[논문]Bi2Te3계 열전박막의 열전 출력인자에 미치는 첨가제의 영향

배상현; 최순목

doi:10.4313/jkem.2020.33.2.141

Bi2Te3계 열전박막의 열전 출력인자에 미치는 첨가제의 영향
Doping Effects to the Thermoelectric Power Factor of Bi2Te3 Thin Films 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.33 no.2, 2020년, pp.141 - 146

배상현 (한국기술교육대학교 에너지신소재화학공학부) , 최순목 (한국기술교육대학교 에너지신소재화학공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Thermoelectric Bi2Te3 thin films were synthesized by a co-sputtering method at 300℃. A Fe dopant was considered to enhance the thermoelectric properties of the system. The Seebeck coefficient of the Fe-doped films increased whereas the electrical conductivity decreased. As a result, the power factor of the system increased owing to the enhanced Seebeck coefficient. Grain growth inhibition was detected in the Fe-doped system, which produced more grain boundaries in the Fe-doped films than in the undoped system. The increased grain boundary scattering was deemed to be effective for a reduced thermal conductivity. This is advantageous for the preparation of high-performance thermoelectric films.

주제어

표/그림 (4)

그림 Fig. 1. XRD analysis results for the Bi₂Te₃ thin films.
그림 Fig. 2. Surface FESEM photographs for the (a) undoped, (b) Fe-doped Bi₂Te₃ thin films, cross-sectional FE-SEM images for (c) undoped, and (d) Fe-doped Bi₂Te₃ thin films.
그림 Fig. 3. Schematics for (a) undoped and (b) Fe-doped surface FESEM photographs.
그림 Fig. 4. (a) Carrier concentration, (b) seebeck coefficient, (c) carrier mobility, and (d) power factor of Bi₂Te₃ thin films.

AI 본문요약
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문제 정의

박막 수준에서는 Fe 원소가 Te 원소와의 화합물 형성을 통해 nano rod 형태 등의 불순물 형태로 남아 Bi₂Te₃의 성장을 방해하는 연구 결과가 보고되었다[26]. 본 연구에서는 첨가원소로 Fe 원소를 이용하여 n-type의 Fe doped Bi₂Te₃ 박막을 제조하여 상온에서의 열전 특성에 대한 평가를 진행하였다

제안 방법

Fe 원소를 0.30 at% 수준으로 저농도 도핑하여 Bi₂Te₃계 열전 박막을 제조하였으며 XRD 분석을 통해 단일상을 확인하였다. 산화수가 작은 Fe 원소가 Bi를 치환할 때 발생하는 h⁺에 의하여 전기적 특성이 n-type에서 p-type으로 변화하였으며 전하농도와 전기전도도가 감소하였으나, 제벡계수의 증가로 인해 출력인자는 향상되었다.
30 at% 의 Fe가 도핑된 Bi₂Te₃ 열전 박막을 얻을 수 있었다 또한, 1 μm 수준의 두께에 해당하는 박막을 얻기 위하여 30분간 증착을 진행하였다. Fe 원소를 첨가 원소로 사용하여 제작된 Bi₂Te₃ 열전 박막의 열전특성을 측정하기 위해 열전 물성 측정장치(S’Lab사, TEP^-800)를 이용하여 제벡계수, 전기전도도, power factor를 측정하였다. 또한, 박막의 두께와 Fe 원소가 Bi₂Te₃ 박막의 미세구조에 미치는 영향을 알아보기 위해 field emission scanning electron microscopy (FE-SEM, FEI사,Apreo S HiVac) 장비를 이용하여 두께 및 미세구조를 촬영하였다.
또한, 박막의 두께와 Fe 원소가 Bi₂Te₃ 박막의 미세구조에 미치는 영향을 알아보기 위해 field emission scanning electron microscopy (FE-SEM, FEI사,Apreo S HiVac) 장비를 이용하여 두께 및 미세구조를 촬영하였다. 또한 열전 성능에 영향을 미치는 전기적인 특성에 대하여 알아보기 위해 hall measurement 방법을 이용하여 캐리어 농도와 이동도를 측정하였다.

