KR102141734B1 - Flexible piezoelectric transducer having a chitin film - Google Patents
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Abstract
플렉시블 압전 변환장치가 개시된다. 플렉시블 압전 변환장치는 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환하는 키틴 나노섬유 필름, 키틴 나노섬유 필름의 하부면 상에 배치된 제1 전극 및 키틴 나노섬유 필름의 상부면 상에 배치된제2 전극을 구비한다. 이러한 플렉시블 압전 변환장치는 기계적 내구성 및 내화학성이 우수할 뿐만 아니라 환경적으로 매우 유리하다.A flexible piezoelectric conversion device is disclosed. The flexible piezoelectric converter has a chitin nanofiber film that converts mechanical energy into electrical energy, a first electrode disposed on the lower surface of the chitin nanofiber film, and a second electrode disposed on the upper surface of the chitin nanofiber film. . Such a flexible piezoelectric conversion device is not only excellent in mechanical durability and chemical resistance, but also environmentally advantageous.
Description
본 발명은 키틴 나노섬유 필름을 이용하여 기계적 에너지를 전기적 신호나 음향 신호로 변환할 수 있는 플렉시블 압전 변환장치에 관한 것이다. The present invention relates to a flexible piezoelectric converter capable of converting mechanical energy into electrical or acoustic signals using a chitin nanofiber film.
압전 재료로는 종래 PZT, BaTiO3, ZnSnO3 등과 같은 압전 세라믹 재료가 주로 사용되었으나 세라믹 재료의 특성 상 플렉시블 소자에 적용되기 어려운 문제점이 있었다. 이를 해결하기 위해, 소프트 전기소자의 요구를 만족시킬 수 있는 새로운 소프트 타입의 압전 물질을 개발하고자 하는 많은 연구가 수행되었고, 최근 PVDF-TrFE(poly(vinylidene fluoride-co-trifluoroethylene)), PVDF-CTFE(poly(vinylidene fluoride-co-chlorotrifluoro ethylene)), PVDF-TrFE-CTFE(poly(vinylidene fluoride-co-trifluoroethylene-cochlorotrifluoro ethylene)) 등과 같은 불소 함유 고분자 물질이 플렉시블 소자용 압전 물질로 많은 관심을 받고 있다. As the piezoelectric material, piezoelectric ceramic materials such as PZT, BaTiO3, and ZnSnO3 have been mainly used, but due to the characteristics of the ceramic material, it is difficult to be applied to flexible devices. To solve this, many studies have been conducted to develop a new soft type piezoelectric material that can satisfy the needs of soft electrical devices, and recently PVDF-TrFE (poly(vinylidene fluoride-co-trifluoroethylene)), PVDF-CTFE Fluorine-containing polymer materials such as (poly(vinylidene fluoride-co-chlorotrifluoro ethylene)), PVDF-TrFE-CTFE (poly(vinylidene fluoride-co-trifluoroethylene-cochlorotrifluoro ethylene)) are attracting much attention as piezoelectric materials for flexible devices. .
하지만, 이러한 불소 함유 압전 고분자 물질은 합성 또는 가열 공정 동안 불화수소와 같은 독성 가스의 배출할 뿐만 아니라 거의 분해되지 않는 특성으로 인하여 많은 환경 문제를 야기하는 문제점이 있다. However, such a fluorine-containing piezoelectric polymer material has a problem that causes many environmental problems due to the characteristics of not only discharging toxic gases such as hydrogen fluoride, but hardly decomposing during a synthesis or heating process.
따라서, 플렉시블 소자에 적용가능하면서 환경 문제를 야기하지 않는 친환경 소프트 압전 소재의 개발이 요구된다. Therefore, development of an eco-friendly soft piezoelectric material that is applicable to flexible devices and does not cause environmental problems is required.
본 발명의 목적은 생분해 가능하고 우수한 압전 특성을 갖는 키틴 나노섬유 필름을 구비하는 플렉시블 압전 변환장치를 제공하는 것이다. An object of the present invention is to provide a flexible piezoelectric converter having a biodegradable chitin nanofiber film having excellent piezoelectric properties.
본 발명의 실시예에 따른 플렉시블 압전 변환장치는 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환하는 키틴 나노섬유 필름; 상기 키틴 나노섬유 필름의 하부면 상에 배치된 제1 전극; 및 상기 키틴 나노섬유 필름의 상부면 상에 배치된제2 전극을 포함한다. Flexible piezoelectric converter according to an embodiment of the present invention includes a chitin nanofiber film for converting mechanical energy into electrical energy; A first electrode disposed on the lower surface of the chitin nanofiber film; And a second electrode disposed on the top surface of the chitin nanofiber film.
일 실시예에 있어서, 상기 키틴 나노섬유 필름은 β-결정상의 키틴을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 키틴 나노섬유 필름은 70 중량% 이상의 β-결정상 키틴 및 잔부의 α-결정상 키틴으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 키틴 나노섬유 필름은 70 중량% 이상 95 중량% 이하의 상기 β-결정상 키틴과 5 중량% 이상 30 중량% 이하의 상기 α-결정상 키틴의 혼합물로 형성될 수 있다. In one embodiment, the chitin nanofiber film may include β-crystalline chitin. For example, the chitin nanofiber film may be formed of 70% by weight or more of β-crystalline chitin and the remaining α-crystalline chitin. In addition, the chitin nanofiber film may be formed of a mixture of the β-crystalline chitin of 70 wt% or more and 95 wt% or less and the α-crystalline chitin of 5 wt% or more and 30 wt% or less.
일 실시예에 있어서, 상기 키틴 나노섬유 필름의 기공률은 5 부피% 이하일 수 있다. In one embodiment, the porosity of the chitin nanofiber film may be 5% by volume or less.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 서로 독립적으로 금속 메쉬 구조를 갖거나 금속 나노와이어로 형성될 수 있다. In one embodiment, the first electrode and the second electrode may have a metal mesh structure independently of each other or may be formed of metal nanowires.
