WO2012021006A2 - Double-layer metal thin film type electric power generator, and integrated electric power generator using same - Google Patents

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Abstract

The invention relates to a double-layer metal thin film type electric power generator, comprising a substrate, a first metal thin film formed on the substrate, an insulation film formed on the substrate such that the insulation film contacts the first metal thin film, and a second metal thin film formed on the first metal thin film and on the insulation film. According to the double-layer metal thin film type electric power generator of the present invention, thermal energy and radiant energy applied from respective external sources to the first and second metal thin films are simultaneously converted into electric energy.

Description

이중 금속 박막형 발전기 및 이를 이용한 집적 발전기Double metal thin film generator and integrated generator using the same
본 발명은 열전효과와 광기전력 효과를 이용한 이중 금속 박막형 발전기(electrical power generator with bi-layered metallic thin films)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 자연 발생 또는 인공 발생적인 광이나 열을 동시에 이용하여 전기 에너지를 발생시키는데 적합한 비자성(또는 자성)/자성(또는 비자성) 구조를 갖는 이중 금속 박막형 발전기 및 이를 이용한 집적 발전기(integrated electrical power generator)에 관한 것이다.   The present invention relates to an electric power generator with a bi-layered metallic thin films using a thermoelectric effect and a photovoltaic effect, and more particularly, electrical energy by simultaneously using naturally or artificially generated light or heat. The present invention relates to a double metal thin film generator having a nonmagnetic (or magnetic) / magnetic (or nonmagnetic) structure which is suitable for generating s, and an integrated electrical power generator using the same.
근래 들어, 환경오염 문제와 에너지 고갈 문제를 해결하기 위하여 친환경적인 에너지 개발에 대한 연구가 세계 도처에서 활발히 진행되고 있는데, 특히 주변에서 손쉽게 얻을 수 있는 광 에너지나 열 에너지를 이용하는 발전기에 대한 많은 연구와 관심이 집중되고 있는 추세이다.In recent years, researches on the development of environment-friendly energy have been actively conducted all over the world in order to solve the problem of environmental pollution and energy depletion. In particular, many studies on generators using light energy or heat energy that can be easily obtained from the surrounding area and Attention is focused.
잘 알려진 바와 같이, 광 에너지를 전기 에너지로 전환하는 기술은 광기전력 효과(photovoltaic effect)를 이용하는 기술인 것으로, 일정 에너지 이상의 광자가 서로 다른 두 물질 사이의 계면에 흡수되면 접합 부분에서 원자핵에 속박되어 있던 전자들이 여기되는데, 이와 같이 여기된 전자들이 서로 다른 두 물질 접합내의 에너지 포텐셜에 의해 이동하면서 광기전력을 형성하게 된다.As is well known, the technique of converting light energy into electrical energy utilizes a photovoltaic effect, in which when photons above a certain energy are absorbed at the interface between two different materials, they are bound to the nucleus at the junction. Electrons are excited, and these excited electrons move by the energy potential in two different material junctions, forming photovoltaic power.
예컨대, 금속-금속간의 접합에서는 금속간의 일함수 차이에 의한 포텐셜에 의해 여기된 전자들이 이동을 하게 되면서 광기전력을 형성하고, 금속-반도체 접합에서는 반도체 타입과 반도체-금속의 일함수 차이에 따라서 옴 접촉이나 쇼트키 접촉이 결정되며, 이 사이에서의 포텐셜에 의해 금속으로부터 여기된 전자와 반도체로부터 여기된 전자와 정공의 쌍이 분리되면서 광기전력을 형성하게 된다. For example, in the metal-to-metal junction, electrons excited by the potential due to the difference in work function between the metals move to form photovoltaic power. The contact or Schottky contact is determined, and the potential between them separates the pair of electrons excited from the metal and the electrons and holes excited from the semiconductor to form photovoltaic power.
그리고, 반도체-반도체 접합인 PN 접합에서는, 일 예로서 도 1에 도시된 바와 같이, 광에 의해 생성된 전자, 정공 쌍이 내부 포텐셜에 의해 분리되면서 광기전력을 형성하게 된다.In the PN junction, which is a semiconductor-semiconductor junction, as shown in FIG. 1, electron and hole pairs generated by light are separated by internal potential to form photovoltaic power.
도 1에 있어서, 참조부호 EC는 실리콘 반도체의 전도대(Conduction Band)의 에너지 준위를, EF(Equilibrium)는 열평형 상태에서의 페르미 에너지 준위를, EV는 실리콘 반도체의 가전자대(Valence Band)의 에너지 준위를, EFP는 P형 반도체의 페르미 에너지 준위를, EFN는 N형 반도체의 페르미 에너지 준위를 각각 나타낸다.In Fig. 1, reference numeral EC denotes an energy level of a conduction band of a silicon semiconductor, EF ( Equilibrium) denotes a Fermi energy level in a thermal equilibrium state, and E V denotes a valence band of a silicon semiconductor. Where E FP represents the Fermi energy level of the P-type semiconductor, and E FN represents the Fermi energy level of the N-type semiconductor.
여기에서, 광기전력 효과를 이용하는 대표적인 광기전력 소자로서는, 예컨대 태양전지를 들 수 있으며, 이러한 태양전지는 반도체 소자로서, 벌크 실리콘, 박막형 실리콘, 화합물을 이용한 반도체 태양전지가 대표적이며, 그 외에 염료감응형 태양전지, 유기/무기물을 이용한 태양전지 등이 연구되고 있다.Here, as a typical photovoltaic device using the photovoltaic effect, for example, a solar cell is mentioned, such a solar cell is a semiconductor device, a semiconductor solar cell using a bulk silicon, thin film silicon, a compound is typical, in addition, dye-sensitized Type solar cells and solar cells using organic / inorganic materials have been studied.
한편, 열 에너지를 전기 에너지로 전환하는 기술은 열 에너지를 전기 에너지로 전환하는 열전효과(Thermoelectric effect)에 근간을 두는데, 이러한 열전효과는 페르미 에너지 모델(Fermi Energy Model) 이론과 확산 포텐셜(Diffusion Potential) 이론으로 설명될 수 있다.On the other hand, the technology of converting thermal energy into electrical energy is based on the thermoelectric effect of converting thermal energy into electrical energy, which is based on the Fermi Energy Model theory and diffusion potential. Potential theory.
일 예로서 단일 자성/비자성 이중 박막 기전 소자의 모식도를 보여주는 도 2에서와 같이, 서로 다른 열팽창 계수, 열전도도, 제벡(Seebeck) 계수를 갖는 두 금속 물질(M1, M2)이 접합(M1/M2 junction)을 이루고 각 물질의 전극(M1 contact, M2 contact)에 개방 회로를 이루었을 때, 외부로부터의 열이 두 금속 물질(M1, M2)의 접합 부분에 인가되면, 접합 부분과 전극 부분(M1 contact, M2 contact)의 온도 차이가 기전력을 발생시키게 된다. 이때 동일한 금속물질(각각 M1, M2)이나 낮은 저항의 물질을 레퍼런스(Reference) 로서 중간에 연결하여 실온에 노출시킴으로써 전극 부분의 온도를 레퍼런스의 온도만큼 냉각 시킬 수 있다. As an example, as shown in FIG. 2 showing a schematic diagram of a single magnetic / nonmagnetic double thin film electromechanical device, two metal materials M1 and M2 having different coefficients of thermal expansion, thermal conductivity, and Seebeck coefficient are bonded (M1 / When the M2 junction is formed and an open circuit is formed on the electrodes M1 contact and M2 contact of each material, when the heat from the outside is applied to the junction part of the two metal materials M1 and M2, the junction part and the electrode part ( The temperature difference between M1 contact and M2 contact generates electromotive force. At this time, the temperature of the electrode portion can be cooled by the temperature of the reference by connecting the same metal material (M1, M2, respectively) or a material of low resistance as a reference and being exposed to room temperature.
따라서, 페르미 에너지 모델 이론에 따르면, 이 접합 부분과 전극 부분의 온도 차이는 각각 금속 물질 내의 페르미 에너지 준위를 변화시키게 되며, 아래의 수학식 1에서와 같이, 페르미 에너지 변화량에 비례하여 열기전력이 생성된다.Therefore, according to the Fermi energy model theory, the temperature difference between the junction portion and the electrode portion respectively changes the Fermi energy level in the metal material, and as shown in Equation 1 below, the thermoelectric power is generated in proportion to the Fermi energy change amount. do.
[수학식 1][Equation 1]
Figure PCTKR2011005903-appb-I000001
   
Figure PCTKR2011005903-appb-I000001
상기한 수학식 1에 있어서, EF(T)는 온도(T)에 따른 페르미 에너지를, EF(0)는 절대 온도 OK(Zero Kelvin)에서의 페르미 에너지를, N(E)은 에너지에 따른 전자의 개수를 각각 나타낸다. 즉, 상기한 EF(T)식은 절대 온도 0K, 즉 어떤 외부 에너지도 받지 않은 물질 고유의 페르미 에너지 값(EF(0))에서, 온도에 의해 생성되거나 소멸되는 에너지 준위만큼을 뺀 값, 즉 열 에너지에 의해 변화되는 페르미 에너지 값을 의미한다.In Equation 1, E F (T) is a Fermi energy according to the temperature (T), E F (0) is a Fermi energy at the absolute temperature OK (Zero Kelvin), N (E) is the energy The number of electrons accordingly is shown, respectively. That is, the above E F (T) equation is obtained by subtracting the absolute temperature 0K, that is, the Fermi energy value (E F (0)) inherent in a material that has not received any external energy, minus the energy level produced or destroyed by the temperature, In other words, it means the Fermi energy value that is changed by the thermal energy.
그리고, 페르미 준위에 따른 페르미 포텐셜 값 △VF는 아래의 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.In addition, the Fermi potential value ΔV F according to the Fermi level may be expressed by Equation 2 below.
[수학식 2][Equation 2]
Figure PCTKR2011005903-appb-I000002
   
Figure PCTKR2011005903-appb-I000002
상기한 수학식 2에 있어서, PS는 제벡 계수, 즉 열에너지에 따른 기전력 값을 나타내는 물질 고유의 값(Unit : V/K)을, △PS는 접촉된 두 금속 물질의 제벡 계수 차이값(△PS = PS(Material 1) - PS(Material 2))을 각각 나타낸다.In Equation 2, P S is a Seebeck coefficient, that is, a material-specific value (Unit: V / K) representing an electromotive force value according to thermal energy, and ΔP S is a difference value of Seebeck coefficient of two metal materials in contact ( ΔP S = P S (Material 1) − P S (Material 2) ).
즉, △VF는 제벡 계수 값과 온도변화(△T) 값을 곱한 값과 같은 것으로, 제벡 계수는 물질 고유의 값으로 열 에너지에 따른 기전력 값을 나타내는 수치(Unit : V/K)이고, 물질에 따라 (+) 또는 (-) 값을 가질 수 있으며, 또한 단위 전자당 페르미 에너지 변화 값으로도 표현될 수 있다.That is, ΔV F is equal to the product of the Seebeck coefficient value and the temperature change (ΔT) value, and the Seebeck coefficient is a value unique to a material and represents an electromotive force value according to thermal energy (Unit: V / K), Depending on the material, it may have a (+) or (-) value and may also be expressed as a Fermi energy change value per unit electron.
또한, 확산 포텐셜 이론은 금속에서 온도가 상승될 때 이 온도 차이는 전자와 포논(phonon)의 평균 속력을 상쇄시키게 되고, 이로 인해 변화된 전자와 포논의 밀도는 확산 포텐셜을 형성하게 되는데, 이때의 방향은 열기전력 방향과 반대가 되기 때문에 실질적인 열전효과는 페르미 에너지 준위의 변화량에 따른 포텐셜 값과 확산 포텐셜 값과의 차이만큼 발생하게 된다.In addition, the diffusion potential theory suggests that when the temperature rises in the metal, this temperature difference cancels out the average speed of electrons and phonons, so that the changed electron and phonon densities form diffusion potentials. Since is opposite to the direction of the thermoelectric power, the actual thermoelectric effect occurs by the difference between the potential value and the diffusion potential value according to the amount of change in the Fermi energy level.
이러한 열전현상은, 아래의 수학식 3에서와 같이, 어떤 형태의 열이든 두 접합(junction) 부분과 reference 부분의 온도 차이가 존재하면 그 효과가 발생되며, 이 효과는 두 금속 물질의 제벡 계수에 선형적으로 비례한다. 특히 이러한 열전효과는 아주 쉽게 열에너지를 전기에너지로 전환시킬 수 있고 소자(Device) 동작을 위한 외부 전압이 따로 필요 없어서 고효율의 전기적 에너지를 발생시킬 수 있다는 장점이 있다.This thermoelectric phenomenon, as shown in Equation 3 below, occurs when there is a temperature difference between two junction parts and a reference part in any type of heat, and this effect is applied to the Seebeck coefficient of the two metal materials. Linearly proportional. In particular, the thermoelectric effect is very easy to convert the thermal energy into electrical energy, there is an advantage that can generate high-efficiency electrical energy because there is no need for an external voltage for device (Device) operation.
[수학식 3][Equation 3]
Figure PCTKR2011005903-appb-I000003
Figure PCTKR2011005903-appb-I000003
상기한 수학식 3에 있어서, 참조부호 Ps는 금속 1(M1) 및 금속 2(M2)의 제벡 계수를, Ve.m.f 는 온도변화(△T)와 접촉된 두 물질의 제벡 계수 차이 값에 의한 기전력을, △PS는 접촉된 두 물질의 제벡 계수 차이 값 (△PS=PS(Material 1)-PS(Material 2))을, PM1 은 금속 1(M1)의 제벡 계수 값을, PM2는 금속 2(M2)의 제벡 계수 값을, Tjunction 는 금속 접합에서의 온도 값을, Treference는 Referece 온도 값을 각각 나타낸다.In Equation 3, reference numeral Ps denotes the Seebeck coefficient of the metal 1 (M1) and the metal 2 (M2), and Ve.mf denotes the difference between the Seebeck coefficient of the two materials in contact with the temperature change (ΔT). Electromotive force, ΔPS is the Seebeck coefficient difference value of the two materials in contact (△ P S = P S (Material 1) -P S (Material 2) ), P M1 is the Seebeck coefficient value of the metal 1 (M1), P M2 represents the Seebeck coefficient value of the metal 2 (M2), T junction represents the temperature value at the metal junction, and T reference represents the Referece temperature value.
그러나, 광기전력 효과를 이용하는 광기전력 소자 중 반도체 기반의 태양전지 기술은 초기설치 비용이 다른 재생에너지에 비해 상대적으로 많이 소요되고 사용환경에 민감하며 내구성 측면에서의 단점을 가지며, 또한 태양광이 있는 낮 시간에만 충분한 발전 효율을 얻을 수 있고 반도체 물질의 고유 특성으로 인해 장시간 광에 노출 시 태양전지 판의 온도 상승으로 인해 발전 효율이 저하되는 단점을 갖는다.However, the semiconductor-based solar cell technology among the photovoltaic devices using the photovoltaic effect has a relatively high initial installation cost compared to other renewable energy, is sensitive to the use environment, has a disadvantage in terms of durability, A sufficient power generation efficiency can be obtained only during the day time, and due to the inherent characteristics of the semiconductor material, the power generation efficiency is lowered due to a rise in temperature of the solar panel when exposed to light for a long time.
