KR102386331B1 - 압전 편조물 및 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 브레이드 방식으로 편조된 복수의 압전 나노 섬유 및 2개의 전극 섬유를 포함하는 압전 편조물 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
또한 상기 브레이드 방식으로 편조된 압전 편조물은 인장에 의한 압전 발현을 통하여, 섬유형 전극 및 저장장치로서, 다양한 활용분야에 적용 가능하다.

Description

압전 편조물 및 이의 제조방법{Piezoelectric braided knitted fabric and method for manufacturing the same}

본 발명은 브레이드 방식으로 편조된 복수의 압전 나노 섬유 및 2개의 전극 섬유를 포함하는 압전 편조물 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 인장을 통해 압전 발현 하는 것을 특징으로 하는 압전 편조물에 관한 것이다.

압전 효과(piezoelectric effect)란 압전체를 매개로 기계적 에너지와 전기적 에너지가 상호 변환하는 작용이다. 다시 말해 압력이나 진동(기계에너지)을 가하면 전기가 생기고 전기를 흘려주면 진동이 생기는 효과다.

압전체는 기계적 응력에 따라 분극을 일으켜 전하를 발생시키는 재료를 말하는 것으로, 기계적인 응력하에 전하를 발생시키는 정압전 효과(direct effect)와 전기장을 가하면 변형이 발생하는 역압전 효과(converse effect)를 갖는다.

최근 나노기술을 바탕으로 정보기술(IT), 에너지 기술(ET), 바이오 기술(ET)들이 융합된 유비쿼터스 기술들이 등장하고 있다. 이와 함께 차세대 단말기는 휴대성의 편리함, 융복합화/다기능화, 인간 친화형을 요구하고 있고, 플렉서블한(flexible) 형태로 발전하고 있다. 이러한 차세대 단말기는 전기선 연결 없이 독자적인 발전전원을 가지고 구동해야 한다.

현대 사회에서 압전성 물질은 전화기 등의 음향 기기, 초음파 혈류측정기 등의 의료용 기기, 압력계 등의 모니터링 기기 등 광범위하게 사용되며 없어서는 안 되는 필수 소재가 되었다. 따라서, 실용적인 에너지 수확 소자, 액츄에이터, 압력센서 등의 압전 소자로 사용할 수 있는 고효율의 압전 소재 개발이 요구된다.

압전 재료에서 성능을 구현하기 위해서는 압축이나 굽힘을 가하는 방식이 일반적이며, 이는 재료의 영구적인 변형으로 인한 파괴를 방지하기 위한 방식이다. 마찬가지로 편조물 구조에서 압전을 발현하기 위해서는 섬유간 압축이 매우 중요하기 때문에 2차원 직물(woven) 구조 역시 압축이나 굽힘으로 압전이 발현되며, 인장으로 인한 압전은 매우 제한적이다.

본 발명의 일 과제는 브레이드 방식으로 편조된 압전 편조물을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 과제는 상기 압전 편조물의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 양태는 브레이드 방식으로 편조된 복수의 압전 나노 섬유 및 2개의 전극 섬유를 포함하는 압전 편조물을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 압전 편조물은 인장을 통하여 압전 발현 할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전극 섬유는 서로 접촉하지 않을 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 압전 나노 섬유는 산화타이타늄화 바륨(BaTiO₃), 산화타이타늄화 납(PbTiO₃), PZT(Pb[Zr_xTi_x-1]O_3, 0<=x<=1), 산화나이오븀화 칼륨(KNbO₃), 산화나이오븀화 리튬(LiNbO₃), 산화탄탈륨화 리튬(LiTaO₃), 산화텅스텐화 나트륨(Na₂WO₃), 산화 아연(Zn₂O₃), Ba₂NaBb₅O₅, Pb₂KNb₅O₁₅, NaKNb, 산화철화 비스무스(BiFeO₃), 산화나이오븀화 나트륨(NaNbO₃), Bi₄Ti₃O₁₂, Na_0.5Bi_0.5TiO_3, 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 폴리비닐리덴 플루오라이드-트리플루오로에틸렌(P(VDF-FrFE)) 및 이들의 조합으로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나를 포함 할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전극 섬유는 금, 은, 백금, 구리, 주석, 아연, 팔라듐, 산화인듐주석, 황화구리, 흑연, 탄소나노섬유, 그래핀, 그래핀 옥사이드 및 이들의 조합으로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나를 포함 할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전극 섬유는 절연체로 코팅될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전극 섬유의 말단은 노출 되어 전원에 연결 될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 압전 편조물은 25 MPa 내지 55 MPa의 인장강도를 가질 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 압전 편조물은 트랜지스터, 배터리, 에너지 하베스팅 장치, 센서, 자가 발전기로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 장치에 사용 될 수 있다.

