KR101629468B1 - 웨어러블 박막 소자 및 이의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 웨어러블 전자소자 제조 방법은 유리 기판 내지 사파이어 기판 등의 희생 기판(100)을 준비하는 단계; 상기 희생 기판(100) 상에 자가 출력 가능한 전력 발생부를 적층하는 단계; 및 상기 전력 발생부를 플렉서블 기판(800)으로 전사하는 단계;를 포함하며, 상기 전력 발생부는 박막 에너지 소자로서 상기 플렉서블 기판(800)을 통해 의류 상에 부착되어 기능하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 웨어러블 박막 소자 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 무기 레이저 리프트 오프 및 플렉서블한 박막을 이용한 분리 공정을 이용하여 도출되며 미세한 물리적 자극으로부터 전력 공급이 가능한 웨어러블 박막 소자 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
최근에 전자 산업의 기술이 비약적으로 발전함에 따라 소자의 소형화와 더불어 소비 전력이 감소하게 됨에 따라 현재의 배터리를 대치할 수 있는 새로운 방법의 전원 개발에 대한 연구로 압력, 힘, 진동과 같은 기계 에너지를 전기 에너지로 전환 가능한 압전 재료에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.
이러한 압전 하베스팅 기술은 USN, 휴대기기 등의 자체 소자 전원으로 발전 개발되어질 수 있으며, 이들을 플렉서블 박막 소자화함으로써 그 사용처의 다변화 및 확장을 이룰 수 있을 것으로 전망되고 있어 플렉서블 압전 에너지 하베스팅 기술 개발에 대한 요구가 매우 크게 부각되고 있다.
상기한 플렉서블 소자는 유연성이 요구되므로 폴리머와 같은 유기물 기판을 사용하고, 그 상면에 기능부를 구성하는 박막을 유기박막으로 채용하고 있다. 그러나, 유기박막으로 구현된 기능부는 고성능을 보장하기 어려우므로, 무기물로서 플렉서블 소자의 기능부를 구현할 필요가 있다. 이 경우, 압전소재의 고온 성장 공정이 유기물인 플렉서블 기판에 직접 적용되기 어려우므로, 다른 성장기판 상에 산화물 박막과 같은 무기물로 형성된 박막을 성장시킨 후 이를 유기물 기판에 전사하는 박막 전사기술이 사용되곤 한다.
일반적으로 박막 전사기술은 적층 후에 분리하는 공정이 요구되는데, 피전사체인 박막을 기판으로부터 분리시키기 위해 레이저 리프트 오프(LLO) 공정을 이용하여 기판으로부터 분리하게 한다. 그러나, 레이저 리프트 오프 공정의 경우에 레이저에 의해 피전사체인 박막 소자의 표면에 결함층이 형성되는 문제가 있어 소자 특성 향상에 많은 문제점을 야기하고 있다.
레이저 리프트 오프 공정을 이용하여 플렉서블 박막 소자를 제조하는 방안과 관련한 종래의 문헌으로는 등록특허 제10-1120140호(2012.02.17) 및 제10-1337515호(2013.11.29)를 참조할 수 있다.
상기 문헌들에서는 레이저 리프트 오프 공정을 이용하여 유리 기판, 사파이어 기판 등의 희생 기판 상에서 형성된 전자 소자를 플렉서블 기판으로 전사하여 제조함으로써 결함층 문제를 해소하거나 높은 에너지 변환효율을 갖는 플렉서블 소자 제조에 관한 내용을 개시하지만, 미세한 물리적 기계적 자극 방식을 이용한 압전 방식을 통해 효율적으로 전기적 에너지를 획득하여 이를 토대로 하여 의복 등에 적용할 수 있는 웨어러블 소자에 대해서는 별도로 개시하고 있지 않다는 한계가 있다.
(특허문헌 1) KR10-1120140 B
(특허문헌 2) KR10-1337515 B
본 발명은 상기 종래의 문제점을 해소하고자 하는 것으로서, 무기 레이저 리프트 오프 공정 및 플렉서블한 플라스틱 박막을 이용하여 별도 외부 전력의 공급을 요함이 없이 미세한 물리적 자극으로부터 영구적으로 전력 공급이 가능한 웨어러블 박막 소자 및 이의 제조 방법을 제공하는 것이 목적이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 관점에 따른 웨어러블 전자소자 제조 방법은 유리 기판 내지 사파이어 기판 등의 희생 기판(100)을 준비하는 단계; 상기 희생 기판(100) 상에 자가 출력 가능한 전력 발생부를 적층하는 단계; 및 상기 전력 발생부를 플렉서블 기판(800)으로 전사하는 단계;를 포함하며, 상기 전력 발생부는 박막 에너지 소자로서 상기 플렉서블 기판(800)을 통해 의류 상에 부착되어 기능하는 것을 특징으로 한다.
상기 전력 발생부는 박막 태양전지 또는 박막 나노제너레이터이다.
상기 전사 단계는, 상기 희생 기판(100)이 레이저 리프트 오프 공정을 이용하여 상기 전력 발생부로부터 분리됨으로써 상기 플렉서블 기판(800)의 전사를 가능하다.
상기 전사 단계는, 상기 희생 기판(100)이 분리유도금속의 박리 공정을 이용하여 상기 전력 발생부로부터 분리됨으로써 상기 플렉서블 기판(800)의 전사를 가능하다.
