KR102114196B1 - 열전 마이크로 슈퍼커패시터 통합 디바이스 및 그 제조방법 - Google Patents

열전 마이크로 슈퍼커패시터 통합 디바이스 및 그 제조방법 Download PDF

Info

Publication number
KR102114196B1
KR102114196B1 KR1020180012419A KR20180012419A KR102114196B1 KR 102114196 B1 KR102114196 B1 KR 102114196B1 KR 1020180012419 A KR1020180012419 A KR 1020180012419A KR 20180012419 A KR20180012419 A KR 20180012419A KR 102114196 B1 KR102114196 B1 KR 102114196B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
thermoelectric
electrode
supercapacitor
collector
micro
Prior art date
Application number
KR1020180012419A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20190093007A (ko
Inventor
김상식
조경아
양경환
Original Assignee
고려대학교 산학협력단
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 고려대학교 산학협력단 filed Critical 고려대학교 산학협력단
Priority to KR1020180012419A priority Critical patent/KR102114196B1/ko
Priority to US16/177,692 priority patent/US10886329B2/en
Publication of KR20190093007A publication Critical patent/KR20190093007A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102114196B1 publication Critical patent/KR102114196B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L28/00—Passive two-terminal components without a potential-jump or surface barrier for integrated circuits; Details thereof; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L28/40—Capacitors
    • H01L28/60—Electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/08—Structural combinations, e.g. assembly or connection, of hybrid or EDL capacitors with other electric components, at least one hybrid or EDL capacitor being the main component
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/22—Electrodes
    • H01G11/26—Electrodes characterised by their structure, e.g. multi-layered, porosity or surface features
    • H01L35/28—
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/01—Manufacture or treatment
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/10—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/10—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
    • H10N10/17—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects characterised by the structure or configuration of the cell or thermocouple forming the device
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N19/00—Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one thermoelectric or thermomagnetic element covered by groups H10N10/00 - H10N15/00
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/13—Energy storage using capacitors

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
  • Electric Double-Layer Capacitors Or The Like (AREA)

Abstract

본 발명은, 상이한 두 개의 열원 사이에 개재되고 기판 상부에 배치되는 n 타입이나 p 타입 반도체로 이루어지는 열전채널을 구비하는 열전 단위체를 포함하는 열전발전모듈과, 상기 열전발전모듈과 연동하고 상기 열전채널을 통하여 포텐셜 차이가 형성되는 컬렉터 전극을 구비하는 마이크로 슈퍼커패시터모듈을 포함하는 열전 마이크로 슈퍼커패시터 통합 디바이스를 제공한다.

