KR20110021637A - 전기 에너지 발생 장치 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
전기 에너지 발생 장치는 서로 이격된 제1 전극 및 제2 전극, 그리고 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 배치되어 있는 에너지 발생층을 포함하고, 상기 에너지 발생층은 광전변환층 및 압전 나노와이어를 포함하고, 상기 압전 나노와이어는 상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극에 외부로부터 힘이 가해질 경우 변형되어 전기에너지를 발생할 수 있다.
Description
본 기재(disclosure)는 전기 에너지 발생 장치 및 상기 전기 에너지 발생 장치의 제조 방법에 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.
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.
태양광 등의 광을 흡수하여 전기 에너지를 발생시킬 수 있는 한편, 광이 인가되지 않는 경우에도 응력이나 신호에 의하여 전기 에너지를 발생시킬 수 있는 전기 에너지 발생 장치 및 상기 전기 에너지 발생 장치의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 일측면은 전기 에너지 발생 장치를 제공할 수 있다.
전기 에너지 발생 장치는 서로 이격된 제1 전극 및 제2 전극, 그리고 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 배치되어 있는 에너지 발생층을 포함하고, 상기 에너지 발생층은 광전변환층 및 압전 나노와이어를 포함하고, 상기 나노와이어는 상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극에 외부로부터 힘이 가해질 경우 변형되어 전기에너지를 발생할 수 있다.
본 발명의 다른 일측면은 전기 에너지 발생 장치를 제공할 수 있다.
전기 에너지 발생 장치는 서로 이격된 제1 전극 및 제2 전극, 그리고 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 배치되어 있는 에너지 발생층을 포함하고, 상기 에너지 발생층은 광전변환층 및 압전층을 포함하고, 상기 압전층은 상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극에 외부로부터 힘이 가해질 경우 변형되어 전기에너지를 발생할 수 있다.
본 발명의 다른 일측면은 전기 에너지 발생 장치의 제조 방법을 제공할 수 있다.
전기 에너지 발생 장치의 제조 방법은 기판 위에 제1 전극을 배치하는 단계, 상기 제1 전극 위에 압전 물질로 이루어진 나노와이어를 배치하는 단계, 상기 제1 전극 위에 상기 나노와이어와 전기적으로 연결된 광전변환층을 형성하는 단계, 그리고 상기 나노와이어와 상기 광전변환층 위에 제2 전극을 배치하는 단계를 포함하고, 상기 나노와이어는 상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극에 외부로부터 힘이 가해질 경우 변형되어 전기에너지를 발생할 수 있다.
전기 에너지 발생 장치에 태양광 등의 광이 조사되는 경우, 광 활성층에서 광을 흡수하여 전기 에너지를 발생시키고, 광 활성층과 인접하여 위치하는 나노와이어로 인하여 광을 이용하여 발생한 전기 에너지의 효과적인 이동(transport)을 유도할 수 있다.
또한, 전기 에너지 발생 장치에 광이 조사되지 않는 경우에는, 압전 물질로 이루어진 나노와이어에 응력을 인가함으로써, 나노와이어를 변형시켜 전기 에너지를 발생시킬 수도 있다.
또한, 태양광에 의한 에너지 발생 및 압전에 의한 에너지 발생이 동시에 발생 될 수 있으며, 이 경우 에너지 발생 효율이 향상됨을 물론 에너지 발생과 압력 센싱을 동시에 구현하는 다기능 소자 개발이 가능하다.
도 1은 전기 에너지 발생 장치를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 도 1의 전기 에너지 발생 장치를 도시한 분해 사시도이다.
도 3은 전기 에너지 발생 장치의 제1 동작을 개념적으로 나타내는 단면도이다.
도 4는 전기 에너지 발생 장치의 제2 동작을 개념적으로 나타내는 단면도이다.
도 5는 전기 에너지 발생 장치를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 6은 도 1의 전기 에너지 발생 장치를 도시한 분해 사시도이다.
도 7은 전기 에너지 발생 장치의 제1 동작을 개념적으로 나타내는 단면도이다.
도 8은 전기 에너지 발생 장치의 제2 동작을 개념적으로 나타내는 단면도이다.
도 9는 다른 한 실시예에 따른 전기 에너지 발생 장치의 분해 사시도이다.
도 10은 다른 한 실시예에 따른 전기 에너지 발생 장치의 분해 사시도이다.
도 11a 내지 도 11d는 한 실시예에 따른 전기 에너지 발생 장치의 일부의 제조 단계를 도시한 단면도이다.
도 12a 내지 도12c는 전기 에너지 발생 장치의 실험 결과에 따른 전류를 나타내는 그래프이다.
도 2는 도 1의 전기 에너지 발생 장치를 도시한 분해 사시도이다.
도 3은 전기 에너지 발생 장치의 제1 동작을 개념적으로 나타내는 단면도이다.
도 4는 전기 에너지 발생 장치의 제2 동작을 개념적으로 나타내는 단면도이다.
도 5는 전기 에너지 발생 장치를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 6은 도 1의 전기 에너지 발생 장치를 도시한 분해 사시도이다.
도 7은 전기 에너지 발생 장치의 제1 동작을 개념적으로 나타내는 단면도이다.
도 8은 전기 에너지 발생 장치의 제2 동작을 개념적으로 나타내는 단면도이다.
도 9는 다른 한 실시예에 따른 전기 에너지 발생 장치의 분해 사시도이다.
도 10은 다른 한 실시예에 따른 전기 에너지 발생 장치의 분해 사시도이다.
도 11a 내지 도 11d는 한 실시예에 따른 전기 에너지 발생 장치의 일부의 제조 단계를 도시한 단면도이다.
도 12a 내지 도12c는 전기 에너지 발생 장치의 실험 결과에 따른 전류를 나타내는 그래프이다.
이하에서는, 도면을 참고하여 실시예를 구체적으로 설명한다.
도 1및 도 2를 참고로, 한 실시예에 따른 전기 에너지 발생 장치를 설명한다. 도 1은 한 실시예에 따른 전기 에너지 발생 장치를 개략적으로 도시한 단면도이고, 도 2는 도 1의 전기 에너지 발생 장치를 도시한 분해 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 전기 에너지 발생 장치는 서로 마주보는 하부 기판(100)과 상부 기판(200), 그리고, 하부 기판(100)과 상부 기판(200) 사이에 배치되어 있는 에너지 발생층(300), 그리고 하부 기판(100)과 상부 기판(200)을 전기적으로 연결하는 연결부(401)와 연결부(401)에 연결되어 있는 저장부(402)를 포함한다. 에너지 발생층(300)은 하부 기판(100) 위에 형성될 수 있다.