본 발명의 일 양태는, 복수의 압전 섬유 및 2개의 전극 섬유를 제공하는 단계; 상기 섬유들을 브레이드 공정을 통하여 브레이드 형태로 제작하는 단계;를 포함하는 압전 편조물의 제작방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 브레이드 형태로 제작하는 단계는 상기 전극 섬유들이 서로 접촉하지 않도록 제작될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 브레이드 형태로 제작하는 단계는 편조물 내 전극 섬유의 위치를 변경하여 압전기(piezoelectricity)의 크기 및/또는 파형을 조절 할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 브레이드 형태로 제작하는 단계는 브레이드 패턴, 각도 및 섬유 두께로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 변경하여 압전기의 크기 및/또는 파형을 조절 할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 브레이드 형태로 제작하는 단계 이후 전극 섬유를 제외한 양 끝을 절연 물질로 고정하여 전극을 확보하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.

본 발명은 화학적 및/또는 물리적 내구성, 특히 편조물의 인장에 대한 내구성이 뛰어나면서도, 인장에 의하여 압전 발현 할 수 있고, 이를 통하여 기존의 압전 직물이 가졌던 압축 감응성에 대한 한계를 벗어나 인장 감응에 의한 압전기 발생이 가능한 압전 편조물을 제공한다.

상기 압전 편조물은 외부 장치 없이 스스로 인장을 압축으로 바꾸어 전기를 발생시키며, 동시에 압축에도 감응하여 보다 다양한 변형에 반응하고, 다양한 구조에 적응이 가능하다는 장점이 있다.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 브레이드 공정 장비에 대한 사진이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 브레이드 공정의 추적도해(trace diagram)에 대한 각 단계를 나타낸 그림이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 브레이드 공정의 추적도해의 그림이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 브레이드 공정의 추적도해에 따른 압전 브레이드 구조(전극 섬유는 적색으로 표시함)의 사진이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 4x4 구조의 압전 편조물의 사진이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 압전 편조물의 5 % 인장조건(a) 및 10 % 인장 조건(b) 하에서 측정된 압전 전압의 그래프이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다.

본 발명의 일 양태는 브레이드 방식으로 편조된 복수의 압전 나노 섬유 및 2개의 전극 섬유를 포함하는 압전 편조물을 제공한다.

본 명세서에서 “브레이드 방식으로 편조” 되었다는 것은 섬유를 엮거나 땋아서 편조물을 제작하였다는 것을 의미하며, 상기 편조를 위하여는 브레이드 공정 장비, 예를 들면, 도 1의 브레이드 공정 장비를 사용할 수 있다.

상기 압전 편조물은 인장을 통하여 압전 발현 할 수 있다.

본 명세서에서 “인장”이란 물체에 신장을 일으키도록 외력을 작용시키는 것을 의미하며, “압전 발현”이란 압전체가 외부로부터의 기계적 변형, 예를 들면 수축 또는 인장, 등을 가하여 변형이 발생하면 재료 내부에 전기적 성질을 갖는 이온의 상대적 위치 변화 및 배열화로 인해 압전체의 분극 크기가 변화하게 되고, 재료의 분극화로 전극과 압전체 물질 계면에서 전하의 밀도가 순간적으로 변화하여 전자의 이동이 발생하며 결과적으로 전류가 생성되어 외부로 전기에너지가 흐르게 되는 것을 의미한다.

상기 압전체는 압전성을 가지는 물체를 의미하며, 예를 들면, 압전 나노 섬유일 수 있다.

