KR20130117291A - 압전소자 - Google Patents

압전소자 Download PDF

Info

Publication number
KR20130117291A
KR20130117291A KR1020120040386A KR20120040386A KR20130117291A KR 20130117291 A KR20130117291 A KR 20130117291A KR 1020120040386 A KR1020120040386 A KR 1020120040386A KR 20120040386 A KR20120040386 A KR 20120040386A KR 20130117291 A KR20130117291 A KR 20130117291A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
substrate
formula
piezoelectric layer
compound represented
electrode
Prior art date
Application number
KR1020120040386A
Other languages
English (en)
Inventor
이지훈
윤태훈
Original Assignee
부산대학교 산학협력단
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 부산대학교 산학협력단 filed Critical 부산대학교 산학협력단
Priority to KR1020120040386A priority Critical patent/KR20130117291A/ko
Publication of KR20130117291A publication Critical patent/KR20130117291A/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07C—ACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C323/00—Thiols, sulfides, hydropolysulfides or polysulfides substituted by halogen, oxygen or nitrogen atoms, or by sulfur atoms not being part of thio groups
    • C07C323/01—Thiols, sulfides, hydropolysulfides or polysulfides substituted by halogen, oxygen or nitrogen atoms, or by sulfur atoms not being part of thio groups containing thio groups and halogen atoms, or nitro or nitroso groups bound to the same carbon skeleton
    • C07C323/02—Thiols, sulfides, hydropolysulfides or polysulfides substituted by halogen, oxygen or nitrogen atoms, or by sulfur atoms not being part of thio groups containing thio groups and halogen atoms, or nitro or nitroso groups bound to the same carbon skeleton having sulfur atoms of thio groups bound to acyclic carbon atoms of the carbon skeleton
    • C07C323/05—Thiols, sulfides, hydropolysulfides or polysulfides substituted by halogen, oxygen or nitrogen atoms, or by sulfur atoms not being part of thio groups containing thio groups and halogen atoms, or nitro or nitroso groups bound to the same carbon skeleton having sulfur atoms of thio groups bound to acyclic carbon atoms of the carbon skeleton the carbon skeleton being acyclic and unsaturated

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Micromachines (AREA)

Abstract

본 발명은 종래의 압전층 물질과 잘 혼합될 수 있으며, 탄성 변형이 커 압전효과를 높일 수 있는 화합물로 이루어진 압전층을 포함하는 압전소자에 관한 것이다. 이를 위하여, 본 발명은 서로 대향하는 제1 기판 및 제2 기판, 제1 기판 상에 배치된 제1 전극 및 제2 기판 상에 배치된 제2 전극, 및 제1 전극과 제2 전극의 사이에 형성된 압전층을 포함하며, 압전층이 외부의 자극에 의하여 분자가 탄성 변형하는 물질을 포함하여 압전효과를 높일 수 있을 뿐만 아니라, 탄성 변형에 의하여 기계적인 자극을 전기적 에너지로 변환하거나 전기적인 자극을 기계적 에너지로 변환할 수 있다.

