KR101767908B1 - An electronic materials and manufacturing method of the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 제1홀부를 포함하는 무기물 구조체; 및 상기 제1홀부에 위치하는 유기물 소자층을 포함하는 열전 반도체 소자 및 이를 포함하는 열전 반도체 모듈에 관한 것으로, 새로운 구조의 유기물-무기물 복합 구조체의 열전반도체 소자를 통하여, 높은 제베크계수 및 전기전도율을 가지며, 우수한 열전특성을 안정되게 발휘할 수 있는 유기-무기 하이브리드열전 재료를 제공할 수 있다.The present invention relates to an inorganic structure comprising a first hole portion; And a thermoelectric semiconductor module including the first hole portion and the thermoelectric semiconductor module including the first hole portion and the thermoelectric semiconductor module including the first hole portion, And an organic-inorganic hybrid thermoelectric material which can stably exhibit excellent thermoelectric properties can be provided.
Description
본 발명은 전기화학 공정을 이용한 전자소재 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 상기 전자소재 중, 우수한 열전특성을 안정되게 발휘할 수 있는 유기-무기 하이브리드 열전 재료를 포함하는 열전 반도체 모듈에 관한 것이다.The present invention relates to an electronic material using an electrochemical process and a manufacturing method thereof, and more particularly, to a thermoelectric semiconductor module including an organic-inorganic hybrid thermoelectric material capable of stably exhibiting excellent thermoelectric properties will be.
일반적으로 열전반도체 모듈은 광전자 분야의 광통신 반도체 레이저, CCD(Charge Coupled Device)카메라, 광전자 증배관, 각종 써모그래프(Thermograph), 적외선 가스분석기, 흑체 표준 항온플레이트 및 열추적 미사일 센서 등에 사용되고, 일반 전자 분야의 반도체 공정용 항온조, 반도체 공정용 항온플레이트, 반도체 공정용 순환기 및 LSI(Large Scale Integrated circuit) 온도 사이클 테스터 등에 사용되며, 일반 가정용 전자 제품의 순간 냉온 정수기 및 김치 냉장고 등에 사용되어 이들 장치의 온도를 적정하게 유지시키거나, 온도 차이에 의한 발전기로 응용이 가능하게 된다.In general, the thermoelectric semiconductor module is used for an optoelectronic semiconductor laser, a CCD (charge coupled device) camera, a photomultiplier tube, various thermographs, an infrared gas analyzer, a black body standard temperature plate, It is used in the constant temperature bath for semiconductor process, the constant temperature plate for semiconductor process, the circulator for semiconductor process, and the temperature cycle tester for LSI (Large Scale Integrated circuit). It is used for instantaneous cold water purifier and Kimchi refrigerator for general household electronic products. , Or it can be applied to a generator due to a temperature difference.
한편, 열 에너지와 전기 에너지 사이의 변화에 관한 현상을 일반적으로 열전 현상이라고 부르는데, 이러한 열전 현상에는 제벡 효과와 펠티에 효과가 있다.On the other hand, the phenomenon about the change between thermal energy and electric energy is generally called thermoelectric phenomenon, and this thermoelectric phenomenon has a Seebeck effect and a Peltier effect.
제벡 효과(Seebeck Effeck)는 두 종류의 물질, 이를테면 안티몬(Sb)과 비스무트(Bi)와 같은 종류가 다른 두 금속선의 양단을 각각 접속하여 루우프를 만들고 한쪽 접속점을 고온으로, 다른 쪽 접속점을 저온으로 하면 전류가 흐르는 현상을 말하고, 이와는 반대로 펠티에 효과(Peltier Effect)는 종류가 다른 물질의 접합점에 전류를 흘리면 열의 발생이나 흡수가 일어나는 현상을 말한다.Seebeck Effeck connects two ends of two types of materials, such as antimony (Sb) and bismuth (Bi), to each other to form a loop, connecting one end to the high temperature and the other end to low temperature (Peltier effect) refers to a phenomenon in which heat is generated or absorbed when a current flows through a junction of a different kind of material.
이하에서 열전 반도체라는 용어는 이러한 제벡 효과와 펠티에 효과를 이용하여 전기 에너지를 열 에너지로 변환시키거나 이와 반대로 열 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 반도체 모듈을 총칭하는 개념으로 사용될 수 있다.Hereinafter, the term thermoelectric semiconductor can be used as a general term for a semiconductor module that converts electrical energy into thermal energy using the Seebeck effect and the Peltier effect, or conversely converts thermal energy into electrical energy.
이러한 현상을 이용하는 열전 반도체 모듈에서의 열전 반도체는 소자의 양단에 온도 차이가 있을 때 소자 내부의 캐리어(Carrier)가 이동함으로 인해 기전력이 발생하는 현상 또는 반대 현상을 이용한 것으로서 친환경 무소음 냉각 및 무공해 전기 발전을 가능케 하고 있다.The thermoelectric semiconductor in the thermoelectric semiconductor module utilizing this phenomenon utilizes the phenomenon in which an electromotive force is generated due to the movement of a carrier inside the device when there is a temperature difference between the both ends of the device or an opposite phenomenon. .
그중 제벡 효과를 이용하는 열전 반도체의 원리는 일정한 금속막대의 양단에 온도 차이가 발생하게 되면, 예를 들어 n-type의 경우, 고온단에 있는 전자들은 저온단에 있는 전자들 보다 더 높은 운동에너지를 가지게 됨으로써 고온단에 있는 전자들은 평균적으로 페르미 레벨(Fermi level)보다 높은 에너지 상태로 되기 때문에 고온단에 있는 전자들은 에너지를 낮추기 위해 저온단으로 확산된다.Among them, the principle of thermoelectric semiconductors using the Seebeck effect is that if a temperature difference occurs at both ends of a certain metal rod, for example, in case of n-type, electrons at a high temperature end have higher kinetic energy than electrons at a low temperature end The electrons at the high temperature end are spread to the low temperature end in order to lower the energy because electrons at the high temperature end become energy states higher than the Fermi level on average.
또한, 전자들이 저온단으로 이동함에 따라 저온단은 " - " 로 대전되고, 고온부는 " + " 로 대전되어 금속막대의 양단 간에 전위 차이가 발생하게 되는데 이러한 전위차이를 열기전력(Thermoelectromotive force)이라 한다.As the electrons move to the low-temperature end, the low temperature end is charged with "- ", and the high temperature part is charged with" + "to cause a potential difference between both ends of the metal rod. This potential difference is called a thermoelectromotive force .
한편, 이러한 열전 반도체 모듈에서, 무기 재료(무기열전 재료)는 제벡 계수가 높고, 전기전도율이 높은 장점이 있으나, 열전도율이 높다는 문제점 있다.On the other hand, in such a thermoelectric semiconductor module, the inorganic material (inorganic thermoelectric material) has a high Seebeck coefficient and a high electrical conductivity, but has a problem that the thermal conductivity is high.
이에 반하여, 유기 재료(유기열전 재료)는 제벡계수가 낮은 반면, 열전도율이 낮다는 장점이 있다.On the other hand, the organic material (organic thermoelectric material) has an advantage of low heat conductivity while having low Seebeck coefficient.
따라서, 이와 같은 무기 재료와 유기 재료를 하이브리드화함으로써, 유기 재료와 무기 재료의 2종의 성질을 동시에 발현시킬 수 있는 유기-무기 하이브리드 열전 재료의 개발이 진행되고 있다Accordingly, development of an organic-inorganic hybrid thermoelectric material capable of simultaneously expressing two kinds of properties of an organic material and an inorganic material by hybridizing such an inorganic material with an organic material is underway
즉, 유기-무기 하이브리드 열전 재료는 낮은 열전도율을 가지면서, 이와 동시에 제벡 계수와 전기전도율이 높아, 효과적인 열전변환 기능을 갖는 열전 재료라고 할 수 있다.In other words, the organic-inorganic hybrid thermoelectric material is a thermoelectric material having a low thermal conductivity and at the same time a high heat transfer coefficient and a high heat conductivity.
