, the thermistor sensing performance is compared with other materials presented in Table 2.

언급한 바와 같이, 실온에서 120℃(영역 1)까지 저항의 선형 강하가 있고, 그 후 도 1g에 도시된 바와 같이 저항의 비선형 변화가 관찰되었다.

Figure 112021036123417-pat00007
및 β값의 곱에 의해 평가된 FHTT의 활성화 에너지(Ea)는 FHTT 장치에서 온도 의존적 자유전하 캐리어의 생성으로 인해 0.44eV이다. 비선형 아레니우스 플롯은 Ea가 온도 의존적 파라미터를 나타내며 FHTT의 층들 사이에서 전하 캐리어의 호핑을 위한 에너지를 반영한다.As mentioned, there is a linear drop in resistance from room temperature to 120° C. (region 1), after which a non-linear change in resistance was observed as shown in Fig. 1g.
Figure 112021036123417-pat00007
and β values, the activation energy (E a ) of FHTT is 0.44 eV due to the generation of temperature-dependent free charge carriers in the FHTT device. The nonlinear Arrhenius plot shows that E a represents a temperature-dependent parameter and reflects the energy for hopping of charge carriers between the layers of the FHTT.

{표 2 : 제안된 FHTT 파라미터(열 상수(β) 및 작동온도 범위)와 보고된 상용 NTC 서미스터의 비교.}{Table 2: Comparison of proposed FHTT parameters (thermal constant (β) and operating temperature range) with reported commercial NTC thermistors.}

Figure 112021036123417-pat00008
Figure 112021036123417-pat00008

FHTT의 작동원리는 인터페이스들 사이의 전자의 온도-의존 호핑을 통해 에너지 밴드 모델 메카니즘에 의해 탐구되었다. The working principle of FHTT was explored by the energy band model mechanism through temperature-dependent hopping of electrons between interfaces.

도 1h에 표시된 네 가지 상이한 온도 (25, 100, 180 및 260℃)에서 FHTT의 추정 회로도이다. Estimated circuit diagram of FHTT at four different temperatures (25, 100, 180 and 260° C.) shown in FIG. 1h.

FHTT는 금속 Bi4Ti3O12 NPs 인터페이스들 사이에 높은 저항 (ρ 6.96207E9 Ω.cm) 장벽이 존재하기 때문에 실온에서 낮은 전류값 (0.0594 nA @ 100V)을 제공한다. 또한, 높은 저항은 전기 쌍극자의 무작위 배향에 기인하며, 이는 결국 강유전체 Bi4Ti3O12 NPs의 누적 자발적 분극을 감소하였다. 그 다음, FHTT 장치의 생성 전류는 다양한 온도, 이를테면 100℃, 180℃의 함수로서 동일한 바이어스 전압 100V에서 0.0594nA에서 0.9nA (ρ 5.62E8 Ω.cm) 및 10.76nA (ρ 3.34581E7 Ω.cm)로 증가한다. FHTT provides low current values (0.0594 nA @ 100V) at room temperature due to the presence of a high resistance (ρ 6.96207E9 Ω.cm) barrier between metallic Bi 4 Ti 3 O 12 NPs interfaces. In addition, the high resistance is due to the random orientation of the electric dipole, which in turn reduced the cumulative spontaneous polarization of the ferroelectric Bi 4 Ti 3 O 12 NPs. The generated currents of the FHTT device were then 0.0594 nA to 0.9 nA (ρ 5.62E8 Ω cm) and 10.76 nA (ρ 3.34581E7 Ω cm) and 10.76 nA (ρ 3.34581E7 Ω cm) at the same bias voltage 100 V as a function of various temperatures, such as 100° C. increases to

온도가 높을수록 전하 운반체의 이동성이 향상되었으며 (전도도 향상), 이는 장벽 높이를 극복하기 위해 더 쉽게 운반할 수 있게 되었으며 개선된 분극을 제공하였다. Higher temperature improved the mobility of the charge carriers (improved conductivity), which made them more easily transportable to overcome the barrier height and provided improved polarization.

금속/Bi4Ti3O12 NPs 사이에 자연적으로 형성된 전위 장벽의 감소는 도 1h(ii, iii)에 나타난 바와 같이 강유전성 물질에서 전기 쌍극자의 적절한 정렬에 의해 개선된 수의 자유전하 운반체를 유도하는 것을 나타낸다. FHTT의 적용온도(

Figure 112021036123417-pat00009
260℃)를 더 높이면 도 1h(iv)에 도시한 바와 같이, 금속 Bi4Ti3O12 NPs 인터페이스 층의 전도 특성이 개선되어 동일한 바이어스 전압에서 93.113nA (ρ3.59552E6 Ω.cm)의 높은 전류값을 제공한다.Reduction of the potential barrier naturally formed between metal/Bi 4 Ti 3 O 12 NPs leads to an improved number of free charge carriers by proper alignment of electric dipoles in ferroelectric materials, as shown in Fig. 1h(ii, iii). indicates that FHTT application temperature (
Figure 112021036123417-pat00009
260° C.), as shown in FIG. 1h(iv), the conductive properties of the metallic Bi 4 Ti 3 O 12 NPs interface layer were improved, resulting in a high current of 93.113nA (ρ3.59552E6 Ω.cm) at the same bias voltage. provides a value.

온도-의존 전류 프로파일의 경향은 저항 감소의 배후에 있는 기본 메카니즘이 FHTT의 향상된 분극에 기인한다는 것을 나타낸다. 이 경우, FHTT의 최대 도달 작동 온도는 실리콘오일 욕의 비등 한계로 인해 260℃이다.The trend of the temperature-dependent current profile indicates that the underlying mechanism behind the resistance reduction is due to the enhanced polarization of the FHTT. In this case, the maximum attained operating temperature of the FHTT is 260° C. due to the boiling limit of the silicone oil bath.

도 2는 전계/주파수-의존 P-E 루프를 특성화하여 폴드(poled)/비폴드(non-poled) Bi4Ti3O12 NPs 펠릿의 강유전 특성을 평가한 것을 도시한 것이다.FIG. 2 shows the evaluation of the ferroelectric properties of poled/non-poled Bi 4 Ti 3 O 12 NPs pellets by characterizing the electric field/frequency-dependent PE loop.

도 2. (a) 1 Hz의 일정 주파수에서 비폴링된 Bi4Ti3O12 펠릿의 전기장 의존적 분극-전기장(P-E) 루프 측정 및 방향성 전기 쌍극자의 개략도. (b) 50 kV의 일정한 전기장에서 비폴링된 샘플의 주파수-의존 P-E 루프 측정 및 방향성 전기 쌍극자의 개략도. (c) 50kV, 1Hz에서 폴드(poled)/비폴드(non-poled) 펠릿의 P-E 루프 비교. (d) 1Hz에서 폴드(poled) 샘플의 전기장-의존 P-E 루프. (e) 동작 주파수/전기장의 함수로서 보자기장 (Ec)과 잔류분극(Remanent polarization) (Pr)의 비교 (f) 120kV 바이어스 전압에서 폴드(poled)된 Bi4Ti3O12 펠릿의 전류(I)-전압(V) 측정. (g) 1,000 ms 이상의 E의 함수로서 Bi4Ti3O12 펠릿의 누설전류 분석. (h) 1010 사이클에 걸친 Bi4Ti3O12 펠릿의 편광 피로 분석. (i,j) 샘플의 주파수-의존성 (101-106Hz) 유전상수, 손실, 및 AC 전도도. 삽입된 이미지는 펠릿의 표면형태를 나타낸다.Figure 2. (a) Schematic of electric field-dependent polarization-electric field (PE) loop measurements and directional electric dipoles of unpolarized Bi 4 Ti 3 O 12 pellets at a constant frequency of 1 Hz. (b) Schematic of frequency-dependent PE loop measurements and directional electric dipoles of unpolarized samples in a constant electric field of 50 kV. (c) Comparison of PE loops of poled/non-poled pellets at 50 kV, 1 Hz. (d) Electric field-dependent PE loop of a poled sample at 1 Hz. (e) Comparison of coercive field (Ec) and remanent polarization (P r ) as a function of operating frequency/electric field (f) Current of poled Bi 4 Ti 3 O 12 pellets at 120 kV bias voltage ( I) - voltage (V) measurement. (g) Leakage current analysis of Bi 4 Ti 3 O 12 pellets as a function of E over 1,000 ms. (h) Polarization fatigue analysis of Bi 4 Ti 3 O 12 pellets over 10 10 cycles. (i,j) Frequency-dependent (10 1 -10 6 Hz) dielectric constant, loss, and AC conductivity of the sample. The inset image shows the surface morphology of the pellet.

비폴드(non-poled)된 샘플의 P-E 루프 영역, 잔류분극(Remanent polarization) (Pr) 및 보자력장(Ec)은 일정한 주파수 (@ 1Hz)에서 인가된 전기장 (10, 25 및 50 KV)을 증가시킴으로써 증가된다. 10 KV @ 1Hz 전기장에서 0.12 μC/cm2 : 4.9 KV/cm의 Pr : Ec는 50 KV @ 1Hz에서 0.45 μC/cm2 : 22.47 KV/cm로 증가하였다.The PE loop region, remanent polarization (P r ) and coercive field (E c ) of the non-poled sample are the applied electric fields (10, 25 and 50 KV) at constant frequency (@ 1 Hz). is increased by increasing At 10 KV @ 1Hz electric field, P r : E c of 0.12 μC/cm 2 : 4.9 KV/cm increased to 0.45 μC/cm 2 : 22.47 KV/cm at 50 KV @ 1 Hz.

도 2a에 개략적으로 도시된 전기장에 관한 개선된 편광 스위칭은 Bi4Ti3O12 NPs의 강유전성을 나타낸다. 쌍극자는 동일한 전계강도 하에서 반대 부호로 180°회전하기 때문에 도면은 PE 루프 데이터의 한쪽을 기준으로 한다.The improved polarization switching with respect to the electric field schematically shown in Fig. 2a shows the ferroelectricity of Bi 4 Ti 3 O 12 NPs. Since the dipole rotates 180° with opposite sign under the same electric field strength, the figure is based on one side of the PE loop data.

P-E 루프에서 주파수 변경의 영향도 측정되었다. 대응하는 스위칭 P 메카니즘이 도 2b에 개략적으로 도시되어 있다. 여기서 Pr : Ec 값은 0.322 μC/cm2 : 19.40 KV/cm이었으며, 작동 주파수(50 KV 전기장에서)가 2에서 10 Hz로 증가할 때마다 0.068 μC/cm2 : 6 KV/cm로 상당히 감소하였다. 저주파(1Hz)에서, 이용 가능한 모바일 프리(mobile free) 충전은 전체 분극에 기여할 수 있으며, 쌍극 정렬은 인가된 전계 방향으로 정렬하기에 충분한 시간을 가지므로 높은 분극을 제공한다. The effect of frequency changes in the PE loop was also measured. The corresponding switching P mechanism is schematically shown in Fig. 2b. Here, the P r : E c value was 0.322 μC/cm 2 : 19.40 KV/cm, and it significantly increased to 0.068 μC/cm 2 : 6 KV/cm with every increase of the operating frequency (in a 50 KV electric field) from 2 to 10 Hz. decreased. At low frequencies (1 Hz), the available mobile free charge can contribute to the overall polarization, and the dipole alignment provides high polarization as it has sufficient time to align in the direction of the applied electric field.

