KR101360839B1 - 2차원 산화아연 나노시트 기반 나노전력발전소자의 제조 방법 및 그 방법으로 제조된 발전 소자 - Google Patents

2차원 산화아연 나노시트 기반 나노전력발전소자의 제조 방법 및 그 방법으로 제조된 발전 소자 Download PDF

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Abstract

본 발명은 2차원 산화아연 나노시트 기반 압전 에너지 발전 소자에 관한 것으로서, 이러한 2차원 산화아연 나노시트를 이용한 기계적으로 안정하고 고출력의 압전 에너지 발전 소자에 관한 것이다.

Description

2차원 산화아연 나노시트 기반 나노전력발전소자의 제조 방법 및 그 방법으로 제조된 발전 소자 {METHOD OF MANUFACTURING 2D NANOSHEET ZnO BASED NANOGENERATOR DEVICE, AND NANOGENERATOR DEVICE THEREOF}
본 발명은 2차원 산화아연 나노시트 기반 압전 에너지 발전 소자에 관한 것으로서, 이러한 2차원 산화아연 나노시트를 이용한 기계적으로 안정하고 고출력의 압전 에너지 발전 소자에 관한 것이다.
본 발명은 "압전 나노전력발전소자 기반 대면적 에너지 하베스팅"(총연구기간 : 2010.05.01~2013.04.30, 당해년도연구기간 : 2011.05.01~2012.04.30, 주관기관 : 교육과학기술부 (한국연구재단), 과제번호 : 2010-00297) 50%, "나노구조 제어를 통한 monolithic 플렉서블 에너지 하베스팅 소자 개발"(총 연구기간 : 2009.05.01~2012.04.30, 당해년도연구기간 : 2011.05.01~2012.04.30, 주관기관 : 교육과학기술부 (한국연구재단), 과제번호 : 2009-0077682) 40%, 및 "형태변환형 정보 입력용 센서연구"(총 연구기간 : 2009.09.01~2016.02.29, 당해년도연구기간 : 2011.03.01~2012.02.28, 주관기관 : 교육과학기술부 (한국연구재단), 과제번호 : 2011-0006273) 10%의 과제를 통해 나온 결과물이다.
최근 유연한 폴리머 기판 위에 1차원 산화 아연 나노로드(nanorod)를 이용한 압전 에너지 발전 소자에 대해 개발되었다.
이러한 1차원 산화 아연 나노로드를 이용한 압전 에너지 발전 소자는 대한민국 등록특허 제 10-0851499호에서 개시되어 있다. 1차원 산화아연 나노로드를 이용한 압전 에너지 발전 소자는 대량으로 제조가 가능하다는 장점을 갖고 있지만, 이러한 압전 소자는 큰 기계적 힘이 주어질 경우 기계적 힘에 취약하다는 단점을 갖고 있으며, 또한 출력이 낮다는 단점도 갖고 있다.
이러한 1차원 산화아연 나노로드의 취약한 기계적 성질을 보완하고 고출력을 가진 압전 에너지 발전 소자에 대해 항상 요구가 있어왔고, 본 발명은 이러한 단점들을 개선한 압전 에너지 발전 소자에 관한 것이다.
