KR20100012142A - 압전 복합체를 이용한 에너지 생성 장치 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 압전 복합체 에너지 생성 장치는 고분자 필름으로 형성된 베이스 필름 상에 제 1 전극층을 형성하고, 제 1 전극층 상에 압전 분말과 고분자 매트릭스의 혼합물로 구성된 압전 복합체층을 형성하고, 압전 복합체 상에 제 2 전극층을 형성한다. 또한 전극층과 압전 복합층을 상호 교호되게 다수 개의 층으로 반복 적층하거나, 복수의 굴곡부를 갖는 3차원, 예컨대 돔형의 압전 복합체 형태로 성형할 수 있다. 압전 복합체층의 진동 또는 압력 변위 발생에 따른 압전 현상에 의해 생성되는 전기신호를 각 전극층에 연결되는 단자부를 통해 인출하고, 생성된 에너지를 저장부에 저장한다.
압전, 복합체, 에너지, 적층, 굴곡
Description
본 발명은 압전 복합체를 이용한 에너지 생성 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 압전 복합체의 압전 현상을 이용하여 고효율의 에너지를 생성할 수 있는 압전 복합체를 이용한 에너지 생성 장치 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 압전 복합체는 압전세라믹과 압전필름(Poly Vinylidene Fluoride; PVDF)의 2가지로 크게 구분할 수 있다. 이러한 압전 복합체는 압전 효과를 가진 재료를 사용하여 전기적 에너지와 기계적 에너지를 상호 변환하는 재료로서 산업 전반에 걸쳐 매우 광범위하게 활용되고 있다. 특히 PZT계의 압전세라믹과 형상이 자유로운 PVDF계의 압전고분자에 대한 많은 연구가 진행되고 있으나, 압전 특성을 갖는 고분자만으로는 에너지 변환 효율이 저하되어 커다란 효과를 이루지 못하고 있는 실정이다.
최근에는 압전세라믹 및 압전고분자(PVDF)를 이용하여 신발에 적용하여 압력에 의하여 전력을 생성하는 실험들에 대한 결과가 미국의 MIT 연구소에서 발표되었고, 그 실험 결과로는 압전세라믹으로는 대략 평균 1.8mW의 전력을, PVDF에서는 대략 평균 1.1mW의 전력을 생성하였다. 그러나, 이러한 연구들은 아직도 압전세라믹 및 PVDF에 극히 한정되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 압전 특성이 우수한 압전세라믹-고분자 복합체를 이용하여 고효율의 에너지를 생성할 수 있는 압전 복합체를 이용한 에너지 생성 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 다수 개의 적층 구조를 갖는 압전 복합체를 형성하여 보다 고효율의 에너지를 생성할 수 있는 압전 복합체를 이용한 에너지 생성 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 곡면부를 갖는 압전 복합체를 형성하여 보다 고효율의 에너지를 생성할 수 있는 압전 복합체를 이용한 에너지 생성 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기와 같은 압전 복합체를 이용한 에너지 생성 장치의 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어질 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 복합체 에너지 생성 장치는, 고분자 필름으로 형성된 베이스 필름과, 상기 베이스 필름 상에 형성된 제 1 전극층, 상기 제 1 전극층 상에 배치되며, 압전 분말과 고분자 매트릭스의 혼합물로 구성된 압전 복합체층과, 상기 압전 복합체층 상에 형성된 제 2 전극층을 포함한다.
또한, 상기 압전 복합체층과 상기 제 2 전극층은 각기 동수의 다수개의 층으로 구성되며, 상호 교호되는 방식으로 반복 적층되는 것이 바람직한다.
또한, 상기 압전 복합체층과 상기 제 2 전극층은 길이, 폭방향의 진동모드 및 경방향의 진동모드를 적용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 압전 복합체 에너지 생성 장치는, 복수의 굴곡부를 가지는 고분자 필름으로 형성된 베이스 필름과, 상기 베이스 필름 상에 상기 굴곡부와 겹치는 형태로 형성된 제 1 전극층과, 상기 제 1 전극층 상에 상기 굴곡부와 겹치는 형태로 형성되며, 압전 분말과 고분자 매트릭스의 혼합물로 구성된 압전 복합체층과, 상기 압전 복합체층 상에 상기 굴곡부와 겹치는 형태로 형성된 제 2 전극층을 포함한다.