Description

압전소자 {Piezoelectric Device}
본 발명은 압전소자에 관한 것으로서, 기존의 막대형 분자구조의 물질(액정 분자)과 용이하게 혼합되기 위하여 작은 분자량을 갖고, 형태 이방성을 갖고 있어서 압전 효과를 향상시킬 수 있는 압전층을 포함하는 압전소자에 관한 것이다.
기존의 압전소자 (piezoelectric component)로서 PZT나 BaTiO3와 같은 무기 재료들을 액정층으로 사용한다. 상기 무기 압전소자 물질들로 이루어진 액정층은 에너지 변환 효율이 높은 장점을 가지고 있으나, 유연성을 갖춘 전자소자에의 응용이 어렵고 제조과정 상 크리스탈(crystal)을 균일하게 성장시킨 후 가공하여야하는 문제점이 있다.
이러한 무기 압전소자 물질들의 단점을 극복하기 위하여 유기 압전소자 물질들에 대한 연구가 많이 이루어지고 있다. 다양한 유기 압전소자 물질에 대한 연구 중에서도 특히 액정 재료를 이용한 압전소자가 최근 관심을 모으고 있다.
상기 액정 재료를 이용한 압전소자에 대한 선행 연구들을 도 1a 및 도 1b를 참조하면, 형태 이방성을 가지는 액정 분자들을 구부리면 액정 분자들의 형태 이방성 때문에 분자의 좁은 쪽이 작은 곡률을 갖는 기판 쪽을 향하게 되고, 이 때 공간 상의 전하 분포에 대칭성이 깨어져 한쪽으로 분극 전하(polarization charge)가 유도된다. 만약 기판을 반대 방향으로 구부리게 되면, 분극 전하의 방향이 역전되며, 이와 같이 분자의 분포 변화에 따라 발생하는 압전효과를 특히 변전 효과(Flexoelectric effect)라고 부르며, 이를 이용하여 외부의 구부림에 따라 전하를 발생시킬 수 있다.
기존의 상용화되어 널리 사용되는 막대형 액정(Rod-like liquid crystal)은 형태 이방성이 약하여 압전효과가 약한 문제점이 있다.
한편 강한 변전 효과를 얻기 위해서는 강한 형태 이방성을 가지면서 동시에 강한 쌍극자 모먼트를 갖는 재료가 필요한데, 이러한 특성을 갖는 재료가 최근 활발히 연구되고 있는 바나나 형태를 갖는 액정(Banana-shaped liquid crystal)이다.
그러나 상기 Banana-shaped 액정 재료는 일반적으로 액정 상을 나타내는 온도가 100도 이상이며, 높은 점성을 가진다는 문제점이 있다.
위 문제점을 해결하기 위해 소량의 Banana-shaped 액정 재료를 액정 상의 온도 범위가 넓고 점성이 낮은 막대형 액정 재료에 혼합하는 방법이 대안으로 연구되고 있다. 그런데 Banana-shaped 액정 재료는 그 형태가 막대형 액정과 많이 다르고 분자량이 커서 막대형 액정 재료와 잘 혼합되지 않고 분리되는 문제점이 있다.
본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 종래의 액정층 물질과 잘 혼합될 수 있으며, 탄성 변형이 커 압전효과를 높일 수 있는 물질로 이루어진 압전층을 포함하는 압전소자를 제공하는 데에 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 기판에 가해진 압력 등의 외부 자극에 의한 탄성 변형을 통하여 전류를 발생시키고, 외부의 자극 변화(기판을 구부렸다 폈다 하는 주기적인 동작 등)에 따라 AC 전류를 발생시키는 압전소자를 제공하는 데에 그 목적이 있다.
나아가 본 발명은 기판에 인가되는 전류(전원)에 의하여 압전층의 탄성 변형을 통하여 기판이 휘어지는 현상을 유도함으로써, 전기적 에너지를 기계적 에너지로 변환시킬 수 있는 압전소자를 제공하는 데에 그 목적이 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 압전소자는 서로 대향하는 제1 기판 및 제2 기판, 상기 제1 기판 상에 배치된 제1 전극 및 상기 제2 기판 상에 배치된 제2 전극, 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극의 사이에 형성된 압전층을 포함하며, 상기 압전층은 하기 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되는 화합물로 이루어진다.
[화학식 1] [화학식 2]
Figure pat00001
Figure pat00002
여기에서, 상기 A1 및 A2는 각각 S, Cl, F 및 N으로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상의 헤테로 원자를 포함하거나 포함하지 않는 방향족 고리이고, 상기 방향족 고리는 S, Cl, F 및 N으로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상의 헤테로 원자를 포함하거나 포함하지 않는 C2-12의 알킬기 또는 -SO2Cl로 치환되며, 상기 L은 C2-12의 알킬기, -C≡N 또는 -COCH2COCF3이며, 상기 X1은 C1-4의 알킬기 또는 -R1CO2의 에스테르기이며, 상기 R1은 C1-6의 알킬기이다.
본 발명의 다른 실시예들에 따른 압전소자는 서로 대향하는 제1 기판 및 제2 기판, 상기 제1 기판 및 제2 기판 중 어느 하나의 기판 상에 배치된 제1 전극 및 제2 전극, 및 상기 제1 기판과 상기 제2 기판의 사이에 형성된 압전층을 포함하며, 상기 압전층은 하기 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되는 화합물로 이루어진다.
[화학식 1] [화학식 2]
Figure pat00003
Figure pat00004
여기에서, 상기 A1 및 A2는 각각 S, Cl, F 및 N으로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상의 헤테로 원자를 포함하거나 포함하지 않는 방향족 고리이고, 상기 방향족 고리는 S, Cl, F 및 N으로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상의 헤테로 원자를 포함하거나 포함하지 않는 C2-12의 알킬기 또는 -SO2Cl로 치환되며, 상기 L은 C2-12의 알킬기, -C≡N 또는 -COCH2COCF3이며, 상기 X1은 C1-4의 알킬기 또는 -R1CO2의 에스테르기이며, 상기 R1은 C1-6의 알킬기이다.
본 발명의 실시예들에 있어서, 상기 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되는 화합물은 압전층 내에서 외부의 압력에 의하여 분자가 탄성 변형하는 물질이다.
본 발명의 실시예들에 있어서, 상기 화학식 2는
Figure pat00005
또는
Figure pat00006
인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예들에 있어서, 상기 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되는 화합물은 상기 제1 기판 및 제2 기판 중 적어도 하나의 기판에 대한 외부의 물리적 자극에 대하여 상기 압전층 내에서 탄성 변형되고, 상기 탄성 변형에 의해 전류를 발생시킬 수 있다.
