KR101761459B1 - Energy harvesting device, electrocaloric cooling device, method of fabricating the devices and monolithic device having the devices - Google Patents

Energy harvesting device, electrocaloric cooling device, method of fabricating the devices and monolithic device having the devices Download PDF

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Abstract

본 발명은 에너지를 변환하기 위한 소자에 관한 것으로서, 에너지 하베스팅 소자, 전기열량 냉각 소자, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 모놀리식 소자에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, Hf1-xZrxO2 이고, 0.7 ≤ x < 0.9의 화학식으로 이루어진 화합물을 포함하는 초전층이 제공된다.The present invention relates to an element for energy conversion, and relates to an energy harvesting element, an electrothermal cooling element, a method of manufacturing the same, and a monolithic element including the same. According to one embodiment of the present invention, there is provided a pyroelectric layer comprising a compound of the formula Hf 1-x Zr x O 2, wherein 0.7? X < 0.9.

Description

에너지 하베스팅 소자, 전기열량 냉각 소자, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 모놀리식 소자 {Energy harvesting device, electrocaloric cooling device, method of fabricating the devices and monolithic device having the devices}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to an energy harvesting device, an electrocaloric cooling device, and a monolithic device having the same,

본 발명은 에너지를 변환하기 위한 소자에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 에너지 하베스팅 소자, 전기열량 냉각 소자, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 모놀리식 소자에 관한 것이다. The present invention relates to an energy conversion element, and more particularly, to an energy harvesting element, an electrothermal cooling element, a method of manufacturing the same, and a monolithic element including the same.

현대 사회는 환경 문제와 더불어, 에너지 자원의 한계 및 에너지 자원의 사용에 있어서 고효율의 필요성에 직면하고 있다. 예를 들어, 냉장고와 에어컨과 같은 증기 압축 기술을 이용하는 냉각 장치는 온도를 조절하기 위해 많은 양의 전기 에너지를 필요로 하지만, 그 효율이 낮다. 또한, 상기 냉각 장치는 많은 구동 장치 및 크고 복잡한 구성 요소를 필요로 한다.Modern society, in addition to environmental problems, faces the limitations of energy resources and the need for high efficiency in the use of energy resources. For example, cooling devices that utilize vapor compression techniques, such as refrigerators and air conditioners, require large amounts of electrical energy to regulate the temperature, but are less efficient. In addition, the cooling device requires many driving devices and large and complex components.

전술한 바와 같은 규모가 큰 냉각 장치뿐만 아니라, 전자 제품에서도 전기 에너지는 재사용이 불가능한 열 에너지로 버려지고 있다. 예를 들면, 컴퓨터에 사용되는 중앙 처리 장치에서 전기 에너지는 연산을 위해 일부 사용되며, 사용되지 않은 전기 에너지는 열에너지 형태로 변환되어 사용할 수 없는 상태가 된다.In addition to the above-mentioned large-scale cooling apparatuses, electric energy is also being abandoned as heat energy which can not be reused in electronic products. For example, in a central processing unit used in a computer, electric energy is partially used for calculation, and unused electric energy is converted into heat energy and becomes unusable.

에너지 사용의 효율을 높이기 위해, 열에너지를 전기에너지로 변환시키는 열전 소자(solid state thermoelectric device) 기술이 사용되기도 한다. 상기 열전 소자는 직렬로 연결한 p형 및 n형 반도체 재료의 접합을 포함하는 반도체 소자의 양단에 걸리는 온도차를 이용하여 전기에너지를 생성할 수 있다. 상기 열전 소자 기술은 증기 압축 기술에 필요한 많은 구동 장치와 크고 복잡한 구성 요소를 필요로 하지 않지만, 증기 압축 기술을 사용할 때보다 효율이 낮기 때문에 기존의 냉각 장치를 대체하기 어렵다.To increase the efficiency of energy use, solid state thermoelectric device technology, which converts thermal energy into electrical energy, is also used. The thermoelectric element can generate electric energy using a temperature difference between both ends of a semiconductor element including a junction of p-type and n-type semiconductor materials connected in series. Although the thermoelectric technology does not require many driving devices and large and complex components required for vapor compression technology, it is less efficient than using vapor compression technology, and thus it is difficult to replace conventional cooling devices.

이러한 문제를 해결하기 위해, 높은 에너지 효율을 갖는 초전 재료를 이용한 초전 소자(pyroelectric device)가 제안되었다. 기존의 열전 소자의 카르노 효율(carnot efficiency)이 1.7% 인 반면, 초전 소자의 카르노 효율은 50%에 달하는 것으로 알려져 있다. 상기 초전 소자는 초전 에너지 하베스팅(pyroelectric energy harvesting) 장치 및 전기열량 냉각(electrocaloric cooling) 장치에 적용될 수 있다.To solve this problem, a pyroelectric device using a pyroelectric material having a high energy efficiency has been proposed. The carnot efficiency of a conventional thermoelectric device is 1.7%, while that of a superconducting device is 50%. The pyroelectric device can be applied to a pyroelectric energy harvesting device and an electrocaloric cooling device.

대표적인 초전 재료로는, 납성분을 함유한 무기물 및 폴리(비닐이덴 풀로리드-트리플루오로에틸렌)(poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene), P(VDF-TrFE))에 기초한 고분자가 사용된다. 상기 재료들은 높은 하베스팅 에너지 밀도(harvertable energy density)를 가지며, 이로 인해, 높은 효율을 갖는 에너지 하베스팅 및 쿨링 장치를 제공할 수 있다. 하지만, 상기 재료들은 온도 안정성 및 절연 파괴 강도(electrical breakdown strength)가 부족하며, 에너지 하베스팅 용량 및 냉각 용량이 적고, 재료의 복잡성으로 인해 제조가 용이하지 않다는 한계가 있다.As a typical pyroelectric material, an inorganic material containing a lead component and a polymer based on poly (vinylidene fluoride-trifluoroethylene) (P (VDF-TrFE)) are used. These materials have a high harvesting energy density, which can provide an energy harvesting and cooling device with high efficiency. However, these materials have limitations in that they are insufficient in temperature stability and electrical breakdown strength, have low energy harvesting capacity and cooling capacity, and are not easy to manufacture due to material complexity.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 온도 안정성 및 전압 안정성이 우수하며, 높은 하베스팅 에너지 밀도 및 냉각 용량을 갖는 초전층을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a superconducting layer having excellent temperature stability and voltage stability and having a high harvesting energy density and a cooling capacity.

또한, 본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 전술한 이점을 갖는 초전층을 이용하여 에너지 하베스팅 효율이 높고 동작 안정성이 우수한 에너지 하베스팅 소자 및 냉각 효율이 높고 제조가 용이한 전기열량 냉각 소자를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide an energy harvesting device having high energy harvesting efficiency and excellent operation stability by using a superconducting layer having the above advantages, .

또한, 본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는 전술한 이점을 갖는 에너지 하베스팅 소자 및/또는 전기열량 냉각 소자를 이용하여, 에너지 하베스팅 효율 및 냉각 효율이 높으며, 제조가 용이 하고, 동작 안정성이 우수한 모놀리식 소자(monolithic device)를 제공하는 것이다.It is another object of the present invention to provide an energy harvesting device and / or an electrothermal cooling device having the above-described advantages and having high energy harvesting efficiency and cooling efficiency, To provide this excellent monolithic device.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 초전층은, 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함할 수 있다.According to an aspect of the present invention, there is provided a pyroelectric layer comprising a compound represented by Formula 1 below.

[화학식 1][Chemical Formula 1]

Hf1-xZrxO2 이고, 0.7 ≤ x < 0.9이다.Hf 1-x Zr x O 2 , and 0.7? X <0.9.

상기 화합물은 tetragonal-상(phase)의 P42/nmc 스페이스 그룹(space group)을 포함할 수 있으며, 상기 초전층의 두께는 7.0 nm 내지 30.0 nm 범위 내일 수 있다. 또한, 상기 초전층의 작동 온도 범위는 298 K 내지 448 K 범위 내이며, 상기 초전층의 작동 전압의 크기는 0.0 MV/cm 초과 4 MV/cm 범위 내일 수 있다.
The compound may comprise a tetragonal-phase P42 / nmc space group, and the thickness of the superplastic layer may be in the range of 7.0 nm to 30.0 nm. Also, the operating temperature range of the superplasticization layer is in the range of 298 K to 448 K, and the magnitude of the operating voltage of the superplasticization layer may be in the range of 0.0 MV / cm to 4 MV / cm.

상기 다른 기술적 과제를 해결하기 위한 에너지 하베스팅 소자는, 서로 적어도 일부가 대향하는 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 초전층(pyroelectric layer);According to another aspect of the present invention, there is provided an energy harvesting device comprising: a pyroelectric layer including a compound represented by Formula 1 between a first electrode and a second electrode at least partially opposed to each other;

[화학식 1][Chemical Formula 1]

Hf1-xZrxO2 이고, 0.7 ≤ x < 0.9이다.Hf 1-x Zr x O 2 , and 0.7? X <0.9.

상기 초전층과 열 교환을 하며, 제 1 온도를 갖는 제 1 열원 및 상기 제 1 열원보다 높은 제 2 온도를 갖는 제 2 열원; 및 상기 제 1 전극 및 제 2 전극을 통하여 상기 초전층에 전압을 인가하기위한 전압 소스(bias source)를 포함하며, 상기 초전층의 온도 변화로 인해 발생하는, 상기 초전층의 분극 현상으로부터 전기 에너지를 생산할 수 있다. A second heat source that is in heat exchange with the pyroelectric layer and has a first heat source having a first temperature and a second temperature higher than the first heat source; And a bias source for applying a voltage to the superlattice layer through the first electrode and the second electrode, wherein a voltage source, which is generated due to a temperature change of the superlattice layer, Can be produced.

상기 화합물은 tetragonal-상(phase)의 P42/nmc 스페이스 그룹(space group)을 포함할 수 있다. 상기 초전층의 두께는 7.0 nm 내지 30.0 nm 범위 내이고, 상기 초전층의 작동 온도 범위는 298 K 내지 448 K 범위 내이며, 상기 초전층의 작동 전압의 크기는 0.0 MV/cm 초과 4 MV/cm 범위 내일 수 있다.The compound may comprise a tetragonal-phase P42 / nmc space group. Wherein the superconducting layer has a thickness in the range of 7.0 nm to 30.0 nm and the operating temperature range of the superconducting layer is in the range of 298 K to 448 K and the magnitude of the operating voltage of the superconducting layer is greater than 0.0 MV / It can be in range.

일 실시예에서, 상기 초전층이 상기 제 1 열원 및 상기 제 2 열원에 교대로 열교환이 이루어지도록 조절하는 스위치를 더 포함할 수 있다. 상기 제 1 열원 또는 상기 제 2 열원은 각각 상기 제 1 전극 또는 상기 제 2 전극에 접촉하여 상기 초전층과 열교환이 이루어질 수 있으며, 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극을 통해 상기 초전층으로부터 생성된 전기에너지를 저장하는 저장소를 포함할 수 있다.In one embodiment, the pyroelectric layer may further include a switch for regulating heat exchange alternately with the first heat source and the second heat source. The first heat source or the second heat source may be in contact with the first electrode or the second electrode to perform heat exchange with the superlattice layer, And a reservoir for storing electrical energy.

상기 초전층은 복수의 초전층들을 포함하며, 상기 복수의 초전층들은 각각 Zr의 함유량이 다르거나 상기 복수의 초전층들 사이에 전극이 삽입될 수 있다. 상기 복수의 초전층들은 그 사이에 유전 물질 및 전도성 물질 중 어느 하나 또는 이들의 조합으로 채워질 수 있다.
The pyroelectric layer includes a plurality of superconductive layers, and the plurality of superconductive layers may have different contents of Zr or electrodes may be inserted between the plurality of superconductive layers. The plurality of pyroelectric layers may be filled with any one or a combination of dielectric material and conductive material therebetween.

상기 다른 기술적 과제를 해결하기 위한 전기열량 냉각 소자는, 서로 적어도 일부가 대향하는 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 초전층(pyroelectric layer);According to another aspect of the present invention, there is provided an electrothermal cooling element comprising: a pyroelectric layer including a compound represented by the following formula (1) between a first electrode and a second electrode at least partially opposed to each other;

[화학식 1][Chemical Formula 1]

Hf1-xZrxO2 이고, 0.7 ≤ x < 0.9이다. Hf 1-x Zr x O 2 , and 0.7? X <0.9.

상기 초전층과 열 교환을 하며, 제 1 온도를 갖는 제 1 열원 및 상기 제 1 열원보다 높은 제 2 온도를 갖는 제 2 열원; 및 상기 제 1 전극 및 제 2 전극을 통하여 상기 초전층에 전압을 인가하기위한 전압 소스(bias source)를 포함하며, 상기 초전층의 전압 변화를 통해 온도 변화를 일으킬 수 있다.A second heat source that is in heat exchange with the pyroelectric layer and has a first heat source having a first temperature and a second temperature higher than the first heat source; And a bias source for applying a voltage to the superlattice layer through the first electrode and the second electrode. The temperature change may be caused by a change in the voltage of the superlattice layer.

상기 화합물은 tetragonal-상(phase)의 P42/nmc 스페이스 그룹(space group)을 포함하며, 상기 초전층의 두께는 7.0 nm 내지 30.0 nm 범위 내이고, 상기 초전층의 작동 온도 범위는 298 K 내지 448 K 범위 내일 수 있다. 또한, 상기 초전층의 작동 전압의 크기는 0.0 MV/cm 초과 4 MV/cm 범위 내일 수 있다.Wherein the compound comprises a tetragonal-phase P4 2 / nmc space group, wherein the thickness of the superplastic layer is in the range of 7.0 nm to 30.0 nm and the operating temperature range of the superplasticizer is in the range of 298 K It can be within the 448 K range. The magnitude of the operating voltage of the superconducting layer may be in the range of 0.0 MV / cm to 4 MV / cm.

일 실시예에서, 상기 초전층이 상기 제 1 열원 및 상기 제 2 열원에 교대로 열교환이 이루어지도록 조절하는 스위치가 더 포함될 수 있다. 상기 제 1 열원 또는 상기 제 2 열원은 각각 상기 제 1 전극 또는 상기 제 2 전극에 접촉하여 상기 초전층과 열교환이 이루어질 수 있다. 상기 제 1 전극 및 제 2 전극을 통해 상기 초전층으로부터 생성된 전기에너지를 저장하는 저장소가 더 포함될 수 있다.In one embodiment, the pyroelectric layer may further include a switch for regulating heat exchange alternately with the first heat source and the second heat source. The first heat source or the second heat source may be in contact with the first electrode or the second electrode to perform heat exchange with the pyroelectric layer. And a reservoir for storing electric energy generated from the superconducting layer through the first electrode and the second electrode.

상기 초전층은 복수의 초전층들을 포함하며, 상기 복수의 초전층들은 각각 Zr의 함유량이 다르거나 상기 복수의 초전층들 사이에 전극이 삽입될 수 있다. 상기 복수의 초전층들은 그 사이에 유전 물질 및 전도성 물질 중 어느 하나 또는 이들의 조합으로 채워질 수 있다.
The pyroelectric layer includes a plurality of superconductive layers, and the plurality of superconductive layers may have different contents of Zr or electrodes may be inserted between the plurality of superconductive layers. The plurality of pyroelectric layers may be filled with any one or a combination of dielectric material and conductive material therebetween.

상기 또 다른 기술적 과제를 해결하기 위한 모놀리식 소자는, 기판상에 형성된 복수의 회로들을 포함하는 모놀리식(monolithic) 소자로서, 상기 복수의 회로들은, 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 초전층(pyroelectric layer)을 포함하는 에너지 하베스트 소자부; 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 초전층(pyroelectric layer)을 포함하는 전기열량 냉각 소자부; 상기 에너지 하베스트 소자로부터 발생된 에너지를 저장하는 저장소; 상기 에너지 하베스트 소자에 연결되어 동작하는 제 1 전자 회로부; 상기 전기열량 냉각 소자에 연결되어 동작하는 제 2 전자 회로부; 및 상기 제 1 전자 회로, 상기 제 2 전자 회로, 상기 에너지 하베스트 소자부, 상기 전기열량 냉각 소자부, 및 상기 에너지 저장소의 동작을 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.According to another aspect of the present invention, there is provided a monolithic device including a plurality of circuits formed on a substrate, the plurality of circuits including a compound represented by the following formula (1) An energy harvesting element portion including a pyroelectric layer; An electrothermal charge cooling element including a pyroelectric layer including a compound represented by the following formula (1); A storage for storing energy generated from the energy harvesting element; A first electronic circuit operatively connected to the energy harvesting device; A second electronic circuit part connected to the electrothermal cooling element; And a control unit for controlling operations of the first electronic circuit, the second electronic circuit, the energy harvesting unit, the electrothermal cooling element, and the energy storage.

[화학식 1][Chemical Formula 1]

Hf1-xZrxO2 이고, 0.7 ≤ x < 0.9이다.Hf 1-x Zr x O 2 , and 0.7? X <0.9.

상기 화합물은 tetragonal-상(phase)의 P42/nmc 스페이스 그룹(space group)을 포함할 수 있으며, 상기 제 1 전자 회로부 및 상기 제 2 전자 회로부는 서로 동일할 수 있다. 또한, 상기 에너지 하베스팅 소자부 및 상기 전기열량 냉각 소자부는 동일한 구조를 가질 수 있다.The compound may comprise a tetragonal-phase P4 2 / nmc space group, wherein the first electronic circuit portion and the second electronic circuit portion may be identical to each other. The energy harvesting element portion and the electrothermal cooling element portion may have the same structure.

