KR20230149316A - 고분자 압전성 필름 소자와 그것을 이용한 축전 디바이스 및 하중 검지 디바이스 - Google Patents
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Abstract
미약한 접촉 응력, 또는, 인간이나 동물의 동작과 같은 예를 들어 10Hz 이하의 비교적 저주파수의 진동, 및, 10Hz 이상의 자동차, 전철 등의 수송 기관, 건설에 관련된 공사, 제조업에 있어서의 공장 설비 등의 고주파수의 진동을 포함하여 넓은 주파수 대역의 진동에 대해서 고감도로 기전하여, 전력으로서 혹은 센서로서 이용할 수 있고, 박막화가 가능하여, 높은 양품률로 안정 구동하는 전력 공급 디바이스, 맥파, 심박, 호흡파 등의 생체 전기 신호를 측정하는 바이탈 센서나 촉각 센서로서의 이용이 가능한 고분자 압전성 필름 소자를 제공한다. 본 발명은, 고분자 압전성 필름의 양면에 전극 시트를 형성하고, 그 면의 수직축으로 요철인 구조, 또는, 마루 골이 있는 파형 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 고분자 압전성 필름 소자로서, 외부로부터 응력을 받아 압전 효과에 의해 기전하여, 전력으로 바꾸는 축전 디바이스, 해당 응력을 검지하는 센서, 또는, 생체 전기 신호를 측정하는 바이탈 센서에 관한 것이다.
Description
본 발명은, 고분자 압전성 필름의 양면에 전극 시트를 형성하고, 그 면의 수직축으로 요철(凹凸)인 구조, 또는, 마루(crest) 골(trough)이 있는 파형 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 고분자 압전성 필름 소자, 및 해당 고분자 압전성 필름 소자를 갖는 축전 디바이스 및 하중 검지 디바이스에 관한 것이다.
자원 에너지청의 종합 에너지 통계에 의하면, 일본은 제2차 세계대전 후, 1950년대부터 1970년대에 걸친 고도 경제 성장, 그 후의 IT 혁신 등에 의해 2000년대 초두까지 1차 에너지의 국내 공급량은 증가 일로를 따라가, 2011년의 동북 지방 태평양 난바다 지진 이후, 2019년까지 연간 약 20,000페타줄에 도달하고 있다. 근년, 사회의 한층 더 전동화가 진행됨에 따라, 1차 에너지 중 전력으로서 공급되는 비율은 1990년에 있어서는 41%였지만, 2018년에는 46%를 초과하고 있다.
그 전력에 대해서는, 에너지 백서 2019에 의하면, 2019년의 전력 공급을 위한 발전의 내역은, 액체 천연가스(이하, LNG라고 한다.)가 40%, 석탄이 32%, 석유가 9%, 수력이 8%, 원자력이 3%, 재생 가능 에너지가 8%라고 하는 의존 비율이 되어 있다. 상기의 2011년 이후의 특징으로서, 일부의 원자력 발전소의 정지에 수반하여 LNG와 석탄에의 의존이 증가하고 있다. 그러나, 2016년의 파리 협정으로 목표화된 바와 같이, 지구 온난화를 억제하기 위해서, 이산화탄소를 주로 하는 온실 효과 가스의 배출의 삭감이 급무가 되고 있고, 특히 석탄 화력 발전으로부터 단계적으로 탈각하여, 재생 가능 에너지로 전환해 나가는 것이 세계 공통의 요청이 되고 있다. 한편, 재생 가능 에너지란, 에너지 공급 구조 고도화법에 있어서, 「태양광, 풍력 그 외 비화석 에너지원 중, 에너지원으로서 영속적으로 이용할 수 있다고 인정되는 것으로서 정령(政令)으로 정하는 것」이라고 정의되어 있고, 태양광, 풍력, 지열, 태양열, 바이오매스 등이 정해져 있다.
세계에 눈을 돌리면, 전력 공급량 세계 제2위의 미국은, 비율상은 LNG, 석탄, 원자력에 분산 의존하고 있고, 재생 가능 에너지는 10%이다. 전력 공급량 세계 제1위의 중국은 석탄에 대부분을 의존하고 있고, 재생 가능 에너지는 9%이다. 유럽은 국가마다 의존 비율이 상이하지만, 독일이 재생 가능 에너지에 34% 의존하고 있는 것은 특필해야 할 사실이다. 이러한 주요국의 재생 가능 에너지는 풍력 발전을 주로 하고 있는 한편으로, 일본은 태양광 발전의 비율이 높다고 하는 차이가 있다.
세계적으로 LNG, 석탄, 석유와 같은 화석 연료에 의한 발전에의 의존도를 낮추고, 재생 가능 에너지로 전환해야 할 과제에 직면하고 있는 한편으로, 자동차를 중심으로 하는 수송의 자동 운전화, 컴퓨터나 모바일 단말의 더한 보급에 수반하는 다량의 데이터의 고속 통신, 디지털 트랜스포메이션의 가속, Internet of Things(이하, IoT라고 한다.)를 통한 새로운 가치 창출이 활발화되고 있고, 그러한 활동을 위해서 보다 많은 전자 디바이스가 사용되게 되고 있다. 그리고, 그 전자 디바이스를 구동하기 위해서 필요해지는 전력은 현재로선 증가할 뿐이다. 그 결과로서 만들어지는 사회는, 다양하고 방대한 데이터를 사이버 공간에 집적하여, 사람에게 제공되는 서비스에 활용하는, 데이터 구동형 사회라고 말해지고 있다. 그 배경을 받아서, 일상생활 중에서 보다 많은 전자 디바이스가 사용되게 되고 있지만, 그것을 구동하는 전력은, 향후는 전술한 화석 연료 중심의 발전에 의존해서는 안 된다.
또한, 수력, 원자력, 풍력 등의 일부 재생 가능 에너지를 포함하여, 대규모 발전소에서 만들어진 전력의 송전만을 수동적으로 받아서는 안 된다. 즉, 그러한 전력원으로부터 독립하여, 종래 간과되고 있던 에너지원을 전력으로 변환할 수 있는 디바이스가 있는 것이 바람직하다. 그 디바이스가, 인간이 들어가기 어려운 산간부, 해양, 극지 등을 포함한 모든 장소에 설치된 전자 기기나 센서를 구동하는 지산지소(地産地消)의 전력원이 된다. 1차 전지는, 독립된 전력원이지만, 사용 가능한 시간이 유한하여, 전술한 자동 운전, 데이터의 고속 통신, IoT와 같이 안정되게 계속 구동하여, 중요한 정보를 빠뜨리지 않을 것이 요구되는 향후의 사회에 있어서는 적절한 전력원이라고는 말하기 어렵다. 2차 전지도, 전력을 소비 후는 충전이 필요하기 때문에, 적절한 전력원은 아니다.
종래 간과되고 있던 에너지원을, 가까이에 있는, 흔하게 있던, 반영구적으로 존재하는 물리 현상에서 구하여, 그 물리 현상을 전압으로 변환하여 전력으로 하는 것이 실현되면, 기계적인 파손을 받지 않는 한 반영구적으로 전자 기기나 센서를 구동시킬 수 있다. 그에 따라, 전지의 교환이나 충전의 필요가 없고, 전술한 새로운 사회 속에서, 중요한 정보를 빠뜨리지 않고 계속 수집하는 것이 가능하다. 더욱이, 발전소에서 만들어진 전력을 공급하기 위한 송전망을 마련할 필요가 없기 때문에, 한정된 자금 내에서의 설비 투자에도 유효하다. 더하여, 친근한 물리 현상을 전압으로 변환할 수 있는 것 그 자체에도 가치가 있어, 사고나 재해를 미연에 방지하기 위한 시그널을 얻기 위한 센서로서 취급할 수 있다.
전력으로 변환할 수 있는 친숙한 물리 현상에는, 예를 들어 빛, 응력, 열, 자계가 있다. 빛으로부터 전력으로 변환하는 경우는, 태양 전지와 같이 반도체에 의한 광기전력 효과를 이용한다. 한편, 응력이나 열을 전력으로 변환하기 위해서는 강유전체로 불리는 물질을 활용한다. 응력을 전력으로 변환하는 현상은 압전(壓電; piezoelectric) 효과, 열을 전력으로 변환하는 현상은 초전(焦電; pyroelectric) 효과라고 불리고, 강유전체에 의해 발현한다. 그러나, 초전 효과를 얻으려면 온도 변화가 필요하여, 일정 온도하의 장소에서 전력을 만들어 내기는 어렵다. 또한, 자계를 전력으로 변환하는 현상은 자기전기(magnetoelectric) 효과라고 부르고, 강유전성과 강자성을 겸비한 재료의 연구가 근년 진행되고 있지만, 지구 상의 자장은 매우 작기 때문에, 실용성에는 불충분하다. 이상의 이유에서, 압전 효과의 이용을 확대하는 것이, 종래 간과되고 있던 에너지원으로부터 전력을 얻는 데 있어서 중요하다. 진동 등의 응력은, 인간이나 동물의 동작, 자동차, 전철 등의 수송 기관, 건설에 관련한 공사, 제조업에 있어서의 공장 설비 등, 다양한 장소에서 발생하고 있기 때문에, 그러한 장소를 이용하여 전력으로 변환할 수 있다. 더욱이, 응력이 발생하고 있는 것을 검지하는 센서로 하는 것도 가능하다. 이하, 이 압전 효과를 이용하여 전하를 발생시켜, 전력이나 센서로서 이용하는 것을 「발전」이라고 말하기로 한다.
