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Inorganic-based piezoelectric energy harvesting device for fully flexible self-powered system = 플렉서블 자가발전 시스템 구현을 위한 무기 압전소재 기반의 에너지 하베스팅 소자개발
서명 / 저자 Inorganic-based piezoelectric energy harvesting device for fully flexible self-powered system = 플렉서블 자가발전 시스템 구현을 위한 무기 압전소재 기반의 에너지 하베스팅 소자개발 / Kwi-Il Park.
저자명 Park, Kwi-Il ; 박귀일
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2014].
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초록정보

In the past decade, the research field of energy harvesting has increasingly become important, since our society is facing a problem with the depletion of fossil energy resources as well as environmental prob-lems (such as global warming, carbon dioxide emissions, and damage to the ozone layer). Energy scavenging technologies can convert existing sources of energies, such as thermal energy as well as vibrational and me-chanical energy from the natural sources of wind, waves or animal movements into electrical energy. Espe-cially, piezoelectric-based energy harvesting technologies that scavenge electricity from mechanical energy have attracted a great interest recently due to their availability in indoor or concealed environments (such as in tunnels, clothes, and in human body) without restraints. Z.L. Wang and co-workers have used piezoelectric ZnO nanowire arrays to develop nanogenerator technologies, who have demonstrated the feasibility using this type of generator to power commercial light-emitting diodes (LEDs), liquid crystal displays, and wireless data transmission. These nanogenerators can also convert tiny bits of biomechanical energy (from sources such as the movement of the diaphragm, the relaxa-tion and contraction of muscle, heartbeat, and the circulation of blood) into power sources. Piezoelectric materials, for example, ZnO, polymers (PVDF), and perovskite-type oxides (e.g. BaTiO3, PZT, SBT, BST, BiFeO3) are being studied with great interest for various applications, such as thin film capaci-tors, piezoelectric microactuators, tunable microwave devices, nonvolatile ferroelectric random access mem-ories (FRAMs), and ferroelectric field effect transistors (FeFETs). Among these piezoelectric materials, perov-skite-structured ceramic materials have drawn considerable attention due to their excellent inherent ferroelec-tric and piezoelectric characteristics. In this thesis, to demonstrate the self-powered flexible energy system, high-performance and flexible energy harvesting devices were demonstrated using several fabrication pro-cesses with perovskite-structured piezo-materials. In chapter 2, first, a new fabrication procedure of high performance flexible ferroelectric materials supported on plastic substrates was proposed for the first time. Ferroelectric BaTiO3 thin film was deposited using RF magnetron sputtering on a Pt/Ti/SiO2/(111) Si substrate and annealed at 700

