KR101676322B1 - 열전 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents

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KR101676322B1
KR101676322B1 KR1020150120932A KR20150120932A KR101676322B1 KR 101676322 B1 KR101676322 B1 KR 101676322B1 KR 1020150120932 A KR1020150120932 A KR 1020150120932A KR 20150120932 A KR20150120932 A KR 20150120932A KR 101676322 B1 KR101676322 B1 KR 101676322B1
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titanium
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박진성
이정훈
심지훈
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한양대학교 산학협력단
포항공과대학교 산학협력단
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Abstract

열전 소자의 제조 방법이 제공된다. 상기 열전 소자의 제조 방법은, 기판을 준비하는 단계 및 상기 기판 상에 아연 산화물을 포함하는 제1 물질막(first material layer), 및 티타늄 산화물을 포함하는 제2 물질막(second material layer)을 형성하는 공정을 복수회 수행하여 적층 구조체(stacked structure)를 제조하는 단계를 포함하되, 상기 열전 소자 내의 티타늄의 농도를 조절하여, 상기 적층 구조체의 파워 팩터(power factor) 값 및 제백 계수 값을 조절하는 것을 포함한다.

Description

열전 소자 및 그 제조 방법{Thermoelectric device and method of fabricating the same}
본 발명은 열전 소자 및 그 제조 방법에 관련된 것으로, 보다 상세하게는 아연 산화물 및 티타늄 산화물이 교대로 적층된 구조를 포함하는 열전 소자 및 그 제조 방법이다.
열전 효과는 1821년 Thomas Seebeck에 의하여 발견되었으며, 1950년대에 들어서 반도체 재료의 발견과 함께 산업에 널리 적용되고 있는 기술로 발전되어 왔다. 열전소자는 태양에너지를 이용한 발전뿐만 아니라 체열, 폐열 및 지열 등을 이용한 발전 등 응용처가 매우 다양하며, 청정에너지를 생산할 수 있는 미래 지향적인 특성을 가진 분야라 할 수 있다.
구체적으로, 열전 소자를 이용한 냉각 공정은, 진동과 소음이 없고, 별도의 응축기와 냉매를 사용하지 않아, 부피가 작고, 친환경적이다. 이러한, 열전 소자의 특성을 이용하여, 무냉매 냉장고, 에어콘, 각종 마이크로 냉각 시스템 등에 열전 소자가 활용되고 있다.
이에 따라, 열전 효율을 높이는 다양한 열전 소자 제조 방법들이 개발되고 있다. 예를 들어, 대한민국 특허 공개 공보 10-2013-0007201(출원번호 10-2011-0064320, 출원인 엘지이노텍 주식회사)에는, 지지체 기반의 열전소자를 포함하는 열전모듈에 관한 것으로, 열전도도가 높은 다공성 지지체의 구멍 외벽에 열전도도가 낮은 금속산화물 층을 증착하여 열전 모듈의 열전 성능을 향상시키는 기술이 개시되어 있다.
이 밖에도, 열전 효율 향상을 위한 다양한 열전 소자의 제조 기술들이 연구 개발되고 있다.
