KR20150025786A - 에너지 하베스팅 소자 및 그의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 에너지 하베스팅 소자 및 그의 제조방법을 개시한다. 그의 소자는 하부 기판과, 상기 하부 기판 상의 하부 자석과, 상기 하부 자석 상에서 캐버티를 갖고, 상기 하부 자석 양측의 상기 하부 기판 상에 고정되는 상부 기판과, 상기 캐버티의 상의 상기 상부 기판 상에 배치된 압전 층과, 상기 압전 층 상에 배치된 상부 자석을 포함한다.
Description
본 발명은 전기 발생 장치 및 그의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 에너지 하베스팅 소자 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
최근, 전기통신기술의 발달로 다양한 종류의 전자 장치들이 등장하고 있다. 예를 들어, 휴대용 전자기기들과 같은 전자 장치는 사용자 중심의 유비쿼트스(Ubiquitous) 컴퓨팅을 구현함에 따라, 그 수요가 폭발적으로 증가하는 추세에 있다. 휴대용 전자기기들은 배터리와 같은 휴대 전원을 포함할 수 있다. 배터리 기술은 일회성을 갖거나 주기적인 충전이 필요함으로 그 한계가 있다. 전자 장치에 있어서, 에너지 하베스팅(energy harvesting)의 필요성이 대두되고 있다.
진동 에너지 하베스팅은 자연에서 버려지고 있는 진동에너지, 즉 기차의 진동, 진공 펌프의 진동, 기계모터의 진동, 자동차 엔진의 진동, 사람의 동작에 의한 움직임 등의 버려지는 기계적인 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있는 기술을 의미한다. 예를 들어, 차량의 움직임 또는 기계 설비의 진동을 이용한 에너지 하베스팅 기술이 널리 알려져 있다. 구체적으로 진동 에너지 하베스팅 기술은 다음과 같은 부분에 유용하게 사용될 수 있다. 첫째, 전원 인입선이 제공되기에 난이한 회전 구동 물체 내에 적용될 수 있다. 둘째, 배터리의 교체 주기가 짧은 저전력의 구동 장치에 적용될 수 있다. 셋째, 태양광이 제공되지 않는 타이어 내부에 적용될 수 있다. 넷째, 저전력의 소형화된 MEMS(micro electro mechanical system) 소자에 적용될 수 있다.
한편, 진동 에너지 하베스팅 장치는 일정한 공진 주파수에서 가장 많은 전력을 생산할 수 있다. 따라서, 진동 주파수와 소자의 공진 주파수가 일치될 때, 에너지 하베스팅 장치의 효율이 가장 높을 수 있다. 일반적으로 구동 장치에서 발생되는 진동 주파수는 구동 장치의 동작 상황 및 누적 사용 시간의 증가에 따라 가변될 수 있다. 에너지 하베스팅 소자는 넓은 공진 주파수 대역을 가져야 한다. 그러나, 넓은 공진 주파수 대역의 에너지 하베스팅 소자는 복잡한 설계를 요구한다. 또한, 출력 전력을 증가시키기 위해 에너지 하베스팅 어레이 소자들을 이용한 광대역 소자가 제안되었다. 하지만, 에너지 하베스팅 어레이 소자들은 그들의 면적 또는 크기가 과도하게 증가되기 때문에 소형화에 불리한 문제점이 있었다.
