KR101213190B1 - 압전 나노발전기의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
플렉시블 기판 위에 쇼트키 접촉 전극을 형성하는 단계; 상기 쇼트키 접촉 전극 위에 패터닝용 고분자 용액을 도포하여 고분자 막을 형성하는 단계; 마스크를 통해 상기 고분자 막을 선택적으로 자외선/오존 처리하여 나노리본 형태로 사전 패터닝하는 단계; 상기 사전 패터닝된 상기 고분자 막에 산화아연 전구물질 용액을 도포하여 젖음 상태의 필름을 형성하는 단계; 상기 필름의 잔여 용매와 상기 고분자 막을 제거하여 나노리본 형태로 패터닝된 박막을 얻는 단계; 상기 박막을 가열하여 나노리본 형태의 산화아연 박막을 얻는 단계; 및 상기 산화아연 박막 위에 상기 쇼트키 접촉 전극과 겹치지 않도록 오믹 접촉 전극을 형성하는 단계를 포함하는 압전 나노발전기의 제조방법이 제공된다.
Description
본 명세서에 개시된 기술은 압전 나노발전기의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 대면적이고, 대량 생산이 용이하며, 압전 성능이 우수한 압전 나노발전기의 제조방법에 관한 것이다.
압전발전기는 주변 환경의 버려지는 기계적 에너지, 즉 몸의 움직임이나 진동, 유체 흐름을 전기적 에너지로 바꿔주는 발전소자이다. 이는 에너지 하베스팅 분야에서 활발히 연구가 진행되고 있으며 마이크로/나노 크기의 소자나 이동통신기기, 인체 삽입 소자의 자체 에너지 구동을 위하여 활발히 연구가 진행 중이다.
역압전효과는 가해준 전기적 에너지에 대하여 기계에너지로 변환된 값으로 정의되며 이를 압전 계수(piezoelectric coefficient)라고 한다. 반대로 압전효과는 가해진 기계적 에너지에 대하여 전기적 에너지로 변환된 값으로 정의된다. 이때작은 기계적 에너지에 대해 큰 전기적 에너지로 변환되는 압전소자가 좋은 압전효과를 가진다고 할 수 있다.
압전 계수는 물질 고유의 값으로 선행연구에서는 압전 효과가 큰 PZT(Pb(Zr,Ti)O3), BT(BaTiO3) 등의 페로브스카이트(perovskite) 재료가 사용되어 왔다. 그러나 PZT 계열 재료의 경우에는 독성이 강한 납(Pb)을 다량 함유하고 있어 인체에 유해하고 환경오염을 유발할 수 있다는 단점이 있어 최근 선진국에서는 수입을 제한하고 있다. 따라서 사람의 인체와 환경오염에 미치는 영향 때문에 최근에는 비연계열 압전재료 물질인 BT의 연구가 활발히 진행 중이다. 그러나 BT의 경우 상전이 온도(curie temperature)가 130℃로 낮아 응용되기 쉽지 않은 점이 있다. 또한 PZT, BT의 두 물질 모두 고온에서 소결해야 하는 점과 낮은 인장 변형률로 인해(tensile strain) 쉽게 결함(crack)이 가지고 있는 단점을 가지고 있다. 이로 인하여 최근에는 인장 변형률이 높은 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF)를 이용한 나노발전기의 개발이 활발히 진행중에 있으나 이 또한 낮은 압전계수를 가진다.
최근 측방형 산화아연 나노와이어를 이용한 압전소자의 경우 최대 30~40nA 정도의 수준의 전류에 도달하였다는 보고가 있다(Nano Lett. 2010, 10, 5025). 한편, BaTiO3 나노리본을 이용한 압전소자의 경우 최대 10nA 정도 수준에 도달하였다는 논문(Nano Lett. 2010, 10, 4939)이 있으며 압전상수가 높아 압전효과가 좋은 PZT 물질의 나노리본을 이용한 경우는 최대 60nA의 전류를 생산하였다고 보고되었다(Nano Lett. 2011, 11, 1331).
