KR20120118269A - Energy harvesting system using elastic body covered ferroelectricity fabricated dip coating method - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 압전소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 탄성력 또는 탄력을 가지는 나선형 중심전극(Core Electrode)에 강유전성 중합체(Ferroelectric Polymer)층 및 표면전극이 형성된 압전소자를 이용한 에너지 수확 시스템 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a piezoelectric element and a method of manufacturing the same, and more particularly, an energy harvesting system using a piezoelectric element in which a ferroelectric polymer layer and a surface electrode are formed on a spiral core electrode having a resilient force or elasticity. It relates to a manufacturing method.
일반적으로 압전소자는 외부 압력이 가해졌을 때 압력에 비례해 물질 내부 분극이 유도되고, 외부 전기장에 의해 기계적인 변형이 일어나 전류가 발생하는 압전효과를 이용하는 소자로서, 주로 필름구조로 이루어진다. 이 압전소자는 기계적인 진동 에너지와 전기 에너지를 상호 변환시킨다.In general, a piezoelectric element is a device that uses a piezoelectric effect in which an internal polarization is induced in proportion to the pressure when an external pressure is applied, and a mechanical deformation occurs due to an external electric field to generate a current, and mainly consists of a film structure. This piezoelectric element mutually converts mechanical vibration energy and electrical energy.
그러나, 필름구조의 압전소자는 형태적인 특성상 변형이 용이하지 못해 응용범위가 한정적이고, 외부 압력에 의한 기계적 인성이 약하다. 또한, 압력을 받아들이는 표면적이 좁아 에너지 발생 및 변환에 있어서 효율이 낮고, 압력에 의해 발생하는 변위가 작다. 아울러, 일반적인 압전소자 제작방법으로는 다양한 압전소자의 제작이 어렵고, 제작과정에서의 비용부담이 높다는 단점이 있다.However, the piezoelectric element of the film structure is not easy to be deformed due to its morphological characteristics, so the application range is limited, and the mechanical toughness due to external pressure is weak. In addition, the surface area receiving the pressure is narrow, the efficiency is low in energy generation and conversion, and the displacement generated by the pressure is small. In addition, a general piezoelectric element manufacturing method has a disadvantage in that it is difficult to manufacture a variety of piezoelectric elements, and the cost burden in the manufacturing process is high.
본 발명은 위에서 서술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 상하좌우 전방향의 외부 압력 또는 기계적인 진동을 전기에너지로 변환 가능하고, 단위 면적 및 단위 압력당 발생하는 전류 및 전압을 높이는 탄성체로 이루어진 압전소자 및 그 제조방법을 제공함을 그 목적으로 한다.The present invention is to solve the above-described problems, piezoelectric elements made of an elastic body capable of converting the external pressure or mechanical vibration of the front and rear, front and rear directions into electrical energy, and increases the current and voltage generated per unit area and unit pressure And its manufacturing method.
나아가, 외부 압력에 대한 기계적 인성이 강하고, 광범위한 분야에 적용가능한 탄성력 또는 탄력을 가지는 압전소자를 제공함과 동시에 다양한 구조로 이루어진 압전소자 제조를 위한 제조방법을 제공함을 그 목적으로 한다.Furthermore, an object of the present invention is to provide a piezoelectric element having a strong mechanical toughness against external pressure and having elasticity or elasticity applicable to a wide range of fields, and at the same time to provide a piezoelectric element having various structures.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 탄성체로 이루어진 압전소자를 이용한 에너지 수확 시스템은 탄성력 또는 탄력을 가지는 나선형의 중심전극(Core Electrode), 중심전극(Core Electrode)의 표면에 선택적으로 형성된 강유전성 중합체(Ferroelectric Polymer)층 및 강유전성 중합체(Ferroelectric Polymer)층의 표면에 형성된 표면 전극(Surface Electrode)을 포함하는 것을 특징으로 한다.Energy harvesting system using a piezoelectric element made of an elastic body according to an embodiment of the present invention for achieving this object is selectively on the surface of the spiral core electrode (Core Electrode), the core electrode (Core Electrode) having an elastic force or elasticity It characterized in that it comprises a surface electrode (Surface Electrode) formed on the surface of the formed ferroelectric polymer (Ferroelectric Polymer) layer and the ferroelectric polymer (Ferroelectric Polymer) layer.
나아가, 중심전극은 스프링(Spring), 줄(String), 구(Ball) 또는 바(Bar)와 같은 다양한 구조로 이루어지며, 탄성력 또는 탄력을 가지는 물체이다. 강유전성 중합체층(Ferroelectric Polymer)은 PVDF와 이 PVDF의 공중합체(Copolymer)인 P(VDF-TrFE), P(VDF-TrFE-CFE) 또는 P(VDF-HFP)와 같은 압전 폴리머로 이루어진 것을 특징으로 한다. 표면 전극은 Polyaniline, Polypyrrole 또는 PPs와 같은 전도성 고분자(Conductive Polymer)로 이루어지는 것을 특징으로 한다.In addition, the center electrode is formed of various structures such as a spring, a string, a ball, or a bar, and has an elastic force or elasticity. The ferroelectric polymer layer is made of a piezoelectric polymer such as PVDF and P (VDF-TrFE), P (VDF-TrFE-CFE) or P (VDF-HFP) which is a copolymer of PVDF. do. The surface electrode is made of a conductive polymer such as polyaniline, polypyrrole or PPs.
