KR102379266B1 - 열전 압전 발전기 - Google Patents
열전 압전 발전기 Download PDFInfo
- Publication number
- KR102379266B1 KR102379266B1 KR1020187029078A KR20187029078A KR102379266B1 KR 102379266 B1 KR102379266 B1 KR 102379266B1 KR 1020187029078 A KR1020187029078 A KR 1020187029078A KR 20187029078 A KR20187029078 A KR 20187029078A KR 102379266 B1 KR102379266 B1 KR 102379266B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- type
- carrier
- film
- thermoelectric
- electrical generator
- Prior art date
Links
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 claims description 71
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 claims description 36
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 26
- 239000002033 PVDF binder Substances 0.000 claims description 20
- 229920002981 polyvinylidene fluoride Polymers 0.000 claims description 20
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 19
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 17
- 229920002313 fluoropolymer Polymers 0.000 claims description 12
- 239000004811 fluoropolymer Substances 0.000 claims description 12
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 12
- 229920000131 polyvinylidene Polymers 0.000 claims description 9
- 229920002620 polyvinyl fluoride Polymers 0.000 claims description 8
- 239000012790 adhesive layer Substances 0.000 claims description 6
- 239000004952 Polyamide Substances 0.000 claims description 4
- 239000002071 nanotube Substances 0.000 claims description 4
- 239000002070 nanowire Substances 0.000 claims description 4
- 229920002647 polyamide Polymers 0.000 claims description 4
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 4
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims description 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 3
- 229920002396 Polyurea Polymers 0.000 claims description 2
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 2
- 239000010408 film Substances 0.000 description 84
- -1 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 31
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 18
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 12
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 10
- 239000004205 dimethyl polysiloxane Substances 0.000 description 9
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 9
- 229920000435 poly(dimethylsiloxane) Polymers 0.000 description 9
- 229910010272 inorganic material Inorganic materials 0.000 description 8
- ZMXDDKWLCZADIW-UHFFFAOYSA-N N,N-Dimethylformamide Chemical compound CN(C)C=O ZMXDDKWLCZADIW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 229920001577 copolymer Polymers 0.000 description 7
- 239000011147 inorganic material Substances 0.000 description 7
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 6
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 description 6
- 229920002873 Polyethylenimine Polymers 0.000 description 5
- 230000006870 function Effects 0.000 description 5
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 5
- 229920002451 polyvinyl alcohol Polymers 0.000 description 5
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- UFWIBTONFRDIAS-UHFFFAOYSA-N Naphthalene Chemical compound C1=CC=CC2=CC=CC=C21 UFWIBTONFRDIAS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 4
- 239000011368 organic material Substances 0.000 description 4
- 229920000885 poly(2-vinylpyridine) Polymers 0.000 description 4
- 229920003227 poly(N-vinyl carbazole) Polymers 0.000 description 4
- 229920003229 poly(methyl methacrylate) Polymers 0.000 description 4
- 229920000553 poly(phenylenevinylene) Polymers 0.000 description 4
- 229920000767 polyaniline Polymers 0.000 description 4
- 229920000193 polymethacrylate Polymers 0.000 description 4
- 239000004926 polymethyl methacrylate Substances 0.000 description 4
- 229920000128 polypyrrole Polymers 0.000 description 4
- 229920006126 semicrystalline polymer Polymers 0.000 description 4
- 229910052723 transition metal Inorganic materials 0.000 description 4
- 150000003624 transition metals Chemical class 0.000 description 4
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XMWRBQBLMFGWIX-UHFFFAOYSA-N C60 fullerene Chemical class C12=C3C(C4=C56)=C7C8=C5C5=C9C%10=C6C6=C4C1=C1C4=C6C6=C%10C%10=C9C9=C%11C5=C8C5=C8C7=C3C3=C7C2=C1C1=C2C4=C6C4=C%10C6=C9C9=C%11C5=C5C8=C3C3=C7C1=C1C2=C4C6=C2C9=C5C3=C12 XMWRBQBLMFGWIX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000004698 Polyethylene Substances 0.000 description 2
- 229920002367 Polyisobutene Polymers 0.000 description 2
- 239000004743 Polypropylene Substances 0.000 description 2
- 229920002125 Sokalan® Polymers 0.000 description 2
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 2
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 2
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 2
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 2
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 2
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 2
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 229920001971 elastomer Polymers 0.000 description 2
- 239000000806 elastomer Substances 0.000 description 2
- 229910003472 fullerene Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 2
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 2
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 239000002073 nanorod Substances 0.000 description 2
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 2
- 229920001748 polybutylene Polymers 0.000 description 2
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 description 2
- 229920002098 polyfluorene Polymers 0.000 description 2
- 229920001195 polyisoprene Polymers 0.000 description 2
- 229920000098 polyolefin Polymers 0.000 description 2
- 229920001155 polypropylene Polymers 0.000 description 2
- 229920001296 polysiloxane Polymers 0.000 description 2
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 2
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 2
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920000571 Nylon 11 Polymers 0.000 description 1
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004372 Polyvinyl alcohol Substances 0.000 description 1
- 230000004075 alteration Effects 0.000 description 1
- 238000003491 array Methods 0.000 description 1
- 230000008275 binding mechanism Effects 0.000 description 1
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005266 casting Methods 0.000 description 1
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052798 chalcogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000001787 chalcogens Chemical group 0.000 description 1
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 1
- 229920001940 conductive polymer Polymers 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 description 1
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000001627 detrimental effect Effects 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 239000002079 double walled nanotube Substances 0.000 description 1
- 239000012777 electrically insulating material Substances 0.000 description 1
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 description 1
- 230000001747 exhibiting effect Effects 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 239000010954 inorganic particle Substances 0.000 description 1
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 description 1
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 1
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002055 nanoplate Substances 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 description 1
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 1
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 1
- 229920001223 polyethylene glycol Polymers 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 1
- 239000002109 single walled nanotube Substances 0.000 description 1
- 150000003384 small molecules Chemical class 0.000 description 1
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- 229910052714 tellurium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000314 transition metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920002554 vinyl polymer Polymers 0.000 description 1
- 239000002918 waste heat Substances 0.000 description 1
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- 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
-
- H01L35/32—
-
- H01L35/04—
-
- H01L35/24—
-
- H01L41/0805—
-
- H01L41/113—
-
- H01L41/187—
-
- H01L41/193—
-
- 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
- H10N10/80—Constructional details
- H10N10/81—Structural details of the junction
-
- 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
- H10N10/80—Constructional details
- H10N10/85—Thermoelectric active materials
- H10N10/856—Thermoelectric active materials comprising organic compositions
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/30—Piezoelectric or electrostrictive devices with mechanical input and electrical output, e.g. functioning as generators or sensors
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/704—Piezoelectric or electrostrictive devices based on piezoelectric or electrostrictive films or coatings
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/80—Constructional details
- H10N30/85—Piezoelectric or electrostrictive active materials
- H10N30/853—Ceramic compositions
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/80—Constructional details
- H10N30/85—Piezoelectric or electrostrictive active materials
- H10N30/857—Macromolecular compositions
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)
- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
Abstract
열전 및 압전 부품을 통합시킨 전기 발전기가 본원에 기술된다. 일부 실시양태에서, 전기 발전기는 필름의 표면 전반에 걸쳐 복수의 측면 p-n 접합부를 갖는 열전 필름을 포함하며, 상기 측면 p-n 접합부는 p형 영역과 n형 영역 간의 계면에 구축되어 있다. 압전 필름은 열전 필름과 결합되어 있고, 전극은 압전 필름과 결합되어 있다.
