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하이브리드 에너지 하베스팅 기술개발
Development of Hybrid Energy Harvesting Technology 원문보기

보고서 정보
주관연구기관 한국과학기술연구원
Korea Institute Of Science and Technology
연구책임자 윤석진
참여연구자 강종윤 , 김진상 , 최지원 , 이윤표 , 송현철 , 도영호 , 이원희 , 강민규 , 김광천 , 유형우 , 공우연 , 이진주 , 김현재 , 최우성 , 김효정 , 임해나 , 강효민 , 장선준 , 임주혁 , 오승민 , 류소연 , 정우석 , 조병진 , 김연상 , 남산 , 김종백 , 위주형 , 김선진 , 정성윤 , 민유호 , 김선영 , 박준우 , 김경준 , 박시윤 , 조한주 , 김웅 , 권상효 , 김보연 , 김승욱 , 김진성 , 서인태 , 서하이보 , 성태근 , 손원배 , 정미리
보고서유형1단계보고서
발행국가대한민국
언어 한국어
발행년월2012-05
주관부처 교육과학기술부
Ministry of Education and Science Technology(MEST)
등록번호 TRKO201800001484
DB 구축일자 2019-04-27
키워드 에너지 하베스팅.플렉서블.하이브리드.압전.열전.박막전지.열전소자.스크린프린팅 공정기법.에너지 수확.녹색 에너지.플렉시블 전자소자.프린팅.표면처리.전기방사.나노파이버.비연계.나노선.박막.에너지 변환 효율.마이크로기전시스템.에너지 하베스터.하이브리드 하베스팅.압전효과.정전효과.저주파.광대역.Energy harvesting.Flexible.Hybrid.Piezoelectric.Thermoelectric.Thin film battery.Thermoelectric device.Screen printing technique.Energy harvesting.Green energy.flexible electronics.printing.surface engineering.electrospinning.nanofibers.Lead-free.Nanowires.Thin films.Energy conversion efficiency.MEMS.Energy harvester.Hybrid harvesting.Piezoelectric effect.Electrostatic effect.low-frequency.Wide bandwidth.

초록

- 기반형 융합 기술 개발 사업 신규 과제 기획 (기존 기획 진행 과제 4개, 신규 기획 공모 과제 4개 등 총 8개 과제 중 기존 2개, 신규 2개 과제 기획 전담, 기획 보고서 및 RFP 별첨)
- 에너지 하베스팅 관련 기술 동향 및 시장 수요 모니터링 (조사 분석 보고서 별첨)
- Spiral 구조를 이용한 200Hz이하에서 구동 가능한 저주파 고효율 MEMS 에너지하베스터 개발.
- 유연 열전 필름 증착 및 저온 열처리 공정 기술 확보하여 이를 바탕으로 한 수직형, 수평형 소자 설계 및 개발.
- Ar

Abstract

IV. Results of research developments
• HUB
- Project proposal of convergence technology strategy
- Training experts for new green energy technology
- Flexible piezoelectric energy harvesting technology
- Nano rod based piezoelectric energy harvesting technology
- Low reso

목차 Contents

  • 표지 ... 1
  • 제 출 문 ... 2
  • 보고서 요약서 ... 3
  • 요 약 문 ... 4
  • SUMMARY ... 7
  • 목차 ... 10
  • CONTENTS ... 11
  • 제1장 연구개발과제의 개요 ... 12
  • 제1절 연구개발의 목적 및 필요성 ... 12
  • 1. 에너지 하베스팅 필요성 ... 12
  • 2. Flexible 에너지 하베스터의 필요성 ... 13
  • 제2절 연구개발 구성 및 추진 체계 ... 14
  • 1. 연구 개발 범위 및 구성 요소 ... 14
