KR20150128990A - 열전 장치와 그의 물품들 및 응용들 - Google Patents

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KR20150128990A
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데이비드 엘. 캐롤
로버트 서머스
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웨이크 포리스트 유니버시티
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Abstract

한 양상에서, 열전 장치 및 물품들과 열전 장치 및 물품들의 다양한 응용들이 이제 설명된다. 일부 실시예들에서, 여기서 설명된 열전 장치는 pn 접합을 제공하기 위해 적어도 하나의 n-형층에 결합된 적어도 하나의 p-형층과, p-형층 및 n-형층 사이에 적어도 부분적으로 배치된 절연층을 포함하며, p-형층은 탄소 나노입자들을 포함하고 n-형층은 n-도핑된 탄소 나노입자들을 포함한다. 일부 실시예들에서, p-형층의 나노입자들 및/또는 n-형층의 나노입자들은 전기적으로 극화된 폴리머를 포함하는 폴리머 매트릭스에 배치된다. 일부 실시예들에서, 열전 물품은 열적으로 단열인 지지부와, 열적으로 단열인 지지부의 대향단면들 상에 열전 모듈들의 표면부들을 제공하도록 열적으로 단열인 지지부의 주위로 또는 이를 통과하여 지나가는 구조로 형성된 열전 모듈들을 포함한다.

Description

열전 장치와 그의 물품들 및 응용들{THERMOELECTRIC APPARATUS AND ARTICLES AND APPLICATIONS THEREOF}
관련 출원들에 대한 교차 참조
본 출원은 35 U.S.C.§119(e)에 따라, 그들의 전체들이 본 문서에 참조로 포함되는, 2013년 3월 14일 출원된 미국 임시 특허 출원 번호 61/783,709와 2013년 4월 4일 출원된 미국 임시 특허 출원 번호 61/808,472를 우선권으로 주장한다.
본 발명은 열전 재료들에 관한 것이며, 특히, 열전 재료들을 포함하는 장치, 물품들, 및 직물들에 관한 것이다.
열 에너지는 발전에 폭넓게 사용된다. 그러나, 현재 방법들에 의해 열 에너지를 전기 에너지로 변환하는 효율성은 약 30 내지 40 퍼센트의 범위로 낮다. 결과적으로, 상당한 양의 열 에너지가 폐기물로서 환경으로 버려진다. 전력의 연간 세계적 생산 중 약 15 테라와트(terawatts)의 전력이 환경으로 버려지는 것으로 추정된다.
열전 재료들은 부가적인 전기 생성을 위해 열을 포착하도록 동작할 수 있다. 열전 효율성은 ZT라는 성능 지수(Figure of Merit)에 의해 수량화된다.
더 높은 ZT 값들을 나타내는 열전 재료들은 더 높은 열전 효율성들을 갖는다. 합리적인 ZT 값들을 갖는 열전 재료들을 제조하는 것은 대개 어렵고 및/또는 비싸다. 예를 들어, 비스무스 칼코겐화물들(bismuth chalcogenides)은 0.7 내지 1.0의 범위의 ZT 값들을 갖는 뛰어난 열전 특성들을 제공한다. 이러한 재료들은 수용가능한 전기 전도성과 약한 열 전도성을 갖는 재료가 되는 교번적인 Bi2Te3과 Bi2Se3 층들의 초격자(superlattice) 구조를 생성하도록 나노구조화될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 이러한 재료들의 제조는 시간 소비적이며 비쌀 수 있다.
또한, 제조의 필요조건들과 다른 재료 공차들의 결과들로 인해, 많은 열전 재료들이 열 수집과 전기 생성을 위한 폭넓은 다양한 디바이스들에 대한 손쉬운 혼합에 적합하지 않다.
한 양상에서, 열전 장치가 여기서 설명되며, 일부 실시예들에서, 현재의 열전 재료들의 하나 이상의 단점들을 극복하거나 경감시킬 수 있다. 일부 실시예들에서, 여기서 설명된 열전 장치는 pn 접합을 제공하기 위한 적어도 하나의 n-형층에 결합된 적어도 하나의 p-형층과, p-형층과 n-형층 사이에 적어도 부분적으로 배치된 절연층을 포함하며, p-형층은 탄소 나노입자들을 포함하고 n-형층은 n-도핑된 탄소 나노입자들을 포함한다. p-형층의 탄소 나노입자들은 p-도핑될 수 있다. p-형층의 나노입자들 및/또는 n-형층의 나노입자들은 전기적으로 극화된 폴리머를 포함하는 폴리머 매트릭스들에 배치될 수 있다. 부가적으로, 절연층은 바륨 티타네이트(barium titanate;BaTiO3) 입자들, 비스무스 텔루라이드(bismuth telluride) 입자들(BiTe), 다른 무기 입자들 또는 그의 혼합물들과 같은 압전 거동을 보이는 전기적으로 극화된 폴리머 또는 전기적으로 극화된 입자들을 포함할 수 있다.
여기서 설명된 장치의 전기적으로 극화된 폴리머 및/또는 압전 입자들은 비임의적으로 배향된 전기 쌍극자들 및/또는 전기 쌍극자 도메인들을 포함할 수 있다. 또한, 전기적으로 극화된 폴리머 및/또는 입자들은 또한 열전 장치의 전류 흐름의 축에 평행하게 또는 실질적으로 평행하게 배향된 전기 쌍극장(electric dipole field)을 보일 수 있을 뿐만 아니라 압전/초전(pyroelectric) 거동을 보일 수 있다. 여기서 설명된 전기적으로 극화된 조성물들의 압전 및/또는 초전 특성들은 이러한 조성물들을 포함하는 열전 장치가 기계적 변형들로 인한 전기 출력 뿐만 아니라 열적 기울기들(thermal gradients)에 대한 노출로부터 초래되는 전기 출력도 제공하도록 할 수 있다.
일부 실시예들에서, 여기서 설명된 열전 장치는 복수의 pn 접합들을 제공하는 복수의 n-형층들에 결합된 복수의 p-형층들과, p-형층들과 n-형층들 사이에 적어도 부분적으로 배치된 절연층들을 포함하며, 적어도 하나의 p-형층은 탄소 나노입자들을 포함하고 적어도 하나의 n-형층은 n-도핑된 탄소 나노입자들을 포함한다. 열전 장치의 p-형층들, n-형층들 및/또는 절연층들은 전기적으로 극화된 폴리머를 포함할 수 있다. 또한, p-형층들 및 n-형층들은 그 사이에 절연층들을 갖는 적층 구조로 배열될 수 있다.
여기서 또한 설명되는 바와 같이, pn 접합들은 p-형층들과 n-형층들의 계면들에 형성될 수 있다. 일부 실시예들에서, n-형층과 접촉하는 p-형층에 의해 형성된 pn 접합에 계면 전이 영역이 존재한다. 계면 전이 영역은 n-형층의 나노입자들과 혼합되는 p-형층의 나노입자들을 포함한다. p-형 및 n-형층들의 나노입자들의 혼합은 이종의 구조의 pn 접합을 제공할 수 있다. 대안적으로, pn 접합의 p-형층과 n-형층 사이에 금속성 중간층이 배치될 수 있다. 또한, 여기서 설명된 장치의 pn 접합들은 여기서 설명된 극화된 폴리머 매트릭스들의 압전 및/또는 초전 거동과 연관된 전압 출력에 대한 정류기들로 동작할 수 있다.
여기서 설명된 열전 장치의 일부 실시예들에서, p-도핑된 및 n-도핑된 탄소 나노튜브들을 포함하는 탄소 나노입자들은 하나 이상의 무기 반도체 나노입자들로 대체될 수 있다. 일부 실시예들에서, 무기 반도체 나노입자들을 IV족 재료들, II/VI족 재료들 또는 III/V족 재료들 또는 그의 화합물들을 포함한다. 일부 실시예들에서, 무기 반도체 나노입자들은 양자점들 및/또는 나노와이어들을 포함한다. 일부 실시예들에서, 무기 반도체 나노입자들은 여기서 설명된 임의의 탄소 나노입자들과 동일한 크기들을 갖는다.
다른 양상에서, 광발전 부품과 열전 부품을 포함하는 광열 장치가 여기서 설명되며, 열전 부품은 pn 접합을 제공하도록 적어도 하나의 n-형층에 결합된 적어도 하나의 p-형층과, p-형층과 n-형층 사이에 적어도 부분적으로 배치된 절연층을 포함하고, p-형층은 탄소 나노입자들을 포함하며 n-형층은 n-도핑된 탄소 나노입자들을 포함한다. 일부 실시예들에서, p-형층의 나노입자들 및/또는 n-형층의 나노입자들은 전기적으로 극화된 폴리머를 포함하는 폴리머 매트릭스에 배치된다. 부가적으로, 절연층은 압전 거동을 보이는 전기적으로 극화된 폴리머 또는 전기적으로 극화된 입자들을 포함할 수 있다.
또한, 일부 실시예들에서, 열전 부품은 복수의 pn 접합들을 제공하는 복수의 n-형층들에 결합된 복수의 p-형층들과, p-형층들과 n-형층들 사이에 적어도 부분적으로 배치된 절연층들을 포함한다. 여기서 설명된 바와 같이, pn 접합은 n-형층의 나노입자들과 혼합된 p-형층의 나노입자들에 의해 형성된 이종의 계면 전이 영역을 포함할 수 있다. 부가적으로, 금속성 중간층이 pn 접합의 p-형 및 n-형층들 사이에 배치될 수 있다.
광열 장치는 또한 광발전 부품과 열전 부품 사이에 위치된 스토크스 이동층(Stokes shift layer)을 포함할 수 있다. 스토크스 이동층은 열전 부품의 인접한 쪽으로의 전송을 위한 열 에너지를 생성하도록 동작가능한 하나 이상의 스토크스 이동 화학종을 포함한다. 일부 실시예들에서, 스토크스 이동 화학종은 광발전 부품을 통과해 지나간 전자기 복사를 흡수한다.
또한, 일부 실시예들에서, 하나 이상의 스토크스 이동 화학종에 의해 방출된 복사는 광발전 부품에 의해 흡수된다.
다른 양상에서, 열전 장치를 만드는 방법들이 여기서 설명된다. 일부 실시예들에서, 열전 장치를 만드는 방법은 제 1 폴리머 매트릭스에 배치된 탄소 나노입자들을 포함하는 적어도 하나의 p-형층을 제공하는 단계와, 제 2 폴리머 매트릭스에 배치된 n-도핑된 탄소 나노입자들을 포함하는 적어도 하나의 n-형층을 제공하는 단계와, p-형층과 n-형층 사이에 절연층을 위치시키는 단계와, pn 접합을 제공하도록 p-형층과 n-형층을 결합시키는 단계를 포함한다. 제 1 폴리머 매트릭스 및/또는 제 2 폴리머 매트릭스는 제 1 및/또는 제 2 폴리머 매트릭스들에 쌍극자 도메인들의 적어도 부분적인 배열을 제공하도록 전기적으로 극화될 수 있다. 또한, 절연층은 절연층에 쌍극자 도메인들의 적어도 부분적인 배열을 제공하도록 전기적으로 극화될 수 있다. 절연층의 쌍극자 도메인들은 압전 거동을 보이는, BaTiO3 입자들과 같은, 폴리머 재료 및/또는 이산 입자들의 결정질 또는 반정질 도메인들을 포함할 수 있다. 극화는 p-형층 및/또는 n-형층의 길이를 따라 하나 이상의 서로 맞물린(interdigitated) 어레이들을 압입(press fitting)하고, 극화 전압을 어레이들로 인가하는 것을 포함한다. pn 접합을 제공하도록 p-형층과 n-형층을 결합시키는 단계는 p-형 및 n-형층들의 계면에 이종의 계면 전이 영역을 형성할 수 있다. 대안적으로, 접합 위치의 p-형 및 n-형층들 사이에 금속성 중간층이 위치될 수 있다.
여기서 설명된 방법들의 일부 실시예들에서, 복수의 p-형층들 및 n-형층들이 제공되고 서로 결합되어 복수의 pn 접합들을 형성을 초래한다. 일부 실시예들에서, 절연층들이 p-형층들과 n-형층들 사이에 위치되며, p-형층들 및 n-형층들은 적층 구조로 있다. 적층된 p-형층들, n-형층들 및/또는 절연층의 폴리머는 전기적으로 극화된 폴리머 또는 전기적으로 극화된 압전 입자들을 포함할 수 있다.
다른 양상에서, 광열 장치를 만드는 방법들이 여기서 설명된다. 일부 실시예들에서, 광열 장치를 만드는 방법은 광발전 부품을 제공하는 단계와, 열전 부품을 제공하는 단계 및 광발전 부품과 열전 부품을 결합시키는 단계를 포함하며, 열전 부품은 pn 접합을 제공하기 위해 적어도 하나의 n-형층에 결합된 적어도 하나의 p-형층과, p-형층과 n-형층 사이에 적어도 부분적으로 배치된 절연층을 포함하고, p-형층은 탄소 나노입자들을 포함하고 n-형층은 n-도핑된 탄소 나노입자들을 포함한다. 일부 실시예들에서, 열전 부품은 여기서 설명된 복수의 pn 접합들을 제공하도록 복수의 n-형층들에 결합된 복수의 p-형층들을 포함한다.
일부 실시예들에서, 광열 장치를 만드는 방법은 또한 광발전 부품과 열전 부품 사이에 스토크스 이동층을 배치하는 단계를 포함한다.
다른 양상에서, 전자기 에너지를 전기 에너지로 변환하는 방법이 여기서 설명된다. 일부 실시예들에서, 전자기 에너지를 전기 에너지로 변환하는 방법은, 광발전 부품과, 광발전 부품에 결합된 열전 부품을 포함하는 장치를 제공하는 단계를 포함하며, 열전 부품은 pn 접합을 제공하기 위해 적어도 하나의 n-형층에 결합된 적어도 하나의 p-형층과, p-형층과 n-형층 사이에 적어도 부분적으로 배치된 절연층을 포함하고, p-형층은 탄소 나노입자들을 포함하며 n-형층은 n-도핑된 탄소 나노입자들을 포함한다. 전자기 복사로 광발전 부품에 의해 흡수되어 광전류를 제공하고 열전 부품의 한쪽을 가열하여 열전 부품을 가로지르는 전압을 유도한다. 또한, 일부 실시예들에서, 열전 부품의 적어도 하나의 p-형층의 나노입자들 및/또는 적어도 하나의 n-형층의 나노입자들이 전기적으로 극화된 폴리머 매트릭스에 배치된다. 부가적으로, 열전 부품의 절연층(들)은 전기적으로 극화된 폴리머 및/또는 전기적으로 극화된 압전 입자들을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 열전 부품의 한쪽을 가열하는 것은 광발전 부품에서 생성된 열을 열전 부품의 한쪽으로 전송하는 것을 포함한다. 부가적으로, 일부 실시예들에서, 열전 부품의 한쪽을 가열하는 것은, 광발전 부품과 열전 부품 사이에 스토크스 이동층을 제공하는 것과, 열과 전자기 복사를 생성하도록 스토크스 이동층으로 전자기 복사를 흡수시키는 것과, 생성된 열을 열전 부품의 한쪽으로 전송하는 것을 포함한다. 일부 실시예들에서, 스토크스 이동층에 의해 생성된 전자기 복사는 광전류의 생성을 위해 광발전 부품으로 전송된다.
또 다른 양상에서, 열전 물품들이 여기서 설명되며, 일부 실시예들에서, 현재의 열전 물품들의 하나 이상의 단점들을 극복하거나 경감시킬 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 물품들이 비평면 표면 또는 복합 기하구조의 표면 상에 배치될 때를 포함하여 여기서 설명된 물품들은, 열 에너지를 전기 에너지로 효율적으로 변화하도록 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 여기서 설명된 열전 물품은 클로딩(clothing)의 물품으로 사용될 수 있거나 이에 포함될 수 있다. 여기서 설명된 물품은 또한 이동 전화 또는 타블렛 디바이스와 같은 전자 디바이스를 위한 외피(covering)로 사용될 수 있다. 또한, 일부 실시예들에서, 여기서 설명된 물품은, 사람인 사용자의 피부 또는 전자 디바이스의 표면 상에 등각인(conformal) 또는 실질적으로 등각인 방식으로 배치되거나 또는 이와 접촉될 수 있어 열전 물품이 사람의 몸이나 전자 디바이스에 의해 생성된 초과열로부터 전기 에너지를 생성할 수 있게한다.
일부 실시예들에서, 여기서 설명된 물품은 열적으로 단열인 지지부와, 열적으로 단열인 지지부의 대향면들 상에 열전 모듈들의 표면부들을 제공하도록 열적으로 단열인 지지부의 주위로 또는 이를 통과하여 지나가는 구조로 형성된 열전 모듈들을 포함한다. 일부 실시예들에서, 열전 모듈들의 구조는 연속적이다. 연속적인 구조는 전기적으로 전도성일 수 있다. 또한, 연속적인 구조는 pn 접합들을 형성하는 n-형층들에 결합된 p-형층들을 포함할 수 있으며, 절연층들이 p-형층들과 n-형층들 사이에 부분적으로 배치된다. 또한, 일부 실시예들에서, 열전 모듈들의 표면부들의 p-형층들과 n-형층들은 열적으로 단열인 지지부의 대향면들에 실질적으로 평행하다. 부가적으로, 단열 지지부의 주위로 또는 이를 통과하여 지나가는 열전 모듈들의 연속적인 구조의 세그먼트는 열전 모듈들의 표면부들의 적어도 하나에 실질적으로 수직할 수 있다.
여기서 설명된 열전 모듈 구조의 p-형층들은 탄소 나노입자들을 포함할 수 있으며 구조의 n-형층들은 n-도핑된 탄소 나노입자들을 포함한다. 또한, p-형층의 탄소 나노입자들은 p-도핑될 수 있다. p-형층의 나노입자들 및/또는 n-형층의 나노입자들은 또한 전기적으로 극화된 폴리머의 폴리머 매트릭스들에 배치될 수 있다. 부가적으로, 여기서 설명된 열전 모듈 구조의 절연층은 바륨 티타네이트(BaTiO3) 입자들, 비스무스 텔루라이드 입자들(BiTe), 다른 무기 입자들 또는 그의 혼합물들과 같은, 압전 거동을 보이는 전기적으로 극화된 폴리머 또는 전기적으로 극화된 입자들을 포함할 수 있다.
여기서 설명된 구조들의 전기적으로 극화된 폴리머 및/또는 압전 입자들은 비임의적으로 배향된 전기 쌍극자들 및/또는 전기 쌍극자 도메인들을 포함할 수 있다. 전기적으로 극화된 폴리머 및/또는 입자들은 또한 열전 모듈의 전류 흐름의 축에 평행하게 또는 실질적으로 평행하게 배향된 전기 쌍극장을 보일 수 있을 뿐만 아니라 압전/초전 거동을 보일 수 있다. 여기서 설명된 전기적으로 극화된 조성물들의 압전 및/또는 초전 특성들은 이러한 조성물들을 포함하는 물품들이 열적 기울기들에 노출됨으로 인한 전기 출력에 부가하여 기계적 변형들로 인한 전기 출력도 제공하도록 할 수 있다.
또 다른 양상에서, 열전 직물들이 여기에 설명된다. 일부 실시예승레서, 여기에 설명된 직물은 상술된 열전 물품을 포함하고, 물품의 열적으로 단열인 지지부는 직물의 하나 이상의 섬유들을 포함한다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 여기에 설명된 직물은 하나 이상의 열적으로 단열인 직물들 및 열적으로 단열인 섬유들의 대항면들 상에 열전 모듈들의 표면부들을 제공하도록 열적으로 단열인 섬유들의 주위로 또는 이를 통과하는 구조로 형성된 열전 모듈들을 포함한다.
또 다른 양상에서, 물품을 만드는 방법들이 여기서 설명된다. 일부 실시예들에서, 물품을 만드는 방법은 열적으로 단열인 지지부를 제공하는 단계와, 열적으로 단열인 지지부의 대향면들 상에 열전 모듈들의 표면부들을 제공하도록 열적으로 단열인 지지부의 주위로 또는 이를 통과하여 열전 모듈들의 구조가 지나가게 하는 단계를 포함한다. 일부 실시예들에서, 열전 모듈들의 구조는 연속적이다. 또한, 연속적인 열전 모듈 구조는 pn 접합들을 형성하는 n-형층들에 결합된 p-형층들을 포함하며, 절연층들이 p-형층들과 n-형층들 사이에 부분적으로 배치된다. 부가적으로, 열전 모듈들의 표면부들의 p-형층들과 n-형층들은 열적으로 단열인 지지부의 대향면들에 실질적으로 평행할 수 있다. 또한, 열적으로 단열인 지지부는 직물의 하나 이상의 섬유들일 수 있다.
또한, 열적으로 단열인 지지부의 주위로 또는 이를 통과하여 열전 모듈들의 구조를 지나가게 하는 단계는 열전 모듈들의 표면부들의 적어도 하나에 실질적으로 수직인 열전 구조의 세그먼트를 제공하는 단계를 또한 포함할 수 있다. 부가적으로, 일부 실시예들에서, 물품의 열전 모듈들은 평행하게 연결될 수 있다.
