KR101409326B1 - Ｐｚｔ가 코팅된 나노와이어를 압전소자로써 포함하는 나노발전기 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 PZT가 코팅된 ZnO 나노와이어를 압전소자로써 포함하는 나노발전기 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 PZT가 코팅된 ZnO 나노와이어를 압전소자로써 포함하는 나노발전기는 ZnO 나노와이어 표면 전체에 압전 계수가 높은 PZT가 고르게 코팅되어, 압전 전환 효율이 현저히 향상하므로, 나노발전기의 제조에 유용할 수 있다.
Description
본 발명은 PZT가 코팅된 나노와이어를 압전소자로써 포함하는 나노발전기 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
최근, 환경오염 등의 문제로 인해 친환경 에너지에 대한 요구가 높아지고 있으며, 또한, 스마트폰이나 태블릿 PC 등 각종 휴대형 전자기기가 보급됨에 따라 배터리 및 배터리를 충전하는 기술에 대한 수요도 증가하고 있다.
즉, 휴대기기의 사용자는, 충전된 상태의 기기나 배터리를 가지고 다니면서 사용하다가 배터리가 방전되면 자신의 집이나 사무실 등의 콘센트를 통해 공급되는 전기를 이용하여 자신의 기기 및 배터리를 충전한 후에 다시 사용하는 것이 일반적이었다.
이에 대하여, 최근에는, 기존의 충전방식을 대신하여, 별도의 충전기가 필요 없이 자가발전의 형태로 충전하는 이른바 사용자 발전(UCP : User Created Power) 기술이 연구되고 있다.
더 상세하게는, 이러한 사용자발전(UCP)의 예로서, 예를 들면, MIT 졸업생들이 개발한 자가발전형 '요요 발전기'가 있다.
즉, 상기한 요요 발전기는, 줄을 당기면 내장된 발전기가 돌아가면서 15∼20W의 전력을 생산하도록 구성된 것으로, 이와 같이 소형의 자가발전형 충전장치를 휴대하면 언제 어디서나 휴대용 전자기기에 필요한 전기를 공급할 수 있다.
또한, 사용자 발전(UCP)의 다른 예로서, 예를 들면, 헬스기구에 발전기를 연결하여 운동을 하면 전력이 발생하도록 구성된 자가발전형 헬스 바이크도 출시된 바 있으며, 이는, 사용자가 바이크 페달을 밟으면 발전기를 통해 20인치 TV를 켜는 데 충분한 100∼200W의 전력이 생산된다.
즉, 상기한 바와 같은 헬스기구를 이용하면, TV 프로그램을 시청하기 위해서 최소 30분에서 한 시간은 쉬지 않고 페달을 돌려야 하므로, 전기에너지를 절약할 뿐만 아니라 TV를 보기 위해 계속 움직이는 운동효과도 얻을 수 있으므로, 이를 다른 헬스장비에도 적용하면 회원들의 운동량을 이용하여 전력 수요를 상당부분 절감할 수 있을 것으로 예상된다.
그러나 상기한 바와 같은 요요 발전기나 자가발전형 헬스 바이크는, 일정한 동작을 반복적으로 수행하여야 하므로, 사용자가 같은 동작을 오랜 시간 지속하기는 어렵다는 문제점이 있었다.
즉, 상기한 바와 같이, 사용자 발전은, 점점 늘어나는 전력 수요를 감당하기 위해서도 앞으로 많은 연구개발이 필요한 분야이며, 이러한 연구의 일환으로, 예를 들면, 걷기, 근육 스트레칭, 팔 돌리기, 심장 박동 등과 같은 인체의 불규칙한 다양한 움직임을 활용하여 전력을 생산하는 기술에 대한 연구가 진행되고 있다.
더 상세하게는, 예를 들면, 미국 조지아 공대의 왕종린 교수 등에 의해, 햄스터의 움직임을 전류로 바꾸는 나노발전기가 제시된 바 있다.
이는, 불규칙한 생체운동을 전기 에너지로 바꾼 세계 최초의 사례로서, 즉, 이론적으로는 모든 생물의 근육 수축과 이완을 기계적 에너지로 전환시켜 전기를 만들 수 있는 것으로 알려져 있으나, 그 불규칙한 운동특성 때문에 실용화에는 성공하지 못했던 문제점을 해결하여, 비규칙적이고 아주 미세한 동물이나 인간의 근육힘을 전기로 바꿀 수 있음을 입증했다는 점에서 의미가 크다고 할 수 있다.
