KR20160117793A - Device and fabrication method of piezoelectric nanogenerators - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 압전 나노 자가발전 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 금속 전극들 사이에 압전물질을 형성하여 미세전력을 수확하는 압전 나노 자가발전 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a piezoelectric nano-electricity generating element and a manufacturing method thereof, and more particularly, to a piezoelectric nano-electricity generating element for producing a piezoelectric material between metal electrodes to harvest fine electric power and a manufacturing method thereof.
최근 나노 소자 기술 및 무선 통신 기술의 비약적 발전과 더불어 웨어러블 모바일 전자기기(wearable mobile electronics), 생체 이식형 의료 소자(implantable medical devices), 무선 감지 센서(wireless sensors), 나노 모바일 소자(nano mobile devices), 나노봇(nanobots) 등과 같은 마이크로/나노 스케일의 무선 소자 시스템에 대한 연구 개발이 활발히 진행되고 있으며, 이러한 시스템의 향후 무선 에너지 공급원으로 저전력 자가 발전 기술이 크게 주목 받고 있다.In recent years, with the rapid development of nanodevice technology and wireless communication technology, wearable mobile electronics, implantable medical devices, wireless sensors, nano mobile devices, , Nanobots, and the like have been actively researched and developed. As a future wireless energy supply source of such a system, a low power self-power generation technology is attracting much attention.
저전력 자가 발전 기술 중, 일상 환경에 항상 존재하는 인간의 움직임, 심장박동, 혈류, 음파 등과 같은 소모성 기계적 에너지를 전기적 에너지로 전환시켜주는 나노 압전 소자 기술은 상기에서 언급한 전자 소자들 외에도 지속 가능한 무선의 전력 시스템을 필요로 하는 전자소자들에 다양하게 적용될 수 있는 기술로서 크게 주목을 받고 있다.Among the low-power self-power generation technologies, the nano-piezoelectric device technology that converts consumable mechanical energy into electrical energy such as human movement, heartbeat, blood flow, and sound waves, which are always present in the daily environment, Has attracted considerable attention as a technology that can be applied variously to electronic devices requiring a power system of the power system.
큰 압전 상수로 인해 대표적인 압전 소재 물질로 이용되어 온 PZT(lead zirconate titanate) 기반의 압전 나노 발전 소자의 경우, 인체에 유해한 납(lead) 성분을 포함하기 때문에 사용자 신체와 매우 가까운 위치에서 지속적으로 사용자와 소통하는 모바일 전자기기나, 인체 내부에 삽입되는 형태의 의료용 전자 소자 등에는 적용되는 데 한계가 있어 왔다.PZT (lead zirconate titanate) -based piezoelectric nano-generator, which has been used as a typical piezoelectric material due to a large piezoelectric constant, includes a lead component harmful to the human body. Therefore, Such as a mobile electronic device communicating with a human body, or a medical electronic device inserted into a human body.
따라서 최근, 인체에 무해하며 자연 친화적인 압전 물질 중, 산화아연(ZnO)을 기반으로 하는 압전 나노 자가발전 소자의 개발이 크게 주목을 받아 왔다. 그러나 PZT 계열의 압전 나노 자가발전 소자들과 비교할 때, 산화아연 기반의 자가발전 소자의 경우 비교적 낮은 압전 출력 성능을 보이므로 그 출력 효율을 보다 향상시킬 필요가 있다.
Recently, the development of a piezoelectric nano-cell power generation device based on zinc oxide (ZnO) among the harmless and naturally friendly piezoelectric materials has attracted much attention. However, when compared with PZT piezoelectric nano-power generation devices, it is necessary to further improve the output efficiency of the zinc oxide-based self-generating device because it exhibits a relatively low piezoelectric output performance.
본 발명의 실시예에 따르면, 산화아연 등과 같이 인체에 무해하며 자연 친화적인 압전물질을 사용하는 압전 나노 구조에서 압전 출력 효율을 향상시키는 압전 나노 자가발전 소자 및 그 제조 방법을 제공한다.According to an embodiment of the present invention, there is provided a piezoelectric nano-self-generating element for improving piezoelectric output efficiency in a piezoelectric nano structure using a piezoelectric material which is harmless to the human body such as zinc oxide and is naturally friendly, and a method of manufacturing the same.
