KR101496093B1 - 자가발전이 가능한 자외선 감지소자 및 이를 포함한 자외선 센서 - Google Patents

자가발전이 가능한 자외선 감지소자 및 이를 포함한 자외선 센서 Download PDF

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곽성수
신경식
조은비
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성균관대학교산학협력단
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Abstract

자가발전이 가능한 자외선 감지소자가 개시된다. 자가발전이 가능한 자외선 감지소자는 투명한 기판; 상기 투명한 기판 상에 배치된 투명한 하부 전극층; 상기 하부 전극층 상에 배치된 압전층; 상기 압전층 상에 배치된 투명한 접착층; 및 상기 접착층 상에 배치된 투명한 상부 전극층을 포함한다.

Description

자가발전이 가능한 자외선 감지소자 및 이를 포함한 자외선 센서{ULTRAVIOLET-RAY DETECTOR HAVING SELF-GENERATION FUNCTION AND ULTRAVIOLET-RAY SENSOR HAVING THE SAME}
본 발명은 자외선(UV) 감지소자 및 이를 포함한 자외선 센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 자가발전이 가능한 자외선 감지소자 및 상기 자외선 감지소자를 포함한 자가발전이 가능한 자외선 센서에 관한 것이다.
자외선(Ultra violet ray)은 태양광의 스펙트럼을 사진으로 찍었을 때, 가시광선보다 짧은 파장으로 눈에 보이지 않는 빛이다. 자외선은 사람의 피부를 태우거나 살균작용을 하며, 과도하게 노출될 경우 피부암에 걸릴 수도 있다.
그 결과, 자외선에 의한 피부병변이나 색소 침착, 백내장 등의 안과 질환과 인체 면역계통에의 악영향 등의 인체 유해성이 문제로 대두되고 있으며, 이로 인해 자외선을 감지할 수 있는 센서의 필요성이 대두되고 있다
이를 해결하기 위하여 다양한 종류의 자외선 감지 장치들이 사용되고 있지만, 기존의 UV(Ultra violet) 영역 대의 빛을 감지할 수 있는 자외선 장치들은 외부로부터 전원을 공급받거나 내부에 실장된 배터리로부터 전원을 공급받아야만 구동될 수 있다는 문제점이 있었다.
이에 본 발명자는 압전소자의 특성을 이용하여 자가발전이 가능하면서도 자외선을 감지할 수 있는 자외선 감지소자 및 자외선을 감지할 수 있는 센서를 개발하기에 이르렀다.
대한민국공개특허공보 제10-2012-0108370호(공개번호)
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 자가발전이 가능하고, 기계적 강도가 강한 자외선 감지소자를 제공하는 것이다.
또한, 상기 자외선 감지소자를 이용한 자외선 센서를 제공하는 것이다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 실시예에 따른 자가발전이 가능한 자외선 감지소자는 투명한 기판; 상기 투명한 기판 상에 배치된 투명한 하부 전극층; 상기 하부 전극층 상에 배치된 압전층; 상기 압전층 상에 배치된 투명한 접착층; 및 상기 접착층 상에 배치된 투명한 상부 전극층을 포함할 수 있다.
외부로부터 자외선 감지소자로 기계적인 압력이 가해지는 경우 압전층을 통하여 전압이 발생할 수 있고, 전압이 발생되는 경우에 자외선 감지소자로 자외선이 조사되는 경우에는 발생되는 전압의 크기가 변경될 수 있다. 따라서 발생되는 전압의 크기가 변경되는 것을 통하여 자외선 감지소자에 자외선이 조사되는지 감지할 수 있다.
하나의 실시예로 상기 기판은, 셀롤로오스계 수지, 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethylene terephthalate; PET), 폴리에틸렌 나프탈레이트(polyethylene naphthalate; PEN), 폴리에틸렌 수지, 염화 폴리비닐 수지, 폴리카보네이트(Polycarbonate; PC), 폴리에테르 술폰(polyethersulfone; PES), 폴리에테르 에테르케톤(polyetherether ketone; PEEK), 황화 폴리페닐렌(polyphenylene sulfide; PPS), 폴리이미드(polyimide, PI) 및 폴리메틸메타크릴레이트(polymethyl methacrylate, PMMA)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있다.
하나의 실시예로 상기 접착층은, 보론나이트라이드(boron nitride)를 포함할 수 있다.
