KR20220033396A - Piezoelectric device and method for manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

A piezoelectric element according to an embodiment of the present invention includes: a first structure that includes a first substrate, a first electrode positioned on the first substrate, and a first piezoelectric layer positioned on the first electrode and including a ceramic piezoelectric material; and a second structure facing the first structure, a second electrode positioned on one surface of the second substrate facing the first structure, and a second piezoelectric material positioned on the second electrode and including a semiconductor piezoelectric material.

Description

압전 소자 및 이의 제조 방법{PIEZOELECTRIC DEVICE AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}Piezoelectric element and manufacturing method thereof

본 발명은 압전 소자 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는, 개선된 구조를 가지는 압전 소자 및 이의 제조 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a piezoelectric element and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a piezoelectric element having an improved structure and a method for manufacturing the same.

최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예상되며 환경 오염 문제가 제기되고 있다. 이에 따라 친환경적이고 재생 가능한 에너지원에 대한 관심이 높아지고 있다. 이러한 요구를 충족시키기 위해 자연적인 에너지원으로부터 발생하는 에너지를 전기 에너지로 전환시켜 수확하는 에너지 하베스팅(energy harvesting)이 제안되었다. Recently, the depletion of existing energy resources, such as oil and coal, is expected, raising the issue of environmental pollution. Accordingly, interest in eco-friendly and renewable energy sources is increasing. In order to meet these demands, energy harvesting, which converts energy generated from natural energy sources into electrical energy and harvests it, has been proposed.

이러한 에너지 하베스팅의 일 예로, 인체의 움직임, 기계의 동작, 미세한 동작 등과 같은 운동 에너지를 전기 에너지로 전환시키는 압전 소자를 들 수 있다. 압전 소자에 이용되는, 인체의 움직임, 기계의 동작 등과 같은 에너지원은 제어가 쉽고 실내에서도 충분한 수확이 가능하다. 또한, 압전 소자는 사람이 걷기나 뛰거나 물체가 지나갈 때 생기는 진동, 기계가 움직일 때 생기는 압력 등과 같이 버려지는 에너지를 수집하여 재활용할 수 있다. As an example of such energy harvesting, a piezoelectric element that converts kinetic energy such as a movement of a human body, a movement of a machine, a minute operation, etc. into electrical energy may be mentioned. Energy sources such as movement of the human body and operation of machines used in the piezoelectric element are easy to control and sufficient harvesting is possible even indoors. In addition, the piezoelectric element may collect and recycle wasted energy, such as vibration generated when a person walks or runs, or an object passes, or pressure generated when a machine moves.

아연 산화물의 압전 현상이 발견된 이후에 나노 막대(nano-rods) 형태의 압전 물질을 기판에 성장시킨 압전 소자가 최초로 개발되었다. 이러한 압전 소자는 기계의 운동 에너지, 압력 등에 견딜 수 있는 내구도가 낮았다. 이에 나노 입자(nano-particles) 형태의 압전 물질을 고분자 박막에 내장하여 내구성을 향상한 플렉서블 압전 소자가 개발되었다. 이와 같이 내구성 문제가 해결되자 사용화를 위하여 전력 출력 효율을 높이는 연구가 진행되었는데, 압전 물질을 고분자 박막에 내장시키는 비율을 조절 및 최적화하여 전력 출력 효율을 향상하였다. After the discovery of the piezoelectric effect of zinc oxide, a piezoelectric device in which a piezoelectric material in the form of nano-rods was grown on a substrate was developed for the first time. Such a piezoelectric element had low durability to withstand mechanical kinetic energy, pressure, and the like. Accordingly, a flexible piezoelectric element with improved durability by embedding a piezoelectric material in the form of nanoparticles into a polymer thin film has been developed. As such, when the durability problem was solved, research to increase the power output efficiency was conducted for commercialization. The power output efficiency was improved by controlling and optimizing the ratio of embedding the piezoelectric material into the polymer thin film.

그 이후에는 압전 물질에 전기 전도도가 높은 물질을 도핑한 혼합 구조로 전력 출력 효율을 향상하는 기술이 개발되었다. 전기 전도도가 높은 물질이 첨가되면, 압전 물질에서 분극이 일어날 때 박막 내부의 높은 전기 전도도에 의하여 전자 이동이 활성화되므로 압전 포텐셜(piezoelectric potential)을 증가시킬 수 있기 때문이다. 처음으로 시도된 것이 탄소 나노 튜브(carbon nano tube, CNT)였고, 그 외에 구리(Cu) 입자, 그래핀(graphene) 등이 활용되었다. After that, a technology for improving power output efficiency with a mixed structure in which a piezoelectric material is doped with a material having high electrical conductivity has been developed. This is because, when a material having high electrical conductivity is added, electron movement is activated by high electrical conductivity inside the thin film when polarization occurs in the piezoelectric material, so that piezoelectric potential can be increased. The first attempt was a carbon nano tube (CNT), in addition to copper (Cu) particles, graphene, etc. were used.

그 외 압전 물질로 구성된 박막의 표면을 식각하거나 표면 처리하여 패터닝하거나, 기판, 전극 등을 패터닝하는 등의 기술도 제안되었다. 이러한 압전 소자는 동일한 압력을 가해도 응력이 집중되어 국부적인 분극화를 증폭시킬 수 있다. In addition, techniques such as patterning by etching or surface treatment of the surface of a thin film made of a piezoelectric material, or patterning a substrate, an electrode, etc. have been proposed. Even when the same pressure is applied to such a piezoelectric element, stress may be concentrated to amplify local polarization.

그러나 상술한 바와 같은 다양한 구조의 압전 소자가 제안되었음에도, 압전 소자의 내구성, 전력 출력 효율 등을 충분하게 향상하는 데 한계가 있었다. However, although the piezoelectric element having various structures as described above has been proposed, there is a limit to sufficiently improving durability and power output efficiency of the piezoelectric element.

특허문헌 1: 국내공개특허 제10-2012-0058710호(발명의 명칭: 플렉서블 나노제너레이터 제조방법 및 이에 의하여 제조된 플렉서블 나노제너레이터)Patent Document 1: Korean Patent Publication No. 10-2012-0058710 (Title of the Invention: Flexible Nano Generator Manufacturing Method and Flexible Nano Generator Manufactured thereby) 특허문헌 2: 국내공개특허 제10-2016-0146104호(발명의 명칭: 에너지 하베스팅 시스템)Patent Document 2: Korean Patent Publication No. 10-2016-0146104 (Title of the Invention: Energy Harvesting System) 특허문헌 3: 국내공개특허 제10-2017-0106099(발명의 명칭: 유연 압전 맥작 소자를 이용한 압전 맥박 시스템)Patent Document 3: Domestic Patent Publication No. 10-2017-0106099 (Title of the invention: piezoelectric pulse system using flexible piezoelectric pulsation element)

본 발명의 실시예는 내구성 및 전력 출력 효율을 향상할 수 있는 압전 소자 및 이의 제조 방법을 제공하고자 한다. An embodiment of the present invention is to provide a piezoelectric element capable of improving durability and power output efficiency and a method of manufacturing the same.

특히, 본 발명의 실시예는 무연 압전 물질을 이용하여 내구성 및 전력 출력 효율을 향상할 수 있는 압전 소자 및 이의 제조 방법을 제공하고자 한다.In particular, an embodiment of the present invention is to provide a piezoelectric element capable of improving durability and power output efficiency using a lead-free piezoelectric material and a method for manufacturing the same.

한편, 본 발명의 실시예는 영구적인 전력 생산을 활용하여 무선 충천 시스템 구축, 바이오 전자 소자, 웨어러블 전자 소자, 미세 전자 기계 시스템 등의 다양한 분야에 적용될 수 있는 압전 소자 및 이의 제조 방법을 제공하고자 한다. On the other hand, an embodiment of the present invention is to provide a piezoelectric device and a method of manufacturing the same that can be applied to various fields such as wireless charging system construction, bio-electronic devices, wearable electronic devices, micro-electro-mechanical systems, etc. by utilizing permanent power generation. .

본 발명의 일 실시예에 따른 압전 소자는, 제1 기재와, 상기 제1 기재 위에 위치하는 제1 전극과, 상기 제1 전극 위에 위치하며 세라믹 압전 물질을 포함하는 제1 압전층을 포함하는 제1 구조체; 및 상기 제1 구조체에 대향하는 제2 기재와, 상기 제1 구조체에 대향하는 상기 제2 기재의 일면 위에 위치하는 제2 전극과, 상기 제2 전극 위에 위치하며 반도체 압전 물질을 포함하는 제2 압전층을 포함하는 제2 구조체를 포함한다. A piezoelectric element according to an embodiment of the present invention includes a first substrate, a first electrode positioned on the first substrate, and a first piezoelectric layer positioned on the first electrode and including a ceramic piezoelectric material. 1 structure; and a second substrate facing the first structure, a second electrode located on one surface of the second substrate facing the first structure, and a second piezoelectric material located on the second electrode and including a semiconductor piezoelectric material and a second structure comprising a layer.

본 발명의 다른 실시예에 따른 압전 소자는, 제1 기재와, 상기 제1 기재 위에 위치하는 제1 전극과, 상기 제1 전극 위에 위치하며 제1 압전 물질로 구성되는 클러스터를 구비하는 제1 압전층을 포함하는 제1 구조체; 및 상기 제1 구조체에 대향하는 제2 기재와, 상기 제1 구조체에 대향하는 상기 제2 기재의 일면 위에 위치하는 제2 전극과, 상기 제2 전극 위에 위치하며 제2 압전 물질로 구성되며 구형 또는 이의 일부를 구성하는 형상의 압력 집중 부재를 구비하는 제2 압전층을 포함하는 제2 구조체를 포함한다. A piezoelectric element according to another embodiment of the present invention includes a first piezoelectric element including a first substrate, a first electrode positioned on the first substrate, and a cluster positioned on the first electrode and made of a first piezoelectric material. a first structure comprising a layer; and a second substrate facing the first structure, a second electrode located on one surface of the second substrate facing the first structure, and a second electrode located on the second electrode and made of a spherical or and a second structure including a second piezoelectric layer having a pressure concentrating member having a shape constituting a part thereof.

본 발명의 일 실시예에 따른 압전 소자의 제조 방법은, 제1 기재 위에 제1 전극을 형성하고 제2 기재 위에 제2 전극을 형성하는 단계; 세라믹 압전 물질을 포함하는 제1 압전층을 제1 전극 위에 위치시켜 제1 구조체를 형성하고 반도체 압전 물질을 포함하는 제2 압전층을 제2 전극 위에 위치시켜 제2 구조체를 형성하는 단계; 및 상기 제1 압전층과 상기 제2 압전층이 대향하도록 상기 제1 구조체와 상기 제2 구조체를 중첩하는 단계를 포함한다. A method of manufacturing a piezoelectric element according to an embodiment of the present invention includes: forming a first electrode on a first substrate and forming a second electrode on a second substrate; placing a first piezoelectric layer comprising a ceramic piezoelectric material over the first electrode to form a first structure and placing a second piezoelectric layer comprising a semiconductor piezoelectric material over the second electrode to form a second structure; and overlapping the first structure and the second structure so that the first piezoelectric layer and the second piezoelectric layer face each other.

본 실시예에 따른 압전 소자에서는 서로 다른 물질, 형상 등을 구비하는 제1 압전층과 제2 압전층을 포함하여, 다양한 특성을 향상할 수 있다. 이때, 제1 압전층은 우수한 압전 효율을 가지는 세라믹 압전 물질을 포함하고, 제2 압전층은 압전 특성을 가지며 낮은 밴드갭 및 우수한 전기 전도도를 가지는 반도체 압전 물질을 포함할 수 있다. 이러한 압전 소자는 매우 우수한 내구성 및 전력 출력 효율을 가질 수 있다. 일 예로, 제1 및 제2 압전층이 무연 압전 물질로 구성되어 친환경적이면서도 내구성 및 전력 출력 효율을 향상할 수 있다. 특히, 제1 압전층은 불규칙한 형태 또는 배열을 가지는 클러스터로 구성하고, 제2 압전층은 균일한 형태 및 규칙적인 배열을 가지는 압력 집중 부재로 구성하여, 압력이 가해졌을 때 압력 집중 특성을 크게 향상할 수 있다. In the piezoelectric element according to the present embodiment, various characteristics may be improved by including the first piezoelectric layer and the second piezoelectric layer having different materials and shapes. In this case, the first piezoelectric layer may include a ceramic piezoelectric material having excellent piezoelectric efficiency, and the second piezoelectric layer may include a semiconductor piezoelectric material having piezoelectric properties and a low bandgap and excellent electrical conductivity. Such a piezoelectric element may have very good durability and power output efficiency. For example, since the first and second piezoelectric layers are made of a lead-free piezoelectric material, it is possible to improve durability and power output efficiency while being eco-friendly. In particular, the first piezoelectric layer is composed of a cluster having an irregular shape or arrangement, and the second piezoelectric layer is composed of a pressure concentrating member having a uniform shape and a regular arrangement, thereby greatly improving the pressure concentration characteristics when pressure is applied. can do.

