WO2019198908A1 - Piezoelectric coaxial fiber and method for manufacturing same - Google Patents

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WO2019198908A1
WO2019198908A1 PCT/KR2018/016958 KR2018016958W WO2019198908A1 WO 2019198908 A1 WO2019198908 A1 WO 2019198908A1 KR 2018016958 W KR2018016958 W KR 2018016958W WO 2019198908 A1 WO2019198908 A1 WO 2019198908A1
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piezoelectric
coaxial fiber
pvdf
coaxial
polymer layer
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PCT/KR2018/016958
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최승태
렁틴탐
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중앙대학교 산학협력단
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    • B29C51/00Shaping by thermoforming, i.e. shaping sheets or sheet like preforms after heating, e.g. shaping sheets in matched moulds or by deep-drawing; Apparatus therefor
    • B29C51/12Shaping by thermoforming, i.e. shaping sheets or sheet like preforms after heating, e.g. shaping sheets in matched moulds or by deep-drawing; Apparatus therefor of articles having inserts or reinforcements
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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Definitions

  • the present invention has been made in view of the above, in providing a piezoelectric coaxial fiber having a coaxial shape, providing a structure of the piezoelectric coaxial fiber exhibiting improved piezoelectric (power generation) performance and mass production of coaxial piezoelectric fibers It is a technical object of the present invention to provide a method for producing a piezoelectric coaxial fiber capable of a continuous process.
  • the piezoelectric polymer material is PVDF, PVDF-TrFE, PVDF-TrFE-CFE. It may comprise any one of PVDF-HFP.
  • the core electrode may be formed of a conductive polymer composite containing a low melting point metal.
  • the low melting point metal may include at least one or one or more alloys of indium and tin.
  • drawing of the preform may be made by a hot drawing method.
  • a step of polarizing the piezoelectric polymer layer may be further performed by applying a voltage to the coaxial fiber body.
  • the polarization treatment may be performed using a corona discharge.
  • a piezoelectric coaxial fiber produced by the method of manufacturing the piezoelectric coaxial fiber.
  • the core electrode formed of a conductive polymer composite; A piezoelectric polymer layer formed outside the core electrode; An external electrode formed on the outer side of the piezoelectric polymer layer to have a coaxial with the core electrode and the piezoelectric polymer layer, and formed of a conductive polymer composite; And a protective layer of an insulating material formed on an outer side of the external electrode, wherein the piezoelectric polymer layer is provided so that crystals of the piezoelectric polymer material are oriented in one direction.
  • crystals of the piezoelectric polymer material constituting the piezoelectric polymer layer may be configured to be polarized in the radial direction of the piezoelectric nanofibers.
  • the core electrode may be formed of a conductive polymer composite containing a low melting point metal.
  • the low melting point metal may include at least one or one or more alloys of indium and tin.
  • the external electrode may include at least one of PEDOT: PSS, Ag nanowires, Ag micro / nano particles, carbon black, graphite, graphene, Ag-coated Cu micro or nanoparticles. It may be formed of the included composite material.
  • the crystallinity of the piezoelectric polymer material may be doubled by performing an annealing process after the drawing process.
  • FIG. 1 is a view showing the internal structure of a piezoelectric coaxial fiber according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a conceptual view illustrating a drawing process during the manufacturing process of the piezoelectric coaxial fiber shown in FIG. 2.
  • FIG. 8 is a graph showing the results of X-ray diffraction analysis with or without annealing and polarization treatment in the production of piezoelectric coaxial fibers.
  • first and second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.
  • FIG. 1 is a view showing the internal structure of a piezoelectric coaxial fiber according to an embodiment of the present invention.
  • the piezoelectric coaxial fiber 100 includes a core electrode 10, a piezoelectric polymer layer 20, an external electrode 30, and a protective layer 40.
  • the piezoelectric coaxial fiber 100 may have a fiber shape having a diameter of 120 to 140 ⁇ m.
  • the piezoelectric polymer layer 20 is made of a piezoelectric polymer material in which polarization occurs due to mechanical deformation such as stretching or compression by an external physical force, and is formed on the outer side of the core electrode 10.
  • Such piezoelectric polymer materials should also not yield under bending deformation, and such materials include polyvinylidene fluoride (PDVF), PVDF-TrFE, PVDF-TrFE-CFE. PVDF-HFP or the like may be used, or a material in which these materials are mixed may be used.
  • the piezoelectric polymer layer 20 may have a form in which a plurality of layers are stacked, and may have a form in which layers of different materials are alternately stacked.
  • the piezoelectric polymer layer 20 may have a diameter of 60 to 80 ⁇ m.
  • the piezoelectric polymer layer 20 is configured such that crystals of the piezoelectric polymer material are oriented in one direction. Specifically, the crystals of the piezoelectric polymer material constituting the piezoelectric polymer layer 20 are oriented in the longitudinal direction of the piezoelectric nanofibers, and the piezoelectric properties may be further improved through such a crystal structure.
  • the external electrode 30 is formed on the outer side of the piezoelectric polymer layer 20 to be coaxial with the core electrode 10 and the piezoelectric polymer layer 20, and is formed of a conductive polymer composite having high elasticity and electrical conductivity.
  • the conductive polymer composite used for the external electrode 30 may also have a structure containing a metal or a metal alloy like the core electrode 10.
  • the protective layer 40 is formed as an insulating material on the outer side of the external electrode 30 and functions to physically protect the internal structure from the outside.
  • the protective layer 40 may be formed of a polymer material such as polyurethane or polyvinyl alcohol as an insulator having high elasticity, and may use a material that exhibits a heat dissipation function, a water repellency function, and the like, as necessary.
  • FIG. 2 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a piezoelectric coaxial fiber according to an embodiment of the present invention, and a method of manufacturing the piezoelectric coaxial fiber according to the present embodiment will be described with reference to the following.
  • the piezoelectric polymer material 20 ' is coated on the outer side of the conductive polymer material 10' to prepare a preform (S10).
  • the preform A (see FIG. 3) is manufactured to have a diameter of several tens to several hundred times larger than the diameter of the target piezoelectric coaxial fiber.
  • Drawing of the preform (A) may be made by a hot drawing method, for this purpose, a heating furnace (F) may be installed at the front end of the mold. According to this the preform (A) is drawn after heating to a temperature above the melting point of 200 °C or more.
  • die can be monitored (S25), and process conditions (for example, drawing speed etc.) can be controlled based on a monitoring result.
  • the crystals of the piezoelectric polymer material constituting the piezoelectric polymer layer 20 are oriented along the length direction of the piezoelectric coaxial fiber, and FIG. 4 schematically shows the crystal orientation of the piezoelectric polymer material (PVDF). have.
  • PVDF piezoelectric polymer material
  • molecular chains of PVDF are lined along the length direction of the piezoelectric coaxial fiber, and through such structural features, piezoelectric properties may be improved.
  • PDVF is used at a lower price than the PVDF-TrFE
  • the crystallinity is increased through the drawing process, thereby achieving piezoelectric properties equivalent to those using PVDF-TrFE.
  • the annealing process (S30) described above is an additional or optional process for further improving the piezoelectric properties of the piezoelectric coaxial fiber 100, the polarization treatment step (S40), performing only one of these processes or It would also be possible to proceed to the next step without carrying out the process.
