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KR101536973B1 - 단결정 압전 섬유 포함 복합체 및 이를 포함하는 자기전기 복합재료 적층체 - Google Patents

단결정 압전 섬유 포함 복합체 및 이를 포함하는 자기전기 복합재료 적층체 Download PDF

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KR101536973B1
KR101536973B1 KR1020140010569A KR20140010569A KR101536973B1 KR 101536973 B1 KR101536973 B1 KR 101536973B1 KR 1020140010569 A KR1020140010569 A KR 1020140010569A KR 20140010569 A KR20140010569 A KR 20140010569A KR 101536973 B1 KR101536973 B1 KR 101536973B1
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KR
South Korea
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piezoelectric
composite
piezoelectric fiber
alloy
single crystal
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KR1020140010569A
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Inventor
류정호
윤운하
박동수
Original Assignee
한국기계연구원
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Abstract

본 발명은 일면에 제1 전극이 형성된 제1 보호층; 일면에 제2 전극이 형성된 제2 보호층; 및 상기 제1 전극 및 제2 전극 사이에 개재되며 복합체의 길이 방향으로 배열된 1개 이상의 압전 섬유로 이루어지는 압전 섬유층을 포함하는 압전 섬유 함유 복합체로서, 상기 압전 섬유는 단결정 압전 소재로 이루어지고 상기 단결정의 <011> 방향은 복합체의 두께방향과 일치하는 것을 특징으로 하는 압전(piezoelectric) 섬유 함유 복합체, 이를 포함하는 자기전기 복합재료 적층체에 대한 것으로서, 본 발명에 따른 압전 섬유 함유 복합체는, 단결정 압전 소재로 이루어지고 상기 단결정의 <011> 방향이 상기 복합체의 두께방향과 일치하도록 배열된 압전 섬유를 포함함으로써, 압전 단결정의 특정 배향방향에 따른 우수한 압전 변형 특성 및 감지 특성을 이용할 수 있고, 특히, 분극 방향과 변형 방향이 서로 수직을 이루는 32 모드로 작동시에는 훨씬 더 향상된 압전 특성을 달성할 수 있기 때문에 센서 및 액츄에이터의 용도 뿐만 아니라, 기계적 안정성이 우수하여 기계적 진동 에너지에 대한 에너지 하베스팅 디바이스로서 유용하게 사용될 수 있으며, 또한, 본 발명에 따른 자기전기 복합재료 적층체는 상기와 같은 특성을 가지는 압전 섬유 함유 복합체의 일면 또는 양면에 니켈(Ni) 등과 같은 자왜 소재로 이루어진 자왜층을 구비해 자기전기 복합재료로서 기존에 알려진 자기전기 복합재료에 비해 크게 향상된 자기전기 특성까지 동시에 나타내기 때문에 특히, 기계적 진동 및/또는 자기장의 변화 등의 외부 자극에 작용하는 에너지 하베스팅 디바이스에서 월등한 성능을 발휘할 수 있다.

Description

단결정 압전 섬유 포함 복합체 및 이를 포함하는 자기전기 복합재료 적층체{Composite including piezoelectric fibers consisting of single crystal and magnetoelectric composite laminate containing the same}
본 발명은 압전 섬유 함유 복합체, 이의 제조방법, 상기 압전 섬유 함유 복합체를 포함하는 자기전기 복합재료 적층체, 이의 제조방법 및 상기 압전 섬유 함유 복합체 또는 자기전기 복합재료 적층체를 포함하여 이루어지는 압전 소자에 대한 것으로서, 보다 상세하게는, 특정 방향으로 배향된 단결정 압전 섬유를 함유하는 복합체, 이의 제조방법, 상기 복합체를 포함하는 자기전기 복합재료 적층체, 이의 제조방법 및 상기 압전 섬유 함유 복합체 또는 자기전기 복합재료 적층체를 포함하여 이루어지는 압전 소자에 대한 것이다.
압전 재료(piezoelecric materials)는 외부의 응력을 전기적 신호로 변환시키거나 전기적 입력을 기계적 출력으로 변환시키는 압전 효과를 이용해 센서, 액츄에이터, 에너지 하베스팅 디바이스, 초음파 기기 등에 널리 사용되고 있다.
그러나, 대부분의 압전 재료는 세라믹재료로서, 세라믹 본연의 특성상 취성(brittleness)을 가져 다양한 형상으로의 적용 및 사용상의 제한이 문제가 되고 있다.
이에, 고분자 소재 등의 유연성 기지에 압전 세라믹으로 이루어진 섬유(fiber)가 포함된 구조를 가지는 복합체가 연구되어 왔으며, 이러한 복합체의 대표적인 예로는 마크로 파이버 복합체(Macro Fiber Composite, MFC)를 들 수 있다[특허문헌 0001]. 그리고, 상기 MFC를 이용해 형성되는 액츄에이터 또한 알려져 있다[특허문헌 0002]
하지만, 이러한 MFC와 같은 압전 섬유 복합체는 전극과 압전 섬유 사이에 고분자 매트릭스가 존재하기 때문에 장치의 제어 및 작동에 대한 예측 및 설계가 쉽지 않다는 문제점은 차치하고서라도, 이를 포함하는 소자를 구동함에 있어서 높은 작동 전압이 요구된다는 더 큰 문제점을 가진다.
또한 상기의 MFC와 같은 압전 섬유 복합체는 세라믹 압전 섬유소재를 사용하기 때문에 압전 소재의 결정 배향성에 따라 변화되는 압전 특성의 극대화를 추구할 수 없는 문제점을 가진다.
따라서, 압전 섬유 복합체의 알려진 장점을 그대로 유지하면서도 전술한 문제점까지도 해소함으로써 센서나 액츄에이터는 물론 에너지 하베스팅 디바이스의 제조에도 유용하게 사용될 수 있는 복합재료에 대한 필요성이 대두되고 있는 실정이다.
국제공개공보 WO 01/33648 A1 한국 공개특허공보 제10-2010-0033824호
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 압전 섬유 함유 복합체를 포함하되 압전 효과를 극대화하기 위해 분극 방향으로 특정 결정 방향이 배향된 단결정으로 이루어지는 압전 섬유를 포함하는 압전 섬유 함유 복합체 및 그 제조방법과, 상기 압전 섬유 함유 복합체를 포함하고, 상기 복합체와의 상호 작용에 의해 기존에 비해 크게 향상된 자기전기 효과를 달성하기 위해 상기 압전 섬유 함유 복합체의 일면 또는 양면에 접합되며, 자왜 소재로 이루어지는 자왜층을 포함하는 자기전기 복합재료 적층체 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위해, 본 발명은 일면에 제1 전극이 형성된 제1 보호층; 일면에 제2 전극이 형성된 제2 보호층; 및 상기 제1 전극 및 제2 전극 사이에 개재되며 복합체의 길이 방향으로 배열된 1개 이상의 압전 섬유로 이루어지는 압전 섬유층을 포함하는 압전 섬유 함유 복합체로서, 상기 압전 섬유는 단결정 압전 소재로 이루어지고 상기 단결정의 <011> 방향은 복합체의 두께방향과 일치하는 것을 특징으로 하는 압전 섬유 함유 복합체를 제안한다.