하지만 압전효과를 더욱 개선할 필요가 있으며, 동시에 환경 친화적이며 비교적 높은 인장에도 견딜 수 있는 새로운 압전 나노발전기의 개발이 요구된다.
본 개시된 기술의 일 측면에 의하면, 기판 위에 패터닝용 고분자 용액을 도포하여 고분자 막을 형성하는 단계; 마스크를 통해 상기 고분자 막을 선택적으로 자외선/오존 처리하여 나노리본 형태로 사전 패터닝하는 단계; 상기 사전 패터닝된 상기 고분자 막에 산화아연 전구물질 용액을 도포하여 젖음 상태의 필름을 형성하는 단계; 상기 필름의 잔여 용매와 상기 고분자 막을 제거하여 나노리본 형태로 패터닝된 박막을 얻는 단계; 및 상기 박막을 가열하여 나노리본 형태의 산화아연 박막을 얻는 단계를 포함하는 산화아연 나노리본의 제조방법이 제공된다.
본 개시된 기술의 다른 측면에 의하면, 플렉시블 기판 위에 쇼트키 접촉 전극을 형성하는 단계; 상기 쇼트키 접촉 전극 위에 패터닝용 고분자 용액을 도포하여 고분자 막을 형성하는 단계; 마스크를 통해 상기 고분자 막을 선택적으로 자외선/오존 처리하여 나노리본 형태로 사전 패터닝하는 단계; 상기 사전 패터닝된 상기 고분자 막에 산화아연 전구물질 용액을 도포하여 젖음 상태의 필름을 형성하는 단계; 상기 필름의 잔여 용매와 상기 고분자 막을 제거하여 나노리본 형태로 패터닝된 박막을 얻는 단계; 상기 박막을 가열하여 나노리본 형태의 산화아연 박막을 얻는 단계; 및 상기 산화아연 박막 위에 상기 쇼트키 접촉 전극과 겹치지 않도록 오믹 접촉 전극을 형성하는 단계를 포함하는 압전 나노발전기의 제조방법이 제공된다.
본 개시된 기술의 또 다른 측면에 의하면, 플렉시블 기판 위에 하부 전극을 형성하는 단계; 상기 하부 전극 위에 고분자 막을 사전 패터닝하되, 나노리본 형태의 개구부를 갖도록 하는 단계; 상기 개구부를 통해 상기 산화아연 전구물질 용액을 상기 플렉시블 기판 위에 도입하는 단계; 잔여 용매와 상기 고분자막을 제거하여 나노리본 형태로 패터닝된 박막을 얻는 단계; 상기 박막을 가열하여 산화아연 나노리본을 형성하는 단계; 및 상기 산화아연 나노리본 위에 상기 하부 전극과 겹치지 않도록 상부 전극을 형성하는 단계를 포함하는 압전 나노발전기의 제조방법이 제공된다.
본 개시된 기술의 또 다른 측면에 의하면, 플렉시블 기판; 상기 플렉시블 기판 위에 배치된 하부 전극; 상기 하부 전극 위에 나노리본 형태로 패터닝된 산화아연 박막; 및 상기 하부 전극과 겹치지 않도록 상기 산화아연 박막 위에 배치된 상부 전극을 포함하는 압전 나노발전기가 제공된다.
도 1은 개시된 기술의 일 실시예에 따른 산화아연 나노리본의 제조방법을 나타낸 공정흐름도이다.
도 2는 나노리본 형태의 사전 패터닝을 위해 사용되는 마스크이다.
도 3은 산화아연 나노리본의 제조 공정의 일 실시예이다.
도 4는 개시된 기술의 일 실시예에 따른 산화아연 기반 압전 나노발전기의 제조방법을 나타내는 공정흐름도이다.
