KR20100131282A - Thermoelectric device and method for manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A thermoelectric device and a method for manufacturing the same are provided to be used for electronic appliances or waste heat generators by improving a thermoelectric power factor. CONSTITUTION: A plurality of nano-structures(10) contains magnetic materials. The nano-structures are expanded to the X-axis direction. A thermoelectric unit(20) is closely arranged to the nano-structures. The thermoelectric unit is capable of being substituted as the surface of the nano-structures. The electric conductivity of the nano-structures is higher than that of the thermoelectric unit.

Description

열전 디바이스 및 그 제조 방법 {THERMOELECTRIC DEVICE AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}Thermoelectric device and manufacturing method thereof {THERMOELECTRIC DEVICE AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 열전 디바이스 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 좀더 상세하게는, 본 발명은 나노 구조체를 사용하여 열전 효율을 향상시킨 열전 디바이스 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a thermoelectric device and a method of manufacturing the same. More specifically, the present invention relates to a thermoelectric device having improved thermoelectric efficiency using a nanostructure and a method of manufacturing the same.

열을 전기로 변환하는 열전 소자에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 온도차에 의해 기전력이 발생하는 제베크 효과(Seebeck effect)를 이용하여 열전 소자에서 열을 전기로 변환시킬 수 있다.Research into thermoelectric elements that convert heat into electricity is being actively conducted. The Seebeck effect in which electromotive force is generated by the temperature difference may be used to convert heat into electricity in a thermoelectric element.

열전 소자의 소재로는 비쓰무스 텔룰라이드(BiTe) 또는 안티몬 텔룰라이드(SbTe)가 사용된다. 비쓰무스 텔룰라이드(BiTe) 또는 안티몬 텔룰라이드(SbTe)는 도전율 및 열기전력이 우수하므로, 열전 소자의 소재로서 많이 사용되고 있다.Bismuth telluride (BiTe) or antimony telluride (SbTe) is used as a material of the thermoelectric element. Since bismuth telluride (BiTe) or antimony telluride (SbTe) is excellent in conductivity and thermal power, it is widely used as a material for thermoelectric devices.

나노 구조체를 사용하여 열전 효율을 향상시킨 열전 디바이스를 제공하고자 한다. 또한, 전술한 열전 디바이스의 제조 방법을 제공하고자 한다.It is intended to provide a thermoelectric device having improved thermoelectric efficiency by using a nanostructure. It is also an object of the present invention to provide a method of manufacturing a thermoelectric device.

본 발명의 일 실시예에 따른 열전 디바이스는, i) 고전기전도도의 물질을 포함하고, 일방향으로 뻗은 복수의 나노 구조체들, 및 ii) 복수의 나노 구조체들 중 하나 이상의 나노 구조체와 접하는 열전 소재를 포함한다.A thermoelectric device according to an embodiment of the present invention includes: i) a material of high conductivity, a plurality of nanostructures extending in one direction, and ii) a thermoelectric material in contact with at least one of the plurality of nanostructures. do.

열전 소재는 상기 나노 구조체의 표면에 치환 형성될 수 있다. 열전 소재는 기지층을 형성하고, 복수의 나노 구조체들은 기지층에 매립될 수 있다. 열전 소재는 비쓰무스 텔룰라이드(BiTe), 안티몬 텔룰라이드(SbTe), 실리콘, 실리콘 게르마늄(SiGe) 및 반도체 산화물로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 소재를 포함할 수 있다. 고전기전도도의 물질은 니켈(Ni), 구리(Cu), 코발트(Co), 철(Fe), 은(Ag), 금(Au), 몰리브덴(Mo), 주석(Sn) 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 원소를 포함할 수 있다. 고전기전도도의 물질은 고농도 도핑 반도체 물질을 포함하고, 반도체 물질은 칼코지나이드(chalcogenide)계 소재, Si, SiGe, BiTe 및 SbTe로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 물질일 수 있다.The thermoelectric material may be formed to be substituted on the surface of the nanostructure. The thermoelectric material forms a base layer, and the plurality of nanostructures may be embedded in the base layer. The thermoelectric material may include one or more materials selected from the group consisting of bismuth telluride (BiTe), antimony telluride (SbTe), silicon, silicon germanium (SiGe), and semiconductor oxide. Materials of high conductivity include nickel (Ni), copper (Cu), cobalt (Co), iron (Fe), silver (Ag), gold (Au), molybdenum (Mo), tin (Sn), and alloys thereof. It may include one or more elements selected from the group. The high conductivity material includes a high concentration doped semiconductor material, and the semiconductor material may be one or more materials selected from the group consisting of chalcogenide-based materials, Si, SiGe, BiTe, and SbTe.

나노 구조체들은 나노 막대, 나노 튜브 또는 나노 와이어일 수 있다. 물질의 전기전도도는 0.09×106/cm· 내지 0.6×106/cm· 일 수 있다. 물질은 자성 소재를 더 포함할 수 있다.Nanostructures can be nanorods, nanotubes or nanowires. The electrical conductivity of the material may be 0.09 × 10 6 / cm · to 0.6 × 10 6 / cm ·. The material may further comprise a magnetic material.

본 발명의 일 실시예에 따른 열전 디바이스의 제조 방법은, i) 고전기전도도의 물질을 포함하고, 일방향으로 뻗은 복수의 나노 구조체들을 제공하는 단계, ii) 복수의 나노 구조체들 중 하나 이상의 나노 구조체에 접하는 열전 소재를 제공하는 단계, iii) 복수의 나노 구조체들을 일방향으로 정렬하는 단계, 및 iv) 정렬된 복수의 나노 구조체들을 소결하는 단계를 포함한다.Method for manufacturing a thermoelectric device according to an embodiment of the present invention, i) providing a plurality of nanostructures comprising a material of high electroconductivity, extending in one direction, ii) at least one nanostructure of the plurality of nanostructures Providing a contacting thermoelectric material, iii) aligning the plurality of nanostructures in one direction, and iv) sintering the aligned plurality of nanostructures.

