KR20160032483A - 마이크로 압전 유연와이어의 제조방법, 상기 마이크로 압전 유연와이어를 이용한 압전 에너지 하베스터 및 상기 압전 에너지 하베스터의 제조방법 - Google Patents
마이크로 압전 유연와이어의 제조방법, 상기 마이크로 압전 유연와이어를 이용한 압전 에너지 하베스터 및 상기 압전 에너지 하베스터의 제조방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 외부로부터 작용하는 하중에 대하여 좋은 효율로 압전에너지를 취득할 수 있고, 취성에 강한 마이크로 압전 유연와이어의 제조방법, 상기 마이크로 압전 유연와이어를 이용한 압전 에너지 하베스터 및 상기 압전 에너지 하베스터의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 마이크로 압전 유연와이어의 제조방법은, 금속와이어(111)의 표면에 세라믹-고분자 물질을 코팅하여 활성층(112)을 형성하는 활성층 형성단계(S110)와, 진공에서 활성층(112)을 압연 또는 압출하여 활성층(112) 내부의 결합을 제거하는 결함제거단계(S120)와, 활성층(112)의 표면에 금속을 도포하여 도전층(114)을 형성하는 도전층 형성단계(S140)와, 상기 금속와이어(111)와 상기 도전층(114)에 전계를 인가하여 상기 활성층(112)내에서 분극이 일어나게 하는 분극유도단계(S150)를 포함하고, 상기 압전 에너지 하베스터의 제조방법은 마이크로 압전 유연와이어(110)를 서로 직교하도록 배열시키거나, 같은 방향으로 배열하는 와이어 배열단계(S210)와, 상기 마이크로 압전 유연와이어(110)들의 사이로 유연고분자로 몰딩하는 고분자 몰딩단계(S220)와, 상기 마이크로 압전 유연와이어(110)의 내부의 금속와이어(111)와 도전층(114)에 각각 전기적으로 연결되는 출력전극(130)을 설치하는 출력전극설치단계(S230)를 포함하여, 압전 에너지 하베스터를 제조한다.
본 발명에 따른 마이크로 압전 유연와이어의 제조방법은, 금속와이어(111)의 표면에 세라믹-고분자 물질을 코팅하여 활성층(112)을 형성하는 활성층 형성단계(S110)와, 진공에서 활성층(112)을 압연 또는 압출하여 활성층(112) 내부의 결합을 제거하는 결함제거단계(S120)와, 활성층(112)의 표면에 금속을 도포하여 도전층(114)을 형성하는 도전층 형성단계(S140)와, 상기 금속와이어(111)와 상기 도전층(114)에 전계를 인가하여 상기 활성층(112)내에서 분극이 일어나게 하는 분극유도단계(S150)를 포함하고, 상기 압전 에너지 하베스터의 제조방법은 마이크로 압전 유연와이어(110)를 서로 직교하도록 배열시키거나, 같은 방향으로 배열하는 와이어 배열단계(S210)와, 상기 마이크로 압전 유연와이어(110)들의 사이로 유연고분자로 몰딩하는 고분자 몰딩단계(S220)와, 상기 마이크로 압전 유연와이어(110)의 내부의 금속와이어(111)와 도전층(114)에 각각 전기적으로 연결되는 출력전극(130)을 설치하는 출력전극설치단계(S230)를 포함하여, 압전 에너지 하베스터를 제조한다.
Description
본 발명은 마이크로 압전 유연와이어의 제조방법, 압전 에너지 하베스터 및 상기 압전 에너지 하베스터의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 외부로부터 작용하는 하중에 대하여 좋은 효율로 압전에너지를 취득할 수 있고, 취성에 강한 마이크로 압전 유연와이어의 제조방법, 상기 마이크로 압전 유연와이어를 이용한 압전 에너지 하베스터 및 상기 압전 에너지 하베스터의 제조방법에 관한 것이다.
최근 정보기술의 발달로 휴대용 전자기기의 사용이 증가되고 있고, 이러한 휴대용 전자기기는 작동을 위한 전원부를 포함하고 있다. 주변에 전원장치가 있는 경우에는 상관이 없지만, 그렇지 않은 경우에는 상기 전원부, 즉 배터리의 중요성이 더욱 커진다.