더 나아가, 탄성체로 이루어진 압전소자를 이용한 에너지 수확 시스템 제조방법은 도전성 중심전극을 준비하는 단계, 중심전극의 표면에 딥 코팅(Dip Coating) 방식에 의해 선택적으로 강유전성 중합체(Ferroelectric Polymer)층을 형성하는 단계, 강유전성 중합체(Ferroelectric Polymer)층이 형성된 중심전극을 건조 및 열처리하는 단계, 강유전성 중합체(Ferroelectric Polymer)층 표면에 표면전극을 형성하여 압전소자를 생성하는 단계 및 고전압 폴링 공정으로 압전소자 내부의 영구이중극자(Permanent Dipole)를 단방향으로 정렬시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.Furthermore, the method of manufacturing an energy harvesting system using a piezoelectric element made of an elastic body may include preparing a conductive center electrode, and selectively forming a ferroelectric polymer layer by a dip coating method on the surface of the center electrode. Step, drying and heat-treating the center electrode on which the ferroelectric polymer layer is formed, forming a surface electrode on the surface of the ferroelectric polymer layer to create a piezoelectric element and permanently inside the piezoelectric element by high voltage polling process It characterized in that it comprises the step of aligning the dipole (Permanent Dipole) in one direction.
위에서 서술한 바와 같이, 본 발명은 탄성력 또는 탄력을 가지는 나선형의 중심전극(Core Electrode)에 선택적으로 강유전성 중합체(Ferroelectric Polymer)층 및 표면 전극(Surface Electrode)을 순차적으로 형성함으로써, 상하좌우 전방향의 외부 압력 또는 기계적인 진동을 전기 에너지로 변환가능하다.As described above, according to the present invention, the ferroelectric polymer layer and the surface electrode are sequentially formed on the spiral core electrode having elastic force or elasticity, thereby providing a vertical, horizontal, vertical direction. External pressure or mechanical vibrations can be converted into electrical energy.
나아가, 본 발명에 따른 탄성체로 이루어진 압전소자를 이용한 에너지 수확 시스템을 딥 코팅(Dip Coating)법으로 제조함으로써, 복잡한 구조의 압전소자 제조가 가능하고, 제조 공정을 간소화할 수 있다. 따라서, 선박의 프로펠러, 항공기 프로펠러와 같은 다양한 크기 및 형태의 장치를 압전소자로 활용할 수 있다.Further, by manufacturing the energy harvesting system using the piezoelectric element made of an elastic body according to the present invention by a dip coating method, it is possible to manufacture a piezoelectric element of a complex structure, it is possible to simplify the manufacturing process. Therefore, various sizes and shapes of devices such as ship propellers and aircraft propellers may be utilized as piezoelectric elements.
더 나아가, 나선형 구조의 스프링(Spring) 압전소자를 제공함으로써, 압전 소자의 표면적이 넓어지고, 외부 압력에 의해 발생되는 변위의 크기가 커져 단위 면적당 발생되는 전류 및 전압이 높아진다. 따라서, 에너지 발생 효율을 향상시키고, 용이한 에너지 변환이 가능해 차량 및 오토바이의 서스펜션, 다수의 줄(String)이 연결된 교각 등에 활용할 수 있는 유용한 효과를 가진다. Furthermore, by providing a spring piezoelectric element of helical structure, the surface area of the piezoelectric element is widened, and the magnitude of displacement caused by external pressure is increased, thereby increasing the current and voltage generated per unit area. Therefore, it is possible to improve the energy generation efficiency, and easy energy conversion has a useful effect that can be utilized in suspension of vehicles and motorcycles, bridges connected with a plurality of strings (String).
도 1은 일반적인 압전소자를 설명하는 단면도이다.
도 2는 압전소자의 압전 효과를 설명하는 개념도이다.
도 3은 압전소자의 또 다른 압전 효과를 설명하는 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 수확 시스템을 설명하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 일 실시 예에 따른 에너지 수확 시스템을 설명하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 수확 시스템 제조방법 순서도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 딥 코팅 장치를 설명하는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 수확 시스템과 종래 기술에 따른 압전소자의 사진이다.1 is a cross-sectional view illustrating a general piezoelectric element.
2 is a conceptual diagram illustrating the piezoelectric effect of the piezoelectric element.
3 is a conceptual diagram illustrating another piezoelectric effect of the piezoelectric element.
4 is a view illustrating an energy harvesting system according to an embodiment of the present invention.
5 is a view for explaining an energy harvesting system according to another embodiment of the present invention.
6 is a flowchart illustrating a method of manufacturing an energy harvesting system according to an embodiment of the present invention.
7 is a view for explaining a dip coating apparatus according to an embodiment of the present invention.
8 is a photograph of an energy harvesting system and a piezoelectric element according to the prior art according to an embodiment of the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 기술되는 바람직한 실시 예를 통하여 본 발명을 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 기술하기로 한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Reference will now be made in detail to embodiments of the present invention, examples of which are illustrated in the accompanying drawings, wherein like reference numerals refer to the like elements throughout.
