MEMS/NEMS기술을 이용한 Energy harvesting

스마트폰을 이용하면서 배터리 때문에 마음껏 사용하지 못한 경험은 누구나 있을 것이다. 전자기기의 고성능화/고기능화에 대한 요구는 끊임없이 증가하고 이에 따른 전력소모 또한 지속적으로 증가하고 있어 미래사회에서는 휴대용 전원에 대한 연구가 필수적이다. 언제든 마음대로 전기를 생산해낼 수 있는 내 손안의 발전소가 있다면 얼마나 편리할까? 본 연구실에서는 수소 가스를 연료로 이용하여 전기를 생산해낼 수 있는 마이크로/나노 기술을 기반으로 하는 차세대형 초소형 발전기에 대한 연구를 진행하고 있다. 

Energy harvesting 기술은 빛에너지, 인간 신체 또는 연소형 엔진으로부터의 폐열에너지, 휴대용 기기 탑재/부착장치의 미세 진동에너지, 걷거나 뛰는 인간의 신체활동으로 인한 에너지 등을 흡수하여 전기에너지로 변환, 전자 기기의 전력으로 사용하는 환경에너지 재생형 에너지원이라 할 수 있다. 유비쿼터스의 정보화 시대에는 휴대형 정보기기 등이 필수적인 기기가 될 것인데 여기에 사용되는 전력 에너지원 또한 소형/집적화된 기술이 필수적이다. MEMS/NEMS 기술이 사용되는 대표적인 Energy harvesting 기술로는 마이크로 연료전지, 울트라 마이크로 가스터빈(UMGT) 엔진, Piezoelectric Micro Power Generator 기술 등이 있다.

 

Thermal-type infrared (IR) detectors & packaging

적외선 영상센서는 열 분포 특징을 검출 할 수 있기 때문에 가시광영상에 비교하면 간단한 시스템으로 인체, 열원, 야간영상 등의 정보를 정확하게 얻을 수 있는 특징이 있어, 그 응용분야가 가전, 방재, 안전, 자동차, 군사 등 넓은 분야에 걸쳐 다양하게 응용되고 있다.

적외선 센서는 양자형과 열형으로 대별된다. 양자형은 광전도나 광기전력 효과 등을 이용하는 것으로, 감도·응답성이 우수하고, 열 화상검출이 가능하지만, 소자부의 냉각이 필요하여 소형화가 어렵고 고가이다. 그에 반해 열형은 적외선을 열 에너지로 검출하는 것으로, 초전체, thermopile, bolometer 등이 보급되고 있다. 열형은 냉각이 필요없어 소형으로 구현이 가능하고 장파장대에도 감도가 있지만 감도, 응답성 등의 성능이 부족했다. 하지만 최근 관련 기술의 괄목할만한 성장으로 많은 응용분야에서 기대를 모으고 있다. 

 

Infrared (IR) micro-spectrometers & bio-applications

과일, 옷, 가스, 액체 등 수 많은 물질들은 적외선 대역에서 각각의 흡수스펙트럼을 가지고 있다. 이를 이용하여 미지의 물체의 구성요소를 알 수 있으며, 음식물의 당도 및 칼로리, 인체의 혈액검사 등 유용한 정보를 물체의 파괴나 손상 없이 쉽게 얻을 수 있다. 그러나 대부분의 적외선 흡수 스펙트럼 분석 장비(스펙트로미터)는 사이즈가 매우 크며, 고가의 장비가 대부분이어서 대규모 실험실, 연구소 및 대기업 등에서만 제한적으로 이용되고 있다.

만약, 휴대가 가능한 적외선 흡수 스펙트럼 분석장비의 개발이 이루어지면 개개인이 언제 어디서든 음식의 당도 및 칼로리를 손쉽게 측정할수 있을 뿐만아니라, 간단한 질병진단까지 가능하게 된다. 그러나 휴대가 가능한 마이크로 스펙트로미터를 제작하기 위해서는 반도체 공정과 같은 정밀 미세 가공 기술 및 광학 센서 기술이 필요하다.

 

Lab-on-a-chip (LOC)-based water quality monitoring sensor

Measurable parameters: total phosphorous, temperature, pH value, turbidity

 

MEMS-based adaptive micro-lens system

Electrowetting on dielectric (EWD)-based focal-length tunable liquid lens

Fluidic-pressure-based focal-length tunable liquid lens

Adaptive micro mirror lens

 

Tilt sensors

Electrolytic tilt sensor

Convective tilt sensor

 

Through Silicon Via (TSV)

CNT-based through Si via