상기 희생 기판(100)의 제거는 상기 전력 발생부에 증착된 상기 분리유도금속의 잔류 응력으로 인하여 상기 분리유도금속과 상기 희생 기판(100)과의 응력 방향의 차이가 발생함으로써 박리가 가능하다.
상기 분리유도금속은 니켈(Ni)이다.
상기 분리유도금속을 제거하는 것은 에칭에 의한다.
상기 전력 발생부의 적층 단계는, sol-gel 공정을 통해 PZT 박막(200)을 상기 희생 기판(100) 상에 증착하는 것을 포함한다.
상기 전력 발생부의 적층 단계는, 상기 PZT 박막(200) 상에 버퍼층(300)을 적층 형성하는 단계, 상기 버퍼층(300) 상에 하부 전극(500)을 증착 형성하는 단계, 상기 하부 전극(500) 상에 태양 전지 소자(400)를 형성하는 단계를 포함하며, 상기 PZT 박막(200)은 레이저 리프트 오프 공정에 의해 상기 희생 기판(100)이 분리되는 과정에서 제거된다.
상기 레이저 리프트 오프 공정은 무기 레이저 리프트 오프 공정이다.
본 발명에 따른 웨어러블 전자소자는 플렉서블 기판(800); 및 상기 플렉서블 기판(800) 상에 적층되며, 박막 에너지 소자로서 기능하는 전력 발생부;를 포함하며, 상기 플렉서블 기판(800)은 의류 상에 부착된 상태로 작동한다.
상기 전력 발생부는 나노제너레이터, 태양 전지 또는 배터리이다.
상기 전력 발생부는 레이저 리프트 오프 또는 니켈 박리 공정을 통해 상기 플렉서블 기판(800) 상으로 전사된다.
상기 플렉서블 기판(800)의 두께는 1.0㎛ 내지 1.5㎛이다.
본 발명에 따른 웨어러블 박막 소자는 태양 전지를 대상으로 하여 니켈 박리 또는 레이저 리프트 오프 공정을 이용하여 박막으로 전사한 후에 의류 상에 부착함으로써 태양에너지 외에 별도의 외부 전력의 공급을 요함이 없이 영구적으로 전력 공급이 가능하게 한다.
또한, 본 발명은 상기와 같이 무기 레이저 리프트 오프 공정 및 플렉서블한 플라스틱 박막을 이용하여 별도의 외부 전력의 공급을 요함이 없이 미세한 물리적 자극으로부터 영구적으로 전력 공급이 가능하게 한다.
본 발명은 미세한 자극에도 에너지 획득이 가능한 나노제너레이터를 갖추고 있는바 이를 통해 웨어러블 전자기기 뿐만 아니라 인공 피부 장치, 바이오 이식 및 인체 통합 응용장치 등에 적용이 가능하다.
도 1 내지 도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따라 니켈 박리 공정 및 플렉서블 박막으로의 전사를 이용하여 웨어러블 박막 태양 전지를 제조하는 방법을 단계별로 설명하는 도면이다.
도 6 내지 도 15는 본 발명의 제2 실시예에 따라 레이저 리프트 오프 공정 및 플렉서블 박막으로의 전사를 이용하여 웨어러블 박막 태양 전지를 제조하는 방법을 단계별로 설명하는 도면이다.
도 16 내지 도 19는 본 발명의 제3 실시예에 따라 별도의 플렉서블 박막으로의 전사 공정 없이 레이저 리프트 오프 공정만을 수행한 후에 웨어러블 박막 태양 전지를 제조하는 방법을 단계별로 설명하는 도면이다.
도 20 내지 도 23은 본 발명의 제4 실시예에 따라 플렉서블 박막으로의 전사 공정을 수행하고 웨어러블 제너레이터를 제조한 후에 의류에 부착하는 과정을 단계별로 설명하는 도면이다.
도 24는 의류의 양쪽면 상에 각각 박막 태양 전지와 제너레이터를 부착한 상태를 보이는 도면이다.
도 25는 의류의 한쪽면 상에 제너레이터, 태양전지 및 발생된 에너지를 저장하는 박막 이차전지를 하나로 집적한 상태를 보이는 도면이다.
도 26은 본 발명의 실시예에 따른 웨어러블 나노제너레이터, 태양 전지 소자, 배터리 등이 옷에 부착된 상태를 보이는 도면이다.
도 6 내지 도 15는 본 발명의 제2 실시예에 따라 레이저 리프트 오프 공정 및 플렉서블 박막으로의 전사를 이용하여 웨어러블 박막 태양 전지를 제조하는 방법을 단계별로 설명하는 도면이다.
도 16 내지 도 19는 본 발명의 제3 실시예에 따라 별도의 플렉서블 박막으로의 전사 공정 없이 레이저 리프트 오프 공정만을 수행한 후에 웨어러블 박막 태양 전지를 제조하는 방법을 단계별로 설명하는 도면이다.
도 20 내지 도 23은 본 발명의 제4 실시예에 따라 플렉서블 박막으로의 전사 공정을 수행하고 웨어러블 제너레이터를 제조한 후에 의류에 부착하는 과정을 단계별로 설명하는 도면이다.
도 24는 의류의 양쪽면 상에 각각 박막 태양 전지와 제너레이터를 부착한 상태를 보이는 도면이다.
