KR20110098304A - A piezoelectric voltage generating device and power generator including the same - Google Patents
A piezoelectric voltage generating device and power generator including the same Download PDFInfo
- Publication number
- KR20110098304A KR20110098304A KR1020100017861A KR20100017861A KR20110098304A KR 20110098304 A KR20110098304 A KR 20110098304A KR 1020100017861 A KR1020100017861 A KR 1020100017861A KR 20100017861 A KR20100017861 A KR 20100017861A KR 20110098304 A KR20110098304 A KR 20110098304A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- thin film
- piezoelectric element
- pvdf thin
- pvdf
- piezoelectric
- Prior art date
Links
- 238000010248 power generation Methods 0.000 claims abstract description 7
- 239000002033 PVDF binder Substances 0.000 claims description 61
- 229920002981 polyvinylidene fluoride Polymers 0.000 claims description 61
- 239000010409 thin film Substances 0.000 claims description 39
- 229910001510 metal chloride Inorganic materials 0.000 claims description 17
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 12
- 229910021591 Copper(I) chloride Inorganic materials 0.000 claims description 7
- OXBLHERUFWYNTN-UHFFFAOYSA-M copper(I) chloride Chemical compound [Cu]Cl OXBLHERUFWYNTN-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 7
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 6
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 9
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- 239000010408 film Substances 0.000 description 6
- 239000000463 material Substances 0.000 description 5
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- ZMXDDKWLCZADIW-UHFFFAOYSA-N N,N-Dimethylformamide Chemical compound CN(C)C=O ZMXDDKWLCZADIW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 239000000047 product Substances 0.000 description 3
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 2
- 239000000945 filler Substances 0.000 description 2
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 2
- 244000126211 Hericium coralloides Species 0.000 description 1
- 229910021578 Iron(III) chloride Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910021586 Nickel(II) chloride Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910002113 barium titanate Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000006227 byproduct Substances 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 229920001940 conductive polymer Polymers 0.000 description 1
- 229920001971 elastomer Polymers 0.000 description 1
- 239000000806 elastomer Substances 0.000 description 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 1
- 238000003306 harvesting Methods 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 230000008676 import Effects 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 239000011147 inorganic material Substances 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- RBTARNINKXHZNM-UHFFFAOYSA-K iron trichloride Chemical compound Cl[Fe](Cl)Cl RBTARNINKXHZNM-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- QMMRZOWCJAIUJA-UHFFFAOYSA-L nickel dichloride Chemical compound Cl[Ni]Cl QMMRZOWCJAIUJA-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 239000011368 organic material Substances 0.000 description 1
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 230000005616 pyroelectricity Effects 0.000 description 1
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 238000010897 surface acoustic wave method Methods 0.000 description 1
- 239000011032 tourmaline Substances 0.000 description 1
- 229940070527 tourmaline Drugs 0.000 description 1
- 229910052613 tourmaline Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/30—Piezoelectric or electrostrictive devices with mechanical input and electrical output, e.g. functioning as generators or sensors
- H10N30/308—Membrane type
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/80—Constructional details
- H10N30/85—Piezoelectric or electrostrictive active materials
- H10N30/852—Composite materials, e.g. having 1-3 or 2-2 type connectivity
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/80—Constructional details
- H10N30/87—Electrodes or interconnections, e.g. leads or terminals
- H10N30/872—Interconnections, e.g. connection electrodes of multilayer piezoelectric or electrostrictive devices
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Composite Materials (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
Abstract
본 발명은 압전소자 및 이를 포함하는 전력발생장치에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, 압전소자의 전기전도성을 높여 전력발생량을 크게 높일 수 있고, 압전소자의 소형화로 각종 휴대용 전기기기에 적용할 수 있다.The present invention relates to a piezoelectric element and a power generating device including the same.
According to the present invention, the electric conductivity of the piezoelectric element can be increased to greatly increase the power generation amount, and the piezoelectric element can be applied to various portable electric devices by miniaturizing the piezoelectric element.
Description
본 발명은 압전소자 및 이를 포함하는 전력발생장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 압전소자의 전기전도성을 높여 전력발생량을 크게 높일 수 있는 압전소자 및 이를 포함하는 전력발생장치에 관한 것이다.The present invention relates to a piezoelectric element and a power generating apparatus including the same, and more particularly, to a piezoelectric element and a power generating apparatus including the same that can greatly increase the amount of power generated by increasing the electrical conductivity of the piezoelectric element.
