KR20190107915A - Piezoelectric energy harvester and method of manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a piezoelectric energy harvester and a manufacturing method thereof. According to one embodiment of the present invention, the piezoelectric energy harvester having a hollow fiber structure comprises: a piezoelectric layer surrounding a hollow in the center and including a piezoelectric material and an elastomer; a first electrode layer coated on an inner surface of the piezoelectric layer and including a conductive material and an elastomer; and a second electrode layer coated on the outer surface of the piezoelectric layer and including the conductive material and the elastomer. According to one embodiment of the present invention, the piezoelectric energy harvester may efficiently supply power to a wearable device by increasing the degree of harvesting of mechanical energy obtained from various directions and repetitive movements.

Description

압전 에너지 하베스터 및 이의 제조방법 {PIEZOELECTRIC ENERGY HARVESTER AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}Piezoelectric energy harvester and its manufacturing method {PIEZOELECTRIC ENERGY HARVESTER AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}

신축성이 있는 중공사 구조를 가지는 압전 에너지 하베스터 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a piezoelectric energy harvester having a flexible hollow fiber structure and a method of manufacturing the same.

최근 들어 스마트폰, 태블릿 PC, PDA(Personal Digital Assistants)와 같은 다양한 웨어러블(wearable) 기기의 사용이 증가함에 따라, 이러한 웨어러블 기기의 휴대성을 손상시키지 않으면서 웨어러블 기기에 간편하게 에너지를 공급할 수 있는 기술이 요구된다.Recently, as the use of various wearable devices such as smartphones, tablet PCs, and personal digital assistants (PDAs) increases, a technology that can easily supply energy to wearable devices without impairing the portability of these wearable devices Is required.

웨어러블 기기들은 착용하는 동안 인간의 움직임에 계속하여 노출되어 있다. 따라서 인간의 움직임으로부터 에너지를 수확하기 위한 다양한 방식들이 웨어러블 기기의 전력원으로 부각되고 있다. 그 중에서 직접적으로 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환시킬 수 있는 압전 재료 기반의 에너지 하베스터 (energy harvester) 기술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 압전 재료란 기계적 일그러짐을 가하면 유전 분극이 일어나는 압전 효과를 지닌 물질을 의미한다.Wearable devices continue to be exposed to human movement while wearing them. Therefore, various methods for harvesting energy from human movements are emerging as power sources of wearable devices. Among them, researches on energy harvester technology based on piezoelectric materials capable of directly converting mechanical energy into electrical energy have been actively conducted. Piezoelectric material means a material having a piezoelectric effect in which dielectric polarization occurs when mechanical distortion is applied.

한편 웨어러블 기기에 채용되는 압전 에너지 하베스터는 필름, 파이버(fiber), 직물 등의 형태일 수 있는데, 1차원 구조이면서도 직물이나 그물과 같은 2차 구조로 확장이 가능한 파이버 형태의 압전 에너지 하베스터에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.Meanwhile, piezoelectric energy harvesters employed in wearable devices may be in the form of films, fibers, or fabrics. A study on a piezoelectric energy harvester in the form of a fiber that can be expanded to a secondary structure such as a fabric or a net while being a one-dimensional structure Is actively underway.

그러나, 기존의 파이버 형태의 압전 에너지 하베스터는 출력 전압이 매우 작아 웨어러블 기기의 전력원으로 활용하기에 적합하지 않고, 또 외부 움직임에 대해 크랙이 발생하여 기계적 자유도가 낮다는 한계가 있었다. 또한, 유연성만 갖추고 신축성은 확보하지 못하여 다양한 방향에서 오는 기계적 에너지를 수확하기 어렵고 특히 인간의 몸에서 발생하는 수준의 변형률을 가지는 기계적 에너지를 수확하기 어렵다는 한계가 있었다.However, the conventional piezoelectric energy harvester in the form of a fiber has a small output voltage, which is not suitable for use as a power source of a wearable device, and has a limitation in that mechanical freedom is low due to cracks caused by external movement. In addition, there is a limitation that it is difficult to harvest mechanical energy coming from various directions due to flexibility only and elasticity, and particularly difficult to harvest mechanical energy having a level of strain occurring in the human body.

일 구현예는 다양한 방향 및 반복적인 움직임으로부터 얻어지는 기계적 에너지의 수확도를 높임으로써 웨어러블 기기에 효율적으로 전력을 공급할 수 있는 신축성이 있는 중공사 구조를 가지는 압전 에너지 하베스터에 관한 것이다.One embodiment relates to a piezoelectric energy harvester having a flexible hollow fiber structure capable of efficiently supplying power to a wearable device by increasing the harvest of mechanical energy obtained from various directions and repetitive movements.

다른 일 구현예는 상기 에너지 하베스터의 제조방법에 관한 것이다. Another embodiment relates to a method of manufacturing the energy harvester.

일 구현예에 따르면, 중공사 구조를 가지는 압전 에너지 하베스터로서, 중앙부의 공동(hollow)을 둘러싸고 압전 재료 및 탄성 중합체를 포함하는 압전 층, 상기 압전 층의 내측 면에 코팅되어 있고 전도성 재료 및 탄성 중합체를 포함하는 제1 전극 층, 그리고 상기 압전 층의 외측 면에 코팅되어 있고 전도성 재료 및 탄성 중합체를 포함하는 제2 전극 층을 포함하는 압전 에너지 하베스터를 제공한다.According to one embodiment, a piezoelectric energy harvester having a hollow fiber structure, comprising a piezoelectric layer surrounding a hollow in the center and comprising a piezoelectric material and an elastomer, coated on the inner side of the piezoelectric layer and having a conductive material and an elastomer. It provides a piezoelectric energy harvester comprising a first electrode layer comprising a; and a second electrode layer coated on an outer side of the piezoelectric layer and comprising a conductive material and an elastomer.

상기 압전 층, 제1 전극 층 및 제2 전극 층에 포함되는 탄성 중합체는 각각 독립적으로 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS), 폴리우레탄(polyurethane), 천연고무(natural rubber), 실리콘 고무(silicone rubber), 아크릴 고무(acrylic rubber), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.The elastomers included in the piezoelectric layer, the first electrode layer, and the second electrode layer are each independently polydimethylsiloxane (PDMS), polyurethane, polyurethane, natural rubber, and silicone rubber. , Acrylic rubber, or a combination thereof.

상기 압전 재료는 티탄산연(lead titanate, PbTiO3), 티탄산지르콘산연(lead zirconate titanate, PZT), 티탄산바륨(barium titanate, BaTiO3), 산화나이오븀화칼륨(KNbO3), 산화탄탈륨화 리튬(LiTaO3), 산화텅스텐화 나트륨(Na2WO3), 산화 아연(ZnO), 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride), 폴리비닐리덴 플루오라이드-코-트리플루오로에틸렌(polyvinylidene fluoride-co-trifluoroethylene, PVDF-TrFE), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.The piezoelectric material is lead titanate (PbTiO 3 ), lead zirconate titanate (PZT), barium titanate (BaTiO 3 ), potassium niobium oxide (KNbO 3 ), lithium tantalum oxide ( LiTaO 3 ), sodium tungsten oxide (Na 2 WO 3 ), zinc oxide (ZnO), polyvinylidene fluoride, polyvinylidene fluoride-co-trifluoroethylene , PVDF-TrFE), or a combination thereof.

상기 압전 재료는 마이크로 입자, 나노 입자, 나노 튜브, 나노 섬유, 나노 플레이트, 또는 이들의 조합의 형상을 가질 수 있다.The piezoelectric material may have the shape of micro particles, nano particles, nano tubes, nano fibers, nano plates, or a combination thereof.

상기 압전 재료는 상기 압전 층의 탄성 중합체 내에 분산되어 있을 수 있다.The piezoelectric material may be dispersed in the elastomer of the piezoelectric layer.

상기 압전 재료는 상기 압전 층의 탄성 중합체 함량에 대하여 1 중량% 내지 50 중량%로 포함될 수 있다.The piezoelectric material may be included in an amount of 1 wt% to 50 wt% based on the elastomeric content of the piezoelectric layer.

제1 전극 층 및 제2 전극 층에 포함되는 전도성 재료는 각각 독립적으로 탄소 나노튜브, 은 나노와이어, 구리 나노와이어, 그래핀, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.The conductive material included in the first electrode layer and the second electrode layer may each independently include carbon nanotubes, silver nanowires, copper nanowires, graphene, or a combination thereof.

