KR102328949B1 - Composite Thin Film Structure with Improved Thermal Performance and Its Manufacturing Methods - Google Patents
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Abstract
열전 성능이 향상된 복합체 박막 구조체 및 제조방법이 제공된다. 상기 복합체 박막 구조체의 제조방법은, 블록 A 및 블록 B를 포함하는 블록 공중합체, 및 나노 와이어를 포함하는 베이스 소스를 준비하는 단계, 기판 상에, 상기 베이스 소스를 제공하여, 복합체 박막을 형성하는 단계, 상기 블록 공중합체에서 상기 블록 B를 선택적으로 제거하는 용매가 기화된 증기를 상기 복합체 박막 상에 제공하여, 상기 복합체 박막 내에서 상기 블록 B의 적어도 일부를 제거하는 단계를 포함할 수 있다. Provided are a composite thin film structure with improved thermoelectric performance and a manufacturing method. The manufacturing method of the composite thin film structure comprises the steps of preparing a base source comprising a block copolymer comprising a block A and a block B, and a nanowire, on a substrate, by providing the base source to form a composite thin film Step, providing a vapor in which a solvent for selectively removing the block B from the block copolymer is vaporized on the composite thin film, and removing at least a portion of the block B in the composite thin film.
Description
본 출원은 열전 성능이 개선된 복합체 박막 구조체 및 그 제조 방법에 관련된 것으로, 보다 상세하게는, 블록 공중합체와 나노 와이어 사이의 에너지 레벨 차이에 따라 열전 성능이 향상된 복합체 박막 구조체 및 그 제조 방법에 관련된 것이다.The present application relates to a composite thin film structure with improved thermoelectric performance and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a composite thin film structure with improved thermoelectric performance according to a difference in energy level between a block copolymer and a nanowire, and a method for manufacturing the same will be.
에너지 수요 급증과 기후변화의 주범으로 화석연료 사용이 지목되고 있으며, 세계적으로 대체 에너지원 확보를 위한 노력이 전개되고 있다. 가장 큰 에너지원인 석유는 유전의 매장량 및 채굴의 한계, 산유국의 정세불안, 심해유전 등의 공급량 증가로 인한 원가상승 등으로 상당한 제약을 받고 있다. 따라서, 석유 등 기존의 화석연료를 대체하기 위해 세계적으로 대체 에너지원 확보를 위한 노력이 전개되고 있다. 그러나 가장 경제성 있는 대체 에너지원으로 평가를 받아온 원자력 발전이 후쿠시마 원전 사고 등으로 안전성에 의문이 제기되면서 세계적으로 원자력발전소 건설 중단 및 축소 움직임이 일어나고 있다. 또, 태양광, 풍력, 조력 등의 대체에너지는 기술진보의 한계, 경제성 부족 등으로 더 이상 큰 진전을 보지 못하고 있다.The use of fossil fuels is being pointed out as the main culprit of the rapid increase in energy demand and climate change, and efforts are being made to secure alternative energy sources worldwide. Petroleum, the largest energy source, is subject to considerable restrictions due to limitations in oil reserves and mining, political instability in oil-producing countries, and cost increases due to increased supply of deep-sea oil fields. Accordingly, efforts are being made to secure alternative energy sources worldwide to replace existing fossil fuels such as petroleum. However, as the safety of nuclear power, which has been evaluated as the most economical alternative energy source, has been raised due to the Fukushima nuclear accident, there is a movement to stop or reduce the construction of nuclear power plants worldwide. In addition, alternative energies such as solar power, wind power, and tidal power are no longer making great progress due to limitations in technological progress and lack of economic feasibility.
최근 들어 대체에너지 개발보다 낭비되고 있는 폐열 등을 회수해 전기에너지로 변환하여 연료효율을 향상시키는 에너지 하베스팅(energy harvesting)이 주목을 받고 있다. 열전 소자는 열에너지를 전기에너지로, 전기에너지를 열에너지로 직접 변환하는데 사용되는 소자로 에너지 절감이라는 시대적 요구에 가장 잘 부응하는 소재이자 기술이다. 이는 자동차, 우주, 항공, 반도체, 바이오, 광학, 컴퓨터, 발전, 가전제품 등 산업전반에서 광범위하게 활용되고 있다. 선진국들은 연구소와 기업을 중심으로 연료효율을 증진시키기 위한 열전소재 연구를 진행하고 있고, 국내에서도 연구소와 대학을 중심으로 수행되고 있다. Recently, energy harvesting, which improves fuel efficiency by recovering waste heat and converting it into electrical energy, is attracting attention rather than developing alternative energy. A thermoelectric element is an element used to directly convert thermal energy into electric energy and electric energy into thermal energy. It is widely used in industries such as automobiles, space, aviation, semiconductors, bio, optics, computers, power generation, and home appliances. Developed countries are conducting research on thermoelectric materials to improve fuel efficiency centering on research institutes and companies, and in Korea, research centers and universities are also conducting research on thermoelectric materials.
이에 따라, 열전 성능이 향상된 복합체 박막 구조체를 제조하기 위한 다양한 기술들이 연구되고 있다. 예를 들어, 대한민국 특허 등록 공보 KR 1020561490000 (출원번호 KR 1020170184337 출원인: 한밭대학교 산학협력단, 한국과학기술원)에는, 평면인 상부면과 하부면을 가지며, 곡면을 포함하는 측면을 갖는 열전 물질 소결체를 단취체로, 일 단위체의 상부면 및 상기 일 단위체와 인접하는 다른 일 단위체의 하부면 사이에 위치하며, 금속 접합부재를 통해 상기 일 단위체의 상부면 및 상기 다른 일 단위체의 하부면 각각과 접하는 금속 바 및 상기 일 단위체의 상부면과 상기 다른 일 단위체의 하부면 사이의 이격 공간에 위치하는 절연 패드를 포함하는 적층체를 제공하는 단계 및 상기 적층체를 물리적으로 가압한 상태에서 전류를 인가하여 상기 적층체에 포함된 각 단위체, 금속 접합 부재 및 금속 바가 일체로 절착된 열전 소자를 제조하는 단계를 포함하는 곡면형 열전소자를 제조하는 기술이 개시되어 있다. 이 밖에도, 열전 소자 및 그 제조방법에 관한 기술들이 지속적으로 연구되고 있다.Accordingly, various techniques for manufacturing a composite thin film structure with improved thermoelectric performance have been studied. For example, in the Republic of Korea Patent Registration Publication KR 1020561490000 (application number KR 1020170184337 Applicant: Hanbat University Industry-University Cooperation Foundation, Korea Institute of Science and Technology), a thermoelectric material sintered body having a flat upper surface and a lower surface and a side surface including a curved surface is applied. A metal bar positioned between an upper surface of one unit and a lower surface of another adjacent to the one unit, and in contact with each of the upper surface of the one unit and the lower surface of the other unit through a metal bonding member and providing a laminate comprising an insulating pad positioned in a space between the upper surface of the one unit and the lower surface of the other unit; and applying a current while physically pressing the laminate to the laminate. Disclosed is a technology for manufacturing a curved thermoelectric device, including manufacturing a thermoelectric device in which each unit included in a sieve, a metal bonding member, and a metal bar are integrally cut. In addition, technologies related to a thermoelectric element and a method for manufacturing the same are continuously being studied.
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는, 열전 성능이 향상된 복합체 박막 구조체 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.One technical problem to be solved by the present invention is to provide a composite thin film structure with improved thermoelectric performance and a method for manufacturing the same.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 블록 공중합체의 페르미 레벨과 나노 와이어의 가전자대 사이의 에너지 레벨 차이 값의 조절이 가능한 복합체 박막 구조체 및 그 제조 방법을 제조하는 데 있다.Another technical problem to be solved by the present invention is to prepare a composite thin film structure capable of controlling the energy level difference value between the Fermi level of the block copolymer and the valence band of the nanowire, and a method for manufacturing the same.
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는, 제조공정이 간소화된 복합체 박막 구조체 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.One technical problem to be solved by the present invention is to provide a composite thin film structure in which a manufacturing process is simplified and a manufacturing method thereof.
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는, 제조 비용이 절감된 복합체 박막 구조체 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.One technical problem to be solved by the present invention is to provide a composite thin film structure with reduced manufacturing cost and a method for manufacturing the same.
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는, 고 신뢰성을 가지는 복합체 박막 구조체 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.One technical problem to be solved by the present invention is to provide a composite thin film structure having high reliability and a method for manufacturing the same.
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는, 장수명을 가지는 복합체 박막 구조체 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다. One technical problem to be solved by the present invention is to provide a composite thin film structure having a long lifespan and a method for manufacturing the same.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술된 것에 제한되지 않는다. The technical problem to be solved by the present invention is not limited to the above.