본 발명의 다른 실시예들에 있어서, 상기 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되는 화합물은 상기 제1 기판 및 제2 기판 중 적어도 하나의 기판에 대한 외부의 주기적인 물리적 자극에 대하여 상기 압전층 내에서 주기적으로 탄성 변형되고, 상기 주기적인 탄성 변형에 의해 AC 전류를 발생시킬 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예들에 있어서, 상기 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되는 화합물은 상기 제1 기판 및 제2 기판 중 적어도 하나의 기판에 대한 외부의 전기적 자극에 대하여 상기 압전층 내에서 탄성 변형되고, 상기 탄성 변형에 의해 상기 제1 기판 및 제2 기판 중 적어도 하나의 기판이 휘어질 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 압전소자는 서로 대향하는 제1 기판 및 제2 기판, 상기 제1 기판 상에 배치된 제1 전극 및 상기 제2 기판 상에 배치된 제2 전극, 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극의 사이에 형성된 압전층을 포함하며, 상기 압전층은 하기 화학식 3 또는 화학식 4로 표시되는 화합물로 이루어진다.
[화학식 3] [화학식 4]
Figure pat00007
Figure pat00008
여기에서, 상기 Y1은 -COR3 또는 -C2H4CO2R3이며, 상기 R3는 N, O, S, Cl 및 F로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상의 헤테로 원자를 포함하는 C2-12의 알킬기이다.
본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 압전소자는 서로 대향하는 제1 기판 및 제2 기판, 상기 제1 기판 및 제2 기판 중 어느 하나의 기판 상에 배치된 제1 전극 및 제2 전극, 및 상기 제1 기판과 상기 제2 기판의 사이에 형성된 압전층을 포함하며, 상기 압전층은 하기 화학식 3 또는 화학식 4로 표시되는 화합물로 이루어진다.
[화학식 3] [화학식 4]
Figure pat00009
Figure pat00010
여기에서, 상기 Y1은 -COR3 또는 -C2H4CO2R3이며, 상기 R3는 N, O, S, Cl 및 F로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상의 헤테로 원자를 포함하는 C2-12의 알킬기이다.
본 발명의 실시예들에 있어서, 상기 화학식 3으로 표시되는 화합물은
Figure pat00011
이고, 상기 화학식 4로 표시되는 화합물은
Figure pat00012
이다.
이상에서 설명한 바와 같은 압전소자에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 압전소자에 구비된 압전층의 물질은 작은 분자량으로 이루어짐으로써, 종래의 액정 물질과 잘 혼합될 수 있다.
둘째, 압전소자에 구비된 압전층의 물질은 형태 이방성을 가짐으로써, 압전효과를 높일 수 있다.
셋째, 압전소자에 구비된 압전층의 물질은 외부의 자극에 대하여 탄성 변형을 통하여 분극전하량이 극대화 될 수 있는 구조로 이루어짐으로써, 압전효과를 극대화 시킬 수 있다.
넷째, 압전소자에 구비된 압전층의 물질은 외부의 자극에 대하여 탄성 변형을 의하여 전류를 발생시킬 수 있다.
다섯째, 압전소자의 외부 자극을 주기적으로 조절하거나 외부에서 가하는 자극의 방향을 조절하는 방식으로 압전소자에 구비된 압전층의 물질의 탄성 변형을 유도하여 전류의 발생을 제어할 수 있다.
[도 1a] 및 [도 1b]는 형태 이방성을 가지는 액정 분자들의 분극 전하(polarization charge)를 설명하기 위한 도면들
[도 2]는 본 발명의 실시예들에 따른 압전소자에 관한 도면
첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 압전소자에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하거나, 개략적인 구성을 이해하기 위하여 실제보다 축소하여 도시한 것이다.
또한, 제1 및 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 한편, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
실시예 1
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 압전소자에 관한 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예 1에 따른 압전소자는 제1 기판(102) 및 제1 기판(102)에 대향한 제2 기판(103)을 구비하고, 제1 기판(102) 상에 제1 전극(105)이 위치하고, 제2 기판(103) 상에 제2 전극(106)이 위치한다. 그리고 제1 전극(105)과 제2 전극(106) 사이에 위치하는 압전층(104)을 포함한다.
경우에 따라서, 상기 제1 전극(105)과 제1 기판(102) 사이 및 제2 전극(106)과 제2 기판(103)사이에 절연층(미도시)을 더 구비할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예 1에 따른 압전소자는 제1 전극(105)과 제2 전극(106)은 서로 대향하는 제1 기판(102) 및 제2 기판(103)에 각각 배치되는 것으로 한정하고 있으나, 제1 전극(105)과 제2 전극(106)이 제1 기판(102) 및 제2 기판(103)들 중 어느 하나의 기판 상에 모두 배치시킬 수도 있다.
여기서, 제1 전극(105)과 제2 전극(106)은 제1 기판(102) 및 제2 기판(103) 상에 일정한 두께로 균일하게 형성될 수 있다. 이와 달리, 제1 전극(105)과 제2 전극(106)들 중 적어도 하나는 제1 기판(102) 및 제2 기판(103) 상에 패턴 처리되어 형성될 수 있다.
이와 같이, 제1 전극(105)과 제2 전극(106)은 제1 기판(102) 및 제2 기판(103) 상에 형성되거나 제1 전극(105)과 제2 전극(106)을 중 적어도 하나의 기판에 제1 전극(105)과 제2 전극(106)이 형성될 수도 있으며, 나아가 제1 전극(105)과 제2 전극(106)은 균일한 두께로 각각 제1 기판(102) 및 제2 기판(103) 상에 형성되거나 패턴 구조로 형성될 수도 있을 것이다.
결국, 제1 전극(105)과 제2 전극(106)은 외부에서 가해지는 기계적 자극 및/또는 전기적 자극에 대하여 압전층(104)에 포함된 물질이 탄성 변형하도록 유도하기 위한 구조이면 어느 구조이든 상관없다고 할 것이다.
압전층(104)은 일반적으로 사용되는 액정물질을 포함하되, 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되는 화합물로 이루어진다. 여기서, 일반적으로 사용되는 액정물질은 막대형 분자구조의 물질을 포함할 수 있다.
상기 화학식 1 및 상기 화학식 2는
[화학식 1] [화학식 2]
Figure pat00013
Figure pat00014
