KR101208032B1 - 나노 압전 소자 및 그 형성방법 - Google Patents
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Abstract
나노 압전 소자 및 그 형성방법이 제공된다. 나노 압전 소자는 하부 전극, 하부 전극으로부터 위로 연장되는 나노 와이어 및 나노 와이어 상의 상부 전극을 포함하되, 나노 와이어는 전도성을 가지는 와이어 코어(core) 및 와이어 코어를 둘러싸며 압전소재로 구성된 와이어 쉘(shell)을 포함한다.
압전, 나노 와이어, 코어, 쉘
Description
본 발명은 에너지 수확 소자 및 그 형성방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 나노 압전 소자 및 그 형성방법에 관한 것이다.
압전 소자는 압전(piezoelectric) 특성을 이용하여 물리적 힘에 의한 변형을 전기에너지로 변화시키는 장치이다. 상기 압전 소자는 상부 전극과 하부 전극 사이에 놓이는 압전소재로 구성된다. 양 전극 사이의 압전 소재가 물리적으로 수축, 팽창하거나 휘어지는 등의 변형이 일어나는 경우 그 변위에 비례하여 전기가 발생하고, 양 전극을 통해 전기를 방출함으로써 에너지를 수확하게 된다.
기존의 두꺼운 막으로 구성된 압전소재는 나란한 전극 면 사이에서 길이 방향으로의 수축, 팽창 등의 변형에 비례하여 발생하는 전기를 이용하는 축전기 구조이다. 이러한 고체 상태에서의 압전 소재는 높은 압축 강도(Young's modulus)로 인해 큰 변형이 어려우므로, 표면적을 넓게 하거나 다층 구조로 적층하여 발전 용량을 증가해야만 한다. 이 경우 발전 용량은 증가하지만, 부피와 면적이 함께 증가하여 소형화에는 걸림돌이 되고, 휘어지는 변형에는 취약하여 응용 범위가 제한된다.
압전효과를 이용한 에너지 수확 장치는 대표적으로 PZT(Lead Zirconate Titanate)나 결정질 PMM-PT(Pb(Mg1 /3Nb2 /3O3 -30%PbTiO3) 등의 벌크 또는 두꺼운 막 소재를 이용한 기술이 현재 대표적으로 연구, 개발 및 응용되고 있다. 하지만, 이들 소재의 경우 압전특성은 뛰어나나 재료의 소성 온도가 600도 이상으로 높고, 결정질 재료가 고가이며, Pb 등의 독성 물질을 함유하고 있어 향후 활용에 제약을 안고 있다. 게다가 미래 휴대 장치나 유비쿼터스(ubiquitous) 서비스를 위한 단말 장치에서 요구되는 소형화, 경량화와 플라스틱 등의 기판에 적용이 불가능한 점 등의 문제점을 가지고 있다.
본 발명의 목적은 기계적 특성과 전기적 특성이 향상된 나노 압전 소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 나노 압전 소자는 하부 전극, 상기 하부 전극으로부터 위로 연장되는 나노 와이어 및 상기 나노 와이어 상의 상부 전극을 포함하되, 상기 나노 와이어는 전도성을 가지는 와이어 코어(core) 및 상기 와이어 코어를 둘러싸며 압전소재로 구성된 와이어 쉘(shell)을 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 상기 와이어 코어는 탄소 나노 튜브를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 상기 와이어 쉘은 산화 아연을 포함할 수 있다.
상기 와이어 쉘에서 발생한 전하는 상기 와이어 코어를 통하여 상기 상부 전극 및 상기 하부 전극으로 방출될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 상부 전극은 상기 나노 와이어와 접촉되도록 배치될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 상부 전극은 상기 나노 와이어로부터 이격되어 배치될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 나노 압전 소자는 상기 상부 전극과 상기 나노 와이어 사이의 이격된 공간에 배치되는 변형 보조패턴을 더 포함할 수 있으며, 상기 변형 보조패턴은 상기 상부 전극에 가해지는 물리적 힘에 의하여 상기 나노 와이어를 변형시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 나노 압전 소자는 상기 하부 전극 상의 구조 지지부를 더 포함하되, 상기 구조 지지부는 상기 나노 와이어의 하부(lower portion)를 둘러쌀 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 나노 압전 소자의 형성방법은 하부 전극으로부터 복수 개의 와이어 코어를 수직적으로 성장시키는 단계, 상기 와이어 코어를 각각 둘러싸며, 압전 소재로 구성된 복수 개의 와이어 쉘을 형성하는 단계 그리고 상기 와이어 코어 및 상기 와이어 쉘로 각각 구성된 복수 개의 나노 와이어 상에 상부 전극을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 상기 와이어 코어는 탄소 나노 튜브(carbon nano tube)로 형성될 수 있다.
