KR20140102005A - 발전효율이 향상된 이종접합 구조인 발전소자의 제조방법 및 이에 따라 제조되는 발전소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 발전효율이 향상된 이종접합 구조인 발전소자의 제조방법 및 이에 따라 제조되는 발전소자에 관한 것으로, 상세하게는 기판 표면에 반도체 나노선을 성장시키는 단계(단계 1); 상기 단계 1에서 반도체 나노선이 성장된 기판으로 PVDF가 용해된 용액을 스프레이 코팅하여 PVDF 막을 성막하는 단계(단계 2); 반도체 나노선 및 PVDF 막을 기판으로부터 분리하는 단계(단계 3); 상기 단계 3에서 분리된 반도체 나노선 및 PVDF 막의 일단면과, 상기 일단면과 대칭되는 타단면으로 음극부 및 양극부를 증착하는 단계(단계 4);를 포함하는 발전소자의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 발전소자의 제조방법은 기존의 나노선 또는 β-PVDF만을 이용하여 나노발전소자를 제조하였던 제조방식을 더욱 개선하여 이들을 이종접합함으로서 발전 효율을 크게 향상시킬 수 있다. 또한, 나노선만을 제거한 후 β-PVDF 막과 전극과의 접촉면적을 더욱 증가시켜 발전소자를 제조할 수 있으며, 이와 같이 β-PVDF만으로 발전소자를 제조하는 경우에도 역시 발전 효율을 크게 향상시킬 수 있다. 나아가, β-PVDF에 탄소나노튜브(CNT)를 더욱 첨가할 수 있으며, 이를 통해 발전소자의 발전 효율을 증대시킬 수 있으며, CNT 함유량에 따라 소자의 투명도를 용이하게 제어할 수 있다.
본 발명에 따른 발전소자의 제조방법은 기존의 나노선 또는 β-PVDF만을 이용하여 나노발전소자를 제조하였던 제조방식을 더욱 개선하여 이들을 이종접합함으로서 발전 효율을 크게 향상시킬 수 있다. 또한, 나노선만을 제거한 후 β-PVDF 막과 전극과의 접촉면적을 더욱 증가시켜 발전소자를 제조할 수 있으며, 이와 같이 β-PVDF만으로 발전소자를 제조하는 경우에도 역시 발전 효율을 크게 향상시킬 수 있다. 나아가, β-PVDF에 탄소나노튜브(CNT)를 더욱 첨가할 수 있으며, 이를 통해 발전소자의 발전 효율을 증대시킬 수 있으며, CNT 함유량에 따라 소자의 투명도를 용이하게 제어할 수 있다.
Description
본 발명은 발전효율이 향상된 이종접합 구조인 발전소자의 제조방법 및 이에 따라 제조되는 발전소자에 관한 것으로, 상세하게는 반도체 나노선 및 β상인 PVDF를 이용한 이종접합 구조인 발전소자의 제조방법 및 이에 따라 제조되는 발전소자에 관한 것이다.
일반적으로 압전(Piezoelectric)소자는 압전센서 및 압전 현상을 이용한 전력발생장치의 핵심요소로서 다양한 응용분야를 갖는다. 무기물 및 유기물을 포함하는 많은 수의 재료가 압전현상을 일으키는 재료로서 알려져 있으며, PZT, BaTiO3, Ba2TiO4 등과 같은 재료들이 압전소자의 소재로 흔히 사용된다.
한편, 전지 방식에서 벗어난 대체 에너지원으로 압전 현상을 이용할 수가 있는데, 여기서, 압전 현상은 석영, 전기석과 같은 결정에 일정한 방향에서 압력을 가할 때 그 외력에 비례해서 양전하 또는 음전하가 나타나는 현상으로, 전압을 가할 때 변형이 일어나는 역 현상도 있다. 이러한 압전 현상 혹은 역 현상은 기계적 변형과 전기적 에너지의 변환에 관한 것이기 때문에 마이크나 축음기에 응용되어 왔다. 그러나, 이러한 압전 현상의 응용 분야는 상기 내용에 국한되지 않고 전자 기기에 많이 사용되는 수정 진동자로부터, 최근에는 필름 체적파 공진기(FBAR:Film Bulk Acoustic Resonator)나 표면 탄성파 공진기(SAW:Surface Acoustic Wave)를 이용한 무선통신용 고성능 필터에까지 이르고 있다. 나아가, 최근에는 친환경적인 에너지에 대한 관심과 함께, 압전 후막을 이용한 자가 발전기 등이 선을 보인바 있다.
현재, 센서, 발전, 음향기기 등에 쓰이는 압전(piezoelectricity) 특성을 가진 재료로는 납지르코늄티타네이트(lead zirconate titanate, PZT)가 가장 많이 사용되고 있다. 하지만, 세라믹의 한 종류인 PZT는 대면적화, 초박막화, 초미세화, 저온가공성, 유연성 등의 문제로 인하여 한계점에 다다른 상태에 있다. 이러한 PZT를 대체할 수 있는 재료로 압전, 초전성과 관련이 있는 강유전성 고분자를 이용하려는 연구가 많이 진행되고 있으며, 대표적으로 널리 사용되는 강유전성 고분자로는 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidenefluoride, PVDF)를 들 수 있다.
PVDF는 일정 크기 이상의 외부전장(coercive field)을 가하면 C-F 쌍극자가 전장을 가한 방향으로 선택적인 배향을 함으로써 시료 전체의 분극도가 상당히 큰 값을 갖게 되고, 외부전장을 제거하더라도 C-F 쌍극자가 본래의 상태로 되돌아가지 못함으로써 잔류분극도(remanent polarization)가 존재하여 압전성과 초전성을 나타내게 된다.
이러한 PVDF는 제조 조건에 따라 4 가지의 결정구조 (α,β,γ,δ)를 갖는다. 그러나, α-결정은 분자쇄가 "trans-gauche-transgauche"으로 되어있으므로 분자쇄 자체의 분극도는 매우 작다. 또한 결정격자 내에서 이들 분자쇄가 서로 마주보게 분자쇄가 배열되어 있어 α-결정의 총 분극도가 0이 되어 강유전성을 가질 수 없다.
반면, β-상은 분자쇄가 모두 트랜스(all-trans) 형태로 되어 있어 분자쇄 자체의 분극도가 가장 큰 동시에 결정격자 내에서도 모든 분자쇄가 동일한 방향으로 배열되어 있어 최대의 분극도를 나타낼 수 있다. 따라서, 압전 또는 초전재료로 사용되는 폴리비닐리덴 플루오라이드 필름은 가능한 많은 β-상을 갖게 하려는 연구가 수행되고 있다.
현재까지 β-상을 가장 용이하게 얻는 방법으로는 용융공정을 거쳐 제조된 α-결정 필름을 일축 또는 이축으로 연신하는 방법이 이용되고 있다. 그러나, 실제 공정에서는 연신비가 한계가 있기 때문에 β-상만을 함유한 시료를 제조하는 것은 매우 어려운 문제가 있다. 또한, 현재까지의 연구에서는 연신하지 않은 PVDF 시료가 β-상을 갖게하는 것은 거의 불가능한 것으로 알려져 있고, PVDF 시료를 강유전고분자메모리로 사용하기 위해서, 두께 200 nm 이하의 박막으로 제조하는 경우에는 연신공정을 통하여 β-상을 갖게 할 수 없는 문제가 있다.
한편, PVDF와 같은 강유전체 재료는 분극을 한방향으로 배열하는 분극(poling) 과정을 거친 후에 압전발전기로 사용할 수 있다. 그러나, 상기 분극(poling)은 압전체 양면에 고전압을 가하여 실시하여야 하는바, 넓은 면적의 압전체를 분극(poling)시키기 위해서는 결함이 없는 막을 제조해야 한다. 하지만, 얇은 PVDF 막을 넓게 만드는 것은 매우 어려우며, 별도의 분극과정을 수행하지 않고도 PVDF제조 과정에서 자발 분극(poing)을 달성할 수 있는 방법이 개발될 경우 매우 유용하게 활용될 수 있을 것으로 예측되고 있으며, PVDF를 스프레이 코팅으로 제조할 경우, 박막 형성단계에서 자발적으로 분극이 일어나게 되며, 필름제조 후 전기장을 가하여 분극(poling)하는 과정을 거치지 않아도 된다.
나아가, 최근 전자 장치 분야에서 소자가 소형화되고 고성능화됨에 따라, 나노스케일의 소자들이 출현하였으며, 이러한 나노스케일의 소자들을 제조하기 위한 나노선(nanowire)의 형성기술이 개발되었다. 나노선이란 단면의 지름이 수 내지 수백 nm 정도인 나노물질로서, 상기 나노선의 길이는 지름의 약 수십 배에서 약 수천배 이상으로 성장될 수 있다.
이러한 나노선은 기존의 벌크 구조에서 나타나는 일반적인 성질과 상이한 전기적, 화학적, 물리적 및 광학적 특성을 나타낼 수 있다. 이러한 나노선의 분자 특성들을 벌크 구조의 특성들과 함께 이용함으로써, 더욱 세밀하고 집적된 소자들을 구현할 수 있으며, 예를 들어 레이저, 트랜지스터, 메모리 또는 센서 등 다양한 분야에서 압전재료로서 이용될 수 있다.
그러나, 압전재료로서 사용되는 나노선은 단면의 지름이 매우 작은 극미세선이기 때문에, 외부의 자극에 쉽게 손상될 수 있는 문제가 있다.
아울러, 나노선을 압전재료로서 이용하여 전력을 생산해내는 발전소자는 전력생산 효율이 낮은 수준에 머무르고 있기 때문에, 이를 향상시킬 방안들이 요구되고 있는 실정이다.
이에, 본 발명자들은 압전재료를 이용한 발전소자의 효율을 향상시키기 위한 방법을 연구하던 중, β-상 PVDF와 반도체 나노선을 함께 이용하는 경우 발전소자의 발전효율을 더욱 향상시킬 수 있음을 발견하고, 본 발명에 따른 발전소자의 제조방법을 완성하였다.
