KR20150025184A - 에너지 하베스팅 소자 및 이의 제조방법 - Google Patents

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energy harvesting
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이상효
고원배
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한양대학교 산학협력단
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Abstract

에너지 하베스팅 소자 및 이의 제조방법을 제공한다. 에너지 하베스팅 소자는 제1 기판, 상기 제1 기판 상에 위치하는 제1 전극, 상기 제1 전극 상에 위치하는 나노구조체 씨앗층, 상기 나노구조체 씨앗층 상에 위치하는 제1 나노구조체, 상기 제1 나노구조체 사이를 메우며, 상기 제1 나노구조체 상에 위치하는 폴리머층, 상기 폴리머층 상에 위치하되, 상기 폴리머층과 마찰 가능하게 위치하는 제2 전극 및 상기 제2 전극 상에 위치하는 제2 기판을 포함한다. 따라서, 나노구조체를 이용하여 폴리머층과 제2 전극 사이의 표면적을 넓힘으로써, 전압과 전류 특성이 향상된 마찰전기를 이용한 에너지 하베스팅 소자를 제공할 수 있다.

Description

에너지 하베스팅 소자 및 이의 제조방법{Energy harvesting device and manufacturing of the same}
본 발명은 에너지 하베스팅 소자 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 나노 구조체 기반의 마찰전기를 이용한 에너지 하베스팅 소자 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
에너지 하베스팅(Energy harvesting)은 환경 중의 에너지를 수확(Harvest)해 전력으로 변환하는 기술이다.
우리 주변은 열, 진동, 빛, 전파 등 다양한 형태의 에너지로 차 있다. 그 에너지의 대부분은 희박한 상태로 존재하고 있어 유효하게 활용되지 못하고 있다.
그러한 미이용 에너지를 수확해 전력이라는 사용하기 쉬운 형태로 변환해 활용하기 위한 기술이 에너지 하베스팅이다.
에너지 하베스팅 소자 중 마찰전기(triboelectric)를 이용한 나노제너레이터(nanogenerator)는 뛰어난 전력특성을 보여주며 많은 연구원들의 관심을 끌고 있다.
이러한 마찰전기를 이용한 나노제너레이터의 전력특성은 크게 3가지 요인으로 결정된다.
먼저 마찰전기를 발생시켜주는 물질로 얼마나 많은 표면에 전하를 유도할 수 있는 가를 결정해주는 요소이다.
그리고 두 물질 사이의 거리가 중요한 역할을 하는데 두 물질 사이의 거리가 멀수록 유리하다.
마지막으로 두 물질 사이의 표면적이다. 표면적이 넓으면 넓을수록 전하가 유도될 수 있는 면적이 넓어지고 그에 따라서 전체적인 전하량이 증가하여 전압과 전류 특성을 증가시킨다.
종래의 마찰전기를 이용한 나노제너레이터는 마찰전기 물질의 표면적을 넓히기 위하여 포토리소그래피 방법을 이용하여 패터닝을 한 이후에 식각을 하는 방법 등을 이용하여 표면적을 넓히는 방법을 이용하였다.
이러한 포토리소그래피 방법을 이용한 패터닝 기술은 에너지 하베스팅 소자를 제작 단가를 높이게 되는 문제점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 포토리소그래피를 이용한 패터닝 방법을 사용하는 대신에 나노 구조체를 이용하여 표면적을 증가시킨 마찰전기를 이용한 에너지 하베스팅 소자 및 이의 제조방법을 제공함에 있다.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 마찰전기를 이용한 에너지 하베스팅 소자를 제공한다. 이러한 에너지 하베스팅 소자는 제1 기판, 상기 제1 기판 상에 위치하는 제1 전극, 상기 제1 전극 상에 위치하는 나노구조체 씨앗층, 상기 나노구조체 씨앗층 상에 위치하는 제1 나노구조체, 상기 제1 나노구조체 사이를 메우며, 상기 제1 나노구조체 상에 위치하는 폴리머층, 상기 폴리머층 상에 위치하되, 상기 폴리머층과 마찰 가능하게 위치하는 제2 전극 및 상기 제2 전극 상에 위치하는 제2 기판을 포함할 수 있다.
상기 제1 기판 및 상기 제2 기판 중 적어도 어느 하나의 기판은 플렉서블 기판인 것을 특징으로 한다.
