KR101615350B1 - 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

전기 에너지 발생 장치는 제1 전극, 제2 전극, 및 나노와이어를 포함할 수 있다. 제2 전극은 제1 전극과 전기적으로 연결되고 제1 전극으로부터 이격된 평판 형상을 가질 수 있다. 나노와이어는 제1 전극상에 형성되어 제1 전극과 제2 전극 사이에 위치할 수 있다. 나노와이어는 제2 전극과 이격된 압전 물질로 이루어질 수 있다. 제1 전극 또는 제2 전극에 응력이 인가되면, 나노와이어가 제2 전극과 접합을 형성하고 변형될 수 있다. 결과적으로 나노와이어를 통해 전류가 흐르게 되므로, 전기 에너지 발생 장치가 구부려지거나 일부분이 눌리는 경우 응력에 의하여 전기 에너지를 생성할 수 있다.
나노와이어, 압전 효과, 전극 기판, 터치 센서, 쇼트키, 투명

Description

전기 에너지 발생 장치 및 그 제조 방법{Apparatus for generating electrical energy and method for manufacturing the same}
실시예들은 전기 에너지 발생 장치 및 상기 전기 에너지 발생 장치의 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.
실시예들은, 응력이 인가되는 경우 전기 에너지를 발생시킬 수 있는 전기 에너지 발생 장치 및 상기 전기 에너지 발생 장치의 제조 방법을 제공할 수 있다.
일 실시예는 전기 에너지 발생 장치를 제공할 수 있다. 전기 에너지 발생 장치는, 제1 전극; 제1 전극과 전기적으로 연결되고 이격된 평판 형상의 제2 전극; 및 제1 전극상에 형성되며, 제2 전극과 이격된 압전 물질로 이루어지고, 제1 전극 또는 제2 전극에 인가된 응력에 의해 제2 전극과 접합을 형성하고 변형되는 나노와이어를 포함할 수 있다.
또한, 다른 실시예는 전기 에너지 발생 장치의 제조 방법을 제공할 수 있다. 전기 에너지 발생 장치의 제조 방법은, 제1 전극층 상에 압전 물질로 이루어진 나노와이어를 형성하는 단계; 제1 전극층과 이격된 평판 형상의 제2 전극층을 준비하는 단계; 나노와이어를 제2 전극층에 근접시키는 단계; 및 제1 전극층 및 제2 전극층을 도선에 의해 연결하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 전기 에너지 발생 장치를 사용하면, 인가된 응력에 의하여 전류가 흐르게 되므로, 장치를 구부리거나 누름으로써 전기 에너지를 생성할 수 있다. 나아가, 전기 에너지 발생 장치를 터치 센서에 이용할 경우, 별도의 전원을 필요로 하지 않고 응력을 감지할 수 있는 터치 센서를 구현할 수 있다.
또한, 전기 에너지 발생 장치에서 나노와이어와 접촉되는 상부 전극이 평판 형상이므로, 전기 에너지 발생 장치의 제조 공정이 상대적으로 단순화되며, 따라서 장치 제조에 소요되는 시간이 감소될 수 있다.
이하에서는, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 구체적으로 설명한다. 그러나, 본 발명이 하기 실시예에 의하여 제한되는 것은 아니다.
도 1은 일 실시예에 따른 전기 에너지 발생 장치를 도시한 사시도이며, 도 2는 도 1에 도시된 전기 에너지 발생 장치를 도시한 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 전기 에너지 발생 장치는 제1 전극(10), 제2 전극(20), 및 제1 전극(10)과 제2 전극(20) 사이에 위치하는 하나 이상의 나노와이어(nanowire)(30)를 포함할 수 있다.
제1 전극(10)은 나노와이어(30)를 지지하는 하부 전극이다. 제1 전극(10)은 기판(1) 상에 형성될 수 있다. 예컨대, 제1 전극(10)은 기판(1) 상에 형성된 금속막 또는 전도성을 띄는 세라믹의 형태일 수 있다. 기판(1)은 유리(glass), 실리콘(Si), 폴리머(polymer), 사파이어, 질화갈륨(GaN), 탄화실리콘(SiC), 또는 다른 적당한 물질을 포함하여 이루어질 수 있다.
