KR20180037159A - 3-D layered flexible nano generator and Method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 3차원 적층형 플렉서블 나노 제너레이터 및 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 레이저 리프트 오프 공정을 통해 제조되는 압전소자층을 포함하는 복수의 자가 발전기를 적층하는 과정을 통해 플라스틱 기판 상에서 차지하는 면적을 줄이는 동시에 부피를 최소화할 수 있게 하여 고성능의 단일 나노제너레이터 소자를 제조하는 방안에 관한 것이다.The present invention relates to a three-dimensional stackable flexible nano-generator and a manufacturing method thereof, and more particularly, to a three-dimensional stackable flexible nano- And at the same time minimizing the volume, thereby producing a high performance single nano generator element.
현재 정보통신의 발달에 따라 압전소자, 태양전지 등의 자가 발전 전기 소자의 필요성 및 대용량화가 대두되고 있다. 더 나아가, 이러한 전기 소자는 현재까지 딱딱한 실리콘 기판 등에서 제조되어, 응용되고 있는데, 그 이유는 바로 이러한 소자들의 제조공정이 보통 고온의 반도체 공정을 통하여 제조되기 때문이다. 하지만, 이러한 소자 기판의 한계는 압전소자, 태양전지 등의 응용 범위를 제한하는 문제가 있다.BACKGROUND ART [0002] With the recent development of information communication, the necessity and large capacity of self-generated electric devices such as piezoelectric elements and solar cells are increasing. Further, these electric devices have been manufactured and applied to hard silicon substrates and the like since the manufacturing process of these devices is usually manufactured through a high-temperature semiconductor process. However, the limitation of such an element substrate has a problem of limiting the application range of piezoelectric elements, solar cells, and the like.
특히 이러한 기판 제한에 따라 그 효과가 제한되는 소자 중 하나는 압전 소자이다. 압전소자란 압전기(壓電氣) 현상을 나타내는 소자를 의미한다. 상기 압전 소자는 피에조 전기소자라고도 하며, 수정, 전기석, 로셸염 등이 일찍부터 압전소자로서 이용되었으며, 근래에 개발된 지르코늄산납, 타이타늄산바륨(BaTiO3, 이하 BTO), 인산이수소암모늄, 타타르산에틸렌다이아민 등의 인공결정도 압전성이 뛰어나며 도핑을 통해 더 뛰어난 압전특성을 유도 할 수 있게 된다.Particularly, one of the devices whose effect is limited by such a substrate limitation is a piezoelectric device. A piezoelectric element means a device exhibiting a piezoelectric phenomenon. The piezoelectric element is also referred to as a piezoelectric element, and quartz, tourmaline, and rochelite have been used as piezoelectric elements in the early days. Recently, barium titanate (BaTiO3, BTO), ammonium dihydrogenphosphate, Ethylene diamine and other artificial crystals are also excellent in piezoelectricity and can induce better piezoelectric characteristics through doping.
상기 압전소자는 외부 진동의 기계적 에너지로부터 에너지를 수집하는 기술로서 강유전체 물질의 압전성질을 활용하는 것이다. 압전 하비스트 기술은 많은 연구 그룹들에 의하여 연구되고 있는데, 일예로서 벌크 실리콘 기판 상의 납 지르코네이트 티타네이트(lead zirconate titanate (PbZrxTi1-xO3, PZT)) 나노섬유를 이용하는 나노제너레이터가 개시되어 있다. 상기 기술은 서로 대향하는 전극에 맞물린 PZT 나노섬유는 나노제너레이터 표면에 수직으로 가해지는 압력에 의하여 상당한 전압을 생성한다.The piezoelectric element utilizes the piezoelectric property of the ferroelectric material as a technique for collecting energy from the mechanical energy of external vibration. Piezoelectric Harvest technology has been studied by many research groups, for example, disclosing a nano-generator using lead zirconate titanate (PbZrxTi1-xO3, PZT) nanofibers on bulk silicon substrates. The above-described technique generates a considerable voltage due to the pressure applied perpendicularly to the surface of the nano-generator by the PZT nanofibers engaged with the electrodes facing each other.
이러한 압전소자는 현재 외부에서 인가되는 압력에 따라 전기를 발생시키는 방식이나, 상기 압전 소자가 자연스럽게 휘어질 수 있는 플렉서블 기판에 응용되는 경우, 자연스럽게 발생하는 플렉서블 기판의 휘는 특성을 즉시 전기적 에너지로 전화시킬 수 있는 장점이 있으나, 아직까지는 플렉서블 기판에 구현된 압전소자를 통칭하는 자가 발전기의 전기적 출력을 높이는 단계의 연구는 미미한 실정이다.Such a piezoelectric element generates electricity according to the pressure applied from the outside, but when the piezoelectric element is applied to a flexible substrate on which the piezoelectric element can bend naturally, the bending characteristic of the naturally occurring flexible substrate is immediately called by electric energy However, research on the step of increasing the electrical output of a self-generator, which is a piezoelectric device implemented on a flexible substrate, is still insufficient.
특히, 발생한 전기적 에너지를 충전시키기 위해서 보통 BTO 소자 외부의 별도 충전 수단을 종래 기술은 사용하나, 이는 압전 소자를 사용하는 디바이스 크기를 과도하게 차지하는 문제가 있다. 더 나아가, 많은 양의 전기적 에너지를 생산하기 위해서는 큰 면적의 BTO 소자를 사용하는 것이 바람직하나, 현재까지는 대면적의 압전소자를 플렉서블 기판에 구현하여 실용화시키는 기술은 개발이 더딘 실정이다.Particularly, in order to charge the generated electric energy, a conventional charging means other than a conventional BTO element is used in the prior art. However, this has a problem that the size of the device using the piezoelectric element is excessively occupied. Further, although it is preferable to use a large area BTO device to produce a large amount of electrical energy, up to now, techniques for realizing practical application of a large-area piezoelectric device on a flexible substrate have been delayed.
압전소자를 이용하여 나노제너레이터를 제조하는 기술과 관련된 내용을 제시하는 종래의 문헌으로는 등록특허 제10-1330713호(2013.11.12)를 참조할 수 있다.As a conventional literature that discloses a technique relating to a technique of manufacturing a nano-generator using a piezoelectric element, reference may be made to Patent Registration No. 10-1330713 (Nov. 13, 2013).
상기 문헌에서는 레이저 리프트 오프(LLO)를 이용하여 경제적으로 플렉서블 박막 나노제너레이터를 제조하는 방안에 관한 내용을 개시하지만, 압전소자를 통해 제조되는 복수의 자가 발전기를 결합하여 적층되는 면적을 최소화할 수 있는 단일 나노제너레이터 소자 제조 공정에 대해서는 별도로 개시하고 있지 않다는 점 및 이를 통해 고성능 자가발전장치의 부피를 줄일 수 있는 방안을 제시하는데 있어서는 한계가 있다.Although the above document discloses a method for manufacturing a flexible thin film nano generator economically using a laser lift off (LLO) method, it is possible to minimize a stacking area of a plurality of self-generators manufactured through a piezoelectric element There is a limitation in presenting a method for manufacturing a single nano generator element separately from the manufacturing process and thereby showing a way to reduce the volume of the high performance self-generating device.