다른 양상에서, 전기 에너지를 생성하는 방법들이 여기서 설명된다. 일부 실시예들에서, 열 에너지를 전기 에너지로 변환하는 방법은, 열적으로 단열인 지지부와, 열적으로 단열인 지지부의 대향면들 상에 열전 모듈들의 표면부들을 제공하도록 열적으로 단열인 지지부의 주위로 또는 이를 통과하여 지나가는 구조로 형성된 열전 모듈들을 포함하는 물품을 제공하는 단계를 포함한다. 열 에너지는 열전 모듈들에 의해 흡수되어 열전 모듈들 양단의 전압을 유도한다. 대안적으로, 일부 실시예들에서, 물품의 열전 모듈들은 물품 상의 기계적 변동들 또는 응력들에 응답하여 전기 에너지의 생성을 허용하는 압전/초전 특성들을 보인다.
이들 및 다른 실시예들이 다음의 상세한 설명에서 더욱 상세하게 설명된다.
현재의 열전 재료들의 하나 이상의 단점들을 극복하거나 경감시킬 수 있으며, 사람의 몸이나 전자 디바이스에 의해 생성된 초과열로부터 전기 에너지를 생성할 수 있도록 한다.
도 1은 여기서 설명된 한 실시예에 따른 열전 장치 또는 열전 모듈의 측면 확대도를 도면.
도 2는 여기서 설명된 한 실시예에 따른 열전 장치 또는 열전 모듈의 사시도를 도시한 도면.
도 3은 여기서 설명된 일부 실시예들에 따른 폴리머 매트릭스의 다양한 탄소 나노튜브 부하들에 대한 제벡 계수 값들을 도시한 도면.
도 4는 여기서 설명된 한 실시예에 따른 광열 장치를 도시한 도면.
도 5는 여기서 설명된 한 실시예에 따른 열전 장치의 측면 확대도를 도시한 도면.
도 6은 여기서 설명된 한 실시예에 따른 열전 장치 또는 열전 모듈의 pn 접합의 이종의 계면 전이 영역을 도시한 도면.
도 7은 여기서 설명된 열전 장치 또는 열전 모듈의 극화 폴리머 복합 필름들의 전압 출력들과 복합 필름들에 의해 형성된 pn 접합들에 의한 이러한 출력들의 정류를 도시한 도면.
도 8은 여기서 설명된 한 실시예에 따른 열전 물품의 평면도를 도시한 도면.
도 9는 선 9--9를 따라 잘려진 도 8의 물품의 단면도를 도시한 도면.
도 10은 여기서 설명된 한 실시예에 따른 물품의 사시도를 도시한 도면.
여기서 설명된 실시예들은 다음의 상세한 설명, 예들과 도면들을 참조하여 더욱 쉽게 이해될 수 있다. 그러나 여기서 설명된 소자들, 장치들, 그리고 방법들은 상세한 설명, 예들과 도면들에 제시된 특정 실시예들로 제한되지 않는다. 이러한 실시예들은 단지 본 발명의 원리들을 예시하는 것으로 인식되어야 한다. 본 발명의 정신과 범주로부터 벗어남이 없는 다양한 변경들과 적응들이 당업자들에게 쉽게 명백해질 것이다.
또한, 여기서 개시된 모든 범위들은 이에 포함된 임의의 및 모든 하위범위들을 포함하는 것으로 이해된다. 예를 들어, "1.0 내지 10.0"으로 기재된 범위는 1.0 또는 그 이상의 최소값으로 시작하고 10.0 또는 그 이하의 최대값으로 끝나는 임의의 및 모든 하위범위들, 예를 들면, 1.0 내지 5.3, 또는 4.7 내지 10.0, 또는 3.6 내지 7.9를 포함하는 것으로 인식되어야 한다.
여기서 개시된 모든 범위들은 또한 명백하게 다르게 기재되어있지 않는 한, 범위의 종료점들을 포함하는 것으로 인식된다. 예를 들어, "5와 10 사이"의 범위는 5와 10의 종료점들을 포함하는 것으로 일반적으로 인식되어야 한다.
또한, "까지(up to)"라는 구절이 양과 함께 사용될 때, 이는 양이 적어도 검출가능한 양임이 이해되어야 한다. 예를 들어, 특정량"까지"의 양으로 존재하는 물질이란 검출가능한 양부터 특정량을 포함하여 그 양까지 존재할 수 있다.
I. 열전 장치
한 양상으로, 열전 장치가 여기서 설명된다. 여기서 설명된 열전 장치는 pn 접합을 제공하기 위해 적어도 하나의 n-형층에 결합된 적어도 하나의 p-형층과, p-형층과 n-형층 사이에 적어도 부분적으로 배치된 절연층을 포함하며, p-형층은 탄소 나노입자들을 포함하고 n-형층은 n-도핑된(n-doped) 탄소 나노입자들을 포함한다. 일부 실시예들에서, p-형층의 탄소 나노입자들은 p-도핑된다(p-doped). p-형층의 나노입자들 및/또는 n-형층의 나노입자들은 전기적으로 극화된(poled) 폴리머를 포함하는 폴리머 매트릭스들에 배치될 수 있다. 부가적으로, 절연층은 압전 거동(piezoelectric behavior)을 보이는 전기적으로 극화된 폴리머들 또는 전기적으로 극화된 입자들을 포함할 수 있다. 여기서 설명된 장치의 전기적으로 극화된 폴리머 및/또는 압전 입자들은 비임의적으로 배향된(non-randomly oriented) 전기 쌍극자들 및/또는 전기 쌍극자 도메인들을 포함할 수 있다. 또한, 전기적으로 극화된 폴리머 및/또는 입자들은 열전 장치의 전류 흐름의 축에 평행하게 또는 실질적으로 평행하게 배향된 전기 쌍극장(electric dipole field)을 또한 보일 수 있을 뿐만 아니라 압전/초전(pyroelectric) 거동을 보일 수 있다. 여기서 설명된 전기적으로 극화된 조성물들의 압전 및/또는 초전 특성들은 이러한 조성물들을 포함하는 열전 장치가 기계적 변형들로 인한 전기 출력 뿐만 아니라 열적 기울기들(thermal gradients)에 노출됨으로 인한 전기 출력도 제공하도록 할 수 있다.
또한, 일부 실시예들에서, 여기의 열전 장치의 p-형층들, n-형층들 또는 절연층들은 초전기장(pyroelectric field)을 보인다. 초전기장은 본 발명의 목적들과 충돌하지 않는 임의의 방향을 가질 수 있다. 예를 들어, 초전기장은 장치의 전류 흐름의 축에 평행하게 또는 실질적으로 평행하게 배향될 수 있다.
일부 실시예들에서, 여기서 설명된 열전 장치는 복수의 pn 접합들을 제공하는 복수의 n-형층들에 결합된 복수의 p-형층들과, p-형층들과 n-형층들 사이에 적어도 부분적으로 배치된 절연층들을 포함하는데, 적어도 하나의 p-형층은 탄소 나노입자들을 포함하며 적어도 하나의 n-형층은 n-도핑된 탄소 나노입자들을 포함한다. 또한, p-형층들, n-형층들 또는 절연층들은 전기적으로 극화된 폴리머를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 여기서 설명된 열전 장치의 p-형층들과 n-형층들은 적층 구조로 되어 있다.
여기서 설명된 바와 같이, p-형층과 n-형층을 접촉시키는 것은 pn-접합을 생성한다. 일부 실시예들에서, n-형층과 접촉한 p-형층에 의해 형성된 pn-접합에 계면 전이 영역(interfacial transition region)이 존재한다. 계면 전이 영역은 p-형층과 n-형층의 혼합된 나노입자들을 포함한다. p-형과 n-형층들의 나노입자들의 혼합은 이종의(heterogeneous) 구조의 pn 접합을 제공할 수 있다. 도 6은 여기서 설명된 한 실시예에 따른 열전 장치의 pn 접합의 이종의 계면 전이 영역을 도시한다.
부가적으로, 금속성 중간층이 pn 접합의 p-형층과 n-형층 사이에 배치될 수 있다. 금속성 중간층은 본 발명의 목적들과 충돌하지 않는 임의의 금속으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 금속성 중간층은 금, 백금, 이리듐, 팔라듐, 오스뮴, 은, 로듐 또는 루테늄을 포함하는 귀금속이나 그의 합금들로 형성될 수 있다. 금속성 중간층은 또한 알루미늄, 니켈, 구리, 다른 전이 금속들 또는 전이 금속 합금들로 형성될 수 있다. 또한, 금속성 중간층은 흑연(graphite)이나 그래핀(graphene)과 같은 금속성 특성들을 나타내는 유기 재료로 형성될 수 있다.
금속성 중간층은 피닝층(pinning layer)으로 동작할 수 있다. 일부 실시예들에서, 피닝층은 인접한 n-형층과 p-형층의 페르미 레벨들(Fermi levels)을 피닝한다. 또한, 여기서 설명된 피닝층은 n-형층 또는 p-형층에 에너지적으로(energetically) 매칭될 수 있다.
일부 실시예들에서, 여기서 설명된 열전 장치의 pn 접합들은 장치의 극화된 폴리머 구조들의 압전 및/또는 초전 거동과 연관된 전압 출력(들)에 대한 정류기들로 동작할 수 있다. 도 7은 여기서 설명된 열전 장치에 사용된 극화된 압전 필름들의 정류를 도시한다. 탄소 나노튜브들을 포함하는 전기적으로 극화된 PVDF 필름들이 (엔젤 해일 열전대(angel hail thermocouple) 및 얇은 전력 리드(power lead)에 연결된) 필름의 자유롭게 매달린 단부에 부착된 콜드 블록(cold block)을 갖는 10-6 torr의 진공 시스템에 제공되어 유지되었다. 히터 블록(heater block)은 필름들을 지지하였으며, 열전대와 함께 컴퓨터에 의해 외부적으로 제어된 히팅 코일들을 포함하였다. 필름들은 그들이 릴리즈되는 미리 정해진 시작 위치로부터 진자와 같이 자유롭게 스윙하는 것이 허용되었다. 스윙의 감소는 기계적 특성들과, 압전 전력과 함께 열전 전력을 결정하는데 사용되었다. 도 7은 테스트의 결과들을 도시한다. 도 7의 상부 그래프는 앞뒤로 스윙하는 단일의 극화된 PVDF 필름의 전압 출력을 도시한다. 전압 출력의 대칭적 성질이 예상된다. 그러나, 도 7의 하부 그래프는 pn 접합을 형성하도록 극화된 p-형 및 n-형 PVDF 필름들을 접촉시킨 것의 전압 출력을 도시한다. 필름들의 쌍의 비대칭 전압 출력이 pn 접합에 의한 정류의 특징이다. 이러한 정류는, 장치의 다양한 기계적 왜곡들로부터 얻어진, 그렇지 않았다면 기계적 왜곡들의 방향성 애플리케이션(directional application)에서 임의성에 의해 상쇄될, 여기서 설명된 열전 장치로부터, 전력을 추출하는데 이용될 수 있다.
도 1은 여기서 설명된 한 실시예에 따른 열전 장치의 확대된 측면도를 도시한다. 도 1에 도시된 열전 장치는 교번적 방식으로 n-형층(2)에 결합된 두개의 p-형층들(1)을 포함한다. p-형(1)과 n-형(2)층들의 교번적 결합은 장치의 대향면들 상에 pn 접합들(4)을 갖는 z-형 구성의 열전 장치를 제공한다. 절연층들(3)이 p-형층들(1)과 n-형층(2)의 계면들 사이에 배치되며 p-형(1)과 n-형(2)층들은 적층 구조로 되어 있다. 여기서 설명된 바와 같이, 도 1에 제공된 열전 장치는 장치의 다양한 부품들의 묘사와 이해를 용이하게 하기 위해 확대된 상태에 있다. 그러나 일부 실시예들에서, 열전 장치는 확대된 상태에 있지 않으며 절연층들(3)이 p-형층(1) 및 n-형층(2)과 접촉한다.
도 1은 장치의 한쪽을 열원에 노출시키는 것에 의해 유도된, 열전 장치를 통한 전류 흐름을 부가적으로 도시한다. 열적으로 생성된 전류의 외부 부하로의 응용을 위해 전기 접촉들(X)이 열전 장치에 제공된다.
도 2는 여기서 설명된 한 실시예에 따른 열전 장치(200)를 도시하는데 p-형층들(201)과 n-형층들(202)이 적층 구조로 되어 있다. p-형층들(201)과 n-형층들(202)은 적층 구조에서 절연층들(207)에 의해 분리된다. 열전 장치(200)는 전기 접촉들(204, 205)에 의해 외부 부하에 연결된다.
이제 여기서 설명된 열전 장치의 다양한 실시예들에 포함될 수 있는 부품들로 가보면, 여기서 설명된 열전 장치는 탄소 나노입자들을 포함하는 적어도 하나의 p-형층을 포함한다.
일부 실시예들에서, p-형층의 탄소 나노입자들은 플러렌(fullerenes), 탄소 나노튜브들, 또는 그의 혼합물들을 포함한다. 일부 실시예들에서, 플러렌은 1-(3-메톡시카르보닐)프로필-1-페닐(6,6)C61(1-(3-methoxycarbonyl)propyl-1-phenyl(6,6)C61;PCBM)을 포함한다. 일부 실시예들에서, 탄소 나노튜브들은 단일벽 탄소 나노튜브들(SWNT), 다중벽 탄소 나노튜브들(MWNT) 뿐만 아니라 p-도핑된 단일벽 탄소 나노튜브들, p-도핑된 다중벽 탄소 나노튜브들 또는 그의 혼합물들을 포함한다.
일부 실시예들에서, p-도핑된 단일벽 탄소 나노튜브들 및/또는 p-도핑된 다중벽 탄소 나노튜브들은 약 0.1 중량 퍼센트 내지 약 30 중량 퍼센트의 범위에 있는 양의 보론(boron)을 포함한다. 일부 실시예들에서, p-도핑된 단일벽 탄소 나노튜브들 및/또는 p-도핑된 다중벽 탄소 나노튜브들은 약 5 중량 퍼센트 내지 약 25 중량 퍼센트 또는 약 10 중량 퍼센트 내지 약 20 중량 퍼센트의 범위에 있는 양의 보론을 포함한다. 일부 실시예들에서, p-도핑된 단일벽 탄소 나노튜브들 및/또는 p-도핑된 다중벽 탄소 나노튜브들은 약 0.1 중량 퍼센트보다 적은 양의 보론을 포함한다. 일부 실시예들에서, p-도핑된 단일벽 탄소 나노튜브들 및/또는 p-도핑된 다중벽 탄소 나노튜브들은 산소를 포함한다.
일부 실시예들에서, p-형 도펀트가 단일벽 및/또는 다중벽 탄소 나노튜브들의 격자에 포함된다. 일부 실시예들에서, 단일벽 및/또는 다중벽 탄소 나노튜브들을 둘러싸는 환경에 의해 p-형 도펀트가 외부로부터 탄소 나노튜브들에 제공된다. 여기서 또한 설명된 바와 같이, 일부 실시예들에서, p-형층의 탄소 나노튜브들이 폴리머 매트릭스에 배치된다. 일부 실시예들에서, 폴리머 매트릭스가 탄소 나노튜브들의 표면들로 p-도펀트를 제공할 수 있다. 일부 실시예들에서, 폴리머 매트릭스가 p-도펀트를 탄소 나노튜브들의 표면들로 제공하면, 폴리머 매트릭스로의 통합 전에 탄소 나노튜브들은 p-도핑되지 않는다. 대안적으로, 폴리머 매트릭스가 탄소 나노튜브들의 표면들로 p-도펀트를 제공하는 일부 실시예들에서, 탄소 나노튜브들은 폴리머 매트릭스로의 통합 전에 p-도펀트를 포함한다. 또한, 일부 실시예들에서, 알칼리 금속들과 같은 폴리머 매트릭스에 또한 배치된 화학종은 탄소 나노튜브들에 대한 p-도펀트로 동작할 수 있다.
일부 실시예들에서, p-형층의 탄소 나노입자들은 높은 종횡비(aspect ratio)를 갖는다. 여기서 사용되는 바와 같은 종횡비라는 용어는 탄소 나노입자의 지름 또는 너비로 나누어진 탄소 나노입자의 길이를 나타낸다. 일부 실시예들에서, p-형층의 탄소 나노입자들은 약 1 내지 약 106의 범위의 종횡비를 나타낸다. 일부 실시예들에서, 탄소 나노입자들은 약 10 내지 약 100,000의 범위의 종횡비를 나타낸다. 일부 실시예들에서, 탄소 나노입자들은 약 10 내지 약 10,000 또는 약 5 내지 약 1000의 범위의 종횡비를 갖는다.
탄소 나노튜브들을 포함하여 p-형층의 탄소 나노입자들은, 일부 실시예들에서, 약 1 nm 내지 약 5mm 또는 약 10nm 내지 약 1mm의 범위의 길이를 갖는다. 일부 실시예들에서, 탄소 나노입자들은 약 50nm 내지 약 500㎛, 약 100nm 내지 약 100㎛, 또는 약 500nm 내지 약 10㎛의 범위의 길이를 갖는다. 일부 실시예들에서, 탄소 나노입자들은 약 200㎛ 내지 약 500㎛의 범위의 길이를 갖는다.
일부 실시예들에서, p-형층의 탄소 나노입자들은 약 1nm 내지 약 100nm의 범위의 지름을 갖는다. 일부 실시예들에서, 탄소 나노입자들은 약 10nm 내지 약 80nm 또는 약 20nm 내지 약 60nm의 범위의 지름을 갖는다. 일부 실시예들에서, 탄소 나노입자들은 약 100nm보다 크거나 또는 약 1nm보다 작은 지름을 갖는다.
일부 실시예들에서, 탄소 나노튜브들을 포함하는 p-형층의 탄소 나노입자들이 매트(mat) 구조로 제공된다.
일부 실시예들에서, p-형층은 여기서 설명된 탄소 나노입자들의 하나 또는 그이상의 종들을 약 0.1 중량 퍼센트 내지 약 100 중량 퍼센트의 범위에 있는 양으로 포함한다. 일부 실시예들에서, p-형층은 적어도 약 2 중량 퍼센트의 양의 탄소 나노입자들을 포함한다. 일부 실시예들에서, p-형층은 적어도 약 5 중량 퍼센트 또는 적어도 약 10 중량 퍼센트의 양의 탄소 나노입자들을 포함한다. 일부 실시예들에서, p-형층은 약 2 중량 퍼센트 내지 약 50 중량 퍼센트의 범위에 있는 양의 탄소 나노입자들을 포함한다. 일부 실시예들에서, p-형층은 약 5 중량 퍼센트 내지 약 30 중량 퍼센트의 범위에 있는 양의 탄소 나노입자들을 포함한다.
일부 실시예들에서, 여기서 설명된 p-형층들의 탄소 나노입자 부하들은 층의 바람직한 제벡 계수(Seebeck coefficient)를 참조하여 선택될 수 있다. 도 3은 여기서 설명된 일부 실시예들에 따른 p-형층들의 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride;PVDF) 매트릭스의 SWNT 부하의 함수로서 제벡 계수를 도시한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 5 중량 퍼센트 내지 100 중량 퍼센트의 범위의 SWNT 부하들은 p-형층들에 대한 제벡 계수들의 범위를 제공한다.
PVDF가 도 3에서 참조되고 있으나, p-형층들의 매트릭스들은 다른 폴리머 종들로 형성될 수 있다. 본 발명의 목적들과 충돌하지 않는 임의의 폴리머 재료가 p-형층에 대한 폴리머 매트릭스의 제작에 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 폴리머 매트릭스는 폴리비닐 플루오라이드(polyvinyl fluoride;PVF), 폴리비닐리덴 플루오라이드-트리플루오로에틸렌(polyvinylidene fluoride-trifluoroethylene;PVDF-TrFE), 폴리비닐리덴 플루오라이드-테트라플루오로에틸렌(polyvinylidene fluoride-tetrafluoroethylene;PVDF-TFE), 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene;PTFE), 또는 그의 혼합물들이나 코폴리머들을 포함하지만 이에 제한되지는 않는 반정질 폴리머(semicrystalline polymer)를 포함한다. 열전 장치의 p-형층들에서 사용된 PVDF, PVDF-TFE 및/또는 PVDF-TrFE의 반정질 폴리머들은 β-위상의 증가된 양들을 보여줄 수 있다. 예를 들어, p-형층의 PVDF, PVDF-TFE 및/또는 PVDF-TrFE는 1.5 내지 2.5의 β/α의 위상비를 보여줄 수 있다. 일부 실시예들에서, β/α 위상비는 2 내지 2.5이다. 여기서 논의된 바와 같이, 극화 기술들에 의해 β-위상의 결정체(crystallites)가 비임의 방향(non-random orientation)으로 제공될 수 있으며, 따라서 폴리머 매트릭스의 압전 및 초전 특성들을 강화시킨다.
일부 실시예들에서, p-형층의 폴리머 매트릭스는 폴리아크릴산(polyacrylic acid;PAA), 폴리메타크릴레이트(polymethacrylate;PMA), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate;PMMA) 또는 그의 혼합물들이나 코폴리머들을 포함한다. 일부 실시예들에서, 폴리머 매트릭스는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌, 또는 그의 혼합물들이나 코폴리머들을 포함하지만 이에 제한되지는 않는 폴리올레핀(polyolefin)을 포함한다.
