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KR101713280B1 - 전기 에너지 발생장치 - Google Patents

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KR101713280B1
KR101713280B1 KR1020110019092A KR20110019092A KR101713280B1 KR 101713280 B1 KR101713280 B1 KR 101713280B1 KR 1020110019092 A KR1020110019092 A KR 1020110019092A KR 20110019092 A KR20110019092 A KR 20110019092A KR 101713280 B1 KR101713280 B1 KR 101713280B1
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Abstract

전기에너지 발생장치가 개시된다. 개시된 전기에너지 발생장치는, 압전 특성을 가지는 반도체 물질로 이루어진 복수의 나노와이어와, 이 나노와이어들의 일단에 형성되는 층으로, 상기 나노와이어들과 p-n 접합을 형성하는 반도체층과, 나노와이어들의 타단에 접하는 층으로, 금속-절연체 전이(MIT) 특성을 가지는 물질로 이루어진 컨택층을 포함한다.

Description

전기 에너지 발생장치{Electrical energy generator}
전기에너지 발생장치에 관한 것으로, 상세하게는 태양광 및 기계적 진동을 전기에너지로 변환시키는 하이브리드 전기에너지 발생장치에 관한 것이다.
태양전지는 태양광의 에너지를 전기에너지로 바꾸는 장치로서, p형 반도체 물질과 n형 반도체 물질을 이용해 전기에너지를 발생시킨다. 이러한 태양전지에 빛을 비추게 되면 그 내부에서 전자와 정공들이 발생하게 되고, 이렇게 발생된 전자 및 정공들이 n형 전극 및 p형 전극으로 이동함으로써 전기에너지를 발생시키게 된다. 최근에는 태양전지의 효율을 증대시키기 위하여 나노 와이어와 같은 나노구조체에 대한 연구가 시도되고 있다.
또한, 최근에는 주변 환경에 따라 태양광과 기계적 진동을 선택적으로 전기에너지로 변화시키는 하이브리드 전기에너지 발생장치가 개발되고 있다. 이러한 하이브리드 전기에너지 발생장치는 태양전지 소자와 압전소자가 융복합된 구조를 가진다. 상기 하이브리드 전기에너지 발생장치에서는 서로 다른 에너지 발생 방식, 즉 태양전지 방식과 압전방식에 의해 각각 전기에너지가 발생되는데, 이러한 태양전지 방식에서의 전극 컨택 특성과 압전 방식의 전극 컨택 특성은 서로 다르다. 따라서, 이러한 하이브리드 전기에너지 발생장치에서 보다 효율적으로 전기에너지를 생사하기 위해서는 태양전지 소자에서는 오믹 커택(ohmic contact)을 필요로 하며, 압전 소자에서는 쇼트키 컨택(shottky contanct)을 필요로 한다.
본 발명의 실시예는 태양광 및 기계적 진동을 효율적으로 전기에너지로 변환시키는 하이브리드 전기에너지 발생장치를 제공한다.
본 발명의 일 측면에 있어서,
압전 특성을 가지는 반도체 물질로 이루어진 복수의 나노와이어;
상기 나노와이어들의 일단에 형성되는 층으로, 상기 나노와이어들과 p-n 접합을 형성하는 반도체층; 및
상기 나노와이어들의 타단에 접하는 층으로, 금속-절연체 전이(MIT; metal-insulation transition) 특성을 가지는 물질로 이루어진 컨택층;을 포함하는 전기에너지 발생장치가 제공된다.
여기서, 상기 컨택층은 온도에 따른 금속-절연체 전이 특성을 가지는 물질로 이루어질 수 있다.
상기 나노와이어들의 타단과 상기 컨택층 사이에는 소정 온도 이상에서는 오믹 컨택(ohmic contact)이 형성되며, 소정 온도 이하에서는 쇼트키 컨택(shottky contact)이 형성될 수 있다.
상기 컨택층은 예를 들면, 바나듐 산화물(vanadium oxide)을 포함할 수 있다. 상기 컨택층은 변형 가능한 재질의 투명 기판 상에 형성될 수 있다.