상기 제1 전극 층은 전도성 재료 및 상기 전도성 재료 사이를 점유하는 탄성 중합체를 포함하는 제1 전도성 재료 층, 그리고 상기 제1 전도성 재료 층 위에 형성되고 탄성 중합체를 포함하는 제1 보호층을 포함하고, 상기 제2 전극 층은 전도성 재료 및 상기 전도성 재료 사이를 점유하는 탄성 중합체를 포함하는 제2 전도성 재료 층, 그리고 상기 제2 전도성 재료 층 위에 형성되고 탄성 중합체를 포함하는 제2 보호층을 포함할 수 있다.The first electrode layer comprises a first conductive material layer comprising a conductive material and an elastomer occupying between the conductive material, and a first protective layer formed over the first conductive material layer and comprising an elastomer, The second electrode layer may comprise a second conductive material layer comprising a conductive material and an elastomer occupying between the conductive material, and a second protective layer formed over the second conductive material layer and comprising an elastomer. have.

상기 압전 층은 10 ㎛ 내지 1 mm 의 두께를 가질 수 있다.The piezoelectric layer may have a thickness of 10 μm to 1 mm.

상기 제1 전극 층 및 제2 전극 층은 각각 독립적으로 1 ㎛ 내지 수십 ㎛의 두께를 가질 수 있다.The first electrode layer and the second electrode layer may each independently have a thickness of 1 μm to several tens of μm.

상기 중앙부의 공동으로 유체가 유입됨에 따라 형상의 변형이 일어날 수 있다.As the fluid enters the cavity of the central portion, deformation of the shape may occur.

내부 또는 외부에 압력이 가해짐에 따라 형상의 변형이 일어날 수 있다.Deformation of the shape may occur as pressure is applied to the inside or the outside.

다른 구현예에 따르면, 중공사 구조를 가지는 압전 에너지 하베스터의 제조방법으로서, 기둥 형상의 템플릿에 희생 층(sacrificial layer)을 형성하는 단계, 상기 희생 층 위에 탄성 중합체 용액을 코팅한 후 그 위에 전도성 재료를 코팅하여 제1 전극 층을 형성하는 단계, 상기 제1 전극 층 위에 압전 재료가 분산된 탄성 중합체 용액을 코팅하여 압전 층을 형성하는 단계, 상기 압전 층 위에 전도성 재료를 코팅한 후 그 위에 탄성 중합체 용액을 코팅하여 제2 전극 층을 형성하는 단계, 그리고 상기 탬플릿 및 희생층을 제거하는 단계를 포함하는 압전 에너지 하베스터의 제조방법을 제공한다.According to another embodiment, a method of manufacturing a piezoelectric energy harvester having a hollow fiber structure, comprising: forming a sacrificial layer on a columnar template, coating an elastomeric solution on the sacrificial layer, and then forming a conductive material thereon Coating to form a first electrode layer, coating a elastomer solution in which a piezoelectric material is dispersed on the first electrode layer to form a piezoelectric layer, coating a conductive material on the piezoelectric layer, and then applying an elastomer thereon A method of manufacturing a piezoelectric energy harvester comprising coating a solution to form a second electrode layer, and removing the template and the sacrificial layer.

상기 희생 층은 유기 고분자 용액을 상기 탬플릿 위에 코팅하여 형성될 수 있다.The sacrificial layer may be formed by coating an organic polymer solution on the template.

상기 제1 전극 층, 제2 전극 층, 및 압전 층을 형성함에 있어 탄성 중합체 용액의 코팅은 딥 코팅 또는 다이 코팅 방식에 의해 수행될 수 있다.In forming the first electrode layer, the second electrode layer, and the piezoelectric layer, coating of the elastomer solution may be performed by dip coating or die coating.

또 다른 구현예에 따르면, 상술한 압전 에너지 하베스터를 포함하는 웨어러블 장치를 제공한다.According to another embodiment, a wearable device including the piezoelectric energy harvester described above is provided.

일 구현예는 중공사 구조를 가지는 압전 에너지 하베스터로서 기계적 자유도가 높아 반복적인 움직임에도 섬유의 손상도를 최소화할 수 있다. 또한, 상기 압전 에너지 하베스터는 유연성뿐만 아니라 신축성까지 확보하여 다양한 방향에서 오는 기계적 에너지를 수확할 수 있어 웨어러블 기기의 전력원으로서 적합하다.One embodiment is a piezoelectric energy harvester having a hollow fiber structure has a high degree of mechanical freedom can minimize the damage of the fiber even in repeated movements. In addition, the piezoelectric energy harvester is suitable as a power source of a wearable device because it can harvest mechanical energy coming from various directions by securing flexibility as well as flexibility.

다른 일 구현예는 상기 압전 에너지 하베스터의 제조방법에 관한 것으로 간소한 공정에 의해 신축성을 구비하면서도 에너지 수확도가 높은 압전 에너지 하베스터를 제조할 수 있다.Another embodiment relates to a method of manufacturing the piezoelectric energy harvester, and can provide a piezoelectric energy harvester having high energy harvest while having elasticity by a simple process.

도 1은 일 구현예에 따른 압전 에너지 하베스터를 도시한 단면도이다.
도 2는 일 구현예에 따른 압전 에너지 하베스터가 유체의 주입에 의해 에너지를 수확할 수 있음을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 구현예에 따른 압전 에너지 하베스터를 사용하여 제작된 천을 도시한 도면이다.
도 4는 실시예 1에서 제조된 압전 에너지 하베스터의 단면을 보여주는 주사전자현미경 사진이다.
도 5는 실시예 1에서 제조된 압전 에너지 하베스터에서 전도성 재료 층 표면을 보여주는 주사전자현미경 사진이다.
도 6은 실시예 1에서 제조된 압전 에너지 하베스터의 물 주입 전후의 외관을 보여주는 사진이다.
도 7은 압전 에너지 하베스터의 공동부에 물을 주입한 후 시간에 따른 출력 전압을 나타낸 그래프이다.
도 8은 실시예 1에서 제조된 압전 에너지 하베스터에 외부 압력을 가하여 신축성을 평가하는 모습을 보여주는 사진이다.
도 9 내지 11은 각각 실시예 1에서 제조된 압전 에너지 하베스터의 시간에 따른 저항 변화를 나타내는 그래프이다.
도 12는 실시예 1에서 제조된 압전 에너지 하베스터에 오실로스코프를 정방향 연결(forward connection)하여 스트레칭을 가할 경우 시간에 따른 출력 전압을 나타낸 그래프이다.
도 13은 실시예 1에서 제조된 압전 에너지 하베스터에 오실로스코프를 역방향 연결(reverse connection)하여 스트레칭을 가할 경우 시간에 따른 출력 전압을 나타낸 그래프이다.1 is a cross-sectional view illustrating a piezoelectric energy harvester according to an embodiment.
2 is a view for explaining that the piezoelectric energy harvester according to one embodiment may harvest energy by injection of a fluid.
3 is a view illustrating a fabric manufactured using a piezoelectric energy harvester according to an embodiment.
4 is a scanning electron micrograph showing a cross section of the piezoelectric energy harvester prepared in Example 1. FIG.
5 is a scanning electron micrograph showing the surface of the conductive material layer in the piezoelectric energy harvester prepared in Example 1. FIG.
Figure 6 is a photograph showing the appearance before and after the water injection of the piezoelectric energy harvester prepared in Example 1.
7 is a graph showing the output voltage over time after injecting water into the cavity of the piezoelectric energy harvester.
FIG. 8 is a photograph showing a state in which elasticity is evaluated by applying external pressure to the piezoelectric energy harvester manufactured in Example 1. FIG.
9 to 11 are graphs showing the resistance change with time of the piezoelectric energy harvester manufactured in Example 1, respectively.
FIG. 12 is a graph showing output voltage over time when stretching is performed by forward connecting an oscilloscope to the piezoelectric energy harvester manufactured in Example 1. FIG.
FIG. 13 is a graph showing an output voltage over time when stretching is performed by reversely connecting an oscilloscope to the piezoelectric energy harvester manufactured in Example 1. FIG.

이하, 본 발명의 구현예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예에 한정되지 않는다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily practice. As those skilled in the art would realize, the described embodiments may be modified in various different ways, all without departing from the spirit or scope of the present invention.

