KR20240008099A

KR20240008099A - 압전소자체 및 이의 제조방법

Info

Publication number: KR20240008099A
Application number: KR1020220085058A
Authority: KR
Inventors: 송지현; 송유준
Original assignee: 단국대학교 산학협력단
Priority date: 2022-07-11
Filing date: 2022-07-11
Publication date: 2024-01-18

Abstract

본 발명은 외부에서 가해지는 기계적 힘에 대해 복수의 전기적 신호를 생성할 수 있는 압전소자체 및 이의 제조방법을 제공하며, 본 발명에 따른 압전소자체는 N개의 면을 가지는 N면체 형상으로 형성되며, N면체의 각 면을 형성하도록 다각형 형상으로 형성되는 N개의 단위압전필름을 포함한다. 이때 N면체의 어느 하나의 면에 가해지는 하나의 외력에 대하여 N개의 단위압전필름에서 N개의 단위신호가 생성될 수 있다.

Description

압전소자체 및 이의 제조방법{PIEZOELECTRIC ELEMENT AND METHOD FOR MANUFACTURING THEREOF}

본 발명은 압전소자체 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 복수의 단위압전소자를 가지는 다면체 구조의 압전소자를 이용하여 외부에서 가해지는 기계적 압력에 대해 여러 개의 전기적 신호를 생성할 수 있는 압전소자체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

압전소자(Piezoelectric element)는 외부로부터 가해지는 기계적 압력에 의해 전기적 신호인 전압이 출력되도록 하고, 반대로 전기적 신호인 전압을 가하면 기계적 변형을 일으키는 압전효과를 갖는 소자이다.

이처럼 전기 분극이 정렬된 압전소자는 외력을 가하면 전위차가 생기고, 반대로 전압을 가하면 변형이 생기는 성질을 가지기 때문에 센서, 액츄에이터, 변환기 및 에너지 하베스팅 등의 다양한 분야에 사용되고 있다.

압전소자는 일반적으로 압전물질을 가지는 압전박막과 압전박막을 사이에 두고 배치되는 제1전극 및 제2전극을 포함할 수 있다. 즉, 압전소자는 제1전극, 압전박막 및 제2전극이 순차적으로 적층 형성되어 구성될 수 있다.

이러한 압전소자에 대해 특정한 방향으로 압력(힘)을 가하면 압전박막에는 저항력(응력)에 의한 변위가 발생되고 변위에 대응하여 제1전극 및 제2전극에는 서로 다른 전하가 유기되어 제1전극 및 제2전극 간에 전압이 발생되는 이른바, 압전효과가 구현된다. 그리고, 반대로 제1전극 및 제2전극 간에 전압을 인가하면 압전박막은 기계적 변위가 발생되는 이른바, 역압전효과가 구현된다.

기본적으로 압전박막은 분극(Poling) 방향과 힘이 가해지는 방향에 따라 기본 진동모드를 가질 수 있다. 즉, 기본 진동모드는 31모드, 32모드 및 33모드로 호칭되는 3가지 모드일 수 있는데, 모드별 앞 숫자는 분극 방향을 의미하고 뒤 숫자는 기계적 변위 방향을 의미한다. 31모드 및 32모드는 분극 방향 및 변위 방향이 수직으로 형성되는 모드이고, 33모드는 분극 방향 및 변위 방향이 동일하게 형성되는 모드이다. 이처럼 압전박막은 기본 진동모드인 31모드, 32모드 및 33모드 각각에서 분극 방향 및 힘이 가해지는 방향에 따라서 서로 다른 신호값을 생성할 수 있다.

한편, 종래의 압전소자는 단일 압전소자로서, 외부에서 가해지는 외력에 저항하는 단방향의 응력에 상응하는 단일 신호만을 생성하게 되는데, 만일 외부에서 가해지는 외력에 대해 여러 개의 출력신호를 생성할 수 있다면 해당 압전소자가 적용되는 센서, 액츄에이터, 변환기 및 에너지 하베스팅 등의 신뢰성 및 활용성을 더욱 높일 수 있을 것이다.

대한민국 공개특허공보 제2022-0007694호 (2022.01.18.공개)

상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 과제는 외부에서 가해지는 기계적 압력에 대해 서로 다른 여러 개의 전기적 신호를 동시에 생성할 수 있는 압전소자체 및 이의 제조방법을 제공함에 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 압전소자체는 N개의 면을 가지는 N면체 형상으로 형성되며, 상기 N면체의 각 면을 형성하도록 다각형 형상으로 형성되는 N개의 단위압전필름을 포함한다.