복수의 나노 구조체들을 일방향으로 정렬하는 단계에서, 복수의 나노 구조체들에 자기장을 인가하여 나노 구조체들을 일방향으로 정렬시킬 수 있다. 열전 소재를 제공하는 단계는, 복수의 나노 구조체들을 도금 용액에 침지하여 도금 용액에 포함된 금속 이온들과의 상호 반응에 의해 복수의 나노 구조체들의 표면을 열전 소재로 치환할 수 있다. 금속 이온들은 텔루륨 이온(Te2 +)을 포함할 수 있다. 금속 이온들은 안티몬 이온(Sb3 +) 또는 비스무스 이온(Bi3 +)을 더 포함할 수 있다.In the aligning of the plurality of nanostructures in one direction, the nanostructures may be aligned in one direction by applying a magnetic field to the plurality of nanostructures. In the providing of the thermoelectric material, the surface of the plurality of nanostructures may be replaced with a thermoelectric material by mutual reaction with metal ions included in the plating solution by immersing the plurality of nanostructures in the plating solution. Metal ion may include ions tellurium (Te 2 +). Metal ion may further contains antimony ions (Sb 3 +) ions or bismuth (Bi + 3).

복수의 나노 구조체들을 제공하는 단계에서, 복수의 나노 구조체들은 도금 용액내에서 일방향으로 성장하여 제조될 수 있다. 복수의 나노 구조체들은 나노 템플릿(nano template) 내에 형성된 개구부를 통하여 성장하여 제조될 수 있다.In the providing of the plurality of nanostructures, the plurality of nanostructures may be manufactured by growing in one direction in the plating solution. The plurality of nanostructures may be manufactured by growing through openings formed in a nano template.

열전능인자(thermoelectric power factor)가 향상된 열전 디바이스를 제조할 수 있다. 따라서 이러한 열전 디바이스를 전자기기 또는 폐열 발생기에 사용하여 열전 변환 효율을 크게 향상시킬 수 있다. 또한, 간단한 방법을 이용하여 열전 디바이스를 제조할 수 있으므로, 열전 디바이스의 제조 비용을 절감할 수 있다.Thermoelectric devices with improved thermoelectric power factors can be fabricated. Therefore, the thermoelectric device may be used in an electronic device or a waste heat generator to greatly improve the thermoelectric conversion efficiency. In addition, since the thermoelectric device can be manufactured using a simple method, the manufacturing cost of the thermoelectric device can be reduced.

여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. As used herein, the singular forms “a,” “an,” and “the” include plural forms as well, unless the phrases clearly indicate the opposite. As used herein, the term "comprising" embodies a particular characteristic, region, integer, step, operation, element, and / or component, and other specific characteristics, region, integer, step, operation, element, component, and / or group. It does not exclude the presence or addition of.

"아래", "위" 등의 상대적인 공간을 나타내는 용어는 도면에서 도시된 한 부분의 다른 부분에 대한 관계를 좀더 쉽게 설명하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 용어들은 도면에서 의도한 의미와 함께 사용중인 장치의 다른 의미나 동작을 포함하도록 의도된다. 예를 들면, 도면중의 장치를 뒤집으면, 다른 부분들의 "아래"에 있는 것으로 설명된 어느 부분들은 다른 부분들의 "위"에 있는 것으로 설명된다. 따라서 "아래"라는 예시적인 용어는 위와 아래 방향을 전부 포함한다. 장치는 90°회전 또는 다른 각도로 회전할 수 있고, 상대적인 공간을 나타내는 용어도 이에 따라서 해석된다.Terms indicating relative space such as "below" and "above" may be used to more easily explain the relationship of one part to another part shown in the drawings. These terms are intended to include other meanings or operations of the device in use with the meanings intended in the figures. For example, turning the device in the figure upside down, some parts described as being "below" of the other parts are described as being "above" the other parts. Thus, the exemplary term "below" encompasses both up and down directions. The device can be rotated 90 degrees or at other angles, the terms representing relative space being interpreted accordingly.

다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms including technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art. Commonly defined terms used are additionally interpreted to have a meaning consistent with the related technical literature and the presently disclosed contents, and are not interpreted in an ideal or very formal sense unless defined.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명 하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily carry out the present invention. As those skilled in the art would realize, the described embodiments may be modified in various different ways, all without departing from the spirit or scope of the present invention.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 열전 디바이스(100)를 개략적으로 나타낸다. 도 1의 열전 디바이스(100)의 구조는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 도 1의 열전 디바이스(100)를 다른 형태로 변형할 수 있다.1 schematically shows a thermoelectric device 100 according to a first embodiment of the invention. The structure of the thermoelectric device 100 of FIG. 1 is merely for illustrating the present invention, and the present invention is not limited thereto. Therefore, the thermoelectric device 100 of FIG. 1 may be modified in another form.