도 5는 개시된 기술의 일 실시예에 따른 압전 나노발전기의 사시도이다.
도 6은 개시된 기술의 일 실시예에 따른 압전 나노발전기의 분해 사시도이다.
도 7은 박막형 산화아연 나노리본을 기판 위에 도포하기 위해 사용되는 마스크이다.
도 8은 패터닝된 산화아연 나노리본 박막 위에 알루미늄을 진공증착하기 위한 마스크이다.
도 9는 산화아연 나노리본 박막이 패터닝된 폴리이미드 필름 사진이다.
도 10은 압전 특성 분석을 위해 전선을 압전 나노발전기의 각 전극에 부착한 예이다.
도 11과 12는 각각 산화아연 나노리본 압전 나노발전기를 구부려서 측정한 전류와 전압 값을 시간에 따라 나타낸 그래프이다.
도 2는 나노리본 형태의 사전 패터닝을 위해 사용되는 마스크이다.
도 3은 산화아연 나노리본의 제조 공정의 일 실시예이다.
도 4는 개시된 기술의 일 실시예에 따른 산화아연 기반 압전 나노발전기의 제조방법을 나타내는 공정흐름도이다.
도 5는 개시된 기술의 일 실시예에 따른 압전 나노발전기의 사시도이다.
도 6은 개시된 기술의 일 실시예에 따른 압전 나노발전기의 분해 사시도이다.
도 7은 박막형 산화아연 나노리본을 기판 위에 도포하기 위해 사용되는 마스크이다.
도 8은 패터닝된 산화아연 나노리본 박막 위에 알루미늄을 진공증착하기 위한 마스크이다.
도 9는 산화아연 나노리본 박막이 패터닝된 폴리이미드 필름 사진이다.
도 10은 압전 특성 분석을 위해 전선을 압전 나노발전기의 각 전극에 부착한 예이다.
도 11과 12는 각각 산화아연 나노리본 압전 나노발전기를 구부려서 측정한 전류와 전압 값을 시간에 따라 나타낸 그래프이다.
이하, 도면을 참조하여 본 개시된 기술에 대하여 보다 상세히 설명하고자 한다.
도 1은 개시된 기술의 일 실시예에 따른 산화아연 나노리본의 제조방법을 나타낸 공정흐름도이다.
도 1을 참조하면, 단계 S100에서 기판 위에 패터닝용 고분자 용액을 도포하여 고분자 막을 형성한다. 일반적으로 용액공정 기반 산화아연은 다공성 구조를 가지므로 포토리소그래피 공정을 진행할 때 포토레지스트(photoresist) 물질이 제거되는 중에 산화아연 박막 내에 끼어 들어가서 성능 저하로 이어질 수 있다. 또한 플렉시블 기판인 플라스틱 기반의 기판에 포토리소그래피를 진행하게 되면 강한 염기성 스트리퍼(stripper) 용액에 의하여 기판 팽창이 일어나 균일한 박막의 형성이 어렵다. 따라서 균일하고 선택적인 산화아연 박막을 만들기 위하여 사전 패턴된 기판을 사용할 필요가 있다. 패터닝용 고분자 용액은 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)와 같은 아크릴계 고분자를 용매에 녹인 것일 수 있다. 고분자 막을 형성하기 위해 스핀코팅, 딥코팅, 분무코팅 등 다양한 공지의 도포 방식을 사용할 수 있다.
단계 S110에서 마스크를 통해 상기 고분자 막을 선택적으로 자외선/오존(UVO) 처리하여 나노리본 형태로 사전 패터닝한다. 본 명세서에서 "나노리본"은 통상적으로 두께가 1 미크론 미만의 얇은 박막 형태를 갖는 띠 모양을 의미하며, 반드시 띠 모양이 아니어도 그 두께보다 너비가 넓은 다양한 모양을 포함한다.
