KR102031961B1 - thermocouple for using metal-insulation transition - Google Patents
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Abstract
본 발명은 열전 소자를 개시한다. 열전 소자는, 제 1 전극과, 상기 제 1 전극에 전기적으로 연결된 기판과, 상기 기판 상의 박막과, 상기 박막 상의 제 2 전극을 포함한다. 여기서, 상기 기판과 상기 박막은 임계 온도 이상의 온도에서 반도체 접합보다 높은 열전력의 금속적 특성을 가질 수 있다.The present invention discloses a thermoelectric element. The thermoelectric element includes a first electrode, a substrate electrically connected to the first electrode, a thin film on the substrate, and a second electrode on the thin film. Here, the substrate and the thin film may have a metallic property of higher thermal power than the semiconductor junction at a temperature higher than a critical temperature.
Description
본 발명은 열전 소자에 관한 것으로 보다 구체적으로 금속-절연체-전이 금속을 이용하는 열전소자에 관한 것이다.The present invention relates to thermoelectric devices and more particularly to thermoelectric devices using metal-insulator-transition metals.
미래 청정에너지의 한 종류로서 폐열을 이용하여 전기를 만들어내는 기존의 방식으로 반도체 pn 접합구조로 만들어지는 열전소자가 있다. 열전 소자는 열을 받으면 열에너지를 전기에너지로 변환시킨다(Seeback Effect). 또한 외부에서 전압이 인가되면, 주위의 온도보다 소자의 온도를 증가 혹은 감소시키기도 한다(Peltier Effect). 그리고 열전효율을 나타내는 지수 ZT=(S2s/k)T로 표시될 수 있다. 여기서 S 는 Seeback 계수이고 s 는 전기전도도이고, k는 열전도도이며, T는 측정하는 온도이다. 예를 들어, ZT 계수가 1 이면 효율이 약 10%이고 2 면 효율이 약 20%로 추정한다. 그리고 지금까지 잘 알려진 열전계수는 ZT=2.5 정도로서 Bi2Te3/Sb2Te3 의 초격자 구조에서 ZT 관측되었다. 그리고 세라믹 p-Si 와 n-Si의 접합으로 이루어진 열전소자는 상용으로 판매되고 있다. 그리고 자동차가 주행 중에 라디에이터의 온도는 200oC 근방까지 올라가며, 또한 보일라에서는 100oC의 폐열이 많다. 그래서 약 200oC 이하의 폐열에 큰 시장이 있어서 보다 고효율의 열전소자의 개발이 필요해 졌다. As a kind of future clean energy, there is a thermoelectric element made of a semiconductor pn junction structure by a conventional method of generating electricity using waste heat. Thermoelectric elements convert thermal energy into electrical energy when they receive heat (Seeback Effect). In addition, when a voltage is applied from the outside, the temperature of the device may be increased or decreased from the ambient temperature (Peltier Effect). And it can be represented by the index ZT = (S 2 s / k) T indicating the thermoelectric efficiency. Where S is the Seeback coefficient, s is the electrical conductivity, k is the thermal conductivity, and T is the temperature to measure. For example, if the ZT coefficient is 1, the efficiency is about 10% and the two-side efficiency is estimated to be about 20%. And the well-known thermoelectric coefficient is ZT = 2.5 and ZT was observed in the superlattice structure of Bi2Te3 / Sb2Te3. And thermoelectric elements made of a junction of ceramic p-Si and n-Si are commercially available. And while the car is running, the radiator's temperature rises to around 200 o C, and the boiler has a lot of waste heat of 100 o C. As a result, there is a large market for waste heat below about 200 o C, which leads to the development of more efficient thermoelectric devices.
본 발명의 해결하고자 하는 과제는 금속-절연체 전이 (Metal-Insulator Transition: MIT) 금속을 이용한 열전 소자를 제공하는 데 있다. An object of the present invention is to provide a thermoelectric device using a metal-insulator transition (MIT) metal.
본 발명의 다른 과제는, 반도체 열전소자 보다 높은 고효율의 열전 소자를 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to provide a thermoelectric element with higher efficiency than a semiconductor thermoelectric element.
