KR102602012B1 - Piezoelectric Nanogenerator - Google Patents
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Abstract
본 발명은 압전 발전 소자에 관한 것으로서, 강유전 입자를 포함하며 일면이 표면조도를 가지는 압전층과 상기 압전층의 표면조도를 가지는 면에 적층되는 패시베이션층을 포함하며, 얇고 경량이며, 유연 특성을 가지면서 동시에 높은 발전 특성을 가지는 효과가 있으며, 특히 보다 얇은 두께에서도 보다 높은 발전 특성을 가지는 효과가 있다.The present invention relates to a piezoelectric power generation device, which includes a piezoelectric layer containing ferroelectric particles and having a surface roughness on one side, and a passivation layer laminated on the side having the surface roughness of the piezoelectric layer, is thin, lightweight, and has flexible characteristics. At the same time, it has the effect of having high power generation characteristics, and in particular, it has the effect of having higher power generation characteristics even at a thinner thickness.
Description
본 발명은 압전 발전 소자에 관한 것으로, 더 구체적으로는 유연성 및 압전 특성이 우수한 압전 발전 소자 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a piezoelectric power generation device, and more specifically, to a piezoelectric power generation device with excellent flexibility and piezoelectric properties and a method of manufacturing the same.
사물 인터넷(Internet of Things, IoT) 기술이 발달함에 따라 이를 활용 가능한 무선 센서, 휴대용 스마트 기기 등과 같은 소형 전자기기들의 수요가 급증하고 있다. 사물 인터넷 기술의 효과적인 구현을 위해서, 이러한 전자기기들은 시간과 장소에 구애받지 않고 자유롭게 이용하는 것이 중요함에 따라, 기존의 배터리 기술에 의존하는 것에는 한계가 있다. 이러한 한계를 극복하기 위해서 버려지는 에너지를 수확하여 스스로 전력을 생산하는 자가발전 기술이 주목받고 있으며, 이 중에서 인체가 움직일 때 발생하는 신체 에너지를 이용하여 전력을 생산하는 유연 압전 나노 발전 기술에 대한 많은 연구가 진행되어 왔다.As Internet of Things (IoT) technology develops, demand for small electronic devices such as wireless sensors and portable smart devices that can utilize this technology is rapidly increasing. For the effective implementation of IoT technology, it is important to freely use these electronic devices regardless of time and place, so there are limits to relying on existing battery technology. In order to overcome these limitations, self-power generation technology that harvests wasted energy and produces electricity on its own is attracting attention. Among these, flexible piezoelectric nano-generation technology that produces electricity using the body energy generated when the human body moves is widely known. Research has been in progress.
이와 같이, 종래까지 인체에 적용 가능한 유연 압전 나노 발전기에 관한 많은 연구가 진행되었지만, 유연성과 압전 특성을 동시에 가져야 하는 복합소재의 특성상 유연성을 가지면서 동시에 더 높은 압전 특성을 가지는 압전 발전 소자가 요구된다.As such, much research has been conducted on flexible piezoelectric nanogenerators applicable to the human body, but due to the nature of composite materials that must have both flexibility and piezoelectric properties, a piezoelectric power generation device that is flexible and has higher piezoelectric properties is required. .
본 발명의 목적은 얇고 경량이며, 유연 특성을 가지면서 동시에 높은 발전 특성을 가지는 압전 발전 소자를 제공하는 것이다.The purpose of the present invention is to provide a piezoelectric power generation element that is thin and light, has flexible characteristics and has high power generation characteristics.
본 발명의 구체적인 목적은 보다 얇은 두께에서도 보다 높은 발전 특성을 가지는 압전 발전 소자를 제공하는 것이다.A specific purpose of the present invention is to provide a piezoelectric power generation element that has higher power generation characteristics even at a thinner thickness.
본 발명에 따른 압전 발전 소자는, 제1전극; 상기 제1전극 상에 적층되되, 강유전 입자를 포함하며 일면이 표면조도를 가지는 압전층; 상기 압전층의 표면조도를 가지는 면에 적층되는 패시베이션층; 및 상기 패시베이션층 상에 적층되는 제2전극;을 포함한다.The piezoelectric power generation device according to the present invention includes a first electrode; a piezoelectric layer stacked on the first electrode, including ferroelectric particles and having surface roughness on one side; a passivation layer laminated on a surface having surface roughness of the piezoelectric layer; and a second electrode stacked on the passivation layer.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 압전층의 표면조도를 가지는 면은 서로 이격된 다수의 돌출부가 형성된 것일 수 있다.In one example of the present invention, the surface having the roughness of the piezoelectric layer may be formed with a plurality of protrusions spaced apart from each other.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 돌출부는 원기둥 형상인 것일 수 있다.In one example of the present invention, the protrusion may have a cylindrical shape.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 돌출부의 평균직경은 20 내지 100 ㎛일 수 있고, 평균길이는 40 내지 150 ㎛일 수 있으며, 돌출부간 평균이격거리는 40 내지 200 ㎛일 수 있다.In one example of the present invention, the average diameter of the protrusions may be 20 to 100 ㎛, the average length may be 40 to 150 ㎛, and the average distance between the protrusions may be 40 to 200 ㎛.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 압전층의 평균두께는 200 내지 600 ㎛일 수 있다.In one example of the present invention, the average thickness of the piezoelectric layer may be 200 to 600 ㎛.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 압전층은 상기 표면조도를 가지는 면이 형성된 패턴부 및 상기 패턴부의 타면에 적층된 지지부를 포함할 수 있으며, 상기 패턴부는 상기 지지부의 일면에 고분자 조성물이 도포되고 경화되어 형성되는 것일 수 있다.In one example of the present invention, the piezoelectric layer may include a pattern portion on which a surface having the surface roughness is formed and a support portion laminated on the other surface of the pattern portion, and the pattern portion may include a polymer composition applied to one surface of the support portion. It may be formed by hardening.