이에 따라, 상기 N면체의 어느 하나의 면에 가해지는 하나의 외력에 대하여 상기 N개의 단위압전필름에서 N개의 단위신호가 생성될 수 있다.

또한, 본 실시예에 따른 압전소자체에 있어서, 상기 N개의 단위신호는 상기 하나의 외력에 대하여 상기 N개의 단위압전필름의 각각에서 발생되는 변형력 및 상기 N개의 단위압전필름이 가지는 분극 방향에 따라서 정해질 수 있다.

또한, 본 실시예에 따른 압전소자체에 있어서, 상기 N개의 단위압전필름은 상기 하나의 외력에 저항하는 제1변형력이 발생되는 제1단위압전필름; 및 상기 하나의 외력에 저항하며 상기 제1변형력과 다른 제2변형력이 발생되는 제2단위압전필름을 포함할 수 있다.

이때, 상기 제1단위압전필름은 상기 하나의 외력에 대하여 제1분극 방향을 가질 수 있고, 상기 제2단위압전필름은 상기 하나의 외력에 대하여 상기 제1분극 방향과 다른 제2분극 방향을 가질 수 있다.

또한, 상기 제1단위압전필름은 상기 제1변형력 및 상기 제1분극 방향에 상응하는 제1단위신호를 생성할 수 있고, 상기 제2단위압전필름은 상기 제2변형력 및 상기 제2분극 방향에 상응하는 제2단위신호를 생성할 수 있다.

이때, 상기 N개의 단위압전필름은 소정의 분극 방향을 가지는 압전필름 원장을 절단 가공하여 형성될 수 있다.

또한, 본 실시예에 따른 압전소자체에 있어서, 상기 N면체는 정N면체일 수 있고, 상기 다각형은 정다각형일 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 압전소자체의 제조방법은, 소정의 분극 방향을 가지도록 분극 처리된 압전필름 원장을 제조하는 원장 제조단계; 상기 압전필름 원장을 절단 가공하여 N개의 면을 가지는 N면체의 압전필름 전개도를 형성하는 전개도 형성단계; 및 상기 압전필름 전개도를 가공하여 N개의 단위압전필름을 면으로 하는 N면체를 형성하는 N면체 형성단계를 포함한다.

이때, 상기 전개도 형성단계는 N면체의 종류를 설정하는 N면체 종류 설정단계; 및 설정된 N면체에 대하여 압전필름 전개도의 패턴을 설정하는 전개도 패턴 설정단계를 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 복수의 단위압전필름을 면으로 하는 다면체 형상의 압전소자체를 이용하여 외부에서 가해지는 기계적 압력에 대해 서로 다른 여러 개의 전기적 신호를 동시에 생성할 수 있다.

본 발명에 따르면, 다면체 형상으로 형성되는 압전소자체의 전개도 패턴을 변경함으로써 해당 압전소자체의 각 면에서 생성되는 신호를 다양하게 변화시킬 수 있다.

이와 같이 본 발명에 따른 다면체 형상의 압전소자체는 외부에서 가해지는 하나의 외력에 대하여 복수의 신호를 생성할 수 있으므로, 압전소자체의 활용성 및 신뢰성을 크게 높일 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 다면체 형상의 압전소자체는 외부에서 가해지는 외력에 대하여 다양한 크기 및 수량의 신호를 출력해낼 수 있으므로, 센서, 액츄에이터, 변환기 및 에너지 하베스팅 등 압전소자체가 적용되는 제품으로의 활용성 및 신뢰성을 더욱 크게 높일 수 있다.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전소자체를 나타낸 예시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 단위압전필름의 부분 단면 예시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 6면체 형상의 압전소자체를 나타낸 예시도이다.
도 4는 도 3의 6면체 형상의 압전소자체의 작동을 설명하기 위한 단면 예시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 6면체 형상의 압전소자체의 경우 외력이 가해지는 제1단위압전필름과 변으로 연결되는 제2단위압전필름의 분극 방향에 따라서 변화되는 다양한 단위신호를 나타낸 예시도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전소자체를 나타낸 예시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전소자체의 제조방법을 나타낸 흐름도이다.
도 8은 도 8의 원장 제조단계를 설명하기 위한 예시도이다.
도 9는 도 8의 전개도 형성단계를 설명하기 위한 예시도이다.
도 10은 도 8의 N면체 형성단계를 설명하기 위한 예시도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 6면체 형상의 압전소자체의 다양한 전개도의 패턴을 나타낸 예시도이다.
도 12 및 도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 6면체 형상의 압전소자체의 전개도 패턴에 따라 각각의 단위압전필름의 분극 방향이 달라지는 경우를 설명하기 위한 예시도이다.