  • Coating process (S50) of the external electrode 30 and the coating process (S60) of the protective layer 40 can be performed using a single coating apparatus 200, Figure 6 is an external electrode coating and protective layer coating using the same The process is shown schematically.
  • the external electrode 30 and the protective layer 40 may be coated using the dip coating apparatus 310, the thermal tube 320, and the die coating apparatus 330 as shown in FIG. 7. It is possible. According to this, after the external electrode 30 is formed on the outer side of the coaxial fiber body B using the dip coating apparatus 310, the external electrode 30 is thermally cured using a heat tube, and then die coating. The device 330 is used to form the protective layer 40 outside the external electrode 30.
  • the piezoelectric coaxial fiber 100 When the coating of the external electrode 30 and the protective layer 40 is completed, all the layers of the piezoelectric coaxial fiber 100 are formed, after which the piezoelectric coaxial fiber 100 is cured (S70) to complete the manufacturing process.
  • the curing step (S70) (S75) can be controlled to the process conditions based on the monitoring results.
  • FIG. 8 is a graph showing the results of X-ray diffraction analysis with or without annealing and polarization treatment when manufacturing piezoelectric coaxial fibers.

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Abstract

The present invention relates to a piezoelectric coaxial fiber and a method for manufacturing same, the piezoelectric coaxial fiber comprising: a core electrode formed as a conductive polymer compound; a piezoelectric polymer layer formed on an outer periphery of the core electrode; an external electrode formed as a conductive polymer compound and positioned on an outer periphery of the piezoelectric polymer layer to have a co-axis with the core electrode and the piezoelectric polymer layer; and a protective layer made of an insulating material and formed on an outer periphery of the external electrode, wherein the piezoelectric polymer layer is configured to allow crystals of a piezoelectric polymer material to be oriented in one direction.

Description

압전 동축 섬유 및 그 제조 방법Piezoelectric Coaxial Fiber and Manufacturing Method Thereof
본 발명은 외부 압력 또는 기계적인 진동을 전기 에너지로 변환할 수 있는 압전 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 웨어러블 컴퓨터, 스마트 의류 등에 적용 할 수 있도록 1 차원 섬유 형태를 갖는 압전 동축 섬유 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a piezoelectric element capable of converting external pressure or mechanical vibration into electrical energy, and more particularly, a piezoelectric coaxial fiber having a one-dimensional fiber shape to be applied to wearable computers, smart clothes, and the like, and a method of manufacturing the same. It is about.
최근, 웨어러블 컴퓨터(wearable computer), 스마트 의류(smart wear) 등 인간의 의복 또는 착용 가능한 형태의 다양한 휴대용 전자기기들이 발달됨에 따라, 장시간 구동할 수 있으면서 휴대의 부담을 최소화할 수 있는 휴대용 전원의 필요성이 급격히 증가하고 있다.Recently, as various portable electronic devices, such as wearable computers and smart wears, such as human clothes or wearables have been developed, the need for a portable power source capable of driving for a long time and minimizing the burden of carrying This is increasing rapidly.
이와 같은 요구에 따라, 지속적인 에너지를 생성하는 사람의 운동에너지를 새로운 전원 공급원으로 전환할 수 있는 에너지 하베스팅 기술이 제안된 바 있다. 즉, 인체의 움직임에서 발생되는 에너지를 이용하여 전원공급을 한다면 시간과 공간에 제약을 받지 않는 지속적인 에너지 공급원으로, 기존의 전원 공급 매체의 문제점을 해결할 수 있다는 점에 기인한 것이다.In response to these demands, energy harvesting techniques have been proposed that can convert kinetic energy of people who produce continuous energy into new power sources. In other words, if the power supply using the energy generated from the movement of the human body is a continuous energy supply source that is not limited by time and space, it is due to the problem of the existing power supply medium can be solved.
상기 에너지 하베스팅 기술 중에서도 압전 물질(piezoelectric material)을 활용한 기술은 심박수, 호흡, 근육 수축 및 눈 움직임과 같은 인체 움직임을 기반으로 작동될 수 있기 때문에 많은 연구가 수행되고 있다. 이들 중 착용 가능한 직조 방식의 에너지 하베스팅 장치를 구현하기 위해 종래 3 차원 또는 2 차원 형태의 압전 에너지 하베스팅 장치를 1 차원 섬유 형태로 변형한 기술이 개발되고 있다. 이러한 섬유 형태의 에너지 하베스팅 장치(이하, '압전 섬유'라 함)는 우수한 기계적 자유도(degree of freedom)를 가지기 때문에 옷감의 재료로도 충분히 이용될 수 있다.Among the energy harvesting techniques, many studies have been conducted because piezoelectric materials can be operated based on human body movements such as heart rate, respiration, muscle contraction, and eye movement. Among them, in order to implement a wearable weaving energy harvesting device, a technology in which a piezoelectric energy harvesting device in a three-dimensional or two-dimensional form is transformed into a one-dimensional fiber form has been developed. The energy harvesting device in the form of fibers (hereinafter referred to as 'piezoelectric fibers') can be sufficiently used as a material of cloth because it has an excellent degree of freedom.
이와 같은 압전 섬유의 기술 개발 추세에 따라, 다양한 구조 및 형태의 압전 섬유의 제조 기술에 대하여 다양한 연구가 이루어지고 있다.In accordance with the trend of technology development of piezoelectric fibers, various researches have been made on technologies for manufacturing piezoelectric fibers of various structures and shapes.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로서, 동축 형태를 갖는 압전 동축 섬유를 제공함에 있어, 향상된 압전(발전) 성능을 발휘하는 압전 동축 섬유의 구조를 제공함과 아울러 동축 압전 섬유의 대량 생산이 가능하도록 연속 공정이 가능한 압전 동축 섬유의 제조 방법을 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.The present invention has been made in view of the above, in providing a piezoelectric coaxial fiber having a coaxial shape, providing a structure of the piezoelectric coaxial fiber exhibiting improved piezoelectric (power generation) performance and mass production of coaxial piezoelectric fibers It is a technical object of the present invention to provide a method for producing a piezoelectric coaxial fiber capable of a continuous process.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 전도성 고분자 재료의 외곽에 압전 고분자 물질이 코팅된 프리폼을 제작하는 단계와; 코어 전극 및 결정 배향된 압전 고분자층을 포함하는 동축 섬유체가 형성되도록 상기 프리폼을 드로잉하는 단계 와; 상기 동축 섬유체의 외곽에 전도성 고분자 재료를 코팅하여 외부 전극을 형성하는 단계; 및 상기 외부 전극의 외곽에 절연성 재료를 코팅하여 보호층을 형성하는 단계를 포함하는 압전 동축 섬유의 제조 방법이 제공된다. According to one embodiment of the invention, the step of manufacturing a preform coated with a piezoelectric polymer material on the outer side of the conductive polymer material; Drawing the preform to form a coaxial fiber body comprising a core electrode and a crystal oriented piezoelectric polymer layer; Forming an external electrode by coating a conductive polymer material on the outer side of the coaxial fiber body; And forming a protective layer by coating an insulating material on an outer surface of the external electrode.
또한, 상기 압전 고분자 물질은 PVDF, PVDF-TrFE, PVDF-TrFE-CFE. PVDF-HFP 중 어느 하나를 포함할 수 있다. In addition, the piezoelectric polymer material is PVDF, PVDF-TrFE, PVDF-TrFE-CFE. It may comprise any one of PVDF-HFP.
