KR20120070040A - 압전 마이크로 에너지 수확기 및 이의 제조 방법 - Google Patents
압전 마이크로 에너지 수확기 및 이의 제조 방법 Download PDFInfo
- Publication number
- KR20120070040A KR20120070040A KR1020100131434A KR20100131434A KR20120070040A KR 20120070040 A KR20120070040 A KR 20120070040A KR 1020100131434 A KR1020100131434 A KR 1020100131434A KR 20100131434 A KR20100131434 A KR 20100131434A KR 20120070040 A KR20120070040 A KR 20120070040A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- electrode body
- piezoelectric
- energy harvester
- substrate
- film
- Prior art date
Links
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 35
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 52
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 54
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 24
- 239000002243 precursor Substances 0.000 claims description 13
- 238000000926 separation method Methods 0.000 claims description 13
- 230000004044 response Effects 0.000 claims description 8
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 7
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims description 7
- 238000000059 patterning Methods 0.000 claims description 6
- 229910010272 inorganic material Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000011147 inorganic material Substances 0.000 claims description 5
- 230000000873 masking effect Effects 0.000 claims description 5
- 239000011368 organic material Substances 0.000 claims description 5
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 claims description 4
- 238000000708 deep reactive-ion etching Methods 0.000 claims description 4
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 4
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 4
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 claims description 4
- 238000001312 dry etching Methods 0.000 claims description 3
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 claims description 3
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 claims description 3
- 241000251468 Actinopterygii Species 0.000 claims description 2
- 210000000988 bone and bone Anatomy 0.000 claims description 2
- 238000003618 dip coating Methods 0.000 claims description 2
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 claims description 2
- 238000004549 pulsed laser deposition Methods 0.000 claims description 2
- 238000007650 screen-printing Methods 0.000 claims description 2
- 238000005507 spraying Methods 0.000 claims description 2
- 238000001020 plasma etching Methods 0.000 claims 3
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims 1
- 239000010408 film Substances 0.000 description 80
- 230000008569 process Effects 0.000 description 23
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 13
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 12
- 241001124569 Lycaenidae Species 0.000 description 8
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 6
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 5
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 5
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 5
- XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N Zinc monoxide Chemical compound [Zn]=O XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000003491 array Methods 0.000 description 4
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 4
- 229920002120 photoresistant polymer Polymers 0.000 description 4
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 3
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 3
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 2
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 2
- PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M copper(1+);methylsulfanylmethane;bromide Chemical compound Br[Cu].CSC PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 239000004205 dimethyl polysiloxane Substances 0.000 description 2
- 235000013870 dimethyl polysiloxane Nutrition 0.000 description 2
- 238000003306 harvesting Methods 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 2
- 229910052451 lead zirconate titanate Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002070 nanowire Substances 0.000 description 2
- 229920000435 poly(dimethylsiloxane) Polymers 0.000 description 2
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 2
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 2
- 239000011787 zinc oxide Substances 0.000 description 2
- 239000002033 PVDF binder Substances 0.000 description 1
- 229910020684 PbZr Inorganic materials 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000005674 electromagnetic induction Effects 0.000 description 1
- 238000003912 environmental pollution Methods 0.000 description 1
- 238000007667 floating Methods 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 238000010030 laminating Methods 0.000 description 1
- HFGPZNIAWCZYJU-UHFFFAOYSA-N lead zirconate titanate Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[Ti+4].[Zr+4].[Pb+2] HFGPZNIAWCZYJU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- 238000005459 micromachining Methods 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 239000002071 nanotube Substances 0.000 description 1
- CXQXSVUQTKDNFP-UHFFFAOYSA-N octamethyltrisiloxane Chemical compound C[Si](C)(C)O[Si](C)(C)O[Si](C)(C)C CXQXSVUQTKDNFP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 1
- 238000004987 plasma desorption mass spectroscopy Methods 0.000 description 1
- -1 polydimethylsiloxane Polymers 0.000 description 1
- 239000002861 polymer material Substances 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 239000002516 radical scavenger Substances 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 1
- LIVNPJMFVYWSIS-UHFFFAOYSA-N silicon monoxide Chemical class [Si-]#[O+] LIVNPJMFVYWSIS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 239000007790 solid phase Substances 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000004528 spin coating Methods 0.000 description 1
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 1
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 1
- 230000002277 temperature effect Effects 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- 238000000427 thin-film deposition Methods 0.000 description 1
- 238000001039 wet etching Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
- H02N2/18—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
- H02N2/18—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators
- H02N2/186—Vibration harvesters
- H02N2/188—Vibration harvesters adapted for resonant operation
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/01—Manufacture or treatment
- H10N30/06—Forming electrodes or interconnections, e.g. leads or terminals
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/01—Manufacture or treatment
- H10N30/07—Forming of piezoelectric or electrostrictive parts or bodies on an electrical element or another base
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/01—Manufacture or treatment
- H10N30/07—Forming of piezoelectric or electrostrictive parts or bodies on an electrical element or another base
- H10N30/074—Forming of piezoelectric or electrostrictive parts or bodies on an electrical element or another base by depositing piezoelectric or electrostrictive layers, e.g. aerosol or screen printing
- H10N30/076—Forming of piezoelectric or electrostrictive parts or bodies on an electrical element or another base by depositing piezoelectric or electrostrictive layers, e.g. aerosol or screen printing by vapour phase deposition
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/01—Manufacture or treatment
- H10N30/07—Forming of piezoelectric or electrostrictive parts or bodies on an electrical element or another base
- H10N30/074—Forming of piezoelectric or electrostrictive parts or bodies on an electrical element or another base by depositing piezoelectric or electrostrictive layers, e.g. aerosol or screen printing
- H10N30/077—Forming of piezoelectric or electrostrictive parts or bodies on an electrical element or another base by depositing piezoelectric or electrostrictive layers, e.g. aerosol or screen printing by liquid phase deposition
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/01—Manufacture or treatment
- H10N30/07—Forming of piezoelectric or electrostrictive parts or bodies on an electrical element or another base
- H10N30/074—Forming of piezoelectric or electrostrictive parts or bodies on an electrical element or another base by depositing piezoelectric or electrostrictive layers, e.g. aerosol or screen printing
- H10N30/077—Forming of piezoelectric or electrostrictive parts or bodies on an electrical element or another base by depositing piezoelectric or electrostrictive layers, e.g. aerosol or screen printing by liquid phase deposition
- H10N30/078—Forming of piezoelectric or electrostrictive parts or bodies on an electrical element or another base by depositing piezoelectric or electrostrictive layers, e.g. aerosol or screen printing by liquid phase deposition by sol-gel deposition
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/30—Piezoelectric or electrostrictive devices with mechanical input and electrical output, e.g. functioning as generators or sensors
- H10N30/304—Beam type
- H10N30/306—Cantilevers
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/80—Constructional details
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
- Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
- Y10T29/00—Metal working
- Y10T29/42—Piezoelectric device making
Abstract
본 발명은 압전 마이크로 에너지 수확기와 이의 제조 방법에 관한 것으로, 기판; 상기 기판 내에 기설정된 깊이와 폭을 가지고 형성되고, 상부가 개방된 구조를 가지는 열린 공동; 상기 기판 상에 형성되고, 포집된 전기 에너지를 외부로 전달하는 제1 전극 패드, 제2 전극 패드; 일단이 상기 제1 전극 패드에 연결되고 타단이 상기 열린 공동의 상부에 부양되는 중앙 전극체와, 일단이 상기 제2 전극 패드에 연결되고 타단이 상기 열린 공동의 상부에 부양되는 측면 전극체를 포함하고, 발생된 전기 에너지를 포집하는 전극체; 및 상기 중앙 전극체 및 상기 측면 전극체 사이와 상기 전극체의 상부 면에 형성되고, 기계적 스트레인 변화에 상응하여 전기 에너지를 발생하는 압전막을 포함하고, 각각 임의의 크기를 갖는 다수의 소자로 구성되는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 주변 환경에서 발생하는 기계 에너지를 전기 에너지로 변화시켜 자체적으로 전력을 생성하는 압전 마이크로 에너지 수확기 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 소형의 간단한 구조를 가지고, 다양한 종류의 물질을 에너지 변환 기능막인 압전막으로 사용하는 압전 마이크로 에너지 수확기 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 센서는 내부에 장착된 전지로부터 전원을 공급받기 위해 주기적으로 전지를 교환해야 하고, 이때 센서 전체를 탈부착해야되기 때문에 정비 비용, 전지 수명, 고온 영향 및 환경 오염 등의 문제가 발생한다. 이에 따라, 최근에는 배터리나 가정용 전원 등을 포함하는 외부 전원을 대신하여 자체적으로 전력을 생성하고 동작하는 자급형 센서(Self-Powered Sensor)의 필요성이 증대되고 있고, 특히 무선 센서에 전력을 공급할 수 있는 에너지 수확기(Energy Harvester, Energy Scavenger)의 개발이 요구되고 있다.
