KR102174501B1 - Method of manufacturing flexible thermoelectric devices and Flexible thermoelectric devices - Google Patents

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Abstract

본 발명은 유연 열전소자 제조방법에 관한 것으로서, 나노소재층 형성단계와, 에칭단계와, 압축력 인가단계와, 절연단계를 포함한다. 나노소재층 형성단계는 2차원 나노소재가 다층으로 형성되고, P형 불순물 영역과 N형 불순물 영역이 반복되게 형성된 나노소재층을 베이스 기판 상에 형성한다. 에칭단계는 나노소재층으로부터 베이스 기판을 제거하기 위하여, 베이스 기판을 에칭한다. 압축력 인가단계는 에칭단계 동안, 나노소재층이 구부러지도록 나노소재층의 양측부로부터 중앙부를 향하는 방향으로 압축력을 인가한다. 절연단계는 구부러진 나노소재층의 전체 표면과 외부를 전기적으로 절연시키기 위하여, 구부러진 상태의 나노소재층을 탄성 재질의 절연부로 감싼다.The present invention relates to a method of manufacturing a flexible thermoelectric device, and includes a nano material layer forming step, an etching step, a compressive force application step, and an insulating step. In the nanomaterial layer forming step, a two-dimensional nanomaterial is formed in multiple layers, and a nanomaterial layer in which the P-type impurity region and the N-type impurity region are repeatedly formed is formed on the base substrate. In the etching step, the base substrate is etched to remove the base substrate from the nanomaterial layer. In the compressive force application step, during the etching step, a compressive force is applied in a direction from both sides of the nanomaterial layer toward the center so that the nanomaterial layer is bent. In the insulating step, in order to electrically insulate the entire surface and the outside of the bent nanomaterial layer, the bent nanomaterial layer is wrapped with an insulating part of an elastic material.

Description

유연 열전소자 제조방법 및 유연 열전소자{Method of manufacturing flexible thermoelectric devices and Flexible thermoelectric devices}TECHNICAL FIELD [Method of manufacturing flexible thermoelectric devices and Flexible thermoelectric devices]

본 발명은 유연 열전소자 제조방법 및 유연 열전소자에 관한 것으로서, 기계적인 유연성이 우수하여 구부리거나 늘리는 환경에 사용 가능한 유연 열전소자 제조방법 및 유연 열전소자에 관한 것이다.The present invention relates to a flexible thermoelectric device manufacturing method and a flexible thermoelectric device, and to a flexible thermoelectric device manufacturing method and a flexible thermoelectric device capable of being used in an environment where mechanical flexibility is excellent and is bent or stretched.

열전변환(Thermoelectric conversion)이란 열에너지와 전기에너지 사이의 에너지 변환을 의미한다. 열전변환은 열전재료에 전류를 흘려주면 그 양단 사이에 온도차가 발생하는 펠티어 효과(Peltier effect)와, 역으로 열전재료의 양단에 온도 차이가 있을 때 전기가 발생하는 지벡 효과(Seebeck effect)로 대표된다.Thermoelectric conversion refers to energy conversion between thermal energy and electrical energy. Thermoelectric conversion is represented by the Peltier effect, in which a temperature difference occurs between both ends of a thermoelectric material, and, conversely, the Seebeck effect, in which electricity is generated when there is a temperature difference between both ends of the thermoelectric material. do.

펠티어 효과(Peltier effect)를 이용한 냉각모듈은 열응답 감도가 높고 국부적으로 선택적 냉각이 가능하며 작동부분이 없어 구조가 간단한 장점이 있어, 광통신용 LD 모듈, 고출력 파워 트랜지스터, 적외선 감지소자 및 CCD 등 전자부품의 국부냉각에 실용화되고 있으며, 공업용, 민생용 항온조나 과학용, 의료용 항온유지 장치에 응용되고 있다.The cooling module using the Peltier effect has the advantage of high thermal response sensitivity, local selective cooling, and a simple structure because there is no operating part.Therefore, it is used for optical communication LD modules, high-power transistors, infrared sensing devices, and electronic devices such as CCDs. It is being put into practical use for local cooling of parts, and is applied to a thermostat for industrial and consumer use, as well as a thermostat for scientific and medical use.

지벡 효과(Seebeck effect)를 이용한 열전발전은 온도차만 부여하면 발전이 가능하여 이용 열원의 선택범위가 넓으며 구조가 간단하고 소음이 없어, 군사용 전원장치를 비롯한 특수소형 전원장치에 국한되었던 용도가 최근에는 산업폐열 등을 이용한 열전발전기, 대체독립전원 등의 분야로 경제적 용도가 증대하고 있다.Thermoelectric power generation using the Seebeck effect can generate power by only giving a temperature difference, so the range of choice of heat sources is wide, and the structure is simple and there is no noise, so its use was limited to special small power devices including military power supplies recently. Economical uses are increasing in fields such as thermoelectric generators using industrial waste heat and alternative independent power sources.

현재 높은 성능을 가지고 있는 열전재료들은 대부분 반도체 금속물질 또는 세라믹 물질로 구성되어 있다. 이러한 재료들은 뛰어난 열전 특성이 있지만 대부분의 재료들이 밀도가 높기 때문에 많은 전력을 생산해 내기 위해서는 많은 양의 재료가 필요하기 때문에 무게가 증가하는 문제가 있다. 이러한 문제로 인해, 해당 재료를 이용한 열전소자는 경량화를 요구하는 자동차 산업이나 모바일 산업에 적용하기 어려운 한계점이 있다.Currently, thermoelectric materials with high performance are mostly composed of semiconductor metal materials or ceramic materials. These materials have excellent thermoelectric properties, but since most of the materials are dense, there is a problem of increasing weight because a large amount of material is required to produce a lot of power. Due to this problem, a thermoelectric device using the material has a limitation that is difficult to apply to the automobile industry or the mobile industry that requires weight reduction.

또한, 세라믹 계열의 열전재료들은 높은 취성을 가지고 있어, 형태를 변형시키는데 제한적이고, 구부리거나 늘리는 등의 환경에서는 사용할 수 없기 때문에 웨어러블 디바이스, 센서 네트워크 등에 적용하는데 한계가 있다.In addition, ceramic-based thermoelectric materials have high brittleness, are limited in their shape, and cannot be used in an environment such as bending or stretching, so they are limited in application to wearable devices and sensor networks.

한국공개특허공보 제2018-0060217호(2018.06.07 공개, 발명의 명칭 : 유연 열전소자의 제조 방법 및 이를 통해 제조된 유연 열전소자)Korean Patent Application Publication No. 2018-0060217 (published on June 7, 2018, title of invention: manufacturing method of flexible thermoelectric device and flexible thermoelectric device manufactured through it)