하나의 실시예로 상기 압전층은, 육방정계(hexagonal) 결정구조를 갖는 산화아연(ZnO)을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 자가발전이 가능한 자외선 센서는 투명한 기판, 상기 투명한 기판 상에 배치된 투명한 하부 전극층, 상기 하부 전극층 상에 배치된 압전층, 상기 압전층 상에 배치된 투명한 접착층 및 상기 접착층 상에 배치된 투명한 상부 전극층을 구비하는 자외선 감지소자; 상기 하부 전극층과 상기 상부 전극층과 각각 전기적으로 연결되고, 상기 압전층이 가압되는 경우 상기 하부 전극층과 상기 상부 전극층을 통하여 출력되는 출력전압을 측정하는 출력측정기; 및 상기 출력측정기를 통하여 측정된 상기 출력전압을 이용하여 자외선을 감지하고, 자외선의 감지여부 및 자외선의 세기를 표시하는 자외선 감지 표시기를 포함할 수 있다.
외부로부터 자외선 감지소자로 기계적인 압력이 가해지는 경우 압전층을 통하여 전압이 발생할 수 있고 발생된 전압은 자외선 센서를 구성하는 구성요소들의 전원으로 사용될 수 있다.
하나의 실시예로 상기 자외선 감지 표시기는, 상기 출력전압이 감소되는 크기에 대응되는 자외선의 세기에 대한 목록을 저장하고 있는 저장부; 및 상기 출력전압이 감소되는 경우에는 자외선이 감지된 것으로 판단하고 상기 자외선이 감지되었다고 출력하도록 제어하며, 상기 출력전압의 감소되는 크기에 대응되는 상기 자외선의 세기가 출력하도록 제어하는 제어부; 및 상기 출력전압의 감지여부와 상기 자외선의 세기를 출력하는 출력부를 포함할 수 있다.
하나의 실시예로 상기 저장부는 자외선의 세기에 대한 기준값을 저장할 수 있고, 상기 제어부는 상기 기준값과 상기 출력전압의 감소되는 크기에 대응되는 상기 자외선의 세기를 비교하여 상기 자외선의 세기가 상기 기준값 이상인 경우에 경고신호를 출력하도록 제어하며, 상기 출력부는 상기 경고신호를 출력할 수 있다.
하나의 실시예로 상기 접착층은, 보론나이트라이드(boron nitride)를 포함할 수 있다.
하나의 실시예로 상기 압전층은, 육방정계(hexagonal) 결정구조를 갖는 산화아연(ZnO)을 포함할 수 있다.
상기와 같은 본 발명은, 자외선 감지소자가 박막형태의 전극층들과 압전층을 구비하기 때문에 기계적 강도에 대한 내구성이 우수한 효과가 있다. 또한, 자외선 감지소자는 압전층으로부터 전압이 생성되기 때문에 자가발전이 가능한 효과가 있다.
압전층에서 생성되어 출력되는 전압을 통하여 자외선 센서에 자외선이 조사(照射)되는지 확인할 수 있어 별도의 전원을 공급받지 않고도 자외선을 감지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 자외선 감지소자가 투명한 물질로 이루어져 있기 때문에 빛이 조사되는 방향에 구애됨이 없이 자외선을 감지할 수 있는 효가가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 자가발전이 가능한 자외선 감지소자를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 압전층을 설명하기 위한 SEM 사진이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 자가발전이 가능한 자외선 센서를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 자외선 감지 표시기를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 자가발전이 가능한 자외선 센서를 통하여 측정된 출력전압들을 나타낸 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 자가발전이 가능한 자외선 감지소자를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 자외선 감지소자(100)는 투명한 기판(10), 하부 전극층(20), 압전층(piezoelectric layer, 30), 접착층(40), 상부 전극층(50)을 포함할 수 있다.
투명한 기판(10)은 플렉시블(flexible)한 기판일 수 있고, 박막 형태일 수 있다. 기판이 투명하기 때문에 빛이 투명한 기판(10)을 통과할 수 있다.
투명한 기판(10)으로는 예를 들면 셀롤로오스계 수지, 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethylene terephthalate; PET), 폴리에틸렌 나프탈레이트(polyethylene naphthalate; PEN), 폴리에틸렌 수지, 염화 폴리비닐 수지, 폴리카보네이트(Polycarbonate; PC), 폴리에테르 술폰(polyethersulfone; PES), 폴리에테르 에테르케톤(polyetherether ketone; PEEK), 황화 폴리페닐렌(polyphenylene sulfide; PPS), 폴리이미드(polyimide, PI) 및 폴리메틸메타크릴레이트(polymethyl methacrylate, PMMA)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상이 사용될 수 있다.
