KR101796176B1 - 압전 나노와이어 구조체 및 이를 포함하는 전기 기기 - Google Patents

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Abstract

압전 나노와이어 구조체는 베이스 기판, 상기 베이스 기판 위에 배치되어 있는 복수의 압전 나노와이어, 그리고 상기 베이스 기판 위에 배치되어 있으며, 상기 복수의 압전 나노와이어를 덮고 있는 압전 유기물층을 포함할 수 있다.

Description

압전 나노와이어 구조체 및 이를 포함하는 전기 기기{PIEZOELECTRIC NANOWIRE STRUCTURE AND ELECTRIC DEVICE INCLUDING tHE SAME}
본 기재(disclosure)는 압전 나노와이어 구조체 및 이를 포함하는 전기 기기에 관한 것이다.
최근 전자 장치 분야에서 소자가 소형화되고 고성능화됨에 따라, 나노스케일의 소자들이 출현하였다. 이러한 나노스케일의 소자들을 제조하기 위해 나노와이어(nanowire)의 형성기술이 개발되었다. 나노와이어란 단면의 지름이 약 수 nm 에서 약 수백 nm 정도인 극미세선이다. 또한, 나노와이어의 길이는 지름의 약 수십 배에서 약 수천 배 이상으로 성장될 수 있다.
이러한 나노와이어는 기존의 벌크 구조에서 나타나는 일반적인 성질과 상이한 전기적, 화학적, 물리적 및 광학적 특성을 나타낼 수 있다. 나노와이어의 분자 특성들을 벌크 구조의 특성들과 함께 이용함으로써, 더욱 세밀하고 집적된 소자들을 구현할 수 있다. 나노와이어는 레이저, 트랜지스터, 메모리 또는 센서 등 다양한 분야에 이용될 수 있다.
그러나, 이러한 압전 나노와이어는 단면의 지름이 매우 작은 극미세선이기 때문에, 외부의 자극에 쉽게 손상될 수 있다.
또한, 최근 소형화되고 휴대가 용이하며 서로 상이한 다양한 기능들을 통합한 모바일 전자기기들이 생산되는 추세에 있다. 이러한 모바일 전자기기들에 전력을 공급하기 위해서는, 적당한 용량의 배터리가 요구된다. 그러나 현재 이들에 전력을 공급하는 배터리의 용량은 이들 기기에 기능이 통합되는 속도에 비하여 뒤쳐지고 있다. 따라서, 보조 배터리의 필요성이 있으며 이러한 보조 배터리는 무선 충전이 가능한 긴급 전원으로 개발될 필요가 있을 수도 있다.
외부 자극에 의해서도 쉽게 손상되지 않는 압전 나노와이어 구조체 및 이를 이용한 전기 기기를 제공한다.
본 발명의 일측면은 압전 나노와이어 구조체를 제공할 수 있다.
압전 나노와이어 구조체는 베이스 기판, 상기 베이스 기판 위에 배치되어 있는 복수의 압전 나노와이어, 그리고 상기 베이스 기판 위에 배치되어 있으며, 상기 복수의 압전 나노와이어를 덮고 있는 압전 유기물층을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일측면은 전기 기기를 제공할 수 있다.
전기 기기는 서로 이격된 제1 전극 및 제2 전극, 상기 제1 전극 위에 배치되어 있는 복수의 압전 나노와이어, 그리고 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 배치되어 있으며, 상기 복수의 압전 나노와이어를 덮고 있는 압전 유기물층을 포함할 수 있다.
무기물로 이루어진 압전 나노와이어 층을 유기물로 이루어진 압전 물질로 덮어 보호함으로써, 외부 자극에 의해 압전 나노와이어가 손상되는 것을 방지함과 동시에, 압전 나노와이어의 압전 특성을 높일 수 있다.
압전 나노와이어를 덮고 있는 유기물 압전 물질이 빛을 받아 전자-전공 쌍을 분리할 수 있는 경우, 태양광에 의한 에너지 발생 및 압전에 의한 에너지 발생이 동시에 이루어질 수 있어, 에너지 발생 효율이 향상될 수 있음은 물론 에너지 발생과 압력 센싱을 동시에 구현하는 다기능 소자 개발이 가능하다.
도 1a는 한 실시예에 따른 압전 나노와이어 구조체를 도시한 단면도이다.
도 1b는 한 실시예에 따른 압전 나노와이어 구조체의 동작을 나타내는 단면도이다.
도 2a는 다른 한 실시예에 따른 압전 나노와이어 구조체를 도시한 단면도이다.
도 2b는 다른 한 실시예에 따른 압전 나노와이어 구조체의 동작을 나타내는 단면도이다.
도 3a은 다른 한 실시예에 따른 압전 나노와이어 구조체를 도시한 단면도이다.
