KR20190021913A - 에너지 하베스터 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents

에너지 하베스터 소자 및 그 제조 방법 Download PDF

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KR20190021913A
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Abstract

에너지 하베스터 소자의 제조 방법이 제공된다. 상기 에너지 하베스터 소자의 제조 방법은, 상부 전극, 및 상기 상부 전극 상에 배치되고 제1 패턴을 갖는 제1 제1 마찰층(first harvesting layer)을 포함하는 상부 전극 구조체를 형성하는 단계, 하부 전극, 및 상기 하부 전극 상에 배치되고 제2 패턴을 갖는 제2 마찰층(second harvesting layer)을 포함하는 하부 전극 구조체를 형성하는 단계, 상기 제1 마찰층 및 상기 제2 마찰층이 서로 마주보도록, 상기 하부 전극 구조체 상에 상기 상부 전극 구조체를 배치하는 단계를 포함하되, 상기 제1 및 제2 패턴을 갖는 상기 제1 및 제2 마찰층을 형성하는 단계는, 상기 제1 및 제2 마찰층보다 높은 경도를 갖고, 제1 및 제2 마스터 패턴을 갖는 제1 및 제2 마스터 기판을 준비하는 단계, 및 상기 제1 및 제2 마찰층을 상기 제1 및 제2 마스터 기판으로 눌러, 상기 제1 및 제2 마찰층 상에, 상기 제1 및 제2 마스터 패턴의 역상을 갖는 상기 제1 및 제2 패턴을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

에너지 하베스터 소자 및 그 제조 방법 {Energy harvester device and method of fabrication of the same}
본 발명은 에너지 하베스터 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 패턴이 형성된 제1 마찰층 및 제2 마찰층을 포함하는 에너지 하베스터 소자 및 그 제조 방법에 관련된 것이다.
마찰에 의해 발생하는 정전기 현상을 이용하여 에너지를 수확하는 "마찰전기 에너지 발전 소자"는 두 물질이 접촉했을 때와 떨어졌을 때 발생하는 정전기에 의한 대전(帶電) 차이로 에너지가 발생한다.
이러한 마찰전기 에너지 발전 소자는, 마찰전기 에너지 발전 소자를 구부리거나 눌렀을 때, 서로 다른 물질간의 마찰에 의해 물질의 표면이 대전되고, 대전된 물체 표면의 정전하로 인해서 전위차가 발생하며, 전하가 평형을 이룰 때까지 연결된 회로를 통해서 전류가 흐르게 되는 원리로 작동된다. 이때, 마찰되는 물질간의 마찰효과와 물질간 상대적인 대전효과에 따라 발생되는 전류 및 전압의 특성이 변하게 된다.
이러한 마찰전기 에너지 발전 소자의 에너지 전환 효율을 향상시키기 위하여 다양한 기술들이 개발되고 있다. 예를 들어, 대한 민국 특허 공개 번호 10-2016-0118600(출원번호: 10-2015-0046957, 출원인: 성균관대학교 산학협력단)에는, 전극, 전극 상에 배치된 부도체 물질층, 부도체 물질층 상의 제 1 도체층, 및 제 1 도체층 위에 위치하여 상기 상기 제 1 도체층과 접촉 및 비접촉 상태를 반복할 수 있으며 제 1 도체층과 상이한 물질로 이루어진 제 2 도체층을 포함하는 도체-도체 간의 마찰전기 에너지 발전 소자가 제공된다.
이 밖에도, 마찰전기 에너지 발전 소자의 에너지 전환 효율을 향상시키기 위한 다양한 기술들이 지속적으로 연구 개발되고 있다.
대한 민국 특허 공개 번호 10-2016-0118600
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는, 제조 공정이 간소화된 에너지 하베스터 소자 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 제조 비용이 감소된 에너지 하베스터 소자 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 기판들의 경도 차이를 이용하여 형성된 패턴을 포함하는 에너지 하베스터 소자 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 간소한 공정으로 제조된 패턴을 포함하는 에너지 하베스터 소자 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술된 것에 제한되지 않는다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 에너지 하베스터 소자의 제조 방법을 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 에너지 하베스터 소자의 제조 방법은, 상부 전극, 및 상기 상부 전극 상에 배치되고 제1 패턴을 갖는 제1 제1 마찰층(first harvesting layer)을 포함하는 상부 전극 구조체를 형성하는 단계, 하부 전극, 및 상기 하부 전극 상에 배치되고 제2 패턴을 갖는 제2 마찰층(second harvesting layer)을 포함하는 하부 전극 구조체를 형성하는 단계, 상기 제1 마찰층 및 상기 제2 마찰층이 서로 마주보도록, 상기 하부 전극 구조체 상에 상기 상부 전극 구조체를 배치하는 단계를 포함하되, 상기 제1 및 제2 패턴을 갖는 상기 제1 및 제2 마찰층을 형성하는 단계는, 상기 제1 및 제2 마찰층보다 높은 경도를 갖고, 제1 및 제2 마스터 패턴을 갖는 제1 및 제2 마스터 기판을 준비하는 단계, 및 상기 제1 및 제2 마찰층을 상기 제1 및 제2 마스터 기판으로 눌러, 상기 제1 및 제2 마찰층 상에, 상기 제1 및 제2 마스터 패턴의 역상을 갖는 상기 제1 및 제2 패턴을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 에너지 하베스터 소자의 제조 방법은, 상기 제1 마찰층 및 상기 제2 마찰층 사이에 제3 패턴을 갖는 기능층을 제공하는 단계를 더 포함하되, 상기 기능층을 제공하는 단계는, 상기 기능층보다 높은 경도를 갖고, 제3 마스터 패턴을 갖는 제3 마스터 기판을 준비하는 단계, 및 상기 기능층을 상기 제3 마스터 기판으로 눌러, 상기 기능층 상에, 상기 제3 마스터 패턴의 역상을 갖는 상기 제3 패턴을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 마찰층, 상기 제2 마찰층, 및 상기 기능층 상에 가해지는 압력은, 상기 제1 마찰층, 상기 제2 마찰층, 및 상기 기능층의 물질 종류에 따라 달라질 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 마찰층, 상기 제2 마찰층, 및 상기 기능층이 고분자 소재인 경우, 5 kgf/mm2 이상의 압력이 가해지고, 상기 제1 마찰층, 상기 제2 마찰층, 및 상기 기능층이 가교된(cross-linked) 고분자 소재인 경우, 37 kgf/mm2 이상의 압력이 가해질 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 마찰층, 및 상기 제2 마찰층은, 압전 물질, 또는 절연성 물질 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 에너지 하베스터 소자를 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 에너지 하베스터 소자는, 상부 전극, 및 상기 상부 전극 상에 배치되고 제1 패턴을 갖는 제1 마찰층을 포함하는 상부 전극 구조체, 및 하부 전극, 및 상기 하부 전극 상에 배치되고 제2 패턴을 갖는 제2 마찰층을 포함하는 하부 전극 구조체를 포함하되, 상기 제1 마찰층의 상기 제1 패턴 및 상기 제2 마찰층의 상기 제2 패턴은 서로 마주보도록 상기 하부 전극 구조체 상에 상기 상부 전극 구조체가 배치될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 패턴은, 상기 상부 전극과 접촉된 상기 제1 마찰층의 일면으로부터 서로 다른 레벨에 위치하되, 동일한 형상을 갖는 복수의 제1 서브 패턴들을 포함하고, 상기 제2 패턴은, 상기 하부 전극과 접촉된 상기 제2 마찰층의 일면으로부터 서로 다른 레벨에 위치하되, 동일한 형상을 갖는 복수의 제2 서브 패턴들을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 에너지 하베스터 소자는, 상기 제1 마찰층 및 상기 제2 마찰층 사이에 배치되고, 제3 패턴을 갖는 기능층을 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 기능층은 상기 제1 마찰층과 대면하는 제1 표면, 