KR20130055867A - 압전 마이크로 발전기 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
기계 에너지를 전기 에너지로 변환시켜 자체적으로 전력을 생산하는 압전 마이크로 발전기 및 그 제조 방법이 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 의한 압전 마이크로 발전기는, 실리콘 베이스와, 상기 실리콘 베이스 상에 형성되는 하부 전극과, 상기 하부 전극 상에 형성되며 기계적 스트레인 변화에 응답하여 전기 에너지를 발생시키는 압전막과, 상기 압전막 상에 형성되는 상부 전극과, 상기 실리콘 베이스의 하부면 중 일부분에 결합되어 감응 주파수 특성을 조절하는 질량체를 포함하는 압전 구조체 및 일정 크기의 개방된 공동(Cavity)을 포함하고, 상기 공동 내에 상기 질량체가 위치하도록 상기 실리콘 베이스의 하부면 중 일부분에 결합되어 상기 압전 구조체를 부양하는 프레임을 포함한다.
Description
본 발명은 주변 환경에서 발생하는 기계 에너지를 전기 에너지로 변환시켜 자체적으로 전력을 생산하는 압전 마이크로 발전기 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 센서는 내부에 장착된 전지로부터 전원을 공급받기 위해 주기적으로 전지를 교환해야 하고, 이때 센서 전체를 탈착 및 부착하여야 하기 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 있다. 그리고, 무선 센서가 초소형화 및 지능화로 발전됨에 따라 이에 전력을 공급할 수 있고 또한 모듈 형태로도 결합될 수 있는 마이크로 발전기(Micro Power Generator)의 개발이 요구되고 있다.
특히, 진동 등의 기계적 에너지가 항상 존재하는 환경, 즉, 자동차 타이어, 모터, 철도, 공조시스템, 공작기계 등에서 마이크로 발전기를 사용할 경우 큰 효과를 볼 수 있다. 예를 들면, 자동차 타이어의 공기압 상태를 실시간으로 모니터링하는 무선 센서 모듈인 타이어 공기압 감지시스템(TPMS: Tire Pressure Monitoring System)을 마이크로 발전기와 함께 설치하면, 타이어의 기계적 움직임을 전기 에너지로 변화시켜 외부 전원 공급 장치가 없어도 무선 센서 모듈의 기능이 가능하게 될 것이다.
주위 환경에서 발생하는 진동, 충격, 회전력, 관성력, 압력 및 유체 흐름 등의 기계 에너지를 전기 에너지로 변화시키는 압전 마이크로 발전기는 에너지 변환 기능 물질로 압전 물질(Piezoelectric Material)을 이용하는 방법으로서, 세라믹 등의 무기 물질이나 폴리머 등의 유기 물질로 이루어진 압전 물질에 스트레인(Strain) 변화가 있을 때 전하(Electrical Charge)를 생성하는 특성을 이용함으로써, 그 변환 방법이 간단하고, 높은 출력 전압을 얻을 수 있으며, 외부 전압원이 불필요하여 구조적으로 용이하게 구현할 수 있다는 장점이 있다.
이러한 압전 물질을 이용한 발전기는 압전체와 전극을 포함하고, 압전체에 인가되는 기계적 스트레인 변화에 따라 생성되는 전하를 전극에서 포집함으로써, 자체적으로 전기적 에너지를 생성한다.
종래의 압전 마이크로 발전기는 세라믹 소결된 압전체를 패치 형태로 기계적인 변위를 줄 수 있는 기계적인 구조물이나 금속판에 잘라서 붙이거나, 후막 압전 물질을 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, 조립하는 방법이므로 제작 비용이 높아지는 문제점이 있다.
한편, 최근에는 실리콘 반도체 공정을 적용한 미세전기기계집적시스템(MicroElectro Mechanical System; MEMS) 기술을 주로 활용한 소형의 압전 마이크로 발전기가 연구되고 있다. 이러한 압전 마이크로 발전기는 박막 증착, 감광막 도포, 미세 패터닝 및 박막 식각의 공정을 반복적으로 수행하여 기판의 수직 방향으로 상술한 기능 요소들을 순차적으로 적층하여 제작하게 되는데, 이들 방법에 의하면 주요 기능 요소들을 형성하는 데 10개 이상의 패턴 마스크가 사용된다. 따라서 제조 비용 및 기간이 많이 소모되고, 제조 공정에서 수율이 떨어지는 문제점이 있다.