상기 폴리머층의 상부 표면 형상은 상기 제1 나노구조체의 모폴로지에 따라 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 제1 나노구조체는 나노와이어, 나노튜브 또는 나노입자인 것을 특징으로 한다.
상기 제1 나노구조체는 산화물, p형 반도체 또는 금속 물질로 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기 산화물은 ZnO인 것을 특징으로 한다.
상기 제2 전극의 하부에 위치하는 제2 나노구조체를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제2 나노구조체는 나노와이어, 나노튜브 또는 나노입자인 것을 특징으로 한다.
상기 제2 나노구조체는 p형 반도체 또는 금속 물질로 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 다른 측면은 마찰전기를 이용한 에너지 하베스팅 소자 제조방법을 제공한다. 이러한 에너지 하베스팅 소자 제조방법은 제1 기판 상에 제1 전극을 형성하는 단계, 상기 제1 전극 상에 나노구조체 씨앗층을 형성하는 단계, 상기 나노구조체 씨앗층 상에 수열합성법을 이용하여 제1 나노구조체를 성장시키는 단계, 상기 성장된 제1 나노구조체 사이를 메우며, 상기 제1 나노구조체 상에 폴리머층을 형성하는 단계, 제2 기판 상에 제2 전극을 형성하는 단계 및 상기 폴리머층 상에 상기 제2 전극을 상기 폴리머층과 마찰 가능하게 위치시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 폴리머층을 형성하는 단계는, 스핀코팅법을 이용하여 상기 제1 나노구조체 사이를 메우는 것을 특징으로 하고, 상기 폴리머층의 상부 표면 형상은 상기 제1 나노구조체의 모폴로지에 따라 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 나노구조체를 이용하여 폴리머층과 제2 전극 사이의 표면적을 넓힘으로써, 전압과 전류 특성이 향상된 마찰전기를 이용한 에너지 하베스팅 소자를 제공할 수 있다.
또한, 나노구조체를 압전특성을 가지는 물질을 사용함으로써, 압전효과에 따른 에너지도 동시에 획득할 수 있다.
또한, 포토리소그래피 공정 대신에 나노구조체를 이용하여 폴리머층의 표면적을 넓힐 수 있는 값싸고 쉬운 공정방법을 이용하여 마찰전기를 이용한 에너지 하베스팅 소자 제조방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 기술적 효과들은 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기를 이용한 에너지 하베스팅 소자의 일 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기를 이용한 에너지 하베스팅 소자의 일 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기를 이용한 에너지 하베스팅 소자의 일 단면도이다.
도 4는 비교예에 따라 제조된 에너지 하베스팅 소자의 PDMS층의 SEM 이미지이다.
도 5는 제조예 1에 따라 제조된 에너지 하베스팅 소자의 PDMS층의 SEM 이미지이다.
도 6은 비교예에 따라 제조된 에너지 하베스팅 소자의 전력 특성 그래프이다.
도 7은 제조예 1에 따라 제조된 에너지 하베스팅 소자의 전력 특성 그래프이다.
도 8 및 도 9은 제조예 2에 따라 제조된 에너지 하베스팅 소자의 제2 전극의 SEM 이미지들이다.
도 10은 제조예 2에 따라 제조된 에너지 하베스팅 소자의 PDMS층의 SEM 이미지이다.
도 11은 제조예 2에 따라 제조된 에너지 하베스팅 소자의 전력 특성 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다.
층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 구성요소 "상(on)"에 존재하는 것으로 언급될 때, 이것은 직접적으로 다른 요소 상에 존재하거나 또는 그 사이에 중간 요소가 존재할 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
비록 제1, 제2 등의 용어가 여러 가지 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들을 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 이러한 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들은 이러한 용어에 의해 한정되어서는 안 된다는 것을 이해할 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기를 이용한 에너지 하베스팅 소자를 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기를 이용한 에너지 하베스팅 소자의 일 단면도이다.
도 1을 참조하면, 마찰전기를 이용한 에너지 하베스팅 소자는 제1 기판(100), 제1 전극(200), 나노구조체 씨앗층(300), 제1 나노구조체(400), 폴리머층(500), 제2 전극(600) 및 제2 기판(700)을 포함한다.