하부 전극층(20)은 투명한 기판(10) 상에 배치될 수 있고, 박막 형태일 수 있다. 또한, 하부 전극층(20)은 투명한 도전성 물질로 이루어질 수 있다. 하부 전극층(20)이 투명한 경우에는 투명한 기판(10)을 통과한 빛이 하부 전극층(20)을 통과할 수 있다. 하부 전극층(20)을 통과한 빛은 압전층(30)에 도달할 수 있다.
하부 전극층(20)은 투명한 기판(10) 상에 전사(transfer)공정, 스퍼터링(sputtering)공정, 증착(evaporation)공정 등을 통하여 배치될 수 있다.
하부 전극층(20)으로는 예를 들면 그래핀(Graphene), 카본나노튜브(Carbonnanotube) 및 인듐주석산화물(Indium Tin Oxide, ITO)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
압전층(30)은 하부 전극층(20) 상에 배치될 수 있고, 압전 물질로 이루어진 박막 형태일 수 있다. 일 예로 압전층(30)은 산화아연(ZnO)으로 이루어질 수 있다.
산화아연(ZnO)은 육방정계(hexagonal) 결정구조를 갖을 수 있고, 이러한 결정구조를 갖고 있기 때문에 압전층(30)에 가해지는 압력에 대한 기계적 강도가 우수한 효과가 있다.
산화아연(ZnO)에 압력이 가해지는 상태에서 자외선이 조사되는 경우, (산화아연(ZnO) 내부에서 광여기(光勵起)로 인한 전자-정공 쌍이 생성된다. 생성된 전자-정공 쌍 중 정공은 산화아연(ZnO) 표면에 분포된 산소결함(oxygen defect)과 결합하게 되고 전자만 남게된다. 남겨진 전자들은 압력에 의한 기계적 변형에 따른 산화아연(ZnO) 내부의 압전 포텐셜의 증가를 막아 산화아연(ZnO)으로 부터 출력되는 전압의 값이 작아지게 된다.
접착층(40)은 압전층(30) 상에 배치될 수 있고, 박막 형태일 수 있으며, 투명한 물질로 이루어질 수 있다. 접착층(40)은 압전층(30)과 상부 전극층(50) 간의 접착력을 증가시키고, 상부 전극층(50)에 가해지는 압력이 압전층(30)으로 전달되는 것을 완충시켜 압전층(30)의 기계적 강도를 더욱 증가시킬 수 있다.
일 예로, 접착층(40)은 보론과 질소로 이루어진 벌집 구조의 물질인 보론나이트라이드(boron nitride, BN)가 사용될 수 있다. 보론나이트라이드(BN)는 압전층(30)에 압력이 가해지는 경우에 생성된 전자들이 다시 압전층(30) 내부로 유입되는 것을 막아주어 압전층(30) 내부의 압전 포텐셜을 유지시켜 주는 역할을 수행할 수 있다. 즉, 전자 블록킹 층(electron blocking layer) 역할을 수행할 수 있다.
상부 전극층(50)는 접착층(40) 상에 배치될 수 있고, 박막 형태일 수 있다. 또한, 상부 전극층(50)은 투명한 도전성 물질로 이루어질 수 있다. 상부 전극층(50)이 투명한 경우에는 빛이 상부 전극층(50)을 통과할 수 있고 통과된 빛은 투명한 접착층을 통과하여 압전층(30)에 도달할 수 있다.
상부 전극층(50)은 접착층(40) 상에 전사(transfer)공정, 스퍼터링(sputtering)공정, 증착(evaporation)공정 등을 통하여 배치될 수 있다.
상부 전극층(50)으로는 예를 들면 그래핀(Graphene), 카본나노튜브(Carbonnanotube) 및 인듐주석산화물(Indium Tin Oxide, ITO)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 자외선 감지소자(100)는 투명한 물질로 이루어져 있기 때문에 자외선 감지소자(100)의 상부 또는 하부를 통하여 빛이 조사되는 경우에도 압전층(30)까지 빛이 도달할 수 있어 빛이 조사되는 방향에 구애됨이 없이 자외선을 감지할 수 있다. 또한, 하부 전극층(20), 압전층(30) 및 상부 전극층(50) 모두가 박막 형상이기 때문에 와이어 형상를 갖는 경우에 비하여 압력에 버틸 수 있는 기계적 안정성이 우수하다는 효과가 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 압전층을 설명하기 위한 SEM 사진이다.
도 2를 참조하면, 압전층(30)은 약 185.8㎚의 두께를 가지는 박막 형태이고, 육방정계(hexagonal) 결정구조를 갖는 것을 확인할 수 있다.
