KR101652406B1 - 전기 에너지 발생 장치 - Google Patents
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Abstract
개시된 전기 에너지 발생 장치는 반도체층과 압전 특성을 갖는 복수 개의 나노와이어를 포함하고 있다. 개시된 전기 에너지 발생 장치는 외부에서 빛이 인가되는 경우 빛 에너지를 전기 에너지로 변환시킬 수 있으며, 외부에서 소리, 진동 등의 압력이 인가되는 경우에는 압전 에너지를 발생시킬 수 있다.
Description
전기 에너지 발생 장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 태양 및 압전 에너지를 이용하여 전기 에너지를 발생시키는 장치에 관한 것이다.
나노와이어는 단면의 지름이 수 내지 수백 나노미터 정도의 극미세선으로, 반도체 실리콘이나 주석 산화물, 갈륨 질화물 등으로 이루어진다. 압전 효과는 절연성 결정이 역학적 압력을 받을 때 결정의 한쪽에는 양전하가, 다른 한쪽에는 음전하가 생기는 현상이다. 전기적으로 중성인 결정에 압력을 가하면 양전하와 음전하의 중심이 약간 편극되어 크기는 같지만 부호가 다른 전하들이 결정의 반대 면에 생긴다. 이러한 전하 분리로 전기장이 생긴다. 한편, 최근에는 나노와이어의 압전 특성을 이용하여 전기를 발생시키는 장치에 대한 연구가 시도되고 있다.
또한, 근래에 에너지 문제가 심각해짐에 따라 미래 대체 에너지로 광전 효과를 이용하여 태양 광 에너지를 전기에너지로 바꾸는 태양 전지가 각광받고 있다. 태양전지는 실리콘 반도체를 재료로 사용하는 것과 화합물 반도체를 재료로 하는 것으로 분류되며, 실리콘 반도체를 사용한 태양전지는 결정계와 비정질계로 분류된다. 태양전지에 빛이 입사되면 반도체 내부에서 전자와 정공이 발생하게 된다. 이렇게 발생된 전하들이 PN 접합에 의해 생긴 전계에 들어오게 되면 전자는 n형 반도체에, 정공은 p형 반도체로 이동하여 전위차가 발생된다. 이때 p형 반도체와 n형 반도체 사이에 부하를 연결하면 부하에 전류가 흐르게 된다.
전기 에너지 발생 장치를 제공한다.
일 예에 따른 전기 에너지 발생 장치는
제1기판;
상기 제1기판 위에 마련된 반도체층;
상기 반도체층 위에 마련된 압전 특성을 갖는 복수 개의 나노와이어;
상기 제1기판과 이격되어 마련된 제2기판; 및
상기 제2기판 아래에 마련되고, 상기 나노와이어와 전기적 접촉을 하는 제1전극;을 포함할 수 있다.
상기 반도체층 및 상기 나노와이어의 계면은 pn 접합을 형성할 수 있다.
상기 pn 접합은 서로 다른 반도체가 접합된 이종접합(hetrojunction)일 수 있다.
상기 pn 접합은 서로 같은 반도체가 접합된 동종접합(homojunction)이며, 상기 반도체에 첨가되는 도펀트가 서로 다를 수 있다.
상기 반도체층의 밴드갭은 상기 나노와이어의 밴드갭과 서로 다를 수 있다.
상기 반도체층은 복수 개로 서로 이격되어 배열되어 있으며, 상기 나노와이어의 하부에 마련될 수 있다.
상기 반도체층은 마이크로 막대, 나노 막대, 나노와이어, 나노 닷, 튜브의 형상 중에서 어느 하나의 형상을 가질 수 있다.
상기 반도체층은 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 또는 Ⅲ-Ⅳ족 화합물 반도체로 형성될 수 있다.
상기 제1전극은 상기 나노와이어와 쇼트키 접촉을 형성할 수 있는 쇼트키 전극일 수 있다.
상기 쇼트키 전극은 백금, 금, ITO, CNT 중에서 선택된 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다.
상기 제1전극의 일함수는 상기 나노와이어의 일함수보다 작거나 같을 수 있다.
상기 제1기판과 상기 반도체층 사이에 마련된 제2전극;을 더 포함할 수 있다.
상기 반도체층 위의 한쪽 가장자리에 마련된 제2전극;을 더 포함할 수 있다.
상기 제2전극은 상기 반도체층과 오믹 접촉을 형성할 수 있는 오믹 전극일 수 있다.
상기 나노와이어는 Ⅱ-Ⅳ족 화합물 반도체로 형성될 수 있다.
상기 나노와이어는 ZnO, PZT, PVDF, GaN 중에서 선택된 어느 하나로 형성될 수 있다.
상기 제1기판 및 상기 제2기판 중 적어도 하나는 투명한 재료로 형성될 수 있다.
상기 제1기판 및 상기 제2기판은 신축성 있는 박막 형태로 형성될 수 있다.
상기 제1기판 및 상기 제2기판은 유리, 실리콘, 폴리머, 플라스틱, 사파이어, 질화갈륨 및 탄화 실리콘 중에서 선택된 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다.
