KR101626964B1 - 날숨을 이용하는 에너지 수확 소자 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

실시 형태에 따른 날숨을 이용하는 에너지 수확 소자는, 기판; 상기 기판 상 일부분에 배치된 하부전극; 상기 기판과 상기 하부전극 상에 배치된 절연층; 상기 절연층 상에 배치되고, 상기 하부전극 상에 위치하지 않는 상부전극; 및 상기 상부전극 상 및 상기 하부전극 상에 배치된 댐;을 포함하고, 상기 하부전극은 일부가 노출된다.

Description

날숨을 이용하는 에너지 수확 소자 및 그 제조방법{ENERGY HARVESTING DEVICE USING A EXHALED BREATH AND FABRICATING METHOD THEREOF}
본 발명은 날숨을 이용하는 에너지 수확 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
에너지 수확기술(energy harvesting)은 주변에 버려지는 에너지를 수확(harvest)하여 사용할 수 있는 전기에너지로 변환하고 이용하는 것을 뜻한다. 에너지 수확기술의 주요 에너지원은 진동, 사람의 움직임, 빛, 열, 전자기파 등이다.
종래에는 정전, 압전, 열전 등을 포함하는 다양한 방법을 이용하여 에너지 수확기술이 많은 관심을 받고 발달해 왔었다.
그 중 하나의 예로 호흡을 이용하여 기계적인 압력을 통해 압전 재료를 자극하는 에너지 수확기술이 있었지만, 종래의 호흡을 이용하는 에너지 수확기술은 기계적인 압력을 통해 이루어지기 때문에, 의식적인 강한 호흡이 필요하였고, 일반적으로 사용하기에는 많은 제약이 따르는 문제가 있었다.
실시 형태는 매우 약한 호흡만으로도 에너지를 수확할 수 있는 날숨을 이용하는 에너지 수확 소자 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
실시 형태에 따른 날숨을 이용하는 에너지 수확 소자는, 기판; 상기 기판 상 일부분에 배치된 하부전극; 상기 기판과 상기 하부전극 상에 배치된 절연층; 상기 절연층 상에 배치되고, 상기 하부전극 상에 위치하지 않는 상부전극; 및 상기 상부전극 상 및 상기 하부전극 상에 배치된 댐;을 포함하고, 상기 하부전극은 일부가 노출된다.
여기서, 상기 에너지 수확 소자는 호흡 센서로 사용될 수 있다.
또한, 실시 형태에 따른 날숨을 이용하는 에너지 수확 소자는, 기판; 상기 기판 상에 배치된 하부전극; 상기 기판 상에 배치된 절연층; 및 날숨에 의해 대전되어 상기 절연층 상에 전극으로 형성되는 물 층;을 포함한다.
또한, 실시 형태에 따른 날숨을 이용하는 에너지 수확 소자는, 기판; 상기 기판 상 일부분에 배치된 하부전극; 상기 기판과 상기 하부전극 상에 배치된 절연층; 상기 절연층 상에 배치되고, 상기 하부전극 상에 위치하지 않는 상부전극; 상기 상부전극 상 및 상기 하부전극 상에 배치된 댐; 및 날숨에 의해 상기 댐 사이에 형성되는 물 층;을 포함하고, 상기 하부전극은 일부가 노출된다.
한편, 실시 형태에 따른 날숨을 이용하는 에너지 수확 소자의 제조방법은, 기판을 형성하는 단계; 상기 기판 상 일부분에 하부전극을 형성하는 단계; 상기 기판과 상기 하부전극 상에 절연층을 형성하는 단계; 상기 하부전극 상에 위치하지 않도록 상기 절연층 상에 상부전극을 형성하는 단계; 상기 하부전극 상의 상기 절연층 일부를 식각하는 단계; 및 상기 상부전극 상 및 상기 하부전극 상에 댐을 형성하는 단계;를 포함한다.