도 25는 의류의 한쪽면 상에 제너레이터, 태양전지 및 발생된 에너지를 저장하는 박막 이차전지를 하나로 집적한 상태를 보이는 도면이다.
도 26은 본 발명의 실시예에 따른 웨어러블 나노제너레이터, 태양 전지 소자, 배터리 등이 옷에 부착된 상태를 보이는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면 상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1 내지 도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따라 니켈 박리 공정 및 플렉서블 박막으로의 전사를 이용하여 웨어러블 박막 태양 전지를 제조하는 방법을 단계별로 설명하는 도면이다.
한편, 도 1 내지 도 5에서는 박막 태양 전지를 대신하여 압전 박막 소자(PZT 박막 소자)를 투입한 후 니켈 박리를 시행함으로써 웨어러블 제너레이터를 제조할 수 있다.
먼저, 도 1을 참조하면 실리콘 웨이퍼(110) 상에 버퍼층(300, 실리콘 옥사이드)가 적층되어진다. 본 발명의 일 실시예에서 실리콘 웨이퍼(110)는 운모기판일 수 있으며, 실리콘 웨이퍼(110)는 접착물질을 이용하여 물리적으로 박리될 수 있다. 즉, 본 발명은 층상구조로서 박리가 용이한 운모기판을 희생기판으로 이용하였으나, 본 발명의 범위는 이에 제한되지 않으며, 층간 구조로 인하여 층들이 순차적으로 벗겨질 수 있는 임의의 모든 기판이 상기 층상 기판으로 사용될 수 있다.
본 발명에서는 상기 실리콘 웨이퍼(110)와 버퍼층(300)이 적층된 상태를 아울러 층상 기판으로 칭할 수 있다.
도 2는 실리콘 웨이퍼(110), 버퍼층(300) 상에 하부 전극(500), 박막 태양전지(400) 및 분리유도금속(600)이 순차적으로 적층된 상태를 나타낸다. 분리유도금속(600)은 니켈층일 수 있고, 분리유도금속(600)의 적층은 스퍼터링이나 PVD 공정 등과 같은 통상의 반도체 공정을 통하여 수행될 수 있으며, 이 외에도 통상적인 금속 도포 방식에 따라서도 적층될 수 있다.
상기 적층에 따라 박막 태양전지(400) 상에 접합된 금속층인 니켈층(600)은 자체적인 잔류인장응력을 가지고 있으므로, 이에 따라 박막 태양전지(400)와 니켈층(600) 간에 응력 부조화가 발생한다.
니켈층(600)의 잔류인장응력으로 인하여 외측 방향으로 작용하는 인장응력 및 상기 잔류인장응력에 따라 실리콘 웨이퍼(110)와 버퍼층(300)을 포함하는 층상 기판에 내부 방향으로 발생하는 압축응력에 의해 하부 전극(500)과 층상 기판 사이에 박리가 발생한다.
즉, 잔류인장응력을 가지는 금속층인 니켈층(600)이 박막 태양전지(400) 상에 형성되는 과정에서 층상 기판 과의 사이에 응력의 차이가 발생하게 되고, 이를 통해 박막 태양전지(400) 및 층상 기판의 잔류 압축응력의 부조화(mismatch) 또는 비대칭성 때문에 기판의 수평방향으로 박리가 발생한다.
본 발명은 이와 같이 실리콘 기판의 압축응력과 상이한 인장응력을 갖는 금속층인 니켈층을 통해, 원하는 박막 태양전지와 층상 기판을 적층한 후에, 잔류응력의 차이를 이용하여 박리를 발생시키는 과정을 통해 소자를 분리한다. 특히 이러한 소자의 분리는 실리콘 기판과 박막 태양전지 사이의 박리를 이용하는 것이므로, 실리콘 기판 상에서 제조된 박막 태양전지를 원형 그대로 분리, 전사시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 상기 수평방향의 박리 형성 높이는 니켈층(600)의 두께에 따라 결정되는 니켈층(600)과 층상기판 사이의 응력 차이에 따라 제어될 수 있으므로, 필요한 경우, 하부의 실리콘 웨이퍼(110)를 식각하여 플렉서블 특성을 부여할 수 있다.
도 3은 실리콘 웨이퍼(110)와 버퍼층(300)을 포함하는 층상기판이 분리되어 하부 전극(500), 박막 태양전지(400) 및 분리유도금속(600) 만이 잔존하는 상태를 나타낸다.
이후에 도 4와 같이, 플렉서블 기판(800) 상면 상에 임시 접착층(750)을 이용하여 층상 기판이 분리된 하부 전극(500), 박막 태양전지(400) 및 분리유도금속(600)을 부착한다. 임시 접착층(750)은 PDMS 재질일 수 있다.
플렉서블 기판(800)은 그 두께를 1㎛ 내지 30㎛ 범위로 설정할 수 있다. 한편, 바람직하게는, 4㎛ 내지 6㎛ 두께를 갖는 플라스틱 박막을 채용한다.
본 발명에서 전력발생소자로서 채용되는 태양전지와 제너레이터의 두께는 각각 3.5㎛ 및 2㎛ 정도의 두께를 갖는 소자 형태이며, 이에 결합되는 플렉서블 기판(800)의 두께는 상기 태양전지와 제너레이터의 두께보다는 두껍게 형성되는 것이 바람직하다. 한편, 태양전지와 제너레이터의 두께는 1㎛ 내지 20㎛ 두께 범위를 가질 수 있다.
