KR102702532B1 - 강유전성 물질을 포함하는 플렉서블 에너지 하베스팅 소자 및 그의 제조 방법 - Google Patents
강유전성 물질을 포함하는 플렉서블 에너지 하베스팅 소자 및 그의 제조 방법 Download PDFInfo
- Publication number
- KR102702532B1 KR102702532B1 KR1020200162656A KR20200162656A KR102702532B1 KR 102702532 B1 KR102702532 B1 KR 102702532B1 KR 1020200162656 A KR1020200162656 A KR 1020200162656A KR 20200162656 A KR20200162656 A KR 20200162656A KR 102702532 B1 KR102702532 B1 KR 102702532B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- powder
- electrode
- flexible
- metal
- energy harvesting
- Prior art date
Links
- 230000009975 flexible effect Effects 0.000 title claims abstract description 55
- 238000003306 harvesting Methods 0.000 title claims abstract description 47
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 26
- 239000000463 material Substances 0.000 title abstract description 10
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 11
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims description 50
- 229920002981 polyvinylidene fluoride Polymers 0.000 claims description 29
- 239000002033 PVDF binder Substances 0.000 claims description 28
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 15
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 14
- 229920000307 polymer substrate Polymers 0.000 claims description 13
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 11
- 239000002904 solvent Substances 0.000 claims description 10
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 239000011812 mixed powder Substances 0.000 claims description 8
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 8
- 230000007704 transition Effects 0.000 claims description 8
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 7
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims description 6
- 229910010413 TiO 2 Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 229910021193 La 2 O 3 Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 238000000498 ball milling Methods 0.000 claims description 4
- 238000001354 calcination Methods 0.000 claims description 4
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 3
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 3
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 claims description 3
- 238000004528 spin coating Methods 0.000 claims description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 abstract description 6
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 abstract description 5
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 10
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 9
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 8
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 8
- 239000010408 film Substances 0.000 description 4
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000011161 development Methods 0.000 description 3
- LLYXJBROWQDVMI-UHFFFAOYSA-N 2-chloro-4-nitrotoluene Chemical compound CC1=CC=C([N+]([O-])=O)C=C1Cl LLYXJBROWQDVMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002042 Silver nanowire Substances 0.000 description 2
- 229920001940 conductive polymer Polymers 0.000 description 2
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 2
- 230000005621 ferroelectricity Effects 0.000 description 2
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 2
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 230000002194 synthesizing effect Effects 0.000 description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 2
- 229910052723 transition metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000003624 transition metals Chemical class 0.000 description 2
- 229910000859 α-Fe Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910015902 Bi 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910020599 Co 3 O 4 Inorganic materials 0.000 description 1
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical group [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052797 bismuth Inorganic materials 0.000 description 1
- JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N bismuth atom Chemical compound [Bi] JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 150000001768 cations Chemical class 0.000 description 1
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical group [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000001747 exhibiting effect Effects 0.000 description 1
- 229920005570 flexible polymer Polymers 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 230000005616 pyroelectricity Effects 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 1
- 238000003746 solid phase reaction Methods 0.000 description 1
- 238000010671 solid-state reaction Methods 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 230000002269 spontaneous effect Effects 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010792 warming Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/80—Constructional details
- H10N30/87—Electrodes or interconnections, e.g. leads or terminals
- H10N30/871—Single-layered electrodes of multilayer piezoelectric or electrostrictive devices, e.g. internal electrodes
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
- H02N2/18—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/01—Manufacture or treatment
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/50—Piezoelectric or electrostrictive devices having a stacked or multilayer structure
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/80—Constructional details
- H10N30/85—Piezoelectric or electrostrictive active materials
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
- Y02E10/549—Organic PV cells
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Photovoltaic Devices (AREA)
Abstract
본 발명은, 강유전성 물질을 포함하는 플렉서블 에너지 하베스팅 소자 및 그의 제조 방법에 관한 발명이다. 플렉서블 에너지 하베스팅 소자는, 제1 전극, 제1 전극과 이격된 제2 전극 및 제1 전극과 제2 전극 사이에 구비된 플렉서블한 β-phase PVDF 도핑된 금속 도핑 페로브스카이트 강유전층을 포함하며, 이에 따라, 높은 광흡수 특성을 가지고 광전 변환 효율이 향상될 수 있다.
