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PDMS 충진법을 이용하여 형성한 유연열전모듈의 발전특성과 굽힘특성
Power Generation Properties and Bending Characteristics of a Flexible Thermoelectric Module Fabricated using PDMS Filling Method 원문보기

마이크로전자 및 패키징 학회지 = Journal of the Microelectronics and Packaging Society, v.26 no.4, 2019년, pp.119 - 126  

한기선 (홍익대학교 공과대학 신소재공학과) ,  오태성 (홍익대학교 공과대학 신소재공학과)

초록
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18쌍의 Bi2Te3계 p-n 가압소결체 열전레그들로 구성되어 있으며 상하부 기판이 없고 내부는 polydimethylsiloxane (PDMS)로 충진되어 있는 유연열전모듈을 형성하고, 이의 발전특성과 굽힘특성을 분석하였다. 유연열전모듈을 팔목에 부착하였을 때 서있는 정적인 상태에서는 2.23 mV의 open circuit 전압과 1.69 ㎼의 최대출력전력이 얻어졌으며, 걸어가는 동적인 상태에서는 3.32 mV의 open circuit 전압과 3.41 ㎼의 최대출력전력이 얻어졌다. 유연열전모듈에 굽힘곡률반경 25 mm로 30,000회까지 반복굽힘 싸이클을 인가하여도 저항변화율이 1% 미만으로 유지되었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

A flexible thermoelectric module, which consisted of 18 pairs of Bi2Te3-based hot-pressed p-n thermoelectric legs, were processed by filling the module inside with polydimethylsiloxane (PDMS) and removing the top and bottom substrates. Its power generation properties and bending characteristics were...

주제어

표/그림 (13)

AI 본문요약
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문제 정의

  • 기존 웨어러블 열전발전소자의 문제점을 해결하기 위해 본 연구에서는1) 인체 굴곡부위에 부착할 수 있게 유연성을 가질 것, 2) 내부저항을 줄여 발전출력을 높일 수있으며, 고온단만 인체에 부착되고 저온단은 부착되지 않도록 cross-plane 형상을 가질 것, 3) cross-plane형의 단점인 상하부 기판에서의 열저항을 제거하여 발전출력을 높이기 위해 상하부 기판이 없는 유연열전모듈을 개발하고 자 하였다. 이와 같은 특성들을 만족할 수 있도록 Fig.
  • 본 연구에서는 내부가 PDMS 탄성고분자로 충진된 상하부 기판이 없는 유연열전모듈을 형성하고 이의 발전특성과 유연특성을 분석하였다. 모듈 양단간에 인가한 겉보기 온도차 ΔT에 의한 open circuit 전압이 p형과 n형 열전레그들의 Seebeck 계수를 사용하여 예측한 값에 비해 66%로 측정되었으며, 이는 열전레그에 작용하는 실제 온도차 ΔT가 겉보기 온도차 ΔT에 비해 낮아지는데 기인하는 것으로 판단된다.

가설 설정

  • 7 kΩ에 비해 현저히 낮은데 기인한다. 유연열전모듈의 저항은 열전레그 저항과 Cu 전극저항 및 열전레그와 Cu 전극 사이의 계면접합저항에 의해 결정된다. Table 1에 있는 p형과 n형 열전레그들의 전기비저항을 사용하여 계산한 열전레그들의 저항은 0.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
웨어러블 열전발전소자가 가져야 하는 이상적인 성질은 무엇인가? 인체열 에너지를 회수하고자 하는 웨어러블 열전발전소자는 인체와의 접촉면적을 증가시킬 수 있게 인체의 굴곡에 따라 형태 변형이 가능하도록 유연성을 갖는 것이 이상적이다. 그러나 기존의 열전모듈은 상부 및 하부 세라믹 기판에 Cu 전극들을 접합한 후, 다수의 p형과 n형 열전 레그(leg)들을 Cu 전극들에 접합하여 이루어지기 때문에, 유연성을 전혀 갖지 못하게 된다.
유연열전모듈의 굽힘곡률반경에 따른 저항변화율은 어떤 모습을 보이는가? 41 μW의 최대전력을 얻을 수있었다. 유연열전모듈을 40~10 mm의 굽힘곡률반경으로 굽혀도 저항 증가가 1% 미만으로 거의 발생하지 않았으며, 굽힘곡률반경 25 mm로 30,000회까지 반복굽힘을 인가하여도 저항변화율이 1% 미만으로 유지되는 우수한 신뢰성을 나타내었다. 유연열전모듈에서 전극 사이의 간격이 멀어질수록 모듈의 유연성은 증가하나 단위면적당 열전발전상능이 저하하며 전극 사이의 간격이 가까워지면 그 반대 현상이 나타날 것이기에, 향후 열전발전특성과 유연특성을 최적화하기 위해서는 전극 피치에 따른 이들 특성의 변화거동에 대한 연구가 필요할 것으로 판단된다.
웨어러블 전자기기의 마이크로 에너지 하비스팅 소스로 무엇을 사용할 수 있는가? 최근 ICT 산업을 이끌 성장동력으로서 웨어러블 전자기기가 급부상함에 따라, 이들 웨어러블 전자기기의 보조전원으로 사용하기 위해 마이크로 에너지 하비스팅에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.1-8) 웨어러블 전자기기의 마이크로 에너지 하비스팅 소스로는 실내 태양광 에 너지, 인체 진동에너지 및 인체 열에너지가 적용가능한데, 인체 열에너지를 이용한 마이크로 열전발전이 실내 태양광이나 인체 진동에너지에 비해 더 높은 출력밀도를 갖는다고 보고되고 있다.2) 이에 따라 최근 지문, 얼굴 , 눈동자와 같은 바이오정보로 신원을 확인하는 바이오 인식센서, 저출력 모바일 기기, 위치 감지 및 ID 인식장치, 헬스모니터링 시스템용 웨어러블 기기, 디스포저블밴디지형 뮤직플레이어 등과 같은 웨어러블 전자기기의 전원으로서 인체 열에너지를 이용한 마이크로 에너지 하비스팅용 열전발전소자에 대한 연구개발이 활발히 진행 되고 있다.
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