상술된 기술적 과제들을 해결하기 위해 본 발명은 복합체 박막 구조체의 제조방법을 제공한다.In order to solve the above-described technical problems, the present invention provides a method for manufacturing a composite thin film structure.
일 실시 예에 따르면, 상기 복합체 박막 구조체의 제조 방법은, 상기 블록 A 및 상기 블록 B를 포함하는 상기 블록 공중합체, 및 상기 나노 와이어를 포함하는 베이스 소스를 준비하는 단계, 상기 기판 상에, 상기 베이스 소스를 제공하여, 상기 복합체 박막을 형성하는 단계, 상기 블록 공중합체에서 상기 블록 B를 선택적으로 제거하는 용매가 기화된 증기를 상기 복합체 박막에 제공하여, 상기 복합체 박막 내에서 상기 블록 B의 적어도 일부를 제거하는 단계를 포함하는 복합체 박막 구조체를 제공하는 것을 포함할 수 있다.According to an embodiment, the method for manufacturing the composite thin film structure includes the steps of preparing a base source including the block copolymer including the block A and the block B, and the nanowire, on the substrate, the Forming the composite thin film by providing a base source, providing a vapor in which a solvent for selectively removing the block B from the block copolymer is vaporized to the composite thin film, so that at least of the block B in the composite thin film It may include providing a composite thin film structure comprising the step of removing a portion.
일 실시 예에 따르면, 상기 용매는 극성용매를 포함할 수 있고, 상기 극성 용매는 DMSO(Dimethyl sulfoxide), EG(Ethylene glycol), DMF(Dimethyl formamide), 또는 MeOH(Methanol) 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.According to an embodiment, the solvent may include a polar solvent, and the polar solvent includes at least one of DMSO (dimethyl sulfoxide), EG (ethylene glycol), DMF (dimethyl formamide), or MeOH (Methanol). can do.
일 실시 예에 따르면, 상기 용매가 기화된 증기가, 상기 복합체 박막에 제공되는 동안, 열처리되는 것을 포함할 수 있다.According to one embodiment, while the vapor in which the solvent is vaporized is provided to the composite thin film, it may include heat-treating.
일 실시 예에 따르면 상기 블록 공중합체의 페르미 레벨(Fermi level) 과 상기 나노 와이어의 가전자대(valence band) 사이의 에너지 레벨 차이는, 상기 열처리 시간에 의해 조절될 수 있다.According to an embodiment, a difference in energy level between a Fermi level of the block copolymer and a valence band of the nanowire may be controlled by the heat treatment time.
일 실시 예에 따르면, 120분 동안 열처리 되는 경우, 제백 계수가 최대값일 수 있다.According to an embodiment, when heat treatment is performed for 120 minutes, the Seebeck coefficient may have a maximum value.
일 실시 예에 따르면, 상기 열처리 시간에 의해, 상기 블록 공중합체에서 상기 블록 B의 제거 비율이 제어되고, 상기 블록 B의 제거 비율에 따라서, 상기 복합체 박막의 제백 계수가 제어되는 것을 포함할 수 있다.According to an embodiment, the removal rate of the block B from the block copolymer is controlled by the heat treatment time, and the Seebeck coefficient of the composite thin film is controlled according to the removal rate of the block B. .
일 실시 예에 따르면, 열처리가 기준 시간 동안 수행되는 동안, 상기 블록 A와 상기 블록 B가 분리되고, 상기 기준 시간 이후, 분리된 상기 블록 B가 제어되어, 상기 블록 공중합체의 페르미 레벨(Fermi level) 부근의 상태 밀도(density of states) 가 감소되는 것을 포함할 수 있다.According to an embodiment, while the heat treatment is performed for a reference time, the block A and the block B are separated, and after the reference time, the separated block B is controlled, so that the Fermi level of the block copolymer (Fermi level) ) may include a decrease in the density of states in the vicinity.
일 실시 예에 따르면, 상기 블록 B가 제거됨에 따라, 상기 복합체 박막의 두께가 감소되는 것을 포함할 수 있다.According to one embodiment, as the block B is removed, it may include reducing the thickness of the composite thin film.
상기 기술적 과제들을 해결하기 위해 본 발명은 에너지 레벨 차이 값의 조절이 가능한 복합체 박막 구조체를 제공한다.In order to solve the above technical problems, the present invention provides a composite thin film structure capable of adjusting the energy level difference value.
일 실시 예에 따르면, 상기 복합체 박막 구조체는 기판, 상기 기판상에 배치되고, 블록 A와 블록 B의 블록 공중합체 및 나노 와이어를 포함하는 복합체 박막, 상기 블록 공중합체의 페르미 레벨(Fermi level)과 상기 나노 와이어의 가전자대(valence band) 사이에 에너지 레벨차이가 제공되는 것을 포함하고, 상기 에너지 레벨 차이로 인해 에너지 장벽이 형성되어, 낮은 에너지를 갖는 캐리어는 상기 에너지 장벽에 의해 상기 나노 와이어의 가전자대로 수송되는 것이 선택적으로 방지되고, 높은 에너지를 갖는 캐리어는 상기 나노 와이어의 가전자대(valence band) 로 수송되는 것을 포함할 수 있다. According to an embodiment, the composite thin film structure is a substrate, a composite thin film disposed on the substrate, and a composite thin film including a block copolymer of block A and block B and a nanowire, a Fermi level of the block copolymer and and that an energy level difference is provided between valence bands of the nanowire, and an energy barrier is formed due to the energy level difference, so that a carrier having a low energy is a valence band of the nanowire by the energy barrier Transport is selectively prevented, and carriers having high energy may include transport to a valence band of the nanowire.
일 실시 예에 따르면, 상기 블록 A는 PEDOT인 것을 포함하고, 상기 블록 B는 PSS인 것을 포함하고, 상기 블록 공중합체는 PEDOT:PSS인 것을 포함하고, 상기 나노 와이어는 Bi2Te3 나노 와이어인 것을 포함할 수 있다. According to an embodiment, the block A includes PEDOT, the block B includes PSS, the block copolymer includes PEDOT:PSS, and the nanowire is Bi 2 Te 3 nanowire may include
일 실시 예에 따르면, 상기 에너지 레벨 차이는, 0.11eV ~ 0.12eV 인 것을 포함할 수 있다.According to an embodiment, the energy level difference may include 0.11 eV to 0.12 eV.
일 실시 예에 따르면, 상기 복합체 박막은, 상기 기판에 인접한 하부면 및 상기 하부면에 대항하는 상부면을 포함하고, 상기 복합체 박막의 상기 하부면에 인접한 하부영역은, 상기 복합체 박막의 상부면에 인접한 상부영역보다, 상기 블록 B의 비율이 높은 것을 포함할 수 있다.According to an embodiment, the composite thin film includes a lower surface adjacent to the substrate and an upper surface opposing the lower surface, and the lower region adjacent to the lower surface of the composite thin film is on the upper surface of the composite thin film. It may include a block B having a higher ratio than the adjacent upper area.
본 발명에 의하면, 복합체 박막 구조체는 기판, 상기 기판상에 배치되고, 블록 A와 블록 B의 블록 공중합체 및 나노 와이어를 포함하는 복합체 박막을 포함할 수 있다. 상기 블록 공중합체에서 상기 블록 B를 선택적으로 제거하는 용매가 기화된 증기를 상기 복합체 박막 상에 제공하여 상기 복합체 박막 내에서 상기 블록 B의 적어도 일부를 제거할 수 있다. 상기 블록 B의 적어도 일부가 제거됨에 따라, 상기 블록 공중합체의 페르미 레벨과 상기 나노 와이어의 가전자대 사이에 에너지 레벨 차이가 제공되고, 상기 증기가 상기 복합체 박막상에 제거되는 시간에 따라 제백 계수가 제어될 수 있다. 예를 들어, 열처리 시간이 120분일 때, 제백 계수가 최대값을 가질 수 있다.According to the present invention, the composite thin film structure may include a substrate, a composite thin film disposed on the substrate, and a block copolymer of block A and block B and a nanowire. At least a portion of the block B in the composite thin film may be removed by providing a vapor in which a solvent for selectively removing the block B from the block copolymer is vaporized on the composite thin film. As at least a portion of the block B is removed, an energy level difference is provided between the Fermi level of the block copolymer and the valence band of the nanowire, and the Seebeck coefficient becomes can be controlled. For example, when the heat treatment time is 120 minutes, the Seebeck coefficient may have a maximum value.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 열전 성능이 향상된 복합체 박막의 제조방법을 설명하는 순서도이다.