진동을 이용한 발전 기술은 오랜 세월 몰두되어 왔다. 특허문헌 1에서는, 지지대와, 해당 지지대를 지탱하는 복수의 탄성체와, 해당 지지대에 마련된 복수의 발전 소자를 구비하는 진동 발전 장치가, 입력된 진동에 대해서 안정되게 발전하는 것이 나타나 있다. 해당 장치는, 상기 지지대와 상기 복수의 탄성체가 제1 공진기가 되고, 상기 복수의 발전 소자가 제2 공진기가 되어 있어, 제1 공진기와 제2 공진기의 고유 진동수의 차가 ±15% 이하로 함으로써 안정된 발전을 가능하게 하고 있다. 그렇지만, 특허문헌 1에 나타나 있는 발전 소자는, 편방의 말단이 자유롭게 요동하는 판 스프링과 압전 소자가 일체가 되어 있고, 해당 압전 소자를 구성하는 압전체층은, 타이타늄산 지르콘산 납(이하, PZT라고 한다.), 질화 알루미늄, 탄탈럼산 리튬, 니오브산 리튬 등으로부터 선택되는, 딱딱하고 무른 성질인 무기의 강유전체를 사용하고 있으므로, 인가할 수 있는 응력과, 유기(誘起)되는 변위의 범위가 넓다고는 말할 수 없다.
또한, 이 진동 발전 장치는, 복수의 스프링, 압전 소자, 발전 소자를 복잡하게 구성하고 있어, 그 결과, 두께가 센티미터 레벨임으로써, 전술한 일상생활에 사용하는 전자 기기나 센서와 접속하는 것을 생각하면, 부피가 커져 버려, 가벼운 설치를 할 수 없는 문제가 있다. 더욱이, 생산성이 낮고, 진동에 대한 내구성에 문제가 있다.
또한, 특허문헌 2에서는, 압전 소자를 구비한 캔틸레버와, 해당 캔틸레버로부터 이간한 위치에 추를 마련하여, 외력이 작용했을 때에 해당 캔틸레버를 향해 추가 충돌함으로써 발전하는 진동 발전 소자가 나타나 있다. 특허문헌 1과 마찬가지로, 해당 캔틸레버 중 편말단만이 광체(筐體)에 고정된 구조(이하, 외팔보 구조라고 한다.)이고, 또한 압전막에 딱딱하고 무른 PZT 등의 페로브스카이트형 산화물을 사용하고 있기 때문에, 인가할 수 있는 응력과, 유기되는 변위의 범위가 넓다고는 말할 수 없다. 더욱이, 실리콘이나 스테인레스강으로 만들어진 대좌에 고정한 진동 발전 소자는, 진공 중에 배치하는 것이 필요하다는 것이 생산 비용을 압박하게 되고, 또한, 발전 소자의 초기 성능은 담보할 수 있지만, 외력에 의해 캔틸레버와 압전막이 고장날 것이 염려되는 것이다.
특허문헌 1 및 2의 외팔보 구조에 있어서는, 특정의 공진 주파수에서만 압전 소자가 진동하기 때문에, 진동 조건의 제약을 받아 버린다. 그 때문에, 넓은 주파수대역의 진동에 적용할 수 있도록 하기 위해서, 특허문헌 3에서는 양 말단을 고정한, 양팔보 구조를 갖는 진동 발전 디바이스가 소개되어 있다. 해당 디바이스는 양팔보 구조로 하기 위해서, 슬릿을 갖는 금속 탄성판 상에 복수의 압전체를 놓고, 연결 부재로 복수의 해당 금속 탄성판을 연결하고 있다. 해당 금속 탄성판이 진동으로 변위하고, 그 변위를 압전체가 전압으로 변환하는 발전 장치로, 차재 응용 시스템으로서 자동차 내외에서 이용하는 것이다. 이 발명의 발전 디바이스도 진동을 전기 에너지로 변환하기 위해서 비선형 스프링을 이용하고 있다.
특허문헌 1∼3에서는 압전체로서 무기의 강유전체를 이용하고 있지만, 1969년의 가와이 등에 의한 폴리불화 바이닐리덴의 강유전성의 발견 이래, 압전 효과를 나타내는 고분자 재료의 연구 개발이 진행되어 왔다(비특허문헌 1). 고분자 재료에 의한 개발의 동기는, 고분자 재료밖에 발현할 수 없는, 특이적인 딱딱함과 부드러움의 균형을 만들 수 있는 것, 인성(靭性)을 가져, 박막으로 할 수 있다고 하는 기계 물성상의 매력이다. 압전 효과에 한정하지 않고, 무기 재료를 사용함으로써 얻어지는 성능을 고분자 재료로 치환함으로써 새로운 가치를 산출하려는 시도는, 다양한 분야에서 오랜 세월 행해지고 있기 때문에, 재료 개발에 있어서 항상 중요한 관점이다. 예를 들어, 자동차 분야에서는, 이전에는 강재의 비율이 높았지만, 폴리프로필렌 등의 고분자 재료의 사용 비율이 증가함으로써 경량화가 실현되고 있음으로써 적은 에너지로 긴 거리를 주행할 수 있는 가치가 생겨났다. 헬스케어 분야에 있어서는, 이전에는 유리가 사용되고 있던 안경 렌즈는, 얇고, 경량이고, 내충격성도 우수한 싸이오유레테인이라고 하는 고분자 재료로 치환됨으로써, 많은 사람이 중량감을 느끼지 않고 부담 없이 안경을 사용할 수 있게 되었다. 더욱이, 최근의 일렉트로닉스 분야에 있어서는, 포토레지스트 도포, 에칭, 도금 등에 의한 표면 처리로 만들어지고 있는 전기 배선은, 근년의 플렉시블성이나 자유로운 디자인성과 같은 수요를 받아, 딱딱한 금속을 미립자화하여, 폴리유레테인 등의 유연성 고분자 재료와 유기 용매를 함유시킨, 인쇄용의 페이스트나 잉크의 연구 개발이 활발화되고 있어, 새로운 시장을 형성하고 있다. 이와 같이, 고분자 재료는 모든 분야에 있어서 혁신을 일으킬 가능성을 내재하고 있어, 압전 효과를 노린 고분자 재료의 연구 개발도, 그러한 기대를 받아 시작되었던 것이라고 이해된다.
실제, PZT 등의 무기의 강유전체는 단결정 또는 다결정 구조를 만듦으로써 우수한 압전 효과를 발현하지만, 무른 성질 때문에 사용 가능한 조건적 제약을 받기 쉬운 단점이 있다. 한편, 압전 효과를 나타내는 고분자 재료(이하, 고분자 압전성 재료라고 한다.)는 결정 구조를 가지면서도, 어느 일정한 비율로 비정 구조를 포함하는 것을 특징으로 한다. 비정 구조는 통상 압전 효과를 나타내지 않기 때문에, 고분자 압전성 재료는 무기의 강유전체와 비교하여 압전 효과는 뒤떨어지는 경우가 많지만, 플렉시블성이나 인성은 우수하기 때문에, 파손되기 어려운 장점이 있다. 이 장점은, 결정 구조와 비정 구조가 혼재하는 것에 의해 발현하고 있다(비특허문헌 2).
고분자 압전성 재료를 사용한 발명으로서, 예를 들어, 특허문헌 4에 기재된, 폴리아미노산, 다당류, 폴리락트산, 폴리불화 바이닐리덴 등의 고분자 압전층을 2매의 실크 등의 기재 섬유에 도전성 고분자 재료인 폴리(3,4-에틸렌다이옥시싸이오펜)과 폴리(스타이렌설폰산) 등을 함침시킨 도전성 포층으로 끼운 플렉시블한 압전 시트가 있다. 이 발명은, 전극 기재로서 도전성 고분자 재료를 포함하는 천을 사용하여, 고분자 압전성 재료와 조합하여 플렉시블성을 가지게 한 구조이지만, 도전성 고분자 재료가 인체에 접촉했을 때의 안전성에는 과제가 남는다.
더욱이, 고분자 압전성 재료를 이용한 또 하나의 예로서, 특허문헌 5에 기재된, 조류, 조석이나 파랑 등의 여러 가지 해양 에너지로부터 전기를 얻는 적층형 발전체 및 그 발전 장치가 있다. 해당 적층형 발전체는, 유연성 탄성 소재로 이루어지는 기체(基體)의 양면에 압전성 필름과 전극을 형성한 것으로, 해당 유연성 탄성 소재에는 실리콘 고무, 천연 고무, 또는 합성 고무를 이용하고, 해당 압전성 필름에는 폴리불화 바이닐리덴 또는 폴리사이안화 바이닐리덴을 이용하고 있다. 그렇지만, 평온한 해양 밖에 적용할 수 없어, 재생 가능 에너지의 과제를 극복할 수 있다고는 말할 수 없다.
H. Kawai; Jpn. J. Appl. Phys., 8, 975(1969)
Field Responsive Polymers, Chapter 6, pp 88-103
우치노 겐지 강유전체 디바이스 모리키타 출판 주식회사 P. 142
그렇지만, 특허문헌 1에 나타나 있는 발전 소자는, 판 스프링과 압전 소자가 일체가 되어 있고, 해당 압전 소자를 구성하는 압전체층은, PZT, 질화 알루미늄, 탄탈럼산 리튬, 니오브산 리튬 등으로부터 선택되는 무기의 강유전체로 만들어지지만, 해당 압전체층은 딱딱하고 무른 성질이기 때문에, 인가할 수 있는 응력과, 유기되는 변위의 범위가 넓지 않다.
또한, 특허문헌 2의 진동 발전 소자는, 페로브스카이트형 산화물을 압전막에 사용하고 있기 때문에, 상기와 마찬가지로 인가할 수 있는 응력과, 유기되는 변위의 범위가 넓지 않고, 해당 압전막을 얹은 진동을 받는 캔틸레버는 알루미늄이나 지르코니아 등의 금속이 사용되는 경우가 많아, 변위에 대한 끈질김, 즉 인성(toughness)이 있다고는 말할 수 없다. 게다가 해당 캔틸레버로부터 이간한 위치에 추를 마련하고 있기 때문에, 이간의 거리분만큼 두꺼워져 버리기 때문에, 기존의 설비에 대한 설치를 생각하면, 디자인이 바뀌어 버리기 때문에, 사용하기 어렵다.
더욱이, 특허문헌 3의 진동 발전 디바이스는, 양팔보 구조를 채용하고, 압전체의 탄성 한계를 초과하지 않도록, 스토퍼나 테플론 무전해 니켈 등의 고정 윤활층을 마련하는 궁리가 되어 있지만, 구조적으로 복잡하게 되어 있다. 또한, 압전체에는 특허문헌 1 및 특허문헌 2에 기재된 재료와 유사한, 질화 알루미늄, 스칸듐 함유 질화 알루미늄, 마그네슘 및 니오브 함유 질화 알루미늄, 니오브산 칼륨 나트륨 등으로부터 선택되는 재료를 사용하고 있어, 상기와 마찬가지로 기계적 파괴를 받는다.