본 발명의 목적은 발전효율이 향상된 이종접합 구조인 발전소자의 제조방법 및 이에 따라 제조되는 발전소자를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은
기판 표면에 반도체 나노선을 성장시키는 단계(단계 1);
상기 단계 1에서 반도체 나노선이 성장된 기판으로 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidenefluoride, PVDF)가 용해된 용액을 스프레이 코팅하여 PVDF 막을 성막하는 단계(단계 2);
단계 2에서 성막된 PVDF 막을 기판으로부터 분리하는 단계(단계 3);
상기 단계 3에서 분리된 반도체 나노선을 포함하는 PVDF 막의 일단면과, 상기 일단면과 대칭되는 타단면으로 음극부 및 양극부를 증착하는 단계(단계 4);를 포함하는 발전소자의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은
기판 표면에 나노선을 성장시키는 단계(단계 1);
상기 단계 1에서 나노선이 성장된 기판으로 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidenefluoride, PVDF)가 용해된 용액을 스프레이 코팅하여 PVDF 막을 성막하는 단계(단계 2);
단계 2에서 성막된 PVDF 막을 기판으로부터 분리하는 단계(단계 3);
상기 단계 3에서 분리된 PVDF 막으로부터 나노선만을 제거하는 단계(단계 4);
상기 단계 4에서 나노선이 제거된 PVDF 막의 일단면과, 상기 일단면과 대칭되는 타단면으로 음극부 및 양극부를 증착하되, PVDF 막의 나노선이 제거된 부분으로 음극부 또는 양극부를 삽입시키는 단계(단계 5);를 포함하는 발전소자의 제조방법을 제공한다.
나아가, 본 발명은
기판 표면에 반도체 나노선을 성장시키는 단계(단계 1);
상기 단계 1에서 반도체 나노선이 성장된 기판으로 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidenefluoride, PVDF)가 용해된 용액을 스프레이 코팅하여 PVDF 막을 성막하는 단계(단계 2);
상기 단계 2에서 스프레이 코팅된 PVDF 막 상부로, 표면에 반도체 나노선이 성장된 또 다른 기판을 삽입하는 단계(단계 3);
반도체 나노선 및 PVDF 막을 기판으로부터 분리하는 단계(단계 4);
상기 단계 4에서 분리된 반도체 나노선을 포함하는 PVDF 막의 일단면과, 상기 일단면과 대칭되는 타단면으로 음극부 및 양극부를 증착하는 단계(단계 5);를 포함하는 발전소자의 제조방법을 제공한다.
더욱 나아가, 본 발명은
기판 표면에 나노선을 성장시키는 단계(단계 1);
상기 단계 1에서 나노선이 성장된 기판으로 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidenefluoride, PVDF)가 용해된 용액을 스프레이 코팅하여 PVDF 막을 성막하는 단계(단계 2);
상기 단계 2에서 스프레이 코팅된 PVDF 상부로, 표면에 나노선이 성장된 또 다른 기판을 삽입하는 단계(단계 3);
나노선 및 PVDF 막을 기판으로부터 분리하는 단계(단계 4);
상기 단계 4에서 분리된 나노선 및 PVDF 막으로부터 나노선만을 제거하는 단계(단계 5);
상기 단계 5에서 나노선이 제거된 PVDF 막의 일단면과, 상기 일단면과 대칭되는 타단면으로 음극부 및 양극부를 증착하되, PVDF 막의 나노선이 제거된 부분으로 음극부 및 양극부를 삽입시키는 단계(단계 6);를 포함하는 발전소자의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은
상기 제조방법들을 통해 제조되는 발전소자를 제공한다.
본 발명에 따른 발전소자의 제조방법은 기존의 나노선 또는 β-PVDF만을 이용하여 나노발전소자를 제조하였던 제조방식을 더욱 개선하여 이들을 이종접합함으로서 발전 효율을 크게 향상시킬 수 있다. 또한, 나노선만을 제거한 후 β-PVDF 막과 전극과의 접촉면적을 더욱 증가시켜 발전소자를 제조할 수 있으며, 이와 같이 β-PVDF만으로 발전소자를 제조하는 경우에도 역시 발전 효율을 크게 향상시킬 수 있다. 나아가, β-PVDF에 탄소나노튜브(CNT)를 더욱 첨가할 수 있으며, 이를 통해 발전소자의 발전 효율을 증대시킬 수 있으며, CNT 함유량에 따라 소자의 투명도를 용이하게 제어할 수 있다.
도 1 내지 도 4는 본 발명에 따른 발전소자의 제조방법을 순차적으로 도시한 그림이다.
본 발명은 압전재료를 이용한 발전소자의 효율을 향상시키기 위하여, β-상 PVDF와 반도체 나노선을 함께 이용하여 발전소자를 제조하는 제조방법에 관한 것으로,
본 발명은 하기와 같은 제조방법들을 제공한다.
(1)
PVDF
막의 내부로 반도체
나노선이
함몰된 구조인 이종접합 구조 나노발전소자의 제조방법
상기와 같이 본 발명은 β-상 PVDF와 반도체 나노선을 함께 이용하는 이종접합 구조인 나노발전소자의 제조방법을 제공하며, 상세하게는
기판 표면에 반도체 나노선을 성장시키는 단계(단계 1);
상기 단계 1에서 반도체 나노선이 성장된 기판으로 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidenefluoride, PVDF)가 용해된 용액을 스프레이 코팅하여 PVDF 막을 성막하는 단계(단계 2);
단계 2에서 성막된 PVDF 막을 기판으로부터 분리하는 단계(단계 3);
상기 단계 3에서 분리된 반도체 나노선을 포함하는 PVDF 막의 일단면과, 상기 일단면과 대칭되는 타단면으로 음극부 및 양극부를 증착하는 단계(단계 4);를 포함하는 발전소자의 제조방법을 제공한다.
이때, 본 발명에 따른 발전소자의 제조방법을 순차적으로 도시한 그림을 도 1에 나타내었으며, 이하 도면을 참조하여 본 발명에 따른 발전소자의 제조방법을 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 발전소자의 제조방법에 있어서, 단계 1은 기판 표면에 반도체 나노선을 성장시키는 단계이다.
이때, 상기 단계 1의 기판으로는 시중에서 용이하게 구할 수 있는 ITO가 코팅 유리기판을 사용할 수 있으며, 반도체 나노선을 성장시키기 위하여 상기 기판의 표면으로는 씨드층을 코팅하여 나노선을 성장시킬 수 있다.
한편, 상기 씨드층은 10-60 nm 두께로, 알루미늄(Al) 및 산화아연(ZnO)이 0.5-5:95-99.5 중량% 비율로 혼합된 것을 사용하여 기판 표면에 코팅될 수 있다. 그러나, 상기 씨드층의 코팅이 이에 제한되는 것은 아니며, 반도체 나노선의 성장에 적용될 수 있는 씨드층을 적절히 선택하여 기판으로 코팅할 수 있다.
상기 단계 1에 있어서, 반도체 나노선의 성장은 일반적인 나노선 성장방법을 제한없이 사용할 수 있으나, 수열합성법을 이용하는 것이 더욱 바람직하다.
또한, 상기 단계 1에서 성장되는 나노선은 길이가 1-10 ㎛이고, 직경이 30-70 nm인 것이 바람직하나, 상기 나노선의 길이 및 직경이 이에 제한되는 것은 아니다.
한편, 상기 단계 1의 반도체 나노선은 산화아연(ZnO), 납-지르코늄-티타늄산화물(lead zirconate titanate; PZT), 티탄산바륨(BaTiO3), 티탄산 납 (PbTiO3), 질화알루미늄(AlN), 질화갈륨(GaN), 탄화실리콘(SiC) 등의 반도체 물질로 이루어질 수 있으며, 산화아연 반도체 나노선인 것이 더욱 바람직하나, 단계 1의 반도체 나노선이 이에 제한되는 것은 아니다.
한편, 본 발명에 따른 상기 제조방법은 상기 단계 1에서 나노선을 성장시키기 전, 기판 표면에 이형층을 형성시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
이는 추후, 나노선을 기판으로부터 분리해낼 때, 분리를 더욱 용이하게 수행하기 위한 것으로서, 상기 이형층은 나노선과 기판의 분리를 용이하게 할 수 있다면, 특별히 제한되지 않는다.
본 발명에 따른 발전소자의 제조방법에 있어서, 단계 2는 상기 단계 1에서 반도체 나노선이 성장된 기판으로 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidenefluoride, PVDF)가 용해된 용액을 스프레이 코팅하여 PVDF 막을 성막하는 단계이다.
상기 단계 2에서는 PVDF 막, 상세하게는 β-상 PVDF 막을 성막시키기 위하여, 원료물질인 PVDF를 용매에 용해시킨 용액을 제조한 후 이를 스프레이 코팅하여 PVDF 막을 성막한다.
PVDF는 제조 조건에 따라 4 가지의 결정구조 (α,β,γ,δ)를 갖는 것으로 알려져 있다. 그러나, α-결정은 분자쇄가 "trans-gauche-transgauche"으로 되어있으므로 분자쇄 자체의 분극도는 매우 작다. 또한 결정격자 내에서 이들 분자쇄가 서로 마주보게 분자쇄가 배열되어 있어 α-결정의 총 분극도가 0이 되어 강유전성을 가질 수 없다.
반면, β-상은 분자쇄가 모두 트랜스(all-trans) 형태로 되어 있어 분자쇄 자체의 분극도가 가장 큰 동시에 결정격자 내에서도 모든 분자쇄가 동일한 방향으로 배열되어 있어 최대의 분극도를 나타낼 수 있다. 따라서, 압전 또는 초전재료로 사용되는 PVDF 필름은 가능한 많은 β-상을 갖는 것이 바람직하다.
이때, β-상의 PVDF를 가장 용이하게 얻는 방법으로는 용융공정을 거쳐 제조된 α-결정 필름을 일축 또는 이축으로 연신하는 방법이 이용되고 있으나, 실제 공정에서는 연신비가 한계가 있기 때문에 β-상만을 함유한 시료를 제조하는 것은 매우 어렵고, 대면적 필름을 제조하기 어려운 문제가 있었다. 또한, 공정과정이 복잡하고, 오랜시간이 소모되며, 불량률이 높은 문제가 있었다.