일부 실시예들에서, p-형층의 폴리머 매트릭스는 하나 이상의 공액 폴리머들(conjugated polymers)을 포함한다. 일부 실시예들에서, 공액 폴리머들은 폴리(3-헥실티오펜)(poly(3-hexylthiophene);P3HT), 폴리(3-옥틸티오펜)(poly(3-octylthiophene);P3OT), 및 폴리티오펜(polythiophene;PTh)을 포함하는 티오펜(thiophenes)을 포함한다.
일부 실시예들에서, p-형층의 폴리머 매트릭스는 하나 이상의 반도전성 폴리머들을 포함한다. 일부 실시예들에서, 반도전성 폴리머들은 폴리(페닐렌 비닐렌)(poly(phenylene vinylene)) 및 폴리(p-페닐렌 비닐렌)(poly(p-phenylene vinylene);PPV)과 같은 페닐렌 비닐렌(phenylene vinylenes), 및 그의 유도체들을 포함한다. 일부 실시예들에서, 반도전성 폴리머들은 폴리플루오렌(poly fluorenes), 나프탈렌(naphthalenes), 및 그의 유도체들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 반도전성 폴리머들은 폴리(2-비닐피리딘)(poly(2-vinylpyridine);P2VP), 폴리아미드(polyamides), 폴리(N-비닐카르바졸)(poly(N-vinylcarbazole);PVCZ), 폴리피롤(polypyrrole;PPy), 및 폴리아닐린(polyaniline;PAn)을 포함한다. 일부 실시예들에서, 반도전성 폴리머는 폴리[2,6-(4,4-비스-(2-에칠헥실)-4H-사이클로펜타[2,1-b;3,4-b']디티오펜)-alt-4,7-(2,1,3-벤조티아디아졸)](poly[2,6-(4,4-bis-(2-ethylhexyl)-4H-cyclopenta[2,1-b;3,4-b']dithiophene)-alt-4,7-(2,1,3-benzothiadiazole)];PCPDTBT)를 포함한다.
일부 실시예들에서, p-형층은 본 발명의 목적들과 충돌하지 않는 임의의 바람직한 두께를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, p-형층은 적어도 약 10nm 또는 적어도 약 100nm의 두께를 갖는다. 일부 실시예들에서, p-형층은 적어도 약 500nm 또는 적어도 약 1㎛의 두께를 갖는다. 일부 실시예들에서 p-형층은 적어도 약 5㎛ 또는 적어도 약 15㎛의 두께를 갖는다. 일부 실시예들에서, p-형층은 약 5nm 내지 약 50㎛의 범위의 두께를 갖는다. 일부 실시예들에서, p-형층은 약 50nm 내지 약 30㎛의 범위의 두께를 갖는다. 일부 실시예들에서, p-형층은 약 100nm 내지 약 20㎛의 범위의 두께를 갖는다. 일부 실시예들에서, p-형층은 약 10nm 내지 약 100nm의 범위의 두께를 갖는다.
일부 실시예들에서, p-형층은 본 발명의 목적들과 충돌하지 않는 임의의 바람직한 길이를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, p-형층은 적어도 약 1㎛ 또는 적어도 약 10㎛의 길이를 갖는다. 일부 실시예들에서, p-형층은 적어도 약 100㎛ 또는 적어도 약 500㎛의 길이를 갖는다. 일부 실시예들에서, p-형층은 적어도 약 1mm 또는 적어도 약 10mm의 길이를 갖는다. 일부 실시예들에서, p-형층은 약 1㎛ 내지 약 100mm의 범위의 길이를 갖는다. 일부 실시예들에서, p-형층은 약 10㎛ 내지 약 500mm의 범위의 길이를 갖는다.
일부 실시예들에서, p-형층은 290K의 온도에서 적어도 약 5μV/K의 제벡 계수를 갖는다. 일부 실시예들에서, p-형층은 290K의 온도에서 적어도 약 10μV/K의 제벡 계수를 갖는다. 일부 실시예들에서, p-형층은 290K의 온도에서 적어도 약 15μV/K 또는 적어도 약 20μV/K의 제벡 계수를 갖는다. 일부 실시예들에서, p-형층은 290K의 온도에서 적어도 약 30μV/K의 제벡 계수를 갖는다. 일부 실시예들에서, p-형층은 290K의 온도에서 약 5μV/K 내지 약 35μV/K의 범위의 제벡 계수를 갖는다. 일부 실시예들에서, p-형층은 290K의 온도에서 약 10μV/K 내지 약 30μV/K의 범위의 제벡 계수를 갖는다.
여기서 설명된 바와 같이, 일부 실시예들에서, p-형층의 제벡 계수는 탄소 나노입자의 아이덴티티와 부하에 따라 변화될 수 있다. 일부 실시예들에서, 예를 들어, p-형층의 제벡 계수는 p-형층의 단일벽 탄소 나노튜브 부하에 반비례한다.
적어도 하나의 p-형층에 부가적으로, 여기서 설명된 열전 장치는 복수의 n-도핑된 탄소 나노입자들을 포함하는 적어도 하나의 n-형층을 포함한다.
일부 실시예들에서, n-도핑된 탄소 나노입자들은 플러렌, 탄소 나노튜브들, 또는 그의 혼합물들을 포함한다. 일부 실시예들에서, 플러렌은 1-(3-메톡시카르보닐)프로필-1-페닐(6,6)C61(PCBM)을 포함한다. 일부 실시예들에서, n-도핑된 탄소 나노튜브들은 단일벽 탄소 나노튜브들, 다중벽 탄소 나노튜브들 또는 그의 혼합물들을 포함한다.
일부 실시예들에서, 탄소 나노튜브들을 포함하는 n-형층의 탄소 나노입자들이 매트 구조로 제공된다.
일부 실시예들에서, n-도핑된 단일벽 탄소 나노튜브들 및/또는 n-도핑된 다중벽 탄소 나노튜브들은 약 0.1 중량 퍼센트 내지 약 30 중량 퍼센트의 범위에 있는 양의 질소를 포함한다. 일부 실시예들에서, n-도핑된 단일벽 탄소 나노튜브들 및/또는 n-도핑된 다중벽 탄소 나노튜브들은 약 5 중량 퍼센트 내지 약 25 중량 퍼센트 또는 약 10 중량 퍼센트 내지 약 20 중량 퍼센트의 범위에 있는 양의 질소를 포함한다. 일부 실시예들에서, n-도핑된 단일벽 탄소 나노튜브들 및/또는 n-도핑된 다중벽 탄소 나노튜브들은 약 0.1 중량 퍼센트보다 적은 양의 질소를 포함한다. 일부 실시예들에서, n-도핑된 단일벽 탄소 나노튜브들 및/또는 n-도핑된 다중벽 탄소 나노튜브들은 탈산소(deoxygenated) 나노튜브들이다.
일부 실시예들에서, n-형 도펀트가 단일벽 및/또는 다중벽 탄소 나노튜브들의 격자에 포함된다. 일부 실시예들에서, 단일벽 및/또는 다중벽 탄소 나노튜브들을 둘러싸는 환경에 의해 p-형 도펀트가 외부로부터 탄소 나노튜브들에 제공된다. 여기서 또한 설명된 바와 같이, n-형층의 탄소 나노튜브들은 일부 실시예들에서, 폴리머 매트릭스에 배치된다. 일부 실시예들에서, 폴리머 매트릭스는 n-도펀트를 탄소 나노튜브들의 표면들로 제공할 수 있다. 폴리머 매트릭스가 n-도펀트를 탄소 나노튜브들의 표면들로 제공하는 일부 실시예들에서, 탄소 나노튜브들은 매트릭스로 통합되기 전에 n-도핑되지 않는다. 폴리머 매트릭스가 n-도펀트를 탄소 나노튜브들의 표면들로 제공하는 일부 실시예들에서, 탄소 나노튜브는 매트릭스로 통합되기 전에 n-도핑된다.
일부 실시예들에서, n-형층의 n-도핑된 탄소 나노입자들은 높은 종횡비를 갖는다. 일부 실시예들에서, n-형층의 n-도핑된 탄소 나노입자들은 약 1 내지 약 106의 범위의 종횡비를 나타낸다. 일부 실시예들에서, n-도핑된 탄소 나노입자들은 약 10 내지 약 100,000의 범위의 종횡비를 나타낸다. 일부 실시예들에서, n-도핑된 탄소 나노입자들은 약 10 내지 약 10,000 또는 약 5 내지 약 1000의 범위의 종횡비를 갖는다.
탄소 나노튜브들을 포함하여 n-형층의 탄소 나노입자들은, 일부 실시예들에서, 약 1 nm 내지 약 5mm 또는 약 10nm 내지 약 1mm의 범위의 길이를 갖는다. 일부 실시예들에서, n-도핑된 탄소 나노입자들은 약 50nm 내지 약 500㎛, 약 100nm 내지 약 100㎛, 또는 약 500nm 내지 약 10㎛의 범위의 길이를 갖는다. 일부 실시예들에서, n-도핑된 탄소 나노튜브들은 약 200pm 내지 약 500㎛의 범위의 길이를 갖는다.
일부 실시예들에서, n-형층의 탄소 나노입자들은 약 1nm 내지 약 100nm의 범위의 지름을 갖는다. 일부 실시예들에서, n-도핑된 탄소 나노입자들은 약 10nm 내지 약 80nm 또는 약 20nm 내지 약 60nm의 범위의 지름을 갖는다. 일부 실시예들에서, n-도핑된 탄소 나노입자들은 약 100nm보다 크거나 또는 약 1nm보다 작은 지름을 갖는다.
일부 실시예들에서, n-형층은 여기서 설명된 n-도핑된 탄소 나노입자들의 하나 또는 그이상의 종들을 n-형층의 총 중량에 기초하여 약 0.1 중량 퍼센트 내지 약 100 중량 퍼센트의 범위에 있는 양으로 포함한다. 일부 실시예들에서, n-형층은 적어도 약 2 중량 퍼센트의 양의 n-도핑된 탄소 나노입자들을 포함한다. 일부 실시예들에서, n-형층은 적어도 약 5 중량 퍼센트 또는 적어도 약 10 중량 퍼센트의 양의 n-도핑된 탄소 나노입자들을 포함한다. 일부 실시예들에서, n-형층은 약 2 중량 퍼센트 내지 약 50 중량 퍼센트의 범위에 있는 양의 n-도핑된 탄소 나노입자들을 포함한다. 일부 실시예들에서, n-형층은 약 5 중량 퍼센트 내지 약 30 중량 퍼센트의 범위에 있는 양의 n-도핑된 탄소 나노입자들을 포함한다. 일부 실시예들에서, p-형층과 함께, n-형층의 나노입자 부하들은 층의 바람직한 제벡 계수를 참조하여 결정될 수 있다.
여기서 설명된 바와 같이, n-형층은 또한 n-도핑된 탄소 나노입자들이 배치되는 폴리머 매트릭스를 포함한다. n-형층의 폴리머 매트릭스는 p-형층에 대하여 여기서 인용된 임의의 폴리머 종들을 포함할 수 있다. 예를 들어, n-형층의 폴리머 매트릭스는 폴리비닐 플루오라이드(PVF), 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 폴리비닐리덴 플루오라이드-트리플루오로에틸렌(PVDF-TrFE), 폴리비닐리덴 플루오라이드-테트라플루오로에틸렌(PVDF-TFE), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 또는 그의 혼합물들이나 코폴리머들을 포함하지만 이에 제한되지는 않는 반정질 폴리머를 포함할 수 있다. 열전 장치의 n-형층들에서 사용된 PVDF, PVDF-TFE 및/또는 PVDF-TrFE의 반정질 폴리머들은 β-위상의 증가된 양들을 보여줄 수 있다. 예를 들어, n-형층의 PVDF, PVDF-TFE 및/또는 PVDF-TrFE는 1.5 내지 2.5의 β/α의 비를 보여줄 수 있다. 일부 실시예들에서, β/α 비는 2 내지 2.5이다. 여기서 논의된 바와 같이, 극화 기술들에 의해 β-위상의 결정체(crystallites)가 비임의 방향으로 제공될 수 있으며, 따라서 매트릭스의 압전 및 초전 특성들을 강화시킨다.
일부 실시예들에서, n-형층은 본 발명의 목적들과 충돌하지 않는 임의의 바람직한 두께를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, n-형층은 적어도 약 1nm의 두께를 갖는다. 일부 실시예들에서, n-형층은 적어도 약 10nm 또는 적어도 약 100nm의 두께를 갖는다. 일부 실시예들에서, n-형층은 적어도 약 500nm 또는 적어도 약 1㎛의 두께를 갖는다. 일부 실시예들에서 n-형층은 적어도 약 5㎛ 또는 적어도 약 15㎛의 두께를 갖는다. 일부 실시예들에서, n-형층은 약 5nm 내지 약 50㎛의 범위의 두께를 갖는다. 일부 실시예들에서, n-형층은 약 50nm 내지 약 30㎛의 범위의 두께를 갖는다. 일부 실시예들에서, n-형층은 약 100nm 내지 약 20㎛의 범위의 두께를 갖는다.
일부 실시예들에서, n-형층은 본 발명의 목적들과 충돌하지 않는 임의의 바람직한 길이를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, n-형층은 적어도 약 1㎛ 또는 적어도 약 10㎛의 길이를 갖는다. 일부 실시예들에서, n-형층은 적어도 약 100㎛ 또는 적어도 약 500㎛의 길이를 갖는다. 일부 실시예들에서, n-형층은 적어도 약 1mm 또는 적어도 약 10mm의 길이를 갖는다. 일부 실시예들에서, n-형층은 약 1㎛ 내지 약 100mm의 범위의 길이를 갖는다. 일부 실시예들에서, n-형층은 약 10㎛ 내지 약 500mm의 범위의 길이를 갖는다. 일부 실시예들에서, n-형층은 인접한 p-형층과 동일공간의(coextensive) 또는 실질적으로 동일공간의 길이를 갖는다.
일부 실시예들에서, n-형층은 290K의 온도에서 적어도 약 -5μV/K의 제벡 계수를 갖는다. 일부 실시예들에서, n-형층은 290K의 온도에서 적어도 약 -10μV/K의 제벡 계수를 갖는다. 일부 실시예들에서, n-형층은 290K의 온도에서 적어도 약 -15μV/K 또는 적어도 약 -20μV/K의 제벡 계수를 갖는다. 일부 실시예들에서, n-형층은 290K의 온도에서 적어도 약 -30μV/K의 제벡 계수를 갖는다. 일부 실시예들에서, n-형층은 290K의 온도에서 약 -5μV/K 내지 약 -35μV/K의 범위의 제벡 계수를 갖는다. 일부 실시예들에서, n-형층은 290K의 온도에서 약 -10μV/K 내지 약 -30μV/K의 범위의 제벡 계수를 갖는다.
일부 실시예들에서, n-형층의 제벡 계수는 n-도핑된 탄소 나노입자의 아이덴티티와 부하에 따라 변화될 수 있다. 일부 실시예들에서, 예를 들어, n-형층의 제벡 계수는 n-형층의 탄소 나노입자 부하에 반비례한다.
여기서 설명된 열전 장치의 일부 실시예들에서, p-도핑된 및 n-도핑된 탄소 나노튜브들을 포함하는 탄소 나노입자들이 하나 이상의 무기 반도체 나노입자들로 대체될 수 있다. 일부 실시예들에서, 무기 반도체 나노입자들을 4족(group IV) 재료들, 2/6족(group II/VI) 재료들 또는 3/5족(group III/V) 재료들이나 이들의 조합들을 포함한다. 일부 실시예들에서, 무기 반도체 나노입자들은 양자점들(quantum dots) 및/또는 나노와이어들(nanowires)을 포함한다. 일부 실시예들에서, 무기 반도체 재료들에는 여기서 설명된 각각의 p층들과 n층들에서 사용하기 위한 p-도펀트 또는 n-도펀트가 제공된다.
여기서 설명된 열전 장치들은, 일부 실시예들에서, 적어도 하나의 p-형층과 적어도 하나의 n-형층 사이에 배치된 절연층을 또한 포함한다. 일부 실시예들에서, 절연층은 전기적으로 절연된다. 일부 실시예들에서, 절연층은 전기적으로 절연되며 열적으로도 단열된다. 일부 실시예들에서, 열전 장치는 복수의 p-형층들과 n-형층들 사이에 배치된 복수의 절연층들을 포함한다. 일부 실시예들에서, 절연층들은 여기서 설명된 열전 장치의 p-형층들과 n-형층들이 적층 구조로 배열되도록 한다.
일부 실시예들에서, 절연층은 하나 이상의 폴리머 재료들을 포함한다. 본 발명의 목적들과 충돌하지 않는 임의의 폴리머 재료가 절연층의 제작에 사용될 수 있다. 폴리머 절연층은 폴리비닐 플루오라이드(PVF), 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 폴리비닐리덴 플루오라이드-트리플루오로에틸렌(PVDF-TrFE), 폴리비닐리덴 플루오라이드-테트라플루오로에틸렌(PVDF-TFE), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 또는 그의 혼합물들이나 코폴리머들을 포함하지만 이에 제한되지는 않는 반정질 폴리머를 포함할 수 있다. 열전 장치의 절연층들에서 사용된 PVDF, PVDF-TFE 및/또는 PVDF-TrFE의 반정질 폴리머들은 β-위상의 증가된 양들을 보여줄 수 있다. 예를 들어, 절연층의 PVDF, PVDF-TFE 및/또는 PVDF-TrFE는 1.5 내지 2.5의 β/α의 비를 보여줄 수 있다. 일부 실시예들에서, β/α 비는 2 내지 2.5이다. 여기서 논의된 바와 같이, 극화 기술들에 의해 β-위상 결정체가 비임의 방향으로 제공될 수 있으며, 따라서 절연층의 압전 및 초전 특성들을 강화시킨다.
일부 실시예들에서, 절연층은 폴리아크릴산(PAA), 폴리메타크릴레이트(PMA), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 또는 그의 혼합물들이나 코폴리머들을 포함한다. 일부 실시예들에서, 절연층은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌 또는 그의 혼합물들이나 코폴리머들을 포함하지만 이에 제한되지는 않는 폴리올레핀을 포함한다.
폴리머 절연층은 또한 압전 거동을 보이는 입자들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 폴리머 절연층은 BaTiO3의 입자들, BiTe 입자들, 다른 무기 압전 입자들 또는 그의 혼합물들을 포함할 수 있다. BaTiO3 입자들, BiTe 입자들 및/또는 다른 무기 입자들은 본 발명의 목적들과 충돌하지 않는 임의의 크기 및/또는 배치를 가질 수 있다. BaTiO3 및 BiTe 입자들은 20nm 내지 500nm의 범위의 크기 분포를 보일 수 있다. 또한, 압전 입자들은 본 발명의 목적들과 충돌하지 않는 임의의 부하로 절연층의 폴리머에 분산될 수 있다. 일부 실시예들에서, BaTiO3 입자들, BiTe 입자들 및/또는 다른 무기 압전 입자들은 나노입자들이며, 절연층의 총 중량에 기초하여 5-80 중량 퍼센트 또는 10-50 중량 퍼센트의 양으로 절연층에 존재한다. 여기서 설명된 바와 같이, 여기서 설명된 열전 장치의 압전 및/또는 초전 특성들을 더욱 강화시키기 위하여 절연층의 압전 입자들은 전기적으로 극화될 수 있다.
대안적으로, 절연층은 무기 또는 세라믹 재료로 형성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 절연층은 전이 금속 산화물 입자들을 포함하는 금속 산화물 입자들로 형성된다. 적절한 금속 산화물 입자들이 또한 압전 거동을 보일 수 있다. 한 실시예에서, 예를 들면, 절연층은 전기적으로 극화될 수 있는 BaTiO3 입자들로 형성된다.
절연층은 본 발명의 목적들과 충돌하지 않는 임의의 바람직한 두께를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 절연층은 적어도 약 50nm의 두께를 갖는다. 일부 실시예들에서, 절연층은 적어도 약 75nm 또는 적어도 약 100nm의 두께를 갖는다. 일부 실시예들에서, 절연층은 적어도 약 500nm 또는 적어도 약 1㎛의 두께를 갖는다. 일부 실시예들에서, 절연층은 적어도 약 5㎛ 또는 적어도 약 15㎛의 두께를 갖는다. 일부 실시예들에서, 절연층은 약 5nm 내지 약 50㎛의 범위의 두께를 갖는다. 일부 실시예들에서, 절연층은 약 50nm 내지 약 30㎛의 범위의 두께를 갖는다. 일부 실시예들에서, 절연층은 약 100nm 내지 약 20㎛의 범위의 두께를 갖는다.
절연층은 본 발명의 목적들과 충돌하지 않는 임의의 바람직한 길이를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 절연층은 그 사이에 절연층이 배치되는 p-형 및 n-형층들의 길이들과 실질적으로 동일한 길이를 갖는다. 일부 실시예들에서, 절연층은 적어도 약 1㎛ 또는 적어도 약 10㎛의 길이를 갖는다. 일부 실시예들에서, 절연층은 적어도 약 100㎛ 또는 적어도 약 500㎛의 길이를 갖는다. 일부 실시예들에서, 절연층은 적어도 약 1mm 또는 적어도 약 10㎛의 길이를 갖는다. 일부 실시예들에서, 절연층은 약 1㎛ 내지 약 100㎛의 범위의 길이를 갖는다. 일부 실시예들에서, 절연층은 약 10㎛ 내지 약 500mm의 범위의 길이를 갖는다.