하부 기판(100)은 제1 기판(110), 제1 기판(110) 위에 형성되어 있는 제1 전극(120)을 포함하고, 상부 기판(200)은 제2 기판(210), 제2 기판 위에 형성되어 있는 제2 전극(220)을 포함한다. 제1 기판(110) 및 제2 기판(210)은 가요성(flexible)일 수 있고, 투명할 수 있다. 도시하지는 않았지만, 제 1 전극(120) 또는 제 2 전극(220) 위에는 전자 및 정공의 이동을 한쪽 방향으로 촉진시키기 위해 방해층(Blocking layer) 또는 이동층(Transport layer)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 제2 전극(220)위에 산화몰리브덴(MoOx) 층을 코팅함으로써 전자의 이동을 방해하고 정공의 이동을 향상시켜 제2 전극(220)으로는 정공만을 선택적으로 이동시킬 수 있도록 할 수 있다. 제1 기판(110) 및 제2 기판(210)은 플라스틱 등 가요성 물질을 포함할 수 있어서, 인가된 외부 응력에 의해 변형가능하다. 제1 전극(120)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(220)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(120) 및 제2 전극(220) 중 적어도 하나는 인가된 응력에 의해 변형 가능한 가요성(flexible) 전극으로 이루어질 수도 있다.
제1 전극(120)과 제2 전극(220)은 연결부(401)에 의해 서로 연결되어 있다. 연결부(401)는 도전성 물질로 이루어진다.
에너지 발생층(300)은 복수의 압전 나노와이어(nanowire)(301) 및 광전변환층을 포함하는데, 광전변환층은 태양광 등의 광을 흡수함으로써 전자-정공 쌍(exiton)을 생성하는 유기물층(320)으로 p-형(p-type) 유기 반도체를 포함할 수 있다.
유기 물질층(320)은 압전 특성을 가지는 p-형 반도체를 포함할 수 있다. 또한, 유기 물질층(320)은 압전 특성을 가지는 P3HT{poly(3-hexylthiophene)}, 폴리아닐린(Polyaniline), 폴리피롤(Polypyrrole), PPV(Poly(p-phenylene vinylene)), 폴리비닐렌(Polyvinylene), 폴리아세틸렌(Polyacetylene), 폴리타이펜(polythiphene) 및 이들의 유도체(derivatives) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 유기 물질층(320)은 Poly(2,7-Carbazole)를 포함할 수 있다.
압전 나노와이어(310)는 산화아연(ZnO), 납-지르코늄-티타늄산화물(lead zirconate titanate; PZT), 티탄산바륨(BaTiO3), 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(310)를 구성하는 압전 물질은 반도체 특성을 가질 수도 있다. 예를 들어, 도핑되지 않은 산화아연(ZnO)으로 이루어진 압전 나노와이어(310)의 경우 n형(n-type) 반도체 특성을 갖는다.
복수의 압전 나노와이어(310)는 제1 전극(120) 위에 성장될 수 있다. 복수의 압전 나노와이어(310)를 제1 기판(110) 위에 바로 형성하지 않고 제1 전극(120) 위에 성장시킬 경우 압전 나노와이어(310)의 성장 제어가 용이하여 예를 들어 압전 나노와이어(310)가 제1 전극(120)으로부터 수직 방향으로 성장될 수 있고, 각각의 압전 나노와이어(310) 사이의 형상 또는 방향성의 균일도가 향상될 수 있다. 그러나 나노와이어(310)의 성장 이전에 제1 기판(110) 위에 얇은 전도성 산화아연(ZnO)의 박막이 성장되고, 이 경우 산화아연 박막이 제1 전극(120)의 역할을 할 수도 있다.
압전 나노와이어(310)는 제1 전극(120) 및 제2 전극(220)의 표면에 수직한 방향으로 연장될 수 있다. 압전 나노와이어(310)는 제1 전극(120) 및 제2 전극(220)의 표면에 대해 수직하지 않은 방향으로 경사지게 연장될 수 있다. 본 개시와 도면에 도시되어 있는 압전 나노와이어(310)의 개수는 예시적인 것으로서, 압전 나노와이어(310)의 개수 및 배치는 장치의 크기 및 용도에 따라 서로 다를 수 있음은 분명하다.
그러면, 도 1 및 도 2에 도시한 실시예에 따른 전기 에너지 발생 장치의 동작에 대하여 도 3 및 도 4를 참고로 설명한다. 도 3은 본 실시예에 따른 전기 에너지 발생 장치의 제1 동작을 개념적으로 나타내는 단면도이고, 도 4는 본 실시예에 따른 전기 에너지 발생 장치의 제2 동작을 개념적으로 나타내는 단면도이다.
먼저, 도 3을 참고하여 전기 에너지 발생 장치가 태양광 등의 광을 흡수하는 경우에 해당하는 제1 동작을 설명한다.
전기 에너지 발생 장치에 태양광 등의 광이 조사되면, 조사된 광의 일부 또는 전체가 에너지 발생층(300)에 도달할 수 있다. 에너지 발생층(300)에 포함되어 있는 전자들이 조사된 광으로부터 에너지를 흡수하면, 여기 상태의 전자-정공 쌍(exiton)이 형성될 수 있다. 전자-전공 쌍은 p형 유기 물질층(320)과 n형 나노 와이어(310) 사이의 계면에서 전자(501) 및 정공(502)으로 분리될 수 있다. 분리된 전자(501)는 n형 나노 와이어(310)를 따라 양극(anode), 즉 제1 전극(120) 쪽으로 이동하고, 정공(502)은 유기 물질층(320)을 따라 음극(cathode), 즉 제2 전극(220) 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(310)는 조사된 광에 대한 집광 효과를 유도해 에너지 발생층(300)의 전기 에너지 발생 효율을 향상할 수도 있다.
이처럼 전자(501)는 제1 전극(120)으로 이동하고, 정공(502)은 제2 전극(220)으로 이동함에 따라서, 연결부(401)에 의해 서로 연결되어 있는 제1 전극(120)과 제2 전극(220), 에너지 발생층(300)으로 이루어진 폐회로를 통하여 전류가 흐를 수 있다. 연결부(401)에는 저장부(402)가 전기적으로 연결되어 있어, 에너지 발생층(300)에 의해 발생된 전기 에너지를 저장부(402)에 저장할 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.
다음으로 도 4를 참고하여 전기 에너지 발생 장치에 응력이 인가된 경우에 해당하는 제2 동작을 설명한다.