따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 기계적인 유연성이 우수한 2차원 나노소재층을 기반으로 한 열전소자를 구부러진 상태로 제조함으로써, 열전소자가 반복되는 굽힘 응력, 인장 응력 또는 압축 응력을 받는 환경에서 사용 가능하고, 진동이나 충격에 의해 파손되지 않는 유연 열전소자 제조방법 및 유연 열전소자를 제공함에 있다.Accordingly, the problem to be solved by the present invention is to solve such a conventional problem, and by manufacturing a thermoelectric element based on a two-dimensional nanomaterial layer having excellent mechanical flexibility in a bent state, the thermoelectric element is repeatedly bent. To provide a flexible thermoelectric device manufacturing method and a flexible thermoelectric device that can be used in an environment subjected to stress, tensile stress or compressive stress and are not damaged by vibration or impact.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 유연 열전소자 제조방법은, 2차원 나노소재가 다층으로 형성된 나노소재층을 베이스 기판 상에 형성하는 나노소재층 형성단계; 상기 나노소재층을 P형 불순물 영역과 N형 불순물 영역이 반복되게 형성되도록 구획하는 도핑 영역 구획단계; 상기 나노소재층으로부터 상기 베이스 기판을 제거하기 위하여, 상기 베이스 기판을 에칭하는 에칭단계; 상기 에칭단계 동안, 상기 나노소재층이 구부러지도록 상기 나노소재층의 양측부로부터 중앙부를 향하는 방향으로 압축력을 인가하는 압축력 인가단계; 및 구부러진 나노소재층의 전체 표면과 외부를 전기적으로 절연시키기 위하여, 구부러진 상태의 나노소재층을 탄성 재질의 절연부로 감싸는 절연단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, a method of manufacturing a flexible thermoelectric device includes a nanomaterial layer forming step of forming a nanomaterial layer in which a two-dimensional nanomaterial is formed in multiple layers on a base substrate; A doped region partitioning step of partitioning the nanomaterial layer so that P-type impurity regions and N-type impurity regions are repeatedly formed; An etching step of etching the base substrate to remove the base substrate from the nanomaterial layer; During the etching step, a compressive force applying step of applying a compressive force in a direction from both sides of the nanomaterial layer toward the center so that the nanomaterial layer is bent; And an insulating step of wrapping the bent nanomaterial layer with an insulating portion made of an elastic material in order to electrically insulate the entire surface and the outside of the bent nanomaterial layer.

또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 유연 열전소자 제조방법은, 2차원 나노소재가 다층으로 형성되고, P형 불순물 영역과 N형 불순물 영역이 반복되게 형성된 나노소재층을 구부러진 베이스 기판 상에 형성하는 나노소재층 형성단계; 상기 나노소재층으로부터 상기 베이스 기판을 제거하기 위하여, 상기 베이스 기판을 에칭하는 에칭단계; 및 구부러진 나노소재층의 전체 표면과 외부를 전기적으로 절연시키기 위하여, 구부러진 상태의 나노소재층을 탄성 재질의 절연부로 감싸는 절연단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, in order to achieve the above object, the method of manufacturing a flexible thermoelectric device includes a two-dimensional nanomaterial formed in multiple layers, and a nanomaterial layer in which a P-type impurity region and an N-type impurity region are repeatedly formed is formed on a bent base substrate. Forming a nano material layer; An etching step of etching the base substrate to remove the base substrate from the nanomaterial layer; And an insulating step of wrapping the bent nanomaterial layer with an insulating portion of an elastic material in order to electrically insulate the entire surface and the outside of the bent nanomaterial layer.

본 발명에 따른 유연 열전소자 제조방법에 있어서, 상기 나노소재층 형성단계는, 상기 2차원 나노소재를 다층으로 형성하여 나노소재 베이스층을 마련하는 나노소재 베이스층 형성단계; 상기 나노소재 베이스층에 결함을 형성하는 결함 형성단계; 및 상기 나노소재 베이스층에서 결함이 형성된 부위에 상기 2차원 나노소재와 다른 물질인 이종 물질을 결합시키는 이종 물질 결합단계;를 포함할 수 있다.In the method of manufacturing a flexible thermoelectric device according to the present invention, the forming of the nanomaterial layer comprises: forming a nanomaterial base layer by forming the two-dimensional nanomaterial into multiple layers to form a nanomaterial base layer; A defect forming step of forming a defect in the nanomaterial base layer; And a heterogeneous material bonding step of bonding the 2D nanomaterial and a different material, which is a different material, to a portion in which the defect is formed in the nanomaterial base layer.

본 발명에 따른 유연 열전소자 제조방법에 있어서, 상기 이종 물질 결합단계는, 상기 나노소재 베이스층의 결함에 서로 다른 성질의 이종 물질을 선택적으로 결합시킴으로써, 상기 나노소재층에 상기 P형 불순물 영역과 상기 N형 불순물 영역을 각각 형성할 수 있다.In the method of manufacturing a flexible thermoelectric device according to the present invention, in the bonding of the heterogeneous material, the P-type impurity region and the P-type impurity region in the nanomaterial layer are selectively combined with the defects of the nanomaterial base layer. Each of the N-type impurity regions may be formed.

본 발명에 따른 유연 열전소자 제조방법에 있어서, 상기 결함 형성단계는, 상기 나노소재 베이스층에 결함을 온도 구배가 형성되는 방향을 따라 선형적인 형태로 형성할 수 있다.In the method of manufacturing a flexible thermoelectric device according to the present invention, the defect forming step may form a defect in the nanomaterial base layer in a linear shape along a direction in which a temperature gradient is formed.

본 발명에 따른 유연 열전소자 제조방법에 있어서, 상기 압축력 인가단계는, 상기 나노소재층의 양측부로부터 중앙부를 향하는 방향으로 압축공기의 유동을 형성하거나 또는 에칭액의 유동을 형성함으로써 압축력을 형성할 수 있다.In the flexible thermoelectric device manufacturing method according to the present invention, in the applying of the compressive force, the compressive force may be formed by forming a flow of compressed air in a direction from both sides of the nanomaterial layer toward the center or by forming a flow of an etching solution. have.

본 발명에 따른 유연 열전소자 제조방법에 있어서, 상기 절연단계 이전에 수행되고, 상기 베이스 기판이 제거된 나노소재층을 세척하는 세척단계;를 더 포함할 수 있다.In the method of manufacturing a flexible thermoelectric device according to the present invention, a washing step of washing the nanomaterial layer from which the base substrate has been removed, which is performed before the insulating step, may further include.

본 발명에 따른 유연 열전소자 제조방법에 있어서, 상기 절연단계 이전에 수행되고, 상기 나노소재층와 외부의 전기적 연결을 위하여 상기 나노소재층의 양단부에 배선 단자를 형성하는 배선 단자 형성단계;를 더 포함할 수 있다.In the method of manufacturing a flexible thermoelectric device according to the present invention, the step of forming a wire terminal on both ends of the nano-material layer for electrical connection to the nano-material layer and externally is performed before the insulating step; further comprising: can do.

본 발명에 따른 유연 열전소자 제조방법에 있어서, 상기 2차원 나노소재는 육방정 질화 붕소 또는 그래핀을 포함할 수 있다.In the flexible thermoelectric device manufacturing method according to the present invention, the 2D nanomaterial may include hexagonal boron nitride or graphene.

또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 유연 열전소자는, 2차원 나노소재가 다층으로 형성되고, P형 불순물 영역과 N형 불순물 영역이 반복되게 구획되어 있으며, 구부러진 형상의 나노소재층; 및 구부러진 형상의 나노소재층의 전체 표면과 외부를 전기적으로 절연시키기 위하여, 구부러진 형상의 나노소재층을 감싸는 탄성 재질의 절연부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, in order to achieve the above object, the flexible thermoelectric device includes: a nanomaterial layer in which a two-dimensional nanomaterial is formed in multiple layers, a P-type impurity region and an N-type impurity region are repeatedly partitioned, and a curved nanomaterial layer; And an insulating portion made of an elastic material surrounding the bent-shaped nano-material layer in order to electrically insulate the entire surface and the outside of the bent-shaped nano-material layer.

본 발명에 따른 유연 열전소자에 있어서, 상기 나노소재층은, 상기 2차원 나노소재가 다층으로 형성된 나노소재 베이스층; 상기 나노소재 베이스층에 형성된 결함; 및 상기 나노소재 베이스층에서 결함이 형성된 부위에 결합되고, 상기 2차원 나노소재와 다른 물질인 이종 물질;을 포함할 수 있다.In the flexible thermoelectric device according to the present invention, the nano-material layer comprises: a nano-material base layer in which the two-dimensional nano-material is formed in multiple layers; Defects formed in the nanomaterial base layer; And a heterogeneous material that is bonded to a portion in which the defect is formed in the nanomaterial base layer and is a material different from the 2D nanomaterial.

