KR20210062912A - Flexible thermoelectric module and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 열전 모듈에 관한 것으로, 보다 자세하게는, 웨어러블 기기 등에 활용할 수 있는 유연 열전 모듈 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a thermoelectric module, and more particularly, to a flexible thermoelectric module that can be utilized in a wearable device and the like, and a method for manufacturing the same.
열전 소자는 펠티어 효과에 의한 전류 방향에 따른 흡열 및 발열 현상, 제벡 효과에 의한 온도 차로 인한 기전력 발생, 그리고 전기 저항의 온도 변화를 이용하여 다양한 어플리케이션 등에 활용할 수 있는 전자소자로써 기존 냉동 및 발전 기술에서 자가 헬스 케어 영역까지 활용 범위가 확장되고 있다. 열전 소자를 인체에 부착하기 위해서는 유연성을 갖는 유연 열전 소자가 필요하다.Thermoelectric element is an electronic element that can be used for various applications by using heat absorption and heat generation according to the current direction due to the Peltier effect, the generation of electromotive force due to the temperature difference due to the Seebeck effect, and the temperature change of electrical resistance. The scope of application is expanding to the self-health care area. In order to attach the thermoelectric element to the human body, a flexible thermoelectric element having flexibility is required.
일반적으로 유연 열전 소자를 제작하는 방식으로는, 열전 소자의 p-type, n-type 소재들 사이에 고분자 수지를 채우고 경화하여 필러를 형성한 후, 양 전극에 붙어있는 기판을 제거하는 방법이 주로 사용되고 있다. 상기 방식으로 제조되는 열전 소자의 발전 효율은 필러 재료의 성능 및 두께와 밀접한 관계가 있다. 예를 들어, 실온 영역(253K ~ 300K)에서 가장 효과적인 필러 소재인 PDMS의 열전도율은 ~0.20 W/mK 내외로 알려져 있다. 상기 필러에 의한 열 손실을 방지하기 위해서는 필러의 열전도율이 낮은 것이 바람직하다. In general, as a method of manufacturing a flexible thermoelectric element, a method of filling a polymer resin between the p-type and n-type materials of the thermoelectric element to form a filler and then removing the substrate attached to both electrodes is mainly is being used The power generation efficiency of the thermoelectric element manufactured in this way is closely related to the performance and thickness of the filler material. For example, the thermal conductivity of PDMS, which is the most effective filler material in the room temperature region (253K ~ 300K), is known to be around ~0.20 W/mK. In order to prevent heat loss by the filler, it is preferable that the filler has a low thermal conductivity.
또한, 이러한 형태의 열전 소자는 필러와 상하 전극들에 가해지는 벤딩 스트레스(bending stress)가 높아 일정 곡률(radius) 이상으로 굽혀졌을 때 파손될 수 있다. 따라서, 전극과 필러에 가해지는 스트레스를 최소화하며 동시에 성능을 극대화할 수 있도록 새로운 유연 열전 소자의 구조에 관한 연구가 필요하다.In addition, this type of thermoelectric element may be damaged when bent over a predetermined radius due to high bending stress applied to the pillar and the upper and lower electrodes. Therefore, it is necessary to study the structure of a new flexible thermoelectric device to minimize the stress applied to the electrode and the filler and to maximize the performance at the same time.
대한민국등록특허 10-1989908호에 기재된 발명은 낮은 열전도도를 갖는 발포제를 열전 소재 사이에 충진하여 열전 발전 효율을 향상했다. 그러나, 액상 충진제를 사용하여 불안정한 구조를 가지며 충진물질의 열전도율로 인해 여전히 열손실이 작지 않은 문제점이 있다. 미국등록특허 10,431,726 및 6,410,971에서는 폴리머 기반의 필러를 열전 소재 사이에 충진하는 방식과 유연 기판을 전극에 삽입하여 유연성을 확보하는 방안을 제안하였으나, 유연 열전 소자의 소재에서 손실되는 열로 인해 소자의 성능이 낮아지는 문제점이 있다.The invention described in Korean Patent No. 10-1989908 improved thermoelectric power generation efficiency by filling a foaming agent having low thermal conductivity between thermoelectric materials. However, it has an unstable structure using a liquid filler, and there is a problem in that heat loss is still not small due to the thermal conductivity of the filler material. U.S. Patent Nos. 10,431,726 and 6,410,971 suggest a method of filling a polymer-based filler between thermoelectric materials and a method of securing flexibility by inserting a flexible substrate into the electrode, but the performance of the device is poor due to heat lost from the material of the flexible thermoelectric device. There is a problem with lowering.
본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로, 개선된 방열 성능과 신뢰성을 갖는 유연 열전 모듈을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a flexible thermoelectric module having improved heat dissipation performance and reliability.