일 실시예에서, 상기 에너지 하베스팅 소자부는 제어부의 전계 변화 또는 온도 변화를 조절하는 시퀀스를 통해 조절될 수 있으며, 상기 전기열량 냉각 소자부는 제어부의 전계 변화 또는 온도 변화를 조절하는 시퀀스를 통해 조절될 수 있다. 상기 에너지 하베스팅 소자부 및 상기 전기열량 냉각 소자부는 동일 소자일 수 있다.In one embodiment, the energy harvesting element part may be controlled through a sequence of controlling the electric field change or the temperature change of the control part, and the electric heat amount cooling element part may be controlled through a sequence of controlling the electric field change or the temperature change of the control part . The energy harvesting element part and the electrothermal cooling element part may be the same element.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 하프늄 산화물에 지르코늄(Zr)이 함유된 화합물을 초전층으로 사용함으로써, 반강유전성과 강유전성 사이의 가역적인 상변화를 용이하게 확보하여, 초전 에너지 하베스팅 밀도가 크고, 전기 열량 효과가 뛰어나며, 온도 안정성 및 전압 안정성이 에너지 하베스팅 소자 및 전기열량 냉각 소자가 제공될 수 있다. 또한, 상기 화합물은, 납(Pb)과 같은 유해 중금속의 사용을 배제하여, 본 발명의 실시예에 따르면, 친환경적이면서도, 우수한 안정성과 용이한 제조 방법이 제공될 수 있다. According to one embodiment of the present invention, by using a compound containing zirconium (Zr) in hafnium oxide as a superconductive layer, a reversible phase change between antiferroelectricity and ferroelectricity can be easily ensured and the density of pyroelectric energy harvesting is high , An energy-harvesting element and an electrothermal cooling element can be provided with excellent electric-calorie effect, temperature stability and voltage stability. In addition, the above compound can provide an environmentally friendly, excellent stability, and an easy manufacturing method according to the embodiment of the present invention, excluding the use of harmful heavy metals such as lead (Pb).

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 초전층을 소자 제조에 사용함으로써, 효율이 높으며 제조가 용이하고 다양한 기능을 갖는 소자를 하나의 기판에 형성하는 모놀리식(monolithic) 소자가 제공될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, there is provided a monolithic device for forming an element having a high efficiency, easy manufacture, and various functions on one substrate by using the superconducting layer in the manufacture of an element .

도 1a는 초전 재료의 열적 및 전기적 특성간의 열역학적학적으로 가역적인 상호 작용을 도시하는 그래프이다.
도 1b는 에너지 하베스팅(energy harvesting) 및 전기열량 냉각(electrocaloric cooling)을 위한 상기 초전 재료의 온도 별 전계 변화에 따른 분극 정도를 도시하는 올슨 사이클(Olsen cycle)이다.
도 1c는 에너지 하베스팅(energy harvesting) 및 전기열량 냉각(electrocaloric cooling)을 위한 상기 초전 재료의 온도와 엔트로피의 변화를 도시하는 올슨 사이클(Olsen cycle)이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 변환 소자의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 에너지 변환 소자의 제조 방법을 도시하는 순서도이다.
도 4a는 실험예 1-1 내지 2-2의 초전층의 조성비에 따른 GIXRD(glancing incidence X-ray diffraction) 그래프이다.
도 4b는 실험예 1-1 내지 1-3의 초전층의 온도 범위(ΔTHL)에 따른 상기 HZO 박막의 하베스팅 에너지 밀도(harvestable energy density) 그래프이다.
도 4c는 실험예 1-2의 초전층에 인가된 전계의 크기에 따른 하베스팅 에너지 밀도이다.
도 5a는 상기 실험예 2-1 및 2-2의 측정 온도에 따른 온도 변화(ΔT)를 나타내는 그래프이다.
도 5b는 측정 온도에 따른 HZO 박막의 엔트로피 변화(ΔS)를 나타내는 그래프이다.
도 5c는 낮은 온도(TL)과 높은 온도(TH)의 차이를 나타내는 온도 범위(ΔTHL)에 따른 냉각 용량의 변화를 도시한 그래프이다.
도 6는 본 발명의 다른 실시예에 따른, 에너지 하베스팅 소자(200a) 및 전기열량 냉각 소자(200b)가 하나의 기판 위에 형성된 모놀리식(monolithic) 소자의 구성도이다.
Figure Ia is a graph showing thermodynamically reversible interactions between the thermal and electrical properties of the pyroelectric material.
FIG. 1B is an Olsen cycle showing the degree of polarization according to the electric field change of the superconducting material by temperature for energy harvesting and electrocaloric cooling.
Figure 1C is an Olsen cycle illustrating the change in temperature and entropy of the pyroelectric material for energy harvesting and electrocaloric cooling.
2 is a cross-sectional view of an energy conversion element according to an embodiment of the present invention.
3 is a flowchart showing a method of manufacturing the energy conversion element according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4A is a graph of GIXRD (glancing incidence X-ray diffraction) according to the composition ratio of the pyroelectric layer of Experimental Examples 1-1 to 2-2.
FIG. 4B is a graph of harvesting energy density of the HZO thin film according to the temperature range (ΔT HL ) of the pyroelectric layer of Experimental Examples 1-1 to 1-3.
4C is a hubbing energy density according to the magnitude of the electric field applied to the pyroelectric layer of Experimental Example 1-2.
FIG. 5A is a graph showing a temperature change (? T) according to the measurement temperatures of Experimental Examples 2-1 and 2-2.
5B is a graph showing an entropy change (? S) of the HZO thin film according to the measurement temperature.
5C is a graph showing the change in the cooling capacity according to the temperature range (DELTA T HL ) indicating the difference between the low temperature (T L ) and the high temperature (T H ).
6 is a configuration diagram of a monolithic device in which an energy harvesting device 200a and an electrothermal cooling device 200b are formed on one substrate according to another embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.  오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. The embodiments of the present invention are described in order to more fully explain the present invention to those skilled in the art, and the following embodiments may be modified into various other forms, It is not limited to the embodiment. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be more faithful and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art.

또한, 이하의 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는" 는 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. In the following drawings, thickness and size of each layer are exaggerated for convenience and clarity of description, and the same reference numerals denote the same elements in the drawings. As used herein, the term "and / or" includes any and all combinations of any of the listed items.

본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다.  본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다.  또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. As used herein, the singular forms "a," "an," and "the" include singular forms unless the context clearly dictates otherwise. Also, &quot; comprise "and / or" comprising "when used herein should be interpreted as specifying the presence of stated shapes, numbers, steps, operations, elements, elements, and / And does not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, operations, elements, elements, and / or groups.

본 명세서에서 제 1, 제 2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안됨은 자명하다.  이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다.  따라서, 이하 상술할 제 1 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제 2 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다. Although the terms first, second, etc. are used herein to describe various elements, components, regions, layers and / or portions, these members, components, regions, layers and / It is obvious that no. These terms are only used to distinguish one member, component, region, layer or section from another region, layer or section. Thus, a first member, component, region, layer or section described below may refer to a second member, component, region, layer or section without departing from the teachings of the present invention.

본 명세서에서 다른 층 "상에(on)" 형성된 층에 대한 언급은 상기 다른 층의 바로 위에 형성된 층을 지칭하거나, 상기 다른 층 상에 형성된 중간 층 또는 중간 층들 상에 형성된 층을 지칭할 수도 있다. 또한, 당해 기술 분야에서 숙련된 자들에게 있어서, 다른 형상에 "인접하여(adjacent)" 배치된 구조 또는 형상은 상기 인접하는 형상에 중첩되거나 하부에 배치되는 부분을 가질 수도 있다.Reference to a layer formed "on" another layer herein may refer to a layer formed directly on top of the other layer or may refer to a layer formed on intermediate or intermediate layers formed on the other layer . It will also be appreciated by those skilled in the art that structures or shapes that are "adjacent" to other features may have portions that overlap or are disposed below the adjacent features.

본 명세서에서, "아래로(below)", "위로(above)", "상부의(upper)","하부의(lower)", "수평의(horizontal)" 또는 "수직의(vertical)"와 같은 상대적 용어들은, 도면들 상에 도시된 바와 같이, 일 구성 부재, 층 또는 영역들이 다른 구성 부재, 층 또는 영역과 갖는 관계를 기술하기 위하여 사용될 수 있다. 이들 용어들은 도면들에 표시된 방향뿐만 아니라 소자의 다른 방향들도 포괄하는 것임을 이해하여야 한다.As used herein, the terms "below," "above," "upper," "lower," "horizontal," or " May be used to describe the relationship of one constituent member, layer or regions with other constituent members, layers or regions, as shown in the Figures. It is to be understood that these terms encompass not only the directions indicated in the Figures but also the other directions of the devices.

이하에서, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들 및 중간 구조들을 개략적으로 도시하는 단면도들을 참조하여 설명될 것이다. 이들 도면들에 있어서, 예를 들면, 부재들의 크기와 형상은 설명의 편의와 명확성을 위하여 과장될 수 있으며, 실제 구현시, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다.In the following, embodiments of the present invention will be described with reference to cross-sectional views schematically illustrating ideal embodiments and intermediate structures of the present invention. In these figures, for example, the size and shape of the members may be exaggerated for convenience and clarity of explanation, and in actual implementation, variations of the illustrated shape may be expected.

따라서, 본 발명의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 된다. 또한, 도면에서 참조 부호가 동일한 부재들은 도면 전체에 걸쳐 동일한 부재이다.
Accordingly, embodiments of the present invention should not be construed as limited to any particular shape of the regions shown herein. Also, like reference numerals in the drawings denote like elements throughout the drawings.

도 1a는 초전 재료의 열적 및 전기적 특성간의 열역학적학적으로 가역적인 상호 작용을 도시하는 그래프이다. 도 1b는 에너지 하베스팅(energy harvesting) 및 전기열량 냉각(electrocaloric cooling)을 위한 상기 초전 재료의 온도 별 전계 변화에 따른 분극 정도를 도시하는 올슨 사이클(Olsen cycle)이다. 도 1c는 에너지 하베스팅(energy harvesting) 및 전기열량 냉각(electrocaloric cooling)을 위한 상기 초전 재료의 온도와 엔트로피의 변화를 도시하는 올슨 사이클(Olsen cycle)이다.Figure Ia is a graph showing thermodynamically reversible interactions between the thermal and electrical properties of the pyroelectric material. FIG. 1B is an Olsen cycle showing the degree of polarization according to the electric field change of the superconducting material by temperature for energy harvesting and electrocaloric cooling. Figure 1C is an Olsen cycle illustrating the change in temperature and entropy of the pyroelectric material for energy harvesting and electrocaloric cooling.

상기 초전 재료는 광의적으로 분극 재료군(polarizable materials class)에 속한다. 상기 초전 재료는 가열되거나 냉각되면, 상기 초전 재료를 구성하고 있는 결정 구조내의 원자의 위치가 변하면서 전기쌍극자(electric dipole)의 크기가 변하는 분극 현상이 일어난다. 이에 따라, 상기 초전 재료 내에 전위차가 발생하게 되며, 상기 초전 재료의 양단을 외부 회로로 연결하면 부하에 전류가 흐르게 된다. 마찬가지로, 상기 초전 재료에 인가하는 전압을 변화시키게 되면, 상기 초전 재료 내의 전기 쌍극자의 크기가 변하면서 상기 초전 재료의 온도가 변화될 수 있다.The pyroelectric material broadly belongs to the polarizable materials class. When the pyroelectric material is heated or cooled, the position of the atoms in the crystal structure constituting the pyroelectric material changes, and a polarization phenomenon occurs in which the size of the electric dipole changes. As a result, a potential difference is generated in the pyroelectric material. When both ends of the pyroelectric material are connected by an external circuit, current flows in the load. Similarly, when the voltage applied to the pyroelectric material is changed, the temperature of the pyroelectric material can be changed while the size of the electric dipole in the pyroelectric material changes.

도 1a를 참조하면, 전기열량 효과(electrocaloric effect)는 인가하는 전계에 따라 변하는 상기 초전 재료의 분극화 및 탈분극화로 인해 나타나는 등온 엔트로피 변화 및/또는 단열온도 변화를 이용할 수 있다. 초전 효과(pyroelectric effect)는 전술한 바와 같이 상기 초전 재료의 온도에 따라 변하는 분극 현상을 이용한다. 이는 전기열량 효과와 물리적으로 반대되는 효과이며, 에너지 하베스팅 또는 적외선 센서(IR sensor)에 이용될 수 있다. 예를 들어, 상기 초전 재료를 이용한 냉각 소자 또는 에너지 하베스팅 소자는 컵퓨터 칩에서 방출되는 열을 흡수하여 컵퓨터 칩을 냉각시키고, 상기 컴퓨터 방출되는 열을 이용하여 초전 효과에 기인한 전압을 발생시킬 수 있다.Referring to FIG. 1A, the electrocaloric effect may be a change in isothermal entropy and / or a change in adiabatic temperature due to the polarization and depolarization of the pyroelectric material that varies depending on an applied electric field. The pyroelectric effect utilizes the polarization phenomenon which varies with the temperature of the pyroelectric material as described above. This is a physically opposite effect to the caloric effect and can be used for energy harvesting or IR sensors. For example, the cooling element or the energy harvesting element using the pyroelectric material absorbs the heat radiated from the cup-shaped chip to cool the cup-shaped chip, and generates a voltage due to the pyroelectric effect .

상기 초전 재료와 같은 분극성 이온(polarizable ion)을 포함한 재료들은 높은 유전 상수(dielectric constant)를 갖기 때문에 상기 에너지 하베스팅 및 상기 전기열량 냉각을 이용하는 소자 외에도 에너지 저장 소자에 사용될 수 있다. 따라서, 상기 초전 재료을 이용하여 소자를 제조할 경우, 상기 에너지 하베스팅, 상기 전기열량 냉각, 적외선 감지 및 에너지 저장 중 어느 하나 또는 2 이상의 기능을 갖는 소자가 하나의 기판에서 제공될 수 있다.Materials including polarizable ions such as the pyroelectric material can be used in energy storage devices in addition to the devices that utilize the energy harvesting and the electrothermal cooling because they have high dielectric constants. Therefore, when the device is manufactured using the above-described pyroelectric material, the device having one or more functions of the energy harvesting, the electrothermal cooling, the infrared sensing, and the energy storage may be provided on one substrate.

도 1b를 참조하면, 올슨 사이클(Olsen cycle)에서, 낮은 온도(TL)와 높은 온도(TL)는 각각 정방향 및/또는 역방향 올슨 사이클의 평형 상태의 등온 프로세스의 온도이다. 곡선 ①은 낮은 온도(TL)에서 전계가 증가할 때 등온 상태에서 상기 초전 재료가 분극화되는 것을 의미한다. 그래프 ②는 온도가 낮은 온도(TL)에서 높은 온도(TH)로 증가하면서 부분적으로 탈분극화가 이루어지는 것을 설명한다. 그래프 ③은 높은 온도(TH)에서 전계가 감소하면서 등온 상태에서 탈분극화가 이루어 지며, 그래프 ④는 냉각과 함께, 높은 온도(TH)에서 초기 온도인 낮은 온도(TL)로 온도가 감소되고 부분적으로 분극화가 이루어지는 것을 설명한다.Referring to FIG. IB, in the Olsen cycle, the low temperature (T L ) and the high temperature (T L ) are the temperatures of the isothermal process in the equilibrium state of the forward and / or reverse Orson cycle, respectively. Curve 1 means that the pyroelectric material is polarized in an isothermal state when the electric field increases at a low temperature (T L ). Graph ② explains that depolarization occurs partially while the temperature increases from a low temperature (T L ) to a high temperature (T H ). Graph ③ shows the depolarization in the isothermal state with decreasing electric field at high temperature (T H ). In the graph ④, the temperature decreases from the high temperature (T H ) to the low temperature (T L ) And explains that polarization is partially performed.

상기 초전 재료의 분극화 또는 탈분극화 정도는 직접적으로 상기 초전 재료의 엔트로피(entropy, S)의 감소 또는 증가와 관련되며, 상기 초전 재료가 분극화 또는 탈분극화되는 것은 열 또는 엔트로피의 방출과 흡수를 초래한다. 예를 들면, 상기 초전 재료가 분극화될 때, 초전 재료의 온도가 감소되거나, 내부의 엔트로피가 감소한다. 또한 상기 초전 재료가 탈분극화되면, 상기 초전 재료의 내부 온도는 증가하거나, 엔트로피가 증가한다.The degree of polarization or depolarization of the pyroelectric material is directly related to a decrease or increase in the entropy (S) of the pyroelectric material, and the polarization or depolarization of the pyroelectric material results in the release and absorption of heat or entropy . For example, when the pyroelectric material is polarized, the temperature of the pyroelectric material is decreased or the entropy inside is reduced. Also, when the superconducting material is depolarized, the internal temperature of the superconducting material increases or the entropy increases.

도 1c를 참조하면, 상기 초전 재료는 높은 온도(TH)에서 온도 변화 없이 엔트로피가 증가하며, 낮은 온도(TL)에서 온도 변화 없이 엔트로피가 감소한다. 즉, 분극 현상에 의해 상기 초전 재료의 엔트로피가 변하게 된다. 등온 가역 반응이라면, 상기 초전 재료에서 방출 및 흡수되는 열량의 크기는 온도와 엔트로피의 변화량의 곱으로부터 산출될 수 있다. 따라서, 도 1c에 도시된 한번의 올슨 사이클(Olsen cycle)에서, 높은 온도(TH)와 엔트로피 변화의 곱으로 산출된 흡수 열량은 낮은 온도(TL)와 엔트로피의 변화의 곱으로부터 산출된 방출 열량보다 크다는 것을 알 수 있다. 따라서, 상기 초전 재료가 방출한 열량이 흡수한 열량보다 작기 때문에, 상기 초전 재료의 올슨 사이클은 초전 에너지 하베스팅(pyroelectric energy harvesting)에 이용될 수 있다. Referring to FIG. 1C, the entropy increases at a high temperature (T H ) without a temperature change, and entropy decreases without a temperature change at a low temperature (T L ). That is, the entropy of the pyroelectric material is changed by the polarization phenomenon. If it is an isothermal reversible reaction, the magnitude of the amount of heat released and absorbed by the pyroelectric material can be calculated from the product of the temperature and the amount of change in entropy. Thus, in one Olsen cycle shown in FIG. 1C, the calorific value cal- culated as the product of the high temperature (T H ) and the entropy change is the emission calculated from the product of the low temperature (T L ) and the change in entropy Which is larger than the calories. Therefore, the Orson cycle of the pyroelectric material can be used for pyroelectric energy harvesting, since the calorific value emitted by the pyroelectric material is smaller than the caloric value absorbed.

