KR101793225B1

KR101793225B1 - 곡면형 압전장치

Info

Publication number: KR101793225B1
Application number: KR1020150081799A
Authority: KR
Inventors: 강종윤; 윤석진; 김진상; 최지원; 백승협; 김성근; 정우석; 권범진
Original assignee: 한국과학기술연구원
Priority date: 2015-06-10
Filing date: 2015-06-10
Publication date: 2017-11-03
Anticipated expiration: 2035-06-10
Also published as: KR20160145348A; US10217928B2; US20160365501A1

Abstract

본 발명은 곡면기판의 일면 또는 양면 상에 압전물질이 구비되는 구조를 제시함과 함께 곡면기판과 압전물질의 두께 및 탄성계수를 제어하여 중립면(neutral plane)의 위치가 곡면기판 내부에 위치되도록 함으로써 외부의 기계적 응력에 대응한 압전물질의 전기적 포텐셜(electrical potential)을 최대화할 수 있는 곡면형 압전장치에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 곡면형 압전장치는 곡면기판; 및 상기 곡면기판의 일면 또는 양면 상에 구비된 압전물질을 포함하여 이루어지며, 응력 인가시 압축응력과 인장응력이 균형을 이루는 중립면은 곡면기판 내부에 위치하며, 상기 중립면의 위치는 아래 식 1의 y₁와 y₂에 의해 결정되며, 상기 중립면의 위치는, 곡면기판과 압전물질 각각의 두께(d), 탄성계수(E)의 조절에 의해 제어 가능한 것을 특징으로 한다.
(식 1)

,

(여기서,

)
(y₁은 곡면기판의 중심선과 중립면 사이의 거리, y₂는 압전물질의 중심선과 중립면 사이의 거리, d₁은 곡면기판의 두께, d₂는 압전물질의 두께, E₁은 곡면기판의 탄성계수, E₂는 압전물질의 탄성계수)

Description

곡면형 압전장치{Curved piezoelectric device}

본 발명은 곡면형 압전장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 곡면기판의 일면 또는 양면 상에 압전물질이 구비되는 구조를 제시함과 함께 곡면기판과 압전물질의 두께 및 탄성계수를 제어하여 중립면(neutral plane)의 위치가 곡면기판 내부에 위치되도록 함으로써 외부의 기계적 응력에 대응한 압전물질의 전기적 포텐셜(electrical potential)을 최대화할 수 있는 곡면형 압전장치에 관한 것이다.

최근, 전자장치의 소형화가 진행됨과 함께 전자장치 내의 배터리를 대체할 수 있는 기술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 배터리를 대체할 수 있는 대표적인 방법 중 하나가 압전소자를 이용하는 것이다. 즉, 전자장치 내에 압전소자를 배치시키고 압력, 진동 등의 기계에너지를 압전소자를 통해 전기에너지로 변환시키고, 압전소자에 의해 생성된 전기에너지를 전자장치의 전력원으로 이용할 수 있다.

압전소자는 그 형태 및 압전재료의 종류에 따라 벌크형, 캔틸레버형, 플렉서블형 등으로 구분될 수 있다. 벌크형은 벌크형태의 압전재료에 기계적 힘을 인가하여 전기에너지를 생성하는 방식이고, 캔틸레버형은 외팔보 형태 지지물의 일측에 압전재료를 부착하고 지지물의 변형에 따라 전기에너지를 생성하는 방식이며, 플렉서블형은 유연성 압전재료에 기계적 힘을 인가하여 전기에너지를 생성하는 방식이다. 한국등록특허 제10-599083호는 캔틸레버형 압전소자의 일 예를 나타내고 있다.