도 3b은 다른 한 실시예에 따른 압전 나노와이어 구조체를 도시한 단면도이다.
도 4는 한 실시예에 따른 압전 나노와이어 구조체를 포함하는 전기 에너지 발생 장치를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 5는 도 4에 도시한 전기 에너지 발생 장치의 제1 동작을 개념적으로 나타내는 단면도이다.
도 6은 도 4에 도시한 전기 에너지 발생 장치의 제2 동작을 개념적으로 나타내는 단면도이다.
도 7은 다른 한 실시예에 따른 압전 나노와이어 구조체를 포함하는 전기 기기의 분해 사시도이다.
이하에서는, 도면을 참고하여 실시예를 구체적으로 설명한다.
도 1a 및 도 1b를 참고하여, 한 실시예에 따른 압전 나노와이어 구조체를 설명한다. 도 1a는 한 실시예에 따른 압전 나노와이어 구조체를 도시한 단면도이고, 도 1b는 한 실시예에 따른 압전 나노와이어 구조체의 동작을 나타내는 단면도이다.
도 1a를 참고하면, 압전 나노와이어 구조체는 베이스 기판(110), 베이스 기판(110) 위에 성장된 복수의 압전 나노와이어(nanowire)(210), 그리고 복수의 압전 나노와이어(210)를 덮고 있는 압전 유기물층(310)을 포함한다.
베이스 기판 (110)은 Glass 나 Si 같은 무기물이 될 수 있으며,Polyethylene terephthalate (PET), Polyethylene sulfone (PES) 등의 polymer 물질일 수 있다. 또한, 베이스 기판 (110)은 위와 같은 절연 물질 위에 금속, 금속 산화물, CNT, Graphene 등 전도성 물질이 코팅되어 있을 수 있다. 이와 같은 베이스 기판은 투명 할 수도 있으며, Flexible할 수도 있다.
압전 나노와이어(210)는 무기물로 이루어질 수 있고, 산화아연(ZnO), 납-지르코늄-티타늄산화물(lead zirconate titanate; PZT), 티탄산바륨(BaTiO3),티탄산 납 (PbTiO3), 질화알루미늄(AlN), 질화갈륨(GaN), 또는 탄화실리콘(SiC) 및 다른 적당한 압전 물질 중 어느 하나 또는 이들의 둘 이상의 조합을 포함할 수 있다. 본 실시예에서, 압전 나노와이어(210)를 구성하는 압전 물질은 반도체 특성을 가질 수도 있다. 예를 들어, 도핑되지 않은 산화아연(ZnO)으로 이루어진 압전 나노와이어(210)의 경우 n형(n-type) 반도체 특성을 갖는다.
압전 나노와이어(210)를 덮고 있는 압전 유기물층(310)은 PVDF (Polyvinylidene fluoride)와 같은 절연성 압전 유기물일 수 있으며, P3HT {poly(3-hexylthiophene)}, 폴리아닐린(Polyaniline), 폴리피롤(Polypyrrole), PPV(Poly(p-phenylene vinylene)), 폴리비닐렌(Polyvinylene), 폴리아세틸렌(Polyacetylene), 폴리타이펜(polythiphene) 및 이들의 유도체(derivatives)와 같은 반도체 특성을 같는 유기물을 포함하는 복합재료 형태일 수 있다.
압전 유기물층(310)은 다양한 방법, 예를 들어 스핀 코팅(spin coating), 딥 코팅(dip coating), 스퍼터링(sputtering), 전자빔 증착법(e-beam evaporation), 열증착법(thermal evaporation) 등으로 적층될 수 있다.
도 1b를 참고하면, 압전 나노와이어 구조체에 외부에서 힘을 가했을 때, 압전 나노와이어 구조체 내의 압전 나노와이어(210)는 힘이 가해진 위치에서 압축된다. 이때, 압전 나노와이어(210)를 덮고 있는 압전 유기물층(310)은 압전 나노와이어(210)를 보호하여 압전 나노와이어(210)가 부러지는 등의 손상을 방지할 수 있다. 또한, 압전 유기물층(310)의 압전 특성에 의해 압전 나노와이어 구조체의 압전 특성이 향상되게 된다.
도 2a 및 도 2b를 참고하여, 다른 한 실시예에 따른 압전 나노와이어 구조체를 설명한다. 도 2a는 다른 한 실시예에 따른 압전 나노와이어 구조체를 도시한 단면도이고, 도 2b는 다른 한 실시예에 따른 압전 나노와이어 구조체의 동작을 나타내는 단면도이다.
도 2a를 참고하면, 본 실시예에 따른 압전 나노와이어 구조체는 도 1a에 도시한 압전 나노와이어 구조체와 유사하다.