그러나 2, 4 및 10Hz에서, 히스테리시스 루프 갭은 감소되기 시작하고 일정한 인가된 전계에 대해 감소된 쌍극자 스위칭으로 인해 타원이 된다. 이는 히스테리시스 루프 형상이 인가된 전기장에서의 여기신호의 시간-주기 및 쌍극자 스위칭 시간을 기반으로 한다는 것을 나타낸다. However, at 2, 4 and 10 Hz, the hysteresis loop gap begins to decrease and becomes elliptical due to reduced dipole switching for a constant applied electric field. This indicates that the hysteresis loop shape is based on the time-period of the excitation signal in the applied electric field and the dipole switching time.

여기에서, 저주파에서 바람직한 방향으로 스위칭하는 최대 전기 쌍극자 수가 높은 Pr을 가져왔다. Pr은 샘플에서 전기 쌍극자의 부분 스위칭으로 인해 E의 인가 주파수가 증가함에 따라 감소하였다. 이것은 와이스(Weiss) 평균 필드 모델과 잘 일치한다.Here, the maximum number of electric dipoles switching in the desired direction at low frequencies resulted in a high P r . P r decreased as the applied frequency of E increased due to partial switching of the electric dipole in the sample. This is in good agreement with the Weiss mean field model.

전기 폴링(Electrical poling)(실온에서 7 KV/12 시간)은 준비된 샘플의 영구적인 분극을 향상시키기 위해 이용된다. 폴드/비폴드(poled/un-poled)P-E 루프는 도 2c 및 도 10a에 도시되어 있다. 여기서, 폴드(poled)된 샘플은 1 KHz 및 50 KV에서 비폴드(un-poled) (0.45 μC/cm2)과 비교하여 1.08 μC/cm2의 Pr보다 2배 이상 높은 것으로 나타났다.Electrical poling (7 KV/12 h at room temperature) is used to enhance the permanent polarization of the prepared sample. A poled/un-poled PE loop is shown in FIGS. 2C and 10A . Here, the folding back (poled) samples were higher ratio folds (un-poled) (0.45 μC / cm 2) and more than double the P r of 1.08 μC / cm 2 as compared to in the 1 KHz and 50 KV.

합성된 샘플은 다중 주파수를 갖는 0 ~ 120 KV와 같이 더 높은 전기장에서도 유지된다(도 및 S5 (b-e)). 폴링된 샘플은 이용된 전기장 120KV @ 1Hz에 대해 높은 Pr = 6 μC/cm2를 나타내며, 보고된 논문보다 다중 배수가 증가한다. The synthesized samples are maintained even at higher electric fields such as 0 to 120 KV with multiple frequencies (Fig. and S5 (be)). The polled sample shows a high P r = 6 μC/cm 2 for the used electric field 120 KV @ 1 Hz, a multiple-fold increase over the reported paper.

도 2e는 전기장 및 주파수의 함수로서 Ec 및 Pr 파라미터의 선형 증가 특성을 나타낸다. 폴드(poled)된 샘플과 폴링되지 않은(non-poled) 샘플은 비슷하게 거동을 하였다(도 2(a,b)). 일정한 주파수에서 전기장의 증가는 Ec의 상승과 함께 Pr을 향상시키는 반면, 일정한 전기장에서의 작동 주파수를 변경하면 Pr과 Ec는 낮아졌다. Bi4Ti3O12 펠릿의 누설 전류는 1,000 ms 동안 고정 전계 강도를 적용하여 측정되었다(도 2(f,g)).Figure 2e shows the linearly increasing characteristics of the E c and P r parameters as a function of electric field and frequency. The poled and non-poled samples behaved similarly (Fig. 2(a,b)). On the other hand at a constant frequency to increase the electric field is enhanced with an increase in the P r E c, changing the operating frequency of the electric field at constant P r and E c is decreased. The leakage current of Bi 4 Ti 3 O 12 pellets was measured by applying a fixed electric field strength for 1,000 ms (Fig. 2(f,g)).

전계 강도가 10에서 120kV/cm로 증가함에 따라 누설전류는 0.022에서 0.631μA로 증가하였다. Bi4Ti3O12 펠릿의 저항/저항률의 전계 의존 선형 변화가 도 10f에 도시되어 있다. As the electric field strength increased from 10 to 120 kV/cm, the leakage current increased from 0.022 to 0.631 μA. The electric field dependent linear change of resistivity/resistivity of Bi 4 Ti 3 O 12 pellets is shown in Fig. 10f.

Bi4Ti3O12 펠릿의 피로분석(도 2h)은 1010회 이상의 사이클에 걸쳐 일정한 분극을 나타냈으며, 이는 Bi4Ti3O12의 잘 알려진 피로 없는 특성과 일치한다. Fatigue analysis (Fig. 2h) of Bi 4 Ti 3 O 12 pellets showed constant polarization over 10 10 cycles or more, which is consistent with the well-known fatigue-free property of Bi 4 Ti 3 O 12 .

도 2 (i,j)는 합성된 Bi4Ti3O12 NPs의 주파수 의존 유전상수, 손실 및 전도도를 나타낸다. 결정립계와 물질-전극 인터페이스 사이의 그레인 경계에서 전하 쌍극자의 정렬은 쌍극성 분극(즉, 분자 쌍극자)과 함께 공간 전하 또는 인터페이스 분극을 초래하였다. Figure 2 (i,j) shows the frequency-dependent dielectric constant, loss and conductivity of the synthesized Bi 4 Ti 3 O 12 NPs. The alignment of the charge dipoles at the grain boundaries between the grain boundaries and the material-electrode interface resulted in space charge or interface polarization along with bipolar polarization (ie molecular dipole).

4Hz에서 유전상수는 89.87이며, 이는 입자 경계와 물질-전극 인터페이스 사이의 인터페이스에서 전하 쌍극자의 정렬에 의해 쌍극성 분극(즉, 분자 쌍극자)과 함께 공간 전하 또는 공간 분극을 초래한다. The dielectric constant at 4 Hz is 89.87, which results in a space charge or space polarization along with a bipolar polarization (i.e. molecular dipole) by the alignment of the charge dipoles at the interface between the grain boundary and the material-electrode interface.

4 Hz에서 89.87의 유전상수는 공간 전하 분극의 감소 및 쌍극 분극의 관여로 인해 3 MHz에서 79.24로 감소하였다. The dielectric constant of 89.87 at 4 Hz decreased to 79.24 at 3 MHz due to the decrease in space charge polarization and the involvement of dipole polarization.

합성된 Bi4Ti3O12 NPs 값의 측정된 유전상수는 다른 곳에서 보고된 것보다 높다. 유전체 손실은 주파수가 4 Hz에서 4 kHz로 증가할 때마다 0.08에서 0.01로 떨어졌다가 나중에 100 kHz까지 동일하게 유지되었고 주파수에 따라 빠르게 상승하기 시작했고 3 MHz에서 0.175에 도달하였다. 이는 인가된 전계에 따라 고주파 지연에서 Bi4Ti3O12 스위칭 쌍극자에 기인하여 전도도를 증가시키기 때문이다. The measured dielectric constant of the synthesized Bi 4 Ti 3 O 12 NPs values is higher than reported elsewhere. The dielectric loss dropped from 0.08 to 0.01 each time the frequency was increased from 4 Hz to 4 kHz, then remained the same until 100 kHz and began to rise rapidly with frequency and reached 0.175 at 3 MHz. This is because the conductivity increases due to the Bi 4 Ti 3 O 12 switching dipole in the high-frequency delay depending on the applied electric field.

도 2j는 Bi4Ti3O12 NPs의 주파수 의존 전도도가 선형 증가를 보여 주며, 삽도는 Bi4Ti3O12 NPs 펠릿 표면의 SEM 이미지이다.Figure 2j is the frequency-dependent conductivity of the Bi 4 Ti 3 O 12 NPs shows a linear increase, sapdo is a SEM image of a pellet surface NPs Bi 4 Ti 3 O 12.

저주파에서 전도도는 긴 범위 차수의 이동성 이온전송 형성에 따라 달라진다. 더 높은 주파수에서 샘플에 포획된 자유전하 운반체의 호핑에 의해 전도도가 높아졌다. 또한, 이온 및 전자전도 메카니즘 모두는 Bi4Ti3O12의 전체 전도 과정을 나타내기 위해 적용 가능하다. Bi4Ti3O12의 금속 결핍 및 산소 결손은 이온 전도성의 근원이 된다. 전자 전도성은 Ti4+와 Ti3+ 이온 사이의 폴라론 호핑에 의해 가능할 것이다. At low frequencies, the conductivity depends on the formation of long-range orders of mobile ion transport. At higher frequencies, the conductivity was increased by hopping of the free charge carriers trapped in the sample. In addition, both ionic and electron conduction mechanisms are applicable to represent the overall conduction process of Bi 4 Ti 3 O 12 . Metal deficiency and oxygen vacancies in Bi 4 Ti 3 O 12 are the source of ion conductivity. Electronic conductivity would be possible by polaron hopping between Ti 4+ and Ti 3+ ions.

강유전성 복합 필름은 용액-캐스팅 기술을 이용하여 다양한 중량비(즉, 0, 5, 10, 15, 20, 25 및 30 중량%)로 제조되었다(도.7참조). 다양한 필름의 결정질 상 분석 및 구조적, 표면 형태학적 및 강유전성 분석은 후술하는 보조설명 파트에서 제공된다(도 11참조). 필름의 에너지 하베스팅 능력은 이들로부터 BPCF-PNGs를 제조함으로써 체계적으로 조사되었다. Ferroelectric composite films were prepared in various weight ratios (ie, 0, 5, 10, 15, 20, 25 and 30% by weight) using a solution-casting technique (see Fig. 7). Crystalline phase analysis and structural, surface morphological, and ferroelectric analysis of various films are provided in the Supplementary Description Part to be described later (see FIG. 11 ). The energy harvesting ability of the films was systematically investigated by preparing BPCF-PNGs from them.

도 3a는 완전히 포장된 Bi4Ti3O12 NPs/PVDF 복합 필름-기반 압전 나노제너레이터 (BPCF-PNGs)의 광학 이미지, 연성층 및 장치 층을 나타낸다. 도 3b는 처리된 순수한 PVDF 필름(투명), 30 중량% BPCF(불투명) 및 이들의 연성의 광학 이미지를 도시한다. Figure 3a shows the optical image, flexible layer and device layer of fully packaged Bi 4 Ti 3 O 12 NPs/PVDF composite film-based piezoelectric nanogenerators (BPCF-PNGs). Figure 3b shows optical images of treated pure PVDF film (transparent), 30 wt% BPCF (opaque) and their ductility.

