1. 서 론
에너지 효율성에 대한 요구가 증가함에 따라, 다양한 에너지원으로부터 전력을 생성하는 기술에 대한 관심이 높아지고 있다. 그중에서도 태양광 발전은 유망한 신재생 에너지 기술로 자리 잡았으나, 현재 상용화된 태양광 패널의 설치가 대규모로 이루어지면서 자연 훼손과 미관상의 문제를 야기하고 있다. 이에 대한 해결책으로 차세대 에너지 변환 기술인 투명 태양전지(transparent photovoltaic, TPV) 기술 개발이 주목받고 있다.
특히 n형 반도체인 ZnO는 우수한 전기적, 광학적 특성 덕분에 TPV 소자에 널리 사용되고 있다. ZnO는 넓은 밴드갭(3.36 eV)과 자외선 흡수 능력 외에도, pyroelectric 특성을 갖추고 있어 온도 변화에 따른 전류 생성이 가능하다1). Pyroelectric 효과는 물질 내부에서 온도 변화에 의해 자발적인 분극이 변하면서 전류가 생성되는 현상으로, 이는 TPV 시스템에서 단순히 광전 효과를 통해 빛 에너지를 전기로 변환하는 것 뿐만 아니라, pyroelectric 효과를 통해 열 에너지를 전기로 변환할 수 있는 추가적인 활용 방안을 제공한다2). 이러한 특성은 TPV 소자가 빛과 열이라는 두 가지 에너지원에서 전기를 생산할 수 있어 에너지 효율을 극대화할 수 있음을 의미한다3).
Pyroelectric 효과는 온도 변화로 인해 전기적 에너지를 생성하는 초전(焦電) 현상으로, 이러한 특징을 이용하여 에너지 하베스팅, 열 감지기, 자외선(UV) 검출기, 보안 시스템 등 다양한 응용 분야에서 활용 가능하다4). Pyroelectric 물질은 Fig. 1(a)와 같이 wurtzite 결정 구조를 가지고 있으며, pyroelectric 효과는 ZnO와 같은 물질에서 나타난다. 이 결정 구조는 육방정계에 속하며, 양방향으로 대칭을 이루지 않아 특유의 비대칭성을 나타낸다5,6). Fig. 1(b)에서는 이러한 결정 구조의 비대칭성으로 인해 물질 내부에서 자발적인 전기 분극이 발생하는 모습을 보여준다. 즉, 결정 내의 이온들이 불균형하게 배열되면서 전기적 쌍극자가 형성되고, 이로 인해 물질 표면에 자발적인 분극이 나타나게 된다7). 이러한 분극은 pyroelectric 특성의 핵심 요소로, 온도 변화에 따라 분극이 변화하면서 전류가 생성될 수 있는 기반을 제공한다8). 이는 외부 전기장 없이도 내부 전기장을 형성하는 특성으로, 온도 변화에 따라 전기 신호를 발생시킨다.
대표적인 pyroelectric 물질로는 GaN, SiC, ZnO 등이 있으며, 특히 ZnO는 pyroelectric과 압전 특성을 동시에 가지고 있어, 이를 기반으로 한 광전소자는 빠른 응답 속도와 높은 감도를 제공할 수 있다9).
최근에는 pyroelectric 현상과 photovoltaic 효과를 결합한 pyro-phototronic 효과가 새롭게 주목받고 있으며, 이는 TPV의 성능 향상에 기여할 수 있는 중요한 기술로 평가받고 있다10). Pyroelectric 현상은 온도 변화에 따른 전기장 변화를 기반으로 전류 생성과 전하 이동을 유도하는 원리로, 특히 p-n 접합을 통한 공핍층 형성과 그로 인한 전기적 불균형은 pyroelectric 물질의 분극과 전류 변화를 설명하는 데 중요한 역할을 한다11,12,13).
온도 변화와 광전 효과를 결합한 pyroelectric 물질의 TPV 소자는 태양광-열전 소자, 건물창호 등으로 활용될 수 있으며 에너지 수확효율을 극대화할 수 있을 것으로 전망된다. 예를 들어, ZnO, TIO2, BaTiO3 등의 pyroelectric 물질을 TPV에 적용하였을 때 전력 변환 효율(PCE) 11.9% 및 입사 광자 전류 변환 효율(IPCE) 200%에 도달한 연구결과가 보고된 바 있다. 이러한 소재들은 다양한 온도와 조도 조건에서 안정적인 에너지 변환 성능을 제공하여 차세대 에너지 발전 기술로서 높은 가능성을 보여준다14).
본 연구는 TPV 소자에서 n타입 반도체로 사용되는 ZnO의 pyroelectric 특성과 pyro-phototronic 효과를 중심으로 연구를 진행하였다. 특히 온도 변화에 따른 전류 변화를 분석하고, 주파수 변화에 따른 pyroelectric 물질의 전기적 특성을 고찰하였다. 이를 바탕으로 TPV에서 나타나는 pyroelectric 효과를 분석하며, 다양한 기술 분야에서 이를 활용할 수 있는 방안을 제시하고자 한다.
2. 실험 방법
본 실험에서는 FTO (Glass)/ZnO/NiO/AgNWs 구조의 TPV 디바이스를 제작하였으며, 해당 구조를 Fig. 2에 나타내었다. 먼저 FTO Glass는 초음파 세정기를 사용하여 아세톤/메탄올/증류수 순서로 각각 7분씩 세정하였고, PVD (Physical Vapor Deposition) 방식의 Magnetron Sputtering System (Solarlight Ltd, Korea)을 사용하여 증착 공정을 진행하였다. ZnO는 Ar 50 sccm, 공정압력 5 mtorr, RF power 200 W 조건에서 45분간 증착하였고, NiO는 Ar 20 sccm, O2 4.5 sccm, 공정압력 3 mtorr, DC power 55 W 조건에서 25분간 증착하였다. AgNWs는 마이크로 피펫을 이용하여 90 μL를 1000 rpm에서 10초, 2500 rpm에서 15초, 1000 rpm에서 10초 동안 연속으로 스핀코팅하였으며, 소자의 산화 방지를 위해 AgNWs 위에 ZnO를 앞서 기술한 동일 조건으로 10분간 스퍼터링 증착하였다.
이후, 제작된 TPV 디바이스의 구조적 특성을 확인하기 위해 전계 방출형 주사 현미경(FE-SEM, Field Emission Scanning Electron Microscopy)을 이용하여 ZnO 200 nm, NiO 70 nm 두께의 이종접합 구조를 확인하였다. 또한 소자의 광학적 투과도와 흡수 특성을 평가하기 위해 분광 광도계(UV-Vis spectrophotometer, UV-2600)를 이용하였으며, 임피던스 분석기(ZIVE SP2)와 함수 발생기(Arbitrary Function Generator, AFG1022)를 이용하여 365 nm LED 광원에서의 전기적 특성을 확인하였다.
완성된 디바이스에 주파수를 3000 Hz부터 0.5 Hz까지 가변하며 pyrocurrent의 변화를 관찰하였고, 이를 통해 디바이스의 열적 응답과 주파수에 따른 특성 변화를 분석하였다.
3. 본 론
3.1 소자의 광학적, 전기적 특성
실험을 통해 소자의 광학적 특성을 측정하였으며, 이를 Fig. 3(a)에 나타내었다. 제작된 FTO/ZnO/NiO/AgNWs 구조의 소자는 인간의 눈이 가장 민감하게 반응하는 가시광선 영역 550 nm에서 62%의 투과율을 나타내며, Fig. 3(b)의 실제 사진을 통해 인간의 가시성을 방해하지 않는 투명한 소자임을 확인할 수 있다. AgNWs를 TPV의 후면 전극으로 사용하였는데, 이는 높은 투명성과 우수한 전기적 성능을 동시에 제공한다. AgNWs의 고유한 네트워크 형태의 나노와이어 구조는 가시광선 영역에서 광 투과를 방해하지 않으면서도 전기적 연결성을 유지하여 전극 소재로서 높은 투명성을 제공한다. 또한, AgNWs는 낮은 표면 저항을 통해 전도도를 극대화하여 전류 흐름을 원활하게 하고, 전지의 전기적 효율을 향상시킬 수 있다.
또한 자외선 영역에서 높은 흡수율을 보이는 것을 확인할 수 있는데, 이는 ZnO가 광대역 밴드갭(Wide Bandgap)을 가지고 있어 높은 에너지를 가진 자외선 빛을 효과적으로 흡수할 수 있음을 의미한다. ZnO의 이러한 광학적 특성은 자외선 차단 및 감지 응용 분야에서 중요한 역할을 할 수 있다.
소자의 전기적 성능을 확인하기 위해 I-V 특성을 분석하였으며, Fig. 3(c)에 J-V 곡선을 나타내었다. 365 nm 파장의 LED를 3.53 A, 4 V의 조건에서 0.02 W/cm2의 파워로 조사했을 때 VOC (open circuit voltage)는 348 mV, JSC (short circuit current density)는 2.163 mA/cm2로 측정되었다. VOC는 디바이스가 빛을 받을 때 생성할 수 있는 최대 전압, JSC는 디바이스가 생성할 수 있는 최대 전류를 나타낸다. 이를 통해 투명 태양전지의 성능 및 효율에 대한 기본적인 전기적 특성을 파악할 수 있다.
3.2 Pyroelectric Effect의 원리
자발적인 분극으로 인해 물질 내부의 전하 분포가 비대칭적으로 형성되면, 양쪽 표면에 서로 다른 극성의 전하가 축적된다. 이때 표면의 전기적 평형을 맞추기 위해 외부 환경에서 반대 극성의 전하가 표면 근처로 끌려오게 되는데, 이를 보상 전하라고 한다15). Fig. 4(a)에 나타낸 것처럼, 보상 전하는 물질이 전기적 평형을 유지하는 역할을 한다. Fig. 4(b)에서는 물질 표면에 전도체 판을 부착하고 외부 회로를 연결한 상태에서의 pyroelectric 효과를 보여준다.
광원에서 발생하는 열적 요인이나 외부의 열적 요인에 의해 pyroelectric 물질의 온도가 상승하면, 원자나 이온의 열 진동이 활발해져 정렬이 깨지거나 약해지면서 결정 구조가 변하고, 자발적인 분극의 크기도 감소한다16). 이 과정에서 표면 근처에 있던 보상 전하는 더 이상 필요하지 않게 되어 외부로 이동하려는 경향을 보이고, 이로 인해 전류가 흐른다. 이러한 과정을 Fig. 4(c)에 나타내었다17). 반대로 온도가 감소하여 원래 온도로 돌아오면, 자발적인 분극이 다시 증가하고 새로운 전하 불균형이 생기면서, 외부 회로를 통해 전하가 표면으로 이동하여 역방향으로 전류가 흐르게 된다18). 이 과정은 Fig. 4(d)에 나타내었다.
이러한 pyroelectric 물질 기반의 p-n 접합을 구현하여 TPV 소자를 제작하면 photovoltaic effect와 결합된 pyro-phototronic effect를 확인할 수 있다. Fig. 5는 pyro-phototronic effect가 나타나는 과정을 보여준다. Fig. 5(a)처럼 wurtzite 구조를 가진 물질이 이종접합을 하게 되면 공핍층이 생기게 된다. 공핍층은 p형 영역의 정공과 n형 영역의 전자가 재결합하여 이동 가능한 전하가 거의 없는 영역으로, 이 과정에서 이온화된 양이온과 음이온이 남아 내부에 전기장이 형성된다. 이 전기장은 n형 영역의 전자가 p형 영역으로, p형 영역의 정공이 n형 영역으로 이동하는 것을 방해하여 공핍층을 유지한다19).
디바이스에 빛을 조사했을 때와 빛을 조사하지 않았을 때 물질에 나타나는 현상을 각각 Fig. 5(b)와 Fig. 5(c)에 나타내었다. 디바이스에 빛을 조사하면 pyroelectric 물질의 온도가 변화하면서 물질 내부의 전기 분극이 변하고, 이로 인해 pyroelectric field가 형성된다. 이 전기장은 온도 변화에 의해 생성되며, 물질 내부의 전하를 재분포시키는 역할을 한다.
온도가 증가하면 열 에너지가 전자에 전달되어 전자가 더 높은 에너지 준위로 이동하기 때문에, 전자가 더 높은 운동 에너지를 갖게 되고, 고온 쪽에서 전자가 더 많이 이동하게 된다. 이로 인해 전자는 고온 쪽에서 저온 쪽으로 이동하고, 고온 쪽에 전자가 상대적으로 부족하게 되어 정공이 남게 된다20). 결국 빛이 조사되어 ZnO 표면의 온도가 증가하면 내장 전기장과 같은 방향으로 pyroelectric field가 형성된다. Pyroelectric field와 built-in electric field의 상호작용은 전하 운반자의 재분포를 유도하며, 이에 따라 공핍층 폭이 변화한다. Pyroelectric field가 내장 전기장을 강화하면 전하 운반자가 공핍층 외부로 더 많이 밀려나 공핍층 내부의 전자와 정공 농도가 더욱 줄어들고, 고정된 이온의 수가 많아져 공핍층의 폭이 증가하게 된다. 이로 인해 순간적으로 더 많은 전류가 흐르게 된다21).
이후, 빛을 조사하지 않았을 때 ZnO 표면이 상대적으로 저온이 되어 전자가 ZnO 표면에 주로 위치하게 되고, pyroelectric field는 내장 전기장과 반대 방향으로 형성된다. 이때 pyroelectric field가 내장 전기장을 상쇄하거나 약화시키면서 전하 운반자를 공핍층 외부로 밀어내는 힘이 약해진다. 그 결과, 공핍층 내부에 전자와 정공 농도가 증가하고, 고정된 이온의 수가 줄어들어 공핍층이 기존보다 좁아진다. 이로 인해 전자가 p형 영역으로, 정공이 n형 영역으로 이동하는 것을 방해하는 힘이 약해져 전자와 정공이 기존과 반대 방향으로 이동하기 쉬워지고, 빛이 조사되었을 때와 반대 방향의 전류가 발생하게 된다22).
3.3 소자의 광학 및 열적 응답 특성
제작한 FTO/ZnO/NiO/AgNWs 구조의 TPV에 100 Hz의 Pulsed 형태의 광원을 조사하여 pyro-phototronic 효과를 확인하였고, 시간 대비 전류변화 (I-t)를 Fig. 6(a)에 나타내었다. 여기서 photovoltaic effect로 얻어진 IPhoto와 온도 변화에 따른 pyroelectric effect로 얻어진 IPyro가 더해져 IPhoto + IPyro에 의한 I-t 곡선을 볼 수 있다. 또한 파형을 4단계로 나누어 Fig. 6(b)에 설명하였다.
먼저, 빛이 꺼진 상태에서 조사되면 ①영역에서 ZnO 표면의 온도가 상승하고, 내장 전기장과 pyroelectric field가 합쳐져 음의 전류가 급격히 증가하면서 2.328 mA의 값을 나타내는 파형이 나타난다. 빛이 계속 조사되어 온도가 일정하게 유지되는 ②영역에서는 온도 변화가 없으므로 pyrocurrent는 0이 되고, photo current로 인해 0.772 mA의 전류만 관찰된다.
빛이 꺼지면 ③영역에서 ZnO 표면 온도가 감소하여 반대 방향으로 pyrocurrent가 급격히 증가하고, 0.503 mA의 양의 전류가 나타나는 파형이 관찰된다. 마지막으로 빛이 꺼진 후 온도가 일정하게 유지되는 ④영역에서는 ②영역과 마찬가지로 온도 변화가 없어 pyrocurrent는 0이 되고, photo current로 인해 0 A에 가까운 0.035 mA의 암전류 상태가 된다23,24).
양의 pyrocurrent가 음의 pyrocurrent보다 작은 이유는 전기장 크기의 감소에 따른 공핍층 폭 감소와 더불어, 에너지 대역에서의 전자 이동 방식으로도 설명될 수 있다. 양의 pyrocurrent가 나타나는 동안, pyroelectric field와 built-in electric field는 서로 상쇄하는 방향으로 작용하여 전체 전기장의 세기가 감소한다. 이로 인해 전자들이 전도대로 이동할 확률도 낮아져 pyrocurrent가 감소하게 된다. 또한 빛이 꺼진 후 전자들은 외부 에너지원인 광자를 더 이상 공급받지 못하고, 남아 있는 열에너지만으로는 전도대로 전이할 수 있는 충분한 에너지를 얻지 못한다. 에너지가 부족한 전자들은 전도대와 가전자대 사이에서 불안정한 상태에 놓이게 되며, 결국 가전자대로 재결합하려는 경향이 생긴다. 이러한 재결합으로 인해 자유 전하 운반자의 수가 줄어들고, 그 결과 전류를 형성할 수 있는 전자의 수도 감소하여 양의 pyrocurrent가 작아지게 된다25).
반면, 음의 pyrocurrent가 나타나는 동안에는 pyroelectric field와 built-in electric field가 같은 방향으로 작용하여 전체 전기장의 세기가 증가한다. 이로 인해 전자들이 전도대로 이동하기 쉬워지면서 전류가 더 많이 발생하게 된다. 그 결과, 전도대에 도달하는 전자의 수가 증가하여 음의 pyrocurrent가 크게 나타나게 된다26).
주파수를 변경하여 가해지는 빛 또는 열원이 주기적으로 변할 때, 물질의 온도도 주기적으로 변한다. 이러한 주기적인 온도 변화는 pyroelectric 물질의 전기적 분극을 주기적으로 변화시키게 된다. 디바이스에 주파수를 변화시켰을 때 발생하는 pyrocurrent의 크기는 Fig. 7에 나타냈으며, 주파수가 낮아질수록 pyrocurrent가 증가하는 경향을 확인할 수 있다.
ZnO의 주파수에 따른 pyrocurrent 변화는 다음과 같다. 주파수가 3000 Hz일 때 pyrocurrent는 0.607 mA로 가장 작은 값을 나타내며, 주파수가 1000 Hz로 감소하면서 pyrocurrent는 0.875 mA로 선형적으로 증가한다. 이후 주파수가 500 Hz일 때는 1.096 mA로 나타나며, 100 Hz까지는 1.556 mA로 점진적으로 증가한다. 그러나 100 Hz 이하에서는 pyrocurrent가 지수적으로 증가하여 10 Hz에서 1.991 mA, 0.5 Hz에서 2.657 mA로 급격히 상승하는 경향을 보인다.
ZnO 내부의 pyroelectric 효과에 대한 고주파 빛의 영향을 분석하기 위해, 매우 높은 주파수 영역에서의 특성을 고찰하였다. 고주파 빛의 경우, 광 주파수 변조가 매우 빠르게 발생하여 ZnO 내부의 분극이 열 변화에 반응하는 시간보다 더 빨리 변한다27). 이로 인해 ZnO 표면에 위치한 전하들이 반대 방향으로 완전히 이동하기 전에 빛이 켜지고 꺼지는 주기가 더 빨라져, 양전하와 음전하가 한 방향으로 몰리는 현상이 줄어든다. 결과적으로 pyroelectric field가 약해지고, pyrocurrent가 감소하게 된다.
반대로, 주파수가 낮아질수록 온도 변화의 주기가 길어지며 이는 온도가 더 천천히 변하게 된다는 것을 의미한다. 이러한 상황에서는 물질 내부로 열이 더 깊이 전달될 시간이 충분히 주어지며, 그 결과로 더 넓은 영역에서 온도 변화가 발생하게 된다.
Pyrocurrent는 식(1)과 같이 나타낼 수 있으며, A는 전극의 면적, 는 pyroelectric 계수, 는 시간에 따른 온도 변화율을 말한다. Pyrocurrent는 온도 변화율에 비례하기 때문에, 물질 내부에서 큰 온도 변화가 발생할 경우 이 효과는 더욱 증대된다28).
또한 주파수가 낮을수록, 물질이 온도 변화를 충분히 반영할 시간이 주어지므로 물질 내부의 분극 변화가 보다 명확하게 일어나 pyrocurrent가 증가하게 된다.
Pyrocurrent의 증가가 응답도(Responsivity)와 검출도(Detectivity)에 미치는 영향을 분석하였다. 응답도와 검출도가 높다는 것은 디바이스가 외부 환경에 더 민감하게 반응할 수 있음을 의미하고, 응답도 R과 검출도 D는 식(2), (3)과 같이 계산할 수 있다29).
일반적인 광 검출기에서는 광전류를 정확하게 측정하기 위해 를 사용하여 실질적인 광전류만을 계산한다. 그러나 pyroelectric 물질을 포함한 광 검출기에서는 온도 변화에 의한 pyrocurrent가 추가로 발생하므로, 이를 반영하기 위해 를 사용한다.
입사광 광도 , , 에서 주파수 변화에 의한 응답도와 검출도를 계산하여 각각 Fig. 8(a)와 Fig. 8(b)에 나타내었다. 주파수 변화에 따른 소자의 광 응답 특성은 거의 일정하며, IPhoto 값과 IDark 값의 변화도 미미하여 RPh와 DPh 값 또한 크게 변하지 않는다. 이를 통해 주파수 변화가 소자의 광 응답 성능에 미치는 영향이 크지 않음을 알 수 있다.
반면에 주파수 변화에 따른 소자의 열 응답 특성은 상이하여 고주파수 영역인 3000 Hz에서 응답도 30.578 A/W, 검출도 3.31 × 1013 Jones를 보였고, 저주파수 영역인 0.5 Hz에서는 응답도 76.422 A/W, 검출도 8.273 × 1013 Jones를 보였다. 이를 통해 pyrocurrent 증가에 따라 소자의 응답, 검출 특성이 증가함을 확인하였다.
주파수 변화에 따른 소자의 광학 및 열적 응답 특성을 Table 1에 요약하였다. 주파수가 낮아질수록 pyrocurrent가 증가하며, 그에 따라 응답도와 검출도도 증가하는 경향을 확인할 수 있다.
본 연구를 통해 주파수 변화에 따른 pyrocurrent의 영향이 광 검출기의 응답도와 검출도에 중요한 역할을 한다는 것을 보여주었으며, 이를 바탕으로 pyroelectric 기반 광 검출기의 성능을 더욱 향상시킬 수 있는 가능성을 제시하였다.
Table 1
Optical and thermal response characteristics of devices with frequency variation
4. 결 론
ZnO는 높은 투과도를 지닌 투명 에너지 소재로, 투명 태양전지 분야에 적용될 수 있으며, 본 연구에서는 태양광뿐만 아니라 열에너지를 동시에 활용할 수 있는 방안에 대해 연구하였다. 높은 광학 투과도를 갖는 FTO (Glass)/ZnO/NiO/AgNWs 구조는 투명 태양전지로서 작동하며, 348 mV의 개방 회로 전압(VOC)과 2.163 mA/cm2의 단락 전류 밀도(JSC)를 출력하는 자가 발전 소자로 기능할 수 있음을 확인하였다. 특히 wurtzite 구조의 ZnO는 빛과 동반된 열 에너지에 대한 반응성이 높아, 본 연구에서는 입사광원의 주파수를 변조하며 투명 열전 특성을 확인하였다.
주파수를 3000 Hz에서 0.5 Hz까지 변조하며 pyrocurrent를 측정한 결과, 주파수가 감소함에 따라 pyrocurrent가 0.607 mA에서 2.657 mA까지 증가하였고, 이로부터 주파수와 전류 크기 사이의 반비례 관계 성립을 확인하였다. 특히 낮은 주파수에서 pyrocurrent가 지수적으로 증가하는 현상이 관찰되었다.
이러한 결과는 주파수가 낮아질수록 물질이 온도 변화에 충분히 반응할 시간을 가지게 되어 pyrocurrent가 크게 증가하며, 반대로 주파수가 높아지면 온도 변화가 빠르게 발생해 물질이 열적 평형에 도달할 시간이 부족해져 전류 응답이 제한되는 것을 보여준다. 따라서, wurtzite 구조를 가진 ZnO 기반 TPV 디바이스는 효율적인 pyrocurrent 발생을 가능하게 하며, 열에너지와 태양광을 동시에 이용하는 새로운 신재생 에너지 기술의 성능 향상에 중요한 기여를 할 수 있음을 시사한다.
특히 pyrocurrent가 증가함에 따라 pyroelectric 물질의 응답도(Responsivity)와 검출도(Detectivity) 또한 증가하는 경향이 나타났다. 이는 pyrocurrent의 크기가 커질수록 외부 온도 변화에 대한 디바이스의 반응 능력(응답도)이 향상되고, 낮은 조도나 다양한 환경에서도 전력을 생성할 수 있는 능력(검출도)이 향상된다는 것을 의미한다. 이러한 상관관계는 pyroelectric 효과가 강화됨에 따라 디바이스가 더 다양한 환경에서 보다 효과적으로 작동할 수 있음을 시사한다.
Pyroelectric effect를 활용한 기술은 열 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있어, IoT 디바이스와 웨어러블 센서의 자가 전력 공급 장치로서 큰 발전 가능성을 가진다. 특히 pyroelectric 소자가 건물의 창호로 활용될 경우 그 잠재적 활용성이 크게 증가할 것으로 기대된다. Photovoltaic effect로 인한 에너지 생성이 가능할 뿐만 아니라, 태양광이 구름에 의해 가려지거나 실내 냉난방 장치 등으로 인한 순간적인 온도 변화가 pyroelectric 소자에 전달되어 에너지 생성이 가능하다. 이는 낮과 밤의 일교차나 계절에 따른 실내외 온도 차와 함께 지속적인 온도 변화를 제공하여, 연속적으로 전기 생성을 유도할 수 있다. 이와 같은 방식으로 건물의 창호에서 광-열-전기가 통합적으로 활용되는 구조는 실내외 온도 변화로도 활용되어 효율적인 에너지 생산이 가능한 중요한 기술적 잠재력을 가진다.
또한 실내 광원의 주파수에 맞추어 pyroelectric 소자를 설계하면 실내 환경에서도 효율적인 자가 전원 에너지 생산이 가능하다. 예를 들어, 일반적인 LED 또는 형광등 조명은 특정 주파수 대역의 빛을 방출하므로 이 빛의 주파수 특성에 맞춰 pyroelectric 소자가 최적의 성능을 발휘하도록 설계할 수 있다. Pyroelectric 소자의 주파수 특성을 최적화하면 단순한 에너지 수확을 넘어 센서 및 감지 분야에서 다양하게 활용될 수 있다. 예를 들어, 군사 분야에서는 특정 주파수에 민감하게 반응하는 센서가 필요한 상황에서 pyroelectric 소자가 유용하게 사용될 수 있다. 목표물의 움직임이나 환경 변화에 의한 주파수 변이로 정밀한 탐지를 할 수 있으며 이러한 기능이 보안 시스템, 열 감지기, 특수 목적의 군용 장비 등에서 중요한 역할을 할 수 있다.
주기적인 온도 변화에 민감하게 반응하는 pyroelectric 물질은 다양한 환경에서 지속적인 전력 공급이 가능하며, 이를 통해 배터리 의존도를 줄이고 에너지 효율을 극대화할 수 있다. 본 연구에서는 주파수 변화에 따른 pyroelectric 효과를 분석함으로써, ZnO와 같은 물질의 효율적인 에너지 하베스팅 가능성을 확인하였다. 이러한 결과는 태양광을 포함한 다양한 광원의 주파수 특성을 활용하여 pyroelectric 및 광전 효과를 극대화하는 소자 설계로 다양한 환경에서 효율적인 자가 전원 에너지 생산이 가능하며 실내외 다양한 산업 분야에서의 활용 가능성을 크게 높일 수 있음을 보여준다. 따라서, 향후 에너지 자립형 시스템 개발에 중요한 기여를 할 수 있을 것으로 기대된다.