상기 탄소 나노 튜브들을 성장시키는 단계는 상기 하부 전극 상에 절연막을 형성하는 단계, 상기 절연막을 패터닝하여 복수 개의 성장홀들을 형성하는 단계 그리고 상기 성장홀들에 상기 탄소 나노 튜브의 금속 촉매를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 와이어 쉘을 형성하는 단계는 상기 전기 도금 공정을 수행하여 상기 탄소 나노 튜브에 선택적으로 시드층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 와이어 쉘을 형성하는 단계는 상기 하부전극 상에 절연막을 형성하는 단계, 스퍼터링 공정을 수행하여 상기 탄소 나노 튜브 및 상기 절연막 상에 시드층을 형성하는 단계 그리고 상기 절연막에 리프트-오프 공정으로 진행하여 상기 절연막 상의 상기 시드층을 선택적으로 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 나노 와이어는 와이어 쉘 및 와이어 코어로 구성된 복합 구조를 가진다. 상기 나노 와이어는 일차원적인 구조를 가지므로 단위 부피당 변형을 최대화할 수 있다. 따라서, 벌크(bulk)에 비하여 상대적으로 훨씬 큰 범위에서 변형이 가능하고, 보다 용이하게 발전효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 와이어 코어에 의하여 나노 와이어의 기계적 강도 및 전기 전도도가 향상될 수 있다. 결국, 복합 구조의 나노 와이어는 압전 특성, 기계적 강도 및 전기 전도도가 모두 향상될 수 있다.
이하에서는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 기술적 사상이 충분히 전달될 수 있도록 제공되는 것이다.
도면들에 있어서, 각각의 구성요소는 명확성을 기하기 위하여 과장되게 표현 될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
한편, 설명의 간략함을 위해 아래에서는 본 발명의 기술적 사상이 적용될 수 있는 몇가지 실시예들을 예시적으로 설명하고, 다양한 변형된 실시예들에 대한 설명은 생략한다. 하지만, 이 분야에 종사하는 통상의 지식을 가진 자는, 상술한 설명 및 예시될 실시예들에 기초하여, 본 발명의 기술적 사상을 다양한 경우들에 대하여 변형하여 적용할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 압전 소자를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 하부전극(110) 상에 복수 개의 나노 와이어(120)가 배치된다. 상기 나노 와이어(120)는 전도성을 가지는 와이어 코어(wire core, 122) 및 압전 소재로 구성된 와이어 쉘(wire shell, 124)을 포함한다. 상기 와이어 쉘(124)은 상기 와이어 코어(122)를 둘러싸도록 배치된다. 상기 복수 개의 나노 와이어(120) 상에 상부전극(130)이 배치된다. 상기 나노 와이어(120)는 1~10㎛의 길이를 가질 수 있으며, 50~300㎚의 폭 또는 직경을 가질 수 있다.
상기 하부전극(110)은 반도체 기판, 플라스틱 기판 또는 글래스(glass) 기판을 포함할 수 있다. 상기 플라스틱 기판 또는 글래스 기판은 포토리소그래피(photolithography) 공정으로 패터닝이 가능할 수 있다. 상기 하부전극(110)이 플라스틱 기판을 포함하는 경우, 나노 압전 소자의 유연성이 확보되어 미래 첨단 분야에 응용하는 것이 용이할 수 있다.
상기 와이어 쉘(124)은 압전소재로 구성된다. 상기 압전 소재는 산화 아연으로 이루어진 나노선일 수 있다. 또는, 상기 압전 소재는 압전 특성을 나타내는 다른 물질, 예를 들면 PZT(Lead Zirconate Titanate; 납-지르코늄-티타늄 산화물), BaTiO3, GaN 등을 포함할 수 있다. 상기 와이어 쉘(124)은 일차원 구조를 가지므로, 물리적인 힘에 의한 변형이 용이할 수 있다.
상기 와이어 코어(122)는 탄소 나노 튜브(Carbon Nano Tube)를 포함할 수 있다. 상기 탄소 나노 튜브는 기계적인 강도와 전기전도 특성이 우수하다. 따라서, 상기 와이어 쉘(124)의 기계적인 강도가 약하더라도, 상기 와이어 코어(122)에 의하여 상기 나노 와이어(120)는 기계적인 강도가 향상될 수 있다. 또한, 상기 와이어 쉘(124)의 전기 전도도가 낮더라도, 상기 와이어 코어(122)에 의하여 상기 나노 와이어(120)의 전기 전도 특성이 향상될 수 있으며, 압전 효과에 의하여 발생된 전기가 효율적으로 방출될 수 있다.
상기 탄소 나노 튜브는 단일벽 탄소 나노 튜브(Single-Wall Carbon Nano Tube: SWCNT) 또는 다중벽 탄소 나노 튜브(Multi-Wall Carbon Nano Tube: MWCNT)일 수 있다. 단일벽 탄소 나노 튜브는 3㎚ 이하의 직경을 가질 수 있으며, 다중벽 탄소 나노 튜브는 10㎚ 이하의 직경을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예와 다르게, 상기 와이어 코어(122)는 탄소 나노파이버(carbon nanofiber)로 구성될 수 있다. 상기 탄소 나노파이버로 구성된 와이어 코어(122)는 상기 탄소 나노 튜브로 이루어진 와이어 코어와 유사한 기계적, 전기적 기능을 수행할 수 있다.
