KR20110046128A - 전기 기기 - Google Patents

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Abstract

나노와이어 구조체를 포함하는 전기 기기는 서로 이격된 제1 전극 및 제2 전극, 상기 제1 전극 위에 배치되어 있는 복수의 나노와이어, 그리고 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 배치되어 있으며, 상기 복수의 나노와이어를 덮고 있는 덮개층을 포함하고, 상기 나노와이어는 n 형 반도체 특성을 가지고, 상기 덮개층은 p 형 반도체 특성을 가지고, 상기 나노와이어와 상기 덮개층 중 적어도 하나는 압전 특성을 가질 수 있다.
나노와이어, n 형 반도체, p 형 반도체, 이종 접합, 압전, 태양 전지, 발광

Description

전기 기기{ELECTRIC DEVICE}
본 기재(disclosure)는 전기 기기에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 나노와이어 구조체를 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.
압전 효과에 의한 전기 에너지 생성뿐만 아니라 태양 전지 또는 발광 장치로 이용될 수 있는 나노와이어 구조체를 포함하는 전기 기기를 제공한다.
본 발명의 일측면은 나노와이어 구조체를 포함하는 전기 기기를 제공할 수 있다.
나노와이어 구조체를 포함하는 전기 기기는 서로 이격된 제1 전극 및 제2 전극, 상기 제1 전극 위에 배치되어 있는 복수의 나노와이어, 그리고 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 배치되어 있으며, 상기 복수의 나노와이어를 덮고 있는 덮개층을 포함하고, 상기 나노와이어는 n 형 반도체 특성을 가지고, 상기 덮개층은 p 형 반도체 특성을 가지고, 상기 나노와이어와 상기 덮개층 중 적어도 하나는 압전 특성을 가질 수 있다.
또한, 나노와이어 구조체를 포함하는 전기 기기는 서로 이격된 제1 전극 및 제2 전극, 상기 제1 전극 위에 배치되어 있는 복수의 제1 나노와이어, 그리고 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 배치되어 있으며, 상기 복수의 제1 나노와이어와 접하고 있는 복수의 제2 나노와이어를 포함하고, 상기 제1 나노와이어는 n 형 반도체 특성을 가지고, 상기 제2 나노와이어는 p 형 반도체 특성을 가지고, 상기 제1 나노와이어와 상기 제2 나노와이어 중 적어도 하나는 압전 특성을 가질 수 있다.
반도체 특성을 가지는 나노와이어를 광전 변환 특성을 가지는 유기물 또는 이종 반도체와 접합시켜, 압전 효과에 의한 전기 에너지 생성뿐만 아니라, 태양 전 지 또는 발광 장치로 이용할 수 있다.
이하에서는, 도면을 참고하여 실시예를 구체적으로 설명한다.
도 1을 참고하여, 한 실시예에 따른 나노와이어 구조체를 설명한다. 도 1은 한 실시예에 따른 나노와이어 구조체를 도시한 단면도이다.
도 1을 참고하면, 나노와이어 구조체는 절연 기판 등으로 이루어진 베이스 기판(110), 베이스 기판(110) 위에 성장된 복수의 나노와이어(nanowire)(210), 그리고 복수의 나노와이어(210)를 덮고 있는 덮개층(310)을 포함한다.
나노와이어(210)는 무기물로 이루어질 수 있고, 압전 특성을 가질 수 있다. 나노와이어(210)를 구성하는 압전 물질은 반도체 특성을 가질 수 있다. 예를 들어, 나노와이어(210)는 n형(n-type) 반도체 특성을 가지는 압전 물질로 이루어질 수 있다. 압전 나노와이어(210)는 산화아연(ZnO), 질화인듐(InN), 질화갈륨(GaN), 또는 질화알루미늄(AlN) 및 다른 적당한 압전 물질 중 어느 하나 또는 이들의 둘 이상의 조합을 포함할 수 있다. 그러나, 나노와이어(210)는 압전 특성을 가지지 않을 수도 있다.
