[논문]박막 열전 발전 소자를 위한 In3Sb1Te2와 Ge2Sb2Te5 박막의 열전 특성에 관한 연구

강소현; 서혜지; 윤순길

doi:10.3740/mrsk.2017.27.2.89

박막 열전 발전 소자를 위한 In3Sb1Te2와 Ge2Sb2Te5 박막의 열전 특성에 관한 연구
Characterization of n-type In3Sb1Te2 and p-type Ge2Sb2Te5 Thin Films for Thermoelectric Generators 원문보기

한국재료학회지 = Korean journal of materials research, v.27 no.2, 2017년, pp.89 - 93

강소현 (충남대학교 신소재공학과) , 서혜지 (충남대학교 신소재공학과) , 윤순길 (충남대학교 신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

A thin film thermoelectric generator that consisted of 5 p/n pairs was fabricated with $1{\mu}m$-thick n-type $In_3Sb_1Te_2$ and p-type $Ge_2Sb_2Te_5$ deposited via radio frequency magnetron sputtering. First, $1{\mu}m$-thick GST and IST thin films were deposited at $250^{\circ}C$ and room temperature, respectively, via radio-frequency sputtering; these films were annealed from 250 to $450^{\circ}C$ via rapid thermal annealing. The optimal power factor was found at an annealing temperature of $400^{\circ}C$ for 10 min. To demonstrate thermoelectric generation, we measured the output voltage and estimated the maximum power of the n-IST/p-GST generator by imposing a temperature difference between the hot and cold junctions. The maximum output voltage and the estimated maximum power of the $1{\mu}m$-thick n-IST/p-GST TE generators are approximately 17.1 mV and 5.1 nW at ${\Delta}T=12K$, respectively.

주제어

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문제 정의

따라서 본 연구에서는 in-plane 열전발전 소자에 적용하기 위한 p-type GST와 n-type IST 박막의 열전 특성을 조사하였다. 각각의 박막을 1 μm 씩 증착하였고 열처리를 하여 결정구조의 변화와 열전 특성을 살펴보았다.

제안 방법

1 μm의 n-IST/p-GST 박막 열전 소자를 제작하기 위해 p-GST를 250oC에서 증착, n-IST를 상온에서 증착한 후 400oC에서 열처리 하였다.
박막 열전 발전 소자에 적용하기 위해 1 μm 두께의 GST와 IST박막을 RF 스퍼터로 증착했다. 250-450^oC까지 열처리 하면서 각각의 결정구조와 열전 특성의 변화를 확인하였다. n-IST/p-GST 박막 열전 소자는 5쌍의 leg로 구성하였고 각각을 증착 후 400^oC에서 10분동안 열처리하였다.
5 × 10⁻⁴W/K²m)을 얻기 위함이다. n-IST/p-GST 소자에 3-11K의 온도차를 가하여 출력되는 voltage를 측정하였고, 최대파워를 계산하였다. 소자의 온도차가 11K일 때 최대 voltage 17.
각각의 박막을 1 μm 씩 증착하였고 열처리를 하여 결정구조의 변화와 열전 특성을 살펴보았다.
특히 GST의 경우 상온에서 증착한 박막의 열전 특성에 대한 연구는 있지만, 이를 in-situ로 성장했을 때 열전 특성이 향상될 것으로 예상하여 기판 온도를 상온이 아닌 250^oC에서 증착하였다. 또한 5쌍의 박막 p-GST/ n-IST 소자를 제작하여 온도차에 따른 voltage를 측정하고 최대파워(P_max)를 평가하였다.
박막의 결정구조는 X선 회절 분석(XRD, Rigaku O/ MAX-RC)을 이용하였고, X선 소스는 Cu Kα 선, θ-2θ 모드를 이용하였다.
박막의 열처리는 RTA (rapid-thermal annealing)로 초기 진공은 8 × 10 −5Torr이고 Ar 1 기압에서 250-450oC까지 10분 동안 열처리하였다.
4(a)와 같이 시스템을 구성하였고 top electrode가 hot site에, bottom electrode는 cold site에 위치하고 있으며, 프로브 cold site쪽에서 컨택한다. 소자 전극의 온도차는 정확성이 중요하므로 열화상카메라(FLIR T-420)로 직접 확인하였다. 온도차에 따라 출력되는 voltage는 6^1/2 Digit Multimeter (Agilent 34401 A)를 이용하였다.
9 mm이다. 소자의 양단에 11K까지 온도차를 만들어 voltage를 측정하고 최대 파워를 계산하였다.
박막의 열처리는 RTA (rapid-thermal annealing)로 초기 진공은 8 × 10⁻⁵Torr이고 Ar 1 기압에서 250-450^oC까지 10분 동안 열처리하였다. 열처리 시간이 짧은 이유는 Te원소의 재증발 현상을 막기 위해 수행하였다.⁹⁾
전기전도도와 제백계수는 제백 측정장비(Seepel Co. Korea)로 박막과 프로브가 열적·전기적 접촉을 하는 동안 상온 그리고 Ar 1기압 상태에서 측정하였다.
박막의 정확한 두께는 주사전자현미경(SEM, TOPCON DS -130C)으로 확인하였다. 표면거칠 기는 AFM (Auto Probe CP), 조성 분석은 EDS (JEOL, JSM-7000F)로 실시하였다. 전기전도도와 제백계수는 제백 측정장비(Seepel Co.

