KR20160030655A - 에너지 하베스팅 소자, 그의 제조방법, 및 그를 포함하는 무선 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 에너지 하베스팅 소자, 그의 제조 방법, 및 그를 포함하는 무선 장치를 개시한다. 그의 소자는, 지지 체와, 상기 지지 체에 연결된 제 1 캔틸레버와, 상기 제 1 캔틸레버 상의 기전 층을 포함할 수 있다. 제 1 캔틸레버는 지지 체로부터 멀어질수록 점진적으로 두꺼워질 수 있다.
Description
본 발명은 에너지 발생 장치 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 에너지 하베스팅 소자, 그의 제조방법, 및 그를 포함하는 무선 장치에 관한 것이다.
최근, 전기통신기술의 발달로 다양한 종류의 전자 장치들이 등장하고 있다. 예를 들어, 무선 전자기기들과 같은 전자 장치는 사용자 중심의 유비쿼트스(Ubiquitous) 컴퓨팅을 구현함에 따라, 그 수요가 폭발적으로 증가하는 추세에 있다. 일반적으로, 무선 전자기기들은 배터리와 같은 휴대 전원을 포함할 수 있다. 배터리 기술은 일회성을 갖거나 주기적인 충전이 필요함으로 그 한계가 있다. 때문에, 무선 전자기기들 내에 장착될 에너지 하베스팅 소자의 필요성이 대두되고 있다.
예컨대, 자가 전력 무선 조명 스위치는 에너지 하베스팅 소자를 포함할 수 있다. 에너지 하베스팅 소자는 진동, 소리, 압력, 또는 변형에 의해 전력을 발생하는 압전 소재와 비 압전 소재로 구성된다. 압전 소재의 경우 단단하고 깨지기 쉬워 다양한 형상으로 제작하기 쉽지 않다. 비 압전 소재는 구리, 알루미늄 등 금속 소재를 사용하기 때문에 구조의 형상을 다양하게 변형할 수 있다.
본 발명이 이루고자 하는 과제는 제공하는 출력 전력을 증대할 수 있는 에너지 하베스팅 소자, 그의 제조방법, 및 그를 구비하는 무선 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 과제는 압전 층의 손상을 방지할 수 있는 에너지 하베스팅 소자, 그의 제조방법, 및 그를 구비하는 무선 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 에너지 하베스팅 소자는, 지지 체; 상기 지지 체에 연결된 제 1 캔틸레버; 및 상기 제 1 캔틸레버 상의 기전 층을 포함한다. 여기서, 상기 제 1 캔틸레버는 상기 지지 체로부터 멀어질수록 점진적으로 두꺼워질 수 있다.
본 발명의 일 예에 따르면, 상기 제 1 캔틸레버는 라운드진 제 1 하부 면을 가질 수 있다. 상기 제 1 하부 면은 위로 오목할 수 있다.
본 발명의 다른 예에 따르면, 상기 지지 체는: 상기 제 1 캔틸레버에 연결된 지지대; 및 상기 지지대 아래에 배치된 제 1 받침을 포함할 수 있다. 상기 제 1 받침은 상기 라운드진 제 1 하부 면과 동일하게 라운드진 제 1 상부 면을 가질 수 있다. 상기 제 1 상부 면은 위로 볼록할 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 무선 장치는, 하우징; 상기 하우징 내에 배치된 인쇄회로기판; 상기 인쇄회로기판 상에 실장된 복수개의 반도체 칩들; 및 상기 반도체 칩들에 전원 전압을 제공하는 에너지 하베스팅 소자를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 에너지 하베스팅 소자는: 지지 체; 상기 지지 체에 연결된 제 1 캔틸레버; 상기 제 1 캔틸레버 상의 기전 층을 포함할 수 있다. 상기 제 1 캔틸레버는 상기 지지 체로부터 멀어질수록 점진적으로 두꺼워질 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 에너지 하베스팅 소자의 제조방법은, 지지 체에 제 1 캔틸레버를 제공하는 단계; 및 상기 제 1 캔틸레버 상에 기전 층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 지지 체는: 상기 제 1 캔틸레버 아래의 제 1 받침; 및 상기 제 1 받침의 일측 상에 형성되고 상기 제 1 캔틸레버에 연결되는 지지 대를 포함할 수 있다. 상기 제 1 캔틸레버는 상기 지지 대로부터 멀어질수록 점진적으로 두껍게 형성될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시 예들에 따른 에너지 하베스팅 소자는, 지지 체, 라운드진 제 1 캔틸레버, 및 상기 제 1 캔틸레버 상의 기전 층을 포함할 수 있다. 지지체는 제 1 캔틸레버를 고정하는 지지대 및 상기 제 1 캔틸레버와 동일하게 라운드진 상부 면을 갖는 받침을 포함할 수 있다. 외력이 제공되면, 제 1 캔틸레버는 라운드진 상부 면을 따라 안정적으로 휘어질 수 있기 때문에 기전 층의 손상을 방지할 수 있다. 외력이 제거되면, 제 1 캔틸레버는 제 1 받침으로부터 분리되고, 자체 진동할 수 있다. 기전 층의 출력 전력은 제 1 캔틸레버의 자체 진동에 의해 증대될 수 있다.
