[논문]뜬 마이크로 디바이스를 이용한 Ge-SixGe1-x Core-Shell Nanowires 의 열전도율 측정

박현준; 나정효; 설재훈

doi:10.3795/ksme-b.2015.39.10.825

뜬 마이크로 디바이스를 이용한 Ge-SixGe1-x Core-Shell Nanowires 의 열전도율 측정
Thermal Conductivity Measurement of Ge-SixGe1-x Core-Shell Nanowires Using Suspended Microdevices 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.39 no.10 = no.361, 2015년, pp.825 - 829

박현준 (광주과학기술원) , 나정효 (충남대학교) , (텍사스대학교오스틴) , 설재훈 (광주과학기술원)

초록
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나노선에서 코어-셸 헤테로 구조를 도입함으로써 열 전도율을 낮출 수 있으며, 이로 인해 열전 효율(ZT)을 향상시킬 수 있다는 것이 이론 연구를 통해 제안되었다. 본 논문에서는 코어-셸 나노선의 열전도율 감소를 실험적인 방법을 통해 확인하였다. 화학증기 증착법을 통해 만든 게르마늄-규소 $_x$ 게르마늄 $_{1-x}(Ge-Si_xGe_{1-x})$ 코어-셸 나노선의 열전도율을 마이크로 크기의 뜬 디바이스를 이용하여 측정하였다. 셸에서 측정된 실리콘의 함유율(x)는 0.65 로 확인하였으며, 게르마늄은 코어와 셸 사이에서, 격자 불일치(lattice mismatch)에서 비롯된 결점(defect)와 같은 역할을 한다. 또한, 4-point I-V 측정실험에, 휘트스톤 브릿지 실험을 추가 진행함으로써 측정 민감도를 강화하였다. 측정된 열전도율은 상온에서 9~13 W/mK 으로써, 비슷한 지름을 가지는 게르마늄 나노선과 비교하였을 때, 열전도율이 약 30 % 낮아졌음을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Theoretical calculations suggest that the thermoelectric figure of merit (ZT) can be improved by introducing a core-shell heterostructure to a semiconductor nanowire because of the reduced thermal conductivity of the nanowire. To experimentally verify the decrease in thermal conductivity in core-shell nanowires, the thermal conductivity of Ge-SixGe1-x core-shell nanowires grown by chemical vapor deposition (CVD) was measured using suspended microdevices. The silicon composition (Xsi) in the shells was measured to be about 0.65, and the remainder of the germanium in the shells was shown to play a role in decreasing defects originating from the lattice mismatch between the cores and shells. In addition to the standard four-point current- voltage (I-V) measurement, the measurement configuration based on the Wheatstone bridge was attempted to enhance the measurement sensitivity. The measured thermal conductivity values are in the range of 9-13 W/mK at room temperature and are lower by approximately 30 than that of a germanium nanowire with a comparable diameter.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

코어-셸 나노선의 열전도율에 관한 실험적인 연구는 아직 이루어지지 않았다. 본 논문에서는 마이크로 또는 나노 물질의 열전도율 측정에 많이 이용되는 마이크로 크기의 뜬 디바이스를 이용하여, 지름이 약 50~80 nm 정도 되는 게르마늄-규소_x게르마늄 _1-x코어-셸 나노선(이하 나노선)의 열전도율 측정을 실험적인 방법으로 그 결과를 확인하고자 한다.

제안 방법

코어-셸 나노선의 열전도율이 상온에서 약 9~13 W/mK 임을 알 수 있었다. 마이크로 크기의 뜬 디바이스를 이용하여 측정하였으며, 실험방법으로는 1) 4-point I-V 와 2) 휘트스톤 브릿지, 두 가지가 이용되었다. 측정된 두 개의 열전도율 샘플 결과에 차이가 있으므로, 추가로 몇 개의 샘플의 열전도율을 측정한다면 정확한 열전도율을 확인할 수 있을 것으로 생각된다.

대상 데이터

Y10735K00000T9L이고 가변저항(R3)의 경우, Vishay/Spectrol 의 model No. 534B1203JCB10을 사용하였다. 측정 온도는 400 K 에서 40 K 범위에서 20 K 간격으로 측정하여 열전도율의 온도 의존성 경향을 확인하였다.

