KR101809376B1 - 압전 하베스팅 소자 - Google Patents

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고려대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 압전 하베스팅 소자에 관한 것으로서, 본 발명의 실시예에 따른 압전 하베스팅 소자는 기판(100), 기판(100)의 상부로부터 이격 배치되는 상부 전극층(300), 금속층(220), 금속층(220)의 상부 및 하부 각각에 하나씩 형성된 한 쌍의 산화물층(210, 230)을 포함하고, 기판(100)의 상부에 배치되는 하부 전극층(200), 및 하부 전극층(200)과 상부 전극층(300) 사이에 배치되고, 페로브스카이트형 구조체로 형성된 압전층(400)을 포함한다.

Description

압전 하베스팅 소자 {Piezoelectric harvesting device}
본 발명은 압전 하베스팅 소자에 관한 것이다.
압전소자 (piezoelectric device)란, 산화아연, PZT와 같은 강유전체 등의 압전물질을 이용한 반도체 소자로서, 기계 에너지와 전기 에너지를 상호변환할 수 있으며, 그 구조가 간단하고 내구성이 좋으며 에너지 변환효율이 높다는 장점을 갖는다. 이러한 압전소자는 압력 및 진동과 같은 기계 에너지가 존재하는 곳이라면 어디에든 활용될 수 있다.
최근, 힘, 압력, 진동 등과 같은 주위의 에너지를 사용가능한 전기에너지로 변환해주는 에너지 하베스팅 (energy harvesting) 기술이 신재생 에너지 및 미래 지속가능한 청정 에너지로서 많은 연구가 진행 중에 있으며, 특히 이러한 에너지 하베스팅 기술 중에서도 압전체를 활용한 압전 발전은 에너지 변환 효율이 크고, 소형 및 경량화가 가능하며, 다양한 영역에 응용이 가능하다는 장점으로 인해서 많은 각광을 받고 있다.
압전에너지 하베스팅은 자동차의 2차 발전장치, 가정용 발전장치, 의료용 장치의 보조 전원, 착용 가능한 (wearable) 전자제품 등에 적용하기 위한 연구가 진행 중에 있으며, 또한 유비쿼터스 센서 네트워크 (USN)의 에너지원으로 검토되고 있다. 이외에도, 인공 심장, 심장 박동기 등 인체에 적용하는 응용이나, 건축 구조물 진단용 센서 전원 등의 소규모 전원, 로봇 등의 차세대 전자장치의 전원으로도 적용하기 위한 연구가 진행 중이다.
도 1에는 대표적인 압전 물질인 PMN-PT를 사용하는 에너지 하베스팅 소자가 전기 에너지를 만들어내는 원리를 도시하였다. 도 1을 참조하면, 기계적 에너지를 받지 않은 상태에서 PMN-PT 박막에 존재하는 쌍극자는 폴링 (poling)에 의해 소자의 표면에 수직으로 배열되어 있다. 한편, 소자가 응력을 받아 휘어지게 되면 소자의 변형으로 인해 PMN-PT 박막 내부에 압전 전위가 형성되며, 전자는 쌍극자에 의해 만들어진 전위의 균형을 맞추기 위하여 외부 회로를 통해 흐르게 되고, 결과적으로 위쪽 전극에 쌓이게 된다. 한편, 소자에 작용하던 응력이 사라져 다시 처음 상태로 돌아가면 전하 또한 회로를 통해 처음 자리로 되돌아간다. 전체적으로, 소자에 압력이 가해지고 제거되는 반복적인 과정을 통해 양의 전기 신호와 음의 전기 신호가 번갈아 생기게 된다.
그러나, 압전 에너지 발전소자는 가해지는 압력이 작은 경우에는 발생하는 전기 에너지가 작다는 문제점이 있다. 또한, 압전 에너지 발전소자는 소자가 구부려지거나 (bending), 진동되는 경우 (vibration)에만 전기적 에너지를 발전시킬 수 있다는 한계가 있다. 특히, 압전 에너지 발전소자에 큰 응력 (압력)이 수직 방향으로 가해지는 경우, 압전 에너지 발전소자를 구성하는 소재 또는 소재와 전극 사이의 계면이 파괴될 수 있어, 압전 에너지 발전소자의 기계적 안정성 및 신뢰성에 문제를 초래하게 된다.