본 발명의 다른 과제는 상기 유연 열전 모듈의 제조 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing the flexible thermoelectric module.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 실시예에 따른 유연 열전 모듈은, 복수의 열전 레그들; 인접하는 열전 레그들의 제1 단부에 연결되는 제1 전극; 인접하는 열전 레그들의 제2 단부에 연결되는 제2 전극; 및 상기 열전 레그들 사이에 배치되며, 상기 열전 레그들의 측면을 부분적으로 커버하고, 다공성 구조를 갖는 유연 필러를 포함한다.A flexible thermoelectric module according to an embodiment for realizing the object of the present invention includes a plurality of thermoelectric legs; a first electrode connected to first ends of adjacent thermoelectric legs; a second electrode connected to a second end of the adjacent thermoelectric legs; and a flexible filler disposed between the thermoelectric legs, partially covering side surfaces of the thermoelectric legs, and having a porous structure.
일 실시예에 따르면, 상기 유연 필러는 경화 고분자를 포함한다.According to one embodiment, the flexible filler includes a cured polymer.
일 실시예에 따르면, 상기 유연 필러는 PDMS를 포함한다.According to one embodiment, the flexible filler comprises PDMS.
일 실시예에 따르면, 상기 유연 필러는 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극과 이격된다.According to one embodiment, the flexible filler is spaced apart from the first electrode and the second electrode.
일 실시예에 따르면, 상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극에 결합되는 보호 시트를 더 포함한다.According to an embodiment, it further includes a protective sheet coupled to the first electrode or the second electrode.
본 발명의 일 실시예에 따른 유연 열전 모듈의 제조 방법은, 베이스 기판 상에 형성된 제1 전극에 열전 레그들을 본딩하여 열전 레그 어레이를 형성하는 단계; 상기 열전 레그 어레이에, 상기 열전 레그 어레이보다 작은 두께를 가지며 다공성 구조를 가지며 상기 열전 레그 어레이에 대응하는 개구부 어레이를 갖는 유연 필러를 끼우는 단계; 상기 열전 레그 어레이의 단부에 제2 전극을 본딩하는 단계; 및 상기 베이스 기판을 제거하는 단계를 포함한다.A method of manufacturing a flexible thermoelectric module according to an embodiment of the present invention includes: bonding thermoelectric legs to a first electrode formed on a base substrate to form a thermoelectric leg array; inserting a flexible filler having a smaller thickness than the thermoelectric leg array, having a porous structure, and having an array of openings corresponding to the thermoelectric leg array in the thermoelectric leg array; bonding a second electrode to an end of the thermoelectric leg array; and removing the base substrate.
일 실시예에 따르면, 상기 유연 필러는, 다공성 주형을 준비하는 단계; 상기 다공성 주형에 고분자 수지를 충진하는 단계; 상기 고분자 수지를 경화하는 단계; 상기 다공성 주형을 제거하여 다공성 구조체를 얻는 단계; 및 상기 다공성 구조체에 상기 개구부 어레이를 형성하는 단계를 통해 얻어진다.According to one embodiment, the flexible filler, preparing a porous mold; filling the porous mold with a polymer resin; curing the polymer resin; removing the porous template to obtain a porous structure; and forming the array of openings in the porous structure.
일 실시예에 따르면, 상기 다공성 주형은 설탕 분말을 가압하여 형성된다.According to one embodiment, the porous mold is formed by pressing sugar powder.
본 발명의 실시예들에 따르면, 열전 모듈의 필러의 두께를 감소시킴으로써, 전체 열저항을 감소시킬 수 있다. 따라서, 열전 모듈의 열전 성능을 개선할 수 있다. According to embodiments of the present invention, by reducing the thickness of the filler of the thermoelectric module, it is possible to reduce the total thermal resistance. Accordingly, the thermoelectric performance of the thermoelectric module may be improved.
또한, 다공성 구조의 유연 필러는 솔리드한 형태의 유연 필러보다 열저항이 낮고 연성이 높다. 따라서, 열전 모듈의 열전 성능 및 유연성을 개선할 수 있다.In addition, the flexible filler having a porous structure has lower thermal resistance and higher ductility than the flexible filler having a solid form. Accordingly, the thermoelectric performance and flexibility of the thermoelectric module may be improved.
또한, 유연 필러와 전극들을 이격시킴으로써, 열전 모듈의 벤딩시 전극에 가해지는 스트레스를 감소시킬 수 있다. 따라서, 열전 모듈의 내구성을 개선할 수 있다.In addition, by separating the flexible filler from the electrodes, stress applied to the electrodes during bending of the thermoelectric module may be reduced. Accordingly, durability of the thermoelectric module may be improved.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 열전 모듈을 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 열전 모듈을 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 열전 모듈의 열저항을 도시한 도면이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 유연 열전 모듈을 도시한 단면도들이다.
도 6 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 열전 모듈 제조 방법을 도시한 사시도들이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 열전 모듈의 제조 방법에서, 유연 필러를 제조하는 과정을 설명하는 순서도이다.
도 9 및 도 10은은 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 열전 모듈의 제조 방법에서, 유연 필러에 개구부를 형성하는 과정을 도시한 사시도들이다.
도 11a는 실시예 1에 따라 제조된 유연 열전 모듈의 디지털 사진이다.
도 11b는 실시예 1에 따라 얻어진 유연 필러의 SEM 사진이다.
도 12a 및 도 12b는 각각 비교예 1과 실시예 1의 유연 열전 모듈의 온도 차이에 대한 전력과 전압을 측정한 그래프들이다.
