KR101152222B1

KR101152222B1 - 플렉서블 열전소자, 이를 포함하는 무선 센서 노드 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR101152222B1
Application number: KR1020100024621A
Authority: KR
Inventors: 이재우; 양일석; 허세완; 장문규; 김종대
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2009-12-21
Filing date: 2010-03-19
Publication date: 2012-06-08
Also published as: KR20110073166A

Abstract

본 발명은 플렉서블 열전소자, 이를 포함하는 무선 센서 노드 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 플렉서블 열전소자에 있어서, 교대로 배열된 복수의 P형 반도체 및 복수의 N형 반도체; 이웃한 상기 P형 반도체와 상기 N형 반도체의 상면을 연결하는 상부 금속; 이웃한 상기 P형 반도체와 상기 N형 반도체의 하면을 연결하되, 상기 상부 금속과는 엇갈려 배열되는 하부 금속; 상기 복수의 P형 반도체 중 적어도 하나의 P형 반도체와 연결된 P형 금속; 및 상기 복수의 N형 반도체 중 적어도 하나의 N형 반도체와 연결된 N형 금속을 포함한다.

Description

플렉서블 열전소자, 이를 포함하는 무선 센서 노드 및 그 제조 방법{Flexible Thermoelectric Generator, Wireless Sensor Node Comprising The Same and Method for Manufacturing the Same}

본 발명은 플렉서블 열전소자, 이를 포함하는 무선 센서 노드 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기존의 배터리를 대신하여 온도 변화량으로 생성되는 에너지를 공급하고, 온도 변화량에 따라 출력전압이 변화하는 특성을 이용하여 기존의 온도 센서를 대체할 수 있는 플렉서블 열전소자, 이를 포함하는 무선 센서 노드 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

본 발명은 지식경제부의 IT원천기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호:2009-F-038-01, 과제명:자가충전 전원모듈 기반 EPMIC]

최근에 휴대용 전자 기기 및 모바일 기기의 사용량이 증가함에 따라 휴대용 전기 제너레이터 영역의 연구 개발이 활발해지고 있다. 열전소자(Thermoelectric Generator)도 그러한 에너지 하베스터 중 한 가지로 알려져 있다. 열전소자는 전형적으로 열(Heat) 소스, 열 싱크 및 열전대열(Thermopile)을 포함하는 세 부분으로 구성된다. 여기서, 열전대열은 직렬로 연결된 복수의 열전대들(Thermocouples)로 구성되고, 열 에너지의 일부를 전기 에너지로 변환하는 데 이용된다. 즉, 열전소자는 열전대열의 열전대들을 가로지르는 열 구배에 기초하여 전기 파워를 생성한다. 자세하게는, 열전소자는 "핫(Hot)" 측면 또는 접합을 통하여 열 에너지를 받아들이고, 열 에너지를 열전대열로 통과시켜 "콜드(Cold)" 측면 또는 접합을 통하여 방출함으로써, 열 에너지를 전기 파워로 변환하도록 작동한다.

일반적으로 열전소자들은 반도체 물질을 이용하여 형성된다. 반도체 물질들은 열전대를 형성하기 위해 전기적으로는 직렬로 연결되고 열적으로는 병렬로 연결되어, 두 접합을 형성한다. 반도체 물질들은 전형적으로 N-형 및 P-형이 있는데, 전형적인 열전 디바이스에서 P-형 및 N-형 반도체 물질 사이에 전기적 도전성 연결이 형성되고, 캐리어들은 열 확산의 결과로 핫 접합에서 콜드 접합으로 이동되어 전류를 유도한다.

도 1은 종래 기술에 따른 열전소자의 구조를 나타낸 단면도이다.

도 1을 참조하면, 종래 기술에 따른 열전소자(100)는 발열판(110), 발열 전달체(120), P형 반도체(130), P형 금속(132), N형 반도체(140), N형 금속(142), 금속(150), 냉각 전달체(160) 및 냉각판(170) 등을 포함한다.

P형 반도체(130)와 N형 반도체(140)는 평행하게 배치되고, 금속(150)에 의해 전기적으로 직렬로 연결되어, 발열판(110)으로부터 공급되는 열 에너지를 냉각판(170)으로 전달하고, 이때 P형 반도체(130)와 N형 반도체(140) 사이에 전류가 발생한다. 이에 따라, P형 금속(132) 및 N형 금속(142)을 통하여 외부로 전류가 흐르게 된다. 이와 같은 원리에 의해 열전소자(100)는 열 에너지를 전기 에너지로 바꾸어 준다.

