KR101141145B1 - Dual generation type micro turbine generator - Google Patents

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KR101141145B1
KR101141145B1 KR1020110123475A KR20110123475A KR101141145B1 KR 101141145 B1 KR101141145 B1 KR 101141145B1 KR 1020110123475 A KR1020110123475 A KR 1020110123475A KR 20110123475 A KR20110123475 A KR 20110123475A KR 101141145 B1 KR101141145 B1 KR 101141145B1
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공성호
최주찬
최영찬
김유일
이재윤
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국방과학연구소
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Abstract

PURPOSE: A two-way power generation type of a micro turbine-generator is provided to improve the electricity generation by increasing a magnetic field and magnetic flux density through the high-speed rotation of a permanent magnet of a turbine blade. CONSTITUTION: A two-way power generation type of a micro turbine-generator comprises a turbine blade(11), two permanent magnets(12), a pair of induction coils(13), a multi-layered housing(20), and a supporting unit(14). The two permanent magnets are connected to the top and bottom surfaces of the turbine blade. The induction coil generates induced current according to the rotation of the turbine blade. The turbine blade and the permanent magnet are installed inside the housing. The housing is formed with the induction coil into one body. The housing comprises first and second passages(21a,21b). The compressed air is provided to the turbine blade through the first passage. The second passage is formed along the lateral direction of the turbine blade. The air is exhausted from the turbine blade through the second passage. The supporting unit supports the turbine blade rotatably.

Description

양면 발전형 초소형 터빈 발전기{Dual Generation type Micro Turbine Generator}Dual Generation Micro Turbine Generator

본 발명은 초소형 터빈의 회전력을 이용하여 전기를 생산하는 초소형 터빈 발전기에 관한 것으로서, 특히 별도의 열원을 사용하지 않고 압축공기를 이용하여 터빈을 회전시킴으로써 고온의 연소가스로 인한 여러 문제점을 해결할 수 있고 터빈의 상측과 하측에 각각 유도 코일이 배치되어 발전량을 증가시킬 수 있는 양면 발전형 초소형 터빈 발전기에 관한 것이다.The present invention relates to a micro turbine generator for producing electricity by using the rotational force of the micro turbine, in particular, it is possible to solve various problems due to the high temperature combustion gas by rotating the turbine using compressed air without using a separate heat source and It relates to a double-sided generation micro turbine generator capable of increasing the amount of power generated by the induction coil disposed on the upper and lower sides of the turbine, respectively.

최근 휴대용 전자기기의 발달로 인해 이들 기기에 대한 상시적인 전원 공급의 문제가 대두하고 있으며, 특히 휴대 가능한 초소형 전원 공급원의 필요성이 커지고 있다. 구체적으로 최근 개발된 스마트 폰을 계기로 언제, 어디서든, 누구나가 정보를 편리하게 이용할 수 있는 IT 융복합 사회의 도래가 예측되고 있으며, 이러한 IT 융복합 사회의 실현을 위한 가장 시급한 과제가 웨어러블(Wearable)한 초소형 전원 공급원의 연구개발이다. 이에 따라 초소형 파워 시스템에 대한 다양한 연구가 진행되고 있다.Recently, due to the development of portable electronic devices, the problem of constant power supply for these devices is emerging, and in particular, the need for a portable ultra-small power supply source is increasing. Specifically, the arrival of an IT convergence society where anyone can conveniently use information anytime, anywhere, thanks to the recently developed smart phone, and the most urgent task for realizing such an IT convergence society is wearable ( Wearable) It is research and development of ultra small power source. Accordingly, various researches on ultra small power systems have been conducted.

특히 미국은 1990년대 초부터 DARPA(Defense Advanced Research Projects Agency, 미 국방성 방위고등연구계획국)와 MIT(Massachusetts Institute of Technology, 메사추세츠 공과대학)를 중심으로 터빈 연소 방식의 초소형 파워 시스템에 대한 연구를 수행해 왔으며, 그 결과 MIT에서는 전체 두께가 3.7㎜이며, 지름이 각각 8㎜, 6㎜인 압축기와 터빈 및 연소기로 이루어져 있는 마이크로 가스터빈형 발전시스템을 개발하기도 하였다.In particular, the United States has been working on turbine-powered ultra-small power systems around the Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) and the Massachusetts Institute of Technology (MIT) since the early 1990s. As a result, MIT has developed a micro gas turbine-type power generation system consisting of a compressor, a turbine and a combustor with a total thickness of 3.7 mm and a diameter of 8 mm and 6 mm, respectively.

