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반응소결법으로 제조한 n형 β-SiC의 열전특성
Thermoelectric Properties of the Reaction Sintered n-type β-SiC 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.20 no.3, 2019년, pp.29 - 34  

배철훈 (인천대학교 생명공학부)

초록
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SiC는 큰 에너지 밴드 갭을 갖고, 불순물 도핑에 의해 p형 및 n형 전도의 제어가 용이해서 고온용 전자부품 소재로 활용이 가능한 재료이다. 특히 $N_2$ 분위기, $2000^{\circ}C$에서 ${\beta}-SiC$ 분말로부터 제조한 다공질 n형 SiC 반도체의 경우, $800{\sim}1000^{\circ}C$에서의 도전율 값이 단결정 SiC와 비교해서 비슷하거나 오히려 높은 값을 나타내었으며, 반면에 열전도율은 치밀한 SiC 세라믹스와 비교시 1/10~1/30 정도로 낮은 값을 나타내었다. 본 연구에서는 소결온도를 낮추기 위해 n형 ${\beta}-SiC$에 함침 시킨 polycarbosilane (PCS)의 열분해에 의한 반응소결 공정 ($1400{\sim}1600^{\circ}C$)으로 다공질 소결체를 제작하였다. 함침 및 소결공정($N_2$ 분위기, $1600^{\circ}C$, 3시간)을 반복함에 따라 상대밀도는 크게 증가하지 않았지만 Seebeck 계수 및 도전율은 크게 증가하였다. 본 연구에서의 열전변환 효율을 반영하는 power factor는 고온에서 상압소결 공정으로 제작한 다공질 SiC 반도체에 비해 1/100~1/10 정도 작게 나타났지만, 미세구조 및 캐리어 밀도를 정밀하게 제어하면, 본 연구에서의 반응소결 공정으로 제작한 SiC 반도체의 열전물성은 크게 향상될 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

Silicon carbide is considered to be a potentially useful material for high-temperature electronic devices, as its large energy band gap and the p-type and/or n-type conduction can be controlled by impurity doping. Particularly, electric conductivity of porous n-type SiC semiconductors fabricated fro...

주제어

#Impregnation   #Polycarbosilane   #Reaction Sintering   #SiC Semiconductor   #Thermoelectric Properties  

표/그림 (7)

AI 본문요약
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문제 정의

  • SiC 열전반도체의 열전도율을 저감시키는 방안으로 기상합성법으로 제조한 중공상 (hollow phase) SiC 분말 에 polycarbosilane (이하 PCS)를 첨가해서 반응소결로 제작한 다공질 SiC 반도체의 열전특성에 관한 보고가 있지만[6], 합성 효율이 낮은 기상합성이라는 제조 환경적 제한이 있기 때문에, 본 연구에서는 1750℃, N2 분위기에서 3시간 열처리한 n형 β-SiC 분말에 PCS를 첨가 해서 1400∼1600℃에서 반응소결로 제작한 SiC 소결체의 열전물성을 측정하고, 이전에 보고된 상압소결법으로 제작한 n형 β-SiC 소결체의 물성과 비교 분석 및 고찰하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
Z=σα2 /κ 의 인자들은 무엇을 의미하는가? 열발전소자에 관한 최대출력 Pmax, 최대변환효율 ηmax 등에는, Z=σα2 /κ가 포함되어 있고, Z가 클수록 이 값들은 모두 크게 되며, 열발전소자의 성능의 우수함을 나타낸다[1]. σ와 κ에는 재료 형상에 대한 요소들이 포함되어 있으므로 Z를 열전소자의 성능지수 (Figure of Merit) 이라고 부른다. Z의 변수 σ, α 및 κ는 열전소자가 저온 접합부 온도 (Tcj)와 고온 접합부 온도 (Thj)의 영역에서 동작하고 있을 때의 도전율, 평균 열전능 (average Seebeck coefficient) 및 열전도도이므로, Z도 이 온도영역에서의 평균값 이다. 따라서 열기관에서 공통적으로 발견되는 현상으로 열전발전소자의 최대변환효율을 향상시키기 위해서는 접합부 온도차 ΔTj를 크게 하여야 한다.
열전발전이란? 열전발전은 p형과 n형 반도체를 직렬로 접속시켜서, 한쪽을 가열 또 다른 쪽을 냉각시키면 양자의 열기전력이 가산되어 나타나서, 부하에 연결함으로써 전류를 얻는 것으로, 이를테면 열전지가 형성되는 것이다. 실제 열전발전 응용시 p-n-p-n… 의 직렬회로를 다수 조합하여서 대전력을 얻게 된다.
SiC 세라믹 반도체의 특성은? 이에 반해 본 연구에서의 출발원료인 SiC 세라믹 반도체는 높은 내열성 및 내부식성을 갖고 있기 때문에 고온용 열전에너지 변환재료로서 효과적인 이용이 가능하다. β-SiC 분말로 제조한 다공질 n형 SiC의 경우, 발표된 도전율 값이 단결정과 비교해서 비슷하거나 오히려 높은 값을 나타내었으며, 열전도율도 구조재료로 시판되고 있는 치밀한 SiC 세라믹스와 비교시 1/30∼1/10 정도로 낮은 값을 나타내었다[5].
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참고문헌 (13)

