KR102235528B1 - Thermo- and piezo-electric hybrid energy harvesting systems based on multilayered structures made of different thin films and the method of making the same - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예에 하이브리드 에너지 하베스팅 장치는, 기판과, 상기 기판 상에 형성된 제1 전극과, 상기 제1 전극 위에 형성되는 압전층과, 상기 압전층 위에 형성되는 비압전층과, 상기 비압전층 위에 형성되는 제2 전극을 포함할 수 있다. In an embodiment of the present invention, a hybrid energy harvesting device includes a substrate, a first electrode formed on the substrate, a piezoelectric layer formed on the first electrode, a non-piezoelectric layer formed on the piezoelectric layer, and the It may include a second electrode formed on the non-piezoelectric layer.
Description
본 발명은 열전 하베스팅과 압전 하베스팅을 이용한 하이브리드 에너지 하베스팅 장치 및 시스템에 관한 것이다. The present invention relates to a hybrid energy harvesting apparatus and system using thermoelectric harvesting and piezoelectric harvesting.
최근 나노 소자 기술과 웨어러블 모바일 기기, 생체 이식형 의료 소자의 기술 발전으로 마이크로/나노 스케일의 무선 소자 시스템에 대한 연구 개발이 활발히 이루어지고 있다. 예를 들면, 인간의 움직임, 심박, 진동, 인간으로부터 발생하는 열을 이용한 하베스팅 기술(또는 자가발전 기술)이 있을 수 있다. With recent advances in nano device technology, wearable mobile devices, and bio-implantable medical devices, research and development on micro/nano-scale wireless device systems are being actively conducted. For example, there may be a harvesting technology (or self-generation technology) that uses human movement, heartbeat, vibration, and heat generated by humans.
하베스팅 기술은 예를 들어, 인간의 움직임, 심박, 또는 진동에 의해 발생하는 압력을 전기 에너지로 변환하는 압전 하베스팅 기술과, 버려지는 열인 폐열을 전기 에너지로 변환하는 열전 하베스팅 기술이 있다. Harvesting technology includes, for example, a piezoelectric harvesting technology that converts pressure generated by human movement, heartbeat, or vibration into electrical energy, and a thermoelectric harvesting technology that converts waste heat, which is waste heat, into electrical energy.
하베스팅 기술은 각각이 이용하는 에너지원에 따라 서로 다른 구조를 가지는 하베스팅 장치를 이용하여 하베스팅을 수행하게 된다. 이 때문에, 하나의 장치에서는 하나의 하베스팅 기술을 적용하여, 즉, 선택적으로 하베스팅 기술을 이용할 수 있다. 이러한 경우, 선택된 에너지원 이외의 에너지원은 그대로 버려지게될 수 있다. In the harvesting technology, harvesting is performed using a harvesting device having a different structure depending on the energy source used by each. For this reason, it is possible to apply one harvesting technique in one device, that is, selectively use the harvesting technique. In this case, energy sources other than the selected energy source may be discarded as it is.
이에 따라, 효율적인 에너지 활용을 위해, 서로 다른 에너지원이 모두 이용 가능한 하베스팅 기술, 즉 하이브리드 하베스팅 기술에 대한 필요성이 증가하고 있다. Accordingly, in order to efficiently utilize energy, there is an increasing need for a harvesting technology, that is, a hybrid harvesting technology in which all different energy sources can be used.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 에너지의 효율적인 활용을 위해 열전 하베스팅과 압전 하베스팅이 복합적으로 수행가능한 하이브리드 에너지 하베스팅 장치 및 시스템을 제공하는 것이다. The problem to be solved by the present invention is to provide a hybrid energy harvesting apparatus and system capable of performing thermoelectric harvesting and piezoelectric harvesting in combination for efficient use of energy.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 바로 제한되지 않으며, 언급되지는 않았으나 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있는 목적을 포함할 수 있다.However, the problem to be solved by the present invention is not limited immediately as mentioned above, and is not mentioned, but includes an object that can be clearly understood by those of ordinary skill in the art from the following description. can do.
본 발명의 일 실시예에 하이브리드 에너지 하베스팅 장치는, 기판과, 상기 기판 상에 형성된 제1 전극과, 상기 제1 전극 위에 형성되는 압전층과, 상기 압전층 위에 형성되는 비압전층과, 상기 비압전층 위에 형성되는 제2 전극을 포함한다. In an embodiment of the present invention, a hybrid energy harvesting device includes a substrate, a first electrode formed on the substrate, a piezoelectric layer formed on the first electrode, a non-piezoelectric layer formed on the piezoelectric layer, and the And a second electrode formed on the non-piezoelectric layer.
본 발명의 일 실시예에 하이브리드 에너지 하베스팅 장치는, 기판과, 상기 기판 상에 형성된 제1 전극과, 상기 제1 전극 위에 형성되는 비압전층과, 상기 비압전층 위에 형성되는 압전층과, 상기 압전층 위에 형성되는 제2 전극을 포함한다. In one embodiment of the present invention, a hybrid energy harvesting device includes a substrate, a first electrode formed on the substrate, a non-piezoelectric layer formed on the first electrode, a piezoelectric layer formed on the non-piezoelectric layer, And a second electrode formed on the piezoelectric layer.
또한, 상기 제1 전극, 상기 압전층, 상기 비압전층, 및 상기 제2 전극 각각은 박막 형태를 가질 수 있다. In addition, each of the first electrode, the piezoelectric layer, the non-piezoelectric layer, and the second electrode may have a thin film shape.
또한, 상기 비압전층은 상기 압전층과의 연결에 기초하여 소정 값 이상의 전위 장벽(potential barrier)을 형성할 수 있다. In addition, the non-piezoelectric layer may form a potential barrier of a predetermined value or more based on the connection with the piezoelectric layer.
또한, 상기 압전층은, 산화아연(ZnO), 알루미늄 나이트라이드(AlN), 포타슘 소디움 나이오베이트(KNN) 또는 갈륨 나이트라이드(GaN) 중 하나를 포함하고, 상기 비압전층은, 아모포스실리콘(a-Si), 산화구리(Cu2O), 사파이어(Al2O3), 산화마그네슘(MgO) 또는 이산화규소(SiO2) 중 하나를 포함할 수 있다.In addition, the piezoelectric layer includes one of zinc oxide (ZnO), aluminum nitride (AlN), potassium sodium niobate (KNN), or gallium nitride (GaN), and the non-piezoelectric layer includes amorphous silicon It may contain one of (a-Si), copper oxide (Cu 2 O), sapphire (Al 2 O 3 ), magnesium oxide (MgO), or silicon dioxide (SiO 2 ).
또한, 상기 비압전층과 상기 제2 전극 사이에 형성된 제2 압전층을 더 포함할 수 있다. In addition, a second piezoelectric layer formed between the non-piezoelectric layer and the second electrode may be further included.
또한, 상기 압전층과 상기 제2 전극 사이에 형성된 제2 비압전층을 더 포함할 수 있다. In addition, a second non-piezoelectric layer formed between the piezoelectric layer and the second electrode may be further included.
또한, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 상기 압전층과 상기 비압전층이 복수로 적층될 수 있다. In addition, a plurality of the piezoelectric layer and the non-piezoelectric layer may be stacked between the first electrode and the second electrode.
본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 에너지 하베스팅 시스템은, 기판과, 상기 기판 위의 제1 위치에 형성되는 제1 전극, 상기 제1 전극 위에 형성되는 하나 이상의 제1 압전층, 상기 제1 압전층의 사이에 형성되거나 상기 제1 압전층을 사이에 두고 상기 제1 압전층의 상단 및 하단에 형성되는 하나 이상의 제1 비압전층, 및 상기 제1 압전층과 상기 제1 비압전층 위에 위치되는 제2 전극을 이용하여 열전 하베스팅을 수행하는 열전 하베스팅부와, 상기 기판 위의 제2 위치에 형성되는 제3 전극, 상기 제3 전극 위에 형성되어 압전 하베스팅을 수행하는 하나 이상의 제2 압전층, 상기 제2 압전층의 사이에 형성되거나 상기 제2 압전층을 사이에 두고 상기 제2 압전층의 상단 및 하단에 형성되는 하나 이상의 제2 비압전층, 및 상기 제2 압전층과 상기 제2 비압전층 위에 위치되는 제4 전극을 이용하여 압전 하베스팅을 수행하는 압전 하베스팅부를 포함할 수 있다. The hybrid energy harvesting system according to an embodiment of the present invention includes a substrate, a first electrode formed at a first position on the substrate, at least one first piezoelectric layer formed on the first electrode, and the first piezoelectric At least one first non-piezoelectric layer formed between layers or formed at the top and bottom of the first piezoelectric layer with the first piezoelectric layer interposed therebetween, and positioned on the first piezoelectric layer and the first non-piezoelectric layer A thermoelectric harvesting unit that performs thermoelectric harvesting using a second electrode that is formed, a third electrode formed at a second position on the substrate, and at least one second piezoelectric unit formed on the third electrode to perform piezoelectric harvesting. Layer, at least one second non-piezoelectric layer formed between the second piezoelectric layer or formed at the top and bottom of the second piezoelectric layer with the second piezoelectric layer interposed therebetween, and the second piezoelectric layer and the second 2 A piezoelectric harvesting unit for performing piezoelectric harvesting using a fourth electrode positioned on the non-piezoelectric layer may be included.
