KR20230128614A - Nanogenerator using relaxor ferroelectric ceramics - Google Patents
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Abstract
본 발명은 인체의 움직임과 같이 불규칙한 움직임을 작용력(외부 인장응력)으로 이용하여 발전하는 완화형 강유전체 세라믹스를 이용한 나노발전기에 관한 것이다. 본 발명에 따른 나노발전기는 에르고딕(ergodic) 상태의 완화형 강유전체 세라믹스를 함유하고, 랜덤하게 외부 인장응력이 인가되면 전하를 발생시킨다.The present invention relates to a nanogenerator using relaxed ferroelectric ceramics that generates power by using irregular motions such as those of the human body as an action force (external tensile stress). The nanogenerator according to the present invention contains relaxed ferroelectric ceramics in an ergodic state, and generates charges when an external tensile stress is randomly applied.
Description
본 발명은 나노발전기(nanogenerator)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 완화형 강유전체 세라믹스(relaxor ferroelectric ceramics)를 이용한 나노발전기에 관한 것이다.The present invention relates to a nanogenerator, and more particularly, to a nanogenerator using relaxor ferroelectric ceramics.
에너지 하베스팅(energy harvesting)이란 주변의 사용되지 못하고 버려지는 에너지들을 끌어모아 전기 에너지로 변환하는 기술이다. 에너지 하베스팅은 최근 저탄소 녹색성장의 시대 조류와 맞물려 온실 효과로 대표되는 환경 문제를 해결할 수 있고, 고유가 시대에 대처할 수 있는 대표적인 청정에너지 시스템 중 하나로서 주목받고 있다.Energy harvesting is a technology that collects unused and wasted energy around and converts it into electrical energy. Energy harvesting is attracting attention as one of the representative clean energy systems that can solve environmental problems represented by the greenhouse effect in line with the trend of the low-carbon, green-growth era and cope with the era of high oil prices.
이러한 에너지 하베스팅 기술은 압전 효과(piezoelectric), 광전 효과(photovoltaic effect), 열전 효과(thermoelectric effect) 등 다양한 원리에 의해 실현할 수 있다. 그 중에서도 압전 특성을 가진 소재를 이용한 기술에 대한 연구가 가장 활발히 진행되고 있다.Such energy harvesting technology can be realized by various principles such as a piezoelectric effect, a photovoltaic effect, and a thermoelectric effect. Among them, research on technologies using materials with piezoelectric properties is being most actively conducted.
압전 에너지 하베스팅은 주변의 진동을 이용하여 전기 에너지를 저장하는 방식으로서 주변 기후나 지형에 따른 기술 적용의 제약이 없고, 초소형 장치로 기술 구현이 가능하다는 등의 다수의 장점을 가지고 있다.Piezoelectric energy harvesting is a method of storing electric energy using vibrations in the surroundings, and has many advantages, such as that there are no restrictions on technology application according to the surrounding climate or topography, and that technology can be implemented with a micro-sized device.
이러한 압전 특성을 이용한 에너지 하베스팅 기술을 구현하는 압전 에너지 하베스터(Piezoelectric energy harvester; 나노발전기)의 압전 소재로서 페로브스카이트 구조의 강유전체가 사용되고 있다. 강유전체는 구조적으로 b-site 이온의 위치가 중심에 있지 않기 때문에 전기적 분극(자발분극)이 발생한다. 따라서 강유전체는 분극화 공정(poling process)을 거쳐 분극 방향을 정렬하고, 분극 방향으로 가해지는 압력에 의해 구조가 변형되고, 구조 변형에 의한 분극량의 차이로 전하를 발생시킨다.A perovskite-structured ferroelectric is used as a piezoelectric material for a piezoelectric energy harvester (nano generator) that implements an energy harvesting technology using such piezoelectric properties. Electrical polarization (spontaneous polarization) occurs because the position of the b-site ion is not structurally in the center of the ferroelectric. Therefore, the polarization direction of the ferroelectric is aligned through a polarization process, and the structure is deformed by the pressure applied in the polarization direction, and electric charges are generated due to the difference in polarization amount due to the structural deformation.
따라서 강유전체를 이용한 나노발전기의 출력 성능은 방향성에 크게 의존하며, 압전 성능을 평가하는 척도인 압전계수의 아래첨자에 분극방향과 가해지는 압력방향이 표현된다. 예컨대 종방향 압전계수(d33), 횡방향 압전계수(d31) 등이 있다.Therefore, the output performance of nanogenerators using ferroelectrics is highly dependent on directionality, and the direction of polarization and the direction of applied pressure are expressed in the subscript of the piezoelectric coefficient, which is a criterion for evaluating piezoelectric performance. For example, there is a longitudinal piezoelectric coefficient (d 33 ), a transverse piezoelectric coefficient (d 31 ), and the like.
이와 같이 강유전체를 이용한 나노발전기는 분극 방향과 외부 압력의 방향에 차이가 있는 경우, 최대 발전 효과를 기대할 수 없는 단점을 가지고 있다.As such, nanogenerators using ferroelectrics have a disadvantage in that the maximum power generation effect cannot be expected when there is a difference between the direction of polarization and the direction of external pressure.
따라서 본 발명의 목적은 인가되는 외부 인장응력의 방향에 따른 발전량의 차이가 크지 않은 완화형 강유전체 세라믹스를 이용한 나노발전기를 제공하는 데 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a nanogenerator using relaxed ferroelectric ceramics in which the difference in power generation amount according to the direction of applied external tensile stress is not large.
본 발명의 다른 목적은 인체의 움직임과 같이 불규칙한 움직임을 작용력으로 이용하여 발전하는 완화형 강유전체 세라믹스를 이용한 나노발전기를 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to provide a nanogenerator using relaxed ferroelectric ceramics that generates electric power by using irregular motions such as those of the human body as a working force.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 에르고딕(ergodic) 상태의 완화형 강유전체 세라믹스를 함유하고, 랜덤하게 외부 인장응력이 인가되면 전하를 발생시키는 완화형 강유전체 세라믹스를 이용한 나노발전기를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a nanogenerator using the relaxed ferroelectric ceramics containing the relaxed ferroelectric ceramics in an ergodic state and generating electric charge when an external tensile stress is randomly applied.
상기 완화형 강유전체 세라믹스는 상기 외부 인장응력 방향으로 구조 변형이 이루어져 전하를 발생한다.The relaxed ferroelectric ceramics are structurally deformed in the direction of the external tensile stress to generate charges.