  • 2. 연구 개발 추진 체계 ... 15
  • 제3절 그린에너지 인력양성 ... 16
  • 1. 그린에너지 인력 양성 필요성 및 목표 ... 16
  • 제2장 국내외 기술개발 현황 ... 17
  • 제1절 압전 에너지 하베스팅 ... 17
  • 제2절 열전 에너지 하베스팅 ... 19
  • 제3절 박막 2차 전지 ... 19
  • 제4절 에너지 하베스팅 충전 회로 ... 21
  • 제3장 연구개발수행 내용 및 결과 ... 22
  • 제1절 융합기술 전략기획 및 그린 인력 양성 ... 22
  • 1. 융합 기술 전략 기획 ... 22
  • 2. 그린 에너지 신기술 인력 양성 ... 24
  • 제2절 HUB ... 27
  • 1. Laser lift-off 방법과 Laser annealing 방법을 이용한 압전 에너지 하베스터 개발 ... 27
  • 2. MEMS 에너지 하베스터 ... 29
  • 3. PZT nanorod를 이용한 압전 에너지 하베스터 개발. ... 30
  • 4. 에너지 하베스팅 스킨 ... 32
  • 5. 유연 열전 발전 소자 개발 ... 34
  • 6. 박막 2차 전지 개발 ... 38
  • 제3절 SPOKE 1 ... 42
  • 1. 스크린프린팅 기법을 이용한 박막 형성기술 개발 ... 42
  • 2. 스크린프린팅 기법을 이용한 n형 열전박막 및 p형 열전박막 형성 ... 43
  • 3. 스크린프린팅 공정기법을 이용한 수평구조 열전소자 제작 ... 44
  • 4. 스크린프린팅 공정기법과 유리섬유를 이용한 수직구조 열전소자 제작 ... 45
  • 제4절 SPOKE 2 ... 47
  • 1. All-solution-processed 플랙시블 압전소자의 개발 ... 47
  • 2. 박막 타입 플랙시블 소자의 실용성 검증 ... 48
  • 3. 열전 나노 소자를 이용한 Flexible 열전소자 개발 ... 49
  • 제5절 SPOKE 3 ... 50
  • 1. KNbO₃/NaNbO₃ 나노 입자 및 나노선 개발 ... 50
  • 2. Na1-xKxNbO₃(NKN) 나노선 및 Na0.5K0.5NbO₃(NKN) 박막 개발 ... 51
  • 3. (Na0.5K0.5)(Nb0.7Ta0.3)O₃나노튜브/나노선 및 박막 개발 ... 53
  • 4. BiNaXTaO₃-BaTiO₃(X=Li, K, Rb) 박막 제조 및 특성 평가 ... 54
  • 제6절 SPOKE 4 ... 55
  • 1. 정전 방식 MEMS 다방향, 다중주파수 진동에너지 하베스터 ... 55
  • 2. 연속적 강성의 제어가 가능한 정전 방식 MEMS 진동에너지 하베스터 및 탄소나노 튜브 건식접착물질 ... 55
  • 3. 다자유도계 진동 기반 MEMS 에너지 하베스터의 설계 ... 56
  • 4. 압전 나노선 기반 MEMS 에너지 하베스터 ... 57
  • 5. 압전 캔틸레버 어레이 기반 MEMS 에너지 하베스터 ... 57
  • 6. 자가튜닝 가능한 압전 캔틸레버 기반 MEMS 에너지 하베스터 ... 58
  • 7. 저누출 전력 전달 MEMS 스위치 소재 및 구조 개발 ... 58
  • 8. 표유 전계에너지 하베스터 개발 ... 59
  • 8. 하베스터용 충전 회로 개발 ... 60
  • 제4장 목표 달성도 및 관련분야에 기여도 ... 61
  • 제1절 목표 달성도 ... 61
  • 제5장 연구 개발결과의 활용 계획 ... 62
  • 제1절 도로용 에너지 하베스터 ... 62
  • 제2절 Smart plant system ... 62
  • 제3절 유연 하이브리드 에너지 하베스터 ... 63
  • 제6장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 64
  • 제1절 압전 에너지 하베스팅 ... 64
  • 1. 유연 압전 에너지 하베스팅 소자 개발 ... 64
  • 2. 나노선 기반 압전 에너지 하베스팅 ... 64
  • 3. 에너지 하베스팅 스킨 ... 64
  • 제2절 열전 에너지 하베스팅 ... 65
  • 제3절 박막 2차 전지 ... 66
  • 1. 양극 박막 ... 66
  • 2. 박막 고체 전해질 ... 66
