含单晶压电纤维的复合体及包含该复合体的磁电复合材料层合体的制作方法
【专利说明】含单晶压电纤维的复合体及包含该复合体的磁电复合材料 层合体 【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种含压电纤维的复合体及其制造方法、包含所述含压电纤维的复合 体的磁电复合材料层合体及其制造方法以及包含所述含压电纤维的复合体或磁电复合材 料层合体而构成的压电元件，更具体地说，本发明涉及一种含有朝特定方向取向的单晶压 电纤维的复合体及其制造方法、含有所述复合体的磁电复合材料层合体及其制造方法及包 含所述含压电纤维的复合体或磁电复合材料层合体而构成的压电元件。 【【背景技术】】
[0002] 压电材料（piezoelecric materials)凭借着能将外部应力转换成电信号或者将 电输入转换成机械输出的压电效果广泛地应用于传感器、促动器（Actuator)、能量收集装 置（energy harvest ing device)、超声波仪器等。
[0003] 但是，大部分的压电材料是陶瓷材料，由于陶瓷本身特性具备脆性（britt leness)，从而在适用为各种形状及使用上受到了限制。
[0004] 为此，研宄了具备如下结构的复合体：在高分子材料等的柔软性基质上包含了 由压电陶瓷构成的纤维（fiber)，作为所述复合体的典型例，可举例宏纤维复合体（Macro Fiber Compos ite，MFC)[专利文献0001]。还揭示有利用所述MFC形成的促动器[专利文 献0002]。
[0005] 然而，诸如所述MFC之类的压电纤维复合体因为在电极与压电纤维之间存在着高 分子基质，所以难以对装置的控制及操作进行预测及设计，更大的问题是，在驱动包含所述 复合体的元件时需要较高的操作电压。
[0006] 此外，因为诸如所述MFC之类的压电纤维复合体使用陶瓷压电纤维材料，所以无 法最大限度地发挥出随着压电材料的结晶取向性而变化的压电特性。
[0007] 因此，迫切需要开发出一种既能够保持压电纤维复合体的已知优点，又能够解决 所述问题，从而能够应用到传感器或促动器，以及能量收集装置的制造用途的复合材料。
[0008] 【先前技术文献】
[0009] 【专利文献】
[0010] (专利文献0001)国际公开公报W0 01/33648 A1
[0011] (专利文献0002)韩国公开专利公报第10-2010-0033824号
[0012] 【解决的技术课题】
[0013] 本发明的目的是提供一种含压电纤维的复合体及其制造方法，该复合体所包含的 压电纤维为了大幅提高压电效果而由使得特定结晶方向朝极化方向取向的单晶所构成。本 发明的另一个目的是提供一种磁电复合材料层合体及其制造方法，其包含所述含压电纤维 的复合体，为了通过和所述复合体的相互作用达到远胜于现有技术的磁电效应而接合于所 述含压电纤维的复合体的一面或两面，并且包含由磁致伸缩材料构成的磁致伸缩层。
[0014] 【解决课题的技术方案】
[0015] 为了实现所述技术课题，本发明提供一种含压电纤维的复合体，其包括：第一保护 层，其一面形成有第一电极；第二保护层，其一面形成有第二电极；以及压电纤维层，其插 入于所述第一电极及第二电极之间，由以复合体的长度方向排列的一个以上的压电纤维构 成，所述压电纤维由单晶压电材料构成，所述单晶的〈011 >方向和复合体的厚度方向一致， 从而使得所述单晶的〈〇〇1>方向和复合体的长度方向一致。
[0016] 此外，本发明提供一种含压电纤维的复合体的制造方法，其包括如下步骤：步骤 (a)，在一面形成有第一电极的第一保护层的所述第一电极上接合压电单晶层，所述压电 单晶层由单晶压电材料构成，所述单晶的〈〇11>方向和厚度方向一致，从而使得所述单晶 的〈001>方向和复合体的长度方向一致；步骤（b)，沿着长度方向切断所述压电单晶层，形 成由一个以上的压电纤维构成的压电纤维层；以及步骤（c)，将第二保护层接合于压电纤 维层上，以便使得一面形成有第二电极的第二保护层的所述第二电极与所述压电纤维层相 接。
[0017] 此外，本发明提供一种磁电复合材料层合体，其包括：含压电（piezoelectric) 纤维的复合体；以及磁致伸缩层，其配备在所述复合体的一面或两面并且由磁致伸缩 (magnetostrict ive)材料构成，所述压电纤维由单晶压电材料构成，并且所述单晶的 〈〇 11 >方向和所述复合体的厚度方向一致，从而使得所述单晶的〈〇〇 1 >方向和复合体的长 度方向一致。
[0018] 而且，本发明提供一种磁电复合材料层合体的制造方法，其包括如下步骤：步骤 (a)，准备由磁致伸缩材料构成的磁致伸缩层；步骤（b)，准备含压电纤维的复合体，所述含 压电纤维的复合体包含由单晶压电材料构成并且所述单晶的〈〇11>方向和复合体的厚度 方向一致的压电纤维，从而使得所述单晶的〈〇〇1>方向和复合体的长度方向一致；以及步 骤（C)，在所述含压电纤维的复合体的一面或两面对所述磁致伸缩层进行层合（Laminat ing) 〇
