KR20120057106A - A Piezoelectric Paper Fabrication Using An Ultrasonic Wave Ion Removal Technique - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 초음파 이온 제거술을 이용한 압전 종이 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 본 발명은 초음파 이온 제거술을 이용하여 셀룰로오스 압전 종이(piezoelectric paper)의 압전성을 향상시키는 압전 종이의 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for producing piezoelectric paper using ultrasonic ion removal. More specifically, the present invention relates to a method for producing piezoelectric paper which improves the piezoelectricity of cellulose piezoelectric paper using ultrasonic ion removal.
압전효과(Piezoelectricity)는 100여 년 전 자크(Jacques)와 피에르 퀴리(Pierre Curie)에 의해 수정 결정(Quartz crystal)에서 발견된 후 의료, 군사, 산업, 가전, 탐사 등 여러 분야에서 이용되어 왔다. 특히, 2차세계대전 전후로 압전 세라믹이 개발되면서 이를 응용한 기술개발은 폭넓게 진행되었으며, 대표적인 것으로 가속도 센서, 적외선 센서, 초음파 트랜스듀서, 스피커, 마이크로폰, 작동기(actuator) 소나 등이 있다. 압전효과란 압전재료에 압력이나 힘을 가하면 압전재료 표면에 전압이 발생하며 (이를 “direct effect라 칭함) 또한 반대로 전압을 가했을 때 압전재료의 크기에 따라 변형을 일으키는 현상 (이를 ”converse effect“라 칭함)을 말한다. 전자의 응용예로는 마이크로폰, 진동센서, 스위치, 가속도센서가 있고 후자의 응용예로는 스피커는 작동기가 있다. 압전재료들은 또한 초전효과(Pyroelectricity)를 가지고 있으며 이는 압전재료 주위의 온도가 변할 경우 이에 비례해서 압전재료 표면에 전압이 발생하는 것을 말한다.Piezoelectricity has been found in quartz crystals by Jacques and Pierre Curie over 100 years ago and has been used in many fields such as medical, military, industrial, consumer electronics, and exploration. In particular, as piezoelectric ceramics were developed before and after World War II, the development of technology applied to them was widely progressed, and representative examples include acceleration sensors, infrared sensors, ultrasonic transducers, speakers, microphones, and actuator sonars. The piezoelectric effect is a phenomenon in which a pressure or force is applied to the piezoelectric material to generate a voltage on the surface of the piezoelectric material (called a "direct effect"). Is called). Examples of the former include a microphone, a vibration sensor, a switch, and an acceleration sensor. In the latter application, a speaker has an actuator. Piezoelectric materials also have a pyroelectricity, which means that when the temperature around the piezoelectric material changes, a voltage is generated on the surface of the piezoelectric material.