이 때, 제1 기판(100)은 소자를 지지하기 위해 사용되는 것으로 유리, 석영(quartz) 및 Al2O3 중에서 선택되는 투명 무기물 기판 또는 PET(polyethylene terephthlate), PES(polyethersulfone), PS(polystyrene), PC(polycarbonate), PI(polyimide), PEN(polyethylene naphthalate) 및 PAR(polyarylate) 중에서 선택되는 투명 유기물 기판일 수 있다.
이러한 제1 기판(100)은 플렉서블(flexible) 기판일 수 있다. 예를 들어, 제1 기판(100)은 플렉서블한 PET 기판일 수 있다.
제1 전극(200)은 제1 기판(100) 상에 위치한다. 제1 전극(200)은 전도성을 가지는 것으로, 금속 계열 또는 투명 전도성 산화물(transparent conducting oxide)을 포함할 수 있다.
이때의 금속은 Pt, Ru, Al, Ir, W 또는 Cu 일 수 있으며, 상기 투명 전도성 산화물은 ITO(Indium Tin Oxide), 도핑된 ZnO(AZO: Al 도핑, GZO: Ga 도핑, IZO: In 도핑, IGZO: In 및 Ga 도핑, MZO: Mg 도핑), Al 또는 Ga가 도핑된 MgO, Sn이 도핑된 In2O3, F가 도핑된 SnO2 또는 Nb가 도핑된 TiO2 일 수 있다.
예를 들어, 제1 전극(200)은 ITO 전극일 수 있다.
나노구조체 씨앗층(300)은 제1 전극(200) 상에 위치한다. 나노구조체 씨앗층(300)은 후술하는 제1 나노구조체(400)를 성장시키기 위한 씨앗 역할을 한다.
예를 들어, ZnO 나노와이어를 성장시키기 위한 나노구조체 씨앗층(300)으로 ZnO 박막을 이용할 수 있다.
제1 나노구조체(400)는 나노구조체 씨앗층(300) 상에 위치한다. 이러한 제1 나노구조체는 수열합성법을 이용하여 나노구조체 씨앗층으로부터 성장될 수 있다.
이러한 제1 나노구조체(400)는 나노와이어, 나노튜브 또는 나노입자일 수 있다.
또한, 이러한 제1 나노구조체(400)는 산화물, p형 반도체 또는 금속 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 산화물 나노구조체는 ZnO 나노구조체일 수 있다.
이 때, 만일 제1 나노구조체(400)가 압전 특성을 가지는 물질인 경우, 압전효과에 따른 에너지도 동시에 획득할 수 있다. 예컨대, ZnO는 압전 특성을 갖는 물질이므로, 제1 나노구조체(400)로 ZnO 나노구조체를 사용할 경우, 마찰전기를 통해 에너지를 발생시킴과 동시에 ZnO의 압전효과에 따른 에너지를 발생시킬 수 있다. 따라서, 에너지 수집효율이 보다 향상될 수 있다.
폴리머층(500)은 제1 나노구조체(400) 사이를 메우며, 제1 나노구조체(400) 상에 위치한다.
이러한 폴리머층(500)은 마찰전기를 발생시킬 수 있는 폴리머 물질이면 어느 것이나 가능할 것이다. 예를 들어, 이러한 폴리머 물질은 PDMS(polydimethylsiloxane)을 포함할 수 있다.
이 때의 폴리머층(500)의 상부 표면 형상은 제1 나노구조체(400)의 모폴로지에 따라 형성될 수 있다. 즉, 제1 나노구조체(400) 상에 폴리머층(500)을 형성함으로써, 폴리머층(500)의 상부 표면은 제1 나노구조체(400)의 모폴로지를 따르게 된다.
결국, 폴리머층(500)의 상부 표면이 편평한 형태를 갖는 경우에 비하여 폴리머층(500)의 상부 표면적이 보다 넓어지기 때문에, 전하가 유도될 수 있는 면적이 넓어진다. 따라서, 전체적인 전하량이 증가하여 전압과 전류 특성을 증가시킬 수 있다.
제2 전극(600)은 폴리머층(500) 상에 위치한다. 이러한 제2 전극(600)은 전도성 물질이면서, 폴리머층(500)과의 마찰을 통하여 마찰전기를 생성시킬 수 있는 물질이면 어느 것이나 가능할 것이다. 예를 들어, 제2 전극(600)은 알루미늄 전극일 수 있다.