본 발명의 실시 예에 따른 열전 소자는, 제 1 전극; 상기 제 1 전극에 전기적으로 연결된 기판; 상기 기판 상의 박막; 및 상기 박막 상의 제 2 전극을 포함한다. 여기서, 상기 기판과 상기 박막은 임계 온도 이상의 온도에서 반도체 접합보다 높은 열전력의 금속적 특성을 각각 갖고, 상기 금속적 특성에서 나타나는 일함수의 차이가 온도 증가에 따라 증가될 수 있다. 상기 기판과 상기 박막은 금속-절연체 전이 (Metal-Insulator Transition; MIT) 금속 특성을 내는 기판과 박막으로서 반도체 보다 많은 캐리어를 가져서 반도체 기판과 박막으로 이루어진 열전소자 보다 높은 열전특성을 갖는다. Thermoelectric device according to an embodiment of the present invention, the first electrode; A substrate electrically connected to the first electrode; A thin film on the substrate; And a second electrode on the thin film. Here, the substrate and the thin film may have a metallic property of thermal power higher than that of a semiconductor junction at a temperature above a critical temperature, and the difference in work function appearing in the metallic property may increase with increasing temperature. The substrate and the thin film are substrates and thin films exhibiting metal-insulator transition (MIT) metal properties, and have more carriers than semiconductors, and thus have higher thermoelectric properties than thermoelectric elements composed of semiconductor substrates and thin films.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 기판은 실리콘을 포함할 수 있다. 상기 실리콘은 p형 또는 n형 불순물로 도핑될 수 있다. 상기 p형 또는 n형 불순물은 보론(boron) 또는 갈륨(gallium)의 억셉터와, 아세닉 또는 인(phosphorus)의 도너 중 어느 하나일 수 있다. 상기 억셉터 또는 상기 도너는 상기 실리콘 내에 nc=1018 cm-3 이하로 농도로 도핑될 수 있다. 본 발명의 다른 실시 에에 따르면, 상기 박막은 금속 절연체 전이(Metal-Insulating transition) 물질을 포함할 수 있다. 상기 금속 절연체 전이 물질은 VO2 또는 V2O3의 바나듐 산화물을 포함할 수 있다. 상기 VO2는 67도씨(℃)에서 상기 금속적 특성을 가질 수 있다. 상기 V2O3는 150도케이(K)에서 상기 금속적 특성을 가질 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the substrate may include silicon. The silicon may be doped with p-type or n-type impurities. The p-type or n-type impurity may be any one of an acceptor of boron or gallium and a donor of an arsenic or phosphorus. The acceptor or donor is in the silicon n c = 10 18 cm -3 It can be doped to concentrations below. According to another embodiment of the present invention, the thin film may include a metal-insulating transition material. The metal insulator transition material may comprise vanadium oxide of VO 2 or V 2 O 3 . The VO 2 may have the metallic property at 67 ° C. The V 2 O 3 may have the metallic property at 150 degrees K.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 금속적 특성은 상기 금속 절연체 전이 물질과, 상기 기판 사이의 열전류 및 열전압으로부터 계측될 수 있다. According to an embodiment of the present disclosure, the metallic property may be measured from a thermal current and a thermal voltage between the metal insulator transition material and the substrate.
본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 상기 박막은 강상관 금속을 포함할 수 있다. 상기 강상관 금속은 알려진 YBa2Cu3O7 또는 MgB2를 포함할 수 있다. According to another embodiment of the present invention, the thin film may include a steel tube metal. The steel tube metal may include known YBa 2 Cu 3 O 7 or MgB 2 .
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 박막은, 산소, 탄소, 반도체 원소(III-V족, II-VI족), 전이금속원소, 희토류원소, 란탄계 원소들을 포함하는 저 농도의 정공이 첨가된 무기 화합물 반도체 및 절연체, 저 농도의 정공이 첨가된 유기물 반도체 및 절연체, 저 농도의 정공이 첨가된 반도체, 및 저 농도의 정공이 첨가된 산화물 반도체 및 절연체 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the thin film, a low concentration of holes including oxygen, carbon, semiconductor elements (Group III-V, Group II-VI), transition metal elements, rare earth elements, lanthanum-based elements are added At least one of the inorganic compound semiconductor and insulator, the organic semiconductor and insulator to which the low concentration of the hole is added, the semiconductor to which the low concentration of the hole is added, and the oxide semiconductor and the insulator to which the low concentration of the hole is added.
본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 상기 제 1 전극은 상기 기판의 상부 또는 아래에 배치될 수 있다. According to another embodiment of the present invention, the first electrode may be disposed above or below the substrate.