상기한 마이크로 가스터빈형 발전시스템은 도 1에 도시된 바와 같이, 상측 중앙에 공기 유입구(101)가 형성되고 하측 중앙에 연소가스가 배출되는 배기노즐(102)이 형성되며 내부에 연소실(105)이 형성된 몸체(100)와, 상기 몸체(100)의 내부 하측에 위치되며 상기 연소실(105)에서 배출되는 연소가스에 의해 회전되는 터빈 블레이드(111)를 포함하는 터빈부(110)와, 상기 몸체(100)의 내부 상측에 위치되어 상기 터빈부(110)와 동일 축(115)으로 연결되며 발전기가 일체로 형성된 압축부(120)로 이루어져 있다.In the micro gas turbine type power generation system, as shown in FIG. 1, an air inlet 101 is formed at an upper center thereof, and an exhaust nozzle 102 is formed at a lower center thereof to discharge combustion gas, and a combustion chamber 105 is formed therein. And a turbine unit 110 including the formed body 100, a turbine blade 111 positioned in the lower side of the body 100, and rotated by combustion gas discharged from the combustion chamber 105. Located in the upper side of the 100 is connected to the turbine shaft 110 and the same shaft 115, the generator consists of a compression unit 120 integrally formed.

상기 터빈부(110)는 상기 터빈 블레이드(111)의 반경 방향 외측에 위치되어 상기 연소실(105)의 연소가스를 터빈 블레이드(111)로 안내하는 터빈 노즐(112)을 더 포함하고 있다. 그리고, 상기 압축부(120)는 상기 터빈 블레이드(111)와 동일 축(115)으로 연결되어 회전하며 발전기의 회전자(125)가 부착된 컴프레셔 블레이드(121)와, 상기 컴프레셔 블레이드(121)의 반경 방향 외측에 위치되어 상기 컴프레셔 블레이드(121)에 의해 공급되는 공기를 압축하는 디퓨져 베인(122)을 포함하고 있다.The turbine unit 110 further includes a turbine nozzle 112 positioned radially outward of the turbine blade 111 to guide the combustion gas of the combustion chamber 105 to the turbine blade 111. In addition, the compression unit 120 is connected to the turbine blade 111 and the same shaft 115, the compressor blade 121 is attached to the rotor 125 of the generator, and the compressor blade 121 of the A diffuser vane 122 is located radially outward and compresses the air supplied by the compressor blade 121.

또한, 상기 몸체(100)에는 연료 주입구(도시 생략)를 통해 유입된 연료를 분배하는 매니폴드(104)가 형성되어 있고, 상기 압축부(120)에서 압축된 압축공기와 매니폴드(104)에서 연료 인젝터(104')를 통해 분사된 연료가 혼합된 혼합가스가 상기 연소실(105)로 공급되도록 하는 혼합가스 통로(106) 및 상기 연소실(105)과 혼합가스 통로(106)를 연결하는 부분에는 역화 방지를 위한 플레임 홀더(107)가 형성되어 있다.In addition, the body 100 is formed with a manifold 104 for distributing the fuel introduced through a fuel inlet (not shown), the compressed air compressed in the compression unit 120 and the manifold 104 The mixed gas passage 106 for supplying the mixed gas mixed with the fuel injected through the fuel injector 104 ′ to the combustion chamber 105 and the portion connecting the combustion chamber 105 and the mixed gas passage 106 are provided. A flame holder 107 is formed to prevent backfire.

상기와 같이 구성된 종래의 마이크로 가스터빈형 발전시스템은 연소가스의 압력을 이용하여 터빈을 작동시키고 상기 터빈에 의해 압축기 및 발전기가 작동되어 공기를 압축함과 아울러 전기를 발생하도록 하고 있다.In the conventional micro gas turbine type power generation system configured as described above, the turbine is operated by using the pressure of the combustion gas, and the compressor and the generator are operated by the turbine to compress air and generate electricity.

압축부(120)의 컴프레셔 블레이드(121) 및 디퓨져 베인(122)에 의해 압축된 공기에 연료 주입구를 통해 유입된 연료를 연료 인젝터(104')를 통해 분사하여 압축공기와 연료가 혼합된 혼합가스를 생성하여 연소실(105)로 공급하고, 상기 연소실(105)에서는 이를 연소시켜 고압의 연소가스를 발생시키게 된다. 이후 연소가스가 터빈부(110)의 터빈 노즐(112)을 통해 터빈 블레이드(111)에 분사됨으로써 상기 터빈 블레이드(111)가 회전하게 되고, 상기 터빈 블레이드(111)와 동일 축으로 연결된 상기 컴프레셔 블레이드(121)가 회전하게 된다. 이때, 상기 압축부(120)와 일체로 형성된 발전기에 의해 전기가 생산된다. A mixed gas in which compressed air and fuel are mixed by injecting fuel introduced into the air compressed by the compressor blade 121 and the diffuser vane 122 of the compression unit 120 through the fuel injector 104 '. Is generated and supplied to the combustion chamber 105, and the combustion chamber 105 is combusted to generate a high pressure combustion gas. Since the combustion gas is injected to the turbine blade 111 through the turbine nozzle 112 of the turbine unit 110, the turbine blade 111 is rotated, the compressor blade connected in the same axis as the turbine blade 111. 121 is rotated. At this time, electricity is produced by a generator formed integrally with the compression unit 120.

