KR20110040254A - 전기에너지 발생장치 - Google Patents

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Abstract

전기에너지 발생장치가 개시된다. 개시된 전기에너지 발생장치는 압전특성을 가지는 반도체 물질로 이루어진 복수의 나노와이어를 이용하여 태양전지 소자와 압전 소자를 일체로 형성한다.

Description

전기에너지 발생장치{Apparatus for generating electrical energy}
전기에너지 발생 장치에 관한 것으로, 구체적으로 태양전지 소자와 압전 소자가 결합된 일체형 전기에너지 발생 장치에 관한 것이다.
태양전지는 태양광의 에너지를 전기에너지로 바꾸는 장치로서, p형 반도체 물질과 n형 반도체 물질을 이용해 전기에너지를 발생시킨다. 이러한 태양전지에 빛을 비추게 되면 그 내부에서 전자와 정공들이 발생하게 되고, 이렇게 발생된 전자 및 정공들이 n형 전극 및 p형 전극으로 이동함으로써 이 태양전지에 연결된 부하에 전류가 흐르게 된다. 한편, 최근에는 태양전지의 효율을 증대시키기 위하여 나노 와이어와 같은 나노구조체에 대한 연구가 시도되고 있다.
태양전지 소자와 압전 소자가 결합된 일체형 전기에너지 발생 장치를 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따라,
제1 전극;
상기 제1 전극 상에 형성되는 것으로, 압전 특성을 가지는 반도체 물질로 이루어진 복수의 나노와이어;
상기 나노와이어들과 p-n 접합을 형성하는 것으로, 상기 나노와이어들의 하부를 둘러싸도록 상기 제1 전극 상에 형성되는 반도체층;
상기 반도체층 상에 형성되는 제2 전극; 및
상기 제2 전극을 통하여 노출된 상기 나노와이어들과 쇼트키 컨택(schottky contact)을 형성하도록 마련되는 제3 전극;을 구비하는 전기에너지 발생장치가 제공된다.
상기 나노와이어들은 n형 반도체 물질로 이루어지며, 상기 반도체층은 p형 반도체 물질로 이루어질 수 있다. 상기 나노와이어들의 일함수는 상기 제3 전극의 일함수보다 작을 수 있다. 이러한 상기 나노와이어들은 예를 들면, 산화아연(ZnO), 납-지르코늄-티타늄산화물(PZT; lead zirconate titanate) 또는 PVDF(ployvinylidene fluoride)을 포함할 수 있다.
상기 반도체층은 무기 박막 및 유기 박막 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 제1 전극은 ITO(Indium Tin Oxide), 탄소나노튜브(CNT, carbon nanotube), 전도성 폴리머(conducive polymer), 나노 섬유(nano fiber), 나노복합재료(nanocomposite), 금-팔라듐 합금(Au-Pd alloy), 금(Au), 팔라듐(Pd), 백금(Pt) 및 루테늄(Ru) 으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있으며, 상기 제2 전극은 투명한 도전성 물질을 포함할 수 있다.
그리고, 상기 제3 전극은 백금(Pt), 금(Au), ITO 및 CNT 로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다.
상기 나노와이어들은 상기 제1 전극 상에 수직으로 배열되거나 일정한 각도로 경사지게 배열될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따라,
적어도 하나의 제1 파이버;
상기 각 제1 파이버 상에 형성되는 제1 전극;
상기 제1 전극 상에 형성되는 것으로, 압전 특성을 가지는 반도체 물질로 이루어진 복수의 나노와이어;
상기 나노와이어들과 p-n 접합을 형성하는 것으로, 상기 나노와이어들의 하부를 둘러싸도록 상기 제1 전극 상에 형성되는 반도체층;
상기 반도체층 상에 형성되는 제2 전극; 및
상기 적어도 하나의 제1 파이버와 대응되게 마련되는 것으로, 상기 제2 전극을 통하여 노출된 상기 나노와이어들과 쇼트키 컨택을 형성하는 제3 전극을 포함하 는 적어도 하나의 쇼트키 전극 구조체;를 구비하는 전기에너지 발생장치가 제공된다.
상기 쇼트키 전극 구조체는 와이어 형상의 상기 제3 전극을 포함할 수 있다. 상기 쇼트키 전극 구조체는 제2 파이버와, 상기 제2 파이버 상에 증착된 상기 제3 전극을 포함할 수 있다. 또한, 상기 쇼트키 전극 구조체는 제2 파이버와, 상기 제2 파이버 상에 형성된 복수의 나노구조물과, 상기 나노구조물을 코팅하도록 상기 제2 파이버 상에 형성된 상기 제3 전극을 포함할 수도 있다. 상기 나노와이어들이 형성된 제1 파이버와 상기 쇼트키 전극 구조체는 서로 꼬인 형태로 배치되거나 서로 교차하도록 배치될 수 있다.
상기 쇼트키 전극 구조체는 상기 제1 파이버가 그 내부에 마련되는 원통형 튜브와, 상기 원통형 튜브의 내벽에 형성되는 상기 제3 전극을 포함할 수 있다. 상기 원통형 튜브는 투명하고 플랙서블한 재질로 이루어질 수 있으며, 상기 제3 전극은 투명한 도전성 물질을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따라,
서로 이격되게 배치되는 제1 및 제2 플레이트;
상기 제1 플레이트의 상면에 형성되는 제1 전극;
상기 제1 전극 상에 형성되는 것으로, 압전 특성을 가지는 반도체 물질로 이루어진 복수의 나노와이어;
상기 나노와이어들과 p-n 접합을 형성하는 것으로, 상기 나노와이어들의 하부를 둘러싸도록 상기 제1 전극 상에 형성되는 반도체층;
상기 반도체층 상에 형성되는 제2 전극; 및
상기 제2 플레이트의 하면에 형성되는 것으로, 상기 제2 전극을 통하여 노출된 상기 나노와이어들과 쇼트키 컨택을 형성하는 제3 전극;을 구비하는 전기에너지 발생장치가 제공된다.
