KR102198394B1 - Ito와 수소 도핑된 ito로 이루어진 다층 구조를 이용한 열전소재 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 본 발명은 ITO와 수소 도핑된 ITO로 이루어진 다층 구조를 이용한 열전소재 및 그 제조방법에 관한 것으로 본 발명의 일면에 따른 ITO와 수소의 다층 구조를 이용한 열전소재 제조방법은 기판상에 아르곤 가스를 스퍼터링 가스로 하여 스퍼터링법에 의해 ITO층을 형성하는 단계, ITO층 상에 아르곤-수소 혼합가스를 스퍼터링 가스로 하여 스퍼터링법에 의해 비정질층을 형성하는 단계 및 비정질층 상에 아르곤 가스를 스퍼터링 가스로 하여 스퍼터링법에 의해 ITO층을 형성하는 단계를 포함하고, ITO층 상에 비정질층을 형성하는 단계와 비정질층 상에 ITO층을 형성하는 단계를 반복하여 다층 구조를 형성한다.
Description
본 발명은 ITO와 수소 도핑된 ITO로 이루어진 다층 구조를 이용한 열전소재 및 그 제조방법에 관한 것이다.
열전소재란 열에너지를 전기에너지로 변환하는 제백효과(Seebeck effect)와 전기에너지를 열에너지로 변환하는 펠티어 효과(Peltier effect)를 활용하여 열과 전기를 변환할 수 있는 재료를 말한다.
종래의 열전소재로는 Bi-Te계와 Pb-Te계의 재료가 주로 쓰이고 있다. 이러한 종래의 금속계 열전소재는 독성이 강하고, 희귀금속을 포함하므로 가격이 비싸며, 고온에서 열적 안정성이 낮다는 문제점이 있다.
In2O3 기반의 산화물 반도체의 경우 종래의 금속계 열전소재에 비해 독성이 낮고, 값이 싸며, 고온에서 열적 안정성이 높지만, 열전성능이 낮다는 문제점이 있다.
종래의 금속계 열전소재의 단점을 보완하고, 향상된 열전 성능을 가지는 In2O3 기반의 열전소재의 개발이 필요하다.
본 발명의 목적은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로, 열전특성을 향상하기 위한 ITO와 수소 도핑된 ITO로 이루어진 다층 구조를 이용한 열전소재 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 ITO와 수소의 다층 구조를 이용한 열전소재 제조방법은 기판상에 아르곤 가스를 스퍼터링 가스로 하여 스퍼터링법에 의해 ITO층을 형성하는 단계, ITO층 상에 아르곤-수소 혼합가스를 스퍼터링 가스로 하여 스퍼터링법에 의해 비정질층을 형성하는 단계 및 비정질층 상에 아르곤 가스를 스퍼터링 가스로 하여 스퍼터링법에 의해 ITO층을 형성하는 단계를 포함하고, ITO층 상에 비정질층을 형성하는 단계와 비정질층 상에 ITO층을 형성하는 단계를 반복하여 다층 구조를 형성한다.
본 발명의 일면에 따르면 격자구조가 다른 ITO층과 비정질층을 포함하여 비정질층의 포논 산란(Phonon Scattering)과 층간 배리어 작용으로 인해 열전도도가 감소된 열전소재를 제공하는 효과가 있다.
비정질층의 결정화를 막고, 전기전도도를 향상하여 열전 성능이 향상된 ITO와 수소 도핑된 ITO로 이루어진 다층 구조를 이용한 열전소재 및 그 제조방법을 제공하는 효과를 기대할 수 있다.