도 1은 본 발명의 자가전력 무선 스위치를 나타내는 평면도이다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 에너지 하베스팅 소자를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 에너지 하베스팅 소자의 제조방법을 나타내는 플로우 챠트이다.
도 4는 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 에너지 하베스팅 소자를 나타내는 도면이다.
도 5는 부가 질량 추의 무게에 따른 출력 전압을 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 에너지 하베스팅 소자를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 응용 예에 따른 에너지 하베스팅 소자를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 에너지 하베스팅 소자를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 에너지 하베스팅 소자의 제조방법을 나타내는 플로우 챠트이다.
도 4는 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 에너지 하베스팅 소자를 나타내는 도면이다.
도 5는 부가 질량 추의 무게에 따른 출력 전압을 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 에너지 하베스팅 소자를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 응용 예에 따른 에너지 하베스팅 소자를 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면들과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당 업자에게 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 실시 예들을 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.
도 1은 본 발명의 자가전력 무선 장치를 보여준다. 본 발명의 무선 장치는 자가전력 무선 조명 스위치일 수 있다. 일 예에 따르면, 무선 장치는 하우징(10), 인쇄회로기판(20), 반도체 칩들(30), 안테나(40), 제 1 푸시 버튼(50), 제 2 푸시 버튼(60), 및 에너지 하베스팅 소자(70)를 포함할 수 있다. 하우징(10)은 사각형 모양을 가질 수 있다. 인쇄회로기판(20)은 하우징(10) 내에 배치될 수 있다. 반도체 칩들(30)은 인쇄회로기판(20) 상에 실장될 수 있다. 반도체 칩들(30)은 무선 제어 신호를 생성할 수 있다. 안테나(40)는 무선 제어 신호 송신할 수 있다. 제 1 푸시 버튼(50)은 턴온 신호를 생성할 수 있다. 턴온 신호는 하우징(10)의 외부의 조명의 턴온 스위칭 신호일 수 있다. 제 2 푸시 버튼(60)은 에너지 하베스팅 소자(70)를 누르는 단추이다. 일 예에 따르면, 제 1 푸시 버튼(50)과 제 2 푸시 버튼(60)는 하우징(10)의 마주보는 양측에 각각 배치될 수 있다. 제 1 푸시 버튼(50)과 제 2 푸시 버튼(60)는 사용자의 한손 내에서 동시에 동작될 수 있기 때문이다. 에너지 하베스팅 소자(70)는 전력을 생성하고, 반도체 칩들(30)에 제공할 수 있다.
이하, 에너지 하베스팅 소자(70)에 대해 실시 예를 들어 설명하고자 한다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 에너지 하베스팅 소자(70)를 보여준다.
본 발명의 제 1 실시 예에 따른 에너지 하베스팅 소자(70)는 지지체(72), 제 1 캔틸레버(74), 기전 층들(80)을 포함할 수 있다.
지지체(72)는 하우징(10)의 내벽에 고정될 수 있다. 일 예에 따르면, 지지체(72)는 제 1 받침(71)와 지지대(73)를 포함할 수 있다. 제 1 받침(71)은 지지대(73)를 고정할 수 있다. 일 예에 따르면, 제 1 받침(71)은 위로 볼록하게(protrudingly) 라운드진 제 1 상부 면(75)을 가질 수 있다. 제 1 받침(71)의 일측은 타측에 비해 높을 수 있다. 지지대(73)는 제 1 받침(71)의 일측 상에 배치될 수 있다.
제 1 캔틸레버(74)는 지지체(72)에 연결될 수 있다. 일 예에 따르면, 제 1 캔틸레버(74)는 지지대(73)에 연결될 수 있다. 제 1 캔틸레버(74)는 지지대(73)로부터 멀어질수록 두꺼울 수 있다. 일 예에 따르면, 제 1 캔틸레버(74)의 제 1 하부 면(77)은 제 1 받침(71)의 제 1 상부 면(75)과 동일한 모양으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제 1 캔틸레버(74)는 위로 오목하게(dentedly) 라운드진 제 1 하부 면(77)을 가질 수 있다.
기전 층들(80)은 제 1 캔틸레버(74) 상에 배치될 수 있다. 일 예에 따르면, 기전 층들(80)은 제 1 전극 층(82), 압전 층(84), 및 제 2 전극 층(86)을 포함할 수 있다. 제 1 전극 층(82) 및 제 2 전극 층(86)은 금속 층을 포함할 수 있다. 압전 층(84)은 제 1 전극 층(82)과 제 2 전극 층(86) 사이에 배치될 수 있다. 압전 층(84)은 PZT를 포함할 수 있다. 압전 층(84)은 제 1 캔틸레버(74)의 벤딩 시에 전력(power)을 생성할 수 있다.
한편, 제 2 푸시 버튼(60)을 통해 제 1 캔틸레버(74)의 타측에 외력(F)이 제공될 수 있다. 제 1 캔틸레버(74)의 두께가 얇은 부분부터 두꺼운 부분까지 점진적으로 제 1 받침(71)에 접촉될 수 있다. 제 1 캔틸레버(74)의 일측은 타측에 점진적으로 결합될 수 있다. 제 1 캔틸레버(74)는 제 1 받침(71)의 제 1 상부 면(75)을 따라 안정적으로 휘어질 수 있다. 때문에 제 1 캔틸레버(74) 상의 기전 층들(80)의 손상은 방지될 수 있다.
외력(F)이 제거되면, 제 1 캔틸레버(74)는 제 1 받침(71)로부터 분리될 수 있다. 제 1 캔틸레버(74)는 자체 진동(vibration)할 수 있다. 제 1 캔틸레버(74)의 타측이 팁 질량 역할을 수행하기 때문이다. 제 1 캔틸레버(74) 상의 기전 층(80)은 전력을 생성할 수 있다. 출력 전력은 제 1 캔틸레버(74)의 자체 진동에 의해 증가할 수 있다.
이와 같이 구성된 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 에너지 하베스팅 소자(70)의 제조 방법을 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 에너지 하베스팅 소자(70)의 제조방법을 보여준다. 먼저, 지지 체(72)에 제 1 캔틸레버(74)를 제공한다(S10). 지지 체(72)와 제 1 캔틸레버(74)는 3D 프린팅 방법, 또는 금속 주물 방법으로 형성될 수 있다. 지지 체(72)와 제 1 캔틸레버(74)는 각각 개별적으로 형성된 후 결합되거나, 일체 형으로 형성될 수 있다.
다음, 제 1 캔틸레버(74) 상에 기전 층(80)을 형성할 수 있다(S20). 기전 층(80)의 형성 단계(S20)는 제 1 받침(71)의 제 1 상부 면(75)과 제 1 캔틸레버(74)의 제 1 하부 면(77)의 결합 단계(S22)와, 제 1 캔틸레버(74) 상에 기전 층(80)을 테이핑하는 단계(S24)를 포함할 수 있다. 제 1 캔틸레버(74)가 외력에 의해 하강하면, 제 1 상부 면(75)과 제 1 하부 면(77)은 결합될 수 있다(S22). 제 1 상부 면(75)과 제 1 하부 면(77)은 클램프 또는 접착제에 의해 고정될 수 있다. 기전 층(80)은 전이 방법(transferring method)에 의해 제 1 캔틸레버(74) 상에 테이핑될 수 있다(S24).
도 4는 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 에너지 하베스팅 소자(70)를 보여준다. 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 에너지 하베스팅 소자(70)는 부가 질량 추(88)를 포함할 수 있다. 부가 질량 추(88)는 제 1 캔틸레버(74)의 타측에 결합될 수 있다. 부가 질량 추(88)는 제 1 캔틸레버(74)의 진동 시간을 증가시킬 수 있다. 제 2 실시 예는 제 1 실시 예의 제 1 캔틸레버(74)의 타단에 결합된 부가 질량 추를 더 포함한 것이다.
도 5는 부가 질량 추(88)의 무게에 따른 출력 전압을 보여 준다. 부가 질량 추(88)의 무게가 증가할수록 출력 전압은 증가할 수 있다. 예를 들어, 부가 질량 추(88)가 없을 경우(92), 에너지 하베스팅 소자(70)는 약 1.25V의 출력 전압을 생성할 수 있다. 부가 질량 추(88)가 약 17g일 경우(94), 에너지 하베스팅 소자(70)는 약 1.85V의 출력 전압을 생성할 수 있다. 부가 질량 추(88)가 34g일 경우(96), 에너지 하베스팅 소자(70)는 약 1.9V 정도의 출력 전압을 생성할 수 있다.
도 6은 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 에너지 하베스팅 소자(70)를 보여준다. 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 에너지 하베스팅 소자(70)는 경사진 제 1 상부 면(75)의 제 1 받침(71)과, 경사진 제 1 하부 면(77)의 제 1 캔틸레버(74)를 포함할 수 있다. 제 1 캔틸레버(74)가 눌러지면, 제 1 상부 면(75)과 제 1 하부 면(77)은 경사진 방향으로 접촉될 수 있다. 제 3 실시 예는 제 1 실시 예의 제 1 받침(71)과 제 1 캔틸레버(74)가 경사진 제 1 상부 면(75)과 제 1 하부 면(77)을 각각 갖는 것이다.
도 7은 본 발명의 응용 예에 따른 에너지 하베스팅 소자(70)를 보여준다. 본 발명의 응용 예에 따른 에너지 하베스팅 소자(70)는 제 2 받침(76)과 제 2 캔틸레버(78)를 포함할 수 있다.
제 2 받침(76)은 제 1 받침(71)에 대항하여 배치될 수 있다. 제 2 받침(76)의 일측은 지지대(73) 상에 고정된 지지 체(72)일 수 있다. 제 2 받침(76)은 라운드진 제 2 하부 면(79)를 가질 수 있다. 제 2 하부 면(79)은 아래로 볼록할 수 있다. 도시되지는 않았지만, 제 2 받침(76)은 하우징(10) 내에 고정될 수 있다.
제 2 캔틸레버(78)는 제 1 캔틸레버(74) 상에 배치될 수 있다. 기전 층(80)은 제 1 캔틸레버(74)와 제 2 캔틸레버(78) 사이에 배치될 수 있다. 제 2 캔틸레버(78)는 지지대(73)에 연결될 수 있다. 제 2 캔틸레버(78)는 지지대(73)에서 제 1 캔틸레버(74) 상으로 연장할 수 있다. 제 2 캔틸레버(78)는 지지대(73)에서 멀어질수록 두꺼워질 수 있다. 제 2 캔틸레버(78)는 제 2 하부 면(79)에 접촉되는 제 2 상부 면(90)을 가질 수 있다. 제 2 상부 면(90)은 아래로 오목할 수 있다.
응용 예는 제 1 실시 예의 제 1 받침(71)과 제 1 캔틸레버(74)에 대칭적으로 배치된 제 2 받침(76)과 제 2 캔틸레버(78)를 포함하는 것이다.