이 때, 제2 전극(600)과 폴리머층(500) 사이의 거리는 마찰 가능하게 설정하는 것이 바람직하다. 즉, 이러한 제2 전극(600)과 폴리머층(500) 사이의 거리는 본 발명 소자에 일정 압력을 가할 경우 제2 전극(600)과 폴리머층(500)이 접촉(contact)되고, 압력을 해제할 경우 제2 전극(600)과 폴리머층(500)이 분리(separating)되면서, 마찰에 의한 전기가 생성될 수 있는 거리를 의미한다.
제2 기판(700)은 제2 전극(600) 상에 위치한다. 이러한 제2 기판(600)은 플렉서블 기판일 수 있다. 예를 들어, 제2 기판(600)은 플렉서블한 PET 기판일 수 있다.
한편, 이때의 제1 기판(100) 및 제2 기판(700) 중 적어도 어느 하나의 기판은 플렉서블 기판일 수 있다.
따라서, 본 발명에 따르면, 제1 나노구조체(400)를 이용하여 폴리머층(500)의 표면적을 넓힘으로써, 전압과 전류 특성이 향상된 마찰전기를 이용한 에너지 하베스팅 소자를 제공할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰전기를 이용한 에너지 하베스팅 소자를 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기를 이용한 에너지 하베스팅 소자의 일 단면도이다.
도 2를 참조하면, 마찰전기를 이용한 에너지 하베스팅 소자는 제1 기판(100), 제1 전극(200), 나노구조체 씨앗층(300), 제1 나노구조체(400), 폴리머층(500), 제2 전극(600) 및 제2 기판(700)을 포함한다.
이 때, 제2 전극(600) 하부에 제2 나노구조체(610)가 더 위치하는 점을 제외하고 도 1에서 상술한 바와 동일한 바, 이에 대한 설명은 생략한다.
따라서, 이하, 제2 나노구조체(610)와 관련하여 구체적으로 설명한다.
제2 나노구조체(610)는 제2 전극(600)의 하부에 위치한다. 즉, 폴리머층(500)과 마주보는 제2 전극(600)의 일면 상에 위치한다.
이러한 제2 나노구조체(610)는 나노와이어, 나노튜브 또는 나노입자일 수 있다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이 나노입자일 수 있다.
또한, 이러한 제2 나노구조체(610)는 p형 반도체 또는 금속 물질로 이루어진 것을 특징으로 한다. 예를 들어 제2 나노구조체(610)는 Al으로 이루어질 수 있다.
따라서, 제2 나노구조체(610) 존재는 결과적으로 폴리머층(500)과 마찰을 일으키는 제2 전극(600)의 표면적을 넓혀주는 효과가 있다.
따라서, 본 발명에 따르면, 제2 나노구조체(610)를 이용하여 제2 전극(600)의 표면적을 넓힘으로써, 전압과 전류 특성이 향상된 마찰전기를 이용한 에너지 하베스팅 소자를 제공할 수 있다.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기를 이용한 에너지 하베스팅 소자의 일 단면도이다.
도 3을 참조하면, 마찰전기를 이용한 에너지 하베스팅 소자는 제1 기판(100), 제1 전극(200), 나노구조체 씨앗층(300), 제1 나노구조체(400), 폴리머층(500), 제2 전극(600) 및 제2 기판(700)을 포함한다.
이 때, 제2 전극(600) 하부에 위치하는 제2 나노구조체(620)가 나노와이어 형태인 점을 제외하고 도 2에서 상술한 바와 동일한 바, 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기를 이용한 에너지 하베스팅 소자 제조방법을 설명한다. 도 1의 구조를 제조하는 것을 예로 한다.
먼저, 제1 기판(100) 상에 제1 전극(200)을 형성한다. 이는 열기상 증착, 전자빔 증착, RF 스퍼터링법 또는 마그네트론 스퍼터링법 등을 통해 형성될 수 있다.
다음에, 제1 전극(200) 상에 나노구조체 씨앗층(300)을 형성한다. 예를 들어, 스퍼터링 방법을 통하여 나노구조체 씨앗층(300)을 형성할 수 있다.
다음에, 나노구조체 씨앗층(300) 상에 수열합성법을 이용하여 제1 나노구조체(400)를 성장시킨다.
다음에, 성장된 제1 나노구조체(400) 사이를 메우며, 제1 나노구조체(400) 상에 폴리머층(500)을 형성한다.
