KR101336229B1 - Flexible nano composite generator and manufacturinf method for the same - Google Patents
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Abstract
플렉서블 나노복합 제너레이터 및 그 제조방이 제공된다.
본 발명에 따른 플렉서블 나노복합제너레이터는 압전 나노입자 및 탄소나노구조체를 포함하는 가요성 매트릭스로 이루어진 압전층; 및 상기 압전층 상하 또는 양 옆면에 구비된 전극층을 포함하는 것을 특징으로 하며, 본 발명에 따른 플렉서블 나노복합 제너레이터 제조방법 및 이에 따라 제조된 플렉서블 나노제너레이터는 대면적으로 제작이 가능하고 미세한 두께로 제작된다. 따라서, 섬유나 의복의 일부로 사용될 수 있다. 이로써, 부착된 의복의 구부러짐에 따라 본 발명에 따른 나노제너레이터 또한 전력이 생산되므로, 인체의 움직임 등에 따라 지속적인 전력생산이 가능하다는 장점이 있다. Provided are a flexible nanocomposite generator and a manufacturing method thereof.
The flexible nanocomposite generator according to the present invention includes a piezoelectric layer made of a flexible matrix including piezoelectric nanoparticles and carbon nanostructures; And characterized in that it comprises an electrode layer provided on the upper and lower sides or the piezoelectric layer, the method for manufacturing a flexible nanocomposite generator according to the present invention and the flexible nanogenerator manufactured according to the present invention can be manufactured in a large area and manufactured to a fine thickness do. Thus, it can be used as part of a fiber or garment. As a result, the nano-generator according to the present invention also produces power as the attached clothing is bent, and thus there is an advantage that the power can be continuously produced according to the movement of the human body.
Description
본 발명은 플렉서블 나노복합제너레이터 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기판의 구부러짐에 따라 전력이 생산되므로, 인체의 움직임 등에 따라 지속적인 전력생산이 가능하고, 섬유와 함께 사용되어 전력을 생산할 수 있는 형태의 플렉서블 나노복합제너레이터 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a flexible nanocomposite generator and a method of manufacturing the same, and more particularly, power is produced as the substrate is bent, so that the power can be continuously produced according to the movement of the human body, and used together with the fiber to produce power. The present invention relates to a flexible nanocomposite generator and a method of manufacturing the same.
외부 에너지원(예를 들면 열에너지, 동물 움직임 또는 바람과 파도 등의 자연으로부터 발생하는 진동, 기계적 에너지)를 전기 에너지로 변환시키는 에너지 하비스트(energy harvest) 기술은 최근 친환경 기술로서 널리 연구되고 있다. 특히, 나노제너레이터(nanogenerator)를 제조하는 기술에 대하여 많은 연구그룹들이 연구하고 있는데, 그 이유는 이러한 나노제너레이터를 이식가능한 작은 인체소자로 집약하여, 인체 내에서의 생체역학적 에너지를 재활용할 수 있는 장점이 있기 때문이다.Energy harvesting technology that converts external energy sources (for example, thermal energy, animal movements or vibrations and mechanical energy generated from nature such as wind and waves) into electrical energy has been widely studied as an environmentally friendly technology. In particular, many research groups are working on a technology for manufacturing nanogenerators. The reason is that these nanogenerators can be aggregated into small implantable human devices, and the biomechanical energy in the human body can be recycled. Because of this.
외부 진동의 기계적 에너지로부터 에너지를 생산하는 기술 중 하나는 강유전체 물질의 압전성질을 활용하는 것이다. 압전물질을 이용한 에너지 생산 기술은 많은 연구 그룹들에 의하여 연구되고 있는데, Chen et al . 들은 벌크 실리콘 기판 상의 납 지르코네이트 티타네이트(lead zirconate titanate (PbZrxTi1 - xO3, PZT)) 나노섬유를 이용하는 나노제너레이터를 개시하였다. 상기 기술에 따르면 서로 대향하는 전극에 맞물린 PZT 나노섬유는 나노제너레이터 표면에 수직으로 가해지는 압력에 의하여 상당한 전압을 생성하였다. Wang 등은 압전특성을 나타내는 ZnO 나노와이어들를 다양한 형태로 배열하여 고효율의 나노제너레이터를 개발하여, 상기 기술을 이용하여 동물의 호흡 및 심박의 미세한 생체역학에너지를 전기에너지로 전환하는 시스템을 구축하였다. 또한, 나노제너레이터에서 생성되는 에너지를 이용하여 LED와 LCD를 구현하는데까지 이르렀다. 최근에는 페로브스카이트 (perovskite) 구조를 가지는 세라믹 박막물질을 이용한 나노제너레이터가 개시되었다. One technique for producing energy from the mechanical energy of external vibrations is to utilize the piezoelectric properties of ferroelectric materials. Energy production technology using piezoelectric materials is being studied by many research groups, Chen et al . Are lead zirconate titanate on the bulk silicon substrate, it discloses a nano-generator using the nanofibers (lead zirconate titanate (PbZr x Ti 1 x
하지만, 현재까지 기술들은 나노제너레이터 제작에 있어 공정이 복잡하고 많은 비용이 필요할 뿐만 아니라, 대면적으로 제작하는 것이 불가능하여 섬유-IT 기술에 적용할 수 있는 플렉서블 나노제너레이터는 아직까지 개시되지 못하는 상황이다.However, to date, technologies are not only complicated and expensive to manufacture nanogenerators, but also cannot be manufactured in large areas, and thus flexible nanogenerators that can be applied to fiber-IT technologies have not yet been disclosed. .
