As the advances of the electronic devices is getting faster and faster, miniaturization of the devices is also required at the same time because of the portability and lightweight, etc. As a result, miniaturization of the devices gives rise to the downsizing of battery inside of the devices. Especially, for flexible and wearable electronics, satisfying the energy and the flexibility is highly important. But the battery is not enough to solve these energy problem due to the capacity limitation and degradation of performance.
Piezoelectric generator can be one of the most promising candidate to solve the energy problem. Basically piezoelectricity is the electric charge accumulation in response to applied mechanical stress, vice versa. This is the key point that we can earn electricity from our body motion. Also, in order to apply human body-related objects, flexibility is essential. That is why piezoelectric generator is actively investigated around the world.
In order to make flexible piezoelectric generator, various transfer techniques of piezoelectric materials can be applied. For instance, Laser lift-off (LLO) process, PDMS stamping and Nickel exfoliation etc. Among these techniques, Laser lift-off (LLO) process is widely used technique to transfer piezoelectric materials to flexible substrates. Amorphous silicon (a-Si) and sol-gel lead zirconate titanate (PZT) are widely known materials for LLO technology. Also, this technique can be applied to many inorganic materials.
In this study, we fabricated a flexible PZT piezoelectric generator using LLO process. As delaminating PZT from the rigid substrate such as sapphire, quartz and MgO, we compared characteristic of the piezoelectric thin film before and after delamination using Scanning Electron Microscope (SEM), Atomic Force Microscope (AFM), X-Ray Diffraction (XRD), X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) and RAMAN spectroscopy. Also, several structural and material related study was conducted to get maximized outputs from flexible piezoelectric generator. I think that this research can solve the arising energy problem from wasted mechanical energy nearby our lives.
다양한 에너지원을 전기 에너지로 바꿀 수 있는 에너지 하베스팅 분야가 전세계적으로 화두가 되고 활발하게 연구되고 있는데, 이중에서도 유연 압전 나노발전기는 인간의 주변 및 인체에서 발생하는 생체 역학적 에너지를 전기에너지로 바꾸어 사용할 수 있는 기술로서, 버려지는 에너지를 활용한다는 점에서 상당히 효율적인 기술이라고 할 수 있다.
본 연구에서는 레이저 박리 및 전사 기술을 활용하여 전기적 특성이 우수하며 공정에 용이한 압전 무기 재료인 PZT 세라믹 박막을 기반으로 한 플렉서블 압전 나노발전기를 제작하였다. 졸겔 법을 이용하여 다양한 온도 및 다양한 기판에서 성장시킨 PZT 박막의 압전특성을 상호 비교하였으며, 한 방향으로 정렬된 압전물질의 제작이 중요하며 기판에 따라 이를 조절하는 것이 중요함을 알 수 있었다. 이렇게 제작된 나노발전기를 니켈 박리법을 통해 제작된 소자와 성능 비교를 해본 결과 레이저 박리 기술이 우수함을 알 수 있었다.
또한 구조적인 시뮬레이션을 통하여 플렉서블 압전 나노발전기의 성능을 극대화 할 수 있는 구조에 대하여 연구를 진행하여 하나의 소자로 낼 수 있는 출력의 한계를 극복하는 방안을 연구해보았고 실제로 소자를 제작하였다. 양면형 소자가 적층형 소자보다 훨씬 뛰어난 전기적 특성을 보였으며, 가격측면에서 단결정 압전물질 기반의 나노발전기보다 훨씬 저렴하여 추후 상용화 가능성이 높을 것으로 예측된다.
본 연구를 통해 다결정 무기 압전물질의 출력적인 한계를 다양한 구조 및 공정의 변화를 통해 극복할 수 있는 방안에 대해 고찰해볼 수 있었으며, 다가오는 미래에는 친환경 에너지원 중에 하나로 유연 압전 에너지 하베스팅이 일상생활에서 손쉽게 사용될 수 있기를 기대해 본다.