도 1에 도시한 바와 같이, 열전 디바이스(100)는 나노 구조체들(10) 및 열전 소재(20)을 포함한다. 나노 구조체(10)는 일방향, 즉 x축 방향을 따라 뻗어 있다. 나노 구조체(10)는 고전기전도도의 물질을 포함한다. 여기서, 물질은 니켈(Ni), 코발트(Co), 구리(Cu), 철(Fe), 은(Ag), 금(Au), 몰리브덴(Mo), 주석(Sn) 또는 이들의 합금을 포함할 수 있다.As shown in FIG. 1, the thermoelectric device 100 includes nanostructures 10 and a thermoelectric material 20. The nanostructure 10 extends in one direction, that is, along the x-axis direction. The nanostructure 10 includes a material of high conductivity. Here, the material may include nickel (Ni), cobalt (Co), copper (Cu), iron (Fe), silver (Ag), gold (Au), molybdenum (Mo), tin (Sn) or alloys thereof. Can be.

전술한 물질의 전기전도도는 0.09×106/cm·

Figure 112009034290359-PAT00001
내지 0.6×106/cm· 일 수 있다. 물질의 전기전도도가 너무 작은 경우, 나노 구조체(10)를 통한 전류의 이송 효율이 저하되므로, 열전 디바이스(100)의 효율이 저하된다. 또한, 물질의 전기전도도가 너무 큰 경우, 소재 비용이 증가한다.The electrical conductivity of the aforementioned materials is 0.09 × 10 6 / cm
Figure 112009034290359-PAT00001
To 0.6 × 10 6 / cm ·. If the electrical conductivity of the material is too small, the transfer efficiency of the current through the nano-structure 10 is lowered, the efficiency of the thermoelectric device 100 is lowered. In addition, if the electrical conductivity of the material is too large, the material cost increases.

또한, 전술한 물질로서 고농도 도핑 반도체 물질을 포함할 수 있다. 여기서, 반도체 물질로는 Si, SiGe, BiTe 또는 SbTe 등을 사용할 수 있다. 이 경우, 나노 구조체(10)는 기상-액상-고상(VLS)법 또는 습식전해식각법 등을 이용하여 제조할 수 있다.In addition, the aforementioned material may include a high concentration doped semiconductor material. Here, Si, SiGe, BiTe or SbTe may be used as the semiconductor material. In this case, the nanostructure 10 may be manufactured using a gas phase-liquid-solid phase (VLS) method or a wet electrolytic etching method.

그리고 전술한 물질은 칼코지나이드계 소재를 포함할 수도 있다. 칼코지나 이드 소재로서는 BiSb 또는 SnTe 등을 그 예로 들 수 있다. 칼코지나이드 소재는 전기에너지, 열에너지 및 빛에너지 등의 외부 자극에 잘 반응하므로, 전술한 물질로서 사용하기에 적합하다.In addition, the aforementioned material may include a chalcogenide-based material. Examples of chalcogenide materials include BiSb or SnTe. The chalcogenide material responds well to external stimuli such as electric energy, heat energy, and light energy, and thus is suitable for use as the aforementioned material.

나노 구조체(10)는 자성 물질을 더 포함할 수 있다. 이 경우, 나노 구조체들(10)을 소결하기 전에 자기장을 가하여 일방향으로 정렬시킬 수 있다. 한편, 나노 구조체(10)가 자성 물질을 포함하지 않더라도 LB(Langmuir-Blodgett)법 등을 이용하여 나노 구조체들(10)을 정렬시킬 수 있다.The nanostructure 10 may further include a magnetic material. In this case, the nanostructures 10 may be aligned in one direction by applying a magnetic field before sintering the nanostructures 10. Meanwhile, even if the nanostructure 10 does not contain a magnetic material, the nanostructures 10 may be aligned by using a Langmuir-Blodgett (LB) method.

도 1에는 나노 막대 형상의 나노 구조체(10)를 도시하였지만, 나노 구조체(10)의 형상은 다양하게 변형될 수도 있다. 따라서 나노 구조체(10)는 나노 튜브 또는 나노 와이어로 형성될 수도 있다.1 illustrates a nano-rod shaped nanostructure 10, the shape of the nanostructure 10 may be variously modified. Therefore, the nanostructure 10 may be formed of nanotubes or nanowires.

도 1에 도시한 바와 같이, 열전 소재(20)는 나노 구조체들(10)과 접한다. 좀더 상세하게는, 나노 구조체들(10)의 표면은 열전 소재(20)로 치환 형성된다. 따라서 코어쉘형의 나노 구조체들(10)을 제조할 수 있다. 열전 소재(20)는 분말 형태로 제공할 수 있다.As shown in FIG. 1, the thermoelectric material 20 is in contact with the nanostructures 10. More specifically, the surfaces of the nanostructures 10 are formed by substitution with the thermoelectric material 20. Therefore, the core-shell nanostructures 10 may be manufactured. The thermoelectric material 20 may be provided in powder form.

열전 소재(20)의 소재로는 비쓰무스 텔룰라이드(BiTe) 또는 안티몬 텔룰라이드(SbTe) 등의 화합물 반도체 및 반도체 산화물 등을 사용할 수 있다. 또한, 열전 소재(20)의 소재로서 실리콘 또는 실리콘 게르마늄(SiGe) 등의 4B족 원소들을 사용할 수 있다. 전술한 소재들은 열전변환효율이 우수하므로, 열전 소재(20)로서 사용하기에 적합하다.As the material of the thermoelectric material 20, a compound semiconductor such as bismuth telluride (BiTe) or antimony telluride (SbTe), a semiconductor oxide, or the like may be used. In addition, as a material of the thermoelectric material 20, elements of Group 4B such as silicon or silicon germanium (SiGe) may be used. Since the above materials are excellent in thermoelectric conversion efficiency, they are suitable for use as the thermoelectric material 20.

