KR101187312B1 - Ｍｅｍｓ 타입의 압전 에너지 하베스터 - Google Patents
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Abstract
반도체 기판에 정류 회로를 내장하는 것을 통하여 슬림한 구조의 집적도가 향상되면서도 에너지 변환 효율이 우수한 MEMS 타입의 압전 에너지 하베스터에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 MEMS 타입의 압전 에너지 하베스터는 캐비티를 구비한 반도체 기판; 상기 반도체 기판에 일단이 고정되며, 상기 일단으로부터 캐비티 내로 연장되어 진동 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 압전막을 구비한 캔틸레버; 상기 반도체 기판의 하면에 부착되어 상기 압전막을 구비한 캔틸레버와 전기적으로 연결되는 정류 소자; 및 상기 정류 소자에 의하여 정류된 전기 에너지를 저장하는 충전 소자;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 MEMS 타입의 압전 에너지 하베스터는 캐비티를 구비한 반도체 기판; 상기 반도체 기판에 일단이 고정되며, 상기 일단으로부터 캐비티 내로 연장되어 진동 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 압전막을 구비한 캔틸레버; 상기 반도체 기판의 하면에 부착되어 상기 압전막을 구비한 캔틸레버와 전기적으로 연결되는 정류 소자; 및 상기 정류 소자에 의하여 정류된 전기 에너지를 저장하는 충전 소자;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 MEMS 타입의 압전 에너지 하베스터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반도체 기판에 정류 회로를 내장하는 것을 통하여 슬림한 구조를 가지는 MEMS 타입의 압전 에너지 하베스터에 관한 것이다.
에너지 하베스팅 기술은 태양광 발전, 열전소자의 지백(Zeeback) 효과를 이용하여 온도 차로부터 전기 에너지를 얻는 열전 발전 및 압전체를 이용하여 주변의 진동이나 충격으로부터 전기 에너지를 얻는 압전 발전으로 나눌 수 있다.
특히, 압전체를 이용한 에너지 하베스팅 기술은 압전체에 기계적 변형이 인가될 경우, 전기 에너지가 발생하는 효과를 이용하여 주위의 버려지는 힘, 압력, 진동 등의 에너지를 전기 에너지로 변환하여 주는 것을 말한다.
압접체를 이용한 에너지 하베스팅 기술은 작은 진동을 전기 에너지로 변환하는데 용이하며 태양광이 없는 어두운 곳이나 밤에도 발전을 할 수 있는 이점을 가지고 있다. 그래서 항상 진동이 있거나, 압력이나 힘이 작용하는 곳, 그리고 물의 흐름이 있거나 바람이 부는 곳에서도 사용될 수 있다.
압전체를 이용한 에너지 하베스팅 기술은 소자의 사이즈에 따라 매크로 타입의 압전 에너지 하베스터와, MEMS(microelectromechanical system)를 이용한 마이크로 타입의 압전 에너지 하베스터로 구분될 수 있다.
매크로 타입의 압전 에너지 하베스터의 경우 사람의 움직임이나 자동차의 진동 등과 같이 큰 움직임이나 진동으로부터 에너지를 발전한 후, 충전을 통해 보조 전력으로 사용하거나 대용량 발전을 하는 반면, 마이크로 타입의 압전 에너지 하베스터의 경우는 MEMS 공정을 이용한 박막 형태 등의 초소형 전기기계식 구조를 설계 및 제조함으로써 소량의 진동이나 충격으로부터의 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환하여, 센서나 소형 전자기기의 전원으로 이용하게 된다.
그러나, 종래의 마이크로 타입의 압전 에너지 하베스터의 경우, 정류회로가 별도로 필요하여 고직접화를 구현하는 데 어려움이 따르는 문제점이 있었다.
본 발명의 하나의 목적은 슬림한 구조를 가지면서도 고집적화를 구현할 수 있는 MEMS 타입의 압전 에너지 하베스터를 제공하는 데 있다.
