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KR20240012967A - 압전 발전 장치 및 이의 제조 방법 - Google Patents

압전 발전 장치 및 이의 제조 방법 Download PDF

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Publication number
KR20240012967A
KR20240012967A KR1020220090580A KR20220090580A KR20240012967A KR 20240012967 A KR20240012967 A KR 20240012967A KR 1020220090580 A KR1020220090580 A KR 1020220090580A KR 20220090580 A KR20220090580 A KR 20220090580A KR 20240012967 A KR20240012967 A KR 20240012967A
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KR
South Korea
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power generation
generation device
electrode
piezoelectric
piezoelectric power
Prior art date
Application number
KR1020220090580A
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English (en)
Inventor
이성원
배지훈
송진규
Original Assignee
재단법인대구경북과학기술원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by 재단법인대구경북과학기술원 filed Critical 재단법인대구경북과학기술원
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Abstract

본 발명은 인체의 작은 움직임에도 적용 가능하고, 에너지 효율이 향상된 압전 발전 장치에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명의 일 측면은 외부에서 가해지는 힘에 의해 변형 가능한 기판, 상기 기판의 일면에 형성되고, 각각 전극 패턴을 포함하는 제1 전극과 제2 전극을 포함하는 전극층 및 상기 전극층의 일면에 형성되는 압전 재료층을 포함할 수 있다.

Description

압전 발전 장치 및 이의 제조 방법{Piezoelectric energy generator and manufacturing method thereof}
본 발명은 압전 발전 장치 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
최근 원격 의료 서비스의 실현을 위해, 환자의 건강 상태를 모니터링할 수 있는 시스템(health monitoring system, HMS)의 개발이 활발하게 이루어지고 있다. 이러한 시스템은 환자의 신체의 상태를 모니터링하고, 기록하기 위해 다양한 센서 등의 장치를 포함한다.
이러한 장치는 다양한 전자소자 등 전력을 필요로 하는 경우가 많은데, 이러한 전력을 공급하기 위해 에너지 하베스팅(energy harvesting)에 관한 기술이 개발되고 있다.
에너지 하베스팅이란 진동, 열, 태양광 등으로부터 발생하는 에너지를 전기 에너지로 수확하여 이용하는 기술을 의미하는데, 예를 들면 인간이 걷는 활동 등으로부터 발생되는 에너지를 수확하여 이를 전기 에너지로 전환하여 사용하는 기술을 들 수 있다.
이러한 필요에 의해, 인체에 에너지 하베스팅 장치를 착용 내지 부착하여 인체의 움직임으로부터 전기 에너지를 생성하고, 생성된 에너지를 이용하여 환자의 건강 상태를 모니터링하기 위한 시스템을 구동하기 위한 연구가 활발히 이루어지고 있다.
일 예로서, 인체에 착용 내지 부착되는 에너지 하베스팅 장치로는 압전 효과를 이용하는 장치가 이용될 수 있는데, 압전 효과란 어떤 물질에 외부에서 힘이 가해지는 경우 그 물질의 배치가 일그러지면서 분극 현상이 일어나고, 이로부터 전기장이 형성되는 현상을 의미한다.
다만, 종래의 압전 효과를 이용한 에너지 하베스팅 장치는 걷는 운동이나 팔을 움직이는 등 큰 움직임에 대해서는 에너지를 획득할 수 있으나, 작은 움직임에 대해서는 에너지를 획득하지 못하는 한계점이 존재한다. 또한, 장치가 커지게 되는 경우에는 사용자가 불편함을 느끼는 경우가 많고, 내구성이 감소되거나, 인체에서 쉽게 이탈되는 문제가 있다.
이에, 인체에 불편함을 느끼지 않도록 부착 가능하고, 인체의 작은 움직임에도 적용 가능한 에너지 하베스팅 장치의 개발이 요구되고 있는 실정이다.
본 발명은 인체에 부착되더라도 불편함을 느끼지 않을 수 있는 압전 발전 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 인체의 작은 움직임에도 전기 에너지를 획득할 수 있는 압전 발전 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 에너지 전환 효율이 향상된 압전 발전 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
다만, 이러한 과제는 예시적인 것으로서 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이에 한정되지 않는다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면은 외부에서 가해지는 힘에 의해 변형 가능한 기판, 상기 기판의 일면에 형성되고, 각각 전극 패턴을 포함하는 제1 전극과 제2 전극을 포함하는 전극층 및 상기 전극층의 일면에 형성되는 압전 재료층을 포함할 수 있다.
또한, 상기 기판은 탄성변형이 가능한 재질로 형성될 수 있다.
또한, 상기 제1, 2 전극은 동일 평면 상에 형성될 수 있다.
또한, 상기 제1 전극은 상기 기판의 적어도 하나의 가장자리와 나란한 방향으로 연장되어 형성되는 제1-1 패턴을 포함하고, 상기 제2 전극은 상기 기판의 적어도 하나의 가장자리와 나란한 방향으로 연장되어 형성되는 제2-1 패턴을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 전극은 상기 제1-1 패턴과 교차하는 방향으로 연장되어 형성되는 제1-2 패턴을 포함하고, 상기 제2 전극은 상기 제2-1 패턴과 교차하는 방향으로 연장되어 형성되는 제2-2 패턴을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1, 2 전극은 상기 제1-2 패턴과 상기 제2-2 패턴이 서로 교호되도록 배치될 수 있다.
