KR102465218B1 - Piezoelectric organic-inorganic hybrid nanoparticles manufacturing method and piezoelectric application products using the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 압전 물질 및 그 제조방법에 대한 것으로, 보다 구체적으로는 압전 무기 나노입자 표면에 압전 고분자로 코팅층을 형성함으로써 친유기화시킴으로써 고분자 매트릭스와의 분산성을 향상시킨 압전 유-무기 하이브리드 나노입자, 그 제조방법, 상기 압전 유-무기 하이브리드 나노입자를 포함하는 PVDF계 고분자박막 및 상기 고분자박막을 포함하는 압전 응용제품에 관한 것이다.The present invention relates to a piezoelectric material and a method for manufacturing the same, and more specifically, piezoelectric organic-inorganic hybrid nanoparticles having improved dispersibility with a polymer matrix by forming a coating layer with a piezoelectric polymer on the surface of the piezoelectric inorganic nanoparticles to lipophilize them; It relates to a manufacturing method thereof, a PVDF-based polymer thin film containing the piezoelectric organic-inorganic hybrid nanoparticles, and a piezoelectric application product including the polymer thin film.

Description

압전 유-무기 하이브리드 나노입자 제조방법 및 이를 이용한 압전 응용제품{Piezoelectric organic-inorganic hybrid nanoparticles manufacturing method and piezoelectric application products using the same} Piezoelectric organic-inorganic hybrid nanoparticles manufacturing method and piezoelectric application products using the same

본 발명은 압전 물질 및 그 제조방법에 대한 것으로, 보다 구체적으로는 압전 무기 나노입자 표면에 압전 고분자로 코팅층을 형성함으로써 친유기화시킴으로써 고분자 매트릭스와의 분산성을 향상시킨 압전 유-무기 하이브리드 나노입자, 그 제조방법, 상기 압전 유-무기 하이브리드 나노입자를 포함하는 PVDF계 고분자박막 및 상기 고분자박막을 포함하는 압전 응용제품에 관한 것이다.The present invention relates to a piezoelectric material and a method for manufacturing the same, and more specifically, piezoelectric organic-inorganic hybrid nanoparticles having improved dispersibility with a polymer matrix by forming a coating layer with a piezoelectric polymer on the surface of the piezoelectric inorganic nanoparticles to lipophilize them; It relates to a manufacturing method thereof, a PVDF-based polymer thin film containing the piezoelectric organic-inorganic hybrid nanoparticles, and a piezoelectric application product including the polymer thin film.

유전성, 압전성 등의 기능을 갖는 기능성 세라믹과 같은 무기입자는 각종전기ㅇ전자 부품 등으로서 광범위한 분야에 사용되고 있다. 예컨대, 각종 작동기(actuator), 센서(sensor), 공진기(resonator) 등의 압전 소자에 사용되고 있다. 이러한 기능성 세라믹으로서 유전성을 갖는 무기입자로는 실리카 글라스, 알루미나, 질화알루미늄, 티타늄산바륨 등을 들 수 있으며, 압전성을 갖는 무기입자로는 티탄산지르콘산연 등을 들 수 있다.Inorganic particles such as functional ceramics having dielectric properties and piezoelectric properties are used in a wide range of fields as various electrical and electronic components. For example, it is used in piezoelectric elements such as various actuators, sensors, and resonators. As such functional ceramics, inorganic particles having dielectric properties include silica glass, alumina, aluminum nitride, and barium titanate, and inorganic particles having piezoelectric properties include lead zirconate titanate.

그러나, 무기입자는 원하는 형상으로 성형하기 위해서는 소성 공정이 필요하고, 소성 후에는 기계 가공을 하는 것이 일반적이다. 이와 같이 무기입자는 가소성(plasticity)이 전혀 없어 복잡한 형상의 성형품을 얻는 것이 곤란하므로, 성형의 자유도가 부족하다는 결점이 있다. 또한, 플라스틱에 비하여 성형 공정이 번잡하고, 생산성이 떨어지며 성형 비용이 비싸게 되는 단점을 동시에 가지고 있다. 따라서, 압전 특성에 영향을 주지 않으면서 유전성 및 압전성을 갖는 무기입자에 유연성을 부여하는 기술이 필요하다.However, in order to shape the inorganic particles into a desired shape, a firing process is required, and mechanical processing is generally performed after firing. As such, since inorganic particles have no plasticity, it is difficult to obtain a molded article having a complicated shape, and thus, there is a drawback in that the degree of freedom of molding is insufficient. In addition, compared to plastics, the molding process is complicated, productivity is lowered, and molding cost is expensive at the same time. Therefore, there is a need for a technique for imparting flexibility to inorganic particles having dielectric properties and piezoelectric properties without affecting piezoelectric properties.

폴리불화비닐리덴(PVDF)를 포함하는 압전 또는 초전체 고분자 재료는 매우 유연하고 경량이며, 넓은 진동영역을 갖고 있어 평판 스피커, 각종 스위치, 의료용 센서, 우주 및 항공용 재료 등에 광범위한 실용화가 진전되고 있으나, 낮은 유전상수와 낮은 전기기계 결합계수를 가져 사용에 여러 제한성을 갖고 있기도 하다.Piezoelectric or pyroelectric polymer materials including polyvinylidene fluoride (PVDF) are very flexible, lightweight, and have a wide vibration range, so they are being widely applied to flat speakers, various switches, medical sensors, space and aviation materials, etc. , it has a low dielectric constant and low electromechanical coupling coefficient, which has several limitations in its use.

이에, 압전 특성이 우수한 무기입자와 성형성이 우수한 플라스틱과 같은 고분자소재를 혼합, 조성하여 얻어진 복합재를 각종 압전 소자에 적용할 수 있는 압출 또는 사출 성형제품의 제조방법이 개발되고 있다. 플라스틱/세라믹 복합재는 플라스틱으로 이루어지는 매트릭스에 무기입자를 분산시켜 제조한 것으로서 플라스틱에 무기입자를 분산시켜 만든 것이기 때문에 그 성형이 용이하고, 저렴하게 제조할 수 있다.Accordingly, a method for manufacturing an extrusion or injection-molded product that can be applied to various piezoelectric elements by mixing and composing inorganic particles with excellent piezoelectric properties and a polymer material such as plastic with excellent moldability is being developed. The plastic/ceramic composite material is manufactured by dispersing inorganic particles in a matrix made of plastic, and since it is made by dispersing inorganic particles in plastic, it is easy to mold and can be manufactured inexpensively.

이러한 플라스틱/세라믹 복합재는 무기입자와 플라스틱을 균일한 혼합이 매우 중요한데, 혼합이 균일하여야 공극이 최소화되고 압전체의 기계적 특성이 향상되기 때문이다. For such a plastic/ceramic composite, it is very important to uniformly mix the inorganic particles with the plastic, because uniform mixing minimizes voids and improves the mechanical properties of the piezoelectric body.

한편, 티타늄산바륨, 텔룰리움, 진크 옥사이드 등과 같은 무기 산화물류는 높은 유전상수를 갖고 있지만 단일 입자의 크기가 작아 단일 입자 형태로 존재되기 힘들고 쉽게 서로 뭉쳐 단위체(aggregate)를 형성하고 침전 현상(sedimentation)이 발생해 고분자 매트릭스에 잘 분산되지 않는 문제와 성형 공정이 어렵고 생산성이 떨어지며, 전기 방사나 용액 공정을 통한 박막 형성에 어려움을 갖는다. On the other hand, inorganic oxides such as barium titanate, tellulium, zinc oxide, etc. have a high dielectric constant, but the size of single particles is small, so it is difficult to exist in the form of single particles. ), it is not well dispersed in the polymer matrix, the molding process is difficult and productivity is low, and it is difficult to form a thin film through electrospinning or solution process.

따라서, 이러한 문제점이 해결된 친유기화된 압전 나노무기입자 및 그 제조기술이 개발될 필요가 있었다.Therefore, there was a need to develop lipophilic piezoelectric nano-inorganic particles and their manufacturing technology in which these problems are solved.

특허등록번호 제10-1974579호Patent Registration No. 10-1974579

따라서, 본 발명의 목적은 압전 무기 나노입자가 갖는 PVDF계 고분자 수지에 좋지 않는 분산성을 개선할 수 있도록 압전 무기 나노입자 표면에 PVDF계 고분자로 코팅한 코어-쉘 구조의 친유기성 압전 유-무기복합 나노입자를 제공하는 것이다.Therefore, it is an object of the present invention to improve the dispersibility of the piezoelectric inorganic nanoparticles in the PVDF-based polymer resin, which is a core-shell structure lipophilic piezoelectric organic-inorganic coated with a PVDF-based polymer on the surface of the piezoelectric inorganic nanoparticles. To provide composite nanoparticles.

본 발명의 다른 목적은 압전 무기 나노입자 표면의 유기화를 통해 고분자 매트릭스와의 분산성을 높여 효율적인 공정을 할 수 있도록 용매의 용해도 지수 차이를 이용한 비용매유도 상분리(nonsolvent-induced phase separation, NIPS) 방법을 통해 압전 무기 나노입자 표면에 PVDF계 고분자가 균일하게 코팅될 수 있는 압전 유-무기복합 나노입자 제조방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is a nonsolvent-induced phase separation (NIPS) method using a difference in solubility index of a solvent so that an efficient process can be performed by increasing dispersibility with a polymer matrix through organicization of the surface of piezoelectric inorganic nanoparticles. It is to provide a method for producing piezoelectric organic-inorganic composite nanoparticles by which a PVDF-based polymer can be uniformly coated on the surface of the piezoelectric inorganic nanoparticles.

본 발명의 또 다른 목적은 친유기성 압전 유-무기 하이브리드 나노입자를 포함함으로써 PVDF계 고분자 수지와의 분산성을 높일 수 있으므로, 압전 무기 나노입자의 고유전성과 PVDF계 고분자의 성형성의 장점을 살려 고유전성과 우수한 성형성을 모두 만족할 수 있는 압전 유-무기 하이브리드 나노입자 함유 PVDF계 고분자박막 및 이를 포함하는 각종 압전성 응용제품을 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to increase the dispersibility with the PVDF-based polymer resin by including the lipophilic piezoelectric organic-inorganic hybrid nanoparticles. To provide a PVDF-based polymer thin film containing piezoelectric organic-inorganic hybrid nanoparticles that can satisfy both malleability and excellent moldability and various piezoelectric application products including the same.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 명시적으로 언급되지 않았더라도 후술되는 발명의 상세한 설명의 기재로부터 통상의 지식을 가진 자가 인식할 수 있는 발명의 목적 역시 당연히 포함될 수 있을 것이다.The object of the present invention is not limited to the above-mentioned object, and even if not explicitly mentioned, the object of the invention that can be recognized by a person of ordinary skill in the art from the description of the detailed description of the invention to be described later may also be included. .