또한, 상기 압전 복합체층과 상기 제 1 전극층 및 상기 제 2 전극층은 각기 동수의 다수개의 층으로 구성되며, 상호 교호되는 방식으로 반복 적층되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제 1 전극층, 상기 제 2 전극층 및 상기 압전 복합체층은 상기 굴곡부 상에 한정되는 패턴 형상으로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제 1 전극층 및 상기 제 2 전극층은 Ag, Al, Cu, ITO, 카본 및 전도성 고분자로 구성되는 그룹으로부터 선택된 재료로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 압전 복합체 에너지 생성 장치는 상기 제 1 전극층과 상기 제 2 전극층에 각각 연결되며, 상기 압전 복합체층의 변위 발생에 따른 역 압전 현상에 의해 생성되는 전기신호를 인출하는 단자부를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 복합체 에너지 생성 장치의 제조 방법은, 고분자 필름으로 형성된 베이스 필름을 제공하는 단계와, 상기 베이스 필름 상에 제 1 전극층을 형성하는 단계와, 상기 제 1 전극층 상에 압전 분말과 고분자 매트릭스의 혼합물로 구성된 압전 복합체층을 형성하는 단계와, 상기 압전 복합체층 상에 제 2 전극층을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전 복합체 에너지 생성 장치의 제조 방법은, 고분자 필름으로 형성된 베이스 필름을 제공하는 단계와, 상기 베이스 필름 상에 전극층을 형성하는 단계와, 상기 전극층 상에 압전 분말과 고분자 매트릭스의 혼합물로 구성된 압전 복합체층을 형성하는 단계와, 상기 전극층 형성 단계와 상기 압전 복합체층 형성 단계를 교대로 반복하는 단계를 포함한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 압전 복합체 에너지 생성 장치의 제조 방법은, 복수의 굴곡부를 가지는 고분자 필름으로 형성된 베이스 필름을 제공하는 단계와, 상기 베이스 필름 상에 상기 굴곡부와 겹치는 형태로 제 1 전극층을 형성하는 단계와, 상기 제 1 전극층 상에 상기 굴곡부와 겹치는 형태로 형성되며, 압전 분말과 고분자 매트릭스의 혼합물로 구성된 압전 복합체층을 형성하는 단계와, 상기 압전 복합체층 상에 상기 굴곡부와 겹치는 형태로 제 2 전극층을 형성하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 압전 복합체층 형성 단계는, 상기 압전 분말과 상기 고분자 매트릭스를 혼합하는 단계와, 분산제 및 소포제를 첨가하는 단계와, 상기 분산제와 상기 소포제가 첨가된 상기 혼합물을 교반하여 소정의 점도를 가지는 페이스트 형태의 압전 복합체로 제조하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 압전 복합체층 형성 단계는, 상기 압전 복합체층을 상기 제 1 전극층 상에 인쇄 또는 닥터블레이트법으로 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제 1 및 제 2 전극층 형성 단계는, Ag, 카본 및 전도성 고분자로 구성되는 그룹으로부터 선택된 재료로 인쇄하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제 1 및 제 2 전극층 형성 단계는, Cu, Al, Ag 및 ITO로 구성되는 그룹으로부터 선택된 재료를 증착하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 압전 복합체 에너지 생성 장치의 제조 방법은, 각각의 상기 전극층과 연결되며, 상기 압전 복합체층의 변위 발생에 따른 역 압전 현상에 의해 생성되는 전기신호를 인출하는 단자부를 형성하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 압전 복합체를 이용한 에너지 생성 장치 및 그 제조 방법에 따르면 다음과 같은 효과가 하나 혹은 그 이상 있다.
본 발명의 압전 복합체 에너지 생성 장치는 압전 복합체의 압전 현상을 이용 하여 효율적인 에너지를 생성할 수 있으며, 특히 적층 및 곡면부 형성이 가능한 압전 복합체를 이용함으로써 보다 고효율의 에너지 생성이 가능하다.
또한, 인쇄 및 닥터블레이드법을 이용하여 압전 복합체를 형성하므로 양산성이 탁월하고, 실크스크린 또는 증착 등의 방법을 이용하여 전극을 형성하므로 대량 생산 및 제조가 용이하며, 단순한 접착 방법에 의해서도 성능의 향상이 가능하다.
