KR101268609B1 - 합금조성 증착원과 테루륨 증착원의 동시증착에 의한 비스무스 테루라이드계 열전박막의 제조방법 및 이에 의해 제조된 열전박막 - Google Patents
합금조성 증착원과 테루륨 증착원의 동시증착에 의한 비스무스 테루라이드계 열전박막의 제조방법 및 이에 의해 제조된 열전박막 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 진공증착법을 이용한 비스무스 테루라이드(Bi2Te3)계 열전박막의 제조방법을 제공하기 위한 것으로서, 더욱 상세하게는 비스무스 테루라이드계 합금조성 증착원과 테루륨 증착원을 동시증착하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 비스무스 테루라이드계 열전박막의 제조방법 및 이에 의하여 제조된 열전박막을 제공한다. 본 발명에 의해 열전박막의 조성을 용이하게 조절함으로써 우수한 열전특성을 갖는 열전박막을 얻을 수 있는 공정상의 이점이 있으며, 또한 이들 열전박막으로 구성한 열전박막소자의 성능을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
Description
본 발명은 마이크로 열전센서, 열전발전소자 및 열전냉각소자와 같은 마이크로 열전박막소자에 적용하기 위한 비스무스 테루라이드계 열전박막의 제조방법에 관한 것이다.
열전재료는 지벡 효과와 펠티에 효과에 의해 열 에너지와 전기 에너지간의 직접변환이 가능한 재료로서 전자냉각과 열전발전에 다양하게 응용되고 있다. 열전재료를 이용한 전자냉각모듈과 열전발전모듈은 p형 열전 레그(leg)들과 n형 열전 레그들이 전기적으로는 직렬 연결되어 있으며 열적으로는 병렬 연결된 구조를 갖는다. 열전모듈을 전자냉각용으로 사용하는 경우에는 모듈에 직류전류를 인가함으로써 p형과 n형 열전소자에서 각기 정공과 전자의 이동에 의해 열이 cold junction 부위에서 hot junction 부위로 펌핑되어 cold junction 부위가 냉각된다. 이에 반해 열전발전의 경우에는 모듈의 고온단과 저온단 사이의 온도차에 의해 고온단에서 저온단 부위로 열이 이동시 p형과 n형 열전소자에서 각기 정공과 전자들이 고온단에서 저온단으로 이동함으로써 지벡 효과에 의해 기전력이 발생하게 된다.
전자냉각모듈은 열응답 감도가 높고 국부적으로 선택적 냉각이 가능하며 작동부분이 없어 구조가 간단한 장점이 있어, 광통신용 LD 모듈, 고출력 파워 트랜지스터, 적외선 감지소자 및 CCD 등 전자부품의 국부냉각에 실용화되고 있으며, 공업용, 민생용 항온조나 과학용, 의료용 항온유지 장치에 응용되고 있다. 열전발전은 온도차만 부여하면 발전이 가능하여 이용 열원의 선택범위가 넓으며 구조가 간단하고 소음이 없어, 군사용 전원장치를 비롯한 특수소형 전원장치에 국한되었던 용도가 최근에는 산업폐열 등을 이용한 열전발전기, 대체독립전원 등의 분야로 경제적 용도가 증대하고 있다.
최근 초소형 고감도 센서와 마이크로 발전소자 및 마이크로 냉각소자의 필요성이 대두됨에 따라 마이크로 열전소자가 개발되었다. 이제까지 마이크로 열전소자에 사용되는 열전모듈은 단결정 잉곳(ingot)을 절단하여 제조한 덩어리(bulk) 형태의 p형 열전 레그(leg)들과 n형 열전 레그들로 구성하거나, 가압소결법이나 열간압출법으로 제조한 다결정 가압소결체나 열간압출체를 절단하여 제조한 덩어리(bulk) 형태의 p형 열전 레그들과 n형 열전 레그들로 구성되어 왔다. 그러나 이들 덩어리 형태의 p형 열전 레그와 n형 열전 레그는 단결정 잉곳을 절단하거나 또는 다결정 가압소결체나 열간압출체를 절단하여 제조하기 때문에 크기 감소에 제한을 받는다. 따라서 이들을 이용하여 소형 열전모듈을 제작하는 것이 어려워 마이크로 열전소자를 구성하는데 어려움이 있었다.