따라서, 본 발명이 해결하려는 과제는 고효율의 특성을 나타내고 간단한 제작공정과 대면적 제작이 가능하면서, 의복이나 섬유의 일부로 사용될 수 있는 수준으로 미세한 두께 조절이 가능한 플렉서블 나노복합 제너레이터 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.Accordingly, the problem to be solved by the present invention is to provide a flexible nanocomposite generator and a method of manufacturing the same, which exhibits high efficiency, a simple fabrication process and a large-area fabrication, and which can be used as a part of a garment or a fiber. It is.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 압전 나노입자 및 탄소나노구조체를 포함하는 가요성 매트릭스로 이루어진 압전층; 및 상기 압전층 상하 또는 양 옆면에 구비된 전극층을 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 나노복합제너레이터을 제공한다. In order to solve the above problems, the present invention is a piezoelectric layer consisting of a flexible matrix including piezoelectric nanoparticles and carbon nanostructures; And it provides a flexible nano-composite generator comprising an electrode layer provided on the upper and lower sides or both sides of the piezoelectric layer.
본 발명의 일 실시예에서 상기 압전층은 상기 압전 나노입자와 탄소나노구조체가 혼입된 후, 경화되며, 상기 압전층은 경화되기 전, 용액 상태의 가요성 매트릭스에 상기 압전 나노입자 및 탄소나노구조체를 혼입한 후, 스핀코팅된다. In one embodiment of the present invention, the piezoelectric layer is cured after the piezoelectric nanoparticles and the carbon nanostructure are mixed, and the piezoelectric layer is in the solution state before the hardening of the piezoelectric nanoparticles and the carbon nanostructure. After mixing, it is spin coated.
본 발명의 일 실시예에서 상기 탄소나노구조체는 탄소나노튜브이며, 상기 압전 나노입자는 BTO 나노입자이며, 상기 매트릭스는 폴리디메틸실록산(PDMS)이다. In one embodiment of the present invention, the carbon nanostructure is carbon nanotubes, the piezoelectric nanoparticles are BTO nanoparticles, and the matrix is polydimethylsiloxane (PDMS).
본 발명의 일 실시예에서 상기 전극층은 플렉서블 기판; 및 상기 플렉서블 기판 상에 적층된 금속층을 포함한다. 또한, 상기 전극층은 전도성 유기물질 층일 수 있다.In one embodiment of the invention the electrode layer is a flexible substrate; And a metal layer stacked on the flexible substrate. In addition, the electrode layer may be a conductive organic material layer.
본 발명은 또한 상술한 플렉서블 나노복합제너레이터를 포함하는 섬유재를 제공하며, 본 발명은 또한 상술한 플렉서블 복합 나노제너레이터; 및 상기 플렉서블 복합 나노제너레이터로부터 발생한 전류를 저장하는 저장장치를 포함한다. The present invention also provides a fiber material comprising the above-mentioned flexible nanocomposite generator, the present invention also provides the above-described flexible composite nanogenerator; And a storage device for storing current generated from the flexible composite nanogenerator.
상기 또 다른 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 용액상태의 나노복합체 소재를 이용하여 압전층을 제조하는 단계; 및 상기 압전층의 상하 또는 양 옆면에 각각 전극층을 적층시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 나노복합제너레이터 제조방법을 제공한다. In order to solve the another problem, the present invention comprises the steps of preparing a piezoelectric layer using a nanocomposite material in a solution state; And it provides a flexible nanocomposite generator manufacturing method comprising the step of laminating the electrode layer on the top and bottom or both sides of the piezoelectric layer, respectively.
본 발명의 일 실시예에서 상기 방법은 상기 매트릭스 용액에 상기 압전 나노입자 및 탄소나노구조체를 혼입시킨 후, 상기 혼입액을 상기 전극층에 도포하는 단계; 상기 전극층상에서 상기 혼입액을 스핀코팅하는 단계; 및 상기 스핀코팅된 혼입액을 경화시키는 단계를 더 포함한다. In one embodiment of the present invention, the method comprises incorporating the piezoelectric nanoparticles and carbon nanostructures in the matrix solution, and then applying the mixed solution to the electrode layer; Spin coating the mixed solution on the electrode layer; And curing the spin-coated mixed solution.
본 발명의 일 실시예에서 상기 전극층은 플렉서블 기판 및 상기 플렉서블 기판 상에 형성된 금속층으로 이루어지며, 상기 금속층은 상기 압전층과 접촉한다. 또는 상기 전극층은 전도성 유기물질 층으로 이루어지며, 상기 압전층과 접촉한다. In one embodiment of the present invention, the electrode layer is made of a flexible substrate and a metal layer formed on the flexible substrate, the metal layer is in contact with the piezoelectric layer. Alternatively, the electrode layer is made of a conductive organic material layer and in contact with the piezoelectric layer.
본 발명의 일 실시예에서 상기 탄소나노구조체는 탄소나노튜브이며, 상기 압전 나노입자는 BTO이다. 또한, 상기 매트릭스는 폴리디메틸실록산이다. In one embodiment of the present invention, the carbon nanostructure is carbon nanotubes, and the piezoelectric nanoparticles are BTO. In addition, the matrix is polydimethylsiloxane.
본 발명은 상기 또 다른 과제를 해결하기 위하여, 상술한 플렉서블 나노복합제너레이터를 포함하는 의류 제조방법으로, 상기 방법은 매트릭스 용액에 압전 나노입자 및 탄소나노구조체를 혼입시킨 후, 상기 혼입액을 전기방사법을 이용하여 의류에 도포하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 나노복합제너레이터를 포함하는 의류 제조방법을 제공한다.
The present invention is a method for manufacturing a garment comprising the flexible nanocomposite generator described above, in order to solve the above another problem, the method is a mixture of piezoelectric nanoparticles and carbon nanostructures in a matrix solution, the electrospinning method of the mixed solution It provides a garment manufacturing method comprising a flexible nanocomposite generator comprising the step of applying to the garment using.