도 1은 일반적인 압전소자를 설명하는 단면도이다. 도시된 바와 같이 압전소자(100)는 판형상의 세라믹 기판(101), 세라믹 기판(101)상에 형성된 압전체 전극(102)을 포함한다.1 is a cross-sectional view illustrating a general piezoelectric element. As shown, the
일 실시 예에 있어서, 세라믹 기판(101)은 상하부 한쌍으로 구성되며, 표면에 스퍼터(RF or DC Sputter)와 같은 박막 형성법에 의해 압전체 전극(102)을 형성한다. 압전소자(100)는 이 세라믹 기판(101)의 구조에 따라 크게 단파형과 적층형으로 구분된다. 일반적으로 단파형 압전소자는 50(V/㎜)~1000(V/㎜)의 전압 구동을 하고, 복수의 세라믹 기판(101)을 적층하는 적층형 압전소자는 이보다 낮은 전압에서 구동을 하며, 소형으로 이루어진다.In one embodiment, the
일 실시 예에 있어서, 압전체 전극(102)은 일반적인 박막 형성법에 의해 세라믹 기판(101)의 표면에 형성된다. 압전체 전극(102)의 두께는 특정하게 한정되지 않으며, 수 ㎛ 정도의 두께로 형성될 수 있다. 나아가, 금속 페이스트를 도포하는 방법 등 다양한 방법으로 구현 가능하며, 도전성 물질이 사용된다.In one embodiment, the
위에서 설명한 세라믹 기판(101) 및 압전체 전극(102)을 포함하는 압전소자(100)는 외부 압력(F)이 가해졌을 때 압력에 비례해 물질 내부에 분극이 유도되고, 외부 전기장에 의해 기계적인 변형이 일어나 전류가 발생하는 압전효과를 이용한다.In the
또한, 압전소자(100)는 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환시키는 압전 직접효과(Piezoelectric Direct Effect)와 전기적 에너지를 기계적 에너지로 변환시키는 압전 역효과(Piezoelectric Converse Effect)를 가진다.In addition, the
도 2는 압전소자의 압전 효과를 설명하는 개념도이다. 도 2는 압전 직접효과(Piezoelectric Direct Effect)를 설명한 것이다. 도시된 바와 같이 (a)는 외부 압력(F)이 없는 상태의 압전소자(100)를 나타내고, 이때 출력 전압은 발생하지 않는다. (b)는 외부 압력(F)이 가해진 상태의 압전소자(100)를 나타낸다. 이때 압전소자(100)의 부피는 감소하며, 상하 전극에 (+), (-)의 전류가 발생한다. (c)는 신장력을 가한 상태의 압전소자(100)을 나타낸다. 이때 압전소자(100)의 부피는 (a)의 압전소자(100)에 비해 증가하며, (b)의 압전소자(100)에 비해 증가하며, (b)의 압전소자(100)와 반대 현상이 발생하고, 상하 전극에 (+), (-)의 전류가 발생한다.2 is a conceptual diagram illustrating the piezoelectric effect of the piezoelectric element. 2 illustrates the Piezoelectric Direct Effect. As shown, (a) represents the
도 3은 압전소자의 또 다른 압전 효과를 설명하는 개념도이다. 도 3은 압전 역 효과(Piezoelectric Converse Effect)를 설명하는 것으로, 직류와 교류 전압을 인가한 경우에 압전소자(100)의 기본 작동을 나타낸다.3 is a conceptual diagram illustrating another piezoelectric effect of the piezoelectric element. 3 illustrates a piezoelectric converse effect, and illustrates the basic operation of the
도시된 바와 같이 (a′)는 외부로부터 압전소자(100)에 구동 전압이 인가되지 않은 상태이고, 이때 변위는 나타나지 않는다. (b′)는 압전소자(100)의 상하부 전극에 (+), (-) 구동 전압이 인가된 상태를 나타낸다. 압전소자(100)에 구동 전압을 인가하면, 압전소자(100)의 내부 전하와 인가 전압이 반발을 일으켜 압전소자(100)는 압축하게 된다. (c′)는 압전소자(100)의 상하부에 (+), (-) 구동 전압을 인가하면, 내부 전화와 인가전압의 인력으로 인해 (b′)의 압전소자(100)와는 반대로 압전소자(100)의 부피가 커진다.As shown, (a ') is a state in which the driving voltage is not applied to the
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 수확 시스템을 설명하는 도면이다. 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 탄성체로 이루어진 압전소자를 이용한 에너지 수확 시스템(400)은 탄성력 또는 탄력을 가지는 도전성 나선형의 중심전극(Core Electrode)(401), 중심전극(Core Electrode)(401)의 표면에 선택적으로 형성된 강유전성 중합체(Ferroelectric Polymer)층(402) 및 강유전성 중합체(Ferroelectric Polymer)층(402) 표면에 형성된 표면 전극(Surface Electrode)(403)을 포함한다.4 is a view illustrating an energy harvesting system according to an embodiment of the present invention. As shown, the
일 실시 예에 있어서, 중심전극(401)은 Fe, Ni, Cr, Ti, Mo, Ag, Au, Al, Cu, W 또는 TiN 중 하나 또는 하나 이상의 물질을 포함하는 탄성체로 이루어진다. 또한, 중심전극(401)은 나선형의 스프링(Spring) 형상임으로, 외부에서 압력을 받으면 부피와 형상이 달라지고, 외부 압력이 상실되면 원상태로 되돌아가려는 성질을 뜻하는 탄성이 우수하다. 나아가, 중심전극(401)은 줄(String), 구(Ball) 또는 바(Bar)로 이루어질 수 있다.중심전극(401)의 형상은 이에 한정되지 않으며, 탄성력 또는 탄력을 가지는 물질을 포함하는 다양한 형상으로 구현가능하다.In one embodiment, the
따라서, 상하좌우 전방향의 외부 압력 또는 기계적인 진동을 전기에너지로 자유롭게 변환 가능하고, 외부 압력을 받아들이는 표면적을 넓힐 수 있다. 이로 인해 외부 압력에 의해 발생되는 변위의 크기가 커지고, 단위 면적당 발생되는 전류 및 전압을 높일 수 있다.Therefore, it is possible to freely convert external pressure or mechanical vibration in up, down, left, and right directions into electrical energy, and widen the surface area for receiving the external pressure. As a result, the magnitude of the displacement generated by the external pressure increases, and the current and the voltage generated per unit area can be increased.