도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우 뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.In the drawings, the thickness of layers, films, panels, regions, etc., are exaggerated for clarity. Like parts are designated by like reference numerals throughout the specification. When a portion of a layer, film, region, plate, etc. is said to be "on top" of another part, this includes not only when the other part is "right over" but also when there is another part in the middle. On the contrary, when a part is "just above" another part, there is no other part in the middle.

도 1을 참고하여 일 구현예에 따른 압전 에너지 하베스터를 설명한다.A piezoelectric energy harvester according to an embodiment will be described with reference to FIG. 1.

도 1은 일 구현예에 따른 압전 에너지 하베스터를 도시한 단면도이다. 1 is a cross-sectional view illustrating a piezoelectric energy harvester according to an embodiment.

도 1을 참고하면, 압전 에너지 하베스터(100)는 중앙부의 공동(h)을 둘러싸는 압전 층(10), 압전 층(10)의 내측 면에 코팅되어 있는 제1 전극 층(20), 그리고 압전 층(10)의 외측 면에 코팅되어 있는 제2 전극 층(30)을 포함한다.Referring to FIG. 1, the piezoelectric energy harvester 100 includes a piezoelectric layer 10 surrounding a cavity h of a central portion, a first electrode layer 20 coated on an inner side of the piezoelectric layer 10, and a piezoelectric element. And a second electrode layer 30 coated on the outer side of the layer 10.

압전 층(10)은 압전 재료 및 탄성 중합체를 포함한다.The piezoelectric layer 10 includes a piezoelectric material and an elastomer.

상기 압전 재료는 압전 층(10)에 압전 특성을 부여하는 요소로서 예컨대 티탄산연(lead titanate, PbTiO3), 티탄산지르콘산연(lead zirconate titanate, PZT), 티탄산바륨(barium titanate, BaTiO3), 산화나이오븀화칼륨(KNbO3), 산화탄탈륨화 리튬(LiTaO3), 산화텅스텐화 나트륨(Na2WO3), 산화 아연(ZnO), 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride), 폴리비닐리덴 플루오라이드-코-트리플루오로에틸렌(polyvinylidene fluoride-co-trifluoroethylene, PVDF-TrFE), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The piezoelectric material is, for example, lead titanate (PbTiO 3 ), lead zirconate titanate (PZT), barium titanate (BaTiO 3 ), and oxide as elements that impart piezoelectric properties to the piezoelectric layer 10. Potassium niobium (KNbO 3 ), lithium tantalum oxide (LiTaO 3 ), sodium tungsten oxide (Na 2 WO 3 ), zinc oxide (ZnO), polyvinylidene fluoride, polyvinylidene fluoride Polyvinylidene fluoride-co-trifluoroethylene (PVDF-TrFE), or a combination thereof, but is not limited thereto.

예를 들어, 상기 압전 재료는 상기 탄성 중합체 내에 분산된 상태로 존재할 수 있으며, 그 형상은 상기 탄성 중합체 내에서의 분산성을 고려하여 적절히 선택할 수 있다. 상기 압전 재료는 예컨대 마이크로 입자, 나노 입자, 나노 튜브, 나노 섬유, 나노 플레이트, 또는 이들의 조합으로 이루어진 형상을 가질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.For example, the piezoelectric material may be present in a dispersed state in the elastomer, and the shape thereof may be appropriately selected in consideration of the dispersibility in the elastomer. The piezoelectric material may have, for example, a shape made of microparticles, nanoparticles, nanotubes, nanofibers, nanoplates, or a combination thereof, but is not limited thereto.

예를 들어, 상기 압전 재료는 상기 압전 층의 탄성 중합체 함량에 대하여 1 중량% 내지 50 중량%, 5 중량% 내지 40 중량%, 또는 10 중량% 내지 30 중량%의 함량으로 포함될 수 있으며, 압전 층(10)에 부여하고자 하는 압전 정도나 신축성 등을 고려하여 적절히 선택할 수 있다.For example, the piezoelectric material may be included in an amount of 1% by weight to 50% by weight, 5% by weight to 40% by weight, or 10% by weight to 30% by weight based on the elastomer content of the piezoelectric layer. It may be appropriately selected in consideration of the degree of piezoelectricity, elasticity, etc. to be imparted to (10).

상기 탄성 중합체는 그 자체가 탄성력을 가지는 것으로, 예를 들어 실리콘 또는 고무 따위가 이에 해당되며, 보다 구체적으로는 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS), 폴리우레탄(polyurethane), 천연고무(natural rubber), 실리콘 고무(silicone rubber), 아크릴 고무(acrylic rubber), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.The elastic polymer itself has an elastic force, for example, such as silicone or rubber, more specifically, polydimethylsiloxane (PDMS), polyurethane (polyurethane), natural rubber (natural rubber), Silicone rubber, acrylic rubber, or a combination thereof may be included, but is not limited thereto.

예를 들어, 압전 층(10)의 두께는 10 μm 내지 1 mm일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.For example, the thickness of the piezoelectric layer 10 may be 10 μm to 1 mm, but is not limited thereto.

일 구현예에 따른 압전 에너지 하베스터(100)는 압전 층(10)에 신축성을 지닌 탄성 중합체 및 그 사이에 수 마이크로미터 이하의 크기를 갖는 압전 재료 요소들이 분포함에 따라, 신축성을 지니면서도 높은 압전 특성을 나타낼 수 있다.The piezoelectric energy harvester 100 according to an embodiment is a stretchable and high piezoelectric material as the elastic elastomer having elasticity in the piezoelectric layer 10 and piezoelectric material elements having a size of several micrometers or less are distributed therebetween. Can exhibit characteristics.

한편, 압전 층(10)의 내측 면에는 제1 전극 층(20)이, 압전 층(10)의 외측 면에는 제2 전극 층(30)이 각각 코팅되어 있다.The first electrode layer 20 is coated on the inner surface of the piezoelectric layer 10, and the second electrode layer 30 is coated on the outer surface of the piezoelectric layer 10.

제1 전극 층(20) 및 제2 전극 층(30)은 각각 전도성 재료(21, 31) 및 탄성 중합체(22, 32)를 포함한다.The first electrode layer 20 and the second electrode layer 30 comprise conductive materials 21, 31 and elastomers 22, 32, respectively.

제1 전극 층(20) 및 제2 전극 층(30)은 전도성 재료(21, 31)가 하층부에 위치하고 전도성 재료(21, 31)의 상층부 및 전도성 재료(21, 31)의 사이의 빈 공간에 탄성 중합체(22, 32)가 위치하는 구조를 가진다. The first electrode layer 20 and the second electrode layer 30 are disposed in an empty space between the conductive material 21, 31 and the upper layer of the conductive material 21, 31 and the conductive material 21, 31. It has a structure in which the elastomers 22 and 32 are located.

전도성 재료(21, 31)는 탄소 나노튜브, 은 나노와이어, 구리 나노와이어, 그래핀, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으며, 제1 전극 층(20) 및 제2 전극 층(30)에 전도성을 부여할 수 있는 것이라면 특별히 제한되지 않는다. 상기 탄소 나노튜브는 MWCNT (Multi-Walled Carbon Nanotubes)뿐만 아니라 SWCNT(Single-Walled Carbon Nanotubes)도 사용할 수 있다. Conductive materials 21 and 31 may comprise carbon nanotubes, silver nanowires, copper nanowires, graphene, or combinations thereof, and are conductive to first electrode layer 20 and second electrode layer 30. If it can be given is not particularly limited. The carbon nanotubes may be used not only MWCNT (Multi-Walled Carbon Nanotubes) but also SWCNT (Single-Walled Carbon Nanotubes).

예를 들어, 제1 전극 층(20)의 탄성 중합체는 상기 제1 전극 층에 포함된 복수 개의 탄소 나노튜브 가닥들(21) 사이의 공간을 점유하고, 제2 전극 층의 탄성 중합체(30)는 상기 제2 전극 층에 포함된 복수 개의 탄소 나노튜브 가닥들(31) 사이의 공간을 점유하여 존재할 수 있다.For example, the elastomer of the first electrode layer 20 occupies a space between the plurality of carbon nanotube strands 21 included in the first electrode layer, and the elastomer 30 of the second electrode layer May occupy a space between the plurality of carbon nanotube strands 31 included in the second electrode layer.

