2012년 제1차 압전발전 지식연구회 - 압전 나노발전소자의 기술 개발 동향 -

(1)

2004. 10. .

이 수 재

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발표 순서

I. Nanopiezotronics 기술의 개요

II. 압전 나노발전 소자 기술의 개발 동향

III. ZnO 나노선 기반의 나노발전 소자

IV. 압전 나노섬유 기반의 나노 발전 소자

V. 유-무기 복합 압전 소재 기반의 나노 발전 소자

VI. Hybrid 나노 발전 소자

VII. 압전 나노 발전 소자의 응용

VIII. 요 약

참고문헌 : 이수재, 유인규, 추혜용 “Nanopiezotronics 기술”

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ØNanoelectronics

è

The accumulation and movement of charge carriers to perform intelligence-bearing devices, such as transistors and diodes

.

Ø Spintronics

è An emerging field involving the detection and manipulation of electron spin for sensing, data memory, and functional devices.

Ø Molecular electronics (Moltronics)

è

utilizes molecules as functional devices to achieve electronic performance.

Ø

Future :

Nanopiezotronics

è

utilizes the coupled piezoelectric and semiconducting property of nanowires and

nanobelts

for

designing

and

fabricating

electronic

devices

such

as

nanogenerator, transistors and diodes.

One of the TOP emerging technologies of 2009 by MIT Technology Review

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▣ ▣ NanopiezotronicsNanopiezotronics 기술의기술의 개념개념 Ø 역학적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 nanogenerator의 원리를 기반으로 하며, 나노선, 나노 벨트와 같은 나노 구조체의 압전성과 반전도성 특성이 결합에 의한 신기능 발현천 기술 및 이를 기반으 로 한 신기능의 미래 나노융합 전자/에너지 신소자 구현이 가능한 이머징 기술임

☞

Nanopiezotronics ? 나노 구조체의 압전성 + 반전도성 = 나노 융합 신소자 구현

I. 기술의 개요

▣ Nanostructured ZnO

Ø Wide band gap(~3.37eV) semiconductor Ø Green material

Ø Piezoelectric and pyroelectric properties Ø Longer life time

Ø Low cost and controlled growth Ø Availability of large single crystals

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▣ Nanopiezotronics 소자의 응용 분야

I. 기술의 개요

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I. 기술의 개요

▣ 국내・

외 유망 기술 선정

2009년, MIT 선정 10대 유망 기술

- 융합 기술 부분에 해당

? 2010년, Popular Science

- 향후 3년간 세계를 뒤흔드는 45가지 혁신 기술: ‘

휴먼 에너지 하베스팅’

? KERI (한국전기연구원): 미래를 바꿀 10대 유망 전기기술

- 압전발전: 마이크로 발전, 분산전원 부분에 해당

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Overview of energy harvesting technologies

New Energy harvesting

Typical energy density (µW/cm3₎

15000

5 15 200

THERMAL

-Miniature thermoelectric generators

- Clare - Plastecs - ….. Piezoelectric Electrostatic-Capacitive Electromagnetic/ Inductive - MIT - Physiscal Science Inc - University of CA Berkelely - TPL Micropower Division - LV Sensors - Georgia Institute of - Technology - HOLST Centre - Nation Chiao Tung

University - ESIEE-ESYCON - Imperial College Iondon - Asahi Glass -Peking University - Lummedyne Technology VIBRATION SOLAR-Photoelectric - HOLST Centre

- IMTEK university Freiburg - Thermo Life

- Micropeit

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▣ 기계적 에너지 수확 및 응용 분야

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ZnO Nanobelt/ring/spring 제조

Fiber based nanogenerator Nanopiezotronics 개념 출현 3D integration, Self-powered nanodevices 고출력 고출력 NanogeneratorNanogenerator?? Self

Self--powering system?powering system?

Flexible 기판상에ZnO Nanowire generator : Vp : 0.15V

ZnO nanowire 제조 및 압전 특성 연구 시작

Flexible 기판상에ZnO Nanowire generator : Vp : 0.15V

뉴-패러다임을 가져올 수 있는 초고효율 에너지 나노 압전 소재?

▣ ZnO 나노선 기반의 압전 나노발전 소자의 개발 추세

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2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 20110 5 10 15 20 25 30 35 40 Nanogeneragor 36 30 17 8 13 2 1 1

No. of Publications

Publicaiton Year

1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 0 5 10 15 20 25 30 출원년도 출원건수

▣ 압전 나노발전 소자 기술의 출원특허 및 발표논문 동향

II. 압전 나노발전 소자의 기술 개발 동향

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u Piezoelectric Potential(Piezopotential) in Zinc oxide nanowires

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u Fundamental Principles

ØPiezoelectric potential

ØSemiconducting properties-charge separation and removal ØSchottky barrier : metal-semiconductor interface

ØOhmic contact

ZnO nanowires

Ø ZnO, GaN, AlN, InN, Cds etc.