도 2내지 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 공정 단면도들이다.
도 5내지 도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 복합체 박막 구조체의 제조 공정을 나타내는 도면들이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 복합체 박막 내부 구조를 설명하기 위한 이미지를 촬영한 도면이다.
도 8내지 도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 복합체 박막의 열처리 공정 시간에 따른 복합체 박막 구조체의 특성을 비교하는 그래프이다.
도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 복합체 박막의 PSS와 PEDOT 비율에 따른 일함수 값의 그래프이다.
도 13은 본 발명의 실시 예에 따른 열처리 공정 지속시간에 따른 PEDOT:PSS 구조 및 일함수 값의 변화를 나타내는 도면이다.
도 14는 본 발명의 실험 예에 따른 열처리 고정의 수행시간에 따라 변화하는 제백 계수와 에너지 레벨 차이 값을 나타내는 그래프이다.
도 15는 본 발명의 실험 예에 따른 에너지 레벨 차이로 에너지 장벽을 가지는 복합체 박막과 에너지 장벽이 없는 복합체 박막의 밴드 다이어그램 개략도이다.
도 16은 본 발명의 실험 예에 따른 복합체 박막 구조체의 전기전도도를 나타내는 그래프이다.
도 17은 본 발명의 실험 예에 따른 복합체 박막 구조체의 열전 역률(power factor)을 나타내는 그래프이다.
도 18은 도 18은 본 발명의 실험 예에 따른 열처리 공정 수행시간이 0, 10, 120분인 PEDOT:PSS/Bi2Te3 나노 와이어 복합체 박막의 GIWAXS(grazing incident wide-angle X-ray) 패턴이다.
도 19는 본 발명의 실험 예에 따른 결과를 나타내기 위한 그래프이다.1 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a composite thin film with improved thermoelectric performance according to an embodiment of the present invention.
2 to 4 are cross-sectional views of a process according to an embodiment of the present invention.
5 to 6 are views showing a manufacturing process of the composite thin film structure according to an embodiment of the present invention.
7 is a view of taking an image for explaining the internal structure of the composite thin film according to an embodiment of the present invention.
8 to 11 are graphs comparing the characteristics of the composite thin film structure according to the heat treatment process time of the composite thin film according to an embodiment of the present invention.
12 is a graph of work function values according to PSS and PEDOT ratios of the composite thin film according to an embodiment of the present invention.
13 is a view showing changes in PEDOT:PSS structure and work function values according to the duration of a heat treatment process according to an embodiment of the present invention.
14 is a graph showing a difference between a Seebeck coefficient and an energy level that changes according to a time for performing heat treatment and fixing according to an experimental example of the present invention.
15 is a schematic band diagram of a composite thin film having an energy barrier and a composite thin film without an energy barrier due to a difference in energy level according to an experimental example of the present invention.
16 is a graph showing the electrical conductivity of the composite thin film structure according to an experimental example of the present invention.
17 is a graph showing the thermoelectric power factor (power factor) of the composite thin film structure according to an experimental example of the present invention.
18 is a grazing incident wide-angle X-ray (GIWAXS) pattern of a PEDOT:PSS/Bi 2 Te 3 nanowire composite thin film in which the heat treatment process execution time is 0, 10, and 120 minutes according to an experimental example of the present invention. .
19 is a graph for showing results according to an experimental example of the present invention.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the technical spirit of the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided so that the disclosed content may be thorough and complete, and the spirit of the present invention may be sufficiently conveyed to those skilled in the art.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. In this specification, when a component is referred to as being on another component, it may be directly formed on the other component or a third component may be interposed therebetween. In addition, in the drawings, thicknesses of films and regions are exaggerated for effective description of technical content.
또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.In addition, in various embodiments of the present specification, terms such as first, second, third, etc. are used to describe various components, but these components should not be limited by these terms. These terms are only used to distinguish one component from another. Accordingly, what is referred to as a first component in one embodiment may be referred to as a second component in another embodiment. Each embodiment described and illustrated herein also includes a complementary embodiment thereof. In addition, in the present specification, 'and/or' is used to mean including at least one of the elements listed before and after.
명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다. In the specification, the singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. In addition, terms such as "comprise" or "have" are intended to designate that a feature, number, step, element, or a combination thereof described in the specification is present, and one or more other features, numbers, steps, configuration It should not be construed as excluding the possibility of the presence or addition of elements or combinations thereof.
또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.In addition, in the following description of the present invention, if it is determined that a detailed description of a related well-known function or configuration may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 복합체 박막구조체를 제조하기 위한 순서도이고, 도 2 내지 도4는 본 발명의 실시 예에 따른 복합체 박막 구조체의 공정 단면도들이다.1 is a flowchart for manufacturing a composite thin film structure according to an embodiment of the present invention, and FIGS. 2 to 4 are process cross-sectional views of the composite thin film structure according to an embodiment of the present invention.
도 1및 도 2를 참조하면, 블록 A(120)와 블록 B(130)를 포함하는 블록 공중합체 및 나노 와이어(140)를 포함하는 베이스 소스가 준비된다(S100).Referring to FIGS. 1 and 2 , a base source including a block copolymer including a
예를 들어, 상기 블록 A(120)는 PEDOT(poly(3,4-ethylenedioxythiophene)) 을 포함할 수 있고, 상기 블록 B(130)는 PSS(polystyrene sulfonate)를 포함할 수 있고, 상기 블록 공중합체는 PEDOT:PSS를 포함할 수 있다. 상기 나노 와이어(140)는 Bi2Te3 나노 와이어(140)를 포함할 수 있다. For example, the
예를 들어, 상기 베이스 소스를 준비하는 단계는, 상기 나노 와이어(140)를 용매에 분산시키는 단계, 및 초음파분산기(sonicator)를 통해 상기 블록 공중합체와 상기 나노 와이어(140)가 균일하게 혼합된 용액을 제조하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 베이스 소스는 상기 Bi2Te3 나노 와이어(140)가 20wt%인 PEDOT:PSS/Bi2Te3 나노 와이어 혼합 용액으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 용매는, 에탄올을 포함할 수 있다.For example, preparing the base source may include dispersing the
기판이 준비된다. 예를 들어, 상기 기판(100)은 유리기판을 포함할 수 있다. 다른 예를 들어, 상기 기판(100)은, 실리콘 반도체 기판, 화합물 반도체 기판, 또는 플라스틱 기판일 수 있다. 상기 기판(100)의 종류는 제한되지 않는다. The substrate is prepared. For example, the
상기 기판(100) 상에, 상기 베이스 소스를 제공하여 상기 복합체 박막(110)이 형성된다(S110). The composite
일 실시 예에 따르면, 상기 베이스 소스는 스핀 코팅 공정(spin coating)으로 상기 기판(100) 상에 제공될 수 있다. 예를 들어, 상기 PEDOT:PSS/Bi2Te3 나노 와이어 용액은 1X1㎠의 유리 기판 상에 30초동안 3000rpm으로 2회 코팅된다. 다른 실시 예에 따르면, 상기 베이스 소스를 기판 상에 제공하는 방법은 스프레이 코팅(spray coating), 페인트 브러싱(paint bruching), 닥터 블레이드(doctor blade), 침지-인상법(dip drawing), 딥 코팅(dip coating), 확산코팅(Diffusion Coating), 서머텔코팅(SermeTel Coating), 졸겔 코팅(sol-gel coating), 롤러 코팅(roller coating), 플로우 코팅(flow coating)중 어느 하나일 수 있다. 상기 공정의 종류는 제한되지 않는다.According to an embodiment, the base source may be provided on the