이러한 압전 소자는 영구적인 전력 생산을 활용하여 무선 충천 시스템 구축, 바이오 전자 소자, 웨어러블 전자 소자, 미세 전자 기계 시스템 등의 다양한 분야에 적용될 수 있다. Such a piezoelectric device may be applied to various fields such as a wireless charging system construction, a bioelectronic device, a wearable electronic device, and a microelectromechanical system by utilizing permanent power generation.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 압전 소자를 개략적으로 도시한 분해 사시도이다.
도 2는 도 1의 II-II 선을 잘라서 본 개략적인 단면도이다.
도 3은 도 1에 도시한 압전 소자에 포함되는 제1 압전층을 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 압전 소자에 포함되는 제1 압전층을 형성하는 공정을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 압전 소자에 포함되는 제2 압전층을 형성하는 공정을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 제조예 1에 따른 세라믹 나노 입자의 전자 주사 현미경 사진이다.
도 7은 본 발명의 제조예 1에 따른 반도체 입자의 전자 주사 현미경 사진 및 엑스레이선 회절 분석 사진이다.
도 8은 본 발명의 제조예 1에 따른 제1 압전층을 포함하는 제1 구조체의 전자 주사 현미경 사진이다.
도 9는 본 발명의 제조예 1에 따른 제2 압전층의 전자 주사 현미경 사진이다.
도 10은 본 발명의 제조예 1에 따른 압전 소자에 손가락으로 압력을 가하면서 측정한 전압-전류의 결과를 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명의 제조예 1, 그리고 비교예 1에 따른 압전 소자에 기계로 압력을 가하면서 측정한 전압-전류의 결과를 나타낸 그래프이다.
도 12는 제조예 1에 따른 압전 소자를 200개의 청색 발광 다이오드(LED)에 연결한 상태를 나타낸 사진으로, (a)는 압전 소자를 손의 압력으로 누르지 않은 상태의 사진이고, (b)는 압전 소자를 손의 압력으로 누른 상태의 사진이다.
도 13은 제조예 1에 따른 압전 소자를 커패시터를 연결하여 충전하고, 이를 이용하여 전자 시계를 구동한 사진이다.
도 14는 제조예 1에 따른 압전 소자를 손으로 구부린 상태와 구부리지 않은 상태의 전압 특성을 측정하는 과정을 촬영한 사진이다.
도 15는 제조예 1에 따른 압전 소자를 손목에 부착한 경우의 사진이다.
도 16은 제조예 1에 따른 압전 소자를 목에 부착한 경우의 사진이다.
1 is an exploded perspective view schematically illustrating a piezoelectric element according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view taken along line II-II of FIG. 1 .
3 is a plan view schematically illustrating a first piezoelectric layer included in the piezoelectric element shown in FIG. 1 .
4 is a diagram schematically illustrating a process of forming a first piezoelectric layer included in a piezoelectric element according to an embodiment of the present invention.
5 is a diagram schematically illustrating a process of forming a second piezoelectric layer included in a piezoelectric element according to an embodiment of the present invention.
6 is a scanning electron microscope photograph of ceramic nanoparticles according to Preparation Example 1 of the present invention.
7 is a scanning electron microscope photograph and X-ray diffraction analysis photograph of semiconductor particles according to Preparation Example 1 of the present invention.
8 is a scanning electron microscope photograph of a first structure including a first piezoelectric layer according to Preparation Example 1 of the present invention.
9 is a scanning electron microscope photograph of a second piezoelectric layer according to Preparation Example 1 of the present invention.
10 is a graph showing the results of voltage-current measured while applying pressure to the piezoelectric element according to Preparation Example 1 of the present invention with a finger.
11 is a graph showing the results of voltage-current measured while mechanically applying pressure to the piezoelectric element according to Preparation Example 1 and Comparative Example 1 of the present invention.
12 is a photograph showing a state in which the piezoelectric element according to Preparation Example 1 is connected to 200 blue light emitting diodes (LEDs), (a) is a photograph of a state in which the piezoelectric element is not pressed by hand pressure, (b) is This is a picture of the piezoelectric element being pressed with the pressure of the hand.
FIG. 13 is a picture of charging the piezoelectric element according to Preparation Example 1 by connecting a capacitor, and driving an electronic watch using the capacitor.
14 is a photograph of a process of measuring voltage characteristics in a state in which the piezoelectric element according to Preparation Example 1 is bent by hand and in a state in which it is not bent by hand.
15 is a photograph when the piezoelectric element according to Preparation Example 1 is attached to the wrist.
16 is a photograph when the piezoelectric element according to Preparation Example 1 is attached to the neck.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명이 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니며 다양한 형태로 변형될 수 있음은 물론이다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, it goes without saying that the present invention is not limited to these embodiments and may be modified in various forms.

도면에서는 본 발명을 명확하고 간략하게 설명하기 위하여 설명과 관계 없는 부분의 도시를 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 극히 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 참조부호를 사용한다. 그리고 도면에서는 설명을 좀더 명확하게 하기 위하여 두께, 넓이 등을 확대 또는 축소하여 도시하였는바, 본 발명의 두께, 넓이 등은 도면에 도시된 바에 한정되지 않는다.In the drawings, in order to clearly and briefly describe the present invention, the illustration of parts irrelevant to the description is omitted, and the same reference numerals are used for the same or extremely similar parts throughout the specification. In addition, in the drawings, the thickness, width, etc. are enlarged or reduced in order to make the description more clear, and the thickness, width, etc. of the present invention are not limited to the bars shown in the drawings.

그리고 명세서 전체에서 어떠한 부분이 다른 부분을 "포함"한다고 할 때, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 부분을 배제하는 것이 아니며 다른 부분을 더 포함할 수 있다. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우 뿐만 아니라 그 중간에 다른 부분이 위치하는 경우도 포함한다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 위치하지 않는 것을 의미한다.And, when a certain part "includes" another part throughout the specification, other parts are not excluded unless otherwise stated, and other parts may be further included. In addition, when a part of a layer, film, region, plate, etc. is said to be "on" another part, this includes not only the case where the other part is "directly on" but also the case where another part is located in the middle. When a part, such as a layer, film, region, or plate, is "directly above" another part, it means that no other part is located in the middle.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 압전 소자 및 이의 제조 방법을 상세하게 설명한다. 본 명세서에서 "제1" 또는 "제2"의 표현은 서로 간의 구별을 위하여 사용된 것일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, a piezoelectric element and a method of manufacturing the same according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the present specification, the expression “first” or “second” is used to distinguish from each other, and the present invention is not limited thereto.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 압전 소자를 개략적으로 도시한 분해 사시도이고, 도 2는 도 1의 II-II 선을 잘라서 본 개략적인 단면도이다. 도 3은 도 1에 도시한 압전 소자에 포함되는 제1 압전층을 개략적으로 도시한 평면도이다. 1 is an exploded perspective view schematically illustrating a piezoelectric element according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a schematic cross-sectional view taken along line II-II of FIG. 1 . 3 is a plan view schematically illustrating a first piezoelectric layer included in the piezoelectric element shown in FIG. 1 .

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 압전 소자(100)는, 제1 기재(12), 제1 전극(14) 및 제1 압전 물질(세라믹 압전 물질)을 포함하는 제1 압전층(16)을 포함하는 제1 구조체(10)와, 제2 기재(22), 제2 전극(24) 및 제2 압전 물질(반도체 압전 물질)을 포함하는 제2 압전층(26)을 포함하는 제2 구조체(20)를 포함할 수 있다. 좀더 구체적으로, 제1 기재(12) 위에 제1 전극(14)이 위치할 수 있고, 제1 전극(14) 위에 제1 압전층(16)이 위치할 수 있다. 그리고 제1 구조체(10)에 대향하는 제2 기재(22)의 일면 위에 제2 전극(24)이 위치할 수 있고, 제2 전극(24) 위에 제2 압전층(26)이 위치할 수 있다. 이를 좀더 상세하게 설명한다. 1 to 3 , the piezoelectric element 100 according to the present embodiment includes a first piezoelectric element including a first substrate 12 , a first electrode 14 , and a first piezoelectric material (ceramic piezoelectric material). a first structure 10 comprising a layer 16 , a second piezoelectric layer 26 comprising a second substrate 22 , a second electrode 24 and a second piezoelectric material (semiconductor piezoelectric material); It may include a second structure 20 that does. More specifically, the first electrode 14 may be positioned on the first substrate 12 , and the first piezoelectric layer 16 may be positioned on the first electrode 14 . In addition, the second electrode 24 may be positioned on one surface of the second substrate 22 facing the first structure 10 , and the second piezoelectric layer 26 may be positioned on the second electrode 24 . . This will be described in more detail.

본 실시예에서 제1 기재(12) 또는 제2 기재(22)는 플렉서블 특성을 가지는 유연 기판으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 제1 기재(12) 또는 제2 기재(22)는 폴리에틸렌테레프레탈레이트(PET), 폴리이미드(PI), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN) 등으로 구성될 수 있다. 여기서, 제1 기재(12)와 제2 기재(22)는 서로 동일한 물질일 수도 있고, 서로 다른 물질일 수도 있다. 이때, 제1 기재(12) 또는 제2 기재(22)의 두께가 50um 내지 125um일 수 있다. 이러한 두께 범에서 제1 기재(12) 또는 제2 기재(22)가 충분한 내구성 및 플렉서블 특성을 구비할 수 있다. 여기서, 제1 기재(12)와 제2 기재(22)는 서로 동일한 두께를 가질 수도 있고, 서로 다른 두께를 가질 수도 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 제1 기재(12) 또는 제2 기재(22)의 물질, 두께 등은 다양하게 변형될 수 있다. In this embodiment, the first substrate 12 or the second substrate 22 may be composed of a flexible substrate having a flexible characteristic. For example, the first substrate 12 or the second substrate 22 may be made of polyethylene terephthalate (PET), polyimide (PI), polyethylene naphthalate (PEN), or the like. Here, the first substrate 12 and the second substrate 22 may be made of the same material or different materials. In this case, the thickness of the first substrate 12 or the second substrate 22 may be 50 μm to 125 μm. In this thickness range, the first substrate 12 or the second substrate 22 may have sufficient durability and flexibility. Here, the first substrate 12 and the second substrate 22 may have the same thickness or different thicknesses. However, the present invention is not limited thereto, and the material and thickness of the first substrate 12 or the second substrate 22 may be variously modified.

제1 기재(12) 위에 형성되는 제1 전극(14) 또는 제2 기재(22) 위에 형성되는 제2 전극(24)은 전기 전도성을 가지는 물질, 예를 들어, 금속 또는 투명 전도성 산화물로 구성될 수 있다. 일 예로, 제1 전극(14) 또는 제2 전극(24)은 알루미늄(Al), 구리(Cu), 인듐-틴 산화물(ITO) 등으로 구성될 수 있다. 여기서, 제1 전극(14)과 제2 전극(24)은 서로 동일한 물질일 수도 있고, 서로 다른 물질일 수도 있다. 제1 전극(14) 또는 제2 전극(24)은 다양한 방법으로 제조될 수 있는데, 예를 들어, 증착으로 제조될 수 있다. 일 예로, 제1 전극(14) 또는 제2 전극(24)은 열 증착법(thermal evaporation)에 의하여 형성될 수 있다. 이때, 제1 전극(14) 또는 제2 전극(24)은 100nm 내지 300nm의 두께를 가질 수 있다. 이러한 두께에서 제1 전극(14) 또는 제2 전극(24)이 플렉서블 특성을 유지하면서 우수한 전기 전도성을 가질 수 있기 때문이다. 여기서, 제1 전극(14)과 제2 전극(24)은 서로 동일한 두께를 가질 수도 있고, 서로 다른 두께를 가질 수도 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 제1 전극(14) 또는 제2 전극(24)의 물질, 두께 등은 다양하게 변형될 수 있다. The first electrode 14 formed on the first substrate 12 or the second electrode 24 formed on the second substrate 22 may be made of a material having electrical conductivity, for example, a metal or a transparent conductive oxide. can For example, the first electrode 14 or the second electrode 24 may be formed of aluminum (Al), copper (Cu), indium-tin oxide (ITO), or the like. Here, the first electrode 14 and the second electrode 24 may be made of the same material or different materials. The first electrode 14 or the second electrode 24 may be manufactured by various methods, for example, by vapor deposition. For example, the first electrode 14 or the second electrode 24 may be formed by thermal evaporation. In this case, the first electrode 14 or the second electrode 24 may have a thickness of 100 nm to 300 nm. This is because, at such a thickness, the first electrode 14 or the second electrode 24 may have excellent electrical conductivity while maintaining flexible properties. Here, the first electrode 14 and the second electrode 24 may have the same thickness or different thicknesses. However, the present invention is not limited thereto, and the material and thickness of the first electrode 14 or the second electrode 24 may be variously modified.

일 예로, 제1 전극(14) 또는 제2 전극(24) 위에서 제1 전극(14)과 제1 압전층(16) 사이 또는 제2 전극(24)과 제2 압전층(16) 사이에 제1 완충층(18) 또는 제2 완충층(28)이 위치할 수 있다. 이러한 제1 또는 제2 완충층(18, 28)은 제1 또는 제2 전극(14, 24)과 제1 또는 제2 압전층(16, 26) 사이에서 완충 및 패키징 역할을 할 수 있고, 절연 물질로 구성되어 절연층으로 기능할 수 있다. 제1 또는 제2 완충층(18, 28)으로는 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS), 폴리비닐알코올(polyvinylalcohol, PVA), 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF) 등을 사용할 수 있다. 예를 들어, 제1 또는 제2 완충층(18, 28)의 두께(일 예로, 평균 두께)가 30um 내지 80um일 수 있다. 이러한 범위 내에서 제1 또는 제2 완충층(18, 28)의 완충, 패키징, 절연 특성 등을 향상할 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 제1 또는 제2 완충층(18, 28)의 물질, 두께 등은 다양한 변형이 가능하다. For example, on the first electrode 14 or the second electrode 24 , between the first electrode 14 and the first piezoelectric layer 16 or between the second electrode 24 and the second piezoelectric layer 16 . A first buffer layer 18 or a second buffer layer 28 may be positioned. This first or second buffer layer 18 , 28 may serve as a buffer and packaging between the first or second electrode 14 , 24 and the first or second piezoelectric layer 16 , 26 , and is an insulating material can function as an insulating layer. As the first or second buffer layers 18 and 28 , polydimethylsiloxane (PDMS), polyvinylalcohol (PVA), polyvinylidene fluoride (PVDF), or the like may be used. For example, a thickness (eg, an average thickness) of the first or second buffer layers 18 and 28 may be 30 μm to 80 μm. Within this range, the buffering, packaging, and insulating properties of the first or second buffer layers 18 and 28 may be improved. However, the present invention is not limited thereto, and various modifications are possible for the material and thickness of the first or second buffer layers 18 and 28 .

제1 전극(14) 위(좀더 구체적으로, 제1 완충층(18) 위)에 세라믹 압전 물질을 포함하며 플렉서블 특성을 가지는 제1 압전층(16)이 형성될 수 있다. 여기서, 제1 압전층(16)은, 수지와, 세라믹 압전 물질로 구성되는 세라믹 나노 입자(16b)를 포함할 수 있다. 좀더 구체적으로, 수지는 실질적으로 균일한 두께를 가지는 수지층(16a)을 구성하고, 세라믹 나노 입자(16b)는 복수 개가 뭉쳐져서 수지층(16a)의 표면 위로 돌출 또는 노출되는 클러스터(cluster)(16c) 형태로 구비될 수 있다. 본 명세서에서 실질적으로 균일한 두께를 가진다 함은 해당 층의 큰 두께와 작은 두께가 큰 두께를 기준으로 20% 이내(일 예로, 10% 이내)의 차이를 가지는 것을 의미할 수 있다. 이러한 클러스터(16c)는 불규칙한 형태, 불규칙한 형상, 또는 부정의 형상을 가지고, 불규칙한 크기를 가지며, 평면으로 볼 때 불규칙한 배치를 가지도록 분포할 수 있다. 이는 클러스터(16c)가 복수의 세라믹 나노 입자(16b)가 불규칙하게 뭉쳐서 발생되기 때문이다. 이때, 불규칙한 형태, 불규칙한 형상, 또는 부정의 형상을 가진다 함은 복수의 클러스터(16c)의 형상이 특정한 규칙성을 가지지 않으며 다각형, 원형, 타원형, 구형 등으로 정의되는 형상을 가지지 않는 것을 의미할 수 있다. 그리고 불규칙한 크기를 가진다 함은 복수의 클러스터(16c)가 서로 다른 다양한 크기를 가지는 것을 의미할 수 있다. 그리고 불규칙하게 배치된다 함은 클러스터(16c)가 규칙성을 가지지 않도록 일정한 방향성, 일정한 간격, 일정한 배열 등을 가지지 않은 것을 의미할 수 있다. 이러한 클러스터(16c)는 일정한 제조 방법에 의하여 형성될 수 있는데, 이에 대해서는 추후에 제조 방법에서 상세하게 설명한다. A first piezoelectric layer 16 including a ceramic piezoelectric material and having flexible characteristics may be formed on the first electrode 14 (more specifically, on the first buffer layer 18 ). Here, the first piezoelectric layer 16 may include a resin and ceramic nanoparticles 16b made of a ceramic piezoelectric material. More specifically, the resin constitutes the resin layer 16a having a substantially uniform thickness, and a plurality of ceramic nanoparticles 16b are agglomerated to protrude or expose over the surface of the resin layer 16a (cluster) ( 16c) may be provided. In the present specification, having a substantially uniform thickness may mean having a difference between a large thickness and a small thickness of the corresponding layer within 20% (eg, within 10%) based on the large thickness. The clusters 16c may have an irregular shape, an irregular shape, or an irregular shape, have an irregular size, and may be distributed to have an irregular arrangement in a plan view. This is because the cluster 16c is generated by irregularly aggregating a plurality of ceramic nanoparticles 16b. At this time, having an irregular shape, an irregular shape, or an irregular shape means that the shape of the plurality of clusters 16c does not have a specific regularity and does not have a shape defined as a polygon, a circle, an oval, or a sphere. there is. And, having an irregular size may mean that the plurality of clusters 16c have different sizes. And, irregularly arranged may mean that the clusters 16c do not have a constant directionality, a regular interval, and a regular arrangement so that the cluster 16c does not have regularity. The cluster 16c may be formed by a certain manufacturing method, which will be described in detail later in the manufacturing method.

