KR20110100964A - 전기에너지 발생장치 - Google Patents
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Abstract
전기에너지 발생장치가 개시된다. 개시된 전기에너지 발생장치는 나노 섬유-나노 와이어 복합체를 포함하는 태양전지 소자와 압전 소자를 일체로 형성한다.
Description
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 나노와이어와 같은 나노구조체에 대한 연구가 시도되고 있다.
한편, 태양전지는 태양광이 없는 저녁 이후의 시간에는 작동할 수 없으므로 하루중 어느 때라도 작동할 수 있는 전기에너지 발생장치에 대한 관심이 증가하고 있다.
태양전지 소자와 압전 소자가 결합된 일체형 전기에너지 발생 장치를 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따라,
제1 전극;
상기 제1 전극 상에 형성되는 고분자 나노섬유 및 상기 고분자 나노섬유로부터 신장되어 상기 나노섬유를 덮고 있는 압전특성을 가지는 반도체 물질의 나노와이어를 포함하는 나노섬유-나노와이어 복합체;
상기 나노섬유-나노와이어 복합체의 나노와이어와 p-n 접합을 형성하는 것으로, 상기 나노와이어의 단부를 제외한 나머지 부분을 둘러싸도록 상기 제 1전극상에 형성되는 반도체층;
상기 나노섬유-나노와이어 복합체의 나노와이어의 단부와 인접하여 위치한 도전성 금속층; 및
상기 제 1 전극과 마주한 면 위에 상기 도전성 금속층이 형성되어 있는 제2 전극
을 구비하는 전기에너지 발생장치가 제공된다.
일 구현예에 따르면 상기 나노섬유-나노와이어 복합체의 나노와이어는 n형 반도체 물질로 이루어지며, 상기 반도체층은 p형 반도체 물질로 이루어질 수 있다.
다른 구현예에 따르면, 상기 나노섬유-나노와이어 복합체의 나노와이어의 일함수는 상기 제2 전극의 일함수보다 작을 수 있다.
또 다른 구현예에 따르면, 상기 나노섬유-나노와이어 복합체의 나노와이어는 산화아연(ZnO), 산화주석(SnO2), 산화티탄(TiO2), 산화인듐(In2O3) 또는 납-지르코늄-티타늄산화물(PZT; lead zirconate titanate)을 포함할 수 있다.
또 다른 구현예에 따르면, 상기 반도체층은 무기 박막 및 유기 박막 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또 다른 구현예에 따르면, 상기 도전성 금속층은 백금(Pt), 금(Au), 아연(Zn) 및 은(Ag)으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다.
다른 측면에 따르면,
적어도 하나의 제1 파이버;
상기 각 제1 파이버 상에 형성되는 제1 전극;
상기 제1 전극 상에 형성되는 고분자 나노섬유와 상기 고분자 나노섬유의 내부로부터 외부로 신장되어 상기 나노섬유를 덮고 있는 반도체 물질의 나노와이어를 포함하는 나노섬유-나노와이어 복합체;
상기 나노섬유-나노와이어 복합체의 나노와이어와 p-n 접합을 형성하는 것으로, 상기 나노와이어의 단부를 제외한 나머지 부분을 둘러싸도록 상기 제1 전극 상에 형성되는 반도체층;
상기 나노섬유-나노와이어 복합체의 나노와이어의 단부와 인접하여 위치한 도전성 금속층; 및
상기 제 1전극과 마주한 면 위에 상기 금속층이 형성되어 있는 제 2전극; 및
상기 제 2 전극이 각각 형성되어 있는 적어도 하나의 제 2 파이버
를 구비하는 전기에너지 발생장치가 제공된다.
일 구현예에 따르면, 상기 제1 파이버 및 제 2 파이버는 각각 독립적으로 유리, 실리콘, 폴리머, 플라스틱, 카본, 탄소나노튜브(CNT), 사파이어, 질화갈륨(GaN) 및 탄화실리콘(SiC)으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다.
다른 구현예에 따르면 상기 제 1 파이버는 원통형 코어를 이루고, 상기 제 2 파이버는 상기 원통형 코어를 둘러싼 쉘일 수 있다.
나노섬유-나노와이어 복합체를 포함한 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.
도 1은 본 발명의 일 구현예에에 따른 전기에너지 발생장치의 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 구현예에 따른 전기에너지 발생장치의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 다른 구현예에 따른 전기에너지 발생장치의 개략적인 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 구현예에 따른 나노섬유-나노와이어 복합체의 전자 현미경 사진이다.