일부 실시예들에서, 여기서 설명된 열전 장치는 복수의 p-형층들과 복수의 n-형층들을 포함한다. 일부 실시예들에서, 열전 장치는 본 발명의 목적들과 충돌하지 않는 임의의 수의 p-형층들과 n-형층들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, p-형층들과 n-형층들은 교번적 방식 및 적층 구조로 나열되며, 절연층들에 의해 분리된다. 일부 실시예들에서, 열전 장치는 적어도 3개의 p-형층들과 적어도 3개의 n-형층들을 포함한다. 일부 실시예들에서, 열전 장치는 적어도 5개의 p-형층들과 적어도 5개의 n-형층들을 포함한다. 일부 실시예들에서, 열전 장치는 적어도 10개의 p-형층들과 적어도 10개의 n-형층들을 포함한다. 일부 실시예들에서, 열전 장치는 적어도 15개의 p-형층들과 적어도 15개의 n-형층들을 포함한다. 일부 실시예들에서, 열전 장치는 적어도 100개의 p-형층들과 적어도 100개의 n-형층들을 포함한다. 일부 실시예들에서, 열전 장치는 적어도 1000개의 p-형층들과 적어도 1000개의 n-형층들을 포함한다.
일부 실시예들에서, 하나 이상의 p-형층들과 하나 이상의 n-형층들을 포함하는 여기서 설명된 열전 장치는 직물(fabric)의 형태를 갖는다. 일부 실시예들에서, 직물은 유연하여(flexible) 상이한 표면 모양들 및/또는 모폴로지들(morphologies)을 갖는 다양한 기판들에 열전 장치를 적용할 수 있다. 일부 실시예들에서, 예를 들어, 열전 장치는 곡면의(curved) 및/또는 다른 비평면(non-planar) 기판들에 적용된다.
일부 실시예들에서, 여기서 설명된 구조를 갖는 열전 장치는 290K의 온도에서 적어도 약 25μV/K의 제벡 계수를 갖는다. 일부 실시예들에서, 여기서 설명된 열전 장치는 290K의 온도에서 적어도 약 30μV/K 또는 적어도 약 50μV/K의 제벡 계수를 갖는다. 일부 실시예들에서, 여기서 설명된 열전 장치는 290K의 온도에서 적어도 약 75μV/K 또는 적어도 약 100μV/K의 제벡 계수를 갖는다. 일부 실시예들에서, 여기서 설명된 열전 장치는 290K의 온도에서 적어도 약 150μV/K 또는 적어도 약 175μV/K의 제벡 계수를 갖는다. 일부 실시예들에서, 여기서 설명된 열전 장치는 290K의 온도에서 적어도 약 200μV/K의 제벡 계수를 갖는다. 일부 실시예들에서, 여기서 설명된 열전 장치는 290K의 온도에서 약 25μV/K 내지 약 250μV/K의 범위의 제벡 계수를 갖는다. 일부 실시예들에서, 여기서 설명된 열전 장치는 290K의 온도에서 약 50μV/K 내지 약 150μV/K의 범위의 제벡 계수를 갖는다.
일부 실시예들에서, 여기서 설명된 열전 장치는 적어도 0.5의 ZT를 갖는다. 일부 실시예들에서, 여기서 설명된 열전 장치는 적어도 약 0.7 또는 적어도 약 0.8의 ZT를 갖는다. 일부 실시예들에서, 여기서 설명된 열전 장치는 적어도 약 1 또는 적어도 약 1.5의 ZT를 갖는다. 일부 실시예들에서, 여기서 설명된 구조를 갖는 열전 장치는 약 0.5 내지 약 2 또는 약 0.8 내지 약 1.5의 범위의 ZT를 갖는다. 일부 실시예들에서, 여기서 설명된 열전 장치는 약 1 내지 약 1.3의 범위의 ZT를 갖는다. 일부 실시예들에서, 여기서 설명된 열전 장치는 약 1 내지 10의 범위의 ZT를 갖는다.
II. 광열 장치(Photo-Thermal Apparatus)
다른 양상에서, 광발전 부품(photovoltaic component)과 열전 부품을 포함하는 광열 장치가 여기서 설명된다. 열전 부품은 섹션 I에서 상술된 임의의 열전 장치를 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 열전 부품은 pn 접합을 제공하기 위해 적어도 하나의 n-형층에 결합된 적어도 하나의 p-형층과, p-형층과 n-형층 사이에 적어도 부분적으로 배치된 절연층을 포함하며, p-형층은 복수의 탄소 나노입자들을 포함하고 n-형층은 복수의 복수의 n-도핑된 탄소 나노입자들을 포함한다. 일부 실시예들에서, 열전 부품의 p-형층(들), n-형층(들) 및/또는 절연층(들)은 전기적으로 극화된 폴리머를 포함한다. 일부 실시예들에서, pn 접합은 접합을 형성하는 p-형층과 n-형층 사이에 배치된 금속성 중간층을 포함한다. 또한, 일부 실시예들에서, 열전 부품은 복수의 pn 접합들을 제공하는 복수의 n-형층들에 결합된 복수의 p-형층들과, p-형층들과 n-형층들 사이에 적어도 부분적으로 배치된 절연층들을 포함한다.
도 4는 여기서 설명된 하나의 실시예에 따른 광열 장치를 도시한다. 도 4에 도시된 광열 장치(400)는 열전 부품(402)에 결합된 광발전 부품(401)을 포함한다. 열전 부품은 열전 장치에 대하여 여기서 설명된 임의의 구조를 포함할 수 있다.
또한, 광발전 부품은 방사선 투과(radiation transmissive) 제 1 전극(404), 적어도 하나의 감광층(photosensitive layer;405), 엑시톤(exciton) 차단층(406) 및 제 2 방사선 투과 전극(407)을 포함한다. 광열 장치의 일부 실시예들에서, 열전 부품에 인접한 광발전 부품의 전극은 복사를 투과하지 않는다.
여기서 설명된 일부 실시예들에 따라, 방사선 투과 제 1 전극과 제 2 전극은 방사선 투과 전도성 산화물을 포함한다.
일부 실시예들에서, 방사선 투과 전도성 산화물들은 인듐 주석 산화물(ITO), 갈륨 인듐 주석 산화물(GITO), 및 아연 인듐 주석 산화물(ZITO)을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 방사선 투과 제 1 및 제 2 전극들은 폴리아닐린(polyanaline;PANI)과 같은 방사선 투과 폴리머 재료 및 그의 화학적 동류들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 방사선 투과 제 1 및 제 2 전극들은 ZnO:Al을 포함한다.
일부 실시예들에서, 3,4-폴리에틸렌디옥시티오펜(3,4-polyethylenedioxythiophene;PEDOT)은 제 1 및/또는 제 2 전극에 대한 적절한 방사선 투과 폴리머 재료일 수 있다. 일부 실시예들에서, 방사선 투과 제 1 및/또는 제 2 전극은 가시적 전자기 복사를 적어도 부분적으로 통과시키도록 동작가능한 두께를 갖는 탄소 나노튜브층을 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 방사서 투과 제 1 및/또는 제 2 전극은 복합 재료를 포함할 수 있으며, 복합 재료는 폴리머 위상으로 분산된 나노입자 위상을 포함한다. 한 실시예에서, 나노입자 위상은 탄소 나노튜브들, 플러렌, 또는 그의 혼합물들을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 방사선 투과 제 1 및/또는 제 2 전극은 가시적 전자기 복사를 적어도 부분적으로 통과시키도록 동작가능한 두께를 갖는 금속층을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 금속층은 기본적으로 순수한 금속들 또는 합금들을 포함할 수 있다. 방사선 투과 제 1 전극으로 사용하기에 적절한 금속들은 높은 일함수 금속들을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 방사선 투과 제 1 및 제 2 전극들은 약 10nm 내지 약 1㎛의 범위의 두께를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 방사선 투과 제 1 및 제 2 전극들은 약 100nm 내지 약 900nm의 범위의 두께를 가질 수 있다. 다른 실시예들에서, 방사선 투과 제 1 및 제 2 전극들은 약 200nm 내지 약 800nm의 범위의 두께를 가질 수 있다. 다른 실시예들에서, 방사선 투과 제 1 및 제 2 전극들은 약 1㎛보다 큰 두께를 가질 수 있다.
일부 실시예들에서, 방사선 투과 제 1 및 제 2 전극들은 서로 독립적으로 구성된다. 일부 실시예들에서, 방사선 투과 제 2 및 제 2 전극들은 서로를 참조하여 구성된다.
일부 실시예들에서, 광발전 부품의 적어도 하나의 감광층은 유기 조성물을 포함한다. 일부 실시예들에서, 감광 유기층은 약 30nm 내지 약 1㎛의 범위의 두께를 갖는다. 다른 실시예들에서, 감광 유기층은 약 80nm 내지 약 800nm의 범위의 두께를 갖는다. 또 다른 실시예에서, 감광 유기층은 약 100nm 내지 약 300nm의 범위의 두께를 갖는다.
여기서 설명된 실시예들에 따라, 감광 유기층은 나중에 전자들 및 정공들로 분리될 수 있는 엑시톤들을 생성하도록 전자기 방사선이 흡수되는 적어도 하나의 광활성 영역(photoactive region)을 포함한다. 일부 실시예들에서, 광활성 영역은 폴리머를 포함할 수 있다. 한 실시예에서, 감광 유기층의 광활성 영역에서 사용하기에 적절한 폴리머들은 폴리(3-헥실티오펜)(P3HT), 폴리(3-옥틸티오펜)(P3OT), 및 폴리티오펜(PTh)을 포함하는 티오펜과 같은 공액 폴리머들을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 감광 유기층의 광활성 영역에서 사용하기에 적절한 폴리머들은 반도전성 폴리머들을 포함할 수 있다. 한 실시예에서, 반도전성 폴리머들은 폴리(페닐렌 비닐렌) 및 폴리(p-페닐렌 비닐렌)(PPV)과 같은 페닐렌 비닐렌 및 그의 유도체들을 포함한다. 다른 실시예들에서, 반도전성 폴리머들은 폴리플루오렌, 나프탈렌, 및 그의 유도체들을 포함할 수 있다. 또 다른 실시예들에서, 감광 유기층의 광활성 영역에서 사용하기 위한 반도전성 폴리머들은 폴리(2-비닐피리딘)(P2VP), 폴리아미드, 폴리(N-비닐카르바졸)(PVCZ), 폴리피롤(PPy), 및 폴리아닐린(PAn)을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 따라, 광활성 영역은 소분자들(small molecules)을 포함할 수 있다. 한 실시예에서, 감광 유기층의 광활성 영역에서 사용하기에 적절한 소분자들은 쿠마린 6(cumarin 6), 쿠마린 30, 쿠마린 102, 쿠마린 110, 쿠마린 153, 및 쿠마린 480 D를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 소분자는 메로시아닌 540(merocyanine 540)을 포함할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 소분자들은 9,10-디하이드로벤조[a]피렌-7(8H)-온(9,10-dihydrobenzo[a]pyrene-7(8H)-one), 7-메틸벤조[a]피렌(7-methylbenzo[a]pyrene), 피렌(pyrene), 벤조[e]피렌(benzo[e]pyrene), 3,4-디하이드록시-3-사이클로부텐-1,2-디온(3,4-dihydroxy-3-cyclobutene-1,2-dione), 및 1,3-비스[4-(디메틸아미노)페닐-2,4-디하이드록시사이클로부텐디일리움 디하이드록사이드(1,3-bis[4-(dimethylamino)phenyl-2,4-dihydroxycyclobutenediylium dihydroxide)를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 인접한 공여체(donor)와 수용체(acceptor) 재료들 사이에 형성된 유기층의 이종접합들(heterojunctions)에서 엑시톤 분리가 촉발된다. 여기서 설명된 일부 실시예들에서, 유기층들은 공여체와 수용체 재료들 사이에 형성된 적어도 하나의 벌크(bulk) 이종접합을 포함한다. 다른 실시예들에서, 유기층들은 공여체와 수용체 재료들 사이에 형성된 복수의 벌크 이종접합들을 포함한다.
유기 재료들의 맥락에서, 공여체와 수용체라는 용어들은 두개의 접촉하고 있으나 상이한 유기 재료들의 최고준위 점유 분자 궤도(highest occupied molecular orbital;HOMO)와 최저준위 비점유 분자 궤도(lowest unoccupied molecular orbital;LUMO) 에너지 레벨들의 상대적인 위치들을 나타내는 것이다. 이는 공여체와 수용체가 각각 무기 n- 및 p-형층들을 생성하는데 사용될 수 있는 도펀트들의 타입들을 나타낼 수 있는 무기(inorganic)의 맥락에서의 이들 용어들의 사용과 대조된다. 유기의 맥락에서, 다른 것과 접촉하고 있는 한가지 재료의 LUMO 에너지 레벨이 더 낮다면, 그 재료가 수용체이다. 그 반대라면 공여체이다. 외부의 바이어스가 없을 때, 공여체-수용체 접합의 전자들은 수용체 재료 쪽으로 움직이고, 정공들은 공여체 재료 쪽으로 움직이는 것이 에너지적으로 적절하다.
여기서 설명된 일부 실시예들에 따라, 감광 유기층의 광활성 영역은 폴리머 복합 재료를 포함한다. 한 실시예에서, 폴리머 복합 재료는 폴리머 위상에 분산된 나노입자 위상을 포함할 수 있다. 광활성 영역의 폴리머 위상을 생성하는데 적절한 폴리머들은 폴리(3-헥실티오펜)(P3HT)과 폴리(3-옥틸티오펜)(P3OT)를 포함하는 티오펜과 같은 공액 폴리머들을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 폴리머 복합 재료의 폴리머 위상에 분산된 나노입자 위상은 적어도 하나의 탄소 나노입자를 포함한다. 탄소 나노입자들은 플러렌, 탄소 나노튜브들, 또는 그의 혼합물들을 포함할 수 있다. 한 실시예에서, 나노입자 위상에서 사용하기에 적절한 플러렌은 1-(3-메톡시카르보닐)프로필-1-페닐(6,6)C61(PCBM)을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 따라, 나노입자 위상에서 사용하기 위한 탄소 나노튜브들은 단일벽 나노튜브들, 다중벽 나노튜브들 또는 그의 혼합물들을 포함할 수 있다.
여기서 설명된 일부 실시예들에서, 폴리머 복합 재료들의 폴리머 대 나노입자의 비는 약 1:10 내지 약 1:0.1의 범위를 갖는다. 일부 실시예들에서, 폴리머 복합 재료들의 폴리머 대 나노입자의 비는 약 1:4 내지 약 1:0.4의 범위를 갖는다. 일부 실시예들에서, 폴리머 복합 재료들의 폴리머 대 나노입자의 비는 약 1:2 내지 약 1:0.6의 범위를 갖는다. 한 실시예에서, 예를 들면, 폴리(3-헥실티오펜) 대 PCBM의 비는 약 1:1 내지 약 1:0.4의 범위를 갖는다.
다른 실시예에서, 폴리머 위상에 분산된 나노입자 위상은 적어도 하나의 나노위스커(nanowhisker)를 포함한다. 여기서 사용되는 바와 같은 나노위스커는, 복수의 탄소 나노입자들로부터 형성된 결정질 탄소 나노입자를 말한다. 일부 실시예들에서, 나노위스커들은 폴리머 복합 재료를 포함하는 감광 유기층을 어닐링하는 것에 의해 생성될 수 있다. 일부 실시예들에 따라, 나노위스커들을 형성하도록 동작가능한 탄소 나노입자들은 단일벽 탄소 나노튜브들, 다중벽 탄소 나노튜브들, 및 플러렌을 포함할 수 있다. 한 실시예에서, 나노위스커들은 결정질 PCBM을 포함한다. 일부 실시예들에서, 감광 유기층을 어닐링하는 것은 또한 폴리머 위상의 나노입자 위상의 분산을 증가시킬 수 있다.
폴리머 위상과 나노입자 위상을 포함하는 광활성 영역들의 실시예들에서, 폴리머 위상은 공여체 재료로 동작하고 나노입자 위상은 수용체 재료로 동작하여 엑시톤들의 정공들 및 전자들로의 분리를 위한 이종접합을 형성하게 한다. 나노입자들이 폴리머 위상 전반에 걸쳐 분산되는 실시예들에서, 유기층의 광활성 영역은 복수의 벌크 이종접합들을 포함한다. 일부 실시예들에서, 감광 유기층의 광활성 영역의 공여체 재료들은 포르피린(porphyrins), 프탈로시아닌(phthalocyanines), 및 그의 유도체들을 포함하는 유기금속성 화합물들을 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서, 감광 유기층의 광활성 영역의 수용체 재료들은 페릴렌(perylenes), 나프탈렌(naphthalenes), 및 그의 혼합물들을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 광발전 부품의 적어도 하나의 감광층이 무기 조성물을 포함한다. 일부 실시예들에서, 여기서 설명된 감광 무기층들이 다양한 조성물들을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 여기서 설명된 광발전 부품의 감광 무기층은 IV족 반도체 재료, II/VI족 반도체 재료(CdTe와 같은), III/V족 반도체 재료, 또는 그의 화합물들이나 혼합물들을 포함하는 무기 조성물을 포함한다. 일부 실시예들에서, 감광 무기층은 IV족, II/VI족, 또는 III/V족 2성(binary), 3성(ternary) 또는 4성 분계(quaternary system)를 포함한다. 일부 실시예들에서, 감광 무기층은 구리 인듐 갈륨 셀렌화물(CIGS)과 같은, I/III/VI 재료를 포함한다. 일부 실시예들에서, 감광 무기층은 다결정질 실리콘(Si)을 포함한다. 일부 실시예들에서, 감광 무기층은 마이크로결정질, 나노결정질, 및/또는 프로토결정질 실리콘을 포함한다. 일부 실시예들에서, 감광 무기층은 다결정질 구리 아연 주석 황화물(CZTS)을 포함한다. 일부 실시예들에서, 감광 무기층은 마이크로결정질, 나노결정질, 및/또는 프로토결정질 CZTS를 포함한다. 일부 실시예들에서, CZTS는 Cu2ZnSnS4를 포함한다. 일부 실시예들에서, CZTS는 또한 셀레늄(Se)을 포함한다. 일부 실시예들에서, CZTS는 또한 갈륨(Ga)을 포함한다.
일부 실시예들에서, 여기서 설명된 광발전 부품의 감광 무기층은 비정질 재료를 포함한다. 일부 실시예들에서, 적어도 하나의 감광 무기층은 비정질 실리콘(a-Si)을 포함한다. 일부 실시예들에서, 감광 무기층의 비정질 실리콘은 비패시베이션화되거나(unpassivated) 또는 실질적으로 비패시베이션화된다. 일부 실시예들에서, 감광 무기층의 비정질 실리콘은 수소로 패시베이션된다(a-Si:H). 일부 실시예들에서, 감광 무기층의 비정질 실리콘은 할로겐으로 패시베이션화되지 않거나 또는 비할로겐으로 패시베이션화된다. 일부 실시예들에서, 예를 들어, 감광 무기층의 비정질 실리콘은 Si:F를 포함하지 않거나 또는 실질적으로 포함하지 않는다. 대안적으로, 일부 실시예들에서, 감광 무기층의 비정질 실리콘은 불소로 패시베이션화된다(a-Si:F).
일부 실시예들에서, 여기서 설명된 감광 무기층에 하나 이상의 이종접합들이 도핑에 의해 형성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 예를 들면, 이종접합을 제공하기 위하여 감광 무기층의 한 영역이 p-도펀트로 도핑되고 감광 무기층의 다른 영역이 n-도펀트로 도핑된다. 감광 무기층의 재료가 본질적으로 p-형인 일부 실시예들에서, 이종접합을 제공하기 위해 감광 무기층의 영역이 n-도펀트로 도핑될 수 있다. 일부 실시예들에서, 감광 무기층의 재료가 본질적으로 n-형이면, 이종접합을 제공하기 위해 감광 무기층의 영역은 p-도펀트로 도핑될 수 있다.
일부 실시예들에서, 도핑하기에 적절한 감광층에 대해 여기서 설명된 무기 재료들 중 임의의 것이 감광층에 하나 이상의 이종접합들을 형성하도록 도핑된다. 일부 실시예들에서, 예를 들면, 수소 패시베이션화된 비정질 실리콘이 하나 이상의 이종접합들을 형성하도록 p-형 및/또는 n-형 도펀트로 도핑된다. 또한, 일부 실시예들에서, 여기서 설명된 무기 감광층들의 IV족, III/V족 및/또는 II/VI족의 반도체 재료들이 하나 이상의 이종접합들을 제공하도록 p-형 및/또는 n-형 도펀트로 도핑될 수 있다.
일부 실시예들에서, 여기서 설명된 광발전 부품은 n-형 영역, 진성(intrinsic) 영역, 및 p-형 영역을 포함하는 적어도 하나의 감광 무기층을 포함한다. 일부 실시예들에서, n-형 영역은 n-도핑된 무기 반도체로 구성된다. 일부 실시예들에서, p-형 영역은 p-도핑된 무기 반도체로 구성된다. 일부 실시예들에서, 진성 영역은 도핑되지 않은 무기 반도체로 구성된다.
