[논문]압전 에너지 하베스트를 위한 마이크로 필라 공정 연구

윤석우; 이규탁; 이경수; 정순종; 김민수; 조경호; 고중혁

doi:10.4313/jkem.2010.23.8.601

압전 에너지 하베스트를 위한 마이크로 필라 공정 연구
Processing Study for the Micro Pillar for Piezoelectric Energy Harvest 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.23 no.8, 2010년, pp.601 - 604

윤석우 (광운대학교 전자재료공학과) , 이규탁 (광운대학교 전자재료공학과) , 이경수 (광운대학교 전자재료공학과) , 정순종 (한국전기연구원 에너지반도체센터) , 김민수 (한국전기연구원 에너지반도체센터) , 조경호 (국방과학연구소 제4기술연구본부) , 고중혁 (광운대학교 전자재료공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the piezoelectric energy harvester was investigated employing the pillar structure with the diameter size of 50~500 um. Usually, the aspect ratio between the height and diameter was related with the piezoelectric performance. High aspect ratio was showed the low electric noise and high piezoelectric properties than low aspect ratio. Therefore, we have selected the Su-8 photo-resist and modified lithography process to manufacture the pillar structure with height above the 250 ${\mu}m$. In this presentation, we will report the process and properties of micro pillar structure based on the PMN-PZT (Pb$(Mg_{1/3}Nb_{2/3})O_3$-PbZrTiO$_3$) materials.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이 논문에서는 피에조 하비스팅 기술의 적용을 위하여 높은 압전 특성을 나타 낼수 있는 micro pillar 형태의 구조의 공정 설계 기술을 연구 하였다. 그리고 composite의 탄성체로 채워서 구조물을 외부의 충격으로부터 견딜 수 있는 구조로 제작하여 이를 이용 하여 자가 발전에 의한 에너지의 발전 시스템의 개발을 목표로 하고 있다.
본 연구에서 피에조 하비스팅 기술의 적용을 위하여 높은 압전 특성을 나타 낼 수 있는 micro pillar 형태의 구조의 공정 설계 기술을 연구 하였다. 스핀코터를 사용하여 Su-8 PR을 500 rpm으로 10초, 1,500 rpm으로 30초의 조건으로 250 μm 이상의 두께의 PR 을 올릴 수가 있었다.
이 논문에서는 피에조 하비스팅 기술의 적용을 위하여 높은 압전 특성을 나타 낼수 있는 micro pillar 형태의 구조의 공정 설계 기술을 연구 하였다. 그리고 composite의 탄성체로 채워서 구조물을 외부의 충격으로부터 견딜 수 있는 구조로 제작하여 이를 이용 하여 자가 발전에 의한 에너지의 발전 시스템의 개발을 목표로 하고 있다.
이 연구의 목표인 압전 에너지 하비스팅을 위하여 ceramic pillar를 만들었을 때 aspect ratio가 높게 나오게 하기 위해서 초반 pattern을 제작할 때 photoresist의 두께를 250 μm이상으로 제작을 하였다.

제안 방법

그 후 65℃ 오븐내에서 40분간 pre-baking을 한 후 95℃에서 120분간 softbaking 하였다. 그 후 60초간 UV (ultraviolet)를 expose하였다. UV를 expose한 후에 95℃에서 40분간 baking 한 후 20분간 develop를 하였다.
또한 PMN-PZT를 스크린 프린팅 방법으로 충진하였고 PR을 제거한 후 PDMS를 충전 하였다. 그 후 기판을 제거 하고 전극을 코팅하여 마이크로 필라를 제작 하였다. 제작한 PMN-PZT 마이크로 필라의 유전율은 벌크 세라믹에 비하여 약 1/10 정도의 유전율을 보였다.
그 후 120℃ 온도에서 건조를 시킨 후 PR을 전기로를 이용하여 제거를 하였다. 그 후 홀 패턴화된 PMN-PZT를 1,200℃에서 소결 시킨 후 폴리머 물질로는 PDMS를 선택 하여 충진시킨 후 기판을 제거 하고 실버 페이스트를 이용하여 상, 하부전극을 코팅 하였다. 유전율은 4284 LCR 미터를 사용하여 측정 하였다.
완성된 샘플은 50 μm～500 μm 의 diameter hole 패턴을가졌다. 또한 PMN-PZT를 스크린 프린팅 방법으로 충진하였고 PR을 제거한 후 PDMS를 충전 하였다. 그 후 기판을 제거 하고 전극을 코팅하여 마이크로 필라를 제작 하였다.
스핀코터를 사용하여 Su-8 PR을 500 rpm으로 10초, 1,500 rpm으로 30초의 조건으로 250 μm 이상의 두께의 PR 을 올릴 수가 있었다. 또한 후공정인 압전 물질을 스크린 프린팅 기술을 사용하기 위하여 PR 패턴의 구조 변화를 줄이기 위해 hard-baking을 하였다. 완성된 샘플은 50 μm～500 μm 의 diameter hole 패턴을가졌다.
또한높은 aspct ratio를 구현하기 위하여 패턴 마스크를통하여 50 μm에서 500 μm까지 다양한 지름의 pattern을 형성하였다.

후속연구

압전효과를 이용한 연구중 현재 가장 큰 에너지를 제공할 수 있는 부분은 보행 시 인간의 무게에 의한 충격에너지이며, 그 크기는 1～10 W에 달한다. 이를 이용한 자가 발전/충전 시스템을 개발하면 실생활 에서도 효과적인 전원으로 사용될 수 있을 것이다.
위 기술을 이용하면 높은 aspect ratio를 구현해 낼 수 있으며 이에 따라 압전 특성을 향상 시킬 수 있다. 차후 연구에서는 다양한 aspect ratio를 가지는 마이크로 필라 구조를 바탕으로 composite를 이용한 에너지 하비스팅 소자의 제작을통해 스스로 전력을 자가 생산 할 수 있는 발전시스템의 개발을 할 것이며 이 기술은 USN (ubiquitous sensor network)로 활용이 가능 하며 또한 무선 전자 기기, 센서, MEMS 등 다양한 분야에 응용 할 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	태양전지의 단점은?	이런 일련의 방법들은 각각 장, 단점을 가지고 있어 주어진 자연환경에 적합한 방법이 이용되고 있다. 예를 들면 태양열 발전을 이용한 태양전지 (solar cell)는 에너지 양은 크지만 흐린 날이나 실내에서는 사용 할 수 없는 단점이 있다. 수력 발전을 이용한 발전은 반영구적으로 에너지를 생산 할 수 있지만 수력 발전소를 설치하는 방법에는 많은 경제적 요건과 환경적 요건의 제약이 많다.
	압전을 이용한 기술은 어떠한 이점을 동시에 지니고 있는가?	또한 풍력에너지를 이용한 에너지 발전은 친환경적이고 경제성이 있지만 지리적 제약이 존재 하고 있다. 이러한 대체에너지 중에서 경제성과 환경 친화성 및 지리적 이점을 동시에 지니고 있는 것으로 평가 되고 있는 압전 (piezoelectric)을 이용 기술에 대한 중요성이 부각되고 있다. 이와 관련된 연구로써 현재 사람이 움직이는 동안 신발에 압전소 자를 삽입하여 전력을 얻을 수 있는 기술 [1], 무릎의 관절 사이에 압전 소자를 삽입하여 전력을 생산하여 사용할 수 있는 방법 [2], 또한 벤더형이 아닌 심벌즈 구조를 갖는 압전 엑추에이터를 이용하여 에너지를 수확하는 연구 [3] 등이 활발히 이루어지고 있다.
	세라믹 형태로 마이크로 단위의 두께로 소자를 제작하면 압전 특성으로 인한 변형 때문에 판 형태에서는 변형으로 인한 압전 물질 파괴 현상이 나타나는 이유는?	이것은 세라믹과 달리 제작 과정 중에 PR의 제거시에 영향을 받거나 세라믹의 일축 압축 성형과 달리 스크린 프린팅 기법의 차이로 판단된다. 일반적으로 에너지 하베스팅 소자로 쓰이는 압전 물질은 압전특성 때문에 변형이 일어나게 된다. 따라서 세라믹 형태로 마이크로 단위의 두께로 소자를 제작하면은 압전 특성으로 인한 변형 때문에 면적이 넓고 두께가 얇은 판 형태에서는 변형으로 인한 압전 물질이 파괴되는 현상을 보인다.

참고문헌 (5)

J. Kymissis, C. Kendall, J. Paradiso, and N. Gershenfeld,
S. R. Platt, S. Farritor, K. Garvin, and H. Haider,

상세보기
H. W. Kim, A. Batra, S. Priya, K. Uchino, D. Markley,

상세보기
Y. Hirata, H. Okuyama, and S. Ogino, J. Mater. Sci.

상세보기
Y. Hirata, H. Okuyama and S. Ogino, Proc. IEEE MEMS

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