및 상기 제2 마찰층과 대면하는 제2 표면을 포함하고, 상기 제3 패턴은, 상기 제1 표면 및 상기 제2 표면에 각각 제공되는 제3-1 패턴 및 제3-1 패턴을 포함하고, 상기 제3-1 패턴 및 상기 제3-2 패턴의 선폭은, 상기 제1 패턴의 선폭 및 상기 제2 패턴의 선폭과 다를 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제3-1 패턴은, 상기 제1 마찰층으로부터 서로 다른 레벨에 위치하되, 동일한 형상을 갖는 복수의 제3-1 서브 패턴들을 포함하고, 상기 제3-2 패턴은, 상기 제2 마찰층으로부터 서로 다른 레벨에 위치하되, 동일한 형상을 갖는 복수의 제3-2 서브 패턴들을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 에너지 하베스터 소자는, 요철 구조를 갖는 상부 지지 기판, 및 상기 상부 지지 기판의 요철 구조 상의 상부 전극을 포함하는 상부 전극 구조체, 요철 구조를 갖는 하부 지지 기판, 및 상기 하부 지지 기판의 요철 구조 상의 하부 전극을 포함하는 하부 전극 구조체, 및 상기 상부 전극 구조체 및 상기 하부 전극 구조체 사이에 배치되고, 압전 물질 또는 절연 물질로 형성된 기능층을 포함하되, 상기 상부 전극 및 상기 하부 전극이 서로 마주보도록, 상기 하부 전극 구조체 상에 상기 상부 전극 구조체가 배치될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 상부 전극은, 상기 상부 지지 기판의 요철 구조를 콘포말하게 덮고, 상기 하부 전극은, 상기 하부 지지 기판의 요철 구조를 콘포말하게 덮을 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 상부 전극은, 상기 상부 지지 기판의 요철 구조의 볼록부 및 오목부의 상부면 상에 서로 이격되어 복수로 제공되고, 상기 하부 전극은, 상기 하부 지지 기판의 요철 구조의 볼록부 및 오목부의 상부면 상에 서로 이격되어 복수로 제공될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 에너지 하베스터 소자의 제조 방법은, 상부 전극, 및 상기 상부 전극 상에 배치되고 제1 패턴을 갖는 제1 제1 마찰층(first harvesting layer)을 포함하는 상부 전극 구조체를 형성하는 단계, 하부 전극, 및 상기 하부 전극 상에 배치되고 제2 패턴을 갖는 제2 마찰층(second harvesting layer)을 포함하는 하부 전극 구조체를 형성하는 단계, 상기 제1 마찰층 및 상기 제2 마찰층이 서로 마주보도록, 상기 하부 전극 구조체 상에 상기 상부 전극 구조체를 배치하는 단계를 포함하되, 상기 제1 및 제2 패턴을 갖는 상기 제1 및 제2 마찰층을 형성하는 단계는, 상기 제1 및 제2 마찰층을 상기 제1 및 제2 마스터 기판으로 눌러, 상기 제1 및 제2 마찰층 상에, 상기 제1 및 제2 마스터 패턴의 역상을 갖는 상기 제1 및 제2 패턴을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2 마찰층의 물질 종류에 따라 상기 제1 및 제2 마찰층이 변형되는 압력의 임계값 이상의 압력으로 상기 제1 및 제2 마스터 기판으로 상기 제1 및 제2 마찰층이 눌려져, 상기 제1 및 제2 마찰층 상에 상기 제1 및 제2 패턴이 용이하게 형성될 수 있다.
또한, 상기 제1 및 제2 마찰층의 상기 제1 및 제2 패턴에 의해, 에너지 변환 효율이 향상된 에너지 하베스트 소자가 제공될 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 에너지 하베스터 소자의 제조 방법을 설명하는 순서도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 에너지 하베스터 소자를 나타내는 도면이다.
도 3a는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 에너지 하베스터 소자의 상부 전극 구조체의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3b는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 에너지 하베스터 소자의 하부 전극 구조체의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4a는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 에너지 하베스터 소자를 설명하기 위한 도면이다.
도 4b는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 에너지 하베스터 소자를 설명하기 위한 도면이다.
도 4c는 본 발명의 제4 실시 예에 따른 에너지 하베스터 소자를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 제5 실시 예에 따른 에너지 하베스터 소자를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 제5 실시 예에 따른 에너지 하베스터 소자의 제1 마찰층의 제1 서브 패턴들의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 제5 실시 예에 따른 에너지 하베스터 소자의 제2 마찰층의 제2 서브 패턴들의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 8a는 본 발명의 제6 실시 예에 따른 에너지 하베스터 소자를 설명하기 위한 도면이다.
도 8b는 본 발명의 제7 실시 예에 따른 에너지 하베스터 소자를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 제8 실시 예에 따른 에너지 하베스터 소자를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 제9 실시 예에 따른 에너지 하베스터 소자를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 제10 실시 예에 따른 에너지 하베스터 소자를 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 본 발명의 제11 실시 예에 따른 에너지 하베스터 소자를 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 본 발명의 제10 및 제11 실시 예에 따른 에너지 하베스터 소자에 포함된 전극 구조체의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 14는 본 발명의 제12 실시 예에 따른 에너지 하베스터 소자를 설명하기 위한 도면이다.
도 15는 본 발명의 제13 실시 예에 따른 에너지 하베스터 소자를 설명하기 위한 도면이다.
도 16은 본 발명의 제12 및 제13 실시 예에 따른 에너지 하베스터 소자에 포함된 전극 구조체의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 17은 본 발명의 실시 예에 따라 패턴이 형성되는 압력의 임계값을 나타내는 그래프이다.
도 18은 본 발명의 실시 예에 따라 형성된 패턴을 촬영한 사진이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다.
여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.
명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다.
또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 에너지 하베스터 소자의 제조 방법을 설명하는 순서도이고, 도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 에너지 하베스터 소자를 나타내는 도면이고, 도 3a는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 에너지 하베스터 소자의 상부 전극 구조체의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이고, 도 3b는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 에너지 하베스터 소자의 하부 전극 구조체의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 1, 도 2, 도 3a, 및 도 3b를 참조하면, 상부 전극(110), 및 상기 상부 전극(110) 상에 배치되고 제1 패턴(122)을 갖는 제1 마찰층(120)을 포함하는 상부 전극 구조체(100)가 준비된다(S110).
