KR101336196B1 - Bio-Nanogenerator and manufacturing method for the same - Google Patents
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Abstract
생체용 나노제너레이터 및 그 제조방법이 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 생체용 나노제너레이터는 생체 내에 삽입된 후, 생체 내 기관의 움직임에 따라 전류를 생성하는 생체용 나노제너레이터로, 상기 나노제너레이터는 플렉서블 기판; 및 상기 플렉서블 기판 양면에 구비된 BTO 박막을 포함하는 것을 특징으로 하며, 본 발명에 따른 플렉서블 나노제너레이터는 압전물질과 플렉서블한 플라스틱 기판의 휨을 결합시켜, 기판의 휨에 따라 전류가 고효율로 생성될 수 있다. A biogenerator and a method of manufacturing the same are provided.
The bio-generator according to an embodiment of the present invention is a bio-generator for generating a current according to the movement of the organ in vivo after being inserted into the living body, the nanogenerator is a flexible substrate; And a BTO thin film provided on both sides of the flexible substrate, and the flexible nanogenerator according to the present invention combines the warpage of the piezoelectric material and the flexible plastic substrate so that current can be generated with high efficiency according to the warpage of the substrate. have.
Description
본 발명은 플라스틱 나노제너레이터 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기판의 휨에 따라 발생하는 전기적 에너지를 외부로 고효율로 공급하는 플라스틱 나노제너레이터 및 그 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a plastic nanogenerator and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a plastic nanogenerator and a method of manufacturing the same to supply electrical energy generated by the warpage of the substrate with high efficiency.
현재 정보통신의 발달에 따라 압전소자, 태양전지 등의 전기 소자의 필요성 및 대용량화가 대두되고 있다. 더 나아가, 이러한 전기 소자는 현재까지 딱딱한 실리콘 기판 등에서 제조되어, 응용되고 있는데, 그 이유는 바로 이러한 소자 들의 제조공정이 보통 고온의 반도체 공정을 통하여 제조되기 때문이다. 하지만, 이러한 소자 기판의 한계는 압전소자, 태양전지 등의 응용 범위를 제한하는 문제가 있다. BACKGROUND ART [0002] With the development of information communication, electric devices such as piezoelectric elements and solar cells have become necessary and large-capacity. Furthermore, such electric devices have been manufactured and applied to rigid silicon substrates until now, because the manufacturing process of these devices is usually manufactured through a high temperature semiconductor process. However, the limitation of such a device substrate has a problem of limiting the application range of piezoelectric elements, solar cells, and the like.
특히 이러한 기판 제한에 따라 그 효과가 제한되는 소자 중 하나는 압전 소자이다. 압전소자란 압전기(壓電氣) 현상을 나타내는 소자를 의미한다. 상기 압전 소자는 피에조 전기소자라고도 하며, 수정, 전기석, 로셸염 등이 일찍부터 압전소자로서 이용되었으며, 근래에 개발된 지르코늄산납, 타이타늄산바륨(BaTiO3, 이하 BTO), 인산이수소암모늄, 타타르산에틸렌다이아민 등의 인공결정도 압전성이 뛰어나며 도핑을 통해 더 뛰어난 압전특성을 유도 할 수 있게 된다.In particular, one of the elements whose effect is limited by the substrate limitation is a piezoelectric element. A piezoelectric element means a device exhibiting a piezoelectric phenomenon. The piezoelectric element is also referred to as a piezoelectric element, and crystals, tourmaline, Rochelle salt, etc. have been used as piezoelectric elements since early, and lead zirconate, barium titanate (BaTiO 3 , hereinafter BTO), ammonium dihydrogen phosphate, and tartar have recently been developed. Artificial crystals such as ethylenediamine also have excellent piezoelectric properties, and doping can lead to better piezoelectric properties.