Description

열전 마이크로 슈퍼커패시터 통합 디바이스 및 그 제조방법{Thermoelectric generator module and method for producing the same}
본 발명은 에너지 변환과 저장에 관한 것으로 보다 상세하게는 실생활에서 용이하게 수확한 열에너지를 전기에너지로 변환시켜, 그 전기에너지를 저장하고 전자소자 전력원으로 사용할 수 있는 에너지 변환 저장 통합시스템을 이루는 열전 마이크로 슈퍼커패시터 통합 디바이스 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 열전 현상(Thermoelectric effect)이란 열과 전기 사이의 가역적, 직접적인 에너지 변환에 의하여 외부로부터 인가된 전류에 의해 형성된 양단의 온도차를 이용하여 냉각 분야에 응용하는 펠티어 효과(Peltier effect)와, 재료 양단의 온도 차로부터 발생하는 기전력을 이용하여 발전분야에 응용하는 제벡 효과(Seebeck effect)로 구분된다.
상기의 펠티어 효과를 응용한 열전 냉각 기술은 환경문제를 유발하는 냉매가스를 사용하지 않는 친환경 냉각기술이면서 나아가, 무진동과 저소음을 가지는 잇점을 가지고 있으며, 향후 고효율의 열전냉각 재료의 개발이 이루어지게 된다면 냉장고나 에어컨 등의 범용 냉각 분야에까지 응용의 폭을 확대할 수 있는 가능성을 가지고 있는 기술이다.
또한, 상기의 제백 효과를 응용한 열전 발전 기술은 자동차의 엔진, 산업현장에서의 열 방출 장비나 해당 구간에 열전 발전 재료를 적용하면 재료 양단에 발생하는 온도차에 의한 발전을 수행하는 기술로서, 이미 태양열 발전이 이루어질 수 없는 원거리 우주 탐사선에 이러한 열전 발전 시스템이 적용되고 있는 실정이다.
상기의 열전발전모듈은 p 형 및 n 형 반도체를 연결하여 한쪽은 고온, 다른 쪽은 저온 열원으로 설정하였을 때 발생되는 열기전력에 의해서 전류를 흐르도록 만든 회로이다.
근래에는 상기와 같은 열전발전모듈의 소형 컴팩트화를 달성하기 위한 다양한 열전발전모듈이 개발되고 있다.
하지만, 이러한 공지된 열전소자 기술의 경우, 실제 일상에서 발생하는 불규칙한 미소 열에너지를 전기 에너지로 변환하고 이를 저장함에 상당한 어려움이 수반되었다.
상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해소하기 위하여 창안된 본 발명은, 상온의 일상에서 수확 가능한 발생이 불규칙하고 미소한 형태의 열에너지를 전기에너지로 변환하고 이를 저장하여 실제 활용성을 극대화시킨 형태의 전력원을 제공하는 목적으로 한다.
즉, 종래 기술로는 미소 열에너지를 안정된 전기에너지로 변환시키고 저장하는 것이 불가능하였으나, 본 발명에서의 마이크로 형태의 열전발전모듈을 이용하여 미소 열에너지를 전기에너지로 변환시키고, 변환된 전기에너지를 마이크로 슈퍼캐퍼시터 모듈에 저장함으로써, 필요시에 출력하여 전자소자 전력원으로 활용가능하게 하는 통합 디바이스를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은, 상이한 두 개의 열원 사이에 개재되고 기판 상부에 배치되는 n 타입이나 p 타입 반도체로 이루어지는 열전채널을 구비하는 열전 단위체를 포함하는 열전발전모듈과, 상기 열전발전모듈과 연동하고 상기 열전채널을 통하여 포텐셜 차이가 형성되는 컬렉터 전극을 구비하는 마이크로 슈퍼커패시터모듈을 포함하는 열전 마이크로 슈퍼커패시터 통합 디바이스를 제공한다.
상기 열전 마이크로 슈퍼커패시터 통합 디바이스에 있어서, 상기 열전발전모듈의 상기 열전 단위체는: 상기 기판 측으로 상기 두 개의 열원 중 고온 측에 배치되는 고온 전극과, 상기 기판 측으로 상기 두 개의 열원 중 저온 측으로 상기 고온 전극과 이격되어 두 개가 배치되는 저온 전극과, 상기 고온 전극과 상기 저온 전극을 연결시키는 p 타입 반도체로 이루어지는 p 타입 열전채널과, 상기 고온 전극과 상기 저온 전극을 연결시키고 상기 p 타입 열전채널과 이격 배치되고 n 타입 반도체로 이루어지는 n 타입 열전채널을 포함할 수도 있다.
상기 열전 마이크로 슈퍼커패시터 통합 디바이스에 있어서, 상기 마이크로 슈퍼커패시터모듈은 상기 저온 전극의 양단 측에 각각 연결될 수도 있다.
상기 열전 마이크로 슈퍼커패시터 통합 디바이스에 있어서, 상기 컬렉터 전극은 일단이 각각 상기 저온 전극에 연결되고, 서로 이격 배치되고, 상기 마이크로 슈퍼커패시터모듈은: 일단이 상기 컬렉터 전극과 연결되고 서로 이격 대향 배치되는 슈퍼커패시터 컬렉터와, 상기 슈퍼커패시터 컬렉터 상에 배치되는 유전체층을 포함할 수도 있다.
상기 열전 마이크로 슈퍼커패시터 통합 디바이스에 있어서, 상기 기판의 수직 방향으로 볼 때, 상기 슈퍼커패시터 컬렉터는 상기 저온 전극 및 상기 고온 전극 상부에 적층 배치될 수도 있다.
상기 열전 마이크로 슈퍼커패시터 통합 디바이스에 있어서, 상기 슈퍼커패시터 컬렉터 상에는 rGO(reduced graphene oxide) 활성 전극이 구비될 수도 있다.
상기 열전 마이크로 슈퍼커패시터 통합 디바이스에 있어서, 상기 슈퍼커패시터 컬렉터, 상기 rGO 활성 전극 및 상기 유전체 층은 복수 적층 배치되고, 상기 슈퍼커패시터 컬렉터는 수직 적층 연결될 수도 있다.
상기 열전 마이크로 슈퍼커패시터 통합 디바이스에 있어서, 상기 열전 단위체는 복수 개가 연속 이격 배치되고, 상기 열전 단위체에 대한 상기 슈퍼커패시터 컬렉터를 연결하는 연결 컬렉터가 더 구비될 수도 있다.
상기 열전 마이크로 슈퍼커패시터 통합 디바이스에 있어서, 상기 열전 단위체는 복수개의 저온 전극, 고온 전극, p 타입 열전채널 및 n 타입 열전채널이 직렬 연결되도록 구비될 수도 있다.
상기 열전 마이크로 슈퍼커패시터 통합 디바이스에 있어서, 상기 열전발전모듈의 상기 열전 단위체는: 상기 두 개의 열원 사이에 배치되는 n 타입 반도체로 이루어지는 n 타입 열전채널을 포함하고, 상기 마이크로 슈퍼커패시터모듈은 상기 컬렉터 전극과 상기 n 타입 열전채널 사이에 개재되는 유전체층을 더 포함할 수도 있다.
상기 열전 마이크로 슈퍼커패시터 통합 디바이스에 있어서, 상기 마이크로 슈퍼커패시터모듈은, 상기 n 타입 열전채널과 상기 유전체층 사이에 배치되는 rGO(reduced graphene oxide) 활성 전극을 구비할 수도 있다.
본 발명에 따른 열전 마이크로 슈퍼커패시터 통합 디바이스는 종래의 에너지 발전/저장 장치 대비하여, 지속적이며 일정수준 이상 크기의 에너지를 저장 가능하게 하는 것으로, 상온 상태의 주변 환경으로부터 야기되는 많은 제약을 극복하여, 실환경 또는 인체에서 발생하는 열에너지의 크기가 매우 미세하고 불규칙한 대략 온도차이 1도 범위의 열적 불평등 상태로에서도 미소 열에너지를 전기에너지로 변환시키고, 이를 바로 마이크로슈퍼커패시터 모듈로 저장하거나 바로 사용 가능하게 하는 에너지 발전 소자의 통합 시스템 구현을 가능하게 하는 효과를 제공한다.
즉, 상기와 같은 구성을 가지는 본 발명 열전 마이크로 슈퍼커패시터 통합 디바이스 및 그 제조방법은, 열전채널을 구비함으로써 열전 마이크로 슈퍼커패시터 통합 디바이스가 구비하는 열전발전모듈의 제조공정 및 구조를 단순화시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명 열전 마이크로 슈퍼커패시터 통합 디바이스 및 그 제조방법은, 열전 마이크로 슈퍼커패시터 통합 디바이스의 열전발전모듈이 평면 상에서 복수 개의 연속적 배치를 이룸과 동시에, 대응하는 마이크로 슈퍼커패시터 모듈의 연속적 연결 구조를 취함으로써 불규칙하며 미소한 열온도 차의 상온 환경 하에서도 소정의 요구되는 전력 사양을 수확, 사용 및 저장 가능하게 하여, 궁극적으로 상온 하에서의 실질적인 열전 발전 및 하베스팅 구현을 가능하게 할 수도 있다.
또한, 본 발명의 열전 마이크로 슈퍼커패시터 통합 디바이스의 마이크로 슈퍼커패시터 모듈은 수직 적층 및 연결 커넥터를 통한 수평 방향으로의 연속적 배치 구조를 통해 대면적화에 의한 에너지 저장 성능을 극대화시킬 수도 있다.