상기 완화형 강유전체 세라믹스는 외부 인장응력이 인가되면 에르고딕(ergodic) 상태에서 비-에르고딕(non-ergodic) 상태로 전이된다.The relaxed ferroelectric ceramics transitions from an ergodic state to a non-ergodic state when an external tensile stress is applied.
상기 외부 인장응력은 굽힘 또는 펴짐을 포함한다.The external tensile stress includes bending or stretching.
상기 완화형 강유전체 세라믹스는 외부 인장응력이 작용하지 않는 상온 조건에서 종방향 압전계수(d33) 및 횡방향 압전계수(d31)가 각각 0에 가까운 값을 갖는다.The relaxed ferroelectric ceramics has a longitudinal piezoelectric coefficient (d 33 ) and a transverse piezoelectric coefficient (d 31 ) of values close to 0 under room temperature conditions where no external tensile stress is applied.
상기 완화형 강유전체 세라믹스는 Bi0.5(Na1-xKx)0.5TiO3(0.16<x≤0.24)이다.The relaxed ferroelectric ceramics is Bi 0.5 (Na 1-x K x ) 0.5 TiO 3 (0.16<x≤0.24).
상기 나노발전기는 연성 소재를 더 함유하여 유연성을 가질 수 있다.The nanogenerator may have flexibility by further containing a soft material.
그리고 상기 연성 소재는 PDMS일 수 있다.And the soft material may be PDMS.
본 발명에 따른 나노발전기는 완화형 강유전체 세라믹스를 포함하기 때문에, 인가되는 외부 인장응력의 방향에 따른 발전량의 차이가 크지 않다. 즉 본 발명에 따른 나노발전기는 다양한 방향으로 작용하는 외부 인장응력으로 전기에너지를 발생시킬 수 있다.Since the nanogenerator according to the present invention includes the relaxed ferroelectric ceramics, the difference in power generation amount according to the direction of the applied external tensile stress is not large. That is, the nanogenerator according to the present invention can generate electrical energy with external tensile stress acting in various directions.
이로 인해 본 발명에 따른 나노발전기는 인체의 움직임과 같이 불규칙한 움직임을 작용력으로 이용하여 발전하는 웨어러블 에너지 하베스터로 활용할 수 있다.As a result, the nanogenerator according to the present invention can be used as a wearable energy harvester that generates power by using irregular movements, such as those of the human body, as an operating force.
도 1은 일반적인 페로브스카이트 구조의 강유전체와 본 발명에 따른 완화형 강유전체의 발전 원리를 설명하기 위한 개략도이다.
도 2는 실시예에 따른 다양한 조성을 갖는 완화형 강유전체 세라믹스의 SEM 이미지 및 입자 크기의 히스토그램을 보여주는 사진들이다.
도 3은 실시예에 따른 다양한 조성을 갖는 완화형 강유전체 세라믹스의 XRD 분석 결과를 보여주는 그래프들이다.
도 4는 실시예에 따른 다양한 조성을 갖는 완화형 강유전체 세라믹스의 외부 전기장의 인가에 따른 분극(P)과 변형률(S)을 보여주는 그래프들이다.
도 5는 실시예에 따른 다양한 조성을 갖는 완화형 강유전체 세라믹스의 전류 분극(Pr) 및 종방향 압전계수(d33)를 보여주는 그래프들이다.
도 6은 실시예에 따른 완화형 강유전체 세라믹스를 이용한 나노발전기의 발전 특성을 보여주는 도면들이다.
도 7은 실시예에 따른 다양한 조성을 갖는 완화형 강유전체 세라믹스에 따른 출력 전압과 출력 전류의 변화를 보여주는 그래프이다.1 is a schematic diagram for explaining the power generation principle of a general perovskite-structured ferroelectric and a relaxed ferroelectric according to the present invention.
2 is photographs showing SEM images and histograms of grain sizes of relaxed ferroelectric ceramics having various compositions according to embodiments.
3 are graphs showing XRD analysis results of relaxed ferroelectric ceramics having various compositions according to embodiments.
4 are graphs showing polarization (P) and strain (S) of relaxed ferroelectric ceramics having various compositions according to embodiments according to the application of an external electric field.
5 are graphs showing current polarization (Pr) and longitudinal piezoelectric coefficient (d 33 ) of relaxed ferroelectric ceramics having various compositions according to an embodiment.
6 are diagrams showing power generation characteristics of a nanogenerator using relaxed ferroelectric ceramics according to an embodiment.
7 is a graph showing changes in output voltage and output current according to relaxed ferroelectric ceramics having various compositions according to an embodiment.
하기의 설명에서는 본 발명의 실시예를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위에서 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.It should be noted that in the following description, only parts necessary for understanding the embodiments of the present invention are described, and descriptions of other parts will be omitted without departing from the gist of the present invention.
이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.The terms or words used in this specification and claims described below should not be construed as being limited to ordinary or dictionary meanings, and the inventors have appropriately used the concept of terms to describe their inventions in the best way. It should be interpreted as a meaning and concept consistent with the technical spirit of the present invention based on the principle that it can be defined in the following way. Therefore, the embodiments described in this specification and the configurations shown in the drawings are only preferred embodiments of the present invention, and do not represent all of the technical spirit of the present invention, so various equivalents that can replace them at the time of the present application It should be understood that there may be variations and variations.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 일반적인 페로브스카이트 구조의 강유전체와 본 발명에 따른 완화형 강유전체의 발전 원리를 설명하기 위한 개략도이다.1 is a schematic diagram for explaining the power generation principle of a general perovskite-structured ferroelectric and a relaxed ferroelectric according to the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 완화형 강유전체 세라믹스를 이용한 나노발전기는 에르고딕(ergodic; ER) 상태의 완화형 강유전체 세라믹스를 함유하고, 랜덤하게 외부 인장응력이 인가되면 전하를 발생시킨다.Referring to FIG. 1 , a nanogenerator using relaxed ferroelectric ceramics according to the present invention contains relaxed ferroelectric ceramics in an ergodic (ER) state, and generates electric charges when an external tensile stress is randomly applied.