본 발명에 채용되는 플렉서블 기판(800)은 수십㎛ 두께의 PET 기판과 비교하여 유연성(flexiblility) 및 연신성(stretchability)이 매우 뛰어나다. 본 발명에 따른 플렉서블 기판(800)은 4㎛ 내지 6㎛ 범위의 두께를 갖는 박막 필름으로서 190 내지 210(N/㎡)의 인장 강도, 1.0 내지 2.0%의 수축율을 갖는다. 상기 플렉서블 기판(800)을 이용하는 경우에는 굴곡이 심한 표면에도 굴곡의 형태와 똑같이 표면에 접착시킬 수 있으므로 웨어러블 기기에 적용하기에 매우 적합한 기판소재이다. 이러한 특성은 재료의 두께가 얇아지면서 나타나는 대표적인 현상이라고 볼 수 있다.
도 5에서는 에칭 등을 통해 분리유도금속(600)이 박막 태양전지(400)의 상단으로부터 식각되어진 후 상부 전극(510)이 적층된 것을 확인할 수 있다. 상기 식각은 분리유도금속(600)와 박막 태양전지(400) 사이의 식각비를 이용하여 진행된다.
플렉서블 기판(800)을 이용한 기기를 옷에 부착할 때에는 의류 접착용 스프레이를 사용하여 부착할 수 있다. 구체적으로는, 섬유 전용 접착제인 의류용 접착제(730)를 이용하여 플렉서블 기판(800)을 의류(120) 상에 접착 가능하다.
여기에서, 의류(120) 상에 적층되는 플렉서블 기판(800)은 3.5㎛ 정도의 두께를 갖는 박막 태양전지(400)에 대해 약 1.5배의 두께를 갖는 6㎛ 기판을 사용하는 것이 바람직하다. 이 경우에 의류용 접착제(730)의 두께는 박막 태양전지(400) 및 플렉서블 기판(800)의 두께보다는 작아야 하며, 바람직하게는 1㎛가 적정한 수치일 수 있다. 이는 의류용 접착제(730)의 두께가 박막 태양전지(400)이나 플렉서블 기판(800)보다 두꺼워지게 되면 웨어러블 소자의 전체적인 유연성이 떨어지게 되는 동시에, 의류용 접착제(730)가 기판의 성질을 가질 정도로 단단하게 되어버리게 되어 박막 기판으로서의 의미가 소멸하게 되는 문제점이 있게 된다.
본 발명에서 플렉서블 기판(800)의 두께 설정은 하기와 같은 이유에 따른 것이다. 플렉서블 기판(800)의 두께가 얇을수록 웨어러블 소자의 유연성(flexibility)이 증가하게 되는데, 유연성이 증가하게 되는 경우에는 웨어러블 소자가 휘어질 수 있는 한계점이 증가하게 되며, 의류에 적용할 경우에는 더욱 넓은 범위의 신체 움직임에 대하여 에너지를 획득할 수 있다. 유연성이 증가함으로써 부가적으로 얻을 수 있는 이점이 바로 의류와 같이 굴곡이 심한 표면에도 플렉서블 기판(800)을 쉽게 접착시킬 수 있다는 것이다.
즉, 플렉서블 기판(800)이 굴곡진 표면의 형태에 맞춰 쉽게 변형이 일어나며, 의류와 접촉하는 면적이 증가하게 된다. 상기와 같이, 의류와 접촉하는 면적이 클수록 웨어러블 소자의 변형이 더욱 잘 일어나게 되어 에너지를 효율적으로 획득할 수 있다.
한편, 플렉서블 기판(800)의 두께가 증가하게 되면, 에너지 효율적 획득 효과가 점점 감소하게 되는 문제점이 있다. 따라서, 본 발명에 따른 플렉서블 기판(800)의 경우에는 4㎛ 내지 6㎛ 의 기판이 가장 적합한 두께라고 볼 수 있다.
상부 전극(510)은 Cr, Au 스퍼터링 및 표준 포토리소그래피 공정에 의해 박막 태양전지(400) 상에 설정된다. 상부 전극(510)의 끝단에는 도선(미도시)이 연결된다. 즉, 100㎛의 핑거 폭과 50㎛의 갭을 갖는 Au 맞물림 전극(IDE)이 스퍼터링 및 표준 미세제조 공정을 통해 이동된 박막 태양전지(400) 상에 형성된다. IDE의 임계적 설계 파라미터는 핑거폭, 전극간 갭(스페이싱), 및 IDE 핑거수를 포함한다. 더 많은 IDE 핑거가 덜 치밀한 IDE 핑거보다 IDE 타입 에너지 수확기로부터 더 높은 전류를 생산할 수 있기 때문에, PZT 박막 에너지 수확기의 조밀한 IDE 핑거(협소한 전극간 갭)가 출력전류를 향상시키기 위해 선택된다. IDE의 인접한 전극 핑거 사이의 공간은 고성능 플렉시블 에너지 수확기를 달성하기 위해 손쉽게 전환될 수 있다.
도 6 내지 도 15는 본 발명의 제2 실시예에 따라 레이저 리프트 오프 공정 및 플렉서블 박막으로의 전사를 이용하여 웨어러블 박막 태양 전지를 제조하는 방법을 단계별로 설명하는 도면이다.