이하 상술한 해결하고자 하는 과제가 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예들이 첨부된 도면을 참조하여 설명된다. 본 실시예들을 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용될 수 있으며 이에 따른 부가적인 설명은 생략될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전소자체를 나타낸 예시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 단위압전필름의 부분 단면 예시도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 압전소자체(100)는 입체 도형인 다(多)면체 즉, N개의 면을 가지는 N면체 형상으로 형성될 수 있다.

이를 위한 압전소자체(100)는 N면체의 각 면을 형성하도록 다각형 형상으로 형성되는 N개의 단위압전필름(110)을 포함할 수 있다.

도시된 바와 같이, 4면체의 압전소자체(100)는 3각형 형상으로 형성되는 4개의 단위압전필름(110)을 가질 수 있고, 6면체의 압전소자체(100)는 4각형 형상으로 형성되는 6개의 단위압전필름(110)을 가질 수 있다.

실시예에 따른 압전소자체(100)는 N면체 중에서도 정N면체 형상으로 형성될 수 있고, 이에 따라, 각각의 단위압전필름(110)은 정다각형 형상으로 형성될 수도 있다.

도 2를 참조하면, 단위압전필름(110)은 얇은 두께의 박막이나 필름 형태로 마련될 수 있으며, 압전재료층(111), 압전재료층(111)의 일면에 배치되는 제1전극(112) 및 압전재료층(111)의 타면에 배치되며 제1전극(112)과 반대 극성을 가지는 제2전극(113)을 포함할 수 있다.

즉, 단위압전필름(110)은 제1전극(112), 압전재료층(111) 및 제2전극(113)이 순차적으로 적층되어서 마련될 수 있다. 도시된 단위압전필름(110)은 단일 층의 압전재료층(111)이 구비되어 있지만 이와 달리 복수의 압전재료층(111)이 적층되어서 마련될 수도 있다. 이러한 압전재료층(111)은 PVDF, PZT, BaTiO3, LiNbO3 및 Quartz 등이 사용될 수 있다.

외부에서 단위압전필름(110)에 특정한 방향으로 압력을 가하면 내부에서 발생하는 변형력(저항력/응력)에 대응하여 제1전극(112)에는 (+) 전하가 유기되고 제2전극(113)에는 (-) 전하가 유기되어 제1전극(112) 및 제2전극(113) 간에 전압이 발생될 수 있다.

단위압전필름(110)은 단위신호측정부(115)에 전기적으로 연결될 수 있다. 단위신호측정부(115)는 제1전극(112) 및 제2전극(113) 간에 발생된 전압으로 전기적 신호를 측정할 수 있다. 즉, 단위신호측정부(115)는 단위압전필름(110)에서 생성되는 단위신호를 측정할 수 있다. N개의 단위압전필름(110)의 수량에 상응하게 N개의 단위신호측정부(115)가 구비될 수 있으며, 이에 따라, N면체 형상의 압전소자체(100)는 하나의 외력(F)에 대하여 N개의 단위신호를 동시에 생성할 수 있다.

단위신호측정부(115)는 신호처리부에 전기적으로 연결될 수도 있다. 즉, N개의 단위신호측정부(115)에서 측정된 N개의 단위신호는 신호처리부로 전달되고, N개의 단위신호는 신호처리부를 통하여 합산되어 하나의 합산신호로 출력될 수도 있다. 즉, 신호처리부는 N면체의 압전소자체(100)로부터 생성된 N개의 단위신호를 개별적으로 출력할 수 있고, N개의 단위신호 중 하나의 단위신호만을 출력할 수도 있으며, N개의 단위신호를 합산한 합산신호를 출력할 수도 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 6면체 형상의 압전소자체를 나타낸 예시도이고, 도 4는 도 3의 6면체 형상의 압전소자체의 작동을 설명하기 위한 단면 예시도이다.