본 발명의 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 것으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 해결하고자 하는 과제는 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
The problems to be solved by the present invention are not limited to those mentioned above, and another problem to be solved can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
본 발명의 제 1 관점에 따른 압전 나노 자가발전 소자는, 기판 상에 형성된 제 1 전극과, 상기 제 1 전극의 상부에 형성된 제 2 전극과, 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 형성된 압전물질 나노 구조층 및 질소 화합물층을 포함할 수 있다.According to a first aspect of the present invention, there is provided a piezoelectric nano-electric power generating device comprising: a first electrode formed on a substrate; a second electrode formed on the first electrode; and a second electrode formed between the first electrode and the second electrode, A material nanostructure layer and a nitrogen compound layer.
여기서, 상기 질소 화합물층은 상기 압전물질 나노 구조층보다 더 넓은 밴드갭을 가지고 절대값이 더 작은 전자친화도를 가질 수 있다.Here, the nitrogen compound layer may have a bandgap wider than that of the piezoelectric material nanostructure layer and have an absolute value smaller in electron affinity.
또, 상기 질소 화합물층은 질화알루미늄을 포함하여 형성될 수 있다.In addition, the nitrogen compound layer may be formed by including aluminum nitride.
또, 상기 압전물질 나노 구조층의 상부에 상기 질소 화합물층이 형성될 수 있다.In addition, the nitrogen compound layer may be formed on the piezoelectric substance nanostructure layer.
또, 상기 질소 화합물층의 상부에 상기 압전물질 나노 구조층이 형성될 수 있다.In addition, the piezoelectric substance nanostructured layer may be formed on the nitrogen compound layer.
또, 복수의 상기 압전물질 나노 구조층이 적층되고, 그 사이에 상기 질소 화합물층이 형성될 수 있다.In addition, a plurality of the piezoelectric substance nanostructure layers may be laminated, and the nitrogen compound layer may be formed therebetween.
본 발명의 제 2 관점에 따른 압전 나노 자가발전 소자의 제조 방법은, 기판 상에 제 1 전극을 형성하는 단계와, 상기 제 1 전극의 상부에 제 2 전극을 형성하는 단계와, 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 압전물질 나노 구조층 및 질소 화합물층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.According to a second aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a piezoelectric nano-generator, comprising: forming a first electrode on a substrate; forming a second electrode on the first electrode; And forming a piezoelectric material nanostructure layer and a nitrogen compound layer between the first electrode and the second electrode.
여기서, 상기 질소 화합물층은 상기 압전물질 나노 구조층보다 더 넓은 밴드갭을 가지고 절대값이 더 작은 전자친화도를 가질 수 있다.Here, the nitrogen compound layer may have a bandgap wider than that of the piezoelectric material nanostructure layer and have an absolute value smaller in electron affinity.
또, 상기 질소 화합물층은 질화알루미늄을 포함하여 형성할 수 있다.The nitrogen compound layer can be formed by including aluminum nitride.
또, 상기 압전물질 나노 구조층의 상부에 상기 질소 화합물층을 형성할 수 있다.In addition, the nitrogen compound layer can be formed on the piezoelectric substance nanostructure layer.
또, 상기 질소 화합물층의 상부에 상기 압전물질 나노 구조층을 형성할 수 있다.In addition, the piezoelectric substance nanostructure layer can be formed on the nitrogen compound layer.
또, 복수의 상기 압전물질 나노 구조층 사이에 상기 질소 화합물층을 형성할 수 있다.
In addition, the nitrogen compound layer can be formed between the plurality of piezoelectric substance nanostructure layers.
본 발명의 실시예에 의하면, 압전물질 나노 구조층과 함께 질소 화합물층을 전극 사이에 형성함으로써, 전극에 대한 보다 신뢰성 있는 전위 장벽을 형성하여 내부로의 누설 전류의 흐름을 억제할 수 있으며, 전극에서의 전하의 누적을 향상시키고, 압전물질 나노 구조층과 질소 화합물층의 연속된 에피성장시 압전물질의 결정성 및 압전성 향상에 기여하여 결과적으로 향상된 압전 출력을 제공한다. 또한 내구성이 향상된 인체에 무해한 압전 소자를 제공하는 효과가 있다.