  • 제7장 참고문헌(References) ... 68
  • 별첨:에너지 하베스팅 기술에 대한 최근 기술 동향 분석 ... 70
  • 하이브리드 스마트 에너지 하베스팅 요소 기술개발(Development of Hybrid Smart Energy Harvesting Core Technology) ... 121
  • 제 출 문 ... 122
  • 보고서 요약서 ... 123
  • 요 약 문 ... 124
  • SUMMARY ... 128
  • 목차 ... 132
  • CONTENTS ... 133
  • 제1장 연구개발과제의 개요 ... 134
  • 제1절 연구개발의 목적 및 필요성 ... 134
  • 1. 에너지 하베스팅 필요성 ... 134
  • 2. Flexible 에너지 하베스터의 필요성 ... 135
  • 제2절 연구개발 구성 및 추진 체계 ... 136
  • 1. 연구 개발 범위 및 구성 요소 ... 136
  • 2. 연구 개발 추진 체계 ... 137
  • 제3절 그린에너지 인력양성 ... 138
  • 1. 그린에너지 인력 양성 필요성 및 목표 ... 138
  • 제2장 국내외 기술개발 현황 ... 139
  • 제1절 압전 에너지 하베스팅 ... 139
  • 1. Flexible 압전 에너지 하베스터 ... 139
  • 2. MEMS 압전 에너지 하베스터 ... 140
  • 3. 압전체 nanowire기반 generator 전세계 연구동향 ... 140
  • 4. 교량의 저주파 진동원에 적합한 에너지 하베스팅 장치 개발. ... 142
  • 5. FPSE(Free Piston Stirling Engine)의 일반화된 설계방법론 도출. ... 143
  • 6. 압전 에너지 하베스팅 스킨. ... 143
  • 제2절 열전 에너지 하베스팅 ... 144
  • 1. 열전 에너지 하베스터 ... 144
  • 제3절 박막 2차 전지 ... 145
  • 1. 전고상 박막 2차 전지 ... 145
  • 2. 박막 고체 전해질 ... 147
  • 제3장 연구개발수행 내용 및 결과 ... 150
  • 제1절 융합기술 전략기획 및 그린 인력 양성 ... 150
  • 1. 융합 기술 전략 기획 ... 150
  • 2. 그린 에너지 신기술 인력 양성 ... 152
  • 제2절 압전 에너지 하베스팅 ... 155
  • 1. Laser lift-off 방법과 Laser annealing 방법을 이용한 압전 에너지 하베스터 개발. ... 155
  • 2. MEMS 에너지 하베스터 ... 175
  • 3. PZT nanorod를 이용한 압전 에너지 하베스터 개발. ... 182
  • 4. 교량의 저주파 진동원에 적합한 에너지 하베스팅 장치 개발. ... 189
  • 5. FPSE(Free Piston Stirling Engine)의 일반화된 설계방법론 도출 ... 191
  • 6. 에너지 하베스팅 스킨 ... 197
  • 제3절 열전 에너지 하베스팅 ... 209
  • 1. 유연 열전 발전 소자 개발 ... 209
  • 제4절 박막 2차 전지 ... 214
  • 1. 양극 박막 ... 214
  • 2. 박막 고체 전해질 ... 220
  • 제5절 hub-spoke 연구 교류 결과. ... 241
  • 제4장 목표 달성도 및 관련분야에 기여도 ... 242
  • 제1절 압전 에너지 하베스팅 ... 242
  • 제2절 열전 에너지 하베스팅 ... 242
  • 제3절 박막 2차 전지 ... 243
  • 1. 양극 박막 ... 243
  • 2. 박막 2차 전지 ... 243
  • 제4절 향후 연구 개발 추진 전략. ... 245
  • 1. 유연 압전 에너지 하베스터의 특성 향상 연구 ... 245
  • 2. 유연 열전 에너지 하베스터의 특성 향상 연구 ... 246
  • 3. 유연 2차 박막 전지 특성 향상 연구 ... 246
  • 제5장 연구 개발결과의 활용 계획 ... 247
  • 제1절 압전 에너지 하베스팅 ... 247
  • 1. 유연 압전 에너지 하베스터 ... 247
  • 2. 압전 Nano rod 에너지 하베스터 ... 247
  • 3. 회전형 에너지 하베스터 ... 247