그러나, 현존하는 열전소자는 비교적 작은 크기로 만들어질 때, 제한된 효율 및 전기 포텐셜을 갖는다. 이는 열전소자를 만들기 위해서 통상적인 반도체 증착 기술이 사용되기 때문에 어려운 합성이 많은 열전소자들은 공정상 많은 제약을 받게 되므로 크기 또는 성능에서 단점이 있다.

예를 들면, 현재 적용 가능한 열전소자들은 도 1과 유사한 구조를 갖고, 이에 각 열전소자는 전형적으로 수 밀리미터 차수의 길이 및 폭을 갖는다. 이러한 열전소자들은 미국등록특허 제6,388,185호 및 C.B. Vining의 네이쳐(Nature) P. 413 및 577(2001, 1, 11)에 개시되어 있다. 이러한 열전소자들은 파워 조절 전자를 포함하여 많은 소자들의 입력 요구를 만족하는 전압을 제공할 수 없다.

한편, 무선 센서 노드는 실온 또는 그 부근에서 동작하는 열전소자뿐만 아니라, 약 10 ℃ 또는 그 이하의 온도 구배를 이용하는 열전소자를 필요로 한다. 예를 들면, 기후 제어용 또는 군사용 등으로 사용되는 센서들은 대기 에너지가 이용될 때, 5 내지 20 ℃ 온도 차이에서 동작한다.

이와 더불어, 열전소자는 원격 또는 비접근 지역에서 배선 또는 배터리-파워의 전기 에너지 소스를 요구하는 특정 소자를 동작시키는 데 특히 유용하다. 예를 들면, 원격 센서들은 온도, 압력, 습도, 운송기구, 인간 및 동물의 존재 및 이동 또는 다른 환경적 특성을 측정하기 위한 데이터들을 얻기 위해서 쉽게 배치될 수 있다. 하지만, 배터리에 의해 전원이 공급되는 무선 센서 노드는 배터리의 제한적인 수명 때문에 파워적인 측면에서 단점을 가진다. 따라서, 배터리에 배타적으로 의존하는 원격 장치들은 본질적으로 배터리의 수명 및 신뢰성에 의해 제한된다.