일 실시 예에 있어서, 강유전성 중합체(Ferroelectric Polymer)층은 본 발명의 일 실시 예에 따른 딥 코팅(Dip Coating) 방법에의해 중심전극(401)의 표면상에 선택적으로 형성된다.In one embodiment, the ferroelectric polymer layer is selectively formed on the surface of the
강유전성 중합체(Ferroelectric Polymer)층(402)은 불소분자의 강인한 결합으로 내구성 및 내마모성이 우수하고, 낮은 표면 에너지와 화학적 불활성으로 내약품성 내식성이 뛰어난 PVDF와 이 PVDF의 공중합체(Copolymer)인 P(VDF-TrFE), P(VDF-TrFE-CFE) 또는 P(VDF-HFP)와 같은 압전 폴리머로 이루어 진다.The
또한, 강유전성 중합체(Ferroelectric Polymer)층(402)을 이루는 물질 및 두께는 이에 한정되지 않으며, 다양한 압전 폴리머로 구현 가능하다.In addition, the material and thickness of the
일 실시 예에 있어서, 표면 전극(403)은 중심전극(401)의 표면에 선택적으로 형성된 강유전성 중합체(Ferroelectric Polymer)층(402)의 표면에 형성된다. 표면 전극(403)은 Polyaniline, Polypyrrole 또는 PPs와 같은 전도성 고분자(Conductive Polymer)로 이루어진다. 또는 Ti, Cr, Al, Ni, Ag, Pt, Au, La, In, Sn, Pt 또는 Se 중 하나 또는 하나 이상의 물질을 포함할 수 있다. 표면 전극(403)의 두께는 특정하게 한정되지 않으며, 수 ㎛ 정도의 두께로 형성되며, 특정하게 제한되지 않는다.In one embodiment, the
도 5는 본 발명의 다른 일 실시 예에 따른 에너지 수확 시스템을 설명하는 도면이다. 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 에너지 수확 시스템(200)은 중심전극(401)의 표면에 일부 영역을 제외한 나머지 영역에 선택적으로 강유전성 중합체(Ferroelectric Polymer)층(402)과 표면 전극(403)을 순차적으로 반복해서 형성할 수 있다. 5 is a view for explaining an energy harvesting system according to another embodiment of the present invention. As shown, the energy harvesting system 200 according to the present invention sequentially selects a
반복되게 형성된 각 층(402, 403)은 중심전극(401)의 표면에 멀티 레이어(Multi Layer) 구조를 이루어 외부 압력 또는 기계적인 진동에 의한 에너지 수확 시스템(400)의 에너지 발생 및 에너지 간의 상호 변환을 향상시킨다. 이 멀티 레이어(Multi Layer) 구조는 본 발명의 일 실시예에 따른 딥 코팅(Dip Coating) 방법에 의해 제조가능하다.Each of the
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 수확 시스템 제조방법 순서도이다. 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 에너지 수확 시스템(400)은 도전성 중심전극을 준비하는 단계(s101), 중심전극의 표면에 딥 코팅(Dip Coating) 방식에 의해 선택적으로 강유전성 중합체(Ferroelectric Polymer)층을 형성하는 단계(s102), 강유전성 중합체(Ferroelectric Polymer)층이 형성된 중심전극을 건조 및 열처리하는 단계(s103), 강유전성 중합체(Ferroelectric Polymer)층 표면에 표면전극을 형성하여 압전소자를 생성하는 단계(s104), 고전압 폴링 공정으로 압전소자 내부의 영구이중극자(Permanent Dipole)를 단방향으로 정렬시키는 단계(s105)를 포함한다.6 is a flowchart illustrating a method of manufacturing an energy harvesting system according to an embodiment of the present invention. As shown, the
일 실시 예에 있어서, 도전성 중심전극을 준비하는 단계(s101)에서는 중심전극(401)으로 나선형의 스프링(Spring)을 사용하며, Fe, Ni, Cr, Ti, Mo, Ag, Au, Al, Cu, W 또는 TiN 중 하나 또는 하나 이상의 물질을 포함한다. 나아가, 줄(String), 구(Ball) 또는 바(Bar) 형태의 도전성 물체로 구현할 수 있어, 에너지 수확 시스템(400)의 광범위한 활용이 가능하다. 중심전극(401)은 이에 한정되지 않으며, 탄성력 또는 탄력을 가지는 물질을 포함하는 다양한 형상 및 크기로 구현 가능하다.In an embodiment, in the preparing of the conductive center electrode (s101), a spiral spring is used as the
일 실시 예에 있어서, 중심전극의 표면에 딥 코팅(Dip Coating) 방식에 의해 선택적으로 강유전성 중합체(Ferroelectric Polymer)층을 형성하는 단계(s102)는 딥 코팅(Dip Coating)을 위해 P(VDF-TrFE) 펠렛(Pellet) 10wt%~30wt%를 MEK 솔벤트(Solvent)에 용해시켜 P(VDF-TrFE) 폴리머 용액을 획득한다. 획득한 이 P(VDF-TrFE) 폴리머 용액에 중심전극(401)의 일부 영역을 제외한 나머지 영역을 담근 후 건져내 강유전성 중합체(Ferroelectric Polymer)층(402)을 형성한다. 또한, P(VDF-TrFE) 펠렛(Pellet)을 용해하기 위해서는 DMA, DMF, DMSO 용액 중 어느 하나 또는 하나 이상의 용액을 용매로 이용할 수 있다.In one embodiment, the step (s102) of selectively forming a ferroelectric polymer layer by a dip coating method on the surface of the center electrode P (VDF-TrFE for dip coating) ) Pellet 10wt% -30wt% is dissolved in MEK Solvent to obtain P (VDF-TrFE) polymer solution. The