상기 올슨 사이클은 초전 재료를 이용한 에릭슨 열 엔진의 일종으로 이해될 수 있다. 따라서, 올슨 사이클의 역 방향 사이클, 즉 역 올슨 사이클(inverse Olsen cycle)은 냉각 사이클(refrigeration cycle)로 활용될 수 있다. 상기 역 올슨 사이클에서는, 초전 재료는 낮은 온도(TL)에서 열을 흡수하고, 높은 온도(TH)에서 열을 방출한다. 즉, 높은 온도(TH)에서 방출하는 열량이 낮은 온도(TL)에서 흡수하는 열량보다 크다. 따라서, 흡수된 열보다 더 큰 열을 방출할 수 있기 때문에 초전 재료를 이용한 역 올슨 사이클은 전기열량 냉각 소자로 응용될 수 있다.The Orson cycle can be understood as a kind of Ericsson thermal engine using a pyroelectric material. Therefore, the reverse cycle of the Orson cycle, that is, the inverse Olsen cycle, can be utilized as a refrigeration cycle. In the reverse Orson cycle, the pyroelectric material absorbs heat at a low temperature (T L ) and releases heat at a high temperature (TH). That is, the amount of heat released at a high temperature (T H ) is larger than the amount of heat absorbed at a low temperature (TL). Therefore, the reverse olsen cycle using the pyroelectric material can be applied as an electrothermal cooling element because it can emit heat larger than the absorbed heat.

상기 올슨 사이클 또는 역 올슨 사이클은 예시적이며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 에너지 하비스팅 효과 및 전기열량 효과를 얻기 위해, 카르노 사이클(Carnot cycle), 동기화된 전하 추출 메커니즘(synchronized electric charge extraction, SECE), 인덕터에 대한 동기화된 스위치 댐핑(synchronized switch damping on an inductor), 저항성 사이클(resistive cycle) 또는 등온 프로세스 이외에 온도가 가변적인 프로세스를 포함하는 사이클의 메커니즘이 사용될 수 있다.The Orson cycle or the reverse Orson cycle is illustrative, and the present invention is not limited thereto. For example, in order to obtain the energy harvesting effect and the caloric effect, a Carnot cycle, a synchronized electric charge extraction (SECE), a synchronized switch damping on an inductor inductor, resistive cycle, or a process in which the temperature is variable, other than the isothermal process, can be used.

다시 도 1c와 함께 도 1b를 참조하면, 상기 올슨 사이클 또는 역 올슨 사이클에서, 등온 과정에서 초전 에너지 하베스팅과 전기열량 효과를 향상시키기 위해서는, 상기 초전 재료의 초전 계수(pyroelectric coefficient)가 크고, 더 큰 전계 강도에서 안정적인 분극화를 얻을 수 있거나 넓은 범위의 전계 강도에서 안정적인 분극 및 탈분극화가 가능할수록 바람직하다는 것을 알 수 있다.Referring again to FIG. 1C and FIG. 1B, in order to improve the pyroelectric energy harvesting and the electric calorimetric effect in the isothermal process in the Orson cycle or the reverse Orson cycle, the pyroelectric coefficient of the pyroelectric material is large, It can be understood that stable polarization can be obtained at a large electric field strength or stable polarization and depolarization at a wide range of electric field strength are possible.

이에 따라, 납성분을 함유한 무기물 및 P(VDF-TrFE) 기반의 고분자는, 하베스팅 에너지 밀도가 높으며 전기열량 효과에 의한 냉각 효과가 크기 때문에, 에너지 하베스팅 소자 및 전기열량 냉각 소자에 적합한 물질로서 논의되어 왔다. 하지만, 상기 납 함유 무기물 및 상기 P(VDF-TrFE) 기반의 고분자는 환경 오염을 발생시키며 온도에 대한 안정성이 제한적이기 때문에, 상기 에너지 하베스팅 소자 및 상기 전기열량 냉각 소자에 적용하는 것이 용이하지 않다. Accordingly, the inorganic material containing lead and the P (VDF-TrFE) -based polymer have a high density of the harvesting energy and a large cooling effect by the effect of the electric calorimetric effect. Therefore, the material suitable for the energy harvesting device and the electrothermal cooling device . However, since the lead-containing inorganic material and the P (VDF-TrFE) -based polymer cause environmental pollution and have a limited temperature stability, they are not easily applicable to the energy harvesting device and the electrothermal cooling device .

또한, 통상의 에너지 하베스팅 소자의 적용에 있어서, 에너지 하베스팅 소자가 사용되는 폐 열원의 온도 변동의 주기(temperature fluctuation frequency)는 대부분의 경우 1 Hz 보다 낮기 때문에, 상기 에너지 하베스팅 소자가 상기 폐 열원을 이용하여 충분한 양의 전기 에너지를 생산하는 것은 제한적이다. 따라서, 적은 온도 변동에도 민감하게 반응하여 효율적으로 에너지를 생성할 수 있는, 박막 형태의 초전 재료 또는 나노 구조의 초전 재료는 전술한 낮은 주기의 온도 변동(temperature fluctuation) 환경에서 고효율의 에너지 변환을 얻을 수 있는 간단하며 효과적인 방안이 될 수 있다.Further, in the application of a conventional energy harvesting device, since the temperature fluctuation frequency of the waste heat source in which the energy harvesting device is used is lower than 1 Hz in most cases, Producing a sufficient amount of electrical energy using a heat source is limited. Therefore, a thin-film-type superconductive material or a nanostructured superconductive material, which can generate energy efficiently in response to a small temperature fluctuation, can obtain high-efficiency energy conversion in a low-temperature temperature fluctuation environment This can be a simple and effective solution.

본 발명의 실시예에서, 상기 초전 재료는, 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함한다. 상기 Hf1-xZrxO2 화합물은 HfO2 재료를 기본 구조로 하여 불순물(dopant)인 지르코늄(Zr)이 함유된 화합물로서, 하프늄(Hf)과 지르코늄(Zr)의 조성비 x를 조절함으로써, 상기 Hf1-xZrxO2 화합물의 특성을 조절할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the pyroelectric material includes a compound represented by the following general formula (1). The Hf 1-x Zr x O 2 compound is a compound containing zirconium (Zr), which is a dopant, with a HfO 2 material as a basic structure. By controlling the composition ratio x of hafnium (Hf) and zirconium (Zr) The characteristics of the Hf 1-x Zr x O 2 compound can be controlled.

[화학식 1][Chemical Formula 1]

Hf1-xZrxO2, (0.7 ≤ x < 0.9)Hf 1-x Zr x O 2 , (0.7? X <0.9)

상기 Zr의 조성비 x가 0.7 ≤ x < 0.9을 만족할 때, 상기 초전 재료는 높은 전계 항복 강도를 갖기 때문에 실험적으로 증명된 약 3.26 MV/cm의 고 전압을 인가할 수 있기 때문에 하베스팅 에너지 밀도(harvesting energy density)와 전기열량 효과를 향상시킬 수 있다. 상기 초전 재료의 동작 전압의 크기는 그 적용 예에 따라 0 보다 크고 4 MV/cm의 범위 내일 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 상기 Hf1-xZrxO2 화합물은 낮은 전계 항복 강도를 갖는 P(VDF-TrFE) 기반의 고분자에 비하여 더 높은 하베스팅 에너지 밀도 및 전기열량 효과를 얻을 수 있다.When the Zr composition ratio x satisfies 0.7 < x &lt; 0.9, since the superconducting material has a high electric field yield strength, it is possible to apply an experimentally proved high voltage of about 3.26 MV / cm, energy density and electric calorie effect can be improved. The magnitude of the operating voltage of the pyroelectric material may be greater than 0 and within the range of 4 MV / cm depending on the application. Therefore, the Hf 1-x Zr x O 2 compound according to the embodiment of the present invention can obtain a higher energy density of the hubbing energy and an electric calorie effect than the P (VDF-TrFE) based polymer having a low electric field yield strength have.

또한, 이하에서는, 상기 Hf1-xZrxO2 화합물을 박막 또는 나노 구조를 갖도록 형성한 초전층으로 사용하여, 높은 하베스팅 에너지 밀도를 갖고 온도 변화에 내구성을 가지며, 높은 절연 파괴 강도(electrical breakdown strength)를 갖는 친환경적인 초전 에너지 하베스팅 소자 및 전기열량 냉각 소자가 개시될 것이다. 또한, 이하에서는, 상기 초전층에 의해 전기 에너지와 열에너지의 상호 변환이 가역적으로 이루어질 수 있음을 고려하여, 상기 초전 에너지 하베스팅 소자 및 전기열량 냉각 소자를 통칭하여 에너지 변환 소자라 한다.
Hereinafter, the Hf 1-x Zr x O 2 compound is used as a superconductive layer formed to have a thin film or a nanostructure, and has a high hubbing energy density, durability against temperature change, and high dielectric breakdown strength (electrical eco-friendly &lt; / RTI &gt; pyroelectric energy harvesting element and an electrothermal chill element having breakdown strength will be disclosed. Hereinafter, the pyroelectric energy harvesting element and the electrothermal cooling element are collectively referred to as energy conversion elements in consideration of reversible conversion of electric energy and thermal energy by the superconducting layer.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 변환 소자의 단면도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 에너지 변환 소자의 제조 방법을 도시하는 순서도이다.FIG. 2 is a cross-sectional view of an energy conversion device according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a flowchart illustrating a method of manufacturing the energy conversion device according to an embodiment of the present invention.

도 2 및 도 3을 참조하면, 기판(20) 상에 에너지 변환 소자(200)가 형성될 수 있다. 에너지 변환 소자(200)는 대향하는 제 1 전극(21)과 제 2 전극(25) 사이에 초전층(23)을 포함할 수 있다. 도 2에서와 같이 에너지 변환 소자(200)는 제 1 전극(21) 및/또는 제 2 전극(25)를 통해 제 1 열원(26) 및/또는 제 2 열원(27)에 노출될 수 있다. 초전층(23)은 제 1 열원(26) 및/또는 제 2 열원(27)과 열 교환을 할 수 있다.Referring to FIGS. 2 and 3, the energy conversion element 200 may be formed on the substrate 20. The energy conversion element 200 may include a superconductive layer 23 between the first electrode 21 and the second electrode 25 facing each other. The energy conversion element 200 may be exposed to the first heat source 26 and / or the second heat source 27 through the first electrode 21 and / or the second electrode 25, as shown in FIG. The pyroelectric layer 23 can perform heat exchange with the first heat source 26 and / or the second heat source 27.

일 실시예에서, 기판(20)은 통상의 반도체 소자 제조 공정이 가능한 평판 형태의 Si 또는 Ge와 같은 Ⅳ족 반도체, SiGe와 같은 혼합 반도체, GaAs 및 GaN과 같은 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체, CdS와 같은 Ⅱ-Ⅵ족 반도체 재료로 형성될 수 있다. 또는, 단일 칩 시스템(System on a chip: SOC) 또는 3차원 반도체 소자의 제조를 위해 기판(20)은 에너지 변환 소자(200)가 형성될 영역에 실리콘 산화물과 같은 절연층 또는 패시베이션층이 형성된 하부 구조를 갖는 집적 회로층일 수도 있다.In one embodiment, the substrate 20 may be a Group IV semiconductor such as Si or Ge, a mixed semiconductor such as SiGe, a III-V compound semiconductor such as GaAs and GaN, a CdS Lt; RTI ID = 0.0 &gt; II-VI &lt; / RTI &gt; semiconductor material. Alternatively, the substrate 20 for the manufacture of a single-chip system (SOC) or a three-dimensional semiconductor device may include a substrate 20 having an insulating layer such as silicon oxide or a passivation layer formed in a region where the energy conversion element 200 is to be formed Or may be an integrated circuit layer having a structure.

일 실시예에서, 기판(20) 상에 에너지 변환 소자(200)를 형성하기 전에, 기판(20) 표면의 불순물을 제거하거나, 불순물의 확산 또는 부착 특성을 개선하기 위한 적절한 표면 처리가 수행될 수 있다. 예를 들면, 기판(20)의 표면에 대하여 플라즈마 처리, 과산화수소수, 에탄올 및 아세톤과 같은 약액, 또는 탈이온화수를 이용한 세정 공정을 통하여 불순물이 제거될 수 있다. 또한, 기판(20)과 에너지 변환 소자(200) 사이에서 발생하는 불순물의 확산이나 부착 특성을 개선하기 위하여, 기판(20) 상에 실리콘 산화막, 금속 산화막 또는 금속 질화막과 같은 부가층(미도시)의 형성 공정이 더 수행될 수도 있다.In one embodiment, before forming the energy conversion element 200 on the substrate 20, appropriate surface treatment may be performed to remove impurities on the surface of the substrate 20, or to improve the diffusion or adherence characteristics of the impurities have. For example, impurities can be removed from the surface of the substrate 20 through a plasma process, a hydrogen peroxide solution, a chemical solution such as ethanol and acetone, or a cleaning process using deionized water. An additional layer (not shown) such as a silicon oxide film, a metal oxide film, or a metal nitride film is formed on the substrate 20 in order to improve the diffusion and adherence characteristics of impurities generated between the substrate 20 and the energy conversion element 200. [ May be further performed.

기판(20) 상에 제 1 전극(21)이 형성될 수 있다(S10). 제 1 전극(21)은 기판(20)상에 도전성 재료로 형성될 수 있으며, 상부의 초전층(23)이 외부와 연결되어 전계를 인가 받을 수 있는 역할을 한다. 또한, 제 1 전극(21)에 연장되는 전극이 더 형성되어(미도시) 외부에서 장치 또는 전원과 용이하게 연결되도록 구성될 수 있다.The first electrode 21 may be formed on the substrate 20 (S10). The first electrode 21 may be formed of a conductive material on the substrate 20, and the upper pyroelectric layer 23 may be connected to the outside to receive an electric field. Further, an electrode extending to the first electrode 21 may be further formed (not shown) so as to be easily connected to the device or the power source from the outside.

상기 도전성 재료는 도전체이며, 백금(Pt), 텅스텐(W), 금(Au), 파라듐(Pd), 로듐(Rh) 이리듐(Ir), 루테늄(Ru), 탄탈륨(Ta), 몰리브데늄(Mo), 크롬(Cr), 바나듐(V), 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 니켈(Ni), 망간(Mn), 주석(Sn) 또는 이의 합금, 질화물 또는 산화물을 포함할 수 있다. 그러나, 제 1 전극(21) 재료는 전술한 금속 도전체에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 실리콘(Si), 실리콘 화합물, 활성탄(activated carbon), 그라파이트(graphite), 탄소나노튜브(carbon nano tube) 및 풀러린(fullerene) 중 어느 하나 또는 2 이상으로 형성될 수 있다.The conductive material is a conductive material and is made of at least one of platinum (Pt), tungsten (W), gold (Au), palladium (Pd), rhodium (Rh), iridium (Ir), ruthenium (Ru), tantalum (Al), copper (Cu), silver (Ag), nickel (Ni), manganese (Mn), tin (Sn), or a mixture of at least one element selected from the group consisting of Mo, Cr, V, Ti, Or alloys, nitrides or oxides thereof. However, the material of the first electrode 21 is not limited to the above-mentioned metal conductor. For example, one or more of silicon (Si), a silicon compound, activated carbon, graphite, a carbon nano tube, and fullerene.

제 1 전극(21)은 화학기상증착법(low pressure chemical vapor deposition; LPCVD), 플라즈마강화 화학기상증착법과 같은 화학기상 증착법, 레이저 융발법(laser ablation) 또는 물리기상증착법에 의해서 형성될 수도 있다. 그러나 이는 예시적이며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 제 1 전극(21)을 위해 형성된 도전성 재료의 층에 대해 패터닝 공정을 수행하여 기판(20)의 일부 상에만 제 1 전극(21)이 제공될 수도 있다.The first electrode 21 may be formed by a chemical vapor deposition method such as a low pressure chemical vapor deposition (LPCVD) method or a plasma enhanced chemical vapor deposition method, a laser ablation method, or a physical vapor deposition method. However, this is merely exemplary and the present invention is not limited thereto. In addition, the first electrode 21 may be provided only on a part of the substrate 20 by performing a patterning process on the layer of the conductive material formed for the first electrode 21.

일부 실시예에서, 제 1 전극(21)은 초전층(23)과의 계면에 금속 장벽층(barrier metal, 22)을 포함할 수 있다. 금속 장벽층(22)은 상기 제 1 전극(21)과 초전층(23) 사이에서 구성 원소의 확산으로 인한 각층의 오염을 막거나, 접착력을 향상시키거나, 에너지 밴드의 장벽을 조절하기 위한 얇은 막으로서, 텅스텐 질화물(WN), 티타늄 질화물(TiN), 크롬(Cr), 탄탈륨(Ta) 및 탄탈륨 질화물(TaN) 중 어느 하나 또는 2 이상의 화합물로 형성될 수 있다. 상기 오염의 현상으로는 불순물의 확산으로 인한 금속의 산화, 초전 재료의 결정 구조의 변경, 제 1 전극(21)과 상기 초전층(23) 사이의 낮은 에너지 장벽으로 발생하는 전하의 이동, 및 제 1 전극(21)과 초전층(23)의 접촉 불량 중 어느 하나 또는 2 이상의 현상을 포함할 수 있다. 금속 장벽층(22)의 형성은 전술한 제 1 전극(21)의 형성 방법으로 형성할 수 있다.In some embodiments, the first electrode 21 may comprise a barrier metal 22 at the interface with the superpowder layer 23. The metal barrier layer 22 is formed between the first electrode 21 and the superconductive layer 23 to prevent contamination of each layer due to diffusion of constituent elements, The film may be formed of any one or two or more of tungsten nitride (WN), titanium nitride (TiN), chromium (Cr), tantalum (Ta), and tantalum nitride (TaN). Examples of the contamination phenomenon include oxidation of metal due to diffusion of impurities, change of the crystal structure of the superconducting material, movement of charge caused by a low energy barrier between the first electrode 21 and the superconducting layer 23, The contact failure between the first electrode 21 and the superconducting layer 23 may occur. The metal barrier layer 22 may be formed by a method of forming the first electrode 21 described above.

