KR101391159B1 - Ｐｃｍ이 내장된 열전소자 제조방법 - Google Patents

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김용준
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Abstract

본 발명은 열에너지 저장 기능을 갖는 PCM이 내장된 열전소자에 관한 것으로서, 열원이 제거된 후에도 PCM에 저장된 열에너지를 통해 장시간 동안 양 단간 온도차를 일정 수준으로 유지할 수 있도록 함으로써 열전 발전 성능을 높일 수 있고, 외부 열원 에너지의 효율적인 사용이 가능한 PCM이 내장된 열전소자 및 그 제조방법에 관한 것이다. 이를 위한 본 발명에 따른 열전소자는, 기판과; 상기 기판 내부에 일정 간격을 두고 수직으로 세워져 설치되는 N형 반도체 기둥 및 P형 반도체 기둥과; 상기 N형 반도체 기둥과 P형 반도체 기둥의 상단 사이를 연결하며, 상기 기판의 상단에 노출된 상태에서 외부 열원과 접촉하는 금속 전극층과; 상기 기판 내부에 배치되며 외부 열원에서 방출되는 열 에너지를 일시적으로 저장할 수 있는 상변이물질(PCM; Phase change material)로 이루어진 PCM 박막층;을 포함하여 이루어지며, 상기 N형 반도체 기둥 및 P형 반도체 기둥의 일부분을 감싸는 형태로 상기 기판 내부에 설치되는 PCM 박막층;을 포함하여 이루어지며, 상기 기판의 하단 바닥면을 기준으로 한 상기 PCM 박막층의 수평 중심선 높이는 상기 기판의 수평 중심선 높이보다 높게 형성된 것을 특징으로 한다.

Description

ＰＣＭ이 내장된 열전소자 제조방법 {PCM embedded thermoelectric element fabrication method}
본 발명은 열에너지 저장 기능을 갖는 PCM(Phase Change Material)이 내장된 열전소자 제조방법에 관한 것으로서, 열원(heat source)이 제거된 후에도 PCM에 저장된 열에너지를 통해 장시간 동안 열전소자 양단 간의 온도차를 일정 수준으로 유지할 수 있도록 함으로써 열전 발전 성능을 높일 수 있고, 외부 열원 에너지의 효율적인 사용이 가능한 PCM이 내장된 열전소자 제조방법에 관한 것이다.
최근 들어 대체에너지에 대한 관심이 높아지면서 자연현상을 이용한 에너지 하베스팅(Energy harvesting) 기술들이 주목받고 있다. 특히, 열 온도 차를 이용한 에너지 하베스팅에 관련한 연구들이 활발히 진행되고 있다. 그 중에서 제베크 효과(Seebeck effect)를 이용한 열전 발전은 재료의 양단에 온도 차를 부여하면 기전력이 발생하는 열전반도체의 원리를 이용한 발전이다. 이러한 제베크 효과를 이용하는 열전발전기(Thermoelectric generator)는 동적인 부품이 없고 연료가 따로 필요 없이 소재 내에서 직접 열을 전기로 변환해 주기 때문에 매우 높은 안정성과 친환경성이 있다.
도 1은 일반적인 열전발전기에서 사용되는 열전소자의 구조를 도시한 것으로서(한국 특허공개 제2011-0091921호 참조), 도 1에 도시된 바와 같이 종래의 열전소자(100)는 열 흡수부(heat absorption layer,110), 레그(leg,130), 열 방출부(heat sink layer,150)를 포함하여 구성되며, 상기 레그(130)는 n형 레그(131)와 p형 레그(133)로 구성된다.
상기 열 흡수부(110)는 외부 열원(heat source)을 흡수하는 역할을 하고, 상기 레그(130)는 상기 열 흡수부(110)를 통해 흡수된 열을 상기 열 방출부(150)로 전달하며, 상기 열 방출부(150)는 상기 레그(130)로부터 전달받은 열을 외부로 방출하는 역할을 한다.
상기 열 흡수부(110)와 상기 열 방출부(150) 사이의 온도 차에 의해 n형 레그(131)에서는 전자(electron)가 열 흡수부(110)로부터 열 방출부(150) 방향으로 움직이게 되고, p형 레그(133)에서는 정공(hole)이 열 흡수부(110)로부터 열 방출부(150) 방향으로 움직이게 된다. 이러한 전자와 정공의 움직임에 따라 반시계방향으로 전류가 흐르게 된다.