또한, 상기 열전 하베스팅부의 구조와 상기 압전 하베스팅부의 구조는 서로 상응할 수 있다. In addition, the structure of the thermoelectric harvesting unit and the structure of the piezoelectric harvesting unit may correspond to each other.
또한, 상기 제1 전극, 상기 제1 압전층, 상기 제1 비압전층, 상기 제2 전극, 상기 제3 전극, 상기 제2 압전층, 상기 제2 비압전층, 및 상기 제4 전극 각각은 박막 형태를 가질 수 있다. In addition, each of the first electrode, the first piezoelectric layer, the first non-piezoelectric layer, the second electrode, the third electrode, the second piezoelectric layer, the second non-piezoelectric layer, and the fourth electrode It may have a thin film shape.
또한, 상기 제1 비압전층은 상기 제1 압전층과의 연결에 기초하여 소정 값 이상의 전위 장벽(potential barrier)을 형성하고, 상기 제2 비압전층은 상기 제2 압전층과의 연결에 기초하여 소정 값 이상의 전위 장벽을 형성할 수 있다. In addition, the first non-piezoelectric layer forms a potential barrier of a predetermined value or more based on the connection with the first piezoelectric layer, and the second non-piezoelectric layer is based on the connection with the second piezoelectric layer. Thus, a potential barrier of a predetermined value or more can be formed.
또한, 상기 제1 압전층과 상기 제2 압전층 각각은, 산화아연(ZnO), 알루미늄 나이트라이드(AlN), 포타슘 소디움 나이오베이트(KNN) 또는 갈륨 나이트라이드(GaN) 중 하나를 포함하고, 상기 제1 비압전층과 상기 제2 비압전층 각각은, 아모포스실리콘(a-Si), 산화구리(Cu2O), 사파이어(Al2O3), 산화마그네슘(MgO) 또는 이산화규소(SiO2) 중 하나를 포함할 수 있다. In addition, each of the first piezoelectric layer and the second piezoelectric layer includes one of zinc oxide (ZnO), aluminum nitride (AlN), potassium sodium niobate (KNN), or gallium nitride (GaN), Each of the first non-piezoelectric layer and the second non-piezoelectric layer includes amorphous silicon (a-Si), copper oxide (Cu 2 O), sapphire (Al 2 O 3 ), magnesium oxide (MgO), or silicon dioxide ( SiO 2 ) It may include one of.
본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 에너지 하베스팅 장치 및 시스템은, 열전 하베스팅과 압전 하베스팅이 복합적으로 수행되도록 함으로써 보다 효율적인 에너지 하베스팅을 가능하게 한다. The hybrid energy harvesting apparatus and system according to an embodiment of the present invention enables more efficient energy harvesting by allowing thermoelectric harvesting and piezoelectric harvesting to be performed in a complex manner.
다만, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다. However, the effects obtainable in the present invention are not limited to the above-mentioned effects, and other effects not mentioned will be clearly understood by those of ordinary skill in the technical field to which the present disclosure belongs from the following description. I will be able to.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 에너지 하베스팅 장치의 개념도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 에너지 하베스팅 장치의 예를 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 에너지 하베스팅 장치의 다른 예를 도시한다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 에너지 하베스팅 장치의 단면의 예를 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 에너지 하베스팅 시스템의 예를 도시한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 에너지 하베스팅 시스템의 다른 예를 도시한다.
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 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 발명의 범주는 청구항에 의해 정의될 뿐이다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 실시예들을 설명함에 있어 실제로 필요한 경우 외에는 생략될 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.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예들을 포함할 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로서 이해되어야 한다.
제 1, 제 2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소들은 이와 같은 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 이 용어들은 하나의 구성요소들을 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결되어' 있다거나 '접속되어' 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 에너지 하베스팅 장치의 개념도를 도시한다.
도 1을 참조하면, 에너지 하베스팅 장치(100)는 기판(110), 제1 전극(120), 압전층(130), 비압전층(140) 및 제2 전극(150)을 포함할 수 있다.
기판(110)은 제1 전극(120), 압전층(130), 비압전층(140) 및 제2 전극(150)을 수용할 수 있고, 이를 지지할 수 있도록 적당한 기계적 강도와 절연성을 갖는 재료로 제작 될 수 있다. 예를 들어 기판(110)을 구성하는 물질은 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.
제1 전극(120)은 전기가 드나드는 도체를 지칭하는 것으로, 기판(substrate) 상에 형성될 수 있으며 외부의 회로와 연결될 수 있다. 제1 전극(120)의 위에는 압전층(130)이 위치될 수 있다. 압전층(130)의 위에는 비압전층(140)이 위치될 수 있다.
압전층(130)은 열전 하베스팅과 압전 하베스팅 각각이 일어나는 경우, 서로 다른 물질로 구성될 수도 있고, 서로 동일한 물질로 구성될 수도 있다. 여기서, 열전 하베스팅은 열을 전기 에너지로 변환하는 자가발전을 의미하고, 압전 하베스팅은 기계적 자극(또는 압력)을 전기 에너지로 변환하는 자가발전을 의미한다.
압전층(130)은 산화아연(ZnO) 또는 알루미늄 나이트라이드(AlN)로 구성될 수 있다. 예를 들어, 압전층(130)은 산화아연 나노 로드 어레이(nano rod array)이거나 산화아연 나노 로드 어레이와 폴리머의 복합 구조체, 산화아연 박막으로 구성될 수도 있고, 포타슘 소디움 나이오베이트(KNN), 갈륨 나이트라이드(GaN) 중 적어도 하나로 구성될 수 있다.
도 1에서는 압전층(130)의 위에 비압전층(140)이 위치되는 것으로 도시하였으나, 이에 제한되지 않고, 경우에 따라, 비압전층(140)은 압전층(130)의 아래에 위치될 수도 있다. 이와 관련한 보다 구체적인 예는 도 2 및 도 3를 참조할 수 있다.
압전층(130)의 제조를 위해 다양한 방법이 이용될 수 있다. 예를 들어, 압전층(130)은 예를 들면, 스퍼터링(sputtering) 기법, 졸겔(sol-gel) 기법, CVD(chemical vapor deposition) 기법, PVD(physical vapor deposition) 기법, 또는 MBE(molecular beam epitaxy) 기법 중 적어도 하나를 이용하여 제조될 수 있다. 스퍼터링(sputtering) 증착법의 경우 저온/저비용의 공정 이점을 얻는 동시에, 고진공의 증착 환경에서 공정 조건을 보다 엄격히 제어함으로써 재현성, 균일성 및 신뢰성 있는 박막 층을 성장시킬 수 있는 장점을 제공할 수 있다.
또한, 스퍼터링 증착법의 경우 압전층(130)을 구성하는 물질인 산화아연(ZnO)에 ]대해 AlN(aluminium nitride), AlxInyNz, AlxGayNz 등과 같은 화합물 고용체 층과의 연속된 에피 성장(epitaxial growth)으로 인해 고품질의 나노 구조체 박막을 형성할 수 있다.