이론/모형

본 연구에서는 열전도율 측정을 위하여 총 2 가지의 방법으로 실험을 진행하였다. 열전도율을 직접 측정하는데 널리 이용되고 있는 1) 4-point I-V 측정⁽¹⁷⁾과, 보다 정밀한 민감도에서 측정이 가능하여 보다 정밀한 측정을 할 수 있는 2) 휘트스톤 브릿지⁽¹⁸⁾를 이용한 방법이다. 두 가지 실험 방법 모두 마이크로 크기의 뜬 디바이스(이하 디바이스)를 이용하여 측정하였다(Fig.

성능/효과

이번 실험을 통하여, 지름이 대략 50~80 nm 인 화학증기 증착법으로 만들어진 게르마늄-규소 _x 게르마늄 _1-x코어-셸 나노선의 열전도율이 상온에서 약 9~13 W/mK 임을 알 수 있었다. 마이크로 크기의 뜬 디바이스를 이용하여 측정하였으며, 실험방법으로는 1) 4-point I-V 와 2) 휘트스톤 브릿지, 두 가지가 이용되었다.
값의 차이가 크지 않다는 점을 통해, 구성된 휘트스톤 브릿지 회로는 유효하다고 생각되며, 4-point I-V 방법의 경우 열전도도 측정 분해능이 약 1 nW/mK 이어서, 현재 상온에서 열전도도가 10 nW/mK 정도인 코어-셸 나노선의 정밀한 측정에는 어려움이 있다. 휘트스톤 브릿지의 민감도는 최소 1~50 µV/pA 로 측정이 가능하고, 4-point I-V 의 민감도는 1 mV/pA 로 측정했기 때문에 약 2 에서 1000 배정 도까지 민감도가 향상됨을 확인하였다. 따라서 본 실험에 있어서는 휘트스톤 브릿지 이용이 더 적합하다고 사료된다.

후속연구

추가로 몇 개의 샘플의 열전도율을 측정하여 결과를 도출하고, EDS 및 시뮬레이션 분석을 진행하여 실험 결과에 대한 원인 및 타당성 검토를 추가로 진행하고자 한다.
2 는 측정에 사용된 나노선의 TEM 이미지이다. 추후에 EDS 분석을 통하여 나노선에 대한 성분에 대한 더욱 정확한 정보를 확인할 예정이다.
마이크로 크기의 뜬 디바이스를 이용하여 측정하였으며, 실험방법으로는 1) 4-point I-V 와 2) 휘트스톤 브릿지, 두 가지가 이용되었다. 측정된 두 개의 열전도율 샘플 결과에 차이가 있으므로, 추가로 몇 개의 샘플의 열전도율을 측정한다면 정확한 열전도율을 확인할 수 있을 것으로 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	열전장치 효율을 파악하기 위한 연구가 활발하게 이루어지는 배경은 무엇인가	열과 전기 사이에서 상호 전환이 가능한 열전장치에 관한 관심이 나날이 높아지고 있으며, 특히 폐열을 이용하여 전기를 생산할 수 있는 재생에너지 분야에 응용될 수 있다는 점에서, 열전장치 효율을 파악하기 위한 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 이러한 열전장치에서의 효율(ZT)은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
	본 연구에서 열전도율을 측정을 위해 어떠한 방법을 사용하였는가	본 연구에서는 열전도율 측정을 위하여 총 2 가지의 방법으로 실험을 진행하였다. 열전도율을 직접 측정하는데 널리 이용되고 있는 1) 4-point I-V 측정(17)과, 보다 정밀한 민감도에서 측정이 가능하여 보다 정밀한 측정을 할 수 있는 2) 휘트스톤 브릿지(18)를 이용한 방법이다. 두 가지 실험 방법 모두 마이크로 크기의 뜬 디바이스(이하 디바이스)를 이용하여 측정하였다(Fig.
	나노선의 열전 효율에서 포논 산란은 어떠한 영향을 미치는가	또한 최근 20 년동안 열전분야에서 크기와 차원수는 중요한 이슈였으며, 이 때문에 나노선이 큰 관심을 받아왔다. 나노선의 열전 효율에서 포논 산란(phonon scattering)이 중요하며, 포논 산란은 전기전도율(σ)에는 큰 영향을 미치지 않음과 동시에 열전도율(k)은 강하게 줄이는 것으로 알려져 있다. (1) 따라서 높은 열전효율을 가진 나노선을 파악하기 위해 낮은 열전도율은 중요한 변수이며, 때문에 나노선의 열전도율을 측정하기 위한 많은 노력들이 행해져 왔다.

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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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