(57)【要約】【課題】ナノ圧電素子及びその形成方法を提供する。【解決手段】ナノ圧電素子及びその形成方法を提供する。ナノ圧電素子は、下部電極と、下部電極から上方に伸びるナノワイヤと、ナノワイヤ上の上部電極とを含む。ナノワイヤは、伝導性を有するワイヤコアと、ワイヤコアを囲み、圧電素材を含むワイヤシェルとを含む。【選択図】図１
2010135741.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下部電極と、
前記下部電極から上方に伸びるナノワイヤと、
前記ナノワイヤ上の上部電極とを備え、
前記ナノワイヤは、伝導性を有するワイヤコアと、前記ワイヤコアを囲み、圧電素材を含むワイヤシェルとを含むことを特徴とするナノ圧電素子。
【請求項２】
前記ワイヤコアは、カーボンナノチューブを含むことを特徴とする請求項１に記載のナノ圧電素子。
【請求項３】
前記ワイヤコアは、タングステン、ニッケル、カーボンスチール、又はこれらの合金のうちの何れか一つを含むことを特徴とする請求項１に記載のナノ圧電素子。
【請求項４】
前記ワイヤシェルは、酸化亜鉛を含むことを特徴とする請求項１に記載のナノ圧電素子。
【請求項５】
前記ワイヤシェルは、アルミニウム窒化膜（ａｌｕｍｉｎｕｍ  ｎｉｔｒｉｄｅ）、バリウムチタナイト（ＢａＴｉＯ3）、ストロンチウムチタナイト（ＳｒＴｉＯ3）、又はフッ化ポリビニリデン（ＰＶＤＦ：ｐｏｌｙｖｉｎｙｌｉｄｅｎｅ  ｆｌｕｏｒｉｄｅ）のうちの何れか一つを含むことを特徴とする請求項１に記載のナノ圧電素子。
【請求項６】
前記ワイヤシェルで発生した電荷は、前記ワイヤコアを介して前記上部電極及び前記下部電極に放出することを特徴とする請求項１に記載のナノ圧電素子。
【請求項７】
前記上部電極は、前記ナノワイヤと接触していることを特徴とする請求項１に記載のナノ圧電素子。
【請求項８】
前記上部電極は、前記ナノワイヤから隔離されていることを特徴とする請求項１に記載のナノ圧電素子。
【請求項９】
前記上部電極と前記ナノワイヤとの間の隔離された空間に配置される変形補助パターンをさらに含み、
前記上部電極に加えられる物理的な力は、前記変形補助パターンを介して前記ナノワイヤを変形することを特徴とする請求項８に記載のナノ圧電素子。
【請求項１０】
前記下部電極上に構造支持部をさらに備え、
前記構造支持部は、前記ナノワイヤの下部を囲むことを特徴とする請求項１に記載のナノ圧電素子。
【請求項１１】
ナノ圧電素子の形成方法であって、
下部電極から複数個のワイヤコアを垂直に成長させるステップと、
前記ワイヤコアを各々囲み、圧電素材を含む複数個のワイヤシェルを形成するステップと、
前記ワイヤコア及び前記ワイヤシェルを各々含む複数個のナノワイヤ上に上部電極を形成するステップと
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１２】
前記ワイヤコアは、カーボンナノチューブを含むことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記カーボンナノチューブを含む前記ワイヤコアを成長させるステップは、
前記下部電極上に絶縁膜を形成するステップと、
前記絶縁膜をパターニングして、複数個の成長孔を形成するステップと、
前記成長孔に前記カーボンナノチューブの金属触媒を形成するステップと
を含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記ワイヤシェルを形成するステップは、
前記電気めっき工程を実行して、前記カーボンナノチューブ上に選択的にシード層を形成するステップを含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記ワイヤシェルを形成するステップは、
前記下部電極上に絶縁膜を形成するステップと、
スパッタリング工程を実行して、前記カーボンナノチューブ及び前記絶縁膜上にシード層を形成するステップと、
前記絶縁膜上にリフトオフ工程を実行して、前記絶縁膜上の前記シード層を選択的に除去するステップと
を含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エネルギー収穫素子及びその形成方法に関し、より詳細には、ナノ圧電素子及びその形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電素子は、圧電（ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ）特性を利用して、物理的な力による変形を電気エネルギーに変化させる装置である。圧電素子は、上部電極と下部電極との間に置かれる圧電素材に構成される。両電極の間の圧電素材が物理的に収縮、膨脹、曲がるなどの変形が発生する場合、その変位に比例して電気が発生し、両電極を通じて電気を放出することによってエネルギーを収穫する。
