KR20130023810A - 압전 에너지 하베스팅/저장 장치 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 압전 에너지 하베스팅/저장 장치 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 상부 일측에 홈이 형성되어 있는 기판; 일단이 상기 기판에 고정되고, 타단이 상기 홈 상부에 부양되어, 외부 진동을 전기 에너지로 변환하여 저장하는 압전 MEMS 캔틸레버; 및 상기 압전 MEMS 캔틸레버 일단에 형성되어, 진동을 부가하는 질량체를 포함한다.

Description

압전 에너지 하베스팅/저장 장치 및 그 제조 방법{Apparatus for Harvesting and Storaging Piezoelectric Energy and Manufacturing Method Thereof}
본 발명은 압전 에너지 하베스팅/저장 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 주변 진동의 주파수에 압전 에너지 하베스팅 소자의 공진 주파수를 일치시켜 출력을 향상시키고, 저장 소자에 전력을 저장할 수 있는 압전 에너지 하베스팅/저장 장치 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
압전 에너지 하베스팅 소자(Piezoelectric Energy Harvesting Device, 이하, 'PEH 소자'라 칭함)는 주변 진동의 주파수와 PEH 소자의 공진 주파수가 일치하는 경우, 변위의 증폭이 발생하여 공진 주파수에서 가장 큰 전기 에너지가 발생한다.
PEH 소자에서 발생하는 전압은 AC(교류) 형태로 출력된다. 이러한 AC 전압을 DC 전압으로 변환하기 위해서 정류기를 사용한다. 정류기는 풀 브릿지(Full-bridge) 또는 하프 브릿지(Half-bridge) 타입으로 4 개 또는 2 개의 다이오드로 구성된다. 정류기의 후단에는 DC 전압의 리플(Ripple)을 줄여주기 위한 필터링 커패시터가 연결된다.
필터링 커패시터의 출력 DC 전압은 메모리, MCU 및 RF 송수신 소자 등과 같은 IC의 구동에 사용된다. 그러나, 주변 환경에서 발생하는 미세 진동으로부터 얻어지는 전기 에너지는 그 크기가 매우 작아 IC를 구동하기 위한 전력으로는 충분하지 않다. 이 때문에 수퍼커패시터, 2차 전지 및 박막 배터리 등의 저장 소자에 전력을 충전하여 필요한 때 저장된 전력을 사용하는 방법 등이 연구되었다.
현재 무선 센서 노드에서 사용되는 전자 장치는 능동적으로 기능을 수행하거나 수동적으로 정보를 감지 또는 수집함으로써 점점 더 자율적으로 동작하고 있다. 이를 위해서 지속적으로 전원을 공급할 수 있는 초소형의 에너지 공급 장치가 요구된다. 배터리가 이러한 기능을 수행할 수 있지만, 저장 용량의 한계로 시간이 지남에 따라 사용 가능한 에너지량이 줄어들게 되고, 최종적으로는 무선 센서 노드에 전원을 공급할 수 없는 상황에 직면하게 된다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 주변 진동의 주파수에 압전 에너지 하베스팅 소자의 공진 주파수를 일치시켜 전기적 손실을 줄이고, 수퍼커패시터, 2차 전지 및 박막 배터리 등의 저장 소자에 전력을 저장할 수 있는 초소형 압전 에너지 하베스팅/저장 장치 및 그 제조 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 제작 과정을 단순화하여 제조 비용을 줄일 수 있는 압전 에너지 하베스팅/저장 장치 및 그 제조 방법을 제공한다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 제1 측면에 따르면, 본 발명에 따른 압전 에너지 하베스팅/저장 장치는, 상부 일측에 홈이 형성되어 있는 기판; 일단이 상기 기판에 고정되고, 타단이 상기 홈 상부에 부양되어, 외부 진동을 전기 에너지로 변환하여 저장하는 압전 MEMS 캔틸레버; 및 상기 압전 MEMS 캔틸레버 일단에 형성되어, 진동을 부가하는 질량체를 포함한다.