열전 디바이스(100)는 x축 방향을 따라 뻗어 있으므로, 일방향으로의 방향성 을 가진다. 따라서 x축 방향을 따라 전류를 효율적으로 이송할 수 있다. 나노 구조체(10)의 전기전도도는 열전 소재(20)의 전기전도도보다 높으므로, 나노 구조체(10)를 통하여 전류가 잘 흐른다.Since the thermoelectric device 100 extends along the x-axis direction, the thermoelectric device 100 has directivity in one direction. Therefore, the current can be efficiently transferred along the x-axis direction. Since the electrical conductivity of the nanostructure 10 is higher than that of the thermoelectric material 20, current flows well through the nanostructure 10.

도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 열전 디바이스(200)를 개략적으로 나타낸다. 도 2의 열전 디바이스(200)의 구조는 도 1의 열전 디바이스(100)의 구조와 유사하므로, 동일한 부분에는 동일한 도면 부호를 사용하며, 그 상세한 설명을 생략한다.2 schematically shows a thermoelectric device 200 according to a second embodiment of the present invention. Since the structure of the thermoelectric device 200 of FIG. 2 is similar to that of the thermoelectric device 100 of FIG. 1, the same reference numerals are used for the same parts, and a detailed description thereof will be omitted.

도 2에 도시한 바와 같이, 열전 디바이스(200) 내부에 열전 소재로 된 기지층(13)을 형성한다. 복수의 나노 구조체들(10)은 기지층(13)에 매립되어 위치한다. 즉, 복수의 나노 구조체들(10)을 열전 소재로 된 기지층(13)내에 매립하고, 이를 소결함으로써 열전 디바이스(200)를 제조할 수 있다.As shown in FIG. 2, a base layer 13 made of a thermoelectric material is formed inside the thermoelectric device 200. The plurality of nanostructures 10 are embedded in the matrix 13. That is, the thermoelectric device 200 may be manufactured by embedding the plurality of nanostructures 10 in the matrix 13 made of a thermoelectric material and sintering them.

도 3은 도 1의 열전 디바이스(100)의 제조 방법을 개략적으로 나타낸 순서도이다. 도 3의 열전 디바이스(100)의 제조 방법은 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 다른 방법을 사용하여 열전 디바이스(100)를 제조할 수도 있다.3 is a flowchart schematically illustrating a method of manufacturing the thermoelectric device 100 of FIG. 1. The method of manufacturing the thermoelectric device 100 of FIG. 3 is merely for illustrating the present invention, and the present invention is not limited thereto. Accordingly, the thermoelectric device 100 may be manufactured using other methods.

도 3에 도시한 바와 같이, 열전 디바이스(100)의 제조 방법은, i) 일방향으로 뻗은 나노 구조체들을 제공하는 단계(S10), ii) 나노 구조체들에 접하는 열전 소재를 제공하는 단계(S20), iii) 나노 구조체들을 일방향으로 정렬하는 단계(S30), 그리고 iv) 정렬된 나노 구조체들을 소결하는 단계(S40)를 포함한다. 이외에, 열전 디바이스(100)의 제조 방법은 다른 필요한 단계들을 더 포함할 수 있 다. 이하에서는 전술한 도 2의 각 세부 단계들을 좀더 상세하게 설명한다.As shown in FIG. 3, the method of manufacturing the thermoelectric device 100 includes: i) providing nanostructures extending in one direction (S10), ii) providing thermoelectric material in contact with the nanostructures (S20), iii) aligning the nanostructures in one direction (S30), and iv) sintering the aligned nanostructures (S40). In addition, the method of manufacturing the thermoelectric device 100 may further include other necessary steps. Hereinafter, each detailed step of FIG. 2 will be described in more detail.

도 4는 도 3의 단계(S10)에서 나노 구조체들(10)(도 1에 도시, 이하 동일)을 제조하기 위한 나노 템플릿(12)을 개략적으로 나타낸다. 이러한 나노 구조체들(10)의 제조 방법은 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 다른 방법을 이용하여 나노 구조체들(10)을 제조할 수도 있다.FIG. 4 schematically shows a nano template 12 for manufacturing nanostructures 10 (shown in FIG. 1, below) in step S10 of FIG. 3. The manufacturing method of such nanostructures 10 is merely to illustrate the present invention, but the present invention is not limited thereto. Therefore, the nanostructures 10 may be manufactured using other methods.

도 4에 도시한 바와 같이, 양극산화 알루미늄(anodic aluminum oxide, AAO)으로 이루어진 나노 템플릿(nano template)(12)을 이용하여 나노 구조체들(10)을 제조한다. 나노 템플릿(12)의 일면에는 스퍼터링에 의해 구리(Cu)를 증착시켜서 씨드층(14)으로 사용한다. 씨드층(14)으로부터 개구부(121)를 통해 나노 구조체들(10)을 성장시킨 후, 나노 구조체들(10)을 나노 템플릿(12)으로부터 분리시켜서 사용한다. 여기서, 나노 구조체들(10)은 개구부(121)가 형성된 방향으로 성장한다. 따라서 방향성을 가지는 나노 구조체들(10)을 제조할 수 있으므로, 일방향으로의 전류전송이 필요한 열전 디바이스(100)(도 1에 도시)에 나노 구조체들(10)을 사용하기에 적합하다.As shown in FIG. 4, nanostructures 10 are manufactured using a nano template 12 made of anodized aluminum oxide (AAO). One surface of the nano template 12 is deposited by copper (Cu) by sputtering and used as the seed layer 14. After the nanostructures 10 are grown from the seed layer 14 through the opening 121, the nanostructures 10 are separated from the nano template 12 and used. Here, the nanostructures 10 grow in the direction in which the opening 121 is formed. Therefore, since the nanostructures 10 having directivity can be manufactured, it is suitable to use the nanostructures 10 in the thermoelectric device 100 (shown in FIG. 1) requiring current transfer in one direction.