또한, 상기 압전 재료층은 생체적합성 압전 물질을 포함할 수 있다.
또한, 전체 두께가 3 내지 5μm일 수 있다.
또한, 외부에서 가해지는 힘에 의해 다중 변형될 수 있다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 다른 측면은 압전 발전 장치의 제조 방법으로서, 기판을 준비하는 단계, 상기 기판의 일면에 각각 전극 패턴을 포함하는 제1 전극과 제2 전극을 포함하는 전극층을 형성하는 단계 및 상기 전극층의 일면에 압전 재료층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 기판을 준비하는 단계는 글라스의 일면에 상기 기판을 이루는 물질을 스핀코팅하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 전극층을 형성하는 단계는 상기 기판에 대해 포토리소그래피를 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1, 2 전극은 동일 평면 상에 형성될 수 있다.
또한, 상기 제1, 2 전극에 형성된 패턴은 적어도 일부가 서로 교호되도록 배치될 수 있다.
또한, 상기 압전 재료층을 형성하는 단계는 압전 물질을 상기 기판과 상기 전극의 상면에 스핀코팅하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 압전 발전 장치의 전체 두께는 3 내지 5μm일 수 있다.
본 발명은 인체에 부착되더라도 불편함을 느끼지 않을 수 있는 압전 발전 장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 인체의 작은 움직임에도 전기 에너지를 획득할 수 있는 압전 발전 장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 에너지 전환 효율이 향상된 압전 발전 장치를 제공할 수 있다.
다만, 이러한 효과는 예시적인 것으로서 본 발명의 효과는 이에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 발전 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 X-X'선을 따라 절취한 단면도이다.
도 3은 도 1의 압전 재료층의 일 실시예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 기판의 두께에 따른 접촉성의 변화를 설명하기 위한 사진이다.
도 5는 얇은 기판에 힘이 가해지는 경우 다중 변형이 일어나는 모습을 나타내는 사진이다.
도 6은 압전 발전 장치의 두께에 따른 출력전압과 출력전류의 세기를 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 발전 장치의 제조 방법을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 8은 전극의 전체 너비와 전극 간격의 합의 비에 따른 출력전압과 출력전류의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 9는 압전 발전 장치에 압축과 인장 변형을 반복적으로 가할 때 측정되는 출력전압의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 10(a)는 압전 발전 장치에 가해지는 힘의 진동수에 따른 출력전압의 변화를 나타내는 그래프이고, 도 10(b)는 압전 발전 장치에 가해지는 힘의 진동수에 따른 출력전류의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 11은 압전 발전 장치를 눈가에 부착하고 눈 깜빡임에 의해 측정되는 출력전압과 출력전류의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 12는 압전 발전 장치를 손목에 부착하고 손목의 굽힘과 폄 동작에 의해 측정되는 출력전압과 출력전류의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 13은 압전 발전 장치를 손가락에 부착하고 손가락의 굽힘과 폄 동작에 의해 측정되는 출력전압과 출력전류의 변화를 나타내는 그래프이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명의 효과 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
이하의 실시예에서, 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용되었다.
이하의 실시예에서, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
이하의 실시예에서, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.
도면에서는 설명의 편의를 위하여 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 예컨대, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
이하의 실시예에서, x축, y축 및 z축은 직교 좌표계 상의 세 축으로 한정되지 않고, 이를 포함하는 넓은 의미로 해석될 수 있다. 예를 들어, x축, y축 및 z축은 서로 직교할 수도 있지만, 서로 직교하지 않는 서로 다른 방향을 지칭할 수도 있다.
어떤 실시예가 달리 구현 가능한 경우에 특정한 공정 순서는 설명되는 순서와 다르게 수행될 수도 있다. 예를 들어, 연속하여 설명되는 두 공정이 실질적으로 동시에 수행될 수도 있고, 설명되는 순서와 반대의 순서로 진행될 수 있다.
이하, 상술한 원칙에 기초하여 본 발명에 따른 압전 발전 장치 및 이의 제조 방법을 도면을 참조하여 자세하게 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 압전 발전 장치는 인체에 착용 내지 부착되는 웨어러블 디바이스(wearable device)일수 있다. 예를 들면, 압전 발전 장치는 인체의 착용 내지 부착되어 인체의 움직임으로부터 압전 전기를 발생시킬 수 있다.
본 발명에 따른 압전 발전 장치는 인체의 작은 움직임에 의해 압전 전기를 발생시킬 수 있다. 예를 들면, 본 발명에 따른 압전 발전 장치는 눈가에 부착되어 눈 깜빡임 동작에 의해 압전 전기를 발생시킬 수 있다. 또는, 본 발명에 따른 압전 발전 장치는 가슴이나 복부와 인접한 위치에 부착되어 호흡 동작에 의해 압전 전기를 발생시킬 수 있다. 또는, 본 발명에 따른 압전 발전 장치는 손목이나 손가락에 부착되어 손목이나 손가락의 굽힘과 폄 동작에 의해 압전 전기를 발생시킬 수 있다.
이때, 인체의 작은 움직임에 의하더라도 압전 효과를 효율적으로 발생시키기 위해서는 압전 발전 장치는 어느 이상 얇은 두께를 가져야 한다. 예를 들면, 압전 발전 장치가 지나치게 두꺼운 경우 인체에 부착되기 어렵고, 부착된다고 하더라도 인체로부터 금방 떨어지게 되며, 이를 부착한 사용자에게 불편함을 야기하게 되는 문제가 발생한다.
