KR19990004764A - 압전형 발전기 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

자동차 등의 엔진의 기계적 진동 에너지를 이용하여 전기를 발생시키는 압전형 발전기 및 그 제조 방법이 개시된다. 상기 압전형 발전기는 다수의 압전 요소 및 상기 압전 요소에서 발생되는 전기를 축전지에 충전하기 위한 전기 회로를 구비한다. 상기 각각의 압전 요소는 압전 박막, 그리고 상기 압전 박막을 지지하는 지지 부재를 가지며, 캔틸레버 형상을 갖는다. 기판과의 충돌을 방지하기 위하여, 상기 압전 캔틸레버에는 상방향으로 휘어지도록 잔유 응력이 미리 형성된다. 상기 압전 박막은 PZT로 구성되며, 상기 지지 부재는 질화물로 구성된다. 상기 전기 회로에는 상기 압전 요소에서 발생되는 직류를 교류로 변환하는 DC/AC 변환기, 변압기, 그리고 축전지로부터 전류가 방전되는 것을 방지하는 다이오드가 제공된다. 상기 자동차 엔진이 진동하면 상기 압전 박막에 생성되는 응력에 의하여 전류가 발생되며, 상기 전류는 상기 전기 회로를 통하여 축전지에 충전된다. 본 압전형 발전기에 의하면, 낭비되는 기계적 진동 에너지로부터 유용한 전기 에너지를 효과적으로 발생시켜 전기 시스템 등에 이용할 수 있다.

Description

압전형 발전기 및 그 제조 방법
본 발명은 압전형 발전기 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기계적 진동원의 진동 에너지를 이용하여 전기를 발생시키는 압전형 발전기 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
소정의 특정한 결정군에서는 압전 현상(piezoelectricity)이 존재한다. 일반적으로 압전 현상은 정압전 효과(direct piezoelectric effect) 및 역압전 효과(inverse piezoelectric effect)를 동반한다. 정압전 효과는 압전 재료에 힘 또는 응력을 가할 때 전하가 발생되는 것을 칭하며, 역압전 효과는 이와는 반대로 압전 재료에 전류가 흐를 때 응력이 발생하여 변위를 일으키는 효과를 칭한다. 따라서, 압전 현상으로 인하여 전기적 에너지와 기계적 에너지의 상호 변환이 가능하다. 상술한 압전 현상 중 정압전 효과는 기계적인 변화를 전류의 형태로 검출하는 센서 분야에서 널리 이용되며, 역압전 효과는 주로 액츄에이터의 원리로 이용된다.
압전 물질의 압전성(piezoelectricity)이 발견된 이래로 상기 정전압 효과를 이용하여 기계적인 변화를 감지하는 센서가 개발되어 왔으며, 그 일례가 압전형 가속 센서(Piezo-electric Acceleration Sensor)라는 명칭으로 쉬로(Nakayama, Shiro) 등에게 허여된 미합중국 특허 제4,924,131호에 개시되어 있다. 상기 쉬로의 센서는 압전 폴리머 멤브레인 요소와 막벽(膜壁)을 구비하여, 상기 압전 요소의 변형에 의하여 발생되는 전류를 이용하여 상기 막벽에 가해지는 가속을 측정한다. 또한, 압전성을 이용하는 센서의 다른 예가 액체의 점성 및 비중 측정 장치(Device for Detecting Viscosity or Specific Gravity of Liquid)라는 명칭으로 신스케(Miura, Shinsuke) 등에게 허여된 미합중국 특허 제4,904,499호, 다차원 힘 센서(Multidimensional Force Sensor)라는 명칭으로 제임스 더블류(Holm-Kennedy, James W.) 등에게 허여된 미합중국 특허 제5,083,466호 등에 다수 개시되어 있다.
또한, 압전 요소를 자동차의 엔진에 부착하여 엔진의 노킹이나 진동을 측정하는 센서의 예가 진동 센서(Vibration sensor)라는 명칭으로 타다시(Takeuchi, Tadashi) 등에게 허여된 미합중국 특허 제4,672,839호, 그리고 노킹 센서(Knock Sensor)라는 명칭으로 로베르트(Entenmann, Robert)등에게 허여되어 로베르트 보쉬 게엠베하(Robert Bosch Gmbh)에 양도된 미합중국 특허 제4,660,410호 등에 개시되어 있다.
근래에는 정압전 효과를 보다 적극적으로 이용하여 압전 요소에 가해지는 응력으로부터 유용한 전기 에너지를 발생시키는 압전형 발전기에 관한 몇몇 연구가 이루어져 왔다. 이러한 압전형 발전기의 일례는 압전형 발전기(Piezoelectric Energy Generator)라는 명칭으로 조우지프 티이(Cero, Jr., Joseph T.) 등에게 허여된 미합중국 특허 제5,341,062호에 개시되어 있다. 자동차 장착 압전형 발전기(Vehicular Mounted Piezoelectric Generator)라는 명칭으로 트리플렛(Charles G. Triplett)에게 특허 허여된 미합중국 특허 제4,504,761호는 자동차의 타이어에 장착되어 자동차 바퀴의 회전 시에 타이어에 가해지는 응력을 이용하여 전기를 발생시키는 압전형 발전기를 개시한다. 또한, 풍력 발전기 및 속도계(Wind Power Generator and Velocimeter)라는 명칭으로 창(David B. Chang)에게 특허 허여된 미합중국 특허 제5,223,763호는 와류에 의하여 압전 요소로부터 전기를 발생시키는 압전형 발전기를 개시한다.
