KR102595641B1 - Composition for fritting of piezoelectric element, method for manufacturing same, and printer for piezoelectric element using same - Google Patents

Composition for fritting of piezoelectric element, method for manufacturing same, and printer for piezoelectric element using same Download PDF

Info

Publication number
KR102595641B1
KR102595641B1 KR1020210104866A KR20210104866A KR102595641B1 KR 102595641 B1 KR102595641 B1 KR 102595641B1 KR 1020210104866 A KR1020210104866 A KR 1020210104866A KR 20210104866 A KR20210104866 A KR 20210104866A KR 102595641 B1 KR102595641 B1 KR 102595641B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
piezoelectric element
printing
hfp
pvdf
composition
Prior art date
Application number
KR1020210104866A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20230022733A (en
Inventor
송호성
임수만
리하이
Original Assignee
전북대학교산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 전북대학교산학협력단 filed Critical 전북대학교산학협력단
Priority to KR1020210104866A priority Critical patent/KR102595641B1/en
Priority to PCT/KR2022/009563 priority patent/WO2023018009A1/en
Publication of KR20230022733A publication Critical patent/KR20230022733A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102595641B1 publication Critical patent/KR102595641B1/en

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C09DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09DCOATING COMPOSITIONS, e.g. PAINTS, VARNISHES OR LACQUERS; FILLING PASTES; CHEMICAL PAINT OR INK REMOVERS; INKS; CORRECTING FLUIDS; WOODSTAINS; PASTES OR SOLIDS FOR COLOURING OR PRINTING; USE OF MATERIALS THEREFOR
    • C09D127/00Coating compositions based on homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and at least one being terminated by a halogen; Coating compositions based on derivatives of such polymers
    • C09D127/02Coating compositions based on homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and at least one being terminated by a halogen; Coating compositions based on derivatives of such polymers not modified by chemical after-treatment
    • C09D127/12Coating compositions based on homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and at least one being terminated by a halogen; Coating compositions based on derivatives of such polymers not modified by chemical after-treatment containing fluorine atoms
    • C09D127/18Homopolymers or copolymers of tetrafluoroethene
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41JTYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
    • B41J2/00Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
    • B41J2/385Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by selective supply of electric current or selective application of magnetism to a printing or impression-transfer material
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41JTYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
    • B41J2/00Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
    • B41J2/435Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by selective application of radiation to a printing material or impression-transfer material
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41JTYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
    • B41J3/00Typewriters or selective printing or marking mechanisms characterised by the purpose for which they are constructed
    • B41J3/407Typewriters or selective printing or marking mechanisms characterised by the purpose for which they are constructed for marking on special material
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08FMACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED BY REACTIONS ONLY INVOLVING CARBON-TO-CARBON UNSATURATED BONDS
    • C08F2/00Processes of polymerisation
    • C08F2/44Polymerisation in the presence of compounding ingredients, e.g. plasticisers, dyestuffs, fillers
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C09DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09DCOATING COMPOSITIONS, e.g. PAINTS, VARNISHES OR LACQUERS; FILLING PASTES; CHEMICAL PAINT OR INK REMOVERS; INKS; CORRECTING FLUIDS; WOODSTAINS; PASTES OR SOLIDS FOR COLOURING OR PRINTING; USE OF MATERIALS THEREFOR
    • C09D11/00Inks
    • C09D11/02Printing inks
    • C09D11/10Printing inks based on artificial resins
    • C09D11/101Inks specially adapted for printing processes involving curing by wave energy or particle radiation, e.g. with UV-curing following the printing

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Polymers & Plastics (AREA)

Abstract

본 발명은 DLP 기반의 실시간 폴링 공정 시스템을 구축하여 압전 소자를 형성하기 위한 압전 소자의 프린팅용 조성물, 이의 제조 방법 및 이를 이용한 압전 소자용 프린터에 관한 것이다. 본 발명에 따른 PVDF(Polyvinylidene fluoride)와 HFP(hexa fluoropropylene)를 공중합하여 형성되는 PVDF-HFP를 용매에 첨가하고 교반하는 단계, 교반된 용액에 광 경화성 폴리머를 첨가하는 단계, 광 경화성 폴리머가 첨가된 용액을 탈기시켜 압전 소자의 프린팅용 조성물을 제조하는 단계를 포함한다.The present invention relates to a composition for printing a piezoelectric element for forming a piezoelectric element by constructing a DLP-based real-time polling process system, a manufacturing method thereof, and a printer for a piezoelectric element using the same. Adding and stirring PVDF-HFP, which is formed by copolymerizing PVDF (polyvinylidene fluoride) and HFP (hexa fluoropropylene) according to the present invention, to a solvent, adding a photocurable polymer to the stirred solution, and adding a photocurable polymer to the stirred solution. It includes the step of preparing a composition for printing a piezoelectric element by degassing the solution.

Description

압전 소자의 프린팅용 조성물, 이의 제조 방법 및 이를 이용한 압전 소자용 프린터{Composition for fritting of piezoelectric element, method for manufacturing same, and printer for piezoelectric element using same}Composition for printing a piezoelectric element, a manufacturing method thereof, and a printer for a piezoelectric element using the same {Composition for fritting of piezoelectric element, method for manufacturing same, and printer for piezoelectric element using same}

본 발명은 압전 소자의 프린팅용 조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 DLP 기반의 실시간 폴링 공정 시스템을 구축하여 압전 소자를 형성하기 위한 압전 소자의 프린팅용 조성물, 이의 제조 방법 및 이를 이용한 압전 소자용 프린터에 관한 것이다.The present invention relates to a composition for printing piezoelectric elements, and more specifically, to a composition for printing piezoelectric elements for forming a piezoelectric element by constructing a DLP-based real-time polling process system, a manufacturing method thereof, and a printer for piezoelectric elements using the same. It's about.

PVDF(Polyvinylidene fluoride)는 높은 유연성과 압전 능력으로 압전 소자 기술의 핵심 물질로 사용되고 있다. 일반적으로 PVDF의 압전성을 높이는 방법으로 천연 α상에서 β 상으로 변환하는 과정은 폴리머를 축 방향으로 늘린 다음 높은 전기장을 적용하여 쌍극자 구조를 정렬하는 것이다. 그러나 이 폴링 작업은 최소한 몇 시간 이상 고전압을 적용하기 때문에 수행하는 데 비용이 많이 들고 위험하고 번거로운 작업 프로세스로 지양하고 있다.PVDF (Polyvinylidene fluoride) is used as a key material in piezoelectric device technology due to its high flexibility and piezoelectric ability. In general, the process of converting the natural α phase to the β phase as a way to increase the piezoelectricity of PVDF involves stretching the polymer axially and then applying a high electric field to align the dipole structure. However, this polling operation is avoided as it is a costly, dangerous, and cumbersome process because it applies high voltage for at least several hours.

최근에는 3D 프린팅과 폴링을 동시에 수행하여 3D 구조를 생성 할 수 있는 EPAM (Electric Poling-Assisted Additive Manufacturing) 기술이 개발되어 FDM 방식의 3D 프린팅을 이용한 압전소자 제작에 적용하였다.Recently, EPAM (Electric Poling-Assisted Additive Manufacturing) technology, which can create 3D structures by performing 3D printing and poling simultaneously, was developed and applied to the production of piezoelectric elements using FDM-type 3D printing.

그러나 FDM 구조 특성상 좁은 노즐 범위, 높은 용융 온도, 느린 증착 속도와 같은 재료 압출 방법의 단점으로 지적되었다. 반면, DLP 프로세스는 대면적의 빔 프로젝트를 조사하기 때문에 더 빠른 프로세스 속도로 고온 조건이 필요없는 넓은 면적의 3D 구조를 만드는 대안이 될 수 있다.However, due to the nature of the FDM structure, disadvantages of the material extrusion method such as narrow nozzle range, high melting temperature, and slow deposition rate were pointed out. On the other hand, because the DLP process investigates large-area beam projects, it can be an alternative to create large-area 3D structures at faster process speeds and without the need for high-temperature conditions.

