[논문]열전소재 성능 증대를 위한 점결함 제어 전략

김현식; 정형모; 최순목; 이규형

doi:10.6117/kmeps.2019.26.4.157

열전소재 성능 증대를 위한 점결함 제어 전략
Point Defect Engineering Approaches to Enhance the Performance of Thermoelectric Materials 원문보기

마이크로전자 및 패키징 학회지 = Journal of the Microelectronics and Packaging Society, v.26 no.4, 2019년, pp.157 - 161

김현식 (홍익대학교 신소재공학과) , 정형모 (강원대학교 재료공학전공) , 최순목 (한국기술교육대학교 에너지신소재화학공학부) , 이규형 (연세대학교 신소재공학과)

초록
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소재의 전기전도 거동과 열전도 거동을 독립적으로 제어하는 기술은 열전소재의 성능증대를 위한 효과적인 전략 중 하나로 인식되고 있다. 이를 구현하기 위해 다결정 소재가 근본적으로 포함하고 있는 결함구조와 열전소재의 물성과의 상관관계에 대한 수많은 연구가 진행되고 있으며, 최근 0 차원의 점결함 형성에 의해 전기전도 특성을 증대함과 동시에 열전도 특성을 저감하는 결과가 보고되고 있다. 본 논문에서는 점결함 형성에 의한 소재의 전기전도 거동 및 열전도 거동 변화에 대해 이론적 고찰을 진행하고, 벌크 열전소재에서 실험적으로 구현된 결과와 연계하여 고성능 열전소재 개발에 필수적인 소재설계 지침에 대한 실효적인 정보를 제공하고자 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Independent control of electronic and thermal transport behaviors is one of the most effective approaches to enhance the performance of thermoelectric materials. To address this, many researches on the relationship between defect structures and thermoelectric properties have been carried out since defects are intrinsic ingredients of polycrystalline materials. Recently, experimental results of simultaneously improved electronic and thermal transport properties have been reported via the formation of 0-dimensional point defects. Here, theoretical backgrounds to the engineering of electronic and thermal transport behaviors by the formation of point defects are discussed and related experimental considerations are also presented in order to provide a practical guide for the development of highperformance thermoelectric materials.

주제어

표/그림 (2)

그림 Fig. 1. Trade-offs as a function of carrier concentration.
그림 Fig. 4.

AI 본문요약
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문제 정의

1에 나타낸 두 가지 상충관계를 효과적으로 해결할 수 있는 요소를 제공한다. 본 논문에서는 0차원 점결함(point defect)과 열전물성과의 상관관계에 대한 이론적 이해를 바탕으로 조성 제어 기반의 점결함 형성에 의한 zT 증대 전략 및 실험 사례에 대해 고찰하고자 한다.
0차원 점결함 형성 기술은 근본적으로 소재의 조성제어를 바탕으로 진행하기 때문에 최근 진행되고 있는 1차원, 2차원, 3차원 결함 형성 기술과 비교하여 소재 제조 공정 및 성능 재현성 측면에서 큰 장점이 있다. 본 연구에서는 점결함과 소재의 전기전도 및 열전도 특성과의 상관관계를 바탕으로 열전소재의 성능을 증대할 수 있는 점 결함 형성 기반의 소재개발 전략과 실험결과에 대해 고찰하였다. 소재에 따라 결정구조, 밴드구조, 전자전도 및 열전도 거동 등에 큰 차이를 나타내기 때문에 열전소재의 성능증대를 위한 일반화된 점결함 형성 전략을 도출하기는 매우 어렵지만, 관련된 이론이 잘 정립되어 있으며 관련된 실험적 근거가 지속적으로 보고되고 있기 때문에 이를 이용한 소재 설계 및 합성으로 고성능 열전소 재개발이 가능할 것으로 기대된다.

