KR101016807B1 - 개선된 구조의 초소형 자가 발전기 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

자기 발전기의 구조 개선 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명의 자가 발전기는, 외력에 의해 전하를 발생시키며, 일체로 연결되되 나선형 구조를 갖도록 원형 배열된 다수의 외팔보들; 및 상기 각각의 외팔보에 형성되며, 상기 발생된 전하를 수집하는 전극;을 포함하는데, 개선된 구조를 통해 외력에 의한 발전 효율을 극대화할 수 있다.

Description

개선된 구조의 초소형 자가 발전기 및 그 제조 방법{Improved structural self micro-generator and its fabrication method}

본 발명은 전원 공급 장치에 관한 것으로, 특히 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 자가 발전기에 관한 것이다.

각종 휴대용 전자기기로부터 각종 센서 등의 전력원으로 많이 사용되는 전지 방식은 보관이 까다롭고 자체 수명에 대한 한계를 갖고 있다. 일례로, 타이어 공기압 감지 시스템 (Tire Pressure Monitoring System, TPMS)에서 이용되는 지능형 무선 압력센서에서부터 가스 감지 센서 등 각종 센서들에 많이 사용되는 리튬전지의 경우 전자 자체의 제한된 수명과 함께 보관이 까다로운데, 동작 온도가 올라가면 자연방전이 증가하여 수명이 더욱 줄어든다.

한편, 전지 방식에서 벗어난 대체 에너지원으로, 태양 에너지를 이용한 태양전지, 압전(Piezoelectric) 물질을 이용한 자가 발전 소자 등에 관한 연구가 이루어 왔다. 하지만, 아직까지 단위 면적당 생산되는 전력량이 떨어지거나, 환경 조건에 민감하기 때문에 전지 방식을 보조하는 보조 전원 수단으로서 응용되고 있다. 예로 압전 후박 필름을 이용한 방식이 있는데, 이 방식에 의하면 상대적으로 높은 출력을 얻을 수 있는 반면에 자가 발전 소자의 크기가 크다는 단점이 있다. 따라서 지능형 무선센서 등 소형의 전자장치에 적용하기에 용이하지 않다.

본 발명은 이러한 배경에서 도출된 것으로, 소형의 전자 및 전기 장치에도 적합하면서 단위 면적당 생산되는 전력량을 향상시키는 구조를 갖는 자가 발전기 및 그 제조 방법을 제공함을 목적으로 한다.

전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 자가 발전기는, 자가 발전기에 있어서, 중앙에 형성된 무게추와, 외곽에 형성된 지지부와, 일단이 상기 무게추에 연결되고, 타단은 상기 지지부에 연결되어 탄성 변형시 전하를 발생하는 다수의 외팔보들; 및 상기 각각의 외팔보에 형성되며, 상기 발생된 전하를 수집하는 전극;을 포함한다.

상기 외팔보는, 외력에 의해 탄성 변형되는 탄성 박막; 및 상기 탄성 박막과 일체로 이루어져 상기 탄성 박막의 변형에 의해 함께 변형되어 전하를 발생시키는 압전 박막;을 포함한다.

나아가 상기 자가 발전기는, 상기 다수의 외팔보들의 중앙에 위치하며, 각 외팔보와 물리적으로 연결되어 상기 외팔보들의 변형을 증가시키는 무게추;를 더 포함한다.

한편, 전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 자가 발전기 제조 방법은, 기판상에 탄성 박막을 형성하는 단계; 상기 형성된 탄성 박막상에 절연막을 형성하는 단계; 상기 형성된 절연막 상에 금속 박막을 증착하는 단계; 상기 증착된 금속 박막을 식각하여 전극을 형성하는 단계; 상기 탄성 박막 및 금속 박막 상에 압전 박막을 형성하는 단계; 상기 압전 박막과 탄성 박막을 식각하여 상기 압전 박막과 탄성 박막으로 이루어진 다수의 외팔보들을 형성하는 단계; 및 외력에 의해 상기 다수의 외팔보들이 휘어지도록 상기 기판 하면의 해당 부위를 식각하는 단계;를 포함한다.

