KR101465366B1 - Highly stretchable energy generator - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 신축성을 갖는 에너지 발전 소자에 관한 것이고, 또한 이러한 신축성을 갖는 에너지 발전 소자를 제작하는 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to an energy generating element having elasticity, and also relates to a method of manufacturing an energy generating element having such elasticity.
일반적으로 압전(Piezoelectric) 소자는 압전 센서 및 압전 현상을 이용한 전력발생장치의 핵심요소로서 다양한 응용분야를 갖는다. 무기물 및 유기물을 포함하는 많은 수의 재료가 압전현상을 일으키는 재료로서 알려져 있으며, PZT, BaTiO3, Ba2TiO4 등과 같은 재료들이 압전소자의 소재로 흔히 사용된다.In general, a piezoelectric element has various application fields as a key element of a piezoelectric sensor and a power generation device using a piezoelectric phenomenon. A large number of materials including inorganic and organic materials are known as materials causing piezoelectric phenomena, and materials such as PZT, BaTiO 3 , and Ba 2 TiO 4 are commonly used as materials for piezoelectric elements.
압전 현상을 이용하여 제조된 압전소자는 그 압전소자에 가해지는 힘에 의해 전압을 발생시키며, 그 인가된 힘의 크기에 따라 발생되는 전압의 양이 변화된다. A piezoelectric element manufactured using a piezoelectric phenomenon generates a voltage by a force applied to the piezoelectric element, and the amount of voltage generated according to the magnitude of the applied force is changed.
압전소자에 사용되는 소재 중 PVDF(Polyvinylidene Fluoride, 폴리비닐덴플로라이드)는 압전성을 갖는 폴리머로써 다양한 응용분야를 갖는다. PVDF 는 가해지는 힘에 따른 물리적 형태의 변형에 따라 전압을 발생시키며, 그 전압을 사용하여 압전센서 및 전력발생장치 등에 이용할 수 있다. 따라서, PVDF의 압전특성을 높여 효율적이고 실용적인 전력생산 소자(에너지 수확소자)로 사용할 수 있는 압전소자를 개발하여 다양한 전기기기에 적용해야 할 필요성이 대두되고 있다.PVDF (Polyvinylidene Fluoride), a piezoelectric material, has various application fields. PVDF generates a voltage in accordance with the physical deformation depending on the applied force, and can be used for a piezoelectric sensor, a power generating device, and the like using the voltage. Accordingly, there is a need to develop a piezoelectric device that can be used as an efficient and practical power production device (energy harvesting device) by increasing the piezoelectric characteristics of PVDF and applying it to various electric devices.
기존 압전 및 초전 에너지 발전소자에서 이용되는 강유전 물질인 PZT, BTO 등과 같은 세라믹 계열과 PVDF 및 PVDF 계열의 공중합체인 P(VDF-TrFE), P(VDF-HFP) 등 압전 폴리머의 경우 신축성이 낮아 신축성을 가지는 압전 및 초전 에너지 발전소자의 개발에 제약이 되었다. 최근에 발명된 신축성 압전소자의 경우 8%의 신축성만을 나타내고 있다. 이는 에너지 발전소자를 다양한 분야로 응용하기에 많은 제약을 가지고 있다.Piezoelectric polymers such as P (VDF-TrFE) and P (VDF-HFP), which are ceramic based materials such as PZT and BTO, and PVDF and PVDF based ferroelectric materials used in conventional piezoelectric and pyroelectric energy generation devices, The development of piezoelectric and superconducting power plants having a large capacity has been restricted. In the case of the recently inventive stretchable piezoelectric element, only 8% elasticity is exhibited. This has a lot of limitations in applying energy plant to various fields.
본 발명은 마이크로 패턴 기술 및 높은 신축성 물질의 기판을 이용하여 이러한 신축성에 관련된 종래 기술의 문제점을 해결하고자 한다.
The present invention seeks to overcome the drawbacks of the prior art relating to this stretch using micro pattern technology and a substrate of high stretch material.
본 발명은 마이크로 패턴 기술을 이용하여 낮은 신축성을 가지는 강유전 물질인 PVDF의 신축성을 높이고 이를 기반으로 에너지 발전소자의 신축성을 향상시키기 위함을 목적으로 한다. 또한, 이를 통하여 다양한 분야로의 에너지 발전소자를 응용뿐만 아니라 신체 부착 및 웨어러블한(wearable) 에너지 발전소자로서의 응용을 목적으로 한다.The present invention aims at enhancing the elasticity of PVDF, which is a ferroelectric material having low elasticity, by using micro pattern technology, and improving the elasticity of an energy plant based thereon. In addition, it aims to apply not only the energy plant to various fields but also the body attachment and the wearable energy generation device.
본 발명의 일 실시예에 따른 신축성을 갖는 에너지 발전 소자는, 상부에 패턴을 포함하는 하부 전극; 상기 하부 전극의 패턴 상의 압전 물질층; 및 상기 압전 물질층 상의 상부 전극을 포함한다.According to an embodiment of the present invention, an energy generating device having elasticity includes: a lower electrode including a pattern on an upper portion; A piezoelectric material layer on the pattern of the lower electrode; And an upper electrode on the piezoelectric material layer.