Description
정부의 권리에 대한 언급
본 발명은 미국 공군과학연구소에 의해 승인받은 승인번호 FA 9550-13-1-0085호 하에 정부 지원으로 이루어졌다. 정부는 본 발명의 특정 권리들을 갖는다.
관련 출원 데이터
본 출원은 2016년 3월 9일에 출원된 미국 가특허출원 번호 62/305,852호에 대하여 35 U.S.C. § 119(e)에 따른 우선권을 주장하며, 상기 문헌은 그 내용 전체가 본원에 참고로 포함된다.
기술분야
본 발명은 전기 발전기 및, 특히, 단일 장치 구조에 가요성 열전 및 압전 부품을 통합시킨 전기 발전기에 관한 것이다.
열전 및 압전 발전기는 일반적으로 양립할 수 없는데, 그 이유는 이들이 각기 서로 상당히 다른 방법을 사용하여 에너지원에 결합되기 때문이다. 예를 들어, 열전 발전기 (TEG)를 열구배(thermal gradient)에 노출시키는 경우, 제백(Seeback) 효과로 인해 전압이 발생한다. 각 열전 소자가 최대 열구배를 유지하는 경우, TEG는 최적의 성능을 달성하게 된다. 다르게는, 압전 소재의 기계적 변형이 생성된 구속 표면 전하 간에 전위를 발생시키기 때문에, 압전 발전기 (PEG)를 동적 시스템에 기계적으로 결합시켜 에너지를 모을 필요가 있다. 이러한 열원과 기계적 공급원 결합의 부조화로 인해, TEG는 통상 견고하고 정적인 상태로 설계되는 한편, PEG는 가요성이면서 동적인 상태로 되어있어서, 주된 목표 시스템이 폐열 및 폐기계 에너지를 모두 나타낸다고 하더라도 서로 양립될 수 없다.
서로 다른 상기 결합 메커니즘 이외에도, TEG 및 PEG는 전압 신호에서의 부조화로 인해 서로에게 해가 된다. 정적인 열구배 하에서, TEG는 DC 전압을 발생시키며 본질적으로 저가의 저항성 소자이다. 다르게는, 동적 응력 하의 유전체 PEG는 AC 전압을 발생시키며 정전용량(capacitive) 특성이 있다. 이러한 소자들의 조합은 배열에 따라 둘 중 한 소자의 전력 생산을 무색하게 만든다. 예를 들어, TEG와 PEG를 전기적으로 병렬로 배치함으로써, 저저항 TEG는 PEG 커패시터를 방전시켜 TEG에서만 전력을 생성하도록 유도할 것이다. 다르게는, TEG와 PEG가 전기적으로 직렬로 배치되는 경우에는, 커패시터는 개회로를 생성하여 TEG의 전력 생산량을 크게 감소시키게 된다.
상기 기술적 문제점 및 비양립성을 고려하여, 본원에서는 열전 및 압전 부품을 단일 장치 구조로 효율적으로 통합시키는 전기 발전기에 대하여 기술한다. 간략히 설명하면, 본원에 기술된 전기 발전기는 필름의 표면 전반에 걸쳐 복수의 측면 p-n 접합부를 갖는 열전 필름을 포함하는데, 상기 측면 p-n 접합부는 p형 영역과 n형 영역 간의 계면에 구축되어 있다. 압전 필름은 열전 필름과 결합되고, 전극은 압전 필름과 결합된다. 일부 실시양태에서, 전기 발전기는 압전 필름이 열전 필름과 전극 사이에 위치하는 샌드위치 구조를 채택한다. 추가로, 열전 필름은 p-n 접합부에서 폴딩될 수 있다. 이러한 실시양태에서, 전기 발전기는 파형(corrugated) 구조 또는 배향을 가질 수 있다.
상기한 실시양태 및 기타 실시양태들을 하기의 상세한 설명에서 추가로 기술한다.
도 1(a)는 본원에 기술된 일부 실시양태에 따른 전기 발전기의 구성을 도시하고 있다.
도 1(b)는 본원에 기술된 일부 실시양태에 따른 폴딩형 또는 파형 배향의 전기 발전기를 도시하고 있다.
도 2(a)는 고유 열전값에 기초한 이론적 최대치와 비교한 본원에 기술된 전기 발전기에 의해 발생된 열전 전압을 도시하고 있다.
도 2(b)는 이론적 최대치와 비교한 내부 부하 정합(internal load matching)을 갖는 본원에 기술된 2×2 어레이의 전기 발전기에 의해 발생된 열전력을 도시하고 있다.
도 3(a)는 일부 실시양태에 따른 조화 응력(harmonic stress)을 받는 동안 단일 전기 발전기에 의해 발생된 전압을 도시하고 있다.
도 3(b)는 일부 실시양태에 따른 측정된 피크 대 피크 전압과 입력 응력 사이의 비율을 도시하고 있다.
도 1(b)는 본원에 기술된 일부 실시양태에 따른 폴딩형 또는 파형 배향의 전기 발전기를 도시하고 있다.
도 2(a)는 고유 열전값에 기초한 이론적 최대치와 비교한 본원에 기술된 전기 발전기에 의해 발생된 열전 전압을 도시하고 있다.
도 2(b)는 이론적 최대치와 비교한 내부 부하 정합(internal load matching)을 갖는 본원에 기술된 2×2 어레이의 전기 발전기에 의해 발생된 열전력을 도시하고 있다.
도 3(a)는 일부 실시양태에 따른 조화 응력(harmonic stress)을 받는 동안 단일 전기 발전기에 의해 발생된 전압을 도시하고 있다.
도 3(b)는 일부 실시양태에 따른 측정된 피크 대 피크 전압과 입력 응력 사이의 비율을 도시하고 있다.
본원에 기술된 실시양태들은 하기의 상세한 설명과 실시예 및 이들의 전후 설명들을 참고하면 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다. 그렇다고 하여, 본원에 기술된 소자들, 장치 및 방법들이 상세한 설명과 실시예에 제공된 특정 실시양태에 한정되는 것은 아니다. 이러한 실시양태들은 본 발명의 원리를 단지 예시하는 것에 불과함을 알아야 한다. 본 발명의 개념과 범위를 벗어나지 않으면서 다양한 변형과 개조는 당업계의 숙련자에게는 명백할 것이다.
열전 및 압전 부품들을 통합시킨 전기 발전기가 본원에 기술된다. 일부 실시양태에서, 전기 발전기는 필름의 표면에 걸쳐 복수의 측면 p-n 접합부를 갖는 열전 필름을 포함하는데, 상기 측면 p-n 접합부는 p형 영역과 n형 영역 간의 계면에 구축되어 있다. 압전 필름은 열전 필름과 결합되어 있고, 전극은 압전 필름과 결합되어 있다. 도 1(a)-(b)는 본원에 기술된 일부 실시양태에 따른 전기 발전기를 도시하고 있다. 도 1(a)에 도시된 바와 같이, 압전 필름 또는 층(12)은 열전 필름 또는 층(11)에 결합되어 있다. 열전 필름(11)은 해당 필름(11) 전체에 걸쳐 복수의 측면 p-n 접합부를 포함한다. 전극(13)은 압전 필름에 결합되어 있다. 이제 도 1(b)를 참고하면, 열전 필름(11)은 p-n 접합부(14)에서 폴딩되어, 전기 발전기(10)를 파형 배향으로 만들 수 있다. 상기 열전 필름(11) 및 결합된 압전 필름(12)과 전극(13)의 폴딩은 전기 발전기(10)의 두께 전반에 걸쳐 열구배 (ΔT)가 확립될 수 있도록 해준다. 열전 전압은 전극(13)의 반대편들 사이에서 측정하며, 압전 전압은 전극(13)과 열전 필름(11) 사이에서 측정한다. 도 1(b)의 실시양태에서, 열전 필름(11)은 압전 필름(12)의 기계적 변형으로부터 발생되는 압전 전압을 끌어내기 위한 후면 전극(13)을 정전용량 구조에 제공하는 전극으로서 기능할 수 있다.