상기 복합체 박막(110)은, 상기 블록 A(120)와 상기 블록 B(130)로 이루어진 상기 블록공중합체를 포함할 수 있고, 상기 나노 와이어(140)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 복합체 박막(110)은, 상기 블록 공중합체와 상기 나노 와이어(140)가 혼합되어 있는 형태로 상기 기판(100) 상에 형성된다. The composite
도 1및 도 3을 참조하면, 상기 블록 공중합체에서 상기 블록 B(130)를 선택적으로 제거하는 용매가 기화된 증기가 상기 복합체 박막(110)에 제공된다(S120).Referring to FIGS. 1 and 3 , a vapor in which a solvent for selectively removing the
보다 구체적으로, 상기 증기를 상기 복합체 박막(110)에 제공하는 단계는, 상기 용매와 상기 복합체 박막(110)이 코팅된 상기 기판(100)을 밀폐용기 속에 제공하는 단계, 및 상기 용매와 상기 복합체 박막(110)이 코팅된 상기 기판에 열을 가하여, 상기 용매가 기화된 상기 증기가 형성되는 단계, 및 상기 용매가 기화된 상기 증기가 상기 복합체 박막(110)에 제공되는 단계를 포함할 수 있다. More specifically, the step of providing the vapor to the composite
상술된 것과 같이, 상기 증기는 상기 블록 B(130)를 선택적으로 제거할 수 있다. 상기 블록 A(120)가 PEDOT이고, 상기 블록 B(130)가 PSS인 상기 블록공중합체는 PEDOT:PSS이고, 상기 나노 와이어(140)가 Bi2Te3 나노 와이어인 경우, 상기 블록 B(130)인 PSS를 선택적으로 제거하는 상기 증기는 극성용매를 기화시킨 증기일 수 있다. 예를 들어, 상기 극성용매는, DMSO(Dimethyl sulfoxide)를 포함할 수 있다. 또 다른 예를 들어, 상기 극성용매는 EG(Ethlene glycol), DMF(Dimethyl formamide), 또는 MeOH(Methanol) 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 상기 블록 B(130)를 선택적으로 제거하는 용매라면 상기 용매의 종류는 제한되지 않는다.As described above, the vapor may selectively remove the
도 1및 도 4를 참조하면, 상기 복합체 박막(110)내에서 상기 블록 B(130)의 적어도 일부가 제거된다(S130).1 and 4, at least a portion of the
상술된 바와 같이, 상기 용매가 기화된 상기 증기가 상기 복합체 박막(110)에 제공될 수 있다. 또한, 상기 증기가 제공된 상태에서, 열처리 공정이 수행될 수 있다.As described above, the vapor in which the solvent is vaporized may be provided to the composite
상기 열처리 공정의 초기반응시간 동안, 상기 블록 A(120)와 상기 블록 B(130)가 분리되어 위상분리가 일어날 수 있다. 예를 들어, 상기 초기반응시간은 30분일 수 있다. 상기 복합체 박막(110)은, 상기 기판(110)에 인접한 하부면 및 상기 하부면에 대항하는 상부면을 포함 할 수 있다. 상기 블록 A(120)와 상기 블록 B(130)의 위상 분리에 의해, 상기 블록 B(130)는 상기 초기반응시간 동안, 상기 복합체 박막(110)의 상기 상부면으로 이동할 수 있다. 이에 따라, 위상 분리가 일어난 상기 복합체 박막(110)에서, 상기 하부면에 인접한 하부영역보다, 상기 상부면에 인접한 상부영역의 상기 블록 B(130)의 비율이 상대적으로 높을 수 있다. During the initial reaction time of the heat treatment process, the
상기 열처리 공정의 상기 초기반응시간 이후, 상기 복합체 박막(110)의 상기 상부면 상에 상기 증기의 응결로 액적이 형성된다. 상술된 바와 같이, 상기 블록 B(130)가 상기 복합체 박막(110)의 상기 상부영역에 집중되어 있을 수 있다. 이에 따라, 상기 복합체 박막(110)상에 응결된 상기 액적에 의해, 상기 상부영역의 상기 블록 B(130)의 적어도 일부가 선택적으로(selectively) 제거될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 실질적으로(substantially), 상기 상부영역의 상기 블록 B(130)의 전부가 제거될 수 있다. 이에 따라, 상기 복합체 박막(110)에서 상기 상부영역보다, 상기 하부영역의 상기 블록 B(130)의 비율이 상대적으로 높을 수 있다. 상기 상부영역에 집중된 상기 블록 B(130)가 제거(용해)됨에 따라, 상기 복합체 박막(110)의 두께가 감소될 수 있다. 또한, 상기 복합체 박막(110)의 페르미 레벨(Fermi level) 부근의 상태 밀도(Density of states)가 감소될 수 있다. After the initial reaction time of the heat treatment process, droplets are formed by condensation of the vapor on the upper surface of the composite
상술된 바와 같이, 상기 초기반응시간 이후, 상기 열처리 공정의 시간에 따라, 상기 블록 B(130)의 제거 비율이 제어된다. 상기 열처리 공정의 시간은 90분 이상일 수 있다.As described above, after the initial reaction time, the removal rate of the
이와 달리, 상기 열처리 공정이 90분 이하로 수행되는 경우, 낮은 제백 계수 및 열전특성을 가질 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 열처리 공정은 90분을 초과하여 수행될 수 있다. 예를 들어, 상기 열처리 공정은 120분 수행될 수 있다. On the other hand, when the heat treatment process is performed for 90 minutes or less, a low Seebeck coefficient and thermoelectric characteristics may be obtained. Accordingly, according to an embodiment of the present invention, the heat treatment process may be performed for more than 90 minutes. For example, the heat treatment process may be performed for 120 minutes.
상기 블록 B(130)의 제거비율에 따라서, 상기 블록 공중합체의 페르미 레벨(Fermi level)과 상기 나노 와이어(140)의 가전자대(valence band)사이의 에너지 레벨 차이가 조절될 수 있다. 상기 나노 와이어(140)의 일함수 값에서 상기 블록 공중합체의 일함수 값의 차이는 에너지 레벨 차이 값일 수 있다. According to the removal rate of the
상기 블록 공중합체의 페르미 레벨(Fermi level)과 상기 나노 와이어(140) 가전자대(valence band)의 일함수 값의 차이는 열처리 공정의 시간에 따라서 제어될 수 있다. 상기 블록 공중합체의 일함수 값은 상기 블록 B(130)의 제거 비율에 따라 결정되며, 상기 나노 와이어(140)의 일함수의 값은 고정값일 수 있다. Bi2Te3 나노 와이어(140)일때, 상기 나노 와이어(140)의 일함수 값은 4.82eV일 수 있다. The difference between the Fermi level of the block copolymer and the work function value of the valence band of the
구체적으로, 상기 열처리 공정의 시간이 증가할수록, 상기 블록 공중합체의 일함수 값은, 감소될 수 있다. 이에 따라, 상기 열처리 공정의 시간이 증가할수록 상기 블록 공중합체와 상기 나노 와이어(140)의 일함수 값의 차이는 증가할 수 있다. Specifically, as the time of the heat treatment process increases, the work function value of the block copolymer may be decreased. Accordingly, as the time of the heat treatment process increases, the difference between the work function values of the block copolymer and the
단시간 동안 열처리되어, 상기 블록 공중합체의 일함수 값보다 상기 나노 와이어(140)의 일함수 값이 높은 경우, 상기 나노 와이어(140)의 가전자대(valence band)는 상향밴딩으로 상기 블록 공중합체의 페르미 레벨(Fermi level)과 상기 나노 와이어(140)의 가전자대(valence band) 사이에 에너지 장벽이 형성되지 않을 수 있다. 이에 따라, 높은 에너지를 가진 캐리어 뿐만 아니라 낮은 에너지를 가진 캐리어 또한 상기 가전자대(valence band)로 용이하게 수송될 수 있다. 이에 따라, 상기 복합체 박막(110)의 제백 계수가 증가되는 것이 용이하지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 열처리 공정 시간은 90분 미만일 때, 제백 계수는 낮은 값을 가질 수 있다.When heat-treated for a short time and the work function value of the
반면, 장시간 동안 열처리되어, 상기 나노 와이어(140) 의 일함수 값보다 상기 블록 공중합체의 일함수 값이 높은 경우, 에너지 필터링 효과가 나타날 수 있다. 상기 에너지 필터링 효과는 상기 블록 공중합체의 페르미 레벨(Fermi level)과 상기 나노 와이어(140)의 가전자대(valence band)사이에, 서로 다른 밴드구조로 상기 에너지 장벽이 형성되어, 상기 에너지 장벽보다 상기 높은 에너지를 가진 캐리어는 가전자대로 수송되고, 상기 에너지 장벽에 비해 상기 낮은 에너지를 가진 캐리어는 장벽에 부딪혀 분산되는 것이다. 상기 나노 와이어(140)의 가전자대(valence band)는 하향밴딩으로 상기 에너지 장벽이 형성될 수 있다. 상기 블록 공중합체의 페르미 레벨(Fermi level)과 상기 나노 와이어(140)의 가전자대(valence band)사이의 에너지 필터링 효과에 따라, 상기 낮은 에너지 캐리어는 페르미 레벨(Fermi level)에 의해 선택적으로 분산되고, 상기 낮은 에너지 캐리어에 비해 효과적으로 열을 운반할 수 있는 상기 높은 에너지 캐리어가 상기 나노 와이어(140)의 가전자대(valence band)로 수송되어, 제백 계수가 증가될 수 있다. 예를 들어, 90분 이상 열처리되는 경우, 제백 계수가 증가할 수 있다. On the other hand, when the work function value of the block copolymer is higher than the work function value of the
상술된 바와 같이, 90분 이상 열처리되어 상기 블록 B(130)가 제거될 수 있고, 상술된 것과 같이, 최적의 에너지 레벨차이가 생성되어 제백 계수가 최대값을 가질 수 있다. 예를 들어 상기 열처리 공정 시간이 120분인 경우, 에너지 레벨의 차이는 0.11eV이고, 제백 계수는 47㎶/K의 최대값을 가질 수 있다. 이에 따라 열전 역률(power factor)의 값이 최대일 수 있다. 상기 최대값을 가지는 열전 역률(power factor)에 의해, 열전 성능이 향상된 상기 복합체 박막 구조체를 제조할 수 있다.As described above, the
본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 블록 A(120) 및 상기 블록 B(130)를 포함하는 상기 블록 공중합체와 상기 나노 와이어(140)로 형성된 상기 복합체 박막(110) 상에, 상기 블록 B(130)를 선택적으로 제거할 수 있는 상기 용매를 기화시킨 상기 증기가 제공될 수 있다. 상기 기판에 열을 가하는 상기 열처리 공정의 수행시간 동안, 상기 블록 B(130)가 상기 증기에 의해 선택적으로 제거될 수 있다. 이에 따라, 상기 복합체 박막의 제백 계수가 개선되고, 열전 특성이 향상될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, on the composite
또한, 상기 블록 B(130)가 선택적으로 제거되는 제거 비율은, 상기 열처리 공정의 수행시간에 의해 결정될 수 있고, 상기 블록 B(130)의 제거비율에 따라서, 상기 블록 공중합체의 페르미 레벨과 상기 나노 와이어(140)의 가전자대 사이에 에너지 레벨 차이가 0.11eV가 되도록 제어될 수 있다. 이에 따라, 상기 복합체 박막의 제백 계수가 증가하고, 열전 특성이 향상될 수 있다.In addition, the removal rate at which the
이하, 본 발명의 구체적인 실험 예에 따른 복합체 박막 구조체의 특성 평가 결과가 설명된다. Hereinafter, the characteristic evaluation result of the composite thin film structure according to a specific experimental example of the present invention will be described.