상기한 마이크로 가스터빈형 발전시스템은, 기존 발전소의 스팀 터빈이나 자동차 엔진과 같은 다른 발전 시스템에 비해 파워와 중량 측면에서 우수한 특성이 있어 웨어러블한 초소형 전원공급원이자 차세대 동력원으로 각광받고 있다.The micro gas turbine-type power generation system is in the spotlight as a wearable ultra-small power supply and next generation power source because it has superior characteristics in terms of power and weight compared to other power generation systems such as steam turbines and automobile engines of existing power plants.

그러나, 상기한 종래의 마이크로 가스터빈형 발전 시스템은 연료가 연소할 때 1000℃ 이상의 고온이 발생하기 때문에 고온으로 인해 영구자석의 자성이 사라지고 소자 자체의 열적 변형을 가져 오는 등 단열 문제가 기술적 장애로 작용하는 문제점이 있다.However, the above-described conventional micro gas turbine type power generation system generates a high temperature of 1000 ° C. or more when fuel is burned, so that the thermal insulation problem is a technical obstacle such as the magnetism of the permanent magnet disappears due to the high temperature and thermal deformation of the device itself. There is a problem that works.

본 발명은 상기한 종래 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 열원으로 작용하는 연소기를 사용하지 않고 외부에서 공급되는 압축공기를 이용하여 터빈을 회전시킴으로써 고온의 연소가스로 인한 고온 동작의 문제점을 해결할 수 있는 양면 발전형 초소형 터빈 발전기를 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention can solve the problem of high temperature operation due to the high temperature combustion gas by rotating the turbine by using the compressed air supplied from the outside without using a combustor acting as a heat source as to solve the above conventional problems. It is an object of the present invention to provide a two-sided generation ultra small turbine generator.

또, 본 발명은 압축공기를 터빈 블레이드의 측면으로 공급하여 터빈의 상측과 하측에 각각 유도 코일을 배치할 수 있도록 한 양면 발전형 초소형 터빈 발전기를 제공하는데 목적이 있다.In addition, an object of the present invention is to provide a double-sided power generation miniature turbine generator that can supply compressed air to the side of the turbine blades so that induction coils can be arranged on the upper and lower sides of the turbine, respectively.

또한, 본 발명은 영구자석을 터빈 블레이드의 상면과 저면에 각각 부착하여 발전 효율을 향상시킬 수 있도록 한 양면 발전형 초소형 터빈 발전기를 제공하는데 목적이 있다.In addition, an object of the present invention is to provide a double-sided power generation micro turbine generator that can be attached to the upper and lower surfaces of the turbine blade to improve the power generation efficiency, respectively.

또, 본 발명은 기판을 식각하여 유도 코일을 제작하도록 함으로써 유도 코일을 두껍게 형성하여 발전 효율을 향상시킨 양면 발전형 초소형 터빈 발전기를 제공하는데 목적이 있다. In addition, an object of the present invention is to provide a double-sided power generation ultra-miniature turbine generator by forming a thick induction coil by etching the substrate to produce an induction coil to improve the power generation efficiency.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 중앙부에 구멍이 형성된 터빈 블레이드와, 상기 터빈 블레이드의 상면과 저면에 각각 접합되는 2개의 영구자석과, 상기 영구자석으로부터 이격되게 설치되어 상기 터빈 블레이드의 회전에 따라 유도전류가 발생하도록 하는 유도 코일과, 상기 터빈 블레이드와 영구자석이 내부에 설치되고 상기 유도 코일이 일체로 형성되며 상기 터빈 블레이드로 압축공기를 공급하기 위한 제1유로 및 터빈 블레이드로부터 공기가 배출되도록 하는 제2유로가 상기 터빈 블레이드의 측방향을 따라 형성되는 다층 구조의 하우징과, 상기 터빈 블레이드를 회전 가능하게 지지하는 지지부를 포함하고, 상기 터빈 블레이드와 하우징 및 지지부가 MEMS 가공방법에 의해 제작되는 것을 특징으로 한다.The present invention for achieving the above object is a turbine blade having a hole in the center, two permanent magnets respectively bonded to the upper and lower surfaces of the turbine blade, and is installed spaced apart from the permanent magnet to the rotation of the turbine blades According to the induction coil for generating an induction current, the turbine blade and the permanent magnet is installed therein, the induction coil is integrally formed and air is discharged from the first flow path and turbine blade for supplying compressed air to the turbine blade The second flow path includes a multi-layer housing formed along the lateral direction of the turbine blade, and a support for rotatably supporting the turbine blade, wherein the turbine blade, the housing and the support are manufactured by a MEMS method. It is characterized by.

또, 본 발명의 양면 발전형 초소형 터빈 발전기에 따르면, 상기 하우징은 상기 제1유로 및 제2유로가 각각 하나 이상씩 형성되고 관통공 내부에 상기 터빈 블레이드가 위치되는 중앙층과, 관통공 내부에 상기 영구자석이 각각 위치되도록 상기 중앙층의 상측과 하측에 각각 부착되는 상부층 및 하부층과, 상기 유도 코일이 일체로 형성되며 상기 상부층의 상측 및 상기 하부층의 하측에 각각 부착되고 상기 지지부가 고정되는 고정홈이 각각 형성된 상부 커버층 및 하부 커버층으로 이루어진 것을 특징으로 한다.In addition, according to the double-sided power generation micro turbine generator of the present invention, the housing is formed with at least one of each of the first passage and the second passage and the central layer in which the turbine blade is located in the through hole, and inside the through hole. An upper layer and a lower layer attached to the upper side and the lower side of the center layer, respectively, so that the permanent magnet is located, and the induction coil is integrally formed and attached to the upper side and the lower side of the lower layer, respectively, and the support is fixed It characterized in that the groove is formed of an upper cover layer and a lower cover layer, respectively.