본 실시예에 따른 압전 나노와이어 구조체는 베이스 기판(110), 베이스 기판(110) 위에 성장된 복수의 압전 나노와이어(nanowire)(210), 그리고 복수의 압전 나노와이어(210)의 표면에 코팅되어 있는 압전 유기물층(310)을 포함한다.
압전 나노와이어(210)는 산화아연(ZnO), 납-지르코늄-티타늄산화물(lead zirconate titanate; PZT), 티탄산바륨(BaTiO3), 티탄산납(PbTiO3), 질화알루미늄 (AlN), 질화갈륨(GaN), 또는 탄화실리콘(SiC) 및 다른 적당한 압전 물질 중 어느 하나 또는 이들의 둘 이상의 조합을 포함할 수 있다. 본 실시예에서, 압전 나노와이어(210)를 구성하는 압전 물질은 반도체 특성을 가질 수도 있다. 예를 들어, 도핑되지 않은 산화아연(ZnO)으로 이루어진 압전 나노와이어(210)의 경우 n형(n-type) 반도체 특성을 갖는다.
압전 나노와이어(210)를 덮고 있는 압전 유기물층(310)은 PVDF (Polyvinylidene fluoride)와 같은 절연성 압전 유기물일 수 있으며, P3HT {poly(3-hexylthiophene)}, 폴리아닐린(Polyaniline), 폴리피롤(Polypyrrole), PPV(Poly(p-phenylene vinylene)), 폴리비닐렌(Polyvinylene), 폴리아세틸렌(Polyacetylene), 폴리타이펜(polythiphene) 및 이들의 유도체(derivatives)와 같은 반도체 특성을 같는 유기물을 포함하는 복합재료 형태 일 수 있다.
압전 유기물층(310)은 다양한 방법, 예를 들어 스핀 코팅(spin coating), 딥 코팅(dip coating), 스퍼터링(sputtering), 전자빔 증착법(e-beam evaporation), 열증착법(thermal evaporation) 등으로 코팅될 수 있다.
그러나, 도 1a에 도시한 압전 나노와이어 구조체와는 달리, 본 실시예에 따른 압전 나노와이어 구조체의 압전 유기물층(310)은 압전 나노와이어(210)의 표면에만 코팅되어 있다. 이에 의해 외부로부터 힘이 가해졌을 때, 복수의 압전 나노와이어(210)는 개별적으로 변형되기 쉽다.
도 2b를 참고하면, 압전 나노와이어 구조체에 외부에서 힘을 가했을 때, 압전 나노와이어 구조체 내의 압전 나노와이어(210)는 힘이 가해진 위치에서 상하 방향으로 압축되거나, 좌우로 이동하면서 압축 또는 인장될 수 있다. 이때, 압전 나노와이어(210)의 표면에 코팅되어 있는 압전 유기물층(310)은 압전 나노와이어(210)를 보호하여 압전 나노와이어(210)가 부러지는 등의 손상을 방지할 수 있다. 또한, 압전 유기물층(310)의 압전 특성에 의해 압전 나노와이어 구조체의 압전 특성이 향상되게 된다.
도 3a 및 도 3b를 참고하여, 다른 한 실시예에 따른 압전 나노와이어 구조체를 설명한다. 도 3a 및 도 3b는 다른 한 실시예에 따른 압전 나노와이어 구조체를 도시한 단면도이다.
도 3a를 참고하면, 본 실시예에 따른 압전 나노와이어 구조체는 도 1a에 도시한 압전 나노와이어 구조체와 유사하다.
본 실시예에 따른 압전 나노와이어 구조체는 베이스 기판(110), 베이스 기판(110) 위에 성장된 복수의 압전 나노와이어(nanowire)(210), 그리고 복수의 압전 나노와이어(210)를 덮고 있는 압전 유기물층(310)을 포함한다.
압전 나노와이어(210)는 산화아연(ZnO), 납-지르코늄-티타늄산화물(lead zirconate titanate; PZT), 티탄산바륨(BaTiO3), 티탄산납 (PbTiO3), 질화알루미늄(AlN), 질화갈륨(GaN), 또는 탄화실리콘(SiC) 및 다른 적당한 압전 물질 중 어느 하나 또는 이들의 둘 이상의 조합을 포함할 수 있다. 본 실시예에서, 압전 나노와이어(210)를 구성하는 압전 물질은 반도체 특성을 가질 수도 있다. 예를 들어, 도핑되지 않은 산화아연(ZnO)으로 이루어진 압전 나노와이어(210)의 경우 n형(n-type) 반도체 특성을 갖는다.