또한, 본 발명은 (a) 일면에 제1 전극이 형성된 제1 보호층의 상기 제1 전극 상에, 단결정 압전 소재로 이루어지고 상기 단결정의 <011> 방향이 두께 방향과 일치하는 압전 단결정층을 접합시키는 단계; (b) 상기 압전 단결정층을 길이 방향으로 절단하여 1개 이상의 압전 섬유로 이루어진 압전 섬유층을 형성하는 단계; 및 (c) 일면에 제2 전극이 형성된 제2 보호층의 상기 제2 전극과 상기 압전 섬유층이 접하도록 압전 섬유층 상에 제2 보호층을 접합시키는 단계를 포함하는 압전 섬유 함유 복합체의 제조방법을 제안한다.
또한, 본 발명은 압전(piezoelectric) 섬유 함유 복합체; 및 상기 복합체의 일면 또는 양면에 구비되며 자왜(magnetostrictive) 소재로 이루어진 자왜층을 포함하고, 상기 압전 섬유는 단결정 압전 소재로 이루어지고 상기 단결정의 <011> 방향은 상기 복합체의 두께방향과 일치하는 것을 특징으로 하는 자기전기 복합재료 적층체를 제안한다.
또한, 본 발명은 (a) 자왜 소재로 이루어진 자왜층을 준비하는 단계; (b) 단결정 압전 소재로 이루어지고 상기 단결정의 <011> 방향은 복합체의 두께방향과 일치하는 압전 섬유를 포함하는 압전 섬유 함유 복합체를 준비하는 단계; 및 (c) 상기 압전 섬유 함유 복합체의 일면 또는 양면에 상기 자왜층을 적층하는 단계를 포함하는 자기전기 복합재료 적층체의 제조방법을 제안한다.
또한, 본 발명은 상기 압전 섬유 함유 복합체 또는 상기 자기전기 복합재료 적층체를 포함하여 이루어지는 압전 소자를 제안한다.
본 발명에 따른 압전 섬유 함유 복합체는, 단결정 압전 소재로 이루어지고 상기 단결정의 <011> 방향이 상기 복합체의 두께방향과 일치하도록 배열된 압전 섬유를 포함함으로써, 압전 단결정의 특정 배향방향에 따른 우수한 압전 변형 특성 및 감지 특성을 이용할 수 있고, 특히, 분극 방향과 변형 방향이 서로 수직을 이루는 32 모드로 작동시에는 훨씬 더 향상된 압전 특성을 달성할 수 있기 때문에 센서 및 액츄에이터의 용도 뿐만 아니라, 기계적 안정성이 우수하여 기계적 진동 에너지에 대한 에너지 하베스팅 디바이스로서 유용하게 사용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 자기전기 복합재료 적층체는 상기와 같은 특성을 가지는 압전 섬유 함유 복합체의 일면 또는 양면에 니켈(Ni) 등과 같은 자왜 소재로 이루어진 자왜층을 구비해 자기전기 복합재료로서 기존에 알려진 자기전기 복합재료에 비해 크게 향상된 자기전기 특성까지 동시에 나타내기 때문에 특히, 기계적 진동 및/또는 자기장의 변화 등의 외부 자극에 작용하는 에너지 하베스팅 디바이스에서 월등한 성능을 발휘할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 압전 섬유 함유 복합체의 일례를 나타내는 모식도이다.
도 2는 본 발명에 따른 압전 섬유 함유 복합체에 형성되는 전극의 형상의 일례를 나타내는 모식도이다.
도 3(a) 및 도 3(b)는 각각 본 발명에 따른 자기전기 복합재료 적층체의 일례 및 다른 일례를 나타내는 모식도이다.
도 4는 본 발명에 따른 자기전기 복합재료 적층체의 또 다른 일례를 나타내는 모식도이다.
도 5는 실시예 1에서 제조된 압전 섬유 복합체(SFC) 및 상용 마크로 파이버 복합구조체(MFC)를 대상으로 전기장 인가에 따른 변형을 측정한 결과이다.
도 6은 본원 실시예 1-4 및 비교예 1-3에서 제조된 자기전기 복합재료 적층체의 자기전기 효과(magnetoelectric effect) 특성 측정을 위해 사용된 장비의 모식도이다.
도 7은 본원 실시예 1-4 및 비교예 1-3에서 제조된 자기전기 복합재료 적층체의 자기전기 효과(magnetoelectric effect) 특성 측정시 시편과 자기장 방향의 상대적인 위치 관계를 나타내는 모식도이다.
도 8은 실시예 1-2 및 비교예 1에서 제조된 자기전기 복합재료 적층체에 대해 직류 자기장(Hdc)의 크기 변화에 따른 자기전기 전압 계수(αME)의 변화를 측정한 결과이다.
도 9은 실시예 3-4 및 비교예 2에서 제조된 자기전기 복합재료 적층체에 대해 직류 자기장(Hdc)의 크기 변화에 따른 자기전기 전압 계수(αME)의 변화를 측정한 결과이다.
도 10는 실시예 1, 3 및 비교예 3에서 제조된 자기전기 복합재료 적층체에 대해 직류 자기장(Hdc)의 크기 변화에 따른 자기전기 전압 계수(αME)의 변화를 측정한 결과이다.
도 11은 본원 실시예 5-6 및 비교예 4에서 제조된 자기전기 복합재료 적층체의 에너지 하베스트 특성 측정을 위해 사용된 장비의 모식도이다.
도 12은 본원 실시예 5-6 및 비교예 4에서 제조된 자기전기 복합재료 적층체에 기계적 진동 또는 자기적 변화 인가 주파수 변화에 따른 발생 전압 측정 결과이다.
도 13(a) 내지 도 13(c)는 각각 본원 실시예 5, 실시예 6 및 비교예 4에서 제조된 자기전기 복합재료 적층체에 대해 기계적 진동 및/또는 자기적 변화 인가시 최대 출력 전압을 나타내는 주파수에서 측정한 개방 회로 전압(Voc) 측정 결과이다.
도 14는 본원 실시예 5, 실시예 6 및 비교예 4에서 제조된 자기전기 복합재료 적층체에 대해 자기장 또는 기계적 진동을 단독으로 인가하거나 자기장 및 기계적 진동을 동시에 인가할 때 발생되는 출력 전력 밀도를 측정한 결과이다.
도 15는 본원 실시예 5, 실시예 6 및 비교예 4에서 제조된 자기전기 복합재료 적층체에 대해 직류 자기장(Hdc)의 크기 변화에 따른 자기전기 전압 계수(αME)의 변화를 측정한 결과이다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명에 따른 압전 섬유 함유 복합체는, 기본적으로 보호층, 전극, 압전 섬유층을 포함하되 상기 압전 섬유는 단결정 압전 소재로 이루어지고 상기 단결정의 <011> 방향은 복합체의 두께방향과 일치하는 것을 특징으로 한다.