특허문헌 4에서는, 상기 특허문헌 1∼3의 무기의 강유전체에 의한 압전층과는 달리, 폴리아미노산, 다당류, 폴리락트산, 폴리불화 바이닐리덴 등의 플렉시블성의 특장점을 가지는 고분자 압전성 재료를 이용하고, 더욱이 전극 기재에도 플렉시블성의 궁리를 받아들임으로써, 인체를 포함하는 다양한 장소나 형상에 적합 가능한 압전 시트가 되고 있다. 그러나, 고분자 압전성 재료를 사용하면, 무기의 강유전체보다도 낮은 출력 전압을 취급하지 않으면 안 되는 문제에 직면한다. 응력에 대응하여 출력되는 전압은 이하 식(1)로 표시되지만, 비례 상수의 압전 d 상수는, 압전성 재료를 수평에 놓고 수직축으로부터 응력을 주는 경우, 재료 고유의 d33의 수치에 상당한다. 예를 들어, 무기의 강유전체의 PZT의 d33이 289pC/N인데 반해, 고분자 강유전체의 PVDF는 35pC/N에 지나지 않는다(비특허문헌 3).
즉, 고분자 강유전체는 무기의 강유전체와 비교하여 현저히 출력 전압이 낮기 때문에, 한정적 용도의 센서로서 사용할 수는 있어도, 다양한 주파수와 강도의 진동을 검출할 수 있는 센서나, 얻어진 출력 전압을, 다른 전자 기기를 구동하는 전력으로 하기 위한 축전으로서의 이용에는 분명히 불충분하다.
그리고, 1축 연신에 의해 결정 구조를 만들어, 전계 인가하는 것에 의해 고분자 강유전체가 되는 PVDF와는 달리, 폴리락트산은 1축 연신에 의해 결정 구조를 만드는 것만으로 압전 효과를 나타내는 고분자 압전성 재료이지만, 강유전체는 아니다. 폴리락트산은, 재료 특성상, d33이 제로로, 수직 응력에 의한 출력 전압은 얻어지지 않는다. 이 경우는, 필름을 연신하고, 그 연신 방향에 대해서 45°의 방향으로 그것을 인장함으로써 출력 전압을 발생시킨다. 또한, PVDF와 같은 고분자 강유전체는 무기의 강유전체와 비교하여 출력 전압이 매우 낮고, 폴리락트산과 같은 한정적인 방향으로 인장하는 것에 의해서만 미약한 출력 전압이 발생하는 고분자 압전성 재료는, 출력 전압이 낮은 점도 포함하여 실용적으로는 사용하기 어렵다.
즉, 고분자 압전성 재료가 무기의 강유전체를 일부 대체할 수 있는 레벨로 출력 전압을 높이는 것이 필요하고, 그것이 실현되면, 센서로서 사용하는 경우에는, 외래의 노이즈의 영향을 최소화하는 것으로 이어지며, 또한 축전 디바이스로서 사용하는 경우는, 작은 응력으로부터 큰 발전을 얻을 수 있는 것에 의해, 지금까지 버려져 온 에너지를 전력으로서 활용할 수 있다. 즉, 출력되는 전압을 높이는 기술개발이 고분자 압전성 재료를 사용한 디바이스의 보급에 일조가 되는 것이다.
한편, 특허문헌 5에서는 폴리불화 바이닐리덴 또는 폴리사이안화 바이닐리덴 등의 고분자 압전성 재료의 필름을 이용함으로써, 다양한 크기의 조류, 조석이나 파랑 등의 해양 에너지에 대응할 수 있는 발전체가 되고 있어, 해수와 같은 유체의 진동을 이용하는 것에는 적합하지만, 육상에 있어서, 인간이나 동물의 동작, 자동차, 전철 등의 수송, 건설에 관련한 공사, 제조업에 있어서의 공장 설비 등과 같은 고체로부터의 진동을 받으면, 막대 모양의 해당 발전체를 나열한 발전 장치는, 응력을 받았을 때에 간단히 파손되어 버리는 것이 상정되기 때문에, 적용이 곤란하다. 즉, 육상에 있어서의 다양한 진동을 받아도 파손되지 않는 디바이스의 디자인이 요구된다.
상기와 같이, 가까이에 있는 물리 현상인 진동, 예를 들어, 인간이나 동물의 동작, 자동차, 전철 등의 수송 기관, 건설에 관련한 공사, 제조업에 있어서의 공장 설비 등이 발생하는 진동을, 압전 효과에 의해 발전하는 것은, 발전소에서 만들어진 전력을 사용하지 않는, 지산지소의 청정한 발전이며, 거기로부터 반영구적으로 공급되는 전력이, 전자 기기나 센서를 끊김 없이 구동시킴으로써, 데이터 구동형 사회의 실현을 가능하게 하고, 전지의 교환이나 충전, 새로운 송전망의 건설이 불필요하다고 하는 점에서 코스트 메리트가 높다. 더욱이, 해당 압전 효과는, 전력으로서의 확보뿐만 아니라, 응력을 받은 것을 전하는 진동 검출 센서로서 기능시키는 것도 가능하여, 인간이나 동물, 자동차의 존재, 이동량, 건설이나 제조업에 있어서의 소음이나 이상 현상의 전조와 같은 정보의 수집도 가능하다.
본 발명에 의해, 미약한 접촉 응력, 또는, 인간이나 동물의 동작과 같은 예를 들어 10Hz 이하의 비교적 저주파수의 진동, 및, 10Hz 이상의 자동차, 전철 등의 수송 기관, 건설에 관련한 공사, 제조업에 있어서의 공장 설비 등의 고주파수의 진동을 포함시킨, 넓은 주파수 대역의 진동에 대해서 고감도로 기전하고, 용이하게 파손되지 않고 안정 구동하는 진동이나 하중을 검출하는 센서, 맥파, 심박, 호흡파 등의 생체 전기 신호를 측정하는 바이탈 센서나 촉각 센서, 혹은 다른 전자 기기를 구동하는 전력으로 하는 축전 디바이스로서의 이용이 가능한 고분자 압전성 필름 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 고분자 압전성 필름의 양면에 전극 시트를 형성하고, 그 면의 수직축으로 요철인 구조, 또는, 마루 골이 있는 파형 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 고분자 압전성 필름 소자로서, 해당 고분자 압전성 필름 소자가 외부로부터 응력을 받아 압전 효과에 의해 기전하여, 진동이나 하중을 검출하는 센서, 맥파, 심박, 호흡파 등의 생체 전기 신호를 측정하는 바이탈 센서나 촉각 센서, 및 다른 전자기기를 구동하는 전력으로 하는 축전 디바이스에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, 박막성, 플렉시블성, 인성과 같은 특장점을 가지는 고분자 압전성 필름을 사용하는 것에 의해, 마루 등의 지면에 간편하게 매설시켜, 인간이나 육상 동물의 보행, 자동차의 주행으로부터 기전, 또는, 열차나 중기, 제조 장치에 장착하여, 이들이 발하는 광대역의 주파수의 진동 등의 응력으로부터 발전할 수 있다. 그에 따라, 진동을 검출하는 센서, 하중을 검출하는 센서, 맥파, 심박, 호흡파 등의 생체 전기 신호를 측정하는 바이탈 센서나 촉각 센서, 혹은 다른 전자 기기를 구동하는 전력으로 하는 축전 디바이스를 제공할 수 있다.
[도 1] 고분자 압전성 필름의 양면에 전극 시트를 형성하여, 그 면의 수직축으로 요철인 구조, 또는 마루 골이 있는 파형 구조를 갖는 고분자 압전성 필름 소자로 하는 것을 설명하는 것이다.
[도 2] 와이어를 전극 시트 상에 놓음으로써, 그 면의 수직축으로 요철인 구조, 또는 마루 골이 있는 파형 구조를 형성하고, 유지하는 단면 구조를 설명하는 것이다.
[도 3] 와이어를 전극 시트와 고분자 압전성 필름 사이에 놓음으로써, 그 면의 수직축으로 요철인 구조, 또는 마루 골이 있는 파형 구조를 형성하고, 유지하는 단면 구조를 설명하는 것이다.
[도 4] 요철인 구조, 또는, 마루 골이 있는 파형 구조를 갖는 성형체를 전극 시트 상에 놓아, 요철인 구조, 또는 마루 골이 있는 파형 구조를 형성하고, 유지하는 단면 구조를 설명하는 것이다.
[도 5] 고분자 압전성 필름 소자, 4개의 다이오드 소자로 이루어지는 전파(全波) 정류 회로, 콘덴서, 및 직류-직류 컨버터로 이루어지는 축전 디바이스 회로를 설명하는 것이다.
[도 6] 고분자 압전성 필름 소자를 사용하여 생체 전기 신호의 일례로서의 맥파를 측정하는 것을 설명하는 것이다.
[도 7] 고분자 압전성 필름 소자를 사용하여 인가되는 하중에 따라서 일정 전압을 출력하는 회로를 설명하는 것이다.
[도 8] 도 7의 회로에 의해, 고분자 압전성 필름 소자에 2.0kg, 4.5kg, 7.5kg, 11kg의 순서로 각 10초간, 정적인 하중을 인가했을 때에 일정 전압을 출력하는 양상을 설명하는 것이다.
[도 2] 와이어를 전극 시트 상에 놓음으로써, 그 면의 수직축으로 요철인 구조, 또는 마루 골이 있는 파형 구조를 형성하고, 유지하는 단면 구조를 설명하는 것이다.
[도 3] 와이어를 전극 시트와 고분자 압전성 필름 사이에 놓음으로써, 그 면의 수직축으로 요철인 구조, 또는 마루 골이 있는 파형 구조를 형성하고, 유지하는 단면 구조를 설명하는 것이다.