이러한 압전효과를 가진 재료로서 압전세라믹과 압전폴리머가 있다. 압전세라믹은 1940년대 바륨-티타늄 산화물 (BaTiO3)의 압전세라믹이 개발되었고 1950년대 납-지르코늄-티타늄의 산화물 (Lead-Zirconate-Titanate, PZT)의 압전세라믹이 개발되면서 본격적으로 연구되기 시작하였다. 압전세라믹은 단단하고 조밀한 구조를 가지고 있어 화학적으로 불활성이며 습기나 여러 온도에 내환경성이 있으며, 기계적으로나 전기적으로 정확한 배열성을 갖는 장점이 있으나 세라믹이므로 취성이 있고 무거우며 휘어지지 못하는 단점이 있다. 특히 납성분이 첨가되므로 인체유해성에 논란이 있어서 납을 사용하지 않는 새로운 압전세라믹에 대한 연구가 진행되고 있다. 압전폴리머는 1969년 가와이(Kawai)에 의해 polyvinylidene fluoride (PVDF)에 압전성이 있는 것이 발견되면서 개발되기 시작하였다. 압전폴리머는 얇은 엔지니어링 플라스틱으로서 그 가공이 다른 센서소재보다 간단할 뿐만 아니라 유연성이 있고, 대면적 가공 용이하며, 충격에 강하며 깨지지 않고, 가볍고, 초음파 응용에 좋은 음향특성이 있으며, 생산성이 좋은 특성을 갖고 있다. 한편 사용온도에 제한이 있으며, DC 측정에 적합하지 않으며, 압전특성이 압전세라믹보나 낮은 단점이 있다. Materials having such a piezoelectric effect include piezoceramic and piezoelectric polymers. Piezoceramics began to be studied in the 1940s when piezoceramics of barium-titanium oxide (BaTiO 3 ) were developed, and piezoceramics of lead-zirconate-titanate (PZT) were developed in the 1950s. Piezoceramic has the advantages of being chemically inert, environmentally resistant to moisture and various temperatures due to its rigid and dense structure, and mechanically and electrically accurate arrangements. However, ceramics are brittle, heavy and inflexible. . In particular, since lead is added, research on a new piezoceramic that does not use lead is being conducted due to controversy in human harmfulness. Piezoelectric polymers were developed by Kawai in 1969 when they were found to be piezoelectric in polyvinylidene fluoride (PVDF). Piezoelectric polymers are thin engineering plastics that are not only simpler than other sensor materials, but also flexible, large-area, impact-resistant, unbreakable, lightweight, and have good acoustical properties for ultrasonic applications. Have On the other hand, there is a limit on the use temperature, it is not suitable for DC measurement, the piezoelectric characteristics of the piezoelectric ceramic ball is low.
전기작동고분자 (Electro-Active Polymer, EAP) 분야는, 과거 10 여 년 동안 큰 변형을 낼 수 있는 지능재료들이 출현함에 따라, 인공근육을 만들 수 있는 가능성이 제기되어 많은 관심이 모아지고 있다. EAP는 외부의 자극에 따라 큰 변위를 생성할 뿐만 아니라 근육과 같은 탄력성이 있는 것으로, 다른 재료기술들이 낼 수 없는 특성과 성능을 가지고 있다. EAP는 차세대 마이크로 로봇, 오락산업 또는 초소형 비행체의 구동과 같은 인공근육 작동기의 응용분야를 창출하고 있다. 하지만, 지금까지 개발된 EAP는 제한된 성능을 가지므로 새로운 EAP재료의 개발이 현재로선 매우 중요하다. 일반적으로 EAP는 작동원리에 따라 전기 EAP(electronic EAP)와 이온 EAP(ionic EAP)로 나눈다. 전기EAP 재료로, 펜실베이니아 주립대학의 Dr. Zhang은 전자 방사된 P(VDF-TrFE) 공중합체에서 괄목할 만한 전왜현상을 얻어냈다. 낮은 주파수에서 150 V/μm의 전압을 가했을 때 약 4%의 전왜 변형률을 얻을 수 있었고 1 GPa 이상의 탄성계수를 가지고 있다. 그 후, 전기장에 따라 큰 변형을 발생시키는 전기작동 고분자로서 전왜성 폴리머에 고유전율을 갖는 충진제를 사용하여 만들었다. 13 V/mm의 전기장을 가했을 때 0.1 J/cm3의 에너지 밀도를 낼 수 있다. 그러나, 전자를 방사하여 제조하므로 제작단가가 비싼 단점이 있다.In the field of electro-active polymers (EAP), with the emergence of intelligent materials that can make big deformations over the past decade, the possibility of making artificial muscles has been attracting much attention. EAP not only creates a large displacement in response to external stimuli, but also has elasticity, such as muscle, and has characteristics and performance that cannot be achieved by other material technologies. EAP is creating applications in artificial muscle actuators, such as driving next-generation microrobots, the entertainment industry, or micro-aircraft. However, the EAP developed so far has limited performance, so the development of new EAP material is very important at present. In general, EAP is divided into electronic EAP and ionic EAP according to the principle of operation. Electric EAP material, Dr. Pennsylvania State University Zhang has achieved remarkable electrodistortion in the electrospun P (VDF-TrFE) copolymer. Applying a voltage of 150 V / μm at low frequencies yields about 4% total strain, and has an elastic modulus of more than 1 GPa. Subsequently, it was made using a filler having a high dielectric constant in the electrodistorted polymer as the electro-operated polymer which generates a large deformation in accordance with the electric field. An energy density of 0.1 J / cm 3 can be achieved with an electric field of 13 V / mm. However, the manufacturing cost is expensive because the electron is produced by emitting.