구체적으로, 도 3. (a) Bi4Ti3O12 NPs/PVDF 복합 필름-기반 압전 나노제너레이터 (BPCF-PNG) 및 그 소자층의 가요성을 나타내는 광학 이미지. (b) 평면 PVDF, BPCF의 광학 이미지 및 가요성. (c) (i,iii) PVDF 필름의 표면형태 및 단면 이미지, (ii,iv) BPCF의 표면형태 및 단면 이미지. (d) 폴링된 BPCF의 P-E 루프 (0, 20, 25 및 30 중량%). (e,f) 2N의 일정한 힘을 가했을 때 폴링된 BPCF-PNGs의 출력전압 및 전류응답. (g) BPCF-PNG(25 중량%)의 로드 저항 분석. (h) 시간 및 커패시턴스의 함수로서 상용 커패시터에 저장된 에너지. (i) 2,000초에 걸친 BPCF-PNG (25 중량%)의 주기적 안정성. (j) 생체역학적 힘의 적용에 따라 상용 LCD 및 LEDs의 전원 공급을 수행하는 예시도를 도시한 것이다.Specifically, Fig. 3. (a) Optical image showing the flexibility of the Bi 4 Ti 3 O 12 NPs/PVDF composite film-based piezoelectric nanogenerator (BPCF-PNG) and its device layer. (b) Optical images and flexibility of planar PVDF, BPCF. (c) (i,iii) Surface morphology and cross-sectional image of PVDF film, (ii,iv) Surface morphology and cross-sectional image of BPCF. (d) PE loops of polled BPCF (0, 20, 25 and 30 wt%). (e,f) Output voltage and current response of polled BPCF-PNGs when a constant force of 2N is applied. (g) Analysis of load resistance of BPCF-PNG (25% by weight). (h) Energy stored in commercial capacitors as a function of time and capacitance. (i) Cyclic stability of BPCF-PNG (25 wt %) over 2,000 s. (j) shows an exemplary diagram of performing power supply of commercial LCDs and LEDs according to the application of biomechanical force.

PVDF 표면의 표면 형태는 매끄럽고 규칙적인 스페룰라이트(Spherulite) 구조와 두께가 약 30 μm (도 3c(i))인 반면, BPCF 표면은 거칠고 불균일하며 약 44-μm 두께를 갖는다(도 3c(ii)). 도 S6d는 5Hz에서 준비된 BPCF(폴링되지 않은;un-poled)의 P-E 루프를 나타낸다.The surface morphology of the PVDF surface has a smooth and regular spherulite structure and a thickness of about 30 µm (Fig. 3c(i)), whereas the BPCF surface is rough and non-uniform and has a thickness of about 44-µm (Fig. 3c(ii)). )). Figure S6d shows the P-E loop of BPCF (un-poled) prepared at 5 Hz.

도 3d에 제공된 폴드(poled)된 BPCFs의 P-E 루프(실온에서 6 시간 동안 7kV)는 25 중량% BPCF에 대해 1μC/cm2의 개선된 자발 분극을 보여주는데, 이는 고도로 정렬된 전기 쌍극자 때문이다. 이 경우, PVDF 중합체에서 Bi4Ti3O12 입자의 균일한 분포는 중합체 구조에 거의 영향을 미치지 않아서 편광을 개선하였다. 과량의 세라믹 입자(예를 들어, 30 중량%의 Bi4Ti3O12 NPs)는 표면 응집을 야기하고 PVDF 구조를 변형시켜 편광을 감소하였다. The PE loop of the poled BPCFs presented in Figure 3d (7 kV for 6 h at room temperature) shows an improved spontaneous polarization of 1 μC/cm 2 for 25 wt % BPCF, due to the highly ordered electrical dipole. In this case, the uniform distribution of Bi 4 Ti 3 O 12 particles in the PVDF polymer had little effect on the polymer structure, improving polarization. Excess ceramic particles (eg, 30% by weight of Bi 4 Ti 3 O 12 NPs) caused surface agglomeration and modified the PVDF structure to reduce polarization.

도 3과 관련하는 참조 도면으로서, 도 12를 참조하면, 도 12 (a,b)는 선형 모터에 의해 제공되는 2N의 일정하게 가해진 기계적인 힘에서 비폴링(된 BPCF-PNGs에 의해 생성된 에너지를 나타낸다. 본래의 PVDF 장치는 전류(15V, 35nA)를 발생시켰으며, 이는 동일한 인가된 힘 하에서 25 중량% BPCF-PNG에 대해 증가하였다(38V까지, 130nA). 이는 강유전체 Bi4Ti3O12 NPs와 PVDF 중합체의 상승 효과에 기인한 것으로 BPCF의 P-E 루프에 의해 이미 밝혀졌다. As a reference figure in conjunction with Figure 3, with reference to Figure 12, Figure 12 (a,b) shows the energy generated by non-polling (BPCF-PNGs) at a constant applied mechanical force of 2N provided by a linear motor. The original PVDF device generated a current (15 V, 35 nA), which increased for 25 wt% BPCF-PNG under the same applied force (up to 38 V, 130 nA), which was ferroelectric Bi 4 Ti 3 O 12 It has already been shown by the PE loop of BPCF to be due to the synergistic effect of NPs and PVDF polymers.

BPCF-PNG의 중량 백분율을 약 30 중량%로 증가시키면 PVDF 필름 내에서 Bi4Ti3O12 NPs의 응집으로 인한 힘의 적용시 전기 출력(21 V, 66 nA)이 감소되었다. BPCFs의 증가된 로딩은 순수한 PVDF 필름의 것보다 유전상수를 개선시켰으며, 이는 결국 BPCFs의 전기기계적 결합계수에 영향을 미치고 에너지 하베스팅 성능을 감소시킬 수 있다. BPCF-PNG의 작동 메카니즘은 전통적인 복합 PNG 장치의 작동 메카니즘과 유사하다(도 12c에 개략적으로 표시됨). Increasing the weight percentage of BPCF-PNG to about 30% by weight decreased the electrical output (21 V, 66 nA) upon application of force due to the agglomeration of Bi 4 Ti 3 O 12 NPs in the PVDF film. The increased loading of BPCFs improved the dielectric constant over that of pure PVDF films, which in turn could affect the electromechanical coupling coefficient of BPCFs and reduce energy harvesting performance. The operating mechanism of the BPCF-PNG is similar to that of a traditional composite PNG device (shown schematically in Fig. 12c).

생성된 출력의 신뢰도는 최초의 PVDF 장치의 1N 힘에서 극성 테스트를 전환함으로써 먼저 평가되었다. 그 결과는 도 S13a에 제공된다. 이러한 결과는 BPCF-PNG 장치의 출력이 스트레스-유도 압전효과에 의한 것이지 다른 간섭에 의한 것이 아니라는 것을 확인하였다. The reliability of the generated output was first evaluated by switching the polarity test at 1 N force of the original PVDF device. The results are presented in Fig. S13a. These results confirm that the output of the BPCF-PNG device is due to the stress-induced piezoelectric effect and not due to other interference.

폴링(poled)된 BPCF-PNGs 성능을 동일한 힘으로 평가하였다(도 3(e,f)). 25 중량% BPCF-PNG에 대한 향상된 출력(47V, 180nA)은 개선된 쌍극자 방향으로 인한 것으로 영구적인 편광이 향상되도록 하였다. BPCF-PNG 출력 성능은 또한 입자 형상, BPCF의 크기, 전기 쌍극자 배향, Pr, 지지 중합체, 충전제 양, 필름 두께 및 장치 활성 영역을 포함하는 기타 파라미터에 따라 달라질 수 있다.Poled BPCF-PNGs performance was evaluated with the same force (Fig. 3(e,f)). The improved output (47V, 180nA) for the 25 wt% BPCF-PNG was due to the improved dipole orientation resulting in improved permanent polarization. BPCF PNG-output performance can also vary depending on other parameters, including particle shape, size BPCF, electric dipole orientation, P r, the support polymer, filler amount, film thickness and the device active region.

도 3과 관련한 참조 도면 13을 참조하면, 도 13 (b,c)는 폴링된 BPCF-PNG(25 중량%)의 힘-의존 (2, 4, 6N) 전기 출력을 나타낸다. 적용된 힘이 2N에서 4N으로 증가하면 출력은 (47V, 180nA)에서 (56V, 220nA)로 증가하였다. 힘의 추가적인 증가는 출력에 영향을 미치지 않았으며. 이는 4N이 BPCF-PNG에 대한 최적의 적용 힘임을 나타냈다. 순간 전력 밀도를 계산하기 위해서 로드 저항 분석 (100KΩ ~ 10GΩ)을 수행하였다(도 3g). Referring to reference figure 13 in conjunction with Figure 3, Figure 13 (b,c) shows the force-dependent (2, 4, 6N) electrical output of polled BPCF-PNG (25 wt %). As the applied force increased from 2N to 4N, the output increased from (47V, 180nA) to (56V, 220nA). Further increase in force did not affect the output. This indicated that 4N was the optimal applied force for BPCF-PNG. To calculate the instantaneous power density, load resistance analysis (100KΩ to 10GΩ) was performed (FIG. 3g).

BPCF-PNG는 최적의 저항인 300M의 로드 정합저항에서 12.7mW/m2의 최대 전력 밀도를 생성하였다. 제안된 BPCF-PNG 장치와 기타 장치와의 성능을 비교하면(표 S1) 실시간 적용에 적합하다는 것을 알 수 있다. 로드 정합, 충전/방전 및 안정성은 상용 장치의 필수 특성이다. 상용 전해 커패시터(0.1, 0.22, 1, 2.2 및 4.7 μF)의 충전/방전 거동은 BPCF-PNG 출력에 의해 최대 100 초까지 평가되었다(도 13(d,e)). 상응하는 저장된 에너지(Ec = ½ CV2)가 도 3h에 도시되어 있다. 상용 0.1 μF 커패시터는 80초 동안 0.98 mJ의 에너지를 저장하였다. BPCF-PNG produced a maximum power density of 12.7 mW/m 2 at a load matching resistance of 300 M, which is an optimal resistance. Comparing the performance of the proposed BPCF-PNG device with other devices (Table S1), it can be seen that it is suitable for real-time application. Load matching, charge/discharge and stability are essential characteristics of commercial devices. The charge/discharge behaviors of commercial electrolytic capacitors (0.1, 0.22, 1, 2.2 and 4.7 μF) were evaluated up to 100 s by BPCF-PNG output (Fig. 13(d,e)). The corresponding stored energy (E c =½ CV 2 ) is shown in FIG. 3H . A commercial 0.1 μF capacitor stored 0.98 mJ of energy for 80 s.

도 3i는 2,000초 이상의 장치 출력 내구성을 나타낸다. 출력전압의 변화가 없다는 것은 장치가 실시간 적용에 매우 적합하다는 것을 의미한다. 또한, BPCF-PNG 장치는 손가락-태핑(18V, 60nA), 손-태핑(30V, 120nA) 및 발-태핑(38V, 160nA)에 의해 생성된 생체역학적 힘을 활용하도록 시험되었다. 그 결과를 도 14(a-c)에 나타냈다. 이 결과는 제안된 장치가 일상적인 인간 운동에서 에너지를 이용할 수 있음을 확인한다. 도 3j는 BPCF-PNG에 손-힘을 적용시 상용 LEDs/LCDs의 전원공급을 보여준다.3I shows the device output endurance of over 2,000 seconds. No change in output voltage means that the device is well suited for real-time applications. In addition, the BPCF-PNG device was tested to utilize the biomechanical forces generated by finger-tapping (18V, 60nA), hand-tapping (30V, 120nA) and foot-tapping (38V, 160nA). The results are shown in Figs. 14(a-c). This result confirms that the proposed device can utilize energy in daily human exercise. Figure 3j shows the power supply of commercial LEDs/LCDs when hand-force is applied to the BPCF-PNG.

도 4는 실시간 온도 환경 모니터링 시스템 구현에 대한 예시도를 도시한 것이다.4 shows an exemplary diagram for implementing a real-time temperature environment monitoring system.