도 3을 참조하면, 6면체 형상의 압전소자체(100)는 6개의 단위압전필름(110a,110b,110c,110d,110e,110f)을 가질 수 있다.

이때, 6면체 형상의 압전소자체(100)의 어느 하나의 면 즉, 하나의 단위압전필름(110a)에 외력(F)이 가해지면, 6면체 형상의 압전소자체(100)는 6개의 단위신호를 생성할 수 있다.

여기서, 6개의 단위신호는 하나의 외력(F)에 대하여 6개의 단위압전필름(110a,110b,110c,110d,110e,110f)의 각각에서 발생되는 변형력 및 단위압전필름(110a,110b,110c,110d,110e,110f)이 가지는 분극(Poling) 방향에 따라서 정해질 수 있다.

도 4를 참조하여 보충 설명하면, 제1압전소자체(100)는 제1단위압전필름(110a) 및 제2단위압전필름(110b)을 포함할 수 있으며, 외부에서 제1단위압전필름(110a)의 평면을 향하여 수직한 방향으로 외력(F)이 가해질 수 있다.

이때, 제1단위압전필름(110a)은 외력(F)에 대하여 수직한 상태로 배치될 수 있고, 제1단위압전필름(110a)은 외력(F)에 대하여 제1분극(Pa) 방향을 가질 수 있고, 외력(F)에 저항하는 제1변형력(fa)이 발생될 수 있다. 예컨대, 제1변형력(fa)은 압축 혹은 신장 응력일 수 있다. 따라서, 제1분극(Pa) 방향을 가지는 제1단위압전필름(110a)은 제1변형력(fa)에 상응하는 제1단위신호(s1)를 생성할 수 있다.

여기서, 6면체의 압전소자체(100)의 경우 외력(F)이 가해지는 제1단위압전필름(110a)은 제1분극(Pa) 방향과 무관하게 제1변형력(fa)에 상응하는 제1단위신호(s1)가 생성될 수 있다.

또한, 제2단위압전필름(110b)은 제1단위압전필름(110a)의 일단부에 변으로 연결되어 외력(F)에 대하여 소정의 경사각을 유지한 상태로 배치될 수 있고, 제2단위압전필름(110b)은 외력(F)에 대하여 제2분극(Pb) 방향을 가질 수 있고, 외력(F)에 저항하는 제2변형력(fb)이 발생될 수 있다. 제2분극(Pb) 방향은 제1분극(Pa) 방향과 다를 수 있고, 제2변형력(fb)의 크기는 제1변형력(fa)의 크기와 다를 수 있다. 예컨대, 제2변형력(fb)은 굽힘 응력일 수 있다. 따라서, 제2분극(Pb) 방향을 가지는 제2단위압전필름(110b)은 제2변형력(fb)에 상응하는 제2단위신호(s2)를 생성할 수 있다.

압전소자체(100)는 제3단위압전필름(110c) 및 제4단위압전필름(110d)를 더 포함할 수 있다.

이때, 제3단위압전필름(110c)은 제2단위압전필름(110b)의 일단부에 변으로 연결되어 외력(F)에 대하여 수직한 상태로 배치될 수 있고, 제3단위압전필름(110c)은 외력(F)에 대하여 제3분극(Pc) 방향을 가질 수 있고, 외력(F)에 저항하는 제3변형력(fc)이 발생될 수 있다. 제3분극(Pc) 방향은 제1분극(Pa) 방향 및 제2분극(Pb) 방향과 다를 수 있고, 제3변형력(fc)의 크기는 제1변형력(fa) 및 제2변형력(fb)의 크기와 다를 수 있다. 예컨대, 제3변형력(fc)은 압축 혹은 신장 응력일 수 있다. 따라서, 제3분극(Pc) 방향을 가지는 제3단위압전필름(110c)은 제3변형력(fc)에 상응하는 제3단위신호(s3)를 생성할 수 있다.

여기서, 6면체의 압전소자체(100)의 경우 제3단위신호(s3)는 제1단위신호(s1)와 동일할 수 있다. 즉, 외력(F)이 가해지는 제1단위압전필름(110a)과 대향하게 배치되는 제3단위압전필름(110c)은 제3분극(Pc) 방향과 무관하게 제1단위압전필름(110c)과 동일한 단위신호가 생성될 수 있다.