또한, 상기 코어 전극은 저융점 금속이 함유된 전도성 고분자 복합체로 형성될 수 있다. 여기서, 상기 저융점 금속은 인듐, 주석 중 적어도 하나 또는 하나 이상의 합금을 포함할 수 있다.In addition, the core electrode may be formed of a conductive polymer composite containing a low melting point metal. Here, the low melting point metal may include at least one or one or more alloys of indium and tin.
또한, 상기 프리폼의 드로잉은 열간 드로잉 방식으로 이루어질 수 있다.In addition, the drawing of the preform may be made by a hot drawing method.
또한, 상기 드로잉시 상기 동축 섬유체의 직경을 모니터링하여, 모니터링 결과를 근거로 공정 조건을 제어할 수 있다.In addition, by monitoring the diameter of the coaxial fiber body during the drawing, it is possible to control the process conditions based on the monitoring results.
또한, 상기 프리폼의 드로잉 후, 상기 동축 섬유체를 어닐링하는 단계가 추가로 수행될 수 있다. Further, after drawing of the preform, annealing the coaxial fiber body may be further performed.
또한, 상기 외부 전극을 형성하기 전, 상기 동축 섬유체에 전압을 인가하여 상기 압전 고분자층을 분극 처리하는 단계가 추가로 수행될 수 있다.In addition, before forming the external electrode, a step of polarizing the piezoelectric polymer layer may be further performed by applying a voltage to the coaxial fiber body.
또한, 상기 분극 처리는 코로나 방전(corona discharge)을 이용하여 이루어질 수 있다. In addition, the polarization treatment may be performed using a corona discharge.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 압전 동축 섬유의 제조 방법에 의해 제조된 압전 동축 섬유가 제공된다.According to another embodiment of the present invention, there is provided a piezoelectric coaxial fiber produced by the method of manufacturing the piezoelectric coaxial fiber.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 전도성 고분자 복합체로 형성된 코어 전극과; 상기 코어 전극의 외곽에 형성된 압전 고분자층과; 상기 코어 전극 및 압전 고분자층과 동축을 갖도록 상기 압전 고분자층의 외곽에 형성되고, 전도성 고분자 복합체로 형성된 외부 전극; 및 상기 외부 전극의 외곽에 형성되는 절연성 재질의 보호층을 포함하고, 상기 압전 고분자층은 압전 고분자 물질의 결정들이 일 방향으로 배향되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 압전 동축 섬유가 제공된다.According to another embodiment of the present invention, the core electrode formed of a conductive polymer composite; A piezoelectric polymer layer formed outside the core electrode; An external electrode formed on the outer side of the piezoelectric polymer layer to have a coaxial with the core electrode and the piezoelectric polymer layer, and formed of a conductive polymer composite; And a protective layer of an insulating material formed on an outer side of the external electrode, wherein the piezoelectric polymer layer is provided so that crystals of the piezoelectric polymer material are oriented in one direction.
또한, 상기 압전 고분자층을 이루는 압전 고분자 물질의 결정들은 상기 압전 나노 섬유의 길이 방향으로 배향될 수 있다. In addition, crystals of the piezoelectric polymer material constituting the piezoelectric polymer layer may be oriented in the length direction of the piezoelectric nanofibers.
또한, 상기 압전 고분자층을 이루는 압전 고분자 물질의 결정들은 상기 압전 나노 섬유의 반경 방향으로 분극되도록 구성될 수 있다.In addition, crystals of the piezoelectric polymer material constituting the piezoelectric polymer layer may be configured to be polarized in the radial direction of the piezoelectric nanofibers.
또한, 상기 압전 고분자 물질은 PVDF, PVDF-TrFE, PVDF-TrFE-CFE. PVDF-HFP 어느 하나를 포함할 수 있다.In addition, the piezoelectric polymer material is PVDF, PVDF-TrFE, PVDF-TrFE-CFE. It may comprise any one of the PVDF-HFP.
또한, 상기 코어 전극은 저융점 금속이 함유된 전도성 고분자 복합체로 형성될 수 있다. 여기서, 상기 저융점 금속은 인듐, 주석 중 적어도 하나 또는 하나 이상의 합금을 포함할 수 있다. In addition, the core electrode may be formed of a conductive polymer composite containing a low melting point metal. Here, the low melting point metal may include at least one or one or more alloys of indium and tin.
또한, 상기 코어 전극은, 나노 또는 마이크로 파티클, 나노 와이어, 나노 또는 마이크로 플레이크 중 적어도 하나의 형태의, 실버 또는 구리의 전도성 입자를 더 포함할 수 있다.In addition, the core electrode may further include conductive particles of silver or copper in the form of at least one of nano or micro particles, nano wires, nano or micro flakes.
또한, 상기 외부 전극은, PEDOT:PSS, Ag 나노 와이어, Ag 마이크로/나노 파티클, 카본 블랙(Carbon Black), 그라파이트(Graphite), 그라핀(Grahphene), Ag-coated Cu 마이크로 또는 나노 파티클 중 하나 이상이 포함된 복합 소재로 형성될 수 있다.In addition, the external electrode may include at least one of PEDOT: PSS, Ag nanowires, Ag micro / nano particles, carbon black, graphite, graphene, Ag-coated Cu micro or nanoparticles. It may be formed of the included composite material.
본 발명의 실시예에 따르면, 드로잉 공정을 통해 압전 고분자 물질의 결정을 일 방향으로 배향시킴으로써 향상된 압전 성능의 압전 동축 섬유를 제공하는 효과를 발휘한다.According to an embodiment of the present invention, by oriented the crystal of the piezoelectric polymer material in one direction through a drawing process to provide an effect of providing a piezoelectric coaxial fiber of improved piezoelectric performance.
아울러 본 발명의 실시예에 따르면, 압전 동축 섬유의 제조에 드로잉 공정을 적용하여 압전 고분자층의 결정성을 보다 향상시킬 있을 뿐만 아니라 압전 동축 섬유의 연속 제조(continuous fabrication)가 가능하도록 하여 압전 동축 섬유의 대량 생산이 가능하게 하는 효과가 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, by applying the drawing process to the production of the piezoelectric coaxial fiber to further improve the crystallinity of the piezoelectric polymer layer as well as to enable continuous fabrication of the piezoelectric coaxial fiber (piezoelectric coaxial fiber) It has the effect of enabling mass production of.
나아가 본 발명의 실시예에 따르면, 드로잉 공정 후 어닐링 공정을 수행함으로써 압전 고분자 물질의 결정성을 배가시킬 수 있다. Furthermore, according to an embodiment of the present invention, the crystallinity of the piezoelectric polymer material may be doubled by performing an annealing process after the drawing process.
또한, 코어 전극에 사용되는 전도성 고분자 복합체에 나노 또는 마이크로 파티클, 나노 와이어, 나노 또는 마이크로 플레이크 등의 형태를 갖는 금속 입자를 혼합하여 사용함으로써, 적은 함량으로도 높은 전기전도도를 갖도록 할 수 있는 이점이 있다.In addition, by using a mixture of metal particles having a form of nano or micro particles, nano wires, nano or micro flakes in the conductive polymer composite used in the core electrode, there is an advantage that can have a high electrical conductivity with a small amount have.
