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KR-20260060674-A - POWER GENERATION ELEMENT, POWER GENERATION MODULE, AND MATHOD OF MANUFACTURING POWER GENERATION MODULE

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 발전 소자는, 기판 상의 강유전체층, 상기 강유전체층 상의 전하 이동층, 상기 전하 이동층 상에서 유동하는 극성 유체, 상기 극성 유체를 사이에 두고 배치되는 제1 및 제2 전극, 및 상기 기판 상에서 상기 극성 유체, 상기 제1 전극, 및 상기 제2 전극을 덮는 덮개부를 포함한다.

Inventors

  • 금현성
  • 장윤수

Assignees

  • 연세대학교 산학협력단

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20241025

Claims (15)

  1. 기판 상의 강유전체층; 상기 강유전체층 상의 전하 이동층; 상기 전하 이동층 상에서 유동하는 극성 유체; 상기 극성 유체를 사이에 두고 배치되는 제1 및 제2 전극; 및 상기 기판 상에서 상기 극성 유체, 상기 제1 전극, 및 상기 제2 전극을 덮는 덮개부를 포함하는 발전 소자.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 각각을 덮는 전극 패시베이션 구조물을 더 포함하고, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 각각은 상기 극성 유체와 이격되는 발전 소자.
  3. 제1 항에 있어서, 상기 제1 전극과 연결되는 제1 배선; 상기 제2 전극과 연결되는 제2 배선; 및 상기 기판 상에서 상기 제1 배선 및 상기 제2 배선을 덮는 배선 패시베이션 구조물을 더 포함하고, 상기 덮개부는 상기 배선 패시베이션 구조물 상에 배치되는 발전 소자.
  4. 제3 항에 있어서, 상기 제1 배선은 상기 제1 전극과 접촉하는 일단 및 상기 배선 패시베이션 구조물로부터 외부로 노출되는 타단부를 포함하고, 상기 제2 배선은 상기 제2 전극과 접촉하는 일단 및 상기 배선 패시베이션 구조물로부터 외부로 노출되는 타단부를 포함하고, 상기 제1 배선의 타단부와 상기 제2 배선의 타단부는 상기 배선 패시베이션 구조물의 동일한 면으로부터 외부로 노출되는 발전 소자.
  5. 제3 항에 있어서, 상기 기판, 상기 배선 패시베이션 구조물, 및 상기 덮개부 중 적어도 하나는 투명한 실리콘 재질을 포함하는 발전 소자.
  6. 제1 항에 있어서, 상기 전하 이동층은 그래핀 또는 그래핀 산화물을 포함하는 발전 소자.
  7. 전하 이동층, 상기 전하 이동층 상의 극성 유체, 및 상기 전하 이동층 상의 내부 전극 구조물을 각각 포함하고, 상기 극성 유체가 유동하는 제1 방향과 수직한 제2 방향으로 적층된 복수의 발전 소자들; 및 상기 복수의 발전 소자들을 전기적으로 연결하는 외부 전극 구조물을 포함하고, 상기 복수의 발전 소자들 각각에서, 상기 극성 유체는 상기 전하 이동층과 접촉하고 상기 내부 전극 구조물 및 상기 외부 전극 구조물과 이격되는 발전 장치.
  8. 제7 항에 있어서, 상기 복수의 발전 소자들은 직렬 연결된 발전 장치.
  9. 제7 항에 있어서, 상기 외부 전극 구조물은, 인접한 두 발전 소자를 연결하는 적어도 하나의 연결 전극; 상기 복수의 발전 소자들 중 최하부의 발전 소자와 연결되는 제1 외부 전극; 상기 복수의 발전 소자들 중 최상부의 발전 소자와 연결되는 제2 외부 전극을 포함하는 발전 장치.
  10. 제9 항에 있어서, 상기 복수의 발전 소자들은 상기 제1 방향으로 대향하는 제1 측면 및 제2 측면을 포함하고, 상기 연결 전극은 상기 제1 측면 상에 배치되는 발전 장치.
  11. 제10 항에 있어서, 상기 복수의 발전 소자들은 상기 제1 방향 및 상기 제2 방향과 수직한 제3 방향으로 대향하는 제3 측면 및 제4 측면을 포함하고, 상기 제1 외부 전극은 상기 발전 소자와 접촉하는 제1 접촉부, 제1 외부 단자부, 및 상기 제1 접촉부와 상기 제1 외부 단자부를 연결하는 제1 연결부를 포함하고, 상기 제2 외부 전극은 발전 소자와 접촉하는 제2 접촉부, 제2 외부 단자부, 및 상기 제2 접촉부와 상기 제2 외부 단자부를 연결하는 제2 연결부를 포함하고, 상기 제1 연결부는 상기 제3 측면에 배치되고, 상기 제2 연결부는 상기 제4 측면에 배치되는 발전 장치.
  12. 제11 항에 있어서, 상기 복수의 발전 소자들 각각은 상기 전하 이동층이 배치되는 기판을 포함하고, 상기 복수의 발전 소자들 중 최하부의 발전 소자의 상기 기판은 나머지 발전 소자들의 상기 기판으로부터 상기 제1 방향으로 돌출된 돌출부를 갖고, 상기 제1 외부 단자부 및 상기 제2 외부 단자부는 상기 돌출부 상에 배치되는 발전 장치.
  13. 기판, 상기 기판 상의 강유전체층, 상기 강유전체층 상의 전하 이동층, 상기 전하 이동층 상의 내부 전극 구조물, 및 극성 유체를 포함하는 발전 소자를 형성하는 단계; 상기 발전 소자를 복수 번 적층하는 단계; 상기 적층된 복수의 발전 소자들을 전기적으로 연결하는 복수의 외부 전극 구조물을 형성하는 단계를 포함하는 발전 장치의 제조 방법.
  14. 제13 항에 있어서, 상기 발전 소자를 형성하는 단계는, 상기 강유전체층 상에 상기 전하 이동층을 형성하는 단계; 상기 전하 이동층 상에 상기 내부 전극 구조물을 형성하는 단계; 상기 강유전체층 아래의 기판 및 상기 내부 전극 구조물을 덮는 패시베이션 구조물을 형성하는 단계; 상기 패시베이션 구조물로부터 노출된 전하 이동층 상에 극성 유체를 배치하는 단계; 및 상기 패시베이션 구조물 및 상기 극성 유체를 덮는 덮개부를 형성하는 단계를 포함하는 발전 장치의 제조 방법.
  15. 제14 항에 있어서, 상기 기판, 상기 패시베이션 구조물, 및 상기 덮개부는 PDMS(Polydimethylsiloxane)를 포함하는 발전 장치의 제조 방법.