실시 형태에 따른 날숨을 이용하는 에너지 수확 소자에 의하면, 하부전극과 상부전극이 서로 엇갈리게 배치되고, 그 사이에는 절연층이 배치되기 때문에, 날숨에 의해 생성되는 물 층으로 커패시턴스를 조절할 수 있다.
실시 형태에 따른 날숨을 이용하는 에너지 수확 소자에 의하면, 상부전극 상에 제1 댐이 배치되고, 절연층 상에 제2 댐이 배치되기 때문에, 하부전극과 상부전극의 물 층으로 인한 전기적인 연결을 방지할 수 있다.
실시 형태에 따른 날숨을 이용하는 에너지 수확 소자에 의하면, 하부전극 상에 절연층이 배치되기 때문에, 날숨에 의해 절연층 상에 물 층이 형성되면, 대전된 물 분자에 의해 전하들이 형성되어 전류를 생산할 수 있다.
실시 형태에 따른 날숨을 이용하는 에너지 수확 소자 및 그 제조 방법은 에너지 수확 소자에 부정적인 영향을 끼치는 습도를 역이용할 수 있다.
실시 형태에 따른 날숨을 이용하는 에너지 수확 소자 및 그 제조 방법은 기존 반도체 공정을 그대로 이용할 수 있어 소형화 및 대량 생산이 가능하다.
실시 형태에 따른 날숨을 이용하는 에너지 수확 소자 및 그 제조 방법은 센싱 및 가변 정전용량 소자로의 응용이 가능하다.
실시 형태에 따른 날숨을 이용하는 에너지 수확 소자 및 그 제조 방법은 소형화를 통해 가볍고 휴대가 용의한 호흡 모니터링 소자의 구현이 가능하다.
실시 형태에 따른 날숨을 이용하는 에너지 수확 소자 및 그 제조 방법은 매우 작은 적층 구조를 가짐으로써, 높은 밀도의 에너지 수확이 가능하고 초소형 전자 기기의 보조 전원 공급 장치로 사용할 수 있다.
도 1은 제1 실시 형태에 따른 에너지 수확 소자이다.
도 2는 제2 실시 형태에 따른 에너지 수확 소자의 단면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 댐을 설명하기 위한 사시도이다.
도 4는 도 1에 도시된 에너지 수확 소자에 날숨이 닿았을 때를 설명하기 위한 사시도이다.
도 5는 도 4에서 날숨에 의해 변화되는 커패시턴스를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 실시 형태에 따른 에너지 수확 소자를 이용한 다른 실시 예를 도시한다.
도 7은 실시 형태에 따른 에너지 수확 소자를 이용한 또 다른 실시 예를 도시한다.
도 8 내지 도 13은 실시 형태에 따른 에너지 수확 소자의 제조방법을 도시한다.
도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한, 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
본 발명에 따른 실시 형태의 설명에 있어서, 어느 한 element가 다른 element의 " 상(위) 또는 하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두 개의 element가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 element가 상기 두 element사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 “상(위) 또는 하(아래)(on or under)”으로 표현되는 경우 하나의 element를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
이하에서는, 도면을 참조하여 실시 형태에 따른 날숨을 이용하는 에너지 수확 소자 및 그 제조방법을 설명하도록 한다.
<제1 실시 형태>
도 1은 제1 실시 형태에 따른 에너지 수확 소자이다.
도 1을 참조하면, 제1 실시 형태에 따른 에너지 수확 소자는, 기판(100), 하부전극(200), 절연층(300) 및 상부전극(400)을 포함할 수 있다.
기판(100)은 일반적으로 사용되는 실리콘(SiO2) 기판일 수 있다. 구체적으로, 기판(100)은 딱딱한 하드(hard) 기판일 수 있고, 유연한 플렉서블(flexible) 기판일 수 있다. 여기서, 기판(100)은 열산화(Thermal oxidation)에 의해 절연된 기판일 수 있다.