도 2는 본 발명의 다른 구현예에 따른 전기에너지 발생장치의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 다른 구현예에 따른 전기에너지 발생장치의 개략적인 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 구현예에 따른 나노섬유-나노와이어 복합체의 전자 현미경 사진이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구현예를 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 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 나노섬유-나노와이어 복합체(104)가 마련되어 있다. 상기 나노섬유-나노와이어 복합체(104)는 상기 제1 전극(110)상에 형성되는 고분자 나노섬유(102) 및 상기 고분자 나노섬유(102)의 내부로부터 신장되어 상기 나노섬유(102)를 덮고 있는 반도체 물질의 나노와이어(103)를 포함한다. 상기 나노와이어(103)는 복수개로 존재하며, 상기 제1 전극(110) 상에 수직 또는 일정한 각도로 경사지게 배열될 수 있다. 상기 나노와이어(103)는 압전 특성을 가지는 반도체 물질로 이루어질 수 있다. 즉, 상기 나노와이어(103)는 응력이 인가되면 압전 효과를 나타내는 반도체 물질로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 제1 전극(110)이 n형 전극인 경우, 상기 나노와이어(103)는 n형 반도체 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 상기 나노와이어(103)는 산화아연(ZnO), 산화주석(SnO2), 산화티탄(TiO2), 산화인듐(In2O3) 또는 또는 납-지르코늄-티타늄산화물(PZT; lead zirconate titanate)로 이루어질 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 다른 다양한 물질로 이루어질 수 있다. 산화아연(ZnO)은 에너지 밴드갭(Eg)이 약 3.3eV의 직접 밴드갭을 갖는 n형 반도체로서 전자 소자에 많이 적용되고 있는 물질이고, 산화주석(SnO2), 산화티타늄(TiO2) 또는 산화인듐(In2O3)도 전기적 광학적 특징으로 인하여 전자 및 광전자 분야에 많이 적용되고 있는 물질이다.
나노섬유-나노와이어 복합체(10)의 나노섬유(102)는 고분자로 형성될 수 있다. 나노섬유(102)는 수용성 고분자가 열처리 또는 UV 조사에 의하여 가교 결합되어 불수용성을 갖는 고분자로 형성될 수 있다. 선택적으로 나노섬유(102)는 다관능성 수지와 같은 불수용성인 감광성 고분자로 형성될 수 있다.
열경화될 수 있는 수용성 고분자는 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol: PVA), 폴리아크릴산(polyacrylic acid: PAA), 폴리스티렌 술폰산(polystyrene sulfonic acid), 폴리히드록시에틸 메타크릴레이트(polyhydroxyethyl methacrylate), 폴리에틸렌옥사이드(polyethylene oxide: PEO), 폴리비닐피롤리돈(polyvinyl pyrrolidone: PVP), 폴리아크릴아미드(polyacrylamide: PA) 일 수 있다. 또는 열경화될 수 있는 수용성 고분자는 PVA-PEO-PVA, PVA-PPO(poly propylene oxide)-PVA, PVA-PA, PVA-PA-PAA, PVA-PS(polystyrene) -PVA, PVA-PVA와 같은 블록공중합체(block copolymer)일 수 있다. 한편, 열경화되어 불용성이 되는 수용성 고분자로서 카르복시메틸 셀룰로즈(Carboxy methyl cellulose), 메틸 셀룰로즈(Methyl cellulose), 하이드록시에틸 셀룰로즈(Hydroxy ethyl cellulose), 덱스트린(Dextrine) 등이 또한 사용될 수 있다. UV 조사에 의해 광경화될 수 있는 고분자로 PVA에 스틸바졸리움 (stilbazolium)기를 도입한 PVA-SbQ, 폴리에틸렌 글리콜 디아크릴레이트(Polyethylene glycol diacrylate) 등이 있다. 즉, 나노 섬유(11)는 이들 고분자가 열경화 또는 광경화되어 불수용성이 된 고분자로 형성될 수 있다.
나노섬유(102)는 신축성 바인더를 더 포함할 수 있다. 신축성 바인더를 포함함에 의하여 나노섬유-나노와이어 복합체(104)의 신축성이 더욱 향상될 수 있다. 신축성 바인더는 천연고무(Natural Rubber), 스티렌부타디엔 고무(Styrene Butadiene Rubber), 부타디엔 고무(Polybutadiene Rubber), 클로로프렌 고무 (Chloroprene Rubber), 아크로니트릴부타디엔 고무 (Acrylonitrile Butadiene Rubber, NBR), 부틸고무 (Isobutylene isoprene rubber), 에틸렌프로필렌 디엔 고무 (Ethylene Propylene Diene Rubber, DPDM), 클로로설폰화 폴리에틸렌 고무(Chlorosulphonated Polyethylene), 아크릴 고무(Acrylic elastomer), 불소고무(Fluoro elastomer), 실리콘 고무 (Silicone elastomer) 및 폴리우레탄 등을 포함할 수 있다.
또한, 나노섬유(102)는 나노 금속 입자, 이온성 액체(ionic liquid) 또는 이오노머(ionomer)과 같이 전도성을 갖는 물질을 포함할 수 있다. 나노 금속 입자는 Au, Ag, Cu, Pd, Pt, Ag/Pd 또는 Al의 나노 입자일 수 있다. 나노 금속 입자는 입자크기가 5nm~10nm일 수 있다. 상기 나노 금속 입자는 나노섬유 고분자 100 중량부를 기준으로 10 내지 70 중량부일 수 있고, 더 특정적으로 20 내지 60 중량부일 수 있다.
