[논문]체온 이용이 가능한 나노입자 박막 열전소자의 플랫폼 개발연구

양승건; 조경아; 최진용; 김상식

doi:10.7471/ikeee.2016.20.2.174

체온 이용이 가능한 나노입자 박막 열전소자의 플랫폼 개발연구
Design of the Platform for a Nanoparticle thin Film Thermoelectric Device transforming Body Heat into Electricity 원문보기

전기전자학회논문지 = Journal of IKEEE, v.20 no.2, 2016년, pp.174 - 176

양승건 (Dept of Electrical Engineering, Korea University) , 조경아 (Dept of Electrical Engineering, Korea University) , 최진용 (Dept of Electrical Engineering, Korea University) , 김상식 (Dept of Electrical Engineering, Korea University)

초록
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본 연구에서는 HgTe 나노입자 박막 수평열전 플랫폼에 via를 형성하여 나노입자 박막 양단의 온도 차이를 극대화하였다. HgTe 나노입자 박막은 p-type의 열전 특성을 보였으며, HgTe 나노입자 박막 수평열전소자에서 제백계수는 $290{\mu}V/K$이였다. 또한 피부 위의 via 열전 플랫폼을 통해서 향후 차세대 웨어러블 전자 소자의 구현 가능성을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, we maximize the temperature difference between the ends of a HgTe nanoparticle(NP) thin film on a thermoelectric platform with a through-substrate via. The thermoelectric characteristics of the HgTe NP thin film show p-type behavior and its Seebeck coefficient is $290{\mu}V/K$. In addition, we demonstrate the possibility of wearable thermoelectric devices transforming body heat into electricity from through-substrate via thermoelectric platforms on human skin.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이를 해결하기 위해서는 수평열전소자에서 온도 차이를 극대화할 수 있는 플랫폼 개발이 중요하다. 따라서 본 연구에서는 수평열전소자의 플랫폼에서 하나의 전극 쪽에 via를 뚫어 나노입자 박막 양단의 온도 차이를 극대화시키고자 한다. 또한 향후 체온을 통한 웨어러블 전자 소자의 구현 가능성에 대해서 알아보고자 한다.
본 연구에서는 플라스틱 기판 위에 via 형성후 HgTe 나노입자 박막의 열전 특성을 확인하였다. 기판에 via를 형성함으로서 전극 간의 온도차이를 극대화시키고 이를 통해 향후 차세대 웨어러블 전자 소자의 구현 가능성을 확인하였다.

제안 방법

플라스틱 기판 위에 전동 드릴을 이용하여 400 μm 직경의 구멍을 뚫은 후, HgTe 나노입자 박막의 열전 특성 확인을 위한 히터와 E1, E2의 전극, 그리고 두 전극 사이의 채널에 HgTe 나노입자 박막을 형성하여 열전 플랫폼을 구성하였고 이는그림 1에 나타내었다. HgTe 나노입자 박막의 열전 특성은 Keithley 4200와 IR 카메라(FLIR-A645SC)를 이용하여 전기적 특성과 온도측정을 통해 측정하였다. 수평구조 열전플랫폼에서 온도 차이에 대한 via의 영향을 알아보기 위해, 프로브 스테이션의 heating stage를 이용하였다.

대상 데이터

본 연구에서의 나노입자는 콜로이드 방식으로 합성된 HgTe 나노입자를 사용하였다 [5]. 플라스틱 기판 위에 전동 드릴을 이용하여 400 μm 직경의 구멍을 뚫은 후, HgTe 나노입자 박막의 열전 특성 확인을 위한 히터와 E1, E2의 전극, 그리고 두 전극 사이의 채널에 HgTe 나노입자 박막을 형성하여 열전 플랫폼을 구성하였고 이는그림 1에 나타내었다.

성능/효과

34℃ 온도밖에 차이가 발생하지 않았다. 열전특성이 우수한 나노입자 박막의 수평열전소자를 웨어러블 열전소자로 활용하기 위해서는 via를 이용한 열전플랫폼이 유용하다는 것을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	체온으로는 온도 차이를 얻기 어렵다는 나노입자 박막의 단점을 해결하기 위해 무엇의 개발이 중요한가?	그러나 나노입자 박막은 수평구조로만 제작이 가능하여, 열전에 필수적인 온도 차이를 체온으로 얻기에는 어려움이 있다. 이를 해결하기 위해서는 수평열전소자에서 온도 차이를 극대화할 수 있는 플랫폼 개발이 중요하다. 따라서 본 연구에서는 수평열전소자의 플랫폼에서 하나의 전극 쪽에 via를 뚫어 나노입자 박막 양단의 온도 차이를 극대화시키고자 한다.
	다기능 웨어러블 전자 소자의 구현을 위해 무엇에 대한 관심이 늘어나고 있는가?	최근 다기능 웨어러블 전자 소자의 구현을 위해서 지속적인 전력공급이 가능한 에너지 소자에 대한 관심이 증가하고 있다 [1,2]. 다양한 열전반도체 나노물질 소재 중에서, 나노입자 박막은 전기전도도와 열전도도의 독립적인 조절을 통해 고효율 열전 발전의 가능성을 보여주고 있다[3,4].
	나노입자 박막의 단점은?	다양한 열전반도체 나노물질 소재 중에서, 나노입자 박막은 전기전도도와 열전도도의 독립적인 조절을 통해 고효율 열전 발전의 가능성을 보여주고 있다[3,4]. 그러나 나노입자 박막은 수평구조로만 제작이 가능하여, 열전에 필수적인 온도 차이를 체온으로 얻기에는 어려움이 있다. 이를 해결하기 위해서는 수평열전소자에서 온도 차이를 극대화할 수 있는 플랫폼 개발이 중요하다.

참고문헌 (5)

V. Leonov, T. Torfs, C. V. Hoof and R. J. M. Vullers, "Smart Wireless Sensors Integrated in Clothing:an Electrocardiography System in a Shirt Powered Using Human Body Heat", Sens. Transducers J., 107, p. 165, 2009
E. J. Yoon, J. T. Park and C. G. Yu, "Thermoelectric Energy Harvesting Circuit Using DC-DC Boost Converter", Journal of IKEEE, 3, p. 284, 2013
M. R. Dirmyer, J. Martin, G. S. Nolas, A. Sen and J. V. Badding, "Thermal and Electrical Conductivity of Size-Tuned Bismuth Telluride Nanoparticles", small, 5, p. 933, 2009

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K. Ariga, M. Li, G. J. Richards and J. P. Hill, "Nanoarchitectonics: A Conceptual Paradigm for Design and Synthesis of Dimension-Controlled Functional Nanomaterials", J. Nanosci. Nanotechnol., 11, p. 1533, 2011
H. Seong, K. Cho and S. Kim, "Photocurrent characteristics of solution-processed HgTe nanoparticle thin films under the illumination of 1.3 ${\mu}m$ wavelength light", Semicond. Sci. Technol., 23, p. 075011, 2008

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