먼저, 유리 기판 내지 사파이어 기판 등의 희생 기판(100)을 준비하고, 상기 희생 기판(100) 상에서 공지된 기술인 sol-gel 공정을 통해 PZT 박막(200)을 증착한다(도 6).
상기 희생 기판(100)은 두께 430㎛의 양면 폴리싱된 사파이어 웨이퍼일 수 있다. sol-gel 용액 박막으로부터 유기성분을 제거하기 위해, 0.4M의 PZT sol-gel 용액(10 mol% 초과 PbO 의 52:48 몰비의 Zr:Ti)이 10분 동안 450 ℃의 공기 분위기에서의 열분해 과정과 함께 2500rpm에서 웨이퍼 상에 스핀 캐스트된다.
상기 증착 및 열분해 단계는 200㎚ 정도 두께의 PZT 박막(200)을 형성하기 위해 수회 반복된다. PZT 박막(200)의 결정화는 공기 중에서 650℃, 45분 동안 수행된다. 열분해 및 결정화 공정을 위해 급속 열처리(RTA)가 이용된다
PZT 박막(200) 상에는 버퍼층(300)이 적층 형성된다(도 7). 상기 버퍼층은 SiOX 를 포함한다. 버퍼층(300) 상에는 하부 전극(500)이 증착 형성된다(도 8). 이후, 하부 전극(500) 상에는 CIGS 박막 태양전지(400)가 형성된다(도 9).
다음으로, 도 10을 참조하면 박막 태양전지(400) 상면 상에 TRT 접착층(740,Thermal Release Tape)을 이용하여 희생 기판(100)을 부착한다.
다음으로, 도 11을 참조하면 레이저 리프트 오프(LLO,laser lift off) 공정을 이용하여 PZT 박막(200)에 직접적으로 결합된 희생 기판(100)을 분리한다. PZT 박막(200)을 사파이어 기재인 희생 기판(100)으로부터 분리하기 위해 사파이어 기재의 후면을 조사하는 용도로 파장 308nm 및 영역 625㎛×625㎛인 2D pulsed XeCl 엑시머 레이저가 이용될 수 있다. 조사되는 레이저 빔의 최적화된 에너지 밀도는 420(mJ/cm2) 이다. 최적의 레이저 빔 에너지 밀도 (420mJ/cm2)를 채용함으로써, 압전 PZT 박막(200)의 전체 영역은 압전 물성의 저하없이 플라스틱 기재상으로 안정적으로 이동될 수 있다. 조사된 레이저 빔의 에너지 밀도가 PZT 박막(200)의 분리 및 이동에 있어서 임계적인 역할을 수행하는 것은 주목할만 한 것이다.
XeCl-펄스 엑시머 레이저를 통한 사파이어 기재 후면 조사는, XeCl 레이저의 광자에너지 (4.03eV) 가 사파이어의 밴드-갭 에너지(8.7eV) 보다 작고, PZT (3.2-3.6eV) 의 그것보다 크기 때문에, PZT박막이 플렉시블 플라스틱 기재로 이동되는 것을 가능하게 한다. 결과적으로, 레이저 빔은 사파이어 기재를 관통하고, 다음으로 국소 용융 및 사파이어와의 경계에서 PZT의 해리가 일어난다.
한편, 본 실시예에서는 PZT 박막(200)을 얇게 증착하여 레이저 리프트 오프 공정시에 떨어지는 층인 희생층으로써 사용한다. 즉, 종래에는 두꺼운 PZT를 나노제너레이터로 이용한 반면에 태양 전지를 제조하는 과정에서는 제거하기 용이하도도록 하기 위해 얇게 적층한다.
일반적으로 전자소자 제조공정에서 사용되는 레이저 리프트 오프 공정에서는 수소가 일부 포함된 비결정질 실리콘(a-Si:H)을 박리층으로 사용한다. 이 경우에는 레이저를 조사하게 되면 순간적인 고온 열처리 현상에 의해 수소 기체가 빠져나가면서 박리가 되어 전자 소자를 전사할 수 있다.
한편, 본 발명과 같은 웨어러블 전자소자를 제작할 때 500℃ 이상의 열처리 공정이 포함되면, 그 과정에서 수소가 모두 빠져나가게 되어 레이저 리프트 오프 공정이 되지 않게 되는바, 고온에서도 충분히 견디면서 레이저 조사시에 박리가 되는 새로운 박리층이 필요하게 되는데, PZT 및 BTO 물질이 이러한 특성을 나타나게 한다. 이는 후술하는 웨어러블 배터리 제조 방법에서도 적용된다.
나노제너레이터에서는 PZT 물질 자체를 소자로써 사용하기 때문에 2㎛ 정도로 두껍게 제작하여 사용하게 된다. 이는 PZT 물질의 두꺼울수록 나노제너레이터의 특성이 우수해진다는 특성에 기인하는 것이다.
한편, 태양 전지나 배터리의 경우에는 PZT 물질을 단순히 박리층으로만 사용하기 때문에 100㎚ 내지 200㎚만 존재하여도 충분하게 된다. 여기에서 PZT 물질은 소자로 사용할 부분이 아니므로 박리만 일어나게 하는 최소 두께를 유지하게 하는 것이 공정 및 비용적 측면에서 경제적이다.
도 12를 참조하면, 버퍼층(300) 하면 상에 임시 접착층(750)을 이용하여 플렉서블 기판(800)을 부착한다.