상기 상부전극(130)은 도전성을 가지는 물질, 예를 들면 금속을 포함할 수 있다. 또는, 상기 상부전극(130)은 전도성을 가지는 산화물 또는 유기물 소재일 수 있다. 상기 상부 전극(130)은 상기 나노 와이어(120)로부터 이격되어 배치될 수 있다. 상기 나노 와이어(120)와 상기 상부전극(130) 사이의 이격된 공간에 변형 보조패턴(132)이 배치될 수 있다. 구체적으로, 상기 변형 보조패턴(132)은 상기 상부전극(130)의 하부면에 부착될 수 있다. 상기 변형 보조패턴(132)은 상기 나노 와이어(120)가 변형되기에 유용한 구조를 가질 수 있다. 상기 변형 보조패턴(132)의 구조는 아래에서 설명될 것이다.
상기 하부 전극(110) 상에 구조 지지부(115)가 더 배치될 수 있다. 상기 구조 지지부(115)는 상기 나노 와이어(120)의 하부(lower portion)를 둘러쌀 수 있다. 상기 구조 지지부(115)는 주위 공간의 변형이 자유로운 절연성의 폴리머 또는 다공성 물질을 포함할 수 있다.
상기 구조 지지부(115)에 의하여, 상기 나노 와이어(120)는 변형에 수반되는 구조적인 안정성이 향상될 수 있다. 즉, 상기 나노 와이어(120)가 물리적인 힘에 의하여 변형될 때, 상기 구조 지지부(115)가 상기 나노 와이어(120)의 과도한 형태의 변경을 방지할 수 있다. 또는, 상기 나노 와이어(120)가 물리적인 힘에 의하여 변형된 후, 상기 구조 지지부(115)에 의하여 상기 나노 와이어(120)는 원래의 상태로 용이하게 복원될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 나노 와이어(120)는 와이어 쉘(124) 및 와이어 코어(122)로 구성된 복합 구조를 가진다. 상기 나노 와이어(120)는 일차원적 인 구조를 가지므로 단위 부피당 변형을 최대화할 수 있다. 따라서, 벌크(bulk)에 비하여 상대적으로 훨씬 큰 범위에서 변형이 가능하고, 보다 용이하게 발전효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 와이어 코어(122)에 의하여 나노 와이어(120)의 기계적 강도 및 전기 전도도가 향상될 수 있다. 결국, 복합 구조의 나노 와이어(120)는 압전 특성, 기계적 강도 및 전기 전도도가 모두 향상될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시에에 따른 나노 압전 소자가 변형되는 것을 보여주는 도면이다.
도 2를 참조하면, 하부전극(110) 상의 나노 와이어(120)는 상부전극(130)에 가해지는 물리적인 힘(F)에 의하여 변형될 수 있다. 상기 나노 와이어(120)의 휘어짐, 압축 또는 신장 변형에 의하여 전하가 발생한다. 즉, 외부의 기계적 변형에 의하여, 압전 소재로 구성된 와이어 쉘(124)에서 전기 분극이 나타난다. 도 2에서는 나노 와이어(120)가 휘어지는 경우를 도시하고 있지만, 나노 와이어(120)의 길이방향으로 압축 또는 신장되는 경우에도 동일하게 압전 효과가 발생할 수 있다.
도 1에서 도시한 바와 같이, 상기 상부전극(130)은 상기 나노 와이어(120)와 이격되어 배치될 수 있다. 물리적인 힘(F)에 의하여, 상기 상부전극(130)이 상기 나노 와이어(120)에 접근하여 변형을 일으킬 수 있다. 상기 상부 전극(130)과 상기 나노 와이어(120) 사이에 변형 보조 패턴(132)이 배치될 수 있다. 상기 변형 보조 패턴(132)은 상기 나노 와이어(120)의 변형이 용이하게 일어날 수 있도록 다양한 형태를 가질 수 있다. 물리적인 힘(F)에 의하여 발생된 전하는 전도성을 가지는 와이어 코어(122)를 통하여 상기 상부전극(130) 및 상기 하부전극(110)으로 방출될 수 있다.
상기 상부 전극(130) 및 하부 전극(110)은 정류 회로에 연결되어 일정한 극성으로 출력될 수 있다. 또는, 상기 나노 와이어(120)가 일정한 주기로 변형되는 경우, 상기 나노 와이어(120)에서 발생된 전류는 교류 전류의 형태로 출력될 수 있다. 상기 나노 와이어(120)는 변형이 용이하여, 고주파의 주변 진동에 의한 스트레스(100Hz 이상)에도 응답할 수 있어, 단위 시간당 발전 효율이 향상될 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 나노 압전 소자를 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 하부전극(110) 상에 복수 개의 나노 와이어(120)가 배치된다. 상기 나노 와이어(120)는 전도성을 가지는 와이어 코어(wire core, 122) 및 압전 소재로 구성된 와이어 쉘(wire shell, 124)을 포함한다. 상기 와이어 쉘(124)은 상기 와이어 코어(122)를 둘러싸도록 배치된다. 상기 복수 개의 나노 와이어(120) 상에 상부전극(130)이 배치된다. 상기 나노 와이어(120)는 1~10㎛의 길이를 가질 수 있으며, 50~300㎚의 폭 또는 직경을 가질 수 있다.