본 발명의 실시 예에 따르면, 불순물로 도핑된 실리콘 기판 상에 금속 절연체 전이(MIT: Metal Insulator Transition) 물질의 박막을 포함할 수 있다. 불순물로 도핑된 실리콘 기판과, 금속 절연체 전이 물질의 박막은 상온보다 높은 고온에서 반도체 pn 접합보다 높은 열전력의 금속적 특성을 가질 수 있다. 일반적인 실리콘 내의 pn 접합은 0.1mW/cm2이하의 열전력을 가질 수 있다. 반면, 실리콘 기판과 금속 절연체 전이 물질의 접합은 1.0mW/cm2이상의 열전력을 나타낼 수 있다. According to an embodiment of the present invention, a thin film of a metal insulator transition (MIT) material may be included on a silicon substrate doped with an impurity. The silicon substrate doped with the impurity and the thin film of the metal insulator transition material may have metallic properties of higher thermal power than the semiconductor pn junction at a high temperature higher than room temperature. Typical pn junctions in silicon can have a thermal power of 0.1 mW / cm 2 or less. In contrast, the junction of the silicon substrate and the metal insulator transition material may exhibit a thermal power of 1.0 mW / cm 2 or more.
따라서, 본 발명의 실시 예에 따른 열전 소자는 반도체 특성을 내는 반도체 pn 접합 열전소자 보다 고효율로 동작될 수 있다. Therefore, the thermoelectric device according to the embodiment of the present invention can be operated with higher efficiency than the semiconductor pn junction thermoelectric device exhibiting semiconductor characteristics.
도 1 및 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 열전 소자를 나타내는 단면도들이다.
도 3 및 도 4는 VO2와 V2O3의 금속-절연체 전이를 나타내는 그래프들이다.
도 5 및 도 6은 결정 실리콘의 기판의 금속 특성을 나타내는 그래프들이다.
도 7은 온도 변화에 따른 VO2 MIT 박막 열전력(thermopower, Seebeck) 계수를 나타낸다.
도 8은 온도에 따른 일 함수를 나타내는 그래프이다.
도 9는 기판과 박막의 파워 펙터를 나타내는 그래프이다.
도 10 및 도 11 은 VO2의 금속 절연체 전이 물질의 박막(30)을 구비한 열전 소자의 열전류 및 열전압 특성을 나타내는 그래프들이다.
도 12 및 도 13은 V2O3의 금속 절연체 전이 물질의 박막을 구비한 열전 소자의 열전류 및 열전압 특성을 나타내는 그래프들이다.
도 14는 종래의 결정 실리콘의 pn 접합 열전 소자의 전력을 나타내는 그래프들이다.1 and 2 are cross-sectional views illustrating thermoelectric devices according to an exemplary embodiment of the present invention.
3 and 4 are graphs showing metal-insulator transitions of VO 2 and V 2 O 3 .
5 and 6 are graphs showing metal characteristics of a substrate of crystalline silicon.
FIG. 7 shows VO 2 MIT thin film thermopower (Seebeck) coefficients with temperature change. FIG.
8 is a graph showing a work function with temperature.
9 is a graph showing a power factor of a substrate and a thin film.
10 and 11 are graphs showing thermal current and thermal voltage characteristics of a thermoelectric device having a thin film 30 of a metal insulator transition material of VO 2 .
12 and 13 are graphs showing thermal current and thermovoltage characteristics of a thermoelectric device having a thin film of a V 2 O 3 metal insulator transition material.
14 are graphs showing the power of a conventional pn junction thermoelectric element of crystalline silicon.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.Advantages and features of the present invention, and methods for achieving them will be apparent with reference to the embodiments described below in detail in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but may be implemented in various forms, and only the present embodiments are intended to complete the disclosure of the present invention, and the general knowledge in the art to which the present invention pertains. It is provided to fully convey the scope of the invention to those skilled in the art, and the present invention is defined only by the scope of the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout the specification.
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)"으로 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. In this specification, the singular also includes the plural unless specifically stated otherwise in the phrase. As used herein, a component, step, operation, and / or element referred to as "comprises" and / or "comprising" is the presence of one or more other components, steps, operations, and / or elements. Or does not exclude additions.