또한, 유/무기물을 이용한 차세대 태양전지는 투명하고 저가의 생산이 가능하여 많은 응용 가능성이 있을 것으로 기대되고는 있으나, 아직까지 기존 실리콘 태양전지에 비해 발전 효율이 상대적으로 현저히 떨어질 뿐만 아니라 내구성 또한 검증되지 않은 문제가 있다.In addition, the next generation solar cell using organic / inorganic materials is expected to have many applications due to the transparent and low-cost production, but the power generation efficiency is not only relatively low compared to the conventional silicon solar cell, but also the durability is verified. There is not a problem.
이와 관련하여서는 국내외적으로 많은 기업과 대학 연구소에서 태양전지의 발전 효율을 높이고 제조 비용을 줄이기 위한 연구가 진행되고는 있으나, 대부분 태양광을 이용하여 대량의 전기를 생산하는 발전기에 국한되고 있는 실정이다. 근래 들어, LED와 태양전지를 조합하거나 태양광 핸드폰, 태양광 충전기 등과 같은 전자기기로의 응용이나 소형화로의 응용이 시도되고는 있지만 태양전지의 크기와 발전 효율의 한계로 그 응용이 제한적일 수밖에 없는 실정이다.In this regard, many companies and university research institutes at home and abroad are conducting researches to improve solar cell power generation efficiency and reduce manufacturing costs, but most of them are limited to generators that generate a large amount of electricity using solar light. . Recently, the combination of LED and solar cells, application to electronic devices such as solar cell phones, solar chargers, and miniaturized applications have been attempted, but the application is limited due to the limitation of solar cell size and power generation efficiency. It is true.
한편, 열전현상을 이용한 발전 기술 개발에 대한 연구와 관련하여, 수 내지 수십 년 전부터 국내외의 많은 기업들에서는 다양한 형태의 열기전력 발전소자를 개발하고 있으나, 현재까지 개발된 열기전력 발전 기술은 낮은 열기전력 효율(low efficiency to convert into electrical energy), 발전 효율을 높이기 위한 매우 큰 소자의 크기(large size), 고열전도에 의한 열전 손실(high thermal conductivity), 낮은 전기적 신뢰도(poor electrical stability), 그리고 소자 집적화의 불가능(poor integration) 등과 같은 기술적 문제가 여전히 존재하여, 실질적으로 그 응용 범위가 매우 제한적이며 특히 다양한 휴대용(또는 이동형) 전기 및 전자소자(예컨대, 휴대용 컴퓨터, 휴대 단말, 휴대폰, 스마트폰, 전기 자동차 배터리 등)로의 응용에 한계를 가질 수 밖에 없는 실정이다.On the other hand, in relation to the research on the development of power generation technology using thermoelectric phenomenon, many companies at home and abroad have been developing various types of thermoelectric power generators for several decades. Low efficiency to convert into electrical energy, large size of devices to increase power generation efficiency, high thermal conductivity, low electrical reliability, and device integration Technical problems still exist, such as poor integration, which is practically very limited in scope and particularly in various portable (or mobile) electrical and electronic devices (e.g., portable computers, portable terminals, cellular phones, smartphones, electrical Automotive battery, etc.) is bound to have a limit.
먼저, 본 발명은 열전효과(Thermoelectric effect)와 광기전력 효과(Photovoltaic effect)를 동시에 사용할 수 있는 구조와 재료를 이용한다.First, the present invention uses a structure and a material capable of simultaneously using the thermoelectric effect and the photovoltaic effect.
이를 위하여, 본 발명은, 일 관점에 따라, 기판과, 상기 기판 상에 형성된 제 1 금속 박막과, 상기 기판의 상부 일부와 상기 제 1 금속 박막의 상부 일부 상에 형성된 제 2 금속 박막을 포함하며, 외부로부터 상기 제 1 및 제 2 금속 박막으로 가해지는 열 에너지와 광 에너지를 동시에 전기 에너지로 전환시키는 이중 금속 박막형 발전기를 제공한다.To this end, the present invention includes a substrate, a first metal thin film formed on the substrate, and a second metal thin film formed on an upper portion of the substrate and an upper portion of the first metal thin film according to one aspect; The present invention provides a dual metal thin film type generator that simultaneously converts thermal energy and light energy applied to the first and second metal thin films from the outside into electrical energy.
여기에서, 제 1금속 박막은 저항값이 낮으며 제벡 계수를 갖는, 즉 열전효과를 보이는 비자성 금속 박막으로 기판과의 옴 접촉을 유지하여 광기전력 효과에 의한 유도전류(photovoltaic effect-induced current)의 손실을 줄이고 흐름을 원활하게 한다. 제 2 금속 박막은 자성 금속 박막 중 상대적으로 저항값이 크고 Lateral 광기전력 효과를 보이며 높은 광 흡수율을 보이는 자성박막이다. 또한, 제 2 금속 박막은 제 1 금속 박막과는 반대부호의 제벡 계수를 가지며 제 1금속 박막 위에 부분적으로 접촉하여 열전쌍(Thermocouple) 구조로써 효율적인 열전효과를 나타낼 수 있고 동시에 기판과 쇼트키 접합을 유도하여 제 1금속 박막과 제 2 금속 박막의 계면, 그리고 기판과 각각 제1 및 제2금속 박막에 유도되는 광기전력 효과에 의한 전류의 분로(Shunting)를 억제하여 기전력을 유지시켜 준다. 제 2자성 금속 박막은 나노패터닝(Nano patterning) 구조 제작 시 일반 열전효과나 광기전력 효과뿐 아니라 양자역학적 현상(Quantum effect)에 의한 스핀 열전효과(Spin Seebeck effect)나 스핀 광기전력 효과(Spin-photovoltaic effect)를 유도할 수 있어서 그 발전 효율을 증대시킬 수 있다.Here, the first metal thin film is a non-magnetic metal thin film having a low resistance value and a Seebeck coefficient, that is, a thermoelectric effect, to maintain ohmic contact with a substrate, thereby inducing photovoltaic effect-induced current. Reduces the loss and smooths the flow. The second metal thin film is a magnetic thin film having a relatively high resistance value, a lateral photovoltaic effect, and a high light absorption rate among the magnetic metal thin films. In addition, the second metal thin film has a Seebeck coefficient opposite to that of the first metal thin film and is partially in contact with the first metal thin film to exhibit an efficient thermoelectric effect as a thermocouple structure, and at the same time induce a Schottky junction with the substrate. By maintaining the electromotive force by suppressing the shunting of the current due to the photovoltaic effect induced in the interface between the first metal thin film and the second metal thin film, and the substrate and the first and second metal thin films, respectively. The second magnetic metal thin film has a spin seebeck effect or a spin-photovoltaic effect due to a quantum mechanical effect as well as a general thermoelectric effect or photovoltaic effect when fabricating a nano patterning structure. effect) can be induced to increase the power generation efficiency.
본 발명은, 다른 관점에 따라, 기판과, 상기 기판 상에 형성된 제 1 금속 박막과, 상기 제 1 금속 박막과 상접하여 상기 기판 상에 형성되는 절연막과, 상기 제 1 금속 박막의 상부와 상기 절연막의 상부 상에 형성된 제 2 금속 박막을 포함하며, 외부로부터 상기 제 1 및 제 2 금속 박막으로 가해지는 열 에너지와 광 에너지를 동시에 전기 에너지로 전환시키는 이중 금속 박막형 발전기를 제공한다. 여기에서, 절연막은 광 또는 열에 의해 유도되는 전류(Thermoelectric effect-induced current or photovoltaic effect-induced current)의 분로를 억제시켜 기전력을 더욱 증대시킨다.According to another aspect of the present invention, a substrate, a first metal thin film formed on the substrate, an insulating film formed on the substrate in contact with the first metal thin film, an upper portion of the first metal thin film, and the insulating film It includes a second metal thin film formed on the top of the, and provides a double metal thin film type generator for converting the thermal energy and light energy applied to the first and second metal thin film from the outside at the same time into electrical energy. Here, the insulating film further increases the electromotive force by suppressing the shunt of the thermal or photovoltaic effect-induced current induced by light or heat.
본 발명은, 또 다른 관점에 따라, 기판 상에 서로 다른 제벡 계수를 갖는 제 1 금속 박막과 제 2 금속 박막이 순차 적층되는 구조로 된 다수의 단위 셀이 직렬로 각각 연결되어, 외부로부터 각 단위 셀의 제 1 및 제 2 금속 박막으로 가해지는 열 에너지와 광 에너지를 동시에 전기 에너지로 전환시키는 이중 금속 박막을 이용한 집적 발전기를 제공한다. 이러한 직렬 연결은 높은 기전력이 요구되는 환경에 적용될 수 있다.According to another aspect of the present invention, a plurality of unit cells having a structure in which a first metal thin film and a second metal thin film having different Seebeck coefficients are sequentially stacked on a substrate are connected in series, and each unit is connected from the outside. An integrated generator using a double metal thin film for simultaneously converting thermal energy and light energy applied to the first and second metal thin films of a cell into electrical energy is provided. This series connection can be applied to environments where high electromotive force is required.
본 발명은, 또 다른 관점에 따라, 기판 상에 서로 다른 제벡 계수를 갖는 제 1 금속 박막과 제 2 금속 박막이 순차 적층되는 구조로 된 다수의 단위 셀이 병렬로 각각 연결되어, 외부로부터 각 단위 셀의 제 1 및 제 2 금속 박막으로 가해지는 열 에너지와 광 에너지를 동시에 전기 에너지로 전환시키는 이중 금속 박막을 이용한 집적 발전기를 제공한다. 이러한 병렬 연결은 높은 전류가 요구되는 환경에 적용될 수 있다.According to another aspect of the present invention, a plurality of unit cells having a structure in which a first metal thin film and a second metal thin film having different Seebeck coefficients are sequentially stacked on a substrate are connected in parallel, and each unit is connected from the outside. An integrated generator using a double metal thin film for simultaneously converting thermal energy and light energy applied to the first and second metal thin films of a cell into electrical energy is provided. This parallel connection can be applied in environments where high current is required.
본 발명은, 또 다른 관점에 따라, 기판 상에 서로 다른 제벡 계수를 갖는 제 1 금속 박막과 제 2 금속 박막이 순차 적층되는 구조로 된 다수의 단위 셀이 직렬로 각각 연결되는 제 1 단위 셀 그룹과, 상기 제 1 단위 셀 그룹과 동일한 구조로 된 다수의 단위 셀이 직렬로 각각 연결되며, 상기 제 1 단위 셀 그룹에 병렬 연결되는 제 2 단위 셀 그룹을 포함하며, 외부로부터 각 단위 셀의 제 1 및 제 2 금속 박막으로 가해지는 열 에너지와 광 에너지를 동시에 전기 에너지로 전환시키는 이중 금속 박막을 이용한 집적 발전기를 제공한다. 이러한 직/병렬 연결은 높은 전압과 큰 전류를 필요로 하는 소자(고전압/고전류 생성 발전기)로서 유용하게 활용할 수 있다.According to another aspect of the present invention, a first unit cell group in which a plurality of unit cells each having a structure in which a first metal thin film and a second metal thin film having different Seebeck coefficients are sequentially stacked on a substrate is connected to each other in series And a plurality of unit cells each having a same structure as the first unit cell group in series, and each having a second unit cell group connected in parallel to the first unit cell group. An integrated generator using a double metal thin film for simultaneously converting thermal energy and light energy applied to the first and second metal thin films into electrical energy is provided. This series / parallel connection is useful for devices requiring high voltages and large currents (high voltage / high current generators).
본 발명은, 기판 상에 제벡 계수가 서로 다른 제 1 금속 박막(비자성 혹은 자성)과 제 2 금속 박막(자성)을 순차 형성하고, 외부로부터 제 1 및 제 2 금속 박막으로 가해지는 열 에너지와 광 에너지를 동시에 전기 에너지로 전환시키는 구조를 채용함으로써, 발전 소자의 크기를 용도와 공간에 맞춰 제작이 가능하기 때문에 그 응용범위가 광범위하여, 특히 기존의 광 또는 열만을 이용하는 발전기의 재료 고유의 물질 특성으로 인한 소형화 및 미열에 대한 한계를 극복함으로써, 소형 전자기기, 가정용 및 사무용 전자기기 등에 손쉽게 적용할 수 있다.According to the present invention, a first metal thin film (nonmagnetic or magnetic) and a second metal thin film (magnetic) having different Seebeck coefficients are sequentially formed on the substrate, and the thermal energy applied to the first and second metal thin films from the outside and By adopting a structure that converts light energy into electrical energy at the same time, the size of the power generating element can be manufactured according to the purpose and space, so its application range is wide, especially the material inherent in the generator using only conventional light or heat By overcoming the limitations of miniaturization and low heat due to characteristics, it can be easily applied to small electronic devices, home and office electronic devices.
또한, 본 발명은 별도의 패터닝 공정을 필요로 함이 없이 스퍼터링 등과 같은 간소화된 공정으로 제작함으로써, 발전 소자의 제조원가를 대폭적으로 절감할 수 있어, 저 비용의 대량 생산을 실현할 수 있다.In addition, the present invention can significantly reduce the manufacturing cost of the power generation device by manufacturing in a simplified process such as sputtering, without the need for a separate patterning process, it is possible to realize low-cost mass production.
더욱이, 본 발명은 전자기기에서 발생하는 열 에너지와 태양, 형광등, 백열등, LED 등의 광 에너지를 동시에 사용하기 때문에 반영구적, 환경 친화적, 다목적으로 사용 가능하다. Furthermore, the present invention can be used semi-permanently, environmentally friendly, and versatile because it simultaneously uses heat energy generated from electronic devices and light energy such as the sun, fluorescent lamps, incandescent lamps, and LEDs.