본 발명의 제2 측면에 따르면, 발명에 따른 압전 에너지 하베스팅/저장 장치의 제조 방법은, 기판의 상부 일측에 홈을 형성하는 단계; 상기 홈에 폴리머를 매립한 후 평탄화하는 단계; 상기 기판 상부에 외부 진동을 전기 에너지로 변환하여 저장하는 압전 에너지 하베스팅 소자를 형성하는 단계; 및 상기 압전 에너지 하베스팅 소자 일측에 홀을 형성하고, 상기 홀을 통해 상기 홈에 매립된 폴리머를 제거하여 압전 MEMS 캔틸레버를 형성하는 단계를 포함한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 주변 진동을 전기 에너지로 변환하여 저장하는 압전 에너지 하베스팅/저장 장치를 제공함으로써, 자가충전이 가능하고 무결성의 무선 센서 네트워크를 구성하는 소자들의 전원으로 사용 가능한 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 어레이 형태의 압전 에너지 하베스팅/저장 장치를 제공함으로써, 초소형의 자가충전 전원 모듈로 구성이 가능하고, 인체 삽입형 캡슐 등의 전원으로 사용 가능하다.
또한, 본 발명에 의하면, 어레이 형태의 압전 에너지 하베스팅/저장 장치 및 그 제조 방법을 제공함으로써, 제작 과정이 단순하여 대량 생산에 적합하고, MEMS 공정을 이용한 센서 등에 집적화가 가능하다.
또한, 본 발명에 의하면, 어레이 형태의 압전 에너지 하베스팅/저장 장치 및 그 제조 방법을 제공함으로써, 소자들 간의 간격이 매우 짧아 에너지 수집 능력이 증대되는 효과가 있다.
도 1 및 도 2는 각각 본 발명의 일실시예에 따른 압전 에너지 하베스팅/저장 장치의 평면도 및 단면도,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 박막 배터리의 단면도,
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 일실시예에 따른 압전 에너지 하베스팅/저장 장치의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 흐름도,
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 압전 에너지 하베스팅/저장 장치의 회로도를 나타낸다.
이하, 본 발명의 일실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
일반적으로 압전 에너지 하베스팅 소자(Piezoelectric Energy Harvesting Device, 이하, 'PEH 소자'라 칭함)에는 압력 또는 진동에 의해 전기적 출력을 발생하는 단일 압전층과 이 압전층의 깨지기 쉬운(Brittle) 성질을 보강하는 비압전층 (예를 들면, Si 및 Al 등)으로 구성되는 압전 모노모프의 PEH 소자 및 비압전층의 양쪽에 압전층이 적층되는 압전 바이모프의 PEH 소자가 있다. 또한, 두 개의 압전층을 적층하는 대신에 여러 층의 압전층을 쌓는 다층 구조(Multilayer)의 PEH 소자도 있다.
이하에서는, 압전 모노모프의 PEH 소자를 예로 들어, 압전 에너지 하베스팅/저장 장치 및 그 제조 방법을 설명하기로 한다.
도 1 및 도 2는 각각 본 발명의 일실시예에 따른 압전 에너지 하베스팅/저장 장치의 평면도 및 단면도를 나타낸다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 압전 에너지 하베스팅/저장 장치는 기판(110), 압전 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 캔틸레버(120) 및 질량체(130) 등을 포함한다.
기판(110)은 상부 일측에 홈(112)에 형성되어 있고, SOI(Silicon-on Insulator) 웨이퍼가 될 수 있다. 여기서, SOI 웨이퍼는 Si 사이에 20um 두께의 Si 층과 1um의 SiO2 층이 삽입되어 구성된다. 또한, 본 발명에 따른 기판(110) 상부에는 압전층(125)의 증착 공정 중 압전 재료가 기판(110)으로 확산되는 것을 방지하고, 전기적인 단락을 방지하며, 다층 구조의 잔류 스트레스를 제거하기 위해, SiO2 또는 Si3N4가 증착될 수 있다.
압전 MEMS 캔틸레버(120)는 일단이 기판(110)에 고정되고, 타단이 홈(112) 상부에 부양되어, 외부 진동을 전기 에너지로 변환하여 저장한다. 이를 위해, 압전 MEMS 캔틸레버(120)는 커패시터(121), 제1 전극(122), 박막 배터리(123), 제2 전극(124), 압전층(125) 및 제3 전극(126) 등을 포함한다.
커패시터(121)는 정류기(미도시)에서 출력된 전압의 리플(Ripple)을 줄여준다. 여기서, 커패시터(121)는 도 2에 도시된 바와 같이, 압전 에너지 하베스팅/저장 장치 내부에 미리 제작될 수 있고, 외부에서 칩 커패시터 형태로 연결될 수도 있다.
제1 전극(122)은 높은 전기 전도성을 가지고, 고온에서 열적 안정성을 가지며, 하부 층과의 접착성을 높이기 위해 Pt/Ti를 포함한다.
박막 배터리(123)는 전기 에너지를 저장하기 위한 저장 소자로서, 제1 전극(122) 상부에 형성되고, 압전층(125)에 의해 변환된 전기 에너지를 저장한다. 이를 위해, 박막 배터리(123)는 2 개의 전류 포집기, 2 개의 전극, 이들 사이에 존재하는 전해질로 구성될 수 있으며, 이에 대한 자세한 설명은 도 3에서 하기로 한다.
제2 전극(124)은 박막 배터리(123) 상부에 형성된다. 제2 전극(124)은 높은 전기 전도성을 가지고, 고온에서 열적 안정성을 가지며, 하부 층과의 접착성을 높이기 위해 Pt/Ti를 포함한다.
압전층(125)은 제2 전극(124) 상부에 형성되고, 외부 진동을 전기 에너지로 변환한다. 여기서, 압전층(125)은 PZT, PMN-PT, PZN-PT, PMN-PZT, MFC(Micro-fiber Composite), ZnO 및 AlN 등을 포함할 수 있고, 원하는 두께를 얻을 때까지 다중 코팅을 통해 얻어질 수 있다.
제3 전극(126)은 압전층(125) 상부에 형성되고, 높은 전기 전도성을 가지며, 고온에서 열적 안정성을 가지기 위해 Pt를 포함한다.
질량체(130)는 제3 전극(126) 일단에 위치하여, 압전 MEMS 캔틸레버(120)에 진동을 부가한다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일실시예에서는 PEH 소자와 저장 소자를 일체화된 압전 에너지 하베스팅/저장 장치를 제공함으로써, 초소형의 압전 에너지 하베스팅/저장 장치를 제공할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 박막 배터리의 단면도를 나타낸다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 박막 배터리(123)는 기판(300), 제1 전류 포집층(310), 제1 전극(320), 전해질층(330), 제2 전극(340) 및 제2 전류 포집층(350) 등을 포함한다.
기판(300)은 Si, 유리, 세라믹, 금속, 플라스틱 및 폴리머 등의 물질로 이루어질 수 있다.
제1 전류 포집층(310)은 기판(300) 상에 형성되고, Pt/Cr를 포함한다.
제1 전극(320)은 제1 전류 포집층(310) 상에 형성되고, LiCoO2를 포함한다. 여기서, 제1 전극(320)은 캐소드 전극 또는 애노드 전극이 될 수 있다.
전해질층(330)은 제1 전극(320)을 포함하는 기판(300) 상에 형성되고, 리튬 혼합물로 이루어질 수 있다.
제2 전극(340)은 전해질층(330) 상에 형성되고, SnO를 포함한다. 여기서, 제2 전극(340)은 제1 전극(320)과 반대 극성인 애노드 전극 또는 캐소드 전극이 될 수 있다.
제2 전류 포집층(350)은 제2 전극(340) 상에 형성되고, Pt를 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 박막 배터리(123)는 전해질층(330)의 리튬이 확산되는 것을 방지하기 위해 박막 배터리(123) 전면을 감싸는 보호층(미도시)을 더 포함할 수 있다.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 일실시예에 따른 압전 에너지 하베스팅/저장 장치의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 흐름도이다.
도 4a를 참조하면, Si 기판 또는 SOI 기판 등과 같은 기판(110)의 상부 일측에 홈(112)을 형성한다. 자세하게는, 압전 MEMS 캔틸레버(120)가 형성될 위치에 사각형 형상의 포토레지스트 패턴을 형성한 후, 반응성 이온 식각(Reactive Ion Etching, RIE)을 통해 홈(112)을 형성한다.
도 4b를 참조하면, 홈(112)에 PMMA 또는 SU8 등의 폴리머(113)를 매립한 후 화학기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing, CMP)를 통해 평탄화한다. 여기서, 폴리머(113)는 후술하는 SF6 또는 XeF2를 이용하여 등방성 건식 식각을 수행할 때, 실리콘에 비해 폴리머가 높은 선택비를 갖게 하여 측면 식각을 막아주는 역할을 한다.
도 4c를 참조하면, 기판(110) 상에 커패시터(121), 제1 전극(122), 박막 배터리(123), 제2 전극(124), 압전층(125) 및 제3 전극(126)을 순차적으로 적층하여 PEH 소자를 형성한다. 여기서, 제1 전극(122) 및 제2 전극(124)은 Pt/Ti를 스퍼터링 증착하여 형성한다. 또한, 압전층(125)은 PZT, PMN-PT, PZN-PT, PMN-PZT, MFC(Micro-fiber Composite), ZnO 및 AlN 등의 압전 재료를 원하는 두께를 얻을 때까지 다중 코팅하여 형성한다. 또한, 제3 전극(126)은 Pt를 스퍼터링 증착하여 형성한다.
한편, 본 발명에 따른 박막 배터리(123)의 제조 방법을 도 3을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
기판(300) 상에 Pt/Cr를 증착하여 제1 전류 포집층(310)을 형성하고, 제1 전류 포집층(310) 상에 LiCoO2를 증착하여 제1 전극(320)을 형성한다.
이어서, 제1 전극(320)을 포함하는 기판(300) 상에 리튬 혼합물을 증착하여 전해질층(330)을 형성한다.
끝으로, 전해질층(330) 상에 SnO를 증착하여 제2 전극(340)을 형성하고, 제2 전극(340) 상에 Pt를 증착하여 제2 전류 포집층(350)을 형성한다.
추가로, 전해질층(330)의 리튬이 확산되는 것을 방지하기 위해 박막 배터리(123) 전면을 감싸는 보호층(미도시)을 더 형성할 수도 있다.
도 4d를 참조하면, XeF2 또는 SF6을 이용한 등방성 건식 식각을 통해 PEH 소자 일측에 홀(120a)을 형성하고, 홀(120a)을 통해 홈(112)에 매립된 폴리머(113)를 제거함으로써, 압전 MEMS 캔틸레버(120)를 형성한다. 이때, 포토레지스트 패턴을 이용하여 질량체(127)가 동시에 형성된다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 압전 에너지 하베스팅/저장 장치의 회로도를 나타낸다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 압전 에너지 하베스팅/저장 장치는 PEH 소자(510), 정류기(520), 커패시터(530), DC-DC 전력 변환기(540) 및 저장 소자(550) 등을 포함한다.
PEH 소자(510)는 외부 진동을 전기 에너지로 변환하여 AC 전압을 출력한다.
정류기(520)는 PEH 소자(510)에서 발생한 AC 전압을 DC 전압으로 변환한다. 여기서, 정류기(520)는 압전 에너지 하베스팅/저장 장치 내부에 미리 제작되거나 외부에서 IC 형태로 연결될 수 있다.
커패시터(530)는 정류기(520)에서 출력되는 DC 전압의 리플을 줄여준다. 여기서, 커패시터(530)는 도 2에 도시된 바와 같이, 압전 에너지 하베스팅/저장 장치 내부에 미리 제작되거나 외부에서 IC 형태로 연결될 수 있다.
DC-DC 전력 변환기(540)는 커패시터(530)에서 출력되는 DC 전압을 저장 소자(550)에 저장하기에 적절한 전압으로 변환한다. 여기서, DC-DC 전력 변환기(540) 또한 압전 에너지 하베스팅/저장 장치 내부에 미리 제작되거나 외부에서 IC 형태로 연결될 수 있다.
저장 소자(550)는 DC-DC 전력 변환기(540)에서 출력되는 전압을 저장한다. 본 발명의 일실시예에서는 저장 소자(550)로서 박막 배터리를 예로 들어 설명하고 있지만, 저장 소자(550)는 수퍼커패시터 및 2차 전지 등이 될 수도 있다.
한편, 본 발명의 일실시예에서는 설명의 편의상 단일 PEH 소자 및 단일 박막 배터리를 예로 들어 설명하고 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 압전 에너지 하베스팅/저장 장치의 출력 전압을 높이기 위해, 복수의 PEH 소자를 어레이 형태로 배열하거나, 복수의 박막 배터리를 PEH 소자와 병렬 또는 직렬로 연결할 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.