나아가, 상기 압전 섬유의 길이방향은 상기 단결정의 <001> 방향과 일치하는 것이 바람직하며, 이를 통해 상기 압전 섬유 함유 복합체를 분극 방향과 변형 방향이 서로 수직을 이루는 32 모드로 작동시킬 수 있어 보다 더 향상된 압전 특성을 구현할 수 있다.
참고로, 본 발명에 있어서 압전 섬유 복합체는 압전 특성을 가지는 소재로 이루어지는 1개 이상의 압전 섬유(fiber)가 일정 방향으로 배열된 상태에서 고분자 등으로 이루어진 기지(matrix)에 의해 둘러싸여 보호되는 구조를 가지거나 상기 일정 방향으로 배열된 1개 이상의 압전 섬유로 이루어진 층을 사이에 두고 고분자 등으로 이루어진 보호층이 적층된 구조를 가지는 복합체를 의미한다.
이와 같은 압전 섬유 복합체는 기계적 또는 전기적 원인 등 어떠한 이유에서든 압전 섬유가 파손되는 일이 발생하더라도 복합체의 작동에는 문제가 없다는 장점을 가지며, 이러한 장점은 압전 섬유 복합체에 포함된 압전 섬유의 개수가 증가할수록 보다 두드러지게 나타난다. 반면, 압전 섬유 복합체에 포함된 압전 섬유의 개수가 감소할수록 압전 섬유층의 유효 면적이 커지기 때문에 변형이나 출력 전력이 더 커진다는 장점을 가질 수 있다.
도 1에 도시된 적층체는 본 발명에 따른 압전 섬유 함유 복합체의 일례로서, 일면에 제1 전극이 형성된 제1 보호층; 일면에 제2 전극이 형성된 제2 보호층; 및 상기 제1 전극 및 제2 전극 사이에 개재되며 복합체의 길이 방향으로 배열된 1개 이상의 압전 섬유로 이루어지는 압전 섬유층을 포함할 수 있으며, 이때, 상기 압전 섬유는 단결정 압전 소재로 이루어지고 상기 단결정의 <011> 방향은 복합체의 두께방향과 일치하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 압전 섬유 함유 복합체에 포함된 압전 섬유를 이루는 단결정 압전 소재는 페로브스카이트(Peroveskite) 결정구조(RMO3) 또는 복합 페로브스카이트 구조를 가지는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 복합 페로브스카이트 구조를 가지는 단결정은 아래의 1) 또는 2)의 조성을 가질 수 있다.
1) xPb(A 1 , A 2 , …, B 1 , B 2 , …)03 + (1- x)PbTiO3
2) xPb(A 1 , A 2 , …, B 1 , B 2 , …)03 + (1- x)Pb(Zr,Ti)O3
(단, 상기 1) 및 2)에 있어서, x는 몰 분율로서 0< x<1 이고, A1, A2, …는, Zn, Mg, Ni, Lu, In 및 Sc로 이루어지는 군에서 선택된 하나 이상의 원소이고, B1, B2,…는, Nb, Ta, Mo 및 W로 이루어지는 군에서 선택된 하나 이상의 원소임)
이러한 복합 페로브스카이트 구조를 가지는 단결정 압전 소재의 대표적인 예로서는 Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3 (PMN-PT), Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-Pb(Zr,Ti)O3 (PMN-PZT), Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3 (PZN-PT) 등을 들 수 있다.
보다 바람직하게는, 상기 복합 페로브스카이트 결정 구조를 가지는 단결정은 xPb(Mg1/3Nb2/3)O3-(1-x)PbTiO3(단, 상기 화학식에서 0<x<0.33임), xPb(Zn1/3Nb2/3)O3-(1-x)PbTiO3(단, 상기 화학식에서 0<x<0.08임) 등과 같은 능면정계 완화형 강유전체(rhombohedral relaxor ferroelectrics)로 이루어질 수 있는데, 이는 능면정계 완화형 강유전체를 이용해 압전 섬유를 형성할 경우, 상기 단결정의 <011> 방향이 압전 섬유 함유 복합체의 두께 방향과 평행하도록 단결정의 결정 방향을 배향시키면 단결정을 <001> 방향으로 배향시킨 경우에 비해 높은 횡방향 압전 변형 상수(transverse piezoelectric strain constant) 및 전기-기계 결합계수(electromechanical coupling factor)를 가져 분극 방향과 변형 방향이 서로 수직을 이루는 모드(31 모드 또는 32 모드)로 압전 소자를 제작할 경우, 힘, 충격, 진동 등의 외부 응력을 전기적 신호로 변화시키거나 전기적 입력을 기계적 출력으로 변환시키는 압전 효과를 극대화할 수 있다.
그리고, 상기 제1 전극 및 제2 전극의 재질은 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au), 알루미늄(Al) 등의 공지의 전극 소재를 제한 없이 사용할 수 있으며, 그 형상에 있어서는 도 1에 도시된 압전 섬유 함유 복합체의 제1 전극 또는 제2 전극과 같이 전면(全面) 전극의 형상을 가질 수 있음을 물론, 전면 전극을 구비한 경우와 다름없이 우수한 압전 특성 및 자기전기 특성을 구현할 수 있는 전극으로서 도 2에 도시된 바와 같이 교호(交互) 배치 전극(interdigitated electrode, IDE)도 또한 바람직하다.
또한, 상기 제1 보호층 및 제2 보호층은 고분자 소재로 이루어지는 것이 바람직한데, 예를 들어, 폴리이미드(Polyimide, PI), 폴리에틸렌 나프탈레이트(Polyethylene napthalate, PEN), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Polyethylene terephthalate, PET) 또는 폴리카보네이트(polycarbonate, PC) 등으로 이루어질 수 있다.
한편, 위에서 상세히 설명한 본 발명에 따른 압전 섬유 함유 복합체는 (a) 일면에 제1 전극이 형성된 제1 보호층의 상기 제1 전극 상에, 단결정 압전 소재로 이루어지고 상기 단결정의 <011> 방향이 두께 방향과 일치하는 압전 단결정층을 접합시키는 단계; (b) 상기 압전 단결정층을 길이 방향으로 절단하여 1개 이상의 압전 섬유로 이루어진 압전 섬유층을 형성하는 단계; 및 (c) 일면에 제2 전극이 형성된 제2 보호층의 상기 제2 전극과 상기 압전 섬유층이 접하도록 압전 섬유층 상에 제2 보호층을 접합시키는 단계; 및 (d) 상기 압전 섬유에 대해 분극을 수행하는 단계를 포함하는 제조방법에 의해 형성될 수 있다.
