KR102039721B1 - 열전류 제어 소자와 그것의 제조방법 및 그것을 포함하는 열전류 제어 시스템 - Google Patents

열전류 제어 소자와 그것의 제조방법 및 그것을 포함하는 열전류 제어 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 위상절연체와 그래핀의 이종접합구조를 이용하여 입력되는 광에 대하여 보다 큰 열전류가 발생되고, 열전류의 제어가 가능한 열전류 제어 소자에 관한 기술로서, 기판과, 기판 위에 위치하는 위상절연체와, 기판 위에 위상절연체와 오믹(ohmic) 접합되며 위치되는 그래핀과, 위상절연체의 일측에 연결되는 제1전극과, 그래핀의 일측에 연결되는 제2전극과, 기판 위에 위치하는 커버와, 일측이 커버와 연결되는 제3전극을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

열전류 제어 소자와 그것의 제조방법 및 그것을 포함하는 열전류 제어 시스템 {THERMOELECTRIC CURRENT CONTROL DEVICE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF AND THERMOELECTRIC CURRENT CONTROL SYSTEM INCLUDING THE SAME}
본 발명은 열전류 제어 소자와 그것의 제조방법 및 그것을 포함하는 열전류 제어 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 위상절연체와 그래핀의 이종접합구조를 이용하여 입력되는 광에 대하여 보다 큰 열전류가 발생되고, 열전류의 제어가 가능한 열전류 제어 소자에 관한 기술이다.
최근 동종접합 물질의 게이팅에 따른 광반응의 변화를 관찰하고 분석하는 연구와, 이때의 광반응이 발생하는 매커니즘에 대한 연구가 계속 진행되고 있다. 그 중 그래핀과 TMDc(전이금속 디칼코게나이드 물질군)와 같은 게이팅이 잘 되는 물질에서의 동종 p-n 접합부에서의 광반응에 대한 연구가 대표적이다.
그래핀은 높은 유동성(mobility)과 게이팅에 따른 페르미준위(fermi level)의 변화를 가지는 물질로 알려져 있으며, 밴드 구조가 원뿔모양인 디락 콘(Dirac cone)의 형태이므로 밴드 갭이 없는 대표적인 물질이다. 한편,
Figure 112018003574710-pat00001
와 같은 위상절연체는 다른 물질과 다른 독특한 특징이 있다. 대표적으로, 표면과 내부의 상반되는 전기적 성질이다. 위상절연체의 표면은 시간대칭(time-reversal symmetry)과 반전 대칭(inversion symmetry)이 깨지기 때문에 도체의 특징을 가지며, 내부는 절연체의 특징을 가진다. 따라서, 위상절연체의 밴드구조는 표면의 도체 특징과 내부의 절연체 특징을 반영하여 디락 콘(Dirac cone)과 밴드 갭이 있는 구조가 동시에 공존한다. 또한, 위상절연체의 표면은 위상학적으로 보호되어 있기 때문에 스핀-모멘텀 록킹(spin-momentum locking)이 나타나므로 표면에서 불순물이 있더라도 후방산란하지 않아 높은 유동성을 가지며, 높은 제벡 계수도 가지고 있어 광이 위상절연체에 입사되었을 때 광유발 캐리어(photo-induced carrier)에 의한 열전효과가 크게 일어나는 특징을 가지고 있다.