Description

발전 소자, 발전 모듈, 및 이를 제조하는 방법{POWER GENERATION ELEMENT, POWER GENERATION MODULE, AND MATHOD OF MANUFACTURING POWER GENERATION MODULE} 본 발명은 발전 소자, 발전 모듈, 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다. 최근 한정적인 자원의 한계를 극복하고자 에너지를 하베스팅(harvesting)하는 기술이 연구되고 있다. 에너지를 하베스팅하는 발전 소자들은 주변 환경의 에너지, 예를 들어 바람, 진동, 인간의 움직임, 열, 온도 등을 이용하여 친환경적으로 전기 에너지를 생성할 수 있다. 또한, 에너지원을 효율적으로 활용하기 위하여, 발전 소자의 구조, 공정, 및 제어방법을 개량, 최적화하는 것뿐만 아니라 신규 에너지를 활용한 발전 소자가 연구되고 있다. 도 1은 예시적인 실시예들에 따른 발전 소자의 개략전인 사시도이다. 도 2a 및 도 2b는 예시적인 실시예들에 따른 발전 소자의 개략적인 단면도들이다. 도 3은 예시적인 실시예들에 따른 발전 장치의 개략적인 부분 확대도이다. 도 4는 예시적인 실시예들에 따른 발전 장치의 제조 방법을 설명하기 위한 개략적인 흐름도이다. 도 5는 예시적인 실시예들에 따른 발전 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 개략적인 흐름도이다. 도 6a 내지 도 6d는 예시적인 실시예들에 따른 발전 장치의 제조 방법을 설명하기 위한 개략적인 사시도들이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 다음과 같이 설명한다. 이하에서, "상부", "중간" 및 "하부" 등과 같은 용어는 다른 용어, 예를 들어 "제1", "제2" 및 "제3" 등의 용어로 대체되어 명세서의 구성요소들을 설명하기 위하여 사용될 수도 있다. "제1", "제2" 및 “제3”등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되는 것은 아니며, "제1 구성요소"는 "제2 구성요소"로 명명될 수 있다. 도 1은 예시적인 실시예들에 따른 발전 소자(100)의 개략전인 사시도이다. 도 2a 및 도 2b는 예시적인 실시예들에 따른 발전 소자(100)의 개략적인 단면도들이다. 도 2a는 도 1의 Ⅰ-Ⅰ'에 따른 단면을 도시하고, 도 2b는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ'에 따른 단면을 도시한다. 도 1, 도 2a, 및 도 2b를 참고하면, 발전 소자(100)는 기판(10), 강유전체층(30), 전하 이동층(40), 극성 유체(PL), 내부 전극 구조물(50, 60), 및 덮개부(90)를 포함할 수 있다. 기판(10)은 x 방향과 y 방향으로 연장되는 상면을 가질 수 있다. 기판(10)은 투명성 및/또는 탄력성을 갖는 실리콘 재질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 기판(10)은 PDMS(Polydimethylsiloxane)을 포함할 수 있다. 강유전체층(30)은 기판(10) 상에 배치될 수 있다. 강유전체층(30)은 분극된 상태일 수 있으며, 전하 이동층(40)의 전하 이동을 증대시킬 수 있다. 예를 들어, 분극된 강유전체층(30)에 의해 전하 이동층(40)의 상면과 인접한 영역의 이동 가능한 전하의 개수가 증가될 수 있다. 강유전체층(30)은 플레이트 형상을 가질 수 있으며, 기판(10)보다 작은 평면적을 갖는 플레이트 구조일 수 있다. 강유전체층(30)은 예를 들어, 리튬니오베이트(LiNbO3)일 수 있다. 전하 이동층(40)은 강유전체층(30) 상에 배치될 수 있다. 전하 이동층(40)은 극성 유체(PL)의 유동 방향과 반대로 전하가 이동되는 층일 수 있다. 이에 따라, 전하 이동층(40)은 극성 유체(PL)의 움직임을 전기 에너지로 변환시키는 에너지 변환층일 수 있다. 전하 이동층(40)은 플레이트 형상일 수 있으며, 강유전체층(30)보다 작은 평면적을 가질 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 전하 이동층(40)은 예를 들어, 그래핀(graphene) 또는 그래핀 산화물을 포함할 수 있다. 극성 유체(PL)는 전하 이동층(40) 상에서 유동할 수 있다. 극성 유체(PL)는 전하 이동층(40)과 접촉한 상태로 특정 방향으로 유동될 수 있다. 극성 유체(PL)의 움직임은 본 실시예에 따른 발전 소자(100)의 에너지원일 수 있다. 극성 유체(PL)는 내부 전극 구조물(50, 60)과 이격될 수 있다. 즉, 극성 유체(PL)는 전하 이동층(40) 상에서 유동하는 동안 내부 전극 구조물(50, 60)과 접촉하지 않을 수 있다. 극성 유체(PL)는 액체 상태의 물(H2O)을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않고 극성을 가진 다양한 유체를 포함할 수 있다. 내부 전극 구조물(50, 60)은 내부 전극(50), 및 내부 배선(60)을 포함할 수 있다. 내부 전극(50)은 전하 이동층(40)에 전기 에너지를 외부로 출력하기 위한 구조물일 수 있다. 내부 전극(50)은 제1 전극(50a) 및 제2 전극(50b)을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 전극(50a, 50b)은 전하 이동층(40) 상에서 극성 유체(PL)를 사이에 두고 배치될 수 있다. 제1 전극(50a)은 전하 이동층(40)의 일단과 인접한 영역 상에 배치될 수 있고, 제2 전극(50b)은 전하 이동층(40)의 상기 일단과 반대편인 타단과 인접한 영역 상에 배치될 수 있다. 제1 전극(50a)은 극성 유체(PL)의 유동 방향, 전하 이동층의 전하 이동 물질, 또는 강유전체층(30)의 분극 상태 등에 따라 서로 다른 극성을 가질 수 있다. 제2 전극(50b)은 제1 전극(50a)과 다른 극성을 가질 수 있다. 내부 전극(50)은 예를 들어 Ag를 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 발전 소자(100)는 내부 전극(50)을 덮는 전극 패시베이션 구조물(55)을 더 포함할 수 있다. 전극 패시베이션 구조물(55)은 전하 이동층(40) 상에서 내부 전극(50)과 극성 유체(PL)를 이격시킬 수 있다. 즉, 극성 유체(PL)가 에너지 발생을 위하여 특정 방향으로 유동하더라도 전극 패시베이션 구조물(55)에 의하여 내부 전극(50)과의 접촉이 방지될 수 있다. 이에 따라, 쇼트 발생 등 발전 소자의 신뢰성 개선 및 불량이 방지될 수 있다. 전극 패시베이션 구조물(55)은 투명성 및/또는 탄력성을 갖는 실리콘 재질을 포함할 수 있으며, 예를 들어, PDMS을 포함할 수 있다. 내부 배선(60)은 내부 전극(50)과 전기적으로 연결되어 특정 방향으로 에너지가 출력되도록 하는 구성이다. 예시적인 실시예에서, 내부 배선(60)은 외부로 에너지를 출력하기 위한 단자부를 포함하는 것으로 설명될 수 있으나, 이에 한정되지 않고 별개의 단자부를 포함할 수도 있다. 내부 배선(60)은 예를 들어 Cu 재질의 와이어 형태일 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 내부 배선(60)은 제1 전극(50a)과 연결되는 제1 배선(60a) 및 제2 전극(50b)과 연결되는 제2 배선(60b)을 포함할 수 있다. 발전 소자(100)는 내부 배선(60)을 덮는 배선 패시베이션 구조물(15)을 포함할 수 있다. 배선 패시베이션 구조물(15)은 기판(10) 상에서 내부 배선(60)과 함께 강유전체층(30)을 덮을 수 있다. 배선 패시베이션 구조물(15)은 기판(10) 상에서 내부 배선(60)과 극성 유체(PL)를 이격시킬 수 있다. 이에 따라, 쇼트 발생 등 발전 소자의 신뢰성 개선 및 불량이 방지될 수 있다. 배선 패시베이션 구조물(15)은 기판(10) 및 강유전체층(30)의 상면을 덮으면서 전하 이동층(40)의 상면의 적어도 일부를 노출시킬 수 있다. 예를 들어, 배선 패시베이션 구조물(15)은 특정 두께를 가지면서 특정 영역이 패터닝된 형상으로서, 하부가 전하 이동층(40)에 의해 폐쇄되고 상부가 개방된 형태일 수 있다. 상기 패터닝된 형상은 덮개부(90)에 의해 상부가 폐쇄될 수 있으며, 이에 따라 내부 공간(IS)이 형성될 수 있다. 극성 유체(PL)는 배선 패시베이션 구조물(15), 전극 패시베이션 구조물(55), 및 덮개부(90)에 의해 형성된 내부 공간(IS) 내에서 유동될 수 있다. 배선 패시베이션 구조물(15)은 투명성 및/또는 탄력성을 갖는 실리콘 재질을 포함할 수 있으며, 예를 들어, PDMS을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 기판(10), 배선 패시베이션 구조물(15), 및 덮개부(90)는 동일한 물질을 포함할 수 있다. 상기 물질은 극성 유체(PL)와 반응성이 낮은 물질일 수 있다. 동일한 물질로 견고하게 밀폐 또는 밀봉된 내부 공간(IS) 내에서 인접 구성과 반응없이 극성 유체(PL)가 유동함에 에너지 효율이 개선되거나 신뢰성이 높은 발전 소자가 제공될 수 있다. 제1 배선(60a)은 제1 전극(50a)과 접촉하는 일단 및 배선 패시베이션 구조물(15)으로부터 외부로 노출되는 타단부를 포함할 수 있다. 마찬가지로, 제2 배선(60b)은 제2 전극(50b)과 접촉하는 일단 및 배선 패시베이션 구조물(15)으로부터 외부로 노출되는 타단부를 포함할 수 있다. 제1 배선(60a)의 타단부와 제2 배선(60b)의 타단부는 배선 패시베이션 구조물(15)의 동일한 면으로부터 외부로 노출될 수 있다. 이는, 도 3에서 후술할 바와 같이 에너지 효율이 향상된 다층 구조의 발전 장치를 제공하기 위함이다. 예시적인 실시예에서, 상기 면은 제1 전극(50a)과 인접한 면일 수 있다. 덮개부(90)는 기판(10) 상에서 전하 이동층(40), 내부 전극 구조물(50, 60), 및 극성 유체(PL)를 덮을 수 있다. 덮개부(90)는 하면이 개방된 형상으로서 기판(10) 상의 배선 패시베이션 구조물(15)과 함께 내부 공간(IS)을 형성할 수 있다. 덮개부(90)의 일측면은 후술할 바와 같이 외부 전극 구조물(200)이 배치되는 면일 수 있다. 덮개부(90)는 투명성 및/또는 탄력성을 갖는 실리콘 재질을 포함할 수 있으며, 예를 들어, PDMS을 포함할 수 있다. 도 3은 예시적인 실시예들에 따른 발전 장치의 개략적인 부분 확대도이다. 도 3을 참고하면, 발전 장치(1000)는 복수의 발전 소자들(100a, 100b, 100c) 및 복수의 발전 소자들을 전기적으로 연결하는 외부 전극 구조물(200)을 포함할 수 있다. 복수의 발전 소자들(100