하부 전극은, 신축성을 갖는 물질 및 전도성 물질의 혼합체인 것이 바람직하고, 신축성을 갖는 물질은 PDMS 또는 Eco-Flex 인 것이 바람직하며, 전도성 물질은 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), 실리콘 나노와이어, 탄소나노튜브(CNT) 및 그래핀(graphene) 중 어느 하나인 것이 바람직하고, 압전 물질층은 PVDF, P(VDF-TrFE) 및 P(VDF-HFP) 중 어느 하나인 것이 바람직하며, 상부 전극은 실리콘 나노와이어, 탄소나노튜브(CNT) 및 그래핀(graphene) 중 어느 하나인 것이 바람직하다.The lower electrode is preferably a mixture of a material having elasticity and a conductive material, and the material having elasticity is preferably PDMS or Eco-Flex. The conductive material is preferably Au, Pt, Pd, , Palladium-gold alloy (PdAu), nickel (Ni), nickel-gold alloy (NiAu), ruthenium (Ru), silver (Ag), copper (Cu), zinc (Zn), titanium (AlN), indium tin oxide (ITO), fluorine-containing tin oxide (FTO), gallium zinc oxide (GZO), silicon nanowire, carbon nanotube (CNT), and graphene (VDF-TrFE) and P (VDF-HFP), and the upper electrode is preferably a silicon nanowire, a carbon nanotube (CNT), and a graphene graphene, or the like.
패턴의 형상은 복수의 라인 패턴이 서로 이격된 채로 평행하게 배치되어 있으며, 각각의 라인 패턴은 수직 단면이 삼각형 형상인 것을 특징으로 한다.The shape of the pattern is such that a plurality of line patterns are arranged parallel to each other while being spaced from each other, and each line pattern has a triangular shape in vertical section.
본 발명의 일 실시예에 따른 신축성을 갖는 에너지 발전 소자를 제작하는 방법은, Si/SiO2 기판 상에 포토리소그래피 공정을 이용하여 포토레지스트를 라인 형태로 패턴화 하는 단계; BOE(Buffered Oxide Etcher) 용액을 이용하여 SiO2를 제거하는 단계; 포토레지스트를 제거하는 단계; Si를 에칭하여 라인 패턴을 형성하는 단계; 신축성을 갖는 물질 및 전도성 물질의 혼합체를 라인 패턴이 형성된 Si에 증착 후 떼어내어 동일한 라인 패턴을 갖는 혼합체를 준비하는 단계; 라인 패턴을 갖는 혼합체를 플라즈마 처리하는 단계; 압전 물질층을 혼합체의 라인 패턴이 형성된 부분 상에 증착시키는 단계; 및 상부 전극을 증착하는 단계를 포함한다.A method of fabricating an energy generating device having elasticity according to an embodiment of the present invention includes: patterning a photoresist in a line form using a photolithography process on a Si / SiO 2 substrate; Removing SiO 2 using a BOE (Buffered Oxide Etcher) solution; Removing the photoresist; Etching the Si to form a line pattern; Depositing a mixture of a material having elasticity and a conductive material on Si having a line pattern formed thereon and removing the mixture to prepare a mixture having the same line pattern; Plasma processing a mixture having a line pattern; Depositing a layer of piezoelectric material on a line patterned portion of the mixture; And depositing an upper electrode.
라인 패턴은 복수의 라인이 서로 이격된 채 평행하게 배치되어 있으며, 각각의 라인은 수직 단면이 삼각형 형상인 것을 특징으로 한다.The line pattern is characterized in that a plurality of lines are arranged in parallel while being spaced apart from each other, and each line has a triangular shape in vertical section.
신축성을 갖는 물질은 PDMS 또는 Eco-Flex 인 것이 바람직하고, 전도성 물질은 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), 실리콘 나노와이어, 탄소나노튜브(CNT) 및 그래핀(graphene) 중 어느 하나인 것이 바람직하며, 압전 물질층은 PVDF, P(VDF-TrFE) 및 P(VDF-HFP) 중 어느 하나인 것이 바람직하고, 상부 전극은 실리콘 나노와이어, 탄소나노튜브(CNT) 및 그래핀(graphene) 중 어느 하나인 것이 바람직하다.Preferably, the material having elasticity is PDMS or Eco-Flex, and the conductive material is at least one selected from the group consisting of Au, Pt, Pd, PdAu, Ni, (Ni), ruthenium (Ru), silver (Ag), copper (Cu), zinc (Zn), titanium (Ti), titanium-gold alloy (TiAu) (VDF-TrFE), and the piezoelectric material layer may be at least one selected from the group consisting of PVDF, P (VDF-TrFE) And P (VDF-HFP), and the upper electrode is preferably any one of silicon nanowire, carbon nanotube (CNT), and graphene.
