KR20150032063A - 압전 소자 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

압전 소자 및 그 제조방법이 개시된다. 개시된 압전 소자는, 압전층의 제1면 상에 마련되는 제1 및 제2 전극과, 상기 압전층의 제2면 상에 마련되는 제3 및 제4 전극과, 상기 제1 전극과 상기 제4 전극을 전기적으로 연결하는 제1 도체와, 상기 제2 전극과 상기 제3 전극을 전기적으로 연결하는 것으로, 상기 제1 도체와 교차하는 제2 도체;를 포함한다.

Description

압전 소자 및 그 제조방법{Piezoelectric device and method of manufacturing the same}
압전 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 캔틸레버(cantilever) 구조의 압전 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
압전 소자는 외부에서 가해지는 기계적인 에너지(예를 들면, 진동, 충격, 소리 등)에 의해 변형됨으로써 전기에너지를 발생시키거나 또는 외부로부터 전기에너지가 가해짐으로써 변형을 일으키는 소자를 의미한다. 압전소자에 사용되는 압전층은 그 상하면에 각각 전극이 위치하고 압전층의 두께 방향으로 분극(polarization)된 31-mode 구조나 또는 압전층의 상하면에 각각 지간 전극들(interdigital electrodes)이 위치하고 압전층의 길이 방향으로 분극된 33-mode 구조를 가질 수 있다.
한편, 압전 소자의 대표적인 예로는 빔(beam) 형상을 가지는 압전 변환기의 휘어짐을 이용한 캔틸레버(cantilever) 구조의 압전 소자를 들 수 있다. 이러한 캔틸레버 구조의 압전 소자는 압전 에너지 하베스터, 센서 등과 같은 정압전성(direct piezoelectricity)을 이용하는 소자 및 압전 모터, 액츄에이터 등과 같은 역압전성(converse piezoelectricity)를 이용하는 소자에 적용가능하다.
일 실시예는 캔틸레버 구조의 압전 소자 및 그 제조방법을 제공한다.
일 측면에 있어서,
변형에 의해 전기에너지를 발생시키는 것으로, 그 일단이 지지체(supporting member)에 고정되는 압전층;
상기 압전층의 제1면 상에 마련되는 제1 및 제2 전극;
상기 압전층의 상기 제1면과 반대측의 제2면 상에 상기 제1 및 제2 전극에 대응되도록 마련되는 제3 및 제4 전극;
상기 제1 전극과 상기 제4 전극을 전기적으로 연결하는 제1 도체; 및
상기 제2 전극과 상기 제3 전극을 전기적으로 연결하는 것으로, 상기 제1 도체와 교차하는 제2 도체;를 포함하는 압전 소자가 제공된다.
상기 압전층은 빔 형상을 가지며, 분극 방향이 상기 압전층의 길이 방향에 나란한 33-mode 구조를 가질 수 있다.
상기 제1 및 제2 전극은 상기 압전층의 제1면 상에서 서로 교대로 배치되도록 마련되며, 상기 제3 및 제4 전극은 상기 압전층의 제2면 상에서 서로 교대로 배치되도록 마련될 수 있다. 상기 제1, 제2, 제3 및 제4 전극은 각각 지간 전극(interdigital electrode)을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 제1 및 제2 전극은 서로 깍지낀(interditating) 형태로 마련되며, 상기 제3 및 제4 전극은 서로 깍지낀 형태로 마련될 수 있다. 상기 제3 및 제4 전극은 각각 상기 제1 및 제2 전극에 대응되는 위치에 마련될 수 있다.
상기 압전층은 플레이트 형태의 단일 압전체를 포함하거나 또는 복수개의 압전 섬유들을 포함할 수 있다. 이러한 압전층은 무기물 또는 유기물을 포함할 수 있다. 상기 지지체의 움직임에 따라 상기 압전층이 휨으로써 상기 제1 도체와 상기 제2 도체 사이에 전기에너지가 발생될 수 있다. 한편, 상기 제1 도체와 상기 제2 도체 사이에 소정 전기에너지를 인가함으로써 상기 압전층이 휠 수 있다.
상기 압전층의 제1면 및 제2면 중 적어도 하나의 표면에는 비활성층(inactive layer)이 접착될 수 있다. 상기 압전층의 타단에는 질량체(mass)와 연결될 수 있다. 상기 제1 및 제2 전극과, 상기 제3 및 제4 전극은 필름 형태의 기판 상에 형성될 수도 있다.