이에, 인체에 적절하게 부착될 수 있고, 인체의 작은 움직임에도 적용 가능한 압전 발전 장치 및 이의 제조 방법의 실시예를 도면을 참고하여 자세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 발전 장치를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2는 도 1의 X-X'선을 따라 절취한 단면도이고, 도 3은 도 1의 압전 재료층의 일 실시예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 발전 장치는 기판(100), 전극층(200) 및 압전 재료층(300)을 포함할 수 있다.
기판(100)은 압전 발전 장치의 구조를 지지할 수 있다. 예를 들면, 기판(100)의 상면에는 전극층(200) 및 압전 재료층(300)이 적층되어 형성될 수 있다.
기판(100)은 외부에서 가해지는 힘에 의해 변형이 가능할 수 있다. 즉, 기판(100)은 외부에서 가해지는 압력이나 응력에 의해 변형이 가능하도록 탄성변형이 가능한 재질로 형성될 수 있다.
일 실시예로서, 기판(100)은 실리콘(Si), 글라스(glass), 폴리이미드(polyimide, PI), 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET), 폴리에테르술폰(polyethersulphone, PES), 폴리에스테르(polyester), 폴리에틸렌나프탈레이트(polyethylene naphthalate, PEN), 폴리에테르에테르케톤(polyether ether ketone, PEEK), 폴리아릴레이트(polyarylate, PAR), 사이클로올레핀(cycloolefin) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 다만, 이는 기판(100)을 이룰 수 있는 물질의 예시로서 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
전극은 기판(100)의 일면에 형성될 수 있다. 전극은 후술하는 압전 재료층(300)에 힘이 가해져 압전 재료층(300)의 변형이 일어남으로써 발생되는 압전 전류가 흐르는 층이다.
전극층(200)은 도전성 물질로 형성될 수 있다.
일 실시예로서, 전극층(200)은 Au, Ag, Ti, Cu, Pd, Ru, Ni, ITO(Sn dopes In2O3), 그래핀(graphene), 탄소나노튜브(CNT), 불소 함유 산화주석(FTO), Cr/Au, Au/Cu, Ti/Pt 중 어느 하나일 수 있다. 다만, 이는 전극을 이룰 수 있는 물질의 예시로서 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
전극층(200)의 구조에 대해서는 자세하게 후술한다.
압전 재료층(300)은 외부에서 가해지는 힘에 의해 변형이 일어나고, 이로 인해 전기를 발생시키는 층일 수 있다. 예를 들면, 압전 재료층(300)은 압전 물질을 포함할 수 있다. 따라서, 외부로부터 압력이나 응력이 압전 재료층(300)에 가해지는 경우 압전 물질의 내부 구조는 변형되어 압전 물질의 내부에 분극이 발생할 수 있다. 따라서, 분극에 의해 압전 물질에는 전기장이 형성될 수 있고, 이에 의해 압전 전기가 발생할 수 있다.
압전 물질은 압전효과를 일으킬 수 있는 물질일 수 있다.
일 실시예로서, 압전 물질은, PVDF(polyvinylidene fluoride), PDMS (polydimethylsiloxane) 또는 PMMA (polymethyl methacrylate)일 수 있다.
선택적 실시예로서, 압전 재료층(300)은 생체적합성 압전 물질을 포함할 수 있다. 바람직한 실시예로서, 압전 재료층(300)은 PVDF-TrFE(polyvinylidene fluoride-trifluoroethylene)로 구성되거나 PVDF-TrFE(polyvinylidene fluoride-trifluoroethylene)를 포함하는 물질로 이루어질 수 있다.
이와 관련하여, 종래에는 PZT(lead zirconate titanate), PMN-PT(lead-magnesium niobite-lead titanate)와 같은 물질을 압전 물질로 이용하기 위한 시도가 있었으나, 이러한 물질은 인체에 유해하므로, 인체를 이러한 물질로부터 보호하기 위하여 기판을 두껍게 하거나 보호층을 더 포함하여야 하는 한계가 있었다. 또한, 이와 같은 물질들은 변형을 위해 상대적으로 큰 힘을 요하므로, 웨어러블 디바이스에 이용되기에 한계가 있었다.
즉, 본 발명에 따른 압전 발전 장치는 생체적합성 물질을 압전 물질로 이용함으로써 두께의 감소를 구현할 수 있으면서, 후술하는 바와 같이 상대적으로 적은 힘으로 변형을 일으킬 수 있으므로 효율적일 수 있다.
본 발명에 따른 압전 발전 장치는 사람의 피부에 등각 접촉(conformal contact)할 수 있다. 즉, 압전 발전 장치는 사람의 피부에 주름에 대응되도록 부착되며, 눈 깜빡임이나 호흡, 손가락이나 손목의 폄 동작이나 구부림 동작에 의해서도 피부로부터 이탈되지 않게 된다.
또한, 본 발명에 따른 압전 발전 장치는 사람의 작은 움직임에 의해서 변형이 가능할 수 있고, 구체적으로 외부에서 가해지는 힘에 의해 다중 변형될 수 있다. 다중 변형(multi-deformation)이란, 외부에서 압력이나 응력이 작용할 때 여러 방향으로 변형이 일어나 마치 구겨지듯 변형되는 것을 의미할 수 있다.