본 발명은 출력 전력을 향상시키기 위한 외팔보 집적 및 외팔보 간 연결에 대한 기술을 제시한다. 또한 자가 발전기의 손쉬운 제작 방법을 제시한다. 이 같은 본 발명은 외팔보를 집적시켜 단위 면적당 출력되는 전력의 양을 극대화한다. 또한 외팔보의 원형 배열을 나선형으로 구현함으로써, 단위 면적당 출력되는 전력의 양을 더욱 극대화한다. 또한 무게추를 이용하여 낮은 진동 주파수에서 자가 발전기가 동작할 수 있게 한다. 또한 압전상수 d33 방향으로 생기는 전하 수집을 극대화하여 효율을 향상시킨다.

이 같은 본 발명은 지능형 무선 센서 등의 전원 구성을 용이하게 한다. 또한 자동차 등의 보조 전원으로서, 갑작스레 늘어나는 전력 사용에 대처함을 가능하게 한다. 또한 전력 발전 후 생기는 부산물이 없기 때문에, 친환경적인 소자라 할 수 있다.

전술한, 그리고 추가적인 본 발명의 양상들은 첨부된 도면을 참조하여 설명되는 바람직한 실시예들을 통하여 더욱 명백해질 것이다. 이하에서는 본 발명을 이러한 실시예를 통해 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 설명 하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 자가 발전기의 사시도이며, 도 2는 배면 사시도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 자가 발전기는 네 개의 층으로 이루어진다. 하위부터 상위로 제1층은 기판(100)이고, 제2층은 탄성 박막(200)이다. 일 실시예에 있어서, 기판은 규소 기판이며, 탄성 박막은 규소질화막(Si3N4)이나 규소산화막(SiO2)이 된다. 그 다음 제3층은 압전 박막(300)이며, 제4층은 전극(410)으로 구성된다. 일 실시예에 있어서, 압전 박막(300)은 PZT(piezoelectric)와 같은 압전 물질이며, 전극(410)은 백금(Pt) 등 금속으로 이루어진다. 그리고 도시된 바와 같이, 탄성 박막(200)과 압전 박막(300) 사이가 관통(500)되어 다수의 외팔보(600)들이 배열되는 구조를 갖는다. 도 1에서는 14개의 외팔보(600)들이 원형 배열된 예를 보이고 있다. 각 외팔보(600)는 외력, 예를 들어 진동 에너지에 의해 위 아래로 흔들리면서 외팔보(600)를 구성하는 압전 물질을 수평방향으로 신장 수축시킨다. 압전 물질의 변형을 통해 압전 물질 표면에 전하량의 변화가 생기는데, 이것은 압전 박막(300)의 표면에 구성된 전극층(410)을 통해 수집되어 외부로 출력된다.

본 발명의 부가적인 양상에 따라 원형 배열된 외팔보(600)들의 중앙에는 무게추(100a)가 위치한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 일 실시예에 따라 제1층인 기판(100)의 일부가 제거되어 무게추(100a)가 형성된다. 도시되어 있듯이, 무게추(100a)는 각 외팔보(600)와 물리적으로 연결되어 있다. 그리고 지지부(100b)는 지지면에 의해 지지되어 중앙의 무게추(100a)가 위아래로 동작할 수 있도록 한다.

무게추(100a)는 외팔보(600)의 공진 주파수를 낮춰 작은 진동 에너지에도 많은 전하량의 변화가 발생되도록 한다. 부연 설명하면, 외팔보(600)는 그 재료와 구조의 특성상 공진 주파수가 매우 높다. 그리고 실제 일상적으로 외부로부터 발생하는 진동의 주파수는 수백Hz에 불과하다. 따라서 무게추(100a)를 이용하여 외팔보(600)의 공진 주파수를 떨어뜨리고, 진동에 의한 외팔보(600)의 움직임을 증가시키고자 하는 것이다. 이를 통해 상승된 전기 에너지를 얻을 수 있다.

