초록 ▼

연구의 목적 및 내용
압전 나노선을 이용한 전기역학 시스템 및 나노 발전 응용 시스템 연구를 위해 3개의 연구팀이 상호 방문 연구 및 협력 연구를 통해 나노선 기반 전기역학 소자의 제작 및 기본 전기적,역학적, 광학적 특성 연구, 양질의 나노선 제작, 발전 시스템과 결합할 수 있는 집적회로의 디자인 및 구현, 압전 특성 측정 시스템의 제작 및 측정, 에너지 효율성 연구 등을 수행하였다. 각 연구팀별 연구 내용은 아래와 같이 요약된다.
제 1 연구팀: 양질의 나노선 합성, 나노선 기반 소자 제작, 기본 물성 연구
제

연구의 목적 및 내용
압전 나노선을 이용한 전기역학 시스템 및 나노 발전 응용 시스템 연구를 위해 3개의 연구팀이 상호 방문 연구 및 협력 연구를 통해 나노선 기반 전기역학 소자의 제작 및 기본 전기적,역학적, 광학적 특성 연구, 양질의 나노선 제작, 발전 시스템과 결합할 수 있는 집적회로의 디자인 및 구현, 압전 특성 측정 시스템의 제작 및 측정, 에너지 효율성 연구 등을 수행하였다. 각 연구팀별 연구 내용은 아래와 같이 요약된다.
제 1 연구팀: 양질의 나노선 합성, 나노선 기반 소자 제작, 기본 물성 연구
제 2 연구팀: 집적회로 디자인, 나노선 소자구조 최적화, 나노선 소자의 반도체 칩 상 mount 기술 연구
제 3 연구팀: 진공 AFM과 nano manipulation를 설계 제작, 구동 프로그램 제작, 압전효과 측정, 나노선의 마모도, 기체 분위기와의 상관관계 확인을 통한 에너지 효율을 정량화
연구결과
제 1 연구팀에서는 전자빔 리소그래피와 같은 나노 소자 제작공정 장치들을 이용하여 여러가지 형태의 나노선 기반 전자소자 및 전기 역학 소자를 제작하는 연구를 하였고 이를 통해 ZnO 나노선을 이용한 3 탐침 구조 전기역학 시스템의 제작, 기본 전기적, 역학적 특성 연구, 역학적 공명현상 측정, 압전효과를 측정할 수 있는 측정 시스템 제작등에 대한 연구를 진행하였다. 또 화학 기상증착법을 이용한 ZnO 나노선을 합성하는 장치를 구성하고 이를 통해 나노선을 합성한 후 이들의 기본 물성 연구를 바탕으로 결함이 없는 양질의 나노선이 합성되었음을 확인하였다.
제 2 연구팀에서는 ZnO 나노선을 만들어진 패턴에서 원하는 부분에만 선택적으로 성장시키는 방법과 특정 용액을 이용하여 원하는 부분 이외의 부분을 제거하는 방법을 통해 설계하는 집적회로와 접목할 수 있도록 하였다. ZnO 나노선의 기초 전기적 물성연구를 바탕으로 압전특성 까지 확장할 수 있도록 하기 위해 다양한 환경에서의 전기적 성질을 정량화 함으로써 소자에서 나오는 신호의 신뢰성 또한 점검하였다.
제 3연구팀에서는 진공 AFM 제작을 성공적으로 마무리하여 진공 또는 특정 기체 분위기에서 시료를 측정할 수 있었다. 3차원 manipulation을 가능하도록 하여, STM 이미지를 통해 1nm 분해능의 성능을 확인하였다. ZnO 나노 와이어의 압전성을 기계적 힘(응력)에 관한 함수로 측정하여 응력이 압전계수를 향상시킴을 확인하였다. 나노 와이어의 역압전효과를 6개월에 걸친 재현실험을 통해서, 공기중에 장시간 노출된 시료의 압전 효과가 감소함을 확인하였다. 대면적, multi 나노 와이어를 이용한 나노발전기의 최대 발전량을 12.5 mW/cm3까지 향상 시킬 수 있을 것으로 예상하였다.
연구결과의 활용계획
1. 나노선을 이용한 NEMS 제작 개발 결과를 향후 최적의 자가발전 시스템 설계하는 노하우로 활용할 수 있다. 2. 결함이 없는 나노선 합성 기술을 통해 에너지 효율이 높은 나노선 기반 발전 시스템을 제작할 수 있는 양질의 소재 제공이 가능하게 되었다. 3. Top-down 방식으로 제작된 집적 회로위에 나노선이 합성 또는 나노선 기반 소자가 제작될 경우 회로와의 결합 및 회로 변형 가능성에 대한 연구 결과를 미래 자가발전 시스템과 결합할 때 고려되어야 할 사항으로 활용될 수 있다. 4. 본 연구를 통해 개별 나노선의 압전특성를 정밀하게 측정하여, 압전효과를 최대화 할 수 소자 구조를 파악한 실험결과로부터 압전과 관련된 ZnO 나노선의 결정성, 응력, 그리고 주파수 의존성에 대한 기초 지식이 확보되었다.
이러한 연구 결과들은 나노 압전 발전기의 효율향상을 위한 기초자료가 될 것이며, 향후 관련된 연구를 지속적으로 수행하여, 나노 자기 발전 소자를 상용화하기 위한 원천기술을 확보하고자 한다.

