KR20140077808A - 압전 발전기 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

플렉서블한 압전 발전기 및 그 제조방법이 개시된다. 개시된 압전 발전기는, 제1 전극 상에 코팅된 제1 절연층과, 상기 제1 절연층 상에 마련되는 압전 구조물과, 상기 압전 구조물 상에 코팅된 제2 절연층과, 상기 제2 절연층 상에 마련되는 제2 전극;을 포함한다.

Description

압전 발전기 및 그 제조방법{Piezoelectric generator and method of manufacturing the same}
발전기에 관한 것으로, 상세하게는 대면적의 플렉서블한 압전 발전기 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근에는 에너지를 하베스팅(harvesting)하는 기술이 이슈화로 떠오르고 있다. 이러한 에너지를 하베스팅 하는 소자들 중 압전 발전기는 주변 환경에 존재하는 미세 진동이나 인간의 움직임으로 발생되는 기계적 에너지 등을 전기 에너지로 변환하여 추출할 수 있는 친환경 에너지 발전소자라 할 수 있다. 또한, 나노기술의 발달로 인해 나노 시스템을 이용한 플렉서블한 압전 나노발전기를 개발하는 연구가 진행되고 있다. 이러한 압전 나노발전기는 바람과 같은 외부 환경에서의 기계적 움직임 이나 진동, 또는 인간의 움직임 등에 의해 발생되는 기계적 에너지를 이용하여 전기 에너지를 하베스팅하는데 응용될 수 있으며, 이외에도 외부 환경 변화나 미세 움직임 등을 감지하는 센서로 응용될 수 있다.
대면적의 플렉서블한 압전 발전기 및 그 제조방법을 제공한다.
일 측면에 있어서,
제1 전극;
상기 제1 전극 상에 코팅된 제1 절연층;
상기 제1 절연층 상에 마련되는 압전 구조물;
상기 압전 구조물 상에 코팅된 제2 절연층; 및
상기 제2 절연층 상에 마련되는 제2 전극;을 포함하는 압전 발전기가 제공된다.
상기 제1 전극은 유연하고 전도성 있는 기판이 될 수 잇다. 여기서, 상기 제1 전극은 금속 기판 또는 전도성 고분자 기판을 포함할 수 있다. 상기 금속 기판은 Al, Cu, Au 및 Ag 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이러한 제1 전극은 대략 500㎛ 이하의 두께를 가질 수 있다.
상기 제1 전극은 유연한 플라스틱 기판 상에 마련될 수 있다. 여기서, 상기 제1 전극은 금속, 전도성 고분자 또는 그라핀(graphene)을 포함할 수 있다. 상기 플라스틱 기판은 500㎛ 이하의 두께를 가질 수 있다.
상기 제1 및 제2 절연층은 예를 들면, PMMA(Poly(methyl methacrylate)) 등과 같은 폴리머를 포함할 수 있다. 이러한 제1 및 제2 절연층은 대략 2㎛ 이하의 두께를 가질 수 있다.
상기 압전 구조물은 복수의 압전 나노와이어를 포함할 수 있다. 그리고, 상기 압전 나노와이어는 ZnO, ZnSnO3 또는 SnO를 포함할 수 있다. 상기 제1 절연층과 상기 압전 나노와이어들 사이에 시드층(seed layer)이 더 마련될 수도 있다. 상기 시드층은 ZnO, Zn, ZnSnO3, SnO, Sn 및 Au 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 압전 구조물은 압전 박막층을 포함할 수 있다. 상기 압전 박막층은 ZnO, ZnSnO3, SnO, BaTiO3, NaNbO3, PZT 또는 PVDF(Polyvinylidene fluoride)를 포함할 수 있다.
다른 측면에 있어서,
제1 전극을 마련하는 단계;
상기 제1 전극 상에 제1 절연층을 코팅하는 단계:
상기 제1 절연층 상에 수열 공정(hydrothermal process)에 의하여 압전 나노와이어들을 성장시키는 단계;
상기 압전 나노와이어들 상에 제2 절연층을 코팅하는 단계; 및
상기 제2 절연층 상에 제2 전극을 증착하는 단계;를 포함하는 압전 발전기의 제조방법이 제공된다.