압전 마이크로 발전기 구조에서 질량체(Proof Mass)는 외부 진동에 대한 감응 주파수 및 발전 특성에 주요한 역할을 하는데, [표 1]의 재료 물성에 보인 바와 같이 밀도가 높은 텅스텐과 같은 물질로 형성하는 것이 소자의 소형화 측면에서 유리하다. 특히, 실리콘 일관공정에 의한 실리콘 질량체는 밀도가 적어 이를 사용한 마이크로 발전기는 낮은 주파수의 외부 진동 영역에 대한 감응이 곤란하고 충격 등에 약한 문제점이 있다. 이에 따라 여러가지 재료의 물질을 질량체로 용이하게 사용하여 다양한 주파수 대역을 발전원(Power Source)으로 활용할 수 있는 제작 방법이 필요하다.
| 물질 | 밀도(g/cm^3) |
| Tungsten | 19.6 |
| Copper | 8.93 |
| SST | 7.48 ~ 8.0 |
| Si | 2.33 |
또한, 마이크로 발전기가 동작하기 위해서는 움직이는 부분이 기판으로부터 분리되어야 하기 때문에 이를 용이하게 하기 위해 고가의 기판인 SOI(Silicon-on-Insulator) 웨이퍼를 사용할 경우에는 그 제조 비용이 한층 더 높아진다. 구체적으로, 실리콘 기판 뒷면을 미세가공하여 식각 피트(Etched Pit)나 홈(Groove)을 형성하고, 질량체와 함께 기판으로부터 분리된 부양된(Suspended) 구조체를 제작한다. 최종 분리과정은 통상 구조체 실리콘 하부에 존재하는 실리콘 산화막을 불산(HF) 또는 무수 불산(Anhydrous HF) 등의 습식 및 건식 공정으로 제거하는 희생층 제거 공정(Sacrificial Layer Release)을 이용하게 되는데, 이러한 공정 과정과 분리된 구조체를 웨이퍼 레벨로 취급하는 과정, 그리고 소자와 패키지를 결합하는 과정 중에 스트레스 불균형, 표면장력, 충격 등에 의해 구조체가 파손이 흔히 발생되며 제작 수율을 낮추는 주요 원인이 된다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 간단한 구조로 대량 생산이 용이하고, 다양한 종류의 물질을 질량체로 용이하게 사용할 수 있으며, 마이크로 발전기의 압전 구조체를 패키지 상에 용이하게 결합할 수 있는 실리콘 기반의 압전 마이크로 발전기 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 의한 압전 마이크로 발전기는, 실리콘 베이스와, 상기 실리콘 베이스 상에 형성되는 하부 전극과, 상기 하부 전극 상에 형성되며 기계적 스트레인 변화에 응답하여 전기 에너지를 발생시키는 압전막과, 상기 압전막 상에 형성되는 상부 전극과, 상기 실리콘 베이스의 하부면 중 일부분에 결합되어 감응 주파수 특성을 조절하는 질량체를 포함하는 압전 구조체 및 일정 크기의 개방된 공동(Cavity)을 포함하고, 상기 공동 내에 상기 질량체가 위치하도록 상기 실리콘 베이스의 하부면 중 일부분에 결합되어 상기 압전 구조체를 부양하는 프레임을 포함한다.
상기 압전 구조체는 상기 실리콘 베이스의 하부면 중 일 측면부만 상기 프레임에 결합되어 외팔보(Cantilever) 형태로 형성되거나, 상기 실리콘 베이스의 하부면 중 양 측면부가 상기 프레임에 결합되어 브릿지(Bridge) 형태로 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 의한 압전 마이크로 발전기는, 다수의 압전 구조체를 포함하고, 상기 다수의 압전 구조체 각각은 실리콘 베이스와, 상기 실리콘 베이스 상부에 형성되는 하부 전극과, 상기 하부 전극 상부에 형성되며 기계적 스트레인 변화에 응답하여 전기 에너지를 발생시키는 압전막과, 상기 압전막 상부에 형성되는 상부 전극과, 상기 실리콘 베이스의 하부면 중 일부분에 결합되어 감응 주파수 특성을 조절하는 질량체를 포함하는 압전 구조체 어레이 및 일정 크기의 개방된 공동(Cavity)을 포함하고, 상기 공동 내에 상기 다수의 압전 구조체에 결합된 다수의 질량체가 위치하도록 상기 다수의 압전 구조체의 실리콘 베이스의 하부면 중 일부분에 결합되어 상기 압전 구조체 어레이를 부양하는 프레임을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 압전 마이크로 발전기의 제조 방법은, 실리콘 기판 상에 절연막을 형성하는 단계, 상기 절연막 상에 하부 전극, 압전막 및 상부 전극을 형성하는 단계, 상기 실리콘 기판의 하부를 연마하여 실리콘 베이스를 형성하는 단계, 상기 실리콘 베이스의 하부면에 다이 분리 홈을 형성하여 상기 실리콘 베이스를 구획하는 단계, 상기 실리콘 베이스의 하부면 중 일부분에 질량체를 결합하는 단계, 상기 질량체가 개방된 공동(Cavity) 내에 위치하도록 상기 실리콘 베이스의 하부면 중 일부분을 상기 공동이 형성된 프레임의 상부면에 결합하는 단계 및 상기 다이 분리 홈을 이용하여 상기 실리콘 베이스를 다이 별로 분리하는 단계를 포함한다.
본 발명에 의하면, 실리콘 기반의 반도체 공정과 접합 공정, 연마 공정에 의해 간단한 구조를 가지고 제작 비용이 저렴한 압전 마이크로 발전기를 구현할 수 있다.
또한, 다양한 종류의 물질을 질량체로 결합할 수 있어 외부 진동을 효율적으로 발전원으로 사용할 수 있고, 소형화된 구조를 가지는 압전 마이크로 발전기를 구현할 수 있다.
또한, 압전 구조체와 프레임을 결합함으로써 제조 비용 절감과 공정의 간소화를 이룰 수 있는 압전 마이크로 발전기를 구현할 수 있다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 의한 외팔보(Cantilever) 형태의 압전 마이크로 발전기의 평면도.
도 1b는 도 1a의 C-C' 단면을 나타낸 단면도.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 의한 브릿지(Bridge) 형태의 압전 마이크로 발전기의 평면도.
도 2b는 도 1a의 C-C' 단면을 나타낸 단면도.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 의한 외팔보 배열(Cantilever array) 형태의 다수의 압전 구조체(190)를 포함하는 압전 마이크로 발전기(100)의 평면도.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 의한 브릿지 배열(Bridge array) 형태의 다수의 압전 구조체(190)를 포함하는 압전 마이크로 발전기(100)의 평면도.
도 5 내지 도 10은 본 발명의 일 실시예에 의한 압전 마이크로 발전기의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 흐름도.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 의한 외팔보형 압전 발전기의 외부 진동 주파수에 따른 전기 에너지 출력 특성을 출력 전압으로 나타낸 도면.
도 1b는 도 1a의 C-C' 단면을 나타낸 단면도.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 의한 브릿지(Bridge) 형태의 압전 마이크로 발전기의 평면도.
도 2b는 도 1a의 C-C' 단면을 나타낸 단면도.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 의한 외팔보 배열(Cantilever array) 형태의 다수의 압전 구조체(190)를 포함하는 압전 마이크로 발전기(100)의 평면도.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 의한 브릿지 배열(Bridge array) 형태의 다수의 압전 구조체(190)를 포함하는 압전 마이크로 발전기(100)의 평면도.
도 5 내지 도 10은 본 발명의 일 실시예에 의한 압전 마이크로 발전기의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 흐름도.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 의한 외팔보형 압전 발전기의 외부 진동 주파수에 따른 전기 에너지 출력 특성을 출력 전압으로 나타낸 도면.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 의한 외팔보(Cantilever) 형태의 압전 마이크로 발전기의 평면도이고, 도 1b는 도 1a의 C-C' 단면을 나타낸 단면도이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 의한 브릿지(Bridge) 형태의 압전 마이크로 발전기의 평면도이고, 도 2b는 도 1a의 C-C' 단면을 나타낸 단면도이다.
도 1a 내지 도 2b를 참조하면, 본 발명에 의한 압전 마이크로 발전기(100)는, 실리콘 베이스(180)와, 실리콘 베이스(180) 상에 형성되는 하부 전극(120)과, 하부 전극(120) 상에 형성되며 기계적 스트레인 변화에 응답하여 전기 에너지를 발생시키는 압전막(130)과, 압전막(130) 상에 형성되는 상부 전극(160)과, 실리콘 베이스(180)의 하부면 중 일부분에 결합되어 감응 주파수 특성을 조절하는 질량체(200)를 포함하는 압전 구조체(190) 및 일정 크기의 개방된 공동(Cavity)(230)을 포함하고, 공동(230) 내에 질량체(200)가 위치하도록 실리콘 베이스(180)의 하부면 중 일부분에 결합되어 압전 구조체(190)를 부양하는 프레임(220)을 포함한다. 또한, 일단이 각각 하부 전극(120)과 상부 전극(160)에 연결되고, 두 전극(120, 160)에 의해 포집된 전기 에너지를 외부로 전달하기 위한 하부 전극 패드(120)와 상부 전극 패드(170)를 더 포함한다.
여기에서 압전 구조체(190)는 도 1a, 1b와 같이 실리콘 베이스(180)의 하부면 중 일 측면부만 프레임(220)에 결합되는 외팔보 형태로 형성되거나, 도 2a, 2b와 같이 실리콘 베이스(180)의 하부면 중 양 측면부가 프레임(220)에 결합되는 브릿지 형태로 형성될 수 있다.