대한민국 특허 공개 공보 10-2013-0007201
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 고효율의 열전 소자 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는 열전 특성이 향상된 열전 소자 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는 원자층 증착법을 이용한 열전 소자의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는 박막 내의 불순물 농도에 따른 양자 효과를 조절하여, power factor 값 및 제백 계수 값이 조절되는 열전 소자 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술된 것에 제한되지 않는다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 열전 소자의 제조 방법을 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 열전 소자의 제조 방법은, 기판을 준비하는 단계, 및 상기 기판 상에 아연 산화물을 포함하는 제1 물질막(first material layer) 및 티타늄 산화물을 포함하는 제2 물질막(second material layer)을 형성하는 공정을 복수회 수행하여, 적층 구조체(stacked structure)를 제조하는 단계를 포함하되, 상기 적층 구조체 내의 티타늄의 농도를 조절하여, 상기 적층 구조체의 파워 팩터(power factor) 값이 조절되는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 열전 소자의 제조 방법은, 상기 적층 구조체는 원자층 증착법으로 형성될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 열전 소자의 제조 방법은, 상기 제1 물질막을 형성하는 단계 시, 아연을 포함하는 제1 소스를 상기 기판 상에 제공하는 단계, 및 산소를 포함하는 제2 소스를 상기 기판 상에 제공하는 단계를 포함하고, 상기 제2 물질막을 형성하는 단계는, 티타늄을 포함하는 제3 소스를 상기 기판 상에 제공하는 단계, 및 산소를 포함하는 제4 소스를 상기 기판 상에 제공하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 열전 소자의 제조 방법은, 상기 제1 물질막이 상기 제2 물질막의 두께보다 두꺼울 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 열전 소자의 제조 방법은, 교대로 적층되는 상기 제1 물질막들 및 상기 제2 물질막들이 각각 동일한 두께를 가질 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 열전 소자의 제조 방법은, 상기 적층 구조체 대비 티타늄의 농도가 상기 제2 물질막의 두께에 의해 조절될 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 열전 소자를 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 열전 소자는, 기판, 아연 산화물을 포함하고 상기 기판 상에 서로 이격되어 배치되는 제1 물질막들 및 티타늄 산화물을 포함하고 상기 제1 물잘막들 사이에 배치된 제2 물질막들을 포함하는 적층 구조체, 및 상기 적층 구조체 내의 티타늄의 농도를 조절하여, 상기 적층 구조체의 파워 팩터(power factor) 값이 조절되는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 열전 소자는, 상기 제1 물질막들이 ZnO로 형성되고, 상기 제2 물질막들이 TiO2로 형성될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 열전 소자는, 상기 제1 물질막들의 두께의 합이, 상기 제2 물질막들의 두께의 합보다 클 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 열전 소자는, 상기 적층 구조체의 제조 시, 상기 제1 물질막의 증착 횟수 대비 상기 제2 물질막의 증착 횟수 비율이 0.02인 경우, 상기 적층 구조체의 파워 팩터(power factor) 값이 최대 값을 가질 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 기판 상에 아연 산화물을 포함하는 제1 물질막 및 티타늄 산화물을 포함하는 제2 물질막이 교대로 그리고 반복적으로 형성되어, 상기 제1 물질막들 및 상기 제2 물질막들이 교대로 적층된 적층 구조체를 포함하는 열전 소자가 제조될 수 있다. 상기 적층 구조체의 파워 팩터(power factor) 값, 및/또는 제백 계수 값은 상기 적층 구조체 내 티타늄의 농도에 의해 조절될 수 있다. 이에 따라, 열전 특성이 향상된 열전 소자 및 그 제조 방법이 제공될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 열전 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 열전 소자 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시 및 비교 예들에 따른 열전 소자의 파워 팩터(power factor) 값을 설명하기 위한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시 및 비교 예들에 따른 열전 소자의 제백 계수(seebeck) 값을 설명하기 위한 그래프이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.
명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 또한, 본 명세서에서 "연결"은 복수의 구성 요소를 간접적으로 연결하는 것, 및 직접적으로 연결하는 것을 모두 포함하는 의미로 사용된다.
또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
또한, 본 명세서에서 파워 팩터(power factor) 값은, 열전 소자에서 아래의 <식 1>과 같이 정의될 수 있고, 본 발명의 실시 예에 따른 열전 소자가 생산 가능한 최대 전력 밀도를 평가하는 지수로 사용된다.
<식 1>
파워 팩터(power factor) = α2 X σ
(α는 제백 계수, σ는 전기 전도도)
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 열전 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이고, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 열전 소자 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 기판(100)이 준비될 수 있다(S110). 일 실시 예에 따르면, 상기 기판(100)은 반도체 기판일 수 있다. 또는, 이와는 달리, 상기 기판(100)은, 화합물 반도체 기판, 유리 기판, 플라스틱 기판, 또는 금속 기판일 수 있다.
상기 기판(100) 상에 제1 물질막(110)이 형성될 수 있다(S120). 상기 제1 물질막(110)은 아연 산화물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 물질막(110)은 ZnO로 형성될 수 있다.