[0019] 而且，本发明提供一种压电元件，所述压电元件包含所述含压电纤维的复合体或 所述磁电复合材料层合体。
[0020] 【有益效果】
[0021] 根据本发明的含压电纤维的复合体包含由单晶压电材料构成并且以所述单晶的 〈〇11>方向与所述复合体的厚度方向一致从而使得所述单晶的〈〇〇1>方向和复合体的长度 方向一致的方式进行排列的压电纤维，因此能够利用基于压电单晶的特定取向方向的优异 压电应变特性及检测特性，尤其是，在以极化方向与应变方向互相垂直的32模式运行时， 能够实现更加优异的压电特性，不仅应用于传感器及促动器等用途，而且由于机械稳定性 良好，从而能够作为机械振动能量的能量收集装置使用。
[0022] 而且，根据本发明的磁电复合材料层合体在具备如上所述特性的含压电纤维的复 合体的一面或两面配备了由类似于镍（Ni)或Metglas(FeBSi alloy)等的磁致伸缩材料构 成的磁致伸缩层，从而作为磁电复合材料，实现远胜于现有所知的磁电复合材料的磁电特 性，尤其是能够在作用于机械振动及/或磁场变化等外部刺激的能量收集装置发中挥出优 越的性能。
[0023] 尤其是，本发明磁电复合材料层合体作为电力线监视传感器驱动电源用能量收集 装置使用时，凭借着从寄生在电力线周边的磁场及/或电力线周边的机械振动能量生成电 力的能量收集（energy harvesting)为传感器供应电力而不必定期更换电源就能稳定地 连续供应电力，不仅能够半永久性地运行传感器节点，还能延长传感器节点的生命周期并 提高传感数据的可靠性，从而能够提前实现电力线远程监视系统等基于USN的系统的实用 化。 【【附图说明】】
[0024] 图1是示出本发明含压电纤维的复合体的一例的模式图（mimetic diagram)。
[0025] 图2是示出形成于本发明含压电纤维的复合体的电极的形状的一例的模式图。
[0026] 图3(a)及图3(b)是分别示出本发明磁电复合材料层合体的一例及另一例的模式 图。
[0027] 图4是示出本发明磁电复合材料层合体的又另一例的模式图。
[0028] 图5是示出本发明磁电复合材料层合体的磁场生成环境的模式图，该磁场则是供 应给传感器的电力的源头。
[0029] 图6是示出本发明的包含电力线监视传感器驱动电源用能量收集磁电复合材料 层合体地构成的传感器节点的一实施例的组成部分的方块图。
[0030] 图7是示出本发明电力线远程监视用传感器节点所含电源供应单元的一例的组 成部分的方块图。
[0031] 图8是示出本发明的包含电力线远程监视用传感器节点的电力线远程监视系统 的一实施例的组成部分的方块图。
[0032] 图9是以实施例1所制造的压电纤维复合体（SFC)及常用宏纤维复合结构体 (MFC)为对象针对施加电场而引起的应变进行测量的结果。
[0033] 图10是为了测量本申请专利的实施例1_4、7、8及比较例1-3所制造的磁电复合 材料层合体的磁电效应（magnetoelectric effect)特性而使用的设备的模式图。
[0034] 图11是示出测量本申请专利的实施例1-4及比较例1-3所制造的磁电复合材料 层合体的磁电效应（magnetoelectric effect)特性时的试片与磁场方向的相对位置关系 的模式图。
[0035] 图12是针对实施例1-2及比较例1所制造的磁电复合材料层合体测量由直流磁 场（H d。）大小变化所导致的磁电电压系数（aj的变化的测量结果。
[0036] 图13是针对实施例3-4及比较例2所制造的磁电复合材料层合体测量由直流磁 场（H d。）强度变化所导致的磁电电压系数（aj的变化的测量结果。
[0037] 图14是针对实施例1、实施例3及比较例3所制造的磁电复合材料层合体测量由 直流磁场（H d。）强度变化所导致的磁电电压系数（aj的变化的测量结果。
[0038] 图15是针对本申请专利的实施例1、2、7、8及比较例1所制造的磁电复合材料层 合体测量交流磁场（HJ强度变化所导致的磁电电压系数（a _)的变化的测量结果。
[0039] 图16是为了测量本申请专利的实施例5-6及比较例4所制造的磁电复合材料层 合体的能量收集特性而使用的设备的模式图。
[0040] 图17是针对本申请专利的实施例5-6及比较例4所制造的磁电复合材料层合体 施加机械振动或磁性变化时基于频率变化的生成电压测量结果。
[0041] 图18(a)到图18(c)是各自针对本申请专利的实施例5、实施例6及比较例4所制 造的磁电复合材料层合体施加机械振动及/或磁性变化时在呈现最大输出电压的频率下 测量的开路电压（V。。）的测量结