또한, PVDF 필름에 고전계를 인가하여 β-상의 PVDF를 제조하는 방법이 개시된 바 있으나, 이 또한 대면적 필름의 제조가 어렵고, 필름내에 기공(pore)가 발생하여 기공 내로 전극물질이 침투하는 경우 단락현상이 발생하는 문제가 있었다.
반면, 본 발명에 따른 상기 단계 2에서 PVDF가 용해된 용액을 스프레이 코팅하여 β-상 PVDF 막을 성막하고 있으며, 이를 통해 종래의 연신 및 폴링공정을 통해 제조되었던 β-상의 PVDF막을 매우 간단하게 제조할 수 있다.
한편, 상기 스프레이 코팅에 있어서 PVDF가 용해된 용액은 PVDF를 용매에 용해시켜 간단히 제조할 수 있다. 이때, 상기 용매는 PVDF를 용해시킬 수 있는 용매를 적절히 선택하여 사용할 수 있으며, 바람직하게는 NMP(N-Methyl-2-pyrrolidone), DMF(Dimethylformamide), 1,4-Dioxane(1,4-Diethyleneoxide) 등을 사용할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 NMP를 용매로서 사용할 수 있으나, 상기 용매가 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 PVDF가 용해된 용액은 원료물질인 PVDF를 용매에 대하여 1 내지 10 중량%의 비율로 용해시켜 제조될 수 있다. 이때, PVDF가 용매에 대하여 1 중량% 미만의 비율로 용해되는 경우에는 원료물질인 PVDF가 분사액에 소량 포함됨에 따라 스프레이 코팅을 통해 PVDF 필름을 제조하는 데 오랜 시간이 요구되는 문제가 있으며, 상기 PVDF가 용매에 대하여 10 중량%를 초과하는 비율로 용해되는 경우에는 스프레이 노즐의 크기에 따른 제한으로 인하여 분사액의 분사가 원활히 수행되지 않는 문제가 있다.
그러나, 상기 PVDF 용해가 상기 범위로 제한되는 것은 아니며, 스프레이 코팅 장치, 용매의 종류 등의 공정환경과, 제조하고자 하는 β-상 PVDF 막의 두께 등을 고려하여 PVDF의 함량을 적절히 변경하여 용해시킬 수 있다.
아울러, 상기 단계 2의 스프레이 코팅이 수행될 시 기판은 100 내지 300 ℃의 온도로 가열되는 것이 바람직하다. 상기 기판이 100 내지 300 ℃의 온도로 가열됨에 따라 분사액에 포함된 용매들을 제거하여 PVDF 막을 제조할 수 있다. 이때, 상기 기판이 100 ℃ 미만의 온도로 가열되는 경우에는 용매의 제거에 많은 시간이 소비되는 문제가 있으며, 상기 기판이 300 ℃를 초과하는 온도로 가열되는 경우에는 PVDF 필름의 변형이 발생할 수 있는 문제가 있다.
한편, 상기 단계 2의 스프레이 코팅은 스프레이 코팅을 수행하는 시간에 따라 PVDF 막의 두께를 조절할 수 있으며, 예를 들어, 수백 nm 두께의 박막인 PVDF 막은 스프레이 코팅을 짧은 시간 동안 수행하여 제조될 수 있고, 수 내지 수십 μm 두께의 PVDF 필름은 스프레이 코팅을 상대적으로 장시간 동안 수행하여 제조될 수 있다. 따라서, 스프레이 코팅을 수행하는 시간을 적절히 조절하여 발전소자에 적용하기에 적합한 두께의 PVDF 필름을 제조할 수 있으며, 예를 들어, 1 내지 30 분 동안 스프레이코팅이 수행되어 PVDF 필름을 제조할 수 있으나, 상기 스프레이 코팅이 수행되는 시간이 이에 제한되는 것은 아니다.
나아가, 상기 단계 2의 스프레이 코팅은 질소와 같은 불활성 기체를 이용하여 수행될 수 있으며, 이를 통해 코팅 전 PVDF 막이 반응하는 등의 문제를 방지할 수 있다. 그러나, PVDF 자체가 반응성이 매우 낮은 물질로 알려져 있기 때문에, 상기 스프레이 코팅시 반드시 불활성 기체가 사용되어야 하는 것은 아니며,스프레이 코팅공정을 수행하는 조건에 따라 적절히 선택하여 사용할 수 있다.
한편, 상기 단계 2의 PVDF가 용해된 용액은 탄소나노튜브(CNT)를 더 포함할 수 있다.
일반적으로 전기 전도도 등의 전기적 특성이 우수한 것으로 알려진 탄소나노튜브는 PVDF에 첨가제로 첨가되는 경우, 압전특성을 향상시킬 수 있는 것으로 알려져 있으며, 이에 상기 PVDF가 용해된 용액은 탄소나노튜브를 더욱 포함할 수 있다.
이때, 상기 탄소나노튜브는 용매에 대하여 0.01 내지 0.1 중량%의 비율로 첨가되는 것이 바람직하다. 상기 범위로 탄소나노튜브가 첨가됨에 따라 제조되는 PVDF 막이 더욱 우수한 압전특성을 나타낼 수 있다.
이때, 상기 탄소나노튜브가 용매에 대하여 0.01 중량% 미만의 비율로 첨가되는 경우에는 탄소나노튜브의 첨가로 인한 압전특성 향상효과가 미흡한 문제가 있고, 상기 탄소나노튜브가 용매에 대하여 0.1 중량%를 초과하는 비율로 첨가되는 경우에는 CNT를 통한 도통(THROUGH-HOLE)으로 인하여 압전 특성을 얻기 어려운 문제가 있다.
본 발명에 따른 발전소자의 제조방법에 있어서, 단계 3은 단계 2에서 성막된 PVDF 막을 기판으로부터 분리하는 단계이다.
상기 단계 3의 분리는 레이저 조사를 통해 수행될 수 있다. 이는 레이저 조사를 통해 얇은 PVDF 막을 손상 없이 기판으로부터 분리해낼 수 있기 때문으로, 상기 레이저 조사시에는 사용되는 기판에 따라 특정한 파장의 레이저를 사용하여 PVDF 막을 분리할 수 있다. 이때, 상기 단계 3의 분리가 상기 레이저 조사에 의해서만 수행되는 것은 아니며, PVDF 막을 손상없이 분리해낼 수 있는 수단이라면, 특별한 제한없이 상기 분리를 수행할 수 있다.
상기 단계 3의 분리를 수행함에 따라 반도체 나노선 및 PVDF 막, 상세하게는 PVDF 막, 및 상기 PVDF 막의 내부에 함몰된 반도체 나노선을 기판으로부터 분리해낼 수 있다.
본 발명에 따른 발전소자의 제조방법에 있어서, 단계 4는 상기 단계 3에서 분리된 반도체 나노선을 포함하는 PVDF 막의 일단면과, 상기 일단면과 대칭되는 타단면으로 음극부 및 양극부를 증착하는 단계이다.
상기 단계 3의 분리가 수행됨에 따라 내부에 반도체 나노선이 함몰된 PVDF 막이 제조된다. 상기 단계 4에서는 단계 3의 분리가 수행되어 제조된 PVDF 막의 일단면과, 상기 일단면과 대칭되는 타단면으로 음극부 및 양극부를 증착하여 발전소자를 제조한다.
이때, 상기 음극부 및 양극부는 알루미늄, 백금 및 금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속을 포함하는 금속전극인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 알루미늄 전극을 이용할 수 있으나, 상기 음극부 및 양극부가 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 상기 음극부 및 양극부는 PVDF 막의 일단면 및 타단면에 전극물질을 증착시켜 형성될 수 있다. 그러나, 상기 음극부 및 양극부의 형성이 상기 증착으로 제한되는 것은 아니며, 음극부 및 양극부를 형성시킬 수 있는 모든 수단 및 장치들을 선택하여 음극부 및 양극부를 형성시킬 수 있다.
(2)
PVDF
막의 내부로 전극이 함몰된 구조인 나노발전소자의 제조방법
상기와 같이 본 발명은 β-상 PVDF를 이용하여 발전소자를 제조하되, 상기 β-상 PVDF막의 내부로 전극이 함몰된 구조인 나노발전소자의 제조방법을 제공하며, 상세하게는
기판 표면에 나노선을 성장시키는 단계(단계 1);
상기 단계 1에서 나노선이 성장된 기판으로 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidenefluoride, PVDF)가 용해된 용액을 스프레이 코팅하여 PVDF 막을 성막하는 단계(단계 2);
단계 2에서 성막된 PVDF 막을 기판으로부터 분리하는 단계(단계 3);
상기 단계 3에서 분리된 PVDF 막으로부터 나노선만을 제거하는 단계(단계 4);
상기 단계 4에서 나노선이 제거된 PVDF 막의 일단면과, 상기 일단면과 대칭되는 타단면으로 음극부 및 양극부를 증착하되, PVDF 막의 나노선이 제거된 부분으로 음극부 또는 양극부를 삽입시키는 단계(단계 5);를 포함하는 발전소자의 제조방법을 제공한다.
이때, 본 발명에 따른 발전소자의 제조방법을 순차적으로 도시한 그림을 도 2에 나타내었으며, 이하 도면을 참조하여 본 발명에 따른 발전소자의 제조방법을 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 발전소자의 제조방법에 있어서, 단계 1은 기판 표면에 나노선을 성장시키는 단계이다.
이때, 상기 단계 1의 기판으로는 시중에서 용이하게 구할 수 있는 ITO가 코팅 유리기판을 사용할 수 있으며, 나노선을 성장시키기 위하여 상기 기판의 표면으로는 씨드층을 코팅하여 나노선을 성장시킬 수 있다.
한편, 상기 씨드층은 10-60 nm 두께로, 알루미늄(Al) 및 산화아연(ZnO)이 0.5-5:95-99.5 중량% 비율로 혼합된 것을 사용하여 기판 표면에 코팅될 수 있다. 그러나, 상기 씨드층의 코팅이 이에 제한되는 것은 아니며, 나노선의 성장에 적용될 수 있는 씨드층을 적절히 선택하여 기판으로 코팅할 수 있다.
