KR102510166B1 - 압전 소자 및 이의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예에 따른 압전 소자는, 제1 기재와, 상기 제1 기재 위에 위치하는 제1 전극과, 상기 제1 전극 위에 위치하며 세라믹 압전 물질을 포함하는 제1 압전층을 포함하는 제1 구조체; 및 상기 제1 구조체에 대향하는 제2 기재와, 상기 제1 구조체에 대향하는 상기 제2 기재의 일면 위에 위치하는 제2 전극과, 상기 제2 전극 위에 위치하며 반도체 압전 물질을 포함하는 제2 압전층을 포함하는 제2 구조체를 포함한다.
Description
본 발명은 압전 소자 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는, 개선된 구조를 가지는 압전 소자 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예상되며 환경 오염 문제가 제기되고 있다. 이에 따라 친환경적이고 재생 가능한 에너지원에 대한 관심이 높아지고 있다. 이러한 요구를 충족시키기 위해 자연적인 에너지원으로부터 발생하는 에너지를 전기 에너지로 전환시켜 수확하는 에너지 하베스팅(energy harvesting)이 제안되었다.
이러한 에너지 하베스팅의 일 예로, 인체의 움직임, 기계의 동작, 미세한 동작 등과 같은 운동 에너지를 전기 에너지로 전환시키는 압전 소자를 들 수 있다. 압전 소자에 이용되는, 인체의 움직임, 기계의 동작 등과 같은 에너지원은 제어가 쉽고 실내에서도 충분한 수확이 가능하다. 또한, 압전 소자는 사람이 걷기나 뛰거나 물체가 지나갈 때 생기는 진동, 기계가 움직일 때 생기는 압력 등과 같이 버려지는 에너지를 수집하여 재활용할 수 있다.
아연 산화물의 압전 현상이 발견된 이후에 나노 막대(nano-rods) 형태의 압전 물질을 기판에 성장시킨 압전 소자가 최초로 개발되었다. 이러한 압전 소자는 기계의 운동 에너지, 압력 등에 견딜 수 있는 내구도가 낮았다. 이에 나노 입자(nano-particles) 형태의 압전 물질을 고분자 박막에 내장하여 내구성을 향상한 플렉서블 압전 소자가 개발되었다. 이와 같이 내구성 문제가 해결되자 사용화를 위하여 전력 출력 효율을 높이는 연구가 진행되었는데, 압전 물질을 고분자 박막에 내장시키는 비율을 조절 및 최적화하여 전력 출력 효율을 향상하였다.
그 이후에는 압전 물질에 전기 전도도가 높은 물질을 도핑한 혼합 구조로 전력 출력 효율을 향상하는 기술이 개발되었다. 전기 전도도가 높은 물질이 첨가되면, 압전 물질에서 분극이 일어날 때 박막 내부의 높은 전기 전도도에 의하여 전자 이동이 활성화되므로 압전 포텐셜(piezoelectric potential)을 증가시킬 수 있기 때문이다. 처음으로 시도된 것이 탄소 나노 튜브(carbon nano tube, CNT)였고, 그 외에 구리(Cu) 입자, 그래핀(graphene) 등이 활용되었다.
그 외 압전 물질로 구성된 박막의 표면을 식각하거나 표면 처리하여 패터닝하거나, 기판, 전극 등을 패터닝하는 등의 기술도 제안되었다. 이러한 압전 소자는 동일한 압력을 가해도 응력이 집중되어 국부적인 분극화를 증폭시킬 수 있다.
그러나 상술한 바와 같은 다양한 구조의 압전 소자가 제안되었음에도, 압전 소자의 내구성, 전력 출력 효율 등을 충분하게 향상하는 데 한계가 있었다.
본 발명의 실시예는 내구성 및 전력 출력 효율을 향상할 수 있는 압전 소자 및 이의 제조 방법을 제공하고자 한다.
특히, 본 발명의 실시예는 무연 압전 물질을 이용하여 내구성 및 전력 출력 효율을 향상할 수 있는 압전 소자 및 이의 제조 방법을 제공하고자 한다.
한편, 본 발명의 실시예는 영구적인 전력 생산을 활용하여 무선 충천 시스템 구축, 바이오 전자 소자, 웨어러블 전자 소자, 미세 전자 기계 시스템 등의 다양한 분야에 적용될 수 있는 압전 소자 및 이의 제조 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 압전 소자는, 제1 기재와, 상기 제1 기재 위에 위치하는 제1 전극과, 상기 제1 전극 위에 위치하며 세라믹 압전 물질을 포함하는 제1 압전층을 포함하는 제1 구조체; 및 상기 제1 구조체에 대향하는 제2 기재와, 상기 제1 구조체에 대향하는 상기 제2 기재의 일면 위에 위치하는 제2 전극과, 상기 제2 전극 위에 위치하며 반도체 압전 물질을 포함하는 제2 압전층을 포함하는 제2 구조체를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 압전 소자는, 제1 기재와, 상기 제1 기재 위에 위치하는 제1 전극과, 상기 제1 전극 위에 위치하며 제1 압전 물질로 구성되는 클러스터를 구비하는 제1 압전층을 포함하는 제1 구조체; 및 상기 제1 구조체에 대향하는 제2 기재와, 상기 제1 구조체에 대향하는 상기 제2 기재의 일면 위에 위치하는 제2 전극과, 상기 제2 전극 위에 위치하며 제2 압전 물질로 구성되며 구형 또는 이의 일부를 구성하는 형상의 압력 집중 부재를 구비하는 제2 압전층을 포함하는 제2 구조체를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 압전 소자의 제조 방법은, 제1 기재 위에 제1 전극을 형성하고 제2 기재 위에 제2 전극을 형성하는 단계; 세라믹 압전 물질을 포함하는 제1 압전층을 제1 전극 위에 위치시켜 제1 구조체를 형성하고 반도체 압전 물질을 포함하는 제2 압전층을 제2 전극 위에 위치시켜 제2 구조체를 형성하는 단계; 및 상기 제1 압전층과 상기 제2 압전층이 대향하도록 상기 제1 구조체와 상기 제2 구조체를 중첩하는 단계를 포함한다.
본 실시예에 따른 압전 소자에서는 서로 다른 물질, 형상 등을 구비하는 제1 압전층과 제2 압전층을 포함하여, 다양한 특성을 향상할 수 있다. 이때, 제1 압전층은 우수한 압전 효율을 가지는 세라믹 압전 물질을 포함하고, 제2 압전층은 압전 특성을 가지며 낮은 밴드갭 및 우수한 전기 전도도를 가지는 반도체 압전 물질을 포함할 수 있다. 이러한 압전 소자는 매우 우수한 내구성 및 전력 출력 효율을 가질 수 있다. 일 예로, 제1 및 제2 압전층이 무연 압전 물질로 구성되어 친환경적이면서도 내구성 및 전력 출력 효율을 향상할 수 있다. 특히, 제1 압전층은 불규칙한 형태 또는 배열을 가지는 클러스터로 구성하고, 제2 압전층은 균일한 형태 및 규칙적인 배열을 가지는 압력 집중 부재로 구성하여, 압력이 가해졌을 때 압력 집중 특성을 크게 향상할 수 있다.
이러한 압전 소자는 영구적인 전력 생산을 활용하여 무선 충천 시스템 구축, 바이오 전자 소자, 웨어러블 전자 소자, 미세 전자 기계 시스템 등의 다양한 분야에 적용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 압전 소자를 개략적으로 도시한 분해 사시도이다.
도 2는 도 1의 II-II 선을 잘라서 본 개략적인 단면도이다.
도 3은 도 1에 도시한 압전 소자에 포함되는 제1 압전층을 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 압전 소자에 포함되는 제1 압전층을 형성하는 공정을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 압전 소자에 포함되는 제2 압전층을 형성하는 공정을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 제조예 1에 따른 세라믹 나노 입자의 전자 주사 현미경 사진이다.
도 7은 본 발명의 제조예 1에 따른 반도체 입자의 전자 주사 현미경 사진 및 엑스레이선 회절 분석 사진이다.
도 8은 본 발명의 제조예 1에 따른 제1 압전층을 포함하는 제1 구조체의 전자 주사 현미경 사진이다.
도 9는 본 발명의 제조예 1에 따른 제2 압전층의 전자 주사 현미경 사진이다.
도 10은 본 발명의 제조예 1에 따른 압전 소자에 손가락으로 압력을 가하면서 측정한 전압-전류의 결과를 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명의 제조예 1, 그리고 비교예 1에 따른 압전 소자에 기계로 압력을 가하면서 측정한 전압-전류의 결과를 나타낸 그래프이다.