더 상세하게는, 상기한 나노발전기는 압전효과를 이용한 나노발전기로서, 여기서, 압전효과란, 크리스탈이나 세라믹 같은 압전체에 물리적 힘을 가하면 그 힘이 전기 에너지로 변환되는 효과를 말한다.
따라서 상기한 바와 같은 압전효과를 이용하면 근육이 움직일 때 발생하는 불규칙한 움직임을 전기 에너지로 만들 수 있다.
즉, 더 상세하게는, 상기한 나노 발전기는, 얇고 잘 휘어지는 폴리머 기판에 산화아연(ZnO) 소재의 나노 와이어를 붙인 구조로서, 햄스터가 움직일 때마다 와이어가 구부러지면서 전류가 흐르게 된다.
따라서 이러한 방식을 이용하면, 근육이 움직일 때 발생하는 불규칙한 움직임을 발전으로 연결할 수 있으며, 최근에는 나노와이어로 옷감을 만들어 전기를 생성하는 실험까지 성공한 사례가 알려진 바 있다.
그러나 상기한 나노발전기는, 그 발전량이 매우 적어서 햄스터 약 1000마리를 모아야 휴대폰 충전이 가능한 수준이며, 따라서 더욱 많은 발전량을 가지는 나노발전기에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
따라서 상기한 바와 같이, 종래의 나노발전기에 비하여 더욱 큰 발전량을 가지는 새로운 나노발전기의 구조 및 그 제조방법을 제공하는 것이 바람직하나, 아직까지 그러한 요구를 모두 만족시키는 장치나 방법은 제공되지 못하고 있는 실정이다.
이에 본 발명자들은, 상술한 문제점을 해결하기 위하여 ZnO 나노와이어의 표면 전체에 압전 계수가 높은 PZT를 고르게 코팅한 나노발전기를 제작하였고, 본 발명의 나노발전기가 종래의 ZnO 나노와이어만을 적용한 나노발전기에 비하여 현저히 향상된 압전 변환 효율을 나타내는 것을 확인하고, 본 발명을 완성하였다.
아울러, 상기한 바와 같은 나노발전기의 원리에 대한 더 상세한 내용은, 이하의 [참고문헌]에 기재된 내용들을 참조하면 쉽게 알 수 있다.
[참고문헌]
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본 발명의 목적은 PZT가 코팅된 나노와이어를 압전소자로써 포함하는 나노발전기를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 나노발전기의 제조방법을 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 PZT(Pb(Zr0 .42-0.62Ti0 .38-0.58)O3)가 코팅된 ZnO 나노와이어를 압전소자로써 포함하는 나노발전기를 제공한다.
구체적으로, 본 발명에 따른 나노발전기는
상면 및 하면에 각각 배치되는 상부기판 및 하부기판과;
상기 하부기판상에 코팅되는 씨드층과;
상기 씨드층으로부터 성장하는 복수의 ZnO 나노와이어와;
상기 ZnO 나노와이어로부터 발생한 전기를 외부로 전달하기 위해 상기 하부기판에 배치되고 도전체로 이루어지는 하부전극과;
상기 상부기판상에 형성되는 상부전극과;
각각의 전극으로부터 전달된 전기를 축적하는 축전수단과;
상기 하부기판의 좌우 양단에 각각 배치되어 상부기판과 하부기판이 접촉하는 것을 방지하고 일정 간격을 유지하도록 하는 지지체; 및
상기 ZnO 나노와이어의 전체를 코팅하는 PZT(Pb(Zr0.42-0.62Ti0.38-0.58)O3) 코팅막;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 기판에 ZnO 나노와이어를 성장시키는 단계(단계 1);
PZT(Pb(Zr0.42-0.62Ti0.38-0.58)O3) 타겟을 준비하는 단계(단계 2);
상기 단계 1에서 준비한 기판에 단계 2에서 준비한 PZT 타겟을 스퍼터링(sputtering)하여 ZnO 나노와이어 표면에 PZT를 코팅하는 단계(단계 3);
상기 단계 3에서 ZnO 나노와이어 표면에 코팅된 PZT를 열처리하여 결정화하는 단계(단계 4); 및
상기 단계 4에서 결정화된 PZT를 폴링(배향분극)하는 단계(단계 5);를 포함하는 나노발전기의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 PZT가 코팅된 ZnO 나노와이어를 압전소자로써 포함하는 나노발전기는 ZnO 나노와이어 표면 전체에 압전 계수가 높은 PZT가 고르게 코팅되어, 압전 전환 효율이 현저히 향상하므로, 나노발전기의 제조에 유용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에서 기판상에 형성된 ZnO 나노와이어를 FE-SEM으로 촬영한 이미지이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에서 기판상에 형성된 ZnO 나노와이어를 TEM(a)과 SAED(b)로 촬영한 이미지이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에서 ZnO 나노와이어에 PZT가 코팅된 것을 SEM으로 촬영한 단면도 이미지이다.