: semiconducting + piezoelectric for piezotronics

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III. ZnO 나노선 기반의 나노 압전 발전 소자

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III. ZnO 나노선 기반의 나노 압전 발전 소자

(15)

III. ZnO 나노선 기반의 나노 압전 발전 소자

u Vertical nanowire integrated nanogenerator(VING)

to improve power generation performance

Adv. Mater. 2012, 24, 110?114

Ø Measured output voltage : 20 V Ø Output current : 6 μA

Ø Power density is 0.2 W/cm3

* PDADMAC:poly(diallydimethylammonium chloride) * PSS : poly (sodium 4-styrenesulfonate)

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III. ZnO 나노선 기반의 나노 압전 발전 소자

u

Lateral nanowire Integrated Multilayer Nanogenerator(VING)

to improve power generation performance

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III. ZnO 나노선 기반의 나노 압전 발전 소자

u

Fabrication a nanogenerator by a “Drop-on” Technique(Nanocomposite)

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IV. 압전 나노섬유 기반의 나노 발전 소자

u

Fiber based Nanogenerator

Ø Conducting polymer : substrate ü Biocompatible

ü Safe

ü Cost effective

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IV. 압전 나노섬유 기반의 나노 발전 소자

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IV. 압전 나노섬유 기반의 나노 발전 소자

▣ 폴리머 압전 나노섬유 기반의 나노발전 소자 : 외부 응력이 가해질 경우 매우 큰 piezopotential 발생 쌍극자 전극 전극 V+ _V -High piezopotential Ø 폴리머 Nanofiber(PVDF)

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V. 유-무기 복합 압전 소재 기반의 나노 발전 소자

▣ A Hybrid Piezoelectric Structure for Wearable Nanogenerators

Adv. Mater. 2012, 24, 1759?1764

[그림] Schematic diagram and SEM images of a

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▣ Hybrid cells for simultaneously harvesting multi-type energies for self-powered micro/nanosystems

[그림] Pie chart of the world energy production in October 2011 with the renewable distribution.

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▣ Hybrid cell: from mono- to multi-type energy harvesting

[The prototype: a hybrid cell for solar and mechanical energies]

[그림] Design, structure,working principle,and performance of a hybrid cell(HC) composed of serially integrated solar cell(SC)and nanogenerator(NG) for raising the output voltage.

[Nano Energy(2012) 1, 259?272]

VI. Hybrid 발전 소자

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[그림] Design structure and performance of a HC for sound and solar energy harvesting.

▣ Hybrid cell for concurrently harvesting

sound and solar energies

[그림] Design and pressure measurement of a single fiber-based HC for simultaneous harvesting of biochemical and mechanical energies from an external force or pressure

▣ Hybrid cell for solar and biochemical

energies

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Ø Harvesting Energy for Environment(Body Motion)

Converting Biomechanical Energy Electricity by a Muscle-Monvement-Driven Nanogenerator

- Georgia Tech. (Zhong Lin Wang)

Mechanical energy to electricity

VII. 압전 나노 발전 소자의 응용

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Ø Heartbeat Driven Flexible Nanogenerator

[**Wearable 시스템 응용을 위한 core-shell 구조와 flexible nanogenerator의 개념도]

VII. 압전 나노 발전 소자의 응용

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[그림] Electrical measurements of our hybrid-fi ber nanogenerator attached on a human arm

▣ A Hybrid Piezoelectric Structure for Wearable Nanogenerators

VII. 압전 나노 발전 소자의 응용

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Ø Electricity Generation by Sound

VII. 압전 나노 발전 소자의 응용

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Ø Driving a commercial LCD by a Nanogenerator

Nano Letters 10, 5025 (2010)

VII. 압전 나노 발전 소자의 응용

(30)

Ø Integration of a nanogenerator with a pH sensor

VII. 압전 나노 발전 소자의 응용

(31)

Ø Integration of a nanogenerator with a UV sensor

Nature Nanotechnology 5, 366 (2010)

VII. 압전 나노 발전 소자의 응용

(32)

Ø Self-powered environmental Hg

2+

_{sensor driven by nanogenerators}

VII. 압전 나노 발전 소자의 응용

(33)

Ø Self-powered System with wireless data transmission

Advanced Materials 24, 280 (2012)

VII. 압전 나노 발전 소자의 응용

(34)

Ø Lighting up an LED by Nanogenerator

VII. 압전 나노 발전 소자의 응용

(35)

VIII. 요 약

(36)

2005

2006

2007

2008

2009

2010

2011

2012

2013

1E-3

0.01

0.1

1

10

100 Output Voltage (V)

9 mV 45 mV 65 mV 150 mV 2.1V 10 V 20 V 0.11 _µW/cm3 11 mW/cm3 32 mW/cm3 0.2 W/cm3

Ø Power Generation Performance of Piezoelectric ZnO Nanogenerator

VIII. 요 약

(37)

VIII. 요 약

압전 세라믹 소재

뉴 패러다임

뉴 패러다임 뉴 패러다임 초고효율 나 노 압전 소재 1880년