다른 측면에 있어서,
압전층의 제1면 상에 제1 및 제2 전극을 마련하는 단계;
상기 압전층의 상기 제1면과 반대측의 제2면 상에 상기 제1 및 제2 전극에 대응되는 제3 및 제4 전극을 마련하는 단계;
상기 제1 전극과 상기 제3 전극을 제3 도체로 연결하고, 상기 제2 전극과 상기 제4 전극을 제4 도체로 연결한 다음, 상기 제3 도체와 상기 제4 도체 사이에 직류 전압을 인가함으로써 상기 압전층 내부에 분극을 형성하는 단계; 및
상기 제1 전극과 상기 제4 전극을 제1 도체로 연결하고, 상기 제2 전극과 상기 제3 전극을 제2 도체로 연결하는 단계;를 포함하는 압전 소자의 제조방법이 제공된다.
실시예에 따른 압전 소자에 의하면, 압전층이 휘었을 때 서로 같은 극성의 전하들이 모이는 전극들이 도체들에 의해 서로 교차하도록 연결됨으로써 전기에너지를 보다 효율적으로 발생시킬 수 있다. 이러한 압전 소자는 변형에 의해 전기에너지를 발생시키는 에너지 하베스터, 센서 등이나 또는 전기에너지를 인가함으로써 변형을 발생시키는 압전 모터, 액츄에이터 등에 적용될 수 있다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 압전 소자의 분리 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 압전 소자의 단면도이다.
도 3a 및 도 3b는 종래 압전 소자의 동작 과정과 도 1에 도시된 압전 소자의 동작 과정을 비교하여 설명하기 위한 도면들이다.
도 4는 도 1에 도시된 압전 소자의 일단이 지지체에 고정된 상태에서, 압전 소자의 타단이 위아래로 움직임으로써 전기에너지를 발생시키는 모습을 도시한 것이다.
도 5a는 도 1에 도시된 압전 소자에서, 제1 도체와 제2 도체 사이에 교류 전압을 인가함으로써 압전 소자의 타단이 움직이는 모습을 도시한 것이다.
도 5b는 도 1에 도시된 압전 소자에서, 제1 도체와 제2 도체 사이에 직류 전압을 인가함으로써 압전 소자의 타단이 움직이는 모습을 도시한 것이다.
도 6a 내지 도 6c는 다른 예시적인 실시예에 따른 압전 소자의 제조방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 7은 다른 예시적인 실시예에 따른 압전 소자의 단면도이다.
도 8은 다른 예시적인 실시예에 따른 압전 소자의 사시도이다.
도 9는 다른 예시적인 실시예에 따른 압전 소자의 사시도이다.
도 10은 다른 예시적인 실시예에 따른 압전 소자의 사시도이다.
도 11은 다른 예시적인 실시예에 따른 압전 소자의 분리 사시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세히 설명한다. 아래에 예시되는 실시예는 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니며, 본 발명을 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다. 또한, 소정의 물질층이 기판이나 다른 층 상에 존재한다고 설명될 때, 그 물질층은 기판이나 다른 층에 직접 접하면서 존재할 수도 있고, 그 사이에 다른 제3의 층이 존재할 수도 있다. 그리고, 아래의 실시예에서 각 층을 이루는 물질은 예시적인 것이므로, 이외에 다른 물질이 사용될 수도 있다. 이하에서 설명되는 예시적인 실시예들에 따른 압전 소자는 압전층이 빔 형태를 가지고, 그 일단이 지지체에 고정된 캔틸레버 방식의 소자이다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 압전 소자(100)의 분리 사시도이다. 그리고, 도 2는 도 1에 도시된 압전 소자의 단면도(100)이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 압전 소자(100)는 압전층(110)과, 상기 압전층(110)의 제1면 상에 마련되는 제1 및 제2 전극(121,122)과, 상기 압전층(110)의 제2면 상에 마련되는 제3 및 제4 전극(123,124)을 포함한다. 상기 압전층(110)은 변형에 의해 전기에너지를 발생시키는 것으로, 빔(beam) 형상을 가질 수 있다. 상기 압전층(110)은 플레이트 형태의 단일 압전체를 포함할 수 있다. 또한, 상기 압전층(110)은 복수개의 압전 섬유를 포함할 수도 있는데, 이 경우 상기 압전 섬유들은 압전층의 길이 방향에 나란하게 배열될 수 있다. 상기 압전층(110)은 후술하는 바와 같이 그 일단이 지지체(supporting member)에 고정되고, 그 타단이 위 아래로 움직임으로써 변형될 수 있다.
