KR20150112372A - 전기기계식 스위치와 반도체 트랜지스터가 융합된 능동형 다이오드 - Google Patents

전기기계식 스위치와 반도체 트랜지스터가 융합된 능동형 다이오드 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기기계식 스위치와 반도체 트랜지스터가 결합된 능동형 다이오드으로, 소정 전압이 인가됨에 따라, 물리적으로 이격된 입력 단자 및 출력 단자의 접속 및 단락에 의해 상기 입력 단자에 입력되는 에너지 하베스터의 에너지를 상기 출력 단자로 출력시키는 전기기계식 스위치와, 상기 에너지 하베스터로부터 입력되는 전위에 따라 상기 전기 기계식 스위치에 인가되는 상기 전압을 조절하는 반도체 트랜지스터를 포함한다.

Description

전기기계식 스위치와 반도체 트랜지스터가 융합된 능동형 다이오드{Hybrid Active Diode using Microelectromechanical and Semiconductor Switches}
본 발명은 에너지 하베스터에서 획득한 전기 에너지를 배터리에 저장하기 위한 능동형 다이오드에 관한 것으로, 특히 전기기계식 스위치와 반도체 스위치를 융합한 능동형 다이오드에 관한 것이다.
에너지 하베스터는 주변에서 지속적으로 발생/소멸되는 에너지를 전기에너지로 변환하는 장치로서, 에너지 스케빈저(scavenger) 혹은 자가발전소자라고도 불린다.
이러한 에너지 하베스터는 센서노드와 같이 저전력하에서 동작하는 기기의 상시적인 운용이 가능하게 할 수 있으며, 널리 알려진 태양전지가 가장 대표적인 소자 중 하나이다. 하지만, 태양전지는 직사광선이 아닌 실내 및 지하와 같은 어두운 환경에서는 응용이 제한적이다. 따라서, 최근 주변의 진동으로부터 전기에너지를 생산하는 진동에너지 하베스팅 소자가 압전, 정전력, 전자기력을 이용한 다양한 형태로 연구되고 있다.
에너지 하베스터의 발전과 함께, 발생하는 미소전력을 효과적으로 변환하고 전력을 분배하기 위해 "전력관리 집적회로"(한국특허공개번호 10-2011-0028713) 및 "에너지 저장을 위한 과충/방전 기술"(한국특허공개번호 10-2010-0130627) 등 다양한 형태로 에너지 관리 기술이 연구되고 있다.
하지만, 미소전력을 발생하며, 압전 물질을 이용하여 진동 에너지를 수집하는 에너지 하베스터의 경우 매우 낮은 전압을 출력하기 때문에 종래의 반도체 집적회로를 이용한 AC/DC 변환, 스위칭 및 제어회로를 바로 적용하기에는 한계가 있다.
일반적으로, 전계효과 트랜지스터나 다이오드 소자들이 에너지 하베스터에서 발생하는 전압 혹은 전류를 정류하거나 흐름을 제어하기 위한 스위칭 소자로 많이 쓰이고 있다. 일례로 종래의 정류회로를 보면, 다이오드 소자를 이용한 정류회로는 입력이 다이오드 소자의 문턱전압보다 높을 경우만 도통되어 정류가 된다. 이 경우 단일 다이오드를 지나면서 문턱전압만큼의 전압강하가 발생하게 되며 정류에서 발생되는 전압강하는 정류회로에 사용된 다이오드의 개수와 문턱전압의 곱만큼 전압강하가 발생하게 된다. 이는 압전 물질 기반 에너지 하베스터의 낮은 출력 전압을 정류할 시 정류 회로에서 많은 전력이 소비됨을 의미한다.
이러한 문제를 해결하기 위해 문턱전압이 0V인 MOSFET과 같은 특수한 전계효과 트랜지스터가 사용될 수 있지만, FET 소자는 도통 저항(Ron)이 수백 Ω 이상으로 불필요한 전력소모가 크게 발생하는 단점이 있다.
한편, 압전 혹은 정전력으로 구동되는 일반적인 전기기계식 스위치는 수 mΩ 이하의 매우 작은 도통 저항(Ron)을 갖고 있으나, 다이오드나 MOSFET 등의 소자가 갖는 문턱전압에 비해 구동전압이 매우 높다. 또한, 전기기계식 스위치 소자는 입력의 양 전압과 음 전압의 극성과 상관없이 동작하는 특징을 가지고 있어 종래의 다이오드나 전계효과 트랜지스터를 대체하여 정류회로에 적용하기에는 한계점을 가진다.
본 발명은 MOSFET과 같은 반도체 전계효과 트랜지스터의 장점을 이용하여 문턱 전압이 낮고 극성 구분이 가능하며, MEMS 스위치 장점인 낮은 도통 저항(Ron) 을 갖는 전기기계식 스위치가 융합된 능동형 다이오드를 제안한다.
본 발명은 전기기계식 스위치와 반도체 트랜지스터가 결합된 능동형 다이오드으로, 소정 전압이 인가됨에 따라, 물리적으로 이격된 입력 단자 및 출력 단자의 접속 및 단락에 의해 상기 입력 단자에 입력되는 에너지 하베스터의 에너지를 상기 출력 단자로 출력시키는 전기기계식 스위치와, 상기 에너지 하베스터로부터 입력되는 전위에 따라 상기 전기 기계식 스위치에 인가되는 상기 전압을 조절하는 반도체 트랜지스터를 포함한다.
본 발명은 전기기계식 스위치와 반도체 트랜지스터가 융합된 능동형 다이오드로, 소정 전압이 인가됨에 따라, 물리적으로 이격된 입력 단자 및 출력 단자의 접속 및 단락에 의해 상기 입력 단자에 입력되는 에너지 하베스터의 에너지를 상기 출력 단자로 출력시키는 전기기계식 스위치와, 상기 에너지 하베스터로부터 입력되는 양전위에 따라 상기 전기 기계식 스위치들 중 하나 이상에 인가되는 상기 전압을 조절하는 P형 반도체 트랜지스터와, 상기 에너지 하베스터로부터 입력되는 음전위에 따라 상기 전기 기계식 스위치들 중 다른 하나 이상에 인가되는 전압을 조절하는 N형 반도체 트랜지스터로 구성된 인버터를 포함한다.
본 발명은 소정 전압이 인가됨에 따라, 물리적으로 이격된 입력 단자 및 출력 단자의 접속 및 단락에 의해 상기 입력 단자에 입력되는 에너지 하베스터의 에너지를 상기 출력 단자로 출력시키는 전기기계식 스위치와, 상기 에너지 하베스터로부터 입력되는 양전위에 따라 상기 전기 기계식 스위치들 중 하나 이상에 인가되는 전압을 조절하고, 상기 에너지 하베스터로부터 입력되는 음전위에 따라 상기 전기 기계식 스위치들 중 다른 하나 이상에 인가되는 전압을 조절하는 비교기를 포함함한다.
본 발명에 따르면, 전기기계식 스위치와 트랜지스터의 융합 능동형 다이오드 회로로 매우 낮은 도통 저항을 갖기 때문에 불필요한 전력소모를 줄일 수 있다. 또한, 이상적인 전기기계식 스위치에 연결된 트랜지스터는 제어전극에 전압이 인가될 시 전류가 흐르지 않기 때문에 전력소모가 없다. 전기기계식 스위치의 높은 임계 전압을 융합 회로를 통해 0V로 낮추며, 극성 역시 구분할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 에너지 하베스터의 에너지를 저장하기 위한 전기 기계식 스위치 및 반도체 트랜지스터를 융합한 능동형 다이오드를 포함하는 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전기기계식 스위치 및 반도체 트랜지스터를 융합한 능동형 다이오드의 회로도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 전기기계식 트랜지스터 융합 능동형 다이오드의 회로도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 전기기계식 트랜지스터 융합 능동형 다이오드 회로도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 기술되는 바람직한 실시 예를 통하여 본 발명을 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 기술하기로 한다.
본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명 실시 예들의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
명세서 전반에 걸쳐 사용되는 용어들은 본 발명 실시 예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 사용자 또는 운용자의 의도, 관례 등에 따라 충분히 변형될 수 있는 사항이므로, 이 용어들의 정의는 본 발명의 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 에너지 하베스터의 에너지를 저장하기 위한 전기 기계식 스위치 및 반도체 트랜지스터를 융합한 능동형 다이오드를 포함하는 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 전기기계식 스위치 및 반도체 트랜지스터를 융합한 능동형 다이오드(이하 '다이오드'라 기재함)(100)는 에너지 하베스터(1)에서 발생한 AC 전기 에너지를 DC 전기 에너지로 변환하여 수퍼커패시터 또는 배터리(2)에 저장하게 된다.
다이오드(100)의 전기기계식 스위치의 초기 구동은 수퍼 커패시터 또는 배터리(20)에 초기에 저장된 전압을 사용하며, 일단 다이오드(100)가 동작하게 된 후에는 수퍼커패시터 혹은 배터리(2)는 에너지 하베스터(1)에서 수확된 전기에너지로 계속해서 충전되게 됨으로써, 본 발명에서 제안한 다이오드(100)는 지속적으로 동작하게 된다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전기기계식 스위치 및 반도체 트랜지스터를 융합한 능동형 다이오드의 회로도이다.
도 2를 참조하면, 다이오드(100)는 전기기계식 스위치(110)와 반도체 트랜지스터(120)가 융합된 형태로 구성된다.
전기기계식 스위치(110)는 소정 전압이 인가됨에 따라, 물리적으로 이격된 입력 단자 및 출력 단자의 접속 및 단락에 의해 입력 단자에 입력되는 에너지 하베스터(Vout)(1)의 에너지를 출력 단자(Vout)로 출력시킨다.
상세하게는, 전기기계식 스위치(110)는 가운데에 홈(111a)이 형성된 고정된 기판(111)과, 고정 기판(111)의 가장자리 일측(111b)에 부착되어 고정 기판(110)의 타측(111c) 방향으로 홈(111a)으로부터 연장되되, 그 연장된 단부가 홈(111a) 내측에 위치되는 탄성부재(112)와, 탄성부재(112)의 상부 일측에 부착되되, 두 전극들(113a, 113b)이 양면에 부착된 압전부재(113)와, 탄성 부재(113)의 상부 타측에 부착된 입력 단자(114a)와, 고정 기판(111)의 타측(111c) 상부에 부착되어 형성되되, 입력 단자(140a)와 물리적으로 이격되도록 설치되는 출력 단자(114b)를 포함한다.
여기서, 압전부재(113)의 두 전극 중 한 전극(113a)은 전기기계식 스위치(110)를 구동하기 위한 미리 설정된 임계 전압원(3)에 연결되고, 다른 전극(113b)은 반도체 트랜지스터(120)에 접속된다. 따라서, 압전부재(113)의 두 전극(113a, 113b) 간 미리 설정된 임계 전압이 발생할 경우, 물리적으로 이격된 입력 단자(114a) 및 출력단자(114b)가 접촉하게 되며, 이때 하베스터(1)로부터 입력되는 전기에너지가 출력단자(Vout)로 전달된다.
반도체 트랜지스터(120)는 에너지 하베스터(1)로부터 입력되는 전압에 따라 전기 기계식 스위치(110)에 인가되는 전압을 조절한다. 본 발명의 실시 예에 따라, 반도체 트랜지스터(120)는 전계 효과 트랜지스터이고, 제어 전극(121)은 전기기계식 스위치(110)의 입력단자(114a) 및 에너지 하베스터(1)와 연결되고, 드레인 전극(122)은 전기기계식 스위치(110)의 전극(113b)에 연결된다.
전술한 바와 같이, 전기기계식 스위치(110)의 구동은 압전부재(113)에 연결된 전계효과 트랜지스터의 제어전극(121), 즉 입력단자(114a)의 전위에 따라 접촉 및 단락이 발생하게 되며, 입력단자(114a)의 전위가 양(+)전위로 전계효과 트랜지스터(120)의 문턱전압을 넘어설 경우, 압전부재(113)의 양 전극간 임계전압이 발생하여 입력 단자(114a)와 출력단자(114b)가 접촉하게 된다. 이때 압전부재(113)가 이상적으로 형성되었다면 전계효과 트랜지스터(120)에는 전류가 흐르지 않기 때문에 전력을 소모하지 않는다.
