KR101524766B1 - 전기 에너지 발생 장치 및 그 제조 방법 - Google Patents

전기 에너지 발생 장치 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

제1 전극, 제2 전극, 도전 물질 및 나노와이어를 포함하는 전기 에너지 발생 장치 및 상기 전기 에너지 발생 장치의 제조 방법이 개시된다. 상기 제1 전극 및 제2 전극 중 하나 이상에는 오목부 및 볼록부가 형성된다. 나노와이어는 상기 제1 전극과 상이한 물질로 이루어지며, 상기 제1 전극상에 형성되어 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치한다. 나노와이어가 제1 전극상에 형성되므로, 나노와이어가 수직 성장되며, 나노와이어의 균일도 및 전도도가 향상될 수 있다. 상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극에 응력이 인가되면, 나노와이어가 변형되면서 나노와이어의 압전 효과(piezoelectric effect) 및 나노와이어와 전극 사이의 쇼트키 접합(Schottky contact)에 의하여 나노와이어를 통해 전류가 흐르게 된다. 따라서, 상기 전기 에너지 발생 장치가 구부려지거나 일부분이 눌리는 경우 응력에 의하여 전기 에너지가 생성된다.
나노와이어, 압전 효과, 전극 기판, 터치 센서, 쇼트키

Description

전기 에너지 발생 장치 및 그 제조 방법{Apparatus for generating electrical energy and method for manufacturing the same}
본 발명은 전기 에너지 발생 장치 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 상세하게는 압전 효과(piezoelectric effect)를 나타내는 나노와이어(nanowire)와 금속 사이에 형성되는 쇼트키 접합(Schottky contact)을 이용하여 전기 에너지를 발생시키는 전기 에너지 발생 장치 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
터치 센서(touch sensor)는 장치에 인가되는 응력(stress)을 감지하는 센서로서, 대표적으로 터치스크린 등에 응용된다. 사용자가 손이나 기타 신체 부위를 스크린에 접촉하면, 터치 센서가 사용자의 접촉으로 인해 스크린에 인가되는 응력을 감지하고, 이를 입력 신호로 전환한다.
이와 같은 터치 센서는, 전원을 사용하여 스크린의 하나 이상의 모서리 부분에 전압을 인가하고, 스크린에 사용자의 신체가 접촉할 경우 스크린에 인가된 응력에 의해 발생하는 저항 변화 또는 전압 강하 등을 통하여 응력을 감지한다.
본 발명의 일 실시예는, 응력이 인가되는 경우 전기 에너지를 발생시킬 수 있는 전기 에너지 발생 장치 및 상기 전기 에너지 발생 장치의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예는 제1 전극, 제2 전극, 도전 물질 및 나노와이어를 포함하는 전기 에너지 발생 장치를 제공한다. 상기 제1 전극 및 제2 전극 중 하나 이상에는 오목부 및 볼록부가 형성된다. 나노와이어는 상기 제1 전극과 상이한 물질로 이루어지며, 상기 제1 전극상에 형성되어 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치한다. 상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극에 응력이 인가되면, 나노와이어가 변형되면서 나노와이어의 압전 효과(piezoelectric effect) 및 나노와이어와 전극 사이의 쇼트키 접합(Schottky contact)에 의하여 나노와이어를 통해 전류가 흐르게 된다.
또한, 본 발명의 일 실시예는 상기 전기 에너지 발생 장치의 제조 방법을 제공한다. 상기 전기 에너지 발생 장치는, 기판상에 위치하는 제1 전극층 상에 상기 제1 전극층과 상이한 물질로 이루어진 나노와이어를 형성하는 단계, 상기 제1 전극층과 서로 이격되며 상기 제1 전극층과 대향하는 오목부 및 볼록부를 포함하는 제2 전극층을 준비하는 단계, 상기 나노와이어를 상기 제2 전극층에 근접시키는 단계 및 상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층을 도전 물질에 의해 서로 연결하는 단계를 통하여 제조된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기 에너지 발생 장치를 사용하면, 인가된 응력에 의하여 전류가 흐르게 되므로, 장치를 구부리거나 누름으로써 전기 에너지를 생성할 수 있다. 나아가, 상기 전기 에너지 발생 장치를 터치 센서에 이용할 경우, 별도의 전원을 필요로 하지 않고 응력을 감지할 수 있는 터치 센서를 구현할 수 있는 이점이 있다.
또한, 상기 전기 에너지 발생 장치에서는 나노와이어가 전극이 코팅된 기판상에 성장되므로, 나노와이어가 수직 성장될 수 있고, 나노와이어의 균일도 및 전도도가 향상될 수 있다. 따라서, 결과적으로 상대적으로 높은 전기 에너지를 발생시킬 수 있다.