또한, 무선 센서 노드에는 다른 제약이 적용된다. 예를 들면, 큰 빌딩에서 복수의 센서는 환경 조건을 센싱하고 보고하는 것뿐만 아니라, 에너지 전달 및 배분의 스마트 센싱 및 제어를 제공하기 위해 유용하게 적용될 수 있다. 그러나, 현재 통상적인 파워 해결책은 기술적으로 부적절하거나 너무 비싸기 때문에, 이러한 비전은 실현 불가능하다. 즉, 모든 센서들을 배터리 파워 공급에 맞추는 것은 모든 센서들의 초기 설치 및 주기적인 이동에 따라 비용이 많이 들뿐만 아니라, 전술한 배터리의 성능 제약을 수반한다. 이를 해결하기 위해 복수의 센서를 하나의 중앙 공급으로 배선하는 방안이 제안될 수 있으나, 복잡한 회로와 비용적인 문제 때문에 실현 불가능하다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 종래의 온도 변화량을 센싱하는 무선 센서 노드에서 사용되었던 배터리를 제거하고, 이를 대신하여 온도 변화량의 값에 따라 에너지를 에너지 저장장치에 충전하여 사용하는 자가구동형의 무선 센서 노드를 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 온도 센서를 대신하여 열전소자의 출력값을 이용하여 외부 온도의 변화량을 감지하고, 그 변화량을 무선으로 전송하는 무선 센서 노드를 제공한다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 교대로 배열된 복수의 P형 반도체 및 복수의 N형 반도체; 이웃한 상기 P형 반도체와 상기 N형 반도체의 상면을 연결하는 상부 금속; 이웃한 상기 P형 반도체와 상기 N형 반도체의 하면을 연결하되, 상기 상부 금속과는 엇갈려 배열되는 하부 금속; 상기 복수의 P형 반도체 중 적어도 하나의 P형 반도체와 연결된 P형 금속; 및 상기 복수의 N형 반도체 중 적어도 하나의 N형 반도체와 연결된 N형 금속을 포함하는 플렉서블 열전소자를 제공한다.
또한, 본 발명은 기판 내에 교대로 배열된 복수의 P형 반도체 및 복수의 N형 반도체를 형성하는 단계; 상기 기판의 상부면에 금속막을 형성하는 단계; 상기 금속막을 패터닝하여, 이웃한 상기 P형 반도체와 상기 N형 반도체의 상면을 연결하는 상부 금속, 상기 복수의 P형 반도체 중 적어도 하나의 P형 반도체와 연결된 P형 금속 및 상기 복수의 N형 반도체 중 적어도 하나의 N형 반도체와 연결된 N형 금속을 형성하는 단계; 상기 복수의 P형 반도체 및 상기 복수의 N형 반도체의 하면을 노출시키도록 상기 기판의 하부면을 식각하는 단계; 상기 복수의 P형 반도체 및 상기 복수의 N형 반도체의 하면이 노출된 상기 기판의 하부면에 금속막을 형성하는 단계; 및 상기 금속막을 패터닝하여 이웃한 상기 P형 반도체와 상기 N형 반도체의 하면을 연결하되, 상기 상부 금속과는 엇갈려 배열되는 하부 금속을 형성하는 단계를 포함하는 플렉서블 열전소자 제조 방법을 제공한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 플렉서블 열전소자로 구성되는 자가구동형 무선 센서 노드를 제공함으로써, 무선 센서 노드에서 필요한 에너지를 자가충전형으로 공급하는 반영구적인 무선 센서 노드를 제공하고, 플렉서블 열전소자의 출력전압으로 온도 변화량을 센싱하여 별도의 온도 센서를 제거함으로써, 간단한 구조의 무선 센서 노드를 제공하는 효과가 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 열전소자의 구조를 나타낸 단면도,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 플렉서블 열전소자의 구조를 나타낸 단면도,
도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 다른 실시예에 따른 플렉서블 열전소자의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도,
도 4는 발열판 및 냉각판이 부착된 플렉서블 열전소자의 구성을 나타낸 도면,
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 플렉서블 열전소자가 직렬 연결을 통해 어레이로 구성된 것을 보여주는 도면,
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 무선 센서 노드의 구성을 나타낸 도면,
도 7은 본 발명에 따른 무선 센서 노드의 전체 구성도를 나타낸 도면,
도 8은 본 발명에 따른 무선 센서 노드와 베이스 스테이션인 싱크 노드의 구성을 나타낸 도면이다.

이하, 본 발명의 일실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

본 발명의 일실시예에서는 설명의 편의상, 두 쌍의 P형 반도체 및 N형 반도체를 예로 들어 설명하고 있지만 이에 한정되는 아니며, 본 발명에 따른 플렉서블 열전소자는 복수의 P형 반도체 및 N형 반도체 쌍을 포함할 수 있다. 이와 더불어, 플렉서블 열전소자는 직렬 또는 병렬 형태로 다양하게 연결될 수 있다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 플렉서블 열전소자의 구조를 나타낸 단면도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 플렉서블 열전소자(200)는 교대로 배열된 복수의 P형 반도체(210) 및 복수의 N형 반도체(220), 이웃한 P형 반도체(210)와 N형 반도체(220)의 상면을 연결하는 상부 금속(250), 이웃한 P형 반도체(210)와 상기 N형 반도체(220)의 하면을 연결하되, 상부 금속(250)과는 엇갈려 배열된 하부 금속(230), 복수의 P형 반도체(210) 중 적어도 하나의 P형 반도체(210)와 연결된 P형 금속(212) 및 복수의 N형 반도체(220) 중 적어도 하나의 N형 반도체(220)와 연결된 N형 금속(222)를 포함하며, 복수의 P형 반도체(21), 복수의 N형 반도체(220), 상부 금속(250) 및 하부 금속(230)의 연결면을 따라 형성된 보호막(240,260)을 더 포함하는 것이 바람직하다.

복수의 P형 반도체(210) 및 복수의 N형 반도체(220)는 교대로 평행하게 배치되고, 하부 금속(230) 및 상부 금속(250)에 의해 전기적으로 직렬로 연결된다. 이에 따라, 복수의 P형 반도체(210) 및 복수의 N형 반도체(220)는 열적으로 병렬로 위치하고, 전기적으로 직렬로 연결된다.

상기와 같은 구조에 의해, 복수의 P형 반도체(210) 및 복수의 N형 반도체(220)는 열을 전달하고, 이때 복수의 P형 반도체(210) 및 복수의 N형 반도체(220) 사이에 전류가 발생한다.

P형 금속(212) 및 N형 금속(222)은 복수의 P형 반도체(210) 중 하나의 P형 반도체와 복수의 N형 반도체(220) 중 하나의 N형 반도체 일단에 각각 연결되어 외부로 전류가 흐를 수 있도록 한다.

하부 금속(230)은 복수의 P형 반도체(210)의 하면과 복수의 N형 반도체(220)의 하면을 연결하여 복수의 P형 반도체(210) 및 복수의 N형 반도체(220)를 전기적으로 연결한다.

상부 금속(250)은 복수의 P형 반도체(210)의 상면과 복수의 N형 반도체(220)의 상면을 연결하여 복수의 P형 반도체(210) 및 복수의 N형 반도체(220)를 전기적으로 연결한다.

보호막(240,260)은 복수의 상부 보호막(260)과 복수의 하부 보호막(240)을 포함한다. 하부 보호막(240)은 복수의 P형 반도체(210), P형 금속(212), 복수의 N형 반도체(220), N형 금속(222), 하부 금속(230) 및 상부 금속(250)로 이루어진 구조물의 하측 요부에 부착되어, 플렉서블 열전소자(200)로 하여금 유연성을 가지게 한다. 상부 보호막(260)은 상기 구조물의 상측 요부에 부착되어, 플렉서블 열전소자(200)로 하여금 유연성을 가지게 한다. 이를 위해, 하부 보호막(240) 및 상부 보호막(260)은 탄성을 갖는 물질, 예를 들어, 금속, 플라스틱 또는 고무 재질로 형성될 수 있다.

이에 따라, 본 발명에 따른 플렉서블 열전소자(200)는 전체적으로 코일 모양을 유지하고, 유연성을 가질 수 있다.

이와 같이, 본 발명에 따른 플렉서블 열전소자(200)는 종래의 열전소자에 하부 보호막(240) 및 상부 보호막(260)을 추가하여 유연성을 확보할 수 있다.

즉, 종래에는 도 1에 도시된 바와 같이, P형 반도체(130)와 N형 반도체(140) 사이에 에어 공간(180)이 존재하는 반면, 본 발명에서는 하부 보호막(240) 및 상부 보호막(160)을 구비하여 평면적으로 구성되었던 열전소자를 플렉서블하게 제작할 수 있고, 열전소자를 직렬 어레이로 구성할 때 원형 제작이 가능하다. 이러한 특징으로 인해 본 발명에 따른 플렉서블 열전소자(200)는 다양한 센서 노드에 쉽게 적용될 수 있는 우수한 호환성을 가진다.

도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 다른 실시예에 따른 플렉서블 열전소자의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도이다.

도 3a를 참조하면, 기판(300) 내에 교대로 배열된 복수의 P형 반도체(210) 및 복수의 N형 반도체(220)를 형성한다. 이때, 복수의 P형 반도체(210) 및 복수의 N형 반도체(220)는 이온주입 공정 또는 확산 공정 등을 통하여 형성될 수 있다.

도 3b를 참조하면, 기판(300)의 상부면에 금속막을 형성한 후, 형성된 금속막을 패터닝하여 인접한 P형 반도체(210)와 N형 반도체(220)를 전기적으로 연결하는 상부 금속(250)을 형성한다. 이때, 플렉서블 열전소자(200)의 외부로 전류가 흐를 수 있도록 복수의 P형 반도체(210) 중 적어도 하나의 P형 반도체(210)의 일단에 연결되는 P형 금속(212) 및 복수의 N형 반도체(220) 중 적어도 하나의 N형 반도체(220)의 일단에 연결되는 N형 금속(222)을 동시에 형성하는 것이 바람직하다.

도 3c를 참조하면, 상부 금속(250), P형 금속(212) 및 N형 금속(220)을 식각베리어로, 상부 금속(250), P형 금속(212) 및 N형 금속(220)들 사이에 노출된 기판(300)을 소정 깊이 식각한다. 이때, 기판(300) 내에 형성된 복수의 P형 반도체(210) 및 복수의 N형 반도체(220) 사이의 기판(300)이 제거된다. 이어서, 식각면을 따라 상부 보호막(260)을 형성한다. 여기서, 상부 보호막(260)은 복수의 P형 반도체(210), P형 금속(212), 복수의 N형 반도체(220), N형 금속(222), 하부 금속(230) 및 상부 금속(250)로 이루어진 구조물의 상측 요부에 탄성을 가진 물질로 형성된다.

도 3d를 참조하면, 후속 식각 과정에서 중간 결과물을 지탱하도록, 기판(300)의 상부면에 보조 기판(미도시)을 접착한 후, 복수의 P형 반도체(210) 및 복수의 N형 반도체(220)가 존재하는 깊이까지 기판(300)의 하부를 제거한다. 즉, 복수의 P형 반도체(210) 및 복수의 N형 반도체(220)의 하면을 노출시키도록 기판(300)의 하부면을 식각한다. 이어서, 기판(300)의 하부면에 금속막을 형성한 후, 형성된 금속막을 패터닝하여 복수의 P형 반도체(210)와 복수의 N형 반도체(220)를 전기적으로 연결하는 하부 금속(230)을 형성한다. 여기서, 하부 금속(230)은 이웃한 P형 반도체(210)와 N형 반도체(220)를 연결시키되, 상부 금속(250)과는 엇갈려서 배열된다.

도 3e를 참조하면, 하부 금속(230)을 식각베리어로, 복수의 P형 반도체(210) 및 복수의 N형 반도체(220) 사이의 기판을 식각한 후, 식각면을 따라 하부 보호막을 형성한다. 즉, 복수의 P형 반도체(210), P형 금속(212), 복수의 N형 반도체(220), N형 금속(222), 하부 금속(230) 및 상부 금속(250)로 이루어진 구조물의 하측 요부에 탄성을 가진 재질로 이루어진 하부 보호막(240)을 형성한다.

도 4는 발열판 및 냉각판이 부착된 플렉서블 열전소자의 구성을 나타낸 도면이다.

도 4를 참조하면, 열전소자 간의 열적인 절연을 유지하기 위해 발열판(410)의 일측면에 열적 절연막(420)이 부착되고, 플렉서블 열전소자(200)와 발열판(410) 사이에 열을 전달하고, 플렉서블 열전소자(200)와 발열판(410)을 단단히 고정하기 위한 발열 전달체(430)가 삽입된다. 또한, 플렉서블 열전소자(200)와 냉각판(440) 사이에는 열을 전달하기 위한 냉각 전달체(450)가 삽입된다. 따라서, 발열판(410) 또는 냉각판(440)은 다른 열 전송 방법, 예컨대 전도, 대로 및 복사에 의해 가열되거나 냉각될 수 있다. 이와 같이, 이러한 열전소자들은 온도의 작은 분위기 차이(예를 들면, 약 3 ~ 10 ℃ 이하)로부터 수밀리 와트 범위의 전기 파워를 생성할 수 있다.

이와 더불어, 플렉서블 열전소자(200)의 양측벽에는 소자연결부(460)를 구비한다. 따라서, 복수의 플렉서블 열전소자(200)가 소자연결부(460)에 의해 연결될 수 있다. 즉, 복수의 플렉서블 열전소자를 전기적으로 플렉서블하게 연결할 수 있다.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 플렉서블 열전소자가 직렬 연결을 통해 어레이로 구성된 것을 보여주는 도면이다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 일실시예에서는 복수의 플렉서블 열전소자(200)에서 발생한 에너지를 전기적으로 연결하기 위해 소자연결부(460)를 사용하였다. 따라서, 복수의 플렉서블 열전소자(200)는 소자연결부(460)를 이용하여 임의의 형태로 제작 가능하고, 다양한 응용분야에 적용될 수 있다.

도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 무선 센서 노드의 구성을 나타낸 도면이다.

도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 무선 센서 노드(600)는 플렉서블 열전소자(200), 에너지 변환 및 저장부(610), 신호처리부(620) 및 무선 송수신부(630)를 포함한다.

플렉서블 열전소자(200)는 열 에너지를 전기 에너지로 바꾸어서 에너지 변환 및 저장부(610)에 저장하고, 출력전압을 신호처리부(620)로 제공한다.

에너지 변환 및 저장부(610)는 플렉서블 열전소자(200)에서 생성된 전기 에너지를 저장하고, 무선 센서 노드(600) 내의 각 장치 즉, 신호처리부(620) 및 무선 송수신부(630)로 전원을 공급한다. 여기서, 에너지 변환 및 저장부(610)는 커패시터, 슈퍼 커패시터 및 그 조합에 의해 이루어질 수 있다.