또한, 압전 복합체 에너지 생성 장치의 두께 방향 진동모드가 아닌 길이, 폭 또는 경방향 진동모드를 활용하므로 크기가 작아도 고전력의 에너지 생성이 가능하다.
또한, 인쇄 두께의 조절, 전극의 조절, 베이스필름의 선정, 적층 수, 분극 특성의 조절, 접착 방법의 변경 등을 통해 특성의 조절 및 크기의 조절이 용이하며, 원하는 사양의 디자인을 가진 박형, 경량의 제품을 손쉽게 양산할 수 있다.
또한, 압전 복합체의 압전분말 : PVDF매질의 비율을 효율적으로 조절함으로써 에너지 생성 장치의 특성을 쉽게 제어할 수 있다.
또한, 본 발명의 압전 복합체 에너지 생성 장치는 기존의 PVDF 압전 필름보다 두께의 조절이 용이하고, 인쇄 공정 등을 이용하여 적층이 간편하며, 베이스 필름을 성형하여 곡면부의 형성이 가능하므로 크기를 줄일 수 있어 초박형으로 제작이 가능하다. 따라서, 휴대폰, DMB폰 등 소형의 모바일 기기에 적용이 가능하다.
또한, 본 발명의 압전 복합체는 에너지 생성 장치뿐만 아니라 마이크로폰, 압전센서 등의 다양한 용도에 광범위하게 적용할 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압전 복합체 에너지 생성 장치 및 그 제조 방법을 상세히 설명하기로 한다. 참고로 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 복합체 에너지 생성 장치의 단면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 복합체층의 확대 단면도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 복합체 에너지 생성 장치의 예시적 구성도이다.
도 1 내지 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 복합체 에너지 생성 장치는 베이스 필름(10), 제 1 전극층(20), 압전 복합체층(30), 제 2 전극층(40) 및 단자부(50) 등을 구비한다.
베이스 필름(10)은 15~100㎛의 PEN(Polythylene Naphthalate), PET(Polyethylene terephtalate), PS(Polystylene) 등의 고분자 필름을 이용한다.
베이스 필름(10)에는 패턴 인쇄 등의 방법으로 다양한 색상을 갖는 도안 및 문양 등의 장식을 구비할 수 있다.
제 1 전극층(20)은 베이스 필름(10) 상에 Ag 페이스트(paste), Carbon 페이스트, 전도성 고분자를 인쇄하거나, Cu, Al, Ag, ITO 등의 전도성 물질을 증착하여 형성된다.
Ag 페이스트와 Carbor 페이스트는 인쇄가 가능하도록 적절한 점도를 가지며, Ag나 Carbon의 입자(입자 사이즈는 대략 10㎛)가 용제, 바인더와 혼합되어 있으며, 건조 온도는 대략 150도 미만의 특성을 가지는 일반적인 저온용 전극 재료이다.
전도성 고분자는 Polyaniline, polythiophene, poly(3,4-ethylene-dioxythiophene)(PEDOT), polypyrrole, PPV(polyphrnylenevinylene) 등의 전도성 고분자와 그의 유도체 및 유기물 전도체 등을 포함한다.
제 1 전극층(20)은 상부에 배치되는 후술할 압전 복합체층(30) 보다 열적으로 안정되며, 낮은 면저항을 가지며, 기계적으로 영스모듈러스(Young's modulus)가 작은 것이 바람직하다.
압전 복합체층(30)은 제 1 전극층(20)의 상부에 인쇄 또는 닥터블레이드법으로 형성된다.
압전 복합체층(30)은 압전 분말(31)과 고분자 매트릭스(PVDF 매질)(32)의 혼 합물로 구성된다.
압전 복합체층(30)은 원형, 사각형, 띠형 등 에너지 생성을 위한 최적의 진동 및 압력이 전달되도록 장치의 특성에 적합하게 설계되는 소정의 형상을 갖는 것이 바람직하다.