전기 에너지 발생 장치에 응력이 인가되면, 응력이 인가된 위치(A)에서 제2 기판(210) 및 제2 전극(220)이 아래로 휘어질 수 있다. 제2 기판(210) 및 제2 전극(220)이 아래로 휘어짐에 따라, 제1 전극(120)과 제2 전극(220) 사이의 거리가 감소하게 되어, 위치(A)에 배치되어 있는 압전 나노와이어(310)는 압축되어 변형될 수 있고, 변형된 압전 나노와이어(310)는 압전 효과(piezoelectric effect)를 나타낸다. 즉, 압전 나노와이어(310)의 각 부분은 인가된 압축 응력 또는 인장 응력에 따라 소정의 전위를 갖게 된다.
압전 나노와이어(310)의 압전 효과에 의해 발생된 전자(503)는 제1 전극(120)으로 이동하고, 이에 따라 전기 에너지가 발생한다.
이때, 압전 나노와이어(310)에 의해 발생되는 전기 에너지를 저장부(402)에 저장할 수도 있다.
도 4에서는 전기 에너지 발생 장치의 상부에 응력이 인가되어 제2 기판(210) 및 제2 전극(220)이 휘어진 경우를 예시적으로 도시하였으나, 제1 전극(120)에 응력이 인가되거나, 또는 제1 전극(120)과 제2 전극(220) 양쪽에 응력이 인가되더라도 동일한 효과를 얻을 수 있다. 즉, 전기 에너지 발생 장치를 누르거나 구부림으로써 전기 에너지를 발생시킬 수 있다.
이와 같이, 전기 에너지 발생 장치는 태양광 등의 광을 이용하여 전기 에너지를 발생할 뿐만 아니라, 압전 나노와이어에 응력을 가하여 압전 현상을 이용하여 전기 에너지를 발생할 수 있다.
그러면 도 5및 도 6을 참고하여, 다른 한 실시예에 따른 전기 에너지 발생 장치를 설명한다. 도 5는 한 실시예에 따른 전기 에너지 발생 장치를 개략적으로 도시한 단면도이고, 도 6은 도 5의 전기 에너지 발생 장치를 도시한 분해 사시도이다.
도 5 및 도 6을 참고하면, 본 실시예에 따른 전기 에너지 발생 장치는 도 1 및 도 2에 도시한 실시예와 유사하다. 구체적으로 서로 마주보는 하부 기판(100)과 상부 기판(200), 그리고, 하부 기판(100)과 상부 기판(200) 사이에 배치되어 있는 에너지 발생층(300), 그리고 하부 기판(100)과 상부 기판(200)을 전기적으로 연결하는 연결부(401)와 연결부(401)에 연결되어 있는 저장부(402)를 포함한다. 에너지 발생층(300)은 하부 기판(100) 위에 형성될 수 있다.
하부 기판(100)은 제1 기판(110), 제1 기판(110) 위에 형성되어 있는 제1 전극(120)을 포함하고, 상부 기판(200)은 제2 기판(210), 제2 기판 위에 형성되어 있는 제2 전극(220)을 포함한다. 제1 기판(110) 및 제2 기판(210)은 가요성(flexible)일 수 있고, 투명할 수 있다. 도시하지는 않았지만, 제 1 전극(120) 및 제 2 전극(220) 위에는 전자 및 정공의 이동을 한쪽 방향으로 촉진시키기 위해 방해층 또는 이동층을 형성할 수 있다. 제1 전극(120)과 제2 전극(220)은 연결부(401)에 의해 서로 연결되어 있다. 연결부(401)는 도전성 물질로 이루어진다.
에너지 발생층(300)은 복수의 압전 나노와이어(nanowire)(310) 및 광전변환층을 포함한다.
앞선 실시예와 달리 본 실시예에 따른 전기 에너지 발생 장치의 광전변환층은 태양광 등의 광을 흡수함으로써 전자-정공 쌍(exiton)을 생성하는 유기 물질층(320)과, 유기 물질층(320) 내에 분포되어 있는 무기 물질층(330)을 더 포함한다.
유기 물질층(320)과 무기 물질층(330)은 제1 전극(120)과 제2 전극(220) 사이에 혼합되어 있다. 유기 물질층(320)은 p 형(p-type) 유기 반도체를 포함하고, 무기 물질층(330)은 n 형(n-type) 반도체일 수 있다.
유기 물질층(320)은 P3HT{poly(3-hexylthiophene)} 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 압전 특성을 가지는 p-형 반도체를 포함할 수 있다. 유기 물질층(320)은 Poly(2,7-Carbazole)를 포함할 수 있다.
무기 물질층(330)은 PCBM {phenyl-C61-butyric acid methyl ester}, PC71BM {phenyl-C71-butyric acid methyl ester} 등 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
압전 나노와이어(310)는 산화아연(ZnO), 납-지르코늄-티타늄산화물(lead zirconate titanate; PZT), 티탄산바륨(BaTiO3), 질화알루미늄(AlN), 질화갈륨(GaN), 또는 탄화실리콘(SiC) 및 다른 적당한 압전 물질 중 어느 하나 또는 이들의 둘 이상의 조합을 포함할 수 있다.
복수의 압전 나노와이어(310)는 제1 전극(120) 위에 성장될 수 있다.
압전 나노와이어(310)는 제1 전극(120) 및 제2 전극(220)의 표면에 수직한 방향으로 연장될 수 있다. 압전 나노와이어(310)는 제1 전극(120) 및 제2 전극(220)의 표면에 대해 수직하지 않은 방향으로 경사지게 연장될 수 있다. 본 개시와 도면에 도시되어 있는 압전 나노와이어(310)의 개수는 예시적인 것으로서, 압전 나노와이어(310)의 개수 및 배치는 장치의 크기 및 용도에 따라 서로 다를 수 있음은 분명하다.
그러면, 전기 에너지 발생 장치의 동작에 대하여 도 7 및 도 8을 참고로 설명한다. 도 7은 전기 에너지 발생 장치의 제1 동작을 개념적으로 나타내는 단면도이고, 도 8은 전기 에너지 발생 장치의 제2 동작을 개념적으로 나타내는 단면도이다.
먼저, 도 7을 참고하여 전기 에너지 발생 장치가 태양광 등의 광을 흡수하는 경우에 해당하는 제1 동작을 설명한다.
전기 에너지 발생 장치에 태양광 등의 광이 조사되고, 에너지 발생층(300)에 포함되어 있는 전자들이 조사된 광으로부터 에너지를 흡수하면, 여기 상태의 전자-정공 쌍(exiton)이 형성될 수 있다. 전자-전공 쌍은 p형 유기 물질층(320)과 n형 무기 물질층(330) 사이의 계면에서 전자(501) 및 정공(502)으로 분리될 수 있다. 분리된 전자(501)는 n형 무기 물질층(330)을 따라 양극(anode), 즉 제1 전극(120) 쪽으로 이동하고, 정공(502)은 유기 물질층(320)을 따라 음극(cathode), 즉 제2 전극(220) 쪽으로 이동한다. 전자(501)의 이동은 서로 이격되어 있는 n형의 무기 물질층(330)과 무기 물질층(330) 사이를 호핑(hopping)에 의해 이동하는데, 이때 분리된 전자(501)와 정공(502)이 재결합되어 손실될 수도 있다. 본 실시예에 따른 전기 에너지 발생 장치의 무기 물질층(330)은 복수의 압전 나노와이어(310)와 접촉되어 있기 때문에, 압전 나노와이어(310)가 서로 이격되어 있는 무기 물질층(330) 사이를 연결하여, 전자(501)가 압전 나노와이어(310)를 통해 제1 전극(120)에 쉽게 이동할 수 있다. 이처럼, 압전 나노와이어(310)는 전자(501)의 이동층(transport layer)으로서의 역할을 할 수 있다.
이처럼 본 실시예에 따른 전기 에너지 발생 장치의 에너지 발생층의 광전변환층은 유기 물질층(320) 내에 분포되어 있는 무기 물질층(330)을 더 포함하여 유기 물질층(320)에서 생성한 전자-정공 쌍의 분리의 효율을 향상하고 분리된 전자의 이동을 용이하게 할 수 있다.
이처럼 전자(501)는 제1 전극(120)으로 이동하고, 정공(502)은 제2 전극(220)으로 이동함에 따라서, 연결부(401)에 의해 서로 연결되어 있는 제1 전극(120)과 제2 전극(220), 에너지 발생층(300)으로 이루어진 폐회로를 통하여 전류가 흐를 수 있다. 연결부(401)에는 저장부(402)가 전기적으로 연결되어 있어, 에너지 발생층(300)에 의해 발생된 전기 에너지를 저장부(402)에 저장할 수 있다.
다음으로 도 8을 참고하여 본 실시예에 따른 전기 에너지 발생 장치에 응력이 인가된 경우에 해당하는 제2 동작을 설명한다.
전기 에너지 발생 장치에 응력이 인가되면, 응력이 인가된 위치(B)에서 제2 기판(210) 및 제2 전극(220)이 아래로 휘어질 수 있다. 제2 기판(210) 및 제2 전극(220)이 아래로 휘어짐에 따라, 제1 전극(120)과 제2 전극(220) 사이의 거리가 감소하게 되어, 위치(B)에 배치되어 있는 압전 나노와이어(310)는 압축되어 변형될 수 있고, 변형된 압전 나노와이어(310)는 압전 효과를 나타내고, 압전 나노와이어(310)의 압전 효과에 의해 발생된 전자(503)는 제1 전극(120)으로 이동하고, 이에 따라 전기 에너지가 발생한다. 나노와이어(310)에 의해 발생되는 전기 에너지를 저장부(402)에 저장할 수도 있다.
도 8에서는 전기 에너지 발생 장치의 상부에 응력이 인가되어 제2 기판(210) 및 제2 전극(220)이 휘어진 경우를 예시적으로 도시하였으나, 제1 전극(120)에 응력이 인가되거나, 또는 제1 전극(120)과 제2 전극(220) 양쪽에 응력이 인가되더라도 동일한 효과를 얻을 수 있다. 즉, 전기 에너지 발생 장치를 누르거나 구부림으로써 전기 에너지를 발생시킬 수 있다.
이와 같이, 전기 에너지 발생 장치는 태양광 등의 광을 이용하여 전기 에너지를 발생할 뿐만 아니라, 압전 나노와이어에 응력을 가하여 압전 현상을 이용하여 전기 에너지를 발생할 수 있다.
본 실시예에 따른 전기 에너지 발생 장치의 에너지 발생층(300)의 광전 변환층은 유기 물질층(320) 내에 분포되어 있는 무기 물질층(330)을 더 포함하고, 광전 변환층 내에서 발생된 전자는 무기 물질층(330)을 통해 양극으로 이동하고, 압전 나노와이어(310)는 전자(501)의 이동층으로서의 역할을 할 수 있다. 이에 따라, 광전 변환층의 에너지 발생 효율이 높아질 수 있다.
도 1 내지 도 4에 도시한 전기 에너지 발생 장치의 많은 특징들은 도 5 내지 도 8에 도시한 전기 에너지 발생 장치에 적용될 수 있다.
다음으로, 도 9를 참고로 하여, 다른 한 실시예에 따른 전기 에너지 발생 장치에 대하여 설명한다. 도 9는 다른 한 실시예에 따른 전기 에너지 발생 장치의 분해 사시도이다.
도 9에 도시한 전기 에너지 발생 장치는 도 2 또는 도 6에 도시한 전기 에너지 발생 장치와 거의 유사하다. 도 9에 도시한 전기 에너지 발생 장치의 제1 기판(110), 제2 기판(210), 에너지 발생층(300)의 구성 및 기능은 도 2 또는 도 6에 도시한 전기 에너지 발생 장치와 유사하므로 구체적인 설명은 생략한다.
그러나, 도 2 또는 도 6에 도시한 전기 에너지 발생 장치와는 달리, 도 9에 도시한 전기 에너지 발생 장치의 제2 전극(220)은 복수의 오목부(A1) 및 복수의 볼록부(A2)에 의한 물결 형상의 구조가 형성되어 표면이 평편하지 않을 수 있다. 이와 같이 제2 전극(220)의 표면이 평탄하지 않은 경우, 제2 전극(220)과 유기물층과의 접촉면적을 증가시켜 태양광에 의해 발생한 전기에너지의 이동을 향상시켜 에너지 효율을 높일 수 있다.
도 2 또는 도 6에 도시한 전기 에너지 발생 장치의 많은 특징들은 도 9에 도시한 전기 에너지 발생 장치에 적용될 수 있다.
다음으로, 도 10을 참고하여, 다른 한 실시예에 따른 전기 에너지 발생 장치에 대하여 설명한다. 도 10은 다른 한 실시예에 따른 전기 에너지 발생 장치의 분해 사시도이다.
도 10에 도시한 전기 에너지 발생 장치는 도 2 또는 도 6에 도시한 전기 에너지 발생 장치와 유사하다. 특히, 도 10에 도시한 전기 에너지 발생 장치의 제1 기판(110), 제2 기판(210), 에너지 발생층(300)의 구성 및 기능은 도 2 또는 도 6에 도시한 전기 에너지 발생 장치와 유사하므로 구체적인 설명은 생략한다.
그러나, 도 2 또는 도 6에 도시한 전기 에너지 발생 장치와는 달리, 도 10에 도시한 전기 에너지 발생 장치의 제1 전극(120) 및 제2 전극(220)은 복수 개로 나누어진 형태로 구성된다. 제1 전극(120)은 제1 기판(110) 상에서 제1 방향(D2)으로 뻗어 있고, 서로 이격되어 있는 복수 개의 제1 서브 전극(120a, 120b, 120c)을 포함한다. 제2 전극(220)은 제2 기판(210) 상에서 제1 방향(D2)과 수직한 제2 방향(D3)으로 뻗어 있고, 서로 이격되어 있는 복수 개의 제2 서브 전극(220a, 220b, 220c)을 포함한다.
각각 복수 개의 제1 서브 전극과 제2 서브 전극을 포함하는 제1 전극(120) 및 제2 전극(220)은 매트릭스(matrix) 형태의 어레이(array)를 이룰 수 있다. 도 10에 도시된 제1 전극(120) 및 제2 전극(220)의 개수는 예시적인 것으로서, 이에 제한되지 않으며, 제1 전극(120) 및 제2 전극(220)의 개수는 장치의 크기 및 용도에 따라 상이할 수 있다.
이와 같이, 매트릭스 형태의 어레이를 이루도록 배치되어 있는 제1 전극(120) 및 제2 전극(220)을 포함하는 전기 에너지 발생 장치를 이용할 경우, 복수 개의 제1 전극(120a, 120b, 120c) 중 전류가 흐르는 전극 및 복수 개의 제2 전극(220a, 220b, 220c) 중 전류가 흐르는 전극을 감지함으로써, 응력이 인가된 위치를 감지하는 것이 가능하다. 따라서, 상기 에너지 발생 장치를 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 10에 도시한 전기 에너지 발생 장치에서, 압전 나노와이어(310)는 복수 개의 제1 전극(120) 위에 형성되어 있으나, 다른 실시예에 따른 전기 에너지 발생 장치의 경우, 압전 나노와이어(310)는 제1 전극(120)과 제2 전극(220)이 서로 교차하는 영역에만 형성될 수도 있다.
또한, 도 10에 도시한 전기 에너지 발생 장치에서, 제1 전극(120)과 제2 전극(220)은 서로 수직하는 방향으로 뻗어 있으나, 이는 예시적인 것으로서, 다른 실시예에 따른 전기 에너지 발생 장치의 경우, 제2 전극(220)은 제1 전극(120)이 뻗어 있는 제1 방향(D2)에 경사진 방향으로 뻗어 있을 수도 있다.
또한, 도 10에 도시한 전기 에너지 발생 장치에서, 제2 전극(220)의 표면을 평편하지만, 도 9에 도시한 전기 에너지 발생 장치와 같이, 제2 전극(220)의 표면에 오목부와 볼록부가 형성되어 표면이 평편하지 않을 수도 있다.
도 2 또는 도 6에 도시한 전기 에너지 발생 장치의 많은 특징들은 도 10에 도시한 전기 에너지 발생 장치에도 적용가능하다.
이와 같이, 전기 에너지 발생 장치는 조사된 광을 흡수하거나, 또는 인가된 응력을 이용하여 전기 에너지를 발생시킬 수 있다. 전기 에너지 발생 장치에서 제1 전극(120) 및 제2 전극(220) 중 하나 이상을 어레이 형태로 구성함으로써, 응력이 인가된 위치를 감지할 수 있는 터치 센서를 구현할 수도 있어, 터치 센서와 같이 응력을 감지하기 위한 전자 장치에 사용될 수 있다. 또한, 상기 전기 에너지 발생 장치는 터치 패널(panel), 터치스크린 등의 표시 장치 및 로봇의 외피(Robot skin) 등에도 이용될 수 있다. 또한, 전기 에너지 발생 장치 복수 개를 어레이 형태로 서로 전기적으로 연결함으로써, 각각의 전기 에너지 발생 장치에서 발생되는 전기 에너지를 증폭시킬 수도 있다.
그러면, 도 11a 내지 도 11d를 참고하여, 한 실시예에 따른 전기 에너지 발생 장치를 제조하는 방법에 대하여 설명한다. 도 11a 내지 도 11d는 한 실시예에 따른 전기 에너지 발생 장치의 일부의 제조 단계를 도시한 단면도이다.
도 11a를 참고하면, 제1 기판(110) 위에 제1 전극(120)을 형성한다. 제1 기판(110) 및 제1 전극(120)은 인가된 응력에 의하여 휘어질 수 있고, 투명한 물질로 이루어질 수 있다. 제1 전극(120)은 전도성 물질로 이루어지는데, 도금법, 스퍼터링, 전자빔 증착법, 열 증착법 또는 다른 방법에 의하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 전극(120)은 인주석 산화물(Indium Tin Oxide; ITO), 사파이어, 질화갈륨(GaN), 탄화실리콘(SiC), 산화아연(ZnO), 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube; CNT), 전도성 폴리머(conductive polymer), 나노 섬유(nano fiber) 또는 나노복합재료(nanocomposite)를 포함할 수 있다. 제1 전극(120)은 금-팔라듐 합금(AuPd), 금(Au), 팔라듐(Pd), 백금(Pt) 또는 루테늄(Ru)을 포함할 수도 있다.
제1 전극(120)은 뒤에서 형성될 압전 나노와이어를 지지하는 하부 전극의 역할을 할 수 있다.
도 11b를 참고하면, 다음으로 제1 전극(120) 위에 나노물질층(300)을 형성할 수 있다. 나노물질층(300)은 스핀 코팅(spin coating), 딥 코팅(dip coating), 증발법(evaporation method) 또는 다른 방법에 의하여 제1 전극(120) 위에 얇은 두께로 형성될 수 있다. 예를 들어, 나노물질층(300)의 두께는 약 3 nm 내지 약 50 nm일 수도 있다. 다른 한 실시예에서, 나노물질층(300)은 초산아연(Zinc Acetate)으로 이루어질 수도 있다.
도 11c에 도시한 바와 같이, 나노물질층(300)이 형성된 기판(110)을 나노물질이 용해되어 있는 용액에 투입함으로써, 나노와이어(310)를 성장시킬 수 있다. 나노와이어(310)는 압전 성질을 가질 수 있으며, 산화아연(ZnO), 납-지르코늄-티타늄산화물(lead zirconate titanate; PZT), 티탄산바륨(BaTiO3), 질화알루미늄(AlN), 질화갈륨(GaN), 또는 탄화실리콘(SiC) 및 다른 적당한 압전 물질 중 어느 하나 또는 이들의 둘 이상의 조합을 포함할 수 있다.
