KR20160032320A - 다원계 열전 페이스트 합성법을 이용한 고효율 열전후막 형성 방법 및 이를 이용하여 제조된 열전후막 - Google Patents

다원계 열전 페이스트 합성법을 이용한 고효율 열전후막 형성 방법 및 이를 이용하여 제조된 열전후막 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다원계 열전 페이스트 합성법을 이용한 고효율 열전후막 형성 방법 및 이를 이용하여 제조된 열전후막으로서, 삼원계 이상의 단원계 파우더에 용제(Solvent), 바인더(Binder) 및 글래스 파우더(Glass Powder)를 혼합하여 열전물질인 다원계 페이스트를 합성하는 페이스트 합성 단계; 기판 상에 상기 다원계 페이스트를 프린팅하는 프린팅 단계; 상기 프린팅된 기판을 건조시켜 상기 용제를 증발시키는 건조 단계; 및 열처리 과정을 통해 상기 건조된 기판에서 상기 바인더를 증발시키고 다원계 화합물을 형성시켜 다원계 열전후막을 합성하는 열전후막 형성 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다원계 열전 페이스트 합성법을 이용한 고효율 열전후막 형성 방법과 이를 통해 제조된 열전후막이며, 이와 같은 본 발명에 의하면 다원계 열전후막의 형성 및 후속 열처리공정을 통해 고효율 열전특성을 갖는 열전후막을 제공할 수 있으며, 특히 증착두께 측면에서는 벌크(Bulk) 형태보다는 얇고 스퍼터(Sputter) 및 CVD 박막 보다는 두꺼운 수 내지 수백마이크로미터 두께의 후막을 형성하여 충분한 전력(Power) 값을 얻을 수 있는 열전후막을 제작할 수 있게 된다.

Description

다원계 열전 페이스트 합성법을 이용한 고효율 열전후막 형성 방법 및 이를 이용하여 제조된 열전후막 {Method of forming high efficiently thermoelectric thick film using synthetic process of multicomponent thermoelectric paste and thermoelectric thick film thereof}
본 발명은 다원계 열전 페이스트를 이용한 고효율 열전후막 형성 방법과 이를 이용하여 제조된 열전후막에 관한 것으로, 보다 상세하게는 삼원계 이상의 다원계 파우더, 바인더(Binder), 글래스 파우더(Glass powder) 및 유기 용제(Solvent)를 혼합하여 다원계 열전 페이스트를 합성하고, 다원계 열전 페이스트를 이용하여 열전후막을 형성하는 다원계 열전후막 형성 방법과 이로부터 제조된 열전후막에 관한 것이다.
열전효과는 열에너지와 전기 에너지가 상호작용하는 효과, 즉, Thomas Seebeck에 의해 발견된 Seebeck 효과(1821년)와 Peltier에 의해 발견된 Peltier 효과(1834년)를 총칭한다.
Seebeck 효과와 Peltier 효과를 기반으로 Power generator, Cooler의 용도로 열전소자가 제작된다. 현재의 열전소자는 Bi-Te계열의 열전물질을 이용하여 Bulk형태(열전물질로 제작된 1mm 정도의 두께를 가진 직육면체)로 제작된다.
Bulk형태는 보통 열전 파우더(Thermoelectric Powder)를 가압소성(Sintering)하여 만들어지는데 Bulk형태의 소자는 에너지 변환효율이 태양전지와 같은 청정에너지 소자 보다 낮은 값을 가지는 단점이 있다. 이를 극복하기 위해 최근에는 Bi-Te계열을 박막형태로 만드는 연구가 진행 중이다.
Bi-Te계열을 박막형태로 형성하기 위해서는 Sputter 및 CVD등의 증착방법을 통해 이루어지는데 이를 통해 형성된 박막은 1마이크로미터 이내이기 때문에 Power generator로 사용 시 충분한 power를 얻기 힘들기 때문에 상업적으로 활용될 가능성이 낮다.
하지만 열전물질을 페이스트화(Paste)하여 스크린 프린터를 이용한 증착을 하게 되면 증착 시간이 단축 될 뿐만 아니라 수 내지 수백마이크로미터 후막을 증착 할 수 있다. 그러나 열전 후막형성 기술은 어려운 것이 현실이다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하고자 하는 것으로서, 다원계 열전후막의 형성 및 후속 열처리공정을 제안하여 고효율 열전특성을 갖는 열전후막을 제공하고자 하는 것이 주된 목적이다.