(특허문헌 1) KR10-1330713 B(Patent Document 1) KR10-1330713 B
본 발명은 상기 종래의 문제점을 해소하고자 하는 것으로서, 레이저 리프트 오프 공정을 통해 제조되는 압전소자층을 포함하는 복수의 자가 발전기를 적층하는 과정을 통해 플라스틱 기판 상에서 차지하는 면적을 줄이는 동시에 부피를 최소화할 수 있게 하도록 제조된 고성능의 단일 나노제너레이터 소자 및 이의 제조 방안을 제공하는 것이 목적이다.An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems of the prior art, and it is an object of the present invention to reduce the area occupied on the plastic substrate and minimize the volume by stacking a plurality of self-generators including a piezoelectric element layer manufactured through a laser lift- And a method for manufacturing the same.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 관점에 따른 3차원 적층형 플렉서블 나노 제너레이터는, 플렉서블 기재; 및 상기 플렉서블 기재 상에 적층되는 복수의 압전 소자층;을 포함하며,According to one aspect of the present invention, there is provided a three-dimensional stackable flexible nano-generator comprising: a flexible substrate; And a plurality of piezoelectric element layers stacked on the flexible substrate,
상기 복수의 압전 소자층은 상기 플렉서블 기재의 상면에 적층되는 제1 압전 소자층 및 상기 제1 압전 소자층의 상면 또는 상기 플렉서블 기재의 하면에 적층되는 제2 압전 소자층을 포함한다.The plurality of piezoelectric element layers includes a first piezoelectric element layer laminated on the upper surface of the flexible substrate and a second piezoelectric element layer laminated on the upper surface of the first piezoelectric element layer or the lower surface of the flexible substrate.
상기 복수의 압전 소자층은 광 감수성 접착제를 통해 상기 플렉서블 기재 또는 상기 각각의 단일 압전 소자층 간에 적층되며, 상기 제2 압전 소자층에서 상기 제1 압전 소자층을 향해 광이 조사되어 이루어진다.The plurality of piezoelectric element layers are laminated between the flexible substrate and each of the single piezoelectric element layers through a light-sensitive adhesive, and light is emitted from the second piezoelectric element layer toward the first piezoelectric element layer.
상기 단일 압전 소자층의 두께는 2.5㎛ 이하이다.The thickness of the single piezoelectric element layer is 2.5 占 퐉 or less.
상기 복수의 압전 소자층은 압전 소자의 면적이 점점 감소하는 방향으로 적층이 이루어질 수 있다.The plurality of piezoelectric element layers can be laminated in such a direction that the areas of the piezoelectric elements decrease gradually.
상기 복수의 압전 소자층은 각각의 단일 압전 소자층을 보호하기 위한 보호층을 더 포함한다.The plurality of piezoelectric element layers further include a protective layer for protecting each of the single piezoelectric element layers.
상기 복수의 압전 소자층은 상기 단일 압전 소자층 상에 각각 형성되는 전극을 포함한다.The plurality of piezoelectric element layers include electrodes each formed on the single piezoelectric element layer.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 다른 관점에 따른 3차원 적층형 플렉서블 나노 제너레이터 제조 방법은 플렉서블 기재 상면에 제1 압전 소자층을 적층하는 단계; 레이저 리프트 오프 공정을 이용하여 상기 제1 압전 소자층의 상단으로부터 희생기판을 제거하는 단계; 상기 제1 압전 소자층 상에 또는 상기 플렉서블 기재의 하면에 제2 압전 소자층을 적층하는 단계; 및 레이저 리프트 오프 공정을 이용하여 상기 제2 압전 소자층의 상단으로부터 상기 희생기판을 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method for fabricating a three-dimensional stackable flexible nano-generator, including: stacking a first piezoelectric element layer on a surface of a flexible substrate; Removing the sacrificial substrate from the top of the first piezoelectric element layer using a laser lift-off process; Laminating a second piezoelectric element layer on the first piezoelectric element layer or on a lower surface of the flexible substrate; And removing the sacrificial substrate from the top of the second piezoelectric element layer using a laser lift-off process.
상기 제1,2 압전 소자층의 적층 단계에서는 광 감수성 접착제를 통해 적층이 이루어진다.In the step of laminating the first and second piezoelectric element layers, lamination is carried out through a light-sensitive adhesive.
상기 광 감수성 접착제는 UV로 경화되는 UV감수성 접착제 일 수 있다.The light-sensitive adhesive may be a UV-sensitive adhesive that is cured by UV.
상기 제1 압전 소자층의 적층 단계에서는, 상기 플렉서블 기재의 하부 측으로부터 광을 조사한다.In the step of laminating the first piezoelectric element layer, light is irradiated from the lower side of the flexible substrate.
상기 제2 압전 소자층의 적층 단계에서는, 상기 제2 압전 소자층에서 상기 제1 압전 소자층을 향해 광을 조사한다.In the step of laminating the second piezoelectric element layer, light is emitted from the second piezoelectric element layer toward the first piezoelectric element layer.
상기 제2 압전 소자층의 적층시에는 상기 제1 압전 소자층의 적층시보다 광을 더 긴시간 조사한다.When the second piezoelectric element layer is laminated, the light is irradiated for a longer time than when the first piezoelectric element layer is laminated.
본 발명은 상기 제조 방법에 따라 제조된 플렉서블 나노 제너레이터를 포함하는 유비쿼터스 및 무선 모바일 장치를 제공한다.The present invention provides a ubiquitous and wireless mobile device including a flexible nano-generator manufactured according to the above manufacturing method.
본 발명은 상기 제조 방법에 따라 제조된 플렉서블 나노 제너레이터를 포함하는 웨어러블 전자소자를 제공한다.The present invention provides a wearable electronic device including a flexible nano-generator manufactured according to the above manufacturing method.
본 발명에 따른 3차원 적층형 플렉서블 나노 제너레이터는 레이저 리프트 오프 공정을 통해 제조되는 압전소자층을 포함하는 복수의 자가 발전기를 적층하는 과정을 통해 플라스틱 기판 상에서 차지하는 면적을 줄이는 동시에 부피를 최소화할 수 있게 하고, 플라스틱 기판의 사용을 줄임으로써 제작 비용의 감소를 기대하게 한다.The three-dimensional stackable flexible nano-generator according to the present invention can reduce the area occupied on the plastic substrate and minimize the volume by stacking a plurality of self-generators including the piezoelectric element layer manufactured through the laser lift-off process , Thereby reducing the production cost by reducing the use of plastic substrates.
본 발명은 3차원 적층을 통해 단일 소자를 제작함으로써 전기 출력을 극대화하여 고성능의 단일 나노제너레이터 소자를 가능하는 동시에 자가 발전기의 전기 에너지 발전 성능의 극대화를 이루게 한다.The present invention maximizes electrical output by manufacturing a single device through three-dimensional lamination, thereby enabling a high-performance single-nano generator element and maximizing the electric energy generating performance of the self-generator.
본 발명은 압전소자층을 포함하는 복수의 자가 발전기를 적층하여 병렬 내지 직렬 방식을 통해 연결하는 과정을 통해 전류의 유동 특성을 향상하게 한다. The present invention improves current flow characteristics by stacking a plurality of self-generators including a piezoelectric element layer and connecting them in parallel or in series.