일반적으로 압전(Piezoelectric)소자는 압전센서 및 압전 현상을 이용한 전력발생장치의 핵심요소로서 다양한 응용분야를 갖는다. 무기물 및 유기물을 포함하는 많은 수의 재료가 압전현상을 일으키는 재료로서 알려져 있으며, PZT, BaTiO3, Ba2TiO4 등과 같은 재료들이 압전소자의 소재로 흔히 사용된다.In general, piezoelectric devices have various applications as core elements of a piezoelectric sensor and a power generator using piezoelectric phenomena. A large number of materials including inorganic and organic materials are known as piezoelectric materials, and materials such as PZT, BaTiO3, Ba2TiO4 and the like are commonly used as materials for piezoelectric elements.
한편, 전지 방식에서 벗어난 대체 에너지원으로 압전 현상을 이용할 수가 있는데, 여기서, 압전 현상은 석영, 전기석과 같은 결정에 일정한 방향에서 압력을 가할 때 그 외력에 비례해서 양전 또는 음전하가 나타나는 현상이다. 또한 전압을 가할 때 변형이 일어나는 역 현상도 있다. On the other hand, the piezoelectric phenomenon can be used as an alternative energy source deviated from the battery system, where the piezoelectric phenomenon is a phenomenon in which positive or negative charges are generated in proportion to the external force when pressure is applied to a crystal such as quartz or tourmaline in a certain direction. There is also an inverse phenomenon in which deformation occurs when a voltage is applied.
이러한 압전 현상 혹은 역 현상은 기계적 변형과 전기적 에너지의 변환에 관한 것이기 때문에 마이크나 축음기에 응용되어 왔다These piezoelectric or inverse phenomena have been applied to microphones or gramophones because they relate to mechanical deformation and conversion of electrical energy.
이러한 압전 현상의 응용 분야는 상기 내용에 국한되지 않고 전자 기기에 많이 사용되는 수정 진동자로부터, 최근에는 필름 체적파 공진기(FBAR:Film Bulk Acoustic Resonator)나 표면 탄성파 공진기(SAW:Surface Acoustic Wave)를 이용한 무선통신용 고성능 필터에까지 이르고 있다. 게다가 최근 친환경적인 에너지에 대한 관심과 함께, 압전 후막을 이용한 자가 발전기 등이 선을 보였다.Applications of such piezoelectric phenomena are not limited to the above-mentioned contents, but from crystal oscillators which are widely used in electronic devices, recently, film bulk wave resonators (FBAR) or surface acoustic wave resonators (SAW) are used. It leads to high performance filter for wireless communication. In addition, with the interest in environmentally friendly energy, self-generators using piezoelectric thick films have been shown.
위와 같은 압전 현상을 이용하여 제조된 압전소자는 그 압전소자에 가해지는 힘에 의해 전압을 발생시키며, 그 인가된 힘의 크기에 따라 발생되는 전압의 양이 변화된다. 이와 같은 압전소자를 이용하여 전력발생장치를 제작하는 데 있어서는 외부의 충격 또는 진동에 대하여 압전체에 손실을 최소화하여 효과적으로 전달하는 것이 중요하다.The piezoelectric element manufactured using the piezoelectric phenomenon as described above generates a voltage by the force applied to the piezoelectric element, and the amount of the generated voltage is changed according to the magnitude of the applied force. In manufacturing a power generating device using such a piezoelectric element, it is important to effectively reduce the loss to the piezoelectric body against external shock or vibration.
압전소자에 사용되는 소재 중 PVDF(Polyvinylidene Fluoride, 폴리비닐덴플로라이드)는 압전성을 갖는 폴리머로써 다양한 응용분야를 갖는다. PVDF 는 가해지는 힘에 따른 물리적 형태의 변형에 따라 전압을 발생시키며, 그 전압을 사용하여 압전센서 및 전력발생장치 등에 이용할 수 있다. Polyvinylidene fluoride (PVDF) among piezoelectric elements is a piezoelectric polymer and has various application fields. PVDF generates a voltage according to the deformation of the physical form according to the applied force, and the voltage can be used for piezoelectric sensors and power generators.
그런데, 기존의 PVDF 를 사용한 전력발생장치는 PVDF 가 갖는 높은 비저항 때문에 전력생산량이 매우 적은 문제점이 있다. 외력에 따라 PVDF 에 발생한 전압이 전류를 발생시키는데, PVDF 의 저항이 매우 크기 때문에 흐르는 전류의 크기가 매우 작기 때문이다.However, the power generation device using the conventional PVDF has a problem that the power output is very small due to the high specific resistance of the PVDF. According to the external force, the voltage generated in the PVDF generates a current because the resistance of the PVDF is very large and the magnitude of the flowing current is very small.
