표면형상이 제어된 산화아연 나노발전소자 제작 및 특성 분석

Abstract

ZnO 기반 압전소자는 기존 PZT(Lead zirconate titanate) 기반 소자보다 인 체에 무해하여 최근 많은 관심을 받고있는 웨어러블 디바이스나 기타 생활에 밀접한 분야에 응용이 용이하고, 다양한 나노구조물을 형성할 수 있고, 3.3eV 의 넓은 밴드갭 및 우수한 광학적 특징을 가져 다양한 광전자소자로써의 응용 도 가능하다는 점 등을 통해 급성장 하고있는 에너지 하베스터 산업에서 재조 명 받고있다. ZnO의 단위구조인 Wurtzite 구조로 인해 [0002] 방향으로 생기 는 압전특성을 이용해 다양한 연구가 진행되고 있으며, 대부분의 경우 박막위 에 ZnO 나노막대를 성장하여 직접적으로 압력을 가해 전력을 얻어내는 방법 을 사용한다. 하지만 이와같은 방식은 ZnO 나노막대와 전극에 직접적인 접촉 으로 인해 소자의 내구성이 떨어지고, 유연한 기판위에 응용이 어렵다는 단점 이 존재해 상용화의 가능성은 낮은 것이 실정이다. 본 연구에서는 이러한 내 구성 문제와 유연기판에서 우수한 특성을 얻어낼 수 있는 ZnO 기반 나노발전 소자를 제작하였으며, 이를 위해서 ZnO 나노구조물과 PDMS를 섞은 합성물 을 제작하여 그 특성을 분석하였다. ZnO는 다양한 방법으로 성장이 가능하고, 저렴하고 대면적 성장이 가능하며, 파우더 형태로 정제하여 추후 공정에도 응 용이 매우 간편하다. 이러한 이점을 살려 본 연구에서는 환류응축법을 이용해 나노시트, 나노스파이크, 나노뿔, 나노막대의 서로다른 4가지 표면형상가진 ZnO 나노구조물을 합성하였다. 또한 실험을 통해 ZnO/PDMS 나노합성물에서 ZnO 파우더의 양이 40wt% 지점에서 5배이상 우수한 특성이 나오는 것을 확 인하였다. 이를 기반으로 각각 다른 ZnO 표면형상들이 나노발전소자로 제작 되었을 때 어떤 전기적 특성을 보이는지 측정하였다. 그리고 최종적으로 ZnO/PDMS 나노발전소자에 지름 100nm 부터 500nm 까지 다양한 크기의 SiO2 나노구를 삽입하여, 소자내에 가해지는 압력의 크기를 증가시켜 압전 특 성을 더욱 증대시키는 실험을 진행하였다. 소자의 전기적 특성을 알아보기 위해 시간에 따른 전압과 전류를 측정하였 고, 일정한 힘을 수직으로 누르는 테스트와 양 옆에서 힘을 가해 소자를 구부 리는 테스트 두가지를 진행하였다. 측정결과 나노막대가 형성된 ZnO 나노구 조물들은 모두 우수한 특성을 나타냈고, N15 나노스파이크 샘플의 경우 일반 적으로 잘알려진 형상보다 우수한 면적대비 출력특성을 보여주었다. 이는 나 노스파이크 샘플의 표면형상이 나노시트위에 배열된 나노막대가 올라간 비등 방성 형태를 가지고 있어 더 높은 효율의 압전특성을 가지는 것으로 판단된 다. 또한 지름 300nm 크기의 SiO2 나노구가 포함된 ZnO/PDMS 나노합성물에 서 기존 소자대비 약 7배가량의 높은 출력이 나타나는 것을 확인할 수 있었 다. 300nm 크기의 SiO2 나노구가 가장 좋은 특성을 얻어낼 수 있었던 것으로 는 수열합성법을 통해 성장된 ZnO 나노구조물의 파티클 사이즈와 SiO2 나노 구의 파티클사이즈가 흡사하여 PDMS내에 최대한 고르게 분산될 수 있도록 도와주었을 것으로 판단된다.| ZnO-based piezoelectric devices are attracting interest in the energy harvesting industry, because they have a potential for harmless applications to the human body with inexpensive and simple process. Various studies have been carried out, using the piezoelectric properties of ceramics and semiconductors, and novel devices used ZnO nanorods which are grown on the thin film to increase piezoelectric power density. However, these devices have an critical problem that the poor durability of ZnO nanorod arrays due to direct contact, and difficulty of applying to a flexible substrate. In this thesis, we fabricated a nanocomposite based ZnO/PDMS nanogenerator that is excellent in durability and applicable to flexible substrates. Before fabricating devices, we found that ZnO/PDMS nanocomposites had more than 5 times better performance at 40wt% ZnO nanopowder.(ZnO : PDMS = 4 : 6) After that, we analyzed the characteristics of surface morphology controlled ZnO. The four ZnO nanostructures with different surface structures of nanosheet, nanospikes, nanocones, and nanoflowers were synthesized by reflux condensation method. Based on these results, we measured the electrical characteristics of different ZnO surface morphology. Next, we experimented to increase the piezoelectric characteristics by inserting three different sizes of SiO2, which have 100nm, 300nm, 500nm of diameter, into the ZnO/PDMS nanogenerator to increase the strain inside of the device. To understand the electrical characteristics of the device, we measured the output voltage and output current versus time by using oscilloscope and picoammeter. We conducted two tests, one was a press test with constant force vertically, and another was