나노와이어(210)를 덮고 있는 덮개층(310)은 압전 특성을 가지는 p-형 반도체를 포함할 수 있고, 예를 들어, 덮개층(310)은 P3HT{poly(3-hexylthiophene)}, PVDF{poly(vinylidene fluoride)}, PEGDE{poly(ethylene glycol) dimethyl ether} 및 이들의 유도체(derivatives) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한, 덮개층(310)은 무기 반도체 또는 압전 물질, 예를 들어, 산화아연(ZnO), 질화인 듐(InN), 질화갈륨(GaN), 그리고 질화아루미늄(AlN) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 그러나, 덮개층(310)은 압전 특성을 가지지 않을 수도 있다. 만일, 나노와이어(210)가 압전 특성을 가지지 않는 경우, 덮개층(310)은 압전 특성을 가진다.
이에 의해, 본 실시예에 따른 나노와이어 구조체는 n 형의 나노와이어(210)와 p 형의 덮개층(310)이 이종 접합(hetero-junction), 예를 들어, P-N 접합하고 있다.
도시하지는 않았지만, 다른 한 실시예에 따른 나노와이어 구조체는 n 형의 나노와이어(210)와 p 형의 덮개층(310)의 사이에 추가적인 반도체층을 포함할 수 있고, 추가적인 반도체층은 불순물 농도가 낮아 진성(intrinsic) 반도체층으로 기능할 수 있다. 이 실시예에서, 나노와이어 구조체는 n 형의 나노와이어(210)와 p 형의 덮개층(310)은 P-I-N 접합하고 있다.
도시한 실시예에서, 나노와이어(210)의 높이가 서로 다른 A 영역과 B 영역으로 나누어지는데, 이는 예시적인 것으로서, 복수의 나노와이어(210)의 높이는 서로 다를 수도 있고, 서로 같을 수도 있다.
본 개시와 도면에 도시되어 있는 나노와이어(210)의 개수는 예시적인 것으로서, 나노와이어(210)의 개수 및 배치는 장치의 크기 및 용도에 따라 서로 다를 수 있음은 분명하다.
그러면, 도 2를 참고하여, 한 실시예에 따른 나노와이어 구조체를 포함하는 전기 기기에 대하여 설명한다. 도 2는 한 실시예에 따른 나노와이어 구조체를 포함하는 전기 기기의 단면도이다.
도 2를 참고하면, 한 실시예에 따른 나노와이어 구조체를 포함하는 전기 기기는 서로 마주보는 하부 기판(100)과 상부 기판(200), 그리고, 하부 기판(100)과 상부 기판(200) 사이에 배치되어 있는 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. 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.
제1 기판(101) 및 제2 기판(201)은 플라스틱 등 가요성 물질을 포함할 수 있어서, 인가된 외부 응력에 의해 변형 가능하다.
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.
나노와이어 구조체(300)는 무기물로 이루어진 복수의 나노와이어(301), 복수의 나노와이어(301)를 덮고 있는 덮개층(302), 나노와이어(301) 및 덮개층(302)과 제2 전극(202) 사이를 매우고 있는 도전층(303)을 포함한다.
나노와이어(301)는 압전 특성을 가지는 무기물로 이루어질 수 있고, 나노와이어(301)를 구성하는 압전 물질은 반도체 특성을 가질 수 있다. 예를 들어, 나노와이어(301)는 n형(n-type) 반도체 특성을 가지는 압전 물질로 이루어질 수 있다. 나노와이어(301)는 산화아연(ZnO), 질화인듐(InN), 질화갈륨(GaN), 또는 질화알루미늄(AlN) 및 다른 적당한 압전 물질 중 어느 하나 또는 이들의 둘 이상의 조합을 포함할 수 있다.