따라서, PVDF의 전기전도성을 높여 효율적이고 실용적인 전력생산 소자(에너지 수확소자)로 사용할 수 있는 압전소자를 개발하여 다양한 전기기기에 적용해야 할 필요성이 대두되고 있다.Therefore, there is a need to develop a piezoelectric element that can be used as an efficient and practical power production element (energy harvesting element) by increasing the electrical conductivity of PVDF and applying it to various electric devices.
본 발명은 압전소자의 전기전도성을 높여 전력발생량을 크게 높일 수 있는 압전소자 및 이를 포함하는 전력발생장치를 제공한다.The present invention provides a piezoelectric element and a power generating apparatus including the same, which can greatly increase the amount of power generated by increasing the electrical conductivity of the piezoelectric element.
본 발명에 의한 압전소자는 PVDF 박막을 포함하는 압전체; 및 상기 압전체의 변형에 의해 발생된 전압에 의하여 전류가 흐르는 전극;을 포함하며 상기 PVDF 박막에는 전기전도성을 높이기 위한 금속염화물이 첨가되는 것을 특징으로 한다.The piezoelectric element according to the present invention includes a piezoelectric element including a PVDF thin film; And an electrode through which a current flows due to the voltage generated by the deformation of the piezoelectric body. The metal chloride for increasing electrical conductivity is added to the PVDF thin film.
여기서, 상기 PVDF박막에 첨가되는 상기 금속염화물은 CuCl2, ZnCl2, NiCl2, AlCl3, CoCl2, FeCl3 및 MnCl2 중에 적어도 하나 이상을 포함하여 이루어질 수 있다.The metal chloride added to the PVDF thin film may include at least one of CuCl 2, ZnCl 2, NiCl 2, AlCl 3, CoCl 2, FeCl 3, and MnCl 2.
그리고, 상기 PVDF박막에 첨가되는 상기 금속염화물의 함량은 30wt% 이하로 이루어지고, 상기 PVDF박막의 두께는 200μm 이하로 이루어지는 것이 바람직하다.And, the content of the metal chloride added to the PVDF thin film is made of 30wt% or less, the thickness of the PVDF thin film is preferably made of 200μm or less.
또한, 상기 압전체는 외력에 의해 변형되는 탄성체를 더 포함하여 이루어질 수 있다.In addition, the piezoelectric body may further include an elastic body deformed by an external force.
한편, 상기 압전체는 일단이 자유단이고 타단이 고정단인 외팔보 구조로 이루어질 수 있으며, 상기 자유단에는 무게추가 구비되고 상기 고정단에는 지지대가 더 구비될 수 있다.Meanwhile, the piezoelectric body may have a cantilever structure having one end at a free end and the other end at a fixed end. The weight may be provided at the free end and a support may be further provided at the fixed end.
여기서, 상기 전극은 상기 PVDF박막의 양쪽 표면에 평면 형태로 형성되는 금속전극 또는 상기 PVDF박막의 한쪽 표면에 소정 간격을 갖는 빗살무늬 형태로 형성되는 금속전극으로 이루어질 수 있다.Here, the electrode may be made of a metal electrode formed in a planar shape on both surfaces of the PVDF thin film or a metal electrode formed in a comb-shaped pattern having a predetermined interval on one surface of the PVDF thin film.
한편, 본 발명에 의한 전력발생장치는PVDF 박막을 포함하는 압전체와, 상기 압전체의 변형에 의해 발생된 전압에 의하여 전류가 흐르는 전극을 구비하는 압전소자; 상기 전극에 흐르는 전류를 직류로 변환하는 정류기; 및 상기 정류기에서 직류로 정류된 전기에너지를 저장하는 콘덴서;를 포함하며 상기 PVDF 박막에는 전기전도성을 높이기 위한 금속염화물이 첨가되는 것을 특징으로 한다.On the other hand, the power generating apparatus according to the present invention includes a piezoelectric element comprising a piezoelectric body including a PVDF thin film, and an electrode through which current flows by a voltage generated by the deformation of the piezoelectric body; A rectifier for converting a current flowing through the electrode into a direct current; And a capacitor for storing the electric energy rectified by the DC in the rectifier. The PVDF thin film is characterized in that a metal chloride is added to increase electrical conductivity.
본 발명에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.According to the present invention has the following effects.
첫째, 압전소자에 사용되는 PVDF의 전기전도성을 높여 효율적인 전력생산이 가능하다.First, efficient electric power production is possible by increasing the electrical conductivity of PVDF used in piezoelectric elements.
둘째, 압전소자의 효율성을 높이는 만큼 소형화가 가능하여 다양한 휴대용 전자기기에 적용할 수 있어 응용분야가 넓어지는 장점이 있다.Second, the miniaturization is possible as the efficiency of the piezoelectric element is increased, so that the application field can be applied to various portable electronic devices.