하지만, 현재까지의 열전 재료는 하이브리드화했을 때에, 낮은 열전도율과 함께, 높은 제벡계수 및 전기전도율을 가지며, 안정된 열전특성을 발휘하는 것이 곤란한 상태이며, 두께가 얇아 수직방향으로 온도차이를 많이 발생시킬 수 없는 문제점이 있다. {Elazem, 2013 #68}However, the thermoelectric materials to date have a low thermal conductivity, a high heat transfer coefficient, a high heat transfer coefficient and a low heat conductivity. Therefore, it is difficult to exhibit stable thermoelectric properties and the thickness is thin, There is no problem. {Elazem, 2013 # 68}
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 낮은 열전도율과 함께, 높은 제벡계수 및 전기전도율을 가지며, 우수한 열전특성을 안정되게 발휘할 수 있는 유기-무기 하이브리드 열전 재료를 제공하는데 있다.An object of the present invention is to provide an organic-inorganic hybrid thermoelectric material having a low thermal conductivity, a high heat transfer coefficient, and high heat transfer properties.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The objects of the present invention are not limited to the above-mentioned objects, and other objects not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
상기 지적된 문제점을 해결하기 위해서 본 발명은 제1홀부를 포함하는 무기물 구조체; 및 상기 제1홀부에 위치하는 유기물 소자층을 포함하는 열전 반도체 소자를 제공한다.In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides a honeycomb structure including: an inorganic material structure including a first hole; And an organic material layer located in the first hole.
또한, 본 발명은 상기 열전 반도체 소자는 금속 구조체를 더 포함하며, 상기 무기물 구조체는 상기 금속 구조체 상에 형성되는 열전 반도체 소자를 제공한다.The thermoelectric semiconductor device further includes a metal structure, and the inorganic structure is formed on the metal structure.
또한, 본 발명은 상기 금속 구조체는 복수개의 금속지지체를 포함하고, 상기 복수개의 금속지지체의 배치에 따라 형성되는 다각형 형상의 제2홀부를 포함하는 열전 반도체 소자를 제공한다.The present invention also provides a thermoelectric semiconductor device including a plurality of metal supports and a second hole portion having a polygonal shape formed according to the arrangement of the plurality of metal supports.
또한, 본 발명은 상기 금속 구조체는, 제1금속 지지체; 상기 제1금속 지지체와 교차하여 배치되는 제2금속 지지체; 및 상기 제1금속 지지체와 상기 제2금속 지지체의 교차에 의해 형성되는 제2홀부를 포함하는 열전 반도체 소자를 제공한다.Further, the present invention provides a metal structure comprising: a first metal support; A second metal support disposed to intersect with the first metal support; And a second hole portion formed by intersection of the first metal support and the second metal support.
또한, 본 발명은 상기 무기물 구조체는, 상기 제1금속 지지체를 둘러싸는 제1무기물 소자층; 및 상기 제2금속 지지체를 둘러싸고, 상기 제1무기물 소자층과 교차하여 배치되는 제2무기물 소자층을 포함하며, 상기 제1무기물 소자층과 상기 제2무기물 소자층의 교차에 의해 상기 제1홀부가 형성되는 열전 반도체 소자를 제공한다.In the present invention, the inorganic structure may include: a first inorganic material layer surrounding the first metal support; And a second inorganic material layer surrounding the second metal support and disposed so as to intersect with the first inorganic material layer, wherein the intersection of the first inorganic material layer and the second inorganic material layer causes the first hole A thermoelectric semiconductor device is provided.
또한, 본 발명은 상기 금속 구조체는, x방향으로 배치되는 제1금속 지지체; 상기 제1금속 지지체와 교차하여 배치되고, y방향으로 제2금속 지지체; 및 z 방향으로 배치되고, 상기 제1금속 지지체와 상기 제2금속 지지체와 교차하여 배치되는 제3금속 지지체를 포함하는 열전 반도체 소자를 제공한다.Further, the present invention provides a metal structure comprising: a first metal support disposed in the x direction; A second metal support disposed in an intersection with the first metal support and in the y direction; And a third metal support disposed in the z direction and disposed to intersect the first metal support and the second metal support.
또한, 본 발명은 P형의 열전 반도체 소자와 N형의 열전 반도체 소자가 금속전극을 사이에 두고 접합하여 PN소자 쌍을 형성하는 열전 반도체 모듈에 있어서, 상기 P형의 열전 반도체 소자 및 상기 N형의 열전 반도체 소자 중 적어도 어느 하나의 열전 반도체 소자는, 금속 구조체; 상기 금속 구조체 상에 형성되어, 제1홀부를 포함하는 무기물 구조체; 및 상기 제1홀부에 위치하는 유기물 소자층을 포함하는 열전 반도체 모듈을 제공한다.Further, the present invention is a thermoelectric semiconductor module for forming a PN element pair by bonding a P-type thermoelectric semiconductor element and an N-type thermoelectric semiconductor element with a metal electrode interposed therebetween, wherein the P- The thermoelectric semiconductor element of at least one of the thermoelectric semiconductor elements of the metal structure; An inorganic structure formed on the metal structure and including a first hole; And an organic material layer disposed in the first hole.
또한, 본 발명은 상기 금속 구조체는, 제1금속 지지체; 상기 제1금속 지지체와 교차하여 배치되는 제2금속 지지체; 및 상기 제1금속 지지체와 상기 제2금속 지지체의 교차에 의해 형성되는 제2홀부를 포함하는 열전 반도체 모듈을 제공한다.Further, the present invention provides a metal structure comprising: a first metal support; A second metal support disposed to intersect with the first metal support; And a second hole formed by intersection of the first metal support and the second metal support.
또한, 본 발명은 상기 무기물 구조체는, 상기 제1금속 지지체를 둘러싸는 제1무기물 소자층; 및 상기 제2금속 지지체를 둘러싸고, 상기 제1무기물 소자층과 교차하여 배치되는 제2무기물 소자층을 포함하며, 상기 제1무기물 소자층과 상기 제2무기물 소자층의 교차에 의해 상기 제1홀부가 형성되는 열전 반도체 모듈을 제공한다.In the present invention, the inorganic structure may include: a first inorganic material layer surrounding the first metal support; And a second inorganic material layer surrounding the second metal support and disposed so as to intersect with the first inorganic material layer, wherein the intersection of the first inorganic material layer and the second inorganic material layer causes the first hole A thermoelectric semiconductor module is provided.
상기한 바와 같은 본 발명에 따르면, 새로운 구조의 유기물-무기물 복합 구조체의 열전반도체 소자를 통하여, 높은 제벡계수 및 전기전도율을 가지며, 우수한 열전특성을 안정되게 발휘할 수 있는 유기-무기 하이브리드 열전 재료를 제공할 수 있다.According to the present invention as described above, an organic-inorganic hybrid thermoelectric material can be stably exhibited, which has a high heat transfer coefficient and a high coefficient of böcke coefficient and electrical conductivity through a thermoelectric semiconductor element of a new structure of an organic-inorganic composite structure can do.
도 1은 일반적인 구조의 열전 반도체 소자를 설명하기 위한 개략적인 사시도이다.
도 2 내지 도 4는 본 발명에 따른 열전 반도체 소자를 제조하는 방법을 설명하기 위한 개략적인 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 전해도금법에 의한 전착 공정을 도시하는 개략적인 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 열전 반도체 소자의 무기물 구조체의 실사진이다.
도 7 내지 9는 본 발명에 따른 열전 반도체 소자의 무기물 구조체를 도시하는 다른 예이다. 이때, a도는 무기물 구조체를 도시하는 실사진이며, b도는 일정 영역에서의 성분을 도시한 그래프이다.
도 10은 본 발명에 따른 열전 반도체 소자의 제벡 계수 특성을 도시한 그래프이다.
도 11은 본 발명에 따른 열전 반도체 소자의 파워 팩터 특성을 도시한 그래프이다.1 is a schematic perspective view for explaining a thermoelectric semiconductor device having a general structure.