이러한 폴리머층(500)을 형성하는 단계는, 스핀코팅법을 이용하여 제1 나노구조체(400) 사이를 폴리머 물질로 메우면서 제1 나노구조체(400) 상에 폴리머층(500)을 형성할 수 있다.
따라서, 폴리머층(500)의 상부 표면 형상은 제1 나노구조체(400)의 모폴로지에 따라 형성될 수 있다.
이 때, 제1 나노구조체(400) 사이로 폴리머 물질이 채워질 수 있는 점도 조건을 갖도록 폴리머 물질의 농도를 조절할 수 있다.
예를 들어, PDMS 폴리머의 농도를 헥산을 이용하여 낮춘 희석된 PDMS 폴리머를 산화아연 나노와이어 상에 스핀코팅하여 산화아연 나노와이어 사이를 메우며, 산화아연 나노와이어 상에 PDMS층을 형성할 수 있다.
따라서, 이렇게 산화아연 나노와이어 상에 PDMS층을 형성함으로써, PDMS층 계면의 거칠기를 증가시킬 수 있다.
제2 기판(700) 상에 제2 전극(600)을 형성할 수 있다. 이는 열기상 증착, 전자빔 증착, RF 스퍼터링법 또는 마그네트론 스퍼터링법 등을 통해 형성될 수 있다.
그 다음에, 폴리머층(500) 상에 제2 전극(600)을 폴리머층(500)과 마찰 가능하게 위치시킬 수 있다.
이 때의 폴리머층(500)과 제2 전극(600)의 사이의 거리는 소자의 구동 방식에 따라 정해질 수 있다. 바람직하게, 폴리머층(500)과 제2 전극(600) 사이의 거리는 크게 설정할수록 유리하다.
한편, 폴리머층(500)과 제2 전극(600) 사이에 스페이서(미도시)가 더 구비될 수 있다. 이러한 스페이서는 탄성물질로 구성될 수 있다. 예를 들어, 스페이서는 스프링일 수 있다.
따라서, 특정 압력(pressing)하에 폴리머층(500)과 제2 전극(600)이 접촉되고, 이러한 압력이 해제되는 경우 다시 폴리머층(500)과 제2 전극(600)이 분리될 수 있다. 이러한 동작이 반복되면서 발생된 마찰 전기를 이용하여 에너지를 수집할 수 있다.
또한, 제2 기판(700)이 플렉서블 기판인 경우, 제2 기판(700)의 형태를 아치 형태 등으로 설정할 수 있다. 이 경우, 제2 기판(700)의 형태를 아치 형태로 하여 제2 기판(700)과 제1 기판(100)의 양단은 접촉된 형태이고, 제2 기판(700)과 제1 기판(100) 사이의 중앙 영역은 일정한 공간이 형성된 형태로 에너지 하베스팅 소자를 제조할 수 있다.
따라서, 플렉서블한 제2 기판(700)의 탄성을 이용하여 폴리머층(500)과 제2 전극(600)의 접촉 및 분리 동작을 수행할 수 있다.
한편, 제1 기판(100) 역시 플렉서블 기판일 수 있다.
따라서, 본 발명에 따르면, 포토리소그래피 공정 대신에 나노구조체를 이용하여 폴리머층의 표면적을 넓힐 수 있는 값싸고 쉬운 공정방법을 이용하여 마찰전기를 이용한 에너지 하베스팅 소자 제조방법을 제공할 수 있다.
제조예 1
본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기를 이용한 에너지 하베스팅 소자를 제조하였다.
ITO 전극이 올라간 플렉서블한 PET 기판 상에 나노구조체 씨앗층인 ZnO 박막을 스퍼터링 방법을 이용하여 증착한 후, ZnO 나노와이어를 수열합성 방법을 통하여 성장시켰다.
이후, PDMS 폴리머의 농도를 헥산을 이용하여 낮추고 희석된 PDMS 폴리머를 ZnO 나노와이어 상에 스핀코팅하여 ZnO 나노와이어를 통하여 PDMS 폴리머층 계면의 거칠기를 증가시켰다.
이렇게 제조된 소자 위에 제2 전극을 올려주는데 이는 알루미늄을 이용하였다.