본 실시예에서 클러스터(16c)는, 도 2의 (a)에 도시한 바와 같이 수지층(16a)의 표면 위에서 제2 구조체(20)를 향하여 돌출되는 형상을 가지거나, 도 2의 (b)에 도시한 바와 같이 수지층(16a)에 일부가 장입된 상태에서 제2 구조체(20)를 향하여 돌출되는 형상을 가질 수 있다. 다른 예로, 클러스터(16c)가 수지층(16a)의 전체를 관통하여 제1 전극(14)의 표면에 접촉한 상태로 제2 구조체(20)를 향하여 돌출되는 형상을 가질 수도 있다. 도 2의 (a) 및 (b)에서는 클러스터(16c)를 위주로 도시하였으나, 수지층(16a)의 내부 또는 표면에 세라믹 나노 입자(16b)가 위치할 수 있고, 세라믹 나노 입자(16b)는 제1 전극(14)과 접촉하여 위치하거나 제1 전극(14)과 이격하여 위치할 수 있다. In this embodiment, the cluster 16c has a shape that protrudes from the surface of the resin layer 16a toward the second structure 20 as shown in FIG. 2(a), or in FIG. 2(b) As shown in , the resin layer 16a may have a shape protruding toward the second structure 20 in a state in which it is partially charged. As another example, the cluster 16c may have a shape in which it penetrates the entire resin layer 16a and protrudes toward the second structure 20 while in contact with the surface of the first electrode 14 . Although the cluster 16c is mainly illustrated in (a) and (b) of FIG. 2 , the ceramic nanoparticles 16b may be located inside or on the surface of the resin layer 16a, and the ceramic nanoparticles 16b may be It may be positioned in contact with the first electrode 14 or spaced apart from the first electrode 14 .

이와 같이 클러스터(16c)가 복수의 세라믹 나노 입자(16b)가 불규칙하게 뭉쳐져서 수지층(16a) 위로 돌출되는 형태를 가지므로 압력에 의하여 제2 압전층(26)과 접촉할 때 압력이 국부적으로 집중되어 가해지는 압력을 효과적으로 증가시킬 수 있다. 이에 따라 제1 압전층(16)의 두께를 지나치게 두껍게 하지 않아도 압전 특성을 효과적으로 향상할 수 있다. As such, since the cluster 16c has a shape in which a plurality of ceramic nanoparticles 16b are irregularly aggregated and protrude above the resin layer 16a, when the cluster 16c comes into contact with the second piezoelectric layer 26 by pressure, the pressure is locally applied. Concentrated pressure can be effectively increased. Accordingly, the piezoelectric properties can be effectively improved even if the thickness of the first piezoelectric layer 16 is not increased too much.

예를 들어, 세라믹 나노 입자(16b)는 나노미터 수준(즉, 1nm 이상, 1um 미만)의 크기를 가질 수 있으며, 클러스터(16c)는 마이크로미터 수준(즉, 1um 이상, 1mm 미만)의 크기 또는 두께를 가지는 마이크로 클러스터(micro cluster)일 수 있다. 여기서, 세라믹 나노 입자(16b)의 크기는 복수의 세라믹 나노 입자(16b)의 입경의 평균을 의미할 수 있고, 클러스터(16c)의 크기는 평면에서 볼 때 복수의 클러스터(16c)의 장축의 평균을 의미할 수 있으며, 클러스터(16c)의 두께는 측면에서 볼 때 클러스트(16c)의 최대 두께의 평균을 의미할 수 있다. For example, the ceramic nanoparticles 16b may have a size of a nanometer level (ie, 1 nm or more, less than 1 μm), and the cluster 16c may have a size of a micrometer level (ie, 1 μm or more, less than 1 mm) or It may be a micro cluster having a thickness. Here, the size of the ceramic nanoparticles 16b may mean the average particle diameter of the plurality of ceramic nanoparticles 16b, and the size of the cluster 16c is the average of the long axes of the plurality of clusters 16c in a plan view. , and the thickness of the cluster 16c may mean an average of the maximum thickness of the cluster 16c when viewed from the side.

일 예로, 세라믹 나노 입자(16b)는 100nm 내지 500nm의 크기를 가질 수 있으며, 정방정계(tetragonal) 결정 구조를 가질 수 잇다. 이러한 크기 범위 내에서 쉽게 제조가 가능하며 쉽게 뭉쳐져서 클러스터(16c)를 형성하여 충분한 표면적을 가지도록 할 수 있다. 그리고 일 예로, 클러스터(16c)가 10um 내지 25um의 크기를 가지고, 10um 이하(예를 들어, 1um 내지 10um, 일 예로, 3um 내지 8um)의 두께를 가질 수 있다. 이러한 범위 내에서 제2 구조체(20)에 손상 등을 주지 않으면서 클러스터(16c)에 압력이 집중되는 효과를 최대화할 수 있기 때문이다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 다양한 변형이 가능하다. For example, the ceramic nanoparticles 16b may have a size of 100 nm to 500 nm, and may have a tetragonal crystal structure. It can be easily manufactured within this size range, and can be easily aggregated to form the cluster 16c to have a sufficient surface area. And as an example, the cluster 16c may have a size of 10um to 25um and a thickness of 10um or less (eg, 1um to 10um, for example, 3um to 8um). This is because, within this range, the effect of concentrating the pressure on the cluster 16c without damaging the second structure 20 can be maximized. However, the present invention is not limited thereto, and various modifications are possible.

일 예로, 수지층(16a)의 두께가, 예를 들어, 30um 내지 80um일 수 있다. 여기서, 수지층(16a)의 두께는 평균 두께로 정의될 수 있다. 상술한 수지층(16a)의 두께 범위에서 제1 압전층(16)이 안정적으로 형성될 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 다양한 변형이 가능하다. For example, the thickness of the resin layer 16a may be, for example, 30 μm to 80 μm. Here, the thickness of the resin layer 16a may be defined as an average thickness. Although the first piezoelectric layer 16 may be stably formed within the thickness range of the resin layer 16a described above, the present invention is not limited thereto, and various modifications are possible.

본 실시예에서 세라믹 나노 입자(16b) 또는 세라믹 압전 물질이 우수한 압전 특성을 가지는 물질로 구성될 수 있다. 예를 들어, 세라믹 나노 입자(16b) 또는 세라믹 압전 물질이 티탄산바륨(BaTiO3), 티탄산지르코늄산납(lead zirconate titanate, PZT), 티탄산납(PbTiO3), 지르코늄산납(PbTiO3) 등일 수 있다. 그리고 본 실시예에서는 제1 압전 물질로 세라믹 나노 입자(16b) 또는 세라믹 압전 물질을 사용한 것을 예시하였으나, 제1 압전 물질로 세라믹 나노 입자(16b) 또는 세라믹 압전 물질이 아닌 나노 입자 또는 압전 물질이 사용될 수도 있다. 일 예로, 아연 산화물(ZnO) 등이 사용될 수 있다. In this embodiment, the ceramic nanoparticles 16b or the ceramic piezoelectric material may be formed of a material having excellent piezoelectric properties. For example, the ceramic nanoparticles 16b or the ceramic piezoelectric material may be barium titanate (BaTiO 3 ), lead zirconate titanate (PZT), lead titanate (PbTiO 3 ), lead zirconate (PbTiO 3 ), or the like. In this embodiment, the ceramic nanoparticles 16b or ceramic piezoelectric material are used as the first piezoelectric material, but as the first piezoelectric material, nanoparticles or piezoelectric materials other than the ceramic nanoparticles 16b or the ceramic piezoelectric material are used. may be As an example, zinc oxide (ZnO) or the like may be used.

여기서, 세라믹 나노 입자(16b) 또는 세라믹 압전 물질이 티탄산바륨으로 구성되면, 납을 포함하지 않는 무연(lead free) 물질로서 환경적인 측면에서 유리하며 우수한 압전 특성을 가질 수 있다. Here, when the ceramic nanoparticles 16b or the ceramic piezoelectric material is made of barium titanate, it is a lead-free material that does not contain lead, which is advantageous in terms of environment and may have excellent piezoelectric properties.

그리고 수지층(16a)은 플렉서블 특성을 유지하면서 세라믹 나노 입자(16b)를 안정적으로 고정 또는 접착하는 역할을 하는 다양한 수지로 구성할 수 있다. 일 예로, 수지층(16a)이 폴리디메틸실록산, 폴리비닐알코올, 폴리비닐리덴플루오라이드 등을 포함할 수 있다. 여기서, 수지층(16a)이 폴리디메틸실록산을 포함하면, 경화 시간이 짧아 제조 공정 시간을 단축할 수 있고, 표면 내구성을 향상할 수 있으며, 우수한 플렉서블 특성을 가질 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 다양한 변형이 가능하다. In addition, the resin layer 16a may be formed of various resins that stably fix or adhere the ceramic nanoparticles 16b while maintaining the flexible characteristics. For example, the resin layer 16a may include polydimethylsiloxane, polyvinyl alcohol, polyvinylidene fluoride, or the like. Here, when the resin layer 16a contains polydimethylsiloxane, the curing time is short, the manufacturing process time can be shortened, the surface durability can be improved, and it can have excellent flexible characteristics. However, the present invention is not limited thereto, and various modifications are possible.

본 실시예에서는 제1 압전층(16)에서 수지층(16a)이 세라믹 나노 입자(16b)와 같거나 그보다 큰 함량으로 포함될 수 있다. 일 예로, 제1 압전층(16)에서 수지층(16a)이 세라믹 나노 입자(16b)보다 큰 함량으로 포함될 수 있다. 세라믹 나노 입자(16b)가 클러스터(16c)의 형태로 구비되므로 세라믹 나노 입자(16b)의 함량이 크지 않아도 되며, 수지층(16a)의 함량을 상대적으로 크게 하여 세라믹 나노 입자(16b) 또는 클러스터(16c)의 고정 또는 접착 특성을 향상할 수 있기 때문이다. In the present embodiment, the resin layer 16a in the first piezoelectric layer 16 may be included in an amount equal to or greater than that of the ceramic nanoparticles 16b. For example, in the first piezoelectric layer 16 , the resin layer 16a may be included in a content greater than that of the ceramic nanoparticles 16b. Since the ceramic nanoparticles 16b are provided in the form of clusters 16c, the content of the ceramic nanoparticles 16b does not need to be large. This is because the fixing or adhesive properties of 16c) can be improved.

예를 들어, 제1 압전층(16) 전체 100 중량부에 대하여, 세라믹 나노 입자(16b)가 5 내지 25 중량부로 포함되고 나머지가 수지 또는 수지층(16a)으로 구성될 수 있다. 이러한 범위 내에서 세라믹 나노 입자(16b)에 의한 압전 특성을 충분히 구현하면서도 수지층(16a)에 의한 고정 또는 접착 특성을 향상할 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. For example, based on 100 parts by weight of the total first piezoelectric layer 16, the ceramic nanoparticles 16b may be included in 5 to 25 parts by weight, and the remainder may be composed of a resin or the resin layer 16a. Within this range, while sufficiently realizing the piezoelectric properties of the ceramic nanoparticles 16b, it is possible to improve the fixing or adhesion properties by the resin layer 16a. However, the present invention is not limited thereto.

제2 전극(24) 위(좀더 구체적으로, 제2 완충층(28) 위)에 제1 압전층(16)과 대향(對向)하면서 반도체 압전 물질을 포함하는 제2 압전층(26)이 형성될 수 있다. 제2 압전층(26)은, 전체적으로 균일한 두께를 가지면서 형성되는 베이스층(26a)과, 반도체 압전 물질을 구성되며 베이스층(26a)에서 또는 베이스층(26b) 위에서 행과 열을 이루도록 규칙적으로 배열되는 복수의 반도체 입자(26b)로 구성되는 압력 집중 부재(26c)를 포함할 수 있다. 일 예로, 복수의 반도체 입자(26b)는 두께 방향에서 단일로 구비되며 평면 상에서는 전체적으로 일 방향을 따라 일정 간격으로 반복되는 하나의 열(列)을 구비하고, 상기 일 방향과 교차하는 방향에서 복수의 열이 구비되어, 매트릭스 형상을 가지도록 배치될 수 있다. A second piezoelectric layer 26 is formed on the second electrode 24 (more specifically, on the second buffer layer 28 ) to face the first piezoelectric layer 16 and includes a semiconductor piezoelectric material. can be The second piezoelectric layer 26 is formed of a base layer 26a having a uniform thickness as a whole, and a semiconductor piezoelectric material, and is arranged in rows and columns on the base layer 26a or on the base layer 26b. It may include a pressure concentrating member (26c) composed of a plurality of semiconductor particles (26b) arranged as. For example, the plurality of semiconductor particles 26b are provided singly in the thickness direction and have one row that is repeated at regular intervals along one direction as a whole on a plane, and a plurality of semiconductor particles 26b in a direction crossing the one direction. Columns may be provided and may be arranged to have a matrix shape.