본 발명의 다른 측면에 따라,
서로 이격되게 배치되는 제1 및 제2 플레이트;
상기 제1 플레이트의 상면에 형성되는 제1 전극;
상기 제1 전극의 상면에 형성되는 것으로, 반도체 물질로 이루어진 복수의 제1 나노와이어;
상기 제1 나노와이어들과 p-n 접합을 형성하는 것으로, 상기 제1 나노와이어들을 둘러싸도록 형성되는 복수의 반도체층;
상기 반도체층들을 둘러싸도록 형성되는 복수의 제2 전극;
상기 제2 플레이트의 하면에 형성되는 제3 전극; 및
상기 제3 전극의 하면에 형성되는 것으로, 상기 제1 전극과 쇼트키 컨택을 형성하는 복수의 제2 나노와이어;를 구비하는 전기에너지 발생장치가 제공된다.
압전 특성을 가지는 반도체 물질로 이루어진 나노와이어를 이용하여 태양전지 소자와 압전 소자가 일체로 형성된 전기에너지 발생장치를 구현할 수 있다. 이러한 전기에너지 발생장치는 외부로부터 입사되는 에너지에 대해 선택적인 전기 에너지 발생을 가능하게 하고, 또한 외부의 환경에 영향을 덜 받으면서 전기에너지를 발생시킬 수 있으므로, 전기에너지를 효율적으로 발생시킬 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전기에너지 발생장치의 개략적인 단면도이다.
도 1을 참조하면, 기판(101) 상에 제1 전극(110)이 형성되어 있다. 여기서, 상기 기판(101)으로는 예를 들면, 파이버(fiber) 또는 플레이트(plate)가 사용될 수 있다. 상기 제1 전극(110)은 예를 들면 n형 전극이 될 수 있다. 이러한 제1 전극(110)은 ITO(Indium Tin Oxide), 탄소나노튜브(CNT, carbon nanotube), 전도성 폴리머(conducive polymer), 나노 섬유(nano fiber), 나노복합재료(nanocomposite), 금-팔라듐 합금(Au-Pd alloy), 금(Au), 팔라듐(Pd), 백금(Pt) 및 루테늄(Ru) 으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제1 전극(110) 상에는 복수의 나노와이어(115)가 마련되어 있다. 여기서, 상기 나노와이어들(115)은 상기 제1 전극(110) 상에 수직 또는 일정한 각도로 경사지게 배열될 수 있다. 이러한 나노와이어들(115)은 압전 특성을 가지는 반도체 물질로 이루어질 수 있다. 즉, 상기 나노와이어들(115)은 응력이 인가되면 압전 효과를 나타내는 반도체 물질로 이루어질 수 있다. 그리고, 상기 제1 전극(110)이 n 형 전극인 경우, 상기 나노와이어들(115)은 예를 들면, n형 반도체 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 상기 나노와이어들(115)은 산화아연(ZnO), 납-지르코늄-티타늄산화물(PZT; lead zirconate titanate) 또는 PVDF(ployvinylidene fluoride)로 이루어질 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 다른 다양한 물질로 이루어질 수 있다.
상기 제1 전극(110) 상에는 상기 나노와이어들(115)의 하부를 둘러싸도록 반도체층(112)이 형성되어 있다. 여기서, 상기 반도체층(112)은 상기 나노와이어들(115)과 p-n 접합(p-n junctions)을 형성하는 것으로, 예를 들면 p형 반도체 물질로 이루어질 수 있다. 상기 반도체층(112)은 무기 박막, 유기 박막 또는 무기 박막과 유기 박막의 복합층으로 이루어질 수 있다. 그리고, 상기 반도체층(112) 상에는 제2 전극(114)이 형성되어 있다. 상기 제2 전극(114)은 예를 들면, p형 전극이 될 수 있다. 이러한 제2 전극(114)은 ITO(indium Tin Oxide) 또는 AZO(Aluminum Zinc Oxide) 등과 같은 투명한 도전성 물질로 이루어질 수 있다. 그리고, 이러한 제2 전극(114)을 통하여 상기 나노와이어들(115)의 상부(115a)는 외부로 노출되어 있다.
상기 제2 전극(114) 위에는 노출된 상기 나노와이어들(115)과 쇼트키 컨택(schottky contact)을 형성하도록 제3 전극(120)이 마련되어 있다. 여기서, 상기 제3 전극(120)은 나노와이어들(115)과 같거나 큰 일함수를 가질 수 있다. 예를 들면, 상기 제3 전극(120)은 일함수가 4.5 이상인 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 상기 제3 전극(120)은 금(Au), 백금(Pt), ITO 또는 탄소나노튜브(CNT) 등으로 이루어질 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기와 같은 구조의 전기에너지 발생장치는 일체로 형성된 태양전지 소자와 압전 소자를 포함한다. 즉, 상기 태양전지 소자는 상기 제1 및 제2 전극(110,114)과, 상기 제1 전극(110)과 제2 전극(114) 사이에 마련되는 나노와이어들(115) 및 반도체층(112)은 태양전지 소자를 구성하게 된다. 그리고, 상기 제1 및 제3 전극(110,120)과, 상기 제1 전극(110) 상에 마련되며 제3 전극(120)과 쇼트키 컨택을 형성하는 상기 나노와이어들(115)은 압전 소자를 구성하게 된다. 태양전지 소자에서는, 외부의 태양광이 투명한 제2 전극(114)을 통하여 입사되면 p-n 접합을 형성하는 나노와이어들(115) 및 반도체층(112)으로부터 전자 및 정공들이 분리되어 제1 및 제2 전극(110,114) 쪽으로 이동하게 되고, 이렇게 이동하는 전자 및 정공들이 제1 및 제2 전극(110,114)에 수집됨에 따라 전기에너지를 얻을 수 있다.