압전 나노와이어(210)를 덮고 있는 압전 유기물층(310)은 PVDF (Polyvinylidene fluoride)와 같은 절연성 압전 유기물일 수 있으며, P3HT {poly(3-hexylthiophene)}, 폴리아닐린(Polyaniline), 폴리피롤(Polypyrrole), PPV(Poly(p-phenylene vinylene)), 폴리비닐렌(Polyvinylene), 폴리아세틸렌(Polyacetylene), 폴리타이펜(polythiphene) 및 이들의 유도체(derivatives)와 같은 반도체 특성을 같는 유기물을 포함하는 복합재료 형태 일 수 있다.
그러나, 도 1a에 도시한 압전 나노와이어 구조체와는 달리, 본 실시예에 따른 압전 나노와이어 구조체의 압전 나노와이어(210)의 표면은 에칭되어 편평하지 않다. 이에 의해 압전 나노와이어(210)를 덮고 있는 압전 유기물층(310)과의 접촉 특성이 향상될 수 있다. 이처럼, 압전 무기물층(210)과 유기물층(310)의 계면 접촉 면적이 넓어짐으로서 전기적 특성이 향상될 수 있으며, 외부의 힘에 대해 압전 무기물의 변형이 쉽게 유도되어 압전 특성이 향상될 수 있다.
도 3b를 참고하면, 본 실시예에 따른 압전 나노와이어 구조체의 압전 나노와이어(210)의 내부는 튜브 형태로 에칭되어 있다. 이처럼, 압전 나노와이어(210)의 내부를 에칭하여 튜브 형태로 형성함으로써, 압전 무기물층(210)과 유기물층(310)의 계면 접촉 면적이 넓어짐으로서 전기적 특성이 향상될 수 있으며, 외부의 힘에 대해 압전 무기물의 변형이 쉽게 유도되어 압전 특성이 향상될 수 있다.
다음으로, 도 4 내지 도 6을 참고하여, 한 실시예에 따른 압전 나노와이어 구조체를 포함하는 전기 기기에 대하여 설명한다. 도 4는 한 실시예에 따른 압전 나노와이어 구조체를 포함하는 전기 에너지 발생 장치를 개략적으로 도시한 단면도이고, 도 5는 도 4에 도시한 전기 에너지 발생 장치의 제1 동작을 개념적으로 나타내는 단면도이고, 도 6은 도 4에 도시한 전기 에너지 발생 장치의 제2 동작을 개념적으로 나타내는 단면도이다.
도 4를 참고하면, 한 실시예에 따른 압전 나노와이어 구조체를 포함하는 전기 기기는, 전기 에너지 발생 장치로서, 서로 마주보는 하부 기판(100)과 상부 기판(200), 그리고, 하부 기판(100)과 상부 기판(200) 사이에 배치되어 있는 압전 나노와이어 구조체(300), 그리고 하부 기판(100)과 상부 기판(200)을 전기적으로 연결하는 연결부(401)와 연결부(401)에 연결되어 있는 저장부(402)를 포함한다. 압전 나노와이어 구조체(300)는 하부 기판(100) 위에 형성될 수 있다.
하부 기판(100)은 제1 기판(101), 제1 기판(101) 위에 형성되어 있는 제1 전극(102)을 포함하고, 상부 기판(200)은 제2 기판(201), 제2 기판 위에 형성되어 있는 제2 전극(202)을 포함한다. 제1 기판(101) 및 제2 기판(201)은 가요성(flexible)일 수 있고, 투명할 수 있다. 도시하지는 않았지만, 제1 전극(102) 또는 제2 전극(202) 위에는 전자 및 정공의 이동을 한쪽 방향으로 촉진시키기 위해 방해층(Blocking layer) 또는 이동층(Transport layer)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 제2 전극(202)위에 산화몰리브덴(MoOx) 층을 코팅함으로써 전자의 이동을 방해하고 정공의 이동을 향상시켜 제2 전극(202)으로는 정공만을 선택적으로 이동시킬 수 있도록 할 수 있다. 제1 기판(101) 및 제2 기판(201)은 플라스틱 등 가요성 물질을 포함할 수 있어서, 인가된 외부 응력에 의해 변형가능하다. 제1 전극(102)은 산화인듐주석(ITO, Indium Tin Oxide), 탄소나노튜브(CNT, Carbon nanotube), 그라핀(graphene), 투명 전도성 고분자(conductive polymer) 및 다른 적당한 물질 중 어느 하나 또는 이들의 둘 이상의 조합을 포함할 수 있다. 제2 전극(202)은 금(Au), 금-팔라듐 합금(AuPd), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 루테늄(Ru), 또는 다른 적당한 금속 중 어느 하나 또는 이들의 둘 이상의 조합을 포함할 수 있다. 제1 전극(102) 및 제2 전극(202) 중 적어도 하나는 인가된 응력에 의해 변형 가능한 가요성(flexible) 전극으로 이루어질 수도 있다.
제1 전극(102)과 제2 전극(202)은 연결부(401)에 의해 서로 연결되어 있다. 연결부(401)는 도전성 물질로 이루어진다.