본 실시예에서 반도체 입자(26b)는 베이스층(26a)에 일부가 장입된 상태에서 제1 구조체(10)를 향하여 돌출되는 형상을 가질 수 있다. 즉, 반도체 입자(26b)의 일부가 베이스층(26a)의 표면의 내부에 위치하고 반도체 입자(26b)의 다른 일부가 베이스층(26a)의 표면으로부터 돌출된 형상을 가질 수 있다. In the present embodiment, the semiconductor particles 26b may have a shape that protrudes toward the first structure 10 in a state in which a portion is charged in the base layer 26a. That is, a portion of the semiconductor particle 26b may be located inside the surface of the base layer 26a and another portion of the semiconductor particle 26b may have a shape protruding from the surface of the base layer 26a.

이와 같이 제2 압전층(26)은 반도체 압전 물질을 포함하여 압전 효율을 향상하는 역할을 하면서 제1 압전층(26)에 효과적으로 압력을 집중하여 제공하는 역할을 함께 수행할 수 있다. 이러한 압력 집중 부재(26c)를 구성하는 반도체 입자(26b)는 각기 구형 또는 구형의 일부를 구성하는 형상을 가져 제1 압전층(16)을 향하여 볼록하게 돌출되도록 배치될 수 있다. 이와 같이 구형 또는 구형의 일부를 구성하는 형상을 가지는 반도체 입자(26b)가 베이스층(26a) 위에 정렬되어 응력 집중 현상을 유도하여 압전 특성을 활성화하는데 유리한 구조를 가질 수 있다. As described above, the second piezoelectric layer 26 may include a semiconductor piezoelectric material to improve piezoelectric efficiency while effectively concentrating and providing pressure to the first piezoelectric layer 26 . The semiconductor particles 26b constituting the pressure concentrating member 26c may each have a spherical shape or a shape constituting a part of the spherical shape, and may be disposed to convexly protrude toward the first piezoelectric layer 16 . As described above, the semiconductor particles 26b having a spherical shape or a shape constituting a part of the spherical shape may be arranged on the base layer 26a to induce a stress concentration phenomenon to have an advantageous structure for activating piezoelectric properties.

본 실시예에서 반도체 입자(26b)가 100nm 내지 5um(일 예로, 500nm 내지 1um)의 크기를 가질 수 있다. 일 예로, 반도체 입자(26b)가 세라믹 나노 입자(16b)보다 큰 크기를 가지고 클러스터(16c)보다 작은 크기를 가질 수 있다. 여기서, 반도체 입자(26b)의 크기는 복수의 반도체 입자(26b)의 입경 또는 장축의 평균을 의미할 수 있다. In this embodiment, the semiconductor particles 26b may have a size of 100 nm to 5 μm (eg, 500 nm to 1 μm). For example, the semiconductor particles 26b may have a larger size than the ceramic nanoparticles 16b and have a smaller size than the cluster 16c. Here, the size of the semiconductor particles 26b may mean the average of particle diameters or long axes of the plurality of semiconductor particles 26b.

본 실시예에서 제2 압전층(26)의 두께가 제1 압전층(16)의 두께와 같거나 그보다 크거나, 또는 베이스층(26a)의 두께가 수지층(16a)의 두께와 같거나 그보다 클 수 있다. 일 예로, 제2 압전층(26)의 두께가 제1 압전층(16)의 두께보다 크거나 베이스층(26a)의 두께가 수지층(16a)의 두께보다 클 수 있는데, 이는 규칙적으로 배열되는 반도체 입자(26c)를 안정적으로 고정하기 위하여 베이스층(26a)이 상대적으로 큰 두께를 가지는 것이 바람직하기 때문이다. 일 예로, 제2 압전층(26) 또는 베이스층(26a)의 두께가, 예를 들어, 50um 내지 150um일 수 있다. 여기서, 제2 압전층(26) 또는 베이스층(26a)의 두께는 평균 두께로 정의될 수 있다. In this embodiment, the thickness of the second piezoelectric layer 26 is equal to or greater than that of the first piezoelectric layer 16, or the thickness of the base layer 26a is equal to or greater than the thickness of the resin layer 16a. can be large For example, the thickness of the second piezoelectric layer 26 may be greater than the thickness of the first piezoelectric layer 16 or the thickness of the base layer 26a may be greater than the thickness of the resin layer 16a, which is This is because the base layer 26a preferably has a relatively large thickness in order to stably fix the semiconductor particles 26c. For example, the thickness of the second piezoelectric layer 26 or the base layer 26a may be, for example, 50 μm to 150 μm. Here, the thickness of the second piezoelectric layer 26 or the base layer 26a may be defined as an average thickness.

본 실시예에서 반도체 입자(26b) 또는 반도체 압전 물질이 우수한 압전 특성을 가지는 아연 스테네이트(ZnSnO3) 등일 수 있다. 이러한 반도체 입자(26b) 또는 반도체 압전 물질은 고유의 압전 특성을 가지면서 우수한 전기 전도도를 가져 압전 효율을 효과적으로 향상할 수 있다. 일 예로, 반도체 입자(26b)는 세라믹 나노 입자(16b)보다 높은 전기 전도도를 가질 수 있다. 그리고 아연 스테네이트는 안정적인 구형 형상을 가질 수 있어 압력 집중 부재(26c)로 작용하기에 적합하다. 이와 같이 구형 형상을 가지면서 압전 특성을 가지는 아연 스테네이트의 특성을 다른 물질에서 기대하기 어려울 수 있다. In this embodiment, the semiconductor particles 26b or the semiconductor piezoelectric material may be zinc stenate (ZnSnO 3 ) having excellent piezoelectric properties, and the like. The semiconductor particles 26b or the semiconductor piezoelectric material may have excellent electrical conductivity while having intrinsic piezoelectric properties to effectively improve piezoelectric efficiency. For example, the semiconductor particles 26b may have higher electrical conductivity than the ceramic nanoparticles 16b. And zinc stenate may have a stable spherical shape, so it is suitable to act as the pressure concentrating member 26c. As such, it may be difficult to expect the properties of zinc stenate having a spherical shape and piezoelectric properties from other materials.

본 실시예에서 반도체 입자(26b)는 비정질 구조를 가질 수 있다. 반도체 입자(26b)가 비정질 구조를 가지면, 일 예로, 반도체 입자(26b)가 아연 스테네이트로 구성되며 비정질 구조를 가지면, 쉽고 다양하게 합성이 가능하며 압전 소자(100)에 동일한 압력을 가해도 압전 특성이 더 우수하다. In this embodiment, the semiconductor particles 26b may have an amorphous structure. When the semiconductor particle 26b has an amorphous structure, for example, if the semiconductor particle 26b is made of zinc stenate and has an amorphous structure, it can be easily and variously synthesized and piezoelectric even when the same pressure is applied to the piezoelectric element 100 . characteristics are better.

그리고 베이스층(26a)은 플렉서블 특성을 유지하면서 반도체 입자(26b)를 안정적으로 고정 또는 접착하는 역할을 하는 다양한 수지로 구성할 수 있다. 일 예로, 베이스층(26a)이 폴리비닐알코올 등을 포함할 수 있다. 베이스층(26a)이 폴리비닐알코올을 포함하면, 경화 또는 건조 전에는 접착성을 가지는 용액 형태를 가져 전체적으로 도포가 용이하며, 경화 또는 건조 후에는 평면 상태로 굳어서 제2 제조 기판(도 5의 참조부호 262)으로 쉽게 분리되면서도 반도체 입자(26b)를 안정적으로 고정할 수 있다. 이러한 폴리비닐알코올의 응집 특성, 고정 특성은 다른 물질에서 기대하기 어려울 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 다양한 변형이 가능하다. In addition, the base layer 26a may be formed of various resins that stably fix or adhere the semiconductor particles 26b while maintaining the flexible characteristics. For example, the base layer 26a may include polyvinyl alcohol or the like. When the base layer 26a contains polyvinyl alcohol, it has a solution form having adhesive properties before curing or drying, so that it is easy to apply as a whole. 262) while being easily separated, the semiconductor particles 26b can be stably fixed. The aggregation and fixing properties of polyvinyl alcohol may be difficult to expect from other materials. However, the present invention is not limited thereto, and various modifications are possible.

본 실시예에서는 제2 압전층(26)에서 베이스층(26a)이 반도체 입자(26b)와 같거나 그보다 큰 함량으로 포함될 수 있다. 일 예로, 제2 압전층(26)에서 베이스층(26a)이 반도체 입자(26b)보다 큰 함량으로 포함될 수 있다. 반도체 입자(26b)는 단일층으로 구비되면 족하고 베이스층(26a)은 반도체 입자(26b)의 고정 또는 접착 특성을 향상할 수 있도록 많이 포함되는 것이 바람직하기 때문이다. In the present embodiment, in the second piezoelectric layer 26, the base layer 26a may be included in an amount equal to or greater than that of the semiconductor particles 26b. For example, in the second piezoelectric layer 26 , the base layer 26a may be included in an amount greater than that of the semiconductor particles 26b. This is because it is preferable that the semiconductor particles 26b be provided as a single layer and the base layer 26a is preferably included in a large amount so as to improve the fixing or adhesion properties of the semiconductor particles 26b.

예를 들어, 제2 압전층(26) 전체 100 중량부에 대하여, 반도체 입자(26b)가 3 내지 15 중량부로 포함되고 나머지가 베이스층(26a)으로 구성될 수 있다. 이러한 범위 내에서 반도체 입자(26b)에 의한 압전 특성을 충분히 구현하면서도 베이스층(26a)에 의한 고정 또는 접착 특성을 향상할 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.For example, based on 100 parts by weight of the total second piezoelectric layer 26 , 3 to 15 parts by weight of the semiconductor particles 26b may be included and the remainder may be composed of the base layer 26a. Within this range, while sufficiently realizing the piezoelectric properties of the semiconductor particles 26b, the fixing or adhesion properties of the base layer 26a can be improved. However, the present invention is not limited thereto.

제1 전극(14) 위에서 일단부(一端部)(도 2의 좌측)의 부분에 제1 완충층(18), 제1 압전층(16) 등이 형성되지 않고 노출되는 부분이 구비될 수 있고, 이 노출된 부분에 외부 회로 등과의 연결을 위한 제1 패드(19)가 구비될 수 있다. 그리고 제1 전극(14) 위에서 타단부(他端部)(도 2의 우측)의 부분에 제2 완충층(28), 제2 압전층(26) 등이 형성되지 않고 노출되는 부분이 구비될 수 있고, 이 노출된 부분에 외부 회로 등과의 연결을 위한 제2 패드(29)가 구비될 수 있다. 제1 또는 제2 패드(19, 29)는 우수한 전기 전도성을 가지는 금속 물질 등으로 구성될 수 있고, 다양한 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 또는 제2 패드(19, 29)로 금속 페이스트(일 예로, 은 페이스트)를 사용할 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. A portion exposed without forming the first buffer layer 18, the first piezoelectric layer 16, etc. may be provided on a portion of one end (the left side of FIG. 2) on the first electrode 14, A first pad 19 for connection to an external circuit or the like may be provided in the exposed portion. And on the first electrode 14, the second buffer layer 28, the second piezoelectric layer 26, etc. are not formed on the portion of the other end (the right side of Fig. 2), the exposed portion may be provided. and a second pad 29 for connection to an external circuit or the like may be provided in the exposed portion. The first or second pads 19 and 29 may be made of a metal material having excellent electrical conductivity, or the like, and may have various shapes. For example, a metal paste (eg, silver paste) may be used as the first or second pads 19 and 29 . However, the present invention is not limited thereto.

상술한 제1 압전층(16)과 제2 압전층(26)이 대향하도록 제1 구조체(10)와 제2 구조체(20)를 중첩하여 압전 소자(100)를 제조한다. 이때, 제1 압전층(16)과 제2 압전층(26)의 표면 형상에 따른 공간(스페이서)이 구비되도록 중첩될 수 있다. 제1 구조체(10)와 제2 구조체(20)는 별도의 접착 또는 고정 없이 공간(스페이서)를 가지도록 포개지는 것에 의하여 압전 소자(100)를 구성할 수 있다. 제1 완충층(18), 제2 완충층(28), 제1 압전층(16) 및/또는 제2 압전층(26)에 포함된 수지가 접착 특성을 가져 제1 및 제2 구조체(10, 20)를 포함하는 압전 소자(100)를 안정적으로 고정할 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 제1 구조체(10)와 제2 구조체(20)의 적어도 일부를 접착제, 고정 부재 등을 이용하여 접착 또는 고정하여 압전 소자(100)를 구성할 수도 있다. 그 외의 다양한 변형이 가능하다. The piezoelectric element 100 is manufactured by overlapping the first structure 10 and the second structure 20 so that the above-described first piezoelectric layer 16 and the second piezoelectric layer 26 face each other. In this case, the first piezoelectric layer 16 and the second piezoelectric layer 26 may overlap to provide a space (spacer) according to the surface shape. The first structure 10 and the second structure 20 may constitute the piezoelectric element 100 by being superimposed to have a space (spacer) without separate adhesion or fixation. The resin included in the first buffer layer 18 , the second buffer layer 28 , the first piezoelectric layer 16 and/or the second piezoelectric layer 26 has adhesive properties, so that the first and second structures 10 and 20 ) can be stably fixed to the piezoelectric element 100 including the. However, the present invention is not limited thereto, and the piezoelectric element 100 may be configured by bonding or fixing at least a portion of the first structure 10 and the second structure 20 using an adhesive or a fixing member. Various other modifications are possible.

본 실시예에 따른 압전 소자(100)에서는 서로 대향하는 샌드위치 구조를 가지는 제1 압전층(16) 및 제2 압전층(26)을 구비한다. 이때, 제1 압전층(16)은 우수한 압전 효율을 가지는 세라믹 압전 물질을 포함하고, 제2 압전층(26)은 압전 특성을 가지며 낮은 밴드갭 및 우수한 전기 전도도를 가지는 반도체 압전 물질을 포함할 수 있다. 이러한 압전 소자(100)는 매우 우수한 내구성 및 전력 출력 효율을 가질 수 있다. 일 예로, 제1 및 제2 압전층(16, 26)이 무연 압전 물질을 포함하여 친환경 특성을 향상할 수 있다. 특히, 본 실시예에서는 제1 압전층(16)은 불규칙한 형태 또는 배열을 가지는 클러스터(16c)로 구성하고, 제2 압전층(26)은 균일한 형태 및 규칙적인 배열을 가지는 압력 집중 부재(26c)로 구성하여, 압력이 가해졌을 때 압력 집중 특성을 크게 향상할 수 있다. The piezoelectric element 100 according to the present embodiment includes a first piezoelectric layer 16 and a second piezoelectric layer 26 having a sandwich structure facing each other. In this case, the first piezoelectric layer 16 may include a ceramic piezoelectric material having excellent piezoelectric efficiency, and the second piezoelectric layer 26 may include a semiconductor piezoelectric material having piezoelectric properties and a low bandgap and excellent electrical conductivity. there is. Such a piezoelectric element 100 may have very excellent durability and power output efficiency. For example, the first and second piezoelectric layers 16 and 26 may include a lead-free piezoelectric material to improve eco-friendly properties. In particular, in this embodiment, the first piezoelectric layer 16 is composed of clusters 16c having an irregular shape or arrangement, and the second piezoelectric layer 26 is a pressure concentrating member 26c having a uniform shape and regular arrangement. ) to greatly improve the pressure concentration characteristics when pressure is applied.