상기 압전 소자에서는, 상기 제3 전극(120)과 나노와이어들(115) 사이의 마찰에 의해 전기에너지가 발생하게 된다. 즉, 상기 제3 전극(120)이 나노와이어들(115)에 대하여 상대적으로 움직이게 되면, 상기 나노와이어들(115)의 상부(115a)는 상기 제3 전극(120)의 움직임에 따라 휘어짐과 같은 변형이 발생하게 된다. 여기서, 상기 나노와이어들(115)에 응력이 가해지고, 가해진 응력이 제거되는 과정이 반복됨에 따라 상기 제1 및 제3 전극(110,120) 사이에는 전위차가 발생하게 되고, 이러한 전위차에 의해 발생하는 전자의 흐름에 의해 전기에너지를 얻을 수 있게 된다.
이와 같이, 본 실시예에서는 압전 특성을 가지는 반도체 물질로 이루어진 나 노와이어(115)를 이용하여 태양전지 소자와 압전 소자가 일체로 형성된 전기에너지 발생장치를 제작할 수 있다. 따라서, 외부로부터 입사되는 에너지를 태양전지 소자와 압전 소자를 이용하여 선택적으로 전기에너지로 변환시킬 수 있다. 또한 외부의 환경에 영향을 덜 받으면서 전기에너지를 발생시킬 수 있으므로, 전기에너지를 효율적으로 발생시킬 수 있다.
한편, 이상에서는 나노와이어들(115)와 반도체층(112)이 각각 n형 및 p형 반도체 물질로 이루어지고, 상기 제1 및 제2 전극(110,114)이 각각 n형 및 p형 전극인 경우가 설명되었으나, 이에 한정되지 않는다. 즉, 상기 나노와이어들(115)와 반도체층(112)이 각각 형 및 n형 반도체 물질로 이루어지는 것도 가능하며, 상기 제1 및 제2 전극(110,114)은 각각 p형 및 n형 전극이 될 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기에너지 발생장치의 개략적인 단면도이다. 이하에서는 전술한 실시예와 다른 점을 중심으로 설명하기로 한다.
도 2를 참조하면, 제1 및 제2 기판(201,202)이 일정한 간격으로 서로 이격되게 배치되어 있다. 여기서, 상기 제1 및 제2 기판(201,202)으로는 예를 들면, 파이버(fiber) 또는 플레이트(plate)가 사용될 수 있다. 상기 제1 기판(201)의 상면에는 제1 전극(210)이 형성되어 있다. 이러한 제1 전극(210)은 예를 들면, n형 전극이 될 수 있다. 그리고, 상기 제1 전극(210) 상에는 복수의 나노와이어(215)가 마련되어 있다. 여기서, 상기 나노와이어들(215)은 상기 제1 전극(210) 상에 수직 또는 일정한 각도로 경사지게 배열될 수 있다. 이러한 나노와이어들(215)은 압전 특성을 가지는 반도체 물질로 이루어질 수 있다. 상기 제1 전극(210)이 n형 전극인 경우, 상기 나노와이어들(215)은 n형 반도체 물질로 이루어질 수 있다. 상기 나노와이어들(215)은 예를 들면, 산화아연(ZnO), 납-지르코늄-티타늄산화물(PZT) 또는 PVDF로 이루어질 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 다른 다양한 물질로 이루어질 수 있다.
상기 제1 전극(210) 상에는 상기 나노와이어들(215)의 하부를 둘러싸도록 반도체층(212)이 형성되어 있다. 여기서, 상기 반도체층(212)은 상기 나노와이어들(215)과 p-n 접합(p-n junctions)을 형성하는 것으로, 예를 들면 p형 반도체 물질로 이루어질 수 있다. 그리고, 상기 반도체층(212) 상에는 제2 전극(214)이 형성되어 있다. 상기 제2 전극(214)은 p형 전극이 될 수 있으며, 투명한 도전성 물질로 이루어질 수 있다. 그리고, 이러한 제2 전극(214)을 통하여 상기 나노와이어들(215)의 상부(215a)가 외부로 노출되어 있다.
상기 제2 기판(202)의 하면에는 복수의 나노구조물(225)이 형성되어 있다. 이러한 나노구조물(225)은 예를 들어, 나노와이어 형상을 가질 수 있다. 그리고, 상기 제2 기판(202)의 하면에는 상기 나노구조물들(225)을 코팅하도록 제3 전극(220)이 형성되어 있다. 이러한 제3 전극(220)은 상기 나노와이어들(215)의 노출된 상부(215a)와 쇼트키 컨택(schottky contact)을 형성하도록 마련된다. 여기서, 상기 제3 전극(220)은 나노와이어들(215)과 같거나 큰 일함수를 가질 수 있다. 이와 같이, 제2 기판(202)의 하면에 나노구조물들(225)을 형성하고, 이 나노구조물들(225)을 코팅하도록 제3 전극(220)을 형성하면, 제3 전극(220)이 나노와이어들(215)과 접촉하는 면적을 증대시킬 수 있게 되면, 보다 효율적으로 전기에너지를 발생시킬 수 있다.