이와 같은 종래의 압전소자에 있어서, 벌크형 압전소자의 경우 취성이 약해 큰 스트레인(strain)을 인가하기 어렵고, 캔틸레버형의 경우 홀더, 스토퍼 등의 부가 구조물이 요구됨으로 인해 압전소자의 부피가 커져 소형 전자기기에 적용함에 한계가 있다. 또한, 유연성 압전재료를 이용하는 플렉서블형 압전소자는 기계적 힘 인가에 따른 출력에너지가 매우 작은 단점이 있다.

한국등록특허 제10-599083호

Wind Energy Harvesting Using Flexible Piezoelectric Device, H. Mutsuda, et. al., Journal of energy and power engineering, 7, pp1047-1051 (2013).

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 곡면기판의 일면 또는 양면 상에 압전물질이 구비되는 구조를 제시함과 함께 곡면기판과 압전물질의 두께 및 탄성계수를 제어하여 중립면(neutral plane)의 위치가 곡면기판 내부에 위치되도록 함으로써 외부의 기계적 응력에 대응한 압전물질의 전기적 포텐셜(electrical potential)을 최대화할 수 있는 곡면형 압전장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 곡면형 압전장치는 곡면기판; 및 상기 곡면기판의 일면 또는 양면 상에 구비된 압전물질을 포함하여 이루어지며, 응력 인가시 압축응력과 인장응력이 균형을 이루는 중립면은 곡면기판 내부에 위치하며, 상기 중립면의 위치는 아래 식 1의 y₁와 y₂에 의해 결정되며, 상기 중립면의 위치는, 곡면기판과 압전물질 각각의 두께(d), 탄성계수(E)의 조절에 의해 제어 가능한 것을 특징으로 한다.

(식 1)

,

(여기서,

)

(y₁은 곡면기판의 중심선과 중립면 사이의 거리, y₂는 압전물질의 중심선과 중립면 사이의 거리, d₁은 곡면기판의 두께, d₂는 압전물질의 두께, E₁은 곡면기판의 탄성계수, E₂는 압전물질의 탄성계수)

삭제

상기 곡면기판의 일면 또는 양면 상에 구비되는 압전물질은 복수층으로 구성될 수 있다. 또한, 상기 곡면기판은 탄성에 의해 복원 가능한 재료로 이루어지며, 고분자 재질의 기판 또는 탄성력을 갖는 강철 재질의 기판으로 구성될 수 있다. 이와 함께, 상기 압전물질은 폴리머 계열 압전물질, 무기 계열 압전물질 중 어느 하나이거나 이들의 복합재료로 구성될 수 있다.

본 발명에 따른 곡면형 압전장치는 다음과 같은 효과가 있다.

곡면기판의 일면 또는 양면 상에 압전물질이 구비되는 곡면형 압전장치를 구성하고, 중립면이 곡면기판 내부에 구비되도록 함과 함께 중립면의 위치를 선택적으로 제어함으로써 압전물질의 전기적 포텐셜을 최대화시킬 수 있다.

도 1과 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 곡면형 압전장치를 나타낸 것.
도 3은 중립면의 위치를 설명하기 위한 참고도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 곡면형 압전장치의 응력 인가에 따른 전기적 포텐셜 생성 과정을 나타낸 참고도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 곡면형 압전장치의 외부 응력에 따른 출력전압 및 출력전류 특성을 나타낸 것.
도 6은 곡면기판이 적용되지 않은 압전물질과 곡면기판 상에 적용된 압전물질의 전기적 포텐셜을 나타낸 것.
도 7의 (a)는 본 발명의 곡면형 압전장치의 중심부가 1cm의 변형이 이루어지도록 응력이 인가됨이 전제된 상태에서, 기판 두께에 따른 출력전압의 변화를 나타낸 것.
도 7의 (b)는 기판 두께에 따른 중립면의 위치 변화를 나타낸 것.
도 8은 본 발명의 곡면형 압전장치와 평면기판이 적용된 압전장치의 응력 분포 특성 및 기판 두께에 따른 출력전압 특성을 나타낸 것.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 곡면형 압전장치를 나타낸 참고도.