다음으로, 도 11d를 참고하면, 나노와이어(310)가 형성된 제1 전극(120) 위에 광전변환층을 형성할 수 있다. 광전 변환층은 유기 물질층(320), 그리고 유기 물질층(320) 내에 분포되어 있는 무기 물질층(330)을 포함할 수 있고, 유기 물질층(320)은 p 형(p-type) 유기 반도체를 포함하고, 무기 물질층(330)은 n 형(n-type) 무기 반도체일 수 있다. 광전 변환층은 유기 물질층(320)으로만 이루어질 수도 있다.
다음으로, 제1 전극(120)과 제2 전극(220)이 서로 마주보도록 배치하여, 제2 전극(220)이 에너지 발생층(300)과 접하도록 하고, 연결부(401)를 통해 제1 전극(120)과 제2 전극(220)을 서로 연결하여 전기 에너지 발생 장치를 형성한다. 연결부(401)에는 저장부(402)가 전기적으로 연결될 수 있다.
그러면 도 12a 내지 도 12c를 참고로, 실험예를 설명한다. 도 12a 내지 도12c는 전기 에너지 발생 장치의 실험 결과에 따른 전류를 나타내는 그래프이다. 실험예에서는 폴리에스테르술폰(Polyethersulfone; PES)로 이루어진 기판을 사용하였고, 기판(PES)위에 산화인듐주섬(ITO; Indium tin oxide)를 코팅하여 전극으로 사용하였다. 전극(ITO)위에 산화주석(ZnO)의 압전 나노와이어를 성장시킨 후, 유기물질과 무기물질 혼합체(P3HT/PCBM Blend)를 코팅하였다. 상부 전극으로의 전자이동을 막기 위해 산화몰리브덴(MoOx) 층을 코팅한 후, 금(Au) 층을 상부 전극으로 코팅하여 전기 에너지 발생 장치를 형성하였다.
도 12a는 실험예에 사용된 전기 에너지 발생 장치를 도구를 사용해 누르거나 굽혔을 경우 발생되는 전류의 피크(Peak)를 나타내는 그래프이다. 도 12a를 참고하면, 전기 에너지 발생 장치의 압전 효과에 의해 에너지가 발생하였음을 알 수 있었다.
도 12b 는 룸라이트(Room light) 하에서 실험예에 사용된 전기 에너지 발생 장치에서 발생된 전류를 나타내는 그래프이다. 도 12b를 참고하면, 룸라이트(Room light) 하에서 측정 시 전류가 흐르는 것을 알 수 있었고, 이에 의해 광변환층에서 태양 전지 효과에 의한 에너지가 발생하였음을 알 수 있었다.
도 12c 는 룸라이트(Room light) 하에서 실험예에 사용된 전기 에너지 발생 장치에 전류가 발생하는 동안, 전기 에너지 발생 장치에 외력을 가한 경우의 전류를 나타내는 그래프이다. 도 12c를 참고하면, 전기 에너지 발생 장치에 태양 전지에 의한 에너지가 발생할 뿐만 아니라, 외력을 가하는 경우, 압전에 의해 추가적으로 전류가 발생한다는 것을 알 수 있었으며, 태양 전지 효과와 압전 효과에 따른 동시 구동이 가능함을 알 수 있었다.
그러면, 도 13을 참고하여, 다른 한 실시예에 따른 전기 에너지 발생 장치를 설명한다. 도 13은 한 실시예에 따른 전기 에너지 발생 장치를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 13을 참고하면, 본 실시예에 따른 전기 에너지 발생 장치는 도 1 및 도 2에 도시한 실시예에 따른 전기 에너지 발생 장치와 유사하다. 구체적으로 전기 에너지 발생 장치는 서로 마주보는 하부 기판(100)과 상부 기판(200), 그리고, 하부 기판(100)과 상부 기판(200) 사이에 배치되어 있는 에너지 발생층(300), 그리고 하부 기판(100)과 상부 기판(200)을 전기적으로 연결하는 연결부(401)와 연결부(401)에 연결되어 있는 저장부(402)를 포함한다.
하부 기판(100)은 제1 기판(110), 제1 기판(110) 위에 형성되어 있는 제1 전극(120)을 포함하고, 상부 기판(200)은 제2 기판(210), 제2 기판 위에 형성되어 있는 제2 전극(220)을 포함한다. 제1 기판(110) 및 제2 기판(210)은 가요성(flexible)일 수 있고, 투명할 수 있다. 또한, 제1 기판(110) 및 제2 기판(210)은 플라스틱 등 가요성 물질을 포함할 수 있어서, 인가된 외부 응력에 의해 변형 가능하다. 제1 전극(120)은 산화인듐주석(ITO, Indium Tin Oxide), 그라핀(graphene), 투명 전도성 고분자(conductive polymer) 및 다른 적당한 물질 중 어느 하나 또는 이들의 둘 이상의 조합을 포함할 수 있다. 제2 전극(220)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(120) 및 제2 전극(220) 중 적어도 하나는 인가된 응력에 의해 변형 가능한 가요성(flexible) 전극으로 이루어질 수도 있다.
도시하지는 않았지만, 제 1 전극(120) 또는 제 2 전극(220) 위에는 전자 및 정공의 이동을 한쪽 방향으로 촉진시키기 위해 방해층(Blocking layer) 또는 이동층(Transport layer)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 제2 전극(220)위에 산화몰리브덴(MoOx) 층을 코팅함으로써 전자의 이동을 방해하고 정공의 이동을 향상시켜 제2 전극(220)으로는 정공만을 선택적으로 이동시킬 수 있도록 할 수 있다.
제1 전극(120)과 제2 전극(220)은 연결부(401)에 의해 서로 연결되어 있다. 연결부(401)는 도전성 물질로 이루어진다.
에너지 발생층(300)은 압전층(310) 및 유기 물질층(320)을 포함한다.
압전층(310)은 산화아연(ZnO), 납-지르코늄-티타늄산화물(lead zirconate titanate; PZT), 티탄산바륨(BaTiO3), 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, 압전층(310)을 구성하는 압전 물질은 반도체 특성을 가질 수도 있다. 예를 들어, 도핑되지 않은 산화아연(ZnO)으로 이루어진 압전층(310)의 경우 n형(n-type) 반도체 특성을 갖는다.
본 실시예에 따른 전기 에너지 발생 장치는 앞서 설명한 실시예와는 달리 나노와이어 형태로 성장한 압전 물질이 아닌 얇은 면형의 압전층(310)을 포함한다.