일부 실시예들에서, 여기서 설명된 광발전 부품은 다중접합 구조를 포함한다. 일부 실시예들에서, 광발전 부품은 복수의 감광 무기층들을 포함하는데, 각 층은 n-형 영역, 진성 영역, 및 p-형 영역을 포함한다. 일부 실시예들에서, 광발전 부품은 2개의 감광 무기층들을 포함하는데, 각 층은 n-형 영역, 진성 영역, 및 p-형 영역을 포함하여, 이중 접합 디바이스를 제공한다. 일부 실시예들에서, 광발전 부품은 3개의 감광 무기층들을 포함하는데, 각 층은 n-형 영역, 진성 영역, 및 p-형 영역을 포함하여, 삼중 접합 디바이스를 제공한다. 각각이 n-형 영역, 진성 영역, 및 p-형 영역을 포함하는 복수의 감광 무기층들을 포함하는 일부 실시예들에서, 복수의 무기층들은 서로 인접하여, 무기층들 사이에 하나 이상의 이종접합들이 형성된다. 일부 실시예들에서, 예를 들면, 광발전 부품은 제 1 n-형 영역, 제 1 진성 영역, 및 제 1 p-형 영역을 포함하는 제 1 감광 무기층; 및 제 2 n-형 영역, 제 2 진성 영역, 및 제 2 p-형 영역을 포함하는 제 2 감광 무기층을 포함하며, 제 1 p-형 영역이 제 2 n-형 영역에 인접하거나 또는 제 1 n-형 영역이 제 2 p-형 영역에 인접한다. 일부 실시예들에서, 여기서 설명된 광전자 디바이스는 단일 접합 디바이스를 포함한다. 당업자에게 알려진 바와 같이, 일부 실시예들에서, 터널링 접합들이 여기서 설명된 다중접합 디바이스의 구조의 제 1, 제 2 및/또는 제 3 감광 무기층들 사이에 배치될 수 있다.
일부 실시예들에서, 광발전 부품은 복수의 감광 유기층들을 포함한다.
복수의 감광층들이 광발전 부품에 존재하는 일부 실시예들에서, 감광층들의 흡수 프로파일들은 오버랩하지 않거나 또는 실질적으로 오버랩하지 않는다. 복수의 감광층들이 광발전 부품에 존재하는 일부 실시예들에서, 감광층들의 흡수 프로파일들은 적어도 부분적으로 오버랩한다. 일부 실시예들에서, 태양 스펙트럼의 하나 이상의 영역들을 포착하기 위하여 복수의 감광층들이 광발전 부품에 사용될 수 있다.
일부 실시예들에서, 광발전 부품의 엑시톤 차단층(EBL)은 광생성된 엑시톤들을 분리 계면 근처의 영역으로 한정시키고 감광층/전극 계면에서 기생 엑시톤 퀀칭(quenching)을 방지하도록 활동할 수 있다. 엑시톤들이 확산할 수 있는 경로를 제한하는 것에 부가하여, EBL은 전극들의 침착동안 유도된 물질들에 대한 확산 배리어로서 부가적으로 활동할 수 있다. 일부 실시예들에서, EBL은 그렇지 않다면 광발전 장치를 구동할 수 없도록 랜더링할 수 있는 핀 홀들(pin holes) 또는 쇼팅 결함들(shorting defects)을 채우기 위한 충분한 두께를 가질 수 있다.
여기서 설명된 일부 실시예들에 따라, EBL은 폴리머 복합 재료를 포함할 수 있다. 한 실시예에서, EBL은 3,4-3,4-폴리에틸렌디옥시티오펜:폴리스티렌술포네이트(3,4-polyethylenedioxythiophene:polystyrenesulfonate;PEDOT:PSS)에 분산된 탄소 나노입자들을 포함한다. 다른 실시예에서, EBL은 폴리(비닐리덴 클로라이드)(poly(vinylidene chloride)) 및 그의 코폴리머들에 분산된 탄소 나노입자들을 포함한다. PEDOT:PSS와 폴리(비닐리덴 클로라이드)를 포함하는 폴리머 위상들에 분산된 탄소 나노입자들은 단일벽 나노튜브들, 다중벽 나노튜브들, 플러렌, 또는 그의 혼합물들을 포함할 수 있다. 또 다른 실시예들에서, EBL들은 전자들의 통과를 지연시키면서 정공들의 전송을 허용하도록 동작할 수 있는 일함수 에너지를 갖는 임의의 폴리머를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, EBL은 광활성 어셈블리의 방사선 통과 제 1 전극과 유기 감광층 사이에 배치될 수 있다. 광전자 디바이스가 복수의 감광 유기층들을 포함하는 일부 실시예들에서, 예를 들어, EBL들은 감광 유기층들 사이에 배치될 수 있다.
일부 실시예들에서, 광발전 부품은 하나 이상의 업컨버터들(upconverters) 및/또는 다운컨버터들(downconverters)을 포함한다. 당업자에게 이해되는 바와 같이, 업컨버터는 여기된(excited) 상태를 생성하도록 재료에 의해 흡수된 전자기 방사선보다 큰 에너지를 갖는 전자기 복사를 방출시키도록 동작가능한 재료이다. 일부 실시예들에서 사용하기에 적절한 업컨버터들은 적외선을 흡수하고 여기서 설명된 광발전 부품들의 감광 유기층들에 의해 흡수되도록 동작가능한 파장들의 가시광선을 방출할 수 있다.
일부 실시예들에서, 업컨버터들은 적어도 하나의 란탄 계열 소자(Lanthanide series element)를 포함하는 재료들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 업컨버터 재료들은 적어도 하나의 란탄 계열 소자를 포함하는 나노입자들을 포함할 수 있다. 여기서 설명된 일부 실시예들에 따른 업컨버터 재료들에서 사용하기에 적절한 란탄 계열 소자들은 에르븀(erbium), 이테르븀(ytterbium), 디스프로슘(dysprosium), 홀뮴(holmium), 또는 그의 혼합물들을 포함한다. 일부 실시예들에서, 업컨버터 재료들은 에르븀, 이테르븀, 디스프로슘, 홀뮴, 또는 그의 혼합물들의 이온들로 도핑된 금속 산화물들과 금속 황화물들을 포함한다. 다른 실시예들에서, 광섬유들이 에르븀, 이테르븀, 디스프로슘, 홀뮴, 또는 그의 혼합물들의 이온들로 직접 도핑될 수 있다.
다른 실시예들에서, 업컨버터 재료들은 유기 화학종을 포함할 수 있다. 유기 업컨버터 재료들은 H2C6N과 4-디알킬아미노-1,8-나프탈이미드(4-dialkylamino-1,8-naphthalimides) 뿐만 아니라 다중브런치의 나프탈이미드 유도체들(TPA-NA1, TPA-NA2, 및 TPA-NA3)과 같은 1,8-나프탈이미드(1,8-naphthalimide) 유도체들과 화합물들을 포함할 수 있다. 유기 업컨버터 재료들은 또한 4-(디메틸아미노)신나모니트릴(시스 및 트랜스)(4-(dimethylamino)cinnamonitrile(cis and trans)), 트랜스-4-[4-(디메틸아미노)스티릴]-1-메틸피리디늄 아이오다이드(trans-4-[4-(dimethylamino)styryl]-1-methylpyridinium iodide), 4-[4-(디메틸아미노)스티릴]피리딘(4-[4-(dimethylamino)styryl]pyridine), 4-(디에틸아미노)벤즈알데히드 디페닐하이드라존(4-(diethylamino)benzaldehyde diphenylhydrazone), 트랜스-4-[4-(디메틸아미노)스티릴]-1-메틸피리디늄 p-톨루엔설포네이트(trans-4-[4-(dimethylamino)styryl]-1-methylpyridinium p-toluenesulfonate), 2-[에틸[4-[2-(4-니트로페닐)에테닐]페닐]아미노]에탄올(2-[ethyl[4-[2-(4-nitrophenyl)ethenyl]phenyl]amino]ethanol), 4-디메틸아미노-4'-니트로스틸벤(4-dimethylamino-4'-nitrostilbene), 디스퍼스 오렌지 25(Disperse Orange 25), 디스퍼스 오렌지 3(Disperse Orange 3), 및 디스퍼스 레드 1(Disperse Red 1)을 포함할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 업컨버터 재료들은 양자점들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 따라, 양자점들은 카드뮴 셀렌화물(CdSe), 카드뮴 텔루르화물(CdTe), 및 아연 셀렌화물(ZnSe)과 같은, III/V 및 II/VI 반도체 재료들을 포함할 수 있다. 업컨버터 재료들은 또한 양자점들의 코어-셸(core-shell) 아키텍처들을 포함할 수 있다.
여기에 제공된 것들에 부가하여, 여기서 설명된 일부 실시예들은 크로뮴과 같은 전이 금속들을 포함하는 부가적인 업컨버터 재료들을 고려한다.
일부 실시예들에서, 광발전 부품은 미국 특허 출원 공개들 2009/0173372 및 2009/0301565에 설명된 것과 동일한 구조를 갖는데, 미국 특허 출원 공개들 각각은 그 전체가 본 문서에 참조로 포함된다.
도 4를 다시 한번 참조하면, 광열 장치(400)는 광발전 부품(401)과 열전 부품(402) 사이에 배치된 스토크스 이동층(Stokes shift layer;403)을 또한 포함한다. 일부 실시예들에서, 스토크스 이동층은 열전 부품의 인접한 쪽으로의 전송을 위한 열 에너지를 생성하도록 동작가능한 하나 이상의 스토크스 이동 화학종을 포함한다. 일부 실시예들에서, 스토크스 이동 화학종은 광발전 부품(401)을 통과한 전자기 복사를 흡수한다. 또한, 일부 실시예들에서, 하나 이상의 스토크스 이동 화학종들에 의해 방출된 복사는 광발전 부품(401)에 의해 흡수된다.
본 발명의 목적들과 충돌하지 않는 임의의 스토크스 이동 재료가 스토크스 이동층으로의 통합을 위해 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 흡수와 방출 프로파일들에 따라 적절한 스토크스 이동 재료들이 선택된다. 일부 실시예들에서, 스토크스 이동 재료의 흡수 프로파일은 광발전 부품의 감광층의 흡수 프로파일과 오버랩하지 않는다. 일부 실시예들에서, 스토크스 이동 재료의 흡수 프로파일은 광발전 부품의 감광층의 흡수 프로파일과 적어도 부분적으로 오버랩한다. 부가적으로, 일부 실시예들에서, 스토크스 이동 재료는 광발전 부품의 감광층의 흡수 프로파일과 적어도 부분적으로 오버랩하는 방출 프로파일을 갖는다.
일부 실시예들에서, 스토크스 이동 재료는 전자기 스펙트럼의 자외선 영역 가까이에 있는 복사를 흡수하도록 동작가능하다. 일부 실시예들에서, 예를 들면, 스토크스 이동 재료는 약 300nm 내지 약 400nm의 범위의 파장을 갖는 복사를 흡수한다.
일부 실시예들에서, 스토크스 이동 재료는 염료를 포함한다. 본 발명의 목적들과 충돌하지 않는 임의의 염료가 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 예를 들면, 염료는 쿠마린(coumarins), 쿠마린 유도체들, 피렌(pyrenes), 및 피렌 유도체들 중 하나 또는 그 이상을 포함한다. 일부 실시예들에서, 스토크스 이동 재료는 자외선 광에 여기가능한(ultraviolet light-excitable) 형광물질(fluorophore)을 포함한다. 여기서 설명된 일부 실시예들에서 사용하기에 적절한 염료들의 제한없는 예들은 메톡시쿠마린(methoxycoumarin), 단실(dansyl) 염료들, 피렌, 알렉사 플루오르 350(Alexa Fluor 350), 아미노메틸쿠마린 아세테이트(aminomethylcoumarin acetate;AMCA), 마리나 블루(Marina Blue) 염료, 다폭실(Dapoxyl) 염료들, 디알킬아미노쿠마린(dialkylaminocoumarin), 바이메인(bimane) 염료들, 하이드록시쿠마린(hydroxycoumarin), 캐스케이드 블루(Cascade Blue) 염료, 퍼시픽 오렌지(Pacific Orange) 염료, 알렉사 플루오르 405(Alexa Fluor 405), 캐스케이드 옐로(Cascade Yellow) 염료, 퍼시픽 블루(Pacific Blue) 염료, PyMPO, 및 알렉사 플루오르 430(Alexa Fluor 430)을 포함한다.
일부 실시예들에서, 스토크스 이동 재료는 인광체(phosphor)를 포함한다. 본 발명의 목적들과 충돌하지 않는 임의의 인광체가 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 예를 들어, 인광체는 할로포스페이트 인광체(halophosphate phosphors)와 삼인광체(triphosphors)의 하나 또는 그 이상을 포함한다. 여기서 설명된 일부 실시예들에서 사용하기에 적절한 인광체들의 제한없는 예들은 Ca5(PO4)3(F,Cl):Sb3+, Mn2+;Eu:Y2O3; 및 Tb3+, Ce3+: LaPO4를 포함한다. 일부 실시예들에서, 인광체는 인광체 입자를 포함한다. 일부 실시예들에서, 인광체 입자들은 유체에 떠 있을 수 있다.
III. 열전 장치를 만드는 방법들
다른 양상에서, 열전 장치를 만드는 방법들이 여기서 설명된다. 일부 실시예들에서, 열전 장치를 만드는 방법은 복수의 탄소 나노입자들을 포함하는 적어도 하나의 p-형층을 제공하는 단계와, 복수의 n-도핑된 탄소 나노입자들을 포함하는 적어도 하나의 n-형층을 제공하는 단계와, p-형층과 n-형층 사이에 절연층을 위치시키는 단계와, pn 접합을 제공하기 위하여 p-형층과 n-형층을 결합시키는 단계를 포함한다. 일부 실시예들에서, p-형층의 탄소 나노입자들은 제 1 폴리머 매트릭스에 배치되고 n-형층의 탄소 나노입자들은 제 2 폴리머 매트릭스에 배치되는데, 제 1 폴리머 매트릭스 및/또는 제 2 폴리머 매트릭스는 전기적으로 극화된다. 극화는 본 발명의 목적들과 충돌하지 않는 임의의 방식으로 수행될 수 있다. 일부 실시예들에서, 예를 들어, 극화는 p-형층 및/또는 n-형층의 길이를 따라 하나 이상의 서로 맞물린(interdigitated) 어레이들을 압입(press fitting)하고 극화 전압을 어레이들로 인가하는 것을 포함한다. 일부 실시예들에서, 열전 장치의 절연층(들)은 압전 거동을 보이는 전기적으로 극화된 폴리머 또는 전기적으로 극화된 입자들을 포함한다.
또한, 일부 실시예들에서, 여기서 설명된 열전 장치를 만드는 방법은 또한 p-형층과 n-형층 사이에 금속성 중간층을 배치시켜 접합을 제공하는 단계를 포함한다. 금속성 중간층은 여기서 설명된 임의의 구조를 가질 수 있다.
또한, 일부 실시예들에서, 복수의 p-형층들 및 n-형층들이 제공되어 복수의 pn 접합들을 형성하도록 서로 결합된다. 일부 실시예들에서 절연층들이 p-형층들과 n-형층들 사이에 위치된다. 부가적으로, 열전 장치를 만드는 방법들의 일부 실시예들에서, p-형층들 및 n-형층들은 적층 구조로 배열된다. p-층들과 n-층들이 pn 접합들을 제공하도록 금속 콘택들(metal contacts)에 의해 결합될 수 있다. 일부 실시예들에서, 예를 들어, 여기서 설명된 열전 장치의 pn 접합을 제공하도록 금속 콘택에 의해 p-층이 n-층에 결합된다.
IV. 광열 장치를 만드는 방법들
다른 양상에서, 광열 장치를 만드는 방법들이 여기서 설명된다. 일부 실시예들에서, 광열 장치를 만드는 방법은 광발전 부품을 제공하는 것과, 열전 부품을 제공하는 것 및 광발전 부품과 열전 부품을 결합시키는 단계를 포함한다. 열전 부품은 여기서 설명된 임의의 열전 장치의 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 열전 부품은 pn 접합을 제공하기 위해 적어도 하나의 n-형층에 결합된 적어도 하나의 p-형층과, p-형층과 n-형층 사이에 적어도 부분적으로 배치된 절연층을 포함하는데, p-형층은 복수의 탄소 나노입자들을 포함하고 n-형층은 복수의 n-도핑된 탄소 나노입자들을 포함한다. 부가적으로, p-형층(들), n-형층(들) 및/또는 절연층(들)은 전기적으로 극화된 폴리머를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, pn 접합은 접합을 형성하는 p-형층과 n-형층 사이에 배치된 금속성 중간층을 포함한다. 또한, 일부 실시예들에서, 열전 부품은 여기서 설명된 바와 같이 복수의 pn 접합들을 제공하도록 복수의 n-형층들에 결합된 복수의 p-형층을 포함한다.
일부 실시예들에서, 광열 장치를 만드는 방법은 또한 광발전 부품과 열전 부품 사이에 스토크스 이동층을 배치시키는 단계를 포함한다.
V. 전자기 에너지를 변환하는 방법들
다른 양상에서, 전자기 에너지를 전기 에너지로 변환하는 방법들이 여기서 설명된다. 일부 실시예들에서, 전자기 에너지를 전기 에너지로 변환하는 방법은 광발전 부품과 광발전 부품에 결합된 열전 부품을 포함하는 장치와 같은, 섹션 II에서 상술된 장치를 제공하는 단계를 포함하며, 열전 부품은 pn 접합을 제공하기 위해 적어도 하나의 n-형층에 결합된 적어도 하나의 p-형층과, p-형층과 n-형층 사이에 적어도 부분적으로 배치된 절연층을 포함하고, p-형층은 복수의 탄소 나노입자들을 포함하며, n-형층은 복수의 n-도핑된 탄소 나노입자들을 포함한다. 광전류를 제공하고 열전 부품을 가로지르는 전압을 유도하는 열전 부품의 한쪽을 가열하도록 전자기 방사선이 광발전 부품에 의해 흡수된다. 부가적으로, 일부 실시예들에서, 열전 부품의 적어도 하나의 p-형층의 나노입자들 및/또는 적어도 하나의 n-형층의 나노입자들이 전기적으로 극화된 폴리머 매트릭스에 배치된다. 일부 실시예들에서, 열전 부품의 절연층(들)은 압전 거동을 보이는 전기적으로 극화된 폴리머 또는 전기적으로 극화된 입자들을 포함한다.
일부 실시예들에서, 열전 부품의 한쪽을 가열하는 것은 광발전 부품에서 생성된 열을 열전 부품의 한쪽으로 전송하는 것을 포함한다. 부가적으로, 일부 실시예들에서, 열전 부품의 한쪽을 가열하는 것은 광발전 부품과 열전 부품 사이에 스토크스 이동층을 제공하는 것과, 열 및 전자기 복사를 생성하도록 스토크스 이동층으로 전자기 복사를 흡수시키는 것과, 생성된 열을 열전 부품의 한쪽으로 전송하는 것을 포함한다. 일부 실시예들에서, 스토크스 이동층에 의해 생성된 전자기 복사는 광전류의 생성을 위해 광발전 부품으로 전송된다.
VI. 열전 물품들 및 직물들
다른 양상에서, 열전 물품들이 여기서 설명된다. 또 다른 양상에서, 열전 직물들이 여기서 설명된다. 일부 실시예들에서, 물품들 및/또는 직물들이 비평면 또는 복합 표면들 상에 배치될 때를 포함하여, 여기서 설명된 물품들 및/또는 직물들은 열 에너지를 전기 에너지로 효율적으로 변환하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 여기서 설명된 물품 또는 직물이 전자 디바이스에 대한 피복(clothing) 또는 외피(covering)의 물품들로 사용되거나 이에 포함될 수 있다. 또한, 여기서 설명된 물품 또는 직물은 사람인 사용자의 피부 또는 전자 디바이스의 표면 상에 등각인(conformal) 또는 실질적으로 등각인 방식으로 배치되거나 또는 접촉될 수 있다.
여기서 설명된 물품은, 일부 실시예들에서, 열적으로 단열인 지지부(support)와, 열적으로 단열인 지지부의 대향면들(opposing sides) 상에 열전 모듈들의 표면부들(faces)을 제공하도록 열적으로 단열인 지지부의 주위로 또는 이를 통과하여 지나가는 구조로 형성된 열전 모듈들을 포함한다. 열전 모듈들은 섹션 I에서 상술된 열전 장치의 구조를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 열전 모듈들의 구조는 연속적이며 전기적으로 전도성이다. 또한, 일부 실시예들에서, 열전 모듈들은 지지부에 또는 지지부 상에 배치된 하나 이상의 전기 접촉들을 통과하는 것을 포함하여, 열적으로 단열인 지지부에 전기적으로 연결된다. 또한, 전기 접촉은 전기적 다이오드를 포함할 수 있다.
부가적으로, 열전 모듈들의 연속적인 구조는 pn 접합들을 형성하는 n-형층들에 결합된 p-형층들을 포함하며, 절연층들이 p-형층들과 n-형층들 사이에 부분적으로 배치된다. 일부 실시예들에서, 여기서 설명된 연속적인 구조의 p-형층들과 n-형층들은 적층 구조이다. 또한, 열전 모듈들의 표면부들에 있는 p-형층들과 n-형층들은 열적으로 단열인 지지부의 대향면들에 실질적으로 평행할 수 있다. 부가적으로, 단열 지지부의 주위로 또는 이를 통과하여 지나가는 열전 모듈 구조의 세그먼트는 열전 모듈의 표면부들의 적어도 하나에 실질적으로 수직하다.
