[논문]Traveling heater method에 의해 성장된 Bi2Te2.7Se0.3의 열전특성

노임준; 현도빈; 김진상

doi:10.6111/jkcgct.2015.25.4.135

Traveling heater method에 의해 성장된 Bi2Te2.7Se0.3의 열전특성
Thermoelectric properties of Bi2Te2.7Se0.3 grown by traveling heater method 원문보기

한국결정성장학회지 = Journal of the Korean crystal growth and crystal technology, v.25 no.4, 2015년, pp.135 - 139

노임준 (한국과학기술연구원, 전자재료연구단) , 현도빈 (한국과학기술연구원, 전자재료연구단) , 김진상 (한국과학기술연구원, 전자재료연구단)

초록
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단결정 ingot 성장기술 중 하나인 traveling heater method(THM) 기술을 이용하여 n형 열전소재인 $Bi_2Te_3-Bi_2Se_3$ 고용체화합물을 성장하였다. 고용체 화합물내 $CdCl_2$와 $SbI_3$을 첨가하여 dopant의 영향을 확인하였고 각각의 dopant의 최적의 첨가량[$CdCl_2$ 0.1 wt%(Z: $2.73{\times}10^{-3}/K$), $SbI_3$ 0.05 wt%(Z: $2.29{\times}10^{-3}/K$)]을 확인하였다. THM 기술을 통해 성장된 ingot의 각 부위별 열전특성을 확인해 본 결과 주요 인자들의 표준편차가 낮은 매우 균질화된 특성을 보였다. 또한 $Bi_2Te_3-Bi_2Se_3$ 고용체화합물의 비등방성 지수와 dopant와의 관계를 확인하기 위하여 $90(Bi_2Te_3)10(Bi_2Se_3)$ 조성의 고용체화합물에 donor dopant로서 $CdCl_2$(0.05~0.1 wt%)을 첨가하여 dopant의 증가에 따른 비등방성 지수의 변화를 확인해본 결과 dopant가 증가함에 따라 비등방성 지수가 변하는 것을 확인하였고 이러한 비등방성 지수의 변화가 실제 열전성능에 크게 영향을 미치는 것을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

$Bi_2Te_3-Bi_2Se_3$ alloy which is typical n-type thermoelectric material were grown by traveling heater method (THM) technique. We investigate the effect of the composition of $100-x(Bi_2Te_3)-x(Bi_2Se_3)$ and doping of n-type dopants such as $SbI_3$ and $CdCl_2$. Maximum figure of merit of $Bi_2Te_3-Bi_2Se_3$ alloy was observed with $CdCl_2$ 0.1 wt% (Z: $2.73{\times}10^{-3}/K$) and $SbI_3$ 0.05 wt% (Z: $2.29{\times}10^{-3}/K$). Deviation along the length of $Bi_2Te_3-Bi_2Se_3$ ingot grown by THM method is low, which indicates that the ingot is very homogenized. Also we observed the close relationship of between anisotropy ratio and dopant in the $90(Bi_2Te_3)-10(Bi_2Se_3)$ alloys. And we confirmed the fact that anisotropy ratio exerts thermoelectric performance in $Bi_2Te_3$ based n-type thermoelectric material.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

n형의 열전반도체 소재인 90(Bi₂Te₃)10(Bi₂Se₃) 조성의 고용체화합물을 THM 법을이용하여 ingot을 성장시켜 열전특성을 확인하였고, 특히 이 열전 소재의 donor dopant의 영향 및 이등방성 특성에 관한 연구를 수행하였다. 연구에서 donor dopant인 CdCl₂와 SbI₃을 첨가하여 전자농도를 변화시켰고 그 첨가량에 따라 열전특성이 어떻게 바뀌는지 확인한 결과 최적의 carrier 농도를 제공해주는 각각의 dopant 양은 CdCl₂의 경우 0.