2 to 4 are schematic views for explaining a method of manufacturing a thermoelectric semiconductor device according to the present invention.
5 is a schematic view showing an electrodeposition process by an electrolytic plating method according to the present invention.
6 is an actual view of the inorganic structure of the thermoelectric semiconductor device according to the present invention.
7 to 9 show another example of an inorganic material structure of a thermoelectric semiconductor device according to the present invention. In this case, a and b are the graphs showing the components in a certain region.
FIG. 10 is a graph showing the anti-blocking property of the thermoelectric semiconductor device according to the present invention.
11 is a graph showing the power factor characteristics of the thermoelectric semiconductor device according to the present invention.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The advantages and features of the present invention and the manner of achieving them will become apparent with reference to the embodiments described in detail below with reference to the accompanying drawings. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as being limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art. Is provided to fully convey the scope of the invention to those skilled in the art, and the invention is only defined by the scope of the claims.
아래 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 상세히 설명한다. 도면에 관계없이 동일한 부재번호는 동일한 구성요소를 지칭하며, "및/또는"은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Reference will now be made in detail to the preferred embodiments of the present invention, examples of which are illustrated in the accompanying drawings. &Quot; and / or "include each and every combination of one or more of the mentioned items. ≪ RTI ID = 0.0 >
비록 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.Although the first, second, etc. are used to describe various components, it goes without saying that these components are not limited by these terms. These terms are used only to distinguish one component from another. Therefore, it goes without saying that the first component mentioned below may be the second component within the technical scope of the present invention.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.The terminology used herein is for the purpose of illustrating embodiments and is not intended to be limiting of the present invention. In the present specification, the singular form includes plural forms unless otherwise specified in the specification. The terms " comprises "and / or" comprising "used in the specification do not exclude the presence or addition of one or more other elements in addition to the stated element.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms (including technical and scientific terms) used herein may be used in a sense commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Also, commonly used predefined terms are not ideally or excessively interpreted unless explicitly defined otherwise.
공간적으로 상대적인 용어인 "아래(below)", "아래(beneath)", "하부(lower)", "위(above)", "상부(upper)" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 구성 요소와 다른 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작시 구성요소들의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들면, 도면에 도시되어 있는 구성요소를 뒤집을 경우, 다른 구성요소의 "아래(below)" 또는 "아래(beneath)"로 기술된 구성요소는 다른 구성요소의 "위(above)"에 놓여질 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 "아래"는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다. 구성요소는 다른 방향으로도 배향될 수 있고, 이에 따라 공간적으로 상대적인 용어들은 배향에 따라 해석될 수 있다. The terms spatially relative, "below", "beneath", "lower", "above", "upper" And can be used to easily describe a correlation between an element and other elements. Spatially relative terms should be understood in terms of the directions shown in the drawings, including the different directions of components at the time of use or operation. For example, when inverting an element shown in the figures, an element described as "below" or "beneath" of another element may be placed "above" another element . Thus, the exemplary term "below" can include both downward and upward directions. The components can also be oriented in different directions, so that spatially relative terms can be interpreted according to orientation.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 일반적인 구조의 열전 반도체 소자를 설명하기 위한 개략적인 사시도이다. 한편, 열전 반도체의 열전 특성을 이용하여 열전 냉각, 열전 가열 및 열전 발전을 시키는 장치는 모두 그 기본 구성으로서 도 1과 같은 구조를 포함할 수 있다.1 is a schematic perspective view for explaining a thermoelectric semiconductor device having a general structure. On the other hand, devices for thermoelectric cooling, thermoelectric heating, and thermoelectric generation using the thermoelectric characteristics of thermoelectric semiconductors can all include the structure as shown in Fig. 1 as their basic structure.
도 1을 참조하면, 일반적인 구조의 열전 반도체 모듈(10)은 P형의 열전 반도체 소자(30)와, N형의 열전 반도체 소자(40)를 금속전극(50)을 사이에 두고 접합하여 PN소자 쌍을 형성하여 이루어진 열전 소자를, 복수개 직렬로 배열하여 접속한 구성을 포함할 수 있다. 이때, 상기 금속전극(50)은 하부 금속전극(50a) 및 상부 금속전극(50b)을 포함할 수 있으며, 상기 하부 금속전극(50a)은 별도의 하부 지지기판(20) 상에 스퍼터링법을 통해 형성할 수 있고, 상기 상부 금속전극(50b)은 별도의 상부 지지기판(60) 상에 스퍼터링법을 통해 형성할 수 있다.1, a
즉, 일반적인 구조의 열전 반도체 모듈(10)은 상하로 간격을 두고 평행하게 배열된 두층의 지지기판, 즉, 상부 지지기판(60) 및 하부 지지기판(20)을 포함할 수 있으며, 각각의 지지기판 상에 금속전극(50)이 각각 스퍼터링법을 통해 형성될 수 있다. 이때, 상기 지지기판은 실리콘 기판 또는 알루미나(Al2O3) 기판을 사용할 수 있고, 상기 금속전극은 일반적인 금속을 사용할 수 있으며, 구체적으로 Cu, Ni, Au, Ag 등의 단일막 또는 다층막을 사용할 수 있다. 이는 당업계에서 자명한 사항이므로, 이하 구체적인 설명은 생략하기로 한다.That is, the
한편, 일반적인 구조의 열전 반도체 모듈(10)에서, 상기 열전 반도체 소자(30, 40)를 형성시키는 열전 반도체 소자 물질은 5B족인 비스무트(Bi) 및 안티몬(Sb)으로부터 선택되는 1종 또는 2종의 원소와, 6B족인 텔루륨(Te) 및 셀레늄(Se)으로부터 선택되는 1종 또는 2종의 원소로 이루어진 복합 화합물을 포함할 수 있으며, 주로 5B족(Bi 및 Sb)의 원자수와, 6B족(Te 및 Se)의 원자수의 비가 2±0.5:3±0.5가 되는 조성의 합금을 포함할 수 있다.In the
예를 들어, 열전 반도체 소자들로는 열전 기능이 탁월한 Bi2Te3, Bi2Se3, Sb2Te3 등을 사용할 수 있다.For example, Bi 2 Te 3 , Bi 2 Se 3 , and Sb 2 Te 3 , which have excellent thermoelectric properties, can be used as the thermoelectric semiconductor elements.
이때, 금속전극의 양단에 온도 차이가 발생하게 되면 n-type의 경우, 고온단에 있는 전자들은 저온단에 있는 전자들 보다 더 높은 운동에너지를 가지게 됨으로써 고온단에 있는 전자들은 평균적으로 페르미레벨(Fermi lever)보다 높은 에너지 상태로 되기 때문에 고온단에 있는 전자들은 에너지를 낮추기 위해 저온단으로 확산된다.In this case, when a temperature difference occurs at both ends of the metal electrode, electrons in the high-temperature stage have higher kinetic energy than electrons in the low-temperature stage in the case of n-type, Fermi levers), the electrons in the high-temperature stage are diffused to the low-temperature end in order to lower the energy.
또한, 전자들이 저온단으로 이동함에 따라 저온단은 " - " 로 대전되고, 고온부는 " + " 로 대전되어 금속전극의 양단 간에 전위 차이가 발생하게 되는데 이러한 전위차이를 통해 열기전력(Thermoelectromotive force)이 발생하게 된다.As the electrons move to the low temperature end, the low temperature end is charged with "- ", and the high temperature part is charged with" + ", and a potential difference is generated between both ends of the metal electrode. Thermoelectromotive force .
이때, 일반적으로 열전 반도체의 제조에 사용하는 재료의 열전 성능은 이하의 식으로 평가될 수 있다.At this time, in general, the thermoelectric performance of a material used in the production of a thermoelectric semiconductor can be evaluated by the following equation.
여기서, ZT:성능지수, α:제벡계수, σ:전기 전도율, κ:열 전도율, ρ:비저항이다.Where ZT is the figure of merit, α is the Seebeck coefficient, σ is the electrical conductivity, κ is the thermal conductivity, and ρ is the resistivity.