도 5는 나노 구조체를 형성하기 위한 전기화학장치(300)를 개략적으로 나타낸다. 도 5의 전기화학장치(300)의 구조는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 전기화학장치(300)의 구조를 다른 형태로도 변형할 수 있다.5 schematically shows an electrochemical device 300 for forming a nanostructure. The structure of the electrochemical device 300 of FIG. 5 is merely for illustrating the present invention, and the present invention is not limited thereto. Therefore, the structure of the electrochemical device 300 may be modified in other forms.

도 5에 도시한 바와 같이, 전기화학장치(200)는 3개의 전극들(12, 32, 34)을 포함한다. 3개의 전극들(12, 32, 36)은 각각 음극, 양극 및 기준 전극으로서 작용한다. 여기서, 음극은 작동 전극(working electrode)으로서 기능하고, 양극은 대향 전극(counter electrode)으로서 기능한다. As shown in FIG. 5, the electrochemical device 200 includes three electrodes 12, 32, and 34. The three electrodes 12, 32, 36 act as cathode, anode and reference electrodes, respectively. Here, the cathode functions as a working electrode, and the anode functions as a counter electrode.

전압계(38)와 연결된 기준 전극(34)으로는 Ag/AgCl을 사용하였고, 음극으로는 나노 템플릿(12)(도 4에 도시, 이하 동일)을 사용한다. 또한, 전류계(36)와 연결된 양극(32)으로는 백금을 사용한다. 도금욕(30)에는 금속 이온이 함유된 도금액(S)을 준비한다. 예를 들면, 나노 구조체(10)를 니켈로 형성하는 경우, 니켈 이온이 함유된 도금액(S)을 준비한다.Ag / AgCl was used as a reference electrode 34 connected to the voltmeter 38, and a nano template 12 (shown in FIG. 4, below) was used as the cathode. In addition, platinum is used as the anode 32 connected to the ammeter 36. In the plating bath 30, a plating solution S containing metal ions is prepared. For example, when the nanostructure 10 is formed of nickel, a plating solution S containing nickel ions is prepared.

도 5에 도시한 바와 같이, 전원(31)을 인가시킴으로써 나노 템플릿(12)에 증착된 씨드층(14)과 도금액(S)과의 전기화학적 작용에 의해 나노 템플릿(12)의 개구부(121)(도 2에 도시)를 통하여 나노 구조체(10)를 성장시킨다.As shown in FIG. 5, the opening 121 of the nano-template 12 is formed by an electrochemical action between the seed layer 14 and the plating solution S deposited on the nano-template 12 by applying a power source 31. The nanostructure 10 is grown through (shown in FIG. 2).

전술한 방법을 통하여 나노 구조체(10)를 형성한 후, 씨드층(14)을 기계적 연마 방법으로 제거하고, 나노 템플릿(12)을 수산화나트륨 용액에 녹임으로써 나노 구조체들(10)을 제조한다.After the nanostructure 10 is formed through the above-described method, the nanostructures 10 are manufactured by removing the seed layer 14 by mechanical polishing and dissolving the nano template 12 in a sodium hydroxide solution.

다시 도 3으로 되돌아가면, 단계(S20)에서는 나노 구조체들(10)에 접하는 열전 소재를 제공한다. 예를 들면, 열전 소재로 나노 구조체들(10)의 표면을 도금할 수 있다.Referring back to FIG. 3, in step S20, a thermoelectric material in contact with the nanostructures 10 is provided. For example, the surface of the nanostructures 10 may be plated with a thermoelectric material.

도 6은 나노 구조체들(10)의 도금 과정을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 6의 나노 구조체들(10)의 도금 과정은 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 나노 구조체들(10)의 도금 과정을 다양한 형태로 변형할 수 있다.6 is a diagram schematically illustrating a plating process of the nanostructures 10. The plating process of the nanostructures 10 of FIG. 6 is merely to illustrate the present invention, but the present invention is not limited thereto. Therefore, the plating process of the nanostructures 10 may be modified in various forms.

도 6에 도시한 바와 같이, 도금조(40)는 질산(N)을 포함한다. 질산(N)은 비스무스 이온(Bi3 +) 및 텔루륨 이온(Te2 +) 등의 금속 이온들을 포함한다. 도 6에는 도시하지 않았지만, 질산(N)은 금속 이온으로서 안티몬 이온 및 텔루륨 이온을 포함할 수도 있다.As shown in FIG. 6, the plating bath 40 includes nitric acid (N). And nitric acid (N) includes a metal ion, such as bismuth ions (Bi 3 +) ion, and tellurium (Te 2 +). Although not shown in FIG. 6, nitric acid (N) may include antimony ions and tellurium ions as metal ions.