본 발명에 따른 유연 열전소자에 있어서, 서로 다른 성질의 이종 물질이 상기 나노소재 베이스층의 결함에 선택적으로 결합됨으로써, 상기 나노소재층에 상기 P형 불순물 영역과 상기 N형 불순물 영역이 각각 형성될 수 있다.In the flexible thermoelectric device according to the present invention, the P-type impurity region and the N-type impurity region are respectively formed in the nanomaterial layer by selectively bonding different materials of different properties to defects in the nanomaterial base layer. I can.

본 발명에 따른 유연 열전소자에 있어서, 상기 나노소재 베이스층에 형성된 결함은 온도 구배가 형성되는 방향을 따라 선형적인 형태로 형성될 수 있다.In the flexible thermoelectric device according to the present invention, defects formed in the nanomaterial base layer may be formed in a linear shape along a direction in which a temperature gradient is formed.

본 발명에 따른 유연 열전소자에 있어서, 상기 2차원 나노소재는 육방정 질화 붕소 또는 그래핀을 포함할 수 있다.In the flexible thermoelectric device according to the present invention, the two-dimensional nanomaterial may include hexagonal boron nitride or graphene.

본 발명의 유연 열전소자 제조방법 및 유연 열전소자에 따르면, 열전소자가 반복되는 굽힘 응력, 인장 응력 또는 압축 응력을 받는 환경에서 사용 가능하고, 진동이나 충격에 의해 파손되지 않을 수 있다.According to the flexible thermoelectric device manufacturing method and the flexible thermoelectric device of the present invention, the thermoelectric device can be used in an environment in which the thermoelectric device is subjected to repeated bending stress, tensile stress, or compressive stress, and may not be damaged by vibration or impact.

또한, 본 발명의 유연 열전소자 제조방법 및 유연 열전소자에 따르면, 유연 열전소자를 형성하는 열전재료의 성능지수(ZT)를 높일 수 있다.Further, according to the flexible thermoelectric device manufacturing method and the flexible thermoelectric device of the present invention, it is possible to increase the performance index (ZT) of the thermoelectric material forming the flexible thermoelectric device.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 열전소자 제조방법의 나노소재층 형성단계를 설명하기 위한 도면이고,
도 2는 도 1의 유연 열전소자 제조방법의 에칭단계를 설명하기 위한 도면이고,
도 3은 도 1의 유연 열전소자 제조방법의 압축력 인가단계를 설명하기 위한 도면이고,
도 4는 도 1의 유연 열전소자 제조방법의 절연단계를 설명하기 위한 도면이고,
도 5는 도 1의 유연 열전소자 제조방법의 나노소재층 형성단계를 순차적으로 도시한 도면이고,
도 6은 도 1의 유연 열전소자 제조방법에 있어서 나노소재층의 결함 밀도에 대한 성능지수의 관계를 도시한 그래프이고,
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 유연 열전소자 제조방법을 순차적으로 도시한 도면이다.
1 is a view for explaining a step of forming a nano material layer in a method of manufacturing a flexible thermoelectric device according to an embodiment of the present invention,
2 is a view for explaining the etching step of the flexible thermoelectric device manufacturing method of FIG. 1,
3 is a view for explaining a compressive force application step of the flexible thermoelectric device manufacturing method of FIG. 1,
4 is a view for explaining an insulation step of the method of manufacturing the flexible thermoelectric device of FIG. 1,
FIG. 5 is a diagram sequentially showing a step of forming a nanomaterial layer in the method of manufacturing the flexible thermoelectric device of FIG. 1,
6 is a graph showing the relationship between the figure of merit with respect to the defect density of the nanomaterial layer in the method of manufacturing the flexible thermoelectric device of FIG. 1,
7 is a diagram sequentially illustrating a method of manufacturing a flexible thermoelectric device according to another embodiment of the present invention.

이하, 본 발명에 따른 유연 열전소자 제조방법 및 유연 열전소자의 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing a flexible thermoelectric device and embodiments of a flexible thermoelectric device according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 열전소자 제조방법의 나노소재층 형성단계를 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 도 1의 유연 열전소자 제조방법의 에칭단계를 설명하기 위한 도면이고, 도 3은 도 1의 유연 열전소자 제조방법의 압축력 인가단계를 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 도 1의 유연 열전소자 제조방법의 절연단계를 설명하기 위한 도면이고, 도 5는 도 1의 유연 열전소자 제조방법의 나노소재층 형성단계를 순차적으로 도시한 도면이고, 도 6은 도 1의 유연 열전소자 제조방법에 있어서 나노소재층의 결함 밀도에 대한 성능지수의 관계를 도시한 그래프이다.FIG. 1 is a view for explaining a step of forming a nano material layer in a method for manufacturing a flexible thermoelectric device according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a view for explaining an etching step in the method for manufacturing a flexible thermoelectric device of FIG. 3 is a view for explaining the step of applying a compressive force in the method of manufacturing the flexible thermoelectric device of FIG. 1, FIG. 4 is a view for explaining the insulation step of the method of manufacturing the flexible thermoelectric device of FIG. 1, and FIG. It is a diagram sequentially showing the steps of forming a nanomaterial layer in a method of manufacturing a thermoelectric device, and FIG. 6 is a graph showing a relationship between a performance index with respect to a defect density of a nanomaterial layer in the method of manufacturing a flexible thermoelectric device of FIG. 1.

도 1 내지 도 6을 참조하면, 본 실시예에 따른 유연 열전소자 제조방법은, 기계적인 유연성이 우수한 2차원 나노소재층을 기반으로 한 열전소자를 접힌 상태로 제조하기 위한 것으로서, 나노소재층 형성단계(S110)와, 에칭단계(S120)와, 압축력 인가단계(S130)와, 세척단계(미도시)와, 배선 단자 형성단계(미도시)와, 절연단계(S140)를 포함한다.1 to 6, the flexible thermoelectric device manufacturing method according to the present embodiment is for manufacturing a thermoelectric device based on a two-dimensional nano material layer having excellent mechanical flexibility in a folded state, and forming a nano material layer A step S110, an etching step S120, a compressive force application step S130, a cleaning step (not shown), a wiring terminal forming step (not shown), and an insulating step S140.

상기 나노소재층 형성단계(S110)는, 2차원 나노소재가 다층으로 형성되고, P형 불순물 영역(126)과 N형 불순물 영역(127)이 반복되게 형성된 나노소재층(120)을 베이스 기판(110) 상에 형성한다.In the nanomaterial layer forming step (S110), a two-dimensional nanomaterial is formed in multiple layers, and a nanomaterial layer 120 in which the P-type impurity region 126 and the N-type impurity region 127 are repeatedly formed is formed on a base substrate ( 110) to form on.

본 실시예의 2차원 나노소재는 육방정 질화 붕소(Hexagonal boron nitride, HBN) 또는 그래핀인 것이 바람직하다. 이 외에도 2차원 나노소재로는, 전이금속 디칼코게나이드(TMD, Transition Metal Dichalcogenide) 등이 이용될 수 있다.The 2D nanomaterial of this embodiment is preferably hexagonal boron nitride (HBN) or graphene. In addition, as a 2D nanomaterial, transition metal dichalcogenide (TMD) may be used.

그래핀은 탄소 원자들이 2차원 상에서 벌집 모양의 배열을 이루면서 원자 한 층의 두께를 가지는 전도성 물질이며, 신축성, 유연성 등이 뛰어나 유연 열전소자의 열전재료로 적합하다.Graphene is a conductive material having a single layer of carbon atoms in a honeycomb arrangement in two dimensions, and is suitable as a thermoelectric material for flexible thermoelectric devices because of its excellent elasticity and flexibility.