따라서 열전 반도체 재료의 열전 성능(성능지수: ZT)을 향상시키기 위해서는 제벡계수(α) 또는 전기 전도율(σ)의 값을 증가시키거나 열전도율(κ) 또는 비저항(ρ)을 저하하게 한 원료합금 재료를 사용하면 좋다는 것을 알 수 있다.Therefore, in order to improve the thermoelectric performance (performance index: ZT) of the thermoelectric semiconductor material, it is necessary to increase the value of the Seebeck coefficient (?) Or the electric conductivity (?) Or decrease the thermal conductivity (?) Or the resistivity Can be used.
이를 위하여, 상술한 바와 같이, 제벡 계수가 높고, 전기전도율이 높은 장점이 있는 무기재료와 열전도율이 낮은 유기재료를 하이브리드화함으로써, 유기 재료와 무기 재료의 2종의 성질을 동시에 발현시킬 수 있는 유기-무기 하이브리드 열전 재료의 개발이 진행되고 있다For this purpose, as described above, by hybridizing an inorganic material having a high Seebeck coefficient and a high electrical conductivity and an organic material having a low thermal conductivity, it is possible to obtain an organic material capable of simultaneously exhibiting two properties of an organic material and an inorganic material - Inorganic hybrid thermoelectric materials are under development
하지만, 현재까지의 열전 재료는 하이브리드화했을 때에, 낮은 열전도율과 함께, 높은 제벡계수 및 전기전도율을 가지며, 안정된 열전특성을 발휘하는 것이 곤란한 상태이다.However, the thermoelectric materials to date have a low heat conductivity, a high Seebeck coefficient and an electric conductivity when hybridized, and it is difficult to exhibit stable thermoelectric properties.
따라서, 본 발명에서는 낮은 열전도율과 함께, 높은 제벡계수 및 전기전도율을 가지며, 우수한 열전특성을 안정되게 발휘할 수 있는 유기-무기 하이브리드열전 재료를 제공하고자 한다.Accordingly, an object of the present invention is to provide an organic-inorganic hybrid thermoelectric material having a low thermal conductivity, a high heat transfer coefficient, and high heat transfer properties.
도 2 내지 도 4는 본 발명에 따른 열전 반도체 소자를 제조하는 방법을 설명하기 위한 개략적인 도면이다.2 to 4 are schematic views for explaining a method of manufacturing a thermoelectric semiconductor device according to the present invention.
즉, 도 2 내지 4의 제조공정에 의해 본 발명에 따른 열전 반도체 소자를 제조할 수 있으며, 이러한, 열전 반도체 소자는 상술한 도 1의 열전 반도체 모듈에서의 열전 반도체 소자에 해당한다.That is, the thermoelectric semiconductor device according to the present invention can be manufactured by the manufacturing process of FIGS. 2 to 4, and the thermoelectric semiconductor device corresponds to the thermoelectric semiconductor device in the thermoelectric semiconductor module of FIG.
이하에서는 설명의 편의를 위하여, 본 발명에 따른 열전 반도체 소자만을 설명하기로 하며, 열전 반도체 모듈에서의 다른 구성은 상술한 도 1을 참조할 수 있다.Hereinafter, for convenience of description, only the thermoelectric semiconductor device according to the present invention will be described, and other configurations of the thermoelectric semiconductor module can be referred to FIG. 1 described above.
도 2a는 본 발명에 따른 열전 반도체 소자의 금속 구조체를 도시하는 사시도이고, 도 2b는 도 2a의 I-I선에 따른 단면도이다.FIG. 2A is a perspective view showing a metal structure of a thermoelectric semiconductor device according to the present invention, and FIG. 2B is a sectional view taken along the line I-I of FIG. 2A.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 본 발명에 따른 열전 반도체 소자의 금속 구조체(100)는 제1금속 지지체(110) 및 상기 제1금속 지지체(110)와 교차하여 배치되는 제2금속 지지체(120)를 포함하며, 상기 제1금속 지지체(110)와 상기 제2금속 지지체(120)의 교차에 의해 형성되는 제1홀부(130)를 포함할 수 있다.2A and 2B, a
이때, 상기 금속 구조체(100)는 공지된 금속 재질일 수 있으며, 예를 들어, 티타늄(Ti), 니켈(Ni), 몰리브덴(Mo), 카드뮴(Cd), 백금(Pt), 금(Au) 및 이들의 합금으로 이루어질 수 있고, 다만, 본 발명에서 상기 금속 구조체의 재질을 제한하는 것은 아니다.For example, the
또한, 상기 제1홀부(130)의 형상에 있어서, 도면에서는 사각형의 형상으로 형성되는 것을 도시하고 있으나, 이와는 달리, 상기 제1금속 지지체(110)와 상기 제2금속 지지체(120)의 배치에 따라, 삼각형, 오각형 및 육각형 등의 다양한 형상의 다각형으로 형성될 수 있다.In addition, although the
즉, 본 발명에서 상기 금속 구조체는 복수 개의 금속 지지체를 포함하여 구성될 수 있으며, 상기 복수개의 금속지지체의 배치에 따라, 상기 제1홀부의 형상이 다양한 형상의 다각형으로 구성될 수 있다.That is, in the present invention, the metal structure may include a plurality of metal supports. Depending on the arrangement of the plurality of metal supports, the first hole may have a polygonal shape of various shapes.
예를 들어, 상기 제1홀부의 형상이 사각형인 것은 4개의 금속 지지체가 배치되는 것일 수 있고, 상기 제1홀부의 형상이 삼각형인 것은 3개의 금속 지지체가 배치되는 것일 수 있다.For example, if the first hole has a quadrangular shape, four metal supports may be disposed, and if the first hole has a triangle shape, three metal supports may be disposed.
다만, 본 발명에서 상기 제1홀부의 형상을 제한하는 것은 아니다.However, the shape of the first hole portion is not limited in the present invention.
도 2c는 본 발명에 따른 열전 반도체 소자의 금속 구조체의 다른 예를 도시하는 사시도이다.2C is a perspective view showing another example of the metal structure of the thermoelectric semiconductor element according to the present invention.
즉, 상기 금속 구조체의 형상에 있어서, 도 2a 및 도 2b에서는 상기 제1금속 지지체(110)와 상기 제2금속 지지체(120)가 각각 x방향 및 y방향으로 배치되어 2차원의 형상으로 금속 구조체가 형성됨을 도시하고 있다.2A and 2B, the first
하지만, 이와는 달리, 도 2c에서와 같이, 상기 제1금속 지지체(110)와 상기 제2금속 지지체(120)가 각각 x방향 및 y방향으로 배치되고, 또한, z 방향으로 제3금속 지지체(410)가 배치되어, 3차원의 형상으로 금속 구조체(400)가 형성될 수 있다.Alternatively, as shown in FIG. 2C, the
이때, 상기 3차원 형상의 금속 구조체는, 상기 도 2a에서와 같이 상기 제1금속 지지체(110)와 상기 제2금속 지지체(120)의 교차에 의해 형성되는 제1홀부(130)를 포함할 수 있을 뿐만 아니라, 상기 제1금속 지지체(110), 상기 제2금속 지지체(120) 및 상기 제3금속 지지체(410)의 교차에 의해 형성되는 입체적 형상의 홀부(430)를 포함할 수 있다.Here, the three-dimensional metal structure may include a
도 3a는 본 발명에 따른 열전 반도체 소자의 무기물 구조체를 도시하는 사시도이고, 도 3b는 도 3a의 II-II선에 따른 단면도이다.FIG. 3A is a perspective view showing an inorganic material structure of a thermoelectric semiconductor device according to the present invention, and FIG. 3B is a sectional view taken along line II-II of FIG. 3A.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 본 발명에 따른 열전 반도체 소자의 무기물 구조체(200)는 상기 제1금속 지지체(110)를 둘러싸는 제1무기물 소자층(210) 및 상기 제2금속 지지체(120)를 둘러싸고, 상기 제1무기물 소자층(210)과 교차하여 배치되는 제2무기물 소자층(220)을 포함하며, 상기 제1무기물 소자층(210)과 상기 제2무기물 소자층(220)의 교차에 의해 형성되는 제2홀부(230)를 포함할 수 있다.3A and 3B, the
즉, 본 발명에 따른 열전 반도체 소자의 무기물 구조체(200)는 상기 금속 구조체(100) 상에 무기물 소자층(210, 220)을 형성한 구조에 해당한다.That is, the
상기 제1무기물 소자층 및 상기 제2무기물 소자층은 Bi-Te 계, Sb-Te 계, Pb-Se 계, Ag-Te 계, Ag-Se 계, Bi-(Te, Se) 계, Si-Ge계, Pb-Te계, GeTe-AgSbTe계 및 (Co, Ir, Ru)-Sb 계로부터 선택된 적어도 1종일 수 있으며, 다만, 본 발명에서 상기 제1무기물 소자층 및 상기 제2무기물 소자층의 종류를 제한하는 것은 아니다.Wherein the first inorganic material layer and the second inorganic material layer are formed of a material selected from the group consisting of Bi-Te, Sb-Te, Pb-Se, Ag-Te, Ag- Ge, Pb-Te, GeTe-AgSbTe, and (Co, Ir, Ru) -Sb. However, in the present invention, the first inorganic material layer and the second inorganic material layer It does not limit the kind.