Description
본 발명은 강유전성 물질을 포함하는 플렉서블 에너지 하베스팅 소자 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 자세하게, 철과 코발트가 도핑된 BLT (Bi3 . 25La0 . 75Co1Ti2O12) 파우더와 PVDF 파우더를 혼합하여 광흡수와 압전특성을 동시에 가지는 플렉서블 에너지 하베스팅 소자 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
석유의 자원적인 고갈과 지구온난화의 문제가 심각하게 부각되면서, 친환경적인 에너지의 개발 및 발전에 대한 연구가 많이 진행되고 있다. 특히, 지구상에서 태양열 혹은 빛, 진동, 전자기파 등은 주변에서 쉽게 찾을 수 있으며, 무한에 가깝게 존재하므로, 이를 적절하게 변환하면 인류는 친환경적인 에너지를 얻을 수 있다.
이러한 에너지를 변환할 수 있는 방식에는 빛을 에너지로 변환시키는 태양전지소자(0.4~40 mW/cm2), 열을 에너지로 변환시키는 열전소자(0.01~10 mW/cm2), 진동 및 압력을 에너지로 변환시키는 압전소자(0.005~10 mW/cm2) 및 전자기파를 에너지로 변환시키는 RF 방식(0.1~5 mW/cm2)이 있으며, 에너지 생산, 변환, 저장의 과정을 거쳐서 사용이 가능하다.
특히, 현재까지 보고된 강유전체 재료들은 강유전 특성뿐만 아니라 압전성(piezoelectricity), 초전성(pyroelectricity), 전기광??(electro-optic) 및 비선형 광학(non-linear optic)특성을 갖고 있기 때문에 다양한 에너지 변환 소자들에 응용이 가능하므로 차세대 에너지소자 재료로 각광받고 있다.
그러나 ABO3를 갖는 페로브스카이트 강유전성 재료의 넓은 밴드 갭은 A-O 및 B-O 결합에 의해 야기되는 전형적인 특성으로 밴드갭(Eg)은 O2p 상태에서 전이 금속(B, 양이온) 상태로의 전하 이동에 의해 결정된다. 대부분의 강유전체는 O와 전이 금속 사이에 큰 전기 음성도를 가지고 있기 때문에 큰 밴드 갭을 갖게 된다. 또한, 기존의 비스무트 페라이트(BiFeO3, Eg=2.67eV)조차 총 태양 스펙트럼 중 흡수할 수 있는 에너지의 비율이 20%수준으로 에너지 변환 응용 소자에 적용이 어렵기 때문에, 광 흡수율, 특히 가시광선 영역에서의 광 흡수율 향상과 광분극 캐리어 농도를 향상시키기 위한 많은 연구가 진행되고, 대부분의 연구는 강유전성에 영향을 미치지 않으면서 밴드갭을 낮추는데 집중하고 있다.
더불어 강유전체는 앞에서 설명한 바와 같이 뛰어난 압전 특성도 가지고 있지만, 외부 충격에 의한 물질 깨짐 현상이 발생하여 유연한 기판을 사용하는 플렉서블 소자에 적용이 매우 어렵기 때문에, 플렉서블 에너지 하베스팅 기술에 적용시키려는 개발 연구가 필요한 실정이다.
따라서 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 전이원소 도핑을 통해 자발분극특성(강유전성)은 유지하면서 광학성질이 개선되고, PVDF를 포함하여 휨이 가능한 하이브리드 플렉서블 에너지 하베스팅 소자를 구현하는 방법을 제공하는 데 있다.
이러한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 의한 플렉서블 에너지 하베스팅 소자는, 제1 전극, 제1 전극과 이격된 제2 전극 및 제1 전극과 제2 전극 사이에 구비된 플렉서블한 β-phase PVDF 도핑된 금속 도핑 페로브스카이트 강유전층을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 플렉서블 에너지 하베스팅 소자는, 제1 전극, 상기 강유전층, 상기 제2 전극이 순차로 형성될 수 있다.
상기 강유전층은, PVDF 파우더, 금속 도핑된 페로브스카이트 파우더가 6:4의 비율로 포함된 혼합파우더 및 용매를 포함하는 혼합물을 상기 기판 상에 스핀코팅하여 형성할 수 있다.