도 4는 본 발명의 비교예 1-4에서 ZnO 나노와이어에 표면 일부에 PZT가 코팅된 것을 SEM으로 촬영한 단면도 이미지이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 열처리 온도(a) 및 열처리 시간(b)에 따른 나노와이어의 표면에 코팅된 PZT의 결정성을 XRD로 확인한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 PZT가 코팅된 ZnO 나노와이어를 포함하는 나노발전기의 모식도이다.
도 7은 PZT가 코팅되지 않은 ZnO 나노와이어를 포함하는 나노발전기에 압력을 가했을 경우 생성되는 전류량을 측정한 그래프이다.
도 8은 PZT 필름을 포함하는 나노발전기에 압력을 가했을 경우 생성되는 전류량을 측정한 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 PZT가 코팅된 ZnO 나노와이어를 포함하는 나노발전기에 압력을 가했을 경우 생성되는 전류량을 측정한 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에서 기판상에 형성된 ZnO 나노와이어를 TEM(a)과 SAED(b)로 촬영한 이미지이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에서 ZnO 나노와이어에 PZT가 코팅된 것을 SEM으로 촬영한 단면도 이미지이다.
도 4는 본 발명의 비교예 1-4에서 ZnO 나노와이어에 표면 일부에 PZT가 코팅된 것을 SEM으로 촬영한 단면도 이미지이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 열처리 온도(a) 및 열처리 시간(b)에 따른 나노와이어의 표면에 코팅된 PZT의 결정성을 XRD로 확인한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 PZT가 코팅된 ZnO 나노와이어를 포함하는 나노발전기의 모식도이다.
도 7은 PZT가 코팅되지 않은 ZnO 나노와이어를 포함하는 나노발전기에 압력을 가했을 경우 생성되는 전류량을 측정한 그래프이다.
도 8은 PZT 필름을 포함하는 나노발전기에 압력을 가했을 경우 생성되는 전류량을 측정한 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 PZT가 코팅된 ZnO 나노와이어를 포함하는 나노발전기에 압력을 가했을 경우 생성되는 전류량을 측정한 그래프이다.
발명의 상세한 설명에 앞서 본 명세서에서 사용하는 용어 'PZT'에 대하여 정의한다. 본 명세서에서 사용하는 'PZT'는 지르콘산염(PbZrO3)과 티탄산염(PbTiO3)의 고용체의 총칭으로써, 이들 지르콘산염과 티탄산염의 혼합물(Pb(ZrxTiy)O3)을 나타낸다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명은 PZT(Pb(Zr0 .42-0.62Ti0 .38-0.58)O3)가 코팅된 ZnO 나노와이어를 압전소자로써 포함하는 나노발전기를 제공한다.
여기서, 상기 PZT는 Pb(Zr0 .42-0.62Ti0 .38-0.58)O3를 사용할 수 있고, Pb(Zr0 .50-0.54Ti0.46-0.50)O3를 사용하는 것이 바람직하며, Pb(Zr0 .52Ti0 .48)O3를 사용하는 것이 가장 바람직하다. 만약, 상기 Pb(Zr0 .42-0.62Ti0 .38-0.58)O3에서 Zr과 Ti의 조성 범위를 벗어날 경우에는 PZT의 압전 특성이 감소하는 문제가 있다.
본 발명에 따른 나노발전기는
상면 및 하면에 각각 배치되는 상부기판 및 하부기판과;
상기 하부기판상에 코팅되는 씨드층과;
상기 씨드층으로부터 성장하는 복수의 ZnO 나노와이어와;
상기 ZnO 나노와이어로부터 발생한 전기를 외부로 전달하기 위해 상기 하부기판에 배치되고 도전체로 이루어지는 하부전극과;
상기 상부기판상에 형성되는 상부전극과;
각각의 전극으로부터 전달된 전기를 축적하는 축전수단과;
상기 하부기판의 좌우 양단에 각각 배치되어 상부기판과 하부기판이 접촉하는 것을 방지하고 일정 간격을 유지하도록 하는 지지체; 및
상기 ZnO 나노와이어의 전체를 코팅하는 PZT(Pb(Zr0.42-0.62Ti0.38-0.58)O3) 코팅막;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 나노발전기는 압전 계수가 낮은 ZnO 나노와이어의 표면 전체에 압전 계수가 높은 PZT를 코팅하여 압전 변환 효율을 현저히 향상시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 나노발전기에 있어서, 상기 씨드층은 10-60 nm 두께이고, 알루미늄(Al) 및 산화아연(ZnO)이 0.5-5:95-99.5 중량% 비율로 혼합된 것을 사용할 수 있으나, 이에 제한하지 않는다.