여기에서, 상기 A1 및 A2는 각각 S, Cl, F 및 N으로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상의 헤테로 원자를 포함하거나 포함하지 않는 방향족 고리이고, 상기 방향족 고리는 S, Cl, F 및 N으로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상의 헤테로 원자를 포함하거나 포함하지 않는 C2-12의 알킬기 또는 -SO2Cl로 치환되며, 상기 L은 C2-12의 알킬기, -C≡N 또는 -COCH2COCF3이며, 상기 X1은 C1-4의 알킬기 또는 -R1CO2의 에스테르기이며, 상기 R1은 C1-6의 알킬기이다.
상기 화학식 2로 표시되는 화합물로는 하기 (1a), (1b) 등을 예로 들 수 있다.
Figure pat00015
(1a)
Figure pat00016
(1b)
상기와 같은 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되는 화합물은 굽은 형태를 가지고 있다. 상기 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되는 화합물은 미소량이라도 영구 쌍극자를 보유하고 있어, 외부자극이 가해지면 표면의 미세 곡률변화에 대응하여 스프레이(splay) 또는 벤드(bend) 구조로 쉽게 그 정렬 상태가 탄성 변형한다. 또한, 상기 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되는 화합물은 분자에서 전기 쌍극자가 발생되어 분극현상이 유도되어 전하가 축적된다. 이러한 효과를 변전효과(flexoelectric effect) 또는 압전효과라고 한다.
따라서 종래의 막대형태의 액정분자만으로 압전층을 형성하였을 때는 물질의 정렬 상태가 쉽게 변하지 않고 탄성 변형이 잘 이루어 지지 않기 때문에 전하축적이 가능한 압전효과를 기대하기 어렵지만, 본 발명에 따른 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되는 화합물을 압전층(104)에 포함시키면 물리적인 압력에 의해서 액정분자가 탄성 변형을 일으키므로 내부적으로 전류의 발생의 유도가 가능하여, 압전효과를 상승시켜 압전소자의 기능을 향상 시킬 수 있는 것이다.
특히, 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되는 화합물을 포함하는 압전층(104)은 외부의 자극에 대하여 특정한 방향으로 전류(전하)의 분포 내지 흐름을 일으킬 수 있다. 이 때, 상기 특정한 방향이란 제1 기판(102) 및 제2 기판(103)이 형성되는 수직한 방향과 수평한 방향을 포함할 수 있다.
또한 압전층(104)의 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되는 화합물은 제1 기판(102) 및 제2 기판(103) 중 적어도 하나의 기판에 대한 외부의 주기적인 물리적 자극에 대하여 압전층(104) 내에서 주기적으로 탄성 변형될 수 있다. 이 때, 상기 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되는 화합물이 주기적으로 탄성 변형됨으로써, AC 전류를 발생시킬 수 있다. 예를 들어, 제1 기판(102) 및 제2 기판(103)을 구부렸다 폈다 하는 기계적이고 주기적인 인 자극에 대하여 상기 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되는 화합물이 주기적으로 탄성 변형되어 AC 전류를 발생시키는 것이다.
나아가 압전층(104)의 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되는 화합물은 제1 기판(102) 및 제2 기판(103) 중 적어도 하나의 기판에 대한 외부의 전기적 자극에 대하여 압전층(104) 내에서 탄성 변형된다. 그리고 상기 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되는 화합물의 탄성 변형에 의해 제1 기판(102) 및 제2 기판(103) 중 적어도 하나의 기판이 휘어질 수 있다. 예를 들어, 외부에서 전류를 가하는 방식으로의 전기적인 자극에 대해서 상기 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되는 화합물이 탄성 변형되는 기계적인 자극을 전기적 에너지로 변환됨으로써, 제1 기판(102) 및 제2 기판(103) 중 적어도 하나의 기판이 휘어질 수 있는 것이다.
또한, 압전층에는 막대형 분자구조 물질 또는 굽은 형태의 분자구조 물질을 포함할 수 있으며, 본 발명에 따른 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되는 화합물은 작은 분자량을 가지므로 기존의 막대형 액정과 잘 혼합될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 상기 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되는 화합물은 A1에서 뻗어 나온 두 개의 A2가 A1의 방향족 고리의 이웃한 원자에서 각각 뻗어 나옴으로써, 두 작용기 사이의 각도가 20에서 90도 사이의 값을 갖는다.
본 발명의 다른 실시예들에 따른 상기 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되는 화합물은 A1에서 뻗어 나온 두 개의 A2가 A1의 방향족 고리의 이웃하지 않은 원자에서 각각 뻗어 나옴으로써, 두 작용기 사이의 각도가 90에서 160도 사이의 값을 갖는다.
본 발명의 실시예들에 있어서, 압전층(104)은 주쇄형, 측쇄형, 교차결합형 및 덴드리머형 중 어느 하나의 액정 고분자를 더 포함할 수 있다. 그리고 압전층(104)은 네마틱(nematic) 또는 스메틱(smetic) 중 어느 하나의 상 구조를 갖는 액정 물질을 포함할 수 있다. 또한 압전층(104)은 광학적 이방성의 복굴절의 특성을 가질 수도 있다.
그러므로 본 발명의 압전소자는 외부의 물리적인 힘에 의해 탄성 변형하는 물질을 압전층에 포함하도록 하였으므로, 내부적으로 전류 유도가 가능하고 압전효과를 낼 수 있는 개선된 압전소자를 얻을 수 있다.
실시예 2
실시예 2는 실시예 1에 서술된 압천층의 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되는 화합물 대신에 화학식 3 또는 화학식 4로 표시되는 화합물을 각각 포함하는 것으로써, 그 이외의 것들은 실시예 1과 내용이 동일하므로 중복되는 것의 설명은 생략한다.
압전층(104)은 일반적으로 사용되는 액정물질을 포함하되, 화학식 3 또는 화학식 4로 표시되는 화합물을 포함한다.
상기 화학식 3 또는 화학식 4는
Figure pat00017
Figure pat00018
여기에서, 상기 Y1은 -COR3 또는 -C2H4CO2R3이며, 상기 R3는 N, O, S, Cl 및 F로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상의 헤테로 원자를 포함하는 C2-12의 알킬기이다.
상기 화학식 3으로 표시되는 물질로는 하기 (2-a) 등을 예로 들 수 있다.