이온성 액체(ionic liquid)는 상온에서 액체 특성을 나타내는 염을 의미하며, 용융염으로도 지칭된다. 이온성 액체의 구조는 일반적으로 유기 양이온과 무기 또는 유기 음이온으로 구성되며, 높은 증발 온도, 높은 이온 전도도, 내열성 및 난연성 등을 특징으로 한다.
이온성 액체의 양이온은 치환 또는 비치환된 이미다졸륨(imidazolium), 피라졸륨(pyrazolium), 트리아졸륨(triazolium), 티아졸륨(thiazolium), 옥사졸륨(oxazolium), 피리다지늄(pyridazinium), 피리미디늄(pyrimidinium), 피라지늄(pyrazinium), 암모늄(ammonium), 포스포늄(phosphonium), 구아니디늄(guanidinium), 유로늄(euronium), 티오유로늄(thioeuronium), 피리디늄(pyridinium) 또는 피롤리디늄(pyrrollium)일 수 있다.
상기 양이온과 결합하여 이온성 액체를 형성하는 음이온은 유기 혹은 무기 음이온을 모두 사용할 수 있다. 예를 들면, 할라이드(halide)계 음이온, 보레이트(borate)계 음이온, 포스페이트(phosphate)계 음이온, 포스피네이트(phosphinate)계 음이온, 이미드(imide)계 음이온, 술포네이트(sulphonate)계 음이온, 아세테이트(acetate)계 음이온, 설페이트(sulfate)계 음이온, 시아네이트(cyanate)계 음이온, 티오시아네이트(thiocyanate)계 음이온, 탄소계 음이온, 착물계 음이온 또는 ClO4 - 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 음이온은 구체적인 예를 들면, PF6 -, BF4 -, B(C2O4)-, CH3(C6H5)SO3 -, (CF3CF2)2PO2 -, CF3SO3 -, CH3SO4 -, CH3(CH2)7SO4 -, N(CF3SO2)2 -, N(C2F5SO2)2 -, C(CF2SO2)3 -, AsF6 -, SbF6 -, AlCl4 -, NbF6 -, HSO4 -, ClO4 -, CH3SO3 - 또는 CF3CO2 - 중 하나 이상일 수 있다.
이오노머는 에틸렌 아크릴산 공중합체(ethylene acrylic acid copolymer), 폴리트라이메틸렌 옥사이드(polytrimethylene oxide) 결합을 기재로 하는 폴리우레탄 이오노머(polyurethane ionomer), α-올레핀이 에틸렌(ethylene), 프로필렌(propylene), 1-부텐(1-butene), 1-펜텐(1-pentene), 1-헥센(1-hexene), 1-헵텐(1-heptene), 3-메틸-1-부텐(3-methyl-1-butene), 4-메틸-1-펜텐(4-methyl-1-pentene)인 α-올레핀 공중합체 이오노머(α-olefin copolymer ionomer)일 수 있다.
상기 이온성 액체 또는 상기 이오노머는 나노섬유 고분자 100 중량부를 기준으로 10 내지 70 중량부일 수 있고, 더 특정적으로 20 내지 60 중량부일 수 있다.
상기 나노섬유-나노와이어 복합체(104)의 나노섬유는 코어 쉘 구조를 가질 수도 있다. 상기 코어 부분은 제 1 고분자 물질로 이루어질 수 있고, 쉘 부분은 제 2 고분자 물질로 형성될 수 있다. 상기 제 1 고분자 물질 제 2 고분자 물질은 앞에서 언급한 고분자 물질들을 마찬가지로 사용할 수 있다. 코어 쉘 구조를 갖는 나노 섬유는 용도에 따라서 표면을 소수성으로 만들거나 밴드갭을 조정하는 p-n 접합에 사용하는 경우에 유리한 장점을 갖는다.
나노섬유(102)는 100nm~5㎛의 범위의 직경과 1㎛의 이상의 길이를 가질 수 있다. 나노 와이어(103)는 100nm~5㎛의 범위의 직경과 0.1~5㎛의 범위의 길이를 가질 수 있다. 나노섬유가 코어 부분 및 쉘 부분으로 이루어지는 경우 코어 부분은 0.1~4㎛의 범위의 직경을 가질 수 있고, 쉘 부분은 0.1~3㎛의 범위의 두께를 가질 수 있다.
상기 나노섬유-나노와이어 복합체(104)중 나노 와이어(103)는 100nm~5um의 범위의 직경과 0.1~5um의 범위의 길이를 가질 수 있다.
상기 나노섬유-나노와이어 복합체(104)는 하기한 방법으로 제조할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
먼저, 수용성 고분자, 금속산화물 전구체 및 용매를 포함하는 조성물을 준비한다. 상기 조성물로부터 전기방사 방법을 이용하여 금속 산화물 전구체를 포함하는 예비 나노 섬유를 형성한다.
한편, 선택적으로, 전기방사법을 사용할 때 전기방사 장치의 토출부 노즐을 이중 노즐을 사용함으로써 예비 나노 섬유를 코어 쉘 구조를 갖도록 형성할 수 있다. 즉, 예를 들면, 안쪽 노즐로부터는 제1 고분자가 토출되고 바깥쪽 노즐로부터는 제2 고분자가 토출되어 코어 쉘 구조의 예비 나노 섬유를 형성하도록 할 수 있다.