According to the embodiment of the present invention, by forming the nitrogen compound layer between the electrodes together with the piezoelectric substance nanostructure layer, it is possible to form a more reliable potential barrier for the electrode, thereby suppressing the flow of leakage current to the inside, And improves the crystallinity and piezoelectricity of the piezoelectric material in the continuous epitaxial growth of the piezoelectric material nanostructured layer and the nitrogen compound layer, thereby providing an improved piezoelectric output. There is also an effect of providing a piezoelectric element which is improved in durability and harmless to the human body.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 나노 자가발전 소자의 구조도이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전 나노 자가발전 소자의 구조도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 압전 나노 자가발전 소자에서 압전 전압 또는 전류의 차이가 발생하는 주요 인자를 표시한 구조도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 압전 나노 자가발전 소자의 에너지 밴드 다이어그램을 예시한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 제작된 압전 나노 자가발전 소자의 출력 특성을 측정한 결과를 예시한 그래프이다.1 is a structural view of a piezoelectric nano-self-generating element according to an embodiment of the present invention.
2A and 2B are structural diagrams of a piezoelectric nano-self-generating element according to another embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a structural diagram showing major factors that cause a difference in piezoelectric voltage or current in a piezoelectric nano-power generator according to an embodiment of the present invention.
4 is a graph illustrating an energy band diagram of a piezoelectric nano-power generator according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a graph illustrating a result of measuring output characteristics of a piezoelectric nano-generator according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The advantages and features of the present invention, and the manner of achieving them, will be apparent from and elucidated with reference to the embodiments described hereinafter in conjunction with the accompanying drawings. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art. To fully disclose the scope of the invention to those skilled in the art, and the invention is only defined by the scope of the claims.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
In the following description of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear. The following terms are defined in consideration of the functions in the embodiments of the present invention, which may vary depending on the intention of the user, the intention or the custom of the operator. Therefore, the definition should be based on the contents throughout this specification.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 나노 자가발전 소자의 구조도이다.1 is a structural view of a piezoelectric nano-self-generating element according to an embodiment of the present invention.
이에 나타낸 바와 같이 실시예에 따른 압전 나노 자가발전 소자(100)는, 기판(101) 상에 형성된 제 1 전극(103)을 포함한다.As shown in the figure, the piezoelectric nano-
그리고, 제 1 전극(103)의 상부에 형성된 제 2 전극(107)을 포함한다.And a
아울러, 제 1 전극(103)과 제 2 전극(107) 사이에 형성된 압전물질 나노 구조층(105) 및 질소 화합물층(107)을 포함한다.The piezoelectric
기판(101)은 압전 나노 자가발전 소자(100)를 수용할 수 있고, 이를 지지할 수 있도록 적당한 기계적 강도와 절연성을 갖는 재료로 제작 될 수 있다. 예를 들어 실리콘(Si), 실리콘 옥사이드(SiO2), 사파이어(Al2O3) 등과 같은 경성의 물질이거나, PET(polyethylene terephthalate), PEN(polyethylene naphthalate), PES(polyester), PI(polyimide) 등을 포함하는 연성의 물질일 수 있으며, 이들에 한정되지 않는다.The
압전 나노 구조층(104)은 예를 들어 산화아연(ZnO) 나노 로드 어레이(nano rod array)이거나 나노 로드 어레이와 폴리머의 복합 구조체, 박막 등을 포함할 수 있다. 이러한 압전 나노 구조층(104)은 산화아연 이외의 다른 물질로 형성될 수 있다. 예컨대, 압전 나노 구조층(104)은 갈륨나이트라이드(GaN)으로 형성될 수도 있다.The piezoelectric nanostructure layer 104 may include, for example, a zinc oxide (ZnO) nano rod array or a composite structure of a nanorod array and a polymer, a thin film, and the like. The piezoelectric nanostructure layer 104 may be formed of a material other than zinc oxide. For example, the piezoelectric nanostructure layer 104 may be formed of gallium nitride (GaN).