또한, 연속적인 열전 모듈 구조의 p-형층들은 n-도핑된 탄소 나노입자들을 포함하는 n-형층들을 갖는 탄소 나노입자들을 포함할 수 있다. p-형층의 탄소 나노입자들은 p-도핑될 수 있다. p-형층의 나노입자들 및/또는 n-형층의 나노입자들은 전기적으로 극화된 폴리머를 포함하는 폴리머 매트릭스들을 포함하여, 폴리머 매트릭스들에 또한 배치될 수 있다.
열전 모듈들의 전기적으로 극화된 폴리머들은 비임의적으로 배향된 전기 쌍극자들 및/또는 전기 쌍극자 도메인들을 포함할 수 있다. 또한, 전기적으로 극화된 폴리머는 열전 모듈의 전류 흐름의 축에 평행하게 또는 실질적으로 평행하게 배향된 전기 쌍극장을 또한 보일 수 있을 뿐만 아니라 압전/초전 거동을 보일 수 있다. 전기적으로 극화된 폴리머 조성물들의 압전 및/또는 초전 특성들은 이러한 조성물들을 포함하는 물품들이 기계적 변형들로 인한 전기 뿐만 아니라 열적 기울기들에 노출됨으로 인한 전기 출력도 제공하도록 할 수 있다.
부가적으로, 열전 모듈 구조의 절연층은 바륨 티타네이트(barium titanate;BaTiO3) 입자들, 비스무스 텔루라이드(bismuth telluride) 입자들(BiTe), 다른 무기 입자들 또는 그의 혼합물들과 같은 압전 거동을 보이는 전기적으로 극화된 폴리머 또는 전기적으로 극화된 입자들을 포함할 수 있다.
또한, 일부 실시예들에서, 여기서 설명된 열전 모듈 구조의 p-형층들, n-형층들 또는 절연층들은 초전기장을 보인다. 초전기장은 본 발명의 목적들과 충돌하지 않는 임의의 방향을 가질 수 있다. 예를 들어, 초전기장은 구조의 전류 흐름의 축에 평행하게 또는 실질적으로 평행하게 배향될 수 있다.
여기서 설명된 바와 같이, p-형층과 n-형층을 접촉시키는 것은 pn 접합을 생성한다. 일부 실시예들에서, n-형층과 접촉한 p-형층에 의해 형성된 pn 접합에 계면 전이 영역이 존재한다. 일부 실시예들에서, 계면 전이 영역은 p-형층과 n-형층의 혼합된 나노입자들을 포함한다. p-형 및 n-형층들의 나노입자들의 혼합은 이종의 구조의 pn 접합을 제공할 수 있다.
부가적으로, 금속성 중간층이 pn 접합의 p-형층과 n-형층 사이에 배치될 수 있다. 금속성 중간층은 본 발명의 목적들과 충돌하지 않는 임의의 금속으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 금속성 중간층은 금, 백금, 이리듐, 팔라듐, 오스뮴, 은, 로듐 또는 루테늄을 포함하는 귀금속이나 그의 합금들로 형성될 수 있다. 금속성 중간층은 또한 알루미늄, 니켈, 구리, 다른 전이 금속들 또는 전이 금속 합금들로 형성될 수 있다. 또한, 금속성 중간층은 흑연이나 그래핀과 같은 금속성 특성들을 나타내는 유기 재료로 형성될 수 있다.
금속성 중간층은 피닝층으로 동작할 수 있다. 일부 실시예들에서, 피닝층은 인접한 n-형층과 p-형층의 페르미 레벨들을 피닝한다. 또한, 여기서 설명된 피닝층은 n-형층 또는 p-형층에 에너지적으로 매칭될 수 있다.
또한, 일부 실시예들에서, 열전 모듈들의 pn 접합들이 모듈들의 극화된 폴리머 구조들의 압전 및/또는 초전 거동과 연관된 전압 출력(들)에 대한 정류기들로 동작할 수 있다.
또한, 여기서 설명된 바와 같이, 물품의 열적으로 단열인 지지부는 직물의 하나 이상의 섬유들일 수 있다. 따라서, 다른 양상에서, 열전 직물들이 제공된다. 예를 들어, 직물은 하나 이상의 열적으로 단열인 섬유들과, 열적으로 단열인 섬유들의 대향면들 상에 열전 모듈들의 표면부들을 제공하도록 열적으로 단열인 섬유들의 주위로 또는 이를 통과하여 지나가는 구조로 형성된 열전 모듈들을 포함한다. 열전 모듈들은 여기서 설명된 구조들 또는 특성들의 임의의 것을 가질 수 있다. 또한, 일부 실시예들에서, 열전 모듈들은 직물에 바람직한 강도(stiffness) 또는 유연성(flexibility)을 제공하도록 선택된 크기를 가지며, 따라서 직물과 사람 신체의 표면 또는 전자 디바이스의 표면과 같은 표면 사이에 유연하거나 등각의 접촉을 허용하게 된다.
또한, 직물은 본 발명의 목적들과 충돌하지 않는 임의의 열적으로 단열인 섬유들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 열적으로 단열인 섬유는 열적으로 단열인 식물 섬유, 동물 섬유, 또는 합성 섬유를 포함한다. 일부 실시예들에서, 열적으로 단열인 섬유는 울, 실크, 면, 아마(flax), 삼베(jute), 대마(hemp), 모달(modal), 리오셀(lyocell), 셀룰로오스(cellulose), 폴리에스테르, 폴리올레핀, 폴리우레탄, 폴리아미드, 아라미드(aramid), 아크릴, 나일론, 스판덱스, 및 그의 화합물들 중 하나 또는 그 이상을 포함한다. 다른 열적으로 단열인 섬유들이 또한 사용될 수 있다.
부가적으로, 여기서 설명된 열전 직물은 본 발명의 목적들과 충돌하지 않는 임의의 조직 또는 직물 구조나 구성을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 예를 들면, 여기서 설명된 직물은 우븐(woven) 또는 위브(weave) 구성을 갖는다. 일부 실시예들에서, 직물의 열적으로 단열인 섬유들은 직물의 날실(warp) 또는 씨실(weft)를 형성할 수 있다. 예를 들어, 열적으로 단열인 섬유들은 직물의 씨실 방향으로 배치될 수 있고 열전 모듈들의 구조는 날실 방향으로 열적으로 단열인 섬유들을 통과하여 또는 그의 주위로 지나갈 수 있다. 또한, 일부 실시예들에서, 여기서 설명된 직물은 하나 이상의 행들 또는 열들에 배열되고 복수의 열적으로 단열인 섬유들을 통과하여 또는 그의 주위로 지나가는 복수의 열전 모듈 구조들을 포함할 수 있으며, 섬유들 또한 하나 이상의 행들 또는 열들로 배열된다. 열적으로 단열인 섬유들의 행들 또는 열들은 열전 모듈 구조들의 행들 또는 열들에 수직일 수 있다.
또한, 이러한 행들 또는 열들은 연속적일 필요는 없으며, 대신 비연속적이어서 직물이 개방 지역들과 폐쇄 지역들을 포함하게 될 수 있다. 개방 지역들은 열적으로 단열인 섬유들의 대향면들 사이에 및/또는 직물의 대향면들 사이에 습기 및/또는 공기의 교환을 허용할 수 있다. 폐쇄 지역들은 직물 또는 직물의 섬유들의 대향면들 사이에 습기 및/또는 공기의 이러한 교환을 금지하거나 또는 방해할 수 있다. 여기서 설명된 직물은 본 발명의 목적들과 충돌하지 않는 개방 및 폐쇄 지역들의 임의의 조합을 가질 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 여기서 설명된 직물은 약 10 퍼센트와 약 50 퍼센트 사이의 개방 지역과 약 50 퍼센트와 약 90 퍼센트 사이의 폐쇄 지역을 포함한다. 다른 구성들이 또한 가능하다.
열전 직물의 대향면들 또는 열적으로 단열인 지지부의 대향면들은 직물 또는 물품의 "고온(hot)" 측과 "저온(cold)" 측을 형성할 수 있다. 여기서 참조의 목적들을 위하여, 직물 또는 물품의 고온 측은 더 높은 온도를 갖는 쪽을 포함할 수 있으며, 저온 측은 더 낮은 온도를 갖는 쪽을 포함할 수 있다. 예를 들어, 직물 또는 물품의 고온 측은 착용하는 사람(wearer)의 피부와 같은 뜨겁거나 따뜻한 표면, 또는 외부 환경에 노출된 저온 측을 갖는 이동 전화와 같은 전자 디바이스의 표면에 대해 배치된 면이다. 다른 경우들에서, 외부 환경에 노출된 면이 직물 또는 물품의 고온 측이 된다.
또한, 여기서 설명된 물품 또는 직물의 열전 모듈들의 표면부들은 본 발명의 목적들과 충돌하지 않는 임의의 방식으로 직물 또는 물품의 대향면들 상에 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 예를 들면, 열전 모듈 구조들의 표면부들이 모두 동일한 방식으로 배치되어, 열 모듈들의 양성(또는 음성) 출력들이 모두 고온 측 상에 있거나 또는 모두 저온 측 상에 있게 된다. 대안적으로, 다른 실시예들에서, 열전 모듈 구조들의 표면부들이 상이한 방식들로 배치될 수 있어서, 열전 모듈들의 양성(또는 음성) 출력들의 일부가 고온 측 상에 있을 때 열전 모듈들의 다른 양성(또는 음성) 출력들은 저온 측 상에 있게 된다. 일부 실시예들에서, 이러한 구성은 여기서 설명된 물품 또는 직물이 직물 또는 물품의 어떠한 면이 주어진 임의의 시간에서 저온 측인지 또는 고온 측인지에 상관없이 전기 에너지를 제공할 수 있도록 한다.
일반적으로, 열전 모듈들에 의해 제공된 전기 에너지는 하나 이상의 전기 접촉들을 통해 외부 회로로 보내질 수 있다. 전기 접촉들은 여기서 설명된 열적으로 단열인 지지부의 표면 상에 또는 내부 안에 배치될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 하나 이상의 금속 와이어들이 열적으로 단열인 지지부의 표면 상에 및/또는 내부 안에 배치된다. 본 발명의 목적들과 충돌하지 않는 임의의 금속 와이어가 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 예를 들면, 금속 와이어는 구리를 포함한다.
또한, 여기서 설명된 물품 또는 직물은 또한 열전 모듈들로부터 전하를 제거하기 위해 하나 이상의 전기적 버스들 또는 다른 외부 접촉들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 열전 모듈들의 하나의 행 또는 열이 저온-고온 환경(외부 환경이 상대적으로 저온인)에서 전기 에너지를 생성하도록 구성될 수 있는 동안, 열전 모듈들의 다른 행 또는 열은 고온-저온 환경(외부 환경은 상대적으로 고온인)에서 전기 에너지를 생성하도록 구성될 수 있다. 일부 이러한 실시예들에서, 개별적인 행들 또는 열들이 상이하게 및/또는 개별적으로 또는 독립적으로 전기적으로 연결될 수 있다. 대안적으로, 다른 실시예들에서, 모든 열전 모듈들이 물품 또는 직물의 고온 및 저온 측들에 대해 동일한 방향을 갖는 때와 같이, 직물 또는 물품의 열전 모듈들의 전부가 전기적으로 평행하게 연결될 수 있다.
또한, 여기서 설명된 물품 또는 직물은 이동 전화 또는 배터리와 같은, 전자 디바이스 및/또는 에너지 저장 매체로의 전기적 연결을 각각 포함할 수 있다. 따라서, 여기서 설명된 물품 또는 직물은 전자 디바이스 또는 배터리에 직접 전력을 공급하거나 충전하도록 사용될 수 있다.
일부 실시예들이 도면들을 참조하여 이제 또한 설명될 것이다. 도 8은 여기서 설명된 한 실시예에 따른 열전 물품의 평면도를 도시한다. 도 9는 9--9 선들을 따라 잘려진 도 8의 물품의 단면도를 도시한다.
도들 8과 9에 도시된 열전 물품 또는 직물(100)은 열적으로 단열인 지지부(110)와, 열적으로 단열인 지지부(110)의 대향면들(111, 112) 상의 열전 모듈들(120)의 표면부들(121, 122)을 제공하도록 열적으로 단열인 지지부(110)의 주위로 또는 이를 통과하여 지나가는 구조로 형성된 열전 모듈들(120)을 포함한다. 일부 실시예들에서, 열적으로 단열인 지지부(110)는 직물의 하나 이상의 섬유들이다. 이러한 실시예들에서, 열적으로 단열인 지지부(110)는 씨실 방향(도 8의 d1)으로 배치될 수 있고 열전 모듈들(120)은 날실 방향(도 8의 d2)으로 배치될 수 있다. 또한, 이러한 배열은 개방 지역들(150)과 폐쇄 지역들을 갖는 직물(100)을 제공할 수 있다.
도들 1 및 2에 도시된 바와 같이, 열전 모듈들(120)의 구조들은 구조들이 열적으로 단열인 지지부(110) 주위로 또는 이를 통과하여 구부러지거나 접혀진 두개의 굴곡점들(123)을 포함하는 연속적 구조들이다. 또한, 열전 모듈들(120)의 표면부들(121, 122)의 p-형층들과 n-형층들(도시되지 않음)은 열적으로 단열인 지지부(110)의 대향면들(111, 112)과 실질적으로 평행하다. 부가적으로, 도들 8 및 9의 실시예에서, 단열 지지부(110)의 주위로 또는 이를 통과하여 지나가는 열전 모듈들(120)의 구조의 세그먼트(124)는 열전 모듈들(120)의 표면부들(121, 122) 중 적어도 하나와 실질적으로 수직이다.
도 10은 여기서 설명된 하나의 실시예에 따른 물품 또는 직물(100)의 사시도를 도시한다. 도 10에 도시된 바와 같이, 물품 또는 직물(100)은 저온 측(130)과 고온 측(140)을 가질 수 있다. 도 10의 실시예의 저온 측(130)은 열전 모듈 구조들(120)의 표면부들(121)에 대응하고 고온 측(140)은 열적으로 전도성인 지지부(110)의 대향면(112) 상의 열전 모듈 구조들(120)의 표면부들(122)에 대응한다. 그러나, 상술된 바와 같이, 다른 배열들이 또한 가능하다.
도 1은 여기서 설명된 한 실시예에 따른 열전 모듈 또는 열전 장치의 확대된 측면도를 도시한다. 도 1에 도시된 열전 모듈은 교번적 방식으로 n-형층(2)에 결합된 두개의 p-형층들(1)을 포함한다. p-형(1)과 n-형(2)층들의 교번적 결합은 모듈의 대향면들 상에 pn 접합들(4)을 갖는 z-형 구성의 열전 모듈들을 제공한다. 절연층들(3)이 p-형층들(1)과 n-형층(2)의 계면들 사이에 배치되며 p-형(1)과 n-형(2)층들은 적층 구조로 되어 있다. 여기서 설명된 바와 같이, 도 1에 제공된 열전 모듈은 모듈의 다양한 부품들의 묘사와 이해를 용이하게 하기 위해 확대된 상태에 있다. 그러나 일부 실시예들에서, 열전 모듈은 확대된 상태에 있지 않으며 절연층들(3)이 p-형층(1) 및 n-형층(2)과 접촉한다. 열전 모듈은 교번적 방식으로 n-형층들에 결합된 p-형층들의 임의의 바람직한 개수를 포함할 수 있다.
도 1은 모듈의 한 편을 열원에 노출시키는 것에 의해 유도된, 열전 모듈을 통한 전류 흐름을 부가적으로 도시한다. 열적으로 생성된 전류의 외부 부하로의 응용을 위해 전기 접촉들(X)이 열전 모듈에 제공된다.
도 2는 여기서 설명된 한 실시예에 따른 열전 모듈(200)을 도시하는데, p-형층들(201)과 n-형층들(202)이 적층 구조로 되어 있다. p-형층들(201)과 n-형층들(202)은 적층 구조에서 절연층들(207)에 의해 분리된다. 열전 모듈(200)은 전기 접촉들(204, 205)에 의해 외부 부하에 연결된다.
이제 여기서 설명된 열전 물품 또는 직물의 다양한 실시예들에 포함될 수 있는 부품들로 가보면, 여기서 설명된 물품 또는 직물은 열적으로 단열인 지지부 또는 열적으로 단열인 섬유들을 포함한다. 본 발명의 목적들과 충돌하지 않는 임의의 열적으로 단열인 지지부 또는 섬유들이 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 예를 들어, 열적으로 단열인 지지부는 울, 실크, 면, 아마, 삼베, 대마, 모달, 리오셀, 셀룰로오스, 폴리에스테르, 폴리우레탄, 폴리아미드, 아라미드, 아크릴, 나일론, 스판덱스, 및 그의 화합물들 중 하나 또는 그 이상을 포함하는, 자연 또는 합성 섬유들을 포함한다. 일부 실시예들에서, 열적으로 단열인 지지부는 무기 재료를 포함한다. 무기 재료는 금속 산화물과 같은 산화물 또는 섬유유리(fiberglass)와 같은 유리를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 무기 재료는 세라믹 재료를 포함한다. 무기 재료들은 실리카(silica), 티타니아(titania), 지르코니아(zirconia), 및 아연 산화물 중 하나 또는 그 이상을 포함할 수 있다.
또한, 여기서 설명된 물품의 열적으로 단열인 지지부는 본 발명의 목적들과 충돌하지 않는 임의의 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 열적으로 단열인 지지부는 네트 또는 메쉬(mesh) 구조를 갖는다. 부직포(non-woven) 구조들을 포함하여 다른 구조들이 또한 사용될 수 있다.
여기서 설명된 물품 또는 직물은 또한 열전 모듈 구조를 포함한다. 본 발명의 목적들과 충돌하지 않는 열전 모듈들의 임의의 구조가 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 예를 들면, 여기서 설명된 물품 또는 직물의 열전 모듈은 pn 접합들을 제공하는 n-형층들에 결합된 p-형층들과, p-형 및 n-형층들 사이에 배치된 절연층들을 포함한다. 일부 실시예들에서, 열전 모듈의 p-형층들과 n-형층들은 탄소 나노입자들을 포함한다.
일부 실시예들에서, p-형층의 탄소 나노입자들은 플러렌, 탄소 나노튜브들, 또는 그의 혼합물들을 포함한다. 일부 실시예들에서, 플러렌은 1-(3-메톡시카보닐)프로필-1-페닐(6,6)C61(PCBM)을 포함한다. 일부 실시예들에서, 탄소 나노튜브들은 단일벽 탄소 나노튜브들(SWNT), 다중벽 탄소 나노튜브들(MWNT) 뿐만 아니라 p-도핑된 단일벽 탄소 나노튜브들, p-도핑된 다중벽 탄소 나노튜브들 또는 그의 혼합물들을 포함한다.
일부 실시예들에서, p-도핑된 단일벽 탄소 나노튜브들 및/또는 p-도핑된 다중벽 탄소 나노튜브들은 약 0.1 중량 퍼센트 내지 약 30 중량 퍼센트의 범위에 있는 양의 보론을 포함한다. 일부 실시예들에서, p-도핑된 단일벽 탄소 나노튜브들 및/또는 p-도핑된 다중벽 탄소 나노튜브들은 약 5 중량 퍼센트 내지 약 25 중량 퍼센트 또는 약 10 중량 퍼센트 내지 약 20 중량 퍼센트의 범위에 있는 양의 보론을 포함한다. 또한, p-도핑된 단일벽 탄소 나노튜브들 및/또는 p-도핑된 다중벽 탄소 나노튜브들은 산소를 포함할 수 있다.
p-형 도펀트가 단일벽 및/또는 다중벽 탄소 나노튜브들의 격자에 포함될 수 있다. 일부 실시예들에서, 단일벽 및/또는 다중벽 탄소 나노튜브들을 둘러싸는 환경에 의해 p-형 도펀트가 외부로부터 탄소 나노튜브들에 제공된다. 여기서 또한 설명된 바와 같이, p-형층의 탄소 나노튜브들이 폴리머 매트릭스에 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 폴리머 매트릭스가 탄소 나노튜브들의 표면들로 p-도펀트를 제공할 수 있다. 폴리머 매트릭스가 p-도펀트를 탄소 나노튜브들의 표면들로 제공하는 일부 실시예들에서, 폴리머 매트릭스로의 통합 전에 탄소 나노튜브들은 p-도핑되지 않는다. 대안적으로, 탄소 나노튜브들은 폴리머 매트릭스로의 통합 전에 p-도펀트를 포함한다. 또한, 일부 실시예들에서, 알칼리 금속들과 같은 폴리머 매트릭스에 또한 배치된 화학종이 탄소 나노튜브들에 대한 p-도펀트로 동작할 수 있다.
일부 실시예들에서, p-형층의 탄소 나노입자들은 높은 종횡비를 갖는다. 여기서 사용되는 바와 같은 종횡비라는 용어는 탄소 나노입자의 지름 또는 너비로 나누어진 탄소 나노입자의 길이를 나타낸다. 일부 실시예들에서, p-형층의 탄소 나노입자들은 약 1 내지 약 106 또는 약 10 내지 약 100,000의 범위의 종횡비를 나타낸다.
탄소 나노튜브들을 포함하여, p-형층의 탄소 나노입자들은 일부 실시예들에서 약 1 nm 내지 약 5mm 또는 약 10nm 내지 약 1mm의 범위의 길이를 갖는다. 일부 실시예들에서, 탄소 나노입자들은 약 50nm 내지 약 500㎛의 범위의 길이를 갖는다. 또한, p-형층의 탄소 나노입자들은 약 1nm 내지 약 100nm의 범위의 지름을 가질 수 있다.