상기 단계 1에 있어서, 나노선의 성장은 일반적인 나노선 성장방법을 제한없이 사용할 수 있으나, 수열합성법을 이용하는 것이 더욱 바람직하다.
또한, 상기 단계 1에서 성장되는 나노선은 길이가 1-10 ㎛이고, 직경이 30-70 nm인 것이 바람직하나, 상기 나노선의 길이 및 직경이 이에 제한되는 것은 아니다.
한편, 상기 단계 1의 나노선은 특별히 그 종류에 제한을 두지 않으며, 예를 들어, 산화아연(ZnO), 납-지르코늄-티타늄산화물(lead zirconate titanate; PZT), 티탄산바륨(BaTiO3), 티탄산 납 (PbTiO3), 질화알루미늄(AlN), 질화갈륨(GaN), 탄화실리콘(SiC) 등의 반도체 물질로 이루어진 나노선을 성장시킬 수 있으나, 단계 1의 나노선이 이에 제한되는 것은 아니다.
한편, 본 발명에 따른 상기 제조방법은 상기 단계 1에서 나노선을 성장시키기 전, 기판 표면에 이형층을 형성시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
이는 추후, 나노선을 기판으로부터 분리해낼 때, 분리를 더욱 용이하게 수행하기 위한 것으로서, 상기 이형층은 나노선과 기판의 분리를 용이하게 할 수 있다면, 특별히 제한되지 않는다.
본 발명에 따른 발전소자의 제조방법에 있어서, 단계 2는 상기 단계 1에서 나노선이 성장된 기판으로 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidenefluoride, PVDF)가 용해된 용액을 스프레이 코팅하여 PVDF 막을 성막하는 단계이다.
상기 단계 2에서는 PVDF 막, 상세하게는 β-상 PVDF 막을 성막시키기 위하여, 원료물질인 PVDF를 용매에 용해시킨 용액을 제조한 후 이를 스프레이 코팅하여 PVDF 막을 성막한다.
PVDF는 제조 조건에 따라 4 가지의 결정구조 (α,β,γ,δ)를 갖는 것으로 알려져 있다. 그러나, α-결정은 분자쇄가 "trans-gauche-transgauche"으로 되어있으므로 분자쇄 자체의 분극도는 매우 작다. 또한 결정격자 내에서 이들 분자쇄가 서로 마주보게 분자쇄가 배열되어 있어 α-결정의 총 분극도가 0이 되어 강유전성을 가질 수 없다.
반면, β-상은 분자쇄가 모두 트랜스(all-trans) 형태로 되어 있어 분자쇄 자체의 분극도가 가장 큰 동시에 결정격자 내에서도 모든 분자쇄가 동일한 방향으로 배열되어 있어 최대의 분극도를 나타낼 수 있다. 따라서, 압전 또는 초전재료로 사용되는 PVDF 필름은 가능한 많은 β-상을 갖는 것이 바람직하다.
이때, β-상의 PVDF를 가장 용이하게 얻는 방법으로는 용융공정을 거쳐 제조된 α-결정 필름을 일축 또는 이축으로 연신하는 방법이 이용되고 있으나, 실제 공정에서는 연신비가 한계가 있기 때문에 β-상만을 함유한 시료를 제조하는 것은 매우 어렵고, 대면적 필름을 제조하기 어려운 문제가 있었다. 또한, 공정과정이 복잡하고, 오랜시간이 소모되며, 불량률이 높은 문제가 있었다.
또한, PVDF 필름에 고전계를 인가하여 β-상의 PVDF를 제조하는 방법이 개시된 바 있으나, 이 또한 대면적 필름의 제조가 어렵고, 필름내에 기공(pore)가 발생하여 기공 내로 전극물질이 침투하는 경우 단락현상이 발생하는 문제가 있었다.
반면, 본 발명에 따른 상기 단계 2에서 PVDF가 용해된 용액을 스프레이 코팅하여 β-상 PVDF 막을 성막하고 있으며, 이를 통해 종래의 연신 및 폴링공정을 통해 제조되었던 β-상의 PVDF막을 매우 간단하게 제조할 수 있다.
한편, 상기 스프레이 코팅에 있어서 PVDF가 용해된 용액은 PVDF를 용매에 용해시켜 간단히 제조할 수 있다. 이때, 상기 용매는 PVDF를 용해시킬 수 있는 용매를 적절히 선택하여 사용할 수 있으며, 바람직하게는 NMP(N-Methyl-2-pyrrolidone), DMF(Dimethylformamide), 1,4-Dioxane(1,4-Diethyleneoxide) 등을 사용할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 NMP를 용매로서 사용할 수 있으나, 상기 용매가 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 PVDF가 용해된 용액은 원료물질인 PVDF를 용매에 대하여 1 내지 10 중량%의 비율로 용해시켜 제조될 수 있다. 이때, PVDF가 용매에 대하여 1 중량% 미만의 비율로 용해되는 경우에는 원료물질인 PVDF가 분사액에 소량 포함됨에 따라 스프레이 코팅을 통해 PVDF 필름을 제조하는 데 오랜 시간이 요구되는 문제가 있으며, 상기 PVDF가 용매에 대하여 10 중량%를 초과하는 비율로 용해되는 경우에는 스프레이 노즐의 크기에 따른 제한으로 인하여 분사액의 분사가 원활히 수행되지 않는 문제가 있다.
그러나, 상기 PVDF 용해가 상기 범위로 제한되는 것은 아니며, 스프레이 코팅 장치, 용매의 종류 등의 공정환경과, 제조하고자 하는 β-상 PVDF 막의 두께 등을 고려하여 PVDF의 함량을 적절히 변경하여 용해시킬 수 있다.
아울러, 상기 단계 2의 스프레이 코팅이 수행될 시 기판은 100 내지 300 ℃의 온도로 가열되는 것이 바람직하다. 상기 기판이 100 내지 300 ℃의 온도로 가열됨에 따라 분사액에 포함된 용매들을 제거하여 PVDF 막을 제조할 수 있다. 이때, 상기 기판이 100 ℃ 미만의 온도로 가열되는 경우에는 용매의 제거에 많은 시간이 소비되는 문제가 있으며, 상기 기판이 300 ℃를 초과하는 온도로 가열되는 경우에는 PVDF 필름의 변형이 발생할 수 있는 문제가 있다.
한편, 상기 단계 2의 스프레이 코팅은 스프레이 코팅을 수행하는 시간에 따라 PVDF 막의 두께를 조절할 수 있으며, 예를 들어, 수백 nm 두께의 박막인 PVDF 막은 스프레이 코팅을 짧은 시간 동안 수행하여 제조될 수 있고, 수 내지 수십 μm 두께의 PVDF 필름은 스프레이 코팅을 상대적으로 장시간 동안 수행하여 제조될 수 있다. 따라서, 스프레이 코팅을 수행하는 시간을 적절히 조절하여 발전소자에 적용하기에 적합한 두께의 PVDF 필름을 제조할 수 있으며, 예를 들어, 1 내지 30 분 동안 스프레이코팅이 수행되어 PVDF 필름을 제조할 수 있으나, 상기 스프레이 코팅이 수행되는 시간이 이에 제한되는 것은 아니다.
나아가, 상기 단계 2의 스프레이 코팅은 질소와 같은 불활성 기체를 이용하여 수행될 수 있으며, 이를 통해 코팅 전 PVDF 막이 반응하는 등의 문제를 방지할 수 있다. 그러나, PVDF 자체가 반응성이 매우 낮은 물질로 알려져 있기 때문에, 상기 스프레이 코팅시 반드시 불활성 기체가 사용되어야 하는 것은 아니며,스프레이 코팅공정을 수행하는 조건에 따라 적절히 선택하여 사용할 수 있다.
한편, 상기 단계 2의 PVDF가 용해된 용액은 탄소나노튜브(CNT)를 더 포함할 수 있다.
일반적으로 전기 전도도 등의 전기적 특성이 우수한 것으로 알려진 탄소나노튜브는 PVDF에 첨가제로 첨가되는 경우, 압전특성을 향상시킬 수 있는 것으로 알려져 있으며, 이에 상기 PVDF가 용해된 용액은 탄소나노튜브를 더욱 포함할 수 있다.
이때, 상기 탄소나노튜브는 용매에 대하여 0.01 내지 0.1 중량%의 비율로 첨가되는 것이 바람직하다. 상기 범위로 탄소나노튜브가 첨가됨에 따라 제조되는 PVDF 막이 더욱 우수한 압전특성을 나타낼 수 있다.
이때, 상기 탄소나노튜브가 용매에 대하여 0.01 중량% 미만의 비율로 첨가되는 경우에는 탄소나노튜브의 첨가로 인한 압전특성 향상효과가 미흡한 문제가 있고, 상기 탄소나노튜브가 용매에 대하여 0.1 중량%를 초과하는 비율로 첨가되는 경우에는 CNT를 통한 도통(THROUGH-HOLE)으로 인하여 압전 특성을 얻기 어려운 문제가 있다.
본 발명에 따른 발전소자의 제조방법에 있어서, 단계 3은 단계 2에서 성막된 PVDF 막을 기판으로부터 분리하는 단계이다.
상기 단계 3의 분리는 레이저 조사를 통해 수행될 수 있다. 이는 레이저 조사를 통해 얇은 PVDF 막을 손상 없이 기판으로부터 분리해낼 수 있기 때문으로, 상기 레이저 조사시에는 사용되는 기판에 따라 특정한 파장의 레이저를 사용하여 PVDF 막을 분리할 수 있다. 이때, 상기 단계 3의 분리가 상기 레이저 조사에 의해서만 수행되는 것은 아니며, PVDF 막을 손상없이 분리해낼 수 있는 수단이라면, 특별한 제한없이 상기 분리를 수행할 수 있다.
상기 단계 3의 분리를 수행함에 따라 나노선 및 PVDF 막, 상세하게는 PVDF 막, 및 상기 PVDF 막의 내부에 함몰된 나노선을 기판으로부터 분리해낼 수 있다.
본 발명에 따른 발전소자의 제조방법에 있어서, 단계 4는 상기 단계 3에서 분리된 PVDF 막으로부터 나노선만을 제거하는 단계이다.