하부전극(200)은 기판(100) 상에 배치될 수 있다. 구체적으로, 하부전극(200)은 기판(100) 상 일부분에 배치될 수 있다. 하부전극(200)은 일반적인 전극으로 바람직하게는 금(Au)을 포함할 수 있다. 여기서, 도면에는 도시되지 않았지만, 하부전극(200)과 기판(100) 사이에는 접착층(adhesion layer)이 배치될 수 있다. 여기서, 접착층은 크롬(Cr)을 포함할 수 있다.
절연층(300)은 하부전극(200) 상 및 하부전극(200)이 배치되지 않은 기판(100) 상에 배치될 수 있다. 절연층(300)은 일반적으로 사용되는 실리콘(SiO2)일 수 있다. 절연층(300)은 하부전극(200) 상에 배치되어 절연역할을 할 수 있다.
여기서, 절연층(300)의 일부가 식각되고, 절연층(300)의 식각에 의해 하부전극(200)은 일부가 노출될 수 있다. 바람직하게는, 노출되는 부위는 상부전극(400)이 배치된 반대 방향일 수 있다.
상부전극(400)은 하부전극(200) 상에 위치하지 않도록 하부전극(200)이 배치되지 않은 기판(100) 상에 위치한 절연층(300) 상에 배치될 수 있다. 구체적으로, 후술하게 될 도 3에 도시된 바와 같이, 상부전극(400)은 기판(100)의 상부에서 보았을 때, 하부전극(200)과 겹치지 않도록 배치될 수 있다. 또한, 기판(100)의 상부에서 보았을 때, 하부전극(200)과 엇갈리게 위치된 상부전극(400)이 배치될 수 있다. 여기서, 상부전극(400)은 일반적인 전극으로 바람직하게는 금(Au)을 포함할 수 있다.
이와 같이, 실시 형태에 따른 날숨을 이용하는 에너지 수확 소자에 의하면, 하부전극과 상부전극이 겹치지 않게 배치되고, 그 사이에는 절연층이 배치되기 때문에, 날숨에 의해 생성되는 물 층으로 커패시턴스를 조절할 수 있다.
<제2 실시 형태>
도 2는 제2 실시 형태에 따른 에너지 수확 소자의 단면도이고, 도 3은 도 2에 도시된 댐을 설명하기 위한 사시도이다.
도 3을 참조하면, 제2 실시 형태에 따른 에너지 수확 소자는, 기판(100), 하부전극(200), 절연층(300), 상부전극(400) 및 댐(dam, 500)을 포함할 수 있다.
구체적으로, 제2 실시 형태에 따른 기판(100), 하부전극(200), 절연층(300) 및 상부전극(400)은 제1 실시 형태 및 제2 실시 형태에 따른 기판(100), 하부전극(200), 절연층(300) 및 상부전극(400)과 각각 동일한 구성일 수 있다. 따라서, 제3 실시 형태에 따른 기판(100), 하부전극(200), 절연층(300) 및 상부전극(400)은 제1 실시 형태 및 제2 실시 형태의 설명으로 대체한다.
댐(500)은 상부전극(400) 상 및 하부전극(200)과 절연층(300) 상에 배치될 수 있다. 구체적으로 도 3에 도시된 바와 같이, 댐(500)은 하부전극(200)과 상부전극(400)을 둘러 싸는 형태로 형성될 수 있다.
여기서, 댐(500)은 날숨(exhaled breath)에 의한 100% 상대습도를 통해 형성이 될 수 있는 물 층(가변 전극)으로 하부전극(200)과 상부전극(400)의 전기적인 연결(short)을 방지할 수 있다.
여기서, 물 층은 증기압에 의해 자연적으로 사라지는 층이다.
이하에서는, 실시 형태에 따른 에너지 수확 소자의 다양한 실시 예들을 설명하도록 한다.