이제 구체적인 부품들로 넘어가 보면, 전기 발전기는 필름의 표면에 걸쳐 복수의 측면 p-n 접합부를 갖는 열전 필름 또는 층을 포함하는데, 상기 측면 p-n 접합부는 p형 영역과 n형 영역 간의 계면에 구축된다. 상기 p형 영역과 n형 영역은 본 발명의 목적과 상반되지 않는 임의의 재료로 제조될 수 있다. 본원에서 추가로 설명되는 바와 같이, 상기 p형 영역과 n형 영역은 유기 재료, 무기 재료 또는 이들의 다양한 조합을 포함할 수 있다.
일부 실시양태에서, 상기 p형 영역은 제1 캐리어 내부 또는 제1 캐리어 상에 분산된 전도성 입자를 포함한다. 상기 p형 영역의 전기 전도성 입자는 p형 유기 나노입자, p형 무기 나노입자 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, p형 나노입자는 나노튜브, 나노와이어, 나노막대, 플레이트릿 및 시트로 이루어진 군으로부터 선택된다. 상기 p형 나노입자는 일부 실시양태에서 1차원 또는 2차원 구조를 가질 수 있다.
P형 유기 나노입자는 탄소 나노튜브, 풀러렌, 그래핀 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 유기 p형 나노입자의 격자 구조는 하나 이상의 도판트, 예컨대 붕소를 포함한다. 다르게는, p형 도판트는 제1 캐리어 내의 나노입자 주변의 환경에 의해 외부로부터 유기 나노입자에 적용된다. 예를 들어, 제1 캐리어는 유기 나노입자의 표면에 p-도판트를 제공할 수 있다. 이와 유사하게, 하나 이상의 p-도판트 종이 유기 나노입자와의 상호작용을 위해 제1 캐리어 내에 분산될 수 있다.
P형 무기 나노입자는 주기율표의 IB족, IIB족 및 IIIA-VIA족에서 선택된 원소들로부터 제조된 2성분계, 3성분계 및 4성분계 반도체 조성물을 포함할 수 있다. 예를 들어, p형 무기 나노입자는 Cu2-xTe, Cu2-xSe, Sb2Te3, Ag2Se, Ag2Te, Cu2Te, Cu2Se, Se 또는 Te로 제조될 수 있다. P형 무기 나노입자는 다양한 전이 금속 디칼코게나이드(dichalcogenide)인 MX2 (여기서, M은 전이 금속이고, X는 칼코겐임)로부터 선택될 수도 있다. 표 I은 p형 무기 나노입자의 비제한적인 예들과 형태를 제시하고 있다.
일부 실시양태에서, p-도판트는 제1 캐리어 및/또는 제1 캐리어 내에 분산된 하나 이상의 p-도판트 종에 의해 외부로부터 무기 나노입자에 적용된다. 예를 들어, 무기 나노입자는 해당 나노입자의 전자 특성이 표면 거동과 표면 상호작용에 의해 좌우될 정도로 충분히 얇을 수 있다. 무기 나노입자는 유의미한 임의의 벌크 특성을 나타내기에는 두께가 불충분할 수 있다. 따라서, 외부로부터 무기 나노입자에 적용된 p-도판트 종은 나노입자의 p형 특성을 만들어낼 수 있다. 일부 실시양태에서, p형 영역의 무기 나노입자들은 하나 이상의 위상 절연체이다.
P형 유기 나노입자 및/또는 무기 나노입자는 본 발명의 목적과 상반되지 않는 임의의 양으로 제1 캐리어 내에 존재할 수 있다. 일부 실시양태에서, p형 유기 및/또는 무기 나노입자는 0.1 중량% 내지 30 중량%의 양으로 제1 캐리어 내에 존재한다. 일부 대안적인 실시양태에서, p형 나노입자의 층은 제1 캐리어 위에 형성된다. 이러한 실시양태에서, 제1 캐리어는 유기 및/또는 무기 나노입자가 분산되어 있는 매트릭스가 아닌 나노입자 층에 대한 지지체로서 기능한다.
제1 캐리어는 유기 재료, 무기 재료 또는 이들의 조합일 수 있다. 예를 들어, 제1 캐리어는 하나 이상의 중합체 종을 포함할 수 있다. 적절한 중합체 종으로는 하나 이상의 플루오로중합체를 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 제1 캐리어는 폴리비닐리덴 플루오라이드 (PVDF), 폴리비닐 플루오라이드 (PVF), 폴리비닐리덴 플루오라이드-트리플루오로에틸렌 (PVDF-TrFE), 폴리비닐리덴 플루오라이드-테트라플루오로에틸렌 (PVDF-TFE), 폴리테트라플루오로에틸렌 (PTFE) 또는 이들의 혼합물 또는 공중합체를 포함한다. 얇은 필름층의 p형 영역에 사용된 PVDF, PVDF-TFE 및/또는 PVDF-TrFE의 반결정성 중합체는 증가된 양의 β-상을 나타낼 수 있다. 예를 들어, p형 층의 PVDF, PVDF-TFE 및/또는 PVDF-TrFE는 1.5 내지 2.5의 β/α의 상 비율을 나타낼 수 있다. 일부 실시양태에서, β/α 상 비율은 2 내지 2.5이다. β-상 결정자는 폴링(poling) 기법에 의해 비무작위적 배향으로 제공됨으로써, 중합체 매트릭스의 압전 및 초전 특성을 강화할 수 있다.
다르게는, 제1 캐리어는 폴리이소프렌, 폴리이소부틸렌 및 폴리실록산, 예컨대 폴리디메틸실록산 (PDMS)을 포함하는 하나 이상의 엘라스토머 종을 포함할 수 있다. 제1 유기 캐리어는 폴리아크릴산 (PAA), 폴리메타크릴레이트 (PMA), 폴리메틸메타크릴레이트 (PMMA) 또는 이들의 혼합물 또는 공중합체를 포함할 수도 있다. 추가로, 제1 캐리어는 이에 제한되지는 않지만, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌을 비롯한 폴리올레핀, 또는 이들의 혼합물 또는 공중합체를 포함할 수 있다.
반도체성 고분자는 제1 캐리어로서 이용될 수도 있다. 적절한 반도체성 고분자로는 페닐렌 비닐렌, 예컨대 폴리(페닐렌 비닐렌) 및 폴리(p-페닐렌 비닐렌) (PPV) 및 이들의 유도체를 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 반도체성 고분자는 폴리 플루오렌, 나프탈렌 및 이들의 유도체를 포함한다. 일부 실시양태에서, 반도체성 고분자는 폴리(2-비닐피리딘) (P2VP), 폴리아미드, 폴리(N-비닐카바졸) (PVCZ), 폴리피롤 (PPy), 폴리아닐린 (PAn) 및 폴리[2,6-(4,4-비스-(2-에틸헥실)-4H-사이클로펜타[2,1-b;3,4-b']디티오펜)-알트-4,7-(2,1,3-벤조티아디아졸)] (PCPDTBT)을 포함한다.
다르게는, 일부 실시양태에서, 제1 캐리어는 무기 캐리어이다. 일부 실시양태에서, 무기 캐리어는 다결정성 세라믹 또는 기타 미립자 무기 재료를 포함한다.
