KR101983626B1 - Thermoelectric module including thermoelectric material having ordered 3-dimensional nano structure and method for manufacturing the same - Google Patents

Thermoelectric module including thermoelectric material having ordered 3-dimensional nano structure and method for manufacturing the same Download PDF

Info

Publication number
KR101983626B1
KR101983626B1 KR1020170083457A KR20170083457A KR101983626B1 KR 101983626 B1 KR101983626 B1 KR 101983626B1 KR 1020170083457 A KR1020170083457 A KR 1020170083457A KR 20170083457 A KR20170083457 A KR 20170083457A KR 101983626 B1 KR101983626 B1 KR 101983626B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
thermoelectric
thermoelectric material
electrode
dimensional porous
dimensional
Prior art date
Application number
KR1020170083457A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20190003028A (en
Inventor
전석우
김기선
홍석균
송재용
신호선
박선화
Original Assignee
한국과학기술원
한국표준과학연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국과학기술원, 한국표준과학연구원 filed Critical 한국과학기술원
Priority to KR1020170083457A priority Critical patent/KR101983626B1/en
Publication of KR20190003028A publication Critical patent/KR20190003028A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR101983626B1 publication Critical patent/KR101983626B1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/80Constructional details
    • H10N10/85Thermoelectric active materials
    • H01L35/12
    • H01L35/16
    • H01L35/18
    • H01L35/24
    • H01L35/34
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/01Manufacture or treatment
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/80Constructional details
    • H10N10/85Thermoelectric active materials
    • H10N10/851Thermoelectric active materials comprising inorganic compositions
    • H10N10/852Thermoelectric active materials comprising inorganic compositions comprising tellurium, selenium or sulfur
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/80Constructional details
    • H10N10/85Thermoelectric active materials
    • H10N10/851Thermoelectric active materials comprising inorganic compositions
    • H10N10/853Thermoelectric active materials comprising inorganic compositions comprising arsenic, antimony or bismuth
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/80Constructional details
    • H10N10/85Thermoelectric active materials
    • H10N10/856Thermoelectric active materials comprising organic compositions

Abstract

개시된 열전 모듈은, 제1 전극, 상기 제1 전극과 이격된 제2 전극 및 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 배치되어, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극과 전기적으로 연결되는 열전 소자를 포함한다. 상기 열전 소자는, 정렬된 3차원 네트워크 형상을 갖는 절연 물질부, 및 역 오팔(inverse opal) 형상을 갖도록 상기 절연 물질부를 둘러싸는 열전 물질부를 포함한다.The thermoelectric module includes a first electrode, a second electrode spaced apart from the first electrode, and a thermoelectric element disposed between the first and second electrodes and electrically connected to the first and second electrodes. . The thermoelectric element includes an insulating material portion having an aligned three-dimensional network shape and a thermoelectric material portion surrounding the insulating material portion to have an inverse opal shape.

Description

정렬된 3차원 나노 구조의 열전 소재를 이용한 고효율 열전 모듈 및 그 제조 방법{THERMOELECTRIC MODULE INCLUDING THERMOELECTRIC MATERIAL HAVING ORDERED 3-DIMENSIONAL NANO STRUCTURE AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a high-efficiency thermoelectric module using an aligned thermoelectric material having a three-dimensional nano structure, and a method of manufacturing the same. BACKGROUND ART < RTI ID = 0.0 >

본 발명은 열전 모듈에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 정렬된 3차원 나노 구조를 갖는 고효율 열전 소재를 이용한 고효율 열전 모듈 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a thermoelectric module. More particularly, the present invention relates to a high-efficiency thermoelectric module using a highly efficient thermoelectric material having aligned three-dimensional nanostructures, and a method of manufacturing the same.

현대사회에서 폭발적인 화석 연료의 사용은 그 에너지원의 고갈이라는 문제와 에너지의 사용과정에서 필연적으로 발생하는 환경오염이라는 문제로 사회적인 이슈로 인식되고 있다. 이에 따라, 에너지원이 풍부하고, 환경오염 문제를 유발하지 않는 태양에너지나 풍력, 조력 등을 활용하는 새로운 기술들이 발명되고 있다. 뿐만 아니라 에너지를 사용하는 과정에서 발생하는 버려지는 열들을 활용하는 방법도 많이 발명되고 있다. The use of explosive fossil fuels in modern society is recognized as a social issue due to the problem of depletion of the energy source and environmental pollution inevitably occurring in the process of energy use. Accordingly, new technologies utilizing abundant energy sources and utilizing solar energy, wind power, and tidal power that do not cause environmental pollution problems are being invented. In addition, there are many ways to utilize abandoned heat in the process of using energy.

특히 열전기술은 양단에 온도 차이에 의해서 생기는 기전력을 활용하여 버려지는 열을 직접 전기로 변환 시킬 수 있는 기술로 경제적으로 가치가 없는 것을 전기 에너지로 활용한다는 점에서 그 부가가치가 매우 큰 기술이다. In particular, thermoelectric technology is a technology that can convert waste heat to direct electricity by utilizing the electromotive force generated by the temperature difference at both ends. It is a very high added value in that it uses as an electric energy what is not economically valuable.

열전소재의 열전성능은 에너지 변환 효율과 관련된 무차원의 Figure of Merits (ZT)으로 나타하며, 식으로 ZT = σS2T/κ이다. σ,S,κ,T는 열전소재와 관련된 물리적 성능들로 각각 전기전도도, 제백 지수, 열전도도, 절대온도를 뜻한다. 따라서 전기전도도와 제백 지수를 향상시키고 열전도도를 낮추면 열전소재의 성능을 향상시킬 수 있다.The thermoelectric performance of a thermoelectric material is represented by a dimensionless figure of merits (ZT) related to the energy conversion efficiency, where ZT = σS 2 T / κ. σ, S, κ, and T are physical performances related to thermoelectric materials, which are electrical conductivity, whiteness index, thermal conductivity, and absolute temperature, respectively. Therefore, improving the electrical conductivity and the whiteness index and lowering the thermal conductivity can improve the performance of the thermoelectric material.

기존에 발명된 열전소재의 성능을 향상시키는 기술들은 소재의 조성을 바꾸거나 열처리등과 같은 추가적인 공정기술을 이용한 방법들로 소재의 성능을 각각의 물리적인 요소별로 제어 할 수 없기 때문에 그 한계점이 뚜렷하였다. 최근에는 나노기술의 발전으로 열전소재와 관련된 물리적인 특성들을 나노기술을 활용하여, 독립적으로 제어하는 것이 가능해 졌고, 열전소재의 성능을 획기적으로 향상시킨 기술들이 개발되었다. 하지만, 기존에 보고된 방법들은 0D, 1D 및 2D의 나노구조를 이용하는 방법에 관한 것으로 제조된 열전소재의 성능을 향상시키더라도 그 크기의 한계로 실제 사용하기는 어려운 점이 많다.Techniques that improve the performance of thermoelectric materials that have been developed in the past can not be controlled by different physical factors by changing the composition of the material or by using additional process techniques such as heat treatment, . In recent years, the development of nanotechnology has made it possible to control the physical properties related to thermoelectric materials independently using nanotechnology, and technologies that dramatically improve the performance of thermoelectric materials have been developed. However, the previously reported methods are related to the method of using 0D, 1D and 2D nanostructures, and even if the thermoelectric material manufactured is improved, it is difficult to actually use the thermoelectric material because of its size limit.

Nature, 451, 163, 2008 Nature, 451, 163, 2008 Nano Letters, 10(10), 4279, 2010 Nano Letters, 10 (10), 4279, 2010

본 발명의 일 과제는, 나노벌크 구조의 열전 소재를 이용함으로써, 상용화가 가능하며, 열전 변환 효율을 개선할 수 있는 열전 모듈을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a thermoelectric module capable of commercialization and improving thermoelectric conversion efficiency by using a thermoelectric material having a nano bulk structure.

본 발명의 다른 과제는 상기 열전 모듈의 제조 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method of manufacturing the thermoelectric module.

상술한 본 발명의 일 과제를 달성하기 위한 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 열전 모듈은, 제1 전극, 상기 제1 전극과 이격된 제2 전극 및 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 배치되어, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극과 전기적으로 연결되는 열전 소자를 포함한다. 상기 열전 소자는, 정렬된 3차원 네트워크 형상을 갖는 절연 물질부, 및 역 오팔(inverse opal) 형상을 갖도록 상기 절연 물질부를 둘러싸는 열전 물질부를 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a thermoelectric module including a first electrode, a second electrode spaced apart from the first electrode, and a second electrode disposed between the first electrode and the second electrode. And a thermoelectric element electrically connected to the first electrode and the second electrode. The thermoelectric element includes an insulating material portion having an aligned three-dimensional network shape and a thermoelectric material portion surrounding the insulating material portion to have an inverse opal shape.

일 실시예에 따르면, 상기 열전 물질부의 정렬 주기는 100nm 내지 2,000nm이고, 상기 열전 물질부의 두께는 50nm 내지 300nm이다.According to an embodiment, the period of the thermoelectric part is from 100 nm to 2,000 nm, and the thickness of the thermoelectric part is from 50 nm to 300 nm.

일 실시예에 따르면, 상기 절연 물질부는 공기를 포함한다.According to one embodiment, the insulating material portion comprises air.

일 실시예에 따르면, 상기 절연 물질부는 고분자 수지를 포함한다.According to one embodiment, the insulating material portion includes a polymer resin.

일 실시예에 따르면, 상기 열전 물질부는 칼코게나이드(chalcogenide)계, 스쿠테루다이트(skutterudite)계, 실리사이드(silicide)계, 클래스레이트(clathrate)계, 하프 휘슬러(Half heusler)계 및 비스무트-텔루륨(Bi-Te)계로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 열전 물질을 포함한다.According to one embodiment, the thermoelectric material portion may include a chalcogenide-based material, a skutterudite-based material, a silicide-based material, a clathrate-based material, a Half heusler- And a tellurium (Bi-Te) -based thermoelectric material.

본 발명의 일 실시예에 따른 열전 모듈의 제조 방법은, 3차원으로 정렬된 3차원 다공성 주형을 형성하는 단계, 상기 3차원 다공성 주형의 기공 내에 열전 물질을 충진하여, 역 오팔(inverse opal) 형상을 갖도록 상기 3차원 다공성 주형을 둘러싸는 열전 물질부를 형성하는 단계, 상기 열전 물질부를 포함하는 열전 소자의 일단에 제1 전극을 연결하는 단계 및 상기 열전 소자의 타단에 제2 전극을 연결하는 단계를 포함한다.A method of manufacturing a thermoelectric module according to an embodiment of the present invention includes the steps of forming a three-dimensional porous template aligned in three dimensions, filling a thermoelectric material in pores of the three-dimensional porous template to form an inverse opal shape Connecting the first electrode to one end of the thermoelectric element including the thermoelectric material portion, and connecting the second electrode to the other end of the thermoelectric element, wherein the thermoelectric material portion surrounds the three- .

일 실시예에 따르면, 상기 3차원 다공성 주형은, 베이스 기판 위에 배치된 금속층 위에 형성되며, 상기 열전 물질부는, 상기 금속층을 음극으로 이용하여 전기 도금을 수행하여 형성되며, 상기 전기 도금을 수행한 후, 상기 금속층으로부터 상기 베이스 기판을 분리하고, 상기 베이스 기판을 분리한 후, 상기 열전 물질부로부터 상기 금속층을 제거한다.According to one embodiment, the three-dimensional porous mold is formed on a metal layer disposed on a base substrate, the thermoelectric material portion is formed by performing electroplating using the metal layer as a cathode, and after performing the electroplating , Separating the base substrate from the metal layer, separating the base substrate, and removing the metal layer from the thermoelectric material portion.

상술한 바와 같이 본 발명의 예시적인 실시예들에 따르면, 3차원으로 정렬된 나노 구조의 열전 소재를 얻을 수 있으며, 상기 열전 소재는 절연 물질부에 의한 포논 산란 효과에 의해, 전기전도도를 실질적으로 유지하면서, 열전도도를 크게 감소시킬 수 있다. 따라서, 열전 성능을 향상시킬 수 있다.As described above, according to exemplary embodiments of the present invention, a thermoelectric material having a nanostructure aligned in three dimensions can be obtained, and the thermoelectric material can have substantially the same electrical conductivity , The thermal conductivity can be greatly reduced. Therefore, the thermoelectric performance can be improved.

또한, 상기 3차원으로 정렬된 나노 구조의 열전 소재는, 나노 와이어 등과 같은 종래의 나노 구조에 비하여 벌크로 형성하는 것이 용이하다. 따라서, 상용화 가능한 고성능 열전 모듈을 제공할 수 있다.In addition, the thermoelectric material of the nanostructure arranged in three dimensions is easier to form in bulk than the conventional nanostructure such as nanowire. Therefore, a high performance thermoelectric module that can be used for commercialization can be provided.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 모듈을 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 모듈의 열전 소자의 정렬된 3차원 나노 구조를 확대 도시한 개략적인 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 소재의 제조 방법을 개략적으로 도시한 순서도이다.
도 4는 실시예 2에서 얻어진 3차원 나노 구조 열전 소재의 주사전자현미경 사진이다.
도 5a는 실시예 1에서 얻어진 3차원 나노 구조 열전 소재(3D nanostructured BT film)와 비교예 1에서 얻어진 Bi-Te 필름(Normal BT film)의 온도에 따른 전기전도도 변화를 도시한 그래프이다.
도 5b는 실시예 1에서 얻어진 3차원 나노 구조 열전 소재(3D nanostructured BT film)와 비교예 1에서 얻어진 Bi-Te 필름(Normal BT film)의 온도에 따른 제백지수 변화를 도시한 그래프이다.
도 5c는 실시예 1에서 얻어진 3차원 나노 구조 열전 소재(3D nanostructured BT film)와 비교예 1에서 얻어진 Bi-Te 필름(Normal BT film)의 온도에 따른 파워팩터 변화를 도시한 그래프이다.
도 6은 실시예 2에서 얻어진 3차원 나노 구조 열전 소재(3D nanostructured BST film)와 비교예 2에서 얻어진 Bi-Sb-Te 필름(Normal BST film)의 XRD 분석 결과를 도시한 그래프이다.
도 7은 실시예 2에서 얻어진 3차원 나노 구조 열전 소재의 EDS 맵핑 이미지다.
도 8a는 실시예 2에서 얻어진 3차원 나노 구조 열전 소재(3D nanostructured BST film)와 비교예 2에서 얻어진 Bi-Sb-Te 필름(Normal BST film)의 온도에 따른 전기전도도 변화를 도시한 그래프이다.
도 8b는 실시예 2에서 얻어진 3차원 나노 구조 열전 소재(3D nanostructured BST film)와 비교예 2에서 얻어진 Bi-Sb-Te 필름(Normal BST film)의 온도에 따른 제백지수 변화를 도시한 그래프이다.
도 8c는 실시예 2에서 얻어진 3차원 나노 구조 열전 소재(3D nanostructured BST film)와 비교예 2에서 얻어진 Bi-Sb-Te 필름(Normal BST film)의 온도에 따른 파워팩터 변화를 도시한 그래프이다.
도 9는 실시예 2에서 얻어진 3차원 나노 구조 열전 소재(3D nanostructured BST film)와 비교예 2에서 얻어진 Bi-Sb-Te 필름(Normal BST film)의 온도에 따른 열전도도 변화를 도시한 그래프이다.
도 10은 실시예 2에서 얻어진 3차원 나노 구조 열전 소재(3D nanostructured BST film)와 비교예 2에서 얻어진 Bi-Sb-Te 필름(Normal BST film)의 온도에 따른 열전성능지수(Figure of Merit, ZT)의 변화를 도시한 그래프이다.
1 is a cross-sectional view illustrating a thermoelectric module according to an embodiment of the present invention.
2 is an enlarged perspective view of an aligned three-dimensional nanostructure of thermoelectric elements of a thermoelectric module according to an embodiment of the present invention.
3 is a flowchart schematically showing a method of manufacturing a thermoelectric material according to an embodiment of the present invention.
4 is a scanning electron micrograph of the three-dimensional nanostructured thermoelectric material obtained in Example 2. Fig.
FIG. 5A is a graph showing changes in electrical conductivity of a 3D nanostructured BT film obtained in Example 1 and a Bi-Te film obtained in Comparative Example 1 according to temperature. FIG.
FIG. 5B is a graph showing changes in the whitening index according to the temperatures of the 3D nanostructured BT film obtained in Example 1 and the Bi-Te film obtained in Comparative Example 1. FIG.
FIG. 5C is a graph showing changes in power factor according to temperature of the 3D nanostructured BT film obtained in Example 1 and the Bi-Te film obtained in Comparative Example 1 (normal BT film). FIG.
6 is a graph showing XRD analysis results of the 3D nanostructured thermoelectric material (3D nanostructured BST film) obtained in Example 2 and the Bi-Sb-Te film (Normal BST film) obtained in Comparative Example 2. FIG.
7 is an EDS mapping image of the three-dimensional nanostructured thermoelectric material obtained in Example 2. Fig.
8A is a graph showing changes in electrical conductivity of a 3-dimensional nanostructured thermoelectric material (3D nanostructured BST film) obtained in Example 2 and a Bi-Sb-Te film (Normal BST film) obtained in Comparative Example 2 according to temperature.
FIG. 8B is a graph showing changes in the whitening index according to the temperature of the 3D nanostructured thermoelectric material (3D nanostructured BST film) obtained in Example 2 and the Bi-Sb-Te film (Normal BST film) obtained in Comparative Example 2. FIG.
8C is a graph showing a change in power factor according to temperature of the 3D nanostructured thermoelectric material (3D nanostructured BST film) obtained in Example 2 and the Bi-Sb-Te film (Normal BST film) obtained in Comparative Example 2. FIG.
9 is a graph showing changes in thermal conductivity of the 3D nanostructured thermoelectric material (3D nanostructured BST film) obtained in Example 2 and the Bi-Sb-Te film (Normal BST film) obtained in Comparative Example 2 according to the temperature.
10 is a graph showing the thermoelectric performance index (Figure of Merit, ZT) of the 3-dimensional nanostructured thermoelectric material (3D nanostructured BST film) obtained in Example 2 and the Bi-Sb-Te film (Normal BST film) ) In the second embodiment.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 정렬된 3차원 나노 구조의 열전 소재를 이용한 고효율 열전 모듈 및 그 제조 방법에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다. Hereinafter, a high-efficiency thermoelectric module using an aligned thermoelectric material having a three-dimensional nanostructure according to an embodiment of the present invention and a method of manufacturing the same will be described in detail with reference to the accompanying drawings. While the invention is susceptible to various modifications and alternative forms, specific embodiments thereof are shown by way of example in the drawings and will herein be described in detail. It is to be understood, however, that the invention is not intended to be limited to the particular forms disclosed, but on the contrary, is intended to cover all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention. In the accompanying drawings, the dimensions of the structures are enlarged to illustrate the present invention in order to clarify the present invention.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used in this application is used only to describe a specific embodiment and is not intended to limit the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, the terms " comprises ", or " having ", and the like, are intended to specify the presence of stated features, integers, steps, operations, elements, or combinations thereof, , Steps, operations, elements, or combinations thereof, as a matter of principle, without departing from the spirit and scope of the invention.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries are to be interpreted as having a meaning consistent with the contextual meaning of the related art and are to be interpreted as either ideal or overly formal in the sense of the present application Do not.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 모듈을 도시한 단면도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 모듈의 열전 소자의 정렬된 3차원 나노 구조를 확대 도시한 개략적인 사시도이다.1 is a cross-sectional view illustrating a thermoelectric module according to an embodiment of the present invention. 2 is an enlarged perspective view of an aligned three-dimensional nanostructure of thermoelectric elements of a thermoelectric module according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 모듈은, 제1 기판(10), 상기 제1 기판과 이격된 제2 기판(20), 상기 제1 기판(10)과 상기 제2 기판(20) 사이에 배치되며 서로 이격되는 제1 전극(12) 및 제2 전극(22, 24), 상기 제1 전극(12) 및 상기 제2 전극(22, 24) 사이에 배치되는, 열전 소자(32, 34)를 포함한다. 1, a thermoelectric module according to an embodiment of the present invention includes a first substrate 10, a second substrate 20 spaced apart from the first substrate 10, a first substrate 10, A first electrode (12) and a second electrode (22, 24) disposed between the substrates (20) and spaced apart from each other, a first electrode (12) disposed between the first electrode (12) And devices 32 and 34. FIG.

예를 들어, 상기 열전 소자(32, 34)의 양단이 온도차를 갖도록, 상기 제1 기판(10) 및 상기 제2 기판(20)에는 각각 고온 및 저온의 온도가 인가될 수 있다. 상기 제1 전극(12) 및 상기 제2 전극(22)은 각각, 상기 제1 기판(10) 및 상기 제2 기판(20) 측에 배치될 수 있다. 이하에서 상기 제1 전극(12) 및 상기 제2 전극(22)은 각각, 고온 전극 및 저온 전극으로 지칭될 수 있다.For example, high temperature and low temperature may be applied to the first substrate 10 and the second substrate 20, respectively, so that both ends of the thermoelectric elements 32 and 34 have a temperature difference. The first electrode 12 and the second electrode 22 may be disposed on the first substrate 10 and the second substrate 20, respectively. Hereinafter, the first electrode 12 and the second electrode 22 may be referred to as a high-temperature electrode and a low-temperature electrode, respectively.

상기 제1 전극(12)과 상기 열전 소자(32, 34) 사이에는, 배리어층(40)이 배치될 수 있다. 상기 배리어층(40)은, 상기 열전 소자(32, 34)를 보호할 수 있다. 도시되지는 않았으나, 상기 배리어층(40)은, 제2 전극(22)과 상기 열전 소자(32, 34) 사이에 추가적으로 배치될 수 도 있다.A barrier layer 40 may be disposed between the first electrode 12 and the thermoelectric elements 32 and 34. The barrier layer 40 can protect the thermoelectric elements 32 and 34. Although not shown, the barrier layer 40 may be additionally disposed between the second electrode 22 and the thermoelectric elements 32 and 34.

상기 제1 기판(10) 및 상기 제2 기판(20)은, 각각 전기 절연성 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 기판(10) 및 상기 제2 기판(20)은, 알루미나, 사파이어, 실리콘, 실리콘 질화물, 실리콘 탄화물, 실리콘 탄화 알루미늄, 석영, 고분자 등을 포함할 수 있다. 상기 고분자는, 폴리이미드, 폴리아미드, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리아크릴 수지 등을 포함할 수 있다. 상기 제1 기판(10) 및 상기 제2 기판(20)은, 동일한 물질로 이루어지거나, 서로 다른 물질로 이루어질 수 있다.The first substrate 10 and the second substrate 20 may each include an electrically insulating material. For example, the first substrate 10 and the second substrate 20 may include alumina, sapphire, silicon, silicon nitride, silicon carbide, silicon carbide aluminum, quartz, polymer, and the like. The polymer may include polyimide, polyamide, polycarbonate, polyethylene terephthalate, polyacrylic resin, and the like. The first substrate 10 and the second substrate 20 may be made of the same material or may be made of different materials.

상기 열전 소자(32, 34)는, 서로 이격되는, 제1 열전 소자(32) 및 제2 열전 소자(34)를 포함할 수 있다. 상기 제1 열전 소자(32) 및 상기 제2 열전 소자(34)의 일단은, 제1 전극(12)에 공통으로 전기적으로 연결되고, 상기 제1 열전 소자(32) 및 상기 제2 열전 소자(34)의 타단은, 서로 이격된 제2 전극쌍(22, 24)에 각각 전기적으로 연결될 수 있다.The thermoelectric elements 32 and 34 may include a first thermoelectric element 32 and a second thermoelectric element 34 which are spaced apart from each other. One end of the first thermoelectric element 32 and one end of the second thermoelectric element 34 are electrically connected in common to the first electrode 12 and the first thermoelectric element 32 and the second thermoelectric element 34 34 may be electrically connected to the second electrode pair 22, 24, which are spaced apart from each other.

일 실시예에서, 상기 제1 열전 소자(32) 및 상기 제2 열전 소자(34)는 서로 다른 타입으로 도핑될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 열전 소자(32)는 n 타입으로 도핑되고, 상기 제2 열전 소자(34)는 p 타입으로 도핑될 수 있다.In one embodiment, the first thermoelectric element 32 and the second thermoelectric element 34 may be doped with different types. For example, the first thermoelectric element 32 may be doped with n-type and the second thermoelectric element 34 may be doped with a p-type.

예를 들어, 상기 제1 전극(12)은, 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 구리(Cu), 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag) 등과 같은 금속을 포함할 수 있다. 또한, 상기 제1 전극(12)은, NiP, TiN, ZnO 등과 같은 금속 화합물을 더 포함할 수 있다. 이들은 각각 단독으로 또는 조합으로 사용될 수 있으며, 일 실시예에 따르면, 상기 제1 전극(12)은 구리를 포함할 수 있다. 상기 제2 전극(22)은, 상기 제1 전극과 동일한 물질 또는 다른 물질을 포함할 수 있다.For example, the first electrode 12 may include a metal such as nickel (Ni), titanium (Ti), copper (Cu), platinum (Pt), gold (Au), silver . The first electrode 12 may further include a metal compound such as NiP, TiN, ZnO, or the like. These may be used alone or in combination. According to one embodiment, the first electrode 12 may include copper. The second electrode 22 may include the same material or another material as the first electrode.

상기 배리어층(40)은, 상기 제1 전극(12)과 다른 물질을 포함한다. 예를 들어, 상기 배리어층(40)은, 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 구리(Cu), 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 몰리브덴(Mo), 주석(Sn), 지르코늄(Zr), 니오븀(Nb), 텅스텐(W) 등과 같은 금속, 이들의 합금, 또는 이들의 금속 화합물을 포함할 수 있다. 상기 금속 화합물은 NiP, TiN, ZnO 등과 같은 금속 화합물을 더 포함할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 배리어층(40)은, 상기 제1 전극(12)을 구성하는 물질보다 열팽창율이 작은 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 전극(12)이 구리를 포함하는 경우, 상기 배리어층(40)은 구리를 제외한 다른 물질을 포함할 수 있으며, 구체적으로, 니켈, 티타늄, 주석, 지르코늄, 이들의 합금 또는 이들의 금속 화합물을 포함할 수 있다.The barrier layer 40 includes a material different from that of the first electrode 12. For example, the barrier layer 40 may be formed of a metal such as nickel (Ni), titanium (Ti), copper (Cu), platinum (Pt), gold (Au), silver (Ag), molybdenum ), Zirconium (Zr), niobium (Nb), tungsten (W) and the like, alloys thereof, and metal compounds thereof. The metal compound may further include a metal compound such as NiP, TiN, ZnO, and the like. According to one embodiment, the barrier layer 40 may include a material having a thermal expansion coefficient lower than that of the first electrode 12. For example, when the first electrode 12 includes copper, the barrier layer 40 may include a material other than copper. Specifically, the barrier layer 40 may include nickel, titanium, tin, zirconium, Or a metal compound thereof.

상기 제2 전극(22, 24)은 상기 제1 전극(12)과 동일한 물질 또는 다른 물질을 포함할 수 있다.The second electrodes 22 and 24 may include the same material as the first electrode 12 or other materials.

상기 제1 열전 소자(32) 또는 상기 제2 열전 소자(34)는, 정렬된 3차원 나노 구조의 열전 소재를 포함한다. 구체적으로, 상기 열전 소재는, 정렬된 3차원 네트워크 형상을 갖는 절연 물질부(135) 및 역 오팔(inverse opal) 형상을 갖도록 상기 절연 물질부를 둘러싸는 열전 물질부(140)를 포함한다. 즉, 상기 열전 물질부(140)는 상기 절연 물질부(135)의 역상을 갖는다.The first thermoelectric element 32 or the second thermoelectric element 34 includes an aligned thermoelectric material of a three-dimensional nanostructure. Specifically, the thermoelectric material includes an insulating material portion 135 having an aligned three-dimensional network shape and a thermoelectric material portion 140 surrounding the insulating material portion to have an inverse opal shape. That is, the thermoelectric part 140 has a reverse phase of the insulating material part 135.

예를 들어, 상기 절연 물질부(135)의 정렬 주기는 100nm 내지 2,000nm일 수 있으며, 상기 열전 물질부(140)의 두께(인접하는 타원구 사이의 간격)는 50nm 내지 300nm일 수 있다. 바람직하게, 상기 열전 물질부(140)의 두께는 100nm 내지 200nm일 수 있다.For example, the insulating material portion 135 may have an interval of 100 nm to 2,000 nm, and the thickness of the thermoelectric material 140 may be 50 nm to 300 nm. Preferably, the thickness of the thermoelectric material 140 is 100 nm to 200 nm.

상기 절연 물질부(135)는, 열전도도 및 전기전도도가 낮은 절연성 물질, 예를 들어, 에폭시 수지, 아크릴 수지, 페놀 수지 등과 같은 고분자 수지 또는 공기 등을 포함할 수 있다. 바람직하게, 상기 열전 소재는 도 2 우측에 의해 도시된 것과 같이, 정렬된 3차원 네트워크 형상을 갖는 기공에 의해 정의되는 절연 물질부 및 이를 둘러싸는 열전 물질부(140)를 포함할 수 있다.The insulating material portion 135 may include an insulating material having low thermal conductivity and low electrical conductivity, for example, a polymer resin such as an epoxy resin, an acrylic resin, a phenol resin, or the like. Preferably, the thermoelectric material may include an insulating material portion defined by pores having an aligned three-dimensional network shape and a thermoelectric material portion 140 surrounding it, as shown by the right side of FIG.

일반적으로, 열을 전달하는 포논(phonon)의 평균 자유 행로(mean free path)가 전자의 평균 자유 행로보다 크다. 따라서, 열전 소재를 이루는 나노 구조의 두께를 적절하게 조절함으로써, 예를 들어, 포논의 평균 자유 행로보다 작고, 전자의 평균 자유 행로 보다 큰 범위를 갖게 할 경우, 포논의 산란(scattering)을 증대시킴으로써, 열전도도를 크게 감소시킬 수 있다.Generally, the mean free path of a phonon that transfers heat is greater than the mean free path of electrons. Therefore, by appropriately controlling the thickness of the nanostructure constituting the thermoelectric material, for example, by making the phonon scattering smaller than the average free path of phonons and having a larger range than the average free path of electrons, , The thermal conductivity can be greatly reduced.

또한, 열전 소재를 이루는 나노 구조의 두께가 전자의 평균 자유 행로 보다 크더라도, 불규칙한 구조에서는 전자의 산란에 의해 전기전도도가 크게 감소할 수 있으나, 본 발명에서는 정렬된 규칙적인(주기적인) 구조를 이용하여 전기전도도와 제백 지수의 저하를 방지하거나 최소화할 수 있다. In addition, although the thickness of the nanostructure constituting the thermoelectric material is larger than the mean free path of electrons, in the irregular structure, the electric conductivity may be largely reduced by the scattering of electrons. In the present invention, however, It is possible to prevent or minimize deterioration of electrical conductivity and whitening index.

일 실시예에 따르면, 상기 열전 물질부(140)는, 칼코게나이드(chalcogenide)계, 스쿠테루다이트(skutterudite)계, 실리사이드(silicide)계, 클래스레이트(clathrate)계, 하프 휘슬러(Half heusler)계, 비스무트-텔루륨(Bi-Te)계 등 다양한 종류의 열전 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 비스무트-텔루륨(Bi-Te)계 열전 물질은, 비스무트-텔루륨(Bi-Te), 비스무트-텔루륨-셀레늄(Bi-Te-Se), 비스무트-텔루륨-안티몬(Bi-Te-Sb), 비스무트-안티몬-텔루륨-셀레늄(Bi-Sb-Te-Se) 등을 포함할 수 있다.According to one embodiment, the thermoelectric part 140 may be formed of a material selected from the group consisting of a chalcogenide-based material, a skutterudite-based material, a silicide-based material, a clathrate-based material, a Half heusler- ), Bismuth-tellurium (Bi-Te), and the like. For example, the bismuth-tellurium-based thermoelectric material may be selected from the group consisting of bismuth-tellurium (Bi-Te), bismuth-tellurium-selenium (Bi-Te-Se), bismuth-tellurium- Bi-Te-Sb), bismuth-antimony-tellurium-selenium (Bi-Sb-Te-Se), and the like.

다른 실시예에서, 상기 열전 물질부(140)는, 금속 산화물 또는 실리콘을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 금속 산화물은 아연 산화물, 인듐 산화물, 주석 산화물, 티타늄 산화물, 갈륨 산화물, 이들의 조합 등을 포함할 수 있다.In another embodiment, the thermoelectric portion 140 may comprise a metal oxide or silicon. For example, the metal oxide may include zinc oxide, indium oxide, tin oxide, titanium oxide, gallium oxide, combinations thereof, and the like.

열전 소재 및 열전 모듈의 제조 방법Method for manufacturing thermoelectric material and thermoelectric module

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 소재의 제조 방법을 개략적으로 도시한 순서도이다. 3 is a flowchart schematically showing a method of manufacturing a thermoelectric material according to an embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, 먼저, 3차원 다공성 주형(135)을 형성한다. Referring to FIG. 3, first, a three-dimensional porous mold 135 is formed.

예를 들어, 상기 3차원 다공성 주형(135)는 다중빔 간섭 리소그라피(Multi-beam Interference Lithography), 근접장 나노 패터닝(Proximity field nano-Patterning: PnP), 직접 레이저 기록법(Direct Laser Writing), 2-포톤 리소그라피(2-photon Lithography) 등의 정렬된 3차원 나노구조 제조 기술 및 물리적 방법인 콜로이드 자가 조립(Colloidal Self-assembly), 공중합체(Block-copolymer) 등을 이용한 방법이 이용될 수 있다.For example, the three-dimensional porous mold 135 may be a multi-beam interference lithography, proximity field nano-patterning (PnP), direct laser writing, (2-photon lithography), and physical methods such as colloidal self-assembly and block-copolymer may be used.

일 실시예에서, 기판 위에 포토레지스트 막을 형성한 후, 상기 포토레지스트 막을 PnP 방법을 통해 패터닝하여 형성될 수 있다.In one embodiment, a photoresist film may be formed on the substrate, and then the photoresist film may be patterned by the PnP method.

상기 PnP 방법에 있어서, 예를 들면 엘라스토머(elastomer) 물질을 포함하는 위상 마스크에 투과되는 빛의 간섭 현상으로부터 발생된 주기적인 3차원 분포가 활용되어 포토레지스트와 같은 고분자 물질이 패터닝될 수 있다. 예를 들면, 표면에 요철 격자 구조가 형성된 유연한 탄성체 기반의 위상 마스크를 포토레지스트 위에 접촉시키면 반 데르 발스(Van der Waals) 힘에 기반하여 상기 위상 마스크가 자연적으로 상기 포토레지스트 표면에 밀착(예를 들면, 콘포멀(conformal) 접촉)할 수 있다. In the PnP method, a periodic three-dimensional distribution generated from an interference phenomenon of light transmitted through a phase mask including an elastomer material may be utilized to pattern a polymer material such as a photoresist. For example, if a flexible, elastomer-based phase mask having a concavo-convex lattice structure on its surface is brought into contact with the photoresist, the phase mask is naturally contacted to the photoresist surface (e.g., based on Van der Waals forces) For example, conformal contact).

상기 위상 마스크의 격자 주기와 유사한 범위의 파장을 갖는 레이저를 상기 위상 마스크 표면에 조사하면 탈봇 효과에 의해 3차원적인 빛의 분포가 형성될 수 있다. 네거티브 톤의 포토레지스트를 사용하는 경우, 보강 간섭으로 빛이 강하게 형성된 부분만 선택적으로 포토레지스트의 가교가 일어나고 상대적으로 빛이 약한 나머지 부분은 가교를 위한 노광량(exposure dose)이 충분하지 못하기 때문에 현상(developing) 과정에서 용해되어 제거될 수 있다. 최종적으로 건조(drying) 과정을 거치면 상기 레이저의 파장 및 상기 위상 마스크의 디자인에 따라 수 백 나노미터(nm) ~ 수 마이크로미터(㎛) 수준의 주기적인 3차원 구조가 네트워크로 연결된 다공성 고분자 소재가 형성될 수 있다. When a laser having a wavelength in a range similar to the lattice period of the phase mask is irradiated on the phase mask surface, a three-dimensional light distribution can be formed by the Talbot effect. When a negative tone photoresist is used, crosslinking of the photoresist selectively occurs only in a part where light is strongly formed due to constructive interference, and the remaining part where light is weak is insufficient in exposure dose for crosslinking it can be dissolved and removed in the developing process. When a drying process is finally performed, a porous polymer material having a periodic three-dimensional structure of several hundred nanometers (nm) to several micrometers (m) is connected to the network by the wavelength of the laser and the design of the phase mask .

예시적인 실시예들에 따르면, 상기 PnP 방법에 사용되는 위상 마스크의 패턴 주기 및 입사광의 파장을 조절하여 3차원 다공성 주형(135)의 기공 사이즈 및 주기성을 조절할 수 있다.According to the exemplary embodiments, the pore size and periodicity of the three-dimensional porous mold 135 can be controlled by controlling the pattern period of the phase mask and the wavelength of the incident light used in the PnP method.

상술한 PnP 방법을 활용하여, 기판 상에 형성된 포토레지스트 막을 패터닝하여 예를 들면, 주기적인 3차원 다공성 나노구조 패턴을 갖는 3차원 다공성 주형(135)을 형성할 수 있다.Using the above-described PnP method, the photoresist film formed on the substrate may be patterned to form a three-dimensional porous mold 135 having, for example, a periodic three-dimensional porous nanostructured pattern.

상기 PnP 방법에 대한 보다 상세한 설명은 대한민국 공개특허공보 제2006-0109477호(공개일 2006.10.20.) 등에 개시된 것이 참조될 수 있다.A more detailed description of the PnP method can be found in Korean Patent Laid-Open Publication No. 2006-0109477 (published on October 20, 2006).

일 실시예에 있어서, 상기 PnP 방법에 사용되는 상기 위상 마스크는 폴리디메틸실록산(polydimetyl siloxane: PDMS), 폴리우레탄 아크릴레이트(polyurethane acrylate: PUA), 퍼플루오로폴리에테르(perfluoropolyether: PFPE) 등의 물질을 포함할 수 있다. In one embodiment, the phase mask used in the PnP process may be a material such as polydimethyl siloxane (PDMS), polyurethane acrylate (PUA), perfluoropolyether (PFPE) . ≪ / RTI >

예를 들면, 실리콘 웨이퍼 상에 포토레지스트를 스핀 코팅하고, 노광 및 현상 공정을 통해 패터닝된 포토레지스트 패턴을 포함하는 실리콘 마스터를 제조할 수 있다. 상기 실리콘 마스터 표면은 예를 들면, 과불화 트리클로로실란(perfluorinated trichlorosilane) 증기를 통해 표면 처리될 수 있다.For example, a silicon master can be manufactured by spin coating a photoresist on a silicon wafer, and then patterning the photoresist pattern through an exposure and development process. The silicon master surface can be surface treated, for example, through perfluorinated trichlorosilane vapor.

이후, 상기 실리콘 마스터 상에 PDMS층을 코팅하고 경화 후 분리시킴으로서 엘라스토머 위상 마스크를 제조할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 PDMS층은 고 인장응력(high modulus: 예를 들면 10 Mpa 이상)의 제1 PDMS 층을 상기 실리콘 마스터 상에 스핀 코팅하고, 저 인장응력(low modulus: 예를 들면 2 Mpa 이하)의 제2 PDMS 층을 스핀코팅하여 복층구조로 형성될 수 있다.The elastomer phase mask can then be prepared by coating the PDMS layer on the silicon master, curing and then separating. In one embodiment, the PDMS layer is formed by spin-coating a first PDMS layer of high modulus (e.g., greater than 10 Mpa) onto the silicon master and depositing a low modulus (e.g., 2 Mpa or less) of the second PDMS layer may be spin-coated to form a multi-layer structure.

제조된 상기 엘라스토머 위상 마스크를 상기 포토레지스트 막에 콘포멀 접촉시킨 후, 상기 엘라스토머 위상 마스크 상부에서 예를 들면 자외선 레이저를 수직으로 조사할 수 있다. 조사된 광은 상기 엘라스토머 위상 마스크에 포함된 단차 구조에 의해 생성되는 보강 간섭 및 상쇄 간섭에 따라 주기적인 3차원 분포를 형성할 수 있다. After the elastomer phase mask is conformally contacted with the photoresist film, an ultraviolet laser, for example, can be vertically irradiated on the elastomer phase mask. The irradiated light may form a periodic three-dimensional distribution in accordance with the constructive interference and destructive interference generated by the step structure included in the elastomer phase mask.

일 실시예에 있어서, 상기 포토레지스트 막이 네거티브 톤 포토레지스트로 형성된 경우, 현상액에 의해 비노광부가 제거되고 노광부가 잔류할 수 있다. 이에 따라, 3차원 나노 기공을 포함하는 3차원 다공성 주형(135)가 기판 상에 형성될 수 있다. 상기 현상액으로서 예를 들면, 프로필렌 글리콜 모노메틸 에테르 아세테이트(propylene glycol monomethyl ether acetate: PGMEA)가 사용될 수 있다.In one embodiment, when the photoresist film is formed of a negative tone photoresist, the non-exposed portion may be removed by the developer and the exposed portion may remain. Accordingly, a three-dimensional porous mold 135 including three-dimensional nanopores can be formed on the substrate. As the developer, for example, propylene glycol monomethyl ether acetate (PGMEA) may be used.

일 실시예에 있어서, PnP 방법을 이용해 포토레지스트 막을 패터닝한 후, 포토리소그래피 공정과 같은 추가적인 패터닝 공정이 수행되어 3차원 다공성 주형(135)을 형성할 수도 있다. 따라서, 상기 3차원 다공성 주형(135)의 물질은, 사용되는 포토레지스트에 의해 결정될 수 있으며, 예를 들어, 상기 3차원 다공성 주형(135)은, 에폭시 수지, 아크릴 수지, 페놀 수지 등과 같은 고분자 수지를 포함할 수 있다.In one embodiment, after the photoresist film is patterned using the PnP method, an additional patterning process, such as a photolithography process, may be performed to form the three-dimensional porous mold 135. Therefore, the material of the three-dimensional porous mold 135 may be determined by the photoresist to be used. For example, the three-dimensional porous mold 135 may be a polymer resin such as an epoxy resin, an acrylic resin, a phenol resin, . ≪ / RTI >

예를 들어, 상기 3차원 다공성 주형(135)은 정렬된 3차원 네트워크 형상을 가질 수 있으며, 정렬 주기는 100nm 내지 2,000nm일 수 있다. 또한, 상기 3차원 다공성 주형(135) 내에는 3차원 네트워크 구조로 연결되는 기공 네트워크가 형성된다.For example, the three-dimensional porous mold 135 may have an aligned three-dimensional network shape, and the alignment period may be from 100 nm to 2,000 nm. In addition, a pore network connected with a three-dimensional network structure is formed in the three-dimensional porous mold 135.

상기 3차원 다공성 주형(135)은, 이후에, 상기 기공 네트워크를 충진하기 위한 도금 공정의 수행을 위하여, 금속층(132) 위에 형성될 수 있다. 또한, 상기 금속층(132)은 베이스 기판(130) 위에 배치될 수 있다.The three-dimensional porous mold 135 may then be formed on the metal layer 132 for performing a plating process to fill the pore network. The metal layer 132 may be disposed on the base substrate 130.

예를 들어, 상기 금속층(132)은, 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 구리(Cu), 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 크롬(Cr) 등과 같은 금속을 포함할 수 있다.For example, the metal layer 132 may include a metal such as nickel (Ni), titanium (Ti), copper (Cu), platinum (Pt), gold (Au), silver (Ag) can do.

상기 베이스 기판(130)은, 실리콘 산화물, 사파이어 등을 포함할 수 있으며, 이후 금속층(132)과의 이형(releasing)이 용이하게 진행될 수 있도록, 실리콘 산화물을 포함하는 것이 바람직할 수 있다.The base substrate 130 may include silicon oxide, sapphire, or the like. The base substrate 130 may include silicon oxide so that releasing from the metal layer 132 can proceed easily.

다음으로, 3차원 다공성 주형(135)에 포함된 기공 내부를 충진하여 열전 물질부(140)를 형성한다.Next, the thermoelectric material 140 is formed by filling the pores included in the three-dimensional porous mold 135.

상기 열전 물질부(140)가 상기 3차원 다공성 주형(135)의 역상을 갖도록, 상기 기공을 실질적으로 전부 충진할 수 있다. 상기 열전 물질부(140)를 형성하기 위하여, 전기 도금, 무전해 도금, 용액 공정, 화학기상증착(CVD) 등을 이용할 수 있으며, 이하에서는 전기 도금을 이용한 방법을 예시적으로 설명하기로 한다.The thermoelectric material 140 may substantially completely fill the pores so as to have a reversed phase of the three-dimensional porous mold 135. Electroplating, electroless plating, solution processing, chemical vapor deposition (CVD), or the like can be used to form the thermoelectric part 140. Hereinafter, a method using electroplating will be exemplarily described.

일 실시예에 따르면, 전기 도금 공정을 이용하여 상기 열전 물질부(140)가 형성될 수 있다. 전기 도금 공정의 수행을 위하여, 양극, 전해질 용액 및 음극을 포함하는 전해 셀이 사용되며, 3차원 다공성 주형(135)이 형성된 금속층(132)이 예를 들면 상기 음극으로 제공될 수 있다. 상기 전해질 용액은, 상기 열전 물질부(140)를 구성하는 금속의 양이온을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 열전 물질부(140)가 Bi-Te를 포함하는 경우, 상기 전해질 용액은 Bi의 양이온 및 Te의 양이온을 포함할 수 있다. 상기 3차원 다공성 주형(135) 및 상기 금속층(132)을 상기 전해질 용액에 함침하고, 전원을 통해 소정의 전압을 공급하면, 상기 전해질 용액에 포함된 상기 금속 양이온을 3차원 다공성 주형(135)을 향해 이동시킬 수 있다. According to one embodiment, the thermoelectric part 140 may be formed using an electroplating process. For performing the electroplating process, an electrolytic cell including an anode, an electrolyte solution and a cathode is used, and a metal layer 132 on which a three-dimensional porous mold 135 is formed may be provided as the cathode, for example. The electrolyte solution may include cations of metals constituting the thermoelectric part 140. For example, when the thermoelectric material 140 includes Bi-Te, the electrolyte solution may include cations of Bi and Te. When the electrolyte solution is impregnated with the three-dimensional porous mold 135 and the metal layer 132 and a predetermined voltage is supplied through a power source, the metal cations contained in the electrolyte solution are injected into the three- .

일 실시예에 따르면, 상기 전기 도금 수행 전에 3차원 다공성 주형(135) 표면을 플라즈마 처리할 수 있다. 이에 따라, 3차원 다공성 주형(135) 표면이 소수성에서 친수성으로 변환될 수 있으며, 상기 전해질 용액의 상기 금속 양이온의 접근성이 향상될 수 있다.According to one embodiment, the surface of the three-dimensional porous mold 135 may be plasma treated prior to performing the electroplating. Accordingly, the surface of the three-dimensional porous mold 135 can be converted from hydrophobic to hydrophilic, and the accessibility of the metal cation of the electrolyte solution can be improved.

상기 전기 도금 수행 시, 전해질 농도, 전압 및/또는 전류의 크기, 공급 시간을 조절함으로써, 상기 3차원 다공성 주형(135) 내의 기공을 충분히 충진할 수 있다.In performing the electroplating, the pores in the three-dimensional porous mold 135 can be sufficiently filled by adjusting the electrolyte concentration, the voltage and / or the current magnitude and the supply time.

상기 열전 물질부(140)는, 상기 3차원 다공성 주형(135)의 역상을 가지며, 예를 들어, 상기 열전 물질부(140)의 두께는, 50nm 내지 300nm일 수 있다. The thermoelectric material part 140 has a reversed phase of the three-dimensional porous mold 135. For example, the thickness of the thermoelectric material part 140 may be 50 nm to 300 nm.