일 실시 예에 따르면, 상기 상부 전극(110)은 투명전극, 금속전극, 및 질화물 전극 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 투명전극은, InSnO(ITO), FSnO(FTO), 또는 AlZnO(AZO)일 수 있다. 예를 들어, 상기 금속전극은, Al, Ti, Au, Ag, Cu, Pt, Ir 또는 Mo일 수 있다. 예를 들어, 상기 질화물 전극은, TiN, TaN, 또는 WN일 수 있다.
상기 상부 전극 구조체(100)를 준비하는 단계는, 상기 제1 마찰층(120)보다 높은 경도를 갖고 제1 마스터 패턴(132)을 포함하는 제1 마스터 기판(130)을 준비하는 단계, 및 상기 제1 마찰층(120)을 상기 제1 마스터 기판(130)으로 눌러, 상기 제1 마스터 패턴(132)의 역상을 갖는 상기 제1 패턴(122)을 상기 제1 마찰층(120) 상에 형성하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 3a에 도시된 바와 같이, 상기 제1 마찰층(120)은 상기 상부 전극(110) 상에 배치된 상태에서 상기 제1 마스터 기판(130)으로 눌려질 수 있다. 또는, 다른 예를 들어, 도 3a에 도시된 바와 달리, 상기 제1 마찰층(120) 상에 상기 제1 패턴(122)이 형성된 후, 상기 제1 마찰층(120)이 상기 상부 전극(110) 상에 배치될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 마찰층(120)의 물질 종류에 따라 상기 제1 마찰층(120)이 변형되어 상기 제1 패턴(122)이 형성되는 압력의 임계값이 다를 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 마찰층(120) 상에 상기 제1 마스터 기판(130)으로 가해지는 압력은, 상기 제1 마찰층(120)의 물질 종류에 따라 달라질 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 마찰층(120)이 고분자 소재(예를 들어, PMMA)인 경우, 상기 제1 마찰층(120)이 변형되는 압력의 임계값은 5 kgf/mm2 일 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 마찰층(120) 상에 상기 제1 마스터 기판(130)으로 5 kgf/mm2 이상의 압력이 가해질 수 있다.
다른 예를 들어, 상기 제1 마찰층(120)이 가교된(cross-linked) 고분자 소재(예를 들어, PET)인 경우, 상기 제1 마찰층(120)이 변형되는 압력의 임계값은 37 kgf/mm2 일 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 마찰층(120) 상에 상기 제1 마스터 기판(130)으로 37 kgf/mm2 이상의 압력이 가해질 수 있다.
또 다른 예를 들어, 상기 제1 마찰층(120)이 금속 소재(예를 들어, 구리)인 경우, 상기 제1 마찰층(120)이 변형되는 압력의 임계값은 49 kgf/mm2 일 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 마찰층(120) 상에 상기 제1 마스터 기판(130)으로 49 kgf/mm2 이상의 힘이 가해질 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 마스터 기판(130)이 실리콘을 포함하는 경우, 상기 제1 마찰층(120)은 금속을 포함할 수 있다. 구체적으로, 금속을 포함하는 상기 제1 마찰층(120)은, 실리콘을 포함하는 상기 제1 마스터 기판(130)으로 눌려질 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 마찰층(120) 상에 상기 제1 패턴(122)이 형성될 수 있다.
다른 실시 예에 따르면, 상기 제1 마스터 기판(130)이 실리콘을 포함하는 경우, 상기 제1 마찰층(120)은 고분자를 포함할 수 있다. 구체적으로, 고분자를 포함하는 상기 제1 마찰층(120)은, 실리콘을 포함하는 상기 제1 마스터 기판(130)으로 눌려질 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 마찰층(120) 상에 상기 제1 패턴(122)이 형성될 수 있다.
상기 제1 패턴(122)이 형성된 후, 상기 제1 마찰층(120)과 상기 제1 마스터 기판(130)은 분리될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 마찰층(120) 상에 상기 제1 마스터 기판(130)으로 압력이 가해지기 전 또는 가해진 상태에서, 접촉된 상기 제1 마찰층(120) 및 상기 제1 마스터 기판(130)은 열처리 될 수 있다.
다른 실시 예에 따르면, 상기 제1 마찰층(120) 상에 상기 제1 마스터 기판(130)으로 압력이 가해지기 전 또는 가해진 상태에서, 접촉된 상기 제1 마찰층(120) 및 상기 제1 마스터 기판(130) 상에 자외선(ultraviolet)이 조사될 수 있다.
또 다른 실시 예에 따르면, 상기 제1 마찰층(120) 상에 상기 제1 마스터 기판(100)으로 압력이 가해지기 전 또는 가해진 상태에서, 접촉된 상기 제1 마찰층(110) 및 상기 제1 마스터 기판(130)은 열처리와 함께 자외선이 조사될 수 있다.
이에 따라, 상기 제1 마찰층(120) 상에 상기 제1 패턴(122)이 용이하게 형성될 수 있다. 또한, 접촉된 상기 제1 마찰층(120) 및 상기 제1 마스터 기판(130) 이 용이하게 분리될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 마찰층(120)은 상기 제1 마스터 기판(130)으로 복수회 눌려질 수 있다. 다시 말하면, 상기 제1 마찰층(120)은 상기 제1 마스터 기판(130)으로 1차적으로 눌려져 1차적으로 예비 패턴이 형성된 후, 다시 상기 제1 마스터 기판(130)으로 2차적으로 눌려질 수 있다. 이 경우, 1차 적으로 형성된 상기 예비 패턴이 변형되어, 상기 제1 패턴(122)이 형성될 수 있다. 구체적으로 예를 들어, 1차적으로 상기 예비 패턴이 형성된 후, 상기 제1 마스터 기판(130)의 상부면의 법선을 회전축으로 상기 제1 마스터 기판(130)을 회전시킨 후, 상기 제1 마찰층(120)이 눌려질 수 있다. 이에 따라, 상기 예비 패턴이 변형되어, 상기 제1 패턴(122)이 형성될 수 있다.
다른 예를 들어, 상기 예비 패턴이 형성된 후, 상기 제1 마스터 기판(130)의 상부면에 평행한 방향으로 상기 제1 마스터 기판(130)을 이동시킨 후, 상기 제1 마찰층(120)이 눌려질 수 있다. 이에 따라, 상기 예비 패턴이 변형되어, 상기 제1 패턴(122)이 형성될 수 있다. 결과적으로, 상기 제1 패턴(122)이, 상기 제1 마스터 기판(130)의 상기 제1 마스터 패턴(132)의 역상을 갖는 형상 외에, 다양한 형상을 가질 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 마스터 기판(100)은, 광리소그래피(photolithography), 이빔리소그래피(e-beam lithography), 나노임프린트 리소그래피(NIL), EUV(Extreme Ultraviolet) 리소그래피, 패턴전사프린팅, 분자자기조립, 또는 레이저 패터닝 기술로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 마스터 기판(130)은, 백금(Pt), 규소(Si), 이산화규소(SiO2), ITO(Indium Tin Oxide), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 텅스텐(W), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 철(Fe), 합금(Alloy) 중 어느 하나 또는 둘 이상의 복합 소재를 포함할 수 있다.