이후에, 도 13을 참조하면 상부에 배치된 희생 기판(100) 상으로 열을 가하여 박막 태양전지(400) 상면 상에 부착된 TRT 접착층(740)을 연화시킨다. 즉, TRT 접착층(740,Thermal Release Tape)을 박막 태양전지(400)로부터 분리함으로써 희생 기판(100)도 동시에 제거한다.
도 14를 참조하면, 상부 전극(510)이 Cr, Au 스퍼터링 및 표준 포토리소그래피 공정에 의해 박막 태양전지(400) 상에 설정된다. 박막 태양전지(400) 상에 소정 간격으로 열을 이루어 다단으로 형성되는 상부 전극(510)의 끝단에는 도선(미도시)이 연결된다.
도 15를 참조하면, 플렉서블 기판(800)을 이용한 기기를 옷에 부착할 때에는 의류 접착용 스프레이를 사용하여 부착할 수 있다. 구체적으로는, 섬유 전용 접착제인 의류용 접착제(730)를 이용하여 플렉서블 기판(800)을 의류(120) 상에 접착 가능하다.
도 16 내지 도 19는 본 발명의 제3 실시예에 따라 별도의 플렉서블 박막으로의 전사 공정 없이 레이저 리프트 오프 공정만을 수행한 후에 웨어러블 박막 태양 전지를 제조하는 방법을 단계별로 설명하는 도면이다.
희생 기판(100) 및 PZT 박막(200) 상에는 버퍼층(300), 하부 전극(500) 및 CIGS 박막 태양전지(400)가 차례로 적층 형성된다(도 16). 박막 태양전지(400) 상에는 임시 접착층(750)이 부착된다.
다음으로, 도 17을 참조하면 레이저 리프트 오프(LLO,laser lift off) 공정을 이용하여 PZT 박막(200)에 직접적으로 결합된 희생 기판(100)을 분리한다. 본 실시예에서는 PZT 박막(200)을 얇게 증착하여 레이저 리프트 오프 공정시에 떨어지는 층인 희생층으로써 사용한다.
도 18을 참조하면 버퍼층(300) 하면 상에 섬유 전용 접착제인 의류용 접착제(730)를 이용하여 직접적으로 의류(120) 상에 접착 가능하다.
도 19를 참조하면, 상부 전극(510)이 Cr, Au 스퍼터링 및 표준 포토리소그래피 공정에 의해 박막 태양전지(400) 상에 설정된다. 박막 태양전지(400) 상에 소정 간격으로 열을 이루어 다단으로 형성되는 상부 전극(510)의 끝단에는 도선(미도시)이 연결된다.
이하, 도 20 내지 도 23은 본 발명의 제4 실시예에 따라 플렉서블 박막으로의 전사 공정을 수행하고 웨어러블 제너레이터를 제조한 후에 의류에 부착하는 과정을 단계별로 설명하는 도면이다.
희생 기판(100) 및 PZT 박막(200) 상에 접합된 금속층인 니켈층(600)은 자체적인 잔류인장응력을 가지고 있으므로, 이에 따라 PZT 박막(200)과 니켈층(600) 간에 응력 부조화가 발생한다.
니켈층(600)의 잔류인장응력으로 인하여 외측 방향으로 작용하는 인장응력 및 상기 잔류인장응력에 따라 희생 기판(100)에 내부 방향으로 발생하는 압축응력에 의해 희생 기판(100)과 PZT 박막(200) 사이에 박리가 발생한다.
잔류인장응력을 가지는 금속층인 니켈층(600)이 PZT 박막(200) 상에 형성되는 과정에서 층상 기판 과의 사이에 응력의 차이가 발생하게 되고, 이를 통해 PZT 박막(200) 및 희생 기판(100)의 잔류 압축응력의 부조화(mismatch) 또는 비대칭성 때문에 기판의 수평방향으로 박리가 발생한다.
즉, 니켈의 잔류인장응력으로 인한 박리 공정을 이용하여 PZT 박막(200)에 직접적으로 결합된 희생 기판(100)을 분리하고, PZT 박막(200) 하면 상에 접착층(750)을 이용하여 플렉서블 기판(800)을 부착한다.
상부 전극(510)이 Cr, Au 스퍼터링 및 표준 포토리소그래피 공정에 의해 PZT 박막(200) 상에 설정된다. PZT 박막(200) 상에 소정 간격으로 열을 이루어 다단으로 형성되는 상부 전극(510)의 끝단에는 도선(미도시)이 연결된다.
한편, 추가적으로 플렉서블 기판(800) 하면 상에 섬유 전용 접착제인 의류용 접착제를 이용하여 의류 상에 접착하는 것이 가능할 수 있다.
여기에서, 의류(120) 상에 적층되는 플렉서블 기판(800)은 2㎛ 정도의 두께를 갖는 PZT 박막(200)에 대해 2배의 두께를 갖는 4㎛ 기판을 사용하는 것이 바람직하다. 이 경우에 의류용 접착제(730)의 두께는 PZT 박막(200) 및 플렉서블 기판(800)의 두께보다는 작아야 하며, 바람직하게는 1㎛가 적정한 수치일 수 있다. 이는 의류용 접착제(730)의 두께가 PZT 박막(200)이나 플렉서블 기판(800)보다 두꺼워지게 되면 웨어러블 소자의 전체적인 유연성이 떨어지게 되는 동시에, 의류용 접착제(730)가 기판의 성질을 가질 정도로 단단하게 되어버리게 되어 박막 기판으로서의 의미가 소멸하게 되는 문제점이 있게 된다.