상기 압전 나노 섬유는 산화타이타늄화 바륨(BaTiO₃), 산화타이타늄화 납(PbTiO₃), PZT(Pb[Zr_xTi_x-1]O_3, 0<=x<=1), 산화나이오븀화 칼륨(KNbO₃), 산화나이오븀화 리튬(LiNbO₃), 산화탄탈륨화 리튬(LiTaO₃), 산화텅스텐화 나트륨(Na₂WO₃), 산화 아연(Zn₂O₃), Ba₂NaBb₅O₅, Pb₂KNb₅O₁₅, NaKNb, 산화철화 비스무스(BiFeO₃), 산화나이오븀화 나트륨(NaNbO₃), Bi₄Ti₃O₁₂, Na_0.5Bi_0.5TiO₃, 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 폴리비닐리덴 플루오라이드-트리플루오로에틸렌(P(VDF-FrFE)) 및 이들의 조합으로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나, 예를 들면, 폴리비닐리덴 플루오라이드-트리플루오로에틸렌(P(VDF-FrFE))를 포함할 수 있다.

상기 전극 섬유는 전기 전도체가 사용되며, 상기 전기 전도체는 전도도가 높아서 전기가 통하기 쉬운 재료를 말한다. 예를 들면, 금, 은, 백금, 구리, 주석, 아연, 팔라듐, 산화인듐주석, 황화구리, 탄소재료(흑연, 탄소나노섬유, 그래핀, 그래핀 옥사이드 등) 및 이들의 조합으로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나, 예를 들면, 구리일 수 있다.

상기 전극 섬유는 서로 접촉하지 않을 수 있다. 두 전극을 접촉하지 않게 하여 합선(Short) 되는 것을 방지한다.

상기 전극 섬유를 서로 접촉하지 않게 하기 위해, 절연체로 코팅할 수 있다. 상기 절연체는 자유롭게 움직일 수 있는 전도 전자가 존재하지 않아 일반적인 조건의 외부 전기장을 가하더라도 전류가 흐르지 않는 물질을 말하며, 상기 절연체로는 절연특성이 있으면서 유연한 성질을 함께 가지는 고분자 절연재료가 사용될 수 있다.

상기 고분자 절연 재료는 폴리에틸렌계 고분자, 고무계 재료, 에틸렌 공중합체, 불소계 고분자, 폴리염화비닐계 고분자, 실리콘계 고분자 또는 열가소성 탄성체를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 구체적인 예시로서, 상기 절연체는 가교 폴리에틸렌(cross linkingpolyethylene:XLPE), 천연고무, 에틸렌 비닐아세테이트(ethylene vinyl acetate), 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene), 1,3,5-트리비닐-1,3,5-트리메틸 사이클로트리실록산(1,3,5-trivinyl-1,3,5-trimethyl cyclotrisiloxane), 폴리비닐클로라이드(polyvinyl chloride) 또는 에폭시 수지일 수 있다.

아울러 상기 전극 섬유를 완전히 절연체로 코팅하면 전극과 전원이 연결될 수 없으므로 본 발명의 전극 섬유 말단은 노출되어 전원에 연결될 수 있다.

상기 압전 편조물은 25 MPa 내지 55 MPa, 예를 들면 35 MPa 내지 45 MPa의 인장강도를 가질 수 있다.

상기 인장강도(tensile strength)란 재료의 세기를 나타내는 힘으로, 재료가 절단이 될 때까지 당겼을 때 견뎌내는 최대하중을 재료의 단면적으로 나눈 값을 말한다.

상기 압전 편조물은 반복 사용이 가능한 범위 내에서, 5 % 내지 20 %, 예를 들면, 10 % 내지 15 %의 인장률을 가질 수 있다.

상기 압전 편조물은 10 % 내지 15 % 인장 시, 35 MPa 내지 45 MPa의 인장강도를 가질 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 압전 편조물은 트랜지스터, 배터리, 에너지 하베스팅 장치, 센서, 자가 발전기로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상에 사용될 수 있다.