유기 물질층(320)은 태양광 등의 광을 흡수함으로써 전자-정공 쌍(exiton)을 생성하는 광전변환층으로, p-형(p-type) 유기 반도체를 포함할 수 있다. 유기 물질층(32)은 압전 특성을 가지는 p-형 반도체를 포함할 수 있다. 또한, 유기 물질층(320)은 압전 특성을 가지는 P3HT{poly(3-hexylthiophene)}, 폴리아닐린(Polyaniline), 폴리피롤(Polypyrrole), PPV(Poly(p-phenylene vinylene)), 폴리비닐렌(Polyvinylene), 폴리아세틸렌(Polyacetylene), 폴리타이펜(polythiphene) 및 이들의 유도체(derivatives) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 유기 물질층(320)은 Poly(2,7-Carbazole)를 포함할 수 있다. 또한 도시하지는 않았지만, 에너지 발생층(300)은 무기 물질층을 더 포함할 수 있고, 무기 물질층은 n형 반도체를 포함할 수 있다.
그러면, 도 13에 도시한 실시예에 따른 전기 에너지 발생 장치의 동작에 대하여 도 14 및 도 15를 참고로 설명한다. 도 14는 본 실시예에 따른 전기 에너지 발생 장치의 제1 동작을 개념적으로 나타내는 단면도이고, 도 15는 본 실시예에 따른 전기 에너지 발생 장치의 제2 동작을 개념적으로 나타내는 단면도이다.
먼저, 도 14를 참고하여 전기 에너지 발생 장치가 태양광 등의 광을 흡수하는 경우에 해당하는 제1 동작을 설명한다.
전기 에너지 발생 장치에 태양광 등의 광이 조사되면, 조사된 광의 일부 또는 전체가 에너지 발생층(300)에 도달할 수 있다. 에너지 발생층(300)에 포함되어 있는 전자들이 조사된 광으로부터 에너지를 흡수하면, 여기 상태의 전자-정공 쌍(exiton)이 형성될 수 있다. 전자-전공 쌍은 p형 유기 물질층(320)과 n형 압전층(310) 사이의 계면에서 전자(501) 및 정공(502)으로 분리될 수 있다. 분리된 전자(501)는 n형 압전층(310)을 따라 양극(anode), 즉 제1 전극(120) 쪽으로 이동하고, 정공(502)은 유기 물질층(320)을 따라 음극(cathode), 즉 제2 전극(220) 쪽으로 이동한다.
도시한 실시예에서, 태양광은 전기 에너지 발생 장치의 하부로부터 조사되었으나, 태양광은 전기 에너지 발생 장치의 상부로부터 조사될 수 있다.
이처럼 전자(501)는 제1 전극(120)으로 이동하고, 정공(502)은 제2 전극(220)으로 이동함에 따라서, 연결부(401)에 의해 서로 연결되어 있는 제1 전극(120)과 제2 전극(220), 에너지 발생층(300)으로 이루어진 폐회로를 통하여 전류가 흐를 수 있다. 연결부(401)에는 저장부(402)가 전기적으로 연결되어 있어, 에너지 발생층(300)에 의해 발생된 전기 에너지를 저장부(402)에 저장할 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.
다음으로 도 15를 참고하여 전기 에너지 발생 장치에 응력이 인가된 경우에 해당하는 제2 동작을 설명한다.
전기 에너지 발생 장치에 응력이 인가되면, 에너지 발생 장치는 위 아래로 휘어(bending)질 수 있다. 제2 기판(210) 및 제2 전극(220)이 위 아래로 휘어짐에 따라, 압전층(310)도 압축 또는 인장되어 변형될 수 있고, 변형된 압전층(310)은 압전 효과(piezoelectric effect)를 나타낸다. 즉, 압전층(310)의 각 부분은 인가된 압축 응력 또는 인장 응력에 따라 소정의 전위를 갖게 된다.
압전층(310)의 압전 효과에 의해 발생된 전자(503)는 제1 전극(120)으로 이동하고, 이에 따라 전기 에너지가 발생한다.
이때, 압전층(310)에 의해 발생되는 전기 에너지를 저장부(402)에 저장할 수도 있다.
도 15에서는 제1 전극(120)과 제2 전극(220) 양쪽에 응력이 인가된 경우를 도시하였으나, 전기 에너지 발생 장치의 상부 또는 하부에 응력이 인가되거나, 전기 에너지 발생 장치의 측면에 응력이 인가되더라도 동일한 효과를 얻을 수 있다. 즉, 전기 에너지 발생 장치를 누르거나 구부림으로써 압전층(310이 휘어져서 압축 또는 인장되는 경우 전기 에너지를 발생시킬 수 있다.
이와 같이, 전기 에너지 발생 장치는 태양광 등의 광을 이용하여 전기 에너지를 발생할 뿐만 아니라, 압전층에 응력을 가하여 압전 현상을 이용하여 전기 에너지를 발생할 수 있다.
그러면 도 16을 참고로, 실험예를 설명한다. 도 16은 전기 에너지 발생 장치의 실험 결과에 따른 전류를 나타내는 그래프이다. 실험예에서는 폴리에스테르술폰(Polyethersulfone; PES)로 이루어진 기판을 사용하였고, 기판(PES)위에 산화인듐주섬(ITO; Indium tin oxide)를 코팅하여 전극으로 사용하였다. 전극(ITO)위에 산화주석(ZnO)의 박막으로 압전층을 적층한 후유기물질과 무기물질 혼합체(P3HT/PCBM Blend)를 코팅하였다. 상부 전극으로의 전자이동을 막기 위해 산화몰리브덴(MoOx) 층을 코팅한 후, 금(Au) 층을 상부 전극으로 코팅하여 전기 에너지 발생 장치를 형성하였다.
도 16에서는 실험예에 사용된 전기 에너지 발생 장치를 룸라이트(Room light) 하에 두었다가 이어서, 실험예에 사용된 전기 에너지 발생 장치를 도구를 사용해 누르거나 굽혔을 경우 발생되는 전압의 피크(Peak)를 나타내는 그래프이다.
도 16을 참고하면, 전기 에너지 발생 장치는 룸라이트(Room light) 하에서 측정 시 제1 전압(E1)이 발생되었음을 알 수 있었고, 이에 의해 광변환층에서 태양 전지 효과에 의한 에너지가 발생하였음을 알 수 있었다. 또한, 전기 에너지 발생 장치에 응력을 가했을 경우, 제2 전압(E2)이 발생되었음을 알 수 있었고, 이에 의해 전기 에너지 발생 장치의 압전 효과에 의해 에너지가 발생하였음을 알 수 있었다.
