KR101629472B1 - Method for manufacturing flexible nanogenerator and flexible nanogenerator - Google Patents
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Abstract
투명 희생 기판 전면에 압전물질층을 적층하는 단계; 상기 압전물질층을 플렉서블 기판에 접합시키는 단계; 상기 투명 희생 기판 후면방향으로 레이저 빔을 조사하여, 상기 압전물질층을 상기 투명 희생 기판으로부터 분리하는 단계; 및 상기 분리된 압전물질층 상에 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 나노제너레이터 제조방법이 제공된다.Depositing a layer of piezoelectric material over the entire surface of the transparent sacrificial substrate; Bonding the piezoelectric material layer to a flexible substrate; Separating the piezoelectric material layer from the transparent sacrificial substrate by irradiating a laser beam toward the rear surface of the transparent sacrificial substrate; And forming an electrode on the separated piezoelectric material layer. The method for fabricating a flexible nano-generator according to claim 1,
Description
본 발명은 플렉서블 나노제너레이터 제조방법 및 이에 의하여 제조된 플렉서블 나노제너레이터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기판의 구부러짐에 따라 대용량의 전력을 생산할 수 있는 대면적 플렉서블 나노제너레이터 제조방법 및 이에 이하여 제조된 플렉서블 나노제너레이터이다. BACKGROUND OF THE
외부 에너지원(예를 들면 열에너지, 동물 움직임 또는 바람과 파도 등의 자연으로부터 발생하는 진동, 기계적 에너지)를 전기 에너지로 변환시키는 에너지 하비스트(energy harvest) 기술은 최근 친환경 기술로서 널리 연구되고 있다. 특히, 사용가능한 나노제너레이터(nanogenerator)를 제조하는 기술에 대하여 많은 연구그룹들이 연구하고 있는데, 왜냐하면 이러한 나노제너레이터는 하비스트 기술을 이식가능한 작은 인체소자로 집약하여, 인체 내에서의 생물학적 에너지를 재활용할 수 있는 장점이 있기 때문이다. Energy harvesting techniques that convert external energy sources (such as thermal energy, animal movements, or natural vibrations, such as wind and waves, mechanical energy) into electrical energy have recently been widely studied as environmentally friendly technologies. In particular, many research groups are studying the technology for making available nanogenerators, because these nanogenerators can harvest the harvested technology into a small portable human body device, which can recycle the biological energy in the human body This is because there are advantages.
외부 진동의 기계적 에너지로부터 에너지를 하비스트(수집)하는 기술 중 하나는 강유전체 물질의 압전성질을 활용하는 것이다. 압전 하비스트 기술은 많은 연구 그룹들에 의하여 연구되고 있는데, Chen et al. 은 벌크 실리콘 기판 상의 납 지르코네이트 티타네이트(lead zirconate titanate (PbZrxTi1-xO3, PZT)) 나노섬유를 이용하는 나노제너레이터를 개시하였다. 상기 기술에 따르면 서로 대향하는 전극에 맞물린 PZT 나노섬유는 나노제너레이터 표면에 수직으로 가해지는 압력에 의하여 상당한 전압을 생성하였다.One technique for harvesting energy from the mechanical energy of external vibrations is to utilize the piezoelectric nature of the ferroelectric material. Piezoelectric harvester technology has been studied by many research groups, Chen et al. Disclose nano-generators that utilize lead zirconate titanate (PbZrxTi1-xO3, PZT) nanofibers on bulk silicon substrates. According to the above-described technique, the PZT nanofibers engaged with the electrodes opposed to each other generate a considerable voltage due to the pressure applied perpendicularly to the surface of the nano-generator.
Wang 등은 압전특성을 나타내는 ZnO 나노와이어를 이용하여, 플라스틱 기판 상에 구현된 다중 수평 나노와이어 어레이가 집적된 기술을 개시한다. Wang et al. Disclose a technique of integrating multiple horizontal nanowire arrays implemented on a plastic substrate using ZnO nanowires exhibiting piezoelectric properties.
하지만, 종래의 나노제너레이터는 충분한 수준으로 전력을 생산하기 어려웠는데, 그 이유는 대면적으로 PZT와 같은 압전물질층을 충분히 형성시키기 어려웠기 때문이다. However, conventional nano-generators have difficulty in producing a sufficient level of power because it is difficult to sufficiently form a piezoelectric material layer such as PZT in a large area.
따라서, 본 발명이 해결하려는 과제는 대면적 플렉서블 기판에 구현되어, 충분한 수준으로 전력을 생산할 수 있는 플렉서블 나노제너레이터 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.Therefore, a problem to be solved by the present invention is to provide a flexible nano-generator which can be fabricated on a large-area flexible substrate and can produce electric power at a sufficient level, and a manufacturing method thereof.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 투명 희생 기판 전면에 압전물질층을 적층하는 단계; 상기 압전물질층을 플렉서블 기판에 접합시키는 단계; 상기 투명 희생 기판 후면방향으로 레이저 빔을 조사하여, 상기 압전물질층을 상기 투명 희생 기판으로부터 분리하는 단계; 및 상기 분리된 압전물질층 상에 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 나노제너레이터 제조방법을 제공한다. According to an aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a transparent substrate, comprising: laminating a piezoelectric material layer over a transparent sacrificial substrate; Bonding the piezoelectric material layer to a flexible substrate; Separating the piezoelectric material layer from the transparent sacrificial substrate by irradiating a laser beam toward the rear surface of the transparent sacrificial substrate; And forming an electrode on the separated piezoelectric material layer. The method of manufacturing a flexible nano-generator according to the present invention includes the steps of:
본 발명의 일 실시예에서, 상기 압전물질층을 플렉서블 기판에 접합시키는 단계는, 감광성 접착층이 도포된 플렉서블 기판에 상기 압전물질층을 접촉시키는 단계; 및 상기 감광성 접착층으로 광을 조사하여 상기 압전물질층을 상기 플렉서블 기판에 접착시키는 단계를 포함한다.In one embodiment of the present invention, the step of bonding the piezoelectric material layer to the flexible substrate includes the steps of: contacting the piezoelectric material layer to a flexible substrate to which a photosensitive adhesive layer is applied; And irradiating light onto the photosensitive adhesive layer to adhere the piezoelectric material layer to the flexible substrate.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 조사되는 레이저 빔은 상기 투명 희생 기판을 투과하여, 상기 압전물질층과 상기 투명 희생 기판 사이의 계면에서 상기 압전물질층의 증발을 유도한다. In one embodiment of the present invention, the irradiated laser beam is transmitted through the transparent sacrificial substrate to induce evaporation of the piezoelectric material layer at the interface between the piezoelectric material layer and the transparent sacrificial substrate.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 플렉서블 나노제너레이터 제조방법은, 상기 분리된 압전물질층 상에 전극을 형성하는 단계 후, 패시베이션층을 형성하는 단계를 더 포함한다. In one embodiment of the present invention, the method of fabricating the flexible nano-generator further includes forming a passivation layer after forming the electrode on the separated piezoelectric material layer.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 플렉서블 나노제너레이터 제조방법은, 상기 플렉서블 나노제너레이터에 대한 폴링 공정을 진행하는 단계를 더 포함한다. In one embodiment of the present invention, the manufacturing method of the flexible nano-generator further includes a step of performing a polling process on the flexible nano-generator.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 패시베이션층은 에폭시이며, 상기 압전물질층은 페로브스카이트 물질 또는 이원산화물 물질이다. In one embodiment of the present invention, the passivation layer is an epoxy, and the piezoelectric material layer is a perovskite material or a bimetallic oxide material.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 압전물질은 PZT, BaTiO3, PbTiO3 및 PbZrO3, ZnO, MgO, CdO로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 물질을 포함한다. In one embodiment of the present invention, the piezoelectric material includes at least one material selected from the group consisting of PZT, BaTiO3, PbTiO3 and PbZrO3, ZnO, MgO, and CdO.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 전극은 IDE(interdigital electrode) 타입이다.In one embodiment of the invention, the electrode is of the interdigital electrode (IDE) type.