따라서, 무선 센서 기술은 전력원으로서 고정된 전지를 필요로 하지 않는 무전지형으로 진화될 것으로 전망되고 있다. 또한, 이러한 기술은 차량 공기압 감지시스템(TPMS: Tire Pressure Monitoring System)을 위시한 운송 및 물류, 모터 상태 제어 등의 공장 관리, 스마트 그리드(Smart Grid) 등의 전력망 제어, 스마트 홈(Smart Home) 및 빌딩 제어, 환경 및 농수산업 분야 등에 적용되어 관련 서비스를 더욱 고도화할 수 있다.
그러나, 여러 장소의 다양한 환경 하에서 센서 모듈을 무전원으로 운용하기 위한 근원적 해결책인 에너지 수확기의 개발은 아직도 미제로 남아있으며, 세계의 선진 연구그룹들은 그 에너지원으로 진동, 태양, 바람 및 열 등의 응용에 대한 연구를 진행하고 있다. 무선 센서 모듈은 이러한 물리량으로부터 필요한 전력을 공급받아 운용 시간을 연장하거나 특정한 용도의 매립형 센서 형태로 진화되어 더욱 유익한 정보를 제공해 줄 수 있을 것이다.
예를 들면, 진동이 항상 존재하는 환경을 제공하는 장소나 장치는 모터, 자동차 타이어의 회전 장치를 예로 들 수 있다. 모터나 자동차 타이어의 회전 장치의 상태를 실시간으로 모니터링하는 무선 센서 모듈은 에너지 수확기와 함께 설치되며, 에너지 수확기는 기계적 진동을 전기 에너지로 변화시켜 외부 전원 공급 장치가 없어도 무선 센서 모듈로 전원을 공급할 수 있다.
주위 환경에서 발생하는 진동, 충격, 회전력, 관성력, 압력 및 유체 흐름 등의 기계 에너지를 전기 에너지로 변화시키는 에너지 수확기는 그 변환 메커니즘으로 압전 변환(Piezoelectric Conversion), 전자기 유도(Electromagnetic Induction) 및 정전용량 변환(Electrostatic Conversion) 등을 활용한다. 이중 압전 변환 방법은 에너지 변환 기능 물질로 압전 물질(Piezoelectric Material)을 이용하는 방법으로서, 세라믹 등의 무기 물질이나 폴리머 등의 유기 물질로 이루어진 압전 물질에 스트레인 변화가 있을 때 전하를 생성하는 특성을 이용함으로써, 그 변환 방법이 간단하고, 높은 출력 전압을 얻을 수 있으며, 외부 전압원이 불필요하여 구조적으로 용이하게 구현할 수 있다는 장점이 있다.
상기와 같은 압전 물질을 이용한 압전 에너지 수확기는 압전체와 전극을 포함하고, 압전체에 인가되는 기계적 스트레인 변화에 따라 생성되는 전하를 전극에서 포집함으로써, 자체적으로 전기적 에너지를 생성한다.
종래의 압전 에너지 수확기는 세라믹 소결된 압전체를 패치 형태로 기계적인 변위를 줄 수 있는 기계적인 구조물에 잘라서 붙이거나, 후막 형태의 압전 물질을 FR-4계 PCB(Printed Circuit Board)나 폴리머 재질 또는 PDMS(Polydimethylsiloxane) 등을 포함하는 강성이 비교적 적은 물질에 형성하여 사용하는 방법으로 주로 구현되어 왔다. 그러나, 이러한 방법들은 다양한 형태의 구조들을 기계적으로 가공, 정렬 및 조립하는 방법이므로 제작 비용이 높아지는 문제점이 지적되어 왔다.
한편, 최근에는 반도체 공정을 적용한 미세전기기계집적시스템(Micro Electro Mechanical System; MEMS) 기술을 주로 활용한 소형의 압전 마이크로 에너지 수확기가 연구되고 있다. 그러나 압전 마이크로 에너지 수확기는 주요 기능 요소들을 형성하는 데 최소 3~4개, 최대 10개 이상의 패턴 마스크가 사용된다. 압전 마이크로 에너지 수확기는 박막 증착, 감광막 도포, 미세 패터닝 및 박막 식각의 공정을 반복적으로 수행하여 기판의 수직 방향으로 상술한 기능 요소들을 순차적으로 적층하여 제작한다. 따라서, 종래의 반도체 공정을 이용하여 압전 마이크로 에너지 수확기를 제작하는 경우, 생산 비용이 많이 들고, 장기간의 제작 기간이 소용되며, 제작 수율이 떨어지는 문제점이 있다.
지금까지 대부분의 압전 마이크로 에너지 수확기를 제작하는 방법은 몸체 미세가공(Bulk Micromachining)에 의한 미세가공 공정으로 주로 실리콘 기판 위에 전극, 압전막 등 주요 기능 요소들을 순차적으로 형성한 후에 실리콘 기판 뒷면을 미세가공하여 식각 피트(Etched Pit)나 홈(Groove)을 형성하고, 질량체(Proof Mass)와 함께 기판으로부터 분리된 외팔보(캔티레버, Cantilever) 등의 부양된(Suspended) 구조를 제작한다. 이러한 방법은 기판 양면 공정으로 제작 비용이 높고, 실리콘 기판 자체의 결정 방향성을 이용한 습식 식각을 위주로 하는 제작 방법이므로 압전 마이크로 에너지 수확기의 미세구조의 깊이와 모양 등 기하학적인 형상을 임의로 조절할 수 없어 소형화에 제약이 있었다. 또한, 고가의 기판인 SOI(Silicon-on-Insulator) 구조의 웨이퍼를 사용하여 압전 마이크로 에너지 수확기 구조를 구현하는 경우 그 제작 비용이 한층 더 높아진다.
한편, 압전 마이크로 에너지 수확기에서는 외부 환경으로부터 입력되는 기계 에너지를 전기 에너지로 변환하는 에너지 변환용 기능 물질이 필요하고, 압전 방식의 경우 압전 물질이 주로 사용되고 있다. 예를 들면, PZT(Lead Zirconate Titanate, PbZrxTi1 - xO3), PMN-PT[(1-x)Pb(Mg1 /3Nb2 /3)O3 - xPbTiO3], BaTiO3, ZnO(Zinc Oxide), AlN(Aluminum Nitride) 등의 세라믹이나 금속 산화물(Metal Oxide), 반도체 등의 무기물질, PVDF(Polyvinylidene Fluoride) 등의 유기물질, 나노선(Nano Wire), 나노 튜브(Nano Tube) 등의 나노 물질을 포함하는 압전 물질이 연구되고 있다. 통상 압전막은 패턴 마스크를 이용하여 압전 마이크로 에너지 수확기의 제조 공정 중에 소자에 직접 압전막 재료를 미세 패터닝하여 형성하거나, 소자를 미세 정렬한 후 그 표면의 해당 위치에 원재료 상태인 원료 물질을 잘라서 패치 형태로 본딩(Bonding) 접착하여 형성한다. 이러한 방법들은 사용하고자 하는 각각의 압전막 물질에 따른 고유한 형성 공정과 본딩 방법을 개발하여야 하고 미세한 정렬이 필요하므로 제조 비용이 고가인 문제점이 있다. 따라서, 다양한 종류의 물질을 에너지 변환 기능막인 압전막 재료로서 사용할 수 있도록 소자 표면의 특정 위치에 미세 패턴을 용이하게 형성할 수 있는 기술이 필요하다.
한편, 자연계에는 다양한 영역의 기계적인 진동 주파수 스펙트럼이 존재하는데 이를 개별적으로 제어하기가 극히 어려우므로, 실제적으로 압전 마이크로 에너지 수확기를 구현하려면 다양한 외부의 기계적인 주파수에서도 전기 에너지 변환이 가능하도록 해야 한다. 즉, 압전 마이크로 에너지 수확기를 광대역 주파수에 적합하도록 설계하거나 외부 환경의 주파수 특성을 정밀 분석하여 이에 대응하도록 세밀하게 설계해야 한다. 그러나, 현실적으로 외부의 광대역 주파수에 감응하도록 구조를 설계하는 것이 에너지 효율 면에서 더욱 이상적이라 할 것이다.
따라서, 소형으로 간단한 구조를 가지고, 그 제작 방법이 간단하여 제작 비용이 저렴하며, 임의의 형태로 구현할 수 있고, 다양한 종류의 압전막을 기능막으로서 용이하게 사용할 수 있으며, 광대역의 외부 주파수에 감응하는 장점을 가진 압전 마이크로 에너지 수확기와 이의 제조 방법이 요구된다.
따라서, 본 발명의 목적은 반도체 공정에 의해 소형의 간단한 구조를 가지는 압전 마이크로 에너지 수확기 및 이의 제조 방법을 제공하는 데에 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 에너지 변환 기능막으로 다양한 종류의 물질을 압전막으로서 용이하게 사용할 수 있는 압전 마이크로 에너지 수확기 및 이의 제조 방법을 제공하는 데에 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 저렴한 가격으로 대량 생산이 용이한 압전 마이크로 에너지 수확기 및 이의 제조 방법을 제공하는 데에 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 외부 환경의 광대역 주파수에 감응하는 압전 마이크로 에너지 수확기 및 이의 제조 방법을 제공하는 데에 있다.
이를 위하여, 본 발명의 일실시예에 따른 압전 마이크로 에너지 수확기는 기판; 상기 기판 내에 기설정된 깊이와 폭을 가지고 형성되고, 상부가 개방된 구조를 가지는 열린 공동; 상기 기판 상에 형성되고, 포집된 전기 에너지를 외부로 전달하는 제1 전극 패드, 제2 전극 패드; 일단이 상기 제1 전극 패드에 연결되고 타단이 상기 열린 공동의 상부에 부양되는 중앙 전극체와, 일단이 상기 제2 전극 패드에 연결되고 타단이 상기 열린 공동의 상부에 부양되는 측면 전극체를 포함하고, 발생된 전기 에너지를 포집하는 전극체; 및 상기 중앙 전극체 및 상기 측면 전극체 사이와 상기 전극체의 상부 면에 형성되고, 기계적 스트레인 변화에 상응하여 전기 에너지를 발생하는 압전막을 포함하고, 각각 임의의 크기를 갖는 다수의 소자로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 이를 위하여, 본 발명의 일실시예에 따른 압전 마이크로 에너지 수확기의 제조 방법은 기판 상에 절연막을 형성하는 단계; 상기 절연막을 패터닝하여 전극 패드 패턴, 중앙 전극체 패턴 및 측면 전극체 패턴을 형성하는 단계; 상기 중앙 전극체 패턴 및 상기 측면 전극체 패턴이 부양되도록 상기 기판 내부에 열린 공동을 형성하는 단계; 상기 전극 패드 패턴, 상기 중앙 전극체 패턴 및 상기 측면 전극체 패턴 상에 도전막을 증착하여 전극 패드, 중앙 전극체 및 측면 전극체를 형성하는 단계; 및 상기 중앙 전극체 및 상기 측면 전극체의 사이와 그 상부 면을 덮는 압전막을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명에 의하면 압전 마이크로 에너지 수확기는 소형의 크기로 간단한 구조를 가지고, 임의의 형상의 미세구조를 형성할 수 있으며, 다양한 종류의 물질을 에너지 변환 기능막인 압전막으로서 용이하게 형성하여 사용할 수 있다.
또한, 광대역 주파수에 걸쳐 감응하여 주변 환경에서 발생하는 기계 에너지를 전기 에너지로 변화시켜 자체적으로 전력을 생성하는 압전 마이크로 에너지 수확기를 구현할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 압전 마이크로 에너지 수확기의 평면도,
도 2는 도 1의 압전 마이크로 에너지 수확기의 AA' 라인의 단면도,
도 3 내지 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 압전 마이크로 에너지 수확기의 제조 방법을 나타낸 공정 흐름도,
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 압전 마이크로 에너지 수확기와 종래의 압전 에너지 수확기의 외부 주파수 감응 특성을 비교한 그래프이다.
도 2는 도 1의 압전 마이크로 에너지 수확기의 AA' 라인의 단면도,
도 3 내지 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 압전 마이크로 에너지 수확기의 제조 방법을 나타낸 공정 흐름도,
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 압전 마이크로 에너지 수확기와 종래의 압전 에너지 수확기의 외부 주파수 감응 특성을 비교한 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명의 구성 및 그에 따른 작용 효과는 이하의 상세한 설명을 통해 명확하게 이해될 것이다.
본 발명의 일실시예에 따른 압전 마이크로 에너지 수확기에서 외부 환경의 주파수에 감응하는 부양 미세 구조물의 형태를 외팔보 형태로 예를 들어 설명하고 있지만, 본 발명의 압전 마이크로 에너지 수확기의 기본 구조는 특정한 형태에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 압전 마이크로 에너지 수확기의 평면도이고, 도 2는 도 1의 압전 마이크로 에너지 수확기의 AA' 라인의 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 압전 마이크로 에너지 수확기(110)는 주변 환경을 이용하여 자체적으로 전력을 생성하고, 기판(101)의 일 영역에 일정한 깊이와 폭을 가지고 형성된 다수의 열린 공동(116), 기판(101) 상에 형성되는 구조물들을 지지하기 위한 다수의 지지부(101a), 외부와의 신호 전달을 위한 다수의 전극 패드(Ec, Es), 압전막(130)에 의해 생성되는 전기 에너지를 포집하는 다수의 전극체(114) 및 다수의 전극체(114) 사이와 다수의 전극체(114) 상부 면에 형성되는 다수의 압전막(130)을 포함한다. 여기서, 기판(101)은 반도체, 도체 및 절연체 물질 등을 포함하는 물질로 이루어질 수 있다.
이와 같은 형태에 의해 본 발명에 따른 압전 마이크로 에너지 수확기(110)는 첫 번째(1st Energy Harvester)부터 n 번째(nth Energy Harvester)(n=1, 2, 3, ..., n)까지의 다수의 소자로 배열될 수 있고, 압전막(130)으로 덮여지고 외팔보(Cantilever) 형태를 가지는 부양 구조물의 폭(W)과 길이(L), 그리고 그 자체가 가지는 질량(Proof Mass)을 적절하게 설계함으로써 외부 환경에 대한 감응 주파수와 감응 대역을 조절할 수 있다.
열린 공동(116)은 주변 환경 변화에 의해 압전 마이크로 에너지 수확기(110)에서 기계적인 움직임이 발생하는 경우, 그 부위를 기판(101)으로부터 이격시켜 자유롭게 움직일 수 있게 하는 역할을 수행한다. 열린 공동(116)은 상부가 열린 구조를 가지고, 일정한 깊이와 폭을 가지며, 기판(101) 내에 형성된다. 여기서, 열린 공동(116)의 폭이나 깊이를 조정함으로써, 압전 마이크로 에너지 수확기(110)의 기계적 변위(Displacement, Deflection)를 조절할 수 있다. 이를 위해, 열린 공동(116)은 100~500㎛의 깊이(a)와 0.5~10mm의 폭(b)를 갖도록 형성되는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이, 본 발명에서는 전극체(114)와 압전막(130) 하부에 열린 공동(116)을 형성함으로써, 전극체(114)와 압전막(130)이 허공에 부양되고, 이에 따라 기판(101)의 제약없이 외부 환경 변화에 상응하여 외팔보에 기계적인 변위를 인가할 수 있으며, 압전막(130)에 기계적인 변위에 대응되는 기계적인 스트레인을 인가할 수 있다.
지지부(101a)는 기판(101)으로부터 수직인 방향으로 연장되고, 기판(101)의 상부에 형성되는 구조물들을 지지한다.
본 발명의 일실시예에 따른 압전 마이크로 에너지 수확기(110)는 첫 번째부터 n 번째(n=1, 2, 3, ..., n)까지의 다수의 소자로 구성되고, 각 소자는 2개의 전극 패드(Ec, Es)를 가진다. 여기서, 다수의 소자는 기판(101) 상에 절연막(111)과 도전막(112)이 순차적으로 적층된 구조를 이루고, 각 전극 패드(Ec, Es)는 외부 회로에 전기 에너지를 전달하기 위한 목적으로 형성된다. 각각의 전극 패드(Ec, Es)는 소정의 깊이와 폭을 가지고, 기판(101) 상에 형성된 전극 패드 분리 홈(118)에 의하여 서로 절연되며, 기판(101)과도 절연된다.
전극체(114)는 절연막(111)과 도전막(112)이 순차적으로 적층된 구조를 이루고, 전극 패드(Ec, Es)와 동일한 평면 상에 형성되어 열린 공동(116)의 상부에 부양된다. 전극체(114)는 주변 환경에 따른 기계적 스트레인 변화에 상응하여 전기 에너지를 발생시키는 에너지 변환 기능막인 압전막(130)으로부터 발생된 전하를 포집한다. 전극체(114)는 압전 마이크로 에너지 수확기(110)를 구성하는 첫 번째부터 n 번째(n=1, 2, 3, ..., n)까지의 각 소자에 부양된 미세 구조물의 뼈대 역할을 하고, 전극 패드(Ec)로부터 연장되는 중앙 전극체(114a)와 전극 패드(Es)로부터 연장되는 측면 전극체(114b)를 포함하며, 전극 패드(Ec, Es)와 동일한 평면 상에 형성된다.
중앙 전극체(114a)는 전극 패드(Ec)로부터 연장된 전극 가지로서, 전체적으로 물고기뼈(Fish Bone) 형태로 이루어질 수 있다. 여기서, 중앙 전극체(114a)는 중앙부의 브리지(Bridge)에 미세 외팔보 배열(Micro Cantilever Array)을 이루는 미세 전극 가지(Microelectrode Finger)들이 양쪽 측면에 부착되어 있는 형태로 형성될 수 있다. 이때, 형성된 미세 전극 가지들은 압전막(130)이 형성될 때 발생하는 응력 구배를 균일하게 하여 부양되는 미세 구조물이 안정적으로 유지되도록 한다.
측면 전극체(114b)는 전극 패드(Es)의 끝단에서 연장되는 다수의 미세 외팔보 배열(Micro Cantilever Array)을 가지는 2개의 전극 가지를 포함한다.
이에 따라, 중앙 전극체(114a)와 측면 전극체(114b)는 상호 격리된 한 쌍의 맞물림 또는 대향 전극(Interdigitated Electrode; IDE)을 형성한다. 즉, 중앙 전극체(114a)와 측면 전극체(114b) 각각은 1개 이상 분기된 미세한 전극 가지들로 구성되는 외팔보 배열을 이루고, 일단은 소자의 중앙 부분에 위치하여 한 쌍의 대향 전극을 이루며, 타단은 외부의 전기 도선(170)과의 안정적인 연결을 위하여 전극 패드(Ec, Es)에 연결된다.
압전 마이크로 에너지 수확기(110)는 전극체(114)를 이루는 중앙 전극체(114a)와 측면 전극체(114b)를 이용하여 외부 주변 환경에 상응하여 유발된 압전막(130)의 기계적인 스트레인 변화로부터 전하를 포집하여 외부 회로로 출력함으로써, 전기 에너지인 전력을 자체적으로 생성한다. 여기서, 전극체(114)의 미세 전극 간격(d)(Microelectrode Finger Spacing, Microelectrode Spacing)는 1~10㎛의 범위로 형성되는 것이 바람직하다.
압전막(130)은 무기 물질, 유기 물질 및 나노 물질 등을 포함한다. 여기서, 압전막(130)은 액체나 졸겔(Sol-Gel) 형태의 전구체를 이용하여 형성될 수 있다. 따라서, 소자를 정확히 정렬하지 않은 상태에서 전구체를 적정 또는 도포하더라도 전극체(114)를 벗어나는 영역에 떨어진 전구체가 표면 장력에 의하여 기판(101)과 접촉하지 않고 전극 패드 분리 홈(118) 사이에 걸쳐진 상태에서 건조될 수 있다. 이에 따라, 전극 패드(Ec, Es)와 전극체(114)의 가장자리 부위가 경계화되고, 압전막(130)은 미세하게 패턴된 전극체(114) 위에서 상호 도통하게 된다.
이를 위해, 전극 패드 분리 홈(118)의 폭(c)는 미세 전극 가지들로 구성되는 중앙 전극체(114a)와 측면 전극체(114b)의 간격(d)보다 일반적으로 커야 하고, 100~500㎛의 치수를 가지는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이 압전 마이크로 에너지 수확기(110)의 압전막(130)을 제조함으로써, 고가의 기계적인 정렬 시스템을 필요로 하지 않고, 추가적인 제작 비용이 발생하는 것을 막을 수 있다.
다이(Die) 분리부(150)는 각 장치를 용이하게 분리하기 위해 소정의 깊이와 폭을 갖도록 기판(101) 상에 형성된다.
지지막(113)은 절연막(111)과 도전막(112)의 조합으로 이루어진다. 따라서, 지지막(113)은 단일층 구조나 적층 구조에 비해 내구성이 우수하다. 또한, 지지막(113)은 응력 불균일성을 감소시키고, 응력 구배를 줄어들게 하며, 기계적인 복원력이 커서 외부의 충격으로부터 미세 구조물이 잘 견딜 수 있도록 해준다.
도 3 내지 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 압전 마이크로 에너지 수확기의 제조 방법을 나타낸 공정 흐름도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 기판(101) 상에 절연막(111)을 형성한다. 여기서, 절연막(111)은 이후 공정에서 열린 공동(116), 전극 패드(Ec, Es) 및 전극체(114)를 형성하기 위한 식각 마스킹 층으로 이용된다. 또한, 절연막(111)은 이후 공정에서 형성되는 전극체(114) 및 전극 패드(Ec, Es)를 통해 흐르는 전류가 기판(101) 등의 주위 부분에 영향을 주는 것을 최소화하기 위하여 전기적으로 절연시키는 역할을 수행한다. 추가로, 절연막(111)은 기판(101)으로부터 부양된 미세 구조물(Suspended Microstructure)인 물고기뼈 형태 구조와 다수의 미세 외팔보 배열(Micro Cantilever Array)을 형성하는 지지막(113)의 일부를 구성하게 된다.
절연막(111)은 실리콘 산화막(SiO2), 실리콘 질화막(Si3N4), 변형된 실리콘 산화막(SiO2) 및 저응력 실리콘 질화막(SiXNY) 등과 같이 전기가 통하지 않는 물질로 형성될 수 있다. 절연막(111)은 1~10㎛의 두께로 형성되는 것이 바람직하며, 단층 또는 복층으로 적층되어 형성되거나 여러 개의 복합층으로 형성될 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 절연막(111) 상에 감광막(Photoresist; PR)(119)을 스핀 코팅법(Spin Coating) 등을 사용하여 도포한 후, 패턴 마스크를 이용한 노광 공정과 세정 공정을 수행하여 감광막(119)을 패터닝한다. 여기서, 패턴 마스크는 이후 공정에서 형성될 열린 공동(116), 전극 패드(Ec, Es), 전극체(114), 다이 분리부(150) 및 전극 패드 분리 홈(118) 등의 패턴을 포함한다.
그리고, 패터닝된 감광막(119)을 식각 마스킹 층으로 이용하여 절연막(111)을 식각한 후, 세정 공정을 수행하여 절연막(111) 상에 미세 선폭부(129)를 형성한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 절연막(111)을 식각 마스킹 층으로 이용하여 기판(101)에 트렌치(102)를 형성한다. 트렌치(102)는 도 5의 화살표 방향으로 기판(101)을 비등방적 식각하여 형성하고, 반응성 이온 식각법(Reactive Ion Etching; RIE) 또는 기판의 수직 방향으로 깊게 식각이 가능한 심도 반응성 이온식각법(Deep-Reactive Ion Etching; Deep-RIE)을 이용하여 형성될 수 있다. 트렌치(102)의 깊이에 따라 이후 공정에서 형성되는 열린 공동(116), 전극 패드 분리 홈(118) 및 다이 분리부(150)의 대략적인 깊이가 정해지고, 이를 위해 트렌치(102)가 100~500㎛의 깊이를 갖도록 형성되는 것이 바람직하다.
도 6에 도시된 바와 같이, 절연막(111)을 식각 마스킹 층으로 이용하여 기판(101)을 도 6의 화살표 방향인 등방적인 방향으로 식각함으로써, 열린 공동(116), 전극 패드 분리 홈(118) 및 다이 분리부(150)를 최종적으로 형성한다. 이때, 열린 공동(116)의 깊이만큼 식각되지 않은 부분은 지지부(101a)를 형성하여 기판(101) 상에 형성되는 구조물들을 지지하게 된다.
자세하게는, 열린 공동(116)은 100~500㎛의 깊이(a)와 0.5~10mm의 길이(b)를 갖도록 형성되는 것이 바람직하다.
이와 같이 본 발명에서는 기판(101)의 비등방성 및 등방성의 건식 식각법에 의해 부양 구조체를 형성함으로써, 종래 압전 마이크로 에너지 수확기의 희생층 제거 공정에서 문제로 대두되는 부양 구조체와 기판 간의 고착(Stiction) 현상을 원천적으로 방지할 수 있고, 압전 마이크로 에너지 수확기를 제작하는 도중에 발생하는 손상을 방지하며, 제작 수율을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
또한, 도 6에 도시된 바와 같이, 다이 분리부(150)를 열린 공동(116)과 함께 동시에 형성함으로써, 압전 마이크로 에너지 수확기의 다이를 제작하기 위한 별도의 공정을 필요로 하지 않아 전체 웨이퍼 레벨에서 처리할 수 있으며, 이에 따라 제작 수율 및 비용 면에서 장점을 가지게 된다.
도 7에 도시된 바와 같이, 절연막(111) 상에 도전막(112)을 증착함으로써, 동일한 평면 상에 전극체(114)와 전극 패드(Ec, Es)를 동시에 형성한다. 여기서, 도전막(112)은 금속이나 금속을 포함하는 물질 또는 기타 전기가 통하는 물질을 이용하여 형성하고, 스퍼터링법이나 전자빔 기화법(e-Beam Evaporation) 또는 기타 다른 방법을 이용하여 형성할 수 있다. 또한, 절연막(111)과 도전막(112)으로 이루어지는 지지막(113)은 1~20㎛의 두께(e)로 형성되는 것이 바람직하다.
상기와 같은 도전막(112)의 증착만으로도 압전 마이크로 에너지 수확기(110)를 구성하는 모든 구조물들이 전기적으로 절연되고 격리된다.
한편, 도전막(112)이 형성될 때, 열린 공동(116), 전극 패드 분리 홈(118) 및 다이 분리부(150) 등의 하부에 도전막(140)이 일부 형성될 수 있으나, 지지부(101a)에 의하여 부양되는 기판(101) 상의 구조체들과 전기적으로 절연된다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 압전 마이크로 에너지 수확기의 기능 요소들을 제작하기 위해 종래에는 최소 3~4개, 최대 10개 이상의 패턴 마스크를 요구하는 것과는 달리 단지 1개의 패턴 마스크만을 이용하여 임의의 모양과 다양한 크기와 깊이를 가지는 부양된 미세 구조물들로 형성되는 압전 마이크로 에너지 수확기를 용이하게 제작할 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 열린 공동(116) 상에 부양된 구조물 위에 압전막(130)을 형성한다. 여기서, 압전막(130)은 스크린 프린팅법(Screen Printing), 마이크로 드롭핑(Micro Dropping)법, 전자빔 기화법(e-Beam Evaporation), 스퍼터링(Sputtering), 펄스 레이저빔 증착법(Pulsed Laser Deposition), 졸겔법(Sol-Gel), 화학증착법(Chemical Vapor Deposition; CVD), 스프레이 코팅법(Spray Coating), 침적법(Dip Coating) 등으로 형성될 수 있는데, 본 발명의 일실시예에서는 액체 또는 졸겔 형태의 전구체를 이용하여 압전막(130)을 형성하는 방법을 예로 들어 설명하기로 한다.
우선, 세라믹 등의 무기 물질, 폴리머(Polymer) 등의 유기 물질 또는 나노선(Nano Wire) 등의 나노 물질을 용매(Solvent) 또는 용매 및 결합제(Binder)와 적절히 혼합하여 압전막 형성용 액체 또는 졸겔 형태의 전구체(Precursor)를 제조한다.
이후, 열린 공동(116) 상에 부양되는 전극체(114)가 형성된 부위에 상기 전구체를 1회 또는 수회 적정하거나 도포한다. 다수의 전극체(114)를 포함하여 미세 전극 가지들로 구성되는 4개의 미세 외팔보 배열(Micro Cantilever Array)에서 각 전극체(114)는 그 미세 전극 간격(d)가 1~10㎛의 범위이고, 이를 구성하는 지지막(113)의 두께(e)가 1~20㎛의 범위이다.
이러한 미세한 형상 위에 적정 또는 도포된 전구체는 모세관력에 의해 미세 전극의 간극 사이에서 지지막(113)의 깊이 방향으로 스며들고, 표면장력에 의해 절연막(111)의 하부에 매달리게 되며, 깊이 형성된 열린 공동(116)에 의해 하부의 기판(101)과는 접촉하지 않는다. 그리고, 실온 또는 가열 과정 중에 전구체의 액상 성분이 서서히 건조되면서 자동적으로 수평을 이루며, 미세 전극의 간극 사이에 전구체의 고상 성분만이 충진되어 남게 된다.
이후에 이를 추가적으로 건조시키거나 후열처리하면 잔류된 용매나 결합제 성분 등은 휘발되어 날아가고, 압전막(130)만이 고체 상태로 형성된다. 이때, 전극 패드 분리 홈(118)(도 1 참조)에 의해 부양된 미세 구조물 부분 이외에 존재하는 전구체는 건조되면서 표면장력에 의해 기판(101) 하부에는 닿지 않고, 그 경계가 전극 패드(Ec, Es)와 전극체(114)의 가장자리(Edge)에 걸쳐서 형성된다.
최종적으로 부양된 미세 구조물 상에 형성된 압전막(130)은 중앙 전극체(114a), 측면 전극체(114b)의 미세 전극 가지들과 전기적으로 연결된다. 따라서, 전구체에 의한 압전막(130) 형성시 이를 위한 미세한 패터닝 공정이나 정교한 위치 정렬 과정이 필요없다. 그러므로, 다양한 종류의 물질로 구성될 수 있는 압전막(130)은 미세 패터닝 등의 추가 공정을 수행하지 않고 전구체의 모세관력과 표면장력의 원리만을 이용하여 전극체(114) 부위에 직접적으로 형성될 수 있다. 이후 원하는 두께로 얻어진 압전막(130)은 적절한 온도와 분위기에서 열처리함으로써, 막질 개선과 안정화를 이루게 된다.
이와 같이 지지막(113)으로 이루어진 전극체(114)와 압전 재료로 이루어진 압전막(130)이 결합되어 공중 부양된 n개의 외팔보 배열의 미세 구조물이 완성되고, 외부 환경에 따라 각 미세 구조물에 기계적인 변위가 유발될 경우, 각 외팔보를 형성하는 압전막(130)에 기계적 스트레인 변화가 발생되어 전기 에너지가 생성된다.
이후, 압전 마이크로 에너지 수확기(110)를 기판(101) 전체 웨이퍼 레벨에서 다이(Die) 별로 구획하고, 미리 형성되어 있는 다이 분리부(150)를 이용하여 일괄적으로 기판 웨이퍼에서 압전 마이크로 에너지 수확기의 다이들을 각각 분리하고 패키징을 실시한다.
도 1은 최종적으로 분리된 압전 마이크로 에너지 수확기(110)의 다이에서 중앙 전극체(114a), 측면 전극체(114b)를 외부의 전기 도선과 연결하기 위한 용도로 형성된 다수의 전극 패드(Ec, Es)의 상부에 전기 도선(170)을 접합하는 와이어 본딩(Wire Bonding)까지 마친 상태를 나타낸다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 압전 마이크로 에너지 수확기의 제조 방법에 의하면, 한 장의 패턴 마스크만을 이용하여 압전 마이크로 에너지 수확기를 구성하는 주요 기능 요소들의 패턴을 한꺼번에 형성할 수 있다. 따라서, 압전 마이크로 에너지 수확기의 구조가 간단하여 제조 비용의 절감과 공정의 간소화를 이룰 수 있다.
그리고, 기판 앞면에서만 건식 식각을 수행하여 압전 마이크로 에너지 수확기의 부양 구조를 형성함으로써, 기판의 결정 방향에 따른 차지 폭과 기판 두께에 의한 영향이 없는 임의의 형상의 부양 구조를 높은 정밀도를 가지고 초소형의 크기로 저렴한 가격에 대량 생산할 수 있다.
또한, 동일한 공동 크기 확보시 압전 마이크로 에너지 수확기의 다이(Die)의 크기가 적어짐에 따라 주어진 웨이퍼 직경에서 얻을 수 있는 총 다이의 개수가 증가하게 되어 패키지 크기 감소, 공정의 결함 밀도 및 드리프트(Drift) 감소로 품질 개선을 도모할 수 있고, 제작 비용의 절감을 꾀할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 압전 마이크로 에너지 수확기와 종래의 압전 에너지 수확기의 외부 주파수 감응 특성을 비교한 그래프이다.
도 9의 (a)에 도시된 바와 같이, 종래의 단일 공진형 구조를 갖는 압전 마이크로 에너지 수확기의 외부 주파수에 따른 전기 에너지 출력 특성을 살펴보면, 특정 공진 주파수 부근에만 감응하며, 이 대역을 벗어나면 에너지 수확 기능을 효율적으로 수행할 수 없어 낮은 에너지 변환 효율을 가진다. 이를 해결하려면 외부 주파수 환경을 정밀 분석한 후 질량체 등을 이용하여 에너지 수확기의 주파수 조절(Frequency Tuning)을 세밀하게 수행하여야 하나 실제 환경에 적용하기에는 한계가 있다.
이에 비해, 도 9의 (b)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 압전 마이크로 에너지 수확기(110)는 n개(n=1, 2, 3, ..., n)의 다수의 소자를 임의로 상이한 주파수 특성을 가지도록 배열함으로써, n개(n=1, 2, 3, ..., n)의 기본 공진 주파수에 대응할 수 있다. 즉, 상이한 공진 주파수 구조를 갖는 압전 마이크로 에너지 수확기를 어레이(Array) 또는 어레이 그룹(Array Group) 형태로 집적함으로써, 주파수 중첩으로 광대역화를 도모할 수 있어 범용 환경에서 적용이 가능하다. 따라서, 종래의 단일 공진형 구조를 가지는 압전 마이크로 에너지 수확기의 단점을 해결하여 넓은 주파수 대역에 감응하는 압전 마이크로 에너지 수확기를 구현할 수 있다.
본 발명의 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명을 한정하는 것이 아니다. 본 발명의 범위는 아래의 특허청구범위에 의해 해석되어야 하며, 그와 균등한 범위 내에 있는 모든 기술도 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석해야 할 것이다.
Claims (16)
- 기판;
상기 기판 내에 기설정된 깊이와 폭을 가지고 형성되고, 상부가 개방된 구조를 가지는 열린 공동;
상기 기판 상에 형성되고, 포집된 전기 에너지를 외부로 전달하는 제1 전극 패드, 제2 전극 패드;
일단이 상기 제1 전극 패드에 연결되고 타단이 상기 열린 공동의 상부에 부양되는 중앙 전극체와, 일단이 상기 제2 전극 패드에 연결되고 타단이 상기 열린 공동의 상부에 부양되는 측면 전극체를 포함하고, 발생된 전기 에너지를 포집하는 전극체; 및
상기 중앙 전극체 및 상기 측면 전극체 사이와 상기 전극체의 상부 면에 형성되고, 기계적 스트레인 변화에 상응하여 전기 에너지를 발생하는 압전막;
을 포함하고, 각각 임의의 크기를 갖는 다수의 소자로 구성되는 압전 마이크로 에너지 수확기. - 제 1 항에 있어서,
상기 중앙 전극체는 물고기뼈(Fish Bone) 형상을 이루고, 상기 중앙 전극체 중앙부의 브리지(Bridge) 구조의 양쪽에 미세 외팔보 배열(Micro Cantilever Array) 형태로 형성된 다수의 미세 전극 가지(Micro Electrode Finger)들이 부착되어 구성되는 것을 특징으로 하는 압전 마이크로 에너지 수확기. - 제 1 항에 있어서,
상기 측면 전극체는 미세 외팔보 배열(Micro Cantilever Array) 형태로 형성된 다수의 미세 전극 가지(Microelectrode Finger)들이 상호 연결되어 구성되는 것을 특징으로 하는 압전 마이크로 에너지 수확기. - 제 1항에 있어서,
상기 중앙 전극체와 상기 측면 전극체는 서로 대향되게 형성되어 한 쌍의 맞물림 또는 대향 전극(Interdigitated Electrode; IDE)을 형성하는 것을 특징으로 하는 압전 마이크로 에너지 수확기. - 제 1 항에 있어서,
상기 압전막은 무기 물질, 유기 물질 및 나노 물질 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 마이크로 에너지 수확기. - 제 1 항에 있어서,
상기 압전막은 상기 중앙 전극체와 상기 측면 전극체의 미세 간극 사이에 모세관력 및 표면 장력에 의하여 매립되어 걸쳐지고, 상기 전극체의 상부 면을 덮는 것을 특징으로 하는 압전 마이크로 에너지 수확기. - 제1항에 있어서,
상기 기판 내에 형성되어 상기 제1 전극 패드와 상기 제2 전극 패드를 전기적으로 상호 절연시키고, 상기 압전막이 상기 기판의 하부에 닿지 않도록 하며, 경계가 상기 제1 전극 패드, 상기 제2 전극 패드 및 상기 전극체의 가장자리(Edge)에 걸쳐 형성되는 전극 패드 분리 홈;
을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 마이크로 에너지 수확기. - 제 1 항에 있어서,
상기 제1 전극 패드, 상기 제2 전극 패드, 상기 중앙 전극체 및 상기 측면 전극체는 동일한 평면 상에 동일한 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 압전 마이크로 에너지 수확기. - 제 8 항에 있어서,
상기 제1 전극 패드, 상기 제2 전극 패드, 상기 중앙 전극체 및 상기 측면 전극체 각각은 절연막 및 도전막이 적층된 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 압전 마이크로 에너지 수확기. - 제 1 항에 있어서,
상기 기판 내에 형성되어 소자를 개별적으로 분리하는 다이(Die) 분리부;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 마이크로 에너지 수확기. - 기판 상에 절연막을 형성하는 단계;
상기 절연막을 패터닝하여 전극 패드 패턴, 중앙 전극체 패턴 및 측면 전극체 패턴을 형성하는 단계;
상기 중앙 전극체 패턴 및 상기 측면 전극체 패턴이 부양되도록 상기 기판 내부에 열린 공동을 형성하는 단계;
상기 전극 패드 패턴, 상기 중앙 전극체 패턴 및 상기 측면 전극체 패턴 상에 도전막을 증착하여 전극 패드, 중앙 전극체 및 측면 전극체를 형성하는 단계; 및
상기 중앙 전극체 및 상기 측면 전극체의 사이와 그 상부 면을 덮는 압전막을 형성하는 단계;
를 포함하는 압전 마이크로 에너지 수확기의 제조 방법. - 제 11 항에 있어서,
상기 열린 공동을 형성하는 단계는,
상기 패터닝된 절연막을 식각 마스킹 층으로 이용하여 상기 기판에 수직 방향으로 비등방적 식각을 수행하여 트렌치 구조를 형성하는 단계; 및
상기 트렌치 구조를 추가로 등방적으로 식각하여 상기 열린 공동을 형성하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 마이크로 에너지 수확기의 제조 방법. - 제 12 항에 있어서, 상기 트렌치 구조를 형성하는 단계에서
플라즈마(Plasma) 또는 하전된 이온 입자를 이용하는 반응성 이온 식각법(Reactive Ion Etching; RIE) 또는 심도 반응성 이온 식각법(Deep-Reactive Ion Etching; Deep-RIE)을 통하여 상기 기판을 비등방적으로 건식 식각하여 상기 트렌치 구조를 형성하는 것을 특징으로 하는 압전 마이크로 에너지 수확기의 제조 방법. - 제 12 항에 있어서, 상기 열린 공동을 형성하는 단계에서
플라즈마 식각법(Plasma Etching) 또는 기상 식각법(Gas Phase Etching)을 통하여 상기 트렌치 구조를 등방적으로 건식 식각하여 상기 열린 공동을 형성하는 것을 특징으로 하는 압전 마이크로 에너지 수확기의 제조 방법. - 제 11 항에 있어서,
상기 압전막을 형성하는 단계는,
액체나 졸겔(Sol-Gel) 형태의 전구체의 표면장력과 모세관력을 이용하여 상기 중앙 전극체와 상기 측면 전극체의 미세 간극 사이에 상기 압전막이 매립되어 걸쳐지도록 형성하는 단계; 및
상기 전극체의 상부 면을 덮도록 상기 압전막을 형성하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 마이크로 에너지 수확기의 제작 방법. - 제 11 항에 있어서, 상기 압전막을 형성하는 단계에서,
스크린 프린팅(Screen Printing), 마이크로 드롭핑(Micro Dropping), 전자빔 기화법(e-Beam Evaporation), 스퍼터링(Sputtering), 펄스 레이저빔 증착법(Pulsed Laser Deposition), 졸겔법(Sol-Gel), 화학증착법(Chemical Vapor Deposition; CVD), 스프레이 코팅법 (Spray Coating) 및 침적법(Dip Coating) 중 적어도 하나의 방법을 통하여 상기 압전막을 형성하는 것을 특징으로 하는 압전 마이크로 에너지 수확기의 제조 방법.
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020100131434A KR101677297B1 (ko) | 2010-12-21 | 2010-12-21 | 압전 마이크로 에너지 수확기 및 이의 제조 방법 |
| US13/316,590 US8598768B2 (en) | 2010-12-21 | 2011-12-12 | Piezoelectric micro energy harvester and manufacturing method thereof |
| US14/066,085 US9293689B2 (en) | 2010-12-21 | 2013-10-29 | Method of manufacturing a piezoelectric micro energy harvester |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020100131434A KR101677297B1 (ko) | 2010-12-21 | 2010-12-21 | 압전 마이크로 에너지 수확기 및 이의 제조 방법 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20120070040A true KR20120070040A (ko) | 2012-06-29 |
| KR101677297B1 KR101677297B1 (ko) | 2016-11-29 |
Family
ID=46233461
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020100131434A KR101677297B1 (ko) | 2010-12-21 | 2010-12-21 | 압전 마이크로 에너지 수확기 및 이의 제조 방법 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (2) | US8598768B2 (ko) |
| KR (1) | KR101677297B1 (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20160060302A (ko) * | 2014-11-20 | 2016-05-30 | 한국과학기술원 | 날숨을 이용하는 에너지 수확 소자 및 그 제조방법 |
Families Citing this family (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101695708B1 (ko) * | 2014-01-09 | 2017-01-13 | 한국전자통신연구원 | 반도체 소자 및 그 제조방법 |
| US10305396B1 (en) | 2015-07-07 | 2019-05-28 | Ravi F. Saraf | Electrochemical device for generating a time dependent electrical signal |
| US10093203B1 (en) * | 2015-09-17 | 2018-10-09 | Armorworks Holdings, Inc. | Seating system with automatic weight compensating energy attenuation |
| US10447135B2 (en) | 2015-09-28 | 2019-10-15 | The Curators Of The University Of Missouri | Device for generating electrical power from low frequency oscillations |
| WO2018020639A1 (ja) * | 2016-07-28 | 2018-02-01 | 株式会社トライフォース・マネジメント | 発電装置と発電素子 |
| US10243136B2 (en) | 2016-08-22 | 2019-03-26 | Masoud Ghanbari | Piezoelectric energy harvesting system from vehicle's tires |
| RU178056U1 (ru) * | 2016-12-07 | 2018-03-21 | ООО "Лаборатория Кьюмодуль" | Преобразователь энергии вибраций |
| KR20180066787A (ko) * | 2016-12-09 | 2018-06-19 | 고쿠리츠다이가쿠호우진 도쿄다이가쿠 | 확률 공진을 통한 진동 에너지 수확기 및 이를 이용한 진동 에너지 수확 시스템 |
| CN107345551B (zh) * | 2017-08-17 | 2023-01-31 | 浙江师范大学 | 一种自供电阻尼器 |
| RU2670224C1 (ru) * | 2017-12-21 | 2018-10-19 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук (ФИАН) | Способ изготовления композиционной керамополимерной плёнки и композиционная керамополимерная плёнка |
| DE102019220126B4 (de) * | 2019-12-19 | 2022-01-13 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung eingetragener Verein | Bewegbares Piezoelement und Verfahren zum Herstellen eines bewegbaren Piezoelements |
Family Cites Families (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE10136164A1 (de) * | 2001-07-25 | 2003-02-20 | Bosch Gmbh Robert | Mikromechanisches Bauelement |
| AU2003237839A1 (en) | 2002-05-13 | 2003-11-11 | University Of Florida | Resonant energy mems array and system including dynamically modifiable power processor |
| EP1469599B1 (en) | 2003-04-18 | 2010-11-03 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Air gap type FBAR, duplexer using the FBAR, and fabricating methods thereof |
| JP2005065050A (ja) | 2003-08-18 | 2005-03-10 | Seiko Epson Corp | 弾性表面波素子、弾性表面波素子の製造方法および電子機器 |
| JP2007043054A (ja) * | 2005-03-04 | 2007-02-15 | Sony Corp | 圧電素子及びその製造方法 |
| US7319284B2 (en) * | 2005-09-02 | 2008-01-15 | Precision Instrument Development Center National Applied Research Laboratories | Surface acoustic wave device and method for fabricating the same |
| US7260984B2 (en) | 2005-10-05 | 2007-08-28 | Lv Sensors, Inc. | Power generation utilizing tire pressure changes |
| US20070125176A1 (en) * | 2005-12-02 | 2007-06-07 | Honeywell International, Inc. | Energy harvesting device and methods |
| KR20090064693A (ko) * | 2007-12-17 | 2009-06-22 | 한국전자통신연구원 | 마이크로 가스 센서 및 그 제작 방법 |
| US8421052B2 (en) * | 2008-09-02 | 2013-04-16 | Georgia Tech Research Corporation | Transverse force, pressure and vibration sensors using piezoelectric nanostructures |
| KR20100049730A (ko) | 2008-11-04 | 2010-05-13 | 한국전기연구원 | 압전소자를 이용한 자가발전 장치 |
| US20100326499A1 (en) * | 2009-06-30 | 2010-12-30 | Honeywell International Inc. | Solar cell with enhanced efficiency |
| US8106724B1 (en) * | 2009-07-23 | 2012-01-31 | Integrated Device Technologies, Inc. | Thin-film bulk acoustic resonators having perforated resonator body supports that enhance quality factor |
-
2010
- 2010-12-21 KR KR1020100131434A patent/KR101677297B1/ko active IP Right Grant
-
2011
- 2011-12-12 US US13/316,590 patent/US8598768B2/en not_active Expired - Fee Related
-
2013
- 2013-10-29 US US14/066,085 patent/US9293689B2/en not_active Expired - Fee Related
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20160060302A (ko) * | 2014-11-20 | 2016-05-30 | 한국과학기술원 | 날숨을 이용하는 에너지 수확 소자 및 그 제조방법 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US20140054262A1 (en) | 2014-02-27 |
| KR101677297B1 (ko) | 2016-11-29 |
| US20120153778A1 (en) | 2012-06-21 |
| US8598768B2 (en) | 2013-12-03 |
| US9293689B2 (en) | 2016-03-22 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR101677297B1 (ko) | 압전 마이크로 에너지 수확기 및 이의 제조 방법 | |
| US20130127295A1 (en) | Piezoelectric micro power generator and fabrication method thereof | |
| Tao et al. | Piezoelectric ZnO thin films for 2DOF MEMS vibrational energy harvesting | |
| KR101094870B1 (ko) | 습도 센서 및 이의 제조 방법 | |
| US9287804B2 (en) | Power generation apparatus | |
| Crovetto et al. | An electret-based energy harvesting device with a wafer-level fabrication process | |
| EP2539946B1 (en) | High-efficiency mems micro-vibrational energy harvester and process for manufacturing same | |
| US8631711B2 (en) | MEMS composite transducer including compliant membrane | |
| US8409900B2 (en) | Fabricating MEMS composite transducer including compliant membrane | |
| US7992271B2 (en) | Process of manufacturing a piezoelectric actuator for tunable electronic components on a carrier substrate | |
| US20070125176A1 (en) | Energy harvesting device and methods | |
| JP2006518094A (ja) | 造形能動材料から構成された曲げアクチュエータ及びセンサ、並びにそれらの製造方法 | |
| TWI614206B (zh) | 用於採收聲能之ｍｅｍｓ裝置及其製造方法 | |
| KR20150130972A (ko) | 스토퍼 구조물을 갖는 압전 에너지 수확 장치 | |
| CN112033526A (zh) | 振动传感器及其制造方法 | |
| WO2012145278A2 (en) | Mems composite transducer including compliant membrane | |
| WO2012164545A1 (en) | Energy scavenging from a rotating gear using an impact type piezoelectric mems scavenger | |
| JP2012532470A (ja) | Ｍｅｍｓ可変キャパシタの製造方法 | |
| CN113008220B (zh) | 一种压电式磁性调谐盘型陀螺仪及其制备方法与应用 | |
| US20110221536A1 (en) | Mems device and oscillator | |
| JP5603200B2 (ja) | 静電変換装置および静電変換装置の製造方法 | |
| KR101308908B1 (ko) | 미세 압전 진동자로 구성되는 발전 소자를 이용한 적층형 에너지 하베스팅 장치 및 발전 소자의 제조 방법 | |
| KR101361824B1 (ko) | 미세 압전 진동자를 이용한 발전 소자와 그 패드 제조 방법 | |
| JP5680934B2 (ja) | 静電変換装置および静電変換装置の製造方法 | |
| JP6818299B2 (ja) | 微細素子およびその製造方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant | ||
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20191028 Year of fee payment: 4 |