제 1 전극(103)과 제 2 전극(109) 중에서 적어도 하나의 전극은 압전 나노 구조층(104)보다 큰 일함수를 가지는 물질로 형성될 수 있다. 예컨대, 압전 나노 구조층(104)이 산화아연일 경우에 제 1 전극(103)과 제 2 전극(109) 중에서 적어도 하나의 전극은 Au, Pt, ITO, Ag 등으로 형성될 수 있다. At least one electrode of the
질소 화합물층(107)은 압전물질 나노 구조층(104)보다 더 넓은 밴드갭을 가지고 절대값이 더 작은 전자친화도를 가지는 물질로 형성될 수 있다. 예컨대, 질소 화합물층(107)은 질화 금속막 등의 질화물 유전체를 포함하여 형성될 수 있다. 즉, 질화알루미늄(AlN)이나 AlxInyNz 또는 AlxGayNz 등과 같은 고용체 물질 중 어느 하나를 포함하여 형성될 수 있다.The
이와 같이 구성된 압전 나노 자가발전 소자(100)에 외부로부터 기계적 자극이 가해지는 경우, 압전 구조체에 의해 전환되어 발생되는 전기적 에너지는 제 1 전극(103) 및 제 2 전극(109)을 통해 연결된 외부 회로(111)로 인출된다.When a mechanical stimulus is applied to the piezoelectric nano-
이때, 질소 화합물층(107)은 전위 장벽(potential barrier)을 형성한다. 도 4에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 나노 자가발전 소자의 에너지 밴드 다이어그램을 예시한 그래프를 참조하면, 약 6.2eV의 넓은 밴드갭과 약 1eV 이하의 전자친화도(qＸAlN)를 가지는 질화알루미늄 박막 층은 일반적으로 약 3.4eV의 밴드갭과 약 4.3eV의 전자친화도(qＸZnO)를 가지는 산화아연 물질과 접했을 때, 전극에 대해 높은 전위 장벽을 형성하게 된다.At this time, the
이러한 전위 장벽은 압전물질 나노 구조층(104) 내부로의 누설 전류를 방지하고 전하 축적을 도와서 전체 에너지 전환 효율을 향상시켜서 전체 압전 소자의 출력을 향상시킨다.This potential barrier prevents leakage current into the piezoelectric material nanostructure layer 104 and improves the charge accumulation to improve the total energy conversion efficiency, thereby improving the output of the entire piezoelectric device.
또, wurtzite 결정 구조의 산화아연과 질화알루미늄은 이종 접합의 에피성장시 격자상수차이(lattice misfit)가 약 4% 정도로 적어 고품위의 나노 구조체 또는 박막을 형성하며, 이는 c-축 성장하는 산화아연 나노 결정 구조와 연관되어 압전 특성을 향상시킨다.In addition, the zinc oxide and aluminum nitride of the wurtzite crystal structure have a lattice misfit of about 4% in the epitaxial growth of the heterojunction, forming a high-quality nano-structure or thin film, And improves the piezoelectric characteristics in association with the crystal structure.
또한 상대적으로 큰 영률(Young's modulus)의 질화알루미늄이 적용되기에 기계적 에너지의 전달 효율을 높일 수 있으며 소자의 내구성도 향상된다. 아울러, 질화알루미늄은 화학적 안정성이 크고 인체 및 환경에 친화적이므로 사용자 신체와 매우 가까운 위치에서 지속적으로 사용자와 소통하는 모바일 전자기기나, 인체 내부에 삽입되는 형태의 의료용 전자 소자 등에도 산화아연과 함께 안전하게 적용할 수 있는 장점을 겸한다.Also, since aluminum nitride having a relatively large Young's modulus is applied, the mechanical energy transfer efficiency can be increased and the durability of the device can be improved. In addition, since aluminum nitride has high chemical stability and is friendly to the human body and environment, it can be safely and safely used in mobile electronic devices that continuously communicate with the user in a position very close to the user's body or medical electronic devices inserted into the human body. It also has an advantage to be applied.
이러한 구조를 가지는 압전 나노 자가발전 소자(100)의 제조 과정을 살펴보기로 한다.A manufacturing process of the piezoelectric nano-
먼저, 기판(101) 상에 제 1 전극(103)을 형성하는 단계를 포함한다.First, a step of forming a
그리고, 제 1 전극(103)의 상부에 제 2 전극(107)을 형성하는 단계를 더 포함한다.The method further includes forming a second electrode (107) on the first electrode (103).