압전 나노와이어 구조체(300)는 무기물로 이루어진 복수의 압전 나노와이어(301)와 복수의 압전 나노와이어를 덮고 있는 압전 유기물층(302)을 포함한다.
압전 나노와이어(301)는 압전 특성을 가지는 무기물로서, 산화아연(ZnO), 납-지르코늄-티타늄산화물(lead zirconate titanate; PZT), 티탄산바륨(BaTiO3), 티탄산납 (PbTiO3), 질화알루미늄(AlN), 질화갈륨(GaN), 또는 탄화실리콘(SiC) 및 다른 적당한 압전 물질 중 어느 하나 또는 이들의 둘 이상의 조합을 포함할 수 있다. 본 실시예에서, 압전 나노와이어(301)를 구성하는 압전 물질은 반도체 특성을 가질 수도 있다. 예를 들어, 도핑되지 않은 산화아연(ZnO)으로 이루어진 압전 나노와이어(301)의 경우 n형(n-type) 반도체 특성을 갖는다.
압전 유기물층(302)은 광전 변환 특성을 가질 수 있는데, 압전 유기물층(302)은 태양광 등의 광을 흡수함으로써 전자-정공 쌍(exiton)을 생성하는 p-형(p-type) 유기 반도체를 포함할 수 있다. 구체적으로, 압전 유기물층(302)은 P3HT{poly(3-hexylthiophene)}를 포함할 수 있다.
복수의 압전 나노와이어(301)는 제1 전극(102) 위에 성장될 수 있다. 복수의 압전 나노와이어(301)를 제1 기판(101) 위에 바로 형성하지 않고 제1 전극(102) 위에 성장시킬 경우 압전 나노와이어(301)의 성장 제어가 용이하다. 예를 들어, 압전 나노와이어(301)가 제1 전극(102)으로부터 수직 방향으로 성장될 수 있고, 각각의 압전 나노와이어(301) 사이의 형상 또는 방향성의 균일도가 향상될 수 있다. 그러나 압전 나노와이어(301)의 성장 이전에 제1 기판(101) 위에 얇은 전도성 산화아연(ZnO)의 박막이 성장되고, 이 경우 산화아연 박막이 제1 전극(102)의 역할을 할 수도 있다.
압전 나노와이어(301)는 제1 전극(102) 및 제2 전극(202)의 표면에 수직한 방향으로 연장될 수 있다. 압전 나노와이어(301)는 제1 전극(102) 및 제2 전극(202)의 표면에 대해 수직하지 않은 방향으로 경사지게 연장될 수 있다. 본 개시와 도면에 도시되어 있는 압전 나노와이어(301)의 개수는 예시적인 것으로서, 압전 나노와이어(301)의 개수 및 배치는 장치의 크기 및 용도에 따라 서로 다를 수 있음은 분명하다.
그러면, 도 4에 도시한 실시예에 따른 전기 에너지 발생 장치의 동작에 대하여 도 5 및 도 6을 참고로 설명한다. 도 5는 본 실시예에 따른 전기 에너지 발생 장치의 제1 동작을 개념적으로 나타내는 단면도이고, 도 6은 본 실시예에 따른 전기 에너지 발생 장치의 제2 동작을 개념적으로 나타내는 단면도이다.
먼저, 도 5를 참고하여 압전 나노와이어 구조체를 포함하는 전기 에너지 발생 장치에 응력이 인가된 경우에 해당하는 제1 동작을 설명한다.
전기 에너지 발생 장치에 응력이 인가되면, 응력이 인가된 위치(A)에서 제2 기판(201) 및 제2 전극(202)이 아래로 휘어질 수 있다. 제2 기판(201) 및 제2 전극(202)이 아래로 휘어짐에 따라, 제1 전극(102)과 제2 전극(202) 사이의 거리가 감소하게 되어, 위치(A)에 배치되어 있는 압전 나노와이어(301)와 압전 유기물층(302)은 압축되어 변형될 수 있고, 변형된 압전 나노와이어(301)와 압전 유기물층(302)은 압전 효과(piezoelectric effect)를 나타낸다. 즉, 압전 나노와이어(301)와 압전 유기물층(302)의 각 부분은 인가된 압축 응력 또는 인장 응력에 따라 소정의 전위를 갖게 된다. 이때, 압전 나노와이어(301)를 덮고 있는 압전 유기물층(302)은 압전 나노와이어(301)를 보호하여 압전 나노와이어(301)가 부러지는 등의 손상을 방지할 수 있다. 또한, 압전 유기물층(302)의 압전 특성에 의해 압전 나노와이어 구조체의 압전 특성이 향상되게 된다.
압전 나노와이어(301)와 압전 유기물층(302)의 압전 효과에 의해 발생된 전자(503)는 제1 전극(102) 또는 제 2전극 (202)으로 이동하고, 이에 따라 전기 에너지가 발생한다.