열전 필름의 N형 영역은 제2 캐리어 내부 또는 제2 캐리어 상에 분산된 전도성 입자를 포함할 수 있다. 상기 n형 영역의 전기 전도성 입자는 n형 유기 나노입자, n형 무기 나노입자 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, n형 나노입자는 나노튜브, 나노와이어, 나노막대, 플레이트릿 및 시트로 이루어진 군으로부터 선택된다. 상기 n형 나노입자는 일부 실시양태에서 1차원 또는 2차원 구조를 가질 수 있다.
N형 유기 나노입자는 탄소 나노튜브, 풀러렌, 그래핀 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 유기 n형 나노입자의 격자 구조는 하나 이상의 도판트, 예컨대 질소를 포함한다. 다르게는, n형 도판트는 제2 캐리어 내의 나노입자 주변의 환경에 의해 외부로부터 유기 나노입자에 적용된다. 예를 들어, 제2 캐리어는 유기 나노입자의 표면에 n-도판트를 제공할 수 있다. 이와 유사하게, 하나 이상의 n-도판트 종, 예컨대 폴리에틸렌이민 (PEI)이 유기 나노입자와의 상호작용을 위해 제2 캐리어 내에 분산될 수 있다.
N형 무기 나노입자는 주기율표의 IB족, IIB족 및 IIIA-VIA족에서 선택되는 원소들로부터 제조된 2성분계, 3성분계 및 4성분계 반도체 조성물을 포함할 수 있다. 예를 들어, n형 무기 나노입자는 Bi2Se3, Bi2Te3, Bi2Te3-xSex, Sb2Te3, Sb2-xBixTe3, Cu 도핑된 Bi2Se3 및 Ag 표면 개질된 Bi2Se3 및 Bi2Te3으로 형성될 수 있다. N형 무기 나노입자는 다양한 전이 금속 디칼코게나이드인 MX2로부터 선택될 수도 있다. 일부 실시양태에서, n형 전이 금속 디칼코게나이드는 TiS2, WS2 및 MoS2를 포함한다. 표 II는 n형 무기 나노입자의 비제한적인 예들과 형태를 제시하고 있다.
일부 실시양태에서, n-도판트는 제2 캐리어 및/또는 제1 유기 캐리어 내에 분산된 하나 이상의 n-도판트 종에 의해 외부로부터 무기 나노입자에 적용된다. 상기 p형 무기 나노입자에서와 같이, n형 무기 나노입자는 유의미한 임의의 벌크 특성을 나타내기에는 두께가 불충분할 수 있다. 따라서, 외부로부터 무기 나노입자에 적용된 n-도판트 종은 나노입자의 n형 특성을 만들어낼 수 있다. 게다가, n형 영역의 무기 나노입자는 하나 이상의 위상 절연체로부터 선택될 수 있다.
N형 유기 나노입자 및/또는 무기 나노입자는 본 발명의 목적과 상반되지 않는 임의의 양으로 제2 캐리어 내에 존재할 수 있다. 일부 실시양태에서, n형 유기 및/또는 무기 나노입자는 0.1 중량% 내지 30 중량%의 양으로 제2 캐리어 내에 존재한다. 일부 대안적인 실시양태에서, n형 나노입자의 층은 제2 캐리어 위에 형성된다. 이러한 실시양태에서, 제2 캐리어는 유기 및/또는 무기 나노입자가 분산되어 있는 매트릭스가 아닌 나노입자 층에 대한 지지체로서 기능한다.
제2 캐리어는 유기 재료, 무기 재료 또는 이들의 조합일 수 있다. 제2 캐리어는 n형 전자 구조를 갖는 얇은 필름 구조를 제공하기 위하여 n형 유기 나노입자 및/또는 n형 무기 나노입자를 호스트 또는 지지하는데 사용할 수 있는 임의의 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제2 캐리어는 하나 이상의 중합체 종을 포함할 수 있다. 적절한 중합체 종으로는 하나 이상의 플루오로중합체를 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 제2 유기 캐리어는 폴리비닐리덴 플루오라이드 (PVDF), 폴리비닐 플루오라이드 (PVF), 폴리비닐리덴 플루오라이드-트리플루오로에틸렌 (PVDF-TrFE), 폴리비닐리덴 플루오라이드-테트라플루오로에틸렌 (PVDF-TFE), 폴리테트라플루오로에틸렌 (PTFE), 또는 이들의 혼합물 또는 공중합체를 포함한다. 얇은 필름층의 n형 영역에 사용된 PVDF, PVDF-TFE 및/또는 PVDF-TrFE의 반결정성 중합체는 증가된 양의 β-상을 나타낼 수 있다. 예를 들어, p형 층의 PVDF, PVDF-TFE 및/또는 PVDF-TrFE는 1.5 내지 2.5의 β/α의 상 비율을 나타낼 수 있다. 일부 실시양태에서, β/α 상 비율은 2 내지 2.5이다.
다르게는, 제2 유기 캐리어는 폴리이소프렌, 폴리이소부틸렌 및 폴리실록산, 예컨대 폴리디메틸실록산 (PDMS)을 포함하는 하나 이상의 엘라스토머 종을 포함할 수 있다. 제2 유기 캐리어는 폴리아크릴산 (PAA), 폴리메타크릴레이트 (PMA), 폴리메틸메타크릴레이트 (PMMA) 또는 이들의 혼합물 또는 공중합체를 포함할 수도 있다. 추가로, 제2 유기 캐리어는 이에 제한되지는 않지만, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌을 비롯한 폴리올레핀, 또는 이들의 혼합물 또는 공중합체를 포함할 수 있다.
반도체성 고분자는 제2 유기 캐리어로서 이용될 수도 있다. 적절한 반도체성 고분자로는 페닐렌 비닐렌, 예컨대 폴리(페닐렌 비닐렌) 및 폴리(p-페닐렌 비닐렌) (PPV) 및 이들의 유도체를 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 반도체성 고분자는 폴리 플루오렌, 나프탈렌 및 이들의 유도체를 포함한다. 일부 실시양태에서, 반도체성 고분자는 폴리(2-비닐피리딘) (P2VP), 폴리아미드, 폴리(N-비닐카바졸) (PVCZ), 폴리피롤 (PPy), 폴리아닐린 (PAn) 및 폴리[2,6-(4,4-비스-(2-에틸헥실)-4H-사이클로펜타[2,1-b;3,4-b']디티오펜)-알트-4,7-(2,1,3-벤조티아디아졸)] (PCPDTBT)을 포함한다.
제2 캐리어는 이에 제한되지는 않지만, 다결정성 세라믹 또는 기타 미립자 무기 재료를 비롯한 무기 재료일 수도 있다.
본원에 기술된 바와 같이, p-n 접합부는 상기 p형 및 n형 영역의 계면에 구축된다. 인접하고 있는 p형 및 n형 영역의 구성에 따라, 그 계면은 접합선이 있을 수도 있고 접합선이 없을 수도 있다. 예를 들어, 제1 캐리어 및 제2 캐리어는 동일한 재료로 형성됨으로써, 상기 p형 및 n형 영역 사이에 접합선이 없는 계면을 제공할 수 있다. 다르게는, 제1 캐리어 및 제2 캐리어는 서로 다른 재료들로 형성되어 계면에 접합선을 제공한다. 열전 필름은 본 발명의 목적과 상반되지 않는 임의의 바람직한 두께를 가질 수 있다. 두께는, 예를 들어, 증착 방법과 조건 및 사용된 캐리어의 양에 따라 다양할 수 있다. 일부 실시양태에서, 열전 필름의 두께는 100 nm 내지 500 ㎛ 또는 500 nm 내지 50 ㎛이다.