다른 실시 예에 따르면, 상기 제1 마스터 기판(130)은, PS-PDMS 블록공중합체 고분자 자기조립(self-assembly)으로 형성된 SiOx 또는 PS-PVP로 형성된 MOx(M: 금속)일 수 있다. (x>0) 예를 들어, 상기 블록공중합체 고분자는, PDMS(poly dimethylsiloxane), 폴리아크릴로나이트릴-b-폴리디메틸실록산(polyacrylonitrile-b-polydimethylsiloxane), 폴리에틸렌옥사이드-b-폴리디메틸실록산(polyethylene oxide-b-polydimethylsiloxane), 폴리(2-비닐피리딘)-b-폴리디메틸실록산(poly(2-vinylpyridine)-b-polydimethylsiloxane), 폴리(4-비닐피리딘)-b-폴리디메틸실록산(poly(4-vinylpyridine)-b-polydimethylsiloxane), 폴리메틸메타크릴레이트-b-폴리디메틸실록산 (polymethylmethacrylate-b-polydimethylsiloxane), 폴리아크릴로나이트릴-b-폴리프로필렌(polyacrylonitrile-b-polypropylene), 폴리에틸렌옥사이드-b-폴리프로필렌(poly(ethylene oxide)-b-polypropylene), 폴리아크릴로나이트릴-b-폴리이소부틸렌(polyacrylonitrile-b-polyisobutylene), 폴리에틸렌옥사이드-b-폴리이소부틸렌(poly(ethylene oxide)-b-polyisobutylene), 폴리아크릴로나이트릴-b-폴리에틸렌(polyacrylonitrile-b-polyethylene), 폴리에틸렌옥사이드-b-폴리에틸렌 (poly(ethylene oxide)-b-polyethylene), 폴리아크릴로나이트릴-b-폴리이소프렌 (polyacrylonitrile-b-polyisopyrene), 폴리에틸렌옥사이드-b-폴리이소프렌(poly(ethylene oxide)-b-polyisopyrene), 폴리아크릴로나이트릴-b-폴리클로로프렌(polyacrylonitrile-b-polychloroprene), 폴리에틸렌옥사이드-b-폴리클로로프렌(poly(ethylene oxide)-b-polychloroprene), 폴리아크릴로나이트릴-b-폴리스티렌(polyacrylonitrile-b-polystyrene), 폴리에틸렌옥사이드-b-폴리스티렌(poly(ethylene oxide)-b-polystyrene) 등일 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 마찰층(120)은 압전 물질, 또는 절연성 물질 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 또는, 상기 제1 마찰층(120)은 압전 물질 및 절연성 물질을 동시에 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 제1 마찰층(120)에 의해 정전 및 압전 원리를 통해 에너지가 변환 및 저장될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 마찰층(120)은, 백금(Pt), 이산화규소(SiO2), 텅스텐(W), 크롬(Cr), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 금(Au), 납(Pd), 은(Ag), 구리(Cu), 인듐(In), GST(Ge2Sb2Te5), ITO(Indium Tin Oxide), PET(polyethylene terephthalate), 및 PI(polyimide) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 다른 실시 예에 따르면, 상기 제1 마찰층(120)은, 생물의 가죽, 생물의 털, 껍질, 또는 늘어나는(stretchable) 소재 등일 수 있다.
하부 전극(210), 및 상기 하부 전극(210) 상에 배치되고 제2 패턴(222)을 갖는 제2 마찰층(220)를 포함하는 하부 전극 구조체(200)가 준비된다(S120).
일 실시 예에 따르면, 상기 하부 전극(210)은 상기 상부 전극(110)과 동일한 물질로 형성될 있다. 또는, 상기 하부 전극(210)은 상기 상부 전극(110)과 다른 물질로 형성될 수 있다.
상기 하부 전극 구조체(200)를 준비하는 단계는, 상기 제2 마찰층(220)보다 높은 경도를 갖고 제2 마스터 패턴(232)을 포함하는 제2 마스터 기판(230)을 준비하는 단계, 및 상기 제2 마찰층(220)을 상기 제2 마스터 기판(230)으로 눌러, 상기 제2 마스터 패턴(232)의 역상을 갖는 상기 제2 패턴(222)을 상기 제2 마찰층(220) 상에 형성하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 3b에 도시된 바와 같이, 상기 제2 마찰층(220)은 상기 하부 전극(210) 상에 배치된 상태에서 상기 제2 마스터 기판(230)으로 눌려질 수 있다. 또는, 다른 예를 들어, 도 3b에 도시된 바와 달리, 상기 제2 마찰층(220) 상에 상기 제2 패턴(222)이 형성된 후, 상기 제2 마찰층(220)이 상기 하부 전극(210) 상에 배치될 수 있다.
상기 제1 마찰층(120)의 제조 공정에서 상술된 바와 같이, 일 실시 예에 따르면, 상기 제2 마찰층(220)의 물질 종류에 따라 상기 제2 마찰층(220)이 변형되어 상기 제2 패턴(222)이 형성되는 압력의 임계값이 다를 수 있다. 이에 따라, 상기 제2 마찰층(220) 상에 상기 제2 마스터 기판(230)으로 가해지는 압력은, 상기 제2 마찰층(220)의 물질 종류에 따라 달라질 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제2 마찰층(220) 및 상기 제2 마스터 기판(230)은, 상기 제1 마찰층(120) 및 상기 제1 마스터 기판(130)과 동일한 물질로 형성될 수 있다. 또는, 다른 실시 예에 따르면, 제2 마찰층(220) 및 상기 제2 마스터 기판(230)은, 상기 제1 마찰층(120) 및 상기 제1 마스터 기판(130)과 다른 물질로 형성될 수 있다.
상기 하부 전극 구조체(200) 상에 상기 상부 전극 구조체(100)가 배치될 수 있다(S130). 이 경우, 상기 제1 마찰층(120) 및 상기 제2 마찰층(220)이 서로 마주보며 배치될 수 있다. 이에 따라, 제1 실시 예에 따른 에너지 하베스터 소자가 제조될 수 있다.
외부 물리력이 인가되는 경우, 상기 외부 물리력에 의해 상기 상부 전극 구조체(100) 및 상기 하부 전극 구조체(200)가 변형되어, 상기 제1 마찰층(120) 및 상기 제2 마찰층(220)으로부터 마찰 전기가 발생되어, 전위차이가 발생할 수 있고, 이에 따라 에너지가 저장될 수 있다.
도 4a는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 에너지 하베스터 소자를 설명하기 위한 도면이다.
도 4a를 참조하면, 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명된 에너지 하베스터 소자가 제공되되, 상기 제1 패턴(122) 및 상기 제2 패턴(222)이 서로 교차하는 방향으로 연장될 수 있다.
구체적으로, 상기 제1 패턴(122)은 Y축 방향으로 연장하고, 제2 패턴(222)은 X축 방향으로 연장할 수 있다. 상기 제1 마찰층(120)의 상기 제1 패턴(122) 및 상기 제2 마찰층(220)의 상기 제2 패턴(222)이 서로 교차하는 방향으로 연장되어, 외부 물리력 인가에 따른 변형율이 향상될 수 있고, 이에 따라 에너지 전환 및 저장 효율이 향상될 수 있다.
