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KR100842152B1 - Thermoelectric thin film module formed by electroplating and its manufacturing method - Google Patents

Thermoelectric thin film module formed by electroplating and its manufacturing method Download PDF

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KR100842152B1
KR100842152B1 KR1020070010384A KR20070010384A KR100842152B1 KR 100842152 B1 KR100842152 B1 KR 100842152B1 KR 1020070010384 A KR1020070010384 A KR 1020070010384A KR 20070010384 A KR20070010384 A KR 20070010384A KR 100842152 B1 KR100842152 B1 KR 100842152B1
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KR
South Korea
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thin film
electroplating
type
thermoelectric thin
type thermoelectric
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KR1020070010384A
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Korean (ko)
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오태성
윤태진
김민영
Original Assignee
오태성
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Abstract

본 발명은 비스무스 테류라이드계 p형 열전박막소자와 n형 열전박막소자들로 구성된 열전박막모듈 및 그 제조방법을 제공하기 위한 것으로, 더욱 상세하게는 동일한 전기도금액 내에서 도금전류밀도를 조절하여 조성이 서로 다른 p형 열전박막소자와 n형 열전박막소자들을 전기도금으로 형성하여 이루어지는 열전박막모듈 및 그 제조방법을 제공하기 위한 것이다. The present invention provides a thermoelectric thin film module composed of a bismuth fluoride p-type thermoelectric thin film device and an n-type thermoelectric thin film device, and a method of manufacturing the same. More specifically, by adjusting the plating current density in the same electroplating solution, The present invention provides a thermoelectric thin film module formed by electroplating p-type thermoelectric thin film elements having different compositions and n-type thermoelectric thin film elements, and a method of manufacturing the same.

본 발명에 의해 조성이 서로 다른 p형 열전박막소자와 n형 열전박막소자들을 한 도금액에서 전기도금으로 형성함으로써, 소형화된 비스무스 테류라이드계 열전박막모듈을 빠른 공정속도와 낮은 공정비용으로 형성할 수 있는 공정상의 이점이 있다. According to the present invention, p-type thermoelectric thin film elements having different compositions and n-type thermoelectric thin film elements are formed by electroplating in one plating solution, whereby miniaturized bismuth fluoride-based thermoelectric thin film modules can be formed at a high process speed and a low process cost. There is a process advantage.

Description

전기도금법을 이용하여 형성한 열전박막모듈 및 그 제조방법{Thin Film Thermoelectric Module Processed Using Electroplating and the Fabrication Methods of the Same}Thin Film Thermoelectric Module Processed Using Electroplating and the Fabrication Methods of the Same

도 1은 기존의 열전모듈의 모식도.1 is a schematic diagram of a conventional thermoelectric module.

도 2는 본 발명에 따라 동일한 도금액에서 전기도금법으로 형성한 p형 열전박막소자와 n형 열전박막소자들로 구성된 열전박막모듈의 모식도.Figure 2 is a schematic diagram of a thermoelectric thin film module composed of a p-type thermoelectric thin film element and an n-type thermoelectric thin film element formed by the electroplating method in the same plating solution according to the present invention.

도 3은 본 발명에 따라 전기도금법을 이용하여 형성한 열전박막모듈의 공정흐름도 및 각 공정 단계의 단면 모식도로서, 도 3(a)는 기판에 전기도금 씨앗층을 형성한 모식도와 단면 모식도이며, 도 3(b)는 기판에 포토레지스트 패턴을 형성한 모식도와 단면 모식도이며, 도 3(c)는 p형 열전박막소자를 전기도금으로 형성한 모식도와 단면 모식도이며, 도 3(d)는 동일한 도금액 내에서 n형 열전박막소자를 전기도금한 모식도와 단면 모식도이며, 도 3(e)는 포토레지스트 패턴을 제거한 모식도와 단면 모식도이며, 도 3(f)는 p형 열전박막소자와 n형 열전박막소자에 고온단 전극과 저온단 전극을 형성한 모식도. .3 is a schematic view showing the process flow of the thermoelectric thin film module formed by using the electroplating method according to the present invention and the cross-sectional view of each process step. FIG. 3 (a) is a schematic view showing the electroplating seed layer formed on the substrate. Fig. 3 (b) is a schematic diagram and cross-sectional schematic diagram of a photoresist pattern formed on a substrate. Fig. 3 (c) is a schematic diagram and cross-sectional schematic diagram of a p-type thermoelectric thin film element formed by electroplating. A schematic diagram and a cross-sectional schematic diagram of an electroplating n-type thermoelectric thin film element in a plating solution, FIG. 3 (e) is a schematic diagram and a cross-sectional schematic diagram with a photoresist pattern removed, and FIG. 3 (f) shows a p-type thermoelectric thin film element and an n-type thermoelectric element. Schematic diagram in which a high temperature end electrode and a low temperature end electrode are formed on a thin film element. .

* 도면의 주요부분에 대한 부호설명 ** Explanation of Signs of Major Parts of Drawings *

11. p형 열전소자 12. n형 열전소자11.p type thermoelectric element 12.n type thermoelectric element

13. 고온단 전극 14. 저온단 전극13. High temperature end electrode 14. Low temperature end electrode

15. 기판15. Substrate

21. p형 열전박막소자 22. n형 열전박막소자21.p type thermoelectric thin film element 22.n type thermoelectric thin film element

23. 기판 24. 고온단 전극23. Substrate 24. High Temperature End Electrode

25. 저온단 전극25. Low Temperature Electrode

31. 전기도금용 씨앗층 32. 포토레지스트 31. Seed layer for electroplating 32. Photoresist

비접촉식 온도센서는 물체에서 방출하는 적외선 등의 복사신호를 열에너지로 전환하고 이를 다시 전기신호로 2차 에너지 변환하여 온도를 감지하는 센서로서 가전, 사무자동화, 방범, 방재, 교통 및 빌딩 시스템 등의 다양한 분야에 널리 응용되고 있다. 비접촉식 적외선 센서는 열에너지를 전기에너지로 변환하는 방법에 따라 양자형과 열형으로 구분된다. Non-contact temperature sensor is a sensor that detects temperature by converting radiant signal such as infrared rays emitted from an object into thermal energy and converting it into electrical energy again to electric energy. It is used for various applications such as home appliances, office automation, crime prevention, disaster prevention, traffic and building systems. It is widely applied in the field. Non-contact infrared sensors are classified into quantum type and thermal type according to a method of converting thermal energy into electrical energy.

이중 양자형은 광전도나 광기전력 효과 등을 이용하는 것으로 감도 및 응답성이 우수하다는 장점이 있으나, 소자를 80K 이하의 온도로 냉각하기 위한 냉매가 요구되기 때문에 소형화가 어려우며 용도가 제한적이다. 이에 반해 초전체나 써모 파일을 이용한 열형 적외선 센서는 냉각이 필요없고 소형으로 제작이 가능하여 범용 온도센서로서 일반적으로 사용되고 있다. The dual quantum type has advantages of excellent sensitivity and responsiveness by using photoconductivity or photovoltaic effect, but it is difficult to miniaturize and limited in use because a refrigerant for cooling the device to a temperature of 80K or less is required. On the other hand, a thermal infrared sensor using a pyroelectric element or a thermopile is generally used as a general-purpose temperature sensor because it can be manufactured in a small size without requiring cooling.

상기의 열형 적외선 센서 중에서 초전형 적외선 센서는 이동하는 물체와 같이 변화하는 입력에 대해서는 응답하나, 움직임이 없는 물체에 대해서는 응답하지 않기 때문에 초퍼를 사용하여 입력신호를 주기적으로 단속하여야 한다. 따라서 초전형 적외선 센서는 초퍼 및 이의 구동모터 등이 필요하여, 구조가 복잡하고 소비전력이 크며 초소형화가 어려운 문제점이 있다. 이에 비해 써모파일형 적외선 센서는 온도차에 의해 전압이 발생하는 지벡(Seebeck) 현상을 이용한 것으로 측정대상의 움직임이 없을 때에도 초퍼 및 구동모터 등과 같은 별도의 장치 없이 측정이 가능한 장점이 있다. Among the thermal infrared sensors, the pyroelectric infrared sensor responds to an input that changes like a moving object, but does not respond to an object that does not move. Therefore, a chopper must be used to periodically interrupt an input signal. Therefore, the pyroelectric infrared sensor requires a chopper and a driving motor thereof, and thus, there is a problem in that the structure is complicated, the power consumption is large, and the miniaturization is difficult. In contrast, the thermopile type infrared sensor uses Seebeck, which generates voltage due to a temperature difference, and can be measured without a separate device such as a chopper and a driving motor even when there is no movement of a measuring object.