한국등록특허공보 10-1698820
이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 위상절연체와 그래핀의 이종접합구조를 이용하여 입력되는 광에 대하여 보다 큰 열전류가 발생되고, 열전류의 제어가 가능한 열전류 제어 소자를 제공하기 위한 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 기술적 사상에 의한 열전류 제어 소자는, 기판과, 상기 기판 위에 위치하는 위상절연체와, 상기 기판 위에 상기 위상절연체와 오믹(ohmic) 접합되게 위치되는 그래핀과, 상기 위상절연체의 일측에 연결되는 제1전극과, 상기 그래핀의 일측에 연결되는 제2전극과, 상기 기판 위에 위치하는 커버와, 일측이 상기 커버와 연결되는 제3전극을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 위상절연체는 상기 기판 위에 세로방향으로 길게 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 위상절연체는
Figure 112018003574710-pat00002
,
Figure 112018003574710-pat00003
,
Figure 112018003574710-pat00004
중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 위상절연체는 기계적 박리법(mechanical exfoliation)으로 제작된 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 그래핀은 상기 기판 위에 상기 위상절연체가 형성된 방향과 상이한 방향으로 길게 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 그래핀은 모노레이어(monolayer)인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 그래핀은 전사 방식으로 상기 기판 위에 배치되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 커버는 상기 위상절연체 및 상기 그래핀을 내부에 수용하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 커버는 이온젤인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 제1전극은 드레인, 상기 제2전극은 소스, 상기 제3전극은 게이트의 기능을 가진 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 제3전극은 상기 기판 위에 상기 위상절연체 및 상기 그래핀과 이격되게 배치되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 제3전극에 페르미준위(fermi level) 제어 신호가 입력되면 상기 열전류 제어 소자로 입사된 광에 의해 발생되는 열전류가 상기 페르미준위 제어 신호에 대응하여 제어되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 제1전극과 상기 제2전극 중 적어도 어느 하나는 티타늄(Ti)이 먼저 배치된 후 상기 티타늄 위에 전도체가 배치된 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 제1전극, 상기 제2전극, 상기 제3전극은 전자빔 식각(e-beam lithography)을 이용하여 제작되는 것을 특징으로 할 수 있다.
한편, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 기술적 사상에 의한 열전류 제어 소자의 제조방법은, 기판에 이종의 재료를 적층하는 것으로 소자를 제조하는 방법에 있어서, 상기 기판 위에 위상절연체를 배치하는 단계와, 상기 위상절연체 일측에 제1전극을 배치하는 단계와, 상기 기판 위에 상기 위상절연체와 오믹(ohmic) 접합되게 그래핀을 배치하는 단계와, 상기 그래핀의 일측에 제2전극을 배치하는 단계와, 상기 기판에 상기 위상절연체 및 상기 그래핀과 이격되게 제3전극을 배치하는 단계와, 상기 기판 위에 커버를 배치하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 위상절연체는 상기 기판 위에 세로방향으로 길게 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 위상절연체는
Figure 112018003574710-pat00005
,
Figure 112018003574710-pat00006
,
Figure 112018003574710-pat00007
중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 기판 위에 위상절연체를 배치하는 단계는 기계적 박리법(mechanical exfoliation)으로 실시되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 그래핀은 상기 기판 위에 상기 위상절연체가 형성된 방향과 상이한 방향으로 길게 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 그래핀은 모노레이어(monolayer)인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 기판 위에 상기 위상절연체와 오믹(ohmic) 접합되게 그래핀을 배치하는 단계는 전사 방식으로 실시되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 커버는 상기 위상절연체 및 상기 그래핀을 내부에 수용하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 제3전극은 일측이 상기 커버에 수용된 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 커버는 이온젤인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 제1전극은 드레인, 상기 제2전극은 소스, 상기 제3전극은 게이트의 기능을 가진 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 제1전극을 배치하는 단계와 상기 제2전극을 배치하는 단계 중 적어도 어느 하나는 티타늄(Ti)이 먼저 배치된 후 상기 티타늄 위에 전도체가 배치되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 제1전극을 배치하는 단계, 상기 제2전극을 배치하는 단계 및 상기 제3전극을 배치하는 단계는 전자빔 식각(e-beam lithography)을 이용하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 의한 열전류 제어 소자와 그것의 제조방법 및 그것을 포함하는 열전류 제어 시스템에 따르면,
첫째, 위상절연체와 그래핀의 이종접합구조를 통해 광 입력에 따른 열전류를 제어할 수 있는 소자를 실현할 수 있게 된다.