본 발명에 따른 나노발전기에 있어서, 상기 ZnO 나노와이어는 길이가 1-10 ㎛이고, 직경이 30-70 nm인 것이 바람직하다.
만약, 나노와이어의 길이가 1 ㎛ 미만 및/또는 직경이 30 nm 미만일 경우에는 탄성계수가 작아져 출력효율이 감소하는 문제가 있고, 나노와이어의 길이가 10 ㎛를 초과 및/또는 직경이 70 nm를 초과할 경우에는 나노와이어 상에 증착되는 PZT가 나노와이어의 측면에 잘 증착되지 못하여 PZT가 1차원 구조가 되지 않는 문제가 있다.
또한, 본 발명은
기판에 ZnO 나노와이어를 성장시키는 단계(단계 1);
PZT(Pb(Zr0.42-0.62Ti0.38-0.58)O3) 타겟을 준비하는 단계(단계 2);
상기 단계 1에서 준비한 기판에 단계 2에서 준비한 PZT 타겟을 스퍼터링(sputtering)하여 ZnO 나노와이어 표면에 PZT를 코팅하는 단계(단계 3);
상기 단계 3에서 ZnO 나노와이어 표면에 코팅된 PZT를 열처리하여 결정화하는 단계(단계 4); 및
상기 단계 4에서 결정화된 PZT를 폴링(배향분극)하는 단계(단계 5);를 포함하는 나노발전기의 제조방법을 제공한다.
이하, 본 발명에 따른 나노발전기의 제조방법을 단계별로 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 제조방법에 있어서, 상기 단계 1은 기판에 ZnO 나노와이어를 성장시키는 단계이다.
구체적으로, 상기 기판으로는 시중에서 구할 수 있는 ITO 코팅 유리기판에 씨드층을 코팅한 것을 사용할 수 있다. 여기서, 상기 씨드층은 10-60 nm 두께이고, 알루미늄(Al) 및 산화아연(ZnO)이 0.5-5:95-99.5 중량% 비율로 혼합된 것을 사용할 수 있다.
또한, ZnO 나노와이어를 합성하는 방법은 종래의 방법을 모두 사용할 수 있으나, 수열합성법을 이용하는 것이 바람직하다.
나아가, 본 단계에서 합성하는 ZnO 나노와이어는 길이가 1-10 ㎛이고, 직경이 30-70 nm인 것이 바람직하다.
또한, 합성된 ZnO 나노와이어는 결정성을 나타내는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 제조방법에 있어서, 상기 단계 2는 PZT(Pb(Zr0 .52Ti0 .48)O3) 타겟을 준비하는 단계이다.
구체적으로, 산화납, 산화지르코늄 및 산화티타늄 분말을 용매에 넣고 볼 밀링으로 배합하고, 건조 후 분쇄하여 극세한 분말로 만든 다음 하소(calcination), 분쇄, 건조, 바인더 혼합, 성형, 소결, 연마 등의 공정을 통해 PZT 타겟을 제조할 수 있다.
또한, 상기 PZT 타겟은 스퍼터링에 사용하므로, 두께가 0.5-3.0 ㎛인 것이 바람직하고, 1.0-2.0 ㎛인 것이 더욱 바람직하며, 1.5 ㎛인 것이 가장 바람직하다.
본 발명에 따른 제조방법에 있어서, 상기 단계 3은 단계 1에서 준비한 기판에 단계 2에서 준비한 PZT 타겟을 스퍼터링(sputtering)하여 ZnO 나노와이어 표면에 PZT를 코팅하는 단계이다.
구체적으로, 상기 스퍼터링은 RF(Radio Frequency) 마그네트론 스퍼터링 방법을 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 스퍼터링의 용착속도(deposition rate)는 60-100 Å/min인 것이 바람직하고, 70-90 Å/min인 것이 더욱 바람직하며, 80 Å/min인 것이 가장 바람직하다. 만약, 상기 용착속도가 60 Å/min 미만일 경우에는 증착공정 시간이 오래 걸리는 문제가 있고, 100 Å/min을 초과할 경우에는 나노와이어 측면에 PZT가 잘 증착되지 않는 문제가 있다.