도 1은 광기전력 효과를 설명하기 위한 예시도,1 is an exemplary diagram for explaining a photovoltaic effect;
도 2는 단일의 자성/비자성 이중 박막 발전 소자의 모식도,2 is a schematic diagram of a single magnetic / nonmagnetic dual thin film power generation device;
도 3은 본 발명의 실시 예1에 따른 이중 금속 박막형 발전기의 단면도,3 is a cross-sectional view of a double metal thin film generator according to Embodiment 1 of the present invention;
도 4a 및 4b는 p형 기판 및 n형 기판 각각에서 온도가 올라갈 때 이중 금속 박막 구조의 접합 부분에서의 밴드 다이어그램,4A and 4B are band diagrams at junctions of a double metal thin film structure as the temperature rises in the p-type substrate and the n-type substrate, respectively;
도 5는 본 발명의 실시 예2에 따른 이중 금속 박막형 발전기의 단면도,5 is a cross-sectional view of a double metal thin film generator according to Embodiment 2 of the present invention;
도 6은 이중 금속 박막을 각각 갖는 다수의 단위 셀(발전 소자)을 평면 구조에서 직렬로 연결한 집적 발전기의 구성을 도시하는 도면,6 is a diagram showing the configuration of an integrated generator in which a plurality of unit cells (power generation elements) each having a double metal thin film are connected in series in a planar structure;
도 7은 이중 금속 박막을 각각 갖는 다수의 단위 셀(발전 소자)을 평면 구조에서 병렬로 연결한 집적 발전기의 구성을 도시하는 도면,7 is a diagram illustrating a configuration of an integrated generator in which a plurality of unit cells (power generation elements) each having a double metal thin film are connected in parallel in a planar structure;
도 8은 이중 금속 박막을 각각 갖는 다수의 단일 셀들을 직렬로 연결하여 제작한 각 단위 셀 그룹을 병렬로 연결하는 형태로 제작한 집적 발전기의 단면도,8 is a cross-sectional view of an integrated generator fabricated in the form of connecting each unit cell group produced by connecting a plurality of single cells each having a double metal thin film in series;
도 9a 및 9b는 본 발명에 따라 제작된 이중 금속 박막형 발전기에서의 기전력을 측정하는 방식을 설명하는 도면,9A and 9B are views illustrating a method of measuring electromotive force in a double metal thin-film generator manufactured according to the present invention;
도 10a 및 도 10b은 각기 본 발명에 따라 시험 제작한 Si(p형)/Cu/(MgO)Co 구조의 금속 박막 소자에 외부 열과 다양한 광을 인가했을 때 전압과 전류 변화 결과를 보여주는 그래프,10A and 10B are graphs showing voltage and current change results when external heat and various light are applied to a metal thin film device having a Si (p-type) / Cu / (MgO) Co structure, which was tested according to the present invention.
도 10c는 도 10a 및 도 10b의 결과를 수치로 표시한 도표, FIG. 10C is a table numerically displaying the results of FIGS. 10A and 10B;
도 11a는 백색 LED의 광 파장에 따른 빛의 세기와 사람 눈의 상대적인 빛 민감도(relative intensity)를 보여주는 그래프,FIG. 11A is a graph showing light intensity and relative light intensity of a human eye according to light wavelengths of a white LED; FIG.
도 11b은 각각의 광의 파장에 따른 빛의 세기를 보여주는 그래프,11b is a graph showing the intensity of light according to the wavelength of each light;
도 12는 종래의 태양전지를 이용한 광/열 에너지 인가에 따른 전압 변화의 결과를 보여주는 그래프,12 is a graph showing the result of the voltage change according to the application of light / heat energy using a conventional solar cell,
도 13은 두 개의 단일 셀을 직렬로 연결하여 각 소자의 기전력을 측정하는 실험 장치의 모식도,13 is a schematic diagram of an experimental apparatus for measuring electromotive force of each device by connecting two single cells in series;
도 14는 두 개의 단일 셀을 직렬로 연결하여 기전력을 측정한 실험의 결과 그래프,14 is a graph showing the results of experiments in which electromotive force is measured by connecting two single cells in series;
도 15a 및 도 15b는 각기 Si(p형)/Cu/Co와 Si(p형)/Cu/(MgO)Co 구조에서 열 에너지 인가에 따른 전압 변화를 측정한 실험 결과의 그래프,15A and 15B are graphs of experimental results of measuring voltage changes according to application of thermal energy in Si (p type) / Cu / Co and Si (p type) / Cu / (MgO) Co structures, respectively;
도 16a 및 도 16b은 Si(p형)/Cu/Co와 Si(p형)/Cu/(MgO)Co 구조에서 할로겐 광 에너지 인가에 따른 전압 변화를 측정한 실험 결과의 그래프,16A and 16B are graphs of experimental results of measuring voltage changes according to application of halogen light energy in Si (p type) / Cu / Co and Si (p type) / Cu / (MgO) Co structures,
도 17은 일광, 할로겐, 열, LED를 이용한 가열시간에 따른 온도 변화를 측정한 실험 결과의 그래프,17 is a graph of the results of experiments measuring the temperature change with heating time using daylight, halogen, heat, LED,
도 18a 및 도 18b은 각기 Si(p형)/Cu/(MgO)Co 구조에서 할로겐과 LED 광원의 거리에 따른 전압과 전류의 변화를 측정한 실험 결과의 그래프,18A and 18B are graphs of experimental results of measuring changes in voltage and current according to the distance between halogen and LED light sources in Si (p type) / Cu / (MgO) Co structures, respectively.
도 18c는 도 18a 및 도 18b의 실험 결과를 수치로 표시한 도표,18C is a table showing numerical values of the experimental results of FIGS. 18A and 18B;
도 19a 및 도 19b는 각기 Si(p형)/Cu(t)/(MgO)Co 구조에서 Cu 두께 5 nm(± 10%), 20 nm(± 10%)에 대한 열 에너지 인가에 따른 전압 변화를 측정한 실험 결과의 그래프.19a and 19b are voltage variations of thermal energy applied at 5 nm (± 10%) and 20 nm (± 10%) of Cu thickness in Si (p-type) / Cu (t) / (MgO) Co structures, respectively. Graph of the experimental results measured.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail a preferred embodiment of the present invention.
아래의 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성 등에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들인 것으로, 이는 사용자, 운용자 등의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있음은 물론이다. 그러므로, 그 정의는 본 명세서의 전반에 걸쳐 기술되는 기술사상을 토대로 이루어져야 할 것이다.In the following description of the present invention, if it is determined that a detailed description of known functions or configurations may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description thereof will be omitted. In addition, terms to be described below are terms defined in consideration of functions in the present invention, which may be changed according to intention or custom of a user, an operator, or the like. Therefore, the definition should be made based on the technical idea described throughout this specification.
[실시 예1]Example 1
도 3은 본 발명의 실시 예1에 따른 이중 금속 박막형 발전기의 단면도이다.3 is a cross-sectional view of a double metal thin film generator according to Embodiment 1 of the present invention.
도 3을 참조하면, 본 실시 예의 발전기는 기판(302), 예컨대 실리콘 기판 상에 제 1 금속 박막(304)이 형성되고, 기판(302)의 상부 일부와 제 1 금속 박막(304)의 상부 일부에 걸쳐 제 2 금속 박막(306)이 형성되는 이중 금속 박막 구조를 갖는데, 이러한 이중 금속 박막 구조에서는, 비자성 금속/자성 금속 구조, 자성 금속/자성 금속 구조, 자성 금속/비자성 금속 구조 중 어느 하나의 구조로 형성될 수 있다.Referring to FIG. 3, in the generator of the present embodiment, a first metal thin film 304 is formed on a substrate 302, for example, a silicon substrate, and an upper part of the substrate 302 and an upper part of the first metal thin film 304. And a double metal thin film structure in which a second metal thin film 306 is formed. The double metal thin film structure includes any of a nonmagnetic metal / magnetic metal structure, a magnetic metal / magnetic metal structure, and a magnetic metal / nonmagnetic metal structure. It can be formed in one structure.
여기에서, 제 1 및 제 2 금속 박막(304, 306)은 열전 효과(또는 열기전력 효과)와 광기전력 효과를 동시에 얻을 수 있는 물질로 선택할 필요가 있다. 즉, 본 실시 예의 발전기는 외부로부터 제 1 및 제 2 금속 박막(304, 306)으로 가해지는 열 에너지와 광 에너지를 동시에 전기 에너지로 전환할 수 있다. 즉 제 1 및 제 2 금속 박막(304, 306)의 접합 부분에 열 에너지가 가해질 때 접합 부분과 제 1 및 제 2금속 박막 부분의 온도차에 의한 열전효과에 의해 열기전력이 발생되고, 광 에너지가 가해질 때 제 1및 제 2 금속 박막 접합의 금속-금속 접촉면과 제 1및 제 2금속-기판 접촉면에서의 광기전력 효과에 의해 광기전력이 발생된다. 그리고, 이중 금속 박막 구조에 가해지는 열 에너지는, 예컨대 발전기를 장착한 전자기기에서 발생하는 열 에너지가 될 수 있고, 광 에너지는, 예컨대 태양, 형광등, 백열등, LED 등이 될 수 있다.Here, it is necessary to select the first and second metal thin films 304 and 306 as materials capable of simultaneously obtaining a thermoelectric effect (or a thermoelectric effect) and a photovoltaic effect. That is, the generator of the present exemplary embodiment may simultaneously convert thermal energy and light energy applied to the first and second metal thin films 304 and 306 from the outside into electrical energy. That is, when thermal energy is applied to the junction portions of the first and second metal thin films 304 and 306, thermoelectric power is generated by the thermoelectric effect due to the temperature difference between the junction portion and the first and second metal thin film portions, When applied, photovoltaic power is generated by the photovoltaic effect at the metal-metal contact surface and the first and second metal-substrate contact surfaces of the first and second metal thin film junctions. The heat energy applied to the double metal thin film structure may be, for example, heat energy generated from an electronic device equipped with a generator, and the light energy may be, for example, a sun, a fluorescent lamp, an incandescent lamp, an LED, or the like.
이때, 효율적인 열기전력의 발생을 위해, 제 1 금속 박막(304)과 제 2 금속 박막(306)은 서로 다른 제벡 계수를 갖는데, 이것은 금속의 접합 부분과 금속 부분에서의 온도 차이에 의한 열전효과를 통해 열기전력을 발생시키기 위해서이다. 즉, 열전효과는 제 1 및 제 2 금속 박막의 제벡 계수의 차이 값(△PS = PS(material 1) - PS(material 2))이 큰 금속 박막 물질들을 조합해야 상대적으로 높은 열기전력을 얻을 수 있으며, 제 1 및 제 2 금속 박막의 제벡 계수 값은 하나가 양수일 경우에 다른 하나는 음수의 값을 가져야 높은 효율을 유도할 수 있다. 그와 동시에 기판과 그 위에 증착되는 제1 금속 박막 물질의 제벡 계수 값은 둘 다 양수 이거나 둘 다 음수이어야 한다.At this time, in order to generate an efficient thermoelectric power, the first metal thin film 304 and the second metal thin film 306 have different Seebeck coefficients, which is a thermoelectric effect due to the temperature difference between the junction portion and the metal portion of the metal. This is to generate thermal power through. That is, the thermoelectric effect requires a combination of metal thin film materials having a large difference between the Seebeck coefficients of the first and the second metal thin films (ΔP S = P S (material 1) -P S (material 2) ). When the Seebeck coefficient values of the first and second metal thin films are one positive, the other has a negative value to induce high efficiency. At the same time the Seebeck coefficient values of the substrate and the first metal thin film material deposited thereon must be both positive or both negative.
이를 위하여, 기판(302)이 (+) 제벡 계수를 갖는 p형 실리콘 기판일 때, 제 1 금속 박막(304)은 (+) 제벡 계수를 갖는 금속으로 형성하고, 제 2 금속 박막(306)은 (-) 제벡 계수를 갖는 금속으로 형성하며, 이와는 달리, 기판(302)이 (-) 제벡 계수를 갖는 n형 실리콘 기판일 때, 제 1 금속 박막(304)은 (-) 제벡 계수를 갖는 금속으로 형성하고, 제 2 금속 박막(306)은 (+) 제벡 계수를 갖는 금속으로 형성할 수 있다.To this end, when the substrate 302 is a p-type silicon substrate having a positive Seebeck coefficient, the first metal thin film 304 is formed of a metal having a positive Seebeck coefficient, and the second metal thin film 306 The first metal thin film 304 is formed of a metal having a (-) Seebeck coefficient, whereas the substrate 302 is an n-type silicon substrate having a (-) Seebeck coefficient. The second metal thin film 306 may be formed of a metal having a (+) Seebeck coefficient.
즉, 본 실시 예의 소자(발전기)에 채용되는 이중 금속 박막의 접합 부분에 열이 가해졌을 때 이 접합 부분과 두 전극 부분과의 온도 차이에 의한 열전효과로 인해 열기전력이 발생하는데, 이러한 열기전력은 기판의 유무와 기판의 타입에 영향을 받게 된다.That is, when heat is applied to the junction portion of the double metal thin film employed in the device (generator) of the present embodiment, thermoelectric power is generated due to the thermoelectric effect caused by the temperature difference between the junction portion and the two electrode portions. Silver is affected by the presence or absence of the substrate and the type of the substrate.
예컨대, (+) 제벡 계수를 갖는 P형 실리콘 기판 위에 순차적으로 (+) 제벡 계수를 갖는 제 1 금속 박막(M1)과 (-) 제벡 계수를 갖는 제 2 금속 박막(M2)이 형성된 이중 금속 박막 구조에서 접합 부분의 온도가 올라가게 되면, 일 예로서 도 4a에 도시된 바와 같이, 계단식 밴드 다이어그램을 가지게 된다. 이때, 제 1 금속 박막(M1)은 접합 부분에서 온도 증가에 따라 페르미 에너지 준위가 내려가면서 전자들이 모이게 되는데 이 전자들이 P형 실리콘으로 빠져나가게 된다. 접합뿐 아니라 각 전극 부분도 기판과 연결되어 있으므로 기판과 전자들이 순환하는 형태가 이루어지며 열기전력이 발생하게 된다.For example, a double metal thin film on which a first metal thin film M1 having a (+) Seebeck coefficient and a second metal thin film (M2) having a (−) Seebeck coefficient are sequentially formed on a P-type silicon substrate having a (+) Seebeck coefficient. As the temperature of the junction portion rises in the structure, it has a stepped band diagram, as shown in FIG. 4A as an example. At this time, in the first metal thin film M1, as the Fermi energy level decreases as the temperature increases at the junction, electrons are collected, and the electrons exit to the P-type silicon. Each electrode part is connected to the substrate as well as the junction, so that the substrate and the electrons circulate, and thermal power is generated.
또한, (-) 제벡 계수를 갖는 N형 실리콘 기판 위에 (-) 제벡 계수를 갖는 제 1 금속 박막(M1)과 (+) 제벡 계수를 갖는 제 2 금속 박막(M2)이 형성된 이중 박막 구조에서 온도가 올라가게 되면, 도 4b에 도시된 바와 같이, 계단식 밴드 다이어그램을 가지게 되어 열기전력을 발생시킬 수 있다.In addition, a temperature in a double-film structure in which a first metal thin film M1 having a (-) Seebeck coefficient and a second metal thin film M2 having a (+) Seebeck coefficient are formed on an N-type silicon substrate having a (-) Seebeck coefficient. When is raised, as shown in Figure 4b, it has a stepped band diagram can generate the thermoelectric power.