압전 복합체층(30)은 진동, 압력 변위발생에 따른 전압 및 전류 생성을 최대화하기 위해 압전상수가 큰 압전 분말(31)을 사용한다. 이에 사용되는 압전 분말(31)은 PZT(Pb(Ti,Zr)O3)계 또는 BNT, SBT 등 무연(lead-free)계 등 높은 압전 상수를 가진 압전체 분말이면 모두 사용할 수 있다. 본 실시예에 서 압전 분말은 (Pb-a-bBaaCdb)(Ni1/3Nb2/3)c(Zn1/3Nb2/3)d(ZrxTi1-x)1-c-d-dO3의 조성을 가지도록 PbO, BaCO3, CdO, NiO, Nb2O5, ZnO, ZrO2, TiO2 분말을 이용하여 합성한다. 압전 분말(31)은 PVDF 매질에 고르게 분포되어야 하며, 압전 분말(31)의 크기는 대략 2㎛ 이하이며, 통상적인 볼밀 방법으로 소결된 분말을 분쇄하여 체거름을 하여 사용한다. PVDF 매질(32)은 PVDF에 HEP, CTFE 또는 PTFE 등의 첨가물을 넣은 고분자 화합물로서, PVDF 대신 VDF(Vinylidenefluoride)나 TrFE(Trifluoroethylene) 등을 이용하고 상기한 첨가물을 넣어서 제조한다.
제 2 전극층(40)은 압전 복합체층(30)의 상부에 전도성 고분자, Ag 페이스트, Carbon 페이스트 등의 전도성 페이스트를 이용하여 실크스크린 인쇄, 스프레이법 등으로 형성되거나, Cu, Al, ITO 등 전도성 물질을 증착(스퍼터링, 진공증착 등)하여 형성된다. 제 2 전극층(40)이 갖춰야할 조건은 제 1 전극층(20)의 조건과 거의 유사하므로 구체적인 설명은 생략한다.
단자부(50)는 압전 복합체층(30)의 진동 및 압력 변위 발생에 따른 압전 현상에 의해 생성되는 전기신호(전기에너지)를 인출하도록 제 1 전극층(20)과 제 2 전극층(40)에 각각 연결된다. 단자부(50)는 생성된 전기신호를 저장하는 에너지 저장부(60), 예컨대 캐패시터, 충전식 배터리 등과 도선으로 연결된다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 복합체 에너지 생성 장치는 압전 분말(31)과 고분자 매트릭스(32)의 혼합물로 구성되는 압전 복합체층(30)에 진동 또는 압력 변위가 발생하게 되면, 압전 복합체층(30)의 압전 현상에 의해 압전 복합체층(30)의 하부 및 상부에 각각 위치하는 제 1 전극층(20)과 제 2 전극층(40)에 도선으로 연결된 단자부(50)에 전류 및 전압이 생성된다. 이와 같이 생성되는 전기신호는 단자부(50)와 도선으로 연결되는 저장부(60)에 저장된다.
본 실시예에서는 압전 분말(31)과 PVDF 매질(32)의 비율을 달리하여 형성된 압전 복합체의 분율에 따른 압전 특성을 아래의 표 1을 참조하여 구체적으로 설명한다.
| PZT:PVDF(%) | k | d33 (pC/N) | g33 (mV·m/N) |
| 70:30 | 88.26 | 24.0 | 27.2 |
| 65:35 | 68.67 | 22.0 | 32.0 |
| 60:40 | 53.03 | 9.2 | 17.3 |
| 50:50 | 43.34 | 7.8 | 18.0 |
상기 표 1에 나타난 바와 같이, 압전 분말(PZT)(31)의 분율이 커질수록 압전전하상수(d33)의 값은 증가하였고, 압전상수(g33)은 65:35에서 최대값을 나타내었다. 압전 분말(31)과 PVDF 매질(32)의 분율을 더욱 잘 조절하고, 압전 분말(31)의 입도 등의 영향 및 PVDF 매질(32)에서의 압전 분말(31)의 분산을 효과적으로 적용한다면, 압전 복합체의 압전전하상수 및 압전상수의 값을 크게 향상시킬 수 있게 되어 보다 고효율의 에너지를 생성할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 복합체 에너지 생성 장치의 제조 공정도이다.
도 4에 도시된 바와 같이. 본 발명의 압전 복합체 에너지 생성 장치의 제조 방법은 베이스 필름(10), 제 1 전극층(20), 압전 복합체층(30) 및 제 2 전극층(40)을 각각 형성하고, 후처리 공정으로 단자부(50)를 형성하는 공정으로 나눌 수 있다.