다음으로, 제 1 전극(103)과 제 2 전극(107) 사이에 압전물질 나노 구조층(105) 및 질소 화합물층(107)을 형성하는 단계를 더 포함한다.Next, a step of forming the piezoelectric
압전물질 나노 구조층(105)을 형성할 때에는 sol-gel기법, CVD기법, PVD기법 등을 이용할 수 있으며, 제조 과정에서 도핑(doping) 등에 의해 압전물질 고유의 전기적 특성과 같은 물성적 특성이 수정될 수 있다.The piezoelectric
여기서, 압전물질 나노 구조층(105) 및 질소 화합물층(107)은 15? 내지 650?의 온도 범위에서 스퍼터링(sputtering) 방법으로 할 수 있으며, 이러한 온도 범위에서 스퍼터링 증착된 압전물질 나노 구조층(105)은 그 결정성 및 압전 특성이 향상될 수 있다. 이외에도 압전물질 나노 구조층(105) 및 질소 화합물층(107)은 CVD(Chemical Vapor Deposition) 또는 MBE(Molecular Beam Epitaxy) 등의 기법으로 형성할 수 있다.Here, the piezoelectric
특히, 스퍼터링 증착법의 경우 저온/저비용의 공정 이점을 얻는 동시에, 고진공의 증착 환경에서 공정 조건을 보다 엄격히 제어함으로써 재현성, 균일성 및 신뢰성 있는 성장 이점을 제공할 수 있다. 아울러, ZnO에 대해 AlN, AlxInyNz, AlxGayNz 고용체 층과의 연속된 에피 성장으로 인해 보다 더 향상된 고품위의 나노 구조체 박막을 형성할 수 있다.Particularly, the sputter deposition method achieves advantages of low-temperature / low-cost processes and provides reproducibility, uniformity, and reliable growth advantages by more strictly controlling the process conditions in a high-vacuum deposition environment. In addition, due to continuous epitaxial growth with AlN, Al x In y N z , and Al x Ga y N z solid solution layers for ZnO, higher quality nanostructured thin films can be formed.
이후, 압전물질 나노 구조층(105) 및 질소 화합물층(107)이 형성된 압전 자가발전 소자(100)를 70℃ 내지 650℃의 온도 범위에서 후열처리(post annealing)를 할 수 있다. 이처럼 후열처리를 수행하면 질소 화합물층(107)의 결정성 및 압전 특성이 향상되며, 압전물질 나노 구조층(105)과 질소 화합물층(107) 간의 접합 특성이 향상된다.After that, the
한편, 도 1의 실시예에서는 압전물질 나노 구조층(105)의 상부에 질소 화합물층(107)을 형성하는 배열 구조를 채택하였으나 이러한 배열 구조는 변화될 수 있다.1, an arrangement structure for forming the
도 2a에 나타낸 바와 같이 질소 화합물층(107)의 상부에 압전물질 나노 구조층(105)을 형성할 수 있으며, 도 2b에 나타낸 바와 같이 복수의 압전물질 나노 구조층(105a, 105b)의 사이에 질소 화합물층(107)을 형성할 수도 있다.2A, the piezoelectric substance
이처럼, 압전물질 나노 구조층(105)과 질소 화합물층(107)의 배열 구조를 변경하면 기계적 변형을 일으키는 외부의 자극에 의해 발생하는 압전 전압 또는 전류의 차이가 발생한다. 이와 같은 경우에 질소 화합물층(107)의 상대적 위치에 따라 소자의 출력 특성을 제어할 수 있다.As described above, when the arrangement structure of the piezoelectric material
또한, 기판(101)을 PET(polyethylene terephthalate), PEN(polyethylene naphthalate), PES(polyester), PI(polyimide) 등을 포함하는 연성의 물질로 형성한 경우라면, 유연한 기판(flexible substrates) 위에 구현되는 압전 나노 자가발전 소자(100)는 외력에 의해 보다 쉽게 변형되어 압전 전위(piezoelectric potential)를 형성하게 되고 출력 효율을 향상시킬 수 있으며 소자의 활용 범위를 넓혀준다.In the case where the
여기서, 기판(101)이 고내열성의 유연한 세라믹 기판인 경우, 압전물질 나노 구조층(105) 및 질소 화합물층(107)을 15℃ 내지 650℃의 온도 범위에서 스퍼터링(sputtering) 방법으로 증착할 수 있다. 이러한 온도 범위에서 스퍼터링 증착된 질소 화합물층(107)은 그 결정성 및 압전 특성이 향상된다.Here, when the
이후, 유연한 기판 위에 구현되는 압전 나노 자가발전 소자(100)를 70℃ 내지 650℃의 온도 범위에서 후열처리(post annealing)할 수 있다. 이러한 온도 범위에서 후열처리된 질소 화합물층(107)은 그 결정성 및 압전 특성이 향상된다.Thereafter, the piezoelectric nano-