즉, 본 발명의 열전 마이크로 슈퍼커패시터 통합 디바이스는 하나의 열전발전모듈에 대응하는 수직 적층된 n개의 슈퍼커패시터가 연결된 어레이를 통하여 하나의 슈퍼커패시터로가 연결된 셀보다 n배 증폭된 power를 저장할 수 있는 마이크로 슈퍼커패시터 모듈을 구비하고, 이러한 n개의 슈퍼커패시터가 연결된 마이크로 슈퍼커패시터 모듈에 대응하는 각각의 열전발전모듈을 연결 컬렉터를 통하여 어레이 m개를 직렬로 연결하게 되는 구조를 이룸으로써 mxn배 증폭된 파워를 저장/출력할 수 있는 통합 디바이스를 제공할 수 있고, 열전발전모듈과 마이크로 슈퍼커패시터 모듈의 병렬 어레이는 수평 구조로 구성되어 있고, 마이크로 슈퍼커패시터 모듈 내 슈퍼 커패시터 어레이들의 직렬 연결은 적층 구조로 구성되어 있어, 단위 면적당 및 단위 부피당 최대의 power 출력을 발생시킬 수도 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 열전 마이크로 슈퍼커패시터 통합 디바이스의 부분 단면도,
도 2 및 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 열전 마이크로 슈퍼커패시터 통합 디바이스의 열전 발전 모듈의 개략적인 부분 사시도 및 측단면도이다.
도 4 내지 도 18은 본 발명의 일실시예에 따른 열전 마이크로 슈퍼커패시터 통합 디바이스의 제조 과정을 나타내는 부분 측단면도 및 평면도이다.
도 19 및 도 20은 본 발명의 다른 일실시예에 따른 열전 마이크로 슈퍼커패시터 통합 디바이스의 개략적인 사시도 및 부분 단면도이다.
도 21 내지 도 24는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 열전 마이크로 슈퍼커패시터 통합 디바이스의 작동 과정을 나타내는 개략적인 작동 상태도이다.
도 25 내지 도 29는 본 발명의 열전 마이크로 슈퍼커패시터 통합 디바이스의 실시예의 결과 선도 및 상태도이다.
이하, 첨부 도면에 의거하여 본 발명의 열전 마이크로 슈퍼커패시터 통합 디바이스 및 그 제조방법의 구성을 상세하게 설명한다.
단, 개시된 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분하게 전달될 수 있도록 하기 위한 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 태양으로 구체화될 수도 있다.
또한, 본 발명 명세서에서 사용되는 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
본 발명의 열전 마이크로 슈퍼커패시터 통합 디바이스(10)는 상이한 두 개의 열원(TH,TL) 측에 배치될 수 있다. 본 발명의 열전 마이크로 슈퍼커패시터 통합 디바이스(10)는 온도차가 존재하는 두 개의 열원(TH,TL) 사이에 개재되어 두 열원 간의 온도차로 인한 열에너지로부터 전환된 전기 에너지를 저장할 수 있는데, 본 발명의 열전 마이크로 슈퍼커패시터 통합 디바이스(10)는 포집된 미소 온도차에 의한 미소 열에너지를 증폭 저장하는 구조를 제공한다. 본 실시예에서 적층 높이가 평면 대비 높은 크기로 형성되는 것으로 도시되었으나, 이는 본 발명을 설명하기 위한 일예로서 구성요소의 종횡비 등은 도면의 비율에 국한되지 않는다.
먼저, 본 발명의 열전 마이크로 슈퍼커패시터 통합 디바이스(10)는 상이한 두 개의 열원 사이에 개재되는데, 기판(100) 상에 배치되는 열전발전모듈(200)과 마이크로 슈퍼커패시터모듈(300)을 포함한다.
기판(100)은 두 개의 상이한 열온도를 갖는 두 개의 열원 사이에 배치된다. 기판(100)은 플렉서블 기판일 수도 있고, 글라스 기판일 수도 있고, 실리콘 웨이퍼일 수도 있는 등 사용 환경과 요구 조건에 따라 소정의 베이스 기판 기능을 이루는 범위에서 다양한 선택이 가능하다.
기판(100) 상에는 열전발전 모듈(200)이 배치되는데, 상이한 열온도 차이를 갖는 열원은 각각 고온 열원(TH)와 저온 열원(TL)을 포함한다.
기판(100) 상에 복수 개의 열전 단위체(201)가 구비되는데, 복수 개의 열전 단위체(201)는 하기되는 방식으로 전기적으로 연결되어 소정의 직렬 연결 구조를 형성하여, 상이한 두 개의 열원 사이에서 열전발전모듈(200)로부터 획득되는 미소 전위를 통하여 출력 전극으로서 충분한 전력을 수집 활용할 수 있도록 한다.
열전발전모듈(200)의 복수 개의 열전 단위체(201) 각각은 고온 전극(210)과 저온 전극(220)과 열전채널(230;230n,230p)를 포함한다. 열전발전모듈(200)의 복수 개의 열전 단위체(201)는 기판(100) 상에 배치된다.
고온 전극(210)과 저온 전극(220)은 양측의 고온 열원(TH) 및 저온 열원(TL)과의 열전달을 원활하게 이루는 도전성 재료로 형성된다. 기판(100) 상에는 열전 단위체(201)의 고온 전극(210) 및 저온 전극(220)은 대향하여 복수 개가 사전 설정 간격으로 이격 배치된다.
열원 전극으로서의 고온 전극(210) 및 저온 전극(220)은 공지의 진공 열 증착공정 (thermal evaporation process)나 스퍼터 공정 (sputter deposition process)을 통하여 내지는 별도의 도전성 페이스트의 인쇄기법을 통하여도 전기전도도가 양호한 도전층을 증착시켜 형성될 수 있는 등 다양한 방법으로 형성 가능하다.
경우에 따라 전극, 특히 고온 전극(210)의 열전달을 보다 원활하게 하기 위한 전극 익스텐션부(250)가 더 구비될 수도 있는데, 전극 익스텐션부(250)는 고온 전극(210)과 동일한 재료로 형성될 수도 있고, 열전도성을 더욱 극대화시킨 재료가 선택될 수도 있는 등 다양한 변형이 가능하다. 전극 익스텐션부(250)의 일단은 고온 전극(210)의 일단과 접속되고 전극 익스텐션부(250)는 고온 전극(210)의 외측으로 고온 열원(TH) 측에 배치되어, 외부 고온 열원(TH)으로부터의 열수집 효과를 증진시켜 열원으로부터 열을 전달받아 수집하는 기능을 원활하게 실행할 수 있다.
전극 익스텐션부(250)는 열수집 효과를 증진시키도록 표면적을 극대화시키는 구성을 취할 수도 있다. 본 실시예에서 고온 전극(210)은 기판(100)의 일단 측에 인접하여 형성되는데, 전극 익스텐션부(250)는 고온 전극(210)의 연장 형성되는 것과 같은 열전도체로서의 기능 실행하는데, 전극 익스텐션부(250)는 일단이 고온 전극(110)과 접하고 기판(100)의 일측에서 일면으로부터 타면 하단 측으로 연장 형성 배치될 수도 있다. 이와 같은 구성을 통하여 열수집 기능을 보다 원활하고 수월하게 진행하도록 할 수도 있다.
한편, 서로 이격되어 기판(100) 상에 배치되고 각각의 열전 단위체(201)를 형성하고 고온 전극(210)과 저온 전극(220) 사이에 배치되는 열전채널(230;230n,230p)이 배치된다. 열전채널(230;230n,230p)는 n 타입 열전채널(230n)과 p 타입 열전채널(230p)을 포함한다.
열전채널에서의 물질은 화합물 반도체에 국한되지 않고, 실리콘과 산화물과 같은 무기물뿐 아니라 유기물, 그 혼합물 등을 포함할 수 있다. 또한 열전채널의 사이즈에 따라 나노 사이즈 및 마이크로 사이즈 등 다양한 크기를 형성하는 열전채널이 사용될 수도 있고 형태에 따라 와이어, 박막 필름 내지 벌크 등의 형상으로 구현될 수도 있는 등, 열전채널은 재료의 크기와 형상에 따라 다양한 선택이 가능하다.
n 타입 열전채널(230n)은 n 타입 반도체로 형성되는 열전채널이고, p 타입 열전채널(230p)은 p 타입 반도체로 형성되는 열전채널이다. n 타입 열전채널(230n)과 p 타입 열전채널(230p)의 제조는 전사 방법 및 스핀 코팅 등의 방법을 통하여 실행되었으나, 이는 n 타입 열전채널(230n)과 p 타입 열전채널(230p)을 제조 배치하는 일예일뿐 본 발명의 n 타입 열전채널(230n)과 p 타입 열전채널(230p)는 이에 국한되지 않고 다양한 제조 방법으로 제공될 수 있다.