하지만, 본 발명에 따른 압전 섬유 함유 복합체가 전술한 방법을 통해서만 제조될 수 있는 것은 물론 아니며, 특히, 압전 섬유층의 형성은 상기한 방법 외에도 압전 단결정층을 보호층에 접합시키기 전에 미리 절단하여 보호층에 각 압전 섬유를 접합시키는 방법 또는 압출/단결정 성장을 통해 처음부터 섬유 형상으로 제조된 단결정을 보호층에 접합시키는 방법에 의할 수도 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 자기전기 복합재료 적층체에 대해 이하에서 상세히 설명한다.
도 3(a) 및 도 3(b)에 도시하는 바와 같이, 본 발명에 따른 자기전기 복합재료 적층체는 압전(piezoelectric) 섬유 함유 복합체; 및 상기 복합체의 일면 또는 양면에 구비되며 자왜(magnetostrictive) 소재로 이루어진 자왜층을 포함하되, 상기 압전 섬유는 단결정 압전 소재로 이루어지고 상기 단결정의 <011> 방향은 상기 복합체의 두께방향과 일치한다.
본 명세서에 있어서, 자기전기 복합재료 적층체는 2 이상의 서로 다른 소재가 각각의 층으로서 라미네이트(laminate)된 구조를 가지며, 자기전기 효과(Magnetoelectric(ME) effect)를 나타내는 개체를 의미한다.
상기 자기전기(ME) 효과는 전계(electric field)를 인가함에 따라 자화(magnetization)가 유발되거나, 반대로 자계(magnetic field)에 의해 분극(polarization)을 유도할 수 있는 특성을 일컫는데, 이러한 자기전기 효과를 나타내는 소재로는 Cr2O3 등과 같은 단일상(single phase) 물질, 압전 특성을 가진 소재와 자왜 특성을 가진 소재를 섞거나 본 발명에서와 같이 자왜 특성(magnetostrictivity)을 가지는 소재와 압전 특성(piezoelectricity)을 가지는 소재를 다양한 연결구조 (connectivity)를 가지도록 혼합한 복합재료 등이 있는데, 그 중에서도 적층구조의 복합재료가 다른 종류의 재료에 비해 압전 소재와 자왜 소재 층 간의 강한 탄성 커플링(elastic coupling), 간단한 제조 공정, 높은 전기 저항, 용이한 분극(poling) 공정, 높은 자기전기 전압 계수(αME) 등의 다양한 측면에서 장점을 가진다.
본 발명에 따른 자기전기 복합재료 적층체에 있어서 압전 특성을 가지는 구성은 압전 섬유 함유 복합체에 의해 구현되는데, 해당 압전 섬유 복합체는 앞서 설명한 본 발명에 따른 단결정 배향을 제어한 압전 섬유 복합체인 것이 바람직하다.
그리고, 상기 자왜층을 이루는 자왜 소재는 Ni, Fe 등의 강자성 금속, 페라이트계 세라믹스, 자왜 합금, 자성 형상기억 합금(magnetic shape memory alloy, MSMA) 등에서 적절히 선택할 수 있다.
상기 페라이트계 세라믹스로의 구체적인 예로서는, 일반식 MFe2O4 또는 MFe12O19 (M은 1종 이상의 2가의 금속 이온)으로 나타내는 스피넬(spinel)형 또는 마그네토플럼바이트(magnetoplumbite)형 페라이트 혹은 M'3Fe5O12 (M'은 3가의 금속 이온)으로 나타내는 페라이트나, Li0.5Fe2.5O4 로 나타내는 리튬페라이트가 있을 수 있고, 이들은 우수한 자기특성을 지닌 자성재료로서 본 발명의 자왜재료로 채택가능하다. 보다 구체적인 예로서는, 높은 투자율(透磁率)과 낮은 보자력(保磁力) 및 저손실이 요구되는 연자성 재료로서 인덕터, 트랜스 및 필터의 자심, 자기 헤드코어, 자기 실드재에 사용되고 있는 Fe3O4, NiFe2O4, MnFe2O4, (Ni,Zn)Fe2O4, (Mn,Zn)Fe2O4, CoFe2O4 등의 소프트 페라이트는 자왜 소재로서 상기 자왜층에 포함되어 사용될 수 있으며, 영구자석재료 및 고밀도 자기기록 재료로서 알려져 있으며 결정 자기 이방성이 큰 γ-Fe2O3 및 바륨페라이트 등도 자왜 소재로서 상기 자왜층에 포함되어 사용될 수 있다.
상기 자왜 합금의 구체적인 예로는, 테르븀(terbium)-디스프로슘(dysprosium)-철(iron) 합금(Terfenol-D), 갈륨-철 합금(Gafenol), 사마륨(samarium)-디스프로슘-철 합금(Samfenol-D), 붕소(boron)-규소(silicon)-철 합금(Metglas 2605SA1), 철(Fe)-코발트(Co)-붕소(B) 합금, 붕소(boron)-규소(silicon)-탄소(carbon)-철 합금(Metglas 2605SC) 등을 들 수 있다.
또한, 상기 자성 형상기억 합금의 구체적인 예로는, Ni2MnGa 합금, NiMnIn 합금, NiCoMnIn 합금, FePd 합금, FeNiGa 합금, CoNiGa 합금 등을 들 수 있다.
다음으로, 상기 본 발명에 따른 자기전기 복합재료 적층체는, (a) 자왜 소재로 이루어진 자왜층을 준비하는 단계; (b) 단결정 압전 소재로 이루어지고 상기 단결정의 <011> 방향은 복합체의 두께방향과 일치하는 압전 섬유를 포함하는 압전 섬유 함유 복합체를 준비하는 단계; (c) 상기 압전 섬유에 대해 분극을 수행하는 단계; 및 (d) 상기 압전 섬유 함유 복합체의 일면 또는 양면에 상기 자왜층을 적층하는 단계를 포함하여 제조될 수 있다.
상기 단계 (a)는 각각 상기에서 상세히 설명한 자왜 소재를 이용하여 자왜층을 제조하는 단계로서, 본 단계에서는 최종적으로 제조되는 자기전기 복합재료 적층체의 형상에 맞춰 당업계에서 공지된 방법을 통해 시트(sheet) 형태 등의 적절한 형상을 가지는 자왜층을 제조한다.
상기 단계 (b)는 압전 섬유 함유 복합체를 제조하는 단계로서, 바람직하게는 위에서 상세히 설명한 본 발명에 따른 압전 섬유 함유 복합체의 제조방법에 의해 본 단계를 수행할 수 있다.
그리고, 상기 단계 (c)는 자기전기 복합재료 적층체에 압전 특성을 부여하기 위해 압전 섬유 함유 복합체에 포함된 압전 섬유에 대해 분극(poling)을 수행하는 단계로서, 예를 들어, 압전 섬유의 항전계(coercive field, Ec) 보다 높은 전압을 상온 또는 100℃의 온도에서 인가하여 본 단계의 분극을 수행할 수 있다. 한편, 본 단계에서 이루어지는 분극 공정은 후술한 단계 (d)를 완료한 후에 하더라도 무방하다.