상기 제1기판 및 상기 제2기판은 CNT 또는 그라핀(graphene)으로 코팅될 수 있다.
다른 예에 따른 전기 에너지 발생 장치는
제1기판;
상기 제1기판 위에 마련되며, 서로 이격되어 있는 복수 개의 제1전극;
상기 복수 개의 제1전극 사이에 마련된 절연층;
상기 제1전극 위에 마련되고, 압전 특성을 갖는 복수 개의 나노와이어;
상기 나노와이어를 둘러싸고 있는 반도체층;
상기 제1기판과 이격되어 마련된 제2기판; 및
상기 제2기판 아래에 마련되고, 상기 반도체층과 전기적 접촉을 하는 제2전극;을 포함할 수 있다.
상기 반도체층 및 상기 나노와이어의 계면은 pn 접합을 형성할 수 있다.
또 다른 예에 따른 전기 에너지 발생 장치는
기판;
상기 기판의 한쪽 위에 마련된 제1전극;
상기 제1전극 위에 마련된 반도체층;
상기 기판의 다른 한쪽 위에 마련된 제2전극; 및
한쪽은 상기 반도체층의 표면과 접촉되어 있고, 다른 한쪽은 상기 제2전극과 전기적 접촉을 하며, 압전 특성을 갖는 복수 개의 나노와이어;를 포함할 수 있다.
상기 반도체층 및 상기 나노와이어의 계면은 pn 접합을 형성할 수 있다.
개시된 전기 에너지 발생 장치는 외부에서 인가되는 에너지원의 종류에 따라, 빛 에너지를 전기 에너지로 변환하거나 압전 에너지를 발생시킬 수 있다. 또한, 동시에 빛 에너지를 전기 에너지로 변환시키고 압전 에너지를 발생시킬 수도 있다. 따라서, 효율적으로 전기 에너지를 발생시킬 수 있으며, 외부 환경의 제약에 관계없이 전원을 공급할 수 있다.
도 1은 일 예에 따른 전기 에너지 발생 장치의 개략적인 단면도이다.
도 2는 다른 예에 따른 전기 에너지 발생 장치의 개략적인 단면도이다.
도 3은 또 다른 예에 따른 전기 에너지 발생 장치의 개략적인 단면도이다.
도 4는 또 다른 예에 따른 전기 에너지 발생 장치의 개략적인 단면도이다.
도 5는 또 다른 예에 따른 전기 에너지 발생 장치의 개략적인 단면도이다.
도 6은 또 다른 예에 따른 전기 에너지 발생 장치의 개략적인 단면도이다.
도 7a 내지 7c는 개시된 전기 에너지 발생 장치에 의해 발생된 전압을 나타낸 그래프이다.
도 2는 다른 예에 따른 전기 에너지 발생 장치의 개략적인 단면도이다.
도 3은 또 다른 예에 따른 전기 에너지 발생 장치의 개략적인 단면도이다.
도 4는 또 다른 예에 따른 전기 에너지 발생 장치의 개략적인 단면도이다.
도 5는 또 다른 예에 따른 전기 에너지 발생 장치의 개략적인 단면도이다.
도 6은 또 다른 예에 따른 전기 에너지 발생 장치의 개략적인 단면도이다.
도 7a 내지 7c는 개시된 전기 에너지 발생 장치에 의해 발생된 전압을 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조 부호는 동일한 구성 요소를 지칭하며, 각 구성 요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다.
도 1은 일 예에 따른 전기 에너지 발생 장치의 개략적인 단면도이다.
도 1을 참조하면, 개시된 전기 에너지 발생 장치는 제1기판(100), 제1전극(110), 반도체층(120), 나노와이어(130), 제2전극(140) 및 제2기판(150)을 포함할 수 있다. 제1기판(100) 및 제2기판(150)은 일정한 간격을 두고 이격되어 마련될 수 있다. 제1전극(110), 반도체층(120), 나노와이어(130) 및 제2전극(140)은 제1기판(100) 및 제2기판(150) 사이에 위치할 수 있다. 여기서, 제1전극(110), 반도체층(120), 나노와이어(130) 및 제2전극(140)은 광전 소자를 구성할 수 있으며, 제1전극(110), 나노와이어(130) 및 제2전극(140)은 압전 소자를 구성할 수 있다. 개시된 전기 에너지 발생 장치는 상기 광전 소자와 상기 압전 소자가 서로 합쳐져서 형성되어 있다.
제1기판(100)은 사파이어(Sapphire), 탄화실리콘(SiC), 케블라(Kevlar) 섬유, 탄소 섬유, 셀룰로스(Cellulose) 섬유, 폴리에스터(polyester) 섬유, 유리, 실리콘, 폴리머, 플라스틱, 질화갈륨, 탄소, CNT 등으로 구성된 그룹에서 선택된 적어도 하나의 재료로 형성될 수 있다. 제1기판(100) 위에는 제1전극(110)이 마련될 수 있다. 제1전극(110)은 인주석 산화물(ITO, Indium Tin Oxide), 탄소 나노튜트(Carbon Nanotube), 전도성 폴리머(Conductive polymer), 나노섬유(Nanofiber), 나노복합재료(Nanocomposite), 금-팔라듐 합금(AuPd), 금(Au), 팔라듐(Pd), 백금(Pt) 및 루테늄(Ru)으로 구성된 그룹에서 선택된 적어도 하나의 재료로 형성될 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니다.