상기 단계 4에서 나노선이 제거됨에 따라, PVDF 막의 나노선이 위치하였던 자리는 빈 공간으로 형성된다.
이때, 상기 단계 4의 나노선 제거는 나노선 및 PVDF 막을 산성용액으로 침지시켜 수행될 수 있다. 이때, 상기 산성 용액은 염산 등의 산성용액을 희석하여 사용할 수 있다. 그러나, 상기 단계 4의 나노선 제거가 이에 제한되는 것은 아니며, PVDF 막에 손상이 가해지는 것을 방지하며 나노선을 용이하게 제거할 수 있는 수단 또는 장치를 이용하여 수행될 수 있다.
본 발명에 따른 발전소자의 제조방법에 있어서, 단계 5는 상기 단계 4에서 나노선이 제거된 PVDF 막의 일단면과, 상기 일단면과 대칭되는 타단면으로 음극부 및 양극부를 증착하되, PVDF 막의 나노선이 제거된 부분으로 음극부 또는 양극부를 삽입시키는 단계이다.
상기 단계 4에서 나노선이 제거됨에 따라 PVDF 막의 나노선이 위치하였던 자리는 빈 공간으로 형성된다. 상기 단계 5에서는 이와 같이 나노선이 제거된 PVDF 막의 일단면과, 상기 일단면과 대칭되는 타단면으로 음극부 및 양극부를 증착하여 발전소자를 제조하며, 상기 음극부 또는 양극부 중 어느 하나는 그 일부가 나노선이 제거된 PVDF 막의 빈 공간으로 삽입된 형태로 증착된다.
즉, 음극부 또는 양극부 중 어느 하나는 그 일부가 PVDF 막의 빈 공간으로 삽입된 형태로 증착되며, 이에 따라 음극부 또는 양극부와 PVDF 막의 접촉면적이 증가될 수 있다. 이러한 경우, β-PVDF만으로 발전소자를 제조하였음에도 불구하고 발전 효율을 크게 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
이때, 상기 음극부 및 양극부는 알루미늄, 백금 및 금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속을 포함하는 금속전극인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 알루미늄 전극을 이용할 수 있으나, 상기 음극부 및 양극부가 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 상기 음극부 및 양극부는 PVDF 막의 일단면 및 타단면에 전극물질을 증착시켜 형성될 수 있다. 그러나, 상기 음극부 및 양극부의 형성이 상기 증착으로 제한되는 것은 아니며, 음극부 및 양극부를 형성시킬 수 있는 모든 수단 및 장치들을 선택하여 음극부 및 양극부를 형성시킬 수 있다.
(3)
PVDF
막의
양단면으로
반도체
나노선이
함몰된 구조인 이종접합 구조 나노발전소자의 제조방법
상기와 같이, 본 발명은 β-상 PVDF와 반도체 나노선을 함께 이용하되, 상기 β-상 PVDF 막의 양단면으로 반도체 나노선이 함몰된 구조인 이종접합 구조 나노발전소자의 제조방법을 제공하며, 상세하게는
기판 표면에 반도체 나노선을 성장시키는 단계(단계 1);
상기 단계 1에서 반도체 나노선이 성장된 기판으로 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidenefluoride, PVDF)가 용해된 용액을 스프레이 코팅하여 PVDF 막을 성막하는 단계(단계 2);
상기 단계 2에서 스프레이 코팅된 PVDF 막 상부로, 표면에 반도체 나노선이 성장된 또 다른 기판을 삽입하는 단계(단계 3);
반도체 나노선 및 PVDF 막을 기판으로부터 분리하는 단계(단계 4);
상기 단계 4에서 분리된 반도체 나노선을 포함하는 PVDF 막의 일단면과, 상기 일단면과 대칭되는 타단면으로 음극부 및 양극부를 증착하는 단계(단계 5);를 포함하는 발전소자의 제조방법을 제공한다.
이때, 본 발명에 따른 발전소자의 제조방법을 순차적으로 도시한 그림을 도 3에 나타내었으며, 이하 도면을 참조하여 본 발명에 따른 발전소자의 제조방법을 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 발전소자의 제조방법에 있어서, 단계 1은 기판 표면에 반도체 나노선을 성장시키는 단계이다.
이때, 상기 단계 1의 기판으로는 시중에서 용이하게 구할 수 있는 ITO가 코팅 유리기판을 사용할 수 있으며, 반도체 나노선을 성장시키기 위하여 상기 기판의 표면으로는 씨드층을 코팅하여 나노선을 성장시킬 수 있다.
한편, 상기 씨드층은 10-60 nm 두께로, 알루미늄(Al) 및 산화아연(ZnO)이 0.5-5:95-99.5 중량% 비율로 혼합된 것을 사용하여 기판 표면에 코팅될 수 있다. 그러나, 상기 씨드층의 코팅이 이에 제한되는 것은 아니며, 반도체 나노선의 성장에 적용될 수 있는 씨드층을 적절히 선택하여 기판으로 코팅할 수 있다.
상기 단계 1에 있어서, 반도체 나노선의 성장은 일반적인 나노선 성장방법을 제한없이 사용할 수 있으나, 수열합성법을 이용하는 것이 더욱 바람직하다.
또한, 상기 단계 1에서 성장되는 나노선은 길이가 1-10 ㎛이고, 직경이 30-70 nm인 것이 바람직하나, 상기 나노선의 길이 및 직경이 이에 제한되는 것은 아니다.
한편, 상기 단계 1의 반도체 나노선은 산화아연(ZnO), 납-지르코늄-티타늄산화물(lead zirconate titanate; PZT), 티탄산바륨(BaTiO3), 티탄산 납 (PbTiO3), 질화알루미늄(AlN), 질화갈륨(GaN), 탄화실리콘(SiC) 등의 반도체 물질로 이루어질 수 있으며, 산화아연 반도체 나노선인 것이 더욱 바람직하나, 단계 1의 반도체 나노선이 이에 제한되는 것은 아니다.
한편, 본 발명에 따른 상기 제조방법은 상기 단계 1에서 나노선을 성장시키기 전, 기판 표면에 이형층을 형성시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
이는 추후, 나노선을 기판으로부터 분리해낼 때, 분리를 더욱 용이하게 수행하기 위한 것으로서, 상기 이형층은 나노선과 기판의 분리를 용이하게 할 수 있다면, 특별히 제한되지 않는다.
본 발명에 따른 발전소자의 제조방법에 있어서, 단계 2는 상기 단계 1에서 반도체 나노선이 성장된 기판으로 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidenefluoride, PVDF)가 용해된 용액을 스프레이 코팅하여 PVDF 막을 성막하는 단계이다.
상기 단계 2에서는 PVDF 막, 상세하게는 β-상 PVDF 막을 성막시키기 위하여, 원료물질인 PVDF를 용매에 용해시킨 용액을 제조한 후 이를 스프레이 코팅하여 PVDF 막을 성막한다.
PVDF는 제조 조건에 따라 4 가지의 결정구조 (α,β,γ,δ)를 갖는 것으로 알려져 있다. 그러나, α-결정은 분자쇄가 "trans-gauche-transgauche"으로 되어있으므로 분자쇄 자체의 분극도는 매우 작다. 또한 결정격자 내에서 이들 분자쇄가 서로 마주보게 분자쇄가 배열되어 있어 α-결정의 총 분극도가 0이 되어 강유전성을 가질 수 없다.
반면, β-상은 분자쇄가 모두 트랜스(all-trans) 형태로 되어 있어 분자쇄 자체의 분극도가 가장 큰 동시에 결정격자 내에서도 모든 분자쇄가 동일한 방향으로 배열되어 있어 최대의 분극도를 나타낼 수 있다. 따라서, 압전 또는 초전재료로 사용되는 PVDF 필름은 가능한 많은 β-상을 갖는 것이 바람직하다.
이때, β-상의 PVDF를 가장 용이하게 얻는 방법으로는 용융공정을 거쳐 제조된 α-결정 필름을 일축 또는 이축으로 연신하는 방법이 이용되고 있으나, 실제 공정에서는 연신비가 한계가 있기 때문에 β-상만을 함유한 시료를 제조하는 것은 매우 어렵고, 대면적 필름을 제조하기 어려운 문제가 있었다. 또한, 공정과정이 복잡하고, 오랜시간이 소모되며, 불량률이 높은 문제가 있었다.
또한, PVDF 필름에 고전계를 인가하여 β-상의 PVDF를 제조하는 방법이 개시된 바 있으나, 이 또한 대면적 필름의 제조가 어렵고, 필름내에 기공(pore)가 발생하여 기공 내로 전극물질이 침투하는 경우 단락현상이 발생하는 문제가 있었다.
반면, 본 발명에 따른 상기 단계 2에서 PVDF가 용해된 용액을 스프레이 코팅하여 β-상 PVDF 막을 성막하고 있으며, 이를 통해 종래의 연신 및 폴링공정을 통해 제조되었던 β-상의 PVDF막을 매우 간단하게 제조할 수 있다.
한편, 상기 스프레이 코팅에 있어서 PVDF가 용해된 용액은 PVDF를 용매에 용해시켜 간단히 제조할 수 있다. 이때, 상기 용매는 PVDF를 용해시킬 수 있는 용매를 적절히 선택하여 사용할 수 있으며, 바람직하게는 NMP(N-Methyl-2-pyrrolidone), DMF(Dimethylformamide), 1,4-Dioxane(1,4-Diethyleneoxide) 등을 사용할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 NMP를 용매로서 사용할 수 있으나, 상기 용매가 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 PVDF가 용해된 용액은 원료물질인 PVDF를 용매에 대하여 1 내지 10 중량%의 비율로 용해시켜 제조될 수 있다. 이때, PVDF가 용매에 대하여 1 중량% 미만의 비율로 용해되는 경우에는 원료물질인 PVDF가 분사액에 소량 포함됨에 따라 스프레이 코팅을 통해 PVDF 필름을 제조하는 데 오랜 시간이 요구되는 문제가 있으며, 상기 PVDF가 용매에 대하여 10 중량%를 초과하는 비율로 용해되는 경우에는 스프레이 노즐의 크기에 따른 제한으로 인하여 분사액의 분사가 원활히 수행되지 않는 문제가 있다.