최근에 국내에서 셀룰로오스를 이용하여 압전종이를 개발하였다. 셀룰로오스 압전종이는 리그닌이나 헤미 셀룰로오스를 최소화하고 셀룰로오스를 주성분으로 하는 종이로 만들어 지는 바, 셀룰로오스의 마이크로 파이버(micro fiber)가 일정한 방향으로 배열되도록 종이를 만들고 이 종이의 양면에 전극을 설치하여 전기장을 가했을 때 변형이 발생하거나 반대로 압력이나 힘을 가했을 때 전기가 발생하는 종이이다. 셀룰로오스는 유연성, 생분해성, 생적합성, 저 생산비용의 특징이 있으므로 압전종이는 변형률센서, 힘센서, 스피커, 작동기, 바이오센서, 화학센서 등에 쓰일 수 있다. 이러한 압전종이 제조에 있어서 셀룰로오스 펄프를 용해 후 재생단계에서 용매의 이온을 제거하고 마이크로 파이버를 일정한 방향으로 배열하는 기술이 매우 중요하다. Recently, piezoelectric paper was developed using cellulose in Korea. Cellulose piezoelectric paper is made of paper that minimizes lignin and hemicellulose, and makes cellulose microfibers so that the microfibers of cellulose are arranged in a certain direction. It is a paper in which deformation occurs when it is applied or electricity is generated when pressure or force is applied. Cellulose is characterized by its flexibility, biodegradability, biocompatibility and low production cost, so piezoelectric paper can be used for strain sensors, force sensors, speakers, actuators, biosensors and chemical sensors. In the production of such piezoelectric paper, a technique of dissolving cellulose pulp and removing ions of a solvent in a regeneration step and arranging microfibers in a predetermined direction is very important.
종래의 기술은 수산화나트륨 (NaOH)이나 DMAc (N,N-Dimethylacetamide), NMMO (N-methylmorpholine-N-oxide)등의 용매를 사용하여 셀룰로오스 펄프를 녹여 셀룰로오스 용액을 만든 후, 용액을 스핀코팅, 압출 그리고 Doctor blade를 이용한 테이프 캐스팅 (tape casting)과 같은 방법으로 얇은 막으로 만든다. 제작된 셀룰로오스 막은 물 또는 증류수와 IPA (Isopropyl Alcohol)를 혼합한 용액과 반응을 시킴으로서 용매를 제거하여 원래의 셀룰로오스로 재생시켜 셀룰로오스 종이를 만들게 된다. 셀룰로오스 방향을 보다 더 배열시키기 위해 기계적인 연신(stretching)을 가하면 잡아당기는 기계방향으로 셀룰로오스 파이버들이 배열되게 된다. 기계적인 연신은 건조되기 이전의 재생된 셀룰로오스 막을 가지고 하되 열을 가하면서 동시에 연신과 건조를 시킨다. 또 다른 방법으로는 전기적인 분극(poling) 방법을 사용할 수 있다. 높은 직류나 교류 전기장을 기계방향이나 두께방향으로 걸어주게 되면 인가된 전기장에 따라 셀룰로오스 파이버들이 배열되게 된다. 그러나 물 또는 증류수-IPA 혼합액과 캐스팅된 셀룰로오스 막을 반응시키는 과정만으로는 용매 및 이온을 빠르고 확실하게 빼내기가 쉽지 않다. 이렇게 잔존하는 이온 및 용매는 압전종이의 압전성을 떨어뜨린다. Conventional techniques use a solvent such as sodium hydroxide (NaOH), DMAc (N, N-Dimethylacetamide) or NMMO (N-methylmorpholine-N-oxide) to melt cellulose pulp to form a cellulose solution, followed by spin coating the solution, Thin films are produced by extrusion and tape casting with a doctor blade. The produced cellulose membrane is reacted with a solution mixed with water or distilled water and IPA (Isopropyl Alcohol) to remove the solvent to regenerate the original cellulose to make a cellulose paper. Applying mechanical stretching to further align the cellulose orientation causes the cellulose fibers to be aligned in the pulling machine direction. Mechanical stretching is carried out with the regenerated cellulose membrane prior to drying, but at the same time stretching and drying with heat. Another method may be an electrical poling method. When a high direct current or