셋째, 발전 과정에서 생기는 유해한 부산물이 없기 때문에 친환경적인 대체 에너지 자원으로서 활용할 수 있는 효과가 있다.Third, since there are no harmful by-products generated during the power generation process, there is an effect that can be utilized as an environmentally friendly alternative energy resource.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전소자를 도시한 사시도
도 2는 압전소자에서 작동이 가능한 d31모드를 보여주는 모식도
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전소자를 도시한 사시도
도 4는 압전소자에서 작동이 가능한 d33모드를 보여주는 모식도
도5는 본 발명에 따른 전력발생장치의 구성을 도시한 구성도이다.1 is a perspective view showing a piezoelectric element according to an embodiment of the present invention;
Figure 2 is a schematic diagram showing the d31 mode that can be operated in the piezoelectric element
3 is a perspective view illustrating a piezoelectric element according to another exemplary embodiment of the present invention.
Figure 4 is a schematic diagram showing the d33 mode that can be operated in the piezoelectric element
5 is a configuration diagram showing the configuration of a power generating apparatus according to the present invention.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록, 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided so that the disclosure may be made thorough and complete, and to fully convey the spirit of the present invention to those skilled in the art. Like numbers refer to like elements throughout.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전소자를 도시한 사시도이고, 도 2는 압전소자에서 작동이 가능한 d31모드를 보여주는 모식도이다. 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전소자를 도시한 사시도이고, 도 4는 압전소자에서 작동이 가능한 d33모드를 보여주는 모식도이다. 도5는 본 발명에 따른 전력발생장치의 구성을 도시한 구성도이다.1 is a perspective view showing a piezoelectric element according to an embodiment of the present invention, Figure 2 is a schematic diagram showing a d31 mode that can operate in the piezoelectric element. Figure 3 is a perspective view showing a piezoelectric element according to another embodiment of the present invention, Figure 4 is a schematic diagram showing a d33 mode that can operate in the piezoelectric element. 5 is a configuration diagram showing the configuration of a power generating apparatus according to the present invention.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 압전소자(100)는 크게 PVDF박막(112)을 포함하는 압전체(110) 및 상기 압전체(110)의 변형에 의해 발생된 전압에 의하여 전류가 흐르는 전극(120)을 포함하여 이루어질 수 있다.1 to 5, the
여기서, PVDF 는 압전특성을 갖는 폴리머이다. PVDF 는 PZT 의 1/5 정도의 크기의 압전상수를 가지고 있지만, 낮은 탄성계수(약3GPa)로 인해 비교적 유연한 물질에 해당하므로 여러 분야에 적용되고 있다. Here, PVDF is a polymer having piezoelectric properties. PVDF has a piezoelectric constant about 1/5 the size of PZT, but it is applied to various fields because it is a relatively flexible material due to its low modulus (about 3 GPa).
또한 PVDF 는 제작 시 필요한 열처리 온도가 200℃ 이하로 낮으며 가격이 저렴하고 박막형태로 제작하기가 쉽다. 이러한 PVDF 를 사용하여 전력발생장치를 제작할 경우, 수십 제곱cm 의 대면적을 갖는 박막 형태의 전력발생장치의 실현이 가능하다. In addition, PVDF has a low heat treatment temperature of less than 200 ℃, and is inexpensive and easy to manufacture in thin film form. When manufacturing a power generator using such PVDF, it is possible to realize a power generator in the form of a thin film having a large area of several tens of square cm.
PVDF는 상대적으로 높은 압전성과 초전성을 발휘하지만 비저항이 매우 높은 부도체적인 폴리머이므로 압전성을 사용한 전력생산 소자로는 사용하기 어려운 문제점이 있다.PVDF exhibits relatively high piezoelectricity and pyroelectricity, but is a non-conductive polymer having a very high resistivity, which makes it difficult to use a power production device using piezoelectricity.