[도 4] 요철인 구조, 또는, 마루 골이 있는 파형 구조를 갖는 성형체를 전극 시트 상에 놓아, 요철인 구조, 또는 마루 골이 있는 파형 구조를 형성하고, 유지하는 단면 구조를 설명하는 것이다.
[도 5] 고분자 압전성 필름 소자, 4개의 다이오드 소자로 이루어지는 전파(全波) 정류 회로, 콘덴서, 및 직류-직류 컨버터로 이루어지는 축전 디바이스 회로를 설명하는 것이다.
[도 6] 고분자 압전성 필름 소자를 사용하여 생체 전기 신호의 일례로서의 맥파를 측정하는 것을 설명하는 것이다.
[도 7] 고분자 압전성 필름 소자를 사용하여 인가되는 하중에 따라서 일정 전압을 출력하는 회로를 설명하는 것이다.
[도 8] 도 7의 회로에 의해, 고분자 압전성 필름 소자에 2.0kg, 4.5kg, 7.5kg, 11kg의 순서로 각 10초간, 정적인 하중을 인가했을 때에 일정 전압을 출력하는 양상을 설명하는 것이다.
이하, 본 발명의 실시형태에 대해 설명한다.
이제부터, 본 실시형태에 따른 고분자 압전성 필름 소자의 구성에 대해 도 1을 사용하여 설명한다. 본 실시형태에 따른 고분자 압전성 필름 소자는, 고분자 압전성 필름의 양면에 상부 전극 시트와 하부 전극 시트를 형성한 후, 그 면의 수직축으로 요철인 구조, 또는, 마루 골이 있는 파형 구조로 함으로써 만들어진다. 한편, 상부 전극 시트와 하부 전극 시트는 위아래[天地]를 의미하는 것은 아니고, 단지 기재상의 분류이다. 이 요철인 구조, 또는, 마루 골이 있는 파형 구조는, 상부 전극 시트와 하부 전극 시트가 형성된 고분자 압전성 필름의 수직축에 대해, 솟아 오른 철(凸) 또는 마루와, 움푹 패인 요(凹) 또는 골을 갖는 것을 특징으로 하지만, 철과 요, 또는 마루와 골도 또한 위아래를 의미하는 것은 아니고, 단지 기재상의 분류이다.
여기에서 본 실시형태에 따른 요철인 구조, 또는, 마루 골이 있는 파형 구조란, 고저차와 폭을 갖는 요철 또는 마루 골이다. 하나의 요 또는 철, 혹은, 하나의 마루 또는 골에 주목하여, 촉침식 표면 형상 측정이나 레이저 현미경 등의 방법에 의해 고분자 압전성 필름 소자의 최표면의 형상을 측정하고, 최표면이 평탄하게 되어 있는 개소(이하, 평탄부라고 한다.)로부터 솟아 오른 부분의 정점까지의 높이, 혹은 움푹 패인 부분의 최하점까지의 깊이를 고저차라고 정의한다. 그리고, 하나의 요 또는 철, 혹은, 하나의 마루 또는 골을 끼고, 평탄부로부터 평탄부에 이를 때까지의 솟아 오른 부분의 길이, 혹은 움푹 패인 부분의 길이를 폭이라고 정의한다.
본 발명에 있어서, 예를 들어, 이 고저차는 80μm 이상이 바람직하고, 보다 바람직하게는 200μm 이상이다. 고저차가 80μm 미만인 경우는, 감도 또는 출력 전압이 낮고, 요철인 구조, 또는, 마루 골이 있는 파형 구조의 효과가 나오기 어려운 경우가 있다. 또한, 요철 또는 마루 골의 폭은, 0.1mm 이상이 바람직하고, 보다 바람직하게는 1mm 이상이다. 폭이 0.1mm 미만인 경우, 요철인 구조, 또는, 마루 골이 있는 파형 구조의 효과가 나오기 어려운 경우가 있다. 또한, 고저차 또는 폭의 상한은, 소자의 크기, 설계, 사용 방법에 의존하여 정해지므로, 특별히 제한되지 않는다.
더욱이, 이 요철인 구조, 또는, 마루 골이 있는 파형 구조를 형성할 수 있고, 시간의 경과와 함께 고분자 압전성 필름이 도 1의 원래의 수평한 상태로 돌아오지 않게 유지할 수 있다면, 해당 구조의 형성 방법은 특별히 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 도 2에 나타내는 바와 같이, 하부 전극 시트 상 또는/및 상부 전극 시트 상에 와이어를 놓고, 압착 필름에 의해 압착 고정하는 것에 의해 유지하는 방법, 도 3에 나타내는 바와 같이, 전극 시트와 고분자 압전성 필름 사이에 와이어를 놓고, 압착 필름에 의해 압착 고정하는 방법, 도 4에 나타내는 바와 같이, 요철인 구조, 또는, 마루 골이 있는 파형 구조를 갖는 엠보스 성형 등의 성형체를 전극 시트 상에 놓고, 압착 필름에 의해 압착 고정하는 방법, 비즈와 같은 입상의 물체를 전극 시트 상 또는/및 고분자 압전성 필름 상에 온통 박아서 압착 고정하는 방법 등이 있다. 도 2 및 도 3에서는 와이어를 편방의 전극 시트 상에 4개, 또는 양방의 전극 시트 상에 2개씩 놓았을 경우를 나타내고 있지만, 본 실시형태에서는 와이어를 편방 또는 양방의 전극 시트 상에 놓을 수 있고, 더욱이 개수가 한정되는 것은 아니며, 1개 이상을 놓는 것으로 한다. 더욱이, 2개 이상의 와이어는 면내에서, 서로 평행이 되도록 놓아도, 혹은 교차하도록 놓아도 된다. 한편, 와이어로 한정하지 않고, 철사나 사상(絲狀)의 섬유를 사용해도 되는 것이다. 요철인 구조, 또는, 마루 골이 있는 파형 구조를 형성하고, 유지하는 방법으로서, 수작업으로 가압하면서 압착 필름을 붙이는 방법, 라미네이터를 사용하는 방법, 진공 포장 장치를 사용하는 등의 방법이 있지만, 특별히 한정되는 것은 아니다. 한편, 와이어를 놓는 경우, 1개 이상의 와이어를 직선적으로 놓는 구조뿐만 아니라, 와이어를 원형, 삼각형, 사각형, 오각형, 육각형 등의 닫힌 환상으로 성형하여 놓아도 되고, 이러한 환상의 간극이 있는 망상 구조물을 놓는 형태를 취해도 된다.
그리고, 와이어는, 단면 직경이 0.10mm 이상 1.0mm 이하의 원형이고 영률이 1GPa 이상인 소재로 이루어지는 것이 바람직하다. 단면 직경 0.10mm 미만이면 고분자 압전성 필름 소자에 기전하기 위한 충분한 고저차와 폭이 있는 요철인 구조, 또는, 마루 골이 있는 파형 구조가 불가능하다. 단면 직경 1.0mm 초과이면 후술하는 고분자 압전성 필름 소자의 강직함이 현저해져, 기전력 저하나 실용성에 문제가 있음을 알 수 있었다. 한편, 와이어의 단면의 형상은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 삼각형, 사각형 등의 예각인 경우, 상기의 압착 고정 시에 전극 시트나 고분자 압전성 필름에 균열을 낼 우려가 있으므로, 원형에 더하여 오각형, 육각형, 타원형인 것이 바람직하다. 더욱이, 와이어의 재질은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 와이어의 형상을 고분자 압전성 필름, 하부 전극 시트 및 상부 전극 시트에 전사함으로써 요철인 구조, 또는, 마루 골이 있는 파형 구조로 할 필요가 있기 때문에, 영률이 1GPa 이상인 철, 구리, 알루미늄, 마그네슘, 타이타늄, 아연, 크로뮴 등의 금속이나 그 합금, 플라스틱, 세라믹스를 심부(芯部)에 가지는 것이 바람직하다. 영률이 1GPa 미만인 재질의 와이어의 경우, 압착 고정의 응력이 와이어 자체의 변형에 사용되어 버려, 기전하기 위해서 충분한 고저차와 폭을 가지는 요철인 구조, 또는, 마루 골이 있는 파형 구조의 형성은 되지 않는다.
한편, 와이어의 내측 및/또는 외측에는 수지, 도료, 코팅 등이 실시됨으로써 금속의 부식, 흠집으로부터 보호되어도 된다. 또한, 형상은 와이어 대신에, 입상의 물체여도 된다. 이 입상의 물체의 외경은, 0.10mm 이상 1.0mm 이하이며, 영률이 1GPa 이상인 소재로 이루어지는 것이 바람직하다.
본 실시형태에 따른 고분자 압전성 필름은 필름 상태로서 준비한다. 고분자 압전성 필름은, 응력을 받음으로써 전압을 출력하는 것이면, 모든 고분자 화합물을 이용하는 것이 가능하다. 예를 들어, 폴리불화 바이닐리덴(이하, PVDF라고 한다.), 불화 바이닐리덴-트라이플루오로에틸렌 공중합체(이하, P(VDF-TrFE)라고 한다.), 폴리-L-락트산(이하, PLLA라고 한다.), 폴리-D-락트산(이하, PDLA라고 한다.), 폴리-γ-메틸-L-글루타메이트, 폴리-γ-벤질-L-글루타메이트, 폴리프로필렌 옥사이드, 나일론 11, 폴리염화 바이닐, 폴리요소 등의 고분자 화합물이 있지만, 입수 용이성의 관점에서, PVDF, P(VDF-TrFE) 및 PLLA로부터 선택되는 것이 바람직하다. 한편, PVDF는 1축 연신에 의해 필름화했을 때에 β형 결정 구조를 만들고, 해당 PVDF의 필름의 양면을 전극에 접촉시켜 전계 인가하여, 분극 처리에 의해 강유전체가 됨으로써 압전 효과를 갖게 된다. 한편, P(VDF-TrFE)는, PVDF와 마찬가지로 1축 연신에 의해 β형 결정 구조가 된 필름을 전계 인가에 의해 분극 처리해도 되지만, P(VDF-TrFE)의 분말을 메틸 에틸 케톤, N-메틸-2-피롤리돈, 다이메틸아세트아마이드, N,N-다이메틸폼아마이드, 인산 트라이에틸, 사이클로펜탄온 등의 극성 유기 용매에 용해시킨 바니시를 적당한 기재에 도공하고, P(VDF-TrFE)의 분극이 소실되는 온도, 즉 퀴리 온도 이상의 가열을 행하고, 동시에 유기 용매를 가열 제거하고, 결정화 온도 이하로 냉각함으로써 β형 결정 구조를 만들어, 전계 인가에 의한 분극 처리에 의해 강유전체로 함으로써 압전 효과를 획득시켜도 된다. 바니시를 도공하는 방법으로 필름화하는 경우, P(VDF-TrFE)의 고분자 압전성 필름은, 상기 바니시를 도공한 기재로부터 박리시켜 이용한다.
