초록 ▼

연구의 목적 및 내용
본 연구과제의 최종 연구개발 목표는 친환경 대체 에너지자원인 차세대 열전반도체의 개발로써, 새로운 반도성 신소재인 다성분계 금속-산화물 열전소재에 대한 연구를 통해, i) 자발적으로 형성되는 수 nm간격의 초격자구조를 형성 및 미세구조 제어기술과, ii) 소재의 제작 및 생산비용의 측면에서 우수한 공정법을 통한 성장기술 확보를 목표로 한다. 이들 산화물 열전소재들은 높은 열기전력 및 전기전도도와 낮은 열전도도를 동시에 나타냄으로써 우수한 열전반도체로서의 가능성을 보여주었다.
○ 1차년도: 다성분계 산

연구의 목적 및 내용
본 연구과제의 최종 연구개발 목표는 친환경 대체 에너지자원인 차세대 열전반도체의 개발로써, 새로운 반도성 신소재인 다성분계 금속-산화물 열전소재에 대한 연구를 통해, i) 자발적으로 형성되는 수 nm간격의 초격자구조를 형성 및 미세구조 제어기술과, ii) 소재의 제작 및 생산비용의 측면에서 우수한 공정법을 통한 성장기술 확보를 목표로 한다. 이들 산화물 열전소재들은 높은 열기전력 및 전기전도도와 낮은 열전도도를 동시에 나타냄으로써 우수한 열전반도체로서의 가능성을 보여주었다.
○ 1차년도: 다성분계 산화물 열전소재 물질 탐색 및 자발적 초격자구조 형성 구현(탐색 연구)
○ 2차년도: 다성분계 산화물 열전소재 물성평가 및 후 열처리 공정조건 확보(기반 연구)
○ 3차년도: 저가 공정을 이용한 초격자 박막 및 나노선소재 성장 기술 확보(고도화 연구)
연구결과
본 연구에서는 자발적으로 초격자구조를 보여주는 다성분계 산화물 반도체 박막을 진공 및 비진공 기술을 이용하여 제작하였고, 이를 이용하여 높은 열기전력 및 전기전도도와 낮은 열전도도를 보여주는 친환경 산화물 열전소재를 성장하는 기술을 연구하여, 이를 열전소재로 활용하여 고성능 고온용 열전소자에 적용할 수 있는 가능성을 제시하였다.
(1) 1차년도 연구내용
○ 다양한 조성을 가진 산화물 반도체 박막의 특성에 대한 성장변수 및 결정화도 영향 연구
○ 초기 핵생성에 대한 성장변수 및 조성의 영향을 극미세구조 분석 연구
○ 미세구조 분석을 이용한 자발적인 초격자구조 형성에 대한 평가
○ 산화물 박막의 광학적, 전기적, 열적특성 연구
○ 구성 성분원소 및 조성에 따른 물리적 특성 거동 모델링(전기전도도, 열전도도 등)
(2) 2차년도 연구내용
○ 초격자구조 미세구조 관찰과 전산모사로 초격자구조의 원자배열을 이해
○ 후 열처리를 수행하여 열전도도 제어를 위한 결정립 크기 제어 기술을 확보
○ 열전소재의 기본 물성에 대한 측정 및 성분 원소에 대한 물성결과 map을 작성
○ 열전성능지수와 소재물성의 상관관계에 대한 수학적 모델 도출
○ 자발적인 초격자구조 박막의 전자구조 및 계면제어로 전하/포논 동시 제어기술을 확보
(3) 3차년도 연구내용
○ 진공증착 방법으로 기판의 수직 방향으로 밴드갭이 다른 산화물 다층박막 성장
○ 기판위에 수직으로 배향된 다성분계 산화물 나노선 어레이 성장에 대한 연구
○ 고품질 산화물 열전소재를 위한 초격자 제어 기술 확보(비진공)
○ 조성에 따른 다성분계 산화물 다층 박막구조에서 결정 방향성 변화와 열전 특성 연구
○ 성장 조건 및 성분원소에 대한 초격자 박막 형성 여부 및 표준화
연구결과의 활용계획
○ 산업적 기대효과:　친환경적이며 재활용 가능한 새로운 에너지자원에 대한 기술시장을 창출할 수 있으며, 차세대 열전소자 발전을 위한 핵심원천기술을 제공할 것이다.
○ 사회적 기대효과:　경제적인 이점을 가진 산화물 열전소재에 대한 연구는 산업 고도화에 따른 국가의 부 창출, 국민의 삶의 질 향상 및 에너지 문제 해결 등에 기여할 수 있다.
○ 기술적 기대효과:　열전소자에 대한 연구는 재료적인 측면에서 기술적인 한계를 가지고 있기 때문에, 이 과제는 열전소자에 대한 연구 환경 및 분위기 조성에 이바지 할 것이다.
○ 재료탐색 대한 기초연구를 통해 국제적으로 저명한 SCI 저널에 다수의 논문을 게재하였고, 관련분야 우수 R&D 인력양성에 기여하였다.