본 발명에 따른 플렉서블 나노복합 제너레이터 제조방법 및 이에 따라 제조된 플렉서블 나노제너레이터는 대면적으로 제작이 가능하고 미세한 두께로 제작된다. 따라서, 섬유나 의복의 일부로 사용될 수 있다. 이로써, 부착된 의복의 구부러짐에 따라 본 발명에 따른 나노제너레이터 또한 전력이 생산되므로, 인체의 움직임 등에 따라 지속적인 전력생산이 가능하다는 장점이 있다. The method of manufacturing a flexible nanocomposite generator according to the present invention and the flexible nanogenerator prepared according to the present invention can be manufactured in a large area and manufactured to have a fine thickness. Thus, it can be used as part of a fiber or garment. As a result, the nano-generator according to the present invention also produces power as the attached clothing is bent, and thus there is an advantage that the power can be continuously produced according to the movement of the human body.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플렉서블 나노복합 나노제너레이터 제조방법의 단계도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 플렉서블 나노복합 제너레이터를 제조하는 방법을 설명하는 공정 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 플렉서블 나노복합 제너레이터의 단면 주사전자 현미경 (SEM) 이미지이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 압전특성을 나타내는 나노복합물질 대한 SEM 단면 이미지이다.
도 5는 수열 합성법으로 제조된 BaTiO3 나노입자의 SEM 이미지이다.
도 6은 본 발명에서 사용된 다중벽 탄소나노튜브의 형상을 나타내기 위한 SEM 이미지이다.
도 7은 본 발명에 따른 제조된 후, 압전특성을 나타내는 나노복합물질이 플렉서블하다는 것을 보여주는 사진이다.
도 8은 스핀 코팅 방식에 따라 제조된 대면적 나노제너레이터 소자의 이미지이다. 즉, 본 발명에 따르면, 압전 나노입자와 탄소나노튜브를 이용하여 대면적의 나노복합 제너레이터가 제조될 수 있다.
도 9는 본 발명에 따른 나노복합 제너레이터에서 어떻게 전압 및 전류가 생성되는지를 설명해주는 그림이다.
도 10은 원래의 상태(original sate), 굽혀진 상태(bending state) 및 다시 펴진 상태(release state)에서의 나노제너레이터를 나타내는 사진이다.
도 11은 반복적인 굽힘과 펴짐에 따라 나노복합 제너레이터에서 측정되는 출력 전압(좌측, i)과 전류 신호(우측, ii)를 나타내는 그래프이다.
도 12는 도 11과는 반대로 연결된 상태에서 출력 전압(좌측, i)과 전류 신호(우측, ii)를 나타내는 그래프이다.
도 13은 본 발명에 따른 소자의 기계적 강도를 확인하기 위한 내구성 테스트 결과를 나타내는 도면이다.
도 14a는 BTO 나노입자와 다중벽 탄소나노튜브만을 함유하는 PDMS에 의하여 제조된 소자로부터 생성된 출력 전압을 나타내는 그래프이다.
도 14b는 상기 실시예에 따른 플렉서블 나노복합 제너레이터의 출력 전압을 나타내는 그래프이다.
도 15는 각각 BTO 나노입자와 함께 다중벽 탄소나노튜브(i)와 단일별 탄소나노튜브(ii), 그리고 환원 그래핀(iii)을 나노복합 제너레이터에 사용한 경우의 출력전압 결과 그래프를 각각 나타낸 것이다.
도 16은 사람 손가락에 부착된 작은 크기의 나노제너레이터 소자(1.5 cm x 4 cm)의 이미지이다.
도 17은 도 16의 사람 손가락에 부착된 나노제너레이터에서 미세한 손가락 움직임에 따라 측정된 출력 전압 및 전류를 나타내는 그래프이다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노복합 제너레이터의 응용예를 나타내는 도면이다.
도 19는 플라스틱 기판을 대신하여 전도성 유기물질을 전극으로 사용하는 예를 나타내는 그림이다.
도 20은 전기방사법(electospinning)을 이용하여 압전특성을 나타내는 나노복합물질을 뿌려, 의류 전체에 구현하는 예를 나타내는 그림이다.1 is a step diagram of a method for manufacturing a flexible nanocomposite nanogenerator according to an embodiment of the present invention.
2 is a process schematic diagram illustrating a method of manufacturing a flexible nanocomposite generator according to an embodiment of the present invention.
3 is a cross-sectional scanning electron microscope (SEM) image of a flexible nanocomposite generator according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 is a SEM cross-sectional image of the nanocomposite showing the piezoelectric properties prepared in accordance with an embodiment of the present invention.
5 is an SEM image of BaTiO 3 nanoparticles prepared by hydrothermal synthesis.
Figure 6 is a SEM image for showing the shape of the multi-walled carbon nanotubes used in the present invention.
7 is a photograph showing that the nanocomposite exhibiting piezoelectric properties after being prepared according to the present invention is flexible.
8 is an image of a large-area nanogenerator device manufactured according to the spin coating method. That is, according to the present invention, a large-area nanocomposite generator can be manufactured using piezoelectric nanoparticles and carbon nanotubes.
9 is a diagram illustrating how voltage and current are generated in the nanocomposite generator according to the present invention.
FIG. 10 is a photograph showing the nanogenerator in its original state, bending state and release state.
FIG. 11 is a graph showing the output voltage (left, i) and current signal (right, ii) measured by the nanocomposite generator as repeated bending and unfolding.
FIG. 12 is a graph illustrating an output voltage (left, i) and a current signal (right, ii) in the opposite state of FIG. 11.
13 is a view showing the durability test results for confirming the mechanical strength of the device according to the present invention.
14A is a graph showing the output voltage generated from a device manufactured by PDMS containing only BTO nanoparticles and multi-walled carbon nanotubes.