또한, 후속 공정으로서 외부 전극의 코팅 전에 코로나 방전을 통한 분극 처리(poling)를 수행하여 완전한 압전 특성이 발현되도록 함으로써, 압전 동축 섬유의 연속 제조에 최적화된 제조 방법을 제공한다. In addition, as a subsequent process, polarization through corona discharge is performed prior to coating of the external electrode so that complete piezoelectric properties are expressed, thereby providing a manufacturing method optimized for continuous production of piezoelectric coaxial fibers.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 동축 섬유의 내부 구조를 보인 도면.1 is a view showing the internal structure of a piezoelectric coaxial fiber according to an embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 동축 섬유의 제조 방법을 나타내는 순서도.Figure 2 is a flow chart showing a method for producing a piezoelectric coaxial fiber according to an embodiment of the present invention.
도 3은 도 2에 도시된 압전 동축 섬유의 제조 공정 중 드로잉 공정을 나타낸 개념도.FIG. 3 is a conceptual view illustrating a drawing process during the manufacturing process of the piezoelectric coaxial fiber shown in FIG. 2.
도 4는 압전 동축 섬유의 압전 고분자 물질의 결정 배향 형태를 도식적으로 나타낸 도면.4 is a diagram schematically showing a crystal orientation form of a piezoelectric polymer material of piezoelectric coaxial fiber.
도 5는 도 2에 도시된 압전 동축 섬유의 제조 공정 중 분극 처리 공정을 도식적으로 나타낸 개념도.FIG. 5 is a conceptual diagram schematically showing a polarization treatment step in the manufacturing process of the piezoelectric coaxial fiber shown in FIG. 2. FIG.
도 6은 도 2에 도시된 압전 동축 섬유의 제조 공정 중 외부 전극 코팅 및 보호층 코팅을 도식적으로 나타낸 개념도.6 is a conceptual diagram schematically showing an outer electrode coating and a protective layer coating during the manufacturing process of the piezoelectric coaxial fiber shown in FIG.
도 7은 다른 실시예에 따른 외부 전극 코팅 및 보호층 코팅 방법을 나타낸 개념도.7 is a conceptual diagram illustrating an external electrode coating and a protective layer coating method according to another embodiment.
도 8은 압전 동축 섬유의 제조시 어닐링 유무, 분극 처리 유무에 따른 X선 회절 분석 결과를 나타낸 그래프.8 is a graph showing the results of X-ray diffraction analysis with or without annealing and polarization treatment in the production of piezoelectric coaxial fibers.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.As the invention allows for various changes and numerous embodiments, particular embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the written description. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, it should be understood to include all transformations, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention. In the following description of the present invention, if it is determined that the detailed description of the related known technology may obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.Terms such as first and second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular example embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In this application, the terms "comprises" or "having" are intended to indicate that there is a feature, number, step, action, component, part, or combination thereof described on the specification, and one or more other features. It is to be understood that the present invention does not exclude the possibility of the presence or the addition of numbers, steps, operations, components, components, or a combination thereof.
이하, 본 발명에 의한 압전 동축 섬유 및 그 제조 방법의 일 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.Hereinafter, an embodiment of a piezoelectric coaxial fiber and a method of manufacturing the same according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, in the following description with reference to the accompanying drawings, the same or corresponding components are given the same reference numerals. And duplicate description thereof will be omitted.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 동축 섬유의 내부 구조를 보인 도면이다.1 is a view showing the internal structure of a piezoelectric coaxial fiber according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 압전 동축 섬유(100)는 코어 전극(10), 압전 고분자층(20), 외부 전극(30) 및 보호층(40)을 포함한다. 압전 동축 섬유(100)는 120 내지 140μm의 직경을 갖는 섬유 형태를 가질 수 있다.Referring to FIG. 1, the piezoelectric coaxial fiber 100 according to the present embodiment includes a core electrode 10, a piezoelectric polymer layer 20, an external electrode 30, and a protective layer 40. The piezoelectric coaxial fiber 100 may have a fiber shape having a diameter of 120 to 140 μm.
코어 전극(10)은 압전 동축 섬유의 중심에 배치되며, 전도성 고분자 복합체로 형성된다. 전도성 고분자 복합체는 굽힘 변형 하에서 항복이 발생하지 않는 고분자 재료로서, 금속 또는 금속 합금을 함유하는 구성을 갖는다. 코어 전극(10)은 20 내지 30μm의 직경을 가질 수 있다.The core electrode 10 is disposed at the center of the piezoelectric coaxial fiber and is formed of a conductive polymer composite. The conductive polymer composite is a polymer material in which no yield occurs under bending deformation, and has a structure containing a metal or a metal alloy. The core electrode 10 may have a diameter of 20 to 30 μm.
압전 고분자층(20)은 외부의 물리적 힘에 의한 신장 또는 압축과 같은 기계적 변형에 의해 분극 현상이 발생하는 압전 고분자 물질로 구성되며, 코어 전극(10)의 외곽에 형성된다. 이와 같은 압전 고분자 물질 또한 굽힘 변형 하에서 항복이 발생하지 않아야 하며, 이러한 물질로서 PDVF(Polyvinylidene fluoride), PVDF-TrFE, PVDF-TrFE-CFE. PVDF-HFP 등이 사용되거나, 이들 물질들이 혼합된 재료가 사용될 수 있다. 또한, 압전 고분자층(20)은 복수의 레이어가 적층된 형태를 가질 수 있으며, 서로 다른 재질의 레이어가 교대로 적층된 형태를 갖는 것도 가능하다. 압전 고분자층(20)은 60 내지 80μm의 직경을 가질 수 있다The piezoelectric polymer layer 20 is made of a piezoelectric polymer material in which polarization occurs due to mechanical deformation such as stretching or compression by an external physical force, and is formed on the outer side of the core electrode 10. Such piezoelectric polymer materials should also not yield under bending deformation, and such materials include polyvinylidene fluoride (PDVF), PVDF-TrFE, PVDF-TrFE-CFE. PVDF-HFP or the like may be used, or a material in which these materials are mixed may be used. In addition, the piezoelectric polymer layer 20 may have a form in which a plurality of layers are stacked, and may have a form in which layers of different materials are alternately stacked. The piezoelectric polymer layer 20 may have a diameter of 60 to 80μm.
본 실시예에 따르면, 압전 고분자층(20)은 압전 고분자 물질의 결정들이 일 방향으로 배향되도록 구성된다. 구체적으로 압전 고분자층(20)을 이루는 압전 고분자 물질의 결정들은 압전 나노 섬유의 길이 방향으로 배향되어 늘어서 있으며, 이러한 결정 구조를 통해 압전 특성을 보다 향상시킬 수 있다. According to the present embodiment, the piezoelectric polymer layer 20 is configured such that crystals of the piezoelectric polymer material are oriented in one direction. Specifically, the crystals of the piezoelectric polymer material constituting the piezoelectric polymer layer 20 are oriented in the longitudinal direction of the piezoelectric nanofibers, and the piezoelectric properties may be further improved through such a crystal structure.