상기 제1 물질막(110)은 원자층 증착법으로 형성될 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 물질막(110)이 아연 산화물로 형성되는 경우, 상기 제1 물질막(110)을 형성하는 단계는, 아연을 포함하는 제1 소스를 상기 기판(100) 상에 제공하는 단계, 및 산소를 포함하는 제2 소스를 상기 기판(100) 상에 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 제1 소스를 제공하는 단계, 및 상기 제2 소스를 제공하는 단계는 복수회 교대로 반복 수행될 수 있다. 또한, 상기 제1 소스가 제공되는 단계 및 상기 제2 소스가 제공되는 단계 사이에 퍼지(purge) 공정이 수행될 수 있다.
상기 제1 소스를 제공하는 단계 및 상기 제2 소스를 제공하는 단계가 복수회 교대로 반복 수행되는 횟수에 따라서, 상기 제1 물질막(110)의 두께가 조절될 수 있다.
상기 제1 물질막(110) 상에 제2 물질막(120)이 형성될 수 있다(S130). 상기 제2 물질막(120)은 티타늄 산화물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 물질막(120)은 TiO2로 형성될 수 있다.
상기 제2 물질막(120)은 원자층 증착법으로 형성될 수 있다. 이에 따라, 상기 제2 물질막(120)이 티타늄 산화물로 형성되는 경우, 상기 제2 물질막(120)을 형성하는 단계는, 티타늄을 포함하는 제3 소스를 상기 기판(100) 상에 제공하는 단계, 및 산소를 포함하는 제4 소스를 상기 기판(100) 상에 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 제3 소스를 제공하는 단계, 및 상기 제4 소스를 제공하는 단계는 복수회 교대로 반복 수행될 수 있다. 또한, 상기 제3 소스가 제공되는 단계 및 상기 제4 소스가 제공되는 단계 사이에 퍼지 공정이 수행될 수 있다. 상기 제4 소스는 상기 제2 소스와 실질적으로 동일한 것일 수 있다.
상기 제3 소스를 제공하는 단계 및 상기 제4 소스를 제공하는 단계가 복수회 교대로 반복 수행되는 횟수에 따라서, 상기 제2 물질막(120)의 두께가 조절될 수 있다.
상기 제1 물질막(110)의 두께는 상기 제2 물질막(120)의 두께보다 두꺼울 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 소스를 제공하는 단계 및 상기 제2 소스를 제공하는 단계를 반복 수행하는 횟수는, 상기 제3 소스를 제공하는 단계 및 상기 제4 소스를 제공하는 단계를 반복 수행하는 횟수보다, 더 많을 수 있다.
상기 제1 물질막(110) 및 상기 제2 물질막(120)을 교대로 형성하는 단계를 복수회 반복 수행하여, 상기 제1 물질막(110) 및 상기 제2 물질막(120)이 교대로 그리고 반복적으로 적층된 적층 구조체(stacked structure, 130)가 제조될 수 있다(S140).
일 실시 예에 따르면, 교대로 적층되는 상기 제1 물질막(110)들 및 상기 제2 물질막(120)들은 각각 동일한 두께를 가질 수 있다. 구체적으로, 서로 이격된 상기 제1 물질막(110)들은 서로 동일한 두께를 가질 수 있고, 또한, 서로 이격된 상기 제2 물질막(120)들은 서로 동일한 두께를 가질 수 있다. 앞서 상술된 바와 같이, 상기 제1 물질막(110)의 두께가 상기 제2 물질막(120)의 두께보다 두꺼운 경우, 상기 제1 물질막(110)들의 두께의 합이, 상기 제2 물질막(120)들의 두께의 합보다 클 수 있다. 다시 말하면, 상기 적층 구조체(130)의 전체 두께에 대한 상기 제1 물질막(110)들의 두께의 합의 비율이, 상기 적층 구조체(130)의 전체 두께에 대한 상기 제2 물질막(120)들의 두께의 합의 비율보다 클 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 적층 구조체(130) 내의 상기 제1 물질막(110) 및 상기 제2 물질막(120)의 증착 횟수 비율(Cycle ratio)에 따라, 상기 적층 구조체(130) 내의 상기 티타늄의 농도가 조절될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 제1 물질막(110)의 증착 Cycle 횟수 대비 상기 제2 물질막(120)의 증착 Cycle 횟수가 증가하는 경우, 상기 제1 물질막(110) 대비 상기 제2 물질막(120)의 두께가 증가될 수 있고, 이에 따라, 상기 적층 구조체(130) 내의 상기 티타늄의 농도가 증가할 수 있다.