본 발명의 효과는 상기에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에서 제조한 ITO와 수소 도핑된 ITO로 이루어진 다층 구조를 이용한 열전소재의 형상을 나타낸 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에서 제조한 비정질층의 수소농도에 따른 비저항, 캐리어 이동도, 캐리어 농도를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에서 제조한 비정질층의 두께에 따른 비저항, 캐리어 이동도, 캐리어 농도를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에서 제조한 비정질층의 두께에 따른 광투과도를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에서 제조한 ITO와 수소 도핑된 ITO로 이루어진 다층 구조를 이용한 열전소재의 형상을 나타낸 개념도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에서 제조한 ITO와 수소 도핑된 ITO로 이루어진 다층 구조를 이용한 열전소재의 형상을 나타낸 개념도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에서 5nm 두께의 비정질층의 층수 변화에 따른 비저항, 캐리어 이동도, 캐리어 농도를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에서 15nm 두께의 비정질층의 층수 변화에 따른 비저항, 캐리어 이동도, 캐리어 농도를 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에서 제조한 비정질층의 수소농도에 따른 비저항, 캐리어 이동도, 캐리어 농도를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에서 제조한 비정질층의 두께에 따른 비저항, 캐리어 이동도, 캐리어 농도를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에서 제조한 비정질층의 두께에 따른 광투과도를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에서 제조한 ITO와 수소 도핑된 ITO로 이루어진 다층 구조를 이용한 열전소재의 형상을 나타낸 개념도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에서 제조한 ITO와 수소 도핑된 ITO로 이루어진 다층 구조를 이용한 열전소재의 형상을 나타낸 개념도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에서 5nm 두께의 비정질층의 층수 변화에 따른 비저항, 캐리어 이동도, 캐리어 농도를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에서 15nm 두께의 비정질층의 층수 변화에 따른 비저항, 캐리어 이동도, 캐리어 농도를 나타낸 그래프이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하 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 것으로서, 본 발명은 청구항의 기재에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다.
본 발명은 0.027정도의 낮은 ZT(열전 성능 지수)를 갖는 ITO를 이용하여 열전성능이 향상된 ITO와 수소 도핑된 ITO로 이루어진 다층 구조를 이용한 열전소재 및 그 제조방법에 관한 것이다.
열전 성능 지수(ZT)를 수학식으로 나타내면 아래와 같다.
여기서 S는 제백계수(Seeback), σ는 전기전도도, k는 열전도도이다.
열전 성능 지수(ZT)를 높이기 위해서는 캐리어 이동도를 높이고, 열전도도(k)를 낮추어야 한다.
열전도도(k)란 재료가 열을 전달할 수 있는 능력을 말하는 것으로, 수학식으로 나타내면 아래와 같다.
여기서, 
은 격자 진동 열전도도이고, 
는 전자에 의한 열전도도 이다.
본 발명은 비정질 구조의 비정질층을 포함하여 비정질층에서 포논 격자 진동에 의한 
의 영향을 줄이고, 다층 구조에 의한 층간 배리어 작용으로 인해 열전도도를 감소시켜 열전 성능이 향상된 ITO와 수소 도핑된 ITO로 이루어진 다층 구조를 이용한 열전소재 및 그 제조방법을 제공할 수 있다.
도1을 참조하면, 본 발명의 일실시 예에 따른 ITO와 수소 도핑된 ITO로 이루어진 다층 구조를 이용한 열전소재(1)는 기판(10), 제1 ITO층(20), 제1 비정질층(30), 제2 ITO층(40)을 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명의 일실시 예에 따른 ITO와 수소 도핑된 ITO로 이루어진 다층 구조를 이용한 열전소재 제작방법은 기판(10)상에 아르곤 가스를 스퍼터링 가스로 하여 스퍼터링법에 의해 제1 ITO층(20)을 형성하는 단계, 제1 ITO층(20) 상에 아르곤-수소 혼합가스를 스퍼터링 가스로 하여 스퍼터링법에 의해 제1 비정질층(30)을 형성하는 단계 및 제1 비정질층(30) 상에 아르곤 가스를 스퍼터링 가스로 하여 스퍼터링법에 의해 제2 ITO층(40)을 형성하는 단계를 포함하여 다층박막을 형성하는 것일 수 있다.