수용성 고분자는 열처리 또는 UV 조사에 의하여 가교 결합되어 불수용성을 갖는 고분자가 될 수 있는 고분자를 사용할 수 있다.
열경화될 수 있는 수용성 고분자는 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol: PVA), 폴리아크릴산(polyacrylic acid: PAA), 폴리스티렌 술폰산(polystyrene sulfonic acid), 폴리히드록시에틸 메타크릴레이트(polyhydroxyethyl methacrylate), 폴리에틸렌옥사이드(polyethylene oxide: PEO), 폴리비닐피롤리돈(polyvinyl pyrrolidone: PVP), 폴리아크릴아미드(polyacrylamide: PA) 일 수 있다. 또는 열경화될 수 있는 수용성 고분자는 PVA-PEO-PVA, PVA-PPO(poly propylene oxide)-PVA, PVA-PA, PVA-PA-PAA, PVA-PS(polystyrene)-PVA, PVA-PVA와 같은 블록공중합체(block copolymer)일 수 있다.
한편, 열경화되어 불용성이 되는 수용성 고분자로서 카르복시메틸 셀룰로즈(Carboxy methyl cellulose), 메틸 셀룰로즈(Methyl cellulose), 하이드록시에틸 셀룰로즈(Hydroxy ethyl cellulose), 덱스트린(Dextrine) 등이 또한 사용될 수 있다.
UV 조사에 의해 광경화될 수 있는 고분자로 PVA에 스틸바졸리움 (stilbazolium)기를 도입한 PVA-SbQ, 폴리에틸렌 글리콜 디아크릴레이트(Polyethylene glycol diacrylate) 등이 있다.
용매는 물을 사용할 수 있으며, 친수성 고분자 물과 친화성이 좋은 극성용매(알코올, 디메틸포름알데하이드 등)를 함께 사용할 수도 있다.
전기방사용 조성물의 금속 산화물의 전구체는 아연(Zn), 주석(Sn), 티타늄(Ti) 또는 인듐(indium)의 질화물(nitride), 염화물(chloride), 황화물(sulfide), 아세테이트(acetate), 아세틸아세토네이트(acetylacetonate), 시안화물(cyanate), 이소프로필옥사이드(isopropyl oxide), 부톡사이드(butoxide) 등을 사용할 수 있다.
전기방사용 조성물은 가교 결합제를 더 포함할 수 있으며, 가교 결합제는 포름알데하이드, 글리옥살, 글루타디알데하이드 등과 같은 물질을 사용할 수 있다.
한편, 전기방사용 조성물에 신축성 바인더를 더 첨가할 수 있다. 전기방사용 조성물의 신축성 바인더는 천연고무(Natural Rubber), 스티렌부타디엔 고무(Styrene Butadiene Rubber), 부타디엔 고무(Polybutadiene Rubber), 클로로프렌 고무 (Chloroprene Rubber), 아크로니트릴부타디엔 고무 (Acrylonitrile Butadiene Rubber, NBR), 부틸고무 (Isobutylene isoprene rubber), 에틸렌프로필렌 디엔 고무 (Ethylene Propylene Diene Rubber, DPDM), 클로로설폰화 폴리에틸렌 고무(Chlorosulphonated Polyethylene), 아크릴 고무(Acrylic elastomer), 불소고무(Fluoro elastomer), 실리콘 고무 (Silicone elastomer), 폴리우레탄 등의 고분자 엘라스토머(elastomer)나 폼(foam) 등에서 선택된 하나 이상의 물질을 사용할 수 있다.
또한, 전기방사용 조성물에 나노 금속 입자, 이온성 액체 또는 이오노머와 같은 전도성 물질을 첨가할 수 있다. 전도성 물질은 금속 산화물 전구체와 함께 금속 산화물의 시드 역할을 할 수 있다.
나노 금속 입자는 Au, Ag, Cu, Pd, Pt, Ag/Pd 또는 Al의 나노 입자일 수 있다. 나노 금속 입자는 입자크기가 5nm ~ 10nm일 수 있고, 콜로이드 용액의 형태로 또는 나노입자의 형태로 전기방사용 조성물에 도입될 수 있다. 상기 나노금속 입자는 나노섬유 고분자 100 중량부를 기준으로 10 내지 70 중량부일 수 있고, 더 특정적으로 20 내지 60 중량부일 수 있다.
이온성 액체의 양이온은 치환 또는 비치환된 이미다졸륨(imidazolium), 피라졸륨(pyrazolium), 트리아졸륨(triazolium), 티아졸륨(thiazolium), 옥사졸륨(oxazolium), 피리다지늄(pyridazinium), 피리미디늄(pyrimidinium), 피라지늄(pyrazinium), 암모늄(ammonium), 포스포늄(phosphonium), 구아니디늄(guanidinium), 유로늄(euronium), 티오유로늄(thioeuronium), 피리디늄(pyridinium) 및 피롤리디늄(pyrrollium)일 수 있다.