도 4b는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 에너지 하베스터 소자를 설명하기 위한 도면이다.
도 4b를 참조하면, 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명된 에너지 하베스터 소자가 제공되되, 상기 제1 패턴(122) 및 상기 제2 패턴(222)이 서로 동일한 방향으로 나란히 연장할 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 패턴(122) 및 상기 제2 패턴(222)은 X축 방향으로 연장할 수 있다.
도 4c는 본 발명의 제4 실시 예에 따른 에너지 하베스터 소자를 설명하기 위한 도면이다.
도 4c를 참조하면, 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명된 에너지 하베스터 소자가 제공되되, 상기 제1 패턴(122) 및 상기 제2 패턴(222)이 서로 동일한 방향으로 나란히 연장하되, 상기 제1 패턴(122) 및 상기 제2 패턴(22)의 선폭이 서로 상이할 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 패턴(122) 및 상기 제2 패턴(222)은 Y축 방향으로 연장하면서, 서로 다른 선폭을 가질 수 있다.
상기 제1 패턴(122) 및 상기 제2 패턴(222)의 선폭 및 높이 등, 상기 제1 패턴(122) 및 상기 제2 패턴(222)의 형상은 도 4a 내지 도 4c에 도시된 것에 제한되지 않고, 다양하게 변형될 수 있음은 당업자에게 자명하다.
도 5는 본 발명의 제5 실시 예에 따른 에너지 하베스터 소자를 설명하기 위한 도면이고, 도 6은 본 발명의 제5 실시 예에 따른 에너지 하베스터 소자의 제1 마찰층의 제1 서브 패턴들의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이고, 도 7은 본 발명의 제5 실시 예에 따른 에너지 하베스터 소자의 제2 마찰층의 제2 서브 패턴들의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5 내지 도 7을 참조하면, 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명된 에너지 하베스터 소자가 제공되되, 상기 제1 패턴(122)은, 상기 상부 전극(110)과 접촉된 상기 제1 마찰층(120)의 일면으로부터 서로 다른 레벨에 위치하되, 동일한 형상을 갖는 복수의 제1 서브 패턴들(122a, 122b)을 포함할 수 있다. 또한, 상기 제2 패턴(222)은, 상기 하부 전극(210)과 접촉된 상기 제2 마찰층(220)의 일면으로부터 서로 다른 레벨에 위치하되, 동일한 형상을 갖는 복수의 제2 서브 패턴들(222a, 222b)을 포함할 수 있다.
제1 보조 패턴(310)을 포함하는 제1 보조 마스터 기판(300)이 준비하고, 상기 제1 보조 마스터 기판(300)으로, 상기 제1 패턴(122)을 갖는 상기 제1 마찰층(120)을 눌러, 상기 제1 서브 패턴들(122a, 122b)이 상기 제1 마찰층(120) 상에 형성될 수 있다.
상기 제1 보조 마스터 기판(300)은, 상기 제1 마찰층(120)의 경도(hardness) 이상의 경도를 가질 수 있다. 상기 제1 보조 마스터 기판(300)은, 상기 제1 마스터 기판(130) 또는 상기 제2 마스터 기판(230)과 동일한 물질로 형성되거나, 또는 다른 물질로 형성될 수 있고, 상기 제1 마스터 패턴(132) 및 상기 제2 마스터 패턴(232)과 동일한 방법, 또는 다른 방법으로 형성될 수 있다.
또한, 일 실시 예에 따르면, 상기 제1 보조 마스터 패턴(310)은 상기 제1 마스터 패턴(132)과 다른 형상, 다른 선폭, 또는 다른 패턴 높이를 가질 수 있다.
상기 제1 패턴(122)이 형성된 상기 제1 마찰층(120)을 제1 보조 마스터 기판(300)과 접촉시키되, 상기 제1 마찰층(120) 및 상기 제1 보조 마스터 기판(300) 상에 압력을 가하여, 상기 제1 패턴(122)의 일부가 상기 제1 보조 마스터 패턴(310)과 중첩되어 변형된 제1-1 서브 패턴(122a)이 형성될 수 있고, 변형되지 않은 제1 패턴(122)이 제1-2 서브 패턴(122b)으로 정의될 수 있다.
상기 상부 전극(110)과 접촉된 상기 제1 마찰층(120)의 일면을 기준으로, 상기 제1-2 서브 패턴(122b)의 레벨(L2)은, 상기 제1-1 서브 패턴(122a)까지의 레벨(L1)보다 높을 수 있다.
상기 제1 마찰층(120) 및 상기 제1 보조 마스터 기판(300)에 가해지는 압력은, 상술된 바와 같이, 상기 제1 마찰층(120)의 물질 종류에 따라서, 0.1~1010kgf/mm2의 범위를 가질 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 패턴(122) 형성 시 가해진 압력보다 더 작은 압력이 상기 제1 마찰층(120) 및 상기 제1 보조 마스터 기판(300) 상에 가해질 수 있다. 또는, 이와 달리, 일 실시 예에 따르면, 상기 제1 패턴(122)이 형성된 후, 상기 제1 마찰층(120)을 열처리하거나, 또는 상기 제1 마찰층(120) 상에 자외선이 조사될 수 있다. 이 경우, 상기 제1 마찰층(120)의 경도는 향상될 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 패턴(122)이 상기 제1 보조 마스터 기판(300)으로 눌려지더라도, 상기 제1 보조 마스터 패턴(310)과 접촉된 상기 제1 패턴(122)의 일부분의 형태가 변경되지 않으면서, 상기 제1 패턴(122)의 상기 일부분의 레벨이 변화될 수 있다.
상기 제1 서브 패턴들(122a, 122b)의 제조 방법과 동일한 공정으로, 제2 보조 패턴(410)을 포함하는 제2 보조 마스터 기판(400)이 준비하고, 상기 제2 보조 마스터 기판(400)으로, 상기 제2 패턴(222)을 갖는 상기 제2 마찰층(220)을 눌러, 상기 제2 서브 패턴들(222a, 222b)이 상기 제2 마찰층(220) 상에 형성될 수 있다.
도 8a는 본 발명의 제6 실시 예에 따른 에너지 하베스터 소자를 설명하기 위한 도면이다.
도 8a를 참조하면, 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명된 상부 전극 구조체(100) 및 하부 전극 구조체(200)가 제공되되, 상기 상부 전극 구조체(100) 및 상기 하부 전극 구조체(200) 사이에 기능층(500)이 추가적으로 제공될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 기능층(500)은, 압전 물질을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 기능층(500)은 쿼츠, 세라믹(예를 들어, 티탄산 납, 지르코산 납 등)을 포함할 수 있다. 이 경우, 외부 물리력에 의해 상기 상부 전극 구조체(100) 및 상기 하부 전극 구조체(200)가 변형되어, 상기 제1 마찰층(120) 및 상기 제2 마찰층(220)으로부터 마찰전기에 의해 전위차가 발생하는 동시에 압전 효과에 의해 전위차이가 발생되어, 에너지가 저장될 수 있다.
다른 실시 예에 따르면, 상기 기능층(500)은 절연성 물질(예를 들어, 아클릴계, 비닐계 고분자 등)을 포함할 수 있다. 이 경우, 상술된 바와 같이, 마찰 전기에 의해 에너지가 저장될 수 있다.
도 8b는 본 발명의 제7 실시 예에 따른 에너지 하베스터 소자를 설명하기 위한 도면이다.
도 8b를 참조하면, 도 8a를 참조하여 설명된 에너지 하베스터 소자가 제공되되, 기능층(500)의 표면에 제3 패턴(502a, 502b)가 제공될 수 있다.
구체적으로, 상기 기능층(500)은 상기 제1 마찰층(120)과 대면하는 제1 표면, 및 상기 제2 마찰층(130)과 대면하는 제2 표면을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 제1 표면 및 상기 제2 표면에 각각 제3-1 패턴(502a) 및 제3-2 패턴(502b)이 제공될 수 있다.
상기 기능층(500)의 상기 제3 패턴(502a, 502b)을 형성하는 단계는, 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명된 제1 패턴(122) 및 제2 패턴(222)을 형성하는 방법과 동일하게, 상기 기능층(500)보다 높은 경도를 갖고, 제3 마스터 패턴을 갖는 제3 마스터 기판을 준비하는 단계, 및 상기 기능층(500)의 상기 제1 표면 및 상기 제2 표면을 상기 제3 마스터 기판으로 눌러, 상기 기능층 상에, 상기 제3 마스터 패턴의 역상을 갖는 상기 제3 패턴(502a, 502b)을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
도 9는 본 발명의 제8 실시 예에 따른 에너지 하베스터 소자를 설명하기 위한 도면이다.
도 9를 참조하면, 도 8b를 참조하여 설명된 에너지 하베스터 소자가 제공되되, 상기 제3-1 패턴(502a)은 상기 제1 마찰층(120)의 상기 제1 패턴(122)과 교차하는 방향으로 연장되고, 상기 제3-2 패턴(502b)은 상기 제21 마찰층(220)의 상기 제2 패턴(222)과 교차하는 방향으로 연장될 수 있다. 이에 따라, 외부 물리력에 의한 변형이 향상되어, 에너지 회수 효율이 향상될 수 있다.
도 10은 본 발명의 제9 실시 예에 따른 에너지 하베스터 소자를 설명하기 위한 도면이다.
도 10을 참조하면, 도 8b를 참조하여 설명된 에너지 하베스터 소자가 제공되되, 상기 제3-1 패턴(502a)은, 상기 제1 마찰층(120)으로부터 서로 다른 레벨에 위치하되, 동일한 형상을 갖는 복수의 제3-1 서브 패턴들을 포함하고, 상기 제3-2 패턴(502b)은, 상기 제2 마찰층(220)으로부터 서로 다른 레벨에 위치하되, 동일한 형상을 갖는 복수의 제3-2 서브 패턴들을 포함할 수 있다. 상기 제3-1 서브 패턴들 및 상기 제3-2 서브 패턴들은 도 6 및 도 7을 참조하여 설명된 방법으로 형성될 수 있다.
도 11은 본 발명의 제10 실시 예에 따른 에너지 하베스터 소자를 설명하기 위한 도면이고, 도 12는 본 발명의 제11 실시 예에 따른 에너지 하베스터 소자를 설명하기 위한 도면이고, 도 13은 본 발명의 제10 및 제11 실시 예에 따른 에너지 하베스터 소자에 포함된 전극 구조체의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 제10 실시 예에 따른 에너지 하베스터 소자는, 상부 전극 구조체(610 ,620), 하부 전극 구조체(710, 720), 및 도 8a를 참조하여 설명된 기능층(500)을 포함할 수 있다.
상기 상부 전극 구조체(610)는, 상부 지지 기판(610), 및 상기 상부 지지 기판(610) 상의 상부 전극(620)을 포함할 수 있다. 상기 상부 지지 기판(610)은 유연한 물질(예를 들어, PET, PI 등)으로 형성될 수 있다. 상기 상부 지지 기판(610)은 올록부 및 볼록부를 포함하는 요철 구조를 가질 수 있고, 상기 상부 전극(620)이 상기 상부 지지 기판(610)의 상기 요철 구조를 콘포말하게(conformally) 덮을 수 있다. 상기 상부 전극(620)은 도 1 내지 도 3b를 참조하여 설명된 상부 전극(110)과 동일한 물질로 형성될 수 있다.
상기 하부 전극 구조체(720)는, 하부 지지 기판(710), 및 상기 하부 지지 기판(710) 상의 하부 전극(720)을 포함할 수 있다. 상기 하부 지지 기판(710)은 유연한 물질(예를 들어, PET, PI 등)으로 형성될 수 있다. 상기 하부 지지 기판(710)은 올록부 및 볼록부를 포함하는 요철 구조를 가질 수 있고, 상기 하부 전극(720)이 상기 하부 지지 기판(710)의 상기 요철 구조를 콘포말하게(conformally) 덮을 수 있다. 상기 하부 전극(720)은 도 1 내지 도 3b를 참조하여 설명된 하부 전극(110)과 동일한 물질로 형성될 수 있다.
상기 기능층(500)은 상기 상부 전극 구조체(610, 620) 및 상기 하부 전극 구조체(710, 720) 사이에 배치될 수 있다. 상기 기능층(500)이 압전 물질을 포함하는 경우, 본 발명의 제10 실시 예에 따른 에너지 하베스터 소자는 압전 효과를 이용하여 에너지를 회수 및 저장할 수 있다. 또는, 상기 기능층(500)이 절연성 물질로 형성되는 경우, 본 발명의 제10 실시 예에 따른 에너지 하베스터 소자는 마찰 전기에 따른 전위차이를 이용하여 에너지를 회수 및 저장할 수 있다.
도 12를 참조하면, 상기 상부 전극 구조체(610, 620) 및 상기 하부 전극 구조체(710, 720) 사이에, 상기 기능층(500)이 배치되되, 상기 기능층(500)은 도 8b를 참조하여 설명된 것과 같이, 상기 상부 전극(620)과 대면하는 제1 표면, 및 상기 하부 전극(720)과 대면하는 제2 표면을 포함할 수 있고, 이 경우, 상기 제1 표면 및 상기 제2 표면에 각각 제3-1 패턴(502a) 및 제3-2 패턴(502b)이 제공될 수 있다.
도 13을 참조하면, 상술된 본 발명의 제10 및 제11 실시 예에 따른 상부 전극 구조체(610, 620)의 제조 방법이 설명된다. 상기 상부 지지 기판(620)이 준비되고, 상기 상부 지지 기판(620) 상에 상기 상부 전극(610)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 상부 전극(610)은 물리 기상 증착법, 화학 기상 증착법, 원자층 증착법, 용액 코팅 등 다양한 방법으로 형성될 수 있다.
상기 상부 전극(610)이 형성된 후, 도 3a를 참조하여 설명된 바와 같이, 마스터 패턴을 갖고, 상기 상부 지지 기판(610) 및 상기 상부 전극(610)보다 높은 경도를 갖는 마스터 기판을 이용하여, 상기 상부 전극(610) 및 상기 상부 지지 기판(620)을 임계값 이상의 압력으로 누를 수 있다. 이에 따라, 요철 구조를 갖는 상부 지지 기판(610), 및 상기 상부 지지 기판(610)의 상기 요철 구조를 콘포말하게 덮는 상기 상부 전극(610)이 형성될 수 있다.