이와 같은 열전소자(100)가 높은 열전효율을 갖기 위해서는 상기 열 흡수부(110)에서는 외부 열원을 최대한 많이 흡수하여 흡수한 열을 모두 레그(130)로 전달해야 하며, 상기 레그(130)에서는 열 흡수부(110)로부터 전달받은 열을 가능한 천천히 열 방출부(150)로 전달해야 한다. 그리고, 상기 열 방출부(150)에서는 외부 열원을 전혀 흡수하지 않고 상기 레그(130)로부터 전달받은 열을 최대한 많이 방출해야 한다. 즉, 상기 열 흡수부(110)와 상기 열 방출부(150) 사이의 온도 차가 커야 높은 열전효율을 얻을 수 있다.
상기와 같은 열전소자(100)의 열전효율(figure of merit)을 가늠하는 지표로는 일반적으로 ZT 값이 사용된다. ZT 값은 제베크 상수(Seebeck coefficient)의 제곱과 전기전도도(electric conductivity)에 비례하고, 열전도도(thermal conductivity) 값에 반비례한다. 하지만, 금속을 이용한 열전소자의 경우 제베크 상수 값이 수 ㎶/K 수준으로 매우 낮고, 비데만-프란쯔 법칙(Wiedemann-Franz law)에 의해 전기전도도와 열전도도는 비례 관계에 있기 때문에, 금속을 이용한 열전소자는 높은 ZT 값을 가질 수 없다.
이러한 문제점을 해결하기 위한 방법으로서, 최근에는 반도체 물질을 이용한 열전소자가 개발되고 있는데, 그 대표적인 열전소자 물질로는 상온에서 최소 0.7의 ZT 값을 갖고 120℃에서 최대 0.9의 ZT 값을 갖는 Bi2Te3와, 상온에서 최소 0.1의 ZT 값을 갖고 900℃에서 최대 0.9의 ZT 값을 갖는 SiGe가 있다. 이와 함께 기존의 Bi2Te3를 대체할 수 있는 물질(예를 들어 실리콘 등)에 대한 연구도 활발하게 진행되고 있다.
한편, 한 개 단위의 열전소자만으로는 시장에서 요구하는 성능을 충분하게 충족시키지 못하기 때문에, 현재 상용화된 열전 제품들은 2개 이상의 열전소자가 서로 전기적으로 연결된 열전 어레이(array) 형태를 가지고 있다.
도 2는 종래의 컬럼형(Column type) 열전소자를 이용한 열전 어레이를 나타낸 도면이다. 도 2에 도시된 열전 어레이(200)의 경우, 최상부의 열 흡수부(210)에 흡수된 열이 레그(230)를 거친 후 최하부의 열 방출부(250)로 전달되는 구조를 갖는다.
이와 같은 구조의 열전 어레이(200)에서는 열 흡수부(210)에 흡수된 열이 레그(230)를 거치지 않고 상기 열 방출부(250)로 곧바로 전달될 가능성이 매우 낮기 때문에 높은 열전효율을 기대할 수 있다.
그러나, 상기와 같은 형태로 이루어진 열전발전기는 높은 안정성, 친환경성 등 많은 장점들을 가지고 있는 반면, 제품의 상용화에 앞서 해결해야 할 문제도 함께 가지고 있다. 즉, 상용화된 열전발전기는 아직까지도 다른 발전기에 비해 효율이 현저히 낮으며, 제작에 따른 까다로운 공정기술이 요구되는 단점이 있기 때문에 이에 대한 해결이 필요하다.
아울러, 열전발전기의 원리상 양단의 온도 차가 크고 온도 차가 지속적으로 유지되어야만 다른 전자부품에 적용할 때 안정적인 전원 공급이 가능하기 때문에 열전발전기의 내부 양단 간에 크고 지속적인 온도 차를 유지하는 것이 무엇보다도 중요하다. 그러나, 상기와 같은 기존 열전발전기는 열전소자에 외부 열원이 간헐적으로 접촉이 될 경우 열전소자 양 단간의 온도 차가 지속적으로 유지되기 어려준 단점을 갖기 때문에 열전발전기를 통한 안정적인 전원 공급이 어렵고 외부 열원의 사용에 있어서도 비효율적인 문제점이 있었다. 아울러, 기존의 열전발전기는 기판 위에 열 흡수부, 레그, 열 방출부 등을 각각 별도로 제작한 후 이를 다시 조립해야 하는 입체적이면서 복잡한 공정을 필요로 하기 때문에 제조비용이 많이 들고 제조공정이 까다로운 단점이 있었고, 또한, 실제 제작되는 열전발전기의 두께가 수 센티미터(cm) 이상의 두께를 갖기 때문에 부피가 커서 실제 전자기기에 집적화하기 어려운 문제가 있었다.
이에, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 외부 열원과 근접한 열전소자 기판 내부에 상변이물질(Phase Change Material; PCM)로 이루어진 복수의 PCM 박막층을 형성하고 외부 열원 에너지를 상기 PCM 박막층에 잠열 형태로 저장하여, 외부 열원이 제거된 후에도 상기 PCM 박막층에 저장된 열에너지를 방출하여 열전소자 양 단간의 온도 차를 장시간 동안 지속적으로 유지하도록 함으로써 외부 열원 에너지의 효율적인 사용이 가능하고 열전 발전 성능을 향상시킬 수 있는 PCM이 내장된 열전소자를 제공함에 있다.
또한 본 발명의 다른 목적은 PCM이 내장된 열전소자를 간단한 MEMS 공정을 통해 초박형으로 제작할 수 있고, PCM 박막층의 다층화를 통해 PCM의 열용량을 증대시킴으로써, 열전 발전 성능을 크게 향상시킬 수 있는 PCM이 내장된 열전소자를 제공함에 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 간단한 MEMS 공정을 통해 저렴한 비용을 들여 콤팩트(compact)한 구조를 갖는 초박형의 열전소자를 제작할 수 있는 PCM이 내장된 열전소자 제조방법을 제공함에 있다.
상기한 기술적 해결하기 위한 본 발명에 따른 열전발전기는, 기판과; 상기 기판 내부에 일정 간격을 두고 수직으로 세워져 설치되는 N형 반도체 기둥 및 P형 반도체 기둥과; 상기 N형 반도체 기둥과 P형 반도체 기둥의 상단 사이를 연결하며, 상기 기판의 상단에 노출된 상태에서 외부 열원과 접촉하는 금속 전극층과; 상기 기판 내부에 배치되며 외부 열원에서 방출되는 열 에너지를 일시적으로 저장할 수 있는 상변이물질(PCM; Phase change material)로 이루어진 PCM 박막층;을 포함하여 이루어지며, 상기 N형 반도체 기둥 및 P형 반도체 기둥의 일부분을 감싸는 형태로 상기 기판 내부에 설치되는 PCM 박막층;을 포함하여 이루어지며, 상기 기판의 하단 바닥면을 기준으로 한 상기 PCM 박막층의 수평 중심선 높이는 상기 기판의 수평 중심선 높이보다 높게 형성된 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 기판은 유연성 있는 PDMS(polydimethylsiloxane) 물질로 구성될 수 있다.
그리고, 상기 PCM 박막층은 저장되는 열용량을 증대시킬 수 있도록 복수 개가 적층된 형태로 구비될 수 있다.
이때, 상기 PCM 박막층을 구성하는 PCM 물질로서 파라핀 왁스(Paraffin wax)가 채용될 수 있다.
또한, 상기 PCM 박막층은 상기 N형 반도체 기둥 및 P형 반도체 기둥의 일부분을 둘러싸는 형태로 상기 기판 내부에 배치될 수 있다.
이때, 상기 N형 반도체 기둥과 P형 반도체 기둥은 상기 PCM 박막층을 수직으로 관통하는 구조로 배치될 수 있다.
아울러, 상기 PCM 박막층의 하부에 위치한 상기 기판 내부에는 열전도율을 낮출 수 있도록 공기층(air layer)이 추가적으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 PCM 박막층은 복수 개의 분리된 구조물 형태로 구비되어, 상기 N형 반도체 기둥과 P형 반도체 기둥의 주변부에 배치되도록 구성할 수도 있다.
이와 같은 열전발전기는 MEMS(micro electro mechanical systems) 공정을 통해 제작되는 것이 바람직하다.
한편, 상기한 구성을 갖는 본 발명에 따른 열전발전기의 제조방법은, (a) 첫 번째 몰딩 위에 액상의 폴리머 물질을 도포한 후 경화시켜 PCM 박막층 형성을 위한 공간과 N형 반도체 기둥 및 P형 반도체 기둥 형성을 위한 홀이 형성된 기판을 제작하는 단계와; (b) 상기 제작된 기판을 뒤집어서 두 번째 몰딩 위에 상기 홀 부분을 끼워 안착시킨 후 상기 기판에 형성된 공간에 PCM 물질을 채워 넣고 경화시켜 PCM 박막층을 형성하는 단계와; (c) 상기 PCM 박막층이 형성된 기판을 세 번째 몰딩 위에 끼워 안착시킨 후 상기 PCM 박막층이 형성된 상기 기판의 상부면과 상기 홀의 내주면을 포함한 상기 기판의 내/외부면에 상기 기판의 재질과 동일한 폴리머 물질을 추가적으로 코팅하는 단계와; (d) 상기 폴리머 물질이 코팅된 기판으로부터 세 번째 몰딩을 분리한 후, 상기 기판에 형성된 홀 내부에 열전 물질(thermoelectric material)을 채워 넣어 N형 반도체 기둥 및 P형 반도체 기둥을 형성하는 단계와; (e) 상기 N형 반도체 기둥 및 P형 반도체 기둥 상단에 동시에 접촉하도록 상기 기판 위에 금속 전극층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 기판 제조에 사용되는 폴리머 물질로서, 유연성 있는 폴리머 물질인 PDMS(polydimethylsiloxane)가 채용될 수 있다.