그러나 DLP 시스템에는 사후 폴링 프로세스 단계가 필요하며 지금까지는 이를 줄이기 위한 노력이 전무하다.However, DLP systems require a post-polling process step, and so far no efforts have been made to reduce this.

따라서 본 발명의 목적은 DLP 기반의 실시간 폴링 공정 시스템을 구축하여 압전 소자를 형성하기 위한 압전 소자의 프린팅용 조성물, 이의 제조 방법 및 이를 이용한 압전 소자용 프린터를 제공하는 데 있다.Therefore, the purpose of the present invention is to provide a composition for printing piezoelectric elements for forming a piezoelectric element by constructing a DLP-based real-time polling process system, a method for manufacturing the same, and a printer for piezoelectric elements using the same.

본 발명에 따른 압전 소자의 프린팅용 조성물 제조 방법은 PVDF(Polyvinylidene fluoride)와 HFP(hexa fluoropropylene)를 공중합하여 형성되는 PVDF-HFP를 용매에 첨가하고 1차 교반하는 단계, 상기 교반된 용액에 광 경화성 폴리머를 첨가하고 2차 교반하는 단계, 상기 광 경화성 폴리머가 첨가된 용액을 탈기시켜 압전 소자의 프린팅용 조성물을 제조하는 단계를 포함한다.The method for producing a composition for printing a piezoelectric element according to the present invention includes adding PVDF-HFP, which is formed by copolymerizing PVDF (polyvinylidene fluoride) and HFP (hexa fluoropropylene), to a solvent and first stirring, and adding photocuring to the stirred solution. It includes adding a polymer and secondary stirring, and degassing the solution to which the photo-curable polymer has been added to prepare a composition for printing a piezoelectric element.

본 발명에 따른 압전 소자의 프린팅용 조성물 제조 방법에 있어서, 상기 1차 교반하는 단계는, PVDF-HFP를 용매에 첨가하고, 15 ~ 35℃에서 1 ~ 5시간 동안 교반하는 것을 특징으로 한다.In the method of manufacturing a composition for printing a piezoelectric element according to the present invention, the first stirring step is characterized in that PVDF-HFP is added to a solvent and stirred at 15 to 35° C. for 1 to 5 hours.

본 발명에 따른 압전 소자의 프린팅용 조성물 제조 방법에 있어서, 상기 압전 소자의 프린팅용 조성물은 20 ~ 60wt%의 상기 PVDF-HFP를 포함하는 것을 특징으로 한다.In the method for producing a composition for printing a piezoelectric element according to the present invention, the composition for printing a piezoelectric element includes 20 to 60 wt% of the PVDF-HFP.

본 발명에 따른 압전 소자의 프린팅용 조성물은 PVDF(Polyvinylidene fluoride)와 HFP(hexa fluoropropylene)를 공중합하여 형성되는 PVDF-HFP 및 광 경화성 폴리머를 포함하는 것을 특징으로 한다.The composition for printing a piezoelectric element according to the present invention is characterized by comprising PVDF-HFP, which is formed by copolymerizing PVDF (polyvinylidene fluoride) and HFP (hexa fluoropropylene), and a photocurable polymer.

본 발명에 따른 압전 소자용 프린터는 PVDF(Polyvinylidene fluoride)와 HFP(hexa fluoropropylene)를 공중합하여 형성되는 PVDF-HFP 및 광 경화성 폴리머를 포함하는 프린팅용 조성물이 포함된 프린팅 재료와, 전극이 구비되는 트레이, 상기 트레이 상부에 구비되어, 상기 트레이를 기준으로 상하로 이동하면서, 하부면에 상기 프린팅 재료에 의한 압전 소자가 형성되는 플레이트, 상기 트레이의 하부에 구비되어, 상기 트레이 방향으로 UV를 조사하여 상기 플레이트 상에 압전 소자를 형성하는 조사부, 상기 전극과 상기 플레이트에 연결되어, 전원을 인가하여 상기 프린팅 재료에 분극 정렬을 수행하는 분극 정렬부를 포함하는 것을 특징으로 한다.The printer for piezoelectric elements according to the present invention includes a printing material containing a printing composition containing PVDF-HFP and a photocurable polymer formed by copolymerizing PVDF (polyvinylidene fluoride) and HFP (hexa fluoropropylene), and a tray provided with electrodes. , a plate provided on the upper part of the tray, which moves up and down with respect to the tray, and on which a piezoelectric element is formed on the lower surface by the printing material, and which is provided on the lower part of the tray, and irradiates UV in the direction of the tray to It is characterized by comprising an irradiation unit that forms a piezoelectric element on a plate, and a polarization alignment unit that is connected to the electrode and the plate and applies power to perform polarization alignment on the printing material.

본 발명에 따른 압전 소자용 프린터에 있어서, 상기 전극은 ITO(Indium Tin Oxide) 및 PET(polyethylene terephthalate)을 포함하는 것을 특징으로 한다.In the printer for piezoelectric elements according to the present invention, the electrode is characterized in that it contains ITO (Indium Tin Oxide) and PET (polyethylene terephthalate).

본 발명에 따른 압전 소자용 프린터에 있어서, 상기 프린팅용 조성물은 상기 분극 정렬부에 의해 분극 정렬이 일어난 후 상기 조사부에 의해 경화되어 상기 압전 소자로 형성되는 것을 특징으로 한다.In the printer for piezoelectric elements according to the present invention, the printing composition is cured by the irradiation unit after polarization alignment occurs by the polarization alignment unit to form the piezoelectric element.

본 발명에 따른 압전 소자의 프린팅용 조성물은 고감도, 기계적 플렉서블 내구성 및 넓은 면적을 갖춘 압전 소자를 제조할 수 있다.The composition for printing piezoelectric elements according to the present invention can produce piezoelectric elements with high sensitivity, mechanical flexibility, durability, and a large area.

또한 본 발명에 따른 압전 소자의 프린팅용 조성물은 압전 계수가 높은 압전 소자를 생산하되, 기존 EPAM(Electric Poling-Assisted Additive Manufacturing) 기술 대비 제조 시간을 10배 이상 크게 단축할 수 있다.In addition, the composition for printing piezoelectric elements according to the present invention produces piezoelectric elements with a high piezoelectric coefficient, and can significantly shorten the manufacturing time by more than 10 times compared to existing EPAM (Electric Poling-Assisted Additive Manufacturing) technology.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 압전 소자의 프린팅용 조성물의 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 압전 소자용 프린터의 구성을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 압전 소자용 프린터와, 분극 정렬부를 구비하지 않은 압전 소자용 프린터의 프린팅 프로세스를 간략히 보여주는 모식도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 압전 소자의 프린팅용 조성물의 특징을 설명하기 위한 그래프이다.
도 5는 프린팅 재료의 혼합 비율에 따른 유변학적 성능을 나타낸 그래프이다.
도 6은 질량 분율이 다른 인쇄된 압전 소자의 출력 전압 감도를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 압전 소자의 극성 전환 테스트 결과를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 압전 소자의 응용 가능성을 설명하기 위한 그래프이다.
1 is a flowchart showing a method of manufacturing a composition for printing a piezoelectric element according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a diagram showing the configuration of a printer for piezoelectric elements according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is a schematic diagram briefly showing the printing process of a printer for a piezoelectric element and a printer for a piezoelectric element without a polarization alignment unit according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 is a graph for explaining the characteristics of a composition for printing a piezoelectric element according to an embodiment of the present invention.
Figure 5 is a graph showing rheological performance according to mixing ratio of printing materials.
Figure 6 is a graph showing the output voltage sensitivity of printed piezoelectric elements with different mass fractions.
Figure 7 is a graph showing the results of a polarity conversion test of a piezoelectric element manufactured according to an embodiment of the present invention.
Figure 8 is a graph to explain the applicability of the piezoelectric element manufactured according to an embodiment of the present invention.