상기 제1 및 제2 전극 중 적어도 하나는 유연한 전도성 물질을 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2 전극 중 적어도 하나는 투명한 전도성 물질을 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2 전극 중 적어도 하나는 투명한 폴리머 기판 상에 형성되는 ITO층을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 및 제2 전극 중 적어도 하나는 특정 패턴으로 패터닝 되어 일부 개구 영역이 형성 될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 플렉서블한 β-phase PVDF 도핑된 금속 도핑 페로브스카이트 강유전체막 제조 방법은, PVDF 파우더와 금속 도핑된 페로브스카이트 파우더 및 용매를 포함하는 혼합물을 준비하는 단계, 상기 혼합물을 유리기판 상에 코팅하는 단계, 상기 유리기판을 핫플레이트 상에서 건조하여 강유전체막을 형성하는 단계 및, 상기 강유전체막을 상기 유리기판에서 분리하는 단계를 포함한다.
상기 혼합물은, PVDF 파우더와 금속 도핑된 페로브스카이트 파우더의 비율이 6:4일 수 있다.
상기 혼합물을 준비하는 단계는, 0.222g PVDF 파우더와 0.148g 금속 도핑된 페로브스카이트 파우더에 2g DMA 용매를 혼합하는 단계일 수 있다.
상기 금속 도핑된 페로브스카이트 파우더는, BI2O3, La2O3, TiO2를 포함하는 파우더 및 a-Fe2O3, CO3O4 파우더를 포함하는 혼합 파우더에 에탄올을 첨가하여 볼밀링하고, 볼밀링한 상기 혼합 파우더를 건조하고 하소하여 제조할 수 있다.
본 발명에 의한 플렉서블 에너지 하베스팅 소자는, 높은 광흡수 특성을 가지고 광전 변환 효율이 향상될 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 플렉서블 에너지 하베스팅 소자는, 압전 특성이 향상되고, 휨이 가능하여 다양한 웨어러블 기기에 응용이 가능할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플렉서블 에너지 하베스팅 소자의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플렉서블 에너지 하베스팅 소자의 단면도이다.
도 3은 금속이 도핑된 BLT 분말을 합성하는 방법을 설명한 순서도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 강유전층을 형성하는 방법을 설명한 순서도이다.
도 5는 도 1의 플렉서블 에너지 하베스팅 소자를 제조하는 방법을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 플렉서블 에너지 하베스팅 소자를 이용하여 압전에너지를 하베스팅하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플렉서블 에너지 하베스팅 소자를 이용하여 압전에너지 및 광전에너지를 동시에 하베스팅하는 도면이다.
도 8은 유전층이 PVDF와 BLT를 포함하는 소자와 PVDF와 금속이 도핑된 BLT를 포함하는 소자의 압전 특성을 나타내는 그래프이다.
도 9는 ITO/PET의 투과율을 나타내는 도면이다.
도 10은 폴리머 기판 및 PVDF가 도핑된 페로브스카이트 강유전층의 투과율을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플렉서블 에너지 하베스팅 소자의 단면도이다.
도 3은 금속이 도핑된 BLT 분말을 합성하는 방법을 설명한 순서도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 강유전층을 형성하는 방법을 설명한 순서도이다.
도 5는 도 1의 플렉서블 에너지 하베스팅 소자를 제조하는 방법을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 플렉서블 에너지 하베스팅 소자를 이용하여 압전에너지를 하베스팅하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플렉서블 에너지 하베스팅 소자를 이용하여 압전에너지 및 광전에너지를 동시에 하베스팅하는 도면이다.
도 8은 유전층이 PVDF와 BLT를 포함하는 소자와 PVDF와 금속이 도핑된 BLT를 포함하는 소자의 압전 특성을 나타내는 그래프이다.
도 9는 ITO/PET의 투과율을 나타내는 도면이다.
도 10은 폴리머 기판 및 PVDF가 도핑된 페로브스카이트 강유전층의 투과율을 나타내는 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조 부호를 유사한 구성 요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 과장하여 도시한 것일 수 있다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, A와 B가'연결된다', '결합된다'라는 의미는 A와 B가 직접적으로 연결되거나 결합하는 것 이외에 다른 구성요소 C가 A와 B 사이에 포함되어 A와 B가 연결되거나 결합되는 것을 포함하는 것이다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. 또한, 방법 발명에 대한 특허청구범위에서, 각 단계가 명확하게 순서에 구속되지 않는 한, 각 단계들은 그 순서가 서로 바뀔 수도 있다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 플렉서블 에너지 하베스팅 소자의 단면도이고, 도 2는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플렉서블 에너지 하베스팅 소자의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 플렉서블 에너지 하베스팅 소자(100)는 제1 전극(110) 상에 강유전층(130)이 배치되고 강유전층(130) 상에 제2 전극(120)이 배치된다.