110: 기판 112: 홈
120: 압전 MEMS 캔틸레버 121: 커패시터
122: 제1 전극 123: 박막 배터리
124: 제2 전극 125: 압전층
126: 제3 전극 130: 질량체

Claims (16)

  1. 상부 일측에 홈이 형성되어 있는 기판;
    일단이 상기 기판에 고정되고, 타단이 상기 홈 상부에 부양되어, 외부 진동을 전기 에너지로 변환하여 저장하는 압전 MEMS 캔틸레버; 및
    상기 압전 MEMS 캔틸레버 일단에 형성되어, 진동을 부가하는 질량체;
    를 포함하는 압전 에너지 하베스팅/저장 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 압전 MEMS 캔틸레버는,
    전압의 리플을 제거하는 커패시터;
    상기 커패시터 상부에 형성되는 제1 전극;
    상기 제1 전극 상부에 형성되는 박막 배터리;
    상기 박막 배터리 상부에 형성되는 제2 전극;
    상기 제2 전극 상부에 형성되는 압전층; 및
    상기 압전층 상부에 형성되는 제3 전극;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 에너지 하베스팅/저장 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 박막 배터리는,
    제1 전류 포집층;
    상기 제1 전류 포집층 상부에 형성되는 제1 전극;
    상기 제1 전극 상부에 형성되는 전해질층;
    상기 전해질층 상부에 형성되는 제2 전극; 및
    상기 제2 전극 상부에 형성되는 제2 전류 포집층;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 에너지 하베스팅/저장 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 박막 배터리는,
    상기 박막 배터리 전면을 감싸는 보호층;
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 에너지 하베스팅/저장 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 압전층은 PZT, PMN-PT, PZN-PT, PMN-PZT, MFC(Micro-fiber Composite), ZnO 및 AlN 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 에너지 하베스팅/저장 장치.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 Pt/Ti를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 에너지 하베스팅/저장 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 SOI(Silicon-on Insulator) 웨이퍼인 것을 특징으로 하는 압전 에너지 하베스팅/저장 장치.
  8. 제1항 또는 제7항에 있어서,
    상기 기판 상에 SiO2 또는 Si3N4가 증착되는 것을 특징으로 하는 압전 에너지 하베스팅/저장 장치.
  9. 기판의 상부 일측에 홈을 형성하는 단계;
    상기 홈에 폴리머를 매립한 후 평탄화하는 단계;
    상기 기판 상부에 외부 진동을 전기 에너지로 변환하여 저장하는 압전 에너지 하베스팅 소자를 형성하는 단계; 및
    상기 압전 에너지 하베스팅 소자 일측에 홀을 형성하고, 상기 홀을 통해 상기 홈에 매립된 폴리머를 제거하여 압전 MEMS 캔틸레버를 형성하는 단계;
    를 포함하는 압전 에너지 하베스팅/저장 장치의 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 폴리머는 PMMA 또는 SU8 폴리머인 것을 특징으로 하는 압전 에너지 하베스팅/저장 장치의 제조 방법.
  11. 제9항에 있어서, 상기 홈을 형성하는 단계에서,
    반응성 이온 식각(Reactive Ion Etching, RIE)을 통해 상기 홈을 형성하는 것을 특징으로 하는 압전 에너지 하베스팅/저장 장치의 제조 방법.
  12. 제9항에 있어서, 상기 압전 MEMS 캔틸레버를 형성하는 단계에서,
    XeF2 또는 SF6을 이용한 등방성 건식 식각을 통해 상기 압전 에너지 하베스팅 소자의 일측에 홀을 형성하고, 상기 홀을 통해 상기 홈에 매립된 폴리머를 제거하는 것을 특징으로 하는 압전 에너지 하베스팅/저장 장치의 제조 방법.
  13. 제9항에 있어서, 상기 압전 MEMS 캔틸레버를 형성하는 단계에서,
    상기 압전 MEMS 캔틸레버를 형성함과 동시에 상기 압전 MEMS 캔틸레버 일단에 질량체를 형성하는 것을 특징으로 하는 압전 에너지 하베스팅/저장 장치의 제조 방법.
  14. 제9항에 있어서, 상기 압전 에너지 하베스팅 소자를 형성하는 단계는,
    커패시터를 형성하는 단계;
    상기 커패시터 상부에 제1 전극을 형성하는 단계;
    상기 제1 전극 상부에 박막 배터리를 형성하는 단계;
    상기 박막 배터리 상부에 제2 전극을 형성하는 단계;
    상기 제2 전극 상부에 압전층을 형성하는 단계; 및
    상기 압전층 상부에 제3 전극을 형성하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 에너지 하베스팅/저장 장치의 제조 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 박막 배터리를 형성하는 단계는,
    제1 전류 포집층을 형성하는 단계;
    상기 제1 전류 포집층 상부에 제1 전극을 형성하는 단계;
    상기 제1 전극을 포함하는 기판 상부에 전해질층을 형성하는 단계;
    상기 전해질층 상부에 제2 전극을 형성하는 단계; 및
    상기 제2 전극 상부에 제2 전류 포집층을 형성하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 에너지 하베스팅/저장 장치의 제조 방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 박막 배터리를 형성하는 단계는,
    상기 박막 배터리 전면을 감싸는 보호층을 형성하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 에너지 하베스팅/저장 장치의 제조 방법.
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