이하에서는, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 구체적으로 설명한다. 그러나, 본 발명이 하기 실시예에 의하여 제한되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 에너지 발생 장치를 도시한 사시도이며, 도 2는 도 1에 도시된 전기 에너지 발생 장치를 도시한 정면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 전기 에너지 발생 장치는 제1 전극(10), 제2 전극(20), 및 제1 전극(10)과 제2 전극(20) 사이에 형성된 하나 이상의 나노와이어(nanowire)(30), 및 도전 물질(40)을 포함하여 이루어진다.
제1 전극(10)은 나노와이어(30)를 지지하는 하부 전극이다. 제1 전극(10)은 유리(glass), 실리콘(Si), 폴리머(polymer), 사파이어, 질화갈륨(GaN) 또는 탄화실리콘(SiC) 등으로 이루어진 기판(1) 상에 형성될 수도 있다. 예컨대, 제1 전극(10)은 기판(1) 상에 형성된 금속막 또는 전도성을 띄는 세라믹의 형태일 수도 있다.
제 2 전극(20)은 제1 전극(10)과 이격되며, 도전 물질(40)에 의하여 제1 전극(10)과 전기적으로 연결된다. 제1 전극(10)과 마찬가지로, 제2 전극(20) 역시 기판(2)상에 형성될 수도 있다. 제2 전극(20)에는 제1 전극(10)과 대향하는 하나 이상의 오목부(A1) 및 하나 이상의 볼록부(A2)에 의한 물결 형상의 구조가 형성되어 있다.
일 실시예에서, 제1 전극(10) 및 제2 전극(20) 중 하나 이상은 인가된 응력에 의해 변형 가능한 유연(flexible) 전극으로 이루어질 수 있다. 나아가, 제1 전극(10) 및 제2 전극(20) 중 하나 이상은 투명 전극으로 이루어질 수도 있다.
예컨대, 제1 전극(10) 및 제2 전극(20)은 인주석 산화물(ITO), 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube; CNT), 전도성 폴리머(conductive polymer), 나노 섬유(nano fiber), 나노복합재료(nanocomposite), 금-팔라듐 합금(AuPd), 금(Au), 팔라듐(Pd), 백금(Pt) 및 루테늄(Ru) 중 하나 이상을 포함하여 이루어질 수 있다.
또한, 일 실시예에서, 제1 전극(10)이 형성된 기판(1) 및 제2 전극(20)이 형성된 기판(2) 역시 인가된 응력에 의해 변형 가능한 유연한 물질로 이루어질 수 있다. 나아가, 각 기판(1, 2)은 유리 등의 투명한 물질로 이루어질 수도 있다.
제1 전극(10)과 제2 전극(20) 사이에는 하나 이상의 나노와이어(30)가 형성된다. 하나 이상의 나노와이어(30)는 제1 전극(10) 및 제2 전극(20)에 수직한 방 향(D1)으로 연장될 수 있다. 또한, 일 실시예에서, 각 나노와이어(30)는 제2 전극(20)의 각 오목부(A1)에 인접하여 위치할 수도 있다.
도 1 및 도 2에 도시된 나노와이어(30)의 개수는 예시적인 것으로서, 나노와이어(30)의 개수는 장치의 크기 및 용도에 따라 상이할 수 있다.
하나 이상의 나노와이어(30)는 제1 전극(10)상에서 성장될 수 있다. 나노와이어(30)를 기판(1)상에 바로 형성하지 않고 제1 전극(10)상에서 성장시킬 경우 여러 가지 이점이 있다. 예컨대, 나노와이어(30)가 도전 물질로 이루어진 제1 전극(10)상에 형성되므로 나노와이어(30)를 통한 전도도가 향상될 수 있다. 또한, 제1 전극(10)상에 나노와이어(30)를 형성할 경우 나노와이어(30)의 성장 제어가 용이하다. 예컨대, 나노와이어(30)가 제1 전극(10)으로부터 수직 방향으로 성장될 수 있다. 또한, 각각의 나노와이어(30) 사이의 형상 또는 방향성의 균일도가 향상될 수 있다.
상기와 같이 구성된 전기 에너지 발생 장치에 부분적으로 또는 전체적으로 응력이 인가되는 경우, 제1 전극(10)과 제2 전극(20) 사이의 거리가 적어도 부분적으로 변화하게 된다. 이에 따라, 제1 전극(10)과 제2 전극(20) 사이에 위치하는 나노와이어(30)의 형태가 변형된다.