압전특성이란 압력이나 구부러짐의 기계적인 힘이 가해질 때 전압을 발생시키는 특성을 말하며, 페로브스카이트 결정구조를 가지는 세라믹 물질들이 높은 효율을 나타내지만 깨지기 쉬운 성질을 갖고 있어 지금까지 플렉서블 에너지소자로의 적용이 불가능하였다. 본 박사학위 논문은 높은 압전특성을 가지는 페로브스카이트 결정구조의 세라믹 물질을 이용하여 압전기반의 플렉서블 에너지 하베스팅 소자(나노자가발전기)를 위한 새로운 형태와 방법을 제시하고 있다. 먼저, 반도체 공정과 소프트 리소그래피 기술을 이용하여 생체/자연 친화적인 BaTiO3 압전 박막물질기반의 나노자가발전기에 대해 개발하였다. 두번째로, 기존에 보고되었던 나노자가발전기 제작기술이 가지고 있던 한계들을 극복하기 위해, 단순 저비용 공정기술인 스핀-코팅방법을 이용하여 BaTiO3 압전 나노입자기반의 나노복합체 자가발전기를 개발하였다. 또한, bar-코팅 기술과 높은 압전특성을 나타내는 PZT와 KNLN 압전입자를 이용하여 대면적 형태의 고효율 나노복합체 자가발전기를 제작하였다. 마지막으로, 고효율 압전특성을 나타낼 뿐만 아니라, 기계적으로 매우 플렉서블하고 안정적이면서 경량인 나노자가발전기를 대면적 PZT 압전 박막물질을 이용하여 제작하였다. 이러한 연구결과들을 자세히 설명하면 아래와 같다. BaTiO3 압전 박막물질을 반도체 공정과 소프트 리소그래피 기술을 이용하여 플라스틱 기판에 전사함으로써, 나노자가발전기를 제작하였다. 세라믹 박막물질을 RF 스퍼터링 방법을 통해 Pt 하부전극이 코팅된 Si 벌크 기판에 증착하고 고온에서 결정화 한 뒤, 패턴된 압전 박막물질을 PDMS 폴리머 스탬프를 이용하여 플렉서블 기판에 전사하였다. BaTiO3 박막 나노자가발전기는 반복된 굽힘과 펴짐의 기계적 변위에 의해, 약0.3 ~ 0.4V의 전압과 8 ~ 12nA의 전류를 생성하는 것을 알 수 있었으며, 손으로 굽혔을 때는 최대 1 V의 높은 전압과 약 26 nA의 높은 전류가 생성되었다. 측정된 전기적 신호들이 실제 압전효과에 의해 생성되는 것인지 확인 하기 위해, switching-polarity test를 통해 검증하였고, 다중물리 시뮬레이션을 통해 소자 내에 생성되는 압전포텐셜 해석함으로써 이론적으로 검증하였다. 벌크 형태의 기판에 고온 열처리를 통해 결정화 시킨 고성능의 압전박막 물질을 플라스틱 기판으로 전사하는 나노자가발전기 제작기술은 기존의 나노자가발전기이 가지는 성능적 한계를 극복할 수 있게 하는 기술이다. 나노복합체 기반의 나노자가발전기는 BaTiO3 압전 나노입자들과 탄소나노구조체를 이용하여 제작하였다. 먼저, 수열합성법을 이용하여 합성된 압전나노입자들과 탄소나노구조체들 (단일/다중 탄소나노튜브, 그래핀 옥사이드)를 PDMS 폴리머에 넣고 섞어 압전특성을 나타내는 나노복합물질을 제작하였다. 그 뒤, 제작된 압전 나노복합물질을 플라스틱 기판에 단순 저비용 기술인 스핀-코팅방법을 통해 코팅함으로써, 기존에 보고된 나노자가발전기의 크기 한계를 극복한 대면적 형태의 나노복합체 자가발전기를 개발하였다. 제작된 에너지 소자는 반복적으로 가해지는 기계적 에너지를 약 3.2 V의 전압과 250 ~ 350 nA의 전류로 변환하였고 생성된 에너지원은 캐패시터에 축적된 뒤, 상용화 LED 소자를 구동하는데 사용되었다. 나노복합체 기반의 나노자가발전기에서 탄소나노구조체들의 역할은 압전입자를 잘 퍼지게 하는 분산재, 인가되는 응력을 증가시키는 강화재로서의 역할 뿐만 아니라, 전기적 특성을 향상시키는 역할을 수행하게 되는데, 이러한 주장은 실험적/이론적으로 설명되었으며 다중물리 시뮬레이션을 통해서도 뒷받침 되었다. 압전나노 복합체를 이용한 나노자가발전 기술은 간단한 코팅공정을 통해 만들어지므로 비용을 획기적으로 줄일 수 있을 뿐만 아니라 대면적 형태로도 제작이 가능하기 때문에 기존의 한계를 극복하는 혁신기술이다. 나노복합체 기반의 나노자가발전기는 bar-코팅 방법을 통해 소자의 크기를 더욱 증가시켰으며, 물질 본래의 압전특성이 뛰어난 PZT와 KNLN 압전입자를 사용함으로서, 소자의 성능을 향상 시켰다. 먼저, 30

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DMS 14006
형태사항 xix, 218 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 박귀일
지도교수의 영문표기 : Keon-Jae Lee
지도교수의 한글표기 : 이건재
수록잡지명 : "Piezoelectric BaTiO3 Thin Film Nanogenerator on Plastic Substrates". Nano Letters, v.10.no.12, pp.4939-4943(2010)
수록잡지명 : "Flexible Nanocomposite Generator Made of BaTiO3 Nanoparticles and Graphitic Carbons". Advanced Materials, v.24.no.22, pp.2999-3004(2012)
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 신소재공학과,
서지주기 References : p. 38-42, 68-71, 106-108, 134-136, 167-170, 199-201
주제 Energy Harvesting
Piezoelectric
Nanogenerator
Self-powered System
Flexible Electronics
에너지 하베스팅
압전
나노자가발전기
자가발전 시스템
플렉서블 전자소자
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