도 1은 상기 트리플렛의 압전형 발전기가 장착된 타이어를 개략적으로 도시한다. 도 1을 참조하여, 상기 트리플렛의 압전형 발전기는 자동차의 타이어(20)의 내벽(22) 상부에 부착되는 다수의 압전 요소(12)를 갖는 압전 어레이, 그리고 상기 압전 요소(12)에 응력을 가하기 위한 부재(14)를 구비한다. 자동차의 주행시에 타이어(20)의 매 회전마다 상기 각각의 응력 부재(14)가 그에 대응하는 압전 요소(12)와 접촉하여 응력을 가하며, 이로 인하여 상기 압전 요소(12)에는 전기가 발생된다. 상기 압전 요소(12)에서 발생되는 전류는 자동차의 축전지 또는 전기 시스템에 전기적으로 연결된다.
도 2는 바람을 이용하여 전기를 발생시키는 상기 창의 압전형 발전기를 도시한다. 도 2를 참조하여, 상기 창의 발전기는 바람을 안내하는 콘딧(30), 그리고 와류(42A-42D)를 형성시키는 격벽(40)을 구비한다. 바람이 안내되는 경로 상에는 다수의 압전 요소(50A-50F)가 소정의 거리만큼 이격되어 배치되며, 상기 압전 요소(50A-50F)에는 와류(42A-42F)에 의하여 응력이 가해진다. 따라서, 상기 와류(42A-42F)에 의하여 응력을 받는 압전 요소(50A-50F)에는 전기가 발생된다.
그러나, 압전 현상을 이용하여 적극적으로 기계적 에너지로부터 유용한 전기적 에너지를 발생시켜 사용하는 압전형 발전기에 대하여 그 유용성에도 불구하고 현재까지 많은 연구가 이루어지지 않았다. 또한, 압전 요소의 가공이 난이하고 효율이 그다지 높지 않은 이유로 그 실용화에는 해결해야 할 많은 과제가 존재한다.
따라서, 본 발명의 목적은 기계적 진동원의 진동 에너지를 이용하여 전기를 발생시키는 압전형 발전기를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 효과적으로 전기를 발생시키는 구조를 갖는 압전 요소와 전기 회로를 구비하는 압전형 발전기를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 압전형 발전기의 제조 방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 압전형 발전기는 압전 박막, 그리고 상기 압전 박막에 부착되어 상기 압전 박막과 함께 기계적 진동원의 진동에 의하여 변형을 일으키는 변형부 및 상기 변형부의 일측에 일체로 형성되어 상기 압전 박막과 상기 변형부를 지지하는 지지부를 갖는 압전 박막 지지 부재를 각각 포함하며, 기계적 진동원에 부착되는 웨이퍼 상에 제공되어 상기 기계적 진동원의 기계적 에너지로부터 전기를 발생시키는 다수의 압전 요소; 그리고 상기 압전 요소에서 발생되는 전기를 축전지에 충전시키기 위한 전기 회로를 포함한다.
본 발명의 하나의 특징에 의하면, 상기 압전 박막, 그리고 상기 압전 박막 지지 부재의 변형부 및 지지부는 각각 대략적으로 직육면체 형상을 가지며, 상기 압전 요소의 일부가 캔틸레버로서 작용하도록 상기 압전 박막의 길이와 상기 변형부의 길이는 상기 지지부의 길이에 비하여 충분히 길게 형성된다. 상기 압전 요소의 캔틸레버 부분에는 상방향으로 휘도록 잔유 응력이 형성된다. 상기 압전 요소의 사이즈는 하나의 압전 요소에서 발생되는 전하량과 웨이퍼에 가공되는 압전 요소의 개수의 곱이 최대가 되도록 정하여진다. 또한, 상기 압전 박막은 바람직하게 ZnO, PZT, 또는 PLZT로 이루어진 그룹 중에서 선택된 어느 하나로 구성되며, 상기 압전 박막 지지 부재는 질화물로 구성된다. 상기 압전 박막에서 발생하는 전하를 상기 축전지에 전달하기 위하여 상기 압전 박막의 하부에는 제1전극이 형성되고 상기 압전 박막의 상부에는 제2전극이 형성된다. 상기 제1전극 및 제2전극는 백금, 탄탈륨, 또는 백금-탄탈륨으로 이루어진 그룹 중에서 선택된 어느 하나로 각각 구성된다. 상기 압전 요소는 MEMS를 이용하여 웨이퍼 상에 직접하여 제조되며, 표면 마이크로 가공된다.
또한, 본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 전기 회로는 일측이 상기 압전 요소에 전기적으로 연결되고 타측이 접지되는 고전압 코일 및 양측이 상기 축전지의 양극 및 음극에 각각 전기적으로 연결되는 저전압 코일을 구비하는 변압기를 포함한다. 상기 전기 회로에는 상기 압전 요소에서 발생된 직류를 교류로 변화시키는 DC/AC 변환기, 상기 축전지)로부터 상기 변압기를 통하여 전류가 방전되는 것을 방지하는 다이오드가 제공된다.
본 발명에 따른 제조 방법은, ⅰ) 제1전극 및 제2전극을 형성하는 단계를 포함하는 압전 박막을 형성하는 단계, 및 ⅱ) 상기 제1전극 및 상기 제2전극이 형성된 상기 압전 박막에 부착되어 상기 압전 박막과 함께 기계적 진동원의 진동에 의하여 변형을 일으키는 변형부 및 상기 변형부의 일측에 일체로 형성되어 상기 압전 박막과 상기 변형부를 지지하는 지지부를 갖는 압전 박막 지지 부재를 형성하는 단계를 각기 포함하며, 기계적 진동원에 부착되는 웨이퍼 상에 제공되어 상기 기계적 진동원의 기계적 진동 에너지로부터 전기를 발생시키는 다수의 압전 요소를 형성하는 단계; 그리고 상기 압전 요소에서 발생되는 전기를 축전지에 충전시키기 위한 전기 회로를 형성하는 단계를 포함한다.
