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KR101361824B1 - 미세 압전 진동자를 이용한 발전 소자와 그 패드 제조 방법 - Google Patents

미세 압전 진동자를 이용한 발전 소자와 그 패드 제조 방법 Download PDF

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KR101361824B1
KR101361824B1 KR1020120079129A KR20120079129A KR101361824B1 KR 101361824 B1 KR101361824 B1 KR 101361824B1 KR 1020120079129 A KR1020120079129 A KR 1020120079129A KR 20120079129 A KR20120079129 A KR 20120079129A KR 101361824 B1 KR101361824 B1 KR 101361824B1
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pad
piezoelectric vibrator
electrode
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이상목
이효수
김상우
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한국생산기술연구원
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Abstract

본 발명은 미세 압전 진동자를 이용한 발전 소자 및 그 패드 제조 방법에 관한 것으로, 미세 압전 진동자를 이용한 발전 소자는 하나의 관통 구멍을 구비하는 기판의 일면에 전도성 금속을 증착한 하부 전극이 형성된 하부 패드, 상기 하부 패드의 전극 위에 수직 방향으로 형성된 다수의 미세 압전 진동자, 및 하나의 관통 구멍을 구비하는 또 다른 기판의 일면에 전도성 금속을 증착한 상부 전극이 형성되고, 상기 상부 전극이 상기 미세 압전 진동자와 접촉하며 상기 하부 패드의 하부 전극과 마주하도록 평행하게 위치한 상부 패드를 포함하도록 구성될 수 있다.
상기와 같은 미세 압전 진동자를 이용한 발전 소자와 그 패드 제조 방법에 따르면, 미세 압전 진동자를 연결할 수 있는 패드 설계 기술을 구현함으로써 외부의 진동에 의해 압전 진동자에서 발생하는 전력을 효율적으로 채집할 수 있다. 또한, 발전 소자의 상하부 패드에 미세 압전 진동자와 연결되는 전극을 형성하기 전에 전기가 통하는 관통 구멍을 미리 형성함으로써, 미세 압전 진동자와 전극 사이에서 발생하는 전기 에너지가 관통 구멍을 통해 패드의 외부로 연결되어 별도의 연결 패드가 필요 없이 보다 용이하게 전력을 채집할 수 있다.

Description

미세 압전 진동자를 이용한 발전 소자와 그 패드 제조 방법{POWER GENERATOR USING NANO PIEZO-ELECTRIC RESONATOR AND FABRICATION METHOD FOR PAD THEREOF}
본 발명의 개념에 따른 실시 예는 압전 발전 소자에 관한 것으로서, 좀 더 상세하게는 미세 압전 진동자를 이용한 발전 소자와 그 패드 제조 방법에 관한 것이다.
에너지 하베스팅(Energy harvesting) 기술은 빛, 온도차, 기계적 진동, 전자기파 등 여러 가지 형태로 존재하는 에너지를 채집하여 전기 에너지로 변환하는 기술이다.
특히 진동을 에너지원으로 하는 에너지 하베스팅 시스템은 외력에 의하여 기판 위에 지속적인 진동이 가해질 때 압전 진동자(piezo-electric resonator)에서 발생하는 전력을 채집하는 것으로, 우리 주변에 크고 작은 진동이 발생하는 다양한 환경이 존재하기 때문에 언제 어디에서나 쉽게 에너지를 얻을 수 있다. 또한, 진동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 데 용이하고 소형으로 구현이 가능하여 친환경 에너지원으로서 관심이 높아지고 있다.
이러한 압전 진동자를 이용하는 에너지 하베스팅 시스템에서 보다 효과적으로 기계적인 에너지를 전기적 에너지의 형태로 변환하고 저장하기 위해서는 에너지 변환 효율이 높은 압전 재료 및 압전 진동자 구조가 사용되어야 하며, 이와 더불어 압전 진동자들로부터 최대의 전력을 채집하기 위한 연결 패드가 요구된다.
또한, 미세 압전 진동자를 이용한 에너지 하베스팅 기술은 반도체 공정을 이용한 MEMS(Microelectromechanical System) 기술을 필요로 하기 때문에 공정이 비교적 복잡하고 까다롭다. 따라서, 설계 및 제조 공정이 보다 용이하면서 최대의 효율을 갖는 미세 압전 진동자 및 연결 패드 설계 기술이 필요하다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 미세 압전 진동자를 이용한 발전 소자를 제공하는 데 있다.
본 발명의 해결하고자 하는 다른 과제는 미세 압전 진동자를 이용한 발전 소자의 패드 제조 방법을 제공하는 데 있다.
상술한 본 발명의 목적에 따른 미세 압전 진동자를 이용한 발전 소자는 하나의 관통 구멍을 구비하는 기판의 일면에 전도성 금속을 증착한 하부 전극이 형성된 하부 패드, 상기 하부 패드의 전극 위에 수직 방향으로 형성된 다수의 미세 압전 진동자, 및 하나의 관통 구멍을 구비하는 또 다른 기판의 일면에 전도성 금속을 증착한 상부 전극이 형성되고 상기 상부 전극이 상기 미세 압전 진동자와 접촉하며 상기 하부 패드의 하부 전극과 마주하도록 평행하게 위치한 상부 패드를 포함하도록 구성될 수 있다.
이때, 상기 전도성 금속을 증착하기 위한 방법으로, 하부 패드(110) 또는 상부 패드(130)의 각 기판(111, 131)의 상기 일면 중 일부 영역을 소정 두께로 에칭한 후, 에칭된 영역 위에 상기 전도성 금속을 증착하는 방법을 사용할 수 있으며, 다른 방법으로는 상기 기판의 일면 중 일부 영역의 테두리에 절연체를 소정 두께로 증착한 후, 상기 테두리 내부에 전도성 금속을 증착하는 방법이 있다.
실시 예에 따라, 상기 하부 전극 또는 상기 상부 전극은 상기 하부 패드 및 상기 상부 패드에 증착되는 전도성 금속으로 금(Au)을 사용하여 상기 미세 압전 진동자의 시드(seed)층 역할을 할 수 있다.
한편, 상기 미세 압전 진동자는 산화아연(ZnO) 또는 PZT 중 하나를 압전 재료로 하고, 상기 압전 재료를 수열합성법으로 성장시켜 형성될 수 있다. 또한, 상기 상부 패드는 상기 상부 전극 위에 다수의 미세 압전 진동자가 형성된 구조를 가질 수도 있다.
상술한 본 발명의 다른 목적에 따른 미세 압전 진동자를 이용한 발전 소자의 패드 제조 방법은 기판의 일면 중 일부 영역을 소정 두께로 에칭하는 단계, 상기 기판을 도체의 성질을 갖는 재질로 코팅하는 단계, 상기 기판의 에칭된 영역 내부에 관통 구멍을 뚫고 가공하는 단계, 상기 기판의 에칭된 영역 위에 전도성 금속을 증착시켜 전극을 형성하는 단계 및 상기 전극 위에 압전 재료를 수직 방향으로 성장시켜 다수의 미세 압전 진동자를 제조하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상술한 본 발명의 다른 목적에 따른 미세 압전 진동자를 이용한 발전 소자의 패드 제조 방법은 기판을 도체의 성질을 갖는 재질로 코팅하는 단계, 상기 기판의 일면 중 일부 영역의 테두리에 절연체를 소정 두께로 증착하는 단계, 상기 절연체가 증착된 테두리 내부에 관통 구멍을 뚫고 가공하는 단계, 상기 절연체가 증착된 테두리 내부에 전도성 금속을 증착시켜 전극을 형성하는 단계 및 상기 전극 위에 압전 재료를 수직 방향으로 성장시켜 다수의 미세 압전 진동자를 제조하는 단계를 포함하도록 구성될 수 있다.
상기와 같은 미세 압전 진동자를 이용한 발전 소자와 그 패드 제조 방법에 따르면, 미세 압전 진동자를 연결할 수 있는 패드 설계 기술을 구현함으로써 외부의 진동에 의해 압전 진동자에서 발생하는 전력을 효율적으로 채집할 수 있다.
또한, 발전 소자의 상하부 패드에 미세 압전 진동자와 연결되는 전극을 형성하기 전에 전기가 통하는 관통 구멍을 미리 형성함으로써, 미세 압전 진동자와 전극 사이에서 발생하는 전기 에너지가 관통 구멍을 통해 패드의 외부로 연결되어 별도의 연결 패드가 필요 없이 보다 용이하게 전력을 채집할 수 있다.
본 발명의 상세한 설명에서 인용되는 도면을 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 상세한 설명이 제공된다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 미세 압전 진동자를 이용한 발전 소자의 측면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 미세 압전 진동자를 이용한 발전 소자의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 미세 압전 진동자를 이용한 발전 소자의 패드 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
도 4는 도 3의 제조 방법에 따른 미세 압전 진동자를 이용한 발전 소자의 패드 제조 방법을 설명하기 위한 도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 미세 압전 진동자를 이용한 발전 소자의 패드 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
도 6은 도 5의 제조 방법에 따른 미세 압전 진동자를 이용한 발전 소자의 패드 제조 방법을 설명하기 위한 도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 미세 압전 진동자를 이용한 발전 소자의 측면도이다.
미세 압전 진동자를 이용한 발전 소자는 2개의 패드로 구성될 수 있으며, 이 중 하나의 패드에는 미세 압전 진동자가 제조되고, 나머지 하나의 패드는 미세 압전 진동자를 연결하기 위한 패드로 사용된다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 미세 압전 진동자를 이용한 발전 소자의 사시도이다.
