KR102338444B1 - 고저항 tmdc 물질의 제벡계수 측정 방법 - Google Patents

고저항 tmdc 물질의 제벡계수 측정 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 고저항 TMDC 물질의 제벡계수 측정 방법은 기판 상에 제벡계수(Seebeck coefficient)의 측정대상인 전이금속 칼코지나이드계 화합물(TMDC)층을 형성하는 단계, 상기 TMDC층 상에 상기 TMDC층 보다 낮은 제벡계수를 가지는 금속층을 형성하는 단계, 상기 금속층을 통해 상기 TMDC층으로 전압을 인가하는 단계 및 상기 인가된 전압에 의해 상기 TMDC층 상에 발생되는 온도 차에 기초하여 상기 TMDC층의 제벡계수를 측정하는 단계를 포함한다.

Description

고저항 TMDC 물질의 제벡계수 측정 방법{METHOD FOR MEASURING SEEBECK COEFFICIENT OF HIGH RESISTANCE TRANSITION METAL DISCHALCOGENIDE MATERIAL}
본 발명은 제벡계수(Seebeck coefficient) 측정 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 저항이 매우 높은 2차원의 층상구조를 가지는 전이금속 칼코지나이드계 화합물(transition metal dichalcogenide, TMDC)에 대한 제벡계수를 측정하기 위한 방법에 관한 것이다.
TMDC는 2차원 나노 물질로, 육각형 격자에서 칼 코겐 원자(보통 셀레늄, 황 또는 텔루 라이드)의 두 층 사이에 XMX(단일 전이금속 원자)가 포함되어 있다. 전이금속 디칼코게나이드는 2차원 그래핀 유사체 중 하나로 간주될 수 있다.
참고로, TMDC의 표준 구조식은 XM2이며, 여기서 M은 전이금속 원소를 나타내고 X는 칼 코겐을 나타낼 수 있다.
TMDC는 촉매특성, 광 발광, 직접 밴드갭 및 높은 내수성을 가지며, 그래핀이나 hBN에 비해 구조적 강도가 훨씬 높다. 이에, TMDC는 약물 또는 유전자 전달, 광열(PTT)/광 역학 치료(PDT) 및 바이오 이미징 분야에 응용될 수 있다.
이러한 TMDC는 열전특성이 매우 우수하여 열전발전(thermoelectric generator)이나 열전냉각(thermoelectric cooling)에 응용할 수 있고, 이는 버려지는 폐열(자동차의 배기가스에서 나오는 열, 보일러에서 사용하고 남은 온수에서 나오는 열)을 이용하여 새로운 친환경 에너지 생산이 가능한 장치에 필요한 물질이라고 할 수 있다.
한편, 제벡효과에 의해 유도된 물질 전체의 온도 차이에 반응하여 유도된 열전 전압의 크기를 나타내는 제벡계수는 열전발전기 또는 열전 냉각기의 효율적인 거동에 중요한 요소 중 하나로서 이를 측정하는 기술이 개발되어 오고 있다.
그러나, 측정하고자 하는 물질의 저항이 높은 경우 전압 측정에 한계가 생겨 제벡계수 측정 또한 불가능해지는 상황이 발생한다. 이에 따라, 제벡계수의 특성을 최대한 보완하여 측정하는 방법의 기술 개발이 필요한 실정이다.