본 명세서에서 제1 전극 층(20) 및 제2 전극 층(30)은 전도성 재료가 이루는 하부층(21, 31)을 포함하는 개념이므로, 제1 전극 층(20) 및 제2 전극 층(30)의 두께는 전도성 재료가 이루는 하부층(21, 31)의 두께보다 큰 값을 가진다. 예를 들어, 제1 전극 층(20) 및 제2 전극 층(30)의 두께는 각각 독립적으로 1 μm 내지 수십 μm일 수 있고, 전도성 재료가 이루는 하부층(21, 31)의 두께는 각각 독립적으로 10 nm 내지 수십 μm일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In the present specification, since the first electrode layer 20 and the second electrode layer 30 are concepts including the lower layers 21 and 31 of the conductive material, the first electrode layer 20 and the second electrode layer 30 are formed. Has a value larger than the thickness of the lower layers 21 and 31 of the conductive material. For example, the thicknesses of the first electrode layer 20 and the second electrode layer 30 may be each independently 1 μm to several tens of μm, and the thicknesses of the lower layers 21 and 31 of the conductive material may be independently. 10 nm to several tens of μm, but is not limited thereto.

제1 전극 층(20) 및 제2 전극 층(30)은 전도성 재료가 이루는 하부층(21, 31) 위에 탄성 중합체가 이루는 층(22, 32)을 각각 포함한다. 상기 탄성 중합체가 이루는 층(22, 32)을 '보호층'이라고도 명명한다.The first electrode layer 20 and the second electrode layer 30 include layers 22 and 32 made of an elastomer on the lower layers 21 and 31 made of a conductive material, respectively. The layers 22 and 32 of the elastomer are also called 'protective layers'.

압전 에너지 하베스터(100)는 보호층(22, 32)을 구비함으로써 압전 층(10) 또는 전도성 재료가 이루는 하부층(21, 31)을 수분이나 공기와의 접촉으로부터 차단할 수 있다.The piezoelectric energy harvester 100 may include the protective layers 22 and 32 to shield the piezoelectric layer 10 or the lower layers 21 and 31 made of the conductive material from contact with moisture or air.

보호층(22, 32)에 포함되는 탄성 중합체는 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS), 폴리우레탄(polyurethane), 천연고무(natural rubber), 실리콘 고무(silicone rubber), 아크릴 고무(acrylic rubber), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The elastomer included in the protective layers 22 and 32 may be polydimethylsiloxane (PDMS), polyurethane, natural rubber, silicone rubber, acrylic rubber, or Combinations thereof may be included, but are not limited thereto.

제1 전극 층(20) 및 제2 전극 층(30)은 전도성 재료가 이루는 하부층(21, 31)을 포함함으로써 압전 층(10)의 압전 재료와 전기적 네트워크를 형성할 수 있다. The first electrode layer 20 and the second electrode layer 30 may include lower layers 21 and 31 made of a conductive material to form an electrical network with the piezoelectric material of the piezoelectric layer 10.

한편, 전도성 재료가 이루는 하부층(21, 31)은 상술한 바와 같이 탄소 나노튜브, 은 나노와이어, 구리 나노와이어, 그래핀 등을 포함할 수 있으며, 이 경우 하부층(21, 31)에는 필연적으로 빈 공간이 발생하게 되는데, 이러한 빈 공간을 탄성 중합체가 점유함으로서 제1 전극 층(20) 및 제2 전극 층(30)에 유연성 및 신축성을 부여할 수 있다. Meanwhile, as described above, the lower layers 21 and 31 of the conductive material may include carbon nanotubes, silver nanowires, copper nanowires, graphene, and the like, and in this case, the lower layers 21 and 31 may be empty. The space is generated, and the space occupied by the elastomer may impart flexibility and elasticity to the first electrode layer 20 and the second electrode layer 30.

또한, 제1 전극 층(20) 및 제2 전극 층(30)은 탄성 중합체가 이루는 층(22, 32), 즉 보호층을 구비함으로써 압전 층(10) 또는 전도성 재료가 이루는 하부층(21, 31)을 수분이나 공기와의 접촉으로부터 차단할 수 있다.In addition, the first electrode layer 20 and the second electrode layer 30 are provided with layers 22 and 32 made of an elastomer, that is, a protective layer, so that the piezoelectric layer 10 or the lower layers 21 and 31 made of a conductive material. ) Can be isolated from contact with moisture or air.

일 구현예에 따른 압전 에너지 하베스터(100)는 압전 층(10)뿐만 아니라 전극 층(20, 30)에도 탄성 중합체 소재를 적용함에 따라 기계적 자유도를 확보하면서도 신축성을 더욱 강화할 수 있다. 이에 따라 일 구현예에 따른 압전 에너지 하베스터(100)는 예컨대 구부러짐, 늘어남, 꼬임 등 다양한 방향에서 오는 기계적 에너지뿐만 아니라 섬유 내부에서 발생하는 액체 압력 변화에 대해서도 에너지를 수확할 수 있다. 다시 말해, 일 구현예에 따른 압전 에너지 하베스터(100)는 외부뿐만 아니라 내부에서 오는 다양한 방향의 압력에 의해 형상의 변형이 일어나 에너지를 수확할 수 있다. 또한, 일 구현예에 따른 압전 에너지 하베스터(100)는 중앙부의 공동으로 유체가 유입됨에 따라 형상의 변형이 일어나므로 액체의 압력 변화에 따른 에너지 수확도 가능하므로, 혈관의 생김새를 모사한 기기로서의 가능성도 지니고 있다. 도 2에서 볼 수 있듯이 유체(예컨대 액체)를 주입함에 따라 유체의 움직임에 의해 섬유의 변형이 일어나게 되면 해당하는 크기만큼의 전기적 에너지가 생성되고 이를 통해 액체에 대한 감지를 할 수 있고 압력에 따라 발생하는 신호의 크기를 분석하는 기기로서 사용될 수 있다. The piezoelectric energy harvester 100 according to an embodiment may further enhance elasticity while securing mechanical freedom by applying an elastomeric material to the electrode layers 20 and 30 as well as the piezoelectric layer 10. Accordingly, the piezoelectric energy harvester 100 according to an embodiment may harvest energy for not only mechanical energy coming from various directions, such as bending, stretching, and twisting, but also liquid pressure changes occurring inside the fiber. In other words, the piezoelectric energy harvester 100 according to an embodiment may harvest energy by deforming the shape by pressure in various directions coming from inside as well as outside. In addition, the piezoelectric energy harvester 100 according to the embodiment is a deformation of the shape as the fluid is introduced into the cavity of the central portion, so that energy harvesting is also possible according to the pressure change of the liquid, as a device that simulates the appearance of blood vessels It also has As shown in FIG. 2, when a fluid (for example, a liquid) is injected, deformation of the fiber occurs due to the movement of the fluid, and electrical energy of a corresponding size is generated, thereby detecting the liquid and generating the pressure. It can be used as a device for analyzing the magnitude of the signal.

예를 들어, 상술한 압전 에너지 하베스터(100)는 속이 빈 중공사 구조를 가지며, 도 3에 나타낸 바와 같이, 중공사 구조를 가지는 복수의 압전 에너지 하베스터를 엮어서 천으로 제작할 수 있다. 이러한 천은 스판 소재와 같이 신축성이 있어 착용자에게 편안함을 높여주면서도 웨어러블 기기들을 충전할 수 있는 전력을 인간의 움직임과 같은 기계적인 에너지로부터 얻을 수 있다. 특히, 상술한 압전 에너지 하베스터(100)는 인간의 신체에서는 약 50%의 변형률까지 나타나는데 이러한 기계적 에너지를 수확할 수 있다.For example, the piezoelectric energy harvester 100 described above has a hollow hollow fiber structure, and as shown in FIG. 3, a plurality of piezoelectric energy harvesters having a hollow fiber structure may be woven into a cloth. These fabrics, like span material, are stretchy, providing comfort to the wearer, while gaining the power to charge wearable devices from mechanical energy, such as human movement. In particular, the above-described piezoelectric energy harvester 100 appears in the human body up to about 50% strain, and this mechanical energy can be harvested.

다른 구현예에 따르면, 상술한 압전 에너지 하베스터를 포함하는 웨어러블 장치를 제공한다. 상기 웨어러블 장치는 예컨대 스마트워치, 스마트밴드, 스마트글라스 등 다양한 제품으로서 구현 가능하다.According to another embodiment, a wearable device including the piezoelectric energy harvester described above is provided. The wearable device may be implemented as various products such as a smart watch, a smart band, and a smart glass.

또 다른 구현예에 따르면, 신축성이 있는 중공사 구조를 가지는 압전 에너지 하베스터의 제조방법을 제공한다.According to another embodiment, a method of manufacturing a piezoelectric energy harvester having an elastic hollow fiber structure is provided.