아울러, 상기 기판에 형성된 공간상에 채워지는 PCM 물질로는 파라핀 왁스(Paraffin wax)가 적용될 수 있다.
또한, 상기 몰딩으로 사용되는 폴리머 물질은 PMMA(Polymethylmethacrylate)가 채용될 수 있다.
그리고, 상기 기판에 형성된 홀 내부에 채워지는 열전 물질(thermoelectric material)로는 Bi2Te3 화합물이 적용될 수 있다.
또한, 상기 기판 위에 형성되는 금속 전극층은 진공증착이나 스퍼터링(sputtering) 또는 스크린 프린팅(screen printing) 등의 다양한 방법을 통해 형성될 수 있다.
상기한 구성을 갖는 본 발명에 따르면, 외부 열원과 가까운 열전소자 기판 내부에 상변이물질(Phase Change Material; PCM)로 이루어진 복수의 PCM 박막층을 형성하고 외부 열원 에너지를 상기 PCM 박막층에 잠열 형태로 저장하여, 외부 열원이 제거된 후에도 상기 PCM 박막층에 저장된 열에너지를 방출하여 열전소자 양 단간의 온도 차를 장시간 동안 지속적으로 유지하도록 함으로써 외부 열원 에너지의 효율적인 사용이 가능하고 열전 발전 성능을 한층 효과적으로 향상시킬 수 있다. 따라서, 열원의 공급이 일정하지 않은 인체에도 열전발전기의 적용이 가능해짐에 따라 스마트 의류 및 휴대용 전자기기의 전원 공급 장치 등과 같은 휴대가능한 제품에 적용하여 사용할 수 있고, 자동차의 배기관이나 보일러의 온수관 등과 같은 고온의 열원에 접촉하여 고효율의 열전 발전을 가능케 하는 장점이 있다. 아울러, PCM이 내장된 열전소자를 간단한 MEMS 공정을 통해 초박형의 콤팩트(compact)한 구조로 제작할 수 있고, 저렴한 비용을 들여 대량 생산할 수 있으며, PCM 박막층의 다층화를 통해 PCM의 열용량을 증대시켜 열전 발전량을 크게 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래의 열전발전기에서 사용되는 열전소자의 구조를 도시한 개념도.
도 2는 종래의 컬럼형 열전소자를 이용한 열전 어레이를 나타낸 사시도.
도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 열전발전기에 구비되는 열전소자의 구조를 도시한 사시도.
도 4는 도 3의 단면도.
도 5는 열전소자에 외부 열원이 접촉하였을 경우 PCM 내에 열에너지가 저장되는 상변화 과정을 보여주는 개념도.
도 6은 열전소자로부터 열원이 제거되었을 경우, PCM에 저장된 열에너지가 방출되는 상변화 과정을 보여주는 개념도.
도 7은 본 발명에 따른 열전소자의 열 등가 회로를 도시한 다이어그램
도 8은 열전소자로부터 열원을 제거하였을 경우 PCM이 있을 때와 없을 때의 시간에 따른 열접점부와 냉접점부 사이의 온도 차 감소비율을 비교 도시한 실험 그래프.
도 9는 PCM이 있을 때와 없을 때의 시간에 따른 출력 전압을 비교 도시한 그래프.
도 10은 본 발명에 따른 PCM이 내장된 열전소자 제조공정을 순차적으로 보여주는 공정도.
도 11은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 PCM 박막층 하부에 공기층이 형성된 열전소자 구조를 보여주는 단면도.
도 12는 도 11에 도시된 열전소자의 열 등가 회로를 도시한 다이어그램
도 13은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 분리된 형태의 PCM 박막층을 구비한 열전소자 구조를 보여주는 사시도
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 열전소자의 구조를 도시한 사시도이고, 도 4는 도 3의 단면도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 열전소자(100)는 폴리머 기판(110)과, 상기 폴리머 기판(110) 내부에 일정 간격을 두고 수직으로 세워져 평행하게 배치되는 N형 반도체 기둥(120) 및 P형 반도체 기둥(130)과, 상기 N형 반도체 기둥(120)의 상단과 P형 반도체 기둥(130)의 상단 사이를 연결하는 금속 전극층(1400)과, 상기 N형 반도체 기둥(120) 및 P형 반도체 기둥(130)의 일부분을 감싸며 상기 기판(110) 내부에 설치되는 PCM 박막층(150)을 포함하여 구성된다.
상기 폴리머 기판(110)은 폴리머 물질인 PDMS(polydimethylsiloxane)로 구성된다. 일반적으로 PDMS는 투명하고 말랑말랑한 유연한 특성을 가지기 때문에, 이러한 PDMS를 폴리머 기판(110)의 소재로 적용하게 되면 열전소자를 종이처럼 자유롭게 휘거나 굽히는 것이 가능하다.
상기 폴리머 기판(110) 내부에는 N형 반도체 물질로 이루어진 원 기둥 형상을 갖는 N형 반도체 기둥(120)과, P형 반도체 물질로 이루어진 원 기둥 형상을 갖는 P형 반도체 기둥(130)이 형성된다.
상기 N형 반도체 기둥(120)과 P형 반도체 기둥(130)은 상기 폴리머 기판(110)의 중심부 바닥면(F)으로부터 수직하게 세워진 형태로 형성되며, 2개의 기둥(120)(130)은 서로 일정 간격으로 이격된 상태에서 평행하게 배치된 구조를 갖는다. 그리고 상기 N형 반도체 기둥(120)과 P형 반도체 기둥(130)의 상단 및 하단은 폴리머 기판(110)의 상,하부 외측방향으로 각각 노출된 구조를 갖는다.
상기 금속 전극층(1400)은 열원(heat source)이 직접적으로 접촉하는 부분이다. 이러한 금속 전극층(1400)은 상기 폴리머 기판(110)의 상부에 노출된 N형 반도체 기둥(120)의 상단과 P형 반도체 기둥(130)의 상단을 서로 연결하기 위해 폴리머 기판(110)의 상부면에 적층 형성된다. 이때, 상기 금속 전극층(1400)은 진공증착(evaporation), 스퍼터링(sputtering), 스크린 프린팅(screen printing) 등과 같은 다양한 방법을 사용하여 폴리머 기판(110) 상부에 형성될 수 있다.
상기 PCM 박막층(150)은 외부 열원이 접촉되는 금속 전극층(1400)과 근접한 폴리머 기판(110) 내부에 형성된다. 이러한 PCM 박막층(150)은 열 에너지를 저장할 수 있는 상변이물질, 즉, PCM(Phase change material)으로 이루어진 얇은 박막층이다. 상기 PCM 박막층(150)을 구성하는 PCM 물질은 녹는점 온도 이상으로 온도가 올라가면 고체에서 액체로 바뀌는 상변화 과정을 통해 열을 흡수하여 축적하고, 응결점 이하의 온도로 내려가면 다시 액체에서 고체로 바뀌는 상변화 과정을 통해 저장된 열을 방출할 수 있는 물질이다. 본 발명에서는 이러한 PCM 박막층(150)을 구성하는 PCM 물질로서 파라핀 왁스(Paraffin wax)를 사용하고 있다. 일반적으로 파라핀 왁스는 55℃ 이하의 낮은 녹는점과 상변화를 수반하는 173000J/Kg 정도의 잠열을 갖는 특성이 있다. 본 발명은 이와 같은 파라핀 계열 이외에도, 지방산 계열, 에스테르 계열 등 다양한 종류의 PCM 물질을 사용하여 PCM 박막층(150)을 구성할 수 있다.
한편, 상기한 PCM 박막층(150)은 폴리머 기판(110) 내부에서 N형 반도체 기둥(120)과 P형 반도체 기둥(130)의 일부분을 감싸는 형태로 배치된다. 즉, 상기 PCM 박막층(150)은 폴리머 기판(110)의 바닥면 또는 금속 전극층(1400)과 평행하게 배치되어 N형 반도체 기둥(120) 및 P형 반도체 기둥(130)이 상기 PCM 박막층(150)을 수직 방향으로 관통하도록 형성된다.
이때, 상기 PCM 박막층(150)은 상기 폴리머 기판(110) 내에서 열원이 위치되는 열접점부(hot junction)(A)와 근접한 위치에 배치되는데, 기판(110)의 높이방향으로 열전달이 비대칭적으로 발생되도록, 상기 폴리머 기판(110)의 하단부 바닥면(F)을 기준으로 하여, 상기 PCM 박막층(150)의 수평 중심선(C1)의 높이(H1)가 상기 기판(110)의 수평 중심선(C2)의 높이(H2)보다 더 높은 위치에 놓이도록 배치되는 것이 바람직하다. 이와 같이 상기 PCM 박막층(150)을 열원(200)이 접촉되는 열접점부(A) 부근에 가깝게 배치함으로써 열원(200)으로부터 소산되는 많은 양의 열에너지를 저장할 수 있고, 열원(200)이 제거된 후에는 PCM 박막층(150)에 저장되어 있던 열을 부근에 위치한 열접점부(A)로 많이 방출하여 기판(110) 양단 간의 온도 차를 크게 유지할 수 있기 때문에 외부 열원이 제거된 후에도 효율적으로 지속적으로 전기 에너지를 발생시킬 수 있다. 또한, 이러한 PCM 박막층(150)을 기판(110) 내부에 다수 층으로 적층하여 구성하게 되면, 열원로부터 소산되는 열에너지 저장용량을 증대시킬 수 있다.