일 실시예에 있어서, 상기 플렉시블 압전 변환장치는 상기 키틴 나노섬유 필름과 상기 제1 전극의 사이에 배치된 제1 보호층; 및 상기 키틴 나노섬유 필름과 상기 제2 전극의 사이에 배치된 제2 보호층을 더 포함할 수 있다. In one embodiment, the flexible piezoelectric converter comprises a first protective layer disposed between the chitin nanofiber film and the first electrode; And it may further include a second protective layer disposed between the chitin nanofiber film and the second electrode.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 보호층 및 상기 제2 보호층은 상기 키틴 나노섬유 필름의 하부면 및 상부면을 각각 코팅하도록 배치될 수 있다. In one embodiment, the first protective layer and the second protective layer may be disposed to coat the lower and upper surfaces of the chitin nanofiber film, respectively.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 보호층 및 상기 제2 보호층은 서로 독립적으로 투명 고분자 물질로 형성될 수 있다. In one embodiment, the first protective layer and the second protective layer may be formed of a transparent polymer material independently of each other.
일 실시예에 있어서, 상기 플렉시블 압전 변환장치는 필름형 스피커 또는 필름형 마이크로폰일 수 있다. In one embodiment, the flexible piezoelectric converter may be a film type speaker or a film type microphone.
본 발명의 플렉시블 압전 변환장치에 따르면, 키틴 나노섬유 필름을 압전체로 포함하므로, 기계적 내구성이 우수하고, 플렉시블한 특성을 가질 수 있을 뿐만 아니라 환경적으로 매우 유리하다. According to the flexible piezoelectric converter of the present invention, since the chitin nanofiber film is included as a piezoelectric body, it is excellent in mechanical durability, can have flexible properties, and is very environmentally advantageous.
또한, 상기 키틴 나노섬유 필름은 α-결정상 키틴보다 β-결정상 키틴이 상대적으로 많이 함유하므로, 우수한 압전 특성을 나타낼 수 있고, 미량의 α-결정상 키틴을 포함하는 경우에는 내화학성이 현저하게 향상될 수 있다. In addition, since the chitin nanofiber film contains relatively more β-crystalline chitin than α-crystalline chitin, it can exhibit excellent piezoelectric properties, and when a trace amount of α-crystalline chitin is included, chemical resistance is significantly improved. Can.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 플렉시블 압전 변환장치를 설명하기 위한 단면도이다.
도 2는 α-결정상 키틴(검정색 실선), β-결정상 키틴(붉은색 실선) 및 실시예에 따라 제조된 키틴 나노섬유 필름(청색 실선)에 대한 FT-IR 흡수 스펙트럼을 나타낸다.
도 3은 실리콘 기판 상에 배치된 키틴 나노섬유 필름에 대한 GIXD 패턴을 나타내는 도면이다.
도 4는 고농도로 도핑된 실리콘 기판, β-결정상의 비율이 높은 키틴 나노섬유 필름 및 Au 전극의 적층 구조를 갖는 소자에 대한 측정된 P-E 히스테리시스 루프를 나타내는 도면이다.
도 5는 β-키틴 나노섬유의 자발 분극을 설명하기 위한 도면이다.
도 6a 및 도 6b는 실시예에 따라 제조된 압전 소자에 대한 인가 압력에 따른 출력 전류 밀도와 전압 그리고 전력 밀도의 변화를 각각 나타내는 그래프들이다.
도 7은 실시예에 따라 제조된 키틴 나노섬유 필름에 대한 기계적 내구성 측정 결과를 나타내는 도면이다.
도 8은 실시예에 따라 제조된 키틴 나노섬유 필름에 대한 서로 다른 주파수의 변동 압력 로딩 특성을 나타내는 도면이다.
도 9는 키틴 나노섬유 필름을 구비하는 키틴 스피커 및 키틴 마이크로폰에 대한 측정 결과를 나타내는 도면이다.
도 10은 35㎛ 두께 키틴 나노섬유 필름을 키티나아제 수용액 내에 침지시킨 후 시간에 따른 키틴 나노섬유 필름의 무게를 측정한 결과이다.
도 11은 키티나아제 농도에 따른 35㎛ 두께 키틴 나노섬유 필름의 완전분해까지 걸리는 시간을 측정한 결과이다.
도 12는 키틴 나노섬유 필름의 분해 시간에 따른 가스 발생을 측정한 결과이다.
도 13은 β-결정상 키틴 및 α-결정상 키틴을 HFIP(hexafluoroisopropanol) 용매에 침지시킨 후 촬영된 사진이다.
도 14는 β-결정상 키틴만으로 이루어진 나노섬유 필름(‘’과 20 중량%의 α-결정상 키틴 및 80 중량%의 β-결정상 키틴으로 이루어진 나노섬유 필름('Alpha+Beta-Chitin')에 대해 측정된 인장 응력-변형 그래프이다. 1 is a cross-sectional view for describing a flexible piezoelectric converter according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 shows the FT-IR absorption spectrum for α-crystalline chitin (black solid line), β-crystalline chitin (red solid line) and chitin nanofiber films (blue solid line) prepared according to the examples.
3 is a view showing a GIXD pattern for a chitin nanofiber film disposed on a silicon substrate.
4 is a view showing a measured PE hysteresis loop for a device having a stacked structure of a silicon substrate doped with a high concentration, a chitin nanofiber film having a high β-crystal phase ratio, and an Au electrode.
5 is a view for explaining spontaneous polarization of β-chitin nanofibers.
6A and 6B are graphs each showing changes in output current density, voltage, and power density according to an applied pressure to a piezoelectric element manufactured according to an embodiment.
7 is a view showing the results of measuring the mechanical durability of the chitin nanofiber film prepared according to the embodiment.
8 is a view showing the variable pressure loading characteristics of different frequencies for the chitin nanofiber film prepared according to the embodiment.
9 is a view showing the measurement results of the chitin speaker and chitin microphone having a chitin nanofiber film.
10 is a result of measuring the weight of a chitin nanofiber film over time after immersing a 35 μm thick chitin nanofiber film in an aqueous solution of chitinase.
11 is a result of measuring the time to complete decomposition of the 35㎛ thick chitin nanofiber film according to the concentration of the kinase.
12 is a result of measuring the gas generation according to the decomposition time of the chitin nanofiber film.
13 is a photograph taken after immersing β-crystalline chitin and α-crystalline chitin in a hexafluoroisopropanol (HFIP) solvent.