따라서, 상기 PVDF박막(112)에는 전기전도성을 높이기 위한 금속염화물이 첨가되는 것이 바람직하다. 구체적으로, 상기 PVDF박막(112)에 첨가되는 상기 금속염화물은 CuCl2, ZnCl2, NiCl2, AlCl3, CoCl2 및 MnCl2 중에 적어도 하나 이상이 포함될 수 있다.Therefore, it is preferable that a metal chloride is added to the PVDF
이와 같이 PVDF박막(112)에 CuCl2, ZnCl2, NiCl2, AlCl3, CoCl2, FeCl3 및 MnCl2 중 적어도 하나 이상을 필러(filler)로 첨가할 경우 PVDF박막(112)의 물리적 성질이 변하게 된다. As such, when at least one of CuCl 2, ZnCl 2, NiCl 2, AlCl 3, CoCl 2, FeCl 3, and MnCl 2 is added to the PVDF
예를 들어 NiCl2와 FeCl3를 첨가하였을 때에 PVDF의 비저항(전기전도성) 및 광투과성과 Microwave에 대한 반응이 변하기도 한다. 그 중에서도 특히, CuCl2, ZnCl2를 첨가하였을 때, 전기전도성이 가장 많이 향상되는 것으로 관찰된다.For example, when NiCl2 and FeCl3 are added, the specific resistance (electrical conductivity) of PVDF, the light transmittance, and the response to microwave may change. Among them, it is observed that the electrical conductivity is most improved when CuCl 2 and ZnCl 2 are added.
Dimethylformamide와 같은 유기용매에 PVDF를 용해할 시, 상기 금속염화물을 첨가하게 되면, 첨가된 금속염화물의 이온들이 PVDF의 격자 구조 사이에 삽입된다. 이는 PVDF의 전기전도성에 큰 영향을 미치는 polaron(분극자)과 bipolaron(쌍분극자)의 농도의 증가를 가져온다. 이러한 현상을 interpolaron hopping이라 하며 이에 의한 전기전도성은 아래와 같은 식으로 표현된다.When PVDF is dissolved in an organic solvent such as dimethylformamide, when the metal chloride is added, the ions of the added metal chloride are inserted between the lattice structures of the PVDF. This leads to an increase in the concentrations of polaron and bipolaron which greatly affect the electrical conductivity of PVDF. This phenomenon is called interpolaron hopping and the electrical conductivity is expressed as follows.
금속염화물의 첨가로 전기전도성이 높아진 PVDF로 압전소자를 제작할 경우, 정해진 물리적 변형에 의한 전압발생 시, PVDF로 흐르는 전류량이 커지기 때문에 보다 많은 전력을 생산할 수 있다.When the piezoelectric element is manufactured from PVDF having increased electrical conductivity by the addition of metal chlorides, more power can be produced because the amount of current flowing to the PVDF increases when voltage is generated by a predetermined physical deformation.
여기서, 상기 PVDF박막(112)에 첨가되는 상기 금속염화물의 함량은 30wt% 이하인 것이 바람직하다. 또한, 상기 PVDF박막(112)은 200 ㎛ 이하의 막 두께로 이루어져 유연한 특성을 갖도록 하는 것이 바람직하다.Here, the content of the metal chloride added to the PVDF
PVDF 의 young’ modulus 는 약 3GPa 정도의 값을 갖는데, 이는 다른 PZT 등의 압전세라믹의 young’ modulus 보다 훨씬 작은 값이지만, 1 mm 이상의 두께를 갖는 PVDF 를 제작할 경우 비교적 유연성이 떨어지게 된다.The young 'modulus of PVDF has a value of about 3 GPa, which is much smaller than the young' modulus of other piezoelectric ceramics such as PZT, but it is relatively inflexible when manufacturing PVDF having a thickness of 1 mm or more.
따라서, 상기 압전체(110)는 외력에 의해 변형되는 탄성체(114)를 더 포함하여 이루어질 수 있다. 물론 상기 압전체(110)는 탄성체(114)를 포함하지 않고 PVDF박막(112)으로만 구성되는 것도 가능하다.Therefore, the
한편, 상기 압전체(110)를 외팔보 형태로 제작하여 전력발생장치를 제작하였을 경우 200㎛ 이하의 막 두께를 가졌을 때 수백 Hz 이하의 낮은 진동주파수에서 공진이 가능하다.On the other hand, when the
그러므로, 한편, 상기 압전체(110)는 일단이 자유단이고 타단이 고정단인 외팔보 구조로 이루어질 수 있으며, 상기 자유단에는 무게추(130)가 구비되고 상기 고정단에는 지지대(140)가 더 구비될 수 있다.Therefore, the
한편, PVDF박막(112)은 외력을 받을 때에 물리적 변형에 따라 전압을 발생시킨다. 이를 사용하여 압전소자(100)를 제작하려면 금속전극(120)이 필요하며, 금속전극(120)은 PVDF 막의 양쪽 표면에 평면형태의 전극(120)(d31 모드, 도1 및 2) 또는 PVDF 막의 한쪽 표면에 빗살무늬 형태(IDT)의 전극(120)(d33 모드, 도3 및 4)을 갖는다. On the other hand, the PVDF
d31 모드와 d33 모드는 PVDF박막(112)에 미치는 외력의 방향에 수직 또는 수평한 방향에 전압이 발생되는 차이를 갖는다. 두 가지 작동모드 모두 공통적으로 전극 사이의 전압차에 의해 전류가 흐르게 된다.The d31 and d33 modes have a difference in that a voltage is generated in a direction perpendicular to or horizontal to the direction of the external force applied to the PVDF