아울러 압전 고분자층(20)을 이루는 압전 고분자 물질의 결정들은 압전 나노 섬유의 반경 방향으로 분극되도록 구성되며, 이를 통해 분자 쌍극자를 반경 반향으로 배열시킴으로써 보다 우수한 압전 특성을 확보할 수 있게 된다. In addition, the crystals of the piezoelectric polymer material constituting the piezoelectric polymer layer 20 are configured to be polarized in the radial direction of the piezoelectric nanofibers, thereby securing excellent piezoelectric properties by arranging molecular dipoles in a radial direction.
이와 같은 압전 고분자 물질의 결정 배향 및 분극 처리에 대해서는 추후 상세히 설명하기로 한다.Crystal orientation and polarization of such piezoelectric polymer materials will be described later in detail.
외부 전극(30)은 코어 전극(10) 및 압전 고분자층(20)과 동축을 갖도록 압전 고분자층(20)의 외곽에 형성되고, 높은 신축성과 전기 전도도를 갖는 전도성 고분자 복합체로 형성된다. 외부 전극(30)에 사용되는 전도성 고분자 복합체 또한 코어 전극(10)과 마찬가지로 금속 또는 금속 합금을 함유하는 구성을 가질 수 있다.The external electrode 30 is formed on the outer side of the piezoelectric polymer layer 20 to be coaxial with the core electrode 10 and the piezoelectric polymer layer 20, and is formed of a conductive polymer composite having high elasticity and electrical conductivity. The conductive polymer composite used for the external electrode 30 may also have a structure containing a metal or a metal alloy like the core electrode 10.
보호층(40)은 절연성 재질로서 외부 전극(30)의 외곽에 형성되며, 내부 구조를 외부로부터 물리적으로 보호하는 기능을 한다. 보호층(40)은 높은 신축성을 갖는 절연체로서 폴리우레탄, 폴리비닐알콜 등의 폴리머 재질로 형성될 수 있으며, 필요에 따라 방열 기능, 발수 기능 등을 발휘하는 재질을 사용하는 것도 가능하다. The protective layer 40 is formed as an insulating material on the outer side of the external electrode 30 and functions to physically protect the internal structure from the outside. The protective layer 40 may be formed of a polymer material such as polyurethane or polyvinyl alcohol as an insulator having high elasticity, and may use a material that exhibits a heat dissipation function, a water repellency function, and the like, as necessary.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 동축 섬유의 제조 방법을 나타내는 순서도이며, 이하 이를 참조하여 본 실시예에 따른 압전 동축 섬유의 제조 방법에 대하여 설명하기로 한다.2 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a piezoelectric coaxial fiber according to an embodiment of the present invention, and a method of manufacturing the piezoelectric coaxial fiber according to the present embodiment will be described with reference to the following.
먼저, 전도성 고분자 재료(10')의 외곽에 압전 고분자 물질(20')을 코팅하여 프리폼(Preform)을 제작한다 (S10). 프리폼(A, 도 3 참조)은 목표로 하는 압전 동축 섬유의 직경보다 수십 내지 수백 배 큰 직경을 갖도록 제작된다.First, the piezoelectric polymer material 20 'is coated on the outer side of the conductive polymer material 10' to prepare a preform (S10). The preform A (see FIG. 3) is manufactured to have a diameter of several tens to several hundred times larger than the diameter of the target piezoelectric coaxial fiber.
다음으로, 프리폼(A)를 드로잉(drawing: 인발)하여 동축 섬유체(B)를 형성한다. 도 3은 도 2에 도시된 압전 동축 섬유의 제조 공정 중 드로잉 공정을 나타내고 있다. 프리폼(A)이 금형(도시되지 않음)의 구멍을 통과함에 따라 그 직경이 수십 내지 수백분의 일로 줄어들어 동축 섬유체(B)가 형성된다. 여기서 동축 섬유체(B)는 코어 전극(10)의 외곽에 압전 고분자층(20)이 형성된 구성을 갖는다.Next, the preform A is drawn to form a coaxial fiber body B. FIG. FIG. 3 shows a drawing process in the manufacturing process of the piezoelectric coaxial fiber shown in FIG. 2. As the preform A passes through the hole of the mold (not shown), its diameter is reduced to several tens to several hundreds, so that the coaxial fiber body B is formed. Here, the coaxial fiber body B has a configuration in which the piezoelectric polymer layer 20 is formed outside the core electrode 10.
프리폼(A)의 드로잉은 열간 드로잉 방식으로 이루어질 수 있으며, 이를 위해 금형의 전단에 가열로(F)가 설치될 수 있다. 이에 따르면 프리폼(A)을 200℃ 이상 의 녹는 점 이상의 온도로 가열한 후 드로잉되게 된다. 이와 같은 드로잉 공정시 금형으로부터 출력되는 동축 섬유체(B)의 직경을 모니터링(S25)하여, 모니터링 결과를 근거로 공정 조건(예를 들면, 드로잉 속도 등)을 제어할 수 있다.Drawing of the preform (A) may be made by a hot drawing method, for this purpose, a heating furnace (F) may be installed at the front end of the mold. According to this the preform (A) is drawn after heating to a temperature above the melting point of 200 ℃ or more. In this drawing process, the diameter of the coaxial fiber body B output from the metal mold | die can be monitored (S25), and process conditions (for example, drawing speed etc.) can be controlled based on a monitoring result.
본 실시예에 따르면, 열간 드로잉 공정에 적합하도록 전도성 고분자 재료(10')와 압전 고분자 물질(20')로 서로 유사한 녹는점을 가진 물질을 사용할 수 있다. 본 실시예의 경우, 압전 고분자 물질(20')로 타 물질 대비 저렴한 가격의 PVDF를 사용하였으며, 이 경우 전도성 고분자 재료(10')로서 저융점 금속이 함유된 전도성 고분자 복합체를 사용할 수 있다. 참고로, 여기에 사용된 저융점 금속으로 인듐, 주석, 및 이들의 합금 등을 들 수 있으며, 이와 같은 인듐, 주석, 및 이들의 합금 등의 저융점 금속은 10μm 미만의 사이즈를 가질 수 있다.According to the present embodiment, a material having a similar melting point may be used as the conductive polymer material 10 'and the piezoelectric polymer material 20' so as to be suitable for the hot drawing process. In the case of the present embodiment, PVDF of a lower price than other materials is used as the piezoelectric polymer material 20 ', and in this case, a conductive polymer composite containing a low melting point metal may be used as the conductive polymer material 10'. For reference, as the low melting point metal used herein, indium, tin, and alloys thereof, and the like, and such low melting point metals such as indium, tin, and alloys thereof may have a size of less than 10 μm.
한편, 나노 또는 마이크로 파티클, 나노 와이어, 나노 또는 마이크로 플레이크 등의 형태의, 실버 또는 구리 등의 전도성 입자가 고분자 재료 내에 함유될 수 있다. 전도성 입자는, 또한, 나노 또는 마이크로 파티클의 표면에 전도성 재료가 코팅된 형태(예를 들어, Ag-Coated Cu micro/nano-paticles)의 형태를 갖는 것도 가능하다. 이와 같이 구형의 파티클, 와이어, 및 플레이크 등의 금속 입자를 혼합하여 사용하게 되면, 적은 함량으로도 높은 전기전도도를 갖는 전도성 고분자 복합체를 만들 수 있어 열간 드로잉 공정에 보다 적합하게 할 수 있다.On the other hand, conductive particles such as silver or copper, in the form of nano or micro particles, nano wires, nano or micro flakes and the like may be contained in the polymer material. The conductive particles may also be in the form of a conductive material coated on the surface of the nano or micro particles (eg, Ag-Coated Cu micro / nano-paticles). As such, when metal particles such as spherical particles, wires, and flakes are mixed and used, a conductive polymer composite having high electrical conductivity even with a small content can be made, which makes it more suitable for a hot drawing process.