또한, 본 발명의 양면 발전형 초소형 터빈 발전기에 따르면, 상기 제1유로 및 제2유로는 곡선 형태로 형성되어 상기 중앙층에 형성된 관통공에 이어지도록 한 것을 특징으로 한다.In addition, according to the double-sided power generation micro turbine generator of the present invention, the first flow path and the second flow path is formed in a curved shape characterized in that it is connected to the through-hole formed in the central layer.

또, 본 발명의 양면 발전형 초소형 터빈 발전기에 따르면, 상기 지지부는 상기 터빈 블레이드의 구멍 내면에 접하는 복수개의 롤러로 이루어지는 것을 특징으로 한다.In addition, according to the double-sided power generation micro turbine generator of the present invention, the support portion is characterized by consisting of a plurality of rollers in contact with the inner surface of the hole of the turbine blade.

또한, 본 발명의 양면 발전형 초소형 터빈 발전기에 따르면, 상기 유도 코일은 상기 상부 커버층과 하부 커버층을 형성하는 실리콘 웨이퍼를 DRIE 공정으로 이방성 식각한 후 금속 박막을 입히고 전기 도금을 통해 식각된 부분에 상기 금속 박막과 동일한 금속을 채운 다음 CMP 공정을 통해 제작되는 것을 특징으로 한다.In addition, according to the double-sided power generation micro turbine generator of the present invention, the induction coil is anisotropically etched a silicon wafer forming the upper cover layer and the lower cover layer by a DRIE process and then coated with a metal thin film and etched by electroplating After filling the same metal as the metal thin film, characterized in that it is produced through the CMP process.

본 발명의 양면 발전형 초소형 터빈 발전기는 연료를 연소시키지 않고 외부의 압축공기를 이용하여 영구자석이 부착된 터빈 블레이드를 회전시킴으로써 전기를 생산하게 되므로 고온의 연소가스가 발생하지 않아 고온 동작에 따르는 여러 문제점을 해소함은 물론 별도의 단열수단을 요구하지 않는 효과가 있다.The double-sided power generation micro turbine generator of the present invention generates electricity by rotating turbine blades with permanent magnets by using external compressed air without burning fuel, so that high-temperature combustion gas does not occur. As well as solving the problem, there is an effect that does not require a separate insulation means.

또, 본 발명의 양면 발전형 초소형 터빈 발전기에 따르면, 터빈 블레이드에 부착된 영구자석의 고속회전으로 인하여 자기장 및 자속밀도가 증가하고 그로 인하여 발전 효율이 증대되는 효과가 있다. 특히, 터빈 블레이드의 상면과 저면에 각각 영구자석이 부착되므로, 회전체의 한 면에만 영구자석이 장착된 것에 비해 2배 이상의 출력을 올릴 수 있게 된다.In addition, according to the double-sided power generation micro turbine generator of the present invention, the magnetic field and magnetic flux density is increased due to the high speed rotation of the permanent magnet attached to the turbine blade, thereby increasing the power generation efficiency. In particular, since the permanent magnet is attached to the upper and lower surfaces of the turbine blade, respectively, it is possible to raise the output more than twice as long as the permanent magnet is mounted only on one side of the rotor.

또한, 본 발명의 양면 발전형 초소형 터빈 발전기에 따르면, 터빈 블레이드와 하우징 및 지지부가 MEMS 가공방법에 의해 제작되므로 마이크로 기계 가공방식에 비해 대량 생산이 용이하고 생산 원가를 절감할 수 있는 효과가 있다.In addition, according to the double-sided power generation micro turbine generator of the present invention, since the turbine blade, the housing and the support part are manufactured by the MEMS processing method, it is easy to mass-produce and reduce the production cost compared to the micro machining method.

또, 본 발명의 양면 발전형 초소형 터빈 발전기에 따르면, 하우징이 다층 구조로 형성됨에 따라 MEMS 가공방법을 이용한 미세 가공이 용이한 효과가 있다.In addition, according to the double-sided power generation micro turbine generator of the present invention, as the housing is formed in a multi-layer structure, there is an effect that the micro-processing using the MEMS processing method is easy.

또한, 본 발명의 양면 발전형 초소형 터빈 발전기에 따르면, 압축공기가 출입하는 제1유로 및 제2유로가 곡선으로 형성됨에 따라 압축공기의 유동이 원활해지고 그로 인하여 효율이 향상되는 효과가 있다.In addition, according to the double-sided power generation micro turbine generator of the present invention, as the first flow path and the second flow path into which compressed air enters and exits are curved, the flow of the compressed air is smoothed, thereby improving efficiency.