alternating current electric field is applied in the machine direction or the thickness direction, the cellulose fibers are arranged according to the applied electric field. However, it is not easy to remove solvent and ions quickly and reliably only by reacting water or distilled water-IPA mixture with the casted cellulose membrane. These remaining ions and solvents degrade the piezoelectricity of the piezoelectric paper.
상기한 바와 같이, 지금까지 연구된 압전종이 제조방법은 잔존하는 이온 및 용매을 완전히 제거하기 어려우며 시간이 많이 걸린다. 이는 압전종이의 압전성을 저해하는 요인이 된다.As described above, the piezoelectric paper manufacturing method studied so far is difficult to completely remove the remaining ions and solvents and takes a long time. This becomes a factor that inhibits the piezoelectricity of the piezoelectric paper.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, The present invention has been made to solve the above-mentioned conventional problems,
본 발명의 일 목적은 셀룰로오스 박막을 이용하여 압전 종이를 제조할 때, 상기 셀룰로오스 박막에 잔존하는 용매 또는 이온을 신속하게 완전히 제거할 수 있어 압전성이 우수하고, 생분해성이 있어서 산업폐기물을 발생시키지 않으며, 유연하고, 낮은 전압에도 큰 변형을 일으키고, 저에너지 소모, 빠른 응답성 및 저렴한 제조가격을 가지는 압전종이를 제조하는데 있다.One object of the present invention is to produce a piezoelectric paper using a cellulose thin film, it is possible to quickly completely remove the solvent or ions remaining in the cellulose thin film is excellent in piezoelectric properties, biodegradability does not generate industrial waste It is to produce piezoelectric paper which is flexible, causes great deformation even at low voltage, and has low energy consumption, fast response and low manufacturing price.
또한 본 발명의 다른 목적은 상기 압전 종이의 압전성을 보다 향상시키는 압전 종이의 제조 방법을 제공하는데 있다. Another object of the present invention is to provide a method for producing piezoelectric paper, which further improves the piezoelectricity of the piezoelectric paper.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 셀룰로오스 펄프에 용매를 가하여 셀룰로오스 용액을 만들고, 상기 셀룰로오스 용액의 셀룰로오스 파이버를 일정한 방향으로 배열시켜 셀룰로오스 박막을 형성하고, 상기 셀룰로오스 박막을 물 또는 증류수 IPA 혼합용액과 반응시켜 용매와 이온을 제거한 후 상기 셀룰로오스 박막에 전극을 설치하는 것을 포함하는 압전 종이의 제조 방법에 있어서, In order to achieve the above object, the present invention provides a cellulose solution by adding a solvent to a cellulose pulp, cellulose fibers of the cellulose solution are arranged in a predetermined direction to form a cellulose thin film, and the cellulose thin film is mixed with water or distilled water IPA. In the method of manufacturing a piezoelectric paper comprising reacting with a solution to remove the solvent and ions, and then providing an electrode on the cellulose thin film,
상기 셀룰로오스 박막을 상기 물 또는 증류수-IPA 혼합용액과 반응시켜 용매와 이온을 제거할 때 상기 셀룰로오스 박막에 초음파를 가한다.When the cellulose thin film is reacted with the water or distilled water-IPA mixed solution to remove solvent and ions, ultrasonic waves are applied to the cellulose thin film.