개개의 p형 영역과 n형 영역들은, 일부 실시양태에서, 유기 캐리어를 포함하는 액체 상 중에 목적하는 나노입자를 분산시킨 후 얇은 필름 세그먼트로 주조하는 단계에 의해 제조될 수 있다. 개개의 p형 세그먼트와 n형 세그먼트들은 단층의 얇은 필름의 제조에서 측면 접합되며, 여기서 p-n 접합부는 상기 p형 및 n형 세그먼트 사이의 계면에 구축된다. 일부 실시양태에서, 예를 들어, 개개의 세그먼트들은 용제 접합되며, 여기서 상기 용제 접합은 측면 포맷을 유지하기 위해 세그먼트의 가장자리에서 수행한다. 일부 실시양태에서, 개별 세그먼트들은 용융 또는 다른 열처리 기법에 의해 접합될 수 있다. 제1 및 제2 유기 캐리어의 용융은, 예를 들어, 상기 p형 및 n형 세그먼트 사이에 계면 영역으로 국한될 수 있다. 추가의 실시양태에서, 전도성 접착제가 p형 및 n형 세그먼트들을 접합시키는데 사용될 수 있다.
대안적인 기법에서, p형 세그먼트를 제공하여 적어도 하나의 영역에서 선택적으로 도핑시켜 n형 세그먼트를 형성한다. 일부 실시양태에서, p형 세그먼트의 다수의 영역들을 도핑시켜 상기 p형 세그먼트의 비도핑된 영역과 함께 교번하는 n형 세그먼트를 제공한다. 이와 유사하게, n형 세그먼트를 제공하여 적어도 하나의 영역에서 선택적으로 도핑시켜 p형 세그먼트를 형성할 수 있다. 일부 실시양태에서, n형 세그먼트의 다수의 영역들을 도핑시켜 상기 n형 세그먼트의 비도핑된 영역과 함께 교번하는 p형 세그먼트를 제공한다.
추가의 기법에서, 유기 캐리어 내에 무기 나노입자를 포함하는 얇은 필름이 제공된다. 무기 나노입자들은 충분히 얇아서, 나노입자의 전자 특성이 표면 상호작용 및/또는 거동에 의해 좌우될 수 있도록 해준다. 예를 들어, 무기 나노입자는 본원에 기술된 치수를 갖는 나노플레이트일 수 있다. 하나 이상의 p형 세그먼트들은 선택된 영역(들)에서 얇은 필름 상에 p-도판트를 증착시킴으로써 형성된다. p-도판트는 무기 나노입자와 상호작용함으로써, 도핑된 영역에 p형 전자 구조를 제공한다. 이와 유사하게, 하나 이상의 n형 영역들은 n-도판트를 얇은 필름 상에 증착시킴으로써 p형 영역에 인접하게 형성될 수 있다. n-도판트는 무기 나노입자와 상호작용함으로써, n형 전자 구조를 제공한다. 예를 들어, p형 및 n형 도판트는 얇은 필름 층 상에 프린팅되어 본원에 기술된 측면 p-n 접합부 구조를 제공할 수 있다. 이러한 실시양태에서, 도핑 전 무기 나노입자의 유기 캐리어는 p형 영역과 n형 영역에 있어서 동일하여 접합선이 없는 헤테로접합 구조를 가능하게 한다.
일부 실시양태에서, 도판트의 프린팅은 다양한 헤테로접합부 구조의 형성을 가능하게 할 수 있다. 예를 들어, p-절연체-n 접합부는 p-도판트와 n-도판트의 프린팅의 간격을 둠으로서 형성될 수 있다. 게다가, p-금속-n 접합부는 p형 및 n형 영역 사이의 영역에 충분한 도판트를 제공하여 해당 영역의 전자 구조에 금속성을 부여함으로써 형성될 수 있다. 추가의 실시양태에서, p형 영역은 다양한 수준의 p-도판트를 나타냄으로써, 도판트 구배를 만들어낼 수 있다. p-도판트 구배는, 예를 들어, p형 영역 전반에 걸쳐 p/p-/p-- 구배와 같이 하나의 p형 영역 내에 존재할 수 있다. 다르게는, p-도판트 구배는 얇은 필름의 표면 상에서 분리된 p형 영역들 사이에 확립될 수 있다. 이와 유사하게, n형 영역은 다양한 수준의 n-도판트를 나타냄으로써, 도판트 구배를 만들어낼 수 있다. n-도판트 구배는 n형 영역 전반에 걸쳐 n/n+/n++ 구배와 같이 하나의 n형 영역 내에 존재할 수 있다. 추가로, n-도판트 구배는 필름의 표면 상에서 분리된 n형 영역들 사이에 확립될 수 있다.
본원에 기술된 바와 같이, 압전 필름은 열전 필름과 결합된다. 상기 압전 필름은 유기 재료, 무기 재료 또는 이들의 다양한 조합으로 형성될 수 있다. 상기 압전 필름은, 일부 실시양태에서, 중합체 재료를 포함한다. 중합체 압전 필름은 반결정성 중합체 예컨대, 이에 제한되지는 않지만, 폴리비닐 플루오라이드 (PVF), 폴리비닐리덴 플루오라이드 (PVDF), 폴리비닐리덴 플루오라이드-트리플루오로에틸렌 (PVDF-TrFE), 폴리비닐리덴 플루오라이드-테트라플루오로에틸렌 (PVDF-TFE), 폴리테트라플루오로에틸렌 (PTFE), 또는 이들의 혼합물 또는 공중합체를 포함할 수 있다. 전기 발전기의 압전 필름에 사용된 PVDF, PVDF-TFE 및/또는 PVDF-TrFE의 반결정성 중합체는 증가된 양의 β-상을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 절연층의 PVDF, PVDF-TFE 및/또는 PVDF-TrFE는 1.5 내지 2.5의 β/α의 비율을 나타낼 수 있다. 일부 실시양태에서, β/α 비율은 2 내지 2.5이다. 본원에서 논의된 바와 같이, β-상 결정자는 폴링 기법에 의해 비무작위적인 배향을 제공함으로써, 절연층의 압전 및 초전 특성을 강화할 수 있다. 다르게는, 압전 중합체는 폴리아미드 또는 폴리우레아를 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 압전 필름은 나일론-11 또는 폴리우레아-9를 포함한다.
중합체 압전 필름은 압전 거동을 나타내는 입자들을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 중합체 압전 필름은 BaTiO3 입자, BiTe 입자, 다른 무기 압전 입자들 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 상기 BaTiO3 입자, BiTe 입자 및/또는 다른 무기 입자들은 본 발명의 목적과 상반되지 않는 임의의 크기 및/또는 기하학적 구조를 가질 수 있다. BaTiO3 및 BiTe 입자는 20 nm 내지 500 nm 범위의 크기 분포를 나타낼 수 있다. 추가로, 압전 입자는 본 발명의 목적과 상반되지 않는 임의의 양으로 압전 층의 중합체 내에 분산될 수 있다. 일부 실시양태에서, BaTiO3 입자, BiTe 입자 및/또는 다른 무기 압전 입자들은 압전 필름의 총 중량을 기준으로 5-80 중량% 또는 10-50 중량%의 양으로 압전 필름 내에 존재하는 나노입자이다. 본원에 기술된 바와 같이, 압전 필름의 압전 입자는 전기적으로 폴링되어 본원에 기술된 열전 장치의 압전 및/또는 초전 특성을 더 향상시킬 수 있다.
다르게는, 압전 필름은 무기 또는 세라믹 재료로 제조될 수 있다. 일부 실시양태에서, 압전 필름은 금속 산화물 입자, 예컨대 전이 금속 산화물 입자로 형성된다. 적절한 금속 산화물 입자는 압전 거동을 나타낼 수도 있다. 한 실시양태에서, 예를 들어, 압전 필름은 전기적으로 폴링될 수 있는 BaTiO3 입자로 형성된다.