도 13a는 비교예 1과 실시예 1의 유연 열전 모듈에 대하여 벤딩시 인가되는 스트레스를 색상 차이로 나타낸 도면이다.
도 13b는 실시예 1의 유연 열전 모듈의 열저항을 벤딩 곡률에 따라 측정한 결과를 나타낸다.1 is a perspective view illustrating a flexible thermoelectric module according to an embodiment of the present invention.
2 is a cross-sectional view illustrating a flexible thermoelectric module according to an embodiment of the present invention.
3 is a diagram illustrating thermal resistance of a flexible thermoelectric module according to an embodiment of the present invention.
4 and 5 are cross-sectional views illustrating flexible thermoelectric modules according to embodiments of the present invention.
6 to 7 are perspective views illustrating a method of manufacturing a flexible thermoelectric module according to an embodiment of the present invention.
8 is a flowchart illustrating a process of manufacturing a flexible filler in a method of manufacturing a flexible thermoelectric module according to an embodiment of the present invention.
9 and 10 are perspective views illustrating a process of forming an opening in a flexible filler in a method of manufacturing a flexible thermoelectric module according to an embodiment of the present invention.
11A is a digital photograph of a flexible thermoelectric module manufactured according to Example 1. FIG.
11B is an SEM photograph of the flexible filler obtained according to Example 1.
12A and 12B are graphs in which power and voltage are measured with respect to the temperature difference of the flexible thermoelectric module of Comparative Example 1 and Example 1, respectively.
13A is a diagram illustrating stress applied during bending with respect to the flexible thermoelectric module of Comparative Example 1 and Example 1 as a difference in color.
13B shows the result of measuring the thermal resistance of the flexible thermoelectric module of Example 1 according to the bending curvature.
본 출원에서, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.In the present application, terms such as first and second may be used to describe various elements, but the elements should not be limited by the terms. The above terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another component. For example, without departing from the scope of the present invention, a first element may be referred to as a second element, and similarly, a second element may be referred to as a first element.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used in the present application are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In the present application, terms such as "comprise" or "have" are intended to designate the presence of features, numbers, steps, actions, components, parts, or combinations thereof described in the specification, but one or more other features. It is to be understood that the presence or addition of elements or numbers, steps, actions, components, parts, or combinations thereof, does not preclude in advance the possibility of the presence or addition.
유연 열전 모듈Flexible thermoelectric module
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 열전 모듈을 도시한 사시도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 열전 모듈을 도시한 단면도이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 열전 모듈의 열저항을 도시한 도면이다.1 is a perspective view illustrating a flexible thermoelectric module according to an embodiment of the present invention. 2 is a cross-sectional view illustrating a flexible thermoelectric module according to an embodiment of the present invention. 3 is a diagram illustrating thermal resistance of a flexible thermoelectric module according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 열전 모듈(10)은, 열전 소자 어레이(100) 및 열전 소자들의 측면을 둘러싸는 유연 필러(200)를 포함한다. Referring to FIG. 1 , a flexible
상기 열전 소자 어레이(100)는 서로 전기적으로 연결된 열전 소자들을 포함한다. 일 실시예에 따르면, 열전 소자 유닛은, 서로 이격되는 제1 전극(120) 및 제2 전극(140), 및 상기 제1 전극(120)과 상기 제2 전극(140) 사이에 배치되는, 열전 레그(160)를 포함할 수 있다.The
예를 들어, 상기 제1 전극(120)은, 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 구리(Cu), 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag) 등과 같은 금속을 포함할 수 있다. 또한, 상기 제1 전극(120)은, NiP, TiN, ZnO 등과 같은 금속 화합물을 더 포함할 수 있다. 이들은 각각 단독으로 또는 조합으로 사용될 수 있다. 상기 제2 전극(140)은, 상기 제1 전극과 동일한 물질 또는 다른 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 전극(120)은 인접하는 열전 레그들의 제1 단부에 연결될 수 있고, 상기 제2 전극(140)은 인접하는 열전 레그들의 제2 단부에 연결될 수 있다.For example, the