본 발명은 플렉서블 기판; 상기 플렉서블 기판 상에 적층된 압전물질층; 및 상기 압전물질층 상에 형성된 전극을 포함하며, 상기 압전물질층은 투명 희생기판상에 적층된 후, 레이저 리프트 오프 방식으로 분리된 것을 특징으로 하는 플렉서블 나노제너레이터를 제공한다. The present invention relates to a flexible substrate; A piezoelectric material layer laminated on the flexible substrate; And an electrode formed on the piezoelectric material layer. The piezoelectric material layer is laminated on a transparent sacrificial substrate, and then separated by a laser lift-off method.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 플렉서블 나노제너레이터는, 상기 압전물질층 및 상기 전극 상에는 구비된 패시베이션층을 더 포함한다. In one embodiment of the present invention, the flexible nano-generator further includes a piezoelectric material layer and a passivation layer provided on the electrode.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 압전물질층은 레이저 조사에 의하여 증발이 이루어 질 수 있는 물질로 이루어진다. In one embodiment of the present invention, the piezoelectric material layer is made of a material which can be evaporated by laser irradiation.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 압전물질층은 페로브스카이트 물질 또는 이원산화물 물질이다. In one embodiment of the present invention, the piezoelectric material layer is a perovskite material or a bimetallic oxide material.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 압전물질층은 PZT, BaTiO3, PbTiO3 및 PbZrO3, ZnO, MgO, CdO로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 물질을 포함한다. In one embodiment of the present invention, the piezoelectric material layer includes at least one material selected from the group consisting of PZT, BaTiO3, PbTiO3 and PbZrO3, ZnO, MgO, and CdO.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 압전물질층은 레이저 리프트 오프 공정 후 페로브스카이트 상 또는 우르짜이트 상을 유지하여, 압전 특성을 갖는다. In one embodiment of the present invention, the piezoelectric material layer maintains a perovskite phase or a wurtzite phase after the laser lift-off process, and has a piezoelectric characteristic.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 전극은 IDE(interdigital electrode) 타입이다.
In one embodiment of the invention, the electrode is of the interdigital electrode (IDE) type.
본 발명에 따른 플렉서블 나노제너레이터는 레이저 리프트 오프 공정을 비롯하여 고효율의 구조와 최적화된 공정을 통해 대면적 플렉서블 기판에 나노제너레이터를 형성시킨다. 이로써 구부러짐 동작 중 종래의 어떤 기술에 따른 나노제너레이터보다 대용량의 전력을 생산할 수 있다.
The flexible nano-generator according to the present invention forms a nano-generator on a large-area flexible substrate through a laser lift-off process, a highly efficient structure and an optimized process. This makes it possible to produce a larger capacity of electric power than the nano generator according to any conventional technique during the bending operation.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플렉서블 나노제너레이터 제조방법의 단계도이다.
도 2는 레이저 리프트오프과정을 통해 대면적의 PZT 박막을 제조하는 공정의 모식도이다.
도 3 및 4는 레이저 리프트오프 과정 전후의 벌크 사파이어 위의 PZT 박막과 유연성 PET 기판 상에 전사된 PZT 박막의 단면 SEM 이미지이다.
도 5는 레이저 리프트오프 과정 후에 PZT (1.5 cm x 1.5 cm)/PET 기판으로부터 분리된 사파이어 기판을 보여주는 사진이다.
도 6은 1.5 cm의 곡면 반경을 갖는 유리튜브에 부착된 본 발명의 플렉서블 PZT 박막 기반 나노제너레이터 소자의 사진이다.
도 7은 플렉서블 기판(위, 빨강)위와 사파이어(아래, 파랑) 기판 위의 PZT 박막의 XRD 분석 결과를 나타내는 그래프이다.
도 8은 PZT 박막에서 선택된 부분(X, Y, and Z)에서 획득된 PZT의 라만 스펙트럼 그래프이다.
도 9는 사파이어 및 플라스틱 기판 상의 PZT 박막의 조성 분석 결과를 보여주는 EDS 분석 결과 그래프이다.
도 10은 레이저 조사된 표면의 특성 파악을 위한 XPS 분석 결과 그래프이다.
도 11은 PZT 박막 나노제너레이터의 에너지 전환 효율을 조사하기 위해서, 주기적으로 구부리고 펴는 동작의 사진이고, 도 12 내지 15는 그 결과이다.
도 16은 PZT 박막 나노제너레이터의 효율적인 전력 출력 특징을 정리한 그래프이다.
도 17 및 18은 대면적 PZT 박막 나노제너레이터(3.5 cm x 3.5 cm)의 사진과, 생체역학의 움직임으로부터 에너지 전환을 측정한 결과를 나타내는 도면이다.
도 19 및 20은 전력원으로 본 발명에 따른 나노제너레이터를 이용한 LED 어레이의 사진이다.FIG. 1 is a step diagram of a method of manufacturing a flexible nano-generator according to an embodiment of the present invention.
2 is a schematic diagram of a process for manufacturing a large area PZT thin film through a laser lift-off process.
3 and 4 are cross-sectional SEM images of the PZT thin film on the bulk sapphire and the PZT thin film transferred on the flexible PET substrate before and after the laser lift-off process.
5 is a photograph showing a sapphire substrate separated from PZT (1.5 cm x 1.5 cm) / PET substrate after the laser lift-off process.
6 is a photograph of a flexible PZT thin film-based nano generator element of the present invention attached to a glass tube having a curvature radius of 1.5 cm.
7 is a graph showing the XRD analysis results of the PZT thin film on the flexible substrate (upper, red) and the sapphire (lower, blue) substrate.
8 is a Raman spectrum graph of PZT obtained at selected portions (X, Y, and Z) in the PZT thin film.
9 is a graph showing the results of EDS analysis showing the results of composition analysis of PZT thin films on sapphire and plastic substrates.
10 is a graph of XPS analysis results for characterizing the laser irradiated surface.
Fig. 11 is a photograph of the operation of periodically bending and stretching to examine the energy conversion efficiency of the PZT thin film nano generator, and Figs. 12 to 15 are the results thereof.
16 is a graph summarizing the efficient power output characteristics of the PZT thin film nano generator.
Figs. 17 and 18 are photographs of a large-area PZT thin film nano-generator (3.5 cm x 3.5 cm) and the results of measurement of energy conversion from biomechanical movements.
19 and 20 are photographs of an LED array using a nano-generator according to the present invention as a power source.
이하, 본 발명을 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.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will now 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 reference numerals designate like elements throughout the specification.
