KR102375889B1 - 에너지 발생 장치 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
에너지 발생장치 및 그 제조방법을 제공한다. 상기 에너지 발생장치는 제1 전극, 상기 제1 전극 위에 위치하고 규칙적으로 배열되어 있는 복수의 패턴을 가지는 금속층, 상기 금속층 위에 위치하는 유기물 층, 그리고 상기 제1 전극 및 유기물 층 사이에 위치하는 압전체 층을 포함한다.
Description
에너지 발생 장치 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근 에너지 하베스팅(energy harvesting)에 관한 기술이 이슈화되고 있다.
에너지 하베스팅 장치들 중 압전 특성(piezoelectric effect)을 이용한 에너지 발생 장치는 주변에 존재하는 미세 진동이나 인간의 움직임으로부터 발생되는 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있는 친환경 에너지 장치라 할 수 있다.
한편, 장치의 소형화 요구는 날이 갈수록 높아지고 있으며 이에 따라 나노 크기의 압전 물질을 이용한 에너지 발생 장치가 연구되고 있다. 현재 주로 사용하는 VLS 방식 (Vapor-Liquid-Solid method)은 고온에서 폭발성을 가지는 기체를 사용하는 공정을 거쳐야 하고, 또한 합성된 압전 물질이 균일한 길이나 배열을 이루지 못한 상태로 성장되는 경향이 있다.
일 구현예는 균일한 크기와 배열을 가지는 압전체 층을 적용하여 보다 효율적으로 에너지를 수확할 수 있는 에너지 발생장치에 관한 것이다.
다른 일 구현예는 쉽고 안정적인 공정으로 고순도의 균일한 압전체 층을 형성할 수 있는 에너지 발생장치의 제조방법에 관한 것이다.
일 구현예에 따르면, 제1 전극, 상기 제1 전극 위에 위치하고 규칙적으로 배열되어 있는 복수의 패턴을 가지는 금속층, 상기 금속층 위에 위치하는 유기물 층, 그리고 상기 제1 전극 및 유기물 층 사이에 위치하는 압전체 층을 포함하는 에너지 발생장치를 제공한다.
상기 압전체 층은 상기 금속층의 인접한 패턴들 사이의 간격에 형성될 수 있다.
상기 압전체 층은 나노 구조물일 수 있다.
상기 제1 전극과 상기 금속층 사이에 위치하고 전기 전도성을 가지는 제1 보조층을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 보조층은 탄소 나노튜브, 도전성 폴리머, 그래핀, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 에너지 발생장치는 상기 유기물 층 위에 위치하는 제2 전극을 더 포함할 수 있다.
상기 제2 전극은 투명 전극일 수 있다.
상기 유기물 층은 p형 반도체 물질을 포함하고, 상기 압전체 층은 n형 반도체 물질을 포함할 수 있다.
상기 압전체 층은 PVDF(polyvinylidene fluoride), 산화아연(ZnO), 납-지르코늄-티타늄산화물(lead zirconate titanate; PZT), 티탄산바륨(BaTiO3), 티탄산납 (PbTiO3), 질화알루미늄(AlN), 질화갈륨(GaN), 카드뮴 셀레나이드(CdSe), 탄화실리콘(SiC), 또는 이들의 조합인 압전물질을 포함할 있다.
다른 일 구현예에 따르면, 상기 제1 전극 위에 규칙적으로 배열되어 있는 복수의 패턴을 가지는 금속층을 형성하는 단계, 상기 금속층의 인접한 패턴들 사이에 압전체 층을 형성하는 단계, 그리고 상기 압전체 층 위에 유기물 층을 형성하는 단계를 포함하는 에너지 발생장치의 제조방법을 제공한다.
상기 압전체 층은 전기화학 증착법(electrochemical deposition)을 이용하여 형성되는 것일 수 있다.
상기 압전체 층은 나노 구조물로 형성할 수 있다.
상기 금속층은 알루미늄 옥사이드를 사용하여 형성할 수 있다.
상기 에너지 발생장치의 제조방법은 상기 제1 전극과 상기 금속층 사이에 전기 전도성을 가지는 제1 보조층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 에너지 발생장치의 제조방법은 상기 유기물 층 위에 제2 전극을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 압전체 층을 형성하는 단계는 압전물질 용액을 상기 금속층의 인접한 나노 패턴들 사이에 공급하는 과정을 포함할 수 있다.
균일한 크기와 배열을 가지는 압전체 층을 구현함으로써 보다 효율적으로 에너지를 수확할 수 있다. 또한 태양광에 의한 에너지 발생 및 압전에 의한 에너지 발생이 동시에 이루어질 수 있을 뿐만 아니라 압력 센싱을 통해 광 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 상승 효과(synergy effect)를 얻을 수 있어 에너지 발생 효율을 보다 향상시킬 수 있다.
도 1은 일 구현예에 따른 에너지 발생장치를 도시한 단면도이고,
도 2는 다른 일 구현예에 따른 에너지 발생장치의 제조방법에 따라 복수의 패턴을 가지는 금속층을 제1 전극 위에 형성하는 과정을 설명하기 위한 도면이고,
도 3은 상기 에너지 발생장치의 제조방법에 따라 금속층의 인접한 패턴들 사이에 압전체 층(5)을 형성한 구조를 도시한 단면도이고,
도 4는 상기 에너지 발생장치의 제조방법에 따라 유기물 층을 압전체 층 위에 형성한 구조를 도시한 단면도이고,
도 5는 상기 에너지 발생장치의 제조방법에 따라 유기물 층 위에 제2 전극을 형성한 구조를 도시한 단면도이고,
도 6은 일 예에 따라 설계된 압전 태양전지의 단면도이고,
도 7은 상기 압전 태양전지의 높이에 따른 전압을 나타내는 그래프이고,
도 8은 상기 압전 태양전지의 높이에 따른 HUMO(highest unoccupied molecular orbital) 및 LUMO(lowest unoccupied molecular orbital) 레벨을 나타내는 그래프이고,
도 9는 상기 압전 태양전지의 압력에 따른 캐리어 분리도를 나타내는 그래프이고,
도 10은 다른 일 예에 따라 설계된 압전 태양전지의 단면도이고,
도 11은 도 10의 압전 태양전지의 압전 나노와이어를 보여주는 SEM 사진이고,
도 12는 도 10의 압전 태양전지에서 그래핀 층이 생략된 경우의 압전 나노와이어를 보여주는 SEM 사진이고,
도 13은 도 10의 압전 태양전지의 (a) 자외선(UV-light) 조사시 소정 크기의 힘을 가한 경우의 전압-전류 그래프, (b) 빛과 힘을 모두 가하지 않은 경우의 전압-전류 그래프, 및 (c) 자외선(UV-light)을 조사하되 힘은 가하지 않은 경우의 전압-전류 그래프이고,
도 14는 도 13을 확대하여 도시한 그래프이다.
도 2는 다른 일 구현예에 따른 에너지 발생장치의 제조방법에 따라 복수의 패턴을 가지는 금속층을 제1 전극 위에 형성하는 과정을 설명하기 위한 도면이고,
도 3은 상기 에너지 발생장치의 제조방법에 따라 금속층의 인접한 패턴들 사이에 압전체 층(5)을 형성한 구조를 도시한 단면도이고,
도 4는 상기 에너지 발생장치의 제조방법에 따라 유기물 층을 압전체 층 위에 형성한 구조를 도시한 단면도이고,
도 5는 상기 에너지 발생장치의 제조방법에 따라 유기물 층 위에 제2 전극을 형성한 구조를 도시한 단면도이고,
도 6은 일 예에 따라 설계된 압전 태양전지의 단면도이고,
도 7은 상기 압전 태양전지의 높이에 따른 전압을 나타내는 그래프이고,
도 8은 상기 압전 태양전지의 높이에 따른 HUMO(highest unoccupied molecular orbital) 및 LUMO(lowest unoccupied molecular orbital) 레벨을 나타내는 그래프이고,
도 9는 상기 압전 태양전지의 압력에 따른 캐리어 분리도를 나타내는 그래프이고,
도 10은 다른 일 예에 따라 설계된 압전 태양전지의 단면도이고,
도 11은 도 10의 압전 태양전지의 압전 나노와이어를 보여주는 SEM 사진이고,
도 12는 도 10의 압전 태양전지에서 그래핀 층이 생략된 경우의 압전 나노와이어를 보여주는 SEM 사진이고,
도 13은 도 10의 압전 태양전지의 (a) 자외선(UV-light) 조사시 소정 크기의 힘을 가한 경우의 전압-전류 그래프, (b) 빛과 힘을 모두 가하지 않은 경우의 전압-전류 그래프, 및 (c) 자외선(UV-light)을 조사하되 힘은 가하지 않은 경우의 전압-전류 그래프이고,
도 14는 도 13을 확대하여 도시한 그래프이다.
이하, 본 발명의 구현예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예에 한정되지 않는다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우 뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
또한, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다. 명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다.
이하 도면을 참고하여 일 구현예에 따른 에너지 발생장치를 설명한다.
도 1은 일 구현예에 따른 에너지 발생장치를 도시한 단면도이다.
도 1을 참고하면, 일 구현예에 따른 에너지 발생장치(100)는 제1 전극(10), 제1 전극 위에 위치하는 금속층(30), 금속층(30) 위에 위치하는 유기물 층(50), 그리고 제1 전극(10) 및 유기물 층(50) 사이에 위치하는 압전체 층(40)을 포함한다.
금속층(30)은 규칙적으로 배열되어 있는 복수의 패턴을 가진다. 상기 패턴은 수 나노미터 내지 수백 나노미터의 크기를 가지는 나노 패턴일 수 있다. 예를 들어, 상기 패턴은 직경이 수 나노미터 내지 수백 나노미터인 구멍(hole)일 수 있으며 그 형상은 특별히 한정되지 않는다. 금속층(30)은 제1 전극(10)과 마주하는 제1 면과, 상기 제1 면과 마주하는 제2면을 가질 수 있다. 금속층(30)의 패턴이 구멍(hole)인 경우, 상기 구멍은 상기 제1 면으로부터 제2 면까지 관통하도록 형성될 수 있다.
금속층(30)은 1종 또는 2종 이상의 금속, 또는 이들의 산화물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 금속층(30)은 알루미늄 옥사이드(Aluminium Oxide)를 포함할 수 있다.
압전체 층(40)은 압전 특성을 가지는 물질로 형성된다. 이들 물질의 비제한 적인 예로서, PVDF(polyvinylidene fluoride) 등과 같은 유기물, 산화아연(ZnO), 납-지르코늄-티타늄산화물(lead zirconate titanate; PZT), 티탄산바륨(BaTiO3), 티탄산납 (PbTiO3), 질화알루미늄(AlN), 질화갈륨(GaN), 카드뮴 셀레나이드(CdSe), 또는 탄화실리콘(SiC)와 같은 무기물, 또는 이들의 조합을 들 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 압전체 층(40)은 n형 반도체 물질을 포함할 수 있다.
압전체 층(40)은 금속층(30)의 인접하는 패턴들 사이에 형성될 수 있으며 압전체 층(40) 자체가 규칙적으로 배열되어 있는 복수의 나노 패턴을 가지는 나노 구조물일 수 있다.
유기물 층(50)은 광전 변환 특성을 가질 수 있으며, 태양광 등의 광을 흡수함으로써 전자-정공 쌍(exiton)을 생성하는 p형 반도체 물질을 포함할 수 있다. 유기물 층(50)은 압전체 층(40) 위에 형성되어 예컨대 p형 반도체와 n형 반도체가 별개의 층으로 이루어진 바이레이어 p-n 접합(bi-layer p-n junction) 구조를 형성할 수 있다. 유기물 층(50)은 P3HT {poly(3-hexylthiophene)}, 폴리아닐린(Polyaniline), 폴리피롤(Polypyrrole), PPV(Poly(p-phenylene vinylene)), 폴리비닐렌(Polyvinylene), 폴리아세틸렌(Polyacetylene), 폴리타이펜(polythiphene) 및 이들의 유도체(derivatives)와 같은 반도체 특성을 가지는 유기물을 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상술한 바와 같이 일 구현예에 따르면, 압전체 층(40)은 제1 전극(10) 위에 위치하며 금속층(30)의 인접하는 패턴들 사이에 형성된다. 금속층(30)의 인접하는 패턴들 사이의 간격은 수 나노미터 내지 수백 나노미터의 크기를 가질 수 있고, 이에 따라 압전체 층(40)은 균일한 배열과 크기를 가지는 나노 구조물로 성장할 수 있다. 이에 따라 압전체 층(40)과 유기물 층(50)의 접하는 면적이 보다 증가하여 에너지 발생장치(100)의 효율이 향상될 수 있다.
예를 들어, 에너지 발생장치(100)는 유기물 층(50) 위에 위치하는 제2 전극(70)을 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 제1 전극(10) 및 제2 전극(70)은 각각 독립적으로 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 루테늄(Ru), 산화인듐주석(ITO, Indium Tin Oxide), 인듐 아연 옥사이드(indium zinc oxide, IZO), 탄소나노튜브(CNT, Carbon nanotube), 그라핀(graphene), 투명 전도성 고분자(conductive polymer), 이들의 조합을 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 제1 전극(10) 및 제2 전극(70) 중 적어도 하나는 인가된 힘에 의해 변형 가능한 가요성(flexible) 전극으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제1 전극(10) 및 제2 전극(70) 중 적어도 하나는 예컨대 인듐 틴 옥사이드(indium tin oxide, ITO), 인듐 아연 옥사이드(indium zinc oxide, IZO)와 같은 투명 도전체로 만들어질 수 있다.
제1 전극(10)과 제2 전극(70) 중 하나는 애노드이고 다른 하나는 캐소드이다. 제1 전극(10)과 제2 전극(20) 중 적어도 하나는 투광 전극일 수 있다. 일 예로, 제2 전극(70)은 투광 전극일 수 있고 제1 전극(10)은 불투광 전극일 수 있다. 제2 전극(70)은 광이 입사되는 입사 전극일 수 있다. 상기 투광 전극은 예컨대 인듐 틴 옥사이드(ITO) 또는 인듐 아연 옥사이드(IZO)와 같은 투명 도전체, 또는 얇은 두께의 단일층 또는 복수층의 금속 박막으로 만들어질 수 있고, 상기 불투광 전극은 예컨대 알루미늄(Al), 은(Ag)과 같은 불투광 도전체로 만들어질 수 있다.
예를 들어, 에너지 발생장치(100)는 제1 전극(10)과 금속층(30) 사이에 위치하는 제1 보조층(20), 그리고 유기물 층(50)과 제2 전극(70) 사이에 위치하는 제2 보조층(60)을 더 포함할 수 있다.
제1 보조층(20)은 전도성 물질로 형성될 수 있으며, 예컨대 금속, 도전성 폴리머, 그래핀 탄소 나노튜브, ITO 또는 ZTO 등과 같은 도전성 물질을 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 제1 보조층(20)은 나노 크기의 간격으로 이격되어 형성된 압전체 층(50)을 전기적으로 연결시킬 수 있다. 제2 보조층(60)은 유기물 층(50)을 제2 전극(70)에 접합시키는 일종의 접착층일 수 있다. 제2 보조층(60) 재료는 제2 전극(70)과의 접착성을 고려하여 선택될 수 있으며, 예컨대 산화몰리브덴(MoOx)이 사용될 수 있다.
일 구현예에 따른 에너지 발생장치(100)는 태양광을 전기에너지로 변환시키는 압전 태양전지일 수 있다. 이 경우 유기물 층(50)은 전자 공여체인 p형 반도체 물질을 포함하는 p형 반도체 층이 되고 압전체 층(40)은 전자 수용체인 n형 반도체 물질을 포함하는 n형 반도체 층이 될 수 있다. 이 때 상기 p형 반도체 층과 n형 반도체 층은 별개의 층으로 이루어진 바이레이어 p-n 접합(bi-layer p-n junction) 구조를 형성할 수 있고, 유기물 층(50)과 압전체 층(40) 사이의 계면에서 분리된 캐리어, 즉 전자와 정공의 이동에 따라 광 전류를 발생시킬 수 있다.
에너지 발생장치(100)가 압전 태양전지일 경우 압전체 층(40)을 덮고 있는 유기물 층(50)이 빛을 받아 전자-전공 쌍을 분리하여 태양광에 의한 에너지 발생 및 압전에 의한 에너지 발생이 동시에 이루어질 수 있어, 에너지 발생 효율이 향상될 수 있다. 뿐만 아니라 에너지 발생장치(100)에 소정의 힘을 가하면 압전체 층(40) 내부에서 발생된 압전 포텐셜이 빛에 의해 발생된 전자와 정공의 분리 및 수송에 영향을 주고, 이에 따라 광 전류 발생을 증가시켜 에너지 발생 효율을 보다 증가시킬 수 있다.
한편, 도 1에 도시하지는 않았지만, 상기 압전 태양 전지는 정공 수송층(hole transporting layer, HTL), 전자 차단층(electron blocking layer, EBL) 및 이들의 조합에서 선택되는 하나를 더 포함할 수 있다.
상기 정공 수송층(HTL)은 정공의 수송을 용이하게 하는 역할을 수행할 수 있고, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜):폴리(스티렌술포네이트)(poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate), PEDOT:PSS), 비페닐트리티오펜(bi-phenyl-tri-thiophene, BP3T), 폴리아릴아민, 폴리(N-비닐카바졸)(poly(N-vinylcarbazole), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리피롤(polypyrrole), N,N,N',N'-테트라키스(4-메톡시페닐)-벤지딘(N,N,N',N'-tetrakis(4-methoxyphenyl)-benzidine, TPD), 4-비스[N-(1-나프틸)-N-페닐-아미노]비페닐(4-bis[N-(1-naphthyl)-N-phenyl-amino]biphenyl, α-NPD), m-MTDATA, 4,4',4"-트리스(N-카바졸릴)-트리페닐아민(4,4',4"-tris(N-carbazolyl)-triphenylamine, TCTA) 및 이들의 조합에서 선택되는 하나를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 전자 차단층(EBL)은 전자의 이동을 저지하는 역할을 수행할 수 있고, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜):폴리(스티렌술포네이트)(poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate), PEDOT:PSS), 비페닐트리티오펜(bi-phenyl-tri-thiophene, BP3T), 폴리아릴아민, 폴리(N-비닐카바졸)(poly(N-vinylcarbazole), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리피롤(polypyrrole), N,N,N',N'-테트라키스(4-메톡시페닐)-벤지딘(N,N,N',N'-tetrakis(4-methoxyphenyl)-benzidine, TPD), 4-비스[N-(1-나프틸)-N-페닐-아미노]비페닐(4-bis[N-(1-naphthyl)-N-phenyl-amino]biphenyl, α-NPD), m-MTDATA, 4,4',4"-트리스(N-카바졸릴)-트리페닐아민(4,4',4"-tris(N-carbazolyl)-triphenylamine, TCTA) 및 이들의 조합에서 선택되는 하나를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한 도 1에 도시하지는 않았지만, 상기 압전 태양 전지는 전자 수송층(electron transporting layer, ETL), 정공 차단층(hole blocking layer, HBL) 및 이들의 조합에서 선택되는 하나를 더 포함할 수 있다.
상기 전자 수송층(ETL)은 전자의 수송을 용이하게 하는 역할을 수행할 수 있고, 1,4,5,8-나프탈렌-테트라카르복실릭 디안하이드라이드(1,4,5,8-naphthalene-tetracarboxylic dianhydride, NTCDA), 바소쿠프로인(bathocuproine, BCP), LiF, Alq3, Gaq3, Inq3, Znq2, Zn(BTZ)2, BeBq2 및 이들의 조합에서 선택되는 하나를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 정공 차단층(HBL)은 정공의 이동을 저지하는 역할을 수행하는 동시에 전기적인 단락(short)을 막기 위한 보호막 역할을 수행할 수 있고, 1,4,5,8-나프탈렌-테트라카르복실릭 디안하이드라이드(1,4,5,8-naphthalene-tetracarboxylic dianhydride, NTCDA), 바소쿠프로인(BCP), LiF, Alq3, Gaq3, Inq3, Znq2, Zn(BTZ)2, BeBq2 및 이들의 조합에서 선택되는 하나를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이상 압전 태양전지를 예로 들어 설명하였으나, 상술한 에너지 발생장치는 압전 유기발광소자, 압전 센서 등에도 적용 가능하다.
이하 도 2 내지 5를 참고하여 다른 일 구현예에 따른 에너지 발생장치의 제조 방법에 대하여 설명한다.
다른 일 구현예에 따른 에너지 발생장치의 제조 방법은 제1 전극 위에 규칙적으로 배열되어 있는 복수의 패턴을 가지는 금속층을 형성하는 단계(S1), 금속층의 인접한 패턴들 사이에 압전체 층을 형성하는 단계(S2), 그리고 압전체 층 위에 유기물 층을 형성하는 단계(S3)를 포함한다.
이하에서 달리 설명하지 않는 한, 제1 및 제2 전극, 금속층, 압전체 층, 유기물 층, 제1 및 제2 보조층에 관한 설명은 상술한 바와 같다.
먼저, 도 2를 참고하여 제1 전극 위에 복수의 패턴을 가지는 금속층을 형성하는 단계(S1)를 설명한다.
도 2 는 복수의 패턴을 가지는 금속층(3)을 제1 전극(4) 위에 형성하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참고하면, 먼저 기판(1)의 일면에 제1 보조층(2)을 형성한다. 이어서 미리 준비된 복수의 패턴을 가지는 금속층(3)을 이송하여 상기 제1 보조층(2)의 일면에 형성한다. 이 때 금속층(3)의 인접하는 금속 패턴들 사이의 간격은 수 나노미터 내지 수백 나노미터 범위일 수 있으며 크기는 특별히 한정되지 않는다. 금속층(3)은 예컨대 알루미늄 옥사이드로 형성될 수 있다.
이어서, 어닐링(annealing) 과정을 거치고 기판(1)을 제거한다. 그 후, 제1 전극(4) 물질을 제1 보조층(2)의 다른 일면에 형성하여 제1 전극(4), 제1 보조층(2) 및 금속층(3)의 적층체를 형성한다. 이 때, 제1 전극(4) 물질은 예컨대 증착 방식에 의해 제1 보조층(2)에 적용될 수 있다. 제1 보조층(2)은 금속층(3)의 금속 패턴들 사이로 제1 전극(4) 물질이 들어가는 것을 방지할 수 있고, 예컨대 탄소 나노튜브, 도전성 폴리머, 그래핀, 또는 이들의 조합과 같은 전도성 물질로 형성할 수 있다. 금속층(3)의 인접하는 금속 패턴들의 간격은 수 나노미터 내지 수백 나노미터의 크기를 가질 수 있다.
기판(1)은 금속층(3)을 제1 전극(4) 위에 형성하기 위한 일종의 운반체로서, 예컨대 유리와 같은 무기 물질 또는 폴리카보네이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리아미드, 폴리메틸메타크릴레이트 및 폴리에테르술폰과 같은 유기 물질로 만들어질 수 있다.
다음으로, 금속층의 인접한 패턴들 사이에 압전체 층을 형성하는 단계(S2)를 도 3을 참고하여 설명한다.
도 3은 상기 에너지 발생장치의 제조방법에 따라 금속층(3)의 인접한 패턴들 사이에 압전체 층(5)을 형성한 구조를 도시한 단면도이다. 도 3을 참고하면, 압전체 층(5)이 금속층(3)의 나노 패턴들 사이에 형성되어 있다. 압전체 층(3)은 압전물질을 용액 상태로 금속층(3)의 나노 패턴들 사이에 공급한 후 예컨대 전기화학 증착법으로 성장시킬 수 있다.
상기 압전 물질은 예컨대 산화아연(ZnO), 납-지르코늄-티타늄산화물(lead zirconate titanate; PZT), 티탄산바륨(BaTiO3), 티탄산납 (PbTiO3), 질화알루미늄(AlN), 질화갈륨(GaN), 카드뮴 셀레나이드(CdSe), 또는 탄화실리콘(SiC)와 같은 무기물, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
압전체 층(5)은 규칙적으로 배열되어 있는 복수의 나노 패턴을 가지는 나노구조물일 수 있고, 금속층(3)의 인접하는 패턴들 사이의 간격은 압전체 층(5)의 나노 패턴 크기에 대응될 수 있다.
다음으로, 압전체 층 위에 유기물 층을 형성하는 단계(S3)를 도 4를 참고하여 설명한다.
도 4는 상기 에너지 발생장치의 제조방법에 따라 유기물 층(6)을 압전체 층(5) 위에 형성한 구조를 도시한 단면도이다. 도 4를 참고하면, 유기물 층(6)은 금속층(3) 및 압전체 층(5)의 상부 전체를 덮고 있다. 유기물 층(6)을 형성하는 유기물은 압전체 층(5)의 압전 물질과 pn접합을 형성하는 p형 반도체 물질을 사용할 수 있고, 예컨대 P3HT {poly(3-hexylthiophene)}, 폴리아닐린(Polyaniline), 폴리피롤(Polypyrrole), PPV(Poly(p-phenylene vinylene)), 폴리비닐렌(Polyvinylene), 폴리아세틸렌(Polyacetylene), 폴리타이펜(polythiphene) 및 이들의 유도체(derivatives)를 사용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 유기물 층(6)은 용액 공정에 의해 금속층(3) 및 압전체 층(5)의 상부에 도포된 후 건조되어 형성될 수 있으며, 여기서 용액 공정은 예컨대 스핀 코팅, 슬릿 코팅, 잉크젯 인쇄 등일 수 있다. 상기 용액 공정에 사용되는 용매는 특별히 한정되지 않고 사용되는 유기물의 용해성을 고려하여 당업자가 적절히 선택할 수 있다.
이어서, 도 5에 도시한 바와 같이, 유기물 층(6) 위에 제2 전극(7)을 증착 방식에 의해 형성할 수 있으며, 제2 전극(7)은 투명전극일 수 있다.
상술한 에너지 발생장치의 제조방법은 나노 간격으로 배열된 패턴을 가지는 금속층을 일종의 주형(template)로 사용하여 나노 구조물의 압전체 층을 형성함으로써 압전체 층을 정교한 수준으로 수직 성장시킬 수 있을 뿐만 아니라 보다 넓은 면적으로 압전체 층을 형성할 수 있다. 또한, 압전체 층을 전기화학 증착법에 의해 비교적 낮은 온도에서 형성할 수 있어 공정의 안정성을 높일 수 있다.
이하 실시예를 통하여 상술한 본 발명의 구현예를 보다 상세하게 설명한다. 다만 하기의 실시예는 단지 설명의 목적을 위한 것이며 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.
에너지 효율 평가 1
압전 태양전지의 에너지 효율 개선 정도를 평가하기 위하여 시뮬레이션을 사용하여 평가한다.
시뮬레이션은 COMSOL 프로그램을 사용한다. COMSOL 프로그램은 압전 포텐셜이 빛에 의해 분리된 캐리어의 분리율에 미치는 영향을 예측할 수 있는 방법으로, 압력에 따른 캐리어 분리도(carrier dissociate rate)를 보여준다.
상기 압전 태양전지는, 압전체 층으로서 900nm 두께의 CdSe층(n형 반도체 층), 유기물 층으로서 300 nm 두께의 P3HT층(p형 반도체 층), 그리고 금속층으로서 애노딕 알루미늄 옥사이드(Anodic Aluminum Oxide, AAO)로 가정하고, 압전체 층의 나노 구조의 크기는 80 nm로 가정한다. 상기 CdSe층 및 P3HT층의 캐리어 농도를 각각 1 x 1016 #/cm3로 가정하여, 압전체 층 상부에서 아래쪽으로 각각 0 N, 3N, 6N, 9N, 12N 및 15N의 압력을 가했을 때 압전 태양전지의 높이에 따른 포텐셜(Potential)을 확인한다. 도 6은 상기 압전 태양전지의 단면도이고, 도 7은 상기 압전 태양전지의 높이에 따른 포텐셜을 나타내는 그래프이다.
도 6을 참고하면, CdSe층의 최하단에서의 압전 태양전지의 높이는 0이고, P3HT층의 최상단에서의 압전 태양전지의 높이는 1200 nm이다.
도 7을 참고하면, 압전체 층 상부에서 하부 쪽으로 힘(3N, 6N, 9N, 12N 및 15N)을 가한 경우 압전체 층과 유기물 층의 계면에서 음의 압전 포텐셜이 발생하고, 힘을 가한 경우(3N, 6N, 9N, 12N 및 15N)는 힘을 가하지 않은 경우(0 N)와 비교하여 압전 포텐셜 값이 소폭 감소함을 알 수 있다.
도 8은 상기 압전 태양전지의 높이에 따른 HUMO(highest unoccupied molecular orbital) 및 LUMO(lowest unoccupied molecular orbital) 레벨을 나타내는 그래프이다.
도 8을 참고하면, 압전체 층 상부에서 하부 쪽으로 15N 힘을 가한 경우의 상기 압전 태양전지의 개방전압(Voc′)은 힘을 가하지 않은 경우(0 N)의 개방전압(Voc)과 비교하여 약 1배 정도 감소함을 알 수 있다. 또한 도 8을 참고하면, 압전체 층 상부에서 하부 쪽으로 15N 힘을 가한 경우의 상기 압전 태양전지의 압전 태양전지의 Vbi (built-in potential) (Vbi′)은 힘을 가하지 않은 경우(0 N)의 Vbi (built-in potential) (Vbi)와 비교하여 소정 수준 증가하였음을 알 수 있다.
도 9는 상기 압전 태양전지의 압력에 따른 캐리어 분리도를 나타내는 그래프이다. 도 9에서 Tz의 절대값은 z축을 따라 가한 압력의 크기를 의미하고, Tz의 부호는 상부에서 하부로 압력을 가한 경우 (-), 하부에서 상부로 압력을 가한 경우 (+)로 정의된다.
도 9를 참고하면, z축을 따라 압전체 층 상부에서 하부로 소정의 압력을 가한 경우(Tz = 약 -5.0 X 107 N/m2) 압전 태양전지의 캐리어 분리도 최대값(Dmax)은 압력을 가하지 않은 경우(Tz=0)와 비교하여 약 8배 정도 증가함을 알 수 있다. 그러므로, z축을 따라 압전체 층 상부에서 하부로 소정의 압력을 가할 경우 압전 태양전지의 단락전류(Isc)도 마찬가지로 압력을 가하지 않은 경우와 비교하여 약 8배 정도 증가될 것이다.
따라서, 하기 계산식 1에 따라 태양전지의 에너지 효율을 계산하면 상기 압전 태양전지의 에너지 효율은 힘(응력)을 가하지 않은 경우와 비교하여 최소 4배 정도 증가할 것임을 예상할 수 있다.
[계산식 1]
또한 도 9를 참고하면, 압력의 증가에 따라 캐리어 분리도가 증가하는 것이 아니라 소정 범위의 압력을 가할 경우 캐리어 분리도가 증가하는 것을 확인할 수 있다. 그러므로, 소정 범위의 압력을 선택함으로써 압전 태양전지의 효율을 의도한 수준으로 조절할 수 있을 것임을 예상할 수 있다.
에너지 효율 평가 2
압전 태양전지의 에너지 효율 개선 정도를 평가하기 위하여 도 10에 도시한 단면을 가지는 압전 태양전지를 제조한다.
도 10을 참고하면, PDMS (polydimethylsiloxane) 기판 위에 그래핀 층(GR)을 형성한 후 상기 그래핀 층의 일면에 패턴이 형성된 AAO층을 형성한다. 이어서 어닐링 과정을 거친 후 상기 PDMS 기판을 제거하고 상기 그래핀 층의 다른 일면에 Ag 전극을 증착한다. 이어서, 상기 AAO층의 패턴들 사이에 CdSe를 사용하여 압전 나노 와이어를 전기화학 증착법으로 형성한다. 이어서, P3HT층, MoOx 층 및 Ag 전극을 순차로 적층하여 압전 태양전지를 제조한다.
도 11은 제조된 압전 태양전지의 압전 나노와이어를 보여주는 SEM(Scanning Eletron Microscope) 사진이고, 도 12는 상기 압전 태양전지에서 그래핀 층이 생략된 경우의 압전 나노와이어를 보여주는 SEM 사진이다.
상기 압전 태양전지를 수평 방향으로 약 3mm 가량 이동하도록 구부리는 방식에 의해 상기 압전 태양전지에 힘을 가한다. 구체적으로, 상기 압전 태양전지가 아래로 내려가도록 구부리는 방식(reverse bending)에 따라 상기 압전 태양전지에 소정 크기의 힘을 가하여, 전압에 따른 전류를 평가한다.
도 13은 상기 압전 태양전지에서 (a) 자외선(UV-light)을 조사하면서 소정 크기의 힘을 가한 경우의 전압-전류 그래프, (b) 빛과 힘을 모두 가하지 않은 경우의 전압-전류 그래프, 및 (c) 자외선(UV-light)을 조사하되 힘은 가하지 않은 경우의 전압-전류 그래프이고, 도 14는 도 13을 확대하여 도시한 그래프이다. 상기 (a) 및 (c)에서, 조사된 자외선(UV-light)의 크기는 같다.
도 13 및 14를 참고하면, (a) 빛과 힘을 모두 가한 경우의 전압에 따른 전류 그래프의 기울기는 (b) 빛과 힘을 모두 가하지 않은 경우, 및 (c) 빛을 가하되 힘을 가하지 않은 경우의 전압에 다른 전류 그래프의 기울기가 유의한 수준으로 큰 것을 알 수 있다. 이로부터, 태양전지에 압전 구조를 도입함으로써 단순히 광전 기기에 압전 기기를 결합시킨 것에 그치지 않고 압전 태양전지에 가해진 힘이 광 효율도 유의한 수준으로 향상시키는 것을 확인할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구 범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.
10: 제1 전극 20: 제1 보조층
30: 금속층 40: 압전체 층
50: 유기물 층 60: 제2 보조층
70: 제2 전극 100: 에너지 발생장치
30: 금속층 40: 압전체 층
50: 유기물 층 60: 제2 보조층
70: 제2 전극 100: 에너지 발생장치
Claims (19)
- 제1 전극;
상기 제1 전극 위에 위치하고 규칙적으로 배열되어 있는 복수의 패턴을 가지는 금속층;
상기 금속층 위에 위치하는 유기물 층; 그리고
상기 제1 전극 및 상기 유기물 층 사이에 위치하는 압전체 층
을 포함하는
에너지 발생장치. - 제1항에서,
상기 압전체 층은 상기 금속층의 인접한 패턴들 사이의 간격에 형성되는 에너지 발생장치. - 제2항에서
상기 압전체 층은 나노 구조물인 에너지 발생장치. - 제1항에서,
상기 제1 전극과 상기 금속층 사이에 위치하고 전기 전도성을 가지는 제1 보조층을 더 포함하는 에너지 발생장치. - 제4항에서,
상기 제1 보조층은 탄소 나노튜브, 도전성 폴리머, 그래핀, 또는 이들의 조합을 포함하는 에너지 발생장치. - 제1항에서,
상기 유기물 층 위에 위치하는 제2 전극을 더 포함하는 에너지 발생장치. - 제6항에서,
상기 제2 전극은 투명 전극인 에너지 발생장치. - 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에서,
상기 유기물 층은 p형 반도체 물질을 포함하고, 상기 압전체 층은 n형 반도체 물질을 포함하는 에너지 발생장치. - 제1항에서,
상기 압전체 층은 PVDF(polyvinylidene fluoride), 산화아연(ZnO), 납-지르코늄-티타늄산화물(lead zirconate titanate; PZT), 티탄산바륨(BaTiO3), 티탄산납 (PbTiO3), 질화알루미늄(AlN), 질화갈륨(GaN), 카드뮴 셀레나이드(CdSe), 탄화실리콘(SiC), 또는 이들의 조합인 압전물질을 포함하는 에너지 발생장치. - 제1 전극 위에 규칙적으로 배열되어 있는 복수의 패턴을 가지는 금속층을 형성하는 단계;
상기 금속층의 인접한 패턴들 사이에 압전체 층을 형성하는 단계; 그리고
상기 압전체 층 위에 유기물 층을 형성하는 단계
를 포함하는
에너지 발생장치의 제조방법. - 제10항에서,
상기 압전체 층은 전기화학 증착법(electrochemical deposition)을 이용하여 형성되는 것인 에너지 발생장치의 제조방법. - 제10항에서,
상기 압전체 층은 나노 구조물인 에너지 발생장치의 제조방법. - 제10항에서,
상기 금속층은 알루미늄 옥사이드를 사용하여 형성하는 에너지 발생장치의 제조방법. - 제10항에서,
상기 제1 전극과 상기 금속층 사이에 전기 전도성을 가지는 제1 보조층을 형성하는 단계를 더 포함하는 에너지 발생장치의 제조방법. - 제14항에서,
상기 제1 보조층은 탄소 나노튜브, 도전성 폴리머, 그래핀, 또는 이들의 조합을 포함하는 에너지 발생장치의 제조방법. - 제10항에서,
상기 유기물 층 위에 제2 전극을 형성하는 단계를 더 포함하는 에너지 발생장치의 제조방법. - 제16항에서,
상기 제2 전극은 투명 전극인 에너지 발생장치의 제조방법. - 제10항에서,
상기 압전체 층을 형성하는 단계는 압전물질 용액을 상기 금속층의 인접한 나노 패턴들 사이에 공급하는 과정을 포함하는 에너지 발생장치의 제조방법. - 제10항에서,
상기 유기물 층은 p형 반도체 물질을 포함하고, 상기 압전체 층은 n형 반도체 물질을 포함하는 에너지 발생장치의 제조방법.
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