[논문 리뷰] Micromachined Polycrystalline Sige-Based Thermopiles for Micropower Generation on Human Body

Z. Wang, Vladimir Leonov외 2명|ArXiv.org|2008. 02. 21.

Advanced Thermoelectric Materials and Devices참고 문헌 5인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 인체에 태장된 마이크로파워 생성을 위한 마이크로기계화 다결정 실리콘게르마늄 기반 열전기열을 제안하며, 열적 격리 성능을 햖थ하고 출력 전압을 증가시키기 위해 새로운 리姆 구조를 도입한다. 장치는 체온 조건에서 1 µW에서 1 V 이상의 출력을 달성하며, 강제 대류 조건에서 리姆 구조를 적용했을 때 전압 감도가 53 mV/K/cm²에서 130 mV/K/cm²로 140% 향상됨을 실험 결과로 입증하였다.

ABSTRACT

This paper presents a polycrystalline silicon germanium (poly-SiGe) thermopile specially designed for thermoelectric generators used on human body. Both the design of the single thermocouple and the arrangement of the thermocouple array have been described. A rim structure has been introduced in order to increase the temperature difference across the thermocouple junctions. The modeling of the thermocouple and the thermopile has been performed analytically and numerically. An output power of about 1 $μ$W at an output voltage of more than 1 V is expected from the current design of thermopiles in a watch-size generator. The key material properties of the poly-SiGe have been measured. The thermopile has been fabricated and tested. Experimental results clearly demonstrate the advantage of the rim structure in increasing output voltage. In presence of forced convection, the output voltage of a non-released thermopile can increase from about 53 mV/K/cm2 to about 130 mV/K/cm2 after the rim structure is formed. A larger output voltage from the thermopile is expected upon process completion.

연구 동기 및 목표

• 인체의 저수준 폐열을 수확하기 위한 마이크로기계화 열전기열을 개발하는 것.
• 열전기발전기의 낮은 출력 전압 문제를 해결하기 위해 열적 격리 성능을 향상시키는 것.
• 다결정 실리콘게르마늄 기반 설계에서 구조적 및 재료 최적화를 통해 전력 밀도와 효율을 향상시키는 것.
• 해석적, 수치적 및 실험적 방법을 통해 열전기열 성능을 검증하는 것.

제안 방법

• 다결정 실리콘게르마늄 박막을 사용한 단일 열전대 및 그 어레이 구성 설계.
• 열전도를 감소시키고 접합부의 온도 차를 증가시키기 위해 리姆 구조를 통합.
• 열전기열의 열적 및 전기적 거동에 대한 해석적 및 유한요소 모델링.
• 표준 MEMS 공정을 사용한 제작 및 후처리 에칭을 통한 리姆 구조 형성.
• 다결정 실리콘게르마늄의 주요 물성, 즉 세베크 계수 및 열전도도 측정.
• 강제 대류 조건을 포함한 제어된 온도 구배 조건 하에서의 실험적 테스트.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 리姆 구조는 마이크로기계화 열전기열의 열적 격리 및 출력 전압에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 인체 체열 수확을 위한 SiGe 기반 열전기열에서 도달 가능한 출력 전압과 출력 전력는 얼마인가?
• RQ3 해석적 및 수치적 모델은 열전기열 성능을 예측할 때 실험 결과와 얼마나 일치하는가?
• RQ4 다결정 실리콘게르마늄 재료의 선택이 이 응용 분야에서 열전기 효율에 어느 정도의 영향을 미치는가?
• RQ5 이 열전기열 설계는 웨어러블 또는 임플란트 장치에 실용적인 마이크로파워 응용을 위해 충분한 출력을 확보할 수 있는가?

주요 결과

• 강제 대류 조건에서 리姆 구조 적용으로 전압 감도가 53 mV/K/cm²에서 130 mV/K/cm²로 140% 향상됨.
• 시계 크기의 열전기열 설계는 개방 회로 전압이 1 V를 초과하는 약 1 µW의 출력 전력을 제공할 것으로 예측됨.
• 실험 결과는 리姆 구조가 열적 격리를 향상시키고 열전기 성능을 향상시키는 데 효과적임을 확인함.
• 다결정 실리콘게르마늄의 측정된 주요 물성은 마이크로스케일에서 열전기 에너지 수확에 적합함을 뒷받침함.
• 해석 모델링, 수치 시뮬레이션 및 실험 검증의 조합은 성능 예측에서 강력한 일致성을 보임.
• 장치는 웨어러블 및 임플란트 생의학 시스템에서 실용적인 마이크로파워 응용 가능성이 높음.