또, 본 발명의 양면 발전형 초소형 터빈 발전기에 따르면, 터빈 블레이드를 회전 가능하게 지지하는 지지부가 복수개의 롤러로 구성됨에 따라 별도의 축이나 베어링을 요구하지 않는 효과가 있다.In addition, according to the double-sided power generation micro turbine generator of the present invention, since the support portion rotatably supporting the turbine blade is composed of a plurality of rollers, there is an effect of not requiring a separate shaft or bearing.

또한, 본 발명의 양면 발전형 초소형 터빈 발전기에 따르면, 실리콘 웨이퍼의 내부를 식각한 후 식각 부분에 금속으로 채워 유도 코일을 제작하게 되므로, 도선 밀도가 증가하고 유도 전류가 증가하여 출력이 커지는 효과가 있다. 특히, 기존의 금속 박막 적층 형태의 평면 코일에 비해 더 두껍게 형성할 수 있으므로, 더욱 높은 에너지를 확보할 수 있게 된다.In addition, according to the double-sided power generation micro turbine generator of the present invention, since the induction coil is manufactured by etching the inside of the silicon wafer and then filling the etched part with metal, the lead density increases and the induction current increases, thereby increasing the output. have. In particular, since it can be formed thicker than the planar coil of the conventional metal thin film laminated form, it is possible to secure a higher energy.

도 1은 종래의 마이크로 가스터빈형 발전시스템이 도시된 구성도.
도 2는 본 발명에 의한 양면 발전형 초소형 터빈 발전기의 개념도.
도 3은 본 발명의 양면 발전형 초소형 터빈 발전기의 단면도.
도 4는 본 발명의 요부 구성인 유도 코일의 제작 과정을 나타낸 공정도.1 is a configuration diagram showing a conventional micro gas turbine type power generation system.
2 is a conceptual diagram of a double-sided power generation micro turbine generator according to the present invention.
Figure 3 is a cross-sectional view of the two-sided power generation micro turbine generator of the present invention.
Figure 4 is a process chart showing the manufacturing process of the induction coil of the main component of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 양면 발전형 초소형 터빈 발전기를 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described a double-sided power generation micro turbine generator of the present invention.

본 발명에 의한 양면 발전형 초소형 터빈 발전기는, 중앙부에 구멍(11')이 형성된 터빈 블레이드(11)와; 상기 터빈 블레이드(11)의 상면과 저면에 각각 접합되는 2개의 영구자석(12)과; 상기 영구자석(12)으로부터 이격되게 설치되어 상기 터빈 블레이드(11)의 회전에 따라 유도전류가 발생하도록 하는 한 쌍의 유도 코일(13)과; 상기 터빈 블레이드(11)와 영구자석(12)이 내부에 설치되고 상기 유도 코일(13)이 일체로 형성되며 상기 터빈 블레이드(11)로 압축공기를 공급하기 위한 제1유로(21a) 및 터빈 블레이드(11)로부터 공기가 배출되도록 하는 제2유로(21b)가 상기 터빈 블레이드(11)의 측방향을 따라 형성되는 다층 구조의 하우징(20)과; 상기 터빈 블레이드(11)를 회전 가능하게 지지하는 지지부(14);를 포함하여 이루어진다.A double-sided power generation micro turbine generator according to the present invention includes: a turbine blade (11) having a hole (11 ') formed in a central portion thereof; Two permanent magnets 12 bonded to upper and lower surfaces of the turbine blade 11, respectively; A pair of induction coils 13 installed to be spaced apart from the permanent magnets 12 so as to generate an induction current according to the rotation of the turbine blades 11; The turbine blade 11 and the permanent magnet 12 are installed therein, the induction coil 13 is integrally formed, and the first passage 21a and the turbine blade for supplying compressed air to the turbine blade 11. A housing 20 having a multilayer structure in which a second flow passage 21b for discharging air from the air is formed along the lateral direction of the turbine blade 11; And a support part 14 rotatably supporting the turbine blade 11.

여기서, 상기 터빈 블레이드(11)와 하우징(20) 및 지지부(14)는 MEMS 가공방법에 의해 제작된다. 이와 같이 터빈의 입구에 해당하는 제1유로(21a)와 출구에 해당하는 제2유로(21b)를 MEMS 가공방법을 이용한 평면으로 제작함에 따라 공간 최소화를 이룰 수 있게 된다.Here, the turbine blade 11, the housing 20 and the support 14 is manufactured by a MEMS processing method. As such, the first passage 21a corresponding to the inlet of the turbine and the second passage 21b corresponding to the outlet are manufactured in a plane using a MEMS processing method, thereby minimizing space.