제 2 전극(20)은 제1 전극(10)과 전기적으로 연결되고, 제1 전극(10)으로부터 이격되는 평판 형상의 전극일 수 있다. 제2 전극(20)은 도전 물질(40)에 의하여 제1 전극(10)과 전기적으로 연결될 수 있다. 도전 물질(40)은 도선의 형태일 수 있다. 제1 전극(10)과 마찬가지로, 제2 전극(20) 역시 기판(2)상에 형성될 수도 있 다. 예컨대, 제1 전극(10) 및 제2 전극(20)은 도금법, 스퍼터링(sputtering), 전자빔 증착법(e-beam evaporation), 열 증착법(thermal evaporation), 또는 다른 적당한 방법에 의하여 각각의 기판(1, 2)상에 도전 물질을 형성함으로써 형성될 수 있다.
제1 전극(10) 및 제2 전극(20)은 금(Au), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 팔라듐-금 합금(PdAu), 루테늄(Ru), 은(Ag), 구리(Cu), 아연(Zn), 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 인주석 산화물(Indium Tin Oxide; ITO), 갈륨아연산화물(Gallium Zinc Oxide; GZO), 탄소나노튜브(Canbon Nano Tube; CNT) 및 그라펜(graphene) 중 하나 이상을 포함하여 이루어질 수 있다.
또한, 제2 전극(20)은 일함수를 갖는 물질로 이루어질 수 있다. 본 명세서에서 일함수란, 물질의 표면으로부터 진공 중으로 하나의 전자를 방출시키는데 필요한 에너지를 의미한다. 예를 들어, 백금(Pt)으로 이루어진 제2 전극(20)의 경우 약 5.8 전자 볼트(eV)의 일함수를 가질 수 있다. 또한, ITO로 이루어진 제2 전극(20)의 경우 약 4.7 전자 볼트(eV)의 일함수를 가질 수 있으며, CNT로 이루어진 제2 전극(20)의 경우 약 4.8 내지 약 5.8 전자 볼트(eV)의 일함수를 가질 수 있다.
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.
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 기 판(1, 2)은 유리 등의 투명한 물질로 이루어질 수도 있다.
제1 전극(10)과 제2 전극(20) 사이에는 하나 이상의 나노와이어(30)가 위치할 수 있다. 하나 이상의 나노와이어(30)는 제1 전극(10) 및 제2 전극(20)에 수직한 방향(D1)으로 연장될 수 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.
제1 전극(10)상에 형성된 나노와이어(30)는 제2 전극(20)과 소정의 간격(d)만큼 이격될 수 있다. 나노와이어(30)와 제2 전극(20) 사이의 간격(d)은, 제2 전극(20) 또는 제1 전극(10)에 응력이 인가될 경우 나노와이어(30)가 제2 전극(20)에 접촉할 수 있을 정도의 거리로 결정될 수 있다. 또는, 나노와이어(30)는 응력이 인가되지 않은 상태에서도 제2 전극(20)에 접촉할 수도 있다.
이상과 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 변형되고 제2 전극(20)과 접합을 형성한다.
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 전위를 갖게 된다.
압전 효과를 갖는 물질의 일 예로서, 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. 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), 티탄산바륨(BaTiO3), 질화알루미늄(AlN), 질화갈륨(GaN) 및 탄화실리콘(SiC) 중 하나 이상으로 이루어질 수도 있다.
나노와이어(30)를 구성하는 압전 물질은 반도체 특성을 가질 수 있다. 또한 압전 물질은 제1 일함수를 갖는 물질일 수 있다. 한편 제2 전극(20)이 제2 일함수를 갖는 물질로 이루어질 수 있다. 이때, 제1 일함수 및 제2 일함수는 나노와이 어(30)와 제2 전극(20)사이에 쇼트키 접합(Schottky contact)이 형성되도록 결정될 수 있다.
본 명세서에서 쇼트키 접합이란, 상이한 일함수를 갖는 두 물질의 접촉면에서 두 물질의 일함수의 차이에 대응되는 전위 장벽인 쇼트키 장벽(Schottky barrier)을 형성하는 접합을 의미한다.
