KR20230073765A - 일렉트렛 기반의 자가 발전형 정전용량 센서 및 그 제조방법 - Google Patents

일렉트렛 기반의 자가 발전형 정전용량 센서 및 그 제조방법 Download PDF

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KR20230073765A
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최동휘
감동익
장다연
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경희대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 일렉트렛 기반의 자가 발전형 정전용량 센서 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 자가발전형 정전용량 센서의 제조방법에 있어서, 전극필름과 유전체필름을 부착한 후 커팅기를 통해, 중단부와, 양단부와 중단부와 양단부를 연결하는 연결부를 갖는 2D패턴 구조를 제작하는 단계; 상기 중단부 하면에 음전하로 대전된 음전하 대전필름을 부착하는 단계; 및 기 설정된 인장력 만큼 인장된 신축성 기판의 양측 접합부에 상기 양단부 각각을 접착하고, 상기 기 설정된 인장력을 해제하여 상기 2D패턴 구조에 압축응력이 가해지면서 기계적 좌굴에 의해 상기 연결부가 스페이서가 되고 상기 음전하 대전필름과 상기 기판에 부착된 전극필름이 특정간격 이격되어 3D 구조가 생성되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 일렉트렛 기반 자가발전형 정전용량 센서에 관한 것이다.

Description

일렉트렛 기반의 자가 발전형 정전용량 센서 및 그 제조방법{Self­powered capacitive sensor based electret and Method for Manufacturing thereof}
본 발명은 일렉트렛 기반의 자가 발전형 정전용량 센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.
기존에 많이 개발되고 있는 센서에는 압전 센서, 압저항 센서, 마찰대전 센서, 정전용량 센서 등이 있다. 압전 센서의 경우에는 원활한 작동을 위해서 공명 모드 또는 구조 설계에 대해서 세밀한 작업이 필요하다. 압저항 센서는 히스테리시스에 대한 문제점이 있고, 비교적 간단한 구조로 제작할 수 있는 마찰대전 센서는 재료 간의 마찰이 필수이기 때문에, 마찰대전 시스템의 수명에 대한 문제점이 항상 있다.
전극 사이 재료의 유전율과 전극 사이의 거리 등에 의해 발생되는 시스템의 전기용량의 변화로 외부 자극을 감지하는 정전용량 센서는 간단한 지배 방정식을 사용하여 설계함으로써 다양한 응용 분야에서 사용되고 있다.
정전용량 센서는 외부 물리적 자극을 정전용량의 변화로 변환시키는 장치이다. 일반적인 정전용량 센서의 경우에는 센서의 작동을 위해서 전압을 가해주는 외부 전원을 필요한 상황이다.
최근 유비쿼터스 환경 영향 하에 휴대용 전자기기 기술의 비약적 발전에 반하여, 이를 구동하여 주는 전원공급 매체의 더딘 발전속도는 전원공급 기기의 지속적인 교체 필요성과 이에 따른 유지비용의 증가라는 문제를 야기 시키며 문제로 지적되고 있다. 따라서 외부전원 또는 교환이 필요한 건전지 등의 사용 없이, 휴대용 전자기기 등에 영구적인 에너지를 공급하기 위하여 에너지 포집(Energy Harvesting) 기술이 필요하다.
또한 휴대용 전자기기의 발달과 함께 wearable computer, smart wear 등과 같은 인간의 의복 또는 착용 가능한 전자 기기에 대한 수요와 연구가 증가하고 있다. 인체의 움직임에서 발생되는 에너지를 이용한 에너지 포집 기술로 전자기기에 전원공급을 한다면 시간과 공간에 제약을 받지 않는 지속적 에너지 공급원으로서 기존의 전원공급 매체의 문제점을 해결 및 관련 분야의 기술발달에 기여할 수 있다. 또한 의복 또는 착용 가능한 에너지 수확 소자의 경우 착용성이 높고 무의식적인 에너지 수확이 가능하다는 장점이 있다.