상기 기계적 진동원이 진동하면 상기 압전 박막에 생성되는 응력에 의하여 전류가 발생되며, 상기 전류는 상기 전기 회로를 통하여 축전지에 충전된다. 본 압전형 발전기에 의하면 낭비되는 기계적 진동 에너지 기계적 에너지로부터 유용한 전기 에너지를 효과적으로 발생시켜 전기 시스템 등에 이용할 수 있다.
도 1은 타이어에 장착된 종래의 압전형 발전기를 설명하기 위한 개략도이다.
도 2는 바람을 이용하여 전기를 발생시키는 종래의 압전형 발전기를 설명하기 위한 개략도이다.
도 3은 본 발명에 따른 압전형 발전기의 기본 개념을 설명하기 위한 개략도이다.
도 4는 본 발명에 따른 일실시예에 따른 압전형 발전기를 보여주는 개략도이다.
도 5는 도 4의 압전형 발전기에 사용되는 압전 요소를 보여주는 사시도이다.
도 6은 도 5의 압전 요소의 진동 특성을 해석하기 위한 기계적인 모델을 보여주는 개략도이다.
도 7a 내지 7c는 도 5의 압전 요소의 고유 진동수를 도식적으로 보여주는 그래프이다.
도 8은 도 5의 압전 요소에서 발생되는 전하량을 도식적으로 보여주는 그래프이다.
도 9는 일정한 면적의 웨이퍼 상에 가공이 가능한 압전 요소의 개수를 도식적으로 보여주는 그래프이다.
도 10은 일정한 면적의 웨이퍼 상에서 발생되는 총 전하량을 도식적으로 보여주는 그래프이다.
도 11a 내지 11d는 도 5에 도시된 압전 요소의 제조 공정도이다.
** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 **
100 : 엔진105 : 전기 회로
130 : DC/AC 변환기 140 : 변압기
150 : 축전지160 : 다이오드
200 : 압전형 발전기205 : 압전 요소
210 : 압전 박막220 : 압전 박막 지지 부재
이하 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압전형 발전기 및 그 제조 방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 압전형 발전기의 기본 개념을 설명하기 위한 개략도이다. 상기 압전형 발전기(piezoelectric generator)(200)는 자동차 엔진 등의 기계적 진동원(mechanical vibration source)(100)에 부착된다. 상기 기계적 진동원(100)이 진동하면, 상기 압전형 발전기(200)의 압전 요소(piezoelectric element)(205)에 변위(deformation)가 가해져 전류가 발생된다. 상기 압전형 발전기(200)는 축전지(storage battery)(150)에 전기적으로 연결되어, 상기 압전형 발전기(200)에서 발생되는 전류는 상기 축전지(150)에 충전된다.
도 4는 본 발명에 따른 압전형 발전기가 엔진에 적용된 일례를 보여주는 개략도이다. 도 4를 참조하여, 본 발명의 압전형 발전기(200)는 다수의 압전 요소(205), 그리고 상기 압전 요소(205)에서 발생되는 전기를 축전지(150)에 충전시키기 위한 전기 회로(105)를 포함한다. 상기 다수의 압전 요소(205)는 자동차의 엔진(100) 상부에 부착되는 웨이퍼 상에 제공된다. 상기 엔진(100)에는 벨트 등에 의하여 통상적인 교류 발전기(110)가 연결된다. 상기 교류 발전기(alternator)(110)는, 구동시에 자동차의 주행 출력을 감소시키므로, 자동차의 전기 시스템(120)에서 전기를 필요로 하지 않거나 축전지가 완전히 충전된 상태에서는 구동되지 않고 공회전(idling)할 수 있도록 되어 있다. 본 압전형 발전기(200)는 엔진(100)의 진동에 의하여 낭비되는 기계적 에너지를 이용함으로써 상기 교류 발전기(110)와는 달리 발전 중에 자동차의 출력을 감소시키지 않으므로, 본 압전형 발전기(200)는 상기 교류 발전기(110)에 우선하여 또는 상기 교류 발전기(110)와 함께 작동된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 상기 전기 회로(105)는 DC/AC 변환기(converter)(130), 변압기(transformer)(140), 그리고 다이오드(diode)(160)를 구비한다. 상기 압전 요소(205)에는 제1 및 제2단자(lead wire)(148, 154)가 전기적으로 연결된다. 제1 및 제2단자(148, 154)는 다시 접지와 상기 DC/AC 변환기(130)에 각각 전기적으로 연결되며, 상기 압전형 발전기(200)에 의하여 발생된 직류는 DC/AC 변환기(130)에 인가되어 교류로 변환된다. 또한, 상기 DC/AC 변환기(130)는 제3단자(132)를 통하여 상기 변압기(140)의 고전압 코일(high-voltage coil)(142)에 전기적으로 연결되며, 상기 고전압 코일(142)은 제4단자(146)를 통하여 접지되어, 상기 압전형 발전기(200)에서 발생되어 상기 DC/AC 변환기(130)에서 변환된 교류는 상기 고전압 코일(142)을 통하여 흐른다. 한편, 상기 변압기(140)의 저전압 코일(low-voltage coil)(144)은 제5 및 제6단자(152, 154)를 통하여 축전지(150)의 양극 및 음극에 각각 연결된다.
상기 다이오드(160)는 상기 제6단자(154)에 제공되며, 상기 다이오드 양극(160)은 축전지(150)의 음극에 연결되고 상기 다이오드(160)의 음극은 상기 저전압 코일(144)에 연결된다. 상기 다이오드(160)는 축전지(150)로부터 상기 변압기(140)를 통하여 전류가 방전되는 것을 방지한다.