다시 말하면, 상기 제1 물질막(110) 의 증착 cycle 횟수 대비 상기 제2 물질막(120)의 증착 Cycle 횟수에 의한, 상기 적층 구조체(130) 내의 상기 제1 물질막(110) 및 상기 제2 물질막(120)의 두께 변화에 따라, 상기 적층 구조체(130) 내의 상기 티타늄의 농도가 조절될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 물질막(110) 대비 상기 제2 물질막(120)의 두께가 두꺼울 경우, 상기 적층 구조체(130) 내의 상기 티타늄의 농도가 증가할 수 있으며, 상기 제1 물질막(110) 대비 상기 제2 물질막(120)의 두께가 얇을 경우, 상기 적층 구조체(130) 내의 상기 티타늄의 농도가 감소할 수 있다.
상기 적층 구조체(130)의 두께가 실질적으로 고정된 상태에서, 상기 적층 구조체(130) 내의 티타늄의 농도에 따라서, 상기 적층 구조체(130)의 파워 팩터(power factor) 값이 조절될 수 있다. 다시 말하면, 상기 적층 구조체(130) 내에서, 상기 제1 물질막(110) 대비 상기 제2 물질막(120)의 두께가 조절되어, 상기 적층 구조체(130)의 파워 팩터(power factor) 값이 조절될 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 물질막(110)의 증착 횟수 대비 상기 제2 물질막(120)의 증착 횟수의 비율이 0.02인 경우, 상기 적층 구조체(130)의 파워 팩터(power factor) 값이 최대 값을 가질 수 있고, 이에 따라, 상기 적층 구조체(130)의 열전 효과 특성이 향상될 수 있다.
반면, 상기 적층 구조체(130) 내의 티타늄의 농도 변화에도 불구하고, 상기 적층 구조체(130)의 제백 계수(seebeck) 값의 변화는 상대적으로 미미할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 물질막(110)의 증착 횟수 대비 상기 제2 물질막(120)의 증착 횟수의 비율(Cycle ratio)이 각각 0.01, 0.02, 0.03 및 0.05일 때, 상기 적층 구조체(130)의 제백 계수(seebeck)는 각각 약 36㎶/K, 32㎶/K, 31㎶/K, 및 33㎶/K 일 수 있다.
도 2에서, 상기 적층 구조체(130)는 7개의 상기 제1 물질막(110) 및 6개의 상기 제2 물질막(120)을 갖는 것으로 도시되었으나, 상기 제1 물질막(110) 및 상기 제2 물질막(120)의 개수는 이에 한정되지 않는다. 또한, 도 2에서, 상기 제1 물질막(110)이 상기 적층 구조체(130)의 최상부 및 최하부에 배치되는 것으로 도시되었으나, 이에 한정되지 아니하고, 상기 제2 물질막(120)이 상기 적층 구조체(130)의 최상부 및/또는 최하부에 배치될 수 있다.
상기 열전 소자의 제조 방법에 의해 제조된 열전 소자는, 도 1 내지 도 2를 참조하여 상술된 바와 같이, 상기 적층 구조체(130) 내의 티타늄의 농도 변화에 따라 상기 적층 구조체(130)의 파워 팩터(power factor) 및/또는 제백 계수(seebeck)의 값이 증가할 수 있으며, 이로 인해 상기 적층 구조체(130)의 열전 효과 특성이 향상될 수 있다.
이하, 본 발명의 실시 예에 따른 적층 구조체를 갖는 열전 소자의 특성 평가 결과가 설명된다.
본 발명의 제1 실시 예 내지 제4 실시 예에 따라, 적층 구조체 내에 티타늄의 농도가 각각 다른 열전 소자들을 제조하였다.
본 발명의 제1 실시 예에 따른 열전 소자의 제조
티타늄을 포함하는 소스로 TTIP(titanium tetraisopropoxide), 아연을 포함하는 소스로 DEZ(diethylzinc)을 이용하여, 원자층 증착법으로, 기판 상에 티타늄 산화물 층(TiO2) 및 아연 산화물 층(ZnO)을 교대로 반복해 적층하여, 상기 아연 산화물 층(ZnO)의 증착 횟수 대비 상기 티타늄 산화물 층(TiO2) 증착 횟수의 비율(Cycle ratio)이 0.01이고, 두께가 120nm인 적층 구조체를 제조하였다.