도 3c는 본 발명에 따른 열전 반도체 소자의 무기물 구조체의 다른 예를 도시하는 사시도이다.3C is a perspective view showing another example of the inorganic material structure of the thermoelectric semiconductor device according to the present invention.
즉, 상기 무기물 구조체의 형상에 있어서, 도 3a 및 도 3b에서는 상기 제1금속 지지체(110)를 둘러싸는 제1무기물 소자층(210) 및 상기 제2금속 지지체(120)를 둘러싸고, 상기 제1무기물 소자층(210)과 교차하여 배치되는 제2무기물 소자층(220)을 포함하는 2차원의 형상으로 무기물 구조체가 형성됨을 도시하고 있다.3A and 3B, the first
하지만, 이와는 달리, 도 3c에서와 같이, 상기 제1금속 지지체(110)를 둘러싸는 제1무기물 소자층(210), 상기 제2금속 지지체(120)를 둘러싸고, 상기 제1무기물 소자층(210)과 교차하여 배치되는 제2무기물 소자층(220) 및 상기 제3금속 지지체(410)를 둘러싸고, 상기 제1무기물 소자층(210)과 상기 제2무기물 소자층(220)과 교차하여 배치되는 제3무기물 소자층(510)을 포함하는 3차원의 형상의 무기물 구조체(500)가 형성될 수 있다.Alternatively, as shown in FIG. 3C, a first
이때, 상기 3차원 형상의 무기물 구조체는, 상기 도 3a에서와 같이 상기 제1무기물 소자층(210)과 상기 제2무기물 소자층(220)의 교차에 의해 형성되는 제2홀부(230)를 포함할 수 있을 뿐만 아니라, 상기 제1무기물 소자층(210), 상기 제2무기물 소자층(220) 및 상기 제3무기물 소자층(510)의 교차에 의해 형성되는 입체적 형상의 홀부(530)를 포함할 수 있다.In this case, the three-dimensional inorganic material structure includes a
이때, 본 발명에서 상기 금속 구조체(100) 상에 무기물 소자층(210, 220)을 형성하는 것은 공지된 전기화학 공정에 의해 형성할 수 있다.At this time, the inorganic material layers 210 and 220 may be formed on the
상기 전기화학 공정은 전기도금, 무전해 도금, 치환도금, 전기영동법 등일 수 있으며, 다만, 본 발명에서 상기 무기물 소자층을 형성하는 방법을 제한하는 것은 아니다.The electrochemical process may be electroplating, electroless plating, substitution plating, electrophoresis, etc. However, the method of forming the inorganic material layer in the present invention is not limited thereto.
이하에서는 전기화학 공정의 일예인 전기도금법에 의한 무기물 소자층의 형성을 설명하기로 한다.Hereinafter, formation of an inorganic material layer by an electroplating method, which is an example of an electrochemical process, will be described.
도 5는 본 발명에 따른 전기도금법에 의한 전착 공정을 도시하는 개략적인 도면이다.5 is a schematic view showing an electrodeposition process by the electroplating method according to the present invention.
상기 전기도금법에 의한 전착 공정은 전기화학적 방법으로 전착 형성하는 것으로, 도너기판을 작업전극(250)으로 하여, 상기 열전 반도체 소자를 형성하기 위한 이온을 포함하는 액체 전해질(280)에 상기 기판을 담지한 후, 상대전극(260) 및 기준전극(270)을 이용하여 일정전류 또는 일정전압을 인가하는 방식을 말한다.The electrodeposition process by the electroplating method is electrodeposited by an electrochemical method. By using the donor substrate as the working
상기 전기화학적 방법은 구체적으로 정전류법, 정전위법 및 순환전류법 등을 사용할 수 있는 바, 상기 각각의 방법은 열전 반도체 소자의 두께를 자유롭게 조절하기 위하여 각각의 인자를 조절할 수 있다.Specifically, the electrochemical method may be a constant current method, a constant current method, or a circulating current method. In each of the above methods, the respective factors may be adjusted to freely control the thickness of the thermoelectric semiconductor device.
예를 들어, 상기 정전류법은 인가전류가 0.01 내지 -100 mA/㎠ 범위이고, 전류인가시간이 1분 내지 500분 범위이며, 상기 정전위법은 인가전위가 0.1 내지 1.5 V 범위이고, 전위인가시간이 1분 내지 500분 범위이며, 상기 순환전류법은 전위주사속도가 1 내지 1000 mV/s 범위이고, 순환전위회수가 1 내지 500회 범위내에서 수행될 수 있다.For example, in the constant current method, the applied current is in the range of 0.01 to -100 mA /
이때, 상기 전기화학적 방법은 통상적으로 상온 및 상압 하에서 수행되는 바, 이는 일반적으로 진행되는 고온, 고압 공정에 비해 온화한 조건 유지가 가능하다.At this time, the electrochemical method is usually carried out at room temperature and atmospheric pressure, which allows gentle conditions to be maintained as compared with a general high-temperature and high-pressure process.
한편, 상기 작업전극은 실리콘 기판 상에 스퍼터링 방법에 의해 Ni/Au를 적층한 구조의 금속전극을 형성한 도너기판일 수 있으며, 상대전극으로는 전도성이면서 전해질과 반응하지 않는 기판이 적합하며, 구체적으로는, 티타늄(Ti), 니켈(Ni), 몰리브덴(Mo), 카드뮴(Cd), 백금(Pt), 금(Au), 인듐-주석-산화물(ITO), 유리, 스테인레스 스틸(stainless steel) 및 탄소 기판 등으로부터 각각 적절히 선택될 수 있다. 또한, 일반적으로 기준전극은 Ag/AgCl을 사용할 수 있다.Meanwhile, the working electrode may be a donor substrate on which a metal electrode having a structure in which Ni / Au is laminated on a silicon substrate by a sputtering method, and a substrate which is conductive and does not react with the electrolyte is suitable as a counter electrode, Metal such as titanium, nickel, molybdenum, cadmium, platinum, gold, indium-tin-oxide, glass, stainless steel, And a carbon substrate, respectively. Further, in general, the reference electrode can use Ag / AgCl.