본 발명은 물리적 에너지를 전기적 에너지로 전환시켜주는 압전 물질을 이용한 압전 에너지 발전 소자를 제공하고, 이때 2차원 산화아연 나노시트를 이용하여 기계적으로 안정하고 고출력의 압전 에너지 발전 소자를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 일면에 알루미늄이 증착된 플라스틱, 종이, 유리 등과 같은 기판을 제공 또는 일면에 알루미늄 호일이 부착된 플라스틱, 종이, 유리 등과 같은 기판을 제공 하는 단계; 상기 알루미늄이 증착 또는 부착된 기판의 일면 상에 산화아연 나노시트를 습식 성장시키는 단계; 일면에 금(Au), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 팔라듐-금 합금(PdAu), 니켈 (Ni), 니켈-금 합금 (NiAu), 루테늄(Ru), 은(Ag), 구리(Cu), 아연(Zn), 티타늄(Ti), 티타늄-금 합금(TiAu), 알루미늄(Al), 인주석 산화물(ITO), 불소 함유 산화주석(FTO), 갈륨아연산화물(GZO), 탄소나노튜브(CNT) 및 그래핀 (graphene) 같은 전극이 증착, 전사된 플라스틱, 종이, 유리등과 같은 기판을 제공하는 단계; 나노전력발전소자를 제작하기 위해서 상기에서 언급된 전극 물질 중 1개 이상이 증착, 전사된 플라스틱, 종이, 유리등과 같은 기판을 상기 산화아연 나노시트 위에 부착하는 단계를 포함하는, 2차원 산화아연 나노시트 압전 에너지 발전 소자를 제작하는 방법을 제공한다.
본 발명의 추가적인 실시예에 따르면, 상기 산화아연 나노시트를 습식 성장시키는 단계는, 징크 니트레이트 헥사하이드레이트(zinc nitrate hexahydrate, Zn(NO3)26H2O)와 헥사메틸렌테트라민(hexamethylenetetramine, C6H12N4)을 탈이온화된 물(Deionized Water)에 용해시켜 성장 용액을 준비 또는 징크 니트레이트 헥사하이드레이트(Zn(NO3)2 ·6H2O), 알루미늄 니트레이트 노나하이드레이트 (Al(NO3)3 ·9H2O)를 탈이온화된 물에 용해시켜 성장용액을 준비하고, 이 경우에는 pH조절을 위해서 NaOH and HNO3를 이용하며, 상기 일면에 알루미늄이 부착된 플라스틱 기판을 성장 용액 안에 넣어 성장시킨다.
본 발명에 따르면, 상기 일면에 알루미늄이 증착된 플라스틱, 종이, 유리, 사파이어등과 같은 기판을 제공 또는 일면에 알루미늄 호일이 부착된 플라스틱, 종이, 유리등과 같은 기판을 성장 용액 안에 넣어 성장시키는 단계는 1기압, 95℃에서 3시간 동안 이루어진다.
본 발명의 추가적인 실시예에 따르면, 2차원 산화아연 나노시트 압전 에너지 발전 소자로서, 일면에 알루미늄이 증착된 플라스틱, 종이, 유리, 사파이어등과 같은 기판을 제공 또는 일면에 알루미늄 호일이 부착된 플라스틱, 종이, 유리등과 같은 기판; 상기 알루미늄이 증착 또는 부착된 기판의 일면 상에 습식 성장된 산화아연 나노시트; 및 일면에 금, 이 증착된 플라스틱 기판으로서, 금이 증착된 면이 상기 산화아연 나노시트와 접하도록 배치된, 일면에 금이 증착된 플라스틱 기판을 포함하는, 2차원 산화아연 나노시트 압전 에너지 발전 소자를 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 2차원 산화아연 나노시트 기반 압전 에너지 발전 소자의 제조 방법의 순서도이다.
도 2는 알루미늄이 부착된 플라스틱 기판의 개략도이다.
도 3a는 기판 위에 산화아연 나노시트가 성장된 개략적인 모습이고, 도 3b는 이렇게 성장된 산화아연 나노시트의 실제 표면 이미지이다.
도 4는 금이 증착된 플라스틱 기판의 개략도이다.
도 5는 본 발명에 따른 2차원 산화아연 나노시트 기반 압전 에너지 발전 소자의 개략도이다.
도 6a-6d은 나노로드 기반 압전 에너지 발전 소자와 나노시트 기반 압전 에너지 발전 소자의 기계적 안정성 및 출력을 나타내는 그래프, 그리고 SEM 사진이다.