제 1 전극(21) 상에 초전층(23)이 형성된다(S20). 초전층(23)은 제 1 전극(21) 상에 적어도 일부가 중첩되어 형성되며, 분극 특성를 이용하여 전기 에너지를 저장하거나, 열에너지를 저장한다. 초전층(23)은 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하며, A superconducting layer 23 is formed on the first electrode 21 (S20). The pyroelectric layer 23 is formed at least partially on the first electrode 21, and stores electrical energy or stores thermal energy using the polarization characteristic. The pyroelectric layer (23) comprises a compound represented by the following formula (1)

[화학식 1][Chemical Formula 1]

Hf1-xZrxO2, (0.7 ≤ x < 0.9)Hf 1-x Zr x O 2 , (0.7? X <0.9)

상기 x는 HfO2의 안정상인 단사정계(monoclinc phase, 또는 m-phase라 함)에서 벗어나 상기 Hf1-xZrxO2 화합물이 정방정계(tetragonal phase, t-phase) 또는 등축정계 상으로 안정화되도록 조절될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 x가 0.7 ≤ x < 0.9 의 범위에서 상기 Hf1-xZrxO2 화합물이 정방정계 또는 등축정계 상으로 안정화된다. 따라서, 상기 Hf1-xZrxO2 화합물은 HfO2 박막을 기본 구조로 하여 지르코늄(Zr)이 함유된 화합물로서, 하프늄(Hf) 및 지르코늄(Zr)의 조성비 x를 조절함으로써, Hf1-xZrxO2의 전기적 및 물리적 특성이 조절될 수 있다.X is stabilized in a tetragonal phase (t-phase) or an equiaxial phase by deviating from a stable monoclinic phase (or m-phase) of HfO 2 and the Hf 1-x Zr x O 2 compound Respectively. In one embodiment, the Hf 1-x Zr x O 2 compound is stabilized in a tetragonal or isostatic phase in the range of x <0.7 <x <0.9. Therefore, by adjusting the composition ratio x of the Hf 1-x Zr x O 2 compound is a compound with a HfO 2 thin film as the basic structure of zirconium (Zr) is contained, hafnium (Hf) and zirconium (Zr), Hf 1- The electrical and physical properties of x Zr x O 2 can be controlled.

상기 화합물을 포함하는 초전층(23)은 저압화학기상증착법(low pressure chemical vapor deposition; LPCVD), 플라즈마강화 화학기상증착법, 레이저 융착법(laser ablation) 또는 스퍼터링법과 같은 기상 증착법 또는 솔겔법(solgel)과 같은 액상법에 의해서 형성될 수도 있다. 그러나 이는 예시적이며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 초전층(23)을 형성하는 단계(S20)는 원자층 증착 공정에 의해 수행될 수 있다. 상기 원자층 증착 공정은 하프늄(Hf) 전구체와 지르코늄(Zr) 전구체의 사이클링을 횟수, 또는 각 사이클에서 형성되는 층의 두께를 제어하여 초전층(23)의 조성비를 조절할 수 있다. 상기 원자층 증착 공정은 하프늄 산화물층과 지르코늄 산화물층을 교번하여 이루어질 수 있으며, 하프늄 산화물층을 먼저 형성하고 지르코늄 산화물층을 형성하든지, 또는 그 역순으로 이루어질 수 있다.The superconducting layer 23 containing the compound may be formed by a vapor deposition method such as a low pressure chemical vapor deposition (LPCVD) method, a plasma enhanced chemical vapor deposition method, a laser ablation method or a sputtering method, Or the like. However, this is merely exemplary and the present invention is not limited thereto. For example, step S20 of forming the superparamagnetic layer 23 may be performed by an atomic layer deposition process. The atomic layer deposition process may control the composition ratio of the superconducting layer 23 by controlling the number of cycles of the hafnium (Hf) precursor and the zirconium (Zr) precursor or the thickness of the layer formed in each cycle. The atomic layer deposition process may be performed by alternating the hafnium oxide layer and the zirconium oxide layer, and the hafnium oxide layer may be formed first and the zirconium oxide layer may be formed, or vice versa.

초전층(23)의 구조는 평판 구조를 형성하기 위한 면상 구조, 전극 표면적을 증가시키기 위한 핀(fin) 구조, 컵(cup) 구조, 기둥(pillar) 구조, 실린더(cylinder) 구조와 같은 입체 구조, 또는 이들의 조합된 구조를 가질 수 있다. 또한 초전층(23)은 복수의 초전층들을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 복수의 초전층들은 각각 Zr의 함유량이 다른 초전층이거나, 상기 복수의 초전층들 사이에 전극이 삽입될 수 있다. 또한, 각각의 초전층(23) 사이에는 유전 재료 및/또는 전도성 재료가 채워질 수도 있다.The pyroelectric layer 23 may have a planar structure for forming a flat plate structure, a fin structure for increasing an electrode surface area, a cup structure, a pillar structure, a three-dimensional structure such as a cylinder structure , Or a combination thereof. The pyroelectric layer 23 may include a plurality of pyroelectric layers. In this case, each of the plurality of superposed layers may be a superposed layer having a different Zr content, or an electrode may be inserted between the plurality of superposed layers. Further, a dielectric material and / or a conductive material may be filled between the respective super pyroelectric layers 23.

초전층(23) 상에 제 2 전극이 형성된다(S30). 제 2 전극(25)은 초전층(23)과 적어도 일부가 중첩되도록 초전층(23) 상에 형성되는 도전성 재료를 포함하며, 하지의 초전층(23)이 외부 회로와 연결되어 전류의 입출력이 가능하도록 한다. 또한, 제 2 전극(25)에 연장되는 전극, 예를 들면 리드들(미도시)이 더 형성되어, 외부에서 장치 또는 전원과 용이하게 연결되도록 구성될 수 있다.A second electrode is formed on the pyroelectric layer 23 (S30). The second electrode 25 includes a conductive material formed on the superconducting layer 23 so that at least a part of the superconducting layer 23 overlaps with the superconducting layer 23 and the superconducting layer 23 of the underlayer is connected to an external circuit, . Further, an electrode, for example, leads (not shown) extending to the second electrode 25 may be further formed and configured to be easily connected to the device or the power source from the outside.

상기 전도성 재료는 도전체이며, 백금(Pt), 텅스텐(W), 금(Au), 파라듐(Pd), 로듐(Rh) 이리듐(Ir), 루테늄(Ru), 탄탈륨(Ta), 몰리브데늄(Mo), 크롬(Cr), 바나듐(V), 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 니켈(Ni), 망간(Mn), 주석(Sn) 또는 이의 합금, 질화물 또는 산화물일 수 있다. 그러나, 제 2 전극(25) 재료는 전술한 금속 도전체에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 제 2 전극(25)은 실리콘(Si), 실리콘 화합물, 활성탄(activated carbon), 그라파이트(graphite), 탄소나노튜브(carbon nano tube) 및 풀러린(fullerene) 중 어느 하나 또는 2 이상으로 형성될 수 있다. 또한, 제 2 전극(25)은 하부의 초전층(23)의 표면(mopology)을 따라 형성될 수 있다.The conductive material is a conductive material and is made of at least one selected from the group consisting of platinum (Pt), tungsten (W), gold (Au), palladium (Pd), rhodium (Rh), iridium (Ir), ruthenium (Ru), tantalum (Al), copper (Cu), silver (Ag), nickel (Ni), manganese (Mn), tin (Sn), or a mixture of at least one element selected from the group consisting of Mo, Cr, V, Ti, An alloy, a nitride, or an oxide thereof. However, the material of the second electrode 25 is not limited to the above-mentioned metal conductor. For example, the second electrode 25 may be formed of one or more of silicon (Si), a silicon compound, activated carbon, graphite, a carbon nano tube, and fullerene . Also, the second electrode 25 may be formed along the mopology of the lower superconducting layer 23.

제 2 전극(25)을 형성하는 단계(S30)는 화학기상증착법(low pressure chemical vapor deposition; LPCVD), 플라즈마강화 화학기상증착법과 같은 화학기상 증착법, 레이저 융발법(laser ablation) 또는 물리기상증착법에 의해서 달성될 수도 있다. 그러나 이는 예시적이며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 패터닝 공정에 의해 초전층(23) 상에 일부만 제 2 전극(25)이 제공될 수 있다.Step S30 of forming the second electrode 25 may be performed by chemical vapor deposition such as LPCVD or plasma enhanced chemical vapor deposition or laser ablation or physical vapor deposition &Lt; / RTI &gt; However, this is merely exemplary and the present invention is not limited thereto. For example, only a part of the second electrode 25 may be provided on the superconducting layer 23 by the patterning process.

제 2 전극(25)은 초전층(23)과의 계면에 금속 장벽층(24)을 더 포함할 수 있다. 금속 장벽층(24)은 전술한 금속 장벽층(22)에 관하여 설명한 것과 같이 확산 방지막, 접착층 또는 에너지 밴드의 장벽의 조절층과 같은 역할을 하며, 텅스텐 질화물(WN), 티타늄 질화물(TiN), 크롬(Cr), 탄탈륨(Ta) 및 탄탈륨 질화물(TaN) 중 어느 하나 또는 2 이상의 화합물로 형성될 수 있다. 상기 오염의 현상으로는 불순물의 확산으로 인한 금속의 산화, 초전층(23)의 결정 구조의 변경, 제 2 전극(25)과 초전층(23) 사이의 낮은 에너지 장벽으로 발생하는 전하의 이동, 및 제 2 전극(25)과 초전층(23)의 접촉 불량 중 어느 하나 또는 2 이상의 현상을 포함할 수 있다. 금속 장벽층(24)의 형성은 전술한 제 2 전극(25)의 형성 방법으로 형성 가능하다.The second electrode 25 may further include a metal barrier layer 24 at an interface with the superparallel layer 23. The metal barrier layer 24 acts as a control layer of a barrier of a diffusion barrier, an adhesive layer or an energy band as described with respect to the metal barrier layer 22 described above, and is formed of tungsten nitride (WN), titanium nitride (TiN) Chromium (Cr), tantalum (Ta), and tantalum nitride (TaN). The phenomenon of contamination may include oxidation of metal due to diffusion of impurities, change of the crystal structure of the superconducting layer 23, movement of charges caused by a low energy barrier between the second electrode 25 and the superconducting layer 23, And a poor contact between the second electrode 25 and the superconducting layer 23, as shown in FIG. The metal barrier layer 24 may be formed by the above-described method of forming the second electrode 25.

에너지 변환 소자(200)는 제 2 전극(25) 형성 후 열처리가 수행될 수 있다(S40). 상기 열처리를 통하여, 초전층(23)의 화합물이 결정화되어, 초전층(23)은 반강유전성을 나타낼 수 있다. 상기 열처리는, 400 ℃ 내지 1,000 ℃의 온도 범위 내에서 수행될 수 있다. 또한, 상기 열처리는 10 초 내지 30초 범위 내에서 수행되는 급속 열처리일 수 있다. 400 ℃ 미만의 온도에서 열처리를 하게 되면 유전체가 결정화되지 않기 때문에 반강유전성을 나타내지 않는다. 또한, 1,000 ℃를 초과하는 온도에서는 커패시터의 누설전류의 증가로 인해 소자 특성이 열화될 수 있다. 또한, 10 초 미만의 열처리에서는, 초전층(23)의 결정화가 충분하지 못하여 반강유전성을 얻기 어렵고, 30 초 이상 열처리를 진행하게 될 경우에는 에너지 변환 소자(200)의 누설전류 증가로 인해 소자 특성이 열화될 수 있다. After forming the second electrode 25, the energy conversion element 200 may be subjected to heat treatment (S40). Through the heat treatment, the compound of the superconducting layer 23 is crystallized, and the superconducting layer 23 can exhibit anti-ferroelectricity. The heat treatment may be performed within a temperature range of 400 ° C to 1,000 ° C. Also, the heat treatment may be a rapid thermal treatment performed within a range of 10 seconds to 30 seconds. When the heat treatment is performed at a temperature of less than 400 DEG C, the dielectric does not crystallize and thus does not exhibit anti-ferroelectricity. Further, at a temperature exceeding 1,000 占 폚, the device characteristic may deteriorate due to an increase in the leakage current of the capacitor. When the heat treatment is performed for less than 10 seconds, crystallization of the superconducting layer 23 is not sufficient and it is difficult to obtain antiferroelectricity. When the heat treatment is performed for 30 seconds or more, the device characteristics Can be deteriorated.

일부 실시예에서, 상기 열처리는 환원성 또는 비활성 분위기에서 수행될 수 있다. 상기 환원성 분위기는 질소 또는 수소 가스를 사용하여 제공될 수 있으며, 상기 비활성 분위기는 아르곤, 네온, 또는 헬륨 가스를 사용하여 제공될 수도 있다. 상기 열처리는 상기 금속 또는 준금속의 종류에 따라서 열처리 시간, 온도 및/또는 분위기가 달라질 수 있으며, 상기 유전체가 t-상(phase)의 P42/nmc 스페이스 그룹(space group)에 속하는 결정질을 갖도록 하는 적합한 시간, 온도 및/또는 분위기가 선택될 수 있다.In some embodiments, the heat treatment may be performed in a reducing or inert atmosphere. The reducing atmosphere may be provided using nitrogen or hydrogen gas, and the inert atmosphere may be provided using argon, neon, or helium gas. The heat treatment may vary the heat treatment time, temperature, and / or atmosphere depending on the type of the metal or metalloid, and may be selected so that the dielectric has a crystalline phase belonging to the P4 2 / nmc space group of the t-phase. A suitable time, temperature and / or atmosphere may be selected.

본 발명의 실시예에 따른 에너지 변환 소자(200)에서, 제 1 전극(21) 및/또는 제 2 전극(25)이 초전층(23)과 제 1 열원(26) 및 제 2 열원(27)사이에 접촉되어 형성됨으로써, 제 1 전극(21) 및/또는 제 2 전극(25)을 통해 제 1 열원(26) 및 제 2 열원(27)과 초전층(23) 사이에서 열 에너지가 전달될 수 있다. 또한, 제 1 전극(21) 및/또는 제 2 전극(25)이 초전층(23)과 제 1 열원(26) 및 제 2 열원(27)사이에 접촉되어 형성되지 않을 경우, 초전층(23)은 기계적인 동작을 조절하는 스위치를 통해 제 1 열원(26) 및/또는 제 2 열원(27)과 접촉되며, 이를 통해 소자와 열원간의 열 에너지 교환이 가능할 수 있다. In the energy conversion element 200 according to the embodiment of the present invention, the first electrode 21 and / or the second electrode 25 are connected to the superconducting layer 23, the first heat source 26 and the second heat source 27, The thermal energy is transferred between the first heat source 26 and the second heat source 27 and the superconducting layer 23 through the first electrode 21 and / or the second electrode 25 . When the first electrode 21 and / or the second electrode 25 are not formed in contact with the superconducting layer 23 and the first heat source 26 and the second heat source 27, the superconducting layer 23 May be in contact with the first heat source 26 and / or the second heat source 27 through a switch that controls mechanical operation, thereby enabling thermal energy exchange between the device and the heat source.

상기 스위치는 열 스위치, 광 스위치, 진동 스위치, 방전 스위치, 전류 스위치, 압력 스위치, 정전용량 스위치, 파동 스위치, 접촉 스위치 및 전자식 작동 스위치 중 어느 하나 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 또한, 상기 스위치의 작동 시퀀스(sequence)를 조절하여, 에너지 하베스팅 용량 또는 냉각 용량을 증가시키거나 감소시킬 수 있다.The switch may include a thermal switch, an optical switch, a vibration switch, a discharge switch, a current switch, a pressure switch, a capacitive switch, a wave switch, a contact switch, and an electronic operation switch or a combination thereof. In addition, the operating sequence of the switch may be adjusted to increase or decrease the energy harvesting capacity or the cooling capacity.

일 실시예에서, 제 1 열원(26) 및/또는 에너지 변환 소자(200)가 노출된 주변 환경을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제 1 열원(26)은 기판(20)의 온도이며, 제 2 열원(27)은 상기 소자들이 노출된 공기일 수 있다. 하지만 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 제 1 열원(26) 및/또는 제 2 열원(27)은 기체, 액체, 또는 고체 상태일 수 있으며, 제어 장치에 의해 특정한 온도로 고정될 수도 있다.In one embodiment, the first heat source 26 and / or the energy conversion element 200 may include an exposed environment. For example, the first heat source 26 may be the temperature of the substrate 20 and the second heat source 27 may be the air to which the elements are exposed. However, the present invention is not limited thereto. The first heat source 26 and / or the second heat source 27 may be in a gas, liquid, or solid state and may be fixed at a specific temperature by a control device.

본 발명의 실시예에 따른 에너지 변환 소자(200)는 핀(fin) 구조, 컵(cup) 구조, 기둥(pillar) 구조, 실린더(cylinder) 구조, 다공성 구조와 같은 입체 구조, 또는 이들의 조합된 구조를 가질 수 있다. 또한, 에너지 변환 소자(200)는 전술한 바와 같이 기판 내에 형성되거나, 미세 패턴화하여 집적화될 수 있다.
The energy conversion element 200 according to an embodiment of the present invention may be a fin structure, a cup structure, a pillar structure, a cylinder structure, a three-dimensional structure such as a porous structure, Structure. Further, the energy conversion element 200 can be formed in the substrate as described above, or can be integrated into fine patterns.

<실험예><Experimental Example>

하기 각 샘플들은 도 2에 도시된 구조를 갖는 에너지 변화 소자(200)이다. 표면 상에 SiO2이 형성된 Si 기판 위에 50 nm 두께를 갖는 TiN 박막의 하부 전극을 DC 스퍼터링을 통해 형성하고, 상기 하부 전극 상에 280 ℃에서 원자층 증착 공정을 통해 상기 초전층을 형성하였다. 상기 초전층은 Hf1-xZrxO2 화합물이다. 이하에서, 상기 초전층이란 용어는 에너지 하비스팅 관점과 전기열량 냉각 관점에서 통칭적으로 사용되는 것으로 한다.Each of the following samples is an energy-changing element 200 having the structure shown in Fig. A lower electrode of a TiN thin film having a thickness of 50 nm was formed by DC sputtering on a Si substrate on which SiO 2 was formed on the surface, and the pyroelectric layer was formed on the lower electrode through an atomic layer deposition process at 280 ° C. The pyroelectric layer is a Hf 1-x Zr x O 2 compound. Hereinafter, the term pyroelectric layer is collectively used in terms of energy harvesting and electrothermal cooling.