본 발명의 n 타입 열전채널(230n)과 p 타입 열전채널(230p)는 서로 이격되어 각각의 일단은 고온 전극(210)에 그리고 각각의 타단은 저온 전극(220)에 연결된다. 본 실시예에서 각각의 열전 단위체는 두 개의 저온 전극(220)을 포함하여, 고온 전극(210), n 타입 열전채널(230n)과 p 타입 열전채널(230p)와 함께 'ㄷ'자 구성을 취하는 구조를 취하여 고온 전극(210)과 대향 이격 배치되는 두 개의 저온 전극(220) 사이에 각각의 n 타입 열전채널(230n)과 p 타입 열전채널(230p)이 연결 배치되는 구조를 형성한다.
경우에 따라 복수 개의 고온 전극과 저온 전극 및 복수 개의 n 타입 열전채널(230n)과 p 타입 열전채널(230p)이 연속 직렬 연결되는 배치 구조를 열전 단위체로 형성할 수도 있으나, 본 실시예에서의 열전 단위체는 기판 상에 복수 개가 이격 형성되되, 각각의 열전 단위체는 상기와 같은 두 개의 저온 전극(220) 및 하나의 고온 전극(210)과 기판 상부에 배치되는 n 타입이나 p 타입 반도체로 이루어지는 열전채널을 구비하고, 이와 같은 열전 단위체가 복수 개가 모여 하나의 열전발전모듈을 형성하고, 하기되는 마이크로 슈퍼커패시터모듈의 연결 컬렉터를 통하여 직렬 연속 연결되는 구조를 취하여 하기되는 마이크로 슈퍼커패시터모듈의 연결 컬렉터를 통하여 직렬 연속 연결되는 구조를 취하는 경우를 중심으로 설명된다.
열전발전모듈(200)과 마이크로 슈퍼커패시터모듈(300) 사이에는 열전 절연층(240)이 배치된다. 열전 절연층(240)은 열전채널(230)를 덮고 저온 전극(210) 및 고온 전극(220)의 외측 접촉 내지 적어도 단부를 덮는 배치 구조를 취하여 열전발전모듈(200)의 열전채널(230)와 마이크로 슈퍼커패시터모듈(300)의 전기적 분리 구조를 형성할 수 있다. 열전 절연층(240)은 내열 재료로 형성되어 열전채널(230)와 마이크로 슈퍼커패시터모듈(300) 간의 열적 분리 구조를 형성하는 것이 바람직하다.
본 발명의 마이크로 슈퍼커패시터모듈(300)은 열전발전모듈(200)의 상부, 보다 구체적으로 열전발전모듈(200)의 적어도 일부의 상부에 배치되어, 기판(100)에 평행한 평면 상에 투영시 열전발전모듈(200)의 적어도 일부와 마이크로 슈퍼커패시터모듈(300)은 중첩 배치되는 구조의 적층 구조를 취하여 장착 면적을 최소화시키되 직렬 연결되는 열전 단위체에 대하여 병렬 복수 적층 형성되는 마이크로 슈퍼커패시터모듈(300) 구조를 통해 요구되는 소정의 전력을 획득 저장할 수 있다.
마이크로 슈퍼커패시터모듈(300)은 열전발전모듈(200)과 연결되어 연동하고 열전채널을 통하여 포텐셜 차이가 형성되는 컬렉터 전극(310)을 구비한다. 컬렉터 전극 및 하기되는 슈퍼커패시터 컬렉터는 본 실시예의 설명에서는 편의를 위하여 구분 설명하나 컬렉터 전극(310)과 슈퍼커패시터 컬렉터(320)와 일체의 단일 구성요소로 형성될 수도 있는 등 설계 사양에 따라 다양한 변형이 가능하다.
컬렉터 전극(310)은 일단이 각각의 저온 전극(220)에 각각 연결 형성 배치된다. 즉 하나의 고온 전극(310)과 두 개의 저온 전극(320)으로 구성되는 본 설명에서의 열전 단위체의 경우, 컬렉터 전극(310)은 각 열전 단위체의 저온 전극(320) 각측에 개별 형성된다. 경우에 따라 열전 단위체가 복수 개의 고온 전극 및 복수 개의 저온 전극으로 직렬 연결 배치 구조를 취하는 경우 각각의 컬렉터 전극은 직렬 연결 배치 구조 열전 단위체의 양단의 저온 전극에 연결되는 구조를 취하게 될 수도 있다.
한편, 마이크로 슈퍼커패시터모듈(300)은 슈퍼커패시터 컬렉터(320)와 유전체 층(330)을 포함한다. 슈퍼커패시터 컬렉터(320)는 일단은 컬렉터 전극(310)와 연결되고 각각의 슈퍼커패시터 컬렉터(320)는 상호 이격 대향 배치된다. 슈퍼커패시터 컬렉터(320)는 기판(100)에 평행한 평면 상에 배치된다. 슈퍼커패시터 컬렉터(320)는 복수 개가 적층 배치되는데, 전극 익스텐션부(250)의 일면 상에 슈퍼커패시터 컬렉터(320)가 배치되고 유전체층(330)은 슈퍼커패시터 컬렉터(320)의 상부에 적층된다. 유전체층(330)의 일면 상에 다른 슈퍼커패시터 컬렉터(320)가 형성되고, 그 상부에 다시 다른 유전체층(330)이 적층 형성되는 방식으로 복수 개의 슈퍼커패시터 컬렉터(320)가 적층되는 구조를 형성한다.
여기서, 복수 개의 적층 형성되는 슈퍼커패시터 컬렉터(320)는 일단에서 컬렉터 전극(310)과 연결된다. 컬렉터 전극(320)은 각각의 적층되는 슈퍼커패시터 컬렉터(320)에 대하여 순차적으로 적층 형성되어 연결되는데, 앞서 언급한 바와 같이 컬렉터 전극(320)은 슈퍼커패시터 컬렉터(320)와 일체로 동시 형성될 수도 있고 경우에 따라 별도 측면 적층 형성될 수도 있는 등 설계 사양에 따라 다양한 변형이 가능하다.
이와 같은 구성을 통하여 컬렉터 전극(320)은 제일 하부의 저온 전극(220)과의 연속적 직렬 연결을 가능하고, 슈퍼커패시터 컬렉터(320)는 각각의 컬렉터 전극(320)으로부터 연결되어 궁극적으로 각각의 슈퍼커패시터 컬렉터(320)의 병렬 연결 구조를 형성할 수 있다. 적층되는 슈퍼커패시터 컬렉터(320)의 개수는 설계 사양에 따라 다양한 선택이 가능하다.
한편, 본 발명의 슈퍼커패시터 컬렉터(320)과, 슈퍼커패시터 컬렉터(320)의 상부에 배치되는 유전체층(330) 사이에는 rGO 활성 전극(340)이 더 배치될 수 있다. rGO 활성 전극(340)은 그래핀 옥사이드(Graphene oxide)를 화학적 방법 및 광촉매 반응 방법으로 산화 환원시킨 환원 그래핀 옥사이드(rGO;reduced Graphene Oxide)로 형성되어 본연의 우수한 전기적 특성을 갖도록 형성되는 것으로, 슈퍼커패시터 컬렉터(320)의 일면 상에 배치되어 탄소 기반의 우수한 커패시턴스, 매우 빠른 시상수 거동을 갖도록 한다. 본 실시예에서 rGO 활성 전극(340)은 그래핀 옥사이드를 화학적 방법 및 광촉매 반응 방법으로 환원시키는 방법을 취하여 형성되는 것을 사용하였으나, 본 발명이 이에 국한되는 것은 아니다.
이와 같이 저온 전극(210)과 연결되는 컬렉터 전극(310) 및 열전발전모듈(200)의 전극 익스텐션부(250)의 일면 상에 배치되는 슈퍼커패시터 컬렉터(320)과, 컬렉터 전극(310) 및 슈퍼커패시터 컬렉터(320)의 일면 상에 또는 적어도 슈퍼커패시터 컬렉터(320)의 일면 상에 배치되는 rGO 활성 전극(340)과, 이격된 한 쌍의 슈퍼커패시터 컬렉터(320) 및 rGO 활성 전극(340)이 이루는 층을 덮도록 배치되는 유전체층(330)은 하나의 마이크로 커패시턴스 단위체를 형성하고, 이의 상부에는 다른 하나 이상의 마이크로 커패시턴스 단위체가 복수 수직 적층 배치될 수 있다. 즉, 앞서 언급된 바와 같이 복수 개의 수직 적층 배치되는 마이크로 커패시턴스 단위체(301)는 각각의 컬렉터 전극(310)을 통하여 병렬 연결되는 구조를 취하는데, 각각의 저온 전극(210)과 연결되는 컬렉터 전극(310)을 통하여 수직하게 병렬 배치되는 구조를 취할 수 있다.
한편, 본 발명의 열전 마이크로 슈퍼커패시터 통합 디바이스(10)는 앞서 기술한 바와 같이 미세전류로부터 소정의 요구되는 전력을 획득하기 위하여 열전 단위체는 복수 개가 배치될 수 있는데, 복수 개의 슈퍼커패시터 컬렉터가 적층된 각각의 열전 단위체는 연결 컬렉터(350)를 통하여 직렬 연결되는 구조를 취할 수 있다. 즉, 복수의 슈퍼커패시터 컬렉터(320)가 각각의 열전 단위체의 상부에 수직 적층 형성되고, 각각의 슈퍼커패시터 컬렉터(320)는 컬렉터 전극(310)과 연결되고, 각각의 열전 단위체는 기판 상에 이격 배치되는데, 연결 컬렉터(350)는 인접한 두 개의 열전 단위체 상부에 형성되는 마이크로 커패시턴스 단위체의 컬렉터 전극(310) 내지 슈퍼커패시터 컬렉터(320)와 접촉하여 연결 배치되는데, 요구되는 설계 제조 사양에 따라 다양한 방식으로 형성될 수도 있으나, 본 실시예에서 연결 컬렉터(350)는 마이크로 커패시터 단위체를 만드는 경우 최상층의 컬렉터 전극, 슈퍼커패시터 컬렉터와 함께 동시에 형성되는 경우를 중심으로 설명한다.
