KR101720166B1

KR101720166B1 - 압전 나노 자가발전 소자 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR101720166B1
Application number: KR1020150045284A
Authority: KR
Inventors: 윤기완; 이은주
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2015-03-31
Filing date: 2015-03-31
Publication date: 2017-03-28
Anticipated expiration: 2035-03-31
Also published as: KR20160117793A

Abstract

본 발명은 압전 나노 자가발전 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 개시된 압전 나노 자가발전 소자는 기판 상에 형성된 제 1 전극과, 제 1 전극의 상부에 형성된 제 2 전극과, 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 형성된 압전물질 나노 구조층 및 질소 화합물층을 포함한다. 압전물질 나노 구조층과 함께 질소 화합물층을 전극 사이에 형성함으로써, 전극에 대한 보다 신뢰성 있는 전위 장벽을 형성하여 내부로의 누설 전류의 흐름을 억제할 수 있으며, 전극에서의 전하의 누적을 향상시키고, 압전물질 나노 구조층과 질소 화합물층의 연속된 에피성장시 압전물질의 결정성 및 압전성 향상에 기여하여 결과적으로 향상된 압전 출력을 제공하는 이점이 있다.

Description

압전 나노 자가발전 소자 및 그 제조 방법{DEVICE AND FABRICATION METHOD OF PIEZOELECTRIC NANOGENERATORS}

본 발명은 압전 나노 자가발전 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 금속 전극들 사이에 압전물질을 형성하여 미세전력을 수확하는 압전 나노 자가발전 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

최근 나노 소자 기술 및 무선 통신 기술의 비약적 발전과 더불어 웨어러블 모바일 전자기기(wearable mobile electronics), 생체 이식형 의료 소자(implantable medical devices), 무선 감지 센서(wireless sensors), 나노 모바일 소자(nano mobile devices), 나노봇(nanobots) 등과 같은 마이크로/나노 스케일의 무선 소자 시스템에 대한 연구 개발이 활발히 진행되고 있으며, 이러한 시스템의 향후 무선 에너지 공급원으로 저전력 자가 발전 기술이 크게 주목 받고 있다.

저전력 자가 발전 기술 중, 일상 환경에 항상 존재하는 인간의 움직임, 심장박동, 혈류, 음파 등과 같은 소모성 기계적 에너지를 전기적 에너지로 전환시켜주는 나노 압전 소자 기술은 상기에서 언급한 전자 소자들 외에도 지속 가능한 무선의 전력 시스템을 필요로 하는 전자소자들에 다양하게 적용될 수 있는 기술로서 크게 주목을 받고 있다.

큰 압전 상수로 인해 대표적인 압전 소재 물질로 이용되어 온 PZT(lead zirconate titanate) 기반의 압전 나노 발전 소자의 경우, 인체에 유해한 납(lead) 성분을 포함하기 때문에 사용자 신체와 매우 가까운 위치에서 지속적으로 사용자와 소통하는 모바일 전자기기나, 인체 내부에 삽입되는 형태의 의료용 전자 소자 등에는 적용되는 데 한계가 있어 왔다.

따라서 최근, 인체에 무해하며 자연 친화적인 압전 물질 중, 산화아연(ZnO)을 기반으로 하는 압전 나노 자가발전 소자의 개발이 크게 주목을 받아 왔다. 그러나 PZT 계열의 압전 나노 자가발전 소자들과 비교할 때, 산화아연 기반의 자가발전 소자의 경우 비교적 낮은 압전 출력 성능을 보이므로 그 출력 효율을 보다 향상시킬 필요가 있다.

한국 등록특허공보 제1417855호, 등록일자 2014년 7월 3일

본 발명의 실시예에 따르면, 산화아연 등과 같이 인체에 무해하며 자연 친화적인 압전물질을 사용하는 압전 나노 구조에서 압전 출력 효율을 향상시키는 압전 나노 자가발전 소자 및 그 제조 방법을 제공한다.