일부 실시예들에서, 탄소 나노튜브들을 포함하는 p-형층의 탄소 나노입자들이 매트 구조로 또는 부직포 구조로 제공된다.
일부 실시예들에서, p-형층은 여기서 설명된 탄소 나노입자들의 하나 또는 그이상의 종들을 약 0.1 중량 퍼센트 내지 약 100 중량 퍼센트의 범위에 있는 양으로 포함한다. 일부 실시예들에서, p-형층은 적어도 약 2 중량 퍼센트 또는 적어도 약 10 중량 퍼센트의 양의 탄소 나노입자들을 포함한다. 일부 실시예들에서, p-형층은 약 2 중량 퍼센트 내지 약 50 중량 퍼센트 또는 약 5 중량 퍼센트 내지 약 15 중량 퍼센트의 범위에 있는 양의 탄소 나노입자들을 포함한다.
p-형층들의 탄소 나노입자 부하들은 층의 바람직한 제벡 계수를 참조하여 선택될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 5 중량 퍼센트 내지 100 중량 퍼센트의 범위의 SWNT 부하들이 p-형층들에 대한 제벡 계수들의 범위를 제공한다. 예를 들어, 도 3은 여기서 설명된 일부 실시예들에 따른 p-형층들의 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF) 매트릭스의 SWNT 부하의 함수로서 제벡 계수를 도시한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 5 중량 퍼센트 내지 100 중량 퍼센트의 범위의 SWNT 부하들은 p-형층들에 대한 제벡 계수들의 범위를 제공한다. 일부 실시예들에서, p-형층의 나노입자 부하들이 또한 바람직한 여과 임계(percolation threshold)를 참조하여 결정될 수 있다.
p-형층들의 매트릭스들이 또한 탄소 나노입자들과 폴리머 호스트의 조합에 의해 형성될 수 있다. 본 발명의 목적들과 충돌하지 않는 임의의 폴리머 호스트 재료가 p-형층에 대한 폴리머 매트릭스의 제작에 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 폴리머 매트릭스는 폴리비닐 플루오라이드(PVF), 폴리비닐리덴 플루오라이드-트리플루오로에틸렌(PVDF-TrFE), 폴리비닐리덴 플루오라이드-테트라플루오로에틸렌(PVDF-TFE), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 또는 그의 혼합물들이나 코폴리머들을 포함하지만 이에 제한되지는 않는 반정질 폴리머를 포함한다. 열전 모듈의 p-형층들에서 사용된 PVDF, PVDF-TFE 및/또는 PVDF-TrFE의 반정질 폴리머들은 β-위상의 증가된 양들을 보여줄 수 있다. 예를 들어, p-형층의 PVDF, PVDF-TFE 및/또는 PVDF-TrFE는 1.5 내지 2.5의 β/α의 위상비를 보여줄 수 있다. 일부 실시예들에서, β/α 위상비는 2 내지 2.5이다. 여기서 논의된 바와 같이, 극화 기술들에 의해 β-위상의 결정체가 비임의 방향으로 제공될 수 있으며, 따라서 직물 또는 물품에 의해 경험된 기계적 변동들 또는 스트레스들로 인한 전기 에너지 수확을 위한 폴리머 매트릭스의 압전 및 초전 특성들을 강화시킨다.
일부 실시예들에서, p-형층의 폴리머 매트릭스는 폴리아크릴산(PAA), 폴리메타크릴레이트(PMA), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 또는 그의 혼합물들이나 코폴리머들을 포함한다. 폴리머 매트릭스는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌 또는 그의 혼합물들이나 코폴리머들을 포함하지만 이에 제한되지는 않는 폴리올레핀을 또한 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, p-형층의 폴리머 매트릭스는 폴리(3-헥실티오펜)(P3HT), 폴리(3-옥틸티오펜)(P3OT), 및 폴리티오펜(PTh)과 같은 티오펜을 포함하는 하나 이상의 공액 폴리머들을 포함한다.
일부 실시예들에서, p-형층의 폴리머 매트릭스는 하나 이상의 반도전성 폴리머들을 포함한다. 반도전성 폴리머들은 폴리(페닐렌 비닐렌) 및 폴리(p-페닐렌 비닐렌)(PPV)과 같은 페닐렌 비닐렌, 및 그의 유도체들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 반도전성 폴리머들은 폴리플루오렌, 나프탈렌, 및 그의 유도체들을 포함한다. 일부 실시예들에서, 반도전성 폴리머들은 폴리(2-비닐피리딘)(P2VP), 폴리아미드, 폴리(N-비닐카르바졸)(PVCZ), 폴리피롤(PPy), 및 폴리아닐린(PAn)을 포함한다. 일부 실시예들에서, 반도전성 폴리머는 폴리[2,6-(4,4-비스-(2-에칠헥실)-4H-사이클로펜타[2,1-b;3,4-b']디티오펜)-alt-4,7-(2,1,3-벤조티아디아졸)](PCPDTBT)를 포함한다.
p-형층은 본 발명의 목적들과 충돌하지 않는 임의의 바람직한 두께를 가질 수 있다. p-형층은 적어도 약 10nm 또는 적어도 약 100nm의 두께를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, p-형층은 적어도 약 500nm 또는 적어도 약 1㎛의 두께를 갖는다. 일부 실시예들에서 p-형층은 약 5nm 내지 약 50㎛의 범위의 두께를 갖는다.
일부 실시예들에서, p-형층은 본 발명의 목적들과 충돌하지 않는 임의의 바람직한 길이를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, p-형층은 적어도 약 1㎛ 또는 적어도 약 10㎛의 길이를 갖는다. 일부 실시예들에서, p-형층은 약 1㎛ 내지 약 100mm의 범위의 길이를 갖는다.
일부 실시예들에서, p-형층은 290K의 온도에서 적어도 약 5μV/K 또는 적어도 약 10μV/K의 제벡 계수를 갖는다. 일부 실시예들에서, p-형층은 290K의 온도에서 적어도 약 15μV/K 또는 적어도 약 30μV/K의 제벡 계수를 갖는다. 일부 실시예들에서, p-형층은 290K의 온도에서 약 5μV/K 내지 약 35μV/K의 범위의 제벡 계수를 갖는다.
여기서 설명된 바와 같이, p-형층의 제벡 계수는 탄소 나노입자의 아이덴티티와 부하에 따라 변화될 수 있다. 예를 들어, p-형층의 제벡 계수는 p-형층의 단일벽 탄소 나노튜브 부하에 반비례할 수 있다.
적어도 하나의 p-형층에 부가적으로, 여기서 설명된 열전 모듈은 복수의 n-도핑된 탄소 나노입자들을 포함하는 적어도 하나의 n-형층을 포함한다. 일부 실시예들에서, n-도핑된 탄소 나노입자들은 플러렌, 탄소 나노튜브들, 또는 그의 혼합물들을 포함한다. 일부 실시예들에서, 플러렌은 1-(3-메톡시카르보닐)프로필-1-페닐(6,6)C61(PCBM)을 포함한다. 일부 실시예들에서, n-도핑된 탄소 나노튜브들은 단일벽 탄소 나노튜브들, 다중벽 탄소 나노튜브들 또는 그의 혼합물들을 포함한다.
일부 실시예들에서, 탄소 나노튜브들을 포함하는 n-형층의 탄소 나노입자들이 매트 구조 또는 부직포 형식으로 제공된다.
n-도핑된 단일벽 탄소 나노튜브들 및/또는 n-도핑된 다중벽 탄소 나노튜브들은 약 0.1 중량 퍼센트 내지 약 30 중량 퍼센트의 범위에 있는 양의 질소를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, n-도핑된 단일벽 탄소 나노튜브들 및/또는 n-도핑된 다중벽 탄소 나노튜브들은 탈산소 나노튜브들이다.
n-형 도펀트가 단일벽 및/또는 다중벽 탄소 나노튜브들의 격자에 포함될 수 있다. 일부 실시예들에서, 단일벽 및/또는 다중벽 탄소 나노튜브들을 둘러싸는 환경에 의해 p-형 도펀트가 외부로부터 탄소 나노튜브들에 제공된다. n-형층의 탄소 나노튜브들이 폴리머 매트릭스에 배치될 수 있으며, 폴리머 매트릭스는 n-도펀트를 탄소 나노튜브들의 표면들로 제공할 수 있다. 일부 실시예들에서, 탄소 나노튜브들은 매트릭스로 통합되기 전에 n-도핑되지 않는다. 다른 실시예들에서, 탄소 나노튜브들은 매트릭스로 통합되기 전에 n-도핑된다.
일부 실시예들에서, n-형층의 n-도핑된 탄소 나노입자들은 높은 종횡비를 갖는다. 일부 실시예들에서, n-형층의 n-도핑된 탄소 나노입자들은 약 1 내지 약 106의 범위의 종횡비를 나타낸다. 일부 실시예들에서, n-도핑된 탄소 나노입자들은 약 10 내지 약 100,000의 범위의 종횡비를 나타낸다.
탄소 나노튜브들을 포함하여 n-형층의 탄소 나노입자들은, 일부 실시예들에서, 약 1 nm 내지 약 5mm 또는 약 10nm 내지 약 1mm의 범위의 길이를 갖는다. 일부 실시예들에서, n-도핑된 탄소 나노입자들은 약 50nm 내지 약 500㎛의 범위의 길이를 갖는다. 또한, 일부 실시예들에서, n-형층의 탄소 나노입자들은 약 1nm 내지 약 100nm의 범위의 지름을 갖는다.
n-형층은 약 0.1 중량 퍼센트 내지 약 100 중량 퍼센트의 범위에 있는 양으로 여기서 설명된 n-도핑된 탄소 나노입자들의 하나 또는 그이상의 종들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, n-형층은 적어도 약 2 중량 퍼센트 또는 적어도 약 5 중량 퍼센트의 양의 n-도핑된 탄소 나노입자들을 포함한다. 일부 실시예들에서, n-형층은 적어도 약 10 중량 퍼센트의 양의 n-도핑된 탄소 나노입자들을 포함한다. 일부 실시예들에서, n-형층은 약 2 중량 퍼센트 내지 약 50 중량 퍼센트 또는 약 5 중량 퍼센트 내지 약 15 중량 퍼센트의 범위에 있는 양의 n-도핑된 탄소 나노입자들을 포함한다. p-형층과 함께, n-형층의 나노입자들의 부하들이 층의 바람직한 제벡 계수를 참조하여 결정될 수 있다. n-형층의 나노입자 부하들이 바람직한 여과 임계를 참조하여 또한 결정될 수 있다.
여기서 설명된 바와 같이, n-형층은 또한 n-도핑된 탄소 나노입자들이 배치되는 폴리머 매트릭스를 포함할 수 있다. n-형층의 폴리머 매트릭스는 p-형층에 대하여 여기서 인용된 임의의 폴리머 종들을 포함할 수 있다. 예를 들어, n-형층의 폴리머 매트릭스는 폴리비닐 플루오라이드(PVF), 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 폴리비닐리덴 플루오라이드-트리플루오로에틸렌(PVDF-TrFE), 폴리비닐리덴 플루오라이드-테트라플루오로에틸렌(PVDF-TFE), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 또는 그의 혼합물들이나 코폴리머들을 포함하지만 이에 제한되지는 않는 반정질 폴리머를 포함할 수 있다. 열전 모듈의 n-형층들에서 사용된 PVDF, PVDF-TFE 및/또는 PVDF-TrFE의 반정질 폴리머들은 β-위상의 증가된 양들을 보여줄 수 있다. 예를 들어, n-형층의 PVDF, PVDF-TFE 및/또는 PVDF-TrFE는 1.5 내지 2.5의 β/α의 비를 보여줄 수 있다. 일부 실시예들에서, β/α 비는 2 내지 2.5이다. 여기서 논의된 바와 같이, 극화 기술들에 의해 β-위상의 결정체가 비임의 방향으로 제공될 수 있으며, 따라서 직물 또는 물품에 의해 경험된 기계적 변동들 또는 스트레스들로 인한 전기 에너지 수확을 위한 매트릭스의 압전 및 초전 특성들을 강화시킨다.
n-형층은 본 발명의 목적들과 충돌하지 않는 임의의 바람직한 두께를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, n-형층은 적어도 약 1nm의 두께를 갖는다. 일부 실시예들에서, n-형층은 적어도 약 10nm 또는 적어도 약 100nm의 두께를 갖는다. 일부 실시예들에서, n-형층은 약 5nm 내지 약 50㎛의 범위의 두께를 갖는다.
n-형층은 본 발명의 목적들과 충돌하지 않는 임의의 바람직한 길이를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, n-형층은 적어도 약 1㎛ 또는 적어도 약 10㎛의 길이를 갖는다. 일부 실시예들에서, n-형층은 적어도 약 100㎛ 또는 적어도 약 500㎛의 길이를 갖는다. 일부 실시예들에서, n-형층은 약 1㎛ 내지 약 100mm의 범위의 길이를 갖는다. 일부 실시예들에서, n-형층은 인접한 p-형층과 동일공간의 또는 실질적으로 동일공간의 길이를 갖는다.
n-형층은 또한 290K의 온도에서 적어도 약 -5μV/K 또는 적어도 약 -10μV/K의 제벡 계수를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, n-형층은 290K의 온도에서 적어도 약 -15μV/K 또는 적어도 약 -20μV/K의 제벡 계수를 갖는다. 일부 실시예들에서, n-형층은 290K의 온도에서 적어도 약 -30μV/K의 제벡 계수를 갖는다. 일부 실시예들에서, n-형층은 290K의 온도에서 약 -5μV/K 내지 약 -35μV/K의 범위의 제벡 계수를 갖는다.
n-형층의 제벡 계수는 n-도핑된 탄소 나노입자의 아이덴티티와 부하에 따라 변화될 수 있다. 예를 들어, n-형층의 제벡 계수는 n-형층의 탄소 나노입자 부하에 반비례할 수 있다.
여기서 설명된 열전 모듈의 일부 실시예들에서, p-도핑된 및 n-도핑된 탄소 나노튜브들을 포함하는 탄소 나노입자들이 하나 이상의 무기 나노입자들로 대체될 수 있다. 일부 실시예들에서, 무기 나노입자들을 IV족 반도체 재료들, II/VI족 반도체 재료들 또는 III/V족 반도체 재료들이나 이들의 결합물들을 포함한다. 일부 실시예들에서, 무기 반도체 나노입자들은 양자점들 및/또는 나노와이어들을 포함한다. 진성 무기 반도체 재료들에 여기서 설명된 각각의 p-층들과 n-층들에서 사용하기 위한 p-도펀트 또는 n-도펀트가 제공될 수 있다.
여기서 설명된 열전 모듈은 또한 p-형층들과 n-형층들 사이에 배치된 절연층들을 포함한다. 일부 실시예들에서, 절연층은 전기적으로 절연된다. 일부 실시예들에서, 절연층은 전기적으로 절연되며 열적으로도 단열된다. 일부 실시예들에서, 열전 모듈은 복수의 p-형층들과 n-형층들 사이에 배치된 복수의 절연층들을 포함한다. 절연층들은 여기서 설명된 열전 모듈들의 p-형층들과 n-형층들이 적층 구조로 배열되도록 한다.
일부 실시예들에서, 절연층은 하나 이상의 폴리머 재료들을 포함한다. 본 발명의 목적들과 충돌하지 않는 임의의 폴리머 재료가 절연층의 제작에 사용될 수 있다. 폴리머 절연층은 폴리비닐 플루오라이드(PVF), 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 폴리비닐리덴 플루오라이드-트리플루오로에틸렌(PVDF-TrFE), 폴리비닐리덴 플루오라이드-테트라플루오로에틸렌(PVDF-TFE), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 또는 그의 혼합물들이나 코폴리머들을 포함하지만 이에 제한되지는 않는 반정질 폴리머를 포함할 수 있다. 열전 모듈의 절연층들에서 사용된 PVDF, PVDF-TFE 및/또는 PVDF-TrFE의 반정질 폴리머들은 β-위상의 증가된 양들을 보여줄 수 있다. 예를 들어, 절연층의 PVDF, PVDF-TFE 및/또는 PVDF-TrFE는 1.5 내지 2.5의 β/α의 비를 보여줄 수 있다. 일부 실시예들에서, β/α 비는 2 내지 2.5이다. 여기서 논의된 바와 같이, 극화 기술들에 의해 β-위상 결정체가 비임의 방향으로 제공될 수 있으며, 따라서 절연층의 압전 및 초전 특성들을 강화시킨다.
일부 실시예들에서, 절연층은 폴리아크릴산(PAA), 폴리메타크릴레이트(PMA), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 또는 그의 혼합물들이나 코폴리머들을 포함한다. 일부 실시예들에서, 절연층은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌 또는 그의 혼합물들이나 코폴리머들을 포함하지만 이에 제한되지는 않는 폴리올레핀을 포함한다.
폴리머 절연층은 또한 압전 거동을 보이는 입자들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 폴리머 절연층은 BaTiO3의 입자들, BiTe 입자들, 다른 무기 압전 입자들 또는 그의 혼합물들을 포함할 수 있다. BaTiO3 입자들, BiTe 입자들 및/또는 다른 무기 입자들은 본 발명의 목적들과 충돌하지 않는 임의의 크기 및/또는 배치를 가질 수 있다. BaTiO3 및 BiTe 입자들은 20nm 내지 500nm의 범위의 크기 분포를 보일 수 있다. 또한, 압전 입자들은 본 발명의 목적들과 충돌하지 않는 임의의 부하로 절연층의 폴리머에 분산될 수 있다. 일부 실시예들에서, BaTiO3 입자들, BiTe 입자들 및/또는 다른 무기 압전 입자들은 나노입자들이며, 5-80 중량 퍼센트 또는 10-50 중량 퍼센트의 양으로 절연층에 존재한다. 여기서 설명된 바와 같이, 여기서 설명된 열전 모듈들의 압전 및/또는 초전 특성들을 더욱 강화시키기 위하여 절연층의 압전 입자들은 전기적으로 극화될 수 있다.
대안적으로, 일부 실시예들에서, 절연층은 무기 또는 세라믹 재료로 형성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 절연층은 전이 금속 산화물 입자들을 포함하는 금속 산화물 입자들로 형성된다. 적절한 금속 산화물 입자들이 또한 압전 거동을 보일 수 있다. 한 실시예에서, 예를 들면, 절연층은 전기적으로 극화될 수 있는 BaTiO3 입자들로 형성된다.
절연층은 본 발명의 목적들과 충돌하지 않는 임의의 바람직한 두께를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 절연층은 적어도 약 50nm의 두께를 갖는다. 일부 실시예들에서, 절연층은 적어도 약 75nm 또는 적어도 약 100nm의 두께를 갖는다. 일부 실시예들에서, 절연층은 약 5nm 내지 약 50㎛의 범위의 두께를 갖는다.
절연층은 본 발명의 목적들과 충돌하지 않는 임의의 바람직한 길이를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 절연층은 그 사이에 절연층이 배치되는 p-형 및 n-형층들의 길이들과 실질적으로 동일한 길이를 갖는다. 일부 실시예들에서, 절연층은 적어도 약 1㎛ 또는 적어도 약 10㎛의 길이를 갖는다. 일부 실시예들에서, 절연층은 적어도 약 100㎛ 또는 적어도 약 500㎛의 길이를 갖는다. 절연층은 약 1㎛ 내지 약 100㎛의 범위의 길이를 가질 수 있다.
일부 실시예들에서, 여기서 설명된 열전 모듈은 복수의 p-형층들과 복수의 n-형층들을 포함한다. 열전 모듈은 본 발명의 목적들과 충돌하지 않는 임의의 수의 p-형층들과 n-형층들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, p-형층들과 n-형층들은 교번적 방식 및 적층 구조로 나열되며, 절연층들에 의해 분리된다. 일부 실시예들에서, 열전 모듈은 적어도 3개의 p-형층들과 적어도 3개의 n-형층들을 포함한다. 일부 실시예들에서, 열전 모듈은 적어도 5개의 p-형층들과 적어도 5개의 n-형층들을 포함한다. 일부 실시예들에서, 열전 모듈은 적어도 10개의 p-형층들과 적어도 10개의 n-형층들을 포함한다. 일부 실시예들에서, 열전 모듈은 적어도 15개의 p-형층들과 적어도 15개의 n-형층들을 포함한다. 일부 실시예들에서, 열전 모듈은 적어도 100개의 p-형층들과 적어도 100개의 n-형층들을 포함한다. 일부 실시예들에서, 열전 모듈은 적어도 1000개의 p-형층들과 적어도 1000개의 n-형층들을 포함한다.
하나 이상의 p-형층들과 하나 이상의 n-형층들을 포함하는 여기서 설명된 열전 모듈은 직물의 형태를 가질 수 있다. 직물은 유연하여 상이한 표면 모양들 및/또는 모폴로지들을 갖는 다양한 기판들 또는 지지부들에 열전 모듈을 적용할 수 있다. 일부 실시예들에서, 예를 들어, 열전 모듈은 곡면의 및/또는 다른 비평면 기판들에 적용된다. 부가적으로, 열전 모듈의 유연한 직물 특성은 여기서 도들 8-10에 도시된 것과 같이 모듈의 구부림을 허용한다.