상기 초전층 형성을 위한 원자층 증착 공정에서는, Hf[N(C2H5)CH3]4, Zr[N(C2H5)CH3]4 및 오존(O3)을 전구체로서 사용하였으며, 상기 각 전구체 주입의 펄스 회수의 비를 조절하여 초전층의 조성비를 조절하였다. 일 실시예에서, 상기 초전층의 조성비, 즉 하프늄 산화물 내의 지르코늄(Zr)의 함유량을 조절하여 초전층이 상기 하프늄 산화물의 일반적인 지배적 안정상인 단사정계 결정 구조가 아닌 정방정계 또는 등축정계 결정 구조로 안정화된 화합물을 포함하도록 할 수 있다.In the atomic layer deposition process for forming the pyroelectric layer, Hf [N (C 2 H 5) CH 3] 4, Zr [N (C 2 H 5) CH 3] 4 , and ozone (O 3) a was used as the precursor , And the ratio of the number of pulses of each precursor implantation was controlled to control the composition ratio of the superconducting layer. In one embodiment, by controlling the composition ratio of the superplastic layer, that is, the content of zirconium (Zr) in the hafnium oxide, the superconductive layer is stabilized in a tetragonal or isotropic crystal structure that is not a monoclinic crystal structure, which is a general dominant stable phase of the hafnium oxide And the like.

상기 초전층 상에 형성된 상부 전극은 DC 스퍼터링 공정으로 5 nm 두께의 질화 티타늄(TiN) 박막과 30 nm 두께의 백금(Pt) 박막을 지름 300 ㎛ 의 구멍을 가진 마스크를 사용하여 상기 초전층 상에 순차 적층되어 형성된다. 상기 상부 전극 형성 후, 사이 초전층의 결정화를 위해 400 ℃ 내지 1,000 ℃ 범위 내인 500 ℃ 에서 30 초간 환원성 분위기인 N2 분위기에서 급속 열처리하였다. The upper electrode formed on the superlattice layer was formed by depositing a titanium nitride (TiN) thin film having a thickness of 5 nm and a platinum (Pt) thin film having a thickness of 30 nm by a DC sputtering process using a mask having a hole having a diameter of 300 [ Sequentially formed. After the formation of the upper electrode, rapid thermal annealing was performed in an N 2 atmosphere in a reducing atmosphere at 500 ° C for 30 seconds in a range of 400 ° C to 1,000 ° C for crystallization of the Si pyroelectric layer.

하기 표 1은 예시적으로 원자층 증착 공정에 의해 제조된 상기 Hf1-xZrxO2 화합물의 조성비와 하베스팅 에너지 밀도 및 전기열량 효과의 평가를 위한 온도 범위 및 전압 범위를 표시한다. 표 1에는 각 실험예들의 상기 Hf1-xZrxO2 화합물의 조성비 및 박막 두께가 표시되어 있으며, 상기 Hf1-xZrxO2 화합물의 두께는 반강유전성을 나타내는 7 nm 내지 30 nm의 범위 내에서 선택될 수 있다. 또한, 약 288 K 내지 약 448 K의 온도 범위 및 0 MV/cm 초과 4 MV/cm의 범위 내인 0 MV/cm 내지 약 3.26 MV/cm의 전압 범위에서 각 실험예에 따른 Hf1-xZrxO2 화합물의 에너지 하베스팅 및 전기열량 효과가 평가되었다.Table 1 below shows the composition ratios of the Hf 1-x Zr x O 2 compounds prepared by an atomic layer deposition process, the temperature range and the voltage range for evaluation of the harvesting energy density and the electric calorie effect. Table 1 shows composition ratios and thin film thicknesses of the Hf 1-x Zr x O 2 compound in each of the experimental examples, and the thickness of the Hf 1-x Zr x O 2 compound is in the range of 7 nm to 30 nm Can be selected within the range. Further, in a voltage range of 0 MV / cm to about 3.26 MV / cm, which is within a temperature range of about 288 K to about 448 K and a range of 0 MV / cm to 4 MV / cm, Hf 1-x Zr x The energy harvesting and the caloric effect of the O 2 compounds were evaluated.

표 1을 참조하면, 실험예 1-1, 1-2 및 1-3은 상기 Hf1-xZrxO2 화합물 박막의 하베스팅 에너지 밀도(harvestable energy density)를 평가한 실험예들이다. 실험예 2-1 및 2-2는 각각 상기 Hf1-xZrxO2 화합물의 전기열량 효과(electrocaloric effect)를 평가한 실험예들이다.Referring to Table 1, Experimental Examples 1-1, 1-2 and 1-3 are experimental examples in which the harvesting energy density of the Hf 1-x Zr x O 2 compound thin film was evaluated. Experimental Examples 2-1 and 2-2 are experimental examples in which the electrocaloric effect of the Hf 1-x Zr x O 2 compound was evaluated.

실험예Experimental Example Hf비율
(1-x)
Hf ratio
(1-x)
Zr 비율
(x)
Zr ratio
(x)
박막 두께
(nm)
Thin film thickness
(nm)
낮은 온도
TL (K)
Low temperature
T L (K)
높은 온도
TH (K)
High temperature
T H (K)
전계
(MV/cm)
Field
(MV / cm)
실험예 1-1Experimental Example 1-1 0.10.1 0.90.9 9.29.2 298298 448448 0 - 3.260 - 3.26 실험예 1-2Experimental Example 1-2 0.20.2 0.80.8 9.29.2 298298 448448 0 - 3.260 - 3.26 실험예 1-3Experimental Example 1-3 0.30.3 0.70.7 9.29.2 298298 448448 0 - 3.260 - 3.26 실시예 2-1Example 2-1 0.20.2 0.80.8 9.29.2 298298 448448 0 - 3.260 - 3.26 실험예 2-2EXPERIMENTAL EXAMPLE 2-2 0.30.3 0.70.7 9.29.2 298298 448448 0 - 3.260 - 3.26

상기 조성비 x = 0.7, 0.8 및 0.9를 갖는 상기 Hf1-xZrxO2 화합물은 별도의 실험을 통해 분극-전계(P-E) 이중 이력 루프(double hysteresis loops) 특성을 갖는 것을 확인하였다. 상기 이중 이력 루프 특성은 강유전성 상(Ferroelectric phase)과 반강유전성 상(Antiferroelectric phase) 사이에서 전계 유도 상전이(field induced phase transition)가 가능하기 때문에 나타나는 것으로 이해되며, 상기 전계 유도 상전이는 298 K 내지 448 K의 넓은 온도 범위에서 관찰된다. 그러나, 이는 예시적이며, 298 K 미만 또는 448 K 이상의 온도 영역에서도 상기 이중 이력 루프 특성이 관찰된다. 또한, 상기 Hf1-xZrxO2 화합물은 예시적인 약 3.26 MV/cm 정도의 고전계에서도 안정적인 동작을 한다. 그러나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 동작 전압의 크기는 0 MV/cm 내지 4 MV/cm의 범위 내일 수 있다.
The Hf 1-x Zr x O 2 compound having the above composition ratios x = 0.7, 0.8 and 0.9 was confirmed to have a polarization-electric field (PE) double hysteresis loops characteristic through separate experiments. It is understood that the double hysteresis loop characteristic is caused by the possibility of field induction phase transition between the ferroelectric phase and the antiferroelectric phase and the electric field induced phase transition is 298 K to 448 K Lt; / RTI &gt; However, this is exemplary and the double hysteresis loop characteristic is observed in a temperature range of less than 298 K or 448 K or more. In addition, the Hf 1-x Zr x O 2 compound operates stably even at a high electric field of about 3.26 MV / cm. However, the present invention is not limited thereto, and the magnitude of the operating voltage may be in the range of 0 MV / cm to 4 MV / cm.

도 4a는 상기 실험예 1-1 내지 2-2의 Hf1-xZrxO2 화합물의 조성비에 따른 GIXRD(glancing incidence X-ray diffraction) 그래프이고, 도 4b는 상기 실험예 1-1 내지 1-3의 Hf1-xZrxO2 화합물의 온도 범위(ΔTHL)에 따른 상기 Hf1-xZrxO2 화합물의 하베스팅 에너지 밀도(harvestable energy density) 그래프이며, 도 4c는 실험예 1-2의 Hf0.2Zr0.8O2 화합물에 인가된 전계의 크기에 따른 하베스팅 에너지 밀도이다.FIG. 4A is a graph of GIXRD (glancing incidence X-ray diffraction) according to the composition ratio of the Hf 1 -x Zr x O 2 compound of Experimental Examples 1-1 to 2-2, and FIG. and Hf 1-x Zr x O 2 compound in a temperature range of -3 harvesting energy density of the Hf 1-x Zr x O 2 compound according to (ΔT HL) (harvestable energy density ) graph, Figure 4c experiment 1 -2 &gt; Hf 0.2 Zr 0.8 O 2 compound.

도 4a를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 Hf1-xZrxO2 화합물은 t-상(tetragonal phase, space group: P42/nmc) 피크(peak)인 t(101), t(110) 및 t(200)을 갖는다. 상기 Hf1-xZrxO2 화합물이 t-상을 가질 때에, 전계 유도 상전이에 의해 상기 t-상과 O-상(orthorhombic phase, space group: Pca21) 사이에서의 전계 유도 상전이가 쉽게 일어남으로써 이중 이력 루프(double hysteresis loops) 특성을 갖는 반강유전성 거동을 가질 수 있다. 일반적으로, 하프늄 산화물 및 지르코늄 산화물은 m-상(monoclinic phase, space group: P21/c)의 결정 구조를 가질 때는 상유전성 거동을 가지며, 전술한 이중 이력 루프 특성을 갖기 어렵다. 또한, 순수 지르코늄 산화물의 경우, 박막화되었을 때, 일부 t-상을 갖는 것으로 보고되고 있지만, 이 경우에는 t-상과 O-상 사이의 상전이를 위한 전계 강도가 너무 커 실용적 의미를 갖기 어렵다.Referring to FIG. 4A, the Hf 1-x Zr x O 2 compound according to an embodiment of the present invention has t (101), t (101), and the like, which are peaks in a tetragonal phase (space group: P4 2 / nmc) 110) and t (200). When the Hf 1-x Zr x O 2 compound has a t-phase, the electric field induced phase transition easily occurs between the t-phase and the O-phase (orthorhombic phase, space group: Pca 2 1 ) Can have an antiferroelectric behavior with double hysteresis loops. In general, hafnium oxide and zirconium oxide have a phase dielectric behavior when they have a crystal structure of m-phase (monoclinic phase, space group: P2 1 / c), and it is difficult to have the above-mentioned double hysteresis loop characteristic. In addition, pure zirconium oxide is reported to have some t-phase when thinned, but in this case, the electric field strength for phase transition between the t-phase and the O-phase is too large to have a practical meaning.

본 발명의 실시예에 따른 상기 Hf1-xZrxO2 화합물은 지르코늄(Zr)의 함량이 0.7 이상 0.9 미만일 때, 작은 인가 전압에도 t-상과 o-상 사이의 상전이가 유도됨으로써 반강유전성 거동을 보이며, 상기 반강유전성 거동은 온도 변화에 따라 강화됨으로써 초전 효과(pyroelectric effect)가 극대화될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따르면, 상기 Hf1-xZrxO2 화합물을 이용한 에너지 하베스팅 소자의 에너지 하베스팅 효율과 전기열량 냉각 소자의 냉각 효율이 향상될 수 있다.In the Hf 1-x Zr x O 2 compound according to the embodiment of the present invention, when the content of zirconium (Zr) is 0.7 or more and less than 0.9, phase transition between the t-phase and the o- And the antiferroelectric behavior is strengthened according to the temperature change, so that the pyroelectric effect can be maximized. Therefore, according to the embodiment of the present invention, the energy harvesting efficiency of the energy harvesting device using the Hf 1-x Zr x O 2 compound and the cooling efficiency of the electrothermal cooling device can be improved.

표 2는 납성분 함유 무기물, P(VDF-TrFE) 기반의 고분자 및 (Ba,Sr)TiO3 기반의 강유전체 산화물과 본 발명의 실시예에 따른 Hf0.2Zr0.8O2 화합물의 하베스팅 에너지 밀도(HED), 인가 전압의 차이(ΔE) 및 온도의 차이(ΔTHL)의 값들을 나타낸 것이다.Table 2 shows the harvesting energy densities of the lead component-containing inorganic material, the P (VDF-TrFE) -based polymer, and the (Ba, Sr) TiO 3 -based ferroelectric oxide and the Hf 0.2 Zr 0.8 O 2 compound according to the embodiment of the present invention HED), a difference in applied voltage (? E), and a difference in temperature (? T HL ).

재료material 형태shape HED
[J cm-3 cycle-1]
HED
[J cm -3 cycle -1 ]
ΔE
[kVcm-1]
ΔE
[kVcm -1 ]
ΔTHL
[K]
ΔT HL
[K]
0.90PbMg1/3Nb2/3O30.10PbTiO3 0.90 PbMg 1/3 Nb 2/3 O 3 0.10 PbTiO 3 세라믹ceramic 0.1860.186 3535 5050 0.68PbMg1/3Nb2/3O30.32PbTiO3 0.68 PbMg 1/3 Nb 2/3 O 3 0.32 PbTiO 3 단결정Single crystal 0.1000.100 77 9090 (Pb,La)(Zr0.65Ti0.35)O3 (Pb, La) (Zr 0.65 Ti 0.35 ) O 3 세라믹ceramic 1.0141.014 6868 170170 (Bi0.5Na0.5)0.915-
(Bi0.5K0.5)0.05Ba0.02Sr0.015TiO3
(Bi 0.5 Na 0.5 ) 0.915-
(Bi 0.5 K 0.5 ) 0.05 Ba 0.02 Sr 0.015 TiO 3
세라믹ceramic 1.5231.523 3939 140140
P(VDF-TrFE)P (VDF-TrFE) 박막pellicle 0.5210.521 300300 8585 P(VDF-TrFE)P (VDF-TrFE) 박막pellicle 0.1550.155 150150 8585 Hf0.2Zr0.8O2 Hf 0.2 Zr 0.8 O 2 박막pellicle 11.54911.549 32603260 150150

도 4b와 함께 표 2을 참조하면, 올슨 사이클(Olsen cycle)의 높은 온도(TH)와 낮은 온도(TL)의 온도 범위(ΔTHL)에 따른 상기 Hf1-xZrxO2 화합물의 하베스팅 에너지 밀도(harvestable energy density, HED) 변화를 확인할 수 있다. 지르코늄(Zr)의 조성비가 0.9인 경우(곡선 Ha), 상기 하베스팅 에너지 밀도는 거의 0이며, 온도 범위가 150 K이 되어도 변화를 보이지 않는다. 지르코늄(Zr)의 조성비가 0.9인 화합물은 448 K까지 온도 변화에 따른 분극-전계 이력 특성의 변화가 거의 없다. 이러한 특성으로 인하여 상기 하베스팅 에너지 밀도가 거의 0 인 것으로 추측된다.
Referring to Table 2, with Figure 4b, the Olsen cycle (Olsen cycle) high temperature (T H) and the Hf 1-x Zr x O 2 compound according to the temperature range (ΔT HL) of the lower temperature (T L) of The change in harvestable energy density (HED) can be seen. When the composition ratio of zirconium (Zr) is 0.9 (curve Ha), the density of the hubbing energy is almost zero, and no change occurs even when the temperature range is 150K. Compounds with a composition ratio of zirconium (Zr) of 0.9 have little change in polarization-field hysteresis characteristics with temperature change up to 448 K. Because of this property, it is assumed that the density of the harvesting energy is almost zero.

이와 대조적으로, 지르코늄(Zr)의 조성비가 0.8인 경우(곡선 Hb) 및 지르코늄(Zr)의 조성비가 0.7(곡선 Hc)의 경우는, 온도 범위에 따라서 하베스팅 에너지 밀도가 선형으로 증가하는 거동을 보인다. 지르코늄(Zr)의 조성비가 0.8인 경우(곡선 Hb), 하베스팅 에너지 밀도의 최대값은 온도 범위(ΔTHL)가 150 K일 때, 한 사이클 당 11.5 J/cm3에 이르며, 지르코늄(Zr)의 조성비가 0.7(곡선 Hc)에서의 하베스팅 에너지 밀도의 최대값은 온도 범위(ΔTHL)가 150 K일 때, 한 사이클 당 5.7 J/cm3이다. 이러한 Hf0.2Zr0.8O2 화합물 및 Hf0.2Zr0.8O2 화합물의 거동은 온도가 증가할수록 더 높은 전계 영역을 향하여 반강유전성 분극-전계 이력 루프들이 명확히 이동하는 것과 일치한다. 실험된 온도 범위는 실험적 예시이며, 본 발명이 상기 온도 범위에 한정되는 것은 아니고, 상기 온도 변화 특성은 더 넓은 온도 범위에서 실시될 수도 있다. 이러한 온도 변화 특성은 높은 하베스팅 에너지 밀도를 달성하는데에 유용하다.In contrast, when the composition ratio of zirconium (Zr) is 0.8 (curve Hb) and the composition ratio of zirconium (Zr) is 0.7 (curve Hc), the behavior of increasing the density of the hubbing energy linearly see. When the composition ratio of zirconium (Zr) is 0.8 (curve Hb), the maximum value of the harvesting energy density reaches 11.5 J / cm 3 per cycle when the temperature range (ΔT HL ) is 150 K. Zirconium (Zr) harvesting the maximum value of the energy density of the boot from the composition ratio of 0.7 (curve Hc) in the range when the temperature (ΔT HL) is 150 K, it is 5.7 J / cm 3 per cycle. The behavior of these Hf 0.2 Zr 0.8 O 2 compounds and Hf 0.2 Zr 0.8 O 2 compounds is consistent with the apparent shift of the antiferroelectric polarization-field history loops towards higher field regions as the temperature increases. The experimental temperature range is an experimental example, and the present invention is not limited to the above temperature range, and the temperature change characteristic may be implemented in a wider temperature range. This temperature change characteristic is useful for achieving a high harvesting energy density.