또한, 제4단위압전필름(110d)은 제1단위압전필름(110a)의 타단부에 변으로 연결되어 외력(F)에 대하여 소정의 경사각을 유지한 상태로 배치될 수 있고, 제4단위압전필름(110d)은 외력(F)에 대하여 제4분극(Pd) 방향을 가질 수 있고, 외력(F)에 저항하는 제4변형력(fd)이 발생될 수 있다. 제4분극(Pd) 방향은 제1분극(Pa) 방향, 제2분극(Pb) 방향 및 제3분극(Pc) 방향과 다를 수 있고, 제4변형력(fd)의 크기는 제1변형력(fa), 제2변형력(fb) 및 제3변형력(fc)의 크기와 다를 수 있다. 예컨대, 제4변형력(fd)은 굽힘 응력일 수 있다. 따라서, 제4분극(Pd) 방향을 가지는 제4단위압전필름(110d)은 제4변형력(fd)에 상응하는 제4단위신호(s4)를 생성할 수 있다.

물론 도시하진 않았지만, 6면체의 압전소자체(100)는 제5단위압전필름 및 제6단위압전필름를 더 포함할 수 있다.

이때, 제5단위압전필름은 외력(F)에 대하여 제5분극 방향을 가질 수 있고 외력(F)에 저항하는 제5변형력이 발생될 수 있으며, 이에 따라 제5변형력에 상응하는 제5단위신호를 생성할 수 있다. 또한, 제6단위압전필름은 외력(F)에 대하여 제6분극 방향을 가질 수 있고 외력(F)에 저항하는 제6변형력이 발생될 수 있으며, 이에 따라 제6변형력에 상응하는 제6단위신호를 생성할 수 있다.

더불어, 각 단위압전필름(110)에 발생되는 변형력은 N면체의 종류에 따라 크기가 달라질 수 있다. 뿐만 아니라 해당 단위압전필름의 압전재료층(111)이 가지는 소재 종류, 두께, 폭, 길이, 탄성율, 비유전율 및 정적비율 등에 따라서도 크기가 달라질 수 있다.

또한, 각 단위압전필름(110)은 기본적으로 분극 방향 및 변형력 발생 방향에 해당하는 3가지 독립된 방향에 맞는 기본 진동모드를 가질 수 있는데, 제조 과정에서 처리된 분극 방향에 따라서 해당 단위압전필름에서 생성되는 단위신호는 달라질 수 있다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 6면체 형상의 압전소자체의 경우 외력이 가해지는 제1단위압전필름과 변으로 연결되는 제2단위압전필름의 분극 방향에 따라서 변화되는 다양한 단위신호를 나타낸 예시도이다.

본 실시예에서와 같이, 6면체의 압전소자체(100)의 경우 외력(F)이 가해지는 제1단위압전필름(110a)과 변으로 연결되는 제2단위압전필름(110b)은 분극(P) 방향에 따라서 서로 다른 단위신호를 생성할 수 있다.

즉, 도 5에서와 같이, 각각의 단위압전필름(110)은 분극(P) 방향이 상측(a 도면) 또는 하측(b 도면)을 향하거나, 좌측(c 도면) 또는 우측(d 도면)을 향하도록 정렬될 수 있으며, 이에 따라, 복수의 단위압전필름(110)은 분극(P) 방향에 따라서 서로 다른 복수의 단위신호를 생성할 수 있다.

그리고, 도 5에서는 단위압전필름(110)의 분극(P) 방향이 상측 또는 하측을 향하거나, 좌측 또는 우측을 향하도록 정렬되어 있지만, 이와 달리, 각각의 단위압전필름(110)에는 분극(P) 방향이 경사지게 정렬될 수도 있다.

즉, 단위압전필름(110)에는 분극(P) 방향이 우측 상부 또는 좌측 하부 방향을 향하거나, 좌측 상부 또는 우측 하부 방향을 향하도록 정렬될 수도 있으며, 이에 따라, 복수의 단위압전필름(110)은 경사진 분극(P) 방향에 따라서 서로 다른 복수의 단위신호를 생성할 수도 있다.

또한, 단위압전필름(110)이 경사진 분극(P) 방향을 가질 경우, 각각의 단위압전필름(110)에 정렬되는 분극(P) 방향의 기울기가 서로 다르게 정렬될 수도 있다.