상기와 같은 드로잉 공정에 따라 압전 고분자층(20)을 이루는 압전 고분자 물질의 결정들이 압전 동축 섬유의 길이 방향을 따라 배향되게 되며, 도 4는 압전 고분자 물질(PVDF)의 결정 배향 형태를 도식적으로 나타내고 있다. 드로잉 공정에 따라 도 4의 도시와 같이 PVDF의 분자 사슬들이 압전 동축 섬유의 길이 방향을 따라 늘어서게 되며, 이러한 구조적 특징을 통해 압전 특성을 향상시킬 수 있게 된다. 예를 들어, PVDF-TrFE 대비 압전 특성이 좋지 않은 대신 가격이 저렴한 PDVF를 사용할 경우, 드로잉 공정을 통해 결정성을 증가시킴으로써 PVDF-TrFE를 사용한 것과 동등한 수준의 압전 특성을 구현할 수 있게 되는 것이다.According to the drawing process, the crystals of the piezoelectric polymer material constituting the piezoelectric polymer layer 20 are oriented along the length direction of the piezoelectric coaxial fiber, and FIG. 4 schematically shows the crystal orientation of the piezoelectric polymer material (PVDF). have. According to the drawing process, as shown in FIG. 4, molecular chains of PVDF are lined along the length direction of the piezoelectric coaxial fiber, and through such structural features, piezoelectric properties may be improved. For example, when PDVF is used at a lower price than the PVDF-TrFE, the crystallinity is increased through the drawing process, thereby achieving piezoelectric properties equivalent to those using PVDF-TrFE.
다시 도 2를 참조하면, 드로잉 공정(S20)을 통해 형성된 동축 섬유체(B)에 어닐링(Annealing) 또는 소결(Sintering)을 수행한다(S30). 어닐링 또는 소결은 동축 섬유체(B)를 일정 온도(예를 들어, 140℃)로 가열한 후 냉각시키는 공정을 말하며, 이를 통해 압전 고분자층(20)의 결정성을 보다 향상시킬 수 있고, 금속 입자들 사이의 접합점을 형성하여 전기 전도도를 보다 증가시킬 수 있다. 여기서, 압전 고분자 물질을 용융시키지 않고 금속 입자만 순간적으로 온도를 높일 수 있게 광소결을 사용하는 것이 바람직하다 할 것이다. Referring back to FIG. 2, annealing or sintering is performed on the coaxial fiber body B formed through the drawing process S20 (S30). Annealing or sintering refers to a process of heating the coaxial fiber body (B) at a predetermined temperature (for example, 140 ° C.) and then cooling it, through which the crystallinity of the piezoelectric polymer layer 20 can be further improved, and the metal The junction between the particles can be formed to further increase the electrical conductivity. Here, it will be preferable to use photosintering so that only the metal particles can be instantaneously heated up without melting the piezoelectric polymer material.
다음 단계로서, 동축 섬유체(B)에 전압을 인가하여 압전 고분자층(20)을 분극 처리한다(S40). 동축 압전 섬유의 압전 특성은 쌍극자(dipole)의 배열 정도에 크게 의존하는데, 무질서한 쌍극자 배열의 경우 압전 특성이 나타나지 않으며, 쌍극자를 같은 방향으로 배열시키는 분극(poling) 공정을 통해 완전한 압전 특성이 발현되도록 한다.As a next step, the piezoelectric polymer layer 20 is polarized by applying a voltage to the coaxial fiber body B (S40). The piezoelectric properties of coaxial piezoelectric fibers are highly dependent on the degree of dipole arrangement. In the case of disordered dipole arrangement, piezoelectric properties do not occur, and perfect piezoelectric properties are expressed through a polarization process in which dipoles are arranged in the same direction. do.
본 실시예와 같이 연속 공정을 통해 제조되는 섬유 구조에 대한 분극 처리를 위해, 코로나 방전(corona discharge) 방식이 사용될 수 있으며, 도 5는 코로나 방전을 통한 분극 처리 공정을 도식적으로 나타내고 있다. Corona discharge may be used for the polarization treatment of the fiber structure manufactured through the continuous process as in the present embodiment, and FIG. 5 schematically illustrates the polarization treatment process through the corona discharge.
도 5를 참조하면, 하나(또는 그 이상의) 니들 팁은 전압 인가를 위한 전극으로서의 기능을 하며, 니들 팁은 동축 섬유체(B)의 표면으로부터 일정 간격(수 밀리미터)만큼 떨어지게 배치된다. 그리고 그라운드 전극은 코어 전극(10)에 연결된다. 고전압이 인가되면, 니들 팁으로부터 코로나 방전이 발생하게 된다. 이에 따라 압전 고분자 물질 결정들은 동축 섬유체(20)의 반경 방향으로 분극되게 된다. 코로나 방전을 통한 분극 처리는 동축 섬유체(B)의 외주를 따라 복수 회 수행되거나, 복수의 니들 팁을 동축 섬유체(B)의 외주를 따라 배치하여 수행될 수 있다.Referring to FIG. 5, one (or more) needle tip functions as an electrode for voltage application, the needle tip being spaced a certain distance (several millimeters) from the surface of the coaxial fiber body (B). The ground electrode is connected to the core electrode 10. When a high voltage is applied, corona discharge occurs from the needle tip. Accordingly, the piezoelectric polymer material crystals are polarized in the radial direction of the coaxial fiber body 20. The polarization treatment through corona discharge may be performed a plurality of times along the outer circumference of the coaxial fiber body B, or may be performed by arranging a plurality of needle tips along the outer circumference of the coaxial fiber body B.
한편, 이상에서 설명한 어닐링 공정(S30)은 분극 처리 공정(S40)은 압전 동축 섬유(100)의 압전 특성을 보다 더 향상시키기 위한 부가적 내지 선택적인 공정으로서, 이들 공정 중 어느 하나만을 수행하거나 이들 공정을 수행하지 않고 다음 단계로 진행하는 것 또한 가능하다 할 것이다.On the other hand, the annealing process (S30) described above is an additional or optional process for further improving the piezoelectric properties of the piezoelectric coaxial fiber 100, the polarization treatment step (S40), performing only one of these processes or It would also be possible to proceed to the next step without carrying out the process.
다시 도 2를 참조하면, 다음 단계로서 동축 섬유체(B)의 외곽에 외부 전극(30)을 형성한다(S50). 이는 동축 섬유체(B)의 외곽에 전도성 고분자 재료를 코팅하여 형성할 수 있다. 외부 전극(30)의 재료로서, PEDOT:PSS, Ag 나노 와이어, Ag 마이크로/나노 파티클, 카본 블랙(Carbon Black), 그라파이트(Graphite), 그라핀(Graphene), Ag-coated Cu 마이크로/나노 파티클 중 하나 이상이 포함된 복합 소재를 사용할 수 있다.Referring back to FIG. 2, as an next step, an external electrode 30 is formed outside the coaxial fiber body B (S50). This may be formed by coating a conductive polymer material on the outer side of the coaxial fiber body (B). As the material of the external electrode 30, among PEDOT: PSS, Ag nanowires, Ag micro / nano particles, Carbon Black, Graphite, Graphene, Ag-coated Cu micro / nano particles, Composite materials containing one or more may be used.
