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KR101562060B1 - 전기 에너지 발생 장치 및 그 제조 방법 - Google Patents

전기 에너지 발생 장치 및 그 제조 방법 Download PDF

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KR101562060B1
KR101562060B1 KR1020090029584A KR20090029584A KR101562060B1 KR 101562060 B1 KR101562060 B1 KR 101562060B1 KR 1020090029584 A KR1020090029584 A KR 1020090029584A KR 20090029584 A KR20090029584 A KR 20090029584A KR 101562060 B1 KR101562060 B1 KR 101562060B1
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nanowire
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layer
conductive layer
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최덕현
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삼성전자주식회사
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Abstract

전기 에너지 발생 장치는, 서로 이격된 제1 전극 및 제2 전극; 압전 물질로 이루어지는 제1 전극상의 나노와이어; 제1 전극상의 광 활성층; 광 활성층상의 도전층; 및 도전층과 나노와이어 사이의 절연막을 포함할 수 있다. 나노와이어와 광 활성층은 서로 전기적으로 연결될 수 있다. 전기 에너지 발생 장치의 제조 방법은, 나노와이어를 제1 전극상에 배치하는 단계; 제1 전극상에 광 활성층을 형성하는 단계; 나노와이어상에 절연막을 형성하는 단계; 광 활성층상에 도전층을 형성하는 단계; 및 나노와이어와 인접하여 제2 전극을 배치하는 단계를 포함할 수 있다.
나노와이어, 태양 전지, 압전 효과, 전극 기판, 투명 전극

Description

전기 에너지 발생 장치 및 그 제조 방법{Apparatus for generating electrical energy and method for manufacturing the same}
실시예들은 전기 에너지 발생 장치 및 상기 전기 에너지 발생 장치의 제조 방법에 관한 것이다.
최근 전자 장치 분야에서 소자가 소형화되고 고성능화됨에 따라, 나노스케일의 소자들이 출현하였다. 이러한 나노스케일의 소자들을 제조하기 위해 나노와이어(nanowire)의 형성기술이 개발되었다. 나노와이어란 단면의 지름이 약 수 nm 에서 약 수십 nm 정도인 극미세선이다. 또한, 나노와이어의 길이는 지름의 약 수십 배에서 약 수천 배 이상으로 성장될 수 있다.
이러한 나노와이어는 기존의 벌크 구조에서 나타나는 일반적인 성질과 상이한 전기적, 화학적, 물리적 및 광학적 특성을 나타낼 수 있다. 나노와이어의 분자 특성들을 벌크 구조의 특성들과 함께 이용함으로써, 더욱 세밀하고 집적된 소자들을 구현할 수 있다. 나노와이어는 레이저, 트랜지스터, 메모리 또는 센서 등 다양한 분야에 이용될 수 있다.
또한, 최근 소형화되고 휴대가 용이하며 서로 상이한 다양한 기능들을 통합 한 모바일 전자기기들이 생산되는 추세에 있다. 이러한 모바일 전자기기들에 전력을 공급하기 위해서는, 적당한 용량의 배터리가 요구된다. 그러나 현재 이들에 전력을 공급하는 배터리의 용량은 이들 기기에 기능이 통합되는 속도에 비하여 뒤쳐지고 있다. 따라서, 보조 배터리의 필요성이 있으며 이러한 보조 배터리는 무선 충전이 가능한 긴급 전원으로 개발될 필요가 있을 수도 있다.
실시예들은, 태양광 등의 광을 흡수하여 전기 에너지를 발생시킬 수 있는 한편, 광이 인가되지 않는 경우에도 응력이나 신호에 의하여 전기 에너지를 발생시킬 수 있는 전기 에너지 발생 장치 및 상기 전기 에너지 발생 장치의 제조 방법을 제공할 수 있다.
일 실시예는 전기 에너지 발생 장치를 제공할 수 있다. 전기 에너지 발생 장치는, 서로 이격된 제1 전극 및 제2 전극; 압전 물질로 이루어지는 상기 제1 전극상의 나노와이어; 상기 제1 전극상의 광 활성층; 상기 광 활성층상의 도전층; 및 상기 도전층과 상기 나노와이어 사이의 절연막을 포함할 수 있다. 이때, 상기 나노와이어와 상기 광 활성층은 전기적으로 연결될 수 있다.
다른 실시예는 전기 에너지 발생 장치의 제조 방법을 제공할 수 있다. 전기 에너지 발생 장치의 제조 방법은, 압전 물질로 이루어진 나노와이어를 제1 전극상에 배치하는 단계; 상기 제1 전극상에 상기 나노와이어와 전기적으로 연결된 광 활성층을 형성하는 단계; 상기 나노와이어상에 절연막을 형성하는 단계; 상기 광 활성층상에 도전층을 형성하는 단계; 및 상기 나노와이어와 인접하여 제2 전극을 배치하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 전기 에너지 발생 장치에 태양광 등의 광이 조사되는 경 우, 광 활성층에서 광을 흡수하여 전기 에너지를 발생시킬 수 있다. 또한, 광 활성층과 인접하여 위치하는 나노와이어로 인하여 광을 이용한 전기 에너지 발생 효율이 향상될 수 있다.
한편, 전기 에너지 발생 장치에 광이 조사되지 않는 경우에는, 압전 물질로 이루어진 나노와이어에 응력 또는 나노와이어의 공진 주파수에 해당하는 신호를 인가함으로써 나노와이어를 변형시켜 전기 에너지를 발생시킬 수도 있다.
이하에서는, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 구체적으로 설명한다. 그러나, 본 발명이 하기 실시예에 의하여 제한되는 것은 아니다.