14B is a graph showing an output voltage of the flexible nanocomposite generator according to the embodiment.
FIG. 15 shows graphs of output voltage results when multi-walled carbon nanotubes (i), single-phase carbon nanotubes (ii), and reduced graphene (iii) were used in a nanocomposite generator, respectively, with BTO nanoparticles. .
16 is an image of a small size nanogenerator device (1.5 cm x 4 cm) attached to a human finger.
FIG. 17 is a graph illustrating output voltage and current measured according to a minute finger movement in the nanogenerator attached to the human finger of FIG. 16.
18 is a view showing an application example of the nanocomposite generator according to an embodiment of the present invention.
19 is a diagram illustrating an example of using a conductive organic material as an electrode instead of a plastic substrate.
20 is a diagram showing an example of spraying a nanocomposite material exhibiting piezoelectric properties by using electrospinning to implement the whole garment.
이하, 본 발명을 도면을 참조하여 상세하게 설명하고자 한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서 본 발명은 이하 설명된 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will now be described in detail with reference to the drawings. The following embodiments are provided by way of example so that those skilled in the art can fully understand the spirit of the present invention. Therefore, the present invention is not limited to the embodiments described below, but may be embodied in other forms. In the drawings, the width, length, thickness, etc. of components may be exaggerated for convenience. Like numbers refer to like elements throughout.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제를 해결하기 위하여, 본 발명은 압전특성을 갖는 나노입자(이하 압전 나노입자)와 탄소나노구조체를 동시에 압전층에 사용함으로써, 벌크한 두께가 아닌 얇은 두께의 압전층을 제조하였다. 따라서, 본 발명을 이용하는 경우, 의류와 같은 미세 두께의 섬유의 일 요소로 나노제너레이터 복합시트를 사용할 수 있으며, 이로써 의류 자체로부터 전력을 생산할 수 있다. The present invention is to solve the above-mentioned problems of the prior art, the present invention by using a piezoelectric layer of nanoparticles (hereinafter referred to as piezoelectric nanoparticles) and carbon nanostructures having piezoelectric properties at the same time, a piezoelectric of a thin thickness rather than bulk thickness The layer was prepared. Therefore, when using the present invention, it is possible to use the nano-generator composite sheet as one element of the fine-thick fibers, such as clothing, thereby producing power from the clothing itself.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플렉서블 복합 나노제너레이터 제조방법의 단계도이다. 1 is a step diagram of a method for manufacturing a flexible composite nanogenerator according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 먼저 압전층의 기재를 이루는 액상의 매트릭스에 압전 나노입자와 탄소 나노구조체를 혼입한다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 매트릭스는 경화되기 전 액상을 이루는 폴리디메틸실록산(PDMS)이었으며, 압전 나노입자는 BaTiO3(BTO) 나노입자이었으며, 상기 탄소 나노구조체는 다중벽 탄소나노튜브이었다. 하지만, 본 발명의 범위는 상기 물질의 종류에 제한되지 않으며, 압전특성의 물질로 이루어진 임의의 모든 나노입자와 경화될 수 있으며, 경화 후 플렉서블 특성을 갖는 임의의 모든 물질이 본 발명에서 사용될 수 있다. Referring to FIG. 1, first, the piezoelectric nanoparticles and the carbon nanostructure are mixed in a liquid matrix constituting the substrate of the piezoelectric layer. In one embodiment of the present invention, the matrix was polydimethylsiloxane (PDMS) in the liquid phase before curing, the piezoelectric nanoparticles were BaTiO 3 (BTO) nanoparticles, the carbon nanostructures were multi-walled carbon nanotubes. However, the scope of the present invention is not limited to the kind of the material, can be cured with any nanoparticles made of piezoelectric material, any material having a flexible property after curing can be used in the present invention. .
이후 압전 나노입자와 탄소 나노구조체가 혼입된 매트릭스 용액을 경화시킨다. 이때, 본 발명은 상기 매트릭스 용액을 기판 상에 도포한 후, 스핀코팅시켜, 상기 용액층의 두께를 얇게 하는데, 본 발명은 특히 이러한 기술구성을 통하여 벌크한 상태에서 제조되는 압전소자의 두께를 매우 얇게 하여, 의류 등에 사용되는 섬유재로서 기능하는 압전소자를 제조할 수 있다. Thereafter, the matrix solution in which the piezoelectric nanoparticles and the carbon nanostructures are mixed is cured. At this time, the present invention is applied to the substrate solution, and then spin-coated to thin the thickness of the solution layer, the present invention in particular through the technical configuration of the thickness of the piezoelectric element manufactured in the bulk state very It can be made thin and the piezoelectric element which functions as a fiber material used for clothing etc. can be manufactured.