하기의 설명에서는 본 발명의 실시예를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않는 범위에서 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.It should be noted that in the following description, only the parts necessary to understand the embodiments of the present invention will be described, and descriptions of other parts will be omitted to the extent that they do not distract from the gist of the present invention.

이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.The terms or words used in the specification and claims described below should not be construed as limited to their usual or dictionary meanings, and the inventor should use the concept of terminology appropriately to explain his/her invention in the best way. It must be interpreted as meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention based on the principle that it can be defined clearly. Therefore, the embodiments described in this specification and the configurations shown in the drawings are only preferred embodiments of the present invention, and do not represent the entire technical idea of the present invention, and therefore, various equivalents can be substituted for them at the time of filing the present application. It should be understood that there may be variations.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the attached drawings.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 압전 소자의 프린팅용 조성물의 제조 방법을 나타낸 순서도이다.1 is a flowchart showing a method of manufacturing a composition for printing a piezoelectric element according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 먼저 S10 단계에서 PVDF(Polyvinylidene fluoride)와 HFP(hexa fluoropropylene)를 공중합하여 형성되는 PVDF-HFP를 용매에 첨가하고 교반한다. 이때 PVDF-HFP를 용매에 첨가하고, 15 ~ 35℃에서 1 ~ 5시간 동안 교반할 수 있다.Referring to Figure 1, first, in step S10, PVDF-HFP, which is formed by copolymerizing PVDF (polyvinylidene fluoride) and HFP (hexa fluoropropylene), is added to the solvent and stirred. At this time, PVDF-HFP can be added to the solvent and stirred at 15 to 35°C for 1 to 5 hours.

여기서 용매는 DMF(디메틸 포름아미드)이 사용될 수 있으나, 이에 한정된 것은 아니고, NMP(N-메틸 피롤리돈), 아세톤, 디메틸아세트아미드 등의 용매가 사용될 수도 있다.Here, DMF (dimethyl formamide) may be used as the solvent, but the solvent is not limited thereto, and solvents such as NMP (N-methyl pyrrolidone), acetone, and dimethylacetamide may also be used.

다음으로 S20 단계에서 광 경화성 폴리머를 S10 단계에서 생성된 용액에 첨가한 후에 분산시킨다. 여기서 광 경화성 폴리머는 폴리 카보네이트 경화 수지(PCR)이 될 수 있으며, 폴리 카보네이트 경화 수지를 PVDF-HFP가 포함된 용액에 투입한 후에 14 ~ 34 시간 동안 교반하여 균일하게 분산시킬 수 있다.Next, in step S20, the photocurable polymer is added to the solution produced in step S10 and then dispersed. Here, the photocurable polymer can be polycarbonate curable resin (PCR), and the polycarbonate curable resin can be added to a solution containing PVDF-HFP and then stirred for 14 to 34 hours to uniformly disperse.

그리고 S30 단계에서 광 경화성 폴리머가 분산된 용액을 탈기시켜 압전 소자의 프린팅용 조성물을 제조한다. 여기서 탈기는 실온에서 1 ~ 5 시간 동안 유지시켜 자체적으로 탈기되도록 할 수 있다. 제조된 압전 소자의 프린팅용 조성물은 20 ~ 60wt%의 PVDF-HFP를 포함할 수 있다.Then, in step S30, the solution in which the photo-curable polymer is dispersed is degassed to prepare a composition for printing a piezoelectric element. Here, the degassing can be done on its own by maintaining it at room temperature for 1 to 5 hours. The composition for printing the manufactured piezoelectric element may contain 20 to 60 wt% of PVDF-HFP.

여기서 제조된 압전 소자의 프린팅용 조성물은 상대적으로 높은 전기 변위 분극을 갖는 강유전성 폴리머인 HFP와 PVDF를 공중합하여 형성된 PVDF-HFP를 포함하기 때문에, PVDF 단독 폴리머와 비교할 경우 유연성과 내화학성을 확보된 압전 소자를 제조할 수 있다.Since the composition for printing piezoelectric elements prepared here includes PVDF-HFP, which is formed by copolymerizing HFP and PVDF, which are ferroelectric polymers with relatively high electric displacement polarization, the piezoelectric material has flexibility and chemical resistance when compared to the PVDF polymer alone. Devices can be manufactured.

또한 제조된 압전 소자의 프린팅용 조성물은 PVDF-HFP를 광경화성 폴리머 솔루션에 첨가함에 따라 유변학적 및 기능적으로 최적화하여 압전 계수를 최대화할 수 있다.In addition, the manufactured composition for printing piezoelectric elements can be optimized rheologically and functionally by adding PVDF-HFP to the photocurable polymer solution to maximize the piezoelectric coefficient.

즉 본 발명의 실시예에 따른 압전 소자의 프린팅용 조성물은 고감도, 기계적 플렉서블 내구성 및 넓은 면적을 갖춘 압전 소자를 제조할 수 있다.That is, the composition for printing piezoelectric elements according to an embodiment of the present invention can produce a piezoelectric element with high sensitivity, mechanical flexibility, durability, and a large area.

또한 본 발명의 실시예에 따른 압전 소자의 프린팅용 조성물은 압전 계수가 높은 압전 소자를 생산하되, 기존 EPAM(Electric Poling-Assisted Additive Manufacturing) 기술 대비 제조 시간을 10배 이상 크게 단축할 수 있다.In addition, the composition for printing piezoelectric elements according to an embodiment of the present invention produces a piezoelectric element with a high piezoelectric coefficient, and can significantly shorten the manufacturing time by more than 10 times compared to existing EPAM (Electric Poling-Assisted Additive Manufacturing) technology.

이하 본 발명의 실시예에 따른 압전 소자용 프린터에 대하여 상세히 설명하도록 한다.Hereinafter, a printer for piezoelectric elements according to an embodiment of the present invention will be described in detail.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 압전 소자용 프린터의 구성을 나타낸 도면이다.Figure 2 is a diagram showing the configuration of a printer for piezoelectric elements according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 압전 소자용 프린터(100)는 DLP(Digital Light Processing) 기반의 3D 프린터가 될 수 있다.Referring to FIG. 2, the printer 100 for a piezoelectric element according to an embodiment of the present invention may be a 3D printer based on DLP (Digital Light Processing).

이러한 압전 소자용 프린터(100)는 트레이(10), 플레이트(20), 조사부(30) 및 분극 정렬부(40)를 포함하여 구성될 수 있다.This printer 100 for piezoelectric elements may be configured to include a tray 10, a plate 20, an irradiation unit 30, and a polarization alignment unit 40.

트레이(10)는 PVDF(Polyvinylidene fluoride)와 HFP(hexa fluoropropylene)를 공중합하여 형성되는 PVDF-HFP 및 광 경화성 폴리머를 포함하는 프린팅용 조성물이 포함된 프린팅 재료와, 전극이 구비될 수 있다.The tray 10 may be provided with a printing material containing a printing composition containing PVDF-HFP, which is formed by copolymerizing PVDF (polyvinylidene fluoride) and HFP (hexa fluoropropylene), and a photocurable polymer, and electrodes.

트레이(10)는 상부가 개방될 수 있으며, 내부에 전극 및 프린팅 재료를 수용하기 위한 공간이 형성된다. 이때 트레이(10)의 내부 공간은 후술할 플레이트(20)가 삽입되어 프린팅 재료와 접촉할 수 있도록 플레이트(20)의 면적보다 더 크게 형성될 수 있다.The tray 10 may have an open top, and a space is formed inside to accommodate electrodes and printing materials. At this time, the internal space of the tray 10 may be formed larger than the area of the plate 20 so that the plate 20, which will be described later, can be inserted and come into contact with the printing material.

또한 트레이(10)는 하부에 구비된 조사부(30)로부터 조사되는 광이 통과하여 프린팅 재료에 조사될 수 있도록 투명한 재질로 형성된다.In addition, the tray 10 is made of a transparent material so that light emitted from the irradiation unit 30 provided at the bottom can pass through and be irradiated to the printing material.