본 발명은 플렉서블 나노제너레이터를 제조하기 위하여, 투명 희생 기판상에 압전물질층 적층하고, 상기 적층된 압전물질층을 레이저 리프트 오프 방식으로 상기 투명 희생 기판으로부터 분리하여, 이를 플렉서블 기판으로 전사시켜, 플렉서블 나노제너레이터를 제조한다. In order to manufacture a flexible nano-generator, a piezoelectric material layer is laminated on a transparent sacrificial substrate, the laminated piezoelectric material layer is separated from the transparent sacrificial substrate by a laser lift-off method, and transferred to a flexible substrate, Thereby manufacturing a nano generator.
본 발명의 일 실시예에서는 레이저 리프트 오프(Laser Lift-Off) 공정을 이용하여, 유연한 기판 위에 대면적의 압전물질층(lead zirconate titanate(PZT)) 기반 박막 나노제너레이터를 구현하였고, 본 발명의 이러한 구현예는, 고효율, 기계적으로 유연하고 안정적인, 초경량의 자가 발전 장치를 실현시킬수 있음을 명확히 증명한다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 압전물질층으로 PZT가 사용되었으나, BTO(BaTiO3), PbTiO3, PbZrO3와 같은 페로브스카이트 상 압전물질 또는 ZnO, MgO, CdO와 같은 이원산화물로서 우르짜이트 상을 갖는 압전물질이 사용될 수 있으며, 압전 특성을 갖는 임의의 모든 압전물질이 모두 본 발명의 범위에 속한다. In one embodiment of the present invention, a thin film nano generator based on lead zirconate titanate (PZT) is formed on a flexible substrate using a laser lift-off process, The embodiment clearly demonstrates that a highly efficient, mechanically flexible, stable, lightweight, self-generating device can be realized. In an embodiment of the present invention, PZT is used as the piezoelectric material layer, but a piezoelectric material such as BTO (BaTiO3), PbTiO3, PbZrO3, or a bimetallic oxide such as ZnO, MgO, Can be used, and any piezoelectric material having piezoelectric properties are all within the scope of the present invention.
본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 플렉서블 나노제너레이터는 미세한 생체역학의 움직임으로부터도 전기에너지 획득이 가능하며, 주기적인 구부리는 동작으로부터 ~200 V 와 ~150 ㎂·cm-2의 수준의 출력을 나타냈다. 이는 종래 알려진 나노제너레이터보다 월등히 높은 출력성능을 나타내며, 더 나아가, 작은 손가락 구부리는 움직임을 통해서도 100개 이상의 LED를 성공적으로 동작시킬 수 있었다. The flexible nano-generator manufactured according to one embodiment of the present invention is capable of obtaining electrical energy even from a fine biomechanical motion and has an output of a level of ~200 V and ~ 150 μA · cm -2 from periodic bending operation . This results in significantly higher output performance than known nano-generators, and even more than 100 LEDs can be successfully operated with small finger bending movements.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 플렉서블 나노제너레이터는 에너지 하베스팅 소자로서, 바람, 물의 흐름, 심장박동, 횡경막 움직임, 호흡운동으로부터 전기적인 신호를 얻을 수 있기 있으며, 따라서, 자가발전형 유연 전자 소자뿐 만 아니라 심장 회전속도계, 심장박동 조율기, 뇌 시뮬레이터(deep brain stimulators)와 같이 주입 가능한 생체의학장치용 영구 전력 공급원이 될 수 있다.Therefore, the flexible nano-generator manufactured according to an embodiment of the present invention is an energy harvesting device capable of obtaining electrical signals from wind, water flow, heart beat, diaphragm movement, respiration movement, Flexible electronic devices, as well as a permanent power source for implantable biomedical devices such as cardiac tachometers, pacemakers, and deep brain stimulators.
고출력 나노제너레이터를 제조하기 위한 종래 기술로서, Hu 등은 플라스틱 기판의 위아래 표면에 ZnO 나노와이어를 밀도있게 충진하는 기술을 소개하였다. 이 경우, 하나의 얇은 플라스틱 기판 위에 구현된 에너지 하베스터 소자는 자가발전 무선 데이터 전송이 가능한 수준의 고출력 성능을 갖는다(10V출력전압, 0.6 ㎂ 출력 전류). As a conventional technique for manufacturing a high-power nano generator, Hu et al. Introduced a technique of densely filling ZnO nanowires on the upper and lower surfaces of a plastic substrate. In this case, the energy harvester device implemented on one thin plastic substrate has a high output performance (10V output voltage, 0.6 출력 output current) that is capable of self-generated wireless data transmission.
또한, 폴리피닐리덴 플루오라이드(Polyvinylidene fluoride (PVDF)) 나노섬유와 같은 부드러운 특성을 갖는 압전 고분자들이 유연하고 신축성있는 에너지 하베스팅 소자 제조 물질로 광범위하게 사용되어왔다. In addition, piezoelectric polymers having soft properties such as polyvinylidene fluoride (PVDF) nanofibers have been extensively used as flexible and stretchable energy harvesting device fabrication materials.
하지만, 본 발명자는 상술한 바와 같이 나노 복합체 기반의 유연 에너지 하베스터 소자를 개발하기 위하여. 상하 전극이 코팅된 플라스틱 기판 사이에 끼워진 고분자 매트릭스에, 압전입자와 흑연질 탄소를 분산시켜 압전 나노복합체를 제조하였다.However, in order to develop a nanofiber-based flexible energy harvester device as described above, Piezoelectric nanocomposites were prepared by dispersing piezoelectric particles and graphitic carbon in a polymer matrix sandwiched between plastic substrates coated with upper and lower electrodes.
하지만, 상기 압전 나노복합체는 플렉서블 특성의 에너지 하베스터로서 mW-수준의 소비자 전자제품에 사용되기에는 출력 성능이 불충분하였다. 왜냐하면, 두꺼운 압전 고분자층 혹은 두 개의 끼워진 플라스틱 기판의 사용으로 인하여, 낮은 압전 물성과 에너지 전환율을 나타내었기 때문이다. However, the piezoelectric nanocomposite is an energy harvester of a flexible characteristic and its output performance is insufficient to be used in a mW-level consumer electronic product. This is because, due to the use of a thick piezoelectric polymer layer or two embedded plastic substrates, it exhibits low piezoelectric properties and energy conversion rates.
나노제너레이터의 압전 효율을 강화하기 위해서, 본 발명자는 소프트 리쏘그래픽 전사(soft-lithographic transfer) 기술을 사용, 플라스틱 기판 위에 구현된 태생적으로 높은 유전 페로브스카이트 박막이 유용함을 발견하였다. 하지만 이 경우, 주기적인 기계적 변형이 있는 동안에 매우 유연하고 민감한 박막 나노제너레이터(~7 mW·cm-3)가 제조될 수 있었지만, 여전히 출력이 낮았고(~1.0 V 및 ~26 nA) 산업에서의 적용에는 복잡하였다. In order to enhance the piezoelectric efficiency of the nano-generator, the present inventors have found that a inherently high dielectric perovskite film implemented on a plastic substrate is useful using soft-lithographic transfer technology. In this case, however, very flexible and sensitive thin film nano-generators (~7 mW · cm -3 ) could be fabricated during periodic mechanical deformation, but still low power (~ 1.0 V and ~ 26 nA) .
