KR20120092466A - 종이 기반 나노전력발전소자 - Google Patents

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KR20120092466A
KR20120092466A KR1020110012543A KR20110012543A KR20120092466A KR 20120092466 A KR20120092466 A KR 20120092466A KR 1020110012543 A KR1020110012543 A KR 1020110012543A KR 20110012543 A KR20110012543 A KR 20110012543A KR 20120092466 A KR20120092466 A KR 20120092466A
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김권호
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    • H—ELECTRICITY
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Abstract

본 발명은 종이 기반 나노전력발전소자에 관한 것으로, 종이로 이루어진 하부 기판; 하부 기판에 상부에 형성되는 하부 전극; 하부 전극 상부에 형성되는 압전재료층; 압전재료층 상부에 형성되는 상부 전극; 및 상부 전극 상부에 형성되고 종이로 이루어진 상부 기판을 포함하는 나노전력발전소자를 제공한다.

Description

종이 기반 나노전력발전소자{Paper-based nanogenerator}
본 발명은 압전물질을 이용한 발전소자에 관한 것으로, 특히 종이를 기판으로 하는 나노전력발전소자에 관한 것이다.
최근에 휴대용 전자 장치의 개발 및 대량 소비로 인해, 저출력 휴대용 에너지원에 대한 수요가 증가하고 있다. 휴대용 에너지원은 환경적 제한 및 관련 법규에 부합되어야 하는데, 이러한 관점에서 광발전, 열전 및 압전 재료는 미래 에너지 발전의 유력한 후보가 되어 왔다. 이 중에서도 기계적 에너지를 전기 에너지로 전환시킬 수 있는 압전 재료가 많은 주목을 받아왔다. 시간 제한적인 태양 전지와는 달리, 압전 에너지 하비스터(harvester)는 신체 움직임, 심장박동, 혈액 흐름, 바람, 조력, 저주파 지진 진동, 주변 환경 소리와 같이 일반적인 기계적 에너지원을 사용하기 때문에 시간 및 공간적으로 제약이 없다.
오늘날의 휴대용 전자 장치는 크기, 중량 및 출력에 있어서 엄격한 요건을 갖는다. 또한, 접을 수 있고 휘어질 수 있는 성질은 휴대용 전자 장치에서 중요한 이슈이다. 출력은 배터리의 크기에 직접 영향을 주며, 큰 배터리는 휴대용 장치의 크기 및 중량 제한과 맞물린다. 출력을 최대화하고 크기는 최소화함으로써 성공적인 휴대용 장치를 설계하기 위해서, 장치는 저 전력-소비 모드에서 작동되어야 한다. 문제는 일부 부품 또는 심지어 디스플레이의 선택이 배터리 수명을 현저하게 감소시킬 수 있다는 것이다. 디스플레이는 종종 휴대용 장치 중에서 전력 소비가 가장 많다. 그러나, 이러한 장치에서 터치 스크린의 인기 상승에 의해 증명되듯이 성공적인 휴대용 장치 설계에서 매우 중요해졌다.
폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리에테르설폰(PES) 및 폴리에틸렌 나프탈렌(PEN)과 같은 상업적으로 이용 가능한 폴리머 재료는 폭 넓은 유연성 전자장비용 기판 재료로서 유망해졌다. 폴리머 기판의 물리적 및 기계적 특성의 최적화에서 최근에 이루어진 많은 발전에도 불구하고, 무기 필름과 폴리머 기판 사이의 큰 열팽창계수(CTE) 차이로 인해, 온도가 증가함에 따라 폴리머 기판 상에 열적으로 유도된 응력이 급격히 증가한다.
최근 유연한 폴리머 기판을 이용하여 나노전력발전소자가 개발되었다. 하지만 폴리머 기판은 열에 매우 취약하여 쉽게 변형된다. 또한 휘어지긴 하지만 접을 수 없는 단점이 있다.