나노와이어(301)를 덮고 있는 덮개층(302)은 압전 특성을 가지는 p-형 반도체를 포함할 수 있고, 예를 들어, 덮개층(302)은 P3HT{poly(3-hexylthiophene)}, PVDF{poly(vinylidene fluoride)}, PEGDE{poly(ethylene glycol) dimethyl ether} 및 이들의 유도체(derivatives) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한, 덮개층(302)은 무기 반도체 또는 압전 물질, 예를 들어, 산화아연(ZnO), 질화인듐(InN), 질화갈륨(GaN), 그리고 질화아루미늄(AlN) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한, 덮개층(302)은 광전 변환 특성을 가질 수 있는데, 덮개층(302)은 태양광 등의 광을 흡수함으로써 전자-정공 쌍(exiton)을 생성하는 p-형(p-type) 유기 반도체를 포함할 수 있다. 구체적으로, 덮개층(302)은 P3HT{poly(3-hexylthiophene)}를 포함할 수 있다.
도전층(303)은 투명하거나 반투명한 전도성 물질을 포함할 수 있고, 투명하거나 반투명한 압전성 중합체, BHT(bulk-heterojunction)을 포함할 수 있다.
나노와이어 구조체(300)는 n 형의 나노와이어(301)와 p 형의 덮개층(302)이 이종 접합(hetero-junction), 예를 들어, P-N 접합하고 있다.
도시하지는 않았지만, 다른 한 실시예에 따른 나노와이어 구조체(300)는 n 형의 나노와이어(301)와 p 형의 덮개층(302) 사이에 추가적인 반도체층을 포함할 수 있고, 추가적인 반도체층은 불순물 농도가 낮아 진성(intrinsic) 반도체층으로 기능할 수 있다. 이 실시예에서, 나노와이어 구조체는 n 형의 나노와이어(301)와 p 형의 덮개층(302)은 P-I-N 접합하게 된다.
나노와이어 구조체(300)는 나노와이어(301)의 높이가 서로 다른 A 영역과 B 영역으로 나누어지는데, 상대적으로 나노와이어(301)의 높이가 높은 A영역은 나노와어이(301)를 덮고 있는 덮개층(302)이 직접 제2 전극(202)에 접할 수 있어 직접 전기적으로 연결된다. 또한, 상대적으로 나노와이어(301)의 높이가 낮은 B영역은 나노와어이(301)를 덮고 있는 덮개층(302)은 도전층(303)을 통해 제2 전극(202)에 전기적으로 연결된다. 도전층(303)은 제1 전극(102) 위에 배치되어 있는 나노와이어(301)와 제2 전극(202)의 전기적 연결을 강화하게 된다.
본 개시와 도면에 도시되어 있는 나노와이어(301)의 개수는 예시적인 것으로서, 나노와이어(301)의 개수 및 배치는 장치의 크기 및 용도에 따라 서로 다를 수 있음은 분명하다.
그러면, 도 2에 도시한 실시예에 따른 전기 기기의 동작에 대하여 설명한다.
먼저, 도 2에 도시한 전기 기기에 응력이 인가된 경우에 대하여 설명한다.
도 2에 도시한 전기 기기에 응력이 인가되면, 응력이 인가된 위치에서 제2 기판(201)과 제2 전극(202) 중 적어도 하나가 휘어질 수 있다. 제2 기판(201) 및 제2 전극(202)이 휘어짐에 따라, 제1 전극(102)과 제2 전극(202) 사이의 거리가 감소하게 되어, 응력이 인가된 위치에 배치되어 있는 나노와이어(301) 또는 덮개층(302)은 압축되어 변형될 수 있고, 변형된 나노와이어(301) 또는 덮개층(302)은 압전 효과(piezoelectric effect)를 나타낸다. 즉, 나노와이어(301) 또는 덮개층(302)의 각 부분은 인가된 압축 응력 또는 인장 응력에 따라 소정의 전위를 갖게 된다.
나노와이어(301) 또는 덮개층(302)의 압전 효과에 의해 발생된 전자는 제1 전극(102)으로 이동하고, 이에 따라 전기 에너지가 발생한다.