도 1은 일 실시예에 따른 전기 에너지 발생 장치를 도시한 사시도이다.
도 1을 참조하면, 전기 에너지 발생 장치는 제1 전극(10), 제2 전극(20), 나노와이어(nanowire)(30), 광 활성층(40), 절연막(50) 및 도전층(60)을 포함할 수 있다.
제1 전극(10)은 나노와이어(30)를 지지하는 하부 전극이다. 제1 전극(10)은 기판(1)상에 형성될 수 있다. 예컨대, 제1 전극(10)은 기판(1)상에 형성된 금속막 또는 전도성을 띄는 세라믹 등의 형태일 수 있다. 기판(1)은 유리(glass), 실리콘(Si), 폴리머(polymer), 사파이어, 질화갈륨(GaN), 탄화실리콘(SiC), 또는 다른 적당한 물질을 포함하여 이루어질 수 있다.
제 2 전극(20)은 제1 전극(10)과 이격될 수 있다. 제1 전극(10)과 마찬가지로, 제2 전극(20) 역시 기판(2)상에 형성될 수도 있다. 예컨대, 제1 전극(10) 및 제2 전극(20)은 도금법, 스퍼터링(sputtering), 전자빔 증착법(e-beam evaporation), 열 증착법(thermal evaporation) 또는 다른 적당한 방법에 의하여 각각의 기판(1, 2)상에 도전 물질을 형성함으로써 형성될 수도 있다.
제1 전극(10) 및 제2 전극(20)은 금속, 인주석 산화물(Indium Tin Oxide; ITO), 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube; CNT), 그라핀(graphene), 전도성 폴리머(conductive polymer), 나노 섬유(nano fiber), 나노복합재료(nanocomposite) 및 다른 적당한 물질 중 어느 하나 또는 이들의 둘 이상의 조합을 포함할 수 있다. 금속으로는 금-팔라듐 합금(AuPd), 금(Au), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 루테늄(Ru) 및 다른 적당한 물질 중 어느 하나 또는 이들의 둘 이상의 조합이 사용될 수도 있다.
일 실시예에서, 제1 전극(10) 및 제2 전극(20) 중 하나 이상은 투명한 물질로 이루어질 수 있다. 나아가, 제1 전극(10) 및 제2 전극(20) 중 하나 이상은 인가된 응력에 의해 변형 가능한 유연(flexible) 전극으로 이루어질 수도 있다.
또한 일 실시예에서, 제1 전극(10)이 형성된 기판(1) 및 제2 전극(20)이 형성된 기판(2) 역시 유리 또는 폴리머 등의 투명한 물질로 이루어질 수 있다. 또한, 각 기판(1, 2)은 인가된 응력에 의해 변형 가능한 유연한 물질로 이루어질 수도 있다.
제1 전극(10)상에는 하나 이상의 나노와이어(30)가 위치할 수 있다. 나노와이어(30)는, 물리적으로 변형될 경우 물질 내에 전위차가 발생하는 압전 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 나노와이어(30)는 산화아연(ZnO), 납-지르코늄-티타늄 산화물(lead zirconate titanate; PZT), 티탄산바륨(BaTiO3) 및 다른 적당한 압전 물질 중 어느 하나 또는 이들의 둘 이상의 조합을 포함할 수 있다.
나노와이어(30)는 제1 전극(10)상에서 성장될 수 있다. 나노와이어(30)를 기판(1)상에 바로 형성하지 않고 제1 전극(10)상에서 성장시킬 경우 여러 가지 이점이 있다. 예컨대, 나노와이어(30)가 도전 물질로 이루어진 제1 전극(10)상에 형성되므로 나노와이어(30)를 통한 전도도가 향상될 수 있다. 또한, 제1 전극(10)상에 나노와이어(30)를 형성할 경우 나노와이어(30)의 성장 제어가 용이하다. 예컨대, 나노와이어(30)가 제1 전극(10)으로부터 수직 방향으로 성장될 수 있다. 또한, 각각의 나노와이어(30) 사이의 형상 또는 방향성의 균일도가 향상될 수 있다.
나노와이어(30)는 제1 전극(10) 및 제2 전극(20)의 표면에 수직한 방향(D1)으로 연장될 수 있다. 또는, 나노와이어(30)는 제1 전극(10) 및 제2 전극(20)의 표면에 대해 수직하지 않은 방향으로 경사지게 연장될 수 있다. 본 명세서의 도면들에 도시된 나노와이어(30)의 개수는 예시적인 것으로서, 나노와이어(30)의 개수는 장치의 크기 및 용도에 따라 상이할 수도 있다.
나노와이어(30)가 형성된 제1 전극(10)상에는 광 활성층(40)이 위치할 수 있다. 제1 전극(10)상에 하나 이상의 나노와이어(30)를 형성한 후, 제1 전극(10)의 전면상에 광 활성층(40)을 형성할 수 있다. 결과적으로, 광 활성층(40)을 관통하는 형태로 하나 이상의 나노와이어(30)가 위치할 수 있다. 광 활성층(40)과 나노와이어(30)는 전기적으로 연결될 수 있다.
광 활성층(40)은 태양광 등의 광을 흡수함으로써 전자-정공 쌍(exiton)을 생성하는 물질을 포함할 수 있다. 광 활성층(40)은 무기 재료, 유기 재료, 유-무기 복합 재료 또는 다른 적당한 물질을 포함할 수 있다. 예컨대, 광 활성층(40)에 사용될 수 있는 무기 재료는 실리콘 또는 CIGS(CuInGaSe) 등의 화합물 반도체를 포함할 수 있다. 또한, 광 활성층(40)에 사용될 수 있는 유기 재료는 표면에 염료 분자가 흡착된 산화물 반도체와 같은 염료감응형(dye-sensitized) 물질을 포함할 수 있다.