상기 하부전극(110)은 반도체 기판, 플라스틱 기판 또는 글래스(glass) 기판을 포함할 수 있다. 상기 플라스틱 기판 또는 글래스 기판은 포토리소그래피(photolithography) 공정으로 패터닝이 가능할 수 있다. 상기 하부전극(110)이 플라스틱 기판을 포함하는 경우, 나노 압전 소자의 유연성이 확보되어 미래 첨단 분야에 응용하는 것이 용이할 수 있다.
상기 와이어 쉘(124)은 압전소재로 구성된다. 상기 압전 소재는 산화 아연으 로 이루어진 나노선일 수 있다. 또는, 상기 압전 소재는 압전 특성을 나타내는 다른 물질, 예를 들면 PZT(Lead Zirconate Titanate; 납-지르코늄-티타늄 산화물), BaTiO3, GaN 등을 포함할 수 있다. 상기 와이어 쉘(124)은 일차원 구조를 가지므로, 물리적인 힘에 의한 변형이 용이할 수 있다.
상기 와이어 코어(122)는 탄소 나노 튜브(Carbon Nano Tube)를 포함할 수 있다. 상기 탄소 나노 튜브는 기계적인 강도와 전기전도 특성이 우수하다. 따라서, 상기 와이어 쉘(124)의 기계적인 강도가 약하더라도, 상기 와이어 코어(122)에 의하여 상기 나노 와이어(120)는 기계적인 강도가 향상될 수 있다. 또한, 상기 와이어 쉘(124)의 전기 전도도가 낮더라도, 상기 와이어 코어(122)에 의하여 상기 나노 와이어(120)의 전기 전도 특성이 향상될 수 있으며, 압전 효과에 의하여 발생된 전기가 효율적으로 방출될 수 있다.
상기 탄소 나노 튜브는 단일벽 탄소 나노 튜브(Single-Wall Carbon Nano Tube: SWCNT) 또는 다중벽 탄소 나노 튜브(Multi-Wall Carbon Nano Tube: MWCNT)일 수 있다. 단일벽 탄소 나노 튜브는 3㎚ 이하의 직경을 가질 수 있으며, 다중벽 탄소 나노 튜브는 10㎚ 이하의 직경을 가질 수 있다.
본 발명의 실시예와 다르게, 상기 와이어 코어(122)는 탄소 나노파이버(carbon nanofiber)로 구성될 수 있다. 상기 탄소 나노파이버로 구성된 와이어 코어(122)는 상기 탄소 나노 튜브로 이루어진 와이어 코어와 유사한 기계적, 전기적 기능을 수행할 수 있다.
상기 상부전극(130)은 도전성을 가지는 물질, 예를 들면 금속을 포함할 수 있다. 또는, 상기 상부전극(130)은 전도성을 가지는 산화물 또는 유기물 소재일 수 있다.
본 발명의 일 실시예와 다르게, 상기 상부 전극(130)은 상기 나노 와이어(120)와 접촉되어 배치될 수 있다. 또한, 일 실시예에서 설명한 변형 보조패턴(132)이 배치되지 않을 수 있다. 상기 상부 전극(130)에 가해지는 물리적인 힘이 직접 상기 나노 와이어(120)에 전달되어 상기 나노 와이어(120)가 휘거나 압축될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예와 다르게, 상기 상부 전극(130)과 나노 와이어(120) 사이에 도 1에서 설명된 변형 보조 패턴이 개재될 수 있다. 이 경우, 변형 보조 패턴은 상기 나노 와이어(120)에 접촉되어 배치될 수 있다.
상기 하부 전극(110) 상에 구조 지지부(115)가 더 배치될 수 있다. 상기 구조 지지부(115)는 상기 나노 와이어(120)의 하부(lower portion)를 둘러쌀 수 있다. 상기 구조 지지부(115)는 주위 공간의 변형이 자유로운 절연성의 폴리머 또는 다공성 물질을 포함할 수 있다.
상기 구조 지지부(115)에 의하여, 상기 나노 와이어(120)는 변형에 수반되는 구조적인 안정성이 향상될 수 있다. 즉, 상기 나노 와이어(120)가 물리적인 힘에 의하여 변형될 때, 상기 구조 지지부(115)가 상기 나노 와이어(120)의 과도한 형태의 변경을 방지할 수 있다. 또는, 상기 나노 와이어(120)가 물리적인 힘에 의하여 변형된 후, 상기 구조 지지부(115)에 의하여 상기 나노 와이어(120)는 원래의 상태로 용이하게 복원될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 나노 와이어(120)는 와이어 쉘(124) 및 와이어 코어(122)로 구성된 복합 구조를 가진다. 상기 나노 와이어(120)는 일차원적인 구조를 가지므로 단위 부피당 변형을 최대화할 수 있다. 따라서, 벌크(bulk)에 비하여 상대적으로 훨씬 큰 범위에서 변형이 가능하고, 보다 용이하게 발전효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 와이어 코어(122)에 의하여 나노 와이어(120)의 기계적 강도 및 전기 전도도가 향상될 수 있다. 결국, 복합 구조의 나노 와이어(120)는 압전 특성, 기계적 강도 및 전기 전도도가 모두 향상될 수 있다.