특히, 증착두께 측면에서는 벌크(Bulk) 형태보다는 얇고 스퍼터(Sputter) 및 CVD 박막 보다는 두꺼운 수 내지 수백마이크로미터 두께의 후막을 형성하여 충분한 전력(Power) 값을 얻을 수 있는 열전후막을 구현하고자 한다.
나아가서 종래 이원계 열전후막과 대비하여 무차원 성능지수(ZT)값을 향상시켜 열전 특성을 개선한 삼원계 이상의 다원계 열전후막을 제공할 수 있는 방안을 제시하고자 한다.
상기 기술적 과제를 달성하고자 본 발명에 따른 다원계 열전 페이스트 합성법을 이용한 고효율 열전후막 형성 방법은, 삼원계 이상의 다원계 파우더에 용제(Solvent), 바인더(Binder) 및 글래스 파우더(Glass Powder)를 혼합하여 열전물질인 다원계 페이스트를 합성하는 페이스트 합성 단계; 기판 상에 상기 다원계 페이스트를 프린팅하는 프린팅 단계; 상기 프린팅된 기판을 건조시켜 상기 용제를 증발시키는 건조 단계; 및 열처리 과정을 통해 상기 건조된 기판에서 상기 바인더를 증발시키고 다원계 화합물을 형성시켜 다원계 열전후막을 합성하는 열처리 단계를 포함할 수 있다.
바람직하게는 상기 열처리 단계에서 상기 열처리 과정은, 진공에서 이루어지는 제1 열처리 과정 및 비활성 가스 분위기에서 이루어지는 제2 열처리 과정을 포함할 수 있다.
보다 바람직하게는 상기 열처리 과정은, 상기 삼원계 이상의 다원계 파우더에 포함된 하나 이상의 물질을 포함하는 여분의 파우더를 공급하여 파우더 분위기에서 파우더 증발기법을 이용하여 수행될 수 있다.
여기서 상기 제1 열처리 과정 및 상기 제2 열처리 과정은 100~500℃ 범위에서 이루어질 수 있다.
또한 상기 열처리 과정은, 상기 제2 열처리 과정 후에 300~1100℃에서 이루어지는 제3 열처리 과정을 더 포함할 수 있다.
나아가서 상기 열전후막 형성 방법은, 상기 열처리 과정 후에 진공 또는 비활성 가스 분위기에서 냉각하는 단계를 더 포함할 수 있다.
여기서 상기 다원계 파우더는, Li, Be, B, C, N, O, F, Na, Mg, Al, Si, P, S, Cl, K, Ca Ti, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, As, Se, Br, Rb, Sr, Y, Zr, Mo, Pd, Ag, Cd, In, Sn, Sb, Te, Cs, Hf, W, Pt, Au, Pb, Bi 또는 Yb 중에서 선택된 3종 이상의 물질이 혼합될 수 있다.
또한 본 발명은 다원계 열전 페이스트 합성법을 이용한 고효율 열전후막 형성 방법을 이용하여, 기판 상에 형성된 열전물질인 다원계 페이스트를 열처리하여 형성된 것을 특징으로 하는 열전후막을 포함한다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 다원계 열전후막의 형성 및 후속 열처리공정을 통해 고효율 열전특성을 갖는 열전후막을 제공할 수 있으며, 특히 증착두께 측면에서는 벌크(Bulk) 형태보다는 얇고 스퍼터(Sputter) 및 CVD 박막 보다는 두꺼운 수 내지 수백마이크로미터 두께의 후막을 형성하여 충분한 전력(Power) 값을 얻을 수 있는 열전후막을 제작할 수 있게 된다.
나아가서 기존 이원계 열전 페이스트에 비해 60%~300% 가량 개선된 고효율 열전후막형성이 가능하며, 이는 높은 전력밀도를 갖는 열전소자의 제작을 가능케 할 뿐만 아니라 스크린 프린팅기술의 후막형성 공정과정의 간편성으로 인해 대량생산에 적합한 대면적 열전소자 제작을 가능하게 한다.