베이스 필름(10)으로는 15~100㎛의 PEN(Polythylene Naphthalate), PET(Polyethylene terephtalate), PS(Polystylene) 등의 고분자 필름을 제공한다(S400). 베이스 필름(10)에는 패턴 인쇄 등의 방법으로 다양한 색상을 갖는 도안 및 문양 등의 장식을 형성할 수 있다.
베이스 필름(10) 상에 Ag 페이스트, Carbon 페이스트, 전도성 고분자를 인쇄하거나 Cu, Al, Ag, ITO 등의 전도성 물질을 증착하여 제 1 전극층(20)을 형성한다(S410). ITO 전극의 경우 PET에 약 300Å 정도로 증착되며, PET는 최저의 두께가 약 50㎛ 정도이다. Ag Carbon의 경우는 대략 10㎛, 전도성 고분자는 대략 3㎛ 정도의 두께로 형성되고, Cu, Al, Ag 등을 증착할 경우에는 증착 시간 및 조건에 따라 대략 2,000~10,000Å, ITO의 경우에는 300Å정도로 형성된다.
제 1 전극층(20) 상에는 O-3형 압전 복합체를 이용하여 압전 복합체층(30)을 형성하며, 두께는 대략 30㎛ 이상으로 형성하되, 혼합비율에 따라 약간씩 달라질 수 있다.
압전 복합체층(30)의 구성요소로서 압전 분말(31)을 제조한다. 예시된 조정의 경우, PbO, BaCO3, CdO, NiO, Nb2O5, ZnO, ZrO2, TiO2 분말을 평량하여(S420), 볼밀을 이용하여 혼합하고 800~900℃에서 4시간 하소를 한다(S422). 하소분말을 볼밀을 이용하여 분쇄하고, 1000~1100℃에서 2~4시간 소결하여 소결된 상태의 분말을 형성한 후, 볼밀로 48시간 분쇄를 하여 입도가 2㎛ 이하인 압전 분말(31)을 제조한다(S424).
다음으로, 압전 분말(31)과 PVDF 매질(32)을 무게비로 50~70wt%:30~50wt%, 바람직하게는 65wt%:35wt%로 혼합하여 슬러리 형태로 제조한다.
PVDF 분말을 용제(NMP, DMF, DMAc, Acetone 등)에 가열을 하면서 녹여서 액상의 PVDF 매질(32)로 제조하고, 압전 분말(31)과 PVDF 매질(32)을 무게비로 50~70wt% 혼합을 한다(S430). 이때, 분산제, 소포제 등의 첨가제는 조건에 맞도록 첨가하고, 볼밀 또는 3롤밀(Roll-mill) 임펠러를 이용하여 충분히 교반하여 인쇄가 가능한 약 7,000ps 정도의 점도를 가진 슬러리가 되도록 함으로써, 이후 인쇄 및 닥터블레이드법을 시행하기 적절하도록 조절한다(S432).
PVDF 매질(32)의 첨가량을 낮출수록 압전 특성은 우수하나, 압전 분말(31)과 PVDF 매질(32) 사이에 기포가 없고 압전 복합체층(30)을 균일하게 제작하기 위해서는 적절한 비율이 필요하다, 본 실시예에서는 65:35의 비율이 적절한 것으로 나타났다.
다음으로, 제 1 전극층(20)이 구비된 베이스 필름(10)을 인쇄기에 놓고 패턴을 형성한 실크스크린을 이용하여 원하는 두께가 되도록 수차례 인쇄와 건조 공정을 반복하거나(S440) 닥터블레이드법 등으로 고른 두께를 가지도록 압전 복합체층(30)을 형성한다(S442).
압전 복합체층(30) 상에는 전도성 고분자, Ag, Carbon 페이스트 등의 전도성 페이스트를 이용하여 실크스크린 인쇄, 스프레이법 등으로 제 2 전극(40)을 형성하거나 Cu, Al, ITO 등의 전도성 물질을 증착하여 제 2 전극(40)을 형성한다(S450).
다음으로, 후처리 공정으로서 압전 복합체층(30)의 진동 또는 압력에 따른 변위량 발생시 압전 현상에 의해 생성되는 전기신호(전기에너지)를 인출하기 위해 제 1 전극층(20) 및 제 2 전극층(40)과 연결되는 단자부(50)를 형성한다(S460). 단자부(50)를 통해 인출되는 상기 전기신호는 저장부(60)에 저장되며(S470), 저장부(60)에서 외부 전자기기의 구동에 필요한 에너지를 제공한다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전 복합체 에너지 생성 장치의 단면도이고, 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전 복합체 에너지 생성 장치의 예시적 구성도이다.