여기서 전극은 ITO(Indium Tin Oxide) PET(polyethylene terephthalate)을 포함하는 필름 형태가 될 수 있다. 이러한 전극은 트레이(10)의 하부면에 부착될 수 있다.Here, the electrode may be in the form of a film containing indium tin oxide (ITO) and polyethylene terephthalate (PET). These electrodes may be attached to the lower surface of the tray 10.

프린팅 재료는 앞서 설명한 압전 소자의 프린팅용 조성물이 될 수 있으며, 전극이 부착된 트레이 내부에 구비될 수 있다.The printing material may be the composition for printing the piezoelectric element described above, and may be provided inside a tray to which electrodes are attached.

플레이트(20)는 트레이(10)의 상부에 구비될 수 있으며, 트레이(10) 방향으로 상하로 이동되도록 구성될 수 있다. 즉 플레이트(20)는 트레이(10) 방향으로 하부로 이동하면서 프린팅 재료와 맞닿게 되고, 맞닿는 순간 조사부(30)가 동작하여 광을 조사하게 되면, 하부면에 미리 설정된 모양의 압전 소자의 일부가 형성될 수 있다. 이와 같이 플레이트(20)는 반복적으로 상하로 이동하면서, 하부면에 3D 프린팅 결과물인 압전 소자가 하부 영역에 형성될 수 있다. 이러한 플레이트(20)는 금속으로 형성될 수 있다.The plate 20 may be provided on the top of the tray 10 and may be configured to move up and down in the direction of the tray 10. That is, the plate 20 moves downward in the direction of the tray 10 and comes into contact with the printing material. At the moment of contact, the irradiation unit 30 operates and irradiates light, and a part of the piezoelectric element of a preset shape is formed on the lower surface. can be formed. In this way, while the plate 20 repeatedly moves up and down, a piezoelectric element, which is a result of 3D printing, may be formed in the lower area. This plate 20 may be formed of metal.

조사부(30)는 트레이(10)의 하부에 구비될 수 있으며, 어레이 배열되어 트레이(10)로 광을 조사한다. 이러한 조사부(30)는 복수의 DLP 프로젝터가 될 수 있다.The irradiation unit 30 may be provided at the bottom of the tray 10 and is arranged in an array to irradiate light to the tray 10. This irradiation unit 30 may be a plurality of DLP projectors.

조사부(30)는 각각 할당된 단위 이미지에 대응되는 광을 조사하여 단면 이미지를 형성한다. 즉 조사부(30)는 인쇄할 성형물의 단면 이미지에 대응되는 광을 조사함으로써 대면적의 광경화가 가능하기 때문에, 고해상도를 가진 대형 사이즈의 성형물을 분할하지 않고 한번에 제조할 수 있다. 조사부(30)가 트레이(10)의 하부에 설치되어 상부의 트레이(10)로 광을 조사하는 예를 개시하였다The irradiation unit 30 forms a cross-sectional image by irradiating light corresponding to each assigned unit image. In other words, since the irradiation unit 30 irradiates light corresponding to the cross-sectional image of the molded product to be printed, photocuring of a large area is possible, so a large-sized molded product with high resolution can be manufactured at once without dividing it. An example in which the irradiation unit 30 is installed at the bottom of the tray 10 and radiates light to the upper tray 10 is disclosed.

한편 조사부(30)는 하나의 DLP 프로젝터의 크기를 복수의 DLP 프로젝터의 크기와 동일한 크기로 제조하여 단면 이미지를 형성하는 방안을 고려해 볼 수 있다. 하나의 DLP 프로젝터와 복수의 DLP 프로젝터가 동일한 해상도를 가지고 있다고 가정할 때, 복수의 DLP 프로젝터로 형성하는 단면 이미지의 해상도가 더 높다. 즉 하나의 DLP 프로젝터로 형성되는 단면 이미지의 해상도가 복수의 DLP 프로젝터로 형성하는 단면 이미지에 비해서 해상도가 떨어지는 문제가 있다. 따라서 본 실시예에서 조사부(30)는 복수의 DLP 프로젝터를 구비한 것으로 예로 설명한다. 이러한 조사부(30)는 자외선(UV)을 출력할 수 있으나, 이에 한정된 것은 아니고 프린팅 재료의 소재에 따라 가시광선 등을 출력할 수도 있다.Meanwhile, the irradiation unit 30 may consider manufacturing a single DLP projector of the same size as a plurality of DLP projectors to form a cross-sectional image. Assuming that one DLP projector and multiple DLP projectors have the same resolution, the resolution of a cross-sectional image formed by multiple DLP projectors is higher. That is, there is a problem that the resolution of a cross-sectional image formed by one DLP projector is lower than that of a cross-sectional image formed by a plurality of DLP projectors. Therefore, in this embodiment, the irradiation unit 30 is described as having a plurality of DLP projectors. This irradiation unit 30 can output ultraviolet rays (UV), but is not limited to this and can also output visible light depending on the material of the printing material.

분극 정렬부(40)는 트레이(10)에 구비된 전극과 플레이트(20)에 각각 전기적으로 연결되고, 전원을 인가하여 프린팅 재료에 분극 정렬을 수행하도록 한다. 이러한 분극 정렬부(40)는 조사부(30)에 의해 프린팅 재료를 경화시키기 이전에 DC 전원을 인가하여 분극 정렬을 수행하도록 할 수 있다The polarization alignment unit 40 is electrically connected to each of the electrodes provided in the tray 10 and the plate 20, and applies power to perform polarization alignment on the printing material. This polarization alignment unit 40 can perform polarization alignment by applying DC power before curing the printing material by the irradiation unit 30.

이하 본 발명의 실시예에 따른 압전 소자용 프린터의 특징에 대하여 상세히 설명하도록 한다.Hereinafter, the characteristics of the printer for piezoelectric elements according to an embodiment of the present invention will be described in detail.

실시예Example

1. 프린팅 재료1. Printing materials

프린팅 재료는 PVDF-HFP와 사용 폴리 카보네이트 경화성 수지를 혼합하여 제조하였다. 즉 1g PVDF-FHP를 5ml DMF 용액에 첨가하고 혼합물을 25℃에서 3시간 동안 교반하여 투명하고 균질한 용액을 얻었다. 다음으로 1g PCR을 첨가하고, 24시간 동안 교반하여 분산시켰다. 그리고 혼합 용액을 실온에서 3시간 동안 탈기시켜 50wt%의 PVDF-HFP를 함유하는 프린팅용 조성물을 제조하였다.The printing material was prepared by mixing PVDF-HFP and the polycarbonate curable resin used. That is, 1g PVDF-FHP was added to 5ml DMF solution, and the mixture was stirred at 25°C for 3 hours to obtain a transparent and homogeneous solution. Next, 1g PCR was added and stirred for 24 hours to disperse. Then, the mixed solution was degassed at room temperature for 3 hours to prepare a printing composition containing 50 wt% of PVDF-HFP.

2. 프린팅2. Printing

먼저 투명 ITO 코팅 필름을 트레이의 내부면에 부착하여 전극으로 사용했다. 또한 ITO 필름과 금속 플레이트 사이에 30 x 30 x 0.5mm 크기의 상기 프린팅 재료를 로드시켰다. 그리고 직류(DC) 전원을 플레이트와 트레이에 5분 동안 적용하고 405nm로 UV 경화시켰다. 인쇄 해상도는 모든 샘플에 대해 플레이트 이동 방향에 따른 총 두께 100㎛를 사용했다. 인쇄 후 샘플은 에탄올로 세척하였다.First, a transparent ITO coating film was attached to the inner surface of the tray and used as an electrode. Additionally, the printing material with a size of 30 x 30 x 0.5 mm was loaded between the ITO film and the metal plate. Then, direct current (DC) power was applied to the plate and tray for 5 minutes and UV cured at 405 nm. The printing resolution used was a total thickness of 100㎛ along the plate movement direction for all samples. After printing, the sample was washed with ethanol.