바람직하게는, 상기 초음파는 20kHz 내지 10MHz 범위의 주파수를 갖는다.Preferably, the ultrasound has a frequency in the range of 20 kHz to 10 MHz.
바람직하게는, 상기 초음파는 상기 물 또는 증류수-IPA 혼합 용액이 담긴 욕조내에 배열되는 복수 개의 초음파 발진자에 의해 발생된다.Preferably, the ultrasonic waves are generated by a plurality of ultrasonic oscillators arranged in a bath containing the water or distilled water-IPA mixed solution.
바람직하게는, 상기 초음파 발진자는 원형 또는 사격형의 단면을 갖는다.Preferably, the ultrasonic oscillator has a circular or shooting cross section.
바람직하게는, 상기 용매는 수산화나트륨, DMAc(N,N-Dimethylacetamide) 및 NMMO(N-methylmorpholine-N-oxide) 중에서 선택되는 어느 하나 이상이다.Preferably, the solvent is at least one selected from sodium hydroxide, DMAc (N, N-Dimethylacetamide) and NMMO (N-methylmorpholine-N-oxide).
바람직하게는, 상기 박막의 형성은 상기 셀룰로오스 용액에 탄소나노튜브를 첨가하여, 상기 셀룰로오스 파이버와 상기 탄소나노튜브가 일정한 방향으로 배열되어 이루어진다.Preferably, the thin film is formed by adding carbon nanotubes to the cellulose solution so that the cellulose fibers and the carbon nanotubes are arranged in a predetermined direction.
바람직하게는, 상기 탄소나노튜브는 상기 용액의 전체중량을 기준으로 0.1 내지 0.5% 첨가된다.Preferably, the carbon nanotubes are added in an amount of 0.1 to 0.5% based on the total weight of the solution.
본 발명에 따라 셀룰로오스 파이버를 일정한 방향으로 배열하고 용매 및 이온을 효과적으로 제거하여 만든 압전종이는 셀룰로오스의 결정영역이 압전성을 가지는 non-centro symmetry 결정구조를 가지는 것과, 결정영역 주위로 배열된 비결정영역의 전하보유(trapped charge)에 의해 우수한 압전성을 띄게 된다. According to the present invention, a piezoelectric paper made by arranging cellulose fibers in a predetermined direction and effectively removing solvents and ions has a non-centro symmetry crystal structure in which crystalline regions of cellulose have piezoelectric properties, and amorphous regions arranged around crystalline regions. Excellent piezoelectricity is exhibited by the trapped charge.
또한 본 발명에 따른 셀룰로오스 압전종이는 가볍고 잘 굽어지는 반면에 기계적 강도 및 탄성률이 일반적인 고분자보다 높아 큰 변형과 탄성력을 발휘할 수 있고, 압전성이 우수하므로 낮은 전압에도 큰 변형을 발생시키며 소비전력이 적다. 더욱이, 본 발명에 따른 셀룰로오스 압전종이는 생분해성이 있으므로 공해를 일으키지 않는 천연재료로서 인체에 무해한 효과가 있고 자연에서 쉽게 얻을 수 있는 셀룰로오스를 가지고 만듦으로 가격이 또한 싸다.In addition, while the cellulose piezoelectric paper according to the present invention is light and well bent, the mechanical strength and elastic modulus are higher than that of general polymers, and thus, it is possible to exert a large deformation and elastic force. Furthermore, the cellulose piezoelectric paper according to the present invention is biodegradable, so it is a natural material that does not cause pollution, and is inexpensive. Therefore, the cellulose piezoelectric paper is made of cellulose which is easily obtained in nature.