이러한 압전소자는 현재 외부에서 인가되는 압력에 따라 전기를 발생시키는 방식이나, 상기 압전 소자가 자연스럽게 휘어질 수 있는 플렉서블 기판에 응용되는 경우, 자연스럽게 발생하는 플렉서블 기판의 휘는 특성을 즉시 전기적 에너지로 전화시킬 수 있는 장점이 있으나, 아직까지 플렉서블 기판에 구현된 압전 소자, 특히 대면적 압전 소자는 개시되지 못한 상황이다. 더 나아가, 발생한 전기적 에너지를 충전시키기 위해서 보통 BTO 소자 외부의 별도 충전 수단을 종래 기술은 사용하나, 이는 압전 소자를 사용하는 디바이스 크기를 과도하게 차지하는 문제가 있다. Such a piezoelectric element generates electricity according to a pressure applied from the outside, or when the piezoelectric element is applied to a flexible substrate which can be naturally bent, it is possible to immediately convert the bending property of the naturally occurring flexible substrate into electrical energy. There is an advantage, but piezoelectric elements, particularly large area piezoelectric elements, implemented in the flexible substrate have not been disclosed. Furthermore, in order to charge the generated electrical energy, the conventional technique usually uses a separate charging means outside the BTO element, but this has a problem of excessively occupying the size of the device using the piezoelectric element.
더 나아가, 많은 양의 전기적 에너지를 생산하기 위해서는 큰 면적의 BTO 소자를 사용하는 것이 바람직하나, 현재까지 대면적의 압전소자를플렉서블 기판에 구현시키는 기술은 개시되지 못하는 상황이다. 더 나아가, 이러한 압전소자를 이용하여, 전류를 사실상 연구적으로 생산할 수 있는 플렉서블 미세발전기, 즉, 플렉서블 나노제너레이터는 아직까지 개시되지 못하는 상황이다.
Furthermore, in order to produce a large amount of electrical energy, it is preferable to use a large area BTO device, but until now, a technique for implementing a large area piezoelectric element on a flexible substrate has not been disclosed. Furthermore, using such a piezoelectric element, a flexible microgenerator, that is, a flexible nanogenerator capable of producing practically research current, has not yet been disclosed.
따라서, 본 발명이 해결하려는 과제는 압전물질을 이용한 플렉서블 나노제너레이터 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a flexible nanogenerator using a piezoelectric material and a method of manufacturing the same.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 생체 내에 삽입된 후, 생체 내 기관의 움직임에 따라 전류를 생성하는 생체용 나노제너레이터로, 상기 나노제너레이터는 플렉서블 기판; 및 상기 플렉서블 기판 양면에 구비된 BTO 박막을 포함한다. In order to solve the above problems, the present invention is a bio-generator for generating a current according to the movement of the organ in vivo, after being inserted into the living body, the nanogenerator is a flexible substrate; And BTO thin films provided on both sides of the flexible substrate.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 플렉서블기판, 상기 BTO 박막은 밀봉부재 내에 구비되며, 상기 BTO 박막으로부터 생성된 전류를 외부로 전달되는 금속선이 상기 나노제너레이터에 연결된다. According to an embodiment of the present invention, the flexible substrate and the BTO thin film are provided in a sealing member, and a metal wire that transmits current generated from the BTO thin film to the outside is connected to the nanogenerator.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 플라스틱 기판 휨에 따라 상기 기판 일면의 BTO 박막에서는 양의 전압이 발생하고, 타면의 BTO박막에서는 음의 전압이 발생한다. According to one embodiment of the present invention, a positive voltage is generated in the BTO thin film on one surface of the substrate, and a negative voltage is generated in the BTO thin film on the other surface according to the bending of the plastic substrate.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 플렉서블 기판과 상기 플렉서블 기판에 구비된 BTO 박막을 포함하는 생체용 나노제너레이터; 및 상기 생체용 나노제너레이터가 삽입된 생체의 움직임에 따라 상기 생체용 나노제너레이터로부터 발생한 전력을 공급받아, 외부와 통신하는 통신수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 생체 통신 시스템이 제공된다. According to an embodiment of the present invention, a bio-generator comprising a flexible substrate and a BTO thin film provided on the flexible substrate; And a communication means for receiving power generated from the bio-generator according to the movement of the living body into which the bio-generator is inserted and communicating with the outside.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 BTO 박막은 상기 플렉서블 기판의 양면에 구비된다. According to an embodiment of the present invention, the BTO thin film is provided on both sides of the flexible substrate.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 플렉서블 기판과 상기 플렉서블 기판에 구비된 BTO 박막을 포함하는 생체용 나노제너레이터를 이용하여 고상의 리튬이차전지를 충전하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지 충전방법이 제공된다. According to an embodiment of the present invention, there is provided a lithium secondary battery charging method comprising charging a solid-state lithium secondary battery using a bio-generator including a flexible substrate and a BTO thin film provided on the flexible substrate. .