관련해서, 압전물질 및 중합체가 혼합된 복합체를 포함하는 압전 에너지 발전소자가 개시된 바 있으며 (특허문헌 1), 이는 제1 전극층; 상기 제1 전극층과 이격된 제2 전극층; 및 상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층 사이에 위치하고, 무기물 압전물질 및 유기물 중합체 매트릭스가 서로 혼합된 복합체인 압전체층을 포함하는 구조를 갖는다. 그러나, 상기 문헌에 사용된 ITO 전극의 경우, 고온 열처리가 필요한 ITO 투명전극을 사용하는 관계로 유연성을 갖는 플렉서블 폴리머 기판을 사용하기 어렵다는 문제점이 있으며, 또한, ITO 투명전극의 경우 주성분인 인듐이 희귀 재료인 관계로 매년 가격이 폭등하고 있는 추세이다. 따라서 압전 하베스팅 소자의 고효율을 달성하기 위해서는 고품위의 전극 구현이 중요한 이슈이다.
특허문헌 1: 대한민국 등록특허공보 제10-1465346호
본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 일측면은 종래 통상적으로 사용되는 ITO 투명전극 기반의 압전소자 보다 기계적 안정성 및 신뢰성이 우수하고, 또한 지속적으로 더욱 큰 전기 에너지 및 고출력을 발생시킬 수 있는 다층구조 전극을 포함하는 압전 하베스팅 소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 압전 하베스팅 소자는 기판; 상기 기판의 상부로부터 이격 배치되는 상부 전극층; 금속층, 상기 금속층의 상부 및 하부 각각에 하나씩 형성된 한 쌍의 산화물층을 포함하고, 상기 기판의 상부에 배치되는 하부 전극층; 및 상기 하부 전극층과 상기 상부 전극층 사이에 배치되고, 페로브스카이트형 구조체로 형성된 압전층;을 포함한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 압전 하베스팅 소자에 있어서, 상기 금속층은 Ag, Au, Ti, Ni, Mo, Cu, Pt, 및 Al로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 금속으로 이루어지고, 필름 형태, 나노 와이어 형태, 또는 금속 메쉬 형태로 형성된다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 압전 하베스팅 소자에 있어서, 상기 산화물층은 Ti-O, Zn-O, Ni-O, Mo-O, V-O, W-O, Mg-O, Si-O, Sn-O, Ta-O, Hf-O, Al-O, Ni-In-O, Zn-In-O, Zn-Si-O, Zn-Al-O, Zn-Mg-O, Cu-In-O, Mo-In-O, Ge-In-O, Si-In-O, Sn-In-O, Mn-In-O, Mg-In-O, Ga-In-O, Al-In-O, B-In-O, V-In-O, In-O-Cl, In-O-F, W-In-O, Ta-In-O, Hf-In-O, Re-In-O, Mg-Sn-O, Ga-Zn-In-O, Sr-V-O, Ca-V-O, 및 Ga-Sn-Zn-In-O로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 산화물로 이루어진다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 압전 하베스팅 소자에 있어서, 상기 산화물층은 우르짜이트 구조를 갖는 산화물로 이루어진다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 압전 하베스팅 소자에 있어서, 상기 한 쌍의 산화물층은 각각 서로 다른 산화물층이다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 압전 하베스팅 소자에 있어서, 상기 기판은 글라스 (glass), 실리콘 (Si), 폴리에테르술폰 (PES), 폴리에틸렌테레프탈레이트 (PET), 폴리카보네이트 (PC), 폴리이미드 (PI), 및 폴리에틸렌나프탈레이트 (PEN)로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 물질로 이루어진다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 압전 하베스팅 소자에 있어서, 상기 압전층과 상기 상부금속층 사이에 PEDOT:PSS 유기물로 형성된 유기물층, 또는 산화물층;을 더 포함한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 압전 하베스팅 소자에 있어서, 상기 하부 전극층과 상기 압전층 사이에 배치되고, P3HT로 형성된 패시베이션층;을 더 포함한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 압전 하베스팅 소자에 있어서, 상기 압전층과 상기 상부금속층 사이에 배치되고, P3HT로 형성된 패시베이션층;을 더 포함한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 압전 하베스팅 소자에 있어서, 상기 금속층은 상기 한 쌍의 산화물층 사이에서 분산 배치되는 다수의 금속 나노구조체; 및 상기 금속 나노구조체의 외면에 배치되는 다수의 산화물 입자를 포함한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 압전 하베스팅 소자에 있어서, 상기 한 쌍의 산화물층 중 상기 금속층의 상부에 배치되는 상부산화물층에 일단이 연결되고, 상기 압전층에 타단이 연결되는 다수의 나노로드;를 더 포함한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 압전 하베스팅 소자에 있어서, 상기 나노로드와 상기 상부산화물층은 동일한 소재로 형성된다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.