현재 휴대용 전자기기에서는 상기 배터리가 모두 방전되면 새로운 배터리로 교환하거나, 전원장치를 통하여 상기 배터리를 충전시켜야 하는 불편함이 있고, 만약 여분의 배터리를 휴대하고 있지 않은 경우에는 상기 휴대용 전자기기를 사용할 수 없는 문제점이 있다.
이에 따라 최근에는 주변에 존재하는 저용량 에너지를 활용하는 에너지 하베스팅(energy harvesting)기술에 대한 관심이 증가하고 있고, 특히 피에죠효과를 이용하여 피에조물질에 굽힘의 기계적 진동이 전달되면 이를 전기에너리로 획득하는 에너지 하베스팅 기술에 대한 관심이 증가하고 있다.
피에조 효과에 의해 기계적 에너지를 전기에너지로 변환하는 압전 에너지 하베스팅 소자를 제작하기 위해서는 압전특성이 우수한 소재가 요구되는데, 현재 납(Pb) 계열의 압전세라믹으로 소위 PZT(lead zirconate titanate)라 불리우는 타이타늄산 지르콘산 연이 많이 연구되고 있다. 또한, 상기 에너지 하베스팅 소자는 외부의 충격에너지를 전기에너지로 저장해야 하는 장비로서, 외부로부터 가해지는 충격이 클수록 많은 에너지를 출력시킬 수 있는 바, 외부의 큰 충격에 자주 노출된다. 하지만, 상기 PZT가 주 조성인 압전소자는 소재가 세라믹인 관계로 취성에 매우 약한 특성이 있기 때문에 외부의 작은 충격에도 쉽게 파손되는 문제점이 있다.
한편, 하기의 선행기술문헌은 '압전소자를 이용한 자가발전 장치'에 관한 것으로서, 외력에 의해 자연스럽게 발생하는 물리적인 진동을 압전기 현상을 이용하여 전기에너지로 변환시키는 압전소자를 이용한 자가발전 장치에 관한 기술이 개시되어 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로서, 외부로부터 작용하는 하중에 대하여 좋은 효율로 압전에너지를 취득할 수 있고, 취성에 강한 마이크로 압전 유연와이어의 제조방법, 상기 마이크로 압전 유연와이어를 이용한 압전 에너지 하베스터 및 상기 압전 에너지 하베스터의 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 마이크로 압전 유연와이어의 제조방법은, 금속와이어의 표면에 세라믹-고분자 물질을 코팅하여 활성층을 형성하는 활성층 형성단계와, 진공에서 상기 활성층을 압연 또는 압출하여 상기 활성층 내부의 결합을 제거하는 결함제거단계와, 상기 활성층의 표면에 금속을 도포하여 도전층을 형성하는 도전층 형성단계와, 상기 금속와이어와 상기 도전층에 전계를 인가하여 상기 활성층내에서 분극이 일어나게 하는 분극유도단계를 포함한다.
상기 활성층 형성단계에서는, 전기영동증착법으로 상기 세라믹-고분자물질을 상기 금속와이어에 코팅하여 상기 활성층을 형성하는 것을 특징으로 한다.
상기 활성층 형성단계에서는, 세라믹과 고분자를 아세트산 계열의 용액에 용해시키고, 상기 와이어를 상기 용액에 넣어 상기 세라믹과 고분자를 상기 와이어의 표면에 도포하는 것을 특징으로 한다.
상기 결함제거단계에서는 180℃ 내지 220℃의 고온 전기로 내에서 수행되는 것을 특징으로 한다.
상기 활성층은 그 두께가 10 μm 내지 1000 μm인 것을 특징으로 한다.
상기 세라믹-고분자 물질은, (PbNiNb)TiO3-(PbZr)TiO3와 PVDF-TrFE인 것을 특징으로 한다.
상기 결함제거단계 이후에는, 결함이 제거된 상기 활성층에 액체 또는 기체의 흡착을 방지하기 고분자를 도포하는 고분자층을 형성하는 고분자막 도포단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 압전 에너지 하베스터의 제조방법은, 상기 마이크로 압전 유연와이어를 서로 직교하도록 배열시키거나, 같은 방향으로 배열하는 와이어 배열단계와, 상기 마이크로 압전 유연와이어들의 사이로 유연고분자로 몰딩하는 고분자 몰딩단계와, 상기 마이크로 압전 유연와이어의 내부의 금속와이어와 도전층에 각각 전기적으로 연결되는 출력전극을 설치하는 출력전극설치단계를 포함한다.