a bending test. As a result, the ZnO nanostructures with nanorods exhibited excellent properties, and the N15 nanospikes sample showed better power density than the generally known nanorod flower shapes. It is considered that the surface shape of the nanospike sample has an anisotropic shape in which the nanorods arrayed on the nanosheet to have a higher efficiency of piezoelectric characteristics. And next experiment, ZnO/PDMS nanocomposite with 300nm diameter SiO2 nanosphere shows 7.1 times higher power density than the conventional device. The reason why the 300nm-sized SiO2 nanospheres were able to obtain the best characteristics is that the particle size of the ZnO nanostructures grown through the hydrothermal synthesis method is similar to the particle size of the SiO2 nanospheres.; ZnO-based piezoelectric devices are attracting interest in the energy harvesting industry, because they have a potential for harmless applications to the human body with inexpensive and simple process. Various studies have been carried out, using the piezoelectric properties of ceramics and semiconductors, and novel devices used ZnO nanorods which are grown on the thin film to increase piezoelectric power density. However, these devices have an critical problem that the poor durability of ZnO nanorod arrays due to direct contact, and difficulty of applying to a flexible substrate. In this thesis, we fabricated a nanocomposite based ZnO/PDMS nanogenerator that is excellent in durability and applicable to flexible substrates. Before fabricating devices, we found that ZnO/PDMS nanocomposites had more than 5 times better performance at 40wt% ZnO nanopowder.(ZnO : PDMS = 4 : 6) After that, we analyzed the characteristics of surface morphology controlled ZnO. The four ZnO nanostructures with different surface structures of nanosheet, nanospikes, nanocones, and nanoflowers were synthesized by reflux condensation method. Based on these results, we measured the electrical characteristics of different ZnO surface morphology. Next, we experimented to increase the piezoelectric characteristics by inserting three different sizes of SiO2, which have 100nm, 300nm, 500nm of diameter, into the ZnO/PDMS nanogenerator to increase the strain inside of the device. To understand the electrical characteristics of the device, we measured the output voltage and output current versus time by using oscilloscope and picoammeter. We conducted two tests, one was a press test with constant force vertically, and another was a bending test. As a result, the ZnO nanostructures with nanorods exhibited excellent properties, and the N15 nanospikes sample showed better power density than the generally known nanorod flower shapes. It is considered that the surface shape of the nanospike sample has an anisotropic shape in which the nanorods arrayed on the nanosheet to have a higher efficiency of piezoelectric characteristics. And next experiment, ZnO/PDMS nanocomposite with 300nm diameter SiO2 nanosphere shows 7.1 times higher power density than the conventional device. The reason why the 300nm-sized SiO2 nanospheres were able to obtain the best characteristics is that the particle size of the ZnO nanostructures grown through the hydrothermal synthesis method is similar to the particle size of the SiO2 nanospheres.