도 1a 내지 도 1g는 본 발명의 일 실시예로 적층형 플렉서블 나노 제너레이터를 구성하는 단위 자가 발전기를 제조하는 공정을 단계적으로 설명하는 도면,
도 2a 내지 도 2f는 본 발명의 일 실시예로 적층형 플렉서블 나노 제너레이터를 제조하는 공정을 단계적으로 설명하는 도면,
도 3은 단층의 압전 소자층을 갖는 플렉서블 나노 제너레이터 및 그 실제 적용예를 보이는 도면,
도 4는 복수개의 압전 소자층을 갖는 플렉서블 나노 제너레이터 및 그 실제 적용예를 보이는 도면,
도 5는 복수개의 압전 소자층 상에 보호층을 형성한 플렉서블 나노 제너레이터를 보이는 도면,
도 6은 도 5의 나노 제너레이터 상의 전위차를 설명하는 그래프,
도 7은 단일 압전 소자층과 적층된 복수의 압전 소자층 간의 발전 효율을 비교한 도면,
도 8은 PET 기재의 양쪽면 상에 압전 소자층이 대칭적으로 적층된 플렉서블 나노 제너레이터를 보이는 도면,
도 9는 도 8의 나노 제너레이터 상의 전위차를 설명하는 그래프,
도 10은 수직으로 적층된 복수의 압전 소자층의 일 예를 보이는 도면, 및
도 11은 수직으로 적층된 복수의 압전 소자층을 상부에서 바라본 도면이다.FIGS. 1A to 1G are diagrams for explaining a stepwise process for manufacturing a unit-cell generator constituting a stackable flexible nano-generator according to an embodiment of the present invention,
FIGS. 2A to 2F are diagrams for explaining a stepwise process for manufacturing a stackable flexible nano-generator according to an embodiment of the present invention,
3 is a view showing a flexible nano-generator having a single-layer piezoelectric element layer and its practical application,
4 is a view showing a flexible nano generator having a plurality of piezoelectric element layers and its practical application,
5 is a view showing a flexible nano-generator in which a protective layer is formed on a plurality of piezoelectric element layers,
FIG. 6 is a graph illustrating the potential difference on the nano generator of FIG. 5,
Fig. 7 is a diagram for comparing power generation efficiency between a single piezoelectric element layer and a plurality of stacked piezoelectric element layers,
8 is a view showing a flexible nano-generator in which piezoelectric element layers are laminated symmetrically on both sides of a PET substrate,
Fig. 9 is a graph explaining the potential difference on the nano generator in Fig. 8,
10 is a view showing an example of a plurality of vertically stacked piezoelectric element layers, and Fig.
11 is a top view of a plurality of vertically stacked piezoelectric element layers.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면 상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. It should be understood, however, that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but is capable of other various forms of implementation, and that these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, It is provided to let you know completely. Wherein like reference numerals refer to like elements throughout.
이하 설명에서 나노 제너레이터(nano generator), 나노 자가발전기(nano self generator), 에너지 수확기(energy harvester)는 기판의 휨에 따라 전류가 발생하는 미세 소자를 모두 통칭한다. 또한, 본 발명에 따른 적층형 플렉서블 나노 제너레이터는 인체 또는 생체 내의 장기 움직임으로부터 전력을 생산하여 생체, 의복 내에 삽입된 발광소자, 통신센서나 의료도구 상에 전력을 공급할 수 있는 시스템으로 응용 가능하다.In the following description, a nano generator, a nano self generator, and an energy harvester are collectively referred to as a micro device in which a current is generated in accordance with a substrate warpage. Further, the stackable flexible nano-generator according to the present invention can be applied to a system capable of generating electric power from a human body or a long-term movement in a living body and supplying electric power to a living body, a light emitting element inserted into clothes, a communication sensor or a medical tool.
도 1a 내지 도 1g는 본 발명인 적층형 플렉서블 나노 제너레이터를 구성하는 단위 나노 자가발전기를 제조하는 공정을 단계적으로 설명하는 도면이다.FIGS. 1A to 1G are diagrams for explaining a step of manufacturing a unit nano-autogenerator constituting a multilayer flexible nano generator according to the present invention.
도 1a를 참조하면, 두께 430㎛의 양면 폴리싱 사파이어 웨이퍼 상에서 공지된 기술인 sol-gel 공정을 통해 PZT 박막이 증착된다. sol-gel 용액 박막으로부터 유기성분을 제거하기 위해, 0.4M의 PZT sol-gel 용액(10 mol% 초과 PbO 의 52:48 몰비의 Zr:Ti)이 10분 동안 450 ℃의 공기 분위기에서의 열분해 과정과 함께 2500rpm에서 웨이퍼 상에 스핀 캐스트된다. 본 발명에서는 상술된 사파이어 웨이퍼 외에도 유리 기판 또는 석영 기판 등이 희생기판으로 사용될 수 있다.Referring to FIG. 1A, a PZT thin film is deposited on a double-sided polishing sapphire wafer having a thickness of 430 μm through a sol-gel process known in the art. A 0.4 M PZT sol-gel solution (Zr: Ti of 52:48 molar ratio of PbO in excess of 10 mol%) was added to the sol-gel solution to remove the organic components from the thin film. Lt; RTI ID = 0.0 > 2500 < / RTI > In the present invention, in addition to the above-described sapphire wafer, a glass substrate, a quartz substrate, or the like can be used as a sacrificial substrate.
상기 증착 및 열분해 단계는 2㎛ 두께의 PZT 박막을 형성하기 위해 수회 반복된다. PZT 박막의 결정화는 공기 중에서 650℃, 45분 동안 수행된다. 열분해 및 결정화 공정을 위해 어닐링 처리를 위해 급속 열처리(RTA)가 이용된다(도 2b).The deposition and pyrolysis steps are repeated several times to form a 2 탆 thick PZT thin film. Crystallization of the PZT thin film is carried out at 650 ° C for 45 minutes in air. Rapid thermal annealing (RTA) is used for the annealing process for pyrolysis and crystallization processes (FIG. 2B).
다음으로, 도 1c를 참조하면, 30분 동안 6(mW/cm2)의 전력밀도로 UV광에 의해 완전히 큐어된 UV 감수성 PU 접착제에 의해 사파이어 기재 상의 PZT 박막은 두께 125㎛의 PET 기재 상에 등각으로 부착된다. 즉, 사파이어 웨이퍼 상의 결정화된 PZT 박막은, 폴리우레탄(PU) 접착제의 큐어링을 가능하게 하는 자외선(UV)에 의해, 플랙시블 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 기재에 고정된다. Next, referring to FIG. 1C, a PZT thin film on a sapphire substrate was formed by a UV-sensitive PU adhesive fully cured by UV light at a power density of 6 (mW / cm 2) for 30 minutes, Respectively. That is, the crystallized PZT thin film on the sapphire wafer is fixed to the flexible polyethylene terephthalate (PET) substrate by ultraviolet light (UV) which enables curing of the polyurethane (PU) adhesive.
본 발명에 사용되는 플렉서블 기재로서는 PET 기재 외에도 플렉서블 특성이 있는 기판 재료로서 PC(Polycarbonate), PES(Polyether Sulfone), PEN(Polyethylene Naphthalate), PI(Polyimide), PAR(Polyarylate), COC(Cyclo Olefin)를 채용할 수 있으며, 복합재료로서는 FPR(Glass Fiber Reinforced Plastic)을 채용할 수 있다.As the flexible substrate to be used in the present invention, it is possible to use polycarbonate, PES (Polyether Sulfone), PEN (Polyethylene Naphthalate), PI (Polyimide), PAR (Polyarylate), COC (Cyclo Olefin) And FPR (Glass Fiber Reinforced Plastic) may be employed as the composite material.