상기 저전압 코일(144)의 제5단자(152)와 축전지(150)의 양극은 제1연결점(connection node)(CN1)을 형성하며, 상기 다이오드(160)의 양극과 축전지(150)의 음극은 제2연결점(CN2)을 형성한다. 상기 제1 및 제2연결점(CN1, CN2)에는 교류 발전기(110)의 제1 및 제2출력 단자(112, 114)가 각각 연결된다. 자동차의 전장 부품으로 구성되는 전기 시스템(120)의 양극 및 음극 전원 공급 단자는 상기 제1 및 제2연결점(CN1, CN2)과 연결되어 전류를 공급받는다.
도 5는 본 발명에 따른 압전형 발전기에 사용되는 압전 요소를 개략적으로 도시한다. 도 5에 도시된 바와 같이, 본 압전형 발전기(200)의 압전 요소(205)는 압전 박막(piezoelectric thin film)(210), 압전 박막(210)의 하부에 형성된 제1전극(213), 상기 제1전극(213)에 대응하여 압전 박막(210)의 상부에 형성된 제2전극(215), 그리고 상기 제1전극(213)의 하부에 형성되어 상기 압전 박막(210)을 지지하는 압전 박막 지지 부재(support member)(220)(이하, 지지 부재라 한다)를 포함한다. 상기 압전 박막(210)은 대략적으로 길이(L), 두께(T1), 그리고 너비(B)의 직육면체 형상을 갖는다. 상기 압전 박막(220)의 구성 물질로는 ZnO, PZT(Pb(Zr,Ti)O3), 또는 PLZT((Pb, La)(Zr, Ti)O3) 등이 사용된다. 바람직하게는, PZT를 사용하여 상기 압전 박막(220)을 형성한다. PZT는 PbZrO3과 PbTiO3의 완전 고용체(solid solution)로서 고온에서는 결정 구조가 입방정인 상유전상(paraelectric phase)으로 존재하며, 상온에서는 Zr과 Ti의 조성비에 따라 결정구조가 사방정(orthorhombic)인 반강유전상(antiferroelectric phase), 능면체정(rhombohedral)인 강유전상(ferroelectric phase), 그리고 정방정(tetragonal)인 강유전상으로 존재한다.
상기 제1전극(213) 및 제2전극(215)은 전기 전도성이 우수한 백금(Pt), 탄탈륨(Ta), 또는 백금-탄탈륨(Pt-Ta) 등을 사용하여 형성된다. 제1전극(213) 및 제2전극(215)은 상기 압전 박막(210)에서 발생하는 전하를 전달한다.
제1전극(213) 및 제2전극(215)이 형성된 상기 압전 박막(210)은 압전 박막 지지 부재(220)에 의하여 지지된다. 상기 지지 부재(220)는 질화물(SiNx)을 사용하여 형성된다. 상기 지지 부재(220)는 대략적으로 L자 형상의 단면을 가지며, 상기 압전 박막(210)에 부착되어 자동차의 엔진(100)의 진동에 의하여 상기 압전 박막(210)과 함께 변형을 일으키는 변형부(deformable portion)(220A), 그리고 상기 변형부(220A)의 일측에 일체로 형성되어 상기 제1 및 제2전극(213, 215)이 형성된 압전 박막(210) 및 상기 압전 박막(210)에 부착된 변형부(220A)를 지지하는 지지부(support portion)(220B)를 구비한다. 상기 변형부(220A)는 대략적으로 길이(L), 두께(T2), 그리고 너비(B)의 직육면체의 형상이며, 상기 지지부(220B)는 대략적으로 길이(L2), 두께(Ts), 그리고 너비(B)의 직육면체 형상을 갖는다. 도 5에서 알 수 있는 바와 같이, 상기 변형부(220A)의 길이(L1)는 지지부(220B)의 길이(L2)에 비하여 충분히 길게 형성되어, 상기 압전 요소(205)는 길이(L1), 두께(Tc), 그리고 너비(B)의 압전 캔틸레버(piezoelectric cantilever)로서 작용한다.
최근 일본의 오므론(OMRON) 사의 사카타(M. Sakata) 등은 도 5와 같은 형상을 갖는 압전 요소(205)의 압전 상수(Piezoelectric coefficient)를 측정하기 위하여 다음과 같은 식을 제안하였다.
여기서,
d31: 압전 상수L1 : 압전 캔틸레버의 길이
Q : 전하량 B : 압전 캔틸레버의 너비
Tc : 압전 캔틸레버의 두께E : 지지 부재의 영 계수
δ : 압전 박막의 변위량L : 압전 요소의 총 길이
상기 전하량(Q)은 압전 상수 측정시 전하 증폭기(charge amplifier)에서 검출되는 전하량을, 그리고 변위량(δ)은 캔틸레버 형상의 압전 박막(210)의 변위량을 의미한다.
식 (1)을 검출 전하량(Q)에 대하여 정리하면 다음과 같다.
식 (2)에서 알 수 있는 바와 같이 전하량(Q)은 압전 상수(d31)와 정비례하므로, 전하량(Q)을 증가시키기 위하여는 압전 상수(d31)가 되도록 큰 압전 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 본 발명에서는 80pC/N 내지 220pC/N 범위의 비교적 큰 압전 상수(d31)를 갖는 재료를 압전 박막(210)으로서 사용한다.