상기 압전 편조물은 3차원 구조로, 섬유 방향으로의 인장을 이용하지 않는 경우에도 일 방향성을 가지는 3차원 구조 소자에 적용이 가능할 수 있다. 또한 다양한 섬유를 접촉시키는 구조이므로, 배터리, 트랜지스터 등 두 가지 이상의 재료나 구성요소를 사용하는 소자에 응용이 가능할 수 있다. 예를 들면, 음극, 양극, 분리막 및 전해질을 섬유로 제조하여 브레이드 구조의 배터리 편조물을 제조할 수 있다. 또한 예를 들면, 게이트, 드레인 및 소스 전극을 섬유로 제조하여 브레이드 구조의 트랜지스터 편조물을 제조 할 수 있다.

상기 에너지 하베스팅 장치는 외부의 에너지를 수집하여 전기에너지로 재활용하는 기술을 수행하는 장치를 의미한다. 예를 들면, 압전 에너지 하베스팅 장치로, 압전효과를 가지는 소자를 이용하여 기계적 에너지 및 변화를 통해 전위차를 만들고 이로 인해 쌍극자와 보상 전하가 형성되어 전류의 흐름을 발생시킬 수 있다.

상기 에너지 하베스팅 장치는 에너지 저장장치를 추가로 포함할 수 있다.

상기 에너지 저장장치는 상기 에너지 하베스팅 장치의 일 구성요소로, 예를 들면, 축전기(capacitor)일 수 있다.

본 발명의 다른 일 양태는 복수의 압전 섬유 및 2개의 전극 섬유를 제공하는 단계; 상기 섬유들을 브레이드 공정을 통하여 브레이드 형태로 제작하는 단계; 를 포함하는 압전 편조물의 제작방법을 제공한다.

상기 복수의 압전 섬유 및 2개의 전극 섬유를 제공하는 단계에서, 상기 압전 섬유는 산화타이타늄화 바륨(BaTiO₃), 산화타이타늄화 납(PbTiO₃), PZT(Pb[Zr_xTi_x-1]O_3, 0<=x<=1), 산화나이오븀화 칼륨(KNbO₃), 산화나이오븀화 리튬(LiNbO₃), 산화탄탈륨화 리튬(LiTaO₃), 산화텅스텐화 나트륨(Na₂WO₃), 산화 아연(Zn₂O₃), Ba₂NaBb₅O₅, Pb₂KNb₅O₁₅, NaKNb, 산화철화 비스무스(BiFeO₃), 산화나이오븀화 나트륨(NaNbO₃), Bi₄Ti₃O₁₂, Na_0.5Bi_0.5TiO₃, 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 폴리비닐리덴 플루오라이드-트리플루오로에틸렌(P(VDF-FrFE)) 및 이들의 조합으로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나, 예를 들면, 폴리비닐리덴 플루오라이드-트리플루오로에틸렌(P(VDF-FrFE))를 포함할 수 있다.상기 압전 섬유는 연신법(drawing), 수형법(template synthesis), 초분자 자기조립법(selfassembly), 화학적 기상 증착법(chemical vapor deposition), 상 분리법(phase separation), 전기 방사법(electrospinning) 및 이들의 조합으로 구성되는 군으로부터 선택되는 어느 하나, 예를 들면, 전기 방사법을 통하여 제조될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

예를 들면, 상기 전기 방사법은 유, 무기 용액에 고전압을 인가하여 수 마이크로미터에서 수십 나노미터 직경의 나노 섬유를 연속적으로 대량 제조할 수 있는 방법이다. 또한, 자기조립, 상분리, 주형합성 등의 방법들에 비해 간단하고, 재료의 선택에 제한이 없고, 형상에 기인한 높은 비표면적, 공극률 및 구조/크기의 조절이 용이하다는 장점이 있다.

상기 전기 방사법은 일반적으로, 쌍극자(dipole)배열 정도에 크게 의존하는 압전 특성을 제어할 수 있다. 구체적으로, 무질서한 쌍극자 배열 구조를 가질 경우, 압전 특성이 나타나지 않으므로, 우수한 압전성을 갖도록 하기 위해 같은 방향으로 쌍극자를 배열시키는 분극(poling)공정을 수행하는 것이 필요한데, 전기방사공정을 통해 제조될 경우, 부가적인 분극 공정을 수행하지 않아도, 기판과 노즐 상의 집적 전극 사이에 고전압을 인가하는 전기 방사 과정에서 쌍극자 배열이 동시에 일어나기 때문에 우수한 압전성을 갖도록 제어할 수 있다.