3. 압전 소자 제작3. Fabrication of piezoelectric elements

압전 소자를 제작하기 위해 스크린 프린팅 공정을 사용하여 3D 프린팅 된 필름(면적 : 2cm x 2cm)의 윗면에 상용 은 페이스트를 인쇄하였다. 다음으로 ITO-PET 필름을 상기 필름의 바닥면에 부착하였다. 다음으로 니켈 테이프를 상단 및 하단 전극 라인으로 장치의 양면에 부착한 다음 PP 테이프를 사용하여 압전 소자를 캡슐화 하였다.To manufacture the piezoelectric element, commercial silver paste was printed on the top of a 3D printed film (area: 2 cm x 2 cm) using a screen printing process. Next, an ITO-PET film was attached to the bottom surface of the film. Next, nickel tape was attached to both sides of the device as the top and bottom electrode lines, and then PP tape was used to encapsulate the piezoelectric element.

한편 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 압전 소자용 프린터와, 분극 정렬부를 구비하지 않은 압전 소자용 프린터의 프린팅 프로세스를 간략히 보여주는 모식도이다.Meanwhile, Figure 3 is a schematic diagram briefly showing the printing process of a printer for a piezoelectric element and a printer for a piezoelectric element without a polarization alignment unit according to an embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, (a)는 분극 정렬부를 구비하지 않은 압전 소자용 프린터의 프린팅 프로세스를 나타낸 모식도이고, (b)는 본 발명의 실시예에 따른 압전 소자용 프린터의 프린팅 프로세스를 나타낸 모식도이다.Referring to Figure 3, (a) is a schematic diagram showing the printing process of a printer for piezoelectric elements without a polarization alignment unit, and (b) is a schematic diagram showing the printing process of a printer for piezoelectric elements according to an embodiment of the present invention. .

(a)에 도시된 바와 같이, 혼합 잉크에서 PVDF-HFP 쌍극자의 방향은 무작위로 분포되어 전체 편광을 나타내지 않는 것을 확인할 수 있다.As shown in (a), it can be seen that the directions of PVDF-HFP dipoles in the mixed ink are randomly distributed and do not represent the overall polarization.

반면에, (b)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에서 높은 DC 전기장이 트레이의 잉크 혼합물에 인가되었을 때 PVDF-HFP 쌍극자는 전기장의 균일한 방향으로 정렬된 것을 확인할 수 있다.On the other hand, as shown in (b), when a high DC electric field was applied to the ink mixture in the tray in the embodiment of the present invention, the PVDF-HFP dipoles were aligned in the uniform direction of the electric field.

또한 혼합 잉크가 UV 빛에 노출되었을 때, 광개시제는 빛 에너지를 흡수하고 활성 자유 라디칼로 해리되어 PCR의 자유 라디칼 촉매 중합을 시작하였다. 자유 라디칼이 생성된 후, PCR의 중합이 개시되어 사슬 길이를 증가시키고 결국 광대한 가교 네트워크를 형성하게 된다. 광중합 과정에서 전기장의 방향을 따라 정렬된 PVDF 쌍극자는 PCR의 3차원 가교 구조 내에 갇히게 된다.Additionally, when the mixed ink was exposed to UV light, the photoinitiator absorbed light energy and dissociated into active free radicals to initiate free radical-catalyzed polymerization of PCR. After free radicals are generated, polymerization of PCR begins, increasing the chain length and eventually forming an extensive cross-linking network. During the photopolymerization process, PVDF dipoles aligned along the direction of the electric field are trapped within the three-dimensional cross-linked structure of PCR.

따라서, 인-슈트(In-suit) 폴링 프로세스가 있는 본 발명의 실시예는 제품의 단계를 개발하는 새로운 관점을 제공할 수 있다. 즉 기존 방법과 비교할 때 쌍극자 방향은 물론 비용과 시간을 동시에 크게 줄일 수 있다.Accordingly, embodiments of the present invention with an in-suit polling process can provide a new perspective for developing stages of a product. In other words, compared to existing methods, the dipole direction as well as cost and time can be greatly reduced at the same time.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 압전 소자의 프린팅용 조성물의 특징을 설명하기 위한 그래프이다.Figure 4 is a graph for explaining the characteristics of a composition for printing a piezoelectric element according to an embodiment of the present invention.

한편 최상의 잉크와 최대 압전성을 얻으려면 PVDF-HFP 농도가 인쇄된 샘플의 성능과 인쇄성에 미치는 영향을 결정하는 것이 필요하다.Meanwhile, to obtain the best ink and maximum piezoelectricity, it is necessary to determine the effect of PVDF-HFP concentration on the performance and printability of printed samples.

따라서 20 ~ 60wt% PVDF-HFP를 준비하고 (a)와 같이 준정적 d33 meter를 사용하여 인쇄된 샘플의 압전을 단순화하였다.Therefore, 20 to 60 wt% PVDF-HFP was prepared and the piezoelectricity of the printed sample was simplified using a quasi-static d33 meter as shown in (a).

결과는 로딩 PVDF-HFP 함량이 20wt% PVDF-HFP의 경우, 1pC/N에서 60wt% PVDF-HFP의 경우, 42pC/N으로 증가함에 따라 3D 인쇄된 샘플의 d33이 증가했음을 보여준다.The results show that the d33 of the 3D printed samples increased as the loading PVDF-HFP content increased from 1 pC/N for 20 wt% PVDF-HFP to 42 pC/N for 60 wt% PVDF-HFP.

압전 계수의 증가는 압전 재료의 함량 증가에 기인할 수 있다.The increase in piezoelectric coefficient can be attributed to the increase in the content of piezoelectric material.

또한, PVDF-HFP 중량%가 60%를 초과하면 필름 형성이 관찰되지 않는다는 점에 주목할 필요가 있다. 이는 광중합 수지의 함량이 너무 낮고 가교 밀도가 낮아 필름을 형성하지 못하기 때문이다.Additionally, it is worth noting that no film formation is observed when the PVDF-HFP weight percent exceeds 60%. This is because the content of photopolymerization resin is too low and the crosslinking density is low to form a film.

또한 PCR 농도가 높을수록 고형화되어 기능이 저하됨을 확인하였다. 따라서 3D 프린팅된 샘플은 PCR 중량비가 50wt%일 때 형태와 최적의 압전 성능을 유지할 수 있다.In addition, it was confirmed that the higher the PCR concentration, the more solidified and the lower the function. Therefore, the 3D printed sample can maintain its shape and optimal piezoelectric performance when the PCR weight ratio is 50 wt%.

압전 소자의 압전 특성을 향상시키기 위해서는 높은 DC 전계하에서 분극처리를 하는 것이 필수적이다. (b)는 서로 다른 폴링 전기장(0.3-1kV)에서 인시츄 폴링을 사용하여 3D 인쇄된 PVDF-HFP 샘플의 d33 변화를 나타낸다.In order to improve the piezoelectric properties of piezoelectric elements, it is essential to carry out polarization treatment under a high DC electric field. (b) shows the d33 change of 3D printed PVDF-HFP samples using in situ poling at different poling electric fields (0.3-1 kV).

d33은 낮은 폴링 전기장 조건에서 낮았고 폴링 전기장이 증가함에 따라 극적으로 증가하였다. 최대 극성 전기장 이상에서 혼합 잉크는 높은 전기장으로 인한 절연 파괴 및 방전에 의해 전기적으로 파괴되어 3D 프린터와 컴퓨터 간의 통신이 끊어질 수 있다.d33 was low under low poling electric field conditions and increased dramatically as the poling electric field increased. Above the maximum polarized electric field, the mixed ink may be electrically destroyed by insulation breakdown and discharge due to the high electric field, resulting in loss of communication between the 3D printer and computer.