상기 지지 부재(220)의 지지부(220B)의 길이(L2)가 상기 압전 요소(205)의 총 길이(L)에 비하여 충분히 작게 형성된다. 따라서, 해석의 단순화를 위하여 L2의 값은 L과 같은 것으로 가정할 수 있다. 또한, 계산의 편의를 위하여, 상기 압전 상수(d31)는 100pC/N으로 가정한다.
식 (1)에서는 압전 박막(210)의 두께(T1)가 지지 부재의 두께(T2)에 비하여 충분히 작은 것으로 가정하여 상기 압전 박막(210)의 영 계수(Young's Modulus)를 무시하였다. 그러나, 본 발명의 압전 요소(205)의 진동 해석에 있어서는, 상기 압전 박막(210)의 상부 및 하부에 형성되는 상기 제1및 제2전극(213, 215)의 두께는 무시하나, 상기 압전 박막(210)의 두께(T1)를 무시하지 않고 이중 층(bi-layer)에서의 유효 영 계수(equivalent Young's Modulus)를 이용한다. 압전 박막의 영 계수를 E1이라 하고 지지부재의 영 계수를 E2이라 할 때 이중층에서의 유효 영 계수(Eeq)는 식 (3)과 같다.
한편, 도 6은 본 발명에 사용되는 압전 요소의 진동 특성을 해석하기 위한 간단한 기계적인 모델을 도시한다. 도 6을 참조하여, 캔틸레버 형상의 압전 요소(205)의 기계적 모델은 질량(m)을 갖는 질량체, 스프링 상수(k)를 갖는 스프링, 그리고 감쇄 계수(c)의 감쇄기(damper)를 구비한다. 상기 스프링과 상기 댐퍼는 상기 질량체에 병렬로 연결된다. 질량체의 변위를 x라 할 때, 상기 기계적 모델에 진동원에 의한 외력 F=Asin(ωt)(여기서, A:진동원의 진폭, ω:진동원의 진동수, t:시간)이 작용할 때의 상기 질량체의 운동 방정식은 다음 식 (4)와 같다.
상기 미분 방정식 식 (4)의 해는 식 (5)와 같다.
여기서, δ는 압전 요소(205)의 상대 변위 , A는 진동원의 진폭, ζ는 감쇄비, 그리고 γ는 진동원의 진동수(ω)와 상기 기계적 모델의 고유 진동수(ωn)와의 비, 즉 진동수비(ω/ωn)를 나타낸다.
상기 기계적 모델의 고유 진동수(ωn)는 식 (6)과 같다.
여기서, Keq는 유효 스프링 상수, 그리고 Meq는 유효 질량을 나타낸다.
상기 캔틸레버를 구성하는 PZT와 질화물의 영 계수 및 밀도 등의 물성치는 기존의 발표된 자료를 이용하였으며, 압전 박막(210)과 변형부(220a)의 두께는 각각 1 ㎛로 설정하였으며, 계산에 이용된 자료를 정리하면 표 1과 같다.
또한, 본 발명을 바람직하게 수행하기 위하여 채택한 변수의 종류와 그 범위 정리하면 표 2와 같다.
표 3은 계산에 의하여 얻어진 캔틸레버 형상 압전 요소(205)의 고유 진동수(natural frequency)(ωn)를 나타내며, 도 7은 그 결과를 도식적으로 보여준다.
표 3에서 알 수 있는 바와 같이, 압전 요소(205)의 고유 진동수(ωn)는 그 너비(b)와는 무관하게 그 길이(L)의 제곱에 반비례한다.
본 발명에서는 최대의 전하량을 발생시키는 압전 요소(205)의 크기를 결정하기 위하여 식 (2)를 이용한다. 식 (2)를 참조하여, 일정한 면적을 갖는 원형의 웨이퍼 상에 가공할 수 있는 압전 요소(205)의 개수와 각각의 압전 요소(205)에서 발생되는 전하량의 곱이 최대화하기 위하여 가장 중요한 변수는 압전 요소(205)의 길이(L)임을 알 수 있다.
도 8은 진동의 진폭(A)이 0.5 ㎜일 때 하나의 압전 요소(205)에서 발생되는 전하량(Q)을 압전 요소(205)의 길이(L)와 너비(B)에 대하여 나타낸다. 도 8에서 알 수 있는 바와 같이, 발생 전하량(Q)은 압전 요소(205)의 너비(B)에 선형적으로 비례한다. 또한, 도 5의 점(P)을 참조하여, 압전 요소(205)의 너비(B)가 100 ㎛이고 길이(L)가 1000 ㎛일 때 매 진동 사이클마다 약 2nC의 전하량이 발생함을 알 수 있다.
도 9는 8-인치 Si-웨이퍼 상의 일정한 면적에 마이크로 가공이 가능한 압전 요소(205)의 개수(N)를 압전 요소(205)의 길이(L)와 너비(B)에 대하여 보여준다. 또한, 도 10은 하나의 압전 요소에서 발생되는 전하량(Q, 도 8 참조)과 8-인치 Si-웨이퍼에 가공될 수 있는 압전 요소(205)의 개수(N, 도 9 참조)와의 곱을 도시적으로 나타낸다. 도 10을 참조하여, 8-인치 Si-웨이퍼 한 장에 마이크로 가공되는 캔틸레버 압전 요소(205)로 구성되는 압전 어레이를 1kHz로 가진시킬때 발생되는 전하량은 최대 초당 0.648C이며, 따라서 648 mA의 전류가 발생된다.
본 발명에 따른 압전형 발전기(200)에서 전하 발생량(Q)을 증가시키는데 있어서 중요한 물성치(property)는 압전 박막(210)의 압전 상수(d31)와 압전 박막 지지 부재(220)의 영 계수(E2)이다. 식 2에서 알 수 있는 바와 같이, 발생 전하량(Q)은 압전 박막(210)의 압전 상수(d31) 및 지지 부재(220)의 영 계수(E2)에는 비례하여 증가한다.