반대로, 입력단자(114a)의 전위가 음(-) 전위로 발생할 경우, 압전부재(113)의 양 전극들(113a, 113b)간에는 임계전압이 발생하지 않게 되어, 입력 단자(114a) 및 출력 단자(114b)는 물리적으로 단락된다.
전계효과 트랜지스터(120)의 문턱전압이 0V일 경우, 예컨대, ALD의 Zero threshold MOSFET, 전기기계식 스위치(110)는 0V를 기준으로 양(+)전위와 음(-)전위에서 입력단자(114a) 및 출력단자(114b)가 물리적으로 접촉 및 이격을 반복할 수 있어, 기존의 전기기계식 스위치가 갖는 매우 높은 임계전압을 극복할 수 있다.
또한, 입력단자(114a) 및 출력단자(114b)의 접촉으로 인해 발생하는 도통 저항은 기존의 반도체 스위치, 특히 ALD의 zero threshold MOSFET가 갖는 수백 Ω의 저항보다 매우 낮은 수 mΩ 수준으로 입력단자(114a)의 전력이 출력단자(114b)로 전달되는 과정에서 불필요한 전력을 소모하지 않는다.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 전기기계식 트랜지스터 융합 능동형 다이오드의 회로도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 다이오드는 2개의 반도체 트랜지스터들(311, 312)로 구성된 인버터(310)와, 둘 이상의 전기 기계식 스위치들(321, 322, 323, 324)로 구성된다. 여기서, 전기 기계식 스위치들(321, 322, 323, 324)은 네 개로 구성되어 있는데, 본 발명은 이에 한정되지 않는다.
전기 기계식 스위치들(321, 322, 323, 324) 각각은 소정 전압이 인가됨에 따라, 물리적으로 이격된 입력 단자 및 출력 단자의 접속 및 단락에 의해 입력 단자에 입력되는 에너지 하베스터의 에너지를 출력 단자로 출력시킨다. 여기서, 전기 기계식 스위치의 상세 구성은 도 2에 도시된 바와 동일하므로, 여기서는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
인버터(310)는 에너지 하베스터(1)로부터 입력되는 양전위에 따라 전기 기계식 스위치들 중 하나 이상에 인가되는 전압을 조절하는 P형 반도체 트랜지스터(311)와, 에너지 하베스터(1)로부터 입력되는 음전위에 따라 전기 기계식 스위치들 중 다른 하나 이상에 인가되는 전압을 조절하는 N형 반도체 트랜지스터(312)로 구성된다.
즉, 입력 전압이 양의 값을 가지면 P형 트랜지스터(311)의 드레인(Drain)과 소스(Source) 사이에 설정된 전압 만큼의 차이가 발생하여, 이에 연결된 스위치(321,322)가 동작하여 정류한다. 입력 전압이 음의 값을 가지면 N형 트랜지스터(312)의 Drain과 Source사이에 전위차가 발생하여 이에 연결된 스위치(323,324)가 동작하여 정류한다. 따라서, 인버터(310)는 교류 입력 전압의 극성을 구분해 극성에 따라 스위치를 선택적으로 구동하여 전파 정류한다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 전기기계식 트랜지스터 융합 능동형 다이오드 회로도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 다이오드는 비교기(410)와, 둘 이상의 전기 기계식 스위치들(421, 422, 423, 424)로 구성된다. 여기서, 전기 기계식 스위치들(421, 422, 423, 424)은 네 개로 구성되어 있는데, 본 발명은 이에 한정되지 않는다.
전기 기계식 스위치들(421, 422, 423, 424) 각각은 소정 전압이 인가됨에 따라, 물리적으로 이격된 입력 단자 및 출력 단자의 접속 및 단락에 의해 입력 단자에 입력되는 에너지 하베스터의 에너지를 출력 단자로 출력시킨다. 여기서, 전기 기계식 스위치의 상세 구성은 도 2에 도시된 바와 동일하므로, 여기서는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
비교기(410)는 에너지 하베스터(1)로부터 입력되는 양전위에 따라 전기 기계식 스위치들 중 하나 이상에 인가되는 전압을 조절하고, 에너지 하베스터(1)로부터 입력되는 음전위에 따라 전기 기계식 스위치들 중 다른 하나 이상에 인가되는 전압을 조절한다. 이로써, 도 3에 도시된 인버터 구동회로(310)와 동일하게 비교기(410)가 입력전압의 극성을 구분하여 입력전압의 극성에 따라 전기 기계식 스위치들(421, 422, 423, 424)을 선택적으로 구동하여 전파 정류한다.

Claims (5)

  1. 소정 전압이 인가됨에 따라, 물리적으로 이격된 입력 단자 및 출력 단자의 접속 및 단락에 의해 상기 입력 단자에 입력되는 에너지 하베스터의 에너지를 상기 출력 단자로 출력시키는 전기기계식 스위치와,
    상기 에너지 하베스터로부터 입력되는 전위에 따라 상기 전기 기계식 스위치에 인가되는 상기 전압을 조절하는 반도체 트랜지스터를 포함함을 특징으로 하는 전기기계식 스위치와 반도체 트랜지스터가 결합된 능동형 다이오드.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 전기기계식 스위치는
    가운데에 홈이 형성된 고정 기판과,
    상기 고정 기판의 가장자리 일측에 부착되어 상기 고정 기판의 타측 방향으로 상기 홈으로부터 간격을 두고 연장되되, 그 연장된 단부가 상기 홈 내측에 위치되는 탄성부재와,
    상기 탄성부재의 상부 일측에 부착되되, 두 전극들이 양면에 형성된 압전부재와,
    상기 탄성 부재의 상부 타측에 부착된 입력 단자와,
    상기 고정 기판의 가장자리 타측 상부에 부착되어 형성되되, 상기 입력 단자와 물리적으로 이격되도록 설치되는 출력 단자를 포함하되,
    상기 두 전극들 중 하나는 소정 임계 전압원에 연결되고, 다른 하나는 상기 반도체 트랜지스터에 접속됨을 특징으로 하는 전기기계식 스위치와 반도체 트랜지스터가 결합된 능동형 다이오드.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 반도체 트랜지스터는
    전계 효과 트랜지스터임을 특징으로 하는 전기기계식 스위치와 반도체 트랜지스터가 결합된 능동형 다이오드.
  4. 소정 전압이 인가됨에 따라, 물리적으로 이격된 입력 단자 및 출력 단자의 접속 및 단락에 의해 상기 입력 단자에 입력되는 에너지 하베스터의 에너지를 상기 출력 단자로 출력시키는 둘 이상의 전기기계식 스위치들과,
    상기 에너지 하베스터로부터 입력되는 양전위에 따라 상기 전기 기계식 스위치들 중 하나 이상에 인가되는 상기 전압을 조절하는 P형 반도체 트랜지스터와, 상기 에너지 하베스터로부터 입력되는 음전위에 따라 상기 전기 기계식 스위치들 중 다른 하나 이상에 인가되는 전압을 조절하는 N형 반도체 트랜지스터로 구성된 인버터를 포함함을 특징으로 하는 전기기계식 스위치와 반도체 트랜지스터가 융합된 능동형 다이오드.
  5. 소정 전압이 인가됨에 따라, 물리적으로 이격된 입력 단자 및 출력 단자의 접속 및 단락에 의해 상기 입력 단자에 입력되는 에너지 하베스터의 에너지를 상기 출력 단자로 출력시키는 둘 이상의 전기기계식 스위치들과,
    상기 에너지 하베스터로부터 입력되는 양전위에 따라 상기 전기 기계식 스위치들 중 하나 이상에 인가되는 전압을 조절하고, 상기 에너지 하베스터로부터 입력되는 음전위에 따라 상기 전기 기계식 스위치들 중 다른 하나 이상에 인가되는 전압을 조절하는 비교기를 포함함을 특징으로 하는 전기기계식 스위치와 반도체 트랜지스터가 융합된 능동형 다이오드.
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