한편, 이상에서는 나노와이어들(215)과 반도체층(212)이 각각 n형 및 p형 반도체 물질로 이루어지고, 상기 제1 및 제2 전극(210,214)이 각각 n형 및 p형 전극인 경우가 설명되었으나, 본 실시예는 이에 한정되지 않는다. 즉, 상기 나노와이어들(215)과 반도체층(212)이 각각 형 및 n형 반도체 물질로 이루어지는 것도 가능하다. 이 경우, 상기 제1 및 제2 전극(210,214)은 각각 p형 및 n형 전극이 될 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기에너지 발생장치의 사시도이다. 그리고, 도 4는 도 3에 도시된 전기에너지 발생장치의 단면도이다. 도 3 및 도 4에는 섬유형(fiber type)의 전기에너지 발생장치가 도시되어 있다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전기에너지 발생장치는 파이버 구조체(300)와 쇼트키 전극 구조체(350)를 포함한다. 여기서, 상기 전기에너지 발생장치는 상기 파이버 구조체(300)와 쇼트키 전극 구조체(350)가 서로 꼬인 구조를 가지고 있다. 상기 파이버 구조체(300)는 제1 파이버(301)와, 상기 제1 파이버(301)의 표면에 형성된 제1 전극(310)과, 상기 제1 전극(310) 상에 마련되는 복수의 나노와이어(315)와, 상기 나노와이어들(315)의 하부를 둘러싸도록 형성되는 반도체층(312)과, 상기 반도체층(312) 상에 형성되는 제2 전극(314)을 포함한다. 여기서, 상기 나노와이어들(315)의 상부(315a)는 제2 전극(314)을 통하여 외부로 노출되어 있다.
상기 제1 파이버(301)는 유리, 실리콘, 폴리머, 플라스틱, 카본, 탄소나노튜 브(CNT), 사파이어, 질화갈륨(GaN) 및 탄화실리콘(SiC)으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 이러한 제1 파이버(301)의 표면에 제1 전극(310)이 형성되어 있다. 상기 제1 전극(310)은 예를 들면 n형 전극이 될 수 있다. 이러한 제1 전극(310)은 예를 들면, ITO, 탄소나노튜브(CNT), 전도성 폴리머(conducive polymer), 나노 섬유(nano fiber), 나노복합재료(nanocomposite), 금-팔라듐 합금(Au-Pd alloy), 금(Au), 팔라듐(Pd), 백금(Pt) 및 루테늄(Ru) 으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제1 전극(310) 상에는 복수의 나노와이어(315)가 마련되어 있다. 여기서, 상기 나노와이어들(315)은 상기 제1 전극(310) 상에 수직으로 배열될 수 있다. 이러한 나노와이어들(315)은 압전 특성을 가지는 반도체 물질로 이루어질 수 있다. 그리고, 상기 제1 전극(310)이 n형 전극인 경우, 상기 나노와이어들(315)은 n형 반도체 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 상기 나노와이어들(315)은 산화아연(ZnO), 납-지르코늄-티타늄산화물(PZT) 또는 PVDF로 이루어질 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 나노와이어들(315)은 제1 파이버(301)의 제1 전극(310) 상에 습식 공정을 통하여 형성될 수 있다. 예를 들면, 제1 파이버(301)의 제1 전극(310) 상에 ZnO를 코팅한 다음, 이를 소정의 용액 내에서 성장시키게 되면 제1 전극(310) 상에 수직으로 배열된 산화아연 나노와이어들을 얻을 수 있다. 한편, 상기 나노와이어들(315)은 화학기상증착법(CVD; chemical vapor deposition) 등과 같은 건식 공정을 통하여 형성할 수도 있다.
상기 제1 전극(310) 상에는 상기 나노와이어들(315)의 하부를 둘러싸도록 반도체층(312)이 형성되어 있다. 여기서, 상기 반도체층(312)은 상기 나노와이어들(315)과 p-n 접합을 형성하는 것으로, 예를 들면, p형 반도체 물질로 이루어질 수 있다. 상기 반도체층(312)은 무기 박막, 유기 박막 또는 무기 박막과 유기 박막의 복합층으로 이루어질 수 있다. 그리고, 상기 반도체층(312) 상에는 제2 전극(314)이 형성되어 있다. 이러한 제2 전극(314)은 p형 전극이 될 수 있으며, 예를 들면, ITO 또는 AZO 등과 같은 투명한 도전성 물질로 이루어질 수 있다.
상기 쇼트키 전극 구조체(350)는 와이어 형상의 제3 전극(352)을 포함한다. 여기서, 상기 와이어 형상의 제3 전극(352)은 나노와이어들(315)의 노출된 상부(315a)와 쇼트키 접촉을 형성하게 된다. 이러한 제3 전극(352)은 나노와이어들(315)과 같거나 큰 일함수를 가질 수 있다. 예를 들면, 상기 제3 전극은 금(Au), 백금(Pt), ITO 또는 탄소나노튜브(CNT) 등으로 이루어질 수 있지만, 이에 한정되지는 않는다.