상기 압전 에너지 하베스터의 제조방법은 기둥 형상의 템플릿에 희생 층(sacrificial layer)을 형성하는 단계(S1), 상기 희생 층 위에 탄성 중합체 용액을 코팅한 후 그 위에 전도성 재료를 코팅하여 제1 전극 층을 형성하는 단계(S2), 상기 제1 전극 층 위에 압전 재료가 분산된 탄성 중합체 용액을 코팅하여 압전 층을 형성하는 단계(S3), 상기 압전 층 위에 전도성 재료를 코팅한 후 그 위에 탄성 중합체 용액을 코팅하여 제2 전극 층을 형성하는 단계(S4), 그리고 상기 탬플릿 및 희생층을 제거하는 단계(S5)를 포함한다.In the method of manufacturing the piezoelectric energy harvester, forming a sacrificial layer on a columnar template (S1), coating an elastomeric solution on the sacrificial layer, and then coating a conductive material thereon to form a first electrode layer. Forming (S2), coating the elastomer solution in which the piezoelectric material is dispersed on the first electrode layer to form a piezoelectric layer (S3), coating the conductive material on the piezoelectric layer, and then applying the elastomer solution thereon. Coating (S4) to form a second electrode layer, and removing the template and the sacrificial layer (S5).

먼저, 기둥 형상의 템플릿에 희생 층(sacrificial layer)을 형성하는 단계(S1)에 관하여 설명한다. First, a step S1 of forming a sacrificial layer on a columnar template will be described.

상기 기둥 형상은 예컨대 원 기둥 형상일 수 있으며, 템플릿 소재는 한정되지 않으나 추후 제거의 용이성 등을 고려하여 예컨대 탄소심(carbon rod)을 템플릿으로서 사용할 수 있다. 상기 템플릿 위에 희생층을 형성하는데, 이는 템플릿으로부터 중공사 구조의 공사 구조의 나노제너레이터를 손쉽게 분리하기 위한 역할을 하게 된다. 상기 희생층은 예컨대 딥 코팅법, 다이코팅 법 등을 이용하여 형성될 수 있다. 희생층 소재는 한정되지 않으며 일반적으로 유기 고분자 소재를 채용하며 예컨대 폴리비닐알콜(PVA), 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidene fluoride), 폴리프로필렌(polypropylene, PP), 폴리에틸렌(polyethylene, PE), 또는 이들이 조합을 포함하며 원하는 두께나 물성에 따라 1종 또는 2종 이상을 사용할 수 있다. 상기 희생층 소재의 고분자를 용해하는 용매는 예컨대 물, 이소프로판올(isopropanol), 에탄올 등을 사용할 수 있다. 상기 희생층은 예컨대 1 μm 이하의 두께로 코팅할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 희생층의 코팅이 이루어지고 난 후 열처리를 진행한다.The column shape may be, for example, a circular column shape, but the template material is not limited, but in consideration of ease of removal, for example, a carbon rod may be used as a template. A sacrificial layer is formed on the template, which serves to easily separate the nanogenerator of the hollow fiber structure from the template. The sacrificial layer may be formed using, for example, a dip coating method or a die coating method. The sacrificial layer material is not limited and generally employs organic polymer materials such as polyvinyl alcohol (PVA), polyvinylidene fluoride, polypropylene (PP), polyethylene (PE), or these Combinations may be included and one or two or more may be used depending on the desired thickness or physical properties. As a solvent for dissolving the polymer of the sacrificial layer material, water, isopropanol, ethanol and the like can be used. For example, the sacrificial layer may be coated with a thickness of 1 μm or less, but is not limited thereto. After the sacrificial layer is coated, heat treatment is performed.

상기 희생 층이 형성되면 그 위에 탄성 중합체 용액을 코팅한 후 그 위에 전도성 재료를 코팅하여 제1 전극 층을 형성하는 단계(S2)를 거친다. When the sacrificial layer is formed, the elastomeric solution is coated thereon, and then a conductive material is coated thereon to form a first electrode layer (S2).

상기 탄성 중합체 용액을 상기 희생 층 위에 코팅함으로써 상술한 제1 전극 층의 상층부에 위치하는 소위 보호층을 형성되며, 상기 탄성 중합체 용액은 상술한 탄성 중합체을 클로로폼(chloroform)이나 헥산(hexane) 등의 용매에 용해하여 제조된다. 이 때 상기 용매의 함량을 조절함으로써 탄성 중합체 용액의 점도를 조절할 수 있다. 상기 탄성 중합체에 관한 상세는 앞서 설명한 바와 같다. 상기 중합체 용액의 코팅은 예컨대 딥 코팅법, 다이코팅 법 등을 기법을 이용할 수 있다.By coating the elastomer solution on the sacrificial layer, a so-called protective layer is formed on the upper layer of the first electrode layer, and the elastomer solution is formed of the above-mentioned elastomer in chloroform or hexane. It is prepared by dissolving in a solvent. At this time, the viscosity of the elastomer solution may be adjusted by adjusting the content of the solvent. Details of the elastomer are as described above. For the coating of the polymer solution, for example, a dip coating method, a die coating method, or the like may be used.

상기 탄성 중합체 용액을 코팅한 다음 그 위에 전도성 재료를 코팅하여 제1 전극 층을 형성한다. 전도성 재료는 상술한 바와 같이 탄소 나노튜브, 은 나노와이어, 구리 나노와이어, 그래핀, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으며, 이들 전도성 재료는 예컨대 물, 톨루엔, 메탄올, 이소프로판올 등의 용매에 분산된 용액 상태로 스프레이 코팅법을 이용하여 상기 탄성 중합체의 코팅 층 위에 형성될 수 있다. 상기 전도성 재료의 분산액에 poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate (PEDOT:PSS)와 같은 첨가제를 더 첨가할 경우 전도성을 보다 높일 수 있다. 상기 전도성 재료의 분산액을 스프레이 코팅법을 이용하여 코팅할 때에 온도를 소정 온도 이상, 예컨대 100℃ 이상으로 설정하면 코팅과 동시에 용매의 증발을 유도하여 전극 층의 균일성을 높일 수 있다. The elastomeric solution is coated and then a conductive material is coated thereon to form a first electrode layer. The conductive material may comprise carbon nanotubes, silver nanowires, copper nanowires, graphene, or a combination thereof as described above, and these conductive materials may be dispersed in a solvent such as water, toluene, methanol, isopropanol, and the like. It may be formed on the coating layer of the elastomer using a spray coating method in a solution state. When the additive of poly (3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate (PEDOT: PSS) is further added to the dispersion of the conductive material, the conductivity may be increased. When the dispersion of the conductive material is coated using a spray coating method, when the temperature is set to a predetermined temperature or more, for example, 100 ° C. or more, evaporation of the solvent may be induced simultaneously with coating to increase uniformity of the electrode layer.

다음으로, 상기 제1 전극 층 위에 압전 재료가 분산된 탄성 중합체 용액을 코팅하여 압전 층을 형성하는 단계(S3)를 거친다. Next, the step of forming a piezoelectric layer by coating an elastomer solution in which a piezoelectric material is dispersed on the first electrode layer (S3).

상기 압전 재료가 분산된 탄성 중합체 용액은 클로로폼(chloroform)이나 헥산(hexane) 등의 용매에 상술한 탄성 중합체를 용해하여 제조되며, 이 때 상기 용매의 함량을 조절함으로써 탄성 중합체 용액의 점도를 조절할 수 있다. 상기 상기 압전 재료가 분산된 탄성 중합체 용액은 예컨대 딥 코팅법, 다이코팅 법 등을 이용하여 형성될 수 있다. 상기 탄성 중합체 및 압전 재료에 관한 상세는 앞서 설명한 바와 같다.The elastomer solution in which the piezoelectric material is dispersed is prepared by dissolving the above-mentioned elastomer in a solvent such as chloroform or hexane. In this case, the viscosity of the elastomer solution is controlled by controlling the content of the solvent. Can be. The elastomer solution in which the piezoelectric material is dispersed may be formed using, for example, a dip coating method or a die coating method. Details of the elastomer and the piezoelectric material are as described above.