도 1은 본 발명에 따른 다원계 열전 페이스트 합성법을 이용한 고효율 열전후막 형성 방법의 일실시예에 대한 개략적인 흐름도를 나타내며,
도 2는 본 발명에서 열전후막을 열처리(Annealing)하는 과정에 대한 공정 그래프를 나타내며,
도 3은 본 발명에 따른 다원계 열전 페이스트 합성법을 이용한 고효율 열전후막 형성 방법으로 삼원계 열전 페이스트를 이용하여 열전후막을 제작하는 실시예를 도시하며,
도 4는 본 발명에 따라 제작된 삼원계 열전후막의 열전특성인 제백계수(Seebeck coefficient)와 전기전도도(Electrical conductivity)를 나타내며,
도 5는 본 발명에 따라 제작된 삼원계 열전후막의 전력계수(Power factor)를 나타내며,
도 6은 이원계 열전 후막과 본 발명에 따라 제작된 삼원계 열정 후막에 대한 제백계수(Seebeck coefficient)를 나타내며,
도 7은 이원계 열전 후막과 본 발명에 따라 제작된 삼원계 열정 후막에 대한 열전도율(Thermal conductivity)를 나타내며,
도 8은 이원계 열전 후막과 본 발명에 따라 제작된 삼원계 열정 후막에 대한 전력계수(Power factor)를 나타내며,
도 9은 이원계 열전후막과 본 발명에 따라 제작된 삼원계 열전후막에 대한 무차원 성능지수(ZT)를 나타낸다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 설명하기 위하여 이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하고 이를 참조하여 살펴본다.
먼저, 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니며, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 또한 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명은 삼원계 이상의 다원계 파우더, 바인더(Binder), 글래스 파우더(Glass powder) 및 유기 용제(Solvent)를 혼합하여 이원계 열전후막 보다 높은 효율을 갖는 다원계 열전후막 형성 방법과 이로 제조된 열전 후막을 개시한다.
도 1은 본 발명에 따른 다원계 열전 페이스트 합성법을 이용한 고효율 열전후막 형성 방법의 일실시예에 대한 개략적인 흐름도를 나타낸다.
본 발명에서 다원계 페이스트 합성을 이용한 열전후막 형성 방법은, 개략적으로 페이스트 합성 단계(S10), 프린팅(도포) 단계(S20), 저온 건조 단계(S30), 및 고온 열처리 단계(S40)를 포함한다.
다원계 페이스트 합성 단계(S10)에서는 3종 이상의 물질이 혼합된 다원계 파우더에 용제(Solvent), 바인더(Binder) 및 글래스 파우더(Glass Powder)를 혼합하여 열전물질인 다원계 페이스트를 합성하는데, 스크린 프린트 방법을 사용하여 후막을 균일하게 증착하기 위해서 적당한 점성을 가지고 금속 파우더(Metal Powder)들이 균일하게 섞여 있는 상태의 페이스트(Paste)를 제조하는 것이 바람직하며, 이를 위하여 다원계 파우더로는 전기적·역학적 특성을 결정하는 금속 물질 중에서 3종 이상이 선택되어 혼합된 금속 파우더가 사용될 수 있도 있으나, 이에 한정되지 않고, Li, Be, B, C, N, O, F, Na, Mg, Al, Si, P, S, Cl, K, Ca Ti, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, As, Se, Br, Rb, Sr, Y, Zr, Mo, Pd, Ag, Cd, In, Sn, Sb, Te, Cs, Hf, W, Pt, Au, Pb, Bi 또는 Yb 중 선택된 3종 이상의 물질이 혼합된 파우더가 사용될 수도 있다.
이와 같이 3종 이상의 물질이 혼합된 다원계 파우더를 준비하고, 여기에 유동성에 영향을 미치는 용제(Solvent), 패턴의 프린팅 해상도(resolution)를 높이기 위한 바인더(Binder) 및 글래스 파우더(Glass Powder)를 혼합하여 다원계 페이스트가 제조될 수 있다.