종래 압전섬유를 이용하여 인체의 움직임에서 발생되는 에너지를 활용한 예가 출원특허 10-2010-0014229, ‘압전 직물, 및 그를 이용한 마이크로 동력 에너지 수확 시스템’에서 제안된 바 있으나, 인용발명은 압전층, 상기 압전 층의 하부에 형성되는 하부 전극층 및 상기 압전층의 상부에 형성되는 상부 전극층으로 구성되는 압전소자의 일반적인 구조를 직물에 단순 적용한 것으로 이를 통해서는 효율적인 에너지 포집이 어렵다.
따라서 압전 방식이 아닌, 인위적으로 전자를 주입하여 제작된 일렉트렛을 사용한 새로운 방식의 개선된 자가 발전형 정전용량 센서, 및 그 제조방법에 대한 개발이 요구되었다.
대한민국 등록특허 10-1658308 대한민국 등록특허 10-1984866 일본 등록특허 제5037961호 대한민국 등록특허 10-2085295
따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 실시예에 따르면, 정전용량 센서에 있어서 일렉트렛을 사용함으로써 외부 전원의 도움 없이도 센서의 작동이 가능하며, 또한, 제작과정 상에서 기계적 좌굴 현상을 이용함으로써 자연적으로 스페이서(spacer)가 만들어지는데, 스페이서 생성의 기성 원인인 사전 변형률과 스페이서의 형상에 따라 센서 시스템의 강성, 높이 등과 같은 특성을 조절할 수 있어, 요구하는 센서의 성능에 따라 다양하게 센서 제작이 가능하며, 신축성 있는 기판으로 인해서 제작된 하나의 센서에서도 성능에 대해 가변성이 있는, 일렉트렛 기반의 자가 발전형 정전용량 센서 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 고분자에 전기장을 가함으로써, 인위적으로 전자를 주입하여 제작된 일렉트렛을 사용함으로써 자가 발전형으로 작동될 수 있고, 센서 제작과정 상에서 기계적 좌굴 현상을 이용함으로써 전극과 전극 사이의 거리를 유지하는 스페이서가 자연스럽게 생성되며, 별도의 스페이서 역할을 하는 재료가 필요하지 않고, 자연적으로 제작되는 스페이서는 사전 변형률과 스페이서의 형상 및 크기에 따라 센서 시스템의 감도, 작동 및 감지 범위 등과 같은 센서 성능 특성을 조절할 수 있기 때문에, 요구 사양에 따라 센서가 제작될 수 있고, 또한, 제작과정 상에서 사용되는 신축성 있는 기판으로 인해서 이미 제작된 센서 또한 사용되는 환경에 따라 성능을 변화시킬 수 있는, 일렉트렛 기반의 자가 발전형 정전용량 센서 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
그리고 본 발명의 실시예에 따르면, 압력, 변형률 뿐만 아니라 음파 또는 진동 감지 센서에서도 활용이 가능하며, 또한, 일렉트렛으로 인하여, 자가 발전형 센서 이외에 음파 또는 진동 에너지를 수확하는 에너지 수확장치에도 잠재적으로 활용될 수 있는, 일렉트렛 기반의 자가 발전형 정전용량 센서 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한 최근, 사물 인터넷과 스마트 기기 등의 빠른 발전으로 인해서 센서는 많은 관심을 받고 있으며, 중요한 역할을 하는 요소 중 하나이다. 다양하고 많은 센서가 사용됨에 따라 전력을 공급하는 외부 전원이나 배터리를 필요로 한다. 하지만 본 발명의 실시예에 따르면, 외부 전력 공급 없이 작동할 수 있는 시스템이며, 요구되는 성능에 맞추어 제작이 가능하고 또한, 제작된 센서도 성능을 변화시킬 수 있기 때문에, 자가 발전 및 적응형 센서를 필요로 하는 데에 기여를 할 수 있는, 일렉트렛 기반의 자가 발전형 정전용량 센서 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 제1목적은 자가발전형 정전용량 센서로서, 기판; 상기 기판 상에 구비되는 제1전극필름; 상기 제1전극필름과 특정간격 이격되어 위치된 음전하로 대전된 음전하 대전필름; 및 상기 음전하 대전필름을 상기 기판 상에서 이격시키는 스페이서;를 포함하는 것을 특징으로 하는 일렉트렛 기반 자가발전형 정전용량 센서로서 달성될 수 있다.