실시예에 따른 플렉서블한 압전 발전기는 압전 나노와이어들의 양단에 제1 및 제2 절연층을 얇은 두께로 형성함으로써 제1 전극과 제2 전극 사이의 합선을 방지고, 발전 성능을 향상시킬 수 있으며, 대면적으로 제작될 수 있다. 즉, 수열 공정을 진행하기 전에 제1 전극 상에 PMMA 등과 같은 폴리머로 이루어진 제1 절연층을 얇게 형성함으로써 제1 전극과 제2 전극 사이의 합선 문제를 해결할 수 있다. 또한, Al 호일 등과 같은 저가의 금속을 제1 전극으로 사용하여도 그 위에 형성되는 제1 절연층으로 인해 ZnO 나노와이어들과 같은 압전 나노와이어들의 균일하게 성장시킬 수 있다. 이에 따라, 저가의 금속으로 이루어진 제1 전극 상에 압전 특성이 우수한 ZnO 나노와이어들을 대면적으로 성장시킨 플렉서블한 압전 발전기를 구현할 수 있다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 플렉서블한 압전 발전기를 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 압전 발전기의 단면을 도시한 것이다.
도 3은 알루미늄 호일(Al foil)을 전극 기판으로 사용하여 제작된 예시적인 실시예에 따른 압전 발전기를 찍은 사진이다.
도 4는 바람에 의한 에너지 하베스팅을 확인하는 실험을 위하여 예시적인 실시예에 따른 압전 발전기들이 깃발 표면의 각 위치(I,Ⅱ 및 Ⅲ)에 부착된 모습을 찍은 사진이다.
도 5는 도 4에 도시된 깃발 표면의 각 위치(I,Ⅱ 및 Ⅲ)에 부착된 압전 발전기들로부터 발생된 에너지를 도시한 것이다.
도 6a 및 도 6b는 인체 피부의 움직임을 포착하는 센싱을 확인하는 실험을 위하여 예시적인 실시예에 따른 압전 발전기가 얼굴 피부에 부착된 모습을 찍은 사진들로서, 각각 눈을 뜬(Open) 상태와 눈을 감은(Close) 상태를 찍은 것이다.
도 7은 도 6a 및 도 6b에서 얼굴 피부에 부착된 압전 발전기에 의해 감지되는 피부 움직임의 신호 측정 결과를 도시한 것이다.
도 8은 다른 예시적인 실시예에 따른 플렉서블한 압전 발전기를 도시한 것이다.
도 9는 다른 예시적인 실시예에 따른 플렉서블한 압전 발전기를 도시한 것이다.
도 10은 다른 예시적인 실시예에 따른 플렉서블한 압전 발전기를 도시한 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세히 설명한다. 아래에 예시되는 실시예는 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니며, 본 발명을 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다. 또한, 소정의 물질층 기판이나 다른 층 상에 존재한다고 설명될 때, 그 물질층은 기판이나 다른 층에 직접 접하면서 존재할 수도 있고, 그 사이에 다른 제3의 층이 존재할 수도 있다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 플렉서블한 압전 발전기(100)를 도시한 사시도이다. 도 2는 도 1에 도시된 압전 발전기(100)의 단면을 도시한 것이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 압전 발전기(100)는 서로 이격되게 배치되는 제1 및 제2 전극(111,112)과, 상기 제1 및 제2 전극(111,112) 상에 마련되는 제1 및 제2 절연층(121,122)과, 상기 제1 절연층(121)과 제2 절연층(122) 사이에 마련되는 압전 구조물을 포함한다. 상기 제1 전극(111)은 유연한 재질의 전극 기판이 될 수 있다. 즉, 상기 제1 전극(111)은 유연하고 도전성이 있는 기판이 될 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 전극(111)은 금속 기판 또는 전도성 고분자 기판이 될 수 있다. 여기서, 상기 금속 기판은 예를 들면, Al, Cu, Au 및 Ag 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 하지만, 이는 단지 예시적인 것으로 이외에도 다양한 재질의 금속을 포함할 수 있다. 