비압전층(140)은 전기적으로 절연인 층(layer)으로, 절연성에 기초하여 비압전층(140)의 양쪽에 위치되는 물질들을 구분하여 전위 장벽(potential barrier)이 형성되도록 할 수 있다. 또한, 비압전층(140)과 압전층(130)은 서로 다른 에너지 밴드갭(energy bandgap)을 가지며 서로 다른 전자 친화도(electron affinity)와 일함수(workfunction)를 가지는 물질로 형성될 수 있다. 비압전층(140)은 전기적으로 절연성을 가지는 물질로 구성될 수 있으며, 예를 들어, 이산화규소(SiO2), 아모포스실리콘(a-Si), 실리사이드(silicide), 산화구리(Cu2O), 또는 산화마그네슘(MgO) 등이 쓰일 수 있다.
압전층(130)이 비압전층(140)보다 더 넓은 밴드갭을 가지고 일함수가 큰 물질로 구성되어 하베스팅(예: 열전 하베스팅)이 수행되면, 홀(hole)의 이동을 막을 수 있는 에너지 장벽이 형성될 수 있다. 이에 따라, 이동하는 홀의 양을 줄임으로써 결과적으로 이동 전자의 양이 증가하는 효과가 발생할 수 있다. 즉, 비압전층(140)으로 a-Si과 압전층(130)으로 ZnO 이 사용되었을 경우에 가전도대(valence band)에 더 큰 홀전위장벽(hole potential barrier)이 형성되고, 전도대(conduction band)에는 상대적으로 매우 작은 전자전위장벽(electron potential barrier)이 형성되어 열전 하베스팅 시에 에너지 하베스팅 장치(100)의 제백계수를 높일 수 있다.
비압전층(140)은 압전층(130)이 분극됨에 의해 이동하는 내부 전자들이나 전극에서 외부회로를 따라 이동한 전자들이 +분극을 상쇄시키는 효과인 스크리닝 이펙트(screening effect)를 억제시켜 압전층(130)의 분극을 유지하여 극대화시킬 수 있다. 비압전층(140)에 의해 형성되는 전위 장벽에 기초하여, 압전층(130) 내부로의 누설 전류가 방지되고 전하 축적이 이루어짐에 따라, 출력이 향상되어 에너지 하베스팅 장치(100)의 전체적인 하베스팅 효율이 향상될 수 있다.
비압전층(140)의 위에는 제2 전극(150)이 위치될 수 있다. 이에 따라, 에너지 하베스팅 장치(100)는 제1 전극(120)과 제2 전극(150)을 사이에 두고 열전 하베스팅 또는 압전 하베스팅이 가능한 구조를 가질 수 있다.
압전층(130)과 비압전층(140)의 접합(또는 연결)에 의해 비압전층(140)은 소정 값 이상의 전위 장벽을 형성하고, 전위 장벽이 형성됨에 따라, 압전층의 압력에 의한 분극이 유지되도록 할 수 있다.
한편, 압전 하베스팅의 경우 서술한 바와 같이 비압전층(140)이 장벽을 형성할 수 있지만, 열전 하베스팅의 경우 압전층(130)이 장벽을 형성할 수도 있다. 열전 하베스팅의 경우 형성되는 압전층(130)에 의한 장벽은 홀의 이동을 억제하는 에너지 장벽, 홀 블로킹 베리어(hole blocking barrier) 일 수 있다.
압전층(130)과 비압전층(140)의 상대적인 두께 비율 또는/및 상대적인 위치의 변경에 따라 출력 특성이 변화할 수 있고, 이에 따라 압력 또는 열에 의해 발생하는 출력 전압 또는 출력 전류가 변화할 수 있다. 예를 들어, 압전층(130)의 두께는 일정하지만 비압전층(140)의 두께가 달라질 수 있는데, 이러한 경우 출력 특성이 변화할 수 있다. 또한, 열전 하베스팅이 수행되는 경우, 특정 물질이 열전 하베스팅을 수행하기 위해 생성된 소자인 열전 나노 구조층과 함께 교차 적층되면 열전 하베스팅에 의한 출력 전압이 증가할 수 있다.
한편, 제1 전극(120)과 제2 전극(150) 중에서 적어도 하나의 전극은 압전층(130)보다 큰 일함수를 가지는 물질로 형성될 수 있다. 예컨대, 압전층(130)이 산화아연일 경우에 제1 전극(120)과 제2 전극(150) 중에서 적어도 하나의 전극은 Au, Pt, ITO, Ag 등으로 형성될 수 있다.
에너지 하베스팅 장치(100)에 외부로부터 기계적 자극 또는 열이 가해지는 경우, 에너지 하베스팅 장치(100)는 압전층(130)과 비압전층(140) 사이의 홀의 이동 또는 전자의 이동을 이용하여 전기 에너지를 생성할 수 있다. 생성된 전기 에너지는 제1 전극(120) 및 제2 전극(150)에 연결된 회로를 통해 외부의 장치로 인출될 수 있다.
에너지 하베스팅 장치(100)에 외부로부터 기계적 자극과 열이 함께 가해지는 경우, 에너지 하베스팅 장치(100)는 기계적 자극에 의해 전기 에너지를 생성하고 열에 의해 전기 에너지를 생성할 수 있다. 이와 같이 생성된 전기 에너지는 제1 전극(120) 및 제2 전극(150)에 연결된 회로를 통해 외부의 장치로 인출될 수 있다. 이러한 경우, 에너지 하베스팅 장치(100)는 복수의 에너지원을 이용하므로 하나의 에너지원(예: 기계적 자극 또는 열 중 하나)에 의한 자가 발전보다 발전 효율이 더 향상될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른, 압전층(130)과 비압전층(140)이 적층되는 형태로 구성되는 에너지 하베스팅 장치(100)는 열전 하베스팅과 압전 하베스팅을 모두 수행할 수 있다. 예를 들어, 에너지 하베스팅 장치(100)에 열이 인가되는 경우, 열전 하베스팅을 수행하고, 기계적 자극이 인가되는 경우 압전 하베스팅을 수행할 수 있다. 다른 예를 들면, 에너지 하베스팅 장치(100)에 열과 기계적 자극이 모두 인가되는 경우, 열전 하베스팅 및 압전 하베스팅을 동시에 수행할 수 있다. 이에 따라, 하나의 장치로 서로 다른 종류의 에너지원, 즉 열과 기계적 자극을 모두 이용할 수 있다.
경우에 따라, 에너지 하베스팅 장치(100)는 각각 압전층(130)과 비압전층(140)이 적층된 형태로 구성되는 소자(이하, 하베스팅 소자)의 병렬 및/또는 직렬 연결에 기초하여 열전 하베스팅과 압전 하베스팅이 복합적으로 수행되도록 할 수 있다. 하베스팅 소자 간 병렬 연결 또는 직렬 연결은 하나의 기판(110)을 공유한 상태로 제작(또는 연결)되거나 별개의 기판으로 제작될 수 있다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치의 예를 도시한다. 구체적으로, 도 2는 압전층(130)이 비압전층들(140)의 사이에 위치되는 경우의 예를 도시하고, 도 3은 비압전층(140)이 압전층(130)의 사이에 위치되는 경우의 예를 도시한다.
도 2를 참조하면, 에너지 하베스팅 장치(100')의 압전층(130)은 비압전층(140) 사이에 위치될 수 있다. 에너지 하베스팅 장치(100')는 압전층(130)과 비압전층(140)의 양단에 제1 전극(120)과 제2 전극(150)을 포함할 수 있다. 각 구성은 박막의 형태를 가지며 기판(110) 상에 적층될 수 있다.
도 3을 참조하면, 에너지 하베스팅 장치(100")의 비압전층(140)은 압전층들(130) 사이에 위치될 수 있다. 에너지 하베스팅 장치(100")는 압전층(130)과 비압전층(140)의 양단에 제1 전극(120)과 제2 전극(150)을 포함할 수 있고, 각 구성은 박막의 형태를 가지며 기판(110) 상에 적층될 수 있다.
도 2 및 도 3의 기판은 PEN과 같은 연성의 성질을 가지는 물질로 구성될 수 있으며, 이러한 경우, 외력에 의해 보다 쉽게 변형되어 압전 전위(piezoelectric potential)를 형성하게 되고 출력 효율을 향상시킬 수 있다. 이에 따라 에너지 하베스팅 장치(100', 100")의 활용 범위가 넓어질 수 있다.