다음으로, 상기 압전 층 위에 전도성 재료를 코팅한 후 그 위에 탄성 중합체 용액을 코팅하여 제2 전극 층을 형성하는 단계(S4)를 거친다. 제2 전극층을 형성하는 단계(S4)는 앞서 설명한 1 전극 층을 형성하는 단계(S2)와 동일하되 전도성 재료를 먼저 코팅한 후 그 위에 탄성 중합체 용액을 코팅하여 보호층을 형성한다는 차이점이 있다.Next, after the conductive material is coated on the piezoelectric layer, an elastomer solution is coated thereon to form a second electrode layer (S4). The step S4 of forming the second electrode layer is the same as the step S2 of forming the first electrode layer described above, except that the conductive material is first coated and then the elastomer solution is coated thereon to form a protective layer.

제2 전극 층을 형성한 후 상기 탬플릿 및 희생층을 제거하는 단계(S5)를 거쳐 압전 에너지 하베스터의 제조를 완성한다.After forming the second electrode layer, the step of removing the template and the sacrificial layer (S5) is completed to manufacture the piezoelectric energy harvester.

상술한 압전 에너지 하베스터의 제조방법에 따르면, 비교적 간소한 공정에 의해 신축성 및 유연성을 동시에 확보할 수 있는 압전 에너지 하베스터를 제조할 수 있다. According to the manufacturing method of the above-mentioned piezoelectric energy harvester, the piezoelectric energy harvester which can ensure elasticity and flexibility simultaneously by a comparatively simple process can be manufactured.

이하 실시예를 통하여 상술한 본 발명의 구현예를 보다 상세하게 설명한다. 다만 하기의 실시예는 단지 설명의 목적을 위한 것이며 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.Through the following examples will be described in more detail the embodiment of the present invention. However, the following examples are merely for illustrative purposes and do not limit the scope of the present invention.

압전 에너지 Piezoelectric energy 하베스터의Harvester 제조 Produce

실시예Example 1 One

(1) 희생 층 제조(1) sacrificial layer manufacturing

폴리비닐필롤리돈을 희생 층을 구성하는 고분자로 선택하여 에탄올(ethanol)에 녹여 희생층 용액을 준비한다. 탄소심(carbon rod) 위에 딥 코팅법(dip coating)을 이용하여 폴리비닐필로리돈을 1 μm 이하로 코팅을 해준다. 코팅이 이루어지고 나서 희생 층의 열처리를 100 ℃에서 진행하여 희생층을 형성한다.Polyvinylpyrrolidone is selected as a polymer constituting the sacrificial layer and dissolved in ethanol to prepare a sacrificial layer solution. The polyvinylpyrrolidone is coated to less than 1 μm using a dip coating method on a carbon rod. After the coating is performed, heat treatment of the sacrificial layer is performed at 100 ° C. to form a sacrificial layer.

(2) 제1 전극 층 제조(2) preparing the first electrode layer

폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS) prepolymer와 curing agent를 15:1의 비율로 섞고 점성 조절을 위하여 클로로폼(chloroform)을 첨가하여 탄성 중합체 용액을 준비한다. 이어서 상기 희생 층에 위에 상기 탄성 중합체 용액을 딥 코팅법으로 약 50 μm의 두께로 코팅한다 (보호층 형성).A polydimethylsiloxane (PDMS) prepolymer and curing agent are mixed at a ratio of 15: 1 and chloroform is added for viscosity control to prepare an elastomer solution. The elastomeric solution is then coated on the sacrificial layer to a thickness of about 50 μm by dip coating (protective layer formation).

상기 보호 층 위에 전도성 재료 층을 형성하기 위하여 탄소나노튜브(MWCNT)를 에탄올에 분산시켜 농도는 2 mg/ml의 분산액을 제조한다. 다음으로, 상기 분산액에 poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate (PEDOT:PSS)를 소량 첨가한다. 제조된 분산액을 스프레이 코팅법으로 보호 층에 코팅한다. 핫플레이트의 온도를 100 ℃로 설정하여 열처리하여 제1 전극 층을 형성한다.In order to form a conductive material layer on the protective layer, carbon nanotubes (MWCNT) are dispersed in ethanol to prepare a dispersion having a concentration of 2 mg / ml. Next, a small amount of poly (3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate (PEDOT: PSS) is added to the dispersion. The prepared dispersion is coated on the protective layer by spray coating. The temperature of the hot plate is set to 100 ° C. to heat treatment to form the first electrode layer.

(3) 압전 층 제조(3) piezoelectric layer manufacturing

폴리디메틸실록산 prepolymer와 PVDF-TrFE 나노입자의 질량비가 7:3, 그리고 prepolymer와 curing의 질량비가 15:1이 되도록 섞어준다. 그리고 나서 prepolymer와 클로로폼의 질량비가 4:3이 되도록 클로로폼을 첨가한다. 준비된 용액을 딥 코팅법을 이용하여 상기 제1 전극층 위에 코팅하여 압전 층을 형성한다.The mass ratio of polydimethylsiloxane prepolymer and PVDF-TrFE nanoparticles is 7: 3 and the mass ratio of prepolymer and curing is 15: 1. Then add chloroform so that the mass ratio of prepolymer to chloroform is 4: 3. The prepared solution is coated on the first electrode layer by using a dip coating method to form a piezoelectric layer.

(4) 제2 전극 층 제조(4) fabrication of the second electrode layer

전도성 재료 층을 먼저 형성한 후 그 위에 탄성 중합체 용액을 코팅하여 보호층을 형성한다는 점을 제외하고는 상기 제1 전극 층의 제조방법과 동일하게 하여 제2 전극 층을 제조한다.A second electrode layer is prepared in the same manner as the method for preparing the first electrode layer except that the conductive material layer is first formed and then the elastomeric solution is coated thereon to form a protective layer.

(5) 템플릿 및 (5) templates and 희생층Sacrificial layer 분리 Separation

제2 전극 층을 형성한 후 상기 탬플릿 및 희생층을 제거하여 압전 에너지 하베스터를 얻는다.After forming the second electrode layer, the template and the sacrificial layer are removed to obtain a piezoelectric energy harvester.

평가 1: 주사전자현미경 관찰Evaluation 1: Scanning Electron Microscopy

실시예 1에서 제조된 압전 에너지 하베스터의 단면을 주사전자현미경을 이용하여 관찰한다. The cross section of the piezoelectric energy harvester prepared in Example 1 was observed using a scanning electron microscope.

도 4는 실시예 1에서 제조된 압전 에너지 하베스터의 단면을 보여주는 주사전자현미경 사진이다.4 is a scanning electron micrograph showing a cross section of the piezoelectric energy harvester prepared in Example 1. FIG.

도 4를 참고하면, 중앙부에 공동이 존재하며 여러 개의 층으로 이루어져 있는 것을 확인할 수 있다. 구체적으로 공동부 위에 PDMS 층 (보호층), MWCNT 층 (전도성 재료 층), PDMS/P(VDF-TrFE) PDMS/PVDF-TrFE 층 (압전 재료 층), MWCNT 층 (전도성 재료 층) 및 PDMS 층(보호층)이 순차로 형성되어 있음을 확인할 수 있다.Referring to Figure 4, it can be seen that there is a cavity in the center and consists of several layers. Specifically above the cavity the PDMS layer (protective layer), MWCNT layer (conductive material layer), PDMS / P (VDF-TrFE) PDMS / PVDF-TrFE layer (piezoelectric material layer), MWCNT layer (conductive material layer) and PDMS layer It can be confirmed that the (protective layer) is formed sequentially.

도 5는 실시예 1에서 제조된 압전 에너지 하베스터에서 전도성 재료 층 표면에 대한 주사전자현미경 사진이다. 전도성 재료 층 표면을 위에서 내려볼 때의 사진으로서, 압전재료 층에 탄소나노튜브가 빠짐없이 증착되어 있는 것을 확인할 수 있다. 길이와 지름의 비가 큰 나노소재를 활용하여 전극을 제작함으로써 나노제너레이터가 늘어났을 때에도 전도성이 많이 떨어지지 않고 잘 유지될 수 있음을 예상할 수 있다. FIG. 5 is a scanning electron micrograph of the surface of the conductive material layer in the piezoelectric energy harvester prepared in Example 1. FIG. As a photograph when the surface of the conductive material layer is viewed from above, it can be seen that carbon nanotubes are deposited on the piezoelectric material layer. By fabricating electrodes using nanomaterials with a high ratio of length and diameter, it can be expected that the conductivity can be maintained well without much drop even when the nanogenerator is increased.