본 실시예의 연결 컬렉터(350)는 마이크로 커패시터 단위체의 최상층 컬렉터 전극, 슈퍼커패시터 컬렉터를 형성하는 과정과 동시에 형성되는데, 연결 컬렉터(350)는 연속적으로 이격 배치되는 열전 단위체의 상단에 배치되고 수직 적층으로 병렬 연결되는 복수 개의 마이크로 커패시터 단위체가 직렬 연결되는 구성을 이룬다. 도면에 도시된 바와 같이 수직 적층되는 슈퍼커패시터 컬렉터의 상부에 배치되는 유전체 층이 복수 개의 열전 단위체의 상부에 연속적으로 형성되는데, 연결 컬렉터(350)는 이격 배치되는 열전 단위체의 사이의 영역에 배치되어 상호 인접한 열전 단위체에 대한 마이크로 커패시터 단위체의 직렬 연결 구조를 이룰 수 있다. 본 실시예에서 도시되지는 않았으나, 경우에 따라 이들 연결 컬렉터(350)와 연결되는 별도의 스위칭 소자가 더 구비될 수도 있는 등 다양한 변형이 가능하다.
이하에서는 도면을 참조하여 앞선 실시예에서의 열전 마이크로 슈퍼커패시터 통합 디바이스의 제조 과정을 설명한다.
먼저, 기판(100)의 일면 상에 저온 전극(210) 및 고온 전극(220)이 형성된다.
이와 같은 기판(100)이 제공된 후, 저온 전극(210) 및 고온 전극(220)이 생성되는 열원 전극 형성 단계가 실행된다. 즉, 열원 측에 배치되는 열원 전극으로서의 저온 전극(210) 및 고온 전극(220)은 기판(100)의 일면 상에 형성되는데, 저온 전극(210) 및 고온 전극(220)은 리소그래피 기술을 이용하여 별도의 증착 공정을 이루거나 경우에 따라 패턴화된 인쇄 기법으로 형성될 수도 있는 등 다양한 방법이 사용될 수 있다. 또한, 경우에 따라 앞서 기술한 바와 같은 전극 익스텐션부(250)가 더 구비되어 열전달 면적을 극대화시키는 구성요소를 더 생성할 수도 있다.
경우에 따라 전극, 특히 고온 전극(210)의 열전달을 보다 원활하게 하기 위한 전극 익스텐션부(250)가 더 구비될 수도 있다. 전극 익스텐션부(250)의 일단은 고온 전극(210)의 일단과 접속되고 전극 익스텐션부(250)는 고온 전극(210)의 외측으로 고온 열원(TH) 측에 배치되어, 외부 고온 열원(TH)으로부터의 열수집 효과를 증진시키고, 열원으로부터 열을 전달받아 수집하는 기능을 원활하게 실행할 수도 있다.
전극 익스텐션부(250)는 열수집 효과를 증진시키도록 표면적을 극대화시키는 구성을 취할 수도 있다. 본 실시예에서 고온 전극(210)은 기판(100)의 일단 측에 인접하여 형성되는데, 전극 익스텐션부(250)는 고온 전극(210)의 연장 형성되는 것과 같은 열전도체로서의 기능 실행하는데, 전극 익스텐션부(250)는 일단이 고온 전극(110)과 접하고 기판(100)의 일측에서 일면으로부터 타면 하단 측으로 연장 형성 배치될 수도 있다. 이와 같은 구성을 통하여 열수집 기능을 보다 원활하고 수월하게 진행하도록 할 수도 있다.
그런 후, 도 6에 도시된 바와 같이, 열전발전모듈(200)의 열전 단위체(201)를 이루는 열전채널(230p,230n)가 배치되는 열전채널 배치 단계가 실행되는데, 이 단계에서 n 타입 열전채널(230n)과 p 타입 열전채널(230p)은 쌍을 이루며 저온 전극과 고온 전극 사이를 길이 방향으로 연속적으로 이격 배치된다.
n 타입 열전채널(230n)과 p 타입 열전채널(230p)은 전사 방식으로 기판(100) 상에 형성될 수도 있는데, 전사 방식으로 배치되는 n 타입 열전채널(230n)과 p 타입 열전채널(230p)는 저온 전극(210) 및 고온 전극(220)에 결선된다.
열전채널의 형성 단계가 완료된 후, 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 열전발전모듈(200)의 열전 단위체(201)의 상부에 보호층으로서 열전 절연층(240)이 형성되는 열전 절연층 형성 단계가 실행된다. 열전 절연층의 형성은 리소그라피 및 식각 등의 적층 형성 방식을 통하여 이루어질 수 있다.
열전 절연층(240)은 앞서 기술한 바와 같이, 열전 절연층(240)은 열전채널(230)을 덮고 저온 전극(210) 및 고온 전극(220)의 외측 접촉 내지 적어도 단부를 덮는 배치 구조를 취하여 열전발전모듈(200)의 열전채널(230)과 마이크로 슈퍼커패시터모듈(300)의 전기적 분리 구조 및/또는 열적 분리 구조를 형성할 수 있다.
이와 같이 형성된 열전발전모듈(200)의 상부에 마이크로 슈퍼커패시터모듈(300)이 형성되는 단계가 실행된다. 먼저, 도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이, 컬렉터 형성 단계가 실행되는데, 컬렉터 형성 단계에서는 리소그래피 기법을 이용하여 증착 방식 등을 통하여 컬렉터 전극(310)과 슈퍼커패시터 컬렉터(320)가 열전 절연층(240)의 적어도 일부를 덮으며 각각의 저온 전극(220)과 연결되도록 형성 배치된다. 본 실시예에서는 컬렉터 전극(310)과 슈퍼커패시터 컬렉터(320)는 일체의 단일 구성요소로 동일 전도성 물질로 동시 증착 형성되는 구성을 취하였으나 다양한 변형이 가능하다. 또한, 본 실시예에서 열전발전모듈 및 마이크로 슈퍼커패시터모듈이 기판 상에 두 개 씩 이격 배치되는 구성을 취하는 것으로 도시되었으나, 본 발명은 이에 국한되지 않고 다양한 변형이 가능하다.
열전발전모듈(200)의 단위체에 형성되는 컬렉터 전극(310) 및 슈퍼커패시터 컬렉터(320)는 서로 이격되어 한 쌍을 이루는데, 각각의 컬렉터 전극(310)의 일단은 각각의 저온 전극(220)에 연결 되고, 컬렉터 전극(310)의 타단은 슈퍼커패시터 컬렉터(320)와 연결된다.
한편, 앞서 기술된 경우와 마찬가지로, 슈퍼커패시터 컬렉터(320)의 배치 후, rGO 활성 전극 형성 단계가 더 실행될 수도 있다. 즉, 도 12 및 도 13에 도시된 바와 같이, rGO 활성 전극 형성 단계에서 리소그래피 공정을 통하여 패턴화된 영역으로 슈퍼커패시터 컬렉터(320)의 일면 상에 rGO 활성 전극이 배치된다.
그런 후, 유전체층(330) 형성 단계가 패턴화된 리소그래피 공정을 통하여 기판에 평행한 평면 상에서 볼 때, 슈퍼커패시터 컬렉터(320) 및/또는 rGO 활성 전극(340)의 전체 내지 적어도 일부와, 고온 전극(210) 및 저온 전극(220) 사이의 영역을 덮도록 배치되고, 기판에 수직한 평면 상에서 볼 때 열전 절연층(240)을 덮도록 배치된다.
기판에 평행한 평면 상에서 볼 때 단위 면적당 커패시터 용량을 극대화하기 위하여 수직 적층 구조를 취할 수 있다. 즉, 상기 마이크로커패시터 모듈 형성 단계가 m회만큼 반복하여 m개의 적층 커패시터 구조를 형성할 수 있는데, 상기한 컬렉터 형성 단계, rGO 활성 전극 형성 단계, 유전체층(330) 형성 단계가 요구되는 적층 회수만큼 반복적으로 진행될 수 있다. 다만, 여기 컬렉터 형성 단계에서의 컬렉터 전극이 복수 개로 적층되는 경우, 최하단 측의 컬렉터 전극만이 저온 전극(220)과 직접적으로 연결되고 상부에 적층되는 컬렉터 전극은 하단의 컬렉터 전극과 접촉하여 궁극적으로 저온 전극(220)과 도통되는 구조를 형성한다.
그런 후, 열전발전모듈의 복수 개의 열전 단위체의 각각 상부에 하나 이상 적층 형성되는 마이크로커패시터모듈을 수평적으로 연결하는 연결 컬렉터 형성 단계가 실행된다. 연결 컬렉터 형성 단계는 앞서와 동일하게 리소그래피 기술을 통한 패턴화를 거쳐 열증착 방식으로 도전성 재료로 형성되는 연결 컬렉터가 배치되는 방식을 취한다. 연결 컬렉터 형성 단계에서 배치되는 연결 컬렉터(350)가 컬렉터 전극과 동일 재료로 동시 형성되는 경우, 연결 컬렉터와 동일층을 이루는 컬렉터 전극의 일면 상에는 rGO 활성 전극이 추가적으로 형성되고 유전체층이 전체 영역을 덮어 배치되는 구조를 취할 수도 있다. 그리고 경우에 따라 전체 영역의 상부에 보호층이 형성되어 하부의 적층 구성요소들을 보호하는 구성을 취할 수도 있다.
이와 같은 공정을 통하여 열전발전모듈 및 마이크로커패시터 모듈이 통합된 열전 마이크로커패시터 통합 디바이스의 제조가 이루어질 수 있다.