이러한 제1 전극(111)은 예를 들면 대략 500㎛ 이하의 두께를 가질 수 있으며, 구체적인 예로서 상기 제1 전극(111)은 대략 50㎛ 이하의 두께를 가질 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제1 전극(111) 상에는 제1 절연층(121)이 마련되어 있다. 이러한 제1 절연층(121)은 제1 전극(111)과 제2 전극(112) 사이의 합선(short circuit)을 방지하고, 상기 제1 절연층(121) 상에 후술하는 압전 나노와이어들(150)이 균일하게 성장하게 하는 역할을 할 수 있다. 이러한 제1 절연층(121)은 높은 절연상수를 가지는 유연한 물질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 절연층(121)은 PMMA(Poly(methyl methacrylate)) 등과 같은 폴리머를 포함할 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 이러한 제1 절연층(121)은 대략 2㎛의 두께를 가질 수 있으며, 구체적인 예로서 상기 제1 절연층(121)은 대략 200nm 이하의 두께를 가질 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제1 절연층(121) 상에는 압전 구조물이 마련되어 있다. 구체적으로, 상기 제1 절연층(121) 상에는 복수의 압전 나노와이어(150)가 배열되어 있다. 여기서, 상기 압전 나노와이어들(150)은 제1 절연층(121) 상에 수직 또는 일정한 각도로 경사지게 배열될 수 있다. 상기 압전 나노와이어(150)는 변형에 의해 그 양단에 압전 포텐셜(piezoelectric potential)을 발생시키는 물질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 압전 나노와이어(150)는 ZnO 나노와이어가 될 수 있으며, 이외에도 상기 압전 나노와이어는 ZnSnO3 나노와이어 또는 SnO 나노와이어 등이 될 수 있다. 하지만, 이에 한정되지는 않는다. 상기 압전 나노와이어들(150)이 형성된 제1 절연층(121) 상에는 시드층(seed layer,130)이 더 마련될 수 있다. 이러한 시드층(130)은 압전 나노와이어들(150)의 성장을 용이하게 하기 위한 것으로, 예를 들면, ZnO, Zn, ZnSnO3, SnO, Sn 및 Au 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 압전 나노와이어들(150) 상에는 제2 절연층(122)이 마련되어 있다. 여기서, 상기 제2 절연층(122)은 압전 나노와이어들(150)을 덮도록 코팅될 될 수 있다. 상기 제2 절연층(122)은 압전 나노와이어들(150) 사이를 채우도록 마련될 수도 있다. 도 2에는 제2 절연층(122)이 압전 나노와이어들(150) 사이의 상부를 채우도록 마련되는 경우가 예시적으로 도시되어 있으며, 상기 제2 절연층(122)은 압전 나노와이어들(150) 사이의 시드층(130)을 덮도록 마련되는 것도 가능하다. 이러한 제2 절연층(122)은 제1 전극(111)과 제2 전극(112) 사이의 합선을 방지하는 역할을 한다. 상기 제2 절연층(122)은 제1 절연층(121)과 마찬가지로, 예를 들면, PMMA(Poly(methyl methacrylate)) 등과 같은 폴리머를 포함할 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 제2 절연층(122)은 대략 2㎛ 이하의 두께(구체적으로, 압전 나노와이어(150)의 상면과 제2 전극(112)의 하면 사이의 제2 절연층(122)의 두께)를 가질 수 있으며, 구체적인 예로서 상기 제2 절연층(122)은 대략 200nm 이하의 두께를 가질 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 제2 절연층(122) 상에는 제2 전극(112)이 마련되어 있다. 여기서, 상기 제2 전극(112)은 금속, 그라핀(graphene), 도전성 폴리머 등과 같은 도전성 물질을 포함할 수 있다.