또한, 본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 식각 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다.In addition, the embodiments described herein will be described with reference to cross-sectional and / or plan views, which are ideal exemplary views of the present invention. In the drawings, the thicknesses of films and regions are exaggerated for effective explanation of technical content. Accordingly, shapes of the exemplary views may be modified by manufacturing techniques and / or tolerances. Accordingly, the embodiments of the present invention are not limited to the specific forms shown, but also include variations in forms generated by the manufacturing process. For example, the etched regions shown at right angles may be rounded or have a predetermined curvature. Accordingly, the regions illustrated in the figures have schematic attributes, and the shape of the regions illustrated in the figures is intended to illustrate a particular form of region of the device and not to limit the scope of the invention.
도 1 및 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 열전 소자를 나타내는 단면도들이다. 1 and 2 are cross-sectional views illustrating thermoelectric devices according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 열전 소자는, 기판(10), 제 1 전극(20), 박막(30), 및 제 2 전극(40)을 포함할 수 있다.1 and 2, the thermoelectric device of the present invention may include a substrate 10, a first electrode 20, a thin film 30, and a second electrode 40.
제 1 전극(20) 및 제 2 전극(40)은 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 텅스텐(W), 또는 아연(Zn)과 같은 금속을 포함할 수 있다. 제 1 전극(20)은 기판(10)의 상부 또는 아래에 배치될 수 있다. 제 1 전극(20)과 제 2 전극(40)은 기판(10) 및 박막(30)을 통해 전기적으로 연결될 수 있다. 제 1 전극(20)은 박막(30) 및 제 2 전극(40)으로부터 이격될 수 있다. 제 2 전극(40)은 박막(30) 상에 배치될 수 있다. The first electrode 20 and the second electrode 40 may include a metal such as gold (Au), silver (Ag), copper (Cu), aluminum (Al), tungsten (W), or zinc (Zn). Can be. The first electrode 20 may be disposed above or below the substrate 10. The first electrode 20 and the second electrode 40 may be electrically connected through the substrate 10 and the thin film 30. The first electrode 20 may be spaced apart from the thin film 30 and the second electrode 40. The second electrode 40 may be disposed on the thin film 30.
기판(10)은 p형(type) 또는 n형의 불순물로 도핑된 결정 실리콘을 포함할 수 있다. p형의 불순물은 보론(boron) 또는 갈륨(gallium)의 억셉터를 포함할 수 있다. n 형의 불순물은 아세닉(arsenic) 또는 인(phosphorus)의 도너를 포함할 수 있다. p형 또는 n형의 불순물은 결정 실리콘 내에 약 1018 EAcm-3의 저농도로 도핑될 수 있다. 이것은 어떤 물질에서 MIT가 일어나는 임계 캐리어에 상당하는 것으로 모트의 MIT 기준 n=(0.25/aH)-(1/3)=1018 cm-3 정도이다. aH는 수소반경이다.The substrate 10 may include crystalline silicon doped with p-type or n-type impurities. The p-type impurity may include an acceptor of boron or gallium. The n-type impurities may include donors of arsenic or phosphorus. Impurities of p-type or n-type may be doped in low concentration of about 10 18 EAcm −3 in crystalline silicon. This corresponds to the critical carrier where the MIT occurs in some material, with Mort's MIT criterion n = (0.25 / a H ) -(1/3) = 10 18 cm -3 . a H is the hydrogen radius.
박막(30)은 VO2와 V2O3와 같은 금속-절연체 전이 (Metal-Insulator transition: MIT) 물질을 포함할 수 있다. VO2와 V2O3는 임계 온도 이상에서 금속적 특성을 가질 수 있다. The thin film 30 may include metal-insulator transition (MIT) materials such as VO 2 and V 2 O 3 . VO 2 and V 2 O 3 may have metallic properties above the critical temperature.
도 3 및 도 4는 VO2와 V2O3의 금속-절연체 전이를 각각 나타내는 그래프들이다. 3 and 4 are graphs showing metal-insulator transitions of VO 2 and V 2 O 3 , respectively.