상기 하나의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 에너지 변환 효율이 우수한 MEMS 타입의 압전 에너지 하베스터는 캐비티를 구비한 반도체 기판; 상기 반도체 기판에 일단이 고정되며, 상기 일단으로부터 캐비티 내로 연장되어 진동 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 압전막을 구비한 캔틸레버; 상기 반도체 기판의 하면에 부착되어 상기 압전막을 구비한 캔틸레버와 전기적으로 연결되는 정류 소자; 및 상기 정류 소자에 의하여 정류된 전기 에너지를 저장하는 충전 소자;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 에너지 변환 효율이 우수한 MEMS 타입의 압전 에너지 하베스터는 제1 캐비티 및 제2 캐비티를 구비한 반도체 기판; 상기 반도체 기판에 일단이 고정되며, 상기 일단으로부터 캐비티 내로 연장되어 진동 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 압전막을 구비한 캔틸레버; 상기 반도체 기판의 제2 캐비티 내부에 삽입 배치되며, 상기 압전막을 구비한 캔틸레버와 전기적으로 연결되는 정류 소자; 및 상기 정류 소자에 의하여 정류된 전기 에너지를 저장하는 충전 소자;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 MEMS 타입의 압전 에너지 하베스터는 반도체 기판에 정류 회로를 내장하는 것을 통하여 집적도가 향상되고 슬림한 구조를 가지면서도 에너지 변환 효율이 우수한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 MEMS 타입의 압전 에너지 하베스터를 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 MEMS 타입의 압전 에너지 하베스터를 나타낸 회로도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 MEMS 타입의 압전 에너지 하베스터를 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 MEMS 타입의 압전 에너지 하베스터를 나타낸 회로도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 MEMS 타입의 압전 에너지 하베스터를 나타낸 단면도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 에너지 변환 효율이 우수한 MEMS 타입의 압전 에너지 하베스터에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 MEMS 타입의 압전 에너지 하베스터를 나타낸 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 MEMS 타입의 압전 에너지 하베스터를 나타낸 회로도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 MEMS 타입의 압전 에너지 하베스터(100)는 반도체 기판(120), 압전막(146)을 구비한 캔틸레버(140, cantilever), 정류 소자(160) 및 충전 소자(180)를 포함한다.
반도체 기판(120)은 단결정 실리콘으로 이루어진 베어 웨이퍼를 이용하는 것이 바람직하다. 상기 반도체 기판(120)은 상면으로부터 하면 방향으로 일부 두께가 제거된 캐비티(C)를 구비할 수 있다. 이러한 캐비티(C)는 반도체 기판(120)의 중앙부에 매트릭스 형태(matrix type)로 배치될 수 있다.
이러한 반도체 기판(120)은 100mm의 두께를 갖는 베어 웨이퍼를 백그라인딩으로 400 ~ 700㎛의 두께가 되도록 얇게 연마한 것을 이용하는 것이 바람직하다.
상기 반도체 기판(120)의 상면에는 버퍼층(150)이 형성될 수 있다. 이러한 버퍼층(150)으로는 실리콘 산화막(SiO2) 또는 실리콘 질화막(SiNx)이 이용될 수 있다. 도면으로 나타내지는 않았지만, 상기 버퍼층(150)은 반도체 기판(120)의 상면과 더불어 하면에 형성될 수도 있다.
이때, 상기 버퍼층(150)은 20 ~ 200nm의 두께로 형성하는 것이 바람직하다. 만약, 상기 버퍼층(150)의 두께가 20nm 미만일 경우에는 반도체 기판(120)의 표면에 데미지가 발생할 우려가 있다. 반대로, 버퍼층(150)의 두께가 200nm를 초과할 경우에는 하베스팅 특성 저하에 영향을 끼칠수 있으며 공정 시간만을 상승시키는 문제를 야기할 수 있다.
압전막(146)을 구비한 캔틸레버(140)는 반도체 기판(120)에 일단이 고정되며, 상기 일단으로부터 캐비티(C) 내로 연장되어 진동 에너지를 전기 에너지로 변환시킨다.