상술된 본 발명의 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 압전 무기나노입자; 및 상기 압전 무기나노입자 표면에 형성된 압전 고분자 코팅층;을 포함하는 압전 유-무기 하이브리드 나노입자를 제공한다.In order to achieve the above object of the present invention, the present invention is piezoelectric inorganic nanoparticles; And a piezoelectric polymer coating layer formed on the surface of the piezoelectric inorganic nanoparticles; piezoelectric organic-inorganic hybrid nanoparticles comprising a.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 압전 무기나노입자는 BaTiO3, PZT, PLZT, SBT, BST 및 TeO, ZnO, MgO, CdO의 이원산화물로 구성된 그룹에서 선택되는 하나 이상이다. In a preferred embodiment, the piezoelectric inorganic nanoparticles are at least one selected from the group consisting of BaTiO 3 , PZT, PLZT, SBT, BST, and binary oxides of TeO, ZnO, MgO, and CdO.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 압전 고분자는 비닐리덴 플루오라이드(VDF, vinylidene-fluoride), 트리플루오로에틸렌(TrFE, trifluoroethylene), 테트라플루오로에틸렌(TFE, tetrafluoroethylene), 테트라플루오로에틸렌(TFE, tetrafluoroethylene), 비닐 플루오라이드(VF, vinyl fluoride), 퍼플루로로 메틸 비닐 에테르(PEVE, perfluoro(methyl vinyl ether)), 클로로트리플루오로에틸렌(CTFE, chlorotrifluoroethylene)로 구성된 그룹에서 선택되는 2개 이상의 모노머를 포함하는 PVDF계 고분자이다.In a preferred embodiment, the piezoelectric polymer is vinylidene-fluoride (VDF), trifluoroethylene (TrFE, trifluoroethylene), tetrafluoroethylene (TFE, tetrafluoroethylene), tetrafluoroethylene (TFE, tetrafluoroethylene) ), vinyl fluoride (VF, vinyl fluoride), perfluoromethyl vinyl ether (PEVE, perfluoro (methyl vinyl ether)), chlorotrifluoroethylene (CTFE, chlorotrifluoroethylene) at least two monomers selected from the group consisting of It is a PVDF-based polymer containing.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 압전 무기 나노입자는 100nm 이하의 입자크기를 갖고, 상기 고분자 코팅층은 4~10 nm의 두께로 형성된다. In a preferred embodiment, the piezoelectric inorganic nanoparticles have a particle size of 100 nm or less, and the polymer coating layer is formed to a thickness of 4 to 10 nm.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 고분자 코팅층은 서로 다른 고분자로 형성된 2개 이상의 코팅막을 포함한다.In a preferred embodiment, the polymer coating layer includes two or more coating films formed of different polymers.

또한, 본 발명은 유기용매1을 사용하여 압전 무기나노입자가 분산된 분산용액1 및 PVDF계 고분자가 분산된 분산용액2를 준비하는 단계; 상기 분산용액1과 분산용액2를 혼합하여 압전 무기나노입자와 PVDF계 고분자가 상기 유기용매1에 분산된 분산용액3을 준비하는 단계; 상기 PVDF계 고분자의 비용매인 유기용매2를 상기 분산용액3에 처리하여 형성된 전구체 압전 유-무기복합 나노입자를 포함하는 분산용액4를 얻는 단계; 상기 분산용액4로부터 상기 유기용매1을 증발시켜 제거함으로써 형성된 압전 유-무기복합 나노입자를 포함하는 분산용액5를 얻는 단계; 및 상기 분산용액5로부터 상기 압전 유-무기복합 나노입자를 분리하는 단계;를 포함하는 압전 유-무기 하이브리드 나노입자 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention comprises the steps of using an organic solvent 1 to prepare a dispersion solution 1 in which piezoelectric inorganic nanoparticles are dispersed and a dispersion solution 2 in which a PVDF-based polymer is dispersed; preparing a dispersion solution 3 in which the piezoelectric inorganic nanoparticles and the PVDF-based polymer are dispersed in the organic solvent 1 by mixing the dispersion solution 1 and the dispersion solution 2; obtaining a dispersion solution 4 containing the precursor piezoelectric organic-inorganic composite nanoparticles formed by treating the organic solvent 2, which is a non-solvent of the PVDF-based polymer, with the dispersion solution 3; obtaining a dispersion solution 5 containing piezoelectric organic-inorganic composite nanoparticles formed by evaporating and removing the organic solvent 1 from the dispersion solution 4; and separating the piezoelectric organic-inorganic composite nanoparticles from the dispersion solution 5; piezoelectric organic-inorganic hybrid nanoparticles comprising a method is provided.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 유기용매1과 유기용매2는 용해도 지수 차이가 5 이하이다.In a preferred embodiment, the difference in solubility index between the organic solvent 1 and the organic solvent 2 is 5 or less.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 유기용매1은 DMF(N,N-dimethyl formamide), MEK(methyl ethyl ketone), NMP(N-Methyl-2-pyrrolidone), DME(dimethyl ether) 및 1,4-Dioxane (1,4-Diethyleneoxide)로 구성된 그룹에서 선택되는 어느 하나이고, 상기 유기용매2는 에탄올계 유기용매이다.In a preferred embodiment, the organic solvent 1 is DMF (N,N-dimethyl formamide), MEK (methyl ethyl ketone), NMP (N-Methyl-2-pyrrolidone), DME (dimethyl ether) and 1,4-Dioxane (1,4-Diethyleneoxide) is any one selected from the group consisting of, and the organic solvent 2 is an ethanol-based organic solvent.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 전구체 압전 유-무기 하이브리드 나노입자는 상기 유기용매1에 분산되어 있던 PVDF계 고분자가 상기 유기용매2에 의해 압전 무기 나노입자로 상분리 됨으로써 압전 무기 나노입자를 코어로 하고 그 표면에 상분리된 PVDF계 고분자가 코팅되어 형성된 코팅층을 쉘로 하는 코어-쉘 구조로 형성된다. In a preferred embodiment, in the precursor piezoelectric organic-inorganic hybrid nanoparticles, the PVDF-based polymer dispersed in the organic solvent 1 is phase-separated into the piezoelectric inorganic nanoparticles by the organic solvent 2, so that the piezoelectric inorganic nanoparticles are the core and the It is formed in a core-shell structure with a coating layer formed by coating a phase-separated PVDF-based polymer on the surface as a shell.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 유-무기 하이브리드 나노입자는 상기 유기용매1에서 상 분리되지 않고 남은 잔여 PVDF고분자가 상기 유기용매1 증발시 상기 전구체 압전 유-무기 하이브리드 나노입자의 쉘을 이루는 코팅층에 더 코팅되어 형성된다. In a preferred embodiment, the organic-inorganic hybrid nanoparticles are further added to the coating layer constituting the shell of the precursor piezoelectric organic-inorganic hybrid nanoparticles when the residual PVDF polymer remaining without phase separation in the organic solvent 1 evaporates the organic solvent 1 coated and formed.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 분리하는 단계는 상기 분산용액5를 원심분리하는 단계; 상기 원심분리단계에서 침전된 상기 압전 유-무기 하이브리드 나노입자를 유기용매2로 세척하는 단계; 및 세척된 상기 압전 유-무기 하이브리드 나노입자를 건조하는 단계;를 포함하여 수행된다.In a preferred embodiment, the separating comprises centrifuging the dispersion solution 5; washing the piezoelectric organic-inorganic hybrid nanoparticles precipitated in the centrifugation step with organic solvent 2; and drying the washed piezoelectric organic-inorganic hybrid nanoparticles.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 분산용액 3에서 상기 압전 무기 나노입자는 1 ~ 30 중량%로 포함된다. In a preferred embodiment, in the dispersion solution 3, the piezoelectric inorganic nanoparticles are included in an amount of 1 to 30% by weight.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 압전 무기나노입자는 BaTiO3, PZT, PLZT, SBT, BST 및 TeO, ZnO, MgO, CdO의 이원산화물로 구성된 그룹에서 선택되는 하나 이상이고, 상기 PVDF계 고분자는 비닐리덴 플루오라이드(VDF, vinylidene- fluoride), 트리플루오로에틸렌(TrFE, trifluoroethylene), 테트라플루오로에틸렌(TFE, tetrafluoroethylene), 테트라플루오로에틸렌(TFE, tetrafluoro ethylene), 비닐 플루오라이드(VF, vinyl fluoride), 퍼플루로로 메틸 비닐 에테르(PEVE, perfluoro(methyl vinyl ether)), 클로로트리플루오로에틸렌(CTFE, chlorotrifluoroethylene)로 구성된 그룹에서 선택되는 2개 이상의 모노머를 포함하는 고분자이다.In a preferred embodiment, the piezoelectric inorganic nanoparticles are at least one selected from the group consisting of BaTiO 3 , PZT, PLZT, SBT, BST, and binary oxides of TeO, ZnO, MgO, and CdO, and the PVDF-based polymer is vinylidene. Fluoride (VDF, vinylidene- fluoride), trifluoroethylene (TrFE, trifluoroethylene), tetrafluoroethylene (TFE, tetrafluoroethylene), tetrafluoroethylene (TFE, tetrafluoro ethylene), vinyl fluoride (VF, vinyl fluoride) , Perfluoromethyl vinyl ether (PEVE, perfluoro (methyl vinyl ether)), chlorotrifluoroethylene (CTFE, chlorotrifluoroethylene) is a polymer containing two or more monomers selected from the group consisting of.

또한, 본 발명은 PVDF계 고분자 수지용액에 상술된 어느 하나의 압전 유-무기 하이브리드 나노입자 또는 상술된 어느 하나의 제조방법으로 제조된 압전 유-무기 하이브리드 나노입자가 균일하게 분산된 것을 특징으로 하는 압전 유-무기 하이브리드 나노입자 함유 PVDF계 고분자 수지용액을 제공한다.In addition, the present invention is characterized in that any one of the above-mentioned piezoelectric organic-inorganic hybrid nanoparticles or the piezoelectric organic-inorganic hybrid nanoparticles prepared by any one of the above-mentioned manufacturing methods are uniformly dispersed in a PVDF-based polymer resin solution. Provided is a PVDF-based polymer resin solution containing piezoelectric organic-inorganic hybrid nanoparticles.

또한, 본 발명은 상술된 압전 유-무기 하이브리드 나노입자 함유 PVDF계 고분자 수지용액을 제막하여 얻어지므로, PVDF계 고분자 매트릭스에 상기 압전 유-무기 하이브리드 나노입자가 균일하게 분산 배치된 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 압전 유-무기 하이브리드 나노입자 함유 PVDF계 고분자박막을 제공한다.In addition, the present invention is obtained by forming the above-mentioned piezoelectric organic-inorganic hybrid nanoparticle-containing PVDF-based polymer resin solution into a film, and thus has a structure in which the piezoelectric organic-inorganic hybrid nanoparticles are uniformly dispersed in a PVDF-based polymer matrix. It provides a PVDF-based polymer thin film containing piezoelectric organic-inorganic hybrid nanoparticles.

또한, 본 발명은 상술된 압전 유-무기 하이브리드 나노입자 함유 PVDF계 고분자박막을 포함하는 압전성 응용제품을 제공한다.In addition, the present invention provides a piezoelectric application product comprising the above-described piezoelectric organic-inorganic hybrid nanoparticle-containing PVDF-based polymer thin film.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 압전 유-무기 하이브리드 나노입자 함유 PVDF계 고분자박막은 2층 이상 적층되어 형성된다. In a preferred embodiment, the piezoelectric organic-inorganic hybrid nanoparticle-containing PVDF-based polymer thin film is formed by stacking two or more layers.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 압전 유-무기 하이브리드 나노입자 함유 PVDF계 고분자박막은 PDMS 또는 Eco-flex로 이루어진 박막 사이에 위치도록 포함된다. In a preferred embodiment, the piezoelectric organic-inorganic hybrid nanoparticle-containing PVDF-based polymer thin film is included to be positioned between the thin film made of PDMS or Eco-flex.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 압전성 응용제품은 압전형 센서, 압전형 발전기, 자가발전이 가능한 스마트 인솔로 구성된 그룹에서 선택되는 어느 하나이다.In a preferred embodiment, the piezoelectric application product is any one selected from the group consisting of a piezoelectric sensor, a piezoelectric generator, and a smart insole capable of self-generation.