상기 나노와이어들은 예를 들면, 산화아연(ZnO), 납-지르코늄-티타늄산화물(PZT; lead zirconate titanate) 또는 PVDF(ployvinylidene fluoride)을 포함할 수 있다. 그리고, 상기 반도체층은 무기물 및 유기물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 나노와이어들은 n형 반도체 물질로 이루어지며, 상기 반도체층은 p형 반도체 물질로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 나노와이어들은 p형 반도체 물질로 이루어지며, 상기 반도체층은 n형 반도체 물질로 이루어질 수도 있다.
상기 나노와이어들은 상기 반도체층 상에 수직 또는 일정한 각도로 경사지게 배열될 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 온도에 따른 금속-절연체 전이(MIT; metal-insulator transition) 특성을 가지는 물질을 이용하여 컨택층을 형성함으로써 온도에 따라 나노와이어들과 컨택층 사이에 오믹 컨택이나 쇼트키 컨택을 가변적으로 형성할 수 있다. 이에 따라, 태양에너지나 기계적인 진동에너저가 전기에너지로 효율적으로 변환될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전기에너지 발생장치를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 Ⅱ-Ⅱ'선을 따라 본 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전기에너지 발생장치가 태양광에 의해 전기에너지를 발생시키는 경우를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전기에너지 발생장치가 기계적인 진동에 의해 전기에너지를 발생시키는 경우를 도시한 것이다.
도 5는 VO2 박막에 대하여 온도에 따른 저항값을 도시한 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전기에너지 발생장치를 개략적으로 도시한 사시도이다. 그리고, 도 2는 도 1에 도시된 Ⅱ-Ⅱ'선을 따라 본 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 제1 및 제2 기판(110,150)이 소정 간격으로 이격되게 배치되어 있다. 하부기판인 제1 기판(110) 상에는 반도체층(120)이 형성되어 있다. 여기서, 상기 반도체층(120)은 후술하는 나노와이어들(130)과 p-n 접합을 형성하는 층으로서, p형 반도체 물질 또는 n형 반도체 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 상기 반도체층(120)은 GaN 등과 같은 Ⅲ-Ⅴ족 반도체 화합물이나 Ⅱ-Ⅵ족 반도체 화합물로 이루어질 수 있으다. 상기 반도체층은 이외에도 다양한 물질로 이루어질 수 있으며, 또한 무기물과 유기물 중 적어도 하나로 이루어질 수도 있다.
상기 반도체층(120) 상에는 복수의 나노와이어(130)가 형성되어 있다. 여기서, 상기 나노와이어들(130)은 상기 반도체층(120) 상에 수직으로 또는 일정한 각도로 경사지게 배열될 수 있다. 이러한 나노와이어들(130)은 반도체층(120)과 p-n 접합을 형성함으로써 태양에너지를 전기에너지로 변환시키는 역할을 하며, 또한 압전 특성에 의해 기계적인 진동에너지를 전기에너지로 변환시키는 역할을 한다. 이에 따라, 상기 나노와이어들(130)은 압전 특성을 가지는 n형 반도체 물질 또는 p형 반도체 물질로 이루어질 수 있다. 구체적으로, 상기 나노와이어들(130)이 n형 반도체 물질로 이루어지는 경우에는 상기 반도체층(120)은 p형 반도체 물질로 이루어질 수 있으며, 상기 나노와이어들(130)이 p형 반도체 물질로 이루어지는 경우에는 상기 반도체층(120)은 n형 반도체 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 상기 반도체층(120)은 p형 GaN으로 이루어지고, 상기 나노와이어(130)는 n형 산화아연(ZnO)으로 이루어질 수 있다. 한편 이외에도, 상기 나노와이어(130)는 예를 들면 납-지르코늄-티타늄 산화물(PZT; lead zirconate titanate) 또는 PVDF(polyvinylidene fluoride) 등을 포함할 수 있다. 하지만, 이는 단지 예시적인 것으로 상기 나노와이어(130)는 이외에도 다양한 압전 특성을 가지는 반도체 물질을 포함할 수 있다.