본 발명의 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 것으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 해결하고자 하는 과제는 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 제 1 관점에 따른 압전 나노 자가발전 소자는, 기판 상에 형성된 제 1 전극과, 상기 제 1 전극의 상부에 형성된 제 2 전극과, 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 형성된 압전물질 나노 구조층 및 질소 화합물층을 포함할 수 있다.

여기서, 상기 질소 화합물층은 상기 압전물질 나노 구조층보다 더 넓은 밴드갭을 가지고 절대값이 더 작은 전자친화도를 가질 수 있다.

또, 상기 질소 화합물층은 질화알루미늄을 포함하여 형성될 수 있다.

또, 상기 압전물질 나노 구조층의 상부에 상기 질소 화합물층이 형성될 수 있다.

또, 상기 질소 화합물층의 상부에 상기 압전물질 나노 구조층이 형성될 수 있다.

또, 복수의 상기 압전물질 나노 구조층이 적층되고, 그 사이에 상기 질소 화합물층이 형성될 수 있다.

본 발명의 제 2 관점에 따른 압전 나노 자가발전 소자의 제조 방법은, 기판 상에 제 1 전극을 형성하는 단계와, 상기 제 1 전극의 상부에 제 2 전극을 형성하는 단계와, 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 압전물질 나노 구조층 및 질소 화합물층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.

또, 상기 질소 화합물층은 질화알루미늄을 포함하여 형성할 수 있다.

또, 상기 압전물질 나노 구조층의 상부에 상기 질소 화합물층을 형성할 수 있다.

또, 상기 질소 화합물층의 상부에 상기 압전물질 나노 구조층을 형성할 수 있다.

또, 복수의 상기 압전물질 나노 구조층 사이에 상기 질소 화합물층을 형성할 수 있다.

본 발명의 실시예에 의하면, 압전물질 나노 구조층과 함께 질소 화합물층을 전극 사이에 형성함으로써, 전극에 대한 보다 신뢰성 있는 전위 장벽을 형성하여 내부로의 누설 전류의 흐름을 억제할 수 있으며, 전극에서의 전하의 누적을 향상시키고, 압전물질 나노 구조층과 질소 화합물층의 연속된 에피성장시 압전물질의 결정성 및 압전성 향상에 기여하여 결과적으로 향상된 압전 출력을 제공한다. 또한 내구성이 향상된 인체에 무해한 압전 소자를 제공하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 나노 자가발전 소자의 구조도이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전 나노 자가발전 소자의 구조도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 압전 나노 자가발전 소자에서 압전 전압 또는 전류의 차이가 발생하는 주요 인자를 표시한 구조도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 압전 나노 자가발전 소자의 에너지 밴드 다이어그램을 예시한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 제작된 압전 나노 자가발전 소자의 출력 특성을 측정한 결과를 예시한 그래프이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 나노 자가발전 소자의 구조도이다.

이에 나타낸 바와 같이 실시예에 따른 압전 나노 자가발전 소자(100)는, 기판(101) 상에 형성된 제 1 전극(103)을 포함한다.

그리고, 제 1 전극(103)의 상부에 형성된 제 2 전극(109)을 더 포함한다.

아울러, 제 1 전극(103)과 제 2 전극(109) 사이에 형성된 압전물질 나노 구조층(105) 및 질소 화합물층(107)을 포함하는 압전 구조체를 더 포함한다.

기판(101)은 압전 나노 자가발전 소자(100)를 수용할 수 있고, 이를 지지할 수 있도록 적당한 기계적 강도와 절연성을 갖는 재료로 제작 될 수 있다. 예를 들어 실리콘(Si), 실리콘 옥사이드(SiO₂), 사파이어(Al₂O₃) 등과 같은 경성의 물질이거나, PET(polyethylene terephthalate), PEN(polyethylene naphthalate), PES(polyester), PI(polyimide) 등을 포함하는 연성의 물질일 수 있으며, 이들에 한정되지 않는다.