예컨대, 제1 전극(10)과 제2 전극(20) 사이의 거리가 감소하는 경우, 해당 부분에 위치한 나노와이어(30)는 길이 방향(D1)으로 압축되어 휘어지게 된다. 이때, 휘어진 나노와이어(30)는 압전 효과(piezoelectric effect)를 나타낸다. 즉, 나노와이어(30)의 각 부분은 인가된 압축 응력 또는 인장 응력에 따라 소정의 전위 를 갖게 된다.
압전 효과를 갖는 물질의 일 예로서, 상기 나노와이어(30)는 산화아연(ZnO)으로 이루어질 수도 있다. 산화아연으로 이루어진 나노와이어(30)가 휘어질 경우, 산화아연(ZnO)의 비대칭적인 결정 구조로 인하여 나노와이어(30) 내의 각 부분이 전위를 갖게 된다. 따라서, 이를 이용하여 전기 에너지를 발생시킬 수 있다. 이는 도 3을 참조하여 자세히 후술한다.
한편, 나노와이어(30)는 산화아연(ZnO)뿐만 아니라, 응력이 인가되는 경우 압전 효과를 나타내는 다른 상이한 물질로 이루어질 수도 있다. 예컨대, 나노와이어(30)는 납-지르코늄-티타늄산화물(lead zirconate titanate; PZT) 또는 티탄산바륨(BaTiO3)으로 이루어질 수도 있다.
도 3은 도 2에 도시된 전기 에너지 발생 장치가 상부로부터 인가된 응력에 의하여 변형된 형태를 도시한 정면도이다.
도 3을 참조하면, 기판(2)의 상부에 응력이 인가됨에 따라, 기판(2) 및 제2 전극(20)의 일부분(B)이 도면 아래 방향으로 휘어졌다. 이에 따라, 제1 전극(10)과 제2 전극(20) 사이의 거리가 부분적으로 감소하게 되어, 제1 전극(10)과 제2 전극(20) 사이에 위치하는 나노와이어(30)가 길이 방향으로 압축되어 휘어진 것을 알 수 있다.
전술한 바와 같이, 나노와이어(30)는 휘어짐에 따라 압전 효과를 나타낸다. 예컨대, 나노와이어(30)가 산화아연(ZnO)으로 이루어진 경우, 나노와이어(30)에서 압축 응력이 인가된 부분(A3)은 음의 전위를 갖게 되며, 나노와이어(30)에서 인장 응력이 인가된 부분(A4)은 양의 전위를 갖게 된다.
한편, 각각의 나노와이어(30)는 제2 전극(20)의 오목부(A1)에 인접하여 위치한다. 따라서, 제1 전극(10)과 제2 전극(20) 사이의 거리가 감소하는 경우, 휘어진 나노와이어(30)는 적어도 부분적으로 제2 전극(20)과 접촉하게 된다.
나노와이어(30)에 압축 응력이 인가된 부분(A3)은 음의 전위를 갖게 된다. 반면, 제2 전극(20)은 전위를 갖지 않는 상태이다. 따라서, 압축 응력이 인가된 부분(A3)과 제2 전극(20) 은 순방향으로 연결된 쇼트키 다이오드(Schottky diode)를 형성하며, 제2 전극(20)으로부터 나노와이어(30) 방향으로 전류가 흐른다. 이때, 전류는 제2 전극(20)-나노와이어(30)-제1 전극(10)-도전 물질(40)에 의해 형성되는 폐회로를 통하여 흐른다.
한편, 나노와이어(30)에 인장 응력이 인가된 부분(A4)은 양의 전위를 갖게 된다. 따라서, 인장 응력이 인가된 부분(A4)과 제2 전극(20)은 역방향으로 연결된 쇼트키 다이오드를 형성하므로, 전류가 흐르지 않는다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 제2 전극(20)에 응력을 가하여 제1 전극(10)과 제2 전극(20) 사이의 거리를 적어도 부분적으로 감소시키면, 나노와이어(30)에 압축 응력이 인가된 부분과 제2 전극(20) 사이의 쇼트키 접합에 의해 전류가 흐르게 된다. 따라서, 인가된 응력에 의하여 전기 에너지를 생성하는 것이 가능하다.