광 활성층(40)상에는 도전층(60)이 위치할 수 있다. 도전층(60)은 금속 또는 다른 적당한 도전 물질로 이루어질 수 있다. 예컨대, 도전층(60)은 금속, ITO, CNT, 그라핀, 전도성 폴리머, 나노 섬유, 나노복합재료 및 다른 적당한 물질 중 어느 하나 또는 이들의 둘 이상의 조합을 포함할 수 있다. 이때 금속으로는 AuPd, Au, PD, PT, Ru 또는 다른 적당한 물질 중 어느 하나 또는 이들의 둘 이상의 조합이 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 도전층(60)은 투명한 물질로 이루어질 수도 있다. 또한, 도전층(60)은 응력에 의하여 변형될 수 있는 유연한 물질로 이루어질 수도 있다.
도전층(60)과 나노와이어(30) 사이에는 절연막(50)이 위치할 수 있다. 절연막(50)은 나노와이어(30)의 표면을 둘러싸는 형태로 형성될 수도 있다. 절연막(50)은 비전도성 물질을 포함하여 이루어지므로, 절연막(50)에 의하여 도전층(60)과 나노와이어(30)가 전기적으로 분리될 수 있다.
일 실시예에서, 절연막(50)은 나노와이어(30)와 마찬가지로 압전 물질로 이 루어질 수 있다. 예컨대, 절연막(50)은 PZT, BaTiO3 및 다른 적당한 압전 물질 중 어느 하나 또는 이들의 둘 이상의 조합을 포함할 수 있다. 절연막(50)을 압전 물질로 형성함으로써, 나노와이어(30)를 도전층(60)과 전기적으로 분리하는 동시에 절연막(50)에 의하여 나노와이어(30)의 압전 특성을 향상시킬 수 있다.
전기 에너지 발생 장치에 태양광 등의 광이 조사되면, 광 활성층(40)에서 광을 흡수하여 전기 에너지를 발생시킬 수 있다. 광 활성층(40)은 도전층(60)과 전기적으로 연결될 수 있으며, 또한 나노와이어(30)를 통하여 제1 전극(10)과 전기적으로 연결될 수 있다. 이때 제1 전극(10) 및 도전층(60)을 도전 물질에 의하여 전기적으로 연결하면, 제1 전극(10), 광 활성층(40) 및 도전층(60)을 포함하는 폐회로를 통하여 전류가 흐를 수 있다. 일 실시예에서는, 제1 전극(10) 및 도전층(60) 사이에 제1 저장부(70)가 전기적으로 연결되어 광 활성층(40)으로부터 발생되는 전기 에너지를 저장할 수도 있다.
또한 전기 에너지 발생 장치에 응력이 인가되면, 압전 물질로 이루어진 나노와이어(30)가 변형되어 나노와이어(30) 내에 전위차가 발생할 수 있다. 또한 변형된 나노와이어(30)는 제2 전극(20)과 접촉할 수 있다. 이때 제1 전극(10) 및 제2 전극(20)을 도전 물질에 의하여 전기적으로 연결하면, 제1 전극(10), 나노와이어(30) 및 제2 전극(20)을 포함하는 폐회로를 통하여 전류가 흐를 수 있다. 일 실시예에서는, 제1 전극(10) 및 제2 전극(20) 사이에 제2 저장부(80)가 전기적으로 연결되어 나노와이어(30)로부터 발생되는 전기 에너지를 저장할 수도 있다.
제1 저장부(70) 및 제2 저장부(80)는 충전 가능한 전지, 커패시터 또는 다른 적당한 전기 에너지 저장 수단을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 저장부(70) 및 제2 저장부(80)는 니켈-카드뮴 전지, 니켈-수소 전지, 리튬 이온 전지 또는 리튬 폴리머(polymer) 전지를 포함할 수 있다. 또한, 제1 저장부(70) 및 제2 저장부(80)는 전압을 증폭하기 위한 증폭기(미도시)를 더 포함할 수도 있다.
이상에서 살펴본 전기 에너지 발생 장치는 조사된 광을 흡수하거나, 또는 인가된 응력을 이용하여 전기 에너지를 발생시킬 수 있다. 상기 전기 에너지 발생 장치에서 제1 전극(10) 및 제2 전극(20) 중 하나 이상을 어레이 형태로 구성함으로써, 응력이 인가된 위치를 감지할 수 있는 터치 센서를 구현할 수도 있다. 또한, 상기 전기 에너지 발생 장치 복수 개를 어레이 형태로 서로 전기적으로 연결함으로써, 각각의 전기 에너지 발생 장치에서 발생되는 전기 에너지를 증폭시킬 수도 있다.
도 2a는 일 실시예에 따른 전기 에너지 발생 장치의 단면도이다. 도 2a를 참조하여, 전기 에너지 발생 장치에서 광 활성층(40)의 동작에 대하여 상세히 설명한다.
전기 에너지 발생 장치에 태양광 등의 광이 조사되면, 조사된 광의 일부 또는 전체가 광 활성층(40)에 도달할 수 있다. 이를 위하여, 제1 전극(10), 제2 전극(20) 및 도전층(60) 중 하나 이상은 투명한 물질로 이루어질 수 있다. 또한, 제1 전극(10) 및 제2 전극(20) 각각이 형성되는 기판(1, 2)도 투명한 물질로 이루어질 수도 있다.