본 발명의 상술한 목적과 여러 가지 장점은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 후술되는 발명의 바람직한 실시예로부터 더욱 명확하게 될 것이다.The above object and various advantages of the present invention will become more apparent from the preferred embodiments of the present invention described below by those skilled in the art.
일반적으로 종이는 파이버 형상을 가지면서 그물망 구조를 갖는 다수의 입자들로 구성된다. 자연의 나무나 식물에서 파이버를 추출하여 펄프를 만들면 제지공정을 통해 종이가 제조된다. In general, paper is composed of a plurality of particles having a fiber shape and a mesh structure. When pulp is extracted from natural trees or plants, paper is produced through the papermaking process.
종이를 구성하는 펄프 파이버는 종류에 따라 다르지만 통상적으로 셀룰로오스와 리그닌 그리고 헤미셀룰로오스로 구성되어 있다. 예를 들어 목재 펄프에는 약 40-50%가 셀룰로오스 성분이며 헤미셀룰로오스가 20-30%, 리그닌이 15-30% 그리고 추출물질이 약 2-5% 존재한다. 종이에는 펄프 외에도 종이의 성질을 좋게 하기 위해 여러 가지 첨가물이 들어간다. The pulp fibers that make up paper vary depending on the type, but are typically composed of cellulose, lignin, and hemicellulose. For example, wood pulp contains about 40-50% cellulose, 20-30% hemicellulose, 15-30% lignin and about 2-5% extract. In addition to pulp, paper contains a variety of additives to improve the properties of the paper.
셀룰로오스 펄프는 위의 목재 펄프의 성분 중 셀룰로오스 성분을 추출하여제조할 수 있다. 목재 펄프보다 목화섬유가 셀룰로오스 성분이 90% 이상으로 셀룰로오스 성분이 높기 때문에, 셀룰로오스 펄프의 제조에 있어서, 목화섬유를 사용하는 것이 더 바람직하다. 이외에도, 셀룰로오스 성분이 높은 조류(algae), 박테리아 셀룰로오스 등이 셀룰로오스 펄프를 제조하는데 사용될 수 있다. Cellulose pulp can be produced by extracting the cellulose component of the components of the wood pulp. Since cotton fibers have 90% or more of cellulose components and higher cellulose components than wood pulp, it is more preferable to use cotton fibers in the production of cellulose pulp. In addition, algae, bacterial cellulose, and the like having high cellulose content may be used to prepare cellulose pulp.
이렇에 얻어진 셀룰로오스 펄프를 셀룰로오스 용매와 혼합하여 셀룰로오스 펄프가 셀룰로오스 파이버가 분해된 셀룰로오스 용액을 형성한다. 본 발명에 사용되는 셀룰로오스용매의 바람직한 예는 DMAc(N,N-Dimethylacetamide) 및 NMMO(N-methylmorpholine-N-oxide 등을 포함한다. 여기서, 셀룰로오스 펄프와 셀룰로오스 용매의 혼합은 셀룰로오스 용액 내 셀룰로오스 펄프의 농도를 얼마로 하느냐에 따라 달라질 수 있다. The cellulose pulp thus obtained is mixed with a cellulose solvent to form a cellulose solution in which the cellulose pulp is decomposed. Preferred examples of the cellulose solvent used in the present invention include DMAc (N, N-Dimethylacetamide), NMMO (N-methylmorpholine-N-oxide, etc. Here, the mixing of the cellulose pulp and the cellulose solvent is performed by the cellulose pulp in the cellulose solution. It may vary depending on the concentration.
이 셀룰로오스 용액을 예를 들면, 스핀코팅, 압출 그리고 테이프 캐스팅과 같은 방법으로 셀룰로오스 파이버를 일정한 방향으로 배렬하여 셀룰로오스 박막을 형성한다. 먼저, 스핀 코팅은 일반적으로 박막을 입히는 방법으로서, 웨이퍼, 유리 등의 기판에 셀룰로오스 용액을 떨어트리고 회전시켜 원심력에 의해 셀룰로오스 박막을 형성하게 된다. 압출 공정은 얇은 틈 사이로 액체를 밀어내어 일정한 두께를 가지는 막으로 만드는 방법으로서, 틈의 간격은 0.5 내지 1.5㎜로 원하는 막의 두께에 따라 달라질 수 있다. 테이프 캐스팅(tape casting) 방법은 평평한 벨트 위에 일정한 틈을 유지하는 닥터 블레이드(doctor blade)를 올려놓고 여기에 셀룰로오스 용액을 부은 후 벨트를 일정 속도로 이송시키면서 연속적으로 캐스팅하게 된다. 상기 박막 형성 방법들 중 어느 것을 사용하여도 무방하지만 주로 테이프 캐스팅 방법이 사용된다.The cellulose solution is arranged in a predetermined direction by methods such as spin coating, extrusion and tape casting, for example, to form a cellulose thin film. First, spin coating is generally a method of coating a thin film. The cellulose solution is dropped onto a substrate such as a wafer or glass and rotated to form a thin film of cellulose by centrifugal force. The extrusion process is a method of pushing a liquid between thin gaps into a film having a constant thickness, and the gap gap is 0.5 to 1.5 mm, which may vary depending on the thickness of the desired film. In the tape casting method, a doctor blade is placed on a flat belt to maintain a constant gap, the cellulose solution is poured thereon, and the belt is continuously cast while transferring the belt at a constant speed. Although any of the above thin film forming methods may be used, a tape casting method is mainly used.
이렇게 얻어진 셀룰로오스 박막을 물 또는 증류수-IPA(Isopropyl Alcohol) 혼합 용액으로 반응시켜 박막내 잔존하는 용매/이온을 삼투압에 의해 제거하게 된다. 이때, 용매/이온은 셀룰로오스 박막 구조를 쉽게 빠져나오지 못하는데, 셀룰로오스 박막에 초음파를 가하게 되면 초음파의 진동에너지가 셀루로오스 박막을 흔들게 되어 용매/이온이 빠져나오는 것을 효과적으로 도울 수 있다는 것을 본 발명자는 부단한 연구 노력 끝에 알아냈다. The cellulose thin film thus obtained is reacted with water or distilled water-IPA (Isopropyl Alcohol) mixed solution to remove solvent / ions remaining in the thin film by osmotic pressure. At this time, the solvent / ions are not easily escaped from the cellulose thin film structure, the present invention is incessant that the ultrasonic energy to the cellulose thin film can shake the cellulose thin film to effectively help the solvent / ions escape. After research efforts, I found out.
사용되는 초음파의 주파수 범위는 바람직하게는 20키로헤르쯔 내지 10메가헤르쯔 범위에서 선택될 수 있다. 이보다 주파수가 낮으면 가청 소음이 발생할 수 있고, 이보다 주파수가 높으면 발진자 구성이 어렵기 때문이다. The frequency range of the ultrasonic waves to be used may preferably be selected in the range of 20 kHz to 10 MHz. If the frequency is lower than this, audible noise may occur, and if the frequency is higher than this, the oscillator configuration is difficult.
바람직하게는, 상기 물 또는 증류수-IPA 혼합 용액이 담긴 욕조내에 초음파 발진자를 복수개 배열시켜 초음파를 발생시킬 수 있다. 전형적으로 발진자의 단면 형태는 원형 또는 사각형일 수 있다. Preferably, the ultrasonic wave may be generated by arranging a plurality of ultrasonic oscillators in the bath containing the water or distilled water-IPA mixed solution. Typically the cross-sectional shape of the oscillator may be round or square.