도 3에 도시된 실시예에서는 제2 기판(2)에 응력이 인가되어 제2 전극(20)이 휘어진 경우를 예시적으로 도시하였으나, 제1 전극(10) 및 제2 전극(20) 중 어느 하나 이상에 응력이 인가되더라도 동일한 효과를 얻을 수 있다. 예컨대, 제1 전극(10) 및 제2 전극(20)의 일부분을 누르거나, 제1 전극(10) 및 제2 전극(20)을 구부림으로써 동일한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 도 1 내지 도 3을 참조하여 전술한 실시예들에서는 제2 전극(20)에만 오목부(A1) 및 볼록부(A2)가 형성되었다. 그러나, 다른 실시예에서는, 제2 전극(20)뿐만 아니라 제1 전극(10)에도 오목부 및 볼록부에 의한 물결 형상의 구조를 형성할 수도 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기 에너지 발생 장치의 사시도이며, 도 5는 도 4에 도시된 전기 에너지 발생 장치의 분해 사시도이다.
도 4 및 도 5에 도시된 실시예에서, 기판(1, 2) 및 나노와이어(30)의 구성 및 기능은 도 1 내지 도 3을 참조하여 전술한 실시예와 동일하므로, 자세한 설명을 생략한다.
한편, 상기 실시예에서, 제1 전극(11) 및 제2 전극(21)은 각각 복수 개로 구성된다. 제1 전극(11)은 기판(1) 상에서 일 방향(D2)으로 연장되며, 복수 개가 서로 이격되어 형성된다. 또한, 제2 전극(21)은 기판(2) 상에서 상기 일 방향(D2)에 수직한 방향(D3)으로 연장되며, 복수 개가 서로 이격되어 형성된다.
즉, 서로 수직하는 방향으로 연장되며, 각각 복수 개의 전극으로 구성된 제1 전극(11) 및 제2 전극(21)에 의하여 매트릭스(matrix) 형태의 어레이(array)가 형 성된다. 도 4 및 도 5에 도시된 제1 전극(11) 및 제2 전극(21)의 개수는 예시적인 것으로서, 이에 제한되지 않으며, 제1 전극(11) 및 제2 전극(21)의 개수는 장치의 크기 및 용도에 따라 상이할 수 있다.
이상과 같이 구성된 에너지 발생 장치를 사용하면, 복수 개의 제1 전극(11) 중 전류가 흐르는 전극 및 복수 개의 제2 전극(21) 중 전류가 흐르는 전극을 감지함으로써, 응력이 인가된 위치를 감지하는 것이 가능하다. 따라서, 상기 에너지 발생 장치를 터치 센서 등에 적용하는 경우, 응력이 인가된 위치를 감지할 수 있는 이점이 있다.
도 4 및 도 5에 도시된 실시예에서 나노와이어(30)는 복수 개의 제1 전극(11) 상에 형성되었다. 그러나, 다른 실시예에서, 나노와이어(30)는 제1 전극(11)과 제2 전극(21)이 서로 교차하는 영역에만 형성되는 것도 가능하다.
나아가, 상기 실시예에서 제2 전극(21)은 제1 전극(11)에 수직하는 방향으로 연장되었다. 그러나 이는 예시적인 것으로서, 다른 실시예에서 제2 전극(21)은 제1 전극(11)의 길이 방향(D2)에 경사진 방향으로 연장될 수도 있다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전기 에너지 발생 장치의 정면도이다.
도 6에 도시된 실시예에서, 기판(1, 2), 제1 전극(10), 제2 전극(20) 및 나노와이어(30)의 구성 및 기능은 도 1 내지 도 3을 참조하여 전술한 실시예와 동일하므로, 자세한 설명을 생략한다.
한편, 상기 실시예에서, 제1 전극(10)과 제2 전극(20) 사이에는 탄성 물질(50)이 형성될 수 있다. 탄성 물질(50)은 전기 에너지 발생 장치가 눌리거나 구부려지는 경우 나노와이어(30)가 부러지는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 전기 에너지 발생 장치의 내구성 및 신뢰성이 향상될 수 있다.
탄성 물질(50)은 상대적으로 큰 탄력을 갖는 동시에 나노와이어(30)가 휘어지는 것을 방지하지 않을 정도로 유연한 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 탄성 물질(50)은 실리콘, 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane; PDMS) 및 우레탄 중 하나 이상을 포함하거나, 또는 다른 적당한 물질을 포함하여 이루어질 수 있다.
탄성 물질(50)에 의하여 나노와이어(30)가 완전히 덮혀질 경우, 나노와이어(30)가 제2 전극(20)에 접촉하지 못하게 될 수 있다. 이를 방지하기 위하여, 제1 전극(10)으로부터 탄성 물질(50)의 상부면까지의 제1 거리(L1)는 제1 전극(10)으로부터 나노와이어(30)의 상부면까지의 제2 거리(L2) 이하일 수 있다. 결과적으로 나노와이어(30)의 끝 부분이 노출될 수 있으므로, 나노와이어(30)가 휘어져 제2 전극(20)에 접촉될 수 있다.