써모파일형 적외선 센서의 최대출력(Pmax)은 써모파일의 지벡 계수(Seebeck coefficient) α의 제곱에 비례하고 전기저항 R에 반비례하며 고온단과 저온단 사이의 온도차 △T의 제곱에 비례한다. 이를 수식으로 나타내면 Pmax =

Figure 112007009750013-pat00001
로 표현된다. 현재 n형 실리콘(Si)이 써모파일형 적외선 센서를 구성하는 재료로 주로 사용되고 있으나, 지벡 계수가 낮기 때문에 출력되는 전기신호가 미약하여 응답감도가 낮다는 단점이 있다.The maximum output (P max ) of the thermopile infrared sensor is proportional to the square of the Seebeck coefficient α of the thermopile, inversely proportional to the electrical resistance R, and is proportional to the square of the temperature difference ΔT between the hot and cold ends. Expressed as a formula, P max =
Figure 112007009750013-pat00001
It is expressed as Currently, n-type silicon (Si) is mainly used as a material for forming a thermopile-type infrared sensor, but since the Seebeck coefficient is low, the output electrical signal is weak and the response sensitivity is low.

따라서 써모파일형 적외선 센서의 출력 특성을 향상시키기 위해서는 상온에서 성능지수가 우수한 열전재료를 사용하여 열전모듈을 형성하고 이들을 전기적으 로는 직렬, 열적으로는 병렬로 연결하여 사용하여야 한다. Therefore, in order to improve the output characteristics of the thermopile type infrared sensor, thermoelectric modules using thermoelectric materials having excellent performance index at room temperature should be formed, and they should be connected in series electrically and in parallel.

열전모듈을 구성하기 위한 재료로는 상온부근에서 지벡 계수가 높고 성능지수가 우수한 Bi2Te3계 열전재료가 적합하다. Bi2Te3계 p형 열전재료로는 p형 Bi2Te3와 더불어 Bi2Te3에 Sb2Te3를 고용체화 한 (Bi1 - xSbx)2Te3가 있으며, Bi2Te3계 n형 열전재료로는 n형 Bi2Te3와 더불어 Bi2Te3에 Bi2Se3를 고용체화 한 Bi2(Te1 - ySey)3가 사용되고 있다. As a material for constructing a thermoelectric module, a Bi 2 Te 3 -based thermoelectric material having a high Seebeck coefficient and a high performance index near room temperature is suitable. Bi 2 Te 3- based p-type thermoelectric materials include p-type Bi 2 Te 3 and Bi 2 Te 3 in solid solution of Sb 2 Te 3 (Bi 1 - x Sb x ) 2 Te 3 , and Bi 2 Te 3 -based n-type thermoelectric material to have a Bi 2 Te 3 Bi 2 Se 3 employs a Bi 2 embodied with the n-type Bi 2 Te 3 - a (Te 1 y Se y) 3 is used.

열전모듈은 도 1과 같이 p형 열전소자(11)와 n형 열전소자(12)들이 전기적으로는 직렬 연결되어 있으며, 열적으로는 병렬 연결된 구조로 구성되어 있다. 도 1에서와 같이 상기 열전모듈의 고온단(Th)과 저온단(Tc) 사이의 온도차에 의해 고온단 부위에서 저온단 부위로 열이 이동함에 따라, p형 열전소자(11)와 n형 열전소자(12)에서 각기 정공과 전자들이 고온단에서 저온단으로 이동함으로써 지벡 효과에 의해 기전력이 발생하게 된다. In the thermoelectric module, as shown in FIG. 1, the p-type thermoelectric element 11 and the n-type thermoelectric element 12 are electrically connected in series, and are thermally connected in parallel. As shown in FIG. 1, as the heat moves from the hot end to the cold end by the temperature difference between the hot end T h and the low end T c of the thermoelectric module, the p-type thermoelectric element 11 and n Holes and electrons in the thermoelectric element 12 are moved from the high end to the low end, so electromotive force is generated by the Seebeck effect.

이제까지 도 1에 나타낸 형상의 Bi2Te3계 열전재료를 이용한 열전모듈은 단결정 잉곳(ingot)을 절단하여 제조한 덩어리(bulk) 형태의 p형 열전소자(11)와 n형 열전소자(12)들로 구성하거나, 가압소결법이나 열간압출법으로 제조한 다결정 가압소결체나 열간압출체를 절단하여 제조한 덩어리(bulk) 형태의 p형 열전소자(11)와 n형 열전소자(12)들로 구성되어 왔다. 그러나, 이들 덩어리 형태의 p형 열전소자(11)와 n형 열전소자(12)들은 단결정 잉곳을 절단하거나 또는 다결정 가압소결체나 열간압출체를 절단하여 제조하기 때문에 열전소자의 크기 감소에 제한을 받는 다. 따라서 이들을 이용하여 소형 열전모듈을 제작하는 것이 어려우며, 따라서 소형 써모파일형 적외선 센서를 구성하는데 어려움이 있었다. The thermoelectric module using the Bi 2 Te 3 -based thermoelectric material of the shape shown in FIG. 1 has a bulk p-type thermoelectric element 11 and n-type thermoelectric element 12 prepared by cutting a single crystal ingot. Or p-type thermoelectric element 11 and n-type thermoelectric element 12 in the form of a bulk formed by cutting a polycrystalline pressurized body or a hot-extruded body manufactured by a pressure sintering method or a hot extrusion method. Has been. However, these agglomerated p-type thermoelectric elements 11 and n-type thermoelectric elements 12 are limited to the size reduction of thermoelectric elements because they are manufactured by cutting single crystal ingots or cutting polycrystalline pressurized bodies or hot extrusion bodies. All. Therefore, it is difficult to manufacture small thermoelectric modules using them, and thus there is a difficulty in constructing a small thermopile type infrared sensor.

상기와 같은 덩어리 형태의 열전소자(11,12)들을 사용하여 구성한 열전모듈의 문제점을 해결하기 위해 플래시 증착법(flash evaporation)이나 마그네트론 스퍼터링법으로 제작한 Bi2Te3계 p형 열전박막소자와 n형 열전박막소자들로 구성된 열전박막모듈이 개발되었다. 열전박막모듈을 구성하는 열전박막소자들은 기존 덩어리 형태의 열전소자들에 비해 크기를 훨씬 미세하게 만들 수 있다. 따라서 열전박막모듈의 크기를 기존 열전모듈에 비해 매우 작게 만들 수 있으며, 이에 따라 열전박막모듈을 사용하여 구성한 써모파일형 적외선 센서의 소형화가 가능하게 된다. Bi 2 Te 3 -type p-type thermoelectric thin film device manufactured by flash evaporation or magnetron sputtering to solve the problems of the thermoelectric module composed of the above-described lumped thermoelectric elements 11 and 12 and n A thermoelectric thin film module composed of thermoelectric thin film elements has been developed. The thermoelectric thin film elements constituting the thermoelectric thin film module can be made much finer than the conventional lumped thermoelectric elements. Therefore, the size of the thermoelectric thin film module can be made very small compared to the existing thermoelectric module, thereby miniaturizing the thermopile type infrared sensor configured using the thermoelectric thin film module.

그러나 상기한 플래시 증착법이나 마그네트론 스퍼터링법을 이용한 열전박막 모둘의 제조공정은 진공증착 장비의 가격이 비싸 공정 단가가 비싸며, 공정에 필요한 진공도에 도달할 때까지 시간이 오래 걸려 공정 속도가 느리고, 공정의 스케일 업이 어려워 대량 생산이 어렵다는 문제점이 있었다. However, the manufacturing process of the thermoelectric thin film module using the flash deposition method or the magnetron sputtering method is expensive because the cost of vacuum deposition equipment is expensive, and it takes a long time to reach the degree of vacuum required for the process. Difficult to scale up, there was a problem that mass production is difficult.