상기 하우징(20)은 상기 제1유로(21a) 및 제2유로(21b)가 각각 하나 이상씩 형성되고 관통공(21') 내부에 상기 터빈 블레이드(11)가 위치되는 중앙층(21)과, 관통공(22', 23') 내부에 상기 영구자석(12)이 각각 위치되도록 상기 중앙층(21)의 상측과 하측에 각각 부착되는 상부층(22) 및 하부층(23)과, 상기 유도 코일(13)이 설치되며 상기 상부층(22)의 상측 및 상기 하부층(23)의 하측에 각각 부착되고 상기 지지부(14)가 고정되는 고정홈(24', 25')이 각각 형성된 상부 커버층(24) 및 하부 커버층(25)으로 이루어진다. The housing 20 includes a central layer 21 in which at least one first passage 21a and at least one second passage 21b are formed, and the turbine blade 11 is positioned inside the through hole 21 '. And upper and lower layers 22 and 23 attached to the upper and lower portions of the center layer 21 so that the permanent magnets 12 are respectively located in the through holes 22 'and 23', and the induction coil. An upper cover layer 24 having a fixing groove 24 ′ and 25 ′, which is installed on the upper layer 22 and attached to the lower side of the upper layer 22 and the lower layer 23, respectively, to which the support 14 is fixed, is formed. ) And the lower cover layer 25.

이와 같이 상기 제1유로(21a)가 복수개 형성됨에 따라 고른 공기의 공급이 가능하게 된다. 이때, 상기 제1유로(21a) 및 제2유로(21b)는 곡선 형태로 형성되어 상기 중앙층(21)의 관통공(21')에 이어지도록 한다. 이에 따라 압축 공기가 유동할 때 근 저항을 받지 않게 되고, 그로 인해 압축 공기의 유입 및 배출이 원활하게 이루어지게 된다.As described above, as the plurality of first flow passages 21a are formed, even air can be supplied. In this case, the first flow passage 21a and the second flow passage 21b are formed in a curved shape so as to be connected to the through hole 21 'of the central layer 21. Accordingly, when the compressed air flows, it does not receive muscle resistance, and thus, the inflow and discharge of the compressed air is performed smoothly.

그리고, 상기 지지부(14)는 상기 터빈 블레이드(11)의 구멍(11') 내면에 접하는 복수개의 롤러(14')로 이루어지며, 상기 롤러(14')는 상기 상부 커버층(24)의 저면 및 하부 커버층(25)의 상면에 형성된 상기 고정홈(24', 25')에 양단이 각각 회전 가능하게 삽입된다. 이에 따라 상기 터빈 블레이드(11)에 별도의 축을 설치하지 않고도 상기 터빈 블레이드(11)가 안정적으로 회전할 수 있도록 할 수 있게 된다.In addition, the support portion 14 is composed of a plurality of rollers 14 'contacting the inner surface of the hole 11' of the turbine blade 11, the roller 14 'is the bottom surface of the upper cover layer 24 And both ends are rotatably inserted into the fixing grooves 24 'and 25' formed on the upper surface of the lower cover layer 25, respectively. Accordingly, the turbine blade 11 can be stably rotated without installing a separate shaft in the turbine blade 11.

여기서, 상기 유도 코일(13)은 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 상부 커버층(24)과 하부 커버층(25)을 형성하는 실리콘 웨이퍼를 DRIE(Deep Reactive Ion Etching, 깊은 반응성 이온 식각) 공정으로 이방성 식각한 후 금속 박막을 입히고 전기 도금을 통해 식각된 부분에 상기 금속 박막과 동일한 금속을 채운 다음 CMP(Chemical Machnical Polishing) 공정을 통해 제작되는 것이 바람직하다.As shown in FIG. 4, the induction coil 13 is a deep reactive ion etching (DRI) process of a silicon wafer forming the upper cover layer 24 and the lower cover layer 25. After anisotropic etching, the metal thin film is coated, and the same metal as the metal thin film is filled in the portion etched by electroplating, and then manufactured through CMP (Chemical Machnical Polishing) process.

구체적으로 실리콘 웨이퍼의 상부면과 하부면에 산화층을 형성한 후 상부 산화층에 포토 레지스트 패턴을 형성한 다음, 상부 산화층을 산화 에칭하여 패턴 부위를 제외한 부분의 산화층을 제거한다. 그리고 실리콘 에칭을 통해 실리콘 웨이퍼의 상부면을 식각한 후, 실리콘 웨이퍼 상측의 포토 레지스트를 제거한다. 이후, 실리콘 웨이퍼의 하부 산화층에 포토 레지스트 패턴을 형성한 다음 하부 산화층을 산화 에칭하고 포토 레지스트를 제거한다. 이어, 하부 산화층의 에칭부를 제외한 나머지 부분에 대하여 다시 포토 레지스트 패턴을 형성한 후 실리콘 에칭을 통해 실리콘 웨이퍼의 하부면을 식각하고, 포토 레지스트를 제거한 후 다시 실리콘 에칭을 통해 산화층을 제외한 나머지 부분을 식각한다.Specifically, an oxide layer is formed on the upper and lower surfaces of the silicon wafer, and then a photoresist pattern is formed on the upper oxide layer. Then, the upper oxide layer is etched to remove the oxide layer except for the pattern portion. After etching the upper surface of the silicon wafer through silicon etching, the photoresist on the upper side of the silicon wafer is removed. Thereafter, a photoresist pattern is formed on the lower oxide layer of the silicon wafer, and then the lower oxide layer is etched and the photoresist is removed. Subsequently, after forming the photoresist pattern on the remaining portions except the etching portion of the lower oxide layer, the bottom surface of the silicon wafer is etched through silicon etching, and after removing the photoresist, the remaining portions except the oxide layer are etched again through the silicon etching. do.

