KR101330713B1 - 레이저 리프트오프를 이용한 플렉서블 박막 나노제너레이터 제조방법 및 이에 의하여 제조된 플렉서블 박막 나노제너레이터 - Google Patents

Abstract

레이저 리프트오프를 이용한 플렉서블 박막 나노제너레이터 제조방법 및 이에 의하여 제조된 플렉서블 박막 나노제너레이터가 제공된다.

Description

레이저 리프트오프를 이용한 플렉서블 박막 나노제너레이터 제조방법 및 이에 의하여 제조된 플렉서블 박막 나노제너레이터{method for manufacturing flexible film nanogenerator and flexible nanogenerator manufactured by the same}

본 발명은 레이저 리프트오프를 이용한 플렉서블 박막 나노제너레이터 제조방법 및 이에 의하여 제조된 플렉서블 박막 나노제너레이터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 분리공정에 일반적으로 사용되는 습식식각 공정의 문제를 간단히 해결할 수 있으며, 경제적인 방식으로 플렉서블 박막 나노제너레이터를 제조할 수 있는 새로운 방식의 레이저 리프트오프를 이용한 플렉서블 박막 나노제너레이터 제조방법 및 이에 의하여 제조된 플렉서블 박막 나노제너레이터에 관한 것이다.

현재 정보통신의 발달에 따라 압전소자, 태양전지 등의 전기 소자의 필요성 및 대용량화가 대두되고 있다. 더 나아가, 이러한 전기 소자는 현재까지 딱딱한 실리콘 기판 등에서 제조되어, 응용되고 있는데, 그 이유는 바로 이러한 소자 들의 제조공정이 보통 고온의 반도체 공정을 통하여 제조되기 때문이다. 하지만, 이러한 소자 기판의 한계는 압전소자, 태양전지 등의 응용 범위를 제한하는 문제가 있다.

특히 이러한 기판 제한에 따라 그 효과가 제한되는 소자 중 하나는 압전 소자이다. 압전소자란 압전기(壓電氣) 현상을 나타내는 소자를 의미한다. 상기 압전 소자는 피에조 전기소자라고도 하며, 수정, 전기석, 로셸염 등이 일찍부터 압전소자로서 이용되었으며, 근래에 개발된 지르코늄산납, 타이타늄산바륨(BaTiO₃, 이하 BTO), 인산이수소암모늄, 타타르산에틸렌다이아민 등의 인공결정도 압전성이 뛰어나며 도핑을 통해 더 뛰어난 압전특성을 유도 할 수 있게 된다.

이러한 압전소자는 현재 외부에서 인가되는 압력에 따라 전기를 발생시키는 방식이나, 상기 압전 소자가 자연스럽게 휘어질 수 있는 플렉서블 기판에 응용되는 경우, 자연스럽게 발생하는 플렉서블 기판의 휘는 특성을 즉시 전기적 에너지로 전화시킬 수 있는 장점이 있으나, 아직까지 플렉서블 기판에 구현된 압전 소자, 특히 대면적 압전 소자는 개시되지 못한 상황이다. 더 나아가, 발생한 전기적 에너지를 충전시키기 위해서 보통 BTO 소자 외부의 별도 충전 수단을 종래 기술은 사용하나, 이는 압전 소자를 사용하는 디바이스 크기를 과도하게 차지하는 문제가 있다.

더 나아가, 많은 양의 전기적 에너지를 생산하기 위해서는 큰 면적의 BTO 소자를 사용하는 것이 바람직하나, 현재까지 대면적의 압전소자를 플렉서블 기판에 구현시키는 기술은 개시되지 못하는 상황이다. 더 나아가, 이러한 압전소자를 이용하여, 전류를 사실상 연구적으로 생산할 수 있는 플렉서블 미세발전기, 즉, 플렉서블 박막 나노제너레이터는 아직까지 개시되지 못하는 상황이다.

본 발명이 해결하려는 과제는 보다 쉽고, 용이하게 희생기판으로부터 나노제너레이터를 분리, 제조할 수 있는 방식의 플렉서블 박막 나노제너레이터의 제조방법 및 이에 의하여 제조된 플렉서블 박막 나노제너레이터를 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 플렉서블 박막 나노제너레이터 제조방법으로, 상기 방법은 희생기판 전면에 분리층을 형성하는 단계; 상기 분리층 상에 고효율 박막 압전물질을 증착하는 단계; 상기 희생기판 후면에 레이저를 조사하여, 상기 분리층을 제거하는 단계; 및 상기 분리층 제거에 따라 상기 희생기판으로부터 분리된 박막 압전물질을 플렉서블 기판에 전사시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 박막 나노제너레이터 제조방법을 제공한다.