도 4a 및 4b에 있어서, EF(Equilibrium)는 열평형 상태에서의 페르미 에너지 준위를, EF(M1)는 열 에너지를 인가 후 변화된 제 1금속 박막의 페르미 에너지 준위를, EF(M2)는 열 에너지를 인가 후 변화된 제 2금속 박막의 페르미 에너지 준위를, EF(Si)는 열 에너지를 인가 후에 변화된 실리콘 기판의 페르미 에너지 준위를, EC는 실리콘 기판의 전도대의 에너지 준위를, EV는 실리콘 기판의 가전자대의 에너지 준위를, EF(Intrinsic)는 진성 반도체의 페르미 에너지 준위를 각각 나타낸다.4A and 4B, EF (Equilibrium) is a Fermi energy level in the thermal equilibrium state, and E F (M1) is a Fermi energy level of the first metal thin film changed after applying thermal energy, E F (M2) Is the Fermi energy level of the second metal thin film changed after applying the thermal energy, E F (Si) is the Fermi energy level of the silicon substrate changed after applying the thermal energy, E C is the energy level of the conduction band of the silicon substrate, E V represents the energy level of the valence band of the silicon substrate, and E F (Intrinsic) represents the Fermi energy level of the intrinsic semiconductor.
한편, 상대적으로 저항 값이 작은 비자성 금속 박막과 상대적으로 저항 값이 큰 자성 금속 박막이 발전 소자 내의 포텐셜 차이를 크게 유지시켜 높은 발전 효율을 실현할 수 있으며, 제 1금속 박막은 기판과 옴(ohmic) 접촉시키고 제 2 금속 박막은 쇼트키(schottky) 접촉시킴으로써 발전 소자 내의 포텐셜 차이를 크게 유지시켜 발전 효율을 증진시킬 수 있다. 또한, 자성(비자성)/비자성(자성) 혹은 자성/자성의 선택적인 이중 금속 박막 구조와 나노패터닝(nano patterning) 구조를 통해 일반 열전효과나 광기전력 효과뿐 아니라 스핀에 의한 열전효과(Spin Seebeck effect)나 스핀에 의한 광기전력 효과(Spin-photovoltaic effect)를 유도할 수 있다.On the other hand, the non-magnetic metal thin film having a relatively low resistance value and the magnetic metal thin film having a large resistance value can maintain a large potential difference in the power generation element, thereby realizing high power generation efficiency. ) And the second metal thin film are schottky contacted to maintain a large potential difference in the power generating element, thereby improving power generation efficiency. In addition, magnetic (non-magnetic) / non-magnetic (magnetic) or magnetic / magnetic selective double metal thin film structure and nano patterning structure through the spin, thermoelectric effect (Spin) Seebeck effect or spin-photovoltaic effect can be induced.
그리고, 옴 접촉과 쇼트키 접촉은 기판의 형태(n형 또는 p형)에 따라 기판과 금속의 일함수(Work Function)에 의해 결정되는데, 쇼트키 접촉은 일반적으로 n형 반도체의 경우 φm (금속의 일함수) > φs (반도체의 일함수)일 때 형성되고, p형 반도체의 경우 그 반대인 φm (금속의 일함수) < φs (반도체의 일함수)일 때 형성된다. 그러나, 이것은 일반적인 모델로서 실제로는 계면준위를 고려하여 쇼트키 장벽을 조절해야 한다. 또한, 반도체 기판과 제 2금속 박막 사이에 얇은 절연체를 삽입하는 방식으로 쇼트키 장벽을 만들 수도 있는데, 이때 절연체의 두께나 절연체의 밴드 갭에 따라 터널링을 만들거나 장벽을 조절하여 쇼트키 접촉을 만들 수 있다.In addition, the ohmic contact and the Schottky contact are determined by the work function of the substrate and the metal according to the type of the substrate (n-type or p-type), and the Schottky contact is generally φm (metal Is formed when the work function of > &gt; However, this is a general model and in practice the Schottky barrier must be adjusted in consideration of the interface level. In addition, a Schottky barrier may be formed by inserting a thin insulator between the semiconductor substrate and the second metal thin film, which may be used to create a Schottky contact by tunneling or adjusting the barrier depending on the thickness of the insulator or the band gap of the insulator. Can be.
일반적으로, 옴 접촉을 형성하기 위한 방법으로는 금속의 일함수와 반도체의 전자친화력을 조절하여 장벽 에너지(φm(금속의 일함수) - φs(반도체의 전자친화력))를 충분히 적게 하거나 혹은 반도체의 불순물 도핑을 높게 하거나 금속의 두께를 얇게 하여 양자역학적 터널링이 생기게 하는 방법이 있는데, 불순물 도핑의 경우 일반적인 반도체 공정에서 많이 사용되는 확산 공정이나 이온 주입 공정 등을 이용할 수 있다.In general, a method for forming an ohmic contact includes controlling the work affinity of a metal and the electron affinity of a semiconductor to sufficiently reduce the barrier energy (φ m (work function of a metal)-φ s (electron affinity of a semiconductor)) or There is a method of increasing the impurity doping or thinning the metal to produce quantum mechanical tunneling. In the case of impurity doping, a diffusion process or an ion implantation process commonly used in a general semiconductor process may be used.
광기전력 효과는 제 1 및 제 2 금속 박막 물질 사이에서의 일함수 차이, 그리고 기판(예컨대, 실리콘 기판)과 제 1 및 제2금속 박막 물질들과의 일함수 차이와 관계를 갖는데, 제 1 및 제2 금속 박막 물질 사이의 일함수 차이가 클수록 높은 광기전력을 얻을 수 있고, 기판과 바로 위에 증착된 제 1금속 박막 물질이 옴 접촉을 형성해야 광 에너지에 의해 형성된 전류(Photovoltaic effect-induced current)가 기판과 금속 박막 사이 계면에서 장벽에 의한 손실 없이 금속 박막 물질로 유도될 수 있다. 이러한 원리는 광 에너지에 의해 형성된 전류뿐 아니라 열 에너지에 의해 형성된 전류(Thermoelectric effect-induced current)에도 동일하게 적용될 수 있다. The photovoltaic effect is related to the work function difference between the first and second metal thin film materials and the work function difference between the substrate (eg, silicon substrate) and the first and second metal thin film materials. The larger the work function difference between the second metal thin film materials, the higher the photovoltaic power can be obtained, and the photovoltaic effect-induced current must be achieved when the first metal thin film material deposited directly on the substrate forms an ohmic contact. Can be induced into the metal thin film material without loss by the barrier at the interface between the substrate and the metal thin film. This principle can be equally applied to not only the current formed by the light energy but also the thermal effect-induced current.
보다 상세하게, 이중 금속 박막이 비자성/자성 구조이고 (+) 제벡 계수를 가지고 있는 p형 기판일 때, 열전 효과를 고려하면, 소자 내에서 상쇄가 일어나지 않아야 하므로 순차적으로 (+) 제벡 계수를 가지는 제 1금속 박막 (비자성) 물질과 (-) 제벡 계수를 가지는 제 2 금속 박막 (자성) 물질이 기판 상에 증착되어야 좋은 발전 효율을 얻을 수 있다. 또한, 광기전력 효과를 고려하면, p형 기판과 제 1금속 박막 물질이 옴 접촉을 형성하기 위해서 기본적으로 제 1 금속 박막의 일함수가 p형 기판의 일함수(φps = 5.05eV) 보다 커야 한다(φm(금속의 일함수) > φps(p형 실리콘 반도체의 일함수)). 그리고, 두 금속 박막 물질 사이의 일함수 차이가 클수록 그리고 기판과 각 금속 박막 물질 사이의 일함수 차이가 클수록 좋다.More specifically, when the double metal thin film is a p-type substrate having a nonmagnetic / magnetic structure and has a (+) Seebeck coefficient, considering the thermoelectric effect, since the cancellation should not occur in the device, the (+) Seebeck coefficient is sequentially The first metal thin film (non-magnetic) material having a branch and the second metal thin film (magnetic) material having a (-) Seebeck coefficient may be deposited on a substrate to obtain good power generation efficiency. In addition, considering the photovoltaic effect, in order for the p-type substrate and the first metal thin film material to form ohmic contact, the work function of the first metal thin film should be basically larger than the work function of the p-type substrate (φps = 5.05 eV). (φm (work function of metal)> φps (work function of p-type silicon semiconductor)). The larger the work function difference between the two metal thin film materials and the larger the work function difference between the substrate and each metal thin film material is better.
우선하여, 제벡 계수만을 고려하면, p형 기판일 때 제1 금속 박막 물질(비자성)로서는, 예컨대 (+) 제벡 계수를 갖는 Al, Cu, Ag, Au, Ta, Sb, W, Cd, Mo, Rh 등을 사용할 수 있으며, 제벡 계수가 0인 Pt의 경우에는 일함수(φps = 5.65eV)가 p형 기판의 일함수 보다 커서 옴 접촉을 형성할 수 있기 때문에 사용 가능하다.First, considering only Seebeck coefficients, the first metal thin film material (nonmagnetic) in a p-type substrate is, for example, Al, Cu, Ag, Au, Ta, Sb, W, Cd, Mo having a (+) Seebeck coefficient. Pt with a Seebeck coefficient of 0 can be used since the work function (φps = 5.65 eV) is larger than the work function of the p-type substrate to form ohmic contact.
즉, 이용 가능한 제 1 금속 박막 물질은 p형 기판과의 옴 접촉을 위해 일함수 값이 p형 기판의 일함수 값보다 상대적으로 큰 값이어야 한다. 그러나, 이러한 일함수는 p형 기판으로의 불순물 도핑을 조절(고농도 불순물 도핑)하여 옴 접촉을 만들거나 제 1금속 박막 물질의 두께를 줄임으로써 양자역학적인 터널링을 유도할 수도 있기 때문에, 4.0 ~ 5.65eV 정도의 일함수 범위를 갖는 금속 물질을 제 1 금속 박막 물질로 사용할 수 있다.That is, the first metal thin film material available should have a work function value that is relatively larger than the work function value of the p-type substrate for ohmic contact with the p-type substrate. However, since this work function may induce quantum mechanical tunneling by controlling impurity doping into the p-type substrate (high concentration impurity doping) to make ohmic contacts or to reduce the thickness of the first metal thin film material, 4.0 to 5.65 A metal material having a work function range of about eV may be used as the first metal thin film material.
그리고, p형 기판일 때의 제 2 금속 박막 물질로서는, 예컨대 (-) 제벡 계수를 갖는 Ni, Co뿐 아니라 자성 물질이 포함된 콘스탄탄(Constantan) 또는 애러멜(Alumel) 등과 같은 합금(alloy) 계열(즉, (-) 제벡 계수를 갖는 모든 자성 물질 및 자성 물질이 포함된 합금 계열) 등을 사용할 수 있다. As the second metal thin film material in the case of a p-type substrate, for example, an alloy such as Ni, Co having a (-) Seebeck coefficient, as well as Constantan or Alumel containing magnetic materials, etc. Series (ie, all magnetic materials having a (-) Seebeck coefficient and alloy series containing magnetic materials) and the like.
또한, 이중 금속 박막이 비자성/자성 구조이고 (-) 제벡 계수를 갖는 n형 기판일 때, (-) 제벡 계수를 갖는 제 1 금속 박막 (비자성) 물질과 (+) 제벡 계수를 갖는 제 2 금속 박막 (자성) 물질이 기판 상에 순차 증착되어야 좋은 발전 효율을 낼 수 있다. 그리고, n형 기판과 제 1 금속 박막 물질이 옴 접촉을 형성하기 위해서는 기본적으로 제 1 금속 박막 물질의 일함수가 n형 기판의 일함수(φps = 4.52eV) 보다 작아야 한다(즉, φm (금속의 일함수) < φns (n형 실리콘 반도체의 일함수))In addition, when the double metal thin film is an n-type substrate having a nonmagnetic / magnetic structure and has a negative (-) Seebeck coefficient, the first metal thin film having a (−) Seebeck coefficient and a positive (+) Seebeck coefficient Two metal thin film (magnetic) materials must be deposited on the substrate in order to achieve good power generation efficiency. In addition, in order for the n-type substrate and the first metal thin film material to form ohmic contact, basically, the work function of the first metal thin film material should be smaller than the work function (φps = 4.52 eV) of the n-type substrate (that is, φ m (metal Work function) <φns (work function of n-type silicon semiconductor))
따라서, n형 기판일 때 제 1 금속 박막 물질로서는, 예컨대 (-) 제벡 계수를 갖는 Pd를 사용할 수 있으며, n형 기판의 일함수보다 작은 일함수를 가지고 있고 제벡 계수가 거의 없는 Ti도 옴 접촉 형성이 가능해 사용할 수 있다. 그리고, 제 2 금속 박막 물질로서는, 예컨대 (+) 제벡 계수를 갖는 Fe 가 쓰일 수 있고 자성 물질이 포함된 크롬멜(Chromel) 등과 같은 합금 계열(즉, (+) 제벡 계수를 갖는 모든 자성물질과 자성 물질이 포함된 합금계열) 등을 사용할 수 있다. 비록 Pd의 일함수가 n형 기판의 일함수 보다 커서 쇼트키 접촉을 형성하지만 상술한 바와 같은 방법을 통해 사용할 수 있다.Thus, for the n-type substrate, as the first metal thin film material, for example, Pd having a negative (-) Seebeck coefficient may be used, and Ti, which has a work function smaller than that of the n-type substrate and has little Seebeck coefficient, is also in ohmic contact Formation is possible and can use. As the second metal thin film material, for example, Fe having a (+) Seebeck coefficient may be used, and all magnetic materials having an alloy series (that is, having a (+) Seebeck coefficient including Chrommel, etc., containing a magnetic material). Alloy series containing a magnetic material) and the like. Although the work function of Pd is larger than the work function of the n-type substrate to form a Schottky contact, it can be used through the method described above.
다음에, 이중 금속 박막이 자성/자성 구조이고 p형 기판일 때, 제 1 금속 박막 물질(자성)로서는, 예컨대 동일한 이유로 (+) 제벡 계수를 갖는 Fe 가 쓰일 수 있고 자성 물질이 포함된 크롬멜 등과 같은 합금(alloy) 계열(즉, (+) 제벡 계수를 갖는 모든 자성물질과 자성 물질이 포함된 합금계열) 등을 사용할 수 있다. 제 2 금속 박막 물질(자성)로서는, (-) 제벡 계수를 갖는 Ni, Co뿐 아니라 자성 물질이 포함된 콘스탄탄 또는 애러멜 등과 같은 합금(alloy) 계열(즉, (-) 제벡 계수를 갖는 모든 자성 물질 및 자성 물질이 포함된 합금 계열) 등을 사용할 수 있다. Next, when the double metal thin film is a magnetic / magnetic structure and is a p-type substrate, as the first metal thin film material (magnetic), for example, Fe having a positive Seebeck coefficient may be used and chromium containing magnetic material. Alloy series such as all magnetic materials having a (+) Seebeck coefficient and an alloy series including the magnetic materials may be used. As the second metal thin film material (magnetic), not only Ni and Co having a (-) Seebeck coefficient but also all alloy series (i.e., having a (-) Seebeck coefficient including magnetic or constantan or aamel) Magnetic materials and alloy series containing magnetic materials) and the like.