본 발명이 이루고자 하는 과제는 소형화에 적합한 MEMS 소자로 설계될 수 있는 에너지 하베스팅 소자 및 그의 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 과제는 고출력의 에너지 하베스팅 소자 및 그의 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 에너지 하베스팅 소자는, 하부 기판; 상기 하부 기판 상의 하부 자석; 상기 하부 자석 상에서 캐버티를 갖고, 상기 하부 자석 양측의 상기 하부 기판 상에 고정되는 상부 기판; 상기 캐버티의 상의 상기 상부 기판 상에 배치된 압전 층; 및 상기 압전 층 상에 배치된 상부 자석을 포함한다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 상부 기판은, 실리콘 기판; 상기 실리콘 기판 상의 절연 층; 및 상기 절연 층 상의 맴브레인 층을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 상기 캐버티는 상기 하부 자석과 상기 절연 층 사이의 빈 공간으로 정의될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 실리콘 기판은 상기 캐버티 양측에서 각각 상기 절연 층과 상기 맴브레인 층을 지지할 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 상기 맴브레인 층과 상기 절연 층은 상기 캐버티 일측 상에서 분리되고, 상기 캐버티 타측 상에서 상기 실리콘 기판 상으로 연장되는 캔틸레버 구조일 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 맴브레인 층은 단결정 실리콘을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 상기 압전 층은, 상기 상부 기판 상의 압전 세라믹 층; 상기 압전 세라믹 층 상의 압전 폴리머 층; 및 상기 압전 폴리머 층 상의 압전 단결정 층을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 압전 세라믹 층은, PZT, 질화 알루미늄, 또는 산화아연을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 상기 압전 폴리머는 다이불화 폴리비닐리덴, 또는 다이불화 폴리비닐리덴을 포함 할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 압전 단결정 층은 PMN-PT, PMN-PZT, PIM-PT, PZN-PT 등을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 상기 하부 자석은 상기 하부 기판 상의 트렌치 내에 배치되고, 상기 하부 자석과 상기 하부 기판 각각의 상부 표면들은 동일한 높이를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 트렌치는 상기 캐버티의 바닥 전면의 상기 하부 기판 상에 배치될 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 상기 트렌치는 상기 캐버티 일측의 상기 상기 하부 기판 상에 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 하부 기판과 상기 상부 기판 사이의 접착 층을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 에너지 하베스팅 소자의 제조방법은, 상부 기판 상에 압전 층을 형성하는 단계; 상기 압전 층 상에 상부 자석을 형성하는 단계; 상기 상부 자석 아래의 상기 상부 기판의 바닥 일부를 제거하여 캐버티를 형성하는 단계; 상기 상부 기판에 대향되는(faced) 하부 기판 상에 하부 자석을 형성하는 단계; 및 상기 하부 자석과 상기 상부 자석을 정렬하여 상기 하부 기판과 상기 하부 기판을 접합하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 상부 기판은, 실리콘 기판; 상기 실리콘 기판 상의 절연 층; 및 상기 절연 층 상에 맴브레인 층을 포함할 수 있다. 상기 캐버티의 형성 단계는, 상기 절연 층이 노출되도록 상기 실리콘 기판의 일부를 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 상기 절연 층 및 상기 실리콘 기판이 노출되도록 상기 상부 자석 및 상기 압전 층의 일측 상기 맴버레인 층의 일부를 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 하부 자석의 형성 단계는, 상기 하부 기판 상에 트렌치를 형성하는 단계; 상기 트렌치 내에 하부 자석을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 상기 압전 층의 형성 단계는, 상기 상부 기판 상에 압전 세라믹 층을 형성하는 단계; 상기 압전 세라믹 층 상에 압전 폴리머 층을 형성하는 단계; 및 상기 압전 폴리머 층 상에 압전 단결정 층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 하부 기판과 상기 상부 기판은 접착 층에 의해 접합될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시 예들에 따른 에너지 하베스팅 소자는 하부 기판, 하부 자석, 상부 기판, 압전 층, 및 상부 자석을 포함할 수 있다. 하부 자석은 하부 기판 상의 트렌치 내에 배치될 수 있다. 상부 기판은 하부 자석 상에 캐버티를 갖고 상기 하부 자석 양측의 하부 기판 상에 고정될 수 있다. 압전 층과 상부 자석은 캐버티 상의 상부 기판 상에 배치될 수 있다. 상부 기판은 외부의 진동에 의해 캐버티의 위 아래로 휘어질 수 있다. 압전 층은 전력을 출력할 수 있다. 상부 자석과 하부 자석은 자기력에 의한 상부 기판의 휘어짐을 제어할 수 있다. 상부 자석과 하부 자석 사이의 자기력은 압전 층의 휘어짐을 증폭하거나, 외부의 진동 주파수와 상부 기판의 공진 주파수를 일치시킬 수 있다. 압전 층의 변위가 증대하거나, 진동 주파수와 공진 주파수가 일치되면 에너지 하베스팅 소자의 출력이 극대화될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시 예에 따른 에너지 하베스팅 소자 및 그의 제조방법은 고출력으로 동작될 수 있다. 또한, 캐버티 및 상기 캐버티 상의 상부 기판은 약 수 ㎛ 내지 수 mm 정도의 길이를 가질 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시 예에 따른 하베스팅 소자는 소형화에 적합한 MEMS 소자로 설계될 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 에너지 하베스팅 소자를 나타내는 단면도이다.
도 2 내지 도 9는 도 1을 근거로 하여 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 에너지 하베스팅 소자의 제조방법을 나타내는 공정 단면도들이다.
도 10은 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 에너지 하베스팅 소자를 나타내는 단면도이다.
도 11 내지 도 15는 도 10을 근거로 하여 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 에너지 하베스팅 소자의 제조방법을 나타내는 공정 단면도들이다.
도 2 내지 도 9는 도 1을 근거로 하여 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 에너지 하베스팅 소자의 제조방법을 나타내는 공정 단면도들이다.
도 10은 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 에너지 하베스팅 소자를 나타내는 단면도이다.
도 11 내지 도 15는 도 10을 근거로 하여 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 에너지 하베스팅 소자의 제조방법을 나타내는 공정 단면도들이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면들과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 포함한다(comprises) 및/또는 포함하는(comprising)은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 또한, 바람직한 실시예에 따른 것이기 때문에, 설명의 순서에 따라 제시되는 참조 부호는 그 순서에 반드시 한정되지는 않는다.
(제 1 실시 예)
도 1은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 에너지 하베스팅 소자를 나타내는 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 에너지 하베스팅 소자는, 하부 기판(10), 상부 기판(20), 압전 층(30), 하부 자석(40), 상부 자석(50) 및 접착 층(60)을 포함한다.
하부 기판(10)은 글래스를 포함할 수 있다. 하부 기판(10)과 상부 기판(20)은 접착 층(60)에 의해 고정될 수 있다. 하부 자석(40)은 하부 기판(10)의 제 1 트렌치(12) 내에 배치될 수 있다. 제 1 트렌치(12)는 캐버티(28)의 바닥 전면의 하부 기판(10) 상에 배치될 수 있다. 하부 자석(40)과 하부 기판(10) 각각의 상부 면은 동일한 레벨을 가질 수 있다.
상부 기판(20)은 캐버티(28)를 가질 수 있다. 캐버티(28)는 하부 자석(40)을 노출할 수 있다. 캐버티(28)는 하부 자석(40)과 상부 기판(20) 사이의 빈 공간(empty space)로 정의될 수 있다. 상부 기판(20)은 브리지(bridge) 모양을 가질 수 있다. 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상부 기판(20)은 SOI (Silicon On Insulator) 기판을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상부 기판(20)은 실리콘 기판(22), 절연 층(24), 및 맴브레인 층(26)을 포함할 수 있다. 실리콘 기판(22)은 벌크 단결정 실리콘을 포함할 수 있다. 절연 층(24)은 실리콘 산화막을 포함할 수 있다. 맴브레인 층(26)은 단결정 실리콘을 포함할 수 있다. 절연 층(24)과 맴브레인 층(26)은 실리콘 기판(22)은 하부 자석(40)의 양측 상에 배치된 브리지의 교각(pier) 모양을 가질 수 있다. 접착 층(60)은 실리콘 기판(22)과 하부 기판(10)을 고정할 수 있다. 절연 층(24)과 맴브레인 층(26)은 하부 자석(40) 양측의 실리콘 기판(10)을 연결할 수 있다. 예를 들어, 절연 층(24)과 맴브레인 층(26)은 브리지의 상판(deck) 모양을 가질 수 있다. 절연 층(24)과 맴브레인 층(26)은 외부의 진동에 의해 캐버티(28) 상에서 위아래로 휘어질 수 있다.
압전 층(30)은 상부 기판(20) 상에 배치될 수 있다. 압전 층(30)은 맴브레인 층(26)의 휘어짐에 의해 전력을 생성할 수 있다. 압전 층(30)은 압전 세라믹 층(32), 압전 폴리머 층(34), 및 압전 단결정 층(36)을 포함할 수 있다. 압전 세라믹 층(32)은 PZT(PbZrTi), 질화 알루미늄(AlN), 또는 산화아연(ZnO)을 포함할 수 있다. 압전 폴리머 층(34)은 다이불화 폴리비닐리덴(PVDF: polyvinylidene difluoride), 또는 다이불화 폴리비닐리덴(PVDF-TrFE: polyvinyledenedifluoride-tetrafluoroethylene)을 포함할 수 있다. 압전 단결정 층(36)은 PMN-PT, PMN-PZT, PIM-PT, 또는 PZN-PT 등을 포함할 수 있다. 압전 폴리머 층(34)은 압전 세라믹 층(32)과 압전 결정 층(36) 사이에 배치될 수 있다. 캐버티(28) 상의 상부 기판(20)이 휘어질 때, 압전 폴리머 층(34)은 압전 세라믹 층(32)과 압전 단결정 층(36)의 파손을 감소시킬 수 있다. 도시되지는 않았지만, 압전 세라믹 층(32)과 압전 단결정 층(36)에 부하 배선이 연결될 수 있다.
상부 자석(50)은 압전 층(30) 상에 배치될 수 있다. 상부 자석(50)과 하부 자석(40) 사이에 인력(attractive power) 또는 척력(repulsive power)이 작용될 수 있다. 도면에는 인력이 작용하고 있는 것으로 도시되어 있으나, 이에 한정되지 않는다. 외부에서 진동이 제공되면, 맴브레인 층(26), 압전 층(30), 및 상부 자석(50)은 캐버티(28)의 위아래 방향으로 휘어질 수 있다. 압전 층(30)은 진동 주파수에 따라 전력을 생성할 수 있다. 상부 자석(50)과 하부 자석(40) 사이의 인력 또는 척력은 맴브레인 층(26)의 휘어짐을 증폭하거나, 안정화시킬 수 있다. 또한, 상부 자석(50)과 하부 자석(40) 사이의 인력 또는 척력은 진동 주파수와 에너지 하베스팅 소자의 공진 주파수를 일치시킬 수 있다. 진동 주파수와 공진 주파수가 일치되면 에너지 하베스팅 소자의 출력이 극대화될 수 있다. 따라서, 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 에너지 하베스팅 소자는 외부의 진동 주파수의 의존성이 최소화되어 고출력으로 동작될 수 있다.
압전 층(30)은 캐버티(28)의 위아래로 이동되는 맴브레인 층(26)의 수평 길이 즉, 캐버티(28)의 폭(W)에 비례하는 크기의 전력이 출력될 수 있다. 압전 층(30)의 출력 전력은 캐버티(28)의 폭(W)에 의해 결정될 수 있다. 또한, 캐버티(28)의 폭(W)이 작더라도 캐버티(28)의 개수가 증가될 때, 에너지 하베스팅 소자의 출력 전력이 증가될 수 있다. 예를 들어, 캐버티(28)은 수 ㎛에서 수 mm 정도의 폭(W)을 가질 수 있다. 약 10㎠ 면적의 상부 기판(20)과 하부 기판(10) 사이에 약 수십 내지 수 천개의 캐버티(28)가 배치될 수 있다. 따라서, 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 에너지 하베스팅 소자는 소형화에 적합한 MEMS 소자로 설계될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 에너지 하베스팅 소자는 MEMS 음향 에너지 하베스팅 장치 또는 타이어공기압 모니터링 장치에 사용될 수 있다.
이와 같이 구성된 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 에너지 하베스팅 소자의 제조방법을 설명하면 다음과 같다.
도 2 내지 도 9는 도 1을 근거로 하여 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 에너지 하베스팅 소자의 제조방법을 나타내는 공정 단면도들이다.
도 2를 참조하면, 상부 기판(20)을 제공한다. 상부 기판(20)은 실리콘 기판(22), 절연 층(24), 및 맴브레인 층(26)을 구비한 SOI 기판을 포함할 수 있다.
도 3을 참조하면, 상부 기판(20) 상에 압전 세라믹 층(32)을 형성한다. 압전 세라믹 층(32)의 형성 단계는 화학기상증착방법, 포토리소그래피 공정, 및 식각 공정을 포함할 수 있다.
도 4를 참조하면, 압전 세라믹 층(32) 상에 압전 폴리머 층(34)을 형성한다. 압전 폴리머 층(34)의 형성 단계는 스핀코팅 방법, 포토리소그래피 공정, 및 식각 공정을 포함할 수 있다.
도 5를 참조하면, 압전 폴리머 층(34) 상에 압전 단결정 층(36)을 형성한다. 압전 결정 층(36)의 형성 단계는, 화학기상증착방법, 원자층 증착방법, 열성장 방법, 레이저 융착방법, 포토리소그래피 공정, 또는 식각 공정을 포함할 수 있다.
도 6을 참조하면, 압전 층(30) 상에 상부 자석(50)을 형성한다. 상부 자석(50)은 접착제에 의해 압전 층(30) 상에 고정될 수 있다.
도 7을 참조하면, 절연 층(24)이 노출되도록 상부 자석(50) 아래의 실리콘 기판(22)의 일부를 제거하여 캐버티(28)을 형성한다. 실리콘 기판(22)은 상부 기판(20)의 바닥에 대응될 수 있다. 캐버티(28)의 형성 단계는 포토리소그래피 공정 및 식각 공정을 포함할 수 있다. 식각 공정은 습식식각방법, 건식식긱방법, 및 레이저 식각방법을 포함할 수 있다.
도 8을 참조하면, 하부 기판(10)에 제 1 트렌치(12)를 형성한다. 제 1 트렌치(12)의 형성 단계는 포토리소그래피 공정 및 식각 공정을 포함할 수 있다.
도 9를 참조하면, 제 1 트렌치(12) 내에 하부 자석(40)을 형성한다. 하부 자석(40)은 접착제에 의해 제 1 트렌치(12) 내에 고정될 수 있다.
도 1을 다시 참조하면, 하부 자석(40)과 상부 자석(50)을 정렬하여 상부 기판(20)과 하부 기판(10)을 접착 층(60)으로 접합한다. 접착 층(60)은 상부 기판(20)과 하부 기판(10)을 고정할 수 있다. 따라서, 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 에너지 하베스팅 소자는 소형의 MEMS 소자로 제조될 수 있다.
(제 2 실시 예)
도 10은 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 에너지 하베스팅 소자를 나타내는 단면도이다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 에너지 하베스팅 소자는 상부 기판(20)의 캔틸레버(29)를 포함할 수 있다. 캔틸레버(29)는 캐버티(28) 일측 상에서 불연속적인 맴브레인 층(26), 절연 층(24), 및 압전 층(30)을 포함할 수 있다. 맴브레인 층(26) 및 절연 층(24)은 캐버티(28) 타측의 실리콘 기판(22) 상에 연결될 수 있다. 캔틸레버(29)는 외부의 진동에 의해 캐버티(28)의 위 아래로 이동될 수 있다. 상부 자석(50)은 캔틸레버(29)의 말단 상에 배치될 수 있다. 상부 자석(50)은 캔틸레버(29)의 추(mass)로 사용될 수 있다. 상부 자석(50)과 하부 자석(40)은 정렬될 수 있다. 하부 자석(40)은 제 2 트렌치(14) 내에 배치될 수 있다. 제 2 트렌치(14)는 캐버티(28) 일측의 하부 기판(10) 상에 배치될 수 있다. 캔틸레버(29)는 상부 자석(50)과 하부 자석(40) 사이에 인력 또는 척력에 의해 수직 방향의 이동 거리가 조절될 수 있다. 예를 들어, 캔틸레버(29)는 약 수 ㎛ 내지 수 ㎝ 정도의 길이를 가질 수 있다. 도시되지는 않았지만, 캐버티(28) 내에 다공성 폴리머가 충진될 수 있다.
따라서, 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 에너지 하베스팅 소자는 소형화에 적합한 MEMS 소자로 설계될 수 있다. 제 2 실시 예는 제 1 실시 예에서의 캐버티(28) 일측 상의 맴브레인 층(26) 및 절연 층(24)이 분리된 캔틸레버(29)를 포함한 것이다.
이와 같이 구성된 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 에너지 하베스팅 소자의 제조방법을 설명하면 다음과 같다.
도 11 내지 도 15는 도 10을 근거로 하여 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 에너지 하베스팅 소자의 제조방법을 나타내는 공정 단면도들이다.