이상에서 설명된 플렉서블한 압전 발전기(100)는 다음과 같은 방법으로 제작될 수 있다. 먼저, 금속 기판이나 전도성 고분자 기판 등과 같은 유연하고 전도성이 있는 기판으로 이루어진 제1 전극(111)을 준비한다. 그리고, 상기 제1 전극(111) 상에 예를 들면 PMMA 등과 같은 폴리머를 코팅함으로써 제1 절연층(121)을 형성한다. 이어서, 상기 제1 절연층(121) 상에 시드층(130)을 증착한 다음, 수열 공정(hydrothermal process)을 통해 상기 시드층(130) 상에 압전 나노와이어들(150)을 성장시킨다. 상기 압전 나노와이어들(150)은 예를 들면, ZnO, ZnSnO3 또는 SnO 등을 포함할 수 있다. 상기 시드층(130)은 예를 들면, ZnO, Zn, ZnSnO3, SnO, Sn 및 Au 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 수열 공정은 Zn를 포함하는 성장 용액을 준비한 다음, 이를 소정 온도(예를 들면, 70℃ ~ 100℃)로 유지시킨 상태에서 성장 용액 내에 시드층(130) 및 제1 절연층(121)이 형성된 제1 전극(111)을 소정 시간 동안 침지하여 ZnO 나노와이어들을 성장시킴으로써 수행될 수 있다. 그리고, 성장된 압전 나노와이어들(150) 상에 예를 들면 PMMA 등과 같은 폴리머를 코팅함으로써 제2 절연층(122)을 형성한 다음, 상기 제2 절연층(122) 상에 도전성 물질을 형성함으로써 제2 전극(112)을 형성한다.
이상과 같이, 본 실시예에 따른 압전 발전기(100)는 압전 나노와이어들(150)의 양단에 제1 및 제2 절연층(121,122)을 얇은 두께로 형성함으로써 제1 전극(111)과 제2 전극(112) 사이의 합선을 방지하고, 발전 성능을 향상시킬 수 있으며, 또한 대면적으로 제작될 수 있다.
플렉서블한 압전 나노발전기를 제작하기 위해서 기존에는 제1 전극이 증착된 플렉서블한 기판 상에 수열 공정(hydrothermal process)을 통해 ZnO 나노와이어들을 성장시킨 다음, 그 위에 절연층을 코팅하고 제2 전극을 증착하는 방법이 일반적으로 사용되었다. 그러나, 수열 공정을 통해 ZnO 나노와이어들을 성장시키는 경우에는 원하는 않는 미세 입자들이 흡착됨으로써 ZnO 나노와이어들 상에 상기 절연층을 코팅되기가 어렵고, 따라서 제1 전극과 제2 전극 사이에 합선이 발생될 가능성이 높아진다. 이러한 합선 문제를 해결하기 위해서는 ZnO 나노와이어들 상에 코팅되는 절연층의 두께를 두껍게 하거나 또는 미세 입자들이 흡착되지 않은 ZnO 나노와이어들 상에만 절연층을 코팅하는 방법이 있다. 그러나, 상기 절연층의 두께를 두껍게 형성하는 경우에는 ZnO 나노와이어들로부터 발생된 압전 특성(예를 들면, 압전 포텐셜 등)이 외부의 제1 및 제2 전극에 효과적으로 전달되지 못하게 됨으로써 발전 성능이 감소할 수 있으며, 불균일한 미세 입자들의 흡착으로 인해 압전 발전기를 대면적화하기도 어렵다. 한편, 비용 절감을 위한 방안으로서 Al 전극을 제1 전극으로 사용하는 경우에는 제1 전극 상에 ZnO 나노와이어들을 1차원적으로 성장시키가 어렵다는 문제가 있다.
본 실시예에 따른 플렉서블 압전 발전기(100)에서는, 수열 공정을 진행하기 전에 제1 전극(111) 상에 PMMA 등과 같은 폴리머로 이루어진 제1 절연층(121)을 얇게 형성함으로써 제1 전극(111)과 제2 전극(112) 사이의 합선 문제를 해결할 수 있다. 또한, Al 호일 등과 같은 저가의 금속 기판을 제1 전극(111)으로 사용하여도 그 위에 형성되는 제1 절연층(121)에 의해 ZnO 나노와이어들과 같은 압전 나노와이어들(150)의 균일하게 성장시킬 수 있다. 이에 따라, 저가의 금속 기판으로 이루어진 제1 전극(111) 상에 압전 특성이 우수한 ZnO 나노와이어들을 대면적으로 성장시킨 플렉서블한 압전 발전기를 구현할 수 있다. 도 3에는 알루미늄 호일(Al foil)을 전극 기판으로 사용하여 제작된 예시적인 실시예에 따른 플렉서블한 압전 발전기의 사진이 도시되어 있다.