상기 제2 기판(150)의 하면에는 컨택층(140)이 마련되어 있다. 여기서, 상기 제2 기판(150)으로는 예를 들면, 변형 가능한 투명 재질의 기판이 사용될 수 있다. 구체적으로, 상기 제2 기판(150)은 예를 들면 PES(polyether sulfone) 등을 포함할 수 있으며, 이외에도 다양한 재질을 포함할 수 있다. 그리고, 상기 제2 기판(150)의 하면에는 컨택층(140)이 상기 나노와이어들(130)의 상단에 접하도록 마련되어 있다. 여기서, 상기 컨택층(140)은 상기 나노와이어들(130)과의 컨택 특성이 가변되는 물질로 이루어질 수 있다. 구체적으로, 상기 컨택층(140)은 Mott 전이(Mott transition) 특정, 즉 금속-절연체 전이(MIT; metal-insulator transition)을 가지는 물질로 이루어질 수 있다.
본 실시예에서, 상기 컨택층(140)은 온도 변화에 따라 컨택 특성이 변화하는 금속-절연체 전이(MIT) 특성을 가지는 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 소정 온도 이상에서는 상기 컨택층(140)이 금속 특성을 가짐으로써 상기 컨택층(140)과 나노와이어들(130) 사이에 오믹 컨택(ohmic contact)을 형성할 수 있다. 또한 소정 온도 이하에서는 상기 컨택층(140)이 절연체 특성을 가짐으로써 상기 컨택층(140)과 나노와이어들(130) 사이에 쇼트키 컨택(shottky contact)을 형성할 수 있다. 이러한 금속-절연체 전이(MIT) 특성을 가지는 물질로서 예를 들면 VO2 또는 V2O5 등과 같은 바나듐 산화물(vanadium oxide)을 들 수 있다. 이러한 바나듐 산화물에서는 그 조성에 따라 대략 40℃ ~ 70℃의 온도 범위 내에서 금속-절연체 전이가 나타날 수 있다. 하지만, 이러한 바나듐 산화물을 단지 예시적인 것으로 본 실시예는 이에 한정되는 것은 아니며, 바나듐 산화물 이외에도 온도에 따른 금속-절연체 전이(MIT) 특성을 가지는 물질은 컨택층(140)을 이루는 물질로 얼마든지 사용가능하다.
도 5는 VO2 박막에 대하여 온도에 따른 저항값을 도시한 것이다. 구체적으로, 도 5는 100nm 두께의 VO2 박막에 대하여 온도 변화에 따른 전기 저항값의 변화를 측정한 결과를 도시한 것이다. 도 5를 참조하면, 50℃ ~ 60℃의 온도 범위 내에서 대략 10Ω 정도의 저항값 변화가 나타남을 알 수 있다. 구체적으로, 대략 55℃ 이상의 온도 범위에서는 상기 VO2 박막은 전기 저항값이 매우 낮은 금속 특성을 가지게 되며, 55℃ 보다 낮은 온도 범위에서는 상기 VO2 박막은 전기 저항값이 매우 큰 절연체 특성을 가지게 됨을 알 수 있다. 따라서, 이러한 VO2 박막으로 상기 컨택층(140)을 형성하게 되면 55℃ 이상의 온도 범위에서는 상기 컨택층(140)의 금속 특성으로 인해 상기 컨택층(140)과 나노와이어들(130) 사이에는 오믹 컨택을 형성하게 된다. 그리고, 55℃ 보다 작은 온도 범위에서는 상기 컨택층(140)의 절연체 특성으로 인해 상기 컨택층(140)과 나노와이어들(130) 사이에는 쇼트키 컨택을 형성하게 된다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전기에너지 발생장치가 태양광에 의해 전기에너지를 발생시키는 경우를 도시한 것이다. 도 3을 참조하면, 상기 전기에너지 발생장치가 소정 온도 이상에서는 컨택층(140)과 나노와이어들(130) 사이의 계면(140)에서 오믹 컨택이 형성됨으로써 태양에너지를 전기에너지로 변환시킬 수 있게 된다. 구체적으로, 상기 컨택층(140)이 예를 들면 VO2 박막으로 이루어진 경우 대략 55℃ 이상의 온도에서는 상기 컨택층(140)과 나노와이어들(130) 사이의 계면(140a)에서 오믹 컨택이 형성된다. 이 경우, 외부의 태양광이 투명한 제2 기판(150)을 통하여 입사되면 p-n 접합을 형성하는 반도체층(120)과 나노와이어들(130)로부터 각각 전자 및 정공들이 분리되어 이동함으로써 전기에너지를 얻을 수 있게 된다.