이러한 압전소자(100)를 포함하는 전력발생장치(200)는 전극에 흐르는 전류를 직류로 변환하는 정류기(210) 및 상기 정류기(210)에서 직류로 정류된 전기에너지를 저장하는 콘덴서(220)를 더 포함하여 구성된다.The
상기 압전소자(100)의 전극(120)을 통해서 출력되어 나온 전류는 상기 정류기(210)에서 직류전류로 변환된다. 그러나 압전소자(100)의 출력전류는 ㎂급 미세한 양이므로, 먼저 일정량의 전하를 콘덴서(220)에 저장한 후 콘덴서(220)의 전압에 따라 전력이 사용될 장치의 가동여부를 결정할 수 있다. 이와 같은 저장 콘덴서(220)의 전압은 2.4~3V으로 구성될 수 있다.The current output through the
본 발명에 의한 전력발생장치(200)의 경우 전술한 바와 같이, 불순물을 첨가하여 제작한 PVDF박막(112)을 사용하는데, CuCl2, ZnCl2 등의 금속염화물을 filler 로 첨가하여 제작한 PVDF박막(112)은 전기전도성이 순수한 PVDF박막(112)보다 훨씬 높은 특성을 보인다.In the
때문에 외력에 의해 전압이 발생하였을 때, 그 전압에 의해 발생되는 전류의 크기는 같은 크기의 전압에 의해 순수한 PVDF박막(112)에서 발생하는 전류의 크기보다 큰 값을 갖는다. 따라서 기존의 PVDF박막(112)을 사용하여 제작한 전력발생장치(200)보다 큰 전력을 생산할 수 있다.Therefore, when a voltage is generated by an external force, the magnitude of the current generated by the voltage is greater than the magnitude of the current generated in the pure PVDF
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 당업자는 이하에서 서술하는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경 실시할 수 있을 것이다. 그러므로 변형된 실시가 기본적으로 본 발명의 특허청구범위의 구성요소를 포함한다면 모두 본 발명의 기술적 범주에 포함된다고 보아야 한다.Although the above has been described with reference to a preferred embodiment of the present invention, those skilled in the art to various modifications and changes to the present invention without departing from the spirit and scope of the invention described in the claims described below You can do it. It is therefore to be understood that the modified embodiments are included in the technical scope of the present invention if they basically include elements of the claims of the present invention.
압전소자를 이용한 소형의 전력생산 기술은 아직 상용화가 이루어지고 있지 않고 있지만, 전 세계적으로 태동기에 접어든 wearable computer 시장이나, 이미 300억 달러가 넘는 시장을 형성하고 있는 삽입형 의료기기 시장을 통해 전력생산 기술의 수요가 급증하며 관련된 시장규모가 크게 성장할 것으로 예측된다. Small-scale power generation technology using piezoelectric elements has not been commercialized yet, but power generation is possible through the wearable computer market, which has entered the early stages of the world, or the embedded medical device market, which has already formed more than $ 30 billion. The demand for technology is soaring and the market size is expected to grow significantly.
특히 Wearable computer 의 경우, 현대인의 Digital 기능의 생활화 및 항시 휴대 경향에 따라 그 시장이 성장하고 있다. 특히, 2010년 이후에는 성인 인구의 40%, 10대의 75% 이상의 인구가 digital 기기를 착용 또는 부착하고 일상생활을 할 것으로 예측되고 있다(Brainreserve). In particular, in the case of a wearable computer, the market is growing in accordance with the trend of daily use of digital functions and portableness of modern people. In particular, after 2010, 40% of the adult population and 75% of the teenagers are expected to wear or attach digital devices and live their daily lives (Brainreserve).
그러므로 digital 기능이 섬유패션 제품과 융합된 wearable computer 제품들은 유력한 차세대 전자제품으로 부상될 것으로 전망되며, 본 발명에 따른 압전소자와 이를 포함하는 전력발생장치는 위와 같은 분야에 다양하게 적용될 수 있을 것이다.Therefore, wearable computer products in which digital functions are fused with fiber fashion products are expected to emerge as potential next-generation electronic products, and the piezoelectric element and the power generating device including the same according to the present invention may be variously applied to the above fields.
