KR100952177B1 - Electromagnetic Generator based on MEMS and the manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 자성체 주위에 미세 선폭의 도선을 입체적으로 감고 외부의 운동에너지를 이용하여 자성체의 극성을 바꿔줌으로써 에너지를 발생시키는 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자 및 그 제조방법에 관한 것으로,The present invention relates to a MEMS-based electromagnetic induction generator and its manufacturing method for generating energy by three-dimensionally winding the wire of the fine line width around the magnetic material and changing the polarity of the magnetic material using external kinetic energy,
본 발명에 따른 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자 및 그 제조방법에 의하면, 특정 주파수에 관계없이 전류가 발생할 수 있으며, 소자의 크기(부피)가 작으면서도 에너지 변환효율이 크다는 장점이 있다. 따라서, 만보기, 휴대폰, 엠피쓰리, 헬스 케어 시스템, 노트북, 디지털 카메라 등의 휴대용 전자 장비와 사람 혹은 자동차 등의 운동에너지를 이용할 수 있는 지하철 환승역이나, 공원, 지하주차장이나 아파트 단지 내외에 설치될 수 있는 요철과 자동차의 회전축 등에 응용될 수 있으며, 특히 컴퓨터 자판 혹은 전화기 버튼 등 눌림에 의한 운동에너지가 발생할 수 있는 모든 장치에 다양하고도 쉽게 응용될 수 있는 장점이 있다.According to the MEMS-based electromagnetic induction generator and its manufacturing method according to the present invention, the current can be generated regardless of a specific frequency, there is an advantage that the energy conversion efficiency is high while the size (volume) of the device is small. Therefore, it can be installed inside or outside subway transit stations, parks, underground parking lots, or apartment complexes where portable electronic equipment such as pedometers, mobile phones, MP3, health care systems, laptops, digital cameras, and kinetic energy such as people or cars can be used. It can be applied to the unevenness and the rotating shaft of the car, and in particular, there is an advantage that can be applied to a variety of devices, such as a computer keyboard or a button of the phone can generate kinetic energy by pressing.
MEMS, 전자기 유도방식 발전소자 MEMS, electromagnetic induction generator
Description
본 발명은 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 기반의 전자기 유도방식 발전소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 자성체 주위에 미세 선폭의 도선을 입체적으로 감고 외부의 운동에너지를 이용하여 자성체의 극성을 바꿔줌으로써 에너지를 발생시키는 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to an electromagnetic induction generator based on MEMS (Micro Electro Mechanical System) and a method for manufacturing the same, and more particularly, to three-dimensionally wound the wire of the fine line around the magnetic material and to use the external kinetic energy The present invention relates to a MEMS-based electromagnetic induction generator and a method of manufacturing the same.
미래 에너지 자원의 안정적 확보와 지구환경 문제, 전력수요 증대의 대응이 절실히 요구되는 최근의 세계 전력시장은 미국과 일본, 유럽 등 선진국을 중심으로 태양광, 풍력, 파도, 운동에너지 등의 에너지 하베스팅(energy harvesting) 기술개발이 급속히 추진되고 있다. 에너지 하베스팅은 주위에 산재해 있는 에너지를 획득하는 방식으로 자연적으로 사라지는 에너지를 취하다고 하여 에너지 스카벤징(energy scavenging)이라고도 하며 또는 파워 하베스팅(power harvesting)이라고 도 불린다.The recent global power market, which needs to secure stable future energy resources, global environmental issues, and increased demand for electric power, is harvesting energy such as solar, wind, waves, and kinetic energy in developed countries such as the US, Japan, and Europe. (energy harvesting) Technology development is proceeding rapidly. Energy harvesting is also called energy scavenging or power harvesting because it takes energy that disappears naturally in a way that acquires energy scattered around.
도 1은 에너지원에 따른 다양한 에너지 하비스터들의 예이다. 근래에 태양광을 이용한 태양광 발전과 바람을 이용한 풍력발전, 압전 에너지를 이용한 동조 압전체 발전 등이 대표적인 에너지 하베스팅의 예이다.1 is an example of various energy harvesters according to an energy source. Recently, photovoltaic power generation using solar power, wind power generation using wind, and tuning piezoelectric power generation using piezoelectric energy are examples of energy harvesting.
최근 반도체 및 MEMS와 같은 저전력 전자기술(low power electronics)의 발전과 더불어 핸드폰, MP3, 노트북, 디지털 카메라 등의 휴대용 전자기기에 대한 수요가 증가하고 있다. 특히, 종이처럼 접어서 휴대할 수 있는 모니터, 입는 컴퓨터, 휴대하고 다니며 자신의 건강상태를 언제 어디서든 체크 할 수 있는 헬스 케어 시스템(health care system) 및 유비쿼터스(ubiquitous) 환경을 위한 RFID 칩 등의 등장은 인간의 생활 패턴을 바꾸어 놓을 것으로 예상되고 있다.Recently, with the development of low power electronics such as semiconductors and MEMS, demand for portable electronic devices such as mobile phones, MP3s, notebooks, and digital cameras is increasing. In particular, the appearance of a monitor that can be folded and carried like a paper, a wearable computer, a health care system that can be carried with you anytime, anywhere, and a RFID chip for a ubiquitous environment Is expected to change human life patterns.
그러나, 이러한 유비쿼터스 환경 혹은 편재형 컴퓨팅(pervasive computing)기술에서도 지속적인 전력공급이 휴대용기기의 가장 큰 걸림돌이 되고 있는 상황이다. 이러한 휴대용 전자기기들의 전력은 대부분 2차 전지로부터 공급되고 있다. 비록 휴대용전자기기를 위한 저전력 전자기술이 꾸준히 개발되고 있기는 하지만, 다양한 기능들의 추가 통합으로 인하여 전력 소모는 오히려 지속적으로 늘어나고 있는 추세이다.However, even in such ubiquitous environment or pervasive computing technology, continuous power supply is the biggest obstacle for portable devices. Most of these portable electronic devices are supplied from secondary batteries. Although low-power electronics technology for portable electronic devices has been steadily being developed, power consumption is steadily increasing due to the further integration of various functions.
현재 2차 전지에 적용되는 재료, 기술 등의 발전으로 전지 용량이 조금씩 증가 되고는 있지만 정기적인 교체 혹은 충전이 필요하다는 근본적인 문제를 해결할 수는 없어 관리에 어려움을 겪고 있다. 또한, 무게와 부피 때문에 휴대가 불편하고 납, 카드늄, 수은 등의 유해물질이 포함되어 있어 환경오염의 원인으로 부각되고 있다.Although the battery capacity is increasing little by little due to the development of materials and technologies applied to secondary batteries, it is difficult to manage because it cannot solve the fundamental problem that regular replacement or charging is necessary. In addition, it is inconvenient to carry due to its weight and volume, and contains harmful substances such as lead, cadmium, and mercury, and thus is highlighted as a cause of environmental pollution.
따라서, 기존의 전지를 보완하거나 대체할 수 있으며 환경오염이 없는 새로운 개념의 전원공급 장치로써의 에너지 하베스팅 기술 개발이 필요하다.Therefore, it is necessary to develop an energy harvesting technology as a power supply device of a new concept that can supplement or replace an existing battery and is free of environmental pollution.
현재 개발되고 있는 초소형 전원공급 장치로서의 발전기는 크게 운동에너지를 이용하여 자체적으로 발전을 하는 시스템과 회전자(rotor)를 회전시켜 전류를 발생시키는 발전시스템으로 구분할 수 있다.The generator as a micro power supply currently being developed can be classified into a system that generates power by using kinetic energy and a power generation system that generates electric current by rotating a rotor.
① 운동에너지를 이용한 발전시스템① Power generation system using kinetic energy
운동에너지를 이용하여 발전하는 발전시스템은 크게 압전(piezoelectric) 방식과 전자기(electromagnetic) 방식, 그리고 정전기(electrostatic) 방식의 3가지로 구분할 수 있다.Power generation systems using kinetic energy can be classified into three types: piezoelectric, electromagnetic, and electrostatic.