다양한 실시예들이 이제 도면을 참조하여 설명되며, 전체 도면에서 걸쳐 유사한 도면번호는 유사한 엘리먼트를 나타내기 위해서 사용된다. 설명을 위해 본 명세서에서, 다양한 설명들이 본 발명의 이해를 제공하기 위해서 제시된다. 그러나 이러한 실시예들은 이러한 특정 설명 없이도 실행될 수 있음이 명백하다. 다른 예들에서, 공지된 구조 및 장치들은 실시예들의 설명을 용이하게 하기 위해서 블록 다이아그램 형태로 제시된다.
하기 설명은 본 발명의 실시예에 대한 기본적인 이해를 제공하기 위해서 하나 이상의 실시예들의 간략화된 설명을 제공한다. 본 섹션은 모든 가능한 실시예들에 대한 포괄적인 개요는 아니며, 모든 엘리먼트들 중 핵심 엘리먼트를 식별하거나, 모든 실시예의 범위를 커버하고자 할 의도도 아니다. 그 유일한 목적은 후에 제시되는 상세한 설명에 대한 도입부로서 간략화된 형태로 하나 이상의 실시예들의 개념을 제공하기 위함이다.
도 1은 본 발명에 따른 2차원 산화아연 나노시트 기반 압전 에너지 발전 소자의 제조 방법의 순서도이다.
먼저 일면에 알루미늄이 부착된 기판을 제공(단계 110)하고, 알루미늄이 부착된 기판의 일면 상에 산화아연 나노시트를 습식 성장시키며(단계 120), 또한 일면에 전극이 증착된 기판을 준비하고(단계 130), 이렇게 전극이 증착된 기판의 전극이 증착된 일면이 산화아연 나노시트와 접하도록 전극이 증착된 플라스틱 기판을 산화아연 나노시트 위에 부착(단계 140)하게 된다. 이하에서는 각 단계별로 구체적으로 설명하도록 하겠다.
(1) 일면에 알루미늄이 부착된 기판을 제공하는 단계 (단계 110)
ZnO 나노시트를 성장시킬 기판은 도 2와 같이 기판 위에 알루미늄 호일을 증착 또는 부착시켜 준비한다. 이 경우 기판은 플라스틱, 종이, 유리, 사파이어 중 어느 하나 이상으로 이루어질 수 있다.
(2) 나노시트를 습식 성장시키는 단계 (단계 120)
단계 110에서 준비된 알루미늄이 부착된 기판의 알루미늄이 부착된 일면 상에 산화아연 나노시트를 습식 성장시킨다.
이 경우 습식 성장은, 징크 니트레이트 헥사하이드레이트(zinc nitrate hexahydrate, Zn(NO3)26H2O)와 헥사메틸렌테트라민(hexamethylenetetramine, C6H12N4)을 탈이온화된 물(Deionized Water)에 용해시키거나 또는 징크 니트레이트 헥사하이드레이트(Zn(NO3)2 ·6H2O), 알루미늄 니트레이트 노나하이드레이트 (Al(NO3)3 ·9H2O)를 탈이온화된 물에 용해시켜 성장 용액을 준비하고, 플라스틱 기판을 성장 용액 안에 넣어 성장시키게 된다.
한편, 이 경우 pH를 조절하기 위해서 NaOH 및 HNO3를 이용한다.
예를 들어, Zn(NO3)26H2O 1.86g과 C6H12N4 0.87g을 DI-water 250mL에 용해시켜 성장 용액을 준비하였고, 미리 준비되어 있는 알루미늄 호일이 일면에 부착된 기판을 성장 용액에 넣어서 1기압, 95℃에서 3시간 동안 성장시켰다.
도 3a는 기판 위에 산화아연 나노시트가 성장된 개략적인 모습이고, 도 3b는 이렇게 성장된 산화아연 나노시트의 실제 표면 이미지이다.