실험 예에 따른 복합체 박막 구조체의 제조Preparation of a composite thin film structure according to an experimental example
도 5는 본 발명의 실험 예에 따른 복합체 박막 구조체의 코팅 및 열처리 공정을 설명하기 위한 도면이다.5 is a view for explaining the coating and heat treatment process of the composite thin film structure according to an experimental example of the present invention.
도 5를 참조하면, 기판으로 유리기판을 준비하고, 블록 공중합체로 PEDOT: PSS를 준비하고, Bi2Te3 나노 와이어를 준비하였다.Referring to FIG. 5 , a glass substrate was prepared as a substrate, PEDOT: PSS was prepared as a block copolymer, and Bi 2 Te 3 nanowires were prepared.
상기 PEDOT: PSS와 상기 Bi2Te3 나노 와이어를 초음파 분산기(sonicator)로 혼합하여, 상기 Bi2Te3 나노 와이어의 비율이 20%인 PEDOT:PSS/Bi2Te3 나노 와이어 혼합용액을 제조하였다. 상기 혼합 용액을 1x1㎠의 크기를 가지는 상기 유리기판 상에 30초동안 3000rpm으로 스핀코팅을 2회 진행하였다. 이에 따라, 복합체 박막이 상기 유리기판 상에 형성되었다.The PEDOT: PSS and the Bi 2 Te 3 nanowire were mixed with an ultrasonic disperser (sonicator) to prepare a PEDOT:PSS/Bi 2 Te 3 nanowire mixed solution in which the ratio of the Bi 2 Te 3 nanowire was 20%. . The mixed solution was spin-coated twice at 3000 rpm for 30 seconds on the glass substrate having a size of 1×1
극성 용매로 DMSO(dimethyl sulfoxide)를 준비하였다. 상기 극성용매인 DMSO 0.2mL 를 기화시키기 위해 바이알의 뚜껑을 닫고 170℃에서 1분간 열을 가하였다. 이후, 스핀 코팅된 상기 복합체 박막은 170℃에서 DMSO 증기 아래 습윤상태로 5, 10, 20, 30, 60, 90, 120, 180 및 240분간의 다양한 시간대에서 열처리 공정이 진행되었다. 열처리 공정 이후, 150℃에서 30분간 어닐링하여, 잔여 용매를 제거한 뒤, 실험 예 1에 따른 복합체 박막 구조체를 제조하였다. DMSO (dimethyl sulfoxide) was prepared as a polar solvent. To vaporize 0.2 mL of DMSO, the polar solvent, the lid of the vial was closed and heat was applied at 170° C. for 1 minute. Thereafter, the spin-coated composite thin film was subjected to a heat treatment process at various times of 5, 10, 20, 30, 60, 90, 120, 180 and 240 minutes in a wet state under DMSO vapor at 170°C. After the heat treatment process, annealing at 150° C. for 30 minutes to remove the residual solvent, a composite thin film structure according to Experimental Example 1 was prepared.
도 6은 본 발명의 실험 예에 따른 복합체 박막 구조체의 열처리 공정 시간에 따른 PSS 제거 비율의 변화를 설명하기 위한 도면이다.6 is a view for explaining a change in the PSS removal rate according to the heat treatment process time of the composite thin film structure according to the experimental example of the present invention.
도 6을 참조하면, 상기 복합체 박막에서 초기반응시간 30분 이내에서 상기 PSS의 위상분리가 발생하여 상기 복합체 박막의 상부면에 인접한 상부영역으로 상기 PSS가 집중된다. 상기 초기반응시간 30분 이후 상기 상부영역에 집중된 상기 PSS의 적어도 일부가 제거되어 상기 상부영역보다 하부면에 인접한 하부영역의 상기 PSS의 비율이 높을 수 있는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 6 , phase separation of the PSS occurs within an initial reaction time of 30 minutes in the composite thin film, and the PSS is concentrated in an upper region adjacent to the upper surface of the composite thin film. After 30 minutes of the initial reaction time, at least a portion of the PSS concentrated in the upper region is removed, and it can be seen that the ratio of the PSS in the lower region adjacent to the lower surface may be higher than that in the upper region.
도 7은 본 발명의 실험 예에 따른 복합체 박막 내부 구조를 설명하기 위한 이미지를 촬영한 도면이다. 7 is a view of taking an image for explaining the internal structure of the composite thin film according to an experimental example of the present invention.
도 7을 참조하면, 상술된 바와 같이 도 7의 (a)는 상기 복합체 박막 내의 Bi2Te3 나노 와이어의 상면도 SEM 이미지이고, 도 7의 (b)는 상기 복합체 박막 내의 PEDOT:PSS/Bi2Te3 나노 와이어 상기 복합체 박막 구조체의 단면도이고, 도 7의 (c)는 상기 복합체 박막 내의 PEDOT:PSS 매트릭스에 임베디드된 상기 Bi2Te3 나노 와이어의 TEM 이미지이다. 도 7의 (d)~도 7의 (g)는 도 7의 (c)의 STEM-EDS 매핑을 설명하기 위한 도면이다. 도 7의 (c)와 같이 상기 Bi2Te3 나노 와이어가 임베디드 되어있음을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 7, as described above, (a) of FIG. 7 is a top view SEM image of Bi 2 Te 3 nanowires in the composite thin film, and FIG. 7 (b) is PEDOT:PSS/Bi in the composite thin film. 2 Te 3 Nanowires It is a cross-sectional view of the composite thin film structure, and FIG. 7C is a TEM image of the Bi 2 Te 3 nanowires embedded in the PEDOT:PSS matrix in the composite thin film. 7 (d) to 7 (g) are diagrams for explaining the STEM-EDS mapping of FIG. 7 (c). It can be confirmed that the Bi 2 Te 3 nanowire is embedded as shown in FIG. 7(c).
도 8은 본 발명의 실험 예에 따른 복합체 박막의 열처리 공정 수행시간에 따른 UPS(ultraviolet photoelectron spectroscopy) 결과 그래프이다. 8 is a graph showing the results of ultraviolet photoelectron spectroscopy (UPS) according to the heat treatment process execution time of the composite thin film according to an experimental example of the present invention.