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 딥 코팅 장치를 설명하는 도면이다. 도시된 바와 같이 에너지 수확 시스템의 제조방법인 딥 코팅(Dip Coating)은 수직방향으로 길이를 가지는 축의 상면 일부에 모터(702)를 구비한 코팅장치(700)에 의해 이루어진다. 또한, 딥 코팅(Dip Coating)은 모터(702)의 회전축과 중심전극(401)을 연결부재(701)로 연결하고 모터의 회전에 따라 P(VDF-TrFE) 폴리머 용액에 중심전극(401)을 담근 후 건져냄으로써 이루어진다. 이때, 모터(702)의 구동 전압은 24V이며, 1rpm의 회전수를 가지고 0.6㎜/s의 속도로 중심전극(401)을 P(VDF-TrFE) 폴리머 용액에 담그고 건져낸다. 7 is a view for explaining a dip coating apparatus according to an embodiment of the present invention. As illustrated, dip coating, which is a method of manufacturing an energy harvesting system, is performed by a
모터(702)의 회전수에 따른 중심전극(401)을 건져내는 속도와 용액의 유동성(Rheology)에 따른 P(VDF-TrFE) 폴리머 용액의 코팅 두께는 아래와 같은 식으로 설명할 수 있다.The coating thickness of the P (VDF-TrFE) polymer solution according to the velocity of picking up the
는 용액의 코팅 두께 Is the coating thickness of the solution
는 건져올리는 속도 Uplifting speed
는 용액의 점도 Is the viscosity of the solution
는 용액의 밀도 Is the density of the solution
는 표면 장력 Surface tension
본 발명은 강유전성 중합체(Ferroelectric Polymer)층(402)이 포함하는 압전 폴리머를 P(VDF-TrFE) 폴리머로 한정하지 않으며, PVDF 공중합체(Copolymer), P(VDF-TrFE-CFE) 또는 P(VDF-HFP)와 같은 압전 폴리머를 모두 포함할 수 있다. 또한, 본 발명은 모터(702)의 구동 전압, 회전수에 따른 담그기 및 건져내기 속도를 폴리머 용액 및 강유전성 중합체(Ferroelectric Polymer)층(402)의 두께에 따라 달리할 수 있다.The present invention does not limit the piezoelectric polymer contained in the
일 실시 예에 있어서, 강유전성 중합체(Ferroelectric Polymer)층이 형성된 중심전극을 건조 및 열처리하는 단계(s103)는 진공 또는 상압의 챔버 내부에서 이루어진다. 이때, 건조를 위한 챔버 내부의 온도는 상온이며, 열처리를 위한 챔버 내부의 온도는 100℃~150℃이다. 건조 및 열처리는 이에 한정되지 않으며, 다양하게 소개되는 기술에 의해 가능하다.In one embodiment, the step (s103) of drying and heat-treating the center electrode on which the ferroelectric polymer layer is formed is performed in a chamber of vacuum or atmospheric pressure. At this time, the temperature inside the chamber for drying is room temperature, the temperature inside the chamber for heat treatment is 100 ℃ ~ 150 ℃. Drying and heat treatment are not limited thereto, and are possible by variously introduced techniques.
일 실시 예에 있어서, 강유전성 중합체(Ferroelectric Polymer)층 표면에 표면전극을 형성하여 압전소자를 생성하는 단계(s104)는 Polyaniline, Polypyrrole 또는 PPs와 같은 전도성 고분자(Conductive Polymer)를 표면 전극(403)으로 형성한다. 전도성 고분자(Conductive Polymer)로 이루어진 표면 전극(401)의 형성은 s102 단계 및 도 7에서 설명한 딥 코팅(Dip Coating) 방식에 의해 가능하다. 또한, 딥 코팅(Dip Coating) 방식으로 표면전극을 형성한 후 건조과정을 더 포함할 수 있다.In one embodiment, the step (s104) of forming a surface electrode on the surface of the ferroelectric polymer layer to generate a piezoelectric element is a conductive polymer such as polyaniline, polypyrrole or PPs as the
나아가, 표면 전극(403)이 Ti, Cr, Al, Ni, Ag, Pt, Au, La, In, Sn, Pt 또는 Se와 같은 금속재일 경우는 열 증착(thermal evaporator), 전자선증착(E-beam evaporator), 스퍼터(RF or DC sputter), 이 빔(E-beam), 전기도금(Electro-plating), 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition) 방식 중 어느 한 방식으로 형성가능하다.Further, when the
본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 수확 시스템(400)은 멀티 레이어(Multi Layer) 구조의 압전소자(500)로 이루어질 수 있다. 이 멀티 레이어(Multi Layer) 구조의 압전소자(500)를 위한 제조는 위에서 설명한 s102와 s103, s104 단계를 순차적으로 반복진행함으로써 구현 가능하다.