이처럼, 압전 발전 장치가 사람의 작은 움직임에 의해 피부에서 이탈되거나, 사람의 작은 움직임에 의해 변형이 쉽게 일어나지 않는 경우 그 작은 움직임으로부터 압전 효과를 발생시키는 것은 어렵게 되고, 나아가 에너지 전환 효율이 감소하게 된다.
일 실시예로서, 압전 발전 장치의 전체 두께(Tt)는 3 내지 5μm일 수 있다. 바람직하게는 압전 발전 장치는 4μm의 두께를 가질 수 있다.
압전 발전 장치가 3μm보다 작은 두께를 갖는 경우, 에너지 전환 효율이 감소하게 된다. 또한, 압전 발전 장치가 5μm보다 크게 되는 경우, 에너지 전환 효율이 감소하고, 사람의 피부에 등각접촉하기 어려우며, 외부에서 가해지는 힘에 의해 다중 변형이 일어나기 어렵게 된다.
구체적으로, 기판(100)의 두께(t1)는 1.5μm이하일 수 있다. 기판(100)은 압전 발전 장치의 여러 층을 지지하는 층으로서, 1.5μm 이상의 두께를 갖는 경우 사람의 피부에 등각접촉하기 어렵고, 외부에서 힘이 가해지는 경우 변형이 잘 일어나지 않으며, 원위치에서부터 이탈하는 문제가 발생할 수 있다.
도 4는 기판(100)의 두께(t1)에 따른 접촉성의 변화를 설명하기 위한 사진이고, 도 5는 얇은 기판(100)에 힘이 가해지는 경우 다중 변형이 일어나는 모습을 나타내는 사진이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 손목의 움직임으로 인해 피부가 반복적으로 펴지고 접히는 경우 두께가 두꺼운 기판(125μm)은 원 위치에서부터 이탈되어 이동하는 반면, 두께가 얇은 기판(1.25μm)은 위치의 변동이 없으며, 피부의 접힘으로 인해 힘이 가해지는 경우 그 힘에 대응되도록 다중 변형되는 것을 확인할 수 있다.
전극층(200)의 두께(t2)는 기판(100)과 압전 재료층(300)에 비해 얇을 수 있다. 예를 들면, 전극층(200)은 50nm의 두께를 가질 수 있다. 따라서, 전극층(200)의 두께는 압전 발전 장치의 전체 두께에 미치는 영향이 적을 수 있다.
압전 재료층(300)의 두께(t3)는 0.1 내지 3μm일 수 있고, 바람직하게는 2.5μm일 수 있다. 압전 재료층(300)이 0.1μm 이하의 두께를 갖는 경우 압전 효과가 발생하기 어렵고, 압전 재료층(300)이 3μm 이상의 두께를 갖는 경우 압전 발전 장치의 전체 두께가 증가하는 문제가 발생할 수 있다.
도 6은 압전 발전 장치의 두께(Tt)에 따른 압전 전압과 전류의 세기를 나타내는 그래프이다. 도 6을 참조하면, 압전 발전 장치는 4μm의 두께에서 높은 압전 전압과 압전 전류가 발생됨을 확인할 수 있다.
전극층(200)은 기판(100)의 일면에 배치될 수 있다. 또한, 후술하는 바와 같이 전극층(200)의 일면에는 압전 재료층(300)이 배치될 수 있다. 따라서, 전극층(200)은 기판(100)과 압전 재료층(300)의 사이에 배치될 수 있다.
일 실시예로서, 전극층(200)은 제1 전극(210)과 제2 전극(220)을 포함할 수 있다. 제1 전극(210)과 제2 전극(220)은 각각 양극(positive electrode)과 음극(negative electrode)이 될 수 있다.
일 실시예로서, 제1 전극(210)과 제2 전극(220)은 동일 평면 상에 형성될 수 있다.
종래의 압전 발전 장치의 경우 양 극이 각각 별도의 층으로 형성되고, 그 사이에는 압전층이 배치되었다. 이 경우, 각각의 전극이 갖는 두께로 인해 장치의 전체 두께가 증가하는 문제가 있었다.
본 실시예에 따른 제1 전극(210)과 제2 전극(220)은 동일 평면 상에 배치되어, 기판(100)과 압전 재료층(300) 사이에 배치되므로, 압전 발전 장치의 전체 두께가 감소하게 되는 효과가 있다.
제1 전극(210)과 제2 전극(220)이 하나의 층을 이루는 경우 상대적으로 압전 전압이나 압전 전류의 크기가 감소할 수 있는데, 이를 위해 본 발명의 일 실시예에 따르면 제1 전극(210)과 제2 전극(220)은 각각 전극 패턴을 포함할 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극은 IDE(interdigitated electrode)일 수 있다.
예를 들면, 제1 전극(210)과 제2 전극(220)은 두 전극 사이에 인접한 부분이 증가하도록 각각 패턴을 포함할 수 있고, 구체적으로 제1 전극(210)은 제1 패턴(P1)을 포함할 수 있고, 제2 전극(220)은 제2 패턴(P2)을 포함할 수 있다.