에너지 하베스팅 장치(100', 100")의 각 구성은 출력 특성에 따라 서로 다른 두께로 형성될 수 있다. 예를 들어, 에너지 하베스팅 장치(100')의 경우, 압전층(130)이 비압전층(140)에 둘러싸인 형태로, 동일 압전층(130) 두께에서 비압전층(140)들이 두꺼워질 경우 출력 전압이 수 mV 정도로 작지만 상승하는 추세를 보이고, 에너지 하베스팅 장치(100")의 경우 압전층(130) 사이에 비압전층(140)이 있는 형태로 각 압전층(130)이 134nm, 비압전층이(140)이 약 50nm 두께일때 가장 높은 전압 출력, 예를 들어 15mV가 출력될 수 있다. 따라서, 이러한 출력 특성을 고려하여 에너지 하베스팅 장치(100', 100")의 각 구성의 두께가 결정될 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치의 단면의 예를 도시한다.
도 4a는 에너지 하베스팅 장치(100)를 소자화한 후 SEM(scanning electron microscope)을 이용하여 단층을 촬영한 사진을 도시한다. 도 4의 참조번호 1a 내지 1d는 각각 복수의 압전층(130)과 복수의 비압전층(140)으로 구성되는 다양한 경우의 에너지 하베스팅 장치의 예를 나타낸다.
참조번호 1a는, 3개의 비압전층(a-Si)과 2개의 압전층(ZnO)으로 구성되는 에너지 하베스팅 장치를 나타낼 수 있다. 압전 하베스팅을 수행하는 경우 비압전층(a-Si)이 에너지 장벽을 형성할 수 있고, 열전 하베스팅을 수행하는 경우 비압전층(a-Si)과 압전층(ZnO) 사이에 에너지 장벽을 형성할 수 있다.
참조번호 1b는 4개의 압전층(ZnO)과 5개의 비압전층(a-Si)으로 구성되는 에너지 하베스팅 장치를 도시한다. 압전 하베스팅을 수행하는 경우 비압전층(a-Si)이 에너지 장벽을 형성할 수 있고, 열전 하베스팅을 수행하는 경우 압전층(ZnO)이 에너지 장벽을 형성할 수 있다.
참조번호 1c와 1d는 각각, 보다 더 많은 수의 압전층(ZnO) 및 비압전층(a-Si)으로 구성되는 에너지 하베스팅 장치를 도시한다.
도 4b는 도 3의 에너지 하베스팅 장치(100") 구조를 실제작하여 SEM을 이용하여 단층을 촬영한 사진을 도시한다. 도 4b를 통해, 에너지 하베스팅 장치(100)는 결정성을 가짐을 알 수 있다. 구체적으로, 도 4b에서는 산화아연이 (0002) 방향성을 가지고, c 축(c-axis)으로 성장하는 것을 알 수 있다. 여기서, (0002) 방향성은 압전 하베스팅이 받는 외력에 가장 효과적으로 작용하며, 에너지 하베스팅 장치(100")의 압전 하베스팅이 효과적으로 수행될 수 있음을 의미할 수 있다.
또한, 도 4b를 통해 나타나는 에너지 하베스팅 장치(100")는 다결정(polycrystalline) 구조를 가짐을 알 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템의 예를 도시한다. 도 5는 구체적으로 복수의 에너지 하베스팅 장치로 구성되는 에너지 하베스팅 시스템의 예를 도시한다.
도 5를 참조하면, 에너지 하베스팅 장치(100)는 제1 전극(201), 제1 압전층(203), 제1 비압전층(205), 제2 전극(207)으로 구성되는 열전 하베스팅부(200)와 제3 전극(211), 제2 압전층(213), 제2 비압전층(215), 제4 전극(217)으로 구성되는 압전 하베스팅부(210)가 위치하여 하나의 하베스팅 장치로 제작될 수 있다.
구체적으로, 도시하지는 않았으나, 열전 하베스팅부(200)와 압전 하베스팅부(210)는 하나의 기판 위에 형성될 수 있고, 열전 하베스팅부(200)와 압전 하베스팅부(210)의 각 구성이 전극을 통해 외부의 회로와 연결됨으로써 에너지 하베스팅 시스템을 구성할 수 있다.
열전 하베스팅부(200)와 압전 하베스팅부(210)는 서로 동일한 형태, 즉 각 구성이 박막형태의 적층된 형태로 구성될 수 있다. 열전 하베스팅부(200)와 압전 하베스팅부(210)는 서로 동일한 형태뿐 아니라 각 구성이 서로 동일한 두께 및 배열로 적층되어 연결될 수 있다.
경우에 따라, 열전 하베스팅부(200)와 압전 하베스팅부(210)의 각 구성의 두께 또는 적층 순서는 서로 달라질 수 있다. 예를 들어, 열전 하베스팅부(200)는 제1 비압전층(205)과 제2 전극(207) 사이에 제3 압전층(도시 안됨)이 배치될 수도 있고, 압전 하베스팅부(210)는 제2 비압전층(215)과 제4 전극(217) 사이에 제4 압전층(도시 안됨)이 배치될 수 있다. 이러한 경우, 열전 하베스팅부(200)와 압전 하베스팅부(210)의 출력 특성은 서로 상이할 수 있다.
열전 하베스팅부(200)와 압전 하베스팅부(210)의 각 구성을 이루는 물질들은 동일할 수 있다. 예를 들어, 제1 전극(201)과 제3 전극(211)은 ITO, 제1 압전층(203)과 제2 압전층(213)은 산화아연, 제1 비압전층(205)과 제2 비압전층(215)는 아모포스실리콘, 제2 전극(207)과 제4 전극(217)은 은일 수 있다.
경우에 따라, 열전 하베스팅부(200)와 압전 하베스팅부(210)의 각 구성 중 적어도 일부는 상이할 수 있다. 예를 들어, 제1 압전층(203)과 제2 압전층(213)은 산화아연이지만, 제1 비압전층(205)은 아모포스실리콘이고, 제2 비압전층(215)는 이산화규소일 수 있다.
열전 하베스팅부(200)와 압전 하베스팅부(210)는 외부의 회로를 통해 외부 장치(230)와 연결될 수 있다. 이를 통해, 열전 하베스팅 또는 압전 하베스팅에 의해 생성된 전기 에너지가 다른 장치(230)에게 전달될 수 있다.
한편, 도 5에서는 제2 전극(207) 및 제4 전극(217)에 연결되는 형태로 도시하였으나, 이에 제한되지 않고, 모든 전극이 회로를 통해 연결됨을 의미할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템의 다른 예를 도시한다. 구체적으로, 도 6은 정류회로와 커페시터들의 조합으로 압전 하베스팅부와 열전 하베스팅부를 함께 구동시키는 예를 도시한다.
도 6을 참조하면, 에너지 하베스팅 시스템(300)은 복수의 열전 하베스팅부와 복수의 압전 하베스팅부를 포함할 수 있다. 복수의 열전 하베스팅부와 복수의 압전 하베스팅부는 회로적으로 연결될 수 있으며, 이에 따라 열전 하베스팅과 압전 하베스팅이 동시에 수행될 수 있다. 열전 하베스팅과 압전 하베스팅에 의해 생성된 전기 에너지는 외부의 회로와 연결됨으로써 외부의 장치(310)에 전달될 수 있다.
구체적으로 도시하지는 않았으나, 복수의 열전 하베스팅부와 복수의 압전 하베스팅부 각각은 서로 동일한 적층 구조로 형성될 수 있다. 경우에 따라, 복수의 열전 하베스팅부와 복수의 압전 하베스팅부 중 적어도 일부의 각 구성, 예를 들면 적어도 일부의 각 하베스팅부를 구성하는 물질은 동일할 수도 있고, 상이할 수도 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 품질에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 명세서에 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 균등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.1 shows a conceptual diagram of a hybrid energy harvesting apparatus according to an embodiment of the present invention.
2 shows an example of a hybrid energy harvesting device according to an embodiment of the present invention.
3 shows another example of a hybrid energy harvesting device according to an embodiment of the present invention.
4A and 4B show examples of cross-sections of a hybrid energy harvesting apparatus according to an embodiment of the present invention.
5 shows an example of a hybrid energy harvesting system according to an embodiment of the present invention.
6 shows another example of a hybrid energy harvesting system according to an embodiment of the present invention.
Advantages and features of the present invention, and a method of achieving them will become apparent with reference to the embodiments described below in detail together with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but may be implemented in various forms, and only these embodiments make the disclosure of the present invention complete, and those skilled in the art to which the present invention belongs. It is provided to fully inform the person of the scope of the invention, and the scope of the invention is only defined by the claims.