압전물질 나노 구조층(105)은 예를 들어 산화아연(ZnO) 나노 로드 어레이(nano rod array)이거나 나노 로드 어레이와 폴리머의 복합 구조체, 박막 등을 포함할 수 있다. 이러한 압전물질 나노 구조층(105)은 산화아연 이외의 다른 물질로 형성될 수 있다. 예컨대, 압전물질 나노 구조층(105)은 갈륨나이트라이드(GaN)으로 형성될 수도 있다.

제 1 전극(103)과 제 2 전극(109) 중에서 적어도 하나의 전극은 압전물질 나노 구조층(105)보다 큰 일함수를 가지는 물질로 형성될 수 있다. 예컨대, 압전물질 나노 구조층(105)이 산화아연일 경우에 제 1 전극(103)과 제 2 전극(109) 중에서 적어도 하나의 전극은 Au, Pt, ITO, Ag 등으로 형성될 수 있다.

질소 화합물층(107)은 압전물질 나노 구조층(105)보다 더 넓은 밴드갭을 가지고 절대값이 더 작은 전자친화도를 가지는 물질로 형성될 수 있다. 예컨대, 질소 화합물층(107)은 질화 금속막 등의 질화물 유전체를 포함하여 형성될 수 있다. 즉, 질화알루미늄(AlN)이나 Al_xIn_yN_z또는 Al_xGa_yN_z 등과 같은 고용체 물질 중 어느 하나를 포함하여 형성될 수 있다.

이와 같이 구성된 압전 나노 자가발전 소자(100)에 외부로부터 기계적 자극이 가해지는 경우, 압전물질 나노 구조층(105)과 질소 화합물층(107)을 포함하는 압전 구조체에 의해 전환되어 발생되는 전기적 에너지는 제 1 전극(103) 및 제 2 전극(109)을 통해 연결된 외부 회로(111)로 인출된다.

이때, 질소 화합물층(107)은 전위 장벽(potential barrier)을 형성한다. 도 4에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 나노 자가발전 소자의 에너지 밴드 다이어그램을 예시한 그래프를 참조하면, 약 6.2eV의 넓은 밴드갭과 약 1eV 이하의 전자친화도(qＸ_AlN)를 가지는 질화알루미늄 박막 층은 일반적으로 약 3.4eV의 밴드갭과 약 4.3eV의 전자친화도(qＸ_ZnO)를 가지는 산화아연 물질과 접했을 때, 전극에 대해 높은 전위 장벽을 형성하게 된다.

이러한 전위 장벽은 압전물질 나노 구조층(105) 내부로의 누설 전류를 방지하고 전하 축적을 도와서 전체 에너지 전환 효율을 향상시켜서 전체 압전 소자의 출력을 향상시킨다.

또, wurtzite 결정 구조의 산화아연과 질화알루미늄은 이종 접합의 에피성장시 격자상수차이(lattice misfit)가 약 4% 정도로 적어 고품위의 나노 구조체 또는 박막을 형성하며, 이는 c-축 성장하는 산화아연 나노 결정 구조와 연관되어 압전 특성을 향상시킨다.

또한 상대적으로 큰 영률(Young's modulus)의 질화알루미늄이 적용되기에 기계적 에너지의 전달 효율을 높일 수 있으며 소자의 내구성도 향상된다. 아울러, 질화알루미늄은 화학적 안정성이 크고 인체 및 환경에 친화적이므로 사용자 신체와 매우 가까운 위치에서 지속적으로 사용자와 소통하는 모바일 전자기기나, 인체 내부에 삽입되는 형태의 의료용 전자 소자 등에도 산화아연과 함께 안전하게 적용할 수 있는 장점을 겸한다.

이러한 구조를 가지는 압전 나노 자가발전 소자(100)의 제조 과정을 살펴보기로 한다.

먼저, 기판(101) 상에 제 1 전극(103)을 형성하는 단계를 포함한다.

그리고, 제 1 전극(103)의 상부에 압전물질 나노 구조층(105) 및 질소 화합물층(107)을 포함하는 압전 구조체를 형성하는 단계를 더 포함한다.

다음으로, 압전물질 나노 구조층(105) 및 질소 화합물층(107)을 포함하는 압전 구조체의 상부에 제 2 전극(109)를 형성하는 단계를 더 포함한다.