상기 제1 전극(110) 및 상기 제2 전극(120)은 둘 중 적어도 하나 이상이 유연한 전도성 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 구리 박막, 은, 백금, 알루미늄을 포함하는 금속 또는 CNT, 은 나노와이어, 그래핀, 전도성 고분자와 같은 나노 전극 소재를 포함할 수 있으며, 이에 제한되지 않는다.
또는, 상기 제1 전극(110) 및 상기 제2 전극(120)은 둘 중 적어도 하나 이상이 투명한 전도성 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, TCO, TiO2, GZO ZnO, ITO 또는 CNT, 은 나노와이어, 그래핀, 전도성 고분자와 같은 나노 전극 소재를 포함할 수 있으며, 이에 제한되지 않는다. 바람직하게, 도 2를 참고하면, 제1 전극(110) 및 상기 제2 전극(120)은 둘 중 적어도 하나 이상이 폴리머 기판 상에 ITO가 증착되어 전극을 형성할 수 있다. 자세하게, 제 1 전극은 제1 폴리머 기판(112) 및 제1 폴리머 기판 상에 증착되는 ITO층(114)을 포함할 수 있으며, 제2 전극은 제2 폴리머 기판(122) 및 제2 폴리머 기판 상에 증착되는 ITO층(124)을 포함할 수 있다. 이러한 상기 제1 전극 및 제2 전극은 광을 충분히 투과 시킬 수 있는 투명성을 가질 수 있으므로, 본 발명의 일 실시예에 따른 플렉서블 에너지 하베스팅 소자가 광전특성을 가질 수 있다.
한편, 상기 제1 전극(110) 또는 제2 전극(120) 중 어느 하나 이상은 다양한 형태로 패터닝 될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 플렉서블한 에너지 하베스팅 소자(100)는 광전특성도 가지고 있으므로, 광변환 효율의 향상을 위하여, 상기 강유전체에 흡수되는 광 흡수율을 높이기 위하여, 상기 제1 전극(110) 또는 제2 전극(120) 둘 중 어느 하나 이상이 오픈되는 영역을 포함하도록 패터닝 될 수 있다.
한편, 상기 강유전층(130)은 유연한 폴리머 및 금속 도핑된 페로브스카이트 혼합물을 포함한다. 상기 폴리머는 PVDF(Polyvinylidene difluoride)를 포함할 수 있으며, 상기 금속 도핑된 페로브스카이트는 비스계열의 Bi4Ti3O12 (BLT)에 전이원소 Fe와 Co 이온을 Ti 대신에 치환시킨 페로브스카이트 재료 일 수 있다.
BLT(Bi3.25La0.75Ti3O12)는 내부에 페로브스카이트 구조를 가지는 아우리빌리우스 상을 갖는 물질로서, 약간의 도핑으로 그 구조를 유지하기 어려우나, 특정한 조건하에서는, 철 또는 코발트 원자들이 페로브스카이트 내 티타늄의 자리를 치환하여 해당 구조는 유지하면서 광학성질이 향상된 박막을 형성할 수 있다. BLT의 결정격자와 동일한 결정격자를 갖는 상기 전이원소들을 도핑한 BLT의 밴드갭은 상기 전이원소 이온들의 오비탈 준위에 의하여 결정되며, 특히, Fe 및 Co를 도핑했을 경우, Ti오비탈 준위가 Fe 및 Co의 오비탈 준위에 영향을 받아 함께 낮아질 수 있다.
즉, BLT에 전이원소를 Ti 대신에 치환시켜, BLT 에너지 밴드갭을 감소시킨 재료로써, 본 발명의 일 실시예에 따른 플렉서블 에너지 하베스팅 소자(100)의 강유전층(130)에 포함되어, 상기 플렉서블 에너지 하베스팅 소자(100)가 광전특성을 가지게 되며, 또한 기존의 BLT를 이용한 광전소자보다 향상된 광전특성을 가질 수 있게 하는 효과가 있다.