구체적 실시예로서, 제1 전극(210)은 기판(100)의 적어도 하나의 가장자리와 나란한 방향으로 연장되어 형성되는 제1-1 패턴(P1-1)을 포함하고, 제2 전극(220)은 기판(100)의 적어도 하나의 가장자리와 나란한 방향으로 연장되어 형성되는 제2-1 패턴(P2-1)을 포함할 수 있다.
제1 전극(210)은 제1-1 패턴(P1-1)과 교차하는 방향으로 연장되어 형성되는 제1-1 패턴(P1-2)을 포함하고, 제2 전극(220)은 제2-1 패턴(P2-1)과 교차하는 방향으로 연장되어 형성되는 제2-2 패턴(P2-2)을 포함할 수 있다.
이에 따라, 제1 전극(210)과 제2 전극(220)이 포함하는 패턴은 서로 넓은 부분이 인접하도록 배치될 수 있다.
선택적 실시예로서, 바람직하게는, 제1-1 패턴(P1-1)과 제2-1 패턴(P2-1)은 나란하게 형성될 수 있다. 또한, 제1-1 패턴(P1-2)과 제2-2 패턴(P2-2)은 나란한 방향으로 복수개가 이격되어 형성될 수 있다.
선택적 실시예로서, 제1 전극(210)과 제2 전극(220)은 제1-1 패턴(P1-2)과 제2-2 패턴(P2-2)이 서로 교호되도록 배치될 수 있다.
다시 도 3을 참조하면, 제1-1 패턴(P1-1)과 제1-1 패턴(P1-2)이 서로 나란하게 연장되어 형성되고, 제1-1 패턴(P1-2)과 제2-2 패턴(P2-2)이 서로 교호하도록 형성되므로, 제1 전극(210)과 제2 전극(220)의 인접한 부분이 더욱 증가할 수 있고, 압전에 의해 발생하는 전압과 전류의 세기가 증가할 수 있다.
일 실시예로서, 전극층(200)의 전극의 전체 너비와 전극 간격의 합의 비(W/L ratio)는 700이상일 수 있고, 바람직하게는 730이상일 수 있다.
여기서, 다시 도 3을 참조하면 전극의 전체 너비는 제1 전극(210)과 제2 전극(220)의 너비(W)를 의미하고, 전극 간격의 합은 제1-1 패턴(P1-2)과 제2-2 패턴(P2-2) 사이의 거리(L1)들, 제1-1 패턴(P1-1)과 제2-2 패턴 및 제2-1 패턴(P2-1)과 제1-1 패턴(P1-2) 사이의 거리(L2)들의 합을 의미할 수 있다.
전극의 전체 너비와 전극 간격의 합의 비(W/L ratio)가 700보다 낮은 경우, 압전 발전 장치는 상대적으로 낮은 전압과 전류의 전기를 발생시키게 된다.
선택적 실시예로서, 도면에 도시되지는 않았으나, 압전 재료층(300)의 일면에는 보호층이 더 형성될 수 있다. 일 예로서, 보호층은 파릴렌-c(parylene-c)를 포함할 수 있다.
따라서, 압전 발전 장치는 보호층에 의해 물리적으로 손상되거나 습기 등으로부터 오염되는 것이 방지될 수 있다.
구체적 실시예로서, 보호층은 1μm이하의 두께로 형성될 수 있고, 바람직하게는 350nm 이하로 형성될 수 있다. 보호층의 두께가 350nm보다 두껍게 형성되는 경우, 압전 발전 장치의 전체 두께가 증가하게 되므로, 압전 발전 장치의 변형이 어려워지게 되고, 에너지 전환 효율이 감소하게 되는 문제가 발생할 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 다른 측면에 따른 압전 발전 장치의 제조 방법에 대해 도면을 참고하여 설명한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 발전 장치의 제조 방법을 개략적으로 도시한 도면이다. 다만, 설명의 편의를 위해 전술한 내용과 중복되거나 전술한 내용을 용이하게 변형하여 적용 가능한 내용은 생략하거나 간략하게 소개하기로 한다.
도 7을 참조하면, 압전 발전 장치의 제조 방법은 기판을 준비하는 단계(S10), 전극층을 형성하는 단계(S20) 및 압전 재료층을 형성하는 단계(S30)를 포함할 수 있다.
기판을 준비하는 단계(S10)는 기판(100)을 이루는 물질을 유리 기판에 스핀코팅하여 이루어질 수 있다.
일 실시예로서, 기판(100)은 폴리이미드를 포함할 수 있다. 기판(100)은 폴리이미드 용액(PI solution)을 유리 기판에 스핀코팅하여 형성될 수 있다.
선택적 실시예로서, 기판을 준비하는 단계(S10)는 폴리이미드 용액이 코팅된 기판(100)을 가열하는 단계, 가열된 기판(100)을 아닐링하는 단계 및 아닐링된 기판(100)을 식히는 단계를 더 포함할 수 있다.
이에 의해, PI 용액은 이미드화가 더욱 완전하게 이루어질 수 있다.
전극층을 형성하는 단계(S20)는 기판(100)의 상면에 전극을 형성하는 단계일 수 있다.
일 실시예로서, 전극층을 형성하는 단계(S20)보다 먼저 기판(100)의 일면에 포토리소그래피를 수행하는 단계가 수행될 수 있다. 전술한 바와 같이, 전극층(200)은 제1 전극(210)과 제2 전극(220)을 가질 수 있고, 제1 전극(210)과 제2 전극(220)은 각각 패턴을 가질 수 있다.