본 실시예에 따른 압전 소자(100)의 전력 출력 효율은 제1 압전층(16)을 단일로 구비한 압전 소자 및 제2 압전층(26)을 단일로 구비한 압전 소자의 전력 출력 효율을 합친 값보다 매우 아주 큰 값을 가지게 된다. 따라서 본 실시예에 따른 압전 소자(100)는 단순히 압전층을 복수로 포함한 것에 의하여 전력 출력 효율이 향상된 것이 아님을 알 수 있다. The power output efficiency of the piezoelectric element 100 according to the present embodiment is the sum of the power output efficiency of the piezoelectric element including the first piezoelectric layer 16 and the piezoelectric element having the second piezoelectric layer 26 alone. It has a value that is very, very much greater than the value. Therefore, it can be seen that the power output efficiency is not improved by simply including a plurality of piezoelectric layers in the piezoelectric element 100 according to the present embodiment.

이때, 세라믹 압전 물질과 반도체 압전 물질로는, 서로 동일 또는 유사한 구조를 가질 수 있고, 서로 동일 또는 유사한 합성법에 의하여 형성될 수 있는 물질을 사용할 수 있다. 예를 들어, 세라믹 압전 물질로 티탄산바륨을 사용하고, 반도체 압전 물질로 아연 스테네이트를 사용하면, 동일한 페로브스카이트 구조를 가지며 동일한 수열 합성법(hydrothermal method)에 의하여 형성될 수 있어, 안정적인 구조를 형성할 수 있으며 제조 공정을 단순화할 수 있다. 참조로, 아연 스테네이트는 수열 합성법에 의하여 나노 또는 마이크로 입자 형태로 쉽게 합성될 수 있는 반면, 아연 산화물 등은 나노 또는 마이크로 입자 형태로 합성하는데 어려움이 있다. In this case, as the ceramic piezoelectric material and the semiconductor piezoelectric material, materials that may have the same or similar structures and may be formed by the same or similar synthesis method may be used. For example, if barium titanate is used as the ceramic piezoelectric material and zinc stenate is used as the semiconductor piezoelectric material, it has the same perovskite structure and can be formed by the same hydrothermal method, resulting in a stable structure. can be formed and the manufacturing process can be simplified. For reference, zinc stenate can be easily synthesized in nano or micro particle form by hydrothermal synthesis, whereas zinc oxide or the like is difficult to synthesize in nano or micro particle form.

이러한 압전 소자(100)는 영구적인 전력 생산을 활용하여 보조 배터리와 같은 무선 충전 시스템, 바이오 전자 소자, 웨어러블 전자 소자, 미세 전자 기계 시스템(micro-electro mechanical system, MEMS) 등의 다양한 분야에 적용될 수 있다. The piezoelectric element 100 can be applied to various fields such as a wireless charging system such as an auxiliary battery, a bio-electronic device, a wearable electronic device, and a micro-electro mechanical system (MEMS) by utilizing permanent power generation. there is.

즉, 본 실시예에 따른 압전 소자(100)에 따르면, 신체를 이용하여 압전 소자(100)에 압력을 가하는 것에 의하여, 배터리를 충전하거나, 전자 장치의 원하는 동작을 구동하거나, 배터리를 충전하는 등 다양한 장치에 적용할 수 있다. 예를 들어, 손가락을 통한 가압, 손바닥을 통한 가압, 손목 운동, 목 운동 등에 의한 압력을 이용하여 불을 켜거나 배터리를 충전하는 등의 다양한 동작을 하도록 할 수 있다. 일 예로, 본 실시예에 따른 압전 소자(100)에 성대 울림에 따른 압력을 가하면, 성대 울림을 인식할 수 있고 이에 따른 음성 인식 장치 및/또는 사용자 인식 장치로 동작하여 이를 문 열림 장치 등에 연동하여 사용할 수 있다. 또는, 본 실시예에 따른 압전 소자(100)를 휴대용 제세동기에 포함시켜 응급 상황이 발생한 경우 신체를 이용한 압력으로 제세동기를 동작시켜 사용할 수도 있다. 그 외의 다양한 분야에 본 실시예에 따른 압전 소자(100)가 사용될 수 있다. That is, according to the piezoelectric element 100 according to the present embodiment, by applying pressure to the piezoelectric element 100 using the body, charging the battery, driving a desired operation of the electronic device, charging the battery, etc. It can be applied to various devices. For example, various operations, such as turning on a light or charging a battery, may be performed by using pressure by a finger, a pressure by a palm, a wrist movement, a neck movement, or the like. As an example, when pressure is applied to the piezoelectric element 100 according to the present embodiment according to the vocal cord ringing, the vocal cord ringing can be recognized, and it operates as a voice recognition device and/or user recognition device according to this by interlocking it with a door opening device, etc. can be used Alternatively, the piezoelectric element 100 according to the present embodiment may be included in the portable defibrillator to operate the defibrillator using body pressure when an emergency occurs. The piezoelectric element 100 according to the present embodiment may be used in various other fields.

이하에서는 도 1 내지 도 3와 함께 도 4 및 도 5를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 압전 소자(100)의 제조 방법을 상세하게 설명한다. 상술한 설명과 동일 또는 극히 유사한 부분에 대해서는 상세한 설명을 생략하고 서로 다른 부분에 대해서만 상세하게 설명한다. Hereinafter, a method of manufacturing the piezoelectric element 100 according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 4 and 5 along with FIGS. 1 to 3 . A detailed description of the same or extremely similar parts to the above description will be omitted and only different parts will be described in detail.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 압전 소자(100)에 포함되는 제1 압전층(16)을 형성하는 공정을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 압전 소자(100)에 포함되는 제2 압전층(26)을 형성하는 공정을 개략적으로 도시한 도면이다. 4 is a diagram schematically illustrating a process of forming the first piezoelectric layer 16 included in the piezoelectric element 100 according to an embodiment of the present invention, and FIG. 5 is a piezoelectric element ( It is a view schematically illustrating a process of forming the second piezoelectric layer 26 included in 100 .

먼저, 제1 기재(12) 위에 제1 전극(14)을 형성하고, 제2 기재(22) 위에 제2 전극(24)을 형성할 수 있다. 제1 전극(14) 또는 제2 전극(24)은 증착법, 예를 들어, 열증착법에 의하여 형성될 수 있다. First, the first electrode 14 may be formed on the first substrate 12 , and the second electrode 24 may be formed on the second substrate 22 . The first electrode 14 or the second electrode 24 may be formed by a vapor deposition method, for example, a thermal vapor deposition method.

그리고 도 4에 도시한 바와 같이 제1 압전층(16)을 형성하고, 도 5에 도시한 바와 같이 제2 압전층(26)을 형성할 수 있다. 좀더 구체적으로, 세라믹 나노 입자(16b) 및 반도체 입자(26b)를 각기 준비하고 이를 이용하여 제1 압전층(16) 및 제2 압전층(26)을 형성할 수 있다. 이하에서는 먼저 세라믹 나노 입자(16b) 및 반도체 입자(26b)를 형성하는 공정을 설명하고, 이를 이용하여 제1 압전층(16) 및 제2 압전층(26)을 형성하는 공정을 각기 설명한다. Then, as shown in FIG. 4 , the first piezoelectric layer 16 may be formed, and as shown in FIG. 5 , the second piezoelectric layer 26 may be formed. More specifically, the first piezoelectric layer 16 and the second piezoelectric layer 26 may be formed by preparing the ceramic nanoparticles 16b and the semiconductor particles 26b, respectively, and using them. Hereinafter, the process of forming the ceramic nanoparticles 16b and the semiconductor particle 26b will be described first, and the process of forming the first piezoelectric layer 16 and the second piezoelectric layer 26 using these will be described, respectively.

세라믹 나노 입자(16b)가 티탄산바륨, 티탄산지르코늄산납, 티탄산납, 또는 지르코늄산납을 포함할 수 있고, 반도체 입자(26b)가 아연 스테네이트를 포함할 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서 제1 압전층(16)에 포함되는 제1 압전 물질로 다양한 물질을 사용할 수 있고, 제2 압전층(26)에 포함되는 제2 압전 물질로 다양한 물질을 사용할 수 있다. The ceramic nanoparticles 16b may include barium titanate, lead zirconate titanate, lead titanate, or lead zirconate, and the semiconductor particles 26b may include zinc stenate. However, the present invention is not limited thereto. Accordingly, various materials may be used as the first piezoelectric material included in the first piezoelectric layer 16 , and various materials may be used as the second piezoelectric material included in the second piezoelectric layer 26 .

본 실시예에서 세라믹 나노 입자(16b) 및 반도체 입자(26b)는 다양한 방법에 의하여 형성될 수 있는데, 일 예로, 수열 합성법으로 형성될 수 있다. 수열 합성법에서 열처리 온도 및 시간 등은 다양하게 변형될 수 있다. 이때, 세라믹 나노 입자(16b)의 열처리 온도 및 시간이 반도체 입자(26)의 열처리 온도 및 시간보다 각각 작을 수 있다. 예를 들어, 세라믹 나노 입자(16b)를 형성하기 위한 수열 합성법에서는 50 내지 120도에서 10분 내지 1시간 동안 열처리를 수행할 수 있고, 반도체 입자(26b)를 형성하기 위한 수열 합성법에서는 100 내지 150도에서 1시간 내지 5시간 동안 열처리를 수행할 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 다양한 변형이 가능하다. In the present embodiment, the ceramic nanoparticles 16b and the semiconductor particles 26b may be formed by various methods. For example, they may be formed by a hydrothermal synthesis method. In the hydrothermal synthesis method, the heat treatment temperature and time may be variously modified. In this case, the heat treatment temperature and time of the ceramic nanoparticles 16b may be smaller than the heat treatment temperature and time of the semiconductor particles 26 , respectively. For example, in the hydrothermal synthesis method for forming the ceramic nanoparticles 16b, heat treatment may be performed at 50 to 120 degrees for 10 minutes to 1 hour, and in the hydrothermal synthesis method for forming the semiconductor particles 26b, 100 to 150 The heat treatment can be performed for 1 hour to 5 hours in the figure. However, the present invention is not limited thereto, and various modifications are possible.

이때, 반도체 입자(26b)는 구형 형상을 형성하기 위하여 반응 촉매 효소의 역할을 하는 에탄올을 첨가할 수 있다. 이와 같이 제조된 반도체 입자(26b)는 비정질 구조를 가질 수 있다. In this case, the semiconductor particles 26b may be added with ethanol serving as a reaction catalyst enzyme in order to form a spherical shape. The semiconductor particles 26b manufactured as described above may have an amorphous structure.

그리고 도 4에 도시한 바와 같이 세라믹 나노 입자(16b)를 이용하여 제1 압전층(16)을 형성할 수 있다. And, as shown in FIG. 4 , the first piezoelectric layer 16 may be formed using the ceramic nanoparticles 16b.

좀더 구체적으로, 도 4의 (a) 및 (b)에 도시한 바와 같이, 수지로 구성되는 수지 용액(160a)에 세라믹 나노 입자(16b)를 섞어 혼합 용액(162)을 제조한다. 수지 용액(160a)은 폴리디메틸실록산, 폴리비닐알코올, 폴리비닐리덴플루오라이드 등을 포함할 수 있다. 예를 들어, 수지 용액(160a)으로 폴리디메틸실록산을 사용하는 경우에, 수지 용액(160a) 자체는 투명한데 수지 용액(160a)에 세라믹 나노 입자(16b)가 충분히 섞인 혼합 용액(162)은 불투명한 색을 가질 수 있다. 이에 따라 육안으로 수지 용액(160a)에 세라믹 나노 입자(16b)가 충분히 섞여 혼합 용액(162)이 형성되었는지 쉽게 확인할 수 있다. More specifically, as shown in FIGS. 4A and 4B , a mixed solution 162 is prepared by mixing the ceramic nanoparticles 16b with the resin solution 160a made of resin. The resin solution 160a may include polydimethylsiloxane, polyvinyl alcohol, polyvinylidene fluoride, or the like. For example, in the case of using polydimethylsiloxane as the resin solution 160a, the resin solution 160a itself is transparent, but the mixed solution 162 in which the ceramic nanoparticles 16b are sufficiently mixed with the resin solution 160a is opaque. It can have one color. Accordingly, it can be easily checked whether the mixed solution 162 is formed by sufficiently mixing the ceramic nanoparticles 16b with the resin solution 160a with the naked eye.

여기서, 혼합 용액(162)에서, 수지 용액(160a)의 중량부가 세라믹 나노 입자(16b)의 중량부보다 클 수 있다. 예를 들어, 혼합 용액(162) 전체 100 중량부에 대하여, 세라믹 나노 입자(16b)가 5 내지 25 중량부 포함되고 나머지가 수지 용액(160a)으로 구성될 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 수지와 세라믹 나노 입자의 중량부가 다양하게 변형될 수 있다. Here, in the mixed solution 162 , the weight part of the resin solution 160a may be greater than the weight part of the ceramic nanoparticles 16b . For example, with respect to 100 parts by weight of the total mixed solution 162 , 5 to 25 parts by weight of the ceramic nanoparticles 16b may be included and the remainder may be composed of the resin solution 160a. However, the present invention is not limited thereto, and the weight parts of the resin and the ceramic nanoparticles may be variously modified.

도 4의 (c) 및 (d)에 도시한 바와 같이, 수지층(16a)에 또는 수지층(16a) 위에 클러스터(16c)를 위치시켜 제1 압전층(16)을 형성할 수 있다. 이러한 공정은 진공 바코터 장비에서 수행될 수 있는데, 일 예로, 진공 바코터를 이용한 블레이딩 방법(blading method for vacuum-barcoater)으로 수행될 수 있다. As shown in FIGS. 4C and 4D , the first piezoelectric layer 16 may be formed by locating the clusters 16c on the resin layer 16a or on the resin layer 16a. This process may be performed in a vacuum bar coater equipment, for example, may be performed by a blading method using a vacuum bar coater (blading method for vacuum-barcoater).