도 4 및 5는 본 발명의 실시예에 따른 변형 보조 패턴을 설명하기 위한 도면들이다.
도 4 및 5를 참조하면, 상부 전극(130)에 부착된 변형 보조 패턴(132)은 다양한 형상을 가질 수 있다. 상기 변형 보조 패턴(132)은 도 4에 도시된 바와 같이 피라미드 형태를 가질 수 있다. 상기 피라미드 형태의 변형 보조 패턴(132)은 피라미드의 꼭지점 사이의 함몰부(133)를 가질 수 있다. 또는, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 변형 보조 패턴(132)은 원형 기둥 또는 타원형 기둥 형태를 가질 수 있다. 상기 원형 기둥 또는 타원형 기둥은 오목부(134)를 가질 수 있다.
상기 변형 보조 패턴(132)의 함몰부(133) 또는 오목부(134)는 상기 나노 와이어(120)의 변형을 용이하게 할 수 있다. 즉, 상기 함몰부(133) 또는 오목부(134)의 표면을 따라 상기 나노 와이어(120)가 휘어지거나 압축될 수 있다. 상기 변형 보조 패턴(132)은 도 4 및 5에 도시된 형태 이외의 다양한 형태를 가질 수 있다.
도 6a 내지 6e는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 압전 소자의 형성방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 6a를 참조하면, 하부 전극(210) 상에 절연막(212)이 형성된다. 상기 절연막(212)은 폴리머 또는 산화막일 수 있다. 상기 하부 전극(212)은 반도체 기판, 플라스틱 기판 또는 글래스(glass) 기판으로 형성될 수 있다. 상기 절연막(212)을 패터닝하여 상기 절연막(212)에 성장홀들(211)이 형성된다. 상기 절연막(212)은 포토리소그래피(photolithography) 공정으로 패터닝될 수 있다. 상기 성장 홀들(211)은 나노 와이어들이 형성될 영역을 정의할 수 있다.
도 6b를 참조하면, 상기 성장홀들(211)을 채우는 금속 촉매(214)가 형성된다. 상기 금속 촉매(214)는 철(Fe) 또는 코발트(Co) 등으로 형성될 수 있다. 상기 금속 촉매(214)에 CnHm(예를 들면, CH4) 가스를 공급하는 기상 증착법으로 와이어 코어(222)가 형성된다. 상기 와이어 코어(222)는 탄소 나노 튜브(Carbon Nano Tube)일 수 있다. 상기 탄소 나노 튜브는 단일벽 탄소 나노 튜브(Single-Wall Carbon Nano Tube: SWCNT) 또는 다중벽 탄소 나노 튜브(Multi-Wall Carbon Nano Tube: MWCNT)일 수 있다. 단일벽 탄소 나노 튜브는 3㎚ 이하의 직경을 가질 수 있으며, 다중벽 탄소 나노 튜브는 10㎚ 이하의 직경을 가질 수 있다.
상기 기상 증착법에 의한 탄소 나노 튜브의 성장하는 과정을 간단히 설명하면 아래와 같다. 상기 금속 촉매(214)에 CnHm 가스를 공급하면, CnHm 가스의 탄소와 수소는 금속 촉매에 의하여 용해되어 분해된다. 상기 금속 촉매(214)에서 분해되어 축적된 탄소는 풀러린(fullerene)의 형성에 의하여 핵이 생성된다. 이 후, 계속 공급되는 탄소에 의하여 탄소 나노 튜브가 성장하게 된다.
도 6c를 참조하면, 상기 와이어 코어(222)의 표면 상에 시드층(seed layer, 223)이 형성된다. 상기 시드층(223)은 전기 도금 공정으로 상기 와이어 코어(222)에 선택적으로 형성될 수 있다. 상기 와이어 코어(222)는 전도성을 가지므로, 상기 하부 전극(210)에 전압을 인가하면 상기 와이어 코어(222)에 선택적으로 상기 시드층(223)이 형성될 수 있다.
도 6d를 참조하면, 상기 와이어 코어(222)를 둘러싸며, 압전(piezoelectric) 소재로 구성된 와이어 쉘(wire shell, 224)이 형성된다. 상기 와이어 쉘(224)은 산화 아연으로 형성될 수 있다. 또는, 상기 와이어 쉘(224)은 압전 특성을 나타내는 다른 물질, 예를 들면 PZT(Lead Zirconate Titanate; 납-지르코늄-티타늄 산화물), BaTiO3, GaN 등으로 형성될 수 있다.