상기 양이온과 결합하여 이온성 액체를 형성하는 음이온은 유기 혹은 무기 음이온을 모두 사용할 수 있다. 예를 들면, 할라이드계 음이온, 보레이트계 음이온, 포스페이트계 음이온, 포스피네이트계 음이온, 이미드계 음이온, 술포네이트계 음이온, 아세테이트계 음이온, 설페이트계 음이온, 시아네이트계 음이온, 티오시아네이트계 음이온, 탄소계 음이온, 착물계 음이온 또는 ClO4 - 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 음이온은 예를 들면, PF6 -, BF4 -, B(C2O4)-, CH3(C6H5)SO3 -, (CF3CF2)2PO2 -, CF3SO3 -, CH3SO4 -, CH3(CH2)7SO4 -, N(CF3SO2)2 -, N(C2F5SO2)2 -, C(CF2SO2)3 -, AsF6 -, SbF6 -, AlCl4 -, NbF6 -, HSO4 -, ClO4 -, CH3SO3 - 또는 CF3CO2 - 중 하나 이상일 수 있다.
이오노머는 에틸렌 아크릴산 공중합체(ethylene acrylic acid copolymer), 폴리트라이메틸렌 옥사이드(polytrimethylene oxide) 결합을 기재로 하는 폴리우레탄 이오노머(polyurethane ionomer), α-올레핀이 에틸렌(ethylene), 프로필렌(propylene), 1-부텐(1-butene), 1-펜텐(1-pentene), 1-헥센(1-hexene), 1-헵텐(1-heptene), 3-메틸-1-부텐(3-methyl-1-butene), 4-메틸-1-펜텐(4-methyl-1-pentene)인 α-올레핀 공중합체 이오노머(α-olefin copolymer ionomer)일 수 있다.
상기 이온성 액체 또는 상기 이오노머는 나노 섬유 고분자 100 중량부를 기준으로 10 내지 70 중량부일 수 있고, 더 특정적으로 20 내지 60 중량부일 수 있다.
상기 조성물이 전기방사되면, 수용성 고분자, 금속 산화물 전구체가 섞여 있는 예비 나노 섬유, 또는 수용성 고분자, 금속 산화물 전구체와 함께 신축성 바인더 또는 전도성 물질을 더 포함한 예비 나노 섬유가 형성될 수 있다.
전기방사된 예비 나노 섬유를 열경화시켜서 수용성 고분자가 가교 결합된 나노 섬유를 형성한다. 열경화는 100~140℃에서 예를 들면 열풍 방식으로 열처리하여 수행할 수 있다. 나노섬유(102)의 수용성 고분자는 열경화에 의하여 가교 결합이 이루어져 물에 녹지 않는 불용성 고분자로 전환되며, 나노섬유 내에는 금속 산화물 나노와이어가 성장될 금속 시드가 포함된다.
선택적으로 전기방사된 예비 나노섬유는 PVA-SbQ, 폴리에틸렌 글리콜 다이아크릴레이트(Polyethylene glycol diacrylate) 등을 사용하여 UV 경화에 의하여 만들 수도 있다.
상기 금속 시드를 포함하는 나노섬유를 금속 산화물의 핵을 생성시킬 수 있는 화합물 수용액에 담그고, 90℃ 정도의 열을 가하여 나노섬유 안의 금속 시드로부터 금속 산화물의 핵이 성장되도록 한다.
상기 금속 산화물의 핵이 생성된 나노섬유가 담긴 화합물 수용액에 금속 산화물 전구체 수용액을 첨가하여 나노섬유의 금속 산화물의 핵으로부터 금속 산화물 나노와이어가 성장되도록 한다.
상기 제1 전극(110) 상에는 상기 나노와이어(103)의 단부를 제외한 나머지 부분을 둘러싸도록 반도체층(112)이 형성되어 있다. 여기서, 상기 반도체층(112)은 상기 나노와이어(103)와 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.
상기 반도체층(112)을 형성하는 유기 박막은 하기 p-형 고분자를 포함할 수 있다:
P3HT MEH-PPV MDMO-PPV
ZnPc CuPc
APFO-Green2
PFDTBT PCPDTB
상기 나노섬유-나노와이어 복합체(104)의 나노와이어(103)의 단부와 인접하여 도전성 금속층(113)이 형성되어 있다. 상기 도전성 금속층(113)은 상기 나노와이어의 압전 특성을 촉진시키기 위한 것이다. 상기 도전성 금속층(113)은 백금(Pt), 금(Au), 아연(Zn)및 은(Ag)으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다. 상기 도전성 금속층(113)은 상기 제1 전극(110)과 마주한 쪽의 제 2전극(114) 위에 형성될 수 있다. 상기 도전성 금속층(113)은 제2 전극을 완전히 덮지 않도록 스트라이프 형태 또는 도트 형태로 상기 나노와이어의 말단에 인접하게 형성될 수 있다. 이렇게 함으로써 나노섬유로부터 압전 성질을 증가시킬 수 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. 상기 제 2 전극은 파이버 또는 플레이트 위에 형성될 수 있다.