본 발명에서는 완화형 강유전체 세라믹스로서, MPB(morphotropic phase boundary) 근처 조성에서 분극이 거의 존재하는 않는 에르고딕 상태의 완화형 강유전체 세라믹스를 사용한다. 본 발명에 따른 완화형 강유전체 세라믹스는, 분극 공정을 진행하더라도 분극이 거의 존재하지 않기 때문에, 외부 인장응력이 작용하지 않는 상온 조건에서 종방향 압전계수(d33) 및 횡방향 압전계수(d31)가 각각 0에 가까운 값을 갖는다.In the present invention, as the relaxed ferroelectric ceramics, a relaxed ferroelectric ceramic in an ergodic state in which polarization hardly exists in a composition near a morphotropic phase boundary (MPB) is used. Since polarization hardly exists in the relaxed ferroelectric ceramics according to the present invention, even if a polarization process is performed, the longitudinal piezoelectric coefficient (d 33 ) and transverse piezoelectric coefficient (d 31 ) under room temperature conditions where no external tensile stress acts have values close to 0.
본 발명은 완화형 강유전체 세라믹스로서 Bi0.5(Na1-xKx)0.5TiO3(0.16<x≤0.24)(이하 'BNKT'라 함) 세라믹스를 사용한다. BNKT 세라믹스는 무연 압전 소재로서, 페로브스카이트 구조로 Bi0.5Na0.5TiO3(이하 'BNT'라 함)와 Bi0.5K0.5TiO3(이하 'BKT'라 함)로 이루어진 이원계이다. BNKT 세라믹스는 칼륨의 조성, x = 0.16~0.20에 대해 우수한 유전율과 압전성을 나타내는 MPB를 가지고 있다. 따라서 BNKT 세라믹스는 독성이 있고 환경에 유해한 납 기반 압전 소재를 대체할 수 있다.In the present invention, Bi 0.5 (Na 1-x K x ) 0.5 TiO 3 (0.16<x≤0.24) (hereinafter referred to as 'BNKT') ceramics is used as the relaxed ferroelectric ceramics. BNKT ceramics is a lead-free piezoelectric material, and is a binary system composed of Bi 0.5 Na 0.5 TiO 3 (hereinafter referred to as 'BNT') and Bi 0.5 K 0.5 TiO 3 (hereinafter referred to as 'BKT') in a perovskite structure. BNKT ceramics have an MPB that exhibits excellent permittivity and piezoelectricity for the composition of potassium, x = 0.16~0.20. Therefore, BNKT ceramics can replace lead-based piezoelectric materials that are toxic and harmful to the environment.
일반적인 페로브스카이트 구조의 강유전체 세라믹스를 이용한 나노발전기는, 도 1(a)에 도시된 바와 같이, 분극 방향으로 외부 압력이 인가되는 경우에 최대의 발전 효과를 기대할 수 있다. 반대로 페로브스카이트 구조의 강유전체 세라믹스의 분극 방향과 외부 압력의 인가 방향이 차이가 있을 경우, 최대 발전 효과를 기대할 수 없다.As shown in FIG. 1(a), nanogenerators using ferroelectric ceramics with a general perovskite structure can expect the maximum power generation effect when external pressure is applied in the polarization direction. Conversely, when there is a difference between the polarization direction of the perovskite-structured ferroelectric ceramics and the application direction of the external pressure, the maximum power generation effect cannot be expected.
반면에 본 발명에 따른 나노발전기는, 도 1(b)에 도시된 바와 같이, 에르고딕(ER) 상태의 완화형 강유전체 세라믹스를 함유하기 때문에, 랜덤하게 외부 인장응력이 인가되더라도 전하를 발생시킨다.On the other hand, since the nanogenerator according to the present invention contains relaxed ferroelectric ceramics in an ergodic (ER) state, as shown in FIG.
본 발명에 따른 완화형 강유전체 세라믹스는 외부 인장응력 방향으로 구조 변형이 이루어져 전하를 발생시킨다. 즉 완화형 강유전체 세라믹스는 외부 인장응력이 인가되면 에르고딕(ER) 상태에서 비-에르고딕(non-ergodic; NR) 상태로 전이되어 전하를 발생시킨다. 여기서 외부 인장응력은 굽힘 또는 펴짐을 포함한다.The relaxed ferroelectric ceramics according to the present invention is structurally deformed in the direction of the external tensile stress to generate electric charge. That is, when an external tensile stress is applied to the relaxed ferroelectric ceramics, they are converted from an ergodic (ER) state to a non-ergodic (NR) state to generate charges. Here, the external tensile stress includes bending or stretching.
한편 압전 효과를 이용한 나노발전기 분야에서 발전기의 출력은 압전계수와 밀접한 관계가 있는 것으로 알려져 있다. 따라서 나노발전기의 출력을 향상시키기 위한 방법 중 하나로 압전 재료의 압전계수를 향상시키기 위한 연구가 주로 이루어지고 있다.Meanwhile, in the field of nanogenerators using the piezoelectric effect, it is known that the output of the generator is closely related to the piezoelectric coefficient. Therefore, as one of the methods for improving the output of nanogenerators, research on improving the piezoelectric coefficient of piezoelectric materials has been mainly conducted.
반면에 본 발명은 에르고딕(ER) 상태의 완화형 강유전체 세라믹스를 이용한 나노발전기를 제안한다. 전술한 바와 같이, 에르고딕(ER) 상태의 완화형 강유전체 세라믹스는 일반적인 강유전체 세라믹스와 발전 매커니즘에서 차이가 있다. 이로 인해 본 발명에 따른 나노발전기는, 기존의 강유전체 세라믹스를 이용한 나노발전기와 다르게, 출력 성능이 외부 압력 또는 인장응력이 압전 소재에 가해지는 방향에 영향을 받지 않고 일정하다는 점에서 차이가 있다. 이로 인해 본 발명에 따른 나노발전기는 인체의 움직임과 같이 불규칙한 움직임을 작용력으로 이용하여 발전하는 웨어러블 에너지 하베스터로 활용할 수 있다.On the other hand, the present invention proposes a nanogenerator using relaxed ferroelectric ceramics in an ergodic (ER) state. As described above, the ergodic (ER) state relaxed ferroelectric ceramics are different from general ferroelectric ceramics in power generation mechanism. For this reason, the nanogenerator according to the present invention differs from nanogenerators using conventional ferroelectric ceramics in that output performance is constant without being affected by the direction in which external pressure or tensile stress is applied to the piezoelectric material. As a result, the nanogenerator according to the present invention can be used as a wearable energy harvester that generates electricity by using irregular movements, such as those of the human body, as an operating force.
