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목차

초록 9

I. 서론 11

II. 에너지 하베스터의 종류 14

2.1. 에너지원에 따른 에너지 하베스팅 기술 14

2.1.1. 빛을 이용한 에너지 하베스팅 기술 14

2.1.2. 화학반응을 이용한 에너지 하베스팅 기술 15

2.1.3. 진동을 이용한 에너지 하베스팅 기술 15

2.1.4. 열을 이용한 에너지 하베스팅 기술 16

2.2. 진동을 이용한 에너지 하베스터의 선행연구 17

2.2.1. 압전 방식을 이용한 에너지 하베스터 17

2.2.2. 정전 방식을 이용한 에너지 하베스터 23

2.2.3. 전자기유도 방식을 이용한 에너지 하베스터 24

III. 기어형 에너지 하베스터 29

3.1. 서론 29

3.2. 에너지 하베스터의 설계 30

3.2.1. 발전기모듈 31

3.2.2. 기어모듈 31

3.3. 모형화 툴을 이용한 효율 분석 35

3.3.1. 효율분석을 위한 구조설계 및 환경설정 35

3.3.2. 효율분석 결과 37

3.4. 기어형 에너지 하베스터의 제작 38

3.4.1. 에너지 하베스터의 제작 38

3.4.2. 정류회로 39

3.5. 기어형 에너지 하베스터의 효율분석 40

3.6. 요약 44

IV. PCB를 이용한 에너지 하베스터 45

4.1. 서론 45

4.2. PCB 에너지 하베스터의 구조설계 및 검증 46

4.2.1. PCB 에너지 하베스터의 구조 및 원리 46

4.2.2. PCB 에너지 하베스터의 모형화 47

4.3. PCB 에너지 하베스터의 효율분석 50

4.4. 요약 54

V. MEMS 에너지 하베스터 56

5.1. 서론 56

5.2. MEMS 에너지 하베스터 구조 및 제작공정 57

5.2.1. MEMS 에너지 하베스터의 구조 및 원리 57

5.2.2. MEMS 에너지 하베스터의 제작공정 60

5.3. MEMS 에너지 하베스터의 구조 검증 62

5.3.1. Multiphysics를 이용한 효율 분석 62

5.3.2. 모형화를 위한 관계식 정의 65

5.4. 실리콘 KOH 식각 모형화 68

5.4.1. 하베스터 제작을 위한 KOH 식각 69

5.4.2. 이방성 식각 모형화 72

5.4.3. KOH 식각 모형화 결과 80

5.5. MEMS 에너지 하베스터의 제작 84

5.5.1. 포토마스크 제작 84

5.5.2. 클리닝(cleaning) 및 Low-stress silicon nitride 증착공정 85

5.5.3. KOH 습식 식각(wet etching)공정 85

5.5.4. Nitride 박막 제거공정 86

5.5.5. Spray PR 도포 및 미세패턴 형성공정 87

5.5.6. Metal pattern 형성공정 94

5.5.7. Passivation Oxide 증착 및 식각 96

5.5.8. Wafer 본딩을 위한 메탈 증착공정 96

5.5.9. 웨이퍼 본딩 공정 97

5.5.10. MEMS 에너지 하베스터의 공정조건 101

5.6. MEMS 에너지 하베스터의 효율분석 105

5.6.1. 효율분석을 위한 환경구성 105

5.6.2. 하베스터 소자의 효율분석 105

5.7. 요약 110

VI. 결론 112

VII. 참고문헌 114

ABSTRACT 122

참고_List of Publication 125

초록보기

 본 논문에서는 사용자의 움직임을 통하여 자연스럽게 발생되는 운동에너지를 전기에너지로 변환하여 다양한 분야에 활용 가능한 전자기 유도 방식의 에너지 하베스터를 제안한다. 제안한 에너지 하베스터는 구조와 크기에 따라 기어(gear) 형태의 에너지 하베스터와 PCB(Printed Circuit Board) 형태의 에너지 하베스터 그리고 MEMS(microelectromechanical systems) 공정을 이용한 에너지 하베스터로 구분하였다.

기어형 에너지 하베스터는 외부 하중에 의해 발판이 눌리면 이때 발생되는 수직운동을 기어를 이용하여 회전운동으로 변경하고, 변경된 회전운동은 증속기어모듈을 통하여 더 높은 회전수로 발전기에 동력을 전달하는 원리로 제작되었으며, 주파수 2 Hz에서 최대 25.36 W의 전력이 발생되었다. PCB 에너지 하베스터는 전자기기의 회로기판에 직접 실장되는 것을 목표로 제작되었다. 제안된 PCB 형태의 에너지 하베스터는 두 장의 PCB에 패턴을 서로 엇갈리게 설계한 후 두 장의 PCB를 솔더본딩(solder bonding)하는 방식으로 삼차원 형태의 코일이 감긴 구조로 제작되었으며, PCB 패턴 450 ㎛, 감은수 110 회, 주파수 5.2 Hz에서 29.89 ㎼의 전력을 발생시켰다. MEMS 에너지 하베스터는 반도체 공정을 이용하여 자성체 주위로 미세 패턴의 마이크로 코일을 감고 외부 자석을 이용하여 하베스팅 소자 내부의 자성체 극성을 바꿔주어 미세 패턴들로부터 유도기전력이 발생되는 원리를 이용하였다. MEMS 형태의 에너지 하베스터는 실리콘 웨이퍼를 식각하여 경사면에 패턴을 형성시키고, 두 장의 웨이퍼를 본딩하는 형태로 제작하였다. 제작된 MEMS 형태의 에너지 하베스터는 패턴의 너비 55 ㎛, 감은수 253회, 주파수 20 Hz에서 최대 78 ㎼의 전력이 발생되었다.

본 논문에서 제안한 하베스터들은 전자기유도라는 동일한 원리를 이용하였지만, 그 크기와 구조에 따라 다양한 응용분야를 가진다. 특히 기어형태의 에너지 하베스터는 유동인구가 많은 건물이나 지하철 바닥에 설치가 가능하며, PCB 형태의 에너지 하베스터와 MEMS 형태의 에너지 하베스터는 휴대용 전자기기의 보조전원장치로 응용이 가능하다. 추후 더 효율적인 하베스터 재료와 구조가 연구된다면 다양한 전자기기들의 전원을 인체의 활동으로부터 직접 공급받을 수 있을 것으로 기대한다.

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