또한, 금속성인 그래핀보다 반도체성인 육방정 질화 붕소(Hexagonal boron nitride, HBN)가 더 바람직할 수 있다.In addition, semiconducting hexagonal boron nitride (HBN) may be more preferable than metallic graphene.

본 실시예의 베이스 기판(10)은 평판 형상인 것이 바람직하다.It is preferable that the base substrate 10 of this embodiment has a flat plate shape.

한편, 열전재료의 열전특성을 논할 때, 무차원의 성능지수(Dimensionless Figure of Merit: ZT)를 일반적으로 고려하고 있으며, 이는 하기 [수학식 1]에 나타낸 바와 같이 표시되며, 성능지수(ZT)가 높다는 것은 열전재료의 에너지 변환효율이 높다는 것을 의미한다.Meanwhile, when discussing the thermoelectric properties of a thermoelectric material, a dimensionless figure of merit (ZT) is generally considered, which is expressed as shown in the following [Equation 1], and the performance index (ZT) Higher means that the energy conversion efficiency of the thermoelectric material is high.

Figure 112018106856795-pat00001
Figure 112018106856795-pat00001

여기서, σ는 전기전도도이고, α는 지벡 계수이고, T는 온도차이고, κ는 열전도도이다.Here, σ is the electrical conductivity, α is the Seebeck coefficient, T is the temperature difference, and κ is the thermal conductivity.

높은 열전효과를 위해서는 높은 성능지수를 갖는 열전재료가 바람직한데, 이를 위해서는 열전재료의 지벡(Seebeck) 계수 또는 전기전도도가 크거나 혹은 열전도도가 낮은 물질이 이상적이다.For a high thermoelectric effect, a thermoelectric material having a high index of merit is desirable, and for this, a material having a large Seebeck coefficient or electrical conductivity of the thermoelectric material or a material having low thermal conductivity is ideal.

도 5를 참조하면, 본 실시예의 나노소재층 형성단계(S110)는 나노소재 베이스층 형성단계(S111)와, 결함 형성단계(S112)와, 이종 물질 결합단계(S113)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 5, the nanomaterial layer forming step (S110) of the present embodiment may include a nanomaterial base layer forming step (S111), a defect forming step (S112), and a dissimilar material combining step (S113).

상기 나노소재 베이스층 형성단계(S111)는 2차원 나노소재를 다층으로 형성하여 나노소재 베이스층(121)을 마련한다.In the nanomaterial base layer forming step (S111), a nanomaterial base layer 121 is prepared by forming a two-dimensional nanomaterial into multiple layers.

나노소재 베이스층(121)의 층수를 늘려 다층으로 형성하면, 전기전도도가 주로 증가하게 되고, 열전도도는 층과 층 사이의 상호작용으로 인해 덜 증가하여 성능지수(ZT)를 더욱 향상시킬 수 있다.When the number of layers of the nanomaterial base layer 121 is increased to form multiple layers, the electrical conductivity is mainly increased, and the thermal conductivity is less increased due to the interaction between the layer and the layer, thereby further improving the performance index (ZT). .

상기 결함 형성단계(S112)는 나노소재 베이스층(121)에 결함(122)을 형성한다.In the defect forming step (S112), a defect 122 is formed in the nanomaterial base layer 121.

도 6을 참조하면, 결함 밀도(ID/IG)가 0 이상 약 1.0 이하인 구간에서는 성능지수(ZT)가 점진적으로 감소하지만, 결함 밀도(ID/IG)가 1.0을 넘어가면 결함 밀도(ID/IG)가 증가할수록 성능지수(ZT)가 급격하게 증가함을 알 수 있다.Referring to FIG. 6, the figure of merit (ZT) gradually decreases in the section where the defect density (ID/IG) is 0 or more and about 1.0 or less, but when the defect density (ID/IG) exceeds 1.0, the defect density (ID/IG) It can be seen that as) increases, the performance index (ZT) increases rapidly.

따라서, 본 실시예에서는 결함 밀도(ID/IG)가 0일 때의 성능지수(ZT)보다 높은 성능지수(ZT)를 가지도록, 예를 들어 결함 밀도(ID/IG)를 약 1.5 이상으로 형성함으로써, 성능지수(ZT)를 높일 수 있다.Therefore, in the present embodiment, for example, the defect density (ID/IG) is formed to be about 1.5 or more so that the defect density (ID/IG) is higher than the performance index (ZT) when the defect density (ID/IG) is 0. By doing so, the figure of merit (ZT) can be increased.

나노소재 베이스층(121)에 결함(122)을 형성하기 위해서는 플라즈마 처리, 이온빔 조사, 패터닝 공정 등을 활용할 수 있다.In order to form the defect 122 on the nanomaterial base layer 121, a plasma treatment, ion beam irradiation, patterning process, etc. may be used.

결함 형성단계(S112)에서, 나노소재 베이스층(121)에 결함(122)을 온도 구배가 형성되는 방향을 따라 선형적인 형태로 형성하는 것이 바람직하다.In the defect forming step (S112), it is preferable to form the defect 122 in the nanomaterial base layer 121 in a linear shape along the direction in which the temperature gradient is formed.

나노소재 베이스층(121)에 결함(122)을 무작위로 형성하는 것보다 온도 구배가 형성되는 방향을 따라 선형적인 형태로 형성할 경우, 열이 전달되는 방향을 따라 결함(122)에서의 포논 산란으로 인해 나노소재층(120)의 열전도도는 큰 폭으로 감소하게 되고, 반면 전자의 평균자유행로는 포논에 비해 매우 짧기 때문에 결함(122)에 의한 추가적인 산란 영향이 미미하여, 전기전도도는 감소하긴 하지만 감소 폭이 크지 않다. 따라서, [수학식 1]을 참조하면, 전기전도도에 비해 열전도도가 상대적으로 크게 감소함에 따라 성능지수(ZT)를 더욱 높일 수 있다.When the defects 122 are formed in a linear shape along the direction in which the temperature gradient is formed rather than randomly forming the defects 122 on the nanomaterial base layer 121, phonon scattering in the defects 122 along the direction in which heat is transferred As a result, the thermal conductivity of the nanomaterial layer 120 is greatly reduced, whereas the average free path of electrons is very short compared to the phonon, so the additional scattering effect by the defect 122 is insignificant, and the electrical conductivity is reduced. The reduction is not large. Therefore, referring to [Equation 1], the figure of merit ZT can be further increased as the thermal conductivity is relatively significantly reduced compared to the electrical conductivity.

상기 이종 물질 결합단계(S113)는 나노소재 베이스층(121)에서 결함(122)이 형성된 부위에 2차원 나노소재와 다른 물질인 이종 물질(123)을 결합시킨다.In the step of combining the heterogeneous material (S113), the two-dimensional nanomaterial and the heterogeneous material 123, which are different materials, are combined with the two-dimensional nanomaterial to the portion where the defect 122 is formed in the nanomaterial base layer 121.

이종 물질 결합단계(S113)에서는 ALD 공정이나 도금 공정을 이용할 수 있다.In the heterogeneous material bonding step (S113), an ALD process or a plating process may be used.

이종 물질 결합단계(S113)에서 결합되는 이종 물질(123)은 Al2O3, TiO2, ZnO, HfO2, Pt 등이 될 수 있는데, 이 중 2차원 나노소재가 그래핀일 경우 그래핀과 결합할 때 가장 효과가 있는 것은 HfO2이다.The heterogeneous material 123 combined in the heterogeneous material bonding step (S113) may be Al2O3, TiO2, ZnO, HfO2, Pt, etc. Among these, when the two-dimensional nanomaterial is graphene, it is most effective when combined with graphene. What is HfO2.

일반적으로 2차원 나노소재를 구성하는 원자와 전기음성도 차이가 큰 물질일수록 지벡(Seebeck) 계수가 증가하여 성능지수(ZT)를 높일 수 있고, 질량 차이가 큰 물질일수록 열전도도가 감소하여 성능지수(ZT)를 높일 수 있다. 따라서, 위에서 예를 든 물질 중 그래핀을 구성하는 탄소원자와의 전기음성도 차이가 크고, 질량 차이가 큰 HfO2가 바람직하다.In general, a material with a large difference in electronegativity and atoms constituting a 2D nanomaterial increases the Seebeck coefficient to increase the index of merit (ZT), and a material with a large difference in mass decreases the thermal conductivity. (ZT) can be increased. Therefore, HfO2, which has a large difference in electronegativity and a large difference in mass from the carbon atoms constituting graphene among the above examples, is preferable.

이종 물질 결합단계(S113)에서, 나노소재 베이스층의 결함(122)에 서로 다른 성질의 이종 물질(123)을 선택적으로 결합시킴으로써, 나노소재층(120)에 P형 불순물 영역(126)과 N형 불순물 영역(127)을 각각 형성할 수 있다.In the heterogeneous material bonding step (S113), by selectively bonding the heterogeneous material 123 of different properties to the defect 122 of the nanomaterial base layer, the P-type impurity region 126 and the N Each type impurity region 127 may be formed.

즉, 이종 물질(123) 중 P형 불순물에 해당하는 이종 물질(123)을 결함(122)에 결합하여 다수 캐리어가 정공(hole)인 P형 불순물 영역(126)을 형성하고, P형 불순물 영역(126)에 인접한 영역에는 이종 물질(123) 중 N형 불순물에 해당하는 이종 물질(123)을 결함(122)에 결합하여 다수 캐리어가 전자(electron)인 N형 불순물 영역(127)을 형성할 수 있다. 이와 같이 P형 불순물 영역(126)과 N형 불순물 영역(127)이 반복되게 형성되도록 하여, 나노소재층(120) 전체를 P형 불순물 영역(126)과 N형 불순물 영역(127)으로 구획할 수 있다.That is, the heterogeneous material 123 corresponding to the P-type impurity among the heterogeneous materials 123 is combined with the defect 122 to form a P-type impurity region 126 in which a plurality of carriers are holes, and the P-type impurity region In a region adjacent to 126, a heterogeneous material 123 corresponding to an N-type impurity among the heterogeneous materials 123 is combined with the defect 122 to form an N-type impurity region 127 in which a plurality of carriers are electrons. I can. In this way, the P-type impurity region 126 and the N-type impurity region 127 are repeatedly formed, so that the entire nanomaterial layer 120 is divided into the P-type impurity region 126 and the N-type impurity region 127. I can.

한편, 상술한 바와 같이 결함(122)에 이종 물질(123)을 선택적으로 결합시키는 방식 이외에도, 나노소재 베이스층(121)의 결함(122)에 동일한 성질의 이종 물질(123)을 결합하여 나노소재층(120)을 형성한 후 추가적인 도핑 공정을 통해 일반적으로 사용하는 P형 불순물과, N형 불순물을 교대로 주입함으로써, 나노소재층(120)을 P형 불순물 영역(126)과, N형 불순물 영역(127)으로 구획할 수도 있다. 이러한 도핑 공정은 일반적이므로 상세한 설명을 생략한다.On the other hand, in addition to the method of selectively bonding the heterogeneous material 123 to the defect 122 as described above, the heterogeneous material 123 of the same property is combined with the defect 122 of the nanomaterial base layer 121 After the layer 120 is formed, a generally used P-type impurity and an N-type impurity are alternately implanted through an additional doping process, so that the nanomaterial layer 120 is transferred to the P-type impurity region 126 and the N-type impurity. It may be divided into regions 127. Since such a doping process is general, detailed descriptions are omitted.

이때, P형 불순물 영역(126)에 주입되는 P형 불순물은, 염화철, 염화금, 염화은, 카바졸 및 그 유도체, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜), 폴리스티렌술포네이트, 벤조퀴논, 테트라시아노퀴논, 테르라플루오르퀴노디메테인, 요오드 화합물, 디페닐리딘, 이미다졸, 트리아졸, 폴리아자인, 폴리아닐린, 피리딘 트리페닐아민, 테트라티아풀발렌 및 피라진 중에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 불순물일 수 있으며, 이에 한정되지 않는다.At this time, the P-type impurities injected into the P-type impurity region 126 are iron chloride, gold chloride, silver chloride, carbazole and its derivatives, poly(3,4-ethylenedioxythiophene), polystyrene sulfonate, benzoquinone, and tetracylate. Impurities including at least one selected from anoquinone, terafluoroquinodimethane, iodine compound, diphenylidine, imidazole, triazole, polyazine, polyaniline, pyridine triphenylamine, tetrathiafulvalene and pyrazine May be, but is not limited thereto.

또한, N형 불순물 영역(127)에 주입되는 N형 불순물은, 폴리에틸렌이민, 폴리(4-아미노스티렌), 폴리(4-비닐피리딘), 폴리아릴아민, 폴리비닐아민, 히드라진, 벤질바이올로젠, 에틸렌디아민, 트리에틸렌아민, 에틸아민, 피롤리딘, 트리페닐포스페이트, 폴리비닐피롤리돈, 테트라메틸-페닐렌디아민 및 페로센 중에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 불순물일 수 있으며, 이에 한정되지 않는다.In addition, the N-type impurities injected into the N-type impurity region 127 include polyethyleneimine, poly(4-aminostyrene), poly(4-vinylpyridine), polyarylamine, polyvinylamine, hydrazine, benzylbiologen, and It may be an impurity including at least one selected from ethylenediamine, triethyleneamine, ethylamine, pyrrolidine, triphenylphosphate, polyvinylpyrrolidone, tetramethyl-phenylenediamine and ferrocene, but is not limited thereto. .

나노소재층(120)을 P형 불순물 영역(126)과 N형 불순물 영역(127)으로 구획한 이후, 나노소재층(120) 상에 별도의 절연층(130)을 형성할 수도 있다.After the nanomaterial layer 120 is divided into a P-type impurity region 126 and an N-type impurity region 127, a separate insulating layer 130 may be formed on the nanomaterial layer 120.

상기 에칭단계(S120)는, 나노소재층(120)으로부터 베이스 기판(110)을 제거하기 위하여 베이스 기판(110)을 에칭한다.In the etching step (S120), the base substrate 110 is etched to remove the base substrate 110 from the nanomaterial layer 120.

도 3을 참조하면, 예를 들어, 베이스 기판(110)이 구리 재질일 경우, 나노소재층(120)이 형성된 베이스 기판(110)을 과황산 암모늄((NH4)2SO8)용액 등과 같은 에칭액(10)에 함침시킴으로써, 베이스 기판(110)을 제거하고 나노소재층(120)만을 남긴다. 과황산 암모늄((NH4)2SO8)용액으로 에칭함으로써, 이후 세척 시간이 단축되고, 나노소재층(120)의 오염이 적게 된다.Referring to FIG. 3, for example, when the base substrate 110 is made of copper, the base substrate 110 on which the nanomaterial layer 120 is formed is prepared with an etching solution 10 such as an ammonium persulfate ((NH4)2SO8) solution. ) By impregnation, the base substrate 110 is removed and only the nanomaterial layer 120 is left. By etching with an ammonium persulfate ((NH4)2SO8) solution, the subsequent cleaning time is shortened and contamination of the nanomaterial layer 120 is reduced.

상기 압축력 인가단계(S130)는, 에칭단계(S120) 동안, 나노소재층(120)이 구부러지도록 나노소재층(120)의 양측부로부터 중앙부를 향하는 방향으로 압축력(P)을 인가한다.The compressive force application step (S130) applies a compressive force (P) in a direction from both sides of the nano material layer 120 toward the center so that the nano material layer 120 is bent during the etching step (S120).

도 3을 참조하면, 압축력 인가단계(S140)에서는, 나노소재층(120)의 양측부로부터 중앙부를 향하는 방향으로 압축공기의 유동을 형성하거나 또는 에칭액(10)의 유동을 형성함으로써 압축력(P)을 형성할 수 있다.3, in the compression force application step (S140), the compression force (P) by forming a flow of compressed air in a direction from both sides of the nano material layer 120 toward the center portion or by forming a flow of the etching solution 10 Can be formed.

나노소재층(120)이 얇고 가볍기 때문에 나노소재층(120)과 접촉하는 부재를 이용하여 압축력(P)을 인가할 경우 나노소재층(120)이 파손될 위험이 있다. 따라서, 에칭액(10)을 수용하는 수용통의 측부에 마련된 포트(미도시)를 통해 압축공기를 공급하여 압축공기의 유동을 형성하거나 또는 에칭액(10)을 가압할 수 있는 송풍장치와 포트를 연결하여 에칭액(10)의 유동을 형성함으로써 압축력(P)을 형성하는 것이 나노소재층(120)의 파손을 방지할 수 있다.Since the nanomaterial layer 120 is thin and light, there is a risk that the nanomaterial layer 120 may be damaged when a compressive force (P) is applied using a member in contact with the nanomaterial layer 120. Therefore, by supplying compressed air through a port (not shown) provided on the side of the receiving container accommodating the etching solution 10, a flow of compressed air is formed, or a blower and a port capable of pressurizing the etching solution 10 are connected. Thus, by forming a flow of the etching solution 10, forming a compressive force (P) can prevent damage to the nano material layer 120.

상기 세척단계(미도시)는, 절연단계(S140) 이전에 수행되고, 베이스 기판(110)이 제거된 나노소재층(120)을 세척한다. 세척단계에 사용되는 세척액 역시 반도체 공정 등에서 일반적으로 사용되는 물질로서 상세한 설명을 생략한다.The cleaning step (not shown) is performed before the insulating step S140 and the nanomaterial layer 120 from which the base substrate 110 has been removed is cleaned. The cleaning liquid used in the cleaning step is also a material commonly used in a semiconductor process, and a detailed description thereof is omitted.

세척단계 이후, 세척된 나노소재층(120)을 건조하는 건조단계를 포함할 수 있다.After the washing step, a drying step of drying the washed nanomaterial layer 120 may be included.

상기 배선 단자 형성단계(미도시)는, 절연단계(S140) 이전에 수행되고, 나노소재층(120)와 외부의 전기적 연결을 위하여 나노소재층(120)의 양단부에 배선 단자(150)를 형성한다.The wiring terminal forming step (not shown) is performed before the insulating step (S140), and wiring terminals 150 are formed on both ends of the nanomaterial layer 120 for electrical connection with the nanomaterial layer 120 do.

상기 절연단계(S140)는, 구부러진 나노소재층(120)의 전체 표면과 외부를 전기적으로 절연시키기 위하여, 구부러진 상태의 나노소재층(120)을 탄성 재질의 절연부(140)로 감싼다.In the insulating step (S140), in order to electrically insulate the entire surface of the bent nanomaterial layer 120 and the outside, the bent nanomaterial layer 120 is wrapped with an insulating part 140 made of an elastic material.

도 4를 참조하면, 본 실시예의 절연단계(S140)에서는 나노소재층(120)을 탄성 재질의 폴리머에 함침하여 폴리머가 나노소재층(120)을 감싸도록 함으로써, 나노소재층(120)의 표면이 절연 코팅되도록 할 수 있다.4, in the insulating step (S140) of the present embodiment, the nanomaterial layer 120 is impregnated with an elastic polymer so that the polymer surrounds the nanomaterial layer 120, so that the surface of the nanomaterial layer 120 You can make this insulating coating.

또한, 구부러진 상태의 나노소재층(120)과 탄성 재질의 절연부(140)로 구성된 유연 열전소자(100)를 형성함으로써, 반복되는 굽힘 응력, 인장 응력 또는 압축 응력을 받는 환경에서도 신축 가능하면서 기계적인 유연성 및 강성을 가질 수 있다.In addition, by forming the flexible thermoelectric device 100 composed of the bent nanomaterial layer 120 and the insulating part 140 made of elastic material, it is possible to expand and contract even in an environment subjected to repeated bending stress, tensile stress or compressive stress. Can have excellent flexibility and rigidity.

본 발명의 일 실시예에 따른 유연 열전소자(100)는, 상술한 유연 열전소자 제조방법에 의해 제조될 수 있고, 나노소재층(120)과, 절연부(140)를 포함하는 것을 특징으로 한다.The flexible thermoelectric device 100 according to an embodiment of the present invention may be manufactured by the above-described flexible thermoelectric device manufacturing method, and includes a nano material layer 120 and an insulating part 140. .

상기 나노소재층(120)은 2차원 나노소재가 다층으로 형성되고, P형 불순물 영역(126)과 N형 불순물 영역(127)이 반복되게 구획되어 있으며, 구부러진 형상으로 형성된다.The nanomaterial layer 120 is formed of a two-dimensional nanomaterial in multiple layers, the P-type impurity region 126 and the N-type impurity region 127 are repeatedly partitioned, and formed in a curved shape.

상기 절연부(140)는 구부러진 형상의 나노소재층(120)의 전체 표면과 외부를 전기적으로 절연시키기 위하여, 구부러진 형상의 나노소재층(120)을 감싸며, 탄성 재질로 형성된다.The insulating part 140 surrounds the bent-shaped nano-material layer 120 and is formed of an elastic material in order to electrically insulate the entire surface and the outside of the bent-shaped nano-material layer 120.

이때, 나노소재층(120)은, 나노소재 베이스층(121)과, 결함(122)과, 이종 물질(123)을 포함할 수 있다.In this case, the nanomaterial layer 120 may include a nanomaterial base layer 121, a defect 122, and a heterogeneous material 123.

나노소재 베이스층(121)은 2차원 나노소재가 적층 또는 합성을 통해 다층으로 형성되고, 결함(122)은 나노소재 베이스층(121)에 형성되며, 이종 물질(123)은 나노소재 베이스층(121)에서 결함(122)이 형성된 부위에 결합되고, 2차원 나노소재와 다른 물질로 구성된다. 이때, 2차원 나노소재는 육방정 질화 붕소(Hexagonal boron nitride, HBN) 또는 그래핀인 것이 바람직하다.The nanomaterial base layer 121 is formed as a multilayer through stacking or synthesis of a two-dimensional nanomaterial, and the defect 122 is formed on the nanomaterial base layer 121, and the heterogeneous material 123 is a nanomaterial base layer ( 121) is bonded to the region where the defect 122 is formed, and is composed of a material different from the 2D nanomaterial. At this time, the 2D nanomaterial is preferably hexagonal boron nitride (HBN) or graphene.

서로 다른 성질의 이종 물질(123)이 나노소재 베이스층의 결함(122)에 선택적으로 결합됨으로써, 나노소재층(120)에 P형 불순물 영역(126)과 N형 불순물 영역(127)이 각각 형성될 수 있다.The heterogeneous materials 123 of different properties are selectively bonded to the defect 122 of the nanomaterial base layer, thereby forming a P-type impurity region 126 and an N-type impurity region 127 in the nanomaterial layer 120, respectively. Can be.

나노소재 베이스층(121)에 형성된 결함(122)은 온도 구배가 형성되는 방향을 따라 선형적인 형태로 형성되는 것이 바람직하다.The defect 122 formed on the nanomaterial base layer 121 is preferably formed in a linear shape along the direction in which the temperature gradient is formed.

유연 열전소자(100)를 구성하는 구부러진 상태의 나노소재층(120)과, 절연부(140)뿐만 아니라, 나노소재층(120)을 구성하는 나노소재 베이스층(121)과, 결함(122)과, 이종 물질(123)은 유연 열전소자 제조방법을 설명하는 과정에서 설명한 내용과 실질적으로 동일하므로 중복되는 설명은 생략한다.The bent nanomaterial layer 120 constituting the flexible thermoelectric device 100 and the insulating portion 140, as well as the nanomaterial base layer 121 constituting the nanomaterial layer 120, and the defect 122 And, since the dissimilar materials 123 are substantially the same as those described in the process of describing a method of manufacturing a flexible thermoelectric device, a duplicate description will be omitted.

본 발명의 유연 열전소자(100)는, 나노소재층(120)의 양측부로부터 중앙부를 향하는 방향으로 압축력(P)을 인가하여 구부러진 형상으로 만들 수도 있고, 처음부터 구부러진 형상의 베이스 기판에 나노소재층을 형성하여 별도의 압축력을 인가하지 않고 제조될 수도 있다.The flexible thermoelectric device 100 of the present invention may be made into a curved shape by applying a compressive force (P) in a direction from both sides of the nano material layer 120 toward the center, or a nano material on a base substrate having a shape that is bent from the beginning. It may be manufactured without applying a separate compressive force by forming a layer.

한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 유연 열전소자 제조방법은 구부러진 베이스 기판(111)을 이용하는 점에서 도 1 내지 도 4에 도시된 실시예와 차별점을 가진다.On the other hand, a method of manufacturing a flexible thermoelectric device according to another embodiment of the present invention has a difference from the embodiments shown in FIGS. 1 to 4 in that it uses a bent base substrate 111.

도 7을 참조하면, 본 실시예의 유연 열전소자 제조방법은 나노소재층 형성단계(S210)와, 에칭단계(S220)와, 세척단계(미도시)와, 절연단계(S230)와, 배선 단자 형성단계(미도시)를 포함한다.Referring to FIG. 7, the method of manufacturing a flexible thermoelectric device according to this embodiment includes a nano material layer forming step (S210), an etching step (S220), a washing step (not shown), an insulating step (S230), and a wiring terminal. It includes a step (not shown).

나노소재층 형성단계(S210)에서 구부러진 베이스 기판(111)을 사용함으로써, 별도의 압축력 인가단계가 필요없다는 사실을 제외하고는 도 1 내지 도 4에 도시된 실시예와 기술적 특징이 실질적으로 동일하므로 중복되는 설명은 생략한다.Since the technical characteristics of the embodiments shown in FIGS. 1 to 4 are substantially the same as those of the embodiments shown in FIGS. 1 to 4 except that a separate compressive force application step is not required by using the bent base substrate 111 in the nano material layer forming step S210 Redundant descriptions are omitted.

상술한 바와 같이 구성된 본 발명의 유연 열전소자 제조방법 및 유연 열전소자는, 기계적인 유연성이 우수한 2차원 나노소재층을 기반으로 한 열전소자를 구부러진 상태로 제조함으로써, 열전소자가 반복되는 굽힘 응력, 인장 응력 또는 압축 응력을 받는 환경에서 사용 가능하고, 진동이나 충격에 의해 파손되지 않는 효과를 얻을 수 있다.The flexible thermoelectric device manufacturing method and the flexible thermoelectric device of the present invention configured as described above, by manufacturing a thermoelectric device based on a two-dimensional nanomaterial layer having excellent mechanical flexibility in a bent state, the thermoelectric device repeats bending stress, It can be used in an environment subjected to tensile or compressive stress, and it is possible to obtain the effect of not being damaged by vibration or impact.

또한, 상술한 바와 같이 구성된 본 발명의 유연 열전소자 제조방법 및 유연 열전소자는, 2차원 나노소재층에 결함을 형성하는 방식, 나노소재층에 결함온도 구배가 형성되는 방향을 따라 선형적인 형태로 형성하는 방식, 결함이 형성된 부위에 이종 물질을 결합시키는 방식 중 하나 이상을 이용함으로써, 유연 열전소자를 형성하는 열전재료의 성능지수(ZT)를 높일 수 있는 효과를 얻을 수 있다.In addition, the flexible thermoelectric device manufacturing method and the flexible thermoelectric device of the present invention configured as described above have a method of forming a defect in a two-dimensional nanomaterial layer, in a linear form along the direction in which a defect temperature gradient is formed in the nanomaterial layer. By using at least one of a method of forming and a method of bonding different materials to a portion where a defect is formed, an effect of increasing the performance index (ZT) of the thermoelectric material forming the flexible thermoelectric element can be obtained.

본 발명의 권리범위는 상술한 실시예 및 변형례에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.The scope of the present invention is not limited to the above-described embodiments and modifications, but may be implemented in various forms within the scope of the appended claims. Without departing from the gist of the present invention claimed in the claims, any person of ordinary skill in the art to which the present invention belongs is considered to be within the scope of the description of the claims of the present invention to various ranges that can be modified.

100 : 유연 열전소자
110 : 베이스 기판
120 : 나노소재층
121 : 나노소재 베이스층
122 : 결함
123 : 이종 물질
130 : 절연층
140 : 절연부
150 : 배선 단자
100: flexible thermoelectric element
110: base substrate
120: nano material layer
121: nano material base layer
122: defect
123: heterogeneous substance
130: insulating layer
140: insulation part
150: wiring terminal

Claims (14)

2차원 나노소재가 다층으로 형성되고, P형 불순물 영역과 N형 불순물 영역이 반복되게 형성된 나노소재층을 베이스 기판 상에 형성하는 나노소재층 형성단계;
상기 나노소재층으로부터 상기 베이스 기판을 제거하기 위하여, 상기 베이스 기판을 에칭하는 에칭단계;
상기 에칭단계 동안, 상기 나노소재층이 구부러지도록 상기 나노소재층의 양측부로부터 중앙부를 향하는 방향으로 압축력을 인가하는 압축력 인가단계; 및
구부러진 나노소재층의 전체 표면과 외부를 전기적으로 절연시키기 위하여, 구부러진 상태의 나노소재층을 탄성 재질의 절연부로 감싸는 절연단계;를 포함하며,
상기 압축력 인가단계는,
상기 나노소재층의 양측부로부터 중앙부를 향하는 방향으로 압축공기의 유동을 형성하거나 또는 에칭액의 유동을 형성함으로써 압축력을 형성하는 것을 특징으로 하는 유연 열전소자 제조방법.
A nanomaterial layer forming step of forming a nanomaterial layer in which a 2D nanomaterial is formed in multiple layers and a P-type impurity region and an N-type impurity region are repeatedly formed on a base substrate;
An etching step of etching the base substrate to remove the base substrate from the nanomaterial layer;
During the etching step, a compressive force applying step of applying a compressive force in a direction from both sides of the nanomaterial layer toward the center so that the nanomaterial layer is bent; And
Insulation step of wrapping the bent nanomaterial layer with an insulating part of an elastic material in order to electrically insulate the entire surface and the outside of the bent nanomaterial layer; including,
The compressing force applying step,
A method of manufacturing a flexible thermoelectric device, characterized in that compressive force is formed by forming a flow of compressed air in a direction from both sides of the nanomaterial layer toward the center or by forming a flow of an etching solution.
2차원 나노소재가 다층으로 형성되고, P형 불순물 영역과 N형 불순물 영역이 반복되게 형성된 나노소재층을 구부러진 베이스 기판 상에 형성하는 나노소재층 형성단계;
상기 나노소재층으로부터 상기 베이스 기판을 제거하기 위하여, 상기 베이스 기판을 에칭하는 에칭단계; 및
구부러진 나노소재층의 전체 표면과 외부를 전기적으로 절연시키기 위하여, 구부러진 상태의 나노소재층을 탄성 재질의 절연부로 감싸는 절연단계;를 포함하며,
상기 나노소재층 형성단계는,
상기 2차원 나노소재를 다층으로 형성하여 나노소재 베이스층을 마련하는 나노소재 베이스층 형성단계;
상기 나노소재 베이스층에 결함밀도가 1을 초과하도록 온도 구배가 형성되는 방향을 따라 선형적인 형태의 결함을 형성하는 결함 형성단계; 및
상기 나노소재 베이스층에서 결함이 형성된 부위에 상기 2차원 나노소재와 다른 물질인 이종 물질을 결합시키는 이종 물질 결합단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유연 열전소자 제조방법.
A nanomaterial layer forming step of forming a nanomaterial layer in which a 2D nanomaterial is formed in multiple layers, and a P-type impurity region and an N-type impurity region are repeatedly formed on a curved base substrate;
An etching step of etching the base substrate to remove the base substrate from the nanomaterial layer; And
Insulation step of wrapping the bent nanomaterial layer with an insulating part of an elastic material in order to electrically insulate the entire surface and the outside of the bent nanomaterial layer; including,
The step of forming the nano material layer,
A nanomaterial base layer forming step of forming a nanomaterial base layer by forming the two-dimensional nanomaterial into multiple layers;
A defect forming step of forming a defect in a linear shape along a direction in which a temperature gradient is formed in the nanomaterial base layer so that the defect density exceeds 1; And
A method of manufacturing a flexible thermoelectric device comprising: a heterogeneous material bonding step of bonding the two-dimensional nanomaterial and a heterogeneous material, which is another material, to a portion where a defect is formed in the nanomaterial base layer.
제1항에 있어서,
상기 나노소재층 형성단계는,
상기 2차원 나노소재를 다층으로 형성하여 나노소재 베이스층을 마련하는 나노소재 베이스층 형성단계;
상기 나노소재 베이스층에 결함을 형성하는 결함 형성단계; 및
상기 나노소재 베이스층에서 결함이 형성된 부위에 상기 2차원 나노소재와 다른 물질인 이종 물질을 결합시키는 이종 물질 결합단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유연 열전소자 제조방법.
The method of claim 1,
The step of forming the nano material layer,
A nanomaterial base layer forming step of forming a nanomaterial base layer by forming the two-dimensional nanomaterial into multiple layers;
A defect forming step of forming a defect in the nanomaterial base layer; And
A method of manufacturing a flexible thermoelectric device comprising: a heterogeneous material bonding step of bonding the two-dimensional nanomaterial and a heterogeneous material, which is another material, to a portion where a defect is formed in the nanomaterial base layer.
제2항 또는 제3항에 있어서,
상기 이종 물질 결합단계는,
상기 나노소재 베이스층의 결함에 서로 다른 성질의 이종 물질을 선택적으로 결합시킴으로써, 상기 나노소재층에 상기 P형 불순물 영역과 상기 N형 불순물 영역을 각각 형성하는 것을 특징으로 하는 유연 열전소자 제조방법.
The method according to claim 2 or 3,
The step of combining the heterogeneous material,
The method of manufacturing a flexible thermoelectric device, characterized in that the P-type impurity region and the N-type impurity region are respectively formed in the nanomaterial layer by selectively bonding different materials of different properties to defects in the nanomaterial base layer.
제3항에 있어서,
상기 결함 형성단계는, 상기 나노소재 베이스층에 결함을 온도 구배가 형성되는 방향을 따라 선형적인 형태로 형성하는 것을 특징으로 하는 유연 열전소자 제조방법.
The method of claim 3,
In the step of forming the defect, the method of manufacturing a flexible thermoelectric device, wherein the defect is formed in a linear shape along a direction in which a temperature gradient is formed in the nanomaterial base layer.
삭제delete 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 절연단계 이전에 수행되고, 상기 베이스 기판이 제거된 나노소재층을 세척하는 세척단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유연 열전소자 제조방법.
The method according to claim 1 or 2,
A method of manufacturing a flexible thermoelectric device further comprising a; washing step of washing the nanomaterial layer from which the base substrate has been removed and performed before the insulating step.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 절연단계 이전에 수행되고, 상기 나노소재층와 외부의 전기적 연결을 위하여 상기 나노소재층의 양단부에 배선 단자를 형성하는 배선 단자 형성단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유연 열전소자 제조방법.
The method according to claim 1 or 2,
The method of manufacturing a flexible thermoelectric device further comprising: a wiring terminal forming step performed before the insulating step and forming wiring terminals at both ends of the nanomaterial layer for electrical connection between the nanomaterial layer and the outside.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 2차원 나노소재는 육방정 질화 붕소 또는 그래핀을 포함하는 것을 특징으로 하는 유연 열전소자 제조방법.
The method according to claim 1 or 2,
The 2D nanomaterial is a flexible thermoelectric device manufacturing method, characterized in that it comprises hexagonal boron nitride or graphene.
2차원 나노소재가 다층으로 형성되고, P형 불순물 영역과 N형 불순물 영역이 반복되게 구획되어 있으며, 구부러진 형상의 나노소재층; 및
구부러진 형상의 나노소재층의 전체 표면과 외부를 전기적으로 절연시키기 위하여, 구부러진 형상의 나노소재층을 감싸는 탄성 재질의 절연부;를 포함하며,
상기 나노소재층은,
상기 2차원 나노소재가 다층으로 형성된 나노소재 베이스층;
상기 나노소재 베이스층에 결함밀도가 1을 초과하도록 온도 구배가 형성되는 방향을 따라 선형적인 형태로 형성된 결함; 및
상기 나노소재 베이스층에서 결함이 형성된 부위에 결합되고, 상기 2차원 나노소재와 다른 물질인 이종 물질;을 포함하는 것을 특징으로 하는 유연 열전소자.
2D nanomaterial is formed in multiple layers, P-type impurity region and N-type impurity region are repeatedly partitioned, and a bent nanomaterial layer; And
Including; an insulating portion of an elastic material surrounding the bent-shaped nanomaterial layer to electrically insulate the entire surface and the outside of the bent-shaped nanomaterial layer,
The nano material layer,
A nanomaterial base layer in which the two-dimensional nanomaterial is formed in multiple layers;
A defect formed in a linear shape along a direction in which a temperature gradient is formed such that a defect density of the nanomaterial base layer exceeds 1; And
A flexible thermoelectric device comprising: a heterogeneous material which is a material different from the 2D nanomaterial and bonded to a portion where a defect is formed in the nanomaterial base layer.
삭제delete 제10항에 있어서,
서로 다른 성질의 이종 물질이 상기 나노소재 베이스층의 결함에 선택적으로 결합됨으로써, 상기 나노소재층에 상기 P형 불순물 영역과 상기 N형 불순물 영역이 각각 형성되는 것을 특징으로 하는 유연 열전소자.
The method of claim 10,
A flexible thermoelectric device, characterized in that the P-type impurity region and the N-type impurity region are respectively formed in the nanomaterial layer by selectively bonding different materials of different properties to defects in the nanomaterial base layer.
삭제delete 제10항에 있어서,
상기 2차원 나노소재는 육방정 질화 붕소 또는 그래핀을 포함하는 것을 특징으로 하는 유연 열전소자.
The method of claim 10,
The 2D nanomaterial is a flexible thermoelectric device, characterized in that it comprises hexagonal boron nitride or graphene.
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