한편, 이상에서는 나노와이어들(315)과 반도체층(312)이 각각 n형 및 p형 반도체 물질로 이루어지고, 상기 제1 및 제2 전극(310,314)이 각각 n형 및 p형 전극인 경우가 설명되었으나, 본 실시예는 이에 한정되지 않는다. 즉, 상기 나노와이어들(315)과 반도체층(312)이 각각 p형 및 n형 반도체 물질로 이루어지는 것도 가능하다. 이 경우, 상기 제1 및 제2 전극(310,314)은 각각 p형 및 n형 전극이 될 수 있다. 또한, 이상의 실시예에서는 전기에너지 발생장치가 하나의 파이버 구조체(300)와 하나의 쇼트키 전극 구조체(350)가 서로 꼬인 구조를 가지는 경우가 설 명되었다. 그러나, 상기 전기에너지 발생장치는 하나 이상의 파이버 구조체와, 하나 이상의 쇼트키 전극 구조체가 서로 꼬인 구조를 가질 수도 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기에너지 발생장치들의 단면도이다. 도 5에 도시된 전기에너지 발생장치들은 쇼트키 전극 구조체(350')를 제외하면 도 4에 도시된 전기에너지 발생장치와 동일하다. 도 5를 참조하면, 쇼트키 전극 구조체(350')는 제2 파이버(351')와 상기 제2 파이버(351')의 표면에 형성된 제3 전극(352')을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 제3 전극(352')은 상기 나노와이어들(315)의 노출된 상부(315a)와 쇼트키 접촉을 형성하도록 마련된다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기에너지 발생장치들의 단면도이다. 도 6에 도시된 전기에너지 발생장치들은 쇼트키 전극 구조체(350")를 제외하면 도 4에 도시된 전기에너지 발생장치와 동일하다. 도 6을 참조하면, 쇼트키 전극 구조체(350")는 제2 파이버(351")와, 상기 제2 파이버(351")의 표면에 형성되는 복수의 나노구조물(354")과, 상기 나노구조물들(354")을 코팅하도록 상기 제2 파이버(351")의 표면에 형성되는 제3 전극(352")을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 제3 전극(352")은 나노와이어들(315)의 노출된 상부(315a)와 쇼트키 접촉을 형성하도록 마련된다. 이와 같이, 제2 파이버(351") 표면에 나노 구조물들(354")을 형성하고, 이 나노구조물들(354")을 코팅하도록 제3 전극(352")을 형성하게 되면, 제3 전극(352")이 나노와이어들(315)과 접촉하는 면적을 증대시킬 수 있어 효율적으로 전기에너지를 발생시킬 수 있다. 한편, 도면에는 도시되어 있지 않으나, 상기 제2 파이버(352")의 표면에 돌기부들(미도시)을 형성하고, 이 돌기부들을 코팅하도록 상 기 제3 전극(352")이 형성되는 것도 가능하다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기에너지 발생장치의 사시도이다. 그리고, 도 8은 도 7에 도시된 전기에너지 발생장치의 단면도이다. 도 7 및 도 8에는 동축형(coaxial type)의 전기에너지 발생장치가 도시되어 있다. 이하에서는 전술한 실시예들과 다른 점을 중심으로 설명하기로 한다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전기에너지 발생장치는 쇼트키 전극 구조체(450)와 상기 쇼트키 전극 구조체(450)의 내부에 마련되는 파이버 구조체(400)를 포함한다. 상기 파이버 구조체(400)는 파이버(401)와, 상기 파이버(401)의 표면에 형성된 제1 전극(410)과, 상기 제1 전극(410) 상에 마련되는 복수의 나노와이어(415)와, 상기 나노와이어들(415)의 하부를 둘러싸도록 형성되는 반도체층(412)과, 상기 반도체층(412) 상에 형성되는 제2 전극(414)을 포함한다. 여기서, 상기 나노와이어들(415)의 상부는 제2 전극(414)을 통하여 외부로 노출되어 있다.
상기 파이버(401)는 예를 들면, 유리, 실리콘, 폴리머, 플라스틱, 카본, 탄소나노튜브(CNT), 사파이어, 질화갈륨(GaN) 및 탄화실리콘(SiC)으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 이러한 파이버(401)의 표면에는 제1 전극(410)이 형성되어 있다. 여기서, 상기 제1 전극(410)은 예를 들면 n형 전극이 될 수 있다. 상기 제1 전극(410) 상에는 복수의 나노와이어(415)가 마련되어 있다. 이러한 나노와이어들(415)은 압전 특성을 가지는 반도체 물질로 이루어질 수 있다. 그리고, 상기 제1 전극(410)이 n형 전극인 경 우, 상기 나노와이어들(415)은 n형 반도체 물질로 이루어질 수 있다.
상기 제1 전극(410) 상에는 상기 나노와이어들(415)의 하부를 둘러싸도록 반도체층(412)이 형성되어 있다. 여기서, 상기 반도체층(412)은 상기 나노와이어들(415)과 p-n 접합을 형성하는 것으로, 예를 들면 p형 반도체 물질로 이루어질 수 있다. 그리고, 이러한 반도체층(412) 상에는 제2 전극(414)이 형성되어 있다. 상기 제2 전극(414)은 예를 들면 p형 전극이 될 수 있으며, 투명한 도전성 물질로 이루어질 수 있다.
상기 쇼트키 전극 구조체(450)는 상기 파이버 구조체(400)가 그 내부에 마련되는 원통형 튜브(402)와, 상기 원통형 튜브(402)의 내벽에 형성되는 제3 전극(420)을 포함한다. 여기서, 상기 원통형 튜브(402)는 예를 들면, 투명하고 플랙서블(flexible)한 재질로 이루어질 수 있다. 상기 제3 전극(420)은 상기 나노와이어들(415)과 쇼트키 접촉을 형성하도록 상기 원통형 튜브(402)의 내벽에 마련된다. 상기 제3 전극(420)은 투명한 도전성 물질로 이루어질 수 있다. 그리고, 상기 제3 전극(420)은 상기 나노와이어들(415)과 같거나 큰 일함수를 가질 수 있다. 예를 들면, 상기 제3 전극은 일함수가 4.5 이상인 금(Au), 백금(Pt), ITO 또는 탄소나노튜브(CNT) 등으로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 한편, 도면에는 도시되어 있지 않으나, 상기 원통형 튜브(402)의 내벽에는 나노구조물들 또는 돌기부들이 형성되어 있고, 상기 제3 전극(420)이 상기 나노구조물들 또는 돌기부들을 코팅하도록 상기 원통형 튜브(402)의 내벽에 형성될 수도 있다.
또한, 이상에서는 나노와이어들(415)과 반도체층(412)이 각각 n형 및 p형 반 도체 물질로 이루어지고, 상기 제1 및 제2 전극(410,414)이 각각 n형 및 p형 전극인 경우가 설명되었으나, 본 실시예는 이에 한정되지 않는다. 즉, 상기 나노와이어들(415)과 반도체층(412)이 각각 형 및 n형 반도체 물질로 이루어지는 것도 가능하며, 상기 제1 및 제2 전극(410,414)은 각각 p형 및 n형 전극이 될 수 있다.