일 실시예에 따르면, 상기 전극들(120, 140)과 상기 열전 레그(160) 사이에는, 도전성 본딩 부재(180a, 180b)가 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 도전성 본딩 부재는 납, 주석, 구리, 은 등을 포함하는 솔더, 도전성 접착제 등일 수 있다.According to an embodiment,
일 실시예에 따르면, 상기 열전 소자 유닛은, 한 쌍의 열전 레그(160)를 포함할 수 있다. 상기 열전 레그(160)들은 서로 다른 타입으로 도핑될 수 있다. 예를 들어, 상기 열전 소자 유닛은, n 타입으로 도핑된 제1 열전 레그(N) 및 p 타입으로 도핑된 제2 열전 레그(P)를 포함할 수 있다. 상기 제1 열전 레그(N) 및 상기 제2 열전 레그(P)들의 일단은 제1 전극(120)에 공통으로 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 제1 열전 레그(N) 및 상기 제2 열전 레그(P)들의 타단은 서로 이격된 제2 전극(140)들에 각각 전기적으로 연결될 수 있다.According to an embodiment, the thermoelectric element unit may include a pair of
본 발명의 실시예들에 있어서, 유연성을 갖는 열전소자의 유연성을 훼손하지 않는 한, 상기 열전 레그들의 크기 및 형상은, 열전 소자의 용도를 고려하여 적절히 설계될 수 있다. 예를 들어, 상기 열전 레그들은 서로 동일하거나 상이한 형상과 크기를 가질 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 열전 레그들은 서로 독립적으로, 판형상 또는 기둥형상일 수 있으며, 두께나 길이 방향으로의 단면이 원형, 타원형 등의 곡선을 가진 형상이거나 삼각형, 사각형, 오각형 등의 각진 형상일 수 있다. 유연 열전 소자의 유연성을 훼손하지 않는 측면에서, 상기 열전 레그들의 두께는 수십 ㎚ 내지 수십 ㎜의 두께를 가질 수 있다. 또한, 상기 열전 레그들의 단면적은 수백 ㎚2 내지 수 ㎠의 면적을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 열전 레그들은 두께가 100 ㎚ 내지 5 ㎝일 수 있으며, 단면적이 0.1㎛2 내지 10 ㎠일 수 있으나, 본 발명의 실시예들이 이에 한정되는 것은 아니다.In embodiments of the present invention, as long as the flexibility of the thermoelectric element having flexibility is not impaired, the size and shape of the thermoelectric legs may be appropriately designed in consideration of the use of the thermoelectric element. For example, the thermoelectric legs may have the same or different shapes and sizes. More specifically, the thermoelectric legs may be, independently of each other, a plate shape or a column shape, and a cross section in the thickness or longitudinal direction may have a curved shape such as a circle or an ellipse, or an angular shape such as a triangle, a square, a pentagon, etc. have. In terms of not impairing the flexibility of the flexible thermoelectric element, the thermoelectric legs may have a thickness of several tens of nm to several tens of mm. In addition, the cross-sectional area of the thermoelectric legs may have an area of several hundred nm 2 to
상기 열전 레그(160)는 열전 물질을 포함한다. 예를 들어, 상기 열전 레그(160는, Bi(비스무트)-Te(텔루륨)계, Sb(안티몬)-Te계, Bi-Te-Se(셀레늄)계, Bi-Te-Sb계, Bi-Sb-Te-Se 등과 같은 2원소계, 3원소계 및 4원소계 물질 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 열전 물질은 적정한 물질로 도핑될 수 있다. 예를 들어, Bi-Te계에 셀레늄(Se) 등이 첨가되어 N-형이 되거나, 안티몬(Sb) 등이 첨가되어 P-형이 될 수 있으며, 상기 원소 이외에 SbI3, Cu, Ag, CuCl2 등과 같은 불순물을 주입한 N/P형도 가능하다. The
예를 들어, 상기 열전 물질은 (Bi1-xSbx)2(Te1-ySey)3 (0≤x≤1, 0≤y≤1)의 화학식으로 나타내질 수 있다. 예를 들어, 상기 열전 물질은, Bi2Te3, Sb2Te3, Bi0.4Sb1.6Te3, Bi2Te2.7Se0.3 등의 조성을 가질 수 있다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예들에서는, 본 발명이 속하는 분야에서 알려진 다양한 물질이 사용될 수 있다.For example, the thermoelectric material may be represented by the formula (Bi 1-x Sb x ) 2 (Te 1-y Se y ) 3 (0≤x≤1, 0≤y≤1). For example, the thermoelectric material may have a composition such as Bi 2 Te 3 , Sb 2 Te 3 , Bi 0.4 Sb 1.6 Te 3 , Bi 2 Te 2.7 Se 0.3, or the like. However, embodiments of the present invention are not limited thereto, and various materials known in the art to which the present invention pertains may be used in the embodiments of the present invention.
일 실시예에 따르면, 상기 유연 필러(200)는 스폰지 구조와 같은 다공성 구조를 갖는 발포체일 수 있다. 상기 다공성 구조의 유연 필러(200)는 고분자 경화 수지를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 고분자 경화 수지는, 폴리디메틸실록산(PDMS) 수지, 아크릴 수지, 우레탄 수지 등을 포함할 수 있다. 바람직하게, 열전도도와 기계적 성능을 고려할 때, 상기 유연 필러(200)는 PDMS 수지로 형성될 수 있다.According to one embodiment, the
일 실시예에 따르면, 상기 유연 필러(200)는 열전 소자의 전극들(120, 140)과 이격될 수 있다. 예를 들어, 상기 유연 필러(200)는 상기 열전 레그(160)의 측면을 부분적으로 커버할 수 있다. 따라서, 상기 유연 필러(200)의 두께는 상기 열전 레그(160)이 길이보다 작다.According to an embodiment, the
도 3을 참조하면, 상기와 같은 구성을 갖는 열전 모듈에서 전체 열저항은 a(열전 레그의 열저항) + b(유연 필러의 열저항) + 2 x b'(공기의 열저항)으로 계산될 수 있다. 공기는 유연 필러 보다 낮은 열저항을 갖는다.Referring to FIG. 3 , in the thermoelectric module having the above configuration, the total thermal resistance is calculated as a (thermal resistance of the thermoelectric leg) + b (thermal resistance of the flexible filler) + 2 x b' (thermal resistance of air). can Air has a lower thermal resistance than flexible fillers.