상기와 같이 덩어리 형태의 열전 레그들을 사용하여 마이크로 열전소자를 구성시 발생하는 문제점을 해결하기 위해 도 1에 도시한 바와 같은 열전박막으로 이루어진 마이크로 열전박막소자가 개발되었다. 열전박막소자를 이루는 p형 열전박막(11)과 n형 열전박막(12)들은 기존 덩어리 형태의 열전 레그들에 비해 크기를 훨씬 미세하게 만들 수 있으며, 이에 따라 이들을 사용하여 구성한 마이크로 열전센서, 마이크로 열전박막소자 및 마이크로 열전냉각소자와 같은 열전박막소자의 소형화가 가능하게 된다.
마이크로 열전박막소자 중에서 마이크로 열전센서는 다음과 같은 장점이 있다. 첫째, 열전변환에 의해 전기적 신호가 열신호로 부터 스스로 생성되므로 외부전원을 필요로 하지 않는다. 둘째, 작은 온도변화에도 감도와 응답성이 높으며, 출력신호가 크다. 셋째, 고온에서도 안정된 출력신호를 얻을 수 있어 활용 가능한 온도범위가 넓다. 이와 같은 장점으로 인해 마이크로 열전센서는 적외선 센서, 마이크로 칼로리미터, 습도계, RMS 컨버터, 가속도계, 유량계 등에 다양하게 응용되고 있다. 열전박막을 사용한 마이크로 열전발전소자에서는 열전박막 레그들의 미세화에 의해 작은 온도차에서도 큰 출력전압의 발생이 가능하여 출력밀도를 현저히 향상시키는 것이 가능하다. 마이크로 열전냉각소자는 냉각능이 크고 크기가 mm 이하로 소형화가 가능하며 반응시간이 짧아, 전자부품의 소형화와 고집적화에 따른 발열 및 온도 안정성 등의 문제를 해결할 수 할 수 있는 장점이 있다.
마이크로 열전박막소자를 구성하기 위한 p형 열전박막(11)과 n형 열전박막(12)으로는 상온 부근에서 열전특성이 우수한 비스무스 테루라이드(Bi2Te3)계 열전재료들이 주로 사용되고 있다. 비스무스 테루라이드계 열전재료 중에서 p형으로는 이원계 안티모니 테루라이드(Sb2Te3)와 삼원계 비스무스 안티모니 테루라이드{(Bi,Sb)2Te3}가 사용되고 있으며, n형으로는 이원계 비스무스 테루라이드(Bi2Te3)와 삼원계 비스무스 테루라이드 세레나이드{Bi2(Te,Se)3}가 사용되고 있다.
마이크로 열전박막소자의 성능은 이를 구성하는 열전박막의 열전특성에 의존하기 때문에, MOCVD(metal organic chemical vapor deposition), MBE(molecular beam epitaxy), co-sputtering, 진공증착, 전기도금, 마이크로 jet 프린팅 등과 같은 다양한 열전박막 공정기술이 연구되고 있다.
상기와 같은 열전박막의 공정기술 중에서 MOCVD, MBE, co-sputtering법은 공정단가가 높다는 문제점이 있다. 열전박막의 전기도금 공정은 공정속도가 빠르고 저가 공정이며, 스케일 업이 용이하다는 장점이 있다. 그러나 전기도금법으로 형성한 열전박막들은 열전특성이 낮고 재현성이 나쁘다는 문제점이 있다.
진공증착법은 MOCVD, MBE, 스퍼터링 공정보다 공정단가가 낮으며, 박막 형성속도가 빠르다는 장점이 있다. 또한 전기도금공정과 비교하여 진공증착법은 전기도금 씨앗층이 불필요하여 p형 열전박막(11)과 n형 열전박막(12)으로 이루어진 열전박막소자를 형성하기 용이하다는 장점이 있다.
본 발명은 진공증착법으로 열전특성이 우수한 비스무스 테루라이드계 열전박막을 제조하는 가장 효과적인 방법을 제공하고자 한다.
이를 위하여 다음의 제조방법을 시도하였다.