상기 압전층(110)을 이루는 물질은 무기물 또는 유기물이 될 수 있다. 예를 들면, 상기 압전층(110)은 PZT, ZnO, SnO, PVDF 또는 P(VDF-FrFE) 등을 포함할 수 있으며, 이외에도 다양한 물질을 포함할 수 있다. 압전층(110)은 분극 방향이 압전층(110)의 길이 방향에 나란한 33-mode 구조를 가질 수 있다. 이러한 33-mode 구조의 압전층은 후술하는 바와 같이, 상기 제1 및 제2 전극(121,122) 사이와, 상기 제3 및 제4 전극(123,124) 사이에 각각 소정의 직류 전압을 인가함으로써 마련될 수 있다.
상기 압전층(110)의 제1면(예를 들면, 도 1에서 압전층(110)의 상면) 상에는 제1 및 제2 전극(121,122)이 서로 교대로 배치되도록 마련될 수 있다. 상기 제1 및 제2 전극(121,122)은 지간 전극들(interdigital electrodes)이 될 수 있으며, 이 경우 제1 및 제2 전극(121,122)이 서로 깍지낀(interdigitating) 형태로 마련됨으로써 교대로 배치될 수 있다. 이러한 제1 및 제2 전극(121,122)은 도전성 물질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 및 제2 전극(121,122)은 Ag, Al, Cu 또는 Au 등과 같은 금속을 포함할 수 있다. 또한, 상기 제1 및 제2 전극(121,122)은 그래핀(graphene), CNT(Carbon NanoTube), ITO(Indium Tin Oxide) 또는 전도성 폴리머 등을 포함할 수도 있으며, 이외에 다른 다양한 도전성 물질을 포함할 수 있다.
상기 압전층(110)의 제2면(예를 들면, 도 1에서 압전층의 하면) 상에는 제3 및 제4 전극(123,124)이 서로 교대로 배치되도록 마련될 수 있다. 여기서, 상기 제3 전극(123)은 제1 전극(121)에 대응되도록 마련되며, 상기 제4 전극(124)은 제2 전극(122)에 대응되도록 마련될 수 있다. 상기 제3 전극(123)은 상기 제1 전극(121)과 대응되는 형상을 가지고, 상기 제1 전극(121)의 하부에 마련될 수 있다. 그리고, 상기 제4 전극(124)은 제2 전극(122)과 대응되는 형상을 가지고 제2 전극(122)의 하부에 마련될 수 있다. 이러한 제3 및 제4 전극(123,124)은 전술한 제1 및 제2 전극(121,122)과 마찬가지로 지간 전극들(interdigital electrodes)이 될 수 있으며, 이 경우, 상기 제3 및 제4 전극(123,124)은 서로 깍지낀(interdigitating) 형태로 마련될 수 있다. 여기서, 제3 및 제4 전극(123,124) 사이의 간격은 제1 및 제2 전극(121,122) 사이의 간격과 같을 수 있다. 상기 제3 및 제4 전극(123,124)은 전술한 제1 및 제2 전극(121,122)과 마찬가지로 도전성 물질을 포함할 수 있다.
본 실시예에서, 상기 제1, 제2, 제3 및 제4 전극(121,122,123,124)은 서로 교차로 전기적으로 연결될 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 및 제4 전극(121,124)은 제1 도체(131)에 의해 전기적으로 연결될 수 있으며, 상기 제2 및 제3 전극(122,123)은 제2 도체(132)에 의해 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 제1 도체(131)와 상기 제2 도체(132)는 서로 교차할 수 있다. 이와 같이, 상기 제1 및 제4 전극(121,124)이 전기적으로 연결되고, 상기 제2 및 제3 전극(122,123)이 전기적으로 연결되면, 후술하는 바와 같이 전기에너지를 보다 효율적으로 발생시킬 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 종래 압전 소자(10)의 동작 과정과 도 1에 도시된 본 실시예에 따른 압전 소자(100)의 동작 과정을 비교하여 설명하기 위한 도면들이다. 도 3a에는 종래 압전 소자(10)의 휜(bending) 상태가 도시되어 있으며, 여기서, 제1 및 제3 전극(21,23)이 제1 도체(31)에 의해 전기적으로 연결되어 있고, 제2 및 제4 전극(22,24)은 제2 도체(32)에 의해 전기적으로 연결되어 있다. 그리고, 도 3b에는 도 1에 도시된 본 실시예에 따른 압전 소자(100)의 휜(bending) 상태가 도시되어 있으며, 여기서, 제1 및 제4 전극(121,124)은 제1 도체(131)에 의해 전기적으로 연결되어 있고, 제2 및 제3 전극(122,123)은 제2 도체(132)에 의해 전기적으로 연결되어 있다.