전술한 프로세스에 의해 제작된 PVDF의 필름의, 수직축으로부터 응력을 주는 경우의 압전 d 상수인 d33은, 35pC/N이다. P(VDF-TrFE)의 필름의 경우, 공중합 모노머의 트라이플루오로에틸렌(이하, TrFE라고 한다.)의 몰비율에 의존한 압전 d 상수를 나타내고, 예를 들어, 몰비율이 20%인 경우, d33은 27pC/N, 몰비율이 30%인 경우, d33은 22pC/N, 몰비율이 45%인 경우, d33은 20pC/N이다. PLLA 및 PDLA는, PVDF, P(VDF-TrFE)와 달리 1축 연신에 의한 분자쇄의 배향과 결정화에 의해 압전 효과를 나타내기 때문에, 전계 인가에 의한 분극을 행하여 강유전체로 하는 경우는 없다. PLLA의 필름의 경우, 수직축으로부터 주어지는 응력으로는 d33의 압전 효과는 나타내지 않고, 1축 연신 방향에 대해, 기울기 45°의 수평축을 향해 필름을 인장함으로써 압전 효과를 나타낸다. 그 경우의 압전 d 상수인 d14는, 6.5pC/N이다. 이와 같이, 압전 효과의 발현에는, 각각의 고분자 화합물의 특징을 이해하여, 적당한 처리를 행할 필요가 있다. 한편, 해당 고분자 압전성 필름의 두께는 5μm 이상 100μm 이하가 바람직하고, 보다 바람직하게는 40μm 이상 100μm 이하이다. 이 두께 범위에 의해, 기전하기 위해서 충분한 고저차와 폭을 가지는 요철인 구조, 또는, 마루 골이 있는 파형 구조가 형성된다.
본 실시형태에 따른 하부 전극 시트 및 상부 전극 시트는, 특별히 한정되는 것은 아니지만, 영률이 1MPa 이상, 두께가 100 nm 이상 100μm 이하인 것이 바람직하다. 영률이 1MPa 이상의 재료로서 예를 들어, 알루미늄, 타이타늄, 크로뮴, 망가니즈, 철, 코발트, 니켈, 구리, 아연, 지르코늄, 은, 인듐, 주석, 텅스텐, 백금, 금 등의 금속, 이들 금속의 산화물이나 합금, 그래펜이나 카본 나노튜브 등의 도전성의 탄소 화합물, 폴리싸이오펜, 폴리에틸렌다이옥시싸이오펜/폴리스타이렌설폰산, 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리아세틸렌, 폴리파라페닐렌, 폴리파라페닐렌바이닐렌 등의 유기 고분자 도전성 화합물을 사용할 수 있다. 그 고분자 압전성 필름에 대한 형성 방법도 또한 특별히 한정되는 것은 아니고, 도전성의 접착층을 개재시켜 접착하는 방법, 진공 증착법이나 스퍼터법, 이러한 도전성 재료의 페이스트나 잉크를 사용한 소프트 블랭킷 그라비어 옵셋 인쇄, 잉크젯 인쇄, 디스펜서, 스크린 인쇄, 그라비어 옵셋 인쇄, 플렉소 인쇄, 철판 반전 인쇄, 스핀 코팅 도포, 스프레이 코팅 도포, 블레이드 코트 도포, 딥 코팅 도포, 캐스트 도포, 롤 코팅 도포, 바 코팅 도포, 다이코팅 도포 등의 인쇄와 그 후의 소성에 의해 전극 시트를 형성하는 등의 방법을 이용할 수 있다.
단, 하부 전극 시트 및 상부 전극 시트의 형성 프로세스에 있어서, 고분자 압전성 필름의 내열성에 주의할 필요가 있다. PVDF 및 P(VDF-TrFE)에 대해서는 퀴리 온도 이상의 가열이 주어져 버리면 분극이 소실되어, 강유전체는 아니게 됨으로써 압전 효과가 없어져 버리기 때문에, 퀴리 온도 이하의 온도에서 전극 시트를 형성하도록 관리한다. 그 퀴리 온도는, PVDF에서는 약 170℃이다. P(VDF-TrFE)는, TrFE의 몰비율에 따라 퀴리 온도가 상이하기 때문에, 사용하는 몰비율의 공중합체의 퀴리 온도 이하의 온도에서 전극 시트를 형성한다. 예를 들어, TrFE의 몰비율이 20%인 경우, 퀴리 온도는 130∼140℃, 몰비율이 30%인 경우, 퀴리 온도는 95∼105℃, 몰비율이 45%인 경우, 퀴리 온도는 57∼62℃이다. 사용하는 PVDF 및 P(VDF-TrFE)의 퀴리 온도를 파악하여, 그 온도 미만에서 취급하는 것에 주의한다. PLLA는 압전 효과의 저하가 유리 전이 온도인 66℃ 이상에서 시작되기 때문에, 65℃ 이하의 온도하에서 전극 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 가열의 온도뿐만 아니라, 그 시간도 최대한 짧게 하는 것이 바람직하다.
한편, 하부 전극 시트 및 상부 전극 시트의 영률이 1MPa 미만인 경우, 와이어의 형상을 고분자 압전성 필름에 전사하여 요철인 구조, 또는, 마루 골이 있는 파형 구조로 할 때의 응력이, 전극 시트에서 완화되어 버려, 기전하기 위해서 충분한 고저차와 폭을 가지는 요철인 구조, 또는, 마루 골이 있는 파형 구조를 형성할 수 없는 문제가 일어난다. 또한, 전극 시트의 두께가 100nm 이하이면, 상기 전사 시에 와이어 부근에서 단열(斷裂)이 일어나 도전성이 없어지는 경우가 있고, 100μm 이상이면 전극 시트가 지나치게 딱딱하여 와이어 형상을 고분자 압전성 필름에 전사할 수 없어, 기전하기 위해서 충분한 고저차와 폭을 가지는 요철인 구조, 또는, 마루 골이 있는 파형 구조로 할 만큼의 응력을 주는 것이 어려워진다. 한편, 하부 전극 시트와 상부 전극 시트는 서로 동일한 소재와 형성 방법을 이용해도, 서로 상이한 소재, 형성 방법을 이용해도 된다.
상기의 방법에 의해 제작된 고분자 압전성 필름 소자는, 도 1에 기재된 수직축으로부터 가해지는 응력에 응답하여 전압을 출력한다. 본 발명에서는, 다양한 와이어의 배치 디자인으로부터 만들어지는 요철인 구조, 또는, 마루 골이 있는 파형 구조의 차이에 의한, 출력 전압에의 영향의 해명을 진행시켰다. 응력과 출력 전압의 관계는 이하 식(2)로 표시된다.
본 발명에서는, 다양한 단면 직경, 다양한 재질의 와이어와, 와이어의 개수나, 와이어끼리의 간격, 배치를 바꾸면서, 고분자 압전성 필름 소자에 대해 수직축으로부터 응력을 주어, 출력되는 전압을 측정했다. 그 측정에 의해, 식(2)의 a가 산출된다. 이것을 출력 비례 상수라고 본 발명에서는 정의한다. 요철인 구조, 또는, 마루 골이 있는 파형 구조에 특유한 출력 비례 상수가 크면, 출력 전압이 높아지기 때문에, 고분자 압전성 필름 소자로서의 능력이 높다. 실험의 상세는 후술하는 실시예, 비교예에 기재하지만, PVDF를 사용한 고분자 압전성 필름 소자에서는, 도 2, 도 3 및 도 4에 나타내는 바와 같이, 와이어나 성형체를 놓음으로써 만들어진 PVDF의 요철인 구조, 또는, 마루 골이 있는 파형 구조에 의해, 도 1에 기재된 수평한 필름 상태의 PVDF에서는 발현되지 않을 정도로 높은 출력 비례 상수가 되어, 높은 출력 전압이었다. 더욱이, 도 1에 기재된 수평한 필름 상태에서는, 수직축으로부터의 응력에 대해 거의 발전하지 않는 PLLA에 있어서는, 와이어나 성형체를 놓음으로써 만들어진 요철인 구조, 또는, 마루 골이 있는 파형 구조에 의해, 큰 출력 비례 상수를 나타내게 되어, 높은 출력 전압이 얻어진다. 이러하므로 와이어에 의한 요철인 구조, 또는, 마루 골이 있는 파형 구조는, 고분자 압전성 필름의 기전력, 압전 감도 등을 증폭할 수 있다.
즉, PVDF나 PLLA에 한정하지 않고, 고분자 압전성 필름에 요철인 구조, 또는, 마루 골이 있는 파형 구조를 만듦으로써, 수직축으로부터 가해지는 응력을 철 또는 마루, 또는/및 요 또는 골에 집중시켜, 3축 방향으로 전하의 발생량을 증가시킨다. 여기에서 증가한 발생 전하가, 도 1의 수평축을 포함하는 3방향으로 분산되는 것에 의해 기전력, 압전 감도의 레벨이 큰 폭으로 향상되어, 압전 효과를 증폭하고 있음이 본 발명으로 분명해졌다. 한편, 고분자 압전성 필름 1매에 전극 시트와 와이어 또는 성형체를 놓아도 되지만, 2매 이상의 고분자 압전성 필름을 도전성 양면 점착 시트 등으로 끼워 적층하고, 와이어 또는 성형체를 놓는 것에 의해서도 압전 효과의 증폭 효과가 얻어진다.