그리고 상기 음전하 대전필름 상면에 부착되는 유전체 필름; 및 상기 유전체 필름 상면에 부착되는 제2전극필름;을 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 제2전극필름 상면에 부착되는 보호필름을 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 상기 제2전극필름과 상기 유전체 필름 중 적어도 어느 하나는, 상기 제1전극필름과 대응된 위치에 마련되는 중단부와, 상기 중단부 양측에 위치되는 양단부와, 상기 양단부 각각을 상기 중단부에 연결하는 연결부를 포함하며, 상기 양단부는 상기 기판에 접착되는 부분이고, 상기 연결부가 상기 스페이서를 구성하게 되며, 상기 중단부는 상기 음전하 대전필름과 접합되는 위치인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 음전하 대전필름은, 음전하 주입 피가공재료를 전극판 하에서, 고전압이 인가되는 고전압 핀에 의해 상기 피가공재료 주위의 유체를 이온화하여, 생성된 이온들이 전기장에 의해 상기 피가공재료 주입되는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 상기 피가공재료는 FEP필름이고, 상기 기판은 신축성 기판인 PDMS로 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 제1전극필름은 알루미늄으로 구성되고, 상기 제2전극필름은 구리로 구성되며, 상기 유전체 필름과 상기 보호필름은 PI로 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 제2목적은, 자가발전형 정전용량 센서의 제조방법에 있어서, 제2전극필름과 유전체필름을 부착한 후 커팅기를 통해, 중단부와, 양단부와 중단부와 양단부를 연결하는 연결부를 갖는 2D패턴 구조를 제작하는 단계; 상기 중단부 하면에 음전하로 대전된 음전하 대전필름을 부착하는 단계; 및 기 설정된 인장력 만큼 인장된 신축성 기판의 양측 접합부에 상기 양단부 각각을 접착하고, 상기 기 설정된 인장력을 해제하여 상기 2D패턴 구조에 압축응력이 가해지면서 기계적 좌굴에 의해 상기 연결부가 스페이서가 되고 상기 음전하 대전필름과 상기 기판에 부착된 제1전극필름이 특정간격 이격되어 3D 구조가 생성되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 일렉트렛 기반 자가발전형 정전용량 센서의 제조방법으로서 달성될 수 있다.
그리고 상기 기 설정된 인장력의 크기, 상기 신축성 기판의 탄성력, 상기 스페이서의 형상, 재료, 두께, 너비, 및 길이에 따라 상기 센서의 성능 특성을 조절하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 3D 구조의 생성 후, 상기 신축성 기판에 기설정된 특정 변형력을 가하여 센서의 성능 특성이 가변되는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 상기 음전하 대전필름은, 음전하 주입 피가공재료를 전극판 하에서, 고전압이 인가되는 고전압 핀에 의해 상기 피가공재료 주위의 유체를 이온화하여, 생성된 이온들이 전기장에 의해 상기 피가공재료 주입되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 신축성 기판의 접합부와 상기 2D패턴의 양단부는 플라즈마 처리에 의해 접합되는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 상기 2D패턴 구조를 제작하는 단계에서, 상기 제2전극필름의 상면에 보호필름을 부착하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 3D 패턴구조에서 외부 힘에 의해 상기 음전하 대전필름과 상기 제1전극필름 사이의 이격거리를 변화시키면, 외부 전원의 인가 없이도 정전하 유도 현상에 의해 정전용량의 변화신호를 출력할 수 있는 것을 특징으로 할 수 있다
본 발명의 제3목적은, 앞서 언급한 제1목적에 따른 정전용량센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 수확장치로서 달성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 일렉트렛 기반의 자가 발전형 정전용량 센서 및 그 제조방법에 따르면, 정전용량 센서에 있어서 일렉트렛을 사용함으로써 외부 전원의 도움 없이도 센서의 작동이 가능하며, 또한, 제작과정 상에서 기계적 좌굴 현상을 이용함으로써 자연적으로 스페이서(spacer)가 만들어지는데, 스페이서 생성의 기성 원인인 사전 변형률과 스페이서의 형상에 따라 센서 시스템의 강성, 높이 등과 같은 특성을 조절할 수 있어, 요구하는 센서의 성능에 따라 다양하게 센서 제작이 가능하며, 신축성 있는 기판으로 인해서 제작된 하나의 센서에서도 성능에 대해 가변성이 있는 장점이 있다.