우선, 압전체를 이용한 발전기 연구는 미국의 캘리포니아 대학을 비롯해 몇몇 미국과 유럽 대학을 중심으로 이루어지고 있다. 일반적으로 압전체를 이용한 발전기는 바(bar)의 한쪽 끝을 고정시킨 외팔보(cantilever) 형태로 제작되는데, 외팔보 형태의 압전 발전기는 외팔보를 지지하는 지지바 상부에만 압전체를 배치한 유니몰프(unimorph) 형태와 상하부 모두 압전체를 배치한 바이몰프(bimorph) 형태로 구분할 수 있으며, 그 끝에는 집중 질량(mass)이 매달려 있다.First of all, piezoelectric generator research has been conducted in several US and European universities, including the University of California, USA. In general, a piezoelectric generator is manufactured in a cantilever shape in which one end of a bar is fixed. A cantilever-type piezoelectric generator is a unimorph type in which a piezoelectric body is disposed only on a support bar supporting a cantilever. Both and the upper and lower parts can be classified into a bimorph form in which a piezoelectric body is disposed, and a concentrated mass is suspended at the end.
외팔보가 아래로 굽혀지면 윗면에는 인장, 아랫면에는 압축에 의해 변형이 생기고 양면에는 전압이 발생하게 된다. 따라서 외팔보가 상하로 진동을 하게 되면 교류전압이 발생한다. 도 2에는 미국 캘리포니아대에서 개발한 바이몰프 압전 발전기가 도시되어 있다. 이와 같이 제작된 바이몰프 압전 발전기는 시험 장치를 사용하여 최대 120 ㎼의 전력발생이 가능하였으며 집중 질량과 외팔보의 크기를 크게 조절하여 375 ㎼까지 전력이 발생된다고 보고되고 있다.When the cantilever is bent downward, deformation occurs due to tension on the upper surface and compression on the lower surface, and voltage is generated on both sides. Therefore, when the cantilever vibrates up and down, AC voltage is generated. 2 shows a bimorph piezoelectric generator developed by the University of California, USA. The bimorph piezoelectric generator manufactured as described above was able to generate power of up to 120 kW by using a test apparatus, and it is reported that power is generated up to 375 kW by largely adjusting the concentrated mass and the size of the cantilever beam.
외팔보 압전 발전기 외에도 원형 막피(membrane) 형태의 압전 발전기 연구도 실시되고 있다. 그러나 압전 발전기의 대부분은 압전 세라믹(PZT)를 사용하기 때문에 응력파괴가 쉽게 발생 될 수 있으며, 외팔보 압전 발전기의 경우, 구조물의 공진 주파수를 맞추어 설계해야하는 단점과 극히 제한된 주파수 범위에서만 전력을 발생시킬 수 있는 단점이 있다. 또한, 크기에 비해 기계적-전기적 에너지 변환효율이 낮아 전자기기가 요구하는 전력과 비교해 보았을 때 아직까지는 활용범위가 높지 못하다는 단점이 있다.In addition to cantilevered piezoelectric generators, research on piezoelectric generators in the form of circular membranes is being conducted. However, most piezoelectric generators use piezoelectric ceramics (PZT), which can easily cause stress breakdown.In the case of cantilevered piezoelectric generators, power can be generated only in the limited frequency range and the disadvantage of designing the structure according to the resonance frequency of the structure. There is a disadvantage. In addition, the mechanical-to-electric energy conversion efficiency is low compared to the size, compared with the power required by the electronic device has a disadvantage that the utilization range is not yet high.
페러데이(Faraday)법칙을 이용한 전자기식 에너지 발전기는 미국 MIT 공대와 영국의 Southampton 대학, 홍콩의 Chinese대학 등을 중심으로 활발한 연구가 진행되고 있다. Electromagnetic energy generators using Faraday's law are being actively researched at MIT University in the US, Southampton University in the UK, and Chinese University in Hong Kong.
도체(전기회로)를 통과하는 자기장이 변화하면, 도체 주위에 전기장이 형성되어 전류가 흐르게 된다. 자기장의 변화는 기동 자석과 고정 코일 또는 고정 자석과 기동 코일로 구현할 수 있으나, 대부분 가동 자석과 고정 코일 방식을 사용한다. 일반적으로 다른 조건이 동일하다면, 코일의 크기가 클수록 성능이 좋아진다.When the magnetic field passing through the conductor (electrical circuit) changes, an electric field is formed around the conductor and current flows. The change in the magnetic field may be implemented by a starting magnet and a fixed coil or a fixed magnet and a starting coil, but most of the magnetic fields use a moving magnet and a fixed coil method. In general, if the other conditions are the same, the larger the coil, the better the performance.
도 3의 (a)는 미국 MIT 공대에서 개발한 전자기 방식의 에너지 발전기이다. 스프링에 연결된 코일이 집중 질량에 매달려 수직 운동을 하게 되면, 이때 코일은 원형 자석 안과 밖을 운동하며 전류를 발생시키는 원리이다. 또 다른 전자기 방식 발전기는 도 3의 (b)와 같이 PCB(printed circuit board)에 원형으로 패턴(코일)을 감고 비아 홀(via hole)을 뚫어 아래층의 PCB와 연결하는 방식으로 여러 층의 PCB로 코일을 감는 효과를 얻는 방법이다. 그 가운데 스프링을 두고 그 위에 자석을 올려 진동이 가해질 때마다 자석이 흔들리며 전류를 발생시키는 원리이다. 전자기 방식의 발전기는 압전체 방식의 발전기와 달리 공진 주파수를 맞출 필요가 없으며, 330～500 kHz에서 압전체 발전기와 비슷한 전력(100～400 ㎼)이 발생되는 것으로 발표되고 있다. 그러나 현재까지 개발된 전자기 방식의 발전기는 크기가 크고 낮은 주파수영역에서 발전량의 한계가 있다는 단점이 있다.Figure 3 (a) is an electromagnetic energy generator developed by the US MIT Institute of Technology. When a coil connected to a spring is subjected to vertical motion by hanging on a concentrated mass, the coil moves in and out of a circular magnet to generate a current. Another electromagnetic generator is a multi-layered PCB by winding a pattern (coil) in a circular pattern on a printed circuit board (PCB) as shown in (b) of FIG. This is how to get the coil winding effect. It is a principle that a magnet is shaken and generates a current whenever a vibration is applied by putting a spring on it and putting a magnet on it. Unlike piezoelectric generators, electromagnetic generators do not need to match the resonant frequency, and are reported to generate power similar to piezoelectric generators (100-400 kW) at 330-500 kHz. However, the electromagnetic generators developed to date have a disadvantage in that they are limited in size in a large and low frequency region.
MIT의 Meninger 등이 개발한 정전발전기(electrostatic generator)는 커패시터의 정전용량을 변화시키기 위해 커패시터의 거리를 변경시키는 MEMS 형태의 가변 커패시터 구조를 갖는다. 정전에너지 변환을 위해 이들은 일정한 전하량에서 동작하는 병렬 커패시터 구조와 일정한 전압에서 동작하는 빗(comb) 형태의 커패시터 구조 두 가지를 제안하였다. 이 두 종류의 구조 중 일정전압에서 동작하는 커패시터 구조가 일정전하량에서 동작하는 커패시터 대비 높은 에너지 효율을 보였다. 그러나 일정전압에서 동작하는 커패시터 구조는 초기에 큰 접압원을 필요로 한다는 단점을 갖고 있다. 이 문제의 해결을 위해 일정 전하량에서 동작하는 커패시터 구 조를 이용하면서 상대적으로 큰 에너지를 얻기 위해서는 MEMS 커패시터에 병렬로 추가적인 커패시터를 연결하는 방법을 제시하고 있으나, 이 또한 초기전압원의 크기를 키워야 하고 또한 커패시터에 축적된 에너지를 효율적으로 전달하기 위한 스위칭 시스템이 발전기의 운동에너지원인 진동특성과 동기화해야 하는 등의 문제점을 갖고 있다.The electrostatic generator developed by MIT Meninger et al. Has a variable capacitor structure in the form of MEMS that changes the distance of the capacitor to change the capacitance of the capacitor. For electrostatic energy conversion, they proposed two parallel capacitor structures that operate at a constant amount of charge and a comb-shaped capacitor structure that operates at a constant voltage. Among these two structures, the capacitor structure operating at constant voltage showed higher energy efficiency than the capacitor operating at constant charge. However, the capacitor structure that operates at a constant voltage has the disadvantage that initially requires a large voltage source. In order to solve this problem, in order to obtain a relatively large energy while using a capacitor structure operating at a constant charge amount, a method of connecting an additional capacitor in parallel to the MEMS capacitor is proposed, but this also requires increasing the size of the initial voltage source and The switching system for efficiently transferring the energy accumulated in the capacitor has a problem such as synchronization with the vibration characteristics of the generator's kinetic energy source.
② 회전자(② Rotor rotorrotor ) 이용한 발전시스템Power generation system
회전자를 이용한 발전기는 MEMS 방법을 이용하여 기판에 도선(pattern)을 형성시키고 그 위에 자성체를 회전시켜 발전하는 원리로 미국의 MIT 공대와 조지아 공대, 대만의 Sun Yat-Sen 대학 등 몇몇 대학을 중심으로 활발히 연구가 진행되고 있다. 도 4는 대만의 Sun Yat-Sen 대학에서 개발한 회전자 발전기로 도 4의 (a)와 같이 기판 위에 사다리꼴 모양으로 도선을 형성시킨 후, 도 4의 (b)와 같이 8개의 서로 다른 극성을 갖는 자석을 원판에 고정시켜 회전시키는 방법으로 발전하였다. 그 원리는 도 4의 (a)의 A부분에 S극을 갖는 자석이 회전을 하면 전류는 같이 한쪽 방향으로 흐르게 된다. 그렇게 되면 B부분에는 N극이 오게 되고 S극 때의 전류방향과 반대방향으로 전류가 흐르게 된다. 도 4의 (a)에 ①부분은 △Φ = BAcosθ의 식에서 cosθ가 0이 되므로 전류가 흐르지 않아 도선에는 일정한 방향으로 전류가 흐르게 된다. 이와 같은 방법으로 149.3 Hz에서 0.412 ㎽의 전력을 발생시켰다.The generator using the rotor is developed by forming a pattern on a substrate by using MEMS method and rotating the magnetic material on it, and it is centered on several universities such as MIT and Georgia Tech and Sun Yat-Sen University in Taiwan. The research is being actively conducted. FIG. 4 is a rotor generator developed by Sun Yat-Sen University in Taiwan, after forming a lead wire in a trapezoidal shape on a substrate as shown in FIG. 4 (a), and eight different polarities as shown in FIG. 4 (b). It developed by the method of fixing the magnet which has to a disk, and to rotate. The principle is that when the magnet having the S pole in the portion A of FIG. 4A rotates, current flows in one direction as well. Then, the north pole comes to the B part, and current flows in the opposite direction to the current direction at the south pole. In (a) of FIG. 4, the cos θ becomes 0 in the equation ΔΦ = BAcos θ, and thus no current flows, so that the current flows in a constant direction in the conductive line. In this way, a power of 0.412 kW was generated at 149.3 Hz.
또 다른 회전자를 이용한 발전기는 MIT 공대와 조지아 공대에서 공동 개발한 발전기로 도 5에 도시된 바와 같다. 발전원리는 앞서 기술한 대만의 회전자 발전기와 같으며, 도 5의 (b)와 같이 기판 위에 형성시킨 도선 위로 서로 다른 극성의 자석을 회전시켜 같은 방향으로 전류가 흐르게 하는 방법으로 회전자를 120,000rpm 으로 회전시켜 2.5W의 전력을 발생시켰다.The generator using another rotor is a generator jointly developed by MIT and Georgia Tech, as shown in FIG. 5. The principle of power generation is the same as that of the rotor generator in Taiwan described above, and the rotor is rotated by rotating a magnet of different polarity on the wire formed on the substrate as shown in FIG. Rotation at rpm generated 2.5 W of power.
그러나, 회전자를 갖는 발전기는 회전자를 돌려야 하는 단점이 있으며 회전자를 돌리기 위해서는 또 다른 에너지가 필요하기 때문에 실용성에 제한이 있으며, 크기의 제약으로 도선의 감은 수를 늘릴 수 없다는 단점이 있다. 따라서, 발전기 자체의 크기는 작지만 휴대용 기기 등 편재형 컴퓨팅 환경에 사용하기에는 확장성에 한계가 있으며, 또한 회전체를 매우 빠르게 회전시키지 않는 한 사용가능한 수준의 전력을 발생시킬 수 없다는 문제점이 있다.However, a generator having a rotor has a disadvantage in that the rotor needs to be rotated and another energy is required to rotate the rotor, which is limited in practicality, and has a disadvantage in that the number of windings of the wire cannot be increased due to size constraints. Therefore, although the size of the generator itself is small, there is a limit to expandability for use in a ubiquitous computing environment such as a portable device, and there is a problem in that it cannot generate usable levels of power unless the rotating body is rotated very quickly.
상기 기술한 선행 연구에서 나타난 바와 같은, 일정 주파수에서만 전류가 발생하거나, 부피가 크고, 에너지 변환효율의 한계 등의 단점을 갖고 있다는 문제점과 또한 자성을 갖는 회전체를 회전시켜 전류를 발생시키는 시스템의 경우, 상기 기술한 바와 같이 회전자를 돌리기 위한 추가시스템이 필요하고 구조적으로 일정량 이상의 전력을 확보하기에는 한계가 있다는 문제점을 해결하기 위해, 자성체 주위에 미세 선폭의 도선을 입체적으로 감고 외부의 운동에너지를 이용하여 자성체의 극성을 바꿔줌으로써 에너지를 발생시키는 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자 및 그 제조방법을 제공하고자 함이다.As shown in the above-described previous studies, there is a problem in that a current is generated only at a certain frequency, a volume is large, and there are limitations of energy conversion efficiency, and also a system for generating current by rotating a magnetic rotor. In this case, in order to solve the problem that an additional system for turning the rotor is required as described above and there is a limit in securing a certain amount of power structurally, the wire of fine line width is wound around the magnetic body in three dimensions and external kinetic energy is applied. The purpose of the present invention is to provide a MEMS-based electromagnetic induction generator and its manufacturing method that generate energy by changing the polarity of the magnetic material.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자는,MEMS-based electromagnetic induction power plant according to the present invention for achieving the above object,
MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자에 있어서, 자속의 통로가 되는 제1 자성체, 상기 제1 자성체의 외부를 둘러싸며 1회 이상 감긴 미세선폭을 갖는 코일부, 상기 제1 자성체와 상기 코일부 사이의 절연을 위해 그 사이에 마련되는 절연부, 및 상기 코일부의 외부에 마련되어 상기 제1 자성체의 극성 변화를 유도하는 제2 자성체를 포함한다.In the MEMS-based electromagnetic induction power plant, a first magnetic body that is a passage of magnetic flux, a coil portion having a fine line width wound one or more times surrounding the outside of the first magnetic body, between the first magnetic body and the coil portion It includes an insulating portion provided between them for insulation, and a second magnetic material provided outside the coil portion to induce a polarity change of the first magnetic material.
또한, 상기 코일부의 일측에 상기 제2 자성체가 이동 가능하도록 형성된 튜브를 더 포함하고, 상기 튜브는 상기 제1 자성체의 길이방향과 수직으로 형성될 수 있다.The apparatus may further include a tube formed on one side of the coil part to move the second magnetic body, and the tube may be formed perpendicular to the longitudinal direction of the first magnetic body.
또한, 상기 제1 자성체를 그 내부에 포함하는 상기 코일부가 다수개 마련되어 병렬로 배치되어 직렬 연결되고, 상기 튜브는 상기 병렬로 배치된 코일부의 일측에 마련되어 상기 제2 자성체가 왕복운동 하도록 형성될 수 있다.In addition, a plurality of the coil parts including the first magnetic material therein are provided in parallel and arranged in parallel, the tube is provided on one side of the coil parts arranged in parallel to be formed to reciprocate the second magnetic material Can be.
또한, 상기 제1 자성체를 그 내부에 포함하는 상기 코일부가 다수개 마련되어 방사형으로 배치되고, 상기 방사형으로 배치된 코일부의 중앙에 형성되는 공간에 N극과 S극이 교번 형성된 원형의 상기 제2자성체가 회전 가능하도록 형성될 수 있다.In addition, a plurality of the coil parts including the first magnetic material therein are disposed radially, and the second circular circular electrode in which an N pole and an S pole are alternately formed in a space formed in the center of the radially disposed coil part. The magnetic body may be formed to be rotatable.
