Design and Fabrication of Flexible Thin Multilayered Planar Coil for Micro Electromagnetic Induction Energy Harvester

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한국정밀공학회지 제 33 권 제 7 호 pp. 601-606 J. Korean Soc. Precis. Eng., Vol. 33, No. 7, pp. 601-606 ISSN 1225-9071(Print), ISSN 2287-8769(Online)

July 2016 / 601 http://dx.doi.org/10.7736/KSPE.2016.33.7.601

초소형 전자기 유도방식 에너지 하베스터용 연성 박막 다적층 평판 코일 설계 및 제작

박현철^1,

Hyunchul Park^1,

1 STX엔진주식회사 엔진기술연구소 (R&D Institute, STX Engine Co., Ltd.)

Corresponding author: [email protected], Tel: +82-55-280-0892 Manuscript received: 2015.11.20. / Revised: 2016.4.18. / Accepted: 2016.4.29.

In this paper, an energy harvester is developed that has advantages regarding piezoelectric noise minimization, mass production, and an easily available environmental energy source, electromagnetic induction, as well as low-frequency bandwidth and high amplitude. A process for fabricating a three-dimensional multilayered planar coil using micro-electro-mechanical systems (MEMS) on a flexible printed circuit board FPCB is introduced. Optimal shape and size were calculated via internal resistance and inductance, and a prototype was fabricated through the MEMS procedure while considering the possibility of mass production. Although the internal resistance matched the designed value, the electromotive force generated did not reach the intended amount. The main reason for the decrease in efficiency was the low area of coil outskirt exposed to the magnetic field while there was relative motion between the magnet and the coil.

KEYWORDS: Energy harvester (에너지 하베스터), Flexible printed circuit board (연성인쇄회로기판), Planar coil (평판코일), Polyimid (폴리이미드), Inductance (인덕턴스)

기호설명 L = Induction

M = Mutual inductance Kc = Coupling factor ρ = Specific resistance R = Inner resistance 1. 서론

현재 시판되고 있는 TPMS (Tire Pressure Monitoring System)는 센서회로에 온칩 (On-Chip) 형태로 배터리가 탑재되어 있는 경우가 일반적이 다. 이러한 이유로, 배터리를 대체하는 에너지 하 베스터 (Energy Harvester) 역시 코인 배터리와 유사 한 체적으로 연구됨으로써 회로부의 불필요한 구 조 변경을 배제하고, 높은 내구성을 위해 단순한 형태를 추구하게 되었다. 압전 (Piezoelectric) 소자 를 이용한 에너지 하베스터의 경우, 박막화가 가 __________

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능하고 시스템 체적이 매우 작으며 구조가 간단하 여 MEMS (Micro Electro Mechanical System) 공정을 이용한 대량생산에 가장 적합한 형태로 주목받고 있다. 반면 전자기 유도 방식의 에너지 하베스터 는 충분한 자석의 병진운동이 보장되어야 하고, 독립된 코일과의 상호작용이 있어야 하기 때문에 기본적인 체적이 압전 방식에 비해 클 뿐만 아니 라 대량생산을 위한 공정 설계에도 다소 한계가 존재한다. 하지만 환경측정 결과에서 본 바와 같 이 저주파 대역에서 지배적인 에너지원이 존재하 기 때문에 이를 이용하기에 적합한 전자기 유도 방식을 사용하는 것이 바람직하다.^1,2

이러한 요구사항을 토대로 개발한 소자가 박막 형 평판코일 (Planar Coil)이다. 평판코일은 MEMS 공정을 도입하여 제작이 가능하나, 코일 권수에 따라 유도 기전력의 크기가 비례하므로 코일 권수 를 높이는 것이 기술의 핵심이라 할 수 있다. 그 렇지만 기존의 MEMS 공정으로는 다적층을 통한 코일 성능 향상을 기대하기가 어렵다. 2층 이상의 다적층이 될 경우, 코일 형상을 유지하기가 어려 울 뿐만 아니라 제작 단가도 기하급수적으로 상승 하게 된다. 이러한 문제를 극복하기 위해 도입한 방법이 FPCB (Flexible Printed Circuit Board) Process, 즉 연성인쇄회로기판 공정이다. 따라서 본 논문에 서는 FPCB 공정을 응용하여 전자기 유도방식 에 너지 하베스터용 초소형 고집적 코일을 만들기 위 한 설계, 공정 개발, 시제품 시험결과를 소개하고 자 한다. Fig. 1은 FPCB 공정을 이용하여 완성된 다적층 평판코일의 개략도이다.