이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명에 따르면, 기존의 ITO 전극보다 밴딩 특성이 좋은 다층 구조 전극을 사용함으로써, 수직으로 큰 응력 (압력)이 가해지는 경우에도 높은 기계적 안정성과 신뢰성을 확보할 수 있고, 지속적으로 큰 전기 에너지를 발생할 수 있으며, 패시베이션 효과를 이용함으로써 더욱 고출력을 나타낼 수 있고, 더 나아가, 다층 전극 위에 나노로드를 바로 성장시킬 수 있기 때문에 고품위의 나노로드 성장이 가능한 압전 하베스팅 소자를 제공할 수 있다.
도 1은 종래 PMN-PT를 사용하는 압전 하베스팅 소자를 이용하여 전기에너지를 생산하는 원리를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 압전 하베스팅 소자의 단면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 하부 전극층의 투과 전자 현미경(TEM)의 사진이다.
도 4는 도 2의 원 A의 확대도이다.
도 5a 내지 도 5b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전 하베스팅 소자의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 압전 하베스팅 소자의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 압전 하베스팅 소자의 밴딩 실험 사진이다.
도 8a 내지 도 8b는 본 발명의 실시예에 따른 압전 하베스팅 소자의 밴딩 특성 그래프 및 기존 ITO 기반 압전소자에 대한 밴딩 특성 그래프이다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, "제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다. 이하, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태를 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 압전 하베스팅 소자의 단면도이고, 도 3은 도 2에 도시된 하부 전극층의 투과 전자 현미경(TEM)의 사진이며, 도 4는 도 2의 원 A의 확대도이다.
도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 압전 하베스팅 소자는 기판(100), 기판(100)의 상부로부터 이격 배치되는 상부 전극층(300), 금속층(220), 금속층(220)의 상부 및 하부 각각에 하나씩 형성된 한 쌍의 산화물층(210, 230)을 포함하고, 기판(100)의 상부에 배치되는 하부 전극층(200), 및 하부 전극층(200)과 상부 전극층(300) 사이에 배치되고, 페로브스카이트형 구조체로 형성된 압전층(400)을 포함한다.
본 발명에 따른 압전 하베스팅 소자는 압전 물질을 활용하여 전기에너지를 생산하는 소자에 관한 것이다. 본 발명에 따른 압전 하베스팅 소자는 종래 통상적인 ITO 투명전극 기반 압전소자의 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 압전소자에 큰 응력 또는 압력이 가해지는 경우 압전소자를 구성하는 소재, 또는 소재와 전극 사이의 계면 파괴현상을 효과적으로 방지함으로써 기계적 안정성 및 신뢰성을 도모하고, 또한 지속적으로 더욱 큰 전기 에너지 및 고출력을 발생시킬 수 있는 유무기 다층구조 전극을 포함하는 압전 하베스팅 소자를 제공하고자 한다.
본 실시예에 따른 압전 하베스팅 소자는 기판(100), 상부 전극층(300), 하부 전극층(200), 압전층(400)을 포함한다.
여기서, 기판(100)은 외부에서 가해지는 압력 또는 응력을 고려할 때, 플렉서블 특성을 갖는 기판(100)인 것이 바람직하다. 다만 반드시 이에 제한되는 것은 아니므로, 글라스 (glass), 실리콘 (Si), 폴리에테르술폰 (PES), 폴리에틸렌테레프탈레이트 (PET), 폴리카보네이트 (PC), 폴리이미드 (PI), 및 폴리에틸렌나프탈레이트 (PEN)로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 물질로 이루어진 기판(100)을 사용하는 것도 가능하다. 이러한 기판(100)과 이격되어 상부 전극층(300)이 배치된다.
상부 전극층(300)은 도전성 물질로서, Au, Ag, Cu, 그래핀 등으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상으로 형성될 수 있는데, 이에 한정되는 것은 아니다. 상부 전극층(300)과 기판(100)의 상부 사이에는 하부 전극층(200)이 배치된다.