  1. Y. Suga(Ed.), Thermoelectric Semiconductors, p. 295-355, MakiShyoten, 1966. 

  2. D. M. Rowe and C. M. Bjandari, Modern Thermoelectrics, p. 35-48, Holt, Rinehart and Winston Ltd., 1983. 

  3. I. B. Cadoff and E. Miller, Thermoelectric Materials and Devices, p. 178-183, Chapman and Hall Ltd., 1960. DOI: https://dx.doi.org/10.1063/1.3057558 

  4. K. Uemura and I. Nishida, Thermoelectric Semiconductors and Their Applications, p. 1-11, Nikkan Kogyo Shinbun, 1988. 

  5. K. Koumoto, C. H. Pai, S. Takeda, and H. Yanagida, "Microstructure-controlled Porous SiC Ceramics for High-temperature Thermoelectric Energy Conversion", Proc. of the 8th Inter. Conf. on Thermoelectric Energy Conversion (Nancy), pp. 107-112, 1989. 

  6. C. H. Pai, Y. Sasaki, K. Koumoto, and H. Yanagida, "Reaction Sintering of Polycarbosilane-Impregnated Compact of Silicon Carbide Hollow Particles and the Resultant Thermoelectric Properties", J. Am. Ceram. Soc., 74[11], pp. 2922-2924, 1991. DOI: https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1991.tb06864.x 

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  7. J. E. Parrott, "Some Contributions to the Theory of Electrical Conductivity, Thermal Conductivity, and Thermoelectric Power in Semiconductors", Proc. Phys. Soc., pp. 590-607, 1957. 

  8. W. S. SEO, C. H. Pai, K. Koumoto, and H. Yanagida, "Microstructure Development and Stacking Fault Annihilation in ${\beta}$ -SiC Powder Compact", J. Ceram. Soc. Jpn., 99[6], pp. 443-447, 1991. DOI: https://dx.doi.org/10.2109/jcersj.99.443 

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  9. J. Y. W. Seto, "The Electrical Properties of Polycrystalline Silicon Films," J. Appl. Phys., 46[12], pp.5247-5254, 1975. DOI: https://dx.doi.org/10.1063/1.321593 

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  10. C. H. Seager and T. G. Castner, "Zero-bias Resistance of Grain Boundaries in Neutron-transmutation-doped Polycrystalline," J. Appl. Phys., 49[7], pp. 3879-3889, 1978. DOI: https://dx.doi.org/10.1063/1.325394 

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  11. M. L. Tarng, "Carrier Transport in Oxygen-rich Polycrystalline Silicon Films," J. Appl. Phys., 49[7], pp. 4069-4076, 1978. DOI: https://dx.doi.org/10.1063/1.325367 

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  12. G. Baccarani, B. Ricco, and G. Spadini, "Transport Properties of Polycrystalline Silicon Films," J. Appl. Phys., 49[11], pp. 5565-5570, 1978. DOI: https://dx.doi.org/10.1063/1.324477 

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  13. J. Y. M. Lee and I. C. Cheng, "Electrical Properties of Lightly Doped Polycrystalline Silicon," J. Appl. Phys., 53[1], pp. 490-495, 1980. DOI: https://dx.doi.org/10.1063/1.329952 

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