대상 데이터

1 μm 두께의 GST와 IST 박막은 각각 직경 2인치 Ge2Sb2Te5, In3Sb1Te2 타겟(순도 99.99 %)을 이용하여 ptype SiO2 (250 nm)/Si(001)기판 위에 RF스퍼터링으로 증착했다.
99 %)을 이용하여 ptype SiO₂ (250 nm)/Si(001)기판 위에 RF스퍼터링으로 증착했다. SiO₂ /Si(001)기판은 GST박막의 제백계수로부터 기판 효과를 없애기 위해 사용되었다. 증착 전 챔버 내의 초기진공압력은 9 × 10⁻⁶Torr 증착 시 압력은 2 mTorr 이며 순도 99.
박막 열전 발전 소자에 적용하기 위해 1 μm 두께의 GST와 IST박막을 RF 스퍼터로 증착했다.
박막 열전 소자 제작을 위해 SiO2/Si(001) 기판에 pGST를 250oC에서 1 μm 증착하였고, n-IST는 상온에서 증착하였다.
전극은 Ti (10 nm)/ Au (100 nm)를 사용했으며 시편의 크기는 20 mm (length) × 20 mm (width)이다.
증착 전 챔버 내의 초기진공압력은 9 × 10−6Torr 증착 시 압력은 2 mTorr 이며 순도 99.9999 %의 Ar을 사용하였고 RF파워는 30W로 유지하였다.

후속연구

1 nW의 최대파워를 얻었다.⁵⁾ 따라서 GST와 IST 물질은 파워팩터를 고려한 열전발전 소자 디자인에 연구될 만하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	열전 재료의 장점은 무엇인가?	최근에 이러한 상 변화 물질은 열전분야에서 유망한 특성을 가지며 이들의 화학적 조성과 결정구조에 따라 열전 특성이 달라진다고 보고되었다. 열전 재료는 발전소나 자동차의 폐열로 부터 전기에너지를 생산할 수 있으며 이 에너지는 화석연료 고갈의 위험에 대체 가능한 미래에너지로서 친환경적이고 지속가능하다. 단일 물질의 열전 성능은 사용온도에서의 열전성능지수(Thermoelectric Figure of merit, ZT)로 평가되며 제백 계수의 제곱과 전기도도도를 곱하여 출력 인자(Power factor)라 한다; ZT = (S2σT)/k에서 S, σ, T, k는 각각 제백 계수, 전기전도도, 절대온도(K), 열전도도이다.
	칼코제나이드 상 변화 물질의 특징은 무엇인가?	칼코제나이드 상 변화 물질은 비정질과 결정질 사이에서 가역적으로 변하는 특성을 갖고 있으며 차세대 메모리소자의 재료로서 각광받고 있다. 특히 Ge2Sb2Te5 (GST) 는 빠른 상전이 속도와 긴 리텐션 시간으로 Phase-change random access memory (PRAM)에 쓰이고 있다.
	Ge2Sb2Te5의 단점은 무엇인가	특히 Ge2Sb2Te5 (GST) 는 빠른 상전이 속도와 긴 리텐션 시간으로 Phase-change random access memory (PRAM)에 쓰이고 있다. 그러나 낮은 결정화 온도 때문에 비정질상태에서 불안하고 높은 융점과 multi-bit 저장능력이 부족하다는 문제 때문에 GST를 대체할 다른 칼코제나이드 물질도 연구 중에 있다. 특히 In3Sb1Te2 (IST)는 비정질(a-IST), InSb, InTe와 c-IST로 상이 세 단계에 걸쳐 변하여 multi-bit 메모리소자를 위한 재료로 연구되고 있다.

참고문헌 (13)

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Y. M. Lee, J. Baik, H.-J. Shin, Y. S. Kim, S. G. Yoon and Y. B. Qi, Appl. Surf. Sci., 292, 986 (2014).

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S. D. Kwon, B. K. Ju, S. J. Yoon and J. S. Kim, J. Electron. Mater., 38, 920 (2009).

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