다음으로, 도 1d를 참조하면, PU 접착제의 큐어링을 위해 UV광에 대한 노출 후에, PZT 박막을 사파이어 기재로부터 분리하기 위해 사파이어 기재의 후면을 조사하는 용도로 파장 308nm 및 영역 625㎛×625㎛인 2D pulsed XeCl 엑시머 레이저가 이용된다. 레이저 빔의 최적화된 에너지 밀도는 420(mJ/cm2) 이다.Next, referring to FIG. 1D, there is shown a method of irradiating the back surface of the sapphire substrate to separate the PZT thin film from the sapphire substrate after exposure to UV light for curing of the PU adhesive, using a wavelength of 308 nm and a region of 625 m x 625 m A 2D pulsed XeCl excimer laser is used. The optimized energy density of the laser beam is 420 (mJ / cm < 2 >).
최적의 레이저 빔 에너지 밀도 (420mJ/cm2)를 채용함으로써, 압전 PZT 박막 (2cm×5cm) 의 전체 영역은 압전 물성의 저하없이 플라스틱 기재상으로 안정적으로 이동될 수 있다. 조사된 레이저 빔의 에너지 밀도가 PZT 박막의 분리 및 이동에 있어서 임계적인 역할을 수행하는 것은 주목할만 한 것이다. 훨씬 낮은 에너지 밀도 (<<420mJ/cm2)에서, PZT 박막은 분리되지도 않고 사파이어 기재로부터 이동되지도 않으며, 반면 훨씬 높은 높은 에너지 밀도 (>>420mJ/cm2)에서는 기계적 손상 및 물리적 삭마가 야기된다. By adopting the optimum laser beam energy density (420 mJ / cm 2), the entire region of the piezoelectric PZT thin film (2 cm x 5 cm) can be stably moved onto the plastic substrate without lowering the piezoelectric property. It is noteworthy that the energy density of the irradiated laser beam plays a critical role in the separation and migration of the PZT thin film. At a much lower energy density (<< 420 mJ / cm 2), the PZT thin film is neither separated nor moved away from the sapphire substrate, while at higher energy densities (>> 420 mJ / cm 2) mechanical damage and physical ablation occur .
XeCl-펄스 엑시머 레이저를 통한 사파이어 기재 후면 조사는, XeCl 레이저의 광자에너지 (4.03eV) 가 사파이어의 밴드-갭 에너지(8.7eV) 보다 작고, PZT (3.2-3.6eV) 의 그것보다 크기 때문에, PZT박막이 플렉시블 플라스틱 기재로 이동되는 것을 가능하게 한다. 결과적으로, 레이저 빔은 사파이어 기재를 관통하고, 다음으로 국소 용융 및 사파이어와의 경계에서 PZT의 해리가 일어난다.The sapphire substrate backside illumination through the XeCl-pulsed excimer laser is characterized in that the photon energy (4.03 eV) of the XeCl laser is smaller than the band-gap energy (8.7 eV) of sapphire and larger than that of PZT (3.2-3.6 eV) Thereby enabling the thin film to be transferred to the flexible plastic substrate. As a result, the laser beam penetrates the sapphire substrate, and then dissociates the PZT at the boundary with the local melting and sapphire.
다음으로 도 1e를 참조하면, 상기와 같이 PZT 박막을 가요성 PET 기재로 전환하기 위한 LLO(laser lift off) 공정 후에, 전극폭이 100㎛, 전극간 갭이 50㎛인 IDE가 Cr, Au 스퍼터링 및 표준 포토리소그래피 공정에 의해 PZT 박막 상에 설정된다. 즉, 100㎛의 핑거 폭과 50㎛의 갭을 갖는 Au 맞물림 전극(IDE)이 스퍼터링 및 표준 미세제조 공정을 통해 이동된 PZT 박막 상에 형성된다. IDE의 임계적 설계 파라미터는 핑거폭, 전극간 갭(스페이싱), 및 IDE 핑거수를 포함한다. 더 많은 IDE 핑거가 덜 치밀한 IDE 핑거보다 IDE 타입 에너지 수확기로부터 더 높은 전류를 생산할 수 있기 때문에, PZT 박막 에너지 수확기의 조밀한 IDE 핑거(협소한 전극간 갭)가 출력전류를 향상시키기 위해 선택된다. IDE의 인접한 전극 핑거 사이의 공간은 고성능 플렉시블 에너지 수확기를 달성하기 위해 손쉽게 전환될 수 있다. 협소한 IDE 갭이, IDE 핑거 사이의 협소한 활성 압전 영역에 기인하는 발생 전압의 부분적인 감소를 가져오더라도, 출력 전압이 이미 f-VLED 작동에 충분하기 때문에 출력 전류의 증가는 플렉서블 전자장치를 작동하는 데에 필수적이다.Next, referring to FIG. 1E, after the LLO (laser lift off) process for converting the PZT thin film into the flexible PET substrate as described above, an IDE having an electrode width of 100 μm and an inter-electrode gap of 50 μm is formed by Cr, Au sputtering And is set on the PZT thin film by a standard photolithography process. That is, a Au interdigitated electrode (IDE) having a finger width of 100 mu m and a gap of 50 mu m is formed on the PZT thin film transferred through the sputtering and standard micromachining processes. The critical design parameters of the IDE include finger width, inter-electrode gap (spacing), and IDE finger count. Because more IDE fingers can produce higher currents from IDE-type energy harvesters than less dense IDE fingers, dense IDE fingers (narrow inter-electrode gaps) in the PZT thin-film energy harvester are chosen to improve output current. The space between adjacent electrode fingers of the IDE can be easily switched to achieve a high performance flexible energy harvester. Even though a narrow IDE gap may result in a partial reduction in the generated voltage due to the narrow active piezoelectric region between the IDE fingers, the increase in output current is likely due to the output voltage already sufficient for f-VLED operation, It is essential to work.
한편 도 1f를 참조하면, 기계적 및 전기적 손상으로부터 에너지 수확기를 보호하기 위해 IDE 상에 와이어링을 위한 메탈 콘택 홀을 제외하고 PZT 박막 및 IDE 전체에 대해서 직접적인 스핀 코팅 및 4분간의 105℃에서의 큐어링을 이용하여 두께 5㎛ 정도의 에폭시층으로 밀폐화한다. 이는 50㎛ 공간 미만에서, 에너지 수확기는 이후 폴링 공정동안 전기적 손상을 겪게 되었다. PZT 박막에서 기계적 크랙으로부터 야기되는 전기적 손상을 방지하기 위해서, SU-8 에폭시층이 IDE-패턴화 PZT 에너지 수확기 상에 코팅된다.Referring to FIG. 1F, except for the metal contact holes for wiring on the IDE to protect the energy harvester from mechanical and electrical damage, direct spin coating of the PZT thin film and the entire IDE and 4 minutes of curing at 105 ° C Ring is sealed with an epoxy layer having a thickness of about 5 mu m. Below this, the energy harvester underwent electrical damage during the subsequent poling process. To prevent electrical damage from mechanical cracks in the PZT thin film, an SU-8 epoxy layer is coated on an IDE-patterned PZT energy harvester.