압전층(30)은 육방정계(hexagonal) 결정구조를 갖고 있기 때문에 압력이 수직한 방향으로 가해지는 경우에도 압전층(30)의 기계적 안정성이 향상되는 효과가 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 자가발전이 가능한 자외선 센서를 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 자외선 감지 표시기를 설명하기 위한 도면이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 자가발전이 가능한 자외선 센서(200)는 자외선 감지소자(100), 출력측정기(120) 및 자외선 감지 표시기(140)을 포함할 수 있다.
자외선 감지소자(100)는 도 1a 내지 도 2를 참조하여 설명하였으므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.
출력측정기(120)은 자외선 감지소자(100)의 하부 전극층(20)과 상부 전극층(50)과 각각 전기적으로 연결되고, 압전층(30)이 가압되는 경우 하부 전극층(20)과 상부 전극층(50)을 통하여 출력되는 출력전압을 측정할 수 있다.
출력측정기(120)로는 예를 들면 오실로스코프가 사용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 출력전압을 측정할 수 있는 장치라면 다양한 장치가 적용될 수 있음은 자명하다.
자외선 감지 표시기(140)는 출력측정기(120)를 통하여 측정된 출력전압을 이용하여 자외선을 감지하고, 자외선의 감지여부 및 자외선의 세기를 표시할 수 있다.
압전층(30)에 자외선이 조사되는 경우에는 하부 전극층(20)과 상부 전극층(50)을 통하여 출력되는 출력전압의 크기가 변동될 수 있고, 출력전압의 크기의 변동을 통하여 자외선을 감지할 수 있다. 자외선의 감지여부 및 자외선의 세기를 표시하는 것은 아래에서 상세히 설명하기로 한다.
자외선 감지 표시기(140)는 저장부(142), 제어부(144) 및 출력부(146)를 포함할 수 있다.
저장부(142)는 하부 전극층(20)과 상부 전극층(50)을 통하여 출력되는 출력전압이 감소되는 크기에 대응되는 자외선의 세기에 대한 목록을 저장하고 있다. 출력전압이 감소되는 크기에 따라 자외선의 세기가 어느정도인지 실험적으로 측정될 수 있고 이러한 세기에 대한 측정값이 미리 저장부(142)에 저장되어 있을 수 있다.
제어부(144)는 상기 출력전압이 감소되는 경우에는 자외선이 감지된 것으로 판단하고 자외선이 감지되었다고 출력하도록 제어할 수 있고, 출력전압의 감소되는 크기에 대응되는 자외선의 세기가 출력하도록 제어할 수 있다.
출력부(146)는 상기 제어부(144)의 제어에 따라 출력전압의 감지여부와 자외선의 세기를 출력할 수 있다.
저장부(142)는 자외선의 세기에 대한 기준값을 저장할 수 있다. 자외선 세기에 대한 기준값은 사용자에 의하여 자외선의 세기가 어느정도 이상인지 여부를 판단할 수 있는 기준값일 수 있다.
제어부(144)는 저장부(142)에 저장된 기준값과 상기 출력전압의 감소되는 크기에 대응되는 자외선의 세기를 비교하여 상기 자외선의 세기가 기준값 이상인 경우에 경고신호를 출력하도록 제어할 수 있다.
출력부(146)는 상기 제어부(144)의 제어에 의하여 상기 경고신호를 출력할 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 자가발전이 가능한 자외선 센서(200)는 측정된 자외선의 세기가 미리 저장되어 있는 기준값 이상인 경우에 경고신호를 출력함으로써 자외선이 강하게 조사되는 경우에 이를 알려줄 수 있는 효과가 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 자가발전이 가능한 자외선 센서를 통하여 측정된 출력전압들을 나타낸 그래프이다.
도 5를 참조하면, 자외선이 조사되지 않는 경우에는 자가발전이 가능한 자외선 센서(200)를 통하여 측정된 양(+)의 출력전압의 크기는 약 100㎷ 이다. 그러나 자외선이 조사되는 경우에는 출력전압의 크기가 감소되며, 조사되는 자외선의 세기가 커지는 경우에는 출력전압의 크기는 계속 줄어들어 약 75㎷ 의 크기를 가질 수 있다. 또한, 자외선이 조사되지 않는 경우에는 자가발전이 가능한 자외선 센서(200)를 통하여 측정된 음(-)의 출력전압의 크기는 약 120㎷ 이다. 그러나 자외선이 조사되는 경우에는 출력전압의 크기가 감소되며, 조사되는 자외선의 세기가 커지는 경우에는 출력전압의 크기는 계속 줄어들어 약 50㎷ 의 크기를 가질 수 있다. 또한, 이러한 출력전압의 감소되는 크기에 따라 단위면적당 자외선의 세기가 0 에서 110 ㎛/㎠ 까지 측정됨을 확인할 수 있다.