본 발명의 목적은 폴리머 기판에 비해 열에 안정하고, 접을 수 있는 나노전력발전소자를 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위해, 종이로 이루어진 하부 기판; 하부 기판에 상부에 형성되는 하부 전극; 하부 전극 상부에 형성되는 압전재료층; 압전재료층 상부에 형성되는 상부 전극; 및 상부 전극 상부에 형성되고 종이로 이루어진 상부 기판을 포함하는 나노전력발전소자를 제공한다.
본 발명에서 하부 전극은 하부 기판 상부에 형성되는 알루미늄(Al)층 및 알루미늄층 상부에 형성되는 금(Au)층으로 이루어질 수 있으며, 이때 Al층은 종이 기판의 표면 거칠기를 줄이는 역할을 하고, Au층은 Al이 ZnO 나노막대로까지 확산되는 것을 방지하는 역할을 한다.
본 발명에서 하부 전극의 두께는 바람직하게는 200 내지 800 nm인데, 이와 같이 통상적인 전극 두께보다 두껍게 하여 종이 기판의 표면 거칠기를 효과적으로 줄일 수 있다.
본 발명에서 압전재료층은 바람직하게는 압전재료로 이루어진 다수의 나노막대(nanorod)로 구성되며, 압전재료로는 나노막대로의 성장이 용이하고 가격도 저렴한 ZnO를 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상부전극은 압전재료로서 ZnO를 사용할 경우, ZnO보다 일함수(work function)가 높은 금속, 예를 들어 Au, Pt, Pd 등을 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 종이로 이루어진 하부 기판 및 상부 기판을 준비하는 단계; 하부 기판 및 상부 기판에 각각 하부 전극 및 상부 전극을 형성하는 단계; 하부 전극 상부에 압전재료층을 형성하는 단계; 및 하부 전극 및 압전재료층이 형성된 하부 기판과 상부 전극이 형성된 상부 기판을 부착하는 단계를 포함하는 나노전력발전소자의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 제조방법 중 하부 전극의 형성단계는 하부 기판 상부에 알루미늄(Al)층을 형성하는 단계; 및 알루미늄층 상부에 금(Au)층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 제조방법 중 압전재료층의 형성단계는 시드층을 형성하는 단계; 및 시드층 위에 나노막대를 성장시키는 단계를 포함할 수 있으며, 이때 나노막대의 성장이 성장 용액에서 이루어지는 습식 성장 방법을 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 나노전력발전소자는 종이 기판을 사용하여 폴리머 기판에 비해 열에 안정하고 접을 수 있다.
또한, 종이는 폴리머 기판보다 가볍고 저렴하기 때문에 나노전력발전소자의 단가를 낮출 수 있다.
또한, 종이 위에 압전 특성을 가지는 ZnO 나노막대를 쉽게 성장시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 나노전력발전소자의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 나노전력발전소자의 모식도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시형태에 따라 습식방법을 이용하여 종이 기판 위에 성장시킨 ZnO 나노막대의 FE-SEM(field-emission scanning electron microscopy) 이미지이다.
도 4는 온도의 증가에 따른 폴리머 및 종이 기반 나노전력발전소자의 전류밀도 변화를 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 나노전력발전소자의 단면도로서, 아래로부터 하부 기판(10), 하부 전극(20), 압전재료층(30), 상부 전극(40) 및 상부 기판(50)으로 구성된다.
하부 기판(10) 및 상부 기판(50)은 종이로 이루어지며, 종이의 종류는 특별히 제한되지 않고, 어떠한 종이라도 사용 가능하다.
종이 기판은 폴리머 기판에 비해 열에 안정하고 접을 수 있는 이점이 있으며, 또한 폴리머 기판보다 가볍고 저렴하기 때문에 나노전력발전소자의 단가를 낮출 수 있다.
하부 전극(20)의 소재는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어 그래핀(grapheme), ITO(Indium Tin Oxide)와 같은 얇은 투명 전도성 물질; Al, Au, Ag, Pt와 같은 금속 물질 등을 사용할 수 있다.