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 압전 나노 자가발전 소자에서 압전 전압 또는 전류의 차이가 발생하는 주요 인자를 표시한 구조도이다.FIG. 3 is a structural diagram showing major factors that cause a difference in piezoelectric voltage or current in a piezoelectric nano-power generator according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 실시예에 따라 제작된 압전 나노 자가발전 소자(100)는 압전물질 나노 구조층(105)의 두께(m)와 질소 화합물층(107)의 두께(n) 사이의 비율에 따라 기계적 변형을 일으키는 외부의 자극에 의해 발생하는 압전 전압 또는 전류의 차이가 발생한다. 질소 화합물층(107)은 압전물질 나노 자가발전 소자(100)에서 누설전류를 방지하는 역할을 할 뿐만 아니라 그 고유의 물성적 특성(예를 들어, 경도 또는 유전율 등)이 전체 소자의 출력특성에 직/간접적인 영향을 미치는 바, 동일한 두께의 압전물질 나노 구조층(105)에 대해 각기 다른 두께의 질소 화합물층(107)이 적층되는 경우에 서로 다른 출력 특성을 나타낸다. 따라서 압전물질 나노 구조층(105)과 질소 화합물층(107)의 두께 비율에 따라 출력 특성을 제어할 수 있다.The piezo-electric nano-
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 제작된 압전 나노 자가발전 소자의 출력 특성을 측정한 결과를 예시한 그래프이다. (a)는 질소 화합물층(107)이 없는 경우이고, (b)는 도 2a와 같이 압전물질 나노 구조층(105)의 하부에 질소 화합물층(107)이 배열된 경우이며, (c)는 도 1과 같이 압전물질 나노 구조층(105)의 상부에 질소 화합물층(107)이 배열된 경우이고, (d)는 도 2b와 같이 복수의 압전물질 나노 구조층(105a, 105b) 사이에 질소 화합물층(107)이 배열된 경우이다.FIG. 5 is a graph illustrating a result of measuring output characteristics of a piezoelectric nano-generator according to an embodiment of the present invention. (a) shows a case in which the
도 5를 통해, 질소 화합물층(107)을 추가로 배열함에 따라 출력 전압값이 약 200배까지 증가되어 출력 효율이 향상됨을 실험적으로 확인할 수 있다. 또한, 추가되는 질소 화합물층(107)의 상대적 위치와 두께에 따라 출력 전압값과 그 펄스 형태에 차이를 보임을 실험적으로 확인할 수 있다.
5, it can be experimentally confirmed that the output voltage value is increased up to about 200 times as the
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
The foregoing description is merely illustrative of the technical idea of the present invention, and various changes and modifications may be made by those skilled in the art without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the embodiments disclosed in the present invention are intended to illustrate rather than limit the scope of the present invention, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments. The scope of protection of the present invention should be construed according to the following claims, and all technical ideas within the scope of equivalents should be construed as falling within the scope of the present invention.
100 : 압전 나노 자가발전 소자
101 : 기판
103 : 제 1 전극
105, 105a, 105b : 압전물질 나노 구조층
107 : 질소 화합물층
109 : 제 2 전극
111 : 외부 회로100: Piezoelectric nano-
101: substrate
103: first electrode
105, 105a and 105b: piezoelectric material nanostructure layer
107: nitrogen compound layer
109: Second electrode
111: External circuit
Claims (12)
상기 제 1 전극의 상부에 형성된 제 2 전극과,
상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 형성된 압전물질 나노 구조층 및 질소 화합물층을 포함하는 압전 나노 자가발전 소자.