라인 패턴을 갖는 혼합체를 플라즈마 처리하는 단계는, 10 sccm의 산소 분위기 및 700mTorr의 압력 조건 하에서 처리되는 것을 특징으로 한다.The step of plasma-treating the mixture having a line pattern is characterized in that it is treated under an oxygen atmosphere of 10 sccm and a pressure of 700 mTorr.
한편, Si를 에칭하여 라인 패턴을 형성하는 단계 이후, BOE를 이용하여 잔류 SiO2를 제거하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.On the other hand, after the step of etching the Si to form the line pattern, the step of removing residual SiO 2 by using BOE may be further included.
본 발명에 따른 신축성을 갖는 에너지 발전 소자는 압전 및 초전특성을 이용하여 에너지를 발전할 수 있어 우리 주변에서 버려지는 많은 물리적 에너지와 열 에너지를 이용하여 에너지를 발전시킬 수 있으며 소자 스스로 구동할 수 있는 자가발전 구동소자의 구현이 가능하며 이 소자의 신축성 향상은 주변 환경 뿐 아니라 신체 및 wearable 소자로서 신체 감지 센서, 온도 센서 등 다양한 응용분야로의 가능성을 확장 시킬 수 있다.
The energy-generating device having elasticity according to the present invention can generate energy by using the piezoelectric and pyroelectric characteristics and can generate energy by using a lot of physical energy and thermal energy abandoned in the vicinity of the device, It is possible to implement the self-powered drive device. The enhancement of the elasticity of this device can extend the possibility to various application fields such as body detection sensor, temperature sensor as body and wearable element as well as the surrounding environment.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 신축성을 갖는 에너지 발전 소자의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 신축성을 갖는 에너지 발전 소자를 제작하는 방법의 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 신축성을 갖는 에너지 발전 소자를 제작하는 방법의 공정도이다.
도 4는 실제 제작된 본 발명의 일 실시예에 따른 신축성을 갖는 에너지 발전 소자의 각각의 단계별 모습이다.
도 5는 실제 제작된 본 발명의 일 실시예에 따른 신축성을 갖는 에너지 발전 소자의 압전 특성 측정 데이터이다.
도 6은 실제 제작된 본 발명의 일 실시예에 따른 신축성을 갖는 에너지 발전 소자의 초전 특성 측정 데이터이다.
도 7은 패턴이 안된 소자와 패턴된 소자 간의 인장 실험 후 광학 현미경 사진을 도시한다.
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. 1 is a cross-sectional view of an energy generating element having elasticity according to an embodiment of the present invention.
2 is a flowchart of a method of manufacturing an energy generating element having elasticity according to an embodiment of the present invention.
3 is a process diagram of a method for manufacturing an energy generating element having elasticity according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a step-by-step view of an energy generating device having elasticity according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a measurement data of piezoelectric characteristics of an energy generating device having elasticity according to an embodiment of the present invention.
6 is data on pyroelectric characteristics of an energy generating device having elasticity according to an embodiment of the present invention.
7 shows an optical microscope photograph after tensile test between an unpatterned element and a patterned element.
Various embodiments are now described with reference to the drawings, wherein like reference numerals are used throughout the drawings to refer to like elements. For purposes of explanation, various descriptions are set forth herein to provide an understanding of the present invention. It is evident, however, that such embodiments may be practiced without these specific details. In other instances, well-known structures and devices are shown in block diagram form in order to facilitate describing the embodiments.
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.The following description provides a simplified description of one or more embodiments in order to provide a basic understanding of embodiments of the invention. This section is not a comprehensive overview of all possible embodiments and is not intended to identify key elements or to cover the scope of all embodiments of all elements. Its sole purpose is to present the concept of one or more embodiments in a simplified form as a prelude to the more detailed description that is presented later.
본 발명의 일 실시예에 따른 신축성을 갖는 에너지 발전 소자(1)는 도 1에서와 같은 단면도를 갖는다.The energy-generating
본 발명의 일 실시예에 따른 신축성을 갖는 에너지 발전 소자(1)는 하부 전극층(10); 압전 물질층(20); 및 상부 전극(30)을 포함한다.An energy generating
하부 전극층(10)은 도 1에서 도시된 것처럼 상부에 패턴(13)을 포함하고 있다. 패턴은 마이크로 패턴인 경우가 대부분이고, 이러한 마이크로 패턴에 의해 압전 물질의 낮은 신축성을 보완할 수 있다. 패턴(13)의 길이 방향에 수직인 방향으로 변형이 인가되었을 때 도 1과 같은 물결 무늬 형태의 마이크로 패턴에 의해 변형에 대한 신축성이 확보될 수 있고, 이에 의해 에너지 발전 소자의 신축성이 향상될 수 있는 것이다. 이 경우 이하에서 설명하는 것처럼, 각각의 재질 또한 매우 중요하다. 마이크로 패턴 뿐만 아니라 재질에 의해 신축성이 더욱 확보될 수 있기 때문이다.The
이러한 패턴(13)은 복수의 라인 패턴이 서로 이격된 채로 평행하게 배치되어 있으며, 각각의 라인 패턴은 수직 단면이 삼각형 형상인 것이 바람직하다. 왜냐하면 도 1과 같이 수직 단면이 삼각형 형상인 패턴이 연속하여 서로 이격된채 배치됨으로써 도 1의 구조체의 양 옆에서 장력이 가해졌을때 삼각형 형상의 패턴에 의해 신축성이 확보되기 때문이다.In this
하부 전극층(10)은 신축성을 갖는 물질 및 전도성 물질의 혼합체로 이루어져 있다.The
신축성을 갖는 물질은 PDMS 또는 Eco-Flex가 바람직하고, 전도성 물질은 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), 실리콘 나노와이어, 탄소나노튜브(CNT) 및 그래핀(graphene) 중 어느 하나인 것이 바람직하다.The material having elasticity is preferably PDMS or Eco-Flex, and the conductive material may be at least one selected from the group consisting of gold (Au), platinum (Pt), palladium (Pd), palladium-gold alloy (PdAu), nickel (Ni) (Ni), ruthenium (Ru), silver (Ag), copper (Cu), zinc (Zn), titanium (Ti), titanium-gold alloy (TiAu) It is preferably any one of tin oxide (FTO), gallium zinc oxide (GZO), silicon nanowire, carbon nanotube (CNT) and graphene.