도 12는 제조예 1에 따른 압전 소자를 200개의 청색 발광 다이오드(LED)에 연결한 상태를 나타낸 사진으로, (a)는 압전 소자를 손의 압력으로 누르지 않은 상태의 사진이고, (b)는 압전 소자를 손의 압력으로 누른 상태의 사진이다.
도 13은 제조예 1에 따른 압전 소자를 커패시터를 연결하여 충전하고, 이를 이용하여 전자 시계를 구동한 사진이다.
도 14는 제조예 1에 따른 압전 소자를 손으로 구부린 상태와 구부리지 않은 상태의 전압 특성을 측정하는 과정을 촬영한 사진이다.
도 15는 제조예 1에 따른 압전 소자를 손목에 부착한 경우의 사진이다.
도 16은 제조예 1에 따른 압전 소자를 목에 부착한 경우의 사진이다.
도 2는 도 1의 II-II 선을 잘라서 본 개략적인 단면도이다.
도 3은 도 1에 도시한 압전 소자에 포함되는 제1 압전층을 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 압전 소자에 포함되는 제1 압전층을 형성하는 공정을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 압전 소자에 포함되는 제2 압전층을 형성하는 공정을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 제조예 1에 따른 세라믹 나노 입자의 전자 주사 현미경 사진이다.
도 7은 본 발명의 제조예 1에 따른 반도체 입자의 전자 주사 현미경 사진 및 엑스레이선 회절 분석 사진이다.
도 8은 본 발명의 제조예 1에 따른 제1 압전층을 포함하는 제1 구조체의 전자 주사 현미경 사진이다.
도 9는 본 발명의 제조예 1에 따른 제2 압전층의 전자 주사 현미경 사진이다.
도 10은 본 발명의 제조예 1에 따른 압전 소자에 손가락으로 압력을 가하면서 측정한 전압-전류의 결과를 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명의 제조예 1, 그리고 비교예 1에 따른 압전 소자에 기계로 압력을 가하면서 측정한 전압-전류의 결과를 나타낸 그래프이다.
도 12는 제조예 1에 따른 압전 소자를 200개의 청색 발광 다이오드(LED)에 연결한 상태를 나타낸 사진으로, (a)는 압전 소자를 손의 압력으로 누르지 않은 상태의 사진이고, (b)는 압전 소자를 손의 압력으로 누른 상태의 사진이다.
도 13은 제조예 1에 따른 압전 소자를 커패시터를 연결하여 충전하고, 이를 이용하여 전자 시계를 구동한 사진이다.
도 14는 제조예 1에 따른 압전 소자를 손으로 구부린 상태와 구부리지 않은 상태의 전압 특성을 측정하는 과정을 촬영한 사진이다.
도 15는 제조예 1에 따른 압전 소자를 손목에 부착한 경우의 사진이다.
도 16은 제조예 1에 따른 압전 소자를 목에 부착한 경우의 사진이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명이 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니며 다양한 형태로 변형될 수 있음은 물론이다.
도면에서는 본 발명을 명확하고 간략하게 설명하기 위하여 설명과 관계 없는 부분의 도시를 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 극히 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 참조부호를 사용한다. 그리고 도면에서는 설명을 좀더 명확하게 하기 위하여 두께, 넓이 등을 확대 또는 축소하여 도시하였는바, 본 발명의 두께, 넓이 등은 도면에 도시된 바에 한정되지 않는다.
그리고 명세서 전체에서 어떠한 부분이 다른 부분을 "포함"한다고 할 때, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 부분을 배제하는 것이 아니며 다른 부분을 더 포함할 수 있다. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우 뿐만 아니라 그 중간에 다른 부분이 위치하는 경우도 포함한다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 위치하지 않는 것을 의미한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 압전 소자 및 이의 제조 방법을 상세하게 설명한다. 본 명세서에서 "제1" 또는 "제2"의 표현은 서로 간의 구별을 위하여 사용된 것일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 압전 소자를 개략적으로 도시한 분해 사시도이고, 도 2는 도 1의 II-II 선을 잘라서 본 개략적인 단면도이다. 도 3은 도 1에 도시한 압전 소자에 포함되는 제1 압전층을 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 압전 소자(100)는, 제1 기재(12), 제1 전극(14) 및 제1 압전 물질(세라믹 압전 물질)을 포함하는 제1 압전층(16)을 포함하는 제1 구조체(10)와, 제2 기재(22), 제2 전극(24) 및 제2 압전 물질(반도체 압전 물질)을 포함하는 제2 압전층(26)을 포함하는 제2 구조체(20)를 포함할 수 있다. 좀더 구체적으로, 제1 기재(12) 위에 제1 전극(14)이 위치할 수 있고, 제1 전극(14) 위에 제1 압전층(16)이 위치할 수 있다. 그리고 제1 구조체(10)에 대향하는 제2 기재(22)의 일면 위에 제2 전극(24)이 위치할 수 있고, 제2 전극(24) 위에 제2 압전층(26)이 위치할 수 있다. 이를 좀더 상세하게 설명한다.
본 실시예에서 제1 기재(12) 또는 제2 기재(22)는 플렉서블 특성을 가지는 유연 기판으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 제1 기재(12) 또는 제2 기재(22)는 폴리에틸렌테레프레탈레이트(PET), 폴리이미드(PI), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN) 등으로 구성될 수 있다. 여기서, 제1 기재(12)와 제2 기재(22)는 서로 동일한 물질일 수도 있고, 서로 다른 물질일 수도 있다. 이때, 제1 기재(12) 또는 제2 기재(22)의 두께가 50um 내지 125um일 수 있다. 이러한 두께 범에서 제1 기재(12) 또는 제2 기재(22)가 충분한 내구성 및 플렉서블 특성을 구비할 수 있다. 여기서, 제1 기재(12)와 제2 기재(22)는 서로 동일한 두께를 가질 수도 있고, 서로 다른 두께를 가질 수도 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 제1 기재(12) 또는 제2 기재(22)의 물질, 두께 등은 다양하게 변형될 수 있다.
제1 기재(12) 위에 형성되는 제1 전극(14) 또는 제2 기재(22) 위에 형성되는 제2 전극(24)은 전기 전도성을 가지는 물질, 예를 들어, 금속 또는 투명 전도성 산화물로 구성될 수 있다. 일 예로, 제1 전극(14) 또는 제2 전극(24)은 알루미늄(Al), 구리(Cu), 인듐-틴 산화물(ITO) 등으로 구성될 수 있다. 여기서, 제1 전극(14)과 제2 전극(24)은 서로 동일한 물질일 수도 있고, 서로 다른 물질일 수도 있다. 제1 전극(14) 또는 제2 전극(24)은 다양한 방법으로 제조될 수 있는데, 예를 들어, 증착으로 제조될 수 있다. 일 예로, 제1 전극(14) 또는 제2 전극(24)은 열 증착법(thermal evaporation)에 의하여 형성될 수 있다. 이때, 제1 전극(14) 또는 제2 전극(24)은 100nm 내지 300nm의 두께를 가질 수 있다. 이러한 두께에서 제1 전극(14) 또는 제2 전극(24)이 플렉서블 특성을 유지하면서 우수한 전기 전도성을 가질 수 있기 때문이다. 여기서, 제1 전극(14)과 제2 전극(24)은 서로 동일한 두께를 가질 수도 있고, 서로 다른 두께를 가질 수도 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 제1 전극(14) 또는 제2 전극(24)의 물질, 두께 등은 다양하게 변형될 수 있다.
일 예로, 제1 전극(14) 또는 제2 전극(24) 위에서 제1 전극(14)과 제1 압전층(16) 사이 또는 제2 전극(24)과 제2 압전층(16) 사이에 제1 완충층(18) 또는 제2 완충층(28)이 위치할 수 있다. 이러한 제1 또는 제2 완충층(18, 28)은 제1 또는 제2 전극(14, 24)과 제1 또는 제2 압전층(16, 26) 사이에서 완충 및 패키징 역할을 할 수 있고, 절연 물질로 구성되어 절연층으로 기능할 수 있다. 제1 또는 제2 완충층(18, 28)으로는 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS), 폴리비닐알코올(polyvinylalcohol, PVA), 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF) 등을 사용할 수 있다. 예를 들어, 제1 또는 제2 완충층(18, 28)의 두께(일 예로, 평균 두께)가 30um 내지 80um일 수 있다. 이러한 범위 내에서 제1 또는 제2 완충층(18, 28)의 완충, 패키징, 절연 특성 등을 향상할 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 제1 또는 제2 완충층(18, 28)의 물질, 두께 등은 다양한 변형이 가능하다.