이와 같은 본 발명에 따른 나노발전기는 인체의 움직임과 같이 불규칙한 움직임을 작용력으로 이용하여 발전하는 웨어러블 에너지 하베스터로 활용할 수 있도록 연성 소재를 더 포함할 수 있다. 연성 소재로는 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 폴리비닐 플루오라이드(PVF), 폴리염화비닐(PVC), 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리스티렌(PS), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 나일론(Nylon), 폴리카보네이트(PC), 폴리우레탄(PU), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리에틸렌테레프타레이트(PET, PETE) 또는 고분자 고무 재료가 사용될 수 있으며, 이것에 한정되는 것은 아니다. 즉 본 발명에 따른 나노발전기는 연성 소재를 사용하여 유연성과 신축성을 갖는 필름 형태로 구현될 수 있다.Such a nanogenerator according to the present invention may further include a soft material so that it can be used as a wearable energy harvester that generates power by using irregular movements such as the movements of the human body as an operating force. Soft materials include polydimethylsiloxane (PDMS), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyvinyl fluoride (PVF), polyvinyl chloride (PVC), polyethylene (PE), polypropylene (PP), polystyrene (PS) , polymethyl methacrylate (PMMA), nylon (Nylon), polycarbonate (PC), polyurethane (PU), polytetrafluoroethylene (PTFE), polyethylene terephthalate (PET, PETE) or polymer rubber materials may be used, but is not limited thereto. That is, the nanogenerator according to the present invention can be implemented in the form of a flexible and stretchable film using a soft material.
[실시예][Example]
본 발명에 따른 완화형 강유전체 세라믹스를 이용한 나노발전기의 물리적 및 전기적 특성을 확인하기 위해서, 완화형 강유전체 세라믹스로서 BNKT 세라믹스를 제조하고, BNKT 세라믹스를 이용하여 유연성을 갖는 나노발전기를 제조하였다.In order to confirm the physical and electrical characteristics of the nanogenerator using the relaxed ferroelectric ceramics according to the present invention, BNKT ceramics were prepared as the relaxed ferroelectric ceramics, and a flexible nanogenerator was prepared using the BNKT ceramics.
BNKT 세라믹스 제조Manufacture of BNKT ceramics
BNKT 세라믹스 분말은 기존의 솔리드-스테이트 방법(solid-state method)을 사용하여 제조하였다. Bi2O3, Na2CO3, K2CO3 및 TiO2를 사용하고 선택된 화학량론적 비율에 따라 무게를 칭량하였다. 칭량된 분말과 지르코니아 볼을 사용하여 습식 밀링을 수행하였다. 24시간 후 습식 분말을 120℃의 전기오븐에서 건조시킨 후 850℃의 머플로(muffle furnace)에서 2시간 동안 소성하였다. 5 wt% 폴리비닐알코올 용액을 바인더로 사용하고, 소성 분말과 혼합하여 120℃의 전기오븐에서 건조하였다.BNKT ceramics powder was prepared using a conventional solid-state method. Bi 2 O 3 , Na 2 CO 3 , K 2 CO 3 and TiO 2 were used and weighed according to the selected stoichiometric ratio. Wet milling was performed using weighed powder and zirconia balls. After 24 hours, the wet powder was dried in an electric oven at 120°C and then calcined in a muffle furnace at 850°C for 2 hours. A 5 wt% polyvinyl alcohol solution was used as a binder, mixed with calcined powder, and dried in an electric oven at 120°C.
소결 전 소성 분말을 부수고 100㎛ 체로 체과하여 미세한 분말로 만든 후 직경 10mm의 펠렛으로 성형하였다. 이때 시편은 1150℃에서 2시간 동안 소결하는 동안 비스무트의 증발과 알루미나 판에 달라붙는 것을 방지하기 위해 하소된 분말로 덮었다.Before sintering, the calcined powder was crushed and sieved through a 100 μm sieve to make a fine powder, and then formed into pellets with a diameter of 10 mm. At this time, the specimen was covered with calcined powder to prevent bismuth from evaporating and sticking to the alumina plate during sintering at 1150 °C for 2 hours.
도 2는 실시예에 따른 다양한 조성을 갖는 완화형 강유전체 세라믹스의 SEM 이미지 및 입자 크기의 히스토그램을 보여주는 사진들이다.2 is photographs showing SEM images and histograms of grain sizes of relaxed ferroelectric ceramics having various compositions according to embodiments.
도 2를 참조하면, 실시예에 따른 BNKT 세라믹스는 칼륨의 조성(x)은 0.16, 018, 0.20, 0.22 이다.Referring to FIG. 2 , the composition (x) of potassium in the BNKT ceramics according to the embodiment is 0.16, 018, 0.20, and 0.22.
실시예에 따른 BNKT 세라믹스의 모든 시료에서 1 ㎛ 미만의 입자가 주로 분포하고 있으며, 가장 큰 입자는 수 ㎛의 크기를 갖는 것을 확인할 수 있다. BNKT 세라믹스는 x 조성비의 증가에 따라 입자 크기가 미세화되는 것을 확인할 수 있다. 예컨대 x = 0.20의 조성에서, BNKT 세라믹스는 1.1 ㎛의 입자 크기를 나타낸다.In all samples of the BNKT ceramics according to the examples, particles of less than 1 μm were mainly distributed, and the largest particles had a size of several μm. It can be seen that the particle size of BNKT ceramics is refined as the x composition ratio increases. For example, with a composition of x = 0.20, BNKT ceramics exhibit a particle size of 1.1 μm.
실시예에 따른 BNKT 세라믹스의 겉보기 밀도(ρ)는 아래의 수학식 1로 산출할 수 있다.The apparent density (ρ) of the BNKT ceramics according to the embodiment can be calculated by Equation 1 below.
여기서 Wdry는 건조 시편의 무게이고, Wsat는 포화된 시편의 무게이고, Wsub는 잠긴 시편의 무게이고, ρ′는 물의 밀도이다.where Wdry is the weight of the dry specimen, Wsat is the weight of the saturated specimen, Wsub is the weight of the immersed specimen, and ρ′ is the density of water.