둘째, 위상절연체와 그래핀의 이종접합 시 동종접합보다 큰 제백계수 차이에 의해 더 큰 열전류 발생이 가능하게 되어 효율이 향상된 솔라셀과 같은 보다 향상된 열전류 이용 장치를 개발할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전류 제어 소자의 평면도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전류 제어 소자의 측단면도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 열전류 제어 소자의 광학 현미경 사진.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전류 제어 소자의 제조방법의 순서도.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전류 제어 소자를 시험하기 위한 구성 및 시험 장비에 셋업된 상태를 나타낸 도면.
도 7은
Figure 112018003574710-pat00008
-
Figure 112018003574710-pat00009
(B-B)와,
Figure 112018003574710-pat00010
-그래핀(B-G)과, 그래핀-그래핀(G-G)으로 구성된 채널들의 전류전압(I-V) 그래프 및
Figure 112018003574710-pat00011
Ids-Vg 그래프(우측 하단 박스).
도 8은 0.4V에서의 디랙 위치(Dirac point)에 대한 그래핀 채널의 Ids-Vg 그래프.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전류 제어 소자의 그래핀 게이트 변화에 따른 접합부별 광전 응답 신호 측정 그래프.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전류 제어 시스템의 구성도.
첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 의한 열전류 제어 소자와 그것의 제조방법 및 그것을 포함하는 열전류 제어 시스템에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
또한, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전류 제어 소자를 설명한다.
도 1 내지 도 3를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전류 제어 소자(100)는 기판(110)과, 기판(110) 위에 위치하는 위상절연체(120)와, 기판(110) 위에 위상절연체(120)와 오믹(ohmic) 접합되게 위치되는 그래핀(130)과, 위상절연체(120)의 일측에 연결되는 제1전극(122)과, 그래핀(130)의 일측에 연결되는 제2전극(132)과, 기판(110) 위에 위치하는 커버(140)와, 기판(110) 위에 일측이 커버(140) 내에 진입되게 위치되는 제3전극(150)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
기판(110)은 Si계열의 소재가 이용될 수 있다. 이 실시예에서의 기판(110)은 p-type
Figure 112018003574710-pat00012
/
Figure 112018003574710-pat00013
가 사용되었으며, 두께는 약 300nm로 형성되었다.
위상절연체(120)와 그래핀(130)은 오믹(ohmic) 접합에 의해 이종접합 구조를 이룬다.
어떤 물질에 광을 입사하면 광에 의해 광전류(photocurrent)가 발생하게 된다. 이때의 광반응(photoresponse)의 주된 메커니즘은 광기전효과(PV, Photovoltaic effect)와 광열전효과(PTE, photothermoelectric effect)이다. 광기전효과란, 상이한 도핑 수준(doping level)을 가지는 물질의 계면에서 광에 의해 발생된 전자와 홀페어(electron-hole pair)가 도핑 수준 차이에 의해 발생한 기울기에 의해 각각의 채널로 산란(diffusion)되는 현상을 의미한다. 한편, 광열전효과란, 서로 상이한 제백 계수(Seebeck coefficient)를 가지는 물질의 접합 부위에 광을 입력했을 때, 내부에서 발생되는 전계(electric field)를 의미한다. 물질에 광이 입사되면 광이 입사된 부분이 가열되면서 국소적인 영역에서 온도 기울기(temperature gradient)가 발생하게 된다. 이때, 온도 기울기에 의해 열전기 전압(thermoelectric voltage)이 발생하는 현상을 광열전효과라 한다. 광열전효과의 크기는 물질 계면에서의 제백 계수의 차이에 의해 결정되므로, 그 값을 제어하기 위해서는 제백 계수의 값을 조절해야 한다.