광 활성층(40)에 포함되어 있는 전자들이 조사된 광으로부터 에너지를 흡수하면, 여기 상태의 전자-정공 쌍(exiton)이 형성될 수 있다. 형성된 전자-정공 쌍은, 광 활성층(40)과 인접한 물질들의 일함수 차이로 인해 형성되는 전기장에 따라, 전자(1000) 및 정공(2000)으로 분리될 수 있다. 또한, 전자(1000) 및 정공(2000)은 전기장에 의해 서로 상이한 방향으로 이동할 수 있다. 예컨대, 전자(1000)는 광 활성층(40)으로부터 나노와이어(30)를 통해 제1 전극(10)으로 이동하며, 정공(2000)은 광 활성층(40)으로부터 도전층(60)으로 이동할 수 있다.
따라서, 제1 전극(10)과 도전층(60) 사이에 전위차가 형성될 수 있다. 이때 제1 전극(10)과 도전층(60)을 도전 물질에 의해 전기적으로 연결하면, 제1 전극(10), 광 활성층(40) 및 도전층(60)을 포함하여 이루어지는 폐회로를 통하여 전류가 흐를 수 있다. 일 실시예에서는, 제1 전극(10)과 도전층(60) 사이에 제1 저장부(70)를 전기적으로 연결함으로써, 광 활성층(40)에 의해 발생된 전기 에너지를 제1 저장부(70)에 저장할 수도 있다.
광은 전기 에너지 발생 장치의 상부 및/또는 하부로부터 광 활성층(40)에 조사될 수 있다. 전기 에너지 발생 장치의 상부로부터 광 활성층(40)에 광이 조사되는 경우, 하나 이상의 나노와이어(30)로 인하여, 조사된 광에 대한 집광 효과를 유도해 광 활성층(40)의 전기 에너지 발생 효율이 향상될 수도 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 일 실시예에 따른 전기 에너지 발생 장치에 태양광 등의 광이 조사되면 광 활성층(40)에서 광을 흡수하여 전기 에너지를 발생시킬 수 있다. 또한, 발생된 전기 에너지를 제1 저장부(70)에 저장할 수도 있다.
도 2b 일 실시예에 따른 전기 에너지 발생 장치에 응력이 인가된 상태를 도시한 단면도이다. 도 2b를 참조하여, 전기 에너지 발생 장치에서 나노와이어(30)의 동작에 대하여 상세히 설명한다.
전기 에너지 발생 장치에 응력이 인가되지 않은 상태에서, 나노와이어(30)는 제2 전극(20)과 소정의 간격(d)만큼 이격되어 위치할 수 있다. 나노와이어(30)와 제2 전극(20) 사이의 간격(d)은, 제2 전극(20) 또는 제1 전극(10)에 응력이 인가될 경우 나노와이어(30)가 제2 전극(20)에 접촉할 수 있을 정도의 거리로 결정될 수 있다. 또는, 나노와이어(30)는 응력이 인가되지 않은 상태에서도 제2 전극(20)에 접촉할 수도 있다.
전기 에너지 발생 장치의 일부분(B)에 응력이 인가됨에 따라, 제2 전극(20) 및 기판(2)이 아래로 휘어질 수 있다. 그 결과 제1 전극(10)과 제2 전극(20) 사이의 거리가 감소하게 되므로, 상기 일부분(B)에 위치하는 나노와이어(30)는 압축되어 변형될 수 있다. 나노와이어(30)는 압전 물질로 이루어지므로, 변형된 나노와이어(30) 내에서는 전위차가 발생하게 된다.
이때, 제1 전극(10) 및 제2 전극(20)을 도전 물질에 의해 전기적으로 연결하면, 제1 전극(10), 나노와이어(30) 및 제2 전극(20)을 포함하여 이루어지는 폐회로를 통하여 전류가 흐를 수 있다. 또한 제1 전극(10)과 제2 전극(20) 사이에 제2 저장부(80)를 전기적으로 연결함으로써, 나노와이어(30)에 의해 발생되는 전기 에너지를 제2 저장부(80)에 저장할 수도 있다.
도 2b에서는 전기 에너지 발생 장치의 상부에 응력이 인가되어 제2 전극(20) 이 휘어진 형상을 예시적으로 도시하였으나, 제1 전극(10)에 응력이 인가되거나, 또는 제1 전극(10)과 제2 전극(20) 양쪽에 응력이 인가되더라도 동일한 효과를 얻을 수 있다. 즉, 전기 에너지 발생 장치를 누르거나 구부림으로써 전기 에너지를 발생시킬 수 있다.
전기 에너지 발생 장치에 응력이 인가되는 경우 나노와이어(30)가 부러지는 것을 방지하기 위해, 도전층(60)상에 실리콘, 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane; PDMS) 또는 우레탄 등의 적당한 탄성 물질(미도시)을 위치시킬 수도 있다. 이때 탄성 물질은 나노와이어(30)가 응력에 의하여 변형되는 것을 방해하지 않을 정도의 적절한 두께로 형성될 수도 있다.
각각의 나노와이어(30)를 구성하는 압전 물질은 반도체 특성을 가질 수도 있다. 예를 들어, 도핑되지 않은 ZnO으로 이루어진 나노와이어(30)의 경우 n형 반도체 특성을 갖는다. 이 경우, 나노와이어(30)와 제2 전극(20)의 접합면에서는 나노와이어(30)의 반도체 특성으로 인하여 쇼트키 접합(Schottky contact)이 형성될 수도 있다. 쇼트키 접합이 형성될 경우, 나노와이어(30)의 압전 효과만을 이용하여 전기 에너지를 생성하는 경우에 비하여 상대적으로 큰 전기 에너지를 얻을 수도 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 전기 에너지 발생 장치에 응력을 가하여 제1 전극(10)과 제2 전극(20) 사이의 거리를 감소시키면, 나노와이어(30)의 압전 특성으로 인하여 전류가 흐르게 된다. 따라서, 인가된 응력을 이용하여 전기 에너지를 발생시킬 수 있다. 또한, 발생된 전기 에너지를 제2 저장부(80)에 저장할 수도 있다.