나노리본 형태의 사전 패터닝을 위해 사용되는 마스크는 도 2에 나타낸 바와 같이 소정의 간격을 두고 정렬된 리본 형태의 개구부(210)를 가질 수 있다. 고분자 막을 구성하는 아크릴계 고분자는 무수한 탄소 결합으로 이루어져 있으며 마스크(200)를 통해 선택적으로 자외선/오존(UVO)을 노출시켜 주면 반응을 일으키는 수산기에 의해 탄소결합이 절단되어 용이하게 패터닝이 될 수 있다.
단계 S120에서 상기 사전 패터닝된 상기 고분자 막에 산화아연 전구물질 용액을 도포하여 젖음 상태의 필름을 형성한다. 용액의 도포는 스핀코팅을 포함한 상술한 공지의 도포 방식을 사용할 수 있다. 상기 산화아연 전구물질로는 저온에서 소결이 가능하도록 탄소 성분을 포함하지 않는 화합물일 수 있다. 상기 산화아연 전구물질은 예를 들어, 수산화아연아민 복합체일 수 있다. 수산화아연아민 복합체는 이하의 방법으로 제조될 수 있다.
먼저, 아연화합물과 수산화물의 반응에 의하여 수산화아연 침전물을 형성한다. 예를 들어 물에 녹인 0.5M의 질산아연염을 비커에 담고 물에 녹인 2.5M의 수산화나트륨을 뷰렛에 담아 비커 위에 설치해두고 한 방울씩 수산화나트륨 용액을 떨어뜨려 준다. 그러면 서서히 침전물이 형성되는데 이것이 수산화아연이며 이는 반응식 1과 같은 방식으로 형성될 수 있다.
(반응식 1)
형성된 침전물은 원심분리 과정을 거쳐 나트륨이온과 질산이온을 최대한 씻어내어 준다. 다음 이렇게 얻은 침전물을 암모니아수에 녹이면 아래 반응식 2와 같이 수산화아연아민 복합체가 형성될 수 있다.
(반응식 2)
아연 수산화물 침전물은 암모니아 극성 용매에 녹아 용액을 형성하게 된다. Zn(OH)2(NH3)2 수용액은 후속 소결 공정에 의하여 물과 암모늄 가스가 날아가 산화아연 박막을 형성할 수 있는 전구체 물질로 작용할 수 있다.
단계 S130에서 상기 필름의 잔여 용매와 상기 고분자 막을 제거하여 나노리본 형태로 패터닝된 박막을 얻는다. 상기 잔여 용매 및 상기 고분자 막의 제거를 위해 각각을 분리하기에 적합한 용매로 처리할 수 있다. 단계 S120에서 형성된 젖음 상태의 필름이 예를 들어 수산화아연아민 복합체의 수용액으로부터 형성된 것일 경우, 메탄올과 같은 친수성 용매를 사용하여 산화아연으로부터 잔여 용매인 물을 분리해낼 수 있다. 한편 사전 패터닝을 위해 사용된 고분자막은 톨루엔과 같은 소수성 용매를 사용하여 녹일 수 있다. 상기 잔여 용매 및 상기 고분자 막의 제거를 위해 친수성 용매 및 소수성 용매를 따로 사용할 수도 있지만 단순한 공정을 위해 이들의 혼합물, 즉 공비 혼합 용매(azeotropic solvent)를 사용할 수도 있다.
잔여 용매가 제거되면서 아민 계열의 산화아연 전구물질의 용액은 젖음 상태의 필름 표면에서 카밤산 암모늄(ammonium carbamate: H2NCO2NH4)이라는 염을 형성할 수 있다. 카밤산 암모늄의 형성으로 인해 불균일한 구조의 산화아연 결정이 형성되는 것을 막고 균일하고 얇은 박막이 형성될 수 있다. 결국 약 100nm 두께의 균일한 산화아연 박막 패턴을 형성할 수 있다.