Abstract ▼

Purpose&contents
The final goal of this project is to search advanced semiconducting metal-oxide materials consisting of multicomponent for the development of green renewable energy thermoelectric(TE) devices. In this research, we developed 1) technology to control
high-degree structure with n

Purpose&contents
The final goal of this project is to search advanced semiconducting metal-oxide materials consisting of multicomponent for the development of green renewable energy thermoelectric(TE) devices. In this research, we developed 1) technology to control
high-degree structure with naturally formed superlattice and 2) vertically aligned multicomponent oxide multilayers and nanowires. and also, these materials showed high possibility as thermoelectric semiconductor with high thermopower, electrical conductivity, and low thermal conductivity.
○ 1st year: search for oxide TE materials with naturally formed superlattice
○ 2nd year: evaluate the TE properties and ensure post-annealing condition
○ 3rd year: grow vertically stacked superlattice multilayers and nanowires
Result
In this project, we grew multicomponent oxide semiconducting thin films with naturally formed superlattice by vacuum and nonvacuum process and developed green oxide TE materials with high thermopower and electrical conductivity, and low thermal conductivity.
Finally, these materials presented high potential of being applied in high performance and high temperature TE devices.
(1) 1st year:
○ Study the effects of growth parameters and crystallinity on the oxide thin films
○ Analyze microstructure at the initial nucleation stage and effect of composition
○ Prove the naturally formed superlattice structure using microanalysis
○ Study optical, electrical, and thermal properties of oxide thin films
○ Provide modelling on physical properties depending on components and composition
(2) 2nd year:
○ Understand the atomic arrangement of superlattices using microstructure observation and computer simulation
○ Control grain size using post thermal annealing to control the thermal conductivity
○ Measure TE properties and draw property map depending on components
○ Induce mathematical models on the relation between thermopower and properties
○ Control the behavior of carriers/phonons simultaneously by electrical structure and interface control of thin films
(3) 3rd year:
○ Grow oxide multilayers with vertically different bandgap using vacuum deposition
○ Grow vertically stacked oxide nanowires on substrates
○ Develop the new mthod of fabricating superlattice for thermoelectric(nonvacuum)
○ Measure thermopower and model the effect of nano size on thermopower
○ Co-work the fabrication of TE panel using high efficiency oxide TE materials
Expected Contribution
○ Industrial effectiveness:　This project provides new energy harvesting source with green and renewable characteristics and core technology for next-generation TE development.
○ Social effectiveness:　The research on TE materials with economical competitiveness provides national wealth-production, life quality upgrading, and solution for energy drain.
○ Technical effectiveness:　Because the research on TE devices meets technological limitation induced from materials, this project can boom-up the research environment on TE devices.
○ Human resources: excellent R&D researcher trained in the field of thermoelectric

목차 Contents

• 중견연구자지원사업(핵심연구) 최종보고서 ... 1
• 목차 ... 3
• 연구계획 요약문 ... 4
• 연구결과 요약문 ... 5
• 한글요약문 ... 5
• SUMMARY ... 6
• 연구내용 및 결과 ... 7
• 1. 연구개발과제의개요 ... 7
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 13
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 17
• 4. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 76
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 82
• 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 84
• 7. 주관연구책임자 대표적 연구실적 ... 86
• 8. 참고문헌 ... 87
• 9. 연구성과 ... 88