상기 나노섬유-나노와이어 복합체(104)의 일함수는 상기 제2 전극(114)의 일함수보다 작을 수 있다.
상기와 같은 구조의 전기에너지 발생장치는 일체로 형성된 태양전지 소자와 압전 소자를 포함한다. 즉, 상기 제1 및 제2 전극(110,114)과, 상기 제1 전극(110)과 제2 전극(114) 사이에 마련되는 나노섬유-나노와이어 복합체(104) 및 반도체층(112)은 태양전지 소자를 구성하게 된다. 그리고, 상기 제1 및 제2 전극(110,114)과, 나노섬유-나노와이어 복합체(104) 및 도전성 금속층(113)은 압전 소자를 구성하게 된다. 태양전지 소자에서는, 외부의 태양광이 투명한 제2 전극(114)을 통하여 입사되면 p-n 접합을 형성하는 나노와이어(103) 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 도전성 금속층(113)과 나노와이어(103) 사이의 마찰에 의해 전기에너지가 발생하게 된다. 즉, 제1 전극(110)의 움직임에 따라 나노와이어(103)에 휘어짐과 같은 변형이 발생하게 되면 상기 나노와이어(103)에 응력이 가해지고, 가해진 응력이 제거되는 과정이 반복됨에 따라 상기 제1 및 제2 전극(110,114) 사이에는 전위차가 발생하게 되고, 이러한 전위차에 의해 발생하는 전자의 흐름에 의해 전기에너지를 얻을 수 있게 된다. 이 때 도전성 금속층(113)은 발생된 전기 에너지를 전달하는 역할을 하게 된다.
이와 같이, 압전 특성을 가지는 반도체 물질로 이루어진 나노와이어(103)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 나노섬유-나노와이어 복합체의 나노와이어(103)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 나노와이어(103)와 반도체층(112)이 각각 p형 및 n형 반도체 물질로 이루어지는 것도 가능하며, 상기 제1 및 제2 전극(110,114)은 각각 p형 및 n형 전극이 될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 적어도 하나의 제1 파이버;
상기 각 제1 파이버 상에 형성되는 제1 전극;
상기 제1 전극 상에 형성되는 고분자 나노섬유와 상기 고분자 나노섬유의 내부로부터 외부로 신장되어 상기 나노섬유를 덮고 있는 반도체 물질의 나노와이어를 포함하는 나노섬유-나노와이어 복합체;
상기 나노섬유-나노와이어 복합체의 나노와이어와 p-n 접합을 형성하는 것으로, 상기 나노와이어의 단부를 제외한 나머지 부분을 둘러싸도록 상기 제1 전극 상에 형성되는 반도체층;
상기 나노섬유-나노와이어 복합체의 나노와이어의 단부와 인접하여 위치한 도전성 금속층; 및
상기 제 1전극과 마주한 면 위에 상기 금속층이 형성되어 있는 제 2전극; 및
상기 제 2 전극이 각각 형성되어 있는 적어도 하나의 제 2 파이버를 구비하는 전기에너지 발생장치가 제공된다.
상기 제 1 파이버 및 제 2 파이버는 예를 들면, 각각 독립적으로 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.
상기 제1 파이버는 원통형 코어를 이루고, 상기 제2 파이버는 상기 원통형 코어를 둘러싼 원통형 셀을 이루어 전체적으로 동축형(coaxial type)의 전기에너지 발생장치를 형성할 수 있다. 도 2는 이러한 동축형 전기에너지 발생장치의 일 예를 나타내는 사시도이며, 도 3은 도 2에 도시된 전기에너지 발생장치의 단면도이다.
도 2 및 도 3에서 보면 본 발명의 실시예에 따른 전기에너지 발생장치는 원통형 코어를 이루는 제 1파이버(221) 및 상기 코어를 둘러싼 원통형 쉘을 이루는 제 2 파이버(222)를 포함한다.
상기 제 1 파이버(221) 상부에는 제 1 전극(210)이 형성되어 있고, 상기 제 1 전극(210) 상부에 나노섬유-나노와이어 복합체(204)가 형성되어 있다.
상기 나노섬유-나노와이어 복합체(204)는 상기 제 1 파이버(221)에 접한 고분자 나노섬유(202) 및 상기 고분자 나노섬유의 내부로부터 신장되어 상기 나노섬유를 덮고 있는 반도체 물질의 나노와이어(203)를 포함한다.
상기 나노와이어(203)의 단부를 제외한 나머지 부분을 둘러싸도록 상기 제 1 전극(210) 상에 반도체층(212)이 형성되어 있고, 상기 나노와이어(203)의 단부와 인접한 위치에 도전성 금속층(213)이 형성되고, 상기 도전성 금속층(213)이 내부 표면에 형성되어 있는 제 2 전극(214)이 제 2 파이버(222) 안쪽에 형성되어 있다.
상기 제1 전극(210)은 예를 들면 n형 전극이 될 수 있다. 상기 제1 전극(210)이 n형 전극인 경우, 상기 나노와이어(203)는 n형 반도체 물질로 이루어질 수 있다.