이 경우 전도성 물질은 특히 실리콘 나노와이어, 탄소나노튜브(CNT)가 바람직하다. 왜냐하면 신축성을 갖는 물질인 PDMS 또는 Eco-Flex와 혼합되어 혼합체를 이루면서 기판의 기능을 함과 동시에 전극 기능을 해야 하는데, 하부 전극 기능을 하기 위해서는 3차원 형태의 구조를 갖는 물질이 더욱 적합하기 때문이다. 3차원 형태의 구조를 가짐으로써 혼합체 내부에서의 연결이 유지되어 변형이 발생되더라도 전극 기능을 견고하게 유지할 수 있기 때문이다.In this case, the conductive material is preferably a silicon nanowire or a carbon nanotube (CNT). This is because a mixture of PDMS or Eco-Flex, which is a stretchable material, is required to function as a substrate while forming a mixture, and a material having a three-dimensional structure is more suitable for functioning as a lower electrode . By having a three-dimensional structure, it is possible to maintain the electrode function even if deformation occurs because the connection in the mixture is maintained.
하부 전극층(10)은 이러한 신축성 물질과 전도성 물질을 혼합한 혼합체로 제작되어 이용되고, 이미 설명한 것처럼 기판 겸 하부 전극의 기능을 수행한다.The
압전 물질층(20)은 하부 전극의 마이크로 패턴 상에 배치되어 있으며, 이러한 압전 물질층은 PVDF, P(VDF-TrFE) 및 P(VDF-HFP) 중 어느 하나인 것이 바람직하다. 왜냐하면 본 발명은 신축성이 높은 에너지 발전 소자에 관한 발명이므로, 세라믹 재질의 압전 물질 보다는 폴리머 재질의 압전 물질이 바람직하기 때문이다.The
도 1에서 도시된 것처럼, 하부 전극층(10)의 마이크로 패턴(13) 상에 그 형상에 맞추어 압전 물질층(20)이 배치된다. 따라서, 하부 전극층의 마이크로 패턴과 마찬가지로 물결 형태로 압전 물질층(20)이 배치된다.As shown in Fig. 1, the
여기서, PVDF 는 압전특성을 갖는 폴리머이다. PVDF 는 PZT 의 1/5 정도의 크기의 압전상수를 가지고 있지만, 낮은 탄성계수(약3GPa)로 인해 비교적 유연한 물질에 해당하므로 여러 분야에 적용되고 있다.Here, PVDF is a polymer having piezoelectric properties. PVDF has a piezoelectric constant of about 1/5 of that of PZT, but it is applied to various fields because it is a relatively flexible material due to its low modulus of elasticity (about 3 GPa).
상부 전극(30)은 압전 물질층(20) 상에 위치하며, 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)이 이용될 수 있다.The
상부 전극은 신축성이 뛰어난 재질인 실리콘 나노와이어, 탄소나노튜브(CNT) 및 그래핀(graphene) 중 어느 하나인 것이 바람직하다. 이 경우 신축성이 가장 좋은 그래핀이 더욱 바람직하다.The upper electrode is preferably made of any one of silicon nanowire, carbon nanotube (CNT), and graphene, which are excellent in stretchability. In this case, graphene having the best stretchability is more preferable.
다음으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 신축성을 갖는 에너지 발전 소자를 제작하는 방법에 대해 설명하도록 하겠다.Next, a method of manufacturing an energy generating element having elasticity according to an embodiment of the present invention will be described.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 신축성을 갖는 에너지 발전 소자를 제작하는 방법을 나타내는 순서도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 신축성을 갖는 에너지 발전 소자를 제작하는 방법의 공정도를 도시한다.FIG. 2 is a flow chart showing a method of manufacturing an energy generating device having elasticity according to an embodiment of the present invention, FIG. 3 is a process drawing of a method of manufacturing an energy generating device having elasticity according to an embodiment of the present invention Respectively.