따라서, 이러한 문제를 해결하고자 본 발명은 레이저 리프트 오프(laser lift-off) 공정을 통해 플렉서블 기판에 대면적의 PZT 박막을 만들어서 고효율, 초경량, 유연성 압전 에너지 하베스트 장치를 실현시킬 수 있었다. Accordingly, in order to solve such a problem, the present invention can realize a PZT thin film having a large area on a flexible substrate through a laser lift-off process, thereby realizing a highly efficient, lightweight, flexible piezoelectric energy harvesting apparatus.
즉, 본 발명은 레이저 리프트 오프 기술을 사용하여, 벌크 사파이어 기판으로부터 고품질의 압전 박막을 플라스틱 기판에 적층하였는데, 이를 위하여 투명한 사파이어의 후면을 XeCl 엑시머(excimer) 레이저로 조사함으로써, 구조적인 결함의 발생 없이 플렉서블한 PET(Polyethylene terephthalate) 기판위에 압전물질층인 PZT 박막을 전사시킬 수 있다. That is, the present invention uses a laser lift-off technique to laminate a high-quality piezoelectric thin film on a plastic substrate from a bulk sapphire substrate. For this purpose, by irradiating the back side of transparent sapphire with an XeCl excimer laser, It is possible to transfer a PZT thin film as a piezoelectric material layer onto a flexible polyethylene terephthalate (PET) substrate.
하나의 얇은 플라스틱 기판 위에 제조된 최종 PZT 박막 나노제너레이터는 약간의 기계적인 변형으로부터 고출력(~200 V 및 d ~150 ㎂·cm-2) 성능을 나타낸다. 또한, 본 발명에 따른 나노제너레이터로부터 발생된 단락전류는 ~ 8 ㎂까지 이르렀고, 사람 손가락에 의한 약간의 구부림으로 100개의 상업용 블루 LED 유닛을 작동시킬 수 있었다.The final PZT thin film nano-generator fabricated on one thin plastic substrate exhibits high output (~ 200 V and d ~ 150 · cm · cm -2 ) performance from slight mechanical deformation. In addition, the short circuit current generated from the nano-generator according to the present invention reached ~ 8 占 고, and it was possible to operate 100 commercial blue LED units with slight bending by human fingers.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플렉서블 나노제너레이터 제조방법의 단계도이고, 도 2는 레이저 리프트오프과정을 통해 대면적의 PZT 박막을 제조하는 공정의 모식도이다. FIG. 1 is a view illustrating a process for fabricating a flexible nano-generator according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a schematic view illustrating a process for fabricating a PZT thin film having a large area through a laser lift-off process.
도 1 및 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 플렉서블 나노제너레이터 제조방법은 투명 희생 기판 전면에 압전물질층을 적층하는 단계; 상기 압전물질층을 플렉서블 기판에 접합시키는 단계; 상기 투명 희생 기판 후면방향으로 레이저 빔을 조사하여, 상기 압전물질층을 상기 투명 희생 기판으로부터 분리하는 단계; 및 상기 분리된 압전물질층 상에 전극을 형성하는 단계로 이루어진다. Referring to FIGS. 1 and 2, a method of fabricating a flexible nano-generator according to an embodiment of the present invention includes: stacking a piezoelectric material layer over a transparent sacrificial substrate; Bonding the piezoelectric material layer to a flexible substrate; Separating the piezoelectric material layer from the transparent sacrificial substrate by irradiating a laser beam toward the rear surface of the transparent sacrificial substrate; And forming an electrode on the separated piezoelectric material layer.
즉, 본 발명은 투명 희생기판에 압전물질층을 다양한 방식으로 적층한 후, 상기 적층된 압전물질층을 열처리하고, 다시 상기 투명 희생 기판의 후면으로 레이저를 조사하여 상기 압전물질층을 투명 희생기판으로부터 분리한다. That is, the present invention relates to a method for manufacturing a transparent sacrificial substrate, comprising: laminating a piezoelectric material layer on a transparent sacrificial substrate in various manners; subjecting the laminated piezoelectric material layer to heat treatment; .
본 발명의 일 실시예에서 상기 압전물질층으로는 PZT 박막이 사용되었는데, 압전성이 우수한 PZT 박막은 졸겔법에 의해 양쪽면이 연마된 사파이어 기판 상에 증착되었다(Hi-Solar Co., 430 ㎛ 두께). 이를 위하여. 우선, 0.4 M PZT 용액(MEMS solution Co., Zr/Ti 조성비, 10 mol% 의 과량 PbO)을 20초 동안 2500 rpm으로 스핀코팅하였다. 이후, 유기물을 제거하기 위해서 10분동안 섭씨 450도에서 열처리를 진행하였다. 2 ㎛ 두께의 PZT 박막이 형성될 때까지 상기 증착과 열분해 반복 공정을 복수 회 진행하였다. In one embodiment of the present invention, a PZT thin film is used as the piezoelectric material layer, and a PZT thin film having excellent piezoelectricity is deposited on a sapphire substrate having both sides polished by a sol-gel method (Hi-Solar Co., 430 μm thickness ). To this end. First, 0.4 M PZT solution (MEMS solution Co., Zr / Ti composition ratio, excess PbO of 10 mol%) was spin-coated at 2500 rpm for 20 seconds. Then, heat treatment was performed at 450 DEG C for 10 minutes to remove the organic matter. The deposition and the thermal decomposition repetition process were repeated several times until a PZT thin film with a thickness of 2 탆 was formed.
다음 비정질의 박막을 결정화 시키기 위해서, PZT 박막을 공기 중에서 650도로 약 45분동안 가열 냉각(annealing)시키고, 자외선에 경화되는 폴리우레탄(PU, Norland optical adhesive, No. 73)이 접착제로 코팅된 플라스틱 기판(125 ㎛ PET 기판)을 상기 PZT 박막에 접촉시켰다. In order to crystallize the amorphous thin film, the PZT thin film was annealed in the air at a temperature of 650 ° C. for about 45 minutes, and a polyurethane (PU, Norland optical adhesive, No. 73) The substrate (125 탆 PET substrate) was brought into contact with the PZT thin film.
이후, PZT 박막과 PET 기판 사이에 PU층을 경화하기 위해서 UV를 사용하였으며, 사파이어 기판으로부터 전 면적의 PZT 박막을 분리하기 위해서 XeCl excimer 레이저(파장: 308 nm)로부터의 빔 스팟을 사파이어 기판의 후면에 조사하였다. Then, UV was used to cure the PU layer between the PZT thin film and the PET substrate. In order to separate the entire PZT thin film from the sapphire substrate, the beam spot from the XeCl excimer laser (wavelength: 308 nm) Respectively.
XeCl 레이저는 사파이어의(Eg= 10 eV)와 PZT 세라믹(Eg= 3.2~3.6 eV) 밴드갭 에너지 사이의 에너지인 4.03 eV(420 mJ·cm-2의 에너지 밀도에 상응하는)의 광자 에너지를 가지고 있기 때문에, 조사된 레이저 빔은 투명한 사파이어를 통과할 수 있고, 이로부터 사파이어와 PZT 층 사이의 계면이 국부적으로 기화되며, 그 결과, 벌크 사파이어 기판으로부터 PZT박막이 분리되어, PET 기판으로 전사된다. 도 3은 상술한 레이저 리프트 오프 공정과, 상기 공정 후에 진행되는 전극 패터닝 공정을 설명하는 도면이다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 전극은 IDE(interdigital electrode) 타입이었다.The XeCl laser has a photon energy of 4.03 eV (corresponding to an energy density of 420 mJ · cm -2 ), which is the energy between the sapphire (Eg = 10 eV) and the PZT ceramic (Eg = 3.2 to 3.6 eV) The irradiated laser beam can pass through the transparent sapphire, from which the interface between the sapphire and the PZT layer is locally vaporized. As a result, the PZT thin film is separated from the bulk sapphire substrate and transferred to the PET substrate. 3 is a view for explaining a laser lift-off step and an electrode patterning step which proceeds after the above-described process. In one embodiment of the present invention, the electrode was of the interdigital electrode (IDE) type.