그리고, 이중 금속 박막이 자성/자성 구조이고 n형 기판일 때, 제 1 금속 박막 (자성) 물질로서는, 예컨대 동일한 이유로 (-) 제벡 계수를 갖는 Ni, Co뿐 아니라 자성 물질이 포함된 콘스탄탄 또는 애러멜 등과 같은 합금 계열(즉, (-) 제벡 계수를 갖는 모든 자성 물질 및 자성 물질이 포함된 합금 계열) 등을 사용할 수 있다.And when the double metal thin film is a magnetic / magnetic structure and is an n-type substrate, as the first metal thin film (magnetic) material, for example, Constantan containing magnetic material as well as Ni, Co having a (-) Seebeck coefficient or Alloy series (ie, all magnetic materials having a (−) Seebeck coefficient and an alloy series containing magnetic materials), such as aamel, etc., may be used.
제 2 금속 박막 (자성) 물질로서는, 예컨대 (+) 제벡 계수를 갖는 Fe 가 쓰일 수 있고 자성 물질이 포함된 크롬멜 등과 같은 합금 계열(즉, (+) 제벡 계수를 갖는 모든 자성물질과 자성 물질이 포함된 합금계열) 등을 사용할 수 있다. 여기에서, 제 1 금속 박막 물질과 제 2 금속 박막 물질은 동일한 물질이 아닌 경우여야 한다.As the second metal thin film (magnetic) material, for example, Fe having a (+) Seebeck coefficient may be used, and all magnetic materials and magnetic materials having an alloy series (i.e., having a (+) Seebeck coefficient including chrome mel etc. containing magnetic materials). This included alloy series) and the like can be used. Here, the first metal thin film material and the second metal thin film material should not be the same material.
한편, 이중 금속 박막이 자성/비자성 구조이고 p형 기판일 때, 제 1 금속 박막 (자성) 물질로서는, 예컨대 제 1 금속 박막 (자성) 물질로서는, 예컨대 (+) 제벡 계수를 갖는 Fe 가 쓰일 수 있고 자성 물질이 포함된 크롬멜 등과 같은 합금 계열(즉, (+) 제벡 계수를 갖는 모든 자성물질과 자성 물질이 포함된 합금계열) 등을 사용할 수 있으며, 제 2 금속 박막 물질(비자성)로서는, 예컨대 (-) 제벡 계수를 가지고 있는 Pd 등을 사용할 수 있다.On the other hand, when the double metal thin film is a magnetic / nonmagnetic structure and is a p-type substrate, for example, Fe having a (+) Seebeck coefficient may be used as the first metal thin film (magnetic) material. Alloys such as chromemel and the like containing magnetic materials (ie, all magnetic materials having a (+) Seebeck coefficient and alloys containing magnetic materials), and the like, and a second metal thin film material (nonmagnetic). As the above, for example, Pd having a (-) Seebeck coefficient can be used.
그리고, 이중 금속 박막이 자성/비자성 구조이고 n형 기판일 때, (-) 제벡 계수를 가지고 있는 제 1금속 박막 (자성) 물질로서는, 예컨대 Ni, Co뿐 아니라 자성 물질이 포함된 콘스탄탄 또는 애러멜 등과 같은 합금 계열(즉, (-) 제벡 계수를 갖는 모든 자성 물질 및 자성 물질이 포함된 합금 계열) 등을 사용할 수 있으며 제 2 금속 박막 (비자성) 물질로서는, 예컨대 (+) 제벡 계수를 가지고 있는 Al, Cu, Ag, Au, Ta, Sb, W, Cd, Mo, 또는 Rh 등을 사용할 수 있다.In addition, when the double metal thin film is a magnetic / nonmagnetic structure and is an n-type substrate, the first metal thin film (magnetic) material having a (-) Seebeck coefficient may be, for example, Constantan or a magnetic material as well as Ni or Co. Alloy series (ie, all magnetic materials having a (-) Seebeck coefficient and an alloy series including the magnetic materials), and the like, may be used, and as the second metal thin film (nonmagnetic) material, for example, a (+) Seebeck coefficient Al, Cu, Ag, Au, Ta, Sb, W, Cd, Mo, or Rh may be used.
여기에서, 광기전력 효과를 고려한 금속 박막 물질의 선택은 기본적으로 제1 및 제2 금속 박막 물질과 기판과 일함수 차이가 클수록 바람직하고, 제 1금속 박막은 기판과 옴 접촉을 하는 것이 바람직하다. 또한, Cu, Co, 또는 Ti 등의 물질은 Lateral photovoltaic effect를 볼 수 있기 때문에 광기전력 효과를 기대할 수 있는 재료이다.Here, the selection of the metal thin film material in consideration of the photovoltaic effect is basically preferred as the work function difference between the first and second metal thin film materials and the substrate is larger, and the first metal thin film is preferably in ohmic contact with the substrate. In addition, materials such as Cu, Co, or Ti are materials that can expect a photovoltaic effect because they can see the lateral photovoltaic effect.
한편, 이중 금속 박막 구조에 광을 가하면 이중 금속 박막 접합의 금속-금속 접촉면과 금속-기판 접촉면에서 광기전력 효과 효과에 의해 전류가 생성되는데, 이때 맨 위층의 금속 표면 상태에 따라서 표면에서 광이 흡수, 투과되거나 반사되는 정도가 달라진다. 즉, 표면이 거칠거나 울퉁불퉁하면 난반사가 일어나 투과되는 빛의 양이 줄어들게 된다. 이때, 금속 박막의 두께에 따른 결정립 크기(grain size)와 결정립 형태(grain shape)에 따라 표면의 거칠기가 달라지기 때문에 금속 박막의 두께에 따른 결정립 크기와 결정립 형태를 조절함으로써 발전 효율을 증대시킬 수 있다.On the other hand, when light is applied to the double metal thin film structure, a current is generated by the photovoltaic effect at the metal-metal contact surface and the metal-substrate contact surface of the double metal thin film junction, wherein light is absorbed from the surface according to the metal surface state of the top layer. The degree of transmission or reflection varies. That is, if the surface is rough or uneven, diffuse reflection occurs, thereby reducing the amount of transmitted light. At this time, since the surface roughness varies according to grain size and grain shape according to the thickness of the metal thin film, power generation efficiency can be increased by adjusting the grain size and grain shape according to the thickness of the metal thin film. have.
즉, 금속 박막의 두께에 따른 결정립 크기와 결정립 형태 조절은 결정성장 이론에 기초를 둔 박막 형성 과정으로 설명될 수 있는데, 임계크기의 클러스터(cluster)가 형성된 이후에 박막 성장이 시작되며, 초기 박막이 형성될 때 증착 물질은 섬(island) 형태의 매우 작은 결정립을 형성되기 시작하고, 증착이 진행되면서 이 섬 형태의 결정립은 융합과정을 거치면서 커지게 되어, 예컨대 20nm 이상부터 원주형 결정립 구조(columnar grain structure)가 되면서 표면에서 거칠게 성장하게 된다.That is, the control of grain size and grain shape according to the thickness of the metal thin film can be described as a thin film formation process based on the crystal growth theory. The thin film growth starts after the cluster of critical size is formed, and the initial thin film When formed, the deposition material begins to form very small grains of island form, and as the deposition proceeds, the island form grains become larger during the fusion process. it becomes a columnar grain structure and grows roughly on the surface.
이러한 변화를 거치면서 연속적인 막이 형성되므로 두께에 따라 결정립 크기와 결정립 형태가 달라지게 되며, 결정립의 크기와 형태를 작고 균일하게 만들기 위해서는 1) Ar 압력(Ar 분압이 증가하면 결정립 크기가 작아지고 감소하면 결정립 크기가 커짐) 조절하고, 2) 입력 스퍼터링 파워(Input sputtering power)(증가시, 증착된 타켓 원자들의 이동이 활발해지면서 부드러운 표면 형성) 조절하며, 3) 기판 바이어스(DC/RF 바이어스 인가시, 화학적 포텐셜이 증가하게 되어 결정립 이동을 억제하게 되고 부드러운 표면을 형성)를 조절해야 하는데, 그럼에도 불구하고 여러 가지 외적 요인으로 인해 금속의 표면 거칠기가 나빠질 수 있다.Through this change, a continuous film is formed, so that the grain size and grain shape vary according to the thickness.To make the grain size and shape small and uniform, 1) Ar pressure (the grain size decreases and decreases when the Ar partial pressure increases. 2) Input sputtering power (increasing, increasing the movement of deposited target atoms to form a smooth surface), and 3) substrate biasing (DC / RF bias applied). In addition, the chemical potential is increased to suppress grain migration and to form a smooth surface. Nevertheless, various external factors may cause the surface roughness of the metal to be deteriorated.
따라서, 금속 박막 사이의 접촉면이 불연속적이거나 거칠어 난반사가 커지면 광 흡수가 적게 일어나 광기전력 효과가 적게 나타나고 접촉면이 연속적이고 일정하면 반사도가 적어져 광 흡수가 많이 일어나 광기전력 효과가 많이 나타나게 되므로, 이를 위하여, 본 발명에서는 제 1 금속 박막을 형성한 후, 스퍼터링 에칭을 이용한 표면 처리, 에싱 공정, 또는 하나의 이온이 아닌 기체와 이온을 응축시킨 이온 클러스터(ion-cluster)를 만들어서 금속 표면에 충돌시킴으로써 금속 표면을 부드럽게 하는 가스 클러스터 이온빔(gas-cluster ion beam) 공정을 통해 제 1 금속 박막의 표면의 물리적인 계면 상태를 개선시킬 수 있다.Therefore, when the contact surface between the metal thin films is discontinuous or rough, and the diffuse reflection becomes large, the light absorption is less, resulting in less photovoltaic effect. To this end, in the present invention, after forming the first metal thin film, a surface treatment using sputtering etching, an ashing process, or an ion-cluster in which a gas and ions are condensed instead of a single ion is made to collide with the metal surface. The physical interface state of the surface of the first metal thin film may be improved through a gas-cluster ion beam process that softens the metal surface.
다른 한편, 본 실시 예의 이중 금속 박막을 이용한 발전기에 채용되는 제 1 금속 박막(304)의 두께는, 금속 박막과 기판(302)과의 옴 접촉과 광의 의해 생성되는 전류(photovoltaic-induced current)와 열에 의해 생성되는 전류(thermoelectric-induced current)들의 흐름을 고려할 때, 제 2 금속 박막(306)의 두께보다 적어도 얇게 형성되어야 하는데, 제 1 금속 박막(304)의 경우, 예컨대 20 ㎚(± 10%) 정도의 두께 범위가 바람직하고, 제 2 금속 박막(306)의 경우, 예컨대 50 ㎚(± 10%) 정도의 두께 범위가 바람직하다. 물론, 본 발명의 이중 금속 박막을 이용한 발전기는 기판 상에 형성되는 각 금속 박막의 두께가 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 발전기의 용도, 발전 용량 등을 고려하여 더 얇거나 혹은 더 두껍게 형성할 수도 있음은 물론이다.On the other hand, the thickness of the first metal thin film 304 employed in the generator using the double metal thin film of the present embodiment is the photovoltaic-induced current and the ohmic contact between the metal thin film and the substrate 302 and the light generated. Given the flow of thermoelectric-induced currents, it should be formed at least thinner than the thickness of the second metal thin film 306, for example, 20 nm (± 10%) for the first metal thin film 304. A thickness range of about) is preferable, and in the case of the second metal thin film 306, a thickness range of about 50 nm (± 10%) is preferable. Of course, the generator using the double metal thin film of the present invention is not necessarily limited to the thickness of each metal thin film formed on the substrate, and may be formed thinner or thicker in consideration of the use of the generator, power generation capacity and the like. Of course.
그리고, 기판(302) 상에 제 1 및 제 2 금속 박막(304, 306)을 형성하는 방법으로는, 예컨대 DC 스퍼터링 공정, RF 스퍼터링 공정, 이온빔 스퍼터링 공정, 포토리소그라피 공정 중 어느 한 방법을 이용할 수 있다.As the method for forming the first and second metal thin films 304 and 306 on the substrate 302, for example, any one of a DC sputtering process, an RF sputtering process, an ion beam sputtering process, and a photolithography process can be used. have.
예컨대, 진공도 2X10-7 토르(Torr)를 유지하고 2X10-3 토르(Torr)의 Ar working 가스를 주입한 진공조건에서 기 설계된 섀도우 마스크(제 1 금속 박막용 섀도우 마스크)를 DC 스퍼터링 공정을 실시함으로써, 별도의 패터닝 공정 없이, 기판(302) 상에 제 1 금속 박막(304)을 형성(증착)한다. 물론, 상대적으로 더 작은 크기의 금속 박막을 제작하고자 할 경우에는 이온빔 등을 통해 제작한 이머전 마스크(emersion mask)를 사용하여 기존의 반도체 공정에서 주로 이용되는 포토리소그래피 공정으로 패터닝을 할 수도 있다.For example, the pre - designed shadow mask (the first metal thin film shadow mask) is subjected to a DC sputtering process under vacuum conditions in which a vacuum degree of 2X10 -7 Torr is maintained and 2X10 -3 Torr of Ar working gas is injected. The first metal thin film 304 is formed (deposited) on the substrate 302 without a separate patterning process. Of course, when manufacturing a metal film of a relatively smaller size, patterning may be performed by a photolithography process mainly used in a conventional semiconductor process using an immersion mask manufactured by an ion beam or the like.
다음에, 제 2 금속 박막을 위한 섀도우 마스크를 이용하는 DC 스퍼터링 공정을 실시하여, 별도의 패터닝 공정 없이, 기판(302)의 상부 일부와 제 1 금속 박막(304)의 상부 일부에 걸쳐 제 2 금속 박막(306)을 형성(증착)함으로써, 이중 금속 박막을 이용한 발전기의 제작을 완성한다. 물론, 제 2 금속 박막(306) 또한 제 1 금속 박막(304)과 마찬가지로, 이머전 마스크를 사용하는 포토리소그래피 공정으로 패터닝을 할 수도 있다.Next, a DC sputtering process using a shadow mask for the second metal thin film is performed so that the second metal thin film is spread over the upper portion of the substrate 302 and the upper portion of the first metal thin film 304 without a separate patterning process. By forming (depositing) 306, the production of a generator using a double metal thin film is completed. Of course, like the first metal thin film 304, the second metal thin film 306 may also be patterned by a photolithography process using an immersion mask.
[실시 예2]Example 2
도 5는 본 발명의 실시 예2에 따른 이중 금속 박막형 발전기의 단면도이다.5 is a cross-sectional view of a double metal thin film generator according to Embodiment 2 of the present invention.
도 5를 참조하면, 본 실시 예의 발전기는, 기판(502) 상에 제 1 금속 박막(504)과 제 2 금속 박막(508)을 순차 형성하는 구조적 관점에서 보면, 실시 예1과 동일하다고 볼 수 있으나, 기판(502)과 제 2 금속 박막(508) 사이에 절연막(506)이 더 형성되는 점에 있어서 차이점을 갖는다.Referring to FIG. 5, the generator of the present embodiment may be regarded as the same as the first embodiment from the structural point of view of sequentially forming the first metal thin film 504 and the second metal thin film 508 on the substrate 502. However, there is a difference in that an insulating film 506 is further formed between the substrate 502 and the second metal thin film 508.