본 발명의 일 실시예에 따른 신축성을 갖는 에너지 발전 소자를 제작하는 방법은, Si/SiO2 기판 상에 포토리소그래피 공정을 이용하여 포토레지스트를 라인 형태로 패턴화 하는 단계(S 30); BOE(Buffered Oxide Etcher) 용액을 이용하여 SiO2를 제거하는 단계(S 31); 포토레지스트를 제거하는 단계(S 32); Si를 에칭하여 라인 패턴을 형성하는 단계(S 33); 신축성을 갖는 물질 및 전도성 물질의 혼합체를 라인 패턴이 형성된 Si에 증착 후 떼어내어 동일한 라인 패턴을 갖는 혼합체를 준비하는 단계(S 35); 라인 패턴을 갖는 혼합체를 플라즈마 처리하는 단계(S 36); 압전 물질층을 혼합체의 라인 패턴이 형성된 부분 상에 증착시키는 단계(S 37); 및 상부 전극을 증착하는 단계(S 38)를 포함한다.A method of fabricating an energy generating device having elasticity according to an embodiment of the present invention includes: patterning (S 30) a photoresist on a Si / SiO 2 substrate in a line form using a photolithography process; A step (S 31) of removing SiO 2 by using a BOE (Buffered Oxide Etcher) solution; Removing the photoresist (S32); Etching the Si to form a line pattern (S33); Depositing a mixture of a material having elasticity and a conductive material on Si having a line pattern formed thereon and removing the mixture to prepare a mixture having the same line pattern (S 35); Plasma processing (S 36) of a mixture having a line pattern; Depositing a layer of piezoelectric material on a line patterned portion of the mixture (S 37); And depositing an upper electrode (S 38).
Si를 에칭하여 라인 패턴을 형성하는 단계(S 33) 이후, BOE를 이용하여 잔류 SiO2를 제거하는 단계(S 34)를 추가로 포함할 수 있다.A step of etching the Si to form a line pattern (S 33) Since, may further comprise a step (S 34) to remove the remaining SiO 2 using BOE.
라인 패턴은 위에서 이미 설명한 것처럼, 복수의 라인이 서로 이격된 채 평행하게 배치되어 있으며, 각각의 라인은 수직 단면이 삼각형 형상인 것이 특징이다.As described above, the line pattern is arranged in parallel with a plurality of lines spaced from each other, and each line has a triangular shape in vertical cross section.
신축성을 갖는 물질은 PDMS 또는 Eco-Flex 인 것이 바람직하고, 전도성 물질은 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), 실리콘 나노와이어, 탄소나노튜브(CNT) 및 그래핀(graphene) 중 어느 하나인 것이 바람직하며, 가장 바람직하게는 위에서 설명한 것처럼 실리콘 나노와이어 또는 탄소나노튜브이다.Preferably, the material having elasticity is PDMS or Eco-Flex, and the conductive material is at least one selected from the group consisting of Au, Pt, Pd, PdAu, Ni, (Ni), ruthenium (Ru), silver (Ag), copper (Cu), zinc (Zn), titanium (Ti), titanium-gold alloy (TiAu) It is preferably any one of silicon nitride, silicon carbide, silicon carbide, silicon carbide, silicon carbide, silicon carbide, silicon carbide, silicon carbide, It is a nanotube.
압전 물질층은 PVDF, P(VDF-TrFE) 및 P(VDF-HFP) 중 어느 하나인 것이 바람직하고, 상부 전극은 실리콘 나노와이어, 탄소나노튜브(CNT) 및 그래핀(graphene) 중 어느 하나인 것이 바람직하다.Preferably, the piezoelectric material layer is any one of PVDF, P (VDF-TrFE) and P (VDF-HFP), and the upper electrode is any one of silicon nanowire, carbon nanotube (CNT), and graphene .
라인 패턴을 갖는 혼합체를 플라즈마 처리하는 단계(S 36)는, 10 sccm의 산소 분위기 및 700mTorr의 압력 조건 하에서 처리되는 것이 바람직하다. 이와 같이 산소 분위기에서 위와 같은 조건 하에서 플라즈마 처리를 함으로써 신축성을 갖는 물질 및 전도성 물질의 혼합체와 압전 물질층 간의 접착력을 높여줄 수 있다.The step (S36) of plasma-treating the mixture having the line pattern is preferably carried out under an oxygen atmosphere of 10 sccm and a pressure of 700 mTorr. By performing the plasma treatment under the above-described conditions in the oxygen atmosphere as described above, the adhesion between the mixture of the stretchable material and the conductive material and the piezoelectric material layer can be increased.
이하에서는 실제 실험예를 통해 본 발명의 내용에 대한 추가적인 설명을 하도록 하겠다.
Hereinafter, the present invention will be described in further detail with reference to actual experimental examples.