본 발명에 따른 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자의 다른 실시예에 따르면,According to another embodiment of the MEMS-based electromagnetic induction generator according to the present invention,
하우징; 자속의 통로가 되는 다수개의 제1 자성체와, 상기 다수개의 제1 자성체 각각의 외부를 둘러싸며 1회 이상 감긴 미세선폭을 갖는 다수개의 코일부가 상기 하우징 내에 다각기둥 형태로 배열된 셀 모듈부; 상기 하우징의 저면에 고정되는 탄성체와, 상기 탄성체 위에 마련되는 제2 자성체와, 상기 제2 자성체의 상부에 마련되어 상기 하우징의 외부로 돌출 형성되는 가압부를 포함하는 자속유도 모듈부;를 포함하며, 상기 자속유도 모듈부는 상기 셀 모듈부에 의해 형성된 공간에 배치되어 수직운동에 의해 상기 다수개의 제1 자성체의 극성 변화를 유도하는 것을 특징으로 한다.housing; A cell module unit in which a plurality of first magnetic bodies serving as passages of magnetic flux and a plurality of coil parts having a fine line width wound one or more times around each outside of the plurality of first magnetic bodies are arranged in a polygonal pillar shape in the housing; And a magnetic flux induction module unit including an elastic body fixed to the bottom of the housing, a second magnetic body provided on the elastic body, and a pressing unit provided on an upper portion of the second magnetic body to protrude out of the housing. The magnetic flux induction module unit is disposed in a space formed by the cell module unit and induces a polarity change of the plurality of first magnetic bodies by vertical movement.
전술한 모든 실시예에 따른 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자에 있어서, 상기 발전소자는 웨이퍼 기판 상에 형성되며, 상기 웨이퍼 기판은 KOH 용액에 의해 식각이 가능한 결정방향을 갖는 실리콘 웨이퍼일 수 있다.In the MEMS-based electromagnetic induction power generator according to all the above-described embodiments, the power generator is formed on a wafer substrate, the wafer substrate may be a silicon wafer having a crystal orientation capable of etching by KOH solution.
또한, 상기 코일부의 미세선폭은 1 내지 10㎛인 것을 특징으로 한다.In addition, the fine line width of the coil portion is characterized in that 1 to 10㎛.
본 발명에 따른 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자의 제조방법은,MEMS-based electromagnetic induction generator manufacturing method according to the present invention,
웨이퍼 기판 위에 패턴이 형성된 제1 도선을 형성하는 단계; 상기 제1 도선 위에 제1 절연막을 형성하는 단계; 상기 제1 절연막의 일부를 에칭하여 제1 절연막 패턴을 형성하는 단계; 상기 제1 절연막 패턴 위에 자성체층을 형성하는 단계; 상기 자성체층 위에 제2 절연막 패턴을 형성하는 단계; 상기 제2 절연막 패턴이 형성된 웨이퍼 상에 제1 포토레지스트를 도포하는 단계; 상기 제1 포토레지스트를 에칭하여 비아홀을 형성하는 단계; 상기 형성된 비아홀 내부에 전해도금을 이용하여 측면 도선을 형성하는 단계; 및, 상기 측면 도선이 형성된 웨이퍼 위에 제2 포토레지스트를 도포한 후, 선택적으로 제2 포토레지스트를 제거한 다음, 제2 도선을 형성하는 단계를 포함한다.Forming a patterned first conductive line on the wafer substrate; Forming a first insulating film on the first conductive wire; Etching a portion of the first insulating film to form a first insulating film pattern; Forming a magnetic layer on the first insulating layer pattern; Forming a second insulating film pattern on the magnetic layer; Applying a first photoresist on the wafer on which the second insulating film pattern is formed; Etching the first photoresist to form via holes; Forming a side lead by using electroplating in the formed via hole; And after applying the second photoresist on the wafer on which the side conductors are formed, selectively removing the second photoresist, and then forming the second conductors.
또한, 상기 제2 도선을 증착한 후 상기 제2 도선 위에 제3 절연막을 형성하는 단계를 더 포함하되, 상기 제3 절연막 위에 상기 제1 도선을 형성하는 단계부터 상기 제2 도선을 형성하는 단계를 반복하여 2층 이상으로 발전소자를 적층하여 제조할 수 있다.The method may further include forming a third insulating film on the second conductive wire after depositing the second conductive wire, and forming the second conductive wire from forming the first conductive wire on the third insulating film. It can be manufactured by repeatedly stacking power plants in two or more layers.
또한, 상기 제1 절연막 패턴 위에 자성체층을 형성하는 단계는, 상기 제1 절연막 패턴 위에 씨드 메탈을 증착시킨 후, 상기 씨드 메탈 위에 자성체 물질을 전해도금하여 자성체층을 형성할 수 있다.The forming of the magnetic layer on the first insulating layer pattern may include depositing a seed metal on the first insulating layer pattern and then electroplating a magnetic material on the seed metal to form a magnetic layer.
본 발명에 따른 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자의 제조방법의 다른 실시예에 따르면,According to another embodiment of the manufacturing method of the MEMS-based electromagnetic induction generator according to the present invention,
웨이퍼 기판 위에 패턴이 형성된 제1 도선을 형성하는 단계; 상기 제1 도선 위에 제1 절연막을 형성하는 단계; 상기 제1 절연막의 일부를 에칭하여 제1 절연막 패턴을 형성하는 단계; 상기 제1 절연막 패턴 위에 자성체층을 형성하는 단계; 상 기 자성체층 위에 제2 절연막 패턴을 형성하는 단계; 상기 제2 절연막 패턴이 형성된 웨이퍼 상에 제1 포토레지스트를 도포하는 단계; 상기 제1 포토레지스트를 에칭하여 비아홀을 형성하는 단계; 상기 형성된 비아홀 내부에 전해도금을 이용하여 측면 도선을 형성하는 단계; 및, 상기 측면 도선이 형성된 2장의 웨이퍼를 웨이퍼 본딩하여 각각의 웨이퍼 위에 형성된 측면 도선을 연결하는 단계를 포함한다.Forming a patterned first conductive line on the wafer substrate; Forming a first insulating film on the first conductive wire; Etching a portion of the first insulating film to form a first insulating film pattern; Forming a magnetic layer on the first insulating layer pattern; Forming a second insulating film pattern on the magnetic layer; Applying a first photoresist on the wafer on which the second insulating film pattern is formed; Etching the first photoresist to form via holes; Forming a side lead by using electroplating in the formed via hole; And wafer bonding two wafers on which the side conductors are formed to connect the side conductors formed on the respective wafers.
또한, 상기 웨이퍼 기판은 KOH 용액에 의해 식각이 가능한 결정방향을 갖는 실리콘 웨이퍼이며, 상기 웨이퍼 기판의 뒷면에 전극 형성을 위한 홈이 형성된 것을 특징으로 한다.In addition, the wafer substrate is a silicon wafer having a crystal direction that can be etched by the KOH solution, characterized in that the groove for forming the electrode on the back surface of the wafer substrate is formed.
본 발명에 따른 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자의 제조방법의 또 다른 실시예에 따르면,According to another embodiment of the manufacturing method of the MEMS-based electromagnetic induction generator according to the present invention,
2장의 웨이퍼 기판을 에칭하여 상기 웨이퍼 기판에 경사면을 갖는 홈을 형성하는 단계; 상기 각각의 웨이퍼 기판 전면에 전도성 물질을 증착하여 상기 경사면을 갖는 홈과 기판 위에 제1 도선을 형성하는 단계; 상기 제1 도선 위에 제1 절연막을 형성하는 단계; 상기 제1 절연막 위에 씨드 메탈을 증착시키는 단계; 상기 씨드 메탈 위에 자성체 물질을 전해도금하여 자성체층을 형성하는 단계; 상기 자성체층이 형성된 2장의 웨이퍼를 웨이퍼 본딩하여 연결하는 단계를 포함한다.Etching two wafer substrates to form grooves having inclined surfaces in the wafer substrate; Depositing a conductive material on the entire surface of each wafer substrate to form a first conductive line on the groove and the substrate having the inclined surface; Forming a first insulating film on the first conductive wire; Depositing a seed metal on the first insulating film; Forming a magnetic layer by electroplating a magnetic material on the seed metal; And bonding two wafers on which the magnetic layer is formed by wafer bonding.
또한, 상기 웨이퍼 기판은 KOH 용액에 의해 식각이 가능한 결정방향을 갖는 실리콘 웨이퍼이며, 상기 웨이퍼 기판의 뒷면에 전극 형성을 위한 홈이 형성된 것을 특징으로 한다.In addition, the wafer substrate is a silicon wafer having a crystal direction that can be etched by the KOH solution, characterized in that the groove for forming the electrode on the back surface of the wafer substrate is formed.
또한, 상기 제1 도선 위에 제1 절연막을 형성하는 단계 후에, 상기 제1 절연막 위에 도선 및 절연막을 형성하는 단계를 반복하여 다층의 도선과 절연막을 교대로 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, after the forming of the first insulating film on the first conductive wire, the step of forming the conductive wire and the insulating film on the first insulating film further comprising the step of alternately forming a plurality of conductive wire and insulating film .
전술한 바와 같은 본 발명에 따른 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자 및 그 제조방법에 의하면,According to the MEMS-based electromagnetic induction generator and the manufacturing method thereof according to the present invention as described above,
특정 주파수에 관계없이 전류가 발생할 수 있으며, 소자의 크기(부피)가 작으면서도 에너지 변환효율이 크다는 장점이 있다. 따라서, 만보기, 휴대폰, 엠피쓰리, 헬스 케어 시스템, 노트북, 디지털 카메라 등의 전자 장비와 사람 혹은 자동차 등의 운동에너지를 이용할 수 있는 지하철 환승역이나, 공원, 지하주차장이나 아파트 단지 내외에 설치될 수 있는 요철과 자동차 회전축 등에 응용될 수 있으며, 특히 컴퓨터 자판 혹은 전화기 버튼 등 눌림에 의한 운동에너지가 발생할 수 있는 모든 장치에 다양하고도 쉽게 응용될 수 있는 장점이 있다.The current can be generated regardless of the specific frequency, and there is an advantage that the energy conversion efficiency is high while the size (volume) of the device is small. Therefore, electronic equipment such as pedometers, mobile phones, MP3, health care systems, laptops, digital cameras, and subway transit stations that can use kinetic energy such as people or cars, can be installed inside or outside the park, underground parking lot or apartment complex. It can be applied to the unevenness and the rotating shaft of the car, and in particular, there is an advantage that can be applied to a variety of devices, such as a computer keyboard or a button of the phone can generate kinetic energy by pressing.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 우선, 도면들 중 동일한 구성요소 또는 부품들은 가능한 한 동일한 참조부호를 나타내고 있음에 유의해야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하게 하지 않기 위해 생략한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described an embodiment of the present invention; First, it should be noted that the same components or parts in the drawings represent the same reference numerals as much as possible. In describing the present invention, detailed descriptions of related well-known functions or configurations are omitted in order not to obscure the gist of the present invention.
도 6은 본 발명에 따른 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자의 제1 실시예를 도시한 도, 도 7a는 본 발명에 따른 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자의 제2 실시예를 도시한 평면도, 도 7b는 본 발명에 따른 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자의 제2 실시예를 도시한 측면도, 도 8은 본 발명에 따른 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자의 제3 실시예를 도시한 평면도, 도 9는 본 발명에 따른 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자의 제4 실시예를 도시한 도로써, 상단은 셀 모듈부의 확대도, 좌하단의 도는 측단면도, 우하단의 도는 위에서 바라본 투영단면도이다. 도 10은 본 발명에 따른 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자 제조방법의 제1 실시예를 도시한 공정도, 도 11은 본 발명에 따른 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자 제조방법의 제2 실시예를 도시한 공정도, 도 12a 및 도 12b는 본 발명에 따른 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자 제조방법의 제3 실시예를 도시한 공정도, 도 13a 및 도 13b는 본 발명에 따른 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자 제조방법의 제4 실시예를 도시한 공정도, 도 14는 KOH 용액으로 에칭하여 홈이 형성된 웨이퍼 기판을 제조하는 방법을 도시한 공정도, 도 15는 도 14의 웨이퍼 기판 제조 방법으로 제조된 웨이퍼 기판의 일 예를 도시한 도, 도 16은 본 발명에 따른 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자의 응용예를 도시한 도, 도 17은 본 발명에 따른 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자의 또 다른 응용예를 도시한 도이다.6 is a view showing a first embodiment of the MEMS-based electromagnetic induction power plant according to the present invention, Figure 7a is a plan view showing a second embodiment of the MEMS-based electromagnetic induction power plant according to the present invention, Figure 7b Figure 9 is a side view showing a second embodiment of the MEMS-based electromagnetic induction generator according to the present invention, Figure 8 is a plan view showing a third embodiment of the MEMS-based electromagnetic induction generator according to the present invention, Figure 9 4 is a diagram illustrating a fourth embodiment of an MEMS-based electromagnetic induction generator according to the present invention, the upper end of which is an enlarged view of a cell module unit, a lower left end view or a side cross section view, and a lower right end view view of a projected cross section. 10 is a process diagram showing a first embodiment of a MEMS-based electromagnetic induction method generator manufacturing method according to the present invention, Figure 11 is a second embodiment of a MEMS-based electromagnetic induction method generator manufacturing method according to the present invention 12A and 12B are process diagrams illustrating a third embodiment of a MEMS-based electromagnetic induction type generator manufacturing method according to the present invention, and FIGS. 13A and 13B are MEMS-based processes according to the present invention. FIG. 14 is a process diagram showing a fourth embodiment of the electromagnetic induction type generator manufacturing method, FIG. 14 is a process diagram showing a method of manufacturing a grooved wafer substrate by etching with a KOH solution, and FIG. 15 is a wafer substrate manufacturing method of FIG. Figure 16 shows an example of a wafer substrate manufactured by the method, Figure 16 shows an application example of the MEMS-based electromagnetic induction generator according to the present invention, Figure 17 is a MEMS-based electromagnetic induction power plant according to the present invention In a block diagram of another application example shown.
도 6은 본 발명에 따른 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자의 제1 실시예를 도시한 도로써, 본 발명의 발전소자의 가장 기본적인 형태를 개념적으로 도시한 것이다.6 is a view showing a first embodiment of a MEMS-based electromagnetic induction type power generator according to the present invention, conceptually showing the most basic form of the power generator of the present invention.
도 6을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자는, 제1 자성체(10)와, 상기 제1 자성체의 외부를 둘러싸며 1회 이상 감긴 미세선폭을 갖는 코일부(20)와, 상기 제1 자성체와 상기 코일부 사이의 절연을 위해 그 사이에 마련되는 절연부(미도시)와 상기 코일부의 외부에 마련되어 상기 제1 자성체의 극성 변화를 유도하는 제2 자성체(30)를 포함한다.Referring to FIG. 6, the MEMS-based electromagnetic induction power generator according to the first embodiment of the present invention includes a nose having a first
상기 제1 자성체(10)는 상기 제2 자성체(30)의 운동에 의해 유도되는 자속의 통로 역할을 수행하며, 이에 따라 코일 내부의 자속은 변화하게 되어 유도 전류 및 유도 기전력이 발생하게 되므로, 에너지를 발생시키는 발전소자로 이용될 수 있다. 이 때, 상기 제1 및 제2 자성체는 코발트, 철, 니켈 등 모든 자성을 띤 금속 자성 재료나 산화물 자성 재료로 이루어질 수 있다.The first
상기 코일부(20)의 일측에 상기 제2 자성체(30)가 이동 가능하도록 형성된 튜브를 더 포함하는 것이 바람직하며, 자속의 강도를 최대화하기 위해 상기 튜브(40)는 상기 제1 자성체(10)의 길이방향과 수직으로 형성되는 것이 바람직하다. 본 발명의 발전소자는 웨이퍼 기판, 글래스, 글래스 웨이퍼, 또는 절연 필름 위에 형성되는 것이 바람직하다.Preferably, the
도 7a는 본 발명에 따른 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자의 제2 실시 예를 도시한 평면도이고, 도 7b는 그 측면도이다.Figure 7a is a plan view showing a second embodiment of a MEMS-based electromagnetic induction power plant according to the present invention, Figure 7b is a side view thereof.
도 7a를 참조하면, 상기 제1 자성체(10)를 그 내부에 포함하는 다수개의 상기 코일부(20)가 마련되고, 나란히 병렬로 배치되며, 어느 하나의 코일부의 끝단이 인접하는 코일부의 끝단과 직렬로 연결된다. 그리고, 상기 튜브(40)는 상기 병렬로 배치된 코일부(20)의 일측에 마련되고, 상기 제2 자성체(30)는 상기 튜브 안에서 왕복운동하도록 형성된다.Referring to FIG. 7A, a plurality of the
본 발명의 제2 실시예에 따른 발전소자는 직렬로 연결된 코일부의 수가 증가함에 따라 그 크기가 커지는 단점은 있으나, 자속 변화량이 증가하고, 코일에 흐르는 유도 전류 및 이에 의해 발생되는 유도 기전력이 증가하게 되어 더 큰 에너지를 발생시킬 수 있다는 장점이 있다. 따라서, 상기 제2 실시예의 발전소자는 작은 크기를 필요로 하지 않으며, 상대적으로 많은 양의 발전을 필요로 하는 만보기, 휴대폰, 엠피쓰리, 헬스 케어 시스템, 노트북 등의 휴대용 전자 장비에 응용될 수 있다.The generator according to the second embodiment of the present invention has a disadvantage in that its size increases as the number of coil units connected in series increases, but the amount of flux change increases, so that the induced current flowing through the coil and the induced electromotive force generated thereby increase. There is an advantage that can generate more energy. Therefore, the power generator of the second embodiment can be applied to portable electronic equipment such as pedometers, mobile phones, MP3, health care systems, notebooks, etc., which do not require a small size and require a relatively large amount of power generation.
