KR20090112348A - 초소형 압전 자가 발전기 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

초소형 압전 자가 발전기 및 그 제조 방법이 개시된다. 본 발명의 자가 발전기는, 외력에 의해 전하를 발생시키는 일체로 연결된 다수의 외팔보들; 및 상기 각각의 외팔보는 박막 혹은 후막의 압전체와 이를 지지해주는 멤브레인과 일체로 형성되며, 상기 발생된 전하를 수집하는 전극;을 포함한다.

압전현상, 자가발전, 진동

Description

초소형 압전 자가 발전기 및 그 제조 방법{PIEZOELECTRIC MICRO POWER GENERATOR AND ITS MANUFACTURING METHODS}

본 발명은 전원 공급 장치에 관한 것으로, 특히 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 자가 발전기에 관한 것이다.

각종 휴대용 전자기기로부터 각종 센서 등의 전력원으로 많이 사용되는 전지 방식은 보관이 까다롭고 자체 수명에 대한 한계를 갖고 있다. 일례로, 타이어 공기압 감지 시스템 (Tire Pressure Monitoring System, TPMS)에서 이용되는 지능형 무선 압력센서에서부터 가스 감지 센서등 각종 센서등에 많이 사용되는 리튬전지의 경우 전자 자체의 제한된 수명과 함께 보관이 까다로운데, 동작 온도가 올라가면 자연방전이 증가하여 수명이 더욱 줄어든다.

한편, 전지 방식에서 벗어난 대체 에너지원으로 압전(Piezoelectric) 현상을 이용할 수가 있다. 압전 현상은 석영, 전기석과 같은 결정에 일정한 방향에서 압력을 가할 때 그 외력에 비례해서 양전 또는 음전하가 나타나는 현상이다. 또한 전압을 가할 때 변형이 일어나는 역현상도 있다. 이러한 압전 현상 혹은 역 현상은 기계적 변형과 전기적 에너지의 변환에 관한 것이기 때문에 이것을 응용한 마이크나 축음기에 응용되었다. 이러한 압전 현상의 응용 분야는 상기 내용에 국한되지 않고 전자 기기에 많이 사용되는 수정진동자로부터, 최근에는 필름 체적파 공진기(FBAR:Film Bulk Acoustic Resonator)나 표면 탄성파 공진기(SAW:Surface Acoustic Wave)를 이용하여 무선통신용 고성능 필터에까지 응용되어 지고 있다. 게다가 최근 친환경적인 에너지에 대한 관심과 함께, 압전 후막을 이용한 자가 발전기 등이 선을 보였다.

본 발명은 지능형 무선 센서 망 구성 등에 큰 걸림돌이 되어왔는 기존의 전지를 이용한 전원 방식을 대체하기 위해 외팔보 구조를 이용한 진동에 의한 기계적 변형을 전기 에너지로 변환하는 초소형의 발전기를 구현하여, 초소형의 자립형 지능 센서 구현을 비롯하여, 차량 등의 보조전원, 기존의 전지방식을 이용한 전자기기 등 다양한 분야에 쉽게 응용하는 데 있다. 또한 소형화로 인해 에너지 변환 효율의 저하를 방지하기 위해 다수의 외팔보 구조를 집적하여 단위 면적대비 출력되는 전력을 상승시키고자 한다.

본 발명은 전술한 바와 같이 기존의 저전력 구동의 MEMS 스위치, 탄성파 필터, 수정 진동자 등 전기적 에너지에 의한 변형을 이용한 역 압전현상을 이용한 것이 아니라, 외력에 의한 기계적 변형에 의해 압전 물질 표면에 전하의 변화가 생기는 압전 현상을 이용한다. 압전 물질로는 공진기 등에 응용되는 수정, 석영 등을 비롯해서 AlN, ZnO 등 RF용 탄성파 필터에 주로 응용되는 것과 최근 저전력 구동의 압전 엑추에이터에 많이 응용되는 PZT 등이 있다.

도 2와 같이 외부에서 힘이 작용하게 되면 물질의 결정 구조에 변형이 일어나게 된다. 이러한 변형은 물질의 전기적 평형 상태를 깨고 분극이 일어나게 되는데 이러한 분극으로 인해 압전 물질의 표면 전하량이 변하게 된다. 외력과 표면 전하의 상관관계는 다음 수학식 1과 수학식 2와 같이 2차 방적식을 통해 표현된다.

수식 1에서 D는 표면의 전기적 변위를 나타내며, d는 압전상수, σ는 외력을, k는 유전율을, E는 전기장을 나타낸다. 수학식 2에서 ε은 변형을, s는 물질의 영률(Young's modulus)을, d는 압전상수를, E는 전기장을 나타낸다. 전술한 수식에서 수학식 1은 압전 효과를 수학식 2는 역 압전 효과를 나타내는 수식으로서, 수학식 1에서 전기장(E)가 0이라고 할때, 표면 전위는 압전상수(d)와 외력(σ)에 의해 결정된다. 이렇게 생긴 전하량은 다음의 수학식 3과 같이 압전 물질 표면의 전극에 의한 커패시턴스(C)에와 전극 사이에 발생하는 전압(V)과의 관계로도 표현될 수있다.

본 발명에서는 위와 같은 현상을 이용하기 위해, 도 3과 같이 규소질화막(Si3N4)와 같은 탄성이 우수한 박막 위에 압전 박막을 증착한 외팔보 구조를 이용하여, 진동에 의해 외팔보의 한쪽이 상하로 휘어지게 되면 압전 박막이 도 3의 (c)에서 화살표와 같이 외팔보의 길이 방향(A에서 C)으로 팽창 수축하는 것을 이용하였다. 압전 박막이 외팔보 방향으로 팽창 수축하게 되면, 전술한 수식과 같이 그에 해당하는 표면 전하가 형성될 것이며, 이렇게 형성된 전하를 압전 박막 표면의 금속 전극을 통해 수집한다. 이때 수집되는 전하량은 압전 박막표면에 형성된 전극 사이의 커패시턴스에 따라 두 전극 사이의 전위차로 나타나게 되는데, 이렇게 수집된 전기 에너지는 외팔보의 진동에 따라 교류 형태를 띄게 된다. 이것은 정류회로를 통해 직류로 바꿀 수 있다. 따라서 출력되는 전기 에너지를 향상 시키기 위해서는 높은 압전상수를 갖는 압전 물질을 이용하여 구성된 외팔보의 움직임을 최대로 하면서, 전하를 수집하기 위한 전극의 면적을 최소화하여 전극 간의 커패시턴스를 줄여야 한다.

본 발명은 압전 현상을 이용한 자가 발전 소자의 구조 및 제조방법에 대해 개시한다. 본 발명의 소자를 통해 자립형 지능 센서구현에 핵심적은 부분이라 할 수 있는 전원 문제를 해결할 뿐만 아니라 차량용 보조 전원과 기존 휴대용 전자기 기의 전원에 많이 쓰이는 전지 방식을 대체할 수단으로 그 응용 분야가 다양할 뿐만 아니라, 발전 과정에서 생기는 유해한 부산물이 없기 때문에 친환경적인 대체 자원으로서 활용가치가 매우 크다 할 수 있다.

본 발명은 압전 박막을 이용하는 외팔보 구조의 소자로서, 도 1에서와 같이 규소기판위에 규소질화막 등의 탄성 박막과 압전 물질을 이용한 압전 박막으로 이루어진 외팔보(11)와 탄성 박막의 변형과 함께 변형하는 압전 박막의 표면에 생기는 전하를 수집할 금속으로 이루어진 전극(12)의 구성으로 이루어지며, 외팔보의 공진 주파수를 떨어뜨리기 위해 무게추(13)를 추가할 수 있다. 도 1은 16개의 외팔보(11)가 원형으로 배열되어 있는 것을 보여주고 있다.

도 3은 본 발명의 자가 발전 소자의 구성으로 서, PZT 등으로 구성된 압전 박막 필름(31)과 규소질화막 등의 탄성 박막(32)으로 이루어진 외팔보(34)구조를 갖는다. PZT와 같은 압전 물질 표면에 전극(35)을 배치한 구조다. 외팔보가 외부 힘에 의해 휘어지게 되면 (c)에서처럼 외팔보를 구성하는 박막의 팽창 및 수축 변형이 일어난다. 이때 이 변형되는 크기는 그림의 화살표 길이와 같이 A점에서 가장 크며 C로 갈수록 작아지며, 이 변형으로 생긴 전하는 전극을 통해 수집된다. 외팔보가 매우 작을경우 공진 주파수가 높기 때문에 무게추(33)를 구성하여 동작하는 공진 주파수를 낮출 수 있다. 공진 주파수를 낮춤으로써, 저주파에서의 외팔보의 변형을 극대화하여, 전력효율을 높일 수 있다.

전술한 외팔보는 다음과 같이 제작할 수 있다. 도 4의 (a)에서 처럼 기존의 규소기판위(44)에 규소질화막(43) 등으로 이루어진 탄성 박막을 증착한 다음 PZT와 같은 압전 박막(42)을 증착 후 전극으로 쓰일 금속(41)을 기존의 CVD와 스핀코팅, 스퍼터링 등의 방식을 이용하여 증착한다. 증착된 기판을 도 4의 (b)와 같이 전극을 구성하기 위해 RIE 혹은 플라즈마를 이용한 식각을 이용해 식각하여 도 2의 (b)와 같이 전극(25)을 구성한다. 이후, 도 4의 (c)에서 처럼 압전 박막과 그것을 지지할 탄성 박막을 RIE 혹은 플라즈마를 이용한 식각을 통해 도 2의 (b)에서와 같이 외팔보(24)를 구성한다. 마지막으로 도 4의 (d)와 같이 규소 기판의 뒤면을 Deep RIE와 같은 건식 식각이나 수산화칼륨(KOH)용액을 이용한 습식 식각 방식을 이용하여 도 4의 (c)에서 구성한 외팔보를 완성하며, 지지부와 무게추를 남긴다.

자가발전 소자의 단위 면적당 생산되는 전력을 극대화하기 위해 전술한 외팔보가 다수가 필요하게 되는데, 도 5와 같이, 외팔보를 원형으로 배열하여 단위 면적당 생산되는 전력량을 극대화할 수 있다. 도면 3의 단위 외팔보를 원형으로 집적하는 구조로서, 압전 박막 필름(51), 규소질화막등의 탄성 박막(52)로 구성되어 외팔보(53)를 구성한다. (b)와 같이 외팔보가 무게추(57)를 중심으로 외팔보(53)가 원형으로 배치되며 외팔보 사이(55)는 식각 공정으로 제거된다. 전극(56)은 외팔보 표면에 그림처럼 엇갈림 구조(interdigit)로 구현된다. 도 5의 구조는 도 3의 구조를 집적한 것뿐만 아니라, 외팔보를 구성하는 압전 박막 필름이 도 3과 같은 구조에서는 한쪽만 수축 혹은 팽창이 일어나고, 본 도면의 구조에서는 (c)의 B를 중심으로 양쪽에서 수축과 팽창이 되기 때문에 외력에 의해 생기는 전하의 수집 효율이 더욱 크다.

도 1은 본 발명의 자가 발전 소자의 사시도.

도 2는 압전 현상에 관한 설명도.

도 3은 본 발명의 자가 발전 소자를 나타내는 구성도.

도 4는 공정 순서를 나타내는 예시도.

도 5는 도면 3의 단위 외팔보를 원형으로 집적하는 예시도.

Claims (11)

1. 초소형 압전 자가 발전기에 있어서, 외력에 의해 전하를 발생시키는 외팔보 및 상기 외팔보에 형성되며 발생된 전하를 수집하는 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 자가 발전기.
2. 제1항에 있어서, 상기 외팔보는 외력에 의해 변형되는 탄성체와 일체로 이루어져 상기 탄성체의 변형에 의해 함께 변형되어 전하를 발생시키는 PZT, PLZT, PVDF와 같은 압전 박막 혹은 후막을 포함하는 것을 특징으로 하는 자가 발전기.
3. 제 2항에 있어서, 탄성 박막위에 압전 박막을 구성하되, 압전 박막의 위 아래에 전극을 샌드위치 형태의 RuO2와같은 산화물이나 Pt, Au와 같은 금속의 MPM(Metal Piezoelectric-layer Metal) 전극으로서, 압전 박막 상부 하부에 발생하는 전하를 수집하는 구조.
4. 제 2항에 있어서, 탄성 박막위에 압전 박막을 구성하되, 압전 박막의 위에 형성된 엇갈림을 갖는 콤 구조의 RuO2와같은 산화물이나 Pt, Au와 같은 금속의 전극으로서, 압전 박막 표면에 형성된 전하를 수집하는 구조.
5. 제 2항에 있어서, 탄성 박막위에 압전 박막을 구성하되, 압전 박막의 위에 형성된 엇갈림 구조의 전극으로서, 외팔보의 변형이 큰 부분과 변형이 적은 부분의 전극 간격에 차등을 줌으로써, 전극에 의한 커패시턴스 크기를 줄이고 변형에 의한 전하량을 늘림으로써 전력 혹은 전압 효율을 높이는 구조.
6. 제 2항에 있어서, 외력에 의한 외팔보의 변형을 극대화하기 위해 외팔보 끝 단에 무게추를 형성한 구조.
7. 상기 다수의 외팔보들을 무게추를 중심으로 원형 혹은 그에 준하는 다각형으로 배열된 것을 특징으로 하는 자가 발전기.
8. 기판상에 탄성 박막을 형성하는 단계, 상기 형성된 탄성박막위에 산화막 혹은 금속막을 증착하여 압전막이 잘 성장되게 하는 단계, 상기 형성된 산화막 혹은 금속막상에 압전 박막을 증착하는 단계, 상기 증착된 압전 박막 상에 금속 박막을 증착하는 단계, 상기 증착된 금속 박막을 식각하여 전극을 형성하는 단계, 상기 전극이 형성되지 않은 부위의 상기 압전 박막과 탄성 박막을 식각하여 상기 압전 박막과 탄성 박막으로 이루어진 다수의 외팔보들을 형성하는 단계 및 외력에 의해 상기 다수의 외팔보들이 휘어지도록 상기 기판 하면의 해당 부위를 식각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
9. 제 8항에 있어서,상기 다수의 외팔보들을 형성하는 단계는, 상기 다수의 외 팔보들이 원형으로 배열되도록 상기 압전 박막과 탄성 박막을 식각하는 것을 특징으로 하는 자가 발전기 제조 방법.
10. 제 9항에 있어서, 상기 기판 하면의 해당 부위를 식각하는 단계는, 상기 원형으로 배열된 외팔보들의 중앙에 위치하여 상기 외팔보들의 움직임을 증가시키기 위한 무게추가 형성되도록 식각하는 것을 특징으로 하는 자가 발전기 제조 방법.
11. CSP(Chip Stacking Packaging)기술 등을 이용하여 여러개의 자가발전 소자를 단일 패키지에 적층하여 직렬연결 함으로써, 단위 면적당 생산되는 전력을 향상시키는 구조.

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