Si (100) / SiO2 (300nm) 기판을 준비하였다. 상기 기판 상에 포토리소그래피 공정을 이용하여 포토레지스트(PR)를 라인 형태로 패턴화 하였다. 이 경우 AZ 5214 포토레지스트를 이용하였고, 3500rpm에서 40sec 스핀코팅하였으며, 110℃ 90sec 소프트 베이킹(soft baking) 하였다. 노광 시간은 8초였고 디벨럽(develope)은 60초였다. A Si (100) / SiO 2 (300 nm) substrate was prepared. A photoresist (PR) was patterned in a line form on the substrate using a photolithography process. In this case, AZ 5214 photoresist was used, spin-coated at 3500 rpm for 40 seconds, and soft baked at 110 ° C for 90 seconds. The exposure time was 8 seconds and the development time was 60 seconds.
이후 Buffered Oxide Etcher (BOE) 용액을 이용하여 SiO2를 제거하였으며, 이 경우 Ultrasonic bath 안에서 BOE 용액에 담근 후 60초를 담그어 두었다.Since the SiO 2 was removed using a Buffered Oxide Etcher (BOE) solution. In this case kept submerged for 60 seconds, then dipped in BOE solution in Ultrasonic bath.
이후 아세톤을 이용해 남은 PR을 제거하였으며, 역시 Ultrasonic bath 안에서 아세톤에 담근 후 10분을 유지하였다.After that, the remaining PR was removed by using acetone. Also, 10 minutes was maintained after immersing in acetone in an ultrasonic bath.
KOH 용액을 이용한 비등방성 에칭을 이용하여 Si을 뾰족한 라인 형태로 에칭 하였다. 이 경우 용액은 DI-water 200ml, KOH 14g, IPA 18ml로 이루어진 용액이었으며 82℃에서 1시간 15분 동안 에칭하였다. Si was etched in the form of a sharp line using anisotropic etching using a KOH solution. In this case, the solution was a solution consisting of 200 ml of DI water, 14 g of KOH and 18 ml of IPA and was etched at 82 ° C for 1 hour and 15 minutes.
BOE를 이용하여 남은 SiO2를 제거하여 라인 패턴 몰드를 제작하였고, Ultrasonic bath 안에서 BOE 용액에 담근 후 60초를 유지하였다. 도 4의 맨 좌측에서 보는 것처럼 Si 몰드에 라인 패턴으로 형성되었다.The remaining SiO 2 was removed by using BOE to fabricate a line pattern mold, which was maintained in the BOE solution for 60 seconds in an ultrasonic bath. As shown in the leftmost side of FIG. 4, in a line pattern in the Si mold.
다음으로 PDMS/CNT 혼합체를 이용하여 패턴된 Si 몰드에 증착하였고, 이후 이를 띄어내었다. PDMS 3g, CNT 0.3g, Hexane 2.25g, 경화제 0.3g 이용하였고 80℃에서 1시간 경화시켰다. 도 4의 좌측에서 두번째 도면의 모습이다.Next, the patterned Si mold was deposited on the PDMS / CNT mixture, and then the pattern was removed. 3 g of PDMS, 0.3 g of CNT, 2.25 g of hexane and 0.3 g of a curing agent were cured at 80 ° C for 1 hour. 4 is a view of the second drawing from the left side of FIG.
패턴된 PDMS/CNT 혼합체와 P(VDF-TrFE) 간의 접착력을 높여주기 위해 산소플라즈마 처리를 해주었으며, 이때 조건은 산소 10sccm, 압력 700mTorr, 파워 30W, 시간 30sec 였다.Oxygen plasma treatment was performed to increase the adhesion between the patterned PDMS / CNT mixture and P (VDF-TrFE). The conditions were
다음으로 P(VDF-TrFE)를 스핀코팅 공정을 이용하여 증착하였고, 이때 조건은 20 wt% of PVDF in DMF, 2000rpm, 60sec, 60 ℃, 10min 였으며, 140 ℃, 2hr 열처리를 수행하였다. 도 4의 세번째 도면의 모습이다.Next, P (VDF-TrFE) was deposited using a spin coating process. The conditions were 20 wt% of PVDF in DMF, 2000 rpm, 60 sec, 60 캜, 10 min, and heat treatment at 140 캜 for 2 hr. 4 is a view of the third drawing of Fig.
마지막으로 상부 전극으로써 그래핀을 습식 트랜스퍼 공정을 이용하여 증착하였으며 도 4의 맨 오른쪽 도면의 모습이다. Ni 촉매 기반으로 그래핀 성장시키고, 그래핀 상에 PMMA 도포(1000 rpm, 30 sec)하였으며, Ni etchant 이용하여 Ni 제거하였고, PVDF 상에 트랜스퍼 후 건조시킨 후 Toluene을 이용하여 PMMA 제거(10min)하고 DI water 이용하여 워싱하였다.
Finally, the graphene was deposited as a top electrode using a wet transfer process and is shown at the top right of FIG. The PMMA was removed by using Ni etchant. After transferring to PVDF, the PMMA was removed by using toluene (10 min) DI water.
이렇게 제작된 소자를 기초로 아래와 같이 압전 특성 및 초전 특성을 평가하였고, 그 결과는 다음과 같다.Based on the fabricated device, the following piezoelectric and pyroelectric properties were evaluated. The results are as follows.