도 3은 단일 외팔보의 동작 설명을 위한 도면이며, 도 4는 외력에 의해 도 3의 외팔보의 변형을 나타낸 도면이다.

도 3에 도시된 바와 같은 지지면(10)에 의해 지지되는 외팔보가 외력에 의해 휘어지게 되면, 도 4에서처럼 외팔보를 구성하는 탄성 박막(200) 및 압전 박막(300)의 신장 및 수축 변형이 일어난다. 그리고 무게추(100a)는 신장 및 수축 변형을 증가시킨다. 이때 이 변형되는 힘의 크기는 도 4의 화살표 길이와 같이 A 지점에서 가장 크며 C 지점으로 갈수록 작아진다.

도 5는 도 1의 A-A′단면도이며, 도 6은 외력에 의해 도 5의 외팔보의 변형을 나타낸 도 1의 A-A′단면도이다.

본 발명의 특징적인 양상에 따라 다수의 외팔보(600)들을 원형으로 집적한 구조의 단면도를 나타낸 것으로, 전극(410)은 생략하였다. 도 5에 도시된 바와 같이 바닥면과 같은 지지면(10)에 접촉된 지지부(100b)에 의해 지지되는 자가 발전기에 외력이 발생하면, 도 6에서처럼 외팔보를 구성하는 탄성 박막(200) 및 압전 박막(300)의 신장 및 수축 변형이 일어난다. 그리고 무게추(100a)는 신장 및 수축 변형을 증가시킨다. 이때 이 변형되는 힘의 크기는 A 지점 및 C 지점에서 가장 크며, B 지점으로 갈수록 작아진다. 도 4와 비교하였을 때, 도 6의 원형 배열 구조에서는 외팔보가 C 지점에서도 신장 및 수축 변형의 변화가 크다는 것을 알 수 있다. 이는 더 많은 전기 에너지를 생산할 수 있다는 의미로써, 본 발명에 따라 중앙에 무게추를 위치시키고 그 무게추를 중심으로 외팔보를 원형으로 배열한 구조를 갖는 자가 발전기의 특징적인 양상에 따라 도출되는 효과이다.

도 7은 본 발명에 따른 병렬 전극 형상 예시도이다.

도시된 바와 같이, 각 외팔보 표면에 2개의 전극(411, 412)이 서로 이격되되 맞물린(interdigit) 형상을 갖는다. 이 같은 구조는 압전 현상의 효율성이 높은 d33 방향으로 생기는 전하 수집을 극대화하여 효율을 향상시키기 위함이다. 그리고 중앙에는 원형의 전극(413)이 형성되며, 외팔보의 표면에 형성된 일 전극(411)을 중앙의 원형 전극(413)에 단락시킨다. 그리고 외팔보 바깥으로는 원형 고리의 전극(414)이 형성되며, 외팔보의 표면에 형성된 다른 전극(412)을 외부 원형 고리의 전극(414)에 단락시켜 병렬 연결한 구조이다. 이 같은 병렬 연결은 최대 전류를 얻을 수 있게 하며, 중간에 어느 하나의 외팔보가 동작하지 않아도 전체적으로 안정적인 동작이 가능하게 한다. 도 1의 평면도인 도 7은 전극의 구성이 병렬 연결인지가 직관되지 않으므로, 이해를 돕기 위해 도 8을 추가하였다. 도 8에서는 외팔보와 외팔보 사이의 관통홀(500)을 보다 크게 도시함으로써, 전극의 병렬 연결이 직관적으로 이해될 수 있게 하였다.

도 9는 본 발명에 따른 직렬 전극 형상 예시도이다.