도 9은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기에너지 발생장치의 사시도이다. 도 9에는 직물형(textile type)의 전기에너지 발생장치가 도시되어 있다.
도 9를 참조하면, 본 실시예에 따른 전기에너지 발생장치는 복수의 파이버 구조체(500)와, 복수의 쇼트키 전극 구조체(550)를 포함한다. 여기서, 상기 파이버 구조체들(500)과 쇼트키 전극 구조체들(550)은 서로 교차하도록 배치되어 직물 구조체를 형성하게 된다. 본 실시예에서, 상기 파이버 구조체들(500) 각각은 도 3 내지 도 6에 도시된 파이버 구조체(300)가 될 수 있으며, 상기 쇼트키 전극 구조체들(550) 각각은 전술한 도 3 내지 도 6에 도시된 쇼트키 전극 구조체(350,350',350")가 될 수 있다. 한편, 도면에는 도시되어 있지 않으나, 도 7 및 도 8에 도시된 동축형 전기에너지 발생장치를 복수개로 마련하고, 이 복수의 전기에너지 발생장치를 서로 교차시킴으로써 직물형 전기에너지 발생장치를 제작할 수도 있다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기에너지 발생장치의 사시도이다. 그리고, 도 11은 도 10에 도시된 전기에너지 발생장치의 단면도이다. 도 10 및 도 11에는 평판형 전기에너지 발생장치가 도시되어 있다.
도 10 및 도 11을 참조하면, 제1 및 제2 플레이트(701,702)가 서로 이격되게 배치되어 있다. 여기서, 상기 제1 및 제2 플레이트(701,702)는 예를 들면, 유리, 금속판, 플라스틱 또는 비닐로 이루어 질 수 있으며, 이외에도 다양한 물질로 이루어질 수 있다. 상기 제1 플레이트(701)의 상면에는 제1 전극(710)이 형성되어 있다. 상기 제1 전극(710)은 예를 들면, n형 전극이 될 수 있다. 이러한 제1 전극(710)은 ITO, CNT, 전도성 폴리머, 나노 섬유, 나노복합재료, 금-팔라듐 합금(Au-Pd alloy), 금(Au), 팔라듐(Pd), 백금(Pt) 및 루테늄(Ru)으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제1 전극(710) 상에는 복수의 나노와이어(715)가 마련되어 있다. 여기서, 상기 나노와이어들(715)은 상기 제1 전극(710) 상에 수직 또는 일정한 각도로 경사지게 배열될 수 있다. 이러한 나노와이어들(715)은 압전 특성을 가지는 반도체 물질로 이루어질 수 있다. 그리고, 상기 제1 전극(710)이 n형 전극인 경우, 상기 나노와이어들(715)은 n형 반도체 물질로 이루어질 수 있다.
상기 제1 전극(710) 상에는 상기 나노와이어들(715)의 하부를 둘러싸도록 반도체층(712)이 형성되어 있다. 여기서, 상기 반도체층(712)은 상기 나노와이어들(715)과 p-n 접합을 형성하는 것으로, 예를 들면 p형 반도체 물질로 이루어질 수 있다. 상기 반도체층(712)은 무기 박막, 유기 박막 또는 무기 박막과 유기 박막의 복합층으로 이루어질 수 있다. 그리고, 상기 반도체층(712) 상에는 제2 전극(714)이 형성되어 있다. 상기 제2 전극(714)은 예를 들면, p형 전극이 될 수 있다. 이러한 제2 전극(714)을 통하여 상기 나노와이어들(715)의 상부(715a)는 외부로 노출되 어 있다.
상기 제2 플레이트(702)의 하면에는 제3 전극(720)이 형성되어 있다. 여기서, 상기 제3 전극(720)은 나노와이어들(715)의 노출된 상부(715a)와 쇼트키 컨택을 형성하도록 마련된다. 여기서, 상기 제3 전극(720)은 투명한 도전성 물질로 이루어질 수 있다. 그리고, 상기 제3 전극(720)은 나노와이어들(715)과 같거나 큰 일함수를 가질 수 있다.
한편, 이상에서는 나노와이어들(715)과 반도체층(712)이 각각 n형 및 p형 반도체 물질로 이루어지고, 상기 제1 및 제2 전극(710,714)이 각각 n형 및 p형 전극인 경우가 설명되었으나, 본 실시예는 이에 한정되지 않는다. 즉, 상기 나노와이어들(715)과 반도체층(712)이 각각 p형 및 n형 반도체 물질로 이루어지는 것도 가능하며, 상기 제1 및 제2 전극(710,714)은 각각 p형 및 n형 전극이 될 수 있다. 또한, 도면에는 도시되어 있지 않으나, 상기 제2 플레이트(702)의 하면에 나노구조물들 또는 돌기부들이 더 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 제3 전극(720)은 나노구조물들 또는 돌기부들을 코팅하도록 상기 제2 플레이트(702)의 하면에 형성될 수 있다.
도 12은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기에너지 발생장치의 사시도이다. 그리고, 도 13은 도 12에 도시된 전기에너지 발생장치의 단면도이다. 도 12및 도 13에는 평판형 전기에너지 발생장치가 도시되어 있다.
도 12 및 도 13을 참조하면, 제1 및 제2 플레이트(801,802)가 서로 이격되게 배치되어 있다. 여기서, 상기 제1 및 제2 플레이트(801,802)는 예를 들면, 유리, 금속, 플라스틱 또는 비닐로 이루어 질 수 있으며, 이외에도 다양한 물질로 이루어질 수 있다. 상기 제1 플레이트(801)의 상면에는 제1 전극(810)이 형성되어 있다. 상기 제1 전극(810)은 예를 들면, n형 전극이 될 수 있다. 상기 제1 전극(810) 상에는 복수의 제1 나노와이어(811)가 마련되어 있다. 여기서, 상기 제1 나노와이어들(811)은 상기 제1 전극(810) 상에 수직으로 배열될 수 있다. 상기 제1 전극(810)이 n형 전극인 경우, 상기 나노와이어들(811)은 n형 반도체 물질로 이루어질 수 있다. 상기 나노와이어들(811)의 표면에는 복수의 반도체층(812)이 형성되어 있다. 상기 반도체층(812)은 제1 나노와이어(811)와 p-n 접합을 형성하는 것으로, 나노와이어(811)를 둘러싸도록 형성되어 있다. 이러한 반도체층(812)은 예를 들면, p형 반도체 물질로 이루어질 수 있다. 그리고, 상기 반도체층들(812)의 표면에는 복수의 제2 전극(813)이 형성되어 있다. 상기 제2 전극(813)은 반도체층(812)을 둘러싸도록 형성되며, 예를 들면 p형 전극이 될 수 있다.
상기 제2 플레이트(802)의 하면에는 제3 전극(820)이 형성되어 있다. 상기 제3 전극(820)은 상기 제2 전극들(813)과 전기적으로 연결되도록 형성된다. 이러한 제3 전극(820)은 투명한 도전성 물질로 이루어질 수 있다. 그리고, 상기 제3 전극(820)의 하면에는 복수의 제2 나노와이어(821)가 마련되어 있다. 상기 제2 나노와이어들(821)은 상기 제3 전극(820) 상에 수직으로 배열될 수 있다. 한편, 상기 제2 나노와이어(821)는 상기 제1 전극(810)과 쇼트키 컨택을 형성하도록 마련된다. 이러한 제2 나노와이어(821)는 압전 특성을 가지는 물질로 이루어질 수 있다. 그리고, 상기 제2 나노와이어(821)는 상기 제1 전극(810) 보다 작은 일함수를 가지는 물질로 이루어질 수 있다.
이상과 같이, 본 실시예에 따른 전기에너지 발생장치에서는 복수의 제1 나노와이어(811)를 포함하는 태양전지 소자와, 복수의 제2 나노와이어(821)를 포함하는 압전소자가 일체로 형성된다. 한편, 이상에서는 제1 나노와이어들(811)과 반도체층(812)이 각각 n형 및 p형 반도체 물질로 이루어지고, 상기 제1 및 제2 전극(810,813)이 각각 n형 및 p형 전극인 경우가 설명되었으나, 본 실시예는 이에 한정되지 않는다. 즉, 상기 제1 나노와이어들(811)과 반도체층(812)이 각각 p형 및 n형 반도체 물질로 이루어지는 것도 가능하며, 상기 제1 및 제2 전극(810,813)은 각각 p형 및 n형 전극이 될 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예가 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전기에너지 발생장치의 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기에너지 발생장치의 개략적인 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기에너지 발생장치의 사시도이다.
도 4는 도 3에 도시된 전기에너지 발생장치의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기에너지 발생장치의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기에너지 발생장치의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기에너지 발생장치의 사시도이다.
도 8은 도 7에 도시된 전기에너지 발생장치의 단면도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기에너지 발생장치의 사시도이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기에너지 발생장치의 사시도이다.
도 11은 도 10에 도시된 전기에너지 발생장치의 단면도이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기에너지 발생장치의 사시도이다.
도 13은 도 12에 도시된 전기에너지 발생장치의 단면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
101,201,202... 기판
110,210,310,410,710,810... 제1 전극
112,212,312,412,712,812... 반도체층
114,214,314,414,714,813... 제2 전극
115,215,315,415,715,811,817... 나노와이어
225,354"... 나노구조물
120,220,352,352',352",420,720,820... 제3 전극
300,500... 파이버 구조체
301... 제1 파이버 351',351"... 제2 파이버
350,350',350",600... 쇼트키 전극 구조체
402.. 원통형 튜브
701,801... 제1 플레이트 702,802... 제2 플레이트

Claims (27)

  1. 제1 전극;
    상기 제1 전극 상에 형성되는 것으로, 압전 특성을 가지는 반도체 물질로 이루어진 복수의 나노와이어;
    상기 나노와이어들과 p-n 접합을 형성하는 것으로, 상기 나노와이어들의 하부를 둘러싸도록 상기 제1 전극 상에 형성되는 반도체층;
    상기 반도체층 상에 형성되는 제2 전극; 및
    상기 제2 전극을 통하여 노출된 상기 나노와이어들과 쇼트키 컨택(schottky contact)을 형성하도록 마련되는 제3 전극;을 구비하는 전기에너지 발생장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 나노와이어들은 n형 반도체 물질로 이루어지며, 상기 반도체층은 p형 반도체 물질로 이루어지는 전기에너지 발생장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 나노와이어들의 일함수는 상기 제3 전극의 일함수보다 작은 전기에너지 발생장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 나노와이어들은 산화아연(ZnO), 납-지르코늄-티타늄산화물(PZT; lead zirconate titanate) 또는 PVDF(ployvinylidene fluoride)을 포함하는 전기에너지 발생장치.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 반도체층은 무기 박막 및 유기 박막 중 적어도 하나를 포함하는 전기에너지 발생장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 전극은 ITO(Indium Tin Oxide), 탄소나노튜브(CNT, carbon nanotube), 전도성 폴리머(conducive polymer), 나노 섬유(nano fiber), 나노복합재료(nanocomposite), 금-팔라듐 합금(Au-Pd alloy), 금(Au), 팔라듐(Pd), 백금(Pt) 및 루테늄(Ru) 으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하고, 상기 제2 전극은 투명한 도전성 물질을 포함하는 전기에너지 발생장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제3 전극은 백금(Pt), 금(Au), ITO 및 CNT 로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하는 전기에너지 발생장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 나노와이어들은 상기 제1 전극 상에 수직으로 배열되거나 일정한 각도로 경사지게 배열되는 전기에너지 발생장치.
  9. 적어도 하나의 제1 파이버;
    상기 각 제1 파이버 상에 형성되는 제1 전극;
    상기 제1 전극 상에 형성되는 것으로, 압전 특성을 가지는 반도체 물질로 이루어진 복수의 나노와이어;
    상기 나노와이어들과 p-n 접합을 형성하는 것으로, 상기 나노와이어들의 하부를 둘러싸도록 상기 제1 전극 상에 형성되는 반도체층;
    상기 반도체층 상에 형성되는 제2 전극; 및
    상기 적어도 하나의 제1 파이버와 대응되게 마련되는 것으로, 상기 제2 전극을 통하여 노출된 상기 나노와이어들과 쇼트키 컨택을 형성하는 제3 전극을 포함하는 적어도 하나의 쇼트키 전극 구조체;를 구비하는 전기에너지 발생장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제1 파이버는 유리, 실리콘, 폴리머, 플라스틱, 카본, 탄소나노튜브(CNT), 사파이어, 질화갈륨(GaN) 및 탄화실리콘(SiC)으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하는 전기에너지 발생장치.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 나노와이어들은 n형 반도체 물질로 이루어지며, 상기 반도체층은 p형 반도체 물질로 이루어지는 전기에너지 발생장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 나노와이어들의 일함수는 상기 제3 전극의 일함수보다 작은 전기에너지 발생장치.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 반도체층은 무기 박막 및 유기 박막 중 적어도 하나를 포함하는 전기에너지 발생장치.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 쇼트키 전극 구조체는 와이어 형상의 상기 제3 전극을 포함하는 전기에너지 발생장치.
  15. 제 9 항에 있어서,
    상기 쇼트키 전극 구조체는 제2 파이버와, 상기 제2 파이버 상에 증착된 상기 제3 전극을 포함하는 전기에너지 발생장치.
  16. 제 9 항에 있어서,
    상기 쇼트키 전극 구조체는 제2 파이버와, 상기 제2 파이버 상에 형성된 복수의 나노구조물과, 상기 나노구조물을 코팅하도록 상기 제2 파이버 상에 형성된 상기 제3 전극을 포함하는 전기에너지 발생장치.
  17. 제 9 항에 있어서,
    상기 나노와이어들이 형성된 제1 파이버와 상기 쇼트키 전극 구조체는 서로 꼬인 형태로 배치되거나 서로 교차하도록 배치되는 전기에너지 발생장치.
  18. 제 9 항에 있어서,
    상기 쇼트키 전극 구조체는 상기 제1 파이버가 그 내부에 마련되는 원통형 튜브와, 상기 원통형 튜브의 내벽에 형성되는 상기 제3 전극을 포함하는 전기에너지 발생장치.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 원통형 튜브는 투명하고 플랙서블한 재질로 이루어지는 전기에너지 발생장치.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 제3 전극은 투명한 도전성 물질을 포함하는 전기에너지 발생장치.
  21. 서로 이격되게 배치되는 제1 및 제2 플레이트;
    상기 제1 플레이트의 상면에 형성되는 제1 전극;
    상기 제1 전극 상에 형성되는 것으로, 압전 특성을 가지는 반도체 물질로 이루어진 복수의 나노와이어;
    상기 나노와이어들과 p-n 접합을 형성하는 것으로, 상기 나노와이어들의 하부를 둘러싸도록 상기 제1 전극 상에 형성되는 반도체층;
    상기 반도체층 상에 형성되는 제2 전극; 및
    상기 제2 플레이트의 하면에 형성되는 것으로, 상기 제2 전극을 통하여 노출된 상기 나노와이어들과 쇼트키 컨택을 형성하는 제3 전극;을 구비하는 전기에너지 발생장치.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 플레이트는 유리, 금속판, 플라스틱 또는 비닐로 이루어지는 전기에너지 발생장치.
  23. 제 21 항에 있어서,
    상기 나노와이어들은 n형 반도체 물질로 이루어지며, 상기 반도체층은 p형 반도체 물질로 이루어지는 전기에너지 발생장치.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 나노와이어들의 일함수는 상기 제3 전극의 일함수보다 작은 전기에너지 발생장치.
  25. 제 23 항에 있어서,
    상기 반도체층은 무기 박막 및 유기 박막 중 적어도 하나를 포함하는 전기에너지 발생장치.
  26. 제 16 항에 있어서,
    상기 제2 기판의 하면에는 돌기부들 또는 나노구조물들이 형성되며, 상기 제3 전극은 상기 돌기부들 또는 나노구조물을 코팅하도록 형성되는 전기에너지 발생장치.
  27. 서로 이격되게 배치되는 제1 및 제2 플레이트;
    상기 제1 플레이트의 상면에 형성되는 제1 전극;
    상기 제1 전극의 상면에 형성되는 것으로, 반도체 물질로 이루어진 복수의 제1 나노와이어;
    상기 제1 나노와이어들과 p-n 접합을 형성하는 것으로, 상기 제1 나노와이어들을 둘러싸도록 형성되는 복수의 반도체층;
    상기 반도체층들을 둘러싸도록 형성되는 복수의 제2 전극;
    상기 제2 플레이트의 하면에 형성되는 제3 전극; 및
    상기 제3 전극의 하면에 형성되는 것으로, 상기 제1 전극과 쇼트키 컨택을 형성하는 복수의 제2 나노와이어;를 구비하는 전기에너지 발생장치.
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