따라서, 포토리소그래피를 통해 각각의 전극이 갖는 패턴을 정확하게 구현할 수 있다.
전극층을 형성하는 단계(S20)는 기상증착에 의해 이루어질 수 있다.
일 실시예로서, 전극층(200)은 Cr/Au로 이루어질 수 있다.
기상증착을 통해 전극층(200)은 기판(100)의 상면에 얇은 두께를 갖도록 형성될 수 있다.
압전 재료층을 형성하는 단계(S30)는 전극이 형성된 기판(100)의 상면에 압전 물질을 스핀코팅하여 이루어질 수 있다.
일 실시예로서, 압전 물질은 PVDF-TrFE일 수 있다. 구체적으로, PVDF-TrFE는 파우더 상태로 준비될 수 있고, 용매에 용해된 후, 전극이 형성된 기판(100)의 상면에 스핀코팅되어 형성될 수 있다.
선택적 실시예로서, 압전 발전 장치의 제조방법은 보호층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 압전 발전 장치 및 이의 제조 방법은 외부에서 압력이나 응력이 가해지는 경우 쉽게 다중 변형이 가능하여, 인체의 작은 움직임에도 전기 에너지를 획득할 수 있는 효과가 있고, 인체에 부착되더라도 불편함을 느끼지 않을 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 압전 발전 장치 및 이의 제조 방법은 최적의 두께를 가짐으로써 에너지 전환 효율이 향상된 압전 발전 장치를 제공할 수 있다.
이하에서는, 본 발명을 압전 발전 장치의 제조예와 실험예를 통해 설명한다. 다만, 하기 제조예와 실험예는 본 발명의 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 제조예와 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.
제조예 1. 압전 발전 장치의 제조
전술한 압전 발전 장치의 제조 방법에 따라, 압전 발전 장치를 제조하였다.
구체적으로, 폴리이미드 용액(PI solution)을 3000rpm의 회전수로 유리 기판에 60초동안 스핀코팅하여 기판을 형성하였다.
다음으로, 폴리이미드 용액이 코팅된 기판을 가열판 위에서 80℃의 온도로 30분동안 구운다음, 진공오븐에서 290℃의 온도로 90분동안 아닐링하였다.
아닐링된 기판을 오븐에서 상온의 온도가 될 때까지 식혔다. 이러한 식힘에 의해 PI용액의 이미드화가 완전하게 이루어지게 되었다.
PI 기판의 상면에 25μm의 전극간격을 갖는 IDE 전극층을 형성하기 위해, 포토리소그래피를 수행하고, 기상증착을 통해 Cr/Au를 그 위에 증착하였다. 이때, Cr/Au은 5nm/50nm의 두께를 갖도록 적층되었다.
이때, IDE 전극층의 형상은 전술한 실시예와 같이, 전극의 전체 너비와 전극 간격의 합의 비(W/L ratio)가 731를 갖고, 전극간격은 25μm가 되도록 형성되었다.
14wt%의 PVDF-TrFE 용액을 1500rpm의 회전수로 전극이 형성된 기판의 위에 60초동안 스핀코팅하여 압전 재료층을 형성하였다. 이때, PVDF-TrFE 압전 재료층은 2.5μm의 두께를 갖도록 형성되었다. 또한, PVDF-TrFE 용액은 PVDF-TrFE 파우더를 DMF용매(N, Ndimethylformamide solvent)에 용해하여 제조하였다.
DMF용매를 제거하기 위해, 앞서 제조된 압전 재료층이 형성된 기판을 60℃의 온도로 30분동안 굽고, 140℃의 온도로 2시간동안 아닐링하였다. 이에 의해, PVDF-TrFE 층의 내부에는 β-phase의 결정화 정도가 향상되었다.
아닐링이 완료된 후, 압전 재료층이 형성된 기판을 파릴렌-c(parylene-c) 층으로 캡슐화하였다. 이때, 파릴렌-c 층은 300nm의 두께를 가졌다.
실험예 1. W/L ratio에 따른 압전 성능 평가
상기 제조예에 의해 제조된 압전 발전 장치의 압전 전기 발생 성능을 확인하기 위하여, 전극층의 전극의 전체 너비와 전극 간격의 합의 비(W/L ratio)를 조절하면서 실험을 수행하였다.
각각의 전극간격은 25μm이고, 전극간격의 합은 325μm으로 설정되었고, 전극폭과 전극의 전체 너비를 증가시키면서 실험을 수행하였다.
결과는 도 8 및 표 1과 같다.
상기 실험을 통해, W/L ratio가 증가할수록 출력전압과 출력전류의 크기가 증가함을 확인할 수 있었다. 또한, W/L ratio가 731일 때, 최대의 출력전압과 출력전류가 측정됨을 확인할 수 있었다.
실험예 2. 압전 발전 장치의 두께에 따른 에너지 전환 효율 평가
상기 제조예에 의해 제조된 압전 발전 장치의 에너지 전환 효율을 확인하기 위하여, 압전 발전 장치의 전체 두께를 조절하면서 실험을 수행하였다.
압전 물질은 PVDF-TrFE를 사용하였고, 압전 재료층은 필름의 형태로 형성되었다.
결과는 도 6 및 표 2와 같다.