이때, 압전 나노와이어(301)와 압전 유기물층(302)에 의해 발생되는 전기 에너지를 저장부(402)에 저장할 수도 있다. 또한, 교류(AC) 형태로 전기에너지가 발생될 때 이를 직류(DC) 형태로 변환하기 위한 변환기(converter)(도시하지 않음)가 사용될 수 있다.
저장부(402)는 충전 가능한 전지, 커패시터 또는 다른 적당한 전기 에너지 저장 수단, 예를 들어, 니켈-카드뮴 전지, 니켈-수소 전지, 리튬 이온 전지 또는 리튬 폴리머(polymer) 전지를 포함할 수 있다. 또한, 저장부(402)는 전압을 증폭하기 위한 증폭기(도시하지 않음)를 더 포함할 수 있다.
도 5에서는 전기 에너지 발생 장치의 상부에 응력이 인가되어 제2 기판(201) 및 제2 전극(202)이 휘어진 경우를 예시적으로 도시하였으나, 제1 전극(102)에 응력이 인가되거나, 또는 제1 전극(102)과 제2 전극(202) 양쪽에 응력이 인가되더라도 동일한 효과를 얻을 수 있다. 즉, 전기 에너지 발생 장치를 누르거나 구부림으로써 전기 에너지를 발생시킬 수 있다.
다음으로, 도 6을 참고하여 압전 나노와이어 구조체를 포함하는 전기 에너지 발생 장치가 태양광 등의 광을 흡수하는 경우에 해당하는 제2 동작을 설명한다.
전기 에너지 발생 장치에 태양광 등의 광이 조사되면, 조사된 광의 일부 또는 전체가 압전 나노와이어 구조체(300)에 도달할 수 있다. 압전 나노와이어 구조체(300)에 포함되어 있는 전자들이 조사된 광으로부터 에너지를 흡수하면, 압전 나노와이어(301)를 덮고 있는 압전 유기물층(302)의 광전변환 특성으로, 여기 상태의 전자-정공 쌍(exiton)이 형성될 수 있다. 전자-전공 쌍은 p형의 압전 유기물층(302)과 n형의 압전 나노와이어(301) 사이의 계면에서 전자(501) 및 정공(502)으로 분리될 수 있다. 분리된 전자(501)는 n형의 압전 나노와이어(301)를 따라 양극(anode), 즉 제1 전극(102) 쪽으로 이동하고, 정공(502)은 압전 유기물층(302)을 따라 음극(cathode), 즉 제2 전극(202) 쪽으로 이동한다.
도시한 실시예에서, 태양광은 전기 에너지 발생 장치의 하부로부터 조사되었으나, 태양광은 전기 에너지 발생 장치의 상부로부터 조사될 수 있다. 전기 에너지 발생 장치의 상부로부터 태양광이 조사되는 경우, 복수의 압전 나노와이어(301)는 조사된 광에 대한 집광 효과를 유도해 압전 나노와이어 구조체(300)의 전기 에너지 발생 효율을 향상할 수도 있다.
이처럼 전자(501)는 제1 전극(102)으로 이동하고, 정공(502)은 제2 전극(202)으로 이동함에 따라서, 연결부(401)에 의해 서로 연결되어 있는 제1 전극(102)과 제2 전극(202), 압전 나노와이어 구조체(300)로 이루어진 폐회로를 통하여 전류가 흐를 수 있다. 연결부(401)에는 저장부(402)가 전기적으로 연결되어 있어, 압전 나노와이어 구조체(300)에 의해 발생된 전기 에너지를 저장부(402)에 저장할 수 있다.
이와 같이, 압전 나노와이어 구조체의 압전 유기물층(302)은 광전 변환 특성을 가질 수 있다. 따라서, 압전 나노와이어 구조체를 포함하는 전기 에너지 발생 장치는 압전 나노와이어에 응력을 가하여 압전 현상을 이용하여 전기 에너지를 발생할 수 있을 뿐만 아니라, 태양광 등의 광을 이용하여 전기 에너지를 발생할 수도 있다.
도 1a 내지 도 3b에 도시한 압전 나노와이어 구조체의 많은 특징들은 도 4에 도시한 전기 기기에 포함되어 있는 압전 나노와이어 구조체에도 적용 가능하다.
그러면, 도 7을 참고하여, 다른 한 실시예에 따른 압전 나노와이어 구조체를 포함하는 전기 기기에 대하여 설명한다. 도 7은 다른 한 실시예에 따른 압전 나노와이어 구조체를 포함하는 전기 기기의 분해 사시도이다.