먼저, 도 2에 도시한 바와 같이 비스무스 테루라이드계 합금 잉곳을 분쇄한 합금 알갱이 또는 분말을 단일의 합금조성 증착원(21)으로 사용하는 방법과 비스무스 테루라이드계 합금을 구성하는 각 원료분말들을 원하는 합금조성에 맞게 혼합한 분말을 단일의 합금조성 증착원(21)으로 사용하는 방법을 이용하였다.
또한 도 3에 도시한 바와 같이 원료분말들인 비스무스(Bi)와 테루륨(Te)을 각기 독립적인 두 개의 증착원(31,32)으로 사용하여 n형 열전박막(23)을 형성하거나 또는 안티몬(Sb)과 테루륨(Te)을 각기 독립적인 두 개의 증착원(31,32)으로 사용하여 p형 열전박막(23)을 형성하는 방법을 이용하였다.
비스무스 테루라이드계 열전재료를 구성하는 비스무스(Bi), 안티몬(Sb), 테루륨(Te), 셀레늄(Se)들은 서로 증기압이 크게 차이가 나기 때문에, 도 2와 같이 단일의 합금조성 증착원(21)을 사용하여 열전박막(23)을 형성하는 경우에는 합금조성 증착원(21)의 조성과 열전박막(23)의 조성이 크게 차이가 나게 된다. 특히 테루륨(Te)의 증기압이 다른 원소들의 증기압에 비해 높아서 먼저 증발하기 때문에, 합금조성 증착원(21)에 비해 열전박막(23)은 테루륨의 함량이 크게 낮은 조성이 된다. 따라서 합금조성 증착원(21)의 조성을 열전특성이 우수한 조성에 맞춘다고 하여도 이와 같은 합금조성 증착원(21) 하나만을 사용하여 구성한 열전박막(23)의 조성이 원하는 조성에서 크게 벗어나기 때문에 열전특성이 우수한 열전박막(23)을 얻는 것이 어려웠다.
반면에 도 3에 도시한 바와 같이 원료분말들인 비스무스(Bi)와 테루륨(Te)을 각기 독립적인 두 개의 증착원(31,32)으로 사용하여 열전박막(23)을 증착하는 방법에서는 비스무스 증기와 테루륨 증기 또는 안티몬 증기와 테루륨 증기가 증착원(31,32)로부터 기판(14)까지 도달하면서 서로 균일하게 혼합되는 것이 어렵다. 따라서 열전박막(23)의 조성이 기판(14)의 위치에 따라 크게 변하는 문제점이 있으며, 또한 열전박막(23)의 조성을 제어하는 것이 어려워 열전특성이 우수한 열전박막(23)을 얻는 것이 어려운 문제점이 있었다.
본 발명은 상기 문제점들은 해결하여 열전특성이 우수한 비스무스 테루라이드계 열전박막의 제조방법을 제공하고자 한다.
상기 과제의 해결 수단으로서, 본 발명에 의한 비스무스 테루라이드계 열전박막의 제조방법은, 진공증착법으로 비스무스 테루라이드계 열전박막을 제조하는 방법에 있어서, 비스무스 테루라이드계 합금조성 증착원과 테루륨 증착원을 각각 구성하고 동시증착에 의해 열전박막을 형성한다.
이때, p형 열전박막의 경우, 상기 비스무스 테루라이드계 합금조성은, 비스무스 안티모니 테루라이드 또는 안티모니 테루라이드로 이루어질 수 있으며, n형 열전박막의 경우, 상기 비스무스 테루라이드계 합금조성은, 비스무스 테루라이드 세레나이드 또는 비스무스 테루라이드로 이루어질 수 있다.
또한, 비스무스 테루라이드계 합금조성 증착원은, 비스무스 테루라이드계 합금 잉곳을 분쇄한 알갱이 또는 분말을 사용하여 이루어지거나, 비스무스 테루라이드계 합금을 구성하는 원료분말들을 원하는 조성으로 혼합한 혼합분말을 사용하여 이루어질 수 있다.
이러한 제조방법에 의해 높은 지백계수, 낮은 전기비저항, 높은 출력인자를 나타내는 p형 비스무스 테루라이드계 열전박막 및 n형 비스무스 테루라이드계 열전박막을 제공할 수 있다.