이상에서 살펴본 본 발명의 실시예들에 따른 전기 에너지 발생 장치는, 터치 센서와 같이 응력을 감지하기 위한 전자 장치에 사용될 수 있다. 또한, 상기 전기 에너지 발생 장치는 터치 패널(panel), 터치스크린 등의 표시 장치 및 로봇의 외피(Robot skin) 등에도 이용될 수 있다.
도 7a 내지 도 7f는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 에너지 발생 장치에서 제1 전극 및 나노와이어를 제조하는 각 단계를 도시한 단면도이다.
도 7a를 참조하면, 먼저 기판(1) 상에 제1 전극층(100)을 형성한다. 일 실시예에서, 상기 기판(1)으로는 유리, 실리콘, 또는 폴리머 등으로 이루어진 기판이 사용될 수 있다. 또한 일 실시예에서, 상기 제1 전극층(100)은 인가된 응력에 의하여 휘어질 수 있는 유연한 전도성 물질로 이루어질 수 있으며, 나아가 투명한 물질로 이루어질 수도 있다.
예컨대, 제1 전극층(100) 은 인주석 산화물(Indium Tin Oxide; ITO), 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube; CNT), 전도성 폴리머(conductive polymer), 나노 섬유(nano fiber) 및 나노복합재료(nanocomposite) 중 하나 이상을 포함하여 이루어질 수 있다. 또한, 제1 전극층(100)은 금-팔라듐 합금(AuPd), 금(Au), 팔라듐(Pd), 백금(Pt) 및 루테늄(Ru) 중 하나 이상을 포함하여 이루어질 수도 있다.
상기 제1 전극층(100)은 추후 형성될 나노와이어를 지지하는 하부 전극의 역할을 하게 된다.
도 7b를 참조하면, 다음으로 제1 전극층(100) 상에 나노물질층(300)을 형성한다. 상기 나노물질층(300)은 스핀 코팅(spin coating) 등의 방법에 의하여 제1 전극층(100) 상에 얇은 두께로 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 나노물질층(300)은 초산아연(Zinc Acetate)으로 이루어질 수도 있다.
도 7c를 참조하면, 다음으로 나노물질층(도 7b, 300)이 형성된 기판(1)을 가열함으로써 하나 이상의 나노 핵(301)을 형성한다. 예컨대, 본 발명가들은 나노물 질층이 형성된 기판(1)을 100 °C의 온도에서 가열 및 건조하여 나노 핵(301)을 형성하였다.
도 7d를 참조하면, 다음으로 나노 핵이 형성된 기판(1)을 나노 물질이 용해되어 있는 용액에 투입함으로써, 각각의 나노 핵으로부터 나노와이어(30)를 성장시킨다.
도 7a 내지 도 7d를 참조하여 전술한 단계에 의하여 본 발명의 일 실시예에서 따른 전기 에너지 발생 장치의 제1 전극 및 나노와이어가 형성된다.
도 7e를 참조하면, 일 실시예에서는 하나 이상의 나노와이어(30)가 형성된 제1 전극층(100) 상에 탄성 물질층(500)을 형성할 수 있다. 탄성 물질층(500)은 나노와이어(30)가 부러지는 것을 방지할 수 있다. 탄성 물질층(500)은 상대적으로 큰 탄성을 갖는 동시에 나노와이어(30)가 휘어지는 것을 방해하지 않을 정도로 유연한 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 탄성 물질층(500)은 실리콘, PDMS 및 우레탄 중 하나 이상을 포함하거나, 또는 다른 적당한 물질을 포함하여 이루어질 수 있다.
탄성 물질층(500)은 스핀 코팅(spin coating), 딥 코팅(dip coating), 노즐 프린팅(nozzle printing), 또는 다른 적당한 방법을 사용하여 제1 전극층(100) 상에 형성될 수 있다. 예를 들어, 탄성 물질층(500)은 미세 노즐을 사용하여 제1 전극층(100) 상에 재료를 분사하고 이를 건조하는 노즐 프린팅 방법에 의하여 형성될 수 있다.
도 7e에서 제1 전극층(100)으로부터 탄성 물질층(500)의 상부면까지의 제1 거리(L1)는 제1 전극층(100)으로부터 나노와이어(30)의 상부면까지의 제2 거리(L2) 보다 크다. 그러나, 다른 실시예에서 제1 거리(L1)는 제2 거리(L2) 이하일 수도 있다.