본 발명에 따르면, 레이저가 투과될 수 있는 희생기판 상에 나노제너레이터를 제조하는데, 상기 희생기판과 플렉서블 박막 나노제너레이터 사이에는 비정질의 실리콘층을 분리층으로 구비시킨다. 이 경우, 조사되는 레이저에 의하여 상기 비정질 실리콘층의 수소가 기체화됨으로써, 희생기판과 나노제너레이터는 매우 간단한 공정으로도 분리될 수 있다. 본 발명은 이러한 방식으로 통하여 분리공정에 일반적으로 사용되는 습식식각 공정의 문제를 간단히 해결할 수 있으며, 경제적인 방식으로 플렉서블 박막 나노제너레이터를 제조할 수 있다.

도 1 내지 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 플렉서블 박막 나노제너레이터를 희생기판 상에서 제조하는 방법을 설명하는 도면이다.
도 10 내지 18은 본 발명의 일 실시예에 따른, 플렉서블 박막 나노제너레이터 제조방법을 설명하는 도면이다.
도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전물질 증착을 위한 에어로졸 장치의 구성도이다.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로서, 본 발명을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 설명하는 실시예에 한정되는 것이 아니다. 그리고, 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략되며, 도면의 동일한 참조부호는 동일한 부재임을 나타낸다.

본 발명에서 나노제너레이터라 함은, 기판의 휨과 같은 외부의 물리적인 힘에 의하여 전류를 자가 생산할 수 있는 미세발전소자를 의미하며, 박막 나노제너레이터라함은 박막 형태의 고효율 압전물질을 이용한 미세발전소자를 의미한다.

본 발명은 유연한 미세발전소자, 즉, 플렉서블 박막 나노제너레이터를 제조하기 위하여, 유리와 같이 후면에서 조사되는 레이저가 투과되어, 전면에 열을 전달할 수 있게 하는 기판을 희생기판으로 사용한다. 따라서, 본 발명은 희생기판의 전면으로 조사되는 상기 레이저에 의하여 수소가 발생하여, 상기 희생기판 전면에 구비된 플렉서블 박막 나노제너레이터가 상기 희생기판으로부터 용이하게 분리된다. 이로써, 별도의 습식식각 공정을 사용하지 않고서도, 후면에 레이저를 간단히 조사함으로써 기판 전면에 형성된 고효율의 압전물질층을 포함하는 나노제너레이터를 희생기판으로부터 용이하게 분리하며, 상기 분리된 고효율 압전물질층을 다시 플렉서블 기판에 전사되어, 플렉서블 박막 나노제너레이터를 제조한다.

도 1 내지 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 플렉서블 박막 나노제너레이터를 희생기판 상에서 제조하는 방법을 설명하는 도면이다.

도 1을 참조하면, 희생기판(100)이 개시된다. 상기 희생기판은 후면에 조사되는 레이저가 투과되어, 전면에 열을 집중시킬 수 있는 임의의 모든 종류의 기판이 상기 희생기판에 속한다. 예를 들여, 유리기판 또는 사파이어 기판이 희생기판(100)으로 사용될 수 있다.

도 2를 참조하면, 상기 유리기판(700)의 일면(이하 전면)에 비정질 실리콘층(800)이 적층되는데, 본 발명에서 상기 비정질 실리콘층(800)은 후면에서 조사되는 레이저에 의하여 내부에 함유된 수소 가스를 발생시켜, 상부의 압전물질층을 하부의 희생기판으로부터 분리시키는, 일종의 분리층으로 사용된다.

도 3내지 5는 본 발명의 일 실시예에 따른, 나노제너레이터를 희생기판 상에 제조하는 방법을 나타내는 단계별 도면이다.