In describing the embodiments of the present invention, detailed descriptions of known functions or configurations will be omitted except when actually necessary in describing the embodiments of the present invention. In addition, terms to be described later are terms defined in consideration of functions in an embodiment of the present invention, which may vary according to the intention or custom of users or operators. Therefore, the definition should be made based on the contents throughout the present specification.
Since the present invention can make various changes and include various embodiments, specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in the detailed description. However, this is not intended to limit the present invention to a specific embodiment, and should be understood as including all changes, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.
Terms including ordinal numbers such as first and second may be used to describe various elements, but the corresponding elements are not limited by these terms. These terms are only used for the purpose of distinguishing one component from another.
When an element is referred to as being'connected'or'connected' to another element, it is understood that it may be directly connected or connected to the other element, but other elements may exist in the middle. It should be.
1 shows a conceptual diagram of a hybrid energy harvesting apparatus according to an embodiment of the present invention.
Referring to FIG. 1, the
The
The
The
The
In FIG. 1, it is shown that the
Various methods may be used to manufacture the
In addition, in the case of the sputtering deposition method, a continuous solution of a solid solution layer of a compound such as AlN (aluminium nitride), Al x In y Nz, Al x Ga y Nz, etc., against zinc oxide (ZnO), which is a material constituting the
The
When the
The
The
By bonding (or connecting) the
Meanwhile, in the case of piezoelectric harvesting, the
The output characteristics may change according to the change of the relative thickness ratio or/and the relative position of the
Meanwhile, at least one of the
When mechanical stimulation or heat is applied to the
When mechanical stimulation and heat are applied to the
According to an embodiment of the present invention, the
In some cases, the
2 and 3 show an example of an energy harvesting device according to an embodiment of the present invention. Specifically, FIG. 2 shows an example in which the
Referring to FIG. 2, the
3, the
The substrates of FIGS. 2 and 3 may be made of a material having a ductile property such as PEN, and in this case, it is more easily deformed by an external force to form a piezoelectric potential, and output efficiency may be improved. . Accordingly, the range of utilization of the
Each component of the
4A and 4B show examples of cross-sections of an energy harvesting device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4A shows a photograph of the
Fig. 4b shows a photograph of a tomographic photograph taken using an SEM by actually making the structure of the
In addition, it can be seen that the
5 shows an example of an energy harvesting system according to an embodiment of the present invention. 5 specifically shows an example of an energy harvesting system comprising a plurality of energy harvesting devices.
5, the
Specifically, although not shown, the
The
In some cases, the thickness or stacking order of each component of the
Materials constituting each of the
In some cases, at least some of the components of the
The
Meanwhile, in FIG. 5, the
6 shows another example of an energy harvesting system according to an embodiment of the present invention. Specifically, FIG. 6 shows an example of driving a piezoelectric harvesting unit and a thermoelectric harvesting unit together with a combination of a rectifier circuit and capacitors.
Referring to FIG. 6, the
Although not specifically illustrated, each of the plurality of thermoelectric harvesting units and the plurality of piezoelectric harvesting units may be formed in the same lamination structure. In some cases, each component of at least a portion of the plurality of thermoelectric harvesting portions and the plurality of piezoelectric harvesting portions, for example, materials constituting at least a portion of each harvesting portion may be the same or different.
The above description is merely illustrative of the technical idea of the present invention, and those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains will be able to make various modifications and variations without departing from the essential quality of the present invention. Accordingly, the embodiments disclosed in the present specification are not intended to limit the technical idea of the present disclosure, but to explain the technical idea, and the scope of the technical idea of the present disclosure is not limited by these embodiments. The scope of protection of the present invention should be interpreted by the following claims, and all technical ideas within the scope equivalent thereto should be construed as being included in the scope of the present invention.
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 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 발명의 범주는 청구항에 의해 정의될 뿐이다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 실시예들을 설명함에 있어 실제로 필요한 경우 외에는 생략될 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.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예들을 포함할 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로서 이해되어야 한다.
제 1, 제 2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소들은 이와 같은 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 이 용어들은 하나의 구성요소들을 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결되어' 있다거나 '접속되어' 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 에너지 하베스팅 장치의 개념도를 도시한다.
도 1을 참조하면, 에너지 하베스팅 장치(100)는 기판(110), 제1 전극(120), 압전층(130), 비압전층(140) 및 제2 전극(150)을 포함할 수 있다.
기판(110)은 제1 전극(120), 압전층(130), 비압전층(140) 및 제2 전극(150)을 수용할 수 있고, 이를 지지할 수 있도록 적당한 기계적 강도와 절연성을 갖는 재료로 제작 될 수 있다. 예를 들어 기판(110)을 구성하는 물질은 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.
제1 전극(120)은 전기가 드나드는 도체를 지칭하는 것으로, 기판(substrate) 상에 형성될 수 있으며 외부의 회로와 연결될 수 있다. 제1 전극(120)의 위에는 압전층(130)이 위치될 수 있다. 압전층(130)의 위에는 비압전층(140)이 위치될 수 있다.
압전층(130)은 열전 하베스팅과 압전 하베스팅 각각이 일어나는 경우, 서로 다른 물질로 구성될 수도 있고, 서로 동일한 물질로 구성될 수도 있다. 여기서, 열전 하베스팅은 열을 전기 에너지로 변환하는 자가발전을 의미하고, 압전 하베스팅은 기계적 자극(또는 압력)을 전기 에너지로 변환하는 자가발전을 의미한다.
압전층(130)은 산화아연(ZnO) 또는 알루미늄 나이트라이드(AlN)로 구성될 수 있다. 예를 들어, 압전층(130)은 산화아연 나노 로드 어레이(nano rod array)이거나 산화아연 나노 로드 어레이와 폴리머의 복합 구조체, 산화아연 박막으로 구성될 수도 있고, 포타슘 소디움 나이오베이트(KNN), 갈륨 나이트라이드(GaN) 중 적어도 하나로 구성될 수 있다.
도 1에서는 압전층(130)의 위에 비압전층(140)이 위치되는 것으로 도시하였으나, 이에 제한되지 않고, 경우에 따라, 비압전층(140)은 압전층(130)의 아래에 위치될 수도 있다. 이와 관련한 보다 구체적인 예는 도 2 및 도 3를 참조할 수 있다.
압전층(130)의 제조를 위해 다양한 방법이 이용될 수 있다. 예를 들어, 압전층(130)은 예를 들면, 스퍼터링(sputtering) 기법, 졸겔(sol-gel) 기법, CVD(chemical vapor deposition) 기법, PVD(physical vapor deposition) 기법, 또는 MBE(molecular beam epitaxy) 기법 중 적어도 하나를 이용하여 제조될 수 있다. 스퍼터링(sputtering) 증착법의 경우 저온/저비용의 공정 이점을 얻는 동시에, 고진공의 증착 환경에서 공정 조건을 보다 엄격히 제어함으로써 재현성, 균일성 및 신뢰성 있는 박막 층을 성장시킬 수 있는 장점을 제공할 수 있다.
또한, 스퍼터링 증착법의 경우 압전층(130)을 구성하는 물질인 산화아연(ZnO)에 ]대해 AlN(aluminium nitride), AlxInyNz, AlxGayNz 등과 같은 화합물 고용체 층과의 연속된 에피 성장(epitaxial growth)으로 인해 고품질의 나노 구조체 박막을 형성할 수 있다.
비압전층(140)은 전기적으로 절연인 층(layer)으로, 절연성에 기초하여 비압전층(140)의 양쪽에 위치되는 물질들을 구분하여 전위 장벽(potential barrier)이 형성되도록 할 수 있다. 또한, 비압전층(140)과 압전층(130)은 서로 다른 에너지 밴드갭(energy bandgap)을 가지며 서로 다른 전자 친화도(electron affinity)와 일함수(workfunction)를 가지는 물질로 형성될 수 있다. 비압전층(140)은 전기적으로 절연성을 가지는 물질로 구성될 수 있으며, 예를 들어, 이산화규소(SiO2), 아모포스실리콘(a-Si), 실리사이드(silicide), 산화구리(Cu2O), 또는 산화마그네슘(MgO) 등이 쓰일 수 있다.