압전물질 나노 구조층(105)을 형성할 때에는 sol-gel기법, CVD기법, PVD기법 등을 이용할 수 있으며, 제조 과정에서 도핑(doping) 등에 의해 압전물질 고유의 전기적 특성과 같은 물성적 특성이 수정될 수 있다.

여기서, 압전물질 나노 구조층(105) 및 질소 화합물층(107)은 15℃ 내지 650℃의 온도 범위에서 스퍼터링(sputtering) 방법으로 할 수 있으며, 이러한 온도 범위에서 스퍼터링 증착된 압전물질 나노 구조층(105)은 그 결정성 및 압전 특성이 향상될 수 있다. 이외에도 압전물질 나노 구조층(105) 및 질소 화합물층(107)은 CVD(Chemical Vapor Deposition) 또는 MBE(Molecular Beam Epitaxy) 등의 기법으로 형성할 수 있다.

특히, 스퍼터링 증착법의 경우 저온/저비용의 공정 이점을 얻는 동시에, 고진공의 증착 환경에서 공정 조건을 보다 엄격히 제어함으로써 재현성, 균일성 및 신뢰성 있는 성장 이점을 제공할 수 있다. 아울러, ZnO에 대해 AlN, Al_xIn_yN_z, Al_xGa_yN_z 고용체 층과의 연속된 에피 성장으로 인해 보다 더 향상된 고품위의 나노 구조체 박막을 형성할 수 있다.

이후, 압전물질 나노 구조층(105) 및 질소 화합물층(107)이 형성된 압전 자가발전 소자(100)를 70℃ 내지 650℃의 온도 범위에서 후열처리(post annealing)를 할 수 있다. 이처럼 후열처리를 수행하면 질소 화합물층(107)의 결정성 및 압전 특성이 향상되며, 압전물질 나노 구조층(105)과 질소 화합물층(107) 간의 접합 특성이 향상된다.

한편, 도 1의 실시예에서는 압전물질 나노 구조층(105)의 상부에 질소 화합물층(107)을 형성하는 배열 구조를 채택하였으나 이러한 배열 구조는 변화될 수 있다.

도 2a에 나타낸 바와 같이 질소 화합물층(107)의 상부에 압전물질 나노 구조층(105)을 형성할 수 있으며, 도 2b에 나타낸 바와 같이 복수의 압전물질 나노 구조층(105a, 105b)의 사이에 질소 화합물층(107)을 형성할 수도 있다.

이처럼, 압전물질 나노 구조층(105)과 질소 화합물층(107)의 배열 구조를 변경하면 기계적 변형을 일으키는 외부의 자극에 의해 발생하는 압전 전압 또는 전류의 차이가 발생한다. 이와 같은 경우에 질소 화합물층(107)의 상대적 위치에 따라 소자의 출력 특성을 제어할 수 있다.

또한, 기판(101)을 PET(polyethylene terephthalate), PEN(polyethylene naphthalate), PES(polyester), PI(polyimide) 등을 포함하는 연성의 물질로 형성한 경우라면, 유연한 기판(flexible substrates) 위에 구현되는 압전 나노 자가발전 소자(100)는 외력에 의해 보다 쉽게 변형되어 압전 전위(piezoelectric potential)를 형성하게 되고 출력 효율을 향상시킬 수 있으며 소자의 활용 범위를 넓혀준다.

여기서, 기판(101)이 고내열성의 유연한 세라믹 기판인 경우, 압전물질 나노 구조층(105) 및 질소 화합물층(107)을 15℃ 내지 650℃의 온도 범위에서 스퍼터링(sputtering) 방법으로 증착할 수 있다. 이러한 온도 범위에서 스퍼터링 증착된 질소 화합물층(107)은 그 결정성 및 압전 특성이 향상된다.