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 BTO 박막은 상기 플렉서블 기판의 양면에 구비되며, 상기 생체용 나노제너레이터의 출력 전류량은 100nA 이상이다. According to one embodiment of the invention, the BTO thin film is provided on both sides of the flexible substrate, the output current amount of the bio-generator is more than 100nA.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 생체용 나노제너레이터를 이용한 심장박동기로서, 상기 심장박동기는 플렉서블 기판과 상기 플렉서블 기판에 구비된 BTO 박막을 포함하고, 생체 움직임에 따라 전력을 생성하는 생체용 나노제너레이터; 및 상기 생성된 전력으로부터 상기 심장에 전기 신호를 제공하는 전기신호 제공부를 포함하는 것을 특징으로 하는 심장 박동기가 제공된다. According to an embodiment of the present invention, as a cardiac pacemaker using a biogenerator, the cardiac pacemaker includes a flexible substrate and a BTO thin film provided on the flexible substrate, and generates a bio-generator in accordance with the movement of the living body. ; And an electrical signal providing unit for providing an electrical signal to the heart from the generated power.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전기신호는 상기 생체용 나노제너레이터에 의하여 생성된 후 축전된 전지 또는 커패시터로부터 제공되며, 이때 상기 생체역학적 에너지는 심장박동에 의해 생성된다. According to an embodiment of the present invention, the electrical signal is generated from a battery or a capacitor which is generated by the bio-generator and then stored, wherein the biomechanical energy is generated by a heartbeat.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 생체역학적 에너지는 횡격막의 이완 및 수축에 의해 생성된다. According to one embodiment of the invention, the biomechanical energy is generated by the relaxation and contraction of the diaphragm.
본 발명은 또한 층상기판 상에 순차적으로 압전물질층 및 금속층을 적층시켜 제 1 압전소자를 제조하는 단계; 상기 제 1 압전소자 상에 전사기판을 접합시키는 단계; 상기 층상기판을 제거하는 단계; 및 상기 제 1 압전소자를 플라스틱 기판의 일 면에 전사시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 생체용 나노제너레이터 제조방법을 제공한다. The present invention also comprises the steps of sequentially stacking the piezoelectric material layer and the metal layer on the layer plate to produce a first piezoelectric element; Bonding a transfer substrate onto the first piezoelectric element; Removing the layer plate; And transferring the first piezoelectric element to one surface of the plastic substrate.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 방법은 상기 제 1 압전소자가 전사된 플라스틱 기판 일 면의 대향면에 제 2 압전소자를 전사시키는 단계를 더 포함하며, 여기에서 상기 제 2 압전소자는 상술한 방법에 의하여 층상 기판상에서 제조된 후 상기 플라스틱 기판의 대향면에 전사되며, 상기 층상 기판은 운모 기판이며, 상기 층상 기판 제거는 물리적 방식의 박리에 의하는 것을 진행된다. 더 나아가, 상기 방법은 상기 제 1 압전소자 및 제 2 압전소자의금속층에 금속선을 연결시키는 단계; 및 상기 제 1 압전소자 및 제 2 압전소자를 밀봉부재로 밀봉시키는 단계를 더 포함한다. According to one embodiment of the invention, the method further comprises the step of transferring the second piezoelectric element on the opposite surface of one surface of the plastic substrate on which the first piezoelectric element is transferred, wherein the second piezoelectric element is described above. After being manufactured on the layered substrate by one method, the layered substrate is transferred to the opposite surface of the plastic substrate, the layered substrate is a mica substrate, and the layered substrate removal proceeds by physical peeling. Furthermore, the method includes the steps of connecting a metal wire to the metal layers of the first piezoelectric element and the second piezoelectric element; And sealing the first piezoelectric element and the second piezoelectric element with a sealing member.
본 발명에 따른 플렉서블 나노제너레이터는 압전물질과 플렉서블한 플라스틱 기판의 휨을 결합시켜, 기판의 휨에 따라 전류가 고효율로 생성될 수 있다. The flexible nanogenerator according to the present invention combines the warpage of the piezoelectric material and the flexible plastic substrate so that current can be generated with high efficiency according to the warpage of the substrate.
도 1 내지 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 플렉서블 나노제너레이터 제조방법의 단계별 도면이다.
도 15는 본 발명에 따른 플렉서블 나노발전기의 응용 개념을 나타내는 도면이다.