단계 S140에서 상기 박막을 가열하여 나노리본 형태의 산화아연 박막을 얻음으로써 산화아연 나노리본을 기판 위에 형성할 수 있다. 가열 온도는 200 내지 500℃일 수 있다. 상기 기판이 플라스틱인 경우 300℃ 이하로 가열하는 것이 바람직하다. 탄소 성분이 없는 산화아연 전구물질을 사용하여 용액 공정으로 박막을 제조할 경우 소결시 높은 온도가 필요하지 않다. 상기 플라스틱의 예로 PET, PEN, PC, PI 등을 들 수 있다.
상기 가열에 의해 이하의 반응식 3과 같이 나노리본 형태의 산화아연 박막이 기판 위에 형성될 수 있다.
(반응식 3)
도 3은 산화아연 나노리본의 제조 공정의 일 실시예이다. 도 3을 참조하면, PMMA를 플렉시블 기판인 캡톤 이미드 필름 위에 스핀 코팅하여 고분자막을 형성하고, UVO 처리에 의한 사전 패터닝, 산화아연 전구물질 층의 스핀 코팅 및 소결 과정을 통해 산화아연 나노리본을 제조할 수 있다.
상술한 바와 같이, 용액 공정을 통해 산화아연 나노리본을 간단하고 경제적인 방식으로 제조할 수 있다. 또한 탄소를 포함하지 않는 산화아연 전구물질을 이용하면 저온에서 소결이 가능하므로 플라스틱 기판에 나노리본 산화아연 박막을 용이하게 패터닝하여 제조할 수 있다.
상술한 공정을 이용하여 산화아연 기반 압전 나노발전기를 제조할 수 있다. 도 4는 개시된 기술의 일 실시예에 따른 산화아연 기반 압전 나노발전기의 제조방법을 나타내는 공정흐름도이다.
도 4를 참조하면, 단계 S400에서 플렉시블 기판 위에 쇼트키 접촉(Schottky contact) 전극을 형성한다. 상기 플렉시블 기판은 플라스틱 필름일 수 있다. 상기 쇼트키 접촉 전극으로서, 산화아연과 접촉시 쇼트키 장벽(Schottky barrier)를 형성하는 금속이 사용될 수 있다. 즉 산화아연의 전자친화도의 크기와 차이가 크도록 일함수값이 큰 금속을 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어 쇼트키 접촉을 위해 금을 사용할 수 있다. 금의 일함수는 5.3 eV로서, 산화아연의 전자친화도인 4.5 eV와 차이가 커서 산화아연과 쇼트키 접촉을 할 수 있다.
단계 S410 내지 단계 S450은 상술한 산화아연 나노리본의 제조방법을 이용하여 압전 나노발전기가 산화아연 나노리본을 압전 물질로 포함하도록 할 수 있다. 구체적으로 단계 S410에서 상기 쇼트키 접촉 전극 위에 패터닝용 고분자 용액을 도포하여 고분자 막을 형성한다. 단계 S420에서 마스크를 통해 상기 고분자 막을 선택적으로 자외선/오존 처리하여 나노리본 형태로 사전 패터닝한다. 단계 S430에서 상기 사전 패터닝된 상기 고분자 막에 산화아연 전구물질 용액을 도포하여 젖음 상태의 필름을 형성한다. 단계 S440에서 상기 필름의 잔여 용매와 상기 고분자 막을 제거하여 나노리본 형태로 패터닝된 박막을 얻는다. 단계 S450에서 상기 박막을 가열하여 나노리본 형태의 산화아연 박막을 얻는다.