제1 전극(14) 위(좀더 구체적으로, 제1 완충층(18) 위)에 세라믹 압전 물질을 포함하며 플렉서블 특성을 가지는 제1 압전층(16)이 형성될 수 있다. 여기서, 제1 압전층(16)은, 수지와, 세라믹 압전 물질로 구성되는 세라믹 나노 입자(16b)를 포함할 수 있다. 좀더 구체적으로, 수지는 실질적으로 균일한 두께를 가지는 수지층(16a)을 구성하고, 세라믹 나노 입자(16b)는 복수 개가 뭉쳐져서 수지층(16a)의 표면 위로 돌출 또는 노출되는 클러스터(cluster)(16c) 형태로 구비될 수 있다. 본 명세서에서 실질적으로 균일한 두께를 가진다 함은 해당 층의 큰 두께와 작은 두께가 큰 두께를 기준으로 20% 이내(일 예로, 10% 이내)의 차이를 가지는 것을 의미할 수 있다. 이러한 클러스터(16c)는 불규칙한 형태, 불규칙한 형상, 또는 부정의 형상을 가지고, 불규칙한 크기를 가지며, 평면으로 볼 때 불규칙한 배치를 가지도록 분포할 수 있다. 이는 클러스터(16c)가 복수의 세라믹 나노 입자(16b)가 불규칙하게 뭉쳐서 발생되기 때문이다. 이때, 불규칙한 형태, 불규칙한 형상, 또는 부정의 형상을 가진다 함은 복수의 클러스터(16c)의 형상이 특정한 규칙성을 가지지 않으며 다각형, 원형, 타원형, 구형 등으로 정의되는 형상을 가지지 않는 것을 의미할 수 있다. 그리고 불규칙한 크기를 가진다 함은 복수의 클러스터(16c)가 서로 다른 다양한 크기를 가지는 것을 의미할 수 있다. 그리고 불규칙하게 배치된다 함은 클러스터(16c)가 규칙성을 가지지 않도록 일정한 방향성, 일정한 간격, 일정한 배열 등을 가지지 않은 것을 의미할 수 있다. 이러한 클러스터(16c)는 일정한 제조 방법에 의하여 형성될 수 있는데, 이에 대해서는 추후에 제조 방법에서 상세하게 설명한다.
본 실시예에서 클러스터(16c)는, 도 2의 (a)에 도시한 바와 같이 수지층(16a)의 표면 위에서 제2 구조체(20)를 향하여 돌출되는 형상을 가지거나, 도 2의 (b)에 도시한 바와 같이 수지층(16a)에 일부가 장입된 상태에서 제2 구조체(20)를 향하여 돌출되는 형상을 가질 수 있다. 다른 예로, 클러스터(16c)가 수지층(16a)의 전체를 관통하여 제1 전극(14)의 표면에 접촉한 상태로 제2 구조체(20)를 향하여 돌출되는 형상을 가질 수도 있다. 도 2의 (a) 및 (b)에서는 클러스터(16c)를 위주로 도시하였으나, 수지층(16a)의 내부 또는 표면에 세라믹 나노 입자(16b)가 위치할 수 있고, 세라믹 나노 입자(16b)는 제1 전극(14)과 접촉하여 위치하거나 제1 전극(14)과 이격하여 위치할 수 있다.
이와 같이 클러스터(16c)가 복수의 세라믹 나노 입자(16b)가 불규칙하게 뭉쳐져서 수지층(16a) 위로 돌출되는 형태를 가지므로 압력에 의하여 제2 압전층(26)과 접촉할 때 압력이 국부적으로 집중되어 가해지는 압력을 효과적으로 증가시킬 수 있다. 이에 따라 제1 압전층(16)의 두께를 지나치게 두껍게 하지 않아도 압전 특성을 효과적으로 향상할 수 있다.
예를 들어, 세라믹 나노 입자(16b)는 나노미터 수준(즉, 1nm 이상, 1um 미만)의 크기를 가질 수 있으며, 클러스터(16c)는 마이크로미터 수준(즉, 1um 이상, 1mm 미만)의 크기 또는 두께를 가지는 마이크로 클러스터(micro cluster)일 수 있다. 여기서, 세라믹 나노 입자(16b)의 크기는 복수의 세라믹 나노 입자(16b)의 입경의 평균을 의미할 수 있고, 클러스터(16c)의 크기는 평면에서 볼 때 복수의 클러스터(16c)의 장축의 평균을 의미할 수 있으며, 클러스터(16c)의 두께는 측면에서 볼 때 클러스트(16c)의 최대 두께의 평균을 의미할 수 있다.
일 예로, 세라믹 나노 입자(16b)는 100nm 내지 500nm의 크기를 가질 수 있으며, 정방정계(tetragonal) 결정 구조를 가질 수 잇다. 이러한 크기 범위 내에서 쉽게 제조가 가능하며 쉽게 뭉쳐져서 클러스터(16c)를 형성하여 충분한 표면적을 가지도록 할 수 있다. 그리고 일 예로, 클러스터(16c)가 10um 내지 25um의 크기를 가지고, 10um 이하(예를 들어, 1um 내지 10um, 일 예로, 3um 내지 8um)의 두께를 가질 수 있다. 이러한 범위 내에서 제2 구조체(20)에 손상 등을 주지 않으면서 클러스터(16c)에 압력이 집중되는 효과를 최대화할 수 있기 때문이다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 다양한 변형이 가능하다.
일 예로, 수지층(16a)의 두께가, 예를 들어, 30um 내지 80um일 수 있다. 여기서, 수지층(16a)의 두께는 평균 두께로 정의될 수 있다. 상술한 수지층(16a)의 두께 범위에서 제1 압전층(16)이 안정적으로 형성될 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 다양한 변형이 가능하다.
본 실시예에서 세라믹 나노 입자(16b) 또는 세라믹 압전 물질이 우수한 압전 특성을 가지는 물질로 구성될 수 있다. 예를 들어, 세라믹 나노 입자(16b) 또는 세라믹 압전 물질이 티탄산바륨(BaTiO3), 티탄산지르코늄산납(lead zirconate titanate, PZT), 티탄산납(PbTiO3), 지르코늄산납(PbTiO3) 등일 수 있다. 그리고 본 실시예에서는 제1 압전 물질로 세라믹 나노 입자(16b) 또는 세라믹 압전 물질을 사용한 것을 예시하였으나, 제1 압전 물질로 세라믹 나노 입자(16b) 또는 세라믹 압전 물질이 아닌 나노 입자 또는 압전 물질이 사용될 수도 있다. 일 예로, 아연 산화물(ZnO) 등이 사용될 수 있다.
여기서, 세라믹 나노 입자(16b) 또는 세라믹 압전 물질이 티탄산바륨으로 구성되면, 납을 포함하지 않는 무연(lead free) 물질로서 환경적인 측면에서 유리하며 우수한 압전 특성을 가질 수 있다.
그리고 수지층(16a)은 플렉서블 특성을 유지하면서 세라믹 나노 입자(16b)를 안정적으로 고정 또는 접착하는 역할을 하는 다양한 수지로 구성할 수 있다. 일 예로, 수지층(16a)이 폴리디메틸실록산, 폴리비닐알코올, 폴리비닐리덴플루오라이드 등을 포함할 수 있다. 여기서, 수지층(16a)이 폴리디메틸실록산을 포함하면, 경화 시간이 짧아 제조 공정 시간을 단축할 수 있고, 표면 내구성을 향상할 수 있으며, 우수한 플렉서블 특성을 가질 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 다양한 변형이 가능하다.
본 실시예에서는 제1 압전층(16)에서 수지층(16a)이 세라믹 나노 입자(16b)와 같거나 그보다 큰 함량으로 포함될 수 있다. 일 예로, 제1 압전층(16)에서 수지층(16a)이 세라믹 나노 입자(16b)보다 큰 함량으로 포함될 수 있다. 세라믹 나노 입자(16b)가 클러스터(16c)의 형태로 구비되므로 세라믹 나노 입자(16b)의 함량이 크지 않아도 되며, 수지층(16a)의 함량을 상대적으로 크게 하여 세라믹 나노 입자(16b) 또는 클러스터(16c)의 고정 또는 접착 특성을 향상할 수 있기 때문이다.