도 4는 바람에 의한 에너지 하베스팅을 확인하는 실험을 위하여 예시적인 실시예에 따른 압전 발전기들이 깃발 표면의 각 위치들(I,Ⅱ 및 Ⅲ)에 부착된 모습을 찍은 사진이다. 그리고, 도 5는 도 4에 도시된 깃발 표면의 각 위치들(I,Ⅱ 및 Ⅲ)에 부착된 압전 발전기들로부터 발생된 에너지(즉, 전압)를 도시한 것이다. 도 5에 도시된 결과는 바람이 부는 경우와 바람이 불지 않는 경우에 도 4에 도시된 깃발 표면의 각 위치(I,Ⅱ 및 Ⅲ)에 부착된 압전 발전기들에 발생되어 캐퍼시터에 축전된 전압을 나타낸 것이다. 도 5에서, 'Wave'는 바람이 불어 깃발 표면이 움직이는 상태를 나타낸 것이며, 'Waveless'는 바람이 불지 않아 깃발 표면이 움직이지 않은 상태를 나타낸 것이다. 도 5를 참조하면, 바람이 부는 경우에만 전압이 축전되었으며, 깃발 표면의 위치에 따라 축전되는 전압의 양이 달랐음을 알 수 있다. 구체적으로, 깃발 표면의 각 위치들(I,Ⅱ 및 Ⅲ) 중 가장 크게 펄럭이는 위치 Ⅲ에 부착된 압전 발전기로부터 가장 많은 양의 전압이 축전되었음을 알 수 있다.
도 6a 및 도 6b는 인체 피부의 움직임을 포착하는 센싱을 확인하는 실험을 위하여 예시적인 실시예에 따른 압전 발전기가 얼굴 피부에 부착된 모습을 찍은 사진들로서, 각각 눈을 뜬(Open) 상태와 눈을 감은(Close) 상태를 찍은 것이다. 그리고, 도 7은 도 6a 및 도 6b에서 얼굴 피부에 부착된 압전 발전기에 의해 감지되는 피부 움직임의 신호 측정 결과를 도시한 것이다. 도 7을 참조하면, 얼굴 피부에 부착된 압전 발전기로부터 나오는 신호를 측정하게 되면 피부의 움직임을 감지할 수 있음을 알 수 있다.
도 8은 다른 예시적인 실시예에 따른 압전 발전기(200)를 도시한 것이다. 이하에서는 전술한 실시예와 다른 점을 중심으로 설명한다.
도 8을 참조하면, 압전 발전기(200)는 기판(210)과, 상기 기판(210) 상에 마련되는 제1 전극(211)과, 상기 제1 전극(211) 상에 마련되는 제1 절연층(221)과, 상기 제1 절연층(221) 상에 배열되는 복수의 압전 나노와이어(250)와, 상기 압전 나노와이어들(250) 상에 마련되는 제2 절연층(222)과, 상기 제2 절연층(222) 상에 마련되는 제2 전극(212)을 포함한다. 상기 기판(210)으로는 유연한 플라스틱 재질의 기판이 사용될 수 있다. 여기서, 상기 기판(210)은 예를 들면 대략 500㎛ 이하의 두께를 가질 수 있으며, 구체적인 예로서 상기 기판(210)은 대략 50㎛ 이하의 두께를 가질 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 기판(210) 상에는 도전성 물질을 포함하는 제1 전극(211)이 마련되어 있다. 여기서, 상기 제1 전극(211)은 기판(210) 상에 소정 금속을 증착함으로써 형성될 수 있다. 한편, 상기 제1 전극(211)은 금속 이외에도 그라핀 또는 도전성 폴리머 등으로 이루어질 수도 있다.