본 발명의 제2 실시 예에 따른 열전 소자의 제조
상술된 본 발명의 제1 실시 예와 동일한 방법으로, 상기 아연 산화물 층(ZnO)의 증착 횟수 대비 상기 티타늄 산화물 층(TiO2) 증착 횟수의 비율(Cycle ratio)이 0.02이고, 두께가 120nm인 적층 구조체를 제조하였다.
본 발명의 제3 실시 예에 따른 열전 소자의 제조
상술된 본 발명의 제1 실시 예와 동일한 방법으로, 상기 아연 산화물 층(ZnO)의 증착 횟수 대비 상기 티타늄 산화물 층(TiO2) 증착 횟수의 비율(Cycle ratio)이 0.03이고, 두께가 120nm인 적층 구조체를 제조하였다.
본 발명의 제4 실시 예에 따른 열전 소자의 제조
상술된 본 발명의 제1 실시 예와 동일한 방법으로, 상기 아연 산화물 층(ZnO)의 증착 횟수 대비 상기 티타늄 산화물 층(TiO2) 증착 횟수의 비율(Cycle ratio)이 0.05이고, 두께가 120nm인 적층 구조체를 제조하였다.
본 발명의 제1 비교 예 내지 제4 비교 예에 따라, 적층 구조체 내의 알루미늄의 농도가 각각 다른 열전 소자들을 제조하였다.
본 발명의 제1 비교 예에 따른 열전 소자의 제조
알루미늄을 포함하는 소스로 TMA((trimethyaluminum), 아연을 포함하는 소스로 DEZ(diethylzinc))을 이용하여, 원자층 증착법으로, 기판 상에 알루미늄 산화물 층(Al2O3) 및 아연 산화물 층(ZnO)을 교대로 반복해 적층하여, 상기 아연 산화물 층(ZnO)의 증착 횟수 대비 상기 알루미늄 산화물 층(Al2O3)의 증착 횟수 비율(Cycle ratio)이 0.01이고, 두께가 120nm인 적층 구조체를 제조하였다.
본 발명의 제2 비교 예에 따른 열전 소자의 제조
상술된 본 발명의 제1 비교 예와 동일한 방법으로, 상기 아연 산화물 층(ZnO)의 증착 횟수 대비 상기 알루미늄 산화물 층(Al2O3)의 증착 횟수 비율(Cycle ratio)이 0.02이고, 두께가 120nm인 적층 구조체를 제조하였다.
본 발명의 제3 비교 예에 따른 열전 소자의 제조
상술된 본 발명의 제1 비교 예와 동일한 방법으로, 상기 아연 산화물 층(ZnO)의 증착 횟수 대비 상기 알루미늄 산화물 층(Al2O3)의 증착 횟수 비율(Cycle ratio)이 0.03이고, 두께가 120nm인 적층 구조체를 제조하였다.
본 발명의 제4 비교 예에 따른 열전 소자의 제조
상술된 본 발명의 제1 비교 예와 동일한 방법으로, 상기 아연 산화물 층(ZnO)의 증착 횟수 대비 상기 알루미늄 산화물 층(Al2O3)의 증착 횟수 비율(Cycle ratio)이 0.05이고, 두께가 120nm인 적층 구조체를 제조하였다.
도 3은 본 발명의 실시 및 비교 예들에 따른 열전 소자의 파워 팩터(power factor) 값을 설명하기 위한 그래프이다.
도 3을 참조하면, 상술된 본 발명의 제1 내지 제4 실시 예들, 및 제1 내지 제4 비교 예들에 따라 제작된 적층 구조체들의 파워 팩터(power factor) 값이 측정되었다.