제1전극(110) 위에는 반도체층(120)이 마련될 수 있다. 반도체층(120)은 화합물 반도체 재료로 형성될 수 있으며, 상기 화합물 반도체는 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 또는 Ⅲ-Ⅳ족 화합물 반도체를 포함할 수 있다. 상기 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체는 예를 들어, 질화갈륨(GaN), 질화인듐갈륨(InGaN), 질화알루미늄갈륨(AlGaN) 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 그리고, 반도체층(120)은 제1전극(110)과 오믹 접촉(ohmic contact)을 형성할 수 있다.
반도체층(120) 위에는 복수 개의 나노와이어(130)가 마련될 수 있다. 나노와이어(130)는 반도체층(120) 위에 수직으로 또는 일정한 각도로 경사지게 배열될 수 있다. 나노와이어(130)는 압전 특성을 갖는 반도체 재료로 형성될 수 있다. 즉, 나노와이어(130)는 응력이 인가되면 압전 효과를 나타내는 반도체 재료로 형성될 수 있으며, 상기 반도체 재료는 Ⅱ-Ⅳ 화합물 반도체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 나노와이어(130)는 산화아연(ZnO), 납-지르코늄-티타늄산화물(PZT; lead zirconate titanate), PVDF(polyvinylidene fluoride), 질화갈륨(GaN) 등으로 형성될 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 다른 다양한 재료로 형성될 수 있다. 한편, 반도체층(120)은 자체적으로 기판으로 사용될 수 있으며, 이 경우 제1기판(100)은 생략될 수 있다.
외부 압력에 의해 제2기판(150) 또는 제2전극(140)이 변형되면, 이 변형에 의해 발생한 응력이 나노와이어(130)에 전달되며, 나노와이어(130)는 이 응력에 의해 변형될 수 있다. 예를 들어, 도 1에서 중앙 부분의 나노와이어(130)는 제1기판(100)에 대해 수직한 방향으로 수축되는 모습이 도시되어 있다. 그리고, 도 1에서 좌우 부분의 나노와이어(130)는 휘어지는 모습이 도시되어 있다.
제1기판(100)과 이격되어 마련된 제2기판(150)은 유리, 실리콘, 폴리머(Polymer), 플라스틱, 사파이어, 질화갈륨, 탄화실리콘(SiC) 등으로 구성된 그룹에서 선택된 적어도 하나의 재료로 형성될 수 있다. 그리고, 제1기판(100)과 제2기판(150)은 CNT 또는 그라핀(graphene) 등의 탄소 구조물로 코팅될 수 있다. 제2기판(150) 아래에 제2전극(140)이 마련될 수 있다. 제2전극(140)은 나노와이어(130)와 쇼트키 접촉(schottky contact)을 형성할 수 있다. 즉, 제2전극(140)은 쇼트키 전극일 수 있다. 따라서, 제2전극(140)은 나노와이어(130)의 일함수와 같거나 그보다 큰 일함수를 가질 수 있다. 예를 들어, 제2전극(140)은 일함수가 4.5 이상인 재료로 형성될 수 있다. 제2전극(140)은 예를 들어, ITO(Indium Tin Oxide), 탄소나노튜브(CNT, Carbon Nanotube), 금(Au) 및 백금(Pt), 금-팔라듐 합금(AuPd alloy), 팔라듐(Pd), 루테늄(Ru)으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 재료로 형성될 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 한편, 제2전극(140)은 나노와이어(130)와 캐패시티브 접촉(capacitive contact)을 형성하는 캐패시티브 전극일 수 있다. 그래서 제2전극(140)은 제2전극(140) 및 나노와이어(130) 사이의 전하의 흐름을 제어할 수 있다. 즉, 제2전극(140)은 제2전극(140) 및 나노와이어(130)를 흐르는 전하를 제한할 수 있다.
또한, 도면에 도시되지는 않았으나 제2기판(150) 아래에 복수 개의 나노구조물을 형성하고, 제2기판(150)을 제2전극(140)을 형성하는 금속으로 증착할 수 있다. 이렇게 함으로써, 나노와이어(130)와 제2전극(140)의 접촉 면적을 증가시킬 수 있다. 상기 나노구조물은 예를 들어, 나노입자, 나노로드(nano rod), 나노와이어 형태 등을 포함할 수 있으며, 제2전극(140)의 표면에는 상기 나노구조물들에 의해 굴곡이 형성될 수 있다. 한편, 제1기판(100) 또는 제2기판(150) 위에는 입사되는 빛의 반사를 방지하기 위하여 반사방지막(Antireflection coating)이 더 마련될 수 있다.