14 is a nano-fiber film consisting of only β-crystalline chitin ('' and 20% by weight of α-crystalline chitin and 80% by weight of the nano-fiber film composed of β-crystalline chitin ('Alpha + Beta-Chitin') measured Tensile stress-strain graph.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The present invention can be applied to various changes and may have various forms, and specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the text. However, this is not intended to limit the present invention to specific disclosure forms, and it should be understood that all modifications, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention are included. In describing each drawing, similar reference numerals are used for similar components. In the accompanying drawings, the dimensions of the structures are shown to be enlarged than actual in order to clarify the present invention.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.Terms used in the present application are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In this application, terms such as “include” or “have” are intended to indicate that a feature, number, step, action, component, or combination thereof, described in the specification exists, one or more other features or numbers. It should be understood that it does not preclude the existence or addition possibility of steps, steps, elements, or combinations thereof.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by a person skilled in the art to which the present invention pertains. Terms, such as those defined in a commonly used dictionary, should be interpreted as having meanings consistent with meanings in the context of related technologies, and should not be interpreted as ideal or excessively formal meanings unless explicitly defined in the present application. Does not.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 플렉시블 압전 변환장치를 설명하기 위한 단면도이다. 1 is a cross-sectional view for describing a flexible piezoelectric converter according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 플렉시블 압전 변환장치(100)는 키틴 나노섬유 필름(110), 제1 전극(120a) 및 제2 전극(120b)을 포함한다. Referring to FIG. 1, the flexible
상기 키틴 나노섬유 필름(110)은 생분해성 소재인 키틴(chitin)으로 형성될 수 있고, 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환하는 압전 특성을 가질 수 있다. The
일 실시예에 있어서, 상기 키틴 나노섬유 필름(110)은 β-결정상의 비율이 α-결정상의 비율보다 높은 결정질 키틴으로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 키틴 나노섬유 필름(110)은 약 70 중량% 이상의 β-결정상 키틴 및 잔부의 α-결정상 키틴으로 형성될 수 있다. 상기 β-결정상 키틴의 비율이 70% 미만인 경우, α-결정상 키틴은 압전 성능에 거의 기여하지 않으므로, 상기 키틴 나노섬유 필름(110)의 압전 성능이 저하되는 문제점이 발생할 수 있다. In one embodiment, the
일 실시예로, 상기 키틴 나노섬유 필름(110)은 약 70 중량% 이상 95 중량% 이하의 상기 β-결정상 키틴과 약 5 중량% 이상 30 중량% 이하의 상기 α-결정상 키틴의 혼합물로 형성될 수 있다. 상기 α-결정상 키틴은 밀도가 높아서 상기 β-결정상 키틴에 비해 내화학성 및 기계적 내구성이 우수하다. 따라서, 상기 키틴 나노섬유 필름(110)이 약 5 중량% 이상 30 중량% 이하의 상기 α-결정상 키틴을 포함하는 경우, 상기 키틴 나노섬유 필름(110)의 내화학성 및 기계적 내구성을 향상시킬 수 있다.In one embodiment, the
일 실시예에 있어서, 상기 키틴 나노섬유 필름(110)은 약 5 부피% 이하의 내부 기공을 갖는 치밀한 필름일 수 있다. 종래의 전형적인 다공성 키틴 필름의 분극 값은 내부 기공에 영향을 받아서 강유전 특성 및 페로일렉트렛(ferroelectret) 특성으로부터 기인할 수 있으나, 내부 기공의 부피가 약 5 부피% 이하인 키틴 필름의 분극은 단지 키틴 사슬의 입체구조에 의해 발생되는 강유전 특성으로부터 기인할 수 있다. 그 결과, 내부 기공이 거의 없는 상기 키틴 나노섬유 필름(110)에서는 누설 전류가 발생되는 것을 방지할 수 있다. In one embodiment, the
일 실시예에 있어서, 상기 키틴 나노섬유 필름(110)은 오징어 뼈로부터 추출된 순수 β-키틴을 HFIP(1,1,1,3,3,3-hexafluoro-2-propano) 용매에 용해시켜 제조된 키틴 용액을 이용한 원심 주조 공정(centrifugal casting processe)을 통해 제조될 수 있다. 이와 같은 용액 공정을 통해 상기 키틴 나노섬유 필름(110)을 제조하는 경우, 키틴 용액의 농도와 양 그리고 원심분리 변수들을 조정함으로써 상기 필름(110)의 크기 및 두께를 용이하게 조절할 수 있다. In one embodiment, the
한편, 상기 키틴 나노섬유 필름(110)은 키틴으로 형성되므로, 키틴 물질의 글리코시드 결합(glycosidic bonds)을 파괴하는 키티나아제 효소(chitinase enzyme)에 의해 완전히 생분해될 수 있고 분해 과정에서 어떠한 독성 물질을 배출하지 않으므로, 환경적으로 매우 유리하다. On the other hand, since the
상기 제1 전극(120a) 및 상기 제2 전극(120b)은 상기 키틴 나노섬유 필름(110)의 상부면과 하부면 상에 각각 배치되고, 전기 전도성 물질로 형성될 수 있다. 상기 제1 전극(120a) 및 상기 제2 전극(120b)은 외부 장치에 연결되어, 상기 키틴 나노섬유 필름(110)으로부터 생성된 전기 에너지를 상기 외부 장치에 전송할 수 있다.The
일 실시예에 있어서, 상기 제1 전극(120a) 및 상기 제2 전극(120b)은 각각 독립적으로 도전성 금속, 그래핀 등의 소재로 형성될 수 있다. 일 실시예로, 투명한 플렉시블 압전 변환장치(100)를 구현하기 위해, 상기 제1 전극(120a) 및 상기 제2 전극(120b)은 금속 메쉬 구조를 갖거나 금속 나노와이어로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 전극(120a) 및 상기 제2 전극(120b)은 실버(Ag) 나노와이어로 형성될 수 있고, 이 경우, 상기 제1 전극(120a) 및 상기 제2 전극(120b)은 상기 실버(Ag) 나노와이어를 함유하는 용액을 이용한 용액 공정을 통해 형성될 수 있다. In one embodiment, the
본 발명의 실시에에 따른 플렉시블 압전 변환장치(100)는 제1 보호층(130a) 및 제2 보호층(130b)을 더 포함할 수 있다. The flexible
상기 제1 보호층(130a)은 상기 키틴 나노섬유 필름(110)과 상기 제1 전극(120a)의 사이에 배치될 수 있고, 상기 제2 보호층(130b)은 상기 키틴 나노섬유 필름(110)과 상기 제2 전극(120b)의 사이에 배치될 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 보호층(130a) 및 상기 제2 보호층(130b)은 상기 키틴 나노섬유 필름(110)의 하부면 및 상부면을 각각 코팅하도록 배치될 수 있고, 상기 제1 전극(120a) 및 상기 제2 전극(120b)은 상기 제1 보호층(130a) 및 상기 제2 보호층(130b) 상에 각각 형성될 수 있다. The first
상기 제1 보호층(130a) 및 제2 보호층(130b)은 외부 수분으로부터 상기 키틴 나노섬유 필름(110)을 보호할 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 및 제2 전극(120a, 120b)을 용액 공정을 통해 형성하는 경우, 상기 제1 보호층(130a) 및 제2 보호층(130b)은 상기 제1 및 제2 전극(120a, 120b)을 형성하는 동안 상기 제1 및 제2 전극(120a, 120b)을 형성하기 위한 용액의 수용매에 의해 상기 키틴 나노섬유 필름(110)이 손상되는 것을 방지할 수 있다. The first
일 실시예로, 상기 제1 보호층(130a) 및 제2 보호층(130b)은 수분의 투과율이 낮은 고분자 물질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 보호층(130a) 및 제2 보호층(130b)은 투명한 PMMA로 형성될 수 있다. In one embodiment, the first
이와 같은 플렉시블 압전 변환장치에 따르면, 키틴 나노섬유 필름을 압전체로 적용하므로, 플렉시블한 특성을 가질 수 있을 뿐만 아니라 환경적으로 매우 유리하다. According to such a flexible piezoelectric conversion device, since the chitin nanofiber film is applied as a piezoelectric body, it can not only have flexible properties, but is also very environmentally advantageous.