도 3a는 다른 실시예에 따른 전기 에너지 발생 장치의 단면도이다.
도 3a를 참조하면, 전기 에너지 발생장치에서 제2 전극(20)은 요철부(A)를 포함할 수 있다. 예컨대, 제2 전극(20)의 요철부(A)는 하나 이상의 오목한 부분(A1) 및 하나 이상의 볼록한 부분(A2)에 의한 물결 형상의 구조를 가질 수 있다. 일 실시예에서, 요철부(A)는 곡면 또는 경사면을 포함할 수 있다. 예컨대, 제2 전극(20)은 도 3a에 도시된 것과 같이 단면이 반원 형상인 요철부(A)를 포함할 수 있다. 제2 전극(20)이 요철부(A)를 포함하는 경우, 나노와이어(30)는 제2 전극(20)의 요철부(A)의 오목한 부분(A1)에 인접하여 위치할 수 있다.
도 3a에 도시된 전기 에너지 발생 장치에서 제2 전극(20)의 형상을 제외한 나머지 구성은 도 2a를 참조하여 전술한 실시예의 구성과 동일하므로 자세한 설명을 생략한다.
도 3b는 도 3a에 도시된 전기 에너지 발생 장치에서 나노와이어(30)가 공진에 의하여 진동하는 상태를 도시한 단면도이다.
도 3b를 참조하면, 나노와이어(30)의 공진 주파수에 해당하는 주파수를 갖는 신호가 전기 에너지 발생 장치에 인가될 수 있다. 상기 신호는 무선으로 인가될 수도 있다. 일 실시예에서, 상기 신호는 전자기파일 수도 있다. 또한, 상기 신호는 라디오파(Radio Frequency wave; RF wave)일 수도 있다. 예를 들어, 라디오파는 약 3 kHz 에서 약 300 MHz의 주파수를 가질 수도 있다.
나노와이어(30)는 인장 강도가 높은 동시에 탄성이 큰 특성을 가질 수 있다. 이때, 나노와이어(30)에 신호가 인가되고, 인가되는 신호의 주파수가 나노와이 어(30)의 공진 주파수에 해당하는 경우, 신호로부터 전달되는 에너지에 의하여 나노와이어(30)가 공진할 수 있다. 예컨대, 나노와이어(30)의 공진 주파수에 해당하는 주파수를 갖는 전자기파가 나노와이어(30)에 인가되면, 나노와이어(30)의 전자들이 전자기파에 의해 생성되는 전자기장에 영향을 받아 움직일 수 있다. 결과적으로 나노와이어(30)가 전자기파에 의해 공진하여 양 방향으로 진동할 수 있다.
나노와이어(30)는 압전 물질로 이루어지므로, 휘어진 나노와이어(30) 내에는 전위차가 형성된다. 한편, 나노와이어(30)는 제2 전극(20)의 요철부(A)의 오목한 부분(A1)에 인접하여 위치할 수 있다. 따라서, 휘어진 나노와이어(30)는 적어도 부분적으로 제2 전극(20)과 접촉할 수 있다. 휘어진 나노와이어(30)는 소정의 전위를 갖는 반면 제2 전극(20)은 전위를 갖지 않으므로, 나노와이어(30)와 제2 전극(20) 사이에 전류가 흐를 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 일 실시예에 따른 전기 에너지 발생 장치에 나노와이어(30)의 공진 주파수에 해당하는 주파수의 신호를 인가함으로써 나노와이어(30)에서 전기 에너지를 발생시킬 수 있다.
도 3b는 도 3a에 도시된 전기 에너지 발생 장치에서 나노와이어(30)를 공진시켜 전기 에너지를 발생시키는 실시예를 도시하였으나, 도 3a에 도시된 전기 에너지 발생 장치에 응력을 인가함으로써 나노와이어(30)로부터 전기 에너지를 발생시킬 수도 있다. 이는 도 2b를 참조하여 전술한 실시예로부터 당업자에게 용이하게 이해될 수 있어 자세한 설명을 생략한다.
도 4a 내지 도 4g는 일 실시예에 따른 전기 에너지 발생 장치의 제1 전극 부 분의 제조 단계를 도시한 단면도이다.
도 4a를 참조하면, 먼저 기판(1)상에 제1 전극(10)을 형성할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 기판(1)으로는 유리, 실리콘, 폴리머, 사파이어, GaN, SiC 또는 다른 적당한 물질로 이루어진 기판이 사용될 수 있다. 상기 제1 전극(10)은 도전 물질로 이루어질 수 있다. 상기 제1 전극(10)은 도금법, 스퍼터링, 전자빔 증착법, 열 증착법 또는 다른 적당한 방법에 의하여 형성될 수 있다. 상기 제1 전극(10)은 추후 형성될 나노와이어를 지지하는 하부 전극의 역할을 할 수 있다.
도 4b를 참조하면, 다음으로 제1 전극(10)상에 나노물질층(300)을 형성할 수 있다. 상기 나노물질층(300)은 스핀 코팅(spin coating), 딥 코팅(dip coating), 증발법(evaporation method) 또는 다른 적당한 방법에 의하여 제1 전극(10)상에 얇은 두께로 형성될 수 있다. 예컨대, 나노물질층(300)의 두께는 약 3 nm 내지 약 50 nm일 수도 있다. 일 실시예에서, 상기 나노물질층(300)은 초산아연(Zinc Acetate)으로 이루어질 수도 있다.