도시된 바와 같이, 각 외팔보 표면에 2개의 전극이 서로 이격되되 맞물린(interdigit) 형상을 갖는다. 이 같은 구조는 압전 현상의 효율성이 높은 d33 방향으로 생기는 전하 수집을 극대화하여 효율을 향상시키기 위함이다. 그리고 각 외팔보 표면에 형성된 2개의 전극(411, 412)을 각각 인접한 외팔보의 인접한 하나의 전극에 단락시켜 직렬 연결한다. 즉, 도면부호 411 전극은 인접한 외팔보에 형성된 도면부호 412 전극과 연결되며, 도면부호 412 전극은 인접한 외팔보에 형성된 도면부호 411 전극과 연결된다. 이 같은 직렬 연결은 최대 전압을 얻을 수 있게 한다. 도 1의 평면도인 도 9는 전극의 구성이 직렬 연결인지가 직관되지 않으므로, 이해를 돕기 위해 도 10을 추가하였다. 도 10에서는 외팔보와 외팔보 사이의 관통홀(500)을 보다 크게 도시함으로써, 전극의 직렬 연결이 직관적으로 이해될 수 있게 하였다.

도 11은 관통홀(700)이 형성된 자가 발전기의 예시도이다.

도시된 바와 같이, 외팔보(600)들의 중앙에는 관통홀(700)이 형성되며, 이 관통홀(700)은 압전 박막(300)과 탄성 박막(200)의 하위에 위치한 무게추(100a)에까지 형성된 것이다. 이 관통홀(700)은 적어도 하나가 형성되며, 그 역할은 공기에 의해 외팔보(600)의 움직임 감쇄를 줄이는 것이며, 그 결과로 에너지 손실을 방지한다.

도 12는 외팔보의 배열을 원주의 법선이 아닌 접선에 가깝게 배열한 예시도이다. 외팔보의 배열이 나선형이 되도록 함을 나타낸 도면으로, 이 같이 배열하면 외팔보의 길이가 늘어나게 된다. 이는 외팔보의 공진 주파수를 떨어뜨리게 되며, 결국 에너지 상승이라는 효과를 낸다.

한편, 전술한 예에서는 전극이 압전 박막 상에 형성된 것으로 한정하여 설명하였다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 전극은 탄성 박막 상에 형성되며 그 위에 압전 박막이 증착될 수도 있다. 이 같은 구조는 후술할 도 13을 참조로 한 자가 발전기의 제조 방법에 의해 이해될 수 있다.

도 13은 본 발명에 따른 자가 발전기의 또 다른 제조 과정 예시도이다.

(a) 우선 기판, 바람직하게 규소 기판 위에 규소질화막(Si3N4)이나 규소산화막(SiO2) 등의 탄성 박막(200)을 형성한 후, 그 탄성 박막(200) 위에 백금(Pt) 등 금속 박막(400)을 증착하고, (c) 증착된 금속 박막(400)을 식각하여 전극(410)을 구성한다. (d) 전극(410) 구성 후 압전 박막(300)을 그 위에 구성한다. 그 다음 도 13의 단면도에서는 나타나지 않으나, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같은 다수의 외팔보들을 구성하기 위해 외팔보와 외팔보 사이가 되는 부위의 압전 박막(300)과 탄성 박막(200)을 식각한다. 일 실시예에 있어서, RIE(Reactive Ion Etching)나 플라즈마 에칭 기법을 이용하여 압전 박막(300)과 그 밑의 탄성 박막(200)을 식각하여 다수의 외팔보들을 구성한다. (e) 마지막으로 규소 기판(100)의 배면의 일부를 식각한다. 일 실시예에 있어서, Deep RIE 등의 건식 식각이나 수산화칼륨 등을 이용한 습식 식각 방식이 이용된다. 바람직하게는, 도시된 바와 같이 무게추(100a)가 형성되도록 식각한다. 그러나 무게추(100a)는 본 발명의 추가적인 양상에 따른 것으로 무게추(100a) 부위까지도 식각을 통해 제거할 수도 있다. 이 같 은 공정은 MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems) 공정으로 구현됨이 바람직하다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 자가 발전기의 사시도.