상기 캔틸레버(140)는 반도체 기판(120)에 일단이 고정되며, 상기 캐비티(C) 내로 연장되는 지지대(142), 상기 지지대(142)의 상부 면에 형성되는 하부 전극(144), 상기 하부 전극(144)의 상부에 형성되는 압전막(146) 및 상기 압전막(146)의 상부에 형성되는 상부 전극(148)을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 지지대(142)는 캐비티(C) 내로 연장 배치되어 반도체 기판(120)의 상면과 일정 간격 이격 배치될 수 있다. 이때, 상기 지지대(142)는 반도체 기판(120)의 일부가 활용될 수 있으며, 그 두께는 10 ~ 50㎛로 형성하는 것이 바람직하다.
만약, 상기 지지대(142)의 두께가 10㎛ 미만일 경우에는 그 두께가 너무 얇아 미세한 외부 충격과 진동에도 갈라짐이나 깨짐 불량이 발생할 우려가 있다. 반대로, 지지대(144)의 두께가 50㎛를 초과할 경우에는 과도한 두께치 이상으로 형성되는 데 기인하여 진동에 대한 반응이 낮아져 압전 효율이 저하되는 문제가 있다.
상기 상부 전극(144) 및 하부 전극(148)은 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al), 탄탈륨(Ta), 티타늄(Ti), 팔라듐(Pd), 루테늄(Ru), 탄탈륨 나이트라이드(TaN) 및 타이타늄 나이트라이드(TiN) 중 선택된 1종 이상으로 형성될 수 있으며, 이 중 전기 전도도가 우수한 백금을 이용하는 것이 바람직하다.
상기 압전막(146)은 Pb(Zr,Ti)O3＋Pb(Zn,Nb)O3, Pb(Zr,Ti)O3＋Pb(Ni,Nb)O3, (Na,K)NbO3-(Li,Na,K)TaO3, (Ba,Bi,Na)TiO3, Pb(Zr,Ti)O3＋PVDF 폴리머, Pb(Zr,Ti)O3＋실리콘 폴리머 및 Pb(Zr,Ti)O3+에폭시 폴리머 중 선택된 하나로 형성될 수 있다.
이때, 압전막(146)의 두께는 0.01 ~ 10㎛로 형성하는 것이 바람직하다. 만약, 상기 압전막(146)의 두께가 0.01㎛ 미만일 경우에는 압전 효율이 저하되는 문제가 있다. 반대로, 압전막(146)의 두께가 10㎛를 초과할 경우에는 과도한 두께치 이상으로 더 이상의 압전 효율의 상승 없이 제조 비용만을 상승시키는 요인으로 작용할 수 있다.
또한, 상기 캔틸레버(140)는 압전막(146)과 하부 전극(148) 사이에 개재된 중간층(145)과 상기 지지대(142)의 끝단에 형성되는 프루프 매스(155, proof mass)를 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 중간층(145)은 압전막(146)과 하부 전극(148)의 접착 특성을 향상시키기 위해 형성되는 것으로, 그 재질로는 티타늄(Ti)을 이용하는 것이 바람직하다.
상기 프루프 매스(155)는 지지대(142) 하면의 끝단에 배치되어 반도체 기판(120)의 상면과 마주보도록 배치된다. 이러한 프루프 매스(155)는 에너지 출력을 향상시키기 위한 목적으로 형성되는 것으로, 그 재질로는 실리콘을 이용하는 것이 바람직하다. 이때, 프루프 매스(155)는 반도체 기판(120)을 선택적으로 식각하는 것을 통하여 그 일부를 활용하는 것이 바람직하다.
정류 소자(160)는 반도체 기판(120)의 하면에 형성되며, 압전막(146)을 구비한 캔틸레버(140)와 전기적으로 연결된다. 도면으로 상세히 제시하지는 않았지만, 상기 정류 소자(160)와 압전막(146)을 구비한 캔틸레버(140)는 도전성 와이어 또는 도전 패턴(미도시)에 의하여 전기적으로 연결될 수 있다.
이러한 정류 소자(160)는 P-형 반도체층과 N-형 반도체층이 접합되는 P-N 접합 다이오드(162)를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 압전막(146)을 구비한 캔틸레버(140)는 반도체 기판(120)의 상면에 매트릭스 형태로 복수개가 형성될 수 있는 데, 이 경우 P-N 접합 다이오드(162)는 매트릭스의 셀에 각각 형성하는 것이 바람직하다. 이때, 상기 P-N 접합 다이오드(162)는 브리지 회로 구조를 갖도록 설계하는 것이 바람직하다.