도 3 내지 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에서 상기 비정질 실리콘층(800) 상에 순차적으로 하부전극층(300)-압전물질층(400)-상부전극층(500)을 적층시켜, 나노제너레이터를 제조한다. 압전물질층(400)은 추후 전사되는 플렉서블 기판의 휨에 따라 전류를 생산하는 발전층으로, 본 발명의 상기 실시예에서 상기 압전물질층(400)은 BTO층이었으나, 본 발명의 범위는 이에 제한되지 않는다. 일반적인 압전물질층의 증착방법은 스퍼터링, 펄스-레이저 증착, 솔-겔 증착, 수열 합성법, 에어로졸 합성법 등이 있다. 본 발명의 경우 박막 형태로 압전물질층을 증착하므로, 특히 도 19에서 도시한 바와 같은 에어로졸 장치를 이용하여, 압전물질 박막을 증착하는 것이 바람직하다. 즉, 에어로졸 증착법을 이용하면 여러 종류의 기판(실리콘, 플라스틱 등등) 위에서 대면적 압전물질의 증착이 가능하고, 또한 증착 두께는 약 100μm까지 가능하다. 이를 이용하면 플렉서블 기판위에 대면적의 압전물질을 증착하여 박막 나노제너레이터로 이용 가능하다.

도 6 내지 9는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른, 나노제너레이터를 희생기판 상에 제조하는 방법을 나타내는 단계별 도면이다.

도 6 내지 9를 참조하면, 하부전극층(300)과 압전물질층(400)의 사이, 그리고 상기 압전물질층(400)과 상부전극층(500) 사이에 각각 제 1 절연층(410)과, 제 2 절연층(430)이 적층되는데, 상기 절연층으로 SiO₂, Al₂O₃, HfO₂등이 사용될 수 있다. 상기 절연층의 기능을 살펴보면, BTO와 같은 압전물질로 나노 제너레이터를 제작하기 위해서는 열처리를 통한 결정화 후, 상부전극과 하부전극에 전압차를 주어 전기장을 가해 주어야 한다. 이때 가해주는 전기장이 커질수록 누설전류(leakage current)가 커져 전기장이 제대로 생성되지 않는 문제가 발생한다. 이를 해결하기 위해 BTO의 두께를 늘리거나 BTO와 같은 압전물질층 아래와 위에 절연물질을 형성시켜 누설전류를 최소화 시킬 수 있다.

따라서, 희생기판상에서 나노제너레이터의 요소층이 적층된 후, 상기 요소층은 다시 열처리, 전기장 인가 과정을 거쳐, 나노제너레이터가 제조될 수 있다.

도 10 내지 18은 본 발명의 일 실시예에 따른, 플렉서블 박막 나노제너레이터 제조방법을 설명하는 도면이다.

이하 희생기판(100)으로부터 나노제너레이터를 분리하는 방법을 설명하며, 여기에서 나노제너레이터는 도 3 내지 5에 따른 실시예에서 제조된 나노제너레이터를 예시로 제시하나, 도 6 내지 9에 따른 구조의 나노제너레이터도 하기 실시예에 포함된다.

도 10을 참조하면, 유리나 사파이어 같은 희생기판(100) 상에 순차적으로 적층된 하부전극층(300)-압전물질층(400)-상부전극층(500)의 나노제너레이터가 개시되며, 이는 도 3 내지 5의 방식에 따라 제조된다. 또한, 상기 나노제너레이터에는 압전물질층(400)과 상부전극층(500) 사이에 각각 제 1 절연층(410)과, 제 2 절연층(430)이 도 9와 같이 구비될 수 있다.

도 11을 참조하면, 상기 비정질 실리콘층(200) 상에 형성된 나노제너레이터, 보다 정확하게는 나노제너레이터의 상부전극(500) 상에 지지층(600)이 접촉된 후, 접합된다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 지지층(600)은 폴리디메틸실록산이며, 플렉서블 박막 나노제너레이터와의 접착 효과를 증대시키기 위하여 상기 지지층(400)에는 별도의 접합층(미도시)이 형성되어 있을 수 있다. 상기 지지층은 희생기판으로부터 나노제너레이터가 분리됨에 따른 소자의 변형 등을 방지하는 물리적 지지체로 기능한다. 또한, 상기 지지층(400)은 폴리머와 같은 유연 물질층이 될 수 있다.