도 5 및 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전 복합체 에너지 생성 장치는 베이스 필름(10), 제 1 전극층(20), 압전 복합체층(30), 제 2 전극층(40) 및 단자부(50) 등을 구비하며, 압전 복합체층(30) 및 제 2 전극층(40)을 다수 개(n)로 반복 적층하는 구성을 제외하고는 도 1 내지 4를 참조하여 설명된 본 발명의 일 실시예와 동일하다. 따라서, 일 실시예와 동일한 기능을 수행하는 구성 요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 병기하며, 상세한 설명은 생략한다.
압전 복합체층(30)과 제 2 전극층(40)은 각기 동수의 다수 개(n)의 층으로 구성되며, 상호 교호되는 방식으로 반복 적층된다. 압전 복합체층(30)과 제 2 전극층(40)은 길이, 폭방향의 진동모드 및 경방향의 진동모드로 동작하도록 적용하는 것이 바람직하다.
제 1 전극층(20)과 각각의 제 2 전극층(40(1),40(2),...,40(n))에는 압전 복합체층(30)의 진동 및 압력에 따른 변위량 발생시 압전 현상에 의해 생성되는 전기신호를 인출하는 단자부(50)가 구비된다. 이때 각각의 제 2 전극층(40(1),40(2),...,40(n))은 단자부(50)와 병렬로 도선을 이용하여 연결되는 것이 바람직하다. 단자부(50)는 생성된 전기신호를 저장하기 위해 에너지 저장부(60)와 도선으로 연결된다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전 복합체 에너지 생성 장치의 동작은 상기 일 실시예와 거의 유사하므로 상세한 설명은 생략한다. 다만, 본 실시예에 의하면, 압전 복합체의 특성상 적층을 할 경우 다수의 층에서 각각 전압 및 전류를 발생시켜 적층 수 만큼 전력을 증가시킬 수 있게 되어 보다 고효율의 에너지를 생성할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 압전 복합체 에너지 생성 장치의 제조 방법은 먼저, 고분자 필름으로 형성된 베이스 필름(10) 상에 제 1 전극층(20)을 형성하고, 제 1 전극층(20) 상에 압전 분말과 고분자 매트릭스의 혼합물로 구성된 압전 복합체층(30(1))을 인쇄 또는 닥터블레이드법으로 형성하고, 압전 복합체층(30(1)) 상에 제 2 전극층(40(1))을 형성한다. 다음으로 제 2 전극층(40(1)) 상에 제 2 의 압전 복합체층(30(2))을 형성하고, 제 2 의 압전 복합체층(30(2)) 상에 제 2 의 제 2 전극(40(2))을 형성한다. 이와 같은 과정을 반복하여 필요한 특성에 맞게 압전 복합체층(30) 및 제 2 전극층(40)을 상호 교호되게 다수 개(n)의 층으로 반복 적층하여 제조한다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 압전 복합체 에너지 생성 장치의 단면도이고, 도 8은 도 7의 'A'부분에 대한 확대 단면도이다.
도 7 및 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 압전 복합체 에너지 생성 장치는 베이스 필름(10), 제 1 전극층(20), 압전 복합체층(30), 제 2 전극층(40) 및 단자부(50, 도 3 참조) 등을 구비하며, 복수의 굴곡부(A)를 갖는 돔형으로 성형하는 구성을 제외하고는 도 1 내지 4를 참조하여 설명된 본 발명의 일 실시예와 동일하다. 따라서, 일 실시예와 동일한 기능을 수행하는 구성 요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 병기하며, 상세한 설명은 생략한다.
베이스 필름(10)은 복수의 굴곡부(A)를 가지는 고분자 필름(10)을 형성되고, 제 1 전극층(20)은 베이스 필름(10) 상에 굴곡부(A)와 겹치는 형태로 형성되고, 압전 복합체층(30)은 압전 분말(31)과 고분자 매트릭스(32)의 혼합물로 구성되어 제 1 전극층(20) 상에 굴곡부(A)와 겹치는 형태로 형성되며, 제 2 전극층(20)은 압전 복합체층(30) 상에 굴곡부(A)와 겹치는 형태로 형성된다. 즉, 제 1 전극층(20), 제 2 전극층(40) 및 압전 복합체층(30)은 베이스 필름(10)의 굴곡부(A) 상에 한정되는 패턴 형상으로 형성된다.