도 3a를 참조하면, 종래 압전 소자(10)가 휘었을 때, 제1 도체(31)에 의해 전기적으로 연결된 제1 및 제3 전극(21,23)에는 서로 다른 극성의 전하가 모이고, 제2 도체(32)에 의해 전기적으로 연결된 제2 및 제4 전극(22,24)에도 서로 다른 극성의 전하가 모이게 된다. 이에 따라, 상기 제1 도체(31)와 상기 제2 도체(32) 사이에는 비교적 작은 전압(V1)이 유도될 수 있다. 이에 반하여, 도 3b를 참조하면, 본 실시예에 따른 압전 소자(100)가 휘었을 때, 제1 도체(131)에 의해 전기적으로 연결된 제1 및 제4 전극(121,124)에는 서로 같은 극성의 전하, 예를 들면, 양(+)의 전하가 모이고, 제2 도체(132)에 의해 전기적으로 연결된 제2 및 제3 전극(122,123)에는 서로 같은 극성의 전하, 예를 들면, 음(-)의 전하가 모이게 된다. 이에 따라, 상기 제1 도체(131)와 상기 제2 도체(132) 사이에는 종래 압전 소자(10)에 의해 유도된 전압(V1)보다 큰 전압(V)이 유도될 수 있다. 이상과 같이, 본 실시예에 따른 압전 소자(100)에서는 압전층(110)이 휘었을 때 서로 같은 극성의 전하들이 모이는 전극들이 서로 교차하여 연결된다. 즉, 압전층이 휘었을 때 예를 들어 양(+)의 전하가 모이는 제1 및 제4 전극(121,124)은 제1 도체(131)에 의해 연결되고, 음(-)의 전하가 모이는 제2 및 제3 전극(122,123)은 제2 도체(132)에 의해 제1 도체(131)와 교차하도록 연결된다. 이에 따라, 전기에너지를 보다 효율적으로 발생시킬 수 있다.
도 4는 도 1에 도시된 본 실시예에 따른 압전 소자(100)의 일단이 지지체(150)에 고정된 상태를 도시한 것이다. 도 4를 참조하면, 압전 소자(100)의 일단이 지지체(150)에 고정된 상태에서 압전 소자(100)의 타단을 위아래로 움직이게 되면, 압전층(110)이 휠 수 있다. 또한, 상기 지지체(150)가 위아래로 움직이게 되면 압전 소자(100)의 타단도 위아래로 움직이게 되고, 이에 따라 압전층(110)이 휠 수도 있다. 이와 같이, 압전층(110)이 변형되게 되면, 제1 및 제4 전극(121,124)을 연결하는 제1 도체(131)와 제2 및 제3 전극(122,123)을 연결하는 제2 도체(132) 사이에 전압(V)이 유도될 수 있다. 이와 같이, 압전 소자(100)가 변형에 의해 전기에너지를 발생시키는 경우에는, 상기 압전 소자(100)는 예를 들면, 압전 에너지 하베스터, 센서 등과 같은 정압전성(direct piezoelectricity)을 이용하는 소자에 적용될 수 있다.
도 5a 및 도 5b에는 도 1에 도시된 본 실시예에 따른 압전 소자(100)에 전압을 인가함으로써 압전 소자(100)의 타단이 움직이는 모습을 도시한 것이다. 구체적으로, 도 5a를 참조하면, 본 실시예에 따른 압전 소자(100)에서 제1 도체(131)와 제2 도체(132) 사이에 교류 전압을 인가하게 되면, 압전 소자(100)의 타단이 위아래로 움직일 수 있다. 또한, 도 5b를 참조하면, 본 실시예에 따른 압전 소자(100)에서 제1 도체(131)와 제2 도체(132) 사이에 직류 전압을 인가하게 되면 압전 소자(100)의 타단은 위로 움직이거나 또는 아래로 움직일 수 있다. 이와 같이, 압전 소자(100)가 전기에너지의 인가에 의해 변형을 발생시키는 경우에는 상기 압전 소자(100)는 예를 들면, 압전 모터, 액츄에이터 등과 같은 역압전성(converse piezoelectricity)를 이용하는 소자에 적용될 수 있다.