충전 소자(180)는 정류 소자(160)에 의하여 정류된 전기 에너지를 저장한다. 도면으로 제시하지는 않았지만, 상기 충전 소자(180)는 반도체 기판(120)의 주변에 배치되거나, 또는 반도체 기판(120)에 탑재될 수 있다. 상기 충전 소자(180)로는, 하나의 예를 들면, 캐패시터(capacitor)가 이용될 수 있다.
전술한 구성을 갖는 본 발명의 일 실시예에 따른 MEMS 타입의 압전 에너지 하베스터는 외부의 미세 진동이나 충격에 의해 가해지는 스트레스가 압전막의 끝단에 설치되는 매스에 가해짐으로써, 압전막을 휘거나 구부러지도록 하여 전기 에너지를 생성하게 되고, 상기 전기 에너지는 반도체 기판의 하면에 부착되는 브리지 회로 구조를 갖는 정류 소자에 의하여 정류된 후 충전 소자에 저장되게 된다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 MEMS 타입의 압전 에너지 하베스터는 반도체 기판에 정류 소자가 배치되기 때문에 슬림한 구조를 가지면서도 에너지 변환 효율을 극대화할 수 있는 효과가 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 MEMS 타입의 압전 에너지 하베스터를 나타낸 단면도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 MEMS 타입의 압전 에너지 하베스터(200)는, 일 실시예에 따른 MEMS 타입의 압전 에너지 하베스터(도 1의 100)와 다르게, 반도체 기판(220)의 상면에 제1 캐비티(C1)가 구비되고, 상기 상면에 반대되는 하면에 제2 캐비티(C2)가 구비될 수 있다.
이때, 상기 제1 캐비티(C1)와 제2 캐비티(C2)는 상호 중첩되는 부분에 배치될 수 있으나, 이에 국한될 필요는 없다.
특히, 본 발명의 다른 실시예에 따른 MEMS 타입의 압전 에너지 하베스터(200)는 제2 캐비티(C2) 내에 정류 소자(260)가 내장되는 형태로 배치된다. 이와 같이, 상기 정류 소자(260)를 반도체 기판(220)의 제2 캐비티(C2) 내에 내장할 경우, 적층 두께의 감소로 고집적화를 구현하는 데 유리하다.
이에 더불어, 본 발명의 다른 실시예에 따른 MEMS 타입의 압전 에너지 하베스터(200)는 캡 웨이퍼(290)를 더 포함할 수 있다. 이러한 캡 웨이퍼(290)는 반도체 기판(200)의 상면에 형성되는 압전막(246)을 구비한 캔틸레버(240)를 보호하는 기능을 한다.
따라서, 본 발명의 다른 실시예에 따른 MEMS 타입의 압전 에너지 하베스터는 일 실시예에 비하여 고집적화를 구현할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
100 : 압전 에너지 하베스터 120 : 반도체 기판
140 : 캔틸레버 142 : 지지대
144 : 하부 전극 145 : 중간층
146 : 압전막 148 : 상부 전극
150 : 버퍼층 155 : 프루프 메스
160 : 정류 소자
140 : 캔틸레버 142 : 지지대
144 : 하부 전극 145 : 중간층
146 : 압전막 148 : 상부 전극
150 : 버퍼층 155 : 프루프 메스
160 : 정류 소자
Claims (21)
- 제1 캐비티 및 제2 캐비티를 구비한 반도체 기판;
상기 반도체 기판에 일단이 고정되며, 상기 일단으로부터 상기 제1 캐비티 내로 연장되어 진동 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 압전막을 구비한 캔틸레버;
상기 반도체 기판의 제2 캐비티 내부에 삽입 배치되며, 상기 압전막을 구비한 캔틸레버와 전기적으로 연결되는 정류 소자; 및
상기 정류 소자에 의하여 정류된 전기 에너지를 저장하는 충전 소자;를 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 타입의 압전 에너지 하베스터.