상기 반도체층(212)은 상기 나노와이어(203)와 p-n 접합을 형성하는 것으로, 예를 들면 p형 반도체 물질로 이루어질 수 있다.
상기 제2 전극(214)은 예를 들면 p형 전극이 될 수 있으며, 투명한 도전성 물질로 이루어질 수 있다.
또한, 이상에서는 나노와이어(203)와 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, 이에 한정되지 않는다. 즉, 상기 나노와이어(203)와 반도체층(212)이 각각 형 및 n형 반도체 물질로 이루어지는 것도 가능하며, 상기 제1 및 제2 전극(210,214)은 각각 p형 및 n형 전극이 될 수 있다.
이하 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명할 것이나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
제조예 1
10wt% 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol: PVA) 수용액에 아세트산 아연(zinc acetate) 3wt%를 녹이고 가교 결합제(cross-liking agent)로서 글리옥살(glyoxal) 3wt%를 섞은 혼합 조성물을 인가 전압 15kV, 방사거리 5cm, 상온에서 전기방사하였다. 상기 혼합 조성물로부터 전기방사되어 형성된 나노 섬유를 120℃에서 5분간 열경화하였다.
열경화된 나노 섬유를 90℃의 온도에서 0.01M의 헥사메틸테트라디아민(HMTA)(CH2)6N4), 0.01M의 질산 아연 헥사 수화물(Zinc Nitrate hexa hydrate) (Zn(NO3)2??6H2O) 수용액에서 수열반응(hydrothermal reaction)시켜서 산화아연(ZnO)의 나노 와이어를 나노 섬유 위에 성장시켰다.
다음은 산화 아연(ZnO)의 핵이 생성되는 메커니즘을 보여주는 식들이다.
(CH2)6N4+6H2O→4NH3+6HCHO (1)
NH3+H2O→NH4 ++OH- (2)
Zn+2NH4 +→Zn2 ++2NH3+H2 (3)
Zn2 ++2OH-→ZnO(s)+H2O (4)
(1)식에서 HMTA는 암모니아 수용액을 형성하여 (2)식의 오른쪽 식과 같은 암모늄 형태로 존재한다. 이 암모늄이 (3)식과 같이 나노 섬유 내의 Zn과 반응하고, (4)식과 같은 반응을 통해 ZnO 핵을 형성한다. ZnO 핵은 나노 와이어의 성장 핵으로 작용하게 된다. 한편, (2)식에서와 같이 HMTA의 분해에 의해 형성된 수산화이온은 반응이 진행되는 동안 금속 산화물 전구체로서 공급된 Zn2 + 소스와 반응하여 ZnO 나노 와이어가 성장될 수 있는 역할을 한다.
도 4는 산화아연 나노 와이어가 성장된 나노 섬유, 즉, 나노 섬유-나노 와이어 복합체의 전자현미경 이미지이다. 도 4에서 나노 섬유로부터 나노 와이어가 성장되어 있는 것을 확인할 수 있다.
실시예 1: 전기에너지 발생장치의 제조
ITO 기판 상부에 정공 전달층인 PEDOT (Poly-3,4-Ethylenedioxythiophene)을 50nm 두께로 스핀 코팅하여 열처리 하였다. 그 후 제조예 1에서 만든 나노섬유-나노와이어 복합체를 전사시키고, 이를 건조한 후 20 nm 두께의 P3HT 층을 스핀코팅 방법으로 형성하였다. 상기 접합층에 LiF를 1nm 두께로 증착하고, 알루미늄을 200 nm 두께로 증착하여 태양전지를 완성하였다. 이로써 전기에너지 발생장치를 제조하였다.
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.