개시된 전기 에너지 발생 장치의 에너지 변환 원리에 대해서 설명한다. 우선, 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하는 원리를 살펴본다. 제1기판(100) 및 제2기판(150) 중 적어도 하나의 기판은 빛을 투과할 수 있도록 투명할 수 있다. 또한, 제1전극(110) 및 제2전극(140) 중 적어도 하나의 전극 역시 빛을 투과할 수 있도록 투명할 수 있다.
반도체층(120)과 나노와이어(130) 사이의 계면(137)에는 pn 접합(pn junction)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 반도체층(120)은 p형 도펀트(dophant)가 첨가되고, 나노와이어(130)는 n형 도펀트가 첨가될 수 있다. 따라서, 반도체층(120)과 나노와이어(130) 사이에는 밴드갭 차이가 존재하게 되며, 이 밴드갭 차이에 의해서 밴드 벤딩(band bending)이 형성될 수 있다. 따라서, 반도체층(120)과 나노와이어(130)에 빛을 인가하면 전위차가 발생할 수 있다. 반도체층(120)과 나노와이어(130)는 서로 다른 반도체로 형성되는 이종접합(heterojunction)을 형성할 수 있다. 또는, 반도체층(120)과 나노와이어(130)는 같은 반도체로 형성되나 도핑에 의해 밴드갭 차이가 생기는 동종접합(homojunction)을 형성할 수 있다.
반도체층(120)과 나노와이어(130)에 첨가되는 도펀트의 종류나 그 농도를 달리하거나, 기타 밴드갭을 제어하는 방법에 의해서 반도체층(120)과 나노와이어(130)에서 흡수되는 빛의 파장을 제어할 수 있다. 따라서, 원하는 파장의 빛이 반도체층(120)과 나노와이어(130)에서 흡수되도록 조절할 수 있다.
반도체층(120)과 나노와이어(130)에 제1기판(100) 및 제2기판(150) 중 적어도 하나를 투과한 빛이 입사되면, 전자와 정공이 생성될 수 있다. 그리고, 반도체층(120)과 나노와이어(130) 사이의 계면(137)을 중심으로 전자는 나노와이어(130)를 통해 제2전극(140)으로 이동하고, 정공은 반도체층(120)을 통해 제1전극(110)으로 이동하여 전류가 흐를 수 있다. 이때 발생하는 전류는 그 방향이 전환되지 않는 직류 전류일 수 있다.
다음으로, 압전 에너지의 발생 원리를 설명한다. 외부의 소리, 진동, 마찰, 압력 등에 의해 제2기판(150) 또는 제2전극(140)이 변형되면, 이 변형에 의해 발생한 응력이 나노와이어(130)에 전달된다. 나노와이어(130)가 이렇게 외부로부터 힘을 받으면 나노와이어(130)의 압전 특성에 의해 나노와이어(130)와 제2전극(140) 사이에 전위차가 생기며, 나노와이어(130)로부터 제2전극(140)으로 전자가 흐르게 된다. 전위차에 의해 제2전극(140)으로 이동한 전자는 제2전극(140)에 형성된 쇼트키 장벽(Schottky barrier) 또는 높은 저항으로 인해서 누적되며, 이로 인해 전위차가 점차 줄어들어 결국 전위차가 없는 평형 상태에 도달하게 된다. 여기서, 쇼트키 장벽은 금속과 반도체를 접촉시켰을 때 발생하는 전위의 장벽을 말하며, 전위차가 없는 평형 상태에서는 더 이상 전자가 흐르지 않게 된다.
이후 나노와이어(130)에 가해진 압력이 제거되면 나노와이어(130)가 휘어지거나 수직 방향으로 수축된 상태에서 원래 상태로 돌아간다. 이때, 나노와이어(130) 내부에 형성된 압전 포텐셜은 사라지게 되며, 이 사라진 압전 포텐셜에 의해서 다시 전위차가 발생하여 전자가 흐르게 된다. 이때 전자는 나노와이어(130)에 압력을 가했을 때와 반대 방향으로 흐르게 된다. 즉, 이 경우 전자는 제2전극(140)에서 나노와이어(130)로 흐르게 되며, 나노와이어(130)에 가해지는 압력의 유무에 따라 전자가 흐르는 방향이 전환되므로 상기 압전 특성에 의해 발생된 전류는 교류 전류일 수 있다.
개시된 전기 에너지 발생 장치는 태양 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 소자와 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환 시키는 소자가 일체화되어 있다. 따라서, 상기 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하는 과정과 상기 압전 에너지의 발생 과정은 서로 독립적이므로, 개시된 전기 에너지 발생 장치는 외부에서 태양광이 인가되면 태양 에너지로부터 전기 에너지를 발생시키고, 외부에서 소리, 진동, 마찰 또는 압력 등이 인가되면 압전 에너지를 발생시킬 수 있다. 따라서, 개시된 전기 에너지 발생 장치는 외부 환경에 따라서 전기 에너지를 발생시킬 수 있으며, 광센서, 디스플레이 장치 또는 모바일 장치 등의 전원 공급 장치로 사용될 수 있다.
