KR101780943B1 - Spin thermoelectric and the fabrication method thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 스핀 열전 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로서, YIG 재료를 혼합하고, 졸-겔법에 의해 YIG 파우더가 형성되는 단계; 상기 YIG 파우더를 칼시네이션 공정에 의해 1차 열처리하여 결정화하는 단계; 상기 열처리된 YIG 파우더가 프레싱 공정에 의해 YIG 필렛으로 형성되는 단계; 상기 YIG 필렛을 신터링 공정에 의해 2차 열처리하여 자성특성을 갖는 열전층을 제조하는 단계; 및 상기 열전층 상에 전극층을 형성하는 단계;를 포함하되, 상기 2차 열처리하는 단계에서, 상기 2차 열처리 온도는 1400℃로 상기 1차 열처리 온도보다 높은 스핀 열전 소자의 제조방법이다. The present invention relates to a spin thermoelectric device and a method of manufacturing the same, which comprises mixing a YIG material and forming a YIG powder by a sol-gel method; Crystallizing the YIG powder by a first heat treatment by a calcination process; The heat-treated YIG powder is formed into a YIG fillet by a pressing process; Preparing a thermoelectric layer having magnetic properties by subjecting the YIG fillet to a secondary heat treatment by a sintering process; And forming an electrode layer on the thermoelectric layer, wherein the second heat treatment temperature is 1400 ° C higher than the first heat treatment temperature in the second heat treatment step.

Description

스핀 열전 소자 및 이의 제조방법{SPIN THERMOELECTRIC AND THE FABRICATION METHOD THEREOF}[0001] SPIN THERMOELECTRIC AND THE FABRICATION METHOD THEREOF [0002]

본 발명은 스핀 열전 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 졸-겔법을 이용하여 제작된 스핀 열전 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a spin thermoelectric device and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a spin thermoelectric device manufactured using a sol-gel method and a manufacturing method thereof.

최근, 지속 가능한 사회를 향한 환경·에너지 문제에 대한 대처가 활발화되고 있는 가운데, 열전 변환 소자에의 기대가 높아지고 있다. 열은 체온, 태양광, 엔진, 공업 배열 등 다양한 매체로부터 얻을 수 있는 가장 일반적인 에너지원이기 때문이다.Recently, in response to environmental and energy problems toward a sustainable society, expectations for thermoelectric conversion devices are increasing. Heat is the most common source of energy available from a variety of sources, including body temperature, sunlight, engines, and industrial arrangements.

그로 인해, 저탄소 사회에 있어서의 에너지 이용의 고효율화나, 유비쿼터스 단말기·센서 등에의 급전과 같은 용도에 있어서, 열전 소자는 향후 점점 더 중요해지는 것이 예상된다.As a result, it is expected that thermoelectric elements will become increasingly important in the future, such as the high efficiency of energy use in a low-carbon society and the power supply to ubiquitous terminals and sensors.

열전 소자의 구조로 종래에는 Bi2Te3 등의 열전 반도체의 소결체를 가공·접합하여 열전대 모듈구조를 조립하는 벌크형 열전 변환 소자가 일반적이었지만, 최근에는 스퍼터 등으로 기판 상에 열전 반도체 박막을 성막하여 모듈을 제작하는 박막형 열전 소자의 개발도 진행되어 주목받고 있다.Conventionally, a bulk-type thermoelectric conversion element for assembling a thermoelectric module structure by processing and bonding a sintered body of a thermoelectric semiconductor such as Bi2Te3 has been generally used as a thermoelectric element structure. Recently, a thermoelectric semiconductor thin film is formed on a substrate by sputtering or the like, The development of a thin film type thermoelectric element has also been attracting attention.

이러한 박막형 열전 소자의 이점으로서는, 소형·경량이고, 스퍼터나 도포·인쇄 등으로 대면적일괄 성막이 가능하여 생산성이 높으며, 저렴한 기판을 사용함으로써 저비용화가 가능할 수 있다.The advantage of such a thin film type thermoelectric device is that it can be reduced in cost by using a small-sized, light-weight, high-productivity, and low-cost substrate that can be formed into a large-area batch film by sputtering, coating and printing.

여기서, 박막형 열전 소자는 지금까지 도포나 인쇄에 의해 제조되었다. 예를 들어, 분말화한 Bi2Te3를 바인더와 혼합하여 페이스트화한 것을 스크린 인쇄법 등으로 기판 상에 도포하여 열전 소자 패턴을 형성하고 있다. 또한, 열전 반도체 재료, 전극 재료를 포함하는 잉크를 잉크젯법으로 패턴 인쇄하여 열전 소자를 형성하고 있다. 또한, 열전 재료로서 유기 반도체를 사용하여 인쇄 프로세스에 의해 열전 소자를 형성하고 있다.Here, the thin film type thermoelectric element has heretofore been produced by coating or printing. For example, powdered Bi 2 Te 3 is mixed with a binder to form a paste, which is applied on a substrate by screen printing or the like to form a thermoelectric device pattern. In addition, a thermoelectric element is formed by pattern printing an ink containing a thermoelectric semiconductor material and an electrode material by an ink-jet method. Further, a thermoelectric element is formed by a printing process using an organic semiconductor as a thermoelectric material.