이후, 상기 압전층의 상하부면에 전극층을 형성하는데, 본 발명의 일 실시예에서는 상기 전극층은 플렉서블 기판과 상기 기판 상에 적층된 금속층을 포함하며, 여기에서 상기 금속층은 압전층과 접촉하여, 기판의 휨에 따라 발생하는 전류를 외부로 보내는 통로로 기능한다. 또한, 이러한 플렉서블 기판과 금속층으로 이루어지는 전극층은 얇은 압전층을 만들기 위하여 필요로 하는 스핀코팅 공정 중 압전층을 이루는 매트릭스 액을 지지하는 일종의 지지 기판으로도 기능한다. Subsequently, an electrode layer is formed on upper and lower surfaces of the piezoelectric layer. In one embodiment of the present invention, the electrode layer includes a flexible substrate and a metal layer stacked on the substrate, wherein the metal layer is in contact with the piezoelectric layer. It functions as a passage to send the current generated by the bending of the device to the outside. In addition, the electrode layer formed of the flexible substrate and the metal layer also functions as a kind of support substrate for supporting the matrix liquid constituting the piezoelectric layer during the spin coating process required to make a thin piezoelectric layer.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 플렉서블 나노복합 제너레이터를 제조하는 방법을 설명하는 공정 모식도이다. 2 is a process schematic diagram illustrating a method of manufacturing a flexible nanocomposite generator according to an embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, PDMS 용액에 압전 나노입자(NP)와 탄소나노튜브(CNT)를 혼입한 후, 스핀코팅하여, 압전 특성을 나타내는 나노복합물질 층(p-NC)를 만든 후, 이를 플라스틱 기판-금속층으로 이루어진 전극층 상에서 경화시켜, 본 발명에 따른 플렉서블 나노복합 제너레이터를 제조한다. Referring to FIG. 2, piezoelectric nanoparticles (NP) and carbon nanotubes (CNT) are mixed in a PDMS solution, followed by spin coating to form a nanocomposite layer (p-NC) that exhibits piezoelectric properties. By curing on an electrode layer consisting of a substrate-metal layer, a flexible nanocomposite generator according to the present invention is prepared.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노복합 제너레이터의 단면 SEM 이미지이다.3 is a cross-sectional SEM image of a nanocomposite generator according to an embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 200㎛ 수준의 두께를 갖는 압전층(p-NC)가 두 개의 PDMS/금/크롬/플라스틱 기판 사이에 형성되었음을 알 수 있다.Referring to FIG. 3, it can be seen that a piezoelectric layer (p-NC) having a thickness of 200 μm is formed between two PDMS / gold / chrome / plastic substrates.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 제너레이터의 압전층에 대한 SEM 단면 이미지이다. 4 is an SEM cross-sectional image of a piezoelectric layer of a generator manufactured according to an embodiment of the present invention.
도 4를 참조하면, BTO 나노입자(NP)와 다중벽 탄소나노튜브(MW-CNT)가 PDMS 매트릭스에 잘 분산되었음을 알 수 있다. Referring to FIG. 4, it can be seen that BTO nanoparticles (NP) and multi-walled carbon nanotubes (MW-CNT) are well dispersed in the PDMS matrix.
도 5는 수열합성법으로 제조된 BTO 나노입자의 SEM 이미지이다. 5 is an SEM image of BTO nanoparticles prepared by hydrothermal synthesis.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 압전 나노입자는 100nm의 크기를 가지며, 볼록한 정육면체 형태를 갖는다. 내삽된 이미지는 본 발명에서 사용된 BTO 나노입자로부터 얻어진 라만 스펙트럼으로, 이것은 본 발명에 따른 BTO 나노입자가 압전특성을 나타내는 상을 갖는다는 것을 나타낸다. 5, the piezoelectric nanoparticles according to the present invention have a size of 100 nm and have a convex cube shape. The interpolated image is a Raman spectrum obtained from the BTO nanoparticles used in the present invention, indicating that the BTO nanoparticles according to the present invention have a phase exhibiting piezoelectric properties.
도 6은 본 발명에서 사용된 다중벽 탄소나노튜브의 형상을 나타내기 위한 SEM 이미지이다. 도 6을 참조하면, 본 발명에서 사용된 다중벽 탄소나노튜브는 20nm의 직경, 2㎛의 길이를 나타낸다. 내삽된 이미지는 다중벽 탄소나노튜브의 전형적인 라만 시프트를 나타내고 있다. Figure 6 is a SEM image for showing the shape of the multi-walled carbon nanotubes used in the present invention. Referring to FIG. 6, the multi-walled carbon nanotubes used in the present invention have a diameter of 20 nm and a length of 2 μm. The interpolated image shows a typical Raman shift of multiwalled carbon nanotubes.
도 7은 본 발명에 따른 제조된 후, 압전특성을 나타내는 나노복합물질을 트위저를 이용하여 양쪽에서 당기고 있는 사진이다. 이는 나노복합물질을 플렉서블할 뿐만 아니라 인장가능한 물질임을 나타내고 있다. 7 is a photograph of the nanocomposite material showing piezoelectric properties after being prepared according to the present invention from both sides using a tweezer. This indicates that the nanocomposite is flexible as well as stretchable.
도 7에서 내삽된 이미지는 손가락에 의하여 휘어지는 본 발명의 나노복합 제너레이터를 나타낸다. 여기에서 압전층은 플라스티 기판 및 상기 플라스티 기판 상에 형성된 금/크롬과 같은 금속층 사이에 내삽되어, 나노제너레이터로서도 기능한다. 크롬 선이 은 페이스트에 의하여 금속 패드에 고정되며, 이로써 본 발명에 따른 나노제너레이터로부터 발생하는 전류 특성을 비교, 분석할 수 있다. The interpolated image in FIG. 7 shows the nanocomposite generator of the present invention bent by a finger. Here, the piezoelectric layer is interposed between the plastic substrate and the metal layer such as gold / chromium formed on the plastic substrate, and also functions as a nanogenerator. The chromium wire is fixed to the metal pad by the silver paste, so that current characteristics generated from the nanogenerator according to the present invention can be compared and analyzed.
도 8은 스핀 코팅 방식에 따라 제조된 대면적 나노제너레이터 소자의 이미지이다. 즉, 본 발명에 따르면, 압전 나노입자와 탄소나노튜브를 이용하여 대면적의 나노복합 제너레이터가 제조될 수 있다.8 is an image of a large-area nanogenerator device manufactured according to the spin coating method. That is, according to the present invention, a large-area nanocomposite generator can be manufactured using piezoelectric nanoparticles and carbon nanotubes.
도 9는 본 발명에 따른 나노복합 제너레이터에서의 전력 생산 메커니즘을 나타내는 도면이다.9 illustrates a power generation mechanism in the nanocomposite generator according to the present invention.