도 7에 도시한 전기 기기는 도 4에 도시한 전기 기기와 유사하다. 특히, 도 4에 도시한 전기 기기의 제1 기판(101), 제2 기판(201), 압전 나노와이어 구조체(300)의 구성 및 기능은 도 4에 도시한 전기 기기와 유사하므로 구체적인 설명은 생략한다.
그러나, 도 4에 도시한 전기 기기와는 달리, 도 7에 도시한 전기 기기의 제1 전극(102) 및 제2 전극(202)은 복수 개로 나누어진 형태로 구성된다. 제1 전극(102)은 제1 기판(101) 상에서 제1 방향(D2)으로 뻗어 있고, 서로 이격되어 있는 복수 개의 제1 서브 전극(102a, 102b, 102c)을 포함한다. 제2 전극(202)은 제2 기판(201) 상에서 제1 방향(D2)과 수직한 제2 방향(D3)으로 뻗어 있고, 서로 이격되어 있는 복수 개의 제2 서브 전극(202a, 202b, 202c)을 포함한다.
각각 복수 개의 제1 서브 전극과 제2 서브 전극을 포함하는 제1 전극(102) 및 제2 전극(202)은 매트릭스(matrix) 형태의 어레이(array)를 이룰 수 있다. 도 7에 도시된 제1 전극(102) 및 제2 전극(202)의 개수는 예시적인 것으로서, 이에 제한되지 않으며, 제1 전극(102) 및 제2 전극(202)의 개수는 장치의 크기 및 용도에 따라 상이할 수 있다.
이와 같이, 매트릭스 형태의 어레이를 이루도록 배치되어 있는 제1 전극(102) 및 제2 전극(202)을 포함하는 전기 기기를 이용할 경우, 복수 개의 제1 서브 전극(102a, 102b, 102c) 중 전류가 흐르는 전극 및 복수 개의 제2 서브 전극(202a, 202b, 202c) 중 전류가 흐르는 전극을 감지함으로써, 응력이 인가된 위치를 감지하는 것이 가능하다. 따라서, 이 전기 기기를 터치 센서 등에 적용하는 경우, 응력이 인가된 위치를 감지할 수도 있다. 또한, 에너지 발생을 하면서, 압력을 센싱하는 역할을 동시에 구현할 수 있는 다기능 소자로의 개발이 가능하다.
도 7에 도시한 전기 기기에서, 압전 나노와이어(301)는 복수 개의 제1 전극(102) 위에 형성되어 있으나, 다른 실시예에 따른 전기 에너지 발생 장치의 경우, 압전 나노와이어(301)는 제1 전극(102)과 제2 전극(202)이 서로 교차하는 영역에만 형성될 수도 있다.
또한, 도 7에 도시한 전기 기기에서, 제1 전극(102)과 제2 전극(202)은 서로 수직하는 방향으로 뻗어 있으나, 이는 예시적인 것으로서, 다른 실시예에 따른 전기 에너지 발생 장치의 경우, 제2 전극(202)은 제1 전극(102)이 뻗어 있는 제1 방향(D2)에 경사진 방향으로 뻗어 있을 수도 있다.
도 1a 내지 도 3b에 도시한 압전 나노와이어 구조체의 많은 특징들은 도 7에 도시한 전기 기기에 포함되어 있는 압전 나노와이어 구조체에도 적용 가능하다.
또한, 도 4 내지 도 6에 도시한 전기 에너지 발생 장치의 많은 특징들은 도 7에 도시한 전기 기기에도 적용가능하다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (23)

  1. 베이스 기판,
    상기 베이스 기판 위에 배치되어 있는 복수의 압전 나노와이어, 그리고
    상기 베이스 기판 위에 배치되어 있으며, 상기 복수의 압전 나노와이어를 덮고 있는 압전 유기물층을 포함하고,
    상기 압전 유기물층은 인접한 압전 나노와이어들 사이의 전체 영역에 형성되어 있고,
    상기 복수의 압전 나노와이어의 표면은 에칭되어 요철 구조를 가지는
    압전 나노와이어 구조체.
  2. 제1항에서,
    상기 압전 유기물층은 상기 복수의 압전 나노와이어를 완전히 덮고 있는 압전 나노와이어 구조체.
  3. 제1항에서,
    상기 압전 유기물층은 상기 압전 나노와이어의 표면에 코팅되어 있는 압전 나노와이어 구조체.
  4. 제1항에서,
    상기 압전 나노와이어의 표면 또는 내부가 에칭되어 있는 압전 나노와이어 구조체.
  5. 제1항에서,
    상기 압전 나노와이어는 산화아연(ZnO), 납-지르코늄-티타늄산화물(PZT), 티탄산 바륨(BaTiO3), 티탄산납 (PbTiO3), 질화알루미늄(AlN), 질화갈륨(GaN), 또는 탄화실리콘(SiC)을 포함하는 압전 나노와이어 구조체.