도 2는 도 1의 배면 사시도.

도 3은 단일 외팔보의 단면도.

도 4는 외력에 의해 도 3의 외팔보의 움직임을 나타낸 단면도.

도 5는 도 1의 a-a' 단면도.

도 6은 외력에 의해 외팔보의 움직임을 나타낸 도 1의 a-a' 단면도.

도 7은 본 발명에 따른 병렬 전극 형상 예시도.

도 8은 도 7의 병렬 연결 구조가 직관적으로 이해될 수 있도록 한 도면.

도 9는 본 발명에 따른 직렬 전극 형상 예시도.

도 10은 도 9의 병렬 연결 구조가 직관적으로 이해될 수 있도록 한 도면.

도 11은 무게추에 관통홀이 형성된 예시도.

도 12는 외팔보의 배열을 원주의 법선이 아닌 접선에 가깝게 배열한 예시도.

도 13은 본 발명에 따른 자가 발전기의 제조 과정 예시도.

Claims (12)

1. 삭제
2. 삭제
3. 자가 발전기에 있어서,

   중앙에 형성된 무게추와,

   외곽에 형성된 지지부와,

   일단이 상기 무게추에 연결되고, 타단은 상기 지지부에 연결되어 탄성 변형시 전하를 발생하는 다수의 외팔보들; 및

   상기 각각의 외팔보에 형성되며, 상기 발생된 전하를 수집하는 전극;을 포함하되,

   상기 외팔보는 :

   외력에 의해 탄성 변형되는 탄성 박막; 및

   상기 탄성 박막과 일체로 이루어져 상기 탄성 박막의 변형에 의해 함께 변형되어 전하를 발생시키는 압전 박막;을 포함하고,

   상기 각각의 외팔보가 상기 무게추의 중심을 원점으로 하는 원주의 법선 대해 동일한 소정 각도로 틀어진 구조로 배열되는 것을 특징으로 하는 자가 발전기.
4. 제3항에 있어서,

   상기 무게추는, 적어도 하나의 관통홀이 형성된 것을 특징으로 하는 자가 발전기.
5. 제3항에 있어서,

   상기 전극은, 두 개의 전극이 서로 이격되되 맞물리게 형성된 것을 특징으로 하는 자가 발전기.
6. 제3항에 있어서,

   상기 외팔보들에 형성된 전극 전체는 병렬 연결된 것을 특징으로 하는 자가 발전기.
7. 제3항에 있어서,

   상기 외팔보들에 형성된 전극 전체는 직렬 연결된 것을 특징으로 하는 자가 발전기.
8. 삭제
9. 삭제
10. 기판상에 탄성 박막을 형성하는 단계;

    상기 형성된 탄성 박막상에 금속 박막을 증착하는 단계;

    상기 증착된 금속 박막을 식각하여 전극을 형성하는 단계;

    상기 탄성 박막 및 금속 박막 상에 압전 박막을 형성하는 단계;

    상기 기판 하면을 식각하여 중심에 무게추를 형성하고, 외곽에 지지부를 형성하는 단계와; 및

    상기 압전 박막과 탄성 박막을 식각하여, 일단이 상기 무게추에 연결되고, 타단은 상기 지지부에 연결되어 외력에 의해 휘어지는 다수의 외팔보들을 형성하는 단계;를 포함하되,

    상기 다수의 외팔보들을 형성하는 단계는, 상기 각각의 외팔보가 상기 무게추의 중심을 원점으로 하는 원주의 법선에 대해 동일한 소정 각도로 틀어진 구조로 배열되도록 상기 압전 박막과 탄성 박막을 식각하는 것을 특징으로 하는 자가 발전기 제조 방법.
11. 삭제
12. 제10항에 있어서,

    상기 전극을 형성하는 단계는, 적어도 일부에 대해 두 개의 전극이 서로 이격되되 맞물리게 형성되도록 형성하는 것을 특징으로 하는 자가 발전기 제조 방법.

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