예를 들어, 제1 압전층(16) 전체 100 중량부에 대하여, 세라믹 나노 입자(16b)가 5 내지 25 중량부로 포함되고 나머지가 수지 또는 수지층(16a)으로 구성될 수 있다. 이러한 범위 내에서 세라믹 나노 입자(16b)에 의한 압전 특성을 충분히 구현하면서도 수지층(16a)에 의한 고정 또는 접착 특성을 향상할 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
제2 전극(24) 위(좀더 구체적으로, 제2 완충층(28) 위)에 제1 압전층(16)과 대향(對向)하면서 반도체 압전 물질을 포함하는 제2 압전층(26)이 형성될 수 있다. 제2 압전층(26)은, 전체적으로 균일한 두께를 가지면서 형성되는 베이스층(26a)과, 반도체 압전 물질을 구성되며 베이스층(26a)에서 또는 베이스층(26b) 위에서 행과 열을 이루도록 규칙적으로 배열되는 복수의 반도체 입자(26b)로 구성되는 압력 집중 부재(26c)를 포함할 수 있다. 일 예로, 복수의 반도체 입자(26b)는 두께 방향에서 단일로 구비되며 평면 상에서는 전체적으로 일 방향을 따라 일정 간격으로 반복되는 하나의 열(列)을 구비하고, 상기 일 방향과 교차하는 방향에서 복수의 열이 구비되어, 매트릭스 형상을 가지도록 배치될 수 있다.
본 실시예에서 반도체 입자(26b)는 베이스층(26a)에 일부가 장입된 상태에서 제1 구조체(10)를 향하여 돌출되는 형상을 가질 수 있다. 즉, 반도체 입자(26b)의 일부가 베이스층(26a)의 표면의 내부에 위치하고 반도체 입자(26b)의 다른 일부가 베이스층(26a)의 표면으로부터 돌출된 형상을 가질 수 있다.
이와 같이 제2 압전층(26)은 반도체 압전 물질을 포함하여 압전 효율을 향상하는 역할을 하면서 제1 압전층(26)에 효과적으로 압력을 집중하여 제공하는 역할을 함께 수행할 수 있다. 이러한 압력 집중 부재(26c)를 구성하는 반도체 입자(26b)는 각기 구형 또는 구형의 일부를 구성하는 형상을 가져 제1 압전층(16)을 향하여 볼록하게 돌출되도록 배치될 수 있다. 이와 같이 구형 또는 구형의 일부를 구성하는 형상을 가지는 반도체 입자(26b)가 베이스층(26a) 위에 정렬되어 응력 집중 현상을 유도하여 압전 특성을 활성화하는데 유리한 구조를 가질 수 있다.
본 실시예에서 반도체 입자(26b)가 100nm 내지 5um(일 예로, 500nm 내지 1um)의 크기를 가질 수 있다. 일 예로, 반도체 입자(26b)가 세라믹 나노 입자(16b)보다 큰 크기를 가지고 클러스터(16c)보다 작은 크기를 가질 수 있다. 여기서, 반도체 입자(26b)의 크기는 복수의 반도체 입자(26b)의 입경 또는 장축의 평균을 의미할 수 있다.
본 실시예에서 제2 압전층(26)의 두께가 제1 압전층(16)의 두께와 같거나 그보다 크거나, 또는 베이스층(26a)의 두께가 수지층(16a)의 두께와 같거나 그보다 클 수 있다. 일 예로, 제2 압전층(26)의 두께가 제1 압전층(16)의 두께보다 크거나 베이스층(26a)의 두께가 수지층(16a)의 두께보다 클 수 있는데, 이는 규칙적으로 배열되는 반도체 입자(26c)를 안정적으로 고정하기 위하여 베이스층(26a)이 상대적으로 큰 두께를 가지는 것이 바람직하기 때문이다. 일 예로, 제2 압전층(26) 또는 베이스층(26a)의 두께가, 예를 들어, 50um 내지 150um일 수 있다. 여기서, 제2 압전층(26) 또는 베이스층(26a)의 두께는 평균 두께로 정의될 수 있다.
본 실시예에서 반도체 입자(26b) 또는 반도체 압전 물질이 우수한 압전 특성을 가지는 아연 스테네이트(ZnSnO3) 등일 수 있다. 이러한 반도체 입자(26b) 또는 반도체 압전 물질은 고유의 압전 특성을 가지면서 우수한 전기 전도도를 가져 압전 효율을 효과적으로 향상할 수 있다. 일 예로, 반도체 입자(26b)는 세라믹 나노 입자(16b)보다 높은 전기 전도도를 가질 수 있다. 그리고 아연 스테네이트는 안정적인 구형 형상을 가질 수 있어 압력 집중 부재(26c)로 작용하기에 적합하다. 이와 같이 구형 형상을 가지면서 압전 특성을 가지는 아연 스테네이트의 특성을 다른 물질에서 기대하기 어려울 수 있다.
본 실시예에서 반도체 입자(26b)는 비정질 구조를 가질 수 있다. 반도체 입자(26b)가 비정질 구조를 가지면, 일 예로, 반도체 입자(26b)가 아연 스테네이트로 구성되며 비정질 구조를 가지면, 쉽고 다양하게 합성이 가능하며 압전 소자(100)에 동일한 압력을 가해도 압전 특성이 더 우수하다.
그리고 베이스층(26a)은 플렉서블 특성을 유지하면서 반도체 입자(26b)를 안정적으로 고정 또는 접착하는 역할을 하는 다양한 수지로 구성할 수 있다. 일 예로, 베이스층(26a)이 폴리비닐알코올 등을 포함할 수 있다. 베이스층(26a)이 폴리비닐알코올을 포함하면, 경화 또는 건조 전에는 접착성을 가지는 용액 형태를 가져 전체적으로 도포가 용이하며, 경화 또는 건조 후에는 평면 상태로 굳어서 제2 제조 기판(도 5의 참조부호 262)으로 쉽게 분리되면서도 반도체 입자(26b)를 안정적으로 고정할 수 있다. 이러한 폴리비닐알코올의 응집 특성, 고정 특성은 다른 물질에서 기대하기 어려울 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 다양한 변형이 가능하다.
본 실시예에서는 제2 압전층(26)에서 베이스층(26a)이 반도체 입자(26b)와 같거나 그보다 큰 함량으로 포함될 수 있다. 일 예로, 제2 압전층(26)에서 베이스층(26a)이 반도체 입자(26b)보다 큰 함량으로 포함될 수 있다. 반도체 입자(26b)는 단일층으로 구비되면 족하고 베이스층(26a)은 반도체 입자(26b)의 고정 또는 접착 특성을 향상할 수 있도록 많이 포함되는 것이 바람직하기 때문이다.
예를 들어, 제2 압전층(26) 전체 100 중량부에 대하여, 반도체 입자(26b)가 3 내지 15 중량부로 포함되고 나머지가 베이스층(26a)으로 구성될 수 있다. 이러한 범위 내에서 반도체 입자(26b)에 의한 압전 특성을 충분히 구현하면서도 베이스층(26a)에 의한 고정 또는 접착 특성을 향상할 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
제1 전극(14) 위에서 일단부(一端部)(도 2의 좌측)의 부분에 제1 완충층(18), 제1 압전층(16) 등이 형성되지 않고 노출되는 부분이 구비될 수 있고, 이 노출된 부분에 외부 회로 등과의 연결을 위한 제1 패드(19)가 구비될 수 있다. 그리고 제1 전극(14) 위에서 타단부(他端部)(도 2의 우측)의 부분에 제2 완충층(28), 제2 압전층(26) 등이 형성되지 않고 노출되는 부분이 구비될 수 있고, 이 노출된 부분에 외부 회로 등과의 연결을 위한 제2 패드(29)가 구비될 수 있다. 제1 또는 제2 패드(19, 29)는 우수한 전기 전도성을 가지는 금속 물질 등으로 구성될 수 있고, 다양한 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 또는 제2 패드(19, 29)로 금속 페이스트(일 예로, 은 페이스트)를 사용할 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
상술한 제1 압전층(16)과 제2 압전층(26)이 대향하도록 제1 구조체(10)와 제2 구조체(20)를 중첩하여 압전 소자(100)를 제조한다. 이때, 제1 압전층(16)과 제2 압전층(26)의 표면 형상에 따른 공간(스페이서)이 구비되도록 중첩될 수 있다. 제1 구조체(10)와 제2 구조체(20)는 별도의 접착 또는 고정 없이 공간(스페이서)를 가지도록 포개지는 것에 의하여 압전 소자(100)를 구성할 수 있다. 제1 완충층(18), 제2 완충층(28), 제1 압전층(16) 및/또는 제2 압전층(26)에 포함된 수지가 접착 특성을 가져 제1 및 제2 구조체(10, 20)를 포함하는 압전 소자(100)를 안정적으로 고정할 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 제1 구조체(10)와 제2 구조체(20)의 적어도 일부를 접착제, 고정 부재 등을 이용하여 접착 또는 고정하여 압전 소자(100)를 구성할 수도 있다. 그 외의 다양한 변형이 가능하다.