상기 제1 전극(211) 상에는 제1 절연층(221)이 마련되어 있다. 이러한 제1 절연층(221)은 제1 전극(211)과 제2 전극(212) 사이의 합선을 방지하고, 상기 제1 절연층(221) 상에 압전 나노와이어들(250)이 균일하게 성장하게 하는 역할을 할 수 있다. 상기 제1 절연층(221)은 예를 들면, PMMA 등과 같은 폴리머를 포함할 수 있다. 이러한 제1 절연층(221)은 대략 2㎛의 두께를 가질 수 있으며, 구체적인 예로서 상기 제1 절연층(221)은 대략 200nm 이하의 두께를 가질 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 제1 절연층(221) 상에는 복수의 압전 나노와이어(250)가 배열되어 있다. 상기 압전 나노와이어들(250)은 제1 절연층(221) 상에 수직 또는 일정한 각도로 경사지게 배열될 수 있다. 상기 압전 나노와이어(250)는 예를 들면, ZnO, ZnSnO3 SnO 나노와이어 등을 포함할 수 있지만, 이에 한정되지는 않는다. 상기 압전 나노와이어들(250)이 형성된 제1 절연층(221) 상에는 시드층(230)이 더 마련될 수 있다. 이러한 시드층(230)은 예를 들면, ZnO, Zn, ZnSnO3, SnO, Sn 및 Au 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 압전 나노와이어들(250) 상에는 제2 절연층(222)이 마련되어 있다. 여기서, 상기 제2 절연층(222)은 압전 나노와이어들(250)을 덮도록 코팅될 될 수 있다. 상기 제2 절연층(222)은 예를 들면, PMMA 등과 같은 폴리머를 포함할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 이러한 제2 절연층(222)은 대략 2㎛의 두께를 가질 수 있으며, 구체적인 예로서 상기 제2 절연층(222)은 대략 200nm 이하의 두께를 가질 수 있다. 상기 제2 절연층(222) 상에는 제2 전극(212)이 마련되어 있다. 여기서, 상기 제2 전극(212)은 금속, 그라핀, 도전성 폴리머 등과 같은 도전성 물질을 포함할 수 있다.
도 9는 다른 예시적인 실시예에 따른 압전 발전기(300)를 도시한 것이다. 이하에서는 전술한 실시예들과 다른 점을 중심으로 설명한다.
도 9를 참조하면, 압전 발전기(300)는 서로 이격되게 배치되는 제1 및 제2 전극(311,312)과, 상기 제1 및 제2 전극(311,312) 상에 마련되는 제1 및 제2 절연층(321,322)과, 상기 제1 절연층(321)과 제2 절연층(322) 사이에 마련되는 압전 구조물을 포함한다. 상기 제1 전극(311)은 유연한 재질의 전극 기판이 될 수 있다. 즉, 상기 제1 전극(311)은 유연하고 도전성이 있는 기판이 될 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 전극(311)은 금속 기판 또는 전도성 고분자 기판이 될 수 있다. 여기서, 상기 금속 기판은 예를 들면, Al, Cu, Au 및 Ag 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 하지만, 이는 단지 예시적인 것으로 이외에도 다양한 재질의 금속을 포함할 수 있다. 이러한 제1 전극(311)은 예를 들면 대략 500㎛ 이하의 두께를 가질 수 있으며, 구체적인 예로서 상기 제1 전극(311)은 대략 50㎛ 이하의 두께를 가질 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제1 전극(311) 상에는 제1 절연층(321)이 마련되어 있다. 이러한 제1 절연층(321)은 제1 전극(311)과 제2 전극(312) 사이의 합선을 방지하는 역할을 할 수 있다. 