도 16 및 17은 본 발명에 따른 플렉서블 나노발전기의 또 다른 응용 개념을 나타내는 도면이다.1 to 14 is a step-by-step diagram of a method for manufacturing a flexible nanogenerator according to an embodiment of the present invention.
15 is a view showing an application concept of a flexible nanogenerator according to the present invention.
16 and 17 are views showing another application concept of the flexible nanogenerator according to the present invention.
이하, 본 발명의 도면을 참조하여 상세하게 설명하고자 한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서 본 발명은 이하 설명된 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 또한, 본 명세서 전반에 걸쳐 표시되는 약어는 본 명세서 내에서 별도의 다른 지칭이 없다면 당업계에서 통용되어, 이해되는 수준으로 해석되어야 한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The following embodiments are provided by way of example so that those skilled in the art can fully understand the spirit of the present invention. Therefore, the present invention is not limited to the embodiments described below, but may be embodied in other forms. In the drawings, the width, length, thickness, etc. of components may be exaggerated for convenience. Like numbers refer to like elements throughout. In addition, abbreviations displayed throughout this specification should be interpreted to the extent that they are known and used in the art unless otherwise indicated herein.
또한, 본 명세서에서 나노제너레이터 또는 나노자가발전기는 기판의 휨에 따라 전류가 발생하는 미세 소자를 모두 통칭한다. 또한, 본 발명에 따른 생체용 플렉서블 나노제너레이터는 생체 내의 장기 움직임으로부터 전력을 생산하여, 생체 내에 삽입된 통신센서나 의료도구 등에 전력을 공급할 수 있는 전력발생 장치를 지칭한다. In addition, in the present specification, a nanogenerator or a nano self-generator collectively refers to all micro devices in which current is generated according to the warpage of the substrate. In addition, the biological flexible nanogenerator according to the present invention refers to a power generating device capable of producing power from long-term movement in the living body, and supplying power to a communication sensor or a medical tool inserted into the living body.
본 발명에 따른 생체용 나노제너레이터는 상기 목적을 달성하기 위하여, 평탄하지 않은 곡면 구조를 갖는 생체 기관에 균일하게 접촉면을 제공할 수 있는 플렉서블 기판; 및 상기 플렉서블 기판 양면에 구비되어, 기판의 휨에 따라 전력을 발생시키는 전력발생층인 BTO 박막을 포함한다. In accordance with an aspect of the present invention, there is provided a biological nanogenerator including: a flexible substrate capable of uniformly providing a contact surface to a biological organ having an uneven curved structure; And a thin film of BTO, which is provided on both sides of the flexible substrate and is a power generation layer that generates power according to the bending of the substrate.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 생체용 나노제너레이터의 단면도 및 평면도이다.1 is a cross-sectional view and a plan view of a bio-generator according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 접착층(600)이 도포된 상기 플라스틱 기판(700)의 양면에, 플렉서블 기판인 플라스틱 기판의 휨에 따라 전력을 발생시키는 BTO 박막(200, 201)이 구비된다. 또한, 양면에 압전소자(즉, BTO 박막)를 구비한 나노제너레이터를 밀봉부재(401)로 밀봉시키는데, 상기 밀봉부재(401)는 휨이 자유로운 가요성 부재인 것이 바람직한데, 본 발명의 일 실시예에서 상기 밀봉부재(401)는 폴리디메틸실록산(PDMS)이었다. 