압전 필름은 본 발명의 목적과 상반되지 않는 임의의 바람직한 두께를 가질 수 있다. 일부 실시양태에서, 압전 필름의 두께는 적어도 약 50 nm이다. 압전 필름의 두께는, 일부 실시양태에서, 적어도 약 500 nm 또는 적어도 약 1 ㎛이다.
압전 필름은 열전 필름의 표면과 동일한 공간 범위(coextensive)의 표면을 가질 수 있다. 다르게는, 압전 필름의 표면은 열전 필름의 표면과 동일한 공간 범위가 아니다. 게다가, 일부 실시양태에서, 압전 필름과 열전 필름은 동일한 중합체를 사용한다. 예를 들어, 압전 필름과 열전 필름은 동일한 플루오로중합체, 예컨대 PVDF 또는 이의 유도체를 사용할 수 있다. 이러한 실시양태에서, 단일 플루오로중합체 필름은 열전 필름과 압전 필름을 제공하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 측면 p-n 접합부가 해당 필름의 표면에 형성되는 플루오로중합체 필름은 충분한 두께를 가질 수 있다. 상기 측면 p-n 접합부는 상기 기술된 기법에 따라 형성될 수 있다. 플루오로중합체 필름의 측면 p-n 접합부와 표면 영역은 열전 필름으로 기능하는 한편, 플루오로중합체 필름의 몸체 대부분은 압전 필름으로 기능한다. 플루오로중합체 필름의 두께는 압전 몸체와 열전 표면 사이의 전하 흐름을 억제하도록 조절될 수도 있다.
전기 발전기는 압전 필름 또는 층에 결합된 전극을 포함할 수도 있다. 전극은 본 발명의 목적과 상반되지 않는 임의의 재료로 제조될 수 있다. 전극은, 예를 들어, 금속, 합금 또는 반도체 조성물일 수 있다. 도 1(b)에 도시된 바와 같이, 전극은 폴딩되거나 또는 파형의 배향을 위해 가요성일 수 있다. 일부 실시양태에서, 전극은 압전 층과 동일한 공간 범위이다. 다르게는, 전극은 압전 필름과 동일한 공간 범위가 아니며, p형 및 n형 접합부 바로 위에 위치하지만 바로 옆에 있는 접합부로는 연장되지 않아 각 접합부에 대하여 전극을 만들어 내는 더 작은 섹션들로 세분될 수 있다.
일부 실시양태에서, 전기 발전기의 다양한 필름 또는 층 간에 접착층이 사용될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 접착층은 열전 필름과 압전 필름 사이에 위치할 수 있다. 이와 유사하게, 하나 이상의 접착층은 전극과 압전 필름 사이에 위치할 수 있다. 접착층은 일반적으로 전기 절연 재료로 형성될 수 있다. 일부 실시양태에서, 접착층은 폴리비닐 알콜 (PVA)이다.
추가로, 전기 발전기는 폴딩된 구조를 유지하기 위해 다양한 재료에 의해 캡슐화된 것으로 둘러쌀 수 있다. 적절한 재료로는 엘라스토머, 예컨대 폴리디메틸실록산 (PDMS)을 포함한다. 전기 발전기는 전체를 둘러쌀 수 있거나, 또는 일부만을 둘러쌀 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 둘러싸는 재료를 사용하여 열구배를 확립하거나 향상시킴으로써, 전기 발전기의 열전 성능을 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 전기 발전기의 하부 부분은 열 절연성 재료로 둘러싸일 수 있는데, 여기서 상부 부분은 둘러싸지 않거나 또는 열 전도성 재료로 둘러쌀 수 있다. 이러한 배치는 전기 발전기의 두께를 따라서 열구배를 향상시킨다.
이러한 특징과 다른 특징들을 하기의 비제한적인 실시예를 가지고 추가로 설명한다.
실시예 1 - 전기 발전기 (TPEG)
본원에 기술된 일부 실시양태에 따른 전기 발전기를 아래와 같이 제조하였다.
열전 필름은 용액 드롭캐스팅(solution dropcasting)을 통해 제조하였다. 칩 튜브스 인코포레이티드(Cheap Tubes Inc.)에 의해 시판되는, 산으로 세척된 단일벽/이중벽 탄소 나노튜브를 사용하였다. N,N-디메틸포름아미드 (DMF) ACS 시약 99.8% (시그마-알드리치, Sigma-Aldrich)를 사용하여 CNT를 분산시켰다. CNT 매트릭스를 비전도성 중합체 PVDF M.W. 534,000 (알드리치 케미스트리, Aldrich Chemistry)와 함께 15/85 중량%의 CNT/PVDF로 결합시켰다. 이후, 생성된 p형 필름을 스프레이 도핑법에 의해 폴리에틸렌이민 (PEI), 유명상표, M.W. 600 99% (알파 에이사, Alfa Aeser)을 사용하여 선택적으로 n형 도핑시켰다. 스프레이 도핑 기법은 필름 표면 상에 DMF 중의 PEI를 증착시켜 주변 PVDF 매트릭스를 용해시키고, 소분자 도판트를 연속하는 p형 열전 필름으로 통합시켜 교번하는 p형 및 n형 섹션을 만들도록 해준다. 상기 합성 기법은 TEG로도 사용하기 위해 연속 전극을 허용하였다. 상기 생성된 TEG 필름은 10 mm 길이의 교번하는 p형 및 n형 섹션들로 구성되었다. 사용된 압전 필름은 굿 펠로우스 인코포레이티드(Good Fellows Inc.)에 의해 제조된 단축 배향된 압전 PVDF 필름 (FV301251)이었다. 마지막으로, 하부 18 mm × 110 mm TEG 전극을 20 mm × 100 mm PEG에 부착시키기 위해, 수용성 플라스틱 폴리(비닐 알콜) (PVA) (알드리치 케미스트리)을 접착제로 사용하였다. 탈이온수 중의 PVA 120 μL(100 mg/mL)를 드롭캐스팅하고, 필름을 함께 압착시켰다. 이후, 상부 18 mm × 98 mm CNT/PVDF 전극을 동일한 공정을 이용하여 부착시켰다. 시스템을 60℃에서 120-180분 동안 건조시켰다. 그 후, 상기 구조를 폴딩시키고 측정을 위해 금속 접점을 상부 및 하부 전극에 부착시킨 후, 전체 구조를 최종적으로 폴리디메틸실록산 (PDMS) (Sylgard 184 다우 코닝) 중에 넣었다.
키슬리(Keithley) 2000 멀티미터를 사용하여 전압을 측정하고 LabVIEW를 이용하여 데이터를 처리하였다. 하부 접점 핫 블록(hot block)에 의해 열구배를 도입하고 k형 열전쌍을 사용하여 측정하였다. 사전에 로딩시킨 조화 진동 스프링 질량계(harmonic-oscillating spring-mass system)을 사용하여 해당 소자의 상부에 응력을 가하였다.
도 2는 TPEG의 열전 성능 출력을 나타내고 있다. 선형 열전 관계 
(여기서, 
는 전압이고, 
는 제백 계수이며, 
는 온도 구배임)를 가정하면; TPEG 소자의 유효 제백 계수를 계산할 수 있다. 제백 계수가 각각 
및 
인, 6개의 p형 및 n형 원소들을 이용하면, 제공된 TPEG 소자에 대한 유효 제백 계수는 
이다. 따라서, TPEG에 의해 발생된 열전 전압의 측정치는 상기 열전 소자들에 대한 고유값의 약 88%이었다. 