도 3 및 도 4를 참조하면, 금속-절연체 전이 물질은 임계온도에서 저항이 급격히 떨어지는 특성을 가질 수 있다. VO2는 약 67℃(340K 근방)의 임계온도에서 큰 저항의 변화를 보이고 금속적 특성을 보이는 전형적 금속 절연체 전이 물질이다(도 3). V2O3는 약 150K의 임계온도에서 큰 저항변화를 보이며, 금속적 특성을 보이는 금속 절연체 전이 물질이다(도 4). 박막(30)은 약 90nm 이상의 두께를 가질 수 있다. 박막(30)과 기판(10)은 임계온도 이상의 온도에서 pn 접합(junction)을 가질 수 있다. 박막(30)과 기판(10)의 접합은 일함수(work function)의 차이가 반도체 pn 접합보다 월등히 클 수 있다. 또한, 기판(10)과 박막(30)은 임계온도보다 높은 온도에서 반도체 pn 접합 보다 높은 열전력의 금속적 특성을 가질 수 있다.Referring to FIGS. 3 and 4, the metal-insulator transition material may have a characteristic in which resistance drops sharply at a critical temperature. VO 2 is a typical metal insulator transition material that exhibits large resistance changes and metallic properties at a critical temperature of about 67 ° C. (near 340 K) (FIG. 3). V 2 O 3 is a metal insulator transition material exhibiting a large resistance change at a critical temperature of about 150K and showing metallic properties (FIG. 4). The thin film 30 may have a thickness of about 90 nm or more. The thin film 30 and the substrate 10 may have a pn junction at a temperature higher than the critical temperature. In the bonding between the thin film 30 and the substrate 10, the difference in work function may be significantly greater than that of the semiconductor pn junction. In addition, the substrate 10 and the thin film 30 may have a metallic property of higher thermal power than the semiconductor pn junction at a temperature higher than the critical temperature.
도 5 및 도 6은 결정 실리콘의 기판(10)의 금속 특성을 나타내는 그래프들이다.5 and 6 are graphs showing metal characteristics of the substrate 10 of crystalline silicon.
도 5 및 도 6을 참조하면, 결정 실리콘의 기판(10)은 온도증가에 따라 저항이 증가하고(도 5), 열전력(thermopower, Seebeck 계수가 증가하는(도 6) 일반적인 금속 특성을 보여주고 있다. 결정 실리콘 기판(10)의 금속특성은 지금까지 알려진 온도 증가에 따라 저항이 감소하는 반도체 특성과는 완전히 다른 캐리어 도핑에 의해 나타나는 MIT 금속특성이다. Referring to FIGS. 5 and 6, the substrate 10 of crystalline silicon exhibits general metal properties such that resistance increases with temperature increase (FIG. 5), and thermal power (see FIG. 6) increases (FIG. 6). The metal characteristic of the crystalline silicon substrate 10 is an MIT metal characteristic exhibited by carrier doping which is completely different from the semiconductor characteristic in which the resistance decreases with increasing temperature so far known.
도 7은 온도 변화에 따른 VO2 MIT 박막(30) 열전력(thermopower, Seebeck) 계수를 나타낸다. FIG. 7 shows the thermopower (Seebeck) coefficients of the VO 2 MIT thin film 30 according to the temperature change.
도 7을 참조하면, 기판(10) 상의 박막(30)은 MIT 전이온도 위에서 큰 Thermopower (Seebeck 계수, S)를 낸다. 일반적으로 금속의 Seebeck 계수 ,S, 는 20 ~ 40 정도이나 여기서는 360K 이상에서 150이상을 보여준다. Referring to FIG. 7, the thin film 30 on the substrate 10 produces a large Thermopower (Seebeck coefficient, S) above the MIT transition temperature. In general, the Seebeck coefficient, S, of metals is in the range of 20 to 40 but here shows more than 150 at 360K and above.
도 8은 온도에 따른 일 함수를 나타내는 그래프이다. 8 is a graph showing a work function with temperature.
도 8을 참조하면, 본 발명의 열전소자는 온도가 증가면서 기판(10)과 박막(30)의 일함수 (Workfunction)의 차이가 점점 증가하는 특징을 가질 수 있다. Referring to FIG. 8, the thermoelectric device of the present invention may have a feature in which a difference in work function between the substrate 10 and the thin film 30 increases gradually as the temperature increases.
도 9는 기판(10)과 박막(30)의 파워 펙터를 나타내는 그래프이다. 9 is a graph showing a power factor of the substrate 10 and the thin film 30.