상술된 본 발명의 압전 유-무기 하이브리드 나노입자는 압전 무기 나노입자 표면에 PVDF계 고분자로 코팅한 코어-쉘 구조를 통해 압전 무기 나노입자가 갖는 PVDF계 고분자 수지에 좋지 않는 분산성을 개선할 수 있는 친유기성을 갖는다.The piezoelectric organic-inorganic hybrid nanoparticles of the present invention described above can improve the dispersibility poor in the PVDF-based polymer resin of the piezoelectric inorganic nanoparticles through the core-shell structure coated with the PVDF-based polymer on the surface of the piezoelectric inorganic nanoparticles. has lipophilicity.

또한, 본 발명의 압전 유-무기복합 나노입자 제조방법에 의하면 용매의 용해도 지수 차이를 이용한 비용매유도 상분리(nonsolvent-induced phase separation, NIPS) 방법을 통해 압전 무기 나노입자 표면에 PVDF계 고분자가 균일하게 코팅될 수 있으므로, 압전 무기 나노입자 표면의 유기화를 통해 고분자 매트릭스와의 분산성을 높여 효율적인 공정을 할 수 있는 압전 유-무기복합 나노입자를 제조할 수 있다. In addition, according to the method for producing piezoelectric organic-inorganic composite nanoparticles of the present invention, PVDF-based polymers are uniform on the surface of piezoelectric inorganic nanoparticles through a nonsolvent-induced phase separation (NIPS) method using a difference in solubility index of a solvent. Therefore, it is possible to prepare piezoelectric organic-inorganic composite nanoparticles that can be efficiently processed by increasing the dispersibility with the polymer matrix through organicization of the surface of the piezoelectric inorganic nanoparticles.

또한, 본 발명의 압전 유-무기 하이브리드 나노입자 함유 PVDF계 고분자박막 및 이를 포함하는 각종 압전성 응용제품은 친유기성 압전 유-무기 하이브리드 나노입자를 포함함으로써 PVDF계 고분자 수지와의 분산성을 높일 수 있으므로, 압전 무기 나노입자의 고유전성과 PVDF계 고분자의 성형성의 장점을 살려 고유전성과 우수한 성형성을 모두 만족할 수 있다. In addition, the PVDF-based polymer thin film containing the piezoelectric organic-inorganic hybrid nanoparticles of the present invention and various piezoelectric application products including the same can increase dispersibility with the PVDF-based polymer resin by including the lipophilic piezoelectric organic-inorganic hybrid nanoparticles. , by taking advantage of the high dielectric properties of piezoelectric inorganic nanoparticles and the moldability of PVDF polymers, both high dielectric properties and excellent moldability can be satisfied.

본 발명의 이러한 기술적 효과들은 이상에서 언급한 범위만으로 제한되지 않으며, 명시적으로 언급되지 않았더라도 후술되는 발명의 실시를 위한 구체적 내용의 기재로부터 통상의 지식을 가진 자가 인식할 수 있는 발명의 효과 역시 당연히 포함된다.These technical effects of the present invention are not limited only to the range mentioned above, and even if not explicitly mentioned, the effect of the invention that can be recognized by those of ordinary skill in the art from the description of the specific content for the implementation of the invention to be described later is also of course included

도 1은 본 발명에 따른 압전 무기입자의 PVDF-TrFE로 나노코팅 방법의 순서이다.
도 2는 PVDF-TrFE의 양용매(goog-solvent)인 DMF와 비용매(non-solvent)인 Octanol 과의 삼성분계를 통한 cloud point를 나타낸 것이다.
도 3은 나노 코팅에 사용되는 물질인 PVDF-TrFE, BaTiO3(BTO)의 FT-IR 데이터와 PVDF-TrFE로 나노 코팅이 진행된 BTO의 FT-IR을 나타낸 것이다.
도 4는 압전 무기 나노입자가 PVDF-TrFE로 나노 코팅되기 전과 되고 난 후의 TEM 이미지이다.
도 5는 나노 코팅이 진행된 BTO와 나노 코팅이 진행되지 않은 BTO의 XRD 패턴 분석을 나타낸 것이다.
도 6은 나노 코팅에 사용되는 물질인 PVDF-TrFE, BaTiO3(BTO)의 TGA 데이터와 PVDF-TrFE로 나노 코팅이 진행된 BTO의 TGA 데이터를 나타낸 것이다.
도 7은 나노 코팅이 진행된 BTO가 PVDF-TrFE 고분자 matrix에 분산되어 필름을 만들고 구리 전극을 위, 아래로 위치시킨 후 유연한 재료인 PDMS로 절연 처리한 압전 나노 자가 발전기를 나타낸 것이다.
도 8은 BTO가 들어가 있지 않은 PVDF-TrFE 필름, 나노 코팅이 진행되지 않은 BTO를 PVDF-TrFE 고분자 matrix에 섞어 만든 필름, 나노 코팅이 진행된 BTO를 PVDF-TrFE 고분자 matrix에 섞어 만든 필름의 압전 데이터의 비교를 나타낸 것이다.
1 is a sequence of nano-coating method with PVDF-TrFE of inorganic piezoelectric particles according to the present invention.
Figure 2 shows the cloud point through the ternary division between DMF, a goog-solvent, and Octanol, a non-solvent, of PVDF-TrFE.
3 shows FT-IR data of PVDF-TrFE, BaTiO 3 (BTO), which are materials used for nano-coating, and FT-IR of BTO nano-coated with PVDF-TrFE.
4 is a TEM image before and after the piezoelectric inorganic nanoparticles are nano-coated with PVDF-TrFE.
Figure 5 shows the XRD pattern analysis of the nano-coated BTO and the nano-coated BTO is not progressed.
6 shows TGA data of PVDF-TrFE, BaTiO 3 (BTO), which are materials used for nano-coating, and TGA data of BTO, nano-coated with PVDF-TrFE.
7 shows a piezoelectric nano-self-generator in which nano-coated BTO is dispersed in a PVDF-TrFE polymer matrix to form a film, copper electrodes are placed up and down, and then insulated with PDMS, a flexible material.
Figure 8 shows the piezoelectric data of a PVDF-TrFE film without BTO, a film made by mixing BTO without nano-coating in a PVDF-TrFE polymer matrix, and a film made by mixing BTO with nano-coating in a PVDF-TrFE polymer matrix comparison is shown.

본 발명에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 발명의 설명에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. The terms used in the present invention are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, terms such as “comprise” or “have” are intended to designate that a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the description of the invention is present, but one or more other It should be understood that it does not preclude the possibility of addition or presence of features or numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다. Terms such as first, second, etc. may be used to describe various elements, but the elements should not be limited by the terms. The above terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, a first component may be referred to as a second component, and similarly, the second component may also be referred to as a first component.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having meanings consistent with the meanings in the context of the related art, and should not be interpreted in an ideal or excessively formal meaning unless explicitly defined in the present invention. does not

구성 요소를 해석함에 있어서, 별도의 명시적 기재가 없더라도 오차 범위를 포함하는 것으로 해석한다. 특히, 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등이 사용되는 경우 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되는 것으로 해석될 수 있다.In interpreting the components, it is interpreted as including an error range even if there is no separate explicit description. In particular, when the terms "about", "substantially", etc. of degree are used, they may be construed as being used in a sense at or close to the numerical value when manufacturing and material tolerances inherent in the stated meaning are presented. .

시간 관계에 대한 설명일 경우, 예를 들어, '~후에', '~에 이어서', '~다음에', '~전에' 등으로 시간 적 선후관계가 설명되는 경우, '바로' 또는 '직접'이 사용되지 않는 이상 연속적이지 않은 경우도 포함한다.In the case of a description of a temporal relationship, for example, if the temporal relationship is described as 'after', 'following', 'after', 'before', etc., 'immediately' or 'directly' This includes cases that are not continuous unless ' is used.

이하, 첨부한 도면 및 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.Hereinafter, the technical configuration of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings and preferred embodiments.

그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.However, the present invention is not limited to the embodiments described herein, and like reference numerals indicate like elements in different forms.

본 발명의 기술적 특징은 압전 무기 나노입자 표면에 PVDF계 고분자로 코팅한 코어-쉘 구조를 통해 압전 무기 나노입자가 갖는 PVDF계 고분자 수지에 좋지 않는 분산성을 개선할 수 있는 친유기성을 갖는 압전 유-무기복합 나노입자, 용매의 용해도 지수 차이를 이용한 비용매유도 상분리(nonsolvent-induced phase separation, NIPS) 방법을 통해 압전 무기 나노입자 표면에 PVDF계 고분자가 균일하게 코팅될 수 있는 압전 유-무기복합 나노입자 제조방법 및 친유기성 압전 유-무기복합 나노입자를 포함함으로써 PVDF계 고분자 수지와의 분산성을 높일 수 있으므로, 압전 무기 나노입자의 고유전성과 PVDF계 고분자의 성형성의 장점을 살려 고유전성과 우수한 성형성을 모두 만족할 수 있는 압전 유-무기 하이브리드 나노입자 함유 PVDF계 고분자박막 및 압전성 응용제품에 있다. The technical feature of the present invention is that the piezoelectric oil having lipophilicity can improve the dispersibility poor in the PVDF-based polymer resin of the piezoelectric inorganic nanoparticles through the core-shell structure coated with the PVDF-based polymer on the surface of the piezoelectric inorganic nanoparticles. -Piezoelectric organic-inorganic composite in which PVDF-based polymer can be uniformly coated on the surface of piezoelectric inorganic nanoparticles through nonsolvent-induced phase separation (NIPS) method using the difference in solubility index of inorganic composite nanoparticles and solvents Dispersibility with PVDF-based polymer resin can be increased by including nanoparticle manufacturing method and lipophilic piezoelectric organic-inorganic composite nanoparticles. There is a PVDF-based polymer thin film containing piezoelectric organic-inorganic hybrid nanoparticles that can satisfy both excellent moldability and piezoelectric application products.

즉, 현재 친유기화된 압전 무기입자를 이용하여 전자재료, 광학재료, 센서 및 복합 하이브리드 재료 등의 분야에서 다양한 목적과 형태로 연구되고 있는데, 유기-무기 압전 복합체는 압전 무기 나노입자와 고분자를 혼합하여 만드는 것으로, 무기 나노입자의 높은 압전 특성과 고분자 수지의 성형성과 가공의 용이성의 장점을 혼합시켜 만든 복합체인데, 현재까지는 주로 압전 무기 나노입자층과 고분자층을 순차적으로 적층하여 만들거나 압전 무기 나노입자를 고분자용융수지에 첨가시켜 분산시키는 방식으로 제조되는 기술이 알려져 있을 뿐, 압전 무기 나노입자의 표면을 고분자로 코팅하고자 하는 시도는 없었기 때문이다. 한편, 무기 나노입자의 표면을 친유기성으로 개질하기 위해 단분자 물질의 작용기를 통해 화합적 결합으로 표면 개질하는 방법, 작용기의 정전기적 인력을 이용한 흡착을 통한 표면 개질 방법, 졸-겔(sol-gel) 반응을 통한 표면 개질 방법 등이 알려져 있기는 하나, 이 경우에는 고분자 매트릭스에 분산시키게 되면 분산이 되는 고분자 매트릭스와 무기 나노입자 표면을 개질하기 위해 사용된 작용기에 따라 선택적으로 분산이 되는 문제점과 사용될 수 있는 물질이 제한적이라는 문제가 있다.That is, currently, lipophilic inorganic piezoelectric particles are being studied for various purposes and forms in the fields of electronic materials, optical materials, sensors, and composite hybrid materials. It is a composite made by mixing the high piezoelectric properties of inorganic nanoparticles with the advantages of moldability and ease of processing of polymer resins. Until now, it is mainly made by sequentially stacking piezoelectric inorganic nanoparticle layers and polymer layers, or piezoelectric inorganic nanoparticles. This is because there has been no attempt to coat the surface of the piezoelectric inorganic nanoparticles with a polymer, except that there is known a technique for producing it by adding and dispersing it to a molten polymer resin. On the other hand, in order to modify the surface of inorganic nanoparticles to be lipophilic, a method of chemically bonding the surface through a functional group of a monomolecular material, a surface modification method through adsorption using the electrostatic attraction of a functional group, a sol-gel (sol-gel) Although a method of surface modification through gel) reaction is known, in this case, when dispersed in the polymer matrix, the polymer matrix is dispersed and the inorganic nanoparticles are selectively dispersed depending on the functional group used to modify the surface. There is a problem that the materials that can be used are limited.