따라서, 밀봉부재(401)가 휨에 따라 내부에 밀봉된 플라스틱 기판(700) 또한 휘게 되며, 이때 기판 양쪽에 구비된 압전소자에서는 전류가 발생, 금속선(801)을 통하여 외부로 흐르게 된다. 따라서, 본 발명에 따른 플렉서블 나노제너레이터는 기판의 물리적인 휨에 따라 전류를 발생시키는, 일종의 나노자가발전기로 사용가능하며, 특히 양면에 부착된 BTO 박막에 의하여 고효율로 전류를 생산할 수 있다(100nA 이상의 출력 전류량). 또한, 상기 플라스틱 기판 휨에 따라 상기 기판 일면의 BTO 박막에서는 양의 전압이 발생하고, 타면의 BTO박막에서는 음의 전압이 발생하므로, 매우 효과적인 발전이 가능하며, 특히 생체 내의 미세한 움직임에도 전력을 발생시킨다. Referring to FIG. 1, both surfaces of the
도 2와 3은 본 발명에 따른 플렉서블 생체용 나노제너레이터의 또 다른 응용 개념을 나타내는 도면이다.2 and 3 is a view showing another application concept of the flexible bio-generator for the present invention.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 플렉서블생체용 나노제너레이터로부터 발생한 전류를 정류하여, 배터리 장치로 활용할 수 있다. 즉, 양면에 구비된 BTO 소자에 의하여 생산된 전류는 고상의 리튬이차전지에 충전되며, 충전된 전력은 다시 외부와의 통신을 하기 위한 통신 수단에 전력을 공급하거나, 또는 도 3에서 도시한 바와 같이 전기신호 제공부(904)를 통하여 비상시 심장에 공급되는 전기신호로 활용될 수 있다.Referring to FIG. 2, a current generated from the nanogenerator for flexible living body according to the present invention may be rectified and used as a battery device. That is, the current produced by the BTO elements provided on both sides is charged in the solid state lithium secondary battery, and the charged power supplies power to communication means for communicating with the outside again, or as shown in FIG. 3. Likewise, the electrical
또한, 본 발명에 따른 생체용 나노제너레이터를 이용한 일 응용예로 생체 통신 시스템이 있다. 이 경우, 상기 시스템은 상기 설명된 플렉서블 기판에 기반한 생체용 나노제너레이터와, 상기 생체용 나노제너레이터로부터 전력을 공급받아 외부와 통신하는 통신수단을 포함할 수 있으며, 상기 시스템은 상기 생체용 나노제너레이터로부터 전력을 공급받아 충전되는 고상 리튬이차전지를 더 포함할 수 있다. In addition, there is a biocommunication system as an application example using the biogenerator according to the present invention. In this case, the system may include a bio-generator based on the flexible substrate described above, and communication means for receiving power from the bio-generator and communicating with the outside, wherein the system is provided from the bio-generator. The battery may further include a solid state lithium secondary battery charged with power.
플렉서블 생체용 나노제너레이터의 또 다른 응용예는 바로 이상 징후를 자동으로 감지하여 작동하는 심장박동기이다. 심장박동기는 심장에 전기 신호를 가하여, 규칙적인 심장 박동을 유도하는 장치로서, 본 발명은 특히 심장 발작을 예고하는 심장 임피던스 정보를 본 발명에 따른 나노제너레이터(906)로부터 전력을 공급받아 상기 발생한 전류 정보를 외부로 전송한다. 이후, 상기 발생한 전류 시그널에 따라 상기 심장에 전기 신호를 별도의 전기신호 제공부(904)를 통하여 심장에 제공한다. 이로써 심장 변화 수준을 심장박동에 따라 발생하는 전류를 이용하여 작동되는 무선 송신기를 통해 외부에서 수신하고, 통상의 수준을 벗어나는 경우, 상기 나노제너레이터에 의하여 축전된 전지 또는 커패시터(905)로부터의 전기신호를 심장에 제공한다. Another application of the flexible biocompatible nanogenerator is a cardiac pacemaker that works by automatically detecting abnormal symptoms. A cardiac pacemaker is a device that induces a regular heartbeat by applying an electrical signal to the heart, and the present invention particularly receives power from the
도 4 내지 17는 본 발명의 일 실시예에 따른 플렉서블 생체용 나노제너레이터 제조방법의 단계별 도면이다.4 to 17 is a step-by-step diagram of a method for manufacturing a flexible bio-nanogenerator according to an embodiment of the present invention.