도 3은 금속이 도핑된 페로브스카이트 파우더를 합성하는 방법을 설명한 순서도이다.
상기 금속이 도핑된 페로브스카이트 파우더는, BLT에 전이원소, 바람직하게, Co 또는 Fe와 Co를 일정비율로 도핑한 것 일 수 있다. 상기 전이원소들은 BLT의 Ti와 치환되는 방법으로 도핑된다. 상기 금속이 도핑된 BLT 파우더은, 고체상반응법(Solid states reaction 법)으로 합성될 수 있다. 예를 들어, Bi2O3, TiO2, La2O3, Co3O4 및 α-Fe2O3 파우더를 Ti에 대한 Fe 및 Co의 비율은 2:1의 비율로, Fe 및 Co의 비율은 1:3의 비율로 합성되도록 Bi:La:Fe:Co:Ti:0 = 3.25:0.75:0.25:0.75:2:12의 비율에 맞게 혼합할 수 있다.
이후, 상기 혼합된 파우더를 24시간 동안 200rpm으로 볼 밀(ball mill)하는 단계, 100℃의 오븐에서 24시간 건조(dry) 하는 단계 및 850℃에서 2.5시간동안 하소(calcined)하는 단계를 거쳐 금속이 도핑된 파우더를 제조할 수 있다.
상기 강유전층(130)은 상기 금속 도핑된 페로브스카이트의 파우더에 PVDF 파우더를 혼합하여 형성할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 강유전층을 형성하는 방법을 설명한 순서도이다.
도 4를 참조하여, 강유전층(130)을 형성하는 방법은, PVDF파우더와 금속 도핑된 페로브스카이트 파우더 및 용매를 혼합하는 단계를 포함한다. 상기 PVDF 파우더와 상기 금속 도핑된 페로브스카이트 파우더의 혼합비율은 대략 6:4일 수 있으며, 예를 들어 0.222g PVDF 파우더와 0.148g의 금속 도핑된 페로브스카이트 파우더를 혼합하고, 2g의 DMA 용매를 혼합하여 혼합물을 준비할 수 있다.
상기 혼합한 혼합물은, 25℃에서 2시간 동안 교반한 후, 유리기판 상에 1000rpm으로 30초간 스핀코팅하고, 상기 유리기판을 핫플레이트 상에서 60~70℃, 3시간 건조하는 공정을 통해 β-phase의 PVDF가 도핑된 금속 도핑 페로브스카이트 박막층인 강유전층(130)이 형성된다.
제조된 상기 강유전층(130)은 포함된 금속도핑된 페로브스카이트는 광을 흡수하여 광전특성을 나타낼 수 있는 충분한 캐리어가 형성될 수 있어, 광전소자로서 기능할 수 있으며, 또한 상기 강유전층(130)에 포함된 β-phase의 PVDF에 의하여 압전특성을 나타내어 압전소자로서 기능할 수 있어 하이브리드 소자에 이용될 수 있다.
도 5는 도 1의 플렉서블 에너지 하베스팅 소자를 제조하는 방법을 도시한 도면이다.
도 1 및 도 5를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 플렉서블 에너지 하베스팅 소자는, 준비된 상기 제1 전극(110) 상에 상기 유리기판에서 분리된 상기 강유전층(130)을 전사하는 방법으로 배치하고, 상기 강유전층(130) 상에 상기 제2 전극(120)을 배치하여, 도 1에 개시되고 있는 본 발명의 일 실시예에 따른 플렉서블한 에너지 하베스팅 소자(100)를 형성할 수 있다.
상기 강유전층을 상기 유리기판에서 형성하여 제1 전극 층 상에 전사하는 방법은, 강유전층의 평탄도를 확보하여 소자의 에너지 하베스팅 효율을 높이기 위한 방법이다. 따라서 이와 다르게, 평탄도가 확보되어 있는 제1 전극을 사용하는 경우, 유리기판 대신 준비한 제1 전극 상에 PVDF파우더와 금속 도핑된 페로브스카이트 파우더 및 용매를 혼합한 혼합물을 스핀코팅하고, 60~70℃ 3시간 건조하는 공정을 통해 β-phase의 PVDF가 도핑된 금속 도핑 페로브스카이트 박막층인 강유전층을 형성한 후, 강유전층 상에 제2 전극을 형성하는 방법으로 본 발명의 일 실시예에 따른 플렉서블한 에너지 하베스팅 소자(100)를 형성할 수도 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 플렉서블 에너지 하베스팅 소자를 이용하여 압전에너지를 하베스팅하는 도면이고, 도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플렉서블 에너지 하베스팅 소자를 이용하여 압전에너지 및 광전에너지를 동시에 하베스팅하는 도면이다.
