박막레그 직경에 따른 열전박막모듈의 열에너지 하비스팅 특성 비교
김우준·오태성† 홍익대학교 공과대학 신소재공학과
Comparison of Thermal Energy Harvesting Characteristics of Thermoelectric Thin-Film Modules with Different Thin-Film Leg Diameters
Woo-Jun Kim and Tae Sung Oh†
Department of Materials Science and Engineering, Hongik University, 94 Wausan-ro, Mapo-gu, Seoul 04066, Korea (Received November 21, 2018: Corrected December 18, 2018: Accepted December 20, 2018)
초 록: 두께가 20 μm 이며, 직경이 각기 100 μm, 300 μm, 500 μm인 p형 Sb2Te3와 n형 Bi2Te3박막레그들을 전기도 금하여 열전박막모듈을 형성한 후, 박막레그의 직경에 따른 출력전압과 출력전력을 비교하였다. 100 μm 직경 박막레그 들로 구성된 모듈은 ΔT = 36.7K에서 365 mV, 300 μm 직경 박막레그들로 형성한 모듈은 ΔT = 37.5K에서 142 mV, 500 μm 직경 박막레그들로 제작한 모듈은 ΔT = 36.1K에서 53 mV의 open circuit 전압을 나타내었다. 100 μm 직경 박막레 그 모듈은 ΔT = 36.7K에서 845 μW, 300 μm 직경 박막레그 모듈은 ΔT = 37.5K에서 631 μW, 500 μm 직경 박막레그 모 듈은 ΔT = 36.1K에서 276 μW의 최대출력전력을 나타내었다.
Abstract: Thermoelectric thin film modules were fabricated by electroplating p-type Sb2Te3 and n-type Bi2Te3 thin film legs with the same thickness of 20 μm and different diameters of 100 μm, 300 μm, and 500 μm, respectively. The output voltage and output power of thin film modules were measured and compared as a function of the leg diameter. The modules processed with thin film legs of 100 μm, 300 μm, and 500 μm-diameter exhibited open circuit voltages of 365 mV at ΔT = 36.7K, 142 mV at ΔT = 37.5K, and 53 mV at ΔT = 36.1K, respectively. Maximum output powers of 845 μW at ΔT = 36.7K, 631 μW at ΔT = 37.5K, and 276 μW at ΔT = 36.1K were obtained for the modules fabricated with the thin film legs of 100 μm, 300 μm, and 500 μm-diameter, respectively.
Keywords: thermoelectrics, energy harvesting, leg diameter, thin film, electrodeposition
1. 서 론
열전발전은 마이크로 발전에서 중형 발전까지 다양한 발전용량에 대한 적용성이 우수하고 무보수, 고신뢰성의 장점이 있으며, 어느 열원에서도 발전이 가능하여 소형 독립전원으로 다양하게 적용되어 왔다. 최근에는 장비나 부품 작동시 발생하는 열이나 구조물에서 발생하는 열 및 인체에서 방출되는 열과 같이 회수가 어려워 버려지는 작 은 열 에너지를 열전발전기술을 이용하여 전기 에너지로 회수한 후 이를 자율형 기기나 독립형 기기의 이차전원으 로 이용하고자 하는 연구들이 활발히 진행되고 있다.1-6) 열전발전을 이용한 마이크로 에너지 하비스팅 기술은 압 전 방식에서 필수적으로 요구되는 캔티레버 빔과 같은 구
동부품이 없기 때문에 고장율이 낮고 신뢰성이 우수한 장 점이 있다.2)
상온 부근 온도에서 열전발전을 이용한 에너지 하비스 팅 방식으로는 기존 40 mm × 40 mm × 4 mm 크기의 상용 모듈이나 이를 미세화한 마이크로 모듈과 같이 벌크 열 전재료를 p형과 n형 레그로 사용하는 벌크 열전모듈 방 식과 열전박막을 p형과 n형 레그로 사용하는 열전박막모 듈 방식으로 대별할 수 있다.1,7-14) 벌크 열전재료의 열전 특성이 열전박막보다 일반적으로 우수하기 때문에 벌크 열전모듈이 열전박막모듈에 비해 더 높은 발전출력을 얻 을 수 있다.1,7-14)그러나 벌크 열전모듈, 특히 40 mm × 40 mm × 4 mm 크기의 상용모듈은 열전박막모듈에 비해 크 기가 크고 두꺼워 초소형 에너지 하비스팅 장치의 제작
†
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에 사용하기 어려운 문제점이 있어, 최근 열전박막모듈 을 이용한 열 에너지 하비스팅에 대한 연구가 활발히 진 행되고 있다.11-14) 열전박막모듈은 열과 전기의 이동 방향 에 따라 in-plane형 모듈과 cross-plane형 모듈로 구분된
