KR20100121031A - 다중 재생에너지 수집 장치 - Google Patents

Abstract

주변의 빛, 진동 등 재생에너지를 수집하여 전기를 발생시키는 에너지 수집소자 및 그 제조 방법이 개시된다. 본 에너지 수집소자는 태양과 진등 등 두가지 이상의 재생에너지를 수집하기 위해 태양광으로부터 전기를 발생시키는 태양전지;와 주변의 미세 진동으로부터 전기를 생성하는 진동에너지 수집소자; 상기의 두가지 재생에너지 수집 소자의 집적 및 패키징으로 구성된다.

재생에너지, 태양전지, 진동, 압전현상, 자가발전

Description

다중 재생에너지 수집 장치 {MANIFOLD RENEWABLE ENERGY HARVESTER}

본 발명은 전원 공급 장치에 관한 것으로, 특히 주변의 재생에너지를 전기적 에너지로 변환하는 에너지 수집 소자에 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 전지 자체의 제한된 수명과 함께 보관이 까다로운데, 동작 온도가 올라가면 자연방전이 증가하여 수명이 더욱 줄어든다.

한편, 전지 방식에서 벗어난 대체 에너지원으로 태양전지가 각광 받고 있다. 반도체의 PN 접합에 조사하여 광전효과에 의해 발생한 광기전력을 이용하는 태양전지는 반도체 기술의 발달에 따라 자연스럽게 기술발전이 이뤄졌다. 이러한 기술의 발전에도 태양전지는 조사되는 빛의 양에 따라 출력 전력이 크게 변화되어, 직사광선과 실내에서의 출력 전력은 큰 차이를 보인다. 따라서 이러한 태양전지를 보완해주기 위해 태양전지의 집광 구조 개선 등 다양한 연구가 진행되고 있다. 태양전지 외에도 주변에서 쉽게 얻을 수 있는 진동에너지, 열에너지 등의 재생에너지를 이용하는 다양한 방식의 에너지 수집 소자에 대한 연구가 진행되고 있다. 하지만 이러한 에너지 수집 소자의 출력 전력은 수십 uW로 실제 응용에는 한계를 보이고 있기 때문에 개선을 위한 연구 또한 진행 중이다.

재생에너지 수집 소자는 각각 장단점이 있다. 태양전지는 높은 출력 전력을 갖는 반면 날씨에 따라, 설치된 장소에 따라 출력 전력이 천차만별하다. 이와는 반대로 진동에너지 수집 소자는 외부 환경에 관계없이 진동만 있으면 전력을 생산하나 생산 전력이 매우 낮은 편이다. 이렇듯 각각의 재생에너지 수집소자는 한계를 갖고 있기 때문에, 본 발명에서는 두 가지 이상의 재생에너지 수집 소자를 결합하여 각각의 단점을 보완하고자 한다. 특히 재생에너지 중 진동에너지는 주변에서 쉽게 구할 수 있으며, 비교적 높은 에너지 밀도를 갖고 있어 태양전지와 결합하면 그 활용성이 매우 크기 때문에, 외부환경에 영향을 많이 받는 태양에너지와 진동에너지 수집 소자를 결합한 개념의 새로운 재생에너지 수집 소자는 큰 활용성을 갖고 있다. 본 발명을 통하여 낮은 전력을 필요로 하는 초소형의 지능형 센서 구현을 비롯하여, 차량 등의 보조전원, 기존의 전지방식을 이용한 전자기기 등 다양한 분야에 쉽게 응용하는 데 있다.

본 발명은 기존의 태양전지와, 압전현상을 이용한 진동에너지 수집소자를 결 합한 구조를 이용하여 구현된다. 압전 현상을 이용한 진동에너지를 수집 소자는 에너지 수집을 위해 스프링 구조 등이 사용되는데, 외부의 이물질에 의해 오염되면 특성이 변하기 때문에 소자를 외부환경으로부터 보호하기 위한 패키징이 필수적이다. 패키징된 진동에너지 수집소자는 날씨와 위치에따른 외부 환경에 상관없이 진동에너지가 발생하면 수집하여 변환이 가능하다. 반면 태양전지는 집광면적을 넓히기 위해 외부에 최대한 노출되는 구조를 갖다. 따라서 도 1과 같이 두 가지의 이상의 재생에너지 수집소자의 결합을 통해 각각 소자의 단점을 보완하여 성능을 극대화 할 수 있다.

두 가지 이상의 재생에너지 수집소자의 결합방식은 크게 3가지로 분류 할 수 있다. 첫 째로 개별 소자를 하나의 기판에 집적하여 기기화, 모듈화 하는 방법이다. 두 번째는, 대부분 대량 생산이 가능한 반도체 공정을 이용하기 때문에 각각의 bare칩을 하나의 패키징 기판에 실장하여 와이어 본딩 (wire bonding) 등의 패키징 기술을 이용하여 하나의 소자로 만드는 방법. 세 번째는, 반도체 공정을 통해 웨이퍼 상태에서 서로 결합하는 웨이퍼 레벨 패키징 (wafer level packaging) 기술을 이용하는 방법이다. 세 번째 방법은 두장이상의 웨이퍼를 각종 본딩 기술을 이용하여 결합시켜 따로 패키징이 필요없는 소자로 만들기 때문에 대량생산이 가능하다.

본 발명을 통해 대표적인 재생에너지 수집 소자인 태양 전지의 단점을 보완하여 환경변화에도 충분한 전력을 생산하는 자가 발전 소자를 구현할 수 있다. 또한 본 발명의 소자는 자립형 지능 센서구현에 핵심적은 부분이라 할 수 있는 전원 문제를 해결할 뿐만 아니라 차량용 보조 전원과 기존 휴대용 전자기기의 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 발명의 재생에너지 수집 소자(14)는 도 3에서와 같이 태양전지(11)와 진동에너지 수집 소자(13)를 웨이퍼레벨 패키징 기술을 이용하여 구현할 수 있다. 본 발명에 사용된 태양전지는 도 3와 같이 규소질화막(SiNx)과 규소(Si)로 구성된 반사방지막(21)과 알루미늄(Al) 등올 이뤄진 전극(22)과 도핑된 반도체와 그 정합구조(24,25) 그리고 하부전극(23)으로 이루어져 있다. 또한 진동에너지 소자는 압전 박막을 이용하는 외팔보 구조의 소자로서, 도 4에서와 같이 규소기판위에 규소질화막 등의 탄성 박막(33)과 압전 물질을 이용한 압전 박막으로 이루어진 외팔보(34)와 탄성 박막의 변형과 함께 변형하는 압전 박막의 표면에 생기는 전하를 수집할 금속으로 이루어진 전극(31)의 구성으로 이루어지며, 외팔보의 공진 주파수를 떨어뜨리기 위해 무게추(32)를 추가할 수 있다. 도 4은 다수의 외팔보(11)가 원형으로 배열되어 있는 것을 보여주고 있다.

각각의 웨이퍼로 제작된 도 3의 태양전지 기판과 도 4의 진동에너지 수집 소자 기판은 다양한 본딩 기술을 이용하여 접합할 수 있다. 압전 현상을 이용한 진동에너지를 수집 소자는 외부환경으로부터 보호하기 위한 패키징이 필수적이다. 반면 태양전지는 집광면적을 넓히기 위해 외부에 최대한 노출 되어야 하기 때문에 도 5 와 같이 상부에 태양전지 기판(41)을 위치시키고 진동에 따라 움직이는 진동에너지 수집소자 기판(42) 그리고 두 기판사이의 이격을 위한 구조물(44) 및 봉인하기위한 기판(43)을 본딩하여 동시에 2가지 이상의 재생에너지를 수집할 수 있는 소자가 구현된다. 본 재생에너지 수집 소자에 도 7과 같은 정류회로 및 전력 관리회로를 함께 패키징 하여 하나의 전력 소자 또는 모듈을 구현할 수 있다. 도 6의 IC 기판은 실리콘 기판(53)에 불순물 주입(52), 금속 배선(57), 유전층(56) 등으로 이루어진 트랜지스터(58)을 이용한 회로와 소자를 보호하기 위한 보호층(51)과 IC 기판과 다른 기판을 연결하기위한 비아(55)로 구성되어있으며, 진동에너지 수집 소자등의 원활한 구동을 위해 공극(54)등도 형성 가능하다. 이렇게 제작된 IC 기판(62)을 도 7과 같이 태양전지 기판(61)과 진동에너지 수집 소자 기판(63)과 함께 본딩하여 전력소자 혹은 모듈을 구현할 수 있다.

도 1은 본 발명의 다수의 재생에너지 수집을 위한 소자의 개념도.

도 2은 본 발명의 재생에너지 수집 소자의 실시예.

도 3는 태양전지 구조의 예시도.

도 4은 본 발명의 진동에너지 수집 소자의 예시도.

도 5는 제안하는 재생에너지 수집 소자의 예시도.

도 6는 CMOS 기판의 예시도.

도 7는 도면 4에 IC 회로를 포함하는 예시도.

Claims (3)

1. 재생에너지 수집 소자에 있어서, 태양전지, 진동에너지 또는 열에너지 등 두 가지 이상의 재생에너지를 수집하여 전기를 발생시키는 것을 특징으로 하는 자가 발전 장치.
2. 제1항에 있어서, 정류, 스위치, 전력 관리 기능을 포함하는 것을 특징으로 하는 자가 발전 기기.
3. 제 2항에 있어서, 전지 혹은 수퍼 커패시터를 포함하여 일정 기간 동안 전기에너지를 저장시키는 기능을 포함하는 것을 특징으로 하는 자가 발전 장치.

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