본 발명의 제10 및 제11 실시 예에 따른 하부 전극 구조체(710, 720) 또한, 상기 상부 전극 구조체(610, 620)과 동일한 방법으로 형성될 수 있다.
도 14는 본 발명의 제12 실시 예에 따른 에너지 하베스터 소자를 설명하기 위한 도면이고, 도 15는 본 발명의 제13 실시 예에 따른 에너지 하베스터 소자를 설명하기 위한 도면이고, 도 16은 본 발명의 제12 및 제13 실시 예에 따른 에너지 하베스터 소자에 포함된 전극 구조체의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 14를 참조하면, 본 발명의 제12 실시 예에 따른 에너지 하베스터 소자는, 상부 전극 구조체(610 ,620), 하부 전극 구조체(710, 720), 및 도 8a를 참조하여 설명된 기능층(500)을 포함할 수 있다.
상기 상부 전극 구조체(610)는, 도 11을 참조하여 설명된 것과 같이, 상부 지지 기판(610), 및 상기 상부 지지 기판(610) 상의 상부 전극(620)을 포함할 수 있다. 상기 상부 지지 기판(610)은 볼록부 및 오목부를 포함하는 요철 구조를 가질 수 있다. 상기 상부 전극(620)이 상기 상부 지지 기판(610)의 상기 요철 구조 상에 배치되되, 상기 상부 지지 기판(610)의 상기 요철 구조의 볼록부의 상부면 및 오목부의 상부면 상에 제공되되, 상기 볼록부와 상기 오목부를 연결하는 측면에는 제공되지 않을 수 있다. 다시 말하면, 상기 상부 전극(610)은, 상기 요철 구조의 상기 볼록부의 상부면 상기 오목부의 상부면 상에 서로 이격되어 복수로 제공될 수 있다.
상기 하부 전극 구조체(720)는, 도 11을 참조하여 설명된 것과 같이, 하부 지지 기판(710), 및 상기 하부 지지 기판(710) 상의 하부 전극(720)을 포함할 수 있다. 상기 하부 지지 기판(710)은 올록부 및 볼록부를 포함하는 요철 구조를 가질 수 있다. 상기 하부 전극(720)이 상기 하부 지지 기판(710)의 상기 요철 구조 상에 배치되되, 상기 하부 지지 기판(710)의 상기 요철 구조의 볼록부의 상부면 및 오목부의 상부면 상에 제공되되, 상기 볼록부와 상기 오목부를 연결하는 측면에는 제공되지 않을 수 있다.
상기 기능층(500)은 상기 상부 전극 구조체(610, 620) 및 상기 하부 전극 구조체(710, 720) 사이에 배치될 수 있다. 상기 기능층(500)이 압전 물질 또는 절연성 물질로 형성될 수 있다.
도 15를 참조하면, 상기 상부 전극 구조체(610, 620) 및 상기 하부 전극 구조체(710, 720) 사이에, 상기 기능층(500)이 배치되되, 상기 기능층(500)은 도 8b를 참조하여 설명된 것과 같이, 상기 상부 전극(620)과 대면하는 제1 표면, 및 상기 하부 전극(720)과 대면하는 제2 표면을 포함할 수 있고, 이 경우, 상기 제1 표면 및 상기 제2 표면에 각각 제3-1 패턴(502a) 및 제3-2 패턴(502b)이 제공될 수 있다.
도 16을 참조하면, 상술된 본 발명의 제12 및 제13 실시 예에 따른 상부 전극 구조체(610, 620)의 제조 방법이 설명된다. 상기 상부 지지 기판(620)이 준비되고, 도 3a를 참조하여 설명된 바와 같이, 마스터 패턴을 갖고, 상기 상부 지지 기판(610) 보다 높은 경도를 갖는 마스터 기판을 이용하여, 상기 상부 지지 기판(620)을 임계값 이상의 압력으로 누를 수 있다. 이에 따라, 요철 구조를 갖는 상부 지지 기판(610) 이 형성될 수 있다.
이후, 상기 상부 지지 기판(620) 상에 상기 상부 전극(610)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 상부 전극(610)은 물리 기상 증착법, 화학 기상 증착법, 원자층 증착법, 용액 코팅 등 다양한 방법으로 형성될 수 있다.
본 발명의 제12 및 제13 실시 예에 따른 하부 전극 구조체(710, 720) 또한, 상기 상부 전극 구조체(610, 620)과 동일한 방법으로 형성될 수 있다.
도 17은 본 발명의 실시 예에 따라 패턴이 형성되는 압력의 임계값을 나타내는 그래프이다.
도 17을 참조하면, 실리콘 기판 및 타겟 기판이 준비된다. 상기 타겟 기판이 고분자, 가교된(cross-linked) 고분자, 및 금속 소재인 경우에 대해, 상기 타겟 기판 상에 상기 실리콘 기판으로 각기 다른 압력(stress, kgf/mm2)을 가한 후, 상기 타겟 기판이 변형된 깊이를 측정하였다.
도 17에서 알 수 있듯이, 상기 타겟 기판이 고분자 소재인 경우, 5 kgf/mm2 이상의 압력이 가해질 때부터, 상기 타겟 기판의 변형된 깊이가 급격히 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 상기 타겟 기판이 가교된 고분자 소재인 경우, 37 kgf/mm2 이상의 압력이 가해질 때부터, 상기 타겟 기판의 변형된 깊이가 급격히 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 상기 타겟 기판이 금속 소재인 경우, 49 kgf/mm2 이상의 압력이 가해질 때부터, 상기 타겟 기판의 변형된 깊이가 급격히 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
이에 따라, 마찰층 또는 기능층에 패턴을 형성하는 경우, 하브스팅층 및 기능층의 물질에 따라서, 패턴이 형성되기 시작하는 압력의 임계값이 존재하며, 임계값 이상의 압력으로 누르는 경우, 용이하게 패턴이 형성될 수 있음을 확인할 수 있다.
도 18은 본 발명의 실시 예에 따라 형성된 패턴을 촬영한 사진이다.
도 18의 (a) 내지 (f)를 참조하면, 실리콘 기판 및 구리(Cu) 기판이 준비된다. 상기 구리 기판 상에 상기 실리콘 기판으로 12.25, 24.5, 49, 61.25, 98, 및 134.75 kgf/mm2 의 압력을 가하여, 상기 실리콘 기판 패턴의 역상에 대응되는 패턴을 제조하고, SEM 촬영하였다.
도 18의 (a) 및 (b)에서 알 수 있듯이, 상기 타겟 기판 상에 49 kgf/mm2 미만의 압력이 가해진 경우, 상기 타겟 기판 상에 패턴이 용이하게 형성되지 않는 것을 확인할 수 있었다.
도 18의 (c) 내지 (f)에서 알 수 있듯이, 상기 타겟 기판 상에 49 kgf/mm2 이상의 압력이 가해진 경우, 상기 타겟 기판 상에 패턴이 용이하게 형성된 것을 확인할 수 있었다.