도 9를 참조하면, 본 발명에서의 파워팩터는 기존에 알려진 값보다 훨씬 높은 값이 관측되었다. 파워팩터는 P=S2/r 로 주어지는 데, 여기서 S 는 Seebeck 계수이고, r은 비저항(resistivity) 이다. 박막형 열전소자의 특성을 평가할 때는 파워 팩터의 크기로 결정한다 본 발명의 핵심은 p형 캐리어를 갖는 금속 특성을 내는 기판과 n형 캐리어로 금속 특성을 내는 MIT 박막으로 결합된 pn 접합 열전소자이다. 그러나 같은 형의 캐리어를 같는 두 금속의 결합으로 구성되되 두 금속의 일 함수의 차이가 온도증가에 따라 증가하는 것을 포함한다. 예를 들면, nn 접합, pp 접합을 의미한다.Referring to Figure 9, the power factor in the present invention was observed to be much higher than the known value. The power factor is given by P = S 2 / r, where S is the Seebeck coefficient and r is the resistivity. When evaluating the characteristics of a thin film thermoelectric element, it is determined by the size of a power factor. The core of the present invention is a pn junction thermoelectric device which is combined with a substrate having a metal characteristic having a p-type carrier and an MIT thin film having a metallic characteristic with an n-type carrier. However, it consists of a combination of two metals of the same type of carrier, but the difference in work function of the two metals increases with increasing temperature. For example, it means nn junction and pp junction.
도 10 및 도 11 은 VO2의 금속 절연체 전이 물질의 박막(30)을 구비한 열전 소자의 열전류 및 열전압 특성을 나타내는 그래프들이다. 10 and 11 are graphs showing thermal current and thermal voltage characteristics of a thermoelectric device having a thin film 30 of a metal insulator transition material of VO 2 .
도 10 및 도 11을 참조하면, 열전류는 약 70℃ 에서 크게 증가될 수 있다. 열 전압은 낮은 저항에서 줄어들지만, 높은 저항에서 증가되어 나타날 수 있다. 여기서, 기판(10)은 p형의 도전성 불순물에 의해 약 1018EAcm-3의 저농도로 도핑되어 있다. VO2 의 박막(30)은 약 100nm 정도의 두께와, 5 x 5 mm2의 면적을 가질 수 있다. 도 10과, 도 11의 샘플 번호 6번은 100℃의 고온에서 1.12 mW/cm2, 샘플번호 7번은 1.00 mW/cm2 의 전력(Power= 전류 x 전압)을 가질 수 있다. 10 and 11, the thermal current can be greatly increased at about 70 ° C. The thermal voltage decreases at low resistances, but may appear to increase at high resistances. Here, the substrate 10 is doped at a low concentration of about 10 18 EAcm -3 by p-type conductive impurities. The thin film 30 of VO 2 may have a thickness of about 100 nm and an area of 5 × 5 mm 2 . 10 and 11, Sample No. 6 may have a power of 1.12 mW / cm 2 and Sample No. 7 of 1.00 mW / cm 2 at a high temperature of 100 ° C. (Power = current x voltage).
도시되지는 않았지만, 270도C에서 VO2 MIT 소자의 열전력은 약 240 mW/cm2 로 측정되었다. 이것은 지금까지 알려진 Bi-Sb-Te 박막에서 얻어진 0.441 mW/cm2 보다 훨씬 높은 값이다. 이는 MIT 금속을 이용하는 MIT 열전소자가 반도체 열전소자 보다 훨씬 고효율임을 보여준다.Although not shown, the thermal power of the VO 2 MIT device was measured at about 240 mW / cm 2 at 270 ° C. This is much higher than 0.441 mW / cm 2 obtained from the Bi-Sb-Te thin films known to date. This shows that MIT thermoelectric devices using MIT metals are much more efficient than semiconductor thermoelectric devices.
도 12 및 도 13은 V2O3의 금속 절연체 전이 물질의 박막(30)을 구비한 열전 소자의 열전류 및 열전압 특성을 나타내는 그래프들이다.12 and 13 are graphs showing thermal current and thermal voltage characteristics of a thermoelectric device having a thin film 30 of a V 2 O 3 metal insulator transition material.