평가 2: 내부 압력 변화에 따른 에너지 수확 여부 평가Evaluation 2: Assessing Energy Harvesting with Internal Pressure Change

실시예 1에서 제조된 압전 에너지 하베스터에 물을 주입하여 압전 에너지 하베스터의 외관 및 시간에 따른 출력 전압을 평가한다.Water is injected into the piezoelectric energy harvester manufactured in Example 1 to evaluate the appearance and output voltage of the piezoelectric energy harvester over time.

도 6은 실시예 1에서 제조된 압전 에너지 하베스터의 물 주입 전후의 외관을 보여주는 사진이다. Figure 6 is a photograph showing the appearance before and after the water injection of the piezoelectric energy harvester prepared in Example 1.

도 6을 참고하면, 압전 에너지 하베스터의 내부에서 액체 압력의 변화가 있는 경우 부풀어 오는 것을 볼 수 있는데 이를 통해 나노제너레이터 외부의 압력뿐만 아니라 내부의 압력에 대해서도 에너지를 수확할 수 있음을 확인할 수 있다.Referring to Figure 6, it can be seen that there is a swelling when there is a change in the liquid pressure inside the piezoelectric energy harvester, it can be seen that the energy can be harvested for the internal pressure as well as the pressure outside the nanogenerator.

도 7은 압전 에너지 하베스터의 공동부에 물을 주입한 후 시간에 따른 출력 전압을 나타낸 그래프이다. 7 is a graph showing the output voltage over time after injecting water into the cavity of the piezoelectric energy harvester.

도 7을 참고하면, 압전 에너지 하베스터의 공동부에 물을 반복적으로 주입 및 배출시킴에 따라 신호가 반복적으로 생성됨을 확인할 수 있으며, 이를 통해 웨어러블 기기로서의 가능성뿐만 아니라 파이프나 혈관 모사 등 다른 분양에서도 응용될 수 있을 것으로 예상된다.Referring to FIG. 7, it can be seen that the signal is repeatedly generated by repeatedly injecting and discharging water into the cavity of the piezoelectric energy harvester, and thus, may be applied not only as a wearable device but also in other forms such as pipe or blood vessel simulation. It is expected to be.

평가 3: 신축성 평가 1Evaluation 3: elasticity rating 1

실시예 1에서 제조된 압전 에너지 하베스터에 외부 압력을 가하여 압전 에너지 하베스터의 신축성을 평가한다. An external pressure is applied to the piezoelectric energy harvester manufactured in Example 1 to evaluate the elasticity of the piezoelectric energy harvester.

도 8은 실시예 1에서 제조된 압전 에너지 하베스터에 외부 압력을 가하여 신축성을 평가하는 모습을 보여주는 사진이다.FIG. 8 is a photograph showing a state in which elasticity is evaluated by applying external pressure to the piezoelectric energy harvester manufactured in Example 1. FIG.

도 8을 참고하면, 실시예 1에서 제조된 압전 에너지 하베스터는 약 100% 정도 늘어나도 끊어지지 않고 구조를 잘 유지되는 것을 알 수 있으며, 이는 곧 늘어나는 압력에 대해서도 에너지를 수확할 수 있음을 보여주는 것이다. 뿐만 아니라 굽혀짐과 꼬여짐에 대해서도 구조가 망가지지 않고 잘 유지되는 것을 보여준다.Referring to FIG. 8, it can be seen that the piezoelectric energy harvester manufactured in Example 1 is well maintained without breaking even when stretched by about 100%, which shows that energy can be harvested even with increasing pressure. . In addition, bending and twisting show that the structure remains unbroken and well maintained.

평가 4: 신축성 평가 2 (스트레인 평가)Evaluation 4: Elasticity Evaluation 2 (Strain Rating)

한편, 실시예 1에서 제조된 압전 에너지 하베스터의 길이를 2 cm 로 한 후 스트레인을 50%(늘어난 길이 1 cm), 30% (늘어난 길이 0.6 cm), 10% (늘어난 길이 0.2 cm)를 변경해주어 시간에 따른 저항 변화를 관찰하였다.Meanwhile, after changing the length of the piezoelectric energy harvester manufactured in Example 1 to 2 cm, the strain was changed to 50% (extended length 1 cm), 30% (extended length 0.6 cm), and 10% (extended length 0.2 cm). The change in resistance with time was observed.

도 9 내지 11은 각각 실시예 1에서 제조된 압전 에너지 하베스터의 시간에 따른 저항 변화를 나타내는 그래프로서, 구체적으로 스트레인(변형률)이 달라짐에 따라서 저항변화가 어떤 형태로, 얼마나 안정적으로 나타나는지를 보여주는 그래프이다.9 to 11 are graphs showing the resistance change with time of the piezoelectric energy harvester manufactured in Example 1, specifically, a graph showing how the resistance change is in what form and how stable as the strain (strain) is changed. to be.

도 9 내지 11을 참고하면, 실시예 1에서 제조된 압전 에너지 하베스터는 20 사이클 동안 스트레인 50%(늘어난 길이 1 cm), 30% (늘어난 길이 0.6 cm), 10% (늘어난 길이 0.2 cm)에서 각각 저항의 변화가 안정적으로 나타남을 알 수 있다. 또한 초기 저항이 사이클 발생 동안 올라가거나 줄어드는 현상이 없어 굉장히 안정적인 스트레인 센서임을 알 수 있다. 이는 제1 및 제2 전극 층에서 MWCNT 층 사이로 폴리디메틸실록산(PDMS) 용액이 스며듦에 따라 스트레칭이 발생하는 동안 MWCNT가 부서지지 않고 전도성을 양호하게 유지하는 것에 기인한 현상으로 이해된다.9 to 11, the piezoelectric energy harvesters prepared in Example 1 were each strained at 50% (extended length 1 cm), 30% (extended length 0.6 cm) and 10% (extended length 0.2 cm) for 20 cycles. It can be seen that the change in resistance is stable. In addition, the initial resistance does not rise or fall during the cycle, indicating a very stable strain sensor. This is understood to be a phenomenon due to the MWCNTs not breaking and maintaining good conductivity during stretching as the polydimethylsiloxane (PDMS) solution seeps between the MWCNT layers in the first and second electrode layers.

평가 5: 압전성 평가Evaluation 5: Piezoelectricity Evaluation

실시예 1에서 제조된 압전 에너지 하베스터에 오실로스코프(oscilloscope, 전압확인용)를 연결하여, 제조된 압전 에너지 하베스터가 압전 재료 기반의 에너지 하베스팅인지 확인한다.By connecting an oscilloscope (oscilloscope, for voltage checking) to the piezoelectric energy harvester manufactured in Example 1, it is checked whether the manufactured piezoelectric energy harvester is a piezoelectric material-based energy harvesting.

도 12는 실시예 1에서 제조된 압전 에너지 하베스터에 오실로스코프를 정방향 연결(forward connection)하여 스트레칭을 가할 경우 시간에 따른 출력 전압을 나타낸 그래프이고, 도 13은 실시예 1에서 제조된 압전 에너지 하베스터에 오실로스코프를 역방향 연결(reverse connection)하여 스트레칭을 가할 경우 시간에 따른 출력 전압을 나타낸 그래프이다..12 is a graph showing an output voltage with time when the oscilloscope is stretched by forward connection to the piezoelectric energy harvester manufactured in Example 1, and FIG. 13 is an oscilloscope for the piezoelectric energy harvester manufactured in Example 1; This graph shows the output voltage with time when stretching by reverse connection.

도 12 및 13을 참고하면, 2개 그래프의 피크 크기가 반대로 되고 그 크기는 비슷하며, 이에 따라 상기 전기적 에너지는 상기 압전 에너지 하베스터의 압전성에 의해 생성된 것임을 확인할 수 있다.12 and 13, it can be seen that the peak sizes of the two graphs are reversed and their sizes are similar, whereby the electrical energy is generated by the piezoelectricity of the piezoelectric energy harvester.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구 범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.Although the preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and improvements of those skilled in the art using the basic concepts of the present invention defined in the following claims are also provided. It belongs to the scope of the invention.