또한, 상기 단계 (d)는 준비된 자왜층 및 압전 섬유 함유 복합체를 이용해 자기전기 복합재료 적층체를 형성하는 단계로서, 당업계에서 공지된 방법에 의해 압전 섬유 함유 복합체의 일면 또는 양면에 상기 자왜층을 적층함으로써 본 단계가 완성될 수 있다. 예를 들면, 제조 공정의 용이성 및 경제성 측면을 고려해 에폭시 등의 접착제를 이용해 압전 섬유 함유 복합체의 일면 또는 양면에 자왜층을 접합하여 복합재료 적층체를 형성할 수 있다.
상기에서 상세히 기술한 본 발명에 따른 압전 섬유 함유 복합체 및 자기전기 복합재료 적층체는 각각 종래에 비해 현저히 향상된 압전 특성 및 압전 특성/자기전기 특성을 가져 에너지 하베스팅 소자(energy harvesting device), 센서(sensor), 액츄에이터(actuator), 트랜스듀서(transducer), 트랜스포머(transformer), 소나(sonar) 등의 압전 소자의 제조에 유용하게 사용될 수 있다.
아래에서 본 발명에 대해 실시예를 기초로 하여 상세하게 설명한다. 제시된 실시예는 예시적인 것으로 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것은 아니다.
<실시예 1>
두께 방향이 [011]로 배향되고, 횡방향 배향이 d32 모드(길이 방향: [100], 폭 방향:
Figure 112014009273112-pat00001
)인 능면정 페로브스카이트 구조의 PMN-PZT 단결정판을 약 200㎛의 두께를 가지도록 기계적으로 가공한 후, 상기 가공된 압전 단결정판을 일면에 구리 전면 전극이 도금된 폴리이미드(PI) 필름 위에 접착시킨 후, 상기 압전 단결정판을 PI 필름의 길이 방향으로 절단하여 약 200㎛의 폭을 가지는 1개 이상의 압전 단결정 섬유를 포함하는 압전 섬유층을 형성하였다. 그리고 나서, 일면에 구리 전면 전극이 도금된 또 다른 PI 필름을 압전 섬유층 상에 접착하고 1 kV/mm의 전기장으로 분극 과정(poling)을 수행함으로써 압전 섬유 함유 복합체를 얻었다.
다음으로, 두께 약 0.25mm의 Ni 플레이트를 상기 압전 섬유 함유 복합체의 일면에 에폭시를 이용해 접착함으로써 도 1(a)에 도시된 구조를 가지는 자기전기 복합재료 복합체를 얻었다.
<실시예 2>
압전 섬유층의 제조를 위해, 두께 방향이 [011]로 배향되고, 횡방향 배향이 d31 모드(길이 방향:
Figure 112014009273112-pat00002
, 폭 방향: [100])인 능면정 페로브스카이트 구조의 PMN-PZT 단결정판을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 자기전기 복합재료 복합체를 제조하였다.
<실시예 3>
압전 섬유 함유 복합체의 양면에 Ni 플레이트를 접합시킨 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 도 1(b)에 도시된 구조를 가지는 자기전기 복합재료 복합체를 제조하였다.
<실시예 4>
압전 섬유 함유 복합체의 양면에 Ni 플레이트를 접합시킨 것을 제외하고는 상기 실시예 2와 동일한 방법으로 도 1(b)에 도시된 구조를 가지는 자기전기 복합재료 복합체를 제조하였다.
<실시예 5>
압전 섬유 함유 복합체의 일면에 90mm(길이)×20mm(폭)×0.25mm(두께)의 Ni 플레이트를 접합시킨 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 도 4에 도시된 구조를 가지는 자기전기 복합재료 복합체를 제조하였다.
<실시예 6>
압전 섬유 함유 복합체의 일면에 90mm(길이)×20mm(폭)×0.25mm(두께)의 Ni 플레이트를 접합시킨 것을 제외하고는 상기 실시예 2와 동일한 방법으로 도 4에 도시된 구조를 가지는 자기전기 복합재료 복합체를 제조하였다.
<비교예 1>
압전 섬유층의 제조를 위해, 두께 방향이 두께 방향이 [001]로 배향된 능면정 페로브스카이트 구조의 PMN-PZT 단결정판을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 자기전기 복합재료 적층체를 제조하였다.
<비교예 2>
압전 섬유 함유 복합체의 양면에 Ni 플레이트를 접합시킨 것을 제외하고는 상기 비교예 1과 동일한 방법으로 자기전기 복합재료 적층체를 제조하였다.
<비교예 3>
압전 섬유 함유 복합체로서 상용 마크로 파이버 복합구조체(Macro Fiber Composite; MFC)[Smart Material Corp., USA]을 사용한 것을 제외하고는 실시예 3과 동일한 방법으로 자기전기 복합재료 복합체를 제조하였다.
<비교예 4>
압전 섬유 함유 복합체의 일면에 90mm(길이)×20mm(폭)×0.25mm(두께)의 Ni 플레이트를 접합시킨 것을 제외하고는 상기 비교예 1과 동일한 방법으로 도 4에 도시된 구조를 가지는 자기전기 복합재료 적층체를 제조하였다.
<실험예 1> 실시예 1에서 제조된 압전 섬유 함유 복합체의 전기장 인가에 따른 변형(strain) 특성 관찰
실시예 1에서 제조된 압전 섬유 복합체 및 상용 마크로 파이버 복합구조체[P2 type, Smart Material Corp., USA]를 대상으로 전기장 인가에 따른 길이방향 변형(longitudinal strain) 및 그 이력을 측정하였으며, 그 결과를 도 5에 나타내었다.
도 5에 따르면, 1000 V/mm의 전기장이 인가될 때 측정된 변형을 기준으로 본원 실시예 1에서 제조된 압전 섬유 복합체(SFC)가 기존 마크로 파이버 복합구조체(MFC)에 비해 약 3배 크기의 변형을 나타내고, 더욱이, -150V/mm 및 1000 V/mm 사이에서 전기장의 세기를 변화시키면서 분극에 따른 변형 이력(hysterisis) 발생 여부를 살펴본 결과, 변형 이력이 사실상 발생되지 않아 액츄에이터, 센서 등으로서 종래 기술에 비해 월등히 향상된 성능을 발휘할 수 있음을 확인할 수 있다.
<실험예 2> 실시예 1-4 및 비교예 1-3에서 제조된 자기전기 복합재료 적층체의 자기전기 효과(magnetoelectric effect) 특성 관찰
실시예 1-4 및 비교예 1-3에서 제조된 자기전기 복합재료 적층체를 대상으로 직류 자기장(Hdc)의 크기 변화에 따른 자기전기 전압 계수(αME=dE/dH)의 변화를 측정하였다.