상기한 과정을 통해 이방성 식각이 끝나면 실리콘 웨이퍼 전체에 대하여 산화층을 형성하고, 스퍼터링 공정을 통해 실리콘 웨이퍼의 상부면과 하부면에 각각 금속 박막을 증착한 다음 전기도금을 통해 식각된 부분에 금속 박막과 동일한 금속을 채움으로써 평면 형태가 되도록 한다. 그리고, CMP 공정을 통해 산화층이 노출될 때까지 그 표면을 폴리싱함으로써 유도전류가 흐르게 되는 상기 유도 코일(13)의 제작을 완료한다.After the anisotropic etching is completed through the above process, an oxide layer is formed on the entire silicon wafer, and a metal thin film is deposited on the upper and lower surfaces of the silicon wafer through a sputtering process. Fill the same metal to make it planar. Then, the manufacturing of the induction coil 13 through which an induction current flows is completed by polishing the surface of the oxide layer through the CMP process until the oxide layer is exposed.

이와 같이 실리콘 웨이퍼의 내부를 식각하여 금속으로 채운 코일 형태의 유도 코일을 사용함에 따라 도선 밀도가 증가하게 되며, 이로 인해 유도 전류가 증가하게 된다. 그리고, 기존의 금속 박막 적층 형태의 평면 코일에 비해 더 두껍게 형성할 수 있으므로, 더욱 높은 에너지를 확보할 수 있게 된다.As described above, as the induction coil in the form of a coil filled with metal by etching the inside of the silicon wafer is used, the lead density increases, thereby increasing the induced current. In addition, since it can be formed thicker than the planar coil of the conventional metal thin film laminated form, it is possible to secure a higher energy.

상기와 같이 구성된 본 발명의 양면 발전형 초소형 터빈 발전기는 외부에서 공급되는 압축공기를 이용하여 터빈 블레이드를 회전시켜 전기를 생산하게 된다.Double-sided power generation micro turbine generator of the present invention configured as described above is to produce electricity by rotating the turbine blade using the compressed air supplied from the outside.

고압의 압축공기를 하우징(20)에 공급하면, 압축공기는 제1유로(21a)를 통해 유동하여 터빈 블레이드(11)를 회전시키고 제2유로(21b)를 통해 상기 하우징(20)의 외부로 빠져나오게 된다. 이때, 상기 터빈 블레이드(11)의 상면과 저면에는 각각 영구자석(12)이 부착되고 각 영구자석(12)으로부터 이격된 위치에 각각 유도 코일(13)에 구비되어 있으므로, 상기 영구자석(12)이 상기 터빈 블레이드(11)와 함께 고속으로 회전하면서 자기장을 형성하게 된다. 이에 따라 상기 영구자석(12)과 이격되게 위치된 유도 코일(13)에 유도전류가 흐르게 되어, 대략 20W 정도의 전기가 생산되는 것이다. When high pressure compressed air is supplied to the housing 20, the compressed air flows through the first flow passage 21a to rotate the turbine blade 11 and out of the housing 20 through the second flow passage 21b. Get out. At this time, the permanent magnet 12 is attached to the upper and lower surfaces of the turbine blade 11, respectively, and provided in the induction coil 13 at positions spaced apart from each permanent magnet 12, the permanent magnet 12 The turbine blade 11 and the high speed to form a magnetic field while rotating. Accordingly, an induction current flows through the induction coil 13 positioned to be spaced apart from the permanent magnet 12, thereby producing electricity of about 20 W.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이 같은 특정 실시 예에만 한정되지 않으며, 해당분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 특허청구범위 내에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경이 가능할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is clearly understood that the same is by way of illustration and example only and is not to be taken by way of limitation, Changes will be possible.

11: 터빈 블레이드
11': 구멍
12: 영구자석
13: 유도 코일
14: 지지부
14': 롤러
20: 하우징
21: 중앙층
21a: 제1유로
21b: 제2유로
22: 상부층
23: 하부층
21', 22', 23': 관통공
24: 상부 커버층
25: 하부 커버층11: turbine blade
11 ': hole
12: permanent magnet
13: induction coil
14: support
14 ': roller
20: housing
21: middle floor
21a: the first euro
21b: second euro
22: top layer
23: lower layer
21 ', 22', 23 ': through hole
24: top cover layer
25: lower cover layer

Claims (5)