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 패시베이션층은 강유전 입자를 포함하지 않고 상기 압전층과 동일한 고분자 조성을 포함할 수 있다.In one example of the present invention, the passivation layer may not include ferroelectric particles and may include the same polymer composition as the piezoelectric layer.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 압전층 및 상기 패시베이션층은 실록산계 중합체를 포함할 수 있다.In one example of the present invention, the piezoelectric layer and the passivation layer may include a siloxane-based polymer.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 압전층은 강유전 입자를 5 내지 50 중량%로 포함할 수 있다.In one example of the present invention, the piezoelectric layer may include 5 to 50% by weight of ferroelectric particles.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 강유전 입자는 평균입경이 50 내지 3,000 nm일 수 있다.In one example of the present invention, the ferroelectric particles may have an average particle diameter of 50 to 3,000 nm.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 강유전 입자는 티탄산 지르콘산 납, 티탄산바륨, 티탄산납, 산화아연, 질화알루미늄, 황화카드뮴, 비스무스 철 산화물 및 탄화실리콘 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있다.In one example of the present invention, the ferroelectric particles may include any one or two or more selected from lead zirconate titanate, barium titanate, lead titanate, zinc oxide, aluminum nitride, cadmium sulfide, bismuth iron oxide, and silicon carbide. there is.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 제1전극 및 상기 제2전극은 서로 독립적으로 알루미늄 금속, 은 금속, 우레탄계 수지, 퍼플루오르알콕시계 수지, 테트라플루오르에틸렌계 수지, 플루오르화에틸렌프로필렌계 수지 및 에틸렌테레프탈레이트계 수지 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있다.In one example of the present invention, the first electrode and the second electrode are independently selected from aluminum metal, silver metal, urethane-based resin, perfluoroalkoxy-based resin, tetrafluoroethylene-based resin, fluoroethylenepropylene-based resin, and ethylene. It may include any one or two or more selected from terephthalate resins, etc.
본 발명에 따른 압전 발전 소자는 얇고 경량이며, 유연 특성을 가지면서 동시에 높은 발전 특성을 가지는 효과가 있으며, 특히 보다 얇은 두께에서도 보다 높은 발전 특성을 가지는 효과가 있다.The piezoelectric power generation element according to the present invention is thin and lightweight, has flexible characteristics and has the effect of having high power generation characteristics at the same time, and in particular, has the effect of having higher power generation characteristics even at a thinner thickness.
도 1은 본 발명의 실시예 1에서 제조된 압전 발전 소자의 압전층의 표면부를 관찰한 전계방출형 주사전자현미경(Field Emission Scanning Electron Microscope, FE-SEM) 이미지이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 3 및 비교예 1 내지 비교예 3에서 제조된 각각의 압전 발전 소자의 압전 특성을 나타낸 그래프이다.Figure 1 is a field emission scanning electron microscope (FE-SEM) image observing the surface portion of the piezoelectric layer of the piezoelectric power generation element manufactured in Example 1 of the present invention.
Figure 2 is a graph showing the piezoelectric characteristics of each piezoelectric power generation element manufactured in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3 of the present invention.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 압전 발전 소자를 상세히 설명한다.Hereinafter, the piezoelectric power generation device according to the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings.
본 명세서에 기재되어 있는 도면은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서 본 발명은 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 상기 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다.The drawings described in this specification are provided as examples to enable the idea of the present invention to be sufficiently conveyed to those skilled in the art. Accordingly, the present invention is not limited to the presented drawings and may be embodied in other forms, and the drawings may be exaggerated to clarify the spirit of the present invention.
본 명세서에서 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.Unless otherwise defined, the technical and scientific terms used in this specification have the meanings commonly understood by those skilled in the art to which this invention pertains, and the gist of the present invention is summarized in the following description and accompanying drawings. Descriptions of known functions and configurations that may unnecessarily obscure are omitted.
본 명세서에서 사용되는 용어의 단수 형태는 특별한 지시가 없는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 해석될 수 있다.The singular form of the terms used in this specification may be interpreted to also include the plural form unless otherwise specified.
본 명세서에서 특별한 언급 없이 사용된 %의 단위는 별다른 정의가 없는 한 중량%를 의미한다.The unit of % used without special mention in this specification means weight% unless otherwise defined.
본 명세서에서 언급되는 “층” 또는 “막”의 용어는 각 재료가 연속체(continuum)를 이루며 폭과 길이 대비 두께가 상대적으로 작은 디멘젼(dimension)을 가짐을 의미하는 것이다. 이에 따라, 본 명세서에서 “층” 또는 “막”의 용어에 의해, 2차원의 편평한 평면으로 해석되어서는 안 된다.The term “layer” or “film” used in this specification means that each material forms a continuum and has a relatively small thickness compared to the width and length. Accordingly, the terms “layer” or “film” in this specification should not be interpreted as a two-dimensional flat plane.