도 4를 참조하면, 층상기판(100)이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 층상기판(100)은 운모기판이며, 상기 운모기판은 접착물질을 이용하여 물리적으로 박리될 수 있다. 즉, 본 발명은 층상구조로서 박리가 용이한 운모기판을 희생기판으로 이용하였으나, 본 발명의 범위는 이에 제한되지 않으며, 층간 구조로 인하여 층들이 순차적으로 벗겨질 수 있는 임의의 모든 기판이 상기 층상기판으로 사용될 수 있다. Referring to FIG. 4, the
도 5를 참조하면, 상기 층상기판(100) 상에 상부압전물질층(200)이 적층되며, 본 발명의 일 실시예에서 상기 압전물질은 BTO이었다. Referring to FIG. 5, an upper
도 6을 참조하면, 상기 상부 압전물질층(200) 상에 상부금속층(300)이 적층된다. 이로써 압전물질층(200) 및 상부금속층(300)으로 이루어진 제 1 압전소자가 구비된다. Referring to FIG. 6, an
도 7을 참조하면, 상기 상부금속층(300) 상에는 전사기판(400)이 적층되며, 상기 전사기판은 하부 층상기판(100)이 제거됨에 따라 상기 상부 압전물질층(200) 및 상부 금속층(300)을 고정시켜, 플렉서블 기판으로 전사시키는 역할을 수행한다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 전사기판(400)은 소정의 접착층이 도포된 PDMS 기판이었으나, 본 발명의 범위는 이에 제한되지 않는다. 이후 접착용 테이프 등과 같은 접착 수단(500)을 층상 기판 후면에 붙인 후, 떼어내는 방식으로 운모 기판의 층별로 박리시킨다. 즉, 본 발명은 희생기판을 습식식각 공정으로 제거하는 일반적인 기술과 달리 층상 형태로 박리될 수 있는 운모기판을 이용, 물리적으로 희생기판을 제거한다. 특히, 본 발명에서 물리적인 방식의 희생기판 제거에도 불구하고, 전사기판(400)에 의하여 고정된 소자층(상부 압전물질층-상부 금속층)은 고정되고, 배열된 상태를 유지한다. 상기 물리적 박리 공정을 계속 진행함에 따라 층상기판(100)은 모두 제거된다(도 8 내지 10 참조). Referring to FIG. 7, a
도 10 내지 12를 참조하면, 층상기판(100)이 모두 제거된 소자층(상부압전물질층(200)-상부금속층(300))은 접착층(600)이 구비된 플라스틱 기판(700)에 전사된다. 이로써 플렉서블 기판인 플라스틱 기판(700)상에 압전물질층(700)과 금속층(300)이 구비된다. Referring to FIGS. 10 to 12, the device layer (the upper
도 13을 참조하면, 도 4 내지 12와 동일한 방식으로 층상기판(101) 상에 하부압전물질층(201)과 하부금속층(301)을 적층하여, 도 12에서 제 1 압전소자가 제조된 플라스틱 기판(700)의 반대 쪽에 제 2 압전소자를 형성시킨다. 이후, 상기 하부금속층(301)에 전사기판(401)을 접촉시켜, 고정시킨다. 이후, 운모와 같은 층상기판(101)을 물리적인 방식으로 제거한다. Referring to FIG. 13, the lower
도 14를 참조하면, 상기 하부압전물질층(201)과 하부금속층(301)을 도 12의 플라스틱 기판(600)에 전사시킨다. 이때 상기 하부압전물질층(200)과 하부금속층(301)은 상부압전물질층(200)과 상부금속층(300)이 접합된 플라스틱 기판(200)의 반대면에 접합된다. 따라서, 상기 플라스틱 기판(200)의 양 면에는 모두 접합층이 구비된다. Referring to FIG. 14, the lower
도 15를 참조하면, 도 14의 전사공정을 통하여, 플라스틱 기판(700)의 양 면에 압전물질층(200, 201)과 금속층(300, 301)이 구비된 플렉서블 에너지 하베스트 소자가 완성된다. 따라서, 플라스틱 기판(700)의 휨에 따라 기판(700) 상부 압전물질층은 인장하중에 의해 위 표면에는 양의 전압이 발생하고, 하부 압전물질의 아래 표면에는 음의 전압이 발생하게 된다.Referring to FIG. 15, a flexible energy harvesting device including piezoelectric material layers 200 and 201 and
도 16을 참조하면, 압전물질층(200, 201)으로부터 발생한 전류를 유도하는 금속 금속선(801)이 압전물질층 상에 적층된금속층(300, 301)에 연결된다. 이로써 기판(700)의 휨에 따라 발생한 전류는 금속층(300, 301)과 금속선(801)을 통하여 외부로 흐르게 된다. 이때 발생되는 전압 및 전류는 위쪽과 아래쪽의 압전물질 에서 발생되는 값을 합한 것이 되므로, 단일 층으로 제작된 경우에 비해 높은 출력전압 및 전류값을 나타낸다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 금속선(801)과 금속층의 연결부위에는 전도성 접착제(800)가 구비되어, 금속선(801)과 금속층(300, 301)을 물리적으로 고정시킨다. 하지만, 본 발명의 범위는 이에 제한되지 않으며, 다양한 방식으로 외부 전선을 금속층(300, 301)에 연결시킬 수 있다.Referring to FIG. 16, a
도 17을 참조하면, 상기 플라스틱 기판의 양면에 압전소자를 구비한 에너지 하베스트 소자를 밀봉부재(401)로 밀봉시킨다. 상기 밀봉부재(401)는 휨이 자유로운 가요성 부재인 것이 바람직한데, 본 발명의 일 실시예에서 상기 밀봉부재(401)는 폴리디메틸실록산(PDMS)이었다. 따라서, 밀봉부재(401)가 휨에 따라 내부에 밀봉된 플라스틱 기판(700) 또한 휘게 되며, 이때 기판 양쪽에 구비된 압전소자에서는 전류가 발생, 금속선(801)을 통하여 외부로 흐르게 된다.Referring to FIG. 17, an energy harvesting device including piezoelectric elements on both surfaces of the plastic substrate is sealed with a sealing
본 발명에 따른 플렉서블압전소자는 물리적인 휨에 따라 전류를 발생시키는, 일종의 플렉서블 나노발전기로 사용가능하며, 특히 양면에 부착된 BTO 박막에 의하여 고효율로 전류를 생산할 수 있다(100nA 이상의 출력 전류량). The flexible piezoelectric element according to the present invention can be used as a kind of flexible nanogenerator that generates electric current according to physical bending, and in particular, can produce current with high efficiency by the BTO thin film attached to both surfaces (output current amount of 100nA or more).
도 18은 본 발명에 따른 플렉서블 나노발전기의 응용 개념을 나타내는 도면이다.18 is a view showing an application concept of the flexible nanogenerator according to the present invention.
도 18을 참조하면, 심장과 같은 인체 내에 삽입되는 전자기기에 본 발명에 따른 플라스틱 나노제너레이터가 나노자가발전기로 사용되어, 전력을 공급할 수 있다. 즉, 인체 내에서 발생하는 심장박동이나 횡경막의 움직임에 따라 전력을 발생하도록 인체 내에 삽입, 부착된 소형 플라스틱 나노제너레이터는 의료기기 및 통신수단인 무선 송신기에 전력을 공급하여, 인체 내에서 진행되는 상황을 외부에서 모니터링할 수 있게 한다. Referring to FIG. 18, a plastic nanogenerator according to the present invention may be used as a nano self-generator for an electronic device inserted into a human body such as a heart to supply power. That is, the small plastic nanogenerator inserted and attached in the human body to generate power according to the heartbeat or diaphragm movement occurring in the human body supplies power to a wireless transmitter, which is a medical device and a communication means, and progresses in the human body. Allow external monitoring.
이상 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.While the present invention has been described with reference to exemplary embodiments thereof, it will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit and scope of the invention as defined in the appended claims. .
Claims (16)
상기 플렉서블기판, 상기 BTO 박막은 밀봉부재 내에 구비되며, 상기 BTO 박막으로부터 생성된 전류를 외부로 전달되는 금속선이 상기 나노제너레이터에 연결된 것을 특징으로 하는 생체용 나노제너레이터.After being inserted into the living body, a bio-generator for generating a current in accordance with the movement of the organ in vivo, the nanogenerator is a flexible substrate; And a BTO thin film provided on both sides of the flexible substrate.
The flexible substrate and the BTO thin film are provided in a sealing member, and the nano-generator for living body, characterized in that the metal wire for transmitting the current generated from the BTO thin film is connected to the nanogenerator.
상기 플렉서블 기판이 휘어짐에 따라 상기 플렉서블 기판 양면 중 일면의 BTO 박막에서는 양의 전압이 발생하고, 상기 플렉서블 기판 양면 중 타면의 BTO박막에서는 음의 전압이 발생하는 것을 특징으로 하는 생체용 나노제너레이터.The method of claim 1,
As the flexible substrate is bent, a positive voltage is generated in the BTO thin film on one surface of both surfaces of the flexible substrate, and a negative voltage is generated in the BTO thin film on the other surface of the both sides of the flexible substrate.
상기 생체용 나노제너레이터가 삽입된 생체의 움직임에 따라 상기 생체용 나노제너레이터로부터 발생한 전력을 공급받아, 외부와 통신하는 통신수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 생체 통신 시스템. A bio-generator comprising a flexible substrate and a BTO thin film provided on the flexible substrate, wherein the flexible substrate and the BTO thin film are provided in a sealing member, and a metal line for transmitting a current generated from the BTO thin film to the outside is nano. A biological nanogenerator, characterized in that connected to the generator; And
And a communication means for receiving power generated from the bio-generator according to the movement of the living body into which the bio-generator is inserted and communicating with the outside.