제작된 소자에 0~30% 의 변형을 주어 압전 특성을 측정하였고, 그 결과는 도 5에서 도시된다. 도 5에서 보는 것처럼, 인장 수치가 점점 늘어남에 따라 압전 출력값이 증가됨을 알 수 있었다. 따라서 안정적인 압전 특성을 나타냄을 확인하였다.The fabricated device was subjected to strain of 0 to 30% to measure the piezoelectric characteristics, and the results are shown in Fig. As shown in FIG. 5, it was found that the piezoelectric output value increases as the tensile value increases. Therefore, it is confirmed that the piezoelectric characteristics are stable.
도 6은 실제 제작된 본 발명의 일 실시예에 따른 신축성을 갖는 에너지 발전 소자의 초전 특성 측정 데이터이다. 도 6에서 확인 가능한 것처럼 0~30%의 인장 상태에서 안정적인 초전 특성을 나타냄을 확인하였다.6 is data on pyroelectric characteristics of an energy generating device having elasticity according to an embodiment of the present invention. As can be seen in FIG. 6, it was confirmed that stable pyroelectric characteristics were exhibited in a tensile state of 0 to 30%.
이 경우 패턴이 없는 기존의 소자와 본 발명에 따른 패턴이 형성된 소자 간의 비교를 위해 0~30% 까지 인장 후 패턴 안 된 소자와 패턴 된 소자의 표면을 광학현미경을 통하여 관찰하였고, 그 결과는 도 7과 같다.In this case, for comparison between an existing device without a pattern and a device formed with a pattern according to the present invention, the surface of the patterned device and the patterned device after pulling up to 0 to 30% was observed through an optical microscope, 7.
도 7에서 도시된 것처럼, Flat한 기존의 소자의 경우 Line 패턴을 갖는 본 발명의 소자보다 인장 실험 후 더 큰 손상이 표면에 발생됨을 확인할 수 있었다. 따라서 본 발명에서와 같은 마이크로 라인 패턴을 통해 신축성을 갖는 에너지 발전 소자의 신축성이 확보됨을 확인하였다.As shown in FIG. 7, it can be seen that, in the case of a conventional flat element, a larger damage is generated on the surface after the tensile test than the element of the present invention having a line pattern. Therefore, it was confirmed that the elasticity of the energy generating element having elasticity is secured through the microline pattern as in the present invention.
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. The description of the disclosed embodiments is provided to enable any person skilled in the art to make or use the present invention. Various modifications to these embodiments will be readily apparent to those skilled in the art, and the generic principles defined herein may be applied to other embodiments without departing from the scope of the invention. Thus, the present invention is not intended to be limited to the embodiments shown herein but is to be accorded the widest scope consistent with the principles and novel features presented herein.
Claims (15)
상기 하부 전극의 패턴 상의 압전 물질층; 및
상기 압전 물질층 상의 상부 전극을 포함하고,
상기 하부 전극은 신축성을 갖는 물질 및 전도성 물질의 혼합체인 것을 특징으로 하는,
신축성을 갖는 에너지 발전 소자.
A lower electrode including a pattern on the upper portion;
A piezoelectric material layer on the pattern of the lower electrode; And
And an upper electrode on the piezoelectric material layer,
Wherein the lower electrode is a mixture of a material having elasticity and a material of conductive material.
An energy generating element having elasticity.
상기 신축성을 갖는 물질은 PDMS 또는 Eco-Flex 인 것을 특징으로 하는,
신축성을 갖는 에너지 발전 소자.
3. The method of claim 2,
Wherein the stretchable material is PDMS or Eco-Flex.
An energy generating element having elasticity.
상기 전도성 물질은,
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), 실리콘 나노와이어, 탄소나노튜브(CNT) 및 그래핀(graphene) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는,
신축성을 갖는 에너지 발전 소자.
3. The method of claim 2,
The conductive material may be,
(Au), platinum (Pt), palladium (Pd), palladium-gold alloy (PdAu), nickel (Ni), nickel-gold alloy (NiAu), ruthenium (Ru) , Zinc (Zn), titanium (Ti), titanium-gold alloy (TiAu), aluminum (Al), indium tin oxide (ITO), fluorine containing tin oxide (FTO), gallium zinc oxide (GZO) Carbon nanotube (CNT), and graphene.
An energy generating element having elasticity.
상기 압전 물질층은 PVDF, P(VDF-TrFE) 및 P(VDF-HFP) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는,
신축성을 갖는 에너지 발전 소자.
3. The method of claim 2,
Wherein the piezoelectric material layer is any one of PVDF, P (VDF-TrFE) and P (VDF-HFP).
An energy generating element having elasticity.
상기 상부 전극은 실리콘 나노와이어, 탄소나노튜브(CNT) 및 그래핀(graphene) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는,
신축성을 갖는 에너지 발전 소자.
3. The method of claim 2,
Wherein the upper electrode is one of a silicon nanowire, a carbon nanotube (CNT), and a graphene.
An energy generating element having elasticity.