(3) 전극이 증착된 기판을 준비하는 단계 (단계 130)
나노전력 발전 소자의 제작을 위해 도 4와 같이 유연한 플라스틱 기판 위에 열적 증발기(thermal evaporator)를 이용해 압전 에너지 발전 소자의 전극으로 이용 가능한 금(gold)을 100nm 증착시켰다.
이 경우 기판은 플라스틱, 종이, 유리, 사파이어 중 어느 하나 이상으로 이루어질 수 있다.
한편, 전극은 금(Au), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 팔라듐-금 합금(PdAu), 니켈 (Ni), 니켈-금 합금 (NiAu), 루테늄(Ru), 은(Ag), 구리(Cu), 아연(Zn), 티타늄(Ti), 티타늄-금 합금(TiAu), 알루미늄(Al), 인주석 산화물(ITO), 불소 함유 산화주석(FTO), 갈륨아연산화물(GZO), 탄소나노튜브(CNT) 및 그래핀 (graphene) 중 어느 하나 이상으로 이루어질 수 있다.
(4) 전극이 증착된 기판을 산화아연 나노시트 위에 부착하는 단계 (단계 140)
단계 130에서 준비된 금이 증착된 기판을 도 3a의 나노시트 위에 금이 증착된 면이 나노시트와 접하도록 물리적으로 부착시켜서 압전 에너지 발전 소자를 완성하게 된다. 이후 도 5에서 상부 전극인 Au 및 하부 전극인 Al에 실버페이스트 등을 이용해 도선을 연결한다.
도 5는 본 발명에 따른 2차원 산화아연 나노시트 기반 발전 소자의 개략도이다.
본 발명에 따른 산화아연 나노시트 기반 압전 에너지 발전 소자는 습식 성장이 가능하며 도 3b에서 보는 것처럼 서로 네트워크되어 있어 1차원 구조인 산화아연 나노로드에 비해 훨씬 큰 기계적 에너지를 견딜 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따른 2차원 산화아연 나노시트 기반 압전 에너지 발전 소자는 기존의 1차원 산화아연 나노로드 기반의 압전 에너지 발전 소자에 비해 3~4배 높은 출력 전압과 출력 전류 밀도를 가지며, 이러한 결과는 도 6에서 살펴볼 수 있다.
도 6a에서 보는 것처럼, 낮은 힘(1kgf)에서도 본 발명에 따른 2차원 산화아연 나노시트 기반 압전 에너지 발전 소자가 높은 출력을 보이며, 이후 가해지는 힘을 증가함에 따라 지속적으로 전류밀도가 증가함을 확인할 수 있다. 그러나, 나노로드 기반 압전 에너지 발전 소자의 경우에는 가해주는 힘이 증가함에 따라 지속적으로 전류 밀도가 감소하게 되는데, 그 이유는 힘이 커짐에 따라 나노로드가 기계적 힘을 견디지 못하고 파괴되기 때문이다.
도 6b는 나노로드와 나노시트의 기계적 특성을 분석한 데이터로서, 화살표 지점이 나노로드와 나노시트의 변형 임계 하중을 나타내며, 임계하중을 넘어갈 경우 나노로드는 부러지며 나노시트는 네트워크된 구조이기 때문에 부러지지 아니하고 변형은 있지만 서로 지탱할 수 있다. 이러한 모습은 도 6c에서 나노로드가 부서진 FE-SEM 사진과 도 6d에서 나노시트가 변형은 있지만 부서지지 않은 FE-SEM 사진을 통해 확인할 수 있다.
아래의 표는 도 6의 데이터를 바탕으로 계산을 하였을 때 나노로드는 탄성계수가 높은 반면 나노시트에 비해서 낮은 변형 에너지를 갖기 때문에 쉽게 부러짐을 알 수 있음을 나타내는 표 1이다.
나노시트 나노로드
임계 하중(N) 5.56E-5 1.17E-4
길이(m) 3.00E-6 2.00E-6
면적(m2) 3.83E-14 5.02E-13
변형 에너지(J) 9.50E-12 8.05E-12
변형 에너지 밀도(J/m3) 7.90E+7 7.50E+6
탄성 계수; 영스 모듈러스(Pa) 1.35E+10 1.18E+11
제시된 실시예들에 대한 설명은 임의의 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 이용하거나 또는 실시할 수 있도록 제공된다. 이러한 실시예들에 대한 다양한 변형들은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이며, 여기에 정의된 일반적인 원리들은 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 그리하여, 본 발명은 여기에 제시된 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 여기에 제시된 원리들 및 신규한 특징들과 일관되는 최광의의 범위에서 해석되어야 할 것이다.

Claims (11)

  1. 일면에 알루미늄이 부착된 기판을 제공하는 단계;
    상기 알루미늄이 부착된 기판의 일면 상에 산화아연 나노시트를 습식 성장시키는 단계;
    일면에 전극이 증착된 기판을 제공하는 단계;
    상기 전극이 증착된 기판의 전극이 증착된 일면이 상기 산화아연 나노시트와 접하도록 상기 전극이 증착된 기판을 상기 산화아연 나노시트 위에 부착하는 단계를 포함하고,
    상기 산화아연 나노시트는 네트워크 구조를 이루고 있어 기계적 안정성이 향상된 것을 특징으로 하는,
    기계적 안정성이 향상된 2차원 산화아연 나노시트 기반 발전 소자를 제작하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 산화아연 나노시트를 습식 성장시키는 단계는,
    징크 니트레이트 헥사하이드레이트(zinc nitrate hexahydrate, Zn(NO3)26H2O)와 헥사메틸렌테트라민(hexamethylenetetramine, C6H12N4)을 탈이온화된 물(Deionized Water)에 용해시키거나 또는 징크 니트레이트 헥사하이드레이트(Zn(NO3)2 ·6H2O), 알루미늄 니트레이트 노나하이드레이트 (Al(NO3)3 ·9H2O)를 탈이온화된 물에 용해시켜 성장 용액을 준비하는 단계; 및
    상기 일면에 알루미늄이 부착된 기판을 성장 용액 안에 넣어 성장시키는 단계를 포함하는,
    기계적 안정성이 향상된 2차원 산화아연 나노시트 기반 발전 소자를 제작하는 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 성장 용액을 준비하는 단계에서, pH 조절을 위해 NaOH 및 HNO3를 이용하는,
    기계적 안정성이 향상된 2차원 산화아연 나노시트 기반 발전 소자를 제작하는 방법.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 일면에 알루미늄이 부착된 기판을 성장 용액 안에 넣어 성장시키는 단계는 1기압, 95℃에서 3시간 동안 이루어지는,
    기계적 안정성이 향상된 2차원 산화아연 나노시트 기반 발전 소자를 제작하는 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판은 플라스틱, 종이, 유리, 사파이어 중 어느 하나 이상으로 이루어지고,
    상기 전극은 금(Au), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 팔라듐-금 합금(PdAu), 니켈 (Ni), 니켈-금 합금 (NiAu), 루테늄(Ru), 은(Ag), 구리(Cu), 아연(Zn), 티타늄(Ti), 티타늄-금 합금(TiAu), 알루미늄(Al), 인주석 산화물(ITO), 불소 함유 산화주석(FTO), 갈륨아연산화물(GZO), 탄소나노튜브(CNT) 및 그래핀 (graphene) 중 어느 하나 이상으로 이루어진,
    기계적 안정성이 향상된 2차원 산화아연 나노시트 기반 발전 소자를 제작하는 방법.
  6. 일면에 알루미늄이 부착된 플라스틱 기판을 제공하는 단계;
    상기 알루미늄이 부착된 기판의 일면 상에 산화아연 나노시트를 습식 성장시키는 단계로서, 징크 니트레이트 헥사하이드레이트(zinc nitrate hexahydrate, Zn(NO3)26H2O)와 헥사메틸렌테트라민(hexamethylenetetramine, C6H12N4)을 탈이온화된 물(Deionized Water)에 용해시켜 성장 용액을 준비하는 단계; 및 상기 일면에 알루미늄이 부착된 플라스틱 기판을 성장 용액 안에 넣어 1기압, 95℃에서 3시간 동안 성장시키는 단계를 포함하는, 산화아연 나노시트를 습식 성장시키는 단계;
    일면에 금이 증착된 플라스틱 기판을 제공하는 단계;
    상기 금이 증착된 플라스틱 기판의 금이 증착된 일면이 상기 산화아연 나노시트와 접하도록 상기 금이 증착된 플라스틱 기판을 상기 산화아연 나노시트 위에 부착하는 단계를 포함하고,
    상기 산화아연 나노시트는 네트워크 구조를 이루고 있어 기계적 안정성이 향상된 것을 특징으로 하는,
    기계적 안정성이 향상된 2차원 산화아연 나노시트 기반 발전 소자를 제작하는 방법.
  7. 2차원 산화아연 나노시트 기반 발전 소자로서,
    일면에 알루미늄이 부착된 기판;
    상기 알루미늄이 부착된 기판의 일면 상에 습식 성장되며 네트워크 구조를 이루고 있어 기계적 안정성이 향상된 산화아연 나노시트; 및
    일면에 전극이 증착된 기판으로서, 전극이 증착된 면이 상기 산화아연 나노시트와 접하도록 배치된, 일면에 전극이 증착된 기판을 포함하는,
    기계적 안정성이 향상된 2차원 산화아연 나노시트 기반 발전 소자.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 산화아연 나노시트의 습식 성장은,
    징크 니트레이트 헥사하이드레이트(zinc nitrate hexahydrate, Zn(NO3)26H2O)와 헥사메틸렌테트라민(hexamethylenetetramine, C6H12N4)을 탈이온화된 물(Deionized Water)에 용해시키거나 또는 징크 니트레이트 헥사하이드레이트(Zn(NO3)2 ·6H2O), 알루미늄 니트레이트 노나하이드레이트 (Al(NO3)3 ·9H2O)를 탈이온화된 물에 용해시켜 성장 용액을 준비하는 단계; 및
    상기 일면에 알루미늄이 부착된 기판을 성장 용액 안에 넣어 성장시키는 단계에 의해 이루어지는,
    기계적 안정성이 향상된 2차원 산화아연 나노시트 기반 발전 소자.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 성장 용액을 준비하는 단계에서, pH 조절을 위해 NaOH 및 HNO3를 이용하는,
    기계적 안정성이 향상된 2차원 산화아연 나노시트 기반 발전 소자.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 일면에 알루미늄이 부착된 기판을 성장 용액 안에 넣어 성장시키는 단계는 1기압, 95℃에서 3시간 동안 이루어지는,
    기계적 안정성이 향상된 2차원 산화아연 나노시트 기반 발전 소자.
  11. 제 7 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판은 플라스틱, 종이, 유리, 사파이어 중 어느 하나 이상으로 이루어지고,
    상기 전극은 금(Au), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 팔라듐-금 합금(PdAu), 니켈 (Ni), 니켈-금 합금 (NiAu), 루테늄(Ru), 은(Ag), 구리(Cu), 아연(Zn), 티타늄(Ti), 티타늄-금 합금(TiAu), 알루미늄(Al), 인주석 산화물(ITO), 불소 함유 산화주석(FTO), 갈륨아연산화물(GZO), 탄소나노튜브(CNT) 및 그래핀 (graphene) 중 어느 하나 이상으로 이루어진,
    기계적 안정성이 향상된 2차원 산화아연 나노시트 기반 발전 소자.
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