상기 유연 고분자 물질은, PDMS(Polydimethylsiloxane)인 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명에 따른 압전 에너지 하베스터는, 금속와이어와 상기 금속와이어의 표면에 세라믹-고분자를 도포하여 형성되는 활성층과상기 활성층의 표면에 형성되는 도전층를 포함하고, 서로 교차하도록 배열되거나 한쪽방향을 배열되는 마이크로 압전 유연와이어와, 상기 마이크로 압전 유연와이어를 탄성지지하도록 유연 고분자 물질로 몰딩하여 형성되는 몰딩부와, 내부에서 생성된 전기에너지를 외부로 출력하도록 상기 마이크로 압전 유연와이어와 전기적으로 연결되는 출력전극을 포함한다.
상기 활성층은 그 두께가 10 μm 내지 1000 μm인 것을 특징으로 한다.
상기 활성층은 (PbNiNb)TiO3-(PbZr)TiO3및 PVDF-TrFE의 혼합물로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 유연 고분자 물질은, PDMS(Polydimethylsiloxane)인 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 마이크로 압전 유연와이어의 제조방법, 상기 마이크로 압전 유연와이어를 이용한 압전 에너지 하베스터 및 상기 압전 에너지 하베스터의 제조방법에 의하면, 외부로부터 작용하는 하중에 대하여 좋은 효율로 압전에너지를 취득할 수 있다.
또한, 압전 에너지 하베스터가 유연한 고분자로 채워져 있어서, 취성에 대한 내성이 향상되어 충격이 작용하더라도 쉽게 파손되지 않는다.
도 1은 본 발명에 따른 마이크로 압전 유연와이어의 제조방법을 나타낸 순서도.
도 2는 본 발명에 따른 마이크로 압전 유연와이어의 제조방법의 각 단계별 구조를 도시한 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 마이크로 압전 유연와이어의 제조방법에서 전기영동법을 나타낸 순서도.
도 4a 및 도 4b는 각각 마이크로 압전 유연와이어의 제조방법에서 결함제거단계에서 압연롤러 또는 압출다이를 이용하여 세라믹-고분자 혼합층에서 고분자 복합층으로 변성시키는 원리를 도시한 도면.
도 5는 본 발명에 따라 마이크로 압전 유연와이어의 제조방법에 따라 최종적으로 완성된 마이크로 압전 유연와이어의 구조를 도시한 개략도.
도 6a 및 도 6b는 본 발명에 따른 마이크로 압전 유연와이어의 제조방법에 의해 제조된 마이크로 압전 유연와이어를 확대하여 촬영한 전자현미경 사진.
도 7은 본 발명에 따른 압전 에너지 하베스터를 도시한 개략도.
도 8은 본 발명에 따른 압전 에너지 하베스터에서 마이크로 압전 유연와이어가 서로 교차되게 직조된 상태를 도시한 개략도.
도 9는 본 발명에 따른 압전 에너지 하베스터의 제조방법을 도시한 순서도.
도 2는 본 발명에 따른 마이크로 압전 유연와이어의 제조방법의 각 단계별 구조를 도시한 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 마이크로 압전 유연와이어의 제조방법에서 전기영동법을 나타낸 순서도.
도 4a 및 도 4b는 각각 마이크로 압전 유연와이어의 제조방법에서 결함제거단계에서 압연롤러 또는 압출다이를 이용하여 세라믹-고분자 혼합층에서 고분자 복합층으로 변성시키는 원리를 도시한 도면.
도 5는 본 발명에 따라 마이크로 압전 유연와이어의 제조방법에 따라 최종적으로 완성된 마이크로 압전 유연와이어의 구조를 도시한 개략도.
도 6a 및 도 6b는 본 발명에 따른 마이크로 압전 유연와이어의 제조방법에 의해 제조된 마이크로 압전 유연와이어를 확대하여 촬영한 전자현미경 사진.
도 7은 본 발명에 따른 압전 에너지 하베스터를 도시한 개략도.
도 8은 본 발명에 따른 압전 에너지 하베스터에서 마이크로 압전 유연와이어가 서로 교차되게 직조된 상태를 도시한 개략도.
도 9는 본 발명에 따른 압전 에너지 하베스터의 제조방법을 도시한 순서도.
이하 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명에 따른 마이크로 압전 유연와이어의 제조방법에 대하여 자세히 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 마이크로 압전 유연와이어의 제조방법은 금속와이어(111)의 표면에 세라믹-고분자 물질을 코팅하여 활성층(112)을 형성하는 활성층 형성단계(S110)와, 진공에서 상기 활성층(112)을 압연 또는 압출하여 상기 활성층(112) 내부의 결합을 제거하는 결함제거단계(S120)와, 상기 활성층(112)의 표면에 금속을 도포하여 도전층(114)을 형성하는 도전층 형성단계(S140)와, 상기 금속와이어(111)와 상기 도전층(114)에 전계를 인가하여 상기 활성층(112)내에서 분극이 일어나게 하는 분극유도단계(S150)를 포함한다.
활성층 형성단계(S110)에서는 금속와이어(111)의 표면에 세라믹-고분자 분말을 증착시켜 정해진 두께는 갖는 활성층(112)을 형성하도록 한다.
상기 금속와이어(111)로는 스테인리스 스틸이 될 수 있으며, 이와 유사한 특징을 갖는 다른 금속와이어가 적용될 수도 있다. 상기 활성층(112)의 두께는 10μm 내지 1000μm로 형성될 수 있다.
상기 세라믹은 (PbNiNb)TiO3-(PbZr)TiO3, 고분자물질은 PVDF-TrFE가 될 수 있다. 상기 금속와이어(111)에 상기 세라믹-고분자 분말이 증착된 활성층(112)은 단순한 세라믹-고분자 혼합층이나, 이를 후술되는 바와 같이, 압연롤러(201)나 압출다이(202)를 통과시켜 고밀도 복합층(112')이 된다.
한편, 본 발명에서는 상기 금속와이어(111)에 활성층(112)을 형성하기 위해 세라믹-고분자를 증착시키기 위한 방법의 일례로, 아세트산 용액을 이용할 수 있다.
상기 금속와이어(111)를 침액방법 또는 전기영동법(electro deposition)을 이용하여 상기 금속와이어(111)에 활성층(112)이 형성되도록 한다.
상기 침액방법은, 상기 아세트 산 계열의 용액에 세라믹과 고분자를 투여하여 용해 시킨 후, 상기 세라믹과 고분자가 용해된 아세트 산 용액에 상기 금속와이어(111)를 넣어, 상기 금속와이어(111)의 표면에 상기 세라믹-고분자가 증착되도록 한다.
그리고, 전기 영동 증착법을 이용할 수 있다. 상기 세라믹과 고분자를 약산과 알코올 계열의 용액에 넣어서 용액을 만들고, 상기 금속와이어(111)는 음극으로하고, 스테인리스 스틸 또는 다른 금속 재질의 와이어나 플레이트를 상대 전극으로 하여 전계를 인가하여, 상기 금속와이어(111)에 상기 세라믹-고분자를 증착시켜 활성층(112)을 형성할 수 있다.
상기 전기 영동 증착법을 이용하여 상기 금속와이어(111)에 활성층(112)을 형성하는 방법은 상온에서 실시하여 상기 금속와이어(111)에 상기 세라믹-고분자로 이루어진 활성층(112)을 형성할 수 있다.
도 3에는 전기영동법의 일례에 대하여 상세히 도시되어 있는데, 세라믹과 고분자의 혼합분말을 에탄올과 아세톤이 혼합된 용액을 준비하고(S121), 이를 약 15분 동안 초음파 교반한 후(S122), 다시 약 3시간 동안 혼합시킨다(S123). 이렇게 준비된 용액에 금속와이어(111)를 투입시켜 5초 내지 수시간 동안 0~100V의 전계를 형성함으로써(S124), 상기 활성층(112)이 형성되도록 한다. 이후, 50℃ 이하의 온도에서 건조시킨다(S125).
이후 경화를 위해, 200℃이상의 고온과 10-2torr이하의 압력을 갖는 진공을 유지할 수 있는 고온의 전기로에서 2시간 내지 3시간동안 경화될 수도 있다.
결함제거단계(S120)에서는 외부에 세라믹-고분자 분말이 증착된 금속와이어(111)을 고온, 진공의 조건을 이용하여 상기 활성층(112)의 내부의 결합을 제거한다. 예컨대, 200℃이상의 고온과 진공을 유지할 수 있는 고온의 전기로에서 활성층(112)이 형성된 금속와이어(111)를, 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이 압연롤러(201) 또는 압출다이(202)를 통과시켜 압연 또는 압출함으로써, 상기 활성층(112) 내에 존재하는 크고 작은 결함을 제거하고, 상기 활성층(112)에서 고분자 물질이 녹으면서 세라믹 분말이 혼합되어, 단순한 세라믹-고분자 혼합층인 활성층(112)에서 고밀도 복합층(112')으로 변화한다.
결함제거단계(S120)가 수행된 이후에는 내부에 남아 있는 수분이 제거되고, 상기 고밀도 복합층(112')을 보호하기 위하여, 100℃ 이상에서 약 40분간 유지시킨다.
고분자막 도포단계(S130)는 내부에 존재하는 결합이 제거되고, 활성층(112)이 고밀도 복합층(112')으로 변성된 상태에서 상기 고밀도 복합층(112')의 표면에 수분이나, 기타 기체가 흡착되지 않도록 하는 고분자를 도포하여 고분자층(113)이 형성되도록 하여 발수, 발유 처리하는 과정이다.
도전층 형성단계(S140)는 상기 고밀도 복합층(112')의 외부에 금이나 주석 등과 같은 도전성이 우수한 금속물질을 도포하여, 외부전극이 되는 도전층(114)이 형성되도록 하는 과정이다.
상기와 같이, 도전층(114)이 형성된 마이크로 압전 유연와이어(110)에 상기 금속와이어(111)와 상기 도전층(114)에 각각 전계를 인가하여 상기 고밀도 복합층(112')의 내부에서 분극이 일어나게 함으로써(S115), 마이크로 압전 유연와이어(110)의 제조가 완료된다.
본 발명에 따른 압전 에너지 하베스터는 앞서 설명한 마이크로 압전 유연와이어의 제조방법으로 제조된 마이크로 압전 유연와이어(110)를 이용하여 구성된다.
즉, 본 발명에 따른 압전 에너지 하베스터는 서로 직교하도록 배치되거나, 한쪽 방향으로 배열되는 마이크로 압전 유연와이어(110)와, 상기 마이크로 압전 유연와이어(110)의 외부에 유연 고분자 물질로 몰딩되는 몰딩부(120)와, 전기에너지를 외부로 출력하는 출력전극(130)을 포함한다.
마이크로 압전 유연와이어(110)는 금속와이어(111)와, 상기 금속와이어(111)의 표면에 도포되는 세라믹-고분자로 이루어지는 활성층(112)과, 상기 활성층(112)의 표면에 형성되는 도전층(113)을 포함한다. 상기 활성층(112)은 나노 단위보다 굵은 마이크로 미터 단위, 즉 10 μm 내지 1000 μm의 두께의 압전 세라믹-고분자로 이루어진다. 상기 활성층(112)은 (PbNiNb)TiO3-(PbZr)TiO3 및 PVDF-TrFE의 혼합물로 이루어져, 압전 에너지 하베스터의 실뢰성을 패독 향상시켜 mW급 이상의 에너지를 획득할 수 있다. 상기 활성층(112)은 결함제거단계(S120)를 통하여 내부의 결함이 제거된 상태이기 때문에 매우 안정된 상태를 유지할 수 있다. 상기 활성층(112)는 압연 또는 압출에 의해 궁극적으로 고밀도 복합층(112')가 된다.
몰딩부(120)는 일정한 형태로 배열된 상기 마이크로 압전 유연와이어(110)를 고정시키기 위해 제공된다. 상기 몰딩부(120)는 고분자 물질, 특히 유연한 특성을 갖는 유연 고분자 물질로 이루어져, 상기 마이크로 압전 유연와이어(110)를 탄성지지한다.
상기 유연 고분자 물질의 일례로서, PDMS(Polydimethylsiloxane)이 될 수 있다. 상기 PDMS는, 투명한 고분자 물질로서, 상기 압전 에너지 하베스터(100)의 내부에서 상기 마이크로 압전 유연와이어(110) 사이의 공간을 채워 상기 압전 에너지 하베스터가 유연한 성질을 갖도록 함으로써, 종래의 압전 에너지 하베스터가 취성에 취약했던 문제점을 해소할 수 있다.
출력전극(130)은 2개로 마련되어 상기 마이크로 압전 유연와이어(110)와 상기 몰딩부(120)의 외측에 상기마이크로 압전 유연와이어(110)의 금속와이어(11) 또는 도전층(114) 중 어느 하나와 각각 전기적으로 연결되게 설치되어, 압력(P)이 작용하여 각 마이크로 압전 유연와이어(110)로부터 전력이 발생되면 이를 외부로 출력하도록 한다.
도 7에는 상기 마이크로 압전 유연와이어(110)를 한 쪽방향으로 배열하여 압전 에너지 하베스터(100)를 구성한 예가 도시되어 있다.
한편, 상기 마이크로 압전 유연와이어(110)는 도 8에 도시된 바와 같이, 서로 직교하도록 배열될 수 있다. 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 마이크로 압전 유연와이어(110)를 서로 직교하도록 배열하고, 상기 유연 고분자를 이용하여 몰딩한 후 출력전극(130)을 설치함으로써 압전 에너지 하베스터를 구성할 수도 있다.
이하에서는 본 발명에 따른 압전 에너지 하베스터 제조방법에 대하여 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 앞서 설명한 마이크로 압전 유연와이어의 제조방법으로 제조된 마이크로 압전 유연와이어(110)를 배열하는 와이어 배열단계(S210)와, 배열된 마이크로 압전 유연와이어(110)의 사이로 유연 고분자 물질이 몰딩되도록 하는 고분자 몰딩단계(S220)와, 상기 마이크로 압전 유연와이어(110)들의 금속와이어(111)와 상기 도전층(114)에 각각 전기적으로 연결되는출력전극(130)을 설치하는 출력전극설치단계(S230)를 포함한다.
와이어 배열단계(S210)는 상기 마이크로 압전 유연와이어(110)를 일정한 방향으로 배열되도록 한다. 예컨대, 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 마이크로 압전 유연와이어(110)를 서로 교차하도록 배열하거나, 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 마이크로 압전 유연와이어(110)들이 같은 방향으로 배열할 수 있다.
고분자 몰딩단계(S220)에서는 일정한 형태로 배열된 마이크로 압전 유연와이어(110)의 사이에 고분자 물질이 침투되도록 하여, 상기 마이크로 압전 유연와이어(110)가 상기 고분자 물질에 의해 탄성지지되도록 고분자 물질을 몰딩한다.
상기 고분자 물질은 PDMS(Polydimethylsiloxane)이 될 수 있다. 상기 PDMS가 상기 마이크로 압전 유연와이어(110) 사이의 공간을 채워 상기 압전 에너지 하베스터가 유연한 성질을 갖도록 함으로써, 종래의 압전 에너지 하베스터가 취성에 취약했던 문제점을 해소할 수 있다.
출력전극설치단계(S230)는 최종적으로 압전 에너지 하베스터(100)에서 생성된 전기에너지를 외부로 출력하도록 하는 출력전극을 설치하는 단계이다. 배열된 복수의 마이크로 압전 유연와이어(110)들의 금속와이어(111)와 도전층(114)에 각각 전기적으로 연결되도록 2개의 출력전극(130)을 가장 외측에 설치하게 된다.
100 : 압전 에너지 하베스터 110 : 마이크로 압전 유연와이어
111 : 금속와이어 112 : 활성층
112' : 고밀도 복합층 113 : 고분자층
114 : 도전층 120 : 몰딩부
130 : 출력전극 201 : 압연롤러
202 : 압출다이 S110 : 활성층 형성단계
S120 : 결함제거단계 S130 : 고분자막 도포단계
S140 : 도전층 형성단계 S150 : 분극단계
S210 : 와이어 배열단계 S220 : 고분자 몰딩단계
S230 : 출력전극설치단계
111 : 금속와이어 112 : 활성층
112' : 고밀도 복합층 113 : 고분자층
114 : 도전층 120 : 몰딩부
130 : 출력전극 201 : 압연롤러
202 : 압출다이 S110 : 활성층 형성단계
S120 : 결함제거단계 S130 : 고분자막 도포단계
S140 : 도전층 형성단계 S150 : 분극단계
S210 : 와이어 배열단계 S220 : 고분자 몰딩단계
S230 : 출력전극설치단계
Claims (13)
- 금속와이어의 표면에 세라믹-고분자 물질을 코팅하여 활성층을 형성하는 활성층 형성단계와,
진공에서 상기 활성층을 압연 또는 압출하여 상기 활성층 내부의 결합을 제거하는 결함제거단계와,
상기 활성층의 표면에 금속을 도포하여 도전층을 형성하는 도전층 형성단계와,
상기 금속와이어와 상기 도전층에 전계를 인가하여 상기 활성층내에서 분극이 일어나게 하는 분극유도단계를 포함하는 마이크로 압전 유연와이어의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 활성층 형성단계에서는,
전기영동증착법으로 상기 세라믹-고분자물질을 상기 금속와이어에 코팅하여 상기 활성층을 형성하는 것을 특징으로 하는 마이크로 압전 유연와이어의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 활성층 형성단계에서는,
세라믹과 고분자를 아세트산 계열의 용액에 용해시키고, 상기 와이어를 상기 용액에 넣어 상기 세라믹과 고분자를 상기 와이어의 표면에 도포하는 것을 특징으로 하는 마이크로 압전 유연와이어의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 결함제거단계에서는 180℃ 내지 220℃의 고온 전기로 내에서 수행되는 것을 특징으로 하는 마이크로 압전 유연와이어의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 활성층은 그 두께가 10 μm 내지 1000 μm인 것을 특징으로 하는 마이크로 압전 유연와이어의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 세라믹-고분자 물질은, (PbNiNb)TiO3-(PbZr)TiO3와 PVDF-TrFE인 것을 특징으로 하는 마이크로 압전 유연와이어의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 결함제거단계 이후에는, 결함이 제거된 상기 활성층에 액체 또는 기체의 흡착을 방지하기 고분자를 도포하는 고분자층을 형성하는 고분자막 도포단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 압전 유연와이어의 제조방법. - 상기 청구항 제1항 내지 제7항에 의해 제조된 마이크로 압전 유연와이어를 서로 직교하도록 배열시키거나, 같은 방향으로 배열하는 와이어 배열단계와,
상기 마이크로 압전 유연와이어들의 사이로 유연고분자로 몰딩하는 고분자 몰딩단계와,
상기 마이크로 압전 유연와이어의 내부의 금속와이어와 도전층에 각각 전기적으로 연결되는 출력전극을 설치하는 출력전극설치단계를 포함하는 압전 에너지 하베스터의 제조방법. - 제8항에 있어서,
상기 유연 고분자 물질은, PDMS(Polydimethylsiloxane)인 것을 특징으로 하는 압전 에너지 하베스터의 제조방법. - 금속와이어와 상기 금속와이어의 표면에 세라믹-고분자를 도포하여 형성되는 활성층과상기 활성층의 표면에 형성되는 도전층를 포함하고, 서로 교차하도록 배열되거나 한쪽방향을 배열되는 마이크로 압전 유연와이어와,
상기 마이크로 압전 유연와이어를 탄성지지하도록 유연 고분자 물질로 몰딩하여 형성되는 몰딩부와,
내부에서 생성된 전기에너지를 외부로 출력하도록 상기 마이크로 압전 유연와이어와 전기적으로 연결되는 출력전극을 포함하는 압전 에너지 하베스터. - 제10항에 있어서,
상기 활성층은 그 두께가 10 μm 내지 1000 μm인 것을 특징으로 하는 압전 에너지 하베스터. - 제10항에 있어서,
상기 활성층은 (PbNiNb)TiO3-(PbZr)TiO3및 PVDF-TrFE의 혼합물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 압전 에너지 하베스터. - 제10항에 있어서,
상기 유연 고분자 물질은, PDMS(Polydimethylsiloxane)인 것을 특징으로 하는 압전 에너지 하베스터.
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Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| CN107068851B (zh) * | 2017-03-30 | 2019-01-25 | 武汉纺织大学 | 一种压力发电金属丝及其制备方法 |
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