본 발명의 실시예에 따르면, 유연 필러(200)의 두께를 감소시킴으로써, 전체 열저항을 감소시킬 수 있다. 따라서, 열전 소자의 열전 성능을 개선할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, by reducing the thickness of the
또한, 다공성 구조의 유연 필러(200)는 솔리드한 형태의 유연 필러보다 열저항이 낮고 연성이 높다. 따라서, 열전 모듈의 열전 성능 및 유연성을 개선할 수 있다.In addition, the
또한, 유연 필러(200)와 전극들(120, 140)을 이격시킴으로써, 열전 모듈의 벤딩시 전극에 가해지는 스트레스를 감소시킬 수 있다. 따라서, 열전 모듈의 내구성을 개선할 수 있다.In addition, by separating the
도 4 및 도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 유연 열전 모듈을 도시한 단면도들이다.4 and 5 are cross-sectional views illustrating flexible thermoelectric modules according to embodiments of the present invention.
도 4를 참조하면, 유연 열전 모듈은 복수의 유연 필러를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 유연 열전 모듈은 수직 방향으로 이격되는 제1 유연 필러(200a) 및 제2 유연 필러(200b)를 포함할 수 있다. 상기 제1 유연 필러(200a) 및 상기 제2 유연 필러(200b)는 각각 열전 레그(160)의 측면을 부분적으로 커버할 수 있다.Referring to FIG. 4 , the flexible thermoelectric module may include a plurality of flexible fillers. For example, the flexible thermoelectric module may include a first
상기와 같은 구성을 갖는 유연 열전 모듈은 열전 소자 어레이를 보다 안정적으로 결합할 수 있다.The flexible thermoelectric module having the above configuration may more stably couple the thermoelectric element array.
도 5를 참조하면, 유연 열전 모듈은 전극에 결합되는 보호 시트(300)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 5 , the flexible thermoelectric module may include a
예를 들어, 상기 보호 시트(300)는 제1 전극(120)에 결합될 수 있다. 상기 보호 시트(300)는 상기 열전 소자들을 보호할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 유연 열전 모듈이 인체에 부착될 경우, 상기 보호 시트(300)가 외부를 향하고, 제2 전극(140)은 인체를 향하도록 배치될 수 있다.For example, the
또한, 유연 열전 모듈의 성능 향상을 위하여 상기 보호 시트(300)는 열 전도성이 높은 것이 바람직하다. 예를 들어, 상기 보호 시트(300)는 다공성 구조를 갖거나, 실리카, 실리콘 질화물, 실리콘 탄화물, 알루미나, 운모 등과 같은 열전도성이 높은 물질이 분산된 방열 구조를 가질 수 있다. 또한, 상기 보호 시트(300)는 냉각 패드와 결합될 수도 있다.In addition, in order to improve the performance of the flexible thermoelectric module, it is preferable that the
도시된 것과 같이, 본 발명의 실시예들에서, 유연 필러는 본 발명의 목적과 효과를 벗어나지 않는 범위에서 다양한 구성을 가질 수 있다.As shown, in the embodiments of the present invention, the flexible filler may have various configurations without departing from the objects and effects of the present invention.
유연 열전 모듈의 제조 방법Manufacturing method of flexible thermoelectric module
도 6 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 열전 모듈 제조 방법을 도시한 사시도들이다.6 to 7 are perspective views illustrating a method of manufacturing a flexible thermoelectric module according to an embodiment of the present invention.
도 6을 참조하면, 베이스 기판(110) 위에 제1 전극(120)을 형성한다. 예를 들어, 상기 제1 전극(120)은 전도성 금속 필름을 부착하거나, 스크린 프린팅 등과 같은 방법을 통해 전극용 페이스트를 코팅하거나, 스퍼터링 등과 같은 증착 또는 도금 등과 같은 공정을 통해 형성될 수 있다.Referring to FIG. 6 , the
도 7을 참조하면, 상기 제1 전극(120) 위에 열전 레그(160)들을 본딩한다. 일 실시예에 따르면, 상기 열전 레그(160)들을 본딩하기 위하여, 납, 주석, 구리, 은 등을 포함하는 솔더, 도전성 접착제 등이 사용될 수 있다.Referring to FIG. 7 ,
다음으로, 상기 열전 레그(160)들을 유연 필러에 삽입한다. 상기 유연 필러는 상기 열전 레그(160)들에 대응하는 개구부 어레이를 가질 수 있다. 다음으로, 상기 열전 레그(160)과 제2 전극을 결합시킨다. Next, the
다음으로, 상기 베이스 기판(110)을 제거하여 도 1에 도시된 것과 같은 유연 열전 모듈을 얻을 수 있다. 필요에 따라 보호 시트 등이 상기 제1 전극 또는 제2 전극에 부착될 수 있다.Next, the flexible thermoelectric module as shown in FIG. 1 may be obtained by removing the
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 열전 모듈의 제조 방법에서, 유연 필러를 제조하는 과정을 설명하는 순서도이다. 도 9 및 도 10은은 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 열전 모듈의 제조 방법에서, 유연 필러에 개구부를 형성하는 과정을 도시한 사시도들이다.8 is a flowchart illustrating a process of manufacturing a flexible filler in a method of manufacturing a flexible thermoelectric module according to an embodiment of the present invention. 9 and 10 are perspective views illustrating a process of forming an opening in a flexible filler in a method of manufacturing a flexible thermoelectric module according to an embodiment of the present invention.
도 8을 참조하면, 먼저 다공성 주형을 준비한다(S20). 상기 다공성 주형은 고분자 수지가 고르게 침투할 수 있도록, 연속적인 3차원 기공 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 다공성 주형은 설탕 분말로 이루어질 수 있다. 설탕 분말을 가압하여 얻어진 다공성 주형은, 가압 몰드에 의해 원하는 형태로 성형이 용이하고, 쉽게 제거될 수 있다.Referring to FIG. 8 , first, a porous mold is prepared ( S20 ). The porous mold may have a continuous three-dimensional pore structure so that the polymer resin can penetrate evenly. For example, the porous mold may be made of sugar powder. The porous mold obtained by pressing the sugar powder is easily molded into a desired shape by a pressing mold and can be easily removed.
다른 실시예에서, 상기 다공성 주형은 금속 등을 포함할 수도 있다.In another embodiment, the porous mold may include a metal or the like.
다음으로, 상기 다공성 주형의 기공에 고분자 수지를 충진한다(S20). 일 실시예에 따르면, 상기 고분자 수지는 경화 가능한 수지일 수 있다. 예를 들어, 상기 고분자 수지는 폴리디메틸실록산(PDMS) 수지, 아크릴 수지, 우레탄 수지 등을 포함할 수 있다. 상기 고분자 수지를 포함하는 충진 조성물은, 경화제, 반응성 모노머, 용매 등을 더 포함할 수 있다. Next, a polymer resin is filled in the pores of the porous mold (S20). According to an embodiment, the polymer resin may be a curable resin. For example, the polymer resin may include a polydimethylsiloxane (PDMS) resin, an acrylic resin, or a urethane resin. The filling composition including the polymer resin may further include a curing agent, a reactive monomer, a solvent, and the like.
다음으로, 상기 고분자 수지를 경화한다(S30). 상기 고분자 수지를 경화하기 전에, 또는 상기 고분자 수지를 경화한 다음에, 상기 다공성 주형의 외부에 잔류한 충진 조성물 또는 고분자 수지를 제거할 수 있다.Next, the polymer resin is cured (S30). Before curing the polymer resin, or after curing the polymer resin, the filling composition or polymer resin remaining on the outside of the porous mold may be removed.
다음으로, 상기 다공성 주형을 제거한다(S40). 설탕으로 이루어진 다공성 주형은 물 등과 같은 용매에 의해 용이하게 용해될 수 있다. 이에 따라, 다공성 구조체가 얻어질 수 있다.Next, the porous mold is removed (S40). The porous mold made of sugar can be easily dissolved by a solvent such as water. Accordingly, a porous structure can be obtained.
다음으로, 상기 다공성 구조체에 개구부들을 형성하여 유연 필러를 형성한다. 상기 개구부들은 유연 열전 모듈의 열전 레그들에 대응되는 형상과 배치를 가질 수 있다.Next, openings are formed in the porous structure to form a flexible filler. The openings may have a shape and arrangement corresponding to the thermoelectric legs of the flexible thermoelectric module.
예를 들어, 상기와 같은 개구부 어레이를 갖는 유연 필러는 펀칭에 의해 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 9 및 도 10에 도시된 것과 같이, 펀처 지지대(420) 위에 다공성 구조체를 배치하고, 펀처(410)로 가압하여 타공을 형성함으로써 개구부 어레이를 갖는 유연 필러(200)를 형성할 수 있다.For example, a flexible filler having an array of openings as described above may be formed by punching. For example, as shown in FIGS. 9 and 10, a
예를 들어, 상기의 유연 열전 모듈은, 웨어러블 기기 등과 같이 높은 연성을 필요로 하는 분야에 사용될 수 있다.For example, the flexible thermoelectric module may be used in a field requiring high flexibility, such as a wearable device.
이하에서는, 구체적인 실시예를 통하여, 본 발명에 따른 유연 열전 모듈의 성능에 대하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, the performance of the flexible thermoelectric module according to the present invention will be described in more detail through specific embodiments.
실시예 1Example 1
유연 필러의 제조Manufacturing of flexible fillers
미립자 설탕 (사이즈: 약 300 μm)을 정량(약 8g)하여 유압 프레스 틀에 넣어준 뒤, 120 kPa의 압력으로 60초간 가압하여, 원형(지름: 60mm, 두께: 1.15mm)의 설탕 주형을 얻었다.Particulate sugar (size: about 300 μm) was measured (about 8 g) and put in a hydraulic press mold, and then pressed at a pressure of 120 kPa for 60 seconds to obtain a round (diameter: 60 mm, thickness: 1.15 mm) sugar mold. .