따라서, 본 발명의 압전 유-무기 하이브리드 나노입자는 압전 무기나노입자; 및 상기 압전 무기나노입자 표면에 형성된 압전 고분자 코팅층;을 포함한다.Therefore, the piezoelectric organic-inorganic hybrid nanoparticles of the present invention include piezoelectric inorganic nanoparticles; and a piezoelectric polymer coating layer formed on the surface of the piezoelectric inorganic nanoparticles.

여기서, 압전 무기나노입자는 압전성을 갖는 무기입자이기만 하면 제한되지 않으나, 일 구현예로서 BaTiO3, PZT, PLZT, SBT, BST 및 TeO, ZnO, MgO, CdO의 이원산화물로 구성된 그룹에서 선택되는 하나 이상일 수 있다. 이들은 특히 입자의 크기가 작아서 PVDF계 고분자 수지에 분산성이 매우 나빠서 현재 기술로는 사용이 어려운데 본 발명의 코어-쉘 구조를 통해 친유기성을 강화하게 되면다양한 압전성 응용제품에 활용이 용이할 수 있다. Here, the piezoelectric inorganic nanoparticles are not limited as long as they are inorganic particles having piezoelectricity, but in one embodiment, BaTiO 3 , PZT, PLZT, SBT, BST and one selected from the group consisting of binary oxides of TeO, ZnO, MgO, and CdO may be more than They are particularly difficult to use with current technology due to their small particle size and very poor dispersibility in PVDF-based polymer resins. .

압전 고분자는 압전성을 갖는 고분자이기만 하면 제한되지 않으나, 비닐리덴 플루오라이드(VDF, vinylidene-fluoride), 트리플루오로에틸렌(TrFE, trifluoroethylene), 테트라플루오로에틸렌(TFE, tetrafluoroethylene), 테트라플루오로에틸렌(TFE, tetrafluoroethylene), 비닐 플루오라이드(VF, vinyl fluoride), 퍼플루로로 메틸 비닐 에테르(PEVE, perfluoro(methyl vinyl ether)), 클로로트리플루오로에틸렌(CTFE, chlorotrifluoroethylene)로 구성된 그룹에서 선택되는 2개 이상의 모노머를 포함하는 PVDF계 고분자일 수 있다. The piezoelectric polymer is not limited as long as it is a polymer having piezoelectricity, but vinylidene fluoride (VDF, vinylidene-fluoride), trifluoroethylene (TrFE, trifluoroethylene), tetrafluoroethylene (TFE, tetrafluoroethylene), tetrafluoroethylene ( 2 selected from the group consisting of TFE, tetrafluoroethylene), vinyl fluoride (VF, vinyl fluoride), perfluoromethyl vinyl ether (PEVE, perfluoro(methyl vinyl ether)), and chlorotrifluoroethylene (CTFE, chlorotrifluoroethylene) It may be a PVDF-based polymer containing the above monomers.

본 발명의 압전 유-무기복합 나노입자에서 압전 무기 나노입자는 100nm 이하의 입자크기를 갖고, 고분자 코팅층은 4~10 nm의 두께로 형성되는 것일 수 있다. 고분자 코팅층이 4nm이하로 형성되면 TEM의 전자빔을 맞게 되면 BTO 입자가 손상을 입어 바륨 공석이 생기는 문제가 있고, 10nm을 초과하게 되면 BTO 입자마다 나노 코팅 되는 것이 아니라 코팅이 될 고분자의 양이 많아져 BTO 입자들이 뭉치는 문제가 있기 때문이다. 필요한 경우 고분자 코팅층은 서로 다른 고분자로 형성된 2개 이상의 코팅막을 포함하는 구조로 형성될 수도 있다.In the piezoelectric organic-inorganic composite nanoparticles of the present invention, the piezoelectric inorganic nanoparticles may have a particle size of 100 nm or less, and the polymer coating layer may be formed to a thickness of 4 to 10 nm. When the polymer coating layer is formed to be less than 4 nm, there is a problem that the BTO particles are damaged and barium vacancies are generated when the TEM electron beam is applied. This is because there is a problem with the aggregation of BTO particles. If necessary, the polymer coating layer may be formed in a structure including two or more coating films formed of different polymers.

다음으로, 본 발명의 압전 유-무기복합 나노입자 제조방법은 유기용매1을 사용하여 압전 무기나노입자가 분산된 분산용액1 및 PVDF계 고분자가 분산된 분산용액2를 준비하는 단계; 상기 분산용액1과 분산용액2를 혼합하여 압전 무기나노입자와 PVDF계 고분자가 상기 유기용매1에 분산된 분산용액3을 준비하는 단계; 상기 PVDF계 고분자의 비용매인 유기용매2를 상기 분산용액3에 처리하여 형성된 전구체 압전 유-무기복합 나노입자를 포함하는 분산용액4를 얻는 단계; 상기 분산용액4로부터 상기 유기용매1을 증발시켜 제거함으로써 형성된 압전 유-무기복합 나노입자를 포함하는 분산용액5를 얻는 단계; 및 상기 분산용액5로부터 상기 압전 유-무기복합 나노입자를 분리하는 단계;를 포함한다. Next, the method for producing piezoelectric organic-inorganic composite nanoparticles of the present invention comprises the steps of using an organic solvent 1 to prepare a dispersion solution 1 in which piezoelectric inorganic nanoparticles are dispersed and a dispersion solution 2 in which a PVDF-based polymer is dispersed; preparing a dispersion solution 3 in which the piezoelectric inorganic nanoparticles and the PVDF-based polymer are dispersed in the organic solvent 1 by mixing the dispersion solution 1 and the dispersion solution 2; obtaining a dispersion solution 4 containing the precursor piezoelectric organic-inorganic composite nanoparticles formed by treating the organic solvent 2, which is a non-solvent of the PVDF-based polymer, with the dispersion solution 3; obtaining a dispersion solution 5 containing piezoelectric organic-inorganic composite nanoparticles formed by evaporating and removing the organic solvent 1 from the dispersion solution 4; and separating the piezoelectric organic-inorganic composite nanoparticles from the dispersion solution 5.

여기서, 유기용매1과 유기용매2는 용해도 지수 차이가 5 이하일 수 있다. 이러한 용해도 지수 차이는 비용매유도 상분리(nonsolvent-induced phase separation, NIPS) 방법을 통해 고분자코팅층이 형성되어야 하기 때문이다. Here, the difference in solubility index between the organic solvent 1 and the organic solvent 2 may be 5 or less. This difference in solubility index is because the polymer coating layer must be formed through a nonsolvent-induced phase separation (NIPS) method.

따라서, 유기용매1은 압전 무기나노입자 및 PVDF계 고분자가 모두 분산될 수 있고, 유기용매2와의 용해도 지수 차이가 5 이하기만 하면 제한되지 않지만, 일 구현예로서 DMF(N,N- dimethylformamide), MEK(methyl ethyl ketone), NMP(N-Methyl??2-pyrrolidone), DME(dimethyl ether) 및 1,4-Dioxane(1,4- Diethyleneoxide)로 구성된 그룹에서 선택되는 어느 하나일 수 있고, 유기용매2는 에탄올계 유기용매일 수 있다.Therefore, organic solvent 1 is not limited as long as both piezoelectric inorganic nanoparticles and PVDF-based polymers can be dispersed, and the difference in solubility index with organic solvent 2 is 5 or less, but as an embodiment, DMF (N,N-dimethylformamide), It may be any one selected from the group consisting of MEK (methyl ethyl ketone), NMP (N-Methyl??2-pyrrolidone), DME (dimethyl ether) and 1,4-Dioxane (1,4-Diethyleneoxide), and organic Solvent 2 may be an ethanol-based organic solvent.

상술된 어느 하나의 유기용매1에 상술된 어느 하나의 압전 무기 나노입자 및 상술된 어느 하나의 PVDF계 고분자를 각각 일정 함량으로 첨가한 후 용해 및/또는 분산시켜, 압전 무기 나노입자가 분산된 분산용액1과 PVDF계 고분자가 분산된 분산용액2를 준비할 수 있다. 여기서, 분산용액1에 포함되는 압전 무기 나노입자의 함량은 분산용액1과 분산용액2를 혼합하여 얻어진 분산용액 3에서 압전 무기 나노입자의 함량이 1 ~ 30 중량%로 포함되도록 결정될 수 있다. 이 때 압전 무기 나노입자가 100nm 이하의 크기를 갖게 되면 서로 쉽게 뭉쳐 단위체(aggregation)가 되는 성질이 있으므로 선택된 유기 용매에 sonicator를 이용하여 충분히 분산시켜준다.Dispersion in which the piezoelectric inorganic nanoparticles are dispersed by dissolving and/or dispersing the above-mentioned any one of the piezoelectric inorganic nanoparticles and the above-mentioned any one of the PVDF-based polymers in a certain amount, respectively, in any one of the above-mentioned organic solvent 1 Solution 1 and dispersion solution 2 in which the PVDF-based polymer is dispersed can be prepared. Here, the content of the piezoelectric inorganic nanoparticles included in the dispersion solution 1 may be determined such that the content of the piezoelectric inorganic nanoparticles in the dispersion solution 3 obtained by mixing the dispersion solution 1 and the dispersion solution 2 is 1 to 30% by weight. At this time, when the piezoelectric inorganic nanoparticles have a size of 100 nm or less, they are easily agglomerated with each other to form aggregation, so they are sufficiently dispersed using a sonicator in the selected organic solvent.

분산용액3은 분산용액1과 분산용액2를 혼합하여 준비할 수 있는데, 분산용액1과 분산용액2의 용매가 동일하므로 분산용액1과 분산용액2를 혼합한 후 잘 섞어주면 압전 무기나노입자와 PVDF계 고분자가 유기용매1에 분산된 분산용액3을 얻을 수 있다. Dispersion solution 3 can be prepared by mixing dispersion solution 1 and dispersion solution 2, and since the solvents of dispersion solution 1 and dispersion solution 2 are the same, mix dispersion solution 1 and dispersion solution 2 and mix well to form piezoelectric inorganic nanoparticles A dispersion solution 3 in which the PVDF-based polymer is dispersed in the organic solvent 1 can be obtained.