  • 4. FPSE ... 248
  • 5. 압전 에너지 하베스팅 스킨 ... 248
  • 제2절 열전 에너지 하베스팅 ... 249
  • 제3절 박막 2차 전지 ... 249
  • 1. 양극 박막 ... 249
  • 2. 박막 고체 전해질 ... 250
  • 제4절 하이브리드 에너지 하베스터의 적용분야 ... 251
  • 1. 하이브리드 에너지 하베스터 ... 251
  • 2. 도로용 발전 하베스터 ... 251
  • 3. 공장 감시 시스템용 에너지 하베스터 (진동발전+열전발전) ... 252
  • 제6장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 253
  • 제1절 압전 에너지 하베스팅 ... 253
  • 1. 유연 압전 에너지 하베스팅 소자 개발 ... 253
  • 2. 나노선 기반 압전 에너지 하베스팅 ... 253
  • 3. 에너지 하베스팅 스킨 ... 253
  • 제2절 열전 에너지 하베스팅 ... 254
  • 제3절 박막 2차 전지 ... 255
  • 1. 양극 박막 ... 255
  • 2. 박막 고체 전해질 ... 255
  • 제7장 수정보완대비표 ... 257
  • 제8장 참고문헌 (References) ... 258
  • mW급 플랙시블 열전소자 기반 기술에 관한 연구(Research on essential technologies for the realization of mW-level flexible thermoelectric device) ... 260
  • 제 출 문 ... 261
  • 보고서 요약서 ... 262
  • 요 약 문 ... 264
  • SUMMARY ... 267
  • CONTENTS ... 268
  • 목차 ... 270
  • 제1장 연구개발과제의 개요 ... 272
  • 제2장 국내외 기술개발 현황 ... 275
  • 제3장 연구개발수행 내용 및 결과 ... 278
  • 제1절 스크린프린팅 공정기법을 이용한 후막 형성 방법 ... 280
  • 1. 페이스트 합성방법 및 스크린프린팅 공정에 의한 후막 형성 방법 ... 280
  • 가. 페이스트 합성 ... 280
  • 나. 스크린프린팅 공정에 의한 후막 형성 ... 280
  • 다. 스크린프린팅 공정에 의해 형성된 후막의 열처리 공정에 따른 morphology 변화 ... 281
  • 2. 스크린프린팅 공정기법에 의해 형성된 n형 열전후막(Bi₂Te₃)의 열전특성 ... 283
  • 가. 열처리 온도에 따른 열전특성의 변화 ... 283
  • 나. 바인더 증발 온도 조건에 따른 열전특성의 변화 ... 285
  • 다. 파우더 분위기에 따른 열전특성의 변화 ... 286
  • 라. 비스무스(Bi)-텔루륨(Te) 파우더 분위기에서 열처리 지속시간에 따른 열전특성의 변화 ... 287
  • 3. 스크린프린팅 공정기법에 의해 형성된 p형 열전후막(Sb₂Te₃)의 열전특성 ... 290
  • 가. 파우더 분위기에 따른 열전특성의 변화 ... 290
  • 나. 후막두께 및 텔루륨(Te) 입도에 따른 열전특성의 변화 ... 292
  • 4. 스크린프린팅 공정기법에 의해 형성된 금속전극 후막의 전기적 특성 ... 293
  • 제2절 스크린프린팅 공정기법을 이용한 열전소자 제작 ... 294
  • 1. 평면구조(planar structure)의 열전소자 ... 294
  • 가. 유리 기판을 이용한 스크린프린팅 공정기술 ... 294
  • 나. 평면구조 열전소자 제작 공정과정 ... 295
  • 다. 평면구조 열전소자의 출력특성 측정방법 ... 295
  • 라. 평면구조 열전소자의 출력특성 ... 296
  • 마. 평면구조 열전소자의 출력전력 향상을 위한 이론적 계산 ... 297
  • (1) 최적의 n형과 p형 열전후막의 면적비 ... 297
  • (2) 최적의 열전소재 길이 ... 299
  • 2. 섬유(fabric)를 이용한 수직구조(vertical structure)의 열전소자 ... 301
  • 가. 섬유 재질을 이용한 수직구조 열전소자 제작 공정과정 ... 301
  • 나. 수직구조 열전소자의 출력특성 ... 302