이하 본 발명의 실시예에 상술한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명의 일 실시형태에 불과한 것으로서 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니된다. It will be described below in the embodiment of the present invention. However, the following examples are only one embodiment of the present invention, and the scope of the present invention should not be interpreted as being limited to the following examples.
[키틴 나노섬유 필름의 제조][Preparation of chitin nanofiber film]
전통적인 방법을 통해 오징어의 뼈로부터 β-키틴 파우더를 추출한 후 이를 HFIP(1,1,1,3,3,3-hexafluoro-2-propanol) 용매(0.4% w/v)에 용해시켜 60ml의 키틴/HFIP 용액을 제조하고, 이를 12.5×9 cm2 크기의 직사각형 폴리프로필렌 플레이트 상에 적하한 후 키틴/HFIP 알코겔 형태로 변환시켰다. 이어서, 상기 알코겔을 포함하는 폴리프로필렌 플레이트를 대용량 의료용 원심분리기 내에 배치한 후 상온에서 3시간 동안 원심 주조(2100 rpm)하여 키틴 나노섬유 필름을 제조하였다. 원심 주조된 키틴 나노섬유 필름을 트리클로로옥타데실실린(OTS)으로 처리된 2개의 글라스 플레이트 사이에 샌드위치시킨 후 120℃의 진공 핫 프레스 장치 내에서 2시간 동안 열처리하여 최종 키틴 나노섬유 필름을 제조하였다. After extracting β-chitin powder from squid bone through a traditional method, it is dissolved in HFIP (1,1,1,3,3,3-hexafluoro-2-propanol) solvent (0.4% w/v), and 60 ml chitin /HFIP solution was prepared, which was dropped onto a 12.5×9 cm 2 rectangular polypropylene plate and converted into chitin/HFIP alcogel form. Subsequently, the polypropylene plate containing the alcogel was placed in a large-capacity medical centrifuge, and then centrifugal casting (2100 rpm) at room temperature for 3 hours to prepare a chitin nanofiber film. The final chitin nanofiber film was prepared by sandwiching the centrifugally cast chitin nanofiber film between two glass plates treated with trichlorooctadecylsiline (OTS) and heat-treating it in a vacuum hot press apparatus at 120°C for 2 hours. .
[키틴 압전 소자의 제조][Production of chitin piezoelectric element]
상기 키틴 나노섬유 필름의 양쪽 면에 스핀코팅의 방법으로 PMMA를 코팅하여 상기 키틴 나노섬유 필름의 양쪽면에 수분으로부터 상기 나노섬유 필름을 보호하는 제1 및 제2 보호막을 형성한 후 85℃에서 10분 동안 어닐링하였다. 이어서, 평균 길이가 15㎛이고 평균 직경이 20nm인 실버 나노와이어들(AgNW)을 함유하는 수용액을 이용한 스피코팅 공정을 통해 상기 제1 및 제2 보호막 상에 상기 실버 나노와이어(AgNW)로 형성된 제1 및 제2 전극을 각각 형성하였고, 이를 상온의 진공 오븐 내에서 하루밤 동안 건조하여 최종 키틴 압전 소자를 제조하였다. PMMA is coated on both sides of the chitin nanofiber film by spin coating to form first and second protective films to protect the nanofiber film from moisture on both sides of the chitin nanofiber film, followed by 10 at 85°C. Anneal for minutes. Subsequently, an agent formed of the silver nanowires (AgNW) on the first and second protective films through a sputtering process using an aqueous solution containing silver nanowires (AgNW) having an average length of 15 μm and an average diameter of 20 nm. The first and second electrodes were formed, respectively, and dried in a vacuum oven at room temperature overnight to prepare a final chitin piezoelectric element.
[실험예][Experimental Example]
도 2는 α-결정상 키틴(검정색 실선), β-결정상 키틴(붉은색 실선) 및 실시예에 따라 제조된 키틴 나노섬유 필름(청색 실선)에 대한 FT-IR 흡수 스펙트럼을 나타낸다. Figure 2 shows the FT-IR absorption spectrum for α-crystalline chitin (black solid line), β-crystalline chitin (red solid line) and chitin nanofiber films (blue solid line) prepared according to the examples.