【０００３】
既存の厚い膜に構成された圧電素材は、並んでいる電極面の間で、長さ方向への収縮、膨脹などの変形に比例して発生する電気を利用する蓄電器構造である。このような固体状態の圧電素材は、高い圧縮強度（Ｙｏｕｎｇ'ｓ  ｍｏｄｕｌｕｓ）によって大きい変形が難しいので、表面的を広くする、又は多層構造に積層して発電容量を増加する必要がある。この場合、発電容量は増加するが、体積と面積が共に増加する。厚い膜の圧電素材は、小型化し難く、曲がる変形には脆弱で、応用範囲が制限される。
【０００４】
圧電効果を利用したエネルギー収穫装置は、代表的にＰＺＴ（Ｌｅａｄ  Ｚｉｒｃｏｎａｔｅ  Ｔｉｔａｎａｔｅ）、又は、結晶質ＰＭＭ−ＰＴ（ＰｂＭｇ1/3Ｎｂ2/3Ｏ3−３０％ＰｂＴｉＯ3）などのバルク又は厚い膜素材を利用した技術が現在代表的に研究、開発及び応用されている。しかし、これらの典型的なバルク又は厚い膜素材は、圧電特性は優れるが、材料の塑性温度が６００℃以上に高く、結晶質材料が高価であり、Ｐｂなどの毒性物質を含有しているので、今後の活用に制約がある。さらに、これらの素材は、小型化、軽量化が要求されるユビキタス（ｕｂｉｑｕｉｔｏｕｓ）サービスのための未来の携帯装置、又は端末装置に適用することができず、プラスチックなどの基板に適用することができないなどの問題点を有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許公開第２００８−００６７６１８号公報
【特許文献２】韓国特許公開第２００７−００９４２９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、機械的な特性及び電気的な特性を改善するナノ圧電素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述の目的を達成するため、本発明の一実施形態は、下部電極と、前記下部電極から上方に伸びるナノワイヤと、前記ナノワイヤ上の上部電極とを含み、前記ナノワイヤは、伝導性を有するワイヤコア（ｃｏｒｅ）と、前記ワイヤコアを囲み、圧電素材を含むワイヤシェル（ｓｈｅｌｌ）とを含むナノ圧電素子を提供する。
【０００８】
いくつかの実施形態において、前記ワイヤコアは、カーボンナノチューブと、タングステン、ニッケル、カーボンスチールなどの金属及び合金のワイヤとのうちの何れか一つを含むことができる。
【０００９】
他の実施形態において、前記ワイヤシェルは、酸化亜鉛、アルミニウム窒化膜、バリウムチタナイト（ＢａＴｉＯ3）、ストロンチウムチタナイト（ＳｒＴｉＯ3）、又はフッ化ポリビニリデン（ＰＶＤＦ）とのうちの何れか一つを含むことができる。
【００１０】
更に他の実施形態において、前記ワイヤシェルで発生した電荷は、前記ワイヤコアを介して前記上部電極及び前記下部電極に放出することができる。
【００１１】
更に他の実施形態において、前記上部電極は、前記ナノワイヤと接触することができる。
【００１２】
更に他の実施形態において、前記上部電極は、前記ナノワイヤから隔離することができる。
【００１３】
更なる実施形態において、ナノ圧電素子は、前記上部電極と前記ナノワイヤとの間の隔離された空間に配置される変形補助パターンをさらに含むことができ、前記上部電極に加えられる物理的な力は、前記変形補助パターンを介して前記ナノワイヤを変形することができる。
【００１４】
さらに更なる実施形態において、ナノ圧電素子は、前記下部電極上の構造支持部をさらに含み、前記構造支持部は、前記ナノワイヤの下部（ｌｏｗｅｒ  ｐｏｒｔｉｏｎ）を囲むことができる。
【００１５】
本発明の他の実施形態において、ナノ圧電素子の形成方法は、下部電極から複数個のワイヤコアを垂直に成長させるステップと、前記ワイヤコアを各々囲んで、圧電素材を含む複数個のワイヤシェルを形成するステップと、前記ワイヤコア及び前記ワイヤシェルを各々含む複数個のナノワイヤ上に上部電極を形成するステップとを含む。
【００１６】
いくつかの実施形態において、前記ワイヤコアは、カーボンナノチューブを含むことができる。
【００１７】
他の実施形態において、前記カーボンナノチューブを含む前記ワイヤコアを成長させるステップは、前記下部電極上に絶縁膜を形成するステップと、前記絶縁膜をパターニングして複数個の成長孔を形成するステップと、前記成長孔に前記カーボンナノチューブの金属触媒を形成するステップとを含むことができる。
【００１８】
さらに他の実施形態において、前記ワイヤシェルを形成するステップは、前記電気めっき工程を実行して、前記カーボンナノチューブ上に選択的にシード層を形成するステップを含むことができる。
【００１９】