도 4c를 참조하면, 다음으로 나노물질층(도 4b, 300)이 형성된 기판(1)을 가열함으로써 하나 이상의 나노 핵(301)을 형성할 수 있다. 예컨대, 나노물질층(300)이 형성된 기판(1)을 약 100 °C의 온도에서 가열 및 건조하여 나노 핵(301)을 형성할 수 있다.
도 4d를 참조하면, 다음으로 나노 핵이 형성된 기판(1)을 나노물질이 용해되어 있는 용액에 투입함으로써, 각각의 나노 핵으로부터 나노와이어(30)를 성장시킬 수 있다.
도 4e를 참조하면, 다음으로 나노와이어(30)가 형성된 제1 전극(10)상에 광 활성층(40)을 형성할 수 있다. 광 활성층(40)은 태양광 등의 광을 흡수하여 전자-정공 쌍을 생성할 수 있는 물질을 포함할 수 있다. 예컨대, 광 활성층(40)은 무기 재료, 유기 재료, 유-무기 복합 재료 또는 다른 적당한 물질을 포함할 수 있다.
광 활성층(40)은 스핀 코팅, 딥 코팅, 증발법 또는 다른 적당한 방법에 의하여 제1 전극(10)상에 형성될 수 있다. 또한, 광 활성층(40)은 광 활성층(40)을 구성하는 물질의 종류에 따라 적절한 두께로 형성될 수 있다. 예컨대, 유기 재료로 이루어지는 광 활성층(40)의 경우 약 100 nm 내지 약 200 nm 의 두께로 형성될 수도 있다.
도 4f를 참조하면, 다음으로 나노와이어(30)상에 절연막(50)을 형성할 수 있다. 절연막(50)은 나노와이어(30)를 추후 형성될 도전층으로부터 전기적으로 차단하기 위한 물질이다. 절연막(50)은 스핀 코팅, 딥 코팅, 증발법 또는 다른 적당한 방법에 의하여 나노와이어(30)의 표면상에 형성될 수 있다. 예컨대, 나노와이어(30)의 표면에 알루미늄을 형성하고 이를 양극 산화시켜 양극 산화 알루미늄(Anodic Aluminum Oxide; AAO)으로 이루어진 절연막(50)을 형성할 수도 있다.
일 실시예에서, 절연막(50)은 나노와이어(30)와 마찬가지로 압전 물질로 이루어질 수도 있다. 압전 물질로 이루어진 절연막(50)으로 나노와이어(30)를 둘러쌈으로써, 나노와이어(30)를 절연시키는 동시에 나노와이어(30)의 압전 특성을 향상시킬 수 있다. 예컨대, 절연막(50)은 PZT, BaTiO3 또는 다른 적당한 물질 중 하나 또는 이들의 둘 이상의 조합으로 이루어질 수도 있다.
한편, 나노와이어(30)의 끝 부분이 절연막(50)에 의하여 덮히지 않고 노출되어야 나노와이어(30)가 추후 제2 전극과 접촉할 수 있다. 따라서, 절연막(50)은 나노와이어(30)의 끝을 완전히 덮지 않을 정도의 높이까지 형성될 수 있다. 절연막(50)이 나노와이어(30)를 완전히 덮을 정도로 과도하게 형성된 경우에는, 절연막(50)의 일부를 제거함으로써 나노와이어(30)의 끝 부분을 노출시킬 수 있다. 예컨대, 절연막(50)은 적외선(IR) 식각, 플라즈마 식각 또는 다른 적당한 방법을 이용하여 부분적으로 제거될 수 있다.
도 4g를 참조하면, 다음으로 광 활성층(40)상에 도전층(60)을 형성할 수 있다. 도전층(60)은 금속 또는 다른 적당한 도전 물질을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 도전층(60)은 투명한 물질로 이루어질 수도 있다. 도전층(60)은 스핀 코팅, 딥 코팅, 증발법 또는 다른 적당한 방법에 의하여 적절한 두께로 형성될 수 있다. 예컨대, 도전층(60)은 수십 nm 내지 수백 nm 정도의 두께로 형성될 수도 있다.
절연막(50)과 관련하여 전술한 것과 마찬가지로, 도전층(60)은 나노와이어(30)를 완전히 덮지 않을 정도의 두께로 형성될 수 있다. 도전층(60)이 과도하게 형성되어 나노와이어(30)를 완전히 덮을 경우에는, IR 식각, 플라즈마 식각 또는 다른 적당한 방법에 의하여 도전층(60)을 부분적으로 제거함으로써 나노와이어(30)의 끝을 노출시킬 수도 있다.
도 4a 내지 도 4g를 참조하여 전술한 단계에 의하여 일 실시예에서 따른 전기 에너지 발생 장치의 제1 전극 및 제1 전극상에 위치하는 나노와이어, 광 활성 층, 절연막 및 도전층이 형성될 수 있다.
도 5a 내지 도 5g는 일 실시예에 따른 전기 에너지 발생 장치에서 제2 전극을 제조하는 각 단계를 도시한 단면도이다.
도 5a를 참조하면, 먼저 템플릿(template) 기판(3)상에 금속층(200)을 형성할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 기판(3)으로는 실리콘 웨이퍼가 사용될 수도 있다. 또한, 일 실시예에서, 상기 금속층(200)은 알루미늄(Al)으로 이루어질 수도 있다.