이하, 본 발명의 일실시 예에 따른 ITO와 수소 도핑된 ITO로 이루어진 다층 구조를 이용한 열전소재의 열전 성능을 향상하기 위한 바람직한 수소 농도, 비정질층의 두께, 비정질층의 층수를 확인하기 위해 실험을 수행하였다.
유리기판을 증류수로 세척하고, 계면활성제와 솜으로 세척하고, 증류수로 세척하는 단계를 포함하는 1차 세정단계와, 에탄올, 아세톤, IPA(Isopropanol) 순으로 10분씩 초음파 세정하는 2차 세정단계 및 세정한 유리기판을 건조하는 단계를 포함하여 기판을 준비하였다.
1. 실험내용
(1) 열전 성능을 향상하기 위한 아르곤-수소 혼합가스의 수소농도 도출 실험
아르곤-수소 혼합가스의 수소 농도가 0 에서 1%까지 증가함에 따른 박막의 비저항, 캐리어 이동도 및 캐리어 농도를 측정하였다. 아르곤-수소 혼합가스의 수소 농도 증가에 따른 비저항, 캐리어 이동도 및 캐리어 농도는 도 2에 나타내었으며, 본 실험에서 실시한 실험 조건은 아래의 표 1에 나타내었다.
| Deposition parameters | Deposition condition |
| 장비명 | DC+RF 중첩 장비 |
| Target | ITO |
| Power | 150W |
| Working Pressure | 0.7Pa |
| Substrate | Glass |
| Gas | Ar+H2(20sccm) (H2 0~1%) |
| Deposition temperature | RT |
| Thickness | 100nm |
(2) 열전 성능을 향상하기 위한 비정질층의 두께 도출 실험
ITO층은 150nm에서 전기적 특성이 가장 좋으므로, ITO층의 두께를 150nm로 고정하고 ITO층에 0.6%의 수소농도를 가지는 아르곤-수소 혼합가스를 스퍼터링 가스로하여 비정질층(ITO:H)을 형성하고, 비정질층상에 150nm의 ITO층을 형성하여 열전소재를 제작하였다.
ITO층 상에 아르곤-수소 혼합가스를 스퍼터링 가스로 하여 스퍼터링법에 의해 형성되는 비정질층의 경우 증착두께가 두꺼워질수록 결정화가 일어나기 때문에, 비정질층의 두께가 0nm, 5nm, 10nm, 15nm, 20nm까지 증가함에 따른 열전소재의 비저항, 캐리어 이동도, 캐리어 농도를 측정하였다.
비정질층(ITO:H)의 두께에 따른 비저항, 캐리어 이동도, 캐리어 농도는 도 3에 나타내었으며, 실험 조건은 아래의 표 2에 나타내었으며, 비정질층의 두께에 따른 열전도도, 비저항, 캐리어 농도와 그로부터 산출한 제백계수, 파워팩터, ZT값을 아래의 표3에 나타내었으며, 두께에 따른 증착시간은 아래의 표 4에 나타내었다.
| Deposition parameters | Deposition condition |
| 장비명 | DC+RF 중첩 장비 |
| Target | ITO |
| Power | 150W |
| Working Pressure | 0.7Pa |
| Substrate | Glass |
| Gas | Ar / Ar+H2(20sccm) (H2 0.6%) |
| Deposition temperature | 200℃(ITO) / RT (ITO:H) |
| Thickness | ITO/ITO:H/ITO (150nm/0nm,5nm,10nm,15nm,20nm/150nm) |
| ITO:H 두께(nm) |
k (W/mK) |
 (W/mK) |
 (W/mK) |
ρ (×10-4Ωcm) |
n (×1020㎤) |
S (×10-5V/K) |
PF (W/K2m) |
ZT (×10-3) |
| 0 | 5.37 | 3.99 | 1.39 | 5.302 | 2.813 | 2.49 | 0.000118 | 6.57 |
| 5 | 5.16 | 3.94 | 1.22 | 6.013 | 2.229 | 2.98 | 0.000148 | 8.63 |
| 10 | 5.16 | 3.88 | 1.27 | 5.765 | 2.392 | 2.91 | 0.000147 | 8.54 |
| 15 | 5.10 | 3.84 | 1.26 | 5.831 | 2.390 | 2.95 | 0.000150 | 8.81 |
| 20 | 5.11 | 3.79 | 1.32 | 5.564 | 2.796 | 2.68 | 0.000129 | 7.60 |
| 증착물질 | 두께(nm) | 증착 시간(sec) |
| ITO | 150 | 52 |
| ITO:H | 5 | 1.67 |
| 10 | 3.33 | |
| 15 | 5 | |
| 20 | 6.67 |
UV-VIS Spectrum을 이용하여 0nm, 5nm, 10nm, 15nm, 20nm의 두께를 가지는 비정질층을 포함하는 다층 구조의 열전소재를 직각으로 세워 장착하고 190nm 내지 1100nm 파장의 빛을 조사하여 광투과도를 측정하고, 비정질층의 두께에 따른 광투과도를 도 4에 나타내었다.