Figure pat00019
(2a)
상기 화학식 4로 표시되는 물질로는 하기 (2-b) 등을 예로 들 수 있다.
Figure pat00020
(2b)
상기 화학식 3 또는 화학식 4로 표시되는 화합물은 R3에 전기음성도가 높은 N, O, S, Cl 및 F와 같은 원자를 하나 이상 포함함으로써, R3에서 뻗어 나온 세 곁가지들이 한 방향으로 정렬하게 된다. 따라서 큰 형태 이방성과 분극전하를 갖는 것이 가능하다.
따라서 상기 화학식 3 또는 화학식 4로 표시되는 화합물은 실시예 1에서 설명한 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되는 화합물과 마찬가지로 굽어진 형태 또는 삼발이(tripad-shaped) 형태를 가지므로, 이방성 및 분극전하를 갖는다. 이에 외부 자극 또는 압력에 의한 탄성 변형이 가능하므로, 전하를 축적시키고 전류 유도가 가능하여 압전층의 물질로서 압전효과를 높일 수 장점이 있다.
또한 상기 화학식 3 또는 화학식 4로 표시되는 화합물도 상기 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되는 화합물과 마찬가지로, 제1 기판(102) 및 제2 기판(103) 중 적어도 하나의 기판에 대한 외부의 주기적인 물리적 자극에 대하여 압전층(104) 내에서 주기적으로 탄성 변형될 수 있다. 이 때, 상기 화학식 3 또는 화학식 4로 표시되는 화합물이 주기적으로 탄성 변형됨으로써, AC 전류를 발생시킬 수 있다.
나아가 압전층(104)의 화학식 3 또는 화학식 4로 표시되는 화합물은 제1 기판(102) 및 제2 기판(103) 중 적어도 하나의 기판에 대한 외부의 전기적 자극에 대하여 압전층(104) 내에서 탄성 변형된다. 그리고 상기 화학식 3 또는 화학식 4로 표시되는 화합물의 탄성 변형에 의해 제1 기판(102) 및 제2 기판(103) 중 적어도 하나의 기판이 휘어질 수 있다.
또한, 압전층(104) 에는 일반적으로 막대형 분자구조 물질, 굽은 형태 분자구조 물질 등을 더 포함할 수 있는데, 상기 화학식 2의 물질은 분자량이 작아 종래의 막대형태의 액정분자들과 잘 혼합되어 분극전하를 잘 유도할 수 있다.
이하, 비교예 1 및 실험예 1 내지 실험예 6을 참조하여, 본 발명을 더 상세히 설명한다.
(비교예 1)
제1 기판 및 제2 기판은 투명전극(ITO) 층이 증착된 Polycarbonate 플라스틱 재질로 된 유연 기판을 사용하였으며, 상기 제1 기판에는 Nissan 사의 수직 배향막 SE5300을 표면에 코팅하였고, 상기 제2 기판에는 Nissan 사의 수평 배향막 SE7492를 코팅하였다. 상기 제1 기판 과 제2 기판을 사이에 세라믹 스페이서 (spacer) 재료를 이용하여 간격이 10.5 ㅅm가 되도록 한 후, 액정 재료 펜틸시아노바이페닐(phentylcyanobiphenyl)을 주입하였다. 상기 제1 기판 및 제2 기판 상에 각각 수직 및 수평배향막을 처리함으로써 액정분자들의 스프레이(splay)와 벤드(bend) 탄성 변형을 유도하였다. 이렇게 제작된 시편을 이용하여 기존에 널리 알려져 활용되고 있는 문헌상의 방법([I. Dozov, Ph. Martinot-Lagarde, and G. Durand, J. Phys. (Paris) Lett. 1982, 43, L-365.])에 따라 변전 상수(Flexoelectric constant)를 측정한 결과 10.50 pC/m 값을 나타내었음.
(실험예 1)
실험예 1은 상기 비교예 1에 서술된 것에서, 압전층에 실시예 1에 서술된 물질 1a 를 5 wt% 도핑한 것을 제외하고는 비교예 1과 동일하게 하였다.
(실험예 2)
실험예 2는 비교예 1에 서술된 것에서, 압전층에 실시예 1에 서술된 물질 1a 를 10 wt% 도핑한 것을 제외하고는 비교예 1과 동일하게 하였다.
(실험예 3)
실험예 3은 비교예 1에 서술된 것에서, 압전층에 실시예 1에 서술된 물질 1b 를 5 wt% 도핑한 것을 제외하고는 비교예 1과 동일하게 하였다.
(실험예 4)
실험예 4는 비교예 1에 서술된 것에서, 압전층에 실시예2에 서술된 물질 2a 를 5wt% 도핑한 것을 제외하고는 비교예 1과 동일하게 하였다.
(실험예 5)
실험예 5는 비교예 1에 서술된 것에서, 압전층에 실시예2에 서술된 물질 2b 를 5 wt% 도핑한 것을 제외하고는 비교예 1과 동일하게 하였다.
(실험예 6)
실험예 6은 비교예 1에 서술된 것에서, 압전층에 실시예2에 서술된 물질 2b 를 10wt% 도핑한 것을 제외하고는 비교예 1과 동일하게 하였다.
이하, 표 1은 상기 비교예 1 및 실험예 1-6의 변전 상수를 비교한 데이터이다.
비교예1 실험예1 실험예2 실험예3 실험예4 실험예5 실험예6
(pC/m) 10.50 39.30 43.70 35.50 31.10 53.90 56.70
상기 표 1을 살펴보면, 비교예 1에 의한 변전 상수(Flexoelectric constant)는 10.50 pC/m 인 반면에, 실험예 1의 변전 상수(Flexoelectric constant)는 39.30pC/m이고, 실험예 2의 변전 상수(Flexoelectric constant)는 43.70pC/m, 실험예 3의 변전 상수는 35.50pC/m, 실험예 4의 변전 상수(Flexoelectric constant)는 53.90pC/m, 실험예 5의 변전 상수(Flexoelectric constant)는 56.70pC/m, 실험예 6의 변전 상수(Flexoelectric constant)는 31.10pC/m로써, 실험예 1 내지 실험예 6의 값이 비교예 1에 비하여 평균 3배 이상 높은 것을 알 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예 1 및 실시예 2에 따른 압전소자는 압전층의 물질을 개선함으로써, 액정 분자의 스프레이(splay) 벤드(bend) 탄성을 고려하여, 내부의 분자의 탄성 변형을 유도할 수 있고, 이를 통한 분극 현상을 이용하여 압전효과를 높일 수 있는 것이다.
이러한 방법은 단순히 외부 압력에 의해 전기 분극이 발생하는 기존의 피에조일렉트릭(piezoelectric)효과를 이용하는 방식과는 차이가 있다.
또한, 본 발명의 실시예 1 및 실시예 2에 따른 압전층을 구비하는 소자는 종래의 일반적인 막대형 액정 분자만을 포함하는 압전층을 구비하는 소자보다 훨씬 우수한 성능을 구비할 수 있음이 증명되었다.
그리고 상기와 같은 분극화가 가능한 물질은 고분자화 및 합성 공정을 통해 고분자 필름으로 제조될 수 있으며, 이를 통해 재료 단가를 낮출 수 있는 효과도 기대할 수 있다.
위에서 설명한, 상기 실시예 1 및 실시예 2는 구체적인 설명을 위하여 기본적인 압전소자의 구조를 예를 들어 서술한 것일 뿐, 그에 한정되는 것은 아니다. 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 당업자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
102 : 제1 기판 103 : 제2 기판
104 : 압전층 105 : 제1 전극
106 : 제2 전극