제 1 전극층(20)과 제 2 전극층(40)에는 압전 복합체층(30)의 진동 또는 압력에 따른 변위량 발생시 압전 현상에 의해 생성되는 전기신호를 인출하는 단자부가 구비되고, 단자부는 생성된 전기신호를 저장하기 위해 저장부(60, 도 3 참조)와 전기적으로 연결된다.
도면에 도시된 바 없지만, 본 실시예의 굴복부를 가진 압전 복합체 에너지 생성 장치는 도 5 및 6을 참조하여 설명한 본 발명의 다른 실시예에 처럼, 압전 복합체층(30)과 제 1 전극층(20) 및 제 2 전극층(40)이 각기 동수의 다수 개(n)의 층으로 구성되고, 상호 교호되는 방식으로 반복 적층되는 구조로 형성될 수 있다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 압전 복합체 에너지 생성 장치의 동작은 상기 실시예들과 거의 유사하므로 상세한 설명은 생략한다. 다만, 본 실시예에 의하면, 굴곡부(A)를 가진 3차원, 예컨대 돔형의 압전 복합체를 이용함으로써 기존의 압전세라믹 및 압전필름의 압전 복합체에 비해 보다 효율적으로 에너지 변환이 가능하여 고전력의 에너지를 생성할 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 복합체 에너지 생성 장치의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 복합체층의 확대 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 복합체 에너지 생성 장치의 예시적 구성도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 복합체 에너지 생성 장치의 제조 공정도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전 복합체 에너지 생성 장치의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전 복합체 에너지 생성 장치의 예시적 구성도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 압전 복합체 에너지 생성 장치의 단면도이다.
도 8은 도 7의 'A'부분에 대한 확대 단면도이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
10 : 베이스 필름 20 : 제 1 전극층
30 : 압전 복합체층 40 : 제 2 전극층
50 : 단자부 60 : 저장부
Claims (20)
- 고분자 필름으로 형성된 베이스 필름;상기 베이스 필름 상에 형성된 제 1 전극층;상기 제 1 전극층 상에 배치되며, 압전 분말과 고분자 매트릭스의 혼합물로 구성된 압전 복합체층; 및상기 압전 복합체층 상에 형성된 제 2 전극층을 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 복합체 에너지 생성 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 압전 복합체층과 상기 제 2 전극층은 각기 동수의 다수개의 층으로 구성되며, 상호 교호되는 방식으로 반복 적층되는 것을 특징으로 하는 압전 복합체 에너지 생성 장치.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 압전 복합체층과 상기 제 2 전극층은 길이방향 및 폭방향의 진동모드를 적용하는 것을 특징으로 하는 압전 복합체 에너지 생성 장치.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 압전 복합체층과 상기 제 2 전극층은 경방향의 진동모드를 적용하는 것 을 특징으로 하는 압전 복합체 에너지 생성 장치.
- 복수의 굴곡부를 가지는 고분자 필름으로 형성된 베이스 필름;상기 베이스 필름 상에 상기 굴곡부와 겹치는 형태로 형성된 제 1 전극층;상기 제 1 전극층 상에 상기 굴곡부와 겹치는 형태로 형성되며, 압전 분말과 고분자 매트릭스의 혼합물로 구성된 압전 복합체층; 및상기 압전 복합체층 상에 상기 굴곡부와 겹치는 형태로 형성된 제 2 전극층을 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 복합체 에너지 생성 장치.
- 제 5 항에 있어서,상기 압전 복합체층과 상기 제 1 전극층 및 상기 제 2 전극층은 각기 동수의 다수개의 층으로 구성되며, 상호 교호되는 방식으로 반복 적층되는 것을 특징으로 하는 압전 복합체 에너지 생성 장치.
- 제 5 항에 있어서,상기 제 1 전극층, 상기 제 2 전극층 및 상기 압전 복합체층은 상기 굴곡부 상에 한정되는 패턴 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 압전 복합체 에너지 생성 장치.