납을 포함하는 티타늄 산화물들 중 에르고드 릴렉서-강유전성 상 변화(Ergodic relaxor-ferroelectric phase transition)를 통해 최대 값을 갖는 (Pb,La)(Zr0.65Ti0.35)O3 세라믹이 갖는 1.014 [J cm-3 cycle-1]의 하베스팅 에너지 밀도에 비해, Hf0.2Zr0.8O2 화합물은 11.3 배 높은 하베스팅 에너지 밀도를 가지며, Hf0.3Zr0.7O2 화합물은 5.6 배 높은 하베스팅 에너지 밀도를 갖는다. 또한, 상기 초전층은 강유전체 산화물 중, 하베스팅 에너지 밀도가 가장 높은 (Bi0.5Na0.5)0.915(Bi0.5K0.5)0.05Ba0.02Sr0.015TiO3에 비해서도 각각 7.6 배, 3.7 배로 높다.(Pb, La) (Zr 0.65 Ti 0.35 ) O 3 ceramics having a maximum value through the ergodic relaxor-ferroelectric phase transition among the titanium oxides containing lead, 1.014 [J cm 3 cycles -1 ], the Hf 0.2 Zr 0.8 O 2 compound has a higher energy density of 11.3 times and the Hf 0.3 Zr 0.7 O 2 compound has a higher energy density of 5.6 times higher than the hubbing energy density of the Hf 0.2 Zr 0.8 O 2 compound. In addition, the superconducting layer is 7.6 times and 3.7 times higher than that of the ferroelectric oxide (Bi 0.5 Na 0.5 ) 0.915 (Bi 0.5 K 0.5 ) 0.05 Ba 0.02 Sr 0.015 TiO 3 , which has the highest harvesting energy density.

도 4c 및 표 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 상기 Hf0.2Zr0.8O2 화합물의 하베스팅 에너지 밀도는, 동일 전계하에서 온도 범위(ΔTHL)가 증가할수록 증가된다. 또한, 상기 Hf0.2Zr0.8O2 화합물의 하베스팅 에너지 밀도는 동일 온도 범위(ΔTHL)에서는 인가되는 전계의 크기가 증가할수록 증가하는 특징을 보인다. Referring to FIG. 4C and Table 2, the hubbing energy density of the Hf 0.2 Zr 0.8 O 2 compound according to the embodiment of the present invention increases as the temperature range (ΔT HL ) increases under the same electric field. In addition, the hubbing energy density of the Hf 0.2 Zr 0.8 O 2 compound increases as the electric field applied increases in the same temperature range (ΔT HL ).

각각의 온도 범위(ΔTHL)에 대한 최대 하베스팅 에너지 밀도는 25 K, 50 K, 75 K, 100 K, 125 K 및 150 K의 온도 범위에서, 각각 약 2.3, 약 4.4, 약 6.7, 약 8.1, 약 10.1 및 약 11.5 J cm-3·cycle-1 이다. 상기 Hf0.2Zr0.8O2 화합물은 다른 초전 재료들에 비해 넓은 온도 범위(ΔTHL)를 보인다. 상기 Hf0.2Zr0.8O2 화합물의 온도 범위는, 표 2에서 가장 큰 온도 범위를 갖는 (Pb,La)(Zr0.65Ti0.35)O3에 비해서 20 K 만큼 작지만, 더 큰 하베스팅 에너지 밀도를 보인다. The maximum hubbing energy density for each temperature range (? T HL ) was about 2.3, about 4.4, about 6.7, and about 8.1, respectively, in the temperature range of 25 K, 50 K, 75 K, 100 K, 125 K, , About 10.1 and about 11.5 J cm -3 · cycle- 1 . The Hf 0.2 Zr 0.8 O 2 compound exhibits a wider temperature range (ΔT HL ) than other pyroelectric materials. The temperature range of the Hf 0.2 Zr 0.8 O 2 compound is as small as 20 K compared to (Pb, La) (Zr 0.65 Ti 0.35 ) O 3 having the largest temperature range in Table 2, but exhibits a larger hubbing energy density .

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 Hf0.2Zr0.8O2 화합물에 인가할 수 있는 전계차(ΔE)는 3.26 MV/cm으로, 표 2 에서 고분자 초전 재료로서, 가장 높은 값을 갖는 P(VDF-TrFE)의 0.3 MV/cm 대비 약 10.8 배 높은 전계이다. 이와 같이 상기 Hf1-xZrxO2 화합물은 높은 절연 파괴 강도(electrical breakdown strength)를 갖기 때문에, 150 ℃에서도 3.26 MV/cm에 달하는 전계를 인가할 수 있다. 전술한 바와 같이 상기 Hf1-xZrxO2 화합물은 온도 범위(ΔTHL)가 넓으며, 인가할 수 있는 전계가 크기 때문에, 통상의 다른 초전 재료에 비해 큰 하베스팅 에너지 밀도를 가질 수 있다. 따라서, 상기 Hf1-xZrxO2 화합물을 이용하여 고효율, 온도 안정성 및 전압 안정성이 확보된 에너지 하베스팅 소자를 제공할 수 있다.The electric field difference E that can be applied to the Hf 0.2 Zr 0.8 O 2 compound according to the embodiment of the present invention is 3.26 MV / cm, and the highest value of P (VDF -TrFE) is about 10.8 times higher than 0.3 MV / cm. Since the Hf 1-x Zr x O 2 compound has high electrical breakdown strength, an electric field of 3.26 MV / cm can be applied even at 150 ° C. As described above, since the Hf 1-x Zr x O 2 compound has a wide temperature range (ΔT HL ) and a large electric field to be applied, it can have a larger hubbing energy density than other conventional pyroelectric materials . Accordingly, it is possible to provide an energy harvesting device having high efficiency, temperature stability, and voltage stability using the Hf 1-x Zr x O 2 compound.

또한, 상기 Hf1-xZrxO2 화합물의 높은 에너지 하베스팅 밀도는 원자층 증착 공정(Atomic layer deposition)을 통해 제공되는 양질의 박막 및 큰 에너지 밴드 갭에 의해서도 기인한다. 상기 Hf1-xZrxO2 화합물은 조성 성분이 간단하여 상기 원자층 증착 공정을 이용하여 형성될 수 있으며, 상기 원자층 증착 공정은 현재 반도체 공정에서 사용되는 공정이기 때문에, 상기 Hf1-xZrxO2 화합물을 구성요소로 하는 소자 제조 시에 용이하게 적용할 수 있다.In addition, the high energy hubbing density of the Hf 1-x Zr x O 2 compound is also due to the good quality of the thin film and the large energy bandgap provided through the atomic layer deposition process. Since the Hf 1-x Zr x O 2 compound may be by simple composition component formed by using the atomic layer deposition process, the atomic layer deposition process is the current process used in the semiconductor process, the Hf 1-x the Zr x O 2 compound can be easily applied at the time of device manufacture that component.

일 실시예에서, 상기 Hf1-xZrxO2 화합물은 하베스팅 에너지 밀도 외에, 전열 커플링 팩터(electrothermal coupling factor, k2=p2T/Cεrε0)를 통해 적합성을 판단할 수 있다. 상기 전열 커플링 팩터는 초전 계수(p), 작동 온도(T), 열량(C, heat capacity), 유전율(εr) 및 진공 유전율(ε0)으로 산출될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른, HF0.2Zr0.8O2 박막의 전열 커플링 팩터는 24.4 ×10-3이며, 통상의 초전 에너지 하베스팅 재료인 LiNbO3 (k2 ~ 2.69 x 10-3) 및 LiTaO3(k2 ~ 6.15 x 10-3)보다, 4배이상 크다.
In one embodiment, the Hf 1-x Zr x O 2 compound is capable of determining suitability via an electrothermal coupling factor (k 2 = p 2 T / C ε r ε 0 ) in addition to the harvesting energy density have. The electrothermal coupling factor can be calculated by a pyroelectric coefficient p, an operating temperature T, a heat capacity C, a permittivity? R and a vacuum permittivity? 0 . The heat transfer coupling factor of the HF 0.2 Zr 0.8 O 2 thin film according to the embodiment of the present invention is 24.4 × 10 -3 , and the conventional pyroelectric energy harvesting material LiNbO 3 (k 2 to 2.69 × 10 -3 ) and LiTaO 3 3 (k 2 to 6.15 x 10 -3 ).

도 5a는 상기 실험예 2-1 및 2-2의 측정 온도에 따른 온도 변화(ΔT)를 나타내는 그래프이며, 도 5b는 측정 온도에 따른 HZO 박막의 엔트로피 변화(ΔS)를 나타낸다. 도 5c는 낮은 온도(TL)과 높은 온도(TH)의 차이를 나타내는 온도 범위(ΔTHL)에 따른 냉각 용량의 변화를 도시한 그래프이다.FIG. 5A is a graph showing a temperature change (.DELTA.T) according to the measurement temperatures of Experimental Examples 2-1 and 2-2, and FIG. 5B shows an entropy change (.DELTA.S) of the HZO thin film according to the measurement temperature. 5C is a graph showing the change in the cooling capacity according to the temperature range (DELTA T HL ) indicating the difference between the low temperature (T L ) and the high temperature (T H ).

상기 Hf1-xZrxO2 화합물의 상기 온도 변화(ΔT) 및 상기 엔트로피 변화(ΔS)는 하기의 식 1 및 식 2를 통해 산출될 수 있다. Maxwell의 법칙에 따르면 (∂S/∂E)T=(∂P/∂T)E 의 관계가 성립한다. 이 중, (∂S/∂E)T 값은 실험적으로 측정하는 것이 거의 불가능하기 때문에, 측정 가능한 (∂P/∂T)E 값으로부터 온도 변화에 따른 엔트로피 변화(ΔS)를 계산할 수 있다. 이를 이용하면, 상기 Hf1-xZrxO2 화합물의 온도 변화(ΔT)는 상기 Hf1-xZrxO2 화합물에 E1에서 E2로 전계를 인가할 때, 상기 Hf1-xZrxO2 화합물 내에 발생하는 온도 및 상기 온도에 따른 분극의 변화에 의해 결정된다. 또한, 상기 엔트로피 변화(ΔS)는 온도 변화(ΔT)와 마찬가지로, 상기 Hf1-xZrxO2 화합물에 E1에서 E2로 전계를 인가할 때, 온도에 따른 Hf1-xZrxO2 화합물의 분극 변화에 의해 결정된다.The temperature change (? T) and the entropy change (? S) of the Hf 1-x Zr x O 2 compound can be calculated through the following equations (1) and (2). According to Maxwell's law, (∂S / ∂E) T = (∂P / ∂T) E holds. Since the value of (∂S / ∂E) T is hardly measurable experimentally, the entropy change (ΔS) according to the temperature change can be calculated from the measurable (∂P / ∂T) E value. By using this, the Hf 1-x Zr x O temperature change (ΔT) of the second compound is to apply an electric field to E 2 in the E 1 to the Hf 1-x Zr x O 2 compound, the Hf 1-x Zr x O &lt; 2 &gt; compound and the change in polarization depending on the temperature. Further, the entropy change (ΔS), similarly to the change in temperature (ΔT), the Hf 1-x Zr x O 2 compound when an electric field is applied to E 2 in E 1, according to the temperature Hf 1-x Zr x O 2 &lt; / RTI &gt; compound.

Figure 112014119858292-pat00001
(식 1)
Figure 112014119858292-pat00001
(Equation 1)

Figure 112014119858292-pat00002
(식 2)
Figure 112014119858292-pat00002
(Equation 2)

상기 식 1 및 식 2에서 ρ는 밀도이고, C는 비열(specific heat)이다. 밀도는 Hf1-xZrxO2 화합물을 X선 반사율을 이용하여 측정하였다. 이에 의해 측정된 Hf0.2Zr0.8O2 화합물(즉, 표 1의 실험예 2-1)의 밀도는 5.71 gcm-1이고, Hf0.3Zr0.7O2 화합물(즉, 표 1의 실험예 2-2)의 밀도는 6.01 gcm-1이다. 또한, 실험예 2-1 및 2-2의 화합물들의 비열은 298 K 및 448 K에서 각각 373 Jkg-1K-1 및 429 Jkg-1K-1이다.In the above equations (1) and (2), rho is the density and C is the specific heat. The density was measured by using the X-ray reflectance of the Hf 1-x Zr x O 2 compound. The density of the Hf 0.2 Zr 0.8 O 2 compound thus measured (ie, Experimental Example 2-1 in Table 1) was 5.71 gcm -1 , and the Hf 0.3 Zr 0.7 O 2 compound (ie, Experimental Example 2-2 ) Is 6.01 gcm &lt; -1 & gt ;. In addition, the specific heat of the compounds of Experimental Examples 2-1 and 2-2 were 373 Jkg -1 K -1 and 429 Jkg -1 K -1 at 298 K and 448 K, respectively.

도 5a를 참조하면, 상기 Hf1-xZrxO2 화합물은 온도에 따라서 분극 정도가 변하기 때문에, 지르코늄(Zr)의 조성비가 0.8인 화합물(곡선 Ga, 실험예 2-1)에서, 단위 부피에 따른 온도 변화(ΔT)는 온도 307 K에서 13.4 K의 최대값을 보이며, 지르코늄(Zr)의 조성비가 0.7인 화합물(곡선 Gb, 실험예 2-2)은 온도 448 K에서 9.8 K의 최대값을 갖는다. 상기 실험예들에 따른 화합물의 온도 변화(ΔT)는 종래에 보고되었던 Pb(Zr,Ti)O3 및 P(VDF-TrFE)의 온도 변화(ΔT)에 비하여 더 큰 값을 갖기 때문에, 본 발명의 실시예에 따르면, 납을 포함하지 않는 전기열량 재료로서 이점을 가지며, 더 큰 변화에 따른 전기열량 냉각 소자가 제공될 수 있다.Referring to FIG. 5A, since the degree of polarization of the Hf 1-x Zr x O 2 compound changes with temperature, in the compound having a composition ratio of zirconium (Zr) of 0.8 (curve Ga, Experimental Example 2-1) (Curve Gb, Experimental Example 2-2) exhibited a maximum value of 9.8 K at a temperature of 448 K, while the temperature change (ΔT) at a temperature of 307 K showed a maximum value of 13.4 K. The compound having a composition ratio of zirconium (Zr) Respectively. Since the temperature change (? T) of the compound according to the above experimental examples has a larger value than the temperature change? T of Pb (Zr, Ti) O 3 and P (VDF-TrFE) The present invention can provide an electrothermal cooling element having an advantage as an electrochemical calorie material not including lead and corresponding to a larger change.

표 3은 종래의 다른 물질인 납 함유 무기물, P(VDF-TrFE) 기반의 고분자, 탄탈륨 산화물 및 본 발명의 실시예에 따른 Hf1-xZrxO2 화합물에 따른 동작 온도(T), 온도 변화(ΔT), 전계 변화(ΔE), 전계 변화당 온도 변화(ΔT/ΔE) 및 엔트로피 변화(ΔS)를 나타낸 것이다. 표 3과 함께 도 5a를 참조하면, Hf0.3Zr0.7O2 화합물에서는, 예시적으로 실험된 448 K까지만 승온 측정을 할 수 있었지만, 심지어 더 큰 온도 영역에서도 더 높은 큐리 온도(Tc) 때문에 온도 변화(ΔT)가 클 것으로 예측된다. Hf0.2Zr0.8O2 화합물은 Hf0.3Zr0.7O2 화합물 대비 더 실용적인 온도 변화(ΔT) 영영역에서 더 큰 온도 변화(ΔT)를 갖는다. 이러한 Hf0.2Zr0.8O2 화합물의 특징은 컴퓨터 또는 가전 전자 장치와 같은 통상의 전자 장치용 냉각 소자로서 더 넓은 응용을 가능하게 한다.Table 3 shows the operating temperature (T), the temperature (T) and the temperature (T) of the lead-containing inorganic material, P (VDF-TrFE) based polymer, tantalum oxide and Hf 1-x Zr x O 2 compound according to the embodiment of the present invention, (ΔT), an electric field change (ΔE), a temperature change per electric field change (ΔT / ΔE) and an entropy change (ΔS). Referring to FIG. 5A together with Table 3, the Hf 0.3 Zr 0.7 O 2 compound was able to measure the temperature up to 448 K, which was exemplarily tested, but even at a larger temperature range, due to the higher Curie temperature (Tc) (? T) is expected to be large. The Hf 0.2 Zr 0.8 O 2 compound has a larger temperature change (ΔT) in the more practical temperature change (ΔT) zero region compared to the Hf 0.3 Zr 0.7 O 2 compound. The characteristics of this Hf 0.2 Zr 0.8 O 2 compound enable wider applications as cooling elements for conventional electronic devices such as computers or consumer electronic devices.

도 5b를 참조하면, 온도에 따른 엔트로피 변화(ΔS)는 냉각 소자로서 적용되기 위한 정량적 평가 기준인 냉각 용량(refrigerant capacitor, RC)으로 변환되어 고려될 수 있다. 하기의 식 3에 의해 엔트로피 변화(ΔS)는 냉각 용량(refrigerant capacitor, RC)이라는 실용적 의미로 번역될 수 있다. Referring to FIG. 5B, the temperature-dependent entropy change? S can be considered to be converted into a refrigerant capacitor (RC), which is a quantitative evaluation criterion for application as a cooling element. The entropy change (? S) can be translated into a practical meaning as a refrigerant capacitor (RC) by the following equation (3).