이상에서와 같이, 6면체의 압전소자체(100)의 경우 외력(F)이 가해지는 제1단위압전필름(110a)과 제1단위압전필름(110a)에 대향하게 배치된 제3단위압전필름(110c)은 분극(P) 방향과 무관하게 서로 동일한 단위신호가 생성될 수 있고, 제1단위압전필름(110a) 및 제3단위압전필름(110c)에 변으로 연결되어 4개의 측면을 형성하는 나머지 단위압전필름(110b,110d,110e,110f)은 분극(P) 방향에 따라서 서로 다른 단위신호를 생성할 수 있다.

한편, N개의 단위압전필름(110)은 제조 과정에서 소정의 분극 방향을 가지도록 미리 처리될 수 있는데, 예를 들면, 소정의 분극(P) 방향을 가지는 압전필름 원장(10)을 제작하고(도 8 참조), 제작된 압전필름 원장(10)을 절단 가공하여 압전필름 전개도(11)를 형성하며(도 9 참조), 형성된 압전필름 전개도(11)를 가공하여 N면체를 형성하면 N면체의 각 면을 형성하는 단위압전필름(110)들의 분극(P) 방향은 달라질 수 있다.(도 10 참조)

이때, 압전필름 전개도(11)의 패턴은 다양한 형상으로 형성될 수 있는데, 이러한 압전필름 전개도(11)의 패턴을 달리하면, N면체의 각 면을 형성하는 단위압전필름(110)들의 분극(P) 방향이 다양하게 변화될 수 있다.

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전소자체를 나타낸 예시도이다.

도 6을 참조하면, 본 실시예에 따른 압전소자체(100)는 압전필름 지지부(130)를 더 포함할 수 있다.

압전필름 지지부(130)는 압전소자체(100)의 내부 즉, 단위압전필름(110)의 내측에서 단위압전필름(110)을 지지하도록 마련될 수 있다.

압전필름 지지부(130)는 외부에서 가해지는 외력에 저항하는 변형력에 의한 단위압전필름(110)의 변위 발생을 허용할 수 있고, 단위압전필름(110)에 가해진 외력이 제거될 시 단위압전필름(110)의 위치가 복귀되도록 할 수 있다.

압전필름 지지부(130)는 탄성 재질로 이루어질 수 있다.

일 예로, 도 6 (a)에서와 같이, 압전필름 지지부(130)는 단위압전필름(110)의 내면에 접합되는 기판 형태로 마련될 수 있고, 다른 예로, 도 6 (b)에서와 같이, 압전필름 지지부(130)는 압전소자체(100)의 내측에 배치되는 베이스부(131)과 단위압전필름(110)의 내면을 연결하도록 마련될 수 있다. 이 경우 압전필름 지지부(130)는 베이스부(131)가 배제된 상태에서 서로 대향하는 단위압전필름(110)의 내면을 연결하도록 마련될 수도 있다.

만일 단위압전필름(110)의 압전재료층(111)이 깨지지 쉬운 취성(Brittle) 재료로 제작될 경우에는 외부 힘에 의한 변형 시 쉽게 깨질 수 있는데, 이 경우 탄성 재질의 기판 등의 압전필름 지지부(130)를 통하여 인성(Toughness)을 부여해 줌으로써, 외력에 대하여 손상 없이 즉각적이고 효과적인 변형이 구현될 수 있다.

이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 압전소자체의 제조방법에 대해 설명한다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전소자체의 제조방법을 나타낸 흐름도이고, 도 8은 도 7의 원장 제조단계를 설명하기 위한 예시도이며, 도 9는 도 7의 전개도 형성단계를 설명하기 위한 예시도이고, 도 10은 도 7의 N면체 형성단계를 설명하기 위한 예시도이다.

본 실시예에 따른 압전소자체의 제조방법은 원장 제조단계(S110), 전개도 형성단계(S120) 및 N면체 형성단계(S130)를 포함할 수 있다.

도 7 및 도 8을 참조하면, 원장 제조단계(S110)는 소정의 분극(P) 방향을 가지도록 분극 처리된 압전필름 원장(10)을 제조하는 단계일 수 있다.

압전필름 원장(10)은 제1전극(112), 압전재료층(111) 및 제2전극(113)이 순차적으로 적층 형성된 얇은 두께의 박막이나 필름 형태로 제조될 수 있다. (도 2 참조)

이렇게 제조된 압전필름 원장(10)은 일정한 배열의 분극(P) 방향을 가질 수 있다.