도 8을 참조하면, 상술된 본 발명의 실험 예에 따른 상기 복합체 박막의 열처리 공정 수행시간을 0분, 10분, 30분, 60분, 120분으로 제어하면서, UPS를 측정하였다. 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 열처리 공정이 수행되는 동안, 강도가 증가한다. 상기 실험 예에 따르면 열처리 공정시간 0분, 10분, 30분, 60분 120분 중 120분에서 제백 계수가 가장 높은 값을 가지는 것을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 8 , the UPS was measured while controlling the heat treatment process execution time of the composite thin film according to the above-described experimental example of the present invention to 0 minutes, 10 minutes, 30 minutes, 60 minutes, and 120 minutes. As shown in FIG. 8 , the strength increases while the heat treatment process is performed. According to the experimental example, it can be seen that the Seebeck coefficient has the highest value at 120 minutes among the heat treatment process times of 0 minutes, 10 minutes, 30 minutes, 60 minutes and 120 minutes.
도 9는 본 발명의 실험 예에 따른 복합체 박막의 열처리 공정 수행시간에 따른 복합체 박막 내의 PEDOT:PSS 일함수 변화의 그래프이다.9 is a graph of the PEDOT:PSS work function change in the composite thin film according to the heat treatment process execution time of the composite thin film according to an experimental example of the present invention.
도 9를 참조하면, UPS 수행으로 일함수 값을 측정했다. 상기 열처리 공정 수행시간에 따른 일함수의 변화는 그래프와 같고, 회색 점은 Bi2Te3 나노 와이어의 일함수 값을 나타낸다. 열처리 공정 수행시간에 따라 PSS 와 PEDOT의 비율이 감소하여, 상기 PEDOT:PSS 의 일함수 값이 감소하는 것을 나타낸다. 상기 Bi2Te3 나노 와이어의 일함수 값은 4.83eV로 고정 값이다. 상기 PSS의 제거 비율에 따라 변화하는 상기 PEDOT:PSS 일함수 값에 따라 상기 Bi2Te3 나노 와이어 일함수와 상기 PEDOT:PSS의 일함수 값의 차이가 발생하는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 9 , the work function value was measured by performing the UPS. The change of the work function according to the heat treatment process execution time is as shown in the graph, and the gray dot represents the work function value of the Bi 2 Te 3 nanowire. The ratio of PSS and PEDOT decreases according to the heat treatment process execution time, indicating that the work function value of PEDOT:PSS decreases. The work function value of the Bi 2 Te 3 nanowire is a fixed value of 4.83 eV. It can be seen that a difference between the Bi 2 Te 3 nanowire work function and the PEDOT:PSS work function value occurs according to the PEDOT:PSS work function value that changes according to the removal ratio of the PSS.
도 10은 본 발명의 실험 예에 따른 복합체 박막의 표준화 S2P XPS 그래프이다.10 is a standardized S2P XPS graph of a composite thin film according to an experimental example of the present invention.
도 10을 참조하면, 열처리 공정 시간에 따라 상기 복합체 박막 내의 PSS:PEDOT의 비율이 감소하고 그에 따라 일함수 값이 변화한다는 것을 확인하였다. XPS스펙트럼에는 두개의 피크가 있다. 하나는 PSS에 해당하는 높은 결합에너지에 위치하고, 다른 하나는 PEDOT에 해당하는 낮은 결합에너지에 위치한다. 상기 PSS에서 발생하는 강도는 장시간 진행되는 상기 열처리 공정 시간 동안, 상당히 감소한다.Referring to FIG. 10 , it was confirmed that the ratio of PSS:PEDOT in the composite thin film decreased according to the heat treatment process time, and the work function value was changed accordingly. There are two peaks in the XPS spectrum. One is located at a high binding energy corresponding to PSS, and the other is located at a low binding energy corresponding to PEDOT. The strength generated in the PSS decreases significantly during the long-running heat treatment process time.
도 11는 본 발명의 실험 예에 따른 복합체 박막 내 PEDOT:PSS 블록 공중합체의 열처리 공정 수행 시간에 따라 변화하는 PSS와 PEDOT 비율을 나타내는 그래프이다.11 is a graph showing the PSS and PEDOT ratios that change according to the heat treatment process execution time of the PEDOT:PSS block copolymer in the composite thin film according to the experimental example of the present invention.
도 11를 참조하면, 상기 열처리 공정 수행 시간에 따른 그래프로 상기 PSS와 상기 PEDOT의 비율을 나타낸다. 단시간 동안 진행한 상기 열처리 공정에 따라, 상기 열처리 공정 시간 5분에 상기 PEDOT 과 상기 PSS의 위상분리가 발생하여, 상부 영역에서의 상기 PSS의 농도가 증가함을 나타낸다. 이후, 상기 복합체 박막에 상기 열처리 공정을 장시간 동안 진행했을 때, 상기 PSS의 제거가 발생한다. 상기 열처리 공정 90분부터 상기 상부영역에서의 상기 PSS 제거가 포화상태가 되는 것을 확인 할 수 있다.Referring to FIG. 11 , the ratio of the PSS to the PEDOT is shown in a graph according to the time for performing the heat treatment process. According to the heat treatment process performed for a short time, phase separation between the PEDOT and the PSS occurs at 5 minutes of the heat treatment process time, indicating that the concentration of the PSS in the upper region increases. Then, when the heat treatment process is performed on the composite thin film for a long time, the PSS is removed. It can be seen that the PSS removal in the upper region is saturated from 90 minutes of the heat treatment process.
도 12는 본 발명의 실험 예에 따른 복합체 박막 내 PSS와 PEDOT 비율에 따른 일함수 값의 그래프이다.12 is a graph of work function values according to PSS and PEDOT ratios in a composite thin film according to an experimental example of the present invention.
도 12를 참조하면, 상기 PSS 와 상기 PEDOT의 비율에 따라, 상기 복합체 박막 내의 PEDOT:PSS 일함수 값이 변화하는 것을 확인할 수 있다. 상기 PSS의 비율이 증가할수록 일함수의 값이 증가함을 알 수 있다. 상기 회색 점은 Bi2Te3 나노 와이어의 일함수 값으로 고정 값인 것을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 12 , it can be seen that the PEDOT:PSS work function value in the composite thin film changes according to the ratio of the PSS to the PEDOT. It can be seen that the value of the work function increases as the ratio of the PSS increases. It can be seen that the gray dot is a fixed value as the work function value of the Bi 2 Te 3 nanowire.
도 13은 본 발명의 실험 예에 따른 복합체 박막의 열처리 공정 수행 시간(0분, 10분, 120분)에 따른 PEDOT:PSS 구조 및 일함수 값의 변화에 대한 도면이다.13 is a view showing the change of PEDOT:PSS structure and work function value according to the heat treatment process execution time (0 min, 10 min, 120 min) of the composite thin film according to an experimental example of the present invention.
도 13을 참조하면, 상기 열처리 공정 수행 시간 10분에 위상분리가 발생하여 PSS가 페르미 레벨 부근으로 집중된 것을 확인할 수 있다. 이후 상기 열처리 공정 수행 시간 120분의 상기 PSS를 확인하면, 페르미 레벨 부근의 상기 PSS가 제거되어 페르미 레벨 부근에 대항하는 하부 영역의 상기 PSS가 페르미 레벨 부근의 상기 PSS 비율보다 상대적으로 많은 양을 가지는 것을 확인할 수 있다. 상기 복합체 박막의 상기 상부 영역에 상기 PSS가 집중되어 있어 페르미 레벨(Fermi level) 부근의 상태 밀도(density of states)가 감소함을 확인 할 수 있다.Referring to FIG. 13 , it can be seen that the phase separation occurred at 10 minutes of performing the heat treatment process, and thus PSS was concentrated near the Fermi level. Thereafter, when the PSS of 120 minutes for performing the heat treatment process is confirmed, the PSS near the Fermi level is removed, so that the PSS in the lower region opposite to the vicinity of the Fermi level has a relatively larger amount than the PSS ratio near the Fermi level that can be checked Since the PSS is concentrated in the upper region of the composite thin film, it can be confirmed that the density of states near the Fermi level is reduced.
도 14은 본 발명의 실험 예에 따른 실온에서 측정한 복합체 박막의 열처리 공정의 수행 시간에 따라 변화하는 제백 계수와 에너지 레벨 차이(barrier energy) 값 그래프이다.14 is a graph of the Seebeck coefficient and the energy level difference (barrier energy) value that change according to the execution time of the heat treatment process of the composite thin film measured at room temperature according to an experimental example of the present invention.