이렇게 제조된 셀룰로오스 막은 건조 이전에 기계적인 연신(stretching)을 가하여 셀룰로오스 파이버들을 배열 하고 전기적인 분극 방법을 사용하기도 한다. 이 셀룰로오스 박막의 양면에 전극을 설치하여 향상된 압전성을 갖는 압전종이가 얻어진다.The cellulose membrane thus prepared is subjected to mechanical stretching prior to drying to arrange the cellulose fibers and to use an electrical polarization method. Electrodes are provided on both surfaces of the cellulose thin film to obtain piezoelectric paper having improved piezoelectricity.
또한, 바람직하게는 파이버가 일정한 방향으로 배열된 셀룰로오스 압전 종이의 성능을 향상시키기 위하여 탄소나노튜브를 셀룰로오스 용액에 섞어서 셀룰로오스 박막을 만들 수도 있다. 여기서 혼합하는 탄소나노튜브의양, 탄소나노튜브의 처리방법, 그리고 탄소나노튜브의 종류에 따라 다양한 성질의 셀룰로오스 종이를 만들 수 있다. 일 예로 탄소나노튜브를 용액을 기준으로 0.1% 내지 0.5%정도 섞어 셀룰로오스 파이버와 탄소나노튜브를 일정한 방향으로 배열하게 되면 보다 압전성을 향상시킬 수 있다. In addition, in order to improve the performance of the cellulose piezoelectric paper, in which fibers are arranged in a predetermined direction, carbon nanotubes may be mixed with a cellulose solution to form a cellulose thin film. According to the amount of carbon nanotubes to be mixed, the method of treating carbon nanotubes, and the types of carbon nanotubes, cellulose paper having various properties can be produced. For example, by mixing carbon nanotubes in an amount of about 0.1% to 0.5% based on the solution, the cellulose fiber and the carbon nanotubes are arranged in a predetermined direction, thereby improving piezoelectricity.
표 1은 본 발명에 따라 셀룰로오스 박마과 용매를 반응시켜 용매/이온을 제거할 경우 초음파 적용에 따른 셀룰로오스 박막내 여러 이온의 잔존량 변화를 예시한다.Table 1 illustrates the change in the amount of residual ions in the cellulose thin film according to the ultrasonic application when the cellulose foil and the solvent to remove the solvent / ions according to the present invention.
표 1에 나타낸 바와 같이, 셀룰로오스 박막내 잔존하여 압전성을 떨어트리는 대표적인 이온들인 Li, Ca, K, Na는 셀룰로오스 박막과 용매의 반응시 초음파를 적용함에 따라 셀룰로오스 박막내 잔존 이온량이 획기적으로 감소됨을 알 수 있다.As shown in Table 1, the representative ions Li, Ca, K, and Na, which remain in the cellulose thin film and degrade the piezoelectricity, show that the amount of residual ions in the cellulose thin film is dramatically reduced by applying ultrasonic waves during the reaction between the cellulose thin film and the solvent. Can be.
Claims (7)
상기 셀룰로오스 박막을 상기 물 또는 증류수-IPA 혼합용액과 반응시켜 용매와 이온을 제거할 때 상기 셀룰로오스 박막에 초음파를 가하는 것을 특징으로 하는 압전 종이의 제조 방법.A solvent is added to the cellulose pulp to form a cellulose solution, the cellulose fibers of the cellulose solution are arranged in a predetermined direction to form a cellulose thin film, and the cellulose thin film is reacted with a water or distilled water IPA mixed solution to remove the solvent and ions, followed by In the manufacturing method of the piezoelectric paper comprising providing an electrode in a thin film,
Ultrasonic wave is applied to the cellulose thin film when the cellulose thin film is reacted with the water or distilled water-IPA mixed solution to remove the solvent and ions.
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