도 7 및 도 9를 참조하면, 전개도 형성단계(S120)는 제조된 압전필름 원장(10)을 절단 가공하여 N개의 면을 가지는 N면체의 압전필름 전개도(11)를 형성하는 단계일 수 있다.

전개도 형성단계(S120)는 N면체 종류 설정단계(S121) 및 전개도 패턴 설정단계(S122)를 포함할 수 있다.

N면체 종류 설정단계(S121)는 N면체의 종류를 설정하는 단계일 수 있다.

즉, 압전소자체(100)의 사용 목적에 따라 사면체, 6면체, 8면체, 12면체 및 20면체 등 N면체의 종류를 설정할 수 있다.

전개도 패턴 설정단계(S122)는 N면체의 종류가 설정되면 설정된 N면체에 대하여 압전필름 전개도(11)의 패턴을 설정하는 단계일 수 있다.

N면체의 종류 설정 및 압전필름 전개도(11)의 패턴 설정이 완료되면, 압전필름 원장(10)에 설정된 전개도 패턴에 맞는 절단선을 따라 절단 가공하여 압전필름 원장(10)으로부터 압전필름 전개도(11)를 분리한다.

압전필름 원장(10)으로부터 압전필름 전개도(11)가 분리되면, 분리된 압전필름 전개도(11)에 대하여 서로 이웃하는 단위압전필름(110)들의 꼭지점을 제외한 나머지 부분을 분리시킨다. 즉, 압전필름 전개도(11)를 형성하는 복수의 단위압전필름(110)들은 꼭지점을 매개로 서로 연결될 수 있다.

도 7, 도 9 및 도 10을 참조하면, N면체 형성단계(S130)는 압전필름 전개도(11)를 가공하여 N개의 단위압전필름(110)을 면으로 하는 N면체를 형성하는 단계일 수 있다.

즉, 압전필름 전개도(11)를 가공하여 단위압전필름(110)을 면으로 하는 N면체 형상의 압전소자체(100)를 제작 완료하게 된다.

이렇게 제작 완료된 N면체 형상의 압전소자체(100)에서 변을 사이에 두고 이웃하는 단위압전필름(110)들은 꼭지점을 매개로 서로 연결될 수 있다. 이에 따라, 외력에 대하여 복수의 단위압전필름(110)에는 변형력이 효과적으로 발생될 수 있다.

도 11은 6면체 형상을 이루는 압전소자체의 다양한 전개도의 패턴을 나타낸 도면들이다.

도 11에 도시된 바와 같이, 6면체 형상으로 형성되는 압전소자체는 다양한 패턴의 압전필름 전개도(11a~11f)를 가질 수 있는데, 앞서 N면체의 종류가 6면체로 설정되면 6면체가 가지는 다양한 종류의 압전필름 전개도(11a~11f) 중 어느 하나의 패턴이 설정될 수 있다.

압전필름 전개도(11)의 패턴이 다르면, 이후 N면체의 압전소자체(100)를 구성하는 각각의 단위압전필름(110)이 가지는 분극(P) 방향이 달라질 수 있고, 단위압전필름(110)의 분극(P) 방향이 달라지면 해당 단위압전필름(110)의 변형력 발생 시 단위신호가 다르게 생성될 수 있다.

도 12 및 도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 6면체 형상의 압전소자체의 전개도 패턴에 따라 각각의 단위압전필름의 분극 방향이 달라지는 경우를 설명하기 위한 예시도이다.

도 12에 도시된 제1압전소자체(100A)는 제1압전필름 전개도(11a)를 가공하여서 6면체 형상으로 제작될 수 있고, 도 13에 도시된 제2압전소자체(100B)는 제1압전필름 전개도(11a)와 다른 제2압전필름 전개도(11b)를 가공하여서 6면체 형상으로 제작될 수 있다.

제1압전소자체(100A) 및 제2압전소자체(100B)는 6면체로 제작되는 과정에서 각각의 단위압전필름(110a~110f)이 가지는 분극(P) 방향이 다르게 배열될 수 있다. 즉, 제1압전소자체(100A)의 제1압전필름 전개도(11a) 및 제2압전소자체(100B)의 제2압전필름 전개도(11b)의 패턴이 서로 상이하기 때문에, 제1압전소자체(100A)의 단위압전필름 및 제2압전소자체(100B)의 단위압전필름은 분극(P) 방향의 배열이 서로 다르게 설정될 수 있다. 이에 따라, 제1압전소자체(100A) 및 제2압전소자체(100B)는 동일한 외력(F)이 가해지더라도 제1압전소자체(100A)로부터 생성되는 복수의 단위신호와 제2압전소자체(100B)로부터 생성되는 복수의 단위신호는 서로 다를 수 있다.