본 발명은 전술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 종래 기술의 플래시 증착법이나 마그네트론 스퍼터링법 대신에 도 2와 같이 전기도금법을 이용하여 형성한 Bi2Te3계 p형 열전박막소자(21)와 n형 열전박막소자(22)들로 구성된 열전박막모듈 및 그 제조방법을 제공한다. 특히 본 발명에서는 동일한 전기도금액 내에서 도금전류밀도를 조절함으로써 서로 조성이 다른 p형 열전박막소자(21)와 n형 열전박막소자(22)들을 형성하여 이루어지는 열전박막모듈 및 그 제조방법을 제공한다. The present invention is to solve the problems of the prior art as described above, Bi 2 Te 3 p-type thermoelectric thin film element formed using an electroplating method as shown in Figure 2 instead of the flash deposition method or the magnetron sputtering method of the prior art ( 21) and n-type thermoelectric thin film elements 22, and a method of manufacturing the same. In particular, the present invention provides a thermoelectric thin film module formed by forming p-type thermoelectric thin film elements 21 and n-type thermo thin film elements 22 having different compositions from each other by controlling the plating current density in the same electroplating solution, and a method of manufacturing the same. do.

본 발명에 의해 상기한 기존 기술인 플래시 증착법이나 마그네트론 스퍼터링법을 이용한 열전박막모듈 공정의 문제점들이 해결되어, 공정 속도가 빠르고 스케일 업이 용이하며 공정 비용이 낮은 Bi2Te3계 열전박막모듈의 제조방법을 제공하는 것이 가능하게 된다. According to the present invention, the problems of the thermoelectric thin film module process using the flash deposition method or the magnetron sputtering method described above are solved, and the manufacturing method of the Bi 2 Te 3 based thermo thin film module having a high process speed, easy scale-up, and low process cost is provided. It is possible to provide.

본 발명은 전기도금법을 이용한 열전박막모듈의 형성방법에 관한 것으로서 비스무스(Bi) 이온공급원과 텔류륨(Te) 이온공급원을 함유하는 전기도금액 또는 비스무스(Bi) 이온공급원, 안티모니(Sb) 이온공급원과 텔류륨(Te) 이온공급원을 함유하는 전기도금액에 p형 열전박막소자(21)와 n형 열전박막소자(22)들의 전기도금용 씨앗층(31)이 형성된 기판(23)을 담그는 단계와, 소정의 도금전류밀도를 가하여 p형 열전박막소자(21)를 전기도금으로 형성하는 단계와, 동일한 도금액 내에서 도금전류밀도를 변화시켜 n형 열전박막소자(22)를 전기도금으로 형성하는 단계와, 이들 p형 열전박막소자(21)와 n형 열전박막소자(22)들에 고온단 전극(24)과 저온단 전극(25)을 형성하는 단계를 포함한다. The present invention relates to a method of forming a thermoelectric thin film module using an electroplating method, comprising an electroplating solution or a bismuth (Bi) ion source and an antimony (Sb) ion containing a bismuth (Bi) ion source and a tellurium (Te) ion source. Immersion of the substrate 23 having the electroplating seed layer 31 of the p-type thermoelectric thin film element 21 and the n-type thermo thin film element 22 in an electroplating solution containing a source and a tellurium (Te) ion source. Forming the p-type thermoelectric thin film element 21 by electroplating by applying a predetermined plating current density, and forming the n-type thermoelectric thin film element 22 by electroplating by varying the plating current density in the same plating solution. And forming a high temperature end electrode 24 and a low temperature end electrode 25 on the p-type thermoelectric thin film elements 21 and n-type thermoelectric thin film elements 22.

조성이 서로 다른 Bi2Te3계 p형 열전박막소자(21)와 n형 열전박막소자(22)를 전기도금법으로 형성하기 위해서는 조성이 서로 다른 두 도금액을 사용하여 각기 Bi2Te3계 p형 열전박막소자(21)와 n형 열전박막소자(22)를 전기도금 하여야 한다. 이와 같은 경우 한 도금액에서 p형 열전박막소자(21)를 전기도금으로 형성한 후 n형 열전박막소자(22)를 도금하기 위해서는 기판(23)을 조성이 다른 n형 도금액으로 이동하여야 하는 공정상의 불편함이 있다. 기판(23)을 한 도금액에서 다른 도금액으로 이동할 때 세밀한 기판 세척이 요구되며, 그렇지 않은 경우 두번째 도금액에 첫번째 도금액이 혼입되어 원하는 특성의 지벡 계수를 갖는 열전박막소자가 형성되지 않는 문제점이 있다. In order to form Bi 2 Te 3 p-type thermoelectric thin film elements 21 and n type thermo thin film elements 22 having different compositions by electroplating, Bi 2 Te 3- based p-type p-types are formed using two plating solutions having different compositions. The thermoelectric thin film element 21 and the n-type thermoelectric thin film element 22 should be electroplated. In this case, in order to plate the n-type thermoelectric thin film element 22 after the p-type thermoelectric thin film element 21 is formed by electroplating in one plating solution, the substrate 23 must be moved to an n-type plating liquid having a different composition. There is discomfort. When the substrate 23 is moved from one plating solution to another, fine substrate cleaning is required. Otherwise, the first plating solution is mixed in the second plating solution, thereby preventing the formation of a thermoelectric thin film device having a Seebeck coefficient having desired characteristics.

반면에 본 발명에 따른 열전박막모듈 형성방법에서는 동일한 도금액 내에서 단순히 도금전류밀도를 변화시켜 조성이 서로 다른 Bi2Te3계 p형 열전박막소자(21)와 n형 열전박막소자(22)를 순차적으로 형성하는 방법으로, 공정상의 편리한 이점이 있다. On the other hand, in the method for forming a thermoelectric thin film module according to the present invention, Bi 2 Te 3 p-type thermoelectric thin film elements 21 and n-type thermo thin film elements 22 having different compositions by simply changing the plating current density in the same plating solution are used. By the method of forming sequentially, there exists a convenient advantage in process.

상기 비스무스 이온공급원, 텔류륨 이온공급원 및 안티모니 이온공급원이 될 수 있는 물질로는 전기도금에 통상적으로 사용가능한 어떠한 물질도 포함하며 특정한 종류의 물질로 한정될 것을 요하지 않는다. 비스무스 이온공급원이 될 수 있는 물질의 예로는 Bi2O3, Bi(NO3)3, Bi-EDTA 착물(complex), 금속 Bi 등이 있으며 텔류륨 이온공급원으로는 TeO2, 금속 Te 등이 있으며, 안티모니 이온공급원으로는 Sb2O3, SbCl3, 금속 Sb 등이 있다. 상기 이온공급원들을 포함하는 구체적인 도금액의 조성은 이 분야에 속하는 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 사항이며, 또한 원하는 p형 열전박막소자나 n형 열전박막소자의 조성에 따라 비스무스 이온이나, 텔류륨 이온 또는 안티모니 이온의 농도를 증가 또는 감소시킬 수 있을 것이다.The material which may be the bismuth ion source, the tellurium ion source and the antimony ion source includes any material commonly available for electroplating and is not required to be limited to a specific kind of material. Examples of the bismuth ion source may include Bi 2 O 3 , Bi (NO 3 ) 3 , Bi-EDTA complex, and metal Bi.Telelium ion sources include TeO 2 and metal Te. Antimony ion sources include Sb 2 O 3 , SbCl 3 , and metal Sb. The composition of the specific plating solution containing the ion sources is obvious to those of ordinary skill in the art, and depending on the composition of the desired p-type or n-type thermoelectric thin film device, bismuth ions or tellurium may be used. It may be possible to increase or decrease the concentration of ions or antimony ions.

또한 도금액의 pH 및 온도도 특정한 조건을 요하지는 아니한다. 본 발명의 실시예에서는 pH 2.0∼2.5 및 상온의 조건에서 p형 열전박막소자(21)와 n형 열전박막소자(22)의 전기도금을 실시하였으나, 이는 어디까지나 본 발명의 실시를 위한 하나의 바람직한 예에 블과할 뿐 도금액의 또 다른 pH와 온도 조건의 선택을 배제하는 것은 아니다. In addition, the pH and temperature of the plating liquid do not require specific conditions. In the embodiment of the present invention was carried out the electroplating of the p-type thermoelectric thin film element 21 and the n-type thermoelectric thin film element 22 under the conditions of pH 2.0 to 2.5 and room temperature, which is one of the embodiments for carrying out the present invention. This is just a preferred example and does not preclude the choice of another pH and temperature condition of the plating solution.

이와 같은 본 발명을 다음의 실시예에 의하여 설명하고자 한다. 그러나 이들이 본 발명의 권리를 한정하는 것은 아니다. This invention will be described by the following examples. However, these do not limit the rights of the present invention.

<실시예 1><Example 1>

Bi2Te3 p형 열전박막소자(21)와 n형 열전박막소자(22)를 전기도금으로 형성하기 위한 도금액으로 1M의 질산(HNO3) 용액에 비스무스(Bi) 이온농도와 텔류륨(Te) 이온농도가 각기 40mM과 10mM이 되도록 Bi2O3 분말과 TeO2 분말을 칭량하여 넣고 24시간 동안 교반하며 용해시켜 전기도금액을 만들었다. Bi 2 Te 3 p-type thermoelectric thin film elements 21 and n-type thermoelectric thin film elements 22 are electroplated to form bismuth (Bi) ion concentration and tellurium (Te) in a 1M nitric acid (HNO 3 ) solution. ) Bi 2 O 3 powder and TeO 2 so that ion concentration is 40mM and 10mM The powder was weighed and stirred for 24 hours to dissolve to form an electroplating solution.

상기와 같은 Bi2Te3 전기도금액에서 도금전류밀도를 0.1mA/cm2에서 5.5mA/cm2로 변화시키며 전기도금한 Bi2Te3 열전박막의 지벡 계수를 표 1에 나타내었다.Sikimyeo changing the plating current density in plating Bi 2 Te 3, such as the electricity to 5.5mA / cm 2 at 0.1mA / cm 2 exhibited a Seebeck coefficient of electroplating a Bi 2 Te 3 Thermoelectric thin film are shown in Table 1.

표 1. 도금전류밀도에 따른 Bi2Te3 열전박막의 지벡 계수 Table 1. Seebeck coefficient of Bi 2 Te 3 thermoelectric thin film according to plating current density

도금전류밀도 (mA/cm2)Plating Current Density (mA / cm 2 ) 0.10.1 0.50.5 1.51.5 2.52.5 4.54.5 5.55.5 지벡 계수 (㎶/K)Seebeck coefficient (㎶ / K) 8080 -106-106 -150-150 -118-118 108108 9898

표 1에서와 같이 비스무스 이온농도 40mM, 텔류륨 이온농도 10mM인 도금액에서 0.1mA/cm2의 낮은 도금전류밀도로 전기도금한 경우에는 양(+)의 지벡 계수를 갖는 p형 Bi2Te3 열전박막이 도금되었다. As shown in Table 1, when electroplating at a low plating current density of 0.1 mA / cm 2 in a plating solution having a bismuth ion concentration of 40 mM and a tellurium ion concentration of 10 mM, the p-type Bi 2 Te 3 having a positive Seebeck coefficient was obtained. The thermoelectric thin film was plated.

반면에 0,5mA/cm2에서 3.5mA/cm2 범위의 도금전류밀도를 인가하며 전기도금한 경우에는 표 1과 같이 음(-)의 지벡 계수를 갖는 n형 Bi2Te3 열전박막이 도금되었으며, 그 이유는 이와 같은 도금전류밀도 범위에서는 비스무스 이온보다 도금속도가 빠른 텔류륨 이온이 더 많이 전착되어 텔류륨 과잉 조성의 n형 Bi2Te3 열전박막이 형성되었기 때문이다. On the other hand, when plating current density is applied in the range of 0,5 mA / cm 2 to 3.5 mA / cm 2 and electroplated, n-type Bi 2 Te 3 with negative Seebeck coefficient as shown in Table 1 The thermoelectric thin film was plated, because in this plating current density range, tellurium ions having a faster plating rate than the bismuth ions were electrodeposited to form an n-type Bi 2 Te 3 thermoelectric thin film having a tellurium excess composition.

상기와 같은 Bi2Te3 도금액 내에서 도금전류밀도를 4.5mA/cm2 이상으로 증가시킨 경우에는 표 1과 같이 양(+)의 지벡 계수를 갖는 p형 Bi2Te3 열전박막이 도금되었으며, 그 이유는 이와 같이 높은 도금전류밀도의 조건에서는 도금액 내에 훨씬 많이 존재하는 비스무스 이온의 전착되는 양이 크게 증가하여 비스무스 과잉 조성의 p형 Bi2Te3 열전박막이 형성되었기 때문이다. Bi 2 Te 3 as above When the plating current density was increased to 4.5 mA / cm 2 or more in the plating solution, a p-type Bi 2 Te 3 thermoelectric thin film having a positive Seebeck coefficient was plated as shown in Table 1, and the reason for this was high plating. This is because the electrodeposited amount of bismuth ions much more present in the plating solution was greatly increased under the condition of the current density to form a p-type Bi 2 Te 3 thermoelectric thin film having a bismuth excess composition.

이와 같이 동일한 Bi2Te3 도금액에서 도금전류밀도를 조절함으로써 p형 열전박막소자와 n형 열전박막소자를 형성할 수 있다는 것을 이용하여, 본 실시예에서 동일한 Bi2Te3 도금액에서 p형 열전박막소자(21)와 n형 열전박막소자(22)를 전기도금하여 열전박막모듈을 구성하였다. 본 실시예의 제조공정의 모식도를 도 3에 나타내었다. Using that this way the same Bi 2 to form a p-type thermoelectric thin film element and the n-type thermoelectric thin film element by controlling the plating current density at Te 3 plating solution, p-type thermoelectric films on the same Bi 2 Te 3 plating solution in the present embodiment The element 21 and the n-type thermoelectric thin film element 22 were electroplated to constitute a thermoelectric thin film module. The schematic diagram of the manufacturing process of a present Example is shown in FIG.

열전박막모듈을 형성하기 위한 기판(23)으로 폴리이미드 필름을 아세톤, 알콜과 증류수를 사용하여 각기 30초씩 초음파 세척하고 질소가스를 불어주며 표면에 부착된 불순물을 제거하였다. As the substrate 23 for forming the thermoelectric thin film module, the polyimide film was ultrasonically cleaned for 30 seconds using acetone, alcohol, and distilled water, and blown with nitrogen gas to remove impurities attached to the surface.

상기 폴리이미드 필름 기판(23)을 스퍼터 챔버내 기판 홀더에 장착후 10-5∼ 10-6 토르의 진공상태에서 150℃의 온도로 30분간 유지하여 폴리이미드 필름 기판(23)에 흡착된 수분을 제거하였다. 폴리이미드 필름과 전기도금용 씨앗층(31)으로 스퍼터링할 티타늄(Ti) 박막 사이의 접착력을 향상시키기 위하여 폴리이미드 필름 기판(23)의 표면을 알곤(Ar) 가스를 사용하여 RF 스퍼터링 처리하였다. 상기와 같은 폴리이미드 기판(23) 표면에 도 3(a)와 같이 마그네트론 스퍼터링법으로 전기도금용 씨앗층(31)인 티타늄 박막을 1㎛ 두께로 형성하였다. 10 -5 to 10 -6 after attaching the polyimide film substrate 23 to the substrate holder in the sputter chamber The water adsorbed on the polyimide film substrate 23 was removed by maintaining the temperature at 150 ° C. for 30 minutes in a vacuum state of the tor. In order to improve the adhesion between the polyimide film and the titanium (Ti) thin film to be sputtered with the seed layer 31 for electroplating, the surface of the polyimide film substrate 23 was RF sputtered using argon (Ar) gas. On the surface of the polyimide substrate 23 as described above, a titanium thin film, which is the seed layer 31 for electroplating, was formed to have a thickness of 1 μm by the magnetron sputtering method as shown in FIG.

상기와 같이 전기도금용 씨앗층(31)으로 티타늄 박막을 형성한 폴리이미드 기판(23)에 사진식각법(photolithography)을 사용하여 도 3(b)와 같이 전기도금용 씨앗층(31)의 위치가 오픈(open)된 포토레지스트 패턴(32)을 형성하였다. Position of the seed layer 31 for electroplating as shown in FIG. 3 (b) by using photolithography on the polyimide substrate 23 on which the titanium thin film was formed as the seed layer 31 for electroplating as described above. Open photoresist pattern 32 was formed.

1M의 질산(HNO3) 용액에 비스무스(Bi) 이온농도와 텔류륨(Te) 이온농도가 각기 40mM과 10mM이 되도록 Bi2O3 분말과 TeO2 분말을 칭량하여 넣고 24시간 동안 교반하며 용해시켜 만든 전기도금액 내에 상기한 포토레지트 패턴(32)이 형성된 폴리이미드 기판(23)을 음극에 설치하고 백금전극을 양극으로 하여 하기와 같이 p형 Bi2Te3 열전박막소자(21)와 n형 열전박막소자(22)의 전기도금을 실시하였다.Bi 2 O 3 powder and TeO 2 in a concentration of 40mM and 10mM of bismuth (Bi) and tellurium (Te) ions in 1M nitric acid (HNO 3 ) solution, respectively The polyimide substrate 23 having the photoresist pattern 32 formed on the cathode was placed in the cathode in the electroplating solution prepared by weighing the powder and stirring for 24 hours to dissolve it. Electroplating of the Bi 2 Te 3 thermoelectric thin film element 21 and the n-type thermoelectric thin film element 22 was performed.

p형 열전박막소자(21)의 전기도금을 위한 티타늄 전기도금용 씨앗층(31)에 4.5mA/cm2의 전류를 인가하여 표 1과 같이 양(+)의 지벡 계수를 갖는 비스무스 과잉 조성의 p형 Bi2Te3 열전박막소자(21)를 도 3(c)와 같이 전기도금 하였다. p형 열전박막소자(21)의 전기도금이 완료된 후 n형 열전박막소자(22)의 전기도금을 위한 티타늄 전기도금용 씨앗층(31)에 1.5mA/cm2의 전류를 인가하여 표 1과 같이 음(-)의 지벡 계수를 갖는 텔류륨 과잉 조성의 n형 Bi2Te3 열전박막소자(22)를 도 3(d)와 같이 전기도금 하였다. By applying a current of 4.5 mA / cm 2 to the titanium electroplating seed layer 31 for electroplating the p-type thermoelectric thin film element 21, the bismuth excess composition having a positive Seebeck coefficient as shown in Table 1 was obtained. The p-type Bi 2 Te 3 thermoelectric thin film element 21 was electroplated as shown in FIG. 3 (c). After the electroplating of the p-type thermoelectric thin film element 21 is completed, a current of 1.5 mA / cm 2 is applied to the seed layer 31 for titanium electroplating for the electroplating of the n-type thermoelectric thin film element 22. Similarly, the n-type Bi 2 Te 3 thermoelectric thin film element 22 having a tellurium excess composition having a negative Seebeck coefficient was electroplated as shown in FIG. 3 (d).

상기와 같이 동일한 Bi2Te3 도금액 내에서 p형 열전박막소자(21)와 n형 열전박막소자(22)들을 전기도금으로 형성하고 도 3(e)와 같이 포토레지스트(32) 패턴을 제거한 후, 도 3(f)와 같이 p형 열전박막소자(21)와 n형 열전박막소자(22)들이 전기적으로는 직렬, 열적으로는 병렬연결이 되게 열전박막소자(21,22)들의 일단에는 고온단 전극(24)으로 열증착법을 이용하여 Ni-Cr 전극을 형성하였으며 다른 일단에는 저온단 전극(25)으로 마그네트론 스퍼터링법을 이용하여 알루미늄 전극을 형성 하여 열전박막모듈을 구성하였다. 상기와 같은 열전박막모듈에서 고온단 전극(24)인 Ni-Cr 전극이 형성된 부위는 적외선을 흡수하는 고온단이며, 저온단 전극(25)인 알루미늄 전극이 형성된 부위는 저온단이 된다. Same Bi 2 Te 3 as above After forming the p-type thermoelectric thin film elements 21 and the n-type thermoelectric thin film elements 22 in the plating solution by electroplating and removing the photoresist 32 pattern as shown in FIG. 3 (e), as shown in FIG. 3 (f). p-type thermoelectric thin film elements 21 and n-type thermoelectric thin film elements 22 are thermally deposited by high-temperature end electrodes 24 at one end of the thermal thin film elements 21 and 22 so that they are electrically connected in series and thermally in parallel. The Ni-Cr electrode was formed by using an aluminum electrode, and the other end was formed of an aluminum electrode using a magnetron sputtering method as a low temperature end electrode 25 to form a thermoelectric thin film module. In the thermoelectric thin film module as described above, a portion where the Ni-Cr electrode, which is the hot end electrode 24, is formed is a high temperature end that absorbs infrared rays, and a portion where the aluminum electrode, which is the low temperature end electrode 25, is formed is a low temperature end.

본 실시예에서는 고온단 전극(24)으로 작용하는 적외선 흡수전극으로 Ni-Cr 전극을 사용하였다. 본 발명에서는 이와 더불어 고온단 전극(24)으로 전기화학법으로 형성한 다공질 백금흑체(Pt black) 또는 저진공 질소 분위기에서 증착한 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 크롬(Cr), 니켈(Ni) 다공질 금속막 또는 이 금속들 중에서 선택된 어느 하나 이상의 금속을 함유하는 합금으로 이루어진 다공질 금속막을 사용하는 것도 가능하다. 본 실시예에서는 저온단 전극(25)으로 알루미늄 전극을 사용하였으나, 본 발명에서는 이와 더불어 저온단 전극(25)으로 금, 은, 백금, 구리, 크롬, 알루미늄, 니켈 박막 또는 이 금속들 중에서 선택된 어느 하나 이상의 금속을 함유하는 합금으로 이루어진 금속막을 사용하는 것도 가능하다. In this embodiment, a Ni-Cr electrode is used as the infrared absorption electrode serving as the high temperature end electrode 24. In the present invention, the porous platinum black body (Pt black) formed by the electrochemical method with the high temperature end electrode 24 or gold (Au), silver (Ag), platinum (Pt), aluminum (deposited in a low vacuum nitrogen atmosphere) It is also possible to use a porous metal film made of Al), copper (Cu), chromium (Cr), nickel (Ni) porous metal film or an alloy containing any one or more metals selected from these metals. In the present embodiment, an aluminum electrode is used as the low temperature end electrode 25, but in the present invention, as the low temperature end electrode 25, a gold, silver, platinum, copper, chromium, aluminum, nickel thin film or any one selected from these metals is used. It is also possible to use metal films made of alloys containing at least one metal.

본 실시예에서는 하나의 p형 열전박막소자(21)와 하나의 n형 열전박막소자(22)로 열전박막모듈을 구성하였다. 이와 더불어 본 발명에서는 동일한 Bi2Te3 도금액 내에서 여러 개의 p형 열전박막소자들 및 p형 열전박막소자들과 동일한 개수의 n형 열전박막소자들을 전기도금으로 형성하여 열전박막모듈을 구성하는 것도 가능하다. In this embodiment, the thermoelectric thin film module is composed of one p-type thermoelectric thin film element 21 and one n-type thermoelectric thin film element 22. In addition, in the present invention, the same Bi 2 Te 3 It is also possible to form a thermoelectric thin film module by forming the same number of n-type thermoelectric thin film elements as the p-type thermoelectric thin film elements and the p-type thermo thin film elements in the plating solution by electroplating.

본 실시예에서는 Bi2Te3 p형 열전박막소자(21)와 n형 열전박막소자(22)를 전 기도금하기 위한 전기도금용 씨앗층(31)으로 티타늄(Ti)을 사용하였다. 이와 더불어 본 발명에서는 전기도금용 씨앗층으로 전기전도체인 티타늄(Ti), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 철(Fe), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W) 중에서 선택된 어느 한 금속을 사용하는 것도 가능하며, 이들 중에서 선택된 둘이나 그 이상의 금속들을 함유하는 합금을 사용하는 것도 가능하다. 또한 상기 티타늄(Ti), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 철(Fe), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W) 중에서 선택된 둘이나 그 이상의 금속들로 이루어진 다층구조의 전기도금용 씨앗층을 사용하는 것도 가능하다. In the present embodiment, titanium (Ti) was used as the seed layer 31 for electroplating the Bi 2 Te 3 p-type thermoelectric thin film element 21 and the n-type thermoelectric thin film element 22. In addition, in the present invention, as the seed layer for electroplating, electrical conductors titanium (Ti), copper (Cu), aluminum (Al), platinum (Pt), gold (Au), silver (Ag), iron (Fe), nickel It is also possible to use any metal selected from (Ni), chromium (Cr), tantalum (Ta) and tungsten (W), and it is also possible to use an alloy containing two or more metals selected from these. In addition, the titanium (Ti), copper (Cu), aluminum (Al), platinum (Pt), gold (Au), silver (Ag), iron (Fe), nickel (Ni), chromium (Cr), tantalum (Ta) ), It is also possible to use a seed layer for multi-layer electroplating consisting of two or more metals selected from tungsten (W).

본 발명에서 상기 전기도금용 씨앗층(31)을 형성하는 방법으로는 본 실시예에 의한 스퍼터링법을 포함하여 진공증착, 전해도금, 무전해도금, 스크린프린팅, 전자빔 증착, 화학기상증착, MBE를 포함하여 어떠한 박막형성법이나 코팅법의 사용도 가능하다. In the present invention, the method for forming the seed layer 31 for electroplating includes vacuum deposition, electroplating, electroless plating, screen printing, electron beam deposition, chemical vapor deposition, MBE, including the sputtering method according to the present embodiment. Any thin film formation method or coating method can be used.

본 실시예에서는 Bi2Te3 p형 열전박막소자(21)와 n형 열전박막소자(22)를 전기도금하여 열전박막모듈을 구성하기 위한 기판(23)으로 폴리이미드 필름을 사용하였다. 이와 더불어 본 발명에서는 열전박막모듈을 구성하기 위한 기판으로 테프론이나 플라스틱 등의 고분자 기판과 알루미나, 질화 알루미늄, 실리콘 카바이드, 산화 실리콘(SiO2) 등의 세라믹 기판과 실리콘(Si) 웨이퍼의 사용이 가능하다. In the present embodiment, a polyimide film was used as the substrate 23 for forming the thermoelectric thin film module by electroplating the Bi 2 Te 3 p type thermoelectric thin film element 21 and the n type thermoelectric thin film element 22. In addition, in the present invention, a substrate for constituting the thermoelectric thin film module may be a polymer substrate such as Teflon or plastic, a ceramic substrate such as alumina, aluminum nitride, silicon carbide, silicon oxide (SiO 2 ), and a silicon (Si) wafer. Do.

본 실시예에서는 동일한 Bi2Te3 도금액 내에서 p형 열전박막소자를 전기도금으로 형성한 후 도금전류밀도를 바꾸어 n형 열전박막소자를 전기도금하였다. 이와 더불어 본 발명에서는 동일한 Bi2Te3 도금액 내에서 먼저 n형 열전박막소자를 전기도금으로 형성한 후 도금전류밀도를 바꾸어 p형 열전박막소자를 전기도금하는 것도 가능하다. In this embodiment, the same Bi 2 Te 3 After the p-type thermoelectric thin film element was formed by electroplating in the plating solution, the n-type thermoelectric thin film element was electroplated by changing the plating current density. In addition, in the present invention, the same Bi 2 Te 3 It is also possible to electroplat the p-type thermoelectric thin film element by first forming the n-type thermoelectric thin film element by electroplating in the plating solution and then changing the plating current density.

본 실시예에서는 기판(23)에 사진식각법을 사용하여 전기도금용 씨앗층(31)의 위치가 오픈(open)된 포토레지스트 패턴(32)을 형성한 후, p형 열전박막소자(21)와 n형 열전박막소자(22)를 전기도금하였다. 이와 더불어 본 발명에서는 상기와 같은 포토레지스트 패턴(32)을 형성하지 않고 전기도금용 씨앗층(31)에 도금전류밀도를 인가하여 p형 열전박막소자(21)와 n형 열전박막소자(22)를 전기도금으로 형성하여 열전박막모듈을 구성하는 것도 가능하다. In this embodiment, after forming the photoresist pattern 32 in which the position of the seed layer 31 for electroplating is opened on the substrate 23 by using a photolithography method, the p-type thermoelectric film element 21 is formed. And n-type thermoelectric thin film elements 22 were electroplated. In addition, in the present invention, the plating current density is applied to the seed layer 31 for electroplating without forming the photoresist pattern 32 as described above, thereby forming the p-type thermoelectric thin film element 21 and the n-type thermoelectric thin film element 22. It is also possible to form a thermoelectric thin film module by forming an electroplating.

<실시예 2><Example 2>

동일한 (Bi,Sb)2Te3 도금액 내에서 p형 열전박막소자(21)와 n형 열전박막소자(22)를 전기도금하기 위한 도금액으로 5M의 질산(HNO3) 용액에 비스무스(Bi) 이온농도, 안티모니(Sb) 이온농도와 텔류륨(Te) 이온농도가 각기 5mM, 15mM과 10mM이 되도록 Bi2O3 분말, Sb2O3' 분말과 TeO2 분말을 칭량하여 넣고 24시간 동안 교반하며 용해시키고 도금 첨가제로 60mM 농도가 되도록 EDTA를 첨가하여 전기도금액을 만들었다. 상기와 같은 (Bi,Sb)2Te3 전기도금액에서 전류밀도를 0.3mA/cm2에서 1.5mA/cm2로 변화시키며 전기도금한 (Bi,Sb)2Te3 열전박막의 지벡 계수를 표 2에 나타내었다.Bismuth (Bi) ions in a 5M nitric acid (HNO 3 ) solution as a plating solution for electroplating the p-type thermoelectric thin film element 21 and the n-type thermoelectric thin film element 22 in the same (Bi, Sb) 2 Te 3 plating solution. Bi 2 O 3 powder, Sb 2 O 3 ' powder and TeO 2 so that the concentration, antimony (Sb) ion and tellurium (Te) ion concentration are 5mM, 15mM and 10mM, respectively. The powder was weighed, stirred for 24 hours, dissolved, and an electroplating solution was made by adding EDTA to a concentration of 60 mM as a plating additive. And the like (Bi, Sb) 2 Te 3 electroplating sikimyeo change in the current density to 1.5mA / cm 2 at 0.3mA / cm 2 electroplating a (Bi, Sb) 2 Te 3 Table the Seebeck coefficient of the thermoelectric films 2 is shown.

표 2. 도금전류밀도에 따른 (Bi,Sb)2Te3 열전박막의 지벡 계수 Table 2. Seebeck coefficient of (Bi, Sb) 2 Te 3 thermoelectric thin film according to plating current density

도금전류밀도 (mA/cm2)Plating Current Density (mA / cm 2 ) 0.30.3 0.50.5 0.60.6 0.70.7 1.01.0 1.51.5 지벡 계수 (㎶/K)Seebeck coefficient (㎶ / K) 139139 150150 112112 8282 -124-124 -110-110

표 2와 같이 비스무스 이온농도 5mM, 안티모니 이온농도 15mM, 텔류륨 이온농도 10mM인 도금액에서 0.3mA/cm2∼0.7mA/cm2 범위의 도금전류밀도를 인가하며 도금한 박막은 양(+)의 지벡 계수를 나타내어 p형 (Bi,Sb)2Te3 열전박막이 도금되었다. 이와 같은 이유는 0.3mA/cm2에서 0.7mA/cm2 범위의 전류밀도에서는 도금액 내에 더 많이 존재하는 비스무스 이온과 안티모니 이온이 텔류륨 이온보다 더 많이 전착되어 p형 (Bi,Sb)2Te3 열전박막이 형성되었기 때문이다. 반면에 1.0mA/cm2 이상의 도금전류밀도를 인가한 경우에는 음(-)의 지벡 계수를 나타내어 n형 열전박막이 도금되었으며, 이는 도금속도가 빠른 텔류륨 이온이 더 많이 전착되어 텔류륨 과잉 조성의 n형 열전박막이 형성되었기 때문이다. As shown in Table 2, a bismuth ion concentration of 5mM, applying a plating current density of the antimony ion concentration 15mM, 10mM Tel ryuryum ion concentration of 0.3mA / cm 2 ~0.7mA / cm 2 range in the plating solution, and a thin film coating is a positive (+) Represents the Seebeck coefficient of p-type (Bi, Sb) 2 Te 3 The thermoelectric thin film was plated. The reason for this is that at current densities ranging from 0.3 mA / cm 2 to 0.7 mA / cm 2 , more bismuth ions and antimony ions in the plating solution are electrodeposited than tellurium ions, resulting in p-type (Bi, Sb) 2 Te 3 This is because a thermoelectric thin film is formed. 1.0 mA / cm 2 on the other hand When the above plating current density was applied, the n-type thermoelectric thin film was plated by exhibiting a negative Seebeck coefficient, which was more electrodeposited by the faster tellurium ions to form an n-type thermoelectric thin film having a tellurium excess composition. Because

이와 같이 동일한 (Bi,Sb)2Te3 도금액에서 도금전류밀도를 조절함으로써 p형 열전박막소자와 n형 열전박막소자를 형성할 수 있다는 것을 이용하여, 본 실시예에서 동일한 (Bi,Sb)2Te3 도금액에서 p형 열전박막소자(21)와 n형 열전박막소자(22)를 전기도금하여 열전박막모듈을 구성하였다. Like this (Bi, Sb) 2 Te 3 By controlling the plating current density in the plating solution, the p-type thermoelectric thin film element 21 can be formed from the same (Bi, Sb) 2 Te 3 plating solution in the present embodiment by using the p-type thermal thin film element and the n-type thermal thin film element. ) And n-type thermoelectric thin film elements 22 were electroplated to constitute a thermoelectric thin film module.

열전박막모듈을 형성하기 위한 기판(23)으로 폴리이미드 필름을 아세톤, 알콜 및 증류수를 사용하여 각기 30초씩 초음파 세척하고 질소가스를 불어주어 건조시키며 표면에 부착된 불순물을 제거하였다. As a substrate 23 for forming the thermoelectric thin film module, the polyimide film was ultrasonically washed with acetone, alcohol, and distilled water for 30 seconds each, blown with nitrogen gas to dry, and impurities removed from the surface were removed.

상기 폴리이미드 필름 기판(23)을 스퍼터 챔버내 기판 홀더에 장착후 10-5∼ 10-6 토르의 진공상태에서 150℃의 온도로 30분 유지하여 폴리이미드 필름 기판(23)에 흡착된 수분을 제거하였다. 폴리이미드 필름 기판(23)의 표면을 알곤(Ar) 가스를 사용하여 RF 스퍼터링 처리한 후, 폴리이미드 기판(23) 표면에 도 3(a)와 같이 마그네트론 스퍼터링법으로 전기도금용 씨앗층(31)인 티타늄 박막을 1㎛ 두께로 형성하였다. 10 -5 to 10 -6 after attaching the polyimide film substrate 23 to the substrate holder in the sputter chamber The water adsorbed on the polyimide film substrate 23 was removed by maintaining the temperature at 150 ° C. for 30 minutes in a vacuum of the tor. After RF sputtering the surface of the polyimide film substrate 23 using argon (Ar) gas, the seed layer 31 for electroplating on the surface of the polyimide substrate 23 by magnetron sputtering as shown in FIG. ) Was formed to a thickness of 1㎛.

상기와 같이 티타늄 전기도금용 씨앗층(31)을 형성한 폴리이미드 기판(23)에 사진식각법(photolithography)을 사용하여 도 3(b)와 같이 전기도금용 씨앗층(31)의 위치가 오픈(open)된 포토레지스트 패턴(32)을 형성하였다. The position of the electroplating seed layer 31 is opened as shown in FIG. 3 (b) by using photolithography on the polyimide substrate 23 having the titanium electroplating seed layer 31 as described above. An open photoresist pattern 32 was formed.

5M의 질산(HNO3) 용액에 비스무스(Bi) 이온농도, 안티모니(Sb) 이온농도와 텔류륨(Te) 이온농도가 각기 5mM, 15mM과 10mM이 되도록 Bi2O3 분말, Sb2O3' 분말과 TeO2 분말을 칭량하여 넣고, 도금 첨가제로 60mM 농도가 되도록 EDTA를 첨가하여 만든 전기도금액 내에 상기한 포토레지트 패턴(32)이 형성된 폴리이미드 필름 기판(23)을 음극에 설치하고 백금전극을 양극으로 하여 하기와 같이 p형 열전박막소 자(21)과 n형 열전박막소자(22)의 전기도금을 실시하였다.Bi 2 O 3 powder, Sb 2 O 3 in 5M nitric acid (HNO 3 ) solution, so that bismuth (Bi) ion concentration, antimony (Sb) ion concentration and tellurium (Te) ion concentration are 5mM, 15mM and 10mM, respectively ' Weigh the powder and TeO 2 powder, and install the polyimide film substrate 23 having the photoresist pattern 32 described above in the cathode in an electroplating solution made by adding EDTA to a concentration of 60 mM as a plating additive. Electroplating of the p-type thermoelectric thin film element 21 and the n-type thermoelectric thin film element 22 was carried out using the platinum electrode as an anode as follows.

p형 열전박막소자(21)의 전기도금을 위한 티타늄 전기도금용 씨앗층(31)에 0.5mA/cm2의 전류를 인가하여 표 2와 같이 양(+)의 지벡 계수를 갖는 p형 (Bi,Sb)2Te3 열전박막소자(21)를 도 3(c)와 같이 전기도금 하였다. p형 (Bi,Sb)2Te3 열전박막소자(21)의 전기도금이 완료된 후 n형 열전박막소자(22)의 전기도금을 위한 티타늄 전기도금용 씨앗층(31)에 1.0mA/cm2의 전류를 인가하여 표 2와 같이 음(-)의 지벡 계수를 갖는 n형 열전박막소자(22)를 도 3(d)와 같이 전기도금 하였다. A p-type (Bi) having a positive Seebeck coefficient as shown in Table 2 by applying a current of 0.5 mA / cm 2 to the seed layer 31 for titanium electroplating for electroplating the p-type thermal thin film element 21. , Sb) The 2 Te 3 thermoelectric thin film element 21 was electroplated as shown in FIG. 3 (c). p-type (Bi, Sb) 2 Te 3 After the electroplating of the thermoelectric thin film element 21 is completed, a current of 1.0 mA / cm 2 is applied to the seed layer 31 for titanium electroplating for electroplating the n-type thermoelectric thin film element 22, as shown in Table 2 below. An n-type thermoelectric thin film element 22 having a Seebeck coefficient of (−) was electroplated as shown in FIG. 3 (d).

상기와 같이 동일한 (Bi,Sb)2Te3 도금액 내에서 p형 열전박막소자(21)와 n형 열전박막소자(22)들을 전기도금으로 형성하고 도 3(e)와 같이 포토레지스트 패턴(32)을 제거한 후, 도 3(f)와 같이 p형 열전박막소자(21)와 n형 열전박막소자(22)들이 전기적으로는 직렬, 열적으로는 병렬연결이 되게 열전박막소자(21,22)들의 일단에는 고온단 전극(24)으로 열증착법을 이용하여 Ni-Cr 전극을 형성하였으며 다른 일단에는 저온단 전극(25)으로 마그네트론 스퍼터링법을 이용하여 알루미늄 전극을 형성하여 열전박막모듈을 구성하는 것이 가능하였다. Same as above (Bi, Sb) 2 Te 3 After forming the p-type thermoelectric thin film elements 21 and the n-type thermoelectric thin film elements 22 in the plating solution by electroplating and removing the photoresist pattern 32 as shown in FIG. 3 (e), as shown in FIG. 3 (f). p-type thermoelectric thin film elements 21 and n-type thermoelectric thin film elements 22 are thermally deposited by high-temperature end electrodes 24 at one end of the thermal thin film elements 21 and 22 so that they are electrically connected in series and thermally in parallel. The Ni-Cr electrode was formed using the low-temperature electrode 25 and the aluminum electrode was formed using the magnetron sputtering method as the low-temperature end electrode 25 to form a thermoelectric thin film module.

본 발명에 의해 p형 열전박막소자와 n형 열전박막소자들을 서로 다른 두 도금액에서 각기 도금하는 것이 아니라 한 도금액에서 도금전류밀도를 변화시켜 p형 열전박막소자와 n형 열전박막소자들을 전기도금하여 열전박막모듈을 구성함으로써, 소형화된 비스무스 테류라이드계 열전박막모듈을 빠른 공정속도와 낮은 공정비용으로 형성할 수 있는 공정상의 이점이 있다. According to the present invention, instead of plating the p-type thermoelectric thin film elements and the n-type thermoelectric thin film elements in two different plating liquids, the plating current density is changed in one plating liquid, thereby electroplating the p-type thermal thin film elements and the n-type thermoelectric thin film elements. By constructing the thermoelectric thin film module, there is a process advantage that the miniaturized bismuth fluoride-based thermoelectric thin film module can be formed at a high process speed and a low process cost.

Claims (10)

비스무스(Bi) 이온공급원과 텔류륨(Te) 이온공급원을 함유하는 전기도금액 에 p형 열전박막소자와 n형 열전박막소자들의 전기도금용 씨앗층이 형성된 기판을 담그는 단계와, p형 열전박막소자의 전기도금용 씨앗층에 소정의 도금전류밀도를 가하여 p형 열전박막소자를 전기도금으로 형성하는 단계와, 동일한 도금액 내에서 도금전류밀도를 변화시키고 n형 열전박막소자의 전기도금용 씨앗층에 인가하여 n형 열전박막소자를 전기도금으로 형성하는 단계와, 이들 p형 열전박막소자와 n형 열전박막소자들에 고온단 전극과 저온단 전극을 형성하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열전박막모듈의 제조방법. Dipping a substrate having a p-type thermal thin film element and a seed layer for electroplating n-type thermo thin film elements in an electroplating solution containing a bismuth (Bi) ion source and a tellurium (Te) ion source; Forming a p-type thermoelectric thin film element by electroplating by applying a predetermined plating current density to the electroplating seed layer of the device, changing the plating current density in the same plating solution, and electroplating seed layer of the n-type thermal thin film element Forming an n-type thermoelectric thin film element by electroplating, and forming a hot end electrode and a low temperature end electrode on the p-type thermoelectric thin film element and the n-type thermoelectric thin film elements. Module manufacturing method. 비스무스(Bi) 이온공급원, 안티모니(Sb) 이온공급원과 텔류륨(Te) 이온공급원을 함유하는 전기도금액에 p형 열전박막소자와 n형 열전박막소자들의 전기도금용 씨앗층이 형성된 기판을 담그는 단계와, p형 열전박막소자의 전기도금용 씨앗층에 소정의 도금전류밀도를 가하여 p형 열전박막소자를 전기도금으로 형성하는 단계와, 동일한 도금액 내에서 도금전류밀도를 변화시키고 n형 열전박막소자의 전기도금용 씨앗층에 인가하여 n형 열전박막소자를 전기도금으로 형성하는 단계와, 이들 p형 열전박막소자와 n형 열전박막소자들에 고온단 전극과 저온단 전극을 형성하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열전박막모듈의 제조방법. A substrate having a seed layer for electroplating p-type thin film elements and n-type thin film elements in an electroplating solution containing a bismuth (Bi) ion source, an antimony (Sb) ion source, and a tellurium (Te) ion source. Dipping and applying a predetermined plating current density to the electroplating seed layer of the p-type thermoelectric thin film element to form the p-type thermoelectric thin film element by electroplating; varying the plating current density in the same plating solution and changing the n-type thermoelectric Forming an n-type thermoelectric thin film element by electroplating by applying it to an electroplating seed layer of the thin film element, and forming a hot end electrode and a low temperature end electrode on the p-type thermoelectric thin film element and the n-type thermoelectric thin film element. Method for producing a thermoelectric thin film module, characterized in that consisting of. 상기 청구항 1에 있어서, 고온단 전극으로는 Ni-Cr 막, 다공질 백금흑체(Pt black) 또는 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 크롬(Cr), 니켈(Ni)의 다공질 금속막 또는 이 금속들 중에서 선택된 어느 하나 이상의 금속을 함유하는 합금으로 이루어진 다공질 금속막을 사용하며, 저온단 전극으로는 알루미늄, 금, 은, 백금, 구리, 크롬, 니켈 금속막 또는 이 금속들 중에서 선택된 어느 하나 이상의 금속을 함유하는 합금으로 이루어진 금속막을 사용하는 것을 특징으로 하는 열전박막모듈의 제조방법. The method according to claim 1, wherein the high-temperature end electrode is a Ni-Cr film, porous platinum black body (Pt black) or gold (Au), silver (Ag), platinum (Pt), aluminum (Al), copper (Cu), chromium A porous metal film made of (Cr), a porous metal film of nickel (Ni) or an alloy containing at least one metal selected from these metals is used, and as the low-temperature electrode, aluminum, gold, silver, platinum, copper, chromium And a nickel metal film or a metal film made of an alloy containing at least one metal selected from these metals. 상기 청구항 2에 있어서, 고온단 전극으로는 Ni-Cr 막, 다공질 백금흑체(Pt black) 또는 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 크롬(Cr), 니켈(Ni)의 다공질 금속막 또는 이 금속들 중에서 선택된 어느 하나 이상의 금속을 함유하는 합금으로 이루어진 다공질 금속막을 사용하며, 저온단 전극으로는 알루미늄, 금, 은, 백금, 구리, 크롬, 니켈 금속막 또는 이 금속들 중에서 선택된 어느 하나 이상의 금속을 함유하는 합금으로 이루어진 금속막을 사용하는 것을 특징으로 하는 열전박막모듈의 제조방법. The method according to claim 2, wherein the high-temperature end electrode is a Ni-Cr film, porous platinum black body (Pt black) or gold (Au), silver (Ag), platinum (Pt), aluminum (Al), copper (Cu), chromium A porous metal film made of (Cr), a porous metal film of nickel (Ni) or an alloy containing at least one metal selected from these metals is used, and as the low-temperature electrode, aluminum, gold, silver, platinum, copper, chromium And a nickel metal film or a metal film made of an alloy containing at least one metal selected from these metals. 상기 청구항 1에 있어서, p형 열전박막소자와 n형 열전박막소자의 전기도금용 씨앗층이 전기전도체인 티타늄(Ti), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 철(Fe), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W) 중에서 선택된 어느 한 금속으로 이루어지거나, 이들 중에서 선택된 둘이나 그 이상의 금속들을 함유하는 합금으로 이루어지거나, 이들 중에서 선택된 둘이나 그 이상의 다층구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 열전박막모듈의 제조방법. The method according to claim 1, wherein the seed layer for electroplating the p-type thermal thin film device and the n-type thermal thin film device is titanium (Ti), copper (Cu), aluminum (Al), platinum (Pt), gold (Au) ), Silver (Ag), iron (Fe), nickel (Ni), chromium (Cr), tantalum (Ta), tungsten (W), or any one metal selected from, or containing two or more metals selected from A method of manufacturing a thermoelectric thin film module comprising an alloy or two or more multilayer structures selected from them. 상기 청구항 2에 있어서, p형 열전박막소자와 n형 열전박막소자의 전기도금용 씨앗층이 전기전도체인 티타늄(Ti), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 철(Fe), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W) 중에서 선택된 어느 한 금속으로 이루어지거나, 이들 중에서 선택된 둘이나 그 이상의 금속들을 함유하는 합금으로 이루어지거나, 이들 중에서 선택된 둘이나 그 이상의 다층구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 열전박막모듈의 제조방법. The method according to claim 2, wherein the seed layer for electroplating the p-type thermal thin film device and the n-type thermal thin film device is titanium (Ti), copper (Cu), aluminum (Al), platinum (Pt), gold (Au) ), Silver (Ag), iron (Fe), nickel (Ni), chromium (Cr), tantalum (Ta), tungsten (W), or any one metal selected from, or containing two or more metals selected from A method of manufacturing a thermoelectric thin film module comprising an alloy or two or more multilayer structures selected from them. 상기 청구항 1에 있어서, p형 열전박막소자와 n형 열전박막소자를 전기도금하여 열전박막모듈을 구성하기 위한 기판으로 고분자 기판이나 세라믹 기판 또는 실리콘(Si) 웨이퍼를 사용하는 것을 특징으로 하는 열전박막모듈의 제조방법. The thermoelectric thin film according to claim 1, wherein a polymer substrate, a ceramic substrate, or a silicon (Si) wafer is used as a substrate for forming the thermoelectric thin film module by electroplating the p-type thermoelectric thin film element and the n-type thermoelectric thin film element. Module manufacturing method. 상기 청구항 2에 있어서, p형 열전박막소자와 n형 열전박막소자를 전기도금하여 열전박막모듈을 구성하기 위한 기판으로 고분자 기판이나 세라믹 기판 또는 실리콘(Si) 웨이퍼를 사용하는 것을 특징으로 하는 열전박막모듈의 제조방법. The thermoelectric thin film according to claim 2, wherein a polymer substrate, a ceramic substrate, or a silicon (Si) wafer is used as a substrate for forming a thermoelectric thin film module by electroplating the p-type thin film thin film element and the n-type thermo thin film thin film element. Module manufacturing method. 상기 청구항 1에 있어서, 동일한 도금액 내에서 먼저 n형 열전박막소자를 전기도금으로 형성한 후 도금전류밀도를 바꾸어 p형 열전박막소자를 전기도금하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 열전박막모듈의 제조방법.The method according to claim 1, wherein the n-type thermoelectric thin film element is first formed by electroplating in the same plating solution, and then the plating current density is changed to electroplat the p-type thermo thin film element. 상기 청구항 2에 있어서, 동일한 도금액 내에서 먼저 n형 열전박막소자를 전기도금으로 형성한 후 도금전류밀도를 바꾸어 p형 열전박막소자를 전기도금하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 열전박막모듈의 제조방법.The method according to claim 2, wherein the n-type thermoelectric thin film element is first formed by electroplating in the same plating solution, and then the plating current density is changed to electroplat the p-type thin film thin film element.
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