예를 들어, n형 반도체 물질이 금속과 접촉하는 경우, n 형 반도체 물질의 일함수가 금속의 일함수 이하라면 쇼트키 장벽(Schottky barrier)이 형성될 수 있다. 반대로 n형 반도체 물질의 일함수가 금속의 일함수보다 큰 경우에는 오믹 접합(ohmic contact)이 형성된다. 한편, p형 반도체 물질이 금속에 접촉하는 경우에는, p형 반도체 물질의 일함수가 금속의 일함수 이상일 경우 쇼트키 접합이 형성될 수 있으며, p형 반도체 물질의 일함수가 금속의 일함수보다 작을 경우에는 오믹 접합이 형성된다.
쇼트키 접합은, 두 물질의 접합부에 순방향으로 전압을 인가할 경우에는 전류가 흐르며, 역방향으로 전압을 인가할 경우에는 전류가 흐르지 않는 점에서 다이오드와 유사한 특성을 갖는다. 쇼트키 접합이 위와 같은 특성을 갖도록 전기적으로 동작하는 경우 이를 쇼트키 다이오드(Schottky diode)라 지칭한다.
예컨대, n형 반도체 물질이 금속과 접촉하는 경우, n형 반도체 물질에 음(negative)의 전압을 인가하고 금속에 양(positive)의 전압을 인가하면 금속으로부터 n형 반도체 물질로 전류가 흐를 수 있다. 그러나, 인가하는 전압의 극성이 위와 반대일 경우에는 전류가 흐르지 않는다.
전기 에너지 발생 장치에서 나노와이어(30)는 압전 물질인 산화 아연(ZnO)으로 이루어질 수 있다. 도핑되지 않은 산화 아연(ZnO)은 n형 반도체 특성을 나타내며, 산화 아연(ZnO)의 일함수는 약 4.5 전자 볼트(eV) 이하의 값을 가진다. 따라서, 산화 아연(ZnO)으로 이루어진 나노와이어(30)가 산화 아연(ZnO) 이상의 일함수를 갖는 물질로 이루어진 전극에 접촉할 경우 쇼트키 접합이 형성될 수 있다. 예를 들어, 백금(Pt)으로 이루어진 제2 전극(20)은 약 5.8 전자 볼트(eV)의 일함수를 가지므로, 산화 아연(ZnO)으로 이루어진 나노와이어(30)와 쇼트키 접합을 형성할 수 있다. 또한, ITO 또는 CNT로 이루어진 제2 전극(20)을 이용하여 산화 아연(ZnO)으로 이루어진 나노와이어(30)와 쇼트키 접합을 형성할 수도 있다.
한편, 압전 물질로 이루어진 나노와이어(30)에 응력이 인가될 경우, 나노와이어(30)가 변형되면서 나노와이어(30)의 각 부분이 소정의 전위를 가질 수 있다. 제2 전극(20)과 나노와이어(30) 사이의 쇼트키 접합에 순방향으로 전압이 인가되는 경우, 제2 전극(20)으로부터 나노와이어(30) 방향으로 전류가 흐를 수 있다.
도 3a는 도 2에 도시된 전기 에너지 발생 장치가 상부로부터 인가된 응력에 의하여 변형된 형태를 도시한 단면도이다.
도 3a를 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.
도 3b는 도 3a에 도시된 전기 에너지 발생 장치의 B 부분의 확대도이다.
도 3b를 참조하면, 나노와이어(31)는 응력에 의하여 길이 방향으로 압축되었다. 압전 물질로 이루어진 나노와이어(31)는 응력이 인가됨에 따라 압전 효과를 나타낸다. 예컨대, 산화 아연(ZnO)으로 이루어진 나노와이어(31)의 경우, 압축 응력이 인가되면 음의 전위를 갖게 된다. 반면, 제2 전극(20)은 전위를 갖지 않는 상태이다. 따라서, 압축 응력이 인가된 나노와이어(31)와 제2 전극(20) 사이에는 순방향으로 연결된 쇼트키 다이오드가 형성된다. 결과적으로, 제2 전극(20)으로부터 나노와이어(31) 방향으로 전류가 흐를 수 있다.
한편, 나노와이어(32)는 응력에 의해 제2 전극(20)에 경사진 방향으로 휘어졌다. 이때, 나노와이어(32)의 일부 영역(A1)에는 압축 응력이 인가되며, 다른 일부 영역(A2)에는 인장 응력이 인가될 수 있다. 나노와이어(32)에 압축 응력이 인가된 부분(A1)은 음의 전위를 갖게 되며, 나노와이어(30)에서 인장 응력이 인가된 부분(A2)은 양의 전위를 갖게 된다.