본 실시예에 따른 압전 소자(100)에서는 서로 대향하는 샌드위치 구조를 가지는 제1 압전층(16) 및 제2 압전층(26)을 구비한다. 이때, 제1 압전층(16)은 우수한 압전 효율을 가지는 세라믹 압전 물질을 포함하고, 제2 압전층(26)은 압전 특성을 가지며 낮은 밴드갭 및 우수한 전기 전도도를 가지는 반도체 압전 물질을 포함할 수 있다. 이러한 압전 소자(100)는 매우 우수한 내구성 및 전력 출력 효율을 가질 수 있다. 일 예로, 제1 및 제2 압전층(16, 26)이 무연 압전 물질을 포함하여 친환경 특성을 향상할 수 있다. 특히, 본 실시예에서는 제1 압전층(16)은 불규칙한 형태 또는 배열을 가지는 클러스터(16c)로 구성하고, 제2 압전층(26)은 균일한 형태 및 규칙적인 배열을 가지는 압력 집중 부재(26c)로 구성하여, 압력이 가해졌을 때 압력 집중 특성을 크게 향상할 수 있다.
본 실시예에 따른 압전 소자(100)의 전력 출력 효율은 제1 압전층(16)을 단일로 구비한 압전 소자 및 제2 압전층(26)을 단일로 구비한 압전 소자의 전력 출력 효율을 합친 값보다 매우 아주 큰 값을 가지게 된다. 따라서 본 실시예에 따른 압전 소자(100)는 단순히 압전층을 복수로 포함한 것에 의하여 전력 출력 효율이 향상된 것이 아님을 알 수 있다.
이때, 세라믹 압전 물질과 반도체 압전 물질로는, 서로 동일 또는 유사한 구조를 가질 수 있고, 서로 동일 또는 유사한 합성법에 의하여 형성될 수 있는 물질을 사용할 수 있다. 예를 들어, 세라믹 압전 물질로 티탄산바륨을 사용하고, 반도체 압전 물질로 아연 스테네이트를 사용하면, 동일한 페로브스카이트 구조를 가지며 동일한 수열 합성법(hydrothermal method)에 의하여 형성될 수 있어, 안정적인 구조를 형성할 수 있으며 제조 공정을 단순화할 수 있다. 참조로, 아연 스테네이트는 수열 합성법에 의하여 나노 또는 마이크로 입자 형태로 쉽게 합성될 수 있는 반면, 아연 산화물 등은 나노 또는 마이크로 입자 형태로 합성하는데 어려움이 있다.
이러한 압전 소자(100)는 영구적인 전력 생산을 활용하여 보조 배터리와 같은 무선 충전 시스템, 바이오 전자 소자, 웨어러블 전자 소자, 미세 전자 기계 시스템(micro-electro mechanical system, MEMS) 등의 다양한 분야에 적용될 수 있다.
즉, 본 실시예에 따른 압전 소자(100)에 따르면, 신체를 이용하여 압전 소자(100)에 압력을 가하는 것에 의하여, 배터리를 충전하거나, 전자 장치의 원하는 동작을 구동하거나, 배터리를 충전하는 등 다양한 장치에 적용할 수 있다. 예를 들어, 손가락을 통한 가압, 손바닥을 통한 가압, 손목 운동, 목 운동 등에 의한 압력을 이용하여 불을 켜거나 배터리를 충전하는 등의 다양한 동작을 하도록 할 수 있다. 일 예로, 본 실시예에 따른 압전 소자(100)에 성대 울림에 따른 압력을 가하면, 성대 울림을 인식할 수 있고 이에 따른 음성 인식 장치 및/또는 사용자 인식 장치로 동작하여 이를 문 열림 장치 등에 연동하여 사용할 수 있다. 또는, 본 실시예에 따른 압전 소자(100)를 휴대용 제세동기에 포함시켜 응급 상황이 발생한 경우 신체를 이용한 압력으로 제세동기를 동작시켜 사용할 수도 있다. 그 외의 다양한 분야에 본 실시예에 따른 압전 소자(100)가 사용될 수 있다.
이하에서는 도 1 내지 도 3와 함께 도 4 및 도 5를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 압전 소자(100)의 제조 방법을 상세하게 설명한다. 상술한 설명과 동일 또는 극히 유사한 부분에 대해서는 상세한 설명을 생략하고 서로 다른 부분에 대해서만 상세하게 설명한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 압전 소자(100)에 포함되는 제1 압전층(16)을 형성하는 공정을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 압전 소자(100)에 포함되는 제2 압전층(26)을 형성하는 공정을 개략적으로 도시한 도면이다.
먼저, 제1 기재(12) 위에 제1 전극(14)을 형성하고, 제2 기재(22) 위에 제2 전극(24)을 형성할 수 있다. 제1 전극(14) 또는 제2 전극(24)은 증착법, 예를 들어, 열증착법에 의하여 형성될 수 있다.
그리고 도 4에 도시한 바와 같이 제1 압전층(16)을 형성하고, 도 5에 도시한 바와 같이 제2 압전층(26)을 형성할 수 있다. 좀더 구체적으로, 세라믹 나노 입자(16b) 및 반도체 입자(26b)를 각기 준비하고 이를 이용하여 제1 압전층(16) 및 제2 압전층(26)을 형성할 수 있다. 이하에서는 먼저 세라믹 나노 입자(16b) 및 반도체 입자(26b)를 형성하는 공정을 설명하고, 이를 이용하여 제1 압전층(16) 및 제2 압전층(26)을 형성하는 공정을 각기 설명한다.
세라믹 나노 입자(16b)가 티탄산바륨, 티탄산지르코늄산납, 티탄산납, 또는 지르코늄산납을 포함할 수 있고, 반도체 입자(26b)가 아연 스테네이트를 포함할 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서 제1 압전층(16)에 포함되는 제1 압전 물질로 다양한 물질을 사용할 수 있고, 제2 압전층(26)에 포함되는 제2 압전 물질로 다양한 물질을 사용할 수 있다.
본 실시예에서 세라믹 나노 입자(16b) 및 반도체 입자(26b)는 다양한 방법에 의하여 형성될 수 있는데, 일 예로, 수열 합성법으로 형성될 수 있다. 수열 합성법에서 열처리 온도 및 시간 등은 다양하게 변형될 수 있다. 이때, 세라믹 나노 입자(16b)의 열처리 온도 및 시간이 반도체 입자(26)의 열처리 온도 및 시간보다 각각 작을 수 있다. 예를 들어, 세라믹 나노 입자(16b)를 형성하기 위한 수열 합성법에서는 50 내지 120도에서 10분 내지 1시간 동안 열처리를 수행할 수 있고, 반도체 입자(26b)를 형성하기 위한 수열 합성법에서는 100 내지 150도에서 1시간 내지 5시간 동안 열처리를 수행할 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 다양한 변형이 가능하다.
이때, 반도체 입자(26b)는 구형 형상을 형성하기 위하여 반응 촉매 효소의 역할을 하는 에탄올을 첨가할 수 있다. 이와 같이 제조된 반도체 입자(26b)는 비정질 구조를 가질 수 있다.
그리고 도 4에 도시한 바와 같이 세라믹 나노 입자(16b)를 이용하여 제1 압전층(16)을 형성할 수 있다.
좀더 구체적으로, 도 4의 (a) 및 (b)에 도시한 바와 같이, 수지로 구성되는 수지 용액(160a)에 세라믹 나노 입자(16b)를 섞어 혼합 용액(162)을 제조한다. 수지 용액(160a)은 폴리디메틸실록산, 폴리비닐알코올, 폴리비닐리덴플루오라이드 등을 포함할 수 있다. 예를 들어, 수지 용액(160a)으로 폴리디메틸실록산을 사용하는 경우에, 수지 용액(160a) 자체는 투명한데 수지 용액(160a)에 세라믹 나노 입자(16b)가 충분히 섞인 혼합 용액(162)은 불투명한 색을 가질 수 있다. 이에 따라 육안으로 수지 용액(160a)에 세라믹 나노 입자(16b)가 충분히 섞여 혼합 용액(162)이 형성되었는지 쉽게 확인할 수 있다.
여기서, 혼합 용액(162)에서, 수지 용액(160a)의 중량부가 세라믹 나노 입자(16b)의 중량부보다 클 수 있다. 예를 들어, 혼합 용액(162) 전체 100 중량부에 대하여, 세라믹 나노 입자(16b)가 5 내지 25 중량부 포함되고 나머지가 수지 용액(160a)으로 구성될 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 수지와 세라믹 나노 입자의 중량부가 다양하게 변형될 수 있다.
도 4의 (c) 및 (d)에 도시한 바와 같이, 수지층(16a)에 또는 수지층(16a) 위에 클러스터(16c)를 위치시켜 제1 압전층(16)을 형성할 수 있다. 이러한 공정은 진공 바코터 장비에서 수행될 수 있는데, 일 예로, 진공 바코터를 이용한 블레이딩 방법(blading method for vacuum-barcoater)으로 수행될 수 있다.
