초록 ▼

□ 연구개요
· 모바일 및 웨어러블 전자소자의 전력원으로 사용될 수 있는 자가발전형 에너지 시스템이 요구되고 있으며 주변에서 버려지는 소모성 에너지원을 전기에너지로 변환하는 에너지 하베스팅 기술의 중요성이 증대되고 있음.
· 특히, 압전효과를 바탕으로 제안된 에너지 나노발전소자는 바람, 태양 등과 같은 외부에너지원이 제공되지 않는 상황에서도 미세한 움직임에 발생되는 누름이나 굽힘 등의 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환할 수 있으므로 모바일 및 웨어러블 전자소자 등의 Consumer Electronics 뿐만 아니라,

□ 연구개요
· 모바일 및 웨어러블 전자소자의 전력원으로 사용될 수 있는 자가발전형 에너지 시스템이 요구되고 있으며 주변에서 버려지는 소모성 에너지원을 전기에너지로 변환하는 에너지 하베스팅 기술의 중요성이 증대되고 있음.
· 특히, 압전효과를 바탕으로 제안된 에너지 나노발전소자는 바람, 태양 등과 같은 외부에너지원이 제공되지 않는 상황에서도 미세한 움직임에 발생되는 누름이나 굽힘 등의 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환할 수 있으므로 모바일 및 웨어러블 전자소자 등의 Consumer Electronics 뿐만 아니라, 미래병사체계용 전력원으로도 적용이 가능한 차세대 에너지 생성소자임.
· 자가발전형 에너지 생성소자 구현을 위해, 에너지 소자로 적용이 용이한 폴리머 및 ZnO 소재를 이용한 연구가 주를 이루어왔지만 상용 전자기기를 구동하기에는 낮은 발전성능을 보이고 있으며, 단일 구조의 세라믹 압전소재를 사용한 에너지 발전소자 기술은 발전성능을 향상시키는데 한계가 있었음. 또한, 기존에 보고된 에너지 나노발전소자 제작기술들은 복잡하고 고가의 공정이 수반되며 대면적 형태의 플렉서블 압전발전소자 제작이 불가능하였음.
· 본 연구는 높은 압전특성을 나타내는 core-shell 구조의 압전나노소재를 합성하고 이를 이용하여 미세한 기계적 움직임(진동, 하중, 굽힘)으로부터 전기에너지를 생성하는 대면적 형태의 웨어러블/플렉서블 자가발전 에너지 생성소자를 개발하는 것을 목표로 하였음.

□ 연구 목표대비 연구결과
(1) 고효율 압전나노입자 합성 및 분석
· 수열합성법을 이용하여 대표적 비납계 압전소재인 BaTiO₃, BZT, BCTZ 압전나노입자와 BaTiO₃/PMN-PT 압전나노선을 제조함.
· 이종원소 도핑을 통한 Core-Shell 구조의 고효율 압전나노입자를 제조함.
· X-선 회절 및 라만 분광법을 이용하여 제조한 압전소재의 재료분석을 수행함.
· PFM 분석을 실시하여, 단일 압전나노소재의 압전전하상수(d₃₃)를 측정하였음.
(2) 고효율 나노구조체 합성 및 분석
· 2단계 수열합성 공정을 진행하여 수직 배열된 BaTiO₃ 나노선 어레이를 제조함.
· 애노다이징 및 수열합성 공정을 연속적으로 진행하여 BaTiO₃ 나노튜브 어레이를 제조함.
· BaTiO₃ 나노튜브 어레이에 PZT 졸(sol)을 도포하여 Core-Shell 구조의 나노튜브를 제조함.
· XRD 및 라만 분광법을 통해, 제조한 압전나노구조체들의 결정구조를 분석함.
· 압전나노선 및 튜브를 플라스틱 기판으로 전사하여 단일 압전나노 구조체의 압전특성을 평가함.
(3) 시뮬레이션을 통한 소자구조 설계
· 순수 압전나노소재와 Core-Shell 구조의 소재간의 압전포텐셜을 비교/해석함.
· Core-Shell 구조의 압전나노구조체 형태 및 크기에 따른 해석을 실시함.
· 소자의 상하부 전극 구조 및 기판 물질 변화에 따른 다중물리 시뮬레이션 실시하고 해석함.
· 압전나노소재의 두께변화에 따른 구조해석 및 적층에 의한 압전포텐셜을 해석함.
(4) 상용화 가능한 소자제작 기술설계
· 플렉서블 압전발전소자 제작을 위한 스핀코팅 공정 기반의 단순 저비용 공정을 설계함.
· 잉크젯 프린팅 공정을 이용하여 소자제작이 가능한 공정을 설계함.
· 압전나노소재, 소자구조 및 제작공정에 따른 폴링 공정 조건을 최적화함.
(5) 나노자가발전 소자제작
· 스핀코팅 및 잉크젯 프린팅 공정을 적용한 플렉서블 압전발전소자를 제작함.
· 제작된 소자의 생성 전압 및 전류를 측정하고 성능을 향상 시키는 연구를 수행함.
· 패치형(부착형) 압전발전소자를 제작하고 응용연구를 수행함.
(6) 플렉서블 에너지 생성소자의 신뢰성 확보
· 플렉서블 에너지 생성소자의 기계적 변형 및 피로환경에서의 동작을 확인하여, 소자의 장시간 작동에 따른 특성변화를 분석하고 개선함.
· 플렉서블 압전발전소자의 패키징을 위한 소재를 선정하고 구조를 설계함.
· 패키징 소자의 내구성 및 안정성을 평가함.

□ 연구개발결과의 중요성
· 본 연구에서 제안한 Core-Shell 구조의 압전나노소재 합성 및 나노발전소자로의 적용 연구는 재료적 연구와 소자 구조 및 공정 설계 등의 소자연구가 동시에 수행되었음.
· 따라서, 도출된 연구결과가 국제적 저널에 발표되는 학문적 파급 효과뿐만 아니라, 고성능 압전 에너지 변환 소자 제작 기술을 개발한다면 원천기술을 선점할 수 있었음. 또한, 에너지 에너지 관련 연구 분야뿐만 아니라, 타 연구분야로의 적용도 가능하여 새로운 분야에 응용되어 국가의 과학기술 경쟁력 제고에 크게 이바지하는 경제사회발전의 효과도 있을 것으로 생각됨.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 가. 연구배경 ... 4
• 나. 선행연구의 기술적 한계 ... 4
• 다. 연구의 필요성 ... 4
• 라. 연구목표 및 내용 ... 5
• 2. 연구수행내용 및 연구결과 ... 6
• 가. 1차년도 연구결과 ... 6
• 나. 2차년도 연구결과 ... 9
• 다. 3차년도 연구결과 ... 11
• 3. 연구개발결과의 중요성 ... 13
• 가. 연구결과의 중요성 ... 13
• 나. 활용성 및 기대효과 ... 13
• 4. 참고문헌 ... 14
• 5. 연구성과 ... 15
• 대표적 연구실적 ... 19
• 끝페이지 ... 29