이상에서 본 발명의 일실시예에 따른 열전 마이크로 슈퍼커패시터 통합 디바이스 및 이의 제조 방법에 대하여 살펴보았는데, 상기 실시예에서는 열전 단위체 상부에 마이크로 커패시터 단위체가 수직 적층 배치되는 구조에 대하여 기술하되, 열전 단위체는 저온 전극, 고온 전극 및 이들 사이에 배치되는 n타입 및 p타입 열전채널을 구비하는 구성을 기준으로 설명하였으나, 본 실시예에서의 구성요소는 n 타입 반도체로 이루어지는 n 타입 열전채널만을 포함하고 저온 전극/고온 전극과 슈퍼커패시터 컬렉터가 일체화되는 구성을 취할 수도 있다.
즉, 도면에 도시된 바와 같이, 열전 마이크로 슈퍼커패시터 통합 디바이스의 열전발전모듈의 열전 단위체(201a)는 단일 타입의 열전채널로 본 발명의 다른 실시예에서는 n 타입 열전채널(230n)을 포함하고, 마이크로 슈퍼커패시터모듈(300)은 유전체층(330a)을 더 포함하는 구성을 취한다.
단일 타입의 열전채널, 즉 본 실시예에서 n 타입 열전채널(230n)는 복수 개가 두 개의 열원(TH,TL) 사이를 가로지르는 방향을 길이 방향으로 배치되고, 유전체층(330a)은 두 개의 열원 사이에 배치되고 컬렉터 전극(310a)과 n 타입 열전채널(230n) 사이에 배치된다. 보다 구체적으로, n 타입 열전채널(230n)는 복수 개가 두 개의 열원(TH,TL) 사이를 가로지르는 방향을 길이 방향으로 기판(100)의 일면 상에 배치되고, 유전체층(330a)은 두 개의 열원(TH,TL)을 사이에 두고 이격되어 배치되되, 유전체층(330a)은 복수 개의 n 타입 열전채널(230n)의 일단의 위치에 적층되도록 각각 배치되고, 유전체층(330a)의 상부 측에 컬렉터 전극(330a)이 배치된다. 유전체층(330a)은 젤 타입의 폴리머 젤 전해액(PVA/H3PO4 gel electrolyte)일 수도 있고 polystyrene sulfonic acid (PSSH)를 포함하는 박막 필름 형태로 구현될 수 있는 등 세퍼레이터(separator)로서의 기능을 수행하는 범위에서 다양한 재료가 선택될 수도 있다.
본 실시예의 경우 컬렉터 전극(330a)은 앞선 실시예에서의 고온 전극 및 저온 전극의 기능도 동시에 포함하여 별도의 고온/저온 전극을 요하지 않아 앞선 실시예에서보다 보다 간결한 열전 단위체의 적층 구조 형성이 가능하다.
경우에 따라, 앞선 실시예에서와 마찬가지로 마이크로 슈퍼커패시터모듈(300a)은 rGO(reduced graphene oxide, 환원 그래핀 산화) 활성 전극(340a)를 더 포함할 수 있다.
본 실시예에서 rGO 활성 전극(340a)도 앞선 실시예에서와 동일하게 그래핀 옥사이드를 화학적 방법 및 광촉매 반응 방법으로 환원시킨 환원 그래핀 옥사이드(rGO;reduced Graphene Oxide)로 형성되어 본연의 우수한 전기적 특성을 갖도록 형성되는 것으로, rGO 활성 전극(340a)은 산화 그래핀의 화학 환원법에 의하여 형성되는 경우를 사용하였으나, 품질이 우수한 rGO 활성 전극(340a)을 제공하는 범위에서 rGO 활성 전극(340a)을 제조하기 위해 요구되는 방법 등은 다양한 선택이 가능하다. rGO 활성 전극(340a)은 n 타입 열전채널(230n)를 사이에 두고 유전체층(330a)과 대향하여 배치되고 rGO 활성 전극(340a)은 n 타입 열전채널(230n)과 컬랙터 전극(310a)의 사이에 배치되어 열전채널(230n)으로부터 발전되는 포텐셜을 이용하여 슈퍼커패시터 컬렉터 전극(340a)으로의 집전 기능을 보다 강화시킬 수도 있다.
도 21 내지 도 24에는 상기와 같은 구조의 커패시터 통합 디바이스(10a)의 작동 과정을 설명하는 도면이 도시된다. 먼저, 커패시터 통합 디바이스(10a)의 작동 과정을 설명을 용이하게 하도록 도 21 내지 도 24에는 상기 실시예에서와 같은 마이크로 슈퍼커페시터모듈(300a)과 열전발전모듈(200a)을 전개하여 연속적 구조로 나타내는 선도로 도시되는데, 열원 전극의 기능을 동시에 수행하는 두 개의 컬렉터 전극(330a)의 사이에 복수 개의 n 타입 열전채널(230n)이 배치되고, n 타입 열전채널(230n)와 두 개의 컬렉터 전극(330a) 사이에는 각각의 유전체층(330a)이 배치된다. 여기서는 개략적 설명을 위한 도시인바, 컬렉터 전극(330a)만이 도시되었으나, 컬렉터 전극(330a)과 유전체층(330a) 사이에는 rGO 활성 전극(340a)이 더 배치됨은 앞서 기술한 설명과 동일하다.
먼저, 도 21에 도시된 바와 같인 전개되는 구성과 같은 배치 경로를 형성하게 되고, 도 22에서와 같이 rGO 활성 전극(340a)을 포함하는 컬렉터 전극(330a)이 배치되는 양단 중 어느 하나의 단부 측의 온도가 타측의 온도와 상이하게 되는 경우, 즉 컬렉터 전극(330a)의 양단 측에 온도 구배(△T>0)가 형성되는 경우 n 타입 열전채널(330a)에서 전하들의 움직임이 발생하게 되는데, 도 23에 도시된 바와 같이 컬렉터 전극(330a)의 양단을 연결하는 부하 경로가 형성되는 경우 이러한 전하들의 움직임으로 발생하는 포텐셜로 인하여 컬렉터 전극(330a)에 차징이 이루어진다. 그런 후, 도 24에 도시된 바와 같이, 부하 경로를 제거하고 외부 환경의 변화로 컬렉터 전극(330a)의 양단 측에 형성되었던 온도 구배가 제거되더라도 컬렉터 전극(330a)의 마이크로 슈퍼커패시터(300a)는 충전 상태를 유지하여 방전 가능한 전압을 유지하는 상태를 이루게 될 수도 있다.
상기와 같은 본 발명의 열전 마이크로 슈퍼커패시터 통합 디바이스를 통하여 실제로 미소 열에너지로부터 발전되는 열전전압을 마이크로 슈퍼커패시터에 충전 및 방전하는 연구의 실시된 일예가 도 25 내지 도 28에 도시된다. 실시예의 광학 이미지에서 볼 수 있듯이, 도 25의 하단에는 고온 열원으로서의 기능을 실행하도록 마이크로 히터가 배치되고, 열원 사이에 n타입 열전채널과 p 타입 열전채널으로 이뤄진 열전발전모듈, 마이크로 슈퍼커패시터가 융합되어있는 융합소자를 이용하여 실험을 진행하였다. 고온 열원으로서의 마이크로 히터에 전류를 인가하여 열을 발생시키고(도 26), 발생된 열에너지를 이용하여 열전발전모듈에서 열전전압을 발생시켰으며, 발생된 열전전압을 마이크로 슈퍼커패시터에 충전(도 26 참조) 및 방전(도 27 참조)시키는 실험을 진행하였다. 열전발전모듈로부터 발생한 열전전압을 마이크로 슈퍼커패시터에 충전 및 방전되는 상태를 실시간으로 분석한 결과, 마이크로 슈퍼커패시터에 50 mV의 열전전압이 충전 및 방전이 되는 것이 확인되었다.
상기와 같은 본 발명의 열전 마이크로 슈퍼커패시터 통합 디바이스를 통하여열전소자 모듈을 실험자의 팔과, 기타 열원 환경, 예를 들어 다양한 온도 범위의 핫플레이트에 올린 상태에서 1분동안 마이크로 슈퍼커패시터와 연결하여 충전 및 방전 테스트를 진행하였다.
체온과 핫플레이트의 다양한 온도 범위(50, 60, 70, 80℃)에 따라 열전발전모듈로부터 발전된 전압을 1분동안 마이크로 슈퍼커패시터에 저장하였으며, 저장된 에너지를 방전하였을 때 시간에 따른 마이크로 슈퍼커패시터의 전압 변화를 측정하였다. 결과적으로 체온을 통해 33 mV의 열전전압이 충전되었으며, 핫플레이트의 온도 50~80℃에서 100~400 mV의 열전 전압이 충전되었음이 확인되었다(도 29 참조). 다양한 온도 범위에서, 특히 실험자의 팔의 미세 열원차이에 대하여도 충분한 실생활 범위의 전력 생성을 이루도록 할 수 있음이 확인되었다.
이상의 설명에서 본 발명의 하이브리드형 열전 마이크로 슈퍼커패시터 통합 디바이스 및 그 제조방법의 구성 및 작동을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 당업자에 의하여 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능하고, 이러한 수정, 변경 및 치환은 본 발명의 보호범위에 속하는 것으로 해석되어야 한다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10; 열전 마이크로 슈퍼커패시터 통합 디바이스
100: 기판
200: 열전 발전 모듈
300: 마이크로 슈퍼커패시터 모듈