제안 방법

표준편차에서 볼 수 있듯이 타 단결정 성장기술에 비해 THM법에 의해 성장된 ingot 의 경우 성장 길이 방향의 부분별 편차가 굉장히 낮은 매우 균질화된 특성을 갖는 ingot의 성장이 가능하다. Fig. 4는 CdCl₂를 0.1 wt% 첨가한 100-x(Bi₂Te₃)-x(Bi₂Se₃)의 2원계 단결정 합금의 비등방(anisotropy) 특성을 관찰하기 위하여 왼쪽 그림과 같이 동일 ingot에서 성장방향을 기준으로 수평방향(a-b plan)샘플과 수직 방향(c-axis)의 샘플을 각각 채취하여 Seebeck 계수와 성능지수를 확인해 보았다. 일반적으로 Bi₂Te₃-Sb₂Te₃의 p형 고용체화합물에 비해 Bi₂Te₃-Bi₂Se₃의 n형 고용체화합물의 경우 비등방성이 매우 큰 것으로 알려져 있다.
본 연구에서는 타 단결정 성장기술에 비해 열전재료의 정제, 균질화, 재결정화, 대량생산화 등의 이점을 가지고 상용화에 가장 적합한 방법으로 주목 받고 있는 THM법을 이용하여 Bi₂Te₃-Bi₂Se₃계 n형 고용체 화합물에 SbI₃과 CdCl₂ dopant 를 첨가하여 열전 성능을 확인하는 한편 dopant에 따른 비등방성 특성을 관찰하였다.
봉입된 ampoule을 rocking furnace에 삽입 후 750°C 온도에서 2시간동안 교반하여 균질화 시킨 뒤 냉각 후 640°C로 유지되고 있는 THM furnace에서 성장속도를 5 mm/hour로 유지하여 ingot을 성장하였다.
1 wt% 첨가한 ingot에서 성장 길이에 따른 열전물성의 변화를 나타내었다. 샘플의 채취는 ingot의 Corn 에서부터 10 mm 이후부터 ingot의 성장방향으로 16 mm 크기의 3개의 샘플을 채취하여 위치별 열전특성을 확인해 보았다. 그림에서 보이는 바와 같이 성장 초기에는 전기 비저항이 약간 감소하는 경향을 보이며 ingot의 중간 이후부터 차츰 일정한 값을 갖는다.
순도가 99.99 % 이상인 Bi, Te, Se(Living-care)를 화학양론적 조성에 맞도록 칭량하고, SbI₃과 CdCl₂(Sigma aldrich)의 donor dopants 를 양을 달리하여 첨가하였다. 내부가 carbon으로 coating된 quartz ampoule에 장입 후 10⁻⁵ torr의 진공도에서 진공봉입하였다.

대상 데이터

성장된 ingot의 Seebeck 계수, 전기비저항 및 열전도도의 측정을 위하여 성장방향으로 2.5 × 2.5 × 15 mm의 시편을 채취하였다.

이론/모형

Z-meter(Seepel)에 의해 전기비저항(ρ)을 측정하고 이와 동시에 Harman법에 의해 간접법으로 열전도도를 산출하였다.
시편의 열전성능 중 Seebeck 계수는 시편 양단에 온도차 ΔT를 일정하게 부여하고 이때의 기전력 ΔV를 측정하여 ΔV = α · ΔT(α: 열전능)의 관계식을 통해 Seebeck 계수를 구하였다.