도 2를 참조하면, 키틴은 α-결정상 키틴 및 β-결정상 키틴의 2가지 다형체(polymorph)로 존재한다는 것이 널리 알려져 있는데, 실시예에 따라 제조된 키틴 나노섬유 필름에서는 1630 cm-1, 1620 cm-1, 1660 cm-1에서의 넓은 다수의 피크들이 나타났고, 이로부터 상기 키틴 나노섬유 필름은 α-결정상과 β-결정상이 혼합되어 있음을 확인할 수 있다. 한편, 추가 분석을 통해 상기 키틴 나노섬유 필름에 있어서, β-결정상의 비율이 70% 이상인 것이 확인되었다. 2, chitin is widely known to exist as two polymorphs of α-crystalline chitin and β-crystalline chitin. In the chitin nanofiber film prepared according to the embodiment, 1630 cm -1 , 1620 A large number of peaks at cm -1 and 1660 cm -1 appeared, from which it can be seen that the chitin nanofiber film is a mixture of α-crystalline and β-crystalline phases. On the other hand, through further analysis, in the chitin nanofiber film, it was confirmed that the ratio of β-crystal phase is 70% or more.
이와 같은 α-결정상과 β-결정상이 혼합물의 형성은 순수 β-결정상 키틴이 용해된 용액의 고체화 공정 동안 열역학적으로 더욱 안정적인 α-결정상이 완전히 용해된 일부 키틴 분자로부터 생성된 반면, 대부분의 키틴 분자는 α-결정상으로의 상변이를 위한 분자간 이동도가 부족하여 β-결정상으로 유지되는 것으로 판단된다. The formation of this mixture of α-crystalline and β-crystalline phases was generated from some chitin molecules in which the thermodynamically more stable α-crystal phase was completely dissolved during the solidification process of a solution in which pure β-crystalline chitin was dissolved, whereas most chitin molecules Is determined to be maintained in the β-crystalline phase due to lack of intermolecular mobility for the phase transition to the α-crystalline phase.
한편, α-결정상 키틴은 밀한 분자 내부의 수소 결합 네트워크를 가진 역평형 분자 배향을 갖는 반면, β-결정상 키틴은 시트 사이의 수소 결합 네트워크가 없기 때문에 평행한 분자 배향을 가지므로, α-결정상 키틴과 β-결정상 키틴은 분자 입체구조 및 분자 사슬 배향에서 차이를 나타내고, 이러한 차이로 인하여 전기장 방향에 따라 서로 다른 표면 전하를 야기할 수 있다. On the other hand, α-crystalline chitin has an inverse equilibrium molecular orientation with a hydrogen bonding network inside a dense molecule, whereas β-crystalline chitin has a parallel molecular orientation because there is no hydrogen bonding network between sheets, so α-crystalline chitin And β-crystalline chitin show differences in molecular conformation and molecular chain orientation, and these differences can cause different surface charges depending on the electric field direction.
도 3은 실리콘 기판 상에 배치된 키틴 나노섬유 필름에 대한 GIXD 패턴을 나타내는 도면이다. 3 is a view showing a GIXD pattern for a chitin nanofiber film disposed on a silicon substrate.
도 3을 참조하면, β-결정상의 비율이 높은 키틴 나노섬유 필름에 대한 GIXD 이미지는 자오선 상에서 2개의 강화된 반사상을 나타내고, 이들은 단사정계 β-키틴(a=1.85A, b=9.26A, c=10.38A, γ=97.5A)의 격자상수에 기초한 (010) 및 (100) 평면으로 표시된다. 키틴 결정의 a축인 (100) 및 b축인 (010)은 기판에 수직하기 때문에, 결정의 ac 평면 및 bc 평면은 도 3의 삽도에 개략적으로 도시된 바와 같이 우선적으로 기판과 접촉하고 있는 것으로 가정할 수 있다. Referring to FIG. 3, the GIXD image of the chitin nanofiber film having a high β-crystal phase ratio shows two enhanced reflection images on the meridian, and these are monoclinic β-chitin (a=1.85A, b=9.26A, c =10.38A, γ=97.5A) based on the (010) and (100) planes. Since the a-axis (100) and b-axis (010) of the chitin crystal are perpendicular to the substrate, it is assumed that the ac plane and the bc plane of the crystal are preferentially contacting the substrate, as schematically shown in the inset in FIG. Can.
도 4는 고농도로 도핑된 실리콘 기판, β-결정상의 비율이 높은 키틴 나노섬유 필름 및 Au 전극의 적층 구조를 갖는 소자에 대한 측정된 P-E 히스테리시스 루프를 나타내는 도면이다. 4 is a view showing a measured P-E hysteresis loop for a device having a stacked structure of a silicon substrate doped with a high concentration, a chitin nanofiber film having a high β-crystal phase ratio, and an Au electrode.
도 4를 참조하면, 인가 전압들에 따른 분극-전압(P-E) 히스테리시스 루프는 전형적인 강유전 히스테리시스 루프 특성을 나타내고, 특히, 0V에서의 잔류 분극은 상기 키틴 나노섬유 필름이 강유전 특성을 가짐을 나타내는데, 이는 주로 외부 전기장에 대한 상기 키틴 나노섬유 필름 내에서의 영구 쌍극자의 회전으로부터 기인한다. 한편, 상기 키틴 나노섬유 필름은 큐리에 온도의 부재 때문에 상기와 같은 강유전 특성을 높은 온도까지 유지할 수 있다. 4, the polarization-voltage (PE) hysteresis loop according to the applied voltages shows typical ferroelectric hysteresis loop characteristics, and in particular, the residual polarization at 0 V indicates that the chitin nanofiber film has ferroelectric characteristics, which It mainly results from the rotation of the permanent dipole in the chitin nanofiber film relative to the external electric field. On the other hand, the chitin nanofiber film can maintain the ferroelectric properties as described above to a high temperature due to the absence of the Curie temperature.
그럼에도 불구하고, P-E 히스테리시스 곡선에서 불포화된 곡선 형태를 갖는 상대적으로 작은 분극을 관찰되었고, 이는 전기장과 키틴 분자 사슬 백본에서의 쌍극자 배향 사이의 미스 얼라인먼트 때문인 것으로 판단된다. 예를 들면, 쌍극자가 기판에 평행한 c-축을 따라 수직하게 배향된 경우, 상기 배향 미스매치는 불소 함유 강유전성 PVDF-TrFE 커패시터에서 이미 잘 알려져 있는 바와 같이 분극을 억제한다. Nevertheless, a relatively small polarization with an unsaturated curve shape was observed in the P-E hysteresis curve, which is believed to be due to a misalignment between the electric field and the dipole orientation in the chitin molecule chain backbone. For example, if the dipole is oriented perpendicularly along the c-axis parallel to the substrate, the orientation mismatch inhibits polarization as is well known in fluorine-containing ferroelectric PVDF-TrFE capacitors.