즉, 본 발명에서는 공지된 전기도금법을 통하여, 상기 금속 구조체 상에 무기물 소자층, 즉, Bi-Te 계, Sb-Te 계, Pb-Se 계, Ag-Te 계, Ag-Se 계, Bi-(Te, Se) 계, Si-Ge계, Pb-Te계, GeTe-AgSbTe계 및 (Co, Ir, Ru)-Sb 계로부터 선택된 적어도 1종의 무기물을 형성함으로써, 본 발명에 따른 열전 반도체 소자의 무기물 구조체(200)를 형성할 수 있다.That is, in the present invention, an inorganic element layer, that is, a Bi-Te system, an Sb-Te system, a Pb-Se system, an Ag-Te system, an Ag- At least one kind of inorganic material selected from the group consisting of Te, Se, Si-Ge, Pb-Te, GeTe-AgSbTe and (Co, Ir, Ru) The
한편, 일반적인 열전소자의 형성방법의 경우, n-type의 열전소재와 p-type의 열전소재를 형성함에 있어서, 일반적으로 벌크형의 경우 소결법을 이용하고 박막의 경우 CSVT(Close Space Vapor Transport)법, 공증착법(co-evaporation) 또는 MOCVD법 등을 사용하고 있다.In the case of forming a thermoelectric material of n-type and a thermoelectric material of p-type, a sintering method is generally used for a bulk type, a CSVT (Close Space Vapor Transport) method is used for a thin film, A co-evaporation method or a MOCVD method is used.
하지만, 이러한 형성방법의 경우, 증착온도가 높고, 증착공정이 진공 상태에서 이루어지게 되나, 본 발명에 따른 전기화학적 방법은 통상적으로 상온 및 상압하에서 수행되는 바, 일반적으로 진행되는 고온, 고압 공정에 비해 온화한 조건 유지가 가능하다.However, in the case of such a forming method, the deposition temperature is high and the deposition process is performed in a vacuum state. However, the electrochemical method according to the present invention is usually carried out at normal temperature and atmospheric pressure. In general, It is possible to maintain a mild condition.
따라서, 본 발명에서는 상기 열전 반도체 소자를 형성하는 공정이, 일반적으로 진행되는 고온, 고압 공정에 비해 낮은 상온 및 상압 조건에서 수행되므로, 고온 및 고압에 의한 열전 반도체 소자의 손상을 방지할 수 있다.Therefore, in the present invention, since the step of forming the thermoelectric semiconductor element is performed at a lower room temperature and a lower pressure than the conventional high temperature and high pressure processes, damage to the thermoelectric semiconductor elements due to high temperature and high pressure can be prevented.
도 4a는 본 발명에 따른 열전 반도체 소자의 유기물-무기물 복합구조체를 도시하는 사시도이고, 도 4b는 도 4a의 III-III선에 따른 단면도이다.FIG. 4A is a perspective view illustrating an organic-inorganic composite structure of a thermoelectric semiconductor device according to the present invention, and FIG. 4B is a cross-sectional view taken along line III-III of FIG. 4A.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 본 발명에 따른 열전 반도체 소자의 유기물-무기물 복합 구조체(300)는 상기 제2홀부(230)에 위치하는 유기물 소자층(310)을 포함한다.4A and 4B, the organic-
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 열전 반도체 소자의 무기물 구조체는 상기 제1금속 지지체(110)를 둘러싸는 제1무기물 소자층(210) 및 상기 제2금속 지지체(120)를 둘러싸고, 상기 제1무기물 소자층(210)과 교차하여 배치되는 제2무기물 소자층(220)을 포함하며, 상기 제1무기물 소자층(210)과 상기 제2무기물 소자층(220)의 교차에 의해 형성되는 제2홀부(230)를 포함할 수 있다.As described above, the inorganic structure of the thermoelectric semiconductor device according to the present invention includes the first
이때, 본 발명에 따른 열전 반도체 소자의 유기물-무기물 복합 구조체는 상기 제2홀부(230)에 유기물 소자층(310)을 포함함으로써, 유기물-무기물 복합 구조체의 열전 반도체 소자를 구현할 수 있다.At this time, the organic-inorganic composite structure of the thermoelectric semiconductor device according to the present invention includes the
상기 유기물 소자층은 폴리 아닐린 또는 그 유도체, 폴리피롤 또는 그 유도체, 폴리 티오펜 또는 그 유도체, 폴리페닐렌 비닐렌 유도체, 폴리파라페닐렌 유도체, 폴리아센 또는 그 유도체와 이들의 공중합체로 이루어질 수 있으며, 다만, 본 발명에서 상기 유기물 소자층의 종류를 제한하는 것은 아니다.The organic material element layer may be composed of a polyaniline or a derivative thereof, a polypyrrole or a derivative thereof, a polythiophene or a derivative thereof, a polyphenylene vinylene derivative, a polyparaphenylene derivative, a polyacene or a derivative thereof and a copolymer thereof , But the kind of the organic EL device layer is not limited in the present invention.
또한, 상기 유기물 소자층은 공지된 딥핑법 또는 스핀 코팅법에 의하여, 상기 제2홀부에 형성될 수 있으며, 다만, 본 발명에서 상기 유기물 소자층의 형성방법을 제한하는 것은 아니다.In addition, the organic material layer may be formed in the second hole by a known dipping or spin coating method. However, the method of forming the organic material layer in the present invention is not limited thereto.
도 4c는 본 발명에 따른 열전 반도체 소자의 유기물-무기물 복합 구조체의 다른 예를 도시하는 사시도이다.4C is a perspective view showing another example of the organic-inorganic composite structure of the thermoelectric semiconductor device according to the present invention.
즉, 상기 유기물-무기물 복합 구조체의 형상에 있어서, 도 4a 및 도 4b에서는 상기 제1무기물 소자층(210)과 상기 제2무기물 소자층(220)의 교차에 의해 형성되는 상기 제2홀부(230)에 유기물 소자층(310)이 형성된다.4A and 4B, the second
하지만, 이와는 달리, 도 4c에 도시된 바와 같이, 상기 3차원 형상의 무기물 구조체는, 상기 제1무기물 소자층(210)과 상기 제2무기물 소자층(220)의 교차에 의해 형성되는 제2홀부(230)에 유기물 소자층(310)이 형성될 뿐만 아니라, 상기 제1무기물 소자층(210), 상기 제2무기물 소자층(220) 및 상기 제3무기물 소자층(510)의 교차에 의해 형성되는 입체적 형상의 홀부(미도시)에도 유기물 소자층(630)이 형성될 수 있다.4C, the inorganic structure of the three-dimensional shape is formed by intersecting the first
이하에서는 본 발명에 따른 열전 반도체 소자의 무기물 구조체를 설명하기로 한다.Hereinafter, an inorganic material structure of a thermoelectric semiconductor device according to the present invention will be described.
본 발명에 따른 열전 반도체 소자의 무기물 구조체는 Ni로 이루어진 금속 구조체 상에, 하기의 조건으로 전해도금법에 의해 무기물 구조체를 제조하였다.An inorganic material structure of a thermoelectric semiconductor device according to the present invention was produced by an electrolytic plating method on a metal structure made of Ni under the following conditions.
전해도금법에 있어서의 액제 전해질은 10mM의 SbO2와 10mM의 TeO2를 포함하였다.The liquid electrolyte in the electrolytic plating method contained 10 mM of SbO 2 and 10 mM of TeO 2 .
도 6은 본 발명에 따른 열전 반도체 소자의 무기물 구조체의 실사진이다.6 is an actual view of the inorganic structure of the thermoelectric semiconductor device according to the present invention.
도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 열전 반도체 소자의 무기물 구조체는 Ni의 제1금속 지지체를 둘러싸는 제1무기물 소자층 및 상기 Ni의 제2금속 지지체를 둘러싸고, 상기 제1무기물 소자층과 교차하여 배치되는 제2무기물 소자층을 포함하며, 상기 제1무기물 소자층과 상기 제2무기물 소자층의 교차에 의해 형성되는 제2홀부를 포함함을 확인할 수 있다.6, the inorganic structure of the thermoelectric semiconductor device according to the present invention includes a first inorganic material layer surrounding a first metal support of Ni and a second inorganic support layer surrounding the second metal support of Ni, And a second hole portion formed by intersection of the first inorganic material layer and the second inorganic material layer.
도 6에서 알 수 있는 바와 같이, Ni의 금속 구조체 상에, 무기물 소자층이 양호하게 형성될 수 있음을 알 수 있다.As can be seen from Fig. 6, it can be seen that an inorganic element layer can be formed well on the metal structure of Ni.