더욱이, 본 실시형태의 고분자 압전성 필름 소자에 응력이 가해짐으로써 발생하는 전력을 콘덴서 또는 캐패시터에 축전하는 것을 특징으로 하는 축전 디바이스이다. 상세히 설명하면, 본 발명의 기전력을 높인 고분자 압전성 필름 소자에 수직축으로부터 응력을 주는 것에 의해 출력된 전압은, 전하로서 전기 이중층 콘덴서 등의 콘덴서, 슈퍼 캐패시터 등의 전자 부품에 축적되는 것에 의해, 종래, 기전력이 낮아 축전이 곤란했던 고분자 압전성 필름을 이용하여, 전력의 축전을 할 수 있음을 알 수 있었다. 고분자 압전성 필름 소자가 출력하는 전압은 플러스와 마이너스의 양방의 극성을 가지는 정현파 전압이기 때문에, 마이너스 극성의 전압은 플러스 극성으로 반전시켜, 플러스 극성의 전압으로 정류하여 전력으로서 회수한다. 정류의 방법으로서, 예를 들어, 1개의 다이오드 소자에 의한 반파 정류, 혹은, 4개의 다이오드 소자에 의한 전파 정류 등이 있지만, 효율상, 전파 정류가 바람직하게 이용된다. 도 5에 나타내는 바와 같이 정류 후의 전압은 콘덴서 등에 회수하는 회로로 한다. 더욱이, 콘덴서 또는 캐패시터에 축전한 전압은, 직류-직류 컨버터(DCDC 컨버터)에 접속하는 것에 의해, 직류 전압으로서 승압하여, 다른 전자 기기를 구동하는 전력으로 할 수 있다.
더욱이, 본 실시형태의 고분자 압전성 필름 소자는, 예를 들어, 15mm×15mm의 전극 시트의 사이즈로 작게 함으로써, 손목 및 경부에 소프트 터치로 가볍게 댐으로써 맥파를 검출할 수 있음을 알 수 있었다. 도 6에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태의 고분자 압전성 필름 소자가 검출한 맥파는, 시판되고 있는 광전 용적 맥파계를 손의 손가락 끝에 장착하여 취득한 맥파의 파형과 동일한 형상과 주파수의 파형이 됨이 밝혀졌다. 소형이고 또한 경량이며, 저비용인 맥파 검출 소자로서 이용할 수 있다.
또한, 본 실시형태의 고분자 압전성 필름 소자에 하중이 가해짐으로써 유효 증폭기로부터 일정 전압을 출력하는 것을 특징으로 하는 하중 검지 디바이스이다. 고분자 압전성 필름 소자에 수직축으로부터 하중을 주어 하중치에 따라서 일정한 전압을 출력하는 전자 회로에 접속하면, 하중치에 비례한 전압치를 출력할 수 있어, 하중 검지 디바이스가 됨을 알 수 있었다. 전자 회로는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어 도 7에 나타내는 바와 같이, 고분자 압전성 필름 소자가 출력한 전압을 콘덴서에 일단 회수하고, 유효 증폭기를 사용한 볼티지 팔로워에 의해 콘덴서의 전압을 검출하는 방법으로 할 수 있다.
실시예
이하, 실시예로 본 발명을 구체적으로 설명하지만, 본 발명이 이들에 의해 한정되는 것은 아니다.
［실시예 1］
80μm의 두께, 82.5mm×82.5mm의 폴리불화 바이닐리덴의 고분자 압전성 필름, KF 피에조 필름(등록상표)((주)쿠레하제)의 양면에 82.5mm×82.5mm의 사이즈로, 영률이 110GPa인 구리박과 도전성 점착층이 적층된 구리박 전극 시트, DAITAC(등록상표) E20CU(DIC(주)제)의 도전성 점착층을 고분자 압전성 필름과 접하도록 첩부했다. 이 전극 시트의 편방에 단면 직경 0.5mm로, 영률이 110GPa인 구리로 된 와이어 1개를 82.5mm의 길이로, 상기 구리박 전극 시트의 82.5mm의 변에 평행해지도록 놓고, 단부를 테이프로 고정했다. 이것을 데스크톱 롤 라미네이터 H355A3(아코 브랜즈 재팬(주)제)으로 상하로부터 압착 필름으로 압착 고정하여, 그 면의 수직축으로 요철인 구조, 또는, 마루 골이 있는 파형 구조를 갖는 고분자 압전성 필름 소자를 제작했다. 촉침식 표면 형상 측정 장치 DektakXT(Bruker사제)로 압착 필름 표면의 형상을 측정한 바, 고저차가 200μm, 폭이 4.0mm였다. 이 고분자 압전성 필름 소자를 수평한 가진대(加振臺)에 놓고 가압자로 수직축으로부터 13∼34Pa의 범위로 응력을 가한 바, 14∼29mV의 전압을 출력했다. 이 결과, 출력 비례 상수는 평균 0.93mV/Pa이었다. 후술하는 비교예 1의 KF 피에조 필름(등록상표)으로부터 제작한 소자에서는 출력 비례 상수는 평균 0.036mV/Pa이고, 그것과 비교하면 본 실시예의 요철인 구조, 또는, 마루 골이 있는 파형 구조에서는 평균 26배로 출력 전압이 증가했다.
［실시예 2］
실시예 1과 마찬가지로 고분자 압전성 필름의 양면에 구리박 전극 시트를 첩부했다. 이 구리박 전극 시트 각각에 단면 직경 0.5mm이고, 영률이 110GPa인 구리로 된 와이어를 1개씩, 82.5mm의 길이로, 상기 구리박 전극 시트의 편방의 82.5mm의 변에 평행이 되도록, 또한, 2개의 와이어 사이의 거리가 5mm가 되도록 놓고, 단부를 테이프로 고정했다. 이것을 데스크톱 롤 라미네이터 H355A3(아코 브랜즈 재팬(주)제)으로 상하로부터 압착 필름으로 압착 고정하여, 그 면의 수직축으로 요철인 구조, 또는, 마루 골이 있는 파형 구조를 갖는 고분자 압전성 필름 소자를 제작했다. 실시예 1과 마찬가지로 압착 필름 표면의 형상을 측정한 바, 고저차가 200μm, 폭이 4.0mm였다. 이 고분자 압전성 필름 소자를 수평한 가진대에 놓고 가압자로 수직축으로부터 13∼34Pa의 범위로 응력을 가한 바, 84∼138mV의 전압을 출력했다. 이 결과, 출력 비례 상수는 평균 5.3mV/Pa이었다. 후술하는 비교예 1의 KF 피에조 필름(등록상표)으로부터 제작한 소자에서는 출력 비례 상수는 평균 0.036mV/Pa이기 때문에, 본 실시예의 요철인 구조, 또는, 마루 골이 있는 파형 구조에 의해 평균 147배로 출력 전압이 증가했다.
［실시예 3］
실시예 1의 고분자 압전성 필름을, 50μm의 두께, 82.5mm×82.5mm의 폴리-L-락트산의 고분자 압전성 필름, 뮤플렉스(등록상표)(미쓰이 화학(주)제)로 바꾸어 수직축으로 요철인 구조, 또는, 마루 골이 있는 파형 구조를 갖는 고분자 압전성 필름 소자를 제작했다. 실시예 1과 마찬가지로 압착 필름 표면의 형상을 측정한 바, 고저차가 290μm, 폭이 4.0mm였다. 이 고분자 압전성 필름 소자를 수평한 가진대에 놓고 가압자로 수직축으로부터 13∼34Pa의 범위로 응력을 가한 바, 3.1∼14mV의 전압을 출력했다. 이 결과, 출력 비례 상수는 평균 0.33mV/Pa이었다. 후술하는 비교예 2의 뮤플렉스(등록상표)에서는 출력 비례 상수는 0mV/Pa이기 때문에, 폴리-L-락트산의 고분자 압전성 필름 소자에서의 수직 응력에 대한 출력을 처음으로 관측했다.
［실시예 4］
실시예 2의 고분자 압전성 필름을, 50μm의 두께, 82.5mm×82.5mm의 폴리-L-락트산의 고분자 압전성 필름, 뮤플렉스(등록상표)(미쓰이 화학(주)제)로 바꾸어 수직축으로 요철인 구조, 또는, 마루 골이 있는 파형 구조를 갖는 고분자 압전성 필름 소자를 제작했다. 실시예 1과 마찬가지로 압착 필름 표면의 형상을 측정한 바, 고저차가 290μm, 폭이 4.0mm였다. 이 고분자 압전성 필름 소자를 수평한 가진대에 놓고 가압자로 수직축으로부터 13∼34Pa의 범위로 응력을 가한 바, 4.7∼13mV의 전압을 출력했다. 이 결과, 출력 비례 상수는 평균 0.37mV/Pa이었다.
［실시예 5］
실시예 4에 기재된 와이어를, 단면 직경이 0.26mm이고, 영률이 110GPa인 구리로 된 와이어로 바꾼 고분자 압전성 필름 소자를 제작했다. 실시예 1과 마찬가지로 압착 필름 표면의 형상을 측정한 바, 고저차가 136μm, 폭이 3.5mm였다. 이 고분자 압전성 필름 소자를 수평한 가진대에 놓고 가압자로 수직축으로부터 13∼34Pa의 범위로 응력을 가한 바, 4.4∼16mV의 전압을 출력했다. 이 결과, 출력 비례 상수는 평균 0.41mV/Pa이었다.
［실시예 6］
실시예 4에 기재된 와이어를, 단면 직경이 1.0mm이고, 영률이 110GPa인 구리로 된 와이어로 바꾼 고분자 압전성 필름 소자를 제작했다. 실시예 1과 마찬가지로 압착 필름 표면의 형상을 측정한 바, 고저차가 446μm, 폭이 4.5mm였다. 이 고분자 압전성 필름 소자를 수평한 가진대에 놓고 가압자로 수직축으로부터 13∼34Pa의 범위로 응력을 가한 바, 3.1∼20mV의 전압을 출력했다. 이 결과, 출력 비례 상수는 평균 0.36mV/Pa이었다.