본 발명에 의해 합금조성 증착원과 테루륨 증착원을 각각 구성하여 동시증착함으로써 열전특성이 우수한 비스무스 테루라이드계 p형 열전박막과 n형 열전박막을 용이하게 형성할 수 있으며, 이와 같은 p형 열전박막과 n형 열전박막을 사용하여 마이크로 열전박막소자를 구성함으로써 마이크로 열전박막소자의 성능을 향상시킬 수 있다.
도 1은 p형과 n형 열전박막으로 구성한 마이크로 열전박막소자의 모식도.
도 2는 단일의 열전재료 합금조성 증착원을 사용하여 열전박막을 형성하는 증착방법을 나타내는 개략적인 단면도.
도 3은 열전재료를 구성하는 원료들의 각기 독립적인 증착원을 동시증착하여 열전박막을 형성하는 증착방법을 나타내는 개략적인 단면도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 열전재료 합금조성 증착원과 테루륨 증착원을 동시증착하여 열전박막을 형성하는 증착방법을 나타내는 개략적인 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호설명 *
11. p형 열전박막 12. n형 열전박막
13. 전극 14. 기판
21. 합금조성 증착원 22. 증착 보트
23. p형 또는 n형 열전박막 24. 진공증착 챔버
25. 파워 서플라이 26. 파워 라인
31. 비스무스(Bi) 또는 안티몬(Sb) 증착원 32. 테루륨(Te) 증착원
도 2는 단일의 열전재료 합금조성 증착원을 사용하여 열전박막을 형성하는 증착방법을 나타내는 개략적인 단면도.
도 3은 열전재료를 구성하는 원료들의 각기 독립적인 증착원을 동시증착하여 열전박막을 형성하는 증착방법을 나타내는 개략적인 단면도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 열전재료 합금조성 증착원과 테루륨 증착원을 동시증착하여 열전박막을 형성하는 증착방법을 나타내는 개략적인 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호설명 *
11. p형 열전박막 12. n형 열전박막
13. 전극 14. 기판
21. 합금조성 증착원 22. 증착 보트
23. p형 또는 n형 열전박막 24. 진공증착 챔버
25. 파워 서플라이 26. 파워 라인
31. 비스무스(Bi) 또는 안티몬(Sb) 증착원 32. 테루륨(Te) 증착원
이하에서는, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 열전재료 합금조성 증착원과 테루륨 증착원을 동시증착하여 열전박막을 형성하는 증착방법을 나타내는 개략적인 단면도이다. 도 4에 도시한 바와 같이 본 발명은 비스무스 테루라이드계 합금조성 증착원(21)과 테루륨 증착원(32)을 별개의 독립적인 증착원으로 사용하여 이들을 동시증착하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 비스무스 테루라이드계 열전박막의 제조방법을 제공한다.
본 발명에서 제공하는 비스무스 테루라이드계 열전박막의 제조방법에서는 비스무스 테루라이드계 합금조성 증착원(21)과 함께 테루륨 증착원(32)을 동시증착하여 여분의 테루륨(Te)을 공급함으로써, 단일의 합금조성 증착원(21)을 사용한 종래 기술에서 문제가 되었던 열전박막(23)에서 테루륨(Te) 함량이 낮아지는 문제점을 해결하여 열전특성이 우수한 열전박막(23)을 얻는 것이 가능하게 된다. 또한 본 발명에서 제공하는 비스무스 테루라이드계 열전박막의 제조방법에서는 테루륨 증착원(32)과 함께 합금조성 증착원(21)을 동시증착함으로써 기존 기술인 원료분말들을 독립적인 두 개의 증착원(31,32)으로 사용하여 동시증착한 제조방법에서 문제가 되었던 기판(14)의 위치에 따라 열전박막(23)의 조성이 변하는 것을 해결하며, 열전박막(23)의 조성을 용이하게 조절함으로써 열전특성이 우수한 열전박막(23)을 얻는 것이 가능하게 된다.
<실시예 1>
본 실시예에서는 비스무스 테루라이드계 열전박막 중에서 p형 열전박막(11)인 안티모니 테루라이드(Sb2Te3) 열전박막을 본 발명에 따라 안티모니 테루라이드 합금조성 증착원(21)과 테루륨 증착원(32)을 동시증착하여 형성하였다.