본 발명은 압전물질의 전기적 포텐셜(electrical potential)을 극대화시키는 압전장치를 제시한다. 이를 위해, 본 발명은 곡면기판의 일면 또는 양면 상에 압전물질을 구비시키는 구조를 제시한다. 평면기판의 경우, 외부 응력이 인가되면 인가된 응력이 기판 전체로 분산됨에 반해 곡면기판의 경우, 외부 응력이 인가되면 곡면기판의 중심부에 응력이 집중되는 특성을 갖는다. 따라서, 평면기판에 비해 곡면기판에 상대적으로 큰 외부 응력을 인가할 수 있어 압전물질의 전기적 포텐셜의 증가를 기대할 수 있다. 도 1은 곡면기판의 일면 상에 압전물질이 구비된 구조를 나타낸 것이며, 도 2는 곡면기판의 양면 상에 압전물질이 구비된 구조를 나타낸 것이다.

본 발명은 압전물질의 전기적 포텐셜을 극대화시키는 방법으로, 곡면기판의 적용에 더해, 중립면(neutral plane)을 곡면기판 내부에 위치되도록 제어하는 기술을 제시한다. 중립면(neutral plane)은 외부의 응력 인가시 압축응력과 인장응력이 동일한 크기를 나타내는 지점을 의미한다. 곡면기판의 일면 상에 압전물질이 구비되는 구조에서, 중립면이 압전물질의 내부에 위치하게 되면 외부의 응력 인가시 압전물질에는 압축응력과 인장응력이 동시에 작용하게 된다. 압전물질 내에서 압축응력과 인장응력이 모두 작용됨은 전기적 포텐셜의 상쇄를 의미한다. 압축응력에 의한 전기적 포텐셜과 인장응력에 의한 전기적 포텐셜은 반대 극성을 가짐에 따라, 압전물질 내에서 압축응력과 인장응력이 모두 작용되면 두 전기적 포텐셜의 절대값의 차이값만이 최종적인 압전물질의 전기적 포텐셜이 된다. 한편, 중립면이 곡면기판 내부에 위치하게 되면 외부의 응력 인가시 압전물질에는 압축응력과 인장응력 중 어느 하나만이 작용하게 된다. 외부의 응력 인가시 압축응력과 인장응력 중 어느 하나만이 작용됨으로 인해 두 응력의 상쇄가 발생되지 않으며, 이에 따라 압전물질의 전기적 포텐셜을 최대화할 수 있게 된다.

중립면을 곡면기판 내부에 위치시키기 위해서는, 곡면기판과 압전물질 각각의 두께(d) 및 탄성계수(E, Young`m modulus)가 고려되어야 함과 함께 아래 설명하는 수학식을 만족해야 한다.

중립면을 곡면기판 내부에 위치시키기 위한 조건을 설명하면 다음과 같다.

압전물질의 두께(d₂)와 곡면기판의 두께(d₁)가 설정된 상태에서, 압전물질의 중심선과 중립면 사이의 거리는 y₂이고, 곡면기판의 중심선과 중립면 사이의 거리가 y₁이면(도 3 참조), d₁, d₂, y₁, y₂ 사이의 관계는 아래의 수학식 1로 정리할 수 있다.

또한, 압전물질과 곡면기판 각각의 두께(d), 탄성계수(E, Young`m modulus)의 상관관계는 아래의 수학식 2로 정리된다. 수학식 2는 압전물질과 곡면기판 각각의 두께(d), 탄성계수(E)의 상관관계를 나타낸 것이다. 이와 함께, 중립면이 곡면기판 내부에 위치하기 위해서는 압전물질의 중심선과 중립면 사이의 거리(y₂)가 압전물질의 두께의 반값(d₂/2)보다 커야함을 만족해야 한다(수학식 4 참조).