여기에서, 기판(502), 제 1 금속 박막(504) 및 제 2 금속 박막(508) 각각은, 그 구조, 재질, 기능 및 제작 방법 등에 있어서, 도 3에 도시된 실시 예1의 대응 구성부재들과 실질적으로 동일하므로, 명세서의 간결화를 위하여 여기에서의 상세 설명은 생략한다.Here, each of the substrate 502, the first metal thin film 504, and the second metal thin film 508 has a corresponding structural member of the first embodiment shown in FIG. Since they are substantially the same, the detailed description herein is omitted for the sake of brevity of the specification.
즉, 기판(502)과 제 2 금속 박막(508) 사이에 형성되는 절연막(506)은 일종의 장벽으로서 제 2 금속 박막(508)에서 기판(502)으로의 전류 흐름을 조절하여 광 또는 열 에너지에 의해 형성된 전류의 분로를 억제시켜 제 1 금속 박막(504)과 제 2 금속 박막(508) 전극 양단에 인가되는 기전력 값을 증대시킬 수 있다. 이를 통해 발전 효율(열 에너지와 광 에너지에 의한 발전 효율)을 더욱 증진시키게 된다. 여기에서, 절연막(506)은 30 ㎚(± 10%) 정도의 두께 범위가 바람직하지만, 발전기의 용도, 발전 용량 등을 고려하여 더 얇거나 혹은 더 두껍게 형성할 수도 있음은 물론이다.That is, the insulating film 506 formed between the substrate 502 and the second metal thin film 508 is a kind of barrier to control the flow of current from the second metal thin film 508 to the substrate 502 to light or thermal energy. By suppressing the shunt of the current formed by the current can be increased the electromotive force value applied to the both ends of the first metal thin film 504 and the second metal thin film 508. This further enhances power generation efficiency (power generation efficiency by thermal energy and light energy). Here, the insulating film 506 is preferably a thickness range of about 30 nm (± 10%), but may be formed thinner or thicker in consideration of the use of the generator, power generation capacity, and the like.
이러한 절연막(506)은, 예컨대 RF 절연막용 섀도우 마스크를 이용하는 스퍼터링 공정 등을 통해, 별도의 패터닝 공정 없이, 제 1 금속 박막(504)에 당접하게 동일한 두께로 형성될 수 있으며, MgO, SiO2, Si3N4 및 그 외 이용 가능한 절연 박막 등을 이용할 수 있다.The insulating layer 506 may be formed to have the same thickness to be in contact with the first metal thin film 504 without a separate patterning process, for example, through a sputtering process using a shadow mask for an RF insulating film, and may include MgO, SiO 2 , and the like. Si 3 N 4 and other available insulating thin films can be used.
따라서, 본 실시 예의 이중 금속 박막형 발전기는, 기판(502)과 제 2 금속 박막(508) 사이에 장벽층으로서 기능하는 절연막(506)을 더 구비함으로써, 실시 예1의 발전기에 비해 더욱 증진된 발전 효율을 실현할 수 있다.Therefore, the double metal thin film type generator of the present embodiment further includes an insulating film 506 serving as a barrier layer between the substrate 502 and the second metal thin film 508, thereby further improving power generation compared to the generator of the first embodiment. Efficiency can be realized.
한편, 본 발명의 실시 예1 및 2에서는 이중 금속 박막을 갖는 하나의 단위 셀(발전 소자)을 예시하여 설명하였으나, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, n개의 단위 셀을 평면 구조에서 직렬 또는 병렬 연결하는 형태의 집적 발전기를 제작하거나 혹은 n개의 단위 셀이 직렬 연결된 2개 또는 그 이상의 단위 셀 그룹을 서로 병렬 연결하는 형태의 집적 발전기를 제작할 수 있다. Meanwhile, in the first and second embodiments of the present invention, one unit cell (power generation device) having a double metal thin film has been described by way of example, but the present invention is not limited thereto, and n unit cells may be arranged in series in a planar structure. An integrated generator may be manufactured in a parallel connection, or an integrated generator may be manufactured in which two or more unit cell groups in which n unit cells are connected in series are connected in parallel.
도 6은 이중 금속 박막을 각각 갖는 다수의 단위 셀을 평면 구조에서 직렬로 연결한 집적 발전기의 구성을 도시한다.6 illustrates a configuration of an integrated generator in which a plurality of unit cells each having a double metal thin film are connected in series in a planar structure.
도 6을 참조하면, 본 발명의 집적 발전기 또는 직렬형 집적 발전기는 서로 다른 제벡 계수의 제1금속 박막(M1)과 제 2금속 박막(M2)를 각각 갖는 단일 셀들을 평면 구조에서 직렬로 연결하는 형태로 구성되는데, 이러한 직렬형 집적 발전기는 상대적으로 높은 전압을 필요로 하는 고전압 발전기로서 유용하게 활용할 수 있다. 또한, 필요 또는 용도에 따라 더 많은 수의 발전기를 직렬로 집적 시킬 수도 있음은 물론이다.Referring to FIG. 6, the integrated generator or the series integrated generator of the present invention connects single cells each having a first metal thin film M1 and a second metal thin film M2 having different Seebeck coefficients in series in a planar structure. It is configured in a form, such a series integrated generator can be usefully used as a high voltage generator that requires a relatively high voltage. Of course, more generators can be integrated in series, depending on the needs or applications.
즉, 직렬형 집적 발전기는 기판 상에 서로 다른 제벡 계수를 갖는 제 1 금속 박막과 제 2 금속 박막이 순차 적층되는 구조로 된 다수의 단위 셀이 직렬로 각각 연결되는 구조를 가지며, 외부로부터 각 단위 셀 내의 제 1 및 제 2 금속 박막으로 열 에너지와 광 에너지가 가해질 때 이를 동시에 전기 에너지로 전환시키도록 기능한다.That is, the series integrated generator has a structure in which a plurality of unit cells each having a structure in which a first metal thin film and a second metal thin film having different Seebeck coefficients are sequentially stacked on a substrate are connected in series, and each unit is externally connected. The first and second metal thin films in the cell function to simultaneously convert heat and light energy into electrical energy when applied.
여기에서, 직렬형 집적 발전기를 구성하는 각 단위 셀은, 전술한 실시 예2에서와 같이, 기판의 상부 일부와 제 2 금속 전극의 일부 사이에 형성되는 절연막을 더 포함할 수 있다.Here, each unit cell constituting the series integrated generator may further include an insulating film formed between the upper portion of the substrate and the portion of the second metal electrode as in the second embodiment.
도 7은 이중 금속 박막을 각각 갖는 다수의 단위 셀을 평면 구조에서 병렬로 연결한 집적 발전기의 구성을 도시한다..7 illustrates a configuration of an integrated generator in which a plurality of unit cells each having a double metal thin film are connected in parallel in a planar structure.
도 7을 참조하면, 본 발명의 집적 발전기는 서로 다른 제벡 계수의 제1 금속 박막(M1)과 제 2금속 박막(M2)를 각각 갖는 단일 셀들을 평면 구조에서 병렬로 연결하는 형태로 구성되는데, 이러한 병렬형 집적 발전기는 상대적으로 큰 전류를 필요로 하는 고전류 발전기로서 유용하게 활용할 수 있다. 또한, 필요 또는 용도에 따라 더 많은 수의 발전기를 병렬로 집적 시킬 수도 있음은 물론이다.Referring to FIG. 7, the integrated generator of the present invention is configured to connect single cells each having a first metal thin film M1 and a second metal thin film M2 having different Seebeck coefficients in parallel in a planar structure. Such a parallel integrated generator can be usefully used as a high current generator requiring a relatively large current. Of course, more generators can be integrated in parallel, depending on the needs or applications.
즉, 병렬형 집적 발전기는 기판 상에 서로 다른 제벡 계수를 갖는 제 1 금속 박막과 제 2 금속 박막이 순차 적층되는 구조로 된 다수의 단위 셀이 병렬로 각각 연결되는 구조를 가지며, 외부로부터 각 단위 셀 내의 제 1 및 제 2 금속 박막으로 열 에너지와 광 에너지가 가해질 때 이를 동시에 전기 에너지로 전환시키도록 기능한다.That is, the parallel integrated generator has a structure in which a plurality of unit cells each having a structure in which a first metal thin film and a second metal thin film having different Seebeck coefficients are sequentially stacked on the substrate are connected in parallel, and each unit is connected from the outside. The first and second metal thin films in the cell function to simultaneously convert heat and light energy into electrical energy when applied.
여기에서, 병렬형 집적 발전기를 구성하는 각 단위 셀은, 상술한 직렬형 집적 발전기에서와 마찬가지로, 기판의 상부 일부와 제 2 금속 전극의 일부 사이에 형성되는 절연막을 더 포함할 수 있다.Here, each unit cell constituting the parallel integrated generator may further include an insulating film formed between the upper portion of the substrate and a portion of the second metal electrode as in the series integrated generator described above.
도 8은 이중 금속 박막을 각각 갖는 다수의 단일 셀들을 직렬로 연결하여 제작한 각 단위 셀 그룹을 병렬로 연결하는 형태로 제작한 집적 발전기의 구성을 도시한다.FIG. 8 illustrates a configuration of an integrated generator fabricated in such a manner that each unit cell group manufactured by connecting a plurality of single cells each having a double metal thin film in series is connected in parallel.
도 8을 참조하면, 본 발명의 집적 발전기(직/병렬형 집적 발전기)는 서로 다른 제벡 계수의 제1 금속 박막(M1)과 제 2금속 박막(M2)를 각각 갖는 단일 셀들을 직렬로 연결한 두 개의 단위 셀 그룹(802, 804)을 서로 병렬로 연결하는 형태로 구성되는데, 이러한 직/병렬형 집적 발전기는 상대적으로 높은 전압과 큰 전류를 필요로 하는 소자(고전압/고전류 생성 발전기)로서 유용하게 활용할 수 있다.Referring to FIG. 8, the integrated generator (serial / parallel integrated generator) of the present invention connects single cells each having a first metal thin film M1 and a second metal thin film M2 having different Seebeck coefficients in series. Two unit cell groups 802 and 804 are connected in parallel to each other. This series / parallel integrated generator is useful as a device (high voltage / high current generator) requiring a relatively high voltage and a large current. Can be utilized.
즉, 직/병렬형 집적 발전기는 기판 상에 서로 다른 제벡 계수를 갖는 제 1 금속 박막과 제 2 금속 박막이 순차 적층되는 구조로 된 다수의 단위 셀이 직렬로 각각 연결되는 제 1 단위 셀 그룹(802)과 제 1 단위 셀 그룹과 동일한 구조로 된 다수의 단위 셀이 직렬로 각각 연결되며, 제 1 단위 셀 그룹에 병렬 연결되는 제 2 단위 셀 그룹(804)을 포함하며, 외부로부터 각 단위 셀 내의 제 1 및 제 2 금속 박막으로 열 에너지와 광 에너지가 가해질 때 이를 동시에 전기 에너지로 전환시키도록 기능한다.That is, the serial / parallel integrated generator includes a first unit cell group in which a plurality of unit cells each having a structure in which a first metal thin film and a second metal thin film having different Seebeck coefficients are sequentially stacked on the substrate are connected in series. 802 and a plurality of unit cells having the same structure as that of the first unit cell group, each of which is connected in series and includes a second unit cell group 804 connected in parallel to the first unit cell group, each unit cell from outside The first and second metal thin films therein serve to simultaneously convert thermal energy and light energy into electrical energy when applied.
여기에서, 직/병렬형 집적 발전기를 구성하는 각 단위 셀은, 상술한 직렬형 또는 병렬형 집적 발전기에서와 마찬가지로, 기판의 상부 일부와 제 2 금속 전극의 일부 사이에 형성되는 절연막을 더 포함할 수 있다.Here, each unit cell constituting the series / parallel integrated generator may further include an insulating film formed between the upper portion of the substrate and the portion of the second metal electrode as in the series or parallel integrated generator described above. Can be.
또한, 각 목적에 맞는 집적 발전기를 구성한 후에 ITO(InSbO)와 ZnO 등의 박막을 최상단의 제 2 금속 박막 표면의 이중 금속 접합부분에 증착하여 열 방출을 막고 광 집중을 할 수 있는 열 및 광 윈도우(Thermal and Optical Window)(806)를 사용하여 발전 효율을 더 증대 시킬 수 있다.In addition, after constructing an integrated generator for each purpose, a thin film such as ITO (InSbO) and ZnO is deposited on a double metal junction portion of the uppermost second metal thin film surface to prevent heat emission and to concentrate light. Thermal and Optical Window 806 can be used to further increase power generation efficiency.
도 9a는 본 발명에 따라 제작된 이중 금속 박막형 발전기에서의 기전력을 측정하는 방식을 설명하는 도면이고, 도 9b는 기전력 측정 방식을 간략히 도시한 도면이다. FIG. 9A is a view illustrating a method of measuring electromotive force in a double metal thin-film generator manufactured according to the present invention, and FIG. 9B is a view schematically illustrating an electromotive force measuring method.
멀티미터와 같은 측정 장치(M)는 소자의 접합 부분(M1/M2)에 열 에너지와 광 에너지를 동시에 인가할 때, 발생되는 기전력(Photovoltaic-thermoelectric effect-induced voltage)을 측정한다. 측정 시, 열원(thermal heat source)을 통해 열이 인가되면 소자의 접합 부분(M1/M2)으로만 열이 인가된다. 이때, 소자 위의 금속 박막이 바로 공기 중에 노출하게 되어 열을 빼앗기는 현상을 막기 위해 일종의 보호막(Passivation) 역할을 할 수 있는 유리 기판(Cover Glass)을 얹어 놓았다.The measuring device M, such as a multimeter, measures photovoltaic-thermoelectric effect-induced voltage generated when simultaneously applying thermal energy and light energy to the junction portions M1 / M2 of the device. In the measurement, when heat is applied through a thermal heat source, only heat is applied to the junction portions M1 / M2 of the device. At this time, the metal thin film on the device is directly exposed to the air to cover the phenomenon of heat loss to put a glass substrate (Cover Glass) that can act as a kind of passivation (Passivation).
실제의 소자 제작 시에는 이러한 보호막 효과를 위해서 ITO(InSbO)와 ZnO 등의 박막을 최상단의 제 2 금속 박막 표면에 증착하여 열 방출을 막고 광 집중을 할 수 있는 열 및 광 윈도우(Thermal and Optical Window)를 사용할 수 있다. 또한, 소자의 접합 부분(M1/M2)으로만 광원에 의한 광 에너지가 인가(illumination)될 수 있도록 내부접속(Interconnect) 부분과 전극(Electrode) 부분을 블랙 커버(Black cover)로 차단하였다.In the actual device fabrication, a thin film such as ITO (InSbO) and ZnO is deposited on the top surface of the second metal thin film to prevent heat emission and to concentrate light for thermal protection. ) Can be used. In addition, the interconnect and the electrode parts are blocked with a black cover so that only the junction parts M1 / M2 of the device can apply light energy by the light source.
기전력 측정을 위해, 오븐 내에서 소자 전체에 같은 분위기 온도(Ambient Temperature : 50℃)를 인가하고 거리(12cm)에 광원을 달아 소자 전체에 광을 인가하였다. 이때 광원은 광 에너지에 따라 발생되는 기전력을 보기 위해 화이트 LED(주파장대 에너지 1.93 ~ 2.19eV, 2.6eV)와 할로겐 램프(주파장대 에너지 1.88 ~ 2.35eV)를 이용하여 기전력을 측정하는 실험을 실시하였다.For electromotive force measurement, the same ambient temperature (Ambient Temperature: 50 ° C.) was applied to the entire device in an oven, and light was applied to the entire device by attaching a light source at a distance (12 cm). At this time, an experiment was performed to measure the electromotive force by using a white LED (wavelength band energy 1.93 ~ 2.19 eV, 2.6 eV) and a halogen lamp (frequency band energy 1.88 ~ 2.35 eV) to see the electromotive force generated according to the light energy. .
도 10a 및 도 10b는 각기 본 발명에 따라 시험 제작한 Si(p형)/Cu/(MgO)Co 구조의 금속 박막 소자를 태양광을 포함한 여러 광원/열원에 노출하여 측정된 전압, 전류 변화를 보여주는 그래프이며, 도 10c는 도 10a 및 도 10b의 결과를 수치로 표시한 도표이다.10A and 10B illustrate changes in voltage and current measured by exposing a metal thin film device having a Si (p-type) / Cu / (MgO) Co structure manufactured according to the present invention to various light sources / heat sources including sunlight. 10C is a graph showing numerical results of the results of FIGS. 10A and 10B.
도 10a, 도 10b 및 도 10c을 참조하면, 본 실험의 결과를 통해 금속 박막 소자에 외부 열과 광을 가하고 일정시간이 경과된 이후에도 그 기전력 값이 유지됨을 알 수 있는데, 이를 통해 본 발명이 열에 의해 발전 효율이 감소되는 종래의 태양전지와는 명확하게 차별되는 장점을 가짐을 알 수 있다. 그 결과, 태양광에서 90.74mV, 할로겐 램프에서 33.58mV, 백색 LED에서 14.13mV의 전압이 발생됨을 알 수 있었다.10A, 10B, and 10C, it can be seen from the results of this experiment that the electromotive force value is maintained even after a predetermined time has elapsed after applying external heat and light to the metal thin film device. It can be seen that it has an advantage that is clearly distinguished from the conventional solar cell in which the power generation efficiency is reduced. As a result, it was found that voltage of 90.74mV in sunlight, 33.58mV in halogen lamp, and 14.13mV in white LED were generated.
이것은 (굵은 선 표시된)백색 LED의 광 파장에 따른 빛의 세기와 (점선 표시된) 사람 눈의 상대적인 빛 민감도(relative intensity)를 보여주는 그래프를 도시한 도 11a 및 각각의 광의 파장에 따른 빛의 세기를 보여주는 그래프를 도시한 도 11b에서와 같이, 각 광원이 갖는 파장 분포에 따라서 전달되는 광 에너지가 다르기 때문이다. 즉, 넓은 파장대를 가지고 있는 태양광이 가장 높은 에너지를 전달하고 실내에서 쓰이는 가시광선 영역의 할로겐 램프가 상대적으로 낮은 에너지를, 그리고 좀더 자연색 3파장에 가까운 빛을 내는 LED가 가장 낮은 에너지를 전달한다.This is shown in FIG. 11A and a graph showing the light intensity according to the light wavelength of the white LED (bold line) and the relative intensity of the human eye (dotted line) and the light intensity according to the wavelength of each light. As shown in FIG. 11B, which shows a graph, the light energy transmitted varies according to the wavelength distribution of each light source. In other words, sunlight with a broad wavelength range delivers the highest energy, and halogen lamps in the visible region used indoors deliver relatively low energy, and LEDs that emit light closer to three natural colors deliver the lowest energy. .
도 12는 태양전지를 이용한 광/열 에너지 인가에 따른 전압 변화의 결과를 보여주는 그래프이다.12 is a graph showing the result of the voltage change according to the application of light / heat energy using a solar cell.
도 12를 참조하면, 태양광 기전력을 발생시키는 태양전지는 인가되는 광을 제거할 시 전체 기전력이 완전히 사라지는 것을 알 수 있으며, 이를 통해서도 열 에너지와 광 에너지를 동시에 이용하는 본 발명의 발전기가 상대적으로 우수한 발전 효율을 가짐을 알 수 있다.Referring to FIG. 12, it can be seen that the solar cell generating solar electromotive force completely disappears when the applied light is removed, and through this, the generator of the present invention using heat energy and light energy is superior. It can be seen that it has power generation efficiency.
도 13은 두 개의 단일 셀을 직렬로 연결하여 각 소자의 기전력을 측정하는 실험 장치의 모식도이다.FIG. 13 is a schematic diagram of an experimental apparatus for measuring electromotive force of each device by connecting two single cells in series.
도 13을 참조하면, 두 개의 단일 셀을 직렬로 연결한 후 열과 광(할로겐 램프)을 인가하여 멀티메타(Multimeter)를 이용해 기전력을 측정한 결과, 도 14에 도시된 바와 같이, 각각 소자의 기전력이 합해지는 경향을 나타냄을 알 수 있으며, 이는 집적화할 수 있는 가능성을 보인 결과라 할 수 있다.Referring to FIG. 13, after two single cells are connected in series, heat and light (halogen lamps) are applied to measure an electromotive force using a multimeter. As shown in FIG. 14, the electromotive force of each device is shown. It can be seen that this shows a tendency to sum, which is a result showing the possibility of integration.
이러한 결과로 볼 때 다목적 고효율 소자는 적어도 나노 패턴 기술을 이용해 집적화시켜 그 기전력을 수 또는 수십 볼트(V)까지 증대할 수 있음을 의미한다. 따라서, 이러한 고집적, 고효율을 얻기 위한 다양한 형태의 접합 구조의 설계를 통해 다양한 전자기기에 응용 가능한 발전기를 제작할 수 있다.These results indicate that multipurpose high-efficiency devices can be integrated at least using nanopattern technology to increase their electromotive force by several or tens of volts (V). Therefore, through the design of various types of junction structures to obtain such high integration and high efficiency, it is possible to manufacture a generator applicable to various electronic devices.
도 15a 및 도 15b는 각기 Si(p형)/Cu/Co와 Si(p형)/Cu/(MgO)Co 구조에서 열 에너지 인가에 따른 전압 변화를 측정한 실험 결과의 그래프이고, 도 16a 및 도 16b은 각기 Si(p형)/Cu/Co와 Si(p형)/Cu/(MgO)Co 구조에서 할로겐 광 에너지 인가에 따른 전압 변화를 측정한 실험 결과의 그래프이다.15A and 15B are graphs of experimental results of measuring voltage changes according to application of thermal energy in Si (p type) / Cu / Co and Si (p type) / Cu / (MgO) Co structures, respectively. FIG. 16B is a graph showing experimental results of measuring voltage changes according to application of halogen light energy in Si (p type) / Cu / Co and Si (p type) / Cu / (MgO) Co structures, respectively.
도 15 및 16을 참조하면, 절연체(절연막)의 유무에 따라서 열 에너지와 광 에너지에 의한 발전 효율이 달라짐, 즉 기판과 제 2 금속 박막 사이에 절연체를 삽입할 경우 발전 효율이 증대됨을 알 수 있다.15 and 16, it can be seen that power generation efficiency due to thermal energy and light energy varies according to the presence or absence of an insulator (insulation film), that is, power generation efficiency is increased when an insulator is inserted between the substrate and the second metal thin film. .
도 17은 일광, 할로겐, 열, LED를 이용한 가열시간에 따른 온도 변화를 측정한 실험 결과의 그래프이다.17 is a graph showing experimental results of measuring temperature change according to heating time using daylight, halogen, heat, and LED.
도 18a 및 도 18b은 각기 Si(p형)/Cu/(MgO)Co 구조에서 할로겐과 LED 광원의 거리에 따른 전압과 전류의 변화를 측정한 실험 결과의 그래프이며, 도 18c는 도 18a 및 도 18b의 실험 결과를 수치로 표시한 도표이다.18A and 18B are graphs of experimental results of measuring changes in voltage and current according to the distance between halogen and LED light sources in Si (p-type) / Cu / (MgO) Co structures, respectively. Figure 18b shows the numerical results of the experiment.
도 18을 참조하면, 기판과의 거리가 가까울수록 소자의 단위 면적당 입사되는 광의 밀도가 달라지므로 가까울수록 광의 밀도가 증가하고 이에 따른 광 에너지의 증가로 인해 높은 발전 효율을 보여줌을 알 수 있다.Referring to FIG. 18, it can be seen that the closer the distance to the substrate, the higher the density of incident light per unit area of the device, so that the closer the density is, the higher the density of light is.
도 19a 및 도 19b는 Si(p형)/Cu(t)/(MgO)Co 구조에서 Cu 두께 5 nm(± 10%) 및 20 nm (± 10%)에 대한 열 에너지 인가에 따른 전압 변화를 측정한 실험 결과의 그래프이다.19A and 19B show the voltage change according to the application of thermal energy for Cu thickness 5 nm (± 10%) and 20 nm (± 10%) in Si (p-type) / Cu (t) / (MgO) Co structures. It is a graph of the measured experimental result.
도 19를 참조하면, 본 발명의 실시 예2의 구조(절연막을 채용한 구조)에서 금속 박막 1의 두께에 따라 발전 효율이 달라짐을 알 수 있는데, 도 19a 및 도 19b에서, 제 1금속 박막의 두께가 각기 5 nm(± 10%)와 20 nm(± 10%)이며, 5 nm(± 10%)의 박막 두께에서는 기판 위에 금속이 연속적인 박막 형태로 형성이 되지 않고 섬 형태와 같이 불연속적이고 거칠게 형성되는데, 이것은 금속 박막 사이의 접촉면에서 난반사를 증가시켜 흡수되거나 투과되는 빛의 양을 감소시켜 광기전력 효과를 감소시키는 요인이 된다. 또한, 제 1금속 박막의 두께가 얇아짐에 따라 제 1및 제 2금속 박막 접합 사이, 그리고 제 1금속 박막과 기판 사이에서 광 기전력 효과에 기여하는 제 1금속 박막의 전자수가 감소하게 되고 또한 불연속적이고 거친 박막 형태로 인해 옴 접촉 형성이 어렵게 되므로 광기전력 효과가 감소하게 된다. 이는 두께를 고려하여 제 1 금속 박막을 형성 시, 옴 접촉 형성을 조절 할 수 있음을 의미한다. 또한 접촉면에서 불연속적인 박막의 형태는 저항을 증가시키게 되는데, 이것은 열 전자들에 의한 열 분산을 감소시켜 열전효과를 증대시키는 결과를 얻게 됨을 의미한다.Referring to FIG. 19, it can be seen that power generation efficiency varies depending on the thickness of the metal thin film 1 in the structure of the second embodiment of the present invention (the structure employing the insulating film). In FIGS. 19A and 19B, the first metal thin film The thicknesses are 5 nm (± 10%) and 20 nm (± 10%), respectively, and at 5 nm (± 10%), the metal is not formed on the substrate in a continuous thin film form but is discontinuous like an island shape. Roughness is formed, which increases the diffuse reflection at the contact surface between the metal thin films and reduces the amount of light absorbed or transmitted, thereby reducing the photovoltaic effect. In addition, as the thickness of the first metal thin film becomes thinner, the number of electrons of the first metal thin film contributing to the photovoltaic effect between the first and second metal thin film junctions and between the first metal thin film and the substrate decreases and is discontinuous. Due to the thin and coarse thin film form, it is difficult to form ohmic contacts, which reduces the photovoltaic effect. This means that the ohmic contact formation can be controlled when the first metal thin film is formed in consideration of thickness. In addition, the discontinuity of the thin film at the contact surface increases resistance, which means that the heat dissipation caused by the hot electrons is reduced, thereby increasing the thermoelectric effect.
반면, 20 nm(± 10%) 두께의 금속 박막 1은 상대적으로 금속 박막 두께가 두꺼워 짐에 따라 광기전력에 기여하는 전자의 수가 증가하게 되고 상대적으로 옴 접촉 형성이 용이하게 되므로 광기전력 효과는 증대된다. 그러나 상대적으로 낮은 저항으로 인해 열전효과는 5 nm(± 10%)의 금속 박막보다 감소하게 된다. 이 실험의 결과를 볼 때 물질의 두께와 계면 상태, 광 흡수 기술을 잘 조절함으로써 소자의 발전 효율을 더 높일 수 있음을 알 수 있다.On the other hand, as the metal thin film 1 having a thickness of 20 nm (± 10%) becomes relatively thick, the number of electrons contributing to the photovoltaic power is increased and the ohmic contact formation is relatively easy, so the photovoltaic effect is increased. do. However, due to its relatively low resistance, the thermoelectric effect is reduced compared to that of metal films of 5 nm (± 10%). The results of this experiment show that the device's power generation efficiency can be further improved by controlling the thickness, interface state and light absorption technology of the material.
이상의 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 제시하여 설명하였으나 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함을 것을 쉽게 알 수 있을 것이다.In the above description has been described by presenting a preferred embodiment of the present invention, but the present invention is not necessarily limited to this, and those skilled in the art to which the present invention pertains within a range without departing from the technical spirit of the present invention It will be readily appreciated that branch substitutions, modifications and variations are possible.

Claims (34)

  1. 기판과,Substrate,
    기판 상에 형성된 제 1 금속 박막과,A first metal thin film formed on the substrate,
    기판의 상부 일부와 상기 제 1 금속 박막의 상부 일부 상에 형성된 제 2 금속 박막을 포함하며,A second metal thin film formed on an upper portion of the substrate and an upper portion of the first metal thin film,
    상기 제 1 및 제 2 금속 박막으로 가해지는 열 에너지와 광 에너지를 동시에 전기 에너지로 전환시키는 이중 금속 박막형 발전기.The dual metal thin film type generator which simultaneously converts thermal energy and light energy applied to the first and second metal thin films into electrical energy.
  2. 제1 항에 있어서, According to claim 1,
    상기 발전기는, 상기 제 1 및 제 2 금속 박막의 접합 부분에 상기 열 에너지가 가해질 때 접합 부분과 두 금속 박막 부분의 온도차에 의한 제벡 효과에 의해 열기전력을 발생하고, 상기 광 에너지가 가해질 때 두 금속 박막 접합의 금속-금속 접촉면과 금속-기판 접촉면에서의 광기전력(photovoltaic) 효과에 의해 광기전력을 발생하는 이중 금속 박막형 발전기.The generator generates thermoelectric power by a Seebeck effect due to a temperature difference between a junction portion and two metal thin film portions when the thermal energy is applied to the junction portions of the first and second metal thin films, and when the optical energy is applied, A dual metal thin film type generator that generates photovoltaic power by the photovoltaic effect on the metal-metal contact surface and the metal-substrate contact surface of a metal thin film junction.