이때, 나노와이어(301)와 덮개층(302)에 의해 발생되는 전기 에너지를 저장부(402)에 저장할 수 있고, 제1 전극(102)으로부터 제2 전극(202)으로 흐를 수도 있다. 도시하지는 않았지만, 제1 전극(102)과 제2 전극(202)은 연결부(401)는 직접 저장부(402)에 연결되지 않고, 스위치를 이용하여 저장부(402)에 연결될 수 있다. 이 경우, 나노와이어(301)에 의해 발생된 전기 에너지는 스위치를 통해 연결부(401)가 저장부(402)에 연결되어 저장부(402)에 저장되거나, 또는 스위치를 통해 연결부(401)가 저장부(402)에 연결되지 않고, 전기 기기 자체 내에서 이용할 수도 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, 압전 나노와이어 구조체를 포함하는 전기 기기가 태양광 등의 광을 흡수하는 경우에 대하여 설명한다.
도 2의 전기 기기에 태양광 등의 광이 조사되면, 조사된 광의 일부 또는 전체가 나노와이어 구조체(300)에 도달할 수 있다. 나노와이어 구조체(300)에 포함되어 있는 전자들이 조사된 광으로부터 에너지를 흡수하면, 나노와이어(301)를 덮고 있는 덮개층(302)의 광전변환 특성으로, 여기 상태의 전자-정공 쌍(exiton)이 형성될 수 있다. 전자-전공 쌍은 p형의 덮개층(302)과 n형의 나노와이어(301) 사이의 계면에서 전자와 정공으로 분리될 수 있다. 분리된 전자는 n형의 나노와이어(301)를 따라 양극(anode), 즉 제1 전극(102) 쪽으로 이동하고, 정공은 덮개층(302)을 따라 음극(cathode), 즉 제2 전극(202) 쪽으로 이동한다.
이처럼 전자는 제1 전극(102)으로 이동하고, 정공은 제2 전극(202)으로 이동함에 따라서, 연결부(401)에 의해 서로 연결되어 있는 제1 전극(102)과 제2 전극(202), 나노와이어 구조체(300)로 이루어진 폐회로를 통하여 전류가 흐를 수 있다. 연결부(401)에는 저장부(402)가 전기적으로 연결되어 있어, 나노와이어 구조체(300)에 의해 발생된 전기 에너지를 저장부(402)에 저장할 수 있고, 전기 기기에서 직접 사용될 수도 있다.
이와 같이, 나노와이어 구조체의 덮개층(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.
다음으로, 압전 나노와이어 구조체를 포함하는 전기 기기에 전기 에너지가 공급되는 경우에 대하여 설명한다.
도 2의 전기 기기에 전기 에너지가 공급되면, 나노와이어 구조체(300) 내에 배치되어 있는 n 형의 나노와이어(301)와 p 형의 덮개층(302) 사이의 P-N 접합에서 전기 에너지가 빛 에너지로 변환되어 빛이 방출된다.
나노와이어 구조체(300)가 P-I-N 접합하고 있는 경우에도, P-I-N 접합에서 전기 에너지를 빛 에너지로 변환하여 빛이 방출되게 된다.
이러한 빛 에너지 변환에 사용되는 전기 에너지는 외부에서 공급될 수도 있지만, 나노와이어 구조체(300)의 압전 효과에 의해 생성된 전기 에너지가 직접 이용될 수 있고, 나노와이어 구조체(300)의 광전 효과에 의해 생성된 전기 에너지가 직접 이용될 수도 있다.
이처럼, 본 발명의 실시예에 따른 나노와이어 구조체를 포함하는 전기 기기는 나노와이어 구조체에 응력을 가하여 압전 현상을 이용하여 전기 에너지를 발생할 수 있을 뿐만 아니라, 태양광 등의 광을 이용하여 전기 에너지를 발생할 수도 있으며, 이종 접합 다이오드로 작용하여, 전기 에너지를 빛 에너지로 변환하여 빛을 발생할 수도 있다.
그러면, 도 3을 참고하여, 다른 한 실시예에 따른 나노와이어 구조체를 설명 한다. 도 3은 다른 한 실시예에 따른 나노와이어 구조체를 도시한 단면도이다.