구체적으로, 본 측정실험을 위한 장비 모식도인 도 6에서 도시하는 바와 같이, 실시예 1-4 및 비교예 1-3에서 제조된 자기전기 복합재료 적층체 각각을 헤름홀쯔 코일 사이에 위치시키되 도 7(a)에서와 같이 자기장의 방향과 시편의 길이 방향이 평행한 방향(이하 'Direction 1'이라 함) 및 도 7(b)에서와 같이 자기장의 방향과 시편의 길이 방향이 수직인 방향(이하 'Direction 2'라 함)으로 시편 위치 방향을 달리하고, 한 쌍의 헤름홀쯔 코일(Helmholtz coil)을 이용해 주파수 1 kHz, 자기장 크기 2 Oe의 교류 자기장을 걸어주고 직류 자기장의 크기를 달리하면서 록인 증폭기(lock-in amplifier) (SR-850, Stanford Research Systems, Inc., Sunnyvale, CA)를 사용해 시편의 전압 변화 즉, 분극 변화를 측정하여 이를 압전 섬유의 두께(전극간의 거리) 및 교류 자기장의 크기 변화로 나누어 자기전기 전압 계수(αME)를 얻었으며, 이에 따른 결과를 도 8 내지 도 10에 나타내었다.
도 8 및 도 9로부터 αME의 크기는 PMN-PZT 압전 단결정층의 결정 배향에 크게 좌우됨을 알 수 있다. 구체적으로, 본원 실시예 1-4에서와 같이 011 방향이 복합체의 두께 방향과 일치하는 단결정을 복합체에 사용하게 되면, 비교예 1 또는 비교예 2에서와 같이 001 방향이 복합체의 두께 방향과 일치하는 단결정을 사용한 경우에 비해 상대적으로 높은 압전상수 g31 값과 g32 값을 이용할 수 있기 때문에 결과적을 우수한 자기전기 특성을 얻을 수 있다.
또한, 도 10에 따르면 본원 실시예 1 및 실시예 3에서 제조된 자기전기 복합재료 적층체는 상용 마크로 파이버 복합구조체를 이용한 자기전기 복합재료 적층체 (비교예 3) 와 비교하여, αME의 최대값을 기준으로 최대 10배 이상의 높은 자기전기 특성을 나타냄을 확인할 수 있으며, 이러한 결과는 본원 실시예 1 및 3에서는 압전 섬유로서 단결정 소재를 사용할 뿐만 아니라 011 방향이 복합체의 두께 방향과 일치하도록 단결정 배향시키고, 그에 따라 횡방향 압전 특성(d32 또는 g32) 에서 나타나는 큰 면내 이방성을 이용하기 때문이다.
<실험예 3> 실시예 5-6 및 비교예 4에서 제조된 자기전기 복합재료 적층체의 자기전기 특성 및 에너지 하베스트 특성 관찰
실시예 5-6 및 비교예 4에서 제조된 자기전기 복합재료 적층체의 에너지 하베스트 특성을 관찰하기 위해, 도 11에서와 같이 셋업된 장치를 이용해 실시예 5-6 및 비교예 4에서 제조된 자기전기 복합재료 복합체 시편의 일측단에 질량체(proof mass)로서 2g의 영구자석을 설치한 시편에 대해 마그네틱 쉐이커(TJ-22, TMC solution, dynamic)로 기계적 진동(30 mG, G:중력 가속도 9.8 m/sec2)를 인가하고, 헤름홀쯔 코일(Helmholtz coil)로 자기적 변화(1 Oe)를 인가하면서 최대 전압을 나타내는 공진 주파수를 측정하고, 해당 공진 주파수에서 시간의 변화에 따라 측정한 개방 회로 전압(Voc)의 양상을 관찰하였으며, 그 결과를 도 12 및 도 13에 나타냈었다.
도 12에 따르면, 기계적 진동 또는 자기적 변화를 해당 시편들에 인가할 때 전압이 최대에 이르는 주파수는 기계적 진동을 가한 경우나 자기적 변화를 가한 경우 모두에서 서로 동일함을 알 수 있고, 이로부터 기계적 공진 및 자기적 공진이 일치함을 확인할 수 있다.
또한, 도 13(a) 내지 도 13(c)는 각각 실시예 5, 실시예 6 및 비교예 4에서 제조된 시편에 대해 기계적 진동 또는 자기적 변화를 가하거나 기계적 진동 및 자기적 변화를 동시에 가할 경우 최대 전압이 발생하는 공진 주파수 하에서 시간의 변화에 따른 측정한 개방 회로 전압(Voc)을 나타낸 것으로서 예상대로 두께 방향이 [011]로 배향되고, 횡방향 배향이 d32 모드(길이 방향: [100], 폭 방향:
Figure 112014009273112-pat00003
)인 PMN-PZT 단결정으로 제조된 압전 섬유 함유 복합체를 포함하여 이루어지는 실시예 5의 시편이 가장 높은 수치의 최고점 간 전압(peak to peak voltage, Vp-p)을 나타내었다.
낮은 자기장 (1 Oe)과 기계적 진동 (30 mG)에서도 실시예 5, 실시예 6 및 비교예 4 모두 자기장 또는 기계적 진동에 의한 수 V의 에너지 하베스팅 특성을 볼 수 있으며, 진동과 자기장이 동시에 인가되었을 때 두 가지 에너지 하베스팅이 중첩되어 더욱 우수한 에너지 하베스팅 특성을 나타내었다.
구체적으로, 실시예 5, 실시예 6 및 비교예 4에서 제조된 자기전기 복합재료 적층체에 대해 자기장 또는 기계적 진동을 단독으로 인가하거나 자기장 및 기계적 진동을 동시에 인가할 때 발생되는 출력 전력 밀도 측정 결과를 보여주는 도 14에서 확인할 수 있듯이, 비록 자기장에 의하여 발생되는 전력 밀도는 1 내지 수 ㎼/Oe2·cm3 정도이지만, 진동 자극에 의해 발생되는 전력밀도는 수백 ㎼/g·cm3 달할 정도로 차이가 크다. 즉, 단일 자기장 자극에 의해서 얻을 수 있는 전력 밀도는 진동에 의해 얻을 수 있는 전력 밀도에 비해서 수백분의 1에 해당할 정도로 낮은 값을 가진다.
하지만, 진동 자극이 존재하는 상황에서 매우 미약한 자기장이 동시에 인가되었을 경우에 전력밀도는 진동 자극만이 존재하는 상황에 대비해서 1.4∼2배 가량 증가하는 것을 확인 할 수 있다(실시예 6의 경우 0.337mW/cm3에서 0.575 mW/cm3로 증가하며, 실시예 5의 경우 1.274mW/cm3에서 1.794 mW/cm3로 증가하고, 비교예 4의 경우 0.334 mW/cm3에서 0.624 mW/cm3로 증가함). 즉, 본 발명에서와 같이 자기전기(ME) 복합체를 구성하였을 때 복합적인 자극이 수반되는 상황에서의 에너지 하베스팅 특성은 단일 자극이 가해질 경우에 비하여 월등히 우수한 효과를 볼 수 있다.