도 4는 도 1에 도시된 에너지 수확 소자에 날숨이 닿았을 때를 설명하기 위한 사시도이고, 도 5는 도 4에서 날숨에 의해 변화되는 커패시턴스를 설명하기 위한 도면이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 도 5의 (i)과 같이 절연물질인 절연층(300)으로 인해 이격된 하부전극(200)과 상부전극(400)은 캐비티(cavity)를 형성함으로써 커패시턴스(capacitance)(Cinitial)를 형성한다.
또한, 도 5의 (ii)와 같이, 호흡에 의한 날숨이 절연층(300)에 닿게 되면, 날숨에 포함된 수증기들에 의해 절연층(300) 주변은 순간적으로 상대 습도 100 %가 됨으로써, 절연층(300) 표면에 얇은 물 층(600)을 형성한다. 이 때, 형성된 물 층(600)은 전도성을 띔으로써, 전극의 역할을 하며, 엇갈리게 배치된 하부전극(200)과 상부전극(400)의 겹쳐지는 면적을 넓히는 역할을 한다. 즉, 물 층(600)이 상부전극(400)을 연장하고, 면적이 증가된 전극에 의해 초기에 형성된 커패시턴스(Cinitial)는 그 면적만큼 증가하게 되어, 커패시턴스(Cbreath)를 형성한다.
그리고, 도 5의 (iii)과 같이, 증가된 커패시턴스(Cbreath)는 형성된 물 층이 증기압에 의해 증발하며, 커패시턴스(Cevaporating)을 형성한 후, 면적이 줄어 듦으로써 원래 상태(Cinitial)로 돌아가게 된다.
이와 같이, 실시 형태에 따른 에너지 수확 소자는 날숨에 의해 커패시턴스가 변화된다. 따라서, 실시 형태에 따른 에너지 수확 소자는 호흡 센서로 동작할 수 있다.
구체적으로, 날숨에 의해 변화된 커패시턴스를 측정함으로써, 사람의 호흡을 모니터링 하는 센서의 역할을 할 수 있다. 즉, 실시 형태에 따른 에너지 수확 소자의 호흡 센서의 커패시턴스가 변하게 되면, 사람의 호흡이 있는 것이고, 커패시턴스가 변하지 않게 되면, 사람의 호흡이 없는 것임을 알 수 있다.
이하에서는, 실시 형태에 따른 에너지 수확 소자의 다른 실시 예들을 설명하도록 한다.
도 6은 실시 형태에 따른 에너지 수확 소자를 이용한 다른 실시 예를 도시한다.
도 6을 참조하면, 실시 형태에 따른 에너지 수확 소자는 정전 구동식 에너지 수확 소자로 동작할 수 있다.
구체적으로, 상부전극(400)에 전압(V)을 인가한 상황에서 날숨에 의해 형성된 물 층(600)이 확장 되면, 확장된 물 층(600)으로 (+)전하(charge)들이 형성되어, 하부전극(200)으로 (-)전하들을 끌어들여 큰 커패시턴스를 형성한다.
또한, 물 층(600)의 증발로 인해, 물 층(600)의 면적이 줄어 들면, 넓은 전하를 띄는 면적 또한 줄어 듦으로써, 하부전극(200)에 모여 들었던 전하들이 이동을 하게 된다.
따라서, 호흡에 의해 전하들의 이동이 생김으로써, 전류가 발생하는 정전 구동 식 에너지 수확이 가능하다.
도 7은 실시 형태에 따른 에너지 수확 소자를 이용한 또 다른 실시 예를 도시한다.
도 7을 참조하면, 실시 형태에 따른 에너지 수확 소자는 날숨에 포함된 물 분자는 입자의 이동이 일어날 때 인체 내부 및 대기에 의해 표면에 대전이 일어나 극성을 띄게 된다.