도 9를 참조하면, 전형적인 압전 세라믹 물질은 높은 전기장에서 정렬될 수 있는 쌍극자 모멘트를 갖는다. 쌍극자 모멘트를 갖는 영역의 대부분은 원래의 상태(original state)에서 직류 전기장 방향으로 정렬된다(도 9의 i). 상기 제너레이터의 상부 및 하부 전극은 소스미터의 양전하 및 음전하에 각각 연결된다. 기계적인 스트레스가 본 발명에 따른 나노제너레이터에 인가되어, 굽혀지게 되면 (도 9의 ii), 나노입자의 쌍극자에 의하여 상/하부 측에서 양과 음의 포텐셜이 각가 발생한다. 생성된 전자는 외부 회로를 통하여 하부 전극으로부터 상부 전극으로 이동하게 되고, 이는 전극 사이에서 출력 전압을 발생시킨다. 이후 본 발명에 따른 나노제너레이터에 인가된 압력이 제거되어, 다시 소자는 휘지 않은 상태로 회복한다(도 9의 iii). 이때, 두 전극 상의 압전 포텐셜은 소멸되고, 상부 전극에 축적된 전자는 회로를 통하여 하부 전극으로 이동하며, 반대 방향으로의 전기 펄스를 형성한다. Referring to FIG. 9, a typical piezoelectric ceramic material has a dipole moment that can be aligned at high electric fields. Most of the regions with dipole moments are aligned in the direct electric field direction in their original state (i in FIG. 9). The upper and lower electrodes of the generator are connected to the positive and negative charges of the source meter, respectively. When mechanical stress is applied to the nanogenerator according to the present invention and bent (ii in FIG. 9), the positive and negative potentials are generated at the upper and lower sides by the dipoles of the nanoparticles. The generated electrons move from the lower electrode to the upper electrode through an external circuit, which generates an output voltage between the electrodes. Thereafter, the pressure applied to the nanogenerator according to the present invention is removed, and the device is returned to the unbending state (iii in FIG. 9). At this time, the piezoelectric potentials on the two electrodes disappear and electrons accumulated in the upper electrode move to the lower electrode through the circuit and form an electric pulse in the opposite direction.
도 10은 원래의 상태(original sate), 굽혀진 상태(bending state) 및 다시 펴진 상태(release state)에서의 나노제너레이터를 나타내는 사진이다.FIG. 10 is a photograph showing the nanogenerator in its original state, bending state and release state.
도 11은 휘어진 후, 다시 회복됨에 따라 측정되는 출력 전압(좌측, i)과 전류 신호(우측, ii)를 나타내는 그래프이다. FIG. 11 is a graph showing an output voltage (left, i) and a current signal (right, ii) measured as they are recovered after being bent again.
도 11을 참조하면, 정상 연결(forward connection) 상태에서 검출된 출력 신호는 나노복합 제너레이터의 반복되는 소자의 기계적 상태에 대응되는 패턴을 보인다. 아래에 내삽된 이미지는 출력 신호의 확대된 영역을 보인다. Referring to FIG. 11, the output signal detected in the forward connection state shows a pattern corresponding to the mechanical state of the repeated device of the nanocomposite generator. The interpolated image below shows an enlarged area of the output signal.
도 12는 역으로 연결된 상태에서 출력 전압(좌측, i)과 전류 신호(우측, ii)를 나타낸다. 상기 결과는 측정된 출력이 반복적인 굽힘과 펴짐 동작에 의해 소자로부터 생성된 신호임을 나타낸다. Figure 12 shows the output voltage (left, i) and current signal (right, ii) in the reversed connection. The results indicate that the measured output is a signal generated from the device by repeated bending and unfolding operations.
도 13은 본 발명에 따른 소자의 기계적 강도를 확인하기 위한 내구성 테스트 결과를 나타낸다. 도 13을 참조하면, 전압의 크기 변화가 1,200번까지의 굽힘 테스트에도 불구하고 나타나지 않았으며, 본 발명에 따른 나노복합 제너레이터는 기계적으로 안정함을 알 수 있다.Figure 13 shows the durability test results for confirming the mechanical strength of the device according to the present invention. Referring to FIG. 13, it can be seen that the change in voltage was not shown despite the bending test up to 1,200 times, and the nanocomposite generator according to the present invention is mechanically stable.
도 14a는 BTO 나노입자와 다중벽 탄소나노튜브만을 함유하는 PDMS로 제조된 소자로부터 생성된 출력 전압을 나타낸다(각각 도 14의 i, ii). 반면 도 14a의 iii는 본 발명에 따라 제조된 나노제너레이터의 출력 전압을 나타낸다. 내삽된 이미지는 출력 신호의 확대된 영역을 각각 나타낸다. FIG. 14A shows the output voltage generated from a device made of PDMS containing only BTO nanoparticles and multi-walled carbon nanotubes (i and ii of FIG. 14, respectively). On the other hand, iii of FIG. 14a shows the output voltage of the nanogenerator manufactured according to the present invention. The interpolated images each represent an enlarged area of the output signal.
도 14a를 참조하면, 단순히 BTO 나노입자나 다중벽 탄소나노튜브만을 압전층에 사용하면 충분한 전력 생산 효과를 기대할 수 없다는 것을 알 수 있다. Referring to Figure 14a, it can be seen that simply using only BTO nanoparticles or multi-walled carbon nanotubes in the piezoelectric layer can not expect a sufficient power production effect.
도 14b는 상기 실시예에 따른 다양한 조성을 가지는 플렉서블 나노복합 제너레이터의 출력 전압을 나타낸다. 14B illustrates an output voltage of the flexible nanocomposite generator having various compositions according to the embodiment.
하기 표 1은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 탄소나노튜브-BTO 나노입자의 함량비를 정리한 것이다.Table 1 summarizes the content ratio of carbon nanotubes-BTO nanoparticles according to various embodiments of the present invention.