도 12 및 도 13을 참조하면, 열전류는 약 85℃에서 급격히 증가될 수 있다. 또한 열전압은 온도에 비례하여 증가될 수 있다. 마찬가지로, 박막(30)은 5 x 5 cm2 의 면적을 가질 수 있다. 100℃에서 샘플번호 4번은 열전 전력이 6.93 mW/cm2 이고 5번은 8.68 mW/cm2 이다. 12 and 13, the thermal current may increase rapidly at about 85 ° C. The thermal voltage can also be increased in proportion to the temperature. Similarly, thin film 30 may have an area of 5 × 5 cm 2 . Sample number 4 has a thermoelectric power of 6.93 mW / cm 2 and number 5 of 8.68 mW / cm 2 at 100 ° C.
도 14는 종래의 결정 실리콘의 pn 접합 열전 소자의 전력을 나타내는 그래프들로서, 일반적인 실리콘 pn 접합에서의 열전전력은 535K에서 0.03 mW/cm2, 596K에서 0.19 mW/cm2 이다. 실리콘 pn 접합은 p형의 실리콘 기판 상에 n형의 실리콘 박막이 형성된 것이다. 실리콘 기판과 실리콘 박막은 가로 30mm 및 세로 20mm 길이를 각각 가질 수 있다. 상술한 바와 같이, 실리콘과, 금속 절연체 전이 물질의 접합에서는 적어도 1.0mW/cm2이상의 열전전력이 나타날 수 있다. FIG. 14 is graphs showing the power of a conventional pn junction thermoelectric device of crystalline silicon, wherein thermoelectric power of a typical silicon pn junction is 0.03 mW / cm 2 at 535K and 0.19 mW / cm 2 at 596K. The silicon pn junction is an n-type silicon thin film formed on a p-type silicon substrate. The silicon substrate and the silicon thin film may have a length of 30 mm and a length of 20 mm, respectively. As described above, thermoelectric power of at least 1.0 mW / cm 2 may be present at the junction of silicon and the metal insulator transition material.
따라서, 본 발명의 실시 예에 따른 열전 소자는 실리콘 열전 소자보다 월등히 높은 열전력의 고효율을 가질 수 있다. 열전 소자는 큰 전류와 큰 전압을 얻기 위해 직병렬로 연결되어 폐열을 수집할 수 있다.Therefore, the thermoelectric device according to the embodiment of the present invention may have a high efficiency of thermal power significantly higher than that of the silicon thermoelectric device. Thermoelectric devices can be connected in series to collect large amounts of waste heat to obtain large currents and large voltages.
도 1 및 도 2를 재차 참조하면, 박막(30)은 상온보다 낮은 저온에서 금속특성을 내는 박막은 강상관 금속으로 알려진 YBa2Cu3O7, MgB2를 초전도 재료를 포함할 수 있다. 1 and see Fig. 2 again, the thin film 30 is a YBa 2 Cu 3 O 7, MgB 2 , known from low temperature lower than room temperature to a metal thin film that is strong correlational the metal properties may comprise a superconducting material.
마지막으로, 박막(30)은 산소, 탄소, 반도체 원소(III-V족, II-VI족), 전이금속원소, 희토류원소, 란탄계 원소들을 포함하는 저 농도의 정공이 첨가된 무기물 화합물 반도체 및 절연체, 저 농도의 정공이 첨가된 유기물 반도체 및 절연체, 저 농도의 정공이 첨가된 반도체, 및 저 농도의 정공이 첨가된 산화물 반도체 및 절연체 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.Finally, the thin film 30 is an inorganic compound semiconductor to which a low concentration of holes including oxygen, carbon, semiconductor elements (Groups III-V, II-VI), transition metal elements, rare earth elements, and lanthanide elements is added; It may include at least one of an insulator, an organic semiconductor and an insulator to which holes of low concentration are added, a semiconductor to which holes of low concentration are added, and an oxide semiconductor and an insulator to which holes of low concentration are added.
이상, 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 실시예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.Although the embodiments of the present invention have been described above with reference to the accompanying drawings, those skilled in the art to which the present invention belongs may be embodied in other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. You will understand that. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are exemplary in all respects and not restrictive.
10: 기판 20: 제 1 전극
30: 박막 40: 제 2 전극
.10: substrate 20: first electrode
30 thin film 40 second electrode
.