도 7의 (i, ii)와 같이, 대전된 물 분자가 소자의 표면에 닿게 되면, 도 7의 (iii)과 같이, 대전된 물 분자에 의해 절연층(300) 상부에 (+)전하들이 형성되어, 하부전극(200)으로 (-)전하들을 끌어들여 전류를 생산해 낼 수 있다.
또한, 도 7의 (iv, v)와 같이, 물 층(600)의 증발로 인해, 상부의 전하들이 줄어 들면 전기적 포텐셜(potential)의 평형을 맞추기 위해 하부전극(200)의 전하들이 다시 그라운드(ground)로 이동하며 반대 방향 전류를 만들 수 있다.
<제조 방법>
이하에서는, 실시 형태에 따른 에너지 수확 소자의 제조방법을 설명하도록 한다.
도 8 내지 도 13은 실시 형태에 따른 에너지 수확 소자의 제조방법을 도시한다.
먼저 도 8을 참조하면, 기판(100)을 형성한다. 구체적으로, 기판(100)을 형성한 후, 기판(100)을 전기적으로 절연하기 위해 열산화를 진행할 수 있다.
여기서, 기판(100)은 일반적으로 사용되는 실리콘(SiO2) 기판일 수 있다. 또한, 기판(100)은 딱딱한 하드(hard) 기판일 수 있고, 유연한 플렉서블(flexible) 기판일 수 있다. 여기서, 열산화는 고온의 노 속에서 실리콘 웨이퍼를 산화함으로써 절연막(SiO2)을 형성하는 프로세스일 수 있다.
도 9를 참조하면, 기판(100)이 형성되면, 기판(100) 상에 하부전극(200)을 형성한다. 구체적으로, 기판(100) 상에 하부전극(200)을 증착할 수 있다. 하부전극(200)은 기판(100) 상 일부분에 위치할 수 있다. 하부전극(200)은 일반적인 전극으로 바람직하게는 금(Au)을 포함할 수 있다. 여기서, 도면에는 도시되지 않았지만, 하부전극(200)과 기판(100) 사이에 접착층(adhesion layer)을 형성하는 과정이 더 있을 수 있다. 여기서, 접착층은 크롬(Cr)을 포함할 수 있다.
도 10을 참조하면, 기판(100)과 하부전극(200) 상에 절연층(300)을 형성한다. 구체적으로, 절연층(300)은 하부전극(200)과, 하부전극(200)이 배치되지 않은 기판(100) 상에 배치될 수 있다. 절연층(300)은 일반적으로 사용되는 실리콘(SiO2)일 수 있다. 절연층(300)은 하부전극(200) 상에 배치되어 절연역할을 할 수 있다.
도 11을 참조하면, 절연층(300) 상에 상부전극(400)을 형성한다. 구체적으로, 하부전극(200) 상에 위치하지 않도록 하부전극(200)이 배치되지 않은 기판(100) 상에 위치한 절연층(300) 상에 배치될 수 있다. 보다 구체적으로, 상부전극(400)은 기판(100)의 상부에서 보았을 때 하부전극(200)과 겹치지 않도록 배치될 수 있다. 또한, 상부에서 보았을 때, 하부전극(200)과 엇갈리게 위치된 상부전극(400)이 배치될 수 있다. 여기서, 상부전극(400)은 일반적인 전극으로 바람직하게는 금(Au)을 포함할 수 있다.
도 12를 참조하면, 하부전극(200) 상에 배치된 절연층(300) 중 일부를 개방(open)한다. 구체적으로, 하부전극(200)의 전기적 접촉을 위해 하부전극(200) 상의 절연층(300)을 식각할 수 있다. 여기서, 식각되는 절연층(300)은 도 12와 같이, 상부전극(400)과 반대 방향의 절연층(300)일 수 있다.