도 5b를 참조하면, 다음으로 금속층(200)을 양극산화(anodizing)하여 양극산화막(201)을 형성할 수 있다. 양극산화란, 금속층(200)을 양극(cathode)으로 하여 전해질 용액 내에서 전기 분해하는 과정을 지칭할 수 있다. 양극산화 과정을 거치면, 금속층(200)의 구성 물질이 전해질 내로 용해되는 동시에 금속층(200)상에 형성된 자연 산화막의 두께가 증가할 수 있다. 따라서, 도 5b에 도시된 것과 같은 구조의 양극산화막(201)이 형성될 수 있다.
도 5c를 참조하면, 다음으로 전술한 양극산화 과정에 의하여 형성된 양극산화막(201)을 제거할 수 있다. 예컨대, 양극산화막(201)은 습식 또는 건식 식각에 의하여 제거될 수 있다. 양극산화막(201)에 제거되고 난 후의 템플릿 기판(3)은 물결 형상의 구조를 갖는 요철부를 포함할 수 있다.
도 5d를 참조하면, 다음으로 템플릿 기판(3)상에 제2 전극(20)을 형성할 수 있다. 상기 제2 전극(20)은 추후 나노와이어와 접촉하여 전류가 흐르는 상부 전극의 역할을 할 수 있다. 상기 제2 전극(20)은 도전 물질로 이루어질 수 있다. 상기 제2 전극(20)은 도금법, 스퍼터링, 전자빔 증착법, 열 증착법 또는 다른 적당한 방법에 의하여 형성될 수 있다. 상기 제2 전극(20)은 나노와이어와 접촉하여 전류가 흐르는 상부 전극의 역할을 할 수 있다.
일 실시예에서는, 도 5e에 도시된 바와 같이 제2 전극(20)상에 접착층(203)을 형성할 수 있다. 상기 접착층(203)은 제2 전극(20)과 추후 형성될 운반용 기판과의 접착성을 증가시키는 층일 수 있다. 일 실시예에서, 상기 접착층(203)은 니켈(Ni)을 포함하여 이루어질 수 있다. 또한, 접착층(203)은 전기도금(electroplating)에 의하여 형성될 수도 있다.
도 5f를 참조하면, 다음으로 접착층(203)상에 운반용 기판(2)을 접합할 수 있다. 다른 실시예에서는, 접착층(203)이 없이 제2 전극(20)상에 운반용 기판(2)을 접합할 수도 있다. 또한, 일 실시예에서, 상기 운반용 기판(2)은 폴리머(polymer)를 포함하여 이루어질 수도 있다.
도 5g를 참조하면, 다음으로 제2 전극(20), 접착층(203) 및 운반용 기판(2)을 템플릿 기판(3)으로부터 분리할 수 있다. 분리된 제2 전극(20)은 템플릿 기판(3)의 형상으로 인하여 오목한 부분(A1) 및 볼록한 부분(A2)으로 구성된 요철부(A)를 포함할 수 있다.
도 5a 내지 도 5g를 참조하여 전술한 각 단계에 의하여 요철부(A)를 포함하는 제2 전극(20)을 형성할 수 있다.
다른 실시예에서 제2 전극(20)은 요철부를 포함하지 않는 평판 형상일 수도 있다. 이 경우, 제2 전극(20)은 도금법, 스퍼터링, 전자빔 증착법, 열 증착법, 또 는 다른 적당한 방법을 사용하여 기판(2)상에 도전 물질을 형성함으로써 형성될 수도 있다.
도 6a 및 6b는 일 실시예에 따른 전기 에너지 발생 장치의 제조 방법에서, 나노와이어와 제2 전극을 서로 근접시켜 전기 에너지 발생 장치의 제조를 완료하는 각 단계를 도시한 단면도이다.
도 6a를 참조하면, 먼저 나노와이어(30)를 제2 전극(20)에 근접시킬 수 있다. 이때, 나노와이어(30)는 제2 전극(20)에 접촉될 수도 있으며, 또는 제2 전극(20)과 이격되어 위치할 수도 있다. 일 실시예에서, 제2 전극(20)이 요철부(A)를 갖는 경우, 나노와이어(30)는 제2 전극(20)의 요철부(A)의 오목한 부분(A1)에 근접하도록 위치할 수도 있다.
한편, 도 6a는 제2 전극(20)이 요철부(A)를 갖는 실시예를 도시하였으나, 다른 실시예에서 제2 전극(20)은 요철부(A)를 갖지 않는 평판 형상일 수도 있다.
도 6b를 참조하면, 다음으로 제1 전극(10) 및 도전층(60)을 전기적으로 연결할 수 있다. 예를 들어, 제1 저장부(70)에 의하여 제1 전극(10)과 도전층(60)을 전기적으로 연결할 수 있다. 광 활성층(40)이 광을 흡수함에 따라 발생된 전기 에너지가 제1 저장부(70)에 저장될 수 있다.
또한, 제1 전극(10) 및 제2 전극(20)을 전기적으로 연결할 수 있다. 예를 들어, 제2 저장부(80)에 의하여 제1 전극(10) 및 제2 전극(20)을 전기적으로 연결할 수 있다. 나노와이어(30)에 응력이 인가되어 나노와이어(30)가 휘어지거나, 나노와이어(30)에 공진 신호가 인가되어 나노와이어(30)가 진동함으로써 발생되는 전기 에너지가 제2 저장부(80)에 저장될 수 있다.
이상에서 살펴본 본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러나, 이와 같은 변형은 본 발명의 기술적 보호범위 내에 있다고 보아야 한다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해서 정해져야 할 것이다.
도 1은 일 실시예에 따른 전기 에너지 발생 장치의 사시도이다.
도 2a는 일 실시예에 따른 전기 에너지 발생 장치의 단면도이다.
도 2b는 일 실시예에 따른 전기 에너지 발생 장치에 응력이 인가되었을 경우의 단면도이다.
도 3a는 다른 실시예에 따른 전기 에너지 발생 장치의 단면도이다.