상기 와이어 쉘(224)이 산화 아연으로 형성되는 경우, 상기 시드층(223)은 아연을 포함할 수 있다. 상기 와이어 쉘(224)은 시드층(223)으로부터 아연염을 포함하는 용액에서 형성될 수 있다. 상기 산화아연을 성장시키는 용액은 0.01~1M 농도의 아연 아세테이트 하이드레이트(Zinc acetate hydrate)와 함께 수산화 칼륨(KOH) 또는 수산화 나트륨(NaOH)을 메탄올(methanol)에 넣은 것이다. 또는, 상기 산화아연을 성장시키는 용액은 아연 아세테이트 하이드레이트(Zinc acetate hydrate)와 함께 헥사메틸렌테트라민(hexamethylenetetramine)을 균일한 수용액 상태로 만들어진 것이다. 상기 용액에는 경우에 따라 에탄올아민(ethanolamine) 등과 같은 솔-겔(sol-gel) 안정제를 첨가할 수 있다. 이때, 산화 아연의 성장 온도는 상 온으로부터 100℃ 미만까지 조절이 가능하며, 성장 시간은 성장 온도와 용액 성분의 농도에 따라서 수 시간이 소요될 수 있으며, 상기 와이어 쉘(223)의 길이에 대한 폭의 비율을 조절할 수 있다. 이에 따라, 와이어 코어(222) 및 와이어 쉘(224)로 구성된 나노 와이어(220)가 형성된다.
상기 절연막(212) 상에 구조 지지부(215)가 형성될 수 있다. 상기 구조 지지부(215)는 상기 나노 와이어(220)의 하부(lower portion)를 둘러쌀 수 있다. 상기 구조 지지부(215)는 주위 공간의 변형이 자유로운 절연성의 폴리머 또는 다공성 물질로 형성될 수 있다.
상기 구조 지지부(215)에 의하여, 상기 나노 와이어(220)는 변형에 수반되는 구조적인 안정성이 향상될 수 있다. 즉, 상기 나노 와이어(220)가 물리적인 힘에 의하여 변형될 때, 상기 구조 지지부(215)가 상기 나노 와이어(220)의 과도한 형태의 변경을 방지할 수 있다. 또는, 상기 나노 와이어(220)가 물리적인 힘에 의하여 변형된 후, 상기 구조 지지부(215)에 의하여 상기 나노 와이어(220)는 원래의 상태로 용이하게 복원될 수 있다.
도 6e를 참조하면, 상기 나노 와이어(220) 상에 상부 전극(230)이 형성된다. 상기 상부전극(230)은 도전성을 가지는 물질, 예를 들면 금속으로 형성될 수 있다. 또는, 상기 상부전극(230)은 전도성을 가지는 산화물 또는 유기물 소재로 형성될 수 있다. 상기 상부 전극(230)은 상기 나노 와이어(220)로부터 이격되어 형성될 수 있다. 상기 나노 와이어(220)와 상기 상부전극(230) 사이의 이격된 공간에 변형 보조패턴(232)이 형성될 수 있다. 구체적으로, 상기 변형 보조패턴(232)은 상기 상부 전극(230)의 하부면에 부착될 수 있다. 상기 변형 보조패턴(232)은 상기 나노 와이어(220)가 변형되기에 유용한 구조를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 나노 와이어(220)는 와이어 코어(222) 및 와이어 쉘(223)의 복합 구조를 가지도록 형성된다. 상기 복합 구조로 형성된 상기 나노 와이어(220)은 일차원적인 구조를 가지므로 단위 부피당 변형을 최대화할 수 있다. 따라서, 벌크(bulk)에 비하여 상대적으로 훨씬 큰 범위에서 변형이 가능하고, 보다 용이하게 발전효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 와이어 코어(222)에 의하여 나노 와이어(220)의 기계적 강도 및 전기 전도도가 향상될 수 있다. 결국, 복합 구조의 나노 와이어(220)는 압전 특성, 기계적 강도 및 전기 전도도가 모두 향상될 수 있다.
도 7a 내지 7f는 본 발명의 다른 실시예에 따른 나노 압전 소자의 형성방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 7a를 참조하면, 하부 전극(310) 상에 절연막(312)이 형성된다. 상기 절연막(312)은 폴리머 또는 산화막일 수 있다. 상기 하부 전극(312)은 반도체 기판, 플라스틱 기판 또는 글래스(glass) 기판으로 형성될 수 있다. 상기 절연막(312)을 패터닝하여 상기 절연막(312)에 성장홀들(311)이 형성된다. 상기 절연막(312)은 포토리소그래피(photolithography) 공정으로 패터닝될 수 있다. 상기 성장 홀들(311)은 나노 와이어들이 형성될 영역을 정의할 수 있다.
도 7b를 참조하면, 상기 성장홀들에 금속 촉매(314)를 형성한다. 상기 금속 촉매(314)는 철(Fe) 또는 코발트(Co) 등으로 형성될 수 있다. 상기 금속 촉매(314) 에 CnHm(예를 들면, CH4) 가스를 공급하는 기상 증착법으로 와이어 코어(322)가 형성된다. 상기 와이어 코어(322)는 탄소 나노 튜브(Carbon Nano Tube)일 수 있다. 상기 탄소 나노 튜브는 단일벽 탄소 나노 튜브(Single-Wall Carbon Nano Tube: SWCNT) 또는 다중벽 탄소 나노 튜브(Multi-Wall Carbon Nano Tube: MWCNT)일 수 있다. 단일벽 탄소 나노 튜브는 3㎚ 이하의 직경을 가질 수 있으며, 다중벽 탄소 나노 튜브는 10㎚ 이하의 직경을 가질 수 있다.