일반적으로 세라믹 박막 재료는 취성으로 인해 다루기 어렵지만, 레이저 리프트오프 공정을 통해서 높은 온도에서 냉각되어 고효율을 가지며, 아울러 대면적을 갖는 압전 박막을 플렉서블 기판에 형성시킬 수 있다. In general, the ceramic thin film material is difficult to handle due to brittleness, but it is possible to form a piezoelectric thin film having a high efficiency by cooling at a high temperature through a laser lift-off process and having a large area on a flexible substrate.
상기 전사 공정 후, 전극을 적층하였다. 이후, 압전 나노제너레이터 장치 보호를 위해서, 패시베이션층으로 SU-8 에폭시를 코팅하고, 접촉 표면을 보호하기 위해서 리쏘그래핀 공정으로 패턴화하였다. 최종적으로, 전도성 있는 접착제로 Cu 라인이 상기 금속전극위에 부착되고, 압전물성 강화를 위하여 약 3시간 100 kV·cm-1 전기장에서 섭씨 120도로 폴링 공정을 진행하였다. After the transfer process, electrodes were laminated. Subsequently, to protect the piezoelectric nano-generator device, SU-8 epoxy was coated as a passivation layer and patterned by a lithogranfin process to protect the contact surface. Finally, a Cu line was attached to the metal electrode with a conductive adhesive, and a poling process was performed at 120 degrees Celsius for about 3 hours at an electric field of 100 kV · cm -1 for strengthening piezoelectric properties.
도 3 및 4는 레이저 리프트오프 과정 전후의 벌크 사파이어 위의 PZT 박막과 유연성 PET 기판 상에 전사된 PZT 박막의 단면 SEM 이미지이다.3 and 4 are cross-sectional SEM images of the PZT thin film on the bulk sapphire and the PZT thin film transferred on the flexible PET substrate before and after the laser lift-off process.
도 3 및 4를 참조하면, 레이저 리프트오프 공정 동안, PZT 박막의 상하 방향을 도 3과 5의 노랑과 파란 점선을 통하여 확인할 수 있다. Referring to FIGS. 3 and 4, during the laser lift-off process, the vertical direction of the PZT thin film can be confirmed through the yellow and blue dotted lines in FIGS.
상기 도면에서 삽입된 그림을 통해 PZT 박막의 ‘A’ 와 ‘B’ 표면위의 크랙과 기공의 부존재를 확인할 수 있다.The inset in the figure shows the absence of cracks and pores on the 'A' and 'B' surfaces of the PZT thin film.
도 5는 레이저 리프트오프 과정 후에 PZT (1.5 cm x 1.5 cm)/PET 기판으로부터 분리된 사파이어 기판을 보여준다. 삽입된 그림은 사람 손가락으로 구부린 플렉서블 기판위의 PZT 박막을 나타낸다. Figure 5 shows a sapphire substrate separated from PZT (1.5 cm x 1.5 cm) / PET substrate after the laser lift-off process. The inserted figure shows a PZT thin film on a flexible substrate bent with a human finger.
도 6은 1.5 cm의 곡면 반경을 갖는 유리튜브에 부착된 본 발명의 플렉서블 PZT 박막 기반 나노제너레이터 소자의 사진이다.6 is a photograph of a flexible PZT thin film-based nano generator element of the present invention attached to a glass tube having a curvature radius of 1.5 cm.
도 6을 참조하면, 본 발명에 따라 제조된 PZT 박막 기반 나노제너레이터는 도 5의 사진에서 볼 수 있듯이 유연성이 높을 뿐만 아니라 구부리는 변형 동안에 기계적으로 안정성도 뛰어나다. 이런 우수한 특성은 최적화된 레이저 리프트오프와 에폭시층을 사용한 패시베이션 공정에 기인하며, 이를 통하여 본 발명에 따른 박막 나노제너레이터는 종래 기술보다 월등히 높은 출력 성능을 나타낸다. Referring to FIG. 6, the PZT thin film-based nano-generator manufactured according to the present invention has high flexibility as well as mechanical stability during bending deformation as shown in the photograph of FIG. This excellent characteristic is attributed to the optimized laser lift-off and the passivation process using the epoxy layer, whereby the thin film nano generator according to the present invention exhibits significantly higher output performance than the prior art.
고온의 레이저 리프트 오프 공정 후, 플렉서블 기판위의 PZT 박막의 고 성능의 압전 물성을 유지하는 것은 고출력 플렉서블 에너지 하베스팅 장치에 있어 매우 중요하다. 따라서, 본 발명자는 XRD(X-ray diffraction), 라만 분광분석(Raman spectroscopy), EDS(Energy dispersive spectroscopy) 및 XPS(X-ray photoelectron spectroscopy)을 이용하여, 레이저 리프트오프과정 전 후에 사파이어와 플라스틱 기판위의 PZT 박막의 조성적, 구조적인 특성을 파악하였다. It is very important to maintain the high-performance piezoelectric properties of the PZT thin film on the flexible substrate after the high-temperature laser lift-off process in a high-output flexible energy harvesting device. Therefore, the present inventors have found that, by using X-ray diffraction (XRD), Raman spectroscopy, energy dispersive spectroscopy (EDS), and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) The compositional and structural characteristics of the PZT thin films were investigated.
도 7은 플렉서블 기판(위, 빨강)위와 사파이어(아래, 파랑) 기판 위의 PZT 박막의 XRD 분석 결과를 나타내는 그래프이다. 상기 결과는 레이저 리프트 오프 공정 전후의 PZT 박막의 구조적인 특성을 상세히 설명한다. 7 is a graph showing the XRD analysis results of the PZT thin film on the flexible substrate (upper, red) and the sapphire (lower, blue) substrate. The above results describe in detail the structural characteristics of the PZT thin film before and after the laser lift-off process.
도 7의 결과를 참조하면. 벌크 사파이어와 플렉서블 기판위의 PZT 박막은 결정화된 페로브스카이트 구조와 같은 (200)면 피크 커브를 보여준다(도 7a). 라만 시프트에서 초록색으로 화살표시된 피크는 전형적인 페로브스카이트 PZT 상(Phase)이 레이저 리프트 오프 공정 동안 변화되지 않음을 나타낸다 (도 7b). Referring to the results of FIG. The bulk sapphire and the PZT thin film on the flexible substrate show the same (200) surface peak curves as the crystallized perovskite structure (FIG. 7A). A green arrowed peak at Raman shift indicates that the typical perovskite PZT phase is unchanged during the laser lift-off process (FIG. 7B).