또한, 본 발명에 의하여 전력생산장치 소형화함으로써, 휴대형 전자기기에 적용할 수 있을 것이며, 향후 werable computer 및 휴대형 전자기기 시장이 확대됨에 따라 전자기기들에 적용할 수 있는 전력생산기술은 확실한 경제적 효과 및 수출입 효과를 창출할 것으로 예측된다.In addition, by miniaturizing the power production apparatus according to the present invention, it will be applicable to portable electronic devices, and as the market for werable computers and portable electronic devices expands in the future, the power production technology applicable to electronic devices has a definite economic effect and It is expected to create import and export effects.
100 : 압전소자 110 : 압전체
112 : PVDF 박막 114 : 탄성체
120 : 전극 130 : 무게추
140 : 지지대 200 : 전력발생장치
210 : 정류기 220 : 콘덴서100: piezoelectric element 110: piezoelectric body
112: PVDF thin film 114: elastomer
120
140: support 200: power generating device
210: rectifier 220: condenser
Claims (13)
상기 압전체의 변형에 의해 발생된 전압에 의하여 전류가 흐르는 전극;을 포함하며, 상기 PVDF 박막에는 전기전도성을 높이기 위한 금속염화물이 첨가되는 것을 특징으로 하는 압전소자.A piezoelectric body including a PVDF thin film; And
And an electrode through which current flows due to the voltage generated by the deformation of the piezoelectric element, wherein the PVDF thin film has a metal chloride added to increase electrical conductivity.
상기 PVDF박막에 첨가되는 상기 금속염화물은 CuCl2, ZnCl2, NiCl2, AlCl3, CoCl2, FeCl3 및 MnCl2 중에 적어도 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 압전소자.The method of claim 1,
The metal chloride added to the PVDF thin film includes at least one of CuCl 2, ZnCl 2, NiCl 2, AlCl 3, CoCl 2, FeCl 3 and MnCl 2.
상기 PVDF박막에 첨가되는 상기 금속염화물의 함량은 30wt% 이하인 것을 특징으로 하는 압전소자.The method of claim 1,
The content of the metal chloride added to the PVDF thin film is a piezoelectric element, characterized in that less than 30wt%.
상기 PVDF박막의 두께는 200μm 이하로 이루어지는 것을 특징으로 하는 압전소자.
The method of claim 1,
The thickness of the PVDF thin film is a piezoelectric element, characterized in that made of 200μm or less.
상기 압전체는 외력에 의해 변형되는 탄성체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압전소자.The method of claim 1,
The piezoelectric element further includes an elastic body deformed by an external force.
상기 압전체는 일단이 자유단이고 타단이 고정단인 외팔보 구조인 것을 특징으로 하는 압전소자.The method of claim 1,
The piezoelectric element is a piezoelectric element, characterized in that the one end is a free end and the other end is a cantilever structure.
상기 자유단에 구비되는 무게추와, 상기 고정단에 구비되는 지지대를 더 포함하는 압전소자.The method of claim 6,
A piezoelectric element further comprising a weight provided at the free end and a support provided at the fixed end.
상기 전극은 상기 PVDF박막의 양쪽 표면에 평면 형태로 형성되는 금속전극인 것을 특징으로 하는 압전소자.The method of claim 1,
The electrode is a piezoelectric element, characterized in that the metal electrode formed in a planar shape on both surfaces of the PVDF thin film.
상기 전극은 상기 PVDF박막의 한쪽 표면에 소정 간격을 갖는 빗살무늬 형태로 형성되는 금속전극인 것을 특징으로 하는 압전소자.The method of claim 1,
The electrode is a piezoelectric element, characterized in that the metal electrode formed in the form of a comb pattern having a predetermined interval on one surface of the PVDF thin film.
상기 전극에 흐르는 전류를 직류로 변환하는 정류기; 및
상기 정류기에서 직류로 정류된 전기에너지를 저장하는 콘덴서;를 포함하며, 상기 PVDF 박막에는 전기전도성을 높이기 위한 금속염화물이 첨가되는 것을 특징으로 하는 전력발생장치.A piezoelectric element comprising a piezoelectric body including a PVDF thin film and an electrode through which a current flows by a voltage generated by the deformation of the piezoelectric body;
A rectifier for converting a current flowing through the electrode into a direct current; And
And a condenser for storing the electric energy rectified by the rectifier in a direct current. The PVDF thin film includes a metal chloride added to increase electrical conductivity.
상기 PVDF박막에 첨가되는 상기 금속염화물은 CuCl2, ZnCl2, NiCl2, AlCl3, CoCl2 및 MnCl2 중에 적어도 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 전력발생장치.The method of claim 10,
The metal chloride added to the PVDF thin film includes at least one of CuCl 2, ZnCl 2, NiCl 2, AlCl 3, CoCl 2 and MnCl 2.
상기 PVDF박막에 첨가되는 상기 금속염화물의 함량은 30wt% 이하인 것을 특징으로 하는 전력발생장치.The method of claim 10,
The content of the metal chloride added to the PVDF thin film is a power generation device, characterized in that less than 30wt%.
상기 PVDF박막의 두께는 200μm 이하로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전력발생장치.The method of claim 10,
The power generation device, characterized in that the thickness of the PVDF thin film is made of 200μm or less.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020100017861A KR20110098304A (en) | 2010-02-26 | 2010-02-26 | A piezoelectric voltage generating device and power generator including the same |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020100017861A KR20110098304A (en) | 2010-02-26 | 2010-02-26 | A piezoelectric voltage generating device and power generator including the same |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20110098304A true KR20110098304A (en) | 2011-09-01 |
Family
ID=44951878
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020100017861A KR20110098304A (en) | 2010-02-26 | 2010-02-26 | A piezoelectric voltage generating device and power generator including the same |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20110098304A (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101294359B1 (en) * | 2012-06-19 | 2013-08-08 | 전남대학교산학협력단 | Piezoelectric film structure body of both ends fixed type |
| US9195333B2 (en) | 2013-06-10 | 2015-11-24 | Samsung Display Co., Ltd. | Flat panel display device |
-
2010
- 2010-02-26 KR KR1020100017861A patent/KR20110098304A/en not_active Application Discontinuation
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101294359B1 (en) * | 2012-06-19 | 2013-08-08 | 전남대학교산학협력단 | Piezoelectric film structure body of both ends fixed type |
| US9195333B2 (en) | 2013-06-10 | 2015-11-24 | Samsung Display Co., Ltd. | Flat panel display device |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Liu et al. | Recent progress on flexible nanogenerators toward self‐powered systems | |
| Costa et al. | Recent progress on piezoelectric, pyroelectric, and magnetoelectric polymer‐based energy‐harvesting devices | |
| Covaci et al. | Piezoelectric energy harvesting solutions: A review | |
| Liu et al. | A comprehensive review on piezoelectric energy harvesting technology: Materials, mechanisms, and applications | |
| Rahmati et al. | Nonlinear bending deformation of soft electrets and prospects for engineering flexoelectricity and transverse (d 31) piezoelectricity | |
| Quan et al. | Hybrid electromagnetic–triboelectric nanogenerator for harvesting vibration energy | |
| Park et al. | Piezoelectric BaTiO3 thin film nanogenerator on plastic substrates | |
| Ramadan et al. | A review of piezoelectric polymers as functional materials for electromechanical transducers | |
| Yang et al. | PVDF-based composition-gradient multilayered nanocomposites for flexible high-performance piezoelectric nanogenerators | |
| Seo et al. | Rational design for optimizing hybrid thermo-triboelectric generators targeting human activities | |
| Kakimoto et al. | Fabrication of fibrous BaTiO3-reinforced PVDF composite sheet for transducer application | |
| US20160156287A1 (en) | Half-tube array vibration energy harvesting method using piezoelectric materials | |
| Manchi et al. | Improved performance of nanogenerator via synergetic piezo/triboelectric effects of lithium niobate microparticles embedded composite films | |
| Ghosh et al. | Porous polymer composite membrane based nanogenerator: A realization of self-powered wireless green energy source for smart electronics applications | |
| KR102391307B1 (en) | Energy harvester | |
| Ma et al. | Flexible porous polydimethylsiloxane/lead zirconate titanate-based nanogenerator enabled by the dual effect of ferroelectricity and piezoelectricity | |
| CN103296923B (en) | Exempt from magnet bistable state PZT (piezoelectric transducer) | |
| CN110121792B (en) | Elastic wave energy generating device | |
| US11245345B2 (en) | Self-resonance tuning piezoelectric energy harvester with broadband operation frequency | |
| CN103490005A (en) | Method for manufacturing high-electrical-property nano generator based on piezoelectric-frictional effect | |
| Nie et al. | Flexible piezoelectric nanogenerators based on P (VDF-TrFE)/CsPbBr3 quantum dot composite films | |
| KR20090087280A (en) | Piezoelectric paper and the method thereof | |
| KR20110098304A (en) | A piezoelectric voltage generating device and power generator including the same | |
| Alaei | Power enhancement in piezoelectric energy harvesting | |
| Xia et al. | Controllable Piezo-flexoelectric Effect in Ferroelectric Ba0. 7Sr0. 3TiO3 Materials for Harvesting Vibration Energy |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E601 | Decision to refuse application |