일 실시 예에 있어서, 고전압 폴링 공정으로 압전소자 내부의 영구이중극자(Permanent Dipole)를 단방향으로 정렬시키는 단계(s105)는 고전압을 에너지 수확 시스템(400)에 인가한다.In one embodiment, the step s105 of unidirectionally arranging the permanent dipole inside the piezoelectric element in the high voltage polling process applies a high voltage to the
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 수확 시스템과 종래 기술에 따른 압전소자의 사진이다. 도시된 바와 같이 (A)는 본 발명에 따른 탄성체로 이루어진 압전소자를 이용한 에너지 수확 시스템(400)의 사진이고, (B)는 종래 기술에 따른 일반적인 필름구조의 압전소자(100) 사진이다.8 is a photograph of an energy harvesting system and a piezoelectric element according to the prior art according to an embodiment of the present invention. As shown (A) is a photograph of the
(A)가 두께 1㎜, 전체 직경 11㎜, 코팅된 압전체의 두께 3㎛이고, 코팅된 압전체의 총 표면적은 11㎜×π×11㎜×π×5 = 0.000543㎡이다. (A) is 1 mm in thickness, 11 mm in total diameter, and 3 μm in thickness of the coated piezoelectric body, and the total surface area of the coated piezoelectric body is 11 mm x 11 mm x 5 x 0.000543 m 2.
(B)는 가로 22㎜, 세로 85㎜, 코팅된 압전체의 두께 10㎛이고, 코팅된 압전체의 총 표면적은 22㎜×85㎜=0.00187㎡이다. (A)와 (B)를 비교하면, (A)의 단위 면적당 전압이 2.55V/0.000543㎡=4.72KV/㎡인 반면, (B)의 단위 면적당 전압은 7V/0.00187㎡=3.74KV/㎡이다. 따라서, 탄성체로 이루어진 압전소자를 이용한 에너지 수확 시스템(400)(A)가 필름구조의 압전소자(100)(B)보다 단위 면적 발생하는 전압이 높다는 것을 알 수 있다.(B) is 22 mm long, 85 mm long, and the thickness of the coated piezoelectric body is 10 µm, and the total surface area of the coated piezoelectric body is 22 mm x 85 mm = 0.00187 m 2. Comparing (A) and (B), the voltage per unit area of (A) is 2.55 V / 0.000543 m 2 = 4.72 KV / m 2, while the voltage per unit area of (B) is 7 V / 0.00187 m 2 = 3.74 KV / m 2. . Accordingly, it can be seen that the energy harvesting system 400 (A) using the piezoelectric element made of an elastic body has a higher voltage at which the unit area is generated than the piezoelectric element 100 (B) of the film structure.
나아가, (A)의 단위 부피당 전압이 (4.72KV/㎡)/(3㎛)=1.57GV/㎥인 반면, (B)의 단위 부피당 전압이 (3.74KV/㎡)/(10㎛)=0.374GV/㎥이다. 따라서, 탄성체로 이루어진 압전소자를 이용한 에너지 수확 시스템(400) (A)가 필름구조의 압전소자(100) (B)보다 단위 부피당 발생 전압이 높다는 것을 알 수 있다. Furthermore, the voltage per unit volume of (A) is (4.72 KV / m 2) / (3 μm) = 1.57 GV / m 3, while the voltage per unit volume of (B) is (3.74 KV / m 2) / (10 μm) = 0.374 GV / m 3. Therefore, it can be seen that the energy harvesting system 400 (A) using the piezoelectric element made of an elastic body has a higher generated voltage per unit volume than the piezoelectric element 100 (B) of the film structure.
따라서, 같은 면적의 (A), (B)에 압전체를 동일하게 코팅시키면, (A)가 (B)보다 약 4.2배 높은 발전효과를 가질 것으로 예상된다.Therefore, when the piezoelectric bodies are coated in the same area (A) and (B) in the same area, (A) is expected to have a power generation effect of about 4.2 times higher than that of (B).
본 발명 명세서 전반에 걸쳐 사용되는 용어들은 본 발명 실시 예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 사용자 또는 운용자의 의도, 관례 등에 따라 충분히 변형될 수 있는 사항이므로, 이 용어들의 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.The terms used throughout the present specification are terms defined in consideration of functions in the embodiments of the present invention, and may be sufficiently modified according to the intention, custom, etc. of the user or the operator, and thus, the definitions of the terms are used throughout the present specification. It should be made based on the contents.
본 발명은 첨부된 도면에 의해 참조 되는 바람직한 실시 예를 중심으로 기술되었지만, 이러한 기재로부터 후술하는 특허청구범위에 의해 포괄되는 범위 내에서 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 다양한 변형이 가능하다는 것은 명백하다.While the invention has been described with reference to the preferred embodiments, which are referred to by the accompanying drawings, it will be apparent that various modifications are possible without departing from the scope of the invention within the scope covered by the claims set forth below from this description. .
100: 압전소자
101: 세라믹 기판
102: 압전체 전극
400: 에너지 수확 시스템
401: 중심전극
402: 강유전성 중합체층
403: 표면 전극
500: 멀티 레이어 구조의 압전소자
700: 딥 코팅 장치
701: 연결부재
702: 모터100: piezoelectric element
101: ceramic substrate
102: piezoelectric electrode
400: energy harvesting system
401: center electrode
402: ferroelectric polymer layer
403: surface electrode
500: piezoelectric element of multi-layer structure
700: dip coating device
701: connecting member
702: motor
Claims (19)
상기 중심전극(Core Electrode)의 표면에 선택적으로 형성된 강유전성 중합체(Ferroelectric Polymer)층 및
상기 강유전성 중합체(Ferroelectric Polymer)층의 표면에 형성된 표면 전극
을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄성체로 이루어진 압전소자를 이용한 에너지 수확 시스템.A conductive spiral core electrode having an elastic force or elasticity;
A ferroelectric polymer layer selectively formed on the surface of the core electrode;
Surface electrodes formed on the surface of the ferroelectric polymer layer
Energy harvesting system using a piezoelectric element consisting of an elastic body comprising a.