최종적으로, 도 1g를 참조하면, PZT 박막에서 다이폴을 정렬하기 위한 폴링 공정이 3시간 동안 120℃에서 100kvcm의 전기장을 이용하여 수행된다.Finally, referring to FIG. 1G, the poling process for aligning the dipoles in the PZT thin film is performed using an electric field of 100 kvcm at 120 DEG C for 3 hours.
상기 폴링 공정은 전기장을 제거한 후라도 대부분의 다이폴이 인가한 전기장 방향과 평행하게 정렬되고, 영구적으로 그들의 극성을 유지한다는 원칙으로부터 유래된다.The polling process is derived from the principle that most dipoles even after removal of the electric field are aligned parallel to the direction of the applied electric field and permanently maintain their polarity.
도 2a 내지 도 2f는 본 발명의 일 실시예로 적층형 플렉서블 나노 제너레이터를 제조하는 공정을 단계적으로 설명하는 도면이다.FIGS. 2A to 2F are diagrams for explaining a step of manufacturing a stackable flexible nano-generator according to an embodiment of the present invention.
먼저, 도 2a를 참조하면 희생기판으로 사용되는 사파이어 웨이퍼 상의 결정화된 PZT 박막은 30분 동안 6(mW/cm2)의 전력밀도로 UV광에 의해 완전히 큐어된 UV 감수성 PU 접착제에 의해 두께 125㎛의 PET 기재 상에 등각으로 부착된다. 즉, PZT 박막은, 폴리우레탄 (PU)접착제의 큐어링을 가능하게 하는 자외선(UV)에 의해, 플랙시블 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 기재에 고정된다. 본 발명에서의 압전소자층은 PZT 박막을 기본 구조로 한 상태에서 희생기판을 선택적으로 포함하는 구조일 수 있다. 즉, 압전소자층은 PZT 박막 만으로 이루어진 구조 및 PZT 박막 상에 희생기판이 적층된 구조를 모두 포함하는 개념이다. 2A, the crystallized PZT thin film on a sapphire wafer used as a sacrificial substrate is subjected to a UV-sensitive PU adhesive fully cured by UV light at a power density of 6 (mW / cm < And adheres conformally to the PET substrate. That is, the PZT thin film is fixed to the flexible polyethylene terephthalate (PET) substrate by ultraviolet light (UV) which enables curing of the polyurethane (PU) adhesive. The piezoelectric element layer in the present invention may be a structure including a sacrificial substrate selectively with the PZT thin film as a basic structure. That is, the piezoelectric element layer includes both a structure formed only of a PZT thin film and a structure in which a sacrificial substrate is stacked on a PZT thin film.
다음으로, 도 2b 내지 도 2c를 참조하면, 레이저 리프트 오프 공정을 이용하여 PZT 박막으로부터 사파이어 기재를 제거함으로써 PET 기재 상에 단일한 압전 소자층만을 갖는 나노 자가발전기 상태가 된다.Next, referring to FIGS. 2B to 2C, the sapphire substrate is removed from the PZT thin film by using a laser lift-off process, whereby a nano-self generator state having only a single piezoelectric element layer on the PET substrate is obtained.
다음으로, 도 2d를 참조하면, 단일한 압전 소자층만을 갖는 나노 자가 발전기 상에 압전 소자층을 추가적으로 적층한다.Next, referring to FIG. 2D, a piezoelectric element layer is additionally layered on the nano-magnet generator having only a single piezoelectric element layer.
즉, 사파이어 웨이퍼 상에 결정화된 제2 압전 소자층을 제1 압전 소자층을 갖는 자가 발전기 상에 광 감수성 접착제에 의해 부착한다. 한편 제1 압전 소자층을 PET 기재 상에 부착하는 과정에서도 광 감수성 접착제를 사용한다.That is, the crystallized second piezoelectric element layer on the sapphire wafer is attached to the self-generator having the first piezoelectric element layer by a photosensitive adhesive. Meanwhile, a light-sensitive adhesive is used in the process of attaching the first piezoelectric element layer on the PET substrate.
광 감수성 접착제는 가시광을 이용한 접착제일 수도 있으나, 바람직하게는 자외선을 조사함으로써 경화되는 UV 감수성 접착제일 수 있다. UV 감수성 접착제는 일반적인 보관 상태에서는 액상을 유지하게 되고, 접착이 요구되는 접착면 상에 도포된 상태에서 200nm 내지 400nm 영역의 자외선을 이용하여 경화되며 강한 접착력을 나타낸다. UV 감수성 접착제의 일 예로서 Norland Optical Adhesive(NOA)를 들 수 있는데, 상기 NOA는 용매를 사용하지 않는 깨끗한 광학용 접착제로서 자외선에 노출될 경우 수분 안에 완전히 경화되도록 설계된다. NOA는 강력하면서 탄력있는 접착제로서 적층된 압전 소자층 간의 정밀 정렬(precision alignment) 또는 포지셔닝(positioning) 용도에 사용된다. 한편, UV 감수성 접착제는 자외선에 노출되기 전에는 접착제가 경화되지 않으므로 배치 시간을 확보할 수 있다.The light-sensitive adhesive may be an adhesive using visible light, but is preferably a UV-sensitive adhesive which is cured by irradiating ultraviolet light. The UV-sensitive adhesive maintains a liquid state in a normal storage state, and is cured using ultraviolet rays in the range of 200 nm to 400 nm in a state of being applied on the adhesion surface requiring adhesion, and exhibits strong adhesion. An example of a UV sensitive adhesive is Norland Optical Adhesive (NOA), which is a solventless, clean optical adhesive designed to be fully cured in a few minutes when exposed to ultraviolet light. NOA is used in precision alignment or positioning applications between laminated piezoelectric element layers as a strong, resilient adhesive. On the other hand, the UV-sensitive adhesive does not harden the adhesive before exposure to ultraviolet rays, so that the positioning time can be secured.
상기와 같은 자외선 경화형 접착제는 가열 경화와 혐기 정화등 경화 기능을 병용하는 기술이 개발되어 그 수요가 확대될 수 있고, 특히 전기, 전자 부품 등의 생산 라인의 고속화가 요구되는 용도 면에서 시장이 확대 형성된다.The ultraviolet curing type adhesive described above has developed a technique of using a curing function such as a heat curing and an anaerobic curing function to expand the demand. Especially, in the field of applications requiring high speed of production lines of electric and electronic parts, .
또한, 향후 DVD, 액정 관련 제품 및 광섬유 등 디지털 미디어 시장의 신장과 가시광 경화형 접착제의 등장과 함께 전자, 통신, 광학, 의료등 다방면의 분야에 광범위하게 이용될 수 있다. 이 외에도 UV 감수성 접착제는 높은 에너지 이용 효율, 저공해 공정 및 공간 절약도 등의 이점으로 인하여 응용분야를 넓힐 수 있고, 대기 오염 또는 재활용 등의 환경문제에 대비하여 할용도를 증가할 수 있다.In addition, with the emergence of digital media market such as DVD, liquid crystal related products and optical fiber and appearance of visible light curing type adhesive, it can be widely used in various fields such as electronic, communication, optical, and medical. In addition, UV-sensitive adhesives can be applied to a wide range of applications due to their advantages such as high energy utilization efficiency, low pollution process and space saving, and can increase their availability in preparation for environmental problems such as air pollution or recycling.
PET 기재 상에 제1 압전 소자층을 적층하는 경우에는 PET 기재 하부 측에서 UV를 조사한다. When the first piezoelectric element layer is laminated on the PET substrate, UV is irradiated on the lower side of the PET substrate.
제2 압전 소자층을 제1 압전 소자층에 적층하게 되는 단계에서는 UV가 PZT film이라는 추가적인 장벽을 투과해야 하므로 사파이어 웨이퍼 측으로부터 UV를 조사한다.In the step of laminating the second piezoelectric element layer on the first piezoelectric element layer, UV is irradiated from the side of the sapphire wafer because UV must penetrate an additional barrier called PZT film.
또한, 제2 압전 소자층을 이루는 사파이어 웨이퍼를 통해 조사하는 과정에서는 UV가 PZT film을 통과해야 하기 때문에, 제1 압전 소자층을 PET 기재 상에 적층하는 경우보다 더 오랜 시간 경화시켜주는 것이 바람직하다.In addition, in the process of irradiating through the sapphire wafer constituting the second piezoelectric element layer, since UV must pass through the PZT film, it is preferable that the first piezoelectric element layer is cured for a longer time than the case where the first piezoelectric element layer is laminated on the PET substrate .
다음으로, 도 2e 및 도 2f를 참조하면, 적층된 복수의 압전 소자층의 상부를 덮는 사파이어 웨이퍼를 레이저 리프트 오프 공정을 이용하여 제거함으로써 플랙시블 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 기재 상에 제1 압전 소자층 및 제2 압전 소자층이 차례로 적층한 구조를 이루게 한다.Next, referring to FIGS. 2E and 2F, a sapphire wafer covering an upper portion of a plurality of stacked piezoelectric element layers is removed by using a laser lift-off process, thereby forming a first piezoelectric element (not shown) on a flexible polyethylene terephthalate Layer and the second piezoelectric element layer are stacked in this order.
도 3에서는 단층의 압전 소자층 을 갖는 플렉서블 나노 제너레이터 및 그 실제 적용예를 보이고, 도 4는 복수개의 압전 소자층을 갖는 플렉서블 나노 제너레이터 및 그 실제 적용예를 보인다.Fig. 3 shows a flexible nano-generator having a single-layer piezoelectric element layer and its practical application. Fig. 4 shows a flexible nano-generator having a plurality of piezoelectric element layers and its practical application.
도 5는 복수개의 압전 소자층 상에 보호층을 형성한 플렉서블 나노 제너레이터를 보이는 도면, 도 6은 도 5의 나노 제너레이터 상의 전위차를 설명하는 그래프이다.FIG. 5 is a view showing a flexible nano-generator having a protective layer formed on a plurality of piezoelectric element layers, and FIG. 6 is a graph for explaining a potential difference on the nano-generator of FIG.
본 실시예서는 PET 기재 상에 적층된 복수의 압전 소자층 상에 각각 보호층이 적층되는 것을 확인할 수 있다. 상기 보호층은 일예로서 SU-8 및 SU-10 등을 포함한 포토레지스트일 수 있다. 상기 보호층은 각각의 압전 소자층 상에 적층된 상태에서 크랙을 방지하는 동시에 소자의 내구성을 향상하게 된다. 또한, 종래에 소자에 주름이 발생함으로 인해 크랙이 발생하거나 이로 인한 출력측정의 애로사항을 감소하게 한다.It can be confirmed that the protective layer is laminated on each of the plurality of piezoelectric element layers stacked on the PET substrate in this embodiment. The protective layer may be, for example, a photoresist including SU-8 and SU-10. The protective layer prevents cracks in a state of being laminated on each of the piezoelectric element layers and improves durability of the device. In addition, it causes cracks due to wrinkles occurring in the conventional device, thereby reducing the difficulty in measuring the output due to wrinkles.
도 6을 참조하면, 제2 압전 소자층을 따라서는 청색에서 적색으로 색상의 변화가 뚜렷하지만, 제1 압전 소자층을 따라서는 색상의 변화가 거의 없는 것을 확인할 수 있다. 즉, 제1 압전 소자층을 전위의 차이가 거의 없는 것을 알 수 있고, 이는 기존 기계적 중립 평면(mechanical neutral plane)이 PET 기재에서 제1 압전 소자층으로 이동하여 발생하는 것이다.Referring to FIG. 6, it can be seen that although the color change from blue to red is noticeable along the second piezoelectric element layer, there is little change in color along the first piezoelectric element layer. That is, it can be seen that the first piezoelectric element layer has almost no difference in electric potential, which is caused by a conventional mechanical neutral plane moving from the PET substrate to the first piezoelectric element layer.
도 7은 단일 압전 소자층과 적층된 복수의 압전 소자층 간의 발전 효율을 비교한 그래프이다.7 is a graph comparing power generation efficiencies between a single piezoelectric element layer and a plurality of stacked piezoelectric element layers.
그래프에서 알 수 있듯이, 제1 압전 소자층보다는 제2 압전 소자층에서 훨씬 더 높은 전류와 전압이 출력되는 것을 확인할 수 있다. 구체적으로 전압의 경우에는 약 3배, 전류의 경우에는 약 20배의 차이가 나는 것을 알 수 있다.As can be seen from the graph, much higher current and voltage are output from the second piezoelectric element layer than from the first piezoelectric element layer. Specifically, the voltage difference is about 3 times, and the current difference is about 20 times.
도 8은 PET 기재의 양쪽면 상에 압전 소자층이 대칭적으로 적층된 플렉서블 나노 제너레이터를 보이는 도면, 도 9는 도 8의 나노 제너레이터 상의 전위차를 설명하는 그래프이다.Fig. 8 is a view showing a flexible nano-generator in which piezoelectric element layers are symmetrically stacked on both sides of a PET substrate, and Fig. 9 is a graph explaining a potential difference on the nano-generator in Fig.
PET 기재의 양쪽면 상에 압전 소자층을 형성하는 제1 방안으로서는 PET 기재의 상면에 제1 압전소자층을 형성하고, PET 기재의 하면에 제2 압전소자층을 형성한 이후에 제1,2 압전소자층에 전극 및 보호층을 형성할 수 있다.As a first method for forming the piezoelectric element layer on both sides of the PET substrate, a first piezoelectric element layer is formed on the upper surface of the PET substrate, a second piezoelectric element layer is formed on the lower surface of the PET substrate, An electrode and a protective layer can be formed on the piezoelectric element layer.
PET 기재의 양쪽면 상에 압전 소자층을 형성하는 제2 방안으로서는 PET 기재의 상면에 제1 압전소자층을 형성하고, 제1 압전소자층 상에 전극 및 보호층 형성한다. 이후에, PET 기재의 하면에 제2 압전소자층을 형성하고 제2 압전소자층에 전극 및 보호층을 형성할 수 있다.As a second method for forming the piezoelectric element layer on both sides of the PET substrate, a first piezoelectric element layer is formed on the upper surface of the PET substrate, and an electrode and a protective layer are formed on the first piezoelectric element layer. Thereafter, the second piezoelectric element layer can be formed on the lower surface of the PET substrate, and the electrodes and the protective layer can be formed on the second piezoelectric element layer.