대상 데이터

박막을 제조하기 위해서 magnetron sputtering 장치를 이용하였다. 박막 제조를 위한 기판으로는 300nm 수준의 SiO₂ 산화층을 갖는 Si wafer를 사용하여 Acetone, EtOH, DIW에 초음파 세척 후 건조하여 증착실험을 진행하였다. 타겟으로는 2 inch 크기의 순도 5N의 Bi₂Te₃와 Fe 타겟을 이용하여 co-sputtering 하였다.
박막 제조를 위한 기판으로는 300nm 수준의 SiO₂ 산화층을 갖는 Si wafer를 사용하여 Acetone, EtOH, DIW에 초음파 세척 후 건조하여 증착실험을 진행하였다. 타겟으로는 2 inch 크기의 순도 5N의 Bi₂Te₃와 Fe 타겟을 이용하여 co-sputtering 하였다. 균일한 증착을 위해 20 rpm의 속도로 회전시켜 증착시켰다.

성능/효과

30 at% 수준으로 저농도 도핑하여 Bi₂Te₃계 열전 박막을 제조하였으며 XRD 분석을 통해 단일상을 확인하였다. 산화수가 작은 Fe 원소가 Bi를 치환할 때 발생하는 h⁺에 의하여 전기적 특성이 n-type에서 p-type으로 변화하였으며 전하농도와 전기전도도가 감소하였으나, 제벡계수의 증가로 인해 출력인자는 향상되었다. 향후 도핑 농도를 높이는 것으로써 물성을 최적화할 수 있을 것으로 기대되며, Fe 첨가에 의한 미세구조 변화로 인해 격자 열전도도가 낮아지는 것을 확인하였으므로 향후 열전성능지수 ZT 값 평가를 위한 후속 연구가 필요하다.

후속연구

산화수가 작은 Fe 원소가 Bi를 치환할 때 발생하는 h⁺에 의하여 전기적 특성이 n-type에서 p-type으로 변화하였으며 전하농도와 전기전도도가 감소하였으나, 제벡계수의 증가로 인해 출력인자는 향상되었다. 향후 도핑 농도를 높이는 것으로써 물성을 최적화할 수 있을 것으로 기대되며, Fe 첨가에 의한 미세구조 변화로 인해 격자 열전도도가 낮아지는 것을 확인하였으므로 향후 열전성능지수 ZT 값 평가를 위한 후속 연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	상업적 양산을 위해서는 기계적 특성이 우수한 다결정이 유리하다. 이때 다결정 소재의 성능을 향상시킬 수 있는 방법은?	상업적 양산을 위해서는 열전 성능은 상대적으로 나쁘더라도 단결정에 비해 기계적 특성이 우수한 다결정이 유리하다[9-11]. 다결정 소재의 성능을 향상시키기 위해서 첨가 원소를 사용하는 전략과 더불어 최근에는 하이에너지볼 밀과 핫 프레스 방법을 이용하여 나노구조화하는 방법을 이용하여 성능을 향상시킨다 [12,13]. 또한 반도체 산업의 발달로 인해 소형 전기장치에서의 발열 문제와 그 냉각 장치에 대한 관심이 늘어나며 소형 전기장치의 저용량 열전 냉각 장치 등을 목적으로 상온에서 사용 가능한 소재인 Sb2Te3 소재와 Bi2Te3 소재의 박막 연구가 서브 마이크론 수준에서 수 마이크론 수준까지 진행되어 왔다.
	열전 성능 지수 figure-of-merit(ZT)란?	열전소재의 성능을 나타내기 위한 지표로서 열전 성능지수를 사용한다. 열전 성능 지수 figure-of-merit(ZT)는 다음과 같이 식 (1)로 표현할 수 있다.
	Bi2Te3계 소재의 단점은?	폐열 발전과 자동차용 공조기 등 넓은 활용 범위를 가지는 열전소자가 지속적으로 연구되어 왔으며 열전소재로서는 BiSb와 같은 저온용 [1,2], SiGe와 같은 고온용 [3,4] 그리고 상온에서 주로 사용되는 p-type Bi2-xSbxTe3계 소재나 n-type의 Bi2Te3-xSnx계 소재 등이 연구되어 왔다 [5]. Bi2Te3계 소재는 상온에서 최고성능의 소재로서, 1960년대부터 연구되어 왔으나 [6-8],Bi2Te3 단결정은 구조적으로 반 데르 발스 결합을 갖기 때문에, 기계적 강도가 매우 약하다 [6]. 상업적 양산을 위해서는 열전 성능은 상대적으로 나쁘더라도 단결정에 비해 기계적 특성이 우수한 다결정이 유리하다[9-11].

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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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