이러한 제1 절연층(321)은 높은 절연상수를 가지는 유연한 물질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 절연층(321)은 PMMA 등과 같은 폴리머를 포함할 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 이러한 제1 절연층(321)은 대략 2㎛의 두께를 가질 수 있으며, 구체적인 예로서 상기 제1 절연층(321)은 대략 200nm 이하의 두께를 가질 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제1 절연층(321) 상에는 압전 구조물이 마련되어 있다. 구체적으로, 상기 제1 절연층(321) 상에는 압전 박막층(350)이 형성되어 있다. 여기서, 상기 압전 박막층(350)은 ZnO, ZnSnO3, SnO, BaTiO3, NaNbO3, PZT 또는 PVDF(Polyvinylidene fluoride) 등을 포함할 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며 상기 압전 박막층(350)은 이외에도 다양한 압전 물질을 포함할 수 있다. 상기 압전 박막층(350) 상에는 제2 절연층(322)이 마련되어 있다. 상기 제2 절연층(322)은 제1 절연층(321)과 마찬가지로, 예를 들면, PMMA 등과 같은 폴리머를 포함할 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 이러한 제2 절연층(322)은 대략 2㎛의 두께를 가질 수 있으며, 구체적인 예로서 상기 제2 절연층(322)은 대략 200nm 이하의 두께를 가질 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 제2 절연층(322) 상에는 제2 전극(312)이 마련되어 있다. 여기서, 상기 제2 전극(312)은 금속, 그라핀, 도전성 폴리머 등과 같은 도전성 물질을 포함할 수 있다. 상기와 같은 구조의 플렉서블한 압전 발전기(300)에 외부 환경으로부터 기계적인 힘이 가해지면, 상기 압전 박막층(350)이 변형됨으로써 제1 및 제2 전극(312,312)을 통해 전기에너지가 발생될 수 있다.
도 10은 다른 예시적인 실시예에 따른 압전 발전기(400)를 도시한 것이다. 이하에서는 전술한 실시예들과 다른 점을 중심으로 설명한다.
도 10을 참조하면, 압전 발전기(400)는 기판(410)과, 상기 기판(410) 상에 마련되는 제1 전극(411)과, 상기 제1 전극(411) 상에 마련되는 제1 절연층(421)과, 상기 제1 절연층(421) 상에 마련되는 압전 박막층(450)과, 상기 압전 박막층(450) 상에 마련되는 제2 절연층(422)과, 상기 제2 절연층(422) 상에 마련되는 제2 전극(412)을 포함한다. 상기 기판(410)으로는 유연한 플라스틱 재질의 기판이 사용될 수 있다. 여기서, 상기 기판(410)은 예를 들면 대략 500㎛ 이하의 두께를 가질 수 있으며, 구체적인 예로서 상기 기판(410)은 대략 50㎛ 이하의 두께를 가질 수 있다. 상기 기판(410) 상에는 도전성 물질을 포함하는 제1 전극(411)이 마련되어 있다. 여기서, 상기 제1 전극(411)은 기판(410) 상에 소정 금속을 증착함으로써 형성될 수 있다. 한편, 상기 제1 전극(411)은 금속 이외에도 그라핀 또는 도전성 폴리머 등으로 이루어질 수도 있다.
상기 제1 전극(411) 상에는 제1 절연층(421)이 마련되어 있다. 상기 제1 절연층(421)은 예를 들면, PMMA 등과 같은 폴리머를 포함할 수 있다. 이러한 제1 절연층(421)은 대략 2㎛의 두께를 가질 수 있으며, 구체적인 예로서 상기 제1 절연층은 대략 200nm 이하의 두께를 가질 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 제1 절연층(421) 상에는 압전 박막층(450)이 형성되어 있다. 상기 압전 박막층(450)은 ZnO, ZnSnO3, SnO, BaTiO3, NaNbO3, PZT 또는 PVDF 등을 포함할 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며 상기 압전 박막층(450)은 이외에도 다양한 압전 물질을 포함할 수 있다.