본 발명에 따른 제조방법에 있어서, 상기 단계 4는 단계 3에서 ZnO 나노와이어 표면에 코팅된 PZT를 열처리하여 결정화하는 단계이다.
구체적으로, 7-10 ℃/min의 승온속도로 450-650 ℃까지 가열한 다음 0.5-4시간 동안 유지하고, 7-10 ℃/min의 감온속도로 10-50 ℃까지 식히는 것이 바람직하다. 만약, 열처리 온도가 450 ℃ 미만일 경우에는 PZT의 결정화가 일어나지 않는 문제가 있고, 650 ℃를 초과할 경우에는 기판이 녹고 하부전극이 손상되는 문제가 있다.
본 발명에 따른 제조방법에 있어서, 상기 단계 5는 상기 단계 4에서 결정화된 PZT를 폴링(배향분극)하는 단계이다.
구체적으로, 결정화된 PZT의 경우 결정내 쌍극자는 존재하지만 무질서하게 있으므로 실제로 압전 특성을 나타내기 어렵다. 그러므로, 코로나 폴링(Corona poling)을 통하여 쌍극자가 정렬되도록 하여야만 비로소 PZT가 압전특성을 갖게 된다. 코로나 폴링의 과정은 챔버 안에서 쌍극자가 잘 회전하여 정렬될 수 있도록 하기 위하여 기판온도를 70-90 ℃로 유지하고, 양극과 음극의 간격은 약 4-6 cm 차를 두며, DC 전원 공급장치를 이용하여 누설전류가 발생되지 않는 최대 전압의 범위인 10-12 kV의 전압을 20-40분 동안 인가하여 이루어질 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 PZT가 코팅된 ZnO 나노와이어를 압전소자로써 포함하는 나노발전기는 ZnO 나노와이어 표면 전체에 압전 계수가 높은 PZT가 고르게 코팅되어, 압전 전환 효율이 현저히 향상하므로, 나노발전기의 제조에 유용할 수 있다.
이하, 본 발명을 하기의 실시예에 의하여 더욱 상세히 설명한다. 단, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
<
제조예
1>
AZO
씨드층이
코팅된 기판의 준비
상업적으로 구할 수 있는 ITO가 코팅된 유리(제조사: Corning, 200 nm thick ITO) 기판을 세척한 다음, 상기 ITO 코팅층 상에 RF(radio Frequency) 마그네트론 스퍼터링 방법을 사용하여 AZO[Al(2 중량%) + ZnO(98 중량%)] 씨드층을 코팅하여 나노와이어를 성장시킬 기판을 준비하였다.
<
실시예
1>
PZT
가 코팅된
ZnO
나노와이어의
제조
단계 1:
나노와이어의
합성
상기 제조예 1에서 준비한 기판과 수열합성법을 사용하여 나노와이어를 합성하였다. 구체적으로, 탈이온수에 0.015 mol/L의 Zn(NO3)2·6H2O, 0.015 mol/L의 헥사메틸렌테트라민, 0.09 mol/L의 암모늄클로라이드, 0.003 mol/L의 폴리에틸렌이민을 넣고 교반하여 ZnO 나노와이어 모액을 준비하였다. 다음으로, 상기 제조예 1에서 준비한 기판을 모액에 침지하고 90 ℃에서 3시간 동안 유지한 후, 기판을 빼내어 에탄올로 세척하고, 초음파 세척기로 한번 더 세척하여 제조예 1에서 준비한 기판의 AZO 씨드층 상에 ZnO 나노와이어를 1-10 ㎛ 길이로 합성하였다.
본 단계 1에서 제조한 ZnO 나노와이어를 FE-SEM으로 확인하였고, 이를 도 1에 나타내었다. 또한, TEM과 SAED(Selected Area Diffraction) 패턴을 확인하여 본 단계에서 제조된 ZnO 나노와이어가 결정성을 갖는 것을 확인하였다.
도 1은 본 발명의 일실시예에서 기판상에 형성된 ZnO 나노와이어를 FE-SEM으로 촬영한 이미지이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에서 기판상에 형성된 ZnO 나노와이어를 TEM(a)과 SAED(b)로 촬영한 이미지이다.
단계 2:
PZT
타겟의
준비
RF 마그네트론 스퍼터링의 타겟으로 사용하기 위한 PZT (Pb(Zr0 .52Ti0 .48)O3)를 다음과 같이 준비하였다.