나노 구조체들(10)을 질산(N)에 담지하는 경우, 나노 구조체들(10)의 표면에서 갈바닉 치환 반응(galvanic displacement deposition)이 일어난다. 즉, 도금 용액의 성분과 나노 구조체들(10)의 성분의 전기화학적 전위차로 인하여 갈바닉 치환 반응이 발생한다. 따라서 나노 구조체들(10)의 표면은 금속 이온과 상호 반응하여 BiTe 또는 SbTe로 치환될 수 있다. 이러한 제조 방법을 통하여 나노 구조체들(10)과 열전 소재의 계면에서의 저항을 최소화할 수 있다. 특히, 나노구조체(10)가 금속을 포함하는 경우, 나노구조체(10)의 표면에 산화막이 형성되는 것을 방지하기 위하여 나노구조체(10)를 표면 처리한다.When the nanostructures 10 are supported on nitric acid (N), galvanic displacement deposition occurs on the surfaces of the nanostructures 10. That is, the galvanic substitution reaction occurs due to the electrochemical potential difference between the components of the plating solution and the components of the nanostructures 10. Therefore, the surfaces of the nanostructures 10 may be replaced with BiTe or SbTe by interacting with metal ions. Through this manufacturing method, resistance at the interface between the nanostructures 10 and the thermoelectric material may be minimized. In particular, when the nanostructure 10 includes a metal, the nanostructure 10 is surface treated to prevent the formation of an oxide film on the surface of the nanostructure 10.

전술한 방법을 통하여 BiTe 또는 SbTe 등의 열전 소재로 덮인 나노 구조체(10)를 얻을 수 있다. 그 결과, 코어쉘 구조, 즉 쉘 부분에 열전 소재가 형성된 나노 구조체(10)가 제조된다.Through the aforementioned method, the nanostructure 10 covered with a thermoelectric material such as BiTe or SbTe may be obtained. As a result, a nanoshell 10 having a core shell structure, that is, a thermoelectric material formed in the shell portion, is manufactured.

다시 도 3으로 되돌아가면, 단계(S30)에서는 열전 소재(20)로 덮인 나노 구조체(10)들을 일방향으로 정렬한다. 즉, 나노 구조체(10)들은 금속으로 이루어지므로, 자기장을 인가하면 나노 구조체(10)들을 일방향으로 정렬시킬 수 있다.3, in step S30, the nanostructures 10 covered with the thermoelectric material 20 are aligned in one direction. That is, since the nanostructures 10 are made of metal, applying the magnetic field may align the nanostructures 10 in one direction.

도 7은 나노 구조체들(10)을 일방향으로 정렬시키는 방법을 개략적으로 나타낸다. 도 7의 나노 구조체들(10)의 정렬 방법은 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 다른 방법을 사용하여 나노 구조체들(10)을 정렬시킬 수도 있다.7 schematically illustrates a method of aligning nanostructures 10 in one direction. The alignment method of the nanostructures 10 of FIG. 7 is for illustration only, and the present invention is not limited thereto. Thus, other methods may be used to align the nanostructures 10.

진공 챔버(미도시) 내에 나노 구조체들(10)을 분무 방법 등을 통하여 분산시면서 나노 구조체들(10)에 자기장을 인가한다. 따라서 분산되는 나노 구조체들(10)은 자기장에 의해 일방향으로 정렬된다.A magnetic field is applied to the nanostructures 10 while dispersing the nanostructures 10 in a vacuum chamber (not shown) through a spraying method or the like. Therefore, the dispersed nanostructures 10 are aligned in one direction by a magnetic field.

즉, 도 7에 도시한 바와 같이, 나노 구조체들(10)은 그 양측에 각각 배치된 자석들(60)의 사이에 위치한다. 나노 구조체들(10)은 금속으로 이루어지므로, 자석들(60)에 의해 발생되는 자기장에 의해 나노 구조체들(10)은 x축 방향으로 정렬된다.That is, as shown in FIG. 7, the nanostructures 10 are located between the magnets 60 disposed on both sides thereof. Since the nanostructures 10 are made of metal, the nanostructures 10 are aligned in the x-axis direction by a magnetic field generated by the magnets 60.

열전 소재(12)은 반도체 소재로 이루어지므로, 자기장에 거의 영향을 받지 않는다. 따라서 나노 구조체들(10)은 자기장에 의해 잘 분산되는 반면에, 열전 소재(12)은 자기장에 의해 별다른 영향을 받지 않는다. Since the thermoelectric material 12 is made of a semiconductor material, it is hardly affected by the magnetic field. Therefore, the nanostructures 10 are well dispersed by the magnetic field, while the thermoelectric material 12 is not affected by the magnetic field.

다시, 도 3으로 되돌아가면, 마지막으로 단계(S40)에서는 정렬된 나노 구조체들(10)(도 7에 도시)을 소결한다. 나노 구조체들(10)을 성형하면서 소결하여 벌크 상태의 열전 디바이스(100)(도 1에 도시)를 제조할 수 있다. 나노 구조체들(10)은 일반적인 소결 방법을 사용하거나 핫프레스 방법(hot press) 또는 스파크 플라스마 소결법(spark plasma sintering)을 사용하여 소결될 수 있다.3, finally, in step S40, the aligned nanostructures 10 (shown in FIG. 7) are sintered. The nanostructures 10 may be molded and sintered to produce a bulk thermoelectric device 100 (shown in FIG. 1). The nanostructures 10 may be sintered using a common sintering method, or using a hot press method or spark plasma sintering.

이하에서는 실험예를 통하여 본 발명을 좀더 상세하게 설명한다. 이러한 본 발명의 실험예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to experimental examples. Such experimental examples of the present invention are merely for illustrating the present invention, and the present invention is not limited thereto.

실험예Experimental Example 1 One

니켈로 된 나노 와이어를 제조하였다. 나노 와이어를 안티몬 이온(Sb3 +) 및 텔루륨 이온(Te2 +)을 포함하는 질산용액에 침지하였다. Nanowires made of nickel were prepared. Nanowires was immersed in a nitric acid solution containing the antimony ions (Sb 3 +) ion, and tellurium (Te 2 +).