중앙부에 구멍(11')이 형성된 터빈 블레이드(11)와;
상기 터빈 블레이드(11)의 상면과 저면에 각각 접합되는 2개의 영구자석(12)과;
상기 영구자석(12)으로부터 이격되게 설치되어 상기 터빈 블레이드(11)의 회전에 따라 유도전류가 발생하도록 하는 한 쌍의 유도 코일(13)과;
상기 터빈 블레이드(11)와 영구자석(12)이 내부에 설치되고 상기 유도 코일(13)이 일체로 형성되며 상기 터빈 블레이드(11)로 압축공기를 공급하기 위한 제1유로(21a) 및 터빈 블레이드(11)로부터 공기가 배출되도록 하는 제2유로(21b)가 상기 터빈 블레이드(11)의 측방향을 따라 형성되는 다층 구조의 하우징(20)과;
상기 터빈 블레이드(11)를 회전 가능하게 지지하는 지지부(14);를 포함하고,
상기 터빈 블레이드(11)와 하우징(20) 및 지지부(14)가 MEMS 가공방법에 의해 제작되는 것을 특징으로 하는 양면 발전형 초소형 터빈 발전기.A turbine blade 11 having a hole 11 'formed in the center thereof;
Two permanent magnets 12 bonded to upper and lower surfaces of the turbine blade 11, respectively;
A pair of induction coils 13 installed to be spaced apart from the permanent magnets 12 so as to generate an induction current according to the rotation of the turbine blades 11;
The turbine blade 11 and the permanent magnet 12 are installed therein, the induction coil 13 is integrally formed, and the first passage 21a and the turbine blade for supplying compressed air to the turbine blade 11. A housing 20 having a multilayer structure in which a second flow passage 21b for discharging air from the air is formed along the lateral direction of the turbine blade 11;
And a support part 14 rotatably supporting the turbine blade 11.
The turbine blade (11), housing (20) and the support portion 14 is a two-sided power generation micro turbine generator, characterized in that produced by the MEMS method. 제1항에 있어서,
상기 하우징(20)은 상기 제1유로(21a) 및 제2유로(21b)가 각각 하나 이상씩 형성되고 관통공(21') 내부에 상기 터빈 블레이드(11)가 위치되는 중앙층(21)과, 관통공(22', 23') 내부에 상기 영구자석(12)이 각각 위치되도록 상기 중앙층(21)의 상측과 하측에 각각 부착되는 상부층(22) 및 하부층(23)과, 상기 유도 코일(13)이 일체로 형성되며 상기 상부층(22)의 상측 및 상기 하부층(23)의 하측에 각각 부착되고 상기 지지부(14)가 고정되는 고정홈(24', 25')이 각각 형성된 상부 커버층(24) 및 하부 커버층(25)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 양면 발전형 초소형 터빈 발전기.The method of claim 1,
The housing 20 includes a central layer 21 in which at least one first passage 21a and at least one second passage 21b are formed, and the turbine blade 11 is positioned inside the through hole 21 '. And upper and lower layers 22 and 23 attached to the upper and lower portions of the center layer 21 so that the permanent magnets 12 are respectively located in the through holes 22 'and 23', and the induction coil. An upper cover layer 13 is formed integrally with upper fixing layers 24 'and 25' which are attached to an upper side of the upper layer 22 and a lower side of the lower layer 23, respectively and to which the support 14 is fixed. (24) and the lower cover layer 25, characterized in that the two-sided generation ultra small turbine generator. 제2항에 있어서,
상기 제1유로(21a) 및 제2유로(21b)는 곡선 형태로 형성되어 상기 중앙층(21)에 형성된 관통공(21')에 이어지도록 한 것을 특징으로 하는 양면 발전형 초소형 터빈 발전기.The method of claim 2,
The first flow passage 21a and the second flow passage 21b are formed in a curved shape so as to be connected to the through-hole 21 'formed in the central layer 21. 제1항에 있어서,
상기 지지부(14)는 상기 터빈 블레이드(11)의 구멍(11') 내면에 접하는 복수개의 롤러(14')로 이루어지는 것을 특징으로 하는 양면 발전형 초소형 터빈 발전기.The method of claim 1,
The support unit (14) is a two-sided power generation micro turbine generator, characterized in that consisting of a plurality of rollers (14 ') in contact with the inner surface of the hole (11') of the turbine blade (11). 제2항에 있어서,
상기 유도 코일(13)은 상기 상부 커버층(24) 및 하부 커버층(24)을 형성하는 실리콘 웨이퍼를 DRIE(Deep Reactive Ion Etching) 공정으로 이방성 식각한 후 금속 박막을 입히고 전기 도금을 통해 식각된 부분에 상기 금속 박막과 동일한 금속을 채운 다음 CMP(Chemical Machnical Polishing) 공정을 통해 제작되는 것을 특징으로 하는 양면 발전형 초소형 터빈 발전기.

The method of claim 2,
The induction coil 13 is anisotropically etched a silicon wafer forming the upper cover layer 24 and the lower cover layer 24 by a deep reactive ion etching (DRIE) process and then coated with a metal thin film and etched by electroplating. Double-sided power generation micro turbine generator, characterized in that the portion is filled with the same metal as the metal thin film and then manufactured through a chemical machnical polishing (CMP) process.

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