도 8은 PZT 박막에서 선택된 부분(X, Y, and Z)에서 획득된 PZT의 라만 스펙트럼 그래프이다. 8 is a Raman spectrum graph of PZT obtained at selected portions (X, Y, and Z) in the PZT thin film.
도 8을 참조하면, 비록 국소 영역에서 오버랩된 레이저에 의해서도 불가피하게 발생된 표면 차이에도 불구하고 페로브스카이트 PZT 상이 잘 유지됨을 알 수 있다. Referring to FIG. 8, it can be seen that the perovskite PZT phase is maintained well despite the surface differences inevitably generated by overlapping lasers in the local region.
도 9는 사파이어 및 플라스틱 기판 상의 PZT 박막의 조성 분석 결과를 보여주는 EDS 분석 결과 그래프이다.9 is a graph showing the results of EDS analysis showing the results of composition analysis of PZT thin films on sapphire and plastic substrates.
도 9를 참조하면, 사파이어 기판 상의 PZT 박막의 EDS 스펙트럼(도 9의 아래) 과 화학적 조성은 레이저 리프트 오프 공정 후의 플렉서블 기판(도 9의 위)과 크게 다르지 않음을 알 수 있다. 즉, 순간적인 레이저 냉각 과정 동안에 납(Pb; -0.33%), 지르코늄(Zr; -0.44%)의 조성 변화가 명확히 관찰되지 않았다. 9, the EDS spectrum (lower part of FIG. 9) and the chemical composition of the PZT thin film on the sapphire substrate are not significantly different from those of the flexible substrate (upper part of FIG. 9) after the laser lift-off step. That is, the compositional change of lead (Pb; -0.33%) and zirconium (Zr; -0.44%) was not clearly observed during the instantaneous laser cooling process.
도 10은 레이저 조사된 표면의 특성 파악을 위한 XPS 분석 결과이다. 10 shows XPS analysis results for characterizing the laser irradiated surface.
도 10을 참조하면, 레이저 리프트 오프 과정 전후의 PZT 표면의 XPS 스펙트럼(패널 위)과 깊이 프로파일(패널 아래)은 PZT박막의 기본 결합 에너지 수준이 표면과, 심지어는 PZT 내부에서도 많이 변하지 않았음을 나타낸다. 그러므로, PZT 박막의 형태전이나 구조적인 손상이 레이저 리프트 오프 과정을 동안에 거의 발생하지 않았다고 결론지을 수 있다. Referring to FIG. 10, the XPS spectrum (on the panel) and the depth profile (below the panel) of the PZT surface before and after the laser lift-off process showed that the basic bonding energy level of the PZT thin film did not change much on the surface and even inside the PZT . Therefore, it can be concluded that the morphology or structural damage of the PZT thin film hardly occurred during the laser lift-off process.
도 7 내지 10을 종합적으로 참조하면, 본 발명에 따른 나노제너레이터의 압전물질층은 레이저 조사에도 불구하고 구조적 및 구성적 특징이 매우 잘 유지된다는 것을 확인할 수 있다. 이것은 아마도 레이저 조사에 의해, 박막과 사파이어 기판의 사이의 경계에서 PZT의 증발(vaporization)과 용융(melting)이 일어나지만, 급랭 후 즉각적인 재결정이 이루어졌기 때문으로 판단된다. 따라서, 레이저 조사에 따라 투명 기판과의 계면에서 증발될 수 있는 임의의 모든 압전물질이 PZT 대신 사용될 수 있으며, 이는 모두 본 발명의 범위에 속한다. Referring generally to FIGS. 7 through 10, it can be seen that the piezoelectric material layer of the nano-generator according to the present invention maintains very good structural and structural characteristics despite laser irradiation. This is probably due to the vaporization and melting of PZT at the interface between the thin film and the sapphire substrate by laser irradiation, but immediate recrystallization after quenching. Therefore, any piezoelectric material that can be vaporized at the interface with the transparent substrate upon laser irradiation can be used instead of PZT, all of which are within the scope of the present invention.
도 11은 PZT 박막 나노제너레이터의 에너지 전환 효율을 조사하기 위해서, 주기적으로 구부리고 펴는 동작의 사진이고, 도 12 내지 15는 그 결과이다.Fig. 11 is a photograph of the operation of periodically bending and stretching to examine the energy conversion efficiency of the PZT thin film nano generator, and Figs. 12 to 15 are the results thereof.
도 11 및 12를 참조하면, PZT 박막 나노제너레이터의 에너지 전환 효율을 조사하기 위해서, 주기적으로 구부리고 펴는 동작 중에 장치(도 11 참조)로부터 발생하는 출력 전압과 전류를 측정하였다(도 12 참조). Referring to FIGS. 11 and 12, in order to examine the energy conversion efficiency of the PZT thin film nano generator, the output voltage and current generated from the device (see FIG. 11) during periodic bending and stretching operations were measured (see FIG. 12).
기계적인 구부림 변형은 ~2.32 %·s-1의 변형속도에서 ~0.386% 변형율을 가진 선형 밴딩 모터를 사용하여 이뤄졌으며, 도 14에서는 정압 연결(forward connection) 상태에서 박막 나노제너레이터(1.5 cm x 1.5 cm)의 측정 결과를 보여준다. 개방 전압은 200V 그리고 단락 전류는 1.5 ㎂를 초과한다(150 ㎂·cm-2의 전류밀도와 일치) 이는 공지된 하나의 플라스틱 기판 상에서의 플렉서블 압전 나노제너레이터의 출력 성능보다 훨씬 뛰어난 성능이다.The mechanical bending strain was achieved using a linear bending motor with a strain rate of ~ 0.386% at a strain rate of ~ 2.32% · s -1 . In Figure 14, a thin film nano generator (1.5 cm x 1.5 cm < / RTI > The open-circuit voltage is greater than 200 V and the short-circuit current is greater than 1.5 μA (which corresponds to a current density of 150 μA · cm -2 ). This is far superior to the output performance of a flexible piezoelectric nano-generator on a single known plastic substrate.
또한, 극성 전환 실험에서(도 13 참조), 반전된 극성들과 양과 음의 신호들이 주기적인 구부림 펴짐 동작으로 인해 측정된다. 측정된 신호들은 PZT 박막의 압전 효과로부터 발생된 것을 실험적으로 증명한다. Also, in polarity switching experiments (see FIG. 13), the inverted polarities and positive and negative signals are measured due to periodic bending expansion operations. The measured signals demonstrate experimentally that they originate from the piezoelectric effect of the PZT thin film.
도 14를 참조하면, 상, 중, 하 패널에서 보여주듯이, 0.153% 의 구부림 변형(R 은 4.07cm)에서는 ~100 V 출력전압, 0.283% 의 구부림 변형(R 은 2.20cm)에서는 ~150 V 출력전압, 0.386% 의 구부림 변형(R은 1.61cm)에서는 ~200 V 출력전압으로, 출력전압이 점차 증가한다. 또한, 나노제너레이터 소자의 성능이 폴링 공정의 입력전압뿐만 아니라 일정 변형율에서의 각변형속도(angular strain rate)에도 의존적임을 알 수 있다. Referring to FIG. 14, as shown in the upper, middle, and lower panels, a ~100 V output voltage at a bending strain of 0.153% (R is 4.07 cm) and a ~ 150 V output at a bending deformation of 0.283% At a voltage of 0.386% bending deformation (R is 1.61 cm), the output voltage increases gradually to ~ 200 V output voltage. Also, it can be seen that the performance of the nano generator element is dependent not only on the input voltage of the poling process but also on the angular strain rate at a constant strain rate.