Fig. 2 Fabrication procedure of thin planar coil

2. 설계 2.1 공정설계

FPCB 공정을 통해 제작하는 평판코일은 폴리 이미드 (Polyimide) 필름을 기판으로 하는 구리도 금층에 Lithography등의 일부 MEMS 공정을 응용 하여 형성이 가능하며, 공정 절차는 Fig. 2와 같이 설계되었다. 12.5 μm 두께의 폴리이미드 필름의 단 면 또는 양면에 12 μm 두께로 도금된 구리를 MEMS 가공하는데, 양산이 가능한 구리의 최소 선 폭 및 Space (선폭과 선폭사이의 공간)는 각각 50 μm가 된다. 이를 통해 설계된 평판코일은 1cm x 1cm의 크기에 한 장당 30 회의 코일을 감을 수가 있다. 양면 제작 시에는 60 회이 되므로, 단위 공 정을 양면코일 위아래에 각각 단면코일을 한 장씩 접합시키는 것으로 정의했을 시, 단위 공정당 제 작된 코일 샘플은 120 회이 되고, 본딩(아크릴 및 에폭시 수지) 두께 12.5 μm를 포함한 전체 두께는 약 100 - 200 μm가 된다. 여러 본딩 조건들을 고려하 여 8개의 단위 공정당 샘플들을 조합하면 최종적으 로 960회의 평판코일을 제작하게 되는데, 이 경우 두께는 1.3 - 2.0 mm 정도가 됨을 예상할 수 있다.

적층형 평판코일의 공정에서 가장 특징적인 것 이 적층되는 Layer간의 연결이다. 코일의 감긴 회 전방향이 동일하도록 설계한 후, 양면의 코일은 Through Hole을 뚫어 Hole을 통해 관통한 구리 도 금으로 연결되고, 단면 코일은 Laser Drill로 Via Hole 을 뚫고 동 도금된 부분을 하단 Layer의 전극과 접 Fig. 1 Concept of thin planar coil

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합시켜 도통하게 한다. 이 때 유의할 사항이 레이저 가공한 Hole내부에 균일한 도금을 위해 스미어 제 거 (De-Smear) 작업이 완벽히 이루어져야 한다.

2.2 코일 형상 및 임피던스 설계

유도 코일을 설계할 때 가장 중요한 변수는 코 일의 내부저항과 인덕턴스이다. 특히 평판코일의 경우, 재료의 박막화로 내부저항이 크게 증가할 가능성이 크다. 또한 코일의 감긴 형상에 따라 인 덕턴스도 다양한 값을 가질 수 있는데, 평판코일 의 대표적인 형상은 Fig. 3과 같다.

코일의 재료는 구리이며, 양산 가공 공정 한계 로 단면이 제한되어 있어, 한 Layer당 감기는 코일 의 권수도 제한이 되게 된다. 구리 도금층의 두께 가 12 μm이고 FPCB 공정으로 가공 가능한 구리선 의 최소 선폭이 50 μm이므로, wire의 단면적, Aw는

10 2

6.0 10 m× ⁻ 이 된다. 이러한 기본 정보들을 바탕 으로 평판코일의 형상에 따른 인덕턴스를 계산하 고 결정해야 하는데, 설계 인자는 Table 1과 같다.

한편, 코일의 인덕턴스를 계산하는 대표적인 방법으로 “Modified Wheeler Formula”와 “Current Sheet Approximation” 그리고 “Data Fitted Monomial Expression” 이 있다.³ 이를 바탕으로 계산한 결과 가 Table 2에 나타나 있다. 이 중, Modified Wheeler Formula의 경우 2-3%의 계산 오차율을 보이며, 단 일 평판코일을 분석하는데 가장 적합하다. 또한 사각형태의 코일이 가장 높은 인덕턴스를 가짐을

알 수 있다. 사각 형태는 설계가 용이하다는 장점 도 가지고 있다.

Table 2에 의해 결정된 사각 형태의 평판코일은 30 회의 권수에서 8675.12 nH의 인덕턴스를 가짐을 알 수 있었다. 이는 단일 평판코일에서의 인덕턴 스 계산이었으며, 960회의 코일을 제작하기 위해서 는 다적층 (Multilayer)이 필요하다. 다적층을 하게 될 시, Layer간의 상호 유도현상이 발생함을 고려 하여 보정 절차를 거쳐야 한다. 단일 공정에 의한 기 적층 코일 샘플을 고려하면 실제 공정에서는 8 장으로 구성되어 있지만, 계산을 위해 전체 적층 개수를 총 32장으로 정의한다. Layer간의 간격은 Bonding Layer를 고려하여 25 μm를 적용한다. 이 때 총 인덕턴스는,

1 2 2

total

L = +L L ± M (1) 이고, 상호 인덕턴스는,

1 2

2 c

M= ×K × L L+ (2) 가 된다. 이 때 Coupling Factor인 Kc를 계산하기 위해 제공된 “Inductor Turns”라는 상수값을 이용하 는데 각각 A = 0.184; B = -0.525; C = 1.038; D = 1.001 이다. 따라서 식(3)에 대입한 Coupling Factor 를 식 (2)에, 이를 다시 식(1)에 대입하면 총 인덕턴스를 계산할 수 있다.

Fig. 3 Type of planar coil

Table 1 Design parameters of planar coil Number of turns (n) 30 turns Spacing between turns (s) 50 μm

Turn width (w) 50 μm

Outer diameter (dout) 10,000 μm Calculated inner diameter (d_in) 4,100 μm

Fill factor (ρ) 0.418

Table 2 Calculation results of inductance for single planar coil regarding shapes

(unit, nH) Square Hexagonal Octagonal Circular Modified

wheeler 8675.12 7149.65 7218.00 7276.34 Current

sheet 8591.31 7400.31 7392.72 7201.55 Monomial

fit 8584.74 7724.52 7239.89 7239.89

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Table 3 Inner resistance of planar coil

Values Coil turns (N) 30 120 960

Rcalculated (Ω) R~23.50 R~94.05 R~752.60

Rmeasured (Ω) - R~94.50 R~800.00

( )

2

3 2 3

2

( ) ( ) ( ) ( ) 1.67 5.84 65) 0.64

c N

K i AX i BX i CX i D

N N

=⎡⎣ + + + ⎤⎦

× − + ×

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이상과 같이 설계된 960회의 다적층 사각 평판 코일이 갖는 총 인덕턴스는 계산 원리에 따라 30.34 μH가 됨을 알 수 있다.⁴ 한편 이상과 같이 설계된 코일의 내부저항을 계산하면, 구리의 비저 항, ρcopper이 20℃에서 1.47 10× ⁻⁸Ω ⋅ 이고, 30 턴 코m 일 한 개의 Layer가 갖는 길이 l 이 960 mm이며, 960회의 코일 전체 길이는 30.72 m이다. 또한 구리 도금층의 두께가 12 μm이고 FPCB 공정으로 가공 가능한 구리선의 최소 선폭이 50 μm이므로, wire의 단면적, Aw는 6.0 10 m× ⁻¹⁰ ²이 된다. 이를 통해 저항 R 을 계산하면, R=ρcopper⋅l A/ 에 의해 Table 3과 같은 결과를 얻을 수 있었다. 표에서의 Rcalculated는 계산에 의한 결과값이고, Rmeasured는 실제 제작이 완 료된 후 측정한 저항값이다.

3. 제작 및 성능평가 3.1 제작

Fig. 2의 공정도를 바탕으로 제작한 결과, 한 장 의 동도금 (Copper Plate) 폴리이미드 기판에 Fig. 4 와 같이 240개의 샘플을 제작하였으며, 총 5장의 기판을 통해 평균 수율 90% 수준을 얻을 수 있었 다. 그림의 우측의 코일 중앙 Hole을 비워둔 이유 는 직경 3mm의 자석이 관통하게 될 운동 경로일 뿐만 아니라, 코일을 중앙부터 촘촘하게 감지 않 고 Hole 만큼의 공간을 비워두고 감는 것이 대칭 하고 있는 Wire간의 상호유도에 의한 기전력 상쇄 를 배제할 수 있기 때문이다.

완성된 단일 평판코일은 PSR을 통해 절연처리 를 하게 되는데 이 때 기판이 녹색을 띠게 된다.

Fig. 5는 최종 완성된 960회의 다적층 평판코일이 다. 단일 공정으로 제작된 코일들간에 전도성 테 이프를 부착한 후 Hot Press를 하게 되면 그림과 같은 완성된 평판코일을 얻을 수 있다.

Fig. 4 Fabrication result of single planar coil (30 turns)

Fig. 5 Fabrication result of multi planar coil (960 turns)

Fig. 6 Electromagnetic induction test apparatus of planar coil for vibratory energy harvester

Table 4 Raw data of Multi planar coil test Freq.

(Hz) Accel

(g)

Velocity (m/s)

Displ.

(mm) Max. V

(mV) Avg. V

(mV) Resist

(Ω) 8 1 0.195 3.88 33.13 26.73 94.5 15 1 0.104 1.1 26.21 25.23 94.5 18 1 0.0867 0.767 23 22.27 94.5 20 1 0.0781 0.621 22.12 21.63 94.5 25 1 0.0625 0.398 20.27 19.9 94.5 60 1 0.026 0.069 17.86 16.43 94.5 100 1 0.0156 0.0248 15.32 14.45 94.5 1000 1 0.00156 2.48e-4 15.25 14.51 94.5

3.2 성능평가

최종 완성된 다적층 평판코일을 직경 3 mm, 높 이 5 mm의 N35Nd 자석으로 병진운동을 시키며, 이를 통해 발생하는 유도 기전력을 측정하였다.

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실험 장치는 Fig. 6과 같이 구성하였으며, 실험 에 사용된 코일은 120회, 단일 샘플을 이용하였고, 결과는 Table 4와 같이 얻을 수 있었다. 본 실험에 서는 OCV로 실험을 하였으므로, 정확한 Power를 비교할 수는 없으나, 저주파에서는 전자기 유도 에너지 하베스터가 우위의 성능을 나타냄을 예측 할 수 있었다. 여기서 15 mV 이하의 값은 외부 환 경의 간섭에 의한 영향으로 신뢰도가 낮은 값으로 간주한다.

4. 결과 및 고찰

실험치의 성능을 비교하기 위해 Maxwell 14.0을 이용하여 3차원 시뮬레이션을 시도하였다. 모델 및 결과는 Fig. 7과 같으며, 코일의 반경 방향으로 전달되는 자기장 성분이 거리의 증분에 따라 상당 부분 감소되며 자석의 경로에 근접한 코일들만이 자기장의 영향을 받고 있는 것을 확인하였다. 이 러한 경향을 통해 자석의 운동경로에 대한 추가적 인 연구가 필요함을 알았다.

한편, 권선형 코일이 적용된 스프링-질량-댐핑 시스템 모델링을 바탕으로 60 Hz, 1g의 조건에서 실험한 평판코일의 실험치와 비교한 결과, Fig. 8과 같이 20%의 성능만이 나타남을 확인할 수 있었 다.⁵ 이는 평판코일의 경우, 내부저항이 높을 뿐만 아니라, 자석의 병진운동에 의한 코일로의 자기장 구배가 코일의 반경방향 전면으로 분포되지 않는 것으로 판단된다. 그 결과 자석의 이동 경로와 근 접한 코일 일부만이 자기장 구배의 영향권에 들고 외곽 코일은 기전력 발생의 환경조건이 되지 않음 으로 인해 실제적으로 코일의 턴수를 감소시킨 결 과를 보이게 된 것이다. 따라서, 에너지 하베스터 에 평판코일을 적용할 시에는 코일 전면에 걸쳐 자기장 구배를 분포시킬 수 있도록 자석 운동 방 식을 변경할 필요가 있겠다.⁶

5. 결론

지금까지 Coin battery 대체용 에너지 하베스터 의 대량생산을 염두에 둔 MEMS 방식의 박막형 평판코일 개발을 시도하였다. FPCB 방식을 이용한 다적층 기법은 내부저항 측정 결과를 비교했을 경 우, 설계치와 잘 일치하며 이는 금번 개발한 적층 공정이 신뢰도가 높음을 말해준다. 기판당 샘플 개수(240개) 및 비교적 낮은 수율(90%)은 공정개선

을 통해 극복이 가능할 것으로 보이며, 코일 내부 저항 감소를 위한 최적 선폭을 찾고 자기장 구배 를 극대화 시키기 위한 코일 및 자석의 상대운동 에 대한 보완 연구가 필요하겠다.

후 기

본 연구는 STX엔진주식회사의 EQ1R008에 의 해 수행되었음. (No. EQ1R008)

REFERENCES

1. Shin, Y.-H. and Lee, Y.-P., “Measurement on Vibration Mode of Tire Wheel as an Energy Source of Micro Power,” Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, Vol. 20, No. 1, pp. 64-72, 2009.

2. Park, H. and Kim, J., “Electromagnetic Induction Energy Harvester for High-Speed Railroad

Fig. 7 3-D simulation (Maxwell 14.0)

Fig. 8 Electromotive force of 120 turn- planar coil

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Applications,” Int. J. Precis. Eng. Manuf.-Green Tech., Vol. 3, No. 1, pp. 41-48, 2016.

3. Mohan, S. S., del Mar Hershenson, M., Boyd, S. P., and Lee, T. H., “Simple Accurate Expressions for Planar Spiral Inductances,” IEEE Journal of Solid- State Circuits, Vol. 34, No. 10, pp. 1419-1424, 1999.

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5. Williams, C. B. and Yates, R. B., “Analysis of a Micro-Electric Generator for Microsystems,” Sensors and Actuators A: Physical, Vol. 52, No. 1, pp. 8-11, 1996.

6. Park, H., Moon, Y., and Kwon, S., “Development of Rotational Type of Wheel-Based Electromagnetic Induction Energy Harvester by Using Orthogonal Array,” Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B, Vol. 37, No. 2, pp. 125-130, 2013.