후속연구

실효적인 열전소재 성능 증대 결과를 구현하기 위해서는 대상 소재의 전기전도 및 열 전도 거동에 대한 정확한 분석을 바탕으로 점결함의 특성(밀도, 하전, 크기, 위치 등)에 따른 이론적 예측이 중요 한 요소가 될 것이다. 또한 이론적으로 설계한 이상적 조성 및 제어된 점결함 구조의 소재를 실험적으로 합성할 수 있는 공정기술 개발이 병행되어야 할 것이다.
본 연구에서는 점결함과 소재의 전기전도 및 열전도 특성과의 상관관계를 바탕으로 열전소재의 성능을 증대할 수 있는 점 결함 형성 기반의 소재개발 전략과 실험결과에 대해 고찰하였다. 소재에 따라 결정구조, 밴드구조, 전자전도 및 열전도 거동 등에 큰 차이를 나타내기 때문에 열전소재의 성능증대를 위한 일반화된 점결함 형성 전략을 도출하기는 매우 어렵지만, 관련된 이론이 잘 정립되어 있으며 관련된 실험적 근거가 지속적으로 보고되고 있기 때문에 이를 이용한 소재 설계 및 합성으로 고성능 열전소 재개발이 가능할 것으로 기대된다.
이상과 같이 점결함은 열전도 및 전기전도 거동이 동시에 그리고 독립적으로 제어된 고성능 열전소재 개발에 대한 가능성을 제공한다. 실효적인 열전소재 성능 증대 결과를 구현하기 위해서는 대상 소재의 전기전도 및 열 전도 거동에 대한 정확한 분석을 바탕으로 점결함의 특성(밀도, 하전, 크기, 위치 등)에 따른 이론적 예측이 중요 한 요소가 될 것이다. 또한 이론적으로 설계한 이상적 조성 및 제어된 점결함 구조의 소재를 실험적으로 합성할 수 있는 공정기술 개발이 병행되어야 할 것이다.
이상과 같이 점결함은 열전도 및 전기전도 거동이 동시에 그리고 독립적으로 제어된 고성능 열전소재 개발에 대한 가능성을 제공한다. 실효적인 열전소재 성능 증대 결과를 구현하기 위해서는 대상 소재의 전기전도 및 열 전도 거동에 대한 정확한 분석을 바탕으로 점결함의 특성(밀도, 하전, 크기, 위치 등)에 따른 이론적 예측이 중요 한 요소가 될 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	열전현상이란 무엇인가?	반도체 특성의 소재에 열에너지를 인가하면 가전도대 (valence band)의 전자가 전도대(conduction band)로 여기 되어 소재의 고온부에서 저온부로 이동하게 된다. 즉, 소 재 양단의 온도차에 의해 전기에너지가 생성되며 이러한 열에너지와 전기에너지의 가역적이고 직접적인 변환을 열전현상(thermoelectric effect) 이라 한다. 열전현상은 열 전대(thermocouple)을 이용한 온도측정의 원리를 제공하며, p형 열전소재와 n형 열전소재를 연결하여 열전모듈 (thermoelectric module)을 제작할 경우 열전냉각(TEC, thermoelectric cooling) 및 열전발전(TEG, thermoelectric power generation)에 응용할 수 있다.
	전기전도 거동과 열전도 거동을 독립적으로 제어하는 기술을 구현하기 위해 진행되는 연구는 무엇인가?	소재의 전기전도 거동과 열전도 거동을 독립적으로 제어하는 기술은 열전소재의 성능증대를 위한 효과적인 전략 중 하나로 인식되고 있다. 이를 구현하기 위해 다결정 소재가 근본적으로 포함하고 있는 결함구조와 열전소재의 물성과의 상관관계에 대한 수많은 연구가 진행되고 있으며, 최근 0 차원의 점결함 형성에 의해 전기전도 특성을 증대함과 동시에 열전도 특성을 저감하는 결과가 보고되고 있다. 본 논문에서는 점결함 형성에 의한 소재의 전기전도 거동 및 열전도 거동 변화에 대해 이론적 고찰을 진행하고, 벌크 열전소재에서 실험적으로 구현된 결과와 연계하여 고성능 열전소재 개발에 필수적인 소재설계 지침에 대한 실효적인 정보를 제공하고자 한다.
	열전냉각의 장점은 무엇인가?	열전냉각은 냉매가스를 사용하지 않기 때문에 친환경 적이며 압축기가 필요 없는 소형화-무진동-저소음 냉각 시스템 구현을 가능하게 한다. 또한 반도체 소재를 이용한 능동형 냉각방식으로 고밀도 냉각 및 정밀온도제어가 가능한 장점이 있다.

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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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