이후, 유연한 기판 위에 구현되는 압전 나노 자가발전 소자(100)를 70℃ 내지 650℃의 온도 범위에서 후열처리(post annealing)할 수 있다. 이러한 온도 범위에서 후열처리된 질소 화합물층(107)은 그 결정성 및 압전 특성이 향상된다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 압전 나노 자가발전 소자에서 압전 전압 또는 전류의 차이가 발생하는 주요 인자를 표시한 구조도이다.

본 발명의 실시예에 따라 제작된 압전 나노 자가발전 소자(100)는 압전물질 나노 구조층(105)의 두께(m)와 질소 화합물층(107)의 두께(n) 사이의 비율에 따라 기계적 변형을 일으키는 외부의 자극에 의해 발생하는 압전 전압 또는 전류의 차이가 발생한다. 질소 화합물층(107)은 압전물질 나노 자가발전 소자(100)에서 누설전류를 방지하는 역할을 할 뿐만 아니라 그 고유의 물성적 특성(예를 들어, 경도 또는 유전율 등)이 전체 소자의 출력특성에 직/간접적인 영향을 미치는 바, 동일한 두께의 압전물질 나노 구조층(105)에 대해 각기 다른 두께의 질소 화합물층(107)이 적층되는 경우에 서로 다른 출력 특성을 나타낸다. 따라서 압전물질 나노 구조층(105)과 질소 화합물층(107)의 두께 비율에 따라 출력 특성을 제어할 수 있다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따라 제작된 압전 나노 자가발전 소자의 출력 특성을 측정한 결과를 예시한 그래프이다. (a)는 질소 화합물층(107)이 없는 경우이고, (b)는 도 2a와 같이 압전물질 나노 구조층(105)의 하부에 질소 화합물층(107)이 배열된 경우이며, (c)는 도 1과 같이 압전물질 나노 구조층(105)의 상부에 질소 화합물층(107)이 배열된 경우이고, (d)는 도 2b와 같이 복수의 압전물질 나노 구조층(105a, 105b) 사이에 질소 화합물층(107)이 배열된 경우이다.

도 5를 통해, 질소 화합물층(107)을 추가로 배열함에 따라 출력 전압값이 약 200배까지 증가되어 출력 효율이 향상됨을 실험적으로 확인할 수 있다. 또한, 추가되는 질소 화합물층(107)의 상대적 위치와 두께에 따라 출력 전압값과 그 펄스 형태에 차이를 보임을 실험적으로 확인할 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100 : 압전 나노 자가발전 소자
101 : 기판
103 : 제 1 전극
105, 105a, 105b : 압전물질 나노 구조층
107 : 질소 화합물층
109 : 제 2 전극
111 : 외부 회로

Claims

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압전 나노 자가발전 소자의 제조 방법으로서,
기판 상에 제 1 전극을 형성하는 단계와,
상기 제 1 전극의 상부에 압전 구조체를 형성하는 단계와,
상기 압전 구조체의 상부에 제 2 전극을 형성하는 단계를 포함하며,
상기 압전 구조체를 형성하는 단계는, 복수의 압전물질 나노 구조층 사이에 질소 화합물층을 포함하는 상기 압전 구조체를 이종 접합의 연속된 에피 성장을 통해 형성하고,
상기 압전물질 나노 구조층과 상기 질소 화합물층의 상대적인 두께 비율 또는/및 상대적인 위치의 변경에 따라, 외부 자극이 가해진 경우의 출력 전압 또는 출력 파형 형태를 조절 가능하며,
상기 질소 화합물층은 상기 압전 나노 자가발전 소자에 기계적 자극이 가해지면 전위 장벽을 형성하는
압전 나노 자가발전 소자의 제조 방법.
제 7 항에 있어서,
상기 질소 화합물층은 상기 압전물질 나노 구조층보다 더 넓은 밴드갭을 가지고 절대값이 더 작은 전자친화도를 가지는 것을 특징으로 하는 압전 나노 자가발전 소자의 제조 방법.
제 7 항에 있어서,
상기 질소 화합물층은 질화알루미늄을 포함하여 형성하는 것을 특징으로 하는 압전 나노 자가발전 소자의 제조 방법.
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