본 발명의 실시예의 우수성을 추가로 확인하기 위해 인시튜 폴링이 없는 3D 인쇄 PVDF-HFP 샘플을 준비한 다음 실온에서 서로 다른 시간 동안 1kV에서 전기 폴링을 수행하였다.To further confirm the superiority of the embodiment of the present invention, 3D printed PVDF-HFP samples without in situ poling were prepared and then electrical poling was performed at 1 kV for different times at room temperature.

10시간의 전기 폴링 처리를 적용한 후, 인시츄 폴링이 없는 3D 인쇄 PVDF-HFP 샘플은 (c)와 같이 인시츄 폴링 대응물과 마찬가지로 d33 값을 얻을 수 있다. 이러한 현상은 PVDF-HFP 쌍극자의 움직임을 방해하는 3차원 가교 네트워크에 의해 발생한다.After applying 10 hours of electrical polling treatment, the 3D printed PVDF-HFP sample without in situ polling can obtain d33 values similar to the in situ polling counterpart, as shown in (c). This phenomenon is caused by a three-dimensional cross-linking network that hinders the movement of the PVDF-HFP dipoles.

도 5는 프린팅 재료의 혼합 비율에 따른 유변학적 성능을 나타낸 그래프이다. 즉 도 5는 PVDF-HFP 대 PCR(각각 중량비 10:0, 7:3, 6:4, 5:5, 4:6 및 0:10)의 혼합 비율이 다른 시리즈 광경화성 잉크의 유변학적 성능을 보여준다.Figure 5 is a graph showing rheological performance according to mixing ratio of printing materials. That is, Figure 5 shows the rheological performance of a series of photocurable inks with different mixing ratios of PVDF-HFP to PCR (weight ratios of 10:0, 7:3, 6:4, 5:5, 4:6, and 0:10, respectively). It shows.

한편 압전 능력에 대한 비율의 범위가 좁혀져 왔으나 실제 DLP 인쇄에서는 막 형성에 영향을 미치는 점도에 따른 잉크 유동성을 조사해야 한다.Meanwhile, the range of ratio for piezoelectric ability has been narrowed, but in actual DLP printing, ink fluidity according to viscosity, which affects film formation, must be investigated.

(a)는 전단율의 함수로서 광경화성 잉크의 점도 변화를 보여준다.(a) shows the change in viscosity of photocurable ink as a function of shear rate.

전단 속도가 증가하면 혼합물의 점도가 감소하여 인쇄 시스템에서 일반적으로 발견되는 전단 박화 거동이 발생하였다.As the shear rate increased, the viscosity of the mixture decreased, resulting in the shear thinning behavior commonly found in printing systems.

PVDF-HFP 용액에서는 Newtonian 거동이 나타났으나 Non-newtonian 성질이 강한 PCR은 Shear thinning 효과를 유도하였다. 따라서 Zero-shear 점도 값은 45700 cP(4:6), 37720 cP(5:5), 30800 cP(6:4), 20466 cP(7:3)와 같이 PCR 첨가 순서대로 나열하였다.Newtonian behavior was observed in the PVDF-HFP solution, but PCR, which has strong non-newtonian properties, induced a shear thinning effect. Therefore, the zero-shear viscosity values were listed in the order of PCR addition: 45700 cP (4:6), 37720 cP (5:5), 30800 cP (6:4), and 20466 cP (7:3).

또한, 광경화성 잉크는 (b)에 나와 있는 요변성을 관찰하기 위해 사전 전단을 거쳐야 했다. 전단 속도의 증가 및 감소 동안 광경화성 잉크의 점도에 대한 상당한 히스테리시스 효과가 관찰되었으며, 이는 잉크가 몇 초 내에 짧은 시간에 잘 레벨링될 것임을 시사한다.Additionally, the photocurable ink had to undergo pre-shearing to observe thixotropy as shown in (b). A significant hysteresis effect on the viscosity of the photocurable ink was observed during increasing and decreasing shear rate, suggesting that the ink would level well in a short period of time, within a few seconds.

또한 (c)와 같이 Bingham 식31에 의해 계산된 항복응력은 모든 잉크가 인쇄시스템 내에서 흐르기에 충분히 낮은 항복값을 가지며 PCR이 점도를 높이는 주요 역할을 함을 뒷받침한다. 따라서 혼합 잉크의 유변학적 특성은 인쇄 중 빈 공간에 적절한 잉크 충전 및 레벨링을 보장한다.Additionally, the yield stress calculated by Bingham equation 31 as shown in (c) supports the fact that all inks have a sufficiently low yield value to flow within the printing system and that PCR plays a major role in increasing viscosity. Therefore, the rheological properties of the mixed ink ensure proper ink filling and leveling of empty spaces during printing.

도 6은 질량 분율이 다른 인쇄된 압전 소자의 전기 출력 전압 감도를 나타낸 그래프이다.Figure 6 is a graph showing the electrical output voltage sensitivity of printed piezoelectric elements with different mass fractions.

충격력이 50N으로 증가함에 따라 적용된 변형력에 대한 압전 출력 전압의 강한 의존성이 관찰되었다.As the impact force increased to 50 N, a strong dependence of the piezoelectric output voltage on the applied strain was observed.

출력 전압은 외부 충격력이 증가함에 따라 거의 선형으로 증가했다. 일반적으로 외부 충격력이 증가함에 따라 더 강한 변형은 더 높은 출력 전압과 더 높은 압전 위치 에너지를 초래한다.The output voltage increased almost linearly as the external impact force increased. In general, as the external impact force increases, stronger deformation results in higher output voltage and higher piezoelectric potential energy.

결과는 센서의 질량 분율이 다른 경우에도 외력이 증가함에 따라 전압이 증가함을 보여준다.The results show that the voltage increases with increasing external force even when the mass fraction of the sensor is different.

인쇄된 압전 센서의 전압 감도(S = △V / △P, 여기서 △V는 출력 전압 신호의 상대 변동이고 △P는 적용된 압력의 상대 변동)는 선형 기울기를 갖는 그래프를 얻을 수 있다.The voltage sensitivity of the printed piezoelectric sensor (S = △V / △P, where △V is the relative variation of the output voltage signal and △P is the relative variation of the applied pressure) can be obtained as a graph with a linear slope.

피팅된 선형 방정식에 따르면 인쇄된 압전 센서는 넓은 압력 영역(1-50N)에서 높은 충격력 감도(235mV/N)를 나타낸다.According to the fitted linear equations, the printed piezoelectric sensor exhibits high impact force sensitivity (235 mV/N) over a wide pressure range (1-50 N).

3D 프린팅된 센서의 초대형 선형 응답 영역은 안정적인 테스트 프로세스를 제공하고 복잡한 보정 프로세스를 방지할 수 있다는 점에 주목한다.It is noted that the ultra-large linear response area of 3D printed sensors can provide a stable testing process and avoid complex calibration processes.

또한, (c)는 50N의 일정한 압력하에서 서로 다른 충격 주파수에서 3D 인쇄된 센서의 출력 전압을 보여준다.Additionally, (c) shows the output voltage of the 3D printed sensor at different impact frequencies under a constant pressure of 50N.

결과는 인쇄된 센서의 출력 전압이 영향 주파수가 증가함에 따라 비례적으로 증가함을 보여준다. 주파수에 따른 3D 프린팅 센서의 출력 전압 증가는 변형률에 따른 임피던스 감소로 설명할 수 있다.The results show that the output voltage of the printed sensor increases proportionally as the impact frequency increases. The increase in output voltage of the 3D printing sensor according to frequency can be explained by the decrease in impedance according to strain rate.

도 7은 극성 전환 테스트 결과를 나타낸 그래프이다.Figure 7 is a graph showing the polarity switching test results.

한편 널리 인정되는 극성 전환 테스트를 사용하여 3D 인쇄된 압전 센서에서 출력 신호가 실제로 생성되었는지 확인하였다.Meanwhile, the widely accepted polarity reversal test was used to verify that the output signal was actually generated by the 3D printed piezoelectric sensor.