도 2는 다른 예에 따른 전기 에너지 발생 장치의 개략적인 단면도이다. 이하에서는 전술한 예와 다른 점을 중심으로 설명하기로 한다.
도 2를 참조하면, 개시된 전기 에너지 발생 장치에서는 반도체층(121)이 나노와이어(130)의 하부에만 형성될 수 있다. 즉, 반도체층(121)은 하나의 층으로 된 연속막으로 형성되어 있는 것이 아니라, 서로 이격되어 있는 복수 개가 마련되어 있다. 이 경우, 반도체층(121)의 표면적에 비해 제1전극(110)의 표면적이 넓기 때문에, 전하의 이동이 향상될 수 있다. 또한, 반도체층(121)과 나노와이어(130)의 국부적인 접촉 계면(137)을 형성 및 비표면적의 향상을 통해서, 반도체층(121)과 나노와이어(130)의 광흡수 특성이 개선될 수 있다. 한편, 반도체층(121)은 마이크로 막대, 나노 막대, 나노와이어, 나노 닷, 튜브 등의 형상으로 형성될 수 있다.
외부 압력에 의해 제2기판(150) 또는 제2전극(140)이 변형되면, 이 변형에 의해 발생한 응력이 나노와이어(130)에 전달되며, 나노와이어(130)는 이 응력에 의해 변형될 수 있다. 도 2에 도시되지는 않았으나 예를 들어, 나노와이어(130)는 제1기판(100)에 대해 수직한 방향으로 수축되거나 휘어질 수 있다.
도 3은 또 다른 예에 따른 전기 에너지 발생 장치의 개략적인 단면도이다. 이하에서는 전술한 예와 다른 점을 중심으로 설명하기로 한다.
도 3을 참조하면, 반도체층(120)과 전기적 접촉을 하는 제1전극(111)이 반도체층(120) 위의 한쪽 가장자리에 마련되어 있다. 상기 전기적 접촉은 오믹 접촉일 수 있다. 이렇게 제1전극(111)을 한쪽 가장자리에 위치시킴으로써, 빛이 제1전극(111)에 의한 반사되는 것을 최소화하여, 반도체층(120)에 도달하는 빛의 양을 증대시킬 수 있다. 반도체층(120) 및 나노와이어(130)에 빛이 도달하면 전자는 나노와이어(130)를 통해 제2전극(140)으로 이동하고, 정공은 반도체층(120)을 통해 제1전극(111)으로 이동할 수 있다. 제1전극(111)의 형태 및 위치는 다양하게 변화시킬 수 있다.
외부 압력에 의해 제2기판(150) 또는 제2전극(140)이 변형되면, 이 변형에 의해 발생한 응력이 나노와이어(130)에 전달되며, 나노와이어(130)는 이 응력에 의해 변형될 수 있다. 도 3에 도시되지는 않았으나 예를 들어, 나노와이어(130)는 제1기판(100)에 대해 수직한 방향으로 수축되거나 휘어질 수 있다.
도 4는 또 다른 예에 따른 전기 에너지 발생 장치의 개략적인 단면도이다. 이하에서는 전술한 예와 다른 점을 중심으로 설명하기로 한다.
도 4를 참조하면, 제1기판(100) 위에 복수 개의 제1전극(113)이 이격되어, 나란하게 배열되어 있으며, 복수 개의 제1전극(113) 사이에는 절연층(115)이 마련되어 있다. 도면에 도시되지는 않았으나 복수 개의 제1전극(113)은 전기적으로 상호연결되어 있을 수 있다. 복수 개의 제1전극(113) 위에는 각각 나노와이어(131)가 형성되어 있으며, 나노와이어(131)는 반도체층(125)으로 둘러싸여 있다. 즉, 나노와이어(131)의 하부는 제1전극(113)과 접촉하고 있으며, 나노와이어(131)의 양 측부 및 상부는 반도체층(125)으로 둘러싸여 있다. 따라서, 나노와이어(131)와 반도체층(125)의 접촉 계면(138)의 표면적이 넓어질 수 있다. 또한, 접촉 계면(138)의 표면적이 넓어질수록 흡수되는 태양광의 양이 많아지므로, 생성되는 전자와 정공의 개수가 늘어날 수 있으며, 태양 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 효율이 증대될 수 있다.
반도체층(125) 및 나노와이어(131)의 계면(138)은 pn 접합을 형성할 수 있다. 즉, 나노와이어(131)는 n형 도펀트로 도핑된 반도체로 형성되고, 반도체층(125)이 p형 도펀트로 도핑된 반도체로 형성될 수 있다. 예를 들어, 나노와이어(131)는 ZnO로 형성될 수 있으며, 반도체층(125)은 유기물 반도체 또는 무기물 반도체로 형성될 수 있다. 이 경우, 나노와이어(131)는 제1전극(113)과 쇼트키 접촉을 형성하고, 반도체층(125)은 제2전극(140)과 오믹 접촉을 형성할 수 있다. 한편, 나노와이어(131)는 p형 도펀트로 도핑된 반도체로 형성되고, 반도체층(125)이 n형 도펀트로 도핑된 반도체로 형성될 수 있다. 예를 들어, 나노와이어(131)는 Ⅲ-Ⅴ족 반도체로 형성될 수 있으며, 반도체층(125)은 ZnO로 형성될 수 있다. 이 경우, 나노와이어(131)는 제1전극(113)과 오믹 접촉을 형성하고, 반도체층(125)은 제2전극(140)과 쇼트키 접촉을 형성할 수 있다.