도 24는 의류의 양쪽면 상에 각각 박막 태양 전지와 제너레이터를 부착한 상태를 보이는 도면이다. 도시된 바와 같이 의류(120)의 상면에는 상부 방향을 따라 의류용 접착제(730), 하부 전극(500), 박막 태양전지(400), 상부 전극(510)이 차례로 적층되는 상태를 보이고 있고, 의류(120)의 하면에는 하부 방향을 따라 의류용 접착제(730), PZT 박막(200), 상부 전극(510)이 차례로 적층되는 구조를 보인다.
도 25는 의류의 한쪽면 상에 박막 제너레이터, 박막 태양전지, 및 발생된 에너지를 저장하는 박막 이차전지가 중앙부의 집적회로를 통해 하나로 집적한 상태를 보이는 도면이다. 여기에서, 집적회로(IC)는 LSI(large-scale integration,대규모 집적 회로)를 생각할 수 있고, 그 기능 및 역할은 에너지 변환 신호 처리과정*Energy Conversion Signal Processing)이다. 박막 제너레이터는 교류(AC)의 에너지를 생성하며, 박막 태양전지는 직류(DC)의 에너지를 생성하게 되는데, 상기 집적회로는 상기의 생성된 에너지를 저장하기 용이하게 변환시키는 역할을 한다.
이하, 도 26을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 웨어러블 나노제너레이터, 태양 전지 소자, 배터리 등이 옷에 부착된 상태를 설명한다.
웨어러블 나노제너레이터, 태양 전지 소자, 배터리 등 본 발명에 따른 소자들은 옷에 부착하여 사용이 가능하다.
먼저 나노제너레이터는 옷에 부착한 뒤, 인체의 움직임에 따른 소자의 변형에 따라 에너지가 발생한다. 나노제너레이터는 소자의 변형이 많이 일어날수록 많은 에너지가 형성되므로 예를 들어 팔꿈치나 무릎 등과 같은 관절부위 변형이 많은 부위 등에 부착할수록 몸의 움직임에 대해 더 많은 에너지가 형성될 것으로 판단된다. 나노제너레이터로 형성되는 에너지는 배터리에 연결되어 저장될 수 있으며, 바로 간단한 전자소자를 충전 및 사용하는데 이용될 수 있다.
태양 전지 소자는 태양빛을 통해 에너지가 형성되기 때문에 옷의 외부에 부착되어 사용된다. 즉, 옷을 입고 태양빛이, 변형이 있어도 소자가 작동하기 때문에 옷 외부의 모든 부위에 사용이 가능하며, 배터리와 연결되어 형성된 에너지를 저장할 수 있다.
한편, 배터리의 경우도 옷에 부착하여 변형이 일어난 상태에서도 에너지를 저장 및 사용할 수 있다. 배터리는 나노제너레이터 및 태양 전지 소자와 회로로 연결되어 있어 제너레이터 및 태양 전지 소자로부터 형성되는 에너지를 저장할 수 있다.
특히, CIGS 태양 전지 소자는 태양빛을 통해 에너지를 생성하므로 옷의 외부에 부착하여 사용 가능할 수 있다.
본 발명에서는 웨어러블 전자소자로서 상술한 태양 전지 소자, 나노제너레이터, 배터리 등은 고효율의 특성을 얻기 위해 무기물질 기반의 박막 형태로 제작되는바, 이는 유기물질 기반의 경우에는 특성이 현저히 떨어지고, 환경에 매우 약하다는 단점이 존재하기 때문이다.
무기물질 박막 소자의 경우에는 600℃ 내지 700℃의 고온 열처리 공정이 필요하기 때문에 플렉서블 기판 상에 바로 소자 형성이 불가능하여 반드시 전사 공정이 필요하게 된다.
일반적으로, 박막 형태의 소자를 전사하기 위한 방법으로는 습식 식각(wet etching)을 이용하지만, 이러한 경우에는 습식 식각 과정 중에 소자에 큰 손상을 입힐 수 있으며, 시간이 오래 걸린다는 단점이 존재한다. 한편, 다른 종래의 방법으로는 특정 용액에 녹아드는 폴리머를 박리층으로 사용하여 박막을 전사하는 경우도 존재하나, 이 경우에도 고온 열처리 공정에서 폴리머가 견딜 수 없기 때문에 무기물질 기반의 박막 형태를 전사하는 것이 불가능하다.
본 발명에서의 무기 레이저 리프트 오프의 경우에는 박리층이 무기물질이기 때문에 고효율의 무기물 박막 소자를 전사하는데 매우 유용하며, 기존의 전사 공정보다도 매우 빠르게 전사가 가능하다는 장점이 있다.
본 발명은 플렉서블한 박막 상에 CIGS 태양전지, PZT 박막, 버퍼층 등을 결합한 상태의 고효율의 전자소자를 제공하는 것으로서, 의복 등에 부착한 상태에서 인체의 움직임 내지 태양 에너지 등을 이용하여 자체적으로 전력을 생산하게 하는 에너지 수확기의 개념으로도 사용할 수 있다.
즉, 의복 상에 부착된 상태에서 주위에서 쉽게 발생되는 진동이나 음파, 초음파 영역의 진동 또는 구부러짐, 수축, 신장 등과 같은 주변의 물리적인 에너지를 수확(harvest)하여 전기에너지로 변환하고 이를 저장(Storage)하는 기술로의 응용이 가능하다.