캔틸레버 형상의 압전 요소(205)의 자중에 의한 처짐은 계산에 의하여 0.678 ㎛로 무시할 수 있는 정도이다. 한편, 진동의 진폭이 0.5 ㎜일 대 압전 요소(205)의 변위량(δ)은 압전 요소(205)의 길이(L)가 1000 ㎛일 때 최대 37 ㎛(=500 ㎛×0.074)에 달한다. 그런데, 상기 압전 요소(205)의 변위량(δ)은 운동 공간이 되는 희생층의 두께와 비교할 때 매우 큰 값으로 작동 중 기판(substrate)과의 충돌로 인하여 상기 압전 요소(205)가 파손되는 등의 바람직하지 않은 결과가 야기될 수 있다. 따라서, 상기 지지 부재(220)의 영 계수(E2)를 작게 함으로써 전하 발생량이 증가함에도 불구하고 그 값을 작게 하는데는 한계가 있다. 상기 이유로 본 발명의 지지 부재(220)의 영 계수(E2)는 실제적으로 200×109N/m 내지 400×109N/m 범위로 값을 갖도록 정하여 진다.
또한, 상기 압전 요소(205)의 두께(Tc)를 얇게 하여 발생 전하량(Q)을 증대할 수 있음에도 불구하고, 상기 압전 요소(205)의 두께(Tc)를 감소시키는데도 한계가 있다. 반면에, PZT 결정화 과정 중 발생하는 부피 수축으로 인하여 상기 문제점이 어느 정도 해결될 수 있을 것으로 기대된다. 본 발명에 따른 압전형 발전기(200)에서는 압전 요소(205)의 두께(Tc)를 되도록 얇게 하면서도 압전 요소(205)의 기판과의 충돌을 보다 효과적으로 방지하기 위하여, 사전에 압전 박막 지지 부재(220)에 잔유 응력을 생성시켜 희생층 제거후 상기 압전 요소(205)가 상방향으로 휘도록 한다.
본 발명에 따른 압전 요소로 이루어진 압전 어레이는 마이크로 가공에 의하여 제조된다. 상기 압전 어레이는 압전 박막을 Si-웨이퍼 상에 직접하여 제조하는 MEMS(Micro Electro Mechanical System)을 이용하여 제조되며, 기계적 피로 수명을 연장시키기 위하여 상기 압전 어레이는 Si-웨이퍼 자체에 크랙이 발생하기 쉬운 용적 마이크로 가공(bulk micromachining)보다는 표면 마이크로 가공(surface micro machining)에 의하여 제조된다.
이하 상술한 압전 요소(205)의 제조 방법을 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 도 11a 내지 11d는 도 5에 도시한 압전 요소(205)의 제조 공정도이다. 도 11a 내지 11d에 있어서, 도 5와 동일한 부재들에 대해서는 동일한 참조 번호를 사용한다.
도 11a를 참조하면, 먼저 경질의 기판(substrate)(300) 상에 저압 화학 기상 증착 방법(LPCVD)을 이용하여 희생층(305)을 형성한다. 희생층(305)은 인 실리케이트 유리(PSG)를 사용하여 1.0∼5.0 ㎛ 정도의 두께를 가지도록 한다. 이어서, 상기 지지 부재(220)의 지지부(220B)가 형성될 위치를 고려하여 상기 희생층(305)의 일부를 식각하여 제거한다.
도 11b를 참조하면, 상기 기판(300)의 상부 및 상기 희생층(305)의 상부에 저압 화학 기상 증착 방법을 사용하여 지지층(219)을 형성한다. 상기 지지층(219)은 질화물을 사용하여 0.5∼2.0 ㎛, 바람직하게는, 1.0 ㎛ 정도의 두께를 가지도록 형성한다. 상기 지지층(219)은 후에 지지 부재(220)로 패터닝된다. 상기 지지층(219)의 상부에는 제1전극층(212)이 형성된다. 제1전극층(212)은 전기 전도성이 우수한 백금(Pt), 탄탈륨(Ta), 또는 백금-탄탈륨(Pt-Ta) 등의 금속을 스퍼터링 방법 또는 화학 기상 증착 방법을 사용하여 0.1∼1.0 ㎛, 바람직하게는 0.1 ㎛ 정도의 두께를 갖도록 형성한다. 제1전극층(212)은 후에 제1전극(213)으로 패터닝된다.
상기 제1전극층(212)의 상부에는 졸-겔법, 화학 기상 증착 방법, 또는 스퍼터링 방법을 사용하여 압전층(209)이 형성된다. 압전층(209)은 ZnO, PZT, PLZT 등의 압전 물질을 사용하여 0.5∼2.0 ㎛ 정도의 두께를 갖도록 형성된다. 바람직하게는, 압전층(209)은 PZT를 졸-겔법을 이용하여 1.0 ㎛ 정도의 두께를 가지도록 형성한다. 이어서 압전층(209)을 급속 열처리(RTA) 방법을 이용하여 열처리한 후, 분극(polling)시킨다. 압전층(209)은 후에 압전 박막(210)으로 패터닝된다.
상기 압전층(209)의 상부에는 제2전극층(214)이 형성된다. 제2전극층(214)은 제1전극층(212)과 동일한 물질 및 방법을 사용하여 동일한 두께를 갖게 형성한다. 제2전극층(214)은 후에 제2전극(215)으로 패터닝된다.
도 11c를 참조하면, 상기 제2전극층(214)의 상부에 제1포토레지스트(도시되지 않음)를 도포한 후, 상기 제1포토레지스트를 식각 마스크로 사용하여 상기 제2전극층(214), 압전층(209), 제1전극층(212), 그리고 지지층(219)을 패터닝하여 각기 사각형의 형상을 갖는 제2전극(215), 압전 박막(210), 제1전극(213) 및 지지 부재(220)를 형성한다. 이어서, 상기 결과물의 상부 및 측부에 제2포토레지스트를 스핀 코팅 방법을 사용하여 1.5∼2.0 ㎛ 정도의 두께를 갖는 보호층(310)을 형성한다. 상기 보호층(310)은 후에 희생층(305)을 제거하는 동안 제1전극(213) 및 제2전극(215)이 형성된 압전 박막(210)을 보호하는 기능을 수행한다.
도 11d를 참조하면, 상기 희생층(305)을 플루오르화 수소(HF) 증기 또는 수산화 칼륨(KOH) 증기를 사용하여 식각하여 제거한다. 이어서, 상기 보호층(310)을 식각하여 제거한 후, 상기 기판(300)을 분리하여 압전 요소(205)를 완성한다.
이하, 본 발명에 따른 압전형 발전기의 작용에 대하여 설명한다.
자동차의 엔진(100)의 작동 시에 피스톤이 실린더 내를 왕복 운동함으로써 진동이 발생된다. 자동차 엔진(100)이 진동하면, 상기 자동차 엔진(100)의 상부에 부착된 상기 압전형 발전기(200)의 캔틸레버 형상의 압전 요소(205)에 주기적인 외력이 가해져, 상기 압전 요소(205)는 변위를 일으킨다. 상기 압전 요소(205)에 생성되는 변위에 의하여, 상기 압전 요소(205)에는 그 정압전 효과로 인하여 전류가 발생된다.
본 발명에 따른 압전형 발전기(200)에서는 미리 압전 박막 지지 부재(220)에 잔유 응력을 생성시켜 희생층 제거후 상기 압전 요소(205)가 상방향으로 휘도록 함으로써 압전 요소(205)의 두께(tc)를 되도록 얇게 하면서도 압전 요소(205)의 기판과의 충돌이 보다 효과적으로 방지된다. 상기 압전 요소(205)의 사이즈는 하나의 압전 요소(205)에서 발생되는 전하량과 웨이퍼에 가공되는 압전 요소(205)의 개수의 곱이 최대가 되도록 정하여지므로써 효과적으로 전기를 발생시킨다.
상기 압전 요소(205)에서 발생되는 전류는 상기 전기 회로(105)에 의하여 자동차의 축전지(150)에 충전된다. 상기 압전 요소(205)에서 발생되는 직류는 상기 전기 회로(105)의 DC/AC 변환기(130)에 의하여 교류로 변환된다. 상기 교류는 상기 변압기(140)의 고전압 코일(142)을 통하여 흐르며, 상기 변압기(140)의 저전압 코일(144)은 축전지(150)의 음극과 양극에 각각 연결되어 전기가 충전된다. 상기 변압기(140)와 상기 축전지(150) 사이에 제공되는 다이오드(160)에 의하여 축전지(150)로부터 상기 변압기(140)를 통하여 전류가 방전되는 것이 방지된다. 상기 축전지(150)는 또한 자동차의 통상적인 교류 발전기(110)에 연결되어, 상기 교류 발전기로부터 전류를 공급받는다. 상기 교류 발전기(110)는, 구동시에 자동차의 주행 출력을 감소시키므로, 자동차의 전기 시스템(120)에서 전기를 필요로 하지 않거나 축전지가 완전히 충전된 상태에서는 구동되지 않고 공회전할 수 있도록 되어 있다. 본 압전형 발전기(200)는 엔진(100)의 진동에 의하여 낭비되는 기계적 에너지를 이용함으로써 상기 교류 발전기(110)와는 달리 발전 중에 자동차의 출력을 감소시키지 않으므로, 본 압전형 발전기(200)는 상기 교류 발전기(110)를 대신하여 또는 상기 교류 발전기(110)와 함께 작동된다.
본 발명에 따른 압전형 발전기에 의하여 낭비되는 기계적 진동 에너지로부터 유용한 전기 에너지를 발생시킬 수 있다. 또한, 동일한 면적의 웨이퍼 상에서 최대한 많은 전하량이 발생될 수 있도록 압전형 발전기에 사용되는 압전 요소의 형상, 사이즈, 물성치를 선택함으로써 효과적으로 전기를 발생시키는 것이 가능하다. 또한, 본 압전형 발전기에 의하여 제공되는 전기 회로에 의하여 압전 요소에서 발생되는 전기를 효과적으로 축전지에 충전할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예에서 다양한 변형이 가능함은 본 발명이 속하는 기술 분야의 실시예를 이용하여 본 발명이 설명되었지만, 본 발명의 사상을 일탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형예가 실시될 수 있음을 당업자라면 명확히 인지할 수 있을 것이다.

Claims (21)

  1. 압전 박막, 그리고 상기 압전 박막의 하부에 형성되며, 상기 압전 박막과 함께 기계적 진동원의 진동에 의하여 변형을 일으키는 변형부 및 상기 변형부의 일측에 일체로 형성되어 상기 압전 박막과 상기 변형부를 지지하는 지지부를 갖는 압전 박막 지지 부재를 각각 포함하며, 기계적 진동원에 부착되는 웨이퍼 상에 제공되어 상기 기계적 진동원의 기계적 진동 에너지로부터 전기를 발생시키는 다수의 압전 요소; 그리고
    상기 압전 요소에서 발생되는 전기를 축전지에 충전시키기 위한 전기 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전형 발전기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 압전 박막에서 발생하는 전하를 상기 축전지에 전달하기 위하여 상기 압전 박막의 하부에는 제1전극이 형성되고 상기 압전 박막의 상부에는 제2전극이 형성되는 것을 특징으로 하는 압전형 발전기.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제1전극 및 제2전극는 백금, 탄탈륨, 또는 백금-탄탈륨으로 이루어진 그룹 중에서 선택된 어느 하나로 각각 구성되는 것을 특징으로 압전형 발전기.
  4. 제1항에 있어서, 상기 기계적 진동원은 엔진인 것을 특징으로 하는 압전형 발전기.
  5. 제1항에 있어서, 상기 압전 박막, 그리고 상기 압전 박막 지지 부재의 변형부 및 지지부는 각각 대략적으로 직육면체 형상을 가지며, 상기 압전 요소의 일부가 캔틸레버로서 작용하도록 상기 압전 박막의 길이와 상기 변형부의 길이는 상기 지지부의 길이에 비하여 충분히 길게 형성되는 것을 특징으로 하는 압전형 발전기.
  6. 제5항에 있어서, 상기 압전 요소의 캔틸레버 부분에는 상방향으로 휘도록 잔유 응력이 형성되는 것을 특징으로 하는 압전형 발전기.
  7. 제1항에 있어서, 상기 압전 박막은 ZnO, PZT, 또는 PLZT로 이루어진 그룹 중에서 선택된 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 압전형 발전기.
  8. 제1항에 있어서, 상기 압전 박막 지지 부재는 질화물로 구성되는 것을 특징으로 하는 압전형 발전기.
  9. 제1항에 있어서, 상기 압전 박막의 압전 상수는 80pC/N 내지 220pC/N인 것을 특징으로 하는 압전형 발전기.
  10. 제1항에 있어서, 상기 압전 박막 지지 부재의 영 계수는 200×109N/m 내지 400×109N/m 인 것을 특징으로 하는 압전형 발전기.
  11. 제1항에 있어서, 상기 압전 요소의 사이즈는 하나의 압전 요소에서 발생되는 전하량과 웨이퍼에 가공되는 압전 요소의 개수의 곱이 최대가 되도록 정하여지는 것을 특징으로 하는 압전형 발전기.
  12. 제1항에 있어서, 상기 압전 요소는 웨이퍼 상에 직접하여 제조되는 것을 특징으로 하는 압전형 발전기.
  13. 제1항에 있어서, 상기 압전 요소는 표면 마이크로 가공에 의하여 제조되는 것을 특징으로 하는 압전형 발전기.
  14. 제1항에 있어서, 상기 전기 회로는 상기 압전 요소에 전기적으로 연결된 제1단자, 일측이 상기 압전 요소에 전기적으로 연결되며 타측이 접지되는 제2단자, 일측이 상기 제1단자에 전기적으로 연결되고 타측이 접지되는 고전압 코일 및 양측이 상기 축전지의 양극 및 음극에 각각 전기적으로 연결되는 저전압 코일을 구비하는 변압기를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전형 발전기.
  15. 제14항에 있어서, 상기 전기 회로는 상기 압전 요소에서 발생된 직류를 교류로 변화시키기 위해 상기 제1단자에 제공되는 DC/AC 변환기를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 압전형 발전기.
  16. 제14항에 있어서, 상기 전기 회로는 상기 축전지로부터 상기 변압기를 통하여 전류가 방전되는 것을 방지하기 위해 상기 축전지와 상기 변압기 사이에 제공되는 다이오드를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 압전형 발전기.
  17. ⅰ) 그 하부에 제1전극 및 그 상부에 제2전극을 형성하는 단계를 포함하는 압전 박막을 형성하는 단계, 및 ⅱ) 상기 제1전극 및 상기 제2전극이 형성된 상기 압전 박막에 부착되어 상기 압전 박막과 함께 기계적 진동원의 진동에 의하여 변형을 일으키는 변형부 및 상기 변형부의 일측에 일체로 형성되어 상기 압전 박막과 상기 변형부를 지지하는 지지부를 갖는 압전 박막 지지 부재를 형성하는 단계를 각기 포함하며, 기계적 진동원에 부착되는 웨이퍼 상에 제공되어 상기 기계적 진동원의 기계적 진동 에너지로부터 전기를 발생시키는 다수의 압전 요소를 형성하는 단계; 그리고
    상기 압전 요소에서 발생되는 전기를 축전지에 충전시키기 위한 전기 회로를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전형 발전기의 제조 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 압전 박막 지지 부재를 형성하는 단계는, 기판 상에 저압 화학 기상 증착 방법(LPCVD)을 이용하여 희생층을 형성하는 단계 및 상기 희생층의 일부를 식각하여 제거하는 단계 후에 수행되는 것을 특징으로 하는 압전형 발전기의 제조 방법.
  19. 제18항에 있어서, 상기 희생층을 형성하는 단계는 인 실리케이트 유리(PSG)를 사용하여 1.0∼5.0 ㎛ 정도의 두께를 갖게 형성하는 단계인 것을 특징으로 하는 압전형 발전기의 제조 방법.
  20. 제18항에 있어서, 상기 압전 요소를 형성하는 단계는, 상기 제1전극 및 제2전극이 형성된 압전 박막의 상부 및 측부, 그리고 상기 압전 박막 지지 부재의 측부에 포토레지스트를 사용하여 보호층을 형성하는 단계 및 상기 희생층을 플루오르화 수소 증기를 사용하여 식각하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압전형 발전기의 제조 방법.
  21. 제20항에 있어서, 상기 보호층을 형성하는 단계는, 스핀 코팅 방법을 사용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 압전형 발전기의 제조 방법.
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