A first electrode formed on the substrate;
A second electrode formed on the first electrode,
And a piezoelectric material nano structure layer and a nitrogen compound layer formed between the first electrode and the second electrode.
상기 질소 화합물층은 상기 압전물질 나노 구조층보다 더 넓은 밴드갭을 가지고 절대값이 더 작은 전자친화도를 가지는 것을 특징으로 하는 압전 나노 자가발전 소자.
The method according to claim 1,
Wherein the nitrogen compound layer has a bandgap wider than that of the piezoelectric material nanostructure layer and has an absolute value smaller electron affinity.
상기 질소 화합물층은 질화알루미늄을 포함하여 형성된 것을 특징으로 하는 압전 나노 자가발전 소자.
The method according to claim 1,
Wherein the nitrogen compound layer is formed of aluminum nitride.
상기 압전물질 나노 구조층의 상부에 상기 질소 화합물층이 형성된 것을 특징으로 하는 압전 나노 자가발전 소자.
The method according to claim 1,
And the nitrogen compound layer is formed on the piezoelectric material nanostructure layer.
상기 질소 화합물층의 상부에 상기 압전물질 나노 구조층이 형성된 것을 특징으로 하는 압전 나노 자가발전 소자.
The method according to claim 1,
Wherein the piezoelectric substance nanostructure layer is formed on the nitrogen compound layer.
복수의 상기 압전물질 나노 구조층이 적층되고, 그 사이에 상기 질소 화합물층이 형성된 것을 특징으로 하는 압전 나노 자가발전 소자.
The method according to claim 1,
Wherein the plurality of piezoelectric substance nanostructure layers are laminated and the nitrogen compound layer is formed therebetween.
상기 제 1 전극의 상부에 제 2 전극을 형성하는 단계와,
상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 압전물질 나노 구조층 및 질소 화합물층을 형성하는 단계를 포함하는 압전 나노 자가발전 소자의 제조 방법.
Forming a first electrode on the substrate;
Forming a second electrode on the first electrode;
And forming a piezoelectric material nanostructure layer and a nitrogen compound layer between the first electrode and the second electrode.
상기 질소 화합물층은 상기 압전물질 나노 구조층보다 더 넓은 밴드갭을 가지고 절대값이 더 작은 전자친화도를 가지는 것을 특징으로 하는 압전 나노 자가발전 소자의 제조 방법.
8. The method of claim 7,
Wherein the nitrogen compound layer has a bandgap wider than that of the piezoelectric material nanostructure layer and has an absolute value smaller in electron affinity than the piezoelectric substance nanostructure layer.
상기 질소 화합물층은 질화알루미늄을 포함하여 형성하는 것을 특징으로 하는 압전 나노 자가발전 소자의 제조 방법.
8. The method of claim 7,
Wherein the nitrogen compound layer comprises aluminum nitride. ≪ RTI ID = 0.0 > 11. < / RTI >
상기 압전물질 나노 구조층의 상부에 상기 질소 화합물층을 형성하는 것을 특징으로 하는 압전 나노 자가발전 소자의 제조 방법.
8. The method of claim 7,
And the nitrogen compound layer is formed on the piezoelectric material nanostructure layer.
상기 질소 화합물층의 상부에 상기 압전물질 나노 구조층을 형성하는 것을 특징으로 하는 압전 나노 자가발전 소자의 제조 방법.
8. The method of claim 7,
Wherein the piezoelectric material nanostructure layer is formed on the nitrogen compound layer.
복수의 상기 압전물질 나노 구조층 사이에 상기 질소 화합물층을 형성하는 것을 특징으로 하는 압전 나노 자가발전 소자의 제조 방법.
8. The method of claim 7,
Wherein the nitrogen compound layer is formed between the plurality of piezoelectric substance nanostructure layers.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2019027305A1 (en) * | 2017-08-04 | 2019-02-07 | 한국산업기술대학교산학협력단 | Method for manufacturing ultrasonic fingerprint sensor by using nanorod structure |
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2015
- 2015-03-31 KR KR1020150045284A patent/KR101720166B1/en active IP Right Grant
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