도 7 내지 9는 본 발명에 따른 열전 반도체 소자의 무기물 구조체를 도시하는 다른 예이다. 이때, a도는 무기물 구조체를 도시하는 실사진이며, b도는 일정 영역에서의 성분을 도시한 그래프이다.7 to 9 show another example of an inorganic material structure of a thermoelectric semiconductor device according to the present invention. In this case, a and b are the graphs showing the components in a certain region.
도 7 내지 9에서 알 수 있는 바와 같이, Ni의 금속 구조체 상에, 무기물 소자층이 양호하게 형성될 수 있음을 알 수 있고, 또한, 각각의 지점에서, Ni, Sb, Te의 성분을 포함함을 확인할 수 있다.As can be seen from Figs. 7 to 9, it can be seen that on the metal structure of Ni, an inorganic element layer can be formed well and, at each point, contains elements of Ni, Sb and Te can confirm.
이때, 본 발명에 따른 열전 반도체 소자의 유기물-무기물 복합 구조체는 상술한 제2홀부에 유기물 소자층이 위치함에 의하여 제조될 수 있다.At this time, the organic-inorganic composite structure of the thermoelectric semiconductor device according to the present invention can be manufactured by placing the organic EL element layer in the second hole portion.
도 10은 본 발명에 따른 열전 반도체 소자의 제벡 계수 특성을 도시한 그래프이다.FIG. 10 is a graph showing the anti-blocking property of the thermoelectric semiconductor device according to the present invention.
도 10에서의 약어들의 의미는 다음과 같다.The meanings of the abbreviations in Fig. 10 are as follows.
- Bi2Te3/PANI composite : Bi2Te3 나노파티클을 PANI 폴리머 용액에 분산시켜 스핀코팅한 박막- Bi 2 Te 3 / PANI composite: Bi2Te 3 nanoparticles are dispersed in a PANI polymer solution to form a thin film
- HCl doped PANI : 전기전도도를 높이기 위하여 HCl 용액을 이용하여 도핑한 PANI 폴리머- HCl doped PANI: doped PANI polymer using HCl solution to increase electrical conductivity
- PEDOT:PSS films(doped with DMSO) : PSS는 PEDOT의 분산을 잘되게 하지만 전기전도도를 저하시키기 때문에 스핀코팅으로 PEDOT:PSS 박막을 형성한 후에 DMSO를 이용하여 PSS를 제거한 박막- PEDOT: PSS films (doped with DMSO): PSS is used to remove PSS by using DMSO after forming a PEDOT: PSS thin film by spin coating,
- PEDOT:PSS/ Bi2Te3 with different volume : Bi2Te3 나노파티클의 양을 조절하여 PEDOT:PSS에 분산시킨 것- PEDOT: PSS / Bi 2 Te 3 with different volume: Bi 2 Te 3 dispersion of PEDOT: PSS by controlling the amount of nanoparticles
- PEDOT:PSS drop casting: PEDOT:PSS 용액을 drop시켜 박막을 형성한 것- PEDOT: PSS drop casting: PEDOT: Thin film formed by dropping PSS solution
- PEDOT:PSS films(PH 750 doped with DMSO) : PEDOT:PSS의 박막의 전기전도도를 높이기 위하여 PH 750 doped with DMSO를 이용하여 PSS를 제거한 샘플- PEDOT: PSS films (PH 750 doped with DMSO): PEDOT: samples with PSS removed using PH 750 doped with DMSO to increase the electrical conductivity of PSS thin film
- PEDOT:PSS spin coated : PEDOT:PSS를 스핀코팅한 샘플- PEDOT: PSS spin coated: PEDOT: Samples spin coated with PSS
- PEDOT:PSS : PEDOT:PSS를 스핀코팅한 샘플- PEDOT: PSS: PEDOT: Sample spin-coated with PSS
- PEDOT:Tos : 분산제를 PSS대신 폴리머체인이 짧은 Tos를 이용하여 PEDOT의 전기전도도를 향상시킨 것- PEDOT: Tos: electric conductivity of PEDOT is improved by using short Tos of polymer chain instead of PSS
- PP-PEDOT: pyridine과 PEPG를 이용하여 형성한 PEDOT 샘플- PP-PEDOT: PEDOT sample formed with pyridine and PEPG
- PEDOT:PSS/Te films : Te 나노와이어를 PEDOT:PSS 용액에 분산시켜 스핀코팅한 샘플- PEDOT: PSS / Te films: samples obtained by spinning Te nanowires dispersed in PEDOT: PSS solution
- Bi0 .55Sb1 .5Te3/PANI : Bi0 .55Sb1 .5Te3 나노파티클을 PANI 용액에 분산시켜 형성한 샘플- Bi 0 .55 Sb 1 .5 Te 3 / PANI: Bi 0 .55 Sb 1 .5 Te 3 A sample formed by dispersing nanoparticles in a PANI solution
한편, 도 10에서의 본 발명에 따른 열전 반도체 소자는 상술한 도 6의 무기물 구조체의 홀부에 폴리 아닐린(PANI)의 유기물 소자를 위치시킴으로써, 유기물-무기물 복합 구조체의 열전 반도체 소자를 제조하였다.The thermoelectric semiconductor device according to the present invention in FIG. 10 has a thermoelectric semiconductor element of an organic-inorganic composite structure by placing an organic element of polyaniline (PANI) in the hole portion of the inorganic structure shown in FIG.
상술한 바와 같이, 열전 반도체 재료의 열전 성능(성능지수: ZT)을 향상시키기 위해서는 제벡계수(α) 또는 전기 전도율(σ)의 값을 증가시키거나 열전도율(κ) 또는 비저항(ρ)을 저하하는 것이 바람직하다.As described above, in order to improve the thermoelectric performance (performance index: ZT) of the thermoelectric semiconductor material, it is necessary to increase the value of the heat transfer coefficient (?) Or the specific resistance (?) Or increase the value of the heat transfer coefficient .
본 발명에 따른 열전 반도체 소자는 파란색 원 영역에 위치하는 것으로, 유기물 재료로 이루어진 PEDOT:PSS(전도성 고분자) 필름의 경우보다 제벡계수(α) 또는 전기 전도율(σ)의 값이 상승함을 알 수 있다.The thermoelectric semiconductor device according to the present invention is located in a blue circle region, and it can be seen that the value of a Seebeck coefficient (?) Or electric conductivity (?) Is higher than that of a PEDOT: PSS (Conductive Polymer) film made of an organic material have.
또한, 본 발명에 따른 열전 반도체 소자는 Bi2Te3/PANI의 유기물-무기물 복합 구조체의 경우보다 제벡계수(α) 또는 전기 전도율(σ)의 값이 상승함을 알 수 있다.Further, thermoelectric semiconductor elements according to the present invention, Bi 2 Te 3 / PANI organic matter - can be seen that the value of the increase of the Seebeck coefficient (α) or the electrical conductivity (σ) than that of the inorganic compound structural body.
즉, 도 10에 도시된 Bi2Te3/PANI의 유기물-무기물 복합 구조체는 유기물 재료와 무기물 재료를 단순 혼합한 구성에 해당하는 것으로, 본 발명에 따라 제조된 유기물-무기물 복합 구조체는 종래의 유기-무기 하이브리드 열전 재료의 경우보다 열전 특성이 향상됨을 확인할 수 있다.That is, the organic-inorganic composite structure of Bi 2 Te 3 / PANI shown in FIG. 10 corresponds to a simple mixture of an organic material and an inorganic material, and the organic- - It is confirmed that the thermoelectric properties are improved as compared with the case of the inorganic hybrid thermoelectric material.
도 11은 본 발명에 따른 열전 반도체 소자의 파워 팩터 특성을 도시한 그래프이다.11 is a graph showing power factor characteristics of a thermoelectric semiconductor device according to the present invention.