이상, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 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 실시 예들 및 응용 예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
Claims (19)
- 지지 체;
상기 지지 체에 연결된 제 1 캔틸레버; 및
상기 제 1 캔틸레버 상의 기전 층을 포함하되,
상기 제 1 캔틸레버는 상기 지지 체로부터 멀어질수록 점진적으로 두꺼워지는 하베스팅 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 캔틸레버는 라운드진 제 1 하부 면을 갖되,
상기 제 1 하부 면은 위로 오목한 하베스팅 소자. - 제 2 항에 있어서,
상기 지지 체는:
상기 제 1 캔틸레버에 연결된 지지대; 및
상기 지지대 아래에 배치된 제 1 받침을 포함하되,
상기 제 1 받침은 상기 라운드진 제 1 하부 면과 동일하게 라운드진 제 1 상부 면을 갖되,
상기 제 1 상부 면은 위로 볼록한 하베스팅 소자. - 제 3 항에 있어서,
상기 지지대에서 상기 제 1 캔틸레버 상으로 연장하는 제 2 캔틸레버를 더 포함하되,
상기 제 2 캔틸레버는 상기 지지체로부터 멀어질수록 점진적으로 두꺼워지는 하베스팅 소자. - 제 4 항에 있어서,
상기 제 2 캔틸레버는 라운드진 제 2 상부 면을 갖되,
상기 제 2 상부 면은 아래로 오목한 하베스팅 소자. - 제 5 항에 있어서,
상기 지지 체는 상기 제 1 받침에 대향하여 상기 지지대 상에 배치되고, 라운드진 제 2 하부 면을 갖는 제 2 받침을 더 포함하되,
상기 제 2 받침은 아래로 볼록한 하베스팅 소자. - 제 4 항에 있어서,
상기 기전 층은 상기 제 1 캔틸레버와 상기 제 2 캔틸레버 사이에 배치되는 압전 층을 포함하는 하베스팅 소자. - 제 7 항에 있어서,
상기 기전 층은:
상기 제 1 캔틸레버와 상기 압전 층 사이의 제 1 전극 층; 및
상기 압전 층과 상기 제 2 캔틸레버 사이의 제 2 전극 층을 더 포함하는 하베스팅 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 캔틸레버는 상기 지지 체로부터 멀어질수록 질량이 증가하는 하베스팅 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 지지 체에 대향하는 상기 제 1 캔틸레버의 말단에 연결된 질량 추를 더 포함하는 하베스팅 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 캔틸레버는 경사진 제 1 하부 면을 갖는 하베스팅 소자. - 제 11 항에 있어서,
상기 지지 체는:
상기 제 1 캔틸레버에 연결된 지지대; 및
상기 지지대를 상기 제 1 캔틸레버에 수직하도록 세우는 제 1 받침을 포함하되,
상기 제 1 받침은 상기 경사진 제 1 하부 면과 동일하게 경사진 제 1 상부 면을 갖는 하베스팅 소자. - 하우징;
상기 하우징 내에 배치된 인쇄회로기판;
상기 인쇄회로기판 상에 실장된 복수개의 반도체 칩들; 및
상기 반도체 칩들에 전원 전압을 제공하는 에너지 하베스팅 소자를 포함하되,
상기 에너지 하베스팅 소자는:
지지 체;
상기 지지 체에 연결된 제 1 캔틸레버;
상기 제 1 캔틸레버 상의 기전 층을 포함하되,
상기 제 1 캔틸레버는 상기 지지 체로부터 멀어질수록 점진적으로 두꺼워지는 무선 장치. - 제 13 항에 있어서,
상기 지지 체는 상기 하우징에 고정되고,
상기 제 1 캔틸레버를 누르는 제 1 푸시 버튼을 더 포함하는 무선 장치. - 제 13 항에 있어서,
턴온 신호를 생성하는 제 2 푸시 버튼; 및
상기 턴온 신호에 따른 무선 제어 신호를 송신하는 안테나를 더 포함하되,
상기 제 1 푸시 버튼과 상기 제 2 푸시 버튼은 상기 하우징의 마주 보는 양측에 각각 배치된 무선 장치. - 지지 체에 제 1 캔틸레버를 제공하는 단계; 및
상기 제 1 캔틸레버 상에 기전 층을 형성하는 단계를 포함하되,
상기 지지 체는:
상기 제 1 캔틸레버 아래의 제 1 받침; 및
상기 제 1 받침의 일측 상에 형성되고 상기 제 1 캔틸레버에 연결되는 지지 대를 포함하되,
상기 제 1 캔틸레버는 상기 지지 대로부터 멀어질수록 점진적으로 두껍게 형성된 하베스팅 소자의 제조방법. - 제 16 항에 있어서,
상기 제 1 캔틸레버는 라운드진 제 1 하부 면을 갖고, 상기 제 1 받침은 상기 라운드진 제 1 하부 면에 대향하여 라운드진 제 1 상부 면을 갖되,
상기 기전 층의 형성 단계는:
상기 제 1 하부 면과 상기 제 1 상부 면을 결합하는 단계; 및
상기 제 1 캔틸레버 상에 상기 기전 층을 형성하는 단계를 포함하는 하베스팅 소자의 제조방법. - 제 17 항에 있어서,
상기 기전 층은 상기 제 1 캔틸레버 층 상에 테이핑되는 하베스팅 소자의 제조방법. - 제 16 항에 있어서,
상기 제 1 캔틸레버를 제공하는 단계는:
상기 지지대에 상기 제 1 캔틸레버를 결합하는 단계; 및
상기 지지대를 상기 제 1 받침에 연결하는 단계를 포함하는 하베스팅 소자의 제조방법.
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