외부 압력에 의해 제2기판(150) 또는 제2전극(140)이 변형되면, 이 변형에 의해 발생한 응력이 나노와이어(131)에 전달되며, 나노와이어(131)는 이 응력에 의해 변형될 수 있다. 도 4에 도시되지는 않았으나 예를 들어, 나노와이어(131)는 제1기판(100)에 대해 수직한 방향으로 수축되거나 휘어질 수 있다.
도 5는 또 다른 예에 따른 전기 에너지 발생 장치의 개략적인 단면도이다. 이하에서는 전술한 예와 다른 점을 중심으로 설명하기로 한다.
도 5를 참조하면, 기판(101)의 한쪽 위에 제1전극(117)이 마련되어 있으며, 제1전극(117) 위에는 반도체층(123)이 마련되어 있다. 또한, 기판(101)의 다른 한쪽 위에는 제2전극(141)이 형성되어 있다. 그리고, 나노와이어(135)가 반도체층(123)에서 횡방향으로 형성되어 있다. 여기에서, 나노와이어(135)는 측면 성장(Lateral growth) 또는 전이(transfer) 공정에 의한 배열로 형성될 수 있다. 도 5에는 나노와이어(135)가 반도체층(123)의 상면에서 횡방향으로 성장한 것이 도시되어 있으며, 나노와이어(135)의 한쪽은 반도체층(123)의 상면과 접촉 계면(139)을 형성하고 있다.
한편, 도면에 도시되지는 않았으나, 나노와이어(135)는 반도체층(123)의 측면으로부터 성장할 수 있으며, 이 경우 나노와이어(135)의 한쪽은 반도체층의 측면과 접촉 계면을 형성할 수 있다. 나노와이어(135)의 다른 한쪽은 제2전극(141)과 전기적 접촉을 형성할 수 있으며, 상기 전기적 접촉은 쇼트키 접촉일 수 있다. 전술한 다른 예에 따른 전기 에너지 발생 장치에서 외부 압력 등에 의해서 제2전극(140)과 전기적 접촉을 하는 나노와이어(130)의 한쪽 끝 부분이 변형되는 것과 달리, 도 5에 개시된 전기 에너지 발생 장치에서는 외부에서 인가되는 압력 등에 의해서 나노와이어(135)의 가운데 부분이 변형될 수 있다. 또한, 기판(101)은 외부 압력에 의해 쉽게 변형되도록 신축성 있는 재료로 형성될 수 있다. 도 5에는 하나의 기판 위에 광학 소자와 압전 소자가 형성되어 있으나, 각 소자는 별개의 기판에 형성될 수도 있다.
도 6은 또 다른 예에 따른 전기 에너지 발생 장치의 개략적인 단면도이다. 이하에서는 전술한 예와 다른 점을 중심으로 설명하기로 한다.
도 6을 참조하면, 제1기판(100) 및 제2기판(150)이 박막 형태로 마련되어 있다. 그리고, 도 2에 도시된 제1전극(110), 반도체층(121), 나노와이어(130) 및 제2전극(140)이 제1기판(100) 및 제2기판(150) 사이에 마련되어 있다. 여기서, 반도체층(121)은 도 1에 도시된 바와 같이 하나의 층으로 형성될 수도 있다. 박막 형태의 제1기판(100) 및 제2기판(150)은 외부의 진동이나 압력에 대해 유연하게 변형이 가능하고(flexible) 신축성이 있으며, 개시된 전기 에너지 발생 장치가 대면적과 굴곡을 가질 수 있게 할 수 있다. 따라서, 개시된 전기 에너지 발생 장치는 방음벽, 광고판 등 일상 생활에서 흔히 볼 수 있는 구조물의 형태로 제작될 수 있다.
도 7a 내지 7c는 개시된 전기 에너지 발생 장치에 의해 발생된 전압을 나타낸 그래프이다. 여기서, 제1기판, 제1전극, 반도체층, 나노와이어로는 각각 사파이어, Ag, GaN, ZnO가 사용되었으며, 제2전극 및 제2기판으로는 각각 PdAu와 PES(Polyethersulfone)가 사용되었다.
도 7a는 외부로부터 소리 등의 진동을 제외하고, 3개의 32 W 형광등 빛을 인가해 주었을 때, 개시된 전기 에너지 발생 장치에 의해서 발생된 전압을 나타낸 그래프이다. 도 7a 참조하면, 개시된 전기 에너지 발생 장치에 의해 발생된 전압은 약 20 mV임을 알 수 있다. 개시된 전기 에너지 발생 장치에 외부로부터 소리 등의 진동이 인가되지 않고, 빛만 인가되는 경우 압전 에너지의 발생 없이, 태양 에너지만을 전기 에너지로 변환하기 때문에 직류 전압이 발생하는 것을 알 수 있다.