구체적으로, 도 4. (a) 자체 구동 가요성 강유전체 고온 서미스터(SP-FHTT) 및 제안된 비상 경보 시스템의 개략도. (b) 4N 힘을 가했을 때 SP-FHTT의 온도-의존 출력. (c) 온도의 함수로서 SP-FHTT의 누적 피크-피크 전압 응답. (d-f) Bi4Ti3O12 필름의 단면 이미지와 실온 및 260

Figure 112021036123417-pat00010
에서의 표면 형태. (g) 실험 SP-FHTT/비상 시스템의 광학 이미지. (h-k) 비상 경보 시스템의 두 가지 작동 조건 및 표시되는 메시지. (i) 40
Figure 112021036123417-pat00011
미만(녹색 LED 켜짐) 및 (ii) 40℃ 초과(빨간색 LED 켜짐) 동작을 예시하고 있다.Specifically, Fig. 4. (a) Schematic diagram of a self-driven flexible ferroelectric high temperature thermistor (SP-FHTT) and the proposed emergency alarm system. (b) The temperature-dependent output of the SP-FHTT when a 4N force is applied. (c) Cumulative peak-to-peak voltage response of SP-FHTT as a function of temperature. (df) Cross-sectional images of Bi 4 Ti 3 O 12 films at room temperature and 260
Figure 112021036123417-pat00010
surface morphology in (g) Optical image of the experimental SP-FHTT/emergency system. (hk) The two operating conditions of the emergency alarm system and the messages displayed. (i) 40
Figure 112021036123417-pat00011
Below (green LED on) and (ii) above 40°C (red LED on) are illustrated.

일상생활에서 친환경적이고 비용-효율적인 방식으로 온도를 정확하고 민감하게 모니터링하는 것이 중요하다. (도 4a). 아르뒤노 회로와 연결된 SP-FHTT(Self-Powered flexible ferroelectric high-temperature thermistors(자가발전식 강유전체 고온서미스터:SP-FHTT)는 재난 발생시 피해관리 및 생명을 구하기 위한 산업 또는 가정의 조기경보 시스템으로 사용될 수 있다. In everyday life, it is important to accurately and sensitively monitor temperature in an environmentally friendly and cost-effective way. (Fig. 4a). SP-FHTT (Self-Powered flexible ferroelectric high-temperature thermistors (SP-FHTT) connected to the Arduino circuit) can be used as an early warning system in the industry or home to manage damage and save lives in the event of a disaster. have.

SP-FHTT의 자세한 제조 절차는 실험 섹션에 나와 있다. The detailed preparation procedure of SP-FHTT is given in the experimental section.

BPCF-PNG는 실온 내지 260℃ 범위의 온도에서 FHTT를 구동하기 위해 독립적인 전기 에너지 원으로 작용하였다. 얻어진 전압 응답은 도 4b에 제시되어 있다. 실온에서, FHTT 피크-피크 전압은 BPCF-PNG 출력(1 GΩ에서 4N의 가해진 힘 하에서)보다 높았으며, 이는 FHTT가 높은 내부저항(TΩ)을 가지고 있음을 의미한다. BPCF-PNG served as an independent electrical energy source to drive FHTT at temperatures ranging from room temperature to 260°C. The obtained voltage response is presented in Fig. 4b. At room temperature, the FHTT peak-to-peak voltage was higher than that of the BPCF-PNG output (under an applied force of 4 N at 1 GΩ), indicating that the FHTT has a high internal resistance (TΩ).

여기서 SP-FHTT에 대해 두 가지 종류의 전압 피크 패턴이 관찰된다. 영역-I(실온 ~ 120℃)는 FHTT의 온도-의존 저항의 변화가 적기 때문에 양-음의 전압 피크 변화가 최소임을 나타낸다. 한편, 양의 피크를 나타내는 SP-FHTT는 도 4b에 도시된 바와 같이 음의 피크에 비해 매우 높기 때문에 FHTT(가변 로드 저항)의 내부 임피던스는 기가-옴보다 훨씬 높을 수 있다. 영역-II(120℃ 이상)의 경우 SP-FHTT의 양 및 음의 피크 생성 차이가 줄어들고 FHTT의 온도-의존 저항의 상당한 변동으로 인해 이들 사이에서 균일한 변화가 달성된다(가변 저항기처럼). SP-FHTT의 온도 의존적 누적 피크-피크 전압은 비선형 응답(도 4c)과 넓은 작동 온도 범위(윈도우)를 가졌다. Here, two kinds of voltage peak patterns are observed for SP-FHTT. Region-I (room temperature ~ 120 °C) indicates that the change in the temperature-dependent resistance of the FHTT is small, so the change in the positive-negative voltage peak is minimal. On the other hand, since SP-FHTT showing a positive peak is very high compared to a negative peak as shown in FIG. 4B , the internal impedance of FHTT (variable load resistance) may be much higher than giga-ohm. For region-II (above 120°C), the difference in generation of positive and negative peaks in SP-FHTT is reduced and a uniform change is achieved between them (like a variable resistor) due to the significant variation in the temperature-dependent resistance of FHTT. The temperature-dependent cumulative peak-to-peak voltage of SP-FHTT had a nonlinear response (Fig. 4c) and a wide operating temperature range (window).

FHTT의 활성 필름 두께는 20μm이었으며 Bi4Ti3O12 NPs 입자(도 15는 EDS 매핑을 나타냄)가 캡톤 필름 전체에 균일하게 분포되었다(도 4(d,e)). SP-FHTT 응답은 ±100V의 DC 바이어스 전압에서 FHTT의 온도-의존 I-V 응답과 잘 일치하였다(도 1(d,e) 및 도 9). 고온 실리콘 오일의 다중 고온 측정으로 활성층의 표면 형태가 약간 변경되었다(도 4f).The active film thickness of FHTT was 20 μm, and Bi 4 Ti 3 O 12 NPs particles (FIG. 15 shows EDS mapping) were uniformly distributed throughout the Kapton film (FIG. 4(d,e)). The SP-FHTT response was in good agreement with the temperature-dependent IV response of the FHTT at a DC bias voltage of ±100 V (Fig. 1(d,e) and Fig. 9). Multiple high-temperature measurements of high-temperature silicone oil slightly changed the surface morphology of the active layer (Fig. 4f).

SP-FHTT는 아르뒤노 회로와 LED/알람 표시기를 연결하여 환경온도 조기 경보 시스템/모니터로 사용될 수 있다(도 4g). 아르뒤노 회로는 다음 두 가지 작동조건으로 프로그래밍되었다: FHTT의 주변온도가 40℃보다 낮을 때마다 녹색 LED가 켜지고(알람 OFF), 주변 온도가 40℃보다 높을 때마다 빨간색 LED가 켜진다(알람 ON)(도 4(h,i)). 동시에 모니터링 디스플레이에 위험을 나타내는 팝업 메시지가 표시된다(도 4(j,k)). SP-FHTT can be used as an environmental temperature early warning system/monitor by connecting an Arduino circuit and an LED/alarm indicator (Fig. 4g). The Arduino circuit is programmed with the following two operating conditions: the green LED turns on whenever the ambient temperature of the FHTT is lower than 40 °C (alarm OFF), and the red LED turns on whenever the ambient temperature is higher than 40 °C (alarm ON). (Fig. 4(h,i)). At the same time, a pop-up message indicating the hazard is displayed on the monitoring display (Fig. 4(j,k)).

이 두 가지 작동조건은 BPCF-PNG 출력이 자체 전원공급 FHTT 센서를 구동할 때마다 유효하다. FHTT의 작동온도는 저항값에 영향을 미치며 해당 전압변화는 아르뒤노 회로를 직접 제어한다. 그 다음, 아르뒤노 회로는 CPNG 장치에서 수신 한 전압에 따라 명령신호를 모니터링/표시 장치로 보낸다. 이 센서는 강유전체 Bi4Ti3O12 NPs가 독립형 전원 및 고온 서미스터로서 이중 기능을 가지고 있음을 보여준다. 우리의 결과를 검증하기 위해서, FHTT 대신 사용되는 상용 NTC 서미스터는 CPNG 장치 출력에 의해 구동된다(도 S11 및 S12). 상용 NTC 서미스터 (ND03U00105J) 출력 변형은 SP-FHTT 결과와 잘 일치하였다. 또한, 제안된 FHTT는 기존의 상용 NTC 서미스터(145℃)보다 넓은 작동 온도범위(최대 260℃)를 가지고 있다. 우리의 장치 성능은 Bi4Ti3O12 NPs를 기반으로 하는 비용 효율적인 강유전체 서미스터가 상용화할 준비가 되었음을 입증하였다.These two operating conditions are valid whenever the BPCF-PNG output drives a self-powered FHTT sensor. The operating temperature of the FHTT affects the resistance value, and the voltage change directly controls the Arduino circuit. Then, the Arduino circuit sends a command signal to the monitoring/display device according to the voltage received from the CPNG device. This sensor demonstrates that the ferroelectric Bi 4 Ti 3 O 12 NPs have dual functions as stand-alone power supply and high-temperature thermistors. To validate our results, a commercial NTC thermistor used instead of FHTT is driven by the CPNG device output (Figs. S11 and S12). The commercial NTC thermistor (ND03U00105J) output variation was in good agreement with the SP-FHTT result. In addition, the proposed FHTT has a wider operating temperature range (up to 260°C) than the conventional commercial NTC thermistor (145°C). Our device performance demonstrated that cost-effective ferroelectric thermistors based on Bi 4 Ti 3 O 12 NPs are ready for commercialization.

도 5는 도 4 a에서 상술한 저전력 소비 실시간 긴급 경보 시스템을 위한 Bi4Ti3O12 나노입자 이중 기능 (에너지 변환, 서미스터)의 향상된 강유전체 설명을 도시한 것이다. 5 shows an improved ferroelectric description of Bi 4 Ti 3 O 12 nanoparticles dual function (energy conversion, thermistor) for the low power consumption real-time emergency alert system described above in FIG. 4a.

4.참조_보조설명 파트4. Reference_Auxiliary explanation part

이하에서는, 상술한 도 1 내지 도 5에 적용되는 개념을 설명하기 위한 보조설명(SI: supporting information)을 위한 참조 도면(도 6 내지 도 17)이다.Hereinafter, it is a reference drawing (FIGS. 6 to 17) for auxiliary explanation (SI: supporting information) for explaining the concept applied to the above-described FIGS. 1 to 5 .

도 6은 Bi4Ti3O12 NPs의 졸-겔 합성을 나타내는 합성 공정 개념도다. 도 7은 PVDF 및 BPCFs의 제조를 설명하는 제조 공정 개념도이다. 도 8은 대칭전극 MSM 구조의 바이어스 전압 의존 전도성에 대한 에너지 밴드 다이어그램을 도시한다.6 is a conceptual diagram of a synthesis process showing the sol-gel synthesis of Bi 4 Ti 3 O 12 NPs. 7 is a manufacturing process conceptual diagram illustrating the preparation of PVDF and BPCFs. 8 shows an energy band diagram for bias voltage dependent conductivity of a symmetrical MSM structure.