또한 도 14를 참조하면, 9000회의 구부러짐 주기동안 PZT 박막 나노제너레이터는 상당히 안정한 출력 전압을 생산하였다. 이러한 좋은 작업 내구성은 에폭시 패시베이션에 기인한다. 보호층인 패시베이션층이 없이 제작된 PZT 박막 나노제너레이터는 폴링이나 에너지 하베스팅 공정시 전기적, 기계적으로 불안정함을 보여주며, 그 결과, 낮은 출력 전압과 전류라는 결과를 발생시킨다. 즉, 본 발명자는 에폭시 페시베이션층이 단순히 소자를 기계적으로 보호하는 기능뿐만 아니라, 반드시 후속되는 폴링 공정시 소자의 성능을 향상시키는 특이한 기능을 수행하는 점을 발견하였다. Referring also to Figure 14, during 9000 bend cycles, the PZT thin film nano generator produced a fairly stable output voltage. This good work durability is due to epoxy passivation. PZT thin film nano-generators fabricated without a passivation layer as a passivation layer show electrical and mechanical instability during the poling or energy harvesting process, resulting in low output voltage and current. That is, the inventors have found that the epoxy passivation layer not only functions to mechanically protect the device, but also performs a specific function that improves the performance of the device in the following polling process.
에폭시로 패시베이션층이 형성된 나노제너레이터 장치의 경우에는 대략 10000번의 구부러짐과 폄 주기 후에도 PZT 층의 어느 부분에서도 크랙이 발견되지 않았다. 도 17은 이러한 실험 결과를 나타내는 모식도 및 사진이다. 상술한 결과는, 보호층 없는 장비보다 본 발명에 따라 에폭시 패시베이션층이 형성된 나노제너레이터가 더 좋은 기계적 성능을 갖는다는 것을 나타낸다. In the case of the nano-generator having the epoxy passivation layer, cracks were not found in any portion of the PZT layer even after about 10,000 bending cycles. Fig. 17 is a schematic diagram and photograph showing the results of such experiments. The above results show that the nanosgenerator having the epoxy passivation layer according to the present invention has better mechanical performance than the protective layerless equipment.
본 발명에 따른 PZT 박막 나노제너레이터의 효율적인 전력 출력 특징파악을 위해서 전압과 전류 신호들이 2kΩ 내지 1GΩ범위에서 외부 부하에 대한 함수로 측정되었다. In order to efficiently characterize the power output of the PZT thin film nano generator according to the present invention, the voltage and current signals were measured as a function of the external load in the range of 2 kΩ to 1 GΩ.
도 16은 PZT 박막 나노제너레이터의 효율적인 전력 출력 특징을 정리한 그래프이다. 16 is a graph summarizing the efficient power output characteristics of the PZT thin film nano generator.
도 16을 참조하면, 저항이 증가함에 따라 순간전압 신호가 점차적으로 증가하며 높은 저항에서 포화된다. 반면에 낮은 저항에서 일정한 전류를 나타내다가 저항이 증가함에 따라 감소된다. 결과적으로, 순간 전력 밀도는 출력 전압과 전류의 곱으로 계산되며, 도 16의 내삽 그래프에서 볼 수 있듯이 200 MΩ저항에서 17.5 mW·cm-2까지 도달하였다. Referring to FIG. 16, as the resistance increases, the instantaneous voltage signal gradually increases and saturates at a high resistance. On the other hand, it shows a constant current at low resistance and decreases as the resistance increases. As a result, the instantaneous power density was calculated as the product of the output voltage and the current, and as shown in the interpolation graph of FIG. 16, reached from the 200 MΩ resistance to 17.5 mW · cm -2 .
도 17 및 18은 대면적 PZT 박막 나노제너레이터(3.5 cm x 3.5 cm)의 사진과, 생체역학의 움직임으로부터 에너지 전환을 측정한 결과이다. Figures 17 and 18 are photographs of a large area PZT thin film nano-generator (3.5 cm x 3.5 cm) and results of energy conversion measurements from biomechanical movements.
도 17의 내삽된 이미지는 사파이어 기판으로부터 옮겨진 PET기판(5 cm x 5 cm)위의 대면적의 PZT 박막을 보여준다. 도 18을 참조하면, 사람 손가락에 의한 불규칙적이고 약한 구부림 동작 하에서 측정된 전류가 ~8.7 ㎂ 수준의 높은 전기 에너지를 나타냈다. 그리고 도 18의 ii에서 보여진 것처럼 측정된 자료를 확인하기 위해서 역방향 전류도 기록하였다. 펴지는 동작에 의한 출력 신호 값은 사람의 손가락에 의한 동작 사이에서 변형율의 차이에 기인한다. 결국, 본 발명에 따라 제조된 나노제너레이터를 우수한 자가 발전 에너지원을 사용함으로써 직렬로 정렬된 105개의 상업적 LED 어레이(~250 V의 턴온 정압)에 직접 전력을 가할 수 있었다. The interpolated image of Figure 17 shows a large area PZT thin film on a PET substrate (5 cm x 5 cm) transferred from a sapphire substrate. Referring to Fig. 18, the electric current measured under an irregular and weak bending operation by the human finger showed a high electric energy of the level of ~ 8.7 占.. The reverse current was also recorded to verify the measured data as shown in Fig. 18 (ii). The output signal value due to the spreading operation is due to the difference in strain rate between the operation by the human finger. As a result, the nano-generator fabricated in accordance with the present invention was able to power directly to 105 commercial LED arrays (turn-on static pressure of ~ 250 V) aligned in series by using an excellent self-generating energy source.
도 19 및 20은 전력원으로 본 발명에 따른 나노제너레이터를 이용한 LED 어레이의 사진이다.19 and 20 are photographs of an LED array using a nano-generator according to the present invention as a power source.
도 19 및 20을 참조하면, 매우 밝은 105개의 블루 LED 들이 바에 연결되었으며, 그때 사람 손가락으로 약간 구부렸으며, 이후 펴는 동작에 의하여 LED 어레이에 순간적으로 불이 들어왔다(도 20 참조). Referring to FIGS. 19 and 20, very bright 105 blue LEDs were connected to the bar, slightly bent with a human finger, and then instantly turned on by LED arrays (see FIG. 20).
이러한 결과는 대면적의 나노제너레이터 장치가 가전제품을 동작 시키는데 충분한 에너지를 제공할 수 있음을 의미한다. 결론적으로, 본 발명에 의하여 고효율, 유연성, 초경량, 대면적의 압전 PZT 박막 나노제너레이터가 제조될 수 있으며, 전통적인 졸-겔법과 고온(섭씨 650도 수준)에서의 재결정의 단계를 거친 후 레이저 리프트 오프 과정을 이용함으로써, 기계적 결함이 없이 사파이어 기판으로부터 플라스틱 기판위로 유연성 PZT 박막을 전사시켜, 플렉서블 나노제너레이터를 제조할 수 있다. This result means that a large area nanogenerator device can provide enough energy to operate the appliance. As a result, a piezoelectric PZT thin film nano generator of high efficiency, flexibility, light weight, and large area can be manufactured by the present invention, and after a conventional sol-gel method and recrystallization at a high temperature (650 degrees Celsius) The flexible PZT thin film can be transferred from the sapphire substrate to the plastic substrate without mechanical defects, and a flexible nano-generator can be manufactured.