(a)에 도시된 바와 같이, 전극 연결이 반대일 때 출력 신호의 극성의 스위칭이 얻어졌다.As shown in (a), switching of the polarity of the output signal was obtained when the electrode connections were reversed.

3D 프린팅된 센서의 전극이 측정 회로에 순방향으로 연결되면 3D 프린팅된 센서는 압력 해제 운동에서 양의 전기 신호를 생성한 다음 역 연결에서 음의 출력을 측정했다.When the electrodes of the 3D printed sensor were connected forward to the measurement circuit, the 3D printed sensor produced a positive electrical signal in the pressure release movement and then measured a negative output in the reverse connection.

분명히, 전극 연결을 변경하여 발생하는 전기 출력 신호 스위칭은 에너지 수확 신호가 3D 인쇄된 센서의 압전기에 의해 생성되었음을 완전히 보여준다.Clearly, the electrical output signal switching that occurs by changing the electrode connections fully demonstrates that the energy harvesting signal is generated by the piezoelectricity of the 3D printed sensor.

또한 실생활에서의 실제 적용을 고려하여 3D 프린팅된 센서의 안정성과 내구성을 평가할 필요가 있다. 인쇄된 센서의 기계적 내구성은 (b)와 같이 4Hz에서 50N의 압력으로 10,000주기 동안 수행된 동적 하중 테스트를 통해 검증되었다. 반복적인 부하 테스트 동안 출력 전압은 변동을 나타내지 않았다.Additionally, there is a need to evaluate the stability and durability of 3D printed sensors by considering actual applications in real life. The mechanical durability of the printed sensor was verified through a dynamic load test performed for 10,000 cycles with a pressure of 50 N at 4 Hz, as shown in (b). The output voltage showed no fluctuation during repetitive load tests.

도 8은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 압전 소자의 응용 가능성을 설명하기 위한 그래프이다.Figure 8 is a graph to explain the applicability of the piezoelectric element manufactured according to an embodiment of the present invention.

(a)를 참조하면, 3D 인쇄 압전 센서의 응용 가능성을 추가로 조사하기 위해 유리병(20g)을 압전 센서 위에 수직으로 떨어트렸다. 낙하 높이가 2cm에서 12cm로 증가함에 따라 3D 인쇄 압전 센서는 1.7V에서 7.8V 범위의 출력 전압을 생성한다. 이는 3D 프린팅된 압전 센서가 다른 압력을 구별하는 데 사용할 수 있을 뿐만 아니라 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환하여 충격 에너지 수확기로도 작동할 수 있음을 나타낸다.Referring to (a), to further investigate the applicability of the 3D printed piezoelectric sensor, a glass bottle (20 g) was dropped vertically on the piezoelectric sensor. As the drop height increases from 2 cm to 12 cm, the 3D printed piezoelectric sensor produces output voltages ranging from 1.7 V to 7.8 V. This indicates that the 3D printed piezoelectric sensor can not only be used to distinguish between different pressures, but can also act as an impact energy harvester by converting mechanical energy into electrical energy.

인간의 움직임을 감지하기 위한 3D 인쇄 압전 센서의 잠재력을 입증하기 위해 다양한 힘 조건에서 전기적 출력 성능을 체계적으로 조사했다.To demonstrate the potential of 3D printed piezoelectric sensors for detecting human movement, we systematically investigated their electrical output performance under various force conditions.

(b) 및 (c)를 참조하면, 압전 출력 전압은 탭핑 및 압축 조건에서 각각 3D 인쇄된 압전 센서에 의해 생성되었다.Referring to (b) and (c), the piezoelectric output voltage was generated by the 3D printed piezoelectric sensor under tapping and compressing conditions, respectively.

이 결과는 압전 소자에 의해 ~2.5V 및 ~6.1V의 출력 전압 값이 손가락 두드리기 및 손 압축 조건에서 각각 생성되었음을 보여준다.These results show that output voltage values of ~2.5 V and ~6.1 V were generated by the piezoelectric element under finger tapping and hand compression conditions, respectively.

따라서 3D 프린팅된 센서 장치는 생체 역학 에너지를 수집하거나 사람의 움직임을 감지하는 잠재적인 실시간/실용 응용 프로그램으로 사용될 수 있음을 나타낸다.Therefore, it indicates that 3D printed sensor devices can be used for potential real-time/practical applications to collect biomechanical energy or detect human movements.

(d)를 참조하면, 인쇄 압전 필름의 퍼즐 같은 구조를 사용하여 넓은 영역에서 사용되는 또 다른 응용 프로그램을 보여준다.Referring to (d), another application using the puzzle-like structure of printed piezoelectric film is shown for use in a large area.

DLP 시스템의 한계로 인해 대면적 제품을 생산하기 어렵기 때문에 각각의 3D 프린팅된 조각을 연결하여 대면적 구조를 쉽게 제작할 수 있다. 사진에서 보는 바와 같이 4개의 인쇄된 퍼즐을 하나의 대면적 터치센서로 사용하였으며, 성능도 우수한 것으로 입증되었다.Because it is difficult to produce large-area products due to the limitations of the DLP system, large-area structures can be easily produced by connecting each 3D printed piece. As shown in the photo, four printed puzzles were used as one large-area touch sensor, and its performance was proven to be excellent.

한편, 본 명세서와 도면에 개시된 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다.Meanwhile, the embodiments disclosed in the specification and drawings are merely provided as specific examples to aid understanding, and are not intended to limit the scope of the present invention. It is obvious to those skilled in the art that in addition to the embodiments disclosed herein, other modifications based on the technical idea of the present invention can be implemented.

10 : 트레이 20 : 플레이트
30 : 조사부 40 : 분극 정렬부
100 : 프린터
10: tray 20: plate
30: irradiation unit 40: polarization alignment unit
100: printer

Claims (7)