마지막으로 단계 S460에서 상기 산화아연 박막 위에 상기 쇼트키 접촉 전극과 겹치지 않도록 오믹 접촉 전극을 형성함으로써 압전 나노발전기를 제조할 수 있다. 상기 오믹 접촉 전극의 형성을 위해 마스크를 이용하여 상기 산화아연 박막의 패턴 크기보다 더 작은 패턴 크기를 갖도록 금속을 증착할 수 있다. 상기 오믹 접촉 전극으로서 상기 쇼트키 접촉 전극과 달리 산화아연과의 전자친화도의 크기와 차이가 크지 않은 일함수 값을 갖는 금속이 사용되는 것이 바람직하다. 예를 들어 오믹 접촉을 위해 상부 전극으로서 알루미늄을 사용할 수 있다. 알루미늄의 일함수가 4.1 eV 정도로 전자친화도가 4.5 eV인 산화아연과 차이가 크지 않아 전자가 흐르는데 장벽을 형성하지 않으므로 순방향 및 역방향 모든 방향으로 전류가 흐를 수 있다. 한편 하부 전극은 단계 S400에서 설명한 바와 같이 쇼트키 접촉을 형성하는데 이는 금의 일함수가 5.3 eV 정도여서 전자친화도가 4.5 eV인 산화아연과 쇼트키 장벽을 형성하게 되기 때문이다. 그리하여 전자는 쇼트키 장벽을 넘지 못하고 흐르지 못하게 된다. 하지만 압전 나노발전기를 구부려주게 되면 인장력에 의해 이온의 분극현상(polarization)이 발생하며 이것이 압전 전계 전위차이(piezoelectric field potential difference)를 일으키게 된다. 이때 전자는 쇼트키 장벽을 넘으며 전기가 한번에 흐를 수 있다.
도 5는 이렇게 제조된 압전 나노발전기의 사시도이고, 도 6은 압전 나노발전기의 분해 사시도이다.
이하, 개시된 기술을 실시예를 들어 더욱 상세히 설명하고자 하나, 이는 설명의 편의를 위한 것일 뿐 개시된 기술이 하기 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
[실시예]
산화아연 용액의 제작
Zn(NO3)2?6H2O 용액을 탈이온수 10ml에 녹여 0.5M 농도가 되게 하였다. 그리고 NaOH 용액을 탈이온수 20ml에 녹여 0.25M 농도가 되게 하였다. 비커에 0.5M 농도의 Zn(NO3)2?6H2O 용액 10ml를 넣고 마그네틱 바를 이용하여 저어주면서 0.25M 농도의 NaOH 용액 20ml를 한 방울씩 떨어뜨려 침전물을 얻었다.
형성된 침전물 용액 30ml에 20ml의 탈이온수를 첨가하여 원심분리를 4회 실시하였다. 4회의 원심분리를 실시한 침전물에 20ml의 암모니아수(30 중량%)를 첨가하여 산화아연의 용액을 얻었다.
산화아연 나노리본의 제작
용액 공정으로 얻어낸 산화아연 용액을 이용하여 이하의 공정을 실시하여 나노리본 모양의 박막을 기판 위에 형성하였다.
폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 용액을 톨루엔 용액에 10%의 질량 분율로 섞어주고 마그네틱 바를 이용하여 24시간 동안 교반하여 용해시켰다. 10% PMMA (톨루엔) 용액을 폴리이미드 필름 기판에 전면적으로 스핀코팅하였다. 10% PMMA (톨루엔) 용액이 도포된 기판에 마스크를 씌워준 후 자외선/오존 (UVO) 처리를 1시간 동안 실시하였다. 도 7은 박막형 산화아연 나노리본을 기판 위에 도포하기 위해 사용되는 마스크이다. 1시간 후 UVO 장치에서 꺼낸 기판의 표면을 탈이온수를 이용하여 세게 헹구어 주었다. 헹구어낸 기판에 위에서 만들어 두었던 산화아연 용액을 스핀코팅기를 이용하여 도포하였다. 스핀코팅을 실시한 기판을 곧바로 메탄올 20%, 톨루엔 80%의 질량 분율로 섞인 용액에 5분 담갔다. 이소프로필 알코올과 탈이온수를 이용하여 차례로 기판을 강하게 헹구어준 후 300℃로 가열된 핫플레이트 위에서 기판을 1시간 동안 가열하여 나노리본 모양의 박막을 기판 위에 형성하였다.