도 2(a)는 발전 소자를 위에서 내려다 본 사시도이며, 도 2(b)는 발전 소자를 아래에서 올려다 본 사시도이다.
도 2를 참조하면, 미세 압전 진동자를 이용한 발전 소자(100)는 2개의 패드(110 및 130), 즉 하부 패드(110)와 상부 패드(130)가 평행하게 마주하도록 위치하고, 하부 패드(110) 상에 다수의 미세 압전 진동자(120)가 형성되어 있는 구조를 갖는다.
실시 예에 따라, 상부 패드(130) 역시 하부 패드(110)와 유사하게 다수의 미세 압전 진동자(120)가 형성된 구조를 가질 수도 있다.
하부 패드(110) 및 상부 패드(130)는 각각 도체의 성질을 갖는 재질로 코팅될 수 있으며, 동일한 공정으로 제조될 수 있다. 하부 패드(110) 및 상부 패드(130) 각각은 하나의 관통 구멍(113 또는 133)을 구비하는 기판(111 또는 131)을 포함하며, 기판(111 또는 131)의 일면에는 전도성 금속이 증착된 전극(하부 전극(112) 또는 상부 전극(132))이 형성되어 있다.
이때, 증착되는 전도성 금속으로 금(Au)을 이용하면, 상기 전도성 금속은 미세 압전 진동자(120)를 형성할 때 시드(seed) 층의 역할을 수행할 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 전도성 금속을 증착하는 방법으로, 하부 패드(110) 또는 상부 패드(130)의 각 기판(111, 131)의 상기 일면 중 일부 영역을 소정 두께로 에칭한 후, 에칭된 영역 위에 상기 전도성 금속을 증착하는 방법을 사용할 수 있다.
다른 실시 예에 따라, 기판(111, 131)의 상기 일면 중 일부 영역의 테두리에 절연체를 소정 두께로 증착한 후, 상기 테두리 내부에 전도성 금속을 증착하는 방법을 사용할 수도 있다.
한편, 미세 압전 진동자(120)는 산화아연(ZnO) 또는 PZT 중 어느 하나를 압전 재료로 이용할 수 있다. 산화물 반도체인 산화아연(ZnO)은 압전성과 반도성의 특성을 동시에 가지면서 나노선 구조의 성장 제어가 비교적 용이하기 때문에 에너지 하베스팅 시스템을 위한 미세 압전 진동자의 재료로 적합하다.
그리고 PZT는 압전 재료로 사용하기에 좋은 고유전성, 강유전성, 압전성, 초전성, 전기광학효과와 같은 다양한 특성을 가진다. 특히, 높은 굽힘성과 기계적 강도를 가지기 때문에, 같은 압력이 인가될 경우 다른 압전 재료보다 훨씬 더 큰 전압과 전력을 얻을 수 있다.
상기 본 발명의 일 실시 예에 따른 미세 압전 진동자(120)를 이용한 발전 소자(100)는 두 가지 메커니즘에 의해 전기 에너지를 발생시킬 수 있다.
먼저, 상부 전극(132)과 미세 압전 진동자(120) 간에 쇼트키 접합(Schottky Junction)을 이루고 있는 상태에서 미세 압전 진동자(120)가 휘어지게 되면, 미세 압전 진동자(120) 내부에서 양이온과 음이온의 상대적 변위가 발생하면서 상부 전극(132)과 미세 압전 진동자(120)의 위치에 따라 바이어스의 방향이 바뀌게 되어 전압이 발생된다. 상기와 같이 발생된 전압은 DC형태를 띠게 된다.
또 다른 방법으로는, 미세 압전 진동자(120)의 길이 방향으로 힘이 가해질 경우, 극성 변화에 따라 미세 압전 진동자(120) 양단에 압전 전위가 형성되고, 전위차(전압)가 발생하여 전류가 생성된다. 이때 생성되는 전류는 AC형태를 나타낸다.
이하, 본 발명의 일 실시 예에 따른 미세 압전 진동자(120)를 이용한 발전 소자(100)의 패드 제조 방법을 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 미세 압전 진동자를 이용한 발전 소자의 패드 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
도 4는 도 3의 제조 방법에 따른 미세 압전 진동자를 이용한 발전 소자의 패드 제조 방법을 설명하기 위한 도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 미세 압전 진동자(120)를 이용한 발전 소자(100)의 패드(110, 130)를 제조하기 위해서 기판(111, 131)의 일면 중 일부 영역을 소정 두께로 에칭한다(S110). 이때, 에칭 영역은 미세 압전 진동자(120)를 형성시킬 영역으로 설정하는 것이 바람직하다. 실시 예에 따라, 상기 에칭의 두께는 약 1um로 설정할 수 있다.
그리고 기판(111, 131)을 도체의 성질을 갖는 재질로 코팅한다(S120).
순차적으로, 기판(111, 131)의 에칭된 영역 내부에 관통 구멍(113, 133)을 뚫고 가공한 후(S130), 기판(111, 131)의 에칭된 영역 위에 전도성 금속을 증착시켜 전극을 형성한다(S140).
상기 관통 구멍(113, 133)은 미세 압전 진동자(120)로부터 발생하는 전기 에너지를 외부로 채집하기 위하여 발전 소자 패드(110, 130)의 내측에 위치한 전극(112, 132)에서 패드의 외측으로 전기가 흐르도록 연결하는 구멍이다.
마지막으로, 전극(112, 132) 위에 산화아연(ZnO) 또는 PZT와 같은 압전 재료를 수직 방향으로 성장시켜 다수의 미세 압전 진동자(120)를 제조한다(S150).
이때, 상기 압전 재료로 쓰이는 산화아연(ZnO) 또는 PZT와 같은 금속 산화물을 나노 구조화시켜 미세 압전 진동자를 제조하기 위하여 기상증착법이나 수열합성법과 같은 방법을 이용할 수 있다.
상기 기상증착법이 양질의 나노구조체를 제조할 수는 있지만 많은 에너지를 소모하고 넓은 면적에 활용하기 힘들다는 단점이 있는 반면, 상기 수열합성법은 공정 제어가 매우 간단하고 대면적 저온 공정이 가능한 경제적인 장점이 있다.
이하, 도 5 및 도 6을 참조하여 본 발명의 다른 실시 예에 따른 미세 압전 진동자를 이용한 발전 소자의 패드 제조 방법에 대해 상세하게 설명한다.
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 미세 압전 진동자를 이용한 발전 소자의 패드 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
도 6은 도 5의 제조 방법에 따른 미세 압전 진동자를 이용한 발전 소자의 패드 제조 방법을 설명하기 위한 도이다.
도 1 내지 도 3, 도 5 및 도 6을 참조하면, 먼저 기판(111, 131)을 도체의 성질을 갖는 재질로 코팅한다(S210).
그리고 기판(111, 131)의 일면 중 일부 영역의 테두리에 절연체를 소정 두께로 증착한다(S220). 이때, 상기 일부 영역은 미세 압전 진동자의 형성 영역으로 설정하는 것이 바람직하며, 실시예에 따라 상기 절연체의 증착 두께는 약 1um 정도로 할 수 있다.
다음으로, 상기 절연체가 증착된 테두리 내부에 관통 구멍(113, 133)을 뚫고 가공한 후(S230), 상기 절연체가 증착된 테두리 내부에 전도성 금속을 증착시켜 전극(112 또는 132)을 형성한다(S240).
마지막으로, 전극(112, 132) 위에 압전 재료(예컨대, 산화아연이나 PZT)를 수직 방향으로 성장시켜 다수의 미세 압전 진동자(120)를 제조한다(S250).
이때, 상기 압전 재료를 나노 구조화시켜 미세 압전 진동자를 제조하는 방법으로는 도 3 및 도 4에서 설명한 기상증착법이나 수열합성법이 사용될 수 있다.
이상 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
110: 하부 패드
120: 미세 압전 진동자
130: 상부 패드
111, 131: 기판
112: 하부 전극
132: 상부 전극
113, 133: 관통 구멍

Claims (8)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 기판의 일면 중 일부 영역을 소정 두께로 에칭하는 단계;
    상기 기판을 도체의 성질을 갖는 재질로 코팅하는 단계;
    상기 기판의 에칭된 영역 내부에 관통 구멍을 뚫고 가공하는 단계;
    상기 기판의 에칭된 영역 위에 전도성 금속을 증착시켜 전극을 형성하는 단계;
    상기 전극 위에 압전 재료를 수직 방향으로 성장시켜 다수의 미세 압전 진동자를 제조하는 단계를 포함하는 미세 압전 진동자를 이용한 발전 소자의 패드 제조 방법.
  8. 기판을 도체의 성질을 갖는 재질로 코팅하는 단계;
    상기 기판의 일면 중 일부 영역의 테두리에 절연체를 소정 두께로 증착하는 단계;
    상기 절연체가 증착된 테두리 내부에 관통 구멍을 뚫고 가공하는 단계;
    상기 절연체가 증착된 테두리 내부에 전도성 금속을 증착시켜 전극을 형성하는 단계;
    상기 전극 위에 압전 재료를 수직 방향으로 성장시켜 다수의 미세 압전 진동자를 제조하는 단계를 포함하는 미세 압전 진동자를 이용한 발전 소자의 패드 제조 방법.
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