3. 열전 성능을 향상하기 위한 비정질층의 층수 도출 실험
비정질층의 두께가 5nm인 경우와, 15nm인 경우 각각에서 비정질층의 층수가 2층, 3층으로 증가됨에 따른 열전소재의 비저항, 캐리어 이동도, 캐리어 농도를 측정하였다.
비정질층의 두께가 5nm인 경우 비정질층의 층수가 2층, 3층으로 증가됨에 따른 열전소재의 비저항, 캐리어 이동도, 캐리어 농도를 도 7에 나타내었으며, 실험조건은 표 5에 나타내었으며, 비정질층수에 따른 열전도도, 비저항, 캐리어 농도, 이로부터 산출한 제백계수, 파워팩터, ZT값을 표 6에 나타내었다.
| Deposition parameters | Deposition condition |
| 장비명 | DC+RF 중첩 장비 |
| Target | ITO |
| Power | 150W |
| Working Pressure | 0.7Pa |
| Substrate | Glass |
| Gas | Ar / Ar+H2(20sccm) (H2 0.6%) |
| Deposition temperature | 200℃(ITO) / RT (ITO:H) |
| Thickness | ITO/ITO:H/ITO/ITO:H/ITO (150nm/5nm/150nm/5nm/150nm) |
| ITO/ITO:H/ITO/ITO:H/ITO/ITO:H/ITO (150nm/5nm/150nm/5nm/150nm/5nm/150nm) |
| ITO:H 층수 |
k (W/mK) |
 (W/mK) |
 (W/mK) |
ρ (×10-4Ω㎝) |
n (×1020㎤) |
S (×10-5V/K) |
PF (W/K2m) |
ZT (×10-3) |
| 0 | 5.37 | 3.99 | 1.39 | 5.302 | 2.813 | 2.499 | 0.000118 | 6.57 |
| 1 | 5.16 | 3.94 | 1.22 | 6.013 | 2.229 | 2.986 | 0.000227 | 8.63 |
| 2 | 5.34 | 3.92 | 1.42 | 5.174 | 3.145 | 2.391 | 0.000111 | 6.21 |
| 3 | 5.48 | 3.91 | 1.57 | 4.678 | 3.196 | 2.410 | 0.000124 | 6.8 |
비정질층의 두께가 15nm인 경우 비정질층의 층수가 2층, 3층으로 증가됨에 따른 열전소재의 비저항, 캐리어 이동도, 캐리어 농도를 도 8에 나타내었으며, 실험조건은 표 7에 나타내었으며, 비정질층수에 따른 열전도도, 비저항, 캐리어 농도, 이로부터 산출한 제백계수, 파워팩터, ZT값을 표 8에 나타내었다.