다음으로, 외부 전극(30)의 외곽에 절연성 재료를 코팅하여 보호층(40)을 형성한다(S60). 외부 전극(30)의 코팅 공정(S50)과 보호층(40)의 코팅 공정(S60)은 단일 코팅 장치(200)를 이용하여 수행될 수 있으며, 도 6은 이를 이용한 외부 전극 코팅 및 보호층 코팅 공정을 도식적으로 나타내고 있다.Next, an insulating material is coated on the outer side of the external electrode 30 to form the protective layer 40 (S60). Coating process (S50) of the external electrode 30 and the coating process (S60) of the protective layer 40 can be performed using a single coating apparatus 200, Figure 6 is an external electrode coating and protective layer coating using the same The process is shown schematically.
도 6을 참조하면, 코팅 장치(200)는 서로 구획된 두 개의 재료 챔버를 구비하며, 각 챔버 내로 공급되는 전도성 고분자 재료와 절연성 재료가 동축 섬유체(B)의 외면에 순차적으로 코팅되도록 구성되어 있다. Referring to FIG. 6, the coating apparatus 200 includes two material chambers partitioned from each other, and is configured such that the conductive polymer material and the insulating material supplied into each chamber are sequentially coated on the outer surface of the coaxial fiber body B. have.
한편, 이와 같은 방법 이외에도 도 7과 같이 딥 코팅 장치(310), 열 튜브(320, thermal tube) 및 다이 코팅 장치(330)을 이용하여 외부 전극(30)과 보호층(40)을 코팅하는 것도 가능하다. 이에 따르면, 딥 코팅 장치(310)을 이용하여 동축 섬유체(B)의 외곽에 외부 전극(30)을 형성한 후, 열 튜브를 이용하여 외부 전극(30)을 열경화시키며, 그 후 다이 코팅 장치(330)를 이용하여 외부 전극(30) 외곽에 보호층(40)을 형성시키게 된다.Meanwhile, in addition to the above method, the external electrode 30 and the protective layer 40 may be coated using the dip coating apparatus 310, the thermal tube 320, and the die coating apparatus 330 as shown in FIG. 7. It is possible. According to this, after the external electrode 30 is formed on the outer side of the coaxial fiber body B using the dip coating apparatus 310, the external electrode 30 is thermally cured using a heat tube, and then die coating. The device 330 is used to form the protective layer 40 outside the external electrode 30.
이와 같은 방법은 외부 전극(330)의 재료로서 PEDOT:PSS, Ag 나노 와이어 등과 같은 전도성 입자가 포함된 복합 소재를 사용할 경우에 유용한데, PEDOT:PSS, Ag 나노 와이어 등의 전도성 입자를 용제에 혼합시켜 딥 코팅한 후, 열 튜브(320)에서 용제를 휘발시키면서 열경화시키는 것이 가능하기 때문이다. 도 7에서는 보호층(40)은 다이 코팅 방식으로 코팅하였는데, 보호층(40) 또한 딥 코팅 방식을 사용하여 코팅하는 것도 가능하다 할 것이다. This method is useful when a composite material containing conductive particles such as PEDOT: PSS and Ag nanowires is used as the material of the external electrode 330. The conductive particles such as PEDOT: PSS and Ag nanowires are mixed in a solvent. This is because it is possible to thermally harden the solvent by volatilizing the solvent in the heat tube 320 after the dip coating. In FIG. 7, the protective layer 40 is coated by a die coating method, but the protective layer 40 may also be coated using a dip coating method.
외부 전극(30)과 보호층(40)의 코팅이 완료되면 압전 동축 섬유(100)의 모든 레이어가 형성되며, 그 이후 압전 동축 섬유(100)를 경화하여(S70) 제조 공정을 완료한다. 경화 공정(S70)이 완료된 압전 동축 섬유(100)의 직경을 모니터링(S75)하여 모니터링 결과를 근거로 공정 조건을 제어할 수 있다.When the coating of the external electrode 30 and the protective layer 40 is completed, all the layers of the piezoelectric coaxial fiber 100 are formed, after which the piezoelectric coaxial fiber 100 is cured (S70) to complete the manufacturing process. By monitoring the diameter of the piezoelectric coaxial fiber 100, the curing step (S70) (S75) can be controlled to the process conditions based on the monitoring results.
도 8은 압전 동축 섬유의 제조시 어닐링 유무, 분극 처리 유무에 따른 X선 회절 분석 결과를 나타낸 그래프이다.8 is a graph showing the results of X-ray diffraction analysis with or without annealing and polarization treatment when manufacturing piezoelectric coaxial fibers.
일반적으로 PVDF계 고분자는 결정 구조로 α-, β-, γ-, δ- 결정이 존재하고, 이들 중 압전성에 가장 영향을 주는 결정은 쌍극자가 한 쪽으로 배열된 β-결정이다.In general, PVDF-based polymers have α-, β-, γ-, and δ-crystals as crystal structures. Among them, the crystals most affecting piezoelectricity are β-crystals in which dipoles are arranged to one side.
도 8의 그래프를 참조하면, 벌크 PVDF에서는, 물질이 거의 비결정 상태를 나타내며, 피크가 뭉툭하고 넓게 나타남을 알 수 있다. 드로잉 공정 후 어닐링되지 않은 동축 섬유의 경우, 피크가 그에 비해 명확하고 날카로워짐을 알 수 있다.Referring to the graph of FIG. 8, it can be seen that in bulk PVDF, the material exhibits an almost amorphous state, and the peaks are blunt and wide. It can be seen that for coaxial fibers that are not annealed after the drawing process, the peaks are clear and sharp in comparison.
어닐링 공정이 수행된 동축 섬유의 경우, 비극성의 α- 결정이 거의 모두 β-결정으로 변환된 것으로 나타났으며, 어닐링 후 분극(poling) 처리된 압전 동축 섬유의 경우 완전한 β-결정으로의 변환이 이루어진 것으로 확인된다.In the case of coaxial fibers subjected to the annealing process, almost all of the nonpolar α-crystals were converted into β-crystals, and in the case of polarized piezoelectric coaxial fibers after annealing, the conversion into full β-crystals It is confirmed that it is done.
상기에서는 본 발명의 특정의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although the foregoing has been described with reference to specific embodiments of the present invention, those skilled in the art may vary the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention as set forth in the claims below. It will be understood that modifications and changes can be made.

Claims (18)

  1. 전도성 고분자 재료의 외곽에 압전 고분자 물질이 코팅된 프리폼을 제작하는 단계; Manufacturing a preform coated with a piezoelectric polymer material on an outer surface of the conductive polymer material;
    코어 전극 및 결정 배향된 압전 고분자층을 포함하는 동축 섬유체가 형성되도록 상기 프리폼을 드로잉하는 단계;Drawing the preform to form a coaxial fiber body comprising a core electrode and a crystal oriented piezoelectric polymer layer;
    상기 동축 섬유체의 외곽에 전도성 고분자 재료를 코팅하여 외부 전극을 형성하는 단계; 및Forming an external electrode by coating a conductive polymer material on the outer side of the coaxial fiber body; And
    상기 외부 전극의 외곽에 절연성 재료를 코팅하여 보호층을 형성하는 단계를 포함하는 압전 동축 섬유의 제조 방법.A method of manufacturing a piezoelectric coaxial fiber comprising coating an insulating material on the outside of the external electrode to form a protective layer.