[수학식 1]
Figure 112018003574710-pat00014
그래핀(130)과 위상절연체(120)인
Figure 112018003574710-pat00015
은 모두 표면에서 디락 콘(Dirac cone) 구조를 가지므로 선형 밴드분산(band dispersion)을 가진다는 점에서 매우 유사한 점을 가진다. 이러한 유사점 때문에 전자의 운송(electron transport)에 있어서 효과적이다. 하지만, 이 실시예는 그래핀(130)과 위상절연체(120)의 이종접합구조이므로 동종접합에서의 광반응과는 다른 특성을 나타낸다. 따라서, 두 물질의 계면에서 나타나는 광반응은 이종접합에서의 광반응이라는 점이 특별하다.
그래핀(130) 게이팅을 통해 페르미준위(fermi level)를 가변시키면 열전류를 야기하는 제벡 계수의 값도 변화되며, 제벡 계수 변화에 따라 두 물질의 접합부에서 나타나는 열전류의 크기가 제어 가능하다. 따라서, 이 실시예는 이종접합된 재료의 계면에서 나타나는 광반응의 세기를 제어할 수 있게 된다. 광반응의 제어는 곧 열전류를 제어할 수 있음을 의미한다.
그래핀(130)은 게이트 전압에 따라 페르미준위의 조절이 가능하며, 제백 계수는 그래핀(130)의 페르미준위에 따라 변화하는 특징을 갖는다.
[수학식 2]
Figure 112018003574710-pat00016
이때, G는 전도도(conductance)이고, E는 에너지레벨(energy level)이다.
이 실시예의 제1전극(122)은 드레인, 제2전극(132)은 소스, 제3전극(150)은 게이트의 기능을 가진다. 그래핀(130)과 위상절연체(120)의 이종접합구조에 광이 입력되면 전자와 홀페어가 형성된 것을 소스 및 드레인으로 매핑할 수 있다. 매핑에 의하면 이종접합구조의 계면에서 신호가 두드러지게 나타난다. 이 실시예는 게이트를 이용하여 그래핀(130)의 페르미준위를 관찰함으로써 이종접합구조의 계면에서 나타나는 제벡 계수 차이에 의한 열전류를 게이트를 통해 페르미준위로 바꾸어 이종접합구조의 접합면에서 나타나는 열전류를 제어할 수 있다. 즉, 제3전극(150)에 페르미준위 제어 신호가 입력되면 이 실시예에 따른 열전류 제어 소자(100)로 입사된 광에 의해 발생되는 열전류가 페르미준위 제어 신호에 대응하여 제어된다.
그래핀(130)과 위상절연체(120)가 오믹 접합되면서 그래핀(130) 및 위상절연체(120)에 각각 전극이 연결되게 하기 위해, 이 실시예는 위상절연체(120)는 기판(110) 위에 세로방향으로 길게 형성되고, 그래핀(130)은 기판(110) 위에 위상절연체(120)가 형성된 방향과 상이한 방향으로 길게 형성되는 것으로 실시되었다. 이 실시예는 그래핀(130)과 위상절연체(120)가 서로 직교하게 교차되었으나, 두 구성은 단지 일부가 서로 오믹 접합될 뿐, 접합 방향 및 위치에는 구애되지 않는다.
위상절연체(120)는
Figure 112018003574710-pat00017
,
Figure 112018003574710-pat00018
,
Figure 112018003574710-pat00019
등 중 적어도 어느 하나가 될 수 있다.
또한, 위상절연체(120) 두께는 약 20nm 내지 100nm가 될 수 있다.
위상절연체(120) 중
Figure 112018003574710-pat00020
는 n-type으로 도핑(doping)되어 있으며, 금속성의 표면 특징에 인해 게이팅(gating) 효과가 미비(negligible) 하다.
그래핀(130)은 모노레이어(monolayer)인 것을 특징으로 할 수 있다. 모노레이어 그래핀(130)은 p-type으로 도핑되어 있으며, 큰 게이팅 효과를 보임에 따라 그래핀(130)에서의 페르미준위를 자유롭게 제어할 수 있다.
위상절연체(120)는 그래핀(130)과 오믹 접합됨과 동시에 제1전극(122)과도 오믹 접합된다.