분산용액4를 얻는 단계는 PVDF계 고분자의 비용매인 유기용매2를 분산용액3에 처리하여 수행되는데, 분산용액4는 전구체 압전 유-무기복합 나노입자를 포함할 수 있다. 즉, 분산용액3에 유기용매2가 적가되면 유기용매1에 분산되어 있던 PVDF계 고분자가 유기용매2에 의해 압전 무기 나노입자로 상분리 됨으로써 압전 무기 나노입자를 코어로 하고 그 표면에 상분리된 PVDF계 고분자가 코팅되어 형성된 코팅층을 쉘로 하는 코어-쉘 구조로 형성되어 전구체 압전 유-무기복합 나노입자를 얻을 수 있기 때문이다.The step of obtaining the dispersion solution 4 is performed by treating the organic solvent 2, which is a non-solvent of the PVDF-based polymer, with the dispersion solution 3, and the dispersion solution 4 may include the precursor piezoelectric organic-inorganic composite nanoparticles. That is, when the organic solvent 2 is added dropwise to the dispersion solution 3, the PVDF-based polymer dispersed in the organic solvent 1 is phase-separated into piezoelectric inorganic nanoparticles by the organic solvent 2, so that the piezoelectric inorganic nanoparticles are the core and the PVDF-based phase separated on the surface. This is because the precursor piezoelectric organic-inorganic composite nanoparticles can be obtained by forming a core-shell structure with the coating layer formed by coating the polymer as the shell.

보다 구체적으로 살펴보면, 일 구현예로서 유기용매1을 DMF로 선택한 경우 유기용매1과 용해도지수 차이가 5이하이고 PVDF계 고분자의 비용매인 유기용매2는 옥탄올을 선택할 수 있는데, 분산용액4를 얻기 위하여 분산용액3에 옥탄올을 적가시키게 되면 DMF 에 분산되어 있는 PVDF계 고분자는 압전 무기 나노입자로 상분리 되어 나노 코팅층을 형성할 수 있다.More specifically, as an embodiment, when organic solvent 1 is selected as DMF, the difference in solubility index from organic solvent 1 is 5 or less, and organic solvent 2, which is a non-solvent of PVDF polymer, can select octanol, to obtain dispersion solution 4 To this end, when octanol is added dropwise to the dispersion solution 3, the PVDF-based polymer dispersed in DMF is phase-separated into piezoelectric inorganic nanoparticles to form a nano coating layer.

도 2에 도시된 바와 같이, 삼성분계의 cloud point의 바깥쪽은 섞임(miscible) 영역이며 안쪽은 안 섞임(immiscible) 영역이므로, PVDF계 고분자가 석출되도록 immiscible 영역의 성분을 선택할 필요가 있다. 따라서, 유기용매2로 옥탄올을 선택하게 되면 DMF의 용해도 지수(solubility parameter)는 20.72 이고 옥탄올의 용해도 지수(solubility parameter)는 21.0으로 5 이하의 차이이기 때문에 DMF와 옥탄올은 잘 섞이게 되며, 혼합 고분자용액인 분산용액3에 유기용매2인 옥탄올이 적가될 때 DMF 에 분산되어 있는 PVDF계 고분자는 압전 무기 나노입자 표면으로 상분리 되어 나노 코팅이 된다.As shown in Fig. 2, since the outside of the ternary cloud point is a miscible region and the inside is an immiscible region, it is necessary to select the components of the immiscible region so that the PVDF-based polymer is precipitated. Therefore, when octanol is selected as organic solvent 2, the solubility parameter of DMF is 20.72 and the solubility parameter of octanol is 21.0, which is a difference of 5 or less, so DMF and octanol are mixed well, When octanol, the organic solvent 2, is added dropwise to the dispersion solution 3, which is a mixed polymer solution, the PVDF-based polymer dispersed in the DMF is phase-separated on the surface of the piezoelectric inorganic nanoparticles to form a nano coating.

분산용액5를 얻는 단계는 분산용액4로부터 유기용매1을 증발시켜 제거함으로써 형성된 압전 유-무기복합 나노입자를 포함하도록 수행될 수 있다. 압전 유-무기 하이브리드 나노입자는 유기용매1에서 상 분리되지 않고 남은 잔여 PVDF고분자가 유기용매1 증발시 전구체 압전 유-무기 하이브리드 나노입자의 쉘을 이루는 코팅층에 더 코팅되어 형성될 있다. 일 구현예로서 상술된 바와 같이 유기용매1 및 2가 각각 DMF와 옥탄올이면 이들의 끓는점은 각각 153℃, 195℃ 이므로, 그 사이 온도인 160~180℃로 분산용액4를 열처리하게 되면 DMF를 증발시켜 DMF를 제거할 수 있는데, 이 때 비용매 상분리되지 않고 DMF에 남아 있던 PVDF계 고분자가 DMF가 증발되면서 압전 무기 나노입자의 표면에 코팅되어 압전 유-무기 하이브리드 나노입자를 형성하게 된다. The step of obtaining the dispersion solution 5 may be performed to include the piezoelectric organic-inorganic composite nanoparticles formed by evaporating and removing the organic solvent 1 from the dispersion solution 4. The piezoelectric organic-inorganic hybrid nanoparticles may be further coated on the coating layer constituting the shell of the precursor piezoelectric organic-inorganic hybrid nanoparticles when the residual PVDF polymer remaining without phase separation in the organic solvent 1 evaporates the organic solvent 1. As an embodiment, if the organic solvents 1 and 2 are DMF and octanol, respectively, as described above, their boiling points are 153°C and 195°C, respectively. DMF can be removed by evaporation. At this time, PVDF-based polymer remaining in DMF without nonsolvent phase separation is coated on the surface of piezoelectric inorganic nanoparticles as DMF evaporates to form piezoelectric organic-inorganic hybrid nanoparticles.

분산용액5로부터 상기 압전 유-무기 하이브리드 나노입자를 분리하는 단계는 분산용액5를 원심분리하는 단계; 원심분리단계에서 침전된 압전 유-무기 하이브리드 나노입자를 유기용매3(에탄올)로 세척하는 단계; 및 세척된 압전 유-무기 하이브리드 나노입자를 건조하는 단계;를 포함하여 수행될 수 있다. 이와 같이 비점이 낮은 유기용매3에 속하는 용매를 이용하여 세척하고 건조하는 것이 나노코팅막 형성에 더 바람직하였다. Separating the piezoelectric organic-inorganic hybrid nanoparticles from the dispersion solution 5 includes centrifuging the dispersion solution 5; washing the piezoelectric organic-inorganic hybrid nanoparticles precipitated in the centrifugation step with organic solvent 3 (ethanol); and drying the washed piezoelectric organic-inorganic hybrid nanoparticles. As described above, washing and drying using a solvent belonging to organic solvent 3 having a low boiling point was more preferable for forming the nano-coating film.

다음으로, 본 발명의 압전 유-무기 하이브리드 나노입자 함유 PVDF계 고분자 수지용액은 PVDF계 고분자 수지용액에 상술된 어느 하나의 압전 유-무기 하이브리드 나노입자가 균일하게 분산된 것으로, 상술된 바와 같이 압전 유-무기 하이브리드 나노입자가 친유기성을 갖기 때문에 PVDF계 고분자가 특정 용매에 용해되어 얻어진 PVDF계 수지용액에 압전 유-무기 하이브리드 나노입자를 첨가하여 교반하는 것만으로 용이하게 얻을 수 있다. Next, the PVDF-based polymer resin solution containing the piezoelectric organic-inorganic hybrid nanoparticles of the present invention is one in which any one of the above-described piezoelectric organic-inorganic hybrid nanoparticles is uniformly dispersed in the PVDF-based polymer resin solution, and as described above, the piezoelectric Since organic-inorganic hybrid nanoparticles have lipophilic properties, they can be easily obtained by simply adding piezoelectric organic-inorganic hybrid nanoparticles to a PVDF-based resin solution obtained by dissolving a PVDF-based polymer in a specific solvent and stirring.

다음으로, 본 발명의 압전 유-무기 하이브리드 나노입자 함유 PVDF계 고분자박막은 상술된 압전 유-무기 하이브리드 나노입자 함유 PVDF계 고분자 수지용액을 제막하여 얻어지므로, PVDF계 고분자 매트릭스에 압전 유-무기 하이브리드 나노입자가 균일하게 분산 배치된 구조를 갖는다. 여기서 제막은 공지된 모든 방법이 사용 가능한데, 일 구현예로서 solvent casting 또는 전기 방사법을 사용할 수 있다.Next, since the PVDF-based polymer thin film containing the piezoelectric organic-inorganic hybrid nanoparticles of the present invention is obtained by forming a film of the above-described PVDF-based polymer resin solution containing the piezoelectric organic-inorganic hybrid nanoparticles, the piezoelectric organic-inorganic hybrid in the PVDF-based polymer matrix It has a structure in which nanoparticles are uniformly dispersed. Here, any known method may be used for film forming, and as an embodiment, solvent casting or electrospinning may be used.

다음으로, 본 발명의 압전성 응용제품은 상술된 압전 유-무기 하이브리드 나노입자 함유 PVDF계 고분자박막을 포함하는 것으로, 압전 유-무기 하이브리드 나노입자 함유 PVDF계 고분자박막은 2층 이상 적층되어 형성될 수 있으며, 압전 유-무기 하이브리드 나노입자 함유 PVDF계 고분자박막이 PDMS(Poly Dimethyl Siloxane) 또는 Eco-flex(Smooth-On Inc사, 미국)로 이루어진 박막 사이에 위치도록 포함될 수도 있다. Next, the piezoelectric application product of the present invention includes the above-described PVDF-based polymer thin film containing the piezoelectric organic-inorganic hybrid nanoparticles, and the PVDF-based polymer thin film containing the piezoelectric organic-inorganic hybrid nanoparticles can be formed by stacking two or more layers. In addition, a PVDF-based polymer thin film containing piezoelectric organic-inorganic hybrid nanoparticles may be included to be positioned between the thin films made of PDMS (Poly Dimethyl Siloxane) or Eco-flex (Smooth-On Inc., USA).

본 발명의 압전성 응용제품의 일 구현예로서 압전형 센서, 압전형 발전기, 자가발전이 가능한 스마트 인솔로 구성된 그룹에서 선택되는 어느 하나일 수 있다. 즉, 본 발명의 압전 유-무기복합 나노입자 함유 PVDF계 고분자박막은 그 자체로 또는 다른 구서요소와 결합되어 압전형 센서, 압전형 발전기, 자가발전이 가능한 스마트 인솔 등으로 응용될 수 있기 때문이다. As an embodiment of the piezoelectric application product of the present invention, it may be any one selected from the group consisting of a piezoelectric sensor, a piezoelectric generator, and a smart insole capable of self-generation. That is, the PVDF-based polymer thin film containing piezoelectric organic-inorganic composite nanoparticles of the present invention can be applied as a piezoelectric sensor, a piezoelectric generator, and a smart insole capable of self-generation by itself or in combination with other elements. .

실시예 1Example 1

도 1에 도시된 바와 같은 공정을 통해 압전 유-무기 하이브리드 나노입자1을 다음과 같이 제조하였다.Through the process as shown in Figure 1, piezoelectric organic-inorganic hybrid nanoparticles 1 were prepared as follows.