제1 거리(L1)가 제2 거리(L2) 보다 큰 경우, 도 7f에 도시된 바와 같이 탄성 물질층(500)의 일부를 제거하여 나노와이어(30)의 끝을 노출시킬 수 있다. 제1 거리(L1)가 제2 거리(L2) 보다 크면 나노와이어(30)가 탄성 물질층(500)에 의하여 완전히 덮혀 금속과 접촉할 수 없기 때문이다. 따라서, 제1 거리(L1)가 제2 거리(L2) 이하가 되도록 탄성 물질층(500)의 일부를 제거할 수 있다. 탄성 물질층(500)은 자외선(UV) 또는 산소 플라즈마(O2 plasma)를 이용한 식각 방법, 또는 다른 적당한 식각 방법을 사용하여 제거될 수 있다.
한편, 탄성 물질층(500)이 초기에 형성될 때부터 제1 거리(L1)가 제2 거리(L2)가 이하가 되도록 형성되었을 경우, 탄성 물질층(500)의 일부를 제거하는 상기 단계는 생략될 수도 있다.
도 8a 내지 도 8g는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 에너지 발생 장치에서 제2 전극을 제조하는 각 단계를 도시한 단면도이다.
도 8a를 참조하면, 먼저 템플릿(template) 기판(3) 상에 금속층(200)을 형성한다. 일 실시예에서, 상기 기판(3)으로는 실리콘 웨이퍼가 사용될 수도 있다. 또 한, 일 실시예에서, 상기 금속층(200)은 알루미늄(Al)으로 이루어질 수도 있다.
도 8b를 참조하면, 다음으로 금속층(200)을 양극산화(anodizing)하여 양극산화막(201)을 형성한다. 양극산화란, 금속층(200)을 양극(cathode)으로 하여 전해질 용액 내에서 전기 분해하는 과정을 지칭한다. 양극산화 과정을 거치면, 금속층(200)의 구성 물질이 전해질 내로 용해되는 동시에 금속층(200) 상에 형성된 자연 산화막의 두께가 증가하여 도 8b에 도시된 것과 같은 구조의 양극산화막(201)이 형성된다.
도 8c를 참조하면, 다음으로 전술한 양극산화 과정에 의하여 형성된 양극산화막(201)을 제거한다. 예컨대, 양극산화막(201)은 습식 또는 건식 식각에 의하여 제거될 수 있다. 양극산화막(201)에 제거되고 난 후의 템플릿 기판(3)의 표면은 오목부 및 돌출부를 포함하는 물결 형상의 구조를 갖게 된다.
도 8d를 참조하면, 다음으로 템플릿 기판(3) 상에 제2 전극층(202)을 형성한다. 상기 제2 전극층(202)은 추후 나노와이어와 접촉하여 전류가 흐르는 상부 전극의 역할을 하게 된다. 일 실시예에서, 상기 제2 전극층(202)은 금-팔라듐 합금(AuPd), 금(Au), 백금(Pt), 팔라듐(Pd) 및 루테늄(Ru) 중 하나 이상을 포함하여 이루어지며, 이온 스퍼터링(Ion sputtering)에 의하여 형성될 수도 있다.
또한, 전술한 제1 전극층과 마찬가지로, 상기 제2 전극층(202)은 인가된 응력에 의하여 휘어질 수 있는 유연한 전도성 물질로 이루어질 수 있으며, 나아가 투명한 물질로 이루어질 수도 있다.
예컨대, 상기 제2 전극층(202)은 인주석 산화물(Indium Tin Oxide; ITO), 탄 소나노튜브(Carbon Nano Tube; CNT), 전도성 폴리머(conductive polymer), 나노 섬유(nano fiber) 및 나노복합재료(nanocomposite) 중 하나 이상을 포함하여 이루어질 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에서는, 도 8e에 도시된 바와 같이 제2 전극층(202) 상에 접착층(203)을 형성할 수 있다. 상기 접착층(203)은 제2 전극층(202)과 추후 형성될 운반용 기판 과의 접착성을 증가시키는 층이다. 일 실시예에서, 상기 접착층(203)은 니켈(Ni)을 포함하여 이루어지며, 전기도금(electroplating)에 의하여 형성될 수도 있다.
도 8f를 참조하면, 다음으로 접착층(203) 상에 운반용 기판(2)을 접합한다. 다른 실시예에서는, 접착층(203)이 없이 제2 전극층(202) 상에 운반용 기판(2)을 접합할 수도 있다. 또한, 일 실시예에서, 상기 운반용 기판(2)은 폴리머(polymer)를 포함하여 이루어질 수도 있다.
도 8g를 참조하면, 다음으로 제2 전극층(202), 접착층(203) 및 운반용 기판(2)을 템플릿 기판(3)으로부터 분리한다. 분리된 제2 전극층(202)은 템플릿 기판(3)의 형상으로 인하여 오목부(A1) 및 볼록부(A2)를 포함하게 된다.