Claims (15)

  1. 서로 대향하는 제1 기판 및 제2 기판;
    상기 제1 기판 상에 배치된 제1 전극 및 상기 제2 기판 상에 배치된 제2 전극; 및
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극의 사이에 형성된 압전층을 포함하며,
    상기 압전층은 하기 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되는 화합물로 이루어진 것을 특징으로 하는 압전소자.
    [화학식 1] [화학식 2]
    Figure pat00021
    Figure pat00022

    여기에서, 상기 A1 및 A2는 각각 S, Cl, F 및 N으로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상의 헤테로 원자를 포함하거나 포함하지 않는 방향족 고리이고, 상기 방향족 고리는 S, Cl, F 및 N으로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상의 헤테로 원자를 포함하거나 포함하지 않는 C2-12의 알킬기 또는 -SO2Cl로 치환되며, 상기 L은 C2-12의 알킬기, -C≡N 또는 -COCH2COCF3이며, 상기 X1은 C1-4의 알킬기 또는 -R1CO2의 에스테르기이며, 상기 R1은 C1-6의 알킬기임.
  2. 서로 대향하는 제1 기판 및 제2 기판;
    상기 제1 기판 및 제2 기판 중 어느 하나의 기판 상에 배치된 제1 전극 및 제2 전극; 및
    상기 제1 기판과 상기 제2 기판의 사이에 형성된 압전층을 포함하며,
    상기 압전층은 하기 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되는 화합물로 이루어진 것을 특징으로 하는 로 표시되는 압전소자.
    [화학식 1] [화학식 2]
    Figure pat00023
    Figure pat00024

