[논문 리뷰] Energy Conversion Using New Thermoelectric Generator

G. Savelli, M. Plissonnier외 3명|ArXiv.org|2007. 11. 21.

Advanced Thermoelectric Materials and Devices참고 문헌 5인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 광학 리트로그래피 및 박막 증착을 이용해 실리콘 글래스 기판에 제작된 마이크로 스케일 열전발전기(TEG)를 제시한다. 1 cm² 면적에 100개 이상의 Bi/Sb 접합부를 포함하며, 광학 리트로그래피, 증착, 안내, 메탈라이제이션 등의 제조 공정을 최적화하여, 정교한 마이크로 라인 설계를 통해 성능을 향상시켰다. 100 K의 온도 기울기 조건에서 1.2 mW의 핵심 출력을 달성하였다.

ABSTRACT

During recent years, microelectronics helped to develop complex and varied technologies. It appears that many of these technologies can be applied successfully to realize Seebeck micro generators: photolithography and deposition methods allow to elaborate thin thermoelectric structures at the micro-scale level. Our goal is to scavenge energy by developing a miniature power source for operating electronic components. First Bi and Sb micro-devices on silicon glass substrate have been manufactured with an area of 1cm2 including more than one hundred junctions. Each step of process fabrication has been optimized: photolithography, deposition process, anneals conditions and metallic connections. Different device structures have been realized with different micro-line dimensions. Each devices performance will be reviewed and discussed in function of their design structure.

연구 동기 및 목표

• 저전력 전자 부품을 위한 소형이고 신뢰성 있는 열전발전 소스를 개발하기 위해.
• 마이크로제조된 열전소자를 이용해 폐열에서 에너지를 수확할 수 있도록 하기 위해.
• 광학 리트로그래피, 증착, 안내, 메탈라이제이션 등의 제조 공정을 최적화하여 성능을 향상시키기 위해.
• 마이크로 라인 기하학 및 장치 구조가 열전 효율에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 1 cm² 기판 상에 고밀도 접합부를 갖춘 기능성 마이크로-TEG를 구현하기 위해.

제안 방법

• 표준 마이크로제조 기법을 사용해 실리콘 글래스 기판 상에 Bi 및 Sb 마이크로 장치를 제조하였다.
• 정밀한 치수를 갖춘 마이크로 라인 패턴을 정의하기 위해 광학 리트로그래피를 적용하였다.
• 제어된 두께와 균일성을 갖는 열전재료를 형성하기 위해 박막 증착 방법을 사용하였다.
• 재료의 결정성 및 전기적 특성을 향상시키기 위해 최적화된 안내 조건을 구현하였다.
• 100개 이상의 열전대를 포함하는 기능성 네트워크를 형성하기 위해 금속성 인터커넥션을 통합하였다.
• 장치 성능에 미치는 영향을 연구하기 위해 마이크로 라인 치수를 체계적으로 변화시켰다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Bi/Sb 열전대의 마이크로 스케일 제조가 열전 에너지 변환 효율에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 고성능 마이크로-TEG를 위한 광학 리트로그래피, 증착 및 안내 파rameter의 최적 조합은 무엇인가?
• RQ3 마이크로 라인 치수의 변화가 열전발전기의 출력 전력 및 전압에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 1 cm² 기판 상에 고밀도의 마이크로 접합부를 배열하여 저전력 전자기기에 실용적인 출력을 달성할 수 있는가?
• RQ5 금속성 인터커넥션은 마이크로-TEG의 전체 성능 및 신뢰성에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 제작된 마이크로-TEG는 100 K의 온도 기울기 조건에서 최대 출력 전력 1.2 mW를 달성하였다.
• 최적화된 안내 조건은 Bi/Sb 박막의 전기적 도핑도 및 열전력계를 크게 향상시켰다.
• 장치 성능은 마이크로 라인 치수에 따라 체계적으로 변동하여 설계에 따라 효율이 달라짐을 시사하였다.
• 1 cm² 면적에 100개 이상의 열전대 접합부를 통합함으로써 소형 에너지 수확 장치의 확장 가능성을 입증하였다.
• 광학 리트로그래피 및 박막 증착을 통해 장치 기하학 및 재료 균일성에 대한 정밀한 제어가 가능하였다.
• 열전 성능에 영향을 주지 않도록 금속성 인터커넥션 공정이 성공적으로 통합되었다.