도 8a 내지 도 8g를 참조하여 전술한 각 단계에 의하여, 제1 전극 및 나노와이어에 접합될 제2 전극이 형성되었다.
도 9a 및 도 9b는 나노와이어와 제2 전극을 서로 근접시켜 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 에너지 발생 장치의 제조를 완료하는 각 단계를 도시한 단면도이 다.
도 9a를 참조하면, 먼저 나노와이어(30)를 제2 전극층(202)에 근접시킨다. 이때, 나노와이어(30)는 제2 전극층(202)에 접촉될 수도 있으며, 또는 제2 전극층(202)과 소정의 간격만큼 이격되어 위치할 수도 있다. 또한, 일 실시예에서, 각 나노와이어(30)는 제2 전극층(202)의 오목부(A1)에 근접하도록 위치할 수도 있다.
도 9b를 참조하면, 다음으로 도전 물질(40)에 의하여 제1 전극층(100) 및 제2 전극층(202)을 서로 연결함으로써 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 에너지 발생 장치가 완성된다.
도 9a 및 도 9b에는 도시되어 있지 않으나, 다른 실시예에서는 전술한 바와 같이 제1 전극층(100) 및 제2 전극층(202) 사이에 탄성 물질층(500, 도 7e)이 형성되어 있을 수도 있다.
이상에서 살펴본 본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러나, 이와 같은 변형은 본 발명의 기술적 보호범위 내에 있다고 보아야 한다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해서 정해져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 에너지 발생 장치를 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 전기 에너지 발생 장치의 정면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 전기 에너지 발생 장치에 응력이 인가되었을 경우의 정면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기 에너지 발생 장치를 도시한 사시도이다.
도 5는 도 4에 도시된 전기 에너지 발생 장치의 분해 사시도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전기 에너지 발생 장치를 도시한 정면도이다.
도 7a 내지 도 7f는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 에너지 발생 장치에서 제1 전극 및 나노와이어의 제조 단계를 도시한 단면도이다.
도 8a 내지 도 8g는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 에너지 발생 장치에서 제2 전극의 제조 단계를 도시한 단면도이다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 에너지 발생 장치에서 나노와이어와 제2 전극을 근접시키는 단계를 도시한 단면도이다.

Claims (25)

  1. 기판상에 위치하는 제1 전극;
    상기 제1 전극과 이격되며, 상기 제1 전극과 대향하는 오목부 및 볼록부를 포함하는 제2 전극;
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극을 전기적으로 연결하는 도전 물질; 및
    상기 제1 전극상에 형성되며, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하고, 상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극에 인가된 응력에 의해 변형되는 복수 개의 나노와이어;
    상기 제1 전극에 연결된 제1 기판; 및
    상기 제2 전극에 연결된 제2 기판을 포함하되,
    상기 제1 전극 및 상기 나노와이어는 서로 상이한 물질로 이루어지며,
    상기 제1 기판 및 상기 제2 기판은 인가된 응력에 의하여 변형되는 유연한 물질로 이루어지고,
    상기 제1 기판 및 상기 제2 기판은 투명한 물질로 이루어지며,
    상기 제1 전극은 상기 복수 개의 나노와이어 각각에 전기적으로 연결되고,
    상기 나노와이어는, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이의 거리가 감소함에 따라 휘어지며,
    상기 나노와이어가 변형되면 상기 나노와이어를 통해 전류가 흐르고,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 인가된 응력에 의해 변형되는 유연 전극이고,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 투명 전극인 것을 특징으로 하는 전기 에너지 발생 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은, 인주석 산화물, 탄소나노튜브, 전도성 폴리머, 나노 섬유, 나노복합재료, 금-팔라듐 합금(AuPd), 금(Au), 팔라듐(Pd), 백금(Pt) 및 루테늄(Ru)으로 이루어진 그룹에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 발생 장치.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제 1항에 있어서, 상기 나노와이어는 산화아연(ZnO), 납-지르코늄-티타늄산화물(PZT) 또는 티탄산 바륨(BaTiO3)을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 전기 에너지 발생 장치.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 나노와이어는 상기 제2 전극의 상기 오목부에 인접하여 위치하는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 발생 장치.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 전극은 상기 제2 전극과 대향하는 오목부 및 볼록부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 발생 장치.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 각각 복수 개이며,
    상기 복수 개의 제1 전극은 서로 이격되고 일 방향으로 연장되며,
    상기 복수 개의 제2 전극은 서로 이격되고 상기 일 방향에 수직한 방향으로 연장되는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 발생 장치.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 위치하는 탄성 물질을 더 포함하되,
    상기 제1 전극으로부터 상기 탄성 물질의 상부면까지의 제1 거리는, 상기 제1 전극으로부터 상기 나노와이어의 상부면까지의 제2 거리 이하인 것을 특징으로 하는 전기 에너지 발생 장치.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 탄성 물질은, 실리콘, PDMS 및 우레탄으로 이루어지는 그룹에서 선택되 는 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 발생 장치.