100 압전 에너지 하베스터 10 압전 층
20 제1 전극 층 30 제2 전극 층
21, 31 전도성 재료 22, 32 탄성 중합체100 Piezoelectric Energy Harvester 10 Piezoelectric Layer
20 First electrode layer 30 Second electrode layer
21, 31 Conductive Material 22, 32 Elastomer

Claims (16)

중공사 구조를 가지는 압전 에너지 하베스터로서,
중앙부의 공동(hollow)을 둘러싸고 압전 재료 및 탄성 중합체를 포함하는 압전 층,
상기 압전 층의 내측 면에 코팅되어 있고 전도성 재료 및 탄성 중합체를 포함하는 제1 전극 층, 그리고
상기 압전 층의 외측 면에 코팅되어 있고 전도성 재료 및 탄성 중합체를 포함하는 제2 전극 층
을 포함하는
압전 에너지 하베스터.As a piezoelectric energy harvester having a hollow fiber structure,
A piezoelectric layer surrounding a hollow in the center and comprising a piezoelectric material and an elastomer,
A first electrode layer coated on the inner side of the piezoelectric layer and comprising a conductive material and an elastomer, and
A second electrode layer coated on the outer side of the piezoelectric layer and comprising a conductive material and an elastomer
Containing
Piezo energy harvester. 제1항에서,
상기 압전 층, 제1 전극 층 및 제2 전극 층에 포함되는 탄성 중합체는 각각 독립적으로 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS), 폴리우레탄(polyurethane), 천연고무(natural rubber), 실리콘 고무(silicone rubber), 아크릴 고무(acrylic rubber), 또는 이들의 조합을 포함하는 압전 에너지 하베스터.In claim 1,
The elastomers included in the piezoelectric layer, the first electrode layer, and the second electrode layer are each independently polydimethylsiloxane (PDMS), polyurethane, polyurethane, natural rubber, and silicone rubber. Piezoelectric energy harvester comprising acrylic rubber, or combinations thereof. 제1항에서,
상기 압전 재료는 티탄산연(lead titanate, PbTiO3), 티탄산지르콘산연(lead zirconate titanate, PZT), 티탄산바륨(barium titanate, BaTiO3), 산화나이오븀화칼륨(KNbO3), 산화탄탈륨화 리튬(LiTaO3), 산화텅스텐화 나트륨(Na2WO3), 산화 아연(ZnO), 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride), 폴리비닐리덴 플루오라이드-코-트리플루오로에틸렌(polyvinylidene fluoride-co-trifluoroethylene, PVDF-TrFE), 또는 이들의 조합을 포함하는 압전 에너지 하베스터.In claim 1,
The piezoelectric material is lead titanate (PbTiO 3 ), lead zirconate titanate (PZT), barium titanate (BaTiO 3 ), potassium niobium oxide (KNbO 3 ), lithium tantalum oxide ( LiTaO 3 ), sodium tungsten oxide (Na 2 WO 3 ), zinc oxide (ZnO), polyvinylidene fluoride, polyvinylidene fluoride-co-trifluoroethylene , PVDF-TrFE), or a combination thereof. 제1항에서,
상기 압전 재료는 마이크로 입자, 나노 입자, 나노 튜브, 나노 섬유, 나노 플레이트, 또는 이들의 조합의 형상을 가지는 압전 에너지 하베스터.In claim 1,
The piezoelectric material is a piezoelectric energy harvester having a shape of microparticles, nanoparticles, nanotubes, nanofibers, nanoplates, or a combination thereof. 제1항에서,
상기 압전 재료는 상기 압전 층의 탄성 중합체 내에 분산되어 있는 압전 에너지 하베스터.In claim 1,
The piezoelectric material is dispersed in the elastomer of the piezoelectric layer. 제1항에서,
상기 압전 재료는 상기 압전 층의 탄성 중합체 함량에 대하여 1 중량% 내지 50 중량%로 포함되는 압전 에너지 하베스터.In claim 1,
The piezoelectric material is a piezoelectric energy harvester comprising 1% to 50% by weight relative to the elastomer content of the piezoelectric layer. 제1항에서,
제1 전극 층 및 제2 전극 층에 포함되는 전도성 재료는 각각 독립적으로 탄소 나노튜브, 은 나노와이어, 구리 나노와이어, 그래핀, 또는 이들의 조합을 포함하는 압전 에너지 하베스터.In claim 1,
A piezoelectric energy harvester comprising conductive materials included in the first electrode layer and the second electrode layer, each independently comprising carbon nanotubes, silver nanowires, copper nanowires, graphene, or a combination thereof. 제1항에서,
상기 제1 전극 층은 전도성 재료 및 상기 전도성 재료 사이를 점유하는 탄성 중합체를 포함하는 제1 전도성 재료 층, 그리고 상기 제1 전도성 재료 층 위에 형성되고 탄성 중합체를 포함하는 제1 보호층을 포함하고,
상기 제2 전극 층은 전도성 재료 및 상기 전도성 재료 사이를 점유하는 탄성 중합체를 포함하는 제2 전도성 재료 층, 그리고 상기 제2 전도성 재료 층 위에 형성되고 탄성 중합체를 포함하는 제2 보호층을 포함하는, 압전 에너지 하베스터.In claim 1,
The first electrode layer comprises a first conductive material layer comprising a conductive material and an elastomer occupying between the conductive material, and a first protective layer formed over the first conductive material layer and comprising an elastomer,
The second electrode layer comprises a second conductive material layer comprising a conductive material and an elastomer occupying between the conductive material and a second protective layer formed over the second conductive material layer and comprising an elastomer; Piezo energy harvester. 제1항에서,
상기 압전 층은 10 μm 내지 1 mm 의 두께를 가지는 압전 에너지 하베스터.In claim 1,
The piezoelectric layer has a thickness of 10 μm to 1 mm. 제1항에서,
상기 제1 전극 층 및 제2 전극 층은 각각 독립적으로 1 μm 내지 수십 μm의 두께를 가지는 압전 에너지 하베스터.In claim 1,
The first electrode layer and the second electrode layer each independently have a thickness of 1 μm to several tens of μm piezoelectric energy harvester. 제1항에서,
상기 중앙부의 공동으로 유체가 유입됨에 따라 형상의 변형이 일어나는 압전 에너지 하베스터.In claim 1,
Piezoelectric energy harvester is a deformation of the shape occurs as the fluid flows into the cavity of the central portion. 제1항에서,
내부 또는 외부에 압력이 가해짐에 따라 형상의 변형이 일어나는 압전 에너지 하베스터.In claim 1,
Piezoelectric energy harvesters in which shape deformation occurs as pressure is applied to the inside or outside. 중공사 구조를 가지는 압전 에너지 하베스터의 제조방법으로서,
기둥 형상의 템플릿에 희생 층(sacrificial layer)을 형성하는 단계,
상기 희생 층 위에 탄성 중합체 용액을 코팅한 후 그 위에 전도성 재료를 코팅하여 제1 전극 층을 형성하는 단계,
상기 제1 전극 층 위에 압전 재료가 분산된 탄성 중합체 용액을 코팅하여 압전 층을 형성하는 단계,
상기 압전 층 위에 전도성 재료를 코팅한 후 그 위에 탄성 중합체 용액을 코팅하여 제2 전극 층을 형성하는 단계, 그리고
상기 탬플릿 및 희생층을 제거하는 단계
를 포함하는
압전 에너지 하베스터의 제조방법.As a method of manufacturing a piezoelectric energy harvester having a hollow fiber structure,
Forming a sacrificial layer on the columnar template;
Coating an elastomeric solution on the sacrificial layer and then coating a conductive material thereon to form a first electrode layer,
Coating an elastomer solution in which a piezoelectric material is dispersed on the first electrode layer to form a piezoelectric layer,
Coating a conductive material on the piezoelectric layer and then coating an elastomeric solution thereon to form a second electrode layer, and
Removing the template and the sacrificial layer
Containing
Method for producing piezoelectric energy harvesters. 제13항에서,
상기 희생 층은 유기 고분자 용액을 상기 탬플릿 위에 코팅하여 형성되는 압전 에너지 하베스터의 제조방법.In claim 13,
The sacrificial layer is a method of manufacturing a piezoelectric energy harvester is formed by coating an organic polymer solution on the template. 제13항에서,
상기 제1 전극 층, 제2 전극 층, 및 압전 층을 형성함에 있어 탄성 중합체 용액의 코팅은 딥 코팅 또는 다이 코팅 방식에 의해 수행되는 압전 에너지 하베스터의 제조방법.In claim 13,
In forming the first electrode layer, the second electrode layer, and the piezoelectric layer, the coating of the elastomer solution is performed by a dip coating or a die coating method. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 압전 에너지 하베스터를 포함하는 웨어러블 장치.A wearable device comprising the piezoelectric energy harvester according to any one of claims 1 to 12.
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