압전 구조체(190)의 기본 지지체인 실리콘 베이스(180)는 기설정된 폭(W), 길이(L) 및 두께(t)를 가진다.
외부 진동에 대한 감응 주파수는 실리콘 베이스(180)의 폭(W), 길이(L), 두께(t)(예를 들면, 100um 이하) 및 질량체(200)의 질량(M)과 그 부착 위치에 의해 주로 결정된다. 특히, 질량체(200)의 질량(M)을 조절함으로써 주파수 특성을 가변시킬 수 있는데, 텅스텐 등의 무거운 금속 재질로 형성하면 소형으로도 낮은 감응 주파수 특성을 가지는 압전 마이크로 발전기(100)를 구현할 수 있다. 질량체(200)의 재질은 무기 물질, 유기 물질 및 그 혼합 물질 중 적어도 하나를 포함한다.
프레임(220)은 압전 구조체(190)를 부양시켜, 외부 진동이 발생하는 경우 이에 감응하여 자유롭게 기계적인 변위(Displacement, Deflection)가 나타날 수 있도록 하는 역할을 수행한다. 프레임(220)은 일정한 폭(a)과 길이(b)와 깊이(H)의 개방된 공동(230)을 가지도록 형성되어 질량체(200)가 부착된 압전 구조체(190)의 최대 변위를 제한할 수 있다. 통상적으로는 프레임(220)의 높이(H)를 질량체(200)의 높이(h)보다 크게 함으로써, 질량체(200)가 외부 진동에 감응하여 충분히 움직일 수 있도록 설계된다. 프레임(220)은 PCB(Printed Circuit Board), 세라믹, 유리, 금속, 플라스틱, 실리콘 물질 및 그 혼합 물질 중 적어도 하나로 형성되며, 압전 구조체(190)의 하부 전극 패드(150) 및 상부 전극 패드(170)로부터 외부 회로로의 배선 연결이 용이하도록 프레임(220)의 상부 면에는 다수의 도선 인출부(240)가 형성될 수 있다.
실리콘 베이스(180) 상에 형성된 하부 전극(120)과 상부 전극(160)은 단일층 또는 복합층의 도전막으로 구성되며 그 사이에 압전막(130)이 개재되어 상호 격리된 한 쌍의 대향 전극(120, 160)을 형성한다. 실리콘 베이스(180)와는 절연막(111)을 매개로 전기적으로 절연된다. 양 전극(120, 160)은 기계적 스트레인 변화에 응답하여 압전 변환에 의해 압전막(130)으로부터 발생된 전하를 포집한다.
하부 전극 패드(150)는 접촉창(Contact Window)(140)을 통해 그 일단이 하부 전극(120)과 연결되며, 상부 전극 패드(170)는 그 일단이 상부 전극(160)과 연결된다. 전극 패드는(150, 170)는 전극(120, 160)으로부터 포집된 전기 에너지를 미세 전기 도선(260)을 통해 외부 회로로 전달하며 실리콘 베이스(180)와는 절연된다. 전극 패드(150, 170)와 상부 전극(160)은 동일한 도전성 물질로 형성되는 것이 바람직하다.
외부의 환경 변화에 대응하여 압전 마이크로 발전기(100)에 인가되는 기계적 스트레인 변화를 압전 변환에 의해 전기적 에너지로 변환시키는 압전막 재료(113)는 무기 물질, 유기 물질, 나노 물질 및 그 혼합 물질 중 적어도 하나로 형성된다. 예를 들면, AlN(Aluminum Nitride), ZnO(Zinc Oxide), BaTiO3, PZT(Lead Zirconate Titanate, PbZrxTi1 - xO3), PMN-PT[(1-x)Pb(Mg1/3Nb2 /3)O3 - xPbTiO3] 등의 금속 질화물이나 금속 산화물(Metal Oxide), 세라믹 등의 무기물질, PVDF(Polyvinylidene Fluoride) 등의 유기물질, 이 외에 나노선(Nano Wire), 나노 튜브(Nano Tube) 등의 나노 물질 등을 포함한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에서는 실리콘 베이스(180)의 일부분이 개방된 공동(230)을 가진 프레임(220)과 결합함으로써, 질량체(200)가 결합된 압전 구조체(190)가 부양되어, 외부 진동에 상응하여 기계적인 변위가 발생되어 압전막(130)에 이에 대응되는 기계적인 스트레인을 인가시킬 수 있다. 그리고 압전 구조체(190)를 형성하는 하부 전극(120)과 상부 전극(160)을 이용하여 전극들 사이에 개재된 압전막(130)에서 발생되는 전하를 포집하여 외부 회로로 출력함으로써, 전기 에너지인 전력을 자체적으로 생성한다.
도 3 및 도 4는 각각 본 발명의 다른 실시예에 의한 외팔보 배열(Cantilever array) 및 브릿지 배열(Bridge array) 형태의 다수의 압전 구조체(190)를 포함하는 압전 마이크로 발전기(100)의 평면도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 압전 마이크로 발전기(100)는 다수의 압전 구조체(190)가 하나의 프레임(220)에 결합되어 부양되는 형태를 가질 수 있다. 각각의 압전 구조체(190)의 구조 및 특성은 도 1a 내지 도 2b를 통해 설명한 바와 같다.
여기에서, 압전 구조체(190)의 폭(W)과 길이(L), 그리고 각 질량체(200)의 질량(M1, M2, M3, …, Mn)을 적절하게 설계함으로써 외부 환경에 대한 감응 주파수 특성을 조절할 수 있다.
각각의 압전 구조체(190)에서 2개의 전극 패드(150, 170)는 전기 도선(260)을 통해 프레임(220)에 위치한 2개의 도선 인출부(240)로 연결된다. 압전 구조체(190)들은 전기적으로 병렬 또는 직렬 형태로 연결되어 운용될 수 있다.
도 5 내지 도 10은 본 발명의 일 실시예에 의한 압전 마이크로 발전기의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 흐름도이다. 2회의 반도체 패터닝(Patterning) 공정, 화학기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing) 공정, 2회의 접합(Bonding) 공정 및 다이 분리(Die Separation) 공정을 포함할 수 있다.
도 5 내지 도 10을 참조하여 본 발명에 의한 압전 마이크로 발전기의 제조 공정을 설명하면, 먼저(도 5) 실리콘 기판(110) 상에 절연막(111)을 형성한다. 여기에서, 절연막(111)은 이후 공정에서 형성되는 하부 전극(120), 상부 전극(160) 및 하부 전극 패드(150), 상부 전극 패드(170)(도 1a, 도 2a 참조)를 통해 흐르는 전류가 실리콘 기판(110) 등의 주위 부분에 영향을 주는 것을 최소화하기 위하여 전기적으로 절연시키는 역할을 수행한다.
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 0.3~1㎛의 두께로 형성되는 것이 바람직하며, 단일층, 적층막이나 여러 개의 복합층으로 형성될 수 있다.
다음으로, 절연막(111) 상에 이후에 형성될 압전막(113)에서 발생되는 전하를 포집하기 위한 하부 전극(120)으로 사용되는 도전막(112)을 증착한다. 도전막(112)인 금속막을 증착하기 위해 스퍼터링(Sputtering)이나 전자빔 기화법(e-Beam Evaporation)으로, 먼저 절연막(111)과의 접착성을 증진하고 도전막(112) 구성 성분이 주변부로 확산되는 것을 저지하는 역할을 하는 기저층으로 얇은 두께의 Ti막 또는 TiW막, Cr막을 증착한 후 그 위에 압전막의 결정 배향성을 촉진할 목적으로 0.1㎛ ~ 0.3㎛ 두께의 Pt나 Mo 또는 Au 박막을 그 위에 증착하여 Ti/Pt막, Ti/Mo, Ti/Au 등 형태의 적층 금속막을 형성한다. 이때 하부 기저층으로는 이외에, TiN, TiO2, Ta, TaN, Ti/TiN, Ti/Ni, Ti/TiW 등 금속을 기본으로 한 다른 전기 전도층과 조합될 수 있다.
이 위에 압전막(113)을 형성하며, 압전막(113)은 스퍼터링법(Sputtering), 화학증착법(Chemical Vapor Deposition; CVD), 프린팅법(Printing), 전자빔 기화법(e-Beam Evaporation), 펄스 레이저빔 증착법(Pulsed Laser Deposition), 졸겔법(Sol-Gel Process) 등으로 형성될 수 있는데, 본 발명의 일 실시예에서는 알루미늄 타겟을 사용하여 350oC 정도의 기판 온도에서 반응성 스퍼터링법(Reactive Sputtering)으로 1um 정도 두께로 주상정(Columnar), c축 배향으로 형성된 알루미늄 질화막(AlN) 재질의 압전막(113)을 예로 들어 설명하기로 한다.
다음으로(도 6), AlN 압전막(113) 상부에 식각 마스킹층 용도로 절연막(114)을 형성하고, 이 위에 감광막(Photoresist; PR)(미도시)을 도포한 후 패턴 마스크와 포토리소그라피(Photolithography) 공정으로 PR을 미세 패터닝한 다음에, 절연막(114)을 반응성 이온 식각법(Reactive Ion Etching) 또는 습식 식각법으로 패터닝한다. 이후에 패터닝된 절연막(114)을 식각 마스킹층으로 하여 하부의 AlN 압전막(113)을 반응성 이온 식각법(Reactive Ion Etching) 또는 TMAH(Tetramethylammonium Hydroxide)나 인산(H3PO4) 용액에 의한 습식 식각법으로 마이크로 발전기 소자의 활성 영역(130)을 덮도록 패터닝함과 함께 하부 전극으로의 접촉창(140)을 형성한다.
다음으로(도 7), 마스킹용 절연막(114)을 전부 제거한 후에 PR(미도시)을 도포하고 패턴 마스크와 포토리소그라피 공정으로 PR을 미세 패터닝한 후에 전자빔 기화법(e-Beam Evaporation) 등으로 PR 상부 면 전체에 도전막(115)을 증착한다. 이때 도전막(115)은 도 3의 하부 전극용 물질로 언급된 금속 물질들을 조합하여(예를 들면, Ti/Au 등) 0.3~0.5um 두께 이상으로 증착한다. 다음에 PR을 용매로써 제거하여 도전막(115) 패턴만을 남기는 리프트오프(Lift-off) 공정으로 AlN 압전막(113)이 덮여진 활성 영역(130) 위에 상부 전극(160) 및 상부 전극 패드(170)(도 1a, 도 2a 참조), 그리고 접촉창(140) 위에 하부 전극 패드(150)를 형성한다. 이후에 실리콘 기판(110)의 하부 면을 화학기계연마법(Chemical Mechanical Polishing)으로 얇게 연마하여(Thinning) 일정한 두께(t)를 가지는 기본 구조인 실리콘 베이스(180)를 형성한다(예를 들면, 100um 두께 이하). 여기까지의 공정에 의해 실리콘 물질을 지지용 베이스(180)로 하는 AlN 압전 구조체(190)가 제작되었다.
이후의 도면에서는 제작 상의 이해를 돕기 위해 웨이퍼 레벨에서 3개의 실리콘 기반 압전 구조체(190) 부위를 포함하여 도시하였다.
다음은 AlN 압전 구조체(190)에 질량체(200)를 접합하는 공정이다(도 8). 응력을 최소화하는 접합 공정(Bonding)으로 질량체(200)를 결합한다. 예를 들면, 절연성 또는 전도성 접착 물질(116)을 실리콘 베이스(180) 부위에 도포 또는 적정한 후에 질량체(200)를 접합하고 적절한 온도와 분위기에서 열처리하여 경화 고정시킨다. 또 다른 방법으로 유무기 혼합물로 구성된 질량체(200)를 프린팅 공정을 이용하여 직접 실리콘 베이스(180)의 하부 면에 형성할 수도 있다.
다음에, 전체 웨이퍼 레벨에서 AlN 압전 구조체(190)가 다수 개 배열되도록 전체 웨이퍼를 X-Y의 2축 방향으로 일정한 폭(W)과 길이(L)로 구획하여 실리콘 베이스(180)의 하부 면에 일정한 깊이(d)를 가지도록 다이 분리 홈(210)을 형성한다. 이때, 다이 분리 홈(210)을 형성하는 공정은 얇은 블레이드(Blade)나 레이저 빔(Laser Beam)을 이용하여 스크라이빙(Scribing)이나 쏘잉(Sawing), 스텔스 다이싱(Stealth Dicing) 등을 수행할 수 있다.
다음은 실리콘 베이스(180)의 일부분을 고정하여 지지함으로써 동역학적 기구가 형성되도록 질량체(200)가 부착된 압전 구조체(190)를 프레임(220)과 결합하는 공정이다(도 9). 예를 들면, 접착 물질(116)을 실리콘 베이스(180) 부위에 도포 또는 적정한 후에 접합 공정으로 개방된 공동(230)이 형성된 프레임(220)의 상부 면에 실리콘 베이스(180) 하부 면의 일부분을 결합한 후에 적절한 온도와 분위기에서 열처리하여 경화 고정시킨다. 또한, 프레임(220)에는 패키지 재질로 미리 도선 인출부(240)(도 1a, 도 2a 참조)를 형성하여 둠으로써 압전 구조체(190)의 상부 전극(160) 및 하부 전극(120)이 외부 회로와 용이하게 연결되도록 한다.
다음으로(도 10), 도 8에서 형성된 다이 분리 홈(210)을 이용하여 전체 웨이퍼 레벨에서 AlN 압전 유니몰프 구조체(190)를 일정한 폭(W)과 길이(L)를 가지도록 다이 분리부(250)를 통해 각 다이(Die)들을 개별적으로 분리한다. 이에 의해 최종적으로 부양된 AlN 압전 구조체(190)를 가진 다수의 압전 마이크로 발전기(100)가 제작된다.