상기 BTO 박막은 상기 플렉서블 기판의 양면에 구비되는 것을 특징으로 하는 생체 통신 시스템.5. The method of claim 4,
The BTO thin film is a biological communication system, characterized in that provided on both sides of the flexible substrate.
상기 BTO 박막은 상기 플렉서블 기판의 양면에 구비되는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지 충전방법.The method according to claim 6,
The BTO thin film is a lithium secondary battery charging method, characterized in that provided on both sides of the flexible substrate.
상기 생체용 나노제너레이터의 출력 전류량은 100nA 이상인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지 충전방법.8. The method of claim 7,
A lithium secondary battery charging method, characterized in that the output current amount of the bio-generator is 100nA or more.
플렉서블 기판과 상기 플렉서블 기판에 구비된 BTO 박막을 포함하고, 생체 움직임에 따라 전력을 생성하는 생체용 나노제너레이터로서, 상기 플렉서블기판, 상기 BTO 박막은 밀봉부재 내에 구비되며, 상기 BTO 박막으로부터 생성된 전류를 외부로 전달되는 금속선이 상기 나노제너레이터에 연결된 것을 특징으로 하는 생체용 나노제너레이터; 및
상기 생성된 전력으로부터 상기 심장에 전기 신호를 제공하는 전기신호 제공부를 포함하는 것을 특징으로 하는 심장 박동기.A cardiac pacemaker using a nanogenerator for a living body, wherein the cardiac pacemaker is
A bio-generator comprising a flexible substrate and a BTO thin film provided on the flexible substrate, and generating electric power according to a living body movement, wherein the flexible substrate and the BTO thin film are provided in a sealing member, and a current generated from the BTO thin film. Bio-generators, characterized in that the metal wire is delivered to the outside is connected to the nanogenerator; And
And an electrical signal providing unit for providing an electrical signal to the heart from the generated power.
상기 전기신호는 상기 생체용 나노제너레이터에 의하여 생성된 후 축전된 전지 또는 커패시터로부터 제공되는 것을 특징으로 하는 심장 박동기.The method of claim 9,
And the electrical signal is generated from a battery or a capacitor that is generated by the bio-generator and then stored.
상기 생체 움직임은 심장박동인 것을 특징으로 하는 심장 박동기.The method of claim 9,
Wherein the living body movement is a heartbeat.
상기 생체 움직임은 횡격막의 이완 및 수축 움직임인 것을 특징으로 하는 심장 박동기.The method of claim 9,
Wherein the living body movement is a relaxation and contraction movement of the diaphragm.
상기 방법은 상기 제 1 압전소자가 전사된 플라스틱 기판 일 면의 대향면에 제 2 압전소자를 전사시키는 단계를 더 포함하며, 여기에서 상기 제 2 압전소자는 상기 제 1 압전소자와 동일한 방식으로 층상 기판상에서 제조된 후 상기 플라스틱 기판의 대향면에 전사되는 것이고,
상기 제 1 압전소자 및 제 2 압전소자의 금속층에 금속선을 연결시키는 단계; 및 상기 제 1 압전소자 및 제 2 압전소자를 밀봉부재로 밀봉시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 생체용 나노제너레이터 제조방법.Manufacturing a first piezoelectric element by sequentially stacking a piezoelectric material layer and a metal layer on the layer plate; Bonding a transfer substrate onto the first piezoelectric element; Removing the layer plate; And transferring the first piezoelectric element to one surface of a plastic substrate.
The method further includes transferring a second piezoelectric element to an opposite surface of one surface of the plastic substrate on which the first piezoelectric element is transferred, wherein the second piezoelectric element is layered in the same manner as the first piezoelectric element. It is manufactured on the substrate and then transferred to the opposite surface of the plastic substrate,
Connecting a metal wire to the metal layers of the first piezoelectric element and the second piezoelectric element; And sealing the first piezoelectric element and the second piezoelectric element with a sealing member.
상기 층상 기판은 운모 기판이며, 상기 층상 기판 제거는 물리적 방식의 박리에 의하는 것을 특징으로 하는 생체용 나노제너레이터 제조방법.The method of claim 13,
The layered substrate is a mica substrate, and removing the layered substrate is a method for producing a bio-nanogen generator, characterized in that by physical peeling.
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