본 발명에 따른 압전 발전 소자는, 제1전극; 상기 제1전극 상에 적층되되, 강유전 입자를 포함하며 일면이 표면조도를 가지는 압전층; 상기 압전층의 표면조도를 가지는 면에 적층되는 패시베이션층; 및 상기 패시베이션층 상에 적층되는 제2전극;을 포함한다.The piezoelectric power generation device according to the present invention includes a first electrode; a piezoelectric layer stacked on the first electrode, including ferroelectric particles and having surface roughness on one side; a passivation layer laminated on a surface having surface roughness of the piezoelectric layer; and a second electrode stacked on the passivation layer.
본 발명에서는 압전 복합소재의 미세 구조화를 통해 응력 집중 현상을 증가시켜 고출력의 유연 압전 발전 소자를 제공한다. 구체적으로, 본 발명에 따른 압전 발전 소자는 압전층이 강유전 입자를 포함하면서 동시에 압전층의 표면이 미세 구조화된 표면조도를 가짐으로써 압전 특성이 현저히 증가하며, 이때 패시베이션층이 상기 압전층의 표면조도를 가지는 면에 적층됨으로써 높은 압전 특성을 갖는다. The present invention provides a high-output flexible piezoelectric power generation device by increasing the stress concentration phenomenon through microstructuring of the piezoelectric composite material. Specifically, the piezoelectric power generation device according to the present invention has significantly increased piezoelectric properties as the piezoelectric layer includes ferroelectric particles and at the same time, the surface of the piezoelectric layer has a finely structured surface roughness. In this case, the passivation layer increases the surface roughness of the piezoelectric layer. It has high piezoelectric properties by being laminated on a surface having .
상기 압전층의 표면조도를 가지는 면은 서로 이격된 다수의 돌출부가 형성된 패턴을 갖는다. 이때 돌출부의 형상은 크게 제한되는 것은 아니나, 도 1에 도시된 바와 같이 원기둥 형상인 것이 압전 특성의 향상 측면에서 바람직할 수 있다. 바람직한 일 예에 있어서, 상기 돌출부의 평균직경은 20 내지 100 ㎛, 구체적으로 30 내지 80 ㎛인 것이 좋을 수 있으며, 상기 돌출부의 평균길이는 40 내지 150 ㎛, 구체적으로 50 내지 120 ㎛인 것이 좋을 수 있으며, 상기 돌출부간 평균이격거리는 40 내지 200 ㎛, 구체적으로 70 내지 150 ㎛인 것이 좋을 수 있다. 이를 만족할 경우, 출력 전압, 출력 전류 등의 압전 특성이 보다 향상된다.The surface having roughness of the piezoelectric layer has a pattern in which a plurality of protrusions are spaced apart from each other. At this time, the shape of the protrusion is not greatly limited, but a cylindrical shape as shown in FIG. 1 may be preferable in terms of improving piezoelectric properties. In a preferred example, the average diameter of the protrusions may be 20 to 100 ㎛, specifically 30 to 80 ㎛, and the average length of the protrusions may be 40 to 150 ㎛, specifically 50 to 120 ㎛. In addition, the average distance between the protrusions may be preferably 40 to 200 ㎛, specifically 70 to 150 ㎛. If this is satisfied, piezoelectric properties such as output voltage and output current are further improved.
구체적으로, 상기 압전층은 표면조도를 가지는 면이 형성된 패턴부 및 상기 패턴부의 타면에 적층된 지지부를 포함할 수 있다. 이때 패턴부와 지지부는 제조 방법에 따라 각각 제조되어 서로 결합된 것일 수도 있고, 일체로 형성된 것일 수도 있다. 구체적인 일 예로, 상기 패턴부는 상기 지지부의 일면에 고분자 조성물을 도포하고 경화하는 과정에서 포토리소그래피법 및/또는 마이크로 몰딩법을 이용하여 패턴을 형성할 수 있다. 구체적으로, 상기 지지부의 일면에 고분자 조성물을 스핀코팅 등의 방법을 통해 도포하여 층을 형성하고 패턴이 형성된 판 도는 몰드를 상기 층에 올려놓고 프레스하여 원하는 모양의 패턴을 형성할 수 있다.Specifically, the piezoelectric layer may include a pattern portion on which a surface having surface roughness is formed and a support portion laminated on the other surface of the pattern portion. At this time, the pattern portion and the support portion may be manufactured separately and combined with each other according to a manufacturing method, or may be formed integrally. As a specific example, the pattern portion may be patterned using a photolithography method and/or a micro-molding method in the process of applying and curing a polymer composition on one surface of the support portion. Specifically, a polymer composition may be applied to one surface of the support through a method such as spin coating to form a layer, and a plate or mold with a pattern formed thereon may be placed on the layer and pressed to form a pattern of a desired shape.
상기 압전층의 평균두께는 200 내지 600 ㎛, 좋게는 300 내지 600 ㎛인 것이 출력 전압, 출력 전류 등의 압전 특성이 보다 향상될 수 있는 측면에서 바람직하다. 여기서 압전층의 평균두께라 함은 층의 최하단부에서 돌출부까지의 높이, 즉, 상기 지지부와 상기 패턴부를 포함하는 층의 두께를 의미하며, 돌출부들의 길이가 서로 상이할 경우, 압전층의 평균두께는 전체 돌출부의 평균두께를 포함하는 압전층의 평균두께를 의미한다.The average thickness of the piezoelectric layer is preferably 200 to 600 ㎛, preferably 300 to 600 ㎛, in terms of improving piezoelectric properties such as output voltage and output current. Here, the average thickness of the piezoelectric layer refers to the height from the lowest part of the layer to the protrusion, that is, the thickness of the layer including the support portion and the pattern portion. If the lengths of the protrusions are different from each other, the average thickness of the piezoelectric layer is It refers to the average thickness of the piezoelectric layer including the average thickness of all protrusions.
보다 구체적으로, 상기 압전층에서 지지부의 평균두께는 50 내지 250 ㎛일 수 있으며, 패턴부의 평균두께는 40 내지 120 ㎛일 수 있다. 이를 만족할 경우, 유연성 및 압전 특성이 보다 향상될 수 있다.More specifically, the average thickness of the support portion in the piezoelectric layer may be 50 to 250 μm, and the average thickness of the pattern portion may be 40 to 120 μm. If this is satisfied, flexibility and piezoelectric properties can be further improved.
본 발명에 따른 압전 발전 소자는 패시베이션층을 포함하며, 패시베이션층이 압전층 위, 구체적으로 압전층의 패턴부 위에 존재함으로써 패턴부의 패턴 사이의 빈 공간을 채워 압전 소자의 절연 특성과 기계적인 안정성이 향상되어 압전 특성을 향상 시킨다. 이 패시베이션층이 없을 경우, 압전 특성이 현저히 저하되므로 반드시 압전층의 패턴부 위에 적층되어야 한다.The piezoelectric power generation element according to the present invention includes a passivation layer, and the passivation layer is present on the piezoelectric layer, specifically on the pattern portion of the piezoelectric layer, thereby filling the empty space between the patterns of the pattern portion to improve the insulating properties and mechanical stability of the piezoelectric element. Improved piezoelectric properties. If this passivation layer is not present, the piezoelectric properties are significantly reduced, so it must be laminated on the pattern portion of the piezoelectric layer.
바람직한 일 예에 있어서, 상기 패시베이션층은 강유전 입자를 포함하지 않고 상기 압전층과 동일한 고분자 조성을 포함할 수 있다. 즉, 강유전 입자를 포함하는 고분자 조성물로 형성된 압전층에 강유전 입자를 포함하지 않는 상기 고분자 조성물과 동일한 조성의 패시베이션층이 적층됨으로써 높은 압전 특성을 구현할 수 있다.In a preferred example, the passivation layer may not include ferroelectric particles and may include the same polymer composition as the piezoelectric layer. That is, high piezoelectric properties can be realized by stacking a passivation layer of the same composition as the polymer composition not containing ferroelectric particles on a piezoelectric layer formed of a polymer composition containing ferroelectric particles.
상기 패시베이션층의 평균두께는 크게 제한되는 것은 아니나, 유연성 및 압전 특성의 향상 측면에서 일 예로 50 내지 300 ㎛, 구체적으로 100 내지 150 ㎛일 수 있다. 하지만 이는 바람직한 일 예로서 설명된 것일 뿐, 본 발명이 이에 제한되어 해석되는 것은 아니다. The average thickness of the passivation layer is not greatly limited, but may be, for example, 50 to 300 ㎛, specifically 100 to 150 ㎛, in terms of improving flexibility and piezoelectric properties. However, this is only described as a preferred example, and the present invention is not construed as being limited thereto.
상기 압전층 및 상기 패시베이션층은 그 재질을 크게 한정할 필요는 없지만, 유연성 부여 측면에서 유연성을 갖는 고분자인 것이 바람직하며, 일 예로, 상기 고분자는 실록산계 중합체, 즉, 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane, PDMS)을 포함할 수 있다. 여기서 사용되는 실록산계 중합체의 중량평균분자량 등의 구체적인 사항은 압전 발전 소자에 일반적으로 사용되는 것이라면 무방하며, 적절한 탄성을 가지면서 강유전 입자가 분산되어 함유할 수 있도록 하는 것이면 된다. 구체적인 일 예로, 압전층 또는 패시베이션층은 고분자 용액을 도포하고 경화하여 층이 형성될 수 있다. 상기 고분자 용액은 실록산계 단량체 및 용매를 포함할 수 있으며, 고분자 용액의 조성비는 제한되지 않으며 적절히 조절될 수 있다. 경화 온도는 단량체들이 중합될 수 있을 정도라면 무방하고, 상온, 저온, 고온 등 단량체의 종류 및 환경 조건에 따라 적절히 제어될 수 있으며, 예컨대 50 내지 150℃를 들 수 있으나 이에 제한되지 않음은 물론이다. 이렇게 제조된 압전층의 폴리디메틸실록산의 중량평균분자량은 예컨대 10,000 내지 1000,000 g/mol을 들 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되어 해석되는 것은 아니다.There is no need to greatly limit the materials of the piezoelectric layer and the passivation layer, but it is preferable that they are polymers with flexibility in terms of providing flexibility. For example, the polymer is a siloxane-based polymer, that is, polydimethylsiloxane (PDMS). ) may include. Specific details such as the weight average molecular weight of the siloxane-based polymer used here may be any that is generally used in piezoelectric power generation devices, and it may be any that has appropriate elasticity and allows ferroelectric particles to be dispersed. As a specific example, the piezoelectric layer or passivation layer may be formed by applying a polymer solution and curing it. The polymer solution may include a siloxane-based monomer and a solvent, and the composition ratio of the polymer solution is not limited and can be adjusted appropriately. The curing temperature may be sufficient to allow the monomers to be polymerized, and may be appropriately controlled depending on the type of monomer and environmental conditions such as room temperature, low temperature, and high temperature, and may include, for example, 50 to 150°C, but is of course not limited thereto. . The weight average molecular weight of the polydimethylsiloxane of the piezoelectric layer manufactured in this way may be, for example, 10,000 to 1,000,000 g/mol, but the present invention is not limited thereto.
상기 강유전 입자의 함유량은 강유전 입자의 종류, 밀도, 고분자의 종류, 밀도 등에 따라 달라질 수 있고, 우수한 압전 특성을 구현할 수 있을 정도라면 크게 제한되는 것은 아니며, 일 예로, 상기 압전층은 강유전 입자를 5 내지 50 중량%, 구체적으로 20 내지 40 중량%로 포함할 수 있다. 하지만 이는 바람직한 일 예로서 설명된 것일 뿐, 본 발명이 이에 제한되어 해석되는 것은 아니다.The content of the ferroelectric particles may vary depending on the type and density of the ferroelectric particles, the type of polymer, density, etc., and is not greatly limited as long as it can realize excellent piezoelectric properties. For example, the piezoelectric layer contains 5 ferroelectric particles. It may contain from 50% by weight, specifically 20 to 40% by weight. However, this is only described as a preferred example, and the present invention is not construed as being limited thereto.
상기 강유전 입자의 종류는 압전 특성 향상을 위한 것이라면 무방하며, 일 예로 티탄산 지르콘산 납(Lead Zirconate Titanate, PZT), 티탄산바륨, 티탄산납, 산화아연, 질화알루미늄, 황화카드뮴, 비스무스 철 산화물 및 탄화실리콘 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있으며, 좋게는 티탄산 지르콘산 납이 더 바람직할 수 있다.The types of ferroelectric particles may be used as long as they are intended to improve piezoelectric properties. Examples include lead zirconate titanate (PZT), barium titanate, lead titanate, zinc oxide, aluminum nitride, cadmium sulfide, bismuth iron oxide, and silicon carbide. It may include any one or two or more selected from the like, and lead zirconate titanate may be more preferable.
상기 강유전 입자의 형상은 고분자 매트릭스의 내부에 서로 이격 분산되어 존재할 수 있는 다양한 형태를 가질 수 있으며, 예컨대 구형, 막대형, 박편형 등의 다양한 형상을 가질 수 있으나 이에 제한되지 않음은 물론이다.The shape of the ferroelectric particles may have various shapes that can exist while being spaced apart from each other inside the polymer matrix, for example, they may have various shapes such as spherical, rod, or flaky shapes, but are of course not limited thereto.
상기 강유전 입자의 크기는 우수한 압전 특성을 구현할 수 있도록 매트릭스 상에 적절히 분산되어 함입되어 있을 정도라면 무방하며, 일 예로 강유전 입자의 평균입경이 50 내지 3,000 nm, 구체적으로 300 내지 1,500 nm일 수 있다. 또한 강유전 입자의 형상이 박편일 경우, 박편의 장축의 평균길이는 일 예로 50 내지 3,000 nm, 구체적으로 100 내지 1,500 nm일 수 있고, 박편의 두께는 0.1 내지 50 ㎛일 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되어 해석되는 것은 아니다.The size of the ferroelectric particles may be such that they are appropriately dispersed and embedded in the matrix to realize excellent piezoelectric properties. For example, the average particle diameter of the ferroelectric particles may be 50 to 3,000 nm, specifically 300 to 1,500 nm. In addition, when the shape of the ferroelectric particle is a flake, the average length of the long axis of the flake may be, for example, 50 to 3,000 nm, specifically 100 to 1,500 nm, and the thickness of the flake may be 0.1 to 50 ㎛, but the present invention does not apply to this. It is not interpreted in a limited way.
상기 제1전극 및 상기 제2전극은 압전 발전 소자가 압전 특성을 구현할 수 있도록 하는 재질을 가지면 무방하며, 예를 들어 서로 독립적으로 알루미늄 금속, 은 금속, 우레탄계 수지, 퍼플루오르알콕시계 수지, 테트라플루오르에틸렌계 수지, 플루오르화에틸렌프로필렌계 수지 및 에틸렌테레프탈레이트계 수지 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있다. 전극이 2 이상의 재질을 가질 경우, 각 재질의 층이 다층의 적층된 구조를 취할 수 있다.The first electrode and the second electrode may have materials that enable the piezoelectric power generation element to implement piezoelectric properties, for example, independently of each other, aluminum metal, silver metal, urethane-based resin, perfluoroalkoxy-based resin, and tetrafluoride. It may include any one or two or more selected from ethylene-based resins, fluorinated ethylene propylene-based resins, and ethylene terephthalate-based resins. When the electrode has two or more materials, the layers of each material may have a multi-layered structure.
상기 전극의 평균두께는 필요 발전 능력, 사용 규모에 따라 적절히 조절될 수 있으므로 크게 제한되는 것은 아니나, 유연성 및 압전 특성의 향상 측면에서 일 예로 30 내지 300 nm, 구체적으로 50 내지 100 nm를 들 수 있다. 일 수 있다. 하지만 이는 바람직한 일 예로서 설명된 것일 뿐, 본 발명이 이에 제한되어 해석되는 것은 아니다.The average thickness of the electrode is not greatly limited as it can be appropriately adjusted depending on the required power generation capacity and scale of use, but in terms of improving flexibility and piezoelectric properties, an example may be 30 to 300 nm, specifically 50 to 100 nm. . It can be. However, this is only described as a preferred example, and the present invention is not construed as being limited thereto.
본 발명에 따른 압전 발전 소자는 높은 유연성을 가짐에 따라 다양한 형태의 물리적인 변형을 통해 전력을 생산할 수 있으며, 일 예로 굽힘, 접힘, 휘어짐 등의 물리적인 변형을 통해 전력을 높은 효율로 생산할 수 있다.As the piezoelectric power generation element according to the present invention has high flexibility, it can produce power through various types of physical deformation. For example, it can produce power with high efficiency through physical deformation such as bending, folding, and bending. .
본 발명의 일 예에 따른 압전 발전 소자는 물리적인 변형에 의한 발전 시 출력 전압 및 출력 전류가 높을수록 좋으며, 일 예로, 물리적인 변형이 발생할 시 가질 수 있는 최대 출력 전압이 9 V 이상, 구체적으로 9 내지 100 V일 수 있고, 물리적인 변형이 발생할 시 가질 수 있는 최대 출력 전류가 0.3 μA 이상, 구체적으로 0.3 내지 5.0 μA일 수 있다.The piezoelectric power generation element according to an example of the present invention is better when the output voltage and output current are higher when generating power by physical deformation. For example, the maximum output voltage that can be had when physical deformation occurs is 9 V or more, specifically. It may be 9 to 100 V, and the maximum output current that can be had when physical deformation occurs may be 0.3 μA or more, specifically 0.3 to 5.0 μA.
이하 본 발명을 실시예를 통해 상세히 설명하나, 이들은 본 발명을 보다 상세하게 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 권리범위가 하기의 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail through examples. However, these are intended to illustrate the present invention in more detail, and the scope of the present invention is not limited to the following examples.
입자를 미세한 형태로 만들기 위해, 티탄산 지르콘산 납(Lead zirconate titanate, PZT) 입자 및 지르코니아 볼(Zirconia ball)을 에탄올(Ethanol)에 혼합하고 볼 밀링하여 티탄산 지르콘산 납 입자를 평균입경 1 ㎛로 분쇄하고 건조하여 수득하였다. 건조된 티탄산 지르콘산 납 입자 및 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane, PDMS)(Sylgard-184, Dow Corning)을 3:7의 중량비로 혼합하여 페이스트를 제조하였다.To make the particles into fine shapes, lead zirconate titanate (PZT) particles and zirconia balls are mixed with ethanol and ball milled to grind the lead zirconate titanate particles to an average particle size of 1 ㎛. and dried to obtain. A paste was prepared by mixing dried lead zirconate titanate particles and polydimethylsiloxane (PDMS) (Sylgard-184, Dow Corning) at a weight ratio of 3:7.
상기 페이스트를 유리 몰드에 충진하고 진공 데시케이터에서 기포를 충분히 제거한 후에 80℃에서 2 시간 동안 경화하고 떼어내어 하부 압전층(지지부)을 제조하였다.The paste was filled in a glass mold, bubbles were sufficiently removed in a vacuum desiccator, cured at 80°C for 2 hours, and then removed to prepare a lower piezoelectric layer (support portion).
평균두께 50 nm의 알루미늄 층이 코팅된 평균두께 125 ㎛의 폴리에틸렌테레프탈레이트 재질의 하부 전극 위에 상기 하부 압전층(지지부)을 적층하고, 상기 하부 압전층(지지부) 위에 상기 페이스트와 동일한 조성물을 500 rpm에서 30 초 동안 스핀 코팅하여 상기 하부 압전층(지지부) 위에 페이스트 상태의 상부 압전층(패턴부)을 도포하였다. 도포된 상기 상부 압전층(패턴부) 위에, 포토리소그래피법 및 마이크로 몰딩법을 이용하여 제조한 미세 패턴이 형성된 몰드를 덮고 80℃에서 2 시간 동안 경화하여, 도 1과 같은 미세 패턴이 형성된 평균두께 263 ㎛의 압전층을 제조하였다. 이때 도 1에 도시된 바와 같이, 원기둥 형태의 다수의 돌출부가 n×m의 격자 배열로서 서로 동일한 거리로 이격하여 배열된 패턴이 상부 압전층(패턴부)에 형성되도록, 상기 몰드는 서로 이격된 다수의 관통홀이 형성된 판 형태를 갖는다. 구체적으로, 원기둥 형태의 상기 돌출부의 지름은 50 ㎛이고, 상기 돌출부의 길이는 80 ㎛이며, 상기 돌출부간 이격거리는 100 ㎛이다.The lower piezoelectric layer (support part) is laminated on a lower electrode made of polyethylene terephthalate with an average thickness of 125 ㎛ coated with an aluminum layer with an average thickness of 50 nm, and the same composition as the paste is applied on the lower piezoelectric layer (support part) at 500 rpm. The upper piezoelectric layer (pattern portion) in a paste state was applied on the lower piezoelectric layer (support portion) by spin coating for 30 seconds. On the applied upper piezoelectric layer (pattern portion), a mold with a fine pattern manufactured using a photolithography method and a micro molding method was covered and cured at 80° C. for 2 hours to obtain an average thickness of a fine pattern as shown in FIG. 1. A piezoelectric layer of 263 μm was manufactured. At this time, as shown in FIG. 1, the mold is spaced apart from each other so that a pattern in which a plurality of cylindrical protrusions are spaced apart from each other at the same distance as an n × m grid arrangement is formed on the upper piezoelectric layer (pattern portion). It has a plate shape with multiple through holes formed. Specifically, the diameter of the cylindrical protrusion is 50 ㎛, the length of the protrusion is 80 ㎛, and the separation distance between the protrusions is 100 ㎛.
그리고 상기 압전층 위에 패시베이션층(Passivation layer)으로서 상기 폴리디메틸실록산과 동일한 조성물을 2,000 rpm으로 30 초 동안 스핀 코팅하여 도포하였다. 이어서 상기 패시베이션층 위에 평균두께 50 nm의 알루미늄 층이 코팅된 평균두께 50 ㎛의 폴리이미드(Polyimide, PI) 재질의 상부 전극을 적층한 후 80℃에서 2 시간동안 경화하여 하이브리드 유연 압전 발전 소자를 제조하였다.Then, the same composition as the polydimethylsiloxane was applied as a passivation layer on the piezoelectric layer by spin coating at 2,000 rpm for 30 seconds. Next, an upper electrode made of polyimide (PI) with an average thickness of 50 ㎛ coated with an aluminum layer with an average thickness of 50 nm was laminated on the passivation layer and cured at 80 ° C. for 2 hours to manufacture a hybrid flexible piezoelectric power generation device. did.
실시예 1에서 압전층의 평균두께를 304 ㎛가 되도록 한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 압전 발전 소자를 제조하였다.A piezoelectric power generation device was manufactured in the same manner as Example 1, except that the average thickness of the piezoelectric layer in Example 1 was set to 304 ㎛.
실시예 1에서 압전층의 평균두께를 320 ㎛가 되도록 한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 압전 발전 소자를 제조하였다.A piezoelectric power generation device was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the average thickness of the piezoelectric layer in Example 1 was set to 320 ㎛.
[비교예 1][Comparative Example 1]
실시예 1에서 미세 패턴을 가지는 상부 압전층(패턴부)을 형성하지 않고 평균두께 250 ㎛의 평판 압전층을 적용한 것을 제외하고, 또한 패시베이션층을 사용하지 않은 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 압전 발전 소자를 제조하였다.The same method as Example 1, except that a flat piezoelectric layer with an average thickness of 250 ㎛ was applied instead of forming an upper piezoelectric layer (pattern portion) with a fine pattern in Example 1, and that a passivation layer was not used. A piezoelectric power generation device was manufactured.
[비교예 2][Comparative Example 2]
비교예 1에서 압전층의 평균두께를 290 ㎛가 되도록 한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 압전 발전 소자를 제조하였다.A piezoelectric power generation device was manufactured in the same manner as Example 1, except that the average thickness of the piezoelectric layer in Comparative Example 1 was set to 290 ㎛.
[비교예 3][Comparative Example 3]
비교예 1에서 압전층의 평균두께를 350 ㎛가 되도록 한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 압전 발전 소자를 제조하였다.A piezoelectric power generation device was manufactured in the same manner as Example 1, except that the average thickness of the piezoelectric layer in Comparative Example 1 was set to 350 ㎛.
[비교예 4][Comparative Example 4]
실시예 1에서 미세 패턴을 가지는 상부 압전층(패턴부)을 형성하지 않고 평균두께 250 ㎛의 평판 압전층을 적용한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 압전 발전 소자를 제조하였다.A piezoelectric power generation device was manufactured in the same manner as in Example 1, except that a flat piezoelectric layer with an average thickness of 250 ㎛ was used instead of forming an upper piezoelectric layer (pattern portion) with a fine pattern.
[비교예 5][Comparative Example 5]
실시예 1에서 패시베이션층을 사용하지 않은 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 압전 발전 소자를 제조하였다.A piezoelectric power generation device was manufactured in the same manner as Example 1, except that the passivation layer was not used in Example 1.
실시예들 및 비교예들에서 제조된 압전 발전 소자를 Bending 방식을 이용하여 출력 전압(Output voltage) 및 출력 전류(Output current)를 측정하고, 이의 결과를 하기 표 1 및 도 2에 나타내었다.The output voltage and output current of the piezoelectric power generation elements manufactured in the examples and comparative examples were measured using the bending method, and the results are shown in Table 1 and Figure 2 below.
상기 표 1에서와 같이, 페시베이션층과 패턴부가 모두 없는 비교예 1 내지 비교예 3은 실시예들과 비교하여 출력 전압 및 출력 전류가 현저히 감소되는 것을 확인할 수 있으며, 패시베이션층이 없거나 패턴이 없는 비교예 4 및 비교예 5도 출력 전압 및 출력 전류가 상대적으로 좋지 않음을 확인할 수 있다.As in Table 1, it can be seen that the output voltage and output current of Comparative Examples 1 to 3, which do not have both a passivation layer and a pattern, are significantly reduced compared to the examples, and in Comparative Examples 1 to 3, which do not have both a passivation layer and a pattern, the output voltage and output current are significantly reduced compared to the examples. It can be seen that the output voltage and output current of Comparative Example 4 and Comparative Example 5 are relatively poor.