Journal of the Korean Ceramic Society Vol. 47, No.2, pp. 132~135, 2010, 김종영 외 6인
본 발명의 목적은 자체 저항이 매우 높은 2차원 층상구조의 전이금속 칼코지나이드계 물질에 금속물질을 도포하여 전류가 흐를 수 있는 경로를 제공함으로써 전이금속 칼코지나이드계 물질에 대한 제벡계수를 측정하는 방법을 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제(들)로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제(들)은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고저항 TMDC 물질의 제벡계수 측정 방법은 기판 상에 제백계수(Seebeck coefficient)의 측정대상인 전이금속 칼코지나이드계 화합물(TMDC)층을 형성하는 단계, 상기 TMDC층 상에 상기 TMDC층 보다 낮은 제백계수를 가지는 금속층을 형성하는 단계, 상기 금속층을 통해 상기 TMDC층으로 전압을 인가하는 단계 및 상기 인가된 전압에 의해 상기 TMDC층 상에 발생되는 온도 차에 기초하여 상기 TMDC층의 제벡계수를 측정하는 단계를 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 TMDC층은 이황화 몰리브덴(MoS2), 이황화 티탄(TiS2), 이황화 텅스텐(WS2) 및 이셀레늄화 텅스텐(WSE2) 중 하나를 포함하는 화합물층일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 금속층은 백금(Pt)을 포함하는 제1 금속층 또는 구리(Cu)를 포함하는 제2 금속층을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 TMDC층의 제벡계수는 상기 금속층의 제벡계수 대비 100 내지 200배 일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 TMDC층의 제벡계수를 측정하는 단계는
상기 TMDC층으로 인가된 전압에 의해 상기 TMDC층 상에 발생되는 온도 차를 측정하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 TMDC층의 제벡계수를 측정하는 단계는 상기 TMDC층 상에 발생되는 온도 차에 따라 유도된 기전력을 측정하고, 상기 온도 차에 대한 상기 기전력의 변화량에 기초하여 상기 제벡계수를 측정할 수 있다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 첨부 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 자체 저항이 매우 높은 2차원 층상구조의 전이금속 칼코지나이드계 물질에 금속물질을 도포하여 전류가 흐를 수 있는 경로를 제공함으로써 전이금속 칼코지나이드계 물질에 대한 제벡계수를 측정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고저항 TMDC 물질의 제벡계수 측정 방법을 설명하기 위해 도시한 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 있어서, 금속층이 도포된 고저항 TMDC 물질을 예시한 도면이다.
도 3은 도 2의 금속층이 도포된 고저항 TMDC 물질을 구체적으로 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 4는 도 2의 금속층이 도포된 고저항 TMDC 물질을 나타낸 단면도이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 있어서, 백금(Pt)을 포함하는 금속층이 형성된 TMDC층과 금속층이 형성되지 않은 TMDC층에 대하여 온도편차에 따른 전위차의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 있어서, 백금(Pt)을 포함하는 금속층이 형성된 TMDC층의 제벡계수를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 있어서, 구리(Cu)를 포함하는 금속층이 형성된 TMDC층에 대하여 온도편차에 따른 전위차의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 있어서, 구리(Cu)를 포함하는 금속층이 형성된 TMDC층의 제벡계수를 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 있어서, 백금(Pt)을 포함하는 금속층이 형성된 TMDC층의 광전류 변화를 나타낸 그래프이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 설명하되, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 한편 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다. 또한 상세한 설명을 생략하여도 본 기술 분야의 당업자가 쉽게 이해할 수 있는 부분의 설명은 생략하였다.
명세서 및 청구범위 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 포함한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고저항 TMDC 물질의 제벡계수 측정 방법을 설명하기 위해 도시한 흐름도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 있어서, 금속층이 도포된 고저항 TMDC 물질을 예시한 도면이고, 도 3은 도 2의 금속층이 도포된 고저항 TMDC 물질을 구체적으로 설명하기 위해 도시한 도면이다.
설명에 앞서, 본 발명에서는 100 MOhm 이상의 저항이 매우 높은 2차원의 층상구조를 가지는 전이금속 칼코지나이드계 화합물(transition metal dichalcogenide, TMDC)에 대한 제벡계수를 측정하기 위한 장치로서, 2개의 서로 다른 금속 즉, 철이나 구리 등을 상기 물질에 접합하여 2개의 접점을 형성하고, 각 접점에서 발생되는 온도 차에 따라 유도된 기전력을 측정하는 측정장치를 사용한다.
구체적으로, 제벡계수의 측정대상인 TMDC 물질에 전압을 인가하면 열이 발생하여 고온에서 저온으로의 열전달이 진행되면서 서로 다른 두 접점 간의 온도 차가 발생하고, 이로 인해 캐리어들이 이동하여 각 접점 간에 전위 차가 발생하게 된다. 이때, 전위 차에 대한 전위값을 온도 차에 대한 온도값으로 나눈 값이 제벡계수가 되어 측정이 이루어지는 것이다.
이에, 본 발명에서는 측정대상인 물질에 전압을 흘려 보내주기 위한 전압 인가부(미도시)와, 상기 물질에 대한 저항, 온도 및 전압 등을 계측하기 위한 일반적인 계측수단을 포함하여 다양한 방식의 측정 장치를 통해 고저항TMDC 물질의 제벡계수를 측정하고자 한다.
도 1을 참조하면, 단계(S110)에서 기판 상에 제벡계수의 측정대상인 전이금속 칼코지나이드계 화합물(TMDC)층을 형성할 수 있다.