본 발명의 실시예에 따른 일렉트렛 기반의 자가 발전형 정전용량 센서 및 그 제조방법에 따르면, 고분자에 전기장을 가함으로써, 인위적으로 전자를 주입하여 제작된 일렉트렛을 사용함으로써 자가 발전형으로 작동될 수 있고, 센서 제작과정 상에서 기계적 좌굴 현상을 이용함으로써 전극과 전극 사이의 거리를 유지하는 스페이서가 자연스럽게 생성되며, 별도의 스페이서 역할을 하는 재료가 필요하지 않고, 자연적으로 제작되는 스페이서는 사전 변형률과 스페이서의 형상 및 크기에 따라 센서 시스템의 감도, 작동 및 감지 범위 등과 같은 센서 성능 특성을 조절할 수 있기 때문에, 요구 사양에 따라 센서가 제작될 수 있고, 또한, 제작과정 상에서 사용되는 신축성 있는 기판으로 인해서 이미 제작된 센서 또한 사용되는 환경에 따라 성능을 변화시킬 수 있는 효과를 갖는다.
그리고 본 발명의 실시예에 따른 일렉트렛 기반의 자가 발전형 정전용량 센서 및 그 제조방법에 따르면, 압력, 변형률 뿐만 아니라 음파 또는 진동 감지 센서에서도 활용이 가능하며, 또한, 일렉트렛으로 인하여, 자가 발전형 센서 이외에 음파 또는 진동 에너지를 수확하는 에너지 수확장치에도 잠재적으로 활용될 수 있는 장점이 있다.
또한 최근, 사물 인터넷과 스마트 기기 등의 빠른 발전으로 인해서 센서는 많은 관심을 받고 있으며, 중요한 역할을 하는 요소 중 하나이다. 다양하고 많은 센서가 사용됨에 따라 전력을 공급하는 외부 전원이나 배터리를 필요로 한다. 하지만 본 발명의 실시예에 따른 일렉트렛 기반의 자가 발전형 정전용량 센서 및 그 제조방법에 따르면, 외부 전력 공급 없이 작동할 수 있는 시스템이며, 요구되는 성능에 맞추어 제작이 가능하고 또한, 제작된 센서도 성능을 변화시킬 수 있기 때문에, 자가 발전 및 적응형 센서를 필요로 하는 데에 기여를 할 수 있다.
한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 일렉트렛 기반의 자가 발전형 정전용량 센서의 사시도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 일렉트렛 기반의 자가 발전형 정전용량 센서의 제조방법의 흐름도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 2D 패턴 구조의 분해 사시도와, 사전 변형 해제 후 기계적 좌굴에 의해 형성된 3D 구조의 사시도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 2D 패턴 구조의 분해 사시도,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 일렉트렛 제조방법의 흐름도,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 일렉트렛 제조장치의 모식도,
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 일렉트렛 기반의 자가 발전형 정전용량 센서의 작동매커니즘,
도 8a 및 도 8b는 도 7에서의 압력 인가단계와 해제 단계에서의 전압(도 8a), 전하량(도 8b) 변화그래프를 도시한 것이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서 도면에서 예시된 영역들은 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는데 있어 별 이유 없이 혼돈이 오는 것을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 본 발명의 실시예에 따른 일렉트렛 기반의 자가 발전형 정전용량 센서의 구성, 기능, 그 제조방법 및 작동매커니즘에 대해 설명하도록 한다.
먼저 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 일렉트렛 기반의 자가 발전형 정전용량 센서의 사시도를 도시한 것이다. 그리고 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 일렉트렛 기반의 자가 발전형 정전용량 센서의 제조방법의 흐름도를 도시한 것이다. 또한 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 2D 패턴 구조의 분해 사시도와, 사전 변형 해제 후 기계적 좌굴에 의해 형성된 3D 구조의 사시도를 도시한 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 일렉트렛 기반의 자가 발전형 정전용량 센서(100)는, 기판(10)과, 이러한 기판(10) 상에 구비되는 제1전극필름(12), 상기 제1전극필름(12)과 특정간격 이격되어 위치된 음전하로 대전된 음전하 대전필름(40)과, 상기 음전하 대전필름(40)을 상기 기판(10) 상에서 이격시키는 스페이서(60) 등을 포함하여 구성될 수 있음을 알 수 있다.