그러나, 상기한 박막형 열전 소자는 박막이므로, 박막 표면/이면 간에서의 온도차 생성·유지가 곤란하다는 문제가 있었다. 즉, 많은 발전 용도에서는 열전 재료를 갖는 박막면에 수직인 방향으로 온도차(온도 구배)를 인가하여 열전 변환을 행하지만, 열전 반도체 박막의 막 두께가 얇아지면 얇아질수록 열 차단(열 저항)이 불충분해지는 점에서, 열전 반도체 박막의 표면과 이면의 사이의 온도차를 유지하는 것이 어려워지거나, 온도차의 대부분이 열전 반도체 박막의 표면과 이면이 아니라 기판의 표면과 이면의 사이에 발생하거나 하므로 효율적인 발전을 할 수 없게 된다.However, since the thin film type thermoelectric element is a thin film, there is a problem that it is difficult to generate and maintain a temperature difference between the thin film surface and the back surface. That is, in many power generation applications, the temperature difference (temperature gradient) is applied in the direction perpendicular to the thin film surface having the thermoelectric material to effect the thermoelectric conversion. However, as the thickness of the thermoelectric semiconductor thin film becomes thinner, It is difficult to maintain the temperature difference between the front surface and the back surface of the thermoelectric semiconductor thin film or most of the temperature difference occurs between the front and back surfaces of the thermoelectric semiconductor thin film and not between the front and back surfaces of the thermoelectric semiconductor thin film. Can not.

이 열 차단 특성을 향상시키기 위해서, 열전 반도체막의 막 두께를 두껍게 하거나(예를 들어, 수 10㎛ 이상으로 하거나), 열전 반도체의 열전도율을 작게 하거나 중 어느 한쪽의 방법을 생각할 수 있는데, 막 두께를 두껍게 하면 할수록 열전대 구조를 도포·인쇄 프로세스 등으로 패터닝·제작하는 것이 곤란해져서 생산성이 악화되므로, 고변환 효율화와 저비용 생산성의 사이에서 트레이드오프(tradeoff)가 발생할 수 있다.In order to improve the heat shielding property, either the thickness of the thermoelectric semiconductor film may be increased (for example, several tens of micrometers or more), or the thermal conductivity of the thermoelectric semiconductor may be reduced. As the thickness of the thermocouple structure becomes thicker, it becomes difficult to pattern and manufacture the thermocouple structure by the application and printing process, and the productivity is deteriorated. Thus, a tradeoff may occur between high conversion efficiency and low cost productivity.

또한, 열전도율이 작은 재료일수록 전기 전도율도 작은 경향이 있으므로, 종래의 열전 발전에는 전기 전도율이 높은 열전 재료가 필요해지는 것을 생각하면, 전기 전도율과 열전도율의 사이에는 역시 트레이드오프가 발생하므로, 열전도율의 저감에는 한계가 있다.Considering that a thermoelectric material having a high electrical conductivity is required for a conventional thermoelectric power generation, there is a trade-off between the electrical conductivity and the thermal conductivity as well, so that the thermal conductivity is reduced There is a limit.

한편, 최근에는, 자성 재료에 온도 구배를 인가하면, 전자 스핀(electron spin)의 흐름이 발생하는 스핀 시벡 효과(spin Seebeck effect)가 발견되고 있다.On the other hand, recently, when a temperature gradient is applied to a magnetic material, a spin seebeck effect in which a flow of an electron spin occurs is found.

열전 소자는 스퍼터링법으로 성막한 강자성 금속막과 금속 전극으로 구성될 수 있는 데, 이 구성에 의하면, 강자성 금속막면에 평행한 방향의 온도 구배를 부여하면, 스핀 시벡 효과에 의해 온도 구배에 따른 방향으로 스핀류가 유기(誘起)된다. 이 유기된 스핀류는 강자성 금속에 접하는 금속 전극에 있어서의 역 스핀 홀 효과에 의해 전류로서 외부에 취출할 수 있다. 이에 의해 열로부터 전력을 취출하는 온도차 발전이 가능해진다.The thermoelectric element can be composed of a ferromagnetic metal film formed by a sputtering method and a metal electrode. According to this configuration, when a temperature gradient in a direction parallel to the ferromagnetic metal film surface is given, The spin current is induced (induced). The induced spin current can be taken out to the outside as a current due to the reverse spin Hall effect in the metal electrode in contact with the ferromagnetic metal. This makes it possible to generate temperature difference for extracting electric power from the heat.

이 스핀 시벡 효과를 이용하면, 열전대 모듈 구조를 사용한 종래형의 열전 변환 소자와 달리 복잡한 열전대 구조가 불필요하므로, 상기한 구조 패터닝에 관한 과제는 해결되어 저비용으로 대면적화가 용이한 박막 열전 소자가 얻어질 가능성이 있다.Unlike the conventional thermoelectric conversion elements using the thermoelectric module structure, the spin-shekel effect eliminates the need for a complicated thermoelectric structure. Therefore, the problem of the above-described structural patterning is solved and a thin film thermoelectric element There is a possibility of quality.

또한, 스핀 시벡 효과를 이용한 열전 변환 소자에서는, 전기 전도 부분(전극)과 열전도 부분(자성체)을 독립적으로 설계할 수 있는 점에서, 전기 전도율이 크고(오믹 손실이 작고) 열전도율이 작은(표면과 이면의 사이의 온도차를 유지하는 것이 가능한) 구조를 달성하는 것이 원리적으로 가능해진다.Further, in the thermoelectric conversion element using the spin-deflection effect, since the electrical conduction portion (electrode) and the heat conduction portion (magnetic body) can be independently designed, the electrical conductivity is large (osmotic loss is small) It is possible to maintain the temperature difference between the back surface and the back surface).

따라서, 본 발명은 종래 스핀 열전 소자 및 그 제조방법에서 제기되고 있는 상기 제반 단점과 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 졸-겔법을 이용하여 열전층이 제작된 스핀 열전 소자 및 그 제조방법이 제공됨에 발명의 목적이 있다.Accordingly, the present invention has been made to solve the above-mentioned problems and disadvantages encountered in the conventional spin thermoelectric device and its manufacturing method, and a spin thermoelectric device in which a thermoelectric layer is manufactured using a sol-gel method and a manufacturing method thereof are provided Has the object of the invention.

본 발명의 목적은 YIG 재료를 혼합하고, 졸-겔법에 의해 YIG 파우더가 형성되는 단계; 상기 YIG 파우더를 칼시네이션 공정에 의해 1차 열처리하여 결정화하는 단계; 상기 열처리된 YIG 파우더가 프레싱 공정에 의해 YIG 필렛으로 형성되는 단계; 상기 YIG 필렛을 신터링 공정에 의해 2차 열처리하여 자성특성을 갖는 열전층을 제조하는 단계; 및 상기 열전층 상에 전극층을 형성하는 단계;를 포함하되, 상기 2차 열처리하는 단계에서, 상기 2차 열처리 온도는 1400℃로 상기 1차 열처리 온도보다 높은 스핀 열전 소자의 제조방법이 제공됨에 의해서 달성된다.An object of the present invention is to provide a method of manufacturing a YIG powder, which comprises mixing a YIG material and forming a YIG powder by a sol-gel method; Crystallizing the YIG powder by a first heat treatment by a calcination process; The heat-treated YIG powder is formed into a YIG fillet by a pressing process; Preparing a thermoelectric layer having magnetic properties by subjecting the YIG fillet to a secondary heat treatment by a sintering process; And forming an electrode layer on the thermoelectric layer, wherein in the second heat treatment step, the second heat treatment temperature is 1400 ° C higher than the first heat treatment temperature, .

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 스핀 열전 소자는 열원에 의한 온도 구배 발현에 의해 열에너지를 전기에너지로 변환하는 열전층이 졸-겔법에 의해 형성되어 다양한 형상을 가진 스핀 열전 소자를 제작할 수 있으며, 열전층 상에 포토리소그래피 공정을 통해 다양한 디자인의 전극을 형성할 수 있다.As described above, in the spin thermoelectric device according to the present invention, a thermoelectric layer for converting heat energy into electric energy by the temperature gradient by the heat source is formed by the sol-gel method, and a spin thermoelectric device having various shapes can be manufactured , Electrodes of various designs can be formed on the thermoelectric layer through a photolithography process.

또한, 본 발명은 졸-겔법에 의해 형성된 YIG 재질의 열전층이 대량 생산이 가능하며, 다양한 형상으로 제작 가능함에 의해서 플렉시블한 소재 또는 곡면을 가진 소재에 부착 가능하여 다양한 분야에 응용 가능한 이점이 있다.Further, since the thermoelectric layer of the YIG material formed by the sol-gel method can be mass-produced and can be manufactured in various shapes, the present invention can be applied to a flexible material or a material having a curved surface, .

그리고, 본 발명의 스핀 열전 소자는 열전층의 상면에 전극층이 형성되어 열전층의 상면에서부터 하면측으로 온도 구배가 형성됨으로써, 전력 변환 효율이 더 향상되는 작용효과가 발휘될 수 있다.In the spin thermoelectric transducer of the present invention, an electrode layer is formed on the thermoelectric layer to form a temperature gradient from the top surface to the bottom surface of the thermoelectric layer, thereby improving the power conversion efficiency.

도 1은 본 발명에 따른 스핀 열전 소자의 사시도.
도 2는 본 발명에 따른 스핀 열전 소자의 평면도.
도 3은 도 1의 A-A 단면도.
도 4는 본 발명에 따른 따른 스핀 열전 소자의 다른 실시예 사시도.
도 5는 도 4의 B-B 단면도.
도 6은 본 실시예에 따른 CPV형의 태양전지가 부착된 스핀 열전 소자의 전사 모의 시뮬레이션시 온도 분포의 측면도.1 is a perspective view of a spin thermoelectric device according to the present invention.
2 is a plan view of a spin thermoelectric device according to the present invention.
3 is a sectional view taken along the line AA of Fig.
4 is a perspective view of another embodiment of a spin thermoelectric device according to the present invention.
5 is a sectional view taken along the line BB of Fig.
6 is a side view of a temperature distribution in simulating a transfer simulation of a spin thermoelectric element with a CPV type solar cell according to the present embodiment.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 기술 등은 첨부되는 도면들과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 함과 더불어, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공될 수 있다.The advantages and features of the present invention and the techniques for achieving them will be apparent from the following detailed description taken in conjunction with the accompanying drawings. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. The present embodiments are provided so that the disclosure of the present invention is not only limited thereto, but also may enable others skilled in the art to fully understand the scope of the invention.

본 명세서에서 사용된 용어들은 실시 예를 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 다수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprise)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.The terms used herein are intended to illustrate the embodiments and are not intended to limit the invention. In this specification, the singular forms include plural forms unless otherwise specified in the text. It is to be understood that the terms 'comprise', and / or 'comprising' as used herein may be used to refer to the presence or absence of one or more other components, steps, operations, and / Or additions.

본 발명에 따른 스핀 열전 소자 및 그 제조방법의 상기 목적에 대한 기술적 구성을 비롯한 작용효과에 관한 사항은 본 발명의 바람직한 실시예를 도시한 아래의 도면을 참조하여 설명하는 상세한 설명에 의해서 명확하게 이해될 것이다.The technical effects of the spin thermoelectric element and the method of manufacturing the same according to the present invention, including the technical structure thereof, can be clearly understood by referring to the following detailed description of the preferred embodiments of the present invention. Will be.

먼저, 도 1은 본 발명에 따른 스핀 열전 소자의 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 스핀 열전 소자의 평면도이며, 도 3은 본 발명에 따른 스핀 열전 소자의 단면도이다.1 is a perspective view of a spin thermoelectric device according to the present invention, FIG. 2 is a plan view of a spin thermoelectric device according to the present invention, and FIG. 3 is a sectional view of a spin thermoelectric device according to the present invention.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 스핀 열전 소자(100)는 열전층(110)과 전극층(120)으로 구성된다. 상기 전극층(120)은 열전층(110) 상에 형성된다. 이때, 상기 전극층(120)은 열전층(110) 상에서 소정의 두께를 가지는 사다리 형태로 형성될 수 있으며, 사다리 형상에 한정되는 것은 아니고 열전층(110) 상에서 다양한 디자인으로 설계되어 형성될 수 있다.As shown in the drawing, the spin thermoelectric element 100 according to the present invention includes a thermoelectric layer 110 and an electrode layer 120. The electrode layer 120 is formed on the thermoelectric layer 110. At this time, the electrode layer 120 may be formed in a ladder shape having a predetermined thickness on the thermoelectric layer 110, and may be formed in various designs on the thermoelectric layer 110, not limited to a ladder shape.