그리고, 제1압전소자체(100A)로부터 생성되는 복수의 단위신호와 제2압전소자체(100B)로부터 생성되는 복수의 단위신호가 서로 다르면, 제1압전소자체(100A)로부터 생성되는 복수의 단위신호를 합산한 합산신호와 제2압전소자체(100B)로부터 생성되는 복수의 단위신호를 합산한 합산신호 역시 달라질 수 있다.

이상에서와 같이, 본 발명에 따른 N면체 형상의 압전소자체(100)는 외부에서 가해지는 하나의 외력에 대하여 복수의 신호를 생성할 수 있으므로, 압전소자체의 활용성 및 신뢰성을 크게 높일 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 N면체 형상의 압전소자체(100)는 외부에서 가해지는 외력에 대하여 다양한 크기 및 수량의 신호를 출력해낼 수 있으므로, 센서, 액츄에이터, 변환기 및 에너지 하베스팅 등 압전소자체가 적용되는 제품으로의 활용성 및 신뢰성을 더욱 크게 높일 수 있다.

상술한 바와 같이 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면, 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변경시킬 수 있다.

100: 압전소자체
110: 단위압전필름

Claims

N개의 면을 가지는 N면체 형상으로 형성되며,
상기 N면체의 각 면을 형성하도록 다각형 형상으로 형성되는 N개의 단위압전필름을 포함하고,
상기 N면체의 어느 하나의 면에 가해지는 하나의 외력에 대하여 상기 N개의 단위압전필름에서 N개의 단위신호가 생성되는 것을 특징으로 하는 압전소자체.
제1항에 있어서,
상기 N개의 단위신호는 상기 하나의 외력에 대하여 상기 N개의 단위압전필름의 각각에서 발생되는 변형력 및 상기 N개의 단위압전필름이 가지는 분극 방향에 따라서 정해지는 것을 특징으로 압전소자체.
제1항에 있어서,
상기 N개의 단위압전필름은,
상기 하나의 외력에 저항하는 제1변형력이 발생되는 제1단위압전필름; 및
상기 하나의 외력에 저항하며 상기 제1변형력과 다른 제2변형력이 발생되는 제2단위압전필름을 포함하는 것을 특징으로 하는 압전소자체.
제3항에 있어서,
상기 제1단위압전필름은 상기 하나의 외력에 대하여 제1분극 방향을 가지고,
상기 제2단위압전필름은 상기 하나의 외력에 대하여 상기 제1분극 방향과 다른 제2분극 방향을 가지는 것을 특징으로 하는 압전소자체.
제4항에 있어서,
상기 제1단위압전필름은 상기 제1변형력 및 상기 제1분극 방향에 상응하는 제1단위신호를 생성하고,
상기 제2단위압전필름은 상기 제2변형력 및 상기 제2분극 방향에 상응하는 제2단위신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 압전소자체.
제1항에 있어서,
상기 N개의 단위압전필름은 소정의 분극 방향을 가지는 압전필름 원장을 절단 가공하여 형성되는 것을 특징으로 하는 압전소자체.
제1항에 있어서,
상기 N면체는 정N면체이며, 상기 다각형은 정다각형인 것을 특징으로 하는 압전소자체.
소정의 분극 방향을 가지도록 분극 처리된 압전필름 원장을 제조하는 원장 제조단계;
상기 압전필름 원장을 절단 가공하여 N개의 면을 가지는 N면체의 압전필름 전개도를 형성하는 전개도 형성단계; 및
상기 압전필름 전개도를 가공하여 N개의 단위압전필름을 면으로 하는 N면체를 형성하는 N면체 형성단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전소자체의 제조방법.
제8항에 있어서,
상기 전개도 형성단계는,
N면체의 종류를 설정하는 N면체 종류 설정단계; 및
설정된 N면체에 대하여 압전필름 전개도의 패턴을 설정하는 전개도 패턴 설정단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전소자체의 제조방법.