실험예Experimental Example 2 2

니켈로 된 나노 와이어를 제조하였다. 나노 와이어를 비스무스 이온(Bi3 +) 및 텔루륨 이온(Te2 +)을 포함하는 질산용액에 침지하였다.Nanowires made of nickel were prepared. Nanowires was immersed in a nitric acid solution containing bismuth ions (Bi 3 +) ion, and tellurium (Te 2 +).

실험예Experimental Example 1의 실험 결과 Experiment result of 1

나노 와이어 표면의 니켈 성분이 안티몬 텔룰라이드(SbTe)로 치환되었다. 따라서 표면이 안티몬 텔룰라이드(SbTe)로 덮인 나노 와이어가 제조되었다.Nickel on the surface of the nanowires was replaced with antimony telluride (SbTe). Thus, nanowires with a surface covered with antimony telluride (SbTe) were produced.

도 8은 본 발명의 실험예 1에 따라 제조한 나노 와이어 표면의 주사전자현미경(scanning electron microscope, SEM) 사진을 나타낸다.8 shows a scanning electron microscope (SEM) photograph of the surface of a nanowire prepared according to Experimental Example 1 of the present invention.

도 8에 도시한 바와 같이, 나노 와이어의 표면에 세선으로 형성된 안티몬 텔룰라이드(SbTe)를 관찰할 수 있었다. 또한, EDX(energy dispersive X-ray)를 이용하여 나노 와이어의 표면 성분을 분석한 결과, 31.91wt%의 니켈(Ni), 22.09wt%의 안티몬(Sb) 및 41.19wt%의 텔루륨(Te)이 측정되었다. 따라서 나노 와이어의 표면이 부분적으로 안티몬 텔룰라이드(SbTe)로 치환되었음을 확인할 수 있었다.As shown in FIG. 8, antimony telluride (SbTe) formed of fine wires on the surface of the nanowires was observed. In addition, the surface components of the nanowires were analyzed using energy dispersive X-ray (EDX), and 31.91 wt% nickel (Ni), 22.09 wt% antimony (Sb) and 41.19 wt% tellurium (Te) This was measured. Therefore, it was confirmed that the surface of the nanowires was partially substituted with antimony telluride (SbTe).

실험예Experimental Example 2의 실험 결과 2 experimental results

나노 와이어 표면의 니켈 성분이 비스무스 텔룰라이드(BiTe)로 치환되었다. 따라서 표면이 비스무스 텔룰라이드(BiTe)로 덮인 나노 와이어가 제조되었다.The nickel component on the surface of the nanowires was replaced with bismuth telluride (BiTe). Thus, nanowires with a surface covered with bismuth telluride (BiTe) were produced.

도 9는 본 발명의 실험예 2에 따라 제조한 나노 와이어 표면의 주사전자현미경 사진을 나타낸다.9 shows a scanning electron micrograph of the surface of a nanowire prepared according to Experimental Example 2 of the present invention.

도 9에 도시한 바와 같이, 나노 와이어의 표면에 꽃모양으로 형성된 비스무스 텔룰라이드(BiTe)를 관찰할 수 있었다. 또한, EDX(energy dispersive X-ray)를 이용하여 나노 와이어의 표면 성분을 분석한 결과, 4.23wt%의 니켈(Ni), 43.44wt%의 비스무스(Bi) 및 50.89wt%의 텔루륨(Te)이 측정되었다. 따라서 나노 와이어의 표면이 부분적으로 비스무스 텔룰라이드(BiTe)로 치환되었음을 확인할 수 있었다.As shown in FIG. 9, bismuth telluride (BiTe) formed on the surface of the nanowires was observed. In addition, the surface components of the nanowires were analyzed by using energy dispersive X-ray (EDX). As a result, 4.23 wt% nickel (Ni), 43.44 wt% bismuth (Bi), and 50.89 wt% tellurium (Te) This was measured. Therefore, it was confirmed that the surface of the nanowire was partially substituted with bismuth telluride (BiTe).

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be practical exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, Of course.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 열전 디바이스의 개략적인 도면이다.1 is a schematic diagram of a thermoelectric device according to a first embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 열전 디바이스의 개략적인 도면이다.2 is a schematic diagram of a thermoelectric device according to a second embodiment of the present invention.

도 3은 도 1의 열전 디바이스의 제조 방법의 개략적인 순서도이다.3 is a schematic flowchart of a method of manufacturing the thermoelectric device of FIG. 1.

도 4는 나노 구조체들을 제조하기 위한 나노 템플릿의 개략적인 도면이다.4 is a schematic diagram of a nano template for manufacturing nanostructures.

도 5는 나노 구조체를 형성하기 위한 전기화학장치의 개략적인 도면이다.5 is a schematic diagram of an electrochemical device for forming nanostructures.

도 6은 나노 구조체들의 도금 과정을 개략적으로 나타낸 도면이다.6 is a view schematically illustrating a plating process of nanostructures.

도 7은 나노 구조체들을 일방향으로 정렬시키는 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.7 is a schematic view illustrating a method of aligning nanostructures in one direction.

도 8은 본 발명의 실험예 1에 따라 제조한 나노 와이어 표면의 주사전자현미경 사진이다.8 is a scanning electron micrograph of the surface of a nanowire prepared according to Experimental Example 1 of the present invention.

도 9는 본 발명의 실험예 2에 따라 제조한 나노 와이어 표면의 주사전자현미경 사진이다9 is a scanning electron micrograph of the surface of the nanowire prepared according to Experimental Example 2 of the present invention.