나노와이어(32)에 압축 응력이 인가된 부분(A1)은 제2 전극(20)과 접촉한다. 따라서, 나노와이어(32)에 압축 응력이 인가된 부분(A1)과 제2 전극(20)은 순방향으로 연결된 쇼트키 다이오드를 형성한다. 결과적으로, 제2 전극(20)으로부터 나노와이어(32) 방향으로 전류가 흐를 수 있다.
한편, 나노와이어(33) 역시 응력에 의해 제2 전극(20)에 경사진 방향으로 휘어졌다. 나노와이어(33)의 일부 영역(A3)에는 압축 응력이 인가되며, 다른 일부 영 역(A4)에는 인장 응력이 인가될 수 있다. 그러나 나노와이어(32)와 달리, 나노와이어(33)의 경우에는 나노와이어(33)에 인장 응력이 인가된 부분(A4)이 제2 전극(20)과 접촉한다. 따라서, 나노와이어(33)와 제2 전극(20)은 역방향으로 연결된 쇼트키 다이오드를 형성하므로, 나노와이어(33)에 전류가 흐르지 않는다.
또한, 제2 전극(20)과 접촉되지 않은 나노와이어(34)에도 물론 전류가 흐르지 않는다.
응력에 의하여 나노와이어(31, 32, 33, 34)가 변형되는 형태는, 응력이 인가되는 위치 및 응력의 크기, 나노와이어(31, 32, 33, 34)의 형태, 방향 및 밀도 등에 따라 다양할 수 있다. 이때, 압축 응력이 인가된 부분이 제2 전극(20)과 접촉하는 나노와이어(31, 32)와 제2 전극(20) 사이에 쇼트키 접합이 형성되어 전류가 흐를 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 제2 전극에 응력을 가하여 제1 전극과 제2 전극 사이의 거리를 적어도 부분적으로 감소시키면, 나노와이어의 압전 특성 및 나노와이어와 제2 전극 사이의 쇼트키 접합에 의해 전류가 흐르게 된다. 따라서, 인가된 응력에 의하여 전기 에너지를 생성할 수 있다.
도 3a 및 도 3b에서는 제2 기판(2)에 응력이 인가되어 제2 전극(20)이 휘어진 형상을 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.
도 4는 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, 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 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 형성된다. 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, 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, 도 4 및 도 5에서 제2 전극(21)은 제1 전극(11)에 수직하는 방향으로 연장될 수 있다. 그러나 이는 예시적인 것으로서, 제2 전극(21)은 제1 전극(11)이 연장된 방향(D2)에 경사진 다른 방향으로 연장될 수도 있다.
도 6은 또 다른 실시예에 따른 전기 에너지 발생 장치의 단면도이다.
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, 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, 나노와이 어(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 실시예들에 따른 전기 에너지 발생 장치는, 터치 센서와 같이 응력을 감지하기 위한 전자 장치에 사용될 수 있다. 또한, 전기 에너지 발생 장치는 터치 패널(panel), 터치스크린 등의 표시 장치 및 로봇의 외피(Robot skin) 등에도 이용될 수 있다.
도 7a 내지 도 7h는 일 실시예에 따른 전기 에너지 발생 장치의 제조 방법의 각 단계를 도시한 단면도이다.
도 7a를 참조하면, 기판(1) 상에 제1 전극층(100)을 형성할 수 있다. 기판(1)은 유리, 실리콘, 폴리머, 또는 다른 적당한 물질을 포함하여 이루어질 수 있다. 제1 전극층(100)은 인가된 응력에 의하여 휘어질 수 있는 유연한 전도성 물질로 이루어질 수 있다. 또한, 제1 전극층(100)은 투명한 물질로 이루어질 수도 있다.
예컨대, 제1 전극층(100)은 금(Au), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 팔라듐-금 합금(PdAu), 루테늄(Ru), 은(Ag), 구리(Cu), 아연(Zn), 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 인주석 산화물(ITO), 갈륨아연산화물(GZO), 탄소나노튜브(CNT) 및 그라펜(graphene) 중 하나 이상을 포함하여 이루어질 수도 있다. 제1 전극층(100)은 추후 형성될 나노와이어를 지지하는 하부 전극의 역할을 할 수 있다.