하부 전극(20)은 도면에서처럼 상부 Al층(21) 및 하부 Au층(22)으로 이루어질 수 있는데, Al은 가격이 저렴하기 때문에 사용하며, 이 경우에 Al이 ZnO 나노막대로까지 확산되는 것을 방지하기 위해 Au를 추가로 사용한다. 즉, ZnO 나노막대의 성장 중에 Al 표면의 산화에 의한 Al2O3 층의 형성을 방지하기 위해 Au를 50 내지 100 nm 두께로 증착한다.
하부 전극(20)의 두께는 200 내지 800 nm인 것이 바람직하다. 평탄하고 매끄러운 표면을 갖는 폴리머 기판에 비해, 종이 기판은 표면이 거칠기 때문에, 이러한 종이 기판의 표면 거칠기를 줄이기 위해, 통상적인 전극 두께(100 nm 정도)보다 두껍게 형성한다. 두께가 너무 얇을 경우 나노소자의 상층과 하층 사이에 전기적 단락이 일어날 수 있다. 500 nm 정도의 두꺼운 Al층(21)은 고전도성 전극 및 ZnO 나노막대의 성장 기반으로 작용할 수 있다.
하부 기판(10)에 하부 전극(20)을 형성시키는 방법은 특별히 제한되지 않으나, 부착력이 우수한 증착방법을 사용하는 것이 바람직하다.
압전재료층(30)은 다수의 나노막대(31)로 구성된다. 도면에는 나노막대(31)가 전극(20, 40)에 수직으로 형성되어 있으나, 이는 단지 예시적인 것으로, 나노막대(31)의 형태는 이에 한정되지 않는다. 일반적으로는 도 3에서처럼 랜덤하게 휘어져서 형성된다.
압전재료로는 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어 ZnO, BN, PVDF(Polyvinylidene Fluoride), GaN, PZT(납-지르코늄-티타늄 산화물), BTO(바륨-티타늄 산화물) 등을 사용할 수 있다. 이 중에서도 나노막대 형태로 용이하게 성장시킬 수 있고 가격도 저렴한 ZnO을 사용하는 것이 바람직하다.
나노막대(31)의 형성방법은 특별히 제한되지 않으나, 습식 성장방법을 이용하는 것이 바람직하다. 다른 방법들은 고온이라 문제가 발생할 수 있다.
나노막대(31)의 습식성장은 하부 전극(20)의 상부에 스핀코팅 등을 통해 시드층을 형성시킨 후, 이를 성장 용액에 넣고 시드층을 기반으로 하여 그 위에 나노막대를 점진적으로 성장시킬 수 있다.
상부 전극(40)은 하부 전극(20)과 동일한 소재를 사용할 수 있으나, 압전재료로서 ZnO를 사용할 경우에는, ZnO보다 일함수(work function)가 높은 금속, 예를 들어 Au, Pt, Pd 등을 사용하는 것이 바람직하다.
상부 전극(40)도 증착방법 등을 이용하여 상부 기판(50)에 형성시킬 수 있다.
[실시예]
도 2와 같은 나노전력발전소자를 제작하였다.
종이(셀룰로오즈)로 이루어진 하부 기판의 표면 거칠기를 줄이기 위해서, 증발기(evaporator)를 이용하여 Al을 500 nm 두께로 증착하였다.
Al 증착층 위에 증발기를 이용하여 Al 확산 방지를 위한 Au층을 100 nm 두께로 증착하여 하부 전극을 형성하였다.
한편, 종이(셀룰로오즈)로 이루어진 상부 기판에 Al 증착 없이 Au를 증착하여 상부전극으로 이용하였다.
원활한 ZnO 나노막대 성장을 위해서 ZnO 시드를 스핀코팅하였다. 시드용액 (30 ml)으로는 에탄올 100 ml에 징크 아세테이트(Zinc acetate, Zn(CH3COO)2, 0.03 M) 0.54 g을 녹인 것을 사용하였다. ZnO 시드 용액을 하부 전극의 Au층 위에 스포이드를 이용하여 뿌리고, 500 rpm으로 3초, 1000 rpm으로 30초간 스핀코팅하였다. 스핑코팅이 끝난 후에 100℃ 핫 플레이트 위에서 건조시켰다.