따라서, 본 발명에서는 플렉서블 열전소자(200)가 자신이 생성한 전기 에너지를 무선 센서 노드(600) 내의 각 장치로 제공함으로써, 무선 센서 노드(600)가 별도의 배터리를 필요로 하지 않고, 독립된 무선 센서 노드 역할을 수행할 수 있다.

도 7은 본 발명에 따른 무선 센서 노드의 전체 구성도를 나타낸 도면이다.

도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 에너지 변환 및 저장부(610)는 충전 회로(612), 스타트 업(Start-up) 회로(614), DC-DC 컨버터(616) 및 에너지 저장부(618)를 포함하고, 신호처리부(620)는 비교 회로(622) 및 신호처리 회로(624)를 포함한다.

충전 회로(612)는 열전소자(200)의 출력 전압을 DC-DC 컨버터(616)를 이용하여 원하는 전압으로 만들어준다.

스타트 업 회로(614)는 열전소자(200)의 출력 전압을 이용하여 무선 센서 노드(600)의 초기 기동시 DC-DC 컨버터(616)의 동작에 필요한 전압을 DC-DC 컨버터(616)로 제공한다. 즉, 스타트 업 회로(614)는 임계 전압(예를 들면, 300 mV) 이하에서도 DC-DC 컨버터(616)가 동작할 수 있도록 전압을 제공한다.

에너지 저장부(618)는 충전 회로(612)에 의해 만들어진 전압을 저장하고, 무선 센서 노드(600)의 각 장치 즉, 비교 회로(622), 신호처리 회로(624) 및 무선 송수신부(630)로 공급한다.

비교 회로(622)는 플렉서블 열전소자(200)의 출력 전압과 기준 전압을 비교한 후, 비교 결과를 신호처리 회로(624)로 전송한다.

신호처리 회로(624)는 비교 회로(622)의 비교 결과를 분석하여 온도 변화량 즉, 온도 신호를 센싱하고, 센싱한 온도 신호를 무선 송수신부(630)를 통하여 베이스 스테이션으로 전송한다.

도 8은 본 발명에 따른 무선 센서 노드와 베이스 스테이션인 싱크 노드의 구성을 나타낸 도면이다.

도 8을 참조하면, 싱크 노드(800)는 무선 센서 노드(600)로부터 수신한 온도 신호를 무선 송수신부(810)를 이용하여 검출하고, 온도 신호를 신호처리부(820) 및 입출력 포트(I/O Port)(830)를 경유하여 디스플레이 및 데이터 저장부(840)로 전송함으로써, 무선 센서 노드(600)로부터 수신한 온도 신호를 최종적으로 처리한다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

200: 플렉서블 열전소자 210: 복수의 P형 반도체
212: P형 금속 220: 복수의 N형 반도체
222: N형 금속 230: 하부 금속
240: 하부 보호막 250: 상부 금속
260: 상부 보호막 600: 무선 센서 노드
610: 에너지 변환 및 저장부 620: 신호처리부
630: 무선 송수신부

Claims

교대로 배열된 복수의 P형 반도체 및 복수의 N형 반도체;
이웃한 상기 P형 반도체와 상기 N형 반도체의 상면을 연결하는 상부 금속;
이웃한 상기 P형 반도체와 상기 N형 반도체의 하면을 연결하되, 상기 상부 금속과는 엇갈려 배열되는 하부 금속; 및
상기 복수의 P형 반도체, 상기 복수의 N형 반도체, 상기 상부 금속 및 상기 하부 금속의 연결면을 따라 형성된 보호막
을 포함하는 플렉서블 열전소자.
제1항에 있어서,
상기 복수의 P형 반도체 중 적어도 하나의 P형 반도체와 연결된 P형 금속; 및
상기 복수의 N형 반도체 중 적어도 하나의 N형 반도체와 연결된 N형 금속
을 더 포함하는 플렉서블 열전소자.
제1항에 있어서,
상기 복수의 P형 반도체 및 복수의 N형 반도체는 직렬로 연결된
플렉서블 열전소자.
제1항에 있어서,
상기 보호막은 탄성을 갖는 물질로 형성되는
플렉서블 열전소자.
교대로 배열된 복수의 P형 반도체 및 복수의 N형 반도체, 이웃한 상기 P형 반도체와 상기 N형 반도체의 상면을 연결하는 상부 금속, 이웃한 상기 P형 반도체와 상기 N형 반도체의 하면을 연결하되 상기 상부 금속과는 엇갈려 배열되는 하부 금속, 상기 복수의 P형 반도체, 상기 복수의 N형 반도체, 상기 상부 금속 및 상기 하부 금속의 연결면을 따라 형성된 보호막을 포함하고, 소자연결부에 의해 연결된 복수의 플렉서블 열전소자;
상기 복수의 플렉서블 열전소자에 의해 발생된 에너지를 변환하는 에너지 변환부;
상기 에너지 변환부에 의해 변환된 에너지를 저장하는 저장부; 및
상기 저장부로부터 전원을 공급받아 센싱된 신호를 처리하는 신호처리부
를 포함하는 무선 센서 노드.
제5항에 있어서,
상기 플렉서블 열전소자는,
상기 복수의 P형 반도체 중 적어도 하나의 P형 반도체와 연결된 P형 금속; 및
상기 복수의 N형 반도체 중 적어도 하나의 N형 반도체와 연결된 N형 금속을 더 포함하는
무선 센서 노드.
제5항에 있어서,
상기 저장부로부터 전원을 공급받아 상기 신호처리부에 의해 처리된 신호를 무선으로 송수신하는 무선 송수신부
를 더 포함하는 무선 센서 노드.
제5항에 있어서,
300mV 이하의 전압에서 에너지 변환이 가능한 스타트 업 회로
를 더 포함하는 무선 센서 노드.
제5항에 있어서,
상기 신호처리부는,
상기 플렉서블 열전소자의 출력 전압을 이용하여 온도변화량을 비교 및 판단하여 상기 센싱된 신호를 처리하는
무선 센서 노드.
기판 내에 교대로 배열된 복수의 P형 반도체 및 복수의 N형 반도체를 형성하는 단계;
상기 기판의 상부면에 금속막을 형성하는 단계;
상기 금속막을 패터닝하여, 이웃한 상기 P형 반도체와 상기 N형 반도체의 상면을 연결하는 상부 금속, 상기 복수의 P형 반도체 중 적어도 하나의 P형 반도체와 연결된 P형 금속 및 상기 복수의 N형 반도체 중 적어도 하나의 N형 반도체와 연결된 N형 금속을 형성하는 단계;
상기 복수의 P형 반도체 및 상기 복수의 N형 반도체의 하면을 노출시키도록 상기 기판의 하부면을 식각하는 단계;
상기 복수의 P형 반도체 및 상기 복수의 N형 반도체의 하면이 노출된 상기 기판의 하부면에 금속막을 형성하는 단계; 및
상기 금속막을 패터닝하여 이웃한 상기 P형 반도체와 상기 N형 반도체의 하면을 연결하되, 상기 상부 금속과는 엇갈려 배열되는 하부 금속을 형성하는 단계
를 포함하는 플렉서블 열전소자 제조 방법.
제10항에 있어서,
상기 상부 금속, 상기 P형 금속 및 상기 N형 금속 형성 단계 후에,
상기 상부 금속, P형 금속 및 N형 금속을 식각 베리어로, 상기 상부 금속, 상기 P형 금속 및 상기 N형 금속들 사이에 노출된 기판을 소정 깊이 식각하는 단계; 및
식각면을 따라 상부 보호막을 형성하는 단계
를 더 포함하는 플렉서블 열전소자 제조 방법.
제10항에 있어서,
상기 하부 금속 형성 단계 후에,
상기 하부 금속을 식각 베리어로, 상기 하부 금속들 사이에 노출된 기판을 식각하는 단계; 및
식각면을 따라 하부 보호막을 형성하는 단계
를 더 포함하는 플렉서블 열전 소자 제조 방법.
제12항에 있어서,
상기 하부 금속들 사이에 노출된 기판을 식각하는 단계 전에, 상기 하부 금속들 사이에 노출된 기판을 식각하는 과정에서 상기 하부 금속이 형성된 결과물을 지탱하도록, 상기 기판의 상부면에 보조 기판을 형성하는 단계를 더 포함하고,
상기 하부 보호막 형성 단계 후에, 상기 보조 기판을 제거하는 단계를 더 포함하는
플렉서블 열전 소자 제조 방법.
제10항에 있어서,
상기 복수의 P형 반도체 및 상기 복수의 N형 반도체 형성 단계는 이온 주입 공정 또는 확산 공정에 의해 수행되는
플렉서블 열전 소자 제조 방법.