  2. 제1항에 있어서,The method of claim 1,
    상기 압전 고분자 물질은 PVDF, PVDF-TrFE, PVDF-TrFE-CFE. PVDF-HFP 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 동축 섬유의 제조 방법.The piezoelectric polymer material is PVDF, PVDF-TrFE, PVDF-TrFE-CFE. A method for producing a piezoelectric coaxial fiber comprising any one of PVDF-HFP.
  3. 제1항에 있어서,The method of claim 1,
    상기 코어 전극은 저융점 금속이 함유된 전도성 고분자 복합체로 형성되는 것을 특징으로 하는 압전 동축 섬유의 제조 방법.The core electrode is a piezoelectric coaxial fiber manufacturing method, characterized in that formed of a conductive polymer composite containing a low melting point metal.
  4. 제3항에 있어서,The method of claim 3,
    상기 저융점 금속은 인듐, 주석 중 적어도 하나 또는 하나 이상의 합금을 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 동축 섬유의 제조 방법.The low melting point metal is at least one of indium, tin or a method of producing a piezoelectric coaxial fiber, characterized in that at least one alloy.
  5. 제1항에 있어서,The method of claim 1,
    상기 프리폼의 드로잉은 열간 드로잉 방식으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 압전 동축 섬유의 제조 방법.The drawing of the preform is a method of producing a piezoelectric coaxial fiber, characterized in that the hot drawing method.
  6. 제1항에 있어서,The method of claim 1,
    상기 드로잉시 상기 동축 섬유체의 직경을 모니터링하여, 모니터링 결과를 근거로 공정 조건을 제어하는 것을 특징으로 하는 압전 동축 섬유의 제조 방법.The method of manufacturing a piezoelectric coaxial fiber, characterized in that for monitoring the diameter of the coaxial fiber body, the process conditions are controlled based on the monitoring result.
  7. 제1항에 있어서,The method of claim 1,
    상기 프리폼의 드로잉 후, 상기 동축 섬유체를 어닐링하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 동축 섬유의 제조 방법.After drawing the preform, further comprising annealing the coaxial fiber body.
  8. 제1항에 있어서,The method of claim 1,
    상기 외부 전극을 형성하기 전, 상기 동축 섬유체에 전압을 인가하여 상기 압전 고분자층을 분극 처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 동축 섬유의 제조 방법.And forming a polarization treatment of the piezoelectric polymer layer by applying a voltage to the coaxial fiber body before forming the external electrode.
  9. 제8항에 있어서,The method of claim 8,
    상기 분극 처리는 코로나 방전(corona discharge)을 이용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 압전 동축 섬유의 제조 방법.The polarization treatment is a method of producing a piezoelectric coaxial fiber, characterized in that using a corona discharge (corona discharge).
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항을 따르는 제조 방법에 의해 제조된 압전 동축 섬유.A piezoelectric coaxial fiber produced by the manufacturing method according to any one of claims 1 to 9.
  11. 전도성 고분자 복합체로 형성된 코어 전극;A core electrode formed of a conductive polymer composite;
    상기 코어 전극의 외곽에 형성된 압전 고분자층; A piezoelectric polymer layer formed on the periphery of the core electrode;
    상기 코어 전극 및 압전 고분자층과 동축을 갖도록 상기 압전 고분자층의 외곽에 형성되고, 전도성 고분자 복합체로 형성된 외부 전극; 및An external electrode formed on the outer side of the piezoelectric polymer layer to have a coaxial with the core electrode and the piezoelectric polymer layer, and formed of a conductive polymer composite; And
    상기 외부 전극의 외곽에 형성되는 절연성 재질의 보호층을 포함하고,It includes a protective layer of an insulating material formed on the outer periphery of the external electrode,
    상기 압전 고분자층은 압전 고분자 물질의 결정들이 일 방향으로 배향되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 압전 동축 섬유.The piezoelectric polymer layer is a piezoelectric coaxial fiber, characterized in that the crystals of the piezoelectric polymer material is configured to be oriented in one direction.
  12. 제11항에 있어서,The method of claim 11,
    상기 압전 고분자층을 이루는 압전 고분자 물질의 결정들은 상기 압전 나노 섬유의 길이 방향으로 배향되는 것을 특징으로 하는 압전 동축 섬유. Crystals of the piezoelectric polymer material constituting the piezoelectric polymer layer is oriented in the longitudinal direction of the piezoelectric nanofibers.
  13. 제11항에 있어서,The method of claim 11,
    상기 압전 고분자층을 이루는 압전 고분자 물질의 결정들은 상기 압전 나노 섬유의 반경 방향으로 분극되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 압전 동축 섬유.Crystals of the piezoelectric polymer material constituting the piezoelectric polymer layer is configured to be polarized in the radial direction of the piezoelectric nanofibers.
  14. 제11항에 있어서,The method of claim 11,
    상기 압전 고분자 물질은 PVDF, PVDF-TrFE, PVDF-TrFE-CFE. PVDF-HFP 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 동축 섬유.The piezoelectric polymer material is PVDF, PVDF-TrFE, PVDF-TrFE-CFE. Piezoelectric coaxial fiber comprising any one of PVDF-HFP.
  15. 제11항에 있어서,The method of claim 11,
    상기 코어 전극은 저융점 금속이 함유된 전도성 고분자 복합체로 형성되는 것을 특징으로 하는 압전 동축 섬유.The core electrode is a piezoelectric coaxial fiber, characterized in that formed of a conductive polymer composite containing a low melting point metal.
  16. 제15항에 있어서,The method of claim 15,
    상기 저융점 금속은 인듐, 주석 중 적어도 하나 또는 하나 이상의 합금을 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 동축 섬유.The low melting point metal is at least one of the indium, tin or piezoelectric coaxial fiber, characterized in that it comprises at least one alloy.
  17. 제11항에 있어서, 상기 코어 전극은,The method of claim 11, wherein the core electrode,
    나노 또는 마이크로 파티클, 나노 와이어, 나노 또는 마이크로 플레이크 중 적어도 하나의 형태의 갖는, 실버 또는 구리의 전도성 입자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 동축 섬유.A piezoelectric coaxial fiber further comprising conductive particles of silver or copper having in the form of nano or micro particles, nano wires, nano or micro flakes.
  18. 제11항에 있어서,The method of claim 11,
    상기 외부 전극은, PEDOT:PSS, Ag 나노 와이어, Ag 마이크로/나노 파티클, 카본 블랙(Carbon Black), 그라파이트(Graphite), 그라핀(Graphene), Ag-coated Cu 마이크로 또는 나노 파티클 중 하나 이상이 포함된 복합 소재로 형성되는 것을 특징으로 하는 압전 동축 섬유.The external electrode may include one or more of PEDOT: PSS, Ag nanowires, Ag micro / nanoparticles, carbon black, graphite, graphene, Ag-coated Cu micro or nanoparticles. Piezoelectric coaxial fiber, characterized in that formed from a composite material.
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