상기 전극 섬유는 전기 전도체가 사용되며, 상기 전기 전도체는 전도도가 높아서 전기가 통하기 쉬운 재료를 말한다. 상기 전기 전도체는, 예를 들면, 금, 은, 백금, 구리, 주석, 아연, 팔라듐, 산화인듐주석, 황화구리, 흑연, 탄소나노섬유, 그래핀, 그래핀 옥사이드 및 이들의 조합으로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나, 예를 들면, 구리일 수 있다.

상기 전극 섬유는 상기 전기 전도체를 압연 또는 연신 후 이를 절단함으로써 제조될 수 있다.

상기 압전 섬유 및 전극 섬유는 시판되는 제품을 사용할 수 있다.

상기 섬유들을 브레이드 공정을 통하여 브레이드 형태로 제작하는 단계는 상기 전극 섬유들이 서로 접촉하지 않도록 제작될 수 있다. 이를 통하여 추가적인 구성 없이도 합선을 막을 수 있다.

상기 브레이드 형태로 제작하는 단계는 편조물 내 전극 섬유의 위치를 변경하여 압전기(piezoelectricity)의 크기 및/또는 파형을 조절할 수 있다.

상기 브레이드 형태로 제작하는 단계는 브레이드 패턴, 각도, 섬유 두께 등을 변경하여 압전기의 크기 및/또는 파형을 조절할 수 있다.

구체적으로, 전극 섬유의 위치, 브레이드 패턴, 각도 및 섬유 두께를 변형함으로써 인장강도 및/또는 인장률이 다른 편조물을 제작할 수 있고, 인장강도 및/또는 인장률이 조절함에 따라 압전기의 크기 및/또는 파형을 조절할 수 있다.

상기 브레이드 형태로 제작하는 단계 이후 전극 섬유를 제외 한 양끝을 절연 물질로 고정하여 전극을 확보하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.

상기 절연물질로는 절연특성이 있으면서 유연한 성질을 함께 가지는 고분자 절연재료가 사용될 수 있다. 상기 고분자 절연 재료는 폴리에틸렌계 고분자, 고무계 재료, 에틸렌 공중합체, 불소계 고분자, 폴리염화비닐계 고분자, 실리콘계 고분자 또는 열가소성 탄성체를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 구체적인 예시로서, 상기 절연체는 가교 폴리에틸렌, 천연고무, 에틸렌 비닐아세테이트, 폴리테트라플루오르에틸렌, 1,3,5-트리비닐-1,3,5-트리메틸 사이클로트리실록산, 폴리비닐클로라이드 또는 에폭시 수지일 수 있다.

아울러 상기 압전 브레이드 편조물을 완전히 절연물질로 고정하면 전극과 전원이 연결될 수 없으므로 본 발명의 전극 섬유 말단은 노출되어 전원에 연결 될 수 있다.

이하, 본 발명의 제조예, 실시예 및 실험예를 기재한다. 그러나, 이들 제조예, 실시예 및 실험예는 본 발명의 구성 및 효과를 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아님을 명시한다.

실시예

제조예 1. 압전 나노 섬유 제조

압전 나노소재로서 Alkema사(프랑스)로부터 구입한 P(VDF-TrFE) PIEZOTECH FC25(MW=450,000 g/mol)를 준비하였다.

디메틸포름아마이드(DMF) 및 아세톤(acetone)를 3:2의 부피비로 혼합한 혼합용매에 21 중량%의 P(VDF-TrFE)를 용해하여 전기방사를 위한 혼합용액을 준비하였다.

상기 혼합용액 6 ml를 시린지에 담고 다음의 조건으로 전기방사하여, 압전 나노 섬유 웹을 제조하였다: 바늘 타입 20 G, 흐름속도 0.5 ml/h, 전압 15 kV, 팁과 콜렉터의 거리(tip-to-collector distance, TCD) 15 ㎝, 콜렉터 회전속도 80 RPM

상기 공정에서 제조한 압전 나노 섬유 웹에서 압전 나노 섬유의 말단을 고정시키고, 연사 공정을 진행하여 압전 나노 섬유를 수득하였다: 회전속도 100 RPM, 인장속도 5 mm/s

실시예 1. 브레이드 공정 장비를 이용한 압전 편조물의 제조

상기 제조예 1에서 수득한 압전 나노 섬유 및 구리를 이용하여 제조한 전극 섬유(두께: 300 μm)를 브레이드 공정 장비(도 1)를 사용하여 편조하였다.