그러나, 상기 PVDF 용해가 상기 범위로 제한되는 것은 아니며, 스프레이 코팅 장치, 용매의 종류 등의 공정환경과, 제조하고자 하는 β-상 PVDF 막의 두께 등을 고려하여 PVDF의 함량을 적절히 변경하여 용해시킬 수 있다.
아울러, 상기 단계 2의 스프레이 코팅이 수행될 시 기판은 100 내지 300 ℃의 온도로 가열되는 것이 바람직하다. 상기 기판이 100 내지 300 ℃의 온도로 가열됨에 따라 분사액에 포함된 용매들을 제거하여 PVDF 막을 제조할 수 있다. 이때, 상기 기판이 100 ℃ 미만의 온도로 가열되는 경우에는 용매의 제거에 많은 시간이 소비되는 문제가 있으며, 상기 기판이 300 ℃를 초과하는 온도로 가열되는 경우에는 PVDF 필름의 변형이 발생할 수 있는 문제가 있다.
한편, 상기 단계 2의 스프레이 코팅은 스프레이 코팅을 수행하는 시간에 따라 PVDF 막의 두께를 조절할 수 있으며, 예를 들어, 수백 nm 두께의 박막인 PVDF 막은 스프레이 코팅을 짧은 시간 동안 수행하여 제조될 수 있고, 수 내지 수십 μm 두께의 PVDF 필름은 스프레이 코팅을 상대적으로 장시간 동안 수행하여 제조될 수 있다. 따라서, 스프레이 코팅을 수행하는 시간을 적절히 조절하여 발전소자에 적용하기에 적합한 두께의 PVDF 필름을 제조할 수 있으며, 예를 들어, 1 내지 30 분 동안 스프레이코팅이 수행되어 PVDF 필름을 제조할 수 있으나, 상기 스프레이 코팅이 수행되는 시간이 이에 제한되는 것은 아니다.
나아가, 상기 단계 2의 스프레이 코팅은 질소와 같은 불활성 기체를 이용하여 수행될 수 있으며, 이를 통해 코팅 전 PVDF 막이 반응하는 등의 문제를 방지할 수 있다. 그러나, PVDF 자체가 반응성이 매우 낮은 물질로 알려져 있기 때문에, 상기 스프레이 코팅시 반드시 불활성 기체가 사용되어야 하는 것은 아니며,스프레이 코팅공정을 수행하는 조건에 따라 적절히 선택하여 사용할 수 있다.
한편, 상기 단계 2의 PVDF가 용해된 용액은 탄소나노튜브(CNT)를 더 포함할 수 있다.
일반적으로 전기 전도도 등의 전기적 특성이 우수한 것으로 알려진 탄소나노튜브는 PVDF에 첨가제로 첨가되는 경우, 압전특성을 향상시킬 수 있는 것으로 알려져 있으며, 이에 상기 PVDF가 용해된 용액은 탄소나노튜브를 더욱 포함할 수 있다.
이때, 상기 탄소나노튜브는 용매에 대하여 0.01 내지 0.1 중량%의 비율로 첨가되는 것이 바람직하다. 상기 범위로 탄소나노튜브가 첨가됨에 따라 제조되는 PVDF 막이 더욱 우수한 압전특성을 나타낼 수 있다.
이때, 상기 탄소나노튜브가 용매에 대하여 0.01 중량% 미만의 비율로 첨가되는 경우에는 탄소나노튜브의 첨가로 인한 압전특성 향상효과가 미흡한 문제가 있고, 상기 탄소나노튜브가 용매에 대하여 0.1 중량%를 초과하는 비율로 첨가되는 경우에는 CNT를 통한 도통(THROUGH-HOLE)으로 인하여 압전 특성을 얻기 어려운 문제가 있다.
본 발명에 따른 발전소자의 제조방법에 있어서, 단계 3은 상기 단계 2에서 스프레이 코팅된 PVDF 막 상부로, 표면에 반도체 나노선이 성장된 또 다른 기판을 삽입하는 단계이다.
즉, 상기 단계 3에서는 단계 2에서 스프레이 코팅된 PVDF 막으로 또 다른 반도체 나노선을 함몰시키는 단계로서, 이를 위해 표면에 반도체 나노선이 성장된 또 다른 기판을 상기 PVDF 막으로 삽입한다.
이를 통해 상기 PVDF 막의 양단면에 반도체 나노선이 함몰된 형태로 구비될 수 있다.
이때, 상기 단계 3의 삽입은 기판을 100 내지 300 ℃의 온도로 가열하며 수행될 수 있으며, 이를 통해 PVDF 막이 경화되기 전, 반도체 나노선을 PVDF 막 내부로 함몰시킬 수 있다.
본 발명에 따른 발전소자의 제조방법에 있어서, 단계 4는 반도체 나노선 및 PVDF 막을 기판으로부터 분리하는 단계이다.
상기 단계 4의 분리는 레이저 조사를 통해 수행될 수 있다. 이는 레이저 조사를 통해 얇은 PVDF 막을 손상 없이 기판으로부터 분리해낼 수 있기 때문으로, 상기 레이저 조사시에는 사용되는 기판에 따라 특정한 파장의 레이저를 사용하여 PVDF 막을 분리할 수 있다. 이때, 상기 단계 4의 분리가 상기 레이저 조사에 의해서만 수행되는 것은 아니며, PVDF 막을 손상없이 분리해낼 수 있는 수단이라면, 특별한 제한없이 상기 분리를 수행할 수 있다.
상기 단계 4의 분리를 수행함에 따라 반도체 나노선 및 PVDF 막, 상세하게는 PVDF 막, 및 상기 PVDF 막의 내부에 함몰된 반도체 나노선을 기판으로부터 분리해낼 수 있다.
본 발명에 따른 발전소자의 제조방법에 있어서, 단계 5는 상기 단계 4에서 분리된 반도체 나노선을 포함하는 PVDF 막의 일단면과, 상기 일단면과 대칭되는 타단면으로 음극부 및 양극부를 증착하는 단계이다.
상기 단계 4의 분리가 수행됨에 따라 양단면으로 반도체 나노선이 함몰된 PVDF 막이 제조된다. 상기 단계 5에서는 단계 4의 분리가 수행되어 제조된 PVDF 막의 일단면과, 상기 일단면과 대칭되는 타단면으로 음극부 및 양극부를 증착하여 발전소자를 제조한다.
이때, 상기 음극부 및 양극부는 알루미늄, 백금 및 금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속을 포함하는 금속전극인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 알루미늄 전극을 이용할 수 있으나, 상기 음극부 및 양극부가 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 상기 음극부 및 양극부는 PVDF 막의 일단면 및 타단면에 전극물질을 증착시켜 형성될 수 있다. 그러나, 상기 음극부 및 양극부의 형성이 상기 증착으로 제한되는 것은 아니며, 음극부 및 양극부를 형성시킬 수 있는 모든 수단 및 장치들을 선택하여 음극부 및 양극부를 형성시킬 수 있다.
(4)
PVDF
막의
양단면에
전극이 함몰된 구조인 나노발전소자의 제조방법
상기와 같이 본 발명은 β-상 PVDF를 이용하여 발전소자를 제조하되, 상기 β-상 PVDF막의 양단면으로 전극이 함몰된 구조인 나노발전소자의 제조방법을 제공하며, 상세하게는
기판 표면에 나노선을 성장시키는 단계(단계 1);
상기 단계 1에서 나노선이 성장된 기판으로 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidenefluoride, PVDF)가 용해된 용액을 스프레이 코팅하여 PVDF 막을 성막하는 단계(단계 2);
상기 단계 2에서 스프레이 코팅된 PVDF 상부로, 표면에 나노선이 성장된 또 다른 기판을 삽입하는 단계(단계 3);
나노선 및 PVDF 막을 기판으로부터 분리하는 단계(단계 4);
상기 단계 4에서 분리된 나노선 및 PVDF 막으로부터 나노선만을 제거하는 단계(단계 5);
상기 단계 5에서 나노선이 제거된 PVDF 막의 일단면과, 상기 일단면과 대칭되는 타단면으로 음극부 및 양극부를 증착하되, PVDF 막의 나노선이 제거된 부분으로 음극부 및 양극부를 삽입시키는 단계(단계 6);를 포함하는 발전소자의 제조방법을 제공한다.
이때, 본 발명에 따른 발전소자의 제조방법을 순차적으로 도시한 그림을 도 4에 나타내었으며, 이하 도면을 참조하여 본 발명에 따른 발전소자의 제조방법을 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 발전소자의 제조방법에 있어서, 단계 1은 기판 표면에 나노선을 성장시키는 단계이다.
이때, 상기 단계 1의 기판으로는 시중에서 용이하게 구할 수 있는 ITO가 코팅 유리기판을 사용할 수 있으며, 나노선을 성장시키기 위하여 상기 기판의 표면으로는 씨드층을 코팅하여 나노선을 성장시킬 수 있다.
한편, 상기 씨드층은 10-60 nm 두께로, 알루미늄(Al) 및 산화아연(ZnO)이 0.5-5:95-99.5 중량% 비율로 혼합된 것을 사용하여 기판 표면에 코팅될 수 있다. 그러나, 상기 씨드층의 코팅이 이에 제한되는 것은 아니며, 나노선의 성장에 적용될 수 있는 씨드층을 적절히 선택하여 기판으로 코팅할 수 있다.
상기 단계 1에 있어서, 나노선의 성장은 일반적인 나노선 성장방법을 제한없이 사용할 수 있으나, 수열합성법을 이용하는 것이 더욱 바람직하다.
또한, 상기 단계 1에서 성장되는 나노선은 길이가 1-10 ㎛이고, 직경이 30-70 nm인 것이 바람직하나, 상기 나노선의 길이 및 직경이 이에 제한되는 것은 아니다.