이때, 삼원계 이상의 다원계 파우더, 용제, 바인더 및 글래스 파우더는 상황에 따른 적절한 범위의 상대적 조성비율로 포함될 수 있는데, 바람직하게는 삼원계 이상의 다원계 파우더 10~90 wt%, 용제(Solvent) 10~50 wt%, 바인더(Binder) 2~10 wt% 및 글래스 파우더(Glass Powder) 2~10 wt% 등과 같은 범위에서 다양한 조성비율로 조합하여 제작이 가능하며, 여기서 3종 이상의 물질을 포함하는 다원계 파우더도 상기 3종 이상의 물질이 다양한 합성 비율로 포함될 수 있고, 또한 각각의 순도 및 입도크기가 다양하게 조절될 수도 있다.
그리고 용제(Solvent)는 알콜계, 케톤계 물질 등 페이스트 합성을 가능하게 하는 모든 종류의 물질이 적용 가능하며, 바인더(Binder)는 수지계 물질 등 페이스트 합성을 가능하게 하는 모든 종류의 물질이 적용 가능하다.
또한 글래스 파우더(Glass Powder)는 Bi2O3 60~90 wt%, ZnO 10~20 wt%, B2O3 5 ~15 wt%의 범위에서 적절한 비율로 이루어지는 글라스 프릿(Glass Frit)을 포함할 수 있으며, 이외에도 글라스 프릿(Glass Frit)은 Al2O3, SiO2, CeO2, Li2O, Na2O 및 K2O로 이루어지는 군으로부터 선택되는 3개 이상의 산화물이 약 1~20 wt% 포함될 수도 있다.
바람직하게는 3종 내지 8종의 물질이 혼합된 다원계 파우더를 사용할 수 있으며, 실질적으로 열전 페이스트의 합성시에 공기 중의 입자들이 내포되어 다원계 파우더의 혼합을 위해 선택된 물질의 종수보다도 높은 차원의 열전 페이스트가 합성될 수 있기에 본 발명에서는 이와 같은 상황을 고려하여 다원계 열전 페이스를 합성한다.
이와 같은 조건으로 다원계 페이스트가 제조되면, 스크린 프린트 기법을 이용하여 상기 다원계 페이스트를 기판 위에 프린트한다. 여기서, 기판으로는 알루미나(Al2O3) 기판이 사용될 수 있으며, 이외에도 사용 목적에 따라 유리, 반도체 웨이퍼(wafer), 유연한(flexible) 플라스틱, 종이 등 다양한 기판이 사용될 수 있다.
사용되는 스크린 프린트 기법은, 일정 패턴으로 뚫린 구멍이 형성된 스크린 마스크(screen mask)를 기판 위에 올려놓고, 스크린 마스크 위에서 페이스트를 스프레이하여 일정패턴을 기판에 인쇄하거나, 스크린 마스크 위에서 일정 누름 수단으로 누르면서 페이스트가 마스크의 구멍을 통과해 기판에 일정패턴이 만들어지도록 하는 기법으로서, 스크린 프린트 기법으로 기판에 형성된 후막의 두께는 1000 마이크로 미터 이하의 수 내지 수백 마이크로미터 두께일 수 있다.
스크린 프린트 기법을 통해 기판 위에 원하는 패턴이 프린트되어 기판 상에 도포되면, 상기 다원계 페이스트를 제조하는 과정에서 사용한 용제(Solvent)를 증발(Evaporation)시키기 위해 저온 건조 과정을 수행한다.
상기 건조 과정으로는 프린트된 기판을 오븐에 넣고 100~200℃ 범위의 온도에서 10~20분 정도 건조한다.
그리고 마지막으로 건조된 기판에 대하여 여분의 파우더(powder) 증발기법으로 후속 열처리 과정을 수행하여 건조된 기판 상에서 바인더(Binder)를 증발(Evaporation)시키고 후막을 안정적이고 단단하게 경화시켜 열전특성이 높은 삼원계 열전후막으로 합성한다.
상기 저온 건조 과정과 후속 열처리 과정의 수행에 따른 상기 용제와 상기 바인더의 증발에 의해 상기 기판 상에서 처리된 다원계 페이스트에 기공들을 유발하여 열전특성이 더욱 개선될 수도 있다.
