KR20140134930A - 산화 그래핀을 이용한 압전 세라믹 복합체 - Google Patents

Abstract

산화 그래핀을 이용한 압전 세라믹 복합체가 개시된다. 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 압전 세라믹과 산화 그래핀이 결합된 압전 세라믹 복합체가 제공된다.
본 발명에 따르면, 압전 세라믹 소재의 압전 효율을 그대로 유지하면서도, 유연성을 가지며 열적 안정성과 지속적인 사용에 따른 피로도에서도 강한 장점이 있으며, 또한, 고온 소결도 가능하여 압전 성능을 더욱 높일 수 있는 장점이 있다.

Description

산화 그래핀을 이용한 압전 세라믹 복합체{Piezo-electric ceramic composite by using grapheme oxide}

본 발명은 압전 세라믹 복합체에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 산화 그래핀을 이용한 압전 세라믹 복합체에 관한 것이다.

압전 현상은 결정질 물질이 기계적 변형(수축 혹은 인장)에 의해 압전 물질 내부에 전기적 성질을 갖는 이온의 상대적 위치 변화로 전극과 압전 물질 계면에서의 전하 밀도 변화를 순간적으로 유발하여 외부로 전기 에너지가 흐르는 현상이다.

이러한 압전 현상을 발생하는 소재로서 세라믹 소재를 사용하는 경우 세라믹 소재가 가지는 취성 및 단단함 등으로 곡선 형상 구현이 어려운 문제점과 내구성이 취약한 문제점이 있다.

이러한 문제점을 극복하기 위해 최근 압전 세라믹 소재에 유연성을 부여하기 위한 많은 연구가 진행 중에 있다.

그 중 먼저 압전 현상을 발생하는 소재로서 세라믹 소재 대신 폴리머(polymer) 압전 소재를 이용하여 유연성을 극복하는 방안이 제시되었으나, 압전 특성이 세라믹 소재 대비 매우 낮은 문제점이 있다.

또 다른 방법으로는 압전 세라믹 소재를 MFC(Macro fiber composite)와 같은 폴리머와 혼합시켜 복합 재료로서 압전 세라믹 복합체를 형성하는 방안이 연구되어 제시되고 있다.

그러나 폴리머를 이용한 압전 세라믹 복합체의 경우 폴리머의 특성으로 인한 유연성의 확보는 가능하게 되었으나, 폴리머의 특성상 열적 안정성이 취약하고, 지속적인 사용에 따른 피로도에 취약한 문제점이 있다.

또한, 압전 세라믹 소재의 특성이 고온 소결을 통해 더 우수한 압전 성능을 나타내게 되지만, 폴리머를 이용한 압전 세라믹 복합체의 경우 폴리머의 특성상 고온 소결이 불가능한 문제점이 있다.

따라서 압전 세라믹 소재를 그대로 이용하여 압전 효율을 그대로 유지하면서도, 유연성을 가지며 열적 안정성과 지속적인 사용에 따른 피로도에서도 강한 압전 세라믹 복합체가 요구된다.

또한, 고온 소결도 가능하여 압전 성능을 더욱 높일 수 있는 압전 세라믹 복합체가 요구된다.

상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 압전 세라믹 소재의 압전 효율을 그대로 유지하면서도, 유연성을 가지며 열적 안정성과 지속적인 사용에 따른 피로도에서도 강한 압전 세라믹 복합체를 제안하는 것이다.

또한, 고온 소결도 가능하여 압전 성능을 더욱 높일 수 있는 압전 세라믹 복합체를 제안하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적들은 이하의 실시예에 대한 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 측면에 따르면 압전 세라믹 복합체가 제공된다.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 압전 세라믹 복합체에 있어서, 상기 압전 세라믹과 산화 그래핀이 결합된 것을 특징으로 하는 압전 세라믹 복합체가 제공된다.

상기 압전 세라믹 복합체는 필름의 형태로 형성될 수 있다.

상기 압전 세라믹과 산화 그래핀이 결합하는 것은 산화 그래핀이 분산된 용액에 압전 세라믹을 침지하여 수행될 수 있다.

상기 압전 세라믹 복합체는 고온 소결되어 생성될 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 산화 그래핀을 이용한 압전 세라믹 복합체에 의하면, 압전 세라믹 소재의 압전 효율을 그대로 유지하면서도, 유연성을 가지며 열적 안정성과 지속적인 사용에 따른 피로도에서도 강한 장점이 있다.

또한, 고온 소결도 가능하여 압전 성능을 더욱 높일 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 압전 세라믹 복합체의 구성을 도시한 도면.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 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. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 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.

및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

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 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

한편, 본 발명에서의 압전 세라믹 복합체는 압전 세라믹 소재의 결합체로서 압전 세라믹 소재 이외의 다른 물질이 혼합되어 합성되는 복합 재료로서 압전 효과를 발생하는 것을 말한다.

전술한 바와 같이 종래에는 압전 세라믹 복합체를 합성함에 있어서 폴리머를 사용하였다.