혼합 용액(162)을 제1 제조 기판(164) 위에 전체적으로 도포하고 제1 제조 기판(164)의 표면에 충분히 확산될 때까지 기다려서 층상 형상으로 형성한다. 예를 들어, 혼합 용액(162)을 도포한 이후에 5분 내지 30분 동안 기다릴 수 있다. 이는 충분한 확산을 구현하면서도 공정 시간이 너무 길어지지 않도록 한정된 것이나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 그리고 층상 형상의 혼합 용액(162)에 바코터를 이용하여 블레이딩 공정을 수행할 수 있다. 예를 들어, 바(166)가 3cm/s 내지 10cm/s의 표면 식각 속도(bar-shifting speed)로 혼합 용액(162)의 표면 위를 지나가면서 식각하면, 세라믹 나노 입자(16b)와 수지 용액(160b)에 포함된 수지의 표면 장력 차이로 인하여 세라믹 나노 입자(16b)가 뭉치는 현상이 발생할 수 있다. 이러한 바(166)의 이동 속도(표면 식각 속도)는 클러스트(16c)를 형성하기에 적합하게 한정된 것이나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 이와 같이 세라믹 나노 입자(16b)가 뭉쳐지면, 뭉쳐진 세라믹 나노 입자(16b)를 다시 층상 형상의 혼합 용액(162)(좀더 정확하게는, 수지로 구성되는 수지층(16a))의 표면으로 패터닝하듯 증착하여 클러스터(16c)를 형성할 수 있다. 이 상태에서 경화하면, 수지층(16a)의 표면 위로 클러스터(16c)가 노출 또는 돌출되는 제1 압전층(16)을 제조할 수 있다. 예를 들어, 경화 공정은 소프트베이스(soft bake)로 수행될 수 있으며, 60도씨 내지 80도씨의 온도에서 1시간 내지 5시간으로 수행될 수 있다. 이러한 공정 조건은 경화 공정이 안정적으로 수행되면서 제조 공정을 단순화하기 위하여 한정된 것이나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
그리고 도 4의 (e)에 도시한 바와 같이, 제1 제조 기판(164)으로부터 제1 압전층(16)을 분리하고, 이를 제1 전극(14) 위에 고정하여 제1 구조체(10)의 제조를 완료할 수 있다. 예를 들어, 제1 전극(14) 위에 제1 완충층(18) 및 제1 압전층(16)을 차례로 위치시켜 고정하는 것에 의하여 제1 구조체(10)를 형성할 수 있다. 이때, 제1 완충층(18)이 일종의 접착층으로서의 역할을 수행할 수 있다.
그리고 도 5에 도시한 바와 같이 반도체 입자(26b)를 이용하여 제2 압전층(26)을 형성할 수 있다. 이러한 공정은 기판 전사 방법(substrate transfer method)에 의하여 수행될 수 있다.
좀더 구체적으로, 도 5의 (a) 및 (b)에 도시한 바와 같이, 수지로 구성되는 제2 제조 기판(262) 위에 반도체 입자(26b)를 놓고 전사 부재(264)를 이용하여 문질러서 제2 제조 기판(262) 위에 골고루 전사(transfer)시킨다. 이에 의하여 반도체 입자(26b)가 단일 방향(uni-directional)으로 정렬되어, 서로 교차하는 방향에서 열과 행을 이루도록 정렬될 수 있다. 여기서, 제2 제조 기판(262) 또는 전사 부재(264)는 폴리디메틸실록산 등으로 구성될 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
이어서, 도 5의 (c)에 도시한 바와 같이, 제2 제조 기판(262) 위에 정렬된 반도체 입자(26b) 위에 수지를 포함하는 수지 수용액(260a)을 도포할 수 있다. 수지를 포함하는 수지 수용액(260a)은 반도체 입자(26b)를 접착하는 고정하는 역할을 하며 경화 후에 제2 제조 기판(262)으로부터 쉽게 박리될 수 있는 다양한 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 수지 수용액(260a)은 폴리비닐알코올 등을 포함할 수 있다.
본 실시예에서 수지 수용액(260a)은, 경화 또는 건조 후에 제2 압전층(26) 전체 100 중량부에 대하여, 반도체 입자(26b)가 3 내지 15 중량부로 포함되고 나머지가 베이스층(26a)으로 구성되도록 하는 함량으로 포함될 수 있다.
이어서, 도 5의 (d)에 도시한 바와 같이, 제2 제조 기판(262) 위에 정렬된 반도체 입자(26b)에 도포된 수지 수용액(260a)을 건조 또는 경화할 수 있다. 이때, 수지를 포함하는 수지 수용액(260a)의 도포 시에 공기층이 형성될 수 있으므로 경화 공정 또는 건조 공정은 진공 상태에서 수행될 수 있다. 예를 들어, 진공 오븐(vacuum oven)에서 상온에서 6시간 내지 15시간 건조하여 경화할 수 있다. 이러한 공정 조건은 경화 공정 또는 건조 공정이 안정적으로 수행되면서 제조 공정을 단순화하기 위하여 한정된 것이나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 이에 의하여 반도체 입자(26b)가 표면에 고루 전사된 제2 압전층(26)을 제조될 수 있다.
이어서, 도 5의 (e)에 도시한 바와 같이, 제2 제조 기판(262)으로부터 제2 압전층(26)을 분리하고, 이를 제2 전극(24) 위에 고정하여 제2 구조체(20)의 제조를 완료할 수 있다. 예를 들어, 제2 전극(24) 위에 제2 완충층(28) 및 제2 압전층(26)을 차례로 위치시켜 고정하는 것에 의하여 제2 구조체(20)를 형성할 수 있다. 이때, 제2 완충층(28)이 일종의 접착층으로서의 역할을 수행할 수 있다.
이어서, 제1 압전층(16)과 제2 압전층(26)이 대향하도록 제1 구조체(10)와 제2 구조체(20)를 중첩하여 압전 소자(100)를 제조할 수 있다.
이하, 본 발명의 제조예에 의하여 본 실시예에 따른 압전 소자를 상세하게 설명한다. 본 제조예는 예시로 제시한 것에 불과하며 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
제조예 1
폴리에틸렌테레프탈레이트로 구성된 제1 기재 위에 열 증착법으로 알루미늄으로 구성된 100nm 두께의 제1 전극을 형성하였다. 이와 유사하게, 폴리에틸렌테레프탈레이트로 구성된 제2 기재에 열 증착법으로 알루미늄으로 구성된 100nm 두께의 제2 전극을 형성하였다.
수열 합성법을 이용하여 세라믹 나노 입자 및 반도체 입자를 각기 형성하였다. 좀더 구체적으로, 수열 합성법으로 티탄산바륨으로 구성되는 세라믹 나노 입자를 형성하고 70도씨에서 30분 동안 어닐링 열처리하여 건조하였다. 그리고 수열 합성법을 이용하여 아연 스테네이트로 구성되는 반도체 입자를 형성하고 120도씨에서 90분 동안 어닐링 열처리하였다. 아연 스테네이트를 형성하는 수열 합성법에서는 결정 구조를 구체 형태로 만들기 위하여 촉매 효소 역할을 하는 에탄올을 첨가하였다. 이에 따라 형성된 세라믹 나노 입자의 전자 주사 현미경(SEM) 사진을 도 6에 첨부하였고, 반도체 입자의 전자 주사 현미경 사진 및 엑스레이선 회절 분석(XRD) 사진을 도 7에 첨부하였다.
폴리디메틸실록산을 포함하는 수지 용액에 세라믹 나노 입자를 100:20의 중량비로 섞어 혼합 용액을 제조하였다. 혼합 용액을 진공 바코터 장비의 제1 제조 기판 위에 부은 후에 확산될 때까지 약 10분간 기다린 후에 바를 이용하여 6cm/s의 속도로 식각하여 세라믹 나노 입자로 구성되는 클러스터를 형성하고, 이를 다시 혼합 용액의 표면으로 흩뿌려 패터닝하여 증착하였다. 이를 오븐에서 700도씨 온도에서 2시간 동안 경화하여 제1 압전층을 형성하였다. 제1 압전층이 형성된 제1 구조체의 전자 주사 현미경 사진을 도 8에 첨부하였다. 도 8은 제1 압전층의 표면을 측면 각도(tilt-view mode)로 분석한 사진이다.