커버(140)는 위상절연체(120) 및 그래핀(130)을 내부에 수용하는 형태로 기판(110) 위에 배치된다. 또한, 커버(140)는 이온젤(ion gel)인 것을 특징으로 한다. 이온젤은 게이트 효과(gate effect)를 위해 이용된 젤 형태의 물질이다. 커버(140)가 기판(110) 위에 배치된 상태에서 제3전극(150)(게이트 전극)에 전압이 인가되면 도핑 수준(doping level)이 제어될 수 있게 된다.
제1전극(122)과 제2전극(132) 중 적어도 어느 하나는 티타늄(Ti)이 먼저 배치된 후 티타늄 위에 전도체가 배치되는 것으로 구성될 수 있다. 티타늄과 위상절연체(120), 티타늄과 그래핀(130)의 사이에는 베리어의 차이가 크지 않기 때문에 용이하게 오믹한 접합이 가능하다. 또한, 티타늄 위에 배치되는 전도체는 견고하게 될 수 있게 된다. 이 실시예는 전극의 전도체로서 금(Au)이 이용되었다.
이 실시예와 같은 커버(140) 구조에서, 일반적인 게이트 전극은 기판(110)의 뒷면에 연결되지만, 이 실시예의 게이트 기능을 하는 제3전극(150)은 기판(110) 위에 커버(140) 일측에 연결된 것으로 실시되었다. 제3전극(150)은 기판(110) 위에 위상절연체(120) 및 그래핀(130)과 이격되게 배치된다.
이어서, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전류 제어 소자(100)의 제조방법을 설명한다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전류 제어 소자(100)의 제조방법은 기판(110)에 이종의 재료를 적층하는 것으로 소자를 제조하는 방법에 있어서, 기판(110) 위에 위상절연체(120)를 배치하는 단계(S100)와, 위상절연체(120) 일측에 제1전극(122)을 배치하는 단계(S200)와, 기판(110) 위에 위상절연체(120)와 오믹(ohmic) 접합되게 그래핀(130)을 배치하는 단계(S300)와, 그래핀(130)의 일측에 제2전극(132)을 배치하는 단계(S400)와, 기판(110)에 위상절연체(120) 및 그래핀(130)과 이격되게 제3전극(150)을 배치하는 단계(S500)와, 기판(110) 위에 커버(140)를 배치하는 단계(S600)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
열전류 제어 소자(100)의 제작에 있어서, 위상절연체(120)와 그래핀(130)을 오믹 접합하는 과정이 중요하다. 예를 들어, 위상절연체(120) 중
Figure 112018003574710-pat00021
의 경우, 대기 중에 있으면 표면에 산화막이 형성되고, 이때 형성된 산화막은 오믹 접합이 아닌 쇼트키(schottky) 접합을 야기한다. 따라서, 이 실시예에 따른 제조방법은 먼저 S200단계 또는 S300 단계에 앞서 위상절연체(120)의 표면에 형성된 산화막을 제거하는 공정이 추가되거나, 전체 제조 공정이 대기와 분리된 이격된 공간에서 실시된다.
또한, 이 실시예의 S100 단계는 위상절연체(120)가 기판(110) 위에 세로방향으로 길게 형성되었다.
위상절연체(120)는
Figure 112018003574710-pat00022
,
Figure 112018003574710-pat00023
,
Figure 112018003574710-pat00024
중 적어도 어느 하나가 적용될 수 있다.
또한, S100 단계는 기계적 박리법(mechanical exfoliation)이 이용될 수 있다.
또한, S300 단계는 그래핀(130)이 기판(110) 위에 위상절연체(120)가 형성된 방향과 상이한 방향으로 길게 형성된다.
또한, S300 단계에서 기판(110) 위에 배치되는 그래핀(130)은 모노레이어(monolayer)인 것을 특징으로 한다.
또한, S300 단계는 그래핀(130)이 전사 방식으로 기판(110)과 위상절연체(120)에 배치되는 것으로 실시될 수 있다.