본 실시예에서 안티모니 테루라이드 열전박막(11,23)을 형성하기 위한 합금조성 증착원(21)은 다음과 같은 방법으로 제조하였다.
순도 4N 이상의 안티몬(Sb)과 테루륨(Te) 알갱이들을 10% 질산수용액, 아세톤, 증류수의 순서로 세척하여 표면 산화층을 제거하였다. 세척한 안티몬과 테루륨 알갱이들을 Sb2Te3 조성에 맞게 칭량한 후 석영관 내에 진공 봉입하였다. 이와 같이 준비한 석영관내 안티몬 및 테루륨 알갱이들을 rocking 로를 사용하여 700℃에서 10회/min의 속도로 2시간 동안 교반시키며 균질 용해시킨 후, 잉곳의 편석을 방지하기 위하여 상온으로 급랭하였다. Sb2Te3 잉곳을 알루미나 유발을 사용하여 분쇄하여 250㎛ 정도 크기의 알갱이(granule) 형상의 Sb2Te3 합금조성 증착원(21)을 제조하였다. Sb2Te3 잉곳을 250㎛ 크기 이하의 분말로 분쇄하는 것도 바람직하다.
두 개의 증착보트(22)가 구비된 진공증착 챔버(24) 내에 있는 한 개의 증착보트(22)에 상기와 같이 제조한 Sb2Te3 합금조성 증착원(21)을 장입하고, 다른 한 개의 증착보트(22)에는 테루륨(Te)을 장입하여 테루륨(Te) 증착원(32)으로 사용하였다.
안티모니 테루라이드 열전박막(23)을 진공증착하기 위한 기판(14)으로서 실리콘 웨이퍼를 1cm×1cm 크기로 절단한 후, 아세톤, 알콜과 증류수를 사용하여 각기 30초씩 초음파 세척하고 질소가스를 불어주며 표면에 부착된 불순물을 제거하였다. 실리콘 기판(14)을 진공증착장비 챔버(24)에 장입한 후 1×10-5 torr 이하의 진공도를 유지하면서 Sb2Te3 합금조성 증착원(21)과 테루륨 증착원(32)의 증착보트(22)에 인가되는 전력을 개별적으로 조절하면서 이들을 동시증착하여 안티모니 테루라이드 박막(23)을 증착하였다.
본 발명에 따라 형성한 안티모니 테루라이드 박막의 열전특성을 표 1에 나타내었다.
| 지벡 계수 (μV/K) | 전기비저항 (mΩ-cm) | 출력인자 (×10-4 W/m-K2) |
| 180 | 0.57 | 56 |
표 1은 본 발명에 따라 형성한 안티모니 테루라이드 박막의 열전특성이다.
표 1에 나타낸 본 발명에 의한 안티모티 테루라이드 박막의 열전특성과 비교하기 위하여 도 2에 도시한 바와 같은 기존 기술에 따른 단일의 Sb2Te3 합금조성 증착원(21)을 사용하여 증착한 안티모니 테루라이드 박막 및 도 3에 도시한 기존 기술에 따른 안티몬 증착원(31)과 테루륨 증착원(32)을 동시증착하여 형성한 안티모니 테루라이드 박막의 열전특성을 표 2에 나타내었다.
| 증착원 | 지벡 계수 (μV/K) |
전기비저항 (mΩ-cm) |
출력인자 (×10-4 W/m-K2) |
| 단일의 Sb2Te3 합금조성 증착원 | 127 | 8.41 | 2.71 |
| Sb와 Te 2개의 원료 증착원 |
93 | 11.7 | 0.73 |
표 2는 기존 기술에 따라 형성한 안티모니 테루라이드 박막의 열전특성이다.
표 1과 표 2의 비교에서와 같이 본 발명에 의해 Sb2Te3 합금조성 증착원(21)과 테루륨 증착원(32)의 동시증착함으로써 기존 기술에서는 얻을 수 없던 높은 지벡 계수와 낮은 전기비저항, 그리고 높은 출력인자를 나타내는 p형 안티모니 테루라이드 열전박막(11,23)을 형성하는 것이 가능하였다.