Claims (11)

  1. 상이한 두 개의 열원 사이에 개재되고 기판 상부에 배치되는 n 타입이나 p 타입 반도체로 이루어지는 열전채널을 구비하는 열전 단위체를 포함하는 열전발전모듈과, 상기 열전발전모듈과 연동하고 상기 열전채널을 통하여 포텐셜 차이가 형성되는 컬렉터 전극을 구비하는 마이크로 슈퍼커패시터모듈을 포함하는 열전 마이크로 슈퍼커패시터 통합 디바이스로서,
    상기 열전발전모듈의 상기 열전 단위체는: 상기 기판 측으로 상기 두 개의 열원 중 고온 측에 배치되는 고온 전극과, 상기 기판 측으로 상기 두 개의 열원 중 저온 측으로 상기 고온 전극과 이격되어 두 개가 배치되는 저온 전극과, 상기 고온 전극과 상기 저온 전극을 연결시키는 p 타입 반도체로 이루어지는 p 타입 열전채널과, 상기 고온 전극과 상기 저온 전극을 연결시키고 상기 p 타입 열전채널과 이격 배치되고 n 타입 반도체로 이루어지는 n 타입 열전채널을 포함하고,
    상기 마이크로 슈퍼커패시터모듈은 상기 저온 전극의 양단 측에 각각 연결되는 것을 특징으로 하는 열전 마이크로 슈퍼커패시터 통합 디바이스.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 컬렉터 전극은 일단이 각각 상기 저온 전극에 연결되고, 서로 이격 배치되고,
    상기 마이크로 슈퍼커패시터모듈은:
    일단이 상기 컬렉터 전극과 연결되고 서로 이격 대향 배치되는 슈퍼커패시터 컬렉터와,
    상기 슈퍼커패시터 컬렉터 상에 배치되는 유전체층을 포함하는 것을 특징으로 하는 열전 마이크로 슈퍼커패시터 통합 디바이스.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 기판의 수직 방향으로 볼 때, 상기 슈퍼커패시터 컬렉터는 상기 저온 전극 및 상기 고온 전극 상부에 적층 배치되는 것을 특징으로 하는 열전 마이크로 슈퍼커패시터 통합 디바이스.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 슈퍼커패시터 컬렉터 상에는 rGO(reduced graphene oxide) 활성 전극이 구비되는 것을 특징으로 하는 열전 마이크로 슈퍼커패시터 통합 디바이스.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 슈퍼커패시터 컬렉터, 상기 rGO 활성 전극 및 상기 유전체 층은 복수 적층 배치되고, 상기 슈퍼커패시터 컬렉터는 수직 적층 연결되는 것을 특징으로 하는 열전 마이크로 슈퍼커패시터 통합 디바이스.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 열전 단위체는 복수 개가 연속 이격 배치되고,
    상기 열전 단위체에 대한 상기 슈퍼커패시터 컬렉터를 연결하는 연결 컬렉터가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 열전 마이크로 슈퍼커패시터 통합 디바이스.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 열전 단위체는 복수개의 저온 전극, 고온 전극, p 타입 열전채널 및 n 타입 열전채널이 직렬 연결되도록 구비되는 것을 특징으로 하는 열전 마이크로 슈퍼커패시터 통합 디바이스.
  10. 상이한 두 개의 열원 사이에 개재되고 기판 상부에 배치되는 n 타입이나 p 타입 반도체로 이루어지는 열전채널을 구비하는 열전 단위체를 포함하는 열전발전모듈과, 상기 열전발전모듈과 연동하고 상기 열전채널을 통하여 포텐셜 차이가 형성되는 컬렉터 전극을 구비하는 마이크로 슈퍼커패시터모듈을 포함하는 열전 마이크로 슈퍼커패시터 통합 디바이스로서,
    상기 열전발전모듈의 상기 열전 단위체는:
    상기 두 개의 열원 사이에 배치되는 n 타입 반도체로 이루어지는 n 타입 열전채널을 포함하고,
    상기 마이크로 슈퍼커패시터모듈은 상기 컬렉터 전극과 상기 n 타입 열전채널 사이에 개재되는 유전체층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열전 마이크로 슈퍼커패시터 통합 디바이스.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 마이크로 슈퍼커패시터모듈은,
    상기 n 타입 열전채널과 상기 유전체층 사이에 배치되는 rGO(reduced graphene oxide) 활성 전극을 구비하는 것을 특징으로 하는 열전 마이크로 슈퍼커패시터 통합 디바이스.
KR1020180012419A 2018-01-31 2018-01-31 열전 마이크로 슈퍼커패시터 통합 디바이스 및 그 제조방법 KR102114196B1 (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180012419A KR102114196B1 (ko) 2018-01-31 2018-01-31 열전 마이크로 슈퍼커패시터 통합 디바이스 및 그 제조방법
US16/177,692 US10886329B2 (en) 2018-01-31 2018-11-01 Thermoelectric micro-supercapacitor integrated device and manufacturing method thereof

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180012419A KR102114196B1 (ko) 2018-01-31 2018-01-31 열전 마이크로 슈퍼커패시터 통합 디바이스 및 그 제조방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20190093007A KR20190093007A (ko) 2019-08-08
KR102114196B1 true KR102114196B1 (ko) 2020-06-17

Family

ID=67392411

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020180012419A KR102114196B1 (ko) 2018-01-31 2018-01-31 열전 마이크로 슈퍼커패시터 통합 디바이스 및 그 제조방법

Country Status (2)

Country Link
US (1) US10886329B2 (ko)
KR (1) KR102114196B1 (ko)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11127538B2 (en) 2017-02-20 2021-09-21 The Research Foundation For The State University Of New York Multi-cell multi-layer high voltage supercapacitor apparatus including graphene electrodes
KR102475058B1 (ko) * 2021-01-08 2022-12-07 고려대학교 산학협력단 복수의 양면 올인원 에너지 장치가 수직 적층된 통합형 양면 올인원 에너지 시스템
WO2024019851A1 (en) * 2022-07-20 2024-01-25 Tarek Makansi Thermoelectric device where a junction alternates between hot and cold by storing charge

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100142307A1 (en) 2008-12-05 2010-06-10 Agiga Tech Inc. Temperature protection for power capacitor
JP2017127186A (ja) * 2011-06-29 2017-07-20 ローズマウント インコーポレイテッド ワイヤレスデバイス用一体型熱電発電装置

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7655858B2 (en) * 2003-04-03 2010-02-02 The University Of Vermont And State Agricultural College Thermoelectric device having an energy storage device located between its hot and cold sides
JP2014127186A (ja) 2012-12-27 2014-07-07 Ricoh Co Ltd 画像処理装置、画像処理方法およびプログラム
US10214422B2 (en) * 2013-10-16 2019-02-26 Research & Business Foundation Sungkyunkwan University Interlayer distance controlled graphene, supercapacitor and method of producing the same
KR101679833B1 (ko) * 2014-09-11 2016-11-28 고려대학교 산학협력단 열전발전모듈 및 그 제조방법

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100142307A1 (en) 2008-12-05 2010-06-10 Agiga Tech Inc. Temperature protection for power capacitor
JP2017127186A (ja) * 2011-06-29 2017-07-20 ローズマウント インコーポレイテッド ワイヤレスデバイス用一体型熱電発電装置

Also Published As

Publication number Publication date
US10886329B2 (en) 2021-01-05
KR20190093007A (ko) 2019-08-08
US20190237509A1 (en) 2019-08-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11539070B2 (en) Method for manufacture and structure of multiple electrochemistries and energy gathering components within a unified structure
KR102114196B1 (ko) 열전 마이크로 슈퍼커패시터 통합 디바이스 및 그 제조방법
KR102155933B1 (ko) 전자기 에너지를 수확하기 위한 일체형 컬렉터 표면을 갖는 에너지 디바이스 및 전자기 에너지를 수확하는 방법
US4365106A (en) Efficient method and apparatus for converting solar energy to electrical energy
US7655858B2 (en) Thermoelectric device having an energy storage device located between its hot and cold sides
CN100533849C (zh) 能量系统、电子模块、电子器件和制造所述能量系统的方法
US20210050801A1 (en) Compact energy conversion system
US10263275B2 (en) All-solid rechargeable battery, method for manufacturing same, and electronic apparatus
KR20110021637A (ko) 전기 에너지 발생 장치 및 그 제조 방법
CA2869981A1 (en) Superlattice quantum well thermoelectric generator via radiation exchange and/or conduction/convection
CN104917272A (zh) 佩戴式电子设备
US20200035894A1 (en) Thermoelectric generator with minimal thermal shunting
WO2017128751A1 (zh) 电源组件及电子设备
US9698707B2 (en) Device for converting thermal power into electric power
CN106653378B (zh) 储存和释放电能的层合装置
US10672968B2 (en) Thermoelectric devices
US11600759B2 (en) Integrated dual-sided all-in-one energy system including plural vertically stacked dual-sided all-in-one energy apparatuses
Abi Sejaan Energy harvesting and storage in multi-stable micro-actuator systems
US20220254979A1 (en) Heat generator
WO2014003540A2 (en) Monolithically integrated multi energy harvesting and storage system and methods thereof
KR102512956B1 (ko) 자가 충전 가능한 슈퍼 커패시터
JPH0821416B2 (ja) 燃料電池
KR101485916B1 (ko) 하이브리드형 발전 디바이스
CN111211708A (zh) 一种防过热循环储能装置
CN113224229A (zh) 柔性基底高功率密度热电转换芯片的制备方法

Legal Events

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