S600 단계에서, 커버(140)는 위상절연체(120) 및 그래핀(130)을 내부에 수용하는 형태로 배치된다. 도 1 및 도 2에는 커버(140) 내에 제1전극(122) 및 제2전극(132)도 커버(140) 내부에 위치하는 것으로 도시되었으나, 제1전극(122)은 위상절연체(120)와 연결되는 일부 부위만 커버(140) 내에 위치하고, 제2전극(132)은 그래핀(130)과 연결되는 일부 부위만 커버(140) 내에 위치하는 것으로 실시될 수 있다.
또한, 제3전극(150)은 일측 일부만 커버(140)에 수용되게 배치된다.
또한, 커버(140)는 이온젤인 것을 특징으로 한다.
또한, 제1전극(122)은 드레인, 제2전극(132)은 소스, 제3전극(150)은 게이트의 기능을 가진 것을 특징으로 한다.
또한, S200 단계와 S400 단계 중 적어도 어느 하나는 티타늄(Ti)이 먼저 배치되는 단계 및 티타늄 위에 전도체가 배치되는 단계로 구성될 수 있다.
또한, S200 단계, S400 단계 및 S500 단계는 전자빔 식각(e-beam lithography)법이 이용되어 실시될 수 있다.
[실험 결과]
본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법으로 제조된 열전류 제어 소자(100)의 실험 결과를 설명한다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전류 제어 소자(100)를 시험하기 위한 시험 장비 및 세팅 환경을 나타낸 것이다.
도 7을 참조하면, 열전류 제어 소자(100)의 각 접점(contact)에서 IV커브(curve)를 측정한 결과, 모든 접점(contact)에서 오믹 접합됨을 확인하였다. 또한, 도 7의 우측 하단의 박스를 참조하면,
Figure 112018003574710-pat00025
-
Figure 112018003574710-pat00026
채널에서 게이트 바이어스(gate bias)에 대한 전류(Ids) 값을 측정했을 때, 전류 값의 변화가 거의 없었다. 즉, 게이트에 의한 도핑 수준(doping level)이 바뀌지 않으며, 페르미준위가 변화되지 않음을 확인하였다.
도 8을 참조하면, 그래핀(130)과 그래핀(130)이 접합된 채널에서 게이트 전압(gate voltage)에 따라 전류 값이 변화됨을 확인하였다. 즉, 게이트 전압에 따라 디락 밴드(Dirac band) 구조에서의 페르미준위가 제어됨을 확인하였다.
도 9를 참조하면, 위상절연체(120)인
Figure 112018003574710-pat00027
와 그래핀(130)의 접합체에서 그래핀(130)의 도핑 수준(doping level)이 p-type에서 n-type으로 변화함에 따라, Au/
Figure 112018003574710-pat00028
(전극과 위상절연체(120)의 접합)에서의 광전류(photocurrent) 값 대비 위상절연체(120)(
Figure 112018003574710-pat00029
)와 그래핀(130)의 접합에서의 광반응(photoresponse)이 크게 변화됨을 확인할 수 있었다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 실시예는 열전류 제어 시스템이 될 수 있다. 이 실시예의 열전류 제어 시스템은 상술된 실시예에 따른 열전류 제어 소자(100)와, 페르미준위(fermi level) 제어 신호를 열전류 제어 소자(100)의 게이트 전극(150)에 입력하는 페르미 제어부(200)와, 열전류 제어 소자(100)의 드레인 전극(122) 및 소스 전극(132)에 연결되어 열전류 제어 소자(100)에 광이 입사되었을 때 발생되는 열전류의 신호를 수신하는 전류 수신부(300)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 다양한 변화와 변경 및 균등물을 사용할 수 있다. 본 발명은 상기 실시예를 적절히 변형하여 동일하게 응용할 수 있음이 명확하다. 따라서 상기 기재 내용은 하기 특허청구범위의 한계에 의해 정해지는 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니다.