PDMS 와 경화제가 10:1로 섞인 혼합물 90g을 상기 설탕 주형이 잠기도록 플라스틱 트레이에 부었다. 다음으로, 데시케이터에서 60분 간 PDMS 혼합물의 기포를 제거한 뒤, 80℃°오븐에서 120분 간 경화하였다.90 g of a mixture of PDMS and curing agent in a ratio of 10:1 was poured into a plastic tray to submerge the sugar mold. Next, after removing air bubbles from the PDMS mixture in a desiccator for 60 minutes, it was cured in an oven at 80° C. for 120 minutes.
다음으로, 상기 설탕 주형 주변의 PDMS를 제거한 뒤, 탈이온수에 넣고 100℃에서 교반을 150분간 진행하였다. 이에 따라, 설탕 주형이 용해되면서 원형 상태의 PDMS 스폰지를 얻었다.Next, after removing the PDMS around the sugar mold, it was placed in deionized water and stirred at 100° C. for 150 minutes. Accordingly, while the sugar mold was dissolved, a PDMS sponge in a circular state was obtained.
유연 열전 모듈의 조립Assembly of flexible thermoelectric modules
슬라이드 글라스에 부착된 구리 전극 위에 납 기반의 솔더를 스크린 프린팅한 후, 그 위에 3D 프린터로 제작한 Bi2Te3 계 p형 소재와 n형 소재 (1.2mm x 1.2mm x 2.6 mm)를 교차로 부착하였다. After screen-printing the lead-based solder on the copper electrode attached to the slide glass, the Bi 2 Te 3 type p-type material and the n-type material (1.2 mm x 1.2 mm x 2.6 mm) produced by a 3D printer are alternately attached thereon. did.
펀처를 이용하여 상기 PDMS 스폰지에 개구부를 형성한 후, 상기 열전 소재에 끼웠다. 다음으로, 상기 열전 소재 위에 슬라이드 글라스에 부착된 구리 전극을 부착하였다. 다음으로, 상기 전극들에 부착된 기판들을 제거하였다.After forming an opening in the PDMS sponge using a puncher, it was inserted into the thermoelectric material. Next, a copper electrode attached to a slide glass was attached on the thermoelectric material. Next, the substrates attached to the electrodes were removed.
비교예 1Comparative Example 1
비교예로서, PDMS 스폰지 없이 실시예 1과 동일한 방법으로 유연 열전 모듈을 제조하고, 상기 유연 열전 모듈에 PDMS를 충진한 후 경화하였다.As a comparative example, a flexible thermoelectric module was prepared in the same manner as in Example 1 without a PDMS sponge, and the flexible thermoelectric module was filled with PDMS and then cured.
도 11a는 실시예 1에 따라 제조된 유연 열전 모듈의 디지털 사진이다. 도 11b는 실시예 1에 따라 얻어진 유연 필러의 SEM 사진이다.11A is a digital photograph of a flexible thermoelectric module manufactured according to Example 1. FIG. 11B is an SEM photograph of the flexible filler obtained according to Example 1.
도 11a 및 도 11b를 참조하면, 상기 유연 필러는 스폰지와 같은 다공성 구조를 가짐을 알 수 있다.11A and 11B , it can be seen that the flexible filler has a porous structure such as a sponge.
도 12a 및 도 12b는 각각 비교예 1과 실시예 1의 유연 열전 모듈의 온도 차이에 대한 전력과 전압을 측정한 그래프들이다.12A and 12B are graphs of measuring power and voltage with respect to the temperature difference of the flexible thermoelectric module of Comparative Example 1 and Example 1, respectively.
구체적으로, 각 유연 열전 모듈을 열원과 방열판 사이에 위치하게 하고, 각각에 열전대를 부착하여 열전 소자에 부과된 온도를 측정하고, 온도차가 평형을 이루었을 때, 열전 소자에 전류를 인가하고 해당 전류에 대한 전압을 기록(0 mA 에서 열전 소자의 전압이 0이 되는 전류까지)하고, [Power] = [Voltage] × [Current] 관계식을 이용하여 파워를 계산하였다. 인가 전류와 전압 측정을 하는 계측 장비는 Keithely 2400 model을 사용하였으며, 열원으로서 펠티어 모듈을 이용하고, 방열판은 물을 이용하여 구리판을 냉각하는 방식을 사용하였다.Specifically, each flexible thermoelectric module is positioned between a heat source and a heat sink, a thermocouple is attached to each to measure the temperature imposed on the thermoelectric element, and when the temperature difference is balanced, a current is applied to the thermoelectric element and the corresponding current The voltage was recorded (from 0 mA to the current at which the voltage of the thermoelectric element becomes 0), and the power was calculated using the relationship [Power] = [Voltage] × [Current]. The measurement equipment for measuring the applied current and voltage used Keithely 2400 model, a Peltier module was used as a heat source, and a method of cooling a copper plate using water as a heat sink was used.