의 열구배에서 2×2 소자 어레이에 대해 발생된 출력은 이론치의 89%인 
이었다. 이론적 출력에 대한 측정된 출력값에서의 11% 감소는, PDMS 기판 전반에 걸쳐 낮아진, 측정된 전체 ΔT 중 일부에 대한 결과이다. TPEG 구조의 폴딩은 TEG 부품이 성능 손실을 최소한으로 하면서 열원에 최적으로 결합하도록 해준다. 추가로, TPEG 구조는 출력이 소자들의 어레이에 따라 조정될 수 있도록 해준다.
마지막으로, 폴딩된 메타-구조는 압전 구성의 출력 전압에 있어서 특별한 개선을 제공하였다. 압전 계수 
는 압력 
에서의 변화로 인한 변위장 
에서의 변화를 정량화한다. 선형 응력 입력에 있어서는, 단 하나의 압전 계수만이 평판 PEG 시스템에 있어서 변위장의 변화에 기여한다. 그러나, TPEG 시스템에 있어서는, 엘라스토머의 상부 표면 상에 대한 외부 선형 응력이 폴딩된 압전 필름에 내부적으로 적용된 응력 부품들의 정교한 조합을 유도하게 된다. TPEG 소자 내에서 폴딩된 압전 필름이 압축 및 전단 변형률을 가질 수 있다고 가정한다면, 개별 구성으로 전압 신호를 분산시키는 것은 단순한 일은 아니다. 그러나, 동일한 선형 응력이 주어진 TPEG와 평판 PEG 소자 사이에서 측정된 전압 차이를 비교함으로써, TPEG 소자의 성능에 대한 압전 필름의 폴딩 효과를 나타낼 수 있다. 도 3(a)는 사전에 로딩시킨 스프링 질량계의 조화 진동에 의해 생성된 압전 전압을 나타내고 있다. 압전 신호에서의 안정성때문에, 피크 대 피크 전압은 용이하게 산출 및 재현될 수 있다. 도 3(b)에서 검은색 막대는 측정된 피크 대 피크 전압과 입력 응력 간의 비율을 나타내고 있다. 도 3(b)에 줄무늬 막대는 측정된 전압이다. TPEG 소자에 있어서 평균 전압/응력 비율은 
이었고, 평판 PEG 소자에 대해서는 
이었다. 이것은 압전 필름을 폴딩하는 것이 동일한 입력 응력에 대하여 2배 더 많은 전압을 발생시켰음을 의미하는 것이다. 2×2 TPEG 어레이는 
을 발생시켰다. 다수의 소자들을 함께 결합함으로써, 출력 전압은 평판 PEG 소자에 비해 5.3배 더 커진다.
본 발명의 다양한 실시양태들은 본 발명의 다양한 목적의 달성을 위하여 기술하였다. 이러한 실시양태들은 본 발명의 원리를 단지 예시하는 것에 불과함을 알아야 한다. 본 발명의 개념과 범위를 벗어나지 않으면서 그의 다양한 변형과 개조는 당업계의 숙련자에게는 명백할 것이다.
Claims (25)
- 전기 발전기(10)로서,
열전 필름의 표면 전반에 걸쳐 복수의 측면 p-n 접합부(14)를 갖는 열전 필름(11)으로서, 상기 측면 p-n 접합부(14)가 p형 영역과 n형 영역 간의 계면에 구축되어 있는 것인 상기 열전 필름(11);
상기 열전 필름에 결합된 압전 필름(12); 및
상기 압전 필름에 결합된 전극(13)을 포함하고,
상기 p형 영역이 제1 캐리어 내부 또는 제1 캐리어 상에 분산된 전기 전도성 입자를 포함하고, 상기 n형 영역이 제2 캐리어 내부 또는 제2 캐리어 상에 분산된 전기 전도성 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는, 전기 발전기(10). - 제1항에 있어서, 상기 p형 영역의 전기 전도성 입자가 p형 유기 나노입자, p형 무기 나노입자 또는 이들의 혼합물을 포함하고/거나 상기 n형 영역의 전기 전도성 입자가 n형 유기 나노입자, n형 무기 나노입자 또는 이들의 혼합물을 포함하는 것인, 전기 발전기(10).
- 제2항에 있어서, 상기 p형 유기 나노입자 및 p형 무기 나노입자가 나노튜브, 나노와이어, 플레이트릿 및 시트로 이루어진 군으로부터 선택되고/거나 상기 n형 유기 나노입자 및 n형 무기 나노입자가 나노튜브, 나노와이어, 플레이트릿 및 시트로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인, 전기 발전기(10).
- 제1항에 있어서, p-도판트가, 제1 캐리어 또는 상기 제1 캐리어 중의 p-도판트 종에 의해 p형 영역의 전기 전도성 입자에 제공되고/거나 n-도판트가, 제2 캐리어 또는 상기 제2 캐리어 중의 n-도판트 종에 의해 n형 영역의 전기 전도성 입자에 제공되는 것인, 전기 발전기(10).
- 제1항에 있어서, 상기 제1 캐리어 및/또는 상기 제2 캐리어가 하나 이상의 중합체 종을 포함하는 것인, 전기 발전기(10).
- 제5항에 있어서, 상기 제1 캐리어 및/또는 상기 제2 캐리어가 플루오로중합체를 포함하는 것인, 전기 발전기(10).
- 제6항에 있어서, 상기 플루오로중합체가 폴리비닐플루오라이드, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리비닐리덴 플루오라이드-트리플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드-테트라플루오로에틸렌 또는 이들의 혼합물을 포함하는 것인, 전기 발전기(10).
- 제1항에 있어서, 상기 압전 필름(12)이 하나 이상의 중합체 재료를 포함하는 것인, 전기 발전기(10).
- 제8항에 있어서, 상기 압전 필름(12)이 플루오로중합체, 폴리아미드 또는 폴리우레아를 포함하는 것인, 전기 발전기(10).
- 제9항에 있어서, 상기 플루오로중합체가 폴리비닐플루오라이드, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리비닐리덴 플루오라이드-트리플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드-테트라플루오로에틸렌 또는 이들의 혼합물을 포함하는 것인, 전기 발전기(10).
- 제1항에 있어서, 상기 압전 필름(12)이 세라믹을 포함하는 것인, 전기 발전기(10).
- 제1항에 있어서, 상기 전극(13)이 금속, 합금 또는 반도체 재료를 포함하는 것인, 전기 발전기(10).
- 제1항에 있어서, 상기 열전 필름(11)의 표면이 압전 필름(12)의 표면과 동일한 공간 범위(coextensive)인 것인, 전기 발전기(10).
- 제1항에 있어서, (i) 열전 필름(11)과 압전 필름(12) 사이에 및/또는 (ii) 압전 필름(12)과 전극(13) 사이에 하나 이상의 접착층을 추가로 포함하는 것인, 전기 발전기(10).
- 제1항에 있어서, 상기 열전 필름(11)이 p-n 접합부(14)에서 폴딩되는 것인, 전기 발전기(10).
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US201662305852P | 2016-03-09 | 2016-03-09 | |
| US62/305,852 | 2016-03-09 | ||
| PCT/US2017/021613 WO2017156296A1 (en) | 2016-03-09 | 2017-03-09 | Thermoelectric piezoelectric generator |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20180121601A KR20180121601A (ko) | 2018-11-07 |
| KR102379266B1 true KR102379266B1 (ko) | 2022-03-29 |
Family
ID=58361183
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020187029078A KR102379266B1 (ko) | 2016-03-09 | 2017-03-09 | 열전 압전 발전기 |
Country Status (6)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20190103539A1 (ko) |
| EP (2) | EP3427309B1 (ko) |
| JP (2) | JP6980284B2 (ko) |
| KR (1) | KR102379266B1 (ko) |
| CA (1) | CA3016893C (ko) |
| WO (1) | WO2017156296A1 (ko) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102026838B1 (ko) * | 2018-05-30 | 2019-09-30 | 한국화학연구원 | 적층형 열전 모듈 및 이의 제조방법 |
| US20220209091A1 (en) * | 2019-06-07 | 2022-06-30 | University Of Notre Dame Du Lac | Aerosol jet printing and sintering of thermoelectric devices |
| TW202417369A (zh) * | 2022-04-21 | 2024-05-01 | 美商吳羽美國公司 | 具有基於碳奈米管之電極之壓電膜 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002353521A (ja) * | 2001-05-25 | 2002-12-06 | Atsushi Sugihara | プラスチック又はガラス製熱電発電モジュール及びその製造方法 |
| US20120133210A1 (en) * | 2010-11-30 | 2012-05-31 | Electronics And Telecommunications Research Institute | Hybrid energy harvester and portable device the same |
| JP2014146681A (ja) * | 2013-01-29 | 2014-08-14 | Fujifilm Corp | 熱電変換材料、熱電変換素子並びにこれを用いた熱電発電用物品及びセンサー用電源 |
| US20150155462A1 (en) * | 2013-12-03 | 2015-06-04 | Evident Technologies | Printed Semiconductor Junctions |
| JP2015153976A (ja) * | 2014-02-18 | 2015-08-24 | 東レ株式会社 | 熱電変換素子用材料および熱電変換素子 |
Family Cites Families (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001217469A (ja) * | 2000-02-04 | 2001-08-10 | Sumitomo Special Metals Co Ltd | 熱電変換素子とその製造方法 |
| US20090025773A1 (en) * | 2006-05-31 | 2009-01-29 | Ingo Stark | Thermoelectric generator with micro-electrostatic energy converter |
| JP5046311B2 (ja) * | 2010-01-06 | 2012-10-10 | テイカ株式会社 | コンポジット圧電体とそのコンポジット圧電体の製造方法およびそのコンポジット圧電体を用いたコンポジット圧電素子 |
| WO2011104772A1 (ja) | 2010-02-26 | 2011-09-01 | 富士通株式会社 | 発電装置、発電方法及び発電装置の製造方法 |
| US9601677B2 (en) * | 2010-03-15 | 2017-03-21 | Laird Durham, Inc. | Thermoelectric (TE) devices/structures including thermoelectric elements with exposed major surfaces |
| TWI457808B (zh) * | 2011-06-09 | 2014-10-21 | Shih Hua Technology Ltd | 觸摸屏 |
| KR101781551B1 (ko) * | 2011-07-20 | 2017-09-27 | 삼성전자주식회사 | 전기에너지 발생 소자 및 그 구동방법 |
| US20140174496A1 (en) * | 2012-12-21 | 2014-06-26 | Georgia Tech Research Corporation | Hybrid generator using thermoelectric generation and piezoelectric generation |
| JP6159532B2 (ja) | 2013-01-28 | 2017-07-05 | 株式会社Kri | 熱電変換部材 |
| JP2016518707A (ja) * | 2013-03-14 | 2016-06-23 | ウェイク フォレスト ユニバーシティ | 熱電装置及び物品並びにその応用 |
| US9496475B2 (en) * | 2013-03-28 | 2016-11-15 | The Texas A&M University System | High performance thermoelectric materials |
| JP2015141978A (ja) * | 2014-01-28 | 2015-08-03 | ムネカタ株式会社 | 圧電型振動発電装置 |
| KR101636908B1 (ko) * | 2014-05-30 | 2016-07-06 | 삼성전자주식회사 | 신축성 열전 복합체 및 이를 포함하는 열전소자 |
| WO2016196318A1 (en) * | 2015-05-29 | 2016-12-08 | Wake Forest University | Thin-film pn junctions and applications thereof |
-
2017
- 2017-03-09 CA CA3016893A patent/CA3016893C/en active Active
- 2017-03-09 KR KR1020187029078A patent/KR102379266B1/ko active IP Right Grant
- 2017-03-09 WO PCT/US2017/021613 patent/WO2017156296A1/en active Application Filing
- 2017-03-09 JP JP2018547280A patent/JP6980284B2/ja active Active
- 2017-03-09 US US16/083,122 patent/US20190103539A1/en active Pending
- 2017-03-09 EP EP17712382.5A patent/EP3427309B1/en active Active
- 2017-03-09 EP EP20172963.9A patent/EP3742505B1/en active Active
-
2021
- 2021-11-10 JP JP2021183514A patent/JP7390055B2/ja active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002353521A (ja) * | 2001-05-25 | 2002-12-06 | Atsushi Sugihara | プラスチック又はガラス製熱電発電モジュール及びその製造方法 |
| US20120133210A1 (en) * | 2010-11-30 | 2012-05-31 | Electronics And Telecommunications Research Institute | Hybrid energy harvester and portable device the same |
| JP2014146681A (ja) * | 2013-01-29 | 2014-08-14 | Fujifilm Corp | 熱電変換材料、熱電変換素子並びにこれを用いた熱電発電用物品及びセンサー用電源 |
| US20150155462A1 (en) * | 2013-12-03 | 2015-06-04 | Evident Technologies | Printed Semiconductor Junctions |
| JP2015153976A (ja) * | 2014-02-18 | 2015-08-24 | 東レ株式会社 | 熱電変換素子用材料および熱電変換素子 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2022033764A (ja) | 2022-03-02 |
| EP3742505B1 (en) | 2024-08-21 |
| JP2019512879A (ja) | 2019-05-16 |
| EP3427309A1 (en) | 2019-01-16 |
| WO2017156296A1 (en) | 2017-09-14 |
| KR20180121601A (ko) | 2018-11-07 |
| EP3742505A1 (en) | 2020-11-25 |
| CA3016893A1 (en) | 2017-09-14 |
| CA3016893C (en) | 2023-03-14 |
| US20190103539A1 (en) | 2019-04-04 |
| EP3427309B1 (en) | 2020-05-06 |
| JP6980284B2 (ja) | 2021-12-15 |
| JP7390055B2 (ja) | 2023-12-01 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP7390055B2 (ja) | 発電機を製造する方法 | |
| EP2630670B1 (en) | Thermoelectric apparatus and applications thereof | |
| US11678496B2 (en) | Thin-film pn junctions and applications thereof | |
| EP2973764B1 (en) | Thermoelectric apparatus | |
| US9620698B2 (en) | Wafer scale thermoelectric energy harvester | |
| KR102182765B1 (ko) | 열전 변환 소자 | |
| KR101346568B1 (ko) | 열전효율이 향상된 적층형 유연성 열전소자 및 이의 제조방법 | |
| Shakeel et al. | A low-cost printed organic thermoelectric generator for low-temperature energy harvesting | |
| AU2012251464B2 (en) | Thermoelectric device | |
| US20130192654A1 (en) | Thermoelectric module comprising thermoelectric element doped with nanoparticles and manufacturing method of the same | |
| EP2521191A1 (en) | Thermoelectric devices | |
| Tomita et al. | Evaluation of Multi-stage Unileg Si-nanowire Thermoelectric Generator with A Cavity-free Planar Device Architecture | |
| Athikam | Thermoelectric Properties of Polydimethylsiloxane (PDMS)–Carbon Nanotube (CNT) Composites | |
| kumar Athikam | Thermoelectric properties of Polydimethylsiloxane (PDMS)-Carbon nanotube (CNT) composites | |
| KR20130061942A (ko) | 열전지수 향상을 위한 클래딩된 나노선을 이용한 열전 소자 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 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 |