    여기에서, 상기 A1 및 A2는 각각 S, Cl, F 및 N으로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상의 헤테로 원자를 포함하거나 포함하지 않는 방향족 고리이고, 상기 방향족 고리는 S, Cl, F 및 N으로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상의 헤테로 원자를 포함하거나 포함하지 않는 C2-12의 알킬기 또는 -SO2Cl로 치환되며, 상기 L은 C2-12의 알킬기, -C≡N 또는 -COCH2COCF3이며, 상기 X1은 C1-4의 알킬기 또는 -R1CO2의 에스테르기이며, 상기 R1은 C1-6의 알킬기임.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되는 화합물은 압전층 내에서 외부의 압력에 의하여 분자가 탄성 변형하는 물질인 것을 특징으로 하는 압전소자.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 화학식 2는
    Figure pat00025
    또는
    Figure pat00026
    인 것을 특징으로 하는 압전소자.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되는 화합물은 상기 제1 기판 및 제2 기판 중 적어도 하나의 기판에 대한 외부의 물리적 자극에 대하여 상기 압전층 내에서 탄성 변형되고, 상기 탄성 변형에 의해 전류를 발생시키는 것을 특징으로 하는 압전소자.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되는 화합물은 상기 제1 기판 및 제2 기판 중 적어도 하나의 기판에 대한 외부의 주기적인 물리적 자극에 대하여 상기 압전층 내에서 주기적으로 탄성 변형되고, 상기 주기적인 탄성 변형에 의해 AC 전류를 발생시키는 것을 특징으로 하는 압전소자.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되는 화합물은 상기 제1 기판 및 제2 기판 중 적어도 하나의 기판에 대한 외부의 전기적 자극에 대하여 상기 압전층 내에서 탄성 변형되고, 상기 탄성 변형에 의해 상기 제1 기판 및 제2 기판 중 적어도 하나의 기판이 휘어지는 것을 특징으로 하는 압전소자.
  8. 서로 대향하는 제1 기판 및 제2 기판;
    상기 제1 기판 상에 배치된 제1 전극 및 상기 제2 기판 상에 배치된 제2 전극; 및
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극의 사이에 형성된 압전층을 포함하며,
    상기 압전층은 하기 화학식 3 또는 화학식 4로 표시되는 화합물로 이루어진 것을 특징으로 하는 압전소자.
    [화학식 3] [화학식 4]
    Figure pat00027
    Figure pat00028

    여기에서, 상기 Y1은 -COR3 또는 -C2H4CO2R3이며, 상기 R3는 N, O, S, Cl 및 F로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상의 헤테로 원자를 포함하는 C2-12의 알킬기임.
  9. 서로 대향하는 제1 기판 및 제2 기판;
    상기 제1 기판 및 제2 기판 중 어느 하나의 기판 상에 배치된 제1 전극 및 제2 전극; 및
    상기 제1 기판과 상기 제2 기판의 사이에 형성된 압전층을 포함하며,
    상기 압전층은 하기 화학식 3 또는 화학식 4로 표시되는 화합물로 이루어진 것을 특징으로 하는 압전소자.
    [화학식 3] [화학식 4]
    Figure pat00029
    Figure pat00030

    여기에서, 상기 Y1은 -COR3 또는 -C2H4CO2R3이며, 상기 R3는 N, O, S, Cl 및 F로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상의 헤테로 원자를 포함하는 C2-12의 알킬기임.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 화학식 3 또는 화학식 4로 표시되는 화합물은 압전층 내에서 외부의 압력에 의하여 분자가 탄성 변형하는 물질인 것을 특징으로 하는 압전소자.
  11. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 화학식 3으로 표시되는 화합물은
    Figure pat00031
    인 것을 특징으로 하는 압전소자용 화합물.
  12. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 화학식 4로 표시되는 화합물은
    Figure pat00032
    인 것을 특징으로 하는 압전소자용 화합물.
  13. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 화학식 3 또는 화학식 4로 표시되는 화합물은 상기 제1 기판 및 제2 기판 중 적어도 하나의 기판에 대한 외부의 물리적 자극에 대하여 상기 압전층 내에서 탄성 변형되고, 상기 탄성 변형에 의해 전류를 발생시키는 것을 특징으로 하는 압전소자.
  14. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 화학식 3 또는 화학식 4로 표시되는 화합물은 상기 제1 기판 및 제2 기판 중 적어도 하나의 기판에 대한 외부의 주기적인 물리적 자극에 대하여 상기 압전층 내에서 주기적으로 탄성 변형되고, 상기 주기적인 탄성 변형에 의해 AC 전류를 발생시키는 것을 특징으로 하는 압전소자.
  15. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 화학식 3 또는 화학식 4로 표시되는 화합물은 상기 제1 기판 및 제2 기판 중 적어도 하나의 기판에 대한 외부의 전기적 자극에 대하여 상기 압전층 내에서 탄성 변형되고, 상기 탄성 변형에 의해 상기 제1 기판 및 제2 기판 중 적어도 하나의 기판이 휘어지는 것을 특징으로 하는 압전소자.
KR1020120040386A 2012-04-18 2012-04-18 압전소자 KR20130117291A (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020120040386A KR20130117291A (ko) 2012-04-18 2012-04-18 압전소자