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Claims (16)

고전기전도도의 물질을 포함하고, 일방향으로 뻗은 복수의 나노 구조체들, 및A plurality of nanostructures comprising a material of high electroconductivity, extending in one direction, and 상기 복수의 나노 구조체들 중 하나 이상의 나노 구조체와 접하는 열전 소재Thermoelectric material in contact with one or more nanostructures of the plurality of nanostructures 를 포함하는 열전 디바이스.Thermoelectric device comprising a. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 열전 소재는 상기 나노 구조체의 표면에 치환 형성된 열전 디바이스.The thermoelectric material is formed on the surface of the nano-structure substituted thermoelectric device. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 열전 소재는 기지층을 형성하고, 상기 복수의 나노 구조체들은 상기 기지층에 매립된 열전 디바이스.And the thermoelectric material forms a matrix, and the plurality of nanostructures are embedded in the matrix. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 열전 소재는 비쓰무스 텔룰라이드(BiTe), 안티몬 텔룰라이드(SbTe), 실리콘, 실리콘 게르마늄(SiGe) 및 반도체 산화물로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 소재를 포함하는 열전 디바이스.The thermoelectric material includes at least one material selected from the group consisting of bismuth telluride (BiTe), antimony telluride (SbTe), silicon, silicon germanium (SiGe) and semiconductor oxide. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 고전기전도도의 물질은 니켈(Ni), 구리(Cu), 코발트(Co), 철(Fe), 은(Ag), 금(Au), 몰리브덴(Mo), 주석(Sn) 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 원소를 포함하는 열전 디바이스.The material of the high conductivity is nickel (Ni), copper (Cu), cobalt (Co), iron (Fe), silver (Ag), gold (Au), molybdenum (Mo), tin (Sn) and alloys thereof A thermoelectric device comprising at least one element selected from the group consisting of. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 고전기전도도의 물질은 고농도 도핑 반도체 물질을 포함하고, 상기 반도체 물질은 칼코지나이드(chalcogenide)계 소재, Si, SiGe, BiTe 및 SbTe로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 물질인 열전 디바이스.The high conductivity material includes a highly doped semiconductor material, and the semiconductor material is at least one material selected from the group consisting of chalcogenide-based materials, Si, SiGe, BiTe, and SbTe. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 나노 구조체들은 나노 막대, 나노 튜브 또는 나노 와이어인 열전 디바이스.The nanostructures are nanorods, nanotubes or nanowires. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 물질의 전기전도도는 0.09×106/cm· 내지 0.6×106/cm· 인 열전 디바이스.The thermal conductivity of the material is 0.09 × 10 6 / cm · to 0.6 × 10 6 / cm ·. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 물질은 자성 소재를 더 포함하는 열전 디바이스.The material further comprises a magnetic material. 고전기전도도의 물질을 포함하고, 일방향으로 뻗은 복수의 나노 구조체들을 제공하는 단계,Providing a plurality of nanostructures comprising a material of high electroconductivity and extending in one direction, 상기 복수의 나노 구조체들 중 하나 이상의 나노 구조체에 접하는 열전 소재를 제공하는 단계,Providing a thermoelectric material in contact with one or more nanostructures of the plurality of nanostructures, 상기 복수의 나노 구조체들을 일방향으로 정렬하는 단계, 및Aligning the plurality of nanostructures in one direction, and 상기 정렬된 복수의 나노 구조체들을 소결하는 단계Sintering the aligned plurality of nanostructures 를 포함하는 열전 디바이스의 제조 방법.Method of manufacturing a thermoelectric device comprising a. 제10항에 있어서,The method of claim 10, 상기 복수의 나노 구조체들을 일방향으로 정렬하는 단계에서, 상기 복수의 나노 구조체들에 자기장을 인가하여 상기 나노 구조체들을 일방향으로 정렬시키는 열전 디바이스의 제조 방법.And in the aligning of the plurality of nanostructures in one direction, applying a magnetic field to the plurality of nanostructures to align the nanostructures in one direction. 제10항에 있어서,The method of claim 10, 상기 열전 소재를 제공하는 단계는, 상기 복수의 나노 구조체들을 도금 용액에 침지하여 상기 도금 용액에 포함된 금속 이온들과의 상호 반응에 의해 상기 복수의 나노 구조체들의 표면을 열전 소재로 치환하는 열전 디바이스의 제조 방법.The providing of the thermoelectric material may include: a thermoelectric device for submerging the plurality of nanostructures in a plating solution to replace the surfaces of the plurality of nanostructures with a thermoelectric material by mutual reaction with metal ions included in the plating solution. Method of preparation. 제12항에 있어서,The method of claim 12, 상기 금속 이온들은 텔루륨 이온(Te2 +)을 포함하는 열전 디바이스의 제조 방법.The metal ions method for manufacturing a thermoelectric device comprising a tellurium ions (Te 2 +). 제13항에 있어서,The method of claim 13, 상기 금속 이온들은 안티몬 이온(Sb3 +) 또는 비스무스 이온(Bi3 +)을 더 포함하는 열전 디바이스의 제조 방법.The metal ions method of producing a thermal transfer device further comprises an antimony ions (Sb 3 +) ions or bismuth (Bi + 3). 제10항에 있어서,The method of claim 10, 상기 복수의 나노 구조체들을 제공하는 단계에서, 상기 복수의 나노 구조체들은 도금 용액내에서 일방향으로 성장하여 제조되는 열전 디바이스의 제조 방법.In the providing of the plurality of nanostructures, the plurality of nanostructures are produced by growing in one direction in a plating solution. 제15항에 있어서,The method of claim 15, 상기 복수의 나노 구조체들은 나노 템플릿(nano template) 내에 형성된 개구부를 통하여 성장하여 제조되는 열전 디바이스의 제조 방법.The nanostructures are manufactured by growing through openings formed in a nano template.
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