한편, 도 15는 실시예 5-6 및 비교예 4에서 제조된 자기전기 복합재료 적층체를 대상으로 직류 자기장(Hdc)의 크기 변화에 따른 자기전기 전압 계수(αME)의 변화를 측정한 결과를 도시한 것으로서, 도 15에 의하면 실시예 5에서 제조된 시편이 최대의 자기전기 특성을 나타내며, 더욱이, 실시예 5에서 제조된 시편은 압전 섬유 함유 복합체의 면적보다 더 큰 면적의 자왜층(Ni 플레이트)을 포함함으로써 직류 자기장이 인가되지 않은 상태에서도 매우 높은 자기전기 특성값을 유지하는 자기 바이어스된 자기전기(Self biased ME) 특성을 나타내는데, 이는 인위적으로 직류 자기장을 인가할 필요가 없어 소자 시스템을 간단하게 할 수 있다는 점에서 큰 장점으로 작용한다.

Claims (39)

  1. 일면에 제1 전극이 형성된 제1 보호층; 일면에 제2 전극이 형성된 제2 보호층; 및 상기 제1 전극 및 제2 전극 사이에 개재되며 복합체의 길이 방향으로 배열된 1개 이상의 압전 섬유로 이루어지는 압전 섬유층을 포함하는 압전 섬유 함유 복합체로서,
    상기 압전 섬유는 하기 화학식 1) 또는 2)로 표시되는 복합 페로브스카이트 결정구조를 가지는 단결정 압전 소재로 이루어지고 상기 단결정의 <011> 방향은 복합체의 두께방향과 일치하는 것을 특징으로 하는 압전(piezoelectric) 섬유 함유 복합체:
    1) xPb(A1, A2, …, B1, B2, …)03 + (1- x)PbTiO3
    2) xPb(A1, A2, …, B1, B2, …)03 + (1- x)Pb(Zr,Ti)O3
    (단, 상기 화학식 1) 및 2)에 있어서, x는 몰 분율로서 0 < x <1 이며, A1, A2, …는, Zn, Mg, Ni, Lu, In 및 Sc로 이루어지는 군에서 선택된 하나 이상의 원소이고, B1, B2,…는, Nb, Ta, Mo 및 W로 이루어지는 군에서 선택된 하나 이상의 원소임).
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 복합 페로브스카이트 결정구조를 가지는 단결정 압전 소재는 능면정계 (Rhombohedral) 결정 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 압전 섬유 함유 복합체.
  5. 제1항에 있어서, 상기 압전 섬유의 길이방향은 상기 단결정의 <001> 방향과 일치하는 것을 특징으로 하는 압전 섬유 함유 복합체.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1 전극 및 제2 전극은 전면(全面) 전극인 것을 특징으로 하는 압전 섬유 함유 복합체.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제1 전극 및 제2 전극은 교호(交互) 배치 전극(interdigitated electrode, IDE)인 것을 특징으로 하는 압전 섬유 함유 복합체.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제1 보호층 및 제2 보호층은 폴리이미드(Polyimide, PI), 폴리에틸렌 나프탈레이트(Polyethylene napthalate, PEN), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Polyethylene terephthalate, PET) 또는 폴리카보네이트(polycarbonate, PC)로 이루어진 것을 특징으로 하는 압전 섬유 함유 복합체.
  9. (a) 일면에 제1 전극이 형성된 제1 보호층의 상기 제1 전극 상에, 하기 화학식 1) 또는 2)로 표시되는 복합 페로브스카이트 결정구조를 가지는 단결정 압전 소재로 이루어지고 상기 단결정의 <011> 방향이 두께 방향과 일치하는 압전 단결정층을 접합시키는 단계;
    (b) 상기 압전 단결정층을 길이 방향으로 절단하여 1개 이상의 압전 섬유로 이루어진 압전 섬유층을 형성하는 단계;
    (c) 일면에 제2 전극이 형성된 제2 보호층의 상기 제2 전극과 상기 압전 섬유층이 접하도록 압전 섬유층 상에 제2 보호층을 접합시키는 단계; 및
    (d) 상기 압전 섬유에 대해 분극을 수행하는 단계를 포함하는 압전 섬유 함유 복합체의 제조방법:
    1) xPb(A1, A2, …, B1, B2, …)03 + (1- x)PbTiO3
    2) xPb(A1, A2, …, B1, B2, …)03 + (1- x)Pb(Zr,Ti)O3
    (단, 상기 화학식 1) 및 2)에 있어서, x는 몰 분율로서 0 < x <1 이며, A1, A2, …는, Zn, Mg, Ni, Lu, In 및 Sc로 이루어지는 군에서 선택된 하나 이상의 원소이고, B1, B2,…는, Nb, Ta, Mo 및 W로 이루어지는 군에서 선택된 하나 이상의 원소임).
  10. 청구항 10은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제9항에 있어서, 상기 압전 섬유는 하기 화학식 1) 또는 2)로 표시되는 복합 페로브스카이트 결정구조를 가지는 단결정 압전 소재로 이루어지고 상기 단결정의 <011> 방향은 복합체의 두께방향과 일치하는 것을 특징으로 하는 압전(piezoelectric) 섬유 함유 복합체의 제조방법:
    1) xPb(A1, A2, …, B1, B2, …)03 + (1- x)PbTiO3
    2) xPb(A1, A2, …, B1, B2, …)03 + (1- x)Pb(Zr,Ti)O3
    (단, 상기 화학식 1) 및 2)에 있어서, x는 몰 분율로서 0 < x <1 이며, A1, A2, …는, Zn, Mg, Ni, Lu, In 및 Sc로 이루어지는 군에서 선택된 하나 이상의 원소이고, B1, B2,…는, Nb, Ta, Mo 및 W로 이루어지는 군에서 선택된 하나 이상의 원소임).
  11. 청구항 11은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제10항에 있어서, 상기 압전 섬유의 길이방향은 상기 단결정의 <001> 방향과 일치하는 것을 특징으로 하는 압전 섬유 함유 복합체의 제조방법.
  12. 청구항 12은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제9항에 있어서, 상기 제1 전극 및 제2 전극은 전면(全面) 전극인 것을 특징으로 하는 압전 섬유 함유 복합체의 제조방법.
  13. 청구항 13은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제9항에 있어서, 상기 제1 전극 및 제2 전극은 교호(交互) 배치 전극(interdigitated electrode, IDE)인 것을 특징으로 하는 압전 섬유 함유 복합체의 제조방법.
  14. 청구항 14은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제9항에 있어서, 상기 제1 보호층 및 제2 보호층은 폴리이미드(Polyimide, PI), 폴리에틸렌 나프탈레이트(Polyethylene napthalate, PEN), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Polyethylene terephthalate, PET) 또는 폴리카보네이트(polycarbonate, PC)로 이루어진 것을 특징으로 하는 압전 섬유 함유 복합체의 제조방법.