한편, β-결정상의 비율이 높은 키틴 나노섬유 필름에 대해 압전감응 힘 현미경(PEM) 측정을 수행하여 강유전 응답을 확인하는데, 측정된 히스테리시스 루프는 키틴 나노섬유 필름 내에 2가지 서로 다른 분극이 존재함에 나타내었고, 기울기로부터 계산된 압전 상수는 3.986 pm/V이었다. Meanwhile, a ferroelectric response is confirmed by performing a piezoelectric force microscopy (PEM) measurement on a chitin nanofiber film having a high β-crystal phase ratio, and the measured hysteresis loops have two different polarizations in the chitin nanofiber film. The piezoelectric constant calculated from the slope was 3.986 pm/V.
도 5는 β-키틴 나노섬유의 자발 분극을 설명하기 위한 도면이다. 도 2에서 적색으로부터 청색으로 향하는 화살표는 분극 방향을 나타내고, 양 및 음으로 하전된 원자들은 청색 및 적색으로 각각 표시된다.5 is a view for explaining spontaneous polarization of β-chitin nanofibers. In FIG. 2, arrows pointing from red to blue indicate polarization directions, and positively and negatively charged atoms are indicated by blue and red, respectively.
도 5를 참조하면, 키틴 결정에서 β-입체구조의 순 분극은 전기장 방향에 수직한 [001] 방향에 따른 이론적 전체 분극(1.87 C/m2)과 거의 일치한다. β-키틴 입체구조는 작용기의 비대칭 변위에 의해 강하게 분극됨에도 불구하고, 잔류 분극은 분극과 전기장 방향의 미스매치에 의해 감소된다. Referring to FIG. 5, the net polarization of the β-stereo structure in chitin crystal is almost identical to the theoretical total polarization (1.87 C/m2) along the [001] direction perpendicular to the electric field direction. Although the β-chitin conformation is strongly polarized by asymmetric displacement of functional groups, residual polarization is reduced by polarization and mismatch in the electric field direction.
한편, α-키틴 분자들의 역팽형 배열에 대해 분석한 결과, 이론적인 분극은 어떠한 전기장 방향에서도 무시할 수 있을 정도인 것으로 나타났다. 이는 α-결정상 키틴은 β-결정상 키틴에 비해 압전 성능에 기여하는 바가 매우 낮음을 의미한다. On the other hand, as a result of analyzing the inverse expansion arrangement of α-chitin molecules, it was found that the theoretical polarization was negligible in any electric field direction. This means that α-crystalline chitin has a very low contribution to piezoelectric performance compared to β-crystalline chitin.
도 6a 및 도 6b는 실시예에 따라 제조된 압전 소자에 대한 인가 압력에 따른 출력 전류 밀도와 전압 그리고 전력 밀도의 변화를 각각 나타내는 그래프들이다. 6A and 6B are graphs each showing changes in output current density, voltage, and power density according to an applied pressure to a piezoelectric element manufactured according to an embodiment.
도 6a 및 도 6b를 참조하면, 실시예에 따라 제조된 키틴 나노섬유 필름에서의 출력 전류 밀도는 인가된 수직 압력이 10kPa 이하의 낮은 압력 범위에서는 급격히 증가하였고, 그리고 10kPa 초과 100kPa 이하에서는 177nA/cm2까지 일정하게 증가하는 것으로 나타났다. Referring to Figures 6a and 6b, the output current density in the chitin nanofiber film prepared according to the embodiment was increased rapidly in the low pressure range of the applied vertical pressure of 10kPa or less, and 177nA/cm below 10kPa and 100kPa or less It was found to increase constantly up to 2 .
이와 달리, α-결정상으로만 이루어진 키틴 필름에서는 무시할 수 있을 정도의 전류 밀도를 나타내었고, 이를 통해 키틴 나노섬유 필름의 β-결정상이 수직 압력에 대해 전류를 생성하는데 필수적임을 알 수 있다. In contrast, in the chitin film composed of only the α-crystalline phase, the current density was negligible, and it can be seen that the β-crystalline phase of the chitin nanofiber film is essential for generating a current with respect to vertical pressure.
실시예에 따라 제조된 키틴 나노섬유 필름에서의 전압 출력 및 전력 밀도는 100kPa의 수직 압력에서 1.04V 및 184nW/cm2까지 도달하는 것으로 나타났다. The voltage output and power density in the chitin nanofiber film prepared according to the examples were found to reach 1.04 V and 184 nW/cm 2 at a vertical pressure of 100 kPa.
도 7은 실시예에 따라 제조된 키틴 나노섬유 필름에 대한 기계적 내구성 측정 결과를 나타내는 도면이다. 7 is a view showing the results of measuring the mechanical durability of the chitin nanofiber film prepared according to the embodiment.
도 7을 참조하면, 100kPa 수직 압력 응답을 측정한 결과, 실시예에 따라 제조된 키틴 나노섬유 필름은 5000사이클 이상 동안 안정하다는 것이 확인되었다. Referring to FIG. 7, as a result of measuring a 100 kPa vertical pressure response, it was confirmed that the chitin nanofiber film prepared according to the example was stable for 5000 cycles or more.
도 8은 실시예에 따라 제조된 키틴 나노섬유 필름에 대한 서로 다른 주파수의 변동 압력 로딩 특성을 나타내는 도면이다. 8 is a view showing the variable pressure loading characteristics of different frequencies for the chitin nanofiber film prepared according to the embodiment.
도 8을 참조하면, 19.8 kPa의 고정된 압력에서 0.2부터 4.1Hz까지 동적 주파수를 변경하여 인가하면서 접촉 진동 조건 하에서의 키틴 나노섬유 필름의 압전 특성을 모니터링한 결과, 진동 주파수가 4.1Hz까지는 출력 전류 밀도가 일정하게 증가하는 것으로 나타났고, 이는 수식 I=dEAε(I: 출력 전류, D: 압전 상수, E: 탄성계수, A: 단면적, ε: 변형률)에 비례한다. Referring to FIG. 8, as a result of monitoring the piezoelectric properties of a chitin nanofiber film under contact vibration conditions while changing and applying a dynamic frequency from 0.2 to 4.1 Hz at a fixed pressure of 19.8 kPa, the output current density up to a vibration frequency of 4.1 Hz Was found to increase constantly, which is proportional to the formula I=dEAε (I: output current, D: piezoelectric constant, E: modulus of elasticity, A: cross-sectional area, ε: strain).