도 3을 참고하면, 본 실시예에 따른 나노와이어 구조체는 도 1에 도시한 실시예에 따른 나노와이어 구조체와 유사하다.
나노와이어 구조체는 절연 기판 등으로 이루어진 베이스 기판(110), 베이스 기판(110) 위에 성장된 복수의 나노와이어(nanowire)(210a, 210b), 그리고 복수의 나노와이어(210a, 210b)를 덮고 있는 중합체층(410)을 포함한다.
나노와이어(210a, 210b)는 n-형 나노와이어(210a)와 p-형 나노와이어(210b)를 포함한다. 나노와이어(210a, 210b)는 압전 특성을 가질 수 있고, 산화아연(ZnO), 질화인듐(InN), 질화갈륨(GaN), 또는 질화알루미늄(AlN) 및 다른 적당한 압전 물질 중 어느 하나 또는 이들의 둘 이상의 조합을 포함할 수 있다.
이에 의해, 본 실시예에 따른 나노와이어 구조체는 n 형의 나노와이어(210a)와 p 형의 나노와이어(210b)이 이종 접합(hetero-junction), 예를 들어, P-N 접합하고 있다. p 형의 나노와이어(210b)는 광전변환 특성을 가질 수도 있다.
도시하지는 않았지만, 다른 한 실시예에 따른 나노와이어 구조체는 n 형의 나노와이어(210a)와 p 형의 나노와이어(210b) 사이에 추가적인 반도체층을 포함할 수 있고, 추가적인 반도체층은 불순물 농도가 낮아 진성(intrinsic) 반도체층으로 기능할 수 있다. 이 실시예에서, 나노와이어 구조체는 P-I-N 접합하고 있다.
도시하지는 않았지만, 다른 한 실시예에 따른 나노와이어 구조체의 n 형의 나노와이어(210a)와 p 형의 나노와이어(210b)는 상하로 배치되지 않고, 좌우 수평 방향으로 접합하도록 형성될 수도 있다.
나노와이어(210a, 210b)의 표면을 덮고 있는 중합체층(410)은 p-형 반도체를 포함할 수 있다.
도시한 실시예에서, 나노와이어(210)의 높이가 서로 다른 A 영역과 B 영역으로 나누어지는데, 이는 예시적인 것으로서, 복수의 나노와이어(210)의 높이는 서로 다를 수도 있고, 서로 같을 수도 있다.
본 개시와 도면에 도시되어 있는 나노와이어(210)의 개수는 예시적인 것으로서, 나노와이어(210)의 개수 및 배치는 장치의 크기 및 용도에 따라 서로 다를 수 있음은 분명하다.
그러면, 도 4를 참고하여, 한 실시예에 따른 나노와이어 구조체를 포함하는 전기 기기에 대하여 설명한다. 도 4는 다른 한 실시예에 따른 나노와이어 구조체를 포함하는 전기 기기의 단면도이다.
도 2를 참고하면, 한 실시예에 따른 나노와이어 구조체를 포함하는 전기 기기는 서로 마주보는 하부 기판(100)과 상부 기판(200), 그리고, 하부 기판(100)과 상부 기판(200) 사이에 배치되어 있는 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. 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 가요 성(flexible)일 수 있고, 투명할 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.
나노와이어 구조체(300)는 복수의 나노와이어(nanowire)(301a, 301b)와 복수의 나노와이어(301a, 301b)를 덮고 있는 중합체층(304), 그리고, 복수의 나노와이어(nanowire)(301a, 301b)와 제2 전극(202) 사이를 매우고 있는 도전층(303)을 포함한다.
나노와이어(301a, 301b)는 n-형 나노와이어(301a)와 p-형 나노와이어(301b)를 포함한다. 나노와이어(301a, 301b)는 산화아연(ZnO), 질화인듐(InN), 질화갈륨(GaN), 또는 질화알루미늄(AlN) 및 다른 적당한 압전 물질 중 어느 하나 또는 이들의 둘 이상의 조합을 포함할 수 있다.