수학식 1로 산출된 4개의 실시예에 따른 BNKT 세라믹스의 밀도는 각각 5.93, 5.90, 5.92, 5.87 및 5.89 g/cm3로 유사한 값을 나타낸다.The densities of the BNKT ceramics according to the four examples calculated by Equation 1 were 5.93, 5.90, 5.92, 5.87, and 5.89 g/cm 3 , respectively, showing similar values.
이러한 결과는 실시예에 따른 BNKT 세라믹스는 칼륨의 조성(x)이 0.16~0.24에서 입자 크기와 밀도를 포함하여 유사한 미세 구조를 가지고 있음을 나타낸다.These results indicate that the BNKT ceramics according to the examples have a similar microstructure including particle size and density at a potassium composition (x) of 0.16 to 0.24.
실시예에 따른 BNKT 세라믹의 구조 분석을 위해서 XRD 분석을 수행하였으며, 분석 결과는 도 3과 같다. 여기서 도 3은 실시예에 따른 다양한 조성을 갖는 완화형 강유전체 세라믹스의 XRD 분석 결과를 보여주는 그래프들이다.XRD analysis was performed to analyze the structure of the BNKT ceramics according to the embodiment, and the analysis results are shown in FIG. 3 . 3 is graphs showing XRD analysis results of relaxed ferroelectric ceramics having various compositions according to an embodiment.
도 3을 참조하면, 칼륨의 조성 범위인 x = 0.16~0.24에서 눈에 띄는 변화는 관찰되지 않았다.Referring to FIG. 3, no noticeable change was observed in the composition range of potassium, x = 0.16 to 0.24.
그러나 BNKT 세라믹스의 경우, BNT 세라믹스 구조와 BKT 세라믹스 구조는 x = 0.16~0.24를 포함하는 구성 범위 x = 0.10??0.80에서 혼합되었다.However, in the case of BNKT ceramics, the BNT ceramics structure and the BKT ceramics structure were mixed in the composition range x = 0.10∼0.80 including x = 0.16~0.24.
BNT 세라믹스 구조와 관련하여 XRD 구조 분석에서 조사된 이상적인 페로브스카이트 단위 셀에서는 왜곡이 작았다.Regarding the BNT ceramics structure, the distortion was small in the ideal perovskite unit cell investigated in the XRD structural analysis.
따라서 회절 피크가 겹치기 때문에, 실시예에 따른 BNKT 세라믹의 명확한 미세 구조를 구별하는 것이 어려운 것으로 판단된다.Therefore, it is difficult to distinguish a clear microstructure of the BNKT ceramics according to the examples because the diffraction peaks overlap.
또한 실시예에 따른 BNKT 세라믹스는 조성이 MPB 부근에 있으므로 서로 다른 대칭이 공존하기 때문에, 미세 구조에 대한 이해가 훨씬 더 복잡하다.In addition, since the composition of the BNKT ceramics according to the embodiment is in the vicinity of the MPB, different symmetries coexist, the understanding of the microstructure is much more complicated.
일반적인 강유전체의 MPB는 다른 거시적 대칭을 갖는 강유전체 상 사이의 경계에 있다. 반면에 BNKT 세라믹스는 국부적 극대칭이 서로 다르지만, 두 개의 BNKT 사이의 경계는 동일한 거시적 3차 대칭을 갖는 조성에 의해 유도된다.The MPB of a typical ferroelectric lies at the boundary between ferroelectric phases with different macroscopic symmetries. BNKT ceramics, on the other hand, have different local maximal symmetries, but the boundary between two BNKTs is induced by a composition with the same macroscopic cubic symmetry.
도 4는 실시예에 따른 다양한 조성을 갖는 완화형 강유전체 세라믹스의 외부 전기장의 인가에 따른 분극(P)과 변형률(S)을 보여주는 그래프들이다. 도 5는 실시예에 따른 다양한 조성을 갖는 완화형 강유전체 세라믹스의 전류 분극(Pr) 및 종방향 압전계수(d33)를 보여주는 그래프들이다.4 are graphs showing polarization (P) and strain (S) of relaxed ferroelectric ceramics having various compositions according to embodiments according to the application of an external electric field. 5 are graphs showing current polarization (Pr) and longitudinal piezoelectric coefficient (d 33 ) of relaxed ferroelectric ceramics having various compositions according to an embodiment.
도 4를 참조하면, 실시예에 따른 BNKT 세라믹스의 PE 루프는 일반적인 강유전체 PE 루프와 비교하여 핀치형 히스테리시스 루프(pinched-type hysteresis loops)를 보여준다.Referring to FIG. 4 , the PE loop of the BNKT ceramics according to the embodiment shows pinched-type hysteresis loops compared to a general ferroelectric PE loop.
도 5를 참조하면, 실시예에 따른 BNKT 세라믹스는 조성비 x가 증가함에 따라 잔여 편광(Pr) 값이 지속적으로 감소하는 경향을 나타낸다.Referring to FIG. 5 , the residual polarization (Pr) value of the BNKT ceramics according to the exemplary embodiment tends to continuously decrease as the composition ratio x increases.
S-E 루프는 x가 증가함에 따라 나비 모양에서 새싹 모양으로 변경되는 경향을 나타낸다.The S-E loop shows a tendency to change from a butterfly shape to a bud shape as x increases.
또한 외부 전기장으로 인한 체적 수축을 나타내는 음의 변형률(Sneg) 값이 지속적으로 감소했다. 일반적으로 Sneg의 가장 높은 값은 보자력장(Ec) 지점에서 발생하며, Sneg는 반대 방향의 외부 전기장 없이 지속적으로 감소한다. 이것은 Sneg가 Pr과 매우 밀접한 관계가 있음을 시사한다.In addition, the negative strain (Sneg) value, which represents the volume contraction due to the external electric field, continuously decreased. In general, the highest value of Sneg occurs at the point of the coercive field (Ec), and Sneg continuously decreases without an external electric field in the opposite direction. This suggests that Sneg is closely related to Pr.
낮은 종방향 압전계수(d33) 값은 Sneg와 Pr이 모두 낮은 영역에 해당한다. 종방향 압전계수(d33)은 아래의 수학식 2로 산출할 수 있다.A low longitudinal piezoelectric coefficient (d 33 ) value corresponds to a region where both Sneg and Pr are low. The longitudinal piezoelectric coefficient (d 33 ) can be calculated by Equation 2 below.