혼합 용액(162)을 제1 제조 기판(164) 위에 전체적으로 도포하고 제1 제조 기판(164)의 표면에 충분히 확산될 때까지 기다려서 층상 형상으로 형성한다. 예를 들어, 혼합 용액(162)을 도포한 이후에 5분 내지 30분 동안 기다릴 수 있다. 이는 충분한 확산을 구현하면서도 공정 시간이 너무 길어지지 않도록 한정된 것이나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 그리고 층상 형상의 혼합 용액(162)에 바코터를 이용하여 블레이딩 공정을 수행할 수 있다. 예를 들어, 바(166)가 3cm/s 내지 10cm/s의 표면 식각 속도(bar-shifting speed)로 혼합 용액(162)의 표면 위를 지나가면서 식각하면, 세라믹 나노 입자(16b)와 수지 용액(160b)에 포함된 수지의 표면 장력 차이로 인하여 세라믹 나노 입자(16b)가 뭉치는 현상이 발생할 수 있다. 이러한 바(166)의 이동 속도(표면 식각 속도)는 클러스트(16c)를 형성하기에 적합하게 한정된 것이나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 이와 같이 세라믹 나노 입자(16b)가 뭉쳐지면, 뭉쳐진 세라믹 나노 입자(16b)를 다시 층상 형상의 혼합 용액(162)(좀더 정확하게는, 수지로 구성되는 수지층(16a))의 표면으로 패터닝하듯 증착하여 클러스터(16c)를 형성할 수 있다. 이 상태에서 경화하면, 수지층(16a)의 표면 위로 클러스터(16c)가 노출 또는 돌출되는 제1 압전층(16)을 제조할 수 있다. 예를 들어, 경화 공정은 소프트베이스(soft bake)로 수행될 수 있으며, 60도씨 내지 80도씨의 온도에서 1시간 내지 5시간으로 수행될 수 있다. 이러한 공정 조건은 경화 공정이 안정적으로 수행되면서 제조 공정을 단순화하기 위하여 한정된 것이나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. The mixed solution 162 is applied entirely on the first manufacturing substrate 164 and waiting until it is sufficiently diffused on the surface of the first manufacturing substrate 164 to form a layered shape. For example, it may wait for 5 to 30 minutes after applying the mixed solution 162 . This is limited so that the process time is not too long while implementing sufficient diffusion, but the present invention is not limited thereto. In addition, a blading process may be performed on the layered mixed solution 162 using a bar coater. For example, when the bar 166 is etched while passing over the surface of the mixed solution 162 at a bar-shifting speed of 3 cm/s to 10 cm/s, the ceramic nanoparticles 16b and the resin solution Aggregation of the ceramic nanoparticles 16b may occur due to a difference in surface tension of the resin included in 160b. The moving speed (surface etching rate) of the bar 166 is appropriately limited to form the cluster 16c, but the present invention is not limited thereto. When the ceramic nanoparticles 16b are aggregated in this way, the aggregated ceramic nanoparticles 16b are again deposited as patterning on the surface of the layered mixed solution 162 (more precisely, the resin layer 16a made of resin). Thus, a cluster 16c can be formed. When cured in this state, the first piezoelectric layer 16 in which the clusters 16c are exposed or protrude on the surface of the resin layer 16a can be manufactured. For example, the curing process may be performed by a soft bake, and may be performed at a temperature of 60°C to 80°C for 1 hour to 5 hours. These process conditions are limited to simplify the manufacturing process while the curing process is stably performed, but the present invention is not limited thereto.

그리고 도 4의 (e)에 도시한 바와 같이, 제1 제조 기판(164)으로부터 제1 압전층(16)을 분리하고, 이를 제1 전극(14) 위에 고정하여 제1 구조체(10)의 제조를 완료할 수 있다. 예를 들어, 제1 전극(14) 위에 제1 완충층(18) 및 제1 압전층(16)을 차례로 위치시켜 고정하는 것에 의하여 제1 구조체(10)를 형성할 수 있다. 이때, 제1 완충층(18)이 일종의 접착층으로서의 역할을 수행할 수 있다. And as shown in FIG. 4E, the first piezoelectric layer 16 is separated from the first manufacturing substrate 164 and fixed on the first electrode 14 to manufacture the first structure 10 can complete For example, the first structure 10 may be formed by sequentially positioning and fixing the first buffer layer 18 and the first piezoelectric layer 16 on the first electrode 14 . At this time, the first buffer layer 18 may serve as a kind of adhesive layer.

그리고 도 5에 도시한 바와 같이 반도체 입자(26b)를 이용하여 제2 압전층(26)을 형성할 수 있다. 이러한 공정은 기판 전사 방법(substrate transfer method)에 의하여 수행될 수 있다. And, as shown in FIG. 5 , the second piezoelectric layer 26 may be formed using the semiconductor particles 26b. This process may be performed by a substrate transfer method.

좀더 구체적으로, 도 5의 (a) 및 (b)에 도시한 바와 같이, 수지로 구성되는 제2 제조 기판(262) 위에 반도체 입자(26b)를 놓고 전사 부재(264)를 이용하여 문질러서 제2 제조 기판(262) 위에 골고루 전사(transfer)시킨다. 이에 의하여 반도체 입자(26b)가 단일 방향(uni-directional)으로 정렬되어, 서로 교차하는 방향에서 열과 행을 이루도록 정렬될 수 있다. 여기서, 제2 제조 기판(262) 또는 전사 부재(264)는 폴리디메틸실록산 등으로 구성될 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. More specifically, as shown in FIGS. 5A and 5B , the semiconductor particles 26b are placed on the second manufacturing substrate 262 made of resin and rubbed using the transfer member 264 to obtain the second It is uniformly transferred onto the manufacturing substrate 262 . Accordingly, the semiconductor particles 26b may be aligned in a uni-directional manner to form columns and rows in a direction crossing each other. Here, the second manufacturing substrate 262 or the transfer member 264 may be made of polydimethylsiloxane, but the present invention is not limited thereto.

이어서, 도 5의 (c)에 도시한 바와 같이, 제2 제조 기판(262) 위에 정렬된 반도체 입자(26b) 위에 수지를 포함하는 수지 수용액(260a)을 도포할 수 있다. 수지를 포함하는 수지 수용액(260a)은 반도체 입자(26b)를 접착하는 고정하는 역할을 하며 경화 후에 제2 제조 기판(262)으로부터 쉽게 박리될 수 있는 다양한 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 수지 수용액(260a)은 폴리비닐알코올 등을 포함할 수 있다.Subsequently, as shown in FIG. 5C , an aqueous resin solution 260a including a resin may be coated on the semiconductor particles 26b aligned on the second manufacturing substrate 262 . The aqueous resin solution 260a including the resin serves to bond and fix the semiconductor particles 26b and may include various materials that can be easily peeled off from the second manufacturing substrate 262 after curing. For example, the aqueous resin solution 260a may include polyvinyl alcohol or the like.

본 실시예에서 수지 수용액(260a)은, 경화 또는 건조 후에 제2 압전층(26) 전체 100 중량부에 대하여, 반도체 입자(26b)가 3 내지 15 중량부로 포함되고 나머지가 베이스층(26a)으로 구성되도록 하는 함량으로 포함될 수 있다. In this embodiment, the aqueous resin solution 260a contains 3 to 15 parts by weight of the semiconductor particles 26b based on 100 parts by weight of the total second piezoelectric layer 26 after curing or drying, and the remainder is used as the base layer 26a. It may be included in an amount to be constituted.

이어서, 도 5의 (d)에 도시한 바와 같이, 제2 제조 기판(262) 위에 정렬된 반도체 입자(26b)에 도포된 수지 수용액(260a)을 건조 또는 경화할 수 있다. 이때, 수지를 포함하는 수지 수용액(260a)의 도포 시에 공기층이 형성될 수 있으므로 경화 공정 또는 건조 공정은 진공 상태에서 수행될 수 있다. 예를 들어, 진공 오븐(vacuum oven)에서 상온에서 6시간 내지 15시간 건조하여 경화할 수 있다. 이러한 공정 조건은 경화 공정 또는 건조 공정이 안정적으로 수행되면서 제조 공정을 단순화하기 위하여 한정된 것이나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 이에 의하여 반도체 입자(26b)가 표면에 고루 전사된 제2 압전층(26)을 제조될 수 있다. Subsequently, as shown in FIG. 5D , the aqueous resin solution 260a applied to the semiconductor particles 26b aligned on the second manufacturing substrate 262 may be dried or cured. In this case, since an air layer may be formed when the aqueous resin solution 260a containing the resin is applied, the curing process or the drying process may be performed in a vacuum state. For example, it may be cured by drying in a vacuum oven at room temperature for 6 to 15 hours. These process conditions are limited to simplify the manufacturing process while the curing process or the drying process is stably performed, but the present invention is not limited thereto. Accordingly, the second piezoelectric layer 26 to which the semiconductor particles 26b are uniformly transferred to the surface may be manufactured.

이어서, 도 5의 (e)에 도시한 바와 같이, 제2 제조 기판(262)으로부터 제2 압전층(26)을 분리하고, 이를 제2 전극(24) 위에 고정하여 제2 구조체(20)의 제조를 완료할 수 있다. 예를 들어, 제2 전극(24) 위에 제2 완충층(28) 및 제2 압전층(26)을 차례로 위치시켜 고정하는 것에 의하여 제2 구조체(20)를 형성할 수 있다. 이때, 제2 완충층(28)이 일종의 접착층으로서의 역할을 수행할 수 있다.Next, as shown in FIG. 5E , the second piezoelectric layer 26 is separated from the second manufacturing substrate 262 , and this is fixed on the second electrode 24 to form the second structure 20 . manufacturing can be completed. For example, the second structure 20 may be formed by sequentially positioning and fixing the second buffer layer 28 and the second piezoelectric layer 26 on the second electrode 24 . At this time, the second buffer layer 28 may serve as a kind of adhesive layer.

이어서, 제1 압전층(16)과 제2 압전층(26)이 대향하도록 제1 구조체(10)와 제2 구조체(20)를 중첩하여 압전 소자(100)를 제조할 수 있다. Subsequently, the piezoelectric element 100 may be manufactured by overlapping the first structure 10 and the second structure 20 so that the first piezoelectric layer 16 and the second piezoelectric layer 26 face each other.

이하, 본 발명의 제조예에 의하여 본 실시예에 따른 압전 소자를 상세하게 설명한다. 본 제조예는 예시로 제시한 것에 불과하며 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, a piezoelectric element according to this embodiment will be described in detail by way of a manufacturing example of the present invention. This preparation example is merely presented as an example, and the present invention is not limited thereto.

제조예 1Preparation Example 1

폴리에틸렌테레프탈레이트로 구성된 제1 기재 위에 열 증착법으로 알루미늄으로 구성된 100nm 두께의 제1 전극을 형성하였다. 이와 유사하게, 폴리에틸렌테레프탈레이트로 구성된 제2 기재에 열 증착법으로 알루미늄으로 구성된 100nm 두께의 제2 전극을 형성하였다. A first electrode with a thickness of 100 nm made of aluminum was formed by thermal evaporation on a first substrate made of polyethylene terephthalate. Similarly, a 100 nm thick second electrode made of aluminum was formed by thermal evaporation on a second substrate made of polyethylene terephthalate.

수열 합성법을 이용하여 세라믹 나노 입자 및 반도체 입자를 각기 형성하였다. 좀더 구체적으로, 수열 합성법으로 티탄산바륨으로 구성되는 세라믹 나노 입자를 형성하고 70도씨에서 30분 동안 어닐링 열처리하여 건조하였다. 그리고 수열 합성법을 이용하여 아연 스테네이트로 구성되는 반도체 입자를 형성하고 120도씨에서 90분 동안 어닐링 열처리하였다. 아연 스테네이트를 형성하는 수열 합성법에서는 결정 구조를 구체 형태로 만들기 위하여 촉매 효소 역할을 하는 에탄올을 첨가하였다. 이에 따라 형성된 세라믹 나노 입자의 전자 주사 현미경(SEM) 사진을 도 6에 첨부하였고, 반도체 입자의 전자 주사 현미경 사진 및 엑스레이선 회절 분석(XRD) 사진을 도 7에 첨부하였다. Ceramic nanoparticles and semiconductor particles were respectively formed by hydrothermal synthesis. More specifically, ceramic nanoparticles composed of barium titanate were formed by hydrothermal synthesis, annealed at 70°C for 30 minutes, and dried. Then, using a hydrothermal synthesis method, semiconductor particles composed of zinc stenate were formed and annealed at 120°C for 90 minutes. In the hydrothermal synthesis method for forming zinc stenate, ethanol serving as a catalytic enzyme was added to make the crystal structure into a spherical shape. A scanning electron microscope (SEM) photograph of the ceramic nanoparticles thus formed is attached to FIG. 6 , and a scanning electron microscope photograph and an X-ray diffraction analysis (XRD) photograph of the semiconductor particles are attached to FIG. 7 .

폴리디메틸실록산을 포함하는 수지 용액에 세라믹 나노 입자를 100:20의 중량비로 섞어 혼합 용액을 제조하였다. 혼합 용액을 진공 바코터 장비의 제1 제조 기판 위에 부은 후에 확산될 때까지 약 10분간 기다린 후에 바를 이용하여 6cm/s의 속도로 식각하여 세라믹 나노 입자로 구성되는 클러스터를 형성하고, 이를 다시 혼합 용액의 표면으로 흩뿌려 패터닝하여 증착하였다. 이를 오븐에서 700도씨 온도에서 2시간 동안 경화하여 제1 압전층을 형성하였다. 제1 압전층이 형성된 제1 구조체의 전자 주사 현미경 사진을 도 8에 첨부하였다. 도 8은 제1 압전층의 표면을 측면 각도(tilt-view mode)로 분석한 사진이다. A mixed solution was prepared by mixing ceramic nanoparticles in a resin solution containing polydimethylsiloxane in a weight ratio of 100:20. After pouring the mixed solution on the first manufacturing substrate of the vacuum bar coater equipment, wait for about 10 minutes until it diffuses, and then etch using a bar at a rate of 6 cm/s to form a cluster composed of ceramic nanoparticles, which is again a mixed solution It was deposited by scattering and patterning on the surface of This was cured in an oven at 700° C. for 2 hours to form a first piezoelectric layer. A scanning electron microscope photograph of the first structure in which the first piezoelectric layer is formed is attached to FIG. 8 . 8 is a photograph in which the surface of the first piezoelectric layer is analyzed in a tilt-view mode.

그리고 폴리디메틸실록산으로 구성된 제2 제조 기판 위에 반도체 입자를 놓은 후에 폴리디메틸실록산으로 구성된 전사 부재를 이용하여 문질러서 골고루 전사시켰다. 그리고 제2 제조 기판 위에 정렬된 반도체 입자 위에 폴리비닐알코올을 포함하는 수지 수용액을 도포하였다. 수지 수용액과 반도체 입자의 중량비는 100:10이었다. 진공 오븐(vacuum oven)에서 상온에서 12시간 동안 건조하여 경화하여 폴리비닐알코올을 포함하는 베이스층에 반도체 입자가 구비되는 제2 압전층을 형성하였다. 이와 같이 베이스층 및 반도체 입자를 포함하는 제2 압전층의 전자 주사 현미경 사진을 도 9에 첨부하였다. 도 9는 제2 압전층의 표면을 측면 각도(tilt-view mode)로 분석한 사진이다.Then, after placing the semiconductor particles on the second manufacturing substrate made of polydimethylsiloxane, it was transferred evenly by rubbing using a transfer member made of polydimethylsiloxane. Then, an aqueous resin solution containing polyvinyl alcohol was applied on the semiconductor particles aligned on the second manufacturing substrate. The weight ratio of the aqueous resin solution to the semiconductor particles was 100:10. The second piezoelectric layer including semiconductor particles was formed on the base layer including polyvinyl alcohol by drying and curing the mixture at room temperature for 12 hours in a vacuum oven. As described above, a scanning electron microscope photograph of the second piezoelectric layer including the base layer and the semiconductor particles is attached to FIG. 9 . 9 is a photograph obtained by analyzing the surface of the second piezoelectric layer in a tilt-view mode.