100 : 열전류 제어 소자
110 : 기판
120 : 위상절연체
122 : 제1전극(드레인 전극)
130 : 그래핀
132 : 제2전극(소스 전극)
140 : 커버
150 : 제3전극(게이트 전극)
200 : 페르미 제어부
300 : 전류 수신부

Claims (28)

  1. 기판;
    상기 기판 위에 위치하는 위상절연체;
    상기 기판 위에 상기 위상절연체와 오믹(ohmic) 접합되며 위치되는 그래핀;
    상기 위상절연체의 일측에 연결되는 드레인 기능의 제1전극;
    상기 그래핀의 일측에 연결되는 소스 기능의 제2전극;
    상기 위상절연체 및 상기 그래핀을 내부에 수용하는 커버; 및
    일측이 상기 커버와 연결되는 게이트 기능의 제3전극을 포함하고,
    상기 그래핀과 상기 위상절연체에 광이 입력되고, 상기 제3전극에 전압이 입력되면, 상기 그래핀은 상기 제3전극에 인가되는 전압에 대응하여 페르미준위(fermi level)가 가변되고, 상기 페르미준위가 가변되면 제벡 계수의 값도 변화되어 상기 그래핀과 상기 위상절연체의 접합부에서 나타나는 열전류의 크기가 제어되는 것을 특징으로 하는 열전류 제어 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 위상절연체는 상기 기판 위에 세로방향으로 길게 형성된 것을 특징으로 하는 열전류 제어 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 위상절연체는
    Figure 112018003574710-pat00030
    ,
    Figure 112018003574710-pat00031
    ,
    Figure 112018003574710-pat00032
    중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 열전류 제어 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 위상절연체는 기계적 박리법(mechanical exfoliation)으로 제작된 것을 특징으로 하는 열전류 제어 소자.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 그래핀은 상기 기판 위에 상기 위상절연체가 형성된 방향과 상이한 방향으로 길게 형성된 것을 특징으로 하는 열전류 제어 소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 그래핀은 모노레이어(monolayer)인 것을 특징으로 하는 열전류 제어 소자.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 그래핀은 전사 방식으로 상기 기판 위에 배치되는 것을 특징으로 하는 열전류 제어 소자.
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 커버는 이온젤인 것을 특징으로 하는 열전류 제어 소자.
  10. 삭제
  11. 제9항에 있어서,
    상기 제3전극은 상기 기판 위에 상기 위상절연체 및 상기 그래핀과 이격되게 배치되는 것을 특징으로 하는 열전류 제어 소자.
  12. 삭제
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제1전극과 상기 제2전극 중 적어도 어느 하나는 티타늄(Ti)이 먼저 배치된 후 상기 티타늄 위에 전도체가 배치된 것을 특징으로 하는 열전류 제어 소자.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1전극, 상기 제2전극, 상기 제3전극은 전자빔 식각(e-beam lithography)을 이용하여 제작되는 것을 특징으로 하는 열전류 제어 소자.
  15. 기판에 이종의 재료를 적층하는 것으로 열전류 소자를 제조하는 방법에 있어서,
    상기 기판 위에 위상절연체를 배치하는 단계;
    상기 위상절연체 일측에 드레인 기능의 제1전극을 배치하는 단계;
    상기 기판에 상기 위상절연체와 오믹(ohmic) 접합되게 그래핀을 배치하는 단계;
    상기 그래핀의 일측에 소스 기능의 제2전극을 배치하는 단계;
    상기 기판에 상기 위상절연체 및 상기 그래핀과 이격되게 게이트 기능의 제3전극을 배치하는 단계; 및
    상기 기판 위에 상기 위상절연체 및 상기 그래핀을 내부에 수용하는 커버를 배치하는 단계를 포함하고,
    상기 그래핀과 상기 위상절연체에 광이 입력되고, 상기 제3전극에 전압이 입력되면, 상기 그래핀은 상기 제3전극에 인가되는 전압에 대응하여 페르미준위(fermi level)가 가변되고, 상기 페르미준위가 가변되면 제벡 계수의 값도 변화되어 상기 그래핀과 상기 위상절연체의 접합부에서 나타나는 열전류의 크기가 제어되는 것을 특징으로 하는 열전류 제어 소자의 제조방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 위상절연체는 상기 기판 위에 세로방향으로 길게 형성되는 것을 특징으로 하는 열전류 제어 소자의 제조방법.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 위상절연체는
    Figure 112018003574710-pat00033
    ,
    Figure 112018003574710-pat00034
    ,
    Figure 112018003574710-pat00035
    중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 열전류 제어 소자의 제조방법.