도 7b를 참조하면, 제1 전극층(100) 상에 나노물질층(300)을 형성할 수 있다. 나노물질층(300)은 스핀 코팅(spin coating) 등의 방법에 의하여 제1 전극층(100) 상에 얇은 두께로 형성될 수 있다. 예컨대, 나노물질층(300)은 약 3 nm 내지 약 50 nm의 두께를 가질 수 있다. 나노물질층(300)은 초산아연(Zinc Acetate)을 포함하여 이루어질 수도 있다.
도 7c를 참조하면, 나노물질층(도 7b, 300)이 형성된 기판(1)을 가열함으로써 하나 이상의 나노 핵(301)을 형성할 수 있다. 예를 들어, 나노물질층(도 7b, 300)이 형성된 기판(1)을 약 100 °C 내지 약 200 °C의 온도에서 가열 및 건조하여 나노 핵(301)을 형성할 수 있다.
도 7d를 참조하면, 나노 핵(도 7c, 301)이 형성된 기판(1)을 나노 물질이 용해되어 있는 용액에 투입함으로써, 각각의 나노 핵(도 7c, 301)으로부터 나노와이어(30)를 성장시킬 수 있다. 나노와이어(30)는 압전 물질로 이루어질 수 있다. 압전 물질은 제1 일함수를 갖는 물질일 수 있다.
도 7e를 참조하면, 하나 이상의 나노와이어(30)가 형성된 제1 전극층(100)상에 탄성 물질층(500)을 형성할 수도 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 이루어 질 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, 제1 거리(L1)는 제2 거리(L2) 이하일 수도 있다.
도 7f를 참조하면, 제1 거리(L1)가 제2 거리(L2) 보다 큰 경우 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 전극과 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 거 리(L2)가 이하가 되도록 형성되었을 경우, 탄성 물질층(500)의 일부를 제거하는 단계는 불필요할 수도 있다.
도 7g를 참조하면, 나노와이어(30)를 제2 전극층(200)에 근접시킬 수 있다. 제2 전극층(200)은 기판(2)상에 위치할 수 있다. 예컨대, 제2 전극층(200)은 도금법, 스퍼터링, 전자빔 증착법, 열 증착법, 또는 다른 적당한 방법을 사용하여 기판(2)상에 도전 물질을 형성함으로써 형성될 수 있다.
제2 전극층(200)은 제2 일함수를 갖는 물질로 이루어질 수 있다. 제1 일함수 및 제2 일함수는, 나노와이어(30)가 제2 전극층(200)에 접촉할 경우 쇼트키 접합을 형성하기 위한 크기로 결정될 수 있다. 나노와이어(30)는 제2 전극층(200)과 소정의 간격(d)만큼 이격되어 위치할 수 있다. 또는, 나노와이어(30)는 제2 전극층(200)과 접촉할 수도 있다.
제2 전극층(200)은 평판 형상일 수 있다. 제2 전극층(200)이 상대적으로 단순한 형상으로 되어 있으므로, 특수한 구조로 되어 있는 전극을 사용하는 경우에 비하여 전기 에너지 발생 장치의 제조 공정이 상대적으로 단순화될 수 있다. 결과적으로, 전기 에너지 발생 장치의 제조에 소요되는 시간이 감소될 수 있다.
또한, 제 2 전극층(200)이 평판 형상일 경우 상대적으로 투명한 시스템 제작에 매우 용이하다.
도 7h를 참조하면, 도선(40)에 의하여 제1 전극층(100) 및 제2 전극층(200)을 서로 연결함으로써 일 실시예에 따른 전기 에너지 발생 장치를 완성할 수 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 일 실시예에 따른 전기 에너지 발생 장치를 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 전기 에너지 발생 장치의 단면도이다.
도 3a는 도 1에 도시된 전기 에너지 발생 장치에 응력이 인가되었을 경우의 단면도이다.
도 3b는 도 3a에 도시된 B 부분의 확대도이다.
도 4는 다른 실시예에 따른 전기 에너지 발생 장치를 도시한 사시도이다.
도 5는 도 4에 도시된 전기 에너지 발생 장치의 분해 사시도이다.
도 6은 또 다른 실시예에 따른 전기 에너지 발생 장치를 도시한 단면도이다.
도 7a 내지 도 7h는 일 실시예에 따른 전기 에너지 발생 장치의 제조 방법의 각 단계를 도시한 단면도이다.