즉, 위에서 설명한 제조 방법을 통해 제조된 본 발명의 플렉서블 에너지 하베스팅 소자는, β-phase PVDF 도핑된 금속 도핑 페로브스카이트 강유전층에 의하여 광전특성도 갖게 될 뿐 아니라 압전특성을 가진다. 또한, 동시에 유연한 성질 또한 갖게 되어, 휨이 가능한 웨어러블 기기에 적용이 가능할 수 있다.
이하, 본 발명의 플렉서블한 에너지 하베스팅 소자의 압전특성 및 광전특성에 대하여 실험예의 그래프를 통하여 상세히 설명한다. 그러나 이러한 실험예가 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.
<실험예>
PVDF가 도핑된 페로브스카이트 강유전층을 포함하는 플렉서블 에너지 하베스팅 소자의 압전특성을 측정하고, 폴리머 기판 및 ITO를 포함하는 전극 및 폴리머 기판과 PVDF가 도핑된 페로브스카이트 강유전층의 투과율을 측정하였다.
도 8은 유전층이 PVDF와 BLT를 포함하는 소자와 PVDF와 금속이 도핑된 BLT를 포함하는 소자의 압전 특성을 나타내는 그래프이다.
도 6을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 플렉서블 에너지 하베스팅 소자에 압력을 가하는 경우, 도 8에 도시되고 있는 그래프와 같이 전류가 형성되어 전압이 측정되는 것을 알 수 있다. 특히, 도 8의 (a)는 강유전층은 PVDF가 도핑된 페로브스카이트 박막인 경우의 전압 그래프로서, 5V까지의 전압이 측정된 데에 반하여, 도 8의 (b)는 본 발명에 따른 강유전층, 즉 PVDF가 도핑된 금속도핑 페로브스카이트 박막으로, 10V까지의 전압이 측정되어 더욱 향상된 압전특성을 확인할 수 있다.
도 9는 ITO/PET의 투과율을 나타내는 도면이며, 도 10은 폴리머 기판 상에 PVDF가 도핑된 페로브스카이트 강유전층의 투과율을 나타내는 도면이다.
도 9의 (a)는 ITO/PET 부재의 투명성을 확인할 수 있는 사진이며, 도 9의 (b)는 ITO/PET 부재의 투과율을 측정한 그래프로, 400nm 이상의 영역에서의 투과율이 80% 이상인 것을 알 수 있다.
또한, 도 10 (a) 및 (b)는 PVDF가 도핑된 금속도핑 페로브스카이트 강유전층 박막을 폴리머 기판 상에 형성했을 때의 투명성을 확인할 수 있는 사진이며, 도 10의 (c)는 도 10 (b)의 PVDF가 도핑된 금속도핑 페로브스카이트 강유전층 박막에서 금속도핑 페로브스카이트 강유전체 파우더의 비중이 10wt%인 경우, 20wt%인 경우, 30wt%인 경우, 40wt%인 경우의 투과율을 측정한 그래프이다. 도 10을 참조하여, 폴리머 기판과 기판 상에 증착되는 PVDF가 도핑된 금속도핑 페로브스카이트 강유전층 박막의 투과율은 PVDF가 도핑된 금속도핑 페로브스카이트 파우더의 비중에 따라 조절될 수 있다고 판단되는 것을 알 수 있다.
즉, 이와 같은 특성들로부터 본 발명의 플렉서블 에너지 하베스팅 소자가 ITO/PET층을 전극층으로 사용하고, 일정 비율의 금속도핑 페로브스카이트 강유전체 파우더와 PVDF가 혼합된 강유전층을 포함한다면, 투명성을 가지면서도 광흡수를 통해 광전에너지를 하베스팅할 수 있을 것으로 보여진다.
앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 플렉서블 에너지 하베스팅 소자
110: 제1 전극 120: 제2 전극
130: 강유전층
110: 제1 전극 120: 제2 전극
130: 강유전층
Claims (11)
- 제1 전극;
상기 제1 전극과 이격된 제2 전극; 및
상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 플렉서블한 β-phase PVDF 도핑된 금속 도핑 페로브스카이트 강유전층을 포함하고,
상기 강유전층은,
PVDF 파우더, 금속 도핑된 페로브스카이트 파우더가 6:4의 비율로 포함된 혼합파우더 및 용매를 포함하는 혼합물을 상기 제1 전극 상에 스핀코팅하여 형성하며,
상기 금속 도핑된 페로브스카이트 파우더는,
BI2O3, La2O3, TiO2를 포함하는 파우더 및 a-Fe2O3, CO3O4 파우더를 포함하는 혼합 파우더에 에탄올을 첨가하여 볼밀링하고, 볼밀링한 상기 혼합 파우더를 건조하고 하소하여 강유전체인 비스계열의 Bi4Ti3O12 (BLT)에 전이원소 Fe와 Co 이온을 Ti 대신에 치환한 파우더인 것을 특징으로 하는 플렉서블 에너지 하베스팅 소자. - 제1 항에 있어서,
상기 제1 전극, 상기 강유전층, 상기 제2 전극이 순차로 형성되는 것을 특징으로 하는 플렉서블 에너지 하베스팅 소자. - 삭제
- 제 1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 전극 중 적어도 하나는 유연한 전도성 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 에너지 하베스팅 소자.
- 제1 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 전극 중 적어도 하나는 투명한 전도성 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 에너지 하베스팅 소자.
- 제5 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 전극 중 적어도 하나는 투명한 폴리머 기판 상에 형성되는 ITO층을 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 에너지 하베스팅 소자.
- 제1 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 전극 중 적어도 하나는 특정 패턴으로 패터닝 되어 일부 개구 영역이 형성 될 수 있는 것을 특징으로 하는 플렉서블 에너지 하베스팅 소자.
- 플렉서블한 β-phase PVDF 도핑된 금속 도핑 페로브스카이트 강유전체막 제조방법은,
PVDF 파우더와 금속 도핑된 페로브스카이트 파우더 및 용매를 포함하는 혼합물을 준비하는 단계;
상기 혼합물을 유리기판에 스핀코팅하는 단계;
상기 유리기판을 핫플레이트 상에서 건조하여 코팅막을 형성하는 단계; 및
상기 코팅막을 상기 유리기판에서 분리하는 단계를 포함하고,
상기 금속 도핑된 페로브스카이트 파우더는,
BI2O3, La2O3, TiO2를 포함하는 파우더 및 a-Fe2O3, CO3O4 파우더를 포함하는 혼합 파우더에 에탄올을 첨가하여 볼밀링하고, 볼밀링한 상기 혼합 파우더를 건조하고 하소하여 제조되는 것을 특징으로 하는 플렉서블한 강유전체막 제조 방법. - 제8 항에 있어서,상기 혼합물은,
PVDF 파우더와 금속 도핑된 페로브스카이트 파우더의 비율이 6:4인 것을 특징으로 하는 플렉서블한 강유전체막 제조 방법. - 제8 항에 있어서,
상기 PVDF 파우더와 금속 도핑된 페로브스카이트 파우더 및 용매로 구성된 혼합물을 준비하는 단계는, 0.222g PVDF 파우더와 0.148g 금속 도핑된 페로브스카이트 파우더에 2g DMA 용매를 혼합하는 단계인 것을 특징으로 하는 플렉서블한 강유전체막 제조 방법.