Claims (16)
상기 제 1 전극에 전기적으로 연결되고, p형 또는 n형 불순물로 도핑된 실리콘을 포함하는 기판;
상기 기판 상에 배치되고, 금속 절연체 전이 물질 또는 강상관 금속을 포함하는 박막; 및
상기 박막 상의 제 2 전극을 포함하되,
상기 기판과 상기 박막은 상기 금속 절연체 전이 물질의 임계 온도 이상의 온도에서 상기 p형 및 n형 불순물들의 반도체 접합보다 높은 열전력의 금속적 특성을 각각 갖고, 상기 금속적 특성에서 나타나는 일함수의 차이가 온도 증가에 따라 증가되도록 접합되는 열전 소자. A first electrode;
A substrate electrically connected to the first electrode and comprising silicon doped with p-type or n-type impurities;
A thin film disposed on the substrate and comprising a metal insulator transition material or a steel tube metal; And
Including a second electrode on the thin film,
The substrate and the thin film have a metallic property of thermal power higher than that of the semiconductor junction of the p-type and n-type impurities at temperatures above a critical temperature of the metal insulator transition material, and the difference in work function appearing in the metallic property Thermoelectric elements that are bonded to increase with increasing temperature.
상기 기판과 상기 박막에서 전달되는 각각의 캐리어들은 서로 반대형 인 것을 특징으로 하는 열전소자.The method of claim 1,
And each of the carriers transferred from the substrate and the thin film is opposite to each other.
상기 기판과 박막에서 전달되는 각각의 캐리어들은 서로 같은형 인 것을 특징으로 하는 열전소자.The method of claim 1,
The respective carriers transferred from the substrate and the thin film are the same type as each other.
상기 p형 또는 n형 불순물은 보론(boron) 또는 갈륨(gallium)의 억셉터와, 아세닉 또는 인(phosphorus)의 도너 중 어느 하나인 열전 소자.The method of claim 1,
The p-type or n-type impurities are any one of an acceptor of boron or gallium and a donor of an arsenic or phosphorus.
상기 억셉터 또는 상기 도너는 상기 실리콘 내에 1018 cm-3 정도로 도핑된 열전 소자. The method of claim 6,
And the acceptor or donor is doped in the silicon at about 10 18 cm -3 .
상기 금속 절연체 전이 물질은 VO2 또는 V2O3의 바나듐 산화물을 포함하는 열전 소자.The method of claim 1,
And the metal insulator transition material comprises a vanadium oxide of VO 2 or V 2 O 3 .
상기 금속적 특성은 상기 금속 절연체 전이 물질과, 상기 기판 사이의 열전류 및 열전압으로부터 계측되는 열전 소자.The method of claim 9,
The metallic property is measured from a thermal current and a thermal voltage between the metal insulator transition material and the substrate.
상기 VO2는 67도씨(℃)에서 상기 금속적 특성을 갖는 열전 소자.The method of claim 9,
The VO 2 is the thermoelectric device having the metallic properties at 67 degrees Celsius.
상기 V2O3는 150도케이(K)에서 상기 금속적 특성을 갖는 열전 소자.The method of claim 9,
The V 2 O 3 is a thermoelectric device having the metallic properties at 150 degrees K.
상기 강상관 금속은 알려진 YBa2Cu3O7 또는 MgB2를 포함하는 열전 소자.The method of claim 1,
The steel tube metal is known thermoelectric element comprising YBa 2 Cu 3 O 7 or MgB 2 .
상기 박막은, 산소, 탄소, 반도체 원소(III-V족, II-VI족), 전이금속원소, 희토류원소, 또는 란탄계 원소들을 포함하는 저 농도의 정공이 첨가된 무기 화합물 반도체 및 절연체, 저 농도의 정공이 첨가된 유기물 반도체 및 절연체, 저 농도의 정공이 첨가된 반도체, 및 저 농도의 정공이 첨가된 산화물 반도체 및 절연체 중에서 적어도 하나를 포함하는 열전 소자.The method of claim 1,
The thin film may be formed of inorganic compound semiconductors and insulators having low concentrations of holes including oxygen, carbon, semiconductor elements (Groups III-V, II-VI), transition metal elements, rare earth elements, or lanthanide elements. A thermoelectric element comprising at least one of an organic semiconductor and an insulator to which holes of concentration are added, a semiconductor to which holes of low concentration are added, and an oxide semiconductor and an insulator to which holes of low concentration are added.
상기 제 1 전극은 상기 기판의 상부 또는 아래에 배치된 열전 소자.
The method of claim 1,
And the first electrode is disposed above or below the substrate.
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