상기 열전층(110)은 태양광 또는 열원(heat source)에 의해 생성되는 온도 구배로 인하여 열에너지를 전기에너지로 변환하는 역할을 함과 아울러 전극층(120)을 지지하는 기판의 역할을 한다.The thermoelectric layer 110 serves to convert thermal energy into electric energy due to a temperature gradient generated by sunlight or a heat source and to serve as a substrate for supporting the electrode layer 120.

열전층(110)은 온도 구배에 의해 스핀 지벡 효과(Spin Seeback effect)를 나타내는 물질로 구성될 수 있으며, 대표적으로 YIG(Y3Fe5O12, Yttrium Iron Garnet)로 구성될 수 있다. 이때, 열전층(110)은 졸-겔법(Sol-Gel method)에 의해서 제작될 수 있는 바, 졸-겔법에 의해 열전층의 균질성을 향상시킬 수 있고, 저온 합성과 희토류 첨가에 의한 새로운 조성의 합성이 가능하며, 미립자 세라믹스(nano powder)의 합성에 의해 열전층의 표면적 증대 효과를 기대할 수 있다.The thermoelectric layer 110 may be formed of a material exhibiting a spin seeback effect by a temperature gradient, and may be typically formed of YIG (Y 3 Fe 5 O 12 , Yttrium Iron Garnet). At this time, the thermoelectric layer 110 can be manufactured by the sol-gel method, and it is possible to improve the homogeneity of the thermoelectric layer by the sol-gel method, and the low temperature synthesis and the new composition And the surface area of the thermoelectric layer can be expected to be increased by the synthesis of nano-powder.

상기 열전층(110)의 제작시 채용되는 졸-겔법은 가수분해 또는 탈수축합에 의해서 얻어진 수십, 수백 mm의 콜로이드(colloid)입자가 액체 중에 분산된 졸(sol)의 화염가수분해에서 얻어진 실리카 미립자 등을 액체에 분산시켜 졸(sol)에서 콜로이드 입자의 응집, 응결에 의해서 졸(sol)의 유동성이 손실되어 다공체의 겔(gel)로 되는 반응을 말한다.The sol-gel method employed in the production of the thermoelectric layer 110 is a method in which colloidal particles of several tens or several hundreds of millimeters obtained by hydrolysis or dehydration condensation are mixed with silica fine particles obtained by flame hydrolysis of sol, And the like are dispersed in a liquid, and the fluidity of the sol is lost due to agglomeration and condensation of colloid particles in the sol, resulting in a gel of the porous body.

여기서, 졸(sol)은 반응물 염이 녹은 용액으로 일반적으로 1~1000nm정도의 입자들로 이루어져있으며, 콜로이드(입자 겔)나 고체무기물 단분자(중합 겔)가 분산되어 있는 현탁액으로, 이 현탁액은 인력이나 중력의 작용이 무시할 정도로 작아 반데르발스 인력이나 표면전하가 주로 작용하여 침전이 발생하지 않고 분산된 콜로이드 형태를 띄게 된다. 콜로이드를 형성하기 위한 전구체는 다양한 반응성 배위체로 감싸진 금속으로 구성되며, 이렇게 형성된 졸은 그 분산매인 용매의 제거에 의해 겔로 전이된다.Here, the sol is a solution in which a reactant salt is dissolved. The suspension is generally composed of particles having a particle size of about 1 to 1000 nm and has a colloid (particle gel) or a solid inorganic monolayer (polymerization gel) dispersed therein. Since the action of gravity or force is negligibly small, the Van der Waals attraction or surface charge mainly acts, so that the precipitate does not occur and becomes a dispersed colloid shape. The precursor for forming the colloid is composed of metal wrapped in various reactive coordination complexes, and the thus formed sol is transferred to the gel by removal of the solvent of the dispersion medium.

또한, 겔(Gel)은 졸(Sol)의 반응이 지속되면서 분산된 고체분자들이 고분자화 되면서 연속적인 고체 망목구조를 형성하여 유동성을 잃은 상태로 졸과는 달리 유동성이 상실된 겔을 적절하게 열처리하여 단단한 세라믹스를 제조할 수 있다.In addition, the gel is formed by forming a continuous solid network structure by dispersing the solid molecules while continuing the reaction of the sol. As a result, the gel having lost fluidity is thermally treated A hard ceramics can be produced.

또한, 상기 전극층(120)은 열전층(110) 상에 형성되어 열전층(110)에 온도 구배에 의해 형성된 즉, 열에너지가 전기 에너지로 변환된 전력을 외부로 전달하는 역할을 한다. 상기 전극층(120)을 구성하는 전극들은 백금(Pt) 재질로 구성될 수 있으며, 포토리소그래피(Photolithography) 공정과 DC 스퍼터링 공정에 의해서 열전층(110) 상에 형성될 수 있다.In addition, the electrode layer 120 is formed on the thermoelectric layer 110, and serves to transfer the electric power generated by the temperature gradient to the thermoelectric layer 110, that is, heat energy converted into electric energy to the outside. The electrodes constituting the electrode layer 120 may be made of platinum (Pt), and may be formed on the thermoelectric layer 110 by a photolithography process and a DC sputtering process.

상기 전극층(120)은 도 1 및 도 2에 구체적으로 도시된 바와 같이 양측에 평행하게 형성된 주전극부(121)와, 주전극부(121)와 직교하며 연결되는 복수의 부전극부(122)로 구성될 수 있다. 주전극부와 부전극부는 사다리 형태 외에 다양한 형상으로 연결될 수 있으며, 이에 따라 주전극부와 부전극부가 항상 직교하는 형태로 연결되는 것은 아니다. 이때, 주전극부(122)의 양단부는 도선(도면 미도시)이 별도로 연결되고 전극층을 통해 전달되는 전기는 도선을 통해 외부로 공급된다.1 and 2, the electrode layer 120 includes a main electrode portion 121 formed parallel to both sides of the main electrode portion 121, a plurality of sub electrode portions 122 perpendicularly connected to the main electrode portion 121, ≪ / RTI > The main electrode portion and the sub electrode portion may be connected in various shapes other than a ladder shape, so that the main electrode portion and the sub electrode portion are not always connected in an orthogonal shape. At this time, electric wires (not shown) are separately connected to both ends of the main electrode part 122, and electricity that is transmitted through the electrode layer is supplied to the outside through the electric wire.

전극층(120)은 포토레지스트(PR : Photo Resist)와 마스크 패턴을 이용한 포토리소그래피 공정을 통해 형성될 때, 전극이 형성될 영역에 마스크 패턴을 형성하고 그 외의 영역에 PR 용액을 도포한 후 광을 조사하여 마스크 패턴 형성 영역에 전극 패턴을 형성하는 포지티브(positive) 방식을 이용할 수 있으며, 전극이 형성될 영역에 PR 용액을 도포하고, 그 외의 영역에 마스크 패턴을 형성한 후 광을 조사하여 PR 용액 도포 영역에 전극 패턴을 형성하는 네거티브(negative) 방식으로 형성될 수 있다.When the electrode layer 120 is formed through a photolithography process using a photoresist (PR: Photo Resist), a mask pattern is formed in an area where the electrode is to be formed, a PR solution is applied to the other area, A PR solution is applied to a region where an electrode is to be formed and a mask pattern is formed in an area where the electrode is to be formed and then light is irradiated to form a PR solution Or may be formed in a negative manner in which an electrode pattern is formed in the application region.

이와 같은 포지티브 방식과 네거티브 방식은 전극층(120)의 디자인 형태에 따라 제조 과정에서 적절히 선택될 수 있으며, 전극 디자인의 설계 형상에 따라 유리한 방식으로 선택할 수 있다.The positive and negative electrodes may be appropriately selected according to the design of the electrode layer 120 and can be selected in a favorable manner according to the design of the electrode design.

상기 전극층(120)을 구성하는 주전극부(121)와 부전극부(122)는 각각 균일한 간격을 이루어 복수개로 형성되는 것이 바람직하며, 주전극부(121)와 부전극부(122)가 열전층(120) 상에서 동일 또는 유사한 두께(t)로 형성되는 것이 바람직하다.The main electrode portion 121 and the sub electrode portion 122 may be spaced apart from each other with a uniform spacing. The main electrode portion 121 and the sub electrode portion 122 It is preferable that they are formed with the same or similar thickness t on the thermoelectric layer 120.

상기 전극층(120)의 두께(t)는 5nm 이상 20nm 이하로 형성될 수 있는 데, 그 두께가 5nm 이하일 경우에는 열전층(110)에서 전력 변환된 전기 에너지의 전달시 저항이 증가하게 되어 전력 효율이 저하될 수 있으며, 전극층(120)의 두께가 20nm 이상일 경우에는 전극층의 배면측에서 흐르는 전류(back flow current)가 증가하게 되어 전력 효율이 저하될 수 있다. 이때, 상기 전극층(120)의 두께는 백 플로우 커런트를 최소로 하면서 전력 전달의 저항을 최소로 하여 전력 효율이 최대화되는 15nm의 두께로 설계함이 가장 바람직하다.The thickness t of the electrode layer 120 may be greater than or equal to 5 nm and less than or equal to 20 nm. If the thickness of the electrode layer 120 is less than or equal to 5 nm, the resistance of the thermoelectric layer 110 during the transfer of the electric power, And when the thickness of the electrode layer 120 is 20 nm or more, the back flow current at the back side of the electrode layer increases, and the power efficiency may decrease. At this time, it is most preferable that the thickness of the electrode layer 120 is designed to be 15 nm, which maximizes power efficiency by minimizing backflow current while minimizing power transfer resistance.

또한, 상기 주전극부(121) 및 부전극부(122)의 길이(l)는 6mm 이상, 그 폭(w)은 0.1mm 이상으로 형성될 수 있으며, 상기 주전극부(121)를 직교하며 연결하는 부전극부(122)는 일렬로 복수개 형성되되, 그 간격(i)이 0.6mm 내지 0.7㎜로 형성됨이 바람직하다.The main electrode portion 121 and the sub electrode portion 122 may have a length l of at least 6 mm and a width w of at least 0.1 mm. A plurality of sub electrode portions 122 are formed in a row, and the interval i is preferably 0.6 mm to 0.7 mm.

여기서, 상기 주전극부(121)와 부전극부(122)의 길이가 6mm 이하로 형성될 경우, 스핀 디퓨젼 길이(spin diffusion length)가 충분히 확보되지 않기 때문에 스핀 제백 효과를 나타낼 수 있는 스핀 커런트(spin current)가 확보되지 않아 온도 구배에 따른 충분한 전력 변환이 이루어지지 않기 때문에 에너지 변환 효율이 저하될 수 있으므로, 그 길이를 6mm 이상의 충분한 길이로 형성함이 바람직하다.If the lengths of the main electrode portion 121 and the sub electrode portion 122 are 6 mm or less, the spin diffusion length is not sufficiently secured. Therefore, the spin current the spin conversion efficiency can be lowered because the spin current is not ensured and sufficient power conversion is not performed according to the temperature gradient. Therefore, it is preferable that the length is formed to be a sufficient length of 6 mm or more.

또한, 상기와 같은 이유로 주전극부(121)와 부전극부(122)의 폭도 0.1mm 이상으로 형성될 수 있다.In addition, the width of the main electrode portion 121 and the sub-electrode portion 122 may be 0.1 mm or more.