구체적으로, 1 L 크기의 플라스틱 용기에 세라믹볼(3Ф, 5Ф, 15Ф)을 골고루 반쯤 채우고 순도 99.9%의 산화납 (Pb; 1.1), Zirconium oxide (ZrO; 0.52) , Titanium oxide (TiO; 0.48)를 넣은 후 에탄올을 용기의 2/3 가량 채운다. 이후 용기 안에 분말은 140 rpm 으로 24시간 동안 실시된 볼 밀링(ball milling) 공정을 통하여 배합된다. 볼 밀링 공정이 끝난 용액상태의 분말은 세라믹볼과 분리하여 110 ℃ 오븐에서 6시간 건조하였다. 건조된 분말은 핸드밀링(hand milling)을 통하여 잘게 분쇄하여 극세한 분말 형태로 만든다. 이 분말은 다시 도가니 안에 담아 이 도가니를 900 ℃의 전기로 안에서 4시간동안 하소(calcination) 하였다. 이때 온도는 5 ℃/min으로 증가시켰다. 하소가 끝난 분말은 다시 2차 핸드밀링을 한 후, 또 다시 세라믹볼을 이용하여 2차 볼 밀링 공정을 24시간동안 진행하였다. 2차 볼 밀링 공정이 끝난 용액 상태의 분말을 110 ℃ 오븐에서 6시간 건조시킨 후 3차 핸드밀링을 통하여 다시 분쇄한다. 이때 바인더(binder)를 혼합하는데 본 실시예에서는 폴리비닐알콜(PVA)를 5 중량% 혼합하였다. 혼합이 끝난 분쇄된 분말은 2인치 금속 몰드를 이용하여 20 ton/cm2 의 압력으로 압축되어 성형한다. 성형이 끝난 분말은 다시 도가니에 담겨 600 ℃의 전기로 안에서 4시간 동안 바인더 제거(Burn out)를 실시하였고 이때 온도 증가율은 2 ℃/min으로 하였다. 바인더 제거가 끝난 후 또 다시 1200 ℃ 전기로 안에서 2시간 동안 소결(Sintering) 하였다. 이때 온도의 증가율은 5 ℃/min으로 하였다. 소결이 끝난 분말은 다시 연마(polishing) 공정을 거처 2인치 크기 타겟의 형상을 갖추었다.
단계 3:
ZnO
나노와이어에
PZT
를 코팅하는 단계
상기 단계 1에서 준비한 PZT 타겟을 제조예 2에서 준비한 ZnO 나노와이어 표면에 코팅하였다.
구체적으로, 상기 단계 2에서 준비한 PZT(길이 및 너비: 2인치, 두께 1.5 ㎛)를 스퍼터(sputter) 타겟으로 사용하여, RF 마그네트론 스퍼터링 방법으로 80 Å/min의 용착속도(deposition rate)로 제조예 2에서 준비한 ZnO 나노와이어에 PZT를 코팅하였다.
단계 4: 열처리하여
PZT
를 결정화하는 단계
상기 단계 2에서 ZnO 나노와이어에 코팅된 PZT를 열처리하여 PZT를 결정화하였다.
구체적으로, 8.3 ℃/min의 승온속도로 600 ℃까지 가열한 다음 1시간 동안 유지하고, 8.3 ℃/min의 감온속도로 상온까지 식혀 ZnO 나노와이어 표면에 코팅된 PZT를 결정화하였다.
단계 5:
PZT
를
폴링(배향분극)하는
단계
결정화된 PZT의 경우 결정내 쌍극자는 존재하지만 무질서하게 있으므로 실제로 압전 특성을 나타내기 어렵다. 그러므로 코로나 폴링을 통하여 쌍극자가 정렬되도록 하여야만 비로소 PZT가 압전특성을 갖게 된다. 코로나 폴링은 챔버 안에서 이루어 졌으며 코로나 폴링 공정 중 쌍극자가 잘 회전하여 정렬될 수 있도록 하기 위하여 기판온도를 80 ℃로 유지하였다. 양극과 음극의 간격은 약 5 cm 차를 두었고, DC 전원 공급장치를 이용하여 누설전류가 발생되지 않는 최대 전압인 11 kV의 전압을 인가하였으며, 공정은 30분 동안 이루어졌다.
<
비교예
1>
PZT
가 일부 코팅된
나노와이어의
제조 1
실시예 1의 단계 1에서 나노와이어의 길이를 3.7 ㎛로 제조하고, 단계 3에서 용착속도를 120 Å/min으로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 PZT가 일부 코팅된 나노와이어를 제조하였다.