본 발명에 따른 플렉서블 나노제너레이터의 주기적인 구부림/펴는 움직임 동안 측정된 출력 전압과 전류는 각각 ~200 V 및 150 ㎂·cm-2에 이르며 이는 이전에 보고된 플렉서블 압전 나노제너레이터보다도 훨씬 높은 출력 성능을 보여준다. 또한, 불규칙적인 사람 손가락의 움직임과 같은 생체 움직에 의해서도, 본 발명에 따라 제조된 대면적의 박막 나노제너레이터(3.5 cm x 3.5 cm)는 외부 전원 없이도 100개 이상의 청색 LED를 동작시킬 수 있다.The output voltage and current measured during the periodic bending / stretching movements of the flexible nano-generator according to the present invention reach to ~ 200 V and 150 · · cm -2 , respectively, which is much higher than previously reported flexible piezoelectric nano-generator Show. In addition, even with living movement such as irregular human finger movements, a large-area thin film nano-generator (3.5 cm x 3.5 cm) manufactured according to the present invention can operate more than 100 blue LEDs without an external power source.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The foregoing description is merely illustrative of the technical idea of the present invention, and various changes and modifications may be made by those skilled in the art without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the embodiments disclosed in the present invention are intended to illustrate rather than limit the scope of the present invention, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments. The scope of protection of the present invention should be construed according to the following claims, and all technical ideas within the scope of equivalents should be construed as falling within the scope of the present invention.
Claims (16)
상기 압전물질층을 플렉서블 기판에 접합시키는 단계;
상기 투명 희생 기판 후면방향으로 레이저 빔을 조사하여, 상기 압전물질층을 상기 투명 희생 기판으로부터 분리하는 단계; 및
상기 분리된 압전물질층 상에 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 나노제너레이터 제조방법.Depositing a layer of piezoelectric material over the entire surface of the transparent sacrificial substrate;
Bonding the piezoelectric material layer to a flexible substrate;
Separating the piezoelectric material layer from the transparent sacrificial substrate by irradiating a laser beam toward the rear surface of the transparent sacrificial substrate; And
And forming an electrode on the separated piezoelectric material layer. ≪ RTI ID = 0.0 > 21. < / RTI >
감광성 접착층이 도포된 플렉서블 기판에 상기 압전물질층을 접촉시키는 단계; 및
상기 감광성 접착층으로 광을 조사하여 상기 압전물질층을 상기 플렉서블 기판에 접착시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 나노제너레이터 제조방법.The method of claim 1, wherein bonding the piezoelectric material layer to the flexible substrate comprises:
Contacting the piezoelectric material layer to a flexible substrate to which a photosensitive adhesive layer is applied; And
And irradiating light onto the photosensitive adhesive layer to adhere the piezoelectric material layer to the flexible substrate.
상기 조사되는 레이저 빔은 상기 투명 희생 기판을 투과하여, 상기 압전물질층과 상기 투명 희생 기판 사이의 계면에서 상기 압전물질층의 증발을 유도하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 나노제너레이터 제조방법.The method according to claim 1,
Wherein the irradiated laser beam transmits the transparent sacrificial substrate to induce evaporation of the piezoelectric material layer at an interface between the piezoelectric material layer and the transparent sacrificial substrate.
상기 분리된 압전물질층 상에 전극을 형성하는 단계 후, 상기 전극 및 상기 압전물질층을 덮도록 패시베이션층을 형성하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 나노제너레이터 제조방법.The method of manufacturing a flexible nano-generator according to claim 1,
And forming a passivation layer to cover the electrode and the piezoelectric material layer after forming the electrode on the separated piezoelectric material layer.
상기 패시베이션층 형성 단계 후, 상기 플렉서블 나노제너레이터에 대한 폴링 공정을 진행하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 나노제너레이터 제조방법. The method of manufacturing a flexible nano-generator according to claim 4,
Further comprising the step of performing a poling process on the flexible nano-generator after the step of forming the passivation layer.
상기 패시베이션층은 에폭시이며, 상기 압전물질층은 페로브스카이트 물질 또는 이원산화물 물질인 것을 특징으로 하는 플렉서블 나노제너레이터 제조방법.6. The method of claim 5,
Wherein the passivation layer is an epoxy and the piezoelectric material layer is a perovskite material or a bimetallic oxide material.
상기 압전물질층은 PZT, BaTiO3, PbTiO3 및 PbZrO3, ZnO, MgO, CdO로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 나노제너레이터 제조방법.The method according to claim 6,
Wherein the piezoelectric material layer comprises at least one material selected from the group consisting of PZT, BaTiO3, PbTiO3, PbZrO3, ZnO, MgO, and CdO.
상기 전극은 IDE(interdigital electrode) 타입인 것을 특징으로 하는 플렉서블 나노제너레이터 제조방법.The method according to claim 1,
Wherein the electrode is an interdigital electrode (IDE) type.
상기 플렉서블 기판 상에 적층된 압전물질층;
상기 압전물질층 상에 형성된 전극; 및
상기 압전물질층 및 상기 전극을 덮도록 구비된 패시베이션층;을 포함하며,
상기 압전물질층은 투명 희생 기판 상에 적층된 후, 상기 투명 희생 기판의 후면 방향으로 조사된 레이저 빔에 의한 레이저 리프트 오프 방식으로 분리된 것을 특징으로 하는 플렉서블 나노제너레이터.
A flexible substrate;
A piezoelectric material layer laminated on the flexible substrate;
An electrode formed on the piezoelectric material layer; And
And a passivation layer covering the piezoelectric material layer and the electrode,
Wherein the piezoelectric material layer is laminated on a transparent sacrificial substrate and then separated by a laser lift off method using a laser beam irradiated to the rear surface of the transparent sacrificial substrate.
상기 압전물질층은 레이저 조사에 의하여 증발이 될 수 있는 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 플렉서블 나노제너레이터.11. The method of claim 10,
Wherein the piezoelectric material layer is made of a material that can be evaporated by laser irradiation.
상기 압전물질층은 페로브스카이트 물질 또는 이원산화물 물질인 것을 특징으로 하는 플렉서블 나노제너레이터.11. The method of claim 10,
Wherein the piezoelectric material layer is a perovskite material or a bimetallic oxide material.
상기 압전물질층은 PZT, BaTiO3, PbTiO3 및 PbZrO3, ZnO, MgO, CdO로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 나노제너레이터.14. The method of claim 13,
Wherein the piezoelectric material layer comprises at least one material selected from the group consisting of PZT, BaTiO3, PbTiO3, PbZrO3, ZnO, MgO, and CdO.
상기 압전물질층은 레이저 리프트 오프 공정 후 페로브스카이트 상 또는 우르짜이트 상을 유지하여, 압전 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 플렉서블 나노제너레이터.11. The method of claim 10,
Wherein the piezoelectric material layer maintains a perovskite phase or a wurtzite phase after the laser lift-off process and has a piezoelectric property.
상기 전극은 IDE(interdigital electrode) 타입인 것을 특징으로 하는 플렉서블 나노제너레이터.11. The method of claim 10,
Wherein the electrode is an interdigital electrode (IDE) type.
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