그리고 폴리디메틸실록산으로 구성된 제2 제조 기판 위에 반도체 입자를 놓은 후에 폴리디메틸실록산으로 구성된 전사 부재를 이용하여 문질러서 골고루 전사시켰다. 그리고 제2 제조 기판 위에 정렬된 반도체 입자 위에 폴리비닐알코올을 포함하는 수지 수용액을 도포하였다. 수지 수용액과 반도체 입자의 중량비는 100:10이었다. 진공 오븐(vacuum oven)에서 상온에서 12시간 동안 건조하여 경화하여 폴리비닐알코올을 포함하는 베이스층에 반도체 입자가 구비되는 제2 압전층을 형성하였다. 이와 같이 베이스층 및 반도체 입자를 포함하는 제2 압전층의 전자 주사 현미경 사진을 도 9에 첨부하였다. 도 9는 제2 압전층의 표면을 측면 각도(tilt-view mode)로 분석한 사진이다.
제1 및 제2 압전층을 각기 제1 및 제2 제조 기판으로부터 분리하였다. 제1 전극 위에 폴리디메틸실록산으로 구성된 제1 완충층 및 제1 압전층을 차례로 위치시켜 고정하는 것에 의하여 제1 구조체를 형성하고, 제2 전극 위에 폴리디메틸실록산으로 구성된 제2 완충층 및 제2 압전층을 차례로 위치시켜 고정하는 것에 의하여 제2 구조체를 형성하였다. 제1 압전층과 제2 압전층을 대향한 상태에서 제1 구조체와 제2 구조체를 고정하여 압전 소자를 제조하였다.
도 6을 참조하면, 세라믹 나노 입자의 크기가 100nm 내지 500nm였고 정방 전계의 결정 구조를 가진다. 도 7을 참조하면, 반도체 입자의 평균 크기가 대략 800nm이며 구형 형상을 가지는 것을 알 수 있다. 그리고 엑스레이선 회절 분석 결과를 통하여 반도체 입자가 비정질 형상을 가지는 것을 알 수 있다.
도 8을 참조하면, 제1 압전층에서는 수지층의 표면에 세라믹 나노 입자가 뭉쳐진 클러스트가 형성된 것을 확인할 수 있다. 그리고 제1 압전층의 두께 또한 50um로 균일한 것을 확인할 수 있다. 도 9를 참조하면, 제2 압전층에서는 베이스층의 표면에 구형 형상의 반도체 입자가 고르게 패터닝된 것을 확인할 수 있다.
오실로스코프에 연동한 상태에서 상술한 본 발명의 제조예 1에 따른 압전 소자에 검지와 중지의 두 개의 손가락으로 동시에 압력을 가하여 0.27 MPa의 압력으로 누르면서 전압-전류 특성을 측정하였고, 그 결과를 도 10의 (a) 및 (b)에 첨부하였다. 도 10의 (a)에는 시간에 따른 개방 전압의 결과를 첨부하였고, 도 10의 (b)에는 시간에 따른 단락 전류의 결과를 첨부하였다. 도 10의 (a) 및 (b) 각각에서 좌측에는 정방향으로 연결된 상태의 결과를, 우측에는 역방향으로 연결된 상태의 결과를 나타냈다.
도 10의 (a) 및 (b)에 도시한 바와 같이, 피크 출력 전압은 206V이며, 피크 출력 전류가 27uA이었다. 정방향으로 연결된 경우 및 역방향으로 연결된 경우에도 실질적으로 동일한 출력 전압 및 전류를 얻을 수 있으며, 그 방향만 반대되는 것을 알 수 있다. 이와 같이 본 실시예에 따른 압전 소자는 손가락에 의한 압력에 의하여 전압 및 전류 출력이 충분히 발생됨을 알 수 있다.
그리고 오실로스코프에 연동한 상태에서 본 발명의 제조예 1에 따른 압전 소자를 0.13 MPa의 기계로 눌러서 전압-전류 특성을 측정하였고, 그 결과를 도 11의 (a) 및 (b) 각각의 우측에 첨부하였다. 이때, 압전 소자에 압력을 제공하는 기계는 압전 소자의 크기를 가지며 간격이 10cm인 사각봉을 17m/s의 속도로 이동시켜 일정한 운동 에너지(일정한 기계적 운동 에너지)로 압력을 가하였다. 도 11의 (a)에는 시간에 따른 개방 전압의 결과를 첨부하였고, 도 11의 (b)에는 시간에 따른 단락 전류의 결과를 첨부하였다. 도 11의 (a) 및 (b) 각각에서 좌측에는 비교를 위하여 제1 압전층을 구비하되 제2 압전층을 구비하지 않는 비교예 1의 전압-전류 특성을 나타냈다.
도 11의 (a) 및 (b)를 참조하면, 비교예 1에 비하여 제조예 1에 따른 압전 소자가 평균 전압 및 평균 전류가 매우 커지는 것을 알 수 있다. 이에 따라 평균 전력 출력 효율이 약 9.5배로 매우 크게 상승한 것을 확인할 수 있다.
제조예 2
제조예 1에 따른 압전 소자를 정류 회로(rectifier circuit)에 연동하였고 병렬로 연결한 200개의 청색 발광 다이오드(LED)에 연결하였다. 압전 소자를 누르지 않은 상태와 손의 압력(0.27 MPa)으로 누른 상태의 사진을 각기 도 12의 (a) 및 (b)에 첨부하였다.
도 12의 (a)에 도시한 바와 같이 압전 소자에 압력을 가하지 않은 상태에서는 청색 발광 다이오드가 켜지지 않으나, 도 12의 (b)에 도시한 바와 같이 압전 소자에 압력을 가하면 200개의 청색 발광 다이오드가 모두 켜지는 것을 알 수 있다. 이와 같이 본 제조예 1에 따른 압전 소자를 이용하여 충분한 전력이 발생되는 것을 알 수 있다. 이에 따라 본 실시예에 따른 압전 소자를 무선 충전 장치, 웨어러블 전자 소자, 바이오 메디컬 장치 등에 적용할 수 있는 것이다.
제조예 3
제조예 1에 따른 압전 소자 3개를 병렬로 연결하고 정류 회로의 끝에 250uF 커패시터를 5개를 병렬로 연결하고, 압전 소자를 손바닥의 압력(0.27 MPa)으로 눌러 커패시터를 충전하였다. 그리고 압전 소자로부터 커패시터를 분리하여 정격 전압이 3V인 전자 시계에 연동하여 전자 시계를 구동하였다. 이 과정을 촬영한 사진을 도 13에 첨부하였다.
도 13에 도시한 바와 같이, 압전 소자를 이용하여 충전된 커패시터를 이용하여 전자 시계의 전원을 켤 수 있었다. 좀더 구체적으로는, 압전 소자를 2분 동안 눌러서 충전한 커패시터를 이용하여 약 5분 정도 전자 시계를 구동할 수 있었다. 이와 같이 본 제조예 1에 따른 압전 소자를 이용하여 충분한 전력이 발생되는 것을 알 수 있다. 이에 따라 본 실시예에 따른 압전 소자를 무선 충전 장치, 웨어러블 전자 소자, 바이오 메디컬 장치 등에 적용할 수 있는 것이다.
제조예 4
제조예 1에 따른 압전 소자를 손으로 구부린 상태와 구부리지 않은 상태의 전압 특성을 측정하였다. 이 과정을 촬영한 사진을 도 14에 첨부하였다.
도 14를 참조하면, 제조예 1에 따른 압전 소자를 구부린 상태에서의 전압 특성이 구부리지 않은 상태의 전압 특성과 유사한 결과가 나타났다. 이와 같이 본 실시예에 따른 압전 소자를 이용하면 구부린 상태에서도 원하는 압전 특성을 구현할 수 있으므로, 본 실시예에 따른 압전 소자를 웨어러블 전자 소자, 바이오 메디컬 장치 등에 적용할 수 있는 것이다.
제조예 5
제조예 1에 따른 압전 소자를 신체 일부분(즉, 손목 및 목)에 각기 부착시키고 오실로스코프에 연동하여 전압을 측정하였다. 여기서, 제조예 1에 따른 압전 소자를 절연 테이프(폴리이미드 테이프, 캡톤(Kapton) 테이프)를 이용하여 신체 일부분에 부착하였으며, 전압은 오실로스코프 기준 3사이클로 1분 동안 측정하였다. 제조예 1에 따른 압전 소자를 손목에 부착한 경우의 사진을 도 15에 나타내었고, 제조예 1에 따른 압전 소자를 목에 부착한 경우의 사진을 도 16에 나타내었다.
도 15에 도시한 바와 같이 압전 소자를 손목에 부착한 경우는 손가락으로 직접 압전 소자를 구부리는 경우와 유사한 전압이 측정되었고, 도 16에 도시한 바와 같이 압전 소자를 목에 부착하면 55dB의 말소리 크기에 따른 성대 울림에 의하여 전압이 측정되었다. 이와 같이 본 실시예에 따른 압전 소자는 민감도가 높아 웨어러블 전자 소자, 바이오 메디컬 장치 등에 적용할 수 있다. 일 예로, 성대 울림을 인식하여 이에 따른 음성 인식 및 사용자 인식을 통하여 이를 문 열림 장치 등에 연동하여 사용할 수 있다.