또한 실시예 1 내지 실시예 3으로부터 압전층의 두께가 증가할수록 출력 전압 및 출력 전류는 증가하는 것을 확인할 수 있으며, 특히 압전층의 두께가 300 ㎛ 이상일 경우 출력 전압 및 출력 전류가 현저히 증가하는 것을 확인할 수 있다.Additionally, from Examples 1 to 3, it can be seen that the output voltage and output current increase as the thickness of the piezoelectric layer increases. In particular, when the thickness of the piezoelectric layer is 300 ㎛ or more, the output voltage and output current significantly increase. You can.
Claims (12)
상기 제1전극 상에 적층되되, 강유전 입자를 포함하며 일면이 표면조도를 가지는 압전층;
상기 압전층의 표면조도를 가지는 면에 적층되는 패시베이션층;
상기 패시베이션층 상에 적층되는 제2전극; 및
상기 패시베이션층은 강유전 입자를 포함하지 않고 상기 압전층과 동일한 고분자 조성을 포함하는 압전 발전 소자.first electrode;
a piezoelectric layer stacked on the first electrode, including ferroelectric particles and having surface roughness on one side;
a passivation layer laminated on a surface having surface roughness of the piezoelectric layer;
a second electrode stacked on the passivation layer; and
A piezoelectric power generation device wherein the passivation layer does not contain ferroelectric particles and includes the same polymer composition as the piezoelectric layer.
상기 제1전극 상에 적층되되, 강유전 입자를 포함하며 일면이 표면조도를 가지는 압전층;
상기 압전층의 표면조도를 가지는 면에 적층되는 패시베이션층; 및
상기 패시베이션층 상에 적층되는 제2전극; 상기 압전층의 표면조도를 가지는 면은 서로 이격된 다수의 돌출부가 형성된 것이고;
상기 압전층 및 상기 패시베이션층은 실록산계 중합체를 포함하는 압전 발전 소자.first electrode;
a piezoelectric layer stacked on the first electrode, including ferroelectric particles and having surface roughness on one side;
a passivation layer laminated on a surface having surface roughness of the piezoelectric layer; and
a second electrode stacked on the passivation layer; The surface having roughness of the piezoelectric layer is formed with a plurality of protrusions spaced apart from each other;
The piezoelectric layer and the passivation layer include a siloxane-based polymer.
상기 돌출부는 원기둥 형상인 것인 압전 발전 소자.According to paragraph 2,
A piezoelectric power generation element wherein the protrusion has a cylindrical shape.
상기 돌출부의 평균직경은 20 내지 100 ㎛이고, 평균길이는 40 내지 150 ㎛이며, 돌출부간 평균이격거리는 40 내지 200 ㎛인 것인 압전 발전 소자.According to paragraph 2,
The piezoelectric power generation element wherein the average diameter of the protrusions is 20 to 100 ㎛, the average length is 40 to 150 ㎛, and the average distance between the protrusions is 40 to 200 ㎛.
상기 압전층의 평균두께는 200 내지 600 ㎛인 것인 압전 발전 소자.According to claim 1 or 2,
A piezoelectric power generation device wherein the average thickness of the piezoelectric layer is 200 to 600 ㎛.
상기 압전층은 상기 표면조도를 가지는 면이 형성된 패턴부 및 상기 패턴부의 타면에 적층된 지지부를 포함하며,
상기 패턴부는 상기 지지부의 일면에 고분자 조성물이 도포되고 경화되어 형성되는 것인 압전 발전 소자.According to claim 1 or 2,
The piezoelectric layer includes a pattern portion on which a surface having the surface roughness is formed and a support portion laminated on the other surface of the pattern portion,
A piezoelectric power generation device in which the pattern portion is formed by applying a polymer composition to one surface of the support portion and curing it.
상기 압전층은 강유전 입자를 5 내지 50 중량%로 포함하는 압전 발전 소자.According to claim 1 or 2,
The piezoelectric layer is a piezoelectric power generation device containing 5 to 50% by weight of ferroelectric particles.
상기 강유전 입자는 평균입경이 50 내지 3,000 nm인 것인 압전 발전 소자.According to claim 1 or 2,
A piezoelectric power generation device wherein the ferroelectric particles have an average particle diameter of 50 to 3,000 nm.
상기 강유전 입자는 티탄산 지르콘산 납, 티탄산바륨, 티탄산납, 산화아연, 질화알루미늄, 황화카드뮴, 비스무스 철 산화물 및 탄화실리콘 중에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상을 포함하는 압전 발전 소자.According to claim 1 or 2,
The ferroelectric particles include any one or two or more selected from lead zirconate titanate, barium titanate, lead titanate, zinc oxide, aluminum nitride, cadmium sulfide, bismuth iron oxide, and silicon carbide.
상기 제1전극 및 상기 제2전극은 서로 독립적으로 알루미늄 금속, 은 금속, 우레탄계 수지, 퍼플루오르알콕시계 수지, 테트라플루오르에틸렌계 수지, 플루오르화에틸렌프로필렌계 수지 및 에틸렌테레프탈레이트계 수지 중에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상을 포함하는 압전 발전 소자.According to claim 1 or 2,
The first electrode and the second electrode are independently selected from aluminum metal, silver metal, urethane-based resin, perfluoroalkoxy-based resin, tetrafluoroethylene-based resin, fluorinated ethylene propylene-based resin, and ethylene terephthalate-based resin. A piezoelectric power generation element containing one or more than two.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020200107865A KR102602012B1 (en) | 2020-08-26 | 2020-08-26 | Piezoelectric Nanogenerator |
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