이에 의해, 본 실시예에 따른 나노와이어 구조체는 n 형의 나노와이어(301a)와 p 형의 나노와이어(301b)가 이종 접합(hetero-junction), 예를 들어, P-N 접합하고 있다. p 형의 나노와이어(301b)는 광전변환 특성을 가질 수도 있다.
도시하지는 않았지만, 다른 한 실시예에 따른 나노와이어 구조체는 n 형의 나노와이어(301a)와 p 형의 나노와이어(301b) 사이에 추가적인 반도체층을 포함할 수 있고, 추가적인 반도체층은 불순물 농도가 낮아 진성(intrinsic) 반도체층으로 기능할 수 있다. 이 실시예에서, 나노와이어 구조체는 P-I-N 접합하고 있다.
도시하지는 않았지만, 다른 한 실시예에 따른 나노와이어 구조체의 n 형의 압전 나노와이어(301a)와 p 형의 나노와이어(302b)는 상하로 배치되지 않고, 좌우 수평 방향으로 접합하도록 형성될 수도 있다.
도전층(303)은 투명하거나 반투명한 전도성 물질을 포함할 수 있고, 투명하거나 반투명한 압전성 중합체, BHT(bulk-heterojunction)을 포함할 수 있다.
나노와이어(301a, 301b)의 표면을 덮고 있는 중합체층(304)은 p-형 반도체를 포함할 수 있다. 중합체층(304)은 나노와이어(301a, 301b)와 도전층(303) 사이의 쇼트(short)를 방지하는 역할을 한다.
나노와이어 구조체(300)는 나노와이어(301a, 301b)의 높이가 서로 다른 A 영역과 B 영역으로 나누어지는데, 상대적으로 나노와이어(301a, 301b)의 높이가 높은 A영역은 나노와어이(301a, 301b)를 덮고 있는 중합체층(304)이 직접 제2 전극(202)에 접할 수 있어 직접 전기적으로 연결된다. 또한, 상대적으로 나노와이어(301a, 301b)의 높이가 낮은 B영역은 나노와어이(301a, 301b)를 덮고 있는 중합체층(304) 은 도전층(303)을 통해 제2 전극(202)에 전기적으로 연결된다. 도전층(303)은 제1 전극(102) 위에 배치되어 있는 나노와이어(301a, 301b)와 제2 전극(202)의 전기적 연결을 강화하게 된다.
본 개시와 도면에 도시되어 있는 나노와이어(301a, 301b)의 개수는 예시적인 것으로서, 나노와이어(301a, 301b)의 개수 및 배치는 장치의 크기 및 용도에 따라 서로 다를 수 있음은 분명하다.
그러면, 도 4에 도시한 실시예에 따른 전기 기기의 동작에 대하여 설명한다.
먼저, 도 2에 도시한 전기 기기에 응력이 인가된 경우에 대하여 설명한다.
도 2에 도시한 전기 기기에 응력이 인가되면, 응력이 인가된 위치에서 제2 기판(201)과 제2 전극(202) 중 적어도 하나가 휘어질 수 있다. 제2 기판(201) 및 제2 전극(202)이 휘어짐에 따라, 제1 전극(102)과 제2 전극(202) 사이의 거리가 감소하게 되어, 응력이 인가된 위치에 배치되어 있는 나노와이어(301a, 301b)는 압축되어 변형될 수 있고, 변형된 나노와이어(301a, 301b)는 압전 효과(piezoelectric effect)를 나타낸다. 즉, 나노와이어(301a, 301b)의 각 부분은 인가된 압축 응력 또는 인장 응력에 따라 소정의 전위를 갖게 된다.
나노와이어(301a, 301b)의 압전 효과에 의해 발생된 전자는 제1 전극(102)으로 이동하고, 이에 따라 전기 에너지가 발생한다.
이때, 나노와이어(301a, 301b)에 의해 발생되는 전기 에너지를 저장부(402)에 저장할 수 있고, 제1 전극(102)으로부터 제2 전극(202)으로 흐를 수도 있다. 도시하지는 않았지만, 제1 전극(102)과 제2 전극(202)은 연결부(401)는 직접 저장 부(402)에 연결되지 않고, 스위치를 이용하여 저장부(402)에 연결될 수 있다. 이 경우, 나노와이어(301)에 의해 발생된 전기 에너지는 스위치를 통해 연결부(401)가 저장부(402)에 연결되어 저장부(402)에 저장되거나, 또는 스위치를 통해 연결부(401)가 저장부(402)에 연결되지 않고, 전기 기기 자체 내에서 이용할 수도 있다.
다음으로, 나노와이어 구조체를 포함하는 전기 기기가 태양광 등의 광을 흡수하는 경우에 대하여 설명한다.
도 2의 전기 기기에 태양광 등의 광이 조사되면, 조사된 광의 일부 또는 전체가 나노와이어 구조체(300)에 도달할 수 있다. 나노와이어 구조체(300)에 포함되어 있는 전자들이 조사된 광으로부터 에너지를 흡수하면, 나노와이어(301a, 301b)의 광전변환 특성으로, 여기 상태의 전자-정공 쌍(exiton)이 형성될 수 있다. 전자-전공 쌍은 p형의 나노와이어(301b)와 n형의 나노와이어(301a) 사이의 계면에서 전자와 정공으로 분리될 수 있다. 분리된 전자는 n형의 나노와이어(301a)를 따라 양극(anode), 즉 제1 전극(102) 쪽으로 이동하고, 정공은 p형의 나노와이어(301b)을 따라 음극(cathode), 즉 제2 전극(202) 쪽으로 이동한다.
이처럼 전자는 제1 전극(102)으로 이동하고, 정공은 제2 전극(202)으로 이동함에 따라서, 연결부(401)에 의해 서로 연결되어 있는 제1 전극(102)과 제2 전극(202), 나노와이어 구조체(300)로 이루어진 폐회로를 통하여 전류가 흐를 수 있다. 연결부(401)에는 저장부(402)가 전기적으로 연결되어 있어, 나노와이어 구조체(300)에 의해 발생된 전기 에너지를 저장부(402)에 저장할 수 있다.
이와 같이, 나노와이어 구조체는 광전 변환 특성을 가질 수 있다. 따라서, 나노와이어 구조체를 포함하는 전기 에너지 발생 장치는 나노와이어에 응력을 가하여 압전 현상을 이용하여 전기 에너지를 발생할 수 있을 뿐만 아니라, 태양광 등의 광을 이용하여 전기 에너지를 발생할 수도 있다.
다음으로, 나노와이어 구조체를 포함하는 전기 기기에 전기 에너지가 공급되는 경우에 대하여 설명한다.
도 2의 전기 기기에 전기 에너지가 공급되면, 나노와이어 구조체(300) 내에 배치되어 있는 n 형의 나노와이어(301a)와 p 형의 나노와이어(301b) 사이의 P-N 접합에서 전기 에너지가 빛 에너지로 변환되어 빛이 방출된다.
나노와이어 구조체(300)가 P-I-N 접합하고 있는 경우에도, P-I-N 접합에서 전기 에너지를 빛 에너지로 변환하여 빛이 방출되게 된다.
이러한 빛 에너지 변환에 사용되는 전기 에너지는 외부에서 공급될 수도 있지만, 나노와이어 구조체(300)의 압전 효과에 의해 생성된 전기 에너지가 직접 이용될 수 있고, 나노와이어 구조체(300)의 광전 효과에 의해 생성된 전기 에너지가 직접 이용될 수도 있다.
이처럼, 본 발명의 실시예에 따른 나노와이어 구조체를 포함하는 전기 기기는 나노와이어에 응력을 가하여 압전 현상을 이용하여 전기 에너지를 발생할 수 있을 뿐만 아니라, 태양광 등의 광을 이용하여 전기 에너지를 발생할 수도 있으며, 이종 접합 다이오드로 작용하여, 전기 에너지를 빛 에너지로 변환하여 빛을 발생할 수도 있다.
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.
도 1은 한 실시예에 따른 나노와이어 구조체를 도시한 단면도이다.
도 2는 한 실시예에 따른 나노와이어 구조체를 포함하는 전기 기기의 단면도이다.
도 3은 다른 한 실시예에 따른 나노와이어 구조체를 도시한 단면도이다.
도 4는 다른 한 실시예에 따른 나노와이어 구조체를 포함하는 전기 기기의 단면도이다.

Claims (15)

  1. 서로 이격된 제1 전극 및 제2 전극,
    상기 제1 전극 위에 배치되어 있는 복수의 나노와이어, 그리고
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 배치되어 있으며, 상기 복수의 나노와이어를 덮고 있는 덮개층을 포함하고,
    상기 나노와이어는 n 형 반도체 특성을 가지고, 상기 덮개층은 p 형 반도체 특성을 가지고,
    상기 나노와이어와 상기 덮개층 중 적어도 하나는 압전 특성을 가지는 전기 기기.
  2. 제1항에서,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 적어도 하나는 인가된 응력에 의하여 변형되는 가요성을 가지는 전기 기기.
  3. 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 기기.
  4. 제1항에서,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 적어도 하나는 투명한 물질로 이루어진 전기 기기.
  5. 제4항에서,
    상기 나노와이어와 상기 덮개층 중 적어도 하나는 광전 변환 특성을 가지는 전기 기기.
  6. 제1항에서,
    상기 나노와이어는 산화아연(ZnO), 납-지르코늄-티타늄산화물(PZT), 티탄산 바륨(BaTiO3), 질화알루미늄(AlN), 질화갈륨(GaN), 또는 탄화실리콘(SiC)을 포함하는 전기 기기.
  7. 제1항에서,
    상기 덮개층은 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 기기.
  8. 제1항에서,
    상기 나노와이어 및 상기 덮개층과 상기 제2 전극 사이를 매우고 있는 도전층을 더 포함하고,
    상기 도전층은 투명하거나 반투명한 전도성 물질, 투명하거나 반투명한 압전성 중합체, 및 BHT(bulk-heterojunction) 중 적어도 하나를 포함하는 전기 기기.
  9. 서로 이격된 제1 전극 및 제2 전극,
    상기 제1 전극 위에 배치되어 있는 복수의 제1 나노와이어, 그리고
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 배치되어 있으며, 상기 복수의 제1 나노와이어와 접하고 있는 복수의 제2 나노와이어를 포함하고,
    상기 제1 나노와이어는 n 형 반도체 특성을 가지고, 상기 제2 나노와이어는 p 형 반도체 특성을 가지고,
    상기 제1 나노와이어와 상기 제2 나노와이어 중 적어도 하나는 압전 특성을 가지는 전기 기기.
  10. 제9항에서,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 적어도 하나는 인가된 응력에 의하여 변형되는 가요성을 가지는 전기 기기.
  11. 제9항에서,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 적어도 하나는 투명한 물질로 이루어진 전기 기기.
  12. 제1항에서,
    상기 제1 나노와이어와 상기 제2 나노와이어 중 적어도 하나는 광전 변환 특성을 가지는 전기 기기.
  13. 제9항에서,
    상기 나노와이어는 산화아연(ZnO), 납-지르코늄-티타늄산화물(PZT), 티탄산 바륨(BaTiO3), 질화알루미늄(AlN), 질화갈륨(GaN), 또는 탄화실리콘(SiC)을 포함하는 전기 기기.
  14. 제9항에서,
    상기 제1 나노와이어 및 상기 제2 나노와이어와 상기 제2 전극 사이를 매우고 있는 도전층을 더 포함하고,
    상기 도전층은 투명하거나 반투명한 전도성 물질, 투명하거나 반투명한 압전성 중합체, 및 BHT(bulk-heterojunction) 중 적어도 하나를 포함하는 전기 기기.
  15. 제14항에서,
    상기 제1 나노와이어와 상기 제2 나노와이어를 덮고 있으며, 상기 제1 나노와이어 및 상기 제2 나노와이어와 상기 도전층 사이에 배치되어 있는 중합체층을 더 포함하는 전기 기기.
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