성능/효과

1 wt% 첨가한 100-x(Bi₂Te₃)-x(Bi₂Se₃)의 2원계 단결정 합금에 대해서 Bi₂Se₃을 6~12 mol%까지 증가시키며 Seebeck 계수 및 성능지수를 확인해본 결과 Bi₂Se₃가 증가함에 따라 에너지 밴드갭이 증가하여 전도도의 감소로 성능지수는 점차 감소하는 경향을 확인하였다. CdCl₂를 0.1 wt% 첨가한 100-x(Bi₂Te₃)-x(Bi₂Se₃)의 2원계 단결정 합금의 비등방(anisotropy) 특성을 Bi₂Se₃의 첨가량을 바꾸며 제작된 샘플을 통해 확인하였고 이 비등방성은 dopant인 CdCl₂의 첨가량(0.05~0.1 wt%)에 따라 변하는 것을 확인하였고, 또한 비등방성은 n형 100-x(Bi₂Te₃)-x(Bi₂Se₃) 고용체 화합물의 열전성능에 큰 영향을 미칠 수 있다는 사실을 확인 하였다.
5 그림에서 볼 수 있듯이 donor dopant 인 CdCl₂ 첨가량의 증가와 함께 비등방성지수의 크기도 증가하는 것을 확인할 수 있다. 결과적으로 CdCl₂가 물질의 비등방성을 향상시키는데 기인한 것을 증명할 수 있고, 또한 이러한 비등방성 지수가 증가함에 따라 열전소재의 성능도 같이 증가한다는 사실을 확인하였다.
1에서 보이는 바와 같이 dopant를 첨가함에 따라 intrinsic 영역에서 electron의 이동도가 hole의 이동도 보다 커짐에 따라 p형에서 n형으로 전도기구가 천이된 것을 Seebeck계수를 통해 확인할 수 있다. 또한 90(Bi₂Te₃)10(Bi₂Se₃)조성의 고용체 화합물에 SbI₃와 CdCl₂의 첨가량을 증가시켰을때 첨가량이 증가함에 따라 Seebeck 계수는 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이는 전자의 농도가 늘어나고 있기 때문이다.
29 × 10⁻³/K)를 첨가하였을 때 가장 높은 성능지수가 확인되었다. 또한 CdCl₂를 0.1 wt% 첨가한 100-x(Bi₂Te₃)-x(Bi₂Se₃)의 2원계 단결정 합금에 대해서 Bi₂Se₃을 6~12 mol%까지 증가시키며 Seebeck 계수 및 성능지수를 확인해본 결과 Bi₂Se₃가 증가함에 따라 에너지 밴드갭이 증가하여 전도도의 감소로 성능지수는 점차 감소하는 경향을 확인하였다. CdCl₂를 0.
또한 CdCl2을 첨가할 경우에는 0.1 wt%를 첨가할 경우 가장 높은 성능지수가(2.73 × 10−3/K) 확인되었다.
2에 보이는 결과를 통해 확인할 수 있다. 본 연구에서는 Bi₂Se₃이 6 mol% 일 경우 가장 높은 성능지수를 얻을 수 있었다. Fig.
연구에서 donor dopant인 CdCl2와 SbI3을 첨가하여 전자농도를 변화시켰고 그 첨가량에 따라 열전특성이 어떻게 바뀌는지 확인한 결과 최적의 carrier 농도를 제공해주는 각각의 dopant 양은 CdCl2의 경우 0.1 wt%(Z:2.73 × 10−3/K), SbI3의 경우 0.05 wt%(Z: 2.29 × 10−3/K)를 첨가하였을 때 가장 높은 성능지수가 확인되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	열전재료를 이용한 전자 냉각소자는 어떤 장점이 있는가?	재료 양단의 온도차에 의해 발생되는 Seebeck 효과와 재료 양단간에 전류를 통하면 재료의 한쪽 면에서는 흡열, 다른 한쪽 면에서는 발열하는 Peltier 효과를 나타내는 열전재료는 에너지 직접변환이 가능한 재료로서 전자냉각이나 열전발전 분야에 응용하기 위한 많은 연구가 이루어져 왔다[1]. 열전재료를 이용한 전자냉각소자는 반도체 소자 방식으로 열응답 감도가 높고 무소음, 무진동이며 구조가 간단하고 신뢰성이 높으며 회로의 국부적 부위에 선택적인 냉각이 가능하다는 장점을 가지고 있다. 이에 따라 고집적 IC칩의 국부냉각장치, 적외선 소자용 냉각장치, 반도체 chiller, 가스검출소자용 냉각장치, 냉 · 온정수기 등 다양한 응용범위를 가지고 있다[2].
	열전재료를 이용한 전자 냉각소자는 어떤 분야에서 응용되는가?	열전재료를 이용한 전자냉각소자는 반도체 소자 방식으로 열응답 감도가 높고 무소음, 무진동이며 구조가 간단하고 신뢰성이 높으며 회로의 국부적 부위에 선택적인 냉각이 가능하다는 장점을 가지고 있다. 이에 따라 고집적 IC칩의 국부냉각장치, 적외선 소자용 냉각장치, 반도체 chiller, 가스검출소자용 냉각장치, 냉 · 온정수기 등 다양한 응용범위를 가지고 있다[2]. 또한 최근 에너지원의 다양화와 폐에너지의 회수 등 에너지 절약에 대한 사회적인 필요성이 크게 대두됨에 따라 산업폐열과 각종 열기관의 폐열 및 해수온도차나 태양열과 같은 자연에너지를 이용한 열전발전에 관한 연구가 꾸준히 이루어 지고 있다.
	열전 소재는 상온, 중온, 고온에 따라 무엇이 있는가?	열전소재는 사용 온도범위에 따라 상온용, 중온용, 고온용으로 나누어진다. 상온용 열전 소재로는 Bi-Sb-Te-Se 화합물, 중온용 재료로는 PbTe, CoSb3, Zn3Sb3, 고온용으로 CoO2, Si-Ge 화합물 등이있다. 이중 지금까지 개발된 p형과 n형 열전 변환재료 중상온 이하의 재료는 p형 Bi2Te3-Sb2Te3계 및 n형 Bi2Te3-Bi2Se3계 열전변환재료가 가장 우수한 재료로 알려져 있다[3].

참고문헌 (8)

H. Julian Goldsmid, "Introduction to Thermoelectricity" (Springer, New York, 2009) p.1.
J.R. Sootsman, D.Y. Chung and M.G. Kanatzidus, "New and old concepts in thermoelectric materials", Angew. Chem. Int. Ed. 48 (2009) 8617.
W. Liu, K.C. Lukas, K.M. Enaney, S. Lee, Q. Zhang, C.P. Opeil, G. Chen and Z. Ren, "Studies on the $Bi_2Te_3-Bi_2Se_3-Bi_2S_3$ system for mid-temperature thermoelectric energy conversion", Energy Environ. Sci. 6 (2013) 552.

상세보기
J. Seo, K. Park, D. Lee and C. Lee, "Thermoelectric properties of hot-pressed n-type $Bi_2Te_{2.85}Se_{0.15}$ compounds doped with SbI3", Mater. Sci. Eng B. 49 (1997) 247.

상세보기
D.B. Hyun, J.S. Hwang, T.S. Oh, J.D. Shim and N.V. Kolomoets, "Electrical properties of the 85%Bi2Te3-15%Bi2Se3 thermoelectric material doped with SbI3 and CuBr", J. Phys. Chem. Solids 59 (1998) 1039.

상세보기
U.N. Roy, A. Burger and R.B. James, "Growth of CdZnTe crystals by the traveling heater method", J. Cryst. Growth 379 (2013) 57.

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I.G. Austin, "The optical properties of bismuth telluride", Proc. Phys. Soc. 72 (1958) 545.

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D.L. Greenaway and G. Harbeke, "Band structure of bismuth telluride, bismuth selenide and their respective alloys", J. Phys. Chem. Solids 26 (1965) 1585.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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