Abstract ▼

Purpose & contents
In this collaboration project, we have studied the piezo electric nano wire based electromechanical system and their possible applications for the nano self generation system. During the project period, the ZnO nanowires with high quality were synthesized and their basic electr

Purpose & contents
In this collaboration project, we have studied the piezo electric nano wire based electromechanical system and their possible applications for the nano self generation system. During the project period, the ZnO nanowires with high quality were synthesized and their basic electrical, mechanical, and optical properties were investigated. The nano wire based various electromechanical systems were fabricated and their physical properties including piezoelectricity, mechanical resonance were observed. The detail achievement from each research team is as following:
Research team 1: Synthesis of nanowires, fabirication of nano wire based electronic and electromechanical devices, investigation of basic physical properties.
Research team 2: Design of integrated circuit, device optimization, development of the technique for mounting nano devices on the integrated chip
Research team 3: development of a vacuum AFM and nano manipulation including control program, studying the againg effect of nanowire, werar problem, and gas environment dependence of the devices, estimation of energy efficiency of piezoelectric nano-generator
Result
Research team 1 installed the CVD synthesis system and established the equipment for the nano fabrication processes. From the electrical, mechanical and optical characterizations, it was found that the ZnO nanowires synthesized by us showed high quality without any defect structures. The suspended nanowire based various device structures were fabricated and their electromechanical properties were measured. The long suspended nanowire based electromechanical devices were designed and realized for studying the environmental effects.
Research team 2 designed the connection circuit between NEMS and operating circuit and made a quantitative analysis of the efficiency of electromechanical devices made by the nanowire networks. We also developedt the mounting method of network devices on semiconductor chip.
Research team 3 developed the vacuum or gas controllable AFM system and measured samples using it. A 3-D manipulation was avaliable, and 1 nm resolution was confirmed from an STM imaging. The piezoelectricity of ZnO nanowire was measured as a function of stress, and the piezoelectric coefficient was enhanced by the stress. Through 6-month repeated experiments, it was confirmed that the piezoelectric effect of a sample exposed in air was reduced. It was expected that large area multi-nanowire based nano-generator will have enhanced power generation of 12.5 mW/cm3.
Expected Contribution
1. The informations and knowhows of fabrication method can be applied to design the optimized self generation system. 2. We can supply the high quality nanowire sample for high efficient generation system. 3. We got the basic knowledge of the piezoelectric properties of nano structures from our result of the project. This research result will be provided as a basic knowledge to enhance the nano piezo generator, and continuous future research will be performed to achieve the fundamental technology for commercializing nano-piezo generator.

목차 Contents

• 중견연구자지원사업(핵심연구) 최종보고서 ... 1
• 목 차 ... 3
• 연구계획 요약문 ... 4
• 연구결과 요약문 ... 5
• 한글요약문 ... 5
• SUMMARY ... 6
• 연구내용 및 결과 ... 7
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 7
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 8
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 9
• 4. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 52
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 54
• 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 55
• 7. 주관연구책임자(공동연구원) 대표적 연구실적 ... 56
• 8. 참고문헌 ... 57
• 9. 연구성과 ... 57
• 10. 기타사항 ... 69
• [별첨1] 대표연구성과 ... 70
• 자체평가 의견서 ... 75