  6. 제1항에서,
    상기 압전 유기물질층은 PVDF (Polyvinylidene fluoride) 및 P3HT {poly(3-hexylthiophene)}, 폴리아닐린(Polyaniline), 폴리피롤(Polypyrrole), PPV(Poly(p-phenylene vinylene)), 폴리비닐렌(Polyvinylene), 폴리아세틸렌(Polyacetylene), 폴리타이펜(polythiphene) 및 이들의 유도체(derivatives) 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 반도체 특성을 갖는 유기물과 복합재 형태를 이루는 압전 나노와이어 구조체.
  7. 서로 이격된 제1 전극 및 제2 전극,
    상기 제1 전극 위에 배치되어 있는 복수의 압전 나노와이어, 그리고
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 배치되어 있으며, 상기 복수의 압전 나노와이어를 덮고 있는 압전 유기물층을 포함하고,
    상기 압전 유기물층은 인접한 압전 나노와이어들 사이의 전체 영역에 형성되어 있고,
    상기 복수의 압전 나노와이어의 표면은 에칭되어 요철 구조를 가지는
    전기 기기.
  8. 제7항에서,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 적어도 하나는 인가된 응력에 의하여 변형되는 가요성을 가지는 전기 기기.
  9. 제8항에서,
    상기 제1 전극에 연결된 제1 기판 및 상기 제2 전극에 연결된 제2 기판을 더 포함하고,
    상기 제1 기판 및 상기 제2 기판 중 적어도 하나는 인가된 응력에 의하여 변형되는 가요성을 가지는 전기 기기.
  10. 제7항에서,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 적어도 하나는 투명한 물질로 이루어진 전기 기기.
  11. 제10항에서,
    상기 압전 유기 물질층은 p형 반도체를 포함하고, 상기 압전 나노와이어는 n형 반도체 특성을 가지는 전기 기기.
  12. 제7항에서,
    상기 나노와이어는 산화아연(ZnO), 납-지르코늄-티타늄산화물(PZT), 티탄산 바륨(BaTiO3), 티탄산납 (PbTiO3), 질화알루미늄(AlN), 질화갈륨(GaN), 또는 탄화실리콘(SiC)을 포함하는 전기 기기.
  13. 제7항에서,
    상기 압전 유기물질층은 PVDF (Polyvinylidene fluoride) 및 P3HT {poly(3-hexylthiophene)}, 폴리아닐린(Polyaniline), 폴리피롤(Polypyrrole), PPV(Poly(p-phenylene vinylene)), 폴리비닐렌(Polyvinylene), 폴리아세틸렌(Polyacetylene), 폴리타이펜(polythiphene) 및 이들의 유도체(derivatives) 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 반도체 특성을 갖는 유기물과 복합재 형태를 포함하는 전기 기기.
  14. 제7항에서,
    상기 제1 전극은 복수의 제1 서브 전극을 포함하고, 상기 제2 전극은 복수의 제2 서브 전극을 포함하고,
    상기 복수의 제1 서브 전극은 서로 이격되어, 제1 방향으로 뻗어 있고,
    상기 복수의 제2 서브 전극은 서로 이격되어, 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 뻗어 있는 전기 기기.
  15. 제7항에서,
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극을 전기적으로 연결하는 연결부, 그리고
    상기 연결부에 전기적으로 연결되어 있는 저장부를 더 포함하는 전기 기기.
  16. 제7항에서,
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극을 전기적으로 연결하는 연결부, 그리고
    상기 연결부에 전기적으로 연결되어 있는 직류 변환기(DC converter)를 더 포함하는 전기 기기.
  17. 제7항에서,
    상기 제1 전극과 상기 압전 나노와이어는 서로 동일한 물질로 이루어진 전기 기기.
  18. 삭제
  19. 제1항에서,
    상기 복수의 압전 나노와이어는 그 내부가 에칭되어 튜브 형상을 가지고,
    상기 압전 유기물 층은 상기 복수의 압전 나노와이어에서 각각의 압전 나노와이어의 인접하는 돌출부 사이의 전체 영역에 형성되어 있는
    압전 나노와이어 구조체.
  20. 제1항에서,
    상기 압전 유기물층은 상기 베이스 기판과 접촉하지 않도록 위치하는
    압전 나노와이어 구조체.
  21. 삭제
  22. 제7항에서,
    상기 복수의 압전 나노와이어는 그 내부가 에칭되어 튜브 형상을 가지고,
    상기 압전 유기물 층은 상기 복수의 압전 나노와이어에서 각각의 압전 나노와이어의 인접하는 돌출부 사이의 전체 영역에 형성되어 있는
    전기 기기.
  23. 제7항에서,
    상기 압전 유기물층은 상기 제1전극과 접촉하지 않도록 위치하는 전기 기기.
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