도 12a 및 도 12b를 참조하면, 솔리드 PDMS로 열전 모듈 전체를 충진한 비교예 1에서 측정된 기전력(2.09uW) 보다 실시예 1에서 측정된 기전력(2.89uW)이 약 30% 증가한 것을 확인할 수 있다. 또한, 실시예 1의 열전 모듈은 소자의 Figure of Merit (z) 가 2.55로 산업계에서 활용되는 열전소자(2.60)에 버금가는 특성을 가졌다.12A and 12B , it can be seen that the electromotive force (2.89uW) measured in Example 1 increased by about 30% compared to the electromotive force (2.09uW) measured in Comparative Example 1 in which the entire thermoelectric module was filled with solid PDMS. . In addition, the thermoelectric module of Example 1 had a figure of Merit (z) of 2.55, which was comparable to the thermoelectric element used in the industry (2.60).
도 13a는 비교예 1과 실시예 1의 유연 열전 모듈에 대하여 벤딩시 인가되는 스트레스를 색상 차이로 나타낸 도면이다. 도 13b는 실시예 1의 유연 열전 모듈의 열저항을 벤딩 곡률에 따라 측정한 결과를 나타낸다.13A is a diagram illustrating stress applied during bending with respect to the flexible thermoelectric module of Comparative Example 1 and Example 1 as a difference in color. 13B shows the result of measuring the thermal resistance of the flexible thermoelectric module of Example 1 according to the bending curvature.
도 13a를 참조하면, 비교예 1의 유연 열전 소자는 벤딩시 전극 부분에 스트레스가 증가하였으나(아래 그림), 실시예 1의 유연 열전 소자는 벤딩시 스트레스 변화가 거의 없음을 확인할 수 있다(위 그림). 또한, 도 13b를 참조하면, 실시예 1의 유연 열전 소자는 벤딩 곡률에 따른 열저항 변화가 크지 않음을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 13A , it can be seen that the flexible thermoelectric device of Comparative Example 1 showed an increase in stress on the electrode portion during bending (picture below), but the flexible thermoelectric device of Example 1 showed little change in stress during bending (picture above). ). In addition, referring to FIG. 13B , it can be seen that the flexible thermoelectric device of Example 1 does not have a large change in thermal resistance according to the bending curvature.
따라서, 실시예 1의 유연 열전 소자는 인체에 착용되는 웨어러블 기기에서 안정적으로 사용 가능하며 개선된 기계적 내구성을 가질 수 있음을 알 수 있다. Accordingly, it can be seen that the flexible thermoelectric element of Example 1 can be stably used in a wearable device worn on the human body and can have improved mechanical durability.
이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although the above has been described with reference to the embodiments, it is understood that those skilled in the art can variously modify and change the present invention within the scope not departing from the spirit and scope of the present invention described in the following claims. You can understand.
본 발명은, 웨어러블 기기 등과 같은 신축성을 필요로 하는 다양한 발전 시스템에 이용될 수 있다.The present invention can be used in various power generation systems requiring elasticity, such as wearable devices.
Claims (9)
인접하는 열전 레그들의 제1 단부에 연결되는 제1 전극;
인접하는 열전 레그들의 제2 단부에 연결되는 제2 전극; 및
상기 열전 레그들 사이에 배치되며, 상기 열전 레그들의 측면을 부분적으로 커버하고, 다공성 구조를 갖는 유연 필러를 포함하는 유연 열전 모듈.a plurality of thermoelectric legs;
a first electrode connected to first ends of adjacent thermoelectric legs;
a second electrode connected to a second end of the adjacent thermoelectric legs; and
A flexible thermoelectric module disposed between the thermoelectric legs, partially covering side surfaces of the thermoelectric legs, and including a flexible filler having a porous structure.
상기 열전 레그 어레이에, 상기 열전 레그 어레이보다 작은 두께를 가지며 다공성 구조를 가지며 상기 열전 레그 어레이에 대응하는 개구부 어레이를 갖는 유연 필러를 끼우는 단계;
상기 열전 레그 어레이의 단부에 제2 전극을 본딩하는 단계; 및
상기 베이스 기판을 제거하는 단계를 포함하는 유연 열전 모듈의 제조 방법.bonding the thermoelectric legs to the first electrode formed on the base substrate to form a thermoelectric leg array;
inserting a flexible filler having a smaller thickness than the thermoelectric leg array, having a porous structure, and having an array of openings corresponding to the thermoelectric leg array in the thermoelectric leg array;
bonding a second electrode to an end of the thermoelectric leg array; and
A method of manufacturing a flexible thermoelectric module comprising removing the base substrate.
다공성 주형을 준비하는 단계;
상기 다공성 주형에 고분자 수지를 충진하는 단계;
상기 고분자 수지를 경화하는 단계;
상기 다공성 주형을 제거하여 다공성 구조체를 얻는 단계; 및
상기 다공성 구조체에 상기 개구부 어레이를 형성하는 단계를 통해 얻어지는 것을 특징으로 하는 유연 열전 모듈의 제조 방법.According to claim 6, The flexible filler,
preparing a porous mold;
filling the porous mold with a polymer resin;
curing the polymer resin;
removing the porous template to obtain a porous structure; and
Method of manufacturing a flexible thermoelectric module, characterized in that obtained through the step of forming the array of openings in the porous structure.
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