- 제1항에 있어서,
상기 반도체 기판의 두께는
400 ~ 700㎛인 것을 특징으로 하는 MEMS 타입의 압전 에너지 하베스터.
- 제1항에 있어서,
상기 반도체 기판은
상기 반도체 기판의 상면에 형성되는 버퍼층을 갖는 것을 특징으로 하는 MEMS 타입의 압전 에너지 하베스터.
- 제3항에 있어서,
상기 버퍼층은
실리콘 산화막(SiO2) 또는 실리콘 질화막(SiNx)을 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 타입의 압전 에너지 하베스터.
- 제3항에 있어서,
상기 버퍼층의 두께는
20 ~ 200nm인 것을 특징으로 하는 MEMS 타입의 압전 에너지 하베스터.
- 제1항에 있어서,
상기 압전막을 구비한 캔틸레버는
상기 반도체 기판에 일단이 고정되며, 상기 캐비티 내로 연장되는 지지대와,
상기 지지대의 상부 면에 형성되는 하부 전극과,
상기 하부 전극의 상부에 형성되는 압전막과,
상기 압전막의 상부에 형성되는 상부 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 타입의 압전 에너지 하베스터.
- 제6항에 있어서,
상기 상부 전극 및 하부 전극은
백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al), 탄탈륨(Ta), 티타늄(Ti), 팔라듐(Pd), 루테늄(Ru), 탄탈륨 나이트라이드(TaN) 및 타이타늄 나이트라이드(TiN) 중 선택된 1종 이상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 MEMS 타입의 압전 에너지 하베스터.
- 제6항에 있어서,
상기 압전막은
Pb(Zr,Ti)O3＋Pb(Zn,Nb)O3, (Ba,Bi,Na)TiO3, Pb(Zr,Ti)O3＋Pb(Ni,Nb)O3, (Na,K)NbO3-(Li,Na,K)TaO3, Pb(Zr,Ti)O3＋PVDF 폴리머, Pb(Zr,Ti)O3＋실리콘 폴리머 및 Pb(Zr,Ti)O3+에폭시 폴리머 중 선택된 하나로 형성되는 것을 특징으로 MEMS 타입의 압전 에너지 하베스터.
- 제6항에 있어서,
상기 압전막의 두께는
0.01 ~ 10㎛인 것을 특징으로 하는 MEMS 타입의 압전 에너지 하베스터.
- 제6항에 있어서,
상기 캔틸레버는
상기 하부 전극과 압전막 사이에 개재되는 중간층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 타입의 압전 에너지 하베스터.
- 제10항에 있어서,
상기 중간층은
티타늄(Ti)으로 형성되는 것을 특징으로 하는 MEMS 타입의 압전 에너지 하베스터.
- 제6항에 있어서,
상기 캔틸레버는
상기 지지대의 끝단에 형성되는 프루프 매스(proof mass)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 타입의 압전 에너지 하베스터.
- 제12항에 있어서,
상기 프루프 매스는
실리콘으로 형성되는 것을 특징으로 하는 MEMS 타입의 압전 에너지 하베스터.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 정류 소자는
P-N 접합 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 타입의 압전 에너지 하베스터.
- 제18항에 있어서,
상기 P-N 접합 다이오드는
매트릭스 형태로 배열되며, 상기 매트릭스의 셀에 각각 형성되는 것을 특징으로 하는 MEMS 타입의 압전 에너지 하베스터.
- 제18항에 있어서,
상기 P-N 접합 다이오드는
브리지 회로 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 MEMS 타입의 압전 에너지 하베스터.
- 제1항에 있어서,
상기 제1 캐비티는
상기 반도체 기판의 상면에 형성되고, 상기 제2 캐비티는 상기 반도체 기판의 하면에 형성되는 것을 특징으로 하는 MEMS 타입의 압전 에너지 하베스터.
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| KR1020100136426A KR101187312B1 (ko) | 2010-12-28 | 2010-12-28 | Ｍｅｍｓ 타입의 압전 에너지 하베스터 |
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