이러한 결과를 이용하면 양(+) 또는 음(-)의 출력전압의 크기를 통하여 현재 자가발전이 가능한 자외선 센서(200)에 조사되고 있는 자외선의 세기도 알 수 있다.
이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
10: 투명한 기판 20: 하부 전극층
30: 압전층 40: 접착층
50: 상부 전극층 100: 자외선 감지소자
120: 출력측정기 140: 자외선 감지 표시기
200: 자외선 센서

Claims (9)

  1. 투명한 기판;
    상기 투명한 기판 상에 배치된 투명한 하부 전극층;
    상기 하부 전극층 상에 배치된 압전층;
    상기 압전층 상에 배치된 투명한 접착층; 및
    상기 접착층 상에 배치된 투명한 상부 전극층을 포함하는, 자가발전이 가능한 자외선 감지소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기판은,
    셀롤로오스계 수지, 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethylene terephthalate; PET), 폴리에틸렌 나프탈레이트(polyethylene naphthalate; PEN), 폴리에틸렌 수지, 염화 폴리비닐 수지, 폴리카보네이트(Polycarbonate; PC), 폴리에테르 술폰(polyethersulfone; PES), 폴리에테르 에테르케톤(polyetherether ketone; PEEK), 황화 폴리페닐렌(polyphenylene sulfide; PPS), 폴리이미드(polyimide, PI) 및 폴리메틸메타크릴레이트(polymethyl methacrylate, PMMA)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인, 자가발전이 가능한 자외선 감지소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 접착층은,
    보론나이트라이드(boron nitride)를 포함하는, 자가발전이 가능한 자외선 감지소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 압전층은,
    육방정계(hexagonal) 결정구조를 갖는 산화아연(ZnO)을 포함하는, 자가발전이 가능한 자외선 감지소자.
  5. 투명한 기판, 상기 투명한 기판 상에 배치된 투명한 하부 전극층, 상기 하부 전극층 상에 배치된 압전층, 상기 압전층 상에 배치된 투명한 접착층 및 상기 접착층 상에 배치된 투명한 상부 전극층을 구비하는 자외선 감지소자;
    상기 하부 전극층과 상기 상부 전극층과 각각 전기적으로 연결되고, 상기 압전층이 가압되는 경우 상기 하부 전극층과 상기 상부 전극층을 통하여 출력되는 출력전압을 측정하는 출력측정기; 및
    상기 출력측정기를 통하여 측정된 상기 출력전압을 이용하여 자외선을 감지하고, 자외선의 감지여부 및 자외선의 세기를 표시하는 자외선 감지 표시기를 포함하는, 자가발전이 가능한 자외선 센서.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 자외선 감지 표시기는,
    상기 출력전압이 감소되는 크기에 대응되는 자외선의 세기에 대한 목록을 저장하고 있는 저장부; 및
    상기 출력전압이 감소되는 경우에는 자외선이 감지된 것으로 판단하고 상기 자외선이 감지되었다고 출력하도록 제어하며, 상기 출력전압의 감소되는 크기에 대응되는 상기 자외선의 세기가 출력하도록 제어하는 제어부; 및
    상기 출력전압의 감지여부와 상기 자외선의 세기를 출력하는 출력부를 포함하는, 자가발전이 가능한 자외선 센서.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 저장부는 자외선의 세기에 대한 기준값을 저장할 수 있고,
    상기 제어부는 상기 기준값과 상기 출력전압의 감소되는 크기에 대응되는 상기 자외선의 세기를 비교하여 상기 자외선의 세기가 상기 기준값 이상인 경우에 경고신호를 출력하도록 제어하며,
    상기 출력부는 상기 경고신호를 출력하는, 자가발전이 가능한 자외선 센서.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 접착층은,
    보론나이트라이드(boron nitride)를 포함하고,
    상기 접착층은 상기 압전층과 상기 상부 전극층 사이의 전하 이동을 증가시키는, 자가발전이 가능한 자외선 센서.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 압전층은,
    육방정계(hexagonal) 결정구조를 갖는 산화아연(ZnO)을 포함하는, 자가발전이 가능한 자외선 센서.
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