- 삭제
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020200162656A KR102702532B1 (ko) | 2020-11-27 | 2020-11-27 | 강유전성 물질을 포함하는 플렉서블 에너지 하베스팅 소자 및 그의 제조 방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020200162656A KR102702532B1 (ko) | 2020-11-27 | 2020-11-27 | 강유전성 물질을 포함하는 플렉서블 에너지 하베스팅 소자 및 그의 제조 방법 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20220074310A KR20220074310A (ko) | 2022-06-03 |
| KR102702532B1 true KR102702532B1 (ko) | 2024-09-03 |
Family
ID=81983351
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020200162656A KR102702532B1 (ko) | 2020-11-27 | 2020-11-27 | 강유전성 물질을 포함하는 플렉서블 에너지 하베스팅 소자 및 그의 제조 방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR102702532B1 (ko) |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2014520404A (ja) | 2011-06-20 | 2014-08-21 | アドバンスド テクノロジー マテリアルズ，インコーポレイテッド | 高誘電率ペロブスカイト材料ならびにその作製および使用方法 |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104861958B (zh) * | 2015-05-14 | 2017-02-15 | 北京理工大学 | 一种钙钛矿/聚合物复合发光材料及其制备方法 |
| KR20170085865A (ko) * | 2016-01-15 | 2017-07-25 | 성균관대학교산학협력단 | 패턴화된 상면을 갖는 압전 물질층을 포함한 압전 에너지 발전 소자 및 이를 포함한 센서, 그리고 이의 제조 방법 |
| KR102126929B1 (ko) * | 2018-10-19 | 2020-06-25 | 충남대학교산학협력단 | Sn-계 페로브스카이트 박막의 제조방법 및 이를 이용한 에너지 하베스팅 소자 |
-
2020
- 2020-11-27 KR KR1020200162656A patent/KR102702532B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2014520404A (ja) | 2011-06-20 | 2014-08-21 | アドバンスド テクノロジー マテリアルズ，インコーポレイテッド | 高誘電率ペロブスカイト材料ならびにその作製および使用方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20220074310A (ko) | 2022-06-03 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Shahrokhi et al. | Emergence of ferroelectricity in halide perovskites | |
| Chen et al. | Confinement-driven ferroelectricity in a two-dimensional hybrid lead iodide perovskite | |
| Wang et al. | Trilayered lead chloride perovskite ferroelectric affording self-powered visible-blind ultraviolet photodetection with large zero-bias photocurrent | |
| Han et al. | Tailoring of a visible-light-absorbing biaxial ferroelectric towards broadband self-driven photodetection | |
| Li et al. | Two-dimensional hybrid perovskite-type ferroelectric for highly polarization-sensitive shortwave photodetection | |
| Jella et al. | A comprehensive review of flexible piezoelectric generators based on organic-inorganic metal halide perovskites | |
| Huangfu et al. | Visible or near-infrared light self-powered photodetectors based on transparent ferroelectric ceramics | |
| Danjumma et al. | Nickel oxide (NiO) devices and applications: a review | |
| Han et al. | Soft multiaxial molecular ferroelectric thin films with self-powered broadband photodetection | |
| Wu et al. | Discovery of an above-room-temperature antiferroelectric in two-dimensional hybrid perovskite | |
| Machado et al. | Band Gap Tuning of Solution-Processed Ferroelectric Perovskite BiFe1–x Co x O3 Thin Films | |
| Das et al. | Designing a lower band gap bulk ferroelectric material with a sizable polarization at room temperature | |
| Elangovan et al. | Recent developments in perovskite materials, fabrication techniques, band gap engineering, and the stability of perovskite solar cells | |
| Jalaja et al. | Ferroelectrics and multiferroics for next generation photovoltaics | |
| Wu et al. | Bromine-Substitution-Induced High-T c Two-Dimensional Bilayered Perovskite Photoferroelectric | |
| Liu et al. | Applications of ferroelectrics in photovoltaic devices | |
| Ding et al. | Organometal trihalide perovskites with intriguing ferroelectric and piezoelectric properties | |
| Wu et al. | Ferroelectric, optical, and photovoltaic properties of morphotropic phase boundary compositions in the PbTiO3–BiFeO3–Bi (Ni1/2Ti1/2) O3 system | |
| Bai et al. | Ferroelectric oxides for solar energy conversion, multi‐source energy harvesting/sensing, and opto‐ferroelectric applications | |
| Nandi et al. | Organic-inorganic hybrid lead halides as absorbers in perovskite solar cells: a debate on ferroelectricity | |
| CN110459622A (zh) | 半导体膜和半导体元件 | |
| Chang et al. | Tuning photovoltaic performance of perovskite nickelates heterostructures by changing the A-site rare-earth element | |
| Pareja-Rivera et al. | Lead-free halide perovskites, beyond solar cells and LEDs | |
| Wang et al. | Recent progress of the optoelectronic properties of 2D Ruddlesden-Popper perovskites | |
| Lan et al. | Achieving ultrahigh photocurrent density of Mg/Mn-modified KNbO3 ferroelectric semiconductors by bandgap engineering and polarization maintenance |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E90F | Notification of reason for final refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant |