KR20030058420A

KR20030058420A - 미소 전자 기계 구조의 발전기

Info

Publication number: KR20030058420A
Application number: KR1020010088869A
Authority: KR
Inventors: 김광호; 송귀은; 전재학; 이윤표
Original assignee: 한국과학기술연구원
Priority date: 2001-12-31
Filing date: 2001-12-31
Publication date: 2003-07-07
Also published as: JP3646108B2; EP1323668A2; KR100466373B1; DE60212054T2; US20030122448A1; EP1323668B1; EP1323668A3; DE60212054D1; JP2003211397A; US6750596B2; EP1323668B9

Abstract

고온 열원과 연결된 가열판층, 상기 가열판층과 동일한 레벨에서 상기 가열판층을 둘러싸도록 배치되는 하부층과, 상기 하부층 양단에서 상측으로 연장되어 그 사이에 일정한 공간을 형성하는 1쌍의 벽층으로 이루어진 제1 단열층, 상기 벽층의 상면에 형성되어 상기 하부층, 상기 가열판층 및 상기 벽층과 함께 밀폐된 유체실을 형성하며, 그 중앙부가 상·하로 이동 가능한 박막층, 상기 유체실 내에 상기 가열판층에 노출되도록 수용되는 유체, 상기 박막층 위에 형성되며, 상기 박막층과 함께 협력하여 상기 유체의 열에너지를 전기 에너지로 변환하기 위한 에너지 변환 수단층, 상기 변환 수단층과 상기 박막층과의 사이에 상기 유체실의 단열을 위해 형성되는 제2 단열층, 그리고 상기 변환 수단층 위에 형성되어 상기 유체실 상부를 냉각하기 위한 냉각판층을 포함하는 미소 전자 기계 구조 발전기를 개시한다.

Description

미소 전자 기계 구조의 발전기{GENERATOR HAVING A CONFIGURATION OF A MICRO ELECTRIC MECHANICAL SYSTEM}

본 발명은 미소 전자 기계 구조(MEMS)의 발전기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 양단에 주어진 온도차를 이용하여, 작동 유체의 체적 변화를 발생시키고 이러한 체적 변화에 따른 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하도록 구조된 미소 전자 기계 구조의 발전기에 관한 것이다.

미소 전자 기계 시스템(micro electro-mechanical system)에는 마이크로 펌프, 마이크로 프로세서 등을 포함하여 마이크로 센서, 마이크로 액츄에이터 등 전기를 필요로 하는 소자들이 많이 집적되어 있다. 이러한 소자들을 구동하는 데 필요한 전압과 전류는 매크로 시스템(macro system)의 소모량에 비해 아주 적은 양이나, 마이크로라는 부피의 제약으로 인해 제한된 크기의 공간에 설치되어 안정적으로 전기를 공급하기에는 여러 가지 어려움이 있다.

현재의 MEMS의 전원 공급은 주로 마이크로 연료전지나 마이크로웨이브 형태로 공급되었다. 그러나, 최근 몇 년 사이에 외부전원을 이용하지 않고 온도차가 있는 외부 환경을 이용하여 반영구적인 자가 발전 시스템을 구상하기 시작했으며 이러한 시스템은 외부와 격리되어 반영구적으로 사용할 수 있는 새로운 자기 구동형 MEMS 시스템(Autonomous MEMS System)을 모색하게 되었다. 이러한 자기 구동형 MEMS 시스템은 오래 전에 발견된 현상들을 이론적 배경으로 하고 있다.

기존의 매크로 시스템에서의 발전 방식의 특징은 고온부와 저온부가 있을 때 작동 유체가 장비 내부에서 움직여서 이들을 순차적으로 지나가면서 고온부에서 가열되면서 외부로 일을 하고, 저온부에서 냉각되어, 다시 고온부로 순환하는 형태이다. 그러나, 마이크로 시스템에서는 부피 및 미세 가공기술에 대한 제약과 다른 전기 전자회로와의 집적을 고려해야 하므로 통상적으로는 열전 모듈(Thermoelectric module) 등을 이용한다. 열전 모듈에 의한 발전은 두 개의 서로 다른 금속을 접합시킨 후에 이들 사이에 온도차를 주면 전류가 유도되는 제벡효과(Seebeck Effect)를 이용하는 것이다. 열전 모듈에 의하면 구조가 간단하고 신뢰성이 높으면서, 다양한 온도 차이에 대해서도 그에 상응하는 전기를 얻을 수 있고, 특히 MEMS의 미세구조에 적합한 구조의 발전기를 제공할 수 있다. 이 경우, 작동 유체라든가 기계적 운동을 하는 부분이 필요가 없기 때문에 안전성과 소음면에서 유리하다.

그러나, 이러한 유형의 발전기는 성능을 높이기 위한 적합한 재료의 개발이미흡하여, 아직까지는 효율이 낮고, 전류 및 전압이 낮아서 MEMS의 마이크로 펌프 등에 필요한 전원을 공급하기에는 역부족이다.

이러한 단점을 해결하기 위해 안출된 본 발명은 기존의 미세 발전기에 비해 좀 더 높은 효율과 전압을 보다 작은 면적에서 얻을 수 있는 미소 전자 기계 구조의 발전기를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

이러한 본 발명의 목적은 미소 전자 기계 구조(MEMS) 발전기에 있어서, 고온 열원과 연결된 가열판층, 상기 가열판층과 동일한 레벨에서 상기 가열판층을 둘러싸도록 배치되는 하부층과, 상기 하부층 양단에서 상측으로 연장되어 그 사이에 일정한 공간을 형성하는 1쌍의 벽층으로 이루어진 제1 단열층, 상기 벽층의 상면에 형성되어 상기 하부층, 상기 가열판층 및 상기 벽층과 함께 밀폐된 유체실을 형성하며, 그 중앙부가 상·하로 이동 가능한 박막층, 상기 유체실 내에 상기 가열판층에 노출되도록 수용되는 유체, 상기 박막층 위에 형성되며, 상기 박막층과 함께 협력하여 상기 유체의 열에너지를 전기 에너지로 변환하기 위한 에너지 변환 수단층, 상기 변환 수단층과 상기 박막층과의 사이에 상기 유체실의 단열을 위해 형성되는 제2 단열층, 그리고 상기 변환 수단층 위에 형성되어 상기 유체실 상부를 냉각하기 위한 냉각판층을 포함하는 미소 전자 기계 구조 발전기를 제공하여 달성할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 미소 전자 기계 구조 발전기의 측단면도.

도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 미소 전자 기계 구조 발전기의 측단면도.

도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 미소 전자 기계 구조 발전기의 측단면도.

도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 미소 전자 기계 구조 발전기에서 박막이 압전 물질에 가하는 압력 변화 및 이 때의 출력전압의 변화를 시간에 따라 도시한 그래프.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

12: 가열용 구리판층

14: 단열층

16: 박막층

18: 액체

20: 압전 물질층

22: 냉각용 구리판층

24: 코일층

26: 영구자석층

28: 유체실

30: 기체

100, 200, 300: 미소 전자 기계 구조 발전기

P: 압력 변화

V: 출력 전압의 변화

이하, 본 발명의 실시예에 따른 미소 전자 기계 구조 발전기를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 미소 전자 기계 구조 발전기를 도시하고 있다. 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 미소 전자 기계 구조 발전기(100)는 가열용 구리판층(12), 제1 및 제2 단열층(14, 15), 박막층(16), 유체(18), 압전 물질층(20), 냉각용 구리판층(22)으로 이루어진다.

가열용 구리판층(12)은 고온 열원(도시되지 않음)에 연결되어 있다. 따라서, 일정한 고온이 계속적으로 유지된다.

제1 단열층(14)은 가열용 구리판층(12)과 동일한 레벨에서 가열용 구리판층(12)을 둘러싸도록 배치되는 하부층(14a)과, 이 하부층 양단에서 상측으로 연장되어 그 사이에 일정한 공간을 형성하는 1쌍의 벽층(14b)으로 이루어져 있다.

박막층(16)은 벽층(14b)의 상면에 형성되어 하부층(14a), 가열용 구리판층(12) 및 벽층(14b)과 함께 밀폐된 유체실(28)을 형성하며, 그 중앙부분이 상·하로 이동 가능하다. 유체실(28) 내에는 가열용 구리판층(12)에 노출되도록 작동 액체(18)가 수용된다. 이때, 작동 액체(18)는 유체실(28) 내의 전체 공간을 차지할 필요는 없으며, 유체실(28)의 공간 일부분을 차지할 정도로 수용되는 것이 바람직하다.

이러한 구조에서, 고온이 유지되는 가열용 구리판층(12)에 의해, 유체실(28) 내에 수용된 작동 액체(18)의 일부는 그 비등점을 넘어 상변화를 일으키며, 기체 부분이 많아짐으로써, 유체실(28) 내의 압력이 증가된다. 이에 따라, 박막층(16)의 중앙부분이 상측으로 이동하게 된다.

박막층(16)의 상부에는 박막층(16)의 중앙부의 상측 이동시에 가압될 수 있는 위치에 압전 물질층(20)이 형성된다. 압전 물질층(20)은 박막층(16)의 중앙부에 전달되는 유체실(28) 내의 압력을 전기적 에너지로 변환하기 위한 것이다. 즉, 유체실(28) 내의 압력이 증가하여 중앙부가 위로 상승하게 되면, 압전 물질층(20)을 가압하고, 압전 물질층(20)은 전기를 발생시키게 된다.

제2 단열층(5)이 압전 물질층(20)과 박막층(16)과의 사이에 상기 유체실(28)의 단열을 위해 형성된다.

냉각용 구리판층(22)이 압전 물질층(20)의 상면에 형성된다. 냉각용 구리판층(22)은 압전 물질층(20)에 저온을 유지시키기 위한 것이다. 즉, 계속 팽창하던 박막층(16)이 압전 물질층(20)을 가압하면서 전기를 발생시키지만, 지속적으로 접촉하는 동안, 압전 물질층(20)을 거쳐 냉각용 구리판(22)에 열을 빼아기게 되어, 박막층(16)은 다시 수축되기 시작한다.

이와 같이 구성된 본 발명의 제1 실시예에 따른 미소 전자 기계 구조 발전기(100)의 작동을 설명하면 다음과 같다.

첫 번째 단계로서, 가열용 구리판층(12)에 전도 혹은 기타 방법의 열전달에 의해 고온 열원(도시되지 않음)으로부터 지속적으로 열이 공급된다.

두 번째 단계에서, 전달된 열은 작동 액체(18)를 가열하여 작동 액체(18)의 일부는 액체에서 기체로 상변화가 일어난다. 이 과정에서, 밀폐된 유체실(28) 내의 기체 상태의 유체의 체적과 압력이 증가되기 시작한다.

세 번째 단계에서, 증가된 압력은 박막층(16)을 팽창 및 상승시키고, 결국박막층(16)은 차가운 압전 물질층(20)으로 덮인 냉각용 구리판층(22)에 닿게 된다.

네 번째 단계에서, 압력이 계속 증가되면서 일부는 박막층(16)을 팽창과 관련된 탄성 에너지로 흡수되고, 나머지는 압전 물질층(20)을 가압하여, 이 압력에 의해 전기 에너지로 변환된다.

마지막 단계로서, 차가운 압전 물질층(20)에 계속적으로 접촉함으로 인해서, 박막층(16)을 포함한 유체실(28) 상부는 냉각용 구리판층(22)에 열을 빼앗겨, 유체실(28)의 압력은 다시 낮아지고, 박막층(16)은 제자리로 돌아온다. 이렇게 하여 하나의 싸이클을 마치게 된다.

이후에는, 첫 번째 단계부터 다시 시작되어 또 하나의 싸이클이 다시 시작된다.

여기에서, 가열용 구리판층(12) 및 냉각용 구리판층(22)의 면적은 본 미소 전자 기계 구조 발전기(100)의 효율을 최대한 증가시키도록 그 비율이 결정될 수 있다.

도 2은 본 발명의 제2 실시예에 따른 미소 전자 기계 구조 발전기(200)를 도시하고 있다.

도 2에 도시된 미소 전자 기계 구조 발전기(200)는 제1 실시예의 발전기(100)와 거의 동일하지만, 유체실(28)을 채우고 있는 유체(30)가 기체라는 것이다. 즉, 제1 실시예에서와 같이, 상변화를 통해 얻어지는 기체의 수축과 팽창이 아닌, 가열용 구리판층(12)으로부터 직접 기체에 열이 전달되어 박막(16)을 수축 또는 팽창시키도록 되어 있다. 따라서, 액체를 사용할 때와 같은 응답 속도의지연이나 중력에 의한 응용상의 제한 조건을 피할 수 있다.

도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 미소 전자 기계 구조 발전기(300)를 도시하고 있다.

제3 실시예의 미소 전자 기계 구조 발전기(300)는 제1 실시예의 미소 전자 기계 구조 발전기(100)와 거의 동일하지만, 유체(18)의 열에너지를 전기 에너지로 변환하는 구조가 다르게 되어 있다. 도시된 바와 같이, 제3 실시예의 발전기(300)는 박막층(16) 상면에 형성된 영구자석층(26)과, 그 상부에 형성된 코일층(24)을 포함한다. 이러한 구조에 의해서, 박막층(16)이 팽창이 수축의 반복 운동을 하면서 기전력이 코일층(24)에 유도된다.

한편, 도 4에는 압전 물질층(20)과, 액체(18)를 이용한 본 발명의 제1 실시예에 따른 미소 전자 기계 구조 발전기의 성능 곡선으로서, 박막이 압전 물질에 가하는 압력 변화(P) 및 이 때의 출력전압(V)의 변화를 시간에 따라 도시하고 있다.

본 발명에 따른 미소 전자 기계 구조의 발전기는 발전소, 화학 플랜트, 소각장 등의 폐열을 이용하는 발전기로 사용될 수 있으며, 보다 작은 크기로 제작하는 경우, 체온, 태양열 등을 에너지원으로 하여 휴대전화나 PDA, 노트북 컴퓨터, DNA 칩 등의 주전원 또는 보조 전원으로 활용될 수 있다.

Claims

미소 전자 기계 구조(MEMS) 발전기에 있어서,

고온 열원과 연결된 가열판층,

상기 가열판층과 동일한 레벨에서 상기 가열판층을 둘러싸도록 배치되는 하부층과, 상기 하부층 양단에서 상측으로 연장되어 그 사이에 일정한 공간을 형성하는 1쌍의 벽층으로 이루어진 제1 단열층,

상기 벽층의 상면에 형성되어 상기 하부층, 상기 가열판층 및 상기 벽층과 함께 밀폐된 유체실을 형성하며, 그 중앙부가 상·하로 이동 가능한 박막층,

상기 유체실 내에 상기 가열판층에 노출되도록 수용되는 유체,

상기 박막층과 함께 협력하여 상기 유체의 열에너지를 전기 에너지로 변환하기 위한 에너지 변환 수단층,

상기 변환 수단층과 상기 박막층과의 사이에 상기 유체실의 단열을 위해 형성되는 제2 단열층, 그리고

상기 변환 수단층 위에 형성되어 상기 유체실 상부를 냉각하기 위한 냉각판층을 포함하는 미소 전자 기계 구조 발전기.
제1항에 있어서,

상기 변환 수단층은 상기 중앙부의 상·하 이동시에 가압될 수 있는 위치에 형성된 압전 물질층인 것을 특징으로 하는 미소 전자 기계 구조 발전기.
제1항에 있어서,

상기 변환 수단층은 상기 박막층의 상기 중앙부의 상면에 형성된 영구자석층과, 상기 박막층이 최상측으로 이동하였을 때, 상기 영구자석층과 소정의 거리를 유지하도록 배치되는 코일층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 미소 전자 기계 구조 발전기.
제1항에 있어서,

상기 유체는 액체인 것을 특징으로 하는 미소 전자 기계 구조 발전기.
제1항에 있어서,

상기 유체는 기체인 것을 특징으로 하는 미소 전자 기계 구조 발전기.
제1항에 있어서,

상기 가열판층은 구리로 된 것을 특징으로 하는 미소 전자 기계 구조 발전기.
제1항에 있어서,

상기 냉각판층은 구리로 된 것을 특징으로 하는 미소 전자 기계 구조 발전기.