도 14을 참조하면, 에너지 레벨 차이 값이 0보다 작을 때 제백 계수는 상대적으로 낮지만, 에너지 레벨 차이 값이 0보다 클 때 제백 계수는 상대적으로 큰 값을 가지는 것을 확인할 수 있다. 일함수 값의 조정으로 에너지 레벨 차이 값을 최적화 하면 제백 계수를 증가시킬 수 있다는 것을 알 수 있다. 특히, 에너지 레벨 차이 값이 0.11eV일 때 제백 계수가 최대값을 가지는 상기 열처리 공정 수행 시간이 120분인 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 14 , when the energy level difference value is less than 0, the Seebeck coefficient is relatively low, but when the energy level difference value is greater than 0, it can be confirmed that the Seebeck coefficient has a relatively large value. It can be seen that the Seebeck coefficient can be increased by optimizing the energy level difference value by adjusting the work function value. In particular, it can be seen that when the energy level difference value is 0.11 eV, the time for performing the heat treatment process having the maximum Seebeck coefficient is 120 minutes.
도 15는 본 발명의 실험 예에 따른 에너지 레벨 차이로 에너지 장벽을 가지는 복합체 박막과 에너지 장벽이 없는 복합체 박막의 밴드 다이어그램 개략도이다. 15 is a schematic band diagram of a composite thin film having an energy barrier and a composite thin film without an energy barrier due to a difference in energy level according to an experimental example of the present invention.
도 15를 참조하면, 상단의 개략도는 PEDOT:PSS 페르미 레벨의 일함수 값이 Bi2Te3 나노 와이어의 일함수 값보다 클 때, 상기 Bi2Te3 나노 와이어의 가전자대가 상향 밴딩을 가져 상기 에너지 장벽이 형성되지 않아 상기 낮은 에너지를 가진 캐리어와 상기 높은 에너지를 가진 캐리어가 모두 상기 Bi2Te3 나노 와이어의 가전자대로 수송된다. 반면 하단의 개략도는 상기 PEDOT:PSS 페르미 레벨의 일함수 값이 상기 Bi2Te3 나노 와이어의 일함수 값보다 작을 때, 상기 에너지 장벽이 형성된다. 상기 낮은 에너지를 가진 캐리어는 상기 에너지장벽에 부딪혀 페르미 레벨에 의해 선택적으로 분산되고 상기 높은 에너지를 가진 캐리어는 상기 Bi2Te3 나노 와이어의 가전자대로 수송되는 것을 확인할 수 있다. 15, the schematic diagram of the top of the PEDOT: PSS Fermi level of the work function value of the Bi 2 Te 3 is greater than the work function value of the nanowire, the import valence upward bending of the Bi 2 Te 3 nanowires Since no energy barrier is formed, both the carrier with the low energy and the carrier with the high energy are transported to the valence band of the Bi 2 Te 3 nanowire. On the other hand, the schematic diagram at the bottom shows that when the work function value of the PEDOT:PSS Fermi level is smaller than the work function value of the Bi 2 Te 3 nanowire, the energy barrier is formed. It can be seen that the carriers having the low energy collide with the energy barrier and are selectively dispersed by the Fermi level, and the carriers having the high energy are transported to the valence band of the Bi 2 Te 3 nanowire.
도 16는 본 발명의 실험 예에 따른 실온에서 측정한 복합체 박막의 열처리 공정 수행시간에 따른 PEDOT:PSS/Bi2Te3 나노 와이어 복합체 박막의 전기전도도 변화 그래프이다.16 is a graph showing the change in electrical conductivity of the PEDOT:PSS/Bi 2 Te 3 nanowire composite thin film according to the heat treatment process execution time of the composite thin film measured at room temperature according to an experimental example of the present invention.
도 16를 참조하면, 복합체 박막의 상기 열처리 공정 수행 시간에 따라 상기 복합체 박막의 전기전도도가 증가하는 것을 확인할 수 있다. 전기전도도는 상기 열처리 공정 수행시간이 지속될수록 증가하다 상기 열처리 공정시간 90분에서 포화상태가 되는 것을 확인할 수 있다. 90분에서 실질적으로 상기 PSS의 제거가 대부분 완료되어 120분에서 가장 높은 전기전도도 값을 가지는 것을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 16 , it can be seen that the electrical conductivity of the composite thin film increases according to the heat treatment time of the composite thin film. The electrical conductivity increases as the heat treatment process duration continues, and it can be seen that the heat treatment process time becomes saturated at 90 minutes. It can be seen that the PSS is substantially removed at 90 minutes and has the highest electrical conductivity value at 120 minutes.
도 17은 본 발명의 실험 예에 따른 실온에서 측정한 복합체 박막의 열처리 공정 수행시간에 따라 PEDOT:PSS/Bi2Te3 나노 와이어 복합체 박막의 열전 역률(power factor)이 변화되는 그래프이다.17 is a graph showing changes in the thermoelectric power factor (power factor) of the PEDOT:PSS/Bi 2 Te 3 nanowire composite thin film according to the heat treatment process execution time of the composite thin film measured at room temperature according to an experimental example of the present invention.
도 17을 참조하면, 상기 복합체 박막의 상기 열처리 공정 수행 시간에 따라 열전 역률(power factor)이 증가하는 것을 확인 할 수 있다. 열전 역률(power factor)는 S2σ으로, 제백 계수(S)와 전기전도도(σ)의 값이 증가함에 따라, 열전 역률(power factor)d의 값 또한 증가한다. Referring to FIG. 17 , it can be seen that the thermoelectric power factor of the composite thin film increases according to the heat treatment process execution time. The thermoelectric power factor is S 2 σ, and as the values of the Seebeck coefficient (S) and the electrical conductivity (σ) increase, the value of the thermoelectric power factor d also increases.
도 18은 본 발명의 실험 예에 따른 복합체 박막의 열처리 공정 수행시간이 0, 10, 120분인 PEDOT:PSS/Bi2Te3 나노 와이어 복합체 박막의 GIWAXS(grazing incident wide-angle X-ray) 패턴이다.18 is a grazing incident wide-angle X-ray (GIWAXS) pattern of a PEDOT:PSS/Bi 2 Te 3 nanowire composite thin film in which the heat treatment process time of the composite thin film according to an experimental example of the present invention is 0, 10, and 120 minutes. .
도 18을 참조하면, 전기전도도 값에 기여하는 상기 복합체 박막의 상기 열처리 공정 효과를 확인하기 위해, 상기 복합체 박막을 GIWAXS를 통해 측정하였다. 상기 측정의 샘플은 0분, 10분, 120분으로 측정하였다. 도 18에 도시된 바와 같이, 상기 열처리 공정 수행 시간 10분에서 PEDOT이 위상분리 및 PSS 제거에 따라 PEDOT 체인이 잘 연결되어 있는 것을 확인할 수 있다. 링 패턴의 강도는 PEDOT:PSS 매트릭스 경사의 Bi2Te3 나노 와이어의 분포에 따라 약 60˚ ~ 120˚ 사이에서 현저히 감소한다. 상기 순수 PEDOT:PSS 박막 또한, 상기 Bi2Te3 나노 와이어로부터 강한 확산, 분산없이 유사한 산란패턴을 보인다.Referring to FIG. 18 , in order to confirm the effect of the heat treatment process of the composite thin film contributing to the electrical conductivity value, the composite thin film was measured through GIWAXS. Samples of the above measurements were measured at 0 min, 10 min, and 120 min. As shown in FIG. 18 , it can be seen that the PEDOT chain is well connected according to the phase separation of the PEDOT and the removal of the PSS at 10 minutes of the heat treatment process execution time. The strength of the ring pattern significantly decreases between about 60˚ and 120˚ depending on the distribution of Bi 2 Te 3 nanowires in the PEDOT:PSS matrix gradient. The pure PEDOT:PSS thin film also showed a similar scattering pattern without strong diffusion or dispersion from the Bi 2 Te 3 nanowire.
도 19는 본 발명의 실험 예에 따른 결과를 나타내기 위한 그래프이다.19 is a graph for showing results according to an experimental example of the present invention.
도 19를 참조하면, 복합체 박막의 열처리 공정 수행 시간 90분에서 PSS제거의 포화가 발생한다. 이후, 상기 열처리 공정 수행 시간 120분에서 상기 복합체 박막이 블록 공중합체인 PEDOT:PSS의 페르미 레벨과 Bi2Te3 나노 와이어의 가전자대 사이의 에너지 레벨 차이 값에 의해 에너지 장벽이 형성된다. 형성된 상기 에너지 장벽에 의해 높은 에너지를 가진 캐리어만 상기 Bi2Te3 나노 와이어의 가전자대로 수송되어 에너지 필터링 효과가 발생한다. 이에 따라, 제백 계수가 증가하는 것을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 19 , saturation of PSS removal occurs at 90 minutes of heat treatment process execution time of the composite thin film. Thereafter, an energy barrier is formed by the energy level difference value between the Fermi level of PEDOT:PSS, in which the composite thin film is a block copolymer, and the valence band of the Bi 2 Te 3 nanowire at 120 minutes of the heat treatment process execution time. Only carriers having high energy are transported to the valence band of the Bi 2 Te 3 nanowire by the formed energy barrier, thereby generating an energy filtering effect. Accordingly, it can be seen that the Seebeck coefficient increases.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.As mentioned above, although the present invention has been described in detail using preferred embodiments, the scope of the present invention is not limited to specific embodiments and should be construed according to the appended claims. In addition, those skilled in the art will understand that many modifications and variations are possible without departing from the scope of the present invention.