또한, 실시예에 따라 제조된 키틴 나노섬유 필름에 대해 벤딩 반경을 변경하면서 벤딩/릴리싱 특성을 측정하였는데, 전류 및 전압 신호는 모두 더 높은 벤딩 반경에서 증가하는 것으로 나타났고, 이는 수직 압력 실험과 잘 부합하는 것으로 판단된다. In addition, the bending/releasing characteristics were measured while changing the bending radius for the chitin nanofiber film prepared according to the Examples, and it was found that both the current and voltage signals increased at a higher bending radius, It seems to be a good match.
도 9는 키틴 나노섬유 필름을 구비하는 키틴 스피커 및 키틴 마이크로폰에 대한 측정 결과를 나타내는 도면이다. 9 is a view showing the measurement results of the chitin speaker and chitin microphone having a chitin nanofiber film.
도 9를 참조하면, 넓은 진동 주파수 범위에서 키틴 나노섬유 필름은 신뢰성 있는 압력 응답 특성을 나타내었고, 이로부터 상기 키틴 나노섬유 필름을 음향 액추에이터 및 음향 센서에 적용할 수 있음을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 9, the chitin nanofiber film exhibited reliable pressure response characteristics in a wide vibration frequency range, from which it can be confirmed that the chitin nanofiber film can be applied to an acoustic actuator and an acoustic sensor.
구체적으로, 인가된 주파수의 함수로서 음압 레벨 응답을 모니터링한 결과, 키틴 나노섬유 필름은 20kHz에서 약 60dB의 액추에이션 성능을 보여주었고, 특히, 압전 키틴 물질은 입력 음향 압력으로부터 소리를 등록할 수 있고, 개방 시스템에서 불연속 별개의 주파수들(100~1000Hz 영역)이 기설정된 음압 레벨로 입력된 경우, 별개의 피크들이 빠른 퓨리에 변형(FFT) 스펙트로그램에 나타났다. Specifically, as a result of monitoring the sound pressure level response as a function of the applied frequency, the chitin nanofiber film showed an actuation performance of about 60 dB at 20 kHz, in particular, the piezoelectric chitin material can register sound from the input acoustic pressure and , In the open system, when discrete discrete frequencies (100 to 1000 Hz range) were input at a preset sound pressure level, distinct peaks appeared in the fast Fourier transform (FFT) spectrogram.
한편, Ag 전극들 사이에 샌드위치된 대면적(4×6 cm2) 키틴 나노섬유 필름은 파가니니 카프리스 24번의 소리를 복제하였고, 키틴 마이크로폰은 키틴 스피커로부터의 기록된 소리에서 하모닉 주파수들을 감지하였다. 단시간 퓨리에 변환 스펙트로그램에서 전압신호 및 소리 음파에서의 시간 의존적인 진동이 시각화되었는데, 키틴 스피커로부터의 소리의 주기적인 하모닉 주파수는 거의 70%의 싱크로율로 원음 소스와 잘 부합하였고, 이는 키틴 마이크로폰으로 정확히 전달되었다.On the other hand, a large area (4×6 cm 2 ) chitin nanofiber film sandwiched between Ag electrodes replicated the sound of
“키틴필름/PMMA/AgNW”적층 구조는 양호한 전도도(거의 50Ω/square)를 가진 높은 광학 투과도(71%)를 나타내었고, 이러한 소자는 STFT 스펙트로그램에서 원음과 비슷하게 조정하는 것이 가능하였고, 이로부터 상기 소자는 고품질의 스피커로 적용될 수 있음을 확인하였다. 한편, 키틴 필름을 보호하는 PMMA 층을 도입하더라도 변환기의 소리 품질에 거의 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다. The “chitin film/PMMA/AgNW” laminated structure showed high optical transmittance (71%) with good conductivity (almost 50Ω/square), and it was possible to adjust these devices to be similar to the original sound in the STFT spectrogram, from which It has been confirmed that the device can be applied as a high-quality speaker. On the other hand, it has been shown that the introduction of the PMMA layer protecting the chitin film has little effect on the sound quality of the transducer.
도 10은 35㎛ 두께 키틴 나노섬유 필름을 키티나아제 수용액 내에 침지시킨 후 시간에 따른 키틴 나노섬유 필름의 무게를 측정한 결과이다. 10 is a result of measuring the weight of a chitin nanofiber film over time after immersing a 35 μm thick chitin nanofiber film in an aqueous solution of chitinase.
도 10을 참조하면, 키틴 나노섬유 필름의 무게는 시간의 경과에 따라 일정하게 감소하는 것으로 나타났고, 약 8일 후에 완전히 분해되는 것으로 나타났다. Referring to FIG. 10, the weight of the chitin nanofiber film was found to decrease uniformly over time, and was shown to decompose completely after about 8 days.
도 11은 키티나아제 농도에 따른 35㎛ 두께 키틴 나노섬유 필름의 완전분해까지 걸리는 시간을 측정한 결과이다. 11 is a result of measuring the time to complete decomposition of the 35㎛ thick chitin nanofiber film according to the concentration of the kinase.
도 11을 참조하면, 키틴 나노섬유 필름의 완전 분해 시간은 키티나아제 농도를 조절함으로서 제어할 수 있음을 확인할 수 있다. 5 UN 키티나아제/10ml에서, 분해 시간은 거의 4일까지 감소되는 것으로 나타났다. Referring to FIG. 11, it can be confirmed that the complete decomposition time of the chitin nanofiber film can be controlled by controlling the concentration of chitinase. At 5 UN Kitinase/10 ml, the degradation time was shown to decrease by almost 4 days.
도 12는 키틴 나노섬유 필름의 분해 시간에 따른 가스 발생을 측정한 결과이다. 12 is a result of measuring the gas generation according to the decomposition time of the chitin nanofiber film.
도 12를 참조하면, 키틴 나노섬유 필름의 분해 공정 동안 발생되는 가스를 정성적으로 확인하기 위해, DEMS 장치를 이용하여 잔류 가스들을 측정한 결과, 분해하는 동안 CO2 가스가 발생하는 것으로 나타났고, 이는 키티나아제 용액에 의해 키틴 나노섬유 필름이 성공적인 분해됨을 나타낸다. Referring to FIG. 12, in order to qualitatively check the gas generated during the decomposition process of the chitin nanofiber film, residual gases were measured using a DEMS device, and it was found that CO2 gas is generated during decomposition. It is shown that the chitin nanofiber film is successfully degraded by the kinase solution.
