KR20120117547A - 압전소자와 전자기 유도를 이용한 광대역형 에너지 하베스팅 - Google Patents

Abstract

본 발명은 압전소자와 전자기 유도를 이용한 광대역형 에너지 하베스팅에 관한 것으로, 불규칙적으로 변화하는 외부 운동에 의해 기판 상면에는 스파이럴 형태의 인덕터가 있고 하부에는 압전물질로 이루어진 박막형태의 캔틸레버가 있다. 그 끝에는 자석이 달려있어 외부 진동을 통해 압전소자에 의한 기전력 방식과 자성체의 상하 운동에 의한 전자기 유도효과 방식을 동시에 구현하여 발전 용량을 극대화 한다. 자성체가 달려 있는 MEMS 캔틸레버와 기계적인 진동을 전기적 에너지로 변환하는 압전물질은 하나의 소자에 구성되어 있으며 그 크기를 달리하여 이것을 어레이 형태로 만들어 기존의 단일 주파수 진동형 기술의 문제점을 보완한 다주파 진동형 에너지 하베스트 기술이 제공된다. 개시된 진동형 에너지 하베스트 구조는 광대역 초소형 모듈로서 소형화 및 직접화에 유리하며 친환경/청정 대체 에너지로 적용 가능하다.

Description

압전소자와 전자기 유도를 이용한 광대역형 에너지 하베스팅 {The broadband style energy harvest which uses the piezoelectric element and electromagnetic induction}

본 발명은 압전소자에 의한 기전력 방식과 자성체의 진동에 의한 전자기 유도 효과 방식을 동시에 구현하여 발전용량을 극대화 하는 압전소자와 전자기 유도를 이용한 광대역형 에너지 하베스팅에 관한 것으로, 특히 MEMS 캔틸레버와 압전물질을 하나의 소자로 통합, 배열함으로서 외부 진동에 의한 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 다주파수의 압전소자와 전자기 유도를 이용한 광대역형 에너지 하베스팅에 관한 것이다.

소규모 전력이 필요한 독립 행동원의 유지 전력 보충을 위한 이미 대세가 된 기술, 에너지 하베스팅(Energy Harvesting) 기술은, 문자 그대로 주변에서 에너지를 수확하는 모든 기술을 일컫는데, 가깝게는 풍력발전, 조력발전, 태양발전도 모두 에너지 하베스팅에 속할 수 있으며, 에너지를 얻어내는 에너지 획득방식이라 할 수 있다.

에너지 하베스팅 기술의 필요성은 배터리와 연관되는데, 전자부품이 개발된 후 가장 혁명적으로 발달한 것은 프로세서이며, 그 다음이 저장장치와 배터리가 발전하고 있다. 실제 다른 모든 것의 무게는 줄었지만 배터리는 기껏해야 두배 정도의 성능이 향상됐을 뿐이다. 게다가 자동으로 방전되고 충전하려면 전원에 연결해야만 하는 불편이 있으며, 화학적인 방법이 기본인 이상 다른 대안이 없는 것이 현실이다. 제아무리 효율을 높이고 집적도를 키워봤자 연료전지의 선에도 아직 미치지 못하고 있다.

진동 에너지 하베스트(Energy Harvest) 기술은 정전효과 방식, 전자기 효과 방식, 압전효과 방식으로 나누어지며, MEMS(Micro Electro Mechanical System) 캔틸레버와 같은 외팔보로 이루어진 구조물로 휘어지는 현상을 이용한 에너지 하베스트용 뿐만 아니라, 센서(Sensor)에 이용되는 프로브(Probe) 등에 사용된다. 이외에도 MEMS 캔틸레버는 스위치(Switch)나 구동기(Actuator)에 사용되기도 한다.

도 1과 도 2는 종래 기술에 따른 켄틸레버(1) 구조의 에너지 하베스팅 구조를 도시한 것으로서, 압전재료(1a)를 반막의 캔틸레버(1)로 제작하여 외부 운동에 의해 상하로 흔들리거나, 끝에다가 Mass(2)를 만든 다음 상하에 영구자석(3)을 두어 진동(Vibration)을 발생시켜 압전 박막빔의 캔틸레버가 움직임을 일으키도록 한다. 외팔보(캔틸레버)는 기판 위에 일정한 갭(4)을 가지고 있어 움직일 수 있는 충분한 공간이 확보된다

이상과 같은 외팔보 구조에 따르면, 외부의 운동에 의해 불규칙적으로 변화 하고 고유 진동수도 상이한 에너지원으로부터 전력을 발생시키기 때문에 비선형적인 입/출력 특성을 보여준다. 또한 압전물질에 의해서만 전력을 모으기 때문에 그발전 용량도 극히 제한적이다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 소자의 초소형화를 위해서 MEMS 기술을 이용하여 압전효과 방식과 전자기 효과 방식을 하나의 에너지 하베스팅 모듈에 직접화 함으로써 발전 용량을 극대화 하는데 그 목적이 있다. 이것은 다양한 진동 주파수 대역에서 활용이 가능한 광대역형 에너지 하베스트 소자 등에 그 응용범위를 넓힐 수 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 압전효과 방식과 전자기 효과방식의 에너지 하베스트 모듈의 구조는, 기관 상면에 스파이럴 타입의 인덕터가 있어 전자기 효과를 극대화시키고, 기판 하부에는 자성체가 끝에 달려 있는 캔틸레버가 고정되어 있다. 이 캔틸레버는 압전물질로 이루어진 빔과 그 끝에 자석이 달려 있어 진동에 의한 상하 운동을 할 수 있고, 이것은 캔틸레버의 길이와 폭을 여러 개의 크기로 조절하여 그 끝에 달려 있는 자성체의 크기도 변화시켜 배열로 나열함으로서 발전용량의 극대화와 다주파수의 광대역형 에너지 하베스트 모듈을 형성한다.

본 발명에 따른 압전효과 방식과 전자기 효과 방식의 에너지 하베스트 모듈의 구조는 기판 상면의 스파이럴 타입의 인덕터에 의해 전자기 효과와 자성체가 달려 있는 캔틸레버의 압전 물질에 의해 발전용량을 극대화 동시에 극대화시킬 수 있고, 이 소자들을 배열로 나열함으로써 광대역형 다주파 에너지 하베스트 모듈을 구성 할 수 있다. 또한 MEMS 기술을 이용하여 제작함으로써 소자의 에너지 변화 효율을 향상시키고 더 작게 구현할 수 있기 때문에 소형화 및 직접화가 가능하여 의료기긱, 캡슐형 내시경, RFID 능동태그, 센서 노드등 자체 전력을 필요로 하는 전자 제품에 적용 가능하다.

도 1 및 도 2는 종래의 MEMS 캔틸레버 구조의 측면도 및 사시도.
도 3은 본 발명의 압전효과 방식과 전자기 효과 방식의 에너지 하베스트 모듈의 구조를 구성하기 위한 기판 상면에 스파이럴 형태의 마이크로 인덕터가 나열된 배열의 사시도.
도 4는 도 3의 본 발명의 MEMS 캔틸레버 구조와 그 갭을 볼 수 있도록 보여주는 기판 하부의 사시도.
도 5 및 도 6은 본 발명의 도 3 및 도 4의 V-V선 및 VI-VI선 절단에 의한 MEMS 캔틸레버와 스파이럴 형태의 마이크로 인덕터의 단면도.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이하의 본 발명의 구체적인 구성관계 및 작동원리의 설명에서 상세한 설명 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 MEMS 캐틸레버(11)와 스파이럴 형태의 인덕터(15) 구조에서 기판(10)의 상면을 4 × 4 배열로 나열한 상부방향 외부구조를 도시한 것이고, 도 4는 도 3에 대해 MEMS 캔틸레버(11)가 있는 하부의 모습이 보이는 하부구조를 도시한 것이며, 도 5는 도 3의 V-V 단면 처리에 따른 스파이럴 형태의 인덕터와 자성체가 달려 있는 MEMS 캔틸레버의 연결 단면구조를 도시한 것이다.