Piezoelectric Material Device Thickness (μm) Active Layer Input Energy Efficiency(%)
PVDF-TrFE 90 Film Strain Energy ~2.05
PVDF-TrFE 128 Film Strain Energy ~1.76
PVDF-TrFE 4 Film Strain Energy ~18.85
상기 실험을 통해, 압전 발전 장치의 두께가 4μm일 때, 가장 큰 에너지 전환 효율을 가짐을 확인할 수 있었다.
실험예 3. 압전 발전 장치의 내구성 평가
상기 제조예에 의해 제조된 압전 발전 장치가 인체에 부착되어 사용되기에 충분한 내구성을 갖는지 확인하기 위하여, 압전 발전 장치에 압축과 인장 변형을 반복적으로 가하면서 실험을 수행하였다.
압전 발전 장치는 인간의 피부와 유사한 영률(Young's modulus)을 갖는 양면테이프에 부착되었고, 압전 발전 장치와 양면테이프에 압축과 인장 변형을 10,000번 반복적으로 가함으로써 출력전압의 변화를 측정하였다.
결과는 도 9와 같다.
도 9를 참조하면 압축과 인장 변형이 반복적으로 가해지더라도, 압전 발전 장치가 발생시키는 출력전압은 일정하게 유지됨을 확인할 수 있었다.
상기 실험을 통해, 인체에 부착되어 사용되는 경우 인체의 반복적인 움직임에도 안정적으로 전력을 공급할 수 있음을 나타낸다.
실험예 4. 낮은 진동수에서의 압전 발전 장치의 성능 평가
상기 제조예에 의해 제조된 압전 발전 장치가 낮은 진동수를 갖는 인체의 움직임에 의해서도 전기를 발생시킬 수 있는지 확인하기 위하여, 압전 발전 장치를 압축하고 인장하는 진동수를 변화시키면서 실험을 수행하였다.
압전 발전 장치는 인간의 피부와 유사한 영률(Young's modulus)을 갖는 양면테이프에 부착되었고, 압전 발전 장치와 양면테이프에 압축과 인장 변형을 가하는 진동수를 변화시키면서 실험을 수행하였다.
결과는 도 10과 같다.
도 10을 참조하면, 낮은 진동수 환경 하에서도 압전 발전 장치는 안정적으로 전압과 전류를 출력함을 확인할 수 있었다.
상기 실험을 통해, 상대적으로 낮은 진동수를 갖는 인체의 작은 움직임에 의해서도 압전 발전 장치가 구동될 수 있음을 나타낸다.
실험예 5. 눈 깜빡임 동작에 의한 압전 발전 장치의 성능 평가
상기 제조예에 의해 제조된 압전 발생 장치가 눈 깜빡임 동작에 의해 동작할 수 있는지 확인하기 위하여, 압전 발전 장치를 눈가에 부착하고, 눈 깜빡임에 의해 측정되는 출력전압과 출력전류의 변화를 측정하였다.
결과는 도 11과 같다.
도 11을 참조하면, 눈 깜빡임 동작에 의해서 출력전압과 출력전류가 안정적으로 측정됨을 확인할 수 있었다.
상기 실험을 통해, 상기 제조예에 의해 제조된 압전 발생 장치는 눈 깜빡임 동작을 통해 압전 전기를 안정적으로 발생시킬 수 있음을 확인할 수 있었다.
실험예 6. 손목의 굽힘과 폄 동작에 의한 압전 발전 장치의 성능 평가
상기 제조예에 의해 제조된 압전 발생 장치가 손목의 움직임에 의해 동작할 수 있는지 확인하기 위하여, 압전 발전 장치를 손목에 부착하고, 손목의 굽힘과 폄 동작에 의해 측정되는 출력전압과 출력전류의 변화를 측정하였다.
결과는 도 12와 같다.
도 12를 참조하면, 손목의 굽힘과 폄 동작에 의해서 출력전압과 출력전류가 안정적으로 측정됨을 확인할 수 있었다.
상기 실험을 통해, 상기 제조예에 의해 제조된 압전 발생 장치는 손목의 굽힘과 폄 동작을 통해 압전 전기를 안정적으로 발생시킬 수 있음을 확인할 수 있었다.
실험예 7. 손가락의 굽힘과 폄 동작에 의한 압전 발전 장치의 성능 평가
상기 제조예에 의해 제조된 압전 발생 장치가 손가락의 움직임에 의해 동작할 수 있는지 확인하기 위하여, 압전 발전 장치를 손가락에 부착하고, 손가락의 굽힘과 폄 동작에 의해 측정되는 출력전압과 출력전류의 변화를 측정하였다.
결과는 도 13과 같다.
도 13을 참조하면, 손가락의 굽힘과 폄 동작에 의해서 출력전압과 출력전류가 안정적으로 측정됨을 확인할 수 있었다.
상기 실험을 통해, 상기 제조예에 의해 제조된 압전 발생 장치는 손가락의 굽힘과 폄 동작을 통해 압전 전기를 안정적으로 발생시킬 수 있음을 확인할 수 있었다.
상기 제조예 및 실험예에 의해, 본 발명에 따른 압전 발전 장치는 외부에서 가해지는 힘에 의해 쉽게 다중변형이 가능하며, 피부에 등각접촉되어 지속적으로 압축력과 인장력이 가해지더라도 피부에서 쉽게 떨어지지 않음을 확인할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 압전 발전 장치는 인체의 작은 움직임에도 에너지를 획득할 수 있으며, 인체의 움직임이 반복적으로 행해지더라도 에너지를 획득할 수 있고, 에너지의 전환 효율 또한 높음을 확인할 수 있다.