수학식 1과 수학식 2의 연립방정식을 통해 y₁값과 y₂ 값을 구할 수 있다. y₁값과 y₂ 값이 결정되면 중립면의 위치를 확인할 수 있다. 아래의 수학식 5는 수학식 1과 수학식 2의 연립방정식을 통해 구한 y₁값과 y₂ 값이다.

수학식 1과 수학식 2의 연립방정식을 통해 y₁값과 y₂ 값을 구할 수 있음은 달리 표현하여, 곡면기판과 압전물질 각각의 두께(d), 탄성계수(E)를 조절함으로써 중립면의 위치를 제어할 수 있음을 의미한다. 또한, 중립면의 위치에 따라 압전물질에 인가되는 압축응력 또는 인장응력의 크기가 달라지는데, 곡면기판과 압전물질 각각의 두께(d), 탄성계수(E)의 조절을 통해 압전물질에 인가되는 압축응력 또는 인장응력의 크기를 제어할 수 있으며, 이는 궁극적으로 압전물질의 전기적 포텐셜을 제어할 수 있음을 의미한다.

(수학식 1)

(y₁은 곡면기판의 중심선과 중립면 사이의 거리, y₂는 압전물질의 중심선과 중립면 사이의 거리, d₁은 곡면기판의 두께, d₂는 압전물질의 두께)

(수학식 2)

(E₁은 곡면기판의 탄성계수, E₂는 압전물질의 탄성계수)

삭제

(수학식 4)

(수학식 5)

삭제

이상의 내용을 정리하면, 곡면기판의 일면 또는 양면 상에 압전물질이 구비되는 구조에 있어서, 압축응력과 인장응력이 동일한 크기를 나타내는 지점인 중립면(neutral plane)을 곡면기판 내부에 위치되도록 함으로써 외부 응력 인가시 압전물질에 압축응력과 인장응력 중 어느 하나만이 인가되도록 하여 압전물질의 전기적 포텐셜을 최대화할 수 있으며, 중립면의 위치는 곡면기판과 압전물질 각각의 두께(d), 탄성계수(E)의 조절을 통해 제어 가능하며, 곡면기판과 압전물질 각각의 두께(d), 탄성계수(E)의 조절을 통해 중립면의 위치를 제어할 수 있음은 상술한 수학식 5에 근거한다.

도 1과 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 곡면형 압전장치를 나타낸 것으로서, 도 1은 곡면기판의 일면 상에 압전물질이 구비된 구조이고, 도 2는 곡면기판의 양면 상에 압전물질이 구비된 구조이다. 도면에 도시하지 않았지만, 곡면기판의 일면 또는 양면 상에 구비되는 압전물질은 복수층 반복하여 적층될 수도 있다. 또한, 도 9과 같이 절곡된 기판 상에 압전물질을 구비시키는 구조도 가능하다.

도 1과 도 2에 있어서, 압전물질의 양면 상에는 압전물질에 의해 생성되는 전기적 포텐셜을 외부로 전달시키기 위한 전극이 구비된다. 본 발명의 곡면형 압전장치에 적용되는 곡면기판은 압전물질보다 기계적 강도가 커야 하고 초기상태로의 복귀가 가능한 탄성을 갖추어야 한다. 상기 곡면기판으로는 PI(polyimide), PET(poly(ethylene terephthalte)) 등의 고분자 재질의 기판 또는 탄성력이 우수한 강철 재질의 기판이 사용될 수 있다. 또한, 상기 압전물질로는 Poly(vinylidene fluoride) 등의 폴리머 계열 압전물질 또는 PZT, ZnO 등의 무기 계열 압전물질이 사용될 수 있으며, 폴리머 계열 압전물질과 무기 계열 압전물질의 복합재료도 본 발명의 압전물질로 적용할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 곡면형 압전장치에 의해 전기적 포텐셜이 생성되는 과정을 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 곡면형 압전장치의 응력 인가에 따른 전기적 포텐셜 생성 과정을 나타낸 참고도이다. 도 4에서 1번 그림은 응력이 인가되지 않은 최초 상태를 나타내며, 2번 그림은 응력 인가에 의해 곡면기판이 평면 형태로 변형된 상태를 나타내며, 3번 그림은 응력 제거시 최초 상태로 복원되는 과정의 상태를 나타내며, 4번 그림은 응력 제거로 인해 최초 상태로 복원된 상태를 나타낸 것이다. 또한, 도 4의 곡면형 압전장치는 중립면이 기판 내부에 존재하도록 설계되어 있음이 전제된다.