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020120040386A KR20130117291A (ko) 2012-04-18 2012-04-18 압전소자

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020140063004A Division KR20140089327A (ko) 2014-05-26 2014-05-26 압전소자

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20130117291A true KR20130117291A (ko) 2013-10-25

Family

ID=49636103

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020120040386A KR20130117291A (ko) 2012-04-18 2012-04-18 압전소자

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20130117291A (ko)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR900004051A (ko) * 1988-08-31 1990-03-27 요꼬야마 유우이찌 압전소자 및 압전소자를 사용한 변환장치
JPH0657255A (ja) * 1992-03-27 1994-03-01 Philips Gloeilampenfab:Nv 重合体網状構造を含む圧電物質およびその製造方法ならびに圧電素子
JP2003324222A (ja) * 2002-04-30 2003-11-14 Fuji Photo Film Co Ltd 圧電変換複合材料及びその製造方法
JP2010141233A (ja) * 2008-12-15 2010-06-24 Konica Minolta Medical & Graphic Inc チオウレア基含有化合物、並びにウレア基またはチオウレア基を有する化合物を含む有機圧電材料

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR900004051A (ko) * 1988-08-31 1990-03-27 요꼬야마 유우이찌 압전소자 및 압전소자를 사용한 변환장치
JPH0657255A (ja) * 1992-03-27 1994-03-01 Philips Gloeilampenfab:Nv 重合体網状構造を含む圧電物質およびその製造方法ならびに圧電素子
JP2003324222A (ja) * 2002-04-30 2003-11-14 Fuji Photo Film Co Ltd 圧電変換複合材料及びその製造方法
JP2010141233A (ja) * 2008-12-15 2010-06-24 Konica Minolta Medical & Graphic Inc チオウレア基含有化合物、並びにウレア基またはチオウレア基を有する化合物を含む有機圧電材料

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Ai et al. Fluorine substitution induced high T c of enantiomeric perovskite ferroelectrics:(R)-and (S)-3-(fluoropyrrolidinium) MnCl3
Lee et al. Effects of substrate on piezoelectricity of electrospun poly (vinylidene fluoride)-nanofiber-based energy generators
Yang et al. Organic liquid-crystal devices based on ionic conductors
Song et al. Record enhancement of Curie temperature in host–guest inclusion ferroelectrics
Jákli Electro-mechanical effects in liquid crystals
Jeong et al. Electroactive superelongation of carbon nanotube aggregates in liquid crystal medium
Khan et al. Voltage-controlled ferroelastic switching in Pb (Zr0. 2Ti0. 8) O3 thin films
Wang et al. Matrix-assisted energy conversion in nanostructured piezoelectric arrays
Kang et al. Anisotropic thermal interface materials: directional heat transfer in uniaxially oriented liquid crystal networks
CN105629583B (zh) 液晶显示器
Gao et al. Mechanical properties of a 2D lead-halide perovskite,(C6H5CH2NH3) 2PbCl4, by nanoindentation and first-principles calculations
Cui et al. Supramolecular self-assembly in a disk-cube dyad molecule based on triphenylene and polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS)
Wang et al. Achievement of a giant piezoelectric coefficient and piezoelectric voltage coefficient through plastic molecular-based ferroelectric materials
Galantini et al. Effects of plasticization of a soft silicone for dielectric elastomer actuation
Harden et al. Converse flexoelectric effect in a bent-core nematic liquid crystal
Zhang et al. Lyotropic hexagonal ordering in aqueous media by conjugated hairy-rod supramolecules
Zou et al. Development of high-k polymer materials for use as a dielectric layer in the organic thin-film transistors
CN102352260A (zh) 一种液晶组合物及液晶透镜
Su et al. Unique design strategy for dual phase transition that successfully validates dual switch implementation in the dielectric material
Yao et al. Actuation performances of catkin fibers reinforced thiol-acrylate main-chain liquid crystalline elastomer
Lee et al. Significant enhancement of output performance of piezoelectric nanogenerators based on CsPbBr3 quantum dots-NOA63 nanocomposites
KR20180070541A (ko) 압전소자
Cao et al. Tuning flexoelectric effect in polymer electrolyte membranes via cation selection for potential energy harvesting applications
Mączka et al. Lattice Dynamics and Structural Phase Transitions in Two-Dimensional Ferroelectric Methylhydrazinium Lead Bromide Investigated Using Raman and IR Spectroscopy
TW201623385A (zh) 包含電活性膜之觸控感應裝置、包含該觸控感應裝置之顯示裝置與該電活性膜之製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E601 Decision to refuse application
A107 Divisional application of patent
WITB Written withdrawal of application