도 9는 고정 바이어스에서 FHTT의 온도-의존 I-V 측정을 제공한다. 도 10은 상이한 전기장/주파수 조건에서 Bi4Ti3O12 펠릿의 P-E 루프 측정을 나타낸다. 도 11은 BPCF의 구조적, 기능적 및 강유전성 분석을 제공한다. 도 12은 BPCF-PNGs의 에너지 하베스팅 분석 및 작동 메카니즘을 제공한다. 도 13은 BPCF-PNG(25 중량%) 및 커패시터 충전에 대한 분석을 제공한다. 도 14는 BPCF-PNG(25 중량%)를 사용한 하네싱(harnessing) 생체역학적 에너지를 도시한다. 도 15는 Bi4Ti3O12 필름의 형태학적 분석이다. 도 16은 상용 NTC 서미스터로 만든 자체 전원 서미스터를 나타낸다. 도 17은 상용 NTC 기반 조기경보/모니터링 시스템을 나타낸다. 표 S1은 제안된 BPCF-PNG의 성능을 이전에 보고된 데이터와 비교한다.9 provides a temperature-dependent IV measurement of FHTT at fixed bias. 10 shows PE loop measurements of Bi 4 Ti 3 O 12 pellets under different electric field/frequency conditions. 11 provides structural, functional and ferroelectric analysis of BPCF. Figure 12 provides the energy harvesting analysis and mechanism of action of BPCF-PNGs. Figure 13 provides an analysis of BPCF-PNG (25 wt %) and capacitor charge. 14 depicts harnessing biomechanical energy using BPCF-PNG (25 wt %). 15 is a morphological analysis of a Bi 4 Ti 3 O 12 film. 16 shows a self-powered thermistor made from a commercial NTC thermistor. 17 shows a commercial NTC-based early warning/monitoring system. Table S1 compares the performance of the proposed BPCF-PNG with previously reported data.

도 8은 강유전체의 전자 전송공정을 설명하깅 위한 것으로, 대칭전극 MSM 구조의 바이어스 전압 의존 전도성에 대한 에너지 밴드 다이어그램을 도시한 것이다.8 is for explaining the electron transport process of a ferroelectric, and shows an energy band diagram for the bias voltage-dependent conductivity of a symmetric electrode MSM structure.

구체적으로, 도 8은 대칭 전극 MSM 구조의 바이어스 전압 의존 전도성에 대한 에너지 밴드 다이어그램의 도면: (i) 전자가 왼쪽에서 터널링함. (ii) 강유전 효과로 인한 내장 전도성. (iii) 전자가 오른쪽에서 터널링함(인가된 바이어스 전압이 오른쪽 전극이고 왼쪽 전극이 접지에 연결되어 있다고 가정)을 도시한 것이다. (Vacuum : 진공, Ferroelectric, P-type : 강유전체 , P-형)Specifically, FIG. 8 is a diagram of an energy band diagram for bias voltage dependent conductivity of a symmetric electrode MSM structure: (i) electrons tunneling from the left. (ii) Built-in conductivity due to ferroelectric effect. (iii) shows electrons tunneling from the right side (assuming the applied bias voltage is the right electrode and the left electrode connected to ground). (Vacuum: vacuum, Ferroelectric, P-type: ferroelectric, P-type)

이 경우, 이 아닌 전기 극성이 p-형 Bi4Ti3O12 물질의 전도대에서 소수의 추가 전자를 반사할 가능성이 있을 수 있다. 양의 바이어스 전압 동안 전자는 금속 표면에서 Bi4Ti3O12 (오른쪽에서 왼쪽)로 이동하고 전류는 반대 방향으로 흐른다. 오른쪽 금속 전극은 양의 전압에 연결되고 왼쪽 금속은 음의 단자에 연결되거나 접지되기 때문이다. 유사하게, 음의 전압 동안, 전자는 도 S3에 도시된 바와 같이 왼쪽 금속 표면으로부터 Bi4Ti3O12 (왼쪽에서 오른쪽)로 전달 될 것이다. Bi4Ti3O12의 전체 전도 공정을 나타내기 위해 이온 및 전자 전도 메카니즘 모두가 적용 가능하다. 재료 처리공정에서 생성된 Bi 결핍 및 산소 공석으로 시작되는 산화물 이온 전도는 아래의 크뢰거 빙크(Krφger-Vink) 방정식 1 및 2를 이용하여 설명될 수 있다.In this case, it may be possible that the electrical polarity of the p-type Bi 4 Ti 3 O 12 material reflects a small number of additional electrons in the conduction band. During a positive bias voltage, electrons move from the metal surface to Bi 4 Ti 3 O 12 (right to left) and the current flows in the opposite direction. This is because the right metal electrode is connected to the positive voltage and the left metal is connected to the negative terminal or grounded. Similarly, during negative voltage, electrons will be transferred from the left metal surface to Bi 4 Ti 3 O 12 (left to right) as shown in Fig. S3. Both ion and electron conduction mechanisms are applicable to represent the overall conduction process of Bi 4 Ti 3 O 12 . Oxide ion conduction initiated by Bi deficiency and oxygen vacancies generated in the material processing process can be explained using the Krøger-Vink equations 1 and 2 below.

Figure 112021036123417-pat00012
Figure 112021036123417-pat00012

이하에서는, 본 발명의 실시예에서 상술한 연성 강유전체 고온 서미스터(flexible ferroelectric high-temperature thermistors (FHTTs)의 파라미터와 관련한 정의 설명 및 수식 설명을 하기로 한다.Hereinafter, definitions and formulas related to parameters of flexible ferroelectric high-temperature thermistors (FHTTs) described above in the embodiment of the present invention will be described.

FHTT 파라미터 계산FHTT parameter calculation

서미스터 상수 (β) :Thermistor constant (β):

서미스터 재료/구성 요소의 신뢰성은 감도지수라고도 하는 서미스터 상수 (b)를 이용하여 추정할 수 있다. 재료의 온도 의존 저항을 계산하는 것은 중요한 파라미터이다. β 값은 다음 식을 이용하여 평가된다.The reliability of the thermistor material/component can be estimated using the thermistor constant (b), also known as the sensitivity index. Calculating the temperature dependent resistance of a material is an important parameter. The β value is evaluated using the following equation.

Figure 112021036123417-pat00013
Figure 112021036123417-pat00013

여기서 T1과 T2는 서로 다른 두 온도(켈빈(K))이고, RT1과 RT2는 상응하는 저항(옴(Ω))이다.where T 1 and T 2 are two different temperatures in Kelvin (K), and RT 1 and RT 2 are the corresponding resistances (ohms (Ω)).

예를 들어 :For example :

두 가지 상이한 온도 25℃와 260℃를 고려하고 저항의 변화는 다음과 같다(I-V 분석). Considering two different temperatures 25°C and 260°C, the change in resistance is as follows (I-V analysis).

Figure 112021036123417-pat00014
Figure 112021036123417-pat00014

식(1)의 도움으로 계산된 β값은 다음과 같다:The value of β calculated with the help of equation (1) is:

β(25-260) = 5119.50 Kβ (25-260) = 5119.50 K

마찬가지로 다양한 온도 범위를 고려하여 다양한 서미스터 상수를 평가하고 그 값을 다음과 같이 표로 나타냈다.Similarly, various thermistor constants were evaluated considering various temperature ranges and their values were tabulated as follows.

Figure 112021036123417-pat00015
Figure 112021036123417-pat00015

스타인-하트 방정식(S-H) : Stein-Hart Equation (S-H):

S-H 방정식은 서미스터 재료의 저항(R)과 작동온도(T) 범위 사이의 관계를 만드는 데 유용하다. S-H 계수 a, bc는 저항의 온도계수(a) 및 서미스터 상수 (b)와 달리 개별 서미스터에 대한 상수이므로 재료상수로 간주해서는 안 된다. 이 방정식은 서미스터의 전체 범위에서 3개의 온도 포인트와 저항으로 사용된다. 저항의 값은 일반적으로 시작, 작동범위의 중간 및 끝에서 취해진다. 이는 서미스터의 전체 작동범위에서 최상의 결과를 제공한다. S-H 계수는 3개의 데이터 포인트만으로 서미스터의 전체범위에 대해 T와 R 사이의 최상의 근사치를 제공한다. S-H 방정식의 일반적인 형태는 다음과 같다.The SH equation is useful for making the relationship between the resistance (R) of a thermistor material and the range of its operating temperature (T). The SH coefficients a, b and c are constants for individual thermistors, unlike the temperature coefficient of resistance (a) and the thermistor constant (b), and should not be considered material constants. This equation is used as the resistance and three temperature points over the full range of the thermistor. Values of resistance are usually taken at the beginning, middle and end of the operating range. This gives the best results over the full operating range of the thermistor. The SH factor gives the best approximation between T and R over the full range of the thermistor with only three data points. The general form of the SH equation is

Figure 112021036123417-pat00016
Figure 112021036123417-pat00016

용어

Figure 112021036123417-pat00017
Figure 112021036123417-pat00018
는 다른 계수보다 훨씬 작으며 일반적으로 계산에서 무시된다. 따라서 스타인하트-하트 계수는 다음 방정식을 사용하여 도출되었다.Terms
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Figure 112021036123417-pat00018
is much smaller than the other coefficients and is usually ignored in calculations. Therefore, the Steinhart-Hart coefficient was derived using the following equation.

Figure 112021036123417-pat00019
Figure 112021036123417-pat00019

상기 식에서, "T"는 켈빈 도로 표시된 각도이고, "A", "B" 및 "C"는 다음과 같이 유도된 계수이다. where "T" is the angle in degrees Kelvin, and "A", "B" and "C" are coefficients derived as follows.

Figure 112021036123417-pat00020
Figure 112021036123417-pat00020

여기서,here,

Figure 112021036123417-pat00021
Figure 112021036123417-pat00021

계산된 값은 S-H 계수를 알아내기 위해 아래 방정식에 직접 적용되었다.The calculated values were directly applied to the equation below to find the S-H coefficient.

Figure 112021036123417-pat00022
Figure 112021036123417-pat00022

제안된 FHTT 저항은 3 가지 온도 조건에서 측정되었으며 해당 값은 다음과 같다: The proposed FHTT resistance was measured under three temperature conditions and the corresponding values were as follows:

Figure 112021036123417-pat00023
Figure 112021036123417-pat00023

위의 방정식에서 이러한 값을 적용하면 FHTT의 유도된 S-H 계수는 다음과 같다.Applying these values from the above equation, the derived S-H coefficient of FHTT is

A=5.381224eA=5.381224e -3-3

B=-2.814078eB=-2.814078e -4-4

C= 2.608939eC= 2.608939e -7-7

상기 S-H 계수는 원하는 온도에서 저항을 유도하고 그 반대로 유도하는데 잠재적으로 유용하다.The S-H coefficient is potentially useful for deriving resistance at a desired temperature and vice versa.

저항 온도계수 TCR(α)Temperature coefficient of resistance TCR(α)

온도 변화의 정도 또는 켈빈 당 서미스터 저항 변동 요소의 변화는 저항 온도계수(α)라고 하며 일반적으로 %/℃ 또는 %/K로 표시된다. 재료의 서미스터 상수(β)로부터 저항의 온도계수(α)는 다음 식을 이용하여 유도될 수 있다.The degree of temperature change, or change in the thermistor resistance fluctuation component per Kelvin, is called the temperature coefficient of resistance (α) and is usually expressed in %/°C or %/K. From the thermistor constant (β) of the material, the temperature coefficient of resistance (α) can be derived using the following equation.

Figure 112021036123417-pat00024
Figure 112021036123417-pat00024

상기 식에서, β = 서미스터 상수(K)이고, T = 온도(K)이다.where β = thermistor constant (K) and T = temperature (K).

상기 식에서, 다음 값이 적용된다.In the above formula, the following values apply.

β = 5119.50 K 및 T = 25 +273.15 = 298.15 Kβ = 5119.50 K and T = 25 +273.15 = 298.15 K

온도의 켈빈 변화당 계산된 α는 다음과 같다:Calculated α per Kelvin change in temperature is:

α(

Figure 112021036123417-pat00025
C) = - 5.76 %/ K α(
Figure 112021036123417-pat00025
C) = - 5.76 %/K

음의 TCR 값은 온도 상승에 대한 서미스터 저항 강하(NTC 거동)를 나타낸다. 여기서 α와 β는 모두 개별 서미스터에 따라 달라지는 S-H 계수와 달리 재료상수이다. 서미스터 상수(b)는 S-H 계수를 이용하여 도출할 수 있으며 아래 식을 이용하여 TCR을 얻을 수 있다. A negative TCR value indicates a thermistor resistance drop (NTC behavior) with increasing temperature. Here, α and β are both material constants, unlike the S-H coefficient, which varies with individual thermistors. The thermistor constant (b) can be derived using the S-H coefficient, and TCR can be obtained using the following equation.

Figure 112021036123417-pat00026
Figure 112021036123417-pat00026

열 분산 상수 (δ)Heat dissipation constant (δ)

열 분산상수 δ는 서미스터가 공기 중에서 에너지화될 때 서미스터가 1℃ 가열할 때 필요한 전력량을 나타낸다(mW/℃). 대기온도 (Ta)에서 서미스터에 전력 (W)이 가해지고, 서미스터의 온도가 최종적으로 온도(T)에 도달할 때, 다음 식은 분산상수(δ)를 유도하기 위한 조건으로부터 설정된다.The heat dissipation constant δ represents the amount of power required to heat the thermistor by 1°C when it is energized in air (mW/°C). When electric power (W) is applied to the thermistor at ambient temperature (Ta), and the temperature of the thermistor finally reaches temperature (T), the following equation is set from the conditions for deriving the dispersion constant (δ).

Figure 112021036123417-pat00027
Figure 112021036123417-pat00027

상기 식에서, P = 서미스터의 전력 소비(mW)이고, T = 서미스터 온도(℃)이고, Ta = 주위 온도(℃)이다. 여기에서 P = I 2 R. where P = power consumption (mW) of the thermistor, T = thermistor temperature (°C), and Ta = ambient temperature (°C). where P = I 2 R.

위의 방정식에서 아래 조건을 적용하면, Applying the following conditions to the above equation,

Figure 112021036123417-pat00028
Figure 112021036123417-pat00028

얻어진 열 분산 상수는 다음과 같다:The obtained heat dissipation constant is:

δ = 3.95744 e -5 (mW/C) δ = 3.95744 e -5 (mW/C)

활성화 에너지(Eactivation energy (E aa ) )

FHTT에 의한 온도 감지에 대한 감도는 전기 전도의 Ea에 의해 정의되며, 이는 볼츠만 상수에 전기 저항의 로그 대수 아레니우스 플롯의 기울기(β)와 절대 온도의 역수(ln ρ)를 곱하여 계산된다(도 1h와 같이 1000/T). Ea는 제조된 샘플에서 전하 운반체의 호핑에 필요한 에너지를 반영한다. 일반적으로, 0.15 내지 0.5 eV의 Ea를 갖는 물질은 NTC 서미스터 응용에 적합하다. 활성화 에너지는 다음 방정식을 이용하여 얻어졌다. The sensitivity to temperature sensing by FHTT is the E of electrical conduction.ais defined by the slope (β) of the logarithmic Arrhenius plot of electrical resistance on the Boltzmann constant and the reciprocal of the absolute temperature (lnIt is calculated by multiplying by ρ) (1000/T as in FIG. 1H). Eareflects the energy required for hopping of charge carriers in the prepared sample. Typically 0.15 to 0.5 eV EaMaterials with ? are suitable for NTC thermistor applications. The activation energy was obtained using the following equation.

Figure 112021036123417-pat00029
Figure 112021036123417-pat00029

상기 식에서, kB = 볼츠만 상수(8.6173 10-5 eV/K)이고, β(25/260) = 서미스터 상수(5120 K)이다. 상기 식에서 얻어진 서미스터 상수를 적용함으로써, BiTO 서미스터 활성화 에너지는 다음과 같다: In the above equation, k B = Boltzmann constant (8.6173 10 -5 eV/K) and β (25/260) = thermistor constant (5120 K). By applying the thermistor constant obtained in the above equation, the BiTO thermistor activation energy is:

EE aa = 0.44116422 eV = 0.44116422 eV

도 10을 참조하면, 이는 상이한 조건에서 Bi4Ti3O12 펠릿의 P-E 루프 측정. (a) 50KV/cm 및 2Hz에서 폴링/비폴링된 샘플의 비교. (b) 120 KV/cm 및 1 ~ 200 Hz에서 폴링된 샘플의 주파수-의존 P-E 루프. (c) 5Hz~120KV/cm 및 2Hz에서 폴링된 샘플의 전기장-의존 P-E 루프. (d) 4 Hz 및 5 ~ 120 KV/cm에서 폴링된 샘플의 전기장-의존 P-E 루프. (e) 5Hz ~ 120KV/cm 및 10Hz에서 폴링된 샘플의 전기장-의존 P-E 루프. (f) 계산된 전기장-의존 저항(R), 폴링된 샘플의 저항률(ρ)을 도시한 것이다.Referring to FIG. 10, PE loop measurements of Bi 4 Ti 3 O 12 pellets under different conditions. (a) Comparison of polled/unpolled samples at 50 KV/cm and 2 Hz. (b) Frequency-dependent PE loops of samples polled at 120 KV/cm and 1 to 200 Hz. (c) Electric field-dependent PE loops of samples polled from 5 Hz to 120 KV/cm and 2 Hz. (d) Electric field-dependent PE loops of polled samples at 4 Hz and 5 to 120 KV/cm. (e) Electric field-dependent PE loops of samples polled from 5 Hz to 120 KV/cm and 10 Hz. (f) Shows the calculated electric field-dependent resistance (R), the resistivity (ρ) of the polled sample.

폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF): Polyvinylidene Fluoride (PVDF):

가요성 PVDF는 전기 전도성이 높고 다양한 기술로 쉽게 제조할 수 있다. PVDF는 다음과 같이 상 형태가 다른 다상 중합체 (α, β, γ, δ, ε)이고, β 상(TTTT), 비극성 α 및 사슬 형태의 극성 δ에 대한 모든 트랜스는 (TGTG ') 형태의 트랜스 및 가우 슈를 포함하고, 반면 극성 γ 및 비극성 ε 형태는 (T3GT3G')이며 이들은 각 상의 구조 형태에 따라 다양한 특성을 갖는다. 그 중에서도 β상은 극성이 매우 높고, 단위 셀당 높은 쌍극자 모멘트 (7 × 10-30 C m)로 전기활성이 있으며 압전 응용에 적합하며, 압전적 특성이 합리적인 γ 반 극성인 것으로 알려져 있다.Flexible PVDF has high electrical conductivity and can be easily fabricated by a variety of techniques. PVDF is a polyphasic polymer (α, β, γ, δ, ε) with different phase conformations as follows, and all trans to the β phase (TTTT), non-polar α and polar δ in chain form are (TGTG') form of trans and Gaussian, whereas the polar γ and non-polar ε conformations are (T3GT3G′), which have different properties depending on the structural conformation of each phase. Among them, the β phase has very high polarity, is electroactive with a high dipole moment per unit cell (7 × 10 -30 C m), is suitable for piezoelectric applications, and is known to be γ semipolar with reasonable piezoelectric properties.

도 11은, BPCF의 구조, 기능 및 강유전성 분석. (a) XRD 패턴(삽도: 라만 스펙트럼). (b) PVDF 분말의 FT-IR 스펙트럼, 초음파 처리된 PVDF 및 BPCF 필름. (c) 순수한 PVDF 및 BPCF 필름(비폴링)의 P-E 루프 측정한 것이다.11 is a structure, function and ferroelectric analysis of BPCF. (a) XRD pattern (inset: Raman spectrum). (b) FT-IR spectra of PVDF powder, sonicated PVDF and BPCF films. (c) P-E loop measurements of pure PVDF and BPCF films (non-polling).

가장 이용성이 높고 안정한 PVDF 형태는 비극성 α상이다. 전기 방사 및 도입 이온, 전도성 충전제 및 그래핀, CNT, ZnO와 같은 첨가제처럼 PVDF를 비전기적 활성 상으로부터 전기적 활성 상으로 변환하기 위한 보고서가 많이 있다[6,7]. 가장 간단하고 효과적인 변환방법 중 하나는 초음파 방법이다. 규칙적인 교반 과정과 비교할 때, 초음파 처리는 더 많은 쌍극자 리드를 정렬시키는 것으로 보고된 멤브레인에서 더 나은 분극화를 유도하는데, 이는 개선된 압전 성능의 배후에 있는 이유이다[8]. 여기에서 초음파로 구동되는 PVDF 멤브레인을 사용하여 고성능의 가요성 PNGs용 Bi4Ti3O12 NPs로 복합 필름을 제조하는 데 사용되었다. The most available and stable form of PVDF is the non-polar α phase. There are many reports for converting PVDF from non-electroactive phase to electro-active phase, such as electrospinning and introduced ions, conductive fillers and additives such as graphene, CNT, and ZnO [6,7]. One of the simplest and most effective conversion methods is the ultrasonic method. Compared with the regular stirring process, sonication leads to better polarization in the membrane, which has been reported to align more dipole leads, which is the reason behind the improved piezoelectric performance [8]. Here, an ultrasonically driven PVDF membrane was used to fabricate composite films from Bi 4 Ti 3 O 12 NPs for high-performance flexible PNGs.

BPCF의 XRD, 라만 및 FT-IR 분석 : XRD, Raman and FT-IR analysis of BPCF :

Bi4Ti3O12 NPs에 대한 PVDF의 효과를 확인하기 위해 로딩량을 XRD 및 라만 스펙트럼의 측정에 의해 분석하였다. 도 S6a와 그 삽도는 순수한 Bi4Ti3O12 NPs와 동일한 조건에서 측정된 복합 필름의 XRD와 라만 스펙트럼을 나타낸다. 관찰된 XRD 스펙트럼은, XRD 피크의 강도 감소 및 유사한 종류의 응답이 라만 스펙트럼에서 관찰되는 것을 제외하고는, Bi4Ti3O12 NPs의 상변화가 없고, 강도가 감소되고 약간의 이동을 갖는 Bi4Ti3O12 NPs의 동일한 진동에 대해 설명한다. 이 결과는 PVDF가 Bi4Ti3O12 NPs 구조적 특성에 영향을 미치지 않는다는 것을 확인한다.To confirm the effect of PVDF on Bi 4 Ti 3 O 12 NPs, the loading amount was analyzed by XRD and Raman spectrum measurement. S6a and its inset show the XRD and Raman spectra of the composite film measured under the same conditions as pure Bi 4 Ti 3 O 12 NPs. The observed XRD spectrum shows that there is no phase change of Bi 4 Ti 3 O 12 NPs, except that the intensity reduction of the XRD peak and a similar kind of response are observed in the Raman spectrum, and Bi with reduced intensity and slight shift. The same vibration of 4 Ti 3 O 12 NPs is explained. This result confirms that PVDF does not affect the structural properties of Bi 4 Ti 3 O 12 NPs.

강유전성 PVDF 중합체는 다중 상을 가지므로, PVDF의 상을 식별하기 위해 제조된 순수 필름 및 복합 필름의 기능적 특성을 특성화해야 한다. 상용 PVDF 분말, 초음파 구동 PVDF 및 복합 필름의 FTIR 스펙트럼을 도 S6b에 나타냈다. PVDF 전구체 분말의 FTIR 스펙트럼은 763, 797, 870 및 974 cm-1에서 피크를 나타내고, 이는 PVDF의 지배적인 α상을 갖는다는 것을 시사한다. 초음파 처리된 PVDF 필름 스펙트럼은 α상 피크가 감소하고 840 cm-1에서 발생하는 새로운 피크가 β상의 대표적인 피크에 속한다는 것을 확인하였다. 최근에는 β 및 γ상의 공통 피크로 평가되었으며, 강한 β상 및 γ상의 쇼울더 피크를 주로 나타냈다. 생성되는 β 및 α상의 총 에너지는 상응하게 -23.95 및 -25.21kJ/mol이며, 이는 전기활성 β상이 α상보다 덜 안정적인 것을 말한다. 초음파 처리 과정에서 두 상 사이의 에너지 갭이 감소하여 고 극성 β(TTTT) 상 전환을 유도한다. 전기활성 PVDF에 로딩하는 Bi4Ti3O12 NPs를 첨가해도 중합체 매트릭스에서 Bi4Ti3O12 NP의 스트레스-유발 효과로 인해 약간의 변화로 PVDF의 상이 변하지 않았다. 관찰된 결과로부터, 초음파 방법이 PVDF에서 전기활성 β 및 γ상을 유도하고 복합 멤브레인에서도 전기활성 상이 유지되었음을 확인하였다. 강유전체 Bi4Ti3O12 NPs가 있는 전기활성 PVDF는 전기 성능 개선에 기여할 것으로 예상된다.Since ferroelectric PVDF polymers have multiple phases, it is necessary to characterize the functional properties of the prepared pure films and composite films to identify the phases of PVDF. The FTIR spectra of commercial PVDF powder, ultrasonically driven PVDF and composite film are shown in Fig. S6b. FTIR spectra of PVDF precursor powder show peaks at 763, 797, 870 and 974 cm −1 , suggesting that PVDF has a dominant α phase. The sonicated PVDF film spectrum confirmed that the α-phase peak decreased and a new peak occurring at 840 cm -1 belonged to the representative peak of the β-phase. Recently, it was evaluated as a common peak of the β and γ phases, and the shoulder peaks of the strong β and γ phases were mainly exhibited. The total energies of the β and α phases produced are correspondingly -23.95 and -25.21 kJ/mol, indicating that the electroactive β phase is less stable than the α phase. During sonication, the energy gap between the two phases is reduced, leading to a highly polar β (TTTT) phase transition. Even the addition of Bi 4 Ti 3 O 12 NPs which loads the electroactive polymer on the PVDF matrix Bi 4 Ti 3 O 12 NP stress of - due to the inductive effect of different PVDF not changed by a slight change. From the observed results, it was confirmed that the ultrasonic method induced electroactive β and γ phases in PVDF and that the electroactive phase was maintained in the composite membrane as well. Electroactive PVDF with ferroelectric Bi 4 Ti 3 O 12 NPs is expected to contribute to electrical performance improvement.

BPCF의 강유전체 PE 루프 분석 (non-poled) :Analysis of ferroelectric PE loops in BPCF (non-poled):

준비된 순수한 모든 BPCF 히스테리시스 루프는 실온에서 5Hz의 일정한 주파수에서 측정되었으며, 도 11c에 제공되어 있다. 그 결과는 25 중량% 로딩된 BPCF가 가장 높은 자발적 및 잔류 분극을 나타내고, Bi4Ti3O12 NPs 및 PVDF 분극의 조합 효과에 기인한 것으로 나타났다. 이 경우, Bi4Ti3O12 입자는 중합체 구조의 많은 부분을 변경하지 않고 PVDF 중합체 상에 균일하게 분포되어, 개선된 분극화를 초래하고, 세라믹 입자의 증가는 표면 응집(Bi4Ti3O12 NPs의 30 중량%)을 야기하고 PVDF 구조를 변형시켜 편광을 감소시킨다. 분극의 변화는 장치 에너지 하베스팅 성능에 영향을 미칠 것이다.All prepared pure BPCF hysteresis loops were measured at a constant frequency of 5 Hz at room temperature and are provided in Fig. 11c. The results showed that BPCF loaded with 25 wt% showed the highest spontaneous and residual polarization, which was attributed to the combined effect of Bi 4 Ti 3 O 12 NPs and PVDF polarization. In this case, the Bi 4 Ti 3 O 12 particles are uniformly distributed on the PVDF polymer without changing much of the polymer structure, resulting in improved polarization, and the increase in the ceramic particles causes surface agglomeration (Bi 4 Ti 3 O 12 ). 30 wt% of NPs) and modify the PVDF structure to reduce polarization. Changes in polarization will affect the device energy harvesting performance.

BPCF-PNG 장치의 작동 메카니즘Working mechanism of BPCF-PNG device

도 12는, BPCF-PNGs의 에너지 하베스팅 분석 및 작동 메카니즘을 도시한 것이다. 도 12의 (a,b) 2N 기계적 힘에 대한 비폴링 BPCF-PNGs의 출력전압 및 전류응답. (c) (i) 무력, (ii) 힘을 가함, 및 (iii) 힘 방출 조건과 같은 3 조건에서 BPCF-PNGs 장치의 작동 메카니즘이다.(Voltage : 전압, Current : 전류, Time : 시간, Kapton-Packing : 캡톤-패킹,Copper electrode : 구리 전극,,Piezocomposite film : 압전 복합체 필름, PDMS-Packing : PDMS-패킹,Dipoles : 쌍극자)Figure 12 shows the energy harvesting analysis and operating mechanism of BPCF-PNGs. 12(a,b) Output voltage and current response of non-polling BPCF-PNGs to 2N mechanical force. It is the mechanism of operation of the BPCF-PNGs device in three conditions: (c) (i) force, (ii) applied force, and (iii) force release condition. (Voltage: Voltage, Current: Current, Time: Time, Kapton -Packing: Kapton-Packing,Copper electrode: Copper electrode, Piezocomposite film: Piezoelectric composite film, PDMS-Packing: PDMS-Packing, Dipoles: Dipole)

BPCF-PNG 장치 에너지 생성의 메카니즘은 도 12c에 개략적으로 제시되어 있다. The mechanism of BPCF-PNG device energy generation is schematically presented in Fig. 12c.

도 12c(i)에 나타낸 바와 같이, 초기의 경우 힘을 가하지 않으면서 장치는 임의의 방향으로 기존의 전기 쌍극자를 포함하고 순 전하 이동은 0이다. As shown in Fig. 12c(i), in the initial case with no force applied, the device contains an existing electric dipole in any direction and the net charge transfer is zero.

따라서 CPNG 장치에서 전기적 응답이 관찰되지 않았다. 도 12c(ii)에 나타낸 바와 같이, 가해진 힘으로 인해 장치에 변형이 발생하면 변형 유도효과로 인해 쌍극자가 한 방향으로 정렬되는 경향이 있으며 한 전극에서 다른 전극으로 전하가 이동하여 1/2 사이클로서 CPNG 장치로부터 전기적 응답을 관찰할 수 있게 된다.Therefore, no electrical response was observed in the CPNG device. As shown in Fig. 12c(ii), when a deformation occurs in the device due to the applied force, the dipoles tend to align in one direction due to the deformation-inducing effect, and the charge is transferred from one electrode to the other in a half cycle. It becomes possible to observe the electrical response from the CPNG device.

가해진 힘이 제거될 때, 쌍극자는 도 12c(iii)에 도시된 바와 같이 반대 방향으로 정렬될 것이고, 전하 전달은 역으로 발생하여 전기 응답 출력의 나머지 절반 사이클이 완료된다. 제안된 메카니즘은 지속적으로 발생하며 선형 기계적 힘 하에서 연속적인 전기적 응답을 발생한다.When the applied force is removed, the dipoles will align in opposite directions as shown in Figure 12c(iii), and charge transfer will occur in reverse, completing the other half cycle of the electrical response output. The proposed mechanism is continuous and generates a continuous electrical response under a linear mechanical force.

도 13은 BPCF-PNG 및 커패시터 충전에 대한 힘 분석결과를 도시한 것이다.13 shows the force analysis results for BPCF-PNG and capacitor charging.

도 13의 (a) 1N 힘에 BPCF-PNG (순수 PVDF)의 스위칭 극성 시험. (b,c) 다양한 힘에 대한 BPCF-PNG의 전기적 응답(25 중량%). (d,e) BPCF-PNG(25 중량%) 출력을 이용한 상용 커패시터 충전 및 방전 분석이다.Fig. 13(a) Switching polarity test of BPCF-PNG (pure PVDF) at 1N force. (b,c) Electrical response (25 wt%) of BPCF-PNG to various forces. (d,e) Commercial capacitor charging and discharging analysis using BPCF-PNG (25 wt%) output.

도 14는 BPCF-PNG(25 중량%)를 사용한 생체역학적 에너지 활용으로, (a) 손가락, 손 및 발 태핑과 같은 생체역학적 힘을 적용하는 조건의 이미지. (b,c) 적용된 생체역학적 힘 하에서 측정된 전기적 응답결과를 도시한 것이다.(Finger tapping : 손가락 태핑, Hand tapping : 손 태핑, Leg tapping : 발 태핑, Voltage : 전압 , Time : 시간)14 is a biomechanical energy utilization using BPCF-PNG (25% by weight), (a) an image of the condition of applying a biomechanical force such as finger, hand, and foot tapping. (b,c) Shows the electrical response results measured under the applied biomechanical force. (Finger tapping: Finger tapping, Hand tapping: Hand tapping, Leg tapping: Foot tapping, Voltage: Voltage, Time: Time)

도 15는 본 발명의 실시예서 상술한 Bi4Ti3O12 필름의 형태학적 분석결과로, (a-d) Bi4Ti3O12 필름의 단면 FE-SEM, EDS 매핑은 Bi, Ti 및 O 원소의 분포를 보여준다. 15 is a morphological analysis result of the Bi 4 Ti 3 O 12 film described above in Example of the present invention, (ad) Bi 4 Ti 3 O 12 Cross-sectional FE-SEM, EDS mapping of the film Bi, Ti and O elements show the distribution.

이하에서는, 상용 NTC 서미스터를 사용한 자체 전원 서미스터 시연 (모델 : ND03U00105J)결과를 도시한 것이다.Below, the self-powered thermistor demonstration (model: ND03U00105J) using a commercial NTC thermistor is shown.

도 16은 상용 NTC 서미스터를 사용한 자체 전원 서미스터 시연결과를 도시한 것으로, 도 16의 (a) 자체 전원 서미스터의 개략도 및 조기경보 시스템 개발에 대한 활용. (b) 멀티미터를 사용하여 측정한 상용 NTC (0℃ ~ 145℃)의 온도 의존 저항. (c,d) 전위계를 사용하여 측정한 자체 전원 서미스터[NTCF 서미스터를 구동하는 BCFCF-PNG (25 중량%) 출력]의 온도 의존적 전기 응답결과를 도시한 것이다.16 is a diagram showing the time connection of a self-powered thermistor using a commercial NTC thermistor, and FIG. 16 (a) is a schematic diagram of a self-powered thermistor and its application to development of an early warning system. (b) Temperature dependent resistance of commercial NTC (0°C to 145°C) measured using a multimeter. (c,d) The temperature-dependent electrical response results of the self-powered thermistor [BCFCF-PNG (25 wt%) output driving the NTCF thermistor] measured using an electrometer is shown.

도 16은 상용 NTC-기반 온도 감지 및 모니터링 유닛에 제시된 다양한 유닛의 개략적인 개요를 보여준다. 초기에, 다양한 온도에 대한 NTC 저항을 측정하고 도 S11b에 도시된 바와 같이 작도되었고, NTC는 0℃에서 3.35 MΩ 저항을 가지며, 이는 나중에 NTC의 특성 거동인 145℃에서 0.09 MΩ로 비선형 적으로 떨어졌다. 16 shows a schematic overview of various units presented in a commercial NTC-based temperature sensing and monitoring unit. Initially, the NTC resistance to various temperatures was measured and plotted as shown in Fig. S11b, and the NTC had a resistance of 3.35 MΩ at 0 °C, which later nonlinearly dropped to 0.09 MΩ at 145 °C, the characteristic behavior of NTC. lost.

삽입된 도면은 실리콘 오일의 상용 NTC를 보여준다. 도 4b와 같은 조건에서 CPNG 출력은 FHTT 대신 상용 NTC 만 교체하여 측정하였다. 측정된 전기 출력은 저항과 동일한 전압 출력의 비선형 강하를 보여주는 도 16c에 나타냈다. The inset shows a commercial NTC of silicone oil. CPNG output was measured by replacing only commercial NTC instead of FHTT under the same conditions as in FIG. 4b. The measured electrical output is shown in Fig. 16c showing the non-linear drop of the voltage output equal to the resistance.

얻어진 피크 패턴은 매끄럽고 각 온도에 대한 매우 미세한 변화가 상업적 NTC의 매우 낮은 저항으로 인한 것으로 관찰되었다. 얻어진 온도에 대한 전압 출력을 작도하여 도 S11d에 도시하였다. 이로부터, 제안된 FHTT는 상용 NTC와 비교할 때 각 온도 및 넓은 온도 작동범위에 대해 높은 저항변동의 이점을 가지며, 이는 기존의 상용 NTCs보다 많은 응용 분야에서 사용하기에 유리할 수 있다.The resulting peak pattern was smooth and very minute changes with each temperature were observed due to the very low resistance of commercial NTCs. The voltage output for the obtained temperature was plotted and shown in Fig. S11d. From this, the proposed FHTT has the advantage of high resistance variation for each temperature and wide temperature operating range compared to commercial NTCs, which may be advantageous for use in many applications than conventional commercial NTCs.

도 17은 상용 NTC-기반 조기 경보/모니터링 시스템 시연을 하는 예시를 도시한 것이다. 도 17의 (a) 경고 시스템 설정 이미지. (b) 40℃ 미만에서 모니터링 및 디스플레이 유닛 응답. (c) 50℃ 이상에서 모니터링 및 디스플레이 유닛 응답. (d) 다양한 온도 조건에서 디스플레이 유닛 상태를 도시한 것이다.(Interfacing & Communication Unit : 인터페이싱/통신 유닛 , Monitoring Unit : 모니터링 유닛, Green LED On & Buzzer off : 녹색 LED On & 버저 Off )17 shows an example demonstrating a commercial NTC-based early warning/monitoring system. 17 (a) A warning system setting image. (b) Monitoring and display unit response below 40°C. (c) Monitoring and display unit response above 50°C. (d) It shows the status of the display unit under various temperature conditions. (Interfacing & Communication Unit: Interfacing/Communication Unit, Monitoring Unit: Monitoring Unit, Green LED On & Buzzer off: Green LED On & Buzzer Off)

{표 4:BPCF-PNG 전기 응답의 비교}{Table 4: Comparison of BPCF-PNG Electrical Responses}

Figure 112021036123417-pat00030
Figure 112021036123417-pat00030

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.Although the preferred embodiment of the present invention has been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and improvements by those skilled in the art using the basic concept of the present invention as defined in the following claims are also provided. is within the scope of the

Flexible Bi4Ti3O12 NPs film/Kapton : 연성 Bi4Ti3O12 NPs 필름/캡톤
Perovskite ferroelectric nanoparticles : 페로브스카이트 강유전성 나노입자
Flexible ferroelectric high temperature thermistor : 연성 강유전성 고온 서미스터
Region : 영역
Voltage : 전압
Time (s) : 시간(초)
Alert signals : 경보 신호
Safety signal : 안전 신호
Danger signal : 위험 신호
Warning system : 경고 시스템
Flexible : 연성
Nanogenerator : 나노제네레이터
Power density : 전력 밀도
Load Resistance : 로드 저항
Flexible Bi 4 Ti 3 O 12 NPs film/Kapton : Flexible Bi 4 Ti 3 O 12 NPs film/Kapton
Perovskite ferroelectric nanoparticles : Perovskite ferroelectric nanoparticles
Flexible ferroelectric high temperature thermistor
Region : Region
Voltage : voltage
Time (s) : Time (seconds)
Alert signals: Alert signals
Safety signal : Safety signal
Danger signal : Danger signal
Warning system: warning system
Flexible: ductility
Nanogenerator : Nanogenerator
Power density : power density
Load Resistance: load resistance

Claims (8)

삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete a) 비스무트 티타네이트(bismuth titanate; Bi4Ti3O12)를 형성하기 위해 전구체 물질과 용매와 혼합하여 혼합물질을 합성하는 단계;
b) 상기 혼합물질을 비스무트 티타네이트 나노파티클(Bi4Ti3O12 NPs)로 형성하기 위해 소성하는 단계;
c) PVDF 용액에 상기 비스무트 티타네이트 나노파티클 (Bi4Ti3O12 NPs)를 첨가한 혼합물을 건조하여, 복합필름(Bi4Ti3O12 NPs/PVDF composite films :BPCF)을 형성하는 단계;
d) 상기 복합필름을 절단하여 단위복합필름을 형성하고, 상기 단위복합필름의 양면에 구리(Cu) 막을 적층하는 단계; 를 포함하고
상기 d)단계 이후에,
e) 상기 구리막 중 상부 구리막의 상부에 절연 PDMS 중합체층을 형성하고, 하부 구리막 하부에 캡톤(Kapton) 필름층을 형성하는 단계; 를 더 포함하는 비스무트 티타네이트 적용 복합 필름-기반 압전 나노제너레이터의 제조방법에 의해 제조되는 비스무트 티타네이트 적용 복합 필름-기반 압전 나노제너레이터.
a) synthesizing a mixture by mixing a precursor material and a solvent to form bismuth titanate (Bi 4 Ti 3 O 12 );
b) calcining the mixture to form bismuth titanate nanoparticles (Bi 4 Ti 3 O 12 NPs);
c) drying a mixture obtained by adding the bismuth titanate nanoparticles (Bi 4 Ti 3 O 12 NPs) to a PVDF solution to form a composite film (Bi 4 Ti 3 O 12 NPs/PVDF composite films: BPCF);
d) cutting the composite film to form a unit composite film, and laminating a copper (Cu) film on both surfaces of the unit composite film; includes
After step d),
e) forming an insulating PDMS polymer layer on an upper copper film of the copper film, and forming a Kapton film layer on a lower portion of the lower copper film; A bismuth titanate-applied composite film-based piezoelectric nanogenerator manufactured by a method of manufacturing a bismuth titanate-applied composite film-based piezoelectric nanogenerator further comprising a.
온도 관련 정보를 센싱하는 센싱유닛;
상기 센싱유닛에서 전송하는 정보를 수집하고, 처리하여 외부 단말에 제어신호를 송신하는 인터페이스를 포함하는 제어유닛;
상기 제어유닛의 제어신호에 따라 설정된 발광 또는 음성 신호를 송출하는 모니터링유닛; 및
상기 센싱유닛과 제어유닛 및 모니터링 유닛의 동작 상황을 디스플레이하는 디스플레이유닛;을 포함하며,
상기 센싱유닛은,
고결정성 강유전체 Bi4Ti3O12 나노입자를 연성 캡톤 필름(flexible Kapton film) 상에 브러시-코팅한 구조물을 포함하는 비스무트 티타네이트 기반 연성 강유전체 서미스터 장치(FHTT); 및
PVDF 용액에 상기 비스무트 티타네이트 나노파티클 (Bi4Ti3O12 NPs)를 첨가한 혼합물을 건조하여 제조되는, 복합필름(Bi4Ti3O12 NPs/PVDF composite films: BPCF) 을 절단하여 단위복합필름을 형성하고, 상기 단위복합필름의 양면에 구리(Cu) 막을 적층된 구조를 가지며, 상기 비스무트 티타네이트 기반 연성 강유전체 서미스터 장치와 병렬 연결된 구조인 복합 필름-기반 압전 나노제너레이터(BPCF-PNG);
를 포함하는 자가 발전 구조의 실시간 환경 온도 모니터링 시스템.
a sensing unit for sensing temperature-related information;
a control unit including an interface for collecting and processing information transmitted from the sensing unit and transmitting a control signal to an external terminal;
a monitoring unit that transmits a light-emitting or audio signal set according to a control signal of the control unit; and
and a display unit for displaying the operation status of the sensing unit, the control unit, and the monitoring unit.
The sensing unit is
a bismuth titanate-based flexible ferroelectric thermistor device (FHTT) comprising a structure in which highly crystalline ferroelectric Bi4Ti3O12 nanoparticles are brush-coated on a flexible Kapton film; and
A composite film (Bi 4 Ti 3 O 12 NPs/PVDF composite films: BPCF) prepared by drying a mixture obtained by adding the bismuth titanate nanoparticles (Bi4Ti3O12 NPs) to a PVDF solution is cut to form a unit composite film, a composite film-based piezoelectric nanogenerator (BPCF-PNG) having a structure in which a copper (Cu) film is laminated on both sides of the unit composite film and having a structure connected in parallel with the bismuth titanate-based flexible ferroelectric thermistor device;
A real-time environmental temperature monitoring system of a self-generation structure comprising a.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20190119471A (en) * 2018-04-12 2019-10-22 제주대학교 산학협력단 Yarn type piezoelectric nanocomposite, breath sensor comprising of the same, and preparation method of the yarn type piezoelectric nanocomposite

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20190271684A1 (en) * 2003-04-28 2019-09-05 Invoy Holdings, Llc Thermoelectric sensor for analytes in a gas and related method
KR101504429B1 (en) 2013-09-02 2015-03-19 엘에스산전 주식회사 Temperature measuring apparatus using negative temperature coefficient thermistor
KR20190119471A (en) * 2018-04-12 2019-10-22 제주대학교 산학협력단 Yarn type piezoelectric nanocomposite, breath sensor comprising of the same, and preparation method of the yarn type piezoelectric nanocomposite

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