압전층(130)이 비압전층(140)보다 더 넓은 밴드갭을 가지고 일함수가 큰 물질로 구성되어 하베스팅(예: 열전 하베스팅)이 수행되면, 홀(hole)의 이동을 막을 수 있는 에너지 장벽이 형성될 수 있다. 이에 따라, 이동하는 홀의 양을 줄임으로써 결과적으로 이동 전자의 양이 증가하는 효과가 발생할 수 있다. 즉, 비압전층(140)으로 a-Si과 압전층(130)으로 ZnO 이 사용되었을 경우에 가전도대(valence band)에 더 큰 홀전위장벽(hole potential barrier)이 형성되고, 전도대(conduction band)에는 상대적으로 매우 작은 전자전위장벽(electron potential barrier)이 형성되어 열전 하베스팅 시에 에너지 하베스팅 장치(100)의 제백계수를 높일 수 있다.
비압전층(140)은 압전층(130)이 분극됨에 의해 이동하는 내부 전자들이나 전극에서 외부회로를 따라 이동한 전자들이 +분극을 상쇄시키는 효과인 스크리닝 이펙트(screening effect)를 억제시켜 압전층(130)의 분극을 유지하여 극대화시킬 수 있다. 비압전층(140)에 의해 형성되는 전위 장벽에 기초하여, 압전층(130) 내부로의 누설 전류가 방지되고 전하 축적이 이루어짐에 따라, 출력이 향상되어 에너지 하베스팅 장치(100)의 전체적인 하베스팅 효율이 향상될 수 있다.
비압전층(140)의 위에는 제2 전극(150)이 위치될 수 있다. 이에 따라, 에너지 하베스팅 장치(100)는 제1 전극(120)과 제2 전극(150)을 사이에 두고 열전 하베스팅 또는 압전 하베스팅이 가능한 구조를 가질 수 있다.
압전층(130)과 비압전층(140)의 접합(또는 연결)에 의해 비압전층(140)은 소정 값 이상의 전위 장벽을 형성하고, 전위 장벽이 형성됨에 따라, 압전층의 압력에 의한 분극이 유지되도록 할 수 있다.
한편, 압전 하베스팅의 경우 서술한 바와 같이 비압전층(140)이 장벽을 형성할 수 있지만, 열전 하베스팅의 경우 압전층(130)이 장벽을 형성할 수도 있다. 열전 하베스팅의 경우 형성되는 압전층(130)에 의한 장벽은 홀의 이동을 억제하는 에너지 장벽, 홀 블로킹 베리어(hole blocking barrier) 일 수 있다.
압전층(130)과 비압전층(140)의 상대적인 두께 비율 또는/및 상대적인 위치의 변경에 따라 출력 특성이 변화할 수 있고, 이에 따라 압력 또는 열에 의해 발생하는 출력 전압 또는 출력 전류가 변화할 수 있다. 예를 들어, 압전층(130)의 두께는 일정하지만 비압전층(140)의 두께가 달라질 수 있는데, 이러한 경우 출력 특성이 변화할 수 있다. 또한, 열전 하베스팅이 수행되는 경우, 특정 물질이 열전 하베스팅을 수행하기 위해 생성된 소자인 열전 나노 구조층과 함께 교차 적층되면 열전 하베스팅에 의한 출력 전압이 증가할 수 있다.
한편, 제1 전극(120)과 제2 전극(150) 중에서 적어도 하나의 전극은 압전층(130)보다 큰 일함수를 가지는 물질로 형성될 수 있다. 예컨대, 압전층(130)이 산화아연일 경우에 제1 전극(120)과 제2 전극(150) 중에서 적어도 하나의 전극은 Au, Pt, ITO, Ag 등으로 형성될 수 있다.
에너지 하베스팅 장치(100)에 외부로부터 기계적 자극 또는 열이 가해지는 경우, 에너지 하베스팅 장치(100)는 압전층(130)과 비압전층(140) 사이의 홀의 이동 또는 전자의 이동을 이용하여 전기 에너지를 생성할 수 있다. 생성된 전기 에너지는 제1 전극(120) 및 제2 전극(150)에 연결된 회로를 통해 외부의 장치로 인출될 수 있다.
에너지 하베스팅 장치(100)에 외부로부터 기계적 자극과 열이 함께 가해지는 경우, 에너지 하베스팅 장치(100)는 기계적 자극에 의해 전기 에너지를 생성하고 열에 의해 전기 에너지를 생성할 수 있다. 이와 같이 생성된 전기 에너지는 제1 전극(120) 및 제2 전극(150)에 연결된 회로를 통해 외부의 장치로 인출될 수 있다. 이러한 경우, 에너지 하베스팅 장치(100)는 복수의 에너지원을 이용하므로 하나의 에너지원(예: 기계적 자극 또는 열 중 하나)에 의한 자가 발전보다 발전 효율이 더 향상될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른, 압전층(130)과 비압전층(140)이 적층되는 형태로 구성되는 에너지 하베스팅 장치(100)는 열전 하베스팅과 압전 하베스팅을 모두 수행할 수 있다. 예를 들어, 에너지 하베스팅 장치(100)에 열이 인가되는 경우, 열전 하베스팅을 수행하고, 기계적 자극이 인가되는 경우 압전 하베스팅을 수행할 수 있다. 다른 예를 들면, 에너지 하베스팅 장치(100)에 열과 기계적 자극이 모두 인가되는 경우, 열전 하베스팅 및 압전 하베스팅을 동시에 수행할 수 있다. 이에 따라, 하나의 장치로 서로 다른 종류의 에너지원, 즉 열과 기계적 자극을 모두 이용할 수 있다.
경우에 따라, 에너지 하베스팅 장치(100)는 각각 압전층(130)과 비압전층(140)이 적층된 형태로 구성되는 소자(이하, 하베스팅 소자)의 병렬 및/또는 직렬 연결에 기초하여 열전 하베스팅과 압전 하베스팅이 복합적으로 수행되도록 할 수 있다. 하베스팅 소자 간 병렬 연결 또는 직렬 연결은 하나의 기판(110)을 공유한 상태로 제작(또는 연결)되거나 별개의 기판으로 제작될 수 있다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치의 예를 도시한다. 구체적으로, 도 2는 압전층(130)이 비압전층들(140)의 사이에 위치되는 경우의 예를 도시하고, 도 3은 비압전층(140)이 압전층(130)의 사이에 위치되는 경우의 예를 도시한다.
도 2를 참조하면, 에너지 하베스팅 장치(100')의 압전층(130)은 비압전층(140) 사이에 위치될 수 있다. 에너지 하베스팅 장치(100')는 압전층(130)과 비압전층(140)의 양단에 제1 전극(120)과 제2 전극(150)을 포함할 수 있다. 각 구성은 박막의 형태를 가지며 기판(110) 상에 적층될 수 있다.
도 3을 참조하면, 에너지 하베스팅 장치(100")의 비압전층(140)은 압전층들(130) 사이에 위치될 수 있다. 에너지 하베스팅 장치(100")는 압전층(130)과 비압전층(140)의 양단에 제1 전극(120)과 제2 전극(150)을 포함할 수 있고, 각 구성은 박막의 형태를 가지며 기판(110) 상에 적층될 수 있다.
도 2 및 도 3의 기판은 PEN과 같은 연성의 성질을 가지는 물질로 구성될 수 있으며, 이러한 경우, 외력에 의해 보다 쉽게 변형되어 압전 전위(piezoelectric potential)를 형성하게 되고 출력 효율을 향상시킬 수 있다. 이에 따라 에너지 하베스팅 장치(100', 100")의 활용 범위가 넓어질 수 있다.
에너지 하베스팅 장치(100', 100")의 각 구성은 출력 특성에 따라 서로 다른 두께로 형성될 수 있다. 예를 들어, 에너지 하베스팅 장치(100')의 경우, 압전층(130)이 비압전층(140)에 둘러싸인 형태로, 동일 압전층(130) 두께에서 비압전층(140)들이 두꺼워질 경우 출력 전압이 수 mV 정도로 작지만 상승하는 추세를 보이고, 에너지 하베스팅 장치(100")의 경우 압전층(130) 사이에 비압전층(140)이 있는 형태로 각 압전층(130)이 134nm, 비압전층이(140)이 약 50nm 두께일때 가장 높은 전압 출력, 예를 들어 15mV가 출력될 수 있다. 따라서, 이러한 출력 특성을 고려하여 에너지 하베스팅 장치(100', 100")의 각 구성의 두께가 결정될 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치의 단면의 예를 도시한다.