이와 같은 본 발명에 따른 다원계 열전 페이스트 합성법을 이용한 고효율 열전후막 형성 방법의 적용시, 가령 삼원계 파우더로 삼원계 열전 페이스트를 합성하더라도 공기 중의 입자들이 열전 페이스에 내포됨에 따라 실질적으로는 삼원계 이상의 다원계 열전 페이스트가 합성될 수 있으며, 또한 열처리 공정의 수행에 따라 용제나 바인더 등을 증발시키더라도 용제나 바인더 등에 포함되었던 물질이 잔존하게 됨에 따라 실질적으로 다원계 열전후막이 합성되게 된다.
도 2는 본 발명에서 열전후막을 열처리(Annealing)하는 과정에 대한 공정 그래프를 나타낸다.
상기 도 2에 도시된 바와 같이, 스크린 프린트된 후 건조된 다원계 열전후막은 3 단계 열처리(Annealing) 과정을 거치게 된다. 이때 3 단계 열처리 과정에서 다원계 열전후막과 함께 여분의 파우더(powder)를 넣어 모든 열처리 과정이 파우더 분위기에서 이루어지도록 하며, 여기서 여분의 파우더는 상기 삼원계 이상의 다원계 파우더에 포함된 3종 이상의 물질 중에서 하나 이상의 물질을 포함하는 파우더를 이용할 수 있다.
첫 번째 열처리 과정(200)에서는, 진공 상태에서 100~500℃ 범위의 온도로 진행된다. 그리고 두번째 열처리 과정(210)에서는, N2 등 비활성 기체 분위기에서 100~500℃ 범위의 온도로 진행되는데, 바람직하게는 상기 첫 번째 열처리 과정(200)시의 온도와 동일한 온도로 진행될 수 있다.
위와 같은 첫 번째 열처리 과정(200)과 두 번째 열처리 과정(210)에서는 바인더(Binder)를 증발(Evaporation)시킬 수 있는 적절한 범위의 시간, 온도, 압력이 선택되어 적용될 수 있다.
세번째 열처리 과정(220)에서는, 300~1100℃ 범위의 온도로 열처리 과정이 이루어진다. 상기 세번째 열처리 과정에서는 안정적이고 단단한 삼원계 상(Phase)을 형성하는 적절한 범위의 시간, 온도 및 N2 등의 비활성 기체와 압력 등이 선택적으로 적용될 수 있다.
이와 같은 본 발명에 따른 다원계 열전 페이스트 합성법을 이용한 고효율 열전후막 형성 방법을 통해서 기존 이원계 열전 페이스트에 비해 효율이 향상된 열전후막형성이 가능하다.
이하에서는 본 발명에 따른 다원계 열전 페이스트 합성법을 이용한 고효율 열전후막 형성 방법으로 열전후막을 제작하고 제작된 열전후막에 대한 효율 테스트를 수행한 결과를 살펴보기로 한다.
도 3은 본 발명에 따른 다원계 열전 페이스트 합성법을 이용한 고효율 열전후막 형성 방법으로 열전후막을 제작하는 실시예를 도시하는데, 상기 도 3의 실시예에서는 본 발명에 따라 삼원계 열전 페이스트 합성법을 이용하여 고효율 열전후막을 형성하며, 삼원계 열전 페이스트를 합성하기 위한 금속 물질로서 비스무스(Bi), 안티몬(Sb) 및 텔루륨(Te)을 선택하여 비스무스(Bi), 안티몬(Sb) 및 텔루륨(Te)이 혼합된 삼원계 파우더(Powder)를 준비하였다.
그리고 비스무스(Bi)-안티몬(Sb)-텔루륨(Te)이 혼합된 삼원계 파우더 75 wt(weight)%에 용제 22.4 wt%, 바인더 0.2 wt% 및 글래스 파우더 2.4 wt%를 혼합하여 삼원계 페이스트(Paste)를 합성하였다.
준비된 비스무스(Bi)-안티몬(Sb)-텔루륨(Te)이 혼합된 삼원계 페이스트를 스크린 프린트 기법으로 기판 위에 프린트한 후 페이스트를 제조하는 과정에서 사용한 용제를 증발시키기 위해, 오븐에 프린트된 기판을 넣고 100℃ 정도 온도로 20 분간 건조 공정을 수행하였다.
건조 공정의 수행 후 3단계의 열처리 과정을 수행하였는데, 이때 여분의 금속 파우더를 함께 넣어 모든 열처리 과정이 금속 파우더 분위기에서 이루어지도록 하였다. 실시예로서 여분의 금속 파우더는 비스무스(Bi), 안티몬(Sb) 또는 텔루륨(Te)으로 각기 다른 금속 파우더 분위기에서 제작을 수행하였다.
첫 번째 열처리 과정에서는 진공 분위기로 260℃ 온도에서 5분간 열처리 과정이 진행하고, 두번째 열처리 과정에서는, N2 등 비활성 기체 분위기로 260℃ 온도에서 5분간 열처리 과정을 수행하였다.
그리고 세번째 열처리 과정에서는 500℃ 온도에서 20분간 열처리 과정을 수행하였다.
이와 같은 본 발명에 따른 방법으로 제작된 삼원계 열전후막에 대하여 성능 테스트를 수행하였는데, 도 4는 본 발명에 따라 제작된 삼원계 열전후막의 열전특성인 제백계수(Seebeck coefficient)와 전기전도도(Electrical conductivity)를 나타낸다.
상기 도 4를 참조하여 실험결과를 살펴보면, 삼원계 열전후막의 후속 열처리시에 여분의 파우더 (powder) 분위기로 열처리를 수행하는 경우에 제백계수(Seebeck coefficient)의 감소없이 전기전도도(Electrical conductivity)를 향상시킬 수 있음을 확인할 수 있다. 특히, 여분의 파우더로서 텔루륨(Te) 파우더 분위기로 열처리를 수행한 경우에 제백계수(Seebeck coefficient)도 높으면서 동시에 전기전도도(Electrical conductivity)가 대폭 높아졌음을 확인할 수 있다.
나아가서 도 5는 본 발명에 따라 제작된 삼원계 열전후막의 전력계수(Power factor)를 나타내는데, 본 발명에 따라 삼원계 열전후막의 후속 열처리시에 파우더 분위기로 열처리를 수행하는 경우에 전력계수가 향상됨을 알 수 있으며, 특히 텔루륨(Te) 파우더 분위기로 열처리를 수행한 경우에 전력계수가 큰폭으로 상승하였음을 알 수 있다.
상기의 본 발명에 따른 방법으로 제작된 삼원계 열전후막과 이원계 열전후막에 대하여 제백계수(Seebeck coefficient), 전기전도율(Thermal conductivity) 및 전력계수(Power factor)에 대한 성능 비교 테스트를 수행하였다.
도 6은 이원계 열전 후막과 본 발명에 따라 제작된 삼원계 열정 후막에 대한 제백계수(Seebeck coefficient)를 나타내는데, 상기 도 6에서 보는 바와 같이 본 발명에 따라 제작된 비스무스(Bi)-안티몬(Sb)-텔루륨(Te)이 포함된 삼원계 열전후막의 경우 안티몬(Sb)-텔루륨(Te)이 포함된 이원계 열전후막이나 비스무스(Bi)-텔루륨(Te)이 포함된 이원계 열전후막보다 제백계수(Seebeck coefficient)가 대폭 상승하였음을 알 수 있다.
그리고 도 7은 이원계 열전 후막과 본 발명에 따라 제작된 삼원계 열정 후막에 대한 열전도율(Thermal conductivity)를 나타내는데, 상기 도 7에서 보는 바와 같이 본 발명에 따라 제작된 비스무스(Bi)-안티몬(Sb)-텔루륨(Te)이 포함된 삼원계 열전후막의 경우 안티몬(Sb)-텔루륨(Te)이 포함된 이원계 열전후막이나 비스무스(Bi)-텔루륨(Te)이 포함된 이원계 열전후막보다 열전도율(Thermal conductivity)이 대폭 감소하였음을 알 수 있다.
또한 도 8은 이원계 열전 후막과 본 발명에 따라 제작된 삼원계 열전 후막에 대한 전력계수(Power factor)를 나타내는데, 상기 도 8에서 보는 바와 같이 본 발명에 따라 제작된 비스무스(Bi)-안티몬(Sb)-텔루륨(Te)이 포함된 삼원계 열전후막의 경우 안티몬(Sb)-텔루륨(Te)이 포함된 이원계 열전후막이나 비스무스(Bi)-텔루륨(Te)이 포함된 이원계 열전후막보다 전력계수(Power factor)가 대폭 상승하였음을 알 수 있다.
