초록 ▼

□ 연구개요
○ 일반적으로 산화물 반도체를 이용한 열전재료의 경우, 전기전도도를 향상시키기 위하여 결정성 개선에 의한 재료내의 캐리어 농도를 증가시키는 방법을 통해서 열전성능을 향상시킴. 이 경우, 캐리어 농도가 증가됨에 따라 전자에 의한 열전도도가 같이 향상되어, 결과적으로 열전성능지수 향상이 크지 않음.
○ 소자들이 소형화됨에 따라, 박막형 열전재료의 필요성은 커지고 있지만 박막형 열전재료의 경우 열전도도 측정이 어려워, Power Factor에 의존하고 있기 때문에 기존의 방식을 통한 열전성능지수에 대한 정확한 평가

□ 연구개요
○ 일반적으로 산화물 반도체를 이용한 열전재료의 경우, 전기전도도를 향상시키기 위하여 결정성 개선에 의한 재료내의 캐리어 농도를 증가시키는 방법을 통해서 열전성능을 향상시킴. 이 경우, 캐리어 농도가 증가됨에 따라 전자에 의한 열전도도가 같이 향상되어, 결과적으로 열전성능지수 향상이 크지 않음.
○ 소자들이 소형화됨에 따라, 박막형 열전재료의 필요성은 커지고 있지만 박막형 열전재료의 경우 열전도도 측정이 어려워, Power Factor에 의존하고 있기 때문에 기존의 방식을 통한 열전성능지수에 대한 정확한 평가가 어려움.
○ 본 연구에서는 재료의 열전성능을 향상시키기 위해서, 고전도성 비정질 산화물 반도체 열전 재료의 캐리어 이동도의 제어 및 열전도도 감소를 통해서 열전성능지수를 향상시켰으며, 박막의 열전도도에 대한 이론적 계산 및 TDTR 측정을 통해 박막에 대한 열전도도 측정 방법을 확립함.

□ 연구 목표대비 연구결과
○ 1차년도
- 비정질 산화물을 이용하여 높은 열전도 특성을 실현.
● 전기전도도: 2150 S/cm (목표치: 1800 S/cm)
● 캐리어 밀도: 4.3×10²⁰/cm³ (목표치: 1.0×10²⁰/cm³)
● Power factor: 354 μW/K²·m (목표치: 300 μW/K²·m)
● 열전성능지수(ZT): 0.045 (목표치: 0.04)
○ 2차년도
- Zn을 도핑하여, 산소공공 생성을 억제하고 캐리어 농도를 낮추고, 동시에 높은 전기전도도와 낮은 열전도도를 실현하여 높은 열전성능지수를 달성함.
● 전기전도도: 2924 S/cm (목표치: 2000 S/cm)
● 캐리어 밀도: 0.74×10²⁰/cm³ (목표치: 1.0×10²⁰/cm³)
● Power factor: 445 μW/K²·m (목표치: 350 μW/K²·m)
● 열전성능지수(ZT): 0.06 (목표치: 0.05)
○ 3차년도
- 동등수준의 열전성능을 유지함과 동시에, 높은 전기전도도를 구현함.
● 전기전도도: 2481 S/cm (목표치: 2200 S/cm)
● 캐리어 밀도: 3.01×10²⁰/cm³ (목표치: 1.0×10²⁰/cm³)
● Power factor: 398 μW/K²·m (목표치: 400 μW/K²·m)

□ 연구개발결과의 중요성
○ 본 과제에서 연구한 박막형 비정질 산화물 반도체는 우수한 내산화성, 고온 내구성 및 높은 전기 전도도를 가지고 있으면서도 소형화가 용이하기 때문에 Te 계를 비롯한 기존의 열전 재료를 대체할 수 있음.
○ 박막형 열전소자는 소형화 및 고 집적화가 가능하여, 반도체 및 소형전자 부품의 발열 문제를 해결할 수 있음. 또한, 비정질 열전재료의 경우 기계적 특성이 우수하여, 유연소자에 적용이 가능함.
○ 비정질 투명 산화물 반도체 박막은 낮은 캐리어 밀도에서도 높은 이동도를 유지하여 높은 열전 특성과 높은 전기전도도를 동시에 가질 수 있음.
○ 또한, 박막형 열전재료의 전기적 특성에 따른 열전도도 및 열전성능 지수 평가 방법 확립 및 향후 지속 연구의 토대가 되는 연구 결과를 도출함.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 가. 기존 열전재료보다 뛰어난 열전재료 개발 ... 4
• 나. 높은 이동도를 통한 고 전기전도성 비정질 산화물 박막 설계 ... 5
• 2. 연구수행내용 및 연구결과 ... 7
• 가. 1차 연도(2017) ... 7
• 나. 2차 연도(2018) ... 10
• 다. 3차 연도(2019 ... 12
• 3. 연구개발결과의 중요성 ... 17
• 4. 참고문헌 ... 18
• 5. 연구성과 ... 20
• 대표적 연구실적 ... 30
• 끝페이지 ... 43