도 4a는 에너지 하베스팅 장치(100)를 소자화한 후 SEM(scanning electron microscope)을 이용하여 단층을 촬영한 사진을 도시한다. 도 4의 참조번호 1a 내지 1d는 각각 복수의 압전층(130)과 복수의 비압전층(140)으로 구성되는 다양한 경우의 에너지 하베스팅 장치의 예를 나타낸다.
참조번호 1a는, 3개의 비압전층(a-Si)과 2개의 압전층(ZnO)으로 구성되는 에너지 하베스팅 장치를 나타낼 수 있다. 압전 하베스팅을 수행하는 경우 비압전층(a-Si)이 에너지 장벽을 형성할 수 있고, 열전 하베스팅을 수행하는 경우 비압전층(a-Si)과 압전층(ZnO) 사이에 에너지 장벽을 형성할 수 있다.
참조번호 1b는 4개의 압전층(ZnO)과 5개의 비압전층(a-Si)으로 구성되는 에너지 하베스팅 장치를 도시한다. 압전 하베스팅을 수행하는 경우 비압전층(a-Si)이 에너지 장벽을 형성할 수 있고, 열전 하베스팅을 수행하는 경우 압전층(ZnO)이 에너지 장벽을 형성할 수 있다.
참조번호 1c와 1d는 각각, 보다 더 많은 수의 압전층(ZnO) 및 비압전층(a-Si)으로 구성되는 에너지 하베스팅 장치를 도시한다.
도 4b는 도 3의 에너지 하베스팅 장치(100") 구조를 실제작하여 SEM을 이용하여 단층을 촬영한 사진을 도시한다. 도 4b를 통해, 에너지 하베스팅 장치(100)는 결정성을 가짐을 알 수 있다. 구체적으로, 도 4b에서는 산화아연이 (0002) 방향성을 가지고, c 축(c-axis)으로 성장하는 것을 알 수 있다. 여기서, (0002) 방향성은 압전 하베스팅이 받는 외력에 가장 효과적으로 작용하며, 에너지 하베스팅 장치(100")의 압전 하베스팅이 효과적으로 수행될 수 있음을 의미할 수 있다.
또한, 도 4b를 통해 나타나는 에너지 하베스팅 장치(100")는 다결정(polycrystalline) 구조를 가짐을 알 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템의 예를 도시한다. 도 5는 구체적으로 복수의 에너지 하베스팅 장치로 구성되는 에너지 하베스팅 시스템의 예를 도시한다.
도 5를 참조하면, 에너지 하베스팅 장치(100)는 제1 전극(201), 제1 압전층(203), 제1 비압전층(205), 제2 전극(207)으로 구성되는 열전 하베스팅부(200)와 제3 전극(211), 제2 압전층(213), 제2 비압전층(215), 제4 전극(217)으로 구성되는 압전 하베스팅부(210)가 위치하여 하나의 하베스팅 장치로 제작될 수 있다.
구체적으로, 도시하지는 않았으나, 열전 하베스팅부(200)와 압전 하베스팅부(210)는 하나의 기판 위에 형성될 수 있고, 열전 하베스팅부(200)와 압전 하베스팅부(210)의 각 구성이 전극을 통해 외부의 회로와 연결됨으로써 에너지 하베스팅 시스템을 구성할 수 있다.
열전 하베스팅부(200)와 압전 하베스팅부(210)는 서로 동일한 형태, 즉 각 구성이 박막형태의 적층된 형태로 구성될 수 있다. 열전 하베스팅부(200)와 압전 하베스팅부(210)는 서로 동일한 형태뿐 아니라 각 구성이 서로 동일한 두께 및 배열로 적층되어 연결될 수 있다.
경우에 따라, 열전 하베스팅부(200)와 압전 하베스팅부(210)의 각 구성의 두께 또는 적층 순서는 서로 달라질 수 있다. 예를 들어, 열전 하베스팅부(200)는 제1 비압전층(205)과 제2 전극(207) 사이에 제3 압전층(도시 안됨)이 배치될 수도 있고, 압전 하베스팅부(210)는 제2 비압전층(215)과 제4 전극(217) 사이에 제4 압전층(도시 안됨)이 배치될 수 있다. 이러한 경우, 열전 하베스팅부(200)와 압전 하베스팅부(210)의 출력 특성은 서로 상이할 수 있다.
열전 하베스팅부(200)와 압전 하베스팅부(210)의 각 구성을 이루는 물질들은 동일할 수 있다. 예를 들어, 제1 전극(201)과 제3 전극(211)은 ITO, 제1 압전층(203)과 제2 압전층(213)은 산화아연, 제1 비압전층(205)과 제2 비압전층(215)는 아모포스실리콘, 제2 전극(207)과 제4 전극(217)은 은일 수 있다.
경우에 따라, 열전 하베스팅부(200)와 압전 하베스팅부(210)의 각 구성 중 적어도 일부는 상이할 수 있다. 예를 들어, 제1 압전층(203)과 제2 압전층(213)은 산화아연이지만, 제1 비압전층(205)은 아모포스실리콘이고, 제2 비압전층(215)는 이산화규소일 수 있다.
열전 하베스팅부(200)와 압전 하베스팅부(210)는 외부의 회로를 통해 외부 장치(230)와 연결될 수 있다. 이를 통해, 열전 하베스팅 또는 압전 하베스팅에 의해 생성된 전기 에너지가 다른 장치(230)에게 전달될 수 있다.
한편, 도 5에서는 제2 전극(207) 및 제4 전극(217)에 연결되는 형태로 도시하였으나, 이에 제한되지 않고, 모든 전극이 회로를 통해 연결됨을 의미할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템의 다른 예를 도시한다. 구체적으로, 도 6은 정류회로와 커페시터들의 조합으로 압전 하베스팅부와 열전 하베스팅부를 함께 구동시키는 예를 도시한다.
도 6을 참조하면, 에너지 하베스팅 시스템(300)은 복수의 열전 하베스팅부와 복수의 압전 하베스팅부를 포함할 수 있다. 복수의 열전 하베스팅부와 복수의 압전 하베스팅부는 회로적으로 연결될 수 있으며, 이에 따라 열전 하베스팅과 압전 하베스팅이 동시에 수행될 수 있다. 열전 하베스팅과 압전 하베스팅에 의해 생성된 전기 에너지는 외부의 회로와 연결됨으로써 외부의 장치(310)에 전달될 수 있다.
구체적으로 도시하지는 않았으나, 복수의 열전 하베스팅부와 복수의 압전 하베스팅부 각각은 서로 동일한 적층 구조로 형성될 수 있다. 경우에 따라, 복수의 열전 하베스팅부와 복수의 압전 하베스팅부 중 적어도 일부의 각 구성, 예를 들면 적어도 일부의 각 하베스팅부를 구성하는 물질은 동일할 수도 있고, 상이할 수도 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 품질에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 명세서에 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 균등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
Advantages and features of the present invention, and a method of achieving them will become apparent with reference to the embodiments described below in detail together with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but may be implemented in various forms, and only these embodiments make the disclosure of the present invention complete, and those skilled in the art to which the present invention pertains. It is provided to fully inform the person of the scope of the invention, and the scope of the invention is only defined by the claims.
In describing the embodiments of the present invention, detailed descriptions of known functions or configurations will be omitted except when actually necessary in describing the embodiments of the present invention. In addition, terms to be described later are terms defined in consideration of functions in an embodiment of the present invention, which may vary according to the intention or custom of users or operators. Therefore, the definition should be made based on the contents throughout the present specification.
Since the present invention can make various changes and include various embodiments, specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in the detailed description. However, this is not intended to limit the present invention to a specific embodiment, and should be understood as including all changes, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.
Terms including ordinal numbers such as first and second may be used to describe various elements, but the corresponding elements are not limited by these terms. These terms are only used for the purpose of distinguishing one component from another.
When an element is referred to as being'connected'or'connected' to another element, it is understood that it may be directly connected or connected to the other element, but other elements may exist in the middle. It should be.
1 shows a conceptual diagram of a hybrid energy harvesting apparatus according to an embodiment of the present invention.