한편, 상기 단계 1의 나노선은 특별히 그 종류에 제한을 두지 않으며, 예를 들어, 산화아연(ZnO), 납-지르코늄-티타늄산화물(lead zirconate titanate; PZT), 티탄산바륨(BaTiO3), 티탄산 납 (PbTiO3), 질화알루미늄(AlN), 질화갈륨(GaN), 탄화실리콘(SiC) 등의 반도체 물질로 이루어진 나노선을 성장시킬 수 있으나, 단계 1의 나노선이 이에 제한되는 것은 아니다.
한편, 본 발명에 따른 상기 제조방법은 상기 단계 1에서 나노선을 성장시키기 전, 기판 표면에 이형층을 형성시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
이는 추후, 나노선을 기판으로부터 분리해낼 때, 분리를 더욱 용이하게 수행하기 위한 것으로서, 상기 이형층은 나노선과 기판의 분리를 용이하게 할 수 있다면, 특별히 제한되지 않는다.
본 발명에 따른 발전소자의 제조방법에 있어서, 단계 2는 상기 단계 1에서 나노선이 성장된 기판으로 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidenefluoride, PVDF)가 용해된 용액을 스프레이 코팅하여 PVDF 막을 성막하는 단계이다.
상기 단계 2에서는 PVDF 막, 상세하게는 β-상 PVDF 막을 성막시키기 위하여, 원료물질인 PVDF를 용매에 용해시킨 용액을 제조한 후 이를 스프레이 코팅하여 PVDF 막을 성막한다.
PVDF는 제조 조건에 따라 4 가지의 결정구조 (α,β,γ,δ)를 갖는 것으로 알려져 있다. 그러나, α-결정은 분자쇄가 "trans-gauche-transgauche"으로 되어있으므로 분자쇄 자체의 분극도는 매우 작다. 또한 결정격자 내에서 이들 분자쇄가 서로 마주보게 분자쇄가 배열되어 있어 α-결정의 총 분극도가 0이 되어 강유전성을 가질 수 없다.
반면, β-상은 분자쇄가 모두 트랜스(all-trans) 형태로 되어 있어 분자쇄 자체의 분극도가 가장 큰 동시에 결정격자 내에서도 모든 분자쇄가 동일한 방향으로 배열되어 있어 최대의 분극도를 나타낼 수 있다. 따라서, 압전 또는 초전재료로 사용되는 PVDF 필름은 가능한 많은 β-상을 갖는 것이 바람직하다.
이때, β-상의 PVDF를 가장 용이하게 얻는 방법으로는 용융공정을 거쳐 제조된 α-결정 필름을 일축 또는 이축으로 연신하는 방법이 이용되고 있으나, 실제 공정에서는 연신비가 한계가 있기 때문에 β-상만을 함유한 시료를 제조하는 것은 매우 어렵고, 대면적 필름을 제조하기 어려운 문제가 있었다. 또한, 공정과정이 복잡하고, 오랜시간이 소모되며, 불량률이 높은 문제가 있었다.
또한, PVDF 필름에 고전계를 인가하여 β-상의 PVDF를 제조하는 방법이 개시된 바 있으나, 이 또한 대면적 필름의 제조가 어렵고, 필름내에 기공(pore)가 발생하여 기공 내로 전극물질이 침투하는 경우 단락현상이 발생하는 문제가 있었다.
반면, 본 발명에 따른 상기 단계 2에서 PVDF가 용해된 용액을 스프레이 코팅하여 β-상 PVDF 막을 성막하고 있으며, 이를 통해 종래의 연신 및 폴링공정을 통해 제조되었던 β-상의 PVDF막을 매우 간단하게 제조할 수 있다.
한편, 상기 스프레이 코팅에 있어서 PVDF가 용해된 용액은 PVDF를 용매에 용해시켜 간단히 제조할 수 있다. 이때, 상기 용매는 PVDF를 용해시킬 수 있는 용매를 적절히 선택하여 사용할 수 있으며, 바람직하게는 NMP(N-Methyl-2-pyrrolidone), DMF(Dimethylformamide), 1,4-Dioxane(1,4-Diethyleneoxide) 등을 사용할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 NMP를 용매로서 사용할 수 있으나, 상기 용매가 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 PVDF가 용해된 용액은 원료물질인 PVDF를 용매에 대하여 1 내지 10 중량%의 비율로 용해시켜 제조될 수 있다. 이때, PVDF가 용매에 대하여 1 중량% 미만의 비율로 용해되는 경우에는 원료물질인 PVDF가 분사액에 소량 포함됨에 따라 스프레이 코팅을 통해 PVDF 필름을 제조하는 데 오랜 시간이 요구되는 문제가 있으며, 상기 PVDF가 용매에 대하여 10 중량%를 초과하는 비율로 용해되는 경우에는 스프레이 노즐의 크기에 따른 제한으로 인하여 분사액의 분사가 원활히 수행되지 않는 문제가 있다.
그러나, 상기 PVDF 용해가 상기 범위로 제한되는 것은 아니며, 스프레이 코팅 장치, 용매의 종류 등의 공정환경과, 제조하고자 하는 β-상 PVDF 막의 두께 등을 고려하여 PVDF의 함량을 적절히 변경하여 용해시킬 수 있다.
아울러, 상기 단계 2의 스프레이 코팅이 수행될 시 기판은 100 내지 300 ℃의 온도로 가열되는 것이 바람직하다. 상기 기판이 100 내지 300 ℃의 온도로 가열됨에 따라 분사액에 포함된 용매들을 제거하여 PVDF 막을 제조할 수 있다. 이때, 상기 기판이 100 ℃ 미만의 온도로 가열되는 경우에는 용매의 제거에 많은 시간이 소비되는 문제가 있으며, 상기 기판이 300 ℃를 초과하는 온도로 가열되는 경우에는 PVDF 필름의 변형이 발생할 수 있는 문제가 있다.
한편, 상기 단계 2의 스프레이 코팅은 스프레이 코팅을 수행하는 시간에 따라 PVDF 막의 두께를 조절할 수 있으며, 예를 들어, 수백 nm 두께의 박막인 PVDF 막은 스프레이 코팅을 짧은 시간 동안 수행하여 제조될 수 있고, 수 내지 수십 μm 두께의 PVDF 필름은 스프레이 코팅을 상대적으로 장시간 동안 수행하여 제조될 수 있다. 따라서, 스프레이 코팅을 수행하는 시간을 적절히 조절하여 발전소자에 적용하기에 적합한 두께의 PVDF 필름을 제조할 수 있으며, 예를 들어, 1 내지 30 분 동안 스프레이코팅이 수행되어 PVDF 필름을 제조할 수 있으나, 상기 스프레이 코팅이 수행되는 시간이 이에 제한되는 것은 아니다.
나아가, 상기 단계 2의 스프레이 코팅은 질소와 같은 불활성 기체를 이용하여 수행될 수 있으며, 이를 통해 코팅 전 PVDF 막이 반응하는 등의 문제를 방지할 수 있다. 그러나, PVDF 자체가 반응성이 매우 낮은 물질로 알려져 있기 때문에, 상기 스프레이 코팅시 반드시 불활성 기체가 사용되어야 하는 것은 아니며,스프레이 코팅공정을 수행하는 조건에 따라 적절히 선택하여 사용할 수 있다.
한편, 상기 단계 2의 PVDF가 용해된 용액은 탄소나노튜브(CNT)를 더 포함할 수 있다.
일반적으로 전기 전도도 등의 전기적 특성이 우수한 것으로 알려진 탄소나노튜브는 PVDF에 첨가제로 첨가되는 경우, 압전특성을 향상시킬 수 있는 것으로 알려져 있으며, 이에 상기 PVDF가 용해된 용액은 탄소나노튜브를 더욱 포함할 수 있다.
이때, 상기 탄소나노튜브는 용매에 대하여 0.01 내지 0.1 중량%의 비율로 첨가되는 것이 바람직하다. 상기 범위로 탄소나노튜브가 첨가됨에 따라 제조되는 PVDF 막이 더욱 우수한 압전특성을 나타낼 수 있다.
이때, 상기 탄소나노튜브가 용매에 대하여 0.01 중량% 미만의 비율로 첨가되는 경우에는 탄소나노튜브의 첨가로 인한 압전특성 향상효과가 미흡한 문제가 있고, 상기 탄소나노튜브가 용매에 대하여 0.1 중량%를 초과하는 비율로 첨가되는 경우에는 CNT를 통한 도통(THROUGH-HOLE)으로 인하여 압전 특성을 얻기 어려운 문제가 있다.
본 발명에 따른 발전소자의 제조방법에 있어서, 단계 3은 상기 단계 2에서 스프레이 코팅된 PVDF 상부로, 표면에 나노선이 성장된 또 다른 기판을 삽입하는 단계이다.
즉, 상기 단계 3에서는 단계 2에서 스프레이 코팅된 PVDF 막으로 또 다른 나노선을 삽입시키는 단계로서, 이를 위해 표면에 나노선이 성장된 또 다른 기판을 상기 PVDF 막으로 삽입한다.
이를 통해 상기 PVDF 막의 양단면에 나노선이 함몰된 형태로 구비될 수 있다.
이때, 상기 단계 3의 삽입은 기판을 100 내지 300 ℃의 온도로 가열하며 수행될 수 있으며, 이를 통해 PVDF 막이 경화되기 전, 나노선을 PVDF 막 내부로 함몰시킬 수 있다.
본 발명에 따른 발전소자의 제조방법에 있어서, 단계 4는 나노선 및 PVDF 막을 기판으로부터 분리하는 단계이다.
상기 단계 4의 분리는 레이저 조사를 통해 수행될 수 있다. 이는 레이저 조사를 통해 얇은 PVDF 막을 손상 없이 기판으로부터 분리해낼 수 있기 때문으로, 상기 레이저 조사시에는 사용되는 기판에 따라 특정한 파장의 레이저를 사용하여 PVDF 막을 분리할 수 있다. 이때, 상기 단계 4의 분리가 상기 레이저 조사에 의해서만 수행되는 것은 아니며, PVDF 막을 손상없이 분리해낼 수 있는 수단이라면, 특별한 제한없이 상기 분리를 수행할 수 있다.
상기 단계 4의 분리를 수행함에 따라 나노선 및 PVDF 막, 상세하게는 PVDF 막, 및 상기 PVDF 막의 내부에 함몰된 나노선을 기판으로부터 분리해낼 수 있다.