도 13은 β-결정상 키틴 및 α-결정상 키틴을 HFIP(hexafluoroisopropanol) 용매에 침지시킨 후 촬영된 사진이다. 13 is a photograph taken after immersing β-crystalline chitin and α-crystalline chitin in a hexafluoroisopropanol (HFIP) solvent.
도 13을 참조하면, α-결정상 키틴 및 β-결정상 키틴을 HFIP 용매에 침지시키는 경우, β-결정상 키틴은 완전히 녹음에 반해 α-결정상 키틴은 녹지 않고 잔존하는 것을 확인할 수 있고, 이를 통해 α-결정상 키틴은 β-결정상 키틴에 비해 내화학성이 우수함을 알 수 있다. 따라서, 키틴 나노섬유 필름이 β-결정상 키틴만으로 이루어진 경우에 비해 본 발명에서와 같이 α-결정상 키틴과 β-결정상 키틴으로 이루어진 경우, 상기 키틴 나노섬유 필름의 내화학성이 향상됨을 알 수 있다. Referring to FIG. 13, when the α-crystalline chitin and β-crystalline chitin are immersed in an HFIP solvent, it can be confirmed that the β-crystalline chitin does not melt and the α-crystalline chitin does not melt, and through which α- It can be seen that crystalline chitin has better chemical resistance than β-crystalline chitin. Therefore, it can be seen that the chemical resistance of the chitin nanofiber film is improved when the chitin nanofiber film is composed of α-crystalline chitin and β-crystalline chitin as in the present invention as compared to the case where only the chitin nanofiber film is composed of only β-crystalline chitin.
도 14는 β-결정상 키틴만으로 이루어진 나노섬유 필름(‘Beta-Chitin’)과 20 중량%의 α-결정상 키틴 및 80 중량%의 β-결정상 키틴으로 이루어진 나노섬유 필름('Alpha+Beta-Chitin')에 대해 측정된 인장 응력-변형 그래프이다. FIG. 14 is a nanofiber film ('Beta-Chitin') composed of only β-crystalline chitin and a nanofiber film ('Alpha+Beta-Chitin') composed of 20% by weight of α-crystalline chitin and 80% by weight of β-crystalline chitin. ) Is a graph of tensile stress-strain measured for.
도 14를 참조하면, β-결정상 키틴만으로 이루어진 나노섬유 필름에 비해, α-결정상 키틴 및 80 중량%의 β-결정상 키틴으로 이루어진 나노섬유 필름이 현저하게 향상된 기계적 물성을 가짐을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 14, it can be seen that, compared to a nanofiber film composed of only β-crystalline chitin, a nanofiber film composed of α-crystalline chitin and 80% by weight of β-crystalline chitin has significantly improved mechanical properties.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although described above with reference to the preferred embodiments of the present invention, those skilled in the art may variously modify and change the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention as set forth in the claims below. You will understand that you can.
100: 플렉시블 압전 변환장치 110: 키틴 나노섬유 필름
120a: 제1 전극 120b: 제2 전극
130a: 제1 보호층 130b: 제2 보호층100: flexible piezoelectric converter 110: chitin nanofiber film
120a:
130a: first
Claims (11)
상기 키틴 나노섬유 필름의 하부면 상에 배치된 제1 전극; 및
상기 키틴 나노섬유 필름의 상부면 상에 배치된제2 전극;
상기 키틴 나노섬유 필름과 상기 제1 전극의 사이에 배치되어 상기 키틴 나노섬유 필름의 하부면을 코팅하고, 제1 고분자 물질로 형성된 제1 보호층; 및
상기 키틴 나노섬유 필름과 상기 제2 전극의 사이에 배치되어 상기 키틴 나노섬유 필름의 상부면을 코팅하고, 제2 고분자 물질로 형성된 제2 보호층;을 포함하고,
상기 키틴 나노섬유 필름은 70 중량% 이상 95 중량% 이하의 β-결정상 키틴과 5 중량% 이상 30 중량% 이하의 α-결정상 키틴의 혼합물로 형성되며,
상기 키틴 나노섬유 필름의 기공율은 5 부피% 이하인 것을 특징으로 하는, 플렉시블 압전 변환장치.
Chitin nanofiber films that convert mechanical energy into electrical energy;
A first electrode disposed on the lower surface of the chitin nanofiber film; And
A second electrode disposed on an upper surface of the chitin nanofiber film;
A first protective layer disposed between the chitin nanofiber film and the first electrode to coat a lower surface of the chitin nanofiber film, and formed of a first polymer material; And
A second protective layer disposed between the chitin nanofiber film and the second electrode to coat an upper surface of the chitin nanofiber film, and formed of a second polymer material; Including,
The chitin nanofiber film is formed of a mixture of 70% by weight to 95% by weight of β-crystalline chitin and 5% to 30% by weight of α-crystalline chitin,
The porosity of the chitin nanofiber film is characterized in that less than 5% by volume, flexible piezoelectric converter.
상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 서로 독립적으로 금속 메쉬 구조를 갖거나 금속 나노와이어로 형성된 것을 특징으로 하는, 플렉시블 압전 변환장치.According to claim 1,
The first electrode and the second electrode have a metal mesh structure independently of each other, characterized in that formed of a metal nanowire, flexible piezoelectric converter.
상기 제1 보호층 및 상기 제2 보호층은 서로 독립적으로 투명 고분자 물질로 형성된 것을 특징으로 하는, 플렉시블 압전 변환장치.According to claim 1,
The first protective layer and the second protective layer, characterized in that formed of a transparent polymer material independently of each other, flexible piezoelectric converter.
상기 플렉시블 압전 변환장치는 필름형 스피커인 것을 특징으로 하는, 플렉시블 압전 변환장치.According to claim 1,
The flexible piezoelectric conversion device, characterized in that the film-type speaker, flexible piezoelectric conversion device.
상기 플렉시블 압전 변환장치는 필름형 마이크로폰인 것을 특징으로 하는, 플렉시블 압전 변환장치.
According to claim 1,
The flexible piezoelectric conversion device, characterized in that the film-type microphone, flexible piezoelectric conversion device.
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