여기서 Q33은 전기 변형 계수이고, ε33은 유전율이다.where Q 33 is the electric strain coefficient and ε 33 is the permittivity.
외부 전기장으로 인한 변형률의 변화를 조사하기 위해서, 아래의 수학식 3으로 역 압전계수(d33*, pm/V의 단위)를 산출하였다.In order to investigate the change in strain due to the external electric field, the inverse piezoelectric coefficient (d 33 *, unit of pm/V) was calculated by Equation 3 below.
여기서 Smax와 Emax는 각각 바이폴라 사이클에서 최대 변형값과 최대 전기장이다.Here, Smax and Emax are the maximum strain and maximum electric field in the bipolar cycle, respectively.
도 5를 참조하면, 초기에 d33* 값은 x가 증가함에 따라 증가하여 x = 0.20에서 최대값 386 pm/V에 도달한 후 감소하는 경향을 보였다.Referring to FIG. 5 , the d33* value initially increased as x increased, reached a maximum value of 386 pm/V at x = 0.20, and then decreased.
이것은 초기 x = 0.16 조성이 완화형 강유전체의 비-에르고딕(NR) 상태에 해당함을 시사하는 반면, 더 큰 x에 대한 거동의 변화는 그것이 에르고딕(ER) 상태로 전환되었음을 나타낸다.This suggests that the initial x = 0.16 composition corresponds to the non-ergodic (NR) state of the relaxed ferroelectric, whereas the change in behavior for larger x indicates that it has switched to the ergodic (ER) state.
에르고딕(ER) 상태는 압전 응용 분야에서 일반적인 강유전체에 비해 명확한 이점을 나타내지 않지만, 전기 변형 및 커패시터 응용 분야에서는 낮은 히스테리시스 및 손실로 인해 큰 이점을 나타낸다.The ergodic (ER) state does not show a clear advantage over normal ferroelectrics in piezoelectric applications, but in electrical strain and capacitor applications it presents great advantages due to its low hysteresis and losses.
일반적으로, 강유전체의 압전 특성은 재료의 구조적 비대칭에 따라 자발 분극을 유발한다. 결과적으로, 장거리 강유전체 도메인과 높은 Pr의 설정은 분극화 공정이 필요하다. 이것은 압전 특성이 방향성에 크게 의존함을 나타낸다. 예를 들어 널리 사용되는 압전재료인 Pb(Zr,Ti)O3의 경우, 횡형 압전계수(d31)에 비해 종형 압전계수(d33)가 약 2배 정도 차이가 난다.In general, the piezoelectric properties of ferroelectrics induce spontaneous polarization according to the structural asymmetry of the material. Consequently, the setup of long-range ferroelectric domains and high Pr requires a polarization process. This indicates that the piezoelectric properties strongly depend on the directionality. For example, in the case of Pb(Zr,Ti)O 3 , which is a widely used piezoelectric material, the vertical piezoelectric coefficient (d 33 ) is about twice as large as the horizontal piezoelectric coefficient (d 31 ).
완화형 강유전체에서 압력은 클러스터 사이의 상관 길이(또는 반경)의 감소와 극성 도메인의 크기 감소를 유도하며, 비-에르고딕(NR) 상태에서 에르고딕(ER) 상태로의 전이가 발생한다. 이러한 현상은 구조적 변화와 유사하고, 온도, 조성비 및 도핑에 의해 유도된다.In relaxed ferroelectrics, pressure induces a decrease in the correlation length (or radius) between clusters and a decrease in the size of polar domains, and a transition from a non-ergodic (NR) state to an ergodic (ER) state occurs. This phenomenon is similar to structural change and is induced by temperature, composition ratio and doping.
따라서 프리-폴딩된(pre-poled) 세라믹에 충분히 높은 압력이 가해지면, 비-에르고딕(NR) 상태에서 완전히 에르고딕(ER) 상태로 변환되고 결합된 전하가 완전히 방출되어 높은 전력 출력을 발생시킨다.Therefore, when a sufficiently high pressure is applied to the pre-poled ceramic, it converts from the non-ergodic (NR) state to the fully ergodic (ER) state, and the bound charge is completely discharged, resulting in a high power output. let it
이러한 압력에 의해 유도된 NR-ER 상전이 및 탈분극 행동은 에르고딕(NR) 상태와 비-에르고딕(NR) 상태의 부피 차이에서 비롯된 것으로 판단된다. BNT 기반 세라믹의 에르고딕(ER) 상태의 경우 외부 전기장에 의해 유도된 세로 변형 x33의 변화는 양의 값만 나타낸다. 대조적으로, 가로 변형률 x11의 경우 작은 음수 값만 나타낸다.It is believed that the NR-ER phase transition and depolarization behavior induced by these pressures originate from the volume difference between the ergodic (NR) and non-ergodic (NR) states. In the case of the ergodic (ER) state of BNT-based ceramics, the change in longitudinal strain x 33 induced by an external electric field shows only positive values. In contrast, the case of transverse strain x 11 shows only small negative values.
결과적으로 체적 변형률(ΔV = x33 + 2x11)은 양수이며, 이는 외부 전기장에서 ER-NR 전이 동안 체적 팽창을 나타낸다.As a result, the volumetric strain (ΔV = x 33 + 2x 11 ) is positive, indicating the volume expansion during the ER-NR transition in an external electric field.
완화형 강유전체의 에르고딕(ER) 상태는 이전에 언급된 바와 같이 3차 대칭을 갖는 다상을 완전히 포함할 것으로 예상된다.The ergodic (ER) state of a relaxed ferroelectric is expected to fully include polyphases with cubic symmetry as previously mentioned.
BNKT 내에서 조직화된 BNT 및 BKT 구성요소는 각각 능면체(R, R3m 대칭) 및 정방정(T, P4mm 대칭) 위상을 가지며 구조적 대칭으로 인해 [111]R 및 [001]T의 편광 방향을 갖는다.The BNT and BKT components organized within the BNKT have rhombohedral (R, R3m symmetry) and tetragonal (T, P4mm symmetry) phases, respectively, and have polarization directions of [111] R and [001] T due to their structural symmetry. .
그러나 Landau-Devonshire 이론에 따르면 3차 대칭을 갖는 다상의 완화형 강유전체의 자유 에너지 분포는 구형에 가깝다. 이것은 자유 에너지가 극 방향과 관련이 없음을 나타낸다.However, according to the Landau-Devonshire theory, the free energy distribution of polyphase relaxed ferroelectrics with cubic symmetry is close to spherical. This indicates that the free energy is not related to the pole direction.