상술한 바에 따른 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 압전 소자
10: 제1 구조체
12: 제1 기재
14: 제1 전극
16: 제1 압전층
18: 제1 완충층
20: 제2 구조체
22: 제2 기재
24: 제2 전극
26: 제2 압전층
28: 제2 완충층
10: 제1 구조체
12: 제1 기재
14: 제1 전극
16: 제1 압전층
18: 제1 완충층
20: 제2 구조체
22: 제2 기재
24: 제2 전극
26: 제2 압전층
28: 제2 완충층
Claims (21)
- 제1 기재와, 상기 제1 기재 위에 위치하는 제1 전극과, 상기 제1 전극 위에 위치하며 세라믹 압전 물질을 포함하는 제1 압전층을 포함하는 제1 구조체; 및
상기 제1 구조체에 대향하는 제2 기재와, 상기 제1 구조체에 대향하는 상기 제2 기재의 일면 위에 위치하는 제2 전극과, 상기 제2 전극 위에 위치하며 반도체 압전 물질을 포함하는 제2 압전층을 포함하는 제2 구조체
를 포함하는 압전 소자. - 제1항에 있어서,
상기 제1 압전층이, 수지와, 상기 세라믹 압전 물질로 구성되는 세라믹 나노 입자를 포함하는 압전 소자. - 제2항에 있어서,
상기 제1 압전층에서, 상기 수지는 수지층을 구성하고, 상기 세라믹 나노 입자는 복수 개가 뭉쳐져서 상기 수지층의 표면 위로 돌출 또는 노출되는 클러스터(cluster) 형태로 구비되는 압전 소자. - 제3항에 있어서,
상기 클러스터가 불규칙한 형태를 가지며 불규칙하게 배치되는 압전 소자. - 제3항에 있어서,
상기 세라믹 나노 입자의 크기가 100nm 내지 500nm이고,
상기 클러스터의 크기가 10um 내지 25um이며,
상기 수지층의 두께가 30um 내지 80um인 압전 소자. - 제2항에 있어서,
상기 수지가 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리비닐알코올(PVA), 그리고 폴리비닐리덴플루오라이드(PVF) 중 적어도 하나를 포함하며,
상기 세라믹 나노 입자가 티탄산바륨(BaTiO3), 티탄산지르코늄산납(lead zirconate titanate, PZT), 티탄산납(PbTiO3), 그리고 지르코늄산납(PbTiO3) 중 적어도 하나를 포함하는 압전 소자. - 제1항에 있어서,
상기 제2 압전층이, 베이스층과, 상기 반도체 압전 물질로 구성되며 상기 베이스층에서 또는 상기 베이스층 위에서 행과 열을 이루도록 규칙적으로 배열되는 복수의 반도체 입자로 구성되는 압력 집중 부재를 포함하는 압전 소자. - 제7항에 있어서,
상기 반도체 입자가 구형 또는 구형의 일부를 구성하여 상기 제1 압전층을 향하여 볼록하게 돌출되는 압전 소자. - 제7항에 있어서,
상기 반도체 입자가 100nm 내지 5um의 크기를 가지고,
상기 제2 압전층 또는 상기 베이스층의 두께가 50um 내지 150um인 압전 소자. - 제7항에 있어서,
상기 베이스층이 폴리비닐알코올을 포함하고,
상기 반도체 입자가 아연 스테네이트를 포함하는 압전 소자. - 제7항에 있어서,
상기 제1 압전층이, 수지로 구성되는 수지층과, 상기 세라믹 압전 물질로 구성되며 복수 개가 뭉쳐져서 상기 수지층의 표면 위로 돌출 또는 노출되는 클러스터 형태를 구성하는 세라믹 나노 입자를 포함하고,
상기 제2 압전층의 두께가 상기 제1 압전층의 두께와 같거나 그보다 크거나, 또는 상기 베이스층의 두께가 상기 수지층의 두께와 같거나 그보다 크고,
상기 반도체 입자가 상기 세라믹 나노 입자보다 큰 크기를 가지고 상기 클러스터보다 작은 크기를 가지는 압전 소자. - 제1 기재와, 상기 제1 기재 위에 위치하는 제1 전극과, 상기 제1 전극 위에 위치하며 세라믹 압전 물질을 포함하는 제1 압전 물질로 구성되는 클러스터를 구비하는 제1 압전층을 포함하는 제1 구조체; 및
상기 제1 구조체에 대향하는 제2 기재와, 상기 제1 구조체에 대향하는 상기 제2 기재의 일면 위에 위치하는 제2 전극과, 상기 제2 전극 위에 위치하며 반도체 압전 물질을 포함하는 제2 압전 물질로 구성되며 구형 또는 이의 일부를 구성하는 형상의 압력 집중 부재를 구비하는 제2 압전층을 포함하는 제2 구조체
를 포함하는 압전 소자. - 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 압전 소자가 무선 충전 시스템, 바이오 전자 소자, 웨어러블 전자 소자, 미세 전자 기계 시스템, 제세동기, 음성 인식 장치, 또는 사용자 인식 장치로 사용되는 압전 소자. - 제1 기재 위에 제1 전극을 형성하고 제2 기재 위에 제2 전극을 형성하는 단계;
세라믹 압전 물질을 포함하는 제1 압전층을 상기 제1 전극 위에 위치시켜 제1 구조체를 형성하고 반도체 압전 물질을 포함하는 제2 압전층을 상기 제2 전극 위에 위치시켜 제2 구조체를 형성하는 단계; 및
상기 제1 압전층과 상기 제2 압전층이 대향하도록 상기 제1 구조체와 상기 제2 구조체를 중첩하는 단계
를 포함하는 압전 소자의 제조 방법. - 제14항에 있어서,
상기 제1 압전층은 진공 바코터를 이용한 블레이딩 방법으로 형성되는 압전 소자의 제조 방법. - 제15항에 있어서,
상기 제1 압전층은,
수지와 상기 세라믹 압전 물질로 구성되는 세라믹 나노 입자를 혼합한 혼합 용액을 도포하여 층상 형상으로 형성하는 단계;
상기 세라믹 나노 입자가 뭉쳐지도록 상기 층상 형상의 혼합 용액에 바(bar)를 이용하여 블레이딩 공정을 수행하는 단계; 및
상기 뭉쳐진 세라믹 나노 입자를 상기 수지로 구성되는 수지층 위에 위치시켜 상기 세라믹 나노 입자로 구성되며 상기 수지층의 표면 위로 돌출 또는 노출되는 클러스터를 형성하는 단계
를 포함하여 형성되는 압전 소자의 제조 방법. - 제16항에 있어서,
상기 수지가 폴리디메틸실록산, 폴리비닐알코올, 그리고 폴리비닐리덴플루오라이드 중 적어도 하나를 포함하며,
상기 세라믹 나노 입자가 티탄산바륨, 티탄산지르코늄산납, 티탄산납, 그리고 지르코늄산납 중 적어도 하나를 포함하는 압전 소자의 제조 방법. - 제14항에 있어서,
상기 제2 압전층은 기판 전사 방법으로 형성되는 압전 소자의 제조 방법. - 제18항에 있어서,
상기 제2 압전층은,
제2 제조 기판 위에 반도체 입자를 놓고 상기 전사 부재를 이용하여 문질러서 상기 제2 제조 기판 위에 정렬하여 전사하는 단계;
상기 제2 제조 기판 위에 정렬된 상기 반도체 입자 위에 수지를 포함하는 수지 수용액을 도포하는 단계; 및
상기 수지 수용액을 건조 또는 경화하여 상기 수지 수용액에 포함되는 상기 수지로 구성되는 베이스층 및 상기 베이스층의 표면에 상기 반도체 입자가 정렬된 제2 압전층을 제조하는 단계
를 포함하여 형성되고,
상기 제2 압전층이 상기 제2 제조 기판으로부터 분리되어 상기 제2 전극 위에 고정되어 상기 제2 구조체를 형성하는 압전 소자의 제조 방법. - 제19항에 있어서,
상기 반도체 입자가 구형 또는 구형의 일부를 구성하여 상기 제1 압전층을 향하여 볼록하게 돌출되는 압전 소자의 제조 방법. - 제19항에 있어서,
상기 베이스층이 폴리비닐알코올을 포함하고,
상기 반도체 입자가 아연 스테네이트를 포함하는 압전 소자의 제조 방법.
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