레이저 박리 기술을 이용한 플렉서블 PZT 압전 나노발전기의 제작 및 특성 평가

Abstract

다양한 에너지원을 전기 에너지로 바꿀 수 있는 에너지 하베스팅 분야가 전세계적으로 화두가 되고 활발하게 연구되고 있는데, 이중에서도 유연 압전 나노발전기는 인간의 주변 및 인체에서 발생하는 생체 역학적 에너지를 전기에너지로 바꾸어 사용할 수 있는 기술로서, 버려지는 에너지를 활용한다는 점에서 상당히 효율적인 기술이라고 할 수 있다. 본 연구에서는 레이저 박리 및 전사 기술을 활용하여 전기적 특성이 우수하며 공정에 용이한 압전 무기 재료인 PZT 세라믹 박막을 기반으로 한 플렉서블 압전 나노발전기를 제작하였다. 졸겔 법을 이용하여 다양한 온도 및 다양한 기판에서 성장시킨 PZT 박막의 압전특성을 상호 비교하였으며, 한 방향으로 정렬된 압전물질의 제작이 중요하며 기판에 따라 이를 조절하는 것이 중요함을 알 수 있었다. 이렇게 제작된 나노발전기를 니켈 박리법을 통해 제작된 소자와 성능 비교를 해본 결과 레이저 박리 기술이 우수함을 알 수 있었다. 또한 구조적인 시뮬레이션을 통하여 플렉서블 압전 나노발전기의 성능을 극대화 할 수 있는 구조에 대하여 연구를 진행하여 하나의 소자로 낼 수 있는 출력의 한계를 극복하는 방안을 연구해보았고 실제로 소자를 제작하였다. 양면형 소자가 적층형 소자보다 훨씬 뛰어난 전기적 특성을 보였으며, 가격측면에서 단결정 압전물질 기반의 나노발전기보다 훨씬 저렴하여 추후 상용화 가능성이 높을 것으로 예측된다. 본 연구를 통해 다결정 무기 압전물질의 출력적인 한계를 다양한 구조 및 공정의 변화를 통해 극복할 수 있는 방안에 대해 고찰해볼 수 있었으며, 다가오는 미래에는 친환경 에너지원 중에 하나로 유연 압전 에너지 하베스팅이 일상생활에서 손쉽게 사용될 수 있기를 기대해 본다.