  3. 제1 항에 있어서,According to claim 1,
    상기 제 1 금속 박막은 비자성 금속 박막이고, 상기 제 2 금속 박막은 자성 금속 박막인 이중 금속 박막형 발전기.Wherein the first metal thin film is a nonmagnetic metal thin film, and the second metal thin film is a magnetic metal thin film.
  4. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1,
    상기 제 1 금속 박막은 자성 금속 박막이고, 제 2 금속 박막은 자성 금속 박막인 이중 금속 박막형 발전기.Wherein said first metal thin film is a magnetic metal thin film and said second metal thin film is a magnetic metal thin film.
  5. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1,
    상기 제 1 금속 박막은 자성 금속 박막이고, 제 2 금속 박막은 비자성 금속 박막인 이중 금속 박막형 발전기.Wherein the first metal thin film is a magnetic metal thin film, and the second metal thin film is a non-magnetic metal thin film.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 5,
    상기 제 1 및 제 2 금속 박막은, 서로 다른 제벡 계수(seebeck coefficient)를 갖는 이중 금속 박막형 발전기.The first and second metal thin film, the double metal thin film type generator having a different Seebeck coefficient (seebeck coefficient).
  7. 제 6 항에 있어서,The method of claim 6,
    상기 기판이 (+) 제벡 계수를 갖는 p형 실리콘 기판일 때, 상기 제 1 금속 박막은 (+) 제벡 계수를 갖는 금속이고, 상기 제 2 금속 박막은 (-) 제벡 계수를 갖는 금속인 이중 금속 박막형 발전기.When the substrate is a p-type silicon substrate having a positive Seebeck coefficient, the first metal thin film is a metal having a positive Seebeck coefficient, and the second metal thin film is a metal having a negative Seebeck coefficient. Thin film generator.
  8. 제 6 항에 있어서,The method of claim 6,
    상기 기판이 (-) 제벡 계수를 갖는 n형 실리콘 기판일 때, 상기 제 1 금속 박막은 (-) 제벡 계수를 갖는 금속이고, 상기 제 2 금속 박막은 (+) 제벡 계수를 갖는 금속인 이중 금속 박막형 발전기.When the substrate is an n-type silicon substrate having a negative Seebeck coefficient, the first metal thin film is a metal having a negative Seebeck coefficient, and the second metal thin film is a metal having a positive Seebeck coefficient. Thin film generator.
  9. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 5,
    상기 제 1 금속 박막은, 상기 기판이 n 형 실리콘 기판일 때, 상기 기판의 일함수보다 상대적으로 작은 일함수를 갖는 금속 물질이고, 상기 기판이 p형 실리콘 기판일 때, 상기 기판의 일함수보다 상대적으로 큰 일함수를 갖는 금속 물질인 이중 금속 박막형 발전기.The first metal thin film is a metal material having a work function relatively smaller than the work function of the substrate when the substrate is an n-type silicon substrate, and is larger than the work function of the substrate when the substrate is a p-type silicon substrate. Double-metal thin-film generator, which is a metal material with a relatively large work function.
  10. 제 9 항에 있어서,The method of claim 9,
    상기 제 1 금속 박막은 상기 기판 상에 옴(ohmic) 접촉되고, 상기 제 2 금속 박막의 일부는 상기 기판 상에 쇼트키(schottky) 접촉되는 이중 금속 박막형 발전기.Wherein said first metal thin film is in ohmic contact on said substrate and a portion of said second metal thin film is in schottky contact on said substrate.
  11. 제 10 항에 있어서,The method of claim 10,
    상기 제 1 금속 박막은 상대적으로 작은 저항 값을 가지며, 상기 제 2 금속 박막은 상대적으로 큰 저항 값을 갖는 이중 금속 박막형 발전기.The first metal thin film has a relatively small resistance value, the second metal thin film has a relatively large resistance value.
  12. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 5,
    상기 제 1 금속 박막은, 4.0 내지 5.65eV 범위의 일함수를 갖는 금속 물질인 이중 금속 박막형 발전기.The first metal thin film is a double metal thin film generator is a metal material having a work function in the range of 4.0 to 5.65eV.
  13. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 5,
    상기 제 1 금속 박막의 두께는, 상기 제 2 금속 박막의 두께보다 적어도 얇은 이중 금속 박막형 발전기.The thickness of the said 1st metal thin film is a double metal thin film type | mold generator of at least thinner than the thickness of the said 2nd metal thin film.
  14. 제 13 항에 있어서,The method of claim 13,
    상기 제 1 금속 박막의 두께 범위는 20 nm(± 10%)이고, 상기 제 2 금속 박막의 두께 범위는 50 nm(± 10%)인 이중 금속 박막형 발전기.The thickness range of the first metal thin film is 20 nm (± 10%), the thickness of the second metal thin film is 50 nm (± 10%) of a double metal thin film generator.
  15. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 5,
    상기 제 1 및 제 2 금속 박막 각각은, DC 스퍼터링 공정, RF 스퍼터링 공정, 이온빔 스퍼터링 공정, 포토리소그라피 공정 중 어느 한 방법으로 형성되는 이중 금속 박막형 발전기. Each of the first and second metal thin films may be formed by any one of a DC sputtering process, an RF sputtering process, an ion beam sputtering process, and a photolithography process.
  16. 기판과,Substrate,
    상기 기판 상에 형성된 제 1 금속 박막과,A first metal thin film formed on the substrate;
    상기 제 1 금속 박막과 당접하여 상기 기판 상에 형성되는 절연막과,An insulating film formed on the substrate in contact with the first metal thin film;
    상기 제 1 금속 박막의 상부와 상기 절연막의 상부 상에 형성된 제 2 금속 박막을 포함하며,A second metal thin film formed on an upper portion of the first metal thin film and an upper portion of the insulating film,
    외부로부터 상기 제 1 및 제 2 금속 박막으로 가해지는 열 에너지와 광 에너지를 동시에 전기 에너지로 전환시키는 이중 금속 박막형 발전기.The double metal thin film type generator which converts thermal energy and light energy applied to the first and second metal thin films from the outside into electrical energy at the same time.
  17. 제 16 항에 있어서,The method of claim 16,
    상기 제 1 금속 박막은 비자성 금속 박막이고, 제 2 금속 박막은 자성 금속 박막인 이중 금속 박막형 발전기.Wherein the first metal thin film is a nonmagnetic metal thin film, and the second metal thin film is a magnetic metal thin film.
  18. 제 16 항에 있어서,The method of claim 16,
    상기 제 1 금속 박막은 자성 금속 박막이고, 제 2 금속 박막은 자성 금속 박막인 이중 금속 박막형 발전기.Wherein the first metal thin film is a magnetic metal thin film, and the second metal thin film is a magnetic metal thin film.
  19. 제 16 항에 있어서,The method of claim 16,
    상기 제 1 금속 박막은 자성 금속 박막이고, 제 2 금속 박막은 비자성 금속 박막인 이중 금속 박막형 발전기.Wherein the first metal thin film is a magnetic metal thin film, and the second metal thin film is a non-magnetic metal thin film.
  20. 제 16 항에 있어서,The method of claim 16,
    상기 절연막은, 상기 제 2 금속 박막에서 상기 기판으로의 전류 흐름을 조절하여 상기 제 1 금속 박막과 제 2 금속 박막에서의 포텐셜 차이를 증가시키도록 기능하는 이중 금속 박막형 발전기.The insulating film is a double metal thin film type generator that functions to increase the potential difference between the first metal film and the second metal film by controlling the flow of current from the second metal film to the substrate.
  21. 제 16 항에 있어서,The method of claim 16,
    상기 절연막은, MgO, SiO2, Si3N4 중 어느 하나인 이중 금속 박막형 발전기.The insulating film is a double metal thin film generator of any one of MgO, SiO 2 , Si 3 N 4 .
  22. 제 16 항에 있어서,The method of claim 16,
    상기 절연막은, RF 스퍼터링 공정으로 형성되는 이중 금속 박막형 발전기.The insulating film is a double metal thin film type generator formed by an RF sputtering process.
  23. 제 16 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 16 to 22,
    상기 제 1 및 제 2 금속 박막은, 서로 다른 제벡 계수(seebeck coefficient)를 갖는 이중 금속 박막형 발전기.The first and second metal thin film, the double metal thin film type generator having a different Seebeck coefficient (seebeck coefficient).
  24. 제 23 항에 있어서,The method of claim 23,
    상기 기판이 (+) 제벡 계수를 갖는 p형 실리콘 기판일 때, 상기 제 1 금속 박막은 (+) 제벡 계수를 갖는 금속이고, 상기 제 2 금속 박막은 (-) 제벡 계수를 갖는 금속인 이중 금속 박막형 발전기.When the substrate is a p-type silicon substrate having a positive Seebeck coefficient, the first metal thin film is a metal having a positive Seebeck coefficient, and the second metal thin film is a metal having a negative Seebeck coefficient. Thin film generator.
  25. 제 23 항에 있어서,The method of claim 23,
    상기 기판이 (-) 제벡 계수를 갖는 n형 실리콘 기판일 때, 상기 제 1 금속 박막은 (-) 제벡 계수를 갖는 금속이고, 상기 제 2 금속 박막은 (+) 제벡 계수를 갖는 금속인 이중 금속 박막형 발전기.When the substrate is an n-type silicon substrate having a negative Seebeck coefficient, the first metal thin film is a metal having a negative Seebeck coefficient, and the second metal thin film is a metal having a positive Seebeck coefficient. Thin film generator.
  26. 제 16 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 16 to 22,
    상기 제 1 금속 박막은, 상기 기판이 n 형 실리콘 기판일 때, 상기 기판의 일함수보다 상대적으로 작은 일함수를 갖는 금속 물질이고, 상기 기판이 p형 실리콘 기판일 때, 상기 기판의 일함수보다 상대적으로 큰 일함수를 갖는 금속 물질인 이중 금속 박막형 발전기.The first metal thin film is a metal material having a work function relatively smaller than the work function of the substrate when the substrate is an n-type silicon substrate, and is larger than the work function of the substrate when the substrate is a p-type silicon substrate. Double-metal thin-film generator, which is a metal material with a relatively large work function.
  27. 제 26 항에 있어서,The method of claim 26,
    상기 제 1 금속 박막은 상기 기판 상에 옴(ohmic) 접촉되고, 상기 제 2 금속 박막의 일부는 상기 기판 상에 쇼트키(schottky) 접촉되는 이중 금속 박막형 발전기.Wherein said first metal thin film is in ohmic contact on said substrate and a portion of said second metal thin film is in schottky contact on said substrate.
  28. 제 27 항에 있어서,The method of claim 27,
    상기 제 1 금속 박막은 상대적으로 작은 저항 값을 가지며, 상기 제 2 금속 박막은 상대적으로 큰 저항 값을 갖는 이중 금속 박막형 발전기.   The first metal thin film has a relatively small resistance value, the second metal thin film has a relatively large resistance value.
  29. 기판 상에 서로 다른 제벡 계수를 갖는 제 1 금속 박막과 제 2 금속 박막이 순차 적층되는 구조로 된 다수의 단위 셀이 직렬로 각각 연결되고,A plurality of unit cells each having a structure in which a first metal thin film and a second metal thin film having different Seebeck coefficients are sequentially stacked on the substrate are connected in series,
    외부로부터 각 단위 셀의 제 1 및 제 2 금속 박막으로 가해지는 열 에너지와 광 에너지를 동시에 전기 에너지로 전환시키는 이중 금속 박막을 이용한 집적 발전기.An integrated generator using a double metal thin film which simultaneously converts thermal energy and light energy applied to the first and second metal thin films of each unit cell from the outside into electrical energy.
  30. 제 29 항에 있어서,The method of claim 29,
    상기 다수의 단위 셀 각각은, 상기 기판의 상부 일부와 제 2 금속 전극의 일부 사이에 형성되는 절연막 을 더 포함하는 이중 금속 박막을 이용한 집적 발전기.Each of the plurality of unit cells further comprises an insulating film formed between an upper portion of the substrate and a portion of the second metal electrode.
  31. 기판 상에 서로 다른 제벡 계수를 갖는 제 1 금속 박막과 제 2 금속 박막이 순차 적층되는 구조로 된 다수의 단위 셀이 병렬로 각각 연결되고,A plurality of unit cells each having a structure in which the first metal thin film and the second metal thin film having different Seebeck coefficients are sequentially stacked on the substrate are connected in parallel, respectively.
    외부로부터 각 단위 셀의 제 1 및 제 2 금속 박막으로 가해지는 열 에너지와 광 에너지를 동시에 전기 에너지로 전환시키는 이중 금속 박막을 이용한 집적 발전기.An integrated generator using a double metal thin film which simultaneously converts thermal energy and light energy applied to the first and second metal thin films of each unit cell from the outside into electrical energy.
  32. 제 31 항에 있어서,The method of claim 31, wherein
    상기 다수의 단위 셀 각각은, 상기 기판의 상부 일부와 제 2 금속 전극의 일부 사이에 형성되는 절연막을 더 포함하는 이중 금속 박막을 이용한 집적 발전기.Each of the plurality of unit cells further includes an insulating film formed between an upper portion of the substrate and a portion of the second metal electrode.
  33. 기판 상에 서로 다른 제벡 계수를 갖는 제 1 금속 박막과 제 2 금속 박막이 순차 적층되는 구조로 된 다수의 단위 셀이 직렬로 각각 연결되는 제 1 단위 셀 그룹과,A first unit cell group in which a plurality of unit cells each having a structure in which a first metal thin film and a second metal thin film having different Seebeck coefficients are sequentially stacked are respectively connected in series;
    상기 제 1 단위 셀 그룹과 동일한 구조로 된 다수의 단위 셀이 직렬로 각각 연결되며, 상기 제 1 단위 셀 그룹에 병렬 연결되는 제 2 단위 셀 그룹을 포함하며,A plurality of unit cells having the same structure as the first unit cell group are connected in series, and each includes a second unit cell group connected in parallel to the first unit cell group,
    외부로부터 각 단위 셀의 제 1 및 제 2 금속 박막으로 가해지는 열 에너지와 광 에너지를 동시에 전기 에너지로 전환시키는 이중 금속 박막을 이용한 집적 발전기.An integrated generator using a double metal thin film which simultaneously converts thermal energy and light energy applied to the first and second metal thin films of each unit cell from the outside into electrical energy.
  34. 제 33 항에 있어서,The method of claim 33, wherein
    상기 다수의 단위 셀 각각은,Each of the plurality of unit cells,
    상기 기판의 상부 일부와 제 2 금속 전극의 일부 사이에 형성되는 절연막을 더 포함하는 이중 금속 박막을 이용한 집적 발전기.And an insulating film formed between the upper portion of the substrate and the portion of the second metal electrode.
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