본 실시예에서는 테루륨 증착원(32)과 함께 동시증착할 합금조성 증착원(21)의 조성으로서 Sb2Te3 조성을 선택하였다. 이와 더불어 본 발명에서는 Sb2Te3 이외의 조성, 예를 들어 SbTe 조성의 증착원(21)을 테루륨 증착원(32)과 함께 동시증착하여 안티모니 테루라이드 열전박막(23)을 제조하는 것도 가능하다.
본 실시예에서는 테루륨 증착원(32)과 동시증착할 합금조성 증착원(21)으로서 Sb2Te3 잉곳을 분쇄하여 형성한 Sb2Te3 알갱이를 사용하였다. 이와 더불어 본 발명에서는 안티몬과 테루륨 분말을 원하는 합금조성으로 혼합하여 형성한 혼합분말 증착원(21)을 테루륨 증착원(32)과 함께 동시증착하여 이루어지는 것도 가능하다.
<실시예 2>
본 실시예에서는 비스무스 테루라이드계 열전박막 중에서 n형 열전박막(12)인 비스무스 테루라이드(Bi2Te3) 열전박막을 본 발명에 따라 비스무스 테루라이드 합금조성 증착원(21)과 테루륨 증착원(32)을 동시증착하여 형성하였다.
본 실시예에서 비스무스 테루라이드 열전박막(12,23)을 형성하기 위한 합금조성 증착원(21)은 다음과 같은 방법으로 제조하였다.
순도 4N 이상의 비스무스(Bi)와 테루륨(Te) 알갱이들을 10% 질산수용액, 아세톤, 증류수의 순서로 세척하여 표면 산화층을 제거하였다. 세척한 비스무스와 테루륨 알갱이들을 Bi2Te3 조성에 맞게 칭량한 후 석영관 내에 진공 봉입하였다. 이와 같이 준비한 석영관내 비스무스 및 테루륨 알갱이들을 rocking 로를 사용하여 700℃에서 10회/min의 속도로 2시간 동안 교반시키며 균질 용해시킨 후, 잉곳의 편석을 방지하기 위하여 상온으로 급랭하였다. Bi2Te3 잉곳을 알루미나 유발을 사용하여 분쇄하여 250㎛ 정도 크기의 알갱이(granule) 형상의 Bi2Te3 합금조성 증착원(21)을 제조하였다. Bi2Te3 잉곳을 250㎛ 크기 이하의 분말로 분쇄하는 것도 바람직하다.
두 개의 증착보트(22)가 구비된 진공증착 챔버(24) 내에 있는 한 개의 증착보트(22)에 상기와 같이 제조한 Bi2Te3 합금조성 증착원(21)을 장입하고, 다른 한 개의 증착보트(22)에는 테루륨(Te)을 장입하여 테루륨(Te) 증착원(32)으로 사용하였다. 실리콘 기판(14)을 진공증착장비 챔버(24)에 장입한 후 1×10-5 torr 이하의 진공도를 유지하면서 Bi2Te3 합금조성 증착원(21)과 테루륨 증착원(32)의 증착보트(22)에 인가되는 전력을 개별적으로 조절하면서 동시증착하여 비스무스 테루라이드 박막(23)을 증착하였다.
본 발명에 따라 형성한 비스무스 테루라이드 박막의 열전특성을 표 3에 나타내었다.
| 지벡 계수 (μV/K) | 전기비저항 (mΩ-cm) | 출력인자 (×10-4 W/m-K2) |
| -165 | 0.3 | 80 |
표 3은 본 발명에 따라 형성한 비스무스 테루라이드 박막의 열전특성이다.
표 3에 나타낸 본 발명에 의한 비스무스 테루라이드 박막의 열전특성과 비교하기 위하여 도 2에 도시한 바와 같은 기존 기술에 따른 단일의 Bi2Te3 합금조성 증착원(21)을 사용하여 증착한 비스무스 테루라이드 박막 및 도 3에 도시한 기존 기술에 따른 비스무스 증착원(31)과 테루륨 증착원(32)을 동시증착하여 형성한 비스무스 테루라이드 박막(23)의 열전특성을 표 4에 나타내었다.
| 증착원 | 지벡 계수 (μV/K) |
전기비저항 (mΩ-cm) |
출력인자 (×10-4 W/m-K2) |
| 단일의 Bi2Te3 합금조성 증착원 | -70 | 5.2 | 1 |
| Bi와 Te 2개의 원료 증착원 |
-40 | 7.7 | 0.2 |
표 4는 기존 기술에 따라 형성한 비스무스 테루라이드 박막의 열전특성이다.