  18. 제15항에 있어서, 상기 기판 위에 위상절연체를 배치하는 단계는
    기계적 박리법(mechanical exfoliation)으로 실시되는 것을 특징으로 하는 열전류 제어 소자의 제조방법.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 그래핀은 상기 기판 위에 상기 위상절연체가 형성된 방향과 상이한 방향으로 길게 형성된 것을 특징으로 하는 열전류 제어 소자의 제조방법.
  20. 제15항에 있어서,
    상기 그래핀은 모노레이어(monolayer)인 것을 특징으로 하는 열전류 제어 소자의 제조방법.
  21. 제20항에 있어서, 상기 기판 위에 상기 위상절연체와 오믹(ohmic) 접합되게 그래핀을 배치하는 단계는
    전사 방식으로 실시되는 것을 특징으로 하는 열전류 제어 소자의 제조방법.
  22. 삭제
  23. 제15항에 있어서,
    상기 제3전극은 일측이 상기 커버에 수용된 것을 특징으로 하는 열전류 제어 소자의 제조방법.
  24. 제15항에 있어서,
    상기 커버는 이온젤인 것을 특징으로 하는 열전류 제어 소자의 제조방법.
  25. 삭제
  26. 제15항에 있어서,
    상기 제1전극을 배치하는 단계와 상기 제2전극을 배치하는 단계 중 적어도 어느 하나는 티타늄(Ti)이 먼저 배치된 후 상기 티타늄 위에 전도체가 배치되는 것을 특징으로 하는 열전류 제어 소자의 제조방법.
  27. 제15항에 있어서,
    상기 제1전극을 배치하는 단계, 상기 제2전극을 배치하는 단계 및 상기 제3전극을 배치하는 단계는
    전자빔 식각(e-beam lithography)을 이용하는 것을 특징으로 하는 열전류 제어 소자의 제조방법.
  28. 기판과, 상기 기판 위에 위치하는 위상절연체와, 상기 기판 위에 상기 위상절연체와 오믹(ohmic) 접합되며 위치되는 그래핀과, 상기 위상절연체의 일측에 연결되는 드레인 기능의 제1전극과, 상기 그래핀의 일측에 연결되는 소스 기능의 제2전극과, 상기 위상절연체 및 상기 그래핀을 내부에 수용하는 커버와, 일측이 상기 커버와 연결되는 게이트 기능의 제3전극을 포함하고, 상기 그래핀과 상기 위상절연체에 광이 입력되고, 상기 제3전극에 전압이 입력되면, 상기 그래핀은 상기 제3전극에 인가되는 전압에 대응하여 페르미준위(fermi level)가 가변되고, 상기 페르미준위가 가변되면 제벡 계수의 값도 변화되어 상기 그래핀과 상기 위상절연체의 접합부에서 나타나는 열전류의 크기가 제어되는 것을 특징으로 하는 열전류 제어 소자;
    페르미준위(fermi level) 제어 신호를 상기 열전류 제어 소자의 게이트 전극에 입력하는 페르미 제어부; 및
    상기 열전류 제어 소자의 드레인 전극 및 소스 전극에 연결되어, 상기 열전류 제어 소자에 광이 입사되었을 때 발생되는 열전류의 신호를 수신하는 전류 수신부를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전류 제어 시스템.
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