Recently, energy harvesting is main issue all over the world due to limited energy source and an increasing population. Thermoelectric module is one of the possible solutions to get green energy. Thermoelectric module can convert waste heat into electrical energy. Moreover, it can be used as a cooler if the electrical energy is supplied [1]. However, its application is limited due to its low efficiency and quite high price.
In cooler, if the efficiency is low, the module consumes lots of electric power source. It can increase running cost, so high efficiency is crucial in cooler. But in power generator, even though the efficiency is low, we can add lots of thermoelectric module to get a lot of electrical power. As a result, low cost thin film power generator is focused in this research.
$Bi_2Te_3$ is widely used as a thermoelectric material, but it is toxic and quite expensive. Zn-Sb was chosen as a thermoelectric material, it is nontoxic and cheaper than $Bi_2Te_3$. Moreover, if the module is fabricated by screen printing technique, soldering process, that is necessary if bulk type is used, is not need. It decreases labor cost. Finally, the screen printing technique is very fast, very simple and low cost technique, so it is suitable for mass production. In this way, we can effectively reduce manufacturing cost of TE module.
In this work, Zn-Sb films were deposited by screen printing technique and evaluated its properties. The films were porous, but its thermoelectric properties were comparable to those of bulk type. Zn percent and annealing temperature were varied. It was verified that annealing temperature should be below $500^\circC$ and 50% ~ 60% of Zn percent was preferable.
Finally, two types of TE modules, which is planar type and vertical type, were made by screen printing technique and their output powers were measured. It is around 0.17mW/$cm^2$ ~ 0.3mW/$cm^2$, when the temperature difference is 50K. Each type has its own advantages and disadvantages. Device size should be optimized and effective bonding process should be developed further. However, this work verifies that screen printed Zn-Sb thin film can be used as a mW-power generator and it can operate small electronic devices, such as small calculator and sensors, if the module is further optimized.
최근 들어, 에너지 수확은 전 세계적으로 중요한 문제로 대두되고 있다. 자원은 한정되어 있지만 인구는 증가하고 있기 때문이다. 열전 소자는 청정 에너지를 얻을 수 있는 하나의 솔루션으로 각광받고 있다. 열전 소자는 폐열을 전기에너지로 변환 시킬 수 있는 소자로 전기 에너지를 가해 쿨러로도 사용할 수 있다. 하지만 열전 소자의 가격이 다소 비싸기 때문에 그 적용에 한계가 있는 것이 사실이다.
쿨러의 경우, 만약 그 효율이 작다면 열전소자는 많은 양의 전기에너지를 소비할 것이다. 이것은 열전소자를 동작 하는데 필요한 유지비를 증가시킨다는 의미이다. 따라서 쿨러의 경우 그 효율은 매우 중요한 인자로 작용한다. 하지만 파워 제너레이터의 경우, 그 효울이 작다 하더라도 그 값이 싸다면 여러 개의 모듈을 붙여 많은 양의 파워를 얻을 수 있을 것이다. 따라서 이 연구에서는 저가 박막형 파워제너레이터에 초점을 맞춰 연구를 진행하였다.
$Bi_2Te_3$는 가장 널리 사용되는 열전물질이지만, 그 값이 Zn-Sb에 비해 비싸고 독성을 가지고 있다는 단점이 있다. 게다가 열전 소자가 스크린 프린트 방법으로 만들어진다면 벌크 타입의 모듈을 만들 때 필요한 솔더링 과정이 필요하지 않게 된다. 이것은 인건비를 줄여줄 수 있을 것이다. 마지막으로, 스크린 프린트 방법은 매우 빠르고, 간단하고 저가의 공정으로 대량생산에 적합한 공정이다. 따라서 스크린 프린트 방법을 사용해 공정단가를 효과적으로 낮출 수 있을 것이다.
이 연구에서는, 스크린 프린트로 데포지션된 Zn-Sb 박막의 열전 특성이 평가되었다. 그 박막은 기공이 존재하지만 그 열전 특성은 벌크 타입에 견줄 만 한 값이다. Zn 퍼센트와 어닐링 온도를 변화시키며 막의 특성을 평가하였고, 어닐링 온도는 $500\degC$ 이하로 유지되어야 하고, Zn는 50%sim;60%사이에 존재할 때 가장 좋은 열전 성능을 가지는 것으로 측정되었다.
최종적으로, 평면타입과 수직타입의 두 가지 모듈을 만들었으면 각각의 아웃풋 파워가 측정되었다. 그 값은 양단의 온도차가 50K일 때, 0.17mW/$cm^2$~0.3mW/$cm^2$정도 되는 것으로 확인되었다. 각각의 타입은 장점과 단점을 가지고 있다. 앞으로 그 성능을 더욱 향상시키기 위해 디바이스 사이즈와 본딩 프로세스가 개선되어야 할 것이다. 하지만 이 연구를 통해 스크린 프린트된 Zn-Sb박막은 mW급 파워 제너레이터로 사용될 수 있다는 것이 증명되었다. 모듈이 좀더 개선된다면, 작은 전자기기인 계산기나 센서를 동작시킬 수 있을 것으로 기대된다.