폴리머는 중합체라도 하며 고분자량 화합물로서, 분자량도 크고 열적 안정성이 취약하며, 지속적인 사용에 따른 피로도에도 취약하다.

이에 따라 폴리머를 이용한 압전 세라믹 복합체의 경우에도 열적 안정성이 취약하며, 지속적인 사용에 따른 피로도에도 취약한 문제점을 극복하기 위해 폴리머를 대신하여 산화 그래핀을 혼합하여 압전 세라믹 복합체를 생성한다.

그래핀(graphene)은 탄소 원자로 이루어져 있으며 원자 1개의 두께로서 0.34nm의 두께를 가진 이루어진 얇은 막이다.

그래핀의 형상은 탄소 원자가 벌집 모양의 육각형 형태로 연결된 2차원 평면 구조를 이루고 있다.

이러한 그래핀은 눈으로 볼 수 없을 만큼 얇고 투명하며, 화학적으로 안정성이 높은 탄소로 구성되어 있어 전기 전도성도 뛰어나다.

또한 신축성이 우수하여 늘이거나 접어도 전기적 전도성을 잃지 않으며, 탄소 원자로만 이루어져 있어 열적 안정성에도 강한 특성이 있다.

한편, 그래핀은 탄소 원자만으로 이루어져 다른 물질과의 결합도 상대적으로 매우 용이하나, 원자 단위의 두께를 가지므로 다른 물질과 쉽게 결합되도록 하기 위해서는 실제 다양한 연구가 필요하며, 현재에도 다양한 연구가 진행 중이다.

현재까지 그래핀을 다른 물질과 결합하는 방법으로서 가장 널리 이용되는 방법이 산화 그래핀을 이용하여 다른 물질과 결합하는 방법이다.

특히 산화 그래핀 수용액을 형성하고 여기에 다른 물질을 침지하는 방법을 통해 쉽게 그래핀과 결합되는 복합체를 생성하는 것이 가능하다.

본 발명에서는 그래핀의 이러한 특성을 압전 세라믹 복합체를 형성함에 있어서, 폴리머 대신 산화 그래핀을 이용하여 압전 세라믹 복합체를 형성한다.

산화 그래핀과 원자 단위의 압전 세라믹 소재의 결합 형상은 도 1에 도시된 바와 같다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 압전 세라믹 복합체의 구성을 도시한 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이 산화 그래핀과 압전 세라믹 소재를 결합하게 되면 원자 단위 크기 두께를 가지는 산화 그래핀 사이에 압전 세라믹 소재들 사이에 위치하게 된다.

한편, 산화 그래핀은 압전 세라믹 소재와 결합되며, 바람직하게는 산화 그래핀과 압전 세라믹 소재가 겹겹이 층을 이루는 구조를 형성하게 된다.

즉, 산화 그래핀이 압전 세라믹 소재들 사이에 위치하여 압전 세라믹 소재를 결합시켜 주는 역할을 수행하게 되는 것이다.

한편, 본 발명에서 세라믹 압전 소재와 산화 그래핀을 결합하는 방법은 다양한 방법으로 가능하다.

바람직하게는 전술한 바와 같이 산화 그래핀이 분산된 산화 그래핀 수용액에 압전 세라믹 소재를 침지시켜 압전 세라믹 복합체를 형성하는 것이 가능할 것이나, 이에 한정되는 것은 아니다.

그리고 본 발명에 의해 형성되는 압전 세라믹 복합체는 필름의 형태로 형성되는 것이 가능하다.

한편, 본 발명에서는 압전 세라믹 복합체를 형성함에 있어서 종래와 달리 산화 그래핀을 이용함으로써 고온에서 강한 즉 열적 안정성이 우수하게 된다.

이에 따라 본 발명에 의한 압전 세라믹 복합체의 경우 고온 소결이 가능하게 된다.

널리 알려진 바와 같이 압전 세라믹 소재의 경우 고온 소결 과정을 거치는 경우 압전 성능이 더욱 향상되게 된다.

따라서 본 발명에 의한 압전 세라믹 복합체의 경우 고온 소결 과정을 통해 종래의 압전 세라믹 복합체에 비해 더욱 더 높은 압전 성능을 가지도록 하는 것이 가능하게 된다.

뿐만 아니라 폴리머와 달리 그래핀의 경우 전기적 전도성도 우수하므로 압전 현상에 의해 발생되는 전기 에너지를 전달하는 성능도 더욱 우수하게 된다.

상기한 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대해 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

Claims (4)

1. 압전 세라믹 복합체에 있어서,
   상기 압전 세라믹과 산화 그래핀이 결합된 것을 특징으로 하는 압전 세라믹 복합체.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 압전 세라믹 복합체는 필름의 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 압전 세라믹 복합체.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 압전 세라믹과 산화 그래핀이 결합하는 것은 산화 그래핀이 분산된 용액에 압전 세라믹을 침지하여 수행되는 것을 특징으로 하는 압전 세라믹 복합체.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 압전 세라믹 복합체는 고온 소결되어 생성되는 것을 특징으로 하는 압전 세라믹 복합체.

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