일 실시예로, 기판은 규소(Si) 또는 이산화규소(SiO2)를 포함하는 물질층으로 이루어질 수 있다.
일 실시예로, TMDC층은 이황화 몰리브덴(MoS2), 이황화 티탄(TiS2), 이황화 텅스텐(WS2) 및 이셀레늄화 텅스텐(WSE2) 중 하나를 포함하는 화합물층을 포함할 수 있다.
TMDC는 2차원 층상구조의 나노 물질로, 육각형 격자에서 칼 코겐 원자(보통 셀레늄, 황 또는 텔루 라이드)의 두 층 사이에 XMX(단일 전이금속 원자)가 포함되어 있다. 전이금속 디칼코게나이드는 2차원 그래핀 유사체 중 하나로 간주될 수 있다. 참고로, TMDC의 표준 구조식은 MX2이며, 여기서, M은 전이 금속 원소, 예컨대, 티타늄, 몰리브덴, 텅스텐 및 니오브 중 하나를 나타내고, X는 칼 코겐을 나타낼 수 있다.
다음으로, 단계(S120)에서 TMDC층 상에 TMDC층 보다 낮은 제벡계수를 가지는 금속층을 형성할 수 있다. 이때, 금속층은 TMDC층의 상부에 전체적으로 도포될 수 있다.
저항이 매우 높은 TMDC의 경우 전압자체를 측정할 수 없어 제벡계수를 측정하기 불가한 점을 개선하고자, 본 발명에서는 TMDC층 상에 상대적으로 낮은 제벡계수를 가지는 금속층을 도포하여 TMDC층의 전압을 측정하기 위한 전류흐름 경로를 형성할 수 있다.
여기서, 금속층은 백금(Pt)을 포함하는 제1 금속층 또는 구리(Cu)를 포함하는 제2 금속층을 포함할 수 있다.
상기와 같은 구조에 따르면, 금속층에 대한 제벡 정보가 도출되어야 하나, 본 발명의 금속층은 TMDC 물질보다 매우 낮은 제벡계수를 가지기 때문에 금속층 하부에 형성된 TMDC층의 제벡계수를 도출하는 것이 가능하다.
일 실시예로, TMDC층의 제벡계수는 상기 금속층의 제벡계수 대비 100 내지 200배 이상인 것을 특징으로 한다. 예컨대, 금속층의 제벡계수는 2 내지 3 uV/K 의 값을 가질 수 있고, TMDC층의 제벡계수는 200 내지 700 uV/K 의 값을 가질 수 있다.
다음으로, 단계(S130)에서 금속층을 통해 TMDC층으로 전압을 인가할 수 있다.
구체적으로, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, TMDC층의 양단에는 소정 크기의 전극층이 구비될 수 있다. 이로 인해 TMDC층과 전극층 및 TMDC층과 금속층 간의 접합(junction)이 형성되며, 금속층과 전극층을 통해 TMDC층으로 전압을 인가하여 TMDC층의 제벡계수에 대한 정보를 획득할 수 있게 되는 것이다.
다음으로, 단계(S140)에서 인가된 전압에 의해 TMDC층 상에 발생되는 온도 차에 기초하여 TMDC층의 제벡계수를 측정할 수 있다.
구체적으로, 전압 인가 후, TMDC층의 열전특성에 의해 열이 발생하며 고온에서 저온으로의 열전달이 진행되면서 TMDC층 양단에 대하여 서로 다른 두 접점 간의 온도 차가 발생하게 된다. 이로 인해, 캐리어들이 이동하여 각 접점 간에 전위 차가 발생하게 되며, 이때, 전위 차에 대한 전위값을 온도 차에 대한 온도값으로 나눈 값이 제벡계수가 되어 측정이 이루어질 수 있다.
이로써, 본 발명의 실시예들에 따르면, 자체 저항이 매우 높은 2차원 층상구조의 전이금속 칼코지나이드계 물질에 금속물질을 도포하여 전류가 흐를 수 있는 경로를 제공함으로써 전이금속 칼코지나이드계 물질에 대한 제벡계수를 측정할 수 있다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 있어서, 백금(Pt)을 포함하는 금속층이 형성된 TMDC층과 금속층이 형성되지 않은 TMDC층에 대하여 온도편차에 따른 전위차의 변화를 나타낸 그래프이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 있어서, 백금(Pt)을 포함하는 금속층이 형성된 TMDC층의 제벡계수를 나타낸 그래프이다.