Claims (20)

  1. 제1 전극;
    상기 제1 전극과 전기적으로 연결되고 이격된 평판 형상의 제2 전극; 및
    상기 제1 전극상에 형성되며, 상기 제2 전극과 이격된 압전 물질로 이루어지고, 상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극에 인가된 응력에 의해 상기 제2 전극과 쇼트키 접합을 형성하고 변형되는 나노와이어를 포함하되,
    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.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 나노와이어는 제1 일함수를 갖는 n형 반도체 물질로 이루어지며,
    상기 제2 전극은 제2 일함수를 갖는 물질로 이루어지고,
    상기 제2 일함수는 상기 제1 일함수 이상인 것을 특징으로 하는 전기 에너지 발생 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 나노와이어는 제1 일함수를 갖는 p형 반도체 물질로 이루어지며,
    상기 제2 전극은 제2 일함수를 갖는 물질로 이루어지고,
    상기 제1 일함수는 상기 제2 일함수 이상인 것을 특징으로 하는 전기 에너지 발생 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 하나 이상은 인가된 응력에 의해 변형되는 유연 전극이며,
    상기 나노와이어는 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이의 거리가 감소함에 따라 휘어지는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 발생 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 하나 이상은 투명 전극인 것을 특징으로 하는 전기 에너지 발생 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 전극에 연결된 제1 기판 및 상기 제2 전극에 연결된 제2 기판을 더 포함하며,
    상기 제1 기판 및 상기 제2 기판 중 하나 이상은 인가된 응력에 의하여 변형되는 유연한 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 전기 에너지 발생 장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 제1 기판 및 상기 제2 기판 중 하나 이상은 투명한 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 전기 에너지 발생 장치.
  8. 삭제
  9. 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.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은, 금(Au), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 팔라듐-금 합금(PdAu), 루테늄(Ru), 은(Ag), 구리(Cu), 아연(Zn), 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 인주석 산화물(ITO), 갈륨아연산화물(GZO), 탄소나노튜브(CNT) 및 그라펜(graphene)으로 이루어진 그룹에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 발생 장치.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 나노와이어는 산화아연(ZnO), 납-지르코늄-티타늄산화물(PZT), 티탄산 바륨(BaTiO3), 질화알루미늄(AlN), 질화갈륨(GaN) 및 탄화실리콘(SiC)으로 이루어진 그룹에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 발생 장치.
  12. 제1 전극층 상에 압전 물질로 이루어진 나노와이어를 형성하는 단계;
    상기 제1 전극층과 이격된 평판 형상의 제2 전극층을 준비하는 단계;
    상기 나노와이어를 상기 제2 전극층에 근접시키는 단계; 및
    상기 제1 전극층 및 상기 제2 전극층을 도선에 의해 연결하는 단계를 포함하되,
    상기 제1 전극층 및 상기 제2 전극층은 각각 복수 개이며,
    상기 복수 개의 제1 전극층은 서로 이격되고 일 방향으로 연장되며,
    상기 복수 개의 제2 전극층은 서로 이격되고 상기 일 방향에 수직한 방향으로 연장되는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 발생 장치의 제조 방법.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 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.
  14. 제 12항에 있어서,
    상기 제2 전극층을 준비하는 단계는, 기판상에 도전 물질을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 발생 장치의 제조 방법.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 기판상에 도전 물질을 형성하는 단계는, 도금법, 스퍼터링, 전자빔 증착법, 또는 열 증착법에 의하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 발생 장치의 제조 방법.
  16. 제 12항에 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.
  17. 제 16항에 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.
  18. 제 16항에 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.
  19. 제 12항에 있어서,
    상기 제1 전극층 및 상기 제2 전극층은, 금(Au), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 팔라듐-금 합금(PdAu), 루테늄(Ru), 은(Ag), 구리(Cu), 아연(Zn), 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 인주석 산화물(ITO), 갈륨아연산화물(GZO), 탄소나노튜브(CNT) 및 그라펜(graphene)으로 이루어지는 그룹에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 발생 장치의 제조 방법.
  20. 제 12항에 있어서,
    상기 나노와이어는 산화아연(ZnO), 납-지르코늄-티타늄산화물(PZT), 티탄산 바륨(BaTiO3), 질화알루미늄(AlN), 질화갈륨(GaN) 및 탄화실리콘(SiC)으로 이루어진 그룹에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 발생 장치의 제조 방법.
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