상기 압전 박막층(450) 상에는 제2 절연층(422)이 마련되어 있다. 상기 제2 절연층(422)은 제1 절연층(421)과 마찬가지로, 예를 들면, PMMA 등과 같은 폴리머를 포함할 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 이러한 제2 절연층(422)은 대략 2㎛의 두께를 가질 수 있으며, 구체적인 예로서 상기 제2 절연층(422)은 대략 200nm 이하의 두께를 가질 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 제2 절연층(422) 상에는 제2 전극(412)이 마련되어 있다. 여기서, 상기 제2 전극(412)은 금속, 그라핀, 도전성 폴리머 등과 같은 도전성 물질을 포함할 수 있다. 이상에서 예시적인 실시예들을 통하여 기술적 내용을 설명하였으나, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
111,211,311,411... 제1 전극 112,212,312,412... 제2 전극
121,221,321,421... 제1 절연층 122,222,322,422... 제2 절연층
130,230... 시드층 150,250... 압전 나노와이어
210,410... 기판 350,450... 압전 박막층

Claims (27)

  1. 제1 전극;
    상기 제1 전극 상에 코팅된 제1 절연층;
    상기 제1 절연층 상에 마련되는 압전 구조물;
    상기 압전 구조물 상에 코팅된 제2 절연층; 및
    상기 제2 절연층 상에 마련되는 제2 전극;을 포함하는 압전 발전기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 전극은 유연하고 전도성 있는 기판인 압전 발전기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 전극은 금속 기판 또는 전도성 고분자 기판인 압전 발전기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 금속 기판은 Al, Cu, Au 및 Ag 중 적어도 하나를 포함하는 압전 발전기.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 전극은 500㎛ 이하의 두께를 가지는 압전 발전기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 전극은 유연한 플라스틱 기판 상에 마련되는 압전 발전기.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제1 전극은 금속, 전도성 고분자 또는 그라핀(graphene)을 포함하는 압전 발전기.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 플라스틱 기판은 500㎛ 이하의 두께를 가지는 압전 발전기.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 절연층은 폴리머를 포함하는 압전 발전기.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 절연층은 PMMA(Poly(methyl methacrylate))를 포함하는 압전 발전기.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 절연층은 2㎛ 이하의 두께를 가지는 압전 발전기.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 압전 구조물은 복수의 압전 나노와이어를 포함하는 압전 발전기.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 압전 나노와이어는 ZnO, ZnSnO3 또는 SnO를 포함하는 압전 발전기.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 제1 절연층과 상기 압전 나노와이어들 사이에 시드층(seed layer)이 더 마련되는 압전 발전기.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 시드층은 ZnO, Zn, ZnSnO3, SnO, Sn 및 Au 중 적어도 하나를 포함하는 압전 발전기.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 압전 구조물은 압전 박막층을 포함하는 압전 발전기.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 압전 박막층은 ZnO, ZnSnO3, SnO, BaTiO3, NaNbO3, PZT 또는 PVDF(Polyvinylidene fluoride)를 포함하는 압전 발전기.
  18. 제1 전극을 마련하는 단계;
    상기 제1 전극 상에 제1 절연층을 코팅하는 단계:
    상기 제1 절연층 상에 수열 공정(hydrothermal process)에 의하여 압전 나노와이어들을 성장시키는 단계;
    상기 압전 나노와이어들 상에 제2 절연층을 코팅하는 단계; 및
    상기 제2 절연층 상에 제2 전극을 증착하는 단계;를 포함하는 압전 발전기의 제조방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 제1 전극은 유연하고 전도성이 있는 기판인 압전 발전기의 제조방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 제1 전극은 500㎛ 이하의 두께를 가지는 압전 발전기의 제조방법.
  21. 제 18 항에 있어서
    상기 제1 전극은 유연한 플라스틱 기판 상에 마련되는 압전 발전기의 제조방법.
  22. 제 18항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 절연층은 폴리머를 포함하는 압전 발전기의 제조방법. .
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 절연층은 PMMA(Poly(methyl methacrylate))를 포함하는 압전 발전기의 제조방법. .
  24. 제 18 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 절연층은 2㎛ 이하의 두께를 가지도록 형성되는 압전 발전기의 제조방법.
  25. 제 18 항에 있어서,
    상기 제1 절연층 상에 시드층을 형성하는 단계를 더 포함하는 압전 발전기의 제조방법.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 시드층은 ZnO, Zn, ZnSnO3, SnO, Sn 및 Au 중 적어도 하나를 포함하는 압전 발전기의 제조방법.
  27. 제 18 항에 있어서,
    상기 압전 나노와이어는 ZnO, ZnSnO3 또는 SnO를 포함하는 압전 발전기의 제조방법.
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