상기와 같이 도 5 내지 도 10의 제작공정에 의해 압전 마이크로 발전기(100)를 구성하는 모든 주요 기능요소들이 형성된다.
이어서, 프레임(220) 상에 미리 형성된 도선 인출부(240)와 AlN 압전 구조체(190)의 상부 전극 패드(170) 및 하부 전극 패드(150)를 미세 전기 도선(260)을 이용하여 상호 연결하는 와이어 본딩(Wire Bonding)을 수행한다. 도 1a 내지 도 2b는 전기 도선(260) 연결까지 마친 상태의 압전 마이크로 발전기(100)를 나타낸 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 압전 마이크로 발전기의 제조 방법에 의하면, 2회의 반도체 패터닝 공정과 화학기계적 연마 공정, 2회의 접합 공정 및 다이 분리에 의한 최소한의 제작 단계에 의해 압전 마이크로 발전기를 구성하는 주요 기능 요소들을 용이하게 형성할 수 있다. 따라서, 압전 마이크로 발전기의 제조 비용 절감과 공정의 간소화를 이룰 수 있다.
기판 웨이퍼 연마 공정과 접합 공정 및 다이 분리에 의해 마이크로 발전기용 부양 구조체를 형성함으로써, 종래의 압전 마이크로 발전기 제작시 실리콘 산화막을 희생층으로 제거하는 부양 공정에서 문제로 대두되는 미세구조체와 기판 간의 고착 현상을 원천적으로 제거할 수 있고, 또한 제작과정 중에 발생하는 응력에 의한 소자 손상을 절감하여 제작 수율을 향상시킬 수 있다.
또한, 접합 공정이나 프린팅 공정에 의해 여러가지 종류의 물성과 질량을 가지는 질량체를 실리콘 베이스와 결합할 수 있으므로 다양한 주파수 대역을 발전원으로 활용할 수 있고 소형의 구조로도 낮은 주파수의 외부 진동 영역에 대한 감응이 가능한 압전 마이크로 발전기 구조를 구현할 수 있다.
또한, 최종 다이 분리 공정을 통해 압전 마이크로 발전기의 구조 부양과 외부 도선 인출을 위한 패키지 구조가 동시에 완성됨으로써, 압전 마이크로 발전기 구조체와 기본 패키지 구조가 용이하게 결합되어 제작 비용을 절감할 수 있고 다른 패키지 구조로의 변형 결합이 가능하다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 의한 외팔보형 압전 마이크로 발전기의 외부 진동 주파수에 따른 전기 에너지 출력 특성을 출력 전압으로 나타낸 도면이다.
실험용 압전 마이크로 발전기는 실리콘 베이스가 10x20x0.1mm3, 끝단의 실리콘 질량체는 10x10x0.55mm3, 유효 전극부는 약 5x8mm2이다. Z축 방향 1G의 가속도에 대해 마이크로 발전기의 공진 주파수는 278.5Hz로 나타났으며 부하저항 1Mohm에서 출력 전압은 3.2V(Peak-to-Peak)가 발생되어 RMS로 환산한 발생 전력은 공진점에서 1.3uW로 나타났다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 의한 압전 마이크로 발전기가 유효하게 제작되어 동작함을 확인할 수 있다.
본 발명의 기술사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 알 수 있을 것이다.
Claims (16)
- 실리콘 베이스와, 상기 실리콘 베이스 상에 형성되는 하부 전극과, 상기 하부 전극 상에 형성되며 기계적 스트레인 변화에 응답하여 전기 에너지를 발생시키는 압전막과, 상기 압전막 상에 형성되는 상부 전극과, 상기 실리콘 베이스의 하부면 중 일부분에 결합되어 감응 주파수 특성을 조절하는 질량체를 포함하는 압전 구조체; 및
일정 크기의 개방된 공동(Cavity)을 포함하고, 상기 공동 내에 상기 질량체가 위치하도록 상기 실리콘 베이스의 하부면 중 일부분에 결합되어 상기 압전 구조체를 부양하는 프레임
을 포함하는 압전 마이크로 발전기.
- 제 1항에 있어서,
상기 압전 구조체는
상기 실리콘 베이스의 하부면 중 일 측면부만 상기 프레임에 결합되어 외팔보(Cantilever) 형태로 형성되는
압전 마이크로 발전기.
- 제 1항에 있어서,
상기 압전 구조체는
상기 실리콘 베이스의 하부면 중 양 측면부가 상기 프레임에 결합되어 브릿지(Bridge) 형태로 형성되는
압전 마이크로 발전기.
- 제 1항에 있어서,
상기 하부 전극과 상기 상부 전극은 상기 압전막을 사이에 두고 한 쌍의 대향 전극을 형성하는
압전 마이크로 발전기.
- 제 1항에 있어서
상기 압전막은 무기 물질, 유기 물질, 나노 물질 및 그 혼합 물질 중 적어도 하나를 포함하여 형성되는
압전 마이크로 발전기.
- 제 1항에 있어서,
상기 질량체는 무기 물질, 유기 물질 및 그 혼합 물질 중 적어도 하나를 포함하여 형성되는
압전 마이크로 발전기.
- 제 1항에 있어서,
상기 프레임은 PCB, 세라믹, 유리, 금속, 플라스틱, 실리콘 및 그 혼합 물질 중 적어도 하나를 포함하여 형성되는
압전 마이크로 발전기.
- 제 1항에 있어서,
일단이 각각 상기 하부 전극 및 상기 상부 전극에 연결되고, 상기 하부 전극 및 상기 상부 전극에 의해 포집된 전기 에너지를 외부로 전달하기 위한 하부 전극 패드 및 상부 전극 패드
를 더 포함하는 압전 마이크로 발전기.
- 다수의 압전 구조체를 포함하고, 상기 다수의 압전 구조체 각각은 실리콘 베이스와, 상기 실리콘 베이스 상부에 형성되는 하부 전극과, 상기 하부 전극 상부에 형성되며 기계적 스트레인 변화에 응답하여 전기 에너지를 발생시키는 압전막과, 상기 압전막 상부에 형성되는 상부 전극과, 상기 실리콘 베이스의 하부면 중 일부분에 결합되어 감응 주파수 특성을 조절하는 질량체를 포함하는 압전 구조체 어레이; 및
일정 크기의 개방된 공동(Cavity)을 포함하고, 상기 공동 내에 상기 다수의 압전 구조체에 결합된 다수의 질량체가 위치하도록 상기 다수의 압전 구조체의 실리콘 베이스의 하부면 중 일부분에 결합되어 상기 압전 구조체 어레이를 부양하는 프레임
을 포함하는 압전 마이크로 발전기.
- 제 9항에 있어서,
상기 다수의 압전 구조체는
상기 실리콘 베이스의 하부면 중 일 측면부만 상기 프레임에 결합되어 외팔보(Cantilever) 형태로 형성되는
압전 마이크로 발전기.
- 제 9항에 있어서,
상기 다수의 압전 구조체는
상기 실리콘 베이스의 하부면 중 양 측면부가 상기 프레임에 결합되어 브릿지(Bridge) 형태로 형성되는
압전 마이크로 발전기.
- 실리콘 기판 상에 절연막을 형성하는 단계;
상기 절연막 상에 하부 전극, 압전막 및 상부 전극을 형성하는 단계;
상기 실리콘 기판의 하부를 연마하여 실리콘 베이스를 형성하는 단계;
상기 실리콘 베이스의 하부면에 다이 분리 홈을 형성하여 상기 실리콘 베이스를 구획하는 단계;
상기 실리콘 베이스의 하부면 중 일부분에 질량체를 결합하는 단계;
상기 질량체가 개방된 공동(Cavity) 내에 위치하도록 상기 실리콘 베이스의 하부면 중 일부분을 상기 공동이 형성된 프레임의 상부면에 결합하는 단계; 및
상기 다이 분리 홈을 이용하여 상기 실리콘 베이스를 다이 별로 분리하는 단계
를 포함하는 압전 마이크로 발전기의 제조 방법.
- 제 12항에 있어서,
상기 압전막은 스퍼터링(Sputtering), 화학증착법(Chemical Vapor Deposition; CVD), 전자빔 기화법(e-Beam Evaporation), 펄스 레이저빔 증착법(Pulsed Laser Deposition), 졸겔법(Sol-Gel) 및 프린팅법(Printing) 중 적어도 하나의 방법을 사용하여 형성되는
압전 마이크로 발전기의 제조 방법.
- 제 12항에 있어서,
상기 실리콘 베이스의 형성 단계에서 화학기계연마법(Chemical Mechanical Polishing)을 사용하여 상기 실리콘 베이스의 두께를 조절하는
압전 마이크로 발전기의 제조 방법.
- 제 12항에 있어서,
상기 질량체는 접합(Bonding) 또는 프린팅(Printing) 공정을 사용하여 상기 실리콘 베이스의 하부면에 결합되는
압전 마이크로 발전기의 제조 방법.
- 제 12항에 있어서,
상기 실리콘 베이스의 구획 단계는
전체 웨이퍼 레벨에서 상기 실리콘 베이스의 하부 면에 일정한 깊이로 스크라이빙(Scribing), 쏘잉(Sawing) 또는 스텔스 다이싱(Stealth Dicing)을 수행하여 상기 다이 분리 홈을 형성하는 것을 특징으로 하는
압전 마이크로 발전기의 제조 방법.
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