또한 음전하 대전필름(40) 상면에 부착되는 유전체 필름(30)과, 이러한 유전체 필름(30) 상면에 부착되는 제2전극필름(20)을 포함하여 구성될 수 있다. 그리고 제2전극필름(20) 상면에 부착되는 보호필름(50)을 포함하여 구성될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 먼저, 보호필름(50), 유전체필름(30), 제2전극필름(20), 음전하 대전필름(일렉트렛)(40)이 적층되어 구성된 2D 패턴 구조(1)를 제작하게 된다.
구체적으로, 제2전극필름(20)과 유전체 필름(30)을 부착한 후(S1), 커팅기를 통해 중단부, 양단부, 그리고 중단부와 양단부 각각을 연결하는 연결부를 갖도록 절단하게 된다(S2).
도 4에 도시된 바와 같이, 제2전극필름(20)은 중단부에 전극부(21), 양측으로 양단부(22)가 마련되며, 이러한 양단부(22)와 전극부(21) 사이에 후에 기계적 좌굴에 의해 스페이서로 변형되는 연결부(23)를 가짐을 알 수 있다. 유전체 필름(30) 역시, 중단부(31)와, 양측의 접착단(32), 그리고 중단부(31)와 접착단(32) 각각을 연결하며 후에 기계적 좌굴에 의해 스페이서로 변형되는 연결단(33)을 가짐을 알 수 있다.
본 발명의 구체적 실시예에서 제2전극필름(20)은 구리필름, 유전체 필름(30)은 PI(폴리이미드)로 구성될 수 있다.
그리고 이러한 2D 패턴구조(1)는 도 4에 도시된 바와 같이, 제2전극필름(20)의 전극부(21) 상면에 보호필름(50)이 부착될 수 있다. 구체적 실시예에서 이러한 보호필름(50)은 PI 테이프일 수 있다.
그리고 제작된 음전하 대전필름(일렉트렛)(40)을 양면테이프를 사용하여 유전체 필름(30)의 중단부(31) 하면에 부착하게 된다(S3). 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 2D 패턴 구조의 분해 사시도를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 일렉트렛 제조방법의 흐름도를 도시한 것이다. 그리고 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 일렉트렛 제조장치의 모식도를 도시한 것이다.
도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 음전하 대전필름(40)은, 음전하 주입 피가공재료를 전극판 하에서, 고전압이 인가되는 고전압 핀(42)에 의해 피가공재료 주위의 유체를 이온화하여, 생성된 이온들이 전기장에 의해 피가공재료 주입되어 제조될 수 있음을 알 수 있다. 이러한 피가공재료는 FEP필름일 수 있다.
구체적으로, 전극(43) 위에 FEP 필름을 위치시키고(S10), 고전압 발생기(41)의 음극에 핀(42)을 연결시키고, 양극에 전극(43)을 연결시키게 된다(S20).
그리고 고전압을 인가하면(S30), 코로나 방전으로 인해 핀(42) 주위 유체가 이온화되게 되며(S40), 코로나 방전에 의해 생성된 이온들이 전기장에 의해 FEP필름에 인위적으로 주입되어 음전하 대전필름(일렉트렛)(40)을 제작하게 된다.
그리고 기 설정된 인장력에 의해 변형되어 있는 신축성 기판(10)의 접합부(11)와, 2D패턴 구조(1)의 양단부 즉, 유전체 필름(30) 양단의 접착단(32)을 서로 플라즈마 처리를 통해 화학적 결합에 의해 부착시키게 된다(S4). 신축성 기판(10)은 PDMS로 구성될 수 있다.
그리고 인가되었던 인장력을 제거하게 되면(S5), 늘려놓은 신축성 기판(10)이 복원력에 의해 원래 상태로 되돌아 보면서 2D패턴구조(1)에 압축 응력이 가해지게 되면서, 좌굴형상이 나타나 도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이, 3D 구조가 형성되게 된다. 3D구조가 만들어지게 되면 신축성 기판(10)의 제1전극필름(12)과 2D 패턴구조(1)의 중단부 사이가 이격되게 된다(S6). 구체적 실시예에서 이러한 제1전극필름(12)은 알루미늄일 수 있다.