따라서, 이러한 서로 다른 강유전체 상 사이의 극 회전과 관련하여 에너지 장벽이 수반되지 않는다. 또한, 상유전체 입방체 상과 강유전체(R, T) 상 사이의 극 팽창에 대한 에너지 장벽이 작기 때문에, 극 회전 및 팽창이 크게 촉진될 수 있다. 즉, <001>T와 <111>R의 극성 조건 사이에는 극성 회전에 대한 에너지 장벽이 없으므로 결과적으로 완화형 강유전체에서 높은 전기 기계 및 유전 응답이 나타날 수 있다.Thus, no energy barrier is involved with respect to pole rotation between these different ferroelectric phases. Further, since the energy barrier for pole expansion between the paraelectric cubic phase and the ferroelectric (R, T) phase is small, pole rotation and expansion can be greatly promoted. That is, since there is no energy barrier for polarity rotation between the polarity conditions of <001> T and <111> R , as a result, high electromechanical and dielectric responses can be obtained in the relaxed ferroelectric.
따라서 에너지 하베스팅과 관련하여 극축과 같은 방향으로 압력이 가해지면 최대 출력 성능이 유도되는 일반적인 강유전체와 달리, 실시예에 따른 BNKT 세라믹스는 임의의 방향으로 인장응력이 가해져도 상변태를 나타내어 극 회전을 일으킴으로써, 항상 최대 출력 성능을 나타낸다. 즉 도 1(b)에 도시된 바와 같이, 외부 인장응력에 의해 ER-NR 전이(편극 발생)가 발생하고, 인장응력이 제거(또는 압축응력에 인가)되면 전력이 발생한다.Therefore, unlike general ferroelectrics in which maximum output performance is induced when pressure is applied in the same direction as the polar axis in relation to energy harvesting, the BNKT ceramics according to the embodiment exhibits phase transformation even when tensile stress is applied in any direction, resulting in pole rotation. As a result, it always shows the maximum output performance. That is, as shown in FIG. 1(b), an ER-NR transition (polarization occurs) by an external tensile stress, and power is generated when the tensile stress is removed (or applied to compressive stress).
이것은 팔꿈치, 목, 무릎 등 인체의 움직임으로 인해 다양한 방향으로 구부러지고 늘어나는 웨어러블 디바이스의 구동 환경과 매우 유사하다. This is very similar to the operating environment of a wearable device that bends and stretches in various directions due to the movement of the human body, such as the elbow, neck, and knee.
BNKT 세라믹스 기반 나노발전기 제조Manufacture of BNKT ceramics-based nanogenerators
웨어러블 에너지 하베스터로서의 응용 가능성을 알아보기 위해서, BNKT 세라믹스 분말과 PDMS를 혼합하여 아래와 같이 나노발전기를 제작하였다.To investigate the applicability as a wearable energy harvester, a nanogenerator was fabricated as follows by mixing BNKT ceramics powder and PDMS.
BNKT 펠릿을 재분쇄하고 체과하여 미세한 분말을 얻었다.BNKT pellets were re-ground and sieved to obtain a fine powder.
유연한 나노발전기를 제조하기 위해서, 실리콘 엘라스토머 액체인 PDMS와 경화제인 Sylgard 184(Dow Corning, USA)를 사용하여다. 실리콘 엘라스토머 액체와 경화제는 10:1의 비율로 미리 혼합하였다. 다음으로, PDMS에 15 wt% BNKT 분말을 첨가하고 30분 동안 혼합하였다.To fabricate the flexible nanogenerator, PDMS, a silicone elastomer liquid, and Sylgard 184 (Dow Corning, USA) as a curing agent were used. The silicone elastomer liquid and the curing agent were pre-mixed at a ratio of 10:1. Next, 15 wt% BNKT powder was added to the PDMS and mixed for 30 minutes.
혼합된 BNKT 슬러리를 스핀 코터를 사용하여 유리 슬라이드 기판에 코팅하였다. 코팅된 기판을 진공 건조기에 30분 동안 놓아 기포를 제거하였다.The mixed BNKT slurry was coated on a glass slide substrate using a spin coater. The coated substrate was placed in a vacuum dryer for 30 minutes to remove air bubbles.
기포가 제거된 코팅된 기판을 120℃의 오븐에서 건조시켰다. 다음으로 건조된 BNKT 필름을 유리 기판에서 분리했습니다.The coated substrates from which bubbles were removed were dried in an oven at 120°C. Next, the dried BNKT film was separated from the glass substrate.
상부 및 하부 전극은 각각 175 및 125 ㎛ 두께의 인듐 주석 산화물이 코팅된 폴리에틸렌 테레프탈레이트(ITO/PET) 필름을 사용하였다. 각 ITO/PET 필름에 은 페이스트와 구리 테이프를 사용하여 구리 와이어를 연결하였다.For the upper and lower electrodes, a polyethylene terephthalate (ITO/PET) film coated with indium tin oxide having a thickness of 175 and 125 μm, respectively, was used. Copper wires were connected to each ITO/PET film using silver paste and copper tape.
BNKT 기반의 나노발전기는 상단 및 하단 ITO/PET 필름 사이에 BNKT 필름을 배치하여 샌드위치 구조로 제조하였다.The BNKT-based nanogenerator was fabricated in a sandwich structure by placing a BNKT film between the top and bottom ITO/PET films.
BNKT 기반의 나노발전기에 24시간 동안 1.5kV 인가 전압을 사용하여 폴링 프로세스를 진행하였다.A polling process was performed using an applied voltage of 1.5 kV for 24 hours to a BNKT-based nanogenerator.
BNKT 기반의 나노발전기에서 BNKT 세라믹스 분말의 wt%는 출력 성능을 기반으로 선택되었다. 일반적으로 압전 소재(BNKT 세라믹스 분말)의 양이 많을수록 출력 성능이 높아지는 경향이 있다. 하지만 일정량 이상 증가하면 복합재료의 절연이 약해지고 전기적 파괴가 발생하여 매우 낮은 출력 전압을 발생시킨다. 이러한 원인은 압전 소재 사이의 누설 전류 경로의 근접성과 압전 소재의 불균일한 분산 때문이다.In the BNKT-based nanogenerator, the wt% of the BNKT ceramics powder was selected based on the output performance. In general, output performance tends to increase as the amount of the piezoelectric material (BNKT ceramics powder) increases. However, if it increases above a certain amount, the insulation of the composite material weakens and electrical breakdown occurs, resulting in a very low output voltage. This is due to the proximity of leakage current paths between piezoelectric materials and non-uniform dispersion of piezoelectric materials.