| Deposition parameters | Deposition condition |
| 장비명 | DC+RF 중첩 장비 |
| Target | ITO |
| Power | 150W |
| Working Pressure | 0.7Pa |
| Substrate | Glass |
| Gas | Ar / Ar+H2(20sccm) (H2 0.6%) |
| Deposition temperature | 200℃(ITO) / RT (ITO:H) |
| Thickness | ITO/ITO:H/ITO/ITO:H/ITO (150nm/15nm/150nm/15nm/150nm) |
| ITO/ITO:H/ITO/ITO:H/ITO/ITO:H/ITO (150nm/15nm/150nm/15nm/150nm/15nm/150nm) |
| ITO:H 층수 |
k (W/mK) |
 (W/mK) |
 (W/mK) |
ρ (×10-4Ω㎝) |
n (×1020㎤) |
S (×10-5V/K) |
PF (W/K2m) |
ZT (×10-3) |
| 0 | 5.37 | 3.99 | 1.39 | 5.302 | 2.813 | 2.49 | 0.000118 | 6.57 |
| 1 | 5.08 | 3.82 | 1.26 | 5.831 | 2.39 | 2.955 | 0.000150 | 8.84 |
| 2 | 4.88 | 3.77 | 1.10 | 6.67 | 2.153 | 3.171 | 0.000151 | 9.27 |
| 3 | 4.81 | 3.75 | 1.06 | 6.934 | 2.01867 | 3.402 | 0.000167 | 10.04 |
3. 실험결과
(1) 수소농도 도출 결과
비정질층 형성을 위한 아르곤-수소 혼합가스의 수소농도를 0에서 1%까지 증가시키며 비저항, 캐리어 농도 및 캐리어 이동도를 측정하여 비교한 그래프를 도 2에 나타냈다.
도 2를 참고하면 수소농도가 0.1% 내지 0.8% 일때 수소농도가 증가할 수록 캐리어 농도가 증가하여 비저항이 감소하는 것을 확인할 수 있었다.
본 발명의 일실시예에 따른 비정질층(3)을 형성하는 단계는 0.5% 내지 0.8%의 수소농도를 가지는 아르곤-수소 혼합가스를 스퍼터링 가스로 하여 비정질층을 형성하는 것일 수 있다.
바람직하게는, 비정질층(3)을 형성하는 단계는 가장 낮은 비저항을 가지는 0.6%의 수소농도를 가지는 아르곤-수소 혼합가스를 스퍼터링 가스로 하여 비정질층을 형성하는 것일 수 있다.
비정질층(3)을 형성하는 단계에서 비저항이 5(×10-4Ω㎝) 이하의 낮은 값을 가지게 하는 수소농도를 가지는 아르곤-수소 혼합가스를 이용하여 비저항층의 전기전도도를 높이고, 이에 따라 ZT값을 높임으로써 열전소재의 열전 성능을 향상시킬 수 있다.
(2) 비저항층 두께 도출 결과
비정질층의 두께가 0nm, 5nm, 10nm, 15nm, 20nm까지 증가함에 따른 열전소재의 비저항, 캐리어 이동도, 캐리어 농도를 측정하여 도 3에 나타내었으며, 측정한 값에 기초하여 산출한 ZT값을 표 3에 나타내었다.
표 3을 참조하면, 5nm와 15nm에서 각각 8.63×10-3, 8.81×10-3으로 높은 ZT값을 가지는 것을 확인할 수 있었다.
이에 따라 본 발명의 일 실시예에서 비정질층을 형성하는 단계는 5nm 내지 15nm의 두께를 가지는 비정질층을 형성하는 것일 수 있으며, 바람직하게는 15nm의 비정질층을 형성하는 것일 수 있다.
(3) 비저항층 층수 도출 결과
비정질층의 두께가 5nm인 경우와, 15nm인 경우 각각에서 비정질층의 층수가 2층, 3층으로 증가됨에 따른 열전소재의 비저항, 캐리어 이동도, 캐리어 농도를 측정한 결과를 각각 도 7과 도 8에 나타내었으며, 측정한 값들로부터 산출한 ZT값을 표 6과 표 8에 각각 나타냈다.
표 6을 참조하면, 비정질층의 두께가 5nm로 박막 증착시의 임계 두께인 10nm에 비해 얇은 두께를 가지므로 2층, 3층으로 적층함에 따라 ZT값이 향상되지 않았다.
표 8을 참조하면, 비정질층의 두께가 15nm인 경우, 비정질층을 2층, 3층으로 적층함에 따라 ZT값이 향상되는 것을 확인할 수 있었다.
표 8을 참조하면 15nm의 비정질층을 3층으로 증착하여 제작한 열전소재의 경우, 결정질의 ITO의 ZT값(6.73×10-3)에 비해 약 49.2%가량 증가한 ZT값(10.04×10-3)을 가지는 것을 확인할 수 있었다.
4. 결론
본 발명의 일실시 예에 따르면 기판상에 아르곤 가스를 스퍼터링 가스로 하여 스퍼터링법에 의해 ITO층을 형성하는 단계, ITO층 상에 아르곤-수소 혼합가스를 스퍼터링 가스로 하여 스퍼터링법에 의해 비정질층을 형성하는 단계 및 비정질층 상에 아르곤 가스를 스퍼터링 가스로 하여 스퍼터링법에 의해 ITO층을 형성하는 단계를 포함하여 다층박막을 형성하여 ITO와 수소의 다층 구조를 이용한 열전소재 제조할 수 있다.
ITO층을 형성하는 단계, ITO층 상에 비정질층을 형성하는 단계, 비정질층 상에 ITO층을 형성하는 단계를 포함하고, ITO층 상에 비정질층을 형성하는 단계, 비정질층 상에 ITO층을 형성하는 단계를 반복 수행함에 따라 다층 구조의 열전소재를 제조할 수 있다.
ITO층을 형성하는 단계는 145nm 내지 155nm의 두께를 가지도록 ITO층을 형성하는 것일 수 있으며, 바람직하게는 ITO층은 150nm의 두께를 가지는 것일 수 있다.
ITO층을 형성하는 단계는 170℃ 내지 200℃의 온도에서 수행되는 것일 수 있으며, 본 발명의 일실시예에 따른 실험에서는 ITO층을 형성하는 단계를 200℃의 온도에서 수행하였지만, 작업 온도에 의한 생산 비용의 절감을 위해 170℃ 내지 200℃의 범위 내에서 200℃보다 낮은 온도에서 수행되는 것일 수 있다.
ITO층의 결정화 온도는 170℃ 이상이고, 기판을 온도를 올림에 따라 생산비용이 증가될 수 있으며, 350℃ 이상의 온도를 가지는 경우 유리가 깨질 수 있으므로 ITO층을 형성하는 단계는 170℃ 내지 200℃의 온도에서 수행됨에 따라 결정질의 ITO층을 형성하는 것일 수 있다.
ITO층을 형성하는 단계와 비정질층을 형성하는 단계 사이에는 기판을 냉각시키는 단계를 포함하여 열전소재를 제작하는 것일 수 있다.
ITO층은 온도에 관계없이 결정화가 이루어지고, 비정질층(ITO:H)은 170℃ 이상에서 결정화가 이루어지므로, ITO층을 형성하는 단계와 비정질층을 형성하는 단계 사이에는 기판의 온도를 상온(RT)까지 냉각시키는 단계를 포함함에 따라 ITO층의 결정화와 비정질층의 비결정화를 만족시킬 수 있다.
이에 따라 결정질의 ITO층과 비결정질의 비정질층을 포함하는 다층구조의 열전소재의 제작할 수 있으며, 비결정질의 포논 산란과 결정질의 ITO층과 비결정질의 비정질층 간의 배리어 작용에 의해 열전 성능이 향상된 열전소재를 제작할 수 있다.
비정질층을 형성하는 단계는 0.5% 내지 0.8%의 수소 농도를 갖는 아르곤-수소 혼합가스를 스퍼터링 가스로 하여 스퍼터링법에 의해 비정질층을 형성하는 것일 수 있다.