さらに他の実施形態において、前記ワイヤシェルを形成するステップは、前記下部電極上に絶縁膜を形成するステップと、スパッタリング工程を実行して、前記カーボンナノチューブ及び前記絶縁膜上にシード層を形成するステップと、前記絶縁膜にリフトオフ工程を実行して、前記絶縁膜上の前記シード層を選択的に除去するステップとを含むことができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の一実施形態によると、ナノワイヤは、ワイヤシェル及びワイヤコアを含む複合構造を有する。ナノワイヤは一次元的な構造を有するので、単位体積当たりの変形を最大化する。従って、ナノワイヤは、バルク（ｂｕｌｋ）に比べて相対的にはるかに大きい範囲で変形され、ナノワイヤの発電効率をより容易に改善する。又、ワイヤコアは、ナノワイヤの機械的強度及び電気伝導度を改善する。このように、複合構造のナノワイヤの圧電特性、機械的強度及び電気伝導度が全て改善される。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
添付の図面は、本発明の更なる理解を提供するために含められ、本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を構成する。図面は、説明と共に本発明の例示的な実施形態を示し、本発明の原理を説明する役割をする。
【図１】本発明の一実施形態によるナノ圧電素子を説明するための図である。
【図２】本発明の一実施形態によるナノ圧電素子が変形されることを示す図である。
【図３】本発明の他の実施形態によるナノ圧電素子を説明するための図である。
【図４】本発明の実施形態による変形補助パターンを説明するための図である。
【図５】本発明の実施形態による変形補助パターンを説明するための図である。
【図６Ａ】本発明の一実施形態によるナノ圧電素子の形成方法を説明するための図である。
【図６Ｂ】本発明の一実施形態によるナノ圧電素子の形成方法を説明するための図である。
【図６Ｃ】本発明の一実施形態によるナノ圧電素子の形成方法を説明するための図である。
【図６Ｄ】本発明の一実施形態によるナノ圧電素子の形成方法を説明するための図である。
【図６Ｅ】本発明の一実施形態によるナノ圧電素子の形成方法を説明するための図である。
【図７Ａ】本発明の他の実施形態によるナノ圧電素子の形成方法を説明するための図である。
【図７Ｂ】本発明の他の実施形態によるナノ圧電素子の形成方法を説明するための図である。
【図７Ｃ】本発明の他の実施形態によるナノ圧電素子の形成方法を説明するための図である。
【図７Ｄ】本発明の他の実施形態によるナノ圧電素子の形成方法を説明するための図である。
【図７Ｅ】本発明の他の実施形態によるナノ圧電素子の形成方法を説明するための図である。
【図７Ｆ】本発明の他の実施形態によるナノ圧電素子の形成方法を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下では、本発明の好ましい実施形態は、添付された図面を参照してより詳細に説明することになる。しかしながら、本発明は、異なる形態に具体化されることができ、ここで説明される実施形態に限定されるべきではない。むしろ、これらの実施形態は、開示された内容が徹底で、完全となり、当業者に本発明の技術的思想が十分に伝えられることができるように提供される。
【００２３】
図面において、各々の構成要素は、明確性を期するために誇張される。明細書全体にかけて同一の参照番号に表示された部分は同一の構成要素を示す。
【００２４】
以下では、添付の図面に関連して本発明の例示的な実施形態について説明することになる。
【００２５】
図１は、本発明の一実施形態によるナノ圧電素子を説明するための概略図である。
【００２６】
図１を参照すると、下部電極１１０上に複数個のナノワイヤ１２０が配置される。ナノワイヤ１２０は、伝導性を有するワイヤコア（ｗｉｒｅ  ｃｏｒｅ）１２２と、圧電素材に構成されたワイヤシェル（ｗｉｒｅ  ｓｈｅｌｌ）１２４とを含む。ワイヤシェル１２４は、ワイヤコア１２２を囲むように配置される。複数個のナノワイヤ１２０上に上部電極１３０が配置される。ナノワイヤ１２０は、約１〜１０μｍの長さを有することができ、約５０〜３００μｍの幅又は直径を有することができる。 
下部電極１１０は、半導体基板と、プラスチック基板又はガラス基板とを含むことができる。プラスチック基板又はガラス基板は、フォトリソグラフィ（ｐｈｏｔｏｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）工程を介してパターニングすることできる。下部電極１１０がプラスチック基板を含む場合、ナノ圧電素子の柔軟性が確保されて未来の先端技術分野に応用することを容易にする。
【００２７】
ワイヤシェル１２４は、酸化亜鉛を含むナノワイヤとすることができる圧電素材を含む。あるいは、圧電素材は、圧電特性を示す異なる物質、例えば、ＰＺＴ（Ｌｅａｄ  Ｚｉｒｃｏｎａｔｅ  Ｔｉｔａｎａｔｅ；鉛-ジルコニウム-チタン酸化物）、ＢａＴｉＯ3、ＧａＮ、アルミニウム窒化膜、ストロンチウムチタナイト（ＳｒＴｉＯ3）又はフッ化ポリビニリデン（ｐｏｌｙｖｉｎｙｌｉｄｅｎｅ  ｆｌｕｏｒｉｄｅ）のうち、何れか一つを含むことができる。ワイヤシェル１２４は一次元構造を有するので、物理的な力による変形に影響を受けやすい場合がある。
【００２８】
ワイヤコア１２２は、機械的強度及び電気伝導度を有するカーボンナノチューブ（Ｃａｒｂｏｎ  Ｎａｎｏ  Ｔｕｂｅ）を含むことができる。あるいは、ワイヤコア１２２は、金属又は金属合金のワイヤ、例えば、タングステン、ニッケル、カーボンスチールを含むワイヤを含むことができる。従って、ワイヤシェル１２４の機械的強度が弱くても、ワイヤコア１２２によってナノワイヤ１２０は、機械的強度を向上することができる。又、ワイヤシェル１２４の電気伝導度が低くても、ワイヤコア１２２によってナノワイヤ１２０の電気伝導度を向上することができ、圧電効果によって発生された電気を效率的に放出することができる。
【００２９】
カーボンナノチューブは、単一壁のカーボンナノチューブ（ＳＷＣＮＴ：Ｓｉｎｇｌｅ−Ｗａｌｌ  Ｃａｒｂｏｎ  Ｎａｎｏ  Ｔｕｂｅ）又は多重壁のカーボンナノチューブ（ＭＷＣＮＴ：Ｍｕｌｔｉ−Ｗａｌｌ  Ｃａｒｂｏｎ  Ｎａｎｏ  Ｔｕｂｅ ）とすることができる。単一壁カーボンナノチューブは、約３μｍ以下の直径を有することができ、多重壁カーボンナノチューブは、約１０μｍ以下の直径を有することができる。
【００３０】
本発明の他の実施形態によると、ワイヤコア１２２は、カーボンナノファイバ（ｃａｒｂｏｎ  ｎａｎｏｆｉｂｅｒ）を含むことができる。この場合、カーボンナノファイバを含むワイヤコア１２２は、カーボンナノチューブを含むワイヤコアと同様の機械的、電気的な機能を有する。
【００３１】
上部電極１３０は、導電性を有する物質、例えば、金属を含むことができる。あるいは、上部電極１３０は、伝導性を有する酸化物又は有機物素材を含むことができる。上部電極１３０は、ナノワイヤ１２０から隔離されて配置することができる。変形補助パターン１３２は、ナノワイヤ１２０と上部電極１３０との間の隔離された空間に配置することができる。具体的に、変形補助パターン１３２は、上部電極１３０の下部面に付けることができる。変形補助パターン１３２は、ナノワイヤ１２０が変形されることに有用である構造を有することができる。変形補助パターン１３２の構造は下述される。
【００３２】
構造支持部１１５は、下部電極１１０上にさらに配置することができる。構造支持部１１５は、ナノワイヤ１２０の下部を囲むことができる。構造支持部１１５は、周囲空間の自由な変形のための絶縁性のポリマ又は多孔性物質を含むことができる。
【００３３】
構造支持部１１５は、変形に対するナノワイヤ１２０の構造的な安全性を改善する。即ち、ナノワイヤ１２０が物理的な力によって変形される際、構造支持部１１５がナノワイヤ１２０の過度な変形を防止することができる。あるいは、ナノワイヤ１２０が物理的な力によって変形された後、構造支持部１１５がナノワイヤ１２０を元の状態に容易に復元することができる。
【００３４】
本発明の現在の実施形態によると、ナノワイヤ１２０は、ワイヤシェル１２４及びワイヤコア１２２を含む複合構造を有する。ナノワイヤ１２０は一次元的な構造を有するので、ナノワイヤ１２０の単位体積当たりの変形を最大化する。従って、ナノワイヤ１２０は、バルクに比べて相対的にはるかに大きい範囲で変形され、ナノワイヤ１２０の発電効率をより容易に向上させることができる。又、ワイヤコア１２２は、ナノワイヤ１２０の機械的強度及び電気伝導度を改善する。このように、複合構造を有するナノワイヤ１２０の圧電特性、機械的強度及び電気伝導度は、全て向上される。
【００３５】
図２は、本発明の一実形態によるナノ圧電素子が変形されることを示す概略図である。
【００３６】
図２を参照すると、上部電極１３０に加えられる物理的な力Ｆは、下部電極１１０上のナノワイヤ１２０を変形することができる。ナノワイヤ１２０は、曲がり、圧縮又は伸張変形によって電荷が発生する。即ち、外部の機械的な変形によって、圧電素材で形成されたワイヤシェル１２４に電気分極が発生する。図２では、ナノワイヤ１２０が曲がる場合を示しているが、ナノワイヤ１２０の長さ方向に圧縮又は伸張される場合にも同一に圧電効果を発生することができる。
【００３７】
図１に示したように、上部電極１３０は、ナノワイヤ１２０と隔離されて配置することができる。物理的な力Ｆは、上部電極１３０を介してナノワイヤ１２０を変形することができる。変形補助パターン１３２は、上部電極１３０とナノワイヤ１２０との間に配置することができる。変形補助パターン１３２の形態は、ナノワイヤ１２０を容易に変形するように多様であることができる。物理的な力Ｆによって発生された電荷は、伝導性を有するワイヤコア１２２を通じて上部電極１３０及び下部電極１１０に放出することができる。
【００３８】
上部電極１３０及び下部電極１１０は、整流回路に連結されて所定の極性に出力することができる。あるいは、ナノワイヤ１２０が所定の周期に変形される場合、ナノワイヤ１２０で発生された電流は、交流電流の形態に出力することができる。ナノワイヤ１２０は、容易に変形されるので、高周波の周辺振動によるストレス（１００Ｈｚ以上）にも応答することができ、単位時間当たりの発電効率を改善する。
【００３９】
図３は、本発明の他の実施形態によるナノ圧電素子を説明するための概略図である。
【００４０】
図３を参照すると、複数個のナノワイヤ１２０は下部電極１１０上に配置される。ナノワイヤ１２０の各々は、伝導性を有するワイヤコア１２２と、圧電素材を含むワイヤシェル１２４とを含む。ワイヤシェル１２４は、ワイヤコア１２２を囲むように配置される。上部電極１３０はナノワイヤ１２０上に配置される。複数個のナノワイヤ１２０は、約１〜１０μｍの長さを有することができ、約５０〜３００μｍの幅又は直径を有することができる。
【００４１】
下部電極１１０は、半導体基板、プラスチック基板、又はガラス基板を含むことができる。プラスチック基板又はガラス基板は、フォトリソグラフィ工程でパターニングすることができる。下部電極１１０がプラスチック基板を含む場合、ナノ圧電素子の柔軟性が確保されて未来の先端分野に容易に応用することができる。
【００４２】
ワイヤシェル１２４は、圧電素材を含む。圧電素材は、酸化亜鉛を含むナノワイヤとすることができる。あるいは、圧電素材は、圧電特性を示す異なる物質、例えば、ＰＺＴ、ＢａＴｉＯ3、ＧａＮ、アルミニウム窒化膜、ストロンチウムチタナイトＳｒＴｉＯ3、又はフッ化ポリビニリデンのうち、何れか一つを含むことができる。一次元構造を有するワイヤシェル１２４は、物理的な力による変形に影響を受けやすい場合がある。
【００４３】
ワイヤコア１２２は、高い機械的強度及び電気伝導度を有するカーボンナノチューブを含むことができる。あるいは、ワイヤコア１２２は、金属又はこれらの合金のワイヤ、例えば、タングステン、ニッケル、カーボンスチールのワイヤを含むことができる。従って、ワイヤシェル１２４の機械的強度が弱くても、ナノワイヤ１２０の機械的強度を、ワイヤコア１２２によって改善することができる。又、ワイヤシェル１２４の電気伝導度が低くても、ナノワイヤ１２０の電気伝導度を、ワイヤコア１２２によって改善することができ、圧電効果によって発生された電気を效率的に放出することができる。
【００４４】
カーボンナノチューブは、単一壁カーボンナノチューブＳＷＣＮＴ又は多重壁カーボンナノチューブＭＷＣＮＴとすることができる。単一壁カーボンナノチューブは、約３μｍ以下の直径を有することができ、多重壁カーボンナノチューブは、約１０μｍ以下の直径を有することができる。
【００４５】
本発明の他の実施形態によると、ワイヤコア１２２は、カーボンナノファイバを含むことができる。カーボンナノファイバを含むワイヤコア１２２は、カーボンナノチューブを含むワイヤコアと同様の機械的、電気的な機能を有する。
【００４６】
上部電極１３０は、導電性を有する物質、例えば、金属を含むことができる。あるいは、上部電極１３０は、伝導性を有する酸化物又は有機物素材とすることができる。
【００４７】
本発明の現在の実施形態によると、上部電極１３０は、ナノワイヤ１２０と接触して配置することができ、変形補助パターン１３２を省くことができる。上部電極１３０に加えられる物理的な力が直接にナノワイヤ１２０に伝達され、ナノワイヤ１２０を曲げる、又は圧縮する。本発明の他の実施形態によると、図１で説明された変形補助パターンを、上部電極１３０とナノワイヤ１２０との間に配置することができる。この場合、変形補助パターン１３２は、ナノワイヤ１２０と接触することができる。
【００４８】
構造支持部１１５は、下部電極１１０上に配置することができる。構造支持部１１５は、ナノワイヤ１２０の下部を囲むことができる。構造支持部１１５は、周囲空間の自由な変形のための絶縁性のポリマ又は多孔性物質を含むことができる。
【００４９】
構造支持部１１５は、変形に対するナノワイヤ１２０の構造的な安全性を改善する。即ち、ナノワイヤ１２０が物理的な力によって変形される際、構造支持部１１５がナノワイヤ１２０の過度な変形を防止する。あるいは、ナノワイヤ１２０が物理的な力によって変形された後、構造支持部１１５は、ナノワイヤ１２０を元の状態に容易に復元する。
【００５０】
本発明の現在の実施形態によると、ナノワイヤ１２０は、ワイヤシェル１２４及びワイヤコア１２２を含む複合構造を有する。ナノワイヤ１２０は一次元的な構造を有するので、単位体積当たりの変形を最大化する。従って、ナノワイヤ１２０は、バルクに比べて相対的にはるかに大きい範囲で変形され、ナノワイヤ１２０の発電効率をより容易に改善する。又、ワイヤコア１２２は、ナノワイヤ１２０の機械的強度及び電気伝導度を改善する。このように、複合構造を有するナノワイヤ１２０の圧電特性、機械的強度及び電気伝導度を全て改善する。
【００５１】
図４及び図５は、本発明の実施形態による変形補助パターンを説明するための概略図である。
【００５２】
図４及び図５を参照すると、上部電極１３０に付着された変形補助パターン１３２は、多様な形状の１つを有することができる。変形補助パターン１３２は、図４に示したようにピラミッド形態を有することができる。ピラミッド形態の変形補助パターン１３２は、ピラミッドの頂点の間のリセス部１３３を有することができる。あるいは、図５に示したように、変形補助パターン１３２は、円形柱又は楕円形柱形態を有することができる。円形柱又は楕円形柱は、凹部１３４を有することができる。
【００５３】
ナノワイヤ１２０は、変形補助パターン１３２のリセス部１３３又は凹部１３４を介して容易に変更される。即ち、ナノワイヤ１２０を、リセス部１３３又は凹部１３４の表面に沿って曲げる、或いは圧縮することができる。変形補助パターン１３２は、図４及び図５に示した形態に限定されない。
【００５４】
図６Ａ乃至６Ｅは、本発明の一実施形態によるナノ圧電素子の形成方法を説明するための概略図である。
【００５５】
図６Ａを参照すると、絶縁膜２１２は、下部電極２１０上に形成される。絶縁膜２１２は、ポリマ又は酸化膜を含むことができる。下部電極２１２は、半導体基板、プラスチック基板又はガラス基板を含むことができる。絶縁膜２１２をパターニングして、絶縁膜２１２に成長孔２１１が形成される。絶縁膜２１２は、フォトリソグラフィ工程でパターニングすることができる。成長孔２１１は、ナノワイヤが形成される領域を定義することができる。
【００５６】
図６Ｂを参照すると、成長孔２１１を満たす金属触媒２１４が形成される。金属触媒２１４は、鉄（Ｆｅ）又はコバルト（Ｃｏ）などを含むことができる。ワイヤコア２２２は、金属触媒２１４にＣｎＨｍ（例えば、ＣＨ４）ガスを供給する気相蒸着法によって形成される。ワイヤコア２２２は、カーボンナノチューブとすることができる。カーボンナノチューブは、単一壁カーボンナノチューブＳＷＣＮＴ又は多重壁カーボンナノチューブＭＷＣＮＴとすることができる。単一壁カーボンナノチューブは、約３μｍ以下の直径を有することができ、多重壁カーボンナノチューブは、約１０μｍ以下の直径を有することができる。
【００５７】
気相蒸着法によるカーボンナノチューブの成長過程は、ここで説明されることになる。ＣｎＨｍガスを金属触媒２１４に供給すると、ＣｎＨｍガスが金属触媒によって溶解及び分解されて炭素及び水素を生成する。ＣｎＨｍガスから生成されて金属触媒２１４上に堆積された炭素は、フラーレン（ｆｕｌｌｅｒｅｎｅ）の形成を介してコアを形成する。その後、炭素が継続的に供給され、カーボンナノチューブが成長する。
【００５８】
図６Ｃを参照すると、シード層（ｓｅｅｄ  ｌａｙｅｒ）２２３がワイヤコア２２２の表面上に形成される。シード層２２３は、電気めっき工程を介してワイヤコア２２２上に選択的に形成される。ワイヤコア２２２は、伝導性を有するので、電圧が下部電極２１０に印加されると、シード層２２３はワイヤコア２２２上に選択的に形成される。
【００５９】
図６Ｄを参照すると、ワイヤコア２２２を囲み、圧電素材を含むワイヤシェル２２４が形成される。ワイヤシェル２２４は、酸化亜鉛を含むことができる。あるいは、ワイヤシェル２２４は、圧電特性を示す任意の物質、例えばＰＺＴ、ＢａＴｉＯ3、ＧａＮなどを含むことができる。
【００６０】
ワイヤシェル２２４が酸化亜鉛を含む場合、シード層２２３は、亜鉛を含むことができる。ワイヤシェル２２４は、亜鉛塩を含む溶液でシード層２２３から形成することができる。酸化亜鉛を成長させる溶液は、約０．０１〜１Ｍの範囲の濃度を有する亜鉛アセテートハイドレート（Ｚｉｎｃ  ａｃｅｔａｔｅ  ｈｙｄｒａｔｅ）と共に水酸化カリウムＫＯＨ又は水酸化ナトリュームＮａＯＨを含むメタノールである。あるいは、酸化亜鉛を成長させる溶液は、亜鉛アセテートハイドレートと共にヘキサメチレンテトラミン（ｈｅｘａｍｅｔｈｙｌｅｎｅｔｅｔｒａｍｉｎｅ）を含む均一な水溶液である。エタノールアミン（ｅｔｈａｎｏｌａｍｉｎｅ）などのソル‐ゲル（ｓｏｌ−ｇｅｌ）安定剤を溶液に加えることができる。この際、酸化亜鉛の成長温度は、常温から１００℃未満まで調節することができ、成長時間は、成長温度及び溶液成分の濃度に従って数時間とすることができ、ワイヤシェル２２３の長さに対する幅の比率を調節することができる。従って、ワイヤコア２２２及びワイヤシェル２２４を含むナノワイヤ２２０が形成される。
【００６１】
構造支持部２１５は、絶縁膜２１２上に形成することができる。構造支持部２１５は、ナノワイヤ２２０の下部を囲むことができる。構造支持部２１５は、周囲空間の自由な変形のための絶縁性のポリマ又は多孔性物質を含むことができる。
【００６２】
構造支持部２１５は、変形に対するナノワイヤ２２０の構造的な安全性を改善する。即ち、ナノワイヤ２２０が物理的な力によって変形される際、構造支持部２１５がナノワイヤ２２０の過度な変形を防止することができる。あるいは、ナノワイヤ２２０が物理的な力によって変形された後、構造支持部２１５は、ナノワイヤ２２０を元の状態に容易に復元する。
【００６３】
図６Ｅを参照すると、上部電極２３０はナノワイヤ２２０上に形成される。上部電極２３０は、導電性を有する物質、例えば、金属を含むことができる。あるいは、上部電極２３０は、伝導性を有する酸化物又は有機物素材を含むことができる。上部電極２３０は、ナノワイヤ２２０から隔離されて形成することができる。変形補助パターン２３２は、ナノワイヤ２２０と上部電極２３０との間の隔離された空間に形成することができる。特に、変形補助パターン２３２を、上部電極２３０の下部面に付けることができる。変形補助パターン２３２は、ナノワイヤ２２０を変形することに有用な構造を有することができる。
【００６４】
本発明の現在の実施形態によると、ナノワイヤ２２０は、ワイヤコア２２２及びワイヤシェル２２３を含む複合構造を有する。複合構造のナノワイヤ２２０は、一次元的な構造を有するので、単位体積当たりの変形を最大化する。従って、ナノワイヤ２２０は、バルクに比べて相対的にはるかに大きい範囲で変形され、ナノワイヤ２２０の発電効率をより容易に改善する。又、ワイヤコア２２２は、ナノワイヤ２２０の機械的強度及び電気伝導度を改善する。このように、複合構造を有するナノワイヤ２２０の圧電特性、機械的強度及び電気伝導度を全て改善する。
【００６５】
図７Ａ乃至７Ｆは、本発明の他の実施形態によるナノ圧電素子の形成方法を説明するための概略図である。
【００６６】
図７Ａを参照すると、絶縁膜３１２が下部電極３１０上に形成される。絶縁膜３１２は、ポリマ又は酸化膜を含むことができる。下部電極３１２は、半導体基板、プラスチック基板又はガラス基板を含むことができる。絶縁膜３１２をパターニングして、絶縁膜３１２に成長孔３１１が形成される。絶縁膜３１２は、フォトリソグラフィ工程を介してパターニングすることができる。成長孔３１１は、ナノワイヤが形成される領域を定義することができる。
【００６７】
図７Ｂを参照すると、金属触媒３１４が成長孔に形成される。金属触媒３１４は、鉄（Ｆｅ）又はコバルト（Ｃｏ）などを含むことができる。ワイヤコア３２２は、ＣｎＨｍ（例えば、ＣＨ４）ガスを金属触媒３１４に供給する気相蒸着法によって形成される。ワイヤコア３２２は、カーボンナノチューブとすることができる。カーボンナノチューブは、単一壁カーボンナノチューブＳＷＣＮＴ又は多重壁カーボンナノチューブＭＷＣＮＴとすることができる。単一壁カーボンナノチューブは、約３μｍ以下の直径を有することができ、多重壁カーボンナノチューブは、約１０μｍ以下の直径を有することができる。
【００６８】
気相蒸着法によるカーボンナノチューブの成長過程は、ここで説明することになる。ＣｎＨｍガスが金属触媒３１４に供給されると、ＣｎＨｍガスが金属触媒によって溶解及び分解されて、炭素及び水素を生成する。ＣｎＨｍガスから生成されて金属触媒３１４上に堆積された炭素は、フラーレンの形成を介してコアを形成する。その後、炭素が継続的に供給されてカーボンナノチューブを成長させる。
【００６９】
図７Ｃを参照すると、シード層３２３がワイヤコア３２２の表面上に形成される。シード層３２３は、スパッタリング（ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）工程を介してワイヤコア３２２及び絶縁膜３１２上に形成することができる。
【００７０】
図７Ｄを参照すると、リフトオフ工程が絶縁膜３１２に実行され、絶縁膜３１２からシード層３２３を選択的に除去することができる。続いて、ワイヤコア３２２を囲み、圧電素材を含むワイヤシェル３２４が形成される。ワイヤシェル３２４は、酸化亜鉛を含むことができる。あるいは、ワイヤシェル３２４は、圧電特性を示す物質、例えば、ＰＺＴ、ＢａＴｉＯ3、ＧａＮなどを含むことができる。
【００７１】
ワイヤシェル３２４が酸化亜鉛を含む場合、シード層３２３は、亜鉛を含むことができる。ワイヤシェル３２４は、亜鉛塩を含む溶液を用いてシード層３２３から形成することができる。酸化亜鉛を成長させる溶液は、０．０１〜１Ｍの範囲の濃度の亜鉛アセテートハイドレートと共に水酸化カリウムＫＯＨ又は水酸化ナトリュームＮａＯＨを含むメタノールである。あるいは、酸化亜鉛を成長させる溶液は、亜鉛アセテートハイドレートと共にヘキサメチレンテトラミンを含む均一な水溶液である。エタノールアミンなどのソル‐ゲル安定剤を、溶液に加えることができる。この際、酸化亜鉛の成長温度は、常温から１００℃未満まで調節することができ、成長時間は、成長温度と溶液成分の濃度とによって数時間とすることができ、ワイヤシェル３２４の長さに対する幅の比率を調節することができる。従って、ワイヤコア３２２及びワイヤシェル３２４を含むナノワイヤ３２０が形成される。
【００７２】
図７Ｅを参照すると、構造支持部３１５は下部電極３１０上に形成することができる。構造支持部３１５は、ナノワイヤ３２０の下部を囲むことができる。構造支持部３１５は、周囲空間の自由な変形のための絶縁性のポリマ又は多孔性物質を含むことができる。
【００７３】
構造支持部３１５は、変形に対するナノワイヤ３２０の構造的な安全性を改善する。即ち、ナノワイヤ３２０が物理的な力によって変形される際、構造支持部３１５がナノワイヤ３２０の過度な変形を防止する。あるいは、ナノワイヤ３２０が物理的な力によって変形された後、構造支持部３１５はナノワイヤ３２０を元の状態に容易に復元する。
【００７４】
図７Ｆを参照すると、上部電極３３０がナノワイヤ３２０上に形成される。上部電極３３０は、導電性を有する物質、例えば金属を含むことができる。あるいは、上部電極３３０は、伝導性を有する酸化物又は有機物素材を含むことができる。上部電極３３０は、ナノワイヤ３２０から隔離して形成することができる。変形補助パターン３３２は、ナノワイヤ３２０と上部電極３３０との間の隔離された空間に形成することができる。特に、変形補助パターン３３２は、上部電極３３０の下部面に付けることができる。変形補助パターン３３２は、ナノワイヤ３２０を変形することに有用な構造を有することができる。
【００７５】
本発明の現在の実施形態によると、ナノワイヤ３２０は、ワイヤシェル３２４及びワイヤコア３２２を含む複合構造を有する。複合構造のナノワイヤ３２０は一次元的な構造を有するので、単位体積当たりの変形を最大化する。従って、ナノワイヤ３２０は、バルクに比べて相対的にはるかに大きい範囲で変形され、ナノワイヤ３２０の発電効率をより容易に改善する。又、ワイヤコア３２２は、ナノワイヤ３２０の機械的強度及び電気伝導度を改善する。このように、複合構造のナノワイヤ３２０の圧電特性、機械的強度及び電気伝導度は、全て改善される。
【００７６】
本発明の実施形態によると、ナノワイヤはワイヤシェル及びワイヤコアを含む複合構造を有する。複合構造のナノワイヤは一次元的な構造を有するので、単位体積当たりの変形を最大化する。従って、ナノワイヤは、バルクに比べて相対的にはるかに大きい範囲で変形され、ナノワイヤの発電効率をより容易に改善する。又、ワイヤコアは、ナノワイヤの機械的強度及び電気伝導度を改善する。このように、複合構造のナノワイヤの圧電特性、機械的強度及び電気伝導度は、全て改善される。
【００７７】
上記で開示した主題は、例示的であって、制限的でないとみなされるべきであり、添付の特許請求の範囲は、本発明の本来の思想及び範囲内のそのような全ての変形、改良、他の実施形態を含むように意図される。
【符号の説明】
【００７８】
１１０  下部電極
１１５  構造支持部
１２０  ナノワイヤ
１２２  ワイヤコア
１２４  ワイヤシェル
１３０  上部電極
１３２  変形補助パターン
【図１】
2010135741.tif 000003
【図２】
2010135741.tif 000004
【図３】
2010135741.tif 000005
【図４】
2010135741.tif 000006
【図５】
2010135741.tif 000007
【図６Ａ】
2010135741.tif 000008
【図６Ｂ】
2010135741.tif 000009
【図６Ｃ】
2010135741.tif 000010
【図６Ｄ】
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【図６Ｅ】
2010135741.tif 000012
【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図７Ｅ】
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【図７Ｆ】
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