이 때, 제2 실시 형태에 따른 에너지 수확 소자를 제조하는 경우, 도 13에 도시된 바와 같이, 댐(500)을 더 형성할 수 있다. 구체적으로, 하부전극(200)과 상부전극(400)의 물 층(600)에 의한 전기적인 연결을 방지하기 위해 폴리머 재질의 댐(500)을 형성할 수 있다.
보다 구체적으로, 댐(500)은 상부전극(400) 상 및 하부전극(200)과 절연층(300) 상에 위치할 수 있다.
여기서, 댐(500)은 날숨(exhaled breath)에 의한 100% 상대습도를 통해 형성이 될 수 있는 물 층(가변 전극)으로 하부전극(200)과 상부전극(400)의 전기적인 연결을 방지할 수 있다.
여기서, 물 층은 증기압에 의해 자연적으로 사라지는 층이다.
이와 같이, 실시 형태에 따른 날숨을 이용하는 에너지 수확 소자에 의하면, 하부전극(200) 상에 절연층(300)이 배치되기 때문에, 날숨에 의해 절연층(300) 상에 물 층(600)이 형성되면, 대전된 물 분자에 의해 전하들이 형성되어 전류를 생산할 수 있는 이점이 있다.
또한, 실시 형태에 따른 날숨을 이용하는 에너지 수확 소자 및 그 제조 방법은 에너지 수확 소자에 부정적인 영향을 끼치는 습도를 역이용하는 것으로, 기존 반도체 공정을 그대로 이용할 수 있어 소형화 및 대량 생산이 가능하고, 센싱 및 가변 정전용량 소자로의 응용이 가능하고, 소형화를 통해 가볍고 휴대가 용의한 호흡 모니터링 소자의 구현이 가능하고, 매우 작은 적층 구조를 가짐으로써, 높은 밀도의 에너지 수확이 가능하고 초소형 전자 기기의 보조 전원 공급 장치로 사용할 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 형태를 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시 형태의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시 형태에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 기판
200: 하부전극
300: 절연층
400: 상부전극
500: 댐
600: 물 층

Claims (5)

  1. 기판;
    상기 기판 상 일부분에 배치된 하부전극;
    상기 기판과 상기 하부전극 상에 배치된 절연층;
    상기 절연층 상에 배치되고, 상기 하부전극 상에 위치하지 않는 상부전극; 및
    상기 상부전극 상 및 상기 하부전극 상에 배치된 댐;을 포함하고,
    상기 하부전극은 일부가 노출된, 날숨을 이용하는 에너지 수확 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 에너지 수확 소자는 호흡 센서로 사용되는, 날숨을 이용하는 에너지 수확 소자.
  3. 기판;
    상기 기판 상에 배치된 하부전극;
    상기 기판 상에 배치된 절연층; 및
    날숨에 의해 대전되어 상기 절연층 상에 전극으로 형성되는 물 층;을 포함하는, 날숨을 이용하는 에너지 수확 소자.
  4. 기판;
    상기 기판 상 일부분에 배치된 하부전극;
    상기 기판과 상기 하부전극 상에 배치된 절연층;
    상기 절연층 상에 배치되고, 상기 하부전극 상에 위치하지 않는 상부전극;
    상기 상부전극 상 및 상기 하부전극 상에 배치된 댐; 및
    날숨에 의해 상기 댐 사이에 형성되는 물 층;을 포함하고,
    상기 하부전극은 일부가 노출된, 날숨을 이용하는 에너지 수확 소자.
  5. 기판을 형성하는 단계;
    상기 기판 상 일부분에 하부전극을 형성하는 단계;
    상기 기판과 상기 하부전극 상에 절연층을 형성하는 단계;
    상기 하부전극 상에 위치하지 않도록 상기 절연층 상에 상부전극을 형성하는 단계;
    상기 하부전극 상의 상기 절연층 일부를 식각하는 단계; 및
    상기 상부전극 상 및 상기 하부전극 상에 댐을 형성하는 단계;를 포함하는, 에너지 수확 소자의 제조방법.
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