도 6a 내지 도 6c는 다른 실시예에 따른 압전 소자(100)의 제조방법을 설명하기 위한 도면들이다. 도 6a 내지 도 6c에는 도 1에 도시된 압전 소자(100)를 제조하는 과정이 도시되어 있다.
도 6a를 참조하면, 압전층(110)의 제1면(도 6a에서 상면) 상에 제1 및 제2 전극(121,122)을 형성하고, 압전층(110)의 제2면(도 6a에서 하면) 상에 제3 및 제4 전극(123,124)을 형성한다. 상기 압전층(110)은 빔(beam) 형상을 가질 수 있다. 제1 및 제2 전극(121,122)은 상기 압전층(110)의 제1면 상에서 서로 교대로 배치되도록 마련될 수 있으며, 제3 및 제4 전극(123,124)은 상기 압전층(110)의 제2면 상에서 서로 교대로 배치되도록 마련될 수 있다. 상기 제3 및 제4 전극(123,124)은 제1 및 제2 전극(121,122)에 대응되도록 마련될 수 있다. 상기 제1, 제2, 제3 및 제4 전극(121,122,123,124)은 지간 전극들(interdigital electrodes)이 될 수 있다. 여기서, 상기 제1 및 제2 전극(121,122)은 서로 깍지낀 형태로 마련되고, 상기 제3 및 제4 전극(123,124)은 서로 깍지낀 형태로 마련될 수 있다. 이러한 제1 및 제2 전극(121,122)은 도전성 물질을 포함할 수 있다. 상기 제1 및 제2 전극(121,122)은 압전층(110)의 제1면 상에 증착이나 인쇄 등을 통해 형성될 수 있으며, 상기 제3 및 제4 전극(123,124)은 압전층(110)의 제2면 상에 증착이나 인쇄 등을 통해 형성될 수 있다. 한편, 후술하는 바와 같이, 상기 제1 및 제2 전극(121,122)이 형성된 제1 기판(도 11의 191)이 압전층(110)의 제1면 상에 접합되고, 상기 제3 및 제4 전극(123,124)이 형성된 제2 기판(도 11의 192)이 압전층(110)의 제2면 상에 접합될 수도 있다. 이러한 제1 및 제2 기판(191,192)은 플라스틱 필름을 포함할 수 있다.
도 6b를 참조하면, 상기 제1 및 제3 전극(121,123)을 제3 도체(141)에 의해 연결하고, 상기 제2 및 제4 전극(122,124)을 제4 도체(142)에 의해 연결한다. 이어서, 상기 제3 도체(141)와 상기 제4 도체(142) 사이에 직류 전압을 인가하게 되면, 상기 제1 및 제2 전극(121,122) 사이와, 상기 제3 및 제4 전극(123,124) 사이의 압전층(100) 내부에는 분극이 압전층(110)의 길이 방향에 나란한 방향으로 형성될 수 있다. 이에 따라, 상기 압전층(110)은 33-mode 구조를 가지게 된다. 이와 같이, 압전층(110) 내부에 압전층(110)의 길이 방향에 나란한 방향으로 분극을 형성한 다음에는 상기 제1 및 제3 전극(121,123)을 연결하는 제3 도체(141)와 상기 제2 및 제4 전극(122,124)을 연결하는 제4 도체(142)를 제거한다.
도 6c를 참조하면, 상기 제1 및 제4 전극(121,124)을 제1 도체(131)에 의해 전기적으로 연결하고, 상기 제2 및 제3 전극(122,123)을 제2 도체(132)에 의해 전기적으로 연결하면 압전 소자(100)가 완성된다. 여기서, 상기 제1 도체(131)와 상기 제2 도체(132)는 서로 교차하도록 마련될 수 있다. 이와 같이 완성된 압전 소자(100)에서 압전층(110)이 변형되면 상기 제1 및 제2 도체(131,132) 사이에는 전압이 유도되어 전기에너지가 발생될 수 있다.
도 7은 다른 예시적인 실시예에 따른 압전 소자(100a)의 단면도이다. 이하에서는 전술한 실시예와 다른 점을 중심으로 설명한다.