Referring to FIG. 1, the
The
The
The
The
In FIG. 1, it is shown that the
Various methods may be used to manufacture the
In addition, in the case of the sputtering deposition method, a continuous solution of a solid solution layer of a compound such as AlN (aluminium nitride), Al x In y Nz, Al x Ga y Nz, etc., against zinc oxide (ZnO), which is a material constituting the
The
When the
The
The
By bonding (or connecting) the
Meanwhile, in the case of piezoelectric harvesting, the
The output characteristics may change according to the change of the relative thickness ratio or/and the relative position of the
Meanwhile, at least one of the
When mechanical stimulation or heat is applied to the
When mechanical stimulation and heat are applied to the
According to an embodiment of the present invention, the
In some cases, the
2 and 3 show an example of an energy harvesting device according to an embodiment of the present invention. Specifically, FIG. 2 shows an example in which the
Referring to FIG. 2, the
3, the
The substrates of FIGS. 2 and 3 may be made of a material having a ductile property such as PEN, and in this case, it is more easily deformed by an external force to form a piezoelectric potential, and output efficiency may be improved. . Accordingly, the range of utilization of the
Each component of the
4A and 4B show examples of cross-sections of an energy harvesting device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4A shows a photograph of the
Fig. 4b shows a photograph of a tomographic photograph taken using an SEM by actually making the structure of the
In addition, it can be seen that the
5 shows an example of an energy harvesting system according to an embodiment of the present invention. 5 specifically shows an example of an energy harvesting system comprising a plurality of energy harvesting devices.
5, the
Specifically, although not shown, the
The
In some cases, the thickness or stacking order of each component of the
Materials constituting each of the
In some cases, at least some of the components of the
The
Meanwhile, in FIG. 5, the
6 shows another example of an energy harvesting system according to an embodiment of the present invention. Specifically, FIG. 6 shows an example of driving a piezoelectric harvesting unit and a thermoelectric harvesting unit together with a combination of a rectifier circuit and capacitors.
Referring to FIG. 6, the
Although not specifically illustrated, each of the plurality of thermoelectric harvesting units and the plurality of piezoelectric harvesting units may be formed in the same lamination structure. In some cases, each component of at least a portion of the plurality of thermoelectric harvesting portions and the plurality of piezoelectric harvesting portions, for example, materials constituting at least a portion of each harvesting portion may be the same or different.
The above description is merely illustrative of the technical idea of the present invention, and those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains will be able to make various modifications and variations without departing from the essential quality of the present invention. Accordingly, the embodiments disclosed in the present specification are not intended to limit the technical idea of the present disclosure, but to explain the technical idea, and the scope of the technical idea of the present disclosure is not limited by these embodiments. The scope of protection of the present invention should be interpreted by the following claims, and all technical ideas within the scope equivalent thereto should be construed as being included in the scope of the present invention.
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Claims (13)
상기 기판 위의 제1 위치에 형성되는 제1 전극, 상기 제1 전극 위에 형성되는 하나 이상의 제1 압전층, 상기 제1 압전층의 사이에 형성되거나 상기 제1 압전층을 사이에 두고 상기 제1 압전층의 상단 및 하단에 형성되는 하나 이상의 제1 비압전층, 및 상기 제1 압전층과 상기 제1 비압전층 위에 위치되는 제2 전극을 이용하여 열전 하베스팅을 수행하는 열전 하베스팅부와,
상기 기판 위의 제2 위치에 형성되는 제3 전극, 상기 제3 전극 위에 형성되어 압전 하베스팅을 수행하는 하나 이상의 제2 압전층, 상기 제2 압전층의 사이에 형성되거나 상기 제2 압전층을 사이에 두고 상기 제2 압전층의 상단 및 하단에 형성되는 하나 이상의 제2 비압전층, 및 상기 제2 압전층과 상기 제2 비압전층 위에 위치되는 제4 전극을 이용하여 압전 하베스팅을 수행하는 압전 하베스팅부를 포함하는
하이브리드 에너지 하베스팅 시스템.With the substrate,
The first electrode formed at a first position on the substrate, at least one first piezoelectric layer formed on the first electrode, the first piezoelectric layer formed between the first piezoelectric layer, or the first piezoelectric layer interposed therebetween At least one first non-piezoelectric layer formed at the top and bottom of the piezoelectric layer, and a thermoelectric harvesting unit for performing thermoelectric harvesting using the first piezoelectric layer and a second electrode disposed on the first non-piezoelectric layer,
A third electrode formed at a second position on the substrate, at least one second piezoelectric layer formed on the third electrode to perform piezoelectric harvesting, and formed between the second piezoelectric layer or the second piezoelectric layer Piezoelectric harvesting is performed using at least one second non-piezoelectric layer formed at the top and bottom of the second piezoelectric layer and a fourth electrode disposed on the second piezoelectric layer and the second non-piezoelectric layer between them. Including a piezoelectric harvesting unit
Hybrid energy harvesting system.
상기 열전 하베스팅부의 구조와 상기 압전 하베스팅부의 구조는 서로 상응하는
하이브리드 에너지 하베스팅 시스템.The method of claim 9,
The structure of the thermoelectric harvesting part and the structure of the piezoelectric harvesting part correspond to each other.
Hybrid energy harvesting system.
상기 제1 전극, 상기 제1 압전층, 상기 제1 비압전층, 상기 제2 전극, 상기 제3 전극, 상기 제2 압전층, 상기 제2 비압전층, 및 상기 제4 전극 각각은 박막 형태를 가지는
하이브리드 에너지 하베스팅 시스템.The method of claim 9,
Each of the first electrode, the first piezoelectric layer, the first non-piezoelectric layer, the second electrode, the third electrode, the second piezoelectric layer, the second non-piezoelectric layer, and the fourth electrode is in the form of a thin film Having
Hybrid energy harvesting system.
상기 제1 비압전층은 상기 제1 압전층과의 연결에 기초하여 소정 값 이상의 전위 장벽(potential barrier)을 형성하고, 상기 제2 비압전층은 상기 제2 압전층과의 연결에 기초하여 소정 값 이상의 전위 장벽을 형성하는
하이브리드 에너지 하베스팅 시스템.The method of claim 9,
The first non-piezoelectric layer forms a potential barrier of a predetermined value or more based on the connection with the first piezoelectric layer, and the second non-piezoelectric layer is predetermined based on the connection with the second piezoelectric layer. To form a potential barrier above the value
Hybrid energy harvesting system.
상기 제1 압전층과 상기 제2 압전층 각각은,
산화아연(ZnO), 알루미늄 나이트라이드(AlN), 포타슘 소디움 나이오베이트(KNN) 또는 갈륨 나이트라이드(GaN) 중 하나를 포함하고,
상기 제1 비압전층과 상기 제2 비압전층 각각은,
아모포스실리콘(a-Si), 산화구리(Cu2O), 사파이어(Al2O3), 산화마그네슘(MgO) 또는 이산화규소(SiO2) 중 하나를 포함하는
하이브리드 에너지 하베스팅 시스템.The method of claim 9,
Each of the first piezoelectric layer and the second piezoelectric layer,
Including one of zinc oxide (ZnO), aluminum nitride (AlN), potassium sodium niobate (KNN) or gallium nitride (GaN),
Each of the first non-piezoelectric layer and the second non-piezoelectric layer,
Amorphous silicon (a-Si), copper oxide (Cu 2 O), sapphire (Al 2 O 3 ), magnesium oxide (MgO) or silicon dioxide (SiO 2 ) containing one of
Hybrid energy harvesting system.
Priority Applications (1)
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| KR1020190008061A KR102235528B1 (en) | 2019-01-22 | 2019-01-22 | Thermo- and piezo-electric hybrid energy harvesting systems based on multilayered structures made of different thin films and the method of making the same |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020190008061A KR102235528B1 (en) | 2019-01-22 | 2019-01-22 | Thermo- and piezo-electric hybrid energy harvesting systems based on multilayered structures made of different thin films and the method of making the same |
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2019
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| 인용발명 1: Sung-Ho Shin et al. ‘Piezoelectric performance enhancement of ZnO flexible nanogenerator by a CuO-ZnO p-n junction formation’. Journal of Materials Chemistry C. 2013.11.11., 1(page 8103-8107)* |
| 인용발명 2: 공개특허공보 제10-2012-0059037호(2012.06.08.) 1부.* |
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