상기 기상 증착법에 의한 탄소 나노 튜브의 성장하는 과정을 간단히 설명하면 아래와 같다. 상기 금속 촉매(314)에 CnHm 가스를 공급하면, CnHm 가스의 탄소와 수소는 금속 촉매에 의하여 용해되어 분해된다. 상기 금속 촉매(314)에서 분해되어 축적된 탄소는 풀러린(fullerene)의 형성에 의하여 핵이 생성된다. 이 후, 계속 공급되는 탄소에 의하여 탄소 나노 튜브가 성장하게 된다.
도 7c를 참조하면, 상기 와이어 코어(322)의 표면 상에 시드층(seed layer, 323)이 형성된다. 상기 시드층(323)은 스퍼터링(sputtering) 공정을 수행하여 상기 와이어 코어(322) 및 상기 절연막(312) 상에 형성될 수 있다.
도 7d를 참조하면, 상기 절연막(312)에 리프트-오프(lift-off) 공정을 진행하여 상기 절연막(312) 상의 상기 시드층(323)을 선택적으로 제거할 수 있다. 이어서, 상기 와이어 코어(322)를 둘러싸며, 압전(piezoelectric) 소재로 구성된 와이어 쉘(wire shell, 324)이 형성된다. 상기 와이어 쉘(324)은 산화 아연으로 형성될 수 있다. 또는, 상기 와이어 쉘(324)은 압전 특성을 나타내는 다른 물질, 예를 들 면 PZT(Lead Zirconate Titanate; 납-지르코늄-티타늄 산화물), BaTiO3, GaN 등으로 형성될 수 있다.
상기 와이어 쉘(324)이 산화 아연으로 형성되는 경우, 상기 시드층(323)은 아연을 포함할 수 있다. 상기 와이어 쉘(324)은 상기 시드층(323)으로부터 아연염을 포함하는 용액으로 형성될 수 있다. 상기 산화아연을 성장시키는 용액은 0.01~1M 농도의 아연 아세테이트 하이드레이트(Zinc acetate hydrate)와 함께 수산화 칼륨(KOH) 또는 수산화 나트륨(NaOH)을 메탄올(methanol)에 넣은 것이다. 또는, 상기 산화아연을 성장시키는 용액은 아연 아세테이트 하이드레이트(Zinc acetate hydrate)와 함께 헥사메틸렌테트라민(hexamethylenetetramine)을 균일한 수용액 상태로 만들어진 것이다. 상기 용액에는 경우에 따라 에탄올아민(ethanolamine) 등과 같은 솔-겔(sol-gel) 안정제를 첨가할 수 있다. 이때, 산화 아연의 성장 온도는 상온으로부터 100℃ 미만까지 조절이 가능하며, 성장 시간은 성장 온도와 용액 성분의 농도에 따라서 수 시간이 소요될 수 있으며, 상기 와이어 쉘(324)의 길이에 대한 폭의 비율를 조절할 수 있다. 이에 따라, 와이어 코어(322) 및 와이어 쉘(324)로 구성된 나노 와이어(320)가 형성된다.
도 7e를 참조하면, 상기 하부 전극(310) 상에 구조 지지부(315)가 형성될 수 있다. 상기 구조 지지부(315)는 상기 나노 와이어(320)의 하부(lower portion)를 둘러쌀 수 있다. 상기 구조 지지부(315)는 주위 공간의 변형이 자유로운 절연성의 폴리머 또는 다공성 물질로 형성될 수 있다.
상기 구조 지지부(315)에 의하여, 상기 나노 와이어(320)는 변형에 수반되는 구조적인 안정성이 향상될 수 있다. 즉, 상기 나노 와이어(320)가 물리적인 힘에 의하여 변형될 때, 상기 구조 지지부(315)가 상기 나노 와이어(320)의 과도한 형태의 변경을 방지할 수 있다. 또는, 상기 나노 와이어(320)가 물리적인 힘에 의하여 변형된 후, 상기 구조 지지부(315)에 의하여 상기 나노 와이어(320)는 원래의 상태로 용이하게 복원될 수 있다.
