The conversion of body heat into electrical energy by a thermoelectric (TE) power generator is useful for self-powered wearable mobile electronic systems. Especially, flexible thermoelectric generators (f-TEGs) are emerging as a semi-permanent power source for self-powered sensors, which is an important area of research for the next generation smart network monitoring systems in the Internet-of-things (IoT) era. However, previously reported organic-based flexible TE generators generate low output power that is far below the requirements for wearable electronic devices. Given such reason, researchers have studied submicron or micron scale inorganic thin films due to high power density and flexibility using conventional semiconductor devices processing tools such as DC magnetron sputtering, co-evaporation, or electrodeposition. However, the thin-film thermoelectric device is not able to generate sufficient electric energy for powering the wearable electronic systems due to very low temperature difference across the TE thin film. In addition, conventional TE generators usually have a relatively thick and bulky polymer or ceramic substrate, which causes serious thermal energy loss and limits the flexibility and output.
This dissertation focuses on a device design and process development for fabricating a high-performance flexible thermoelectric generator that has high output power density but also excellent flexibility and mechanical stability, to overcome the limitations of commercial bulk-type TEG, and scale-up of the wearable power generator for improving electrical power generation on human body and heat sources. Screening printing technique: synthesis of Cu and TE pastes and subsequent annealing process, novel device design for a high power and flexible device, laser multi-scanning process and ionized defect engineering of a high-performance screen-printed TE thick film will be discussed.
인체, 차량, 가정집, 빌딩, 산업현장 등 광범위한 영역에 무선센서 네트워크를 형성하여 정보를 수집.분석하는 사물인터넷은 스마트 폰 이후 전자기기의 새로운 혁명이 될 것으로 전망되고 있다. 하지만, 사물인터넷 전자기기의 실제 상용화에 있어서 가장 크게 걸림돌이 되는 요소는 바로 무선센서의 전력공급 문제이다. 배터리를 자주 교체해 주어야 하는 상황 혹은 크고 무거운 배터리를 가지고 다녀야 하는 상황으로는 실제 상용화가 어렵다. 특히, 인체에 이식하는 전자기기, 접근성이 취약한 오지의 경우 배터리 교환이 힘든 상황에는 자체 전력생산이 가장 중요한 요소가 된다. 여기서 체열 또는 폐열을 전기에너지로 전환하는 열전소자는 사물인터넷 전자기기를 현실화 시킬 수 있는 아주 적합한 기술이다. 하지만, 기존 상용열전소자는 단단하며 휘어지지 않고 무게가 무겁기 때문에 사물인터넷 시스템의 전력공급원으로 적합하지 않다. 특히, 무겁고 부피가 큰 기존 소자구조는 웨어러블 시스템으로의 활용이 어렵다. 지금까지 많은 연구자들이 유연 열전소자 개발을 위해서 다양한 형태의 소자제작을 시도하였으나 주로 유연특성을 가지는 유기물질을 사용하여 왔으며, 유기물질의 열전효과 특성이 좋지 않아서 전력밀도가 아주 낮아 실용화와는 거리가 멀었다. 또한 무기물질을 사용한 경우에는 높은 중량과 기계적으로 딱딱한 한계를 뛰어 넘지 못하였다. 하지만 본 연구에서는 스크린프린팅 기술을 사용하여 유연하고 입을 수 있는 무기물질 열전소자 제작기술을 개발함으로써 상용소자가 가지고 있는 소자의 단단함, 낮은 에너지 변환효율 문제를 해결할 수 있었다. 스크린프린팅 기술로 형성한 열전후막 최적화 기술, 고효율 유연 열전소자구조 디자인, 레이저 멀티스캐닝을 이용한 대면적 유연 열전소자 제작법, 안티사이트 결함을 이용한 고효율 열전후막 형성법 등 고출력 유연 열전소자 제작에 필요한 기반기술연구를 소개하고자 한다. 이번 연구에서 개발된 유연 열전소자기술은 인체, 차량, 공장, 항공기 등 폐열이 발생하는 다양한 곳에 적용하여 여분의 전기를 얻을 수 있기 때문에 그 활용범위가 매우 넓을 것으로 기대한다.