Fe, Ni, Cr, Ti, Mo, Ag, Au, Al, Cu, W 또는 TiN 중 하나 또는 하나 이상의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄성체로 이루어진 압전소자를 이용한 에너지 수확 시스템.The method of claim 1, wherein the center electrode,
Fe, Ni, Cr, Ti, Mo, Ag, Au, Al, Cu, W or TiN energy harvesting system using a piezoelectric element consisting of an elastic body comprising one or more materials.
스프링(Spring), 줄(String), 구(Ball) 또는 바(Bar) 중 어느 하나의 구조로 이루어지며, 탄성력 또는 탄력을 가지는 물체인 것을 특징으로 하는 탄성체로 이루어진 압전소자를 이용한 에너지 수확 시스템.The method of claim 1, wherein the center electrode,
An energy harvesting system using a piezoelectric element made of an elastic body, comprising any one of a spring, a string, a ball, or a bar, and having an elastic force or elasticity.
PVDF, P(VDF-TrFE), P(VDF-TrFE-CFE) 또는 P(VDF-HFP) 중 어느 하나의 압전 폴리머로 이루어진 것을 특징으로 하는 탄성체로 이루어진 압전소자를 이용한 에너지 수확 시스템.The method of claim 1, wherein the ferroelectric polymer (Ferroelectric Polymer),
Energy harvesting system using a piezoelectric element made of an elastic body, characterized in that the piezoelectric polymer of any one of PVDF, P (VDF-TrFE), P (VDF-TrFE-CFE) or P (VDF-HFP).
Ti, Cr, Al, Ni, Ag, Pt, Au, La, In, Sn, Pt 또는 Se 중 하나 또는 하나 이상의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄성체로 이루어진 압전소자를 이용한 에너지 수확 시스템.The method of claim 1, wherein the surface electrode,
Energy harvesting system using a piezoelectric element made of an elastic body, characterized in that it comprises at least one of Ti, Cr, Al, Ni, Ag, Pt, Au, La, In, Sn, Pt or Se.
Polyaniline, Polypyrrole 또는 PPs와 같은 전도성 고분자(Conductive Polymer)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄성체로 이루어진 압전소자를 이용한 에너지 수확 시스템.The method of claim 1, wherein the surface electrode,
Energy harvesting system using a piezoelectric element made of an elastic body, characterized in that made of a conductive polymer such as polyaniline, polypyrrole or PPs.
상기 중심전극(Core Electrode)의 표면에 선택적으로 형성된 제 1 강유전성 중합체(Ferroelectric Polymer)층;
상기 제 1 강유전성 중합체(Ferroelectric Polymer)층의 표면에 형성된 제 1 표면 전극;
상기 제 1 표면 전극의 표면에 형성된 제 2 강유전성 중합체(Ferroelectric Polymer)층 및
상기 제 2 강유전성 중합체(Ferroelectric Polymer)층의 표면에 형성된 제 2 표면 전극
을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄성체로 이루어진 압전소자를 이용한 에너지 수확 시스템.A conductive spiral core electrode having an elastic force or elasticity;
A first ferroelectric polymer layer selectively formed on a surface of the core electrode;
A first surface electrode formed on the surface of the first ferroelectric polymer layer;
A second ferroelectric polymer layer formed on the surface of the first surface electrode;
Second surface electrode formed on the surface of the second ferroelectric polymer layer
Energy harvesting system using a piezoelectric element consisting of an elastic body comprising a.
제 3 표면 전극과 제 3 강유전성 중합체(Ferroelectric Polymer)층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄성체로 이루어진 압전소자를 이용한 에너지 수확 시스템.According to claim 7, Energy harvesting system using a piezoelectric element made of the elastic body,
An energy harvesting system using a piezoelectric element made of an elastic body, further comprising a third surface electrode and a third ferroelectric polymer layer.
상기 제 3 표면 전극과 제 3 강유전성 중합체(Ferroelectric Polymer)층의 표면에 복수의 표면 전극과 복수의 강유전성 중합체(Ferroelectric Polymer)층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄성체로 이루어진 압전소자를 이용한 에너지 수확 시스템.According to claim 8, Energy harvesting system using a piezoelectric element made of the elastic body,
An energy harvesting system using a piezoelectric element made of an elastic body, further comprising a plurality of surface electrodes and a plurality of ferroelectric polymer layers on surfaces of the third surface electrode and the third ferroelectric polymer layer. .
상기 중심전극의 표면에 딥 코팅(Dip Coating) 방식에 의해 선택적으로 강유전성 중합체(Ferroelectric Polymer)층을 형성하는 단계;
상기 강유전성 중합체(Ferroelectric Polymer)층이 형성된 상기 중심전극을 건조 및 열처리하는 단계;
상기 강유전성 중합체(Ferroelectric Polymer)층 표면에 표면전극을 형성하여 압전소자를 생성하는 단계 및
고전압 폴링 공정으로 상기 압전소자 내부의 영구이중극자(Permanent Dipole)를 단방향으로 정렬시키는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄성체로 이루어진 압전소자를 이용한 에너지 수확 시스템 제조방법.Preparing a conductive center electrode;
Selectively forming a ferroelectric polymer layer on the surface of the center electrode by a dip coating method;
Drying and heat treating the center electrode on which the ferroelectric polymer layer is formed;
Generating a piezoelectric element by forming a surface electrode on a surface of the ferroelectric polymer layer;
Unidirectionally aligning the permanent dipole inside the piezoelectric element in a high voltage polling process
Energy harvesting system manufacturing method using a piezoelectric element consisting of an elastic body comprising a.