바람직하게는 비정질층을 형성하는 단계는 0.6%의 수소 농도를 갖는 아르곤-수소 혼합가스를 스퍼터링 가스로 하여 스퍼터링법에 의해 비정질층을 형성하여, 비정질층의 비저항값을 낮춤으로써 열전 성능이 향상된 열전소재를 제작하는 것일 수 있다.
이때, 아르곤-수소 혼합가스의 유량은 10sccm 내지 40sccm일 수 있다.
아르곤-수소 혼합가스의 유량은 작업 장비의 챔버 용량에 기초하여 달라지는 것일 수 있다.
아르곤-수소 혼합가스의 유량은 작업 장비의 챔버 내의 작업 압력을 0.7Pa로 만드는 범위 내에서 밸브를 더 열거나 잠금으로써 조절할 수 있으나, 혼합가스 사용에 의한 비용을 절감하기 위해 아르곤-수소 혼합가스의 유량은 10sccm 내지 20sccm일 수 있다.
비정질층을 형성하는 단계는 5nm 내지 20nm의 두께를 가지도록 비정질층을 형성하는 것일 수 있으며, 2층 이상의 다층 구조를 가지는 경우 비정질층을 형성하는 단계는 10nm 내지 15nm의 두께를 가지도록 비정질층을 형성하는 것일 수 있으며, 바람직하게는 15nm의 두께를 가지도록 비정질층을 형성하는 것일 수 있다.
비정질층을 형성하는 단계에서 15nm의 두께를 가지는 비정질층을 형성함으로써 열전소재의 ZT값을 높일 수 있으며, 다층 구조를 형성함에 따라 ZT가 증가되는 열전소재를 제작할 수 있다.
ITO층 사이에 형성되는 비정질층은 1층 내지 3층일 수 있으며, 바람직하게는 3층일 수 있다.
또한, 1층 내지 3층의 비정질층을 포함하는 열전소재를 제작함으로써, ITO의 장점인 투명성을 유지하면서도 종래의 ITO에 비해 ZT값이 40% 이상 향상된 열전소재를 제작할 수 있다.
본 발명이 속하는 기술분야의 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. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10 : 열전소재
1 : 기판
2, 4, 4a, 4b, 4c : ITO층
3, 3a, 3b, 3c : 비정질층
1 : 기판
2, 4, 4a, 4b, 4c : ITO층
3, 3a, 3b, 3c : 비정질층
Claims (4)
- 기판상에 아르곤 가스를 스퍼터링 가스로 하여 스퍼터링법에 의해 ITO층을 형성하는 단계;
상기 ITO층 상에 아르곤-수소 혼합가스를 스퍼터링 가스로 하여 스퍼터링법에 의해 비정질층을 형성하는 단계; 및
상기 비정질층 상에 아르곤 가스를 스퍼터링 가스로 하여 스퍼터링법에 의해 ITO층을 형성하는 단계; 를 포함하고,
상기 ITO층 상에 비정질층을 형성하는 단계와 상기 비정질층 상에 ITO층을 형성하는 단계를 반복하여 다층 구조를 형성하는 것이며,
상기 ITO층을 형성하는 단계는 170℃ 내지 200℃의 온도에서 수행되는 것이고,
상기 ITO층을 형성하는 단계와 상기 비정질층을 형성하는 단계 사이에
상기 기판을 냉각시키는 단계;
를 더 포함하는 ITO와 수소의 다층 구조를 이용한 열전소재 제조방법. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 ITO층을 형성하는 단계는
145nm 내지 155nm의 두께를 가지는 상기 ITO층을 형성하는 것이며,
상기 비정질층을 형성하는 단계는
5nm 내지 20nm의 두께를 가지는 상기 비정질층을 형성하는 것
인 ITO와 수소의 다층 구조를 이용한 열전소재 제조방법. - 제1항 및 제3항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의해 제작되는 ITO와 수소의 다층 구조를 이용한 열전소재.
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| WO2023118585A1 (de) * | 2021-12-23 | 2023-06-29 | Mls Mikrowellen-Labor-Systeme Gmbh | Vorrichtung für prozesse zur behandlung von probenmaterial |
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