여기서, 하부 전극층(200)은 금속층(220)과 금속층(220)의 상부 및 하부 각각에 형성된 한 쌍의 산화물층(210, 230)을 포함하여, 하부 산화물층(210)/금속층(220)/상부 산화물층(230)의 다층 구조로 형성된다. 이러한 하부 전극층(200)은 종래 통상적인 압전소자에서 사용되는 ITO 전극층을 대체한다. 본 발명에 따른 다층 구조의 하부 전극층(200)은 밴딩 특성이 우수하여, 큰 응력 및 압력이 가해지는 경우 종래 ITO 전극층에 비해 높은 기계적 안정성과 신뢰성을 확보할 수 있고, 나아가 전기적 특성까지 향상시킨다.
여기서, 상기 금속층(220)은 Ag, Au, Ti, Ni, Mo, Cu, Pt, 및 Al로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 금속으로서, 필름 형태, 나노와이어 형태, 금속 메쉬 형태로 형성될 수 있다.
한편, 상기 산화물층은 Ti-O, Zn-O, Ni-O, Mo-O, V-O, W-O, Mg-O, Si-O, Sn-O, Ta-O, Hf-O, Al-O, Ni-In-O, Zn-In-O, Zn-Si-O, Zn-Al-O, Zn-Mg-O, Cu-In-O, Mo-In-O, Ge-In-O, Si-In-O, Sn-In-O, Mn-In-O, Mg-In-O, Ga-In-O, Al-In-O, B-In-O, V-In-O, In-O-Cl, In-O-F, W-In-O, Ta-In-O, Hf-In-O, Re-In-O, Mg-Sn-O, Ga-Zn-In-O, Sr-V-O, Ca-V-O, 및 Ga-Sn-Zn-In-O로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 산화물로 이루어질 수 있으며, 더욱 바람직하게는 ZnO 산화물과 같은 우르짜이트 구조(wurtzite structure)를 갖는 산화물로 이루어질 수 있다. 다만, 반드시 이러한 소재에 한정되어야 하는 것은 아니다.
이때, 산화물층(210, 230)의 두께는 각각 5 ~ 100 ㎚일 수 있다. 산화물층(210, 230)의 두께가 5 nm 미만인 경우에는 투과도 및 계면 특성의 문제점이 있고, 100 nm를 초과하는 경우에는 유연성의 문제점이 있어서 바람직하지 않다. 다만, 여기서의 두께는 산화물층(210, 230), 금속층(220) 등의 소재 및 두께에 따라 결정될 수 있으므로, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
여기서, 상부 산화물층(230)과 하부 산화물층(210)은 서로 동일한 산화물로 형성될 수도 있지만, 경우에 따라서는 각각 서로 다른 산화물이 적층되는 구성도 가능하다.
한편, 금속층(220)은 5 ~ 50 nm의 두께로 형성될 수 있는데, 두께가 5 nm 미만인 경우에는 전기적 특성의 문제점이 있고, 50 nm를 초과하는 경우에는 다층 구조 투명전극의 투과도 및 유연성에 문제점이 있을 수 있다. 다만, 그 두께는 산화물층(210, 230), 금속층(220) 등의 소재 및 두께에 따라 결정될 수 있으므로, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서, 금속층(220)이 나노와이어 형태, 또는 금속 메쉬 형태로 형성된 경우에는 그 두께가 5 ㎚ ~ 1 ㎛일 수 있다.
이렇게 형성된 하부 전극층(200)은 기판(100)의 상부에 형성되는데, 예를 들어, 도 3에서와 같이, 폴리에틸렌테레프탈레이트 (PET) 기판(100) 상에 금속층(220)으로서 Ag층을, 산화물층의 상부 및 하부에 각각 ZnO층을 적층한 구조로 형성될 수 있다.