도 4를 참조하면, 외부 응력이 인가되면 중립면이 곡면기판 내부에 존재함에 따라 압전물질에는 압축응력만이 작용하게 되며(1번 그림 참조), 2번 그림에서 압전물질에 인가되는 압축응력은 최대치가 되고, 압축응력에 따른 압전물질의 전기적 포텐셜 역시 최고값을 나타내게 된다. 이어, 외부 응력이 제거되면 곡면기판의 탄성에 의해 최초 상태로 복원되는데, 곡면기판이 최초 상태로 복원되는 과정에서 압전물질에는 인장응력이 작용하게 되며, 4번 그림에서 인장응력이 최대치가 됨과 함께 인장응력에 따른 압전물질의 전기적 포텐셜 역시 최고값을 나타내게 된다.

다음으로, 실험예를 통해 본 발명에 대해 보다 구체적으로 설명하기로 한다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 곡면형 압전장치의 외부 응력에 따른 출력전압 및 출력전류 특성을 나타낸 것이다. 도 5에 있어서, 곡면형 압전장치는 0.2mm 두께의 PI 필름 상에 0.1mm 두께의 PVDF를 부착시켜 완성하였고, PVDF의 양면 상에는 200nm 두께의 금(Au)을 전자빔 증착기(electron beam evaporator)를 통해 미리 증착시켰다. 제작된 곡면형 압전장치는 7x4 cm²의 면적과 0.6mm의 두께이다. 제작된 곡면형 압전장치에 손가락으로 힘(∼3.9mW/cm²)을 인가한 결과, 도 5에 도시한 바와 같이 ∼155V의 전압과 ∼700㎂(전류밀도는 ∼25㎂/cm²)의 전류가 발생됨을 확인하였다. 이와 같은 출력전압값과 출력전류값은 PVDF를 사용하는 상용화된 플렉서블 압전에너지 발생장치에 대비하여 월등한 전기적 특성을 나타내는 것이다.

도 6은 곡면기판이 적용되지 않은 압전물질과 곡면기판 상에 적용된 압전물질의 전기적 포텐셜을 나타낸 것이다. 도 6에 있어서, 1번 그림은 곡면기판이 적용되지 않은 압전물질의 전기적 포텐셜을 나타낸 것이고, 2번 그림은 곡면기판 상에 적용된 압전물질의 전기적 포텐셜을 나타낸 것이며, 1번 그림과 2번 그림 공히 왼쪽 그래프는 응력 인가시 PVDF 끝단에서의 전기적 포텐셜을 나타낸 것이고 오른쪽 그래프는 PVDF 중심부에서의 따른 전기적 포텐셜을 나타낸 것이다. 또한, 도 6의 곡면기판 상에 적용된 압전물질의 경우, 중립면이 곡면기판 내부에 존재하도록 설계되어 있음이 전제된다.

도 6을 참조하면, 곡면기판이 적용되지 않은 경우 응력 인가시 압전물질에 압축응력과 인장응력이 동시에 작용됨으로 인해 압축응력에 의한 전기적 포텐셜과 인장응력에 의한 전기적 포텐셜이 서로 상쇄되어 최종적으로 출력되는 전기적 포텐셜의 값이 작아짐을 알 수 있다. 반면, 압전물질이 곡면기판 상에 적용된 경우, 응력 인가시와 응력 제거시 압축응력 또는 인장응력만이 작용하게 되어 압축응력에 의한 전기적 포텐셜과 인장응력에 의한 전기적 포텐셜이 상쇄되지 않고 최대치를 나타냄을 확인할 수 있다.