101... 기판
102, 202…나노섬유
103, 203…나노와이어
104, 204…나노섬유-나노와이어 복합체
110,210... 제1 전극
112,212... 반도체층
113…도전성 금속층
114,214... 제2 전극
221... 제1 파이버
222... 제2 파이버
102, 202…나노섬유
103, 203…나노와이어
104, 204…나노섬유-나노와이어 복합체
110,210... 제1 전극
112,212... 반도체층
113…도전성 금속층
114,214... 제2 전극
221... 제1 파이버
222... 제2 파이버
Claims (19)
- 제1 전극;
상기 제1 전극 상에 형성되는 고분자 나노섬유 및 상기 고분자 나노섬유의 내부로부터 신장되어 상기 나노섬유를 덮고 있는 압전특성을 가지는 반도체 물질 나노와이어를 포함하는 나노섬유-나노와이어 복합체;
상기 나노섬유-나노와이어 복합체의 나노와이어와 p-n 접합을 형성하는 것으로, 상기 나노와이어의 단부를 제외한 나머지 부분을 둘러싸도록 상기 상기 제 1전극상에 형성되는 반도체층;
상기 나노섬유-나노와이어 복합체의 나노와이어의 단부와 인접하여 위치한 도전성 금속층; 및
상기 제 1 전극과 마주한 면 위에 상기 도전성 금속층이 형성되어 있는 제2 전극을 구비하는 전기에너지 발생장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 나노섬유-나노와이어 복합체의 나노와이어는 n형 반도체 물질로 이루어지며, 상기 반도체층은 p형 반도체 물질로 이루어지는 전기에너지 발생장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 나노섬유-나노와이어 복합체의 나노와이어의 일함수는 상기 제2 전극의 일함수보다 작은 전기에너지 발생장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 나노섬유-나노와이어 복합체의 나노와이어는 산화아연(ZnO), 산화주석(SnO2), 산화티탄(TiO2), 산화인듐(In2O3) 또는 납-지르코늄-티타늄산화물(PZT; lead zirconate titanate)을 포함하는 전기에너지 발생장치. - 제1 항에 있어서,
상기 고분자 나노 섬유의 상기 고분자는 불수용성 고분자로 형성된 전기에너지 발생장치. - 제5 항에 있어서,
상기 불수용성 고분자는 수용성 고분자가 가교결합되어 형성된 전기에너지 발생장치. - 제5 항에 있어서,
상기 불수용성 고분자는 다관능성 수지인 전기에너지 발생장치. - 제6 항에 있어서,
상기 수용성 고분자는 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol: PVA), 폴리아크릴산(polyacrylic acid: PAA), 폴리스티렌 술폰산(polystyrene sulfonic acid), 폴리히드록시에틸 메타크릴레이트(polyhydroxyethyl methacrylate), 폴리에틸렌옥사이드(polyethylene oxide: PEO), 폴리비닐피롤리돈(polyvinyl pyrrolidone: PVP), 폴리아크릴아미드(polyacrylamide: PA), PVA-PEO-PVA, PVA-PPO(poly propylene oxide)-PVA, PVA-PA, PVA-PA-PAA, PVA-PS(polystyrene)-PVA, PVA-PVA와 같은 블록공중합체(block copolymer), PVA에 스틸바졸리움 (stilbazolium)기를 도입한 PVA-SbQ 및 폴리에틸렌 글리콜 디아크릴레이트(Polyethylene glycol diacrylate)으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함하는 전기에너지 발생장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 반도체층은 무기 박막 및 유기 박막 중 적어도 하나를 포함하는 전기에너지 발생장치. - 제 9 항에 있어서,
상기 반도체층은 하기 p-형 고분자 물질중 어느 하나를 포함하는 유기 박막으로 이루어진 전기에너지 발생장치:
P3HT MEH-PPV MDMO-PPV
ZnPc CuPc
APFO-Green2
PFDTBT PCPDTBT
- 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. - 제 1 항에 있어서,
상기 도전성 금속층은 백금(Pt), 금(Au), 아연(Zn)및 은(Ag)으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하는 전기에너지 발생장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 도전성 금속층은 스트라이프 형태이거나 도트 형태인 전기에너지 발생장치. - 적어도 하나의 제1 파이버;
상기 각 제1 파이버 상에 형성되는 제1 전극;
상기 제1 전극 상에 형성되는 고분자 나노섬유와 상기 고분자 나노섬유의 내부로부터 외부로 신장되어 상기 나노섬유를 덮고 있는 반도체 물질의 나노와이어를 포함하는 나노섬유-나노와이어 복합체;
상기 나노섬유-나노와이어 복합체의 나노와이어와 p-n 접합을 형성하는 것으로, 상기 나노와이어의 단부를 제외한 나머지 부분을 둘러싸도록 상기 제1 전극 상에 형성되는 반도체층;
상기 나노섬유-나노와이어 복합체의 나노와이어의 단부와 인접하여 위치한 도전성 금속층; 및
상기 제 1전극과 마주한 면 위에 상기 금속층이 형성되어 있는 제 2전극; 및
상기 제 2 전극이 각각 형성되어 있는 적어도 하나의 제 2 파이버를 구비하는 전기에너지 발생장치. - 제 14 항에 있어서,
상기 제1 파이버 및 제2 파이버는 각각 독립적으로 유리, 실리콘, 폴리머, 플라스틱, 카본, 탄소나노튜브(CNT), 사파이어, 질화갈륨(GaN) 및 탄화실리콘(SiC)으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하는 전기에너지 발생장치. - 제 14 항에 있어서,
상기 나노섬유-나노와이어 복합체의 나노와이어는 n형 반도체 물질로 이루어지며, 상기 반도체층은 p형 반도체 물질로 이루어지는 전기에너지 발생장치. - 제 14 항에 있어서,
상기 나노섬유-나노와이어 복합체의 나노와이어의 일함수는 상기 제2 전극의 일함수보다 작은 전기에너지 발생장치. - 제 14 항에 있어서,
상기 반도체층은 무기 박막 및 유기 박막 중 적어도 하나를 포함하는 전기에너지 발생장치. - 제 14 항에 있어서,
상기 제 1 파이버는 원통형 코어를 이루고, 상기 제 2 파이버는 상기 원통형 코어를 둘러싼 원통형 쉘인 전기에너지 발생장치.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| KR1020100020068A KR101594134B1 (ko) | 2010-03-05 | 2010-03-05 | 전기에너지 발생장치 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020100020068A KR101594134B1 (ko) | 2010-03-05 | 2010-03-05 | 전기에너지 발생장치 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
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