이 때, 알루미늄을 플렉서블한 PET 기판 상에 증착함으로써, 플렉서블한 제2 전극을 제조하였다.
제조예 2
본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기를 이용한 에너지 하베스팅 소자를 제조하였다.
ITO 전극이 올라간 플렉서블한 PET 기판 상에 나노구조체 씨앗층인 ZnO 박막을 스퍼터링 방법을 이용하여 증착한 후, ZnO 나노와이어를 수열합성 방법을 통하여 성장시켰다.
이후, PDMS 폴리머의 농도를 헥산을 이용하여 낮추고 희석된 PDMS 폴리머를 ZnO 나노와이어 상에 스핀코팅하여 ZnO 나노와이어를 통하여 PDMS 폴리머층 계면의 거칠기를 증가시켰다.
이렇게 제조된 소자 위에 제2 전극을 올려주는데 이는 알루미늄을 이용하였다.
이 때, 알루미늄을 플렉서블한 PET 기판 상에 증착함으로써, 플렉서블한 제2 전극을 제조하였다. 또한, 제 PET 기판 상에 위치하는 알루미늄 전극 상에 알루미늄 나노입자를 형성하였다.
비교예
ZnO 나노구조체 씨앗층 및 ZnO 나노와이어를 형성하지 않은 점을 제외하고 상술한 제조예 1과 동일하게 제조하였다.
즉, 상부에 ITO 전극이 위치하는 플렉서블한 PET 기판 상에 PDMS 폴리머를 스핀코팅하여 PDMS 폴리머층을 형성하였다.
이렇게 만들어진 소자 위에 제2 전극을 올려주는데 이는 알루미늄을 이용하였다. 이러한 알루미늄을 플렉서블한 PET 기판위에 증착함으로써 플렉서블한 제2 전극을 구성하게 된다.
실험예 1
제조예 1 및 비교예에 의해 제조된 에너지 하베스팅 소자의 특성을 분석하였다.
먼저, 제조예 및 비교예에 의해 제조된 에너지 하베스팅 소자의 PDMS층의 표면을 관찰하였다.
도 4는 비교예에 따라 제조된 에너지 하베스팅 소자의 PDMS층의 SEM 이미지이다.
도 4를 참조하면, 특별한 구조없이 편평한 모습을 확인할 수 있다.
도 5는 제조예 1에 따라 제조된 에너지 하베스팅 소자의 PDMS층의 SEM 이미지이다.
도 5를 참조하면, ZnO 나노와이어를 이용하여 특별한 거칠기를 준 모습으로 ZnO 나노와이어로 인해 코팅이 편평하지 않고 울퉁불퉁한 것을 확인할 수 있다.
도 6은 비교예에 따라 제조된 에너지 하베스팅 소자의 전력 특성 그래프이다.
도 6(a)는 시간 대비 출력전압(V) 그래프이고, 도 6(b)는 시간 대비 출력전류(㎂) 그래프이다.
도 6(a) 및 도 6(b)를 참조하면, 순간 출력 전압은 약 100 V 정도 되며 동시에 출력 전류는 약 7 ㎂ 정도이다. 결과적으로 0.7 ㎽ 정도의 전력 특성을 보여준다.
도 7은 제조예 1에 따라 제조된 에너지 하베스팅 소자의 전력 특성 그래프이다.
도 7(a)는 시간 대비 출력전압(V) 그래프이고, 도 7(b)는 시간 대비 출력전류(㎂) 그래프이다.
도 7(a) 및 도 7(b)를 참조하면, 순간 출력 전압은 약 180 V 정도 되며 동시에 출력 전류는 약 7 ㎂ 정도이다. 결과적으로 1.26 ㎽ 정도의 전력 특성을 보여준다.
제조예 1에 따른 소자는 비교예와 같이 ZnO 나노와이어를 이용하지 않은 소자의 특성보다 약 1.8 배 향상된 전력 특성을 보여주고 있다.
실험예 2
제조예 2에 의해 제조된 에너지 하베스팅 소자의 특성을 분석하였다.
도 8 및 도 9은 제조예 2에 따라 제조된 에너지 하베스팅 소자의 제2 전극의 SEM 이미지들이다.
도 8에서는 표면 상태를 확인하기 어려우나 좀 더 확대된 도 9를 참조하면, Al 나노입자로 인해 제2 전극의 표면이 울퉁불퉁한 것을 확인할 수 있다.