실제 냉각 사이클에서, 높은 온도(TH) 및 낮은 온도(TL)는 소정의 응용 장치의 성능이나 규격에 의해 결정될 수 있다. 히트 싱크로 방출되는 열로 전환되는 전기적 에너지의 크기를 증가시키기 위해서는, 상기 RC 값은 주어진 높은 온도(TH) 및 낮은 온도(TL)에서 최대화되어야 한다. 그러므로, 더 넓은 온도 범위와 더 높은 엔트로피 ΔS 값을 갖는 물질이 큐리 온도(Tc) 부근의 좁은 온도 범위에서만 높은 엔트로피 ΔS 값을 갖는 종래의 재료들보다 더 바람직하다. 표 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 Hf1-xZrxO2 화합물은 큐리 온도(Tc) 부근의 좁은 온도 범위에서만 높은 엔트로피 ΔS 값을 갖는 다른 비교예들에 비해 더 넓은 온도 범위에서 높은 엔트로피 ΔS 값을 갖는다. In an actual cooling cycle, the high temperature (T H ) and the low temperature (T L ) may be determined by the performance or specification of a given application. In order to increase the magnitude of the electrical energy converted into heat emitted by the heat sink, the RC value must be maximized at a given high temperature (T H ) and a low temperature (T L ). Therefore, a material having a wider temperature range and a higher entropy? S value is more preferable than conventional materials having a higher entropy? S value only in a narrow temperature range near the Curie temperature Tc. Referring to Table 3, the Hf 1-x Zr x O 2 compound according to an embodiment of the present invention exhibits a broader temperature range near the Curie temperature (Tc), a wider temperature range Lt; RTI ID = 0.0 &gt; ΔS.

곡선 Gc를 참조하면, Hf0.2Zr0.8O2의 엔트로피 변화(ΔS)는 298 K에서 최대 96 mJcm-3K-1이며 448 K에서 최소 60 mJcm-3K-1을 갖고, 곡선 Gd를 참조하면 Hf0.2Zr0.8O2의 엔트로피 변화(ΔS)는 298 K에서 최소 16 mJcm-3K-1이며 448 K에서 최대 49 mJcm-3K-1을 갖는다. 298 K 내지 448 K의 온도 범위는 비제한적 예로서 실험예로서 선택된 것일 뿐 본 발명은 그 냉각 및/하베스팅 소자가 적용되는 응용에 따라 온도 범위는 변형 실시될 수 있다. Referring to the curve Gc, the entropy change (ΔS) of Hf 0.2 Zr 0.8 O 2 has a maximum of 96 mJcm -3 K -1 at 298 K and a minimum of 60 mJ cm -3 K -1 at 448 K, with reference to the curve Gd The entropy change (ΔS) of Hf 0.2 Zr 0.8 O 2 has a minimum of 16 mJcm -3 K -1 at 298 K and a maximum of 49 mJ cm -3 K -1 at 448 K. The temperature range of 298 K to 448 K is selected as an experimental example by way of non-limiting example, and the present invention can be modified in temperature range depending on the application to which the cooling and / or hubbing element is applied.

재료material T
[K]
T
[K]
ΔT
[K]
ΔT
[K]
ΔE
[kVcm-1]
ΔE
[kVcm -1 ]
ΔT/ΔE
[KcmkV-1]
ΔT / ΔE
[KcmkV -1 ]
ΔS
[mJK-1cm-1]
ΔS
[mJK -1 cm -1 ]
PbZr0.95Ti0.05O2 PbZr 0.95 Ti 0.05 O 2 495495 1212 481481 0.0250.025 6666 Pb0.8Ba0.2ZrO3 Pb 0.8 Ba 0.2 ZrO 3 290290 45.345.3 598598 0.0760.076 361361 PbSc0.5Ta0.5O3 PbSc 0.5 Ta 0.5 O 3 341341 6.26.2 774774 0.0080.008 5555 (PbMg1/3Nb2/3O3)0.9(PbTiO3)0.1 (PbMg 1/3 Nb 2/3 O 3 ) 0.9 (PbTiO 3 ) 0.1 348348 55 895895 0.0060.006 4545 P(0.55VDF-0.45TrFE)P (0.55VDF-0.45TrFE) 353353 12.612.6 20902090 0.0060.006 106106 SrBi2.1Ta2O9 SrBi 2.1 Ta 2 O 9 500500 4.94.9 600600 0.0080.008 -- Hf0.2Zr0.8O2 Hf 0.2 Zr 0.8 O 2 298298 13.413.4 32603260 0.0040.004 9696 Hf0.3Zr0.7O2 Hf 0.3 Zr 0.7 O 2 448448 8.98.9 32603260 0.0030.003 4949

표 3과 함께 도 5c를 참고하면, 본 발명의 실시예에 따른 Hf1-xZrxO2 화합물들은 낮은 온도(TL)가 298 K로 고정된 경우, 다양한 온도 범위에서 높은 RC 값을 갖는다. 따라서, Hf1-xZrxO2 화합물들의 전기열량 효과를 이용한 냉각 소자는 냉각 부하의 온도가 타겟 온도와 편차를 갖는 경우에도 충분히 높은 RC 값을 갖고서 신뢰성있게 작동할 수 있음을 알 수 있다. 특히, 도 5c의 결과로부터, 실험예 2-1의 Hf0.2Zr0.8O2 화합물들의 전기열량 효과를 이용한 냉각 소자는 더욱 우수한 신뢰성을 가질 것으로 기대된다.Referring to FIG. 5C together with Table 3, Hf 1-x Zr x O 2 compounds according to the embodiment of the present invention have a high RC value in various temperature ranges when the low temperature (T L ) is fixed at 298 K . Therefore, it can be seen that the cooling device using the electrothermal effect of Hf 1-x Zr x O 2 compounds can reliably operate with a sufficiently high RC value even when the temperature of the cooling load has a deviation from the target temperature. In particular, from the results of FIG. 5C, it is expected that the cooling element using the electric heat quantity effect of the Hf 0.2 Zr 0.8 O 2 compounds of Experimental Example 2-1 will have even better reliability.

구체적으로, 상기 Hf0.2Zr0.8O2 화합물의 냉각 용량(곡선 Ge)은, 온도 범위(ΔTHL)가 25, 50, 100 및 150 K의 온도 범위(ΔTHL)에서, 각각 2.79, 5.41, 10.45 및 13.93 Jcm-3cycle-1의 값을 갖는다. 특히, 온도 범위(ΔTHL)가 50 K일 때, 상기 Hf0.2Zr0.8O2 화합물의 냉각 용량은 5.41 Jcm-3cycle-1이며, 자기열량 냉각에 사용되는 가돌리늄(Gd)이 상온에서 동일한 온도 범위(ΔTHL) 및 자기장 변화량이 50 kOe인 환경에서 갖는 냉각 용량인 3.1 Jcm-3cycle-1 보다 상당히 높다. 상기 Hf0.3Zr0.7O2 화합물의 냉각 용량(곡선 Gf)은, 25, 50, 100 및 150 K의 온도 범위(ΔTHL)에서, 0.91, 2.11, 4.44 및 6.87 Jcm-3cycle-1이며, 상기 Hf0.2Zr0.8O2 화합물의 냉각 용량보다 약 56 % 정도 작다.Specifically, the Hf 0.2 Zr 0.8 O cooling capacity of the second compound (curved Ge) has, in a temperature range (ΔT HL), 25, 50, 100, or 150 K temperature range (ΔT HL) of, respectively, 2.79, 5.41, 10.45 And 13.93 Jcm -3 cycle -1 . In particular, when the temperature range (DELTA T HL ) is 50 K, the cooling capacity of the Hf 0.2 Zr 0.8 O 2 compound is 5.41 Jcm -3 cycle -1 , and the gadolinium (Gd) Is much higher than the cooling capacity 3.1 Jcm -3 cycle -1 in an environment with a range (DELTA T HL ) and a magnetic field change of 50 kOe. The cooling capacity (curve Gf) of the Hf 0.3 Zr 0.7 O 2 compound is 0.91, 2.11, 4.44 and 6.87 Jcm -3 cycle -1 in the temperature range (ΔT HL ) of 25, 50, 100 and 150 K, Is about 56% smaller than the cooling capacity of the Hf 0.2 Zr 0.8 O 2 compound.

표 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 Hf1-xZrxO2 화합물의 온도 변화 ΔT 및 엔트로피 변화 ΔS는 Pb(Zr,Ti)O3, P(VDF-TrFE) 및 탄탈륨 산화물 보다 대체로 더 크지만, ΔE 의 값이 급격히 향상된 것을 확인할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 Hf1-xZrxO2 화합물의 다른 물질과 비교해 큰 ΔE 값은 이 물질의 큰 전기적 밴드갭 및 breakdown field에서 기인하며, 이는 냉각 용량을 향상시키는 기초가 될 수 있다. Referring to Table 3, the temperature change ΔT and the entropy change ΔS of the Hf 1-x Zr x O 2 compound according to the embodiment of the present invention are less than Pb (Zr, Ti) O 3 , P (VDF-TrFE) Although it is generally larger, it can be confirmed that the value of DELTA E has been drastically improved. Compared to other materials of the Hf 1-x Zr x O 2 compounds according to embodiments of the present invention, a large ΔE value results from the large electrical bandgap and breakdown field of the material, which can be the basis for improving cooling capacity .

전술한 실험예들은 Zr의 함유량이, 0.7, 0.8 및 0.9인 화합물에 관한 것이지만, 상기 화합물은 고용체적 특성을 가지므로 보간법 (interpolation, 補間法)에 의하여 0.7, 0.8 및 0.9을 포함하는 0.7 ≤ x < 0.9 의 조성 범위에서 유사한 정도의 에너지 하베스팅 효과와 전기열량 효과를 얻을 수 있다. 그리고, 각각의 조성에서 나타나는 그 조성의 부근에서 제시된 값들로부터 Vegard의 법칙을 바탕으로 예측할 수 있을 것이다. The above-mentioned experimental examples relate to compounds having Zr contents of 0.7, 0.8, and 0.9. However, since the compounds have solid-solubility characteristics, interpolations can be performed by interpolating 0.7? X &Lt; 0.9, a similar degree of energy harvesting effect and electric calorie effect can be obtained. Then, based on Vegard's law, we can predict from the values presented in the vicinity of the composition of each composition.

일 실시예에서, 상기 Hf1-xZrxO2 화합물의 에너지 저장 밀도는 통상의 Pb(Zr, Ti)O3 기반의 재료가 갖는 에너지 밀도인 10 Jcm-3 내지 15 Jcm-3 보다 4 배 또는 3 배 큰 46 Jcm-3으로서, 상기 Hf1-xZrxO2 화합물은 베터리나 전기화학 슈퍼커패시터를 대신할 에너지 저장 소자로 사용될 수 있다. 또한, 상기 Hf1-xZrxO2 화합물의 높은 초전 에너지 하베스팅 효과로 인해, 적외선 센서에 적용될 수 있다. 상기 Hf1-xZrxO2 화합물의 적외선 센서에 대한 적용성을 파악하기 위해, 초전 재료의 최소 감도(figure of merit, Fv)를 산출할 수 있다.In one embodiment, the energy storage density of the Hf 1-x Zr x O 2 compound is four times greater than the energy density of a typical Pb (Zr, Ti) O 3 -based material, 10 Jcm -3 to 15 Jcm -3 Or 3 times as large as 46 Jcm -3 , the Hf 1-x Zr x O 2 compound can be used as an energy storage element to replace a battery or an electrochemical supercapacitor. In addition, due to the high pyroelectric energy harvesting effect of the Hf 1-x Zr x O 2 compound, it can be applied to an infrared sensor. In order to understand the applicability of the Hf 1-x Zr x O 2 compound to the infrared sensor, the minimum sensitivity (figure of merit, Fv) of the pyroelectric material can be calculated.

적외선 센서에 적용되는 통상의 LiNbO3 및 LiTaO3 의 최소 감도는 각각 10.8×10-2 m2C-1 및 11.6×10-2 m2C-1이며, 상기 Hf0.2Zr0.8O2 박막은 32.0×10-2 m2C-1으로서 상기 LiTaO3에 비해 2.8배 크다. 또한, 상기 LiNbO3 및 LiTaO3는 실리콘 기판에 단결정 박막과 같은 특성을 가진 박막을 제조할 수 없기 때문에, 상기 LiNbO3 및 LiTaO3을 나노전자기술 또는 박막들로 이루어진 소자에 적용이 제한될 수 있다. 이에 반해, 다결정의 상기 Hf0.2Zr0.8O2 박막은 단결정 LiNbO3 및 LiTaO3 박막에 비해 최소 감도(Fv)가 높으며, 실리콘과 양립될 수 있기 때문에, 나노전자기술 및 대량 생산에 용이할 수 있다.
The typical sensitivities of LiNbO 3 and LiTaO 3 applied to infrared sensors are 10.8 × 10 -2 m 2 C -1 and 11.6 × 10 -2 m 2 C -1 , respectively, and the Hf 0.2 Zr 0.8 O 2 thin film is 32.0 × 10 -2 m 2 C -1 , which is 2.8 times larger than that of LiTaO 3 . In addition, since LiNbO 3 and LiTaO 3 can not produce a thin film having the same characteristics as a single crystal thin film on a silicon substrate, application of LiNbO 3 and LiTaO 3 to a device made of nanoelectronic technology or thin films may be limited . On the other hand, the polycrystalline Hf 0.2 Zr 0.8 O 2 thin film has a minimum sensitivity (Fv) higher than that of monocrystalline LiNbO 3 and LiTaO 3 thin films, and can be compatible with silicon, which makes it possible to facilitate nanoelectronic technology and mass production .

도 6는 본 발명의 다른 실시예에 따른, 에너지 하베스팅 소자(200a) 및 전기열량 냉각 소자(200b)가 하나의 기판 위에 형성된 모놀리식(monolithic) 소자의 구성도이다.6 is a configuration diagram of a monolithic device in which an energy harvesting device 200a and an electrothermal cooling device 200b are formed on one substrate according to another embodiment of the present invention.

도 6를 참조하면, 에너지 하베스팅 소자(200a) 및 전기열량 냉각 소자(200b)가 동일한 기판 위에 형성되어 단일의 모놀리식(monolithic) 소자(1000)가 제공될 수 있다. 에너지 하베스팅 소자(200a) 및 전기열량 냉각 소자(200b)를 구성하는 초전층은 본 발명의 실시예에 따른 Hf1-xZrxO3 (0.7 ≤ x < 0.9) 화합물을 포함할 수 있다. 상기 초전층은 실리콘과 양립성이 있는 재료이므로, 통상의 Si 프로세싱 기술을 통해 기판 상에 상기 화합물을 포함하는 초전층을 갖는 에너지 하베스팅 소자(200a) 및 전기열량 냉각 소자(200b)를 하나의 모놀리식 소자(1000)로 구현하기 용이하다.Referring to FIG. 6, an energy harvesting device 200a and an electrothermal cooling device 200b may be formed on the same substrate to provide a single monolithic device 1000. The superconducting layer constituting the energy harvesting element 200a and the electrothermal cooling element 200b may include a compound of Hf 1-x Zr x O 3 (0.7 ≦ x <0.9) according to an embodiment of the present invention. Since the pyroelectric layer is a material compatible with silicon, the energy harvesting device 200a and the electrothermal heating chiller 200b having the superconductive layer containing the compound on the substrate through a conventional Si processing technique can be used as one It is easy to implement with the monolithic device 1000.

모놀리식 소자(1000)의 에너지 하베스팅 소자(200a) 및 전기열량 냉각 소자(200b)의 동작 사이클은, 전술한 바와 같이 초전 에너지 하베스팅(pyroelectric energy harvesting) 및 전기열량 효과(electrocaloric effect)이다. 상기 초전 에너지 하베스팅 및 전기열량 효과는 서로 정확히 반대되는 사이클므로, 인가하는 전계와 온도 변화의 시퀀스(sequence)를 역전시키는 방법에 의해 에너지 하베스팅 소자(200a)를 전기열량 냉각 소자(200b)로 사용하거나 그 역으로 사용할 수 있다. 따라서, 에너지 하베스팅 소자(200a)와 전기열량 냉각 소자(200b)는 동일한 구조를 가질 수 있다. 일 실시예에서는, 인가하는 전계와 온도 변화의 시퀀스(sequence)를 역전시킴으로써 단일 소자를 에너지 하베스팅 소자와 전기열량 냉각 소자로서 한꺼번에 구현할 수도 있다.The operating cycles of the energy harvesting device 200a and the electrothermal cooling element 200b of the monolithic device 1000 are pyroelectric energy harvesting and electrocaloric effect as described above . Since the pyroelectric energy harvesting and the calorimetric effect are exactly opposite to each other, the energy harvesting element 200a is connected to the electrothermal cooling element 200b by a method of reversing the sequence of applied electric field and temperature change You can use it, or vice versa. Therefore, the energy harvesting element 200a and the electrothermal heating element 200b may have the same structure. In one embodiment, a single element may be implemented as an energy harvesting element and an electrothermal chill element at a time by reversing the sequence of applied field and temperature changes.

모노리식 소자(1000)는 에너지 하베스팅 소자(200a)로부터 생성된 에너지를 저장하기 위한 에너지 저장소(300)를 더 포함할 수 있다. 제 1 열원(도 2의 26 참조) 또는 제 2 열원(도 2의 27 참조)으로서 전자 회로부(400)는 에너지 하베스팅 소자(200a)로부터 전압을 공급받거나, 전자 회로부(400)는 에너지 저장소(300)에 저장된 에너지를 사용할 수도 있다. 또한, 제 1 열원(도 2의 26 참조) 또는 제 2 열원(도 2의 27 참조)으로서 전자 회로부(400)에서 발생하는 열은 전기열량 냉각 소자(200b)를 통해 전자 회로부(400)의 외부로 배출됨으로써, 전자 회로부(400)가 냉각될 수 있다.The monolithic device 1000 may further include an energy storage 300 for storing energy generated from the energy harvesting device 200a. The electronic circuit portion 400 may receive a voltage from the energy harvesting device 200a as a first heat source (see 26 in FIG. 2) or a second heat source (see 27 in FIG. 2) 300 may be used. The heat generated in the electronic circuit portion 400 as the first heat source (see FIG. 2) or the second heat source (see FIG. 2) is transmitted to the outside of the electronic circuit portion 400 through the electrothermal cooling element 200b So that the electronic circuit portion 400 can be cooled.