<
비교예
2>
PZT
가 일부 코팅된
나노와이어의
제조 2
실시예 1의 단계 1에서 나노와이어의 길이를 2.1 ㎛로 제조하고, 단계 3에서 용착속도를 130 Å/min으로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 PZT가 일부 코팅된 나노와이어를 제조하였다.
<
비교예
3>
PZT
가 일부 코팅된
나노와이어의
제조 3
실시예 1의 단계 1에서 나노와이어의 길이를 3.8 ㎛로 제조하고, 단계 3에서 용착속도를 140 Å/min으로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 PZT가 일부 코팅된 나노와이어를 제조하였다.
<
비교예
4>
PZT
가 일부 코팅된
나노와이어의
제조 4
실시예 1의 단계 1에서 나노와이어의 길이를 2.7 ㎛로 제조하고, 단계 3에서 용착속도를 150 Å/min으로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 PZT가 일부 코팅된 나노와이어를 제조하였다.
<
실험예
1>
스퍼터링
조건에 따른
PZT
코팅의 평가
ZnO 나노와이어 표면 전체에 PZT가 잘 코팅되는지 알아보기 위하여 다음과 같이 실험하였다.
구체적으로, 실시예 1 및 비교예 1-4의 RF 마그네트론 스퍼터링 방법에서 용착속도(deposition rate)를 달리하여 제조한 후 SEM으로 확인하여, ZnO 나노와이어 표면 전체를 얼마나 코팅하는지 알아보았다. 본 결과를 도 3 및 도 4에 나타내었다.
도 3은 본 발명의 실시예 1에서 ZnO 나노와이어 표면 전체에 PZT가 코팅된 것을 SEM으로 촬영한 단면도 이미지이다.
도 4는 본 발명의 비교예 1-4에서 ZnO 나노와이어에 표면 일부에 PZT가 코팅된 것을 SEM으로 촬영한 단면도 이미지이다.
도 3 및 도 4에 나타난 바와 같이, 용착속도에 따라서 나노와이어 표면에 코팅되는 PZT의 피복률이 다른 것을 확인하였다. 특히, 실시예 1에서 사용한 용착속도로 PZT를 코팅할 경우 나노와이어의 하부까지 모두 코팅되는 것을 알 수 있었다.
따라서, 본 발명에 따른 나노발전기는 나노와이어의 표면 전체에 PZT가 골고루 코팅되어 압전 변환율이 현저히 향상되므로, 나노발전기의 제조에 유용할 수 있다.
<
실험예
2> 열처리 조건에 따른
PZT
의 결정화 평가
압전 변환율이 우수하기 위해서는 PZT가 결정성을 나타내어야 한다. 이에, 열처리 조건이 나노와이어 표면에 코팅된 PZT의 결정성에 미치는 영향을 알아보기 위하여 다음과 같이 실험하였다.
구체적으로, 비열처리, 400, 500 및 600 ℃의 열처리 온도에 따라서 나노와이어의 표면에 코팅된 PZT의 결정성을 XRD로 확인하여 도 5(a)에 나타내었고, 1, 2, 3 및 4시간의 열처리 시간에 따라서 나노와이어의 표면에 코팅된 PZT의 결정성을 XRD로 확인하여 도 5(b)에 나타내었다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 열처리 온도(a) 및 열처리 시간(b)에 따른 나노와이어의 표면에 코팅된 PZT의 결정성을 XRD로 확인한 그래프이다.
도 5에 나타난 바와 같이, 열처리 온도의 경우 약 450 ℃ 이상부터 PZT가 결정성을 나타내는 것을 알 수 있었고, 열처리 시간은 1-4시간 모두 유의적인 영향이 없는 것으로 나타났다.
따라서, 본 발명에 따른 나노발전기는 나노와이어의 표면 전체에 코팅된 PZT 대부분이 결정성을 나타내어 압전 변환율이 현저히 향상되므로, 나노발전기의 제조에 유용할 수 있다.
<
실험예
3> 나노발전기의
압전기
평가
압전 재료에 따른 나노발전기의 압전 변환율을 알아보기 위하여 다음과 같이 실험하였다.
구체적으로, 실시예 1에서 제조한 PZT가 코팅된 ZnO 나노와이어를 포함하는 나노발전기, PZT가 코팅되지 않은 ZnO 나노와이어를 포함하는 나노발전기 및 PZT 필름을 포함하는 나노발전기를 도 6에 나타낸 것과 같은 코로나 폴링(Corona poling) 시스템으로 준비하였다. 다음으로, 상기 세 가지의 나노발전기에 0.9 kgf 압력을 가할 경우 생성되는 전류를 측정하였고, 그 결과를 도 7-9에 나타내었다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 PZT가 코팅된 ZnO 나노와이어를 포함하는 나노발전기의 모식도이다.