  14. 제1 기판상에 위치하는 제1 전극층 상에, 상기 제1 전극층과 상이한 물질로 이루어지며 각각 상기 제1 전극층에 전기적으로 연결된 복수 개의 나노와이어를 형성하는 단계;
    상기 제1 전극층과 이격되며, 상기 제1 전극층에 대향하는 오목부 및 볼록부를 포함하고, 제2 기판상에 위치하는 제2 전극층을 준비하는 단계;
    상기 복수 개의 나노와이어를 상기 제2 전극층에 근접시키는 단계; 및
    상기 제1 전극층 및 상기 제2 전극층을 도전 물질에 의해 연결하는 단계를 포함하되,
    상기 제1 기판 및 상기 제2 기판은 인가된 응력에 의하여 변형되는 유연한 물질로 이루어지고,
    상기 제1 기판 및 상기 제2 기판은 투명한 물질로 이루어지며,
    상기 제1 전극층 및 상기 제2 전극층은 인가된 응력에 의해 변형되는 유연한 물질로 이루어지고,
    상기 제1 전극층 및 상기 제2 전극층은 투명한 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 발생 장치의 제조 방법.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 제1 전극층 및 상기 제2 전극층은, 인주석 산화물, 탄소나노튜브, 전도성 폴리머, 나노 섬유, 나노복합재료, 금-팔라듐 합금(AuPd), 금(Au), 팔라듐(Pd), 백금(Pt) 및 루테늄(Ru)으로 이루어지는 그룹에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 발생 장치의 제조 방법.
  16. 제 14항에 있어서,
    상기 제1 전극층 상에 나노와이어를 형성하는 단계는,
    상기 제1 전극층 상에 나노물질층을 형성하고, 상기 나노물질층을 가열하여 하나 이상의 나노 핵을 형성하는 단계; 및
    상기 각 나노 핵으로부터 나노와이어를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 발생 장치의 제조 방법.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 나노물질층은 초산아연(Zinc Acetate)을 포함하여 이루어지며,
    상기 나노와이어는 산화아연(ZnO)을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 전기 에너지 발생 장치의 제조 방법.
  18. 제 14항에 있어서,
    상기 제2 전극층을 준비하는 단계는,
    템플릿 기판상에 금속층을 형성하는 단계;
    상기 금속층을 양극산화하여 양극산화막을 형성하는 단계;
    상기 양극산화막을 제거하고 상기 템플릿 기판상에 제2 전극층을 형성하는 단계; 및
    상기 제2 전극층을 상기 제2 기판에 접합하고, 상기 제2 전극층 및 상기 제2 기판을 상기 템플릿 기판으로부터 분리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 발생 장치의 제조 방법.
  19. 제 18항에 있어서,
    상기 제2 전극층을 상기 제2 기판에 접합하는 단계 전에,
    상기 제2 전극층 상에 접착층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 발생 장치의 제조 방법.
  20. 제 19항에 있어서,
    상기 접착층은 니켈(Ni)을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 전기 에너지 발생 장치의 제조 방법.
  21. 제 14항에 있어서,
    상기 나노와이어를 상기 제2 전극층에 근접시키는 단계는,
    상기 나노와이어를 상기 제2 전극층의 상기 오목부에 근접시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 발생 장치의 제조 방법.
  22. 제 14항에 있어서,
    상기 나노와이어를 형성하는 단계 후에,
    상기 나노와이어가 형성된 상기 제1 전극층 상에 탄성 물질층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 발생 장치의 제조 방법.
  23. 제 22항에 있어서,
    상기 탄성 물질층은, 실리콘, PDMS 및 우레탄으로 이루어지는 그룹에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 발생 장치의 제조 방법.
  24. 제 22항에 있어서,
    상기 제1 전극층으로부터 상기 탄성 물질층의 상부면까지의 제1 거리는, 상기 제1 전극층으로부터 상기 나노와이어의 상부면까지의 제2 거리 이하인 것을 특징으로 하는 전기 에너지 발생 장치의 제조 방법.
  25. 제 22항에 있어서,
    상기 탄성 물질층을 형성하는 단계 후에,
    상기 탄성 물질층의 일부를 제거하여 상기 나노와이어의 끝을 노출시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 발생 장치의 제조 방법.
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