(중량%)Multi-walled Carbon Nanotubes
(weight%)
(중량%)BTO Nanoparticles
(weight%)
도 14b를 참조하면, 다중벽 탄소나노튜브는 적어도 1 중량%이어야 하며, 아울러 BTO 나노입자는 12중량% 이상, 20중량% 이하인 것이 바람직하다. 특히 실시예 4에 따른 조성비에서는 출력전압이 최대가 되는 것을 알 수 있다. Referring to FIG. 14B, the multi-walled carbon nanotubes should be at least 1% by weight, and the BTO nanoparticles are preferably 12% by weight or more and 20% by weight or less. In particular, it can be seen that the output voltage is maximum in the composition ratio according to the fourth embodiment.
도 15는 각각 BTO 나노입자와 함께 다중벽 탄소나노튜브(i)와 단일별 탄소나노튜브(ii), 그리고 환원 그래핀(iii)을 압전층에 사용한 경우의 출력전압 결과이다.FIG. 15 shows output voltage results when multi-walled carbon nanotubes (i), single-phase carbon nanotubes (ii), and reduced graphene (iii) are used in a piezoelectric layer with BTO nanoparticles, respectively.
도 15를 참조하면, 환원된 그래핀에 비하여 탄소나노튜브가 전력 생산 효과가 뛰어났다. 특히 고가의 단일벽 탄소나노튜브와 저가의 다중벽 탄소나노튜브가 실질적으로 동일한 전력 생성 효과를 발생시킨 바, 다중벽 탄소나노튜브를 탄소나노구조체로 사용하는 경우, 저가의 비용으로도 대면적의 나노제너레이터를 제조할 수 있다. Referring to FIG. 15, carbon nanotubes were superior in power generation effect compared to reduced graphene. In particular, expensive single-walled carbon nanotubes and inexpensive multi-walled carbon nanotubes generate substantially the same power generation effect. Nanogenerators can be prepared.
도 16은 사람 손가락에 부착된 작 크기의 나노제너레이터 소자(1.5 cm x 4 cm)의 이미지이다. 각각 원래의 상태, 굽혀진 상태 및 다시 펴진 상태로 휠 수 있음을 알 수 있다. 16 is an image of a small size nanogenerator element (1.5 cm x 4 cm) attached to a human finger. It can be seen that each can be bent in its original state, bent and unfolded.
도 17은 사람 손가락의 동작에 따른 출력 전압의 그래프이다. 17 is a graph of output voltage according to the operation of a human finger.
도 17을 참조하면, 출력전압은 굽힘과 펴짐 상태에 따라 주기적인 양과 음의 값을 나타내는 것을 알 수 있으며, 상기 출력전압은 나노복합 제너레이터의 각 상태에 대응되는 것을 알 수 있다. 상기 그림 중 하부에 내삽된 이미지는 출력 신호의 확대된 영역을 나타낸다. Referring to FIG. 17, it can be seen that the output voltage shows periodic positive and negative values according to bending and unfolding states, and the output voltage corresponds to each state of the nanocomposite generator. The interpolated image at the bottom of the figure shows an enlarged area of the output signal.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노복합 제너레이터의 응용예를 나타낸다. 18 illustrates an application of the nanocomposite generator according to an embodiment of the present invention.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 나노복합 제너레이터는 얇은 두께의 압전층을 가지고, 플렉서블 특성을 가지며, 또한 기계적인 스트레스에 따라 전기적 신호를 발생시킨다. 따라서, 사람의 움직임에 따라 기계적인 힘을 받게 되는 섬유재에 본 발명에 따른 나노제너레이터를 일부 또는 전부로 포함시켜, 전력을 생산할 수 있다. 도 18을 참조하면, 본 발명에 따른 나노제너레이터(701)가 대면적으로 의류 섬유에 구비되고, 상기 나노제너레이터(701)로부터 생산된 전기는 상기 나노제너레이터(701)와 전기적으로 연결된 정류 및 저장장치(700)에 흘러, 정류된 후 커패시터나 이차전지와 같은 에너지 저장 장치(700)에 저장될 수 있다.As described above, the nanocomposite generator according to the present invention has a thin piezoelectric layer, has a flexible characteristic, and generates an electrical signal according to mechanical stress. Therefore, the nanogenerator according to the present invention may be included as part or all of the fiber material subjected to mechanical force according to the movement of the person, thereby producing electric power. Referring to FIG. 18, a
도 19는 플라스틱 기판을 대신하여 전도성 유기물질을 전극으로 사용하는 예를 나타내는 그림이다.19 is a diagram illustrating an example of using a conductive organic material as an electrode instead of a plastic substrate.
도 19를 참조하면, 본 발명에 따른 나노제너레이터에서 금/크롬/플라스틱을 대신하여 전극으로 전도성 유기물질(800)을 사용하게 될 경우, 더욱 유연하면서 다양한 형태로 제작이 가능하다.Referring to FIG. 19, when the conductive
도 20은 전기방사법(electospinning)을 이용하여 압전특성을 나타내는 나노복합물질을 뿌려, 의류 전체에 구현하는 예를 나타내는 그림이다.20 is a diagram showing an example of spraying a nanocomposite material exhibiting piezoelectric properties by using electrospinning to implement the whole garment.
도 20을 참조하면, 본 발명에서 제작된 압전특성을 나타내는 나노복합물질(900)을 고전압 장비(903)를 이용하여 전기방사되는 나노복합물질(901)을 의류(902) 전체에 뿌려, 신체의 움직임으로부터 전기를 생성할 수 있는 의류를 제작할 수 있다.Referring to FIG. 20, the nanocomposite material 900 exhibiting piezoelectric properties, manufactured by the present invention, is sprayed on the entire garment 902 by electrospinning the nanocomposite material 901 using high voltage equipment 903. Clothes can be produced that can generate electricity from movement.