도 7의 (a)는 본 발명의 곡면형 압전장치의 중심부가 1cm의 변형이 이루어지도록 응력이 인가됨이 전제된 상태에서, 기판 두께에 따른 출력전압의 변화를 나타낸 것이며, 도 7의 (b)는 기판 두께에 따른 중립면의 위치 변화를 나타낸 것이다. 도 7의 (a)를 참조하면, 기판의 두께가 커질수록 1cm의 변형을 위해 응력이 증가되며, 압전물질의 출력전압은 증가하게 된다. 도 7의 (b)를 참조하면, 기판이 얇은 경우 압전물질(PVDF)의 내부에 존재하지만 기판의 두께가 증가되면서 중립면은 점점 기판쪽으로 이동된다.

도 8은 본 발명의 곡면형 압전장치(도 8의 1번 및 2번 그림)와 평면기판이 적용된 압전장치(도 8의 3번 및 4번 그림)의 중심부가 1cm의 변형을 가질 때의 응력 분포 특성 및 기판 두께에 따른 출력전압 특성을 나타낸 것이다. 도 8을 참조하면, 평면형 압전장치의 경우(3번 그림 참조) 기판 중심부에 응력이 인가되더라도 기판 주변부로 응력이 분산되는 특성을 나타냄에 반해, 곡면형 압전장치의 경우(1번 그림 참조) 기판 중심부에 응력이 인가되면 인가된 응력이 기판 중심부에 집중되어 스트레인이 압전물질의 한쪽면으로부터 다른쪽면까지 점진적으로 분포됨을 알 수 있다. 압전물질에 작용하는 양단의 응력의 크기가 최대화됨은 압전물질의 전기적 포텐셜이 증가됨을 의미한다. 이와 같은 결과는 2번 그림과 4번 그림을 통해 확인할 수 있다. 동일한 응력이 인가되더라도 곡면형 압전장치(2번 그림 참조)는 평면형 압전장치(4번 그림 참조)보다 더 큰 응력의 인가가 가능하여 출력전압이 크며, 기판의 두께가 증가되더라도 경향성은 그대로 유지됨을 확인할 수 있다.

Claims

곡면기판; 및
상기 곡면기판의 일면 또는 양면 상에 구비된 압전물질을 포함하여 이루어지며,
응력 인가시 압축응력과 인장응력이 균형을 이루는 중립면은 곡면기판 내부에 위치하며, 상기 중립면의 위치는 아래 식 1의 y₁와 y₂에 의해 결정되며,
상기 중립면의 위치는, 곡면기판과 압전물질 각각의 두께(d), 탄성계수(E)의 조절에 의해 제어 가능하며,
상기 곡면기판은 탄성에 의해 복원 가능한 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 곡면형 압전장치.
(식 1)

,
(여기서,
)
(y₁은 곡면기판의 중심선과 중립면 사이의 거리, y₂는 압전물질의 중심선과 중립면 사이의 거리, d₁은 곡면기판의 두께, d₂는 압전물질의 두께, E₁은 곡면기판의 탄성계수, E₂는 압전물질의 탄성계수)
삭제
제 1 항에 있어서, 상기 곡면기판의 일면 또는 양면 상에 구비되는 압전물질은 복수층으로 구성되는 것을 특징으로 하는 곡면형 압전장치.
삭제
제 1 항에 있어서, 상기 곡면기판은 고분자 재질의 기판 또는 탄성력을 갖는 강철 재질의 기판으로 구성되는 것을 특징으로 하는 곡면형 압전장치.
제 1 항에 있어서, 상기 압전물질은 폴리머 계열 압전물질, 무기 계열 압전물질 중 어느 하나이거나 이들의 복합재료인 것을 특징으로 하는 곡면형 압전장치.