제1 및 제2 압전층을 각기 제1 및 제2 제조 기판으로부터 분리하였다. 제1 전극 위에 폴리디메틸실록산으로 구성된 제1 완충층 및 제1 압전층을 차례로 위치시켜 고정하는 것에 의하여 제1 구조체를 형성하고, 제2 전극 위에 폴리디메틸실록산으로 구성된 제2 완충층 및 제2 압전층을 차례로 위치시켜 고정하는 것에 의하여 제2 구조체를 형성하였다. 제1 압전층과 제2 압전층을 대향한 상태에서 제1 구조체와 제2 구조체를 고정하여 압전 소자를 제조하였다. The first and second piezoelectric layers were separated from the first and second production substrates, respectively. A first structure is formed by sequentially positioning and fixing a first buffer layer and a first piezoelectric layer made of polydimethylsiloxane on the first electrode, and a second buffer layer and a second piezoelectric layer made of polydimethylsiloxane on the second electrode A second structure was formed by sequentially positioning and fixing. A piezoelectric element was manufactured by fixing the first structure and the second structure in a state where the first piezoelectric layer and the second piezoelectric layer were opposed to each other.

도 6을 참조하면, 세라믹 나노 입자의 크기가 100nm 내지 500nm였고 정방 전계의 결정 구조를 가진다. 도 7을 참조하면, 반도체 입자의 평균 크기가 대략 800nm이며 구형 형상을 가지는 것을 알 수 있다. 그리고 엑스레이선 회절 분석 결과를 통하여 반도체 입자가 비정질 형상을 가지는 것을 알 수 있다. Referring to FIG. 6 , the size of the ceramic nanoparticles was 100 nm to 500 nm and had a crystalline structure of a tetragonal electric field. Referring to FIG. 7 , it can be seen that the average size of the semiconductor particles is about 800 nm and has a spherical shape. And it can be seen that the semiconductor particles have an amorphous shape through the X-ray diffraction analysis result.

도 8을 참조하면, 제1 압전층에서는 수지층의 표면에 세라믹 나노 입자가 뭉쳐진 클러스트가 형성된 것을 확인할 수 있다. 그리고 제1 압전층의 두께 또한 50um로 균일한 것을 확인할 수 있다. 도 9를 참조하면, 제2 압전층에서는 베이스층의 표면에 구형 형상의 반도체 입자가 고르게 패터닝된 것을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 8 , in the first piezoelectric layer, it can be seen that a cluster in which ceramic nanoparticles are aggregated is formed on the surface of the resin layer. In addition, it can be seen that the thickness of the first piezoelectric layer is also uniform at 50 μm. Referring to FIG. 9 , in the second piezoelectric layer, it can be seen that spherical semiconductor particles are uniformly patterned on the surface of the base layer.

오실로스코프에 연동한 상태에서 상술한 본 발명의 제조예 1에 따른 압전 소자에 검지와 중지의 두 개의 손가락으로 동시에 압력을 가하여 0.27 MPa의 압력으로 누르면서 전압-전류 특성을 측정하였고, 그 결과를 도 10의 (a) 및 (b)에 첨부하였다. 도 10의 (a)에는 시간에 따른 개방 전압의 결과를 첨부하였고, 도 10의 (b)에는 시간에 따른 단락 전류의 결과를 첨부하였다. 도 10의 (a) 및 (b) 각각에서 좌측에는 정방향으로 연결된 상태의 결과를, 우측에는 역방향으로 연결된 상태의 결과를 나타냈다. In the state linked to the oscilloscope, the voltage-current characteristics were measured while simultaneously applying pressure to the piezoelectric element according to Preparation Example 1 of the present invention with two fingers of the index and middle fingers and pressing it with a pressure of 0.27 MPa, and the results are shown in FIG. (a) and (b) are attached. The result of the open-circuit voltage according to time is attached to FIG. 10(a), and the result of the short-circuit current according to time is attached to FIG. 10(b). In each of (a) and (b) of FIG. 10 , the result of the state connected in the forward direction is shown on the left side, and the result of the state connected in the reverse direction is shown on the right side.

도 10의 (a) 및 (b)에 도시한 바와 같이, 피크 출력 전압은 206V이며, 피크 출력 전류가 27uA이었다. 정방향으로 연결된 경우 및 역방향으로 연결된 경우에도 실질적으로 동일한 출력 전압 및 전류를 얻을 수 있으며, 그 방향만 반대되는 것을 알 수 있다. 이와 같이 본 실시예에 따른 압전 소자는 손가락에 의한 압력에 의하여 전압 및 전류 출력이 충분히 발생됨을 알 수 있다. As shown in (a) and (b) of Fig. 10, the peak output voltage was 206V, and the peak output current was 27uA. It can be seen that substantially the same output voltage and current can be obtained even when connected in the forward direction and when connected in the reverse direction, and only the directions are opposite. As described above, it can be seen that in the piezoelectric element according to the present embodiment, voltage and current output are sufficiently generated by the pressure of the finger.

그리고 오실로스코프에 연동한 상태에서 본 발명의 제조예 1에 따른 압전 소자를 0.13 MPa의 기계로 눌러서 전압-전류 특성을 측정하였고, 그 결과를 도 11의 (a) 및 (b) 각각의 우측에 첨부하였다. 이때, 압전 소자에 압력을 제공하는 기계는 압전 소자의 크기를 가지며 간격이 10cm인 사각봉을 17m/s의 속도로 이동시켜 일정한 운동 에너지(일정한 기계적 운동 에너지)로 압력을 가하였다. 도 11의 (a)에는 시간에 따른 개방 전압의 결과를 첨부하였고, 도 11의 (b)에는 시간에 따른 단락 전류의 결과를 첨부하였다. 도 11의 (a) 및 (b) 각각에서 좌측에는 비교를 위하여 제1 압전층을 구비하되 제2 압전층을 구비하지 않는 비교예 1의 전압-전류 특성을 나타냈다. And in the state linked to the oscilloscope, the voltage-current characteristics were measured by pressing the piezoelectric element according to Preparation Example 1 of the present invention with a machine of 0.13 MPa, and the results are attached to the right side of each of FIGS. 11 (a) and (b) did At this time, the machine providing pressure to the piezoelectric element moved a square rod having the size of the piezoelectric element and having an interval of 10 cm at a speed of 17 m/s to apply pressure with constant kinetic energy (constant mechanical kinetic energy). The result of the open-circuit voltage according to time is attached to FIG. 11(a), and the result of the short-circuit current according to time is attached to FIG. 11(b). The voltage-current characteristics of Comparative Example 1 having the first piezoelectric layer but not including the second piezoelectric layer are shown on the left side in each of FIGS. 11A and 11B .

도 11의 (a) 및 (b)를 참조하면, 비교예 1에 비하여 제조예 1에 따른 압전 소자가 평균 전압 및 평균 전류가 매우 커지는 것을 알 수 있다. 이에 따라 평균 전력 출력 효율이 약 9.5배로 매우 크게 상승한 것을 확인할 수 있다. Referring to FIGS. 11A and 11B , it can be seen that the average voltage and average current of the piezoelectric element according to Preparation Example 1 are very large compared to Comparative Example 1. Accordingly, it can be seen that the average power output efficiency is greatly increased to about 9.5 times.

제조예 2Preparation 2

제조예 1에 따른 압전 소자를 정류 회로(rectifier circuit)에 연동하였고 병렬로 연결한 200개의 청색 발광 다이오드(LED)에 연결하였다. 압전 소자를 누르지 않은 상태와 손의 압력(0.27 MPa)으로 누른 상태의 사진을 각기 도 12의 (a) 및 (b)에 첨부하였다. The piezoelectric element according to Preparation Example 1 was linked to a rectifier circuit and connected to 200 blue light emitting diodes (LEDs) connected in parallel. Pictures of the state in which the piezoelectric element is not pressed and the state in which the piezoelectric element is pressed by hand pressure (0.27 MPa) are attached to FIGS. 12 (a) and (b), respectively.

도 12의 (a)에 도시한 바와 같이 압전 소자에 압력을 가하지 않은 상태에서는 청색 발광 다이오드가 켜지지 않으나, 도 12의 (b)에 도시한 바와 같이 압전 소자에 압력을 가하면 200개의 청색 발광 다이오드가 모두 켜지는 것을 알 수 있다. 이와 같이 본 제조예 1에 따른 압전 소자를 이용하여 충분한 전력이 발생되는 것을 알 수 있다. 이에 따라 본 실시예에 따른 압전 소자를 무선 충전 장치, 웨어러블 전자 소자, 바이오 메디컬 장치 등에 적용할 수 있는 것이다.As shown in (a) of FIG. 12, the blue light emitting diode does not turn on when no pressure is applied to the piezoelectric element, but when pressure is applied to the piezoelectric element as shown in FIG. 12 (b), 200 blue light emitting diodes are You can see that all are turned on. As described above, it can be seen that sufficient power is generated using the piezoelectric element according to Preparation Example 1. Accordingly, the piezoelectric element according to the present embodiment can be applied to a wireless charging device, a wearable electronic device, a biomedical device, and the like.

제조예 3Preparation 3

제조예 1에 따른 압전 소자 3개를 병렬로 연결하고 정류 회로의 끝에 250uF 커패시터를 5개를 병렬로 연결하고, 압전 소자를 손바닥의 압력(0.27 MPa)으로 눌러 커패시터를 충전하였다. 그리고 압전 소자로부터 커패시터를 분리하여 정격 전압이 3V인 전자 시계에 연동하여 전자 시계를 구동하였다. 이 과정을 촬영한 사진을 도 13에 첨부하였다. Three piezoelectric elements according to Preparation Example 1 were connected in parallel, and five 250uF capacitors were connected in parallel at the end of the rectifier circuit, and the capacitor was charged by pressing the piezoelectric element with the pressure of the palm of the hand (0.27 MPa). Then, by separating the capacitor from the piezoelectric element, the electronic watch was driven in conjunction with the electronic watch having a rated voltage of 3V. A photograph of this process is attached to FIG. 13 .

도 13에 도시한 바와 같이, 압전 소자를 이용하여 충전된 커패시터를 이용하여 전자 시계의 전원을 켤 수 있었다. 좀더 구체적으로는, 압전 소자를 2분 동안 눌러서 충전한 커패시터를 이용하여 약 5분 정도 전자 시계를 구동할 수 있었다. 이와 같이 본 제조예 1에 따른 압전 소자를 이용하여 충분한 전력이 발생되는 것을 알 수 있다. 이에 따라 본 실시예에 따른 압전 소자를 무선 충전 장치, 웨어러블 전자 소자, 바이오 메디컬 장치 등에 적용할 수 있는 것이다.As shown in FIG. 13 , the power of the electronic watch could be turned on using a capacitor charged using a piezoelectric element. More specifically, the electronic clock could be driven for about 5 minutes using the capacitor charged by pressing the piezoelectric element for 2 minutes. As described above, it can be seen that sufficient power is generated using the piezoelectric element according to Preparation Example 1. Accordingly, the piezoelectric element according to the present embodiment can be applied to a wireless charging device, a wearable electronic device, a biomedical device, and the like.

제조예 4Preparation 4

제조예 1에 따른 압전 소자를 손으로 구부린 상태와 구부리지 않은 상태의 전압 특성을 측정하였다. 이 과정을 촬영한 사진을 도 14에 첨부하였다.Voltage characteristics of the piezoelectric element according to Preparation Example 1 in a bent state and an unbent state were measured. A photograph of this process is attached to FIG. 14 .

도 14를 참조하면, 제조예 1에 따른 압전 소자를 구부린 상태에서의 전압 특성이 구부리지 않은 상태의 전압 특성과 유사한 결과가 나타났다. 이와 같이 본 실시예에 따른 압전 소자를 이용하면 구부린 상태에서도 원하는 압전 특성을 구현할 수 있으므로, 본 실시예에 따른 압전 소자를 웨어러블 전자 소자, 바이오 메디컬 장치 등에 적용할 수 있는 것이다.Referring to FIG. 14 , voltage characteristics in a bent state of the piezoelectric element according to Preparation Example 1 are similar to those in an unbent state. As described above, when the piezoelectric element according to the present embodiment is used, desired piezoelectric characteristics can be realized even in a bent state, so that the piezoelectric element according to the present embodiment can be applied to a wearable electronic element, a biomedical device, and the like.

제조예 5Preparation 5

제조예 1에 따른 압전 소자를 신체 일부분(즉, 손목 및 목)에 각기 부착시키고 오실로스코프에 연동하여 전압을 측정하였다. 여기서, 제조예 1에 따른 압전 소자를 절연 테이프(폴리이미드 테이프, 캡톤(Kapton) 테이프)를 이용하여 신체 일부분에 부착하였으며, 전압은 오실로스코프 기준 3사이클로 1분 동안 측정하였다. 제조예 1에 따른 압전 소자를 손목에 부착한 경우의 사진을 도 15에 나타내었고, 제조예 1에 따른 압전 소자를 목에 부착한 경우의 사진을 도 16에 나타내었다. The piezoelectric element according to Preparation Example 1 was attached to a body part (ie, wrist and neck), respectively, and the voltage was measured in conjunction with an oscilloscope. Here, the piezoelectric element according to Preparation Example 1 was attached to a body part using an insulating tape (polyimide tape, Kapton tape), and the voltage was measured for 1 minute in 3 cycles based on the oscilloscope. A photograph when the piezoelectric element according to Preparation Example 1 was attached to the wrist is shown in FIG. 15 , and a photograph when the piezoelectric element according to Preparation Example 1 is attached to the neck is shown in FIG. 16 .

도 15에 도시한 바와 같이 압전 소자를 손목에 부착한 경우는 손가락으로 직접 압전 소자를 구부리는 경우와 유사한 전압이 측정되었고, 도 16에 도시한 바와 같이 압전 소자를 목에 부착하면 55dB의 말소리 크기에 따른 성대 울림에 의하여 전압이 측정되었다. 이와 같이 본 실시예에 따른 압전 소자는 민감도가 높아 웨어러블 전자 소자, 바이오 메디컬 장치 등에 적용할 수 있다. 일 예로, 성대 울림을 인식하여 이에 따른 음성 인식 및 사용자 인식을 통하여 이를 문 열림 장치 등에 연동하여 사용할 수 있다. As shown in FIG. 15, when the piezoelectric element is attached to the wrist, a voltage similar to that when the piezoelectric element is directly bent with a finger is measured, and when the piezoelectric element is attached to the neck as shown in FIG. The voltage was measured according to the vocal cord ringing. As described above, the piezoelectric element according to the present embodiment has high sensitivity and thus can be applied to a wearable electronic element, a biomedical device, and the like. For example, the vocal cord ringing may be recognized and used in conjunction with a door opening device or the like through voice recognition and user recognition.