다.13,15)열과 전기가 기판에 수평한 방향으로 이동하는
구조인 in-plane형 모듈은 형성공정이 간단하며 박막레그 (thin-film leg) 두께가 수 μm로 얇아 공정시간이 짧다는 장점이 있으나, 기판을 통한 기생 열전달이 크고 내부 저 항이 커서 발전출력이 매우 작다는 단점이 있다. 이에 비 해 열과 전기가 기판에 수직한 방향으로 이동하는 cross- plane형 모듈은 수십 μm 두께의 박막레그들을 형성하는데 장시간의 공정이 요구되는 단점이 있으나, 기판을 통한 기 생 열전도가 없고 레그 길이가 짧아 내부저항이 작기 때 문에 큰 발전출력을 얻을 수 있다는 장점이 있다.1,11,13,15)
열전재료의 에너지 변환효율은 성능지수에 의존하며, Seebeck 계수와 전기전도도를 증가시키거나 열전도도를 감소시킴으로써 성능지수를 향상시키기 위해 나노스케 일 열전재료를 포함하여 다양한 연구들이 활발히 연구되 고 있다.16-20) 동일한 열전재료를 사용하여 열전모듈을 구 성하는 경우에도 열전모듈의 발전특성은 n형과 p형 열전 레그 쌍의 개수, 각 레그들의 단면적과 이웃 레그 사이의 거리, n/p 레그들의 면적비 및 레그 길이 등과 같은 변수 들에 의존하게 된다.21-24)따라서 열전재료의 성능지수 증 가에 대한 연구들과 더불어 구조 변수를 최적화함으로써 열전모듈의 열전특성을 향상시키고자 하는 연구들이 벌 크 열전모듈에서는 다양하게 발표되었으나,21-24) 열전박 막모듈에 대해서는 구조 변수에 따른 열전특성 변화에 대 한 보고들이 거의 이루어지지 않은 실정이다.
본 연구에서는 박막레그 직경에 따른 cross-plane형 열 전박막모듈의 열전발전 특성을 연구하였다. 벌크 열전모 듈에서는 주요 구조변수로 레그 길이를 설정한 시뮬레이 션을 하여, 레그 길이가 길어질수록 열전발전 특성이 향 상된다고 보고되었다.21,22) 그러나 열전박막모듈에서는 박 막레그의 형성에 포토레지스트 사진식각공정이 필요하 여 레그 길이를 20 μm 이상으로 만드는 것이 어렵기 때 문에 레그 길이를 그 이상으로 길게 변화시키면서 실험 하기 어려운 문제점이 있다. 따라서 본 연구에서는 박막 레그의 길이는 20 μm로 고정하고 직경을 100 μm, 300 μm, 500 μm로 변화시키고 이에 맞추어 모듈을 구성하는 p-n 레그 쌍의 개수를 각기 242개, 72개, 32개로 변화시켜 동 일한 크기의 열전박막모듈을 구성한 후 열전발전 특성을 비교하였다.
2. 실험 방법
Fig. 1에 500 μm 직경의 p형 Sb2Te3와 n형 Bi2Te3 박막 레그들로 구성된 열전박막모듈에서 박막레그들의 배치 도를 나타내었다. 넓이 5.15 mm × 5.15 mm의 유효면적에 총 32개의 p-n 레그 쌍이 위치하며, 레그 사이의 간격은
140 µm, 전극간 간격은 50 µm 이었다. 박막레그 직경이 300 μm인 모듈과 100 μm인 모듈에서는 각기 74개와 242 개의 p-n 레그 쌍으로 모듈을 구성하였다. 이들 모듈에서 도 범프 사이의 간격은 140 µm, 전극간 간격은 50 µm으 로 고정하였다.
Fig. 2와 Fig. 3에 플립칩 공정으로 본딩하기 전의 열전 박막모듈 상부와 하부의 공정모식도를 각기 나타내었 다. 모듈상부와 하부 제작용 기판으로는 열전도도가 148 W/m·K로 우수하고25) SiO2절연막 형성이 용이한 Si 웨이 Fig. 1. The layout drawing of the module consisting of the p-type
Sb2Te3 and n-type Bi2Te3 legs of 500 μm-diameter.
Fig. 2. Schematic illustration of the fabrication process for the upper part of a thin film module: (a) sputtering of the Ti/
Cu metallization, (b) photoresist (PR) patterning, (c) electrodepositing of the Au, (d) electrodeposition of the Sb2Te3 thin film legs, (e) electrodeposition of the Ni/Sn bonding layer, (f) electrodeposition of the Bi2Te3 thin film legs, (g) electrodeposition of the Ni/Sn bonding layer, and (g) patterning the electrodes.
Fig. 3. Schematic illustration of the fabrication process for the lower part of a thin film module: (a) sputtering of the Ti/
Cu/Ti metallization, (b) PR patterning electrodepositing the Cu bumps, (c) electrodeposition the Sn bonding layer, and (d) patterning the electrodes.
퍼를 사용하였다. 모듈상부를 제작하기 위해 우선 Fig.