PVDF(Polyvinylidene fluoride)와 HFP(hexa fluoropropylene)를 공중합하여 형성되는 PVDF-HFP를 용매에 첨가하고 1차 교반하는 단계;
상기 교반된 용액에 광 경화성 폴리머를 첨가하고 2차 교반하는 단계;
상기 광 경화성 폴리머가 첨가된 용액을 탈기시켜 압전 소자의 프린팅용 조성물을 제조하는 단계;
를 포함하고,
상기 광 경화성 폴리머는 폴리카보네이트 경화 수지인 것을 특징으로 하는
압전 소자의 프린팅용 조성물 제조 방법.
Adding PVDF-HFP, which is formed by copolymerizing PVDF (polyvinylidene fluoride) and HFP (hexa fluoropropylene), to a solvent and first stirring;
Adding a photo-curable polymer to the stirred solution and performing secondary stirring;
Preparing a composition for printing a piezoelectric element by degassing the solution to which the photo-curable polymer has been added;
Including,
The photo-curable polymer is a polycarbonate curing resin.
Method for producing a composition for printing piezoelectric elements.
제1항에 있어서,
상기 1차 교반하는 단계는,
PVDF-HFP를 용매에 첨가하고, 15 ~ 35℃에서 1 ~ 5시간 동안 교반하는 것을 특징으로 하는 압전 소자의 프린팅용 조성물 제조 방법.
According to paragraph 1,
The first stirring step is,
A method of producing a composition for printing a piezoelectric element, comprising adding PVDF-HFP to a solvent and stirring at 15 to 35°C for 1 to 5 hours.
제2항에 있어서,
상기 압전 소자의 프린팅용 조성물은,
20 ~ 60wt%의 상기 PVDF-HFP를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 소자의 프린팅용 조성물 제조 방법.
According to paragraph 2,
The composition for printing the piezoelectric element is,
A method for producing a composition for printing a piezoelectric element, comprising 20 to 60 wt% of the PVDF-HFP.
PVDF(Polyvinylidene fluoride)와 HFP(hexa fluoropropylene)를 공중합하여 형성되는 PVDF-HFP 및 광 경화성 폴리머를 포함하고,
상기 광 경화성 폴리머는 폴리카보네이트 경화 수지인 것을 특징으로 하는 압전 소자의 프린팅용 조성물.
It includes PVDF-HFP and a photocurable polymer formed by copolymerizing PVDF (polyvinylidene fluoride) and HFP (hexa fluoropropylene),
A composition for printing a piezoelectric element, wherein the photo-curable polymer is a polycarbonate curing resin.
PVDF(Polyvinylidene fluoride)와 HFP(hexa fluoropropylene)를 공중합하여 형성되는 PVDF-HFP 및 광 경화성 폴리머를 포함하는 프린팅용 조성물이 포함된 프린팅 재료와, 전극이 구비되는 트레이;
상기 트레이 상부에 구비되어, 상기 트레이를 기준으로 상하로 이동하면서, 하부면에 상기 프린팅 재료에 의한 압전 소자가 형성되는 플레이트;
상기 트레이의 하부에 구비되어, 상기 트레이 방향으로 UV를 조사하여 상기 플레이트 상에 압전 소자를 형성하는 조사부;
상기 전극과 상기 플레이트에 연결되어, 전원을 인가하여 상기 프린팅 재료에 분극 정렬을 수행하는 분극 정렬부;
를 포함하고,
상기 광 경화성 폴리머는 폴리카보네이트 경화 수지인 것을 특징으로 하는 압전 소자용 프린터.
A printing material containing a printing composition containing PVDF-HFP, which is formed by copolymerizing PVDF (polyvinylidene fluoride) and HFP (hexa fluoropropylene), and a photocurable polymer, and a tray provided with electrodes;
A plate provided on the upper part of the tray, moves up and down with respect to the tray, and has a piezoelectric element formed on its lower surface by the printing material;
an irradiation unit provided at the bottom of the tray to irradiate UV light in the direction of the tray to form a piezoelectric element on the plate;
a polarization alignment unit connected to the electrode and the plate and applying power to perform polarization alignment on the printing material;
Including,
A printer for a piezoelectric element, wherein the photo-curable polymer is a polycarbonate curing resin.
제5항에 있어서,
상기 전극은,
ITO(Indium Tin Oxide) 및 PET(polyethylene terephthalate)을 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 소자용 프린터.
According to clause 5,
The electrode is,
A printer for piezoelectric elements comprising ITO (Indium Tin Oxide) and PET (polyethylene terephthalate).
제5항에 있어서,
상기 프린팅용 조성물은,
상기 분극 정렬부에 의해 분극 정렬이 일어난 후 상기 조사부에 의해 경화되어 상기 압전 소자로 형성되는 것을 특징으로 하는 압전 소자용 프린터.
According to clause 5,
The printing composition is,
A printer for a piezoelectric element, characterized in that polarization alignment occurs by the polarization alignment unit and then curing by the irradiation unit to form the piezoelectric element.
KR1020210104866A 2021-08-09 2021-08-09 Composition for fritting of piezoelectric element, method for manufacturing same, and printer for piezoelectric element using same KR102595641B1 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210104866A KR102595641B1 (en) 2021-08-09 2021-08-09 Composition for fritting of piezoelectric element, method for manufacturing same, and printer for piezoelectric element using same
PCT/KR2022/009563 WO2023018009A1 (en) 2021-08-09 2022-07-01 Composition for piezoelectric element printing, method for preparing same, and piezoelectric element printer using same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210104866A KR102595641B1 (en) 2021-08-09 2021-08-09 Composition for fritting of piezoelectric element, method for manufacturing same, and printer for piezoelectric element using same

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20230022733A KR20230022733A (en) 2023-02-16
KR102595641B1 true KR102595641B1 (en) 2023-10-30

Family

ID=85200002

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020210104866A KR102595641B1 (en) 2021-08-09 2021-08-09 Composition for fritting of piezoelectric element, method for manufacturing same, and printer for piezoelectric element using same

Country Status (2)

Country Link
KR (1) KR102595641B1 (en)
WO (1) WO2023018009A1 (en)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112373014A (en) 2020-10-09 2021-02-19 青岛大学 Method for preparing magnetoelectric composite material based on magnetic field assisted 3D printing technology

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100531093B1 (en) * 2003-04-30 2005-11-30 주식회사 피앤아이 Piezo Polymer Speaker System
KR101023446B1 (en) * 2007-09-21 2011-03-25 주식회사 바이오에이비씨랩 Sensor Comprising A Material Which Generates An Electrical Signal In Response To Elongation
KR20090112008A (en) * 2008-04-23 2009-10-28 한국전자통신연구원 Apparatus for preventing eavesdropping using piezoelectric film
TW201402652A (en) * 2012-02-14 2014-01-16 Ajinomoto Kk Piezoelectric element
US11466169B2 (en) * 2016-11-10 2022-10-11 Polyvalor, Limited Partnership Piezoelectric composite, ink and ink cartridge for 3D printing, bifunctional material comprising the piezoelectric composite, manufacture and uses thereof

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112373014A (en) 2020-10-09 2021-02-19 青岛大学 Method for preparing magnetoelectric composite material based on magnetic field assisted 3D printing technology

Also Published As

Publication number Publication date
WO2023018009A1 (en) 2023-02-16
KR20230022733A (en) 2023-02-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6589219B2 (en) Resin composition for temperature sensor, element for temperature sensor, temperature sensor, and method for producing element for temperature sensor
Ali et al. Influence of plasticizer content on the transition of electromechanical behavior of PVC gel actuator
Niu et al. Synthesizing a new dielectric elastomer exhibiting large actuation strain and suppressed electromechanical instability without prestretching
Zhang et al. Self-healing, mechanically robust, 3D printable ionogel for highly sensitive and long-term reliable ionotronics
RU2748051C2 (en) Stiffness control for electroactive executive devices
Ali et al. Effect of plasticizer on the electric-field-induced adhesion of dielectric PVC gels
KR101713240B1 (en) Organogel conductor and an electronic device comprising the same
EP2507848A1 (en) Piezoelecric polymer film element, in particular a polymer film, and method for the production thereof
Chang et al. Optimization of piezoelectric polymer composites and 3D printing parameters for flexible tactile sensors
TWI690133B (en) Entropic energy transfer methods and circuits
Galantini et al. Effects of plasticization of a soft silicone for dielectric elastomer actuation
KR102595641B1 (en) Composition for fritting of piezoelectric element, method for manufacturing same, and printer for piezoelectric element using same
Ho et al. Zwitterionic Polymer Gel‐Based Fully Self‐Healable Ionic Thermoelectric Generators with Pressure‐Activated Electrodes
Owusu et al. Stretchable high response piezoelectric elastomers based on polable polynorbornene fillers in a polydimethylsiloxane matrix
Danner et al. Solvent‐Free Synthesis and Processing of Conductive Elastomer Composites for Green Dielectric Elastomer Transducers
Ali et al. Ionic liquids enhanced performance of PVC gels actuator
Hong et al. Ultra‐Stretchable Kirigami Piezo‐Metamaterials for Sensing Coupled Large Deformations
WO2024060496A1 (en) Touch display apparatus and manufacturing method therefor
US12006381B2 (en) Dielectric elastomeric material
KR101993852B1 (en) Process for manufacturing an electrochemical device based on self-alignment electrolytes on electrodes
Kühnel et al. Beware of your electrodes! How electrode materials and application processes impact the lifetime of slide-ring-material-based DEAs
Zhou et al. A Strong and Highly Transparent Ionogel Electrolyte Enabled by In Situ Polymerization-Induced Microphase Separation for High-Performance Electrochromic Devices
KR20180065800A (en) Touch sensitive device, display device comprising the same and method for manufacturing the same
Gaafar et al. Study of the effect of radiation and frequency on the electrical properties and ultrasonic properties of polyethylene
Sheima et al. High dielectric permittivity elastomers: synthesis, processability, and device manufacturing

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant