KR102106269B1 - 유기계 열전 소자를 포함한 발전 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전도성 고분자를 포함하는 유기계 열전 소자 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 발전 장치는 열전 소자를 포함하며, 열전 소자는 전도성 고분자 층을 형성하기 전 용액 상태에서 전도성 고분자를 디도판트로 디도핑시킴으로써 전도성 고분자 층의 제벡 계수를 향상시킬 수 있다.
Description
본 발명은 유기계 열전 소자를 포함한 발전 장치에 관한 것이다.
열전 현상(Thermoelectric effect)은 열과 전기 사이의 가역적, 직접적인 에너지 변환을 의미하며, 재료 내부의 전자(electron)와 정공(홀, hole)의 이동에 의해 발생하는 현상이다. 이러한 열전 현상은 외부로부터 인가된 전류에 의해 형성된 양단의 온도 차를 이용하여 냉각분야에 응용하는 펠티어 효과(Peltier effect)와 재료 양단의 온도 차로부터 발생하는 기전력을 이용하여 발전 분야에 응용하는 제벡 효과(Seebeck effect)로 구분된다.
이러한 열전 현상은 온도 전자기기의 발열 문제에 대응하는 능동형 냉각 시스템과 DNA에 응용되는 정밀온도제어 시스템 등 기존의 냉매가스 압축방식의 시스템으로는 해결 불가능한 분야에서의 수요가 확대되고 있다. 또한 열전 냉각은 환경문제를 유발하는 냉매가스를 사용하지 않는 무진동, 저소음의 친환경 냉각기술이며, 고효율의 열전 냉각 재료의 개발로 냉장고, 에어컨 등 범용 냉각 분야에까지 응용의 폭을 확대할 수 있다. 또한 자동차 엔진부, 산업용 공장 등에서 열이 방출되는 부분에 열전 재료를 적용하면 재료 양단에 발생하는 온도 차에 의한 발전이 가능하며, 태양에너지 사용이 불가능한 화성, 토성 등의 우주 탐사선에는 이미 이러한 열전 발전 시스템이 가동되고 있다.
이러한 열전 재료로 사용될 수 있는 전도성 재료로 BiTe와 같은 무기 재료를 예로 들 수 있으나, 전도성 재료로 사용되는 무기 재료인 중금속은 자원이 적고 산출국이 한정되어 있으며, 환경오염을 야기시킬 뿐만 아니라, 형상 구현이 자유롭지 못해 대면적화나 고집적화가 곤란하다는 단점이 있었다. 구체적으로, 무기 재료를 열전 재료로 사용할 경우, 전도성 고분자 대비 약 2 내지 3배의 제조 비용이 발생하게 되어 경제성이 떨어진다는 문제점이 있다.
이에, 열전 재료로 풍부한 자원, 경량, 유연성, 집적화 기술(스크린인쇄, 잉크젯) 등에 유리한 전기 전도성 고분자를 사용하는 방안이 모색되고 있다. 그러나 전기 전도성 고분자를 이용할 경우, 전기적 특성은 우수하나 열전 특성을 나타내는 제벡(Seebeck) 계수가 낮으며, 제벡 계수가 높은 전도성 고분자의 경우에는 전도도가 현저하게 낮은 단점이 있어, 최종으로는 역률(Power factor)값이 낮아 무기 재료에 비해 현저하게 낮은 열전 효율(ZT)을 갖는다는 문제점이 있다.
이러한, 전기 전도성 고분자는 예를 들어, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(PEDOT)에 폴리스티렌술폰산(PSS)을 도핑하여 전기 전도도를 높일 수 있으나, 높아진 전기 전도도에 비하여, 제벡(Seebeck) 계수가 현저하게 낮아짐으로 인해, 최종적으로 낮은 열전 효율(ZT)를 갖는다는 문제점이 있다.
고분자 열전 소재의 제백계수를 향상시키기 위하여 디도판트(dedopants)로 고분자 소재를 도핑 상태를 조절하는 방법이 공지된 바 있다. 그러나, 상기 방법은 고분자 열전 소재로 필름을 제작한 후 디도판트의 오버 코팅(over coating)의 수행하는 과정을 거치므로 소자 제작 시 공정상의 어려움이 있어, 고분자 열전 소재를 다양한 산업에 적용하기 위한 연구 개발이 시급한 실정이다.
본 발명의 목적은 전도성 고분자에 디도핑 공정을 도입하여 전도성 고분자의 제벡 계수가 향상된 열전 소자를 포함하는 발전장치를 제공하는 데에 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 일실시예에서, 기재층, 전도성 고분자 층, 및 기재층과 전도성 고분자층이 인접한 면의 타면에 형성된 전극을 포함하는 열전 소자; 및 태양전지를 포함하고, 열전 소자에 포함된 전도성 고분자 층의 제벡 계수는 하기 일반식 1을 만족하는 발전 장치를 제공한다.
[일반식 1]
Y= a/L + b
상기 일반식 1에서, Y는 제벡 계수(Seebeck coefficient, 단위: ㎶/K)이고, L은 전기전도도(electrical conductivity, 단위: S/cm)이며, a는 5 내지 20의 범위 내의 수이고, b는 25 내지 150의 범위 내의 수이다.
본 발명에 따른 발전 장치는 열전 소자를 포함하며, 열전 소자는 전도성 고분자 층을 형성하기 전 용액 상태에서 전도성 고분자를 디도판트로 디도핑시킴으로써 전도성 고분자 층의 제벡 계수를 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 구성인 열전 소자를 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 구성인 열전 소자를 나타낸 상면도이다.
도 3은 본 발명의 일 구성인 열전 소자의 멀티 유닛을 나타낸 상면도이다.
도 4는 실시예 및 비교예에 따른 열전 소자의 전기전도도 및 제벡 계수를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 구성인 열전 소자를 나타낸 상면도이다.
도 3은 본 발명의 일 구성인 열전 소자의 멀티 유닛을 나타낸 상면도이다.
도 4는 실시예 및 비교예에 따른 열전 소자의 전기전도도 및 제벡 계수를 나타낸 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 발명에서 첨부된 도면은 설명의 편의를 위하여 확대 또는 축소하여 도시된 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
발전 장치
본 발명은 일실시예에서, 기재층, 전도성 고분자 층, 및 기재층과 전도성 고분자층이 인접한 면의 타면에 형성된 전극을 포함하는 열전 소자; 및 태양전지를 포함하고, 열전 소자에 포함된 전도성 고분자 층의 제벡 계수는 하기 일반식 1을 만족하는 발전 장치를 제공한다.
[일반식 1]
Y= a/L + b
상기 일반식 1에서, Y는 제벡 계수(Seebeck coefficient, 단위: ㎶/K)이고, L은 전기전도도(electrical conductivity, 단위: S/cm)이며, a는 5 내지 20의 범위 내의 수이고, b는 25 내지 150의 범위 내의 수이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 구성인 열전 소자를 나타낸 것으로서, 열전 소자(100)는, 기재층(10), 전도성 고분자 층(20), 및 기재층(10)과 전도성 고분자층(20)이 인접한 면의 타면에 형성된 전극(30)을 포함한다.
기재층은 고분자성 필름, 무기물을 함유하는 필름 또는 전도성 무기물을 함유하는 필름을 사용할 수 있다. 예를 들어, 고분자성 필름은 폴리에스터, 폴리이미드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 사용할 수 있고, 무기물을 함유하는 필름은 일반적인 유리필름(Glass film)을 사용할 수 있으며, 전도성 무기물을 함유하는 필름은 ITO(Indium Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide), ATO(antimony-doped tin oxide), AZO(Al-doped zincoxide), GZO(gallium-doped zinc oxide), IGZO(indium-gallium-zinc oxide), FTO(fluorine-doped tin oxide), ZnO, TiO2, SnO2, WO3, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 1종 이상을 포함하는 필름을 사용할 수 있다.
열전 소자에 포함된 전도성 고분자 층의 제벡 계수는 하기 일반식 1을 만족하는 것이다.
[일반식 1]
Y= a/L + b
상기 일반식 1에서, Y는 제벡 계수(Seebeck coefficient, 단위: ㎶/K)이고, L은 전기전도도(electrical conductivity, 단위: S/cm)이며, a는 5 내지 20의 범위 내의 수이고, b는 25 내지 150의 범위 내의 수이다.
상기 a 및 b는 전기전도도(L)와 제벡 계수(Y)와의 상관 관계를 함수로 나타나기 위해 기재한 임의의 요소이다.
본 출원에서 용어 「제벡 계수」는, 제벡 기전력을 접합점에서의 온도차로 나눈 값의, 온도차가 0에 근접한 극한의 값을 의미하며, 열전 재료의 열전 특성을 나타내는 지표로 사용된다.
또한, 전도성 고분자 층의 제벡 계수는 하기 일반식 2를 만족할 수 있다.
[일반식 2]
Y= c/L + d
상기 일반식 1에서, Y는 제벡 계수(Seebeck coefficient, 단위: ㎶/K)이고, L은 전기전도도(electrical conductivity, 단위: S/cm)이며, c는 5 내지 13의 범위 내의 수이고, b는 25 내지 135의 범위 내의 수이다.
상기 c 및 d는 전기전도도(L)와 제벡 계수(Y)와의 상관 관계를 함수로 나타나기 위해 기재한 임의의 요소이다.
또한, 전도성 고분자 층의 제벡 계수는 25 내지 230 ㎶/K 범위 내 일 수 있으며, 구체적으로 25 내지 220 ㎶/K, 25 내지 60 ㎶/K, 25 내지 45 ㎶/K, 25 내지 35 ㎶/K 또는 25 내지 30 ㎶/K일 수 있다.
전도성 고분자 층의 전기전도도가 160 S/cm 이하일 수 있으며, 구체적으로 전도성 고분자 층의 전기전도도는 0.1 내지 160 S/cm, 0.1 내지 158 S/cm, 0.1 내지 130 S/cm, 0.1 내지 110 S/cm, 20 내지 160 S/cm, 20 내지 158 S/cm, 20 내지 130 S/cm, 20 내지 110 S/cm, 110 내지 160 S/cm 또는 110 내지 130 S/cm 일 수 있다.
상기 전도성 고분자 층의 제벡 계수와 전기전도도가 상기 범위를 벗어날 경우, 열전 효율이 감소 될 수 있다.
전도성 고분자 층의 평균 두께는 10 nm 내지 10 ㎛일 수 있으며, 구체적으로 전도성 고분자 층의 평균 두께는 100 nm 내지 10 ㎛, 500 nm 내지 10 ㎛, 1 ㎛ 내지 10 ㎛, 3 ㎛ 내지 10 ㎛, 5 ㎛ 내지 10 ㎛ 또는 100 내지 200 nm일 수 있고, 상기 범위를 벗어날 경우 균일한 코팅이 어려운 문제가 있다.
전극은 특별히 제한을 두는 것은 아니나, 금 또는 은으로 이루어진 것일 수 있다.
전극(30)은 기재층과 전도성 고분자층이 인접한 면의 타면에 형성된 것으로서(도 1 참조), 전극(30)은 적어도 전도성 고분자 층(20)의 하나의 모서리 부분과, 대향하는 모서리 부분에 전극(30)이 형성되어 있을 수 있고, 전도성 고분자 층(20)의 각 모서리 모두에 전극(30)이 형성되어 있을 수 있다(도 2 참조).
또한, 상기 열전 소자(100)는, 2 이상의 열전 소자(100)를 전기적으로 연결하여 멀티 유닛(200) 형태를 가질 수 있다.
본 발명의 일 구성인 태양 전지의 구조 및 구성요소 등은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공지되어 있으므로, 이하 이에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
태양 전지의 구조 및 구성요소에 대해서는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공지된 내용은 본 발명의 내용에 합체된다.
이하, 본 발명을 실시예 및 실험예에 의해 보다 상세히 설명한다.
단, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예 및 실험예에 한정되는 것은 아니다.
제조예 1. PEDOT:PSS 용액(a)
폴리스티렌설폰산(Polystyrene sulfonic acid, PSSA) 21.75 g(Mw: 75,000)을 증류수 670 g에 녹인 후 1시간 동안 교반하였다. 그런 다음, 황산철(iron sulfate) 0.086 g을 넣고 녹을 때까지 교반 시켰다. 교반 시, 1시간 동안 질소를 투입하여 용액 안으로 유입시켰다. 황산철(Iron sulfate)이 다 녹으면 용액의 온도를 10℃로 낮추고, 3,4-에틸렌디옥시티오펜(3,4-ethylenedioxythiophene, EDOT) 모노머 2.610 g을 넣고, 과황산나트륨(sodium persulfate) 5.022 g을 녹인 수용액 30 g을 투입하였다. 그런 다음, 24시간 동안 중합반응을 진행 한 후, 양이온 교환수지와 음이온 교환수지가 1:1의 질량 비율로 섞인 혼합이온교환수지를 500 ㎖ 넣어 불필요한 이온들을 제거하여, PEDOT:PSS 용액(a)을 제조하였다.
제조예 2. 디도판트 용액을 포함하는 PEDOT:PSS 용액(b)
제조예 1에 따른 PEDOT:PSS 용액(a) 100 중량부에 대해 디도판트 용액 10.5 중량부를 첨가한 후, 30분 동안 교반하였다.
디도판트 용액은 극성용매인 EG에 디도판트인 NaOH를 1:1 부피비로 혼합한 용액을 사용하였다. 그런 다음, 한외여과(ultra-filtration, 제품명: Amicon사 model 8400)를 통해 과량의 수산화 이온 및 PSS 혼합물을 제거하였고, 정제 과정 중에는 교반을 지속적으로 진행하여 디도판트 용액을 포함하는 PEDOT:PSS 용액(b)을 제조하였다.
제조예 3. 디도판트 용액을 포함하는 PEDOT:PSS 용액(c)
제조예 1에 따른 PEDOT:PSS 용액(a) 100 중량부에 대해 디도판트 용액 14 중량부를 첨가한 것을 제외하고는, 상기 제조예 2와 동일한 방법으로 디도판트 용액을 포함하는 PEDOT:PSS 용액(c)을 제조하였다.
제조예 4. 디도판트 용액을 포함하는 PEDOT:PSS 용액(d)
제조예 1에 따른 PEDOT:PSS 용액(a) 100 중량부에 대해 디도판트 용액 15 중량부를 첨가한 것을 제외하고는, 상기 제조예 2와 동일한 방법으로 디도판트 용액을 포함하는 PEDOT:PSS 용액(d)을 제조하였다.
제조예 5. 디도판트 용액을 포함하는 PEDOT:PSS 용액(e)
제조예 1에 따른 PEDOT:PSS 용액(a) 100 중량부에 대해 디도판트 용액 16.25 중량부를 첨가한 것을 제외하고는, 상기 제조예 2와 동일한 방법으로 디도판트 용액을 포함하는 PEDOT:PSS 용액(e)을 제조하였다.
제조예 6. 디도판트 용액을 포함하는 PEDOT:PSS 용액(f)
제조예 1에 따른 PEDOT:PSS 용액(a) 100 중량부에 대해 디도판트 용액 106.5 중량부를 첨가한 것을 제외하고는, 상기 제조예 2와 동일한 방법으로 디도판트 용액을 포함하는 PEDOT:PSS 용액(f)을 제조하였다.
비교예 1. 발전 장치
제조예 1에 따른 PEDOT:PSS 용액(a)을 유리 기판(두께: 1 mm) 상에 코팅하고, 150℃의 온도에서 10분 동안 열처리하여(PEDOT:PSS 층 두께: 220 nm) 열전 소재를 제조하였다.
이후, PEDOT:PSS 층의 각 모서리 부분 모두에 이온빔 스퍼터를 이용하여 상온 조건에서 금(Au)으로 이루어진 전극을 증착하여 얻어진 열전 소자(A)와 태양 전지를 포함한 발전 장치를 제작하였다.
실시예 1. 발전 장치
제조예 2에 따른 디도판트 용액을 포함하는 PEDOT:PSS 용액(b)을 유리 기판(두께: 150 nm) 상에 코팅하고(PEDOT:PSS 층 두께: 1 mm), 150℃의 온도에서 10분 동안 열처리하여 열전 소재를 제조하였다.
이후, PEDOT:PSS 층의 각 모서리 부분 모두에 이온빔 스퍼터를 이용하여 상온 조건에서 금(Au)으로 이루어진 전극을 증착하여 얻어진 열전 소자(B)와 태양 전지를 포함한 발전 장치를 제작하였다.
실시예 2. 발전 장치
제조예 3에 따른 디도판트 용액을 포함하는 PEDOT:PSS 용액(d)을 기판 상에 코팅한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1의 내용과 동일한 방법을 수행하여 제작된 열전 소자(C)와 태양 전지를 포함한 발전 장치를 제작하였다.
실시예 3.
발전 장치
제조예 4에 따른 디도판트 용액을 포함하는 PEDOT:PSS 용액(d)을 기판 상에 코팅한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1의 내용과 동일한 방법을 수행하여 제작된 열전 소자(D)와 태양 전지를 포함한 발전 장치를 제작하였다.
실시예 4.
발전 장치
제조예 5에 따른 디도판트 용액을 포함하는 PEDOT:PSS 용액(e)을 기판 상에 코팅한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1의 내용과 동일한 방법을 수행하여 제작된 열전 소자(E)와 태양 전지를 포함한 발전 장치를 제작하였다.
실시예 5.
발전 장치
제조예 6에 따른 디도판트 용액을 포함하는 PEDOT:PSS 용액(f)을 기판 상에 코팅한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1의 내용과 동일한 방법을 수행하여 제작된 열전 소자(F)와 태양 전지를 포함한 발전 장치를 제작하였다.
실험예 1. 열전 소자의 전기전도도 측정
실시예 및 비교예에 따른 열전 소자(A~F)의 전기전도도는 반데르 파우 리지스티버티(van der pauw resistivity) 방법을 이용하여 면 저항(sheet resistance)을 측정하였고, 열전 소자의 두께는 표면 프로파일(surface profile) 장비(기기명: DektakXT)를 이용하여 측정하였다. 이렇게 측정한 열전 소자의 면 저항과 두께를 이용하여 전기전도도를 산출하였다. 그 결과를 표 1에 나타내었다.
실험예 2. 열전 소자의 제벡 계수 측정
실시예 및 비교예에 따른 따른 열전 소자의 양 쪽에 펠티어 소자(peltier device)를 이용하여 온도차를 준 후, 기전력을 측정하여 제벡 계수(Seebeck coefficient)를 측정하였다. 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
| 전기전도도(S/cm) | 제벡 계수(μV/K) | pH | |
| 비교예 1 | 322.5 | 19.0 | 1.69 |
| 실시예 1 | 157.7 | 28.6 | 5.42 |
| 실시예 2 | 129.6 | 29.4 | 7.18 |
| 실시예 3 | 107.8 | 34.5 | 9.06 |
| 실시예 4 | 21.1 | 43.9 | 11.03 |
| 실시예 5 | 0.14 | 220.2 | 12.41 |
표 1과 도 4에 나타낸 바와 같이, 디도판트 용액을 PEDOT:PSS 용액에 혼합하여 이를 코팅함으로써, 전도성 고분자 층의 제벡 계수를 다양하게 변화시킬 수 있었다.
디도판트 용액을 포함한 PEDOT:PSS 용액(b~e)은 기존의 유기 열전소재의 한계였던 높은 제백계수를 구현할 수 있고, 여과공정을 거친 PEDOT:PSS 혼합용액은 불순물인 과량의 잔여 염들을 제거할 수 있는 장점이 있다.
실시예를 통해 디도판트 용액의 함량에 따라 PEDOT:PSS 전도성 고분자 용액의 도핑 수준(doping level)을 조절할 수 있다. 도 4는 디도판트 용액의 함량에 따라 열전소재의 전기전도도와 열전계수 변화를 보여준다. 디도판트 용액의 함량이 증가할수록 도핑 수준은 낮아지다. 따라서, 전기전도도와 제백계수는 trade-off 관계이기 때문에 디도판트 용액의 함량이 증가할수록 전기전도도는 감소하지만, 유기소재로는 높은 제백계수를 구현하기 어려웠던 점을 극복할 수 있다.
10: 기재층, 20: 전도성 고분자 층. 30: 전극
100: 열전 소자, 200: 멀티 유닛
100: 열전 소자, 200: 멀티 유닛
Claims (4)
- 기재층, 전도성 고분자 층, 및 기재층과 전도성 고분자층이 인접한 면의 타면에 형성된 전극을 포함하는 열전 소자; 및
태양전지를 포함하고,
열전 소자에 포함된 전도성 고분자 층의 제벡 계수는 하기 일반식 1을 만족하고,
열전 소자에 포함된 전도성 고분자 층의 제벡 계수가 25 내지 230 ㎶/K 범위이며,
열전 소자에 포함된 전도성 고분자 층의 전기전도도가 160 S/cm 이하인 발전 장치:
[일반식 1]
Y= a/L + b
상기 일반식 1에서, Y는 제벡 계수(Seebeck coefficient, 단위: ㎶/K)이고, L은 전기전도도(electrical conductivity, 단위: S/cm)이며, a는 5 내지 20의 범위 내의 수이고, b는 25 내지 150의 범위 내의 수이다. - 제 1 항에 있어서,
열전 소자에 포함된 전도성 고분자 층의 제벡 계수는 하기 일반식 2를 만족하는 것인 발전 장치:
[일반식 2]
Y= c/L + d
상기 일반식 2에서, Y는 제벡 계수(Seebeck coefficient, 단위: ㎶/K)이고, L은 전기전도도(electrical conductivity, 단위: S/cm)이며, c는 5 내지 13의 범위 내의 수이고, b는 25 내지 135의 범위 내의 수이다. - 삭제
- 삭제
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| KR20230004984A (ko) | 2021-06-30 | 2023-01-09 | 포항공과대학교 산학협력단 | 열전기화학 전지 시스템 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101397265B1 (ko) * | 2013-02-22 | 2014-05-21 | 연세대학교 산학협력단 | 고효율의 열전 성능을 갖는 디도핑된 전도성 필름 및 그 제조방법 |
| JP2017214527A (ja) * | 2016-06-02 | 2017-12-07 | 東洋インキＳｃホールディングス株式会社 | 導電性組成物、熱電変換材料、および熱電変換素子 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101020475B1 (ko) * | 2008-11-28 | 2011-03-08 | 한양대학교 산학협력단 | 태양 전지 - 열전 소자 통합 모듈 및 이의 제조방법 |
| JP5460919B2 (ja) | 2010-04-01 | 2014-04-02 | エボニック デグサ ゲーエムベーハー | 織物柔軟剤活性組成物 |
-
2018
- 2018-07-25 KR KR1020180086634A patent/KR102106269B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (2)
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|---|---|---|---|---|
| KR101397265B1 (ko) * | 2013-02-22 | 2014-05-21 | 연세대학교 산학협력단 | 고효율의 열전 성능을 갖는 디도핑된 전도성 필름 및 그 제조방법 |
| JP2017214527A (ja) * | 2016-06-02 | 2017-12-07 | 東洋インキＳｃホールディングス株式会社 | 導電性組成物、熱電変換材料、および熱電変換素子 |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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