도 7을 참조하면, 압전층(110)의 제1면 상에는 제1 및 제2 전극(121',122')이 교대로 마련되어 있고, 압전층(110)의 제2면 상에는 제3 및 제4 전극(123',124')이 교대로 마련되어 있다. 상기 제3 및 제4 전극(123',124')은 제1 및 제2 전극(121',122')에 대응되도록 마련될 수 있다. 한편, 전술한 실시예에서는, 제3 및 제4 전극(123,124)이 각각 제1 및 제2 전극(121,122)에 대응되는 위치에 마련됨으로써 제1 및 제2 전극(121,122) 사이의 간격이 제3 및 제4 전극(123,124) 사이의 간격과 동일한 경우가 설명되었다. 이에 대해, 본 실시예는 제3 및 제4 전극(123',124') 사이의 간격이 제1 및 제2 전극(121',122') 사이의 간격과 다른 경우이다. 이와 같이, 압전층(110)이 변형되는 상황에 따라 제1 및 제2 전극(121',122') 사이의 간격 및 제3 및 제4 전극(123',124') 사이의 간격은 다양하게 변형될 수 있다.
도 8은 다른 예시적인 실시예에 따른 압전 소자(100b)의 사시도이다. 이하에서는 전술한 실시예들과 다른 점을 중심으로 설명한다.
도 8을 참조하면, 압전층(110)의 제1면 상에는 제1 및 제2 전극(121,122)이 교대로 배치되도록 마련되어 있으며, 압전층(110)의 제2면 상에는 제3 및 제4 전극(123,124)이 교대로 배치되도록 마련되어 있다. 상기 압전층(110)의 일단은 지지체(150)에 의해 고정되어 있다. 상기 제1 및 제4 전극(121,124)은 제1 도체(131)에 의해 전기적으로 연결되어 있으며, 상기 제2 및 제3 전극(122,123)은 제2 도체(132)에 의해 전기적으로 연결되어 있다. 상기 압전층(110), 제1, 제2, 제3 및 제4 전극(121,122,123,124), 제1 및 제2 도체(131,132)에 대해서는 전술한 실시예에서 상세하게 설명되었으므로, 여기서 이에 대한 설명은 생략한다.
상기 제1 및 제2 전극(121,122) 상에는 압전 특성을 가지지 않은 제1 비활성층(inactive layer,161)이 마련되어 있으며, 상기 제3 및 제4 전극(123,124) 상에는 압전 특성을 가지지 않은 제2 비활성층(162)이 마련되어 있다. 상기 제1 비활성층(161)은 제1 및 제2 전극(121,122)을 덮도록 압전층(110)의 제1면 상에 접착될 수 있으며, 상기 제2 비활성층(162)은 제3 및 제4 전극(123,124)을 덮도록 압전층(110)의 제2면 상에 접착될 수 있다. 이러한 제1 및 제2 비활성층(161,162)은 압전 소자(100b)의 강성을 조절하거나 또는 압전 소자(100b)를 보호하는 역할을 할 수 있다. 상기 제1 및 제2 비활성층(161,162)이 SUS 등과 같은 강성이 큰 물질을 포함하는 경우에는 상기 제1 및 제2 비활성층(161,162)은 압전층의 변형량을 조절할 수 있다. 그리고, 상기 제1 및 제2 비활성층(161,162)이 플라스틱 등과 같은 물질을 포함하는 경우에는 상기 제1 및 제2 비활성층(161,162)은 압전층(110)과 전극들(121,122,123,124)을 보호할 수 있다.
도 9는 다른 예시적인 실시예에 따른 압전 소자(100c)의 사시도이다. 이하에서는 전술한 실시예들과 다른 점을 중심으로 설명한다.
도 9를 참조하면, 압전층(110)의 제1면 상에는 제1 및 제2 전극(121,122)이 교대로 배치되도록 마련되어 있으며, 압전층(110)의 제2면 상에는 제3 및 제4 전극(123,124)이 교대로 배치되도록 마련되어 있다. 상기 압전층(110)의 일단은 지지체에 의해 고정되어 있다. 상기 제1 및 제4 전극(121,124)은 제1 도체(131)에 의해 전기적으로 연결되어 있으며, 상기 제2 및 제3 전극(122,123)은 제2 도체(132)에 의해 전기적으로 연결되어 있다. 상기 압전층(110), 제1, 제2, 제3 및 제4 전극(121,122,123,124), 제1 및 제2 도체(131,132)에 대해서는 전술한 실시예에서 상세하게 설명되었으므로, 여기서 이에 대한 설명은 생략한다.