PVDF, P(VDF-TrFE), P(VDF-TrFE-CFE) 또는 P(VDF-HFP) 중 어느 하나의 상온의 압전 폴리머 용액에 딥 코팅(Dip Coating)하는 것을 특징으로 하는 탄성체로 이루어진 압전소자를 이용한 에너지 수확 시스템 제조방법.The method of claim 10, wherein the step of selectively forming a ferroelectric polymer layer on the surface of the center electrode by a dip coating method,
Piezoelectric element made of an elastomer characterized in that the dip coating of the piezoelectric polymer solution of any one of PVDF, P (VDF-TrFE), P (VDF-TrFE-CFE) or P (VDF-HFP) Energy harvesting system manufacturing method using the.
PVDF, P(VDF-TrFE), P(VDF-TrFE-CFE) 또는 P(VDF-HFP) 중 어느 하나의 펠렛(Pellet) 10wt%~30wt%를 MEK, DMA, DMF, DMSO 용액 중 어느 하나의 용액에 혼합한 것을 특징으로 하는 탄성체로 이루어진 압전소자를 이용한 에너지 수확 시스템 제조방법.The method of claim 11, wherein the piezoelectric polymer solution,
Pellets of any one of PVDF, P (VDF-TrFE), P (VDF-TrFE-CFE), or P (VDF-HFP), 10wt% ~ 30wt% of MEK, DMA, DMF, DMSO solution Method for producing an energy harvesting system using a piezoelectric element made of an elastic body characterized in that it is mixed with a solution.
진공 또는 상압 챔버 내부에서 건조 및 열처리하는 것을 특징으로 하는 탄성체로 이루어진 압전소자를 이용한 에너지 수확 시스템 제조방법.The method of claim 10, wherein the drying and heat treatment of the center electrode on which the ferroelectric polymer layer is formed is performed.
An energy harvesting system manufacturing method using a piezoelectric element made of an elastic body, characterized in that the drying and heat treatment in a vacuum or atmospheric pressure chamber.
진공 또는 상압 챔버 내부에서 100℃~150℃로 열처리하는 것을 특징으로 하는 탄성체로 이루어진 압전소자를 이용한 에너지 수확 시스템 제조방법.The method of claim 13, wherein the drying and heat treatment of the center electrode on which the ferroelectric polymer layer is formed includes:
Method for producing an energy harvesting system using a piezoelectric element made of an elastic body, characterized in that the heat treatment at 100 ℃ ~ 150 ℃ in a vacuum or atmospheric pressure chamber.
진공 또는 상압 챔버 내부에서 상온으로 건조하는 것을 특징으로 하는 탄성체로 이루어진 압전소자를 이용한 에너지 수확 시스템 제조방법.The method of claim 14, wherein the drying and heat treatment of the center electrode on which the ferroelectric polymer layer is formed comprises:
Energy harvesting system manufacturing method using a piezoelectric element made of an elastic body, characterized in that the drying at room temperature in a vacuum or atmospheric pressure chamber.
표면 전극이 금속재일 경우 열 증착(thermal evaporator), 전자선증착(e-beam evaporator), 스퍼터(RF or DC sputter), 이 빔(E-beam), 전기도금(Electro-plating), 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition) 방식 중 어느 한 방식으로 상기 표면전극을 형성하는 것을 특징으로 하는 탄성체로 이루어진 압전소자를 이용한 에너지 수확 시스템 제조방법.The method of claim 10, wherein forming a surface electrode on the surface of the ferroelectric polymer layer to generate a piezoelectric element,
If the surface electrode is made of metal, thermal evaporator, e-beam evaporator, sputter (RF or DC sputter), E-beam, electro-plating, chemical vapor deposition ( Chemical Vapor Deposition) method of manufacturing an energy harvesting system using a piezoelectric element made of an elastic body, characterized in that for forming the surface electrode in any one of the manner.
표면 전극이 전도성 고분자(Conductive Polymer)일 경우 딥 코팅(Dip Coating) 방식으로 상기 표면전극 형성이 가능한 것을 특징으로 하는 탄성체로 이루어진 압전소자를 이용한 에너지 수확 시스템 제조방법.The method of claim 10, wherein forming a surface electrode on the surface of the ferroelectric polymer layer to generate a piezoelectric element,
Method for producing an energy harvesting system using a piezoelectric element made of an elastic body, characterized in that the surface electrode can be formed by a dip coating method when the surface electrode is a conductive polymer.
상기 표면전극이 형성된 상기 압전소자를 건조하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄성체로 이루어진 압전소자를 이용한 에너지 수확 시스템 제조방법.18. The method of claim 17, wherein forming a piezoelectric element by forming a surface electrode on the surface of the ferroelectric polymer layer,
The method of manufacturing an energy harvesting system using a piezoelectric element made of an elastic body, further comprising the step of drying the piezoelectric element on which the surface electrode is formed.
복수의 상기 강유전성 중합체(Ferroelectric Polymer)층과 복수의 상기 표면 전극이 순차적으로 형성된 멀티 레이어(Multi Layer)구조로 생성 가능한 것을 특징으로 하는 탄성체로 이루어진 압전소자를 이용한 에너지 수확 시스템 제조방법.The method of claim 10, wherein the piezoelectric element,
A method of manufacturing an energy harvesting system using a piezoelectric element made of an elastic body, characterized in that a plurality of ferroelectric polymer layers and a plurality of surface electrodes are sequentially formed.
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