［실시예 7］
실시예 3의 폴리-L-락트산의 고분자 압전성 필름, 뮤플렉스(등록상표)(미쓰이 화학(주)제)의 양면에 82.5mm×82.5mm의 사이즈로, 영률이 110GPa인 구리박과 도전성 점착층이 적층된 구리박 전극 시트, DAITAC(등록상표) E20CU(DIC(주)제)의 도전성 점착층을 고분자 압전성 필름과 접하도록 첩부했다. 이 전극 시트의 편방에 단면 직경 0.5mm의 구리로 된 와이어 1개를 15mm의 내경이 되도록, 원형의 환상으로 성형해 두었다. 이것을 데스크톱 롤 라미네이터 H355A3(아코 브랜즈 재팬(주)제)으로 상하로부터 압착 필름으로 압착 고정하여, 그 면의 수직축으로 요철인 구조, 또는, 마루 골이 있는 파형 구조를 갖는 고분자 압전성 필름 소자를 제작했다. 실시예 3과 마찬가지로 압착 필름 표면의 형상을 측정한 바, 고저차가 290μm, 폭이 4.0mm였다. 이 고분자 압전성 필름 소자를 수평한 가진대에 놓고 가압자로 수직축으로부터 13∼34Pa의 범위로 응력을 가한 바, 2.7∼12mV의 전압을 출력했다. 이 결과, 출력 비례 상수는 평균 0.24mV/Pa이었다.
［비교예 1］
80μm의 두께, 82.5mm×82.5mm의 폴리불화 바이닐리덴의 고분자 압전성 필름, KF 피에조 필름(등록상표)((주)쿠레하제)의 양면에 82.5mm×82.5mm의 사이즈로, 영률이 110GPa인 구리박과 도전성 점착층이 적층된 구리박 전극 시트, DAITAC(등록상표)E20CU(DIC(주)제)의 도전성 점착층을 고분자 압전성 필름과 접하도록 첩부했다. 데스크톱 롤 라미네이터 H355A3(아코 브랜즈 재팬(주)제)으로 상하로부터 압착 필름으로 압착 고정하고, 실시예 1과 마찬가지로, 이 소자를 수평한 가진대에 놓고 가압자로 수직축으로부터 13∼34Pa의 범위로 응력을 가한 바, 0.50∼1.2mV의 전압을 출력했다. 이 결과, 출력 비례 상수는 평균 0.036mV/Pa이었다.
［비교예 2］
50μm의 두께, 82.5mm×82.5mm의 폴리-L-락트산의 고분자 압전성 필름, 뮤플렉스(등록상표)(미쓰이 화학(주)제)를 사용하여, 비교예 1과 마찬가지로 전극 시트를 붙이고, 데스크톱 롤 라미네이터 H355A3(아코 브랜즈 재팬(주)제)으로 상하로부터 압착 필름으로 압착 고정하고, 실시예 1과 마찬가지로, 이 소자를 수평한 가진대에 놓고 가압자로 수직축으로부터 13∼34Pa의 범위로 응력을 가한 바, 전압은 발생하지 않았다. 출력 비례 상수는 0mV/Pa이었다.
［실시예 8］
80μm의 두께, 82.5mm×82.5mm의 폴리불화 바이닐리덴의 고분자 압전성 필름, KF 피에조 필름(등록상표)((주)쿠레하제)의 편면에 82.5mm×82.5mm의 사이즈로, 영률이 110GPa인 구리박과 도전성 점착층이 적층된 구리박 전극 시트, DAITAC(등록상표) E20CU(DIC(주)제)의 도전성 점착층을 고분자 압전성 필름과 접하도록 첩부했다. 이것을 2매 제작했다. 그 중, 1매에 KF 피에조 필름의 전극면과 역면(逆面)에 전극과 동일한 사이즈의 도전성 부직포 양면 점착 테이프 9720S(스리엠 재팬(주)제)를 첩합했다. 추가로, 그 도전성 부직포 양면 점착 테이프의 편면에, 나머지의 편측 전극 부가된 KF 피에조 필름 전극면과 역면을 첩합했다. 이 도전성 테이프를 개재시켜 KF 피에조 필름을 적층한 구리박 전극 시트의 각각의 면에 단면 직경 0.5mm이고, 영률이 110GPa인 구리의 와이어를 1개씩, 82.5mm의 길이로, 상기 구리박 전극 시트의 변에 평행하게, 또한, 2개의 와이어 사이의 거리가 5mm로 서로 평행해지도록 놓고, 와이어 단부를 테이프로 고정했다. 이것을 데스크톱 롤 라미네이터 H355A3(아코 브랜즈 재팬(주)제)으로 상하로부터 압착 필름으로 압착 고정하여, 그 면의 수직축으로 요철인 구조, 또는, 마루 골이 있는 파형 구조를 갖는 고분자 압전성 필름 소자를 제작했다. 실시예 1과 마찬가지로 압착 필름 표면의 형상을 측정한 바, 고저차가 240μm, 폭이 3.5mm였다. 이 고분자 압전성 필름 소자를 수평한 가진대에 놓고 가압자로 수직축으로부터 13∼34Pa의 범위로 응력을 가한 바, 12∼42mV의 전압을 출력했다. 이 결과, 출력 비례 상수는 평균 0.93mV/Pa이었다.
［비교예 3］
실시예 8과 마찬가지로 도전성 테이프를 개재시켜 KF 피에조 필름을 적층한 소자를 제작하고, 마찬가지로, 데스크톱 롤 라미네이터 H355A3(아코 브랜즈 재팬(주)제)으로 상하로부터 압착 필름으로 압착 고정하고, 실시예 8과 마찬가지로, 수직축으로부터 13∼34Pa의 범위로 응력을 가한 바, 0.8∼3.8mV의 전압을 출력했다. 이 결과, 출력 비례 상수는 평균 0.10mV/Pa이었다.
［실시예 9］
80μm의 두께, 38mm×38mm의 폴리불화 바이닐리덴의 고분자 압전성 필름, KF 피에조 필름(등록상표)((주)쿠레하제)의 양면에 38mm×38mm의 사이즈로, 영률이 110GPa의 구리박과 도전성 점착층이 적층한 구리박 전극 시트, DAITAC(등록상표) E20CU(DIC(주)제)의 도전성 점착층을 고분자 압전성 필름과 접하도록 첩부했다. 이 구리박 전극 시트 각각의 면에 단면 직경 0.5mm이고, 영률이 110GPa인 구리로 된 와이어를 1개씩, 38mm의 길이로, 상기 구리박 전극 시트의 38mm의 변에 평행해지도록, 또한, 2개의 와이어가 동일면 내에서 직교 교차하도록 놓고, 단부를 테이프로 고정했다. 이것을 데스크톱 롤 라미네이터 H355A3(아코 브랜즈 재팬(주)제)으로 상하로부터 압착 필름으로 압착 고정하여, 그 면의 수직축으로 요철인 구조, 또는, 마루 골이 있는 파형 구조를 갖는 고분자 압전성 필름 소자를 제작했다. 이 고분자 압전성 필름 소자를 수평한 가진대에 놓고 가압자로 수직축으로부터 19∼90Pa의 범위로 응력을 가한 바, 26∼161mV의 전압을 출력했다. 이 결과, 출력 비례 상수는 평균 1.5mV/Pa이었다. 후술하는 비교예 4의 KF 피에조 필름(등록상표)으로부터 제작한 소자의 출력 비례 상수는 평균 0.036mV/Pa와 비교하여 평균 42배로 출력 전압이 증가했다.
［실시예 10］
실시예 9와 마찬가지의 고분자 압전성 필름의 각각의 면에 단면 직경 0.5mm이고, 영률이 110GPa인 구리로 된 와이어를 1개씩 38mm의 길이로, 2개의 와이어가 면 내에서 직교 교차하도록 놓고, 단부를 테이프로 고정했다. 추가로, 이 고분자 압전성 필름의 양면에 38mm×38mm의 사이즈로, 영률이 110GPa인 구리박과 도전성 점착층이 적층된 구리박 전극 시트, DAITAC(등록상표) E20CU(DIC(주)제)의 도전성 점착층을 고분자 압전성 필름과 접하도록, 또한 와이어를 덮도록 첩부했다. 이것을 데스크톱 롤 라미네이터 H355A3(아코 브랜즈 재팬(주)제)으로 상하로부터 압착 필름으로 압착 고정하여, 그 면의 수직축으로 요철인 구조, 또는, 마루 골이 있는 파형 구조를 갖는 고분자 압전성 필름 소자를 제작했다. 이 고분자 압전성 필름 소자를 수평한 가진대에 놓고 가압자로 수직축으로부터 19∼90Pa의 범위로 응력을 가한 바, 75∼748mV의 전압을 출력했다. 이 결과, 출력 비례 상수는 평균 5.3mV/Pa이었다. 후술하는 비교예 4와 같이, 수평의 KF 피에조 필름(등록상표)에서는 출력 비례 상수는 평균 0.036mV/Pa이기 때문에, 본 실시예의 요철인 구조, 또는, 마루 골이 있는 파형 구조에 의해 평균 147배로 출력 전압이 증가했다.
［실시예 11］
실시예 7의 폴리-L-락트산의 고분자 압전성 필름, 뮤플렉스(등록상표)(미쓰이 화학(주)제)의 구리박 전극 시트 대신에, 폴리에틸렌다이옥시싸이오펜/폴리스타이렌설폰산(Heraeus사제)의 물/알코올 용액의 도공과 가열에 의한 물/알코올을 증발시켜 양면 전극으로 한 것 이외에는, 실시예 7과 마찬가지로, 수직축으로 요철인 구조, 또는, 마루 골이 있는 파형 구조를 갖는 고분자 압전성 필름 소자를 제작했다. 실시예 7과 마찬가지로 압착 필름 표면의 형상을 측정한 바, 고저차가 260μm, 폭이 4.5mm였다. 이 고분자 압전성 필름 소자를 수평한 가진대에 놓고 가압자로 수직축으로부터 13∼34Pa의 범위로 응력을 가한 바, 8.4∼21mV의 전압을 출력했다. 이 결과, 출력 비례 상수는 평균 0.65mV/Pa이었다.
