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문제 정의

  • 사물인터넷 구현에 필요한 자가발전 시스템 중의 하나인 압전 에너지 하베스팅의 개념과 연구동향에 대해 살펴보았다. 압전 에너지하베스터 소재는 높은 압전계수, 유연성, 내구성, 친환경성 등의 특성이 요구된다.
  • 이번 테마에서는 반도체 압전 에너지 하베스터의 일반적인 내용, 최근 압전 에너지 하베스터의 개발 현황 및 전망에 대해서 살펴보고자 한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
에너지 하베스팅이란? 에너지 하베스팅은 태양광, 열, 진동, 바람, 전자기파, 기계적 에너지와 같이 주변 환경에서 낭비되는 에너지를 전기적 에너지로 바꾸는 신재생 에너지 기술이다. 자연으로부터 에너지를 얻을 수 있는 에너지 하베스팅 방식에는 태양광으로부터 에너지를 얻는 태양전지, 열로부터 전기에너지를 얻는 열전 소자, 진동 및 기계적 에너지로부터 에너지를 얻는 압전소자, 그리고 전자기파로부터 에너지를 얻는 RF 방식이 있다 [1].
에너지 하베스팅 방식에는 어떠한 것들이 있는가? 에너지 하베스팅은 태양광, 열, 진동, 바람, 전자기파, 기계적 에너지와 같이 주변 환경에서 낭비되는 에너지를 전기적 에너지로 바꾸는 신재생 에너지 기술이다. 자연으로부터 에너지를 얻을 수 있는 에너지 하베스팅 방식에는 태양광으로부터 에너지를 얻는 태양전지, 열로부터 전기에너지를 얻는 열전 소자, 진동 및 기계적 에너지로부터 에너지를 얻는 압전소자, 그리고 전자기파로부터 에너지를 얻는 RF 방식이 있다 [1]. 표 1은 에너지원에 따른 하베스팅 출력 특성을 보여주며, 이들이 얻을 수 있는 에너지의 크기는, 태양전지는 태양 에너지로부터 약 500 ~ 5,000 mW/cm3의 에너지를 얻을 수 있으며, 열전 소자는 열에너지로 부터 약 50~ 500 mW/cm3의 에너지를, 압전소자는 진동 및 기계적 에너지로부터 약 0.
Perovskite 구조의 PZT 물질의 압전 에너지 하베스터 응용에 제약이 있는 문제를 해결하기 위한 대안은? Perovskite 구조의 PZT는 다른 물질보다 뛰어난 압전계수로 높은 압전출력을 보여주지만 인체에 유해한 납을 포함한 구성성분으로 인해 압전 에너지 하베스터의 응용에 많은 제약을 받는다. 이러한 문제의 해결책으로 비납계 압전물질인 ZnO, GaN, AlN가 많은 관심을 받고 있으며, 나노 구조를 활용한 압전출력 향상 연구가 활발히 진행되고 있다. 
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참고문헌 (17)

  1. 김재환, 고현우, 문성철, 김주형, 김흥수, 공업화학 전망, 16, 27 (2013) 

  2. 이수진, 김상우, 함영복, 압전에너지 하베스팅 기술동향 및 전망, 한국과학기술정보연구원 (2013). 

  3. R. Yang, Y. Qin, L. Dai, Z. L. Wang, Nature Nanotechnology 4, 34 (2009) 

  4. http://www.intechopen.com/books/advances-in-ferroelectrics/electronicferroelectricity-in-ii-vi-semiconductorzno 

  5. 이수재, 유인규, 추혜용, Nanopiezotronics 기술, 한국전자통신연구원 (2012) 

  6. J. L. Wang, Adv. Funct. Mater. 18, 3553 (2008) 

  7. C. -H. Wang, W. -S. Liao, Z. -H. Lin, N. -J. Ku, Y. -C. Li, Y. -C. Chen, Z. L. Wang, C. -P. Liu, Adv. Energy Mater. 4, 1400392 (2014) 

  8. D. Kim, K. Y. Lee, M. K. Gupta, S. Majumder, S. -W. Kim, Adv. Funct. Mater. 24, 6949 (2014) 

  9. E. Lee, J. Park, M. Yim, S. Jeong, G. Yoon, Appl. Phys. Lett. 104, 213908 (2014) 

  10. Z. L. Wang, J. Song, Science 312, 242 (2006) 

  11. J. I. Sohn, S. N. Cha, B. G. Song, S. Lee, S. M. Kim, JY Ku, H. J. Kim, Y. J. Park, B. L. Choi, Z. L. Wang, J. M. Kim, K. Kim, Energy Environ. Sci. 6, 97 (2013) 

  12. J. Briscoe, M. Stewart, M. Vopson, M. Cain, P. M. Weaver, S. Dunn, Adv. Energy Mater. 2, 1261 (2012) 

  13. J. Zhang, C. Wang, S. Adhikari, IEEE T. Nanotechnol. 13, 600 (2014) 

  14. S. Xu, Y. Wei, J. Liu, R. Yang, Z. L. Wang, Nano Lett. 8, 4027 (2008) 

  15. Y. Hu, C. Xu, Y. Zhang, L. L. Robert, L. Snyder, Z. L. Wang, Adv. Mater. 23, 4068 (2011) 

  16. S. -C. Hung, J. Electrochem. Soc. 158, H1265 (2011) 

  17. http://IDTechEx.com/piezo/ 

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