도 7b는 외부로부터 빛을 제외하고, 80 Hz의 소리를 인가해 주었을 때, 개시된 전기 에너지 발생 장치에 의해서 발생된 전압을 나타낸 그래프이다. 도 7b 참조하면, 개시된 전기 에너지 발생 장치에 의해 발생된 전압은 약 30 mV임을 알 수 있다. 개시된 전기 에너지 발생 장치에 외부로부터 빛이 인가되지 않고, 소리 등의 진동만 인가되는 경우 태양 에너지의 전기 에너지로의 변환 없이, 압전 에너지만 발생하기 때문에 교류 전압이 발생하는 것을 알 수 있다.
도 7c는 외부로부터 3개의 32 W 형광등 빛과 80 Hz의 소리를 동시에 인가해 주었을 때, 개시된 전기 에너지 발생 장치에 의해서 발생된 전압을 나타낸 그래프이다. 도 7c 참조하면, 개시된 전기 에너지 발생 장치에 의해 발생된 전압은 도 7a 및 도 7b에 도시되어 있는 전압을 합한 값임을 알 수 있다. 즉, 도 7c에 도시된 전압은 태양 에너지를 전기 에너지로 변환할 때 발생하는 직류 전압과 압전 에너지에 의한 교류 전압이 합쳐진 전압임을 알 수 있다.
다음으로 개시된 전기 에너지 발생 장치의 제조방법에 대해서 설명한다. 우선, 제1기판(100)을 마련하고, 제1기판(100) 위에 제1전극(110)을 형성한다. 도전성 재료를 가지고 도금법, 스퍼터링(sputtering)법, 전자빔 증착법(e-beam evaporation), 열 증착법(thermal evaporation) 등의 방법을 사용하며 제1전극(110)을 형성할 수 있다. 그리고, 제1전극(110) 위에 반도체층(120)을 형성한다. 반도체층(120) 위에는 버퍼층이 형성될 수 있으며, 상기 버퍼층은 질화알루미늄(AlN)을 포함할 수 있다. 그 다음에는 반도체층(120) 위에 Au, Zn, ZnO 등으로 형성된 촉매층을 형성하고 나노와이어를 형성하거나, 촉매층 없이 바로 나노와이어(130)를 형성할 수 있다. 여기서, 나노와이어(130)는 졸-겔법(sol-gel process), 수열합성, 화학 증착 등의 방법을 사용하여 성장시킬 수 있다. 예를 들어, 나노와이어는 사파이어 기판 위에 반도체층으로서 GaN 결정층을 형성하고 Au 촉매층을 증착한 뒤에, 약 950℃ 로 온도를 상승시키면서 Zn과 C가 혼합된 파우더를 Ar 가스와 함께 주입한 뒤에, 냉각 및 후처리 공정을 통해 성장될 수 있다.
나노와이어(130)를 성장시킨 다음에는 제2기판(150)을 마련하고, 제2기판(150) 아래에 제2전극(140)을 형성한다. 나노와이어(130)와 쇼트키 전극을 형성할 수 있는 금속 등을 가지고, 도금법, 스퍼터링(sputtering)법, 전자빔 증착법(e-beam evaporation), 열 증착법(thermal evaporation) 등의 방법을 사용하여 제2전극(140)을 형성할 수 있다. 마지막으로, 제1기판(100)과 제2기판(150)을 조립 및 고정하여 나노와이어(130)와 제2전극(140)이 쇼트키 접촉을 형성할 수 있도록 한다.