도 3b는 다른 실시예에 따른 전기 에너지 발생 장치에 신호가 인가되어 나노와이어가 공진하는 경우의 단면도이다.
도 4a 내지 4g는 일 실시예에 따른 전기 에너지 발생 장치의 제조 방법의 일부 단계를 도시한 단면도이다.
도 5a 내지 5g는 일 실시예에 따른 전기 에너지 발생 장치의 제조 방법의 다른 일부 단계를 도시한 단면도이다.
도 6a 및 6b는 일 실시예에 따른 전기 에너지 발생 장치의 제조 방법의 또 다른 일부 단계를 도시한 단면도이다.

Claims (20)

  1. 서로 이격된 제1 전극 및 제2 전극;
    압전 물질로 이루어지는 상기 제1 전극상의 나노와이어;
    상기 제1 전극상의 광 활성층;
    상기 광 활성층상의 도전층; 및
    상기 도전층과 상기 나노와이어 사이의 절연막을 포함하되,
    상기 나노와이어와 상기 광 활성층은 전기적으로 연결된 것을 특징으로 하는 전기 에너지 발생 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 전극, 상기 제2 전극 및 상기 도전층 중 하나 이상은 투명한 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 전기 에너지 발생 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제1 전극에 연결된 제1 기판 및 상기 제2 전극에 연결된 제2 기판을 더 포함하되,
    상기 제1 기판 및 상기 제2 기판 중 하나 이상은 투명한 물질로 이루어진 것 을 특징으로 하는 전기 에너지 발생 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 하나 이상은 인가된 응력에 의해 변형되는 유연 전극이며,
    상기 나노와이어는 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이의 거리가 감소함에 따라 변형되어 상기 제2 전극과 접촉하는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 발생 장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 제2 전극은 요철부를 포함하며,
    상기 나노와이어는 상기 제2 전극의 상기 요철부 중 오목한 부분에 인접하여 위치하는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 발생 장치.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 제1 전극에 연결된 제1 기판 및 상기 제2 전극에 연결된 제2 기판을 더 포함하되,
    상기 제1 기판 및 상기 제2 기판 중 하나 이상은 인가된 응력에 의하여 변형되는 유연한 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 전기 에너지 발생 장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 제2 전극은 요철부를 포함하며,
    상기 나노와이어는 상기 제2 전극의 상기 요철부 중 오목한 부분에 인접하여 위치하고, 인가된 신호에 의해 공진하여 상기 제2 전극과 접촉하는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 발생 장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 전극 및 상기 도전층 사이에 전기적으로 연결된 제1 저장부; 및
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 전기적으로 연결된 제2 저장부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 발생 장치.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 광 활성층은, 유기 재료, 무기 재료 또는 유-무기 복합 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 발생 장치.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 절연막은 압전 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 전기 에너지 발생 장치.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 나노와이어 및 상기 절연막은, 납-지르코늄-티타늄산화물(PZT) 및 티탄산 바륨(BaTiO3)으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 하나 또는 이들의 2이상의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 발생 장치.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 전극, 상기 제2 전극 및 상기 도전층은, 금속, 인주석 산화물, 탄소나노튜브, 그라핀, 전도성 폴리머, 나노 섬유 및 나노복합재료로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 하나 또는 이들의 2이상의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 발생 장치.
  13. 압전 물질로 이루어진 나노와이어를 제1 전극상에 배치하는 단계;
    상기 제1 전극상에 상기 나노와이어와 전기적으로 연결된 광 활성층을 형성하는 단계;
    상기 나노와이어상에 절연막을 형성하는 단계;
    상기 광 활성층상에 도전층을 형성하는 단계; 및
    상기 나노와이어와 인접하여 제2 전극을 배치하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 발생 장치의 제조 방법.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 제1 전극 및 상기 도전층 사이에 제1 저장부를 전기적으로 연결하는 단계; 및
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 제2 저장부를 전기적으로 연결하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 발생 장치의 제조 방법.
  15. 제 13항에 있어서,
    상기 나노와이어와 인접하여 제2 전극을 배치하는 단계 전에,
    템플릿 기판상에 금속층을 형성하는 단계;
    상기 금속층을 양극산화하여 양극산화막을 형성하는 단계;
    상기 양극산화막을 제거하고 상기 템플릿 기판상에 상기 제2 전극을 형성하는 단계; 및
    상기 제2 전극을 운반용 기판에 접합하고, 상기 제2 전극 및 상기 운반용 기판을 상기 템플릿 기판으로부터 분리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 발생 장치의 제조 방법.
  16. 제 13항에 있어서,
    상기 제1 전극, 상기 제2 전극 및 상기 도전층 중 하나 이상은 투명한 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 전기 에너지 발생 장치의 제조 방법.
  17. 제 13항에 있어서,
    상기 광 활성층은, 유기 재료, 무기 재료 또는 유-무기 복합 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 발생 장치의 제조 방법.
  18. 제 13항에 있어서,
    상기 절연막은 압전 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 전기 에너지 발생 장치의 제조 방법.
  19. 제 18항에 있어서,
    상기 나노와이어 및 상기 절연막은, 납-지르코늄-티타늄산화물(PZT) 및 티탄산 바륨(BaTiO3)으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 하나 또는 이들의 2이상의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 발생 장치의 제조 방법.
  20. 제 13항에 있어서,
    상기 제1 전극, 상기 제2 전극 및 상기 도전층은, 금속, 인주석 산화물, 탄소나노튜브, 그라핀, 전도성 폴리머, 나노 섬유 및 나노복합재료로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 하나 또는 이들의 2이상의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 발생 장치의 제조 방법.
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