상술한 바와 같이, 본 발명은 다양한 면적과 얇은 두께의 나노제너레이터를 경제적인 방식으로 제조할 수 있으며, 섬유 등과 연결되어, 섬유의 일부 또는 전부로서 활용될 수 있다.As described above, the present invention can produce nanoareas of various areas and thicknesses in an economical manner, and can be utilized as part or all of the fibers in connection with the fibers and the like.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들을 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 한다.So far I looked at the center of the preferred embodiment for the present invention. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. Therefore, the disclosed embodiments are to be regarded in an illustrative rather than a restrictive sense, and all differences within the equivalent scope should be construed as being included in the present invention.
Claims (17)
상기 압전층은 상기 압전 나노입자와 탄소나노구조체가 혼입된 후, 경화된 것이고,
상기 압전층은 경화되기 전, 용액 상태의 가요성 매트릭스에 상기 압전 나노입자 및 탄소나노구조체를 혼입한 후, 스핀코팅된 것을 특징으로 하는 플렉서블 나노복합제너레이터.A piezoelectric layer made of a flexible matrix including piezoelectric nanoparticles and carbon nanostructures; In the flexible nanocomposite generator comprising an electrode layer provided on the upper and lower sides or both sides of the piezoelectric layer,
The piezoelectric layer is cured after the piezoelectric nanoparticles and the carbon nanostructure are mixed.
The piezoelectric layer is a flexible nanocomposite generator characterized in that the piezoelectric nanoparticles and the carbon nanostructures are mixed in a solution state before being cured, and then spin-coated.
상기 탄소나노구조체는 탄소나노튜브이며, 상기 압전 나노입자는 BTO 나노입자인 것을 특징으로 하는 플렉서블 나노복합제너레이터.The method of claim 1,
The carbon nanostructures are carbon nanotubes, and the piezoelectric nanoparticles are BTO nanoparticles.
상기 매트릭스는 폴리디메틸실록산(PDMS)인 것을 특징으로 하는 플렉서블 나노복합제너레이터.5. The method of claim 4,
Flexible matrix nanocomposite, characterized in that the matrix is polydimethylsiloxane (PDMS).
상기 전극층은 플렉서블 기판;
상기 플렉서블 기판 상에 적층된 금속층을 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 나노복합제너레이터.6. The method of claim 5,
The electrode layer is a flexible substrate;
Flexible nanocomposite generator comprising a metal layer laminated on the flexible substrate.
상기 전극층은 전도성 유기물질 층인 것을 특징으로 하는 플렉서블 나노복합제너레이터.6. The method of claim 5,
The electrode layer is a flexible nanocomposite generator, characterized in that the conductive organic material layer.
상기 플렉서블 복합 나노제너레이터로부터 발생한 전류를 저장하는 저장장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 의류. A flexible composite nanogenerator according to any one of claims 1 and 4; And
And a storage device for storing current generated from the flexible composite nanogenerator.
매트릭스 용액에 압전 나노입자 및 탄소나노구조체를 혼입시켜 혼입액을 제조한 후, 상기 혼입액을 전극층에 도포하는 단계;
상기 전극층에 도포된 상기 혼입액을 스핀코팅하는 단계; 및
상기 스핀코팅된 혼입액을 상기 전극층상에서 경화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 나노복합제너레이터 제조방법.Flexible nano composite generator manufacturing method,
Preparing a mixed solution by incorporating piezoelectric nanoparticles and carbon nanostructures into a matrix solution, and then applying the mixed solution to an electrode layer;
Spin coating the mixed solution applied to the electrode layer; And
And curing the spin-coated mixed solution on the electrode layer.
상기 전극층은 플렉서블 기판 및 상기 플렉서블 기판 상에 형성된 금속층으로 이루어지며, 상기 금속층은 압전층과 접촉하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 나노복합제너레이터 제조방법.12. The method of claim 11,
The electrode layer is made of a flexible substrate and a metal layer formed on the flexible substrate, the metal layer is a method of manufacturing a flexible nanocomposite, characterized in that the contact with the piezoelectric layer.
상기 전극층은 전도성 유기물질 층으로 이루어지며, 압전층과 접촉하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 나노복합제너레이터 제조방법.12. The method of claim 11,
The electrode layer is made of a conductive organic material layer, characterized in that in contact with the piezoelectric layer flexible nanocomposite manufacturing method.
상기 탄소나노구조체는 탄소나노튜브인 것을 특징으로 하는 플렉서블 나노복합제너레이터 제조방법.The method of claim 13,
The carbon nanostructure is a flexible nanocomposite generator manufacturing method characterized in that the carbon nanotubes.
상기 압전 나노입자는 BTO인 것을 특징으로 하는 플렉서블 나노복합제너레이터 제조방법.The method of claim 14,
The piezoelectric nanoparticles are BTO, characterized in that the flexible nanocomposite manufacturing method.
상기 매트릭스는 폴리디메틸실록산인 것을 특징으로 하는 플렉서블 나노복합제너레이터 제조방법.16. The method of claim 15,
The matrix is a method for producing a flexible nanocomposite, characterized in that the polydimethylsiloxane.
매트릭스 용액에 압전 나노입자 및 탄소나노구조체를 혼입시킨 후, 혼입액을 전기방사법을 이용하여 의류에 도포하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 나노복합제너레이터를 포함하는 의류 제조방법.A method of manufacturing a garment comprising the flexible nanocomposite generator according to any one of claims 1 and 4 to 7.
After the piezoelectric nanoparticles and the carbon nanostructures are incorporated into the matrix solution, the mixed solution is applied to the garment by using an electrospinning method of manufacturing a garment comprising a flexible nanocomposite generator.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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