이에 따라, 상기 타겟 기판이 금속 소재인 경우, 상기 타겟 기판 상에 타겟 패턴을 형성하기 위해 49 kgf/mm2 이상의 압력이 가해져야 한다는 것을 알 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
100: 상부 전극 구조체
110: 상부 전극
120: 제1 마찰층
122: 제1 패턴
130: 제1 마스터 기판
132: 제1 마스터 패턴
200: 하부 전극 구조체
210: 하부 전극
220: 제2 마찰층
222: 제2 패턴
230: 제2 마스터 기판
232: 제2 마스터 패턴
500: 기능층
502a, 502b: 제3 패턴

Claims (13)

  1. 상부 전극, 및 상기 상부 전극 상에 배치되고 제1 패턴을 갖는 제1 마찰층을 포함하는 상부 전극 구조체를 형성하는 단계;
    하부 전극, 및 상기 하부 전극 상에 배치되고 제2 패턴을 갖는 제2 마찰층을 포함하는 하부 전극 구조체를 형성하는 단계;
    상기 제1 마찰층 및 상기 제2 마찰층이 서로 마주보도록, 상기 하부 전극 구조체 상에 상기 상부 전극 구조체를 배치하는 단계를 포함하되,
    상기 제1 및 제2 패턴을 갖는 상기 제1 및 제2 마찰층을 형성하는 단계는,
    상기 제1 및 제2 마찰층보다 높은 경도를 갖고, 제1 및 제2 마스터 패턴을 갖는 제1 및 제2 마스터 기판을 준비하는 단계; 및
    상기 제1 및 제2 마찰층을 상기 제1 및 제2 마스터 기판으로 눌러, 상기 제1 및 제2 마찰층 상에, 상기 제1 및 제2 마스터 패턴의 역상을 갖는 상기 제1 및 제2 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 에너지 하베스터 소자의 제조 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 마찰층 및 상기 제2 마찰층 사이에 제3 패턴을 갖는 기능층을 제공하는 단계를 더 포함하되,
    상기 기능층을 제공하는 단계는,
    상기 기능층보다 높은 경도를 갖고, 제3 마스터 패턴을 갖는 제3 마스터 기판을 준비하는 단계; 및
    상기 기능층을 상기 제3 마스터 기판으로 눌러, 상기 기능층 상에, 상기 제3 마스터 패턴의 역상을 갖는 상기 제3 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 에너지 하베스터 소자의 제조 방법.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 제1 마찰층, 상기 제2 마찰층, 및 상기 기능층 상에 가해지는 압력은,
    상기 제1 마찰층, 상기 제2 마찰층, 및 상기 기능층의 물질 종류에 따라 달라지는 것을 포함하는 에너지 하베스터 소자의 제조 방법
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 제1 마찰층, 상기 제2 마찰층, 및 상기 기능층이 고분자 소재인 경우, 5 kgf/mm2 이상의 압력이 가해지고,
    상기 제1 마찰층, 상기 제2 마찰층, 및 상기 기능층이 가교된(cross-linked) 고분자 소재인 경우, 37 kgf/mm2 이상의 압력이 가해지는 것을 포함하는 에너지 하베스터 소자의 제조 방법.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 마찰층, 및 상기 제2 마찰층은, 압전 물질, 또는 절연성 물질 중에서 적어도 어느 하나를 포함하는 에너지 하베스터 소자의 제조 방법.
  6. 상부 전극, 및 상기 상부 전극 상에 배치되고 제1 패턴을 갖는 제1 마찰층을 포함하는 상부 전극 구조체; 및
    하부 전극, 및 상기 하부 전극 상에 배치되고 제2 패턴을 갖는 제2 마찰층을 포함하는 하부 전극 구조체를 포함하되,
    상기 제1 마찰층의 상기 제1 패턴 및 상기 제2 마찰층의 상기 제2 패턴은 서로 마주보도록 상기 하부 전극 구조체 상에 상기 상부 전극 구조체가 배치되는 것을 포함하는 에너지 하베스터 소자.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 제1 패턴은, 상기 상부 전극과 접촉된 상기 제1 마찰층의 일면으로부터 서로 다른 레벨에 위치하되, 동일한 형상을 갖는 복수의 제1 서브 패턴들을 포함하고,
    상기 제2 패턴은, 상기 하부 전극과 접촉된 상기 제2 마찰층의 일면으로부터 서로 다른 레벨에 위치하되, 동일한 형상을 갖는 복수의 제2 서브 패턴들을 포함하는 에너지 하베스터 소자.
  8. 제6 항에 있어서,
    상기 제1 마찰층 및 상기 제2 마찰층 사이에 배치되고, 제3 패턴을 갖는 기능층을 더 포함하는 에너지 하베스터 소자.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 기능층은 상기 제1 마찰층과 대면하는 제1 표면, 및 상기 제2 마찰층과 대면하는 제2 표면을 포함하고,
    상기 제3 패턴은, 상기 제1 표면 및 상기 제2 표면에 각각 제공되는 제3-1 패턴 및 제3-2 패턴을 포함하고,
    상기 제3-1 패턴 및 상기 제3-2 패턴의 선폭은, 상기 제1 패턴의 선폭 및 상기 제2 패턴의 선폭과 다른 것을 포함하는 에너지 하베스터 소자.
  10. 제8 항에 있어서,
    상기 제3-1 패턴은, 상기 제1 마찰층으로부터 서로 다른 레벨에 위치하되, 동일한 형상을 갖는 복수의 제3-1 서브 패턴들을 포함하고,
    상기 제3-2 패턴은, 상기 제2 마찰층으로부터 서로 다른 레벨에 위치하되, 동일한 형상을 갖는 복수의 제3-2 서브 패턴들을 포함하는 에너지 하베스터 소자.
  11. 요철 구조를 갖는 상부 지지 기판, 및 상기 상부 지지 기판의 요철 구조 상의 상부 전극을 포함하는 상부 전극 구조체;
    요철 구조를 갖는 하부 지지 기판, 및 상기 하부 지지 기판의 요철 구조 상의 하부 전극을 포함하는 하부 전극 구조체; 및
    상기 상부 전극 구조체 및 상기 하부 전극 구조체 사이에 배치되고, 압전 물질 또는 절연 물질로 형성된 기능층을 포함하되,
    상기 상부 전극 및 상기 하부 전극이 서로 마주보도록, 상기 하부 전극 구조체 상에 상기 상부 전극 구조체가 배치되는 것을 포함하는 에너지 하베스터 소자.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 상부 전극은, 상기 상부 지지 기판의 요철 구조를 콘포말하게 덮고,
    상기 하부 전극은, 상기 하부 지지 기판의 요철 구조를 콘포말하게 덮는 것을 포함하는 에너지 하베스터 소자.
  13. 제11 항에 있어서,
    상기 상부 전극은, 상기 상부 지지 기판의 요철 구조의 볼록부 및 오목부의 상부면 상에 서로 이격되어 복수로 제공되고,
    상기 하부 전극은, 상기 하부 지지 기판의 요철 구조의 볼록부 및 오목부의 상부면 상에 서로 이격되어 복수로 제공되는 것을 포함하는 에너지 하베스터 소자.
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