압전층(400)은 하부 전극층(200)과 상부 전극층(300) 사이에 배치되는데, 이때 압전 특성은 페로브스카이트형 구조체에 의해 발휘된다. 기존에 사용되는 압전물질인 산화아연(ZnO)의 경우에는 압전 결합 상수(piezoelectric coupling constant)가 낮아 출력이 낮다. 특히, 큰 압력(응력)이 수직한 방향으로 작용할 때에, 압전물질과 전극 사이의 계면이 파괴될 수 있어, 종래 압전 에너지 발전소자의 안정성 및 신뢰성에 문제가 발생했다. 이에 본 발명에서는 산화아연보다 압전 결합 상수가 큰 페로브스카이트형 구조체를 사용하여 기계적 안정성 및 신뢰성을 향상시킨다. 여기서, 페로브스카이트형 구조체는 페로브스카이트의 구조를 가지는 재료로서, Sr-V-O, Ba-Ti-O, Sr-Ti-O, Ca-Ti-O, Pb-Ti-O, Li-Nb-O, Pb-Zr,Ti-O(PZT), Pb-Mg,Nb-O(PMN), Pb-Mg,Ta-O(PMT), Pb-Zn,Nb-O(PZN), Pb-Sc,Ta-O(PST), Pb-La-Zr-Ti-V-O(PLZT), CH3NH3PbBr3, CH3NH3PbI3 등 화학식 RMX3으로 나타내는 결정구조를 가지는 물질을 의미한다.
한편, 본 실시예에 따른 압전 하베스팅 소자는 유기물층(500)을 더 포함할 수 있다. 여기서, 유기물층(500)은 압전층(400)과 상부 전극층(300) 사이에 PEDOT:PSS 유기물이 배치되어 형성된다. 이러한 유기물층(500)은 정공 추출층으로서의 역할을 수행한다. 동시에, 전자 차단층으로서 높은 쇼키트 배리어 (hight Schottky barrier)를 형성하여, 전자가 상부 전극층(300) 사이의 계면 영역에 축적하게 하는데, 이러한 축적은 전자에 의해 생성된 포텐셜이 압전 포텐셜과 평형 상태를 이룰 때까지 계속되고, 기계적 변형이 해제되었을 때에, 압전 포텐셜은 바로 소멸되고 상부 전극층(300) 근처에 축적된 전자는 외부 회로를 통해 하부 전극층(200)으로 돌아간다. 이때, PEDOT:PSS 유기물은 무기물 소재에 비해 우수한 밴딩 특성을 가지므로, 기계적 안정성을 향상시킨다. 다만, 여기서의 유기물층(500)은 정공 추출층의 역할을 하는 산화물층을 대신 사용할 수도 있다.
도 4는 도 2의 원 A의 확대도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 하부 전극층(200)의 금속층(220)은 다수의 금속 나노구조체(221), 및 다수의 산화물 입자(223)를 포함할 수 있다. 금속층(220)은 도 2 내지 도 3에서와 같이, 박막 형태로 형성될 수 있으나, 본 실시예에서는 금속 나노구조체(221)에 산화물 입자(223)가 코팅된 형태로 분산 배치될 수 있다. 여기서, 금속 나노구조체(221)는 나노와이어, 나노튜브, 및 나노로드 중 어느 하나 이상의 형태로 형성될 수 있다. 즉, 나노와이어, 나노튜브, 또는 나노로드 중 어느 하나의 형태를 갖거나, 또는 서로 다른 형태끼리 결합되어 다른 구조체의 형태를 가질 수 있다. 또는 금속 나노구조체(221)는 다수 개이므로, 그 중 일부와 다른 일부가 서로 다른 형태로 형성되어도 무방하다.
다수의 금속 나노구조체(221)는 일부 또는 전체가 메쉬 형태로 서로 교차하여 배열될 수 있다. 메쉬 형태일 때에 넓은 범위에 걸쳐 분산되고, 금속 나노구조체(221)가 단속되지 않고 서로 이어져 전자가 자유롭게 이동할 수 있다.
산화물 입자(223)는 금속 나노구조체(221)의 외면에 배치되어, 비표면적을 확장시킨다. 이때, 산화물 입자(223)는 산화물층을 이루는 물질과 동일한 물질로 형성될 수 있다.
도 5a 내지 도 5b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전 하베스팅 소자의 단면도이다.
도 5a 내지 도 5b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전 하베스팅 소자는 패시베이션층(passivation, 600)을 더 포함할 수 있다. 여기서, 패시베이션층(600)은 P3HT로 형성되어, 하부 전극층(200)과 압전층(400) 사이(도 5a 참조), 또는 압전층(400)과 상부 전극층(300) 사이(도 5b 참조)에 배치된다. 이러한 패시베이션층(600)은 종래 ZnO 기반의 압전 에너지 발전소자에서 발생될 수 있는 압전 포텐셜 스크리닝 (piezoelectric potential screening)을 효과적으로 감소시키는 역할을 수행한다. 압전 포텐셜 스크리닝이란, 압전물질, 예를 들어 ZnO와 같은 물질이 기계적 변형에 의해서 압전 포텐셜을 생성하는 경우, ZnO에 존재하는 자유 전자들이 생성되는 압전 포텐셜의 일부를 스크리닝하는 현상을 의미한다. 즉, 기계적 변형에 의해서 압전 포텐셜이 생성될 때 생성된 (+) 포텐셜이 ZnO 내부의 자유 전자와 결합하여 포텐셜을 감소시키는 현상을 의미하는 것이다.