1. 분산용액1(101) 및 분산용액2(102) 준비단계1. Dispersion solution 1 (101) and dispersion solution 2 (102) preparation steps

N,N-Dimethyl Formamide(DMF) 60g에 Barium titanate(Ⅳ)(BaTiO3, 평균입자크기 100nm이하; BTO) 1g을 Sonicators로 4시간동안 분산시켜 분산용액1을 준비하였다. N,N-Dimethyl Formamide(DMF) 6.7g에 P(VDF-TrFE) 0.5g을 60℃ 400rpm에서 교반시킨 분산용액2를 준비하였다.Dispersion solution 1 was prepared by dispersing 1 g of barium titanate (IV) (BaTiO 3 , average particle size less than 100 nm; BTO) in 60 g of N,N-Dimethyl Formamide (DMF) for 4 hours using sonicators. Dispersion solution 2 was prepared by stirring 0.5 g of P(VDF-TrFE) in 6.7 g of N,N-Dimethyl Formamide (DMF) at 60°C and 400 rpm.

2. 분산용액3 내지 분산용액5 및 압전 유-무기 하이브리드 나노입자 제조단계(103)2. Dispersion solution 3 to dispersion solution 5 and piezoelectric organic-inorganic hybrid nanoparticle manufacturing step (103)

분산용액1과 분산용개2를 혼합 후 60℃ 400rpm에서 24h 교반하여 분산용액3을 준비하였다. 그 후 교반 중인 분산용액 3에 뷰렛으로 1-Octanol 66.7g을 한 방울씩 적하하고, 적하가 끝난 후 24h동안 교반하여 분산용액4를 준비하였다. 분산용액4를 175℃, 400rpm으로 처리하여 N,N-Dimethyl Formamide(DMF)를 증발시켜 분산용액5를 얻었다.(N,N-Dimethyl Formamide의 끓는점:153℃ 1-Octanol의 끓는점:195℃) 분산용액5를 3000rpm 10min 조건에서 원심분리하여 침전된 압전 유-무기 하이브리드 나노입자1을 분리하고, 압전 유-무기 하이브리드 나노입자1을 Ethyl Alcohol로 3회 세척 한 후 감압하여 Ethyl Alcohol 및 잔여 1-Octanol을 제거하고 건조하여 압전 유-무기 하이브리드 나노입자1(BTO/PVDF-TrFE coat powder)을 제조하였다. After mixing the dispersion solution 1 and the dispersion solution 2, the dispersion solution 3 was prepared by stirring at 60°C and 400 rpm for 24 h. Thereafter, 66.7 g of 1-Octanol was added dropwise to the stirring dispersion solution 3 with a burette, and after the dropping was completed, the dispersion solution 4 was prepared by stirring for 24 h. Dispersion solution 4 was treated at 175℃ and 400rpm, and N,N-Dimethyl Formamide (DMF) was evaporated to obtain dispersion solution 5. (Boiling point of N,N-Dimethyl Formamide: 153℃ Boiling point of 1-Octanol: 195℃) Dispersion solution 5 was centrifuged at 3000rpm for 10min to separate precipitated piezoelectric organic-inorganic hybrid nanoparticles 1, and piezoelectric organic-inorganic hybrid nanoparticles 1 were washed three times with ethyl alcohol and then reduced pressure to remove ethyl alcohol and residual 1- Octanol was removed and dried to prepare piezoelectric organic-inorganic hybrid nanoparticles 1 (BTO/PVDF-TrFE coat powder).

실시예 2Example 2

압전 나노 무기입자로 Barium titanate 입자(BTO) 대신 Tellurium (평균 입자 크기 100nm) 입자를 사용한 것을 제외하면 실시예1과 동일한 방법을 수행하여 압전 유-무기복합 나노입자2를 제조하였다. Piezoelectric organic-inorganic composite nanoparticles 2 were prepared in the same manner as in Example 1, except that Tellurium (average particle size 100 nm) particles were used instead of Barium titanate particles (BTO) as piezoelectric nano-inorganic particles.

실시예 3Example 3

압전 나노 무기입자로 Barium titanate 입자(BTO) 대신 Zinc oxide (평균 입자 크기 100nm 이하) 입자를 사용한 것을 제외하면 실시예1과 동일한 방법을 수행하여 압전 유-무기복합 나노입자3을 제조하였다.Piezoelectric organic-inorganic composite nanoparticles 3 were prepared in the same manner as in Example 1, except that zinc oxide (average particle size 100 nm or less) particles were used instead of barium titanate particles (BTO) as piezoelectric nano-inorganic particles.

실시예 4Example 4

실시예1에서 얻어진 압전 유-무기복합 나노입자1를 P(VDF-TrFE)가 유기용매1에 잘 분산되어 만들어진 용액에 90℃에서 300 RPM에서 2시간 동안 교반하여 압전 유-무기복합 나노입자 함유 PVDF계 고분자 수지용액을 제조하였다. Piezoelectric organic-inorganic composite nanoparticles 1 obtained in Example 1 were stirred for 2 hours at 300 RPM at 90° C. in a solution prepared by dispersing P(VDF-TrFE) in organic solvent 1 for 2 hours to contain piezoelectric organic-inorganic composite nanoparticles A PVDF-based polymer resin solution was prepared.

실시예 5Example 5

실시예4에서 얻어진 압전 유-무기 하이브리드 나노입자 함유 PVDF계 고분자 수지용액을 이용하여 닥터블레이드를 100ㅅm 간격으로 설정하여 solvent-casting 방법으로 상기 압전 유-무기복합 나노입자 함유 PVDF계 고분자 수지용액을 일정한 두께로 유리판 위에 필름 형태로 만들고 150℃에서 2시간 어닐링(annealing)하고 10시간 동안 1분에 0.2℃ 씩 온도를 감온시켜 30℃까지 필름을 건조 시킨 후 압전 유-무기 하이브리드 나노입자 함유 PVDF계 고분자박막(BTO/PVDF-TrFE coating Film)을 제조하였다.Using the PVDF-based polymer resin solution containing the piezoelectric organic-inorganic hybrid nanoparticles obtained in Example 4, the doctor blade was set at 100 μm intervals, and the above-mentioned PVDF-based polymer resin solution containing the piezoelectric organic-inorganic composite nanoparticles was used by solvent-casting method. was formed into a film on a glass plate at a constant thickness, annealed at 150°C for 2 hours, the temperature was reduced by 0.2°C per minute for 10 hours, and the film was dried to 30°C. PVDF containing piezoelectric organic-inorganic hybrid nanoparticles A polymer-based thin film (BTO/PVDF-TrFE coating film) was prepared.

실시예 6Example 6

실시예 5에서 얻어진 압전 유-무기 하이브리드 나노입자 함유 PVDF계 고분자박막(BTO/PVDF-TrFE coating Film)을 이용하여 도 7에 도시된 구조의 압전 나노 자가 발전기를 제조하였다.Using the piezoelectric organic-inorganic hybrid nanoparticle-containing PVDF-based polymer thin film (BTO/PVDF-TrFE coating film) obtained in Example 5, a piezoelectric nano-self-generator having the structure shown in FIG. 7 was manufactured.

비교예 1Comparative Example 1

압전 유-무기 하이브리드 나노입자 함유 PVDF계 고분자 수지용액 대신에 PVDF-TrFE 고분자 수지 용액을 사용한 것을 제외하면 실시예5와 동일한 방법을 수행하여 PVDF-TrFE Film을 제조하였다.A PVDF-TrFE film was prepared in the same manner as in Example 5, except that a PVDF-TrFE polymer resin solution was used instead of a PVDF-based polymer resin solution containing piezoelectric organic-inorganic hybrid nanoparticles.

비교예 2Comparative Example 2

압전 유-무기 하이브리드 나노입자 함유 PVDF계 고분자 수지용액 대신에 압전 무기 입자인 BTO만 들어간 PVDF-TrFE 고분자 수지 용액을 사용한 것을 제외하면 실시예5와 동일한 방법을 수행하여 BTO/PVDF-TrFE non-coating Film을 제조하였다.BTO/PVDF-TrFE non-coating was performed in the same manner as in Example 5, except that a PVDF-TrFE polymer resin solution containing only BTO, a piezoelectric inorganic particle, was used instead of a PVDF-based polymer resin solution containing piezoelectric organic-inorganic hybrid nanoparticles. Film was prepared.

비교예 3Comparative Example 3

압전 유-무기 하이브리드 나노입자 함유 PVDF계 고분자박막(BTO/PVDF-TrFE coating Film)이 아니라 BTO/PVDF-TrFE non-coating Film을 사용한 것을 제외하면 실시예6와 동일한 방법으로 비교예 압전 나노 자가발전기2를 제조하였다.Comparative Example piezoelectric nano self-generator in the same manner as in Example 6, except that a BTO/PVDF-TrFE non-coating film was used instead of a PVDF-based polymer thin film containing piezoelectric organic-inorganic hybrid nanoparticles (BTO/PVDF-TrFE coating film) 2 was prepared.

비교예 4Comparative Example 4

압전 유-무기 하이브리드 나노입자 함유 PVDF계 고분자박막(BTO/PVDF-TrFE coating Film)이 아니라 PVDF-TrFE Film을 사용한 것을 제외하면 실시예6와 동일한 방법으로 비교예 압전 나노 자가발전기1을 제조하였다.A piezoelectric nano self-generator 1 of Comparative Example was prepared in the same manner as in Example 6 except that a PVDF-TrFE film, not a PVDF-based polymer thin film (BTO/PVDF-TrFE coating film) containing piezoelectric organic-inorganic hybrid nanoparticles was used.

실험예 1Experimental Example 1

실시예 1에서 압전 유-무기 하이브리드 나노입자1을 얻기 위해 사용된 PVDF-TrFE, BaTiO3(BTO)와 압전 유-무기 하이브리드 나노입자1(BTO/PVDF-TrFE coating powder)를 FT-IR Spectroscopy 를 이용하여 측정 된 peak를 분석하고 그 결과를 도 3에 나타내었다.PVDF-TrFE, BaTiO 3 (BTO) and piezoelectric organic-inorganic hybrid nanoparticles 1 (BTO/PVDF-TrFE coating powder) used to obtain piezoelectric organic-inorganic hybrid nanoparticles 1 in Example 1 were subjected to FT-IR Spectroscopy. The measured peak was analyzed using and the results are shown in FIG. 3 .

도 3에 도시된 FT-IR 데이터는 PVDF-TrFE 의 압전 출력에 관여하는 β-phase (840, 1280 및 1431 cm-1) peak와 BTO의 진동 피크(540, 860, 1421 cm-1)를 도3에 나타내었고 PVDF-TrFE로 나노 코팅 된 BTO의 경우 표면 개질 전 BTO 에서 보이지 않던 PVDF-TrFE 의 β-phase peak 인 840, 1280 및 1431 cm-1 peak가 뚜렷이 나타났으며 BTO 고유의 진동 peak인 540, 1280 및 1421 cm-1 도 확인되었고 표면 개질 전 BTO에 나타나지 않던 PVDF-TrFE의 peak 가 관찰되는 것은 나노 코팅 후에도 고분자 층이 잘 코팅되어 안정하게 유지되는 것을 보여준다.The FT-IR data shown in Figure 3 shows the β-phase (840, 1280 and 1431 cm -1 ) peaks involved in the piezoelectric output of PVDF-TrFE and the vibrational peaks (540, 860, 1421 cm -1 ) of BTO. 3 and in the case of BTO nano-coated with PVDF-TrFE, 840, 1280, and 1431 cm -1 peaks, the β-phase peaks of PVDF-TrFE, which were not seen in BTO before surface modification, were clearly displayed. 540, 1280 and 1421 cm -1 were also confirmed, and the observation of the PVDF-TrFE peak, which did not appear in BTO before surface modification, shows that the polymer layer is well coated and stably maintained even after nano-coating.