본 실시예에서의 편조 순서는 도 2의 추적도해에 나타난 순서를 따랐다.

구체적으로, 도 2의 b-1) 내지 b-12)를 참고하면, b-1) 상태의 작업선반에 대하여 상기 전극 섬유를 도 2a)의 푸른 점으로 표시된 위치에 결합하고 나머지 위치에는 상기 제조예 1에서 수득한 압전 나노 섬유를 결합하였다. b-1)에서 b-2)로 이동시, 홀수의 가로줄은 오른쪽으로 이동하고, 짝수의 가로줄은 왼쪽으로 이동시켰으며, b-2)에서 b-3)로 이동시, 홀수의 세로줄은 위쪽으로 이동하고, 짝수의 세로줄은 아래쪽으로 이동시켰다.

상기 홀수, 짝수 및 세로줄, 가로줄은 서로 엇갈려서 이동한다는 것을 의미한다는 것으로, 시발점을 임의로 두어 홀수, 짝수 및 세로줄, 가로줄을 결정 할 수 있었다.

마찬가지로 b-3)에서 b-4)로 이동 시에는 오른쪽, 왼쪽으로 엇갈려서 이동하고, b-4)에서 b-5)로 이동 시에는 위쪽, 아래쪽으로 엇갈려서 이동하였다. 상기 엇갈려서 이동 하는 것이 계속 반복되어 편조물로 편조되었다.

이때 b-1)내지 b-12)에서 붉은 점으로 표시한 전극 섬유의 위치가 달라지는 것을 알 수 있으며, 편조가 수행되는 동안 서로 접촉하지 않는다는 것을 알 수 있었다.

실시예 2 내지 11. 브레이드 공정 장비를 이용한 압전 편조물의 제조

상기 도 2의 a)에 기재된 푸른 점의 위치와 달리 도 3의 a) 내지 j)에 기재된 푸른 점에 전극 섬유를 결합시킨 것을 제외하고는, 상기 실시예 1에 기재된 방법과 동일한 방법으로 편조물을 제조하였다.

편조 도중 전극 섬유의 위치는 붉은점으로 표시하였다

제조된 편조물 중 상기 도 3의 a) 및 b)에 따라 제조된 압전 편조물을 관찰한 결과, 상기 압전 편조물에서, 편조가 수행되는 동안 서로 접촉하지 않음을 확인하였다(도 4).

상기 제조된 압전 편조물에서 전극 섬유의 양 말단을 제외하고 절연체로 피복시킴으로써 전원에 연결가능한 전극을 확보한 압전 편조물을 제작하였다(도 5).

실험예 1. 인장강도의 측정

전기방사된 나노 섬유들의 인장 강도(tensile strength)는 ASTM D-638 방법에 따라 인장 강도 검사기(model 4467, Instron Co., USA)를 사용하여 인장 강도 부하 조건에서 측정되었다. 크로스헤드(crosshead) 속도는 10 mm/s이며, 각각의 시료마다 적어도 20 번의 측정을 수행하여 평균값을 얻었다.

실험 결과, 10 % 내지 15 %의 인장률로 인장시 25 MPa 내지 35 MPa의 인장강도를 가지는 것을 확인하였다.

실험예 2. 압전 전압의 측정

전압계의 (+)단자 및 (-)단자를 상기 실시예 1에서 편조된 압전 편조물의 양 전극 섬유에 연결하였다.

상기 편조물을 각각 5 % 및 10 % 인장하고, 시간의 흐름에 따른 전압계의 수치를 확인하여, 그 결과값을 도 6에 나타냈다.