표 3과 표 4의 비교에서와 같이 본 발명에 의해 Bi2Te3 합금조성 증착원(21)과 테루륨 증착원(32)의 동시증착함으로써 기존 기술에서는 얻을 수 없던 높은 지벡 계수와 낮은 전기비저항, 그리고 높은 출력인자를 나타내는 n형 비스무스 테루라이드 열전박막(12,23)을 형성하는 것이 가능하였다.
본 실시예에서는 테루륨 증착원(32)과 동시증착할 합금조성 증착원(21)으로서 Bi2Te3 잉곳을 분쇄하여 형성한 Bi2Te3 알갱이를 사용하였다. 이와 더불어 본 발명에서는 비스무스와 테루륨 분말을 원하는 합금조성으로 혼합하여 형성한 혼합분말 증착원(21)을 테루륨 증착원(32)과 함께 동시증착하여 이루어지는 것도 가능하다.
본 실시예들에서는 이원계 p형 안티모니 테루라이드 박막(Sb2Te3)과 n형 비스무스 테루라이드(Bi2Te3) 박막을 형성하였으며, 이와 더불어 본 발명에서는 합금조성 증착원(21)과 테루륨 증착원(32)의 동시증착에 의해 삼원계 비스무스 안티모니 테루라이드{(Bi,Sb)2Te3} 박막과 비스무스 테루라이드 세레나이드{Bi2(Te,Se)3} 박막을 제조하는 것도 가능하다.
이상과 같이 도면과 명세서에서 최적 실시 예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
11. p형 열전박막 12. n형 열전박막
13. 전극 14. 기판
21. 합금조성 증착원 22. 증착 보트
23. p형 또는 n형 열전박막 24. 진공증착 챔버
25. 파워 서플라이 26. 파워 라인
31. 비스무스(Bi) 또는 안티몬(Sb) 증착원 32. 테루륨(Te) 증착원
13. 전극 14. 기판
21. 합금조성 증착원 22. 증착 보트
23. p형 또는 n형 열전박막 24. 진공증착 챔버
25. 파워 서플라이 26. 파워 라인
31. 비스무스(Bi) 또는 안티몬(Sb) 증착원 32. 테루륨(Te) 증착원
Claims (7)
- 진공증착법으로 비스무스 테루라이드계 열전박막을 제조하는 방법에 있어서,
비스무스 테루라이드계 합금조성 증착원과 테루륨 증착원을 각각 구성하고 동시증착에 의해 열전박막을 형성하는 비스무스 테루라이드계 열전박막의 제조방법.
- 제 1항에 있어서,
p형 열전박막의 경우, 상기 비스무스 테루라이드계 합금조성은,
비스무스 안티모니 테루라이드 또는 안티모니 테루라이드로 이루어지는 비스무스 테루라이드계 열전박막의 제조방법.
- 제 1항에 있어서,
n형 열전박막의 경우, 상기 비스무스 테루라이드계 합금조성은,
비스무스 테루라이드 세레나이드 또는 비스무스 테루라이드로 이루어지는 비스무스 테루라이드계 열전박막의 제조방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 비스무스 테루라이드계 합금조성 증착원은,
비스무스 테루라이드계 합금 잉곳을 분쇄한 알갱이 또는 분말을 사용하여 이루어지는 비스무스 테루라이드계 열전박막의 제조방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 비스무스 테루라이드계 합금조성 증착원은,
비스무스 테루라이드계 합금을 구성하는 원료분말들을 원하는 조성으로 혼합한 혼합분말을 사용하여 이루어지는 비스무스 테루라이드계 열전박막의 제조방법.
- 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항의 제조방법으로 제조된 p형 비스무스 테루라이드계 열전박막.
- 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항의 제조방법으로 제조된 n형 비스무스 테루라이드계 열전박막.
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