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 (34)
- 서로 이격된 제1 전극 및 제2 전극, 그리고
상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 배치되어 있는 에너지 발생층을 포함하고,
상기 에너지 발생층은 광전변환층 및 압전 나노와이어를 포함하고,
상기 나노와이어는 상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극에 외부로부터 힘이 가해질 경우 변형되어 전기에너지를 발생하는 전기에너지 발생 장치.
- 제1항에서,
상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 적어도 하나는 인가된 응력에 의하여 변형되는 가요성을 가지는 전기 에너지 발생 장치.
- 제2항에서,
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 에너지 발생 장치.
- 제1항에서,
상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 적어도 하나는 투명한 물질로 이루어진 전기 에너지 발생 장치.
- 제4항에서,
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 투명한 물질로 이루어진 전기 에너지 발생 장치.
- 제1항에서,
상기 나노와이어는 산화아연(ZnO), 납-지르코늄-티타늄산화물(PZT), 티탄산 바륨(BaTiO3), 질화알루미늄(AlN), 질화갈륨(GaN), 또는 탄화실리콘(SiC)을 포함하는 전기 에너지 발생 장치.
- 제1항에서,
상기 광전변환층은 유기 물질층을 포함하는 전기 에너지 발생 장치.
- 제7항에서,
상기 유기 물질층은 p형 반도체를 포함하고, 상기 나노와이어는 n형 반도체 특성을 가지는 전기 에너지 발생 장치.
- 제7항에서,
상기 광전변환층은 무기 물질층을 더 포함하는 전기 에너지 발생 장치.
- 제9항에서,
상기 유기 물질층은 p형 반도체를 포함하고, 상기 무기 물질층은 n형 반도체를 포함하는 전기 에너지 발생 장치.
- 제7항에서,
상기 유기물질층은 압전 특성을 가지는 p형 반도체를 포함하는 전기 에너지 발생 장치.
- 제11항에서,
상기 유기물질층은 압전 특성을 가지는 P3HT(poly(3-hexylthiophene)), 폴리아닐린(Polyaniline), 폴리피롤(Polypyrrole), PPV(Poly(p-phenylene vinylene)), 폴리비닐렌(Polyvinylene), 폴리아세틸렌(Polyacetylene), 폴리타이펜(polythiphene)및 이들의 유도체(derivatives) 중 적어도 하나를 포함하는 전기 에너지 발생 장치.
- 제1항에서,
상기 제2 전극의 표면은 평편하지 않는 전기 에너지 발생 장치.
- 제1항에서,
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 에너지 발생 장치.
- 제1항에서,
상기 제1 전극과 상기 제2 전극을 전기적으로 연결하는 연결부, 그리고
상기 연결부에 전기적으로 연결되어 있는 저장부를 더 포함하는 전기 에너지 발생 장치.
- 제1항에서,
상기 제1 전극과 상기 나노와이어는 서로 동일한 물질로 이루어진 전기 에너지 발생 장치.
- 기판 위에 제1 전극을 배치하는 단계,
상기 제1 전극 위에 압전 물질로 이루어진 나노와이어를 배치하는 단계,
상기 제1 전극 위에 상기 나노와이어와 전기적으로 연결된 광전변환층을 형성하는 단계, 그리고
상기 나노와이어와 상기 광전변환층 위에 제2 전극을 배치하는 단계를 포함하고,
상기 나노와이어는 상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극에 외부로부터 힘이 가해질 경우 변형되어 전기에너지를 발생하는 전기 에너지 발생 장치의 제조 방법.
- 제17항에서,
상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 적어도 하나는 인가된 응력에 의하여 변형되는 가요성을 가지는 전기 에너지 발생 장치의 제조 방법.
- 제18항에서,
상기 기판은 인가된 응력에 의하여 변형되는 가요성을 가지는 전기 에너지 발생 장치의 제조 방법.
- 제17항에서,
상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 적어도 하나는 투명한 물질로 이루어진 전기 에너지 발생 장치의 제조 방법.
- 제20항에서,
상기 기판은 투명한 물질로 이루어진 전기 에너지 발생 장치의 제조 방법.
- 제17항에서,
상기 제1 전극 위에 압전 물질로 이루어진 나노와이어를 배치하는 단계는,
상기 제1 전극 위에 나노물질층을 형성하는 단계,
상기 나노물질층으로부터 나노와이어를 형성하는 단계를 포함하는 전기 에너지 발생 장치의 제조 방법.
- 서로 이격된 제1 전극 및 제2 전극, 그리고
상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 배치되어 있는 에너지 발생층을 포함하고,
상기 에너지 발생층은 광전변환층 및 압전층을 포함하고,
상기 압전층은 상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극에 외부로부터 힘이 가해질 경우 변형되어 전기에너지를 발생하는 전기에너지 발생 장치.
- 제23항에서,
상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 적어도 하나는 인가된 응력에 의하여 변형되는 가요성을 가지는 전기 에너지 발생 장치.
- 제24항에서,
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 에너지 발생 장치.
- 제23항에서,
상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 적어도 하나는 투명한 물질로 이루어진 전기 에너지 발생 장치.
- 제26항에서,
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 투명한 물질로 이루어진 전기 에너지 발생 장치.
- 제23항에서,
상기 압전층은 얇은 막 형태이며, 상기 압전층은 산화아연(ZnO), 납-지르코늄-티타늄산화물(PZT), 티탄산바륨(BaTiO3), 질화알루미늄(AlN), 질화갈륨(GaN), 또는 탄화실리콘(SiC)을 포함하는 전기 에너지 발생 장치.
- 제23항에서,
상기 광전변환층은 유기 물질층을 포함하는 전기 에너지 발생 장치.
- 제29항에서,
상기 유기 물질층은 p형 반도체를 포함하고, 상기 압전층은 n형 반도체 특성을 가지는 전기 에너지 발생 장치.
- 제30항에서,
상기 광전변환층은 무기 물질층을 더 포함하는 전기 에너지 발생 장치.
- 제31항에서,
상기 유기 물질층은 p형 반도체를 포함하고, 상기 무기 물질층은 n형 반도체를 포함하는 전기 에너지 발생 장치.
- 제29항에서,
상기 유기물질층은 압전 특성을 가지는 p형 반도체를 포함하는 전기 에너지 발생 장치.
- 제33항에서,
상기 유기물질층은 압전 특성을 가지는 P3HT(poly(3-hexylthiophene)), 폴리아닐린(Polyaniline), 폴리피롤(Polypyrrole), PPV(Poly(p-phenylene vinylene)), 폴리비닐렌(Polyvinylene), 폴리아세틸렌(Polyacetylene), 폴리타이펜(polythiphene)및 이들의 유도체(derivatives) 중 적어도 하나를 포함하는 전기 에너지 발생 장치.
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