이에, 본 실시예에 따른 압전 하베스팅 소자는 이러한 압전 포텐셜 스크리닝을 감소시키기 위한 구성으로서, 상기 하부 전극층(200)의 산화물층이 ZnO로 형성된 경우에 P3HT 패시베이션층(600)을 더 적층시킨다. 패시베이션층(600)이 배치되면, 하부 전극층(200)의 상부 산화물층(230)의 계면 근처에 존재하는 홀들이 상부 산화물층(230) 내로 확산되고, 반대로 상부 산화물층(230)으로부터의 자유 전자는 패시베이션층(600)으로 확산되어 전자와 홀이 조합된 계면 전하 디플리션 구역 (interface charge-depletion zone)을 형성하게 된다. 이러한 현상은 전자-홀 패시베이션 (electron-hole passivation) 효과로 불리우며, 이러한 현상에 의해서 전술한 압전 포텐셜 스크리닝 현상이 감소하게 된다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 압전 하베스팅 소자의 단면도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 압전 하베스팅 소자는 다수의 나노로드(700)를 더 포함할 수 있다. 여기서, 나노로드(700)의 일단은 금속층(220)의 상부에 배치되는 상부 산화물층(230)에 연결되고, 타단은 압전층(400)에 연결된다. 즉, 상기 나노로드(700)는 상부 산화물층(230)으로부터 성장될 수 있다.
여기서, 나노로드(700)와 상부 산화물층(230)은 동일한 소재로 형성될 수 있다. 이때, 별도의 씨드 물질을 도포할 필요 없이 상부 산화물층(230)으로부터 나노로드(700) 구조를 성장시키는 바, 공정이 간편하고, 고품질의 나노로드(700)를 성장시킬 수 있다. 예를 들어, 상부 산화물층(230)이 ZnO로 형성된 경우에, ZnO 상부 산화물층(230)으로부터 ZnO 나노로드(700)가 성장한다.
한편, 종래 압전 에너지 발전소자에 통용되는 ITO 또는 FTO의 경우에는 높은 열처리를 통해서 광학적, 전기적 특성을 나타내게 되는 바, 열에 약한 플렉서블 기판(100)을 사용하여 유연성 소자를 생산하는데 문제가 있었다. 그러나, 본 발명에 따른 압전 하베스팅 소자는 다층 구조의 하부 전극층(200) 제조과정에서 열처리가 필요하지 않기 때문에, 전술한 문제점을 극복할 수 있다. 예를 들어, 본 발명에 따른 압전 하베스팅 소자에 있어서 하부 전극층(200)은 스퍼터링법, 무손상 스퍼터링법 (damage-free sputtering), 전자빔 층착법, 롤투롤 (Roll-to-roll) 공정, 또는 연속 증발 증착법과 같은 저온 공정들에 의해서 적층될 수 있다.
일반적으로, 압전 에너지 발전소자에서 생성되는 전기에너지는 하기 식 (1)과 같이 재료 특성인 전기-기계 결합계수 (κ, electro-mechanical coupling coefficient)에 의해서 결정되는 바, 주어진 힘에서 보다 많은 전기에너지를 생산하기 위해서는 전기-기계 결합계수의 수치가 큰 재료의 개발이 필요하다.
<식 (1)>
Figure 112016088132935-pat00001
상기 식에서, u는 생성되는 최대 전기에너지, Y는 재료의 영 률 (Young’s modulus), T는 재료에 가해주는 응력의 크기를 나타내며, 재료의 전기-기계 결합계수 (k)는 하기 식(2)와 같이 표현된다.