2(a)에 나타낸 것과 같이 Si 기판에 1 µm 두께의 Ti와 2 µm 두께의 Cu를 연속적으로 스퍼터링하여 Ti/Cu를 형성 하였다. Fig. 2(b)와 같이 포토레지스트 패터닝 후 Au 도 금용액에서 2 mA/cm2의 전류밀도로 2분간 도금하여 Fig.
2(c)와 같이 포토레지스트 패턴부의 Ti/Cu 위에 400 nm 높이의 Au를 형성하였다. 이와 같은 모듈상부를 p형 Sb2Te3 도금용액에서 1.25 mA/cm2의 전류밀도를 인가하 여 Fig. 2(d)와 같이 Ti/Cu/Au에 20 μm 높이의 Sb2Te3 박 막레그들을 형성하였다. Sb2Te3 박막레그의 도금조건은 이전에 보고된 논문에 자세히 기술하였다.26) 이와 같은 모듈상부를 Ni 도금용액에서 10 mA/cm2의 전류밀도로 5 분간 2 μm 높이의 Ni을 도금한 후 Sn 도금용액에서 10 mA/cm2의 전류밀도로 10분간 5 μm 높이의 Sn을 도금함 으로써, Fig. 2(e)와 같이 Sb2Te3 박막레그 위에 Ni/Sn 플 립칩 본딩층을 형성하였다. 모듈상부에 포토레지스트 패 터닝 후 Bi2Te3 도금용액에서 7.5 mA/cm2의 전류밀도를 인가하여 Fig. 2(f)와 같이 20 μm 높이의 n형 Bi2Te3 박막 레그들을 형성하였다. Bi2Te3 박막레그의 도금조건은 이 전에 보고된 논문에 자세히 기술하였다.26) 그런 다음 Fig.
2(g)와 같이 Bi2Te3 박막레그 위에 Ni/Sn 플립칩 본딩층을 도금하고, 포토레지스트 패턴을 제거함으로써 Fig. 2(h) 와 같이 모듈상부를 완성하였다.
플립칩 본딩범프가 배열된 모듈하부를 제작하기 위해 우선 Fig. 3(a)와 같이 Si 기판에 1 µm 두께의 Ti와 2 µm 두께의 Cu를 순차적으로 스퍼터링하여 Ti/Cu를 형성하 였다. Fig. 3(b)와 같이 포토레지스트 패터닝 후 Cu 도금 용액에서 10 mA/cm2의 전류밀도를 인가하여 15 µm 높 이의 Cu를 도금하였다. 이와 같은 모듈하부를 Sn 도금용 액에 장입하고 10 mA/cm2의 전류밀도를 인가하여 Fig.
3(c)와 같이 5 μm 높이의 Sn을 형성하고, 포토레지스트 패턴을 제거함으로써 Fig. 3(d)와 같이 Cu/Sn 본딩범프가 배열된 모듈하부를 완성하였다.
Fig. 2 및 Fig. 3와 같은 공정으로 제작된 모듈상부와 모 듈하부에 플럭스를 도포한 후 핫플레이트에서 270oC로 30초간 유지하여 모듈상부의 Ni/Sn 플립칩 본딩층의 Sn 과 모듈하부의 Cu/Sn 본딩범프의 Sn을 리플로우 하여 ball up 시켰다. 그런 다음 trichloroethylene을 사용하여 플럭 스를 제거하고 아세톤, 알코올, 증류수를 사용하여 세척 한 후 건조하였다. 모듈상부와 모듈하부에 에폭시 솔더 페이스트 ((주)호전에이블)를 도포하고 150oC에서 3분간 유지한 후 270oC에서 1분간 유지하여 모듈상부와 하부를 플립칩 본딩하였다. Fig. 4에 모듈상부와 하부의 플립칩 본딩으로 완성된 열전박막모듈의 단면모식도를 나타내 었다.
히팅코일이 내장된 Cu 블록과 수냉 Cu 힛싱크 사이에 열전박막모듈을 넣고 히팅코일을 가열하여 모듈에 온도 차 ΔT를 인가하며 출력전압과 출력전력 특성을 측정하 였다. Bi2Te3와 Sb2Te3 박막의 열전특성을 측정하기 위해
1 cm × 1 cm 크기의 Si 기판에 Ti/Cu/Au (1 µm/2 µm/400 nm) 다층박막을 스퍼터링한 후 이를 도금씨앗층으로 사 용하여 박막레그 도금과 동일한 조건으로 20 μm 높이의 Bi2Te3 박막과 Sb2Te3 박막을 전기도금하였다. (Ti/Cu/Au)/
Bi2Te3와 (Ti/Cu/Au)/Sb2Te3 도금씨앗층/박막 이중층의 Seebeck 계수를 상온에서 20K의 온도차를 인가하며 측정 하였으며, Four Point Probe법으로 면저항을 측정한 후 여 기에 열전박막의 두께 20 μm을 곱하여 비저항으로 환산 하였다.
3. 결과 및 고찰
Table 1에 (Ti/Cu/Au)/Bi2Te3와 (Ti/Cu/Au)/Sb2Te3 도금씨 앗층/박막 이중층의 Seebeck 계수와 비저항의 측정값을 나타내었다. 이들 측정값으로부터 이중층 모델을 사용하 여 Bi2Te3와 Sb2Te3열전박막 자체의 Seebeck 계수와 비 저항을 구하려고 하였으나, Ti/Cu/Au의 면저항이 0.05 Ω 으로 매우 낮아 도금씨앗층의 면저항이 박막의 면저항보 다 2.5배 이상이어야 하는 이중층 모델의 유효조건을 벗 어나기 때문에 열전박막 자체의 특성들을 구할 수 없었
다.1,27,28) Ti/Cu/Au 도금씨앗층 대신에 면저항이 큰 Ti 도
금씨앗층을 사용하여 Sb2Te3를 도금한 Ti/Sb2Te3 이중층 에서는 Sb2Te3박막 자체의 열전특성을 구하는 것이 가능 하다고 보고되었다.1) 그러나 열전박막모듈의 특성과 관 련하여서는 Ti/Cu/Au 도금씨앗층을 사용하여 내부저항이 작은 모듈이 Ti 도금씨앗층을 사용하여 내부저항이 큰 모 듈보다 훨씬 더 우수하다고 보고되었으며,26) 이를 바탕으 로 본 연구에서도 우수한 발전특성을 얻을 수 있는 Ti/Cu/
Au 도금씨앗층을 사용하였다.
Fig. 4. Schematic illustration of a thin film module processed by flip-chip bonding.
Table 1. Thermoelectric properties of the (Ti/Cu/Au)/Bi2Te3 and the (Ti/Cu/Au)/Sb2Te3.
Seebeck coefficient
(μV/K)
Sheet resistance (Ω)
Electrical resistivity (μΩ·m) Ti/Cu/Au
seedlayer 0.5 0.05 0.1
(Ti/Cu/Au)/
Bi2Te3 −60 0.35 7.7
(Ti/Cu/Au)/
Sb2Te3 485 4.8 61.9
Fig. 5에 300 μm 직경의 박막레그 모듈을 제작하기 위 한 모듈상부와 모듈하부의 플립칩 본딩전 전자현미경 사 진을 나타내었다. 모듈상부에서는 300 μm 직경의 박막레 그들이 그리고 모듈하부에서는 300 μm 직경의 Cu/Sn 본 딩범프들이 잘 정렬되어 있으며, 이들이 위치하고 있는 전극들도 잘 형성되어 있음을 확인할 수 있었다. Fig. 6(a) 에 이들 모듈상부와 모듈하부를 플립칩 본딩하여 제작한 열전박막모듈의 사진을 나타내었다. 모듈하부 기판은 측 정용 패드를 형성하기 위해 상부기판보다 큰 형태로 제 작하였으며, 측정용 패드를 제외한 열전박막모듈의 유효 면적은 5.15 mm × 5.15 mm, 두께는 1.1 mm 이었다. Fig.
6(b)에 300 μm 직경의 박막레그들로 구성된 열전박막모 듈의 단면 전자현미경 사진을 나타내었다. 모듈상부의 박 막레그들과 모듈하부의 Cu/Sn 본딩범프들이 잘 배열되 어 있는 것이 관찰되었다.
100 μm 직경 박막레그들로 이루어진 모듈 2개, 300 μm 직경 박막레그들로 구성된 모듈 3개, 500 μm 직경 박막 레그들로 형성한 모듈 1개에 대해 측정한 open circuit 전 압(최대출력전압)-ΔT 곡선을 Fig. 7에 나타내었다. 또한 각 직경의 박막레그들로 구성된 모듈들에서 가장 우수한 발전특성을 나타낸 시편들의 출력전압-전류 특성을 Fig.
8에 나타내었다. Fig. 7에서 ΔT에 따라 최대발전출력이 직선적으로 증가하였으며, 박막레그 직경이 작아질수록 박막레그 쌍의 개수 증가에 기인하여 모듈의 최대출력전 압, 즉 open circuit 전압이 증가하였다. Table 1에 나타낸 (Ti/Cu/Au)/Sb2Te3와 (Ti/Cu/Au)/Bi2Te3의 Seebeck 계수의 합 (545 μV/K)를 사용하여 예측한 ΔT에 따른 최대발전전 압은 Fig. 7에 있는 각 모듈의 측정값에 비해 17.6-11.5배 정도 높게 계산되었다. 열전모듈에서 open circuit 전압, 즉 최대출력전압은 식 (1)과 같이 나타내어진다. 식 (1)에 서 Voc는 open circuit 전압, m은 p형과 n형 열전레그 쌍의 개수, αp−n은 p형과 n형 한 쌍의 Seebeck 계수 합, ΔT는 모 듈 고온단과 저온단의 온도차이다.1,26)
Voc = mαp−nΔT (1) 식 (1)에서 실제 측정값이 예측값보다 낮아지기 위한 한가지 가능성은 (Ti/Cu/Au) seedlayer를 배제한 Sb2Te3 박 막과 Bi2Te3 박막의 Seebeck 계수의 합이 (Ti/Cu/Au)/
Sb2Te3와 (Ti/Cu/Au)/Bi2Te3의 Seebeck 계수의 합에 비해 직경 100 μm 박막레그 모듈에서는 1/18, 직경 300 μm와 직경 500 μm 박막레그 모듈들에서는 1/12 정도로 낮을 경우이다. 그러나 (Ti/Cu/Au)/Bi2Te3와 (Ti/Cu/Au)/Sb2Te3 Fig. 6. (a) A photo of the thin film module processed with Sb2Te3 and Bi2Te3 legs of 300 μm-diameter and (b) cross-sectional scanning
electron micrograph of the module.
Fig. 5. Scanning electron micrographs of the thin film legs formed in the upper part of a module and the bonding bumps processed in the lower part of the module.
및 Ti/Bi2Te3와 Ti/Sb2Te3의 열전특성으로부터 이중층 모 델을 사용하여 구한 Bi2Te3와 Sb2Te3 박막의 Seebeck 계 수는 이중층의 Seebeck 계수보다 증가한다고 보고되어 있어1)이와 같은 가정을 배제할 수 있다. 따라서 최대출 력전압의 측정값이 예측값보다 훨씬 낮아진 것은 모듈내 박막레그 사이에 실제 인가되는 온도차가 모듈 상부와 하 부 사이에 인가한 겉보기 온도차보다 훨씬 작아지는데 기 인하는 것으로 판단된다. 열전박막모듈에 대한 기존 보 고26)와 마찬가지로 본 연구에서도 최대출력전압의 측정 값과 예측값의 비교에서 박막레그 사이의 실제 온도차는 모듈에 인가한 겉보기 온도차의 1/12~1/18 정도일 것으 로 판단된다. 박막레그 양단의 온도차가 모듈에 인가된 온도차 ΔT와 같다고 가정하고 Fig. 7에 있는 그래프들의 기울기로부터 구한 직경 100 μm, 300 μm, 500 μm 박막 레그 모듈들의 αp−n은 각기 40 μV/K, 46 μV/K, 43 μV/K 이었다.
Fig. 8과 같은 각 모듈의 출력전압-전류 특성으로부터 모듈 저항을 구하여 모듈저항-ΔT 함수로 Fig. 9에 나타내 었다. 각 모듈간의 레그 쌍의 개수와 레그 단면적 차이에 기인하여 100 μm 직경 박막레그로 이루어진 모듈은 37 Ω, 300 μm 직경 박막레그로 구성된 모듈은 6.6 Ω, 500 μm 직경 박막레그로 형성된 모듈은 2.5 Ω의 저항을 나타내 어 15 : 3 : 1의 저항비를 나타내었다. 100 μm 직경 박막 레그 모듈과 300 μm 직경 박막레그 모듈에서는 ΔT가 커 짐에 따라 모듈 저항이 증가하는 경향을 보였다. 이와 같 은 이유로는 플립칩 공정에 의해 모듈 상부와 모듈 하부 사이의 갭에 필링된 에폭시 접착제가 온도 증가에 따라 팽창하여 플립칩 접속부의 저항이 증가하기 때문으로 판 단된다.
100 μm 직경 박막레그로 이루어진 모듈 2개, 300 μm 직경 박막레그로 구성된 모듈 3개, 500 μm 직경 박막레 Fig. 7. Output voltage-temperature difference curves of the thin
film modules consisting of the 100-μm, 300-μm, and 500- μm-diameter legs.
Fig. 8. Output voltage–current curves of the thin film modules processed with the (a) 100-μm, (b) 300-μm, and (c) 500-μm-diameter legs.
Fig. 9. Module resistance-temperature difference curves of the thin film modules consisting of the 100-μm, 300-μm, and 500- μm-diameter legs.
그로 형성한 모듈 1개에 대해 출력전력-전류 특성을 측 정하였으며, 이중에서 각기 다른 레그 직경의 모듈중에 대해 가장 우수한 출력전력-전류 특성들을 Fig. 10에 나 타내었다. ΔT가 증가함에 따라 출력전력이 증가하여 100 μm 직경 박막레그 모듈은 ΔT = 36.7K에서 845 μW, 300 μm 직경 박막레그 모듈은 ΔT = 37.5K에서 631 μW, 500 μm 직경 박막레그 모듈은 ΔT = 36.1K에서 276 μW의 최대출 력전력을 나타내었다. 100 μm 직경의 Bi2Te3와 Sb2Te3 전 기도금 박막레그들로 구성된 모듈에서 저항과 발전특성 은 전극 재료와 플립칩 공정에 크게 의존한다고 보고되 었다.26)모듈 저항이 4 kΩ 정도로 큰 경우에는 25K의 ΔT 에서 6~13 μW의 낮은 발전출력을 나타내었으며,11,26,29) 모듈 저항이 21~59 Ω 정도로 작은 시편에는 39K의 ΔT에 서 1,100~652 μW의 높은 발전출력을 얻을 수 있으며 모 듈 저항이 낮아질수록 발전출력이 우수해지는 것으로 보
고되었다.26,29) 본 연구에서 100 μm 직경 박막레그로 구 성된 모듈은 저항이 38 Ω 이며 36.7 K의 ΔT에서 845 μW 의 발전출력을 나타내어 이들 보고들의 경향과 잘 일치 한다.11,13,26,29)
100 μm 직경 박막레그 모듈 2개, 300 μm 직경 박막레 그 모듈 3개, 500 μm 직경 박막레그 모듈 1개에 대해 측 정한 Fig. 10과 같은 출력전력-전류 데이터들로부터 ΔT 에 따른 각 모듈의 최대출력전력을 구하여 Fig. 11에 나 타내었다. 각 모듈에서 ΔT가 증가함에 따라 최대출력전 력이 증가하였으며, 동일한 ΔT에서는 100 μm 직경 박막 레그 모듈과 300 μm 직경 박막레그 모듈이 500 μm 직 경 박막레그 모듈보다 더 높은 최대출력전력을 나타내 었다. ΔT가 25K 이하일 경우에는 300 μm 직경 박막레그 모듈이 100 μm 직경 박막레그 모듈에 비해 더 큰 최대 발전출력을 나타내었으나 25K 이상의 ΔT에서는 이와 반 대 현상이 발생하였으며, 이는 Fig. 9에서와 같이 300 μm 직경 박막레그 모듈에서 ΔT에 따른 모듈저항의 증가 정 도가 다른 모듈들에 비해 더 큰데 기인하는 것으로 판단 된다. 열전모듈의 최대출력전력은 식 (2)와 같이 표현된 다.1,11,30)
Fig. 10. Output power-current curves of the thin film modules processed with the (a) 100-μm, (b) 300-μm, and (c) 500-μm-diameter legs.
Fig. 11. Maximum output power-temperature difference curves of the thin film modules fabricated with the 100-μm, 300-μm, and 500-μm-diameter legs.
Fig. 12. Cross-sectional scanning electron micrographs of the thin film module, processed with the 500-μm-diameter legs, showing that the leg was not completely bonded to the Cu bonding pad at the peripheral area.
(2)
식 (2)에서 Po는 최대출력전력, Voc는 open circuit 전압, RG는 열전모듈의 저항, m은 p-n 레그 쌍의 개수, αp−n는 한 쌍의 p형과 n형 레그들의 Seebeck 계수 절대값의 합, ΔTG는 박막레그 양단에 실제 인가되는 온도차이다. 박막 레그들의 직경과 개수에 무관하게 αp−n과 ΔTG가 동일하 며 모듈 저항비가 박막레그의 개수에 비례하고 직경에 반 비례한다고 가정하는 경우, 동일한 ΔTG에서 100 μm 직 경 박막레그 모듈, 300 μm 직경 박막레그 모듈과 500 μm 직경 박막레그 모듈의 최대출력전력비는 1 : 2.8 : 3.3으 로 100 μm 직경 박막레그 모듈이 가장 낮고 500 μm 직 경 박막레그 모듈이 가장 높아야 한다. 그러나 실제 측정 값은 이와는 달리 Fig. 11과 같이 500 μm 직경 박막레그 모듈이 가장 낮은 최대출력전력을 나타내었으며, 100 μm 직경 박막레그 모듈과 300 μm 직경 박막레그 모듈은 유 사한 최대발전출력을 나타내었다. 이와 같은 이유로는 Fig. 9과 같이 실제 측정한 모듈저항비가 15 : 3 : 1로 박 막레그 개수와 직경으로 예측한 저항비 189 : 6 : 1에 비 해 훨씬 낮았기 때문으로 판단된다. 이와 같이 각 모듈간 의 측정 저항비와 예측 저항비가 큰 차이를 나타내는 이 유로는 박막레그, 본딩범프, 전극 자체의 저항뿐만 아니 라 박막레그와 본딩범프 사이의 플립칩 접속저항이 모듈 전체저항에 큰 영향을 미치며, 박막레그 직경이 커질수 록 Fig. 12에 나타낸 것과 같이 박막레그 단면적 전체에 서 플립칩 본딩이 고르게 잘 이루어지지 않았기 때문으 로 판단된다. 500 μm 직경 박막레그 모듈의 플립칩 접속 부에서는 박막레그와 Cu 범프의 본딩면의 중앙부에서만 Sn 솔더층에 의해 플립칩 접속되어 있는 것이 관찰되었다.
4. 결 론
각기 100 μm, 300 μm, 500 μm 직경의 p형 Sb2Te3와 n 형 Bi2Te3 박막레그들로 구성한 열전박막모듈에서 박막 레그의 직경이 작아질수록 모듈을 구성하는 박막레그 쌍 의 개수 증가에 기인하여 모듈 출력전압이 증가하였다.
박막레그들의 단면적이 모듈 단면적에서 차지하는 비율 이 유사한 300 μm 직경과 500 μm 직경 박막레그 모듈에 서는 박막레그 쌍의 개수 증가 비율과 출력전압의 증가 정도가 서로 유사하였다. 박막레그들의 단면적이 모듈 단 면적에서 차지하는 비율이 다른 모듈들에 비해 1/3 정도 로 낮은 100 μm 직경 박막레그 모듈을 다른 모듈들과 비 교시 박막레그 쌍의 개수가 증가하는 정도보다 출력전압 의 증가 정도가 더 낮게 나타났다. 상부와 하부기판인 Si 의 두께, 단면적, 열전도도와 Bi2Te3와 Sb2Te3 박막레그들 의 두께, 단면적, 열전도도의 큰 차이에 의해 박막레그 양 단의 온도차가 모듈에 인가한 온도차 ΔT에 비해 훨씬 낮 아지는데 기인하여, 모듈의 open circuit 전압이 Bi2Te3와
Sb2Te3 박막의 Seebeck 계수를 사용하여 예측한 값에 비 해 1/12~1/18로 낮게 측정되었다. 100 μm 직경 박막레그 모듈은 ΔT = 36.7K에서 845 μW, 300 μm 직경 박막레그 모듈은 ΔT = 37.5K에서 631 μW, 500 μm 직경 박막레그 모듈은 ΔT = 36.1K에서 276 μW의 최대출력전력을 나타 내었다. 100 μm와 300 μm 직경 박막레그 모듈들에 비해 500 μm 직경 박막레그 모듈은 낮은 open circuit 전압에 기인하여 가장 낮은 출력전력을 나타내었다. 향후 Si 상 하부 기판의 두께를 감소시키고 박막레그의 두께를 증가 시키며 플립칩 본딩을 최적화하여 접속저항을 낮춤으로 써 박막레그 양단에 실제 인가되는 온도차를 모듈에 인 가한 온도차에 근접시킴으로써 열전박막모듈의 출력전 압과 출력전력 특성을 향상시킬 수 있을 것이다.
감사의 글
본 논문은 홍익대학교의 해외연구년 연구비 지원에 의 해 이루어졌습니다.
References
1. J. H. Kim, W. J. Kim, and T. S. Oh, “Thermoelectric Thin Film Devices for Energy Harvesting with the Heat Dissipated from High-power Light-emitting Diodes”, J. Electron. Mater., 45(7), 3410 (2016).
2. R. J. M. Vullers, R. van Schaijk, I. Doms, C. Van Hoof, and R. Mertens, “Micropower Energy Harvesting”, Solid-State Electron., 53, 684 (2009).
3. T. Huesgen, P. Woias, and N. Kockmann, “Design and Fab- rication of MEMS Thermoelectric Generators with High Temperature Efficiency”, Sens. Actuators A, 145-146, 423 (2008).
4. W. Wang, V. Cionca, N. Wang, M. Hayes, B. O’Flynn, and C. O’Mathuna, “Thermoelectric Energy Harvesting for Build- ing Energy Management Wireless Sensor Networks”, Inter. J.
Distrib. Sens. Netw., 2013, 232438 (2013).
5. W. Glatz, S. Muntwyler, and C. Hierold, “Optimization and Fabrication of Thick Flexible Polymer Based Micro Thermo- electric Generator”, Sens. Actuators A, 132, 337 (2006).
6. A. Sharma, J. H. Lee, K. H. Kim, and J. P. Jung, “Recent Advances in Thermoelectric Power Generation Technology”, J. Microelectron. Packag. Soc., 24(1), 9 (2017).
7. J. H. Ji, G. H. Jo, J. G. Ha, S. M. Koo, M. Kamiko, J. H. Hong, and J. H. Koh, “Recycled Thermal Energy from High Power Light Emitting Diode Light Source”, J. Nanosci. Nanotech- nol., 18, 6029 (2018).
8. J. Duga, M. Knap, and T. C. Lui, “Energy Harvested LED Luminary”, Proc. 20th International Workshop on Thermal Investigations of ICs and Systems, London, IEEE (2014).
9. P. Mahalakshmi, and S. Kalaiselvi, “Energy Harvesting from Human Body using Thermoelectric Generator”, Inter. J. Adv.
Res. Electric. Electron. Instrum. Eng., 3(5), 9486 (2014).
10. J. A. Paradiso, and T. Starner, “Energy Scavenging for Mobile and Wireless Electronics”, IEEE Pervasive Computing, 4(1), 18 (2005).
Po Voc2
4RG
--- m2αp n2– ΔTG2
4RG
---
= =
11. M. Y. Kim, and T. S. Oh, “Thermoelectric Power Generation Characteristics of a Thin-Film Device Consisting of Electro- deposited n-Bi2Te3 and p-Sb2Te3 Thin-film Legs”, J. Electron.
Mater., 42, 2752 (2013).
12. G. J. Snyder, J. R. Lim, C. -K. Huang, and J. -P. Fleurial,
“Thermoelectric Microdevice Fabricated by a MEMS-like Electrochemical Process”, Nat. Mater., 2, 528 (2003).
13. M. Y. Kim, and T. S. Oh, “Thermoelectric Thin Film Device of Cross-plane Configuration Processed by Electrodeposition and Flip-chip Bonding”, Mater. Trans., 53(12) 2160 (2012).
14. J. P. Carmo, J. F. Ribeiro, M. F. Goncalves, and J. H. Correia,
“Thermoelectric Generator and Solid-state Battery for Stand- alone Microsystems”, J. Micromech. Microeng., 20, 1 (2010).
15. J. M. Bae, M. Y. Kim, and T. S. Oh, “Fabrication Process and Sensing Characteristics of the In-plane Thermoelectric Sensor Consisting of the Evaporated p-type Sb-Te and n-type Bi-Te Thin Films”, J. Microelectron. Packag. Soc., 19(1), 33 (2012).
16. D. H. Park, and T. S. Oh, “Thermoelectric Properties of the n-type Bi2(Te0.9Se0.1)3 Processed by Hot Pressing with Dis- persion of 0.5 vol% TiO2 Nanopowders”, J. Microelectron.
Packag. Soc., 20(1), 15 (2013).
17. J. P. Rojasa, D. Singh, S. B. Inayat, G. A. Torres Sevilla, H.
M. Fahad, and M. M. Hussain, “Review—Micro and Nano- Engineering Enabled New Generation of Thermoelectric Gen- erator Devices and Applications”, ECS J. Solid State Sci.
Technol., 6(3), N3036 (2017).
18. D. H. Park, M. R. Roh, M. Y. Kim, and T. S. Oh, “Thermo- electric Properties of the n-type Bi2(Te,Se)3 Processed by Hot Pressing”, J. Microelectron. Packag. Soc., 17(2), 49 (2010).
19. M. R. Roh, J. Y. Choi, and T. S. Oh, “Thermoelectric Prop- erties of the Hot-pressed Bi2(Te0.9Se0.1)3 with Dispersion of Tungsten Powders”, J. Microelectron. Packag. Soc., 18(4), 55 (2011).
20. M. S. Dresselhaus, G. Dresselhaus, X. Sun, Z. Zhang, S. B.
Cronin, T. Koga, J. Y. Ming, and G. Chen, “The Promise of Low-Dimensional Thermoelectric Materials”, Microscale Thermophys. Eng., 3, 89 (1999).
21. H. Fateh, C. A. Baker, M. J. Hall, and L. Shi, “High Fidelity
Finite Difference Model for Exploring Multi-parameter Ther- moelectric Generator Design Space”, Appl. Energy., 129, 373 (2014).
22. S. Kumar, S. D. Heister, X. Xu, and J. R. Salvador, “Opti- mization of Thermoelectric Components for Automobile Waste Heat Recovery Systems”, J. Electric. Mater., 44(10), 3627 (2015).
23. A. Z. Sahin, and B. S. Yibas, “The Thermoelement as Ther- moelectric Power Generator: Effect of Leg Geometry on the Efficiency and Power Generation”, Energy Convers. Manag., 65, 26 (2013).
24. F. Meng, L. Chen, and F. Sun, “Effects of Thermocouples’
Physical Size on the Performance of the TEG-TEH System”, Inter. J. Low Carbon Technol., 11, 375 (2016).
25. J. P. Schaffer, A. Saxena, S. D. Antolovich, T. H. Sanders Jr., and S. B. Warner, “The Science and Design of Engineering Materials”, Inter. Ed., 577, Irwin, Chicago (1995).
26. K. J. Shin, and T. S. Oh, “Micro-power Generation Charac- teristics of Thermoelectric Thin Film Devices Processed by Electrodeposition and Flip-chip Bonding”, J. Electron. Mater., 44(6), 2026 (2015).
27. R. Rostek, J. Kottmeier, M. Kratschmer, G. Blackburn, F.
Goldschmidtboing, M. Kroner, and P. Woias, “Thermoelectric Characterization of Electrochemically Deposited Bi2Te3 Films Accounting for the Presence of Conductive Seed Layers”, J.
Electrochem. Soc., 160, D408 (2013).
28. H. P. Nguyen, J. Su, Z. Wang, R. J. M. Vullers, P. M. Ver- eecken, and J. Fransaer, “Measurement of Seebeck Coeffi- cient of Electroplated Thermoelectric Films in Presence of a Seed Layer”, J. Mater. Res., 26, 1953 (2011).
29. K. J. Shin, and T. S. Oh, “Thermoelectric Power-generation Characteristics of a Thin-film Device Processed by the Flip- chip Bonding of Bi2Te3 and Sb2Te3 Thin-film Legs using an Anisotropic Conductive Adhesive”, Mater. Trans., 56(10), 1719 (2015).
30. W. Glatz, E. Schwyter, L. Durrer, and C. Hierold, “Bi2Te3- Based Flexible Micro Thermoelectric Generator With Opti- mized Design”, J. Microelectromech. Syst., 18, 763 (2009).