도 5는 이황화 텅스텐(WS2) 또는 이셀레늄화 텅스텐(WSE2)을 포함하는 TMDC층 상에 백금(Pt)을 포함하는 금속층이 형성된 경우(Pt/WS2, Pt/WSe2)와 형성되지 않은 경우(WS2, WSe2)에 대하여 TMDC층의 온도편차에 따른 전위차의 변화를 나타낸 그래프이다. 여기서, 전위차의 단위는 마이크로볼트(μV)에 해당한다.
도 5를 참조하면, TMDC층 상에 금속층이 형성되지 않은 경우에는 TMDC층의 자체저항이 매우 높아 출력전압이 발생하지 않는 반면에, TMDC층 상에 금속층이 형성된 경우에는 금속층이 TMDC층에 전류흐름 경로를 제공함에 따라 TMDC층에 전류가 흐르게 되어 열이 발생되되 열전특성에 의해 온도 차가 형성되며, 온도편차가 커질수록 전위차 또한 커지게 되는 것을 알 수 있다.
도 6은 이황화 몰리브덴(MoS2) 또는 이황화 텅스텐(WS2) 또는 이셀레늄화 텅스텐(WSE2)을 포함하는 TMDC층 상에 백금(Pt)을 포함하는 금속층이 형성된 경우(Pt/MoS2,Pt/WS2, Pt/WSe2)에 대하여 TMDC층의 온도편차에 따른 전위차의 변화를 나타내고, TMDC층을 제외한 백금(Pt)을 포함하는 금속층 자체에 대하여 온도편차에 따른 전위차의 변화를 나타낸 그래프이다. 여기서, 전위차의 단위는 밀리볼트(mV)에 해당한다.
도 6을 참조하면, TMDC층 상에 금속층이 형성된 경우에는 금속층이 TMDC층에 전류흐름 경로를 제공함에 따라 TMDC층에 전류가 흐르게 되어 열이 발생되되 열전특성에 의해 온도 차가 형성되며, 온도편차가 커질수록 전위차 또한 커지게 되는 것을 알 수 있다. 또한, 이셀레늄화 텅스텐(WSE2), 이황화 텅스텐(WS2), 이황화 몰리브덴(MoS2)의 순서대로 전위차가 커지는 것을 확인할 수 있다. 한편, TMDC층 없이 금속층 자체에 대해서는 온도편차가 커질수록 전위차의 변화는 거의 없는 것을 알 수 있다.
도 7은 백금(Pt)을 포함하는 금속층이 형성된 TMDC층의 제벡계수와 금속층 자체의 제벡계수를 비교한 그래프이다.
도 7을 참조하면, 금속층 자체의 제벡계수는 2.7μV/K의 값을 가지며, 금속층이 형성된 TMDC층의 제벡계수는 -112μV/K(WSE2), -184μV/K(WS2), -198μV/K(MoS2)의 값을 가지는 것을 알 수 있다. 이에 따라, 금속층이 형성된 TMDC층의 제벡계수는 매우 작은 값을 가지는 금속층의 제벡계수로 측정되지 않고 TMDC층 자체의 제벡계수로 측정될 수 있음을 확인할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 있어서, 구리(Cu)를 포함하는 금속층이 형성된 TMDC층에 대하여 온도편차에 따른 전위차의 변화를 나타낸 그래프이고, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 있어서, 구리(Cu)를 포함하는 금속층이 형성된 TMDC층의 제벡계수를 나타낸 그래프이다.
도 8은 이황화 몰리브덴(MoS2)을 포함하는 TMDC층 상에 구리(Cu)를 포함하는 금속층이 형성된 경우(Cu/MoS2)에 대하여 TMDC층의 온도편차에 따른 전위차의 변화를 나타내고, TMDC층을 제외한 구리(Cu)를 포함하는 금속층 자체에 대하여 온도편차에 따른 전위차의 변화를 나타낸 그래프이다. 여기서, 전위차의 단위는 밀리볼트(mV)에 해당한다.
도 8을 참조하면, TMDC층 상에 금속층이 형성된 경우에는 금속층이 TMDC층에 전류흐름 경로를 제공함에 따라 TMDC층에 전류가 흐르게 되어 열이 발생되되 열전특성에 의해 온도 차가 형성되며, 온도편차가 커질수록 전위차 또한 커지게 되는 것을 알 수 있다. 한편, TMDC층 없이 금속층 자체에 대해서는 온도편차가 커질수록 전위차의 변화는 거의 없는 것을 알 수 있다.
도 9는 구리(Cu)를 포함하는 금속층이 형성된 TMDC층의 제벡계수와 금속층 자체의 제벡계수를 비교한 그래프이다.
도 9를 참조하면, 금속층 자체의 제벡계수는 6.8μV/K의 값을 가지며, 금속층이 형성된 TMDC층의 제벡계수는 -376μV/K(MoS2)의 값을 가지는 것을 알 수 있다. 이에 따라, 금속층이 형성된 TMDC층의 제벡계수는 매우 작은 값을 가지는 금속층의 제벡계수로 측정되지 않고 TMDC층 자체의 제벡계수로 측정될 수 있음을 확인할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 있어서, 백금(Pt)을 포함하는 금속층이 형성된 TMDC층의 광전류 변화를 나타낸 그래프이다.
도 10은 이황화 몰리브덴(MoS2)을 포함하는 TMDC층 상에 백금(Pt)을 포함하는 금속층이 형성된 경우(Pt/MoS2)와 형성되지 않은 경우(MoS2)에 대하여 시간에 따른 광전류(photocurrent) 변화를 전압으로 나타낸 그래프이다. 여기서, 광전류 변화는 각 TMDC층 상에 LED 빛을 비추어 발생되는 전류 변화에 해당한다.
도 10을 참조하면, TMDC층 상에 금속층이 형성되지 않은 경우에는 TMDC층에 LED 빛을 on 또는 off 함에 따라 광전류가 반응하여 전압의 변화가 발생하는 반면에, TMDC층 상에 금속층이 형성된 경우에는 TMDC층이 금속층에 가려져 LED 빛을 on 또는 off 하더라도 광전류가 반응하지 못해 전압의 변화가 발생하지 않는 것을 알 수 있다.
상술한 예시적인 시스템에서, 방법들은 일련의 단계 또는 블록으로써 순서도를 기초로 설명되고 있지만, 본 발명은 단계들의 순서에 한정되는 것은 아니며, 어떤 단계는 상술한 바와 다른 단계와 다른 순서로 또는 동시에 발생할 수 있다.
또한, 당업자라면 순서도에 나타낸 단계들이 배타적이지 않고, 다른 단계가 포함되거나 순서도의 하나 또는 그 이상의 단계가 본 발명의 범위에 영향을 미치지 않고 삭제될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (6)

  1. 기판 상에 제벡계수(Seebeck coefficient)의 측정대상인 전이금속 칼코지나이드계 화합물(TMDC)층을 형성하는 단계;
    상기 TMDC층 상에 상기 TMDC층 보다 낮은 제벡계수를 가지는 금속층을 형성하는 단계;
    상기 금속층을 통해 상기 TMDC층으로 전압을 인가하는 단계; 및
    상기 인가된 전압에 의해 상기 TMDC층 상에 발생되는 온도 차에 기초하여 상기 TMDC층의 제벡계수를 측정하는 단계
    를 포함하고,
    상기 금속층은 백금(Pt)을 포함하는 제1 금속층 또는 구리(Cu)를 포함하는 제2 금속층을 포함하고, 상기 TMDC층의 상부에 전체적으로 도포되는 것을 특징으로 하는 고저항 TMDC 물질의 제벡계수 측정 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 TMDC층은 이황화 몰리브덴(MoS2), 이황화 티탄(TiS2), 이황화 텅스텐(WS2) 및 이셀레늄화 텅스텐(WSE2) 중 하나를 포함하는 화합물층인 것을 특징으로 하는 고저항 TMDC 물질의 제벡계수 측정 방법.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 TMDC층의 제벡계수는 상기 금속층의 제벡계수 대비 100 내지 200배인 것을 특징으로 하는 고저항 TMDC 물질의 제벡계수 측정 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 TMDC층의 제벡계수를 측정하는 단계는
    상기 TMDC층으로 인가된 전압에 의해 상기 TMDC층 상에 발생되는 온도 차를 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고저항 TMDC 물질의 제벡계수 측정 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 TMDC층의 제벡계수를 측정하는 단계는
    상기 TMDC층 상에 발생되는 온도 차에 따라 유도된 기전력을 측정하고, 상기 온도 차에 대한 상기 기전력의 변화량에 기초하여 상기 제벡계수를 측정하는 것을 특징으로 고저항 TMDC 물질의 제벡계수 측정 방법.
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