110: 복합체 박막
120: 블록 A
130: 블록 B
140: 나노 와이어110: composite thin film
120: block A
130: block B
140: nano wire
Claims (13)
기판 상에, 상기 베이스 소스를 제공하여, 복합체 박막을 형성하는 단계;
상기 블록 공중합체에서 상기 블록 B를 선택적으로 제거하는 용매가 기화된 증기를 상기 복합체 박막에 제공하여, 상기 복합체 박막 내에서 상기 블록 B의 적어도 일부를 제거하는 단계를 포함하되,
열처리가 기준 시간 동안 수행되는 동안, 상기 블록 A와 상기 블록 B가 분리되고,
상기 기준 시간 이후, 분리된 상기 블록 B가 제거되어, 상기 블록 공중합체의 페르미 레벨(Fermi level) 부근의 상태 밀도(density of states)가 감소되는 것을 포함하는 복합체 박막 구조체의 제조 방법.
Preparing a block copolymer including block A and block B, and a base source including nanowires;
providing the base source on a substrate to form a composite thin film;
Providing a vapor in which a solvent for selectively removing the block B from the block copolymer is vaporized to the composite thin film, comprising the step of removing at least a portion of the block B in the composite thin film,
While the heat treatment is performed for a reference time, the block A and the block B are separated,
After the reference time, the separated block B is removed, and the density of states near the Fermi level of the block copolymer is reduced.
상기 용매는 극성용매를 포함하는 복합체 박막 구조체의 제조방법.
According to claim 1,
The solvent is a method of manufacturing a composite thin film structure comprising a polar solvent.
상기 극성용매는 DMSO(Dimethyl sulfoxide), EG(Ethylene glycol), DMF(Dimethyl formamide), 또는 MeOH(Methanol) 중에서 적어도 어느 하나를 포함하는 복합체 박막 구조체의 제조방법.
3. The method of claim 2,
The polar solvent is DMSO (Dimethyl sulfoxide), EG (Ethylene glycol), DMF (Dimethyl formamide), or MeOH (Methanol) method of manufacturing a composite thin film structure comprising at least one of.
상기 용매가 기화된 상기 증기가, 상기 복합체 박막에 제공되는 동안, 열처리되는 것을 포함하는 복합체 박막 구조체의 제조방법.
According to claim 1,
While the vapor in which the solvent is vaporized is provided to the composite thin film, a method of manufacturing a composite thin film structure comprising a heat treatment.
상기 블록 공중합체의 페르미 레벨(Fermi level)과 상기 나노 와이어의 가전자대(valence band) 사이의 에너지 레벨 차이는, 상기 열처리 시간에 의해 조절되는 것을 포함하는 복합체 박막 구조체의 제조방법.
5. The method of claim 4,
The energy level difference between the Fermi level of the block copolymer and the valence band of the nanowire is a method of manufacturing a composite thin film structure comprising controlling the heat treatment time.
120분 동안 열처리되는 경우, 제백 계수가 최대값인 것을 포함하는 복합체 박막 구조체의 제조방법.
6. The method of claim 5,
When the heat treatment is performed for 120 minutes, the method of manufacturing a composite thin film structure comprising that the Seebeck coefficient is a maximum value.
상기 열처리 시간에 의해, 상기 블록 공중합체에서 상기 블록 B의 제거 비율이, 제어되고,
상기 블록 B의 제거 비율에 따라서, 상기 복합체 박막의 제백 계수가 제어되는 것을 포함하는 복합체 박막 구조체의 제조방법.
6. The method of claim 5,
By the heat treatment time, the removal rate of the block B in the block copolymer is controlled,
According to the removal rate of the block B, the method of manufacturing a composite thin film structure comprising controlling the Seebeck coefficient of the composite thin film.
상기 블록 공중합체의 페르미 레벨(Fermi level)과 상기 나노 와이어의 가전자대(valence band) 사이에 에너지 레벨 차이가 제공되어, 에너지 장벽이 형성되고,
상대적으로 낮은 에너지를 갖는 캐리어는 상기 에너지 장벽에 의해 상기 나노 와이어의 가전자대(valence band)로 수송되는 것이 선택적으로 방지되고,
상대적으로 높은 에너지 캐리어는 상기 나노 와이어의 가전자대(valence band)로 수송되는 것을 포함하는 복합체 박막 구조체의 제조 방법.
According to claim 1,
An energy level difference is provided between a Fermi level of the block copolymer and a valence band of the nanowire, an energy barrier is formed,
Carriers having a relatively low energy are selectively prevented from being transported to the valence band of the nanowire by the energy barrier,
A method of manufacturing a composite thin film structure comprising transporting a relatively high energy carrier to a valence band of the nanowire.
기판 상에, 상기 베이스 소스를 제공하여, 복합체 박막을 형성하는 단계;
상기 블록 공중합체에서 상기 블록 B를 선택적으로 제거하는 용매가 기화된 증기를 상기 복합체 박막에 제공하여, 상기 복합체 박막 내에서 상기 블록 B의 적어도 일부를 제거하는 단계를 포함하되,
상기 블록B가 제거됨에 따라, 상기 복합체 박막의 두께가 감소되는 것을 포함하는 복합체 박막 구조체의 제조 방법.
Preparing a block copolymer including block A and block B, and a base source including nanowires;
providing the base source on a substrate to form a composite thin film;
A solvent vaporized vapor for selectively removing the block B from the block copolymer is provided to the composite thin film to remove at least a portion of the block B from the composite thin film,
As the block B is removed, the method of manufacturing a composite thin film structure comprising reducing the thickness of the composite thin film.
상기 기판 상에 배치되고, 블록 A와 블록 B의 블록공중합체 및 나노 와이어를 포함하는 복합체 박막을 포함하되,
상기 블록 공중합체의 페르미 레벨(Fermi level)과 상기 나노 와이어의 가전자대(valence band) 사이에 에너지 레벨 차이가 제공되어, 에너지 장벽이 형성되고,
상대적으로 낮은 에너지를 갖는 캐리어는 상기 에너지 장벽에 의해 상기 나노 와이어의 가전자대(valence band)로 수송되는 것이 선택적으로 방지되고,
상대적으로 높은 에너지 캐리어는 상기 나노 와이어의 가전자대(valence band)로 수송되는 것을 포함하는 복합체 박막 구조체.
Board; and
A composite thin film disposed on the substrate and comprising a block copolymer of block A and block B and a nanowire,
An energy level difference is provided between a Fermi level of the block copolymer and a valence band of the nanowire, an energy barrier is formed,
Carriers having a relatively low energy are selectively prevented from being transported to the valence band of the nanowire by the energy barrier,
A composite thin film structure comprising a relatively high energy carrier transported to a valence band of the nanowire.
상기 블록 A는 PEDOT인 것을 포함하고,
상기 블록 B는 PSS 인 것을 포함하고,
상기 블록 공중합체는 PEDOT:PSS인 것을 포함하고,
상기 나노 와이어는 Bi2Te3 나노 와이어인 것을 포함하는 복합체 박막 구조체.
11. The method of claim 10,
The block A comprises that PEDOT,
Including that the block B is PSS,
The block copolymer includes that of PEDOT: PSS,
The nanowire is a Bi 2 Te 3 composite thin film structure comprising a nanowire.
상기 에너지 레벨 차이는, 0.11~0.12eV 인 것을 포함하는 복합체 박막 구조체.
11. The method of claim 10,
The energy level difference is a composite thin film structure comprising that of 0.11 ~ 0.12eV.
상기 복합체 박막은, 상기 기판에 인접한 하부면 및 상기 하부면에 대항하는 상부면을 포함하고,
상기 복합체 박막의 상기 하부면에 인접한 하부영역은, 상기 복합체 박막의 상부면에 인접한 상부영역보다, 상기 블록 B의 비율이 높은 것을 포함하는 복합체 박막 구조체.
11. The method of claim 10,
The composite thin film includes a lower surface adjacent to the substrate and an upper surface opposing the lower surface,
The lower region adjacent to the lower surface of the composite thin film, the composite thin film structure comprising a higher ratio of the block B than the upper region adjacent to the upper surface of the composite thin film.
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