도 2를 참조하면, 상부 기판(20)을 제공한다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 상부 기판(20) 상에 압전 층(30)을 형성한다.
도 11을 참조하면, 압전 층(30) 상에 상부 자석(50)을 형성한다. 상부 자석(50)은 접착제에 의해 압전 층(30)에 고정될 수 있다. 예를 들어, 상부 자석(50)은 압전 층(30)의 일측 상부에 형성될 수 있다.
도 12를 참조하면, 상부 자석(50) 및 압전 층(30)의 일측의 맴브레인 층(26) 및 절연 층(24)의 일부를 제거하여 실리콘 기판(22)을 노출시킨다. 맴브레인 층(26) 및 절연 층(24)의 제거 단계는 포토리소그래피 공정 및 식각 공정을 포함할 수 있다.
도 13을 참조하면, 절연 층(24)이 노출되도록 압전 층(30) 아래의 실리콘 기판(22)의 일부를 제거하여 캐버티(28)를 형성한다. 캐버티(28)의 형성 단계는, 포토리소그래피 공정, 및 식각 공정을 포함할 수 있다. 식각 공정은 습식식각방법, 건식식각방법, 또는 레이저 식각방법을 포함할 수 있다. 절연 층(24)은 실리콘 기판(22)의 제거 시 식각 정지 층으로 사용될 수 있다. 여기서, 캐버티(28) 상의 절연 층(24)과 맴브레인 층(26)의 일측은 불연속적으로 분리되고(shorted), 타 측은 실리콘 기판(22)의 상부까지 연장될 수 있다.
도 14를 참조하면, 하부 기판(10)의 상부 표면 일부를 제거하여 제 2 트렌치(14)를 형성한다. 제 2 트렌치(14)의 형성단계는 포토리소그래피 공정 및 식각 공정을 포함할 수 있다.
도 15를 참조하면, 제 2 트렌치(14) 내에 하부 자석(40)을 형성한다. 하부 자석(40)은 접착제(미도시)에 의해 제 2 트렌치(14) 내에 고정될 수 있다.
도 10을 참조하면, 하부 자석(40)과 상부 자석(50)을 정렬하고, 하부 기판(10)과 상부 기판(20)을 접착 층(60)으로 접합한다. 하부 자석(40)과 상부 자석(50)은 서로 동일한 면적 또는 길이로 형성될 수 있다. 본 발명은 이에 한정되지 않고 다양하게 실시 변경될 수 있다. 하부 자석(40)과 상부 자석(50)은 서로 다른 면적 또는 길이로 형성될 수 있다. 예를 들어, 하부 자석(40)은 캐버티(28)의 바닥 전체에 형성될 수도 있다. 또한, 캐버티(28) 내에는 다공성 폴리머로 충진될(filled) 수 있다.
이상, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
10: 하부 기판 12: 제 1 트렌치
14: 제 2 트렌치 20: 상부 기판
22: 실리콘 기판 24: 절연 층
26; 맴브레인 층 28: 캐버티
29: 캔틸레버 30: 압전 층
32: 압전 세라믹 층 34: 압전 폴리머 층
36: 압전 결정 층 40: 하부 자석
50: 상부 자석 60: 접착 층
14: 제 2 트렌치 20: 상부 기판
22: 실리콘 기판 24: 절연 층
26; 맴브레인 층 28: 캐버티
29: 캔틸레버 30: 압전 층
32: 압전 세라믹 층 34: 압전 폴리머 층
36: 압전 결정 층 40: 하부 자석
50: 상부 자석 60: 접착 층
Claims (18)
- 하부 기판;
상기 하부 기판 상의 하부 자석;
상기 하부 자석 상에서 캐버티를 갖고, 상기 하부 자석 양측의 상기 하부 기판 상에 고정되는 상부 기판;
상기 캐버티의 상의 상기 상부 기판 상에 배치된 압전 층; 및
상기 압전 층 상에 배치된 상부 자석을 포함하는 에너지 하베스팅 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 상부 기판은,
실리콘 기판;
상기 실리콘 기판 상의 절연 층; 및
상기 절연 층 상의 맴브레인 층을 포함하는 에너지 하베스팅 소자. - 제 2 항에 있어서,
상기 캐버티는 상기 하부 자석과 상기 절연 층 사이의 빈 공간으로 정의되는 에너지 하베스팅 소자. - 제 3 항에 있어서,
상기 실리콘 기판은 상기 캐버티 양측에서 각각 상기 절연 층과 상기 맴브레인 층을 지지하는 에너지 하베스팅 소자. - 제 3 항에 있어서,
상기 맴브레인 층과 상기 절연 층은 상기 캐버티 일측 상에서 분리되고, 상기 캐버티 타측 상에서 상기 실리콘 기판 상으로 연장되는 캔틸레버인 에너지 하베스팅 소자. - 제 2 항에 있어서,
상기 맴브레인 층은 결정 실리콘을 포함하는 에너지 하베스팅 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 압전 층은,
상기 상부 기판 상의 압전 세라믹 층;
상기 압전 세라믹 층 상의 압전 폴리머 층; 및
상기 압전 폴리머 층 상의 압전 단결정 층을 포함하는 에너지 하베스팅 소자. - 제 7 항에 있어서,
상기 압전 세라믹 층은, 피제트티(PZT), 질화 알루미늄, 또는 산화아연을 포함하는 에너지 하베스팅 소자. - 제 7 항에 있어서,
상기 압전 폴리머는 다이불화 폴리비닐리덴, 또는 다이불화 폴리비닐리덴을 포함하는 에너지 하베스팅 소자. - 제 7 항에 있어서,
상기 압전 단결정 층은 피엠엔-피티(PMN-PT), 피엠엔-피제트티(PMN-PZT), 피아이엠-피티(PIM-PT), 피제트엔-피티(PZN-PT)를 포함하는 에너지 하베스팅 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 하부 자석은 상기 하부 기판 상의 트렌치 내에 배치되고, 상기 하부 자석과 상기 하부 기판 각각의 상부 표면들은 동일한 높이를 갖는 에너지 하베스팅 소자. - 제 11 항에 있어서,
상기 트렌치는 상기 캐버티의 바닥 전면의 상기 하부 기판 상에 배치된 에너지 하베스팅 소자. - 제 11 항에 있어서,
상기 트렌치는 상기 캐버티 일측의 상기 상기 하부 기판 상에 배치된 에너지 하베스팅 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 하부 기판과 상기 상부 기판 사이의 접착 층을 더 포함하는 에너지 하베스팅 소자. - 상부 기판 상에 압전 층을 형성하는 단계;
상기 압전 층 상에 상부 자석을 형성하는 단계;
상기 상부 자석 아래의 상기 상부 기판의 바닥 일부를 제거하여 캐버티를 형성하는 단계;
상기 상부 기판에 대향되는(faced) 하부 기판 상에 하부 자석을 형성하는 단계; 및
상기 하부 자석과 상기 상부 자석을 정렬하여 상기 하부 기판과 상기 하부 기판을 접합하는 단계를 포함하는 에너지 하베스팅 소자의 제조방법. - 제 15 항에 있어서,
상기 상부 기판은,
실리콘 기판;
상기 실리콘 기판 상의 절연 층; 및
상기 절연 층 상에 맴브레인 층을 포함하되,
상기 캐버티의 형성 단계는, 상기 절연 층이 노출되도록 상기 실리콘 기판의 일부를 제거하는 단계를 포함하는 에너지 하베스팅 소자의 제조방법. - 제 16 항에 있어서,
상기 절연 층 및 상기 실리콘 기판이 노출되도록 상기 상부 자석 및 상기 압전 층의 일측 상기 맴버레인 층의 일부를 제거하는 단계를 더 포함하는 에너지 하베스팅 소자의 제조방법. - 제 15 항에 있어서,
상기 하부 자석의 형성 단계는,
상기 하부 기판 상에 트렌치를 형성하는 단계;
상기 트렌치 내에 하부 자석을 형성하는 단계를 포함하는 에너지 하베스팅 소자의 제조방법.
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| KR20130103813A KR20150025786A (ko) | 2013-08-30 | 2013-08-30 | 에너지 하베스팅 소자 및 그의 제조방법 |
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2013
- 2013-08-30 KR KR20130103813A patent/KR20150025786A/ko not_active Application Discontinuation
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