이와 같이 구성된 본 발명의 스핀 열전 소자(100)는 열전층(110)이 졸-겔법에 의해 제작됨에 따라 플렉시블한 표면이나 곡면 등에 적용 가능한 다양한 형상으로 형성될 수 있으며, 이에 따라 도트(dot) 형태 또는 격자 형태로 형성될 수 있다. 이때, 도트 형태 또는 격자 형태의 스핀 열전 소자들은 열전층 상에 다양한 디자인의 전극층이 형성될 수 있다.As the thermoelectric layer 110 is manufactured by the sol-gel method, the spin thermoelectric element 100 of the present invention having the above-described structure can be formed into various shapes applicable to a flexible surface or a curved surface, Or in the form of a lattice. At this time, dot-shaped or lattice-shaped spin thermoelectric elements can be formed with various electrode layers on the thermoelectric layer.

핀 열전 소자들은 별도의 열원(heat source) 없이 태양광을 직접 열원으로 이용하여 전기 에너지를 발생시킬 수 있다. 이에 따라 스핀 열전 소자를 자동차 또는 선박의 강판 표면에 채용하여 태양광에 의한 열에너지를 전기에너지로 변환하여 사용할 수 있는 분야에 응용이 가능할 수 있다.Pin thermoelectric devices can generate electric energy by using solar light directly as a heat source without a separate heat source. Accordingly, the present invention can be applied to a field where a spin thermoelectric element is applied to the surface of a steel sheet of an automobile or a ship to convert thermal energy caused by sunlight into electric energy.

또한, 플렉시블한 소재에 부착 가능한 형태로 압전층이 제작될 경우 시계나 스마트워치 등의 웨어러블 기기에 채용되어 인체의 체온을 열원으로 이용함에 의해서 전기 에너지를 생성시킬 수 있다.In addition, when a piezoelectric layer is manufactured in a form that can be attached to a flexible material, it is used in a wearable device such as a watch or a smart watch, and electric energy can be generated by using the body temperature of the human body as a heat source.

한편, 도 4는 본 발명에 따른 따른 스핀 열전 소자의 다른 실시예 사시도이고, 도 5는 도 4의 단면도이다.FIG. 4 is a perspective view of another embodiment of the spin thermoelectric device according to the present invention, and FIG. 5 is a cross-sectional view of FIG.

도시된 바와 같이, 본 실시예의 스핀 열전 소자(100)는 압전층(110)과, 압전층(110) 상에 형성된 전극층(120)이 형성되고, 전극층(120) 상에 열원으로 이용되는 태양전지(200)가 부착될 수 있다.The spin thermoelectric transducer 100 of the present embodiment includes a piezoelectric layer 110 and an electrode layer 120 formed on the piezoelectric layer 110. The electrode layer 120 is formed on the electrode layer 120, (200) can be attached.

이에 따라, 상기 태양전지(200)를 통하여 태양광을 전기에너지로 변환함과 동시에 열전층(110)에서 태양열을 전기에너지를 변환할 수 있다. Accordingly, sunlight can be converted into electric energy through the solar cell 200 and solar energy can be converted into solar energy in the thermoelectric layer 110.

또한, 본 실시예의 스핀 열전 소자(100)는 태양광을 열원으로 직접 이용할 수 있는 위치에 장착될 수 없는 경우에 별도의 열원으로 태양전지(200)를 이용하여 열전층(110) 상에 온도 구배가 발생되도록 함에 의해서 열에너지를 전기에너지로 변환될 수 있도록 할 수 있다.When the spin thermoelectric element 100 of the present embodiment can not be mounted at a position where solar light can be directly used as a heat source, a temperature gradient So that the thermal energy can be converted into electric energy.

본 실시예에서 압전층(110)을 제작할 때 졸-겔법을 이용하는 것과, 압전층(110) 상에 전극층(120)을 형성하고 상기 전극층(120)의 구성은 앞서 설명한 실시예와 동일한 것이어서 이에 대해서 중복되는 상세한 설명은 생략하기로 한다.The piezoelectric layer 110 is formed by using a sol-gel method and the electrode layer 120 is formed on the piezoelectric layer 110 and the structure of the electrode layer 120 is the same as that described above. A detailed description will be omitted.

상기 압전층(110) 상에 부착된 태양전지(200)는 집광형 태양전지인 CPV(concentrating photovoltaics)형이 바람직하다.The solar cell 200 attached on the piezoelectric layer 110 is preferably a concentrating photovoltaic (CPV) type solar cell.

하기에 도시된 도 6은 본 실시예에 따른 CPV형의 태양전지가 부착된 스핀 열전 소자의 전사 모의 시뮬레이션시 온도 분포의 측면도이다.6 is a side view of the temperature distribution in the simulation of the transfer simulation of the spin thermoelectric element with the CPV type solar cell according to the present embodiment.

도시된 바와 같이, 태양전지(200)가 부착된 압전층(110)의 상면에서부터 하면측으로 온도 구배가 형성되기 때문에 압전층(110)의 상면에 전극층(120)이 형성되고, 전극층(120) 상에 태양전지(200)가 부착되었을 때 온도 구배에 의한 전력 변환 효율이 더 향상되는 것을 알 수 있다.The electrode layer 120 is formed on the upper surface of the piezoelectric layer 110 and the upper surface of the electrode layer 120 is formed on the upper surface of the piezoelectric layer 110. [ It can be seen that the power conversion efficiency due to the temperature gradient is further improved when the solar cell 200 is attached.

이와 같이 구성된 본 실시예의 스핀 열전 소자에 대한 제조방법을 구체적으로 설명하기로 한다.A manufacturing method of the spin thermoelectric element of this embodiment having the above-described structure will be described in detail.

먼저, 본 실시예의 스핀 열전 소자는 YIG 재료를 혼합하고, 졸-겔법에 의해 열전층을 제조한다. 이때, 열전층은 도트 형태 또는 격자 형태를 비롯한 다양한 형태로 제작될 수 있다.First, the spin thermoelectric element of this embodiment mixes a YIG material and produces a thermoelectric layer by a sol-gel method. At this time, the thermoelectric layer may be formed in various shapes including a dot shape or a lattice shape.

상기 열전층의 제조 과정을 좀 더 구체적으로 살펴보면, 물에 구연산(citric acid)이 혼합된 용액에 질산이트륨(Yttrium nitrate)과 질산철(Iron nitrate)을 넣고 저온에서 합성하여 졸(sol)을 생성한다.The production process of the thermoelectric layer will be described in more detail by adding yttrium nitrate and iron nitrate to a solution of citric acid in water and synthesizing at a low temperature to form a sol do.

다음, 졸 상태의 YIG 용액을 완전 건조시켜 겔(gel) 상태의 YIG 파우더가 형성되며, YIG 파우더의 입자가 균일해지도록 그라인딩 공정을 수행한다.Next, the YIG solution in a sol state is completely dried to form a gel-state YIG powder, and a grinding process is performed to uniformize the particles of the YIG powder.

그리고, 상기 YIG 파우더를 도가니에 평평하게 담아 1차 열처리에 의한 칼시네이션(calcination) 공정을 수행하고, 프레싱 공정을 통해 YIG 필렛으로 제작된다.Then, the YIG powder is placed in a crucible and subjected to a calcination process by a first heat treatment, and is manufactured as a YIG fillet through a pressing process.

다음으로, 가열로에 분위기 파우더와 YIG 필렛을 교대로 적층하고 2차 열처리에 의한 신터링(sintering) 공정을 수행한 후 표면을 폴리싱 가공하여 다양한 형상의 열전층이 제작될 수 있다.Next, the atmosphere powder and the YIG fillet are alternately laminated to the heating furnace, and the sintering process by the second heat treatment is performed, and then the surface is polished to manufacture the thermoelectric layers of various shapes.

이때, 상기 칼시네이션 공정에 의한 1차 열처리시 YIG 파우더가 결정화되어 필렛으로 제작되며, YIG 파우더의 결정화는 850℃에서 확인되었다.During the first heat treatment by the calcination process, the YIG powder was crystallized and made into a fillet, and crystallization of the YIG powder was confirmed at 850 ° C.

또한, 신터링 공정에 의한 2차 열처리시 YIG 필렛은 열전층으로 채용되는 YIG 열전소자로 제작되면서 강자성 특성(ferrimagnet hysteresis loop)이 향상되는 것을 확인하였으며, 강자성 특성이 향상되는 2차 열처리 온도는 1400℃임이 확인되었다.In addition, the YIG filet during the second heat treatment by the sintering process showed that the ferrimagnet hysteresis loop was improved by fabricating the YIG thermoelectric element used as the thermoelectric layer, and the secondary heat treatment temperature for improving the ferromagnetic characteristics was 1400 Lt; 0 > C.

아래의 표 1은 YIG 재질의 열전층에 대하여 1차 열처리만 수행한 YIG 열전층과 1, 2차 열처리를 순차적으로 수행한 YIG 열전층의 특성 비교표이다.Table 1 below shows the comparison of the characteristics of the YIG thermoelectric layer subjected to only the first heat treatment and the YIG thermally conductive layer subjected to the first and second heat treatment sequentially for the YIG thermoelectric layer.

칼시네이션 공정 온도Calcination process temperature 신터링 공정
온도Sintering process
Temperature Magnetixation
(emu/g)Magnetixation
(emu / g) Coercivity
(Oe)Coercivity
(Oe) Mr
(emu/g)M r
(emu / g) 850℃850 ℃ -- 0.97350.9735 58955895 0.4750.475 850℃850 ℃ 1400℃1400 ° C 3.63.6 22.2822.28 0.29130.2913

상기 표 1에 기재된 바와 같이, 2차 열처리를 수행한 열전층의 강자성 특성(Magnetization, emu/g)이 현저히 우수함을 확인할 수 있다.As shown in Table 1, it can be confirmed that the ferromagnetic properties (Magnetization, emu / g) of the thermoelectric layer subjected to the second heat treatment are remarkably excellent.

한편, 상기와 같이 제작된 열전층 상에 전극층을 형성한다. 상기 전극층은 백금(Pt) 재질을 이용하여 포토리소그래피(Photolithography) 공정과 DC 스퍼터링 공정에 의해 형성될 수 있다.Meanwhile, an electrode layer is formed on the thermoelectric layer prepared as described above. The electrode layer may be formed by a photolithography process and a DC sputtering process using a platinum (Pt) material.

열전층의 제조 실시예Production Example of Thermoelectric Layer

증류수 100㎖에 구연산(citric acid) 4.611g을 혼합하고 핫플레이트(hot plate)에서 18시간동안 300rpm으로 교반한다. 구연산이 혼합된 용액의 산성도가 PH1(오렌지색)이 됨을 확인하고 교반 작업을 종료한다.To 100 ml of distilled water was added 4.611 g of citric acid and the mixture was stirred on a hot plate at 300 rpm for 18 hours. It is confirmed that the acidity of the solution mixed with citric acid becomes PH1 (orange), and the stirring operation is terminated.

다음, 구연산 용액에 질산이트륨(Yttrium nitrate) 3.475g과 질산철(Iron nitrate) 6.060g을 넣고 24시간 동안 100rpm, 80℃의 저온으로 합성시켜 YIG 용액을 제조한다.Next, 3.475 g of Yttrium nitrate and 6.060 g of iron nitrate were added to the citric acid solution and the mixture was stirred at 100 rpm for 24 hours at a low temperature of 80 ° C to prepare a YIG solution.

그리고, YIG 용액을 비이커에 담아 핫플레이트 상에서 YIG 용액의 실제 온도가 100℃가 되도록 핫플레이트를 280℃로 셋팅하여 YIG 용액을 완전 건조시킨다. 이 후에 건조된 YIG 파우더를 균일한 입자가 되도록 그라인딩하고, 도가니에 넣어 칼시네이션(Calcination) 공정을 통해 850℃로 2시간동안 1차 열처리한다. 다음, 편평한 용기에 0.5g의 파우더를 담고 1.5t의 압력으로 1분동안 프레싱하여 YIG 필렛을 제작한다.Then, the YIG solution is placed in a beaker and the YIG solution is completely dried by setting the hot plate at 280 ° C. so that the actual temperature of the YIG solution is 100 ° C. on the hot plate. Thereafter, the dried YIG powder is ground to be uniform particles, placed in a crucible, and subjected to a primary heat treatment at 850 ° C for 2 hours through a calcination process. Next, 0.5 g of the powder is placed in a flat container and pressed for 1.5 minutes at a pressure of 1.5 t to prepare a YIG fillet.

다음으로, 소정 형상의 세라믹 용기에 필렛을 분위기 파우더와 교대로 적층하고 가열로에서 신터링(sintering) 공정을 통해 2시간동안 1400℃로 2차 열처리한다.Next, the fillets are alternately stacked in a ceramic container having a predetermined shape with an atmosphere powder, and subjected to a secondary heat treatment at 1400 캜 for 2 hours through a sintering process in a heating furnace.

이상의 상세한 설명은 본 발명을 예시하는 것이다. 또한 전술한 내용은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 나타내고 설명하는 것에 불과하며, 본 발명은 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 즉, 본 명세서에 개시된 발명의 개념의 범위, 저술한 개시 내용과 균등한 범위 및/또는 당업계의 기술 또는 지식의 범위 내에서 변경 또는 수정이 가능하다. 전술한 실시 예들은 본 발명을 실시하는데 있어 최선의 상태를 설명하기 위한 것이며, 본 발명과 같은 다른 발명을 이용하는데 당업계에 알려진 다른 상태로의 실시, 그리고 발명의 구체적인 적용 분야 및 용도에서 요구되는 다양한 변경도 가능하다. 따라서, 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 또한 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.The foregoing detailed description is illustrative of the present invention. It is also to be understood that the foregoing is illustrative and explanatory of preferred embodiments of the invention only, and that the invention may be used in various other combinations, modifications and environments. That is, it is possible to make changes or modifications within the scope of the concept of the invention disclosed in this specification, the disclosure and the equivalents of the disclosure and / or the scope of the art or knowledge of the present invention. The foregoing embodiments are intended to illustrate the best mode contemplated for carrying out the invention and are not intended to limit the scope of the present invention to other modes of operation known in the art for utilizing other inventions such as the present invention, Various changes are possible. Accordingly, the foregoing description of the invention is not intended to limit the invention to the precise embodiments disclosed. It is also to be understood that the appended claims are intended to cover such other embodiments.

100. 스핀 열전 소자
110. 열전층
120. 전극층
121. 주전극부
122. 부전극부
200. CPV100. Spin thermoelectric element
110. Thermoelectric layer
120. Electrode layer
121. Main electrode section
122. Sub-
200. CPV

Claims (5)

YIG 재료를 혼합하고, 졸-겔법에 의해 YIG 파우더가 형성되는 단계;
상기 YIG 파우더를 칼시네이션 공정에 의해 1차 열처리하여 결정화하는 단계;
상기 열처리된 YIG 파우더가 프레싱 공정에 의해 YIG 필렛으로 형성되는 단계;
상기 YIG 필렛을 신터링 공정에 의해 2차 열처리하여 자성특성을 갖는 열전층을 제조하는 단계; 및
상기 열전층 상에 전극층을 형성하는 단계;를 포함하되,
상기 2차 열처리하는 단계에서,
상기 2차 열처리 온도는 1400℃로 상기 1차 열처리 온도보다 높은 스핀 열전 소자의 제조방법.Mixing a YIG material and forming a YIG powder by a sol-gel method;
Crystallizing the YIG powder by a first heat treatment by a calcination process;
The heat-treated YIG powder is formed into a YIG fillet by a pressing process;
Preparing a thermoelectric layer having magnetic properties by subjecting the YIG fillet to a secondary heat treatment by a sintering process; And
And forming an electrode layer on the thermoelectric layer,
In the secondary heat treatment step,
Wherein the second heat treatment temperature is higher than the first heat treatment temperature of 1400 ° C. 제1항에 있어서,
상기 1차 열처리하는 단계에서,
상기 1차 열처리 온도는 850℃이고, 상기 칼시네이션 공정은 850℃로 2시간동안 수행되는 스핀 열전 소자의 제조방법.The method according to claim 1,
In the primary heat treatment step,
Wherein the first heat treatment temperature is 850 DEG C and the calcination process is performed at 850 DEG C for 2 hours. 제2항에 있어서,
상기 2차 열처리하는 단계에서,
상기 신터링 공정은 1400℃로 2시간동안 수행되는 스핀 열전 소자의 제조방법.3. The method of claim 2,
In the secondary heat treatment step,
Wherein the sintering process is performed at 1400 캜 for 2 hours. 제1항에 있어서,
상기 졸-겔법에 의해 YIG 파우더가 형성되는 단계에서,
상기 YIG 재료는 물에 구연산이 혼합된 용액에 질산이트륨(Yttrium nitrate)과 질산철(Iron nitrate)을 혼합하여 저온에서 합성된 스핀 열전 소자의 제조방법.The method according to claim 1,
In the step of forming the YIG powder by the sol-gel method,
Wherein the YIG material is synthesized at a low temperature by mixing yttrium nitrate and iron nitrate in a solution of citric acid in water. 제1항에 있어서,
상기 전극층은 포토리소그래피(Photolithography) 공정과 DC 스퍼터링 공정에 의해서 형성된 스핀 열전 소자의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the electrode layer is formed by a photolithography process and a DC sputtering process.
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