이와 같이 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
실시예에서 설명하는 특정 실행들은 일 실시 예들로서, 어떠한 방법으로도 실시 예의 범위를 한정하는 것은 아니다. 명세서의 간결함을 위하여, 종래 전자적인 구성들, 제어 시스템들, 소프트웨어, 상기 시스템들의 다른 기능적인 측면들의 기재는 생략될 수 있다. 또한, 도면에 도시된 구성 요소들 간의 선들의 연결 또는 연결 부재들은 기능적인 연결 및/또는 물리적 또는 회로적 연결들을 예시적으로 나타낸 것으로서, 실제 장치에서는 대체 가능하거나 추가의 다양한 기능적인 연결, 물리적인 연결, 또는 회로 연결들로서 나타내어질 수 있다. 또한, "필수적인", "중요하게" 등과 같이 구체적인 언급이 없다면 본 발명의 적용을 위하여 반드시 필요한 구성 요소가 아닐 수 있다.
실시예의 명세서(특히 특허청구범위에서)에서 "상기"의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 수 있다. 또한, 실시 예에서 범위(range)를 기재한 경우 상기 범위에 속하는 개별적인 값을 적용한 발명을 포함하는 것으로서(이에 반하는 기재가 없다면), 상세한 설명에 상기 범위를 구성하는 각 개별적인 값을 기재한 것과 같다. 마지막으로, 실시 예에 따른 방법을 구성하는 단계들에 대하여 명백하게 순서를 기재하거나 반하는 기재가 없다면, 상기 단계들은 적당한 순서로 행해질 수 있다. 반드시 상기 단계들의 기재 순서에 따라 실시 예들이 한정되는 것은 아니다. 실시 예에서 모든 예들 또는 예시적인 용어(예들 들어, 등등)의 사용은 단순히 실시 예를 상세히 설명하기 위한 것으로서 특허청구범위에 의해 한정되지 않는 이상 상기 예들 또는 예시적인 용어로 인해 실시 예의 범위가 한정되는 것은 아니다. 또한, 당업자는 다양한 수정, 조합 및 변경이 부가된 특허청구범위 또는 그 균등물의 범주 내에서 설계 조건 및 팩터에 따라 구성될 수 있음을 알 수 있다.
100: 기판
200: 전극층
300: 압전 재료층

Claims (16)

  1. 외부에서 가해지는 힘에 의해 변형 가능한 기판;
    상기 기판의 일면에 형성되고, 각각 전극 패턴을 포함하는 제1 전극과 제2 전극을 포함하는 전극층; 및
    상기 전극층의 일면에 형성되는 압전 재료층;을 포함하는, 압전 발전 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기판은,
    탄성변형이 가능한 재질로 형성되는, 압전 발전 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1, 2 전극은,
    동일 평면 상에 형성되는, 압전 발전 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극은,
    상기 기판의 적어도 하나의 가장자리와 나란한 방향으로 연장되어 형성되는 제1-1 패턴을 포함하고,
    상기 제2 전극은,
    상기 기판의 적어도 하나의 가장자리와 나란한 방향으로 연장되어 형성되는 제2-1 패턴을 포함하는, 압전 발전 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 전극은,
    상기 제1-1 패턴과 교차하는 방향으로 연장되어 형성되는 제1-2 패턴을 포함하고,
    상기 제2 전극은,
    상기 제2-1 패턴과 교차하는 방향으로 연장되어 형성되는 제2-2 패턴을 포함하는, 압전 발전 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1, 2 전극은,
    상기 제1-2 패턴과 상기 제2-2 패턴이 서로 교호되도록 배치되는, 압전 발전 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 압전 재료층은,
    생체적합성 압전 물질을 포함하는, 압전 발전 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    전체 두께가 3 내지 5μm이하인, 압전 발전 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    외부에서 가해지는 힘에 의해 다중 변형되는, 압전 발전 장치.
  10. 압전 발전 장치의 제조 방법으로서,
    기판을 준비하는 단계;
    상기 기판의 일면에 각각 전극 패턴을 포함하는 제1 전극과 제2 전극을 포함하는 전극층을 형성하는 단계; 및
    상기 전극층의 일면에 압전 재료층을 형성하는 단계;를 포함하는, 압전 발전 장치의 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 기판을 준비하는 단계는,
    글라스의 일면에 상기 기판을 이루는 물질을 스핀코팅하는 단계를 포함하는, 압전 발전 장치의 제조 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 전극층을 형성하는 단계는,
    상기 기판에 대해 포토리소그래피를 수행하는 단계를 포함하는, 압전 발전 장치의 제조 방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 제1, 2 전극은 동일 평면 상에 형성되는, 압전 발전 장치의 제조 방법.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 제1, 2 전극에 형성된 패턴은,
    적어도 일부가 서로 교호되도록 배치되는, 압전 발전 장치의 제조 방법.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 압전 재료층을 형성하는 단계는,
    압전 물질을 상기 기판과 상기 전극의 상면에 스핀코팅하는 단계를 포함하는, 압전 발전 장치의 제조 방법.
  16. 제10항에 있어서,
    상기 압전 발전 장치의 전체 두께는 3 내지 5μm인, 압전 발전 장치의 제조 방법.
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