  • 제3절 열전후막(후막)의 열전도도 측정 모델 ... 304
  • 1. 열전도도 측정 모델의 이론적 제시 ... 304
  • 가. 이론적 배경 ... 304
  • 나. 열전도도를 추출하기 위한 식 유도 과정 ... 305
  • 2. 열전도도 측정 모델의 실험적 검증 ... 308
  • 가. 모델의 실험적 검증을 위한 실험 설계 ... 308
  • 나. 스크린프린팅 공정기법에 의해 형성된 n형 열전후막(Bi₂Te₃)을 이용한 실험적 검증 ... 309
  • 제4절 연구 성과 ... 311
  • 1 단계 연구 기간 동안의 총 연구 성과 (2010. 6. 1 ~ 2012. 5. 31) ... 311
  • 제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 313
  • 가. 연구개발목표의 달성도 ... 313
  • 나. 평가의 착안점에 따른 목표달성도에 대한 자체평가 ... 314
  • 제5장 연구 개발 결과의 활용 계획 ... 315
  • 제6장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 316
  • 1. 최대 전력밀도 및 효율을 갖는 열전 발전소자 개발 기술 ... 316
  • 2. Polyaniline/graphene nanosheets를 사용하여 전기전도도와 제백계수를 동시에 향상시키는 기술 ... 317
  • 제7장 참고문헌 ... 318
  • 플렉서블 열전/압전 소자를 위한 요소 기술 개발(Development of essential techniques for flexible piezo- and thermoelectric device) ... 321
  • 제 출 문 ... 322
  • 보고서 초록 ... 323
  • 요 약 문 ... 324
  • ABSTRACT ... 327
  • SUMMARY ... 328
  • 목차 ... 332
  • CONTENTS ... 333
  • 제1장 연구개발과제의 개요 ... 334
  • 1. 연구개발의 목표 ... 334
  • 2. 연구개발의 필요성 ... 335
  • 제2장 국내외 기술개발 현황 ... 341
  • 1. 세계적 수준 ... 341
  • 2. 국내수준 ... 354
  • 3. 국내외 연구현황 ... 363
  • 제3장 연구개발수행 내용 및 결과 ... 364
  • 1. 연구 범위, 연구수행방법 및 연구 내용 ... 364
  • 2. 연구 수행 내용 ... 365
  • 3. 연구 결과 ... 380
  • 제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 381
  • 1. 연구 개발 목표의 달성도 및 기술 발전의 기여도 ... 381
  • 2. 평가의 착안점에 따른 목표달성도에 대한 자체평가 ... 382
  • 제5장 연구개발결과의 활용계획 ... 384
  • 1. 연구개발결과의 활용방안 ... 384
  • 2. 기대 성과 ... 384
  • 제6장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 386
  • 1. 유체 흐름 발전소자 (Fluidic Droplet Generator) ... 386
  • 2. 마찰대전 발전소자 (Triboelectric Generator) ... 389
  • 제7장 단계 평가의견 반영 항목 ... 394
  • 제8장 참고문헌 ... 398
  • 에너지 하비스팅용 나노압전 신소재 공정 기술 개발(Development of novel nanopiezoelectric materials for energy harvesting) ... 400
  • 제 출 문 ... 401
  • 보고서 초록 ... 402
  • 요 약 문 ... 403
  • SUMMARY ... 410
  • CONTENTS ... 416
  • 목차 ... 418
  • 제1장 연구개발과제의 개요 ... 420
  • 제2장 국내외 기술개발 현황 ... 422
  • 제3장 연구개발수행 내용 및 결과 ... 429
  • 제1절 실험방법 ... 429
  • 1. 합성 및 박막 제작 ... 429