실험 결과, 인장에 의한 압전효과가 발현됨을 확인하였다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들면, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (14)

1. 브레이드 방식으로 편조된 복수의 압전 나노 섬유 및 2개의 전극 섬유를 포함하고,
   상기 복수의 압전 나노 섬유 및 2 개의 전극 섬유를 일정한 브레이드 패턴으로 서로 엮어서 제작되고,
   상기 2 개의 전극 섬유의 위치, 브레이드 패턴, 각도, 섬유 두께 중 어느 하나 이상이 변형되어 인장강도 또는 인장률이 조절되는 것을 특징으로 하고,
   상기 전극 섬유는 절연체로 코팅된 것을 특징으로 하고, 상기 2개의 전극 섬유는 서로 접촉 하지 않는 것을 특징으로 하고,
   인장을 통해 압전 발현 하는 것을 특징으로 하고,
   25 MPa 내지 55 MPa의 인장강도를 갖는 것을 특징으로 하는 압전 편조물.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1항에 있어서,
   상기 압전 나노 섬유는 산화타이타늄화 바륨(BaTiO₃), 산화타이타늄화 납(PbTiO₃), PZT(Pb[Zr_xTi_x-1]O_3, 0<=x<=1), 산화나이오븀화 칼륨(KNbO₃), 산화나이오븀화 리튬(LiNbO₃), 산화탄탈륨화 리튬(LiTaO₃), 산화텅스텐화 나트륨(Na₂WO₃), 산화 아연(Zn₂O₃), Ba₂NaBb₅O₅, Pb₂KNb₅O₁₅, NaKNb, 산화철화 비스무스(BiFeO₃), 산화나이오븀화 나트륨(NaNbO₃), Bi₄Ti₃O₁₂, Na_0.5Bi_0.5TiO_3, 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 폴리비닐리덴 플루오라이드-트리플루오로에틸렌(P(VDF-FrFE)) 및 이들의 조합으로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나를 포함하는 압전 편조물.
5. 제 1항에 있어서,
   상기 전극 섬유는 금, 은, 백금, 구리, 주석, 아연, 팔라듐, 산화인듐주석, 황화구리, 흑연, 탄소나노섬유, 그래핀, 그래핀 옥사이드 및 이들의 조합으로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나를 포함하는 압전 편조물.
6. 삭제
7. 제 1항에 있어서,
   상기 전극 섬유의 말단은 노출되어 전원에 연결 되는 것을 특징으로 하는 압전 편조물.
8. 삭제
9. 제 1항에 있어서,
   상기 압전 편조물은 트랜지스터, 배터리, 에너지 하베스팅 장치, 센서 및 자가 발전기로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상에 사용되는 압전 편조물.
10. 복수의 압전 섬유 및 2개의 전극 섬유를 제공하는 단계; 및
    상기 섬유들을 브레이드 공정을 통하여 브레이드 형태로 제작하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 브레이드 형태로 제작하는 단계는,
    상기 복수의 압전 나노 섬유 및 2 개의 전극 섬유를 일정한 브레이드 패턴으로 서로 엮어서 수행되고,
    상기 2 개의 전극 섬유의 위치, 브레이드 패턴, 각도, 섬유 두께 중 어느 하나 이상을 변형하여, 압전 편조물의 인장강도 또는 인장률을 조절하는 것을 특징으로 하고,
    상기 전극 섬유는 절연체로 코팅된 것을 특징으로 하고,
    상기 브레이드 형태로 제작하는 단계는 상기 2개의 전극 섬유들이 서로 접촉하지 않도록 제작되는 것을 특징으로 하고,
    인장을 통해 압전 발현 하는 것을 특징으로 하고,
    25 MPa 내지 55 MPa의 인장강도를 갖는 것을 특징으로 하는 압전 편조물의 제작방법.
11. 삭제
12. 제 10항에 있어서,
    상기 브레이드 형태로 제작하는 단계는 편조물내 전극 섬유의 위치를 변경하여 압전기(piezoelectricity)의 크기 및/또는 파형을 조절 할 수 있는 특징을 포함하는 압전 편조물의 제작방법.
13. 제 10항에 있어서,
    상기 브레이드 형태로 제작하는 단계는 브레이드 패턴, 각도, 섬유 두께 등을 변경하여 압전기의 크기 및/또는 파형을 조절 할 수 있는 특징을 포함하는 압전 편조물의 제작방법.
14. 제 10항에 있어서,
    상기 브레이드 형태로 제작하는 단계 이후 전극 섬유를 제외한 양 끝을 절연 물질로 고정하여 전극을 확보하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 편조물의 제작방법.
    

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