그리고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전기에너지 발생장치가 기계적인 진동에 의해 전기에너지를 발생시키는 경우를 도시한 것이다. 도 4를 참조하면, 상기 전기에너지 발생장치가 소정 온도 이하에서는 컨택층(140)과 나노와이어들(130) 사이의 계면(140a)에서 쇼트키 컨택이 형성됨으로써 기계적인 진동에너지를 전기에너지로 변환시킬 수 있게 된다. 구체적으로, 상기 컨택층(140)이 예를 들면 VO2 박막으로 이루어진 경우 대략 55℃ 이하의 온도에서는 상기 컨택층(140)과 나노와이어들(130) 사이에 쇼트키 컨택이 형성된다. 이 경우, 상기 제2 기판(150)이 외부의 기계적인 힘에 의해 진동하게 되면 상기 컨택층(140)과 나노와이어들(130) 사이의 마찰에 의해 전기에너지가 발생하게 된다. 즉, 상기 컨택층(140)이 상기 나노와이어들(130)에 대해 상대적으로 움직이게 되면, 상기 나노와이어들(130)의 상부는 컨택층(140)의 움직임에 따라 휘어짐과 같은 변형이 발생하게 된다. 여기서, 상기 나노와이어들(130)에 응력이 가해지고, 가해진 응력이 제거되는 과정이 반복됨에 따라 상기 나노와이어들(130)의 양단 쪽에는 전위차가 발생하게 되고, 이러한 전위차에 의해 발생되는 전자의 흐름에 의해 전기에너지를 얻을 수 있게 된다.
이상과 같이, 본 실시예에 따른 전기에너지 발생장치에서는 온도 변화에 따른 금속-절연체 전이 특성을 가지는 물질을 이용하여 컨택층(140)을 형성함으로써 주위 온도에 따라 컨택층(140)과 나노와이어들(130) 사이에 가변적인 컨택을 형성할 수 있다. 이에 따라 일정 온도 이상에서는 오믹 컨택에 의해 태양에너지를 전기에너지로 변환시킬 수 있고, 일정 온도 이하에서는 쇼트키 컨택에 의해 기계적인 진동에너지를 전기에너지로 변환시킬 수 있게 되므로, 보다 효율적으로 외부의 에너지를 전기에너지로 변환시킬 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예가 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
110... 제1 기판 120... 반도체층
130... 나노와이어 140... 컨택층
150... 제2 기판

Claims (10)

  1. 압전 특성을 가지는 반도체 물질로 이루어진 복수의 나노와이어;
    상기 나노와이어들의 일단에 형성되는 층으로, 상기 나노와이어들과 p-n 접합을 형성하는 반도체층; 및
    상기 나노와이어들의 타단에 접하는 층으로, 온도에 따른 금속-절연체 전이(MIT; metal-insulation transition) 특성을 가지는 물질로 이루어진 컨택층;을 포함하는 전기에너지 발생장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 나노와이어들의 타단과 상기 컨택층 사이에는 소정 온도 이상에서는 오믹 컨택(ohmic contact)이 형성되며, 소정 온도 이하에서는 쇼트키 컨택(shottky contact)이 형성되는 전기에너지 발생장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 컨택층은 바나듐 산화물(vanadium oxide)을 포함하는 전기에너지 발생장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 컨택층은 변형 가능한 재질의 투명 기판 상에 형성되는 전기에너지 발생장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 나노와이어들은 산화아연(ZnO), 납-지르코늄-티타늄산화물(PZT; lead zirconate titanate) 또는 PVDF(ployvinylidene fluoride)을 포함하는 전기에너지 발생장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체층은 무기물 및 유기물 중 적어도 하나를 포함하는 전기에너지 발생장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 나노와이어들은 n형 반도체 물질로 이루어지며, 상기 반도체층은 p형 반도체 물질로 이루어지는 전기에너지 발생장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 나노와이어들은 p형 반도체 물질로 이루어지며, 상기 반도체층은 n형 반도체 물질로 이루어지는 전기에너지 발생장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 나노와이어들은 상기 반도체층 상에 수직 또는 일정한 각도로 경사지게 배열되는 전기에너지 발생장치.
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