도 12를 참조하면, 희생기판(100) 후면에 레이저 빔을 조사한다. 상기 조사된 레이저 빔은 희생기판(100)을 투과하여, 유리기판(100) 전면에 구비되며, 나노제너레이터 하부전극(300) 바로 아래에 형성된 분리층인 비정질 실리콘층(200)에도 조사되며, 이로써 상기 비정질 실리콘층(200)에 함유된 수소는 가스화(outgasing)되어 비정질 실리콘층(800)은 박리된 후, 제거된다.

상술한 바에 따라 레이저 빔 조사에 따라 희생기판으로부터 분리된 후, 지지층에 접착, 고정된 나노제너레이터로부터 2 가지 방식으로 플렉서블 박막 나노제너레이터를 제조할 수 있는데, 이하 이를 설명한다.

도 13에서는 도 12의 지지층(이하 제 1 지지층(600))에 접착된 나노제너레이터 반대쪽에 또 다른 지지층(이하 제 2 지지층(601))이 접착된다. 이로써 레이저 빔 조사에 따라 희생기판으로부터 분리된 나노제너레이터는 두 개의 폴리머 물질층 사이에 끼워진 형태가 된다.

도 14를 참조하면, 상, 하부의 두 지지층(600, 601) 사이로 폴리머 물질을 도포하여, 두 지지층(600, 601)사이의 나노제너레이터를 밀봉하며, 이로써 나노제너레이터는 지지층(602) 사이로 삽입되어, 외부로 노출되지 않게 된다.

도 15를 참조하면, 상기 지지층(602)을 일부 제거하여, 상기 나노제너레이터의 상부전극(500)과 하부전극(300)을 일부 노출시키며, 상기 노출된 전극에 도선(700)을 연결하여, 압전물질층(400)으로부터 생산된 전류를 외부로 유도할 수 있게 한다.

도 16 내지 18은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 플렉서블 박막 나노제너레이터 제조방법을 설명하는 도면이다.

도 16을 참조하면, 먼저 플라스틱 기판(800)에 도 12의 지지층에 접착된 나노제너레이터를 전사한다.

이후, 도 17과 같이 압전물질층(400)과 상부전극층(500)을 일부 제거하여, 하부전극층(300)을 일부 노출시키고, 상기 노출된 하부전극(300)과 상부 전극(400)에 도선(700)을 연결하여 플렉서블 박막 나노제너레이터를 완성시킨다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (13)

1. 플렉서블 박막 나노제너레이터 제조방법으로, 상기 방법은
   희생기판 전면에 비정질 실리콘층을 형성하는 단계;
   상기 비정질 실리콘층상에 하부전극층/압전물질층/상부전극층을 순차적으로 적층하여 나노제너레이터를 제조하는 단계;
   상기 상부전극층 상에 제 1 지지층을 접합시키는 단계;
   상기 희생기판 후면에 레이저를 조사하여, 상기 비정질 실리콘층에서 수소가스를 발생시키는 단계; 및
   상기 수소가스 발생에 따라 상기 희생기판으로부터 나노제너레이터를 분리하는 단계;
   상기 분리된 나노제너레이터의 하부전극층에 제 2 지지층을 접합시키는 단계; 및
   상기 제 1 지지층과 제 2 지지층 사이에 동일 물질을 도포하여, 상기 접합된 나노제너레이터를 밀봉시키는 단계; 및
   상기 제 1 지지층과 제 2 지지층을 일부 제거한 후, 노출된 상부전극층과 하부전극층에 도선을 연결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 박막 나노제너레이터 제조방법.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 지지층은 폴리디메틸실록산인 것을 특징으로 하는 플렉서블 박막 나노제너레이터 제조방법.
3. 제 2항에 있어서,
   상기 나노제너레이터는 제 1 절연층/ 하부전극층/압전물질층/상부전극층/제 2 절연층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 플렉서블 박막 나노제너레이터 제조방법.
4. 제 3항에 있어서, 상기 방법은
   상기 하부전극층/압전물질층/상부전극층을 순차적으로 희생기판 상에 적층한 후, 열처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 박막 나노제너레이터 제조방법.
5. 제 4항에 있어서,
   상기 압전물질층은 에어로졸 방식으로 증착되는 것을 특징으로 하는 플렉서블 박막 나노제너레이터 제조방법.
6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의하여 제조된 플렉서블 박막 나노제너레이터.
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