도 10은 제조예 2에 따라 제조된 에너지 하베스팅 소자의 PDMS층의 SEM 이미지이다.
도 10을 참조하면, ZnO 나노와이어를 이용하여 특별한 거칠기를 준 모습으로 ZnO 나노와이어로 인해 코팅이 편평하지 않고 울퉁불퉁한 것을 확인할 수 있다.
도 11은 제조예 2에 따라 제조된 에너지 하베스팅 소자의 전력 특성 그래프이다.
도 11(a)는 시간 대비 출력전압(V) 그래프이고, 도 11(b)는 시간 대비 출력전류(㎂) 그래프이다.
도 11(a) 및 도 11(b)를 참조하면, 순간 출력 전압은 약 150 V 정도 되며 동시에 출력 전류는 약 30 ㎂ 정도이다. 결과적으로 4.5 ㎽ 정도의 전력 특성을 보여준다.
따라서, 제2 전극의 표면에 제2 나노구조체를 더 구비한 경우 상술한 제조예 1보다 향상된 전력 특성을 보여준다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시 예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
100: 제1 기판 200: 제1 전극
300: 나노구조체 씨앗층 400: 제1 나노구조체
500: 폴리머층 600: 제2 전극
610, 620: 제2 나노구조체 700: 제2 기판

Claims (11)

  1. 제1 기판;
    상기 제1 기판 상에 위치하는 제1 전극;
    상기 제1 전극 상에 위치하는 나노구조체 씨앗층;
    상기 나노구조체 씨앗층 상에 위치하는 제1 나노구조체;
    상기 제1 나노구조체 사이를 메우며, 상기 제1 나노구조체 상에 위치하는 폴리머층;
    상기 폴리머층 상에 위치하되, 상기 폴리머층과 마찰 가능하게 위치하는 제2 전극; 및
    상기 제2 전극 상에 위치하는 제2 기판을 포함하는 마찰전기를 이용한 에너지 하베스팅 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 기판 및 상기 제2 기판 중 적어도 어느 하나의 기판은 플렉서블 기판인 것을 특징으로 하는 마찰전기를 이용한 에너지 하베스팅 소자
  3. 제1항에 있어서,
    상기 폴리머층의 상부 표면 형상은 상기 제1 나노구조체의 모폴로지에 따라 형성된 것을 특징으로 하는 마찰전기를 이용한 에너지 하베스팅 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 나노구조체는 나노와이어, 나노튜브 또는 나노입자인 것을 특징으로 하는 마찰전기를 이용한 에너지 하베스팅 소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 나노구조체는 산화물, p형 반도체 또는 금속 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 마찰전기를 이용한 에너지 하베스팅 소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 산화물은 ZnO인 것을 특징으로 하는 마찰전기를 이용한 에너지 하베스팅 소자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제2 전극의 하부에 위치하는 제2 나노구조체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰전기를 이용한 에너지 하베스팅 소자.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제2 나노구조체는 나노와이어, 나노튜브 또는 나노입자인 것을 특징으로 하는 마찰전기를 이용한 에너지 하베스팅 소자.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제2 나노구조체는 p형 반도체 또는 금속 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 마찰전기를 이용한 에너지 하베스팅 소자.
  10. 제1 기판 상에 제1 전극을 형성하는 단계;
    상기 제1 전극 상에 나노구조체 씨앗층을 형성하는 단계;
    상기 나노구조체 씨앗층 상에 수열합성법을 이용하여 제1 나노구조체를 성장시키는 단계;
    상기 성장된 제1 나노구조체 사이를 메우며, 상기 제1 나노구조체 상에 폴리머층을 형성하는 단계;
    제2 기판 상에 제2 전극을 형성하는 단계; 및
    상기 폴리머층 상에 상기 제2 전극을 상기 폴리머층과 마찰 가능하게 위치시키는 단계를 포함하는 마찰전기를 이용한 에너지 하베스팅 소자 제조방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 폴리머층을 형성하는 단계는, 스핀코팅법을 이용하여 상기 제1 나노구조체 사이를 메우는 것을 특징으로 하고,
    상기 폴리머층의 상부 표면 형상은 상기 제1 나노구조체의 모폴로지에 따라 형성된 것을 특징으로 하는 마찰전기를 이용한 에너지 하베스팅 소자 제조방법.
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