티탄산 바륨과 산화아연 주석 나노 입자 이중층 하이브리드 구조를 이용한 고효율 압전 발전소자 제작

Abstract

초록 BaTiO3 (barium titanate)는 고유전율의 세라믹으로서, 일찍이 산업에서 자기콘덴서(ceramic condenser) 나 MLCC (multy layer ceranic condencer) 등의 수동소자로서 사용이되었습니다. 뿐만 아니라, ZnO 와 더불어 무연계(lead free) 대표적인 압전물질로서 압전발전소자로서 제작이 되었으나 PZT(lead zirconate titanate)에 비해 압전 효율이 낮아 산업에서 적용되기 힘든 경우가 많았습니다. 따라서 이 논문에서는 두가지 압전물질을 활용하여 각각의 박막을 표면 형상화 한 구조 즉, BaTiO3 (BTO) 나노입자 표면결합체(Clusters) 박막과 ZnSnO3 (ZTO) sphere 나노입자를 정렬단일층(monolayer) 박막의 적층 구조를 사용하여 고효율의 유연한 압전발전소자 를 제작하였습니다. 먼저 PDMS(poly dimethyl siloxane) 내장시키는(embedded) BaTiO3 나노입자 중량비(weight percent) 조절을 통해 가장높은 압전특성을 가진 중량비를 검출합니다. 그 이후에, 진공 바 코팅 방법으로 (vacuum bar-coating method) 코팅 횟수를 조절하여 BTO 나노입자 표면결합체를 형성하고, 코팅속도를 조절하여 BTO 기반의 박막의 두께를 최적의 전력의 효율에 맞게 조절합니다. 거친 BTO나노입자 표면결합체는 응력의 집중현상(stress concentration) 를 유도 하게되어 BTO 기반의 유연한 압전 발전소자의 효율을 향상시키는 데 매우 효과적입니다. 압전 효율을 증폭시킬 추가적 개선점은 이중 압전 활성 층을 만들기 위해 BTO 나노입자 결합체와 ZTO sphere 구조 나노입자 정렬 단일층의 하이브리드 구조의 의해 완성되었습니다. 표면형상이 제어된 BTO 표면 결합체를 포함한 박막으로 제작한 압전 발전소자의 전력 효율은 동일한 20 %의 중량비의 BTO 평탄한 박막으로 제작한 압전 발전소자 보다 전력 효율이 2.8 배 높습니다. 또한 BTO 표면결합체 박막 위에 ZTO sphere 구조 정렬단일층의 적층 구조로 구성된 압전 발전소자의 경우 앞선 압전발전 소자에 비해 평균 전력 발생량이 약 4.1 배로 크게 향상되었다. 또한 이 압전 발전소자를 일반적인 손가락의 압력 (0.028 MPA)에서 측정하였을때, 최대 개방 회로 전압과 최대 단락 회로 전류가 각각 206V와 23.6μA인 고효율 압전발전소자를 개발 했으며, 순간 최대 전력은 4.9mW 로서, 정류회로와의 연동시에 최대 200개의 LED 밝히는 성능을 증명 시켰습니다. 뿐만 아니라, 손목을 구부리는 움직임이나 , 사람이 말을 할때의 성대에 울림 등의 사람의 미세한 동작에도 압전특성을 나타내어 센서분야의 MEMS 같은 차세대 반도체 소자에 응용될 가능성을 보여 주고 있습니다.