도 3과 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 기판(10) 에서의 MEMS 캔틸레버와 (11) 스파이럴 형태의 인덕터(15), 자성체(13)를 포함한다.

우선 스파이럴 형태의 인덕터(15)는 기판(10)의 상면에 구비되어 자성체(13)가 달려있는 캔틸레버의 전자기 효과를 극대화시키게 된다. 여기서, 기판(10)이란 실리콘 웨이퍼일 수 있다.

그리고 EMES 캔틸레버(11)는 그 일측의 기판(10)의 하부에 고정되고, 끝단에 전자기 효과를 위한 자성체(13)가 달려있는 상태에서 상기 기판(10)의 상면과 나란히 이격되어 캡(40)을 형성하고, 상하로 운동 가능한 구성을 이룬다.

이러한 MEMS 캔틸레버(11)와 스파이럴 형태의 인덕터(15)는 도 3 또는 도 4에서와 같이, 여러 개의 조합으로 배열로 조합할 수 있다. 여기서, 이러한 MEMS 캔틸레버(11) 형태는 도시된 바와 같이 사각형 형태일 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며 보다 다양한 형상으로 변경될 수 있음은 자명하다.

도 5 에서 보는 것과 같이, 기판(10)의 후면부는 MEMS 캔틸레버(11)가 상하운동을 하기 위한 충분한 갭(40)이 형성되어 있어야 하며, 그 캔틸레버의 가로와 폭이 배열마다 틀릴 수 있다.

그리고 MEMS 캔틸레버(11)의 끝에 달려있는 자성체(13)는 영구자석으로 사용할 수 있으며, 캔틸레버가 진동함에 있어 질량 덩어리의 역할을 할뿐 만 아니라 기판(10) 상면의 스파이럴 형태의 인덕터(15)와 함께 전자기 유도를 이끌어 낸다. 이는 MEMS캔틸레버(11)가 배열마다 그 크기가 달라질 때마다 자성체의 크기도 바뀔 수 있다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

10: 기판 11: MEMS 캔틸레버
13: 자성체 15: 스파이럴 형태의 마이크로 인덕터
40: 캡

Claims (3)

1. 기판의 상면에 구비되는 스파이럴 형태의 마이크로 인덕터;
   스파이럴 형태의 마이크로 인덕터는 기판의 상면에 기판과 붙어 있어 상기 기판 하부에 있는 MEMS 캔틸레버의 자성체와 전자기 유도를 이끌어 내어 에너지 하베스트 모듈을 구성하는 것을 특징으로 하는 압전소자와 전자기 유도를 이용한 광대역형 에너지 하베스팅.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 에너지 하베스팅 모듈의 한 기판은 사각형이고, 상기 기판 상면의 스파이럴 형태의 마이크로 인덕터와 그 크기가 동일하며, 상기 기판의 하부에 있는 MEMS 캔틸레버는 압전물질로 이루어지고, 상기 기판의 한쪽 면에 지지되어 그 폭과 길이가 나열된 배열마다 달라질 수 있으며, 상기 MEMS 캔틸레버가 상하로 운동하기 위한 기판 하부의 갭이 형성된 것을 특징으로 하는 압전소자와 전자기 유도를 이용한 광대역형 에너지 하베스팅.
   
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 MEMS 캐틸레버는 그 끝에 기판 상면에 스파이럴 형태의 마이크로 인덕터와 전자기유도를 이끌어 낼 수 있는 자성체가 달려 있어 캔틸레버의 상하 진동을 할 수 있는 질량 덩어리의 역할을 대체 할 수 있으며, 그 크기는 MEMS 캔틸레버의 폭에 크기에 따라 달라질 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 압전소자와 전자기 유도를 이용한 광대역형 에너지 하베스팅.

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