  15. 압전(piezoelectric) 섬유 함유 복합체; 및 상기 복합체의 일면 또는 양면에 구비되며 자왜(magnetostrictive) 소재로 이루어진 자왜층을 포함하고,
    상기 압전 섬유는 하기 화학식 1) 또는 2)로 표시되는 복합 페로브스카이트 결정구조를 가지는 단결정 압전 소재로 이루어지고 상기 단결정의 <011> 방향은 상기 복합체의 두께방향과 일치하는 것을 특징으로 하는 자기전기 복합재료 적층체:
    1) xPb(A1, A2, …, B1, B2, …)03 + (1- x)PbTiO3
    2) xPb(A1, A2, …, B1, B2, …)03 + (1- x)Pb(Zr,Ti)O3
    (단, 상기 화학식 1) 및 2)에 있어서, x는 몰 분율로서 0 < x <1 이며, A1, A2, …는, Zn, Mg, Ni, Lu, In 및 Sc로 이루어지는 군에서 선택된 하나 이상의 원소이고, B1, B2,…는, Nb, Ta, Mo 및 W로 이루어지는 군에서 선택된 하나 이상의 원소임).
  16. 제15항에 있어서, 상기 압전 섬유의 길이방향은 상기 단결정의 <001> 방향과 일치하는 것을 특징으로 하는 자기전기 복합재료 적층체.
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 제15항에 있어서, 상기 복합 페로브스카이트 결정구조를 가지는 단결정 압전 소재는 능면정계 (Rhombohedral) 결정 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 자기전기 복합재료 적층체.
  20. 제15항에 있어서, 상기 자왜 소재는 강자성 금속, 페라이트계 세라믹스, 자왜 합금 또는 자성 형상기억 합금인 것을 특징으로 하는 자기전기 복합재료 적층체.
  21. 제20항에 있어서, 상기 강자성 금속은 Ni 또는 Fe인 것을 특징으로 하는 자기전기 복합재료 적층체.
  22. 제20항에 있어서, 상기 페라이트계 세라믹스는 Fe3O4, NiFe2O4, MnFe2O4, (Ni,Zn)Fe2O4, (Mn,Zn)Fe2O4, CoFe2O4, γ-Fe2O3 또는 바륨페라이트인 것을 특징으로 하는 자기전기 복합재료 적층체.
  23. 제20항에 있어서, 상기 자왜 합금은 Terfenol-D, Gafenol, Samfenol-D 또는 Metglas, FeCoB 합금인 것을 특징으로 하는 자기전기 복합재료 적층체.
  24. 제20항에 있어서, 상기 자성 형상 기억 합금은 Ni2MnGa 합금, NiMnIn 합금, NiCoMnIn 합금, FePd 합금, FeNiGa 합금 또는 CoNiGa 합금인 것을 특징으로 하는 자기전기 복합재료 적층체.
  25. 제15항에 있어서, 상기 압전 섬유 함유 복합체는 제1항 및 제4항 내지 제8항 중 어느 한 항에 기재된 압전 섬유 복합체인 것을 특징으로 하는 자기전기 복합재료 적층체.
  26. (a) 자왜 소재로 이루어진 자왜층을 준비하는 단계;
    (b) 하기 화학식 1) 또는 2)로 표시되는 복합 페로브스카이트 결정구조를 가지는 단결정 압전 소재로 이루어지고 상기 단결정의 <011> 방향은 복합체의 두께방향과 일치하는 압전 섬유를 포함하는 압전 섬유 함유 복합체를 준비하는 단계;
    (c) 상기 압전 섬유에 대해 분극을 수행하는 단계; 및
    (d) 상기 압전 섬유 함유 복합체의 일면 또는 양면에 상기 자왜층을 적층하는 단계를 포함하는 자기전기 복합재료 적층체의 제조방법:
    1) xPb(A1, A2, …, B1, B2, …)03 + (1- x)PbTiO3
    2) xPb(A1, A2, …, B1, B2, …)03 + (1- x)Pb(Zr,Ti)O3
    (단, 상기 화학식 1) 및 2)에 있어서, x는 몰 분율로서 0 < x <1 이며, A1, A2, …는, Zn, Mg, Ni, Lu, In 및 Sc로 이루어지는 군에서 선택된 하나 이상의 원소이고, B1, B2,…는, Nb, Ta, Mo 및 W로 이루어지는 군에서 선택된 하나 이상의 원소임).
  27. 청구항 27은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제26항에 있어서, 상기 압전 섬유의 길이방향은 상기 단결정의 <001> 방향과 일치하는 것을 특징으로 하는 자기전기 복합재료 적층체의 제조방법.
  28. 청구항 28은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    삭제
  29. 청구항 29은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    삭제
  30. 청구항 30은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제26항에 있어서, 상기 복합 페로브스카이트 결정구조를 가지는 단결정 압전 소재는 능면정계 (Rhombohedral) 결정 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 자기전기 복합재료 적층체의 제조방법.
  31. 청구항 31은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제26항에 있어서, 상기 자왜 소재는 강자성 금속, 페라이트계 세라믹스, 자왜 합금 또는 자성 형상기억 합금인 것을 특징으로 하는 자기전기 복합재료 적층체의 제조방법.
  32. 청구항 32은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제31항에 있어서, 상기 강자성 금속은 Ni 또는 Fe인 것을 특징으로 하는 자기전기 복합재료 적층체의 제조방법.
  33. 청구항 33은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제31항에 있어서, 상기 페라이트계 세라믹스는 Fe3O4, NiFe2O4, MnFe2O4, (Ni,Zn)Fe2O4, (Mn,Zn)Fe2O4, CoFe2O4, γ-Fe2O3 또는 바륨페라이트인 것을 특징으로 하는 자기전기 복합재료 적층체의 제조방법.
  34. 청구항 34은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제31항에 있어서, 상기 자왜 합금은 Terfenol-D, Gafenol, Samfenol-D 또는 Metglas, FeCoB 합금인 것을 특징으로 하는 자기전기 복합재료 적층체의 제조방법.
  35. 청구항 35은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제31항에 있어서, 상기 자성 형상 기억 합금은 Ni2MnGa 합금, NiMnIn 합금, NiCoMnIn 합금, FePd 합금, FeNiGa 합금 또는 CoNiGa 합금인 것을 특징으로 하는 자기전기 복합재료 적층체의 제조방법.
  36. 청구항 36은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제26항에 있어서, 상기 단계 (b)는 제9항 내지 제14항 중 어느 한 항에 기재된 압전 섬유 함유 복합체의 제조방법에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 자기전기 복합재료 적층체의 제조방법.
  37. 청구항 37은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제26항에 있어서, 상기 단계 (d)는 에폭시를 이용한 접착에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 자기전기 복합재료 적층체의 제조방법.
  38. 제1항 및 제4항 내지 제8항 중 어느 한 항에 기재된 압전 섬유 함유 복합체 또는 제15항, 제16항 및 제19항 내지 제24항 중 어느 한 항에 기재된 자기전기 복합재료 적층체를 포함하여 이루어지는 압전 소자.
  39. 제38항에 있어서, 에너지 하베스팅 소자(energy harvesting device), 센서(sensor), 액츄에이터(actuator), 트랜스듀서(transducer), 트랜스포머(transformer) 또는 소나(sonar)인 압전 소자.
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