앞서 언급한 이러한 사전 변형률이 인가된 신축성 기판(10)에서 2D패턴 구조(1)를 접합시킨 후, 변형을 제거하여 기계적 좌굴에 의해 3D구조를 생성하게 되면, 기 설정된 인장력의 크기, 신축성 기판의 탄성력, 종류에 따라 센서의 감도, 민감도, 작동 및 감지범위 등 센서의 성능 특성을 조절, 가변, 제어할 수 있게 된다.
또한 스페이서(60)의 형상, 재료, 두께, 너비, 및 길이에 따라 이러한 센서의 성능 특성을 조절, 가변, 제어할 수 있게 된다.
뿐만 아니라, 3D 구조의 생성 후, 신축성 기판(10)에 기설정된 특정 변형력을 가하여 센서의 성능 특성이 가변시킬 수도 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 일렉트렛 기반의 자가 발전형 정전용량 센서의 작동매커니즘을 도시한 것이다. 그리고 도 8a 및 도 8b는 도 7에서의 압력 인가단계와 해제 단계에서의 전압(도 8a), 전하량(도 8b) 변화그래프를 도시한 것이다.
도 7, 도 8a 및 도 8b에 도시된 바와 같이, 3D 패턴구조에서 중단부 측에 하부측으로 가해지는 외부 힘에 의해 음전하 대전필름(40)과 제1전극필름(12) 사이의 이격거리가 변화되면, 외부 전원의 인가 없이도 정전하 유도 현상에 의해 정전용량의 변화 신호를 출력할 수 있음을 알 수 있다.
즉, 도 7에 도시된 바와 같이, 힘(압력)을 가할수록, 음전하 대전필름(일렉트렛)(40)과 제1전극필름(12)과의 거리가 가까워지면서 전기적 중립(평형)을 지키기 위해 정전하 유도현상이 발생한다. 이와 반대로, 가했던 힘을 감소시킬수록 음전하 대전필름(일렉트렛)(40)과 제1전극필름(12)과의 거리는 멀어지게 된다. 그 결과, 앞서와는 반대방향으로 정전하 유도현상이 발생한다.
도 8a 및 도 8b의 그래프는 제작된 센서에 일정 압력을 차례로 가하고 감할 때, 그에 반응하여 나타나는 전압과 전하량의 거동을 나타내는 것으로, 힘을 가할수록 전압과 전하량이 높아지고, 힘을 감할수록 전압과 전하량이 낮아짐을 확인할 수 있다.
또한, 상기와 같이 설명된 장치 및 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
1:2D 패턴 구조
10:신축성 기판
11:접합부
12:제1전극필름
20:제2전극필름
21:전극부
22:양단부
23:연결부
30:유전체필름
31:중단부
32:접착단
33:연결단
40:음전하 대전필름
41:고전압발생기
42:핀
43:전극
50:보호필름
60:스페이서
100:일렉트렛 기반의 자가 발전형 정전용량 센서

Claims (15)

  1. 자가발전형 정전용량 센서로서,
    기판;
    상기 기판 상에 구비되는 제1전극필름;
    상기 제1전극필름과 특정간격 이격되어 위치된 음전하로 대전된 음전하 대전필름; 및
    상기 음전하 대전필름을 상기 기판 상에서 이격시키는 스페이서;를 포함하는 것을 특징으로 하는 일렉트렛 기반 자가발전형 정전용량 센서.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 음전하 대전필름 상면에 부착되는 유전체 필름; 및
    상기 유전체 필름 상면에 부착되는 제2전극필름;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 일렉트렛 기반 자가발전형 정전용량 센서.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제2전극필름 상면에 부착되는 보호필름을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 일렉트렛 기반 자가발전형 정전용량 센서.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 제2전극필름과 상기 유전체 필름 중 적어도 어느 하나는,
    상기 제1전극필름과 대응된 위치에 마련되는 중단부와, 상기 중단부 양측에 위치되는 양단부와, 상기 양단부 각각을 상기 중단부에 연결하는 연결부를 포함하며,