상기 적층 구조체의 제조 시, 상기 아연 산화물 층(ZnO)의 증착 횟수 대비 상기 티타늄 산화물 층(TiO2) 및 상기 알루미늄 산화물 층(Al2O3)의 증착 횟수 비율(Cycle ratio)이 각각 0.01, 0.02, 0.03, 및 0.05일 때, 티타늄이 함유된 상기 적층 구조체의 파워 팩터(power factor) 값은 각각 0.95 ㎽/K2m, 1.55 ㎽/K2m, 0.85 ㎽/K2m, 및 0.9 ㎽/K2m로 측정되며, 알루미늄이 함유된 상기 적층 구조체의 파워 팩터(power factor) 값은 각각 0.025 ㎽/K2m, 0.025 ㎽/K2m, 0.09 ㎽/K2m, 및 0.03 ㎽/K2m로 측정되었다.
도 3에서 알 수 있듯이, 본 발명의 제1 내지 제4 비교 예들에 따른 알루미늄이 함유된 상기 적층 구조체들 대비 본 발명의 제1 내지 제4 실시 예들에 따른 티타늄이 함유된 상기 적층 구조체들의 파워 팩터(power factor) 값이 전반적으로 높게 측정됨을 확인할 수 있다.
또한, 본 발명의 제1 내지 제4 실시 예들과 같이 상기 적층 구조체 내에 티타늄이 함유될 경우, 티타늄의 농도에 따라서, 상기 적층 구조체의 파워 팩터(power factor) 값이 조절됨을 확인할 수 있었다.
또한, 본 발명의 제1 내지 제4 실시 예들에 따른 상기 적층 구조체들 내에 함유된 티타늄의 농도를 각각 비교했을 때, 본 발명의 제2 실시 예에 따라 상기 아연 산화물 층(ZnO)의 증착 횟수 대비 상기 티타늄 산화물 층(TiO2) 증착 횟수의 비율(Cycle ratio)이 0.02일 때, 파워 팩터(power factor) 값이 1.55 ㎽/K2m로 최대 값을 가짐을 확인할 수 있었다.
도 4는 본 발명의 실시 및 비교 예들에 따른 열전 소자의 제백 계수(seebeck) 값을 설명하기 위한 그래프이다.
도 4을 참조하면, 상기 적층 구조체의 제조 시, 상기 아연 산화물 층(ZnO)의 증착 횟수 대비 상기 티타늄 산화물 층(TiO2) 및 상기 알루미늄 산화물 층(Al2O3)의 증착 횟수 비율(Cycle ratio)이 각각 0.01, 0.02, 0.03, 및 0.05일 때, 티타늄이 함유된 상기 적층 구조체의 제백 계수(seebeck) 값은 각각 36㎶/K, 32㎶/K, 31㎶/K, 및 33㎶/K으로 측정되며, 알루미늄이 함유된 상기 적층 구조체의 제백 계수(seebeck)값은 각각 23㎶/K, 14㎶/K, 30.5㎶/K, 및 24㎶/K 로 측정되었다.
도 4에서 알 수 있듯이, 본 발명의 제1 내지 제4 비교 예들에 따른 알루미늄이 함유된 열전 소자 대비 본 발명의 제1 내지 제4 실시 예들에 따른 티타늄이 함유된 상기 적층 구조체의 제백 계수(seebeck) 값이 전반적으로 높게 측정됨을 확인할 수 있다.
또한, 도 4를 참조하면, 알루미늄이 함유된 상기 적층 구조체들의 경우, 알루미늄의 농도에 따라, 상기 적층 구조체들의 제백 계수(seebeck)가 불규칙하고 크게 변동됨을 확인할 수 있다. 반면, 티타늄이 함유된 상기 적층 구조체들의 경우에는 티타늄의 농도에 따른 상기 제백 계수(seeback)의 변동 폭이 상대적으로 적음을 확인할 수 있다.
이에 따라, 상기 적층 구조체 내에 티타늄이 함유될 경우, 상기 제백 계수(seebeck) 값의 평균값이 높고, 변동 폭이 적기 때문에, 상기 열전 소자의 열전 효과 특성이 높게 발현될 수 있다. 다시 말하면, 본 발명의 실시 예들에 따라 제작된 상기 열전 소자는 상기 적층 구조체 내에 티타늄을 함유함으로써, 상기 제백 계수(seebeck)의 평균값이 높게 측정되었으며, 상기 적층 구조체 내에 티타늄의 농도 변화 시, 상기 제백 계수(seebeck) 값의 변동이 적음을 확인할 수 있다. 따라서, 상기 적층 구조체 내의 티타늄의 농도를 조절함으로써, 상기 적층 구조체의 파워 팩터(power factor) 값이 조정되어, 열전 효과 특성이 향상된 열전 소자가 제공될 수 있다.
상술된 본 발명의 실시 예와 달리, 일반적인 무기 재료의 경우, 전기 전도도와 제백 계수가 반비례하여, 높은 전도도를 갖는 동시에 높은 제백 계수를 갖는 물질을 제조하는 것이 용이하지 않다.
하지만, 상술된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따르면, 아연 산화물을 포함하는 제1 물질막 및 티타늄 산화물을 포함하는 제2 물질막이 교대로 그리고 반복적으로 적층된 상기 적층 구조체 내에 티타늄의 함량을 조절하더라도, 제백 계수의 값의 변동이 상대적으로 적을 수 있다. 이에 따라, 상기 적층 구조체는, 상대적으로 높은 제백 계수를 갖는 동시에 높은 전기 전도도를 가질 수 있고, 이로 인해, 상기 적층 구조체의 파워 팩터 값이 최대화되어, 열전 특성이 향상된 열전 소자가 제공될 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
100; 기판
110; 제1 물질막
120; 제2 물질막
130; 적층 구조체

Claims (10)

  1. 기판을 준비하는 단계; 및
    상기 기판 상에, 아연 산화물을 포함하는 제1 물질막(first material layer), 및 티타늄 산화물을 포함하는 제2 물질막(second material layer)을 교대로 형성하는 공정을 복수회 수행하여, 적층 구조체(stacked structure)를 제조하는 단계를 포함하되,
    상기 적층 구조체 내에 포함된 티타늄의 농도를 조절하여, 상기 적층 구조체의 파워 팩터(power factor) 값이 조절되는 것을 포함하는 열전 소자의 제조 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 적층 구조체는 원자층 증착법으로 형성되는 것을 포함하는 열전 소자의 제조 방법.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 제1 물질막을 형성하는 단계는,
    아연을 포함하는 제1 소스를 상기 기판 상에 제공하는 단계; 및
    산소를 포함하는 제2 소스를 상기 기판 상에 제공하는 단계를 포함하고,
    상기 제2 물질막을 형성하는 단계는,
    티타늄을 포함하는 제3 소스를 상기 기판 상에 제공하는 단계; 및
    산소를 포함하는 제4 소스를 상기 기판 상에 제공하는 단계를 포함하는 열전 소자의 제조 방법.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 물질막은 상기 제2 물질막의 두께보다 두꺼운 것을 포함하는 열전 소자의 제조 방법.
  5. 제1 항에 있어서,
    교대로 적층되는 상기 제1 물질막들 및 상기 제2 물질막들은 각각 동일한 두께를 갖는 것을 포함하는 열전 소자의 제조 방법.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 적층 구조체 내의 티타늄의 농도는 상기 제2 물질막의 두께에 의해 조절되는 것을 포함하는 열전 소자의 제조 방법.
  7. 기판; 및
    아연 산화물을 포함하고 상기 기판 상에 서로 이격되어 배치되는 제1 물질막들 및 티타늄 산화물을 포함하고 상기 제1 물질막들 사이에 배치된 제2 물질막들을 포함하는 적층 구조체; 및
    상기 적층 구조체 내에 포함된 티타늄의 농도를 조절하여, 상기 적층 구조체의 파워 팩터(power factor) 값이 조절되는 것을 포함하는 열전 소자.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 제1 물질막들은 ZnO로 형성되고,
    상기 제2 물질막들은 TiO2로 형성되는 것을 포함하는 열전 소자.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 제1 물질막들의 두께의 합은, 상기 제2 물질막들의 두께의 합보다 큰 것을 포함하는 열전 소자.
  10. 제8 항에 있어서,
    상기 적층 구조체의 제조 시, 상기 제1 물질막의 증착 횟수 대비 상기 제2 물질막의 증착 횟수의 비율(Cycle ratio)이 0.02인 경우, 상기 적층 구조체의 파워 팩터(power factor) 값이 최대 값을 갖는 것을 포함하는 열전 소자.
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