상술한 바에 따른 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The features, structures, effects, etc. as described above are included in at least one embodiment of the present invention, and are not necessarily limited to only one embodiment. Furthermore, the features, structures, effects, etc. illustrated in each embodiment can be combined or modified for other embodiments by those of ordinary skill in the art to which the embodiments belong. Accordingly, the contents related to such combinations and modifications should be interpreted as being included in the scope of the present invention.

100: 압전 소자
10: 제1 구조체
12: 제1 기재
14: 제1 전극
16: 제1 압전층
18: 제1 완충층
20: 제2 구조체
22: 제2 기재
24: 제2 전극
26: 제2 압전층
28: 제2 완충층
100: piezoelectric element
10: first structure
12: first substrate
14: first electrode
16: first piezoelectric layer
18: first buffer layer
20: second structure
22: second substrate
24: second electrode
26: second piezoelectric layer
28: second buffer layer

Claims (21)

제1 기재와, 상기 제1 기재 위에 위치하는 제1 전극과, 상기 제1 전극 위에 위치하며 세라믹 압전 물질을 포함하는 제1 압전층을 포함하는 제1 구조체; 및
상기 제1 구조체에 대향하는 제2 기재와, 상기 제1 구조체에 대향하는 상기 제2 기재의 일면 위에 위치하는 제2 전극과, 상기 제2 전극 위에 위치하며 반도체 압전 물질을 포함하는 제2 압전층을 포함하는 제2 구조체
를 포함하는 압전 소자.
a first structure including a first substrate, a first electrode positioned on the first substrate, and a first piezoelectric layer positioned on the first electrode and including a ceramic piezoelectric material; and
A second substrate facing the first structure, a second electrode located on one surface of the second substrate facing the first structure, and a second piezoelectric layer located on the second electrode and including a semiconductor piezoelectric material A second structure comprising
A piezoelectric element comprising a.
제1항에 있어서,
상기 제1 압전층이, 수지와, 상기 세라믹 압전 물질로 구성되는 세라믹 나노 입자를 포함하는 압전 소자.
According to claim 1,
The piezoelectric element wherein the first piezoelectric layer includes a resin and ceramic nanoparticles composed of the ceramic piezoelectric material.
제2항에 있어서,
상기 제1 압전층에서, 상기 수지는 수지층을 구성하고, 상기 세라믹 나노 입자는 복수 개가 뭉쳐져서 상기 수지층의 표면 위로 돌출 또는 노출되는 클러스터(cluster) 형태로 구비되는 압전 소자.
3. The method of claim 2,
In the first piezoelectric layer, the resin constitutes a resin layer, and a plurality of ceramic nanoparticles are agglomerated and are provided in the form of a cluster protruding or exposed above the surface of the resin layer.
제3항에 있어서,
상기 클러스터가 불규칙한 형태를 가지며 불규칙하게 배치되는 압전 소자.
4. The method of claim 3,
A piezoelectric element in which the clusters have an irregular shape and are irregularly arranged.
제3항에 있어서,
상기 세라믹 나노 입자의 크기가 100nm 내지 500nm이고,
상기 클러스터의 크기가 10um 내지 25um이며,
상기 수지층의 두께가 30um 내지 80um인 압전 소자.
4. The method of claim 3,
The size of the ceramic nanoparticles is 100nm to 500nm,
The size of the cluster is 10um to 25um,
A piezoelectric element having a thickness of the resin layer of 30 μm to 80 μm.
제2항에 있어서,
상기 수지가 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리비닐알코올(PVA), 그리고 폴리비닐리덴플루오라이드(PVF) 중 적어도 하나를 포함하며,
상기 세라믹 나노 입자가 티탄산바륨(BaTiO3), 티탄산지르코늄산납(lead zirconate titanate, PZT), 티탄산납(PbTiO3), 그리고 지르코늄산납(PbTiO3) 중 적어도 하나를 포함하는 압전 소자.
3. The method of claim 2,
The resin comprises at least one of polydimethylsiloxane (PDMS), polyvinyl alcohol (PVA), and polyvinylidene fluoride (PVF),
The ceramic nanoparticles are barium titanate (BaTiO 3 ), lead zirconate titanate (PZT), lead titanate (PbTiO 3 ), and a piezoelectric element comprising at least one of lead zirconate (PbTiO 3 ).
제1항에 있어서,
상기 제2 압전층이, 베이스층과, 상기 반도체 압전 물질로 구성되며 상기 베이스층에서 또는 상기 베이스층 위에서 행과 열을 이루도록 규칙적으로 배열되는 복수의 반도체 입자로 구성되는 압력 집중 부재를 포함하는 압전 소자.
According to claim 1,
The second piezoelectric layer includes a base layer and a piezoelectric element comprising a pressure concentrating member made of the semiconductor piezoelectric material and comprising a plurality of semiconductor particles regularly arranged in rows and columns at or on the base layer. device.
제7항에 있어서,
상기 반도체 입자가 구형 또는 구형의 일부를 구성하여 상기 제1 압전층을 향하여 볼록하게 돌출되는 압전 소자.
8. The method of claim 7,
A piezoelectric element in which the semiconductor particles are spherical or form a part of a sphere and convexly protrude toward the first piezoelectric layer.
제7항에 있어서,
상기 반도체 입자가 100nm 내지 5um의 크기를 가지고,
상기 제2 압전층 또는 상기 베이스층의 두께가 50um 내지 150um인 압전 소자.
8. The method of claim 7,
The semiconductor particles have a size of 100nm to 5um,
A piezoelectric element having a thickness of 50 μm to 150 μm of the second piezoelectric layer or the base layer.
제7항에 있어서,
상기 베이스층이 폴리비닐알코올을 포함하고,
상기 반도체 입자가 아연 스테네이트를 포함하는 압전 소자.
8. The method of claim 7,
The base layer contains polyvinyl alcohol,
A piezoelectric element in which the semiconductor particles include zinc stenate.
제7항에 있어서,
상기 제1 압전층이, 수지로 구성되는 수지층과, 상기 세라믹 압전 물질로 구성되며 복수 개가 뭉쳐져서 상기 수지층의 표면 위로 돌출 또는 노출되는 클러스터 형태를 구성하는 세라믹 나노 입자를 포함하고,
상기 제2 압전층의 두께가 상기 제1 압전층의 두께와 같거나 그보다 크거나, 또는 상기 베이스층의 두께가 상기 수지층의 두께와 같거나 그보다 크고,
상기 반도체 입자가 상기 세라믹 나노 입자보다 큰 크기를 가지고 상기 클러스터보다 작은 크기를 가지는 압전 소자.
8. The method of claim 7,
The first piezoelectric layer includes a resin layer composed of a resin, and ceramic nanoparticles composed of the ceramic piezoelectric material and forming a cluster shape that is agglomerated and protruded or exposed above the surface of the resin layer,
The thickness of the second piezoelectric layer is equal to or greater than the thickness of the first piezoelectric layer, or the thickness of the base layer is equal to or greater than the thickness of the resin layer,
A piezoelectric element in which the semiconductor particles have a larger size than the ceramic nanoparticles and have a smaller size than the cluster.
제1 기재와, 상기 제1 기재 위에 위치하는 제1 전극과, 상기 제1 전극 위에 위치하며 제1 압전 물질로 구성되는 클러스터를 구비하는 제1 압전층을 포함하는 제1 구조체; 및
상기 제1 구조체에 대향하는 제2 기재와, 상기 제1 구조체에 대향하는 상기 제2 기재의 일면 위에 위치하는 제2 전극과, 상기 제2 전극 위에 위치하며 제2 압전 물질로 구성되며 구형 또는 이의 일부를 구성하는 형상의 압력 집중 부재를 구비하는 제2 압전층을 포함하는 제2 구조체
를 포함하는 압전 소자.
a first structure including a first substrate, a first electrode positioned on the first substrate, and a first piezoelectric layer positioned on the first electrode and having a cluster formed of a first piezoelectric material; and
A second substrate facing the first structure, a second electrode located on one surface of the second substrate facing the first structure, and a second electrode located on the second electrode and composed of a second piezoelectric material, spherical or its A second structure including a second piezoelectric layer including a pressure concentration member of a shape constituting a part
A piezoelectric element comprising a.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 압전 소자가 무선 충전 시스템, 바이오 전자 소자, 웨어러블 전자 소자, 미세 전자 기계 시스템, 제세동기, 음성 인식 장치, 또는 사용자 인식 장치로 사용되는 압전 소자.
13. The method according to any one of claims 1 to 12,
The piezoelectric element is a piezoelectric element used as a wireless charging system, a bioelectronic element, a wearable electronic element, a microelectromechanical system, a defibrillator, a voice recognition device, or a user recognition device.
제1 기재 위에 제1 전극을 형성하고 제2 기재 위에 제2 전극을 형성하는 단계;
세라믹 압전 물질을 포함하는 제1 압전층을 상기 제1 전극 위에 위치시켜 제1 구조체를 형성하고 반도체 압전 물질을 포함하는 제2 압전층을 상기 제2 전극 위에 위치시켜 제2 구조체를 형성하는 단계; 및
상기 제1 압전층과 상기 제2 압전층이 대향하도록 상기 제1 구조체와 상기 제2 구조체를 중첩하는 단계
를 포함하는 압전 소자의 제조 방법.
forming a first electrode on the first substrate and forming a second electrode on the second substrate;
forming a first structure by placing a first piezoelectric layer including a ceramic piezoelectric material on the first electrode and forming a second structure by placing a second piezoelectric layer including a semiconductor piezoelectric material on the second electrode; and
overlapping the first structure and the second structure so that the first piezoelectric layer and the second piezoelectric layer face each other
A method of manufacturing a piezoelectric element comprising a.
제14항에 있어서,
상기 제1 압전층은 진공 바코터를 이용한 블레이딩 방법으로 형성되는 압전 소자의 제조 방법.
15. The method of claim 14,
The method of manufacturing a piezoelectric element wherein the first piezoelectric layer is formed by a blading method using a vacuum bar coater.
제15항에 있어서,
상기 제1 압전층은,
수지와 상기 세라믹 압전 물질로 구성되는 세라믹 나노 입자를 혼합한 혼합 용액을 도포하여 층상 형상으로 형성하는 단계;
상기 세라믹 나노 입자가 뭉쳐지도록 상기 층상 형상의 혼합 용액에 바(bar)를 이용하여 블레이딩 공정을 수행하는 단계; 및
상기 뭉쳐진 세라믹 나노 입자를 상기 수지로 구성되는 수지층 위에 위치시켜 상기 세라믹 나노 입자로 구성되며 상기 수지층의 표면 위로 돌출 또는 노출되는 클러스터를 형성하는 단계
를 포함하여 형성되는 압전 소자의 제조 방법.
16. The method of claim 15,
The first piezoelectric layer,
forming a layered shape by applying a mixed solution in which a resin and ceramic nanoparticles composed of the ceramic piezoelectric material are mixed;
performing a blading process using a bar on the layered mixed solution so that the ceramic nanoparticles are agglomerated; and
Positioning the agglomerated ceramic nanoparticles on a resin layer made of the resin to form a cluster composed of the ceramic nanoparticles that protrudes or is exposed above the surface of the resin layer
A method of manufacturing a piezoelectric element formed including a.
제16항에 있어서,
상기 수지가 폴리디메틸실록산, 폴리비닐알코올, 그리고 폴리비닐리덴플루오라이드 중 적어도 하나를 포함하며,
상기 세라믹 나노 입자가 티탄산바륨, 티탄산지르코늄산납, 티탄산납, 그리고 지르코늄산납 중 적어도 하나를 포함하는 압전 소자의 제조 방법.
17. The method of claim 16,
The resin comprises at least one of polydimethylsiloxane, polyvinyl alcohol, and polyvinylidene fluoride,
The method of manufacturing a piezoelectric element wherein the ceramic nanoparticles include at least one of barium titanate, lead zirconate titanate, lead titanate, and lead zirconate.
제14항에 있어서,
상기 제2 압전층은 기판 전사 방법으로 형성되는 압전 소자의 제조 방법.
15. The method of claim 14,
The method of manufacturing a piezoelectric element wherein the second piezoelectric layer is formed by a substrate transfer method.
제18항에 있어서,
상기 제2 압전층은,
제2 제조 기판 위에 반도체 입자를 놓고 상기 전사 부재를 이용하여 문질러서 상기 제2 제조 기판 위에 정렬하여 전사하는 단계;
상기 제2 제조 기판 위에 정렬된 상기 반도체 입자 위에 수지를 포함하는 수지 수용액을 도포하는 단계; 및
상기 수지 수용액을 건조 또는 경화하여 상기 수지 수용액에 포함되는 상기 수지로 구성되는 베이스층 및 상기 베이스층의 표면에 상기 반도체 입자가 정렬된 제2 압전층을 제조하는 단계
를 포함하여 형성되고,
상기 제2 압전층이 상기 제2 제조 기판으로부터 분리되어 상기 제2 전극 위에 고정되어 상기 제2 구조체를 형성하는 압전 소자의 제조 방법.
19. The method of claim 18,
The second piezoelectric layer,
placing semiconductor particles on a second manufacturing substrate and rubbing them using the transfer member to align and transfer the semiconductor particles on the second manufacturing substrate;
applying an aqueous resin solution including a resin on the semiconductor particles aligned on the second manufacturing substrate; and
Drying or curing the aqueous resin solution to prepare a base layer composed of the resin included in the aqueous resin solution and a second piezoelectric layer in which the semiconductor particles are aligned on a surface of the base layer
is formed, including
The method of manufacturing a piezoelectric element, wherein the second piezoelectric layer is separated from the second manufacturing substrate and fixed on the second electrode to form the second structure.
제19항에 있어서,
상기 반도체 입자가 구형 또는 구형의 일부를 구성하여 상기 제1 압전층을 향하여 볼록하게 돌출되는 압전 소자의 제조 방법.
20. The method of claim 19,
The method of manufacturing a piezoelectric element in which the semiconductor particles constitute a spherical shape or a part of a sphere and convexly protrude toward the first piezoelectric layer.
제19항에 있어서,
상기 베이스층이 폴리비닐알코올을 포함하고,
상기 반도체 입자가 아연 스테네이트를 포함하는 압전 소자의 제조 방법.
20. The method of claim 19,
The base layer contains polyvinyl alcohol,
A method of manufacturing a piezoelectric element wherein the semiconductor particles include zinc stenate.
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