이러한 본 발명인 전기 에너지 발생 장치 및 그 제조방법은 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
100: 제1기판 110, 111, 113, 117: 제1전극
115: 절연층 120, 121, 123, 125: 반도체층
130, 131, 135: 나노와이어 140, 141: 제2전극
150, 151: 제2기판 101: 기판
115: 절연층 120, 121, 123, 125: 반도체층
130, 131, 135: 나노와이어 140, 141: 제2전극
150, 151: 제2기판 101: 기판
Claims (24)
- 제1기판;
상기 제1기판 위에 마련된 반도체층;
상기 반도체층 위에 마련된 압전 특성을 갖는 복수 개의 나노와이어;
상기 제1기판과 이격되어 마련되고,외부의 진동 또는 압력에 의해 유연하게 변형되는 제2기판; 및
상기 제2기판 아래에 마련되고, 상기 나노와이어와 전기적 접촉을 하며, 상기 진동 또는 압력에 의해 유연하게 변형되는 제1전극;을 포함하고,
상기 반도체층 및 상기 나노와이어의 계면은 pn 접합을 형성하며,
상기 반도체층 및 상기 나노와이어에 입사되는 빛은 직류 전류를 발생시키며,
상기 진동 또는 압력은 상기 제2기판 및 상기 제1전극을 통해 상기 나노와이어를 변형시켜 교류 전류를 발생시키는 전기 에너지 발생 장치. - 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 pn 접합은 서로 다른 반도체가 접합된 이종접합(hetrojunction)인 전기 에너지 발생 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 pn 접합은 서로 같은 반도체가 접합된 동종접합(homojunction)이며, 상기 반도체에 첨가되는 도펀트가 서로 다른 전기 에너지 발생 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 반도체층의 밴드갭은 상기 나노와이어의 밴드갭과 서로 다른 전기 에너지 발생 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 반도체층은 복수 개로 서로 이격되어 배열되어 있으며, 상기 나노와이어의 하부에 마련되어 있는 전기 에너지 발생 장치. - 제 6 항에 있어서,
상기 반도체층은 마이크로 막대, 나노 막대, 나노와이어, 나노 닷, 튜브의 형상 중에서 어느 하나의 형상을 갖는 전기 에너지 발생 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 반도체층은 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 또는 Ⅲ-Ⅳ족 화합물 반도체로 형성된 전기 에너지 발생 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 제1전극은 상기 나노와이어와 쇼트키 접촉을 형성할 수 있는 쇼트키 전극 및 전하의 흐름을 제어하는 캐패시티브 전극 중 어느 하나인 전기 에너지 발생 장치. - 제 9 항에 있어서,
상기 쇼트키 전극은 백금, 금, ITO(Indium Tin Oxide), 탄소나노튜브(CNT, Carbon Nanotube) 중에서 선택된 적어도 어느 하나로 형성된 전기 에너지 발생 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 제1전극의 일함수는 상기 나노와이어의 일함수보다 작거나 같은 전기 에너지 발생 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 제1기판과 상기 반도체층 사이에 마련된 제2전극;을 더 포함하는 전기 에너지 발생 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 반도체층 위의 한쪽 가장자리에 마련된 제2전극;을 더 포함하는 전기 에너지 발생 장치. - 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
상기 제2전극은 상기 반도체층과 오믹 접촉을 형성할 수 있는 오믹 전극인 전기 에너지 발생 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 나노와이어는 Ⅱ-Ⅳ족 화합물 반도체로 형성된 전기 에너지 발생 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 나노와이어는 ZnO, PZT, PVDF, GaN 중에서 선택된 어느 하나로 형성된 전기 에너지 발생 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 제1기판 및 상기 제2기판 중 적어도 하나의 기판은 투명한 재료로 형성된 전기 에너지 발생 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 제1기판 및 상기 제2기판은 신축성 있는 박막 형태로 형성된 전기 에너지 발생 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 제1기판 및 상기 제2기판은 유리, 실리콘, 폴리머, 플라스틱, 사파이어, 질화갈륨 및 탄화 실리콘 중에서 선택된 적어도 어느 하나로 형성된 전기 에너지 발생 장치. - 제 19 항에 있어서,
상기 제1기판 및 상기 제2기판은 CNT 또는 그라핀(graphene)으로 코팅된 전기 에너지 발생 장치. - 제1기판;
상기 제1기판 위에 마련되며, 서로 이격되어 있는 복수 개의 제1전극;
상기 복수 개의 제1전극 사이에 마련된 절연층;
상기 제1전극 위에 마련되고, 압전 특성을 갖는 복수 개의 나노와이어;
상기 나노와이어를 둘러싸고 있는 반도체층;
상기 제1기판과 이격되어 마련되고, 외부의 진동 또는 압력에 의해 유연하게 변형되는 제2기판; 및
상기 제2기판 아래에 마련되고, 상기 반도체층과 전기적 접촉을 하며, 상기 진동 또는 압력에 의해 유연하게 변형되는 제2전극;을 포함하고,
상기 반도체층 및 상기 나노와이어의 계면은 pn 접합을 형성하며,
상기 반도체층 및 상기 나노와이어에 입사되는 빛은 직류 전류를 발생시키며,
상기 진동 또는 압력은 상기 제2기판 및 상기 제1전극을 통해 상기 나노와이어를 변형시켜 교류 전류를 발생시키는 전기 에너지 발생 장치. - 삭제
- 외부의 진동 또는 압력에 의해 유연하게 변형되는 기판;
상기 기판의 한쪽 위에 마련되고, 상기 진동 또는 압력에 의해 유연하게 변형되는 제1전극;
상기 제1전극 위에 마련된 반도체층;
상기 기판의 다른 한쪽 위에 마련되고, 상기 진동 또는 압력에 의해 유연하게 변형되는 제2전극; 및
한쪽은 상기 반도체층의 표면과 접촉되어 있고, 다른 한쪽은 상기 제2전극과 전기적 접촉을 하며, 압전 특성을 갖는 복수 개의 나노와이어;를 포함하고,
상기 반도체층 및 상기 나노와이어의 계면은 pn 접합을 형성하며,
상기 반도체층 및 상기 나노와이어에 입사되는 빛은 직류 전류를 발생시키며,
상기 진동 또는 압력은 상기 기판, 상기 제1전극, 상기 제2전극을 통해 상기 나노와이어를 변형시켜 교류 전류를 발생시키는 전기 에너지 발생 장치. - 삭제
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