이에 따라, 상기 열전 물질부(140) 및 상기 3차원 다공성 주형(135)을 포함하는 열전 복합체가 얻어진다.Thereby, a thermoelectric composite including the thermoelectric part 140 and the three-dimensional porous mold 135 is obtained.

다음으로, 상기 금속층(132)과 상기 베이스 기판(130)을 분리한다. 상기 금속층(132)과 결합된 상기 열전 복합체는 독립적인(freestanding) 멤브레인으로 기능할 수 있다. 예를 들어, 상기 베이스 기판(130)이 실리콘 산화물을 포함하는 경우, 불산 용액 등을 제공하여, 상기 베이스 기판(130)을 제거할 수 있다.Next, the metal layer 132 and the base substrate 130 are separated. The thermocompression complex associated with the metal layer 132 may function as a freestanding membrane. For example, when the base substrate 130 includes silicon oxide, the base substrate 130 may be removed by providing a solution such as a hydrofluoric acid solution.

다음으로, 상기 열전 복합체로부터 상기 금속층(132)을 제거한다. 상기 금속층(132)을 제거하기 위한 방법은 특별히 제한되지는 않으나, 예를 들어, 이온-밀링(ion-milling) 등의 방법이 이용될 수 있다.Next, the metal layer 132 is removed from the thermoelectric composite. The method for removing the metal layer 132 is not particularly limited. For example, a method such as ion-milling may be used.

다른 실시예에서, 상기 금속층(132)은 제거되지 않고, 열전 모듈의 전극 또는 배리어층 등으로 이용될 수도 있다.In another embodiment, the metal layer 132 may not be removed, but may be used as an electrode or barrier layer of a thermoelectric module.

상기 열전 복합체는 그 자체로 열전 소재로 사용 가능하며, 상기 3차원 다공성 주형(135)을 제거하여, 상기 열전 물질부(140)와 기공 어레이로 구성된 3차원 나노 구조체를 열전 소재로 이용할 수도 있다.The thermoelectric composite itself can be used as a thermoelectric material. The three-dimensional porous mold 135 may be removed, and a three-dimensional nanostructure formed of the thermoelectric material 140 and the pore array may be used as a thermoelectric material.

예를 들어, 상기 3차원 다공성 주형(135)은, 열처리, 습식 에칭 또는 플라즈마 처리 등을 통해 제거될 수 있다.For example, the three-dimensional porous mold 135 may be removed through heat treatment, wet etching, plasma treatment, or the like.

상기 열처리는 약 400 oC 내지 약 1,000 oC 온도에서 수행될 수 있으며, 예를 들면 공기 혹은 산소 분위기에서 수행될 수 있다. 아르곤(Ar)과 같은 불활성 가스가 상기 열처리를 위한 분위기에 추가될 수도 있다.The heat treatment may be performed at a temperature of about 400 ° C to about 1,000 ° C, for example, in an air or oxygen atmosphere. An inert gas such as argon (Ar) may be added to the atmosphere for the heat treatment.

상기 플라즈마 처리는 산소 플라즈마 처리 또는 반응성 이온 식각(Reactive Ion Etching: RIE) 공정을 포함할 수 있다.The plasma treatment may include an oxygen plasma treatment or a reactive ion etching (RIE) process.

상기 3차원 다공성 주형(135)을 제거하는 경우, 상기 열전 물질부(140)에 대하여 환원 공정을 수행할 수 있다. 상기 환원 공정은 상기 3차원 다공성 주형(135)가 열처리 또는 플라즈마 처리에 의해 제거되는 과정에서, 발생한 산소를 제거함으로써, 상기 열전 물질부(140)의 전기적 특성을 향상시킬 수 있다.When the three-dimensional porous mold 135 is removed, the thermoelectric material 140 may be subjected to a reduction process. The reduction process may improve the electrical characteristics of the thermoelectric part 140 by removing generated oxygen during the process of removing the three-dimensional porous mold 135 by heat treatment or plasma treatment.

상기 환원 공정은, 수소 및 아르곤(Ar)과 같은 불활성 가스의 혼합 가스 분위기에서 열처리를 진행하여 수행될 수 있으며, 예를 들어, 약 400 oC 내지 약 1,000 oC 온도에서 수행될 수 있다.The reduction process may be performed by performing heat treatment in a mixed gas atmosphere of hydrogen and an inert gas such as argon (Ar), for example, at a temperature of about 400 ° C to about 1,000 ° C.

상기를 통해, 정렬된 3차원 네트워크 형상을 갖는 절연 물질부 및 역 오팔(inverse opal) 형상을 갖도록 상기 절연 물질부를 둘러싸는 열전 물질부를 포함하는 열전 소재가 얻어질 수 있다.Through this, a thermoelectric material including an insulating material portion having an aligned three-dimensional network shape and a thermoelectric material portion surrounding the insulating material portion to have an inverse opal shape can be obtained.

상기 열전 소재는 열전 모듈의 제조에 이용될 수 있다. 예를 들어, 상기 열전 소재의 일단에 제1 전극을 결합하고, 타단에 제2 전극을 결합하여 열전 모듈이 제조될 수 있다. 다른 실시예에서, 도 1에 도시된 것과 같이, 상기 열전 소재 상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극 사이에는 배리어층과 같은 기능층들이 제공될 수 있다.The thermoelectric material can be used in the manufacture of a thermoelectric module. For example, a thermoelectric module can be manufactured by coupling the first electrode to one end of the thermoelectric material and the second electrode to the other end. In another embodiment, as shown in FIG. 1, functional layers such as a barrier layer may be provided between the first electrode or the second electrode of the thermoelectric material.

본 발명의 실시예에 따르면, 3차원으로 정렬된 나노 구조의 열전 소재를 얻을 수 있으며, 상기 열전 소재는 절연 물질부에 의한 포논 산란 효과에 의해, 전기전도도를 실질적으로 유지하면서, 열전도도를 크게 감소시킬 수 있다. 따라서, 열전 성능을 향상시킬 수 있다.According to the embodiment of the present invention, it is possible to obtain a thermoelectric material having a nanostructure aligned in three dimensions, and the thermoelectric material has a high thermal conductivity due to the phonon scattering effect by the insulating material portion, . Therefore, the thermoelectric performance can be improved.

또한, 상기 3차원으로 정렬된 나노 구조의 열전 소재는, 나노 와이어 등과 같은 종래의 나노 구조에 비하여 벌크로 형성하는 것이 용이하다. 따라서, 상용화 가능한 고성능 열전 모듈을 제공할 수 있다.In addition, the thermoelectric material of the nanostructure arranged in three dimensions is easier to form in bulk than the conventional nanostructure such as nanowire. Therefore, a high performance thermoelectric module that can be used for commercialization can be provided.

이하에서는, 구체적인 실험예를 통해, 본 발명에 따른 열전 모듈 및 모듈의 제조 방법의 과정에 대해 보다 상세히 설명한다. 하기의 실험예들은 단지 예시적으로 제공되는 것이며, 본 발명의 범위가 이에 제공된 내용으로 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, a process of a method of manufacturing a thermoelectric module and a module according to the present invention will be described in detail with reference to specific experimental examples. The following examples are provided by way of illustration only and are not intended to limit the scope of the present invention.

실시예 1Example 1

<3차원 다공성 주형 형성>&Lt; Formation of a three-dimensional porous mold &

E-beam evaporation 장비를 이용하여 제조된 Au(50 nm)/Cr(5 nm)/SiO2 기판위에 포토레지스트(상품명: SU-8 2, Micro Chem사 제조)를 3000 rpm으로 스핀코팅 한 후, 핫 플레이트 상에서 65 oC로 2분, 95 oC로 3분 동안 가열하였다. 다음으로 365 nm UV 램프에 2분 동안 노출하고, 180 oC로 3분 동안 가열하여 포토레지스트를 완전히 가교시켰다. 그 위에 포토레지스트 (상품명: SU-8 2, Micro Chem사 제조)를 2000 rpm으로 스핀코팅 한 후, 핫 플레이트 상에서 65 oC로 10분, 95 oC로 15분 동안 가열하였다.A photoresist (trade name: SU-8 2, manufactured by Micro Chem) was spin-coated on the Au (50 nm) / Cr (5 nm) / SiO 2 substrate manufactured using an E-beam evaporation apparatus at 3000 rpm, It was heated on a hot plate at 65 ° C for 2 minutes and at 95 ° C for 3 minutes. Then exposed to a 365 nm UV lamp for 2 minutes and heated at 180 ° C for 3 minutes to completely crosslink the photoresist. A photoresist (trade name: SU-8 2, manufactured by Micro Chem) was spin-coated thereon at 2000 rpm and then heated on a hot plate at 65 ° C for 10 minutes and 95 ° C for 15 minutes.

상기 포토레지스트가 도포된 기판에 주기적인 요철 구조를 갖는 PDMS 재질의 위상 마스크를 접촉시켰다. 상기 위상 마스크는 600 nm의 주기를 가지며 정사각 격자형으로 정렬된 구멍을 가졌다. 상기 위상 마스크에 355 nm 파장의 레이저를 15 mJ/cm2 조사한 후, 현상 및 건조하여 x, y축으로 600 nm 주기, z축으로 1 um의 주기의 기공을 갖는 3차원 다공성 주형이 수득되었다. The substrate coated with the photoresist was brought into contact with a phase mask made of PDMS having a periodic concavo-convex structure. The phase mask had apertures arranged in a square grid with a period of 600 nm. The phase mask was irradiated with a laser having a wavelength of 355 nm of 15 mJ / cm 2 , developed and dried to obtain a three-dimensional porous mold having pores having a period of 600 nm in the x and y axes and a period of 1 μm in the z axis.

<3차원 열전 물질부 형성>&Lt; Formation of three-dimensional thermoelectric material part &

상기 3차원 다공성 주형이 형성된 Au/Cr/SiO2 기판을 음극으로 이용하고, 2 mM Bi(NO3)3, 4 mM TeO2, 0.35 M HNO3 및 40 mM L-(+)-Tartaric acid의 전해질 용액을 이용하여, 전압으로 4초간 ­0.05 V 와 6초간 +0.017 V의 전압을 교차적으로 가하여 Bi-Te로 이루어지며, 상기 3차원 다공성 주형에 대하여 역상을 갖는 열전 물질부를 형성하였다.The Au / Cr / SiO 2 substrate on which the 3-dimensional porous template was formed was used as a negative electrode, and 2 mM Bi (NO 3 ) 3 , 4 mM TeO 2 , 0.35 M HNO 3 and 40 mM L - (+) - Tartaric acid Using the electrolyte solution, a voltage of 0.05 V for 4 seconds and a voltage of +0.017 V for 6 seconds were alternately applied to form a thermoelectric material portion having Bi-Te and having a reversed phase with respect to the 3-dimensional porous template.

다음으로, SiO2 기판을 불산 용액에서 제거한 후, Au/Cr층을 이온-밀링 장비를 이용하여 제거하여 두께가 약 8.2 ㎛인 3차원 나노 구조 열전 소재를 수득하였다.Next, after the SiO 2 substrate was removed from the hydrofluoric acid solution, the Au / Cr layer was removed by ion-milling equipment to obtain a three-dimensional nanostructured thermoelectric material having a thickness of about 8.2 μm.

실시예 2Example 2

<3차원 다공성 주형 형성>&Lt; Formation of a three-dimensional porous mold &

실시예 1과 동일한 방법으로 3차원 다공성 주형을 수득하였다.A three-dimensional porous template was obtained in the same manner as in Example 1.

<3차원 열전 물질부 형성>&Lt; Formation of three-dimensional thermoelectric material part &

상기 3차원 다공성 주형이 형성된 Au/Cr/SiO2 기판을 음극으로 이용하고, 2 mM Bi(NO3)3, 2 mM SbO2, 4 mM TeO2, 0.35 M HNO3 및 40 mM L-(+)-Tartaric acid의 전해질 용액을 이용하여, 전압으로 4초간 ­0.05 V 와 6초간 +0.017 V의 전압을 교차적으로 가하여 Bi-Sb-Te로 이루어지며, 상기 3차원 다공성 주형에 대하여 역상을 갖는 열전 물질부를 형성하였다.The 3D porous mold, and using the Au / Cr / SiO 2 substrate is formed as a cathode, 2 mM Bi (NO 3) 3, 2 mM SbO 2, 4 mM TeO 2, 0.35 M HNO 3 , and 40 mM L - (+ ) -Tartaric acid electrolyte solution, Bi-Sb-Te is applied by alternately applying a voltage of 0.05 V for 4 seconds and a voltage of +0.017 V for 6 seconds using a voltage, and a thermoelectric Thereby forming a material portion.

다음으로, SiO2 기판을 불산 용액에서 제거한 후, Au/Cr층을 이온-밀링 장비를 이용하여 제거하여 두께가 약 8.2 ㎛인 3차원 나노 구조 열전 소재를 수득하였다.Next, after the SiO 2 substrate was removed from the hydrofluoric acid solution, the Au / Cr layer was removed by ion-milling equipment to obtain a three-dimensional nanostructured thermoelectric material having a thickness of about 8.2 μm.

비교예 1Comparative Example 1

Au/Cr/SiO2 기판을 음극으로 이용하고, 2 mM Bi(NO3)3, 4 mM TeO2, 0.35 M HNO3 및 40 mM L-(+)-Tartaric acid의 전해질 용액을 이용하여, Bi-Te 필름을 수득하였다.Using the electrolyte solution of Tartaric acid, Bi - using a Au / Cr / SiO 2 substrate with a cathode and, 2 mM Bi (NO 3) 3, 4 mM TeO 2, 0.35 M HNO 3 , and 40 mM L - (+) -Te film.

비교예 1Comparative Example 1

Au/Cr/SiO2 기판을 음극으로 이용하고, 2 mM Bi(NO3)3, 2 mM SbO2, 4 mM TeO2, 0.35 M HNO3 및 40 mM L-(+)-Tartaric acid의 전해질 용액을 이용하여, Bi-Sb-Te 필름을 수득하였다.Using a Au / Cr / SiO 2 substrate with a cathode and, 2 mM Bi (NO 3) 3, 2 mM SbO 2, 4 mM TeO 2, 0.35 M HNO 3 , and 40 mM L - electrolyte solution of Tartaric acid - (+) , A Bi-Sb-Te film was obtained.

도 4는 실시예 2에서 얻어진 3차원 나노 구조 열전 소재의 주사전자현미경 사진이다. 4 is a scanning electron micrograph of the three-dimensional nanostructured thermoelectric material obtained in Example 2. Fig.

도 4를 참조하면, 3차원으로 주기적으로 배열된 절연 물질(PR) 어레이 사이에, 열전 물질(Bi-Sb-Te)이 충진되었음을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 4, it can be confirmed that a thermoelectric material (Bi-Sb-Te) is filled between insulating material (PR) arrays periodically arranged in three dimensions.

도 5a는 실시예 1에서 얻어진 3차원 나노 구조 열전 소재(3D nanostructured BT film)와 비교예 1에서 얻어진 Bi-Te 필름(Normal BT film)의 온도에 따른 전기전도도 변화를 도시한 그래프이다. 도 5b는 실시예 1에서 얻어진 3차원 나노 구조 열전 소재(3D nanostructured BT film)와 비교예 1에서 얻어진 Bi-Te 필름(Normal BT film)의 온도에 따른 제백지수 변화를 도시한 그래프이다. 도 5c는 실시예 1에서 얻어진 3차원 나노 구조 열전 소재(3D nanostructured BT film)와 비교예 1에서 얻어진 Bi-Te 필름(Normal BT film)의 온도에 따른 파워팩터 변화를 도시한 그래프이다.FIG. 5A is a graph showing changes in electrical conductivity of a 3D nanostructured BT film obtained in Example 1 and a Bi-Te film obtained in Comparative Example 1 according to temperature. FIG. FIG. 5B is a graph showing changes in the whitening index according to the temperatures of the 3D nanostructured BT film obtained in Example 1 and the Bi-Te film obtained in Comparative Example 1. FIG. FIG. 5C is a graph showing changes in power factor according to temperature of the 3D nanostructured BT film obtained in Example 1 and the Bi-Te film obtained in Comparative Example 1 (normal BT film). FIG.

도 5a 내지 5c를 참조하면, 전기전도도 및 이와 관련된 열전 지수(제백지수 및 파워팩터)들은 실시예 1에서 얻어진 Bi-Te 3차원 나노 구조체와 일반적인 형태의 Bi-Te 필름을 비교하였을 때, 큰 차이가 없음을 알 수 있다.5A to 5C, the electrical conductivity and the thermoelectric conversion index (whiteness index and power factor) associated therewith show that when comparing the Bi-Te three-dimensional nanostructure obtained in Example 1 with the general type Bi-Te film, .

도 6은 실시예 2에서 얻어진 3차원 나노 구조 열전 소재(3D nanostructured BST film)와 비교예 2에서 얻어진 Bi-Sb-Te 필름(Normal BST film)의 XRD 분석 결과를 도시한 그래프이다. 도 7은 실시예 2에서 얻어진 3차원 나노 구조 열전 소재의 EDS 맵핑 이미지다.6 is a graph showing XRD analysis results of the 3D nanostructured thermoelectric material (3D nanostructured BST film) obtained in Example 2 and the Bi-Sb-Te film (Normal BST film) obtained in Comparative Example 2. FIG. 7 is an EDS mapping image of the three-dimensional nanostructured thermoelectric material obtained in Example 2. Fig.

도 6 및 7을 참조하면, 실시예 2에서 얻어진 Bi-Sb-Te 3차원 나노 구조체는 Bi, Sb 및 Te가 균일하게 분산된 합금으로 이루어지며, 일반적인 형태의 Bi-Sb-Te 필름과 비교하였을 때, 실질적으로 동일한 결정 구조를 가짐을 확인할 수 있다. 6 and 7, the Bi-Sb-Te three-dimensional nanostructure obtained in Example 2 is composed of an alloy in which Bi, Sb and Te are uniformly dispersed and is compared with a Bi-Sb-Te film of a general shape , It can be confirmed that they have substantially the same crystal structure.

도 8a는 실시예 2에서 얻어진 3차원 나노 구조 열전 소재(3D nanostructured BST film)와 비교예 2에서 얻어진 Bi-Sb-Te 필름(Normal BST film)의 온도에 따른 전기전도도 변화를 도시한 그래프이다. 도 8b는 실시예 2에서 얻어진 3차원 나노 구조 열전 소재(3D nanostructured BST film)와 비교예 2에서 얻어진 Bi-Sb-Te 필름(Normal BST film)의 온도에 따른 제백지수 변화를 도시한 그래프이다. 도 8c는 실시예 2에서 얻어진 3차원 나노 구조 열전 소재(3D nanostructured BST film)와 비교예 2에서 얻어진 Bi-Sb-Te 필름(Normal BST film)의 온도에 따른 파워팩터 변화를 도시한 그래프이다. 도 9는 실시예 2에서 얻어진 3차원 나노 구조 열전 소재(3D nanostructured BST film)와 비교예 2에서 얻어진 Bi-Sb-Te 필름(Normal BST film)의 온도에 따른 열전도도 변화를 도시한 그래프이다. 도 10은 실시예 2에서 얻어진 3차원 나노 구조 열전 소재(3D nanostructured BST film)와 비교예 2에서 얻어진 Bi-Sb-Te 필름(Normal BST film)의 온도에 따른 열전성능지수(Figure of Merit, ZT)의 변화를 도시한 그래프이다. 도 9의 그래프에서, 3차원 다공성 주형을 제외한 열전 물질부만의 열전도도를 얻기 위하여, 3차원 다공성 주형의 열전도도를 별도로 계산하여 이를 제하였다.8A is a graph showing changes in electrical conductivity of a 3-dimensional nanostructured thermoelectric material (3D nanostructured BST film) obtained in Example 2 and a Bi-Sb-Te film (Normal BST film) obtained in Comparative Example 2 according to temperature. FIG. 8B is a graph showing changes in the whitening index according to the temperature of the 3D nanostructured thermoelectric material (3D nanostructured BST film) obtained in Example 2 and the Bi-Sb-Te film (Normal BST film) obtained in Comparative Example 2. FIG. 8C is a graph showing a change in power factor according to temperature of the 3D nanostructured thermoelectric material (3D nanostructured BST film) obtained in Example 2 and the Bi-Sb-Te film (Normal BST film) obtained in Comparative Example 2. FIG. 9 is a graph showing changes in thermal conductivity of the 3D nanostructured thermoelectric material (3D nanostructured BST film) obtained in Example 2 and the Bi-Sb-Te film (Normal BST film) obtained in Comparative Example 2 according to the temperature. 10 is a graph showing the thermoelectric performance index (Figure of Merit, ZT) of the 3-dimensional nanostructured thermoelectric material (3D nanostructured BST film) obtained in Example 2 and the Bi-Sb-Te film (Normal BST film) ) In the second embodiment. In the graph of FIG. 9, in order to obtain the thermal conductivity of only the thermoelectric part except the three-dimensional porous mold, the thermal conductivity of the three-dimensional porous mold was separately calculated and removed.