한편, 도 9를 참조하면, PET 기재의 양쪽면 상에 형성된 압전 소자층을 따라서 청색에서 적색으로 색상의 변화가 뚜렷한 것을 확인할 수 있다.On the other hand, referring to FIG. 9, it can be seen that the color change is clear from blue to red along the piezoelectric element layer formed on both sides of the PET substrate.
도 10을 참조하면, 본 발명에서 수직으로 적층된 제1 압전 소자층 및 제2 압전 소자층은 일 예로써 그 적층 두께를 일정하게 유지한다. 플렉서블 나노 제너레이터의 충분한 출력을 확보하는 동시에 박막층의 유연성을 유지하기 위해서 바람직하게는 단일 압전 소자층의 두께는 2.5㎛ 이하의 두께를 유지할 수 있다. 이는 만약에 단일 압전 소자층의 두께가 2.5㎛를 초과하면 박막층의 유연성이 저하될 수 있다는 데에 기인한다.Referring to FIG. 10, in the present invention, the vertically laminated first piezoelectric element layer and the second piezoelectric element layer maintain their lamination thicknesses as an example. In order to ensure sufficient output of the flexible nano-generator and to maintain the flexibility of the thin film layer, the thickness of the single piezoelectric element layer can preferably be kept to 2.5 m or less. This is because if the thickness of the single piezoelectric element layer exceeds 2.5 mu m, the flexibility of the thin film layer may be deteriorated.
한편, 복수의 압전 소자층을 수직으로 적층하는 과정에서 각각의 압전 소자층 상에 골드와 같은 금속 전극을 증착한 후에 전극을 추출해내야 한다. On the other hand, in the process of vertically stacking a plurality of piezoelectric element layers, it is necessary to deposit metal electrodes such as gold on each of the piezoelectric element layers, and then to extract the electrodes.
도 11을 참조하면, 본 발명에서 제1 압전 소자층 상에 제2 압전 소자층을 적층하는 경우에 압전 소자의 면적이 점점 감소하는 방향으로 적층 과정이 이루어진다. 예를 들어, 제1 압전 소자층은 가로 및 세로가 각각 30㎜를 유지하는 경우에 제1 압전 소자층은 가로 및 세로가 각각 25㎜를 유지하게 함으로써 감소하는 경향을 보이게 된다. 한편, 3개 이상의 압전 소자층을 적층하는 경우에는 압전 소자층의 가로 및 세로 길이를 점진적으로 줄여주면 가능하게 된다.Referring to FIG. 11, in the case where the second piezoelectric element layer is laminated on the first piezoelectric element layer in the present invention, a lamination process is performed in a direction in which the area of the piezoelectric element gradually decreases. For example, when the first and second piezoelectric element layers are kept at 30 mm and 30 mm respectively, the first piezoelectric element layer tends to decrease by maintaining 25 mm in width and length, respectively. On the other hand, when three or more piezoelectric element layers are laminated, it becomes possible to gradually reduce the width and length of the piezoelectric element layer.
본 발명은 상하로 적층된 복수의 PZT 박막층을 포함하는 형태의 플렉서블 나노 제너레이터를 제공하는 것으로서, 에너지 수확기의 개념으로도 사용할 수 있다. 즉, 주위에서 쉽게 발생되는 진동이나 음파, 초음파 영역의 진동 또는 구부러짐, 수축, 신장 등과 같은 주변의 물리적인 에너지를 수확(harvest)하여 전기에너지로 변환하고 이를 저장(Storage)하는 기술로의 응용이 가능하다.The present invention provides a flexible nano-generator including a plurality of PZT thin film layers stacked on top and bottom, and can also be used as a concept of an energy harvester. In other words, application to the technology of harvesting the surrounding physical energy such as vibration, sound wave, ultrasonic wave vibration or bending, shrinkage, elongation, etc., which is easily generated from the surroundings, It is possible.
일반적으로 '어디에나 존재하는' 유비쿼터스 네트워크의 실현을 위해서는 '어디에나 존재하며 작동하는' 유비쿼터스 전원의 존재가 필수 불가결하다. 한편, 도처에 존재하는 유비쿼터스 네트워크 구성요소의 전원은 충전을 필요로 하지 않는 자급자족 형태이어야 한다. 즉, 발전능력 및 축전능력이 공히 구비되어야 한다.Generally, in order to realize ubiquitous network that exists everywhere, it is indispensable to have a ubiquitous power source that exists and operates everywhere. On the other hand, the power of the ubiquitous network elements present everywhere should be self-sufficient without charging. That is, both power generation capacity and power storage capacity should be provided.
본 발명의 나노 제너레이터를 채용한 에너지 하베스트 및 스토리지(자가 충전발전)소자는 도래하는 유비쿼터스 및 무선 모바일 시대의 휴대용 전자제품에 필요한 대체 에너지원으로 소형화, 무선화 및 고기능화가 필요한 다양한 분야에 적용 가능하다. 즉, Wearable 컴퓨터, MP3, GSM, Bluetooth 등의 정보통신기기, Robotics, 항공우주, 자동차, 의료, 건축, MEMS 분야 등의 전력 발생용으로 개발되고 있으며, 그 응용 가능 분야는 점차 확대되고 있다.The energy harvesting and storage (self-charging power generation) device employing the nano-generator of the present invention can be applied to various fields requiring miniaturization, wirelessization, and high functionality as alternative energy sources required for portable electronic products in the coming ubiquitous and wireless mobile era. That is, it is being developed for electric power generation in wearable computer, information communication device such as MP3, GSM, Bluetooth, robotics, aerospace, automobile, medical, architecture, MEMS field, and its application field is gradually expanding.
본 발명은 주위로부터의 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 에너지 변환소자인 압전 소자를 사용하기 때문에, 인간의 동작, 예를 들어 타이핑, 워킹, 팔놀림 및 숨쉬기 등과 같은 일상적인 동작으로 필요한 전력을 얻을 수 있어서 환경 문제를 해결할 뿐만 아니라 기존 이차 전지, 연료 전지를 대체 또는 보완할 수도 있다.Since the present invention uses a piezoelectric element which is an energy conversion element for converting mechanical energy from the surroundings into electrical energy, it is possible to obtain necessary electric power by a usual operation such as human motion, for example, typing, walking, moving and breathing Not only solves environmental problems, but also can replace or supplement existing secondary batteries and fuel cells.
상술한 바와 같이, 본 발명은 3차원 구조로 적층된 복수의 박막 압전층을 이용한 플렉서블한 에너지 발생장치에 기초하여 별도 외부 전력의 공급을 요함이 없이 미세한 물리적 자극으로부터 영구적으로 발광이 가능하게 한다.INDUSTRIAL APPLICABILITY As described above, the present invention makes it possible to permanently emit light from a fine physical stimulus without requiring supply of external electric power on the basis of a flexible energy generating device using a plurality of thin film piezoelectric layers stacked in a three-dimensional structure.
본 발명은 미세한 자극에도 에너지 획득이 가능한 나노 제너레이터를 갖추고 있는바 이를 통해 웨어러블 전자기기, 인공 피부 장치, 바이오 이식 및 인체 통합 응용장치 등에 적용이 가능하다.The present invention is equipped with a nano-generator capable of acquiring energy even in a minute stimulus, and thus can be applied to a wearable electronic device, an artificial skin device, a bio-implantable and human body integrated application device.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니한다. 즉, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능하며, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정의 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.Although the preferred embodiments of the present invention have been described, the present invention is not limited to the specific embodiments described above. It will be apparent to those skilled in the art that numerous modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the appended claims. And equivalents should also be considered to be within the scope of the present invention.
Claims (11)
상기 플렉서블 기재 상에 적층되는 복수의 압전 소자층;을 포함하며,
상기 복수의 압전 소자층은 상기 플렉서블 기재의 상면에 적층되는 제1 압전 소자층 및 상기 제1 압전 소자층의 상면 또는 상기 플렉서블 기재의 하면에 적층되는 제2 압전 소자층을 포함하고,
상기 제1, 2 압전 소자층 상에 각각 형성되는 전극; 및
상기 전극이 형성된 제1, 2 압전 소자층을 각각 코팅하는 보호층;을 더 포함하고,
상기 제1,2 압전 소자층 각각의 두께는 2.5㎛ 이하인,
3차원 적층형 플렉서블 나노 제너레이터.
A flexible substrate; And
And a plurality of piezoelectric element layers laminated on the flexible substrate,
Wherein the plurality of piezoelectric element layers comprise a first piezoelectric element layer laminated on the upper surface of the flexible substrate and a second piezoelectric element layer laminated on an upper surface of the first piezoelectric element layer or a lower surface of the flexible substrate,
Electrodes formed on the first and second piezoelectric element layers, respectively; And
And a protective layer coating each of the first and second piezoelectric element layers on which the electrode is formed,
Wherein the thickness of each of the first and second piezoelectric element layers is 2.5 占 퐉 or less,
Three-dimensional stacking type flexible nano generator.
상기 복수의 압전 소자층은 광 감수성 접착제를 통해 상기 플렉서블 기재 상에 적층되거나 또는 각 압전 소자층 간에 적층되며,
상기 제2 압전 소자층에서 상기 제1 압전 소자층을 향해 광이 조사되어 이루어지는,
3차원 적층형 플렉서블 나노 제너레이터.
The method according to claim 1,
Wherein the plurality of piezoelectric element layers are laminated on the flexible substrate through a photosensitive adhesive or laminated between respective piezoelectric element layers,
And the second piezoelectric element layer is irradiated with light from the first piezoelectric element layer toward the first piezoelectric element layer,
Three-dimensional stacking type flexible nano generator.
상기 복수의 압전 소자층은 압전 소자의 면적이 점점 감소하는 방향으로 적층이 이루어지는,
3차원 적층형 플렉서블 나노 제너레이터.
The method according to claim 1,
Wherein the plurality of piezoelectric element layers are laminated in such a direction that the areas of the piezoelectric elements gradually decrease,
Three-dimensional stacking type flexible nano generator.
레이저 리프트 오프 공정을 이용하여 상기 제1 압전 소자층의 상단으로부터 희생기판을 제거한 이후에 상기 제1 압전 소자층 상에 전극을 형성하는 단계;
상기 플렉서블 기재의 하면 상에 제2 압전 소자층을 적층하는 단계; 및
레이저 리프트 오프 공정을 이용하여 상기 제2 압전 소자층의 상단으로부터 상기 희생기판을 제거한 이후에 상기 제2 압전 소자층 상에 전극을 형성하는 단계;를 포함하고,
상기 제2 압전 소자층의 적층 단계에서는,
광 감수성 접착제를 이용하여 상기 제2 압전 소자층을 부착한 후에 상기 제2 압전 소자층에서 상기 제1 압전 소자층으로 광을 조사하는,
3차원 적층형 플렉서블 나노 제너레이터의 제조 방법.
Stacking a first piezoelectric element layer on the upper surface of the flexible substrate;
Forming an electrode on the first piezoelectric element layer after removing the sacrificial substrate from the top of the first piezoelectric element layer using a laser lift-off process;
Stacking a second piezoelectric element layer on a lower surface of the flexible substrate; And
Forming an electrode on the second piezoelectric element layer after removing the sacrificial substrate from the top of the second piezoelectric element layer using a laser lift-off process,
In the step of laminating the second piezoelectric element layer,
Wherein the second piezoelectric element layer is irradiated with light from the second piezoelectric element layer after the second piezoelectric element layer is attached using a photosensitive adhesive,
(JP) METHOD FOR MANUFACTURING 3 - D STROMED FLEXIBLE NANO GENERATOR.
상기 제1,2 압전 소자층의 적층 단계에서는 광 감수성 접착제를 통해 적층이 이루어지는,
3차원 적층형 플렉서블 나노 제너레이터의 제조 방법.
5. The method of claim 4,
In the step of laminating the first and second piezoelectric element layers, lamination is carried out through a light-
(JP) METHOD FOR MANUFACTURING 3 - D STROMED FLEXIBLE NANO GENERATOR.
상기 광 감수성 접착제는 UV로 경화되는 UV감수성 접착제인,
3차원 적층형 플렉서블 나노 제너레이터의 제조 방법.
6. The method of claim 5,
Wherein the light-sensitive adhesive is a UV-sensitive adhesive which is cured by UV,
(JP) METHOD FOR MANUFACTURING 3 - D STROMED FLEXIBLE NANO GENERATOR.
상기 제1 압전 소자층의 적층 단계에서는,
상기 플렉서블 기재의 하부 측으로부터 광을 조사하는,
3차원 적층형 플렉서블 나노 제너레이터의 제조 방법.
The method according to claim 6,
In the step of laminating the first piezoelectric element layer,
And irradiating light from the lower side of the flexible substrate,
(JP) METHOD FOR MANUFACTURING 3 - D STROMED FLEXIBLE NANO GENERATOR.
상기 제2 압전 소자층의 적층시에는 상기 제1 압전 소자층의 적층시보다 광을 더 긴시간 조사하는,
3차원 적층형 플렉서블 나노 제너레이터의 제조 방법.
5. The method of claim 4,
When the second piezoelectric element layer is laminated, the light is irradiated for a longer time than when the first piezoelectric element layer is laminated,
(JP) METHOD FOR MANUFACTURING 3 - D STROMED FLEXIBLE NANO GENERATOR.
상기 제1, 2 압전 소자층을 보호하기 위하여 상기 제1, 2 압전 소자층 각각의 상면 상에 보호층을 형성하는 단계를 더 포함하는,
3차원 적층형 플렉서블 나노 제너레이터의 제조 방법.
5. The method of claim 4,
Further comprising the step of forming a protective layer on the upper surfaces of the first and second piezoelectric element layers to protect the first and second piezoelectric element layers,
(JP) METHOD FOR MANUFACTURING 3 - D STROMED FLEXIBLE NANO GENERATOR.
A ubiquitous and wireless mobile device comprising a flexible nano-generator according to any one of claims 4 to 9.
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|---|---|---|---|---|
| KR20210048840A (en) * | 2019-10-24 | 2021-05-04 | 강석찬 | Manufacturing Method of Piezoelectric Device using ceramics-polymer |
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|---|---|---|---|---|
| KR100718095B1 (en) * | 2005-12-19 | 2007-05-16 | 삼성전자주식회사 | Coupled resonator filter and fabrication method thereof |
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