본 발명에 따른 발전소자의 제조방법에 있어서, 단계 5는 상기 단계 4에서 분리된 나노선 및 PVDF 막으로부터 나노선만을 제거하는 단계이다.
상기 단계 4에서 나노선이 제거됨에 따라, PVDF 막의 나노선이 위치하였던 자리는 빈 공간으로 형성된다.
이때, 상기 단계 4의 나노선 제거는 나노선 및 PVDF 막을 산성용액으로 침지시켜 수행될 수 있다. 이때, 상기 산성 용액은 염산 등의 산성용액을 희석하여 사용할 수 있다. 그러나, 상기 단계 4의 나노선 제거가 이에 제한되는 것은 아니며, PVDF 막에 손상이 가해지는 것을 방지하며 나노선을 용이하게 제거할 수 있는 수단 또는 장치를 이용하여 수행될 수 있다.
본 발명에 따른 발전소자의 제조방법에 있어서, 단계 6은 상기 단계 5에서 나노선이 제거된 PVDF 막의 일단면과, 상기 일단면과 대칭되는 타단면으로 음극부 및 양극부를 증착하되, PVDF 막의 나노선이 제거된 부분으로 음극부 및 양극부를 삽입시키는 단계이다.
상기 단계 5에서 나노선이 제거됨에 따라 PVDF 막의 나노선이 위치하였던 자리, 즉 PVDF 막의 양단면에는 나노선이 제거되어 형성된 빈 공간이 구비된다. 상기 단계 6에서는 이와 같이 나노선이 제거된 PVDF 막의 일단면과, 상기 일단면과 대칭되는 타단면으로 음극부 및 양극부를 증착하여 발전소자를 제조하며, 상기 음극부 및 양극부는 그 일부가 PVDF 막의 빈 공간으로 삽입된 형태로 증착된다.
즉, 음극부 및 양극부의 일부가 PVDF 막의 내부로 삽입된 형태로 증착되며, 이에 따라 음극부 또는 양극부와 PVDF 막의 접촉면적이 증가될 수 있다. 이러한 경우, β-PVDF만으로 발전소자를 제조하였음에도 불구하고 발전 효율을 크게 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
이때, 상기 음극부 및 양극부는 알루미늄, 백금 및 금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속을 포함하는 금속전극인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 알루미늄 전극을 이용할 수 있으나, 상기 음극부 및 양극부가 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 상기 음극부 및 양극부는 PVDF 막의 일단면 및 타단면에 전극물질을 증착시켜 형성될 수 있다. 그러나, 상기 음극부 및 양극부의 형성이 상기 증착으로 제한되는 것은 아니며, 음극부 및 양극부를 형성시킬 수 있는 모든 수단 및 장치들을 선택하여 음극부 및 양극부를 형성시킬 수 있다.
나아가, 본 발명은
상기 제조방법으로 제조되며,
PVDF 막의 내부로 반도체 나노선이 함몰된 이종접합 구조인 나노발전소자를 제공한다.
또한, 본 발명은
상기 제조방법으로 제조되며,
음극부, 양극부, 또는 음극부 및 양극부 모두인 전극의 일부가 PVDF 막의 내부로 삽입되어 있는 나노발전소자를 제공한다.
본 발명에 따른 상기 나노발전소자들은 상기 제조방법들에 의해 제조됨에 따라 반도체 나노선, 또는 전극(음극부, 양극부, 또는 음극부 및 양극부 모두)이 PVDF 막의 내부로 함몰(또는 삽입)된 구조를 갖는다.
이와 같이, 반도체 나노선이 PVDF 막의 내부로 함몰된 구조인 나노발전소자들은 반도체 나노선과 PVDF의 이종접합에 의하여 기존의 나노선 또는 PVDF만을 이용하여 제조된 나노발전소자와 비교하여 발전 효율이 크게 향상되는 효과가 있다.
또한, 전극의 일부가 PVDF 막의 내부로 삽입된 구조인 나노발전소자 역시 PVDF 막과 전극과의 접촉면적을 더욱 증가시킬 수 있어 종래의 나노발전소자와 비교하여 발전 효율을 크게 향상시킬 수 있다.
나아가, β-PVDF에 탄소나노튜브(CNT)가 더욱 첨가되는 경우 나노발전소자의 발전 효율을 더욱 증대시킬 수 있다.
Claims (14)
- 기판 표면에 반도체 나노선을 성장시키는 단계(단계 1);
상기 단계 1에서 반도체 나노선이 성장된 기판으로 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidenefluoride, PVDF)가 용해된 용액을 스프레이 코팅하여 PVDF 막을 성막하는 단계(단계 2);
단계 2에서 성막된 PVDF 막을 기판으로부터 분리하는 단계(단계 3);
상기 단계 3에서 분리된 반도체 나노선을 포함하는 PVDF 막의 일단면과, 상기 일단면과 대칭되는 타단면으로 음극부 및 양극부를 증착하는 단계(단계 4);를 포함하는 발전소자의 제조방법.
- 기판 표면에 나노선을 성장시키는 단계(단계 1);
상기 단계 1에서 나노선이 성장된 기판으로 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidenefluoride, PVDF)가 용해된 용액을 스프레이 코팅하여 PVDF 막을 성막하는 단계(단계 2);
단계 2에서 성막된 PVDF 막을 기판으로부터 분리하는 단계(단계 3);
상기 단계 3에서 분리된 PVDF 막으로부터 나노선만을 제거하는 단계(단계 4);
상기 단계 4에서 나노선이 제거된 PVDF 막의 일단면과, 상기 일단면과 대칭되는 타단면으로 음극부 및 양극부를 증착하되, PVDF 막의 나노선이 제거된 부분으로 음극부 또는 양극부를 삽입시키는 단계(단계 5);를 포함하는 발전소자의 제조방법.
- 기판 표면에 반도체 나노선을 성장시키는 단계(단계 1);
상기 단계 1에서 반도체 나노선이 성장된 기판으로 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidenefluoride, PVDF)가 용해된 용액을 스프레이 코팅하여 PVDF 막을 성막하는 단계(단계 2);
상기 단계 2에서 스프레이 코팅된 PVDF 막 상부로, 표면에 반도체 나노선이 성장된 또 다른 기판을 삽입하는 단계(단계 3);
반도체 나노선 및 PVDF 막을 기판으로부터 분리하는 단계(단계 4);
상기 단계 4에서 분리된 반도체 나노선을 포함하는 PVDF 막의 일단면과, 상기 일단면과 대칭되는 타단면으로 음극부 및 양극부를 증착하는 단계(단계 5);를 포함하는 발전소자의 제조방법.
- 기판 표면에 나노선을 성장시키는 단계(단계 1);
상기 단계 1에서 나노선이 성장된 기판으로 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidenefluoride, PVDF)가 용해된 용액을 스프레이 코팅하여 PVDF 막을 성막하는 단계(단계 2);
상기 단계 2에서 스프레이 코팅된 PVDF 상부로, 표면에 나노선이 성장된 또 다른 기판을 삽입하는 단계(단계 3);
나노선 및 PVDF 막을 기판으로부터 분리하는 단계(단계 4);
상기 단계 4에서 분리된 나노선 및 PVDF 막으로부터 나노선만을 제거하는 단계(단계 5);
상기 단계 5에서 나노선이 제거된 PVDF 막의 일단면과, 상기 일단면과 대칭되는 타단면으로 음극부 및 양극부를 증착하되, PVDF 막의 나노선이 제거된 부분으로 음극부 및 양극부를 삽입시키는 단계(단계 6);를 포함하는 발전소자의 제조방법.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 나노선은 산화아연(ZnO), 납-지르코늄-티타늄산화물(lead zirconate titanate; PZT), 티탄산바륨(BaTiO3), 티탄산 납 (PbTiO3), 질화알루미늄(AlN), 질화갈륨(GaN), 및 탄화실리콘(SiC)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종을 포함하는 것을 특징으로 하는 발전소자의 제조방법.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 PVDF가 용해된 용액은 탄소나노튜브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발전소자의 제조방법.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 나노선 및 PVDF 막의 분리는 레이저 조사를 통해 수행되는 것을 특징으로 하는 발전소자의 제조방법.
- 제2항 또는 제4항에 있어서, 상기 나노선의 제거는 산성용액으로의 침지를 통해 수행되는 것을 특징으로 하는 발전소자의 제조방법.
- 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 단계 3의 삽입은 기판을 100 내지 300 ℃의 온도로 가열하며 수행되는 것을 특징으로 하는 발전소자의 제조방법.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 음극부 및 양극부는 알루미늄, 백금 및 금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속을 포함하는 금속전극인 것을 특징으로 하는 발전소자의 제조방법.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 PVDF 막은 β상 PVDF 막인 것을 특징으로 하는 발전소자의 제조방법.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 나노선을 성장시키기 전, 기판 표면에 이형층을 형성시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발전소자의 제조방법.
- 제1항 또는 제3항의 제조방법으로 제조되며,
PVDF 막의 내부로 반도체 나노선이 함몰된 이종접합 구조인 나노발전소자.
- 제2항 또는 제4항의 제조방법으로 제조되며,
음극부, 양극부, 또는 음극부 및 양극부 모두인 전극의 일부가 PVDF 막의 내부로 삽입되어 있는 나노발전소자.
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|---|---|---|---|---|
| KR20160032485A (ko) * | 2014-09-16 | 2016-03-24 | 국방과학연구소 | 압전소자의 제조방법 |
| CN105540535A (zh) * | 2015-12-29 | 2016-05-04 | 陕西科技大学 | 一种制备多尺度高γ相聚偏氟乙烯中空纳米线的方法 |
| CN113764570A (zh) * | 2021-09-08 | 2021-12-07 | 全球能源互联网研究院有限公司 | 一种压电结构及其制备方法 |
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2013
- 2013-02-13 KR KR1020130015360A patent/KR20140102005A/ko not_active Application Discontinuation
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| CN105540535A (zh) * | 2015-12-29 | 2016-05-04 | 陕西科技大学 | 一种制备多尺度高γ相聚偏氟乙烯中空纳米线的方法 |
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