일반적으로 '어디에나 존재하는' 유비쿼터스 네트워크의 실현을 위해서는 '어디에나 존재하며 작동하는' 유비쿼터스 전원의 존재가 필수 불가결하다. 한편, 도처에 존재하는 유비쿼터스 네트워크 구성요소의 전원은 충전을 필요로 하지 않는 자급자족 형태이어야 한다. 즉, 발전능력 및 축전능력이 공히 구비되어야 한다.
본 발명의 플렉서블 박막을 채용한 고효율의 전자소자는 도래하는 유비쿼터스 및 무선 모바일 시대의 휴대용 전자제품에 필요한 대체 에너지원으로 소형화, 무선화 및 고기능화가 필요한 다양한 분야에 적용 가능하다. 즉, Wearable 컴퓨터, MP3, GSM, Bluetooth 등의 정보통신기기, Robotics, 항공우주, 자동차, 의료, 건축, MEMS 분야 등의 전력 발생용으로 개발되고 있으며, 그 응용 가능 분야는 점차 확대되고 있다.
또한, 본 발명은 주위로부터의 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 에너지 변환소자인 압전 소자를 사용할 수 있기 때문에 인간의 동작, 예를 들어 타이핑, 워킹, 팔놀림 및 숨쉬기 등과 같은 일상적인 동작으로 필요한 전력을 얻을 수 있어서 환경 문제를 해결할 뿐만 아니라 기존 이차 전지, 연료 전지를 대체 또는 보완할 수도 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 무기 레이저 리프트 오프 공정 및 플렉서블한 플라스틱 박막을 이용하여 별도의 외부 전력의 공급을 요함이 없이 미세한 물리적 자극으로부터 영구적으로 전력 공급이 가능하게 한다.
본 발명은 미세한 자극에도 에너지 획득이 가능한 나노제너레이터를 갖추고 있는바 이를 통해 웨어러블 전자기기, 인공 피부 장치, 바이오 이식 및 인체 통합 응용장치 등에 적용이 가능하다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니한다. 즉, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능하며, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정의 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
Claims (7)
- 플렉서블 기판; 및
상기 플렉서블 기판 상에 적층되며, 박막 에너지 소자로서 기능하는 전력발생소자;를 포함하며,
상기 플렉서블 기판 및 상기 전력발생소자는 의류의 양측에 각각 배치되고,
상기 의류의 상부 측에 배치되는 전력발생소자는 박막 태양 전지이고, 상기 의류의 하부 측에 배치되는 전력발생소자는 박막 제너레이터이며,
상기 플렉서블 기판은 상기 전력발생소자보다 두껍게 설정되고,
상기 플렉서블 기판은 의류 상에 부착된 상태로 작동 가능한,
웨어러블 박막소자.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 전력발생소자의 두께는 1㎛ 내지 20㎛ 범위인,
웨어러블 박막소자.
- 제 1 항에 있어서,
상기 플렉서블 기판(800)의 두께는 1㎛ 내지 30㎛ 범위인,
웨어러블 박막소자.
- 제 1항, 제 3항 및 제 4항 중 어느 한 항에 따른 웨어러블 박막소자의 제조방법으로서,
희생 기판(100)을 준비하는 단계;
상기 희생 기판(100) 상에 전력발생소자를 적층하는 단계; 및
상기 전력발생소자로부터 상기 희생 기판(100)을 분리시키고 상기 전력발생소자를 플렉서블 기판(800)으로 전사하는 단계;를 포함하며,
상기 플렉서블 기판은 상기 전력발생소자보다 두껍게 설정되고,
상기 전력발생소자는 의류의 양측에 각각 배치되고,
상기 전력발생소자는 상기 플렉서블 기판(800)을 통해 의류 상에 부착되어 기능하는 것을 특징으로 하는,
웨어러블 박막소자의 제조 방법.
- 제 5 항에 있어서,
상기 전사 단계는,
상기 희생 기판(100)이 분리유도금속의 박리 공정을 이용하여 상기 전력발생소자로부터 분리됨으로써 상기 플렉서블 기판(800)의 전사를 가능하게 하는,
웨어러블 박막소자의 제조 방법.
- 제 6 항에 있어서,
상기 희생 기판(100)의 제거는 상기 전력발생소자에 증착된 분리유도금속의 잔류 응력으로 발생하며, 상기 분리유도금속은 니켈(Ni)인,
웨어러블 박막소자의 제조 방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020150015460A KR101629468B1 (ko) | 2015-01-30 | 2015-01-30 | 웨어러블 박막 소자 및 이의 제조 방법 |
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| Publication Number | Publication Date |
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| KR101629468B1 true KR101629468B1 (ko) | 2016-06-10 |
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ID=56190903
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| KR (1) | KR101629468B1 (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102007603B1 (ko) * | 2018-02-13 | 2019-08-05 | 고려대학교 산학협력단 | 태양광충전 변형감지장치 및 이를 제조하는 방법 |
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| KR101262464B1 (ko) * | 2010-11-24 | 2013-05-08 | 주식회사 포스코 | 레이저를 이용한 플렉서블 전자소자의 제조방법 |
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-
2015
- 2015-01-30 KR KR1020150015460A patent/KR101629468B1/ko active IP Right Grant
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