    상기 양단부는 상기 기판에 접착되는 부분이고, 상기 연결부가 상기 스페이서를 구성하게 되며, 상기 중단부는 상기 음전하 대전필름과 접합되는 위치인 것을 특징으로 하는 일렉트렛 기반 자가발전형 정전용량 센서.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 음전하 대전필름은,
    음전하 주입 피가공재료를 전극판 하에서, 고전압이 인가되는 고전압 핀에 의해 상기 피가공재료 주위의 유체를 이온화하여, 생성된 이온들이 전기장에 의해 상기 피가공재료 주입되는 것을 특징으로 하는 일렉트렛 기반 자가발전형 정전용량 센서.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 피가공재료는 FEP필름이고,
    상기 기판은 신축성 기판인 PDMS로 구성되는 것을 특징으로 하는 일렉트렛 기반 자가발전형 정전용량 센서.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 제1전극필름은 알루미늄으로 구성되고, 상기 제2전극필름은 구리로 구성되며, 상기 유전체 필름과 상기 보호필름은 PI로 구성되는 것을 특징으로 하는 일렉트렛 기반 자가발전형 정전용량 센서.
  8. 자가발전형 정전용량 센서의 제조방법에 있어서,
    제2전극필름과 유전체필름을 부착한 후 커팅기를 통해, 중단부와, 양단부와 중단부와 양단부를 연결하는 연결부를 갖는 2D패턴 구조를 제작하는 단계;
    상기 중단부 하면에 음전하로 대전된 음전하 대전필름을 부착하는 단계; 및
    기 설정된 인장력 만큼 인장된 신축성 기판의 양측 접합부에 상기 양단부 각각을 접착하고, 상기 기 설정된 인장력을 해제하여 상기 2D패턴 구조에 압축응력이 가해지면서 기계적 좌굴에 의해 상기 연결부가 스페이서가 되고 상기 음전하 대전필름과 상기 기판에 부착된 제1전극필름이 특정간격 이격되어 3D 구조가 생성되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 일렉트렛 기반 자가발전형 정전용량 센서의 제조방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 기 설정된 인장력의 크기, 상기 신축성 기판의 탄성력, 상기 스페이서의 형상, 재료, 두께, 너비, 및 길이에 따라 상기 센서의 성능 특성을 조절하는 것을 특징으로 하는 일렉트렛 기반 자가발전형 정전용량 센서의 제조방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 3D 구조의 생성 후, 상기 신축성 기판에 기설정된 특정 변형력을 가하여 센서의 성능 특성이 가변되는 것을 특징으로 하는 일렉트렛 기반 자가발전형 정전용량 센서의 제조방법.
  11. 제 8항에 있어서,
    상기 음전하 대전필름은,
    음전하 주입 피가공재료를 전극판 하에서, 고전압이 인가되는 고전압 핀에 의해 상기 피가공재료 주위의 유체를 이온화하여, 생성된 이온들이 전기장에 의해 상기 피가공재료 주입되는 것을 특징으로 하는 일렉트렛 기반 자가발전형 정전용량 센서의 제조방법.
  12. 제 8항에 있어서,
    상기 신축성 기판의 접합부와 상기 2D패턴의 양단부는 플라즈마 처리에 의해 접합되는 것을 특징으로 하는 일렉트렛 기반 자가발전형 정전용량 센서의 제조방법.
  13. 제 8항에 있어서,
    상기 2D패턴 구조를 제작하는 단계에서, 상기 제2전극필름의 상면에 보호필름을 부착하는 것을 특징으로 하는 일렉트렛 기반 자가발전형 정전용량 센서의 제조방법.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 3D 패턴구조에서 외부 힘에 의해 상기 음전하 대전필름과 상기 제1전극필름 사이의 이격거리를 변화시키면, 외부 전원의 인가 없이도 정전하 유도 현상에 의해 정전용량의 변화 신호를 출력할 수 있는 것을 특징으로 하는 일렉트렛 기반 자가발전형 정전용량 센서의 제조방법.
  15. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 정전용량센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 수확장치.


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