실험예 2Experimental Example 2

실시예 1에서 사용된 BaTiO3(BTO)와 최종적으로 얻어진 압전 유-무기 하이브리드 나노입자1을 TEM으로 관찰하고 그 결과 사진을 도4에 나타내었다. 왼쪽이 BaTiO3(BTO)의 사진이고, 오른쪽이 압전 유-무기 하이브리드 나노입자1의 사진이다. The BaTiO 3 (BTO) used in Example 1 and the finally obtained piezoelectric organic-inorganic hybrid nanoparticles 1 were observed by TEM, and a photograph of the result is shown in FIG. 4 . The left is a photograph of BaTiO 3 (BTO), and the right is a photograph of the piezoelectric organic-inorganic hybrid nanoparticles 1.

도 4로부터, 고분자 코팅층이 BTO표면에 4.157nm 두께로 균일하게 형성된 것을 관찰할 수 있다.From FIG. 4, it can be observed that the polymer coating layer is uniformly formed on the surface of the BTO with a thickness of 4.157 nm.

실험예 3Experimental Example 3

실시예 1에서 사용된 BaTiO3(BTO)와 최종적으로 얻어진 압전 유-무기 하이브리드 나노입자1의 XRD 패턴을 분석하고 그 결과 그래프를 도 5에 나타내었다.The XRD patterns of BaTiO 3 (BTO) used in Example 1 and finally obtained piezoelectric organic-inorganic hybrid nanoparticles 1 were analyzed, and the result graph is shown in FIG. 5 .

도 5로부터 XRD 패턴을 사용하여 BTO@PVDF-TrFE, BTO나노 입자의 결정구조를 관찰한 BTO의 tetragonal phase 에서 회절 피크[(100), (110), (111), (200), (210), (211), (220), (222), (103)]를 가지고 있음을 알 수 있고 나노 코팅 공정을 거친 후에도 BTO@PVDF-TrFE 나노 입자의 결정성을 나타내는 회절 피크가 bare BTO 의 회절 피크와 같이 나오는 것을 확인하였고 이는 나노 코팅 공정이 BTO의 결정성을 손상시키지 않은 것을 확인했다.From FIG. 5, the diffraction peaks [(100), (110), (111), (200), (210) in the tetragonal phase of BTO observed the crystal structure of BTO@PVDF-TrFE and BTO nanoparticles using the XRD pattern. , (211), (220), (222), (103)], and even after the nano-coating process, the diffraction peak indicating the crystallinity of the BTO@PVDF-TrFE nanoparticles is the diffraction peak of the bare BTO. It was confirmed that the nano-coating process did not damage the crystallinity of BTO.

실험예 4Experimental Example 4

실시예 1에서 압전 유-무기 하이브리드 나노입자1을 얻기 위해 사용된 PVDF-TrFE, BaTiO3(BTO)와 압전 유-무기 하이브리드 나노입자1(BTO/PVDF-TrFE coat powder)를 열중량 분석기(Thermogravimetric Analysis, TGA)를 이용하여 TGA 데이터를 조사하고 그 결과 그래프를 도 6에 나타내었다.PVDF-TrFE, BaTiO 3 (BTO) and piezoelectric organic-inorganic hybrid nanoparticle 1 (BTO/PVDF-TrFE coat powder) used to obtain piezoelectric organic-inorganic hybrid nanoparticles 1 in Example 1 were analyzed by thermogravimetric analysis. Analysis, TGA) was used to investigate the TGA data, and a graph of the results is shown in FIG. 6 .

도 6으로부터 800℃까지 PVDF-TrFE, BTO, 나노입자1(BTO/PVDF-TrFE coating powder)의 중량손실로서 나노 코팅이 잘 되었는지 확인하였고 PVDF-TrFE는 약 90%가 손실되고 BTO는 약 3%가 손실 되었는데 나노입자1은 약 26%가 손실됨을 확인했고 이를 통해 나노 코팅이 잘 됨을 알 수 있다. From Figure 6 to 800 ℃, PVDF-TrFE, BTO, and nanoparticle 1 (BTO / PVDF-TrFE coating powder) weight loss was confirmed whether the nano coating was well, PVDF-TrFE about 90% loss and BTO about 3% was lost, and it was confirmed that about 26% of Nanoparticle 1 was lost, indicating that the nano-coating was good.

실험예 5Experimental Example 5

실시예 5에서 얻어진.압전 유-무기복합 나노입자 함유 PVDF계 고분자박막(BTO/PVDF-TrFE coat Film), 비교예1 및 비교예2에서 각각 얻어진 PVDF-TrFE Film과 BTO/PVDF-TrFE non-coating Film으로 각각 만들어진 나노 압전발전기의 압전성을 측정하기 위해, 실시예6에서 얻어진 압전 나노 자가발전기, 비교예 3 및 4에서 얻어진 비교예압전 나노 자가발전기1 및 2를 대상으로 자체제작한 compression/releasing machine으로 일정한 압력힘과 동일한 주파수로 나노 압전발전기에 변형을 가하여 압전데이터를 측정하고 그 결과를 도 8에 나타내었다. Obtained in Example 5. PVDF-based polymer thin film containing piezoelectric organic-inorganic composite nanoparticles (BTO/PVDF-TrFE coat Film), PVDF-TrFE Film and BTO/PVDF-TrFE non- obtained in Comparative Examples 1 and 2, respectively In order to measure the piezoelectricity of the nano-piezoelectric generators each made of a coating film, self-manufactured compression/releasing of the piezoelectric nano-self-generators obtained in Example 6 and Comparative Pre-piezoelectric nano-self-generators 1 and 2 obtained in Comparative Examples 3 and 4 The piezoelectric data was measured by applying a strain to the nano piezoelectric generator with a constant pressure force and the same frequency with a machine, and the results are shown in FIG. 8 .

도 8로부터, 실시예 5에서 얻어진.압전 유-무기 하이브리드 나노입자 함유 PVDF계 고분자박막(BTO/PVDF-TrFE coating Film)으로 만들어진 나노 압전발전기는 비교예1 및 비교예2에서 각각 얻어진 PVDF-TrFE Film과 BTO/PVDF-TrFE non-coating Film으로 각각 만들어진 나노 압전발전기 보다 각각 약 4.5배, 1.9배 높은 출력 전압을 얻었다.From FIG. 8, the nano piezoelectric generator made of PVDF-based polymer thin film (BTO/PVDF-TrFE coating film) containing piezoelectric organic-inorganic hybrid nanoparticles obtained in Example 5 was PVDF-TrFE obtained in Comparative Example 1 and Comparative Example 2, respectively. The output voltage was about 4.5 times and 1.9 times higher than that of the nano piezoelectric generator made of film and BTO/PVDF-TrFE non-coating film, respectively.

이상의 실험결과들로부터, 본 발명에 의하면 나노 코팅을 통해 무기 압전 나노입자의 분산성을 높여 더 높은 성능의 압전 박막 및 압전 나노 자가 발전기 제작할 수 있음을 알 수 있다. From the above experimental results, it can be seen that according to the present invention, a piezoelectric thin film and a piezoelectric nano self-generator with higher performance can be manufactured by increasing the dispersibility of inorganic piezoelectric nanoparticles through nano-coating.

따라서, 본 발명의 압전 유-무기 하이브리드 나노입자는 친유기성을 확보함으로써 PVDF계고분자 수지용액에 대한 분산성이 현저하게 향상되므로, 고유전성은 물론 우수한 성형성을 통해 압전성이 필요한 다양한 분야에서 응용될 수 있을 것이다. Therefore, the piezoelectric organic-inorganic hybrid nanoparticles of the present invention have remarkably improved dispersibility in PVDF-based polymer resin solutions by securing lipophilicity. will be able

본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.Although the present invention has been illustrated and described with reference to preferred embodiments as described above, it is not limited to the above-described embodiments, and those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains within the scope not departing from the spirit of the present invention Various changes and modifications will be possible.

Claims (19)