압전 나노발전기의 제작
기판으로 사용되는 폴리이미드 필름(125㎛ 두께)을 5cm×2.5cm로 잘라 표준 세척법을 이용하여 깨끗하게 하였다. 폴리이미드 필름 기판에 대해 알루미늄선이 도포될 부분(1cm×2.5cm)만 마스크로 가려준 후 알루미늄 및 금을 각각 10nm 및 90nm 두께로 차례로 진공증착하여 하부 전극(쇼트키 접촉 전극)을 형성하였다. 여기서 증착된 알루미늄은 단지 하부 전극인 금과 폴리이미드 필름의 접착력을 높이기 위한 박막이다.
상술한 방법을 이용하여 패턴된 산화아연 나노리본 박막을 하부 전극 위에 형성하였다. 패터닝된 산화아연 나노리본 박막 위에 도 8의 알루미늄용 마스크를 씌운 후 알루미늄을 진공증착하여 두께 100nm의 상부 전극(오믹 접촉 전극)을 형성하였다. 도 9는 산화아연 나노리본 박막이 패터닝된 폴리이미드 필름 사진이다.
압전 나노발전기의 압전 특성
압전 특성 분석을 위하여 금과 알루미늄 전극에 각각 카본테이프를 이용하여 전선을 연결하여 주고 각각의 전선의 말단에 구리판을 납땜하여 부착하였다. 압전 특성 분석을 위해 각 구리판에 악어발을 물려 전류, 전압값을 측정하였다.
도 10은 압전 특성 분석을 위해 전선을 압전 나노발전기의 각 전극에 부착한 예이다.
도 11과 12는 각각 산화아연 나노리본 압전소자를 구부려서 측정한 전류와 전압 값을 나타낸다. 도 11 및 12를 참조하면, 두 경우 모두 전력을 가하지 않은 상태에서 측정하였으며 그래프에서 보듯이 전류는 최대 100nA, 전압은 최대 35mV 정도로 측정되는 것을 알 수 있다. 이는 종래 문헌보다 전류 및 전압값이 수 배 향상된 결과이다(Nano Lett. 2010, 10, 5025; Nano Lett. 2010, 10, 4939; Nano Lett. 2011, 11, 1331 참조). 결국 본 산화아연 나노리본 압전소자는 기존의 압전소자에 비하여 우수한 특성값을 가진다.
상술한 압전 나노발전기의 제조방법에 의하면 산화아연을 300℃의 저온에서 소결하였음에도 불구하고 우수한 압전 특성을 얻을 수 있다. 또한 산화아연 나노리본의 제조를 위해 산화아연 침전법을 이용한 용액공정을 이용함으로써 간단하면서도 대면적, 대량 생산이 가능하다. 본 개시된 기술에서 제안된 압전 나노발전기는 높은 압전 효과를 얻을 수 있다.