이와 같이 제조한 BNKT 기반의 나노발전기의 출력 성능을 측정하였고, 측정 결과는 도 6 및 도 7과 같다. 여기서 도 6은 실시예에 따른 완화형 강유전체 세라믹스를 이용한 나노발전기의 출력 특성을 보여주는 도면들이다. 그리고 도 7은 실시예에 따른 다양한 조성을 갖는 완화형 강유전체 세라믹스에 따른 출력 전압과 출력 전류의 변화를 보여주는 그래프이다.The output performance of the BNKT-based nanogenerator thus prepared was measured, and the measurement results are shown in FIGS. 6 and 7 . 6 is diagrams showing output characteristics of a nanogenerator using relaxed ferroelectric ceramics according to an embodiment. 7 is a graph showing changes in output voltage and output current according to relaxed ferroelectric ceramics having various compositions according to an embodiment.
도 6 및 도 7을 참조하면, BNKT 기반의 나노발전기의 출력 성능을 확인하기 위해서, 탭핑 모드가 아닌 벤딩 모드를 이용하여 측정하였다. 즉 Keithley 6514 전위계(Keithley, USA)와 맞춤형 리니어 모터 벤딩 머신을 사용하였다.Referring to FIGS. 6 and 7 , in order to check the output performance of the BNKT-based nanogenerator, it was measured using a bending mode rather than a tapping mode. That is, a Keithley 6514 electrometer (Keithley, USA) and a customized linear motor bending machine were used.
각 구성비에 따른 출력 전압과 출력 전류의 변화는 도 7과 같으며, d33*에서 관찰된 변화와 유사한 거동을 확인할 수 있다.Changes in output voltage and output current according to each component ratio are shown in FIG. 7 , and behavior similar to the change observed in d 33 * can be confirmed.
x = 0.20에 대한 출력 전압은 ~77V 였으며, 이것은 x = 0.16 결과(~37V)에 비해 약 2배 향상된 것을 확인할 수 있다.The output voltage for x = 0.20 was ~77V, which is about twice as high as the result of x = 0.16 (~37V).
또한 출력 전류는 x = 0.16(0.014㎂)에 비해, x = 0.20(0.153㎂)에서 크게 개선되었다.Also, the output current is significantly improved at x = 0.20 (0.153 µA) compared to x = 0.16 (0.014 µA).
실시예에 따른 BNKT 기반의 나노발전기의 출력 성능을 포함한 BNKT 세라믹스의 전기적 특성은 표 1과 같다. 표 1을 참조하면, BNKT 세라믹스는 웨어러블 에너지 하베스터에 적용될 수 있음을 나타낸다.Table 1 shows the electrical characteristics of the BNKT ceramics including the output performance of the BNKT-based nanogenerator according to the embodiment. Referring to Table 1, it is shown that BNKT ceramics can be applied to wearable energy harvesters.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다.On the other hand, the embodiments disclosed in this specification and drawings are only presented as specific examples to aid understanding, and are not intended to limit the scope of the present invention. In addition to the embodiments disclosed herein, it is obvious to those skilled in the art that other modifications based on the technical idea of the present invention can be implemented.
Claims (8)
상기 완화형 강유전체 세라믹스는 상기 외부 인장응력 방향으로 구조 변형이 이루어져 전하를 발생하는 것을 특징으로 하는 완화형 강유전체 세라믹스를 이용한 나노발전기.According to claim 1,
The nanogenerator using the relaxed ferroelectric ceramics, characterized in that the relaxed ferroelectric ceramics are structurally deformed in the direction of the external tensile stress to generate electric charges.
상기 완화형 강유전체 세라믹스는 외부 인장응력이 인가되면 에르고딕(ergodic) 상태에서 비-에르고딕(non-ergodic) 상태로 전이되는 것을 특징으로 하는 완화형 강유전체 세라믹스를 이용한 나노발전기.According to claim 2,
The relaxed ferroelectric ceramics are nanogenerators using relaxed ferroelectric ceramics, characterized in that the transition from an ergodic state to a non-ergodic state when an external tensile stress is applied.
상기 외부 인장응력은 굽힘 또는 펴짐을 포함하는 것을 특징으로 하는 완화형 강유전체 세라믹스를 이용한 나노발전기.According to claim 1,
The external tensile stress is a nanogenerator using relaxed ferroelectric ceramics, characterized in that it includes bending or stretching.
상기 완화형 강유전체 세라믹스는 외부 인장응력이 작용하지 않는 상온 조건에서 종방향 압전계수(d33) 및 횡방향 압전계수(d31)가 각각 0에 가까운 값을 갖는 것을 특징으로 하는 완화형 강유전체 세라믹스를 이용한 나노발전기.According to claim 1,
The relaxed ferroelectric ceramics have a longitudinal piezoelectric coefficient (d 33 ) and a transverse piezoelectric coefficient (d 31 ) each having a value close to 0 under room temperature conditions where no external tensile stress is applied. nanogenerators used.
상기 완화형 강유전체 세라믹스는 Bi0.5(Na1-xKx)0.5TiO3(0.16<x≤0.24)인 것을 특징으로 하는 완화형 강유전체 세라믹스를 이용한 나노발전기.According to claim 1,
The relaxed ferroelectric ceramics is Bi 0.5 (Na 1-x K x ) 0.5 TiO 3 (0.16<x≤0.24). Nanogenerator using relaxed ferroelectric ceramics, characterized in that.
상기 나노발전기는 연성 소재를 더 함유하여 유연성을 갖는 것을 특징으로 하는 완화형 강유전체 세라믹스를 이용한 나노발전기.According to claim 6,
The nanogenerator using relaxed ferroelectric ceramics, characterized in that the nanogenerator further contains a soft material to have flexibility.
상기 연성 소재는 PDMS인 것을 특징으로 하는 완화형 강유전체 세라믹스를 이용한 나노발전기.According to claim 7,
The soft material is a nanogenerator using relaxed ferroelectric ceramics, characterized in that PDMS.
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