상기 압전층(110)의 타단에는 소정 무게를 가지는 질량체(mass,180)가 마련되어 있다. 이와 같이, 압전층(110)의 타단에 질량체(180)가 마련된 상태에서, 지지체(150)가 외부의 힘에 의해 진동을 하게 되면 질량체(180)는 규칙적인 진동운동(oscillation)을 할 수 있게 되고, 이에 따라 전기에너지를 보다 효율적으로 발생시킬 수 있다.
도 10은 다른 예시적인 실시예에 따른 압전 소자(100d)의 사시도이다. 이하에서는 전술한 실시예들과 다른 점을 중심으로 설명한다.
도 10을 참조하면, 압전층(110)의 제1면 상에는 제1 및 제2 전극(121,122)이 교대로 배치되도록 마련되어 있으며, 압전층(110)의 제2면 상에는 제3 및 제4 전극(123,124)이 교대로 배치되도록 마련되어 있다. 상기 압전층(110)의 일단은 지지체에 의해 고정되어 있다. 상기 제1 및 제4 전극(121,124)은 제1 도체(131)에 의해 전기적으로 연결되어 있으며, 상기 제2 및 제3 전극(122,123)은 제2 도체(132)에 의해 전기적으로 연결되어 있다. 상기 압전층(110), 제1, 제2, 제3 및 제4 전극(121,122,123,124), 제1 및 제2 도체(131,132)에 대해서는 전술한 실시예에서 상세하게 설명되었으므로, 여기서 이에 대한 설명은 생략한다.
상기 제1 및 제2 전극(121,122) 상에는 압전 특성을 가지지 않은 제1 비활성층(161)이 마련되어 있으며, 상기 제3 및 제4 전극(123,124) 상에는 압전 특성을 가지지 않은 제2 비활성층(162)이 마련되어 있다. 상기 제1 비활성층(161)은 제1 및 제2 전극(121,122)을 덮도록 압전층(110)의 제1면 상에 접착될 수 있으며, 상기 제2 비활성층(162)은 제3 및 제4 전극(123,124)을 덮도록 압전층(110)의 제2면 상에 접착될 수 있다. 이러한 제1 및 제2 비활성층(161,162)에 의해 압전 소자(100d)의 강성이 조절되거나 또는 압전 소자(100d)가 보호될 수 있다. 그리고, 상기 압전층(110)의 타단에는 소정 무게를 가지는 질량체(180)가 마련됨으로써 전기에너지를 보다 효율적으로 발생시킬 수 있다.
도 11은 다른 예시적인 실시예에 따른 압전 소자(100e)의 분리 사시도이다. 이하에서는 전술한 실시예들과 다른 점을 중심으로 설명한다.
도 11을 참조하면, 제1 기판(191)에 제1 및 제2 전극(121,122)이 형성되어 있다. 상기 제1 및 제2 전극(121,122)은 제1 기판(191)의 하면에서 서로 교대로 배치되도록 마련될 수 있다. 이러한 제1 기판(191)은 예를 들면 플라스틱 필름을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 전극(121,122)이 형성된 제1 기판(191)은 압전층(110)의 제1면(상면)에 접착될 수 있다. 그리고, 제2 기판(192)에 제3 및 제4 전극(123,124)이 형성되어 있다. 상기 제3 및 제4 전극(123,124)은 제2 기판(192)의 상면에서 서로 교대로 배치되도록 마련될 수 있다. 이러한 제2 기판(192)은 예를 들면 플라스틱 필름을 포함할 수 있다. 제3 및 제4 전극(123,124)이 형성된 제2 기판(192)은 압전층(110)의 제2면(하면)에 접착될 수 있다.