  • 가. 나노입자 및 나노선 합성 ... 429
  • (1) NaNbO₃ 나노입자 ... 429
  • (2) NaNbO₃나노선 ... 429
  • (3) KNbO₃나노선 ... 429
  • (4) Na1-xKxNbO₃ 나노선 ... 430
  • (5) (Na0.5K0.5)(Nb0.7Ta0.3)O₃ 나노입자 ... 430
  • (6) (Na0.5K0.5)(Nb0.7Ta0.3)O₃ 나노튜브 및 나노선 ... 430
  • 나. 박막 제작 ... 430
  • (1) Na0.5K0.5NbO₃ 박막 ... 430
  • (2) (NaxK1-x)(NbyTa1-y)O₃ 박막 ... 431
  • 2. 물성 측정 ... 431
  • 가. XRD 및 Raman 분석 ... 431
  • 나. SEM 및 TEM 분석 ... 431
  • 다. 유전특성 및 압전특성 측정 ... 432
  • 3. 이론적, 실험적 접근 방법(위탁기관:전북대) ... 432
  • 제2절 결과 및 고찰 ... 433
  • 1. NaNbO₃ 나노입자 및 나노선 ... 433
  • 2. KNbO₃ 나노선 ... 436
  • 3. Na1-xKxNbO₃ 나노선 ... 446
  • 4. (Na0.5K0.5)(Nb0.7Ta0.3)O₃ 나노입자 ... 452
  • 5. Na0.5K0.5NbO₃ 박막 ... 456
  • 6. (NaxK1-x)(NbyTa1-y)O₃ 박막 ... 468
  • 7. 위탁기관 연구결과(전북대) ... 469
  • 가. BNT-BT계 박막 제조 및 특성평가 ... 469
  • 나. BNLT-BT 박막 제조 및 특성평가 ... 472
  • 다. BNKT-BT 박막 제조 및 특성평가 ... 477
  • 라. BNRT-BT계 박막 제조 및 특성평가 ... 481
  • 마. 박막의 양호한 응력상태 구현을 위한 LNO, LSCO 전극 제조 ... 484
  • 바. LNO, LSCO 하부전극을 이용한 BTO 및 BNT-BT 박막 제조 및 특성평가 ... 489
  • 제3절 결론 ... 495
  • 제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 498
  • 제5장 연구개발결과의 활용계획 ... 500
  • 제6장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 501
  • 제7장 참고문헌 ... 505
  • MEMS 하베스터 소자 설계 및 하이브리드 시스템 통합 기술 ... 509
  • 제 출 문 ... 509
  • 보고서 요약서 ... 510
  • 요 약 문 ... 512
  • SUMMARY ... 513
  • CONTENTS ... 513
  • 목차 ... 514
  • 1. 연구개발과제의 개요 ... 515
  • (1) 연구개발과제의 필요성 ... 515
  • (2) 연구개발과제의 목적 ... 516
  • 2. 국내외 기술동향 및 시장수요 조사 ... 517
  • 가. 세계적 수준 ... 517
  • 나. 국내수준 ... 517
  • 다. 국내외 연구현황 및 현기술상태의 취약성 ... 517
  • 라. 선진국 대비 국내 기술 수준 및 연구 결과의 영향력 ... 521
  • 마. 시장수요 조사 ... 522
  • 3. 연구개발과제수행 내용 및 결과 ... 525
  • (1) 연차별 연구개발과제의 목표 및 내용 ... 525
  • (2) 연구수행 내용 및 결과 ... 527
  • (3) 상세 연구수행 내용 및 결과 분석 ... 530
  • 4. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 559
  • (1) 평가의 착안점 ... 559
  • (2) 연구개발목표의 달성도 ... 561
  • (3) 관련분야에의 기여도 ... 562
  • 5. 연구개발결과의 활용계획 ... 564
  • (1) 타 연구에의 활용방안 ... 564
  • (2) 타 분야에의 기대성과 ... 564
  • (3) 상용화 연계 전략 ... 565
  • 6. 참고문헌 ... 567
  • 끝페이지 ... 568

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