Claims (14)
- 기판 위에 패터닝용 고분자 용액을 도포하여 고분자 막을 형성하는 단계;
마스크를 통해 상기 고분자 막을 선택적으로 자외선/오존 처리하여 나노리본 형태로 사전 패터닝하는 단계;
상기 사전 패터닝된 상기 고분자 막에 산화아연 전구물질 용액을 도포하여 젖음 상태의 필름을 형성하는 단계;
상기 필름의 잔여 용매와 상기 고분자 막을 제거하여 나노리본 형태로 패터닝된 박막을 얻는 단계; 및
상기 박막을 가열하여 나노리본 형태의 산화아연 박막을 얻는 단계를 포함하는 산화아연 나노리본의 제조방법. - 제1 항에 있어서,
상기 고분자 막은 아크릴계 고분자 막인 산화아연 나노리본의 제조방법. - 제1 항에 있어서,
상기 산화아연 전구물질은 탄소 성분이 없는 산화아연 나노리본의 제조방법. - 제3 항에 있어서,
상기 산화아연 전구물질은 수산화아연아민 복합체인 산화아연 나노리본의 제조방법. - 제1 항에 있어서,
상기 잔여 용매와 상기 고분자 막의 제거를 위해 친수성 용매와 소수성 용매의 공비 혼합 용매를 사용하는 산화아연 나노리본의 제조방법. - 플렉시블 기판 위에 쇼트키 접촉 전극을 형성하는 단계;
상기 쇼트키 접촉 전극 위에 패터닝용 고분자 용액을 도포하여 고분자 막을 형성하는 단계;
마스크를 통해 상기 고분자 막을 선택적으로 자외선/오존 처리하여 나노리본 형태로 사전 패터닝하는 단계;
상기 사전 패터닝된 상기 고분자 막에 산화아연 전구물질 용액을 도포하여 젖음 상태의 필름을 형성하는 단계;
상기 필름의 잔여 용매와 상기 고분자 막을 제거하여 나노리본 형태로 패터닝된 박막을 얻는 단계;
상기 박막을 가열하여 나노리본 형태의 산화아연 박막을 얻는 단계; 및
상기 산화아연 박막 위에 상기 쇼트키 접촉 전극과 겹치지 않도록 오믹 접촉 전극을 형성하는 단계를 포함하는 압전 나노발전기의 제조방법. - 제6 항에 있어서,
상기 플렉시블 기판은 플라스틱 필름이고, 상기 박막의 가열온도는 300℃ 이하인 압전 나노발전기의 제조방법. - 제6 항 또는 제7 항에 있어서,
상기 산화아연 전구물질은 탄소 성분이 없는 압전 나노발전기의 제조방법. - 제6 항 또는 제7 항에 있어서,
상기 산화아연 전구물질은 수산화아연아민 복합체인 압전 나노발전기의 제조방법. - 플렉시블 기판 위에 하부 전극을 형성하는 단계;
상기 하부 전극 위에 고분자 막을 사전 패터닝하되, 나노리본 형태의 개구부를 갖도록 하는 단계;
상기 개구부를 통해 산화아연 전구물질 용액을 상기 플렉시블 기판 위에 도입하는 단계;
잔여 용매와 상기 고분자막을 제거하여 나노리본 형태로 패터닝된 박막을 얻는 단계;
상기 박막을 가열하여 산화아연 나노리본을 형성하는 단계; 및
상기 산화아연 나노리본 위에 상기 하부 전극과 겹치지 않도록 상부 전극을 형성하는 단계를 포함하는 압전 나노발전기의 제조방법. - 제10 항에 있어서,
상기 산화아연 전구물질은 수산화아연아민 복합체인 압전 나노발전기의 제조방법. - 제11 항에 있어서,
상기 플렉시블 기판은 플라스틱 필름이고, 상기 박막의 가열온도는 300℃ 이하인 압전 나노발전기의 제조방법. - 플렉시블 기판;
상기 플렉시블 기판 위에 배치된 하부 전극;
상기 하부 전극 위에 나노리본 형태로 패터닝된 산화아연 박막; 및
상기 하부 전극과 겹치지 않도록 상기 산화아연 박막 위에 배치된 상부 전극을 포함하는 압전 나노발전기. - 제13 항에 있어서,
상기 플렉시블 기판은 플라스틱 필름인 압전 나노발전기.
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| KR101565209B1 (ko) | 2013-09-02 | 2015-11-02 | 광운대학교 산학협력단 | 자기전기 효과를 이용한 유연한 에너지 하베스팅 소자 |
| KR101761317B1 (ko) * | 2016-01-13 | 2017-07-26 | 한국과학기술원 | 압전복합체를 이용한 에너지 변환장치 및 그 제조방법 |
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