도 7e를 참조하면, 상기 나노 와이어(320) 상에 상부 전극(330)이 형성된다. 상기 상부전극(330)은 도전성을 가지는 물질, 예를 들면 금속으로 형성될 수 있다. 또는, 상기 상부전극(330)은 전도성을 가지는 산화물 또는 유기물 소재로 형성될 수 있다. 상기 상부 전극(330)은 상기 나노 와이어(320)로부터 이격되어 형성될 수 있다. 상기 나노 와이어(320)와 상기 상부전극(330) 사이의 이격된 공간에 변형 보조패턴(332)이 형성될 수 있다. 구체적으로, 상기 변형 보조패턴(332)은 상기 상부전극(330)의 하부면에 부착될 수 있다. 상기 변형 보조패턴(332)은 상기 나노 와이어(320)가 변형되기에 유용한 구조를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 나노 와이어(320)는 와이어 코어(322) 및 와이어 쉘(324)의 복합 구조를 가지도록 형성된다. 상기 복합 구조로 형성된 상기 나노 와이어(320)은 일차원적인 구조를 가지므로 단위 부피당 변형을 최대화할 수 있다. 따라서, 벌크(bulk)에 비하여 상대적으로 훨씬 큰 범위에서 변형이 가능하고, 보다 용이하게 발전효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 와이어 코어(322)에 의하여 나노 와이어(320)의 기계적 강도 및 전기 전도도가 향상될 수 있다. 결국, 복 합 구조의 나노 와이어(320)는 압전 특성, 기계적 강도 및 전기 전도도가 모두 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 압전 소자를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시에에 따른 나노 압전 소자가 변형되는 것을 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 나노 압전 소자를 설명하기 위한 도면이다.
도 4 및 5는 본 발명의 실시예에 따른 변형 보조 패턴을 설명하기 위한 도면들이다.
도 6a 내지 6e는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 압전 소자의 형성방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 7a 내지 7f는 본 발명의 다른 실시예에 따른 나노 압전 소자의 형성방법을 설명하기 위한 도면들이다.
Claims (13)
- 하부 전극;상기 하부 전극으로부터 위로 연장되는 나노 와이어; 및상기 나노 와이어 상의 변형 부재를 포함하되,상기 나노 와이어는 전도성을 가지는 와이어 코어(core) 및 상기 와이어 코어를 둘러싸며 압전소재로 구성된 와이어 쉘(shell)을 포함하고, 그리고상기 변형 부재에 가해지는 물리적인 힘에 의해 상기 와이어 셀에서 발생한 전하는 상기 하부 전극으로 방출되는 나노 압전 소자.
- 청구항 1에 있어서,상기 와이어 코어는 탄소 나노 튜브를 포함하는 나노 압전 소자.
- 청구항 1에 있어서,상기 와이어 쉘은 산화 아연을 포함하는 나노 압전 소자.
- 삭제
- 청구항 1에 있어서,상기 변형 부재는 상기 나노 와이어와 접촉되도록 배치되는 나노 압전 소자.
- 청구항 1에 있어서,상기 변형 부재는 상기 나노 와이어로부터 이격되어 배치되는 나노 압전 소자.
- 청구항 6에 있어서,상기 변형 부재와 상기 나노 와이어 사이의 이격된 공간에 배치되는 변형 보조패턴을 더 포함하되,상기 변형 보조패턴은 상기 변형 부재에 가해지는 물리적 힘에 의하여 상기 나노 와이어를 변형시키는 나노 압전 소자.
- 청구항 1에 있어서,상기 하부 전극 상의 구조 지지부를 더 포함하되,상기 구조 지지부는 상기 나노 와이어의 하부(lower portion)를 둘러싸는 나노 압전 소자.
- 하부 전극으로부터 복수 개의 와이어 코어를 수직적으로 성장시키는 단계;상기 와이어 코어를 각각 둘러싸며, 압전 소재로 구성된 복수 개의 와이어 쉘을 형성하는 단계; 그리고상기 와이어 코어 및 상기 와이어 쉘로 구성된 복수 개의 나노 와이어 상에 변형 부재를 형성하는 단계를 포함하되,상기 변형 부재에 가해지는 물리적인 힘에 의해 상기 와이어 셀에서 발생한 전하는 상기 하부 전극으로 방출되는 나노 압전 소자의 형성방법.
- 청구항 9에 있어서,상기 와이어 코어는 탄소 나노 튜브(carbon nano tube)로 형성되는 나노 압전 소자의 형성방법.
- 청구항 10에 있어서,상기 탄소 나노 튜브들을 성장시키는 단계는,상기 하부 전극 상에 절연막을 형성하는 단계;상기 절연막을 패터닝하여 복수 개의 성장홀들을 형성하는 단계; 그리고상기 성장홀들에 상기 탄소 나노 튜브의 금속 촉매를 형성하는 단계를 포함하는 나노 압전 소자의 형성방법.
- 청구항 9에 있어서,상기 와이어 쉘을 형성하는 단계는,전기 도금 공정을 수행하여 상기 와이어 코어에 선택적으로 시드층을 형성하는 단계를 포함하는 나노 압전 소자의 형성방법.
- 청구항 9에 있어서,상기 와이어 쉘을 형성하는 단계는,상기 와이어 코어들 사이의 상기 하부 전극 상에 절연막을 형성하는 단계;스퍼터링 공정을 수행하여 상기 와이어 코어들 및 상기 절연막 상에 시드층을 형성하는 단계; 그리고상기 절연막에 리프트-오프 공정으로 진행하여 상기 절연막 상의 상기 시드층을 선택적으로 제거하는 단계를 포함하는 나노 압전 소자의 형성방법.
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