상기 패턴의 형상은 복수의 라인 패턴이 서로 이격된 채로 평행하게 배치되어 있으며, 각각의 라인 패턴은 수직 단면이 삼각형 형상인 것을 특징으로 하는,
신축성을 갖는 에너지 발전 소자.
3. The method of claim 2,
Characterized in that the shape of the pattern is arranged in parallel with a plurality of line patterns being spaced apart from each other,
An energy generating element having elasticity.
BOE(Buffered Oxide Etcher) 용액을 이용하여 SiO2를 제거하는 단계;
포토레지스트를 제거하는 단계;
Si를 에칭하여 라인 패턴을 형성하는 단계;
신축성을 갖는 물질 및 전도성 물질의 혼합체를 라인 패턴이 형성된 Si에 증착 후 떼어내어 동일한 라인 패턴을 갖는 혼합체를 준비하는 단계;
라인 패턴을 갖는 혼합체를 플라즈마 처리하는 단계;
압전 물질층을 혼합체의 라인 패턴이 형성된 부분 상에 증착시키는 단계; 및
상부 전극을 증착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는,
신축성을 갖는 에너지 발전 소자를 제작하는 방법.
Patterning the photoresist in the form of a line on a Si / SiO 2 substrate using a photolithography process;
Removing SiO 2 using a BOE (Buffered Oxide Etcher) solution;
Removing the photoresist;
Etching the Si to form a line pattern;
Depositing a mixture of a material having elasticity and a conductive material on Si having a line pattern formed thereon and removing the mixture to prepare a mixture having the same line pattern;
Plasma processing a mixture having a line pattern;
Depositing a layer of piezoelectric material on a line patterned portion of the mixture; And
And depositing an upper electrode.
A method of manufacturing an energy generating element having elasticity.
상기 라인 패턴은, 복수의 라인이 서로 이격된 채 평행하게 배치되어 있으며, 각각의 라인은 수직 단면이 삼각형 형상인 것을 특징으로 하는,
신축성을 갖는 에너지 발전 소자를 제작하는 방법.
9. The method of claim 8,
Wherein the line pattern is arranged in parallel with a plurality of lines spaced from each other, and each line has a triangular shape in vertical section.
A method of manufacturing an energy generating element having elasticity.
상기 신축성을 갖는 물질은 PDMS 또는 Eco-Flex 인 것을 특징으로 하는,
신축성을 갖는 에너지 발전 소자를 제작하는 방법.
9. The method of claim 8,
Wherein the stretchable material is PDMS or Eco-Flex.
A method of manufacturing an energy generating element having elasticity.
상기 전도성 물질은,
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), 실리콘 나노와이어, 탄소나노튜브(CNT) 및 그래핀(graphene) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는,
신축성을 갖는 에너지 발전 소자를 제작하는 방법.
9. The method of claim 8,
The conductive material may be,
(Au), platinum (Pt), palladium (Pd), palladium-gold alloy (PdAu), nickel (Ni), nickel-gold alloy (NiAu), ruthenium (Ru) , Zinc (Zn), titanium (Ti), titanium-gold alloy (TiAu), aluminum (Al), indium tin oxide (ITO), fluorine containing tin oxide (FTO), gallium zinc oxide (GZO) Carbon nanotube (CNT), and graphene.
A method of manufacturing an energy generating element having elasticity.
상기 압전 물질층은 PVDF, P(VDF-TrFE) 및 P(VDF-HFP) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는,
신축성을 갖는 에너지 발전 소자를 제작하는 방법.
9. The method of claim 8,
Wherein the piezoelectric material layer is any one of PVDF, P (VDF-TrFE) and P (VDF-HFP).
A method of manufacturing an energy generating element having elasticity.
상기 상부 전극은 실리콘 나노와이어, 탄소나노튜브(CNT) 및 그래핀(graphene) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는,
신축성을 갖는 에너지 발전 소자를 제작하는 방법.
9. The method of claim 8,
Wherein the upper electrode is one of a silicon nanowire, a carbon nanotube (CNT), and a graphene.
A method of manufacturing an energy generating element having elasticity.
상기 라인 패턴을 갖는 혼합체를 플라즈마 처리하는 단계는,
10 sccm의 산소 분위기 및 700mTorr의 압력 조건 하에서 처리되는 것을 특징으로 하는,
신축성을 갖는 에너지 발전 소자를 제작하는 방법.
9. The method of claim 8,
Wherein the step of plasma-treating the mixture having the line pattern comprises:
Lt; RTI ID = 0.0 > 10 < / RTI > sccm under an oxygen atmosphere and a pressure of 700 mTorr.
A method of manufacturing an energy generating element having elasticity.
상기 Si를 에칭하여 라인 패턴을 형성하는 단계 이후, BOE를 이용하여 잔류 SiO2를 제거하는 단계를 추가로 포함하는,
신축성을 갖는 에너지 발전 소자를 제작하는 방법.9. The method of claim 8,
Further comprising the step of removing the residual SiO 2 using BOE after etching the Si to form a line pattern.
A method of manufacturing an energy generating element having elasticity.
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