이상에서 예시적인 실시예들을 통하여 기술적 내용을 설명하였으나, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
100,100a,100b,100c,100d,100e... 압전 소자
110... 압전층 121... 제1 전극
122... 제2 전극 123... 제3 전극
124... 제4 전극 131... 제1 도체
132... 제2 도체 141... 제3 도체
142... 제4 도체 150... 지지체
161... 제1 비활성층 162... 제2 비활성층
180... 질량체 191... 제1 기판
192... 제2 기판

Claims (20)

  1. 변형에 의해 전기에너지를 발생시키는 것으로, 그 일단이 지지체(supporting member)에 고정되는 압전층;
    상기 압전층의 제1면 상에 마련되는 제1 및 제2 전극;
    상기 압전층의 상기 제1면과 반대측의 제2면 상에 상기 제1 및 제2 전극에 대응되도록 마련되는 제3 및 제4 전극;
    상기 제1 전극과 상기 제4 전극을 전기적으로 연결하는 제1 도체; 및
    상기 제2 전극과 상기 제3 전극을 전기적으로 연결하는 것으로, 상기 제1 도체와 교차하는 제2 도체;를 포함하는 압전 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 압전층은 빔(beam) 형상을 가지며, 분극 방향이 상기 압전층의 길이 방향에 나란한 33-mode 구조를 가지는 압전 소자.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전극은 상기 압전층의 제1면 상에서 서로 교대로 배치되도록 마련되며, 상기 제3 및 제4 전극은 상기 압전층의 제2면 상에서 서로 교대로 배치되도록 마련되는 압전 소자.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제1, 제2, 제3 및 제4 전극은 각각 지간 전극(interdigital electrode)을 포함하는 압전 소자.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전극은 서로 깍지낀(interditating) 형태로 마련되며, 상기 제3 및 제4 전극은 서로 깍지낀 형태로 마련되는 압전 소자.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제3 및 제4 전극은 각각 상기 제1 및 제2 전극에 대응되는 위치에 마련되는 압전 소자.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 압전층은 플레이트 형태의 단일 압전체를 포함하거나 또는 복수개의 압전 섬유들을 포함하는 압전 소자.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 압전층은 무기물 또는 유기물을 포함하는 압전 소자.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 지지체의 움직임에 따라 상기 압전층이 휨으로써 상기 제1 도체와 상기 제2 도체 사이에 전기에너지가 발생되는 압전 소자.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 도체와 상기 제2 도체 사이에 소정 전기에너지를 인가함으로써 상기 압전층이 휘는 압전 소자.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 압전층의 제1면 및 제2면 중 적어도 하나의 표면에는 비활성층(inactive layer)이 접착된 압전 소자.
  12. 제 1 항 또는 제 11 항에 있어서,
    상기 압전층의 타단에는 질량체(mass)와 연결되는 압전 소자.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전극과, 상기 제3 및 제4 전극은 필름 형태의 기판 상에 형성되는 압전 소자.
  14. 압전층의 제1면 상에 제1 및 제2 전극을 마련하는 단계;
    상기 압전층의 상기 제1면과 반대측의 제2면 상에 상기 제1 및 제2 전극에 대응되는 제3 및 제4 전극을 마련하는 단계;
    상기 제1 전극과 상기 제3 전극을 제3 도체로 연결하고, 상기 제2 전극과 상기 제4 전극을 제4 도체로 연결한 다음, 상기 제3 도체와 상기 제4 도체 사이에 직류 전압을 인가함으로써 상기 압전층 내부에 분극을 형성하는 단계; 및
    상기 제1 전극과 상기 제4 전극을 제1 도체로 연결하고, 상기 제2 전극과 상기 제3 전극을 제2 도체로 연결하는 단계;를 포함하는 압전 소자의 제조방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 제1 도체와 상기 제2 도체는 서로 교차하는 압전 소자의 제조방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 압전층은 빔(beam) 형상을 가지며, 분극 방향이 상기 압전층의 길이 방향에 나란한 33-mode 구조를 가지는 압전 소자의 제조방법.
  17. 제 14 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전극은 상기 압전층의 제1면 상에서 서로 교대로 배치되도록 마련되며, 상기 제3 및 제4 전극은 상기 압전층의 제2면 상에서 서로 교대로 배치되도록 마련되는 압전 소자의 제조방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 제1, 제2, 제3 및 제4 전극은 각각 지간 전극을 포함하는 압전 소자의 제조방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전극은 서로 깍지낀 형태로 마련되며, 상기 제3 및 제4 전극은 서로 깍지낀 형태로 마련되는 압전 소자의 제조방법.
  20. 제 14 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전극과, 상기 제3 및 제4 전극은 필름 형태의 기판에 형성된 후 상기 압전층과 접합되거나 또는 상기 압전층 상에 직접 형성되는 압전 소자의 제조방법.

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