［실시예 12］
실시예 1과 마찬가지로 고분자 압전성 필름의 양면에 구리박 전극 시트를 첩부했다. 이 전극 시트의 편방에, 폭 2mm, 길이 80mm, 고저차 0.4mm의 볼록상의 라인이 3mm 간격으로 격자상으로 형성된 PET 성형체를, 도 4에 나타내는 바와 같이 볼록상 표면이 전극 시트에 접하도록 놓고 데스크톱 롤 라미네이터 H355A3(아코 브랜즈 재팬(주)제)으로 상하로부터 압착 필름으로 압착 고정하여, 그 면의 수직축으로 요철인 구조, 또는, 마루 골이 있는 파형 구조를 갖는 고분자 압전성 필름 소자를 제작했다. 실시예 1과 마찬가지로 압착 필름 표면의 형상을 측정한 바, 고저차가 84μm, 폭이 4.0mm였다. 이 고분자 압전성 필름 소자를 수평한 가진대에 놓고 가압자로 PET 성형체의 수직축으로부터 13∼34Pa의 범위로 응력을 가한 바, 25∼29mV의 전압을 출력했다. 이 결과, 출력 비례 상수는 평균 1.2mV/Pa이었다. 전술한 비교예 1과 같이, 수평의 KF 피에조 필름(등록상표)에서는 출력 비례 상수는 평균 0.036mV/Pa이기 때문에, 본 실시예의 요철인 구조, 또는, 마루 골이 있는 파형 구조에서는 평균 33배로 출력 전압이 증가했다.
［실시예 13］
실시예 2의 고분자 압전성 필름 소자의 2매의 전극 시트를, 도 5에 나타내는 4개의 다이오드 소자로 이루어지는 전파 정류 회로에 접속하고, 추가로, 해당 정류 회로를 보호하는 목적의 제너 다이오드와, 해당 고분자 압전성 필름 소자가 출력한 전압을 축전하는 10μF의 콘덴서에 접속했다. 해당 고분자 압전성 필름 소자를 수평한 받침대에 놓고 수직축으로부터 손으로 연속적으로 가압하면서, 해당 콘덴서의 전압을 오실로스코프로 측정한 바, 4.0V의 전압을 축전했다.
[실시예 14]
실시예 2의 와이어를 각각의 구리박 전극 시트 상에 7개씩 놓고, 실시예 2와 마찬가지의 방법으로 고분자 압전성 필름 소자를 제작했다. 이 고분자 압전성 필름 소자를 실시예 13과 마찬가지의 회로에 접속하고, 추가로, 10μF의 콘덴서를 도 5에 나타내는 직류-직류 컨버터 LTC3108(Analog Devices사제)에 접속했다. 해당 고분자 압전성 필름 소자를 수평한 받침대에 놓고 수직축으로부터 손으로 연속적으로 가압하면서, 콘덴서의 전압을 오실로스코프로 측정한 바, 해당 콘덴서에의 4.0V의 축전 후, LTC3108의 출력 단자로부터 2.4V의 승압된 직류 전압을 출력했다.
[실시예 15]
실시예 4의 와이어를 각각의 면의 구리박 전극 시트 상에 12개씩 놓고, 실시예 4와 마찬가지의 방법으로 고분자 압전성 필름 소자를 제작했다. 이 고분자 압전성 필름 소자를 실시예 13과 마찬가지의 회로에 접속하고, 해당 고분자 압전성 필름 소자의 수직축으로부터 손으로 연속적으로 가압하면서, 해당 콘덴서의 전압을 오실로스코프로 측정한 바, 0.4V의 전압을 축전했다.
［비교예 4］
비교예 1의 전극 시트를 38mm×38mm의 사이즈로 변경하고 수직축으로부터 19∼90Pa의 범위로 응력을 가한 바, 0.7∼3.3mV의 전압을 출력했다. 이 결과, 출력 비례 상수는 평균 0.036mV/Pa이었다.
［실시예 16］
와이어의 길이를 15mm, 전극 시트의 사이즈를 15mm×15mm로 하고, 실시예 2와 마찬가지의 방법으로 고분자 압전성 필름 소자를 제작했다. 2매의 전극 시트를, 도전성 접착제를 사용하여 동축 케이블에 접속하고, 해당 동축 케이블을 오실로스코프에 접속했다. 레퍼런스로서, 손가락 끝에 광전 용적 맥파계를 장착하여 광학적으로 맥파를 측정하면서, 해당 고분자 압전성 필름 소자를 손목 및 경부의 맥박 발생 부위에 가볍게 댄 바, 도 6에 나타내는 바와 같이 명료한 맥파를 검출했다. 레퍼런스의 광전 용적 맥파와 해당 고분자 압전성 필름 소자를 사용한 맥파의 파형과 주파수가 일치하고 있었다.
［비교예 5］
전극 시트의 사이즈를 15mm×15mm로 하고, 비교예 1과 마찬가지의 방법으로 제작한 소자를 실시예 16과 마찬가지의 방법으로 손목 및 경부의 맥박 발생 부위에 댄 바, 맥파는 검출되지 않았다.
[실시예 17]
실시예 15의 고분자 압전성 필름 소자를 도 7에 나타내는 바와 같이, 10kΩ의 저항기, 10nF의 콘덴서, OP 앰프로 이루어지는 볼티지 팔로워에 접속하고, 해당 고분자 압전성 필름 소자에 2.0kg, 4.5kg, 7.5kg, 11kg의 순서로 정적인 하중을 인가했을 때의 볼티지 팔로워의 출력 전압을 측정했다. 추가로, 11kg, 7.5kg, 4.5kg, 2.0kg의 순서로 제하(除荷)했을 때의 볼티지 팔로워의 출력 전압을 측정했다. 그 결과, 도 8에 나타내는 바와 같이, 2.0kg에서는 150mV, 4.5kg에서는 280mV, 7.5kg에서는 400mV, 11kg에서는 550mV의 출력 전압이 발생하여, 하중에 대응한 일정 전압이 출력되었다. 인가하는 하중을 증가시키는 경우와 제하되는 경우에서 동일한 출력 전압이었다.
［비교예 6］
비교예 2의 소자를 실시예 17과 마찬가지의 회로에 접속하고, 해당 소자에 2.0kg, 4.5kg, 7.5kg, 11kg의 순서로 정적인 하중을 인가했지만, 볼티지 팔로워로부터 출력 전압은 발생하지 않았다.
본 출원은 2021년 4월 28일 출원된 일본 특허출원 특원 2021-076711호의 우선권을 주장하는 출원이다. 상기 출원의 명세서, 특허청구범위 및 도면에 기재된 내용은, 본 출원에 원용된다.
본 발명의 고분자 압전성 필름의 면의 수직축으로 요철인 구조, 또는, 마루 골이 있는 파형 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 고분자 압전성 필름 소자에 의해, 시트상의 가볍고, 낭창낭창한 발전 디바이스 및 응력, 또는, 미소한 기전력을 검지하는 센서로 할 수 있어, 응력이 발생하는 개소의 물리 형상에 영향을 주지 않는, 간편한 설치가 가능한 디바이스를 제공할 수 있다. 웰페어 메디컬 용도의 센서나 웨어러블 디바이스 용도나 스마트폰, 태블릿 단말, 컴퓨터, 디스플레이 등 대상의 트랜지스터 용도 센서나 메디컬, 개호(介護) 베드, 방범, 육아, 자동차 자동 운전, 애완 로봇, 드론 등을 위한 센서 또는 제어 부품 용도나 유기 EL, 액정 디스플레이, 조명, 자동차, 로봇, 전자 안경, 음악 플레이어 등의 전자 부품 용도에 이용할 수 있다.
Claims (11)
- 고분자 압전성 필름의 양면에 전극 시트를 형성하여 이루어지고, 상기 고분자 압전성 필름은 그 면의 수직축으로 요철인 구조, 또는, 마루 골이 있는 파형 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 고분자 압전성 필름 소자.
- 제 1 항에 있어서,
상기 전극 시트의 편방 또는 양방에 와이어를 놓고, 압착 필름에 의해 압착 고정하는 것에 의해 상기 구조를 갖는 것을 특징으로 하는, 고분자 압전성 필름 소자. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 고분자 압전성 필름은 하기 일반식(1)로 표시되는 구성 단위를 포함하는 폴리불화 바이닐리덴의 1축 연신 필름을 분극 처리한 것을 특징으로 하는 고분자 압전성 필름 소자.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 고분자 압전성 필름은 하기 일반식(2)로 표시되는 구성 단위를 포함하는 불화 바이닐리덴과 트라이플루오로에틸렌의 공중합체의 1축 연신 필름을 분극 처리한 것을 특징으로 하는 고분자 압전성 필름 소자.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 고분자 압전성 필름은 하기 일반식(3)으로 표시되는 구성 단위를 포함하는 폴리-L-락트산의 1축 연신 필름인 것을 특징으로 하는 고분자 압전성 필름 소자.
- 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전극 시트는, 영률이 1MPa 이상, 두께가 100 nm 이상 100μm 이하인 것을 특징으로 하는 고분자 압전성 필름 소자. - 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전극 시트의 편방 또는 양방에 배치된 와이어를 갖고, 상기 와이어는, 1개 이상을 직선으로 놓는 것을 특징으로 하는, 고분자 압전성 필름 소자. - 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전극 시트의 편방 또는 양방에 배치된 와이어를 갖고, 상기 와이어는, 1개 이상을 환상으로 하여 놓는 것을 특징으로 하는, 고분자 압전성 필름 소자. - 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전극 시트의 편방 또는 양방에 배치된 와이어를 갖고, 상기 와이어는, 단면 직경이 0.10mm 이상 1.0mm 이하이고 영률이 1GPa 이상인 소재로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 고분자 압전성 필름 소자. - 제 1 항에 기재된 고분자 압전성 필름 소자에 응력이 가해짐으로써 발생하는 전력을 콘덴서 또는 캐패시터에 축전하는 것을 특징으로 하는 축전 디바이스.
- 제 1 항에 기재된 고분자 압전성 필름 소자에 하중이 가해짐으로써 OP 앰프로부터 일정 전압을 출력하는 것을 특징으로 하는 하중 검지 디바이스.
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