도 8a 내지 8c, 도 9 및 도 10을 참조하면, 전기전도도 및 이와 관련된 열전 성능 지수(제백지수 및 파워팩터)들은 실시예 2에서 얻어진 Bi-Sb-Te 3차원 나노 구조체와 일반적인 형태의 Bi-Sb-Te 필름을 비교하였을 때, 큰 차이가 없으나, 열전도도가 크게 감소하고, 열전성능지수가 크게 증가함을 확인할 수 있다.Referring to FIGS. 8A to 8C, 9 and 10, the electrical conductivity and the thermoelectric performance index (whiteness index and power factor) associated therewith are compared with the Bi-Sb-Te three-dimensional nanostructure obtained in Example 2 and the Bi- When the Sb-Te films are compared, there is no significant difference, but the thermal conductivity is greatly reduced and the thermoelectric performance index is greatly increased.

상술한 바와 같이 본 발명의 예시적인 실시예들을 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. It will be understood that the invention may be modified and varied without departing from the scope of the invention.

본 발명은, 열전 모듈의 제조 및 열전 모듈을 이용한 발전 장치 등에 사용될 수 있다.INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used for manufacturing a thermoelectric module and a power generator using a thermoelectric module.

Claims (10)

삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 베이스 기판 위에 배치된 금속층 위에, 고분자를 포함하고 내부에 기공이 3차원으로 정렬된 3차원 다공성 주형을 형성하는 단계;
상기 3차원 다공성 주형 표면을 플라즈마 처리하는 단계;
상기 금속층을 음극으로 이용하여 전기 도금을 수행함으로써, 상기 3차원 다공성 주형의 기공 내에 열전 물질을 충진하여, 역 오팔(inverse opal) 형상을 갖도록 상기 3차원 다공성 주형을 둘러싸는 열전 물질부를 형성하는 단계;
상기 금속층으로부터 상기 베이스 기판을 분리하는 단계;
플라즈마 처리를 통해 상기 3차원 다공성 주형을 제거하는 단계;
상기 3차원 다공성 주형을 제거한 후, 400 ℃ 내지 1,000 ℃에서 수소 및 불활성 가스의 혼합 가스 분위기에서 환원 공정을 수행하는 단계;
상기 열전 물질부를 포함하는 열전 소자의 일단에 제1 전극을 연결하는 단계; 및
상기 열전 소자의 타단에 제2 전극을 연결하는 단계를 포함하는 열전 모듈의 제조 방법.
Forming a three-dimensional porous mold including a polymer and three-dimensionally arranged pores on a metal layer disposed on the base substrate;
Plasma processing the surface of the three-dimensional porous mold;
Forming a thermoelectric material portion surrounding the three-dimensional porous mold so as to have an inverse opal shape by filling the pores of the three-dimensional porous mold with thermoelectric material by performing electroplating using the metal layer as a negative electrode, ;
Separating the base substrate from the metal layer;
Removing the three-dimensional porous template through plasma treatment;
Performing a reduction process in a mixed gas atmosphere of hydrogen and an inert gas at 400 ° C. to 1,000 ° C. after removing the three-dimensional porous mold;
Connecting a first electrode to one end of the thermoelectric element including the thermoelectric part; And
And connecting a second electrode to the other end of the thermoelectric module.
제6항에 있어서, 상기 열전 물질부의 정렬 주기는 100nm 내지 2,000nm이고, 상기 열전 물질부의 두께는 50nm 내지 300nm인 것을 특징으로 하는 열전 모듈의 제조 방법.[7] The method of claim 6, wherein the thermoelectric part has an alignment period of 100 nm to 2,000 nm and the thermoelectric part has a thickness of 50 nm to 300 nm. 제6항에 있어서, 상기 열전 물질부는 칼코게나이드(chalcogenide)계, 스쿠테루다이트(skutterudite)계, 실리사이드(silicide)계, 클래스레이트(clathrate)계, 하프 휘슬러(Half heusler)계 및 비스무트-텔루륨(Bi-Te)계로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 열전 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 열전 모듈의 제조 방법.7. The method of claim 6, wherein the thermoelectric material is selected from the group consisting of chalcogenide, skutterudite, silicide, clathrate, half-heusler, and bismuth- And at least one thermoelectric material selected from the group consisting of tellurium (Bi-Te). 삭제delete 삭제delete
KR1020170083457A 2017-06-30 2017-06-30 Thermoelectric module including thermoelectric material having ordered 3-dimensional nano structure and method for manufacturing the same KR101983626B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170083457A KR101983626B1 (en) 2017-06-30 2017-06-30 Thermoelectric module including thermoelectric material having ordered 3-dimensional nano structure and method for manufacturing the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170083457A KR101983626B1 (en) 2017-06-30 2017-06-30 Thermoelectric module including thermoelectric material having ordered 3-dimensional nano structure and method for manufacturing the same

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20190003028A KR20190003028A (en) 2019-01-09
KR101983626B1 true KR101983626B1 (en) 2019-05-29

Family

ID=65017449

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020170083457A KR101983626B1 (en) 2017-06-30 2017-06-30 Thermoelectric module including thermoelectric material having ordered 3-dimensional nano structure and method for manufacturing the same

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101983626B1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20220052495A (en) 2020-10-21 2022-04-28 한국과학기술연구원 Method for manufacturing thermoelectric material having porous structure

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20210081617A (en) * 2019-12-24 2021-07-02 엘지이노텍 주식회사 Thermo electric element

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010278449A (en) * 2004-12-07 2010-12-09 Toyota Technical Center Usa Inc Nanostructured bulk thermoelectric material

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20120065010A (en) * 2010-12-10 2012-06-20 한국세라믹기술원 Thermoelectrics having high figure of merit

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010278449A (en) * 2004-12-07 2010-12-09 Toyota Technical Center Usa Inc Nanostructured bulk thermoelectric material

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20220052495A (en) 2020-10-21 2022-04-28 한국과학기술연구원 Method for manufacturing thermoelectric material having porous structure

Also Published As

Publication number Publication date
KR20190003028A (en) 2019-01-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Kim et al. High-performance flexible thermoelectric power generator using laser multiscanning lift-off process
Radousky et al. Energy harvesting: an integrated view of materials, devices and applications
US20170179314A1 (en) Photovoltaic cells
Yang et al. Synthesis of PbTe nanowire arrays using lithographically patterned nanowire electrodeposition
JP2013521662A (en) Nanostructure and photovoltaic cell implementing it
KR20180037177A (en) Heterostructure and electronic devices manufactured using the above heterostructure
KR20130120488A (en) Arrays of long nanostructures in semiconductor materials and method thereof
JP2009507397A (en) Nanostructure and photovoltaic cell implementing it
Feng et al. Enhanced antioxidation and thermoelectric properties of the flexible screen-printed Bi2Te3 films through interface modification
TW201104890A (en) Carbon nanotube-based solar cells
KR101983626B1 (en) Thermoelectric module including thermoelectric material having ordered 3-dimensional nano structure and method for manufacturing the same
Wang et al. Novel charge transport in DNA-templated nanowires
CN107810560A (en) Method for the material structure body of solar cell, solar cell and manufacture material structure
Fix et al. Silicon clathrate films for photovoltaic applications
KR20160127744A (en) Tandem organic photovoltaic devices that include a metallic nanostructure recombination layer
KR101983627B1 (en) Thermoelectric module having 3-dimensional coupling structure with density gradient and method for manufacturing the same
KR20190003027A (en) Thermoelectric module including thermoelectric material having ordered 3-dimensional nano shell structure
Koukharenko et al. Towards a nanostructured thermoelectric generator using ion-track lithography
Mun et al. Enhanced Photocurrent Performance of Flexible Micro‐Photodetector Based on PN Nanowires Heterojunction using All‐Laser Direct Patterning
US20160181121A1 (en) Electro-assisted transfer and fabrication of wire arrays
EP3509984B1 (en) Methods for making flexible artificial leaves for hydrogen production
WO2011063087A1 (en) Ionic vacancy diffusion driven growth of aligned nanostructures
US20170243998A1 (en) Method of forming electrodes for electronic device using two dimensional semiconductor and electronic device thereof
KR101039208B1 (en) Photovoltaic cell having semiconductor rod, method for fabricating the cell, and unified module of photovoltaic cell - thermoelectric device
CN111969035A (en) Transistor device and application and preparation thereof

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant