• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
• /
• 2013.02a
• /
• pp.589-589
• /
• 2013

열전재료는 제백효과(Seebeck effect)에 의해 폐열을 전기에너지로 변환시킬 수 있는 소재로서, 기존의 열전재료가 나노수준으로 크기가 줄어들 경우 양자제한효과에 의한 제백계수의 증가와 표면산란에 의한 열전도도 감소로 인해 벌크재료에 비해 높은 에너지변환효율을 가질 수 있을 것으로 기대되고 있다. 에너지 변환효율은 열전성능계수인 $ZT=S2{\sigma}T/k$로 정의되며 따라서 우수한 열전재료는 높은 제백계수 S와, 높은 전기전도도 ${\sigma}$ 및 낮은 열전도도 k를 갖는 재료여야 한다. 그러나 나노소재는 낮은 측정 신호와 측정소자준비가 어려워 기존 측정시스템으로는 원활한 측정이 어렵다. 특히 열전도도의 경우 나노소재 자체의 열전도 보다 나노소재 주변 구조에 의한 열전도가 큰 경우 정확한 열전도도 평가가 어렵다. 본 연구에서는 나노선의 열전물성을 평가하기 위해 MEMS기반 기술을 이용하여 열전물성 측정플랫폼(MEMS-based thermoelectric measurement platform, MTMP)을 개발하였다. 개발 된 MTMP는 얇은 Si nitride 브릿지들이 허공에 떠 있는 두 개의 아일랜드 형태의 멤브레인 구조를 지지하는 형태로 제작되었으며, 한 쪽 아일랜드구조 위에는 나노히터가 있어 두 아일랜드 구조 사이에 온도구배를 만들 수 있도록 제작되었다. 제작된 멤브레인을 이용하여 전기화학적인 방법으로 합성한 Bi-Te계 나노선의 S, ${\sigma}$ 그리고 k를 측정하였다. 측정결과 화학양론적 미세구조를 갖는 단결정 Bi2Te3 나노선은 300 K의 측정온도에서 $S=-57{\mu}V/K$, ${\sigma}=3.9{\times}10^5S/m$, k=2.0 W/m-K의 측정 값으로 ZT=0.19였다. 본 연구에서 개발한 MTMP는 나노선 뿐만 아니라 나노플레이트의 열전 측정에도 활용할 수 있는 구조로서 나노열전소재 측정에 널리 활용될 수 있다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
• /
• 2016.02a
• /
• pp.253-253
• /
• 2016

최근 세계적으로 대체 에너지는 중요한 이슈가 되고 있으며 그 중 열전 재료는 유망한 에너지 기술로서 주목 받고 있다. 특히 고 직접화 전자 소자의 발열 문제를 해결하기 위해, 소형화와 정밀 온도 제어가 가능한 박막형 열전 소자에 연구가 주목 받고 있다. 박막형 열전소자 중 산화물 반도체계에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 이러한 산화물 반도체계 중 In2O3는 BiTe, PbTe 등의 기존의 재료에 비해 독성이 낮을 뿐만 아니라 내 산화성 및 고온에서 열적 안정성이 우수하여 고온에서 적용 불가능한 금속계 열전 재료의 한계를 극복 할 수 있다는 장점을 가진다. 우수한 성능 가장 낮은 캐리어 밀도를 가지기 때문에 의 열전 재료는 높은 전기 전도도 및 제백 계수 그리고 낮은 열전도도 특성을 가져야만 한다. IZO:Sn(Zn 10 wt.%, Sn 800 ppm) 박막의 경우, 높은 전기 전도성을 가지면서 비정질 구조를 가진다. 이와 같이 비정질 구조를 가지는 박막 열전 재료는 격자에 의한 열 전도도가 낮기 때문에 결정질 구조에 비해 전체 열 전도도 값이 낮을 것으로 기대된다. 따라서 높은 전기 전도도를 가지면서 동시에 낮은 열 전도도를 가지게 되어 우수한 열전 특성을 가질 것이라 예상된다. 이러한 특성을 바탕으로 본 연구에서는 비정질 구조를 갖는 Zn와 미량의 Sn을 동시에 첨가한 In2O3박막의 전기적 특성및 열전 특성을 관찰하고자 한다. 본 연구에서는 magnetron sputtering법으로 IZO:Sn(Zn 10 wt.%, Sn 800 ppm) 타깃을 이용하여 기판 가열없이 DC Power 70 W, 작업 압력 0.7 Pa으로 SiO2 기판 위에 $400{\pm}20nm$ 두께의 박막을 증착하였다. 이러한 공정으로 만들어진 박막은 대기 중 후 열처리를 각각의 200, 300, 400, 500, $600^{\circ}C$ 온도에서 진행하였다. 박막의 미세 구조는 XRD를 통해 관찰하였다. 그리고 박막의 전기적 특성은 Hall effect measurement을 통해 측정하였고, 열전 특성은 Seebeck 상수의 측정을 통하여 평가하였다. XRD 확인 결과 RT에서 증착한 박막과 후 열처리 200, 300, 400, $500^{\circ}C$ 결과 비정질 구조를 보였고, 후열처리 $600^{\circ}C$에서는 결정의 회절 피크를 보였다. 전기적 특성의 경우, 후 열처리 온도가 증가함에 따라 전기 전도도는 감소한다. 이는 공기중의 산소가 박막에 침투하여 oxygen vacancy를 막아 캐리어 밀도가 감소한것에 기인 된 것으로 판단된다. 열전 특성의 경우 제백상수는 후 열처리 $600^{\circ}C$에서 가장 높은 제백상수를 나타낸다. 제백 상수는 수식에 따라 캐리어 밀도의 -2/3승에 비례하게 된다. 수식에 따라 후 열처리 $600^{\circ}C$에서 가장 낮은 캐리어 밀도를 가지기 때문에 가장 높은 제백 상수를 가지게 된다. 열전 성능 척도인 Power factor는 제백 상수의 제곱과 전기전도도의 곱으로 나타내는데, 후 열처리 $200^{\circ}C$에서 가장 높은 Power factor를 보인다. 이는 캐리어 밀도 감소에 따라 전기 전도도는 감소하였지만 이로 인해 제백상수는 증가하였고, 또한 캐리어 밀도 감소에 따라 이온화 불순물 산란의 감소에 의해 이동도의 증가에 의한 것으로 판단된다. 박막의 경우 기판의 영향으로 인해 열 전도도 측정이 어려워 열전 성능 지수(ZT)를 계산을 할 수 없지만, 마그네트론 스퍼터링법으로 증착한 IZO:Sn 박막은 비정질 구조를 가지므로 격자진동에 의한 열 전도도가 낮아 전체 열 전도도가 결정질에 비해 낮을 것이며 이는 높은 열전 성능 지수를 가질 것으로 예상된다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
• /
• 2014.02a
• /
• pp.451-451
• /
• 2014

중고온 열전재료로서의 응용 가능성이 높은 HMS (higher manganese silicide)는 높은 제백계수, 낮은 전기저항, 높은 산화 저항성뿐만 아니라 구성 원소가 풍부하며 친환경적인 열전재료이다. HMS는 주로 용해/응고법, 단결정 성장법에 의해 합성되지만, 구조적인 불균질성 및 많은 합성 에너지를 소비하는 단점이 있다. 또한 진성 HMS는 비교적 낮은 열전특성을 나타내기 때문에 도핑에 의한 열전특성의 개선이 필요하다. 본 연구에서는 HMS의 한 종류인 MnSi1.73에 Cr을 도핑한 화합물 MnSi1.73:Crx (x=0, 0.005, 0.01, 0.02, 0.03)를 고상반응(solid state reaction)과 진공 열간압축성형(hot pressing)을 통해 제조하였다. XRD와 Rietveld refinement를 통해 상변화 및 상분율을 분석하였고, 323~823 K까지 전기적 및 열적 특성을 측정하여 열전 성능지수(ZT)를 평가하였다.

• Journal of IKEEE
• /
• v.20 no.2
• /
• pp.174-176
• /
• 2016

In this study, we maximize the temperature difference between the ends of a HgTe nanoparticle(NP) thin film on a thermoelectric platform with a through-substrate via. The thermoelectric characteristics of the HgTe NP thin film show p-type behavior and its Seebeck coefficient is $290{\mu}V/K$. In addition, we demonstrate the possibility of wearable thermoelectric devices transforming body heat into electricity from through-substrate via thermoelectric platforms on human skin.

• Proceedings of the Korean Institute of Surface Engineering Conference
• /
• 2017.05a
• /
• pp.129-129
• /
• 2017

열전재료는 열에너지를 전기에너지로 또는 전기에너지를 열에너지로 직접 변환하는데 가장 널리 사용되는 재료이다. $Bi_2Te_3$계 열전 재료는 400K 이하의 비교적 저온 영역에서 높은 성능지수(Dimensionless Figure of merit, ZT($={\alpha}2{\sigma}T/{\kappa}$, ${\alpha}$: 제백계수, ${\sigma}$: 전기전도도, T: 절대온도, ${\kappa}$: 열전도도))를 나타내는 열전재료이며 자동차 시트나 정수기 등에 응용되고 있다. 열전모듈은 제조시 수십 개에서 수백 개 이상의 n형 및 p형 열전소자를 알루미나($Al_2O_3$)와 같은 세라믹 기판(substrate) 상에 접합된 동 전극 위에 전기적으로 서로 직렬로 접합시켜 제조한다. 기존의 열전모듈의 제조방법에는 동 전극 위에 위에 Sn합금 분말과 플럭스(flux)의 혼합물인 솔더페이스트를 스크린 인쇄법을 사용하여 동 전극에 도포한 다음, 그 위에 열전소자를 얹고 약 520K의 열풍을 가하여 솔더를 용융시켜 열전소자와 동 전극을 접합시킨다. 스크린 인쇄법에서는 인쇄 압력이 일정하지 않으면, 솔더페이스트 층의 두께가 균일하지 않게 되어 열전소자 접합부의 불량을 유발시킨다. 그러나 열모듈은 단 하나의 접합 불량이 모듈 전체의 열전변환성능에 심각한 영향을 줄 수 있기 때문에 본 연구에서는 이러한 문제점을 해결하기 위해, 솔더페이스트를 도포하지 않고 열전소자를 직접 동 전극과 접합할 수 있는 방법을 고안하였다. 무전해도금을 이용한 니켈층을 형성시킨 $Bi_2Te_3$계 열전소자 표면에 약 $50{\mu}m$의 주석도금층을 전기도금법을 구사하여 형성시켰다. 그 후, wire cutting을 통하여 $3mm{\times}3mm{\times}3mm$의 크기로 절단한 주석도금된 열전소자를 동 전극에 얹고 1.1KPa의 압력을 가하면서 523K의 핫플레이트 위에서 3분간 방치하여 직접(direct) 열압착 접합을 실시하였다. 접합부의 단면을 SEM을 이용하여 관찰한 결과, 동 전극과 열전소자 사이의 계면에 용융 후 응고된 주석층이 결함없이 균일하게 형성된 양호한 접합부를 관찰할 수 있었다. 따라서, 솔더페이스트를 이용하지 않고, 열전소자 표면에 주석도금을 실시한 후, 동 전극과 직접 열압착 본딩을 실시하는 방법은 균일한 접합계면을 얻을 수 있는 새로운 공정으로 기대된다.

• Journal of the Korean Society of Marine Environment & Safety
• /
• v.22 no.5
• /
• pp.583-592
• /
• 2016

IMO (International Maritime Organization) in the UN (United Nations) set up that aim at reducing $CO_2$ emission from ship by up to 30 percent until 2030. The final purpose of this study is the development of marine thermoelectric generation system using waste heat from vessel of internal combustion engines. Before the development of marine thermoelectric generation system, this paper carried out the fundamental heat analysis of marine thermoelectric generation system. It was able to obtain the valuable results about the efficiency improvement of the thermoelectric generation system. The results is as follows : 1) It was confirmed that the efficiency of thermoelectric generation system improves to 8.917 % with increasing the temperature difference of peltier module by reducing the temperature difference between peltier module and heat source at the hot side. 2) System efficiency according to change in the external load resistance was confirmed that the change width of about 6 % which does not significantly occur. 3) System efficiency in the case stainless steel at the same condition is 8.707 %. System efficiency could be confirmed that the stainless steel is higher than duralumin (8.605 %), copper (8.607 %).

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
• /
• 2015.08a
• /
• pp.253-253
• /
• 2015

최근 세계적으로 대체 에너지는 중요한 이슈가 되고 있으며 특히 열전 재료는 유망한 에너지 기술로서 주목 받고 있다. 특히 고 직접화 전자 소자의 발열 문제를 해결하기 위해, 소형화와 정밀 온도 제어가 가능한 박막형 열전 소자에 대한 관심이 크다. 박막형 열전소자 중 산화물 반도체계에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 이러한 산화물 반도체계 중 In2O3는 BiTe, PbTe 등의 기존의 재료에 비해 독성이 낮을 뿐만 아니라 고온에서 열적 안정성이 우수하여 고온에서 적용 불가능한 금속계 열전 재료의 한계를 극복할 수 있다는 장점을 가진다. 좋은 성능의 열전 재료는 높은 전기 전도도 및 제백 계수 그리고 낮은 열전도도 특성을 가져야 한다. 비정질 구조를 가지는 박막 열전 재료는 격자에 의한 열 전도도가 낮기 때문에 결정질 구조와 비교하여 전체 열 전도도 값이 낮을 것으로 기대된다. 이러한 특성을 바탕으로 본 연구에서는 비정질 구조를 갖는 ZnO와 SnO2를 동시에 첨가한 In2O3 박막의 전기적 특성과 열전 특성에 관한 연구를 하였다.