이상과 같은 제백계수(Seebeck coefficient), 전기전도율(Thermal conductivity) 및 전력계수(Power factor) 등은 열전 후막의 성능을 크게 좌우하는데, 열전 후막에 대한 성능 지표로서 도 9는 본 발명에 따라 제작된 삼원계 열전후막과 기존 이원계 열전후막에 대한 무차원 성능지수(ZT)를 나타낸다.
열전소자의 효율은 성능지수로 불리는 무차원 성능지수(ZT)로 평가될 수 있으며, 무차원 성능지수는 하기 [식 1]로 정의된다.
ZT=α2σT/κ [식 1]
여기서 α는 Seebeck 계수, σ는 전기전도도 및 κ는 열전도도를 나타낸다. 따라서 ZT는 Seebeck 계수(α), 전기전도도(σ), 및 열전도도(κ)에 의해 영향을 받으며, 우수한 열전재료는 큰 ZT값, 즉 Seebeck 계수가 크고, 전기전도도가 크며, 열전도도가 작아야 한다.?
상기 도 9에서 보는 바와 같이 본 발명에 따라 제작된 비스무스(Bi)-안티몬(Sb)-텔루륨(Te)이 포함된 삼원계 열전후막의 경우 안티몬(Sb)-텔루륨(Te)이 포함된 이원계 열전후막이나 비스무스(Bi)-텔루륨(Te)이 포함된 이원계 열전후막보다 무차원 성능지수(ZT)값이 60%~300% 향상됨을 확인할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 기재된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상이 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의해서 해석되어야하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (8)

  1. 삼원계 이상의 다원계 파우더에 용제(Solvent), 바인더(Binder) 및 글래스 파우더(Glass Powder)를 혼합하여 열전물질인 다원계 페이스트를 합성하는 페이스트 합성 단계;
    기판 상에 상기 다원계 페이스트를 프린팅하는 프린팅 단계;
    상기 프린팅된 기판을 건조시켜 상기 용제를 증발시키는 건조 단계; 및
    열처리 과정을 통해 상기 건조된 기판에서 상기 바인더를 증발시키고 다원계 화합물을 형성시켜 다원계 열전후막을 합성하는 열처리 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다원계 열전 페이스트 합성법을 이용한 고효율 열전후막 형성 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 열처리 단계에서 상기 열처리 과정은,
    진공에서 이루어지는 제1 열처리 과정 및 비활성 가스 분위기에서 이루어지는 제2 열처리 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 다원계 열전 페이스트 합성법을 이용한 고효율 열전후막 형성 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 열처리 과정은,
    상기 삼원계 이상의 다원계 파우더에 포함된 적어도 하나 이상 물질을 포함하는 여분의 파우더를 공급하여 파우더 분위기에서 파우더 증발기법을 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 다원계 열전 페이스트 합성법을 이용한 고효율 열전후막 형성 방법.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 열처리 과정 및 상기 제2 열처리 과정은 100~500℃ 범위에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 다원계 열전 페이스트 합성법을 이용한 고효율 열전후막 형성 방법.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 열처리 과정은,
    상기 제2 열처리 과정 후에 300~1100℃에서 이루어지는 제3 열처리 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다원계 열전 페이스트 합성법을 이용한 고효율 열전후막 형성 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 열전후막 형성 방법은,
    상기 열처리 과정 후에 진공 또는 비활성 가스 분위기에서 냉각하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다원계 열전 페이스트 합성법을 이용한 고효율 열전후막 형성 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 삼원계 이상의 다원계 파우더는, Li, Be, B, C, N, O, F, Na, Mg, Al, Si, P, S, Cl, K, Ca Ti, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, As, Se, Br, Rb, Sr, Y, Zr, Mo, Pd, Ag, Cd, In, Sn, Sb, Te, Cs, Hf, W, Pt, Au, Pb, Bi 또는 Yb 중에서 선택된 3종 이상의 물질이 혼합된 것을 특징으로 하는 다원계 열전 페이스트 합성법을 이용한 고효율 열전후막 형성 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항의 다원계 열전 페이스트 합성법을 이용한 고효율 열전후막 형성 방법을 이용하여,
    기판 상에 형성된 열전물질인 다원계 페이스트를 열처리하여 형성된 것을 특징으로 하는 열전후막.
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