In this thesis, flexible thermoelectric power generator has successfully developed with glass fabric using a screen printing technique. Sb2Te3(p-type) and Bi2Te3(n-type) pastes were synthesized with organic binder, glass frit and metal powders. In addition, optimization of annealing process was continuously followed after printing the pastes on a substrate. Thermoelectric properties of both Sb2Te3 and Bi2Te3 were more enhanced than those of the previous reported bulk materials due to porosity of the films. Cu and Ag films were also formed by screen printing technique and had good enough electrical conductivity as a metal electrode. Based on this technique, flexible thermoelectric power generator was fabricated on glass fabric and its electrical characteristics were analyzed with respect to temperature difference at room temperature. The power density was 32 μW/cm2 at ΔT = 10 K and 0.8 mW/cm2 at ΔT = 50 K was theoretically expected. This approach presented in this thesis shows good feasibility for producing flexible thermoelectric power generator, which is applicable to where thermal energy is.
In second work, a new method that simultaneously evaluates Seebeck coefficient and thermal conductivity of screen-printed thick film in a cross-sectional direction was presented with theoretical and experimental study. The key feature of this method is to use a sandwich structure composed of metal electrode/TE thin film/metal electrode with Fourier’s law and Seebeck coefficient equation. The measured vertical Seebeck coefficient and thermal conductivity are 350-375 μV/K, 4.46-3.22 W/moK respectively according to operation temperatures.
본 논문에서는 스크린프린팅 공정기법과 유리섬유를 사용하여 유연 열전발전소자를 개발하였다. 먼저, 열전분말, 유기바인더, 유리분말을 혼합하여 Sb2Te3와 Bi2Te3 페이스트를 합성하였다. 또한 페이스트를 스크린프린팅 공정기법으로 프린팅하여 열전후막을 형성하였고, 추후 열처리 공정을 최적화하였다. 스크린프린팅으로 형성한 Sb2Te3와 Bi2Te3 후막은 많은 공기층을 포함으로써 열전도도가 낮아지는 장점을 가지기 때문에 기존에 보고된 벌크형태의 열전특성보다 높은 값을 가지는 것을 확인하였다. 그리고 구리와 은을 페이스트화하고 스크린프린팅 공정기법으로 금속후막을 형성하였다. 이와같이 열전 및 금속 후막형성 기술을 기반으로 본 연구에서는 유연 열전발전소자 제작을 진행하였다. 소자의 전력밀도는 소자 양단의 온도차가 10K일 경우에 32 μW/cm2 임을 확인 하였고, 이론적으로는 소자 양단의 온도차가 50K일 경우에 0.8 mW/cm2 임을 확인 하였다. 따라서, 본 논문에서는 스크린프린팅 공정기법과 유리섬유를 사용하여 유연열전발전소자 제작 가능성을 보여 주었다.
스크린프린팅 공정기법으로 프린팅된 열전후막의 수직방향 제백계수와 열전도도를 측정하는 것은 열전특성 평가를 위해 반드시 필요하다. 따라서 본 실험에서는 수직방향의 제백계수와 열전도도를 동시에 추출해내는 이론적 모델링을 수립하고 실험을 통해 검증하였다. 두 값을 추출하기 위해서 벌크형태의 금속 사이에 열전물질을 삽입한 샌드위치 구조의 시편을 사용하였고, 푸리에 공식 및 제백계수 식을 통하여 수직방향의 제백계수와 열전도도 값을 동시에 추출 하였다. 본 실험에서는 p형 ZnSb를 사용하였고, 온도구간 300K-500K에서 제백계수는 350-375 μV/K, 열전도도는 4.46-3.22 W/moK 값을 가지는 것을 확인하였다.
