TWI481087B - Flexible thermoelectric energy converter and its manufacturing method - Google Patents

Description

可撓性熱電能源轉換器及其製程方法

本發明係關於一種可撓性熱電能源轉換器及其製程方法，特別係指一種將n-type碲化鉍(Bi₂ Te₃ )合金及p-type碲化銻(Sb₂ Te₃ )合金沈積形成之p/n熱電薄膜結合於UV膠結構體之可撓性熱電能源轉換器及其製程方法。

十九世紀，德國物理學家發現了熱電效應，開啟了人們對熱電材料之研究。1960年，靠著半導體技術的配合，熱電能源轉換器問世。此熱電能源轉換器則是可將熱能與電能相互轉換之主要工具，其可利用溫度差產生電能，相對的可以利用電壓差產生溫度差異。

目前全世界對於能源的消耗量每年以2^~ 3%的比率在增加，石油、天然氣等能源價格持續飆漲，在在顯示地球上能源短缺的現象。在日新月異的時代，隨著科技進步與發展，能源的需求日益漸增，各種能源的利用與轉換成為當今首要之課題。而熱電能源轉換器早已被美國太空總署認定為二十一世紀初期太空探勘任務之主要電力來源，並已經在多次太空任務中，使用原子能燃料作為熱源之熱電發電機來發電。熱電能源轉換器除了可利用成為外太空站之電力來源，在地面上使用也逐漸推展中，而生活周遭各樣機具所產生之熱源以及陽光輻射所帶來之熱能量至今仍無法有效回收與利用，使得能源之使用效率偏低以及浪費，而各種廢熱的回收與利用不僅可提高各項能源之轉換效率並可減少與降低生活環境中所產生之各種熱污染，所以在未來環保以及能源的考量下，能源利用之相關研究與研發顯得格外的重要。

隨著半導體製程技術不斷的進步，高科技電子產品已然演變成高速、高頻、高功率，並不斷往輕薄短小演進，相對之下，電子元件容易產生極大的熱功率，在高溫環境中操作，不僅影響訊號傳遞功能，並會降低元件之使用壽命，故如何解決電子元件衍生熱源所造成之效能降低，減少系統壽命便成為散熱研究的主要重點之一。就市場而言，發展較久的風冷式及水冷式散熱裝置還是較為普及，不過風冷式散熱裝置有著使用壽命與噪音等問題；至於水冷式散熱裝置之體積大、價格高以及污染等問題也讓人詬病，因此如何在有限的條件中，將熱迅速散去，已成為目前科技發展一大重點。在種種因素考量下，熱電能源轉換器因應而出，其優點使之漸漸有著取代傳統散熱裝置的趨勢。

熱電能源轉換器之優點如下：

1.體積小、重量輕：熱電能源轉換器之體積與重量相較於傳統冷卻或加熱機械來的小及輕。

2.無噪音、壽命長、不受重力與方向影響：一般熱電能源轉換器能量轉換方式不需藉由循環流體傳遞，故其並不受重力與方向影響，也少了流體循環所需之泵浦造成的噪音與機械故障率。

3.適合局部冷卻或加熱：熱電能源轉換器可以針對特定元件或特定區域作冷卻或加熱效果，而不必對周圍整體封裝。

4.同一元件有冷卻或加熱以及發電等各種作用：熱電能源轉換器當輸入電流相反，半導體載子反向流動，則熱流方向相反，即冷熱端交換轉變，也較容易作溫度之控制；另外當輸加熱電能源轉換器一定溫差後，即會輸出一定之電能，可作為發電或溫度感測之用途。

另外，亦有精密度高、反應速度快與環保等優點。有了上述之優點，使得熱電等效應逐漸引起大家的探討，也讓這一類的相關研究逐漸趨於成熟。

由此可見，上述習用方式仍有諸多缺失，實非一良善之設計者，而亟待加以改良。

本案發明人鑑於上述習用方式所衍生的各項缺點，亟思種種改良創新的方法，經過長久的觀察及驗證後，終於成功完成本件可撓性熱電能源轉換器及其製程方法之研發工作。

本發明之目的即在於提供一種將電鑄母模以電化學沈積法沈積形成一特定p/n熱電薄膜，並將該p/n熱電薄膜結合於UV膠結構體之間，同時藉由UV膠結構體具有可撓性之特性，於實施上係可貼附於不規則表面之物體上，使得其於使用上及空間上將不會受到任何限制，藉以達到任何空間及物體上皆可實施之目的。

本發明之次一目的係在於提供一種可降低製程生產成本，並可達到量化生產、縮短製程，且可依使用者之需求製作不同規格尺寸之可撓性熱電能源轉換器，使其達到多元化功效之可撓性熱電能源轉換器及其製程方法。

可達成上述發明目的之可撓性熱電能源轉換器及其製程方法，係將液態狀的聚二甲基矽氧烷(Polydimethyl siloxane,PDMS，即所謂的矽膠)與硬化劑倒入模具中，經加熱後使其固化成一PDMS結構體；係於一鋁箔上利用電子束蒸鍍機將金鍍至鋁箔上以形成一基材，藉由該基材作為電鑄起始層，再將基材置入於一模具中，並將PDMS結構體疊至基材上，並使得PDMS結構體緊壓鎖固於模具內，其中該PDMS結構體開設有一注入孔及排氣孔，透過注入孔以UV膠注入模具內，而排氣孔則作為模具內部空氣排除之路徑，同時直至UV膠完全填滿內部空間後，再照射UV光源，使得模具內的UV膠完全固化，而UV膠與基材相結合後，將其取出即形成一電鑄母模，並於電鑄母模上形成有複數個沈積孔洞；再利用電化學沈積法將n-type碲化鉍(Bi₂ Te₃ )合金及p-type碲化銻(Sb₂ Te₃ )合金分別沈積於電鑄母模各沈積孔洞內，以形成一特定p/n熱電薄膜，再將一UV膠結構體固化於鍍金鋁箔及熱電薄膜上，作為元件之可撓性結構體，此時，將鍍金鋁箔撕下，使得熱電薄膜結合於UV膠結構體上，再透過銀漆作為導電電極並依序鋪至p/n熱電薄膜兩端，以作為導電串聯，最後再連接上導線，再將一UV膠結構體固化於p/n熱電薄膜與串聯裸露處，以針對元件作整體封裝，即形成本件之可撓性熱電能源轉換器，由於製作完成之熱電能源轉換器係固化於UV膠結構體中，透過UV膠結構體具有可撓性之特性，該電能源轉換器便具有可撓性之特性，以可實施應用於不規則表面之物體上之目的。

請參閱圖一A～D所示，為本發明可撓性熱電能源轉換器及其製程方法之PDMS結構體製作流程圖，其步驟包括有：步驟一：利用CNC雕刻機雕刻出所需PDMS之模具1(如圖一A所示)；步驟二：將液態PDMS與硬化劑以10：1比例調配，再將其倒入模具1中(如圖一B所示)；步驟三：再將模具1放入真空烤箱，以降低腔體壓力並排除氣泡，並以70℃溫度加熱一段時間後，使PDMS完全固化(如圖一C所示)；步驟四：再將固化後之PDMS取出，即形成一PDMS結構體2(如圖一D所示)。

請參閱圖二A～G所示，為該可撓性熱電能源轉換器及其製程方法之電鑄母模製作流程圖，其步驟包括有：步驟一：係利用電子束蒸鍍機將金32鍍至鋁箔31上以形成一基材3(如圖二A所示)；步驟二：將基材3置入於一模具4中，並將PDMS結構體2疊至基材3上方處，再於PDMS結構體2上開設有一注入孔21及排氣孔22，該注入孔21係供UV膠注入模具4內，而排氣孔22則作為模具4內部空氣排出至模具4外部(如圖二B所示)；步驟三：再透過模具4施予壓力，並緊壓模具4內之PDMS結構體2，以降低不必要空隙之產生(如圖二C所示)；步驟四：係將UV膠透過注入孔21注入於模具4內，而模具4內的空氣會再經由排氣孔22排出，並直至UV膠完全填滿於模具4空間內並與基材3相黏著成一體(如圖二D所示)；步驟五：待UV膠填滿模具4內之空間後，再照射UV光源一段時間，使得模具4內部的UV膠完全固化(如圖二E所示)；步驟六：當模具4內的UV膠固化後，UV膠便會與基材3相結合成一體，再將其取出後，即形成一電鑄母模5，且於電鑄母模5上形成有複數個沈積孔洞51(如圖二F、G所示)。

再請參閱圖三A～I所示，為該可撓性熱電能源轉換器及其製程方法之可撓性熱電能源轉換器製作流程圖，其步驟包括有：步驟一：係利用電化學沈積法將n-type(Bi₂ Te₃ )合金61沉積至電鑄母模5所定義之沉積孔洞51中，以可形成一特定形狀之合金薄膜(如圖三A所示)。

步驟二：再將沈積後的電鑄母模5元件浸泡於EPOXY溶解劑中，使得電鑄母模5上的UV膠軟化並脫落，留下沉積有n-type(Bi₂ Te₃ )合金61之合金薄膜(如圖三B所示)；步驟三：係再定義一UV膠結構形狀與位置，並將其固化於基材3上，以再次形成一電鑄母模5結構(如圖三C所示)；步驟四：再次利用電化學沉積法將p-type(Sb₂ Te₃ )合金62沉積至電鑄母模5所定義之沉積孔洞51中，形成一特定形狀之合金薄膜(如圖三D所示)；步驟五：將沈積後的電鑄母模5元件浸泡於環氧樹脂溶解劑(EPOXY)中，使得電鑄母模5上的UV膠軟化脫落，留下沉積有n-type(Bi₂ Te₃ )合金61及p-type(Sb₂ Te₃ )合金62之合金薄膜，即完成所需之p/n熱電薄膜6(如圖三E所示)；步驟六：利用UV膠具有可撓特性，係將一UV膠結構體7固化於基材3與p/n熱電薄膜6上，作為元件可撓性之結構體(如圖三F所示)；步驟七：再將上述步驟六之基材3撕取下，而p/n熱電薄膜6則會留至黏性較佳之UV膠結構體7上(如圖三G所示)；步驟八：再透過使用銀漆作為導電電極8，並依序鋪至p/n熱電薄膜6之兩端，使其相互導電串聯，最後再於p/n熱電薄膜6兩側之導電電極8分別接上一導線9(如圖三H所示)；步驟九：再將另一UV膠結構體7固化於熱電薄膜6與串聯電極裸露之下端處，以針對元件作整體之封裝，即製作完成一可撓性熱電能源轉換器10(如圖三I所示)。

其中，為了確保欲鍍之熱電薄膜沉積品質以及附著性，在電化學電鑄沉積前，必須經過一道基材前處理步驟，電鑄前處理過程步驟如下：

1.脫脂：將定義完成欲沉積熱電材料之試片浸入鹼性脫脂液中，用以去除試片表面之油汙、塵埃以及污染物；

2.清洗：將脫脂後之試片以去離子水(DI water)清洗；

3.酸洗：浸入酸性處理液以去除試片表面之氧化物；

4.清洗：將完成酸洗後之試片以去離子水(DI water)清洗；

5.電鑄：欲鍍基材表面清潔處理完畢後進行電鑄作業；

6.脫模：經電鑄完成之試片，浸入EOP9003膠溶解劑，將UV膠形成之電鑄母模軟化脫離；

7.膠溶解劑去除：將基材上殘留之EOP9003膠溶解劑以丙酮與甲醇去除，即可得到熱電薄膜合金結構。

本發明所提供之可撓性熱電能源轉換器及其製程方法，與其他習用技術相互比較時，更具有下列之優點：

1.本發明係在於提供一種將電鑄母模以電化學沈積法沈積形成一特定p/n熱電薄膜，並將該p/n熱電薄膜結合於UV膠結構體之間，使得製作完成之熱電能源轉換器具有可撓性之特性。

2.本發明係在於提供一種由於UV膠結構體具有可撓性之特性，係可實施貼附於各種不規則表面之物體上，使其於使用上及空間上不會受到任何限制，藉以達到任何空間及物體上皆可實施之目的。

3.本發明係在於提供一種可降低製程生產成本，並可達到量化生產、縮短製程，且可依使用者之需求製作不同規格尺寸之可撓性熱電能源轉換器，使其達到多元化功效之可撓性熱電能源轉換器及其製程方法。

上列詳細說明係針對本發明之一可行實施例之具體說明，惟該實施例並非用以限制本發明之專利範圍，凡未脫離本發明技藝精神所為之等效實施或變更，均應包含於本案之專利範圍中。

綜上所述，本案不但在技術思想上確屬創新，並能較習用物品增進上述多項功效，應已充分符合新穎性及進步性之法定發明專利要件，爰依法提出申請，懇請　貴局核准本件發明專利申請案，以勵發明，至感德便。

1．．．模具

2．．．PDMS結構體

21．．．注入孔

22．．．排氣孔

3．．．基材

31．．．鋁箔

32．．．金

4．．．模具

5．．．電鑄母模

51．．．沈積孔洞

6．．．熱電薄膜

61．．．n-type(Bi₂ Te₃ )合金

62．．．p-type(Sb₂ Te₃ )合金

7．．．UV膠結構體

8．．．導電電極

9．．．導線

10．．．可撓性熱電能源轉換器

請參閱以下有關本發明一較佳實施例之詳細說明及其附圖，將可進一步瞭解本發明之技術內容及其目的功效；有關該實施例之附圖為：

圖一A～D為本發明可撓性熱電能源轉換器及其製程方法之PDMS結構體製作流程圖；

圖二A～G為該可撓性熱電能源轉換器及其製程方法之電鑄母模製作流程圖；以及

圖三A～I為該可撓性熱電能源轉換器及其製程方法之可撓性熱電能源轉換器製作流程圖。

61．．．n-type(Bi₂ Te₃ )合金

62．．．p-type(Sb₂ Te₃ )合金

7．．．UV膠結構體

8．．．導電電極

9．．．導線

10．．．可撓性熱電能源轉換器

Claims (8)

1. 一種可撓性熱電能源轉換器，其包括：第一UV膠結構體；一p/n熱電薄膜，該p/n熱電薄膜上沈積有數組n-type(Bi₂ Te₃ )合金及p-type(Sb₂ Te₃ )合金之合金薄膜，並依序於各合金薄膜兩端鋪設之導電電極，使其相互導電串聯，最後再於p/n熱電薄膜之兩側之導電電極分別連接有一導線；該p/n熱電薄膜係黏著於第一UV膠結構體下端處，且p/n熱電薄膜之兩導線係外露於第一UV膠結構體外；第二UV膠結構體；該第二UV膠結構體係結合於第一UV膠結構體下端處，以將p/n熱電薄膜封裝於第一UV膠結構體及第二UV膠結構體之間。
2. 如申請專利範圍第1 項所述之可撓性熱電能源轉換器，其中該n-type(Bi₂ Te₃ )合金及p-type(Sb₂ Te₃ )合金係以電化學沈積法沈積於p/n熱電薄膜上。
3. 一種可撓性熱電能源轉換器之製程方法，其包括：步驟一：係以模具製作出一聚二甲基矽氧烷(Polydimethyl siloxane,PDMS)結構體；步驟二：係將一基材置入於一模具內，並將PDMS結構體疊至基材上，並使得PDMS結構體緊壓鎖固於模具內，同時將UV膠注入填滿於模具內部之空間，再照射UV光源使UV膠與基材相固化成一體，便可取出一電鑄母模，且於電鑄母模上形成有複數個沈積孔洞；步驟三：再將n-type碲化鉍(Bi₂ Te₃ )合金藉由電鑄母模沈積於沈積孔洞內，以可形成一特定形狀之合金薄膜；步驟四：將沈積後的電鑄母模浸泡於溶解劑中，使得電鑄母模上的UV膠軟化脫落，留下沈積有n-type碲化鉍(Bi₂ Te₃ )合金之合金薄膜；步驟五：係在定義一UV膠結構形狀與位置，並將其固化於基材上，以再次形成一電鑄母模結構；步驟六：利用電化學沉積法將p-type(Sb₂ Te₃ )合金沉積至電鑄母模所定義之沉積孔洞中，形成一特定形狀之合金薄膜；步驟七：將沈積後的電鑄母模元件浸泡於環氧樹脂溶解劑(EPOXY)中，使得電鑄母模上的UV膠軟化脫落，留下沉積有n-type(Bi₂ Te₃ )合金及p-type(Sb₂ Te₃ )合金之合金薄膜，即完成所需之p/n熱電薄膜；步驟八：利用UV膠具有可撓特性，係將一UV膠結構體固化於基材與p/n熱電薄膜上，作為元件可撓性之結構體；步驟九：再將上述步驟六之基材撕取下，而p/n熱電薄膜則會留至黏性較佳之UV膠結構體上；步驟十：再依序於p/n熱電薄膜之兩端鋪設有導電電極， 使其相互導電串聯，最後再於p/n熱電薄膜兩側之導電電極分別接上一導線；步驟十一：再將另一UV膠結構體固化於熱電薄膜與串聯電極裸露之下端處，以針對元件作整體之封裝，即完成一可撓性熱電能源轉換器之製程。
4. 如申請專利範圍第3 項所述之可撓性熱電能源轉換器之製程方法，其中該步驟一之模具係利用CNC雕刻機雕刻出所需PDMS之模具。
5. 如申請專利範圍第3 項所述之可撓性熱電能源轉換器之製程方法，其中步驟二之基材係利用電子束蒸鍍機將金鍍至一鋁箔上，以形成一基材。
6. 如申請專利範圍第5 項所述之可撓性熱電能源轉換器之製程方法，其中該基材於電化學電鑄沉積前，須經過一道基材前處理步驟，電鑄前處理過程步驟如下：1.脫脂：將定義完成欲沉積熱電材料之試片浸入鹼性脫脂液中，用以去除試片表面之油汙、塵埃以及污染物；2.清洗：將脫脂後之試片以去離子水(DI water)清洗；3.酸洗：浸入酸性處理液以去除試片表面之氧化物；4.清洗：將完成酸洗後之試片以去離子水(DI water)清洗；5.電鑄：欲鍍基材表面清潔處理完畢後進行電鑄作業；6.脫模：經電鑄完成之試片，浸入EOP9003膠溶解劑，將UV膠形成之電鑄母模軟化脫離； 7.膠溶解劑去除：將基材上殘留之EOP9003膠溶解劑以丙酮與甲醇去除，即可得到熱電薄膜合金結構。
7. 如申請專利範圍第3 項所述之可撓性熱電能源轉換器之製程方法，其中該步驟四之溶解劑係可為一EPOXY溶解劑。
8. 如申請專利範圍第3 項所述之可撓性熱電能源轉換器之製程方法，其中步驟十之導電電極係可為一銀漆材質。