ZnO 나노막대를 성장시키기 위해서 성장 용액을 준비하였다. 성장용액은 증류수 250 ml에 징크 나이트레이트(zinc nitrate hexahydrate, Zn(NO3)2?6H2O, 0.025 M) 1.86 g과 HMT(hexamethylenetetramine, 0.025 M) 0.87 g을 녹여서 준비하였다. 성장 용액의 온도는 90-95℃를 유지하고, ZnO 시드가 형성된 기판을 성장용액 내에 넣고 3시간 동안 성장시켰다.
종이 압전 나노발전소자를 완성하기 위해서, ZnO 나노막대가 성장된 하부기판 위에, Au가 100 nm 두께로 증착된 상부 기판을 물리적인 방법을 이용하여 부착하였다.
[비교예]
실시예와 동일하되, 상하부 기판으로서 PEN 기판을 사용하였다.
[시험예]
실시예 및 비교예의 소자에 대하여 열 안정성을 측정하였다.
도 4는 온도의 증가에 따른 폴리머(비교예) 및 종이 기반(실시예) 나노전력발전소자의 전류밀도 변화를 나타낸 그래프로서, 비교예의 경우 폴리머의 표면이 평탄하고 매끄러워 저온에서는 전류밀도가 높지만, 온도가 증가함에 따라 열 안정성이 급격히 저하되었다. 반면에 실시예의 경우 저온에서는 전류밀도가 낮지만, 열 안정성이 우수하여 온도가 증가하여도 일정한 전류밀도를 유지하였다.
또한, 종이 기판의 우수한 기계적 물성으로 인해, 종이 나노발전소자는 외부의 기계적 하중 하에서 전기적 및 구조적으로 안정한 것으로 판명되었다.
10: 하부 기판
20: 하부 전극
21: Al층
22: Au층
30: 압전재료층
31: 나노막대
40: 상부 전극
50: 상부 기판

Claims (10)

  1. 종이로 이루어진 하부 기판;
    하부 기판에 상부에 형성되는 하부 전극;
    하부 전극 상부에 형성되는 압전재료층;
    압전재료층 상부에 형성되는 상부 전극; 및
    상부 전극 상부에 형성되고 종이로 이루어진 상부 기판을 포함하는 나노전력발전소자.
  2. 제1항에 있어서,
    하부 전극은 하부 기판 상부에 형성되는 알루미늄(Al)층 및 알루미늄층 상부에 형성되는 금(Au)층으로 구성되는 것을 특징으로 하는 나노전력발전소자.
  3. 제1항에 있어서,
    하부 전극의 두께는 200 내지 800 nm인 것을 특징으로 하는 나노전력발전소자.
  4. 제1항에 있어서,
    압전재료층은 압전재료로 이루어진 다수의 나노막대로 구성되는 것을 특징으로 하는 나노전력발전소자.
  5. 제4항에 있어서,
    압전재료는 ZnO인 것을 특징으로 하는 나노전력발전소자.
  6. 제5항에 있어서,
    상부전극은 ZnO보다 일함수(work function)가 높은 금속으로 이루어진 것을 특징으로 하는 나노전력발전소자.
  7. 종이로 이루어진 하부 기판 및 상부 기판을 준비하는 단계;
    하부 기판 및 상부 기판에 각각 하부 전극 및 상부 전극을 형성하는 단계;
    하부 전극 상부에 압전재료층을 형성하는 단계; 및
    하부 전극 및 압전재료층이 형성된 하부 기판과 상부 전극이 형성된 상부 기판을 부착하는 단계를 포함하는 나노전력발전소자의 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    하부 전극의 형성단계는
    하부 기판 상부에 알루미늄(Al)층을 형성하는 단계; 및
    알루미늄층 상부에 금(Au)층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노전력발전소자의 제조방법.
  9. 제7항에 있어서,
    압전재료층의 형성단계는 시드층을 형성하는 단계; 및
    시드층 위에 나노막대를 성장시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노전력발전소자의 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    나노막대의 성장이 성장 용액에서 이루어지는 습식 성장 방법을 사용하는 것을 특징으로 하는 나노전력발전소자의 제조방법.
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