여기서 설명된 구조를 갖는 열전 모듈은 290K의 온도에서 적어도 약 25μV/K의 제벡 계수를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 여기서 설명된 열전 모듈은 290K의 온도에서 적어도 약 30μV/K 또는 적어도 약 50μV/K의 제벡 계수를 갖는다. 일부 실시예들에서, 여기서 설명된 열전 모듈은 290K의 온도에서 적어도 약 75μV/K 또는 적어도 약 100μV/K의 제벡 계수를 갖는다. 일부 실시예들에서, 여기서 설명된 열전 모듈은 290K의 온도에서 적어도 약 150μV/K 또는 적어도 약 175μV/K의 제벡 계수를 갖는다. 일부 실시예들에서, 여기서 설명된 열전 모듈은 290K의 온도에서 적어도 약 200μV/K의 제벡 계수를 갖는다. 일부 실시예들에서, 여기서 설명된 열전 모듈은 290K의 온도에서 약 25μV/K 내지 약 250μV/K의 범위의 제벡 계수를 갖는다. 일부 실시예들에서, 여기서 설명된 열전 모듈은 290K의 온도에서 약 50μV/K 내지 약 150μV/K의 범위의 제벡 계수를 갖는다.
여기서 설명된 열전 모듈은 적어도 0.5의 ZT를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 여기서 설명된 열전 모듈은 적어도 약 0.7 또는 적어도 약 0.8의 ZT를 갖는다. 일부 실시예들에서, 여기서 설명된 열전 모듈은 적어도 약 1 또는 적어도 약 1.5의 ZT를 갖는다. 일부 실시예들에서, 여기서 설명된 열전 모듈은 약 0.5 내지 약 2.5, 약 0.5 내지 약 2 또는 약 0.8 내지 약 1.5의 범위의 ZT를 갖는다. 일부 실시예들에서, 여기서 설명된 열전 모듈은 약 1 내지 약 1.3의 범위의 ZT를 갖는다. 일부 실시예들에서, 여기서 설명된 열전 모듈은 약 1 내지 10의 범위의 ZT를 갖는다.
VII. 열전 물품을 만드는 방법들
다른 양상에서, 물품을 만드는 방법들이 여기서 설명된다. 여기서 설명된 물품들을 만드는 방법들은 섹션 VI에서 상술된 임의의 물품 또는 직물을 만드는데 사용될 수 있다.
일부 실시예들에서, 물품을 만드는 방법은 열적으로 단열인 지지부를 제공하는 단계와, 열적으로 단열인 지지부의 대향면들 상에 열전 모듈들의 표면부들을 제공하도록 열적으로 단열인 지지부의 주위로 또는 이를 통과하여 열전 모듈들의 구조를 지나가게 하는 단계를 포함한다. 열적으로 단열인 지지부와 열전 모듈 구조는 섹션 VI에서 상술된 임의의 열적으로 단열인 지지부와 열적 모듈 구조를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 예를 들어, 열전 모듈들의 구조는 연속적이다. 또한, 연속적 구조는 pn 접합들을 형성하는 n-형층들에 결합된 p-형층들을 포함할 수 있으며, 절연층들은 p-형층들과 n-형층들 사이에 부분적으로 배치된다. 부가적으로, 일부 실시예들에서, 열전 모듈들의 표면부들의 p-형층들과 n-형층들은 열적으로 단열인 지지부의 대향면들과 실질적으로 평행하다. 또한, 열적으로 단열인 지지부는 직물의 하나 이상의 섬유들일 수 있다.
또한, 여기서 설명된 방법의 일부 실시예들에서, 열적으로 단열인 지지부의 주위로 또는 이를 통과하여 열전 모듈들의 구조를 지나가는 단계는 또한 열전 모듈들의 표면부들의 적어도 하나에 실질적으로 수직인 구조의 세그먼트를 제공하는 단계를 포함한다.
부가적으로, 일부 실시예들에서, 여기서 설명된 방법은 또한 하나 이상의 전기적 연결들을 제공하는 단계와, 열전 모듈들을 전기적 연결(들)로 전기적으로 연결하는 단계를 포함한다. 전기적 연결은 섹션 VI에서 상술된 임의의 전기적 연결을 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 여기서 설명된 방법은 또한 열적으로 단열인 지지부의 하나 이상의 전기 접촉들을 통과하는 단계를 포함하여, 열전 모듈들을 전기적으로 평행하게 연결하는 단계를 포함한다.
여기서 설명된 방법들의 다양한 단계들은 본 발명의 목적들과 충돌하지 않는 임의의 방식으로 수행될 수 있다. 일부 실시예들에서, 예를 들어, 방법의 단계는 3D 프린팅, 압전-프린팅, 스프레이-프린팅, 및 삼투 프린팅의 하나 또는 그 이상을 이용하여 수행된다. 예를 들어, 이러한 프린팅 방법은 원한다면 하나 이상의 전기적 연결들을 제공하도록 사용될 수 있다.
VIII. 전기 에너지를 생성하는 방법들
다른 양상에서, 전기 에너지를 생성하는 방법들이 여기서 설명된다. 일부 실시예들에서, 전기 에너지를 생성하는 방법은, 열적으로 단열인 지지부와, 열적으로 단열인 지지부의 대향면들 상에 열전 모듈들의 표면부들을 제공하도록 열적으로 단열인 지지부 주위로 또는 이를 통과하여 지나가는 구조로 형성된 열전 모듈들을 포함하는, 물품을 제공하는 단계를 포함한다. 열전 모듈들을 가로질러 전압이 유도되도록 열 에너지는 열전 모듈들에 의해 흡수된다. 부가적으로, 일부 실시예들에서, 물품의 열전 모듈들은 물품 상의 기계적 변동들 또는 스트레스들에 응답하여 전기 에너지의 생성을 허용하는 압전/초전 특성들을 보인다. 섹션 VI에서 상술된 임의의 물품이 여기서 설명된 방법으로 사용될 수 있다.
이러한 및 다른 실시예들이 또한 다음의 비제한적인 예에 의해 설명된다.
예 1
열전 장치
17.5ml의 디메틸아크릴아미드(dimethylacrylamide;DMA)이 부가된 35mg의 단일벽 탄소 나노튜브들(SWNT)을 제공하는 것에 의해 제 1 p-형층이 제조되었다. 결과적인 혼합물은 한시간동안 고에너지 초음파처리되었다(sonicated). 총 고형물 기반 혼합물의 20 중량 퍼센트의 양으로 SWNT를 랜더링하도록 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride;PVDF)가 혼합물에 부가되었다. 결과적인 SWNT/PVDF/DMA 혼합물은 한시간동안 고에너지 초음파처리되었다.
75mm X 45mm의 크기를 갖는 유리 슬라이드가 메탄올에 세척되었으며 90℃의 핫플레이트 상에 위치되었다. SWNT/PVDF/DMA 혼합물이 슬라이드 상에 고르게 부어졌으며 DMA가 증발되는 것이 허용되었다. 건조된 SWNT/PVDF 필름이 12시간의 어닐링을 위해 100℃의 오븐으로 위치되었다. 그 후 오븐으로부터 슬라이드가 옮겨졌으며, 메탄올이 SWNT/PVDF 필름 위에 부어졌다. SWNT/PVDF 필름이 유리 슬라이드로부터 조심스럽게 떼어져 탈염수에서 씻기고 건조되었다.
앞의 절차에 따라 제 2 p-형층이 준비되었다. 또한, 앞의 절차에 따라 n-형층이 준비되었는데, 차이점은 n-도핑된 탄소 나노튜브들이 DMA 및 PVDF와 결합되었다는 것이다.
다음 절차에 따라 두개의 절연층들이 준비되었다. 0.025ml의 DMA 대 1mg의 폴리프로필렌(polypropylene;PP) 파우더의 비율로 600mg의 폴리프로필렌이 DAM에 부가되었다. 결과적인 혼합물은 PP 파우더가 DMA에 용해될 때까지 초음파처리되었다. 75mm X 45mm의 크기를 갖는 유리 슬라이드가 메탄올에 세척되었으며 90℃의 핫플레이트 상에 위치되었다. PP/DMA 혼합물이 슬라이드 상에 고르게 부어졌으며 DMA가 증발되는 것이 허용되었다. 메탄올이 결과적인 PP 필름 위에 부어졌으며, PP 필름은 유리 슬라이드로부터 조심스럽게 떼어졌다.
그 후 도 5에 도시된 바와 같은 열전 장치를 제공하기 위해 두개의 p-형층들, n-형층 및 두개의 절연층들이 결합되었다. 장치의 다양한 부품들의 묘사를 위해 결과적인 열전 장치가 도 5에 확대되었다.
발명의 다양한 실시예들이 발명의 다양한 목적들의 수행으로 설명되었다. 이러한 실시예들은 단지 본 발명의 원리들을 예시하는 것임이 인식되어야 한다. 발명의 정신과 범주로부터 벗어남이 없이 그의 다양한 변경들 및 적응들이 당업자들에게 쉽게 명백해질 것이다.
110: 지지부 120: 열전 모듈
111,112: 대향면 121, 122: 표면부
123: 굴곡점

Claims (57)

  1. 열전 장치에 있어서:
    pn 접합을 제공하도록 적어도 하나의 n-형층에 결합된 적어도 하나의 p-형층과;
    상기 p-형층과 상기 n-형층 사이에 적어도 부분적으로 배치된 절연층으로서, 상기 p-형층은 제 1 폴리머 매트릭스에 배치된 탄소 나노입자들을 포함하고 상기 n-형층은 제 2 폴리머 매트릭스에 배치된 n-도핑된(n-doped) 탄소 나노입자들을 포함하는, 상기 절연층을 포함하며, 상기 제 1 폴리머 매트릭스, 제 2 폴리머 매트릭스 및 절연층의 적어도 하나는 전기적으로 극화된(electrically poled) 폴리머를 포함하는, 열전 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기적으로 극화된 폴리머는 복수의 비임의적으로 배향된(non-randomly oriented) 전기 쌍극자들 또는 전기 쌍극자 도메인들을 포함하는, 열전 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기적으로 극화된 폴리머는 전기 쌍극장(electric dipole field), 압전(piezoelectric) 특성들, 초전(pyroelectric) 특성들 또는 그의 조합들을 나타내는, 열전 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 전기 쌍극장은 상기 장치의 전류 흐름의 축에 평행하게 또는 실질적으로 평행하게 배향되는, 열전 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 절연층은 전기적으로 극화된 압전 입자들을 포함하는, 열전 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 압전 입자들은 무기(inorganic) 입자들을 포함하는, 열전 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 무기 입자들은 바륨 티타네이트(barium titanate), 비스무스 텔루라이드(bismuth telluride) 또는 그의 혼합물들을 포함하는, 열전 장치.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 압전 입자들은 폴리머 매트릭스에 분산되는, 열전 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 폴리머 매트릭스는 전기적으로 극화되지 않은, 열전 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 p-형층, 상기 n-형층 또는 둘 모두 초전기장(pyroelectric field)을 보이는, 장치
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 초전기장은 상기 장치의 전류 흐름의 축에 평행하게 또는 실질적으로 평행하게 배향되는, 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기적으로 극화된 폴리머는 반정질(semicrystalline) 폴리머를 포함하는, 장치.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기적으로 극화된 폴리머는 플루오로폴리머(fluoropolymer)를 포함하는, 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 플루오로폴리머는 폴리비닐 플루오라이드(polyvinyl fluoride), 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride), 폴리비닐리덴 플루오라이드-트리플루오로에틸렌(polyvinylidene fluoride-trifluoroethylene), 폴리비닐리덴 플루오라이드-테트라플루오로에틸렌(polyvinylidene fluoride-tetrafluoroethylene) 또는 그의 혼합물들을 포함하는, 열전 장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 플루오로폴리머는 1.5-2.5의 β/α 상비율을 보이는, 열전 장치.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 p-형층의 상기 나노입자들은 5-95 중량 퍼센트(weight percent)의 양으로 상기 제 1 폴리머 매트릭스에 존재하고, 상기 n-형층의 상기 나노입자들은 5-95 중량 퍼센트의 양으로 상기 제 2 폴리머 매트릭스에 존재하는, 열전 장치.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 pn 접합은 계면 전이 영역(interfacial transition region)을 포함하는, 열전 장치.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 계면 전이 영역은 상기 p-형층의 탄소 나노입자들과 상기 n-형층의 탄소 나노입자들의 이종의(heterogeneous) 혼합물을 포함하는, 열전 장치.
  19. 제 1 항에 있어서,
    복수의 pn 접합들을 제공하는 복수의 n-형층들에 결합된 복수의 p-형층들과, 상기 p-형층들과 상기 n-형층들 사이에 적어도 부분적으로 배치된 절연층들을 포함하는, 열전 장치.
  20. 제 1 항에 있어서,
    상기 p-형층의 상기 탄소 나노입자들은 단일벽 탄소 나노튜브들, 다중벽 탄소 나노튜브들, 플러렌(fullerenes) 또는 그의 혼합물들을 포함하는, 열전 장치.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 p-형층의 상기 탄소 나노입자들은 보론(boron)을 포함하는, 열전 장치.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 보론은 약 0.1 중량 퍼센트 내지 약 30 중량 퍼센트의 범위에 있는 양으로 상기 탄소 나노입자들에 존재하는, 열전 장치.
  23. 제 1 항에 있어서,
    상기 n-형층의 상기 n-도핑된 탄소 나노입자들은 단일벽 탄소 나노튜브들, 다중벽 탄소 나노튜브들, 플러렌 또는 그의 혼합물들을 포함하는, 열전 장치.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 n-도핑된 탄소 나노입자들은 질소를 포함하는, 열전 장치.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 질소는 약 0.1 중량 퍼센트 내지 약 30 중량 퍼센트의 범위에 있는 양으로 상기 탄소 나노입자들에 존재하는, 열전 장치.
  26. 제 1 항에 있어서,
    상기 절연층은 전기적으로 절연인 폴리머 재료를 포함하는, 열전 장치.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 전기적으로 절연인 폴리머 재료는 폴리올레핀(polyolefin), 폴리비닐 플루오라이드(polyvinyl fluoride;PVF), 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride;PVDF), 폴리비닐리덴 플루오라이드-트리플루오로에틸렌(polyvinylidene fluoride-trifluoroethylene;PVDF-TrFE), 폴리비닐리덴 플루오라이드-테트라플루오로에틸렌(polyvinylidene fluoride-tetrafluoroethylene;PVDF-TFE), 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene;PTFE), 또는 그의 혼합물들이나 코폴리머들로 구성된 그룹으로부터 선택되는, 열전 장치.
  28. 제 1 항에 있어서,
    상기 p-형층의 상기 탄소 나노입자들은 p-도핑된 무기 나노입자들로 대체되고 상기 n-형층의 상기 n-도핑된 탄소 나노입자들은 n-도핑된 무기 나노입자들로 대체되는, 열전 장치.
  29. 제 15 항에 있어서,
    적어도 0.5의 ZT를 갖는, 열전 장치.
  30. 열전 장치를 만드는 방법에 있어서:
    제 1 폴리머 매트릭스에 배치된 탄소 나노입자들을 포함하는 적어도 하나의 p-형층을 제공하는 단계와;
    제 2 폴리머 매트릭스에 배치된 n-도핑된 탄소 나노입자들을 포함하는 적어도 하나의 n-형층을 제공하는 단계와;
    상기 p-형층과 상기 n-형층 사이에 절연층을 위치시키는 단계와;
    pn 접합을 제공하도록 상기 p-형층과 상기 n-형층을 결합시키는 단계를 포함하며,
    상기 제 1 폴리머 매트릭스, 제 2 폴리머 매트릭스 및 절연층의 적어도 하나는 전기적으로 극화된, 방법.
  31. 제 30 항에 있어서,
    상기 절연층은 전기적으로 극화된 압전 입자들을 포함하는, 방법.
  32. 제 31 항에 있어서,
    상기 압전 입자들은 무기 입자들을 포함하는, 방법.
  33. 제 32 항에 있어서,
    상기 무기 입자는 바륨 티타네이트, 비스무스 텔루라이드 또는 그의 혼합물들을 포함하는, 방법.
  34. 제 31 항에 있어서,
    상기 압전 입자들은 폴리머 매트릭스에 분산되는, 방법.
  35. 제 34 항에 있어서,
    상기 폴리머 매트릭스는 전기적으로 극화되지 않은, 방법.
  36. 물품(article)에 있어서:
    열적으로 단열인 지지부(support)와;
    상기 열적으로 단열인 지지부의 대향면들(opposing sides) 상에 열전 모듈들의 표면부들(faces)을 제공하도록 상기 열적으로 단열인 지지부의 주위로 또는 이를 통과하여 지나가는 구조로 형성된 상기 열전 모듈들을 포함하는, 물품.
  37. 제 36 항에 있어서,
    상기 열전 모듈들의 상기 구조는 연속적인(continuous), 물품.
  38. 제 37 항에 있어서,
    상기 연속적인 구조는 pn 접합들을 형성하는 n-형층들에 결합된 p-형층들을 포함하고, 절연층들이 상기 p-형층들과 상기 n-형층들 사이에 부분적으로 배치되는, 물품.
  39. 제 38 항에 있어서,
    상기 열전 모듈들의 상기 표면부들의 p-형층들과 n-형층들은 상기 열적으로 단열인 지지부의 상기 대향면들에 실질적으로 평행한, 물품.
  40. 제 36 항에 있어서,
    상기 열적으로 단열인 지지부는 직물(fabric)의 하나 이상의 섬유들인, 물품.
  41. 제 36 항에 있어서,
    상기 단열 지지부의 주위로 또는 이를 통과하여 지나가는 상기 열전 모듈 구조의 세그먼트(segment)는 상기 열전 모듈 표면부들의 적어도 하나와 실질적으로 수직인(normal), 물품.
  42. 제 37 항에 있어서,
    상기 연속적인 구조는 전기적으로 전도성(conductive)인, 물품.
  43. 제 36 항에 있어서,
    상기 열전 모듈들은 전기적으로 평행하게 연결되는, 물품.
  44. 직물에 있어서:
    하나 이상의 섬유들과;
    상기 섬유들의 대향면들 상에 열전 모듈들의 표면부들을 제공하도록 상기 섬유들의 주위로 또는 이를 통과하여 지나가는 구조로 형성된 상기 열전 모듈들을 포함하는, 직물.
  45. 제 44 항에 있어서,
    열전 모듈들의 상기 구조는 연속적인, 직물.
  46. 제 45 항에 있어서,
    상기 연속적인 구조는 pn 접합들을 형성하는 n-형층들에 결합된 p-형층들을 포함하며, 절연층들이 상기 p-형층들과 n-형층들 사이에 부분적으로 배치되는, 직물.
  47. 제 46 항에 있어서,
    상기 열전 모듈들의 상기 표면부들의 p-형층들과 n-형층들은 상기 섬유들의 상기 대향면들에 실질적으로 평행한, 직물.
  48. 물품을 만드는 방법에 있어서:
    열적으로 단열인 지지부를 제공하는 단계와;
    상기 열적으로 단열인 지지부의 대향면들 상에 열전 모듈들의 표면부들을 제공하도록 상기 열적으로 단열인 지지부의 주위로 또는 이를 통과하여 상기 열전 모듈들의 구조가 지나가게 하는 단계를 포함하는, 방법.
  49. 제 48 항에 있어서,
    열전 모듈들의 상기 구조는 연속적인, 방법.
  50. 제 49 항에 있어서,
    상기 연속적인 구조는 pn 접합들을 형성하는 n-형층들에 결합된 p-형층들을 포함하고, 절연층들이 상기 p-형층들과 상기 n-형층들 사이에 부분적으로 배치되는, 방법.
  51. 제 50 항에 있어서,
    상기 열전 모듈들의 상기 표면부들의 p-형층들과 n-형층들은 상기 열적으로 단열인 지지부의 상기 대향면들에 실질적으로 평행한, 방법.
  52. 제 48 항에 있어서,
    상기 열적으로 단열인 지지부는 직물의 하나 이상의 섬유들인, 방법.
  53. 제 48 항에 있어서,
    상기 열적으로 단열인 지지부의 주위로 또는 이를 통과하여 열전 모듈들의 상기 구조를 지나가게 하는 단계는 상기 열전 모듈 표면부들의 적어도 하나에 실질적으로 수직한 상기 구조의 세그먼트를 제공하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  54. 제 49 항에 있어서,
    상기 연속적인 구조는 전기적으로 전도성인, 방법.
  55. 제 48 항에 있어서,
    상기 열전 모듈들을 전기적으로 평행하게 연결하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  56. 전기 에너지를 생성하는 방법에 있어서:
    열적으로 단열인 지지부와, 상기 열적으로 단열인 지지부의 대향면들 상에 열전 모듈들의 표면부들을 제공하도록 상기 열적으로 단열인 지지부의 주위로 또는 이를 통과하여 지나가는 구조로 형성된 상기 열전 모듈들을 포함하는, 물품을 제공하는 단계와;
    전압을 생성하도록 상기 열전 모듈들을 따라 온도 기울기(temperature gradient)를 유도하는 단계를 포함하는, 방법.
  57. 제 56 항에 있어서,
    상기 열전 모듈들의 압전 응답을 통해 전압을 생성하도록 상기 물품이 하나 이상의 기계적 스트레스들을 당하게 하는 단계를 더 포함하는, 방법.
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