압전 무기나노입자; 및
상기 압전 무기나노입자 표면에 형성된 압전 고분자 코팅층;을 포함하는데,
상기 압전 고분자 코팅층은 상기 압전 무기나노입자와 상기 압전 고분자 코팅층 사이를 연결하는 별도의 작용기층 없이 유기용매1에 분산되어 있던 압전 고분자가 유기용매2에 의해 상기 압전 무기 나노입자로 상분리 됨으로써 그 표면에 형성되는 것으로, 상기 유기용매1과 유기용매2는 용해도 지수 차이가 5 이하인 것을 특징으로 하는 압전 유-무기 하이브리드 나노입자.
piezoelectric inorganic nanoparticles; and
It includes; a piezoelectric polymer coating layer formed on the surface of the piezoelectric inorganic nanoparticles;
In the piezoelectric polymer coating layer, the piezoelectric polymer dispersed in organic solvent 1 without a separate functional group layer connecting the piezoelectric inorganic nanoparticles and the piezoelectric polymer coating layer is phase-separated into the piezoelectric inorganic nanoparticles by the organic solvent 2. Piezoelectric organic-inorganic hybrid nanoparticles, characterized in that the difference in solubility index between the organic solvent 1 and the organic solvent 2 is 5 or less.
제 1 항에 있어서,
상기 압전 무기나노입자는 BaTiO3, PZT, PLZT, SBT, BST 및 TeO, ZnO, MgO, CdO의 이원산화물로 구성된 그룹에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 압전 유-무기 하이브리드 나노입자.
The method of claim 1,
The piezoelectric inorganic nanoparticles are piezoelectric organic-inorganic hybrid nanoparticles, characterized in that at least one selected from the group consisting of BaTiO 3 , PZT, PLZT, SBT, BST, and binary oxides of TeO, ZnO, MgO, and CdO.
제 1 항에 있어서,
상기 압전 고분자는 비닐리덴 플루오라이드(VDF, vinylidene-fluoride), 트리플루오로에틸렌(TrFE, trifluoroethylene), 테트라플루오로에틸렌(TFE, tetrafluoroethylene), 비닐 플루오라이드(VF, vinyl fluoride), 퍼플루로로 메틸 비닐 에테르(PEVE, perfluoro(methyl vinyl ether)), 클로로트리플루오로에틸렌(CTFE, chlorotrifluoroethylene)로 구성된 그룹에서 선택되는 2개 이상의 모노머를 포함하는 PVDF계 고분자인 것을 특징으로 하는 압전 유-무기 하이브리드 나노입자.
The method of claim 1,
The piezoelectric polymer is vinylidene fluoride (VDF, vinylidene-fluoride), trifluoroethylene (TrFE, trifluoroethylene), tetrafluoroethylene (TFE, tetrafluoroethylene), vinyl fluoride (VF, vinyl fluoride), perfluoromethyl Piezoelectric organic-inorganic hybrid nano, characterized in that it is a PVDF-based polymer comprising two or more monomers selected from the group consisting of vinyl ether (PEVE, perfluoro (methyl vinyl ether)) and chlorotrifluoroethylene (CTFE, chlorotrifluoroethylene) particle.
제 1 항에 있어서,
상기 압전 무기 나노입자는 100nm 이하의 입자크기를 갖고, 상기 압전 고분자 코팅층은 4~10 nm의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 압전 유-무기 하이브리드 나노입자.
The method of claim 1,
The piezoelectric inorganic nanoparticles have a particle size of 100 nm or less, and the piezoelectric polymer coating layer is formed to a thickness of 4 to 10 nm. Piezoelectric organic-inorganic hybrid nanoparticles.
제 1 항에 있어서,
상기 압전 고분자 코팅층은 서로 다른 고분자로 형성된 2개 이상의 코팅막을 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 유-무기 하이브리드 나노입자.
The method of claim 1,
The piezoelectric polymer coating layer is piezoelectric organic-inorganic hybrid nanoparticles, characterized in that it comprises two or more coating films formed of different polymers.
유기용매1을 사용하여 압전 무기나노입자가 분산된 분산용액1 및 PVDF계 고분자가 분산된 분산용액2를 준비하는 단계;
상기 분산용액1과 분산용액2를 혼합하여 압전 무기나노입자와 PVDF계 고분자가 상기 유기용매1에 분산된 분산용액3을 준비하는 단계;
상기 PVDF계 고분자의 비용매인 유기용매2를 상기 분산용액3에 적하 및 교반하여 형성된 전구체 압전 유-무기복합 나노입자를 포함하는 분산용액4를 얻는 단계;
상기 분산용액4로부터 상기 유기용매1을 증발시켜 제거함으로써 형성된 압전 유-무기복합 나노입자를 포함하는 분산용액5를 얻는 단계; 및
상기 분산용액5로부터 상기 압전 유-무기복합 나노입자를 분리하는 단계;를 포함하는 압전 유-무기 하이브리드 나노입자 제조방법.
using an organic solvent 1 to prepare a dispersion solution 1 in which piezoelectric inorganic nanoparticles are dispersed and a dispersion solution 2 in which a PVDF-based polymer is dispersed;
preparing a dispersion solution 3 in which the piezoelectric inorganic nanoparticles and the PVDF-based polymer are dispersed in the organic solvent 1 by mixing the dispersion solution 1 and the dispersion solution 2;
obtaining a dispersion solution 4 containing the precursor piezoelectric organic-inorganic composite nanoparticles formed by dropping and stirring the organic solvent 2, which is a non-solvent of the PVDF-based polymer, into the dispersion solution 3;
obtaining a dispersion solution 5 containing piezoelectric organic-inorganic composite nanoparticles formed by evaporating and removing the organic solvent 1 from the dispersion solution 4; and
Separating the piezoelectric organic-inorganic composite nanoparticles from the dispersion solution 5; piezoelectric organic-inorganic hybrid nanoparticle manufacturing method comprising a.
제 6 항에 있어서,
상기 유기용매1과 유기용매2는 용해도 지수 차이가 5 이하인 것을 특징으로 하는 압전 유-무기 하이브리드 나노입자 제조방법.
7. The method of claim 6,
Piezoelectric organic-inorganic hybrid nanoparticle manufacturing method, characterized in that the organic solvent 1 and the organic solvent 2 have a solubility index difference of 5 or less.
제 7 항에 있어서,
상기 유기용매1은 DMF(N,N-dimethylformamide), MEK(methyl ethyl ketone), NMP(N-Methyl-2-pyrrolidone), DME(dimethyl ether) 및 1,4-Dioxane (1,4-Diethyleneoxide)로 구성된 그룹에서 선택되는 어느 하나이고,
상기 유기용매2는 에탄올계 유기용매인 것을 특징으로 하는 압전 유-무기 하이브리드 나노입자 제조방법.
8. The method of claim 7,
The organic solvent 1 is DMF (N,N-dimethylformamide), MEK (methyl ethyl ketone), NMP (N-Methyl-2-pyrrolidone), DME (dimethyl ether) and 1,4-Dioxane (1,4-Diethyleneoxide) Any one selected from the group consisting of
The organic solvent 2 is a piezoelectric organic-inorganic hybrid nanoparticle manufacturing method, characterized in that the ethanol-based organic solvent.
제 6 항에 있어서,
상기 전구체 압전 유-무기 하이브리드 나노입자는 상기 유기용매1에 분산되어 있던 PVDF계 고분자가 상기 유기용매2에 의해 압전 무기 나노입자로 상분리 됨으로써 압전 무기 나노입자를 코어로 하고 그 표면에 상분리된 PVDF계 고분자가 코팅되어 형성된 코팅층을 쉘로 하는 코어-쉘 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 압전 유-무기 하이브리드 나노입자 제조방법.
7. The method of claim 6,
The precursor piezoelectric organic-inorganic hybrid nanoparticles are PVDF-based polymers dispersed in the organic solvent 1 are phase-separated into piezoelectric inorganic nanoparticles by the organic solvent 2, so that the piezoelectric inorganic nanoparticles are the core and phase-separated PVDF-based nanoparticles on the surface A piezoelectric organic-inorganic hybrid nanoparticle manufacturing method, characterized in that it is formed in a core-shell structure having a coating layer formed by coating a polymer as a shell.
제 6 항에 있어서,
상기 유-무기 하이브리드 나노입자는 상기 유기용매1에서 상 분리되지 않고 남은 잔여 PVDF고분자가 상기 유기용매1 증발시 상기 전구체 압전 유-무기 하이브리드 나노입자의 쉘을 이루는 코팅층에 더 코팅되어 형성되는 것을 특징으로 하는 압전 유-무기 하이브리드 나노입자 제조방법.
7. The method of claim 6,
The organic-inorganic hybrid nanoparticles are further coated on the coating layer constituting the shell of the precursor piezoelectric organic-inorganic hybrid nanoparticles when the residual PVDF polymer remaining without phase separation in the organic solvent 1 evaporates the organic solvent 1. A piezoelectric organic-inorganic hybrid nanoparticle manufacturing method.
제 6 항에 있어서,
상기 분리하는 단계는 상기 분산용액5를 원심분리하는 단계; 상기 원심분리단계에서 침전된 상기 압전 유-무기 하이브리드 나노입자를 유기용매2로 세척하는 단계; 및 세척된 상기 압전 유-무기 하이브리드 나노입자를 건조하는 단계;를 포함하여 수행되는 것을 특징으로 하는 압전 유-무기 하이브리드 나노입자 제조방법.
7. The method of claim 6,
The separating may include centrifuging the dispersion solution 5; washing the piezoelectric organic-inorganic hybrid nanoparticles precipitated in the centrifugation step with organic solvent 2; and drying the washed piezoelectric organic-inorganic hybrid nanoparticles.
제 6 항에 있어서,
상기 분산용액 3에서 상기 압전 무기 나노입자는 1 ~ 30 중량%로 포함되는 것을 특징으로 하는 압전 유-무기 하이브리드 나노입자 제조방법.
7. The method of claim 6,
In the dispersion solution 3, the piezoelectric inorganic nanoparticles are included in an amount of 1 to 30% by weight, piezoelectric organic-inorganic hybrid nanoparticle manufacturing method.
제 6 항에 있어서,
상기 압전 무기나노입자는 BaTiO3, PZT, PLZT, SBT, BST 및 TeO, ZnO, MgO, CdO의 이원산화물로 구성된 그룹에서 선택되는 하나 이상이고,
상기 PVDF계 고분자는 비닐리덴 플루오라이드(VDF, vinylidene- fluoride), 트리플루오로에틸렌(TrFE, trifluoroethylene), 테트라플루오로에틸렌(TFE, tetrafluoro ethylene), 비닐 플루오라이드(VF, vinyl fluoride), 퍼플루로로 메틸 비닐 에테르(PEVE, perfluoro(methyl vinyl ether)), 클로로트리플루오로에틸렌(CTFE, chlorotrifluoroethylene)로 구성된 그룹에서 선택되는 2개 이상의 모노머를 포함하는 고분자인 것을 특징으로 하는 압전 유-무기 하이브리드 나노입자 제조방법.
7. The method of claim 6,
The piezoelectric inorganic nanoparticles are at least one selected from the group consisting of BaTiO 3 , PZT, PLZT, SBT, BST, and binary oxides of TeO, ZnO, MgO, and CdO,
The PVDF-based polymer is vinylidene fluoride (VDF, vinylidene- fluoride), trifluoroethylene (TrFE, trifluoroethylene), tetrafluoroethylene (TFE, tetrafluoro ethylene), vinyl fluoride (VF, vinyl fluoride), perfluoro Piezoelectric organic-inorganic hybrid nano, characterized in that it is a polymer containing two or more monomers selected from the group consisting of methyl vinyl ether (PEVE, perfluoro (methyl vinyl ether)) and chlorotrifluoroethylene (CTFE, chlorotrifluoroethylene) Particle manufacturing method.
PVDF계 고분자 수지용액에 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항의 압전 유-무기 하이브리드 나노입자 또는 제 6 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항의 제조방법으로 제조된 압전 유-무기 하이브리드 나노입자가 균일하게 분산된 것을 특징으로 하는 압전 유-무기 하이브리드 나노입자 함유 PVDF계 고분자 수지용액.
The piezoelectric organic-inorganic hybrid nanoparticles of any one of claims 1 to 5 or the piezoelectric organic-inorganic hybrid nanoparticles prepared by the method of any one of claims 6 to 13 are uniform in the PVDF-based polymer resin solution. A PVDF-based polymer resin solution containing piezoelectric organic-inorganic hybrid nanoparticles, characterized in that it is dispersed.
제 14 항의 압전 유-무기 하이브리드 나노입자 함유 PVDF계 고분자 수지용액을 제막하여 얻어지므로, PVDF계 고분자 매트릭스에 상기 압전 유-무기 하이브리드 나노입자가 균일하게 분산 배치된 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 압전 유-무기 하이브리드 나노입자 함유 PVDF계 고분자박막.
The piezoelectric oil, characterized in that it has a structure in which the piezoelectric organic-inorganic hybrid nanoparticles are uniformly dispersed in a PVDF-based polymer matrix because it is obtained by forming the PVDF-based polymer resin solution containing the piezoelectric organic-inorganic hybrid nanoparticles of claim 14 into a film - PVDF-based polymer thin film containing inorganic hybrid nanoparticles.
제 15 항의 압전 유-무기 하이브리드 나노입자 함유 PVDF계 고분자박막을 포함하는 압전성 응용제품.
The piezoelectric application product comprising the PVDF-based polymer thin film containing the piezoelectric organic-inorganic hybrid nanoparticles of claim 15.
제 16 항에 있어서,
상기 압전 유-무기 하이브리드 나노입자 함유 PVDF계 고분자박막은 2층 이상 적층되어 형성되는 것을 특징으로 하는 압전성 응용제품.
17. The method of claim 16,
The piezoelectric organic-inorganic hybrid nanoparticle-containing PVDF-based polymer thin film is a piezoelectric application product, characterized in that it is formed by stacking two or more layers.
제 16 항에 있어서,
상기 압전 유-무기 하이브리드 나노입자 함유 PVDF계 고분자박막은 PDMS 또는 Eco-flex로 이루어진 박막 사이에 위치도록 포함되는 것을 특징으로 하는 압전성 응용제품.
17. The method of claim 16,
The piezoelectric organic-inorganic hybrid nanoparticle-containing PVDF-based polymer thin film is a piezoelectric application product, characterized in that it is included between the PDMS or Eco-flex thin films.
제 16 항에 있어서,
상기 압전성 응용제품은 압전형 센서, 압전형 발전기, 자가발전이 가능한 스마트 인솔로 구성된 그룹에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 압전성 응용제품.
17. The method of claim 16,
The piezoelectric application product is a piezoelectric application product, characterized in that any one selected from the group consisting of a piezoelectric sensor, a piezoelectric generator, and a smart insole capable of self-generation.
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