도 7은 PZT가 코팅되지 않은 ZnO 나노와이어를 포함하는 나노발전기에 압력을 가했을 경우 생성되는 전류량을 측정한 그래프이다.
도 8은 PZT 필름을 포함하는 나노발전기에 압력을 가했을 경우 생성되는 전류량을 측정한 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 PZT가 코팅된 ZnO 나노와이어를 포함하는 나노발전기에 압력을 가했을 경우 생성되는 전류량을 측정한 그래프이다.
도 7-9에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 1에서 제조한 PZT가 코팅된 ZnO 나노와이어를 포함하는 나노발전기(도 9)는 평균적으로 약 280 nA의 전류를 생성시킨 반면에, PZT가 코팅되지 않은 ZnO 나노와이어를 포함하는 나노발전기(도 7)는 약 0.7 nA의 전류를 생성시켰고, PZT 필름을 포함하는 나노발전기(도 8)는 약 7 nA의 전류를 생성시키는 것으로 확인되어, 본 발명에 따른 나노발전기의 압전 변환 효율이 종래의 나노발전기에 비하여 현저히 향상되는 것을 알 수 있었다. 본 발명에 따른 나노발전기의 압전 변환 효율이 높게 나타나는 이유는 ZnO 나노와이어의 표면 전체에 압전계수가 높은 PZT를 고르게 코팅함에 따른 것으로 사료된다.
따라서, 본 발명에 따른 나노발전기는 압전 변환율이 현저히 향상되므로, 나노발전기의 제조에 유용할 수 있다.
Claims (10)
- 기판에 ZnO 나노와이어를 성장시키는 단계(단계 1);
PZT(Pb(Zr0.42-0.62Ti0.38-0.58)O3) 타겟을 준비하는 단계(단계 2);
상기 단계 1에서 준비한 기판에 단계 2에서 준비한 PZT 타겟을 스퍼터링(sputtering)하여 ZnO 나노와이어 표면에 PZT를 코팅하는 단계(단계 3);
상기 단계 3에서 ZnO 나노와이어 표면에 코팅된 PZT를 열처리하여 결정화하는 단계(단계 4); 및
상기 단계 4에서 결정화된 PZT를 폴링(배향분극)하는 단계(단계 5);를 포함하는 나노발전기의 제조방법.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 PZT는 Pb(Zr0.52Ti0.48)O3인 것을 특징으로 하는 나노발전기의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 단계 1의 ZnO 나노와이어는,
10-60 nm 두께이고, 알루미늄(Al) 및 산화아연(ZnO)이 0.5-5:95-99.5 중량% 비율로 혼합된 씨드층 상에서 성장되는 것을 특징으로 하는 나노발전기의 제조방법.
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 단계 1에서 형성되는 ZnO 나노와이어는 길이가 1-10 ㎛이고, 직경이 30-70 nm인 것을 특징으로 하는 나노발전기의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 단계 3의 스퍼터링은 RF(Radio Frequency) 마그네트론 스퍼터링 방법이고, 60-100 Å/min의 용착속도(deposition rate)인 것을 특징으로 하는 나노발전기의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 단계 4의 열처리는,
7-10 ℃/min의 승온속도로 450-650 ℃까지 가열한 다음 0.5-4시간 동안 유지하고, 7-10 ℃/min의 감온속도로 10-50 ℃까지 식히는 것을 특징으로 하는 나노발전기의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 단계 5의 폴링(배향분극)은 기판의 온도를 70-90 ℃로 유지하며, 양극과 음극의 간격을 4-6 cm로 두고, 10-12 kV의 전압을 20-40분 동안 인가하는 코로나 폴링(Corona poling)인 것을 특징으로 하는 나노발전기의 제조방법.
Priority Applications (1)
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| KR1020130010566A KR101409326B1 (ko) | 2013-01-30 | 2013-01-30 | Ｐｚｔ가 코팅된 나노와이어를 압전소자로써 포함하는 나노발전기 및 이의 제조방법 |
Applications Claiming Priority (1)
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| KR1020130010566A KR101409326B1 (ko) | 2013-01-30 | 2013-01-30 | Ｐｚｔ가 코팅된 나노와이어를 압전소자로써 포함하는 나노발전기 및 이의 제조방법 |
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-
2013
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