<식 (2)>
Figure 112016088132935-pat00002
한편, 본 발명에 따른 압전 하베스팅 소자는 기존 ITO 전극 기반의 압전 에너지 발전소자에 비해서 더욱 큰 응력 (T)를 소자에 가해주는 것이 가능하므로, 기존 압전 에너지 발전소자에 비해서 더욱 큰 최대 전기에너지값을 도출해내는 것이 가능하다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 압전 하베스팅 소자의 밴딩 실험 사진이고, 도 8a 내지 도 8b는 본 발명의 실시예에 따른 압전 하베스팅 소자의 밴딩 특성 그래프 및 기존 ITO 기반 압전소자에 대한 밴딩 특성 그래프이다.
도 8a 및 8b를 참조하면 본 발명에 따른 압전 하베스팅 소자용 다층 투명전극은 1000 사이클의 밴딩 이후에도 안정적인 전기적 특성을 나타내었지만, 기존 ITO 기반의 압전 에너지 발전소자 전극의 경우에는 10 사이클 미만의 밴딩에도 급격한 특성의 변화를 나타냄을 알 수 있다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.
이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
100: 기판 300: 상부 전극층
200: 하부 전극층 210: 하부 산화물층
220: 금속층 221: 금속 나노구조체
223: 산화물 입자 230: 상부 산화물층
400: 압전층 500: 유기물층
600: 패시베이션층 700: 나노로드

Claims (12)

  1. 기판;
    상기 기판의 상부로부터 이격 배치되는 상부 전극층;
    금속층, 상기 금속층의 상부 및 하부 각각에 하나씩 형성된 한 쌍의 산화물층을 포함하고, 상기 기판의 상부에 배치되는 하부 전극층; 및
    상기 하부 전극층과 상기 상부 전극층 사이에 배치되고, 페로브스카이트형 구조체로 형성된 압전층;
    을 포함하고,
    상기 압전층과 상기 상부 전극층 사이에 PEDOT:PSS 유기물로 형성된 유기물층, 또는 산화물층;
    을 더 포함하며,
    상기 금속층은,
    상기 한 쌍의 산화물층 사이에서 분산 배치되는 다수의 금속 나노구조체; 및
    상기 금속 나노구조체의 외면에 배치되는 다수의 산화물 입자를 포함하는 압전하베스팅 소자.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 금속층은 Ag, Au, Ti, Ni, Mo, Cu, Pt, 및 Al로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 금속으로 이루어지는 압전 하베스팅 소자.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 산화물층은 Ti-O, Zn-O, Ni-O, Mo-O, V-O, W-O, Mg-O, Si-O, Sn-O, Ta-O, Hf-O, Al-O, Ni-In-O, Zn-In-O, Zn-Si-O, Zn-Al-O, Zn-Mg-O, Cu-In-O, Mo-In-O, Ge-In-O, Si-In-O, Sn-In-O, Mn-In-O, Mg-In-O, Ga-In-O, Al-In-O, B-In-O, V-In-O, In-O-Cl, In-O-F, W-In-O, Ta-In-O, Hf-In-O, Re-In-O, Mg-Sn-O, Ga-Zn-In-O, Sr-V-O, Ca-V-O, 및 Ga-Sn-Zn-In-O로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 산화물로 이루어지는 압전 하베스팅 소자.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 산화물층은 우르짜이트 구조를 갖는 산화물로 이루어진 압전 하베스팅 소자.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 한 쌍의 산화물층은 각각 서로 다른 산화물층인 압전 하베스팅 소자.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 기판은 글라스 (glass), 실리콘 (Si), 폴리에테르술폰 (PES), 폴리에틸렌테레프탈레이트 (PET), 폴리카보네이트 (PC), 폴리이미드 (PI), 및 폴리에틸렌나프탈레이트 (PEN)로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 물질로 이루어지는 압전 하베스팅 소자.
  7. 삭제
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 하부 전극층과 상기 압전층 사이에 배치되고, P3HT로 형성된 패시베이션층;
    을 더 포함하는 압전 하베스팅 소자.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 압전층과 상기 상부 전극층 사이에 배치되고, P3HT로 형성된 패시베이션층;
    을 더 포함하는 압전 하베스팅 소자.
  10. 삭제
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 한 쌍의 산화물층 중 상기 금속층의 상부에 배치되는 상부산화물층에 일단이 연결되고, 상기 압전층에 타단이 연결되는 다수의 나노로드;
    를 더 포함하는 압전 하베스팅 소자.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 나노로드와 상기 상부산화물층은 동일한 소재로 형성되는 압전 하베스팅 소자.
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