모놀리식 소자(1000)는 에너지 하베스팅 소자(200a), 전기열량 냉각 소자(200b), 에너지 저장소(300) 및 전자 회로부(400) 중 적어도 어느 하나에 연결되어 이를 제어하기 위한 제어부(500)를 더 포함할 수도 있다. 다른 실시예에서, 각각의 소자는 별도의 전력 공급원(미도시)을 포함하거나, 외부로부터 전력이 공급될 수도 있을 것이다. 또 다른 실시예에서, 모놀리식 소자(1000)는 에너지 하베스팅 소자(200a) 및 전기열량 냉각 소자(200b)에 각각 연결되는 복수의 회로들을 더 포함할 수 있다. 예를 들면, 모놀리식 소자(1000)는 에너지 저장 커패시터(energy storage capacitor), 적외선 센서(IR sensor) 및 고용량 커패시터 중 어느 하나 또는 2 이상의 소자들을 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 에너지 저장 커패시터, 적외선 센서 및 고용량 커패시터는 전술한 바와 같이 에너지 하베스팅 소자(200a) 및 전기열량 냉각 소자(200b)와 동일한 초전 재료로 형성될 수 있다. 하지만 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.The monolithic device 1000 is connected to at least one of the energy harvesting device 200a, the electrothermal cooling device 200b, the energy storage 300, and the electronic circuit unit 400, As shown in FIG. In other embodiments, each device may include a separate power source (not shown), or it may be powered from the outside. In yet another embodiment, the monolithic device 1000 may further include a plurality of circuits coupled to the energy harvesting device 200a and the electrothermal cooling device 200b, respectively. For example, the monolithic device 1000 may further include any one or more of two or more of an energy storage capacitor, an IR sensor, and a high capacity capacitor. In addition, the energy storage capacitor, the infrared sensor, and the high capacity capacitor may be formed of the same electroconductive material as the energy harvesting device 200a and the electrothermal cooling device 200b, as described above. However, the present invention is not limited thereto.

에너지 하베스팅 소자는 전술한 초전층의 일 예이며, 상기 초전층은 적외선 센서 그 자체로 응용될 수 있으며, 이 경우, 초전층은 단일 화소로서 구현되거나 상기 초전층을 패터닝하고 이에 어레이 구조의 전극들을 결합시킴으로써 복수의 화소들을 갖는 열화상 촬상 시스템(thermal imaging system)이 구현될 수도 있다.
The pyroelectric layer may be applied as an infrared sensor itself. In this case, the pyroelectric layer may be implemented as a single pixel, or the pyroelectric layer may be patterned, and an array structure electrode A thermal imaging system having a plurality of pixels may be implemented.

이상에서 설명한 본 발명이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the invention. Will be clear to those who have knowledge of.

Claims (29)

하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하고,
상기 화합물은 스페이스 그룹 P42/nmc의 tetragonal-상(phase)의 결정질을 포함하며, 상기 tetragonal-상과 스페이스 그룹 Pca21의 orthorhombic-상 사이의 전계 유도 상전이에 의한 이중 이력 루프 특성을 갖는 반강유전성 거동을 나타내는 초전층(pyroelectric layer).
[화학식 1]
Hf1-xZrxO2 이고,
0.7 ≤ x < 0.9임.
A compound represented by the following formula (1)
The compound comprises a tetragonal-phase crystalline phase of the space group P4 2 / nmc and has an antiferroelectric property with a dual hysteresis loop characteristic due to the electric field induced phase transition between the tetragonal phase and the orthorhombic phase of the space group Pca2 1 A pyroelectric layer representing the behavior.
[Chemical Formula 1]
Hf 1-x Zr x O 2 ,
0.7? X < 0.9.
삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 초전층의 두께는 7.0 nm 내지 30.0 nm 범위 내인 초전층.
The method according to claim 1,
Wherein the superconducting layer has a thickness in the range of 7.0 nm to 30.0 nm.
제 1 항에 있어서,
상기 초전층의 작동 온도 범위는 298 K 내지 448 K 범위 내인 초전층.
The method according to claim 1,
Wherein the superconducting layer has an operating temperature ranging from 298K to 448K.
제 1 항에 있어서,
상기 초전층의 작동 전압의 크기는 0.0 MV/cm 초과 4 MV/cm 범위 내인 초전층.
The method according to claim 1,
Wherein the operating voltage of the superconducting layer is in the range of greater than 0.0 MV / cm to 4 MV / cm.
서로 적어도 일부가 대향하는 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하고,
상기 화합물은 스페이스 그룹 P42/nmc의 tetragonal-상(phase)의 결정질을 포함하며, 상기 tetragonal-상과 스페이스 그룹 Pca21의 orthorhombic-상 사이의 전계 유도 상전이에 의한 이중 이력 루프 특성을 갖는 반강유전성 거동을 나타내는 초전층(pyroelectric layer);
[화학식 1]
Hf1-xZrxO2 이고,
0.7 ≤ x < 0.9임.
상기 초전층과 열 교환을 하며, 제 1 온도를 갖는 제 1 열원 및 상기 제 1 열원보다 높은 제 2 온도를 갖는 제 2 열원; 및
상기 제 1 전극 및 제 2 전극을 통하여 상기 초전층에 전압을 인가하기 위한 전압 소스(bias source)를 포함하며, 상기 초전층의 온도 변화로 인해 발생하는, 상기 초전층의 분극 현상으로부터 전기 에너지를 생산하는 에너지 하베스팅(harvesting) 소자.
Comprising a compound represented by the following formula (1) between a first electrode and a second electrode at least partially opposed to each other,
The compound comprises a tetragonal-phase crystalline phase of the space group P4 2 / nmc and has an antiferroelectric property with a dual hysteresis loop characteristic due to the electric field induced phase transition between the tetragonal phase and the orthorhombic phase of the space group Pca2 1 A pyroelectric layer representing the behavior;
[Chemical Formula 1]
Hf 1-x Zr x O 2 ,
0.7? X < 0.9.
A second heat source that is in heat exchange with the pyroelectric layer and has a first heat source having a first temperature and a second temperature higher than the first heat source; And
And a bias source for applying a voltage to the superlattice layer through the first electrode and the second electrode, wherein an electric energy generated due to a temperature change of the superlattice layer, Producing energy harvesting device.
삭제delete 제 6 항에 있어서,
상기 초전층의 두께는 7.0 nm 내지 30.0 nm 범위 내인 에너지 하베스팅 소자.
The method according to claim 6,
Wherein the thickness of the superconducting layer is in the range of 7.0 nm to 30.0 nm.
제 6 항에 있어서,
상기 초전층의 작동 온도 범위는 298 K 내지 448 K 범위 내인 에너지 하베스팅 소자.
The method according to claim 6,
Wherein the operating temperature range of the superconducting layer is in the range of 298K to 448K.
제 6 항에 있어서,
상기 초전층의 작동 전압의 크기는 0.0 MV/cm 초과 4 MV/cm 범위 내인 에너지 하베스팅 소자.
The method according to claim 6,
Wherein the operating voltage of the superconducting layer is in the range of greater than 0.0 MV / cm to 4 MV / cm.
제 6 항에 있어서,
상기 초전층이 상기 제 1 열원 및 상기 제 2 열원에 교대로 열교환이 이루어지도록 조절하는 스위치를 더 포함하는 에너지 하베스팅 소자.
The method according to claim 6,
Wherein the pyroelectric layer further comprises a switch for regulating heat exchange alternately with the first heat source and the second heat source.
제 6 항에 있어서,
상기 제 1 열원 또는 상기 제 2 열원은 각각 상기 제 1 전극 또는 상기 제 2 전극에 접촉하여 상기 초전층과 열교환이 이루어지는 에너지 하베스팅 소자.
The method according to claim 6,
Wherein the first heat source or the second heat source is in contact with the first electrode or the second electrode to perform heat exchange with the pyroelectric layer.
제 6 항에 있어서,
상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극을 통해 상기 초전층으로부터 생성된 전기에너지를 저장하는 저장소를 더 포함하는 에너지 하베스팅 소자.
The method according to claim 6,
And a reservoir for storing electrical energy generated from the superlattice layer through the first electrode and the second electrode.
제 6 항에 있어서,
상기 초전층은 복수의 초전층들을 포함하며, 상기 복수의 초전층들은 각각 Zr의 함유량이 다르거나 상기 복수의 초전층들 사이에 전극이 삽입된 에너지 하베스팅 소자.
The method according to claim 6,
Wherein the superconducting layer comprises a plurality of superconducting layers, each of the plurality of superconducting layers having different Zr contents or electrodes inserted between the plurality of superconducting layers.
제 14 항에 있어서,
상기 복수의 초전층들은 그 사이에 유전 물질 및 전도성 물질 중 어느 하나 또는 이들의 조합으로 채워지는 에너지 하베스팅 소자.
15. The method of claim 14,
Wherein the plurality of pyroelectric layers are filled with a dielectric material and / or a conductive material therebetween.
서로 적어도 일부가 대향하는 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하고,
상기 화합물은 스페이스 그룹 P42/nmc의 tetragonal-상(phase)의 결정질을 포함하며, 상기 tetragonal-상과 스페이스 그룹 Pca21의 orthorhombic-상 사이의 전계 유도 상전이에 의한 이중 이력 루프 특성을 갖는 반강유전성 거동을 나타내는 초전층(pyroelectric layer);
[화학식 1]
Hf1-xZrxO2 이고,
0.7 ≤ x < 0.9임.
상기 초전층과 열 교환을 하며, 제 1 온도를 갖는 제 1 열원 및 상기 제 1 열원보다 높은 제 2 온도를 갖는 제 2 열원; 및
상기 제 1 전극 및 제 2 전극을 통하여 상기 초전층에 전압을 인가하기 위한 전압 소스(bias source)를 포함하며, 상기 초전층의 전압 변화를 통해 온도 변화를 일으키는 전기열량 냉각 소자.
Comprising a compound represented by the following formula (1) between a first electrode and a second electrode at least partially opposed to each other,
The compound comprises a tetragonal-phase crystalline phase of the space group P4 2 / nmc and has an antiferroelectric property with a dual hysteresis loop characteristic due to the electric field induced phase transition between the tetragonal phase and the orthorhombic phase of the space group Pca2 1 A pyroelectric layer representing the behavior;
[Chemical Formula 1]
Hf 1-x Zr x O 2 ,
0.7? X < 0.9.
A second heat source that is in heat exchange with the pyroelectric layer and has a first heat source having a first temperature and a second temperature higher than the first heat source; And
And a bias source for applying a voltage to the superlattice layer through the first electrode and the second electrode, wherein the temperature change is caused by a voltage change of the superlattice layer.
삭제delete 제 16 항에 있어서,
상기 초전층의 두께는 7.0 nm 내지 30.0 nm 범위 내인 전기열량 냉각 소자.
17. The method of claim 16,
Wherein the superconducting layer has a thickness in the range of 7.0 nm to 30.0 nm.
제 16 항에 있어서,
상기 초전층의 작동 온도 범위는 298 K 내지 448 K 범위 내인 전기열량 냉각 소자.
17. The method of claim 16,
Wherein the operating temperature range of the superconducting layer is in the range of 298 K to 448 K.
제 16 항에 있어서,
상기 초전층의 작동 전압의 크기는 0.0 MV/cm 초과 4 MV/cm 범위 내인 전기열량 냉각 소자.
17. The method of claim 16,
Wherein the operating voltage of the superconducting layer is in the range of more than 0.0 MV / cm to 4 MV / cm.
제 16 항에 있어서,
상기 초전층이 상기 제 1 열원 및 상기 제 2 열원에 교대로 열교환이 이루어지도록 조절하는 스위치를 더 포함하는 전기열량 냉각 소자.
17. The method of claim 16,
Further comprising a switch for controlling the superconducting layer to heat exchange alternately with the first heat source and the second heat source.
제 16 항에 있어서,
상기 제 1 열원 또는 상기 제 2 열원은 각각 상기 제 1 전극 또는 상기 제 2 전극에 접촉하여 상기 초전층과 열교환이 이루어지는 전기열량 냉각 소자.
17. The method of claim 16,
Wherein the first heat source or the second heat source is in contact with the first electrode or the second electrode to perform heat exchange with the super pyroelectric layer.
제 16 항에 있어서,
상기 제 1 전극 및 제 2 전극을 통해 상기 초전층으로부터 생성된 전기에너지를 저장하는 저장소를 더 포함하는 전기열량 냉각 소자.
17. The method of claim 16,
Further comprising a reservoir for storing electrical energy generated from the superconducting layer through the first electrode and the second electrode.
제 16 항에 있어서,
상기 초전층은 복수의 초전층들을 포함하며, 상기 복수의 초전층들은 각각 Zr의 함유량이 다르거나 상기 복수의 초전층들 사이에 전극이 삽입된 전기열량 냉각 소자.
17. The method of claim 16,
Wherein the superconducting layer includes a plurality of superconducting layers, and the plurality of superconducting layers have Zr contents different from each other, or electrodes are inserted between the plurality of superconducting layers.
제 24 항에 있어서,
상기 복수의 초전층들은 그 사이에 유전 물질 및 전도성 물질 중 어느 하나 또는 이들의 조합으로 채워지는 전기열량 냉각 소자.
25. The method of claim 24,
Wherein the plurality of pyroelectric layers are filled with a dielectric material and / or a conductive material therebetween.
기판상에 형성된 복수의 회로들을 포함하는 모놀리식(monolithic) 소자로서,
상기 복수의 회로들은,
하기 화학식 1로 표시되는 제 1 화합물을 포함하고, 상기 제 1 화합물은 스페이스 그룹 P42/nmc의 tetragonal-상(phase)의 결정질을 포함하며, 상기 tetragonal-상과 스페이스 그룹 Pca21의 orthorhombic-상 사이의 전계 유도 상전이에 의한 이중 이력 루프 특성을 갖는 반강유전성 거동을 나타내는 초전층(pyroelectric layer)을 포함하는 에너지 하베스팅 소자부;
하기 화학식 1로 표시되는 제 2 화합물을 포함하고, 상기 제 2 화합물은 스페이스 그룹 P42/nmc의 tetragonal-상(phase)의 결정질을 포함하며, 상기 tetragonal-상과 스페이스 그룹 Pca21의 orthorhombic-상 사이의 전계 유도 상전이에 의한 이중 이력 루프 특성을 갖는 반강유전성 거동을 나타내는 초전층(pyroelectric layer)을 포함하는 전기열량 냉각 소자부;
[화학식 1]
Hf1-xZrxO2 이고,
0.7 ≤ x < 0.9임.
상기 에너지 하베스팅 소자부로부터 발생된 에너지를 저장하는 에너지 저장소;
상기 에너지 하베스팅 소자부에 연결되어 동작하는 제 1 전자 회로부;
상기 전기열량 냉각 소자부에 연결되어 동작하는 제 2 전자 회로부; 및
상기 제 1 전자 회로부, 상기 제 2 전자 회로부, 상기 에너지 하베스팅 소자부, 상기 전기열량 냉각 소자부, 및 상기 에너지 저장소의 동작을 제어하는 제어부를 포함하는 모놀리식 소자.
1. A monolithic device comprising a plurality of circuits formed on a substrate,
Wherein the plurality of circuits comprises:
Wherein the first compound comprises a tetragonal-phase crystalline phase of the space group P4 2 / nmc, wherein the tetragonal-phase and the orthorhombic-phase of the space group Pca2 1 An energy hubbing element part including a pyroelectric layer exhibiting an antiferroelectric behavior with a double hysteresis loop characteristic due to an electric field induced phase transition between the energy hubbing element part and the pyroelectric layer;
Wherein the second compound comprises a tetragonal-phase crystal of the space group P4 2 / nmc, wherein the tetragonal-phase and the orthorhombic-phase of the space group Pca2 1 comprise a second compound represented by the following formula An electrothermal cooling element including a pyroelectric layer exhibiting an antiferroelectric behavior having a double hysteresis loop characteristic due to an electric field induced phase transition between the electrodes;
[Chemical Formula 1]
Hf 1-x Zr x O 2 ,
0.7? X < 0.9.
An energy storage for storing energy generated from the energy harvesting element;
A first electronic circuit part connected to the energy harvesting device part and operated;
A second electronic circuit part connected to the electrothermal cooling element; And
A monolithic element including the first electronic circuit portion, the second electronic circuit portion, the energy harvesting element portion, the electrothermal coolant element, and a control portion for controlling operation of the energy storage.
삭제delete 제 26 항에 있어서,
상기 제 1 전자 회로부 및 상기 제 2 전자 회로부는 단일한 공통 회로로 구현된 모놀리식 소자.
27. The method of claim 26,
Wherein the first electronic circuit portion and the second electronic circuit portion are implemented as a single common circuit.
제 26 항에 있어서,
상기 에너지 하베스팅 소자부 및 상기 전기열량 냉각 소자부 중 적어도 어느 하나는 상기 제어부의 전계 변화 또는 온도 변화를 조절하는 시퀀스를 통해 조절되는 모놀리식 소자.
27. The method of claim 26,
Wherein at least one of the energy harvesting element part and the electrothermal cooling element part is controlled through a sequence of controlling an electric field change or a temperature change of the control part.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110069425A1 (en) * 2009-09-24 2011-03-24 International Business Machines Corporation Modularized three-dimensional capacitor array

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110069425A1 (en) * 2009-09-24 2011-03-24 International Business Machines Corporation Modularized three-dimensional capacitor array

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Chen-Kuo Chiang et al.,‘Characterization of Hf1-xZrxO2 with 0≤x≤1 Prepared by Atomic Layer Deposition for MOSFET Applications’, Japanese Jour. Applied Physics, Vol. 51, 2012. 1부.*
M. A. Sahiner et al.,‘Zr induced structural changes in Hf1-xZrxO2 high-k thin films’, Applied Physics A, ISSN 0947-8396, 23 Dec. 2013. 1부.*
Scott R. Hunter et al.,‘Development of MEMS based pyroelectric thermal energy harvesters’, Proceedings of SPIE, Vol. 8035, May. 2011. 1부.*
uller et al.,‘Ferroelectric Zr0.5Hf0.5O2 thin films for nonvolatile memory applications’, Applied Physics Letters, Vol. 99, 2011. 1부.*

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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