- 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서,상기 제 1 전극층 및 상기 제 2 전극층은 Ag, Al, Cu, ITO, 카본 및 전도성 고분자로 구성되는 그룹으로부터 선택된 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 압전 복합체 에너지 생성 장치.
- 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서,상기 제 1 전극층과 상기 제 2 전극층에 각각 연결되며, 상기 압전 복합체층의 변위 발생에 따른 역 압전 현상에 의해 생성되는 전기신호를 인출하는 단자부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 복합체 에너지 생성 장치.
- 고분자 필름으로 형성된 베이스 필름을 제공하는 단계;상기 베이스 필름 상에 제 1 전극층을 형성하는 단계;상기 제 1 전극층 상에 압전 분말과 고분자 매트릭스의 혼합물로 구성된 압전 복합체층을 형성하는 단계; 및상기 압전 복합체층 상에 제 2 전극층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 복합체 에너지 생성 장치의 제조 방법.
- 고분자 필름으로 형성된 베이스 필름을 제공하는 단계;상기 베이스 필름 상에 전극층을 형성하는 단계;상기 전극층 상에 압전 분말과 고분자 매트릭스의 혼합물로 구성된 압전 복합체층을 형성하는 단계; 및상기 전극층 형성 단계와 상기 압전 복합체층 형성 단계를 교대로 반복하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 복합체 에너지 생성 장치의 제조 방법.
- 복수의 굴곡부를 가지는 고분자 필름으로 형성된 베이스 필름을 제공하는 단계;상기 베이스 필름 상에 상기 굴곡부와 겹치는 형태로 제 1 전극층을 형성하는 단계;상기 제 1 전극층 상에 상기 굴곡부와 겹치는 형태로 형성되며, 압전 분말과 고분자 매트릭스의 혼합물로 구성된 압전 복합체층을 형성하는 단계; 및상기 압전 복합체층 상에 상기 굴곡부와 겹치는 형태로 제 2 전극층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 복합체 에너지 생성 장치의 제조 방법.
- 제 10 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 압전 복합체층 형성 단계는,상기 압전 분말과 상기 고분자 매트릭스를 혼합하는 단계;분산제 및 소포제를 첨가하는 단계; 및상기 분산제와 상기 소포제가 첨가된 상기 혼합물을 교반하여 소정의 점도를 가지는 페이스트 형태의 압전 복합체로 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 복합체 에너지 생성 장치의 제조 방법
- 제 10 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 압전 복합체층 형성 단계는, 상기 압전 복합체층을 상기 제 1 전극층 상에 인쇄하여 형성하는 것을 특징으로 하는 압전 복합체 에너지 생성 장치의 제조 방법.
- 제 10 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 압전 복합체층 형성 단계는, 상기 압전 복합체층을 상기 제 1 전극층 상에 닥터블레이드법으로 형성하는 것을 특징으로 하는 압전 복합체 에너지 생성 장치의 제조 방법.
- 제 10 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 제 1 및 제 2 전극층 형성 단계는, Ag, 카본 및 전도성 고분자로 구성되는 그룹으로부터 선택된 재료로 인쇄하는 것을 특징으로 하는 압전 복합체 에너지 생성 장치의 제조 방법.
- 제 10 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 제 1 및 제 2 전극층 형성 단계는, Cu, Al, Ag 및 ITO로 구성되는 그룹으로부터 선택된 재료를 증착하는 것을 특징으로 하는 압전 복합체 에너지 생성 장치의 제조 방법.
- 제 10 항에 있어서,상기 압전 복합체층과 상기 제 2 전극층을 각기 동수의 다수개의 층으로 구성하고, 상호 교호되는 방식으로 반복 적층하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 복합체 에너지 생성 장치의 제조 방법.
- 제 12 항에 있어서,상기 압전 복합체층과 상기 제 1 전극층 및 상기 제 2 전극층은 각기 동수의 다수개의 층으로 구성하고, 상호 교호되는 방식으로 반복 적층하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 복합체 에너지 생성 장치의 제조 방법.
- 제 10 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,각각의 상기 전극층과 연결되며, 상기 압전 복합체층의 변위 발생에 따른 역 압전 현상에 의해 생성되는 전기신호를 인출하는 단자부를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 복합체 에너지 생성 장치의 제조 방법.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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-
2008
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