도 11에서의 열전 반도체 소자는 상술한 도 5의 무기물 구조체의 제2홀부에 폴리 아닐린(PANI)의 유기물 소자를 위치시킴으로써, 유기물-무기물 복합 구조체의 열전 반도체 소자를 제조하였다.11, the thermoelectric semiconductor device of the organic-inorganic composite structure was manufactured by placing the organic material element of polyaniline (PANI) in the second hole portion of the inorganic structure shown in FIG.
이때, 파워 팩터(Power Factor)는 전기 전도율과 제벡계수의 변화를 동시에 고려한 성능 지표에 해당한다.In this case, the power factor corresponds to the performance index considering the change of the electric conductivity and the Seebeck coefficient at the same time.
도 11에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 열전 반도체 소자는 파란색 원 영역에 위치하는 것으로, 유기물 재료로 이루어진 PEDOT:PSS(전도성 고분자) 필름의 경우보다 파워 팩터의 값이 상승함을 알 수 있다.As can be seen from FIG. 11, the thermoelectric semiconductor device according to the present invention is located in the blue circle region, and it is understood that the value of the power factor is higher than that of the PEDOT: PSS (conductive polymer) film made of an organic material have.
또한, 본 발명에 따른 열전 반도체 소자는 Bi2Te3/PANI의 유기물-무기물 복합 구조체의 경우보다 파워 팩터의 값이 상승함을 알 수 있다.Also, it can be seen that the thermoelectric semiconductor device according to the present invention has a higher power factor than that of the organic-inorganic composite structure of Bi 2 Te 3 / PANI.
즉, 상술한 바와 같이, 열전 반도체 재료의 열전 성능(성능지수: ZT)을 향상시키기 위해서는 제벡계수(α) 또는 전기 전도율(σ)의 값을 증가시키면 되는데, 본 발명에 따른 열전 반도체 소자의 경우, 제벡계수(Seebeck Coefficient)가 증가하고, 또한, 전기 전도율과 제벡계수의 변화를 동시에 고려한 파워 팩터(Power Factor)가 증가하기 때문에 열전 반도체의 성능 지수가 향상된다.That is, as described above, in order to improve the thermoelectric performance (performance index: ZT) of the thermoelectric semiconductor material, it is necessary to increase the value of the Seebeck coefficient? Or the electric conductivity?. In the thermoelectric semiconductor device according to the present invention , The Seebeck coefficient increases, and the power factor that simultaneously takes account of the change of the electric conductivity and the Seebeck coefficient increases, thereby improving the performance index of the thermoelectric semiconductor.
이상과 같은 본 발명에 따르면, 새로운 구조의 유기물-무기물 복합 구조체의 열전반도체 소자를 통하여, 높은 제벡계수 및 전기전도율을 가지며, 우수한 열전특성을 안정되게 발휘할 수 있는 유기-무기 하이브리드열전 재료를 제공할 수 있다.According to the present invention, there is provided an organic-inorganic hybrid thermoelectric material having a high b ee bet coefficient and an electrical conductivity and exhibiting excellent thermoelectric properties stably through a thermoelectric semiconductor element of a novel structure of an organic-inorganic composite structure .
이상과 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be practical exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, It will be understood. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects and not restrictive.
100 : 금속구조체 200 : 무기물 구조체
300 : 유기물-무기물 복합 구조체100: metal structure 200: inorganic structure
300: Organic-inorganic composite structure
Claims (8)
상기 제1홀부에 위치하는 유기물 소자층을 포함하고,
상기 유기물 소자층은 폴리 아닐린 또는 그 유도체, 폴리피롤 또는 그 유도체, 폴리 티오펜 또는 그 유도체, 폴리페닐렌 비닐렌 유도체, 폴리파라페닐렌 유도체, 폴리아센 또는 그 유도체와 이들의 공중합체로 이루어는 군에서 선택되는 물질인 열전 반도체 소자.An inorganic material structure including a first hole portion; And
And an organic material layer disposed in the first hole,
Wherein the organic material element layer is made of a material selected from the group consisting of polyaniline or a derivative thereof, polypyrrole or a derivative thereof, polythiophene or a derivative thereof, polyphenylene vinylene derivative, polyparaphenylene derivative, polyacene or a derivative thereof, Wherein the thermoelectric semiconductor element is a material selected from the group consisting of:
상기 열전 반도체 소자는 금속 구조체를 더 포함하며,
상기 무기물 구조체는 상기 금속 구조체 상에 형성되는 열전 반도체 소자.The method according to claim 1,
Wherein the thermoelectric semiconductor device further comprises a metal structure,
Wherein the inorganic structure is formed on the metal structure.
상기 열전 반도체 소자는, 제1홀부를 포함하는 무기물 구조체; 및 상기 제1홀부에 위치하는 유기물 소자층을 포함하며,
상기 열전 반도체 소자는 금속 구조체를 더 포함하고,
상기 무기물 구조체는 상기 금속 구조체 상에 형성되며,
상기 금속 구조체는 복수개의 금속지지체를 포함하고,
상기 복수개의 금속지지체의 배치에 따라 형성되는 다각형 형상의 제2홀부를 포함하는 열전 반도체 소자.In the thermoelectric semiconductor device,
The thermoelectric semiconductor device includes: an inorganic material structure including a first hole portion; And an organic material layer disposed in the first hole,
Wherein the thermoelectric semiconductor device further comprises a metal structure,
Wherein the inorganic structure is formed on the metal structure,
Wherein the metal structure comprises a plurality of metal supports,
And a second hole portion having a polygonal shape formed according to the arrangement of the plurality of metal supports.
상기 열전 반도체 소자는, 제1홀부를 포함하는 무기물 구조체; 및 상기 제1홀부에 위치하는 유기물 소자층을 포함하며,
상기 열전 반도체 소자는 금속 구조체를 더 포함하고,
상기 무기물 구조체는 상기 금속 구조체 상에 형성되며,
상기 금속 구조체는,
제1금속 지지체; 상기 제1금속 지지체와 교차하여 배치되는 제2금속 지지체; 및 상기 제1금속 지지체와 상기 제2금속 지지체의 교차에 의해 형성되는 제2홀부를 포함하는 열전 반도체 소자.In the thermoelectric semiconductor device,
The thermoelectric semiconductor device includes: an inorganic material structure including a first hole portion; And an organic material layer disposed in the first hole,
Wherein the thermoelectric semiconductor device further comprises a metal structure,
Wherein the inorganic structure is formed on the metal structure,
The metal structure may include:
A first metal support; A second metal support disposed to intersect with the first metal support; And a second hole portion formed by intersection of the first metal support and the second metal support.
상기 무기물 구조체는,
상기 제1금속 지지체를 둘러싸는 제1무기물 소자층; 및 상기 제2금속 지지체를 둘러싸고, 상기 제1무기물 소자층과 교차하여 배치되는 제2무기물 소자층을 포함하며,
상기 제1무기물 소자층과 상기 제2무기물 소자층의 교차에 의해 상기 제1홀부가 형성되는 열전 반도체 소자.5. The method of claim 4,
The inorganic structure may include,
A first inorganic material layer surrounding the first metal support; And a second inorganic material layer surrounding the second metal support and disposed so as to intersect with the first inorganic material layer,
And the first hole portion is formed by intersection of the first inorganic material layer and the second inorganic material layer.
상기 금속 구조체는,
x방향으로 배치되는 제1금속 지지체; 상기 제1금속 지지체와 교차하여 배치되고, y방향으로 제2금속 지지체; 및 z 방향으로 배치되고, 상기 제1금속 지지체와 상기 제2금속 지지체와 교차하여 배치되는 제3금속 지지체를 포함하는 열전 반도체 소자.The method of claim 3,
The metal structure may include:
a first metal support disposed in the x direction; A second metal support disposed in an intersection with the first metal support and in the y direction; And a third metal support disposed in the z direction and disposed to intersect the first metal support and the second metal support.
상기 금속 구조체 상에 상기 무기물 구조체를 형성하는 것은 전기화학 공정에 의해 형성하는 열전 반도체 소자.The method of claim 3,
Wherein the inorganic structure is formed on the metal structure by an electrochemical process.
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