도 8은 본 발명에 따른 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자의 제3 실시예를 도시한 평면도이다.8 is a plan view showing a third embodiment of a MEMS-based electromagnetic induction power generator according to the present invention.
도 8을 참조하면, 상기 제1 자성체(10)를 그 내부에 포함하는 다수개의 코일부(20)가 방사형으로 배치되고, 상기 방사형으로 배치된 코일부의 중앙에 형성되는 공간에 N극과 S극이 교대로 형성된 원형의 제2 자성체(31)가 회전 가능하도록 형성된다. 이때, 상기 제2 자성체(31)는 영구자석인 것이 바람직하다.Referring to FIG. 8, a plurality of
본 발명의 제3 실시예에 따른 발전소자는 코일부의 수가 많아서 크기가 커지는 단점과, 상기 원형의 제2 자성체(31)를 회전시키기 위한 별도의 동력원이 필요하다는 단점은 있으나, 자속 변화량이 증가하고, 코일에 흐르는 유도 전류 및 이에 의해 발생되는 유도 기전력이 증가하게 되어 더 큰 에너지를 발생시킬 수 있다는 장점이 있다. 또한, 상기 원형의 제2 자성체의 회전속도를 조절하면, 발생되는 에너지량을 조절할 수 있다는 장점이 있다.The power generator according to the third embodiment of the present invention has the disadvantages of increasing the number of coil parts and increasing the size, and the disadvantage of requiring a separate power source for rotating the circular second
도 9는 본 발명에 따른 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자의 제4 실시예를 도시한 도로써, 상단은 셀 모듈부의 확대도, 좌하단의 도는 측단면도, 우하단의 도는 위에서 바라본 투영단면도이다.9 is a view showing a fourth embodiment of a MEMS-based electromagnetic induction power generator according to the present invention, the upper end is an enlarged view of the cell module unit, the lower left side is a side cross-sectional view, the lower right is a projection cross-sectional view seen from above.
도 9를 참조하면, 본 발명의 제4 실시예에 따른 발전소자는, 크게 하우징과, 셀 모듈부, 그리고 자속유도 모듈부로 구성된다.Referring to FIG. 9, the power generator according to the fourth embodiment of the present invention includes a housing, a cell module unit, and a magnetic flux induction module unit.
상기 셀 모듈부는 자속의 통로가 되는 다수개의 제1 자성체(10)와, 상기 다수개의 제1 자성체(10) 각각의 외부를 둘러싸며 1회 이상 감긴 미세선폭을 갖는 다수개의 코일부(20)가 상기 하우징(50) 내에 다각기둥 형태로 배열되어 구성되며,The cell module unit includes a plurality of first
상기 자속유도 모듈부는 상기 하우징(50)의 저면에 고정되는 탄성체(60)와, 상기 탄성체 위에 마련되는 제2 자성체(32)와, 상기 제2 자성체의 상부에 마련되어 상기 하우징의 외부로 돌출 형성되는 가압부(70)를 포함하여 구성된다. 이 때, 상기 자속유도 모듈부는 상기 셀 모듈부에 의해 형성된 공간 안에 배치되어 수직운동에 의해 상기 다수개의 제1 자성체의 극성 변화를 유도한다.The magnetic flux induction module unit is provided on the
상기 하우징 내에 다각기둥 형태로 배열되는 다수개의 코일부(20)는 제1 자성체(10)를 그 내부에 포함하고, 나란히 병렬로 배치되며, 어느 하나의 코일부의 끝단이 인접하는 코일부의 끝단과 직렬로 연결된 원형에 가까운 다각기둥 형태이다.The plurality of
상기 하우징(50)의 외부로 돌출되어 형성되는 가압부(70)를 통해 사람 또는 자동차 등에 의해 발생된 운동에너지가 상기 제2 자성체(32)에 전달되고, 상기 제2 자성체 아래에 마련된 용수철 또는 고무와 같은 탄성체(60)에 의해 제2 자성체가 상하로 움직이는 수직 운동을 하게 되므로써, 상기 제1 자성체(10)의 극성 변화를 유도하게 된다.The kinetic energy generated by a person or a vehicle is transmitted to the second
따라서, 본 발명의 제4 실시예에 따른 발전소자는 사람 혹은 자동차 등의 운동에너지를 이용할 수 있는 지하철 환승역이나, 공원, 지하주차장이나 아파트 단지 내외에 설치될 수 있는 요철과 자동차 회전축 등에 응용될 수 있으며, 특히 컴퓨터 자판 혹은 전화기 버튼 등 눌림에 의한 운동에너지가 발생할 수 있는 모든 장치에 적용될 수 있다. 이와 같은 응용예가 도 16 및 도 17에 도시되어 있다. 물론, 이러한 응용예는 전술한 부분에 한정되지 않으며, 수직운동이 발생할 수 있는 모든 영역에 적용될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술 분야의 숙련된 자라면 자명하게 알 수 있다.Accordingly, the power generator according to the fourth embodiment of the present invention may be applied to subway transit stations that can use kinetic energy such as people or cars, and unevenness and car rotary shafts that can be installed in or outside parks, underground parking lots, or apartment complexes. In particular, it can be applied to any device that can generate kinetic energy by pressing such as computer keyboard or telephone button. Such an application is illustrated in FIGS. 16 and 17. Of course, this application is not limited to the above-described portion, it can be obvious to those skilled in the art that the present invention can be applied to all areas where the vertical motion can occur.
다음으로, 본 발명에 따른 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자의 제조방법을 설명한다.Next, a method of manufacturing a MEMS-based electromagnetic induction generator according to the present invention will be described.
도 10은 본 발명에 따른 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자 제조방법의 제1 실시예를 도시한 공정도이다.10 is a process diagram showing a first embodiment of a MEMS-based electromagnetic induction generator manufacturing method according to the present invention.
먼저, 도 10의 (a)에 도시된 바와 같이, 웨이퍼 기판(100) 위에 패턴이 형성된 제1 도선(200)을 형성한다. 상기 웨이퍼 기판은 쿼츠(quartz)나 글래스(glass), 필름(film) 또는 기타 절연체가 피막된 웨이퍼인 것이 바람직하다. 상기 제1 도선은 후술하는 자성체층의 하부에 놓이는 코일에 해당하는 것이며, 금, 은, 구리, 알루미늄 등 전도성이 있는 모든 금속이 사용될 수 있다. 상기 패턴은 이 후에 형성되는 자성체층의 길이방향과 공간상으로 직교하는 다수개의 평행한 직선인 것이 바람직하다. 또한, 이때 코일에 도선이 감은 수를 증가시키기 위해 상기 제1 도선의 층수를 1회 이상 할 수도 있다.First, as shown in FIG. 10A, a first
그 다음, 도 10의 (b)에 도시된 바와 같이, 상기 제1 도선(200) 위에 제1 절연막(300)을 형성한다. 상기 제1 절연막은 상기 제1 도선(200)과 자성체층 사이의 전기적 절연을 위한 것으로, 예를 들면, Si2Ni4 또는 SiO2 등과 같은 물질이 사용될 수 있다. 이때, 상기 제1 도선의 층수를 1회 이상하는 경우, 상기 제1 절연막의 수도 그에 상응하도록 형성한다.Next, as shown in FIG. 10B, a first insulating
그 다음, 도 10의 (c)에 도시된 바와 같이, 상기 제1 절연막의 일부(①로 표시되어 있음)를 에칭하여 제1 절연막 패턴(310)을 형성한다. 이 때, 에칭으로 제거되는 부분은 이후의 공정에서 비아홀이 형성될 부분이다.Next, as shown in FIG. 10C, a portion of the first insulating film (indicated by?) Is etched to form the first insulating
그 다음, 상기 제1 절연막 패턴(310) 위에 자성체층을 형성한다. 이 때, 상기 자성체층은, 도 10의 (d) 및 (e)에 도시된 바와 같이, 상기 제1 절연막 패턴(310) 위에 씨드 메탈(320)을 증착시킨 후, 상기 씨드 메탈 위에 니켈과 같은 자성체 물질을 전해도금하여 자성체층(400)을 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 전해도금의 두께는 약 300 ~ 400 ㎛ 이상으로 하는 것이 바람직하다.Next, a magnetic layer is formed on the first insulating
그 다음, 도 10의 (f)에 도시된 바와 같이, 상기 자성체층(400) 위에 제2 절연막 패턴(330)을 형성한다. 상기 제2 절연막 패턴은 이후에 형성되는 제2 도선과 자성체층(400) 사이의 전기적 절연을 위한 것으로, 예를 들면, Si2Ni4 또는 SiO2 등과 같은 물질이 사용될 수 있다.Next, as shown in FIG. 10F, a second insulating
그 다음, 도 10의 (g)에 도시된 바와 같이, 상기 제2 절연막 패턴이 형성된 웨이퍼 상에 제1 포토레지스트(500)를 도포한다. 이때 상기 제1 포토레지스트는 비아홀을 형성하기 위한 것으로 점도가 높은 감광제인 것이 바람직하다.Next, as shown in FIG. 10G, the
그 다음, 도 10의 (h)에 도시된 바와 같이, 상기 제1 포토레지스트(500)를 에칭하여 비아홀(600)을 형성한다. 이 때, 상기 비아홀(600)은 상기 제1 도선(200)이 노출되도록 형성한다.Next, as shown in FIG. 10H, the
그 다음, 도 10의 (i)에 도시된 바와 같이, 상기 비아홀 내부를 전해도금을 이용하여 채워서 비아를 형성시킨다. 상기 비아는 상기 자성체층의 위아래에 형성되는 제1 도선 및 제2 도선과 연결하는 측면 도선(610)이 된다.Next, as shown in FIG. 10 (i), the via hole is filled with electroplating to form a via. The via may be a
그 다음, 도 10의 (j) (k) (l)에 도시된 바와 같이, 상기 측면 도선(610)이 형성된 웨이퍼 위에 제2 포토레지스트(510)를 도포한 후(j), 선택적으로 제2 포토레지스트를 제거하고, 스퍼터(sputter) 장비를 이용하여 도선을 증착시켜서 제2 도선(210)을 형성(k)한 다음, 최종적으로 상기 제2 포토레지스트를 제거한다.Next, as shown in (j) (k) and (l) of FIG. 10, after the
그리고, 상기 제1 도선(200)과 제2 도선(210)은 1 내지 10㎛의 크기로 형성하는 것이 바람직하다.In addition, the first
상기와 같은, 공정 단계를 거침으로써, 자성체의 외부를 둘러싸며 1회 이상 감긴 미세선폭을 갖는 코일부를 제조할 수 있게 되며, 상기 코일부의 외부에 상기 자성체의 극성 변화를 유도하는 또 다른 자성체를 배치함으로써, 본 발명에 따른 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자를 제조할 수 있게 된다.By going through the process steps as described above, it is possible to manufacture a coil portion having a fine line width wound at least once surrounding the outside of the magnetic body, another magnetic body inducing a polarity change of the magnetic body on the outside of the coil portion By arranging, the MEMS-based electromagnetic induction generator according to the present invention can be manufactured.
도 11은 본 발명에 따른 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자 제조방법의 제2 실시예를 도시한 공정도이다.11 is a process diagram showing a second embodiment of a MEMS-based electromagnetic induction generator manufacturing method according to the present invention.
제조방법의 제2 실시예는 상기 제조방법의 제1 실시예와 유사하나, 제1 실시예에서의 제1 전극(200), 제2 전극(210), 그리고 측면 전극(610)이 각각 2겹의 제1 전극들(201, 202), 제2 전극들(211, 212), 측면 전극들(611, 612)로 형성되어 자성체층(400)을 2중으로 감으며, 또한, 코일부가 2개의 층으로 형성된 것을 도시하고 있다.The second embodiment of the manufacturing method is similar to the first embodiment of the manufacturing method, but the
즉, 상기 제조방법의 제1 실시예에서 상기 제2 도선(211)을 증착한 후 상기 제2 도선 위에 제3 절연막(303)을 형성하는 단계를 더 포함하며, 상기 제3 절연막 위에 상기 제1 도선(201)을 형성하는 단계부터 상기 제2 도선(211)을 형성하는 단 계를 반복하여 2층 이상으로 발전소자를 적층하여 제조함으로써, 제2 실시예에 의한 제조방법을 수행할 수 있다. 그리하여, 더 큰 전력을 만들고 공간상의 이점을 활용할 수 있는 발전소자를 제조할 수 있게 된다.That is, the method may further include forming a third
도 12a 및 도 12b는 본 발명에 따른 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자 제조방법의 제3 실시예를 도시한 공정도이다.12A and 12B are process diagrams illustrating a third embodiment of a method of manufacturing a MEMS-based electromagnetic induction generator according to the present invention.
제조방법의 제3 실시예는, 상기 제조방법의 제1 실시예에서 비아홀 내부에 전해도금을 이용하여 측면 도선을 형성하는 단계까지는 동일하다. 그러나, 측면 도선 형성 후에 제2 도선을 형성하는 제1 실시예와는 달리, 상기 측면 도선이 형성된 2장의 웨이퍼(101)를 웨이퍼 본딩하여 각각의 웨이퍼(101) 위에 형성된 측면 도선(611, 612)을 연결하는 단계를 포함하여 이루어진다(도 12a 참조). 보다 구체적으로는 상기 웨이퍼는 300 ㎛ 이하 두께의 2장의 웨이퍼를 사용하는 것이 바람직하다. 도 12b에 제3 실시예에 의해 제조된 발전소자가 도시되어 있다. 제3 실시예에 의해 제조된 발전소자는 자성체의 크기가 커진 장점이 있다.The third embodiment of the manufacturing method is the same as in the first embodiment of the manufacturing method until the step of forming side conducting lines using electroplating in the via holes. However, unlike the first embodiment in which the second lead is formed after the side lead is formed, the side leads 611 and 612 formed on the
이 때, 상기 웨이퍼의 뒷면은 KOH 용액으로 에칭하여 웨이퍼 본딩시에 형성될 수 없는 전극을 뒷면으로 빼줄 수 있도록 전극(700)을 형성시킨다. 웨이퍼 뒷면에 전극을 형성시킬 수 있는 홈을 제조하는 방법은 아래에서 설명한다.At this time, the back side of the wafer is etched with a KOH solution to form an
도 14는 KOH 용액으로 에칭하여 홈이 형성된 웨이퍼 기판을 제조하는 방법을 도시한 공정도이다.14 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a grooved wafer substrate by etching with a KOH solution.
도 14의 a)에 도시된 바와 같이, 결정(1,0,0)인 P타입 실리콘 웨이퍼를 CVD(Chemical Vapor Deposition)장비를 이용하여 두께 5000 Å 저압(low-stress) Si2Ni4을 증착한다.As shown in a) of FIG. 14, a P-type silicon wafer of crystal (1,0,0) was deposited using a CVD (Chemical Vapor Deposition) equipment to deposit 5000 low-stress Si 2 Ni 4 in thickness. do.
그 다음, 도 14의 b) 및 c)에 도시된 바와 같이, 상기 증착된 Si2Ni4 위에 포토레지스트를 도포하고 노광 현상을 통해 식각 마스크(KOH window)를 형성하고, Si2Ni4를 건식식각시켜 부분적으로 제거한다.Then, as shown in b) and c) of Figure 14, the deposited Si 2 Ni 4 A photoresist is applied thereon to form an etch mask (KOH window) through exposure development, and partly removed by dry etching Si 2 Ni 4 .
그 다음, 도 14의 d)에 도시된 바와 같이, 상기 포토레지스트을 제거하고 KOH 용액에 상기 웨이퍼 기판을 습식식각하면 Si2Ni4가 제거된 부분으로 실리콘 웨이퍼가 습식식각이 되며 54.74˚의 경사면을 갖는 창이 형성된다.Next, as shown in d) of FIG. 14, when the photoresist is removed and the wafer substrate is wet etched in a KOH solution, the silicon wafer is wet etched with a portion where Si 2 Ni 4 is removed and a slope of 54.74 ° is formed. Window is formed.
그 다음, 도 14의 e) ~ h)에 도시된 바와 같이, 패턴 형성을 위해 KOH 습식 식각된 웨이퍼 기판에 포토레지스트를 도포한 후, 스퍼터(sputter)장비를 이용하여 Au 패턴을 증착한 다음, 잔류하는 포토레지스트를 제거하면 홈이 형성된 웨이퍼 기판이 제조된다. 도 15는 상기의 과정을 통해 제조된 완성된 웨이퍼 기판의 일예를 도시한 도면이다.Then, as shown in Figures e) ~ h), after the photoresist is applied to the KOH wet etched wafer substrate for pattern formation, by depositing an Au pattern using a sputter (sputter) equipment, Removing the remaining photoresist produces a grooved wafer substrate. 15 illustrates an example of a completed wafer substrate manufactured through the above process.
도 13a 및 도 13b는 본 발명에 따른 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자 제조방법의 제4 실시예를 도시한 공정도이다.13A and 13B are process diagrams illustrating a fourth embodiment of a method of manufacturing a MEMS-based electromagnetic induction generator according to the present invention.
도 13a 및 도 13b에 도시된 바와 같이, 제4 실시예에 따른 제조방법은 상기 제1 실시예 또는 상기 제3 실시예와는 달리, 웨이퍼 기판 위에 제1 도선을 형성하기 전에, 2장의 웨이퍼 기판을 에칭하여 상기 웨이퍼 기판에 제1 도선, 절연막, 그리고 자성체층이 매립될 수 있는 경사면을 갖는 홈을 형성한다.As shown in FIGS. 13A and 13B, the manufacturing method according to the fourth embodiment is different from the first embodiment or the third embodiment, before forming the first conductive line on the wafer substrate. Is etched to form a groove having an inclined surface on which the first conductive wire, the insulating film, and the magnetic layer can be embedded.
그 다음, 상기 각각의 웨이퍼 기판 전면에 전도성 물질을 증착하여 상기 경사면을 갖는 홈과 기판 위에 제1 도선을 형성한 후, 상기 제1 도선 위에 제1 절연막을 형성하고, 상기 제1 절연막 위에 씨드 메탈을 증착시킨다.Next, a conductive material is deposited on the entire surface of each wafer substrate to form a first conductive wire on the groove and the substrate having the inclined surface, and then a first insulating film is formed on the first conductive wire, and a seed metal is formed on the first insulating film. Is deposited.
그 다음, 상기 씨드 메탈 위에 자성체 물질을 전해도금하여 자성체층을 형성한 후, 상기 자성체층이 형성된 2장의 웨이퍼를 웨이퍼 본딩하여 연결하는 단계를 포함하여 이루어진다.Next, after forming a magnetic layer by electroplating a magnetic material on the seed metal, and bonding the two wafers on which the magnetic layer is formed by wafer bonding.
여기서, 상기 제1 도선 위에 제1 절연막을 형성한 후에, 상기 제1 절연막 위에 도선 및 절연막을 형성하는 단계를 반복하여 다층의 도선과 절연막을 교대로 형성하는 단계를 더 포함할 수도 있다. 도 13a는 도선(201, 202, 203)과 절연막(301, 302, 303)이 각각 3개층으로 형성된 것이다.Here, after the first insulating film is formed on the first conductive wire, the step of forming the conductive wire and the insulating film on the first insulating film may be further repeated to alternately form the multilayer conductive wire and the insulating film. In FIG. 13A, the
또한, 여기서 상기 웨이퍼(102)는 300 ㎛ 이상 두께의 2장의 웨이퍼를 사용하는 것이 바람직하다. 도 13b에 제4 실시예에 의해 제조된 발전소자가 도시되어 있다. 제4 실시예에 의해 제조된 발전소자는 자성체의 크기가 커진 장점이 있다.In addition, it is preferable that the said
이 때, 상기 웨이퍼의 뒷면은 상기 제3 실시예와 마찬가지로 KOH 용액으로 에칭하여 웨이퍼 본딩시에 형성될 수 없는 전극을 뒷면으로 빼줄 수 있도록 전극(700)을 형성시킨다.At this time, the back surface of the wafer is etched with a KOH solution as in the third embodiment to form an
이상과 같이 본 발명에 따른 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자 및 그 제조방법을 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상 범위내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.As described above with reference to the drawings illustrating a MEMS-based electromagnetic induction generator and its manufacturing method according to the present invention, the present invention is not limited by the embodiments and drawings disclosed herein, the present invention Of course, various modifications can be made by those skilled in the art within the scope of the technical idea.
도 1은 에너지원에 따른 에너지 하베스터의 예를 도시한 도,1 shows an example of an energy harvester according to an energy source;
도 2는 종래 기술에 따른 2개층의 압전체를 갖는 바이몰프 압전 발전기를 도시한 도,2 shows a bimorph piezoelectric generator having two layers of piezoelectric bodies according to the prior art;
도 3은 종래 기술에 따른 전자기 방식의 발전기를 도시한 도,3 shows an electromagnetic generator according to the prior art,
도 4는 종래 기술에 따른 회전자 발전기의 원리를 도시한 도,4 shows the principle of a rotor generator according to the prior art,
도 5는 종래 기술에 따른 발전기를 도시한 도, 5 shows a generator according to the prior art,
도 6은 본 발명에 따른 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자의 제1 실시예를 도시한 도,6 is a view showing a first embodiment of a MEMS-based electromagnetic induction power generator according to the present invention;
도 7a는 본 발명에 따른 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자의 제2 실시예를 도시한 평면도,7A is a plan view illustrating a second embodiment of an MEMS-based electromagnetic induction power generator according to the present invention;
도 7b는 본 발명에 따른 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자의 제2 실시예를 도시한 측면도,Figure 7b is a side view showing a second embodiment of the MEMS-based electromagnetic induction power plant according to the present invention,
도 8은 본 발명에 따른 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자의 제3 실시예를 도시한 평면도,8 is a plan view showing a third embodiment of the MEMS-based electromagnetic induction power generator according to the present invention;
도 9는 본 발명에 따른 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자의 제4 실시예를 도시한 도로써, 상단은 셀 모듈부의 확대도, 좌하단의 도는 측단면도, 우하단의 도는 위에서 바라본 투영단면도이다.9 is a view showing a fourth embodiment of a MEMS-based electromagnetic induction power generator according to the present invention, the upper end is an enlarged view of the cell module unit, the lower left side is a side cross-sectional view, the lower right is a projection cross-sectional view seen from above.
도 10은 본 발명에 따른 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자 제조방법의 제1 실시예를 도시한 공정도,10 is a process diagram showing a first embodiment of a MEMS-based electromagnetic induction type generator manufacturing method according to the present invention,
도 11은 본 발명에 따른 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자 제조방법의 제2 실시예를 도시한 공정도,11 is a process chart showing a second embodiment of the MEMS-based electromagnetic induction generator manufacturing method according to the present invention,
도 12a 및 도 12b는 본 발명에 따른 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자 제조방법의 제3 실시예를 도시한 공정도,12a and 12b is a process diagram showing a third embodiment of the MEMS-based electromagnetic induction method generator manufacturing method according to the present invention,
도 13a 및 도 13b는 본 발명에 따른 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자 제조방법의 제4 실시예를 도시한 공정도,13A and 13B are process diagrams illustrating a fourth embodiment of a method of manufacturing a MEMS-based electromagnetic induction generator according to the present invention;
도 14는 KOH 용액으로 에칭하여 홈이 형성된 웨이퍼 기판을 제조하는 방법을 도시한 공정도,14 is a process chart showing a method of manufacturing a grooved wafer substrate by etching with a KOH solution;
도 15는 도 14의 웨이퍼 기판 제조 방법으로 제조된 웨이퍼 기판의 일 예를 도시한 도,FIG. 15 illustrates an example of a wafer substrate manufactured by the method of manufacturing the wafer substrate of FIG. 14;
도 16은 본 발명에 따른 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자의 응용예를 도시한 도,16 is a view showing an application example of the MEMS-based electromagnetic induction generator according to the present invention,
도 17은 본 발명에 따른 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자의 또 다른 응용예를 도시한 도이다.17 is a diagram showing another application example of the MEMS-based electromagnetic induction generator according to the present invention.
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|---|---|---|---|---|
| JP2007267590A (en) | 2006-03-28 | 2007-10-11 | Infineon Technologies Sensonor As | Electromagnetic micro generator |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| 논문1:마이크로전자 및 패키징학회지 |
| 논문2:전자공학회 |
| 논문3 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20090056457A (en) | 2009-06-03 |
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