도 5는 PCM 박막층(150)이 내장된 본 발명의 열전소자(100)에 외부 열원이 접촉하였을 경우 PCM 박막층(150) 내에 열에너지가 저장되는 상변화 과정을 보여준다. 도 5에서 보는 바와 같이, 열원(200)이 기판(110) 상단의 금속 전극층(1400)에 접촉되었을 경우, PCM 박막층(150)의 PCM 온도가 상승되어 녹는점(melting point)에 도달하게 되면 PCM은 고체에서 액체로 바뀌는 상변화 과정을 통하여 열을 흡수하여 잠열을 축적하게 된다. 반면, 열원(200)이 제거되었을 경우에는 도 6에서 보는 것과 같이 PCM 온도가 하강되어 응결점에 도달하게 되면 다시 액체에서 고체로 바뀌는 상변화 과정을 통해 PCM에 저장되어 있던 잠열을 근접된 기판(110) 상부의 열접점부(A)로 많은 양을 방출함으로써 열접점부(A)와 냉접점부(B) 사이의 온도 차를 일정 시간 동안 지속적으로 유지시시켜 효율적이며 지속적인 열전 발전을 가능케 한다.
이와 같은 PCM 물질에 의한 축열 및 방열 메카니즘은 도 7에 도시한 열평형 회로를 통해 표현될 수 있다. 도 7의 열평형 회로에서 보는 바와 같이, 본 발명의 열전소자(100)에 있어서, PCM은 회로에서 열에너지를 저장하는 커패시터(capacitor)로서 작동된다. 즉, 스위치가 닫혀있을 때에는 열원(heat source)으로부터 발생되는 열로 인해 기판(PDMS)과 PCM의 온도가 증가하게 되어 열 에너지가 각각 저장된다. 이때, PCM의 경우는 온도가 증가함에 따라 고체에서 액체로 변하는 상변화 과정을 거치면서 더욱더 많은 열량이 저장된다. 반면, 스위치가 열려있을 때에는 기판(PDMS)과 PCM에 저장된 열 에너지가 방출되는데, 이때, PCM에 저장된 열 에너지가 더욱 많기 때문에 기판(PDMS)의 양 단간의 온도 차가 오래도록 유지된다.
여기서, 도 7의 열평형 회로에서, RPCM은 PCM의 열저항, Rcontact는 열원과의 접촉 열저항, RPDMS는 PDMS의 열저항, RTEG 는 열전대 내부 열저항, CPDMS는 PDMS의 열용량, CPCM은 PCM의 열용량을 말한다.
도 8은 열전소자에 열원을 일정시간 동안 접촉시킨 후 제거하였을 때에, PCM이 있을 때와 없을 때의 시간에 따른 기판 양단 접점부(A)(B)들 사이의 온도 차 감소율을 비교 도시한 실험 그래프이다. 위의 실험에서 열원의 온도는 60℃로 설정하고, 열원을 통해 열전소자를 10분 동안 가열하였다. 도 8의 실험 결과를 통해 알 수 있듯이, PCM이 없는 기존 열전발전기와 PCM이 있는 본 발명의 열전발전기는 열원이 존재하는 동안에는 기판 양단의 접점부들 사이의 온도차와 출력전압이 거의 유사하였다. 그러나, 열원을 제거하였을 경우, PCM이 없는 기존 열전소자는 열원이 제거된 시점에서 시간의 경과에 따라 기판 양 단 접점부 사이의 온도 차가 급격하게 감소되는 현상이 나타난 반면, PCM이 내장된 본 발명의 열전소자(100)의 경우에는 기판 양 단 접점부 사이의 온도 차가 서서히 감소되는 것을 확인할 수 있었다.
그리고, 도 9는 PCM이 내장된 본 발명의 열전소자와 PCM이 없는 기존 열전소자의 시간에 따른 출력 전압을 비교 도시한 실험 그래프이다. 도 9의 실험 그래프로부터 알 수 있듯이, PCM이 없는 기존 열전소자의 경우 열원이 제거된 시점에서 시간의 경과에 따라 출력 전압이 급격하게 감소되는 현상이 나타난 반면, PCM이 있는 본 발명의 열전소자의 경우에는 출력 전압이 서서히 감소되어 일정시간 동안 일정 수준의 출력 전압이 지속적으로 유지되는 것을 확인할 수 있었다.
결과적으로, 본 발명의 PCM이 내장된 열전소자는 열원이 제거된 후에도 양단 각 접점부 사이의 온도차 및 출력 전압이 기존의 열전소자보다 모두 높고 매우 느리게 감소되는 것을 확인할 수 있다. 이러한 결과로부터 본 발명의 열전소자는 열원이 제거된 이후에도 PCM에 저장되어 있던 열에너지를 이용하여 전기에너지를 효율적이며 지속적으로 발생시킬 수 있다는 것을 확인할 수 있었다.
한편, 상술한 구성을 갖는 본 발명에 따른 PCM이 내장된 열전소자(100)는 MEMS(micro electro mechanical systems) 공정을 통해 제작할 수 있다.
도 10은 본 발명에 따른 PCM이 내장된 열전소자의 제조공정을 순차적으로 보여주는 공정도이다.
도 10을 참조하면, 본 발명에 따른 열전소자의 제조방법은, 먼저 PCM 박막층(150) 형성을 위한 단차부(212) 형상과 N형 반도체 기둥(120) 및 P형 반도체 기둥(130) 형성을 위한 2개의 기둥부(214) 형상을 갖는 첫 번째 몰딩(210) 위에 액상의 폴리머(poly) 물질을 도포한 후 일정시간 동안 경화시켜서 PCM 박막층 형성을 위한 공간(112)과 N형 반도체 기둥 및 P형 반도체 기둥 형성을 위한 홀(114)이 형성된 폴리머 기판(110)을 제작한다.(a)
이때, 상기 폴리머 기판(110) 제조 시 사용되는 폴리머 물질로는 투명하고 유연한 특성을 갖는 폴리머 물질인 PDMS(polydimethylsiloxane)가 사용될 수 있다. 또한, 상기 폴리머 기판(110)의 외형을 형성하기 위한 상기 몰딩(210) 소재로는 PMMA(Polymethylmethacrylate)의 폴리머 소재가 사용될 수 있다.
상기 (a) 단계로부터 폴리머 기판(110) 제작이 완료되면, 다음으로, 상기 제작된 폴리머 기판(110)을 뒤집은 후 또 다른 형상의 두 번째 몰딩(220) 위에 기판의 홀(114) 부분을 끼워 넣어 안착시킨 다음에, 상기 기판(110)에 형성된 공간(112)에 액상의 PCM 물질(파라핀 왁스)을 채워 넣고 경화시켜서 PCM 박막층(150)을 형성한다.(b)
그런 다음, PCM 박막층(150)이 형성된 폴리머 기판(110)을 또 다른 형태의 세 번째 몰딩(230) 위에 기판(110)의 홀(114) 부분을 끼워 안착시킨 후에, 상기 PCM 박막층(150)이 형성된 폴리머 기판(110)의 상부면과, 홀(114)의 내주면을 포함한 상기 폴리머 기판(110)의 모든 내/외부면에 기판(110)의 재질과 동일한 PDMS 물질을 코팅하여 전기적인 절연막을 형성한다(c)
이렇게 폴리머 기판(110)의 내/외부면에 PDMS 코팅이 완료된 후에는, 다음으로 상기 PDMS가 코팅된 기판(110)으로부터 세 번째 몰딩(230)을 분리한 다음, 상기 기판(110)에 형성된 홀(114) 내부에 N형 반도체 또는 P형 반도체로 구성된 열전 물질(thermoelectric material)을 채워 넣어 폴리머 기판(110) 내부에 N형 반도체 기둥(120) 및 P형 반도체 기둥(130)을 형성한다.(d)
이때, 상기 폴리머 기판(110)의 홀(114) 내부에 채워지는 열전 물질로는 Bi2Te3(Bismuth Telluride) 화합물이 사용될 수 있다.
이와 같이 기판(110) 내부에 N형 반도체 기둥(120) 및 P형 반도체 기둥(130) 형성이 완료딘 후에는, 상기 폴리머 기판(110)에 형성된 N형 반도체 기둥(120) 및 P형 반도체 기둥(130)의 각 상단부 사이를 연결하기 위한 금속 전극층(1400)을 형성하게 된다.(e)
이때, 상기 기판(110) 위에 형성되는 금속 전극층(1400)은 진공증착이나 스퍼터링(sputtering) 또는 스크린 프린팅(screen printing) 등의 다양한 방법을 통해 형성할 수 있다.
상기한 바와 같은 간단한 MEMS 공정을 통해 PCM 박막층(150)이 내장된 콤팩트(compact)한 구조의 열전소자(100)를 쉽고 간편하게 제작할 수 있다. 또한, MEMS 공정을 이용하여 열전소자를 초박형으로 제작 가능하기 때문에 스마트 의류와 같은 플렉시블(flexible)한 설치면이나 또는 휴대용 전자기기 등의 전원 공급 장치로서 효과적으로 적용하여 사용할 수 있다. 아울러, 열전소자 기판(110) 내에 여러 개의 PCM 박막층(150)을 적층하여 구성하거나 PCM이 내장된 열전소자(100)를 여러 개 연결하여 구성하게 되면, PCM의 열용량을 증대시킬 수 있기 때문에 열전 발전량을 크게 향상시킬 수 있다. 따라서, 자동차의 배기관이나 보일러의 온수관 등과 같은 고온의 열원에 접촉하여 고효율의 열전 발전을 가능케 할 수 있다.
한편, 도 11은 본 발명의 다른 실시 예를 도시한 것으로서, 폴리머 기판(110)의 PCM 박막층(150) 하부에 공기층(air layer)이 형성된 열전소자 구조를 보여주는 단면도이다. 그리고, 도 12는 도 11에 도시된 열전소자의 열평형 회로를 보여주는 다이어그램이다.
도 11 및 도 12에 도시한 바와 같이, 열전소자(100)의 기판(110) 내부에는 PCM 박막층(150) 하부에 일정 크기(부피)를 갖는 공기층(air layer)(170)이 추가적으로 형성될 수 있다. 이러한 공기층(170)은 PCM 박막층(150)에서 기판(110) 하단의 냉접점부(cold juction)로 향하는 열전도율을 감소시킴으로써 기판(110) 양단의 두 접점부 사이의 온도차를 보다 크게 유지시킬 수 있고, 이에 따라, 열전소자(100)로부터 보다 큰 출력 전압을 얻을 수 있다.
또한, 도 13에 보이는 본 발명의 또 다른 실시 예 형태와 같이, 폴리머 기판(110) 내부에 형성되는 PCM 박막층(150)을 복수 개의 분리된 구조물 형태로 구비하여, N형 반도체 기둥(120) 및 P형 반도체 기둥(130)의 주변부에 동일 평면상에 배치되도록 구성할 수도 있다. 이처럼 열전소자 기판(110)에 내장되는 PCM 박막층(150)을 기판(110) 하단의 냉접점부(B)보다 상단의 열접점부(A)에 더 가까운 위치상에 근접하게 배치한 구조를 채용한 경우라면 상기 PCM 박막층(150)의 형상 및 개수를 다양하게 변경하여 실시 가능하다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이같은 특정 실시 예에만 한정되지 않으며, 해당분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 특허청구범위 내에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경이 가능할 것이다.
100 : 열전소자 110 : 기판
120 : N형 반도체 기둥 130 : P형 반도체 기둥
140 : 금속 전극층 150 : PCM 박막층
200 : 열원 210,220,230 : 몰딩

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  10. (a) 첫 번째 몰딩 위에 액상의 폴리머 물질을 도포한 후 경화시켜 PCM 박막층 형성을 위한 공간과 N형 반도체 기둥 및 P형 반도체 기둥 형성을 위한 홀이 형성된 기판을 제작하는 단계와;
    (b) 상기 제작된 기판을 뒤집어서 두 번째 몰딩 위에 상기 홀 부분을 끼워 안착시킨 후 상기 기판에 형성된 공간에 PCM 물질을 채워 넣고 경화시켜 PCM 박막층을 형성하는 단계와;
    (c) 상기 PCM 박막층이 형성된 기판을 세 번째 몰딩 위에 끼워 안착시킨 후 상기 PCM 박막층이 형성된 상기 기판의 상부면과 상기 홀의 내주면을 포함한 상기 기판의 내/외부면에 상기 기판의 재질과 동일한 폴리머 물질을 추가적으로 코팅하는 단계와;
    (d) 상기 폴리머 물질이 코팅된 기판으로부터 세 번째 몰딩을 분리한 후, 상기 기판에 형성된 홀 내부에 열전 물질(thermoelectric material)을 채워 넣어 N형 반도체 기둥 및 P형 반도체 기둥을 형성하는 단계와;
    (e) 상기 N형 반도체 기둥 및 P형 반도체 기둥 상단에 동시에 접촉하도록 상기 기판 위에 금속 전극층을 형성하는 단계;를 포함하는 열전소자 제조방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 폴리머 물질은 PDMS(polydimethylsiloxane)인 것을 특징으로 하는 열전소자 제조방법
  12. 제10항에 있어서, 상기 PCM 물질은 파라핀 왁스(Paraffin wax)인 것을 특징으로 하는 열전소자 제조방법
  13. 제10항에 있어서, 상기 몰딩은 PMMA(Polymethylmethacrylate)로 이루어진 것을 특징으로 하는 열전소자 제조방법
  14. 제10항에 있어서, 상기 홀 내부에 채워지는 열전 물질(thermoelectric material)은 Bi2Te3 화합물인